オシレータ

オシレーターは、電子機器が正確に動作するための基準信号を生み出す要となる部品ですが、種類や選び方を誤ると、振動に弱かったり、消費電力が高すぎたりと、様々なトラブルを引き起こす可能性があります。

「最適なオシレーターがわからない」「コストと精度のバランスをどうとればいいのか」など、悩みを抱える方は多いのではないでしょうか。

そこで本記事では、オシレーターの基礎知識から種類別の特徴、メリット・デメリット、そして選び方や主要メーカーの比較までを幅広く解説し、製品の選択に役立つポイントを紹介します。

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オシレーターの基本情報を解説

本章では、オシレーター初心者の方に向けて、そもそもオシレーターとはどんなもので、どんな仕組み・構造なのかを解説します。

オシレーターとは？

オシレーターとは、簡単にいうと安定した周波数で電気信号を発生させる回路のことです。

例えばコンピュータではCPUを正確に動作させるためのクロック信号を生み出し、無線通信では狙った周波数で信号を送受信する基盤となります。

水晶振動子を利用する水晶オシレーターは高い精度を誇り、時刻の管理が重要な時計やスマートフォンの時間制御にも活用されるなど、周波数の正確さが求められる分野ほどオシレーターの質が問われます。

仕組み・原理や構造も確認しておこう

オシレーターの仕組みは、出力信号の一部を入力に戻すフィードバックを通じて持続的な振動を生み出す点にあります。

具体的にはLC回路と呼ばれるコイルとコンデンサの組み合わせでエネルギーを交換し、共振により一定の周波数を保ち続けます。

また、構造はオシレーターのタイプによって異なりますが、いずれも外部の衝撃や環境変化に耐えつつ、正確な周波数を生み出す仕組みを備えていることが共通の特徴です。

15種類のオシレーターとそれぞれの強みを紹介

オシレーターと一言にいっても様々な種類があります。本章では、15種類にオシレーターを分けて、それぞれの特徴や強みを解説します。

水晶オシレーター (Quartz Oscillator)

水晶オシレーターは、高精度かつ安定した周波数を発生させる点が最大の強みです。

例えば時計や腕時計のタイミング制御、コンピュータのクロック信号、通信機器の周波数調整など、正確なタイミングが要求される幅広い分野で利用されています。

TCXO (Temperature Compensated Crystal Oscillator)

TCXOは、温度補償回路を内蔵することで温度変化による周波数ズレを抑え、高い安定性を維持します。

無線通信の基準信号をはじめ、GPS受信機やネットワーク機器など、高精度で安定した周波数制御が必要な場面で力を発揮します。

VCXO (Voltage Controlled Crystal Oscillator)

VCXOは制御電圧によって周波数を微調整できる特性を持つため、PLL（位相同期ループ）などの用途に適しています。

具体的な利用例として、周波数変調通信やデジタルオーディオ、ADSLモデムの安定動作などが挙げられます。

OCXO (Oven Controlled Crystal Oscillator)

OCXOは内部の恒温槽によって水晶振動子を一定温度に保つことで、数ppbレベルの高い周波数安定性を実現可能です。

例えば、通信基地局や光ネットワーク、高精度計測機器など、温度変化が大きい環境でも正確な動作が必要な分野に採用されます。

MEMSオシレーター (Micro-Electro-Mechanical Systems Oscillator)

MEMSオシレーターは微細加工技術を用いた小型の発振器で、衝撃や振動に強い特徴を備えています。

スマートフォンやウェアラブル端末、自動車の制御システムなど、コンパクトさと耐久性が重視される領域で活躍します。

LCオシレーター (Inductor-Capacitor Oscillator)

LCオシレーターは、インダクタとキャパシタを用いて広範囲の周波数を生成できるシンプルな構造です。

無線通信機器やオーディオ機器、さらにはテスト機器の周波数生成にも利用され、用途が幅広いことが特徴です。

RCオシレーター (Resistor-Capacitor Oscillator)

RCオシレーターは、抵抗器とキャパシタの組み合わせで振動を生み出す低コスト設計が魅力です。

タイマー回路をはじめ、簡易的なクロック生成やオーディオ信号の出力など、複雑な精度を必要としない場面で重宝されています。

電圧制御オシレーター (Voltage-Controlled Oscillator, VCO)

電圧制御オシレーターは、入力電圧に応じて出力周波数を変化させるため、周波数の調整が容易です。

FM通信の周波数変調やシンセサイザーの音源生成、PLL回路での同期制御など、多岐にわたる分野で活用されています。

クリスタルオーバートーンオシレーター (Crystal Overtone Oscillator)

クリスタルオーバートーンオシレーターは、水晶振動子の高調波を利用して高周波を実現するオシレーターです。

高周波通信やレーダーシステム、衛星通信のように高い周波数帯域での安定性が求められる分野に向いています。

コリンズオシレーター (Colpitts Oscillator)

コリンズオシレーターは、キャパシタを分割する構造で振動を生成し、安定した周波数特性を得ることができます。

無線送信機やオーディオ信号生成、周波数シンセサイザーなど、品質の高い発振が必要なシステムに適しています。

ハートレーオシレーター (Hartley Oscillator)

ハートレーオシレーターは、インダクタを分割することで構成し、周波数調整の幅が広いという利点を持ちます。

無線送信機やオーディオ信号生成、テスト機器向けの周波数発生など、多彩な用途に利用されています。

ピアースオシレーター (Pierce Oscillator)

ピアースオシレーターは、水晶振動子を用いたシンプルな構造によって高精度の周波数を提供します。

時計や腕時計のタイミング制御をはじめ、コンピュータのクロック生成や通信機器の周波数制御など、さまざまな場面で利用されています。

ウィーンブリッジオシレーター (Wien Bridge Oscillator)

ウィーンブリッジオシレーターは、抵抗とキャパシタのみで構成され、純度の高い正弦波を生み出す点が強みです。

オーディオ信号の生成やテスト機器のキャリブレーション、音響機器の開発などで高い性能を発揮します。

リングオシレーター (Ring Oscillator)

リングオシレーターは、デジタル回路上のインバータゲートをリング状に接続して発振を得るシンプルな構成であり、高い周波数にも対応可能です。

集積回路のテストや高速デジタル回路のクロック信号生成などに用いられ、動作確認や評価にも役立ちます。

ギルバートセルオシレーター (Gilbert Cell Oscillator)

ギルバートセルオシレーターは、差動増幅器を基盤とする回路によって高周波動作を可能にしています。

高周波通信分野やレーダーシステム、周波数シンセサイザーなど、先端技術で活用されることが多いオシレーターです。

導入で得られるメリット・デメリットを解説

本章では、オシレータのメリットとデメリットを具体的に確認していきます。導入前に確認しておきましょう。

オシレータのメリット

オシレータのメリットには、高精度で周波数を生成できる点や、小型・軽量なモデルの存在、そして広範囲の周波数調整が可能という点が挙げられます。

まず、高精度な周波数を生成できるオシレーターは、時計や腕時計などの時刻管理に欠かせない要素です。通信機器でも正確な周波数が必要とされるため、無線通信の分野でも活用されます。

さらに、MEMSオシレーターのように小型・軽量化を図ったタイプは、スペースに制約のあるスマートフォンやタブレット、ウェアラブルデバイスなどに組み込む際に有用で、携帯性や装着感が重要視される場面では、この特徴がアドバンテージになります。

また、電圧制御オシレーター（VCO）のように入力電圧に応じて広範囲の周波数を生成できるものもあり、FM通信やシンセサイザーなどで多彩な周波数を扱う必要がある場合に適しています。

上記のような、多様性こそが、オシレータが数多くの用途で活用される理由でしょう。

オシレータのデメリット

オシレータのデメリットとしては、温度依存性やノイズの影響、長期使用による周波数の劣化などが挙げらます。

特に水晶オシレーターは温度に敏感で、外気温が変動すると周波数がズレるケースがあります。ただし、TCXOのような温度補償を施したモデルを活用すれば、周波数変動を抑えられるでしょう。

また、外部ノイズや電磁干渉（EMI）の影響を受けやすいため、オシレーターが発生させる信号の純度が低下するおそれがあります。この問題には、シールドケースやフィルタ回路を用いてノイズを遮断する対策が有効です。

さらに、一部のオシレーターは長期間使用すると周波数安定性が低下するため、定期的なキャリブレーションや高品質な部品の採用が欠かせません。

まとめると、しっかりとした対策を講じることで、オシレータの弱点を補いながら、信頼性の高い動作を維持することは可能です。

自分の会社・工場に合ったオシレータの選び方を解説

オシレータは、用途や環境によって求められる性能が異なります。ここでは、オシレータ選定の際にチェックしておきたい選び方を解説します。

周波数安定性

周波数安定性が高いオシレータは、外部環境の変化による周波数ズレを最小限に抑えられるため、時計や無線通信など精度が要求される用途に適しています。

一方で、安定性がそこまで必要ない場合は、コストを下げられるRCオシレータなどを検討すると良いでしょう。

そのため、まずは自社製品で高精度なタイミングが必要かどうかをまず確認し、予算との兼ね合いで最適なモデルを選ぶことが重要です。

周波数範囲

オシレータが扱える周波数範囲は、製品の汎用性を左右する要素です。

広い範囲をカバーするVCO（電圧制御オシレータ）などは、多彩な通信規格や音源生成に対応しやすいですが、高度な回路設計やコストが必要です。

特定の周波数だけを安定して発振すれば十分な場合は、固定周波数のオシレータを選ぶことで、開発の手間やコストを抑えることができるでしょう。

位相ノイズ

位相ノイズが低いオシレータは、信号の純度が高く通信品質を向上させるため、高周波通信や精密計測装置などに求められる特性です。

ただ、水晶オシレータやSAWオシレータは位相ノイズを低く抑えられるが、コストやサイズ面の制約が発生することもあります。そのため、高い信号品質が必要かどうかを見極めてから選定に進むのがよいでしょう。

消費電力

消費電力が高いオシレータは高性能な動作が期待できる反面、電池駆動の機器ではバッテリー寿命が短くなる恐れがあります。

逆に、MEMSオシレータのように消費電力が低いモデルはポータブル機器に向いているが、出力の強さや周波数安定性などに制限が生じる場合もあります。

以上より、電源の確保状況に応じて最適なバランスを取ることが大切でしょう。

温度範囲

オシレータが耐えられる温度範囲は、屋外設置や産業用途など過酷な環境での使用時に意味を持ちます。

例えば、TCXOやOCXOは広い温度範囲でも精度が落ちにくいですが、コストやサイズがかさむ傾向にあります。

一方で温度変動が穏やかな環境下での運用なら、標準水晶オシレータで十分なケースもあるため、実際の使用環境をよく想定して選ぶ必要があるでしょう。

起動時間

起動時間が短いオシレータは、デバイスの電源投入後すぐに安定した動作が可能となり、応答速度が求められる場面に向いています。

一方で、OCXOのように恒温槽を温める必要がある場合は起動時間が長くなりますが、その分、動作中の周波数安定性が高いです。

結論としては、性能と起動の速さをどちらを重視するかが選定のにおいて重要と言えます。

出力波形

オシレータが出力する波形には、正弦波や方形波など複数の種類があります。

正弦波出力はノイズが少なく、高度な通信や精密測定に用いられることが多いです。一方、方形波出力は、デジタル回路との相性が良く、一般的なマイコンやCPUのクロックに利用されることが多いです。

そのため、使用する回路構成に合わせてオシレーターを選択することで、システム全体の設計がスムーズになるでしょう。

振動耐性

オシレータは振動や衝撃によって周波数が変動する場合があるため、車載や産業機器などのハードな環境下では振動耐性の高いモデルが重要になります。

例えば、MEMSオシレータは衝撃や振動に強い設計が可能であり、安定動作を求められる分野で大いに活用されていますが、標準的な水晶オシレータはコスト面で優位ですが、衝撃に弱い点を考慮する必要があります。

電源電圧範囲

オシレータが動作する電源電圧範囲が広いほど、様々な環境で運用しやすくなります。

VCOのようなモデルは電圧によって周波数を変化させる設計上、比較的幅広い電源電圧に対応できる場合が多いです。

一方、固定電圧オシレータは設計がシンプルでコストを抑えられる反面、利用できる電源環境が限られます。

以上より、自社の電源仕様を踏まえて最適な選択を行うことが肝心でしょう。

出力電力

オシレータの出力電力が高いと、信号を遠くまで伝播させる必要がある通信機器などに役立ちますが、その分消費電力が増加するためバッテリー駆動では不利になります。

逆に低出力のオシレータはバッテリー寿命を延ばせる一方、カバー範囲や信号強度に制限が生じます。

まとめると、開発する機器の使用条件や電源確保のしやすさを踏まえ、必要十分な出力に合わせて選定することが大切です。

【当編集部おすすめ】オシレータの代表的なメーカーの強みや特徴をを紹介

国内外には数多くのオシレータメーカーが存在し、それぞれが特色ある技術や製品ラインナップを展開しています。ここでは、代表的なおすすめの12社を取り上げ、それぞれの特徴と強みを紹介します。

セイコーエプソン株式会社

セイコーエプソン株式会社は、日本を代表する精密機器メーカーとして知られており、プリンターやプロジェクターで培った技術力を活かして高品質なオシレーターを提供しています。

水晶オシレーターやTCXO、OCXOなど幅広い製品を扱っており、通信機器や時計、コンピュータなど、正確な周波数制御が求められる分野で採用されています。

京セラ株式会社

京セラ株式会社は、セラミック製品から電子部品まで幅広い事業を展開する総合メーカーです。

水晶オシレーターやセラミックオシレーターを製造しており、高い精度と耐久性を兼ね備えたデバイスを提供しています。

例えば、通信機器や自動車、医療機器など、多岐にわたる業界で使われており、素材技術と電子部品のノウハウを活かした製品開発が強みです。

村田製作所

村田製作所は、電子部品のグローバルサプライヤーとして世界的な知名度を持ち、MEMSオシレーターや水晶オシレーター、セラミックオシレーターなど多様な製品をラインナップしています。

スマートフォンやウェアラブルデバイス、自動車などの分野に強く、小型・軽量で振動や衝撃に強い製品づくりが特徴です。最新技術を取り入れた製品群は、安定性と省電力性を両立しています。

日本電波工業株式会社

日本電波工業株式会社は、水晶デバイスの専門メーカーとして長年の実績を持ち、TCXOやVCXOなど精度が重視されるオシレーターの分野で高い評価を得ています。

通信機器や放送機器、計測機器など、厳密な周波数管理を要する業界で数多くの実績を重ねており、製品の品質管理体制が充実している特徴があります。

リバーエレテック株式会社

リバーエレテック株式会社は、水晶デバイスを中心に製品開発を行う企業で、水晶オシレーターやTCXO、OCXOなどの高精度品を得意としています。

通信や医療、産業機器といった分野で採用され、安定したタイミング制御が求められる場面で活躍しています。また、自社の技術力を活かし、厳しい環境下でも動作する高品質なオシレーターを提供している点が強みです。

シチズンファインデバイス株式会社

シチズンファインデバイス株式会社は、シチズングループの一員として培った時計製造のノウハウを基盤に、水晶オシレーターやTCXO、OCXOなど精密度の高いデバイスを提供しています。

長年蓄積されてきた微細加工技術と品質管理が強みであり、時計や通信機器、産業機器など高い精度と信頼性が求められる領域に多数導入されています。

SiTime Corporation

SiTime Corporationは、シリコンMEMS技術を用いたオシレーターで注目を集める企業です。MEMSオシレーターは小型かつ耐振動性に優れ、温度補償や周波数調整の柔軟性も高いです。

そのため、スマートフォンやIoTデバイス、自動車などのモバイル用途や環境変動が激しい分野での採用が進んでおり、省電力性や拡張性を追求した製品開発が特徴となっています。

株式会社大真空

株式会社大真空は、水晶デバイス専業メーカーとして長い歴史を持ち、TCXOやVCXOなどハイエンドのオシレーターも数多く手がけています。

通信機器や医療機器、産業機器などの用途で信頼性の高い実績を築いており、海外市場にも積極的に進出中です。製品の幅広さに加え、技術力とカスタマイズ対応力の高さが評価されている。

株式会社光陽精密

株式会社光陽精密は、精密機器の製造を得意とする企業で、水晶オシレーターやセラミックオシレーターを取り扱っています。

通信機器や時計、産業機器など、高い信頼性が要求される分野に数多く実績があり、小型化や省電力化にも積極的に取り組んでいます。工程管理と品質保証に重点を置いた体制を築いている点が特徴的です。

株式会社ソラチ・クォーツ

株式会社ソラチ・クォーツは、水晶オシレーターを専門的に製造している企業であり、通信や時計、産業機器など幅広い分野で採用されています。

コストパフォーマンスに優れたラインナップから、高精度なモデルまで多様に揃えており、用途に応じた選択肢を提供することで評価を得ています。

株式会社アイソトロニクス

株式会社アイソトロニクスは、水晶オシレーターを主力製品とする企業で、通信機器や計測機器、産業機器などでの導入が盛んに行われています。

小型モデルから高精度モデルまで幅広いバリエーションを取りそろえ、顧客の要望に応じたカスタマイズにも柔軟に対応可能です。長年培ってきた技術力と徹底した品質管理が顧客からの信頼を支えています。

日興電子株式会社

日興電子株式会社は、水晶オシレーターを中心に製造を手がける企業で、通信機器や計測機器、産業機器など多彩な領域で採用が進んでいます。

長期的に安定した周波数を提供できる製品づくりに注力しており、温度変動や振動などの外的要因に対する耐性も高く設計されています。価格と品質のバランスを重視しながら幅広い需要に応えている点が強みです。

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