光通信を用いた理科教材の開発

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光通信を用いた理科教材の開発

研究背景

 近年、子供たちの間では理科離れという問題が増えてきている。これにより、生徒の理科に対する理解力や基礎的な知識が年々低下している傾向が見られる。この問題により、現在は技術者の育成が難しい状況にある。

 この事から、本研究では子供たちが自然と理科に興味、関心を持てるような理科教材の考案、そしてその装置の開発を目的とした。

開発した装置

装置の構想

 実装する装置として光に触れると音がなる、といった装置を考案した。
これは音を乗せた光を壁に投影し、そこに触れるとスピーカやイヤフォンといった音響機器から音がなるといったものである。子供たちにとって光と音は関連しない別のものであると思われる為、このような事ができれば不思議に思って興味を持ってくれるのではないかと考えた。

 また、これは音波を乗せた信号をLEDで発光することで音/光変換を行い、それをフォトダイオードや太陽電池といった受光素子で受けることで光信号をまた音声信号に戻して音響機器に出力する、といった事で実現ができると考える。

装置の概要

 装置は発光部と受光部に分かれ、発光部は音源から音声信号を受け取り、それを音/光変換し、光を壁に投影する。受光部は投影された光に受光素子を当てることで光を受け、光/音変換し、スピーカーやイヤフォンといった音響機器に出力し、音を鳴らす。

概略図.png

                                          概要図

発光装置

外装

 実装した発光部を下図に示す。

発光部.jpg

               発光部

 発光部本体からは電源ケーブルが延びており、9VDCの電源を必要とする。また、光源としては赤色と黄色の2色を採用した。各光源はそれぞれの色のLEDを直列に5個繋げたものを5並列用意した。光量から目算1[m]〜2[m]程度の範囲で光を投影することができる。なお、光量さえ気にしなければ、それ以上の距離で光の送受信は行える。

発光A.jpg
発光B.jpg

           発光状態                                                     投影図   

内部構成

発信機の回路のブロック図を下図に示す。

発光回路.jpg

                                            ブロック図

 音源としては一般的なオーディオ機器を想定し、それらに接続できるフォーンプラグを入力プラグとして採用した。音源から音声信号を受け取ったら増幅回路にて信号増幅し、LED群に出力する。LED群には各LEDに音声信号無しで20[mA]流れるように設計した。
これは使用したLEDの絶対定格電流が30[mA]であったことから、音声信号の強弱で絶対定格電流を超えないように定めたからである。

受光装置

外装

 実装した受光部を下図に示す。

受光部.jpg

         受光部

 受光部本体からは電源ケーブルが延びており、9VDCの電源を必要とする。また、電源とは別に受光素子に伸びているケーブルもあり、それを用いて光に触れる。受光素子には太陽電池を採用した。受光部本体には8[Ω]抵抗のスピーカーが接続されており、受光素子から受けた信号を出力する。

 

内部構成

 発信機の回路のブロック図を下図に示す。

受光回路.jpg

                                           ブロック図

受光素子としては太陽電池を採用した。受け取った光を太陽電池が信号に変換し、その信号を増幅回路で信号増幅し、8[Ω]抵抗のスピーカーに出力する。

受光素子の選定

 今回作成した受光部の受光素子として太陽電池を採用した。しかし、フォトダイオードやフォトトランジスタといった受光素子は他に存在する。それらのものと太陽電池との違いは受光面積の違いである。受光面積が違いは以下のようなものである

  • 受光面積が大きいほど受光素子の出力は大きくなる
  • 受光面積が大きいほど自然光や環境光といった外乱(ノイズ)の影響を受け易い
  • 受光面積が大きいほど指向性が広い
  • 指向性が広いほど広範囲(多角)で受光することができる
  • 指向性が広いほど外乱の影響を受け易い
太陽.jpg
フォト.jpg

           太陽電池                                                          フォトダイオード

以上の事から以下のようなことが言える

  • 太陽電池は出力が大きく指向性も広く扱い易いが、外乱の影響を受け易い
  • フォトダイオードは外乱の影響を受けづらいが出力と指向性に難がある

 以上のことから、今回の装置は子供向けという点を考慮して外乱の影響は受けてしまうが、扱いやすい太陽電池を採用することとした。しかし、外乱の影響が大きな不快となってしまうイヤフォンタイプを作成する場合には、出力が少なかろうと外乱の影響を受け易いフォトダイオードを選択するといったことも考えられる。

今後の展望

今後の展望として以下のようなものが考えられる。

  • エンターテイメント性の向上
    • 緑や青や紫などの他の色のものも実装して色鮮やかにする
    • 星型やハート型、キャラクター等、LED配置を工夫する
  • 装置の性能向上
    • 発光装置のサイズを大きく(香料を増加させる)、受光装置のサイズを小さくする(携帯性を向上させる)
    • 外乱の影響を減らす

添付ファイル: file発光回路.jpg 834件 [詳細] file受光回路.jpg 789件 [詳細] fileフォト.jpg 831件 [詳細] file太陽.jpg 827件 [詳細] file発光B.jpg 797件 [詳細] file発光A.jpg 840件 [詳細] file発光部.jpg 788件 [詳細] file受光部.jpg 816件 [詳細] file概略図.png 820件 [詳細]

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Last-modified: 2009-03-23 (月) 17:11:11