JP7434741B2 - 押しボタンスイッチの振動発生装置、押しボタンスイッチ - Google Patents

Description

本発明は、押しボタンスイッチの振動発生装置に関し、詳細にはボイスコイルモータ型の振動発生装置に関する。

従来、パチンコ機やパチスロ機、スロットマシン等のアミューズメント機器には、押しボタンスイッチが設けられ、遊技者に対してボタン部の点滅等による演出により、ゲームへの期待感等を持たせることが行われている。演出としては、押しボタンスイッチを振動させたり、押しボタンスイッチのボタン部を突出させたりすることが知られている。

振動発生装置としては、ボイスコイルモータ型の振動発生装置がある。ボイスコイルモータ（以下、ＶＣＭと記載する）には、振動発生装置の他、リニアモータ、磁気ヘッド駆動アクチュエータ、電動機等、様々なものがある（例えば、特許文献１～６）。ＶＣＭは、磁石のエネルギー（磁場）を媒体として、電気エネルギーを運動エネルギーに変換する。ＶＣＭは、磁場中の導体に電流を流した時、フレミング左手の法則により所定の方向に力が発生するという動作原理を利用している。

図２０は、従来の振動発生装置１００のデフォルトの縦断面図である。固定部１０１は、ボビン１０２と該ボビン１０２に巻回されたコイル１０３とを備え、設置台６１等に固定される。可動部１０５は、ケースヨーク１０６と、該ケースヨーク１０６の中央底部に取り付けられた円柱状の磁石（永久磁石）１０７と、該磁石１０７に取り付けられ円柱状のバックヨーク１０８とを備える。矢印Ｙは磁石１０７の着磁方向である。固定部１０１と可動部１０５とは、ボビン１０２の内側に、磁石１０７およびバックヨーク１０８を挿入するようにして組み合わされている。

このような構成では、コイル１０３に電流を流すと可動部１０５が上方に移動し、コイル１０３に流す電流を切るあるいは電流の方向を変えることで、可動部１０５が自重あるいは吸引力で固定部１０１側に引き戻される。上方に移動した可動部１０５が振動対象物６０に衝突して振動対象物６０を振動させる。振動対象物６０が押しボタンスイッチのボタン部に相当する。

また、携帯電話やスマートフォンに内蔵される小型の振動発生装置の一部には、ＶＣＭと板ばねとを組み合わせたものもある（例えば、特許文献７）。これにおいては、板ばねで磁石（永久磁石）を懸架しており、板ばねによる共振現象を利用して振動させている。

一方、押しボタンスイッチのボタン部を突出させる装置としては、モータとギアとを用いて、螺旋状に形成されたガイド部材に沿って軸状部材を回転させるものがある（例えば、特許文献８）。

実開昭６３－１３８８７４号公報 特開２０１２－５７７７６号公報 特開２０１０－１５４６８８号公報 特開２０１３－２１５０２１号公報 特開昭６２－９２７５７号公報 特開２００３－３３３８２３号公報 特開平１０－２５８２５３号公報 特開２０１３－１１６１６９号公報

しかしながら、図２０に示した従来の振動発生装置では、磁石１０７による磁場とコイル１０３に流れる電流との間に生じるローレンツ力のみを推力として振動を発生させている。そのため、投入する電力に対して得られる振動量が小さいという課題がある。また、可動部１０５の動きをガイドするガイド機構が設けられない低価格タイプでは、可動部１０５の上下動時にガイド部１０５がコイル１０３と接触し、コイル１０３が磨滅により早期に断線するといった課題もある。

これに対し、ＶＣＭと板ばねとを組み合わせた従来の振動発生装置は、共振現象を利用することでローレンツ力のみを利用する構成に比べて投入電力に対する振動量を大きくできる。しかしながら、板ばねを使用しているため、振動のストローク（振幅）が浅く、ばね定数の変化が大きい。ばね定数が変化すると、共振周波数が変化するため、安定して共振させるには共振周波数のフィードバック制御が必要となる。なお、板ばねを大きくすることでストロークを深めてばね定数を安定化ができるが、振動発生装置が大型化する。

また、アミューズメント機器の押しボタンスイッチに搭載し、振動とボタン部の突出の両演出を行おうとすると、振動発生装置とボタン部を突出させるためのモータおよびギア等も別途必要となる。

本発明は、小型でありながら、共振周波数のフィードバック制御を必要とせずに大きな振動量を得ることができ、かつ、大きな推力を必要とせずにデフォルトよりも可動部を上昇させた状態で振動させることができる振動発生装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の構成を採用している。
すなわち、本発明の一側面に係る振動発生装置は、ボビンおよび該ボビンに巻回されたコイルを有する固定部と、永久磁石およびヨークを有し、前記永久磁石による磁束が前記コイルと鎖交するように前記固定部に組み合された可動部と、前記ボビンおよび前記可動部にそれぞれ形成された前記可動部の可動方向を軸方向とする同軸の穴部に配置され、前記固定部および前記可動部を連結する、非線形特性を有するコイルばねと、を備える。

上記構成では、固定部と可動部とがコイルばねにて連結されているので、可動部の質量とコイルばねのばね定数によって決まる共振周波数と同じ周波数にてコイルに通電することで、共振現象を利用した振動を発生させることができる。これにより、ローレンツ力のみを推力とする従来の振動発生装置に比べて、高効率の駆動が可能となり、同じ入力電力にてより大きな振動量を得ることができる。

また、共振現象を得るにあたり、コイルばねを使用しているので、板ばねに比べて振動のストローク（振幅）を深く取ることが容易に行え、ばね定数が安定化する。その結果、共振周波数が安定化し、板ばねを用いた従来の振動発生装置のように、共振周波数のフィードバック制御を行わなくても安定して共振させることが可能となる。また、コイルばねは板ばねに比べて低価格であるため、コスト的なメリットもある。

しかも、コイルばねは非線形特性を有しているので、大きな推力を必要とすることなく、可動部をデフォルトの位置からポップアップさせた位置を中心に振動させることがきる。これにより、モータおよびギア等の機構はもちろんのこと、大きな推力も必要とすることなく、ボタン部を突き上げた状態で振動させることが可能な、アミューズメント機器の押しボタンスイッチに適した振動発生装置を実現できる。

また、コイルばねは、ボビンおよび可動部にそれぞれ形成された、可動部の可動方向を軸方向とする同軸の穴部に配置されている。このように配置することで、振動発生装置が大型化することはなく、ローレンツ力のみを推力とする従来の振動発生装置と同等のサイズを維持できる。さらに、このように配置することで、コイルばねを用いずに組み立てて、ローレンツ力のみを推力とする従来の振動発生装置を構成することができる。これにより、共振現象を利用するタイプと利用しないタイプとで、部品の共用化が可能となり、コスト削減が図れる。

また、固定部と可動部とはコイルばねによって連結されているので、可動部の移動位置を規制するガイド機構等を設けずとも、固定部と可動部との相対的な位置関係が規制される。これにより、コイルの磨滅による断線はもちろんのこと、固定部と可動部との接触による摩耗も防止あるいは低減でき、製品寿命を延ばすことができる。
上記一側面に係る振動発生装置において、前記コイルばねは一端部に他の部分よりも径が大きい大径部を有し、前記ボビンに形成された前記穴部は貫通穴であり、該穴部の周囲に座繰り加工部が設けられている構成としてもよい。

これによれば、ボビンに形成された穴部にコイルばねを挿入することで、大径部がボビンの座繰り加工部に突き当たって係止される。したがって、コイルばねの他端(挿入側)を可動部に接続することで、固定部と可動部とをコイルばねを介して簡単に連結することができる。組み立て工程も平易である。
上記一側面に係る振動発生装置において、前記コイルばねと前記可動部とは螺子締結されている構成としてもよい。これによれば、コイルばねの端部と可動部とを簡単に接続することができる。
上記一側面に係る振動発生装置において、前記可動部と前記コイルばねとの接続部分に制振材が配置されている構成としてもよい。これによれば、制振材にて通電終了後の残留振動が速やかに吸収されるため、キレの良い振動を得ることができる。
上記一側面に係る振動発生装置において、前記ヨークは、前記永久磁石と同径をなすバックヨークと、該バックヨークよりも大径の有底円筒状のケースヨークとを含み、前記永久磁石は、前記可動方向と平行に着磁され、前記ケースヨークの内側の底部中央に配置され、前記ケースヨークと前記バックヨークとで挟持され、前記穴部は、前記永久磁石および前記バックヨークに形成され、前記コイルは、前記永久磁石および前記バックヨークと前記ケースヨークとの間に配置されている構成としてもよい。

これによれば、バックヨークの部分に磁束を集中させることができる。その結果、静推力の減衰が穏やかになり、長ストロークに適した振動発生装置を得ることができる。
上記一側面に係る振動発生装置において、前記ヨークは、大径円筒部と、前記大径円筒部の内側中央に位置し前記穴部を有する小径円筒部と、前記大径円筒部と前記小径円筒部とを繋ぐ底部とを有し、前記永久磁石は円筒状をなし、着磁方向を前記可動方向と直交する方向に着磁されると共に前記大径円筒部の内側に配置され、前記コイルは、前記永久磁石と前記小径円筒部との間に配置されている構成としてもよい。

これによれば、永久磁石の磁束と鎖交するコイル断面積を可動方向に長くとることができる。その結果、フェライト磁石のような安価で磁力の弱い磁石を使うことができ、コストを抑えることができる。
本発明の一側面に係る押しボタンスイッチは、未操作時には基準位置にあり、操作者の押し込み操作により押し込み方向へ移動するボタン部と、前記ボタン部を押し込み操作可能に支持し、押し込まれた前記ボタン部を復帰させるベース部と、請求項１から６の何れか１項に記載の振動発生装置と、を備え、前記固定部が前記ベース部に固定され、前記可動部が前記ボタン部の下面側に配置され、振動時に前記ボタン部を前記基準位置から前記押し込み方向とは反対の方向に移動させる構成である。

上記構成によれば、固定部が固定されているベース部が、可動部の共振による振動の反動で共振し、ベース部を中心に大きな振動量が得られる。そして、ボタン部の下面側に配置された可動部がデフォルト位置より上昇することで、ボタン部を突き上げる。これにより、モータおよびギア等の機構はもちろんのこと、大きな推力も必要とすることなく、ボタン部を突き上げた状態で振動させることが可能な、アミューズメント機器の押しボタンスイッチを実現することができる。

本発明によれば、小型でありながら、共振周波数のフィードバック制御を必要とせずに大きな振動量を得ることができ、かつ、大きな推力を必要とせずにデフォルトよりも可動部を上昇させた状態で振動させることができる振動発生装置を提供することができる。

本実施の形態に係る振動発生装置の斜視図である。 図１の振動発生装置のデフォルトの縦断面図である。 等ピッチコイルばねおよび不等ピッチコイルばねの、たわみと荷重との関係を示す図である。 図１の振動発生装置の分解斜視図である。 図１の振動発生装置のコイルに流す駆動電流の一例の波形図である。 図１の振動発生装置がデフォルトからポップアップしている状態を示す縦断面図である。 共振周波数に対する通電周波数と振幅比との関係を示す共振曲線図である。 制振材が無い場合の時間と可動部の変位との関係を示す図である。 制振材が有る場合の時間と可動部の変位との関係を示す図である。 図１の振動発生装置と部品を共用して構成した従来の振動発生装置のデフォルトの縦断面図である。 図１０の従来の振動発生装置の縦断面図であり、可動部が振動対象物に衝突している状態を示す。 図１０の従来の振動発生装置のコイルに流す駆動電流の一例の波形図である。 本実施の形態に係る他の振動発生装置のデフォルトの縦断面図である。 図１３の振動発生装置がデフォルトからポップアップしている状態を示す縦断面図である。 図１３の振動発生装置と部品を共用して構成した従来の振動発生装置のデフォルトの縦断面図である。 図１の振動発生装置および図１３の振動発生装置の、ストローク位置と静推力との関係を示す図である。 図１の振動発生装置を搭載した押しボタンスイッチの縦断面図である。 図１７の押しボタンスイッチがボタン部を突き上げた状態を示す縦断面図である。 図１０の部品を共用した従来の振動発生装置を搭載した押しボタンスイッチの縦断面図である。 従来の振動発生装置のデフォルトの縦断面図である。

以下、本発明の一側面に係る実施形態（以下、「本実施形態」とも表記する）を、図面に基づいて説明する。ただし、以下で説明する本実施形態は、あらゆる点において本発明の例示に過ぎない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。つまり、本発明の実施にあたって、実施形態に応じた具体的構成が適宜採用されてもよい。

§１ 適用例
まず、本発明が適用される場面の一例について説明する。図１、図２、図６に示すように、本実施の形態に係る振動発生装置１は、振動対象物６０に固定部１０が、例えば螺子９０等を用いて固定される。振動発生装置１は、固定部１０と可動部２０と備える。固定部１０は、ボビン１１およびボビン１１に巻回されたコイル１２を有する。可動部２０は、磁石２１と該磁石２１を着磁方向に挟むケースヨーク２２およびバックヨーク２３を有する。固定部１０と可動部２０とは、固定部１０および可動部２０に亘って形成された可動方向に長い軸状の穴部に配置されたコイルばね３０にて連結されている。コイルばね３０のばね定数ｋは、可動部２０の質量Ｍを考慮して、所望の共振周波数にて可動部２０を共振させるように設定されている。さらに、コイルばね３０は、非線形特性を有する不等ピッチコイルばねが用いられている。

これによれば、所望の共振周波数と一致する通電周波数の交番電流をコイル１２に流すことで、ローレンツ力にて可動部２０が上下動し、これを外力として可動部２０が共振周波数にて共振する。このような可動部２０の共振による振動の反力を受けて固定部１０が共振し、ひいては固定部１０が取り付けられている振動対象物６０が共振する。

共振現象を利用することで、ローレンツ力のみを推力とする従来の振動発生装置と比べて、高効率の駆動が可能となり、同じ入力電力にてより大きな振動量を得ることができる。また、共振を生じさせるコイルばね３０を、固定部１０のボビン１１および可動部２０にそれぞれ形成された可動部２０の可動方向を軸方向とする同軸の穴部に配置している。このように配置することで、従来の振動発生装置と同等のサイズを維持すると共に、ローレンツ力のみを推力とする従来の振動発生装置と部品の共用化が可能となり、コスト削減が図れる。

しかも、コイルばね３０として、不等ピッチコイルばねを用いている。これにより、図５の＃５００に示すような、可動部２０のポップアップ分に必要な直流電流を交番電流に重畳バイアスする形で印加することで、図６に示すように、デフォルトの位置からポップアップさせた位置を中心に可動部２０を上下に共振させることができる。

前述したように、パチンコ機やパチスロ機、スロットマシン等のアミューズメント機器に設けられる押しボタンスイッチには、遊技者に対してボタン部の点滅等の演出が求められる。

図１７は、振動発生装置１を搭載した押しボタンスイッチ７０の縦断面図である。図１７に示すように、押しボタンスイッチ７０は、ボタン部７１と、ベース部７２と、上記振動発生装置１を備える。ボタン部７１は、未操作時には基準位置にあり、操作者の押し込み操作により押し込み方向へ移動する。ベース部７２は、ボタン部７１を押し込み操作可能に支持し、押し込まれたボタン部７１を図示しない復帰ばねの復元力等を用いて復帰させる。振動発生装置１の固定部１０がベース部７２に固定され、振動発生装置１の可動部２０がボタン部７１の下面７１ａ側に配置されている。なお、参照符号７３は、押しボタンスイッチ７０が取り付けられる筐体等である。

可動部２０をデフォルトの位置からポップアップすることなく共振させると、図１７に示す状態で、固定部１０が取り付けられているベース部８２が、可動部２０の振動の反動で共振し、ベース部７２を中心押しボタンスイッチ７０全体が振動する。

図１８は、押しボタンスイッチ７０がボタン部７１を突き上げた状態を示す縦断面図である。図１８に示すように、可動部２０をデフォルトの位置からポップアップした位置で共振させると、ポップアップした可動部２０に下面７１ａが押し上げられ、ボタン部７１が突き上がった状態で、ベース部７２を中心に押しボタンスイッチ７０全体が振動する。

このように、振動発生装置１を搭載した押しボタンスイッチ７０は、共振による大きな振動量に加えて、モータおよびギア等の機構はもちろんのこと、大きな推力も必要とすることなく、ボタン部７１を突き上げた状態で振動させることができる。アミューズメント機器に好適な押しボタンスイッチ７０を実現できる。また、家庭用ゲーム機の操作装置の押しボタンスイッチにも適用することもできる。

図１９は、図１０の部品を共用した従来の振動発生装置５０を搭載した押しボタンスイッチ８０の縦断面図である。図１９に示すように、押しボタンスイッチ８０は、ボタン部８１と、ベース部８２と、振動発生装置５０を備える。ボタン部８１は、未操作時には基準位置にあり、操作者の押し込み操作により押し込み方向へ移動する。ベース部８２は、ボタン部８１を押し込み操作可能に支持し、押し込まれたボタン部８１を図示しない復帰ばねの復元力等を用いて復帰させる。振動発生装置５０の固定部１０がベース部８２に固定され、振動発生装置５０の可動部２０がボタン部８１の下面８１ａ側に配置されている。なお、参照符号８３は、押しボタンスイッチ８０が取り付けられる筐体等である。

このような構成では、コイル１２（図１０参照）に通電することで、ローレンツ力のみを推力として可動部２０が上方に移動し、通電を切ることで、可動部２０は固定部１０側に戻る。可動部２０が振動対象物６０に相当する下面８１ａに衝突してボタン部８１を振動させる。

§２ 構成例
〔実施の形態１〕
以下、本発明の一側面における実施の形態を、図１～図１２に基づいて例示する。

（振動発生装置１の構成）
図１は、本実施の形態に係る振動発生装置１の斜視図である。図２は、上記振動発生装置１のデフォルトの縦断面図である。

図１又は図２に示すように、振動発生装置（以下、振動発生装置と称する）１は、筐体等の振動対象物６０に固定される固定部１０と、固定部１０に対して可動する可動部２０と、固定部１０と可動部２０とを連結するコイルばね３０とを有する。なお、以下においては、説明の便宜上、振動発生装置１は水平面に設置され、可動部２０が上下方向に可動する（つまり、可動方向＝上下方向）として説明する。なお、当然のことながら、設置は水平面に限るものではない。

固定部１０は、ボビン１１と該ボビン１１に巻回されたコイル１２と、外部と電気的に接続するための電気接続部１３等を備える。ボビン１１はコイル１２を巻回させるための有底筒状の部品であり、一般的には樹脂より形成されている。ボビン１１の底部１１ａは鍔状に延設され、延設された部分に、振動発生装置１を筐体等の振動対象物６０に螺子９０等で固定するための取り付け部１４および電気接続部１３が設けられている。円筒部１１ｂの上端部には壁部１１ｃがフランジ状に形成され、コイル１２は、円筒部１１ｂにおける壁部１１ｃと底部１１ａとの間に巻回されている。

ボビン１１の底部１１ａにおける、円筒部１１ｂの中心軸が通る中央部には、上下方向に貫通した固定側軸穴（穴部）１５が形成されている。固定側軸穴１５の周囲には座繰り加工が施されて、座繰り加工部１６が形成されている。座繰り加工部１６は、コイルばね３０の後述する大径部３０ａを収容する。

一方、可動部２０は、有底円筒状のケースヨーク２２と、該ケースヨーク２２の内側の底部２２ａ中央に配置された磁石（永久磁石）２１と、該磁石２１に取り付けられ磁石２１と同径のバックヨーク２３とを備える。磁石２１およびバックヨーク２３はそれぞれリング状に形成されており、可動部２０の可動方向である上下方向に貫通する軸穴を有する。以下、磁石２１およびバックヨーク２３に形成された各軸穴を合せて可動側軸穴(穴部)２４と称する。

磁石２１は、可動方向より平面視した可動部２０の中央部に位置し、着磁方向は矢印Ｙにて示す可動方向と平行をなす方向である。磁石２１としては、優れた磁気特性を有し、小さいサイズでも強力な磁場を作り出すことができるネオジウムマグネット等を用いることが好ましい。ケースヨーク２２とバックヨーク２３とは、磁石２１を着磁方向に挟むように配置されている。ケースヨーク２２およびバックヨーク２３は、鉄より形成されるのが一般的である。

可動部２０は、磁石２１による磁束がコイル１２と鎖交するように固定部１０に組み合されている。本実施の形態では、磁石２１およびバックヨーク２３からなる厚肉円筒部２７とケースヨーク２２の円筒壁２２ｂとの間の空間にコイル１２が配置されるように組み合されている。

これら固定部１０と可動部２０とは、組み合された状態でコイルばね３０にて連結されている。コイルばね３０は、予め定められた所定のばね定数を有しており、これについては後述する。コイルばね３０は、ボビン１１および可動部２０にそれぞれ形成された、可動方向を軸方向とする同軸の穴部である固定側軸穴１５および可動側軸穴２４に配置されている。

コイルばね３０は、一端部に他の部分よりも径が大きい大径部３０ａを有し、他端側からボビン１１の底部１１ａより挿入されている。コイルばね３０は、大径部３０ａを有する一端部がボビン１１の底部１１ａに形成された座繰り加工部１６に収容されており、座繰り加工部１６に突き当たることで、上方への移動が規制されている。

一方、コイルばね３０の他端部は、可動部２０と螺子締結されている。本実施の形態では、コイルばね３０の他端部は、ケースヨーク２２の底部に止螺子３１に螺子締結されている。止螺子３１は、ケースヨーク２２の底部２２ａ中央に形成された螺子穴２２ｃにワッシャ３２を介して外側より挿入され、ケースヨーク２２内側に突き出た部分にコイルばね３０の他端部が螺合されている。

また、より好ましい構成として、可動部２０とコイルばね３０との接続部分に制振材３３が配置されている。制振材３３には、例えば、ピックアップのダンピング材として多用されている、ＣＩＰＤ（Cured In Place Damper）等の振動吸収剤を用いることができる。

図２に示すように、コイル１２に電流が印加されていない状態（デフォルト）で、バックヨーク２３の底面とボビン１１の底部１１ａとの間には所定の隙間が確保されている。同様に、ケースヨーク２２の底部２２ａの内面とボビン１１の壁部１１ｃとの間にも所定の隙間が確保されている。これらの隙間は、可動部２０が共振周波数Ｆｎで共振しても、固定部１０と衝突しないように設定されている。

（コイルばね３０）
コイルばね３０のばね定数ｋは、可動部２０の質量Ｍと可動部２０を共振させる所望の共振周波数（固有振動数）Ｆｎとに応じて予め設定されている。具体的には、可動部２０の質量Ｍと、所望の共振周波数とに基づいて、コイルばね３０のばね定数が以下のように設定される。

可動部２０の共振周波数Ｆｎは、可動部２０の質量Ｍとコイルばね３０のばね定数ｋとで、次式（１）で決定される。

コイル１２への通電周波数を可動部２０の共振周波数Ｆｎと一致（同等）させて可動部２０を共振周波数Ｆｎ（近傍）で上下動させる。この上下動が外力として作用し、可動部２０を共振させることができる。人は２００Ｈｚ付近の振動を感じやすいことが知られている。したがって、所望の共振周波数Ｆｎとしては、例えば２００Ｈｚに設定することができる。上述の式（１）において、Ｆｎを２００Ｈｚとし、可動部２０の質量Ｍを代入してばね定数ｋを算出することで、質量Ｍの可動部２０を２００Ｈｚ付近で振動させることができる。

さらに、コイルばね３０は非線形特性を有しており、本実施の形態では、不等ピッチコイルばねから構成されている。なお、円錐コイルばねや、テーパーコイルばねを用いてもよい。コイルばね３０として非線形特性のコイルばねを用いることで、線形特性のコイルばねを用いる場合よりも、小さな推力で、平常時の安定点（デフォルトの位置）から離れた位置を中心に振動させることが可能となる。

例えば、前述したアミューズメント機器の押しボタンスイッチにおいては、大当たりモードに入るとボタン部の操作面を５ｍｍ程度ポップアップし、その位置を中心として振動することが求められる。この５ｍｍ程度ポップアップを線形特性の等ピッチコイルばねにて実現しようとすると、大きな推力が必要となる。

具体例を挙げると、上述したように、コイルばね３０に必要とされるばね定数ｋは、可動部２０の質量Ｍと所望する共振周波数Ｆｎから式（１）で求めることができる。例えば、可動部２０の質量Ｍが４０ｇで、所望する共振周波数Ｆｎを５０Ｈｚとすると、ばね定数ｋ［Ｎ/ｍ］は約４０００［Ｎ/ｍ］となる。

コイルばね３０として、線形特性の等ピッチコイルばねを用いた場合、デフォルトの位置から５ｍｍポップアップした位置で振動させるには、４０００×０．００５＝２０Ｎの推力が必要となる。推力定数が４Ｎ／Ａとすると、コイルばね力に抗して５ｍｍポップアップした位置に保持するには常時２０／４＝５Ａの電流を流し続けることが必要となり、電力の浪費となると同時にコイルの発熱も過大となる。または、印可電圧の制限で発生できない場合も多い。

これに対し、コイルばね３０として、不等ピッチコイルばねのような非線形特性のコイルばねを用いることで、２０Ｎもの推力を必要とすることなく、デフォルトの位置から５ｍｍポップアップした位置で振動させることができる。

図３は、等ピッチコイルばねおよび不等ピッチコイルばねの、たわみと荷重との関係を示す図である。図３に示すように、不等ピッチコイルばねを用いることで、等ピッチコイルばねよりも小さな荷重、つまり小さな推力でたわみを発生させることができる。

（振動発生装置１の組み立て）
図２、図４を用いて、振動発生装置１の組み立て方の一例について説明する。図４は、上記振動発生装置１の分解斜視図である。図４に示すように、ボビン１１にコイル１２を巻回して固定部１０を形成する。また、図２に示すように、ケースヨーク２２の底部２２ａの内側中央に形成された凸部２２ｄに合せてリング状の磁石２１を吸着（又は接着）にて固定させ、その上にバックヨーク２３を吸着（又は接着）にて固定させる。次に、ケースヨーク２２の凸部２２ｄを貫通する螺子穴２２ｃにワッシャ３２を介して止螺子３１を挿入する。

このように形成した固定部１０と可動部２０とを、ボビン１１の内側に磁石２１およびバックヨーク２３からなる厚肉円筒部２７が入り込むように組み合せる。組み合わせた状態で、可動側軸穴２４および固定側軸穴１５は可動方向に重畳する。

次に、ボビン１１の底部１１ａの座繰り加工部１６からコイルばね３０を、大径部３０ａとは反対側の端部から挿入し、コイルばね３０の挿入側の端部をケースヨーク２２の底部２２ａの内側中央から突き出た止螺子３１に回し込んで固定する。

これによれば、ボビン１１に形成された固定側軸穴１５にコイルばね３０を挿入することで、大径部３０ａがボビン１１の座繰り加工部１６に突き当たって係止される。したがって、コイルばね３０の挿入側を可動部２０に接続することで、固定部１０と可動部２０とをコイルばね３０を介して簡単に連結することができる。

さらに、コイルばね３０と可動部２０とは螺子締結する構成としている。したがって、コイルばね３０の挿入側の端部を止螺子３１に回し込んで固定することで、コイルばね３０と可動部２０も簡単に接続することができる。

その後、可動部２０側を下方に向けた状態で、座繰り加工部１６から液体状の振動吸収剤を定量注入する。紫外線を照射するなどして注入した振動吸収剤を硬化させ、可動部２０とコイルばね３０との接続部分に制振材３３を配置する。このように、振動発生装置１の組み立て工程は平易である。

（コイル１２に流す駆動電流）
図５は、上記振動発生装置１のコイル１２に流す駆動電流の一例の波形図である。図５の＃５００、＃５０１に示すように、コイル１２に流す駆動電流は、正弦波の交番電流であり、コイルばね３０のばね定数ｋと可動部２０の質量Ｍとで決定される共振周波数Ｆｎの正弦波の交番電流となる。図５の＃５００、＃５０１は、共振周波数Ｆｎが２００Ｈｚに設定されている場合の交番電流の波形を示している。

そして、デフォルトの位置からポップアップした位置で動作させるためには、図５の＃５００に示すように、可動部２０のポップアップ分に必要な直流電流を交番電流に重畳バイアスする形で印加する。デフォルトの位置からポップアップさせることなく通常の位置（安定点）で動作させる場合は、図５の＃５０１に示すように、直流電流を重畳バイアスすることなく、共振周波数Ｆｎの正弦波の交番電流のみを印加する。

（振動発生装置１の動作）
図２、図６を用いて、振動発生装置１の動きを説明する。図２中、矢印Ｘは磁束線を示し、Ｄ１はコイル１２に流れる電流の向きを示している。図６は、上記振動発生装置１がデフォルトからポップアップしている状態を示す縦断面図である。

図２に示すように、コイル１２に交番電流を流すと、フレミング左手の法則に従って上下方向に推力（ローレンツ力）が発生し、可動部２０が上下動する。

ここで、コイル１２に流す交番電流の周波数を、コイルばね３０のばね定数ｋと可動部２０の質量Ｍとで決定される所望の共振周波数Ｆｎと一致（同等）させると、ローレンツ力による上下動を外力として可動部２０が共振周波数Ｆｎにて共振する。

そして、図５の＃５０１に示した、直流電流を重畳バイアスしない共振周波数Ｆｎの正弦波の交番電流のみを印加すると、図２に示すデフォルトの位置を中心に上下に共振する。

一方、図５の＃５００に示した、可動部２０のポップアップ分に必要な直流電流を交番電流に重畳バイアスする形で印加すると、図６に示すように、デフォルトの位置からポップアップした位置を中心に上下に共振する。

可動部２０がこのように振動すると、この振動の反力を受けて固定部１０が共振し、ひいては固定部１０が取り付けられている振動対象物６０が共振する。なお、以降、コイル１２に流す交番電流の周波数を通電周波数と称する。

(評価)
図７は、共振周波数Ｆｎに対する通電周波数と振幅比との関係を示す共振曲線図である。共振周波数Ｆｎは２００Ｈｚに設定している。図７に示すように、通電周波数を共振周波数Ｆｎと同じ２００Ｈｚとすることで振幅比が最大となる。振幅比は、通電周波数が２００Ｈｚからずれるに従って低下し、また振幅比の最大値は減衰比に依存する。図７から、減衰比を０．１０とすることで、共振なしの振幅比の１０倍の振幅比を得ることができることがわかる。また、減衰比を０．０６とすることで、共振なしの振幅比の１６倍以上もの振幅比を得ることができることがわかる。

図８、図９は、時間と可動部２０の変位との関係を示す図であり、図８は制振材３３無し、図９は制振材３３有りである。図８、図９は何れも、時間１．２０まで共振周波数Ｆｎに一致する通電周波数で駆動し、その後、コイル１２への通電をＯＦＦした場合の、時間と可動部２０の変位との関係を示している。

図８に示すように、制振材３３が配置されていない状態では、通電をＯＦＦした後も残留振動が長く継続していることがわかる。つまり、振動のキレが悪い。一方、図９に示すように、制振材３３が配置されている状態では、時間１．３２で振動がほぼ収束していることがわかる。つまり、通電をＯＦＦした後、速やかに残留振動が収束する、キレの良い振動が得られる。

（従来の振動発生装置５０との部品共用）
上記振動発生装置１は、可動部２０を振動対象物６０に衝突させて振動対象物６０を振動させる従来の振動発生装置と部品共用できるように設計されている。

図１０は、振動発生装置１と部品を共用して構成した従来の振動発生装置５０のデフォルトの縦断面図である。図１０に示すように、コイルばね３０、止螺子３１、ワッシャ３２、および制振材３３を備えておらず、固定部１０と可動部２０とは連結されていない。

コイル１２に電流が印加されていない状態（デフォルト）で、バックヨーク２３の底面とボビン１１の底部１１ａとは接触している。ケースヨーク２２の底部２２ａの内面とボビン１１の壁部１１ｃとの間には所定の隙間が確保されている。なお、ケースヨーク２２の底部２２ａの内面とボビン１１の壁部１１ｃとの間の隙間は、図２の縦断面図よりも小さい。固定部１０は、振動対象物６０に対向して設けられた取り付け台６１等に設置される。

図１１は、図１０に示す従来の振動発生装置５０の縦断面図であり、可動部２０が振動対象物６０に衝突している状態を示す。図１２は、従来の振動発生装置５０のコイル１２に流す駆動電流の一例の波形図である。図１２に示すように、コイル１２に流す駆動電流は、正方向のみの矩形波である。

図１０に示すように、コイル１２に矩形波の駆動電流（図１２参照）を流すと、フレミング左手の法則に従って上方向に推力（ローレンツ力）が発生する。図１０中、矢印Ｘは磁束線を示し、Ｄ１はコイル１２に流れる電流の向きを示している。推力は、正方向の電流が印加されている間だけ発生する。推力にて上に移動した可動部２０は図１１に示すように、振動対象物６０に衝突して振動対象物６０を振動させる。

コイル１２に印加される電流がゼロになると、可動部２０はその自重にて固定部１０側に引き戻される（落下する）。可動部２０が上方に移動する度に振動対象物６０に衝突して振動対象物６０を振動させる。上下動時、可動部２０の厚肉円筒部２７は、外周面２７ａをボビン１１の内周面１１ｄに沿わせるようにして移動する。

ここで、厚肉円筒部２７の外周面２７ａとボビン１１の内周面１１ｄとの間の隙間は、可動部２０が傾いた状態で上下動しても、可動部２０のケースヨーク２２の円筒壁２２ｂがコイル１２に接触しないように設定されている。これにより、可動部２０が傾いた状態で上下動しても、可動部２０がコイル１２に接触することによる磨滅にて、コイル１２が早期に断線するといったこと不具合を防止できる。

(効果)
上記構成では、固定部１０と可動部２０とがコイルばね３０にて連結されている。したがって、可動部２０の質量Ｍとコイルばね３０のばね定数ｋによって決まる共振周波数と同じ通電周波数の電流をコイル１２に流すことで、共振現象を利用した振動を発生させることができる。これにより、ローレンツ力のみを推力とする従来の振動発生装置に比べて、高効率の駆動が可能となり、同じ入力電力にてより大きな振動量を得ることができる。

また、共振現象を得るにあたり、コイルばね３０を使用しているので、板ばねに比べて振動のストローク（振幅）を深く取ることが容易に行え、ばね定数ｋが安定化する。その結果、共振周波数が安定化し、板ばねを用いた従来構成の振動発生装置のように、共振周波数のフィードバック制御を行わなくても安定して共振させることが可能となる。コイルばね３０は板ばねに比べて低価格であるため、コスト的なメリットもある。

また、コイルばね３０をボビン１１および可動部２０にそれぞれ形成された可動方向を軸方向とする同軸の穴部である固定側軸穴１５および可動側軸穴２４に配置している。このような配置することで、振動発生装置１が大型化することはなく、ローレンツ力のみを推力とする従来の振動発生装置と同等のサイズを維持できる。さらに、このように配置することで、コイルばね３０を用いずに組み立てて、ローレンツ力のみを推力とする従来の振動発生装置５０を構成することができる。これにより、共振現象を利用するタイプと利用しないタイプとで、部品の共用化が可能となり、コスト削減が図れる。

また、固定部１０と可動部２０とはコイルばね３０によって連結されているので、可動部２０の移動位置を規制するガイド機構等を設けずとも、固定部１０と可動部２０との相対的な位置関係が規制される。これにより、コイル１２の磨滅による断線はもちろんのこと、固定部１０と可動部２０との接触による摩耗も防止あるいは低減でき、製品寿命を延ばすことができる。

しかも、コイルばね３０は非線形特性を有しているので、大きな推力を必要とすることなく、可動部をデフォルトの位置からポップアップさせた位置を中心に振動させることがきる。これにより、モータおよびギア等の機構はもちろんのこと、大きな推力も必要とすることなく、ボタン部を突き上げた状態で振動させることが可能な、アミューズメント機器の押しボタンスイッチに適した振動発生装置を実現できる。

〔実施の形態２〕
以下、本発明の一側面における他の実施形態を、図１３、図１４に基づいて例示する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

図１３は、本実施の形態に係る振動発生装置１Ａのデフォルトの縦断面図である。図１３中、矢印Ｘは磁束線を示し、Ｄ１はコイル１２に流れる電流の向きを示している。図１４は、上記振動発生装置１Ａがデフォルトからポップアップしている状態を示す縦断面図である。

実施の形態１の振動発生装置１では、固定部１０のコイル１２の内側に、可動部２０の磁石２１およびバックヨーク２３が配設され、磁石２１の磁着方向(矢印Ｙ)は可動部２０の可動方向であった。これに対し、図１３に示すように、実施の形態２の振動発生装置１Ａでは、固定部１０Ａのコイル１２の外側に、可動部２０Ａの円筒状の磁石２１Ａが配置され、磁石２１Ａの磁着方向(矢印Ｙ)は可動部２０Ａの可動方向と直交する方向である。

固定部１０Ａのボビン１１Ａは、円筒部１１ｂがボビン１１の円筒部１１ｂよりも小径に形成されている。可動部２０Ａは、有底円筒状をなすヨーク４０を備えている。ヨーク４０は、大径円筒部４０ａと、大径円筒部４０ａの内側中央に設けられた小径円筒部４０ｂと、大径円筒部４０ａと小径円筒部４０ｂとを繋ぐ底部４０ｃとを有する。磁石２１Ａは、大径円筒部４０ａの内側面に吸着（又は接着）にて固定されている。小径円筒部４０ｂにコイルばね３０を挿通させる可動側軸穴(穴部)２４Ａが形成され、底部４０ｃ中央に螺子穴４０ｄが形成され、止螺子３１が挿入されている。このような可動部２０Ａは、固定部１０Ａに対して、磁石２１Ａと小径円筒部４０ｂとの間にコイル１２が配置されるように組み合されている。

コイル１２に交番電流を流すと、フレミング左手の法則に従って上下方向に推力（ローレンツ力）が発生し、可動部２０Ａが上下動する。コイル１２に流す交番電流の周波数を、コイルばね３０のばね定数ｋと可動部２０Ａの質量Ｍとで決定される所望の共振周波数Ｆｎと一致（同等）させると、ローレンツ力による上下動を外力として可動部２０Ａが共振周波数Ｆｎにて共振する。

ここで、図５の＃５０１に示した、直流電流を重畳バイアスしない共振周波数Ｆｎの正弦波の交番電流のみを印加すると、図１３に示すデフォルトの位置を中心に上下に共振する。一方、図５の＃５００に示した、可動部２０のポップアップ分に必要な直流電流を交番電流に重畳バイアスする形で印加すると、図１４に示すように、デフォルトの位置からポップアップした位置を中心に上下に共振する。そして、このような可動部２０Ａの共振による振動の反力を受けて固定部１０Ａが共振し、ひいては固定部１０Ａが取り付けられている振動対象物６０が共振する。

上記振動発生装置１Ａも振動発生装置１と同様の手順で組み立てることができ、組み立ては平易である。さらに、上記振動発生装置１Ａも、振動発生装置１と同様、可動部２０Ａを振動対象物６０に衝突させて振動対象物６０を振動させる従来の振動発生装置と部品共用できるように設計されている。

図１５は、従来の振動発生装置５０Ａのデフォルトの縦断面図である。図１５に示すように、コイルばね３０、止螺子３１、ワッシャ３２、および制振材３３を備えておらず、固定部１０と可動部２０とが連結されていない。なお、動作は、振動発生装置５０と同様であるので説明を省略する。

図１６は、振動発生装置１および振動発生装置１Ａのストローク位置と静推力との関係を示す図である。ストローク位置は、可動部２０、可動部２０Ａの変位量である。図１６に示すように、コイル１２の外側に磁石２１Ａが配置されている振動発生装置１Ａは、変位量が小さいうちは振動発生装置１Ａよりも大きな静推力を得られる。しかしながら、ある位置から略比例して静推力が減衰し始める。これは、振動発生装置１Ａの構成では、磁石２１Ａの磁束（矢印Ｘ）と鎖交するコイル１２の断面積が可動部２０Ａの変位に伴って減少するためである。但し、磁石２１Ａの磁束（矢印Ｘ）と鎖交するコイル１２の断面積が可動方向に長い。そのため、磁石２１Ａとして、安価で磁力の弱い例えばフェライト磁石等を使うことができる。

一方、コイル１２の内側に磁石２１が配置されている振動発生装置１は、変位量が小さいうちは振動発生装置１Ａに比べてやや静推力が低いが、変位量が中位に達しても静推力を維持し、静推力の減衰が穏やかである。これは、振動発生装置１の構成では、バックヨーク２３部分に磁束（矢印Ｘ）が集中しており、可動部２０が変位しても、磁束（矢印Ｘ）と鎖交するコイル１２の断面積の変化が少ないためである。静推力の減衰が穏やかなため、長ストロークに適している。また、磁石２１の着磁は軸方向のため空心コイルで容易にフル着磁が可能である。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１、１Ａ、５０、５０Ａ 振動発生装置
１０、１０Ａ、 固定部
１１、１１Ａ ボビン
１１ａ、２２ａ、４０ｃ 底部
１１ｂ 円筒部
１２ コイル
１５ 固定側軸穴（穴部）
１６ 座繰り加工部
２０、２０Ａ 可動部
２１、２１Ａ 磁石（永久磁石）
２２ ケースヨーク
２３ バックヨーク
２４ 可動側軸穴（穴部）
３０ コイルばね
３０ａ 大径部
３１ 止螺子
３３ 制振材
４０ ヨーク
４０ａ 大径円筒部
４０ｂ 小径円筒部
４０ｃ 底部
６０ 振動対象物
７０、８０ ボタンスイッチ
７１、８１ ボタン部
７１ａ、８１ａ 下面
７２、８２ ベース部
９０ 螺子
Ｆｎ 共振周波数
ｋ ばね定数

Claims (7)

1. ボビンおよび該ボビンに巻回されたコイルを有する固定部と、
   永久磁石およびヨークを有し、前記永久磁石による磁束が前記コイルと鎖交するように前記固定部に組み合された可動部と、
   前記ボビンおよび前記可動部にそれぞれ形成された前記可動部の可動方向を軸方向とする同軸の穴部に配置され、前記固定部および前記可動部を連結する、非線形特性を有するコイルばねと、
   を備え、
   前記コイルに印加する交番電流の周波数として所定の周波数が予め設定されており、
   前記コイルばねのばね定数は、前記可動部の質量および前記所定の周波数に基づいて、前記コイルに前記所定の周波数の交番電流が印加されることで前記可動部が共振する値に設定され、
   前記交番電流には、前記可動部をポップアップさせるための直流電流が重畳されている振動発生装置。
2. ボビンおよび該ボビンに巻回されたコイルを有する固定部と、
   永久磁石およびヨークを有し、前記永久磁石による磁束が前記コイルと鎖交するように前記固定部に組み合された可動部と、
   前記ボビンおよび前記可動部にそれぞれ形成された前記可動部の可動方向を軸方向とする同軸の穴部に配置され、前記固定部および前記可動部を連結する、非線形特性を有するコイルばねと、
   を備え、
   前記コイルに印加する交番電流の周波数として所定の周波数が予め設定されており、
   前記コイルばねのばね定数は、前記可動部の質量および前記所定の周波数に基づいて、前記コイルに前記所定の周波数の交番電流が印加されることで前記可動部が共振する値に設定され、
   前記コイルばねは一端部に他の部分よりも径が大きい大径部を有し、
   前記ボビンに形成された前記穴部は貫通穴であり、前記穴部における、前記可動部とは反対側の穴の入口の周囲に座繰り加工部が設けられ、
   前記コイルばねは、前記穴部に挿通されており、前記大径部が前記座繰り加工部に係止され、前記大径部とは反対側の他端部が前記可動部と接続されている振動発生装置。
3. 前記コイルばねと前記可動部とは螺子締結されている請求項１又は２に記載の振動発生装置。
4. 前記可動部と前記コイルばねとの接続部分に制振材が配置されている請求項１から３の何れか１項に記載の振動発生装置。
5. 前記ヨークは、前記永久磁石と同径をなすバックヨークと、該バックヨークよりも大径の有底円筒状のケースヨークとを含み、
   前記永久磁石は、前記可動方向と平行に着磁され、前記ケースヨークの内側の底部中央に配置され、前記ケースヨークと前記バックヨークとで挟持され、
   前記穴部は、前記永久磁石および前記バックヨークに形成され、
   前記コイルは、前記永久磁石および前記バックヨークと前記ケースヨークとの間に配置されている請求項１から４の何れか１項に記載の振動発生装置。
6. 前記ヨークは、大径円筒部と、前記大径円筒部の内側中央に位置し前記穴部を有する小径円筒部と、前記大径円筒部と前記小径円筒部とを繋ぐ底部とを有し、
   前記永久磁石は円筒状をなし、着磁方向を前記可動方向と直交する方向に着磁されると共に前記大径円筒部の内側に配置され、
   前記コイルは、前記永久磁石と前記小径円筒部との間に配置されている請求項１から４の何れか１項に記載の振動発生装置。
7. 未操作時には基準位置にあり、操作者の押し込み操作により押し込み方向へ移動するボタン部と、
   前記ボタン部を押し込み操作可能に支持し、押し込まれた前記ボタン部を復帰させるベース部と、
   請求項１から６の何れか１項に記載の振動発生装置と、を備え、
   前記固定部が前記ベース部に固定され、
   前記可動部が前記ボタン部の下面側に配置され、振動時に前記ボタン部を前記基準位置から前記押し込み方向とは反対の方向に移動させる押しボタンスイッチ。

Images