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教えて!水晶デバイス

あらゆる電子機器を支える水晶デバイス。水晶の持つ正確な振動はデジタル社会になくてはならない存在です。

わたしたちの身の回りではさまざまな分野で電子機器が活躍しています。この電子機器に組み込まれ、正確な動作の基準となる電気信号を作りだしメカニズムの正確な動作を実現するのが水晶振動子や水晶発振器などの水晶デバイスで、幅広い分野において電子機器の更なる高性能化、高機能化に貢献しデジタル社会を支えています。では、水晶とは一体どんなものなのでしょうか。そして、水晶デバイスはどのような働きをし、わたしたちにどんな恩恵をもたらしているのでしょうか。


あの神秘的な水晶がどうやって…

工芸品や宝飾品、占い師が使っていそうな水晶玉など、水晶は宝石の中でも比較的なじみ深いものでしょう。しかし実は、携帯電話やデジタルカメラ、自動車部品といった、私たちの生活とは切っても切れないほど身近なところで、水晶は重要な役割を果たしているのです。

ある原理の発見

水晶は二酸化ケイ素で形成される無色透明の結晶で、変形させると電圧を発生する圧電物質の一つです。この水晶に機械的な圧力をかけると表面に電気を生じ(圧電効果・下図の左)、逆に電圧をかけると水晶は変形します(逆圧電効果・下図の右)。これは、今から百数十年前、フランスの科学者ピエール・キューリー(キューリー夫人の夫)と兄ジャックが発見した現象です。水晶デバイスは、この原理を利用したものです。

機械的な圧力を加えると水晶は電気を発生します 電気(電圧)を流すと水晶は変形し振動を始めます

水晶デバイスの特徴

特定の角度で切り出した水晶板に電界をかけると、ある一定の振動を始めます。水晶はとても純粋な結晶体であるため、非常に安定した振動周波数を発生し続けます。この周波数を電気信号として取り出し、各種電子回路に利用しているのです。水晶は温度などの環境条件に対する安定性が非常に高いため、正確な周波数を要求される電子機器には、必ず水晶デバイスが使用されています。もしパソコンや携帯電話やカーナビが正確に動作しなかったらどんなに不便なことでしょう。わたしたちは知らず知らずのうちにこの水晶がつくりだす振動の恩恵に与っているといってもよいでしょう。

水晶デバイスはこんな働きをするのです

水晶デバイスの電子機器内における役割はその種類によりさまざまですが、いずれの場合でも、とても重要な役割を果たしていることに変わりはありません。ここでは、今やほとんどの電子機器に使用されていると言っても過言でなく、また当社において主力として生産している、水晶振動子、水晶発振器について説明します。水晶振動子、水晶発振器が電子機器の内部で果たしている役割は、大きく分けて2つあります。

安定した周波数を維持する役割

規則正しい基準信号を作り出す役割

1つ目に、安定した周波数を維持する役割があります。ラジオやテレビ、携帯電話など、電波を利用して情報をやりとりする電子機器は数多く存在します。それら全ては、その機器の電波によってある一定の周波数が割り当てられており、周波数が違っていると正確な受信や送信ができません。例えば携帯電話では、同時に多くの人が同じ場所で利用できるように、数千チャンネルにも周波数を細かく分けて基地局と通信しています。周波数が狂うと他の人と混信して、通話ができなくなってしまいます。水晶振動子や水晶発振器は一定の周波数を維持して振動するため、この信号を基準信号として安定した周波数を維持することで、その機器に合った電波の送受信を可能にしているのです。

2つ目は、規則正しい基準信号を作り出す役割です。電子機器、例えばパソコンは、CPU(中央処理装置)を中心としてハードディスク、メモリ、CDドライブなど、幾つもの周辺回路から構成されています。これらは一台のパソコンを構成する要素ではありますが、役割が異なるため、それぞれがうまくタイミングを合わせて作動しないと、パソコンとしての正常な動作ができません。タイミングを合わせるためには、規則正しい基準信号が必要になります。水晶振動子や水晶発振器は、この規則正しい基準信号を作り出す、指揮者のような働きをしているのです。

指揮者のような役割を果たす水晶デバイス

水晶振動子や水晶発振器の役割をもう少し細かくまとめると、以下のようになります。

水晶デバイスの役割と用途

実はこんなところで活躍している水晶デバイス

水晶デバイスは、電子機器における重要な部品として、多種多様なエレクトロニクス製品に使用されています。例えば、デジタルカメラにおいては、1台当たり平均して3個の水晶デバイスが使用されています。また、電子機器の高機能化・多機能化が進むと、1台当たりの使用数量も増加するという特徴があります。水晶デバイスのマーケットは、今後も大きな成長が見込める分野であると言えるでしょう。

水晶デバイスマーケット

リバーエレテックが製造する水晶デバイス

水晶デバイスは、大きく分けると「水晶振動子」「水晶発振器」「水晶フィルタ」「SAWデバイス」「光デバイス」の5つに分類できます。この中で、当社は水晶振動子と水晶発振器の2種類に絞って生産しており、さらにその中でSMDタイプ(表面実装型)を得意としております。

当社の得意とする水晶デバイス

幅広い電子機器で活躍する水晶振動子と水晶発振器

水晶振動子は、電子機器内部で安定した周波数を維持する役割と、規則正しい基準信号を作り出す役割を果たしています。また、結晶の切断方向や電極の取り付け位置によって、さまざまな振動モードを作り出すことが可能であり、主にATカット音叉型水晶振動子が有名です。周波数や温度特性により多様な対応が可能なことから、水晶デバイスの中では用途に適した多くの電子機器に使用されている身近な存在と言えます。水晶発振器は、水晶振動子の中に発振回路(IC)を組み込んだものです。温度補償型、電圧制御型など幾つかのタイプがありますが、当社では汎用タイプを主に製造しており、さまざまな電子機器において活用されています。

デバイスの構造

リバーエレテックの技術力

当社がSMDタイプ水晶振動子・水晶発振器を得意とし、業界をリードしてこられたのは、数々の独自技術を開発してきたことに起因しています。(製品案内技術レポート参照)その中でも代表的な技術が、電子ビームによる気密封止工法であり、2001年に特許を取得しております。(P3248842)FCX-04において初めて使用されたこの工法は、超微細加工が可能なだけでなく、製品の信頼性・精度が高いことに加えて高生産性も実現でき、水晶振動子や水晶発振器の生産に非常に適した工法です。当社はこの技術をベースに、より魅力的な水晶デバイスの開発に挑戦してまいります。

電子ビーム封止工法について

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