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天然水晶で発振を試みるも、失敗

 先日、御殿場駅の近くの道の駅に寄った時、露店が出ていて、こまごましたインテリア用品などを売っている店がありました。そこの商品の中に小さな水晶があって、面白そうなので買ってみました。実は最近ちょっと鉱物に興味があって、機会があればミネラルフェアとかに行ってみたいと思ってます。

▼道の駅の露店で買った水晶
天然水晶
 サイズは長さ40mmくらいで、値段は一つ100円。出来るだけ透明な部分が大きな物を選んで3個買いました。これでやってみたかったのは、水晶発振子として動作させることが出来ないか試すことです。

 実は以前、楢ノ木技研さんが超巨大水晶発振器としてMakeの会場(たぶんMTM2012くらい)で動く(発振する)状態の物を展示されていたのを見て大いに感心しました。それ以来、あれと同じことが出来ないものかと頭の隅にひっかかっていました。
 なお、超巨大水晶発振器についてのもう少し詳しい情報は、楢ノ木技研さんリソースのページに写真と回路図が公開されています。なお、この情報は現時点のもので、今後修正される可能性があると思います。

 今回あらためて楢ノ木技研さんの資料を読んでみると、「宝飾用の水晶の人工結晶」を使われたということなので、天然水晶ではなかったようです。ともかく、水晶振動子は普通は部品として購入するものですが、これを原石の状態で発振させることが出来ると面白そうです。

 と考えてやってみたのですが、結果はこの記事のタイトル通り失敗でした。以下は、こうやったら失敗しました、という記録なので、興味のある方だけさらっとお読みください。

 実は最初はファンクションジェネレーターで周波数をスイープした信号を入れて、反応をオシロでモニタしたのですが、さっぱり共振点らしきものが見つかりませんでした。

 ということで、簡単な発振回路を組みました。発振回路なら自動的に共振点を見つけてくれそうです。

▼回路図
水晶発振回路
 水晶の回路記号がちょっと変です。あと、水晶の両側とアースの間に22pFくらいのコンデンサを入れるのがセオリーですが、配線の分布容量が大きそうなので省略。というか入れるのが面倒臭かったので無し。

▼実際の回路
天然水晶で発振、しない
 ブレッドボードからジャンパー線で水晶に接続しています。なお、回路図には無いLEDがあります。

▼水晶からの電極引き出し
天然水晶に貼り付けた電極
 普通の水晶は2端子ですが、AC100Vからの誘導ノイズを減らすためと電圧の関係を明確にするために3端子にしました。

 下にGND用の銅箔テープを貼り、その上に水晶を載せて輪ゴムで固定。水晶の信号電極は銅箔テープを貼っただけといういいかげんさです。なお、銅箔テープの接着剤には(たしか)導電性があります。

 これでいろいろやったのですが、結局発振しませんでした!

 ちなみに本物の水晶を入れると、

▼本物の水晶だと、
発振実験
 当たり前ですがちゃんと発振します。ちなみに水晶を入れなくても回路の浮遊インピーダンスで位相が廻るのでしょう、110MHzくらいで発振するので、回路としては発振したくてしょうがない状態だと思います。

◆まとめ
 ということで今回の実験は見事に失敗しました。発振しなかった理由を考えてみると、

1) 圧電現象が現われる方向に電極が付いていない?
  これ、ありそうです。結晶の成長軸に直角方向に電極を付けていますが、これだと圧電効果がゼロの方向になっているのかも知れません。とは言ってもATカットとかやるのは無理です。それにカットしないで天然水晶の形のままで発振させたいです。
 ところで、楢ノ木技研さんのデモ見ると特にカットとかやってなかったみたいです。どこかツボみたいなものがあるのかも。

2) 蒸着電極じゃないとダメ?
 銅箔テープ電極なので水晶との間に空気層が存在していますが、これじゃダメかも知れません。素材のSiO2の誘電率は約3.8なので、その値の逆数で空気層で電界を負担することになるはずですが、これくらいのロスなら致命的な影響は無いと思っていました。でも圧電素子として考えた場合、電荷のエネルギーは格子を歪ませるために使われる訳で、実質的な誘電率はとても大きな値になる可能性があります。こういう場合に空気層があると、さっぱりエネルギーが結晶に注入されないのかも知れません。やっぱり蒸着、あるいは導電性接着剤のような物を使わないとダメか?

3) 水晶の結晶がダメ?
 触るとガラスより冷たく感じるのでたぶん水晶だと思うのですが本物だろうか?見た目は透明な結晶なのですが、実は目に見えない転移などの欠陥が多いのかも知れません。

4) もっと発振しやすい回路じゃないとダメ?

◆最後に
 可能性は低いと思いますが今後発振に成功するかも知れません。もし成功した時に、後出しジャンケンでうまくいかなかった理由を説明するのもちょっと情けないので、現時点での考察を書いておきました。

 あと、水晶発振子の専門家の方から見たらアホなことやっているんでしょうが、まあその過程を楽しんでるってことで、お見逃し下さい。もし何かアドバイスとか頂けると嬉しいです。
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No title

とりあえず圧電効果がでることを先に実験したほうがいいですね

74HCU04

74HC04の代わりに74HCU04を使ったら、少しは違った結果になるかもしれません。
参考url:
http://userweb.alles.or.jp/chunichidenko/mycpu30.html

re:コメンテーターさん

>とりあえず圧電効果がでることを先に実験したほうがいいですね

確かにそうですね。
実は真っ先に水晶をコツンと叩いてオシロで波形見たのですが、たぶん配線の振動などに起因する電位変化などが混ざって良く判らなかったです。10kΩくらいを並列に繋いでインピーダンス下げてやれば良かったかもです。

re:74HCU04

lavender_ さん、コメントありがとうございます。

確かにアンバッファタイプならリニアに動く範囲が広いので発振させやすいかも知れません。頭に入れておきます。
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