探検！ 監修：伊藤尚未 協力：村田製作所 電気信号のペースメーカー でん き しん ごう 発振子 はっ しん し かい どう さ しん しん だ でん し ぶ ひん はっ しん し やく しん しる み 「○○Hz（ヘルツ） 」と記されているのを見た り CPUの役割である計算処理のためには、ク おく ロック信号という、一定間隔で送られてくる あん てい しゅう き しん ごう ひつ よう おお 安定した周期の信号が必要です。大まかにい しん ごう う と うと、CPUはクロック信号を1つ受け取る けい さん しょ り たん い じ ごとに1つの計算処理をしています。単位時 かん ない しん ごう う と かい すう 間内にクロック信号を受け取る回数によっ しょ り そく ど げん ざい おお し すい しょう はっ しん し そ つか し はっ しん ざい とく せい おう よう あん てい しゅう は すう だ した周波数をつくり出すことができます。 おお いっ てい かん かく つか 子です。いずれも素材の特性を応用して安定 はっ しん し ことがある人も多いのではないでしょうか？ しん ごう ひん はっ しん せい のう けい さん しょ し いる発振子は水 晶 発振子とセラミック発振 パソコンのカタログでCPUの性能として やく わり か る部品が使われています。現在多く使われて わり 発振子の役割って？ ひと ごう ごう ぶ はっ ろ コンピューターやデジタル回路 の動 作にはクロック信 号 が欠 かせません。この信号をつくり 出す電子部品が発振子です。 か でん く 発振子はパソコンだけではなく、家電に組 こ しん ごう かい み込まれているマイコンのクロック信号回 ろ つか ど けい 路にも使われています。また、クォーツ時計 すい しょう はっ しん し つか せい かく とき きざ には水 晶 発振子が使われ、正確な時を刻む もと しん ごう だ む 元となる信号を出しています。ラジコンや無 せん き し よう しゅう は すう 線機などでは使用するチャンネル周波数を き しん ごう だ 決めるための信号を出しています。 き てCPUの処理速度が決まるので、CPUが びょう かん けい さん しょ り おこな かい すう 1秒間に計算処理を行う回数として、クロッ しん ごう しゅう は すう もち ク信号の周波数が用いられます。カタログに しる 「○○Hz」と記されているのはそのためです。 しん ごう だ かい ろ はっ しん かい クロック信号をつくり出す回路を発振回 ろ こう そく あん てい しん ごう 路といいます。高速で安定した信号をつくる はっ しん かい ろ しん どう し はっ しん し テレビのリモコンの中に組み込 まれたセラミック発振子 よ 発振回路には、振動子または発振子と呼ばれ かい ろ ず つか パソコンのマザーボードの上 の水晶発振子 き ごう 回路図で使われる記号 ● 水晶発振子 ● セラミック発振子 ● コンデンサー内蔵型 セラミック発振子 腕時計の中の水晶発振子 はっ しん し 発振子は デジタル回路には 無くてはならない ものなんだ かい な 水晶発振子は金属 パッケージが多い 52 2008.4 さまざまな形の セラミック発振子 ろ すい しょう はっ しん 焼き固められたばかり の強誘電体セラミック スは電荷の偏りの向 きがばらばらで見かけ 上偏りがない し 水晶発振子 き そく ただ けっ しょう すい しょう うす いた 規則正しく結晶がそろった水晶の薄い板 がい ぶ あつ りょく くわ ー ひょう めん に、外部から圧力を加えてひずませると表面 でん あつ はっ せい あつ でん こう 高電圧 か ＋ に電圧が発生します。これを圧電効果といい はん たい がい ぶ でん あつ あた ます。反対に外部から電圧を与えると水晶が とく せい も 正の電荷の中心 ぎゃく ひずむという特性を持っています。これを逆 あつ でん こう か 高電圧をかけると電荷 の偏りの向きが揃い、 その状態が保たれる すい しょう ぎゃく あつ でん こう か こうして圧 電 体セラ ミックスができる おう よう 圧電効果といいます。この逆圧電効果を応用 すい しょう あつ き だ かく とく すると、水晶の厚さや切り出し角によって特 てい しゅう き でん あつ と 負の電荷の中心 だ 定の周期をもつ電圧を取り出すことができ すい しょう はっ しん し ます。これが水晶発振子です。 ＋ あつ でん こう か ◆ 圧電効果 圧力を加えると電圧が発生する 圧電体セラミックスの 内部の電荷が外部の 電圧と反発したり引き 合ったりしてセラミッ クス全体が伸び縮み する ー 電極 ー 水晶の板 ＋ 電極 ぎゃく あつ でん こう か ◆ 逆圧電効果 電圧をかけるとひずみが生じる あつ でん こう か 圧電効果は ライターやガスコンロの 着火装置にも 使われているんだよ！ ちゃっ か そう ち は すう つか はっ しん し しゅう セラミック発振子 いっ しゅ きょう ゆう でん たい たと セラミックスの一種である強誘電体セラ ぎゃく あつ でん こう か え ミックスも、逆圧電効果が得られます。これ り げん そく 周波数の減速 よう はっ しん し じっ しん ほう 例えば十進法で1、2、3、4、5、6、7、8 かぞ しん ほう あらわ と数えるのを2進法で表すと0001、0010、 を利用したものをセラミック発振子といい 0 0 1 1、0 1 0 0、0 1 0 1、0 1 1 0、0 1 1 1、 ます。 1000となります。このとき、それぞれの桁 けた きょう ゆう でん たい けっ しょう でん か で0と1が切り替わる回数は、桁が上がるに む つれて半減していきます。このような方法を 強 誘電体セラミックスの結晶には電荷の かたよ や かた 偏りがありますが、焼き固めたままでは向き こう でん あつ でん がばらばらです。ここに高電圧をかけると電 か かたよ む いち ほう こう そろ もと もど 荷の偏りの向きが一方向に揃って元に戻ら ぶん きょく しょ き あつ でん たい がい ぶ いいます。この圧電体セラミックスに外部か でん あつ ない ぶ せい ふ でん か かたよ ら電圧をかけると、内部の正と負の電荷の偏 ひ あ はん ぱつ りが引き合ったり反発したりして、セラミッ の ちぢ けた あ ほう ほう もち しゅう は すう へ 用いてクロック周波数を減らしていくこと ぶん しゅう を分周といいます。 り あつ でん たい かい すう はん げん ど なくなります。これを分 極 処理といい、こ うしてできたものを圧電体セラミックスと か けい なか すい しょう はっ しん し しゅう クオーツ時計の中にある水 晶 発振子の周 は すう こ てい 波数は32.768kHzに固定されています。 しん ごう さき ぶん しゅう はん げん この信号を先ほどのように分周して半減させ けた め びょう せい かく ていくと15桁目で1Hzとなり、1秒を正確に きざ しん ごう え 刻む信号が得られるのです。 しょう クスが伸び縮みし、ひずみを生じます。この せい しつ つか もの はっ しん し 性質を使った物がセラミック発振子です。 2008.4 53 はっ しん かい ろ ず き 発振を聞いてみよう！ はっ しん し しゅう は 回路図 すう しゅ るい おお セラミック発振子の周波数は種類が多く、 し よう かい ろ あ セラミック発振子 CSTLS_G 4MHz 16 13 10 すう ひゃく 使用する回路やICに合わせて、数百 kHzか 15 11 すう じゅう し つか 2 はっ しん 4MHzのセラミック発振子を使い、発振を たい かん おと と だ コンデンサー 内蔵型 かんが 体感するために音として取り出すことを考え にん げん みみ おと 8Ω 1 ら数十 MHzのものがあります。ここでは はっ しん ヘッダーピン で選択する 12 3 2SC1815 3V 8 74HC4060 にん しき ました。ただし、人間の耳が音として認識 できるのは16Hzから20kHzまでなので、 しゅう は すう おと き 4MHzという周波数の音を聞くことはでき ひく 押しボタンスイッチ 電源 （＋） しゅう は ません。そこで、4MHzをもっと低い周波 すう へ ＋ つか 数に減らすために、4060というICを使っ CSTLS_G 4MHz ぶん しゅう て分周しました。このICはバイナリーカウ しん ごう 2SC1815 ンターといって、クロック信号を2進法で けた かぞ とく てい けた あたい ヘッダーピンへ しん ほう と 1 74HC4060 だ 14桁まで数え、特定の桁の値を取り出すこ − とができます。ここでは14、13、12、10、 けた め えら はっ しん 9桁目を選びました。これでセラミック発振 し もと しゅう は すう しん ごう 子を元につくられたそれぞれの周波数の信号 おと き を音として聞くことができます。 押しボタンスイッチ 電源 （＋） トランジスター、 ICの向きに注意 挿すピンによって 音程が変わる 1 74HC4060 CSTLS_G 4MHz 2SC1815 電源 （−） スピーカー しん し しゅう は すう 発振子でつくられた 周波数が聞こえるよ！ 桁数 Hz 入力 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 4,000,000 2,000,000 1,000,000 500,000 250,000 125,000 62,500 31,250 15,625 7,812.5 3,906.25 1,953.125 976.5625 488.28125 244.140625 4060 ピン番号 11 7 4 5 6 14 13 15 1 2 3 ４MHｚの周波数をバイナリーカウンタ ーで半分ずつに分周することができる ヘッダーピンへ はっ スピーカー 電源 （−） ケースは工夫して つくりましょう 単三電池 き 押しボタンを押すと 電源が入り音が出る 小型スピーカー ハンダ付け作業は、明るい部屋で、燃えやすいもの が近くにないように、そして机の上は整理整頓して行 います。くれぐれもやけどには注意して、ハンダの煙を 吸い込まないようにしましょう。 54 2008.4
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