JPH11226269A - 磁石つき円盤回転機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課 題】構造が単純で作り易く、円滑で高速な回転が
持続的に得られ、回転の速度を無段階に変化させること
が容易にでき、しかも性能面が長期間維持できる簡易モ
ーターを作る。また従来のものとは発想を変えて、永久
磁石をつけた円盤を電磁石との相互作用で回転させるし
くみを発明する。 【解決手段】本発明は厚紙やプラスチックなどの円盤
（ディスク）の縁に数個の永久磁石を取り付けたものを
回転子１とし、電磁石２との相互作用によって回転させ
ようとしたものである。その際、磁気を感知して動作す
るリードスイッチ４を活用して電磁石の磁力を制御する
ことにより、磁気の相互作用のタイミングをとりながら
回転させる方法をとった。その結果、円滑で高速な回転
が持続的に得られ、無段階変速も可能な簡易モーターを
作成することができた。また、リードスイッチの点滅に
よる電磁石のＯＮ／ＯＦＦを、視覚的にとらえるという
動作確認方法を開発した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、学校教育において
科学分野（理科・技術家庭科・物理科）や環境教育など
の教材として役立つほか、玩具産業の分野において電気
玩具として活用できるものである。

【０００２】

【従来の技術】これまで、学校教育の場をはじめ玩具の
分野で活用されている簡易モーターは、その仕組みのほ
とんどが、電磁石の回転子を永久磁石や電磁石の磁界の
中で回転させるものであった。そしてそれらのモーター
はブラシ部分の耐久性に難があるとともに、機構上の制
約から、回転子の速度を無段階に変速させることは容易
ではなかった。また、永久磁石をつけた円盤を電磁石と
の相互作用で回転させるしくみのものは現在のところ製
品化されていない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の簡易モーターは
構造が複雑で、製作するのに時間と手間がかかる上に、
円滑に回転するように調整したり、性能面を維持したり
することが難しく、回転の速度を自在に変化させること
も容易ではなかった。

【０００４】本発明は構造が単純で作り易く、円滑で高
速な回転が持続的に得られ、回転の速度を無段階に変化
させることが容易にでき、しかも性能面が長期間維持で
きる簡易モーターを作ることを目的として、従来のもの
とは発想を変えて、永久磁石をつけた円盤を電磁石との
相互作用で回転させる簡易モーターの開発を課題として
いる。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は構造が単純で作
り易く、円滑で高速な回転が得られ、無段階変速も可能
な簡易モーターを作りたいと考え、厚紙やプラスチック
などの円盤の縁に数個の永久磁石を取り付けたものを回
転子とし、電磁石との相互作用によって回転させようと
したものである。その際、磁気を感知して動作するリー
ドスイッチを活用して電磁石の磁力を制御することによ
り、磁気の相互作用のタイミングをとりながら回転させ
る方法をとった。また、リードスイッチのはたらきによ
る電磁石のＯＮ／ＯＦＦを視覚的に確認するために発光
ダイオードを活用することにした。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明は、回転軸に直角に取り付
けた円盤（ディスク）の縁（へり）に、数個の永久磁石
を取り付けたものを回転子とし、リードスイッチのはた
らきで制御する電磁石の磁力との相互作用により、回転
させたものである。その結果、円滑な回転が持続的に得
られるとともに、無段階変速も可能になった。また、発
光ダイオードを回路に並列に挿入することにより、リー
ドスイッチのはたらきによる電磁石のＯＮ／ＯＦＦを視
覚的に確認することができた。

【０００７】

【実施例】以下、添付図面にしたがって、実施例を説明
する。図１は全体の斜視図（見取り図）であり、図２は
回転体の斜視図、図３は枠組みの斜視図、図４はリード
スイッチの立面図、図５は回路図であるが、以下各構成
部分についで順次説明する。

【０００８】図２の回転子は次のような手順で作成す
る。まず厚紙あるいはプラスチック板を円形に切り抜い
て円盤（ディスク）を作る。大きさは、枠組みとして使
用するフロッピーケースの大きさよりやや小さめにする
ために直径約８ｃｍとする。円盤にはフェライト磁石を
取り付ける張り出し部分を作っておき、そこを折り曲げ
て、接着剤あるいは両面テープでフェライト磁石を直角
に数個取り付ける。ここでは４個の場合を例として記述
する。円盤状で、上下の両底面がＮとＳになっているフ
ェライト磁石＝Ａ〜Ｄ＝を図２のように、外側を向く極
の向きがＮ極ならＮ極、Ｓ極ならＳ極と、すべて同じに
なるように取り付ける。また、フェライト磁石は電磁石
の強さとバランスのとれた強さのものを使用する。次に
円盤の中心に竹ひごを挿して接着剤で固定し、独楽のよ
うな形の「回転子」を作る。円盤の中心部分は丸い厚紙
等を接着剤で貼り付け、両側から細いビニル管をはめ
て、竹ぐしがぐらつかないように補強する。

【０００９】回転子を支持する枠組みには、フロッピー
ケース（１枚用）を２個、図３のように直角に組み合わ
せて作った箱型のものを使用する。その際、下部のアク
リル板の合わせ目をアクリル用接着剤で接着するが、上
部の合わせ目は回転子の入れ替えをするときに、上の面
の開閉が自在にできるように接着しない。この箱の上の
面にはあらかじめ、直径４ｍｍほどの小さい穴をドリル
であけておき、そこに竹ぐしの上部を挿し込み、回転子
を直立させる。

【００１０】回転子の竹ぐしの先端を受けとめる「軸受
け」の部分には、図１の６のようにフイルムケースの蓋
を使い、中心の窪みを利用する。窪みにある小さな突起
は取り除き滑らかにしておく。フィルムケースと竹ひご
の組み合わせでは、数百回以上回転させても接触面が互
いにほとんど摩滅しない。

【００１１】図１の２は電磁石である。残磁性を小さく
するために「焼きなまし」をした皿木ネジを鉄芯にし
て、周りにビニル管を被せ、その上にエナメル線を三重
に巻き、約３００回巻きのものを作る。電磁石を固定す
るときに便利なように、皿木ねじの先端部分は１．５ｃ
ｍほど残しておく。また、エナメル線の緩みを防ぐため
に、上下に厚紙の「つば」をつける。電磁石は回転を調
整しながら、円盤と平行な位置で最もよく回る角度のと
ころに支持装置により固定する。

【００１２】電源には図１の３のように単三乾電池
（１．５Ｖ）を使用するが、使い古しの乾電池や太陽電
池（規格＝１．５Ｖ・３７５ｍＡ）でも動作する。

【００１３】本発明のモーターは電磁石に流れる電流を
一定の間隔でＯＮ／ＯＦＦさせる必要があるので、スイ
ッチングの部品として磁界の変化を感知して動作する
「リードスイッチ」などの感知器を用いる。ここでは長
さ２ｃｍのもので、磁石が近づくとＯＮ、離れるとＯＦ
Ｆになるリードスイッチを使用する。このリードスイッ
チを取り付ける位置は、回転子の回転にかなり微妙な影
響を与えるので、少しずつ回転させながら調節する。リ
ードスイッチを使わずに、押しボタンスイッチ等を使っ
て、手動でタイミングをとりながら電流のＯＮ／ＯＦＦ
を行っても回転はするが、速度は遅い。

【００１４】円盤が回るしくみは次の通りである。ま
ず、円盤（ディスク）のフェライト磁石（Ａ）が、リー
ドスイッチに近づくと、電磁石に電流が流れる。すると
電磁石に磁気が生じ、フェライト磁石（Ｂ）を極性の相
互関係で引き寄せたり、斥けあったりする。その結果、
円盤がいずれかの方向に回転するので、フェライト磁石
（Ａ）がリードスイッチから離れる。その瞬間に電流が
途切れて、電磁石から磁気が消えるが円盤は慣性で回り
続ける。そのために、次のフェライト磁石（Ｂ）か
（Ｄ）のいずれかがリードスイッチに近づくことにな
り、再び電磁石に電流が流れて磁界が生まれ、一連の現
象が繰り返されることになる。電磁石の向きや電池の極
を逆にすると反対方向に回転し始める。

【００１５】このように、本発明のモーターは電磁石の
極と円盤につけられた永久磁石の極との相互関係が基軸
になり、リードスイッチのはたらきでタイミングがとら
れることによって回転するしくみになっている。そこで
私は磁石つき円盤回転機（タイミングディスクモータ
ー）と名付けることにしたのである。また、本発明のモ
ーターは運動の方向は直線ではないが、原理的には最近
脚光を浴びている、リニアモーターカーのしくみと共通
するものがある。

【００１６】電磁石は円盤の面と水平に置くのだが、初
めは電磁石を固定せずに、作用させる位置を少しずつ変
えながら最もよく回転する位置を探す。結果的にはリー
ドスイッチとの角度が約１３５度になるような場所に置
いたときに最も速く回転した。この電磁石を置くときの
「最適な位置」は、円盤上のフェライト磁石の個数を変
えれば、当然異なってくる。ちなみにフェライト磁石３
個のときは９０度である。

【００１７】本発明のモーターの場合は電磁石を手で持
っていることにより、リードスイッチで制御される電磁
石のはたらきの変化によるフェライト磁石との引きつけ
あったり、反発しあったりする力を指先で体感すること
ができる。

【００１８】本発明ではリードスイッチの開閉による電
流の断続を目で見て確認できるように、発光ダイオード
を活用し、図１の５のように、リードスイッチと並列に
入れる。こうすると電磁石のはたらきを弱めることな
く、リードスイッチによるＯＮ／ＯＦＦを発光ダイオー
ドの点滅によって確認することができる。これはフェラ
イト磁石が、リードスイッチに近づいて乾電池からの電
流が電磁石に流れ始める瞬間と、リードスイッチから離
れて電流が途切れた瞬間とのそれぞれに、コイルに自己
誘導の起電力が生まれ、回路に誘導電流が流れるからで
ある。

【００１９】ちなみに、この時の電圧はオシロスコープ
で測定したところ、ＯＦＦになるときは約１０Ｖであ
り、ＯＮになるときはそれよりかなり低い値である。興
味深いのは、電源が１．５Ｖであるにもかかわらず、発
生する誘導電流のために、動作電圧の高い発光ダイオー
ド（３〜７Ｖ用）を使用しても明るく点灯することであ
る。発光ダイオードは見易いように、図１の５のように
枠組みの上の面に小さい穴をあけて取り付ける。

【００２０】リードスイッチが開閉するときに、誘導電
流の発生によりリードスイッチに高い電圧がかかるため
に、接点部分に激しく火花が散り、その部分の消耗が早
くなる。これはリードスイッチと並列に小容量（０．１
μＦ等）のコンデンサーを接続することによって防ぐこ
とができるが、前述のように、リードスイッチによるＯ
Ｎ／ＯＦＦの確認のために接続する発光ダイオードも同
じような役割を果たす。

【００２１】

【発明の効果】本発明のモーターは一般的に作られるタ
イプの電磁石と、子どもたちが日頃親しんでいるような
フェライト磁石を使用していることやその構造が単純な
ことから、製作・操作し易いものである。製作の段階で
配線の接続やリードスイッチなどの性能等に注意すれ
ば、ほぼ１００％動作する。。また安価で入手し易い材
料が使え、環境教育を視野に入れた不用品の活用も可能
である。

【００２２】従来、小・中学校で一般的に作られている
コイル型の簡易モーターでは、回転数を変化させること
は容易なことではなかった。電圧を変えることによる変
速は可能でも、無段階に速度を変えることは不可能であ
った。しかし、本発明のモーターでは、円盤につけられ
た永久磁石と、電磁石との距離を変えることによって容
易に、しかも無段階に速度を変えることができる。これ
は他に例を見ない一大特長だと思う。

【００２３】白と黒の図案なのに回転させると、一種の
錯覚で様々な色が見えてくるので有名な「ベンハムの図
形」がある。それを、本発明のモーターの回転子の円盤
に貼り付けると、回転速度が自由に変えられる特長か
ら、錯視による色の見え方の変化が見易くなる

【００２４】子どもたちにとって、目に見えない「磁
力」を手に受ける感覚でとらえることができれば、学習
に与える効果は大きい。本発明のモーターでは電磁石を
手で支えていると、円盤の縁の永久磁石との間の磁力の
はたらきを指先で感じ取ることができる。磁石どうしを
近づけたときとは少し違った感触の、断続的な磁力の変
化を体感できるのである。したがって初めは電磁石を固
定しないで、目に見えない磁力の存在を十分に体感させ
ながら、最も回転速度の上がる位置を見つけ出させるよ
うにする。

【００２５】ちょっと見ただけでは見えにくく、とらえ
にくい事象でも、視覚でとらえることができれば、子ど
もにとってはより理解し易いものとなる。前述のよう
に、本発明のモーターでは発光ダイオードを活用するこ
とにより、電磁石に入る電流のＯＮ／ＯＦＦを点滅する
現象で確認することができる。このモーターの回転に最
も重要な役割を果たしている、リードスイッチのはたら
きを視覚的に確認できることは、子どもたちがしくみを
理解する上で大いに役立つと思われる。

【００２６】本発明のモーターは低い電圧と僅かな電流
で回転するので、太陽電池（規格例１．５Ｖ・３７５ｍ
Ａ）でもよく回転する。自分の手で作った簡易モーター
が太陽電池で回転することに、子どもたちは強い興味・
関心を持つと思う。

【００２７】本発明のモーターでは回転子がはずみ車の
役割を果たすので、かなり高速に回転し、高いトルクも
得られる。ストロボスコープ（連続発光装置）を使って
測定すると、毎分３５０〜４００回転の値が得られる。
したがって回転子や回転軸に負荷をかけ、何らかの仕事
をさせることが可能である。

【００２８】枠組みが透明なので、回転子の円盤（ディ
スク）の回転する様子が見易く、円盤の表面に色を塗っ
たり、模様や図形を描いたりしたときも、上から見るこ
とが出来る。前述の「ベンハムの図形」を見るのにはと
ても便利である。また、横の二面が開いているので、回
転子に電磁石を近づけるときにも便利である。

【００２９】本発明のモーターで発光ダイオードが電磁
誘導によって点滅する現象は高等学校の物理の学習の中
で行われるネオン管を使った電磁誘導実験に代わる教材
として取り入れることができる。ネオン管を使う回路で
は乾電池を数個必要とするが、このモーターでは、乾電
池１個だけでも、自己誘導の様子がはっきりととらえら
れるのが利点である。

【００３０】オッシロスコープを使うと本発明のモータ
ーにおける電磁誘導の周期的な変化が観測できる。さら
に、蛍光灯を点灯させるしくみとも原理的に類似してい
ることから、中学校の技術・家庭科の教材としても活用
できる。

【００３１】本発明のモーターは、これまでの簡易モー
ターとはまったく発想の異なるしくみのものである。子
どもに興味・関心を持たせ易く「自分でもできそうだ。
作ってみよう」と思わせることができるような教育玩具
である。また、中学校以上の理科学習の中で、電磁誘導
現象の発見をさせ易く、その原理を理解させ易いことか
ら電磁誘導の教材としても有用である。そして、子ども
の発達段階や理解度に応じて高度なしくみや原理をとら
えさせる教材としての発展性もある。

【００３２】本発明のモーターは小学校理科の電磁石の
単元はもちろん、中学校以上の理科・技術科等における
電磁気関連単元などでの極めて幅広い活用が考えられ
る。そのほか、今後導入が予定されている「総合学習」
の教材としても好適なものだと考えられる。さらに積極
的に不用品を活用したり、太陽電池を使用したりするこ
とにより、地球環境間題への社会の要求に応えるリデュ
ース・リユース・リサイクルといったことにも適合し、
環境教育などの教材としての有用性も考えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す斜視図である。

【図２】回転体の斜視図である。

【図３】回転体を支持する枠組みの斜視図である。

【図４】リードスイッチの立面図である。

【図５】本発明の磁石つき円盤回転機（タイミングディ
スクモーター）の回路図である。

【符号の説明】

１ 回転体（永久磁石をつけた円盤） ２ 電磁石 ３ 電源（１．５Ｖ乾電池等） ４ リードスイッチ ５ 発光ダイオード ６ 軸受け（フィルムケースの蓋） ７ 枠組み（フロッピーケース） ８ 回転軸を通す小穴 ９ 磁気感知部 １０ Ａ・Ｂ・Ｃ・Ｄ フェライト磁石

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転軸に直角に取り付けた円盤（ディス
   ク）の縁に永久磁石を複数個取り付けたものを回転子と
   して、電磁石との相互作用により回転させる装置。
2. 【請求項２】電磁石の磁力のはたらきを、磁力を感知し
   てスイッチングするリードスイッチ等の部品によって制
   御し、回転子につけた永久磁石との相互作用をタイミン
   グよく機能させることにより回転子の回転を持続させる
   装置。
3. 【請求項３】円盤につけられた永久磁石と電磁石との距
   離や位置を変化させることによって、回転子（円盤）の
   回転速度を無段階に変化させることができる装置。
4. 【請求項４】リードスイッチと並列に接続した発光ダイ
   オードの点滅によって、電磁石に流れる電流のＯＮ／Ｏ
   ＦＦを視覚的に確認する装置。