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为什么Epson Toyocom可以成为石英晶体制造商的首长

来源:http://huaweiinc.com 作者:爱普生晶振 2019年12月02
为什么Epson Toyocom可以成为石英晶振制造商的首长
  在2005年,东洋通信设备株式会社与精工爱普生石英设备部门合并为爱普生东洋公司。东洋通信设备公司历史悠久。其前身创建于1891年,之后该公司开始发展其制造电信设备的主要业务。令人印象深刻的是他们的技术实力,该公司的无线电收音机被用于第二次世界大战中被称为“零”战斗机的战斗机。尽管东洋通信设备公司最初是一家电信设备制造商,但它在20世纪80年代到21世纪初被称为石英晶振设备制造商。从电信设备制造商到石英设备制造商 - 这一转型背后的刺激因素是“人造石英的工业化”。在本期的QMEMS故事中,我们遵循了在日本首次成功实现人造石英工业化的工程师的努力。
  第二次世界大战结束后差不多10年后,一些欢呼声回到了街头人们的面前。所谓的“吉姆经济”开始了,国家开始兴盛繁荣。
  作为电信设备制造商,东洋通信设备有限公司也不例外,其业务绩效显着提高。该公司的产品销售很快,并非常受欢迎。虽然日常生活对于员工来说很忙,但他们没有抱怨,因为他们感到满足感。
  无线通信设备销售得特别好。电力公司的短波无线电话,铁路使用的便携式收音机以及索道使用的甚高频(VHF)无线电设备等需求猛增。另外,日本电报电话公司(现称为'NTT')的有线通信设备,如继电器和开关,也开始全面扩张市场。所有员工都确信他们确实处于一个非常光明的未来的边缘。
  然而,在1954年,当一个新问题开始出现时,这些希望迅速被粉碎:石英材料供应不足。
  有些读者可能会问,为什么石英的供应不足会成为如此严重的问题。事实上,石英材料对无线电和有线通信设备的运行至关重要。使用石英材料制造的晶体单元能够产生非常稳定的频率信号。该信号对于这些设备彼此进行通信是必不可少的,并且没有晶体单元,它们不能起作用。换句话说,晶体单元充当电信设备的“核心”。即使在今天,这一重要作用仍然没有改变
  实际上,早在第二次世界大战之后,水晶装置早已陷入短缺的危险之中,因为需要天然石英来制造它们。虽然日本能够开采一定量的天然石英,但很难找到质量好,杂质少,不含双晶的大块(两个相互对称的晶体的联合使其不能用于石英装置)。在那些日子里,巴西是唯一一个能够在这种程度上发现大型石英块的国家。
  然而,不久之后,即使在巴西也很难获得大型优质石英块,因为石英材料对弹药来说非常重要。据现任东京工业大学生物科学与生物技术学院讲师的Kunihiko Nagai先生介绍,他曾参与过东洋通信设备公司的人造石英开发,“几乎所有的矿山都能生产出优质的产品。大块的天然石英是由美国陆军控制的,但是我们从日本到巴西旅行,并且能够确保我们需要的天然石英。“
  这种危机措施可能足以在任何其他需求相对较低的时期推翻公司。然而,在历史上蓬勃发展的经济刺激下,需求继续大幅上升。'创可贴的方法'不再有效。如果没有石英材料,该公司将无法继续制造其无线电收音机。石英材料不足的问题实际上是东洋通信设备公司的生死攸关的问题。
  为了克服这个紧迫的问题,会议继续在公司的川崎工厂每晚深夜进行。随着会议数量的增多,有关各方的意见逐渐趋于单一方向。也就是说,如果他们无法获得大量天然石英块的供应,他们将不得不制造他们自己的人造石英。
  当然,他们遇到了一些阻力,因为他们是否真的可以用足够大的碎片真正制造出高质量的石英。尽管如此,他们还没有找到比这更好的潜力。他们知道原则上他们应该能够制造人造石英,如果他们能够实现这一点,那么手头的关键问题就会得到解决。随着决定,他们开始致力于研究人造石英的制造。
  但是,东洋通信设备公司是电信设备制造商。虽然他们有信心制造用于其电信设备的晶体单元的技术能力,但他们需要从开始制造人造石英技术开始时就开始。然而,他们没有足够的时间来重复尝试和错误的过程,直到他们最终成功。他们需要外部研究机构的帮助,以便在短时间内开发人造石英。接下来的问题是哪个研究机构要接近......

图1:人造石英
  这是目前由Seiko Epson制造的人造石英的一个例子。该公司现在能够生产完全透明的大块人造石英。然而,当最初开始开发时,他们只能创建颜色非常小的碎片,不清晰。

  正当他们在思考下一步时,一篇名为“山梨大学成功合成人造石英”的报纸发表了。这确实是一个完美的时机。东洋通信设备公司立即派出了两名员工古贺先生和福永先生前往位于大学所在的山梨县的甲府市。在那里,他们会见了Minoru Kunitomi教授和他的助手Sadao Taki和Junpei Asahara。
  位于山梨县甲府市北部的Shosenkyo地区,以其丰富的天然石英而闻名。因此,毫不奇怪,山梨县有很多公司位于珠宝抛光和珠宝制造领域。Kunitomi教授及其同事于1953年开始研究制造人造石英,以支持当地的工业发展。次年,在1954年,他们成功地生产了日本第一块人造石英,使用安装在大学屋顶上的小型高压釜(一种用于种植人造石英的高温高压窑)(图2)。Koga先生和Fukunaga先生亲眼目睹了他们在报纸文章中读到的研究成果。
  东洋通信设备公司的两名员工受到国富教授的热烈欢迎。他向他们详细解释了制造人造石英的过程,然后向他们展示了实验高压釜。
  与现代高压灭菌器相比,它的尺寸非常小,尺寸为35毫米,深度为500毫米。然而,这是两位同事中的任何一位第一次看到这样的设备。古贺先生透露,他当时对此印象深刻* 1)。

1)参考资料:
东洋通信设备株式会社制造的“Toyocom Monogatari”,1990年3月15日出版,第60-66页。
Koga先生和Fukunaga先生回到川崎,在那里他们与公司总裁Saijiro Minato和负责技术的工作人员举行会议,报告他们在山梨大学看到和学到的一切。在那次会议上没有任何与会者反对他们:他们迅速决定与山梨大学合作,并于1955年初开始他们的研究活动。

图2:山梨大学的高压灭菌器
左手照片显示了山梨大学仍然存在的最老的高压灭菌器。这个高压灭菌器的建成时间并不知道。该高压釜的规格约为30毫米,深度为510毫米,继续用于在露天讲座等生产人造石英。右手照片拍摄于山梨大学水晶科学与技术研究所(原无机合成研究所)的地下室。过去,这里安装了一个大型实验高压灭菌器。
(资料来源:山梨大学熊田伸弘教授)

  他们开始努力制造新的高压灭菌器。山梨大学的实验室高压灭菌器太小,不能工业化人造石英。一个太小的高压灭菌器会导致人造石英太小。每单位成本也非常昂贵,因为只有少数晶体单元可以由一块人造石英制造。需要更大型的高压灭菌器来适当降低成本并实现工业化。
  凭借山梨大学国立教授的专业知识,东洋通信设备公司的团队开始致力于开发更大的高压灭菌器。他们生产的第一款机型有一个深度为800毫米的50毫米规格。接下来是一个略大的版本,规格为70-80mm,深度为1500-1600mm。最后,在1957年,他们成功地创造了一个更大的高压灭菌器,其规格为120毫米,深度为2000毫米。
  然而,他们新的更大的高压灭菌器并不能自动保证他们能够轻松制造大块的人造石英。制造人造石英所用的杂质很少,也没有晶体缺陷,这证明是一项艰巨的任务。微调(如优化生长人造石英的条件和定制高压灭菌器配置)是不可或缺的过程(图3)。
  困扰工程师的另一件事是电力不稳定的情况。与我们现代的电力不同,当时的电力供应在电压波动较大的情况下可能不稳定。
  结果,机械温度调节器经常会发生故障或损坏。
  即使在高压釜的内部温度下仅仅1摄氏度的下降也可能导致人造石英内的断开区域,从而大大降低了结晶质量。在那些日子里,在“种植”石英种子之后花了一到两个月的时间种植人造石英,甚至生产小块。因此,在非常短的时间内温度下降可能会瞬间破坏数月的辛苦工作。很明显,高压灭菌器需要持续监测。正如Nagai先生回忆说的那样:“当我们种植人造石英时,我们经常不得不在整个晚上监视它,在我们的睡袋里快速地小睡,当我们无法自己监控它时,我们会要求保安看守它适合我们,如果发生了什么事,请联系我们。

图3:开发场景
这张照片展示了20世纪50年代末到60年代初高压灭菌器开发的典型场景。在这里,技术人员正在推出使用新创建的高压灭菌器生产的人造石英原型。

  在克服了许多艰辛之后,他们终于在1959年成功制造了一块相对较大的人造石英,表明他们已准备好开始工业化新材料。最后的障碍是增加高压灭菌器的数量。随着更多的高压灭菌器,他们将能够增加人造石英的产量,使他们能够制造更多的晶体单元。当他们在1959年初开始时,他们只有两个深度为2000毫米的120毫米规格高压灭菌器。
  然而,幸运的是,他们在1959年6月得知,“人造石英的工业化”被选为理化研究所(后称日本研究开发公司)的第一个委托工业化主题)。这使他们能够获得两台高压灭菌器所需的资金,并获得必要的控制设备。此外,东洋通信设备公司自己资助另外五个高压灭菌器的生产,共给他们九个高压灭菌器。他们还在川崎工厂内安装了一个电源设备,以稳定电源(电压),从而完成装备,以满足制造高品质人造石英所需的一切。
  最后,他们能够确保足够的人造石英供应来制造他们的晶体装置。最后他们能够开始他们期待已久的量产。换句话说,他们第一次在日本成功实现了人造石英的工业化(图4)。
  这个故事发表在各地的报纸上。竞争对手公司也开始致力于开发自己的人造石英。虽然他们的公司从零开始,东洋通信设备与山梨大学一起克服了多年的挑战和艰辛,最终成功实现了人造石英的工业化。他们希望确保他们能够尽可能地继续保持其主导地位。这将要求它们产生一系列不断的新技术。东洋通信设备公司决定通过建立日本最高水平的智力团队来加强其技术开发结构。为了达到这个目标,他们从山梨大学(当时的副教授)和Junpei Asahara招募了S S,

图4:在批量生产的早期从高压灭菌器中拉出人造石英
这张照片拍摄于1996年左右.Kunihiko Nagai先生正站在右后方。

  在成功实现人造石英的工业化之后,他们的下一步努力是提高结晶质量并制造更大的高压釜。当他们刚开始工业化时,他们特别为人造石英的结晶质量所困扰。Nagai先生说,“每当我们将人造石英带到晶体制造部门时,他们总是回应:”我们不能使用它!“”现在几乎不可能获得天然石英。因此,晶振制造部门别无选择,只能不情愿地使用人造石英,并观察其产量下降。
  他们难以使用人造石英的原因是由于其结晶质量差。当然,如果他们发现晶体缺陷,仍然可以简单地将其去除,以便仅提供相对较高质量的部分。在外观上,人造石英非常类似于天然石英。然而,它缺乏“三阶热性质(使温度和频率变化之间的关系成为立方函数的特性)”,这被认为是石英的最大特征。这阻止了他们制造高性能晶体单元。
  原因是非常复杂的结晶。对所制造的人造石英的石英晶体细研究表明,晶格尺寸不同于天然石英。人造石英具有较宽的含杂质的开口。这些微观差异不能单凭外观来检测,解决这个新问题将非常困难。
  他们通过修改高压灭菌器内部使用的解决方案解决了这个问题。一开始,他们使用的是碳酸钠(苏打灰),这被美国公司广泛使用。这种解决方案使他们能够在高压灭菌器内保持足够低的温度和压力,并加快人造石英生长的速度。这反过来又有助于降低成本。然而,这不利于达到与天然石英相同的结晶质量。
  有人认为另一种适合作为溶液的候选物质是氢氧化钠(苛性钠)。问题是,如果他们使用这种解决方案来制造人造石英,他们将不得不显着提高高压灭菌器内的温度和压力。此外,石英会以更慢的速度增长。鉴于其众多的缺点,由于其不切实际的性质,他们很快就开始将氢氧化钠作为材料快速解雇。
  尽管如此,从他们迄今为止的经验可以清楚地看出,如果他们继续使用碳酸钠,他们将无法获得足够的结晶质量。东洋通信设备公司的团队决定抓住机会。他们开始使用氢氧化钠批量生产人造石英,与碳酸钠基石英平行。起初,这两种类型的结晶质量差别不大。正如Nagai先生回忆,“我们继续使用这两种解决方案生产人造石英,直到1965年左右。” 然而,随着他们对制造方法的优化,这些差异逐渐变得更加明显,到1970年左右,这些差异就显而易见了。通过使用氢氧化钠并优化生长石英的条件,以及定制高压灭菌器的配置,他们终于成功制造了无限接近天然石英的结晶质量的人造石英。“Junpei Asahara当时率先开发了高质量的人造石英。制造地板就在他工作的地方的隔壁,他经常接受一些严厉的抱怨。他经常说这是什么实际上帮助他取得了很好的最终结果,“Nagai先生回忆说。他一直在接受一些艰难的投诉。他经常说这正是帮助他取得最佳成绩的原因,“长井回忆说。他一直在接受一些艰难的投诉。他经常说这正是帮助他取得最佳成绩的原因,“长井回忆说。
  一旦他们提高了结晶质量,向外界销售的数量也大幅增长。人造石英与天然石英结晶质量相同的消息迅速传播到欧洲电信设备制造商,东洋通信设备公司与许多这些公司签订了一系列重要合同。人造石英很快成长为主要业务。
  世界上为数不多的人造石英制造商之一
  总之,我们还应该提到高压灭菌器如何成功地变大(图5)。
  当人造石英首次工业化时,东洋通信设备公司开始使用120mm规格和2000mm深度的高压灭菌器。此后,它加速努力建设更大的高压灭菌器,目的是降低制造成本。1963年,该公司安装了一台180mm规格,深度为3000mm的高压灭菌器,内部被称为“A型”。
  到1965年,他们已经开发了'B型',一个300mm规格,深度为5000mm的高压灭菌器。其中两个安装在公司的Sagami工厂(神奈川县的Samukawa-machi)。当时,模型B被吹嘘为世界上最大的高压灭菌器,它极大地降低了人造石英的成本。
  'C型'于1973年研制,400mm规格,深度8000mm。这个工厂安装在Hobara工厂(在福岛县,工厂现在已经停产)。1984年,宫崎东洋通信设备株式会社安装了650mm规格,14000mm深的“E型”高压灭菌器。
图5:不断增长的高压灭菌器的时间顺序
1959年为研究目的创建的高压灭菌器具有120毫米的厚度,深度为2000米。当它在1984年变成更大的'E型'时,它有一个650mm的规格,深度为14000mm。
  东洋通信设备公司为创造更大的高压釜而采取的积极态度使其成为世界上为数不多的人造石英制造商之一。此外,其在人造石英方面的经验也成为该公司开发众多石英装置的推动力量。东洋通信设备公司此后推出了一系列市场上的石英设备。这些是手机,GPS导航仪和笔记本电脑不可或缺的组件。换句话说,公司对信息时代的曙光做出了重大贡献。
 
 
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