水晶振動子

水晶振動子は、水晶の圧電効果を利用して高い周波数精度の発振を起こす際に用いられる受動素子の一つである。Xtalと略記されることもある。クォーツ時計、無線通信、コンピュータなど、現代のエレクトロニクスには欠かせない部品となっている。水晶発振子と呼ばれることがある。

1. 歴史
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圧電性は1880年にジャックとピエール・キュリーによって発見されました。ポール・ランジュバンは、第一次世界大戦中にソナーに使用する水晶振動子を初めて研究しました。ロッシェル塩水晶を使用した最初の水晶制御発振器は、1917年に製造され、ベル電話研究所のアレクサンダー・M・ニコルソンによって1918年に特許 を取得しました、しかし、その優先順位はウォルター・ガイトン・キャディによって争われた。 キャディは、1921年に最初の水晶発振器を製作しました。 水晶発振器の分野における他の初期の革新者は、G. W. ピアースとルイス・エッセンでした。

水晶発振器は、1920年代から1930年代にかけて、非常に安定した基準周波数のために開発されました。水晶振動子が登場する以前は、ラジオ局は同調回路を使って周波数を調整しており、周波数が3～4kHzずれる可能性がありました。放送局には10kHzまたは9kHzしか周波数が割り当てられていなかったため、周波数ドリフトによる近隣局間の干渉は一般的な問題でした。 1925年、ウェスティングハウスは、そのフラッグシップ局KDKAに水晶発振器を設置し、1926年までに、水晶振動子は多くの放送局の周波数を制御するために使用され、ラジオアマチュアの間で人気がありました。 1928年、ベル電話研究所のウォーレン・マリソンは、最初の水晶時計を開発しました。30年で1秒[8]の精度を持つ水晶時計は、1950年代に原子時計が開発されるまで、精密振り子時計に代わって世界で最も正確な計時装置として使用されていました。

2. 原理
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圧電体である水晶の結晶に電圧を加えると、圧電体に変形が生ずる。この現象の発見者は、ジャックとピエール・キュリーの兄弟である。電気的特性としては、通常はコンデンサとして作用するが、その固有振動数に近いある特定の周波数帯でのみコイルのように誘導性リアクタンスをもつものとして動作する。この原理を応用した電子部品が水晶振動子である。一般的な水晶振動子であるAT振動子は圧電体である水晶片を2枚の電極で挟んだ水晶振動体を保持器に収めたものである。水晶振動子は自由振動を起こすため、波形は正弦波となる。

周波数発振回路において、トランジスタとコイル・コンデンサの接続の組み合わせにより発振の条件が決まる回路がある。これらの回路のうち、コイルが発振の条件として必要な部分に水晶振動子を接続すると、その固有振動数の発振出力が得られる。その周波数は106オーダーの精度が容易に得られ、他に類を見ないものであることから、周波数や時間の基準として広く用いられている。

結晶の大きさの関係から、実用に用いられている水晶振動子は1 - 20MHz程度のものが多い。それ以上の周波数が必要なときは、オーバートーン発振させるか、周波数逓倍器を用いる

水晶振動子の発振周波数自体は、水晶振動子の特性によって決まるため、基本的には変更できない。そのため無線通信などでは、用いる周波数に合わせて水晶振動子を差し替える方式が採られることもある。しかしながら、外部のキャパシタンスを調整することによって、±0.数%程度の微調整が可能であり、これを応用したVXO}} 、キャパシタンスを可変容量ダイオードに置換して電圧制御できるようにしたVCXO}}等の回路がある。また、水晶振動子と電圧制御発振器、デジタル回路によるカウンタ回路や位相比較器等を組み合わせた周波数シンセサイザによって、安定した任意の周波数の出力信号を得ることも可能である。

3. 種類
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水晶の切出しの種類 ATカット 現在でも広く製造されている切断角度。周波数温度特性がよく、発振が安定していることが特徴。1933年に古賀逸策博士と高木昇博士らによって発明された。 共振周波数：f＝1.67n/ｔ[MHz/mm]となる)。 SCカット ATカットで問題となっていた急激な温度変化によって引き起こされる周波数変動防止目的で製造された。 BTカット z軸に-49°で切り出した素子。ATカットに比べ温度特性精度が劣るため，現在ではあまり使われない その他、CTカット、DTカットなどがある パッケージの種類 ASICやCPUのような同期回路のパッケージでは発振回路を内蔵し、水晶振動子を接続するだけで使用できるようにしているものが多い。精度を補償するために内部のEEPROMなどに補正値を保存できるようにしているチップもある。 時計用のRTCモジュールなど、特に精度が要求される用途には、単独の水晶振動子ではなく、発振回路と共に一つのパッケージに組み込み、電源を接続すれば出力信号が得られるクロック・モジュールが使用されることもある。 水晶発振器を実装する恒温槽をオーブンと呼ぶ。 温度補償型水晶発振器 アナログ電圧で振動周波数を制御できる温度補償型水晶発振器 デジタル型温度補償発振器 アナログ型温度補償発振器 電圧制御水晶発振器 温度補償型電圧制御水晶発振器 恒温槽付水晶発振器 恒温槽付電圧制御水晶発振器 消費電力を抑えるためにルビジウム発振器と時々同期を取るようにした水晶発振器 マイコン補償水晶発振器

4. 用途
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従来は主に発振素子として用いられていたが、2010年代以降、センシングデバイスとしての用途も開拓されつつある。

時計
クォーツ時計、腕時計など小型の時計用には32.768kHzなど小型で1Hzを求めやすい水晶振動子がよく用いられる。 コンピュータ、電子機器
クロック発振回路 計測機器
膜厚計：真空蒸着において蒸着物が振動子表面に付着すると質量が増え振動数が変化することから膜厚計として利用されている。
水晶振動子マイクロバランス：水晶振動子の表面に物体が付着すると発信周波数が変化することから、分子レベルの微量質量を測定に応用した装置。
水晶圧電式圧力センサー 無線通信無線通信では、水晶振動子をフィルタ回路の一部として使うことがある。水晶フィルタ、または、クリスタルフィルタと呼ばれる。特に狭い帯域のフィルタ回路が必要な場合に用いられる。それほど狭くない帯域の場合は、SAWフィルタが使われるようになってきており、生産量は減少している。一方、複数のアマチュア無線家が水晶振動子の実測データに基づくフィルタ設計手法や評価を発表したことから、アマチュア無線を中心に自作のクリスタルフィルタがしばしば使用されている。
カラーテレビ
NSBクリスター、NSBクリスタル
PLLを応用した周波数シンセサイザの基準周波数源 センシングデバイス
水晶振動子の表面に特定の揮発性有機化合物を吸着する化学修飾を施すことにより、振動数の変化からVOCの検出、定量化を行う。

5. 規格
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水晶振動子は、その仕様について日本産業規格  によって規格化されている。

//JIS C 6701// 水晶振動子通則

6. 脚注
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7. 参考文献
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8. 関連項目
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圧電効果、圧電素子
受動素子、結晶発振回路、酒石酸カリウムナトリウム
発振回路
共振器
ポール・ランジュバン
その他の発振器
原子時計 - 精度の良い原子時計は標準電波やGPS経由で利用する場合も含めて周辺回路が水晶振動子よりも大きくなりがちであるため、回路を小型化・簡便化したい場合や原子時計ほどの精度が要らない場合は現在でも水晶振動子が使用されている。
セラミック発振子 - 精度が低くてもよい場合の用途では、安価な代用品として使われることもある。

9. 外部リンク
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[1]
[2] - シチズンファインテックミヨタ
[3] - 大真空
[4] - 日本電波工業
[5] - リバーエレテック
[6] - 多摩デバイス