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手作りモーターでボートレース
（文中の写真23 から） ～君は最高のモーターを作れるか？～ |
身近にあるものを使ってモーターを自作してみましょう．
しかし，モーターは自分自身が回るだけでは役立ちません．何らかの仕事をしてほしい．今回はプロペラを取り付けてボートの推進力に利用してタイムレースをします．
よりパワフルなモーター作りに挑戦してみましょう．
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日時
2017.10.15(日) 09:00～10:15 第一部 |
どの部も共通（第一部のみ記載） |
「平成29年度 中学生のための体験授業」（2017.11.3に一部改訂）
沼津工業高等専門学校 電気電子工学科 望月孔二
問合せ先 055-926-5815，
mochizuki-k@numazu-ct.ac.jp
1． はじめに
今の教育課程では，中学校までの「電気」の授業でモーターの原理を学び，場合によってはモーターを作ります．でも，その時はモーターについてどれだけ深めたでしょうか？
今回は，モーターの性能を競うという「高度なものづくり」に挑戦しましょう．
もくじ．
１．はじめに（この章）
２．受講生のルール
３．モーターづくりのルール
４．部品表
５．モーターづくりの例
５．１ 回転子の例１（シャフトとコイルをすべて1.0mm径の線で作る）
５．２ 電気配線等
５．３ 競技
５．４ モーター本体の例２（牛乳パックの利用）
５．５ 回転子の例２（シャフトは1.0mmだが，コイルは0.5mm径の線で作る）
資料A
この授業のねらい
2． 受講生のルール
テーブル対抗の戦いとします．
各テーブルには数名の受講生が座ります．受講生は誰もがモーターを作り，誰もが記録を計ることができます．そして，テーブル内の最高記録を，そのテーブルの記録とします．テーブルが高得点を上げるには，戦い方からして考える必要があります．
個人戦という方針は，単純で無謀な戦い方です．テーブル内に誰か一人の天才がいたならば，そのテーブルは偶然にもクラス最高のモーターを作れるでしょう．
団体戦という方針は，高度な戦い方です．事前にどういったモーターが最高なのかテーブル内で考えて，それぞれがモーターを作ります．ひょっとしたら誰か受講生のモーターの性能は低いかもしれません．しかしそれはチームとして最高のモーターを作るための布石になるでしょう．
なお，いかなる時も「安全第一」，「自分以外をリスペクトする」を守ってください．例えば，テーブル内で話し合いをするときには，話をしはじめた人のお話をみんなで最後まで聞きましょう．重要：使わない時 電池はポリ袋に入れます．
3． モーターづくりのルール
モーターを作るときにはいくつかの判断が必要になるでしょう．
ここでは表にしてモーターづくりのルールを確認します．また検討課題も示します．
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項目 |
制限となる条件 |
今回見送り |
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１． |
ボートは2つの部分からなるものとします： |
一体化は今回見送り．また，かまぼこ板以外も見送り |
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２． |
プロペラで推進するものとします．なお，プロペラは前・後どちらでも可能とします |
外輪船は今回見送り |
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３． |
モーターの基本的な形は，「クリップモーター」とします |
電子的な方式は見送り |
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４． |
磁石は指定のフェライト磁石を，指定個数使用 |
個数追加や，大きさ・材料変更は見送り |
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５． |
単三アルカリ電池 |
これ以外の電池は見送り |
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６． |
回転部分は，1.0mm径と0.5mm径のポリウレタン線のみとします． 使える長さも制限を設けます． |
他の太さや，鉄の利用などは見送り |
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７． |
プロペラについて，「市販の３枚羽のプロペラ」も，「ペットボトルを加工したもの」も可とします． |
「捨てるのが大変な材料」は採用したくありません． |
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８． |
20cm移動するのに要する時間を計ることにします． 動き始めている状態から始めてよい． |
人が押すことで「動き始め」を作るのはダメとします． |
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項目 |
検討課題 |
備考 |
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あ． |
シャフトの作り方．シャフトとコイルの組み合わせ方（参考：５．１） |
シャフトは回転するための重要な部品 |
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い． |
コイルの直径と巻き数をどうするか（コイルの重量は一定とする） |
高速回転（小型が有利）と強さ（大型が有利）の両立をどうする？ |
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う． |
コイルの形状をどういう形にするか |
丸形，四角型など検討できる |
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え． |
シャフトと軸受け部分の「被覆」の削り方（参照：５．２） |
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お． |
（シャフトを1.0mm径の線で作るのは決定）コイルの線の径は1.0mmにするか，も0.5mmにするか．（参考：５．４） |
径が大きいと，少ない巻き数でコイルが太くなる．径が異なる組み合わせでは，加工が大変 |
4． 部品表
部品表を示します．
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番号 |
説明 |
部品名，型番 |
注意，参考価格 |
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番外 |
A |
トレイ 55cm×35cm |
水を入れて利用 |
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番外 |
A |
アクリル風よけ |
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番外 |
A |
定規50cm |
20cm の移動を測定する |
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番外 |
B |
白色トレイ |
台所から持ってきました |
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1 |
C |
かまぼこ板140ｘ60ｘ10 |
1×@92=92円 |
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2 |
C |
ジャンボクリップ |
6×@3=18円 |
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3 |
C |
木ねじ（M2.1×8mm） |
10×@1.5=15円 |
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4 |
C |
フェライト磁石(例 20mmφ×4.5mm厚×2) |
2×@4.3＝8.6円≒9円 |
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5 |
C |
ポリ袋（中） |
1×@7＝7円 |
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6 |
D |
タピオカ ストロー 直径15mm，半分 |
0.5×@22=11円 |
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7 |
D |
空のペットボトル |
持参 |
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8 |
D |
ケシゴム（1.1mmの穴あけ加工済） |
1×@13=13円 |
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9 |
D |
単3乾電池 チャック付きポリ袋（小） |
1×@25=25円 1×@4=4円 |
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10 |
E |
1.0mm径ポリウレタン被覆銅線 |
2m×@35/m=70円以内 |
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11 |
F |
0.5mm径ポリウレタン被覆銅線 |
7m×@10/m=70円以内 |
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C+D+2E≒330円 |
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A クラスに一式あればよいもの．
B 本来はボートづくりの必需品だが，今回はクラスで一つとします．
C+D 持ち帰り用です．
E ここでいうメートルは，この授業で最大使う長さとして計画しているものです．
F エナメル線を重量で制限し，別の径の線も使えるようにすると更にモーターのデザインが広がります．
他 2017.9.23に「マルツエレック」という通販サイトを調べたところ，1.0mm×10mのポリウレタン被覆銅線（＝エナメル線）が430円（税抜き，送料別途）で販売中．（もっと長い単位で購入するとメートル当たり単価は安くなりますが，支払金額は増えます．）
2016.9.24調査によると，ジャンボエンチョー（ホームアシスト）でもエナメル線の扱いがあるようです．
5． モーターづくりの例
参考にしてください．なお，「以下の方法が最良とは限りません」ので，もしも思いついたことがあれば，トライしてください．
【５．１A】回転子の例１（シャフトとコイルをすべて1.0mm径の線で作る）
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写真1 今回は140cm切り出しました． 重量は10.5gでした．（10gとみなします） |
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写真2 直径5cmの例を示します．指で作ったボビンに巻き始めました ボビンとは「糸を巻くための筒状の道具」 |
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写真3 7回巻きました． 140cm＝ 3.14×5cm×7回＋30cm ちょうど計算通りです． |
【５．１B】シャフトとコイルの位置関係に注意
モーターなど回転するものは，回転の中心から見たとき偏りがないことが重要です．これは，シャフトとコイルの位置関係にも言えます．
シャフトとコイルを上から見ても横から見ても時は，コイルの中心にシャフトが来るようにします．
コイルを横から見た時の例を図に3つ挙げます．上段は理想的な形状ですが加工が困難かもしれません．中段はよく見られる構造ですが，偏りがあり，回転に向きません．下段の構造は意外に回転に向いています．
(a)上から見たコイル
(b)横から見たコイル
図1
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写真4 90度左に傾けたら「dとp」．重心の調整が容易なシャフト |
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写真5 モーター本体を用意して，セットしてみましょう． |
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写真6 軽く回したときにスっと回たなら，重量バランスが良いということです． 10秒くらい回ったら良いでしょう |
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【５．２A】電気配線等 ＞ 被覆を剥がす（磁石の位置に注意）
クリップモーターの重要な点は，「剥す被覆はシャフトの１８０度」にすることです．これによって，回転の半分は「惰性」になるものの，回転の半分は磁力によって「決まった回転の向き」に力を受け，うまく回り続けられます．（一方，３６０度剥
(a)３６０度剥し
(b)１８０度剥し
磁石の向きで停止 磁力で回転 磁力で回転 惰性で回転
惰性で回転
図2
すと，電池の力で磁石化したコイルは，永久磁石の方向を向き止まってしまいます．）このことを考えて，被覆をはがす方向を考えましょう．
なお，強力なモーターを作るための被覆剥しについて，「何処を起点とした１８０度か」，そして「本当に１８０度ぴったりが良いのか」，磁石を支える金具や，シャフトを支える金具を見ながら考える必要があります．
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写真7 カッターを使って被覆をはがしましょう． |
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写真8 カッターと指で導線をはさみ， |
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写真9 導線をもう一方の手で引っ張ります． 刃の向きが逆になっているのが正解です． |
【５．２B】電気配線等 ＞ 電池をセットする
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写真10 電気配線に必要な部品を示します． モーター本体 |
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写真11 図4の電池ホルダは，この左の写真のように，片側はシャフトを支える針金にくい込ませ，もう一端はねじ止めされます． 磁石は中央の金具にセットします． |
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写真12 電池を電池ホルダにセットします． |
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写真13 電池の「マイナス」端子に，針金をくっつけると，二つの「回転子支え」に電気が通るようになります． |
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図3 電池ホルダは，この図の構造をしています． 「タピオカストロー」は太いので，乾電池ホルダーに適します．全長は単三乾電池より3cmほど長くし，その約半分は半円型にしてあります． |
【５．２C】電気配線等 ＞ 回転させてみましょう
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写真14 回転子を乗せた時， 運が良ければ回転を始めるはずです． 運が悪く回転しないなら，①バランスを整える，②被覆を剥がす をやり直そう． |
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写真15 回転子の位置ですが，図でいえば左右に動くことができます． その位置によって，回転がおかしくなる時があります． そんな時は，0.5mmのエナメル線（約4cm）が活躍します． |
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写真16 こんな感じで「ストッパー」を設けます．これによって，回転子の位置がずれなくなります． |
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写真17 勢いよく回るようになりました． |
【５．２C】電気配線等 ＞ 回転子とプロペラを繋げます
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写真18 回転子以外に準備するのは次の物です： ・ケシゴム（写真には複数個写っています） ・1.1mmのドリル ・空のペットボトル ・(写真に無いが，)カッターやはさみ |
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写真19 数ミリ大に切り取ったケシゴム2個は，中央に1.1mmの穴をあけてあります． ペットボトルからプロペラを作りましょう．刃物を使うので気を付けて！
なお．中心には1.1mm以上の穴を開けます． |
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写真20 組み立てたのが，この写真です． ケシゴム2個でプロペラを挟みます． |
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写真21 この写真をみれば，ケシゴムで止められているだけでもちゃんと回っていることが分かります． |
【５．３】競技
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写真22 水に浮かべてタイムを計りましょう． |
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写真23 20cmの距離を進む時間で競いましょう． |
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写真24 今回は 11.9 秒でした |
【５．４】モーター本体の例２（牛乳パックの利用）
ご自宅で，かまぼこ板やネジを用意するのは大変かもしれません．そんな時，牛乳パックとアルミ箔とクリップでモーター本体を作ることができます．
ただし，磁石と回転子の位置関係に注意して下さい．この資料ではかまぼこ板を 使ったモーター本体を紹介してきました．その場合，磁石は回転子の下部にありました．一方，この節で紹介するモーターでは，磁石は回転子の側部にあります．ですから，シャフトのうち，エナメルの削られた場所を変えなければなりません．
エナメルの削られた部分を変えるには大きく２つが考えられます．一つは，既にエナメルを剥がした部分をニッパーを使って切り離してしまい，短くなったエナメル線で改めて回転子を作ることです．もう一つは，ラジオペンチを使うなど何とか工夫をして，エナメルの剥がれた部分の向きを無理やり変えてしまうことです．
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写真25 完成したモーターの外観です． 教材しては，中身が見える「かまぼこ板」が優れていますが，価格の安さ，材料の入手しやすさは，牛乳パックが優れます． |
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写真26 回転子をセットすると，回転します． |
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写真27 回転子を外して，牛乳パックの中身を見ると， |
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写真28 磁石２枚は，牛乳パックを挟んで磁力で固定されています． |
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写真29 乾電池のマイナス側は，クリップを介して，もう一枚のアルミ箔に接しています． |
【５．５】 回転子の例２（シャフトは1.0mmだが，コイルは0.5mm径の線で作る）
直径3cmで，30回巻のコイルを作ることとします．
30巻きを直径1.0mmのエナメル線で作ると，重くなってしまいます．
そこで，（シャフトは1.0mmのままだが，）コイルには0.5mmのエナメル線を使ってみましょう．
準備するのは，1.0mmのエナメル線＝2本×18cm（16cm～20cm程度で十分）と，直径0.5mmのエナメル線＝3.14×3cm×30回＋リード線30cm＝283cm＋30cm=313cm
［直径1.0mmに換算の長さ（重さ？）の計算］30cm＋0.25×313cm = 108cm ＜130cm
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写真30 リード線を切りました． 今回は2本×16cmですが，2本×18cm程度が作業しやすいでしょう． |
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写真31 シャフトのうち１本は，目印として両端を軽く曲げておきましょう． |
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写真32 最初に真ん中を4～5回ねじりましょう |
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写真33 続いて，左右を3回程度それぞれねじりましょう． 目印を付けたシャフトはどちらも上側です． |
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写真34 「目印を付けないほう」と，「目印を付けたほう」それぞれが，シャフトになります． 余った端は，これからコイルとつなげるのに使います． |
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写真35 0.5mmの導線で作ったコイルと共に写しました． |
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写真36 カッターを使って被覆を剥きます． シャフト側は，端の2cmずつを． コイル側は，端の7cmずつを． なお，寸法は少しくらいの誤差があっても問題ありません． |
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写真37 「dとp」（または6と9）で，コイルとシャフトを組み合わせます． |
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写真38 余った端（被覆を剥いた側）を使ってコイルをシャフトに軽く固定しましょう． |
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写真39 コイルの一端を， 最初は軽くシャフトに絡ませてから， 被覆を剥いた1.0mmの線にきっちりと最後まで巻きつけます． 写真は無いが，「LEDで導通チェック」を怠らないように． |
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写真40 もう一方も同様です．導通チェックも同様です． この写真にはエナメル線に余りが出ていますが，コイルとシャフトの一体化に有効活用すれば無駄になりません． |
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写真41 回転子が完成しました． 重量は9.2gであり，写真7の回転子に比べて1.3gだけ軽量です． |
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写真42 軸受と当たる部分のシャフトの被覆を剥きます． この作業は性能に大きく影響しますので注意しましょう． |
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写真43 同通チェックもすれば万全です． この写真ではかなり回っていますね． なお，電池の保持方法も，プロペラの実現方法も，一通りではありません |
説明の最終頁
資料A． この授業のねらいなど
この授業は次のような狙いで作られました．
A)
この授業は，学科で学ぶ授業の紹介でもあります．
今回の教材は原始的なモーターでしたが，電気電子工学科にはモーターに関する専門の授業があります．なお，授業では電子的に制御される高度なモーターまで学べます．
B)
この授業は，アナログ技術の大切さも伝えています．
アナログ量を扱う授業の代表例は，物理学です．物理学に精通することは，大学進学の可能性を大きく広げます．
今日のデジタル技術全盛の時代において，ソフトウエアやデジタルのエンジニアはありふれているので，「普通にデジタル技術を持っている」だけでの技術者は存在感を示せない時代になっています．そんな中で，「１」か「０」だけでは終わらないアナログ技術は，産業界からも熱い視線を浴び続けています．
C)
この授業は，「エネルギー」について学ぶ教材でもあります．
今回の教材は突き詰めれば「最高のパフォーマンスを発揮できるモーターづくり」であり，エネルギーと切り離せないテーマです．風量を増やそうとして羽根を大きくしても，却って回転数が落ち，風量が単純に増えるわけでは有りません．
いまや環境やエネルギーに対して大きな配慮をしなければならない時代ですが，この教材を経験することがそういった学びのきっかけになることを願います．
D)
この授業形態は高専の特徴が生きていると思います．
そもそもが「モノづくり」のテーマです．
このモーターはその気になればいくつもの改善の余地があります．独自のモーターを作れるのはモノづくりの体験として得難いものです．
更にグループとして最高のモーターを追求する講座になっています．これは開発チームなどでのお仕事が想定されています．こうしたグループワークを楽しめたなら，間違いなく技術開発などでも力を発揮できる，エンジニアとしての潜在能力の高さが期待できます．
高専では，このような進め方の授業が幾つも見られます．例えば当学科で４年生が受講するPBL（Project Base Learning）では，学生らはグループで回路などの設計と試作を行います． こうした授業ならではの実践力の強化などに役立っています．複数人で取り組むグループワークはまた自分の特徴の意識に役立ちます．個人の特徴を磨くことは将来の進路選択に重要です．
＜参考情報＞
3 C 木ねじ（M2.1×8mm） 10×@1.5=15円
丸木ねじ（鉄/クロメート）（小箱）M2.1×8，2,560円(2000個入り)，
モノタロウ注文コード42659836
5 C ポリ袋（中） 1×@7＝7円
6 D タピオカ ストロー 直径15mm，半分 0.5×@22=11円
7 D 空のペットボトル 持参
11 F 0.5mm径ポリウレタン被覆銅線（2700円/279m）7m×@10/m=70円以内
＜手配済＞
（4 C フェライト磁石(例 20mmφ×4.5mm厚×2) 2×@4.3＝8.6円≒9円
100円ショップで購入済．25個/108円なので，50人分/432円）
＜今回購入＞（コメントなしは外税）
1 C かまぼこ板（140ｘ60ｘ10） 50ケ×@92(内税)=4,600円(内税)
科学教材社
2 C ジャンボクリップ（50mm）6×@3=18円
ASKULコクヨ ゼムクリップジャンボ クリ-10 4箱×278円/箱
(1箱あたり100本入)，1,112円（KOKUYO直送．直送あたり千円理想）
8 D ケシゴム（1.1mmの穴あけ加工済） 1×@13=13円
ASKUL
トンボ鉛筆 モノワン用替え消しゴム ER-SSM 10個，\1,000
（プラス直送．直送あたり千円理想）
9 D 単3乾電池 1×@25=25円
ASKUL
アルカリ乾電池単3形 (10本×3箱)セットを，2セット
(=60本注文)，お申込番号：2930886， 1,284円
9’ D ASKUL乳白レジ袋NO.8 (340x160x90mm) 114円／1袋，1袋=100枚入
ASKULチャック付ポリ袋，「現場のチカラ」0.04mm厚 A8サイズ，
258円/袋（1袋300枚入）お申込番号：9445346
10 E 1.0mm径ポリウレタン被覆銅線 140メートル(1.4メートル×2×50人) マルツエレック，1.0mm径ポリウレタン被覆銅線 3,166円/巻，
1巻=1kg≒140m，購入は1巻き=3,166円
2m×@25/m=50円以内
（参考 千石電商ネット販売，1.0mm径ポリウレタン被覆導線 2,300円/1巻，
1巻=500g≒72m，購入は2巻き=4,600円）