ロータリーソレノイド
【課題】薄型で高効率に駆動可能で、回転角度範囲を大きく設定できる遊技機器の発射装置等に適用されるロータリーソレノイドを提供する。
【解決手段】４極の構成でステータ突極とマグネットの空隙に不均一部分を設けることで、コギングトルク波形と逆起電力波形の位相関係をずらし、初期位置で大きな起動トルクを得る。また、連続する負のコギングトルク発生範囲を広げて、回転角度範囲を極力大きくする。起動トルクと回転角度範囲のアップの相乗効果により、遊技球の打撃角速度を大幅に増加させ、通電時間を短縮させて高効率に運転できる。
【解決手段】４極の構成でステータ突極とマグネットの空隙に不均一部分を設けることで、コギングトルク波形と逆起電力波形の位相関係をずらし、初期位置で大きな起動トルクを得る。また、連続する負のコギングトルク発生範囲を広げて、回転角度範囲を極力大きくする。起動トルクと回転角度範囲のアップの相乗効果により、遊技球の打撃角速度を大幅に増加させ、通電時間を短縮させて高効率に運転できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、遊戯球を打ち出す装置に使用され、回転子が所定の回転角度の範囲で往復運動するように構成されたロータリーソレノイドに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から遊技球を打ち出す発射装置は多種方式が使用されてきている。図６（ａ），（ｂ）は最も簡略化されたこの種発射装置の動作原理図を示したものである。装置のベース１の裏面にはロータリーソレノイド２が取り付けられ、ロータリーソレノイド２の回転軸３がベース１を貫通して上面に導出され、この端部にアーム４が取り付けられている。アーム４の先端にはコイルバネ５が装着され、アーム４の回動に伴ってコイルバネ５を介して遊技球６を発射するようになっている。アーム４が回動する回転角度範囲は第1のストッパ７及び第２のストッパ８により設定されている。
図６（ａ）はアーム４が初期位置に停止している状態で、アーム４はロータリーソレノイド２のコギングトルクにより第1のストッパ７に当接して保持されている。
図６（ｂ）はロータリーソレノイド２の巻線に通電され励磁されることでＣＷ方向にアーム４が回転して、アーム４の先端のコイルバネ５が遊技球６をたたき、遊技球６を発射させた状態を示している。その直後に巻線への通電が遮断され、アーム４は第２のストッパ８に当接することでそれ以上の回転が抑制され、その直後、負（ＣＣＷ方向）のコギングトルクにより図６（ａ）の状態に戻る。
【０００３】
従来使用されている遊技装置の発射装置としては、例えば特開２００４−１７２３５３号公報の従来例として記載されたものがある。
図７は２極のインナーロータ型のロータリーソレノイドの構造を示したものであり、同図（ａ），（ｂ）はそれぞれ平面図，正面図である。ロータリーソレノイドのステータ１１は、ロータリーソレノイドの外形を構成する円環状ステータコア１２と、ステータコア１２の内周の向かい合う位置の２箇所に内方に突出形成された主磁極１３と、主磁極１３のそれぞれの先端に形成されたステータ突極１４と、主磁極１３にそれぞれ巻装された巻線１５とにより構成され、ステータ１１に対向するように設けられたロータ１６は、ステータコア１２の中心位置に配置されたロータ軸１７の周面に各主磁極１３のステータ突極１４に対向するように固着されたセグメント型のマグネット１８とよりなる。このロータリーソレノイドはマグネット磁極数とステータ突極数は同一として構成されている。
【０００４】
図８は図７に示す２極のインナーロータ型のロータリーソレノイドのトルク特性を示すものである。横軸はロータリーソレノイドのロータ１６の回転角度であり、縦軸がトルク特性を示しＣＷ方向を正方向としている。図８において、Ｔ１はコギングトルク波形、Ｔ２は電流値２Ａを通電した場合のトルク波形を示す。負のコギングトルクの発生範囲は約９０度である。初期位置ではコギングトルクはＰ点で示す大きさであり、ほぼ２５ｍＮ・ｍの負トルクを有していて、そのコギングトルク力により、図６（ａ）に示すように、アーム４は第１のストッパ７に接触して保持されている。
初期位置での起動トルク値はＲ点で示され、約５０ｍＮ・ｍを得ている。Ｓ点は打撃点でのトルクを示し、打撃直後に通電が断たれる。回転角度範囲は２１５度のＲ点で通電して、２６０度のＳ点で遮断し、約４５度の間で巻線に通電していることになる。通電遮断後Ｑ点の負方向のコギングトルク約１０ｍＮ・ｍにより初期位置のＰ点に復帰する。
【０００５】
一方、近年では、遊技装置の複雑化と発射装置の簡略化からロータリーソレノイドの薄型化の要求が強く、例えば、特開２００７−３０７３０６号公報に記載のように、マグネットの磁極数を６、突極数を６として巻線のコイルエンド高さを低減して薄型化を図るものがある。
【０００６】
また、現在では、４極のアウターロータ型のロータリーソレノイドも使用されている。図９はアウターロータ型のロータリーソレノイドを示したものであり、同図（ａ），（ｂ）はそれぞれ平面図，正面図である。ロータリーソレノイドのステータ２１は、バックヨークを構成する円環状ステータコア２２と、ステータコア２２の外周の４箇所等間隔の位置に外方に突出形成された主磁極２３と、主磁極２３のそれぞれの先端に形成されたステータ突極２４と、主磁極２３にそれぞれ巻装された巻線２５とにより構成され、ステータ２１に対向するように設けられたロータ２６は、回転自在に支持された円筒状ロータホルダ２７の内周面に各主磁極２３のステータ突極２４に対向するようにマグネット２８を固着してなる。マグネット２８は周方向に異なる磁極（Ｎ極，Ｓ極）が４極着磁された円筒状のものを用いる以外に、円弧状の４個のセグメント型を用いることもできる。４極構造では、ステータ２１の４ケ所もの主磁極２３にそれぞれ巻線２５が施されるため、２極構造に比べて主磁極１ケ所の巻線数が半減され、その結果として、巻線コイルエンドが低く抑えられて、全体として薄型化対応が可能となる。６極構造では更に薄型化が図れることになる。
【０００７】
図１０は、上記した４極のロータリーソレノイドのトルク特性を示すものであり、コギングトルク波形Ｔ１及び通電時のトルク波形Ｔ２における各点Ｐ，Ｑ、Ｒ，Ｓはそれぞれ図８で説明したものに相当する。この場合、負のコギングトルクの発生範囲は４５度であるが、初期位置と打球時位置として使用できる回転角度範囲は約３０度と狭くなってしまう。
【０００８】
図１１は、コギングトルク波形Ｔ１と逆起電力波形Ｔ３の位相の関係を示すものである。逆起電力波形Ｔ３はトルク定数の瞬時値と同一と考えられるため、巻線に通電すると得られる通電トルク波形Ｔ２は逆起電力と相似形である。ロータリーソレノイドの１回転中のコギングトルクの発生回数はマグネット磁極数の４と突極数の４から最小公倍数は４となり１回転で４サイクルである。一方、逆起電力はマグネット磁極数が４であるから、１回転２サイクルである。また、一般的な突極形状では、逆起電力値の零点とコギングトルクの零点は図１１のように一致している。
【０００９】
ここで、発射装置に於ける動作回転角度範囲が、発射される遊技球初速度に大きく影響することを説明する。
２個の物体が衝突する場合、第１の物体の質量ｍ１、第２の物体の質量ｍ２、第１の物体の初期速度ｖ１、第２の物体の初期速度ｖ２、第１の物体の衝突後速度ｖ１’、 第２の物体の衝突後速度ｖ２’とすれば、「運動量保存の法則」から次の（１）式が成立する。
ｍ１・ｖ１＋ｍ２・ｖ２＝ｍ１・ｖ１’＋ｍ２・ｖ２’ ・・・・・（１）
また、第１の物体が回転運動している場合は、衝突直前の角速度をω、慣性モーメントをＪとすれば、「エネルギー保存の法則」から、（Ｊ・ω２）／２＝（ｍ１・ｖ１２）／２であるから、第１の物体の質量は等価的に次の（２）式で表される。
ｍ１＝（ω２／ｖ１２）・Ｊ ・・・・・（２）
一方、第１の物体の初期速度は、回転半径をｒとすれば、ｖ１＝ｒ・ωと表せる。よって、次の（３）式が得られる。
ｍ１＝（ω２／（ｒ・ω）２）・Ｊ＝Ｊ／ｒ２ ・・・・・（３）
また、第１の物体の質量ｍ１と第２の物体の質量ｍ２の衝突による反発係数をｅとすると、次の（４）式が得られる。
ｅ＝（ｖ２’― ｖ１’）／（ｖ１−ｖ２） ・・・・・（４）
第２の物体は衝突直前に停止しているものとすると、ｖ２＝０であるから、第２の物体の衝突直後の速度は、（１）式と（４）式から、
ｖ２’＝（ｍ１・（１＋ｅ）・ｖ１）／（ｍ１＋ｍ２）
と表せる。
第１の物体をアーム、第２の物体を遊技球と考えると、
ｖ２’＝｛ｍ１／（ｍ１＋ｍ２）｝・（１＋ｅ）・ｒ・ω
と表せる。
遊技球の質量は５．５ｇと言われている。またロータリーソレノイドを含むアームの慣性モーメントをＪ＝７００ｇ・ｃｍ２、アームの回転半径をｒ＝７ｃｍとすると、ｍ１＝１４ｇと計算される。両者の質量は比率的に無視できる値では無いので遊技球の初速度に影響を与える。
【００１０】
同一形状で同一構造のロータリーソレノイドとアームを使用した場合では、遊技球の衝突直後の初速度は、打撃時のアーム角速度によりほぼ決まると言える。アーム角速度を大きく取るには、起動トルクを大きくとることと、回転角度範囲を広く取ることが重要であり、これにより、アームの加速領域を長くし、アームと球技球の衝突直前のアーム角速度ωを大きくすることができ、球技球の初速度を大きくすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−１７２３５３号公報
【特許文献２】特開２００７−３０７３０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特開２００４−１７２３５３号公報のような２極のロータリーソレノイドの構造では、巻線がステータ主磁極の２ケ所に集中するため、コイルエンドが高くなるという欠点が生じ、結果的にロータリーソレノイドの薄型化には対応できない。
【００１３】
また、特開２００７−３０７３０６号公報に記載のものは、マグネットの磁極数を６、突極数を６として薄型化が可能であるが、コギングトルクが負に連続して発生する角度が３０度であり、使用できる回転角度範囲は２０度程度と推定される。上述したように回転角度範囲が狭いと、アームの加速領域が不十分で、打撃時の角速度を大きくできない。結果として遊技球の初速が得られにくいという欠点がある。
【００１４】
また、従来の４極の構造については、図１０と図１１に示すように、初期位置での逆起電力値が小さいので起動トルクが小さいことと、動作角度範囲が狭いことで加速性が悪いという大きな問題がある。加速性が悪いと遊技球の初速度が小さくなり、目的の位置まで飛ばせない状態も発生する。更に、速度が小さいため、巻線に通電される時間が長くなり、ロータリーソレノイド自体の温度上昇値も大きくなってしまう。また、遊技機器を設置する店舗では、大きな電力設備が必要になるため、省エネルギー化も重要視される。
【００１５】
本発明は、上記問題点に留意してなされたものであり、４極構造で上述した問題点を解決し、薄型で高効率に駆動可能で、回転角度範囲も大きく設定できるロータリーロレノイドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明のロータリーソレノイドにあっては、４極構造でコイルエンド高さを低減し、コギングトルクが連続して負となる発生範囲を４５度から広げる構造で、逆起電力波形とコギングトルク波形の位相をシフトするために、マグネットと突極の空隙を不均一にする。結果的に初期位置での逆起電力値が大きく得られることで、起動トルクも大きくなり、動作角度範囲の広がりとの相乗効果で遊技球の初速度を大きく取ることが出来る。
【００１７】
逆起電力波形の半周期の平均値よりも、使用する回転角度範囲での逆起電力平均値が大きな範囲で使用することで、高効率に遊技球の初速度を確保できることになる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、以下に記載のような優れた特徴を有し遊技球発射装置用としても好適なロータリーソレノイドが構成できる。
（１）ロータリーソレノイドを４極構造とし、巻線のコイルエンド部分を薄くでき、例えば薄型の遊技機器にも適用できる。
（２）初期位置で起動トルクが大きく取れて、アームの加速性が向上し、遊戯機器に適用した場合には、遊技球の初速度を向上させることができる。
（３）例えば遊戯機器に適用した場合における初期位置と打球時位置の動作角度範囲を広げることができ、遊技球の初速度を向上できる。
（４）初期位置と打球時位置間の負のコギングトルク特性が適正に得られ、アームを安定して駆動できる。
（５）通電時間が短縮され、ロータリーソレノイド自体の発熱を低減できる。また、高効率化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態によるロータリーソレノイドの要部構造を示し、（ａ）は切断平面図、（ｂ）は切断正面図である。
【図２】図１のロータリーソレノイドにおけるトルク特性図である。
【図３】図１のロータリーソレノイドのコギングトルク波形と逆起電力波形の関係を示す図である。
【図４】図１のロータリーソレノイドの起動特性図である。
【図５】本発明の他の実施形態によるロータリーソレノイドの要部構造を示し、（ａ）は切断平面図、（ｂ）は切断正面図である。
【図６】簡略化した遊技機器の発射装置の動作原理図である。
【図７】従来の２極のロータリーソレノイドの構造を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図８】図７のロータリーソレノイドのトルク特性図である。
【図９】従来の４極のロータリーソレノイドの構造を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図１０】図９のロータリーソレノイドのトルク特性図である。
【図１１】図９のロータリーソレノイドのコギングトルク波形と逆起電力波形の関係を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面によって本発明の実施形態について説明する。
＜一実施形態＞
本発明によるロータリーソレノイドの一実施形態を図１〜図５を用いて説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一実施形態によるロータリーソレノイドの構造を示したものである。ロータリーソレノイドのベースとなるハウジング３０に軸受ボックス３２が固定され、この軸受ボックス３２にステータ３４が支持されている。ステータ３４は回転中心と同心状に配置されバックヨークとなる円環状ステータコア３５と、ステータコア３５の外周の４箇所等間隔の位置に径方向外方に向けて突出形成された４個の主磁極３６と、主磁極３６のそれぞれの先端に形成されたステータ突極３７と、各主磁極３６にそれぞれ巻装された巻線３８とにより構成されている。ステータ３４に対向するように設けられたロータ４０は、回転自在に支持された円筒状周壁を有する逆カップ状のロータホルダ４１と、ロータホルダ４１の周壁内周面に各主磁極３６のステータ突極３７に対向するように装着された円筒状マグネット４２と、ロータホルダ４１の天壁の中央部に固着された回転軸４３とにより構成されている。回転軸４３はステータコア３５の内周部に挿通され、軸受ボックス３２において回転自在に支持されている。実際には、軸受ボックス３２の一部がステータコア３５に内嵌され、回転軸４３がこの軸受ボックス３２に保持された軸受にて支持されている。マグネット４２は周方向に異なる磁極が４極着磁された円筒状のものが用いられているが、これ以外に、円弧状の４個のセグメント型マグネットを用いることもできる。
【００２２】
ここで、ステータ３４の各ステータ突極３７外周面とロータ４０のマグネット４２内周面との間の空隙には、不均一部分４４が設けられている。より具体的には、ステータ突極３７の外周部の一部を切除した形状にすることにより不均一部分４４が形成され、この切除した形状がステータ突極３７の周方向中心部から時計方向側に向かうに従い徐々に切除深さを大きくした形に設定されている。こうすることで、トルク特性とコギングトルク特性の位相がずれ、更に連続する負のコギングトルクの発生範囲を増加させるように構成することができる。
【００２３】
図３は、本発明のロータリーソレノイドのコギングトルク波形Ｔ１と逆起電力波形Ｔ３の位相関係を示すものである。図１１の従来の均一空隙のものと比較して、コギングトルク波形Ｔ１と逆起電力波形Ｔ３の位相関係がずれていることが分かる。図３のＶａは逆起電力波形の半周期の平均値であり、Ｖｅは初期位置と打撃時位置の角度範囲での逆起電力波形の平均値である。従来の均一空隙のものは、Ｖａ＞Ｖｅであるが、本発明のものはＶａ＜Ｖｅであることが分かる。その結果、本発明では初期位置での逆起電力値が大きい点から起動するため、起動トルクも大きな値が得られる。
【００２４】
図２は、本発明によるロータリーソレノイドのトルク特性を示すものである。横軸はロータリーソレノイドの回転角度であり、縦軸がトルク特性を示しＣＷ方向を正方向としている。同図においてＴ１はコギングトルク特性、Ｔ２は電流値２Ａを通電した場合のトルク特性を示す。初期位置ではコギングトルクＴ１の大きさはＰ点であり、ほぼ５０ｍＮ・ｍの負トルクを有しており、このロータリーソレノイドを図６で説明した遊戯機器の発射装置に適用した場合、Ｐ点のコギングトルク力により、図６のアーム４は第１のストッパ７に接触して保持される。初期位置での起動トルク値はＲ点で示され、約１８０ｍＮ・ｍを得ている。Ｓ点は打撃点でのトルクを示し、打撃直後に通電が切断され、Ｑ点の負方向のコギングトルクにより、初期位置のＰ点に復帰する。連続する負のコギングトルクの発生範囲は５２度であり、回転角度範囲は約４２度を確保できる。
【００２５】
図４は、前記図９で説明した従来の４極構造のロータリーソレノイドと本発明の一実施形態によるロータリーソレノイドとの起動特性をシミュレーションにより比較したものである。横軸は通電開始後の時間を示し、上段は機械的な回転角度、下段はアーム４の回転角速度をそれぞれ示す。
【００２６】
従来のロータリーソレノイドにおいては、特性曲線Ｈ１、Ｈ２に示すように、回転角度が所定角度（例えば４０度）に達する迄に約２８ｍｓを要していたのに対し、本発明のロータリーソレノイドにおいては、特性曲線Ｈ３，Ｈ４に示すように、起動から１６ｍｓで所定角度（機械角約４０度）に達し、その時の角速度は５０ｒａｄ／ｓである。従来の４極のロータリーソレノイドの約２倍の角速度が得られ、遊技球の初速度も２倍近くが得られることがわかる。
【００２７】
図５は本発明の他の実施形態によるロータリーソレノイドの構造を示したものである。図５において、図１と同一符号のものは同一もしくは相当するものを示すものとする。
この実施形態では、ステータ突極３６とマグネット４２との空隙が周方向において均一の状態でも、トルク特性とコギングトルク特性の位相をずらすことが可能な構造を提供するものである。すなわち、この実施形態では、ハウジング３０におけるマグネット４２の端面との対応する位置の内周側に軟磁性材料からなる金属体５０を配置したことを特徴とするものである。具体的には、この金属体５０は、図５（ａ）に示すように、固定子３４の一つの主磁極３６のステータ突極３７の中央から反時計方向に偏倚した部分に軸方向に対向して配置されている。
【００２８】
このように、軟磁性材料からなる金属体５０を設けることにより、この金属体５０にマグネット磁極が吸引されることで、ロータとステータとの周方向エアギャップの磁束分布に不均一性が生じ、上述したステータ突極とマグネットとの空隙磁束分布が不均一に生じるトルク特性とコギングトルク特性の位相関係と同等の特性を得ることが可能となる。
【００２９】
上述のような金属体５０は、図５（ａ）のように、一つの主磁極３６のステータ突極３７に対応して設ける以外に、同図に１点鎖線に示すように、隣り合う２つの主磁極３６のそれぞれのステータ突極３７に対応して２つの金属体５０，５２を設けるようにしてもよい。
また、一実施形態のような空隙の不均一性構造と、他の実施形態のような軟磁性材料の金属体配置構造とを組み合わせる方法も有効な手段である。
【００３０】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した範囲において種々の変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明によれば、薄形の遊技機器に組み込まれる発射装置の動力源として使用されるロータリーソレノイドとして、最適な構造・形態・特徴を保有するため、薄形形状、高トルクによる消費電力の低減、回転角度の増加による球技球の初速度アップ等、全ての特性面の改善がコストアップせずに達成できるという、格別の効果を有するロータリーソレノイドが構成されることになり、広く適用が可能である。
【符号の説明】
【００３２】
３４ ステータ
３６ 主磁極
３７ ステータ突極
３８ 巻線
４０ ロータ
４２ マグネット
４４ 不均一空隙
５０，５２ 金属体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、遊戯球を打ち出す装置に使用され、回転子が所定の回転角度の範囲で往復運動するように構成されたロータリーソレノイドに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から遊技球を打ち出す発射装置は多種方式が使用されてきている。図６（ａ），（ｂ）は最も簡略化されたこの種発射装置の動作原理図を示したものである。装置のベース１の裏面にはロータリーソレノイド２が取り付けられ、ロータリーソレノイド２の回転軸３がベース１を貫通して上面に導出され、この端部にアーム４が取り付けられている。アーム４の先端にはコイルバネ５が装着され、アーム４の回動に伴ってコイルバネ５を介して遊技球６を発射するようになっている。アーム４が回動する回転角度範囲は第1のストッパ７及び第２のストッパ８により設定されている。
図６（ａ）はアーム４が初期位置に停止している状態で、アーム４はロータリーソレノイド２のコギングトルクにより第1のストッパ７に当接して保持されている。
図６（ｂ）はロータリーソレノイド２の巻線に通電され励磁されることでＣＷ方向にアーム４が回転して、アーム４の先端のコイルバネ５が遊技球６をたたき、遊技球６を発射させた状態を示している。その直後に巻線への通電が遮断され、アーム４は第２のストッパ８に当接することでそれ以上の回転が抑制され、その直後、負（ＣＣＷ方向）のコギングトルクにより図６（ａ）の状態に戻る。
【０００３】
従来使用されている遊技装置の発射装置としては、例えば特開２００４−１７２３５３号公報の従来例として記載されたものがある。
図７は２極のインナーロータ型のロータリーソレノイドの構造を示したものであり、同図（ａ），（ｂ）はそれぞれ平面図，正面図である。ロータリーソレノイドのステータ１１は、ロータリーソレノイドの外形を構成する円環状ステータコア１２と、ステータコア１２の内周の向かい合う位置の２箇所に内方に突出形成された主磁極１３と、主磁極１３のそれぞれの先端に形成されたステータ突極１４と、主磁極１３にそれぞれ巻装された巻線１５とにより構成され、ステータ１１に対向するように設けられたロータ１６は、ステータコア１２の中心位置に配置されたロータ軸１７の周面に各主磁極１３のステータ突極１４に対向するように固着されたセグメント型のマグネット１８とよりなる。このロータリーソレノイドはマグネット磁極数とステータ突極数は同一として構成されている。
【０００４】
図８は図７に示す２極のインナーロータ型のロータリーソレノイドのトルク特性を示すものである。横軸はロータリーソレノイドのロータ１６の回転角度であり、縦軸がトルク特性を示しＣＷ方向を正方向としている。図８において、Ｔ１はコギングトルク波形、Ｔ２は電流値２Ａを通電した場合のトルク波形を示す。負のコギングトルクの発生範囲は約９０度である。初期位置ではコギングトルクはＰ点で示す大きさであり、ほぼ２５ｍＮ・ｍの負トルクを有していて、そのコギングトルク力により、図６（ａ）に示すように、アーム４は第１のストッパ７に接触して保持されている。
初期位置での起動トルク値はＲ点で示され、約５０ｍＮ・ｍを得ている。Ｓ点は打撃点でのトルクを示し、打撃直後に通電が断たれる。回転角度範囲は２１５度のＲ点で通電して、２６０度のＳ点で遮断し、約４５度の間で巻線に通電していることになる。通電遮断後Ｑ点の負方向のコギングトルク約１０ｍＮ・ｍにより初期位置のＰ点に復帰する。
【０００５】
一方、近年では、遊技装置の複雑化と発射装置の簡略化からロータリーソレノイドの薄型化の要求が強く、例えば、特開２００７−３０７３０６号公報に記載のように、マグネットの磁極数を６、突極数を６として巻線のコイルエンド高さを低減して薄型化を図るものがある。
【０００６】
また、現在では、４極のアウターロータ型のロータリーソレノイドも使用されている。図９はアウターロータ型のロータリーソレノイドを示したものであり、同図（ａ），（ｂ）はそれぞれ平面図，正面図である。ロータリーソレノイドのステータ２１は、バックヨークを構成する円環状ステータコア２２と、ステータコア２２の外周の４箇所等間隔の位置に外方に突出形成された主磁極２３と、主磁極２３のそれぞれの先端に形成されたステータ突極２４と、主磁極２３にそれぞれ巻装された巻線２５とにより構成され、ステータ２１に対向するように設けられたロータ２６は、回転自在に支持された円筒状ロータホルダ２７の内周面に各主磁極２３のステータ突極２４に対向するようにマグネット２８を固着してなる。マグネット２８は周方向に異なる磁極（Ｎ極，Ｓ極）が４極着磁された円筒状のものを用いる以外に、円弧状の４個のセグメント型を用いることもできる。４極構造では、ステータ２１の４ケ所もの主磁極２３にそれぞれ巻線２５が施されるため、２極構造に比べて主磁極１ケ所の巻線数が半減され、その結果として、巻線コイルエンドが低く抑えられて、全体として薄型化対応が可能となる。６極構造では更に薄型化が図れることになる。
【０００７】
図１０は、上記した４極のロータリーソレノイドのトルク特性を示すものであり、コギングトルク波形Ｔ１及び通電時のトルク波形Ｔ２における各点Ｐ，Ｑ、Ｒ，Ｓはそれぞれ図８で説明したものに相当する。この場合、負のコギングトルクの発生範囲は４５度であるが、初期位置と打球時位置として使用できる回転角度範囲は約３０度と狭くなってしまう。
【０００８】
図１１は、コギングトルク波形Ｔ１と逆起電力波形Ｔ３の位相の関係を示すものである。逆起電力波形Ｔ３はトルク定数の瞬時値と同一と考えられるため、巻線に通電すると得られる通電トルク波形Ｔ２は逆起電力と相似形である。ロータリーソレノイドの１回転中のコギングトルクの発生回数はマグネット磁極数の４と突極数の４から最小公倍数は４となり１回転で４サイクルである。一方、逆起電力はマグネット磁極数が４であるから、１回転２サイクルである。また、一般的な突極形状では、逆起電力値の零点とコギングトルクの零点は図１１のように一致している。
【０００９】
ここで、発射装置に於ける動作回転角度範囲が、発射される遊技球初速度に大きく影響することを説明する。
２個の物体が衝突する場合、第１の物体の質量ｍ１、第２の物体の質量ｍ２、第１の物体の初期速度ｖ１、第２の物体の初期速度ｖ２、第１の物体の衝突後速度ｖ１’、 第２の物体の衝突後速度ｖ２’とすれば、「運動量保存の法則」から次の（１）式が成立する。
ｍ１・ｖ１＋ｍ２・ｖ２＝ｍ１・ｖ１’＋ｍ２・ｖ２’ ・・・・・（１）
また、第１の物体が回転運動している場合は、衝突直前の角速度をω、慣性モーメントをＪとすれば、「エネルギー保存の法則」から、（Ｊ・ω２）／２＝（ｍ１・ｖ１２）／２であるから、第１の物体の質量は等価的に次の（２）式で表される。
ｍ１＝（ω２／ｖ１２）・Ｊ ・・・・・（２）
一方、第１の物体の初期速度は、回転半径をｒとすれば、ｖ１＝ｒ・ωと表せる。よって、次の（３）式が得られる。
ｍ１＝（ω２／（ｒ・ω）２）・Ｊ＝Ｊ／ｒ２ ・・・・・（３）
また、第１の物体の質量ｍ１と第２の物体の質量ｍ２の衝突による反発係数をｅとすると、次の（４）式が得られる。
ｅ＝（ｖ２’― ｖ１’）／（ｖ１−ｖ２） ・・・・・（４）
第２の物体は衝突直前に停止しているものとすると、ｖ２＝０であるから、第２の物体の衝突直後の速度は、（１）式と（４）式から、
ｖ２’＝（ｍ１・（１＋ｅ）・ｖ１）／（ｍ１＋ｍ２）
と表せる。
第１の物体をアーム、第２の物体を遊技球と考えると、
ｖ２’＝｛ｍ１／（ｍ１＋ｍ２）｝・（１＋ｅ）・ｒ・ω
と表せる。
遊技球の質量は５．５ｇと言われている。またロータリーソレノイドを含むアームの慣性モーメントをＪ＝７００ｇ・ｃｍ２、アームの回転半径をｒ＝７ｃｍとすると、ｍ１＝１４ｇと計算される。両者の質量は比率的に無視できる値では無いので遊技球の初速度に影響を与える。
【００１０】
同一形状で同一構造のロータリーソレノイドとアームを使用した場合では、遊技球の衝突直後の初速度は、打撃時のアーム角速度によりほぼ決まると言える。アーム角速度を大きく取るには、起動トルクを大きくとることと、回転角度範囲を広く取ることが重要であり、これにより、アームの加速領域を長くし、アームと球技球の衝突直前のアーム角速度ωを大きくすることができ、球技球の初速度を大きくすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−１７２３５３号公報
【特許文献２】特開２００７−３０７３０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特開２００４−１７２３５３号公報のような２極のロータリーソレノイドの構造では、巻線がステータ主磁極の２ケ所に集中するため、コイルエンドが高くなるという欠点が生じ、結果的にロータリーソレノイドの薄型化には対応できない。
【００１３】
また、特開２００７−３０７３０６号公報に記載のものは、マグネットの磁極数を６、突極数を６として薄型化が可能であるが、コギングトルクが負に連続して発生する角度が３０度であり、使用できる回転角度範囲は２０度程度と推定される。上述したように回転角度範囲が狭いと、アームの加速領域が不十分で、打撃時の角速度を大きくできない。結果として遊技球の初速が得られにくいという欠点がある。
【００１４】
また、従来の４極の構造については、図１０と図１１に示すように、初期位置での逆起電力値が小さいので起動トルクが小さいことと、動作角度範囲が狭いことで加速性が悪いという大きな問題がある。加速性が悪いと遊技球の初速度が小さくなり、目的の位置まで飛ばせない状態も発生する。更に、速度が小さいため、巻線に通電される時間が長くなり、ロータリーソレノイド自体の温度上昇値も大きくなってしまう。また、遊技機器を設置する店舗では、大きな電力設備が必要になるため、省エネルギー化も重要視される。
【００１５】
本発明は、上記問題点に留意してなされたものであり、４極構造で上述した問題点を解決し、薄型で高効率に駆動可能で、回転角度範囲も大きく設定できるロータリーロレノイドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明のロータリーソレノイドにあっては、４極構造でコイルエンド高さを低減し、コギングトルクが連続して負となる発生範囲を４５度から広げる構造で、逆起電力波形とコギングトルク波形の位相をシフトするために、マグネットと突極の空隙を不均一にする。結果的に初期位置での逆起電力値が大きく得られることで、起動トルクも大きくなり、動作角度範囲の広がりとの相乗効果で遊技球の初速度を大きく取ることが出来る。
【００１７】
逆起電力波形の半周期の平均値よりも、使用する回転角度範囲での逆起電力平均値が大きな範囲で使用することで、高効率に遊技球の初速度を確保できることになる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、以下に記載のような優れた特徴を有し遊技球発射装置用としても好適なロータリーソレノイドが構成できる。
（１）ロータリーソレノイドを４極構造とし、巻線のコイルエンド部分を薄くでき、例えば薄型の遊技機器にも適用できる。
（２）初期位置で起動トルクが大きく取れて、アームの加速性が向上し、遊戯機器に適用した場合には、遊技球の初速度を向上させることができる。
（３）例えば遊戯機器に適用した場合における初期位置と打球時位置の動作角度範囲を広げることができ、遊技球の初速度を向上できる。
（４）初期位置と打球時位置間の負のコギングトルク特性が適正に得られ、アームを安定して駆動できる。
（５）通電時間が短縮され、ロータリーソレノイド自体の発熱を低減できる。また、高効率化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態によるロータリーソレノイドの要部構造を示し、（ａ）は切断平面図、（ｂ）は切断正面図である。
【図２】図１のロータリーソレノイドにおけるトルク特性図である。
【図３】図１のロータリーソレノイドのコギングトルク波形と逆起電力波形の関係を示す図である。
【図４】図１のロータリーソレノイドの起動特性図である。
【図５】本発明の他の実施形態によるロータリーソレノイドの要部構造を示し、（ａ）は切断平面図、（ｂ）は切断正面図である。
【図６】簡略化した遊技機器の発射装置の動作原理図である。
【図７】従来の２極のロータリーソレノイドの構造を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図８】図７のロータリーソレノイドのトルク特性図である。
【図９】従来の４極のロータリーソレノイドの構造を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図１０】図９のロータリーソレノイドのトルク特性図である。
【図１１】図９のロータリーソレノイドのコギングトルク波形と逆起電力波形の関係を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面によって本発明の実施形態について説明する。
＜一実施形態＞
本発明によるロータリーソレノイドの一実施形態を図１〜図５を用いて説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一実施形態によるロータリーソレノイドの構造を示したものである。ロータリーソレノイドのベースとなるハウジング３０に軸受ボックス３２が固定され、この軸受ボックス３２にステータ３４が支持されている。ステータ３４は回転中心と同心状に配置されバックヨークとなる円環状ステータコア３５と、ステータコア３５の外周の４箇所等間隔の位置に径方向外方に向けて突出形成された４個の主磁極３６と、主磁極３６のそれぞれの先端に形成されたステータ突極３７と、各主磁極３６にそれぞれ巻装された巻線３８とにより構成されている。ステータ３４に対向するように設けられたロータ４０は、回転自在に支持された円筒状周壁を有する逆カップ状のロータホルダ４１と、ロータホルダ４１の周壁内周面に各主磁極３６のステータ突極３７に対向するように装着された円筒状マグネット４２と、ロータホルダ４１の天壁の中央部に固着された回転軸４３とにより構成されている。回転軸４３はステータコア３５の内周部に挿通され、軸受ボックス３２において回転自在に支持されている。実際には、軸受ボックス３２の一部がステータコア３５に内嵌され、回転軸４３がこの軸受ボックス３２に保持された軸受にて支持されている。マグネット４２は周方向に異なる磁極が４極着磁された円筒状のものが用いられているが、これ以外に、円弧状の４個のセグメント型マグネットを用いることもできる。
【００２２】
ここで、ステータ３４の各ステータ突極３７外周面とロータ４０のマグネット４２内周面との間の空隙には、不均一部分４４が設けられている。より具体的には、ステータ突極３７の外周部の一部を切除した形状にすることにより不均一部分４４が形成され、この切除した形状がステータ突極３７の周方向中心部から時計方向側に向かうに従い徐々に切除深さを大きくした形に設定されている。こうすることで、トルク特性とコギングトルク特性の位相がずれ、更に連続する負のコギングトルクの発生範囲を増加させるように構成することができる。
【００２３】
図３は、本発明のロータリーソレノイドのコギングトルク波形Ｔ１と逆起電力波形Ｔ３の位相関係を示すものである。図１１の従来の均一空隙のものと比較して、コギングトルク波形Ｔ１と逆起電力波形Ｔ３の位相関係がずれていることが分かる。図３のＶａは逆起電力波形の半周期の平均値であり、Ｖｅは初期位置と打撃時位置の角度範囲での逆起電力波形の平均値である。従来の均一空隙のものは、Ｖａ＞Ｖｅであるが、本発明のものはＶａ＜Ｖｅであることが分かる。その結果、本発明では初期位置での逆起電力値が大きい点から起動するため、起動トルクも大きな値が得られる。
【００２４】
図２は、本発明によるロータリーソレノイドのトルク特性を示すものである。横軸はロータリーソレノイドの回転角度であり、縦軸がトルク特性を示しＣＷ方向を正方向としている。同図においてＴ１はコギングトルク特性、Ｔ２は電流値２Ａを通電した場合のトルク特性を示す。初期位置ではコギングトルクＴ１の大きさはＰ点であり、ほぼ５０ｍＮ・ｍの負トルクを有しており、このロータリーソレノイドを図６で説明した遊戯機器の発射装置に適用した場合、Ｐ点のコギングトルク力により、図６のアーム４は第１のストッパ７に接触して保持される。初期位置での起動トルク値はＲ点で示され、約１８０ｍＮ・ｍを得ている。Ｓ点は打撃点でのトルクを示し、打撃直後に通電が切断され、Ｑ点の負方向のコギングトルクにより、初期位置のＰ点に復帰する。連続する負のコギングトルクの発生範囲は５２度であり、回転角度範囲は約４２度を確保できる。
【００２５】
図４は、前記図９で説明した従来の４極構造のロータリーソレノイドと本発明の一実施形態によるロータリーソレノイドとの起動特性をシミュレーションにより比較したものである。横軸は通電開始後の時間を示し、上段は機械的な回転角度、下段はアーム４の回転角速度をそれぞれ示す。
【００２６】
従来のロータリーソレノイドにおいては、特性曲線Ｈ１、Ｈ２に示すように、回転角度が所定角度（例えば４０度）に達する迄に約２８ｍｓを要していたのに対し、本発明のロータリーソレノイドにおいては、特性曲線Ｈ３，Ｈ４に示すように、起動から１６ｍｓで所定角度（機械角約４０度）に達し、その時の角速度は５０ｒａｄ／ｓである。従来の４極のロータリーソレノイドの約２倍の角速度が得られ、遊技球の初速度も２倍近くが得られることがわかる。
【００２７】
図５は本発明の他の実施形態によるロータリーソレノイドの構造を示したものである。図５において、図１と同一符号のものは同一もしくは相当するものを示すものとする。
この実施形態では、ステータ突極３６とマグネット４２との空隙が周方向において均一の状態でも、トルク特性とコギングトルク特性の位相をずらすことが可能な構造を提供するものである。すなわち、この実施形態では、ハウジング３０におけるマグネット４２の端面との対応する位置の内周側に軟磁性材料からなる金属体５０を配置したことを特徴とするものである。具体的には、この金属体５０は、図５（ａ）に示すように、固定子３４の一つの主磁極３６のステータ突極３７の中央から反時計方向に偏倚した部分に軸方向に対向して配置されている。
【００２８】
このように、軟磁性材料からなる金属体５０を設けることにより、この金属体５０にマグネット磁極が吸引されることで、ロータとステータとの周方向エアギャップの磁束分布に不均一性が生じ、上述したステータ突極とマグネットとの空隙磁束分布が不均一に生じるトルク特性とコギングトルク特性の位相関係と同等の特性を得ることが可能となる。
【００２９】
上述のような金属体５０は、図５（ａ）のように、一つの主磁極３６のステータ突極３７に対応して設ける以外に、同図に１点鎖線に示すように、隣り合う２つの主磁極３６のそれぞれのステータ突極３７に対応して２つの金属体５０，５２を設けるようにしてもよい。
また、一実施形態のような空隙の不均一性構造と、他の実施形態のような軟磁性材料の金属体配置構造とを組み合わせる方法も有効な手段である。
【００３０】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した範囲において種々の変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明によれば、薄形の遊技機器に組み込まれる発射装置の動力源として使用されるロータリーソレノイドとして、最適な構造・形態・特徴を保有するため、薄形形状、高トルクによる消費電力の低減、回転角度の増加による球技球の初速度アップ等、全ての特性面の改善がコストアップせずに達成できるという、格別の効果を有するロータリーソレノイドが構成されることになり、広く適用が可能である。
【符号の説明】
【００３２】
３４ ステータ
３６ 主磁極
３７ ステータ突極
３８ 巻線
４０ ロータ
４２ マグネット
４４ 不均一空隙
５０，５２ 金属体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転自在に支持される出力軸と一体化し、内周面にＮＳの磁極が周方向に多極着磁されたリング状のマグネットを有するロータと、前記マグネットの内周と径方向に空隙を介して対向する複数のステータ突極を有し、該ステータ突極から内周方向に延びる各主磁極に巻線を有するステータとを具備し、該巻線に通電することで前記出力軸を所定の回転角範囲において回動させるロータリーソレノイドにおいて、
前記マグネットの磁極数を４、前記ステータ突極の数を４とし、回転角４５度区間の範囲を超えて負のコギングトルクが連続して生じ、この角度内で回転角動作範囲を３５度以上に設定し、逆起電力波形の半周期の平均値よりも、使用する回転角度範囲での逆起電力平均値が大きくなるように設定したことを特徴とするロータリーソレノイド。
【請求項２】
該マグネットと該ステータ突極の空隙を不均一に構成したことを特徴とする請求項１に記載のロータリーソレノイド。
【請求項３】
軟磁性の特性を有する金属体を前記リング状マグネットの内周端面に対置したことを特徴とする請求項１に記載のロータリーソレノイド。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載のロータリーソレノイドを備え、前記ロータの出力軸が発射装置のアームに連結され、前記ロータリーソレノイドの回転により、アームを介して遊技球を打ち出すことを特徴とする遊技球発射装置。
【請求項１】
回転自在に支持される出力軸と一体化し、内周面にＮＳの磁極が周方向に多極着磁されたリング状のマグネットを有するロータと、前記マグネットの内周と径方向に空隙を介して対向する複数のステータ突極を有し、該ステータ突極から内周方向に延びる各主磁極に巻線を有するステータとを具備し、該巻線に通電することで前記出力軸を所定の回転角範囲において回動させるロータリーソレノイドにおいて、
前記マグネットの磁極数を４、前記ステータ突極の数を４とし、回転角４５度区間の範囲を超えて負のコギングトルクが連続して生じ、この角度内で回転角動作範囲を３５度以上に設定し、逆起電力波形の半周期の平均値よりも、使用する回転角度範囲での逆起電力平均値が大きくなるように設定したことを特徴とするロータリーソレノイド。
【請求項２】
該マグネットと該ステータ突極の空隙を不均一に構成したことを特徴とする請求項１に記載のロータリーソレノイド。
【請求項３】
軟磁性の特性を有する金属体を前記リング状マグネットの内周端面に対置したことを特徴とする請求項１に記載のロータリーソレノイド。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載のロータリーソレノイドを備え、前記ロータの出力軸が発射装置のアームに連結され、前記ロータリーソレノイドの回転により、アームを介して遊技球を打ち出すことを特徴とする遊技球発射装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−３９３１０（Ｐ２０１３−３９３１０Ａ）
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７９６２０（Ｐ２０１１−１７９６２０）
【出願日】平成２３年８月１９日（２０１１．８．１９）
【出願人】（０００２２８７３０）日本電産サーボ株式会社 (276)
【出願人】（５９２２１４７１５）株式会社浅間 (3)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１９日（２０１１．８．１９）
【出願人】（０００２２８７３０）日本電産サーボ株式会社 (276)
【出願人】（５９２２１４７１５）株式会社浅間 (3)
【Ｆターム（参考）】
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