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さあ，ぼくたちもグラハム・ベル〜 140 年前のフォトフォンを 100 円ショップで作る〜
慶應義塾大学

山中直明

Naoaki Yamanaka

今，皆の読んでいる本は通信ソサイエティというています．

ところのマガジン（雑誌）です．この通信ソサイエティ

1880 年には，今日の話でもあり，光通信の最初と言には，大学生の人から 90 歳になるおじいさん・おばあ

われる光電話（フォトフォン）の実験を行っています．

さんまで 1 万人ものメンバーがいます．そのメンバーは， 通信を専門としているのですが，このページではを理解してもらうのと同時に，皆も知ってい通信

るグラハム・ベルの作ったフォトフォン（光糸電話）に

２. 光通信の基本原理
糸電話を思い浮かべて下さい．図 1 に光通信の基本原理を示しました．人間はしゃべった声が耳で聴こえまついて説明しましょう．

す．その間，距離を取るために電線や光といった伝送媒体を通して遠方まで伝えられます．送る方を送信機，受

1. グラハム・ベル

ける方を受信機といいます．図の A 点と B 点は音声がア レ ク サ ン ダ ー・ グ ラ ハ ム・ ベ ル（Alexander

同じ波形である必要があります．でも，A 点と B 点間

Graham Bell）は 1847 年にスコットランドで生まれは元に戻ればどのような形でも，どのような手段（媒た科学者でもあり，発明家でもあります．電話を発明し体，例えば糸，電線，光ファイバ，空気）でも構いませたことは皆も知っていますよね．グラハム・ベルが電話ん．

を発明するに至った理由は，お母さんが聴覚障害だったことです．家族はお母さんと話すために手話を勉強した

送信機の原理を簡単に述べます．まず，声は空気の振動であることは皆も知っていますよね．

り，顔のひたいに口を当ててしゃべると聞こえる（現在大きい音＝大きな振幅の骨伝導会話）をやっています．これが彼が「音」に興小さい音＝小さな振幅味を持つことになる大きな要因です．グラハム・ベルは高い音＝周波数が高い（周期が短い）

1876 年にこの電話での通信に成功しています．そのと低い音＝周波数が低い（周期が長い）

き，「ワトソン君，用事がある，ちょっと来てくれたま

振幅と周波数を図 2 で示します．

え」と通信したことは有名です．彼は 1 年後の 1877年にベル電話会社を創業しており，研究だけではなく，空気中で声がちょっと複雑な波形をしていますが，そビジネスマンのように社会への普及にも大きな貢献をしれは声がいろいろな周波数のいろいろな大きさの信号が受信機

送信機

A点

B点

図 1 光通信の原理図
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通信ソサイエティマガジン No.53 夏号 2020

ⓒ電子情報通信学会 2020

図 2 音声の波形重なり合っているからです．電話を思い浮かべて下さ7.2V には戻りません．7V のままです．これは誤差（量い．電話は，電線の上を電圧と同期を変化させた電気信子化誤差）となります．

号が伝搬されます．空気を通って伝わった声の「音」

7V という信号は 2 進数に直すと 0111，3V は 0011

は，変調器で電気信号（例えば 0〜5V）の周波数と振というディジタルの信号になります．例では，7，7，幅に代わって伝わります（図 3）．受信機ではその逆に，6，3，3，5 という信号列になります．伝送路では，電気の信号から「音」に変換されます．

0111 0111 0110 0011 0011 0101という信号列になっています．オシロスコープで見る

３. ディジタル伝送を勉強してみよう（参考）フォトフォンはアナログですが，今日皆さんが使っている電話はディジタルです．ここでは参考としてディジタルについても学んでみましょう．

４. フォトフォンの原理
さて，ディジタルの原理も分かりましたので，元のディジタルは 0.1 とかの数字であるということは知っていますよね？と図 5 のように 1 と 0 を繰り返して伝送されます．

話，フォトフォンについて説明します．

では，この声というちょっと複雑な信グラハム・ベル（図 6）は，２. で勉強した光通信の号（アナログ信号という）をディジタルで送る方法を勉

実験としてフォトフォンの実験をしたことは前にも述べ強してみましょう．

ました．グラハム・ベルは太陽の光を鏡で反射して，送図 4 にアナログの信号をディジタルにする方法を示信しています．これは２. で示した送信機の変調で，声しました．アナログ信号は周期的に大きさが変化しています．それを一定の周期でのアナログ信号の電圧（振幅）を測定します．これをサンプリングと言います．
測定するデータは 7.2V とか細かい数字ですが，それをここでは四捨五入で 7 とします．それを量子化と言います．ディジタル信号を元のアナログに戻すときには

図3変調器の原理

図 4 ディジタル化の方法

図 5 ディジタル伝送信号
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さあ、ぼくたちもグラハム・ベル〜140 年前のフォトフォンを 100 円ショップで作る〜

5ジュニア会員向けページの振動を光の強度に変化を与えて，伝送しています．受に入れて録音したりとそれぞれ楽しむことができます．

信機はセレン（Se）を用いた光電変換素子で光の信号つまり，今まで述べてきた通信そのものです．

を電気に通して受信しています．グラハム・ベルは，こそれでは，作り方を具体的に説明していきます．図 8の光を電気に変換する材料や原理の特許を多数持っていを見て下さい．まず，口に当てておしゃべりする送信機ます．の作り方を説明します．送信機はプラスチックカップの底にマドレーヌ用のアルミカップを接着したものです．

５. 光糸電話（フォトフォン）を 100 円ショッ
プの材料で作ってみよう「光糸電話を作ろう．
」これはフォトフォン」を現在のまず，プラスチックカップの底の平たい縁を残してはさみで底を切り取ります．このとき，はさみで切りやすいようにカッターナイフで十字の切込みを入れておくとよいです．（手を切らないように注意してね．）

100 円ショップの材料で作ることを目指しています．

このマドレーヌのアルミカップが声で震えて，光を図 7 のように，プラスチックカップに，マドレーヌ用変調のアルミカップを付けて送信機にし，懐中電灯を当て，次に，机の上にカップの底を上にして置き，残した平しゃべると，２. で述べたように，光が強度変調されまたい縁に接着剤を塗ります．最後に，マドレーヌ用のアす．強度変調された光は受信機の小形ソーラーパネルにルミカップを机の上に置き，プラスチックカップを逆さ到達して，電圧信号に変換されます．受信機のソーラーにしてアルミカップの真ん中に置いてそっと接着しま

パネルの両端はイヤホンジャックを介してラジカセのマす．このとき，力を入れて置くとアルミカップの平らなイク端子に接続され，電圧信号はラジカセで増幅されて底にしわが付いてしまうので，そっと置くことがポイン

スピーカで相手の声として聴くことができます．応用とトです．

しては，太陽の光を鏡で集光したり，パソコンのマイクします．

続いて，受信器の作り方を説明します．図 9 に示したように，まずは 100 円の電卓を分解して，ソーラーパネルを取り出し，紙コップの底に付けます．具体的には，100 円電卓の接続ねじを小形十字ドライバで外して基盤を引き出し，ソーラーパネルの両端のリード線を付けたまま，基盤と接続している所をニッパーで切り，取り出します．ソーラーパネルを取り出した後は，ねじを締め，元の電卓の形に戻します．100 円電卓は，ソーラーパネルとバッテリーの両方から電源が供給されているため，ソーラーパネルを外しても，バッテリーの電池がなくなるまで使うことができます．私は，このソーラーパネルを買いに行きました．お店では 1,200 円以

図6

アレクサンダー・グラハム・ベル

上したのですが，100 円ショップの電卓だと 100 円でできます．

図 7 フォトフォンの実験の全体構成
6

通信ソサイエティマガジン No.53 夏号 2020

図 8 プラカップとアルミカップによる送信機の作り方

次に，紙コップの底にソーラーパネルを付けるため，両端をイヤホンのジャック端子を使ってラジカセのマイ小形ドライバで底にソーラーパネルのリード線を通す穴ク端子に接続できるようにします．具体的には，100を 2 か所空けます．そして，そこから約 2㎝の所を紙円のイヤホンのイヤホン側をニッパーで切り，切り口かコップの貼り合わせの二重になっている所を残して，ら 5㎝くらいをリード線 2 本に裂き，切り口から約 1.5

カッターナイフで切り開きます．次に，先ほど取り出し㎝のビニールがかぶさっている所をワイヤーストリッパ

たソーラーパネルを光が受けられるようにリード線を穴（0.3㎜の所）で取り除き，むき出しとなった銅線を紙やに通し，両端をセロハンテープで底に取り付けます．こすりで数回こすります．のとき，ソーラーパネルの光を受ける面を手の脂や汗で最後に，ソーラーパネルを付けた紙コップの底の裏面汚さないようにすることがポイントです．そして，切りから出ている 2 本のリード線に，イヤホンの 2 本のリー開いた紙コップを元の形へ戻し，切れ目にセロハンテード線をよじってからはんだ付けをします．このとき，はプを貼って，紙コップを元の形へ戻します．

んだごての先と，はんだとからめた銅線の三点が一緒に

次に，ソーラーパネルのリード線の両端のビニールがなるようにして，からめた銅線の下から上に移動させる

覆っている所を約 1.5㎝，ワイヤストリッパ（0.3㎜のとはんだがきれいにのってくっつけることができます．

所）で取り除き，むき出しとなった銅線を紙やすりで数はんだをはんだごての上で溶かしたり，はんだごての上回こすります．この作業をしないと，はんだの付きが悪に溶けたはんだを乗せるのは間違いです．はんだごてはく，ラジカセで聞く声の音質が悪くなってしまいます．

とても高温なので，やけどをしないように十分に気を付

続いて，図 10 のように，受信機のソーラーパネルのけ，大人と一緒に作業をして下さい．はんだを使えるよ

図 9 受信機の作り方（その 1）
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図 10 受信機の作り方（その 2）

うになると，他の電気工作も楽しくできますよ！
それでは，送受信機が完成したので，動作確認をしましょう．図 11 に動作確認の様子があります．検証のポイントは，懐中電灯の光を送信機のソーラーパネルで受けられるようにすることです．これが慣れないと，うまくできません．また，場所により蛍光灯からの雑音で音質が悪くなることがあるので，そのときは照明を消して，雑音を抑えることをお勧めします．
（昔の蛍光灯は50Hz の交流電力線の電気の雑音が出ます．新しい蛍光灯はインバータなのでこの雑音がありません．
）

６. むすび

図 11

動作確認の様子

電子情報通信学会は，ジュニア会員という新しい仲間

とにかく，新しい科学のそばにいて，興味を持って見てを迎えました．この記事を書いた私も 40 年前とか 50

みる．そして君たちの中から未来の科学者，研究者，技年前，皆さんと同じぐらいの年だった頃は化学と物理が術者がどんどん出るのを期待し，そして応援します．

好きでした．高校の化学室に行って，酸素供給剤（過塩素酸カリウムだったでしょうか）をもらって水中花火の元を作っては遊んでいました．
（今では危ないと言われてできないかもしれません．
）
この記事では歴史，原理（理論），そして実験を説明しました．特に原理と実験は対になっている大切なこと
で，大学の研究も，この対となっている原理と実験を一
生 懸 命 や っ て い ま す． こ の 頃 は PoC（Proof ofConcept）といって，自分のアイデアや原理をちょっとだけ作ってみるプロトタイプが重要視されています．

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通信ソサイエティマガジン No.53 夏号 2020

山中直明（正員：フェロー）
1983 慶大大学院理工学研究科修士課程
了．同年日本電信電話公社（現 NTT）入社．1991 工博取得．フォトニックネッ
トワーク等のネットワーク制御技術の研 究 開 発 を 行 う 特 別 研 究 員 を 務 め，
2004 から慶大教授．IEEE Fellow．