水晶振動子：目的、用途、動作原理、使用の特徴

水晶振動子は何のためにあるのですか?

マイクロプロセッサーとマイクロコントローラーを備えた現代のデジタルエレクトロニクスは、クロック発振なしでは考えられません。そして、クロックの振動が得られるところには、発電機と振動系の動作があり、振動系があるところには、必ず共振現象と品質係数などの重要なパラメータが現れます。水晶振動子（発振器）についてご紹介します。

水晶共振子 (クォーツ) は、水晶板の圧電特性と機械特性を利用して、高度な周波数一定性を備えた電磁振動を発生させる装置です。

動作原理によれば、水晶振動子は水晶周波数が安定した発振器です。このような発電機は、安定性の高いマスタージェネレータとして、計測機器、周波数・時間標準器、クォーツ時計をはじめ、さまざまな電子機器に使用されています。

水晶共振器の欠点は、水晶の共振周波数によって決まる固定周波数でしか生成できず、実質的に周波数調整ができないことです。

すべての水晶共振器回路は、そこで使用される水晶共振 (並列または直列) に応じて 2 つの大きなグループに分類されます。最も普及しているのは水晶共振器回路で、水晶はその並列共振周波数に近い周波数で動作します。

したがって、電子回路における水晶共振子は、あらゆるものに代わる無敵の代替手段となります。 発振回路コンデンサとインダクタで構成されます。出力は水晶振動子としては最高の Q ファクターです。優れた LC 回路の Q ファクターは 300 に達しますが、水晶振動子の Q ファクターは最大 10,000,000 に達することがあり、その優位性は数万倍であることがわかります。したがって、Q 値の点で水晶振動子に匹敵する発振回路はありません。

共振周波数に対する温度の影響については言うまでもありません。同じ発振回路の共振周波数は、そこに入るコンデンサの TKE (静電容量の温度係数) に大きく依存します。一方、水晶は温度安定性が非常に高いため、水晶振動子はさまざまな用途のクロック周波数発生器の発振源としての地位を堅固に保っています。

水晶振動子の仕組み

水晶振動子がどのように機能し、機能するかを理解するには、それが何であるかを覚えておくだけで十分です 圧電効果… 結晶から特定の方法で切り取られた低温石英 (二酸化ケイ素) の板を想像してください。ウェーハを結晶から切り出す角度によって、製造される共振器の電気機械特性が決まります。電極は、ニッケル、プラチナ、金、銀の層を堆積することによってこのプレートの両面に取り付けられ、固体ワイヤがそれらに取り付けられます。構造全体は小さな密閉ハウジング内に配置されます。

このようにして、（低温水晶の自然な特性により）圧電効果を有し、独自の共振周波数を有する電気機械振動システムが得られました。

ここで、結果として生じる振動システムの共振周波数に近い周波数の交流電圧が電極に印加されると、プレートは最大振幅で機械的に収縮および拡張し始め、圧電効果により、プレートはより接近します。印加電圧の周波数が共振するほど、共振器の抵抗は低くなります。これは、水晶振動子と高周波発振回路の類似点です。結果は本質的に直列 LC 回路に似ています。

水晶振動子の特性

水晶共振子は等価回路の形で表すことができます。C0 は金属ケーブル ホルダーと電極によって形成される実装電気容量です。 C1、L、R は、プレートの電気機械特性によって得られる実際の発振回路のアナログとして、電極を直接備えたプレートの静電容量、インダクタンス、およびアクティブ抵抗です。

回路から実装容量 C0 を除外すると、明示的に直列発振回路が得られます。図の共振器の名称は、プレート間に水晶を象徴する長方形を備えたコンデンサのように見えます。

はんだ付けによる基板上の水晶共振器の組み立ておよび分解のプロセスでは、573℃を超える水晶の過熱は水晶の圧電特性の損失を伴うことに留意する必要があります。