The development of a magnetic line trace
for technology education in the
car as a teaching material junior high school
中学校技術教育 における磁気 ライン トレースカーの教材化
大 倉 宏 之 ・ 須 見 尚 文 Hiroshi OKIJRA ° Naobumi SuИ I
(平成 15年10月 1日受理)
Abstract
ln the foregoing researches, we developed the magnetic line trace car (or, magnetic line tracer) as teaching materials for learning how to make things in junior high school.
The tracer can operate only by using lead switches as sensors, and thereofore the control circuit is very simple. It is already used in the classes of technology education of a public school. It is believed to be an excellent teaching material for learning how to 皿ake things.
In this research,in order to investigate the evaluation of this magnetic line tracer as teaching materials for technology education, the questionnaire was carried out to the teachers of technology in junior high school who participated in the practical skill training "the educational study session of summer" of Mishima― city educational study grpup in 2003. According to this questionnaire, we developed the new magnetic line tracer using a belt―like magnet so that the student could manufacture a magnetic line simply and cheaplyo We also manufactured the teaching materials for supporting the designing and manufacuturing the tracerb and the study of control.
1.は じめに
近年、 生徒の「 ものづ くり離れ」「理科・技術離れ」などが深刻な社会問題 となっている。 このよ う な社会背景の もと、 平成10年7月の教育課程審議会の答申を受 けて改訂 された中学校学習指導要領 ― 技術・家庭編 一の技術分野では、 ものづ くりを題材 とした実践的・体験的な学習活動 を通 して、 自ら
課題を見出 し、 問題 を解決するための創意工夫す る能力の育成が これまで以上 に強 く求 め られてい る1)。
著者 らは これまでに、 生徒に ものづ くりや科学 に関する興味や関心を抱かせ る動機付 けとな り、ま た、 ものづ くりのための知識や技術が習得できる教材 として、セ ンサに リー ドスイ ッチを用 いた磁気
ライ ン トレースカー (以後,磁気 ライ ン トレーサ)を開発 したの°。磁気 ライ ンとしては市販の磁石片
(磁束密度■OmT)を 多数埋設 して作 り、制御回路 としては、り早 ドスイ ッチ2個 で制御する方法、 リー ドスイ ッチ4個で制御す る方法、 リー ドスイ ッチに リレーを付加 して制御する方法を提示 した。 この 磁気 ライ ン トレ早サは、製作活動を通 して、生徒の創意・ 工夫する能力を高め、発展的に学習するこ とが期待 されることか ら、公立中学での選択技術の授業で実践 され、また平成15年度三島市教育研究 会「夏の教育研修会」技術・ 家庭科班の分科会の研修題材 (実技講習)と して扱われている。
そこで、本研究ではこの磁気 ライ ントレーサの教材 としての評価を調査するため、平成15年度三島 市教育研究会「夏の教育研修会」 において、実技研修 に参加 した技術科教員に対 してアンケー トを実 施 した。 さらに、 このアンケー ト結果を踏 まえて、生徒が簡単で安価 に磁気 ライ ンを製作で きるよ う に帯状磁石を用 いた磁気 ライ ントレーサの開発 と、制御の仕組み学習を支援するための教具の製作を 行な ったので報告す る。
2.研修で扱 った教材用磁気 ライン トレーサの概要
平成15年度三島市教育研究会「夏の教育研修会」技術・ 家庭科班での実技研修では、磁石片を埋設 した磁気 ライ ン上を走行する4リ ー ドスイ ッチ型磁気 ラ
イ ン トレーサが用 いられた。 その磁気 ライ ントレーサの
「仕組み と概要を次 に示す。
2.1 磁石片 による リー ドスイッチの動作範囲
本磁気 ライ ン トレーサの制御回路は、駆動輪 モータの 電流を制御す るスイ ッチに、磁力で動作する リー ドスイ ッチを使用す る。磁気 ライ ンは磁束密度HOmTの市販の 磁石片を一列 に並べ、左車輪側がN極とすれば、右車輪 側がS極となるように磁極を統一 して埋設 した。
図 1に リー ドスイ ッチの仕組みを示す。左右 に磁極を 図1 リー ドスイッチの仕組み もつ磁石片を リー ドスイ ッチに近づけると、管の中の各 リー ドは図に示すように磁化 され、中央の接 点部が互 いに引 き合 い、接触する近接 スイ ッチの一種である°。
リードスイッチ(A) リート・スイッチ(B)
リート・スイッチの 動 作 領 域
亀
￨国
(a)動作範囲 図2 リー
(b)動作範囲の図示 ドスイ ッチの動作範囲 (磁石110mT)
リー ド
リート゛ スイッチ
０ ６ ２ ８ ４ ０
Ｔ じ 田 日 半 日 ｅ Ｃ 択 眸 Ｋ
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図2に 磁気 ライ ンに市販の磁石 (磁束密度HOmT,幅5111111)を用いたときの リー ドスイ ッチ (沖セ ンサ デバイス製ORD2H)Dの動作範囲の測定結果を示す。
図 2(a)は 、横軸 に磁石 と リー ドスイ ッチとの垂直距離を、縦軸 に磁石を左右 に水平 に移動 させたと きの リー ドスイ ッチが動作す る範囲を示す。 この結果か ら、 リー ドスイ ッチを磁石か ら垂直方向 に 12血離 した とき水平方向の動作範囲は最大 とな り、 その範囲は15。 7111111であつた。 この動作範囲が最大 となる条件の もとで、2個の リー ドスイ ッチを並べて配置 した場合の ライ ン トレーサの制御可能範囲 を図21b)に 示す。制御可能範囲 とは、磁気 ライ ンが この範囲内にあれば トレーサの制御が可能である ことを示す ものである。制御可能範囲は リー ドスイ ッチの配置の影響を受 け、各 リー ドスイ ッチの動 作範囲の重な り合 う量 ((A)(B)ON領域)に よって変化 し、重な り合 う量を多 くすると制御可能範囲が狭 くな り、逆の場合は広 くなる。ただ し、制御可能範囲を狭 くすると磁気 ライ ンの曲率半径が小 さくな るに従 い、 コースアウ トして停止 しやす くなる。 この重な り合 う量や磁気 ライ ンか らリー ドスイ ッチ までの垂直距離は ライ ン トレーサの走行性能に影響を与え る。
2.2 研修 に用いた 4リ ー ドスイ ッチ型磁気 ライン トレーサの制御回路
図3に 、最 も基本 となる リー ドスイ ッチを2個 用 いた磁気 ライ ン トレーサとその制御回路を示す。図 31b)に 示すよ うに各駆動輪を制御する リー ドスッチ(A)、 ③ は磁気 ライ ンを挟んで制御 したい駆動輪 の反対側 に配置す る。 リー ドスイ ッチ① 、(B)の中間付近 に磁気 ライ ンが位置す るときは各 リー ドス イ ッチは導通状態 とな り、左右のモータは回転 して直進す る。磁気 ライ ンの曲率半径が小 さくな り、
例えば、磁気 ライ ンが リー ドスイ ッチ(A)側に偏 ると リー ドスイ ッチ③ がOFFと な り、リー ドスイ ッチ
③ と対 となった右車輪は停止するので、左車輪の駆動のみとな り、ライ ン上 に復元する向きに旋回 し て姿勢を制御する。
(a)制御回路 (b)シ ャーシ裏面から見たリードスイッチ位置 図3 2リ ー ドスイ ッチ型磁気 ライ ン トレーサの制御回路 とセ ンサ位置
この回路の特徴は、制御回路が簡単で制御の仕組みを機械的に捉えて学習で きる。 ただ、磁気 ライ ンの曲率半径が小 さくなると2つ の リー ドスイ ッチが共にライ ンか ら離れ、磁気 ライ ンに追従できな くなる欠点がある。
この欠点を発展的に解消す るため、さらに2個 の リー ドスイ ッチ(C)、 ①)を追加 して制御可能範囲を 拡大 した4リ ー ドスイ ッチ型を図4に示す。図4(a)に おいて、リー ドスイ ッチ(A)と リー ドスイ ッチ(C)
は並列 に接続 されている。 また図40において、 リー ドスイ ッチ(C)は リー ドスイ ッチ① より外側 に 配置 して制御可能範囲が拡大 されているので、 リー ドスイ ッチ① が磁気 ライ ンか ら外れてOFFとな っ
リート゛ スイッチ(B)
リート・スイッチ基 左 車 輸 モー タ回 路
右 車 輸 モー タ回 路 リート・スイッチ(B)
て もリー ドスイッチ(C)が動作 し、
できる。
ライ ントレーサは停止することな くライ ン上に復帰するように旋回
リードスイッチ(B)
左 車輪 モー タ
磁 気 ラ
(outer) リート・スイッチ(D)
(a)制御 回 路
リート・スイッチ(C)
図4 研修 に用いた4リ ー
(b)シャーシ裏面から見たリニドスイッチ位置 ドスイ ッチ型磁気 ライ ン トレーサの回路 と構造
3.磁気 ライ ン トレーサの教材 と しての評価 アンケー トの実施 と結果
平成15年度三島市教育研究会技術・家庭科班の実技研修会では、最初 に「磁気 ライ ン トレーサの概要 と作業説明」を行い、その後製作活動、構造 と原理の説明 と続 いた。研修後、磁気 ライ ン トレーサの 教材 としての評価 ア ンケー トを実施 し、参加者 8名 全員か ら回答を得た。
図5、 図 6に 研修会風景を示す。
「夏の教育研修会」の研修 日程および参加者 日 時 平成15年7月24日 (木)午前9時か ら12時 会 場 三島市立中郷中学校
参加者 三島市内中学校技術科担当教諭 8名
備
リート・スイッチ(D)
…卜・スイッチ基板 (outer
(inner)
左 車輪モータ回路
右 車 輪 モ ー タ回 路
(hner) リート・スイッチ(B)
図5 磁気 ライン トレーサの製作 図6 テス トコースで走行試験
3.1 使用部品の理解 に関する調査
磁気 ライ ン トレーサで使 われ る主 な部品 は モータ、ギヤボックス、リー ドスイ ッチ、磁石で ある。 これ らの部品の仕組みや働 きを理解 しな が ら製作することが求め られる。
図7に「生徒は磁気 ライ ン トレーサの使用部品 の仕組 みを理解 して使用で きると思われ るか」
を尋ねた集計結果を示す。
ギヤボ ックスやモータは教育現場では これま でに多 く利用 されてお り、それ らと比べて リー ドスイ ッチや磁石の理解の難易度 は同程度 と判
断で きる。 しか し、ギヤボ ックスやモータの教材・ 教具は これまでに多 く提供 されているが、 リー ド スイ ッチの仕組みに関する教具は見かけない。従 って、 リー ドスイ ッチの動作の仕組みを学習す る教 具は必要であると思われる。
3.2 磁気 ライン トレーサの動作原理の理解 と製作の難易度 に関する調査
図 8に「生徒は磁気 ライ ントレーサの動作原理を理解できると思 いますか。」との質問に対す る集計 結果を示す。「理解で きる」(25%)、「少 し難 しい」(75%)と大 きく分かれた。動作原理の理解は リー ドスイ ッチの働 きに依存 しているので、 この リー ドスイ ッチをどのように学習 させ るかが課題 といえ よ う。
図9に「磁気 ライ ン トレーサは生徒 に製作できると思 いますか」の質問に対する集計結果を示す。
「製作できる」(25%)、「 ほぼ製作で きる」(75%)であった。製作は比較的容易 と判断 される。
動作原理を理解できると思いますか
使用部品の仕組みを理解して使用‐ るか
図7 使用部品の理解
0% 20% 40% 60%
生徒に製作できると思いますか
3.3 教材の対象学年 と対象教科 (必修技術・ 選択技術)に関する調査
図10に「磁気 ライ ン トレーサを学習題材 と選定 した場合の対象学年」を尋ねた集計結果を示す。「 2 年生以上」(50%)、「3年生」(50%)であった。3年生の題材 としなが らも回答者の半数が2年生で も 技術 。家庭科の教材 としての利用が可能 と考えている。
図11に「必修教科 または選択教科のどちらの授業で扱 うか」を尋ねた集計結果を示す。「選択教科」
(62.5%)、「 いずれで も」(37.5%)で あった。選択技術の題材 として評価 しているが、回答者の3分の 1は どちらで も可育ヒと判断 している。
磁気ライントレーサ題材の対象学年
2年生以上 :年生 以上 十
3年生 2年生
1年生
0% 10% 20% 30%
図10 教材の対象学年
3.4 磁気ライン トレーサの授業への導入に関する調査 図12に「磁気 ライ ン トレーサの授業への導入
について、 どんな感想を持たれま したか」の質 問 に対す る集計結果を示 す。「導入を試みたい」
(87%)、「導入は難 しい」(13%)と大半は導入に 前向 きである。導入は難 しいとする理由に「磁 気 ライ ンが高価なので、磁気 ライ ンの トレーサ だ け家庭 に持 ち帰 らせた後、 どうす るかを考え ると製作費の単価が高 い。」等を挙げている。
授業への導入について
導入は難しい 13%
図12 授業への導入
3.5 教材 と しての長所・ 課題 に関する意見内容
「磁気 ライ ン トレーサの ものづ くり教材 としての長所・ 課題」 に関す る筆記回答を次 に示す。
3.5,1磁気 ライン トレーサの長所
・ ブラックボ ックスの部分がな く生徒に理解 させ ることができる。
・ 生徒の興味を引き、 ものづ くりの面白さを感 じやすい。
0電気や磁気の理解に有効な教材 と思 う
。磁気の応用を考えたり、磁力のことを知 るには良い教材 と思 う。
・製作が易 しく、考えさせ る場面 もあり、楽 しいと思 う。
・ 生徒の工夫を取 り入れる余地がある。
・ 簡単な部品 と少ない部品でモー タをコン トロールできる。
・ 磁気 セ ンサの特性 と位置、感度などの工夫、限界点がわかる。
3.5.2磁気 ライン トレーサの課題
・ 製作 のとき、 リー ドスイ ッチを壊 しやすい。
・ 家庭 に持 ち帰 り、 どうするかを考えると製作費(ライ ンを含めて)の単価が高 いように思える。
必修/選択教科の扱い
0% 101 201 30■ 401 50■ 60■ 70■
図11 教材の対象教科 (必修/選択)
3.6 アンケー ト結果のまとめ
アンケー ト結果か ら、提示 した磁気 ライ ントレーサは、「 ブラックボックスの部分がない」、「 生徒の 興味を引 く」、「製作が容易である」、「生徒の工夫を取 り入れる余地がある」、「少ない部品でモー タを コン トロールできる」など教材 として多 くの長所が挙 げられ、主 に技術選択教科の題材 として授業 に 導入 したいとの意見を得た。その反面、磁気 ライ ンに磁石片を使 っていることか ら「 製作 コス トや製 作後の活用」 に課題があると指摘 された。 また、 これまでに リー ドスイ ッチの動作原理の理解のため の教具がないため、磁気 ライ ントレーサの制御の動作原理の理解 に不安を抱 いていると思われる。
4 磁気 ライ ンにマグネ ッ ト帯を用いた磁気 ライン トレーサの設計
アンケー ト結果を踏 まえて、安価で生徒が簡単 に磁気 ライ ンを製作で きるよ うにす るため、量販店 で簡単 に入手できる帯状磁石 (磁石片に比べて磁気 ライ ンの単位長 さ当た り価格1/20程度)で動作す
る磁気 ライ ン トレーサの設計・ 製作を行なった。
4.1 磁気 ライン トレーサのセンサ部の設計
実験 に供 した帯状磁石は新潟精機発売のマグネ ット帯 (厚2111111く 幅19111111、 長500111n)° の幅を2等分 し、
幅を9.5111111に して用 いた。図13にマグネ ッ ト帯の幅方向の磁束密度分布を示す。通常の磁石片の場合
は各磁極が両端 にあるが、このマグネッ ト帯は図13に示すようにS極とN極が交互 に分布 している。 こ の場合、マグネッ ト帯の磁極が リー ドスイ ッチの中央付近 に位置するときは リー ドスイ ッチがOFFとな るので、図13で示すような磁極の分布の場合、 リー ドスイ ッチが磁気 ライ ンの中央付近を横切 るとき OFFと なる。 しか しなが ら、磁気 ライ ントレーサの制御回路では リー ドスイ ッチが磁気 ライ ンか ら遠 ざ か った ときのみOFFと したいので、 このOFFを生 じないように リー ドスイ ッチの配置方法を工夫 しなけ ればな らない。
図14に磁気 ライ ンとしてマグネ ット帯を用いたときの リー ドスイ ッチの動作範囲を示す。実線 はマ グネ ッ ト帯 と リー ドスイ ッチとの垂直方向の隙間が0.5111111、 太 い破線はlllull.細し、)破線は1.5111111と した場 合である。磁石 との隙間を狭めると、中央のOFF領域 も狭ま くなる。
この中央でのOFF領域をな くす方法 として、一つのモータを制御す るのに リー ドスイ ッチを2個用 い、図15に示すように リー ドスイ ッチ① と リー ドスイ ッチ(C)と を軸方向に3111111ず らして配置す るこ とで、 リー ドスイ ッチ(A)、 (C)を合成 したON領域が形成 され、動作範囲の拡大が計れ ることがわか る。
従 って、マグネ ット帯の場合は リー ドスイ ッチを4個 用いた4リ ー ドスイ ッチ型の制御回路 となる。図 16に各 リー ドスイ ッチの配置を示す。
Ｆじ 撻 側 照 謳
磁気ラインに用いたマグネット帯の磁束密度の分布
012345078910
マグネット帯の幅方向端面からの距離(m市)
図13 マグネ ッ ト帯の磁束密度の分布
ＬＬ ｏ
←６ ｅ ホ ヽ︑ κ ユー ト
‑10 ‑8 ‑6 ‑4 ‑2 0 2 4 6 8 リードスイッチ中央から磁石中央までの距離(ntm)
図14 リー ドスイッチの動作範囲
リードスイッチの動作範囲
‑20 ‑18 ‑16 ‑14 ‑12 ‑10 ‑8 ‑6 ‑4 ‑2 0 2 センサ部センターから磁気ラインセンターまでの距離(mm)
図15 リー ドスイッチ2個組合せの動作範囲
セ ンサ 部 セ ンター リー ドスイッチ(A)
(A),(C)の合 成
図16 リー ドスイッチの配置
4.2 走行試験の結果
走行試験 において、製作 した磁気 ライ ントレーサの リー ドスイ ッチ基板の取付位置は走行路面か ら の高 さをlnlmと し、 リー ドスイ ッチ(C)、 (D)の位置を駆動車軸 より前方50mmと した。駆動輪の トレッ ド は使用 したギヤボ ックスの構造 により100nlmと した。
図17にテス トコースを示す。 テス トコースは横900Hlm、 縦600nlmの合板上にマグネ ット帯を貼 り付 け、
走行路面 とマグネッ ト帯 との段差をな くすため、厚 さ2nlmのバルサ板を敷 き詰めた構造である。
図18にマグネ ッ ト帯用に設計 した磁気 ライ ントレーサの走行試験の結果を示す。Sをスター ト点 と し、矢印の方向に走行 させたときの走行軌跡を太い実線で示す。磁気 ライ ン上を走行 していることが 確認で きる。
図17テス トコース 図18 走行軌跡
5。 磁気 ライ ン トレーサの設計・ 製作学習のための教具の開発
本研究で示 した磁気 ライ ントレーサは、セ ンサとして リー ドスイ ッチが用いられている。 この教材 を用 いた学習を支援するため、 リー ドスイ ッチの動作原理を理解できる リー ドスイ ッチ教具 と、磁気 ライ ン トレーサのセ ンサ とな る リー ドスイ ッチ基板の動作を確認す るための動作 テスターを製作 し た。
センサ都￨センタ=
1響11響■場
り■ ドスイたチ(0)
=二 磁 気 ラ イン ー ‐ 走行軌跡
S:走行 開 始 点
5.1 リー ドスイッチ教具
リー ドスイ ッチの動作原理を確認できる教具は これまでに見かけない。そこで図19に示す教具を製 作 した。 この教具 は、珪素鋼板で作 られた リー ドに磁石を近づけると左右の リー ドが接触 し、遠 ざけ
ると離れる様子を視覚的に捉えて、 リー ドスイ ッチの動作の仕組みを学習できる。
リート◆ スイッチ 基 板
図19 リー ドスイッチ教具 図20リー ドスイッチ動作テスター
5.2 リー ドスイッチ基板の動作 テスターの製作
ライ ン トレーサの車体 に リー ドスイ ッチ基板を取 り付ける前 に、製作 した リー ドスイ ッチ基板が設 計通 りに動作するかを確認する必要がある。そこで、図20に示す リー ドスイ ッチ基板の動作 テスター を製作 した。 1
製作 した リー ドスイ ッチ基板を リー ド線を介 して動作テスター本体の端子 に接続 し、 リー ドスイ ッ チ基板上の リー ドスイ ッチに磁気 ライ ンに用いる磁石を近づけて、動作を確認する。 テスター本体 に はギヤボ ックスとモータが取 り付 けられているので、 リー ドスイ ッチの動作の様子がギヤボ ックスの 歯車の動 きと音で確認できる。
6. おわ りに
本研究では、平成15年度三島市教育研究会 (技術0家庭科班)の「夏の教育研修会」の実技研修の題 材 として、 これまでに開発 した磁石片を敷設 した磁気 ライ ン上を走行す る教材用磁気 ライ ン トレニサ が扱われた。 この研修会において、 この磁気 ライ ントレーサの教材 としての評価を調査するため、研 修 に参加 した技術科教員に対 してアンケー トを実施 した。
ア ンケー ト結果か ら、提示 した磁気 ライ ントレーサは、「 ブラックボ ックスの部分がない」、「生徒の 興味を引 く」、「製作が容易である」、「生徒の工夫を取 り入れる余地がある」、「少ない部品でモータを コン トロールできる」など多 くの長所が挙げられ、主 に選択教科の題材 として授業に導入 したいとの 意見を得た。 その反面、磁気 ライ ンに磁石片を使 っていることか ら「製作 コス トや製作後の活用」 に 課題があると指摘 された。 また、 これまでに リー ドスイ ッチの動作原理の理解のための教具がないた め、磁気 ライ ントレーサの動作原理の理解 に不安を抱 いていると思われ る。
これ らの課題を解決するため、安価 に磁気 ライ ンを製作できる方法 として、 マグネ ッ ト帯で動作す る磁気 ライ ン トレーサを開発 し、 その設計・製作方法 と走行性能の結果を示 した。 また、 リー ドスイ
端 子
ッチの動作原理の教具や制御の仕組みを確認す る動作 テスターを製作 し、提示 した。
本研究 により、教材用磁気 ライ ントレーサは、走行するコースの レイアウ トや磁気 ライ ンに用いる 磁石の種類な どにより、 リー ドスイ ッチの適切な配置を理論的 0実験的 に繰 り返す活動を通 して創意 工夫する能力を育み、 トレーサを完走 させたとき、達成感、満足感を生徒は享受できる。 これ らか ら、
リー ドスイ ッチを用 いた磁気 ライ ントレーサは ものづ くり学習における有用な教材 としてよ リー層期 待で きる。
謝 辞 ′
本研究 にあた り、 アンケー ト調査にご協力頂 いた三島市教育研究会 (技術・ 家庭科班)代表鈴木愛 子校長 (三島市立東小学校)並びに研修会参加の技術担当教諭の皆様 にお礼申 し上 げます。なお、本 研究の一部は平成15年度 日本学術振興会科学研究補助金 (奨励研究)の助成を受 けて行なった もので あることを記 して感謝の意 に代える。
参考文献
1)文部省 :中 学校学習指導要領 (平成10年12月)解説 一技術・ 家庭編 一、pp.13‑15、 平成H年9月
2)大倉宏之、須見尚文、畑俊明:ものづ くり学習における磁気 ライ ン トレース型 ロボ ッ トの教材化、
静岡大学教育学部研究報告 (自然科学編)第53号 pp41‑51(2003)
3)大倉宏之、須見尚文、畑俊明 :ものづ くり学習のための教材用磁気 ライ ン トレーサの開発、 日本 産業技術教育学会誌、第45巻、第2号 pp29‑35(2003)
4)柏倉宏美 :位置検出セ ンサの使 い方、 トランジスタ技術、2000年H月号 pp.188‑191(2000) 5) http://www.osdc.co.jp/jpn/seihin.ht皿1
6) http://―.niigataseikio co.jp/goods/diy/main/604291.html
