JP3237668U - 電動学習教材 - Google Patents
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Abstract
【課題】小学校の理科教材として適切に活用できる電動学習教材を提供する。【解決手段】連結ギヤCNと一体化された後部車輪の回転方向が、所定条件で、逆転するよう構成される。電動モータ1の回転を連結ギヤCNに伝える複数の伝達歯車G1~G4を内蔵した歯車ボックス30と、歯車ボックス30の揺動軸SWを受入れて保持する本体フレームと、先端片と後端片が本体フレームから露出する逆転操作部と、を有して構成され、逆転操作部の第1方向又は第2方向へのスライド移動に対応して、歯車ボックスが時計方向又は反時計方向に揺動することで、伝達歯車の伝達経路が切り替わる。【選択図】図4
Description
本考案は、小学生が、無理なく完成させることができる理科教材に関し、特に、障害物に阻止されて反転移動する電動学習教材に関する。
壁などの障害物にぶつかることに対応して、移動方向が反転する自動車玩具としては、各種の構成が提案されている(特許文献1~4)。
しかし、小学生でも容易に制作でき、しかも、組み立て精度の良否に拘わらず、所定の往復移動を実現する理科教材の構成は知られていない。
先ず、特許文献1~特許文献3の構成は、巻ゼンマイを必須要件としており、直流モータの理科実験には使用できない。しかも、特許文献1~特許文献2の構成は、例えば、後輪駆動の構成において、後輪の回転方向を反転させるため、後輪全体を前後方向に移動させる必要があり、幼児用の玩具としては問題ないが、自動車としての現実性に欠け、理科実験としては好ましくない。
なお、特許文献3の構成では、後輪の位置が固定されているが、複数個必要となるギヤの寸法が統一されておらず、組み立てが容易ではない上に、コスト高となりがちである。すなわち、小学生の理科教材としては、だれでも組み立てることができ、全員が、完成時の歓びを感じることができる教材である必要がある。
この点については、特許文献4についても同様であり、引用文献4に記載の切換伝動歯車群は、結局は、完成品として提供せざるを得ず、全ての部材を、生徒が一から組み立てることは、不可能か、極めて困難である。
すなわち、特許文献4の切換伝動歯車群を完成させるには、第1歯車16の小径ギヤ部に、第2歯車17の大径ギヤ部を歯合させ、第2歯車17の大径ギヤ部を、第3歯車18の小径ギヤ部に歯合させる必要がある共に、第1歯車16の大径ギヤ部に、ウォームギヤ13を歯合させ、第3歯車18の大径ギヤ部を、最終歯車10に歯合させる必要があり、詳細に組立て手順を説明しない限り、小学生には、完成させることができない。なお、完成状態の切換伝動歯車群を生徒に与えても、その内部構造は見えないので、歯車の伝達機構を理解することはできず、教育玩具としては、あまり意味が無い。
また、この方向転換走行玩具では、後方側の連結器28は固定状態であって、手動操作可能な可動部は、前方側の衝突用連結器27に限られる。したがって、後退走行から前進走行に方向転換するには、後退走行が阻止されている状態で、ウォームギヤ13が、切換伝動歯車群を、強く押し戻して揺動させるしかなく、例えば、やや電池が消耗している場合や、前方に別の車両を連結させた場合(図6)には、パワー不足で方向変換ができない可能性がある。また、仮に、方向転換できても、その仕組みを理解することは、小学生には不可能であるので、学習教材には適さない。
しかも、引用文献4の構造では、図1に示すA方向への進行時と、図2に示すB方向への後退時では、進行速度が一致しないという大きな問題がある。具体的に確認すると、第3歯車18の大径ギヤ部が、最終歯車10に歯合するA方向への移動時(図1参照)には、第1歯車16の小径ギヤ部⇒第2歯車17の大径ギヤ部⇒第3歯車18の小径ギヤ部⇒の経路を経由するので、最終歯車10と第1歯車16の回転数が一致する。
しかし、第2歯車17の大径ギヤ部が、最終歯車10の大径ギヤに歯合するB方向への移動時(図2)には、第1歯車16の小径ギヤ部⇒第2歯車17の大径ギヤ部の経路を経由するので、最終歯車10の回転数が、第1歯車の回転数より低下するという問題がある。
本考案は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、小学生用の理科教材として適切に活用できる電動学習教材を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するため、本考案は、連結ギヤ(CN)と一体化された所定の車輪(6L)の回転方向が、所定条件で、逆転する電動学習教材(EQU)であって、電動モータ(1)の回転を前記連結ギヤに伝える複数の伝達歯車(Gi)を内蔵した歯車ボックス(30)と、前記歯車ボックスから外方に突出する揺動軸(SW)を受入れて、前記歯車ボックスを揺動可能に保持する本体フレーム(10)と、前記本体フレームの進行方向に延びて、先端片と後端片が前記本体フレームから露出することで、第一方向及び第2方向にスライド移動可能に構成された逆転操作部(20)と、を有して構成され、前記逆転操作部の第1方向又は第2方向へのスライド移動に対応して、前記歯車ボックスが時計方向又は反時計方向に揺動することで、前記伝達歯車の伝達経路が切り替わるよう構成される。
上記した本考案によれば、小学生用の理科教材として適切に活用できる電動学習教材を実現することができる。
以下、実施例に基づいて、本考案を更に詳細に説明する。図1(a)は、実施例に係る電動学習教材EQUの完成状態を示す斜視図である。図示の電動学習教材EQUは、小学校の理科教材として使用され、生徒による手作りによって図示の完成状態となる。なお、以下の説明では、便宜上、図示の左下方を前方と称し、右上方を後方と称することにする。
図1(a)に示す通り、電動学習教材EQUは、電気回路としては、ブラシ付きの直流モータ1と、直流モータ1に直流電圧を給電する単一電池2a,2bと、給電の有無をON/OFF制御するための電源スイッチ3と、直流モータ1の回転子に対面して配置される永久磁石4a,4bとで構成され、これらが本体フレーム10の適所に収容されている。
直流モータ1は、図6(b)や図6(c)に示す外観形状を有し、嵌合ケースCA1,CA2の中に、端子部TRを有する回転子RTを収容して構成される。図6(b1)と、図6(b3)に示す通り、嵌合ケースCA1には、その上下中央位置に、フック片HK,HKが設けられ、これに対応して、嵌合ケースCA2の上下中央位置には、係合穴REV,REVが設けられている。
したがって、回転子RTと一体化された嵌合ケースCA1のフック片HK,HKを、嵌合ケースCA2の係合穴REV,REVに押し込むだけで、直流モータ1を完成させることができ、小学生でも容易に直流モータ1を組み立てることができる。
また、回転子RTは、一方の端子部TRから他方の端子部TRに至るまで、磁心COの周りに、200回程度、導線WRを巻いて構成されている。なお、導線WRの巻数に応じて、鉄クギを引き付ける磁力が変化する理科実験を、先行して実行しても良い。
図6(b1)や、図6(c1)に示す通り、嵌合ケースCA1には、不図示のブラシと摺動接触して回転する整流子RECが設けられている。そして、回転子RTの端子部TRの内面を、嵌合ケースCA1の外表面(整流子REC)に嵌合させると、整流子RECの外表面と、端子部TRで終端された導線WRとが電気接触して、破線に示す通電回路が完成する。したがって、直流モータ1の回転に対応して、ブラシから巻線WRに流れ込む電流の方向が切り替わることになり、一方向の回転が継続される。
次に、図6(b3)や、図6(c3)に示す通り、嵌合ケースCA2には、回転軸SHが固定されていると共に、回転軸SHと一体回転する駆動ギヤDVが嵌合されている。また、嵌合ケースCA2の内面に沿うよう、一枚の磁気プレートPTが配置されている。
磁気プレートPTは、鉄などの磁性体で構成された略平行四辺形の板材であって、上辺と下辺が直角に屈曲形成され、更に、その先端を直交屈曲することで舌片部TNを形成している。図6(a)に示す通り、上側の舌片部TNは、一方の永久磁石4b(例えばN極)の上側に対面し、下側の舌片部TNは、他方の永久磁石4a(例えばS極)の下側に対面するよう配置されている。
そのため、通電開始前の自然状態では、直流モータ1が、図6(a)の矢印で示す反時計方向にやや回転した傾斜姿勢で静止することになる。これは、完全な水平状態では、ブラシと整流子RECが短絡状態になって、導線WRにコイル電流が流れず、回転を開始できないので、これを防止するためである。
図1(b)は、本体フレーム10の内部構造を図示したものであり、複数の伝達歯車Gi(G1~G4)を収容する歯車ボックス30と、小径の駆動ギヤDVを経由して開始位置の伝達歯車を回転させる直流モータ1と、自動車の前後方向に延びる逆転操作部20と、前後2本の車軸5,6と、各車軸5,6に固定された左右の車輪5R,5L,6R,6Lと、が示されている。
後部左車輪6Lは、大径の連結ギヤCNと一体化されており、連結ギヤCNは、歯車ボックス30の最終位置に配置された伝達歯車の小径部と歯合するよう配置されている(図4(b)及び図5(b)参照)。
また、後部左車輪6Lは、後部車軸6及び後部右車輪6Rと一体化されているので、連結ギヤCNの回転に対応して、左右の車輪6L,6Rが、同期して回転する。すなわち、直流モータ1の回転が、駆動ギヤDVと、歯車ボックス30の伝達歯車列と、を経由して連結ギヤCNに伝達されることで、後方左右の車輪6L,6Rが同期回転することになる。
図2(a)は、電動学習教材EQUの底部を図示したものであり、歯車ボックス30や、逆転操作部20の底面視が示されている。ここで、逆転操作部20は、前後方向にスライド移動可能な状態で、本体フレームに保持されている。
図2(b)と図2(c)は、逆転操作部20の分解状態を示しており、逆転操作部20は、本体フレーム10前方から先端片が突出する平面T字状の前方部材21と、本体フレーム10後方から後端片が突出する平面T字状の後方部材23と、前方部材21と後方部材23の基端を各々収容して、全体を一体化する箱状の連結部材22と、に区分されている。
なお、前方部材21と後方部材23を、各々、連結部材22に押し込むだけで、逆転操作部20が完成状態となるので、逆転操作部20の組み立ては簡単である。
図3は、逆転操作部20と、歯車ボックス30との関係を示す斜視図である。図2(c)や図3(b)に示す通り、連結部材22は、前方部材21と後方部材23の端部を受入れるボックス部BXと、ボックス部BXから幅方向に広がる延長部EXと、延長部EXに固定される板状の作用部FNと、に区分されている。後述するように、作用部FNを、延長部EXに押し込むだけで、連結部材22が完成状態となるので、連結部材22の組み立ても容易である。
図3(c)~図3(e)に示すように、作用部FNは、平板材で構成されており、矩形穴状の基端穴BSと、傾斜状に開口した長穴HOと、が形成されている。そして基端穴BSには、切起し状に突出する一対の取付片AT,ATが設けられ、取付片AT,ATの先端には、断面三角状の先端係止片LKが形成されている。
この構成に対応して、延長部EXには、取付片AT,ATを受入れる収容部(不図示)が設けられており、取付片AT,ATの先端係止片LKが、収容部の適所に係止されることで、作用部FNと延長部EXが一体化される(図2(c)参照)。すなわち、作用部FNを、延長部EXに押し込むことで、連結部材22が完成状態となる。
作用部FNに設けられた長穴HOは、より詳細には、上下位置で並行して延びる下部穴H1及び上部穴H2と、下部穴H1と上部穴H2を連絡する傾斜穴H3と、に区分されている。なお、図3(c)では、作用部FNの板材を、斜視図で図示しているため、誤解を与えるかもしれないが、実際には、図3(e)に示す通り、平板状の板材に、上部穴H2と、下部穴H1と、傾斜穴H3と、が同一平面上に形成されている。
歯車ボックス30は、作用部FNに対面する第1部材31と、第1部材31に保持される4個の伝達歯車Gi(G1~G4)と、伝達歯車Giを保持した第1部材31を覆う第2部材32(図3(g))と、で構成されている。この歯車ボックス30は、全体として幅狭の薄板箱状の完成形状となり、本体フレーム10に形成された収容穴GV(図2(a)~(b)参照)に収容されることで、揺動可能な状態で本体フレーム10に保持される。
上記の保持構造を実現するため、第1部材31と第2部材32の外面側には、各々の対応位置に、揺動軸SW,SWが突出形成されており、各揺動軸SW,SWが、本体フレーム10の収容穴GVに形成された受入溝(不図示)に突入することで、歯車ボックス30の揺動動作が実現される。
第1部材31と第2部材32は、各々の平坦面の下方が、円弧W状に延長されている(図3(f)~(g))。また、第1部材31と第2部材32の平坦面の両端には、他方側の部材32,31に向けて突出する突出部ED1,ED2が設けられ、第1部材31と第2部材32の嵌合構造を実現している。
すなわち、第1部材31の突出部ED1には、スライド面に続く嵌入穴RV(図3(a))が設けられている一方、第2部材32の突出部ED2には、突出板の先端位置に、先端ロック片LCが、断面三角状に形成されている。
そして、第2部材32の先端ロック片LCが、第1部材31のスライド面をスライドして、嵌入穴RVに突入すると、先端ロック片LCが嵌入穴RVに係合して第1部材31と第2部材32のロック状態が完成する。すなわち、伝達歯車Gi(G1~G4)を内蔵させた状態で、第2部材32を、第1部材に押し込むだけで歯車ボックス30が完成状態となる。
図3(a)~(b)に示す通り、第1部材31の表面側には、歯車ボックス30の揺動動作を実現する揺動軸SWと、作用部FNの長穴HOに突入させる係止軸EGと、が突出形成されている。一方、第1部材31の内面側には、4個の取付軸AXi(AX1~AX4)が突出形成されている(図3(f)参照)。
4個の取付軸AXiは、全体として、台形形状の4頂点を形成しており、台形上辺を形成する上部軸AX1,AX2と、台形下辺を形成する下部軸AX3,AX4とに区分される。そして、第1部材31の外周側の係止軸EGは、例えば、取付軸AX4の連続位置に形成され、揺動軸SWは、例えば、取付軸AX2の連続位置に形成される。
図4(b)や図5(b)に示す通り、伝達歯車Gi(G1~G4)は、全て同一形状の二段ギヤであって、大径ギヤに小径ギヤが積層された同軸中心位置には、取付軸AXiより大径の中心穴が形成されている。そして、4個の取付軸AX1~AX4に、4個の伝達歯車Giの中心穴を嵌めることで、伝達歯車Gi(G1~G4)の取付が完了する。この取付状態では、全ての伝達歯車Gi(G1~G4)が、同一平面上に位置するので、小学生でも伝達歯車Giの組付けに失敗するおそれはない。
図4(b)や図5(b)に示す通り、直流モータ1に連動して回転する小径の駆動ギヤDVは、歯車ボックス30の傾斜姿勢に拘わらず、伝達歯車G2の大径ギヤと歯合する一方、大径の連結ギヤCNは、歯車ボックス30の傾斜姿勢の違いに応じて、伝達歯車G3か、又は伝達歯車G4の小径ギヤと歯合するよう配置される。
例えば、歯車ボックス30が、図4(b)の傾斜姿勢の状態では、駆動ギヤDVの小径部⇒伝達歯車G2の大径部⇒伝達歯車G4の大径部⇒伝達歯車G4の小径部⇒連結ギヤCNの伝達経路をとることになる。一方、歯車ボックス30が、図5(b)の水平姿勢の状態では、駆動ギヤDVの小径部⇒伝達歯車G2の大径部⇒伝達歯車G1の大径部⇒伝達歯車G3の大径部⇒伝達歯車G3の小径部⇒連結ギヤCNの経路をとる。
図4(a)や、図5(a)に示す通り、直流モータ1には、矢印が大きく描かれおり、駆動ギヤDVは、図示の時計方向に回転するよう組付けられる。そして、電池2a,2bの取付方向を間違えた場合には、直流モータ1が回転しないか、矢印とは逆方向に回転するので、生徒自身によって、組付け間違いを気付くことができる。
そして、正しく組付けられた場合、図4(b)の動作状態では、駆動ギヤDVの時計回転⇒伝達歯車G2の反時計回転⇒伝達歯車G4の時計回転を経て、連結ギヤCNが反時計方向に回転する。したがって、電動学習教材EQUは、連結ギヤCNの反時計方向の回転に対応して、図示の左方向に前進することになる。なお、この時、伝達歯車G1とG3は空回転している。
一方、図5(b)の動作状態では、駆動ギヤDVの時計回転⇒伝達歯車G2の反時計回転⇒伝達歯車G1の時計回転⇒伝達歯車G3の反時計回転を経て、連結ギヤCNが時計方向に回転する。したがって、電動学習教材EQUは、連結ギヤCNの時計方向の回転に対応して、図示の右方向に後退することになる。なお、この時、伝達歯車G4は空回転している。
特に限定されないが、本実施例では、駆動ギヤDVの歯数と半径を、全伝達歯車Gi(G1~G4)の小径部の歯数と半径に一致させている。そのため、図4(b)と図5(b)の何れの場合も、駆動ギヤDVの回転数と、最終位置の伝達歯車(G4又はG3)の回転数とが一致する。したがって、電動学習教材EQUは、前進する場合も、後退する場合も、その移動速度は同一であって、自然な移動動作が実現される。
図3(a)~(b)について、改めて確認すると、図3(a)は、電動学習教材EQUの前方移動時(図4)における内部動作を示し、図3(b)は、電動学習教材EQUの後方方移動時(図5)における内部動作を示している。
例えば、逆転操作部20が前方に移動すると、歯車ボックス30が、図3(a)や図4に示す傾斜姿勢(前方移動姿勢)となる。なお、この傾斜姿勢は、生徒が逆転操作部20を前方に引き出すか、或いは、後方に移動する電動学習教材EQUが、障害物にぶつかることで実現される。
一方、例えば、逆転操作部20が後方に移動すると、歯車ボックス30が、図3(b)や図5に示す水平姿勢(後方移動姿勢)となる。この水平姿勢は、生徒が逆転操作部20を後方に引出すか、或いは、前方に移動する電動学習教材EQUが、障害物にぶつかることで実現される。
逆転操作部20の移動動作を更に説明すると、逆転操作部20が前方に移動すると、これに対応して、作用部FNも前方に移動する。このとき、歯車ボックス30は、揺動軸SWに支持されているので、作用部FNだけが、長穴HOと共に前方に移動することになる。
そのため、歯車ボックス30の係止軸EGは、作用部FNの長穴HOに沿って移動し、係止軸EGが、傾斜穴H3を上昇する過程で、揺動軸SWを支点にして歯車ボックス30が揺動する。図3(a)や図4は、この揺動姿勢を示しており、歯車ボックス30は、揺動軸SWを中心に、図示の時計方向に少し回転している。
逆に、逆転操作部20が後方に移動すると、これに対応して、作用部FNも後方に移動する。そのため、歯車ボックス30の係止軸EGは、作用部FNの長穴HOに沿って移動し、係止軸EGが、傾斜穴H3を降下する過程で、揺動軸SWを支点にして歯車ボックス30が反時計方向に揺動する。図3(b)や図5は、この揺動姿勢を示しており、歯車ボックス30は、揺動軸SWを中心に、反時計方向に少し回転して、元の姿勢に戻っている。
上記の揺動動作では、係止軸EGが、傾斜穴H3を通過して、長穴HOの下部穴H1に達したか、或いは、傾斜穴H3を通過して、長穴HOの上部穴H2に達したかだけが問題になり、平行的に形成された下部穴H1や上部穴H2の何処に、係止軸EGが静止するかは全く問題にならない。
言い換えると、逆転操作部20に移動によって、係止軸EGが、長穴の下部穴H1から上部穴H2へ移動したか、逆に、上部穴H2から下部穴H1に移動したかだけが問題になるので、方向逆転動作を実現する上で、生徒による組み立て精度の良否や、逆転操作部20の移動精度は全く問題にならない。
すなわち、実施例の電動学習教材EQUは、その組み立て精度の良否に拘わらず、所定の動作を実現するので、生徒全員が、完成時の歓びを感じることができる。以上、本実施例について詳細に説明したが、具体的な記載内容は、何ら本考案を限定せず、適宜に変更可能である。
EQU 電動学習教材
AXi(AX1~AX4) 取付軸
Gi(G1~G4) 伝達歯車
30 歯車ボックス
EG 係止軸
SW 揺動軸
20 逆転操作部
HO(H1~H3) 長穴
1 電動モータ(直流モータ)
6L 車輪(後部左車輪)
AXi(AX1~AX4) 取付軸
Gi(G1~G4) 伝達歯車
30 歯車ボックス
EG 係止軸
SW 揺動軸
20 逆転操作部
HO(H1~H3) 長穴
1 電動モータ(直流モータ)
6L 車輪(後部左車輪)
Claims (5)
- 連結ギヤ(CN)と一体化された所定の車輪(6L)の回転方向が、所定条件で、逆転する電動学習教材(EQU)であって、
電動モータ(1)の回転を前記連結ギヤに伝える複数の伝達歯車(Gi)を内蔵した歯車ボックス(30)と、
前記歯車ボックスから外方に突出する揺動軸(SW)を受入れて、前記歯車ボックスを揺動可能に保持する本体フレーム(10)と、
前記本体フレームの進行方向に延びて、先端片と後端片が前記本体フレームから露出することで、第一方向及び第2方向にスライド移動可能に構成された逆転操作部(20)と、を有して構成され、
前記逆転操作部の第1方向又は第2方向へのスライド移動に対応して、前記歯車ボックスが時計方向又は反時計方向に揺動することで、前記伝達歯車の伝達経路が切り替わるよう構成された電動学習教材。 - 前記逆転操作部(20)には、前記歯車ボックスから外方に突出する係止軸(EG)を受入れる長穴(HO)を設けた作用部(FN)が設けられ、
前記長穴は、並行して延びる上部穴(H2)及び下部穴(H1)と、上部穴と下部穴を連続する傾斜穴(H3)とに区分される請求項1に記載の電動学習教材。 - 前記係止軸(EG)が、前記長穴の傾斜穴を上昇して上部穴に達した後は、その静止位置に拘わらず、前記歯車ボックスが第1姿勢を維持することで、第1方向に進行するよう構成されている請求項2に記載の電動学習教材。
- 前記係止軸が、前記長穴の傾斜穴を降下して下部穴に達した後は、その静止位置に拘わらず、前記歯車ボックスが第2姿勢を維持することで、第2方向に進行するよう構成されている請求項2に記載の電動学習教材。
- 前記歯車ボックスには、略平行状態で対面する対抗面(31,32)の内側に同一形状の伝達歯車が、同一平面上に配置されて構成され、各伝達歯車は、大径ギヤ部と小径ギヤ部を有して構成されている請求項1~4の何れかに記載の電動学習教材。
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