(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
学習教材用の風力発電機を製作するための部品からなる学習教材用風力発電機製作キットであって、回転羽根と、該回転羽根の回転に伴って発電する発電機と、該発電機を収容可能な発電機収容穴と回転羽根の外周を囲う外周保護部と該外周保護部の下端部から下向きに延出された台座への差込部を一体に備えた本体と、該本体の外周保護部の前面を被覆するように固定される透明な前面カバーと、前記発電機から供給される電力を利用して発光する発光体と、該発光体が装着されて該前面カバーと本体の外周保護部との間に挟持固定される回路基板と、前記本体の差込部が差し込まれる挿通孔を備えた台座とからなり、前記発電機は本体の発電機収容穴に収容可能に形成された筒状のハウジングと、該ハウジング内に回転可能に挿入される永久磁石と、該永久磁石の回転によって起電力を発生するコイルと、該コイルをハウジングの外面に固定するための固定手段とからなることを特徴とする学習教材用風力発電機製作キット。
【請求項２】
前記永久磁石はＮ極とＳ極が周方向に少なくとも２回交互に現れるように形成され、前記コイルはハウジングを挟んで各極と対向するように極数と同数配置されて永久磁石の回転により交流電圧を発生するように結線され、前記発光体は互いに逆向きに取り付けられた複数個の発光ダイオードからなることを特徴とする請求項１記載の学習教材用風力発電機製作キット。
【請求項３】
請求項１又は２記載の学習教材用風力発電機製作キットから製作されてなることを特徴とする学習教材用風力発電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、組み立てが容易で子供の興味を引き付けて高い学習効果を得ることができる学習教材用風力発電機製作キット及び学習教材用風力発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の科学技術の発展はまさに日進月歩であって、現代に生きる我々の日常生活の大部分は科学技術の成果によって支えられているといっても過言ではない。
このような科学技術の発展の影には、研究開発を行う技術者の努力があることは言うまでもないが、このような技術者の技術的下地は小学校や中学校時代の学習によって培われたものである。
ところが、最近では子供、特に小中学生の理科嫌い・理科離れが問題となっており、その原因は法則や公式の暗記を中心とした授業内容に興味を持てないことにあるのではないかと言われている。
このような実情に鑑みて、授業に多くの実験を取り入れようとする試みもなされているが、行われる実験は既に組み立てられた市販の器具や装置を利用して行うものが多いため、生徒の自主性が引き出されにくく実験への興味を充分に引き付けることができなかった。
また、生徒に自ら組み立てさせる目的の学習用キットも存在しているが、このような市販のキットは電池を入れるだけとか配線を繋ぐだけの極めて簡単なものであるために、生徒の学習意欲をかき立てることができない場合が多かった。また、キットの一部のみが自ら組み立て可能とされて実験の本質をなす重要な部品については既に完成した市販品が用いられている場合も多く、このような場合には肝心な部分の構造が理解できないために充分な学習効果が得られなかった。
また、逆に構造が精緻で複雑なものは組み立てが難しいためにやる気を削いだり実験がうまく行えない場合があった。
そして、組み立てによって得られる装置については、得られる学習効果は高いが面白みのないものや、面白みはあるが充分な学習効果が得られないものが多かった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような課題を解決すべくなされたものであって、比較的精緻な構造を有しながらも容易に組み立てることができ、しかも組み立てによって生徒の興味を大いに引き付けて高い学習効果を得ることができる学習教材用風力発電機製作キット及び学習教材用風力発電機を提供せんとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、学習教材用の風力発電機を製作するための部品からなる学習教材用風力発電機製作キットであって、回転羽根と、該回転羽根の回転に伴って発電する発電機と、該発電機を収容可能な発電機収容穴と回転羽根の外周を囲う外周保護部と該外周保護部の下端部から下向きに延出された台座への差込部を一体に備えた本体と、該本体の外周保護部の前面を被覆するように固定される透明な前面カバーと、前記発電機から供給される電力を利用して発光する発光体と、該発光体が装着されて該前面カバーと本体の外周保護部との間に挟持固定される回路基板と、前記本体の差込部が差し込まれる挿通孔を備えた台座とからなり、前記発電機は本体の発電機収容穴に収容可能に形成された筒状のハウジングと、該ハウジング内に回転可能に挿入される永久磁石と、該永久磁石の回転によって起電力を発生するコイルと、該コイルをハウジングの外面に固定するための固定手段とからなることを特徴とする学習教材用風力発電機製作キットに関する。
請求項２に係る発明は、前記永久磁石はＮ極とＳ極が周方向に少なくとも２回交互に現れるように形成され、前記コイルはハウジングを挟んで各極と対向するように極数と同数配置されて永久磁石の回転により交流電圧を発生するように結線され、前記発光体は互いに逆向きに取り付けられた複数個の発光ダイオードからなることを特徴とする請求項１記載の学習教材用風力発電機製作キットに関する。
請求項３に係る発明は、請求項１又は２記載の学習教材用風力発電機製作キットから製作されてなることを特徴とする学習教材用風力発電機に関する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る学習教材用風力発電機製作キット及び学習教材用風力発電機の好適な実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明に係る学習教材用風力発電機製作キットを組み立てて製作された学習教材用風力発電機を示す正面図であり、図２はその側面図である。
本発明に係る学習教材用風力発電機は、正面から風を受けることによって回転する回転羽根（１）と、この回転羽根（１）が回転可能に取り付けられる本体（２）と、この本体（２）を支える台座（３）と、回転羽根（１）の外周を囲うように本体（２）の前面に固定された前面カバー（４）と、回転羽根の回転に伴って発電する発電機（５）と、この発電機（５）から供給される電力を利用して発光する発光体（６）が前面に取り付けられて前面カバー（４）と本体（２）との間に挟持固定された回路基板（７）とを備えている。
【０００６】
上記部品は学習教材用風力発電機を組み立てるためのキットを構成しており、以下、学習教材用風力発電機の組み立て方法を順を追って説明することによって、各部品の構成を説明する。
図３乃至図１０は、本発明に係る学習教材用風力発電機の部品の１つである発電機（５）を製作する手順を示す図であり、本発明においては発電機（５）も複数の部品からなり自ら製作できるキットとされており、これを自ら組み立てることによって発電の仕組みをより確実に理解できるようになっている。
【０００７】
発電機（５）を製作するには、先ず図３に示すように絶縁性部材から形成された円筒状のハウジング（８）の外周面に４つのコイル（９）を等角度間隔で固定する。
この固定は、絶縁性の粘着テープ等からなる固定手段を利用して行うことができ、先ず図３に示すように粘着テープ（１０）により４つのコイル（９）をハウジング（８）の外周面にそれぞれ個別に固定した後、図４に示すように別の粘着テープ（１０）を巻回することによって全てのコイル（９）を一体的にハウジング（８）の外周面に固定する。
【０００８】
このとき、４つのコイル（９）には、図５に示すように絶縁性のテープを巻き、このテープのハウジング（８）に固定した際に表となる面のみにマーキング（１１）を施しておくことが好ましい。コイル（９）にこのようなマーキング（１１）を施しておくことによって、製作者は４つのコイル（９）の表裏を間違えることなく正確な向きでハウジング（８）の外周面に固定することができる。
【０００９】
次いで、４つのコイル（９）の各引き出し線を図６に示すように、半田（１２）により接続する。図７は４つのコイル（９）の配線及び電流方向（矢印で示している）を示す図であり、図示の如く、第１のコイル（９１）の終線（巻き終わり端）と第２のコイル（９２）の終線、第２のコイル（９２）の始線（巻き始め端）と第３のコイル（９３）の始線、第３のコイル（９３）の終線と第４のコイル（９４）の始線、をそれぞれ接続し、第１のコイル（９１）の始線と第４のコイル（９４）の終線は、図８に示すようにコネクター（１３）に接続し、その後、半田付けした線の上に更に別の粘着テープ（１０）を巻回することによって固定する。
【００１０】
このようにしてコイル（９）が外周面に固定されたハウジング（８）の内部には磁束を発生させるための永久磁石が挿入される。
この永久磁石の挿入に際しては、先ず図９に示すように一端部に円板状のフランジが形成された筒状のベアリングホルダー（１５）の内部にベアリング（１４）を挿入したものを２組製作する。
そして、図１０に示すように、前後面に突出したシャフト（１７）を有する円柱状の永久磁石（１６）をハウジング（８）の内部に挿入し、ハウジング（８）の前後面にベアリングホルダー（１５）を装着し、シャフト（１７）をベアリング（１４）の内部に挿通固定する。これにより、永久磁石（１６）はハウジング（８）内において回転可能に支持される。
【００１１】
図１１はこのように構成された発電機（５）の磁束の流れ（矢印）を示す模式説明図であり、永久磁石（１６）は図示の如く、Ｎ極とＳ極とが２つずつ円周方向に交互に形成された形態とされている。そして、４つのコイル（９）はハウジング（図示略）を介して各極と対向するように、時計回りに第１のコイル（９１）、第２のコイル（９２）、第３のコイル（９３）、第４のコイル（９４）の順に配置されている。
ここで、図１１の状態では、第１のコイル（９１）と第３のコイル（９３）はＮ極に対向しているため磁束は下から上へとコイルを貫き、第２のコイル（９２）と第４のコイル（９４）はＳ極に対向しているため磁束は上から下へとコイルを貫くが、永久磁石（１６）が９０度回転すると第１のコイル（９１）と第３のコイル（９３）はＳ極に対向するようになって磁束は上から下へとコイルを貫き、第２のコイル（９２）と第４のコイル（９４）はＮ極に対向するようになって磁束は下から上へとコイルを貫くようになる。
そのため、永久磁石（１６）の回転に伴って、接続された４つのコイル（９）には交流電圧が発生するようになる。
【００１２】
図１０に示した如く製作された発電機（５）は、図１２の上図に示すように、本体（２）の中心に設けられた円筒状の発電機収容穴（２１）に裏面側から挿入される。ここで、発電機収容穴（２１）を構成する円筒の裏面側端部には切欠部（２２）が形成されており、コイル（９）とコネクター（１３）を繋ぐリード線はこの切欠部（２２）に挿入される。そして、発電機（５）が収容された後の穴（２１）は、図１２の下図に示すようにキャップ（１８）により塞がれる。
【００１３】
本体（２）は、回転羽根の外周を囲うように円環状に形成された外周保護部（２３）を備えており、上記した円筒状の発電機収容穴（２１）はこの外周保護部（２３）の中心に配置されて３本のアーム（２４）により外周保護部（２３）と連結されている。
さらに本体（１）は、外周保護部（２３）の下端部から下向きに延出された台座（３）への差込部（２５）を一体に備えている。
【００１４】
図１３（ａ）は回路基板（７）の表面図であり、図１３（ｂ）は回路基板（７）の裏面図である。
回路基板（７）は円環状の平板部材であり、その裏面には回路パターン（図示略）が設けられている。そして、９０度間隔に形成された４つの本体装着用貫通穴（７１）と、これら貫通穴（７１）の間に２つを一組としてそれぞれ２組ずつ（合計８組１６個）形成された発光体（６）の取り付け穴（７２）を備えている。
そして、取り付け穴（７２）には、図１３（ａ）に示すように発光体（６）を構成する８個の発光ダイオードの脚が挿入されて裏面の回路パターンに半田接続される。
【００１５】
このように形成された回路基板（７）は、図１４に示すように本体（２）の外周保護部（２３）の前面側に装着される。ここで、外周保護部（２３）には９０度間隔で貫通穴（２６）が形成されており、回路基板（７）の貫通穴（７１）はこの貫通穴（２６）に重ねて配置される。
また、外周保護部（２３）の裏面には小貫通穴（２７）が形成されており、コネクター（１９）の２本のリード線がこの貫通穴（２７）を通して回路基板（７）に半田付けされる。
【００１６】
回路基板（７）を外周保護部（２３）に装着した後、図１５に示すようにボルト（２０）を本体の裏面側から貫通穴（２７）へと挿通し、回路基板（７）の貫通穴（７１）を通して前面カバー（４）の裏面に設けられた円筒状の雌ねじ部（４１）に対して螺着することによって、前面カバー（４）を外周保護部（２３）の前面に装着する。尚、実際には、回路基板（７）は本体の裏面からは見えないが、図１５及び図１６においては回路基板（７）を実線で表している。
前面カバー（４）はガラスやアクリル樹脂等の透明素材からなる円環状の部材であって、この前面カバー（４）がボルト（２０）によって本体（２）に固定されることにより、回路基板（７）は前面カバー（４）と本体（２）との間に挟持固定される。
【００１７】
回路基板（７）と前面カバー（４）を本体（２）に固定した後、図１６に示すように、コネクター（１９）を発電機（５）から延出されたコネクター（１３）と接続し、発光体（６）と発電機（５）を電気的に接続する。
図１７はコネクター（１９）とコネクター（１３）を接続したときの回路配線図であり、図中の矢印はある瞬間の磁束及び電流の向きを示している。
図示の如く、発光ダイオード（６）は２組（図示例では２個ずつ）に分かれて並列に接続されており、一の列と他の列の発光ダイオード（６）は互いに極性が逆向きとなるように取り付けられている。これによって、前述した如くコイル（９）から交流電圧が発生した場合に、極性が変わる半波毎に半数の各列の発光ダイオード（６）が交互に発光するようになり、電力ロスを無くすることができる。
【００１８】
コネクターの接続が完了した後、図１８に示すように、本体（２）の発電機収容穴（２１）に収容されてその前面から突出した永久磁石（１６）のシャフト（１７）を、回転羽根（１）の中心回転体の裏面に設けられた装着用穴に差し込むことによって、回転羽根（１）をシャフト（１７）に固定する。
【００１９】
本体（２）への回転羽根（１）の装着が完了すると、次いで図１９に示すように、差込部（２５）を台座（３）に対して差し込んで固定する。
台座（３）は、互いに間隔をあけて平行に配置された２枚の水平板（３１）と、これらの水平板（３１）の前後部に水平板（３１）に対して直角に設けられた２枚の垂直板（３２）とから構成され、２枚の水平板（３１）の中心には挿通孔（３３）が設けられている。
差込部（２５）は、このように互いに間隔をあけて平行に配置された２枚の水平板（３１）の挿通孔（３３）を貫くように挿通され、その下端部には抜け止め用のゴムバンド（３０）が装着され、これによって図２０に示すように学習教材用風力発電機が完成する。
【００２０】
このようにして製作された学習教材用風力発電機は、正面から回転羽根（１）に風を当てると回転羽根（１）が回転し、これに伴って発電機（５）が発電して発光体（６）を点灯させるので、風力によって発電が行なわれたことがすぐに分かり、風力発電の原理を視覚的に楽しみながら容易に理解することができる。また、風を当てずに指などで回転羽根（１）を回転させることによっても発光体を発光させることができ、この場合には自力発電の学習を行なうことができる実験となる。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る学習教材用風力発電機製作キットによれば、簡単なねじ留めや半田付けのみで容易に組み立てて学習教材用風力発電機を製作することができ、製作された風力発電機は回転羽根に風力を与えることによって発光体を発光させることができる本格的なものであるため、理科が嫌いな生徒であっても視覚的にその興味を大いに引き付けて優れた学習効果を得ることができる。しかも、従来は市販の完成品を使用することが多かった発電機についても自ら組み立てるようになっているので、発電の原理をより確実に理解することが可能となり、得られる学習効果は極めて大きいものとなる。
請求項２に係る学習教材用風力発電機製作キットによれば、コイルから発生した交流電圧を受けて、複数個の発光ダイオードが交互に発光するため、電力ロスを無くすることができる。
請求項３に係る学習教材用風力発電機によれば、風力発電の仕組みを視覚的に楽しみながら勉強することができ、優れた学習効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る学習教材用風力発電機製作キットを組み立てて製作された学習教材用風力発電機を示す正面図である。
【図２】本発明に係る学習教材用風力発電機製作キットを組み立てて製作された学習教材用風力発電機を示す側面図である。
【図３】本発明に係る学習教材用風力発電機の部品の１つである発電機を製作する手順を示す図である。
【図４】本発明に係る学習教材用風力発電機の部品の１つである発電機を製作する手順を示す図である。
【図５】本発明に係る学習教材用風力発電機の部品の１つである発電機を製作する手順を示す図である。
【図６】本発明に係る学習教材用風力発電機の部品の１つである発電機を製作する手順を示す図である。
【図７】本発明に係る学習教材用風力発電機の部品の１つである発電機を製作する手順を示す図である。
【図８】本発明に係る学習教材用風力発電機の部品の１つである発電機を製作する手順を示す図である。
【図９】本発明に係る学習教材用風力発電機の部品の１つである発電機を製作する手順を示す図である。
【図１０】本発明に係る学習教材用風力発電機の部品の１つである発電機を製作する手順を示す図である。
【図１１】発電機の磁束の流れ（矢印）を示す模式説明図である。
【図１２】発電機を本体に装着する様子を示す図である。
【図１３】回路基板の表面図及び裏面図である。
【図１４】回路基板を本体に装着する様子を示す図である。
【図１５】前面カバーを外周保護部の前面に装着する様子を示す図である。
【図１６】コネクター同士を接続する様子を示す図である。
【図１７】コネクター同士を接続したときの回路配線図である。
【図１８】回転羽根をシャフトに固定する様子を示す図である。
【図１９】本体を台座に対して固定する様子を示す図である。
【図２０】本発明に係る学習教材用風力発電機の完成状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１      回転羽根
２      本体
３      台座
４      前面カバー
５      発電機
６      発光体（発光ダイオード）
７      回路基板
８      ハウジング
９      コイル
１０    粘着テープ（固定手段）
１６    永久磁石
２１    発電機収容穴
２５    差込部
３３    挿通孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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