(57)【要約】【課題】生徒の興味を引く理科の教材を提供して、理科離れともいわれている風潮に歯止めをかけて、理科の授業の面白さを増大できる理科教材用固定抵抗器を提供する。【解決手段】（Ａ），（Ｂ）に示す固定抵抗器１は、アルミナ等の円柱状の絶縁基体２の周囲の表面に、抵抗体層３としてカーボン被膜を着膜し、左右の両端部に一対のキャップ状の電極５が設けられ、リード線６が固定されている。抵抗体層３の表面に絶縁塗料を用いて絶縁塗装４が施されいる。（Ｃ），（Ｄ）に示す理科教材用固定抵抗器７は、（Ａ），（Ｂ）に示された固定抵抗器１の表面に感温塗料層８を感温塗料の塗布・乾燥によって形成したものである。この理科教材用固定抵抗器を用いて電気回路をハンダ付けして作成する。作成した回路に通電すれと、感温塗料層が変色することによって通電状態を認識でき、また、変色しないことによって、ハンダ付けの不良が見分けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リード線付きの固定抵抗器の表面の少なくとも一部を覆うように設けられた感温塗料層を有し、通電により前記感温塗料層が変色して通電の有無を表示可能とした理科教材用固定抵抗器であって、
前記感温塗料層は、前記固定抵抗器の定格電力を越えない大きさの電流の通電により変色するものであることを特徴とする理科教材用固定抵抗器。
【請求項２】
リード線付きの固定抵抗器の表面の一部を覆うように設けられた感温塗料層を有し、通電により前記感温塗料層が変色して通電の有無を表示可能とした理科教材用固定抵抗器であって、
前記感温塗料層は、前記固定抵抗器の表面の異なる部分に設けられた、変色する温度が異なる少なくとも２種類の感温塗料層であるとともに、前記固定抵抗器の定格電力を越えない大きさの電流の通電により変色するものであることを特徴とする理科教材用固定抵抗器。
【請求項３】
前記固定抵抗器の許容電力を越えない大きさの電流が、前記固定抵抗器の許容電力の２０〜６０％となる電流範囲内にあるいずれかの大きさの電流であることを特徴とする請求項１または２に記載の理科教材用固定抵抗器。
【請求項４】
前記感温塗料層の下層に黒色の絶縁塗料層を有し、
前記絶縁塗料層は、その表面が平滑となるように塗布された塗料層であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の理科教材用固定抵抗器。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の理科教材用固定抵抗器と、該理科教材用固定抵抗器の前記リード線が挿入可能な多数の貫通孔が開けられた回路基板と、前記理科教材用固定抵抗器の前記回路基板への取り付けの高さに対応させた高さ設定用スペーサと、電線を含むことを特徴とする理科教材用電気回路作成キット。
【請求項６】
前記高さ設定用スペーサがＣ形チャンネルであることを特徴とする請求項５に記載の理科教材用電気回路作成キット。
【請求項７】
スイッチと電池ケースをさらに含むことを特徴とする請求項５または６に記載の理科教材用電気回路作成キット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流の通電の有無を表示できる理科教材用固定抵抗器、ならびに、この理科教材用固定抵抗器を用いて回路を作成できる理科教材用の電気回路作成キットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、理科の教材において、通電の実験を行う場合は、豆電球に乾電池を接続して点灯させる実験で、通電されたことを認識するという内容であった。
【０００３】
電流と抵抗との関係では、抵抗に電流が流れると発熱することは、よく知られており、これを利用して発熱体に通電して、加熱や暖房が行われている。一方、温度によって色が変化する感温塗料が知られており、特許文献１に見られるように、導電線の絶縁層の外縁を感温塗料層で覆い、作業温度の異常な変化を監視することが記載されている。
【０００４】
また、特許文献２では、温度ヒューズの絶縁ケースの封入樹脂に雰囲気温度が可溶体の溶融温度になると変色する感温塗料を混入しておいて、封入樹脂の変色の有無によって、可溶体の全部もしくは一部が溶断したか否かを判定する温度ヒューズを記載している。
【０００５】
このように、電流によって発生した熱による感温塗料の変色から異常状態を知ることが行われているが、理科の教材において、電気回路の通電状態を感温塗料で表示しようとすることは行われていない。学校での授業は、生徒の興味を引くことも理解を助ける上で有効であることを考えると、異常電流ではなく、定常の電流の通電状態が色彩の変化で認識できることは、上述した豆電球などに比べて、より大きな興味を引くものと考えられる。
【特許文献１】特開２００８−４６８４２号公報
【特許文献２】特開平６−１９６０６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述した事情を踏まえて、生徒の興味を引く理科の教材を提供して、理科離れともいわれている風潮に歯止めをかけて、理科の授業の面白さを増大できる理科教材用固定抵抗器および理科教材用電気回路作成キットを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、リード線付きの固定抵抗器の表面の少なくとも一部を覆うように設けられた感温塗料層を有し、通電により前記感温塗料層が変色して通電の有無を表示可能とした理科教材用固定抵抗器であって、前記感温塗料層は、前記固定抵抗器の定格電力を越えない大きさの電流の通電により変色するものであることを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明は、リード線付きの固定抵抗器の表面の一部を覆うように設けられた感温塗料層を有し、通電により前記感温塗料層が変色して通電の有無を表示可能とした理科教材用固定抵抗器であって、前記感温塗料層は、前記固定抵抗器の表面の異なる部分に設けられた、変色する温度が異なる少なくとも２種類の感温塗料層であるとともに、前記固定抵抗器の定格電力を越えない大きさの電流の通電により変色するものであることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明は、理科教材用電気回路作成キットにおいて、上記理科教材用固定抵抗器と、該理科教材用固定抵抗器の前記リード線が挿入可能な多数の貫通孔が開けられた回路基板と、前記理科教材用固定抵抗器の取り付け高さに対応させた高さ設定用スペーサと、電線を含むことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の理科教材用固定抵抗器によれば、通電の有無が固定抵抗器に施された感温塗料層の色の変化によって認識できるので、見易いとともに、電気回路に対する生徒の興味を増大できるという効果がある。また、本発明の理科教材用電気回路作成キットによれば、このキットを用いた生徒は、作成した電気回路における通電状態をみて、作成の完全さや不十分さを確認できる。固定抵抗器のハンダ付けによる取り付けにおいて、高さ設定用スペーサを用いることによって、取り付けの際に固定抵抗器に与える熱の影響を回避できるとともに、熱の影響があることを学ぶことができる、という効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本発明の理科教材用固定抵抗器の一実施例を説明するためのもので、図１（Ａ）は固定抵抗器の絶縁塗装の一部を除去した側面図、図１（Ｂ）はその中央部の断面図、図１（Ｃ）は感温塗料層を施して理科教材用とした固定抵抗器の側面図、図１（Ｄ）はその中央部の断面図である。図中、１は固定抵抗器、２は絶縁基体、３は抵抗体層、４は絶縁塗装、５は電極、６はリード線、７は理科教材用固定抵抗器、８は感温塗料層である。
【００１２】
この実施例では、図１（Ａ），（Ｂ）に示す固定抵抗器１としてカーボン抵抗器を用いている。アルミナ等の円柱状の絶縁基体２の周囲の表面に、抵抗体層３としてカーボン被膜を着膜し、左右の両端部に一対のキャップ状の電極５が設けられている。電極５には、適宜の長さのリード線６が固定されている。抵抗体層３は、抵抗値を調整するために螺旋状の切り込みが施されているが、この切り込みは、本質的に必要とするものではない。抵抗体層３の表面に絶縁塗料を用いて絶縁塗装４が施されいる。
【００１３】
図１（Ｃ），（Ｄ）に示す理科教材用固定抵抗器７は、図１（Ａ），（Ｂ）に示された固定抵抗器１の表面に感温塗料層８を感温塗料の塗布・乾燥によって形成したものである。この実施例では、感温塗料層８は、電極５の内側の縁一杯まで設けられている。このように感温塗料層８は、固定抵抗器１における抵抗体層３の全表面に形成されてもよいが、必ずしも全表面に形成される必要はない。帯状に周囲を取り巻くように、固定抵抗器１の長手方向の１箇所または、複数箇所に形成されてもよく、あるいは、周囲を取り巻くことなく、一部にのみ塗布されて、固定抵抗器の表面の少なくとも一部を覆うように形成されてもよい。
【００１４】
感温塗料層８としては、一例では、感温液晶をマイクロカプセル化したものを含む塗料を用いた。この例では、温度に対する発色は、２５．５℃以下では赤黄色、３０．５℃で黄緑色、３５．５℃以上で青色であり、中間の温度では、上下の温度における色の中間的な色を遷移的に呈するものである。この感温塗料は、可逆的に発色が変化するものを用いる。しかし、本発明では、感温塗料の材料については、問題とするものでないが、固定抵抗器の定格電力との関係を考慮する必要がある。すなわち、背景技術で説明したような、過電流の表示を目的とするものではなく、通電による温度上昇で変色すれば足りるのであり、しかも、教材用の観点からは、なるべく低い温度上昇で変色するのが、安全上も好ましい。しかし、僅かな温度上昇で変色する感温塗料を用いたのでは、周囲温度の影響を大きく受けるので、通電の判定結果を誤ることがある。したがって、夏の教室の冷房温度を２８℃に設定すれば、３０℃以上で変色する感温塗料であれば、室温の影響を受けることがない。もっとも、冷房をしない教室で用いることを考え、３０℃を超えた室温を考慮した場合は、３５℃以上で変色する感温塗料が望ましいといえる。
【００１５】
さらに、通電による固定抵抗器の発熱温度は、その固定抵抗器の定格電力と関係し、同じ抵抗値であっても、同じ表面温度にはならず、定格電力の小さい固定抵抗器の方が、表面温度高くなる。また、表面温度は、室温の影響を受ける。したがって、固定抵抗器の抵抗値と定格電力は、定格電力を越えない大きさの電流の通電により３０℃以上の表面温度となるものであることが望まれる。室温については、教室の温度は、冬が低温となり、暖房を考慮すると、室温が１５℃において、定格電力を越えない大きさの電流の通電により３０℃以上の表面温度となるような抵抗値と定格電力のものが望ましい。
【００１６】
通電によって、理科教材用固定抵抗器の表面が、異常な温度上昇をしないように配慮する必要がある。そのため、通電による表面温度が異常な温度、例えば、６０℃を越えないように、固定抵抗器の定格電力を越えない大きさの電流の通電により変色する感温塗料を用いる。この電流は、上述した下限値をも考慮すると、定格電力の２０〜６０％となる電流範囲内にあるいずれかの大きさの電流、より好ましくは、定格電力の２５〜５０％となる電流範囲内にあるいずれかの大きさの電流の通電によって変色する感温塗料が望ましい。
【００１７】
上述した一例の感温塗料を用いた具体例では、１００Ωで定格電力が１Ｗ型の固定抵抗器を用いた理科教材用固定抵抗器とし、電源電圧は４．５Ｖとして、４１個の理科教材用固定抵抗器を並列接続で、好みのパターンとなるように回路基板に配置した。通電によって、全ての理科教材用固定抵抗器が青色に変色した。
【００１８】
感温塗料層８の発色を見易くするために、感温塗料の塗布によって形成した感温塗料層８の下層に黒色の絶縁塗料層を塗布してもよい。黒色の絶縁塗料層は、その表面が平滑となるように塗布されるのがよく、二重塗りが望ましい。図１（Ａ），（Ｂ）で説明した絶縁塗装４を黒色の絶縁塗料層としてもよい。
【００１９】
なお、上述した実施例では、固定抵抗器としてカーボン抵抗器を用いたが、特に、抵抗体層にこだわるものではないから、金属被膜抵抗器や酸化金属抵抗器など、適宜の固定抵抗器を用いてよく、要は、リード線を有していればよいから、チップ抵抗器であっても、リード線を取り付ければ、用いることができる。
【００２０】
上述した理科教材用固定抵抗器を用いて生徒が理科実験を行うには、この理科教材用固定抵抗器を含めて、必要部品をキットにして使いやすくするのがよい。理科教材用電気回路作成キットとして、理科教材用固定抵抗器と、理科教材用固定抵抗器のリード線が挿入可能な多数の貫通孔が開けられた回路基板と、理科教材用固定抵抗器の取り付け高さに対応させた高さ設定用スペーサと、電線を含むことが有効である。
【００２１】
図２は、本発明の理科教材用電気回路作成キットの一実施例の説明図である。図２（Ａ）は、理科教材用固定抵抗器の側面図であり、適宜の長さのリード線６を有している。理科教材用固定抵抗器は、複数個入っている。生徒に好きなパターンを描くように配置できるようにするため、例えば、５０個セットされている。もちろん、５０個に限られるものではなく、より少なくても、より多くてもよい。図２（Ｂ）は回路基板９を示す。説明の便宜上、２個の理科教材用固定抵抗器７が取り付けられているが、キットの未使用の状態では、理科教材用固定抵抗器７は取り付けられていない。回路基板９には、多数の貫通孔１０が開けられており、リード線６を通すための貫通孔である。貫通孔の内面が銅等の金属で覆われていてもよく、そのために、リード線を通すことができる内径で、回路基板９の厚さよりもやや長い長さの銅管が貫通孔１０に挿入されて、両側からかしめられて、貫通孔に取り付けられてもよい。このようにすれば、リード線を回路基板に直接ハンダ付けをすることができる。プリント回路基板を用いてもよいが、自由な回路を作成できるようにするために、貫通孔間を結ぶ回路は設けない方がよく、ハンダ付けされた理科教材用固定抵抗器のリードは、電線で接続するようにする。貫通孔１０にハンダ付けをする金属は設けなくてもよく、その場合は、貫通孔は、理科教材用固定抵抗器の位置決めのための役目とし、電気的な接続は、電線のハンダ付けによって行う。図２では、電線の図示は省略した。
【００２２】
図２（Ｃ）は高さ設定用スペーサの一例である。この実施例では、高さ設定用スペーサ１１として、アルミによるＣ形チャンネルを用いた。アルミに限られるものではなく、木製等、適宜の材料を用いることができ、断面の形状を長方形とすることによって、２種類の高さのスペーサとして用いることができる。
【００２３】
図３は、理科教材用固定抵抗器の取り付け方法の一例の説明図である。まず、図３（Ａ）に示すように、挿通すべき貫通孔の間隔に合わせて、リード線６を曲げる。図２（Ｂ）に示すように、貫通孔の縦または横の配列方向に平行に理科教材用固定抵抗器７を配置する場合に比べて、斜めに配置する場合は、リード線６を曲げる長さが異なる。
【００２４】
図３（Ｂ）に示すように、リード線６を挿通させた後、固定抵抗器の本体部分と回路基板９との間に高さ設定用スペーサ１１を挟んで、固定抵抗器の本体部分が回路基板９から離れる高さ、換言すれば、リード線のハンダ付けの位置を設定してハンダ付けを行う。リード線のハンダ付けの位置が固定抵抗器の本体部分に近い位置であると、ハンダ付けの際の熱が、固定抵抗器に設けられた感温塗料層に伝達され、特に、高温に弱い感温塗料層に変化を与えてしまうからである。特に、マイクロカプセルを用いた感温塗料では、高温を与えないように注意することが重要である。
【００２５】
図４は、理科教材用電気回路作成キットで作成できる電気回路の例である。図４（Ａ）はもっとも単純な、基本的な回路である。理科教材用固定抵抗器７の１個を回路基板に取り付け、電源Ｅである乾電池と理科教材用固定抵抗器７とを電線で接続する。電線との接触によってスイッチＳに作用を果たすことができ、理科教材用固定抵抗器７に通電されると、理科教材用固定抵抗器７の感温塗料層が変色して通電していることが理解できる。理科教材用電気回路作成キットに、スイッチと電池ケースをさらにセットすることにより、通電のオン・オフが容易、かつ、確実になる。
【００２６】
図４（Ｂ）は、複数の理科教材用固定抵抗器７を全て並列接続した回路である。それぞれの理科教材用固定抵抗器７に流れる電流は、実質的に同じであるから、各理科教材用固定抵抗器７は、同じ色を呈する。変色しない理科教材用固定抵抗器７があれば、ハンダ付けの不良か、理科教材用固定抵抗器７の不良であることが分かる。
【００２７】
図４（Ｃ）は、直並列回路の基本的なものである。並列接続された理科教材用固定抵抗器７と直列接続された理科教材用固定抵抗器７との色が異なることによって、電流値の大きさが認識できるが、そのためには、温度の相違によって色の変化が生じやすい感温塗料を選択する必要がある。
【００２８】
固定抵抗器に設ける感温塗料を複数箇所の部分に、変色する温度が異なる複数種類の感温塗料を配置するようにしてもよい。例えば、帯状に周囲を取り巻くように、固定抵抗器の長手方向の２箇所に、異なる変色温度の感温塗料をそれぞれ別個に塗布することにより、２段階の大きさの電流の表示が可能となる。帯状に周囲を取り巻く代わりに、固定抵抗器の表面の２箇所の領域に異なる特性の感温塗料を塗布してもよい。もちろん、３箇所以上の部分に３種類以上の感温塗料を設けてもよい。複数種類の感温塗料を配置することによって、電流値の相違をより分かりやすく認識できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の理科教材用固定抵抗器の一実施例を説明するためのもので、図１（Ａ）は固定抵抗器の要部の側面図、図１（Ｂ）はその中央部の断面図、図１（Ｃ）は感温塗料層を施して理科教材用とした固定抵抗器の要部の側面図、図１（Ｄ）はその中央部の断面図、である。
【図２】本発明の理科教材用電気回路作成キットの一実施例の説明図である。
【図３】理科教材用固定抵抗器の取り付け方法の一例の説明図である。
【図４】理科教材用電気回路作成キットで作成できる電気回路の例である。
【符号の説明】
【００３０】
１…固定抵抗器、２…絶縁基体、３…抵抗体層、４…絶縁塗装、５…電極、６…リード線、７…理科教材用固定抵抗器、８…感温塗料層、９…回路基板、１０…貫通孔、１１…高さ設定用スペーサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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