JP2016085275A

JP2016085275A - モータ実験教材及びモータ実験方法

Info

Publication number: JP2016085275A
Application number: JP2014216120A
Authority: JP
Inventors: 耕司篁; Koji Takamura; 篁　　耕司; 裕也加瀬; Yuya Kase
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-10-23
Filing date: 2014-10-23
Publication date: 2016-05-19

Abstract

【課題】簡単な操作でモータに装着された円盤の慣性を変化させ、変化させた慣性により生じる様々な現象を観察することができる、モータ実験教材を提供する。【解決手段】モータと、モータを駆動させるための電力を供給する電源と、電力を供給するための導線を任意に開閉するスイッチと、モータを取付けるための基台と、その平面の中央に前記平面に直交する方向に穿設された中心孔が設けられ、中心孔がモータの回転軸に装着され、モータの駆動とともに回転する円盤と、円盤の中心孔を中心とする同心円上に、中心孔を挟んで対向して穿設された１組以上の第１取付孔と、第１取付孔が穿設された同心円より大きな同心円上に、中心孔を挟んで対向して穿設された１組以上の第２取付孔と、第１取付孔及び第２取付孔の所望の箇所に装着可能な１以上の第１重りと、第１取付孔及び第２取付孔の所望の箇所に装着可能な第１重りより重たい１以上の第２重りとを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、モータに取付けられた円盤の慣性を変化させ、その特性の変化を体験するためのモータ実験教材及びモータ実験方法に関する。

従来、電動機に加わる慣性モーメントや負荷を多様に変化させ、各種の負荷状態による制御特性を理解し、把握させることを目的として、実開平８−７２１号公報に、基台上に、軸端を対向させて同一軸線上に配置したサーボモータと発電機とを備え、さらに、前記サーボモータの駆動軸と発電機の負荷軸を異なる特性で連結する複数の連結手段と、負荷軸の負荷特性を変える複数のフライホイールと、負荷抵抗器とを備えたことを特徴とするメカトロニクス基礎教育実験装置が開示されている。

実開平８−７２１号公報

しかし、特許文献１に開示されている技術では、慣性を変化させるのにフライホイール自体を交換する必要があり、その手順が、学習対象とする学生の年齢によっては煩雑であるという課題があった。また、フライホイールに不均衡重りを装着して、負荷の状態を観察する旨は記載されているものの、それによりバイブレータの原理を学習すること、及び重りを任意に追加してバランスをとったり慣性を変化させたりすることについては開示されていない。

本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、簡単な操作でモータに装着された円盤の慣性を変化させ、変化させた慣性により生じる様々な現象を観察することができる、モータ実験教材及びモータ実験方法を提供することを目的とする。

本発明のモータ実験教材は、
モータと、
前記モータを駆動させるための電力を供給する電源と、
前記電力を供給するための導線を任意に開閉するスイッチと、
前記モータを取付けるための基台と、
その平面の中央に前記平面に直交する方向に穿設された中心孔が設けられ、前記中心孔が前記モータの回転軸に装着され、前記モータの駆動とともに回転する円盤と、
前記円盤の前記中心孔を中心とする同心円上に、前記中心孔を挟んで対向して穿設された１組以上の第１取付孔と、
前記第１取付孔が穿設された同心円より大きな同心円上に、前記中心孔を挟んで対向して穿設された１組以上の第２取付孔と、
前記第１取付孔及び前記第２取付孔の所望の箇所に装着可能な１以上の第１重りと、
前記第１取付孔及び前記第２取付孔の所望の箇所に装着可能な前記第１重りより重たい１以上の第２重りと、
を備えることを特徴とする。

本発明のモータ実験教材によれば、第１取付孔と第２取付孔が設けられた円盤と、第１重りと第２重りとを備えるため、円盤の慣性と重心を、第１重りと第２重りの着脱という簡単な操作で自由に変化させることができる。これにより、円盤を回転させた状態でスイッチを切っても、円盤が慣性により長時間回転し続ける現象を観察することができるとともに、第１重り又は第２重りを不均衡の状態に取付けることで、バイブレータ等の仕組みを学習することができる。また、モータ、基台、円盤、必要に応じて第１重り、第２重りを組み合わせたものを手に持った状態で、モータを駆動させ円盤を回転させることにより、円盤の自転により発生するジャイロ効果を体験することができる。

本発明のモータ実験教材の好ましい例は、
前記モータの電源端子に接続可能な電気的な負荷を備えることを特徴とする。

本発明のモータ実験教材の好ましい例によれば、モータの電源端子に電気的な負荷が接続可能とされているため、モータを回転させスイッチを切った後、円盤の慣性により回転し続けるモータが発電機の役割を果たし、負荷に電力を供給し、フライホイール蓄電の仕組みを学習することができる。また、電気的な負荷に検流計を含めることで、スイッチを入れたときと切ったときの電流の流れ方を観察することができる。

本発明のモータ実験教材の好ましい例は、
前記モータが直流モータであり、
前記電源が３つの電池で構成された直流電源であり、
前記導線が、前記モータと前記３つの電池とを組み合わせ自在に接続できる端子を備えることを特徴とする。

本発明のモータ実験教材の好ましい例によれば、モータが直流モータであり、電源が３つの電池で構成された直流電源であり、導線が、モータと３つの電池とを組み合わせ自在に接続できる端子を備えるため、電池の直列接続と並列接続の多様な組み合わせをすることができ、これら接続方法の違いによるモータの回転の速さの違いを実験することができる。

本発明のモータ実験方法は、
モータと、
前記モータを駆動させるための電力を供給する電源と、
前記電力を供給するための導線を任意に開閉するスイッチと、
前記モータを取付けるための基台と、
その平面の中央に前記平面に直交する方向に穿設された中心孔が設けられ、前記中心孔が前記モータの回転軸に装着され、前記モータの駆動とともに回転する円盤と、
前記円盤の前記中心孔を中心とする同心円上に、前記中心孔を挟んで対向して穿設された１組以上の第１取付孔と、
前記第１取付孔が穿設された同心円より大きな同心円上に、前記中心孔を挟んで対向して穿設された１組以上の第２取付孔と、
前記第１取付孔及び前記第２取付孔の所望の箇所に装着可能な１以上の第１重りと、
前記第１取付孔及び前記第２取付孔の所望の箇所に装着可能な前記第１重りより重たい１以上の第２重りとを備え、
前記第１重り若しくは前記第２重りを、前記第１取付孔若しくは前記第２取付孔に取付けないで、又は前記第１重り若しくは前記第２重りを、前記第１取付孔若しくは前記第２取付孔に前記円盤の重量バランスが均衡するように取付けて、
前記モータに電力を供給し駆動することで前記円盤を回転させ、前記円盤の慣性と、前記円盤の自転によるジャイロ効果とを学習することを特徴とする。

本発明の他のモータ実験方法は、
モータと、
前記モータを駆動させるための電力を供給する電源と、
前記電力を供給するための導線を任意に開閉するスイッチと、
前記モータを取付けるための基台と、
その平面の中央に前記平面に直交する方向に穿設された中心孔が設けられ、前記中心孔が前記モータの回転軸に装着され、前記モータの駆動とともに回転する円盤と、
前記円盤の前記中心孔を中心とする同心円上に、前記中心孔を挟んで対向して穿設された１組以上の第１取付孔と、
前記第１取付孔が穿設された同心円より大きな同心円上に、前記中心孔を挟んで対向して穿設された１組以上の第２取付孔と、
前記第１取付孔及び前記第２取付孔の所望の箇所に装着可能な１以上の第１重りと、
前記第１取付孔及び前記第２取付孔の所望の箇所に装着可能な前記第１重りより重たい１以上の第２重りとを備え、
前記第１重り又は前記第２重りを、前記第１取付孔又は前記第２取付孔に前記円盤の重量バランスが不均衡となるように取付けて、
前記モータに電力を供給し駆動することで前記円盤を回転させ、前記円盤に発生する振動によりバイブレータの仕組みを学習することを特徴とする。

本発明の他のモータ実験方法は、
モータと、
前記モータを駆動させるための電力を供給する電源と、
前記電力を供給するための導線を任意に開閉するスイッチと、
前記モータを取付けるための基台と、
その平面の中央に前記平面に直交する方向に穿設された中心孔が設けられ、前記中心孔が前記モータの回転軸に装着され、前記モータの駆動とともに回転する円盤と、
前記円盤の前記中心孔を中心とする同心円上に、前記中心孔を挟んで対向して穿設された１組以上の第１取付孔と、
前記第１取付孔が穿設された同心円より大きな同心円上に、前記中心孔を挟んで対向して穿設された１組以上の第２取付孔と、
前記第１取付孔及び前記第２取付孔の所望の箇所に装着可能な１以上の第１重りと、
前記第１取付孔及び前記第２取付孔の所望の箇所に装着可能な前記第１重りより重たい１以上の第２重りと、
前記モータの電源端子に接続可能な電気的な負荷を備え、
前記第１重り若しくは前記第２重りを、前記第１取付孔若しくは前記第２取付孔に取付けないで、又は前記第１重り若しくは前記第２重りを、前記第１取付孔若しくは前記第２取付孔に前記円盤の重量バランスが均衡するように取付けて、
前記モータに電力を供給し駆動することで前記円盤を回転させ、
前記円盤の回転が安定した状態で前記モータに電力を供給することを止め、
前記円盤がその慣性により回転することで前記モータを発電させるとともに、前記電気的な負荷を前記モータが発電する電力で作動させ、フライホイール蓄電の仕組みを学習することを特徴とする。

これらの本発明のモータ実験方法によれば、上述した理由によりモータ実験教材と同様の作用効果を奏することができる。

以上、説明したように、本発明のモータ実験教材及びモータ実験方法によれば、簡単な操作でモータに装着された円盤の慣性を変化させ、変化させた慣性により生じる様々な現象を観察することができる。

本発明の一実施形態に係るモータ実験教材のモータと基台と円盤と第１重りと第２重りと導線と端子とを示す図である。モータ実験教材の配線方法を示す図である。モータ実験教材の他の配線方法を示す図である。モータ実験教材の他の配線方法を示す図である。電池の接続方法の例を示す図である。

以下、本発明のモータ実験教材及びモータ実験方法の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明に係るモータ実験方法は、本発明に係るモータ実験教材を使用して実施される。

図１は本発明の一実施形態に係るモータ実験教材１のモータ１０と基台２と円盤２０と第１重り３０と第２重り３１と導線５と端子６とを示す図、図２はモータ実験教材１の配線方法を示す図である。

図１に示すように、本実施形態のモータ実験教材１は、モータ１０と、基台２と、円盤２０と、第１重り３０と、第２重り３１と、導線５と、端子６とを備え、さらに図２に示すように、電源としての乾電池３と、スイッチ７と、電気的な負荷としての電球４と検流計８とを備える。

モータ１０は、数ボルトの電圧の直流電源で駆動される、模型用や工作用のものが用いられ、回転する回転軸１３を備える。また、モータ１０は、その基部１２が、基台２に公知のネジ等で固定される。

また、モータ１０の後部に突出される電源端子１１には導線５が接続され、該導線５の端部には、人手で簡単に接続することができる端子６が設けられている。この端子６としてはワニグチクリップ、ミノムシクリップ等が採用できる。

円盤２０は、その平面をなす側面２１の中央に、平面と直交する方向に中心孔２２が穿設されている。この中心孔２２は、モータ１０の回転軸１３に差し込まれる大きさとされ、中心孔２２が回転軸１３に装着されることでモータ１０に円盤２０が取付けられる。また、円盤２０は、中心孔２２を中心とする同心円２３上に、中心孔２２を挟んで対向して穿設された第１取付孔２５と、第１取付孔２５のさらに外周にある、中心孔２２を中心とする別の同心円２４上に、中心孔２２を挟んで対向して穿設された第２取付孔２６とを二組ずつ備える。この第１取付孔２５と第２取付孔２６には、第１重り３０と第２重り３１とが螺着されるよう、雌ネジが設けられている。なお、円盤２０の材料としては、金属、木、合成樹脂等が採用できるが、中でも重量バランスと加工性と経済性に優れた合成樹脂が好ましい。

第１重り３０と第２重り３１は、上記の第１取付孔２５と第２取付孔２６に設けられた雌ネジに対応する雄ネジを有するボルトからなり、それぞれ複数本備えられる。そして、第１重り３０は比較的軽い合成樹脂を材料とし、第２重り３１は第１重り３０より重たいステンレス、鉄等の金属を材料としている。

電源は、３つの乾電池３から構成されている。この乾電池３はそれぞれ図示しない乾電池ケースに入れられ、乾電池ケースの電極には、導線が接続される。また、導線の端部には、ワニグチクリップ、ミノムシクリップ等の端子が設けられる。この端子が設けられることで、３本の乾電池３を組み合わせ自在にモータ１０、スイッチ７等に接続することができる。

スイッチ７は、乾電池３から供給される電力を、任意に供給又は遮断するもので、乾電池ケースに接続された導線の一方の端子に接続される。このスイッチ７としては、押しボタンスイッチ、スナップスイッチ、ナイフスイッチ等が採用できるが、中でも、回路の開閉を視覚的に確認できるナイフスイッチが好ましい。

電気的な負荷は、導線でモータ１０の電源端子１１に並列に接続される。この負荷としては電力を消費することが外観で判別できるものであればよく、電球、モータ、ブザー等を採用することができる。本実施形態では、視覚的に確認できるものとして電球４と検流計８を接続している。この電球４の点灯状態、及び検流計８の指針の指示を観察することで、現在負荷に流れている電流の状態を目で見て確認することができる。

なお、これらのモータ１０、基台２、円盤２０、第１重り３０、及び第２重り３１を組み合わせたものの大きさと重さは、手に持てる程度であることが好ましく、本実施形態のモータ実験教材１の対象である小学生及び中学生が手に持てる大きさとして、例えば、縦横高さの寸法が５ｃｍ〜３０ｃｍ、重さが３０ｇ〜１０００ｇ程度であることが好ましい。

次に、以上説明した各構成要素の機能を踏まえて、本実施形態のモータ実験方法について図１〜図５を参照して説明する。

図１、図２は、既に説明したとおりである。図３、図４はモータ実験教材１の他の配線方法を示す図、図５はモータ１０と円盤２０を回転させるにあたり電池の接続方法の例を示す図である。

先ず、モータ１０の動作と乾電池３の働きについてと、円盤２０の自転によるジャイロ効果を学習するための実験方法を説明する。モータ１０、乾電池３、スイッチ７、検流計８を、図３に示す配線図のように、直列に接続する。次に、スイッチ７を入れて、円盤２０の回転方向、検流計８の指針の指示を記録する。次に、乾電池３の向きを反対にして、同様に記録する。これにより、電流の向きとモータ１０の回転方向の関係を理解することができる。

また、３本の乾電池３を、図５（Ａ）〜（Ｅ）に示すように様々な方法で接続して、モータ１０の回転の速さと検流計８の指針の指示を記録する。これにより、乾電池３の直列接続、並列接続の電圧の強弱を理解することができる。なお、安全のために乾電池３同士を短絡等するような接続は、事前に説明して禁止しておくことが好ましい。

さらに、基台２を手に持った状態でスイッチ７を入れ、円盤２０を回転させることで、円盤２０の自転によりその姿勢が乱れにくくなるジャイロ効果を学習することができる。このとき、第１重り、第２重りは円盤の重量バランスが均衡する状態であれば取付けても良い。また、第１重り、第２重りを取付けない状態と取付けた状態でのジャイロ効果の変化を観察することもできる。

次に、バイブレータの仕組みを学習する実験方法を説明する。上記同様に、図３に示す配線図のとおりに配線する。なお、このとき検流計８は必須の構成ではない。次に、円盤２０の第２取付孔２６の一つに、第２重り３１を装着し円盤の重量バランスが不均衡となる状態とし、スイッチ７を入れて円盤２０を回転させる。そして、円盤２０が振動する様子を観察する。また、装着した第２重り３１を第１取付孔２５に移動する、第２重り３１を第１重り３０と交換する等して、振動がどのように変化するか観察する。さらに、第１重り３０を４本と第２重り３１を４本、第１取付孔２５と第２取付孔２６に自由に取付け、振動の大きくなる配置、振動がなくなる配置を観察する。

これにより、携帯電話等に使用されるバイブレータの仕組みを理解することができるとともに、自動車のタイヤ交換の際に重量バランスをとる、ホイールバランサの仕組みも理解することができる。

次に、円盤の慣性と、モータ１０による発電と、フライホイール蓄電の仕組みについて学習する実験方法を説明する。モータ１０、乾電池３、スイッチ７、電球４、検流計８を、図２に示す配線図のように接続する。但し、当初は電球４と検流計８は接続しないでおく。まず、電球４と検流計８を接続しない状態で、スイッチ７を入れて円盤２０を回転させ、円盤２０の回転速度が安定するまで待つ。次に、スイッチ７を切って、その瞬間から円盤２０が停止するまでの時間を計る。次に、電球４と検流計８とを接続し、同様にスイッチ７を入れて円盤２０を回転させ、円盤２０の回転速度が安定するまで待つ。そして、スイッチ７を切り、円盤２０が停止するまでの時間を計るとともに、電球４の点灯状態と検流計８の指針の振れ方を観察する。また、円盤２０の全ての第２取付孔２６に、第２重り３１を装着して同様の実験を行う。さらに、スイッチ７を切った状態で円盤２０を手で回し、検流計８の指針の指示を確認する。

また、図４に示すように、スイッチ７を中間オフ位置切り替えスイッチとして、共通端子にモータ１０を、切り替え可能な接点の一方の端子に乾電池３を、他方の端子に電球４と検流計８を接続することもできる。係る場合、電球４と検流計８の接続を簡単に切り替えることができ実験が容易となる。

これらにより、モータ１０が発電機となり発電すること、円盤２０の重さにより慣性を調整できること、発電機に接続する負荷により発電機の回転が妨げられることが観察でき、慣性、慣性による運動エネルギーを蓄えるフライホイール蓄電の仕組み、及び電車等で運動エネルギーを電気エネルギーに変換する回生ブレーキの仕組みを理解することができる。

以上、説明したように、本発明のモータ実験教材によれば、円盤の中心孔から異なる距離に穿設された第１取付孔と第２取付孔、及び重さの異なる第１重りと第２重りを備えることにより、簡単な操作でモータに装着された円盤の慣性を変化させ、変化させた慣性により生じる様々な現象を観察することができる。また、ミノムシクリップ等の端子を用いることで、モータ、３つの電池、スイッチ、電球、検流計を自由に組み合わせることができ、多様な実験をすることができる。

なお、上述のモータ実験教材は、本発明の例示であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、その構成を適宜変更することができる。

１・・モータ実験教材、
２・・基台、３・・乾電池、４・・電球、５・・導線、６・・端子、７・・スイッチ、８・・検流計
１０・・モータ、１１・・電源端子、１２・・基部、１３・・回転軸
２０・・円盤、２１・・側面、２２・・中心孔、２３，２４・・同心円、２５・・第１取付孔、２６・・第２取付孔、
３０・・第１重り、３１・・第２重り、

Claims

モータと、
前記モータを駆動させるための電力を供給する電源と、
前記電力を供給するための導線を任意に開閉するスイッチと、
前記モータを取付けるための基台と、
その平面の中央に前記平面に直交する方向に穿設された中心孔が設けられ、前記中心孔が前記モータの回転軸に装着され、前記モータの駆動とともに回転する円盤と、
前記円盤の前記中心孔を中心とする同心円上に、前記中心孔を挟んで対向して穿設された１組以上の第１取付孔と、
前記第１取付孔が穿設された同心円より大きな同心円上に、前記中心孔を挟んで対向して穿設された１組以上の第２取付孔と、
前記第１取付孔及び前記第２取付孔の所望の箇所に装着可能な１以上の第１重りと、
前記第１取付孔及び前記第２取付孔の所望の箇所に装着可能な前記第１重りより重たい１以上の第２重りと、
を備えることを特徴とするモータ実験教材。
前記モータの電源端子に接続可能な電気的な負荷を備えることを特徴とする請求項１に記載のモータ実験教材。
前記モータが直流モータであり、
前記電源が３つの電池で構成された直流電源であり、
前記導線が、前記モータと前記３つの電池とを組み合わせ自在に接続できる端子を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ実験教材。
モータと、
前記モータを駆動させるための電力を供給する電源と、
前記電力を供給するための導線を任意に開閉するスイッチと、
前記モータを取付けるための基台と、
その平面の中央に前記平面に直交する方向に穿設された中心孔が設けられ、前記中心孔が前記モータの回転軸に装着され、前記モータの駆動とともに回転する円盤と、
前記円盤の前記中心孔を中心とする同心円上に、前記中心孔を挟んで対向して穿設された１組以上の第１取付孔と、
前記第１取付孔が穿設された同心円より大きな同心円上に、前記中心孔を挟んで対向して穿設された１組以上の第２取付孔と、
前記第１取付孔及び前記第２取付孔の所望の箇所に装着可能な１以上の第１重りと、
前記第１取付孔及び前記第２取付孔の所望の箇所に装着可能な前記第１重りより重たい１以上の第２重りとを備え、
前記第１重り若しくは前記第２重りを、前記第１取付孔若しくは前記第２取付孔に取付けないで、又は前記第１重り若しくは前記第２重りを、前記第１取付孔若しくは前記第２取付孔に前記円盤の重量バランスが均衡するように取付けて、
前記モータに電力を供給し駆動することで前記円盤を回転させ、前記円盤の慣性と、前記円盤の自転によるジャイロ効果とを学習することを特徴とするモータ実験方法。
モータと、
前記モータを駆動させるための電力を供給する電源と、
前記電力を供給するための導線を任意に開閉するスイッチと、
前記モータを取付けるための基台と、
その平面の中央に前記平面に直交する方向に穿設された中心孔が設けられ、前記中心孔が前記モータの回転軸に装着され、前記モータの駆動とともに回転する円盤と、
前記円盤の前記中心孔を中心とする同心円上に、前記中心孔を挟んで対向して穿設された１組以上の第１取付孔と、
前記第１取付孔が穿設された同心円より大きな同心円上に、前記中心孔を挟んで対向して穿設された１組以上の第２取付孔と、
前記第１取付孔及び前記第２取付孔の所望の箇所に装着可能な１以上の第１重りと、
前記第１取付孔及び前記第２取付孔の所望の箇所に装着可能な前記第１重りより重たい１以上の第２重りとを備え、
前記第１重り又は前記第２重りを、前記第１取付孔又は前記第２取付孔に前記円盤の重量バランスが不均衡となるように取付けて、
前記モータに電力を供給し駆動することで前記円盤を回転させ、前記円盤に発生する振動によりバイブレータの仕組みを学習することを特徴とするモータ実験方法。
モータと、
前記モータを駆動させるための電力を供給する電源と、
前記電力を供給するための導線を任意に開閉するスイッチと、
前記モータを取付けるための基台と、
その平面の中央に前記平面に直交する方向に穿設された中心孔が設けられ、前記中心孔が前記モータの回転軸に装着され、前記モータの駆動とともに回転する円盤と、
前記円盤の前記中心孔を中心とする同心円上に、前記中心孔を挟んで対向して穿設された１組以上の第１取付孔と、
前記第１取付孔が穿設された同心円より大きな同心円上に、前記中心孔を挟んで対向して穿設された１組以上の第２取付孔と、
前記第１取付孔及び前記第２取付孔の所望の箇所に装着可能な１以上の第１重りと、
前記第１取付孔及び前記第２取付孔の所望の箇所に装着可能な前記第１重りより重たい１以上の第２重りと、
前記モータの電源端子に接続可能な電気的な負荷を備え、
前記第１重り若しくは前記第２重りを、前記第１取付孔若しくは前記第２取付孔に取付けないで、又は前記第１重り若しくは前記第２重りを、前記第１取付孔若しくは前記第２取付孔に前記円盤の重量バランスが均衡するように取付けて、
前記モータに電力を供給し駆動することで前記円盤を回転させ、
前記円盤の回転が安定した状態で前記モータに電力を供給することを止め、
前記円盤がその慣性により回転することで前記モータを発電させるとともに、前記電気的な負荷を前記モータが発電する電力で作動させ、フライホイール蓄電の仕組みを学習することを特徴とするモータ実験方法。