ESP32-C3で作るJJYシミュレーター【Arduino】

Posted at 2025-08-15

はじめに

我が家は鉄筋コンクリート造のため、窓から離れた場所だと電波時計の時刻が自動で合いません。
電波時計って、頻繁に時刻合わせをする事が前提なのか、放っておくと時刻のズレ方が他の時計よりも大きい気がします。
せっかくの電波時計なのに、頻繁に時刻合わせをするのが地味にストレスです。
「だったら、自分で電波を出せばいいじゃないか！」
そう思った瞬間から、今回の工作が始まりました。

JJYの電波って？

まずは、電波時計の時刻合わせに使われるJJYの電波について調べました。

電波時計に使われるJJYの電波は、東日本では福島県から40kHz、西日本では九州から60kHzの標準電波が出ています。

JJYは、1秒ごとに40kHzまたは60kHzの搬送波を使って、1ビットずつ情報を送っている信号です。
1分間で送られるのはちょうど60ビット。つまり、1ビット＝1秒のペース。

各ビットの意味はシンプルで、

秒の情報（1〜59秒）
分・時・日・曜日・うるう年
パリティビット
将来拡張用の空きビット

などが含まれています。

ビットの種類は3種類：

ビット種別	パルス長（無変調時間）	意味
0ビット	約0.8秒	論理0
1ビット	約0.5秒	論理1
マーカー	約0.2秒	区切り

60秒のうち、毎分0秒はマーカー になっていて、
59秒もポジションマーカーになっているので、マーカーが2回連続すると、
それが時刻（分）の先頭の印になります。

詳細は、国立研究開発法人情報通信研究機構(NICT)の日本標準時グループのサイトを見てください。
信号パターンについては、ここに記載されています。

最初の実験：ESP32 DevKit＋即席コイル

まずは原理が本当にうまくいくのかを試すため、机の引き出しからESP32 DevKitを取り出し、手元にあったポリウレタン線をぐるぐる巻きにしました。

直径約5cmの型に数十回巻く
テープでぐるっとまとめる
GPIOからPWMで40kHzの搬送波を出力
表示はなし（シリアルのログだけ）
Wi-Fi接続先はソースコードにベタ書き

見た目は小学生の自由研究みたいですが、時計を数十センチ（実用的には30cm以内）に近づけたところ、
電波時計のアンテナマークが点灯して、数分後に「ピッピッ！」っと音がして時刻が合いました。
─その瞬間、「これはイケる」と確信しました。
初回のテストでは、変な日時に設定されましたが、それはすぐに修正。

基板化への決断

原理が確認できたら、次は日常で使える形にしたくなります。
そこでKiCadを立ち上げて基板設計開始。ここでアンテナをどうするかが悩みどころでした。

フェライトバーアンテナ
Aitendoにいろんなサイズがあって効率も期待できる。
ただしコストがかかり、サイズも大きくなる。
PCBアンテナ
基板上にパターンで形成でき、部品代ゼロでコンパクト。
ただし効率は未知数。

悩んだ末、今回は手軽さとコンパクトさを優先してPCBアンテナを採用しました。

PCB版の構成

MCU：ESP32-C3（Arduino）
機能：
- Wi-Fi経由でNTPから時刻取得
- PWMで40/60 kHz JJYパターン生成
- OLEDに現在時刻を表示
電源/書き込み：USB Type-C
アンテナ：基板裏の螺旋パターン
設計：KiCad（回路・基板）、Fusion360（ケース）
発注：JLCPCB（基板＆3Dプリント）

回路図（クリックでPDF）

主なピン

機能	GPIO	備考
JJY PWM出力	10	変調された信号を出力
CONFIGスイッチ	9	Wi-Fi設定用（BOOTピンと兼用）
WiFi LED	5	動作中LED
Wave LED	0	状態表示用LED
OLED Reset	2	OLEDモジュールリセット
OLED SDA	7	OLED I2C データ
OLED SCL	6	OLED I2C クロック

初版はOLED配線ミス→ジャンパーで救済。次ロットで修正。

修正済みの完成基板

PCBアンテナの事情と限界

このアンテナ、RF設計的にはかなり大雑把です。
マッチング回路なんて無いも同然で、専門家に見せたら確実に突っ込まれるレベル。
正直「電波が出ているだけでも奇跡」と思っています。

実用距離：30cm以内
目覚まし時計の横に置いて数分放置すれば同期しますが、それ以上離すと厳しいです。
理由：JJYは40kHz/60kHzという低周波数帯で波長が非常に長く、物理的に小さいアンテナはどうしても効率が落ちます。

それでも、コンパクトで部品追加なしというメリットは大きく、今回は割り切りました。

改良の余地

RFに詳しい方なら、以下のような改良で効率を上げられます。

外付けフェライトバーアンテナ化
LC共振回路の追加
アンテナパターンの巻き数・寸法調整
出力段の駆動方式見直し（Hブリッジ化など）

「もっと飛ぶようになるよ！」というアドバイスがあれば、ぜひコメントで教えてください。
自分でも試してみたいです。

ケース

Fusion360で設計→JLCPCBで3Dプリント。
OLEDがあるので、透明樹脂で作成しました。
初版はRESET/CONFIG穴の位置がずれて押せず…
図面修正版をGitHubに置いています。

ソフト概要

主な機能

Wi-Fi設定：起動後5秒以内にCONFIG押下→APモード→ブラウザでSSID/Key保存
時刻同期：NTP取得→内部タイマでランニング
信号生成：ledcWrite()で40/60 kHz、1秒単位で断続
表示：OLEDに時刻などの情報を表示

実際のJJYでは、毎時15分などは特別なフォーマットになっているのですが、
今回は時刻合わせが目的なので、すべてが同じフォーマットで送信しています。

開発環境

Arduino IDE 2.3.6
追加ボードマネージャ
- https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json
- ボード : ESP32C3 Dev Module
使用ライブラリ
- ThingPulse / ESP8266_and_ESP32_OLED_driver : v 2.0.17
  https://github.com/ThingPulse/esp8266-oled-ssd1306
- tzapu / WiFiManager : v 4.6.0
  https://github.com/tzapu/WiFiManager

実用メモ

置き方：時計の横に置いて数分で同期（30cm以内）
注意点：金属筐体やノイズ源の近くでは感度低下
用途：家庭内の時計合わせ、受信機テスト、教育用途

室内・微弱運用を前提としています。関係法令・規格に沿って使用してください。

リポジトリ

Arduinoスケッチ（ESP32-C3）
KiCad設計データ
3Dケース（STEP）

👉 https://github.com/shachi-lab/jjy_sim_esp32_c3

まとめ

即席コイルでの原理検証からスタート
基板化で日常使い可能な形に
PCBアンテナは効率低いが近距離なら十分
改良余地は多いので、アイデア募集