水晶式発振回路について

質問

水晶式発振回路というものがありますがこれは何故発振するのでしょうか？本などでみてもよくわかりません。なんとなくイメージできるように説明してください。幼稚な質問ですみません、お願いします。

回答No.3

oyaoya65 · ベストアンサー

参考URLに詳細な解説がありますのでご覧ください。

水晶は圧電素子であること、つまり、結晶軸の特定方向に水晶を切り出し（カットし）て、電極で挟み、支持点をつけ、電圧をかけると、カット方向によって決まる方向に結晶がひずみます。電圧の掛け方を一定周期で変化させてやると、水晶振動板の形状や寸法によって決まる共振周波数でより多く周期的にひずみを繰り返すようになります。歪むことで逆に電極にその周期で電圧が発生します。この周期的に大きくひずむ周期の逆数を共振周波数とか固有周波数と呼びます。

このひずみ周期に合わせた電圧の変化を正帰還させて増幅してやれば振動が安定して発信します。

参考URLの図18、図31～32に発信回路のあります。
発信回路の水晶の周りの等価回路が図24にあります。
電気的なLCR共振回路を構成しています。R分がありますので減衰しますのでその分増幅器で増幅して発信を継続させています。
共振回路から、発信周波数は水晶によって決まった正確な周波数で発信します。

共振周波数は水晶振動子の寸法により決まりますので、
基本振動モードのほか、その奇数周波数倍の周波数で発信する可能性があります（図16～17参照）。共振周波数と水晶振動子の電気的なインピーダンスは密接に関係していて、インピーダンスがゼロになる周波数（共振周波数）で発振します。

水晶振動子も大小さまざまあり、振動モードによりいろいろな形状があります。大きなサイズの振動子は、基本周波数は低くなります。
小さくなるほど基本周波数が高くなります。腕時計に使われる水晶振動子は、寸法が小さい割りに発振する基本周波数を低くするためU字型の音さの形状に加工されています。

水晶の周りにコンデンサーを付けたり、正帰還増幅器の周波数特性を調整して、特定周波数で発振するように工夫がなされています。水晶振動子の固有周波数近くの周波数を、水晶振動子の発振回路に加えても、発振周波数は水晶振動子の固有振動周波数に引き込まれて、水晶の振動周波数に固定され安定に発振します。

参考URL：

http://nanocarb.meijo-u.ac.jp/expII_TXT%5Cex2%5C2-7.pdf

回答No.2

mac_res

音叉をご存知でしょうか？叩くと一定の高さの音ででなります。そのまま放置すると減衰振動といってだんだん音が小さくなります。

音が止まらないようにコイルと永久磁石と増幅器をつけてやり、音叉が本来なる高さの音でなり続けるようフィードバックしてやるとなり続ける音叉が出来上がります。

音叉はUの字型の足が左右対称に振動します。
これを水晶で作ります。
水晶は圧電現象と言ってある軸に対し応力を掛けると電圧を発生する性質があるのでその軸に沿って音叉型に削り電極をつけ、増幅器で発生した電圧をフィードバックすると水晶製の鳴り止まない音叉が出来上がります。
これが水晶式発振回路です。

実際時計に使われている32.768kHzの水晶は音叉型になっています。

音叉型でなくても水晶が振動でき、圧電現象の電圧を導き出せるように電極をつけ増幅器でフィードバックすれば、水晶は固有の振動数で、振動し続けます。

厚み方向の伸縮や、板状のたわみ、そのほかさまざまな振動モードでの共振をするよう水晶を削り電極をつけます。

詳細は下記URLを参照してください。
http://homepage1.nifty.com/sokano/sub2.htm
http://homepage1.nifty.com/sokano/sub3.htm

回答No.1

yuyuyunn

言葉で旨く説明できないかもしれないので
http://akademeia.info/main/lecture4/tokubetu_sindousi.htm

もともとの水晶自体が振動する原因を持っている
ということなのですが・・

補足

早速のご回答ありがとうございます。補足質問なのですが水晶発振器に直流を入れた際に何故共振周波数の波が発生されるのですか？入力の周波数は一定なのに水晶はどのように共振するのですか？よろしければ回答お願いします。