コヒーラ検波器

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Cohere.jpg
初期型コヒーラ(検証用復元品)

コヒーラ検波器(コヒーラけんぱき)は無線通信の黎明期に発明された電磁波検出装置である。1890年金属粉末の電気伝導性を研究していたエドアール・ブランリーによって金属粉末に高周波が到来すると電気抵抗が激減、直流電流が流れる現象が確認された。この現象をリヴァプール大学教授のオリバー・ロッジ検波器に応用、1894年、王立アカデミーで発表した。現象の発見当時、その現象は高周波により電極と金属粉末同士が「密着する」ためであると考えられ、"cohere"(密着する)から「コヒーラ」と呼ばれるようになった。

概要[編集]

普通、一対の金属電極間に金属の粒、粉、小片など(以下金属粉とする)をゆるく挟み込み、絶縁容器などに納めた構造のものをコヒーラという(ブランリー本人はコヒーラではなく、「ラジオコンダクタ」と命名したとされる。実用に供されるものはガラスなどの絶縁管に電極と金属粉を納めた構造のものが一般的であるため、彼の名にちなんで「ブランリー管」ともいう)。通常、コヒーラの電極間の電気抵抗は高抵抗値を示すが、電磁波を受けると電気抵抗が減少、ほぼ短絡状態となり不可逆となる。すなわちコヒーラは電磁波を電極間の電気抵抗値の変化として検出するものである。電極間の電気抵抗が減少して不可逆となる状態をコヒーアという。コヒーアを解除して電極間の電気抵抗値をもとの高抵抗値に復帰させるためには、コヒーラに機械的な振動や衝撃を与える必要がある。コヒーラに機械的な振動や衝撃を与える操作をデ・コヒーアと呼び、機械的な振動や衝撃を与える機構をデ・コヒーラという。コヒーラのみをコヒーラ検波器と呼ぶこともあるが、コヒーラとデ・コヒーラは普通、一体として用いられることから、コヒーラとデ・コヒーラをあわせた装置全体をコヒーラ検波器と呼ぶことが多い。

動作[編集]

コヒーラの動作は長年、謎あるいは仮説とされていた部分が多かったが、近年になってほぼその全容が解明されている。

すなわち巨視的には電極間に高周波電力を印加すると、電極と金属粉、金属粉同士の微小な接触部分に生じる電界集中により、それぞれの表面を覆っている、自然に、もしくは人工的に形成された、通常は高い電気抵抗を有するごく薄い金属化合物膜(酸化水酸化膜など)が電圧により降伏、続いてこの部分に集中する電流によって金属化合物膜が破壊され、下地の金属同士が接合してほぼ短絡状態となることによる。従って高周波電力のみならず、静電気などに対しても動作する。デ・コヒーアにより機械的にこの接合が解除され、もとの高電気抵抗値となる[1][2]

また微視的には、コヒーアの開始(導通の開始)はショットキー接合部の格子欠陥によるヒステリシス現象による。すなわち金属化合物膜は微細孔を多く持つ薄膜、すなわち半導体であり、その微細孔の内側表面には多くの格子欠陥があり、集中した電流によって発生する、ショットキー障壁を越えた余分なエネルギーを持つ電子によって、金属化合物の価電子帯から励起された電子がこの格子欠陥部に形成された高密度の界面準位にトラップ、このトラップされた電子の持つ電荷により、ショットキー障壁はトンネル効果の発生する厚さ以下となり、いわゆるトンネルリングスポットを通して通電するようになるためであることがわかってきた[3]。また微小な接触部分に生じる金属接合についても、従来の仮説(溶着現象)が実験によりほぼ確かめられている[4]

すなわち永年言われてきた微小な接触部分に生じる「金属溶着」は、導通の結果、二次的に生じるもの、コヒーラの導通開始には関係なく、従って例えば電極が金属と溶着しない非金属導体(炭素など)であってもコヒーア現象は出現するのである[5]

材料[編集]

電極に適する材料は湿度などの環境影響をできるだけ受けないものがよく、金属粉に適する材料は、その表面に環境影響をできるだけ受けない上述の適当な薄膜、すなわちトンネル現象を生じる程度の薄膜を形成するものであり、ニッケルアルミニウムがその代表とされるが、他に、亜鉛、さらには真鍮などの合金、その他多くの金属材料で、その現象・動作を確認することができる。

実用[編集]

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コヒーラの発明当時に他に便利な検波器はなかったため、各国で改良、生産され、無線通信(電信)の実用に広く供された。初期のコヒーラは主として電極間にニッケルと銀の混合粉をゆるく挟み、湿度などの環境影響を抑えるために低真空のガラス管中に封じ込んだものであった。金属粉同士および金属粉と電極の接触状態により特性が変わるため、このタイプのコヒーラの電極は金属粉との接触面を斜めとし、管を回転させて特性調整ができるように工夫されているものが多い(電極が斜めであれば、金属粉がばらばらになりやすく、デ・コヒーアが容易であることもある)。他に、可動電極により特性調整するようにしたものもある。 初期のマルコーニ社製の無線電信機、タイタニック号日露戦争当時の日本海軍でも使用されていた。

なお、グリエルモ・マルコーニ大西洋横断無線通信実験に用いたコヒーラは、インドのジャガディッシュ・チャンドラ・ボースの発明した、デ・コヒーラ不要の水銀を用いたコヒーラを応用したものである。このコヒーラは一種の半導体ダイオードである。

実用されているコヒーラ検波器の例(避雷センサ)
避雷センサ用コヒーラ

上図は初期の火花式無線電信装置のモデルである。送信機火花送信機)で電鍵をONとすると、誘導コイルの1次側に電流が流れ、断続器接点が開放される。断続器の接点が開放されると誘導コイルの1次側の電流が途絶え、断続器の接点は再び閉ざされる。この接点開閉により誘導コイルの2次側には大きな電圧が生じ放電電極に火花放電が発生、この火花放電により電磁波が発生し、送信アンテナより電磁波が空間中に放射される。電鍵がONとなっている間、断続器の接点は短時間に開閉を繰り返すため、電鍵がONとなっている間、電磁波は放射され続ける。電鍵をONにする時間を変えることにより電磁波の放射時間を変える。この時間の変え方をモールス符号とすると、電磁波のON、OFFの形で文字情報を送り出すことができる。受信機では受信アンテナがこの電磁波を受け、コヒーラが短絡状態となって回路が閉じ印字機などが動作して電磁波の到来を検出、デ・コヒーラが動作してコヒーラをデ・コヒーアする。印字機などの動作は電磁波のON、OFFを反映したものとなり、モールス符号を再び文字とすることができる。

コヒーラ検波器は無線電信にしか用いることができない、特性不安定、デ・コヒーラのため通信速度に限界があるなどの多くの欠点があり、その後より微弱な電磁波を検波し、無線電話にも用いることのできる鉱石検波器二極真空管(ダイオード)が発明された事により徐々に廃れ、実用の無線通信に供されることはなくなったが、玩具、教材用として、古くは増田屋ラジコンバス、最近では科学教材(学習研究社ラジオコントロールカーなど)に用いられている。

コヒーラは二極真空管や半導体ダイオードとは検波原理が異なる。すなわちコヒーアは、金属粉表面のごく薄い金属化合物膜の破壊によるものであり、ショットキーバリアダイオードの短絡故障現象に近い。また金属化合物膜が降伏してコヒーアに至るまでの間、電圧制限特性を有し、わずかな電力でも短時間でコヒーアする。すなわちコヒーラは一種の避雷器サージ防護デバイス)でもある。このため19世紀中、避雷器として電信線に使用されたこともあるが、避雷器はサージ終息とともに瞬時復帰することが必須であり、サージを受ける度にデ・コヒーアしなければならないコヒーラは不適当であった。しかし一方で、電源を切ってもコヒーアを保持するコヒーラは、サージ検出・記録素子として利用できるため、近年、落雷から電源などを保護するためのシステムを動かす、避雷センサ用などに改良され、再び実用に供されている。またその微視的動作原理の研究成果から、コヒーア現象を破壊的なもの、すなわち金属接合となるまで使うことなく、電圧の印加のみによって復帰させることのできる範囲にとどめることにより、新しい不揮発性メモリなどの実用化が期待できるようになっている。日本では、平川製作所が実用コヒーラの一般向け販売を行っている[6]

参考文献[編集]

  1. ^ 高機能性素材を用いたコヒーラおよびこれを用いた雷検知器並びに雷地絡器(特許第4295698号)
  2. ^ コヒーラ型サージアブソーバ(特許第4519059号)
  3. ^ ショットキー接合型不揮発性メモリ(特許第3897754号)
  4. ^ THE EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL B
    Nonlinear electrical conductivity in a 1D granular medium(Eur. Phys. J. B 38, 475–483 (2004)DOI: 10.1140/epjb/e2004-00142-9)
  5. ^ 平川製作所 カーボンアルミニウムコヒーラ
  6. ^ 平川製作所 コヒーラ NEW RC HW-CS-1FF

特許公開公報[編集]

  • 雷検知器(特許第3266884号)
  • 微弱な電気的衝撃を検知する高感度コヒーラ(特許公開平9-180911)
  • 球状金属粉を内蔵するコヒーラとデコヒーラを用いた電界検出装置(特許公開2000-55960)
  • 自動復帰型コヒーラ検電器(特許公開2002-221542)
  • Apparatus for detecting damped wave disturbances (USP5,399,962)

外部リンク[編集]