(57)【要約】【課題】コイルに電流を流した時の磁力の発生の具合が容易に理解でき、音発生部材を交換することで振動の状態や音色の変化等が容易に認識でき、電磁力の作用により音を発生させてスピーカとすることができる行程が容易に理解でき、子供から大人まで理科の実験を楽しんで興味がわく理科教材を提供しようとする。【解決手段】箱状の基台２１と、該基台２１を構成する上板２１ａに着脱可能に取り付けられるコイル２２と、前記コイル２２または上板２１ａに取り付けられる受部材４と、受部材４にガイドされる振動体３と、前記コイル２２に信号を印加する信号源１０とを備え、振動体は、音発生部材３３と、前記音発生部材３３を上下から挟持し磁石で構成される下挟持体３２と、上挟持体３１とにより構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
箱状の基台と、該基台を構成する上板に着脱可能に取り付けられるコイルと、前記コイルまたは上板に取り付けられる受部材と、受部材にガイドされる振動体と、前記コイルに信号を印加する信号源とを備えることを特徴とする磁気理科教材。
【請求項２】
前記受部材は透明で上下方向の空洞を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気理科教材。
【請求項３】
前記振動体は、音発生部材と、該音発生部材を上下から挟む磁石からなる上挟持体と下挟持体からなることを特徴とする請求項１に記載の磁気理科教材。
【請求項４】
前記上挟持体と下挟持体はコイルの中心軸方向に対して、平行または直交方向に着磁されることを特徴とする請求項２に記載の磁気理科教材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コイルを用いて磁力の作用や振動を実験できる磁気理科教材に関し、コイルに流す電流の大きさや方向を変更して電磁力の作用の実験ができ、更に音声電気信号をコイルに流して振動体を振動させることで音を発生させる実験ができ、スピーカに応用できる手順が容易に理解できる簡便な磁気理科教材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、基板と電磁石との間に振動部材を配置し、基板には脚部を備え、前記電磁石への電流を通電または遮断することにより断続的に磁力を発生させて、基板と電磁石との間で前記振動部材を往復運動させることにより振動させ、この振動により基板が移動するようにした理科教材は公知となっている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】登録実用新案第３１９０２７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記特許文献１における技術の場合、振動部材を振動させて音を発生させた場合、振動数が一定となるため、音の高さや強さや音色は一定となり、伝達方向も一定である。そして、実験でわかるのは移動により振動が発生しているかどうかであり、実験を行う人にとっては、面白さは限られてしまう。
【０００５】
本発明は以上の如き状況に鑑みてなされたものであり、コイルに電流を流した時の磁力の発生の具合が容易に理解でき、振動体を交換することで振動の状態や音色の変化等が容易に認識でき、電磁力の作用により音を発生させてスピーカとすることができる行程が容易に理解できる理科教材、即ち、本発明の装置により、初学者であっても磁気についての基礎実験を順次行うことで、磁気の基礎からスピーカの原理まで系統だてて勉学できる理科教材を提供しようとするものである。
この装置では、先ず、力学運動での振動には力が必要であり、この力に磁気を利用するのであり、この基礎事項からスピーカにまで至る実験を順次、系統だてて実験しやすいものとしている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００７】
即ち、請求項１においては、箱状の基台と、該基台を構成する上板に着脱可能に取り付けられるコイルと、前記コイルまたは上板に取り付けられる受部材と、受部材にガイドされる振動体と、前記コイルに信号を印加する信号源とを備えるものである。
請求項２においては、前記受部材は透明で上下方向の空洞を有するものである。
請求項３においては、前記振動体は、音発生部材と、該音発生部材を上下から挟む磁石からなる上挟持体と下挟持体からなるものである。
請求項４においては、前記上挟持体と下挟持体はコイルの中心軸方向に対して、平行または直交方向に着磁されるものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
請求項１のように構成することで、先ず、振動体を磁石または磁化部材とし、コイルに流す信号源として、単に直流電圧を加えるだけで、磁気浮上実験やその電圧により流れる電流の大きさによる浮上の大きさを実験することができる。また、電流を流す方向を変えることによって、振動体の動く方向も変化することが判る。
請求項２のように構成することで、受部材内に振動体となる磁石または磁化部材を挿入することで、信号源の大きさを変化させたときに、磁石または磁化部材の動きが容易に認識でき、大きな電流を流しても磁石または磁化部材が飛び出すことがなく、磁石または磁化部材を安定してガイドできる。
【０００９】
請求項３のように構成することで、音発生部材を磁石からなる上挟持体と下挟持体との間に挟みコイルに信号源として交流電流を流すことにより、上挟持体と下挟持体と音発生部材は一体的に振動し、上挟持体と下挟持体と音発生部材の何れかを指などで触れることで、振動を体感できる。
更に、コイルに信号源として音声電流を流すことにより、空気振動が起こり、音声が振動体から発せられることが体感できる。これがスピーカの原理と理解できる。そして、上挟持体と下挟持体との間に挟む前記音発生部材の材質（厚紙、段ボール、プラスチック板、ガラス板、金属板等）、大きさ、厚さ、形状等は、容易に変更可能であり、種々の音発生部材に対して能率良く実験できる。即ち、音声がどこで発生して、どのような材質の物がどのような音を発生するか、どのような大きさや板厚や形状でどのような音が出るかが容易に体験することができる。また、上挟持体と下挟持体は磁石の吸着力よりも大きな力を加えるだけで容易に分離でき、工具等を必要とせず音発生部材を容易に交換でき、交換した音発生部材の違いによる音声の発生の仕方を容易に体験することができる。
更に、単に音発生部材を容易に交換できるだけでなく、把持力や把持場所の再現性も良好である。即ち、音発生に重要に影響する音発生部材と把持力や把持場所の再現性は他の把持機構での把持、あるいは、音発生部材と磁石を接着剤を用いて接着する場合よりはるかに容易であり実験の再現性も保証するのである。
この実験装置は、部品点数が少なく安価に磁気理科教材を構成することができ、構造が簡単なため小学生でも容易に製作して実験することができる。そして、コイルに流す電流を変化させることで振動体の振動も変化し、力や振動や特性等一連の実験が同一の装置構成により可能となることが大きな特徴である。
【００１０】
請求項４のように構成することで、磁石で構成される上挟持体と下挟持体の着磁方向と音発生部材の振動方向とが同じ方向となること、つまり、着磁方向と音の伝達方向とが同じ方向なっていることにより、指向性を容易に理解できるようになり、子供から大人までコイルや振動の特徴を理解できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】磁力の強さと方向の実験を示した概略図。
【図２】本発明の磁気理科教材の全体構成を示した概略図。
【図３】コイルを上板上に配置した実施例の概略図。
【図４】皿状の音発生部材とした実施例の概略図。
【図５】複数の音発生部材を重ねた実施例の概略図。
【図６】挟持体の磁石の極性が横方向に配置される実施例の概略図。
【図７】音発生部材を短冊状とした実施例の概略図。
【図８】受部材の他の実施例の概略図。
【図９】基台を手持ち式とした実施例の概略図。
【図１０】コイルの下方に磁石を配置し振動特性を調整可能とした実施例の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
まず、磁気理科教材１の基本構成から説明する。図１に示すように、磁気理科教材１は基台２１とコイル２２と信号源１０と振動体３と受部材４より構成される。
基台２１は、枠状または箱状に構成され、基台２１を構成する上板２１ａの中央には貫通孔２１ｂが開口されている。貫通孔２１ｂには受部材４が挿入される。前記上板２１ａの中央下面にはコイル２２が固定される。但し、コイル２２は上板２１ａ上に配置することも可能であり（図３参照）、この場合、前記貫通孔２１ｂは不要となり、さらに構成が簡単となり製作も容易となる。
前記コイル２２は円筒状のボビン２２ａにエナメル線等の導線を巻いたものであり、コイル２２を製作するとき、または、実験途中でこの導線の巻き数を変更できるようにしている。ボビン２２ａは上板２１ａに対して嵌め込んだり、ネジ等を用いて着脱可能に構成される。なお、ボビン２２ａは円筒や角筒等で構成することができ、その形状は限定するものではない。信号源１０は直流電源であっても交流電源でも可能であるが、基本実験では電池を用いて、コイル２２に接続可能としている。
【００１３】
前記振動体３は円柱状の磁石、または、鉄やニッケルを磁化させた磁化部材とされ、本実施形態では、永久磁石が用いられ、フェライト磁石やネオジム磁石等で構成されるが磁力が強い方が好ましい。
受部材４は透明で上下方向の空洞を有するものである。具体的には、透明の合成樹脂製で有底のパイプで構成される。この受部材４の下部が前記貫通孔２１ｂを貫通してコイル２２内に挿入されて固定され、受部材４内に振動体３が上下摺動自在に挿入される。受部材４はコイル２２または上板２１ａに固定される。
【００１４】
基本（磁力の発生）実験について説明する。コイル２２の中央に透明のパイプからなる受部材４が立設され、該受部材４内に振動体（磁石）３を上から挿入する。振動体３の外表面にはＮ極とＳ極が判り易いようにＮとＳを表記しておくことが好ましい。こ信号源１０となる電池を接続していない状態では、振動体３は受部材４内の下端に位置している。
【００１５】
この状態で、コイル２２に信号源１０となる電池を接続して電流を流すと、振動体（磁石）３は上昇またはその状態を維持する。振動体３が上昇しない場合は電池の接続方向を変更する。こうして、コイル２２に電流を流すことによって磁力が発生し、振動体３は反発力で上昇する。また、信号源１０のプラスマイナスの接続を替えると、つまり、電流の流す方向を変えると、前記振動体３は前記と逆にその状態を維持、または、上昇する。こうして、コイル２２の極性が変わったことが判る。また、前記コイル２２の信号源１０との接続を変えることなくコイル２２を上下反転させることによっても、振動体３の昇降方向が変わることもわかる。つまり、コイル２２の巻方向を変えても極性が変わることを理解できる。
前記信号源１０を電池の代わりに交流電源を接続すると、前記極性の変化が連続的に行われるようになり、振動体３は交流電源の周波数にあわせて上下に移動（振動）することになる。
【００１６】
次に、信号源１０の電池を増加させて直列接続して電圧を上げ、または、交流電源の電圧を上げると振動体３の上昇位置が変化する。つまり、電圧を上げて電流を増加させることによって振動体３がさらに持ち上げられ、磁力が増加したことが判る。
【００１７】
次に、磁力により振動体３を振動させて、音が出る実験、つまり、スピーカの原理について、図２より説明する。
前記振動体３は、上挟持体３１と下挟持体３２と音発生部材３３からなる。上挟持体３１と下挟持体３２は、磁石で構成され、棒状とし、略同形状として区別なく使用できるようにしている。上挟持体３１と下挟持体３２の間に音発生部材３３を配置し、上挟持体３１と下挟持体３２の有する磁力による吸着力により音発生部材３３を挟持し振動体３とし、上挟持体３１と下挟持体３２と音発生部材３３が一体的に振動するようにしている。
また、上挟持体３１と下挟持体３２を分離すれば容易に音発生部材３３を交換できる。なお、上挟持体３１と下挟持体３２は上下方向に長く構成して、Ｎ極とＳ極は上下方向に並ぶようにしている。図２においては、上挟持体３１の下部がＳ極、下挟持体３２の上部がＮ極となって、吸着するようにしている。
【００１８】
スピーカの原理実験における振動体３をガイドする受部材４ａは、スポンジや発泡樹脂やゴム等のクッション性を有する部材で空洞状に構成されている。受部材４ａ内には下挟持体３２が上下摺動自在に挿入され、下挟持体３２の下端がコイル２２の貫通孔２２ｂ内に臨むように配置される。コイル２２の貫通孔２２ｂは下挟持体３２が挿通自在の大きさに開口されている。受部材４ａの上面に音発生部材３３が載置される。こうして、振動体３は上板２１ａに直接載置されず、浮いた状態で支持され、下挟持体（磁石）３２はコイル２２の磁力により上下に振動可能に配置される。なお、コイル２２は、図３に示すように、上板２１ａ上に配置する構成とすることも可能である。
【００１９】
音発生部材３３は紙や木材や合成樹脂や金属や陶磁器等の比較的硬い板体が望ましいが、上挟持体３１と下挟持体３２とにより挟持できる厚さの部分を有する容器や装飾品等の成形物や加工物等でもよい。
【００２０】
磁気理科教材１をスピーカ２とする場合には、図２に示すように、信号源１０は、音源１１とアンプ１２からなる。音源１１は、マイクやオーディオ機器、例えば、ラジオやＣＤプレーヤやデジタルオーディオプレーヤやテレビ等で構成することができる。
アンプ１２は音源１１からの音声信号を増幅してコイル２２に送信するものである。
コイル２２は、アンプ１２と接続され、前記アンプ１２で増幅された音声信号が入力されることにより磁力を発生させるものである。この磁力により挟持体３１・３２を介して音発生部材３３を振動させる。
例えば、音源１１から音楽や音声を流すと、音声信号がアンプ１２により増幅されて、コイル２２に流れ、下挟持体３２を振動させる。つまり、音声信号は交流であるため、コイル２２に流れる電流が交流の如く変化するため、下挟持体３２を上下に移動させ、上挟持体３１と下挟持体３２とにより挟持した音発生部材３３を振動させて音を発する。この音を発する状態において、音発生部材３３を手で触れることにより、振動が発生していることを容易に体験することができる。音源１１からの音をアンプ１２により更に大きくすることにより、音発生部材３３の振幅が大きくなることもわかる。また、音発生部材３３を他の部材に交換することにより音質が変わることも体験できる。
【００２１】
このような構成において、例えば、音発生部材３３として、図４に示すように、皿３３ａを実験対象として上挟持体３１と下挟持体３２とにより挟持し、音源１１から音楽や音声を流すと、高い音質の音が発生していることを体験できる。また、音発生部材３３を、図５に示すように、複数重ねて音源１１から音楽や音声を流すと、低音質から高音質の音が発生していることを体験できる。この場合、音発生部材３３ａと音発生部材３３ｂの間には上挟持体３１ａが介装される。更に重ねる場合にも音発生部材３３ｂと音発生部材３３ｃの間には上挟持体３１ｂが介装され、音発生部材３３ｃと音発生部材３３ｄの間には上挟持体３１ｃが介装される。
【００２２】
また、前記上挟持体３１と下挟持体３２の極性は上下方向としているが、極性を横方向（水平方向）、つまり、コイル２２の軸心方向と直交する方向とすることも可能である。即ち、図６に示すように、上挟持体３１ｄと下挟持体３２ｄを平面視円形（但し、形状は限定しない）として、上挟持体３１ｄの左右一方（左側）にＮ極、左右他側（右側）にＳ極、下挟持体３２ｄの左右一方（左側）にＳ極、左右他方（右側）にＮ極が配置され、上下で吸着して音発生部材３３を挟持する構成としている。そして、受部材４ａは上板２１ａの貫通孔２１ｂを貫通して上方に延設され、下挟持体３２ｄを挿入できるように構成している。この場合、図６（ｂ）に示すように、この音発生部材３３の振動方向は円周方向となる。
【００２３】
また、上挟持体３１ｄと下挟持体３２ｄの極性を横方向とすることで、平面視における面積を大きくすることができ、図７に示すように、短冊状の音発生部材３３ｅとして一端を上挟持体３１ｄと下挟持体３２ｄで挟持することもできる。この場合、音発生部材３３ｅが延びる方向に音が進行し、指向性のあるスピーカとすることができる。こうして、音発生部材３３ｅが延びる方向は良く聞こえるが、その方向から外れると聞こえ難くなることが体験できる。
【００２４】
また、前記リング状の受部材４ａでは支持することができないような立体形状の音発生部材３３、例えば、図８に示すような円錐状の音発生部材３３ｆの場合、補助受部材４ｂを上板２１ａ上に設けることも可能である。補助受部材４ｂは前記受部材４ａと同様にクッション性を有する部材で構成され、外形を大きくし高く構成している。
【００２５】
また、基台２１は図９に示すように、手持ち構造とすることも可能である。即ち、棒状のグリップ２３の上端の内部にコイル２２を収納し、グリップ２３の上端面の中央に貫通孔が開口されて、前記同様に下挟持体３２を挿入可能に構成している。この貫通孔の周囲上面に環状の受部材４ｃが設けられている。
【００２６】
また、図１０に示すように、コイル２２の下方に、磁石２７を配置して振動特性を調整することも可能である。つまり、コイル２２の下方に磁石２７を配置することにより、下挟持体３２に対して磁石２７がバイアス力の調整用となり、音発生部材３３の振動特性が調整されることになる。従って、磁力が異なる磁石２７を配置することにより、振動特性を変化させることができる。但し、磁石２７の代わりにバネ等の弾性体を下挟持体３２の下部に配置する構成であってもよい。
【００２７】
以上のように、箱状の基台２１と、該基台２１を構成する上板２１ａに着脱可能に取り付けられるコイル２２と、前記コイル２２または上板２１ａに取り付けられる受部材４と、受部材４にガイドされる振動体３と、前記コイル２２に信号を印加する信号源１０とを備えるので、振動体３を磁石とし、コイル２２に流す信号源１０として、単に直流電圧を加えるだけで、磁気浮上実験やその電圧により流れる電流の大きさによる浮上の大きさを実験することができる。また、電流を流す方向を変えることによって、振動体３の動く方向も変化することが判る。
【００２８】
また、前記受部材４は透明で上下方向の空洞を有する構成とするので、受部材４内に振動体３となる磁石を挿入することで、信号源の大きさを変化させたときに、磁石の動きが容易に認識でき、大きな電流を流しても磁石が飛び出すことがなく、磁石を安定してガイドできる。
【００２９】
また、前記振動体３は、音発生部材３３と、該音発生部材３３を上下から挟む磁石からなる上挟持体３１と下挟持体３１からなるので、音発生部材３３を上挟持体３１と下挟持体３との間に挟みコイル２２に信号源１０として交流電流を流すことにより、上挟持体３１と下挟持体３２と音発生部材３３は一体的に振動し、上挟持体３１と下挟持体３２と音発生部材３３の何れかを指などで触れることで、振動を体感できる。
更に、コイル２２に信号源１０として音声電流を流すことにより、空気振動が起こり、音声が振動体３から発せられることが体感できる。これがスピーカの原理と理解できる。そして、上挟持体３１と下挟持体３２との間に挟む前記音発生部材３３の材質や大きさや厚さや形状等を容易に変更でき、種々の音発生部材に対して能率良く実験できる。この上挟持体３１と下挟持体３２は磁石の吸着力よりも大きな力を加えるだけで容易に分離でき、工具等を必要とせず音発生部材３３を容易に交換できる。
この実験装置は、部品点数が少なく安価に磁気理科教材を構成することができ、構造が簡単なため小学生でも容易に製作して実験することができる。
【００３０】
また、前記上挟持体３１と下挟持体３２はコイル２２の中心軸方向に対して、平行または直交方向に着磁することで、磁石で構成される上挟持体と下挟持体の着磁方向と音発生部材の振動方向とが同じ方向となること、つまり、着磁方向と音の伝達方向とが同じ方向なっていることにより、指向性を容易に理解できるようになり、子供から大人までコイルや振動の特徴を理解できるようになる。
【符号の説明】
【００３１】
１      磁気理科教材
２      スピーカ
４    受部材
２１    基台
２１ａ  上板
２１ｂ  貫通孔
２２    コイル
３１    上挟持体（磁石）
３２    下挟持体（磁石）
３３    音発生部材
【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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