JP3247522U - 理科教材 - Google Patents

Abstract

【課題】少ないスペースで、全員が理科実験を楽しめるよう工夫した理科教材を提供する。【解決手段】理科教材ＴＥＣは、手動ハンドル２の回転によって発電する直流発電機ＭＧと、電解コンデンサＣとを設けた回路基板３が収納ケース１（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ）に収納されている。この回路基板３には、入出力端子片Ｔ＋、Ｔ－と、ＬＥＤランプなどを受け入れる接続口ＳＫと、スライドスイッチＳＷ１、ＳＷ２とが固定され、それら各々の一部が、収納ケース１から露出して、学習用の実験台１Ｄを形成している。【選択図】図１

Description

本考案は、小学生に好適な理科教材に関し、特に、発電機と実験用負荷とを有して構成された理科教材に関する。

例えば、小学校６年生用の理科教材として、直流発電機、蓄電器、及び、ＬＥＤランプなどの発光体を使用した教材が各種提案されている。

特開２０２０－０３６５２０号公報 実用新案登録第３２１４１４２号公報 特開２０１６－８５２７５号公報 特開２０１２－０１６３６４号公報

しかし、従来の理科教材は、生徒による組み立て工程を必要とするものが多く、組立て部品を展開するスペースが必要となるだけでなく、部品の破損や紛失があり、また、製作上の能力差が生じるという問題もあった。しかも、部品を破損させた生徒や、製作に不得意な生徒は、本来の実験ができないおそれもあった。

本考案は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、少ないスペースで、全員が、理科実験を楽しめるよう工夫した理科教材を提供することを目的とする。

本考案に係る理科教材は、手動ハンドルの回転によって発電可能な発電部と、前記発電部の出力電圧を蓄電可能な蓄電部と、を適宜に接続した回路基板を、収納ケースに収納して構成された理科教材であって、一又は複数個のスイッチ部と、前記スイッチ部を経由して、前記蓄電部、及び／又は、前記発電部に接続される接続部と、が前記回路基板に接続された固定状態で、学習用の実験台の一部を構成している。本考案の接続部は、少なくとも、実施例の入出力端子片Ｔ＋，Ｔ－や、ソケット口金ＳＫを含む概念であって、この接続部には、実験用負荷が接続される。ここで、実験用負荷としては、豆電球や、ＬＥＤランプだけでなく、電子ブザーや、プロペラ付きＤＣモータなどが好適に使用される。

本考案の理科教材によれば、少ないスペースで、全員が、本来の実験を楽しむことができる。

実施例に係る理科教材ＴＥＣの構成を説明する図面である。 理科教材ＴＥＣに内蔵された回路基板の回路構成を説明する図面である。

以下、実施例に基づいて本考案を詳細に説明する。図１は、実施例に係る理科教材ＴＥＣを示す図面である。図１（ａ）に示す通り、実施例の理科教材ＴＥＣは、略直方体の収納ケース１の左右に、封止キャップＣＡ１，ＣＡ２が固定されて構成され、回転ハンドル２を、封止キャップＣＡ１又はＣＡ２に装着することで使用状態となる。

なお、図１は、右利きの生徒に好適な構成例であって、回転ハンドル２が、右側の封止キャップＣＡ１に装着されている。但し、回転ハンドル２は着脱自在であって、回転ハンドル２を、左側の封止キャップＣＡ２に付け替えれば、左利きの生徒が快適に使用できる。

何れにしても、この理科教材ＴＥＣは、組み立て工程を要しない完成品であり、シンプルで小型であることから、机の上を占有することなく実験をすることができる。また、収納ケース１は、その頂上面１Ｄを除いて透光性を有しており、内部構造を目視できるようになっており、この意味でも理科教材として優れている。

収納ケース１は、二つ割りされたケース前方箱１Ａ及びケース後方箱１Ｂと、収納ケース１の底部を覆う透光性のケース底面１Ｃと、収納ケース１の頂上面を覆う非透光性の実験台１Ｄと、で構成されている。図１（ｄ）に示す通り、ケース後方箱１Ｂには３本の連結軸Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が、ケース前方箱１Ａに向けて突出している。

この構成に対応して、ケース前方箱１Ａの対応位置にも３本の連結軸が、ケース後方箱１Ｂに向けて突出している。ここで、ケース後方箱１Ｂの連結軸Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３には、中空穴が形成されており、この中空穴に挿入された連結ネジが、ケース前方箱１Ａの連結軸にネジ込まれることで、ケース前方箱１Ａとケース後方箱１Ｂとが一体化される。

ケース底面１Ｃには、ケース後方箱１Ｂに軸支される突出軸ＰＲ，ＰＲ（図１（ｃ）参照）が形成されており、突出軸ＰＲ，ＰＲで二点支持されることで、ケース底面１Ｃは、下方に向けて開閉可能になっている。図１（ｂ）に示す通り、ケース底面１Ｃには、理科実験に使用する豆電球Ｌ１と、ＬＥＤランプＬ２を、各々の両側から係止する保持壁が形成されており、開閉可能な部品収納箱として機能している。そのため、豆電球Ｌ１や、ＬＥＤランプＬ２について、破損や紛失のおそれが少ない。

実験台１Ｄは、各生徒が、理科実験のために使用する部分であり、実験台１Ｄの下方裏面には、各種の電子部品が装着された回路基板３が固定されている（図１（ｄ）参照）。また、実験台１Ｄの適所には、上下貫通穴が形成されており、回路基板３（図１（ｄ））に装着された電子部品が露出している。具体的には、スライドスイッチＳＷ１，ＳＷ２と、電解コンデンサＣと、入出力端子片Ｔ＋，Ｔ－と、ソケット口金ＳＫの各頭部が、実験台１Ｄの貫通穴を通過して露出している（図１（ａ）参照）。

ソケット口金ＳＫは、豆電球Ｌ１、又はＬＥＤランプＬ２をネジ込むことができるよう構成されている。また、本実施例では、極性のある電解コンデンサＣが、予め回路基板３に固定されており、生徒が装着する場合のように、極性を間違える装着ミスや、紛失などのおそれがない。

また、実験台１Ｄの外表面には、スライドスイッチＳＷ１の接点位置に対応して、「発電機」、「太陽電池」、「コンデンサ」と刻印されている。また、スライドスイッチＳＷ２の接点位置に対応して、実験台１Ｄには、「ためる」、「使う」と刻印されている。これらスライドスイッチＳＷ１，ＳＷ２は、理科実験の内容に応じて、適宜に切り替えて使用されるが、「ためる」とは、電解コンデンサＣに、電荷を充電させることを意味し、「使う」とは、電解コンデンサＣの充電電荷を放電させることを意味している。

この収納ケース１の内部下方には、直流発電機ＭＧが配置されている。この直流発電機ＭＧは、永久磁石Ｎ極と永久磁石Ｓ極の間に配置された回転子が、整流子とブラシとを経由して、図２に示す電源端子ＭＧ＋，ＭＧ－に接続されて構成されている。なお、直流発電機ＭＧは、周知の構成であるので、永久磁石、回転子、整流子、及び、ブラシについては図示していない。

何れにしても、直流発電機ＭＧの回転子は、回転ハンドル２に連動して回転するよう構成されており、直流発電機ＭＧの回転子の回転に対応して、電源端子ＭＧ＋，ＭＧ－には、台形状の直流電圧（図２（ａ）参照）が生成される。発生する直流電圧の平均レベルは、回転ハンドル２の回転数（回転速度）に比例するので、回転ハンドル２を勢いよく回すほど、発電電圧が高レベルとなる。また、回転ハンドル２の回転方向に応じて、電源端子ＭＧ＋，ＭＧ－に生成される直流電圧の極性が変わる。なお、実施例の場合、回転数は、１秒当たり３回程度が標準的である。

ところで、直流発電機ＭＧは、直流モータとしても機能するので、電源端子ＭＧ＋，ＭＧ－に、例えば、太陽電池などの直流電圧を加えると、直流発電機ＭＧの回転子と共に、回転ハンドル２が自動的に回転することになる。この場合、回転ハンドル２の回転速度は、電源端子ＭＧ＋，ＭＧ－に供給する直流電圧の電圧レベルに比例する。

図１（ｂ）や図１（ｄ）に示す通り、収納ケース１には、回転ハンドル２に一体化された回転軸４が、回転可能に掛け渡されている。先に説明した通り、収納ケースの左右には、回転ハンドル２及び回転軸４を保持する封止キャップＣＡ１，ＣＡ２が篏合されている。この封止キャップＣＡ１，ＣＡ２には、回転ハンドル２の回転順方向を示す矢印が刻印されている。先に説明した通り、電源端子ＭＧ＋，ＭＧ－に発生する直流電圧の極性は、回転ハンドル２の回転方向に応じて反転するので、正規の直流電圧が生成されるよう、矢印が刻印されている。

先に説明した通り、図示例では、右利きの生徒を意図して、回転ハンドル２を、封止キャップＣＡ１に装着しているが、回転ハンドル２を、封止キャップＣＡ２に装着することもできるよう構成されている。したがって、左利きの生徒は、回転ハンドル２を、封止キャップＣＡ２に装着することで、回転ハンドル２を円滑に高速回転させることができ、右利きの生徒と、楽しく回転速度を競うこともできる。

図１（ｂ）や図１（ｄ）に示す通り、収納ケース１には、適宜に歯合したギア列ＧＡが配置されている。ギア列ＧＡは、具体的には、駆動ギアＧ０と、第１ギアＧ１と、第２ギアＧ２と、第３ギアＧ３と、最終ギアＧ４とで構成され、回転ハンドル２の回転を、直流発電機ＭＧに伝達する機能を果たしている。

ギア列ＧＡについて、更に説明すると、収納ケース１に掛け渡された回転軸４には、駆動ギアＧ０が密篏されて、回転ハンドル２と共に一体回転するよう構成されている。一方、第２ギアＧ２は、回転軸４に遊嵌されることで、自由回転可能に構成されている。また、回転ハンドル２の下方位置には、支持軸５が配置されており、この支持軸５には、第１ギアＧ１と第３ギアＧ３とが遊嵌されている。支持軸５の一端（図示右側）は、収納ケース１に保持され、支持軸５の他端（図示左端）は、連結部材６の開口穴に遊嵌されている。

連結部材６は、回転軸４と支持軸５を回転可能に受け入れる部材であり、回転軸４を通過させる第１円筒部６ａと、支持軸５を受け止める第２円筒部６ｂと、第１と第２の円筒部６ａ，６ｂとを連結する連結部６ｃと、で構成されている。そのため、回転軸４が、収納ケース１の封止キャップＣＡ１，ＣＡ２に保持されることに対応して、支持軸５も、回転軸４から所定距離を隔てた位置に保持されることになる。すなわち、支持軸５と回転軸４の離間距離は、常に、一定距離に保持される。

そして、一定距離に保持される支持軸５と回転軸４には、複数のギアで構成されたギア列ＧＡが歯合して配置されている。ここで、第１ギアＧ１、第２ギアＧ２、及び、第３ギアＧ３は、何れも大径歯車に小径歯車が一体的に積層された二段ギアである。そして、回転ハンドル２の回転に伴って回転する駆動ギアＧ０の回転は、支持軸５に遊嵌された第１ギアＧ１ → 回転軸４に遊嵌された第２ギアＧ２ → 支持軸５に遊嵌された第３ギアＧ３を経由して、直流発電機ＭＧの回転軸に密篏された最終ギアＧ４に伝達され、直流発電機ＭＧを回転させる。

特に限定されないが、この実施例では、駆動ギアＧ０と第１ギアのギア比、第１ギアＧ１と第２ギアＧ２のギア比、及び、第２ギアＧ２と第３ギアＧ３のギア比が、全て３：１程度であり、また、第３ギアＧ３と最終ギアＧ４のギア比が４：１程度となっている。そのため、回転ハンドル２の回転は、順次、増速されて、最終的に１００倍程度となって、直流発電機に伝達される。なお、直流発電機の回転軸の回転数に比例して、発電される直流電圧の平均レベルが増加することは先に説明した通りである。

図２（ａ）は、回路基板３に搭載された電子部品の回路配線を説明する回路図である。図示の通り、スライドスイッチＳＷ１は、入力端子と、出力ａ端子と、出力ｂ端子と、出力ｃ端子とを有して構成されている。そして、入力端子は、直流発電機ＭＧの出力電圧を受ける電源端子ＭＧ＋に接続され、電源端子ＭＧ＋から受けた直流電圧を、何れかの出力ａ端子～出力ｃ端子に伝送している。

出力ａ端子、出力ｂ端子、及び出力ｃ端子は、各々、「発電機」、「コンデンサ」、「太陽電池」と刻印された位置に対応しており、生徒によるスライド操作に基づき、電圧伝送経路を、任意に変更することができる。図示の通り、出力ｃ端子は、何処にも接続されていないが、出力ａ端子は、入出力端子片Ｔ＋と、ソケット口金ＳＫの一方端子に接続されている。一方、出力ｂ端子は、ダイオードＤを経由して、電解コンデンサＣのプラス端子に接続されている。

以上、スライドスイッチＳＷ１について説明したが、スライドスイッチＳＷ２は、電解コンデンサＣのプラス端子に接続された入力端子と、出力ａ端子と、出力ｂ端子と、を有して構成されている。出力ａ端子は、何処にも接続されていないが、出力ｂ端子は、入出力端子片Ｔ＋と、ソケット口金ＳＫの一方端子に接続されている。なお、入出力端子片Ｔ－と、ソケット口金ＳＫの他方端子と、電解コンデンサＣのマイナス端子は、いずれも、直流発電機ＭＧの電源端子ＭＧ－に接続されている。

＜実験１－１（図２（ｂ）発電機の実験）＞
以上の構成を有する実施例の理科教材ＴＥＣについては各種の実験が可能であるが、その一例を図２（ｂ）～図２（ｃ）に基づいて説明する。先ず、実験１－１（図２（ｂ））では、スライドスイッチＳＷ１を、出力ａ端子に切り替えると共に、スライドスイッチＳＷ２を、出力ａ端子に切り替え、ソケット口金ＳＫに、豆電球Ｌ１又はＬＥＤランプＬ２を装着する。

この状態では、ダイオードＤと、電解コンデンサＣは、直流発電機ＭＧから完全に切り離された状態となるが、回転ハンドル２を順方向に勢い良く回すと、直流発電機ＭＧから直流電圧が生成され、ソケット口金ＳＫの両端子や、入出力端子片Ｔ＋、Ｔ－に供給される。ここで、生成される直流電圧の電圧レベルは、回転ハンドル２の回転数に対応するので、回転を速めるほど、豆電球Ｌ１やＬＥＤランプＬ２が明るく発光することになる。そのため、隣の生徒と、明るさを競うなど、楽しく回転ハンドル２回転して、ゲーム感覚で実験を進めることができる。

一方、回転ハンドル２を逆方向に回した場合には、生成電圧の極性が変わるので、ＬＥＤランプＬ２を点灯させることができない。但し、豆電球Ｌ１については、点灯するので、ＬＥＤランプＬ２と豆電球Ｌ１とでは、特性が同じでないことが生徒に確認される。また、回転ハンドル２の回転に対応して、収納ケース１内部のギア列ＧＡが、適宜に回転するので、歯車の回転伝達動作を目視確認することもできる。

また、回転ハンドル２の回転を止めると、点灯状態が消滅するので、発電能力が、回転ハンドル２の回転に起因していることも理解できる。また、ソケット口金ＳＫを開放状態にして、入出力端子片Ｔ＋、Ｔ－に、教師から貸与された、例えば、プロペラ付きの直流モータ（貸与モータ）を接続して、回転ハンドル２を回転させることで、発電能力を確認することもできる。

また、隣の席の理科教材を借りて、二台の理科教材の入出力端子片Ｔ＋、Ｔ－同士を互いに接続して、一方の理科教材の回転ハンドル２を回転させる実験も可能である。この場合には、回転ハンドル２を回転させた理科教材の発電が、もう一方の理科教材に供給されることで、操作していない回転ハンドル２が回転する不思議を体感することができる。この場合、直流発電機は、教師が貸与した上記の貸与モータと同様に機能することを教えることもできる。

＜実験１－２（図２（ｂ））太陽電池の実験＞
次に、実験１－２（図２（ｂ））では、スライドスイッチＳＷ２を、出力ａ端子に維持した状態で、スライドスイッチＳＷ１を、出力ｃ端子に切り替える。そして、ソケット口金ＳＫに、豆電球Ｌ１やＬＥＤランプＬ２を装着した状態で、入出力端子片Ｔ＋、Ｔ－に、太陽電池などを接続することで、太陽電池の特性を実験することもできる。すなわち、太陽電池への照射光の変化に対応して、豆電球Ｌ１やＬＥＤランプＬ２の点灯状態が変化することを体感することができる。

＜実験２－１（図２（ｃ））コンデンサ充電の実験＞
実験２－１では、スライドスイッチＳＷ２を、出力ａ端子に維持した状態で、スライドスイッチＳＷ１を、出力ｂ端子に切り替える。そして、ソケット口金ＳＫに、豆電球Ｌ１やＬＥＤランプＬ２を装着した状態で、回転ハンドル２を回転させる。しかし、いくら勢いよく回転させても、豆電球Ｌ１やＬＥＤランプＬ２は点灯しないが、教師からは、この動作状態が、「ためる」動作であることがら説明される。すなわち、発電された直流電圧に基づき、電解コンデンサＣが充電される。

なお、この充電動作状態では、ダイオードＤが有効に機能しており、回転ハンドル２の回転を停止しても、電解コンデンサＣの充電電荷が、直流モータとして機能する直流発電機ＭＧに逆流して、回転ハンドル２が回転するおそれはない。いずれにしても、上記の充電動作が終われば、次に、スライドスイッチＳＷ２を、出力ｂ端子に切り替える。すると、電解コンデンサＣの充電電荷が放電して、豆電球Ｌ１やＬＥＤランプＬが点灯状態となる。

＜実験２－２（図２（ｃ））コンデンサ放電の実験＞
実験２－２は、豆電球Ｌ１と、ＬＥＤランプＬ２の性能の違いを調べる実験である。先ず、スライドスイッチＳＷ２を、出力ｂ端子にして、入出力端子片Ｔ＋と、入出力端子片Ｔ－とを導体で接続して、電解コンデンサＣを完全放電状態にする。その後、実験２－１の場合と同様に、スライドスイッチＳＷ２を、出力ａ端子に設定した状態で、スライドスイッチＳＷ１を、出力ｂ端子に切り替える。

次に、回転ハンドル２を規定回数（例えば６０回）だけ、勢いよく回転させる。その後、ソケット口金ＳＫに、豆電球Ｌ１を装着した状態で、スライドスイッチＳＷ２を、出力ｂ端子に切り替える。すると、豆電球Ｌ１が点灯状態となるので、豆電球Ｌ１の点灯継続時間を測定して記録する。

続いて、同じ実験をＬＥＤランプＬ２について実行する。すなわち、スライドスイッチＳＷ２を、出力ｂ端子にして、入出力端子片Ｔ＋と、入出力端子片Ｔ－とを導体で接続して、電解コンデンサＣを完全放電状態にした上で、スライドスイッチＳＷ２を、出力ａ端子に設定し、スライドスイッチＳＷ１を、出力ｂ端子に切り替える。次に、回転ハンドル２を規定回数（例えば６０回）だけ、前回と同じ勢いで回転させる。その後、今度は、ソケット口金ＳＫに、ＬＥＤランプＬ２を装着した状態で、スライドスイッチＳＷ２を、出力ｂ端子に切り替える。すると、ＬＥＤランプＬ２が点灯状態となるので、ＬＥＤランプＬ２の点灯継続時間を測定して記録する。

正しい実験結果では、豆電球Ｌ１の点灯継続時間より、ＬＥＤランプＬ２の点灯継続時間の方が長いので、ＬＥＤランプＬ２は、電気を光に代える性能（変換効率）に優れていることが、教師から説明される。また、直流発電機ＭＧを手動回転させると、ある程度の時間、ＬＥＤランプＬ２を点灯させることができるので、災害グッズとしても使用できること、及び、１００回程度の回転操作で５～６分の点灯時間を確保できるので、懐中電灯としても使用できること、などが説明されても良い。なお、この理科教材は、生徒が持ち帰った自宅でも使用できるので、この意味でも好適である。

以上、実施例について、具体的に説明したが、記載内容は、特に本考案を限定するものではなく、考案の趣旨を逸脱することなく、適宜に変更可能である。例えば、実施例では、整流子を必須要件とする直流発電機を使用したが、これに代えて、交流発電機を使用しても良い。交流発電機を交流駆動しても交流モータとしては機能しないが、実施例の理科教材には、ダイオードＤ（図２）が配置されているので、交流発電機によって、電解コンデンサＣを充電することはできる。

一方、本実施例では、直流発電機ＭＧを使用するので、これを、直流モータとして使用することもできる。そのため、電解コンデンサＣを充電させた後の実験２－２（図２（ｃ））において、ソケット口金ＳＷを開放状態にして、スライドスイッチＳＷ２を出力ｂ端子（使う）に切り替えると共に、スライドスイッチＳＷ１を出力ａ端子（発電機）に切り替えることで、回転ハンドル２を回転させることができる。

この動作状態では、電解コンデンサＣからの放電電流が、直流発電機Ｍに逆流するので、直流発電機Ｍが、直流モータとして機能して回転し、これに連動して、回転ハンドル２も回転することになる。なお、実施例では、ソケット口金ＳＫと、入出力端子片Ｔ＋、Ｔ－とを各々、実験台１Ｄに配置したが、何ら限定されない。例えば、ソケット口金ＳＫを、外付け部品として用意し、このソケット口金ＳＫを、実験台１Ｄに配置された入出力端子片Ｔ＋、Ｔ－に接続する構成を採っても良い。逆に、ソケット口金ＳＫだけを実験台１Ｄに配置し、入出力端子片Ｔ＋、Ｔ－で終端された接続ケーブルの基端部を、ソケット口金ＳＫにネジ込む構成を採っても良い。

１ 収納ケース
２ 手動ハンドル
３ 回路基板
ＭＧ 発電部（直流発電機）
Ｃ 蓄電部（電解コンデンサ）
Ｔ＋ 接続部（入出力端子片）
Ｔ－ 接続部（入出力端子片）
ＳＫ 接続部（ソケット口金）
ＳＷ１ スイッチ部（スライドスイッチ）
ＳＷ２ スイッチ部（スライドスイッチ）
ＴＥＣ 理科教材
Ｌ１ 発光体（豆電球）
Ｌ２ 発光体（ＬＥＤランプ）

Claims (5)

1. 手動ハンドルの回転によって発電可能な発電部（ＭＧ）と、前記発電部の出力電圧を蓄電可能な蓄電部（Ｃ）と、を適宜に接続した回路基板（３）を、収納ケース（１）に収納して構成された理科教材であって、
   一又は複数個のスイッチ部と、前記スイッチ部を経由して前記蓄電部（Ｃ）及び／又は前記発電部（ＭＧ）に接続される接続部（ＳＫ，Ｔ＋，Ｔ－）と、が前記回路基板（３）に接続された固定状態で、学習用の実験台の一部を構成している理科教材。
2. 前記接続部（ＳＫ）は、一又は複数種類の発光体を受け入れ可能に構成され、前記発光体に給電する一対の給電端子が、前記回路基板（３）に接続されており、
   前記スイッチ部は、前記発電部の出力を受ける入力端子、及び、複数の出力端子を有する第１スイッチ部（ＳＷ１）を有して構成され、
   前記給電端子の一方は、前記第１スイッチ部の所定の出力端子（発電機接点ａ）に接続されている請求項１に記載の理科教材。
3. 前記接続部は、前記回路基板に接続された一対の入出力端子片（Ｔ＋，Ｔ－）を有して構成され、
   前記スイッチ部は、前記蓄電部の出力を受ける入力端子、及び、複数の出力端子を有する第２スイッチ部（ＳＷ２）を有して構成され、
   前記一対の入出力端子片の一方は、前記第２スイッチ部の所定の出力端子（電荷使用接点ｂ）を経由して、前記蓄電部の出力を受ける請求項１に記載の理科教材。
4. 複数種類の前記発光体を収容可能な保持板が、前記収納ケースに保持され、
   前記発光体は、各々、前記接続部の取り付け可能に構成されている請求項１～３の何れかに記載の理科教材。
5. 前記収納ケースは、
   前記実験台がケース頂面を構成し、前記保持板がケース底面を構成すると共に、
   前記ケース頂面と前記ケース底面を保持するよう、ケース前後面が対面して篏合されることで、全体として略直方体状に構成されている請求項４に記載の理科教材。