理論
電験三種 令和7年度下期 理論 問13
問題・正答・学習用解説
問題
水晶振動子と水晶発振回路に関する記述として，誤っているものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。選択肢
正答と解説
正答：（3）
正答の考え方
正解は(3)です。水晶発振回路は、LC 発振回路の『コイル（インダクタ）』の部分を水晶振動子に置き換えたものです。水晶振動子は、直列共振周波数と並列共振周波数の間の非常に狭い帯域で誘導性（コイル的）リアクタンスを示し、しかも Q（尖鋭度）が極めて高いため、その帯域で安定したインダクタとして働きます。これを LC 発振回路のコイルの代わりに使うことで、周波数安定度の高い発振が得られます。したがって「LC 発振回路のコンデンサを水晶振動子に置き換えたもの」とする(3)の記述は誤りです（正しくはコイルの置き換え）。
各選択肢の解説
選択肢1
正しい記述です。水晶振動子は薄い水晶片を二つの電極で挟んだ構造で、圧電効果により機械的に振動します。誤りを問う設問なので、これは答えではありません。
選択肢2
正しい記述です。水晶振動子の等価回路では直列共振周波数と並列共振周波数の差が非常に小さく、これが安定な共振特性と高い周波数安定度の源です。
選択肢4
正しい記述です。水晶振動子は Q が極めて高く周波数安定度に優れるため、LC 発振回路に比べ周波数変動が非常に小さくなります。
選択肢5
正しい記述です。水晶発振回路を基準とする周波数シンセサイザは、安定な周波数源として無線送信機などに利用されます。
周辺知識
水晶振動子は、水晶（石英）の薄片を二枚の電極で挟み、圧電効果（電圧をかけると変形し、変形すると電圧を生じる現象）を利用して機械的に共振させる素子です。電気的等価回路は、直列の L・C・R（機械的共振を表す）と、それに並列な電極間容量 から成り、直列共振周波数 と並列共振周波数 をもちます。両者の差は非常に小さく、その間の狭い帯域でのみ誘導性となるため、発振周波数がこの狭帯域に固定され安定度が高くなります。Q は数万〜数十万と LC 共振回路（せいぜい数百）よりはるかに高く、温度変化や負荷変動による周波数変動が小さいのが最大の利点です。この高安定性から、クロック発振、周波数カウンタ、無線送信機の周波数シンセサイザの基準源、時計（クォーツ）などに広く使われます。発振の基本条件（バルクハウゼンの条件：ループ利得1以上・位相一巡0）も合わせて理解しておくとよいでしょう。