JP2013090765A - 知育用メカトロ融合型木製積木 - Google Patents

Abstract

【課題】感性的側面における優れた素材による積木を提供する。
【解決手段】蝦夷松等の木材によって立方体、直方体、円柱、四角錐、三角錐等の多面体であったり球等の所定の立体形状に構成された木製積木１であって、外部要因を検知する光センサ、傾きセンサ、磁気センサ、音センサ、接触センサ、カラーセンサ又は温度センサ等の検知装置と、検知装置で検知した信号を処理する制御装置と、制御装置からの出力に応じて作動する発光体、振動体、発音体等の作動装置と、電源部とを内部に有する。
【選択図】図−１

Description

積木遊びにおける知育的側面の拡張を目的としたメカトロニクスを融合させた木製積木玩具に関する

積木は持ち上げや積み上げといったブロック操作に伴う手指の操作性のほかに、最終形状の想定や適合するブロックの選択といった創造性や思考力も要求される知育的な玩具である。メカトロニクスが玩具に導入されるに伴い、積木遊びとメカトロニクスを融合させることで、創造性を高め知育機能を向上させた玩具の開発に関心が寄せられるようになった。

これらのメカトロニクス玩具の外観、すなわち子供が触る部分には一般に合成樹脂が使われている。これらは軽量かつ高剛性、高硬度といった特徴を有する一方で重量感がなく質感が画一的であり、暖かみがないという欠点がある。

すなわち、積木の知育的側面に着目した玩具はあるものの、感性的側面における優れたものが無かった。

そこで本発明者は、従来の積木にメカトロニクスを組み込むことと、「木」という天然素材の持つ感性的側面における優れた特性を有効に活用した積木玩具を開発し、積木遊びの「積み上げる」「並べる」「組み合わせる」「持ち上げる」「回転させる」「差し込む」といった動作に対して、積木から遊び手に対して働きかけるインタラクティブな玩具の開発に成功した。

樹脂製の発光ブロック玩具として特許公開２００５−１３８４５２、特許公開２００６−２６２９３９があるが、暖かみがないという欠点がある。
特開２００５−１３８４５２ 特開２００６−２６２９３９

積木は持ち上げや積み上げといったブロック操作に伴う手指の操作性のほかに、最終形状の想定や適合するブロックの選択といった創造性や思考力も要求される知育的な玩具であり、メカトロニクスが玩具に導入されるに伴い、積木遊びとメカトロニクスを融合させることで、創造性を高め知育機能を向上させた玩具の開発に関心が寄せられているようになったが、子供が触る部分には一般に合成樹脂が使われている為、重量感がなく質感が画一的であり、暖かみがないという欠点があった為、感性的側面における優れた素材による玩具の出現が待たれていた。

そこで本発明者は 創造性や思考力の向上に寄与し、興味関心を向上させ、且つ脳・指先を使うことでの発育向上をサポートする木製のメカトロニクス融合型の積木を開発するに至った。

上述した課題を解決する為に、本発明においては、蝦夷松等の木材によって立方体、直方体、円柱、四角錐、三角錐等の多面体であったり球等の所定の立体形状に構成された積木であって、外部要因を検知する検知装置と、当該検知装置で検知した信号を処理する制御装置と制御装置からの出力に応じて作動する作動装置と、電源部とを内部に有する木製積木としたものである。
当該検知装置は光センサ、傾きセンサ、磁気センサ、音センサ、接触センサ、カラーセンサ、温度センサ、または圧力センサとすることができる。
又、当該作動装置は発光体、振動体、発音体とすることができる。
更に、使用する木材を蝦夷松以外のブナ、シラカバ、ハルニレ、シナノキ、オヒョウ等にそれぞれ変えることにより、さわり心地、硬さ、色合い、重さなど 積み木の個性を表すことができる。

本発明に従う木製積木を利用することにより、小児は外部信号（光等）により、一つの木製積木から更に外部に対して信号（光等）を発信し、当該信号を受ける事で更に別の積木が外部信号を発するという連鎖反応を生じさせる事となる。つまり積木の遊び手（小児）に対して働きかけを行うインタラクティブな玩具として利用する事が出来、創造性や思考力の向上に寄与し、興味関心を向上させ、且つ脳・指先を使うことでの発育向上をサポートする事となる

図１は本発明の第一実施形態に係る木製積木を示す図であり、図２は本発明の分解図である。

図―１に示す様に木製積木は一辺を４８mmとした立方体であり、又、図―２(a)及び図―２(b)に示す様に、二つの２４mm ｘ ４８mm ｘ ４８mmの部材（１A及び１B）からなっている。内部にメカトロ用基板を入れる為の空間を設けてある。二つの部材はネジで固定されているが、他の方法でも構わない。立方体の各面の中央には、LEDの光を放出するための孔部A（１１）と、CdS光センサーにLEDの光を当てる為の孔部B（１２）とが設けられているが、必要に応じて中央ではなく、偏心していても、又複数の孔部があってもよい。孔部の形状は円としているが，任意の形状でかまわない．
尚、木製積木の素材は北海道特有の針葉樹林の主要樹種である蝦夷松を利用している。当蝦夷松はやや軽軟で収縮が小さいため、乾燥による変形が少なく、加工が容易という利点を有している。

図―３に示す積木の電子回路は、マイクロチップ製のPICの一つであるPIC16F819と、3個のセンサ、4個のLED及び電源部としての二つのCR2016リチウムコイン型バッテリーにより構成されている。センサとしてはCdS光センサ、磁力によりスイッチが入る磁気センサ、ある一定以上の傾きを検知する傾きセンサを備えている。PIC16F819は各センサからの信号を読み取り、その状態に応じて４個のLEDを点灯、消灯させる。４個のLEDのON/OFFにより、予め設定されているプログラムに従い光の点滅が行われる。
なおセンサおよびLEDの合計数は，制御装置の入出力端子数に応じて変えることができる．入出力端子を１６個有するPIC16F819の場合，センサ１個、LED15個といった構成も可能である。
フルカラーLEDを適用することにより，センサ信号の状態を発光色に反映させることも可能である。

図−４にセンサ基板、図−５にプロセッサ基板を示す。センサ基板には3ケのセンサに加えて電源部を設けた。PIC16F819、LED４個、抵抗がプロセッサ基板に取り付けられた。電線接続によるLEDの取り付けも可能であり、任意の位置にLEDをセットする事が可能である。以上の二つの基板はPCBコネクタにより接続されている。

図６に示す様に上記の二つの基板の組み合わせは、バッテリー搭載時において約38x24x33mmの大きさとなる。それにより、積木の内壁の厚さは5mmを確保することが出来る。

更に直径3mm砲弾型LEDを用いているが，外観の形状に応じて直径5mm以上の砲弾型，2125型(2×1.25mm)等のチップLED，円筒型や直方体型などの特殊形状のLEDに置き換えることができ，基板の小型化や形状変更に対応できる．

更に電池交換を不要にする無接点充電方式とすることも可能である。

更に感度を調節する事で、隣り合う積木からの受光ではなく、太陽光や照明の光でも作動が可能となる。特に、PIC16F819のアナログ変換器(ADC)を用いれば、光の強弱を読み取り，作動装置の出力に反映させることが可能となる．すなわち，フルカラーLEDを作動装置とした場合には，CdSセンサに照射されている光の強弱をLEDの発光色に反映させることが可能となる．

CdSセンサは，照射されている光の明るさに応じて抵抗値が変化する特性を有している．
CdSセンサ回路は，(100kΩ以下の)固定抵抗または半固定抵抗とCdSセンサの直列回路で構成される．なお，第一実施形態では固定抵抗側を電源の正極，CdSセンサ側を負極に接続しているが，逆でもかまわない．この場合，電圧の抵抗分割の法則により，CdSセンサ間の電位差は照射されている光の強弱によって変化することになる．CdSセンサ間の電位差をセンサ信号として，10bitアナログ変換器(ADC)を介してPICに取り込む．PICに搭載されたプログラム(コントローラ)は，あらかじめ設定されたしきい値とセンサ信号とを比較する．

センサ信号がしきい値よりも大きければ，CdSセンサが光を受けたと判断し，作動装置を動かす．なお，コントローラの設定により，しきい値を自由に変化させることが可能である．比較条件を逆にすることにより，光を受けると作動装置を停止させるようにすることも可能となる．センサ信号は，最大10bitのディジタル信号として取り込まれるので，複数のしきい値を設定することにより，一つのセンサで複数の作動条件を設定することができる．たとえば，第一実施形態において，LEDの駆動にパルス幅変調(PWM)方式を用いる場合には，センサ信号の大きさを発光の明るさに反映させることができ，また，作動装置にフルカラーLEDを用いれば照射される光の強弱をLEDの発光色に反映させることができる．

第一実施形態では，制御装置としてマイクロチップ社製のPICマイコンPIC16F819を用いているが，PIC16F887AやdsPICシリーズ等の同社他品種，ルネサステクノロジ社のH8，SuperHシリーズマイコンやAtmel社のAVRをはじめとするマイクロコンピュータ，ザイリンクス社製FPGA等のプログラマブルロジックデバイス等に置き換えが可能である．

第一実施形態に使用しているDIP(Dual Inline Package)型の代わりに，OFN(Quad Flat No Lead Package)型のPICを用いれば，PICの体積が１／２２，基板上の専有面積が１／４となり，基板のさらなる小型化が可能である．

第一実施形態では，ボタン型電池CR2016を２枚使用している．これは，５〜６Vの電圧を供給できる電源であれば代替可能であり，より小型なCR1025等や，カメラ用円筒型リチウム電池，補聴器用特殊小型電池等の適用により基板を小型化することも可能である．

更に図７に示す様に基板どうしの接続にフレキシブルケーブルを用いれば，センサ基板とプロセッサ基板の分離配置が可能となり，くびれのあるひょうたん型など様々な形状の積木開発が可能となる．特に，フレキシブルケーブルが折り曲げを許容することから，可動部位のある積木の制作が可能となる．

以上の実施例においては、CdS光センサ、磁気センサ、傾きセンサを検知装置として、作動装置としてLEDを用いて説明したが、音センサにより人の音声を含めた音を検知することで作動装置を作動させたり、カラーセンサにより色の変化を検知することで作動装置を作動させたり、接触センサにより人が触る事や圧力センサにより人が握ること等、外部要因との接触を検知することで作動装置を作動させたり、温度センサにより人の体温等による外部の温度変化を検知することで作動装置を作動させる事が可能である。

更に作動装置として、振動体を当該積み木中に設ける事で検知装置の信号に応じて、積み木自体を振動させたり、発音体を当該積み木中に設ける事で検知装置の信号に応じて、積み木から音を発生させる事が可能である。

第一実施形態では外観の材料として蝦夷松を使用しているが，別の木材を適用することもできる．たとえばブナ材は，木目がきめ細かく，重硬かつ粘りがあり，割れにくい性質を
備えている．一般に褐色または紅褐色の偽心材を形成し，辺材は白色，淡黄色または淡紅色をしめすため，部位によって異なった色の木材が取れる．またシラカバは，木目が緻密で堅く，帯黄白色をしており，磨くと美しい光沢が生じる．ハルニレは，辺材が褐灰白色，心材がくすんだ淡い黄褐色〜淡い褐色をしており，木理はほぼ通直で肌目は粗く，やや重硬であるという特徴を持つ．シナノキは，色が白くやや軽く柔らかいのが特徴で，良質のものは密度が高く木理細やかであり，肌触りがよい．またオヒョウは高重量かつ高硬度であり，材の色は淡紫褐である．

このように，天然の木材を使用する本発明は，各木材が有する特性をそのまま積み木の個性として取り入れることが可能となる．すなわち，同一形状の積み木を異なった木材で制作すれば，木材のさわり心地や硬さ，色あい，重さなどが積み木の個性を表す要素となる．また，1種類の木材で同一形状の積み木を作った場合でも，木目の違いや部位による色の違いが積み木の個性を表す要素になる．なお，上記以外の木材も，家具や玩具などに使われているような木材であれば適用可能である．

以上の木製積木の構造により、傾きセンサの作用により積木の姿勢を変えたら光り方が変わり、磁気センサの作用により磁石が組み込まれている積木を重ねると光り出し、CdSセンサの作用により光っている積木の横に別の積木を置くとその積木も光りだす、人が触れる事により圧力・体温を検知して積み木が光だす、人の音声を含めた音を検知して積み木が光り出すといった積木遊びにおける自然な動作によって反応が変化する積木を実現することが出来る。又既に記載の通り、光に加え、振動させたり音声を発する事も可能であり、種々の組み合わせが可能となる。尚、組み合わせの例を図１５に示す。

これらの機能により以下の積木特性が得られる。
１．積木を回転させる事で光パターンが変化する
２．磁石又は磁石が埋め込まれた積木が積まれる事でLEDが点灯する
３．積木内のCdSセンサに光が当ると、他の孔部より光が照射される
４．人が触れる事で圧力・温度を検知して光パターンの変化や音・振動が生まれる

第一実施例では立方体を示したが、図８に示す様な角柱及び円柱の木製積み木、図９に示す様な多面体の木製積み木、図１０に示す様な凹凸のある木製積み木、図１１に示す様な中空型木製積み木、図１２に示す様な円錐及び角錐型の木製積み木が可能であり、多面体であれば良く、これらの形状に限定されるものではない。

図１３に示す様な特殊形状の木製積み木も可能であり、例えばアルファベットの文字形状による木製積み木も可能である。

更に図１４に示す様に可動部位を設けた木製積み木もフレキシブルケーブル等を用いる事で実現可能となる。

木材を用いることで、従来のメカトロ玩具にない暖かみを持つ知育玩具として利用可能であり、小児に限定せず、手指の訓練等、介護施設・高齢者施設においてでも利用可能である。

木製積木 木製積木パーツAの三面図および不等角投影図 木製積木パーツBの三面図および不等角投影図 積木用電子回路図 センサ基板の三面図，裏面図，および不等角投影図板 プロセッサ基板の三面図および不等角投影図 センサ基板とプロセッサ基板からなるメカトロニクス・システムの三面図および不等角投影図 センサ基板とプロセッサ基板がフレキシブルケーブルでつながれているメカトロニクス・システム 角柱および円柱の木製積木 (斜角柱および斜円柱，断面が多角形や楕円形のもの，直線と曲線が混在したもの，辺や母線が曲線のもの，面取りやフィレットをかけたものもこれに含む) 多面体の木製積木(多面体の角を取ったもの，辺の面取りをしたもの，フィレットをかけたものもこれに含む．) 凹凸のある木製積木(任意の形状の凹凸があるもので，凹または凸が複数あっても，また，凹凸が混在していてもかまわない．) 中空型木製積木 円錐および角錐型の木製積木(頭頂点を任意の平面または曲面で切り取ったもの，底面または頭頂点切り取り部に凹部があるものも含む) 特殊形状の木製積木(各形状において凹凸や中空部位が付加されているものも含む) フレキシブルケーブル連結型メカトロニクス・システムの適用による可動部位のある木製積木 検知装置と作動装置の組み合わせ

１・・・木製積木
１A・・・木製積木パーツA
１B・・・木製積木パーツB
１１・・・発光用孔部A
１２・・・受光用孔部B
２A・・・センサ基板用溝部
２１・・・磁気センサ用溝部
２２・・・CdSセンサ用溝部
２３・・・傾きセンサ用溝部
３A・・・プロセッサ基板用溝部
３１・・・バッテリ用溝部
４A・・・センサ基板
４B・・・プロセッサ基板
４１・・・PIC16F819
４２・・・LED
４２A・・・LED用制限抵抗(１２０Ω)
４２B・・・ケーブル接続式LED
４３・・・プルアップ抵抗(２０ｋΩ)
４４・・・CdSセンサ
４４A・・・CdSセンサ用直列抵抗(３０ｋΩ)
４５・・・磁気センサ
４６・・・傾きセンサ
４７・・・バッテリ(CR2016×２)
４７A・・・バッテリケース
４８・・・PCBポスト
４８A・・・PCBコネクタ
４９・・・フレキシブルケーブル

Claims (13)

1. 木材によって立体形状に構成された積木であって、外部要因を検知する検知装置と、当該検知装置で検知した信号を処理する制御装置と制御装置からの出力に応じて作動する作動装置と、電源部とを内部に有する木製積木
2. 各積木が異なる木材によって作られた請求項１記載の積木
3. 当該作動装置が発光体であることを特徴とした請求項１又は２記載の積木
4. 当該作動装置が振動体であることを特徴とした請求項１又は２記載の積木
5. 当該作動装置が発音体であることを特徴とした請求項１又は２記載の積木
6. 当該検知装置が光センサであることを特徴とした請求項３、４又は５記載の積木
7. 当該検知装置が傾きセンサであることを特徴とした請求項３，４又は５記載の積木
8. 当該検知装置が磁気センサであることを特徴とした請求項３，４又は５記載の積木
9. 当該検知装置が音センサであることを特徴とした請求項３，４又は５記載の積木
10. 当該検知装置がカラーセンサであることを特徴とした請求項３，４又は５記載の積木
11. 当該検知装置が接触センサであることを特徴とした請求項３，４又は５記載の積木
12. 当該検知装置が温度センサであることを特徴とした請求項３，４又は５記載の積木
13. 当該検知装置が圧力センサであることを特徴とした請求項３，４又は５記載の積木