JP3151851U6 - 電子回路教材 - Google Patents

Abstract

【課題】生徒一人一人が自分だけで発電及び蓄電の実験をすることができ、消費電力の大きさを手軽に学習することができる教材を提供する。
【解決手段】生徒一人で操作可能な電子回路教材１であって、回転子を回転させると直流電圧が出力される発電機２と、回転子の回転軸２ａを回転させる手動操作部材４と、発電機２からの出力を受けて充電される蓄電部材３２と、蓄電部材３２への充電通路に配置されるスイッチ部材ＳＷとを有して構成され、スイッチ部材ＳＷは、手動操作部材４を設けた収納部５に配置されている。
【選択図】図１

Description

本考案は、理科の学習に用いられる電子回路教材に関し、特に、直流モータを手動回転させると発電できること、及び、電気エネルギーをキャパシタなどに蓄電できることを学習するための電子回路教材に関する。

従来より小学校高学年の理科の実験では、乾電池（一次電池）と直流モータを用い、乾電池から供給される電力とその電力によって回転するモータから、モータの仕組みや電力というものを学習していた。

現在、風力発電の研究や、消費電力を抑制して地球環境を改善する活動が盛んに行われているが、理科の実験においても、消費される電力の大きさを効果的に学習できる教材が強く望まれている。また、手動操作によって発電できること、及び、電気エネルギーを蓄電できることを、身を持って体験できる教材も望まれる。

このような場合、直流モータを手動回転させて直流発電機として機能させ、直流発電機によって、充電電池（二次電池）やキャパシタ（コンデンサ）を充電することが考えられる。

しかし、直流発電機（直流モータ）は、その手動回転を停止すると、直ちに電流が逆流して、せっかくの蓄積エネルギーが、直流モータの回転によって消費されてしまうという問題がある。ここで、電流の逆流を防止するため、充電回路の途中にダイオードを配置することはできるが、このような回路構成を採ったのでは、直流発電機を順回転させた場合と、逆回転させた場合とで、出力電圧の向きが反転することを確認することができない。

一方、充電電池やキャパシタに近接して、手動スイッチを設けたのでは、生徒一人での実験に大きな支障が生じる。すなわち、直流発電機の手動回転を停止してから手動スイッチをＯＦＦ操作するまでの時間遅れが問題となり、せっかくの蓄積エネルギーが、少なからず、直流モータの回転によって消費されてしまう。

本考案は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、生徒一人一人が自分だけで発電及び蓄電の実験をすることができ、消費電力の大きさを手軽に学習することができる教材を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本考案は、生徒一人で操作可能な電子回路教材であって、回転子を回転させると直流電圧が出力される発電機と、前記回転子の回転軸を回転させる手動操作部材と、前記発電機からの出力を受けて充電される蓄電部材と、前記蓄電部材への充電通路に配置されるスイッチ部材とを有して構成され、前記スイッチ部材は、前記手動操作部材を設けた収納部に配置されている。

本考案では、手動操作部材を設けた収納部にスイッチ部材が配置されているので、発電動作を終えた後、迅速に充電回路を開放することができ、電流の逆流を防止することができる。また、ダイオードなどの逆流防止用の素子を設けないので、回転方向を逆転させると、これに対応して、出力電圧の向きが反転することを確認することもできる。

本考案のスイッチ部材は、特に限定されるものではなく、スナップスイッチやスライドスイッチなどの通常の切換えスイッチを使用できる。但し、好ましくは、回転子の回転時にＯＮ操作された後、回転停止時に前記ＯＮ操作を停止することでＯＦＦ状態に自動復帰するスイッチか、或いは、回転子の回転時に自動的にＯＮ状態とされ、回転停止時にＯＮ状態からＯＦＦ状態に自動復帰するようスイッチが採用される。

蓄電部材としては、典型的には、キャパシタや充電電池が該当するが、キャパシタとしては、電気二重層コンデンサが好適に使用され、充電電池としては、ニッケル・カドミウム蓄電池が好適に使用される。

上記した本考案によれば、充電操作が容易であり、簡易にキャパシタを充電できるとともに、キャパシタから発電機への放電を簡易に防止することができる。また、本考案では、スイッチ部材を用いるので、通電方向に方向性を有するダイオードなどを使用する場合とは異なり、手動操作部の回転方向を逆転させると、出力電圧の向きが反転することを確認することもできる。

実施例に示す電子回路教材を示す図である。 図１の電子回路教材の接続ターミナルの詳細を示す図面である。 実験台を示す図である。

以下、実施例に基づいて本考案を詳細に説明する。図１及び図２は、本考案の電子回路教材を示す図である。図１（ａ）は完成状態を示す図であり、図１（ｂ）は内部機構を省略した断面図であり、図１（ｃ）は内部機構を示す図であり、図１（ｄ）は回路構成を説明する図である。

図１（ｃ）に示す通り、この電子回路教材１は、直流発電機による発電部２と、発電部２の出力電圧を受ける接続ターミナル３と、直流発電機を回転させる操作部４と、プッシュスイッチＳＷとを中心に構成され、これらが、プラスチック製の収納部５（図１（ａ））の適所に配置されて構成されている。

図１（ａ）に示す通り、収納部５は、前面箱ＢＸａと背面箱ＢＸｂとを対面させて完成される収容箱ＢＸと、収容箱ＢＸの開放端を覆うキャップＣＰとで構成される。図示の通り、収容箱ＢＸからは、プッシュスイッチＳＷと操作部４とが操作可能に露出している。

図１（ｂ）に示すように、収容箱ＢＸは、軸方向に延びる矩形箱状の本体部ＢＤＹと、本体部ＢＤＹよりやや大径の頭部ＨＤとに区分され、本体部ＢＤＹには、操作部４の回転操作に応じて発電される発電部２が収容されている。また、頭部ＨＤには、スライド溝ＳＬと、凹状薄肉部ＦＥとが形成され、スライド溝ＳＬを利用して、接続ターミナル３の端子板ＢＤがスライド固定されている。

キャップＣＰは、矩形箱状に形成され、その開放端には、凹状薄肉部ＦＥに対応する凸状薄肉部ＭＡが形成されている。そして、凸状薄肉部ＭＡと凹状薄肉部ＦＥとが比較的密に嵌合されることで、収容箱ＢＸとキャップＣＰとが一体化されている。

収容箱ＢＸを組み立てるには、例えば、背面箱ＢＸｂに発電部２や操作部４を配置した状態で、背面箱ＢＸｂのスライド溝ＳＬに、接続ターミナル３の端子板ＢＤをスライド固定させる。その後、背面箱ＢＸｂに前面箱ＢＸａを対面させ、例えば、４個の取付ネジＳＣを締め付けて収容箱ＢＸを完成させる。

以上のように構成された電子回路教材１は、これを電子回路的に説明すると、図１（ｄ）に示す通り、直流電圧を出力する発電部２と、発電部２から出力される直流電圧を受ける蓄電部６（キャパシタ３２）と、蓄電部６と並列接続される発光体３７Ａと、蓄電部６及び発光体３７Ａと発電部２との間に配置されるプッシュスイッチＳＷとで構成されている。

発電部２は、本実施例では直流モータＭ（ブラシモータ）を使用しており、本体部ＢＤＹの基端側に配置され、回転子の回転軸２ａの回転速度に応じた直流電圧を出力するように構成されている。また、回転軸２ａの先端には、従動ギア８が固着され、従動ギア８の回転により回転軸２ａが回転するように構成されている。

操作部４は、駆動ギア１４と一体回転する駆動軸ＡＸに、Ｌ字状の操作レバー１３が固定されて構成され、駆動軸ＡＸの回転は、駆動ギア１４から、中間ギアＧＲ１，ＧＲ２を通して、従動ギア８に伝達されている。

本実施例では、歯数５０の駆動ギア１４と、歯数５０及び１０の中間ギアＧＲ１と、歯数５０及び１０の中間ギアＧＲ２と、歯数１２の従動ギア８とが、この順番に歯合している。したがって、全体として、５０／１０×５０／１０×５０／１２≒１０４．１７倍の増速回転が実現される。そして、操作レバー１３を１秒間に３回程度回転させると、５．０〜５．５Ｖ程度の直流電圧が発電されるようになっている。

操作レバー１３は、本体部ＢＤＹの側面に沿って平行に延びる支持アーム１５と、支持アーム１５の先端から外方に直交する円筒状の把持部１６とで構成されている。図示の通り、支持アーム１５は、本体部ＢＤＹの軸方向長さを越えない限度で、かなり長く形成されているので、梃子の原理に基づき、小さな力で駆動軸ＡＸを回転させることができる。また、支持アーム１５は、本体部ＢＤＹの軸方向長さを越えないので、図１（ａ）の状態から、時計方向に９０度回転させた直立姿勢でも、発電操作をとることができる。

プッシュスイッチＳＷは、本体部ＢＤＹの先端側に配置されており、図１（ａ）に示すように、その操作ボタンが収容箱ＢＸの前面箱ＢＸａから外部に表れている。このプッシュスイッチＳＷは、常開接点を有する跳ね返り形スイッチであり、操作ボタンを押圧すると接点が閉じるよう構成されている。また、図１（ｃ）に示すように、プッシュスイッチＳＷの接続端子の一方は、発電部２のプラス側接続端子に接続され、プッシュスイッチＳＷの接続端子の他方は、接続ターミナル３のプラス側接続端子に接続されている。

図２（ａ）に示す通り、接続ターミナル３は、プラス側接続端子１８と、マイナス側接続端子１９と、蓄電部６や発光部７が装着可能な２つの装着部２０，２１とが、端子板ＢＤから外方向に突出して構成されている。

装着部２０及び装着部２１は、何れも、略コ字状の一部が欠落した突条ＰＲ’と、欠落なく略コ字状に形成された突条ＰＲとが、対面して構成されている。

プラス側接続端子１８は、蓄電部６及び発光部７を並列接続する矩形状の導体部２２と、導体部２２の外側に配置された直方体状の固定部２３，２４と、２つの固定部２３，２４を連絡する係止片２５とで構成されている。ここで、導体部２２と係止片２５とで嵌合溝が形成され、この嵌合溝に、接続プラグＰＬＧが挿入されるようになっている（図３（ｃ）参照）。なお、導体部２２の一部は、端子板ＢＤを貫通して、プッシュスイッチＳＷからのリード線に接続されている。

マイナス側接続端子１９も、プラス側接続端子１８と同様に、導体部２７と、固定部２８，２９と、係止片３０を備えており、導体部２７の一部は、端子板ＢＤを貫通して、発電部２からのリード線に接続されている。

図２（ｂ）に示すように、蓄電部６は、載置台３３にキャパシタ３２が載置されて構成されている。キャパシタ３２は、静電容量が１Ｆ程度の電気二重層キャパシタが使用されており、必要な電気エネルギーを比較的短時間に蓄電される。

載置台３３の内部には、装着部の突条ＰＲ’，ＰＲを受け入れる受入れ溝が設けられている。また、載置台３３の前後両端には、キャパシタ３２の接続端子に接続されたリード片３４Ａ，３４Ｂが配置されている。なお、載置台３３の上面には、電気２重層キャパシタの極性に対応して、プラス及びマイナスの記号が表示されている。

発光部７も、蓄電部６と同様に、載置台３８に発光体３７が載置されて構成されるが、本実施例では、発光体３７として、白色ＬＥＤ３７Ａと、白熱電球３７Ｂとが用意されている。なお、図１（ｄ）に示す通り、白色ＬＥＤ３７Ａには、載置台３８に収容された電流制限抵抗が接続されて過電流を防止している。

続いて、この電子回路教材１の実験方法の一例を説明する。まず、接続ターミナル３のプラス／マイナスの表示に従って、接続ターミナル３に蓄電部６を装着する。次に、プッシュスイッチＳＷの押圧状態を維持して、操作レバー１３を勢いよく回転させる。すると、発電部２で直流電圧が発生し、プッシュスイッチＳＷを通って、キャパシタ３２が充電される。

所定時間、操作レバー１３を回転させた後、プッシュスイッチＳＷの押圧状態を解除するとともに操作レバー１３の回転を止める。この結果、図１（ｄ）に示す充電回路は開放状態となり、キャパシタ３２の充電電荷が、発電部２（直流モータＭ）に流れ込むことが防止され、キャパシタ３２の充電状態が維持される。

次に、接続ターミナル３に、発光部７を取り付けると、キャパシタ３２と発光体３７が、導体部２２，２７を通して通電されて発光体３７が発光する。先に説明した通り、この実施例では、発光体３７として、白色ＬＥＤ３７Ａと、白熱電球３７Ｂとが用意されている。そこで、同一条件（操作レバー１３の回転速度と回転数）で、キャパシタ３２を充電した後、白色ＬＥＤ３７Ａ又は白熱電球３７Ｂを発光させて、互いの発光継続時間を比較することができる。例えば、白熱電球３７Ｂの発光時間が３０秒程度であっても、白色ＬＥＤ３７Ａは、３分程度発光することが確認されるので、使用する発光体によって消費電力が相違することを体験学習することができる。

また、蓄電部材として充電電池を使用する場合には、操作レバー１３の回転速度や回転数を高めるほど、発光体の発光継続時間が長くなるので、発電時に消費される運動エネルギー（労力）と、発光時に消費される電気エネルギー（労力の成果）との比例関係を体験学習することもできる。

ところで、図１〜図２には、一体的に構成された電子回路教材１を例示したが、電子回路教材１を本体部１Ａと実験台１Ｂとに分離して構成しても良い。図３（ｃ）は、本体部１Ａと実験台１Ｂとを、２本のリード線ＬＤ，ＬＤで接続した状態を示しており、リード線の両端には、接続プラグＰＬＧが設けられている。

図３は、実験台１Ｂを示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は電子回路教材１との接続を示す図である。この実験台１Ｂは、接続ターミナル３と同様に、板体４１上に、プラス側接続端子４２と、マイナス側接続端子４３と、装着部４４，４５とが配置されている。プラス側接続端子４２は、２つの装着部４４，４５に対応して形成された端子部４２Ａ，４２Ｂと、端子部４２Ａに接続された導体バネ板４６と、バネ板４６を押圧することにより端子部４２Ａ，４２Ｂを導通させるシーソースイッチ４７とで構成されている。

２つの端子部４２Ａ，４２Ｂは何れも上方が開口しており、リード線ＬＤの接続プラグＰＬＧが挿入可能になっている。また、端子部４２から延びるバネ板４６は、図示の定常状態では端子部４２Ｂに非接触であって常開接点を構成している。一方、シーソースイッチ４７が押されると、バネ板４６が端子部４２Ｂに接触することで、端子部４２Ａ，４２Ｂが導通状態となる。なお、シーソースイッチ４７の逆側を押すと、導通状態が解除される。

実験台１Ｂを利用した実験では、接続ターミナル３のプラス側接続端子１８と、実験台１Ｂの端子部４２Ａに、リード線の接続プラグＰＬＧを挿入する。また、接続ターミナル３のマイナス側接続端子１９と、実験台１Ｂのマイナス側接続端子４３も同様に接続する。次に、装着部４４，４５に、蓄電部６と発光部７とを装着した後、プッシュスイッチＳＷを押した状態で、操作レバー１３を回転させることにより、キャパシタ３２を充電する。その後、シーソースイッチ４７を押すことにより、発光体３７を発光させる。

この実験台１Ｂは、常開接点を有するシーソースイッチ４７を有して構成されているので、発光部７と蓄電部６を装着した状態でキャパシタ３２を充電することができる。また、実験台１Ｂが別部材であるので、充電作業の完了後、見えやすい場所で消費電力の確認実験をすることもできる。

以上、本考案の実施例について説明したが、具体的な記載内容は特に本考案を限定するものではない。例えば、プッシュスイッチＳＷに変えて、遠心スイッチを用いてもよい。遠心スイッチの場合、回転速度が高まると接点がＯＮ状態となり、回転速度が低下すると自動的に接点がＯＦＦ状態となるので、発電作業が極めて簡易となる。

なお、プッシュスイッチＳＷや遠心スイッチに変えて、整流用のダイオードを用いて発電部２に電流が逆流することを防ぐことも考えられるが、この場合、実験者が操作レバー１３を逆回転させて発電する実験を行うことができず、実験の種類が限定されてしまう。このため、発電機とキャパシタとの間にスイッチを設けた本考案の意義は大きい。

１ 電子回路教材
２ 発電機
２ａ 回転軸
４ 手動操作部
５ 収納部
３２ 蓄電部材
ＳＷ スイッチ部材

Claims (5)

1. 生徒一人で操作可能な電子回路教材であって、
   回転子を回転させると直流電圧が出力される発電機と、前記回転子の回転軸を回転させる手動操作部材と、前記発電機からの出力を受けて充電される蓄電部材と、前記蓄電部材への充電通路に配置されるスイッチ部材とを有して構成され、
   前記スイッチ部材は、前記手動操作部材を設けた収納部に配置されていることを特徴とする電子回路教材。
2. 前記スイッチ部材は、回転子の回転時にＯＮ操作された後、回転停止時にＯＮ操作を停止することでＯＦＦ状態に自動復帰するか、或いは、回転子の回転時に自動的にＯＮ状態とされ、回転停止時にＯＮ状態からＯＦＦ状態に自動復帰するよう構成された請求項１に記載の電子回路教材。
3. 発電機、手動操作部、及びスイッチ部材は、単一の収納部に適宜配置されている請求項１又は２に記載の電子回路教材。
4. 前記収納部には、前記直流電圧を受けて発光する発光体を取り付け可能な装着部が設けられ、
   前記蓄電部材への接続配線の基端は、前記装着部に取り付け可能に構成されている請求項１〜３の何れかに記載の電子回路教材。
5. 前記手動操作部は、操作レバーによって手動回転される駆動軸と、前記駆動軸に装着される駆動ギアと、前記駆動ギアに歯合される中間ギアと、を有して構成され、
   前記中間ギアが、前記回転子の回転軸に嵌合された従動ギアと歯合することで、前記回転子が増速回転するよう構成されている請求項１〜４の何れかに記載の電子回路教材。

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