「電話ってなぜ繋がるの？」
「電話の仕組みってどうなっているの？」
電話は19世紀後半に発明されて以来、人類のコミュニケーションの方法を根本的に変えた革命的な技術です。距離を超えて即時に音声を伝達する能力は、ビジネス、個人の関係、そして社会全体に多大な影響を与えてきました。
しかし、実際に電話がどのようにして繋がるのか仕組みを理解している人は少ないと思います。そこでこの記事では、電話の基本的な仕組みから最新のデジタル技術まで、電話の仕組みを理解するのに役立つ電話の発展の歴史をベースに説明していきます。
1. 糸電話の仕組みがベースに発展していった
糸電話の仕組みは電話で音声がどのように伝わるかを理解するための基本原理となります。通話者が紙コップの底に向かって話すと、その声が音波として紙コップの底に伝わります。この音波は、紙コップの底を振動させ、振動する紙コップの底は、糸にその振動を伝えます。糸は、この振動をもう一方の紙コップに伝えることで音声が聞こえるようになります。このように電話は物理的な線（糸）によって音声を伝えています。
以降は、電話がどのように発展したのか電話の歴史をもとにして、電話の仕組みをより詳しく解説します。
2. 電話はどのように発展してきたのか？それぞれの仕組みも解説
電話の仕組みを理解するために電話の歴史を振り返ってみます。歴史を見ながら、各時代の電話がどのような仕組みで動いていたのかを以下の流れで解説しましょう。
- 初期の電話システム
- 手動交換機の時代
- 自動交換機の登場
- アナログからデジタルへ
- 現代の電話システム
- IP電話
（1）初期の電話システム
糸電話は糸で音の振動を伝えていましたが、初期の電話システムではそれが銅線に変化しました。初期の電話システムは、2台の電話機を直接銅線で接続し、各電話機にはバッテリー、マイクロフォン、スピーカーが搭載されており、比較的簡単な構造でした。
基本的な電話の仕組みは、まず電話機の送話器に話しかけると、声の振動がマイクロフォン内の振動板を振動させます。この振動板が音波を電気信号に変換し、マイクロフォンで変換された電気信号は、銅線を通じて伝送されます。電気信号は銅線を経由して、受信側の電話機に到達します。
受信側の電話機では、到達した電気信号がスピーカー内の電磁石を動かします。この電磁石の動きにより、スピーカーの振動板が振動し、この振動が空気を介して再び音波（音声）に変換されることで、離れた場所にいる相手と会話ができるようになります。
1876年にアレクサンダー・グラハム・ベルが特許を取得したことが電話の始まりとされています。同じ年、ベルと助手のトーマス・オーガスタス・ワトソンが電話機を使って声を伝えました。これで電話機で通話が出来ることを証明したのです。
ちなみに、イタリア生まれのアントニオ・メウッチが移住先のアメリカでベルよりも早い1854年に電話機の試作品を完成させていました。しかし、彼は資金不足で、特許の出願が出来ず、1871年にようやく仮特許を取得したものの、数年で執行しました。したがって、最初の電話を作ったのはメウッチですが、特許を取得したベルの方が有名になりました。
（2）手動交換機の時代
電話の普及に伴い、多数の加入者を効率的に接続する必要が生じ、単純な直結方式では対応しきれない状況が生まれたため、手動交換機が導入されました。各家庭や事業所の電話機は、地域の電話局に設置された手動交換機をハブとして、銅線で物理的に接続されていました。
手動交換機の仕組みを詳しく解説すると、次のようになります。
- 発呼者が電話機に付いているハンドルを回すことで発電し、交換手へ発呼を知らせる
- 交換手が発呼者が繋がれているジャックへ紐のついたプラグを差し込んで応答する
- 交換手が接続先を聞き、反対側のプラグを被呼者が 繋がれているジャックへ差し込んで接続し、通話が出来るようになる
このように手動交換機により、多数の電話回線を一箇所で管理できるようになったおかげで、効率的な回線の利用と管理が可能となりました。また、呼び出し音や通話中信号などの機能もこの頃に追加されました。
日本で最初に導入された電話システムも、電話交換手が手動で電話同士を接続する手動交換機でした。
（3）自動交換機の登場
手動交換機の時代には電話をかける際に交換手を呼び出し、接続先を口頭で伝える必要がありました。しかし、自動交換機では発信者がダイヤルを回すことで生成される電気パルスが、電話回線を通じて交換機に送られ、交換機内の機械が自動的に回線を選択して接続できるようになりました。そのため、交換手を必要とせず、24時間365日のサービス提供が可能になりました。また、機械による処理は人間よりも高速で正確であり、接続時間が大幅に短縮されました。
自動交換機の仕組みは、発信者がダイヤル式電話機で番号を回すことから始まります。ダイヤルを回すことで、電話機内部で電気信号が生成され、各数字に応じた回数の電気パルスが発生します。例えば「3」をダイヤルすると、3回のパルスが生成される仕組みです。
生成された電気パルスは電話回線を通じて交換機に送られ、交換機内の選択機が受け取ります。この選択機は、受け取ったパルス信号に基づいて動作し、適切な回線を自動的に選択します。そして、選択された回線を通じて通話相手の電話に自動的に接続され、呼び出し音が鳴ります。相手が応答すると、通話が開始されます。
（4）アナログからデジタルへ
これまでの電話機は音声をアナログ信号に変換して、伝送する仕組みを採用していました。しかし、アナログ信号には長距離伝送時の信号の劣化が大きな欠点となっていました。
こうした背景のもと、デジタル技術への移行が進められました。デジタル通信では、音声をデジタル信号に変換し「0」と「1」の二進数データとして送受信します。デジタル信号はノイズや干渉の影響を受けにくく、長距離伝送でも高品質な音声を維持できます。また、エラーを訂正する技術を用いることで、伝送中に生じた誤りを検出し修正することも可能になりました。
このように、アナログ通信の欠点を克服し、より高品質で効率的な通信を実現するため、電話システムはデジタル化へ進みました。
（5）現代の電話システム
1990年代後半になると人々のモビリティが高まり、どこにいても通信できる携帯電話への需要が増大した一方で、これまでの電話システムではその需要に対応できなくなっていました。そこで導入されたセルラーネットワークによって、携帯電話通信が実現され、広範囲での通信が可能になりました。
セルラーネットワークは地理的なエリアを小さな区画（セル）に分割します。各セルには基地局が設置され、この基地局が携帯電話との通信を担当します。携帯電話を使用すると、デバイスは最も強い信号を持つ近くの基地局に接続します。通話やデータ通信の要求は、この基地局を通じてネットワークに送られます。基地局は、受信した信号を中央制御局に転送します。このセンターが通話やデータの経路を決定し、適切な宛先に接続します。
ユーザーが移動すると、携帯電話は常に最適な基地局との接続を維持します。あるセルから別のセルに移動する際、「ハンドオーバー」と呼ばれるプロセスが自動的に行われ、通信が途切れることなく新しい基地局に引き継がれます。各セルは特定の周波数帯を使用し、隣接するセルとは異なる周波数を使うことで干渉を防ぎます。これにより、同じ周波数を複数の隣接しないセル同士で再利用でき、限られた周波数を効率的に活用できるようになりました。
（6）IP電話
セルラーネットワークの導入により、携帯電話の利用は急速に拡大しました。しかし、セルラーネットワークは依然として専用の通信インフラに依存しており、通信コストやインフラ整備の面で制約がありました。そこで登場したのがIP電話です。IP電話は、インターネットにおける通信に利用されるインターネットプロトコル（IP）を使って、音声を送受信します。これにより、従来の電話回線を使用せずに、インターネット回線を通じて通話が可能になりました。
IP電話では、通話者の音声はデジタル信号に変換されます。この変換された音声データは、小さなパケットに分割され、各パケットには送信元と宛先のIPアドレス、シーケンス番号などの情報が付加されます。これらのパケットは、ユーザーのインターネット接続を通じてインターネットに送出されます。インターネット上のルーターは、各パケットの宛先情報を読み取り、最適な経路で宛先に向けてパケットを転送します。
パケットは最終的に受信者のIP電話機器に到達し、受信側の機器は到着したパケットを正しい順序で再構成します。再構成されたデジタル信号は、再びアナログ音声信号に変換され、スピーカーから再生されて受信者に届きます。
このようなIP電話によって、インターネット回線があれば、場所を選ばずにパソコンやスマートフォンなど、さまざまなデバイスから通話が可能になりました。また、長距離通話や国際通話では、従来の固定電話と比べて大幅にコストを削減できるようになりました。
電話通信に関するご相談はソフトフロントジャパンへ
この記事では、電話通信に関する仕組みとその進化について解説しました。電話通信技術は日々進化を続けており、ビジネスや個人の日常生活に大きな影響を与えています。特に近年では、WebRTCやクラウドPBXなどの通信ソリューションが注目を集めています。これらの技術は、通信コストの削減や柔軟な拡張性、高度な機能性など、多くのメリットをもたらしてくれます。
しかし、最適な通信システムの選択や導入には専門的な知識が必要です。そこで、電話通信の技術を活用したい方や、自社のコミュニケーションシステムの最適化を検討している方は、ぜひソフトフロントジャパンまでご相談ください。当社は長年の経験と最新のデジタル技術を駆使し、お客様のニーズに合わせた通信インフラの構築や最適化をサポートいたします。