為什么Epson Toyocom可以成為石英晶振制造商的首長
　　在2005年，東洋通信設(shè)備株式會社與精工愛普生石英設(shè)備部門合并為愛普生東洋公司。東洋通信設(shè)備公司歷史悠久。其前身創(chuàng)建于1891年，之后該公司開始發(fā)展其制造電信設(shè)備的主要業(yè)務(wù)。令人印象深刻的是他們的技術(shù)實力，該公司的無線電收音機被用于第二次世界大戰(zhàn)中被稱為“零”戰(zhàn)斗機的戰(zhàn)斗機。盡管東洋通信設(shè)備公司最初是一家電信設(shè)備制造商，但它在20世紀80年代到21世紀初被稱為石英晶振設(shè)備制造商。從電信設(shè)備制造商到石英設(shè)備制造商 - 這一轉(zhuǎn)型背后的刺激因素是“人造石英的工業(yè)化”。在本期的QMEMS故事中，我們遵循了在日本首次成功實現(xiàn)人造石英工業(yè)化的工程師的努力。
　　第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后差不多10年后，一些歡呼聲回到了街頭人們的面前。所謂的“吉姆經(jīng)濟”開始了，國家開始興盛繁榮。
　　作為電信設(shè)備制造商，東洋通信設(shè)備有限公司也不例外，其業(yè)務(wù)績效顯著提高。該公司的產(chǎn)品銷售很快，并非常受歡迎。雖然日常生活對于員工來說很忙，但他們沒有抱怨，因為他們感到滿足感。
　　無線通信設(shè)備銷售得特別好。電力公司的短波無線電話，鐵路使用的便攜式收音機以及索道使用的甚高頻（VHF）無線電設(shè)備等需求猛增。另外，日本電報電話公司（現(xiàn)稱為'NTT'）的有線通信設(shè)備，如繼電器和開關(guān)，也開始全面擴張市場。所有員工都確信他們確實處于一個非常光明的未來的邊緣。
　　然而，在1954年，當(dāng)一個新問題開始出現(xiàn)時，這些希望迅速被粉碎：石英材料供應(yīng)不足。
　　有些讀者可能會問，為什么石英的供應(yīng)不足會成為如此嚴重的問題。事實上，石英材料對無線電和有線通信設(shè)備的運行至關(guān)重要。使用石英材料制造的晶體單元能夠產(chǎn)生非常穩(wěn)定的頻率信號。該信號對于這些設(shè)備彼此進行通信是必不可少的，并且沒有晶體單元，它們不能起作用。換句話說，晶體單元充當(dāng)電信設(shè)備的“核心”。即使在今天，這一重要作用仍然沒有改變
　　實際上，早在第二次世界大戰(zhàn)之后，水晶裝置早已陷入短缺的危險之中，因為需要天然石英來制造它們。雖然日本能夠開采一定量的天然石英，但很難找到質(zhì)量好，雜質(zhì)少，不含雙晶的大塊（兩個相互對稱的晶體的聯(lián)合使其不能用于石英裝置）。在那些日子里，巴西是唯一一個能夠在這種程度上發(fā)現(xiàn)大型石英塊的國家。
　　然而，不久之后，即使在巴西也很難獲得大型優(yōu)質(zhì)石英塊，因為石英材料對彈藥來說非常重要。據(jù)現(xiàn)任東京工業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院講師的Kunihiko Nagai先生介紹，他曾參與過東洋通信設(shè)備公司的人造石英開發(fā)，“幾乎所有的礦山都能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。大塊的天然石英是由美國陸軍控制的，但是我們從日本到巴西旅行，并且能夠確保我們需要的天然石英。“
　　這種危機措施可能足以在任何其他需求相對較低的時期推翻公司。然而，在歷史上蓬勃發(fā)展的經(jīng)濟刺激下，需求繼續(xù)大幅上升。'創(chuàng)可貼的方法'不再有效。如果沒有石英材料，該公司將無法繼續(xù)制造其無線電收音機。石英材料不足的問題實際上是東洋通信設(shè)備公司的生死攸關(guān)的問題。
　　為了克服這個緊迫的問題，會議繼續(xù)在公司的川崎工廠每晚深夜進行。隨著會議數(shù)量的增多，有關(guān)各方的意見逐漸趨于單一方向。也就是說，如果他們無法獲得大量天然石英塊的供應(yīng)，他們將不得不制造他們自己的人造石英。
　　當(dāng)然，他們遇到了一些阻力，因為他們是否真的可以用足夠大的碎片真正制造出高質(zhì)量的石英。盡管如此，他們還沒有找到比這更好的潛力。他們知道原則上他們應(yīng)該能夠制造人造石英，如果他們能夠?qū)崿F(xiàn)這一點，那么手頭的關(guān)鍵問題就會得到解決。隨著決定，他們開始致力于研究人造石英的制造。
　　但是，東洋通信設(shè)備公司是電信設(shè)備制造商。雖然他們有信心制造用于其電信設(shè)備的晶體單元的技術(shù)能力，但他們需要從開始制造人造石英技術(shù)開始時就開始。然而，他們沒有足夠的時間來重復(fù)嘗試和錯誤的過程，直到他們最終成功。他們需要外部研究機構(gòu)的幫助，以便在短時間內(nèi)開發(fā)人造石英。接下來的問題是哪個研究機構(gòu)要接近......

圖1：人造石英
　　這是目前由Seiko Epson制造的人造石英的一個例子。該公司現(xiàn)在能夠生產(chǎn)完全透明的大塊人造石英。然而，當(dāng)最初開始開發(fā)時，他們只能創(chuàng)建顏色非常小的碎片，不清晰。

　　正當(dāng)他們在思考下一步時，一篇名為“山梨大學(xué)成功合成人造石英”的報紙發(fā)表了。這確實是一個完美的時機。東洋通信設(shè)備公司立即派出了兩名員工古賀先生和福永先生前往位于大學(xué)所在的山梨縣的甲府市。在那里，他們會見了Minoru Kunitomi教授和他的助手Sadao Taki和Junpei Asahara。
　　位于山梨縣甲府市北部的Shosenkyo地區(qū)，以其豐富的天然石英而聞名。因此，毫不奇怪，山梨縣有很多公司位于珠寶拋光和珠寶制造領(lǐng)域。Kunitomi教授及其同事于1953年開始研究制造人造石英，以支持當(dāng)?shù)氐墓I(yè)發(fā)展。次年，在1954年，他們成功地生產(chǎn)了日本第一塊人造石英，使用安裝在大學(xué)屋頂上的小型高壓釜（一種用于種植人造石英的高溫高壓窯）（圖2）。Koga先生和Fukunaga先生親眼目睹了他們在報紙文章中讀到的研究成果。
　　東洋通信設(shè)備公司的兩名員工受到國富教授的熱烈歡迎。他向他們詳細解釋了制造人造石英的過程，然后向他們展示了實驗高壓釜。
　　與現(xiàn)代高壓滅菌器相比，它的尺寸非常小，尺寸為35毫米，深度為500毫米。然而，這是兩位同事中的任何一位第一次看到這樣的設(shè)備。古賀先生透露，他當(dāng)時對此印象深刻* 1）。
1）參考資料：
東洋通信設(shè)備株式會社制造的“Toyocom Monogatari”，1990年3月15日出版，第60-66頁。
Koga先生和Fukunaga先生回到川崎，在那里他們與公司總裁Saijiro Minato和負責(zé)技術(shù)的工作人員舉行會議，報告他們在山梨大學(xué)看到和學(xué)到的一切。在那次會議上沒有任何與會者反對他們：他們迅速決定與山梨大學(xué)合作，并于1955年初開始他們的研究活動。

圖2：山梨大學(xué)的高壓滅菌器
左手照片顯示了山梨大學(xué)仍然存在的最老的高壓滅菌器。這個高壓滅菌器的建成時間并不知道。該高壓釜的規(guī)格約為30毫米，深度為510毫米，繼續(xù)用于在露天講座等生產(chǎn)人造石英。右手照片拍攝于山梨大學(xué)水晶科學(xué)與技術(shù)研究所（原無機合成研究所）的地下室。過去，這里安裝了一個大型實驗高壓滅菌器。
（資料來源：山梨大學(xué)熊田伸弘教授）

　　他們開始努力制造新的高壓滅菌器。山梨大學(xué)的實驗室高壓滅菌器太小，不能工業(yè)化人造石英。一個太小的高壓滅菌器會導(dǎo)致人造石英太小。每單位成本也非常昂貴，因為只有少數(shù)晶體單元可以由一塊人造石英制造。需要更大型的高壓滅菌器來適當(dāng)降低成本并實現(xiàn)工業(yè)化。
　　憑借山梨大學(xué)國立教授的專業(yè)知識，東洋通信設(shè)備公司的團隊開始致力于開發(fā)更大的高壓滅菌器。他們生產(chǎn)的第一款機型有一個深度為800毫米的50毫米規(guī)格。接下來是一個略大的版本，規(guī)格為70-80mm，深度為1500-1600mm。最后，在1957年，他們成功地創(chuàng)造了一個更大的高壓滅菌器，其規(guī)格為120毫米，深度為2000毫米。
　　然而，他們新的更大的高壓滅菌器并不能自動保證他們能夠輕松制造大塊的人造石英。制造人造石英所用的雜質(zhì)很少，也沒有晶體缺陷，這證明是一項艱巨的任務(wù)。微調(diào)（如優(yōu)化生長人造石英的條件和定制高壓滅菌器配置）是不可或缺的過程（圖3）。
　　困擾工程師的另一件事是電力不穩(wěn)定的情況。與我們現(xiàn)代的電力不同，當(dāng)時的電力供應(yīng)在電壓波動較大的情況下可能不穩(wěn)定。
　　結(jié)果，機械溫度調(diào)節(jié)器經(jīng)常會發(fā)生故障或損壞。
　　即使在高壓釜的內(nèi)部溫度下僅僅1攝氏度的下降也可能導(dǎo)致人造石英內(nèi)的斷開區(qū)域，從而大大降低了結(jié)晶質(zhì)量。在那些日子里，在“種植”石英種子之后花了一到兩個月的時間種植人造石英，甚至生產(chǎn)小塊。因此，在非常短的時間內(nèi)溫度下降可能會瞬間破壞數(shù)月的辛苦工作。很明顯，高壓滅菌器需要持續(xù)監(jiān)測。正如Nagai先生回憶說的那樣：“當(dāng)我們種植人造石英時，我們經(jīng)常不得不在整個晚上監(jiān)視它，在我們的睡袋里快速地小睡，當(dāng)我們無法自己監(jiān)控它時，我們會要求保安看守它適合我們，如果發(fā)生了什么事，請聯(lián)系我們。

圖3：開發(fā)場景
這張照片展示了20世紀50年代末到60年代初高壓滅菌器開發(fā)的典型場景。在這里，技術(shù)人員正在推出使用新創(chuàng)建的高壓滅菌器生產(chǎn)的人造石英原型。

　　在克服了許多艱辛之后，他們終于在1959年成功制造了一塊相對較大的人造石英，表明他們已準備好開始工業(yè)化新材料。最后的障礙是增加高壓滅菌器的數(shù)量。隨著更多的高壓滅菌器，他們將能夠增加人造石英的產(chǎn)量，使他們能夠制造更多的晶體單元。當(dāng)他們在1959年初開始時，他們只有兩個深度為2000毫米的120毫米規(guī)格高壓滅菌器。
　　然而，幸運的是，他們在1959年6月得知，“人造石英的工業(yè)化”被選為理化研究所（后稱日本研究開發(fā)公司）的第一個委托工業(yè)化主題）。這使他們能夠獲得兩臺高壓滅菌器所需的資金，并獲得必要的控制設(shè)備。此外，東洋通信設(shè)備公司自己資助另外五個高壓滅菌器的生產(chǎn)，共給他們九個高壓滅菌器。他們還在川崎工廠內(nèi)安裝了一個電源設(shè)備，以穩(wěn)定電源（電壓），從而完成裝備，以滿足制造高品質(zhì)人造石英所需的一切。
　　最后，他們能夠確保足夠的人造石英供應(yīng)來制造他們的晶體裝置。最后他們能夠開始他們期待已久的量產(chǎn)。換句話說，他們第一次在日本成功實現(xiàn)了人造石英的工業(yè)化（圖4）。
　　這個故事發(fā)表在各地的報紙上。競爭對手公司也開始致力于開發(fā)自己的人造石英。雖然他們的公司從零開始，東洋通信設(shè)備與山梨大學(xué)一起克服了多年的挑戰(zhàn)和艱辛，最終成功實現(xiàn)了人造石英的工業(yè)化。他們希望確保他們能夠盡可能地繼續(xù)保持其主導(dǎo)地位。這將要求它們產(chǎn)生一系列不斷的新技術(shù)。東洋通信設(shè)備公司決定通過建立日本最高水平的智力團隊來加強其技術(shù)開發(fā)結(jié)構(gòu)。為了達到這個目標，他們從山梨大學(xué)（當(dāng)時的副教授）和Junpei Asahara招募了S S，

圖4：在批量生產(chǎn)的早期從高壓滅菌器中拉出人造石英
這張照片拍攝于1996年左右.Kunihiko Nagai先生正站在右后方。

　　在成功實現(xiàn)人造石英的工業(yè)化之后，他們的下一步努力是提高結(jié)晶質(zhì)量并制造更大的高壓釜。當(dāng)他們剛開始工業(yè)化時，他們特別為人造石英的結(jié)晶質(zhì)量所困擾。Nagai先生說，“每當(dāng)我們將人造石英帶到晶體制造部門時，他們總是回應(yīng)：”我們不能使用它！“”現(xiàn)在幾乎不可能獲得天然石英。因此，晶振制造部門別無選擇，只能不情愿地使用人造石英，并觀察其產(chǎn)量下降。
　　他們難以使用人造石英的原因是由于其結(jié)晶質(zhì)量差。當(dāng)然，如果他們發(fā)現(xiàn)晶體缺陷，仍然可以簡單地將其去除，以便僅提供相對較高質(zhì)量的部分。在外觀上，人造石英非常類似于天然石英。然而，它缺乏“三階熱性質(zhì)（使溫度和頻率變化之間的關(guān)系成為立方函數(shù)的特性）”，這被認為是石英的最大特征。這阻止了他們制造高性能晶體單元。
　　原因是非常復(fù)雜的結(jié)晶。對所制造的人造石英的石英晶體細研究表明，晶格尺寸不同于天然石英。人造石英具有較寬的含雜質(zhì)的開口。這些微觀差異不能單憑外觀來檢測，解決這個新問題將非常困難。
　　他們通過修改高壓滅菌器內(nèi)部使用的解決方案解決了這個問題。一開始，他們使用的是碳酸鈉（蘇打灰），這被美國公司廣泛使用。這種解決方案使他們能夠在高壓滅菌器內(nèi)保持足夠低的溫度和壓力，并加快人造石英生長的速度。這反過來又有助于降低成本。然而，這不利于達到與天然石英相同的結(jié)晶質(zhì)量。
　　有人認為另一種適合作為溶液的候選物質(zhì)是氫氧化鈉（苛性鈉）。問題是，如果他們使用這種解決方案來制造人造石英，他們將不得不顯著提高高壓滅菌器內(nèi)的溫度和壓力。此外，石英會以更慢的速度增長。鑒于其眾多的缺點，由于其不切實際的性質(zhì)，他們很快就開始將氫氧化鈉作為材料快速解雇。
　　盡管如此，從他們迄今為止的經(jīng)驗可以清楚地看出，如果他們繼續(xù)使用碳酸鈉，他們將無法獲得足夠的結(jié)晶質(zhì)量。東洋通信設(shè)備公司的團隊決定抓住機會。他們開始使用氫氧化鈉批量生產(chǎn)人造石英，與碳酸鈉基石英平行。起初，這兩種類型的結(jié)晶質(zhì)量差別不大。正如Nagai先生回憶，“我們繼續(xù)使用這兩種解決方案生產(chǎn)人造石英，直到1965年左右。” 然而，隨著他們對制造方法的優(yōu)化，這些差異逐漸變得更加明顯，到1970年左右，這些差異就顯而易見了。通過使用氫氧化鈉并優(yōu)化生長石英的條件，以及定制高壓滅菌器的配置，他們終于成功制造了無限接近天然石英的結(jié)晶質(zhì)量的人造石英。“Junpei Asahara當(dāng)時率先開發(fā)了高質(zhì)量的人造石英。制造地板就在他工作的地方的隔壁，他經(jīng)常接受一些嚴厲的抱怨。他經(jīng)常說這是什么實際上幫助他取得了很好的最終結(jié)果，“Nagai先生回憶說。他一直在接受一些艱難的投訴。他經(jīng)常說這正是幫助他取得最佳成績的原因，“長井回憶說。他一直在接受一些艱難的投訴。他經(jīng)常說這正是幫助他取得最佳成績的原因，“長井回憶說。
　　一旦他們提高了結(jié)晶質(zhì)量，向外界銷售的數(shù)量也大幅增長。人造石英與天然石英結(jié)晶質(zhì)量相同的消息迅速傳播到歐洲電信設(shè)備制造商，東洋通信設(shè)備公司與許多這些公司簽訂了一系列重要合同。人造石英很快成長為主要業(yè)務(wù)。
　　世界上為數(shù)不多的人造石英制造商之一
　　總之，我們還應(yīng)該提到高壓滅菌器如何成功地變大（圖5）。
　　當(dāng)人造石英首次工業(yè)化時，東洋通信設(shè)備公司開始使用120mm規(guī)格和2000mm深度的高壓滅菌器。此后，它加速努力建設(shè)更大的高壓滅菌器，目的是降低制造成本。1963年，該公司安裝了一臺180mm規(guī)格，深度為3000mm的高壓滅菌器，內(nèi)部被稱為“A型”。
　　到1965年，他們已經(jīng)開發(fā)了'B型'，一個300mm規(guī)格，深度為5000mm的高壓滅菌器。其中兩個安裝在公司的Sagami工廠（神奈川縣的Samukawa-machi）。當(dāng)時，模型B被吹噓為世界上最大的高壓滅菌器，它極大地降低了人造石英的成本。
　　'C型'于1973年研制，400mm規(guī)格，深度8000mm。這個工廠安裝在Hobara工廠（在福島縣，工廠現(xiàn)在已經(jīng)停產(chǎn)）。1984年，宮崎東洋通信設(shè)備株式會社安裝了650mm規(guī)格，14000mm深的“E型”高壓滅菌器。

圖5：不斷增長的高壓滅菌器的時間順序
1959年為研究目的創(chuàng)建的高壓滅菌器具有120毫米的厚度，深度為2000米。當(dāng)它在1984年變成更大的'E型'時，它有一個650mm的規(guī)格，深度為14000mm。

　　東洋通信設(shè)備公司為創(chuàng)造更大的高壓釜而采取的積極態(tài)度使其成為世界上為數(shù)不多的人造石英制造商之一。此外，其在人造石英方面的經(jīng)驗也成為該公司開發(fā)眾多石英裝置的推動力量。東洋通信設(shè)備公司此后推出了一系列市場上的石英設(shè)備。這些是手機，GPS導(dǎo)航儀和筆記本電腦不可或缺的組件。換句話說，公司對信息時代的曙光做出了重大貢獻。