(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電材料で形成された一対の軸受板（２，３）で回転できるように支承され、導電材料で形成された電機子軸（４）と、上記電機子軸（４）の中間部に装着され、合成樹脂板あるいは高強度の厚紙で形成された模擬電機子（６）と、上記電機子軸（４）の他端に設けられた手動回転用ノブ（５）と、銅板又は黄銅板で形成され、上記電機子軸（４）の一端部に絶縁して装着された模擬整流子（８，９）と、弾性を有する導電材で形成され、先端部（１２ｂ，１３ｂ）が模擬整流子（８，９）に接触するように設けられた一対のブラシ（１２，１３）と、上記模擬電機子の磁極部（６ａ，６ｂ）に対向し、かつ、上記模擬電機子（６）が回転できるように配置され、合成樹脂板又は高強度の厚紙で形成された一対の模擬固定界磁極（１０，１１）と、上記模擬電機子の磁極部（６ａ，６ｂ）のそれぞれに設置されたＮ極性表示灯（２０，２２）及びＳ極性表示灯（２１，２３）と、上記一対の模擬固定界磁極（１０，１１）のそれぞれに設置されたＮ極性表示灯（２４，２６）及びＳ極性表示灯（２５，２７）と、電池（１６）を電源とし、模擬電機子の一方の磁極部（６ａ）のＳ極性表示灯（２１）と他方の磁極部（６ｂ）のＮ極性表示灯（２２）に通電し、電池（１６）の一方の極とブラシ（１２，１３）の一方及び電池（１６）の他方の極とブラシ（１２，１３）の他方をそれぞれ着脱できるように接続する電源クリップ（１４，１５）を有する模擬電機子用通電回路（３０）と、一方の模擬固定界磁極（１０）に設置されたＳ極性表示灯（２５）と他方の模擬固定界磁極（１１）に設置されたＮ極性表示灯（２６）に通電し、電池（１６）との接続をオン・オフする模擬固定界磁極用メインスイッチ（１８）と電池（１６）からの電流の向きを変換する模擬固定界磁極変換スイッチ（１９）有する模擬固定界磁極用通電回路（３１）とを備え、上記模擬電機子のＮ・Ｓ極性表示灯（２０〜２３）と上記模擬固定界磁極のＮ・Ｓ極性表示灯（２３〜２７）の点灯状態により、上記模擬電機子（６）を手動で回転させることによりその回転方向を習得できるようになされたことを特徴とする直流モーター回転原理説明器。
【請求項２】
模擬電機子用通電回路（３０）は、模擬電機子の磁極部（６ａ，６ｂ）のそれぞれに設置されたＮ極性表示灯（２０，２２）及びＳ極性表示灯（２１，２３）にブラシ（１２，１３）と模擬整流子（８，９）を介して通電するとともに、電池（１６）の一方の極を軸受板（２，３）及び電機子軸（４）を介して通電するようになっている請求項１記載の直流モーター回転原理説明器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小学校あるいは中学校などで学習する直流モーター（電動機）の回転原理を、視覚に訴えて理解させるための直流モーター回転原理器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
私たちの生活の中で、モーターは重要な動力源として、冷蔵庫・エアコン・洗濯機などにおける交流モーターがあり、また、自動車や玩具など、電池を電源として使用する直流モーターが利用されている。これらモーターについての、小学校あるいは中学校などにおける学習は、永久磁石の作用に関連づけて電磁気学の基礎を教えるために直流モーターの原理が適当であり、そのための学習用教材として各種のものが提案されている。
【０００３】
即ち、登録実用新案公報第３０５０８９１号公報に示された「直流モーターの原理学習実験器」が提案されている。また、従来装置として、登録実用新案公報第３０５０８９１号公報において図５及び図６に示された学習実験器も知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これら従来の学習実験器は、回転原理を習得するためにそれぞれ特徴を備えたものであるが、電流の方向を切換えたり、磁極の極性を変えることによって、回転方向が逆方向になることを理解させるにはやや難点がある。特に、視覚的に判断することは困難であるなどの問題点があった。
【０００５】
この発明はこれらの問題点を解消するためになされたもので、回転原理を視覚的に判断することにより直流モーターの理解が容易できるようにした直流モーター回転原理説明器を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の直流モーター回転原理説明器においては、導電材料で形成された一対の軸受板で回転できるように支承され、導電材料で形成された電機子軸と、上記電機子軸の中間部に装着され、合成樹脂板あるいは高強度の厚紙で形成された模擬電機子と、上記電機子軸の他端に設けられた手動回転用ノブと、銅板又は黄銅板で形成され、上記電機子軸の一端部に絶縁して装着された模擬整流子と、弾性を有する導電材で形成され、先端部が模擬整流子に接触するように設けられた一対のブラシと、上記模擬電機子の磁極部に対向し、かつ、上記模擬電機子が回転できるように配置され、合成樹脂板又は高強度の厚紙で形成された一対の模擬固定界磁極と、上記模擬電機子の磁極部のそれぞれに設置されたＮ極性表示灯及びＳ極性表示灯と、上記一対の模擬固定界磁極のそれぞれに設置されたＮ極性表示灯及びＳ極性表示灯と、電池を電源とし、模擬電機子の一方の磁極部のＳ極性表示灯と他方の磁極部のＮ極性表示灯に通電し、電池の一方の極とブラシの一方及び電池の他方の極とブラシの他方をそれぞれ着脱できるように接続する電源クリップを有する模擬電機子用通電回路と、一方の模擬固定界磁極に設置されたＳ極性表示灯と他方の模擬固定界磁極に設置されたＮ極性表示灯に通電し、電池との接続をオン・オフする模擬固定界磁極用メインスイッチと電池からの電流の向きを変換する模擬固定界磁極変換スイッチ有する模擬固定界磁極用通電回路とを備え、上記模擬電機子のＮ・Ｓ極性表示灯と上記模擬固定界磁極のＮ・Ｓ極性表示灯の点灯状態により、上記模擬電機子を手動で回転させることによりその回転方向を習得できるようになされたことを特徴とするものである。
【０００７】
また、模擬電機子用通電回路は、模擬電機子の磁極部のそれぞれに設置されたＮ極性表示灯及びＳ極性表示灯にブラシと模擬整流子を介して通電するとともに、電池の一方の極を軸受板及び電機子軸を介して通電するようになっており、回転原理説明器の構造を簡単にしたものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を実施例にもとづき図面を参照して説明する。図１ないし図５において、１は木材または合成樹脂で形成された基盤、２，３は導電材料で形成された軸受板であり、基盤１に立設されている。４は軸受板２，３に回転できるように支承された電機子軸であり、軸受板２，３と同様に導電材料で形成され、一方の先端に手動回転用ノブ５が設けてある。６は電機子軸４の中間部に装着された模擬電機子であり、合成樹脂板あるいは高強度の厚紙でＩ字形に形成されている。このＩ字形の両端は磁極部６ａ，６ｂが形成され、Ｉ字形の中間部６ｃには模擬コイル７が巻回されている。また、電機子軸４の軸受板２側の一端には、模擬整流子８，９が装着されている。この模擬整流子８，９は銅板又は黄銅板で形成され、電機子軸４との間は絶縁されている。１０，１１は基盤１に立設された一対の模擬固定界磁極であり、合成樹脂板あるいは高強度の厚紙で形成されて模擬電機子６の磁極部６ａ，６ｂに対向し、かつ、模擬電機子６が回転できるように配置されている。
【０００９】
１２，１３はブラシであり、リン青銅板のように弾性を有する導電材で形成されたもので、基端部１２ａ，１３ａが基盤１に固着され先端部１２ｂ，１３ｂが模擬整流子８，９と接触するように形成されている。１４，１５は電源クリップ、１６は電源用の電池である。電源クリップ１４のリード線は電池１６のマイナス極に接続されている。電源クリップ１５のリード線は電池１６のプラス極に接続されているように形成されているが、外観だけで接続されていない。そして、通常、電源クリップ１４はブラシ１２の基端部１２ａに形成された突起部を把持し、電源クリップ１５はブラシ１３の基端部１３ａに形成された突起部を把持している。１７はメインスイッチ、１８は模擬固定界磁極用メインスイッチ、１９は模擬固定界磁極変換スイッチであり、これらスイッチの作用は後述する。なお、模擬整流子８，９と模擬電機子６の関係は、模擬電機子６の磁極部６ａ，６ｂが真横になって模擬固定界磁極１０，１１と対向したとき、模擬整流子８，９とブラシ１２，１３との接触が切換わるように設定されている。
【００１０】
２０〜２３は模擬電機子６に設置された極性表示灯である。即ち、２０，２２はＮ極性表示灯、２１，２３はＳ極性表示灯であり、Ｎ極性表示灯２０，２２は赤色の発光ダイオード、Ｓ極性表示灯２１，２３は緑色の発光ダイオードを用いてある。そして、Ｎ極性表示灯２０，２２（赤色）は模擬電機子６において磁極部６ａ，６ｂの先端側に設置されている。Ｓ極性表示灯２１，２３（緑色）はＮ極性表示灯２０，２２に対して電極子軸４側に隣接して設置されている。２４〜２７は模擬固定界磁極１０，１１に設置された極性表示灯である。即ち、２４，２６はＮ極性表示灯、２５，２７はＳ極性表示灯であり、Ｎ極性表示灯２４，２６は赤色の発光ダイオード、Ｓ極性表示灯２５，２７は緑色の発光ダイオードを用いてある。そして、Ｎ極性表示灯２４，２６（赤色）とＳ極性表示灯２５，２７（緑色）は、模擬固定界磁極１０の内側をＮ極性表示灯２４とすれば、模擬固定界磁極１１の内側をＳ極性表示灯２７とする。従って、模擬固定界磁極１０の外側をＳ極性表示灯２５とし、模擬固定界磁極１１の外側はＮ極性表示灯２６になるように設置されている。図５において、３０は模擬電機子用通電回路、３１は模擬固定界磁極用通電回路である。
【００１１】
上記の構成において、模擬電機子６、模擬コイル７、模擬整流子８，９、模擬固定界磁極１０，１１などは、教科書に示されたモーター学習の挿絵と類似の形状・構造に形成されている。なお、極性表示灯２０〜２８とメインスイッチ１７、模擬固定界磁極用メインスイッチ１８、模擬固定界磁極変換スイッチ１９との関係は、図５に示す回路図のように構成されており、メインスイッチ１７を投入すれば、極性表示灯２０〜２７のいずれかが点灯するようになされている。なお、図５において、極性表示灯２０〜２３にたいする通電回路において、Ａ点及びＢ点の部分は、ブラシと接触環を用いるのが一般的であるが、本発明では軸受板２，３と電機子軸４を介在させて通電回路が構成されている。即ち、Ａ点の部分は、軸受板２，３により通電回路が構成され、Ｂ点の部分は電機子軸４により通電回路が構成されている。この場合、軸受板２，３は両方を介在させるのが望ましいが、一方だけを介在させてもよい。
【００１２】
以下、極性表示灯２０〜２７の点灯及びその切換えについて、児童生徒を指導する要領で説明する。図５において、先ず、メインスイッチ１７及び模擬固定界磁極用メインスイッチ１８をオフになされ、模擬固定界磁極変換スイッチ１９は図のように切換えられているものとする。この状態において、模擬電機子６を基盤１にに対して垂直方向にとめておく。即ち、磁極部６ａが上側に磁極部６ｂが下側になるようにとめておく。そしてメインスイッチ１７をオンにする。すると、磁極部６ａのＳ極性表示灯２１（緑色）が点灯し、磁極部６ｂのＮ極性表示灯２２（赤色）が点灯する。このとき、赤色はＮ極であり、緑色はＳ極であることを児童生徒に約束しておく。次に、児童生徒に「このモーターはどちら側に回るか？」と質問する。児童生徒たちは、磁石の同極は反発し異極同志は引き合うことを、既に理科の授業や実験で学習して知っている。従って、この場合、模擬固定界磁極１０，１１の極性表示灯２４〜２７が点灯していないのであるから、どちらに回るか分からないと答えるのが普通である。児童生徒たちの中には、右の模擬固定界磁極の極がＮ極なら右回りとか、Ｓ極なら左回りであるなど、発言するはずである。
【００１３】
そこで、模擬固定界磁極用メインスイッチ１８をオンにすると、模擬固定界磁極１０のＳ極性表示灯２５（緑色）が点灯し、模擬固定界磁極１１のＮ極性表示灯２６（赤色）が点灯する。ここで、「モーターはどちらに回るか？」と質問すると、「右回り」と正しい答えが返ってくる。正しい答えをした児童生徒に、「どうして君はそう思うか？」と聞くと、堂々と磁石の吸引反発の理論的な答えが得られることになる。次に、手動回転ノブ５を操作し、模擬電機子６の磁極部６ａ，６ｂが横向きになって模擬固定界磁極１０，１１と対向したとき、磁極部６ａのＳ極性表示灯２１（緑色）が消えてＮ極性表示灯２０（赤色）が点灯し、磁極部６ｂのＮ極性表示灯２２（赤色）が消えてＳ極性表示灯２３（緑色）が点灯する。この切り替わりによりモーターの回転の原理が理解される。
【００１４】
上記のように動作する過程で、即ち、模擬電機子６の磁極部６ａ，６ｂが上記のように横向きになったとき、図４に示すように、模擬整流子８，９の両方に対してブラシ１２の先端部１２ｂが同時に接触することがる。このとき、電機子コイル（模擬コイル７に相当するもの）には電流が流れないためモーターは回転しなくなる。これは二極モーターの欠点であることを本発明の直流モーター回転原理説明器で説明できる。即ち、模擬整流子８，９の両方に対してブラシ１２の先端部１２ｂが同時に接触した場合、模擬整流子８，９が短絡した状態になり、模擬固定界磁極１０，１１の極性表示灯２４〜２７（赤・緑）が同時に点灯し、模擬電機子６の磁極部６ａ，６ｂは反発も吸引もできない状態になる。実際には、回転する模擬電機子６の慣性により、模擬整流子８，９の短絡状態が解消されて連続回転することも理解させることができる。
【００１５】
次に、「モーターの回転方向を反対にするにはどうするか？」について考えさせてみる。色々な意見が出る中で、「電池１６の方向を入れ換える」「模擬固定界磁極１０，１１の極性を入れ換える」などの意見が出ると思われる。電池１６の方向（極性）入れ換えるという意見に対しては、電源クリップ１４の把持をブラシ１２の基端部１２ａからブラシ１３の基端部１３ａに入れ換える。同時に、電源クリップ１５の把持をブラシ１３の基端部１３ａからブラシ１２の基端部１２ａに入れ換える。この入れ換えにより、模擬電機子６の磁極部６ａ，６ｂの極性表示灯２０〜２３が切換わるので、モーターの回転方向が反対になることが理解される。
【００１６】
「模擬固定界磁極１０，１１の極性を入れ換える」という意見については、模擬固定界磁極変換スイッチ１９の切換えにより、極性表示灯２４〜２７が切換わるので、モーターの回転方向が反対になることが理解される。
【００１７】
上記のように、本願の直流モーター回転原理説明器によれば、電池１６の方向を入れ換えたり、模擬固定界磁極１０，１１の極性を入れ換えるなどの実験により、モーター回転原理及び正回転・逆回転の原理などが、短時間のうちに児童生徒に理解させることができる。
【００１８】
また、この直流モーター回転原理説明器の、模擬電機子６を早く回転させると、極性表示灯２０〜２３の点灯による光が、模擬固定界磁極１０，１１の内側において、例えば、上側が赤色の半円で下側が緑色の半円の線条に見えるようになる。次に、前記のように、電源クリップ１４，１５の把持を入れ換えることにより、極性表示灯２０〜２３の点灯による光が、上側が緑色の半円で下側が赤色の半円の線条に見えるようになる。この実験は、ブラシ１２，１３に流れる電流の方向によって、模擬電機子６の極性が転換していることが判別され、モーターの回転とその方向の理解が一層容易になる。なお、上記の説明では、二極のモーターについて説明したが、三極のモーターの回転原理説明器においても応用できるものである。さらに、模擬電機子６に巻回された模擬コイル７により、この模擬コイル７に流れる電流をたどると、電磁力に関する右ねじの法則を説明することもできる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されているので、以下に記載されたような効果を奏する。
【００２０】
極性表示灯を用いて視覚的に判断することにより、直流モーターの回転原理が容易に理解できるので、児童生徒の指導が容易になる。
【００２１】
また、電機子あるいは固定界磁極などが模擬品であるために、製作が容易であり、特に、教科書に示された説明図とほぼ同じ外観の装置を、安価に提供できるなどの効果もある。
【００２２】
さらに、模擬電機子６の極性表示灯２０〜２３に対する通電回路において、Ａ点及びＢ点の部分は、ブラシと接触環を用いるのが一般的であるが、本発明では軸受板２，３と電機子軸４を介在させて通電回路を構成しているので、構造が簡単になり、製作も容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】直流モーター回転原理説明器の一実施例を示す斜視図である。
【図２】直流モーター回転原理説明器の一実施例を示す平面図である。
【図３】模擬電機子と模擬整流子とブラシの関係を示す説明図である。
【図４】模擬整流子とブラシの関係を示す拡大斜視図である。
【図５】一実施例の直流モーター回転原理説明器に関する電気回路図である。
【符号の説明】
４  電機子軸
６  模擬電機子
６ａ，６ｂ  磁極部
８，９    模擬整流子
１０，１１  模擬固定界磁極
１２，１３  ブラシ
１６  電池
１７  メインスイッチ
１８  模擬固定界磁極用メインスイッチ
１９  模擬固定界磁極変換スイッチ
２０〜２７  極性表示灯
３０  模擬電機子用通電回路
３１  模擬固定界磁極用通電回路
【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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