為什么Epson Toyocom可以成為石英晶振制造商的首長(zhǎng)
　　在2005年，東洋通信設(shè)備株式會(huì)社與精工愛(ài)普生石英設(shè)備部門(mén)合并為愛(ài)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(kāi)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(shí)力，該公司的無(wú)線電收音機(jī)被用于第二次世界大戰(zhàn)中被稱為“零”戰(zhàn)斗機(jī)的戰(zhàn)斗機(jī)。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(jì)80年代到21世紀(jì)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(shí)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(jì)”開(kāi)始了，國(guó)家開(kāi)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(jī)效顯著提高。該公司的產(chǎn)品銷(xiāo)售很快，并非常受歡迎。雖然日常生活對(duì)于員工來(lái)說(shuō)很忙，但他們沒(méi)有抱怨，因?yàn)樗麄兏械綕M足感。
　　無(wú)線通信設(shè)備銷(xiāo)售得特別好。電力公司的短波無(wú)線電話，鐵路使用的便攜式收音機(jī)以及索道使用的甚高頻（VHF）無(wú)線電設(shè)備等需求猛增。另外，日本電報(bào)電話公司（現(xiàn)稱為'NTT'）的有線通信設(shè)備，如繼電器和開(kāi)關(guān)，也開(kāi)始全面擴(kuò)張市場(chǎng)。所有員工都確信他們確實(shí)處于一個(gè)非常光明的未來(lái)的邊緣。
　　然而，在1954年，當(dāng)一個(gè)新問(wèn)題開(kāi)始出現(xiàn)時(shí)，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(huì)問(wèn)，為什么石英的供應(yīng)不足會(huì)成為如此嚴(yán)重的問(wèn)題。事實(shí)上，石英材料對(duì)無(wú)線電和有線通信設(shè)備的運(yùn)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(hào)。該信號(hào)對(duì)于這些設(shè)備彼此進(jìn)行通信是必不可少的，并且沒(méi)有晶體單元，它們不能起作用。換句話說(shuō)，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(méi)有改變
　　實(shí)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(xiǎn)之中，因?yàn)樾枰烊皇?lái)制造它們。雖然日本能夠開(kāi)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(gè)相互對(duì)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(gè)能夠在這種程度上發(fā)現(xiàn)大型石英塊的國(guó)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?yàn)槭⒉牧蠈?duì)彈藥來(lái)說(shuō)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(guò)東洋通信設(shè)備公司的人造石英開(kāi)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(guó)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(jī)措施可能足以在任何其他需求相對(duì)較低的時(shí)期推翻公司。然而，在歷史上蓬勃發(fā)展的經(jīng)濟(jì)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(méi)有石英材料，該公司將無(wú)法繼續(xù)制造其無(wú)線電收音機(jī)。石英材料不足的問(wèn)題實(shí)際上是東洋通信設(shè)備公司的生死攸關(guān)的問(wèn)題。
　　為了克服這個(gè)緊迫的問(wèn)題，會(huì)議繼續(xù)在公司的川崎工廠每晚深夜進(jìn)行。隨著會(huì)議數(shù)量的增多，有關(guān)各方的意見(jiàn)逐漸趨于單一方向。也就是說(shuō)，如果他們無(wú)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?yàn)樗麄兪欠裾娴目梢杂米銐虼蟮乃槠嬲圃斐龈哔|(zhì)量的石英。盡管如此，他們還沒(méi)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(diǎn)，那么手頭的關(guān)鍵問(wèn)題就會(huì)得到解決。隨著決定，他們開(kāi)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(kāi)始制造人造石英技術(shù)開(kāi)始時(shí)就開(kāi)始。然而，他們沒(méi)有足夠的時(shí)間來(lái)重復(fù)嘗試和錯(cuò)誤的過(guò)程，直到他們最終成功。他們需要外部研究機(jī)構(gòu)的幫助，以便在短時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)人造石英。接下來(lái)的問(wèn)題是哪個(gè)研究機(jī)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(gè)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(kāi)始開(kāi)發(fā)時(shí)，他們只能創(chuàng)建顏色非常小的碎片，不清晰。

　　正當(dāng)他們?cè)谒伎枷乱徊綍r(shí)，一篇名為“山梨大學(xué)成功合成人造石英”的報(bào)紙發(fā)表了。這確實(shí)是一個(gè)完美的時(shí)機(jī)。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(huì)見(jiàn)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(kāi)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?cè)趫?bào)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(guó)富教授的熱烈歡迎。他向他們?cè)敿?xì)解釋了制造人造石英的過(guò)程，然后向他們展示了實(shí)驗(yàn)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(shí)對(duì)此印象深刻* 1）。
1）參考資料：
東洋通信設(shè)備株式會(huì)社制造的“Toyocom Monogatari”，1990年3月15日出版，第60-66頁(yè)。
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(fù)責(zé)技術(shù)的工作人員舉行會(huì)議，報(bào)告他們?cè)谏嚼娲髮W(xué)看到和學(xué)到的一切。在那次會(huì)議上沒(méi)有任何與會(huì)者反對(duì)他們：他們迅速?zèng)Q定與山梨大學(xué)合作，并于1955年初開(kāi)始他們的研究活動(dòng)。

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(gè)高壓滅菌器的建成時(shí)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(wú)機(jī)合成研究所）的地下室。過(guò)去，這里安裝了一個(gè)大型實(shí)驗(yàn)高壓滅菌器。
（資料來(lái)源：山梨大學(xué)熊田伸弘教授）

　　他們開(kāi)始努力制造新的高壓滅菌器。山梨大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室高壓滅菌器太小，不能工業(yè)化人造石英。一個(gè)太小的高壓滅菌器會(huì)導(dǎo)致人造石英太小。每單位成本也非常昂貴，因?yàn)橹挥猩贁?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(lái)適當(dāng)降低成本并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。
　　憑借山梨大學(xué)國(guó)立教授的專業(yè)知識(shí)，東洋通信設(shè)備公司的團(tuán)隊(duì)開(kāi)始致力于開(kāi)發(fā)更大的高壓滅菌器。他們生產(chǎn)的第一款機(jī)型有一個(gè)深度為800毫米的50毫米規(guī)格。接下來(lái)是一個(gè)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(gè)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(dòng)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(méi)有晶體缺陷，這證明是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。微調(diào)（如優(yōu)化生長(zhǎng)人造石英的條件和定制高壓滅菌器配置）是不可或缺的過(guò)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(shí)的電力供應(yīng)在電壓波動(dòng)較大的情況下可能不穩(wěn)定。
　　結(jié)果，機(jī)械溫度調(diào)節(jié)器經(jīng)常會(huì)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(kāi)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(gè)月的時(shí)間種植人造石英，甚至生產(chǎn)小塊。因此，在非常短的時(shí)間內(nèi)溫度下降可能會(huì)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(cè)。正如Nagai先生回憶說(shuō)的那樣：“當(dāng)我們種植人造石英時(shí)，我們經(jīng)常不得不在整個(gè)晚上監(jiān)視它，在我們的睡袋里快速地小睡，當(dāng)我們無(wú)法自己監(jiān)控它時(shí)，我們會(huì)要求保安看守它適合我們，如果發(fā)生了什么事，請(qǐng)聯(lián)系我們。

圖3：開(kāi)發(fā)場(chǎng)景
這張照片展示了20世紀(jì)50年代末到60年代初高壓滅菌器開(kāi)發(fā)的典型場(chǎng)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(duì)較大的人造石英，表明他們已準(zhǔn)備好開(kāi)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?cè)?959年初開(kāi)始時(shí)，他們只有兩個(gè)深度為2000毫米的120毫米規(guī)格高壓滅菌器。
　　然而，幸運(yùn)的是，他們?cè)?959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(kāi)發(fā)公司）的第一個(gè)委托工業(yè)化主題）。這使他們能夠獲得兩臺(tái)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(gè)高壓滅菌器的生產(chǎn)，共給他們九個(gè)高壓滅菌器。他們還在川崎工廠內(nèi)安裝了一個(gè)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(lái)制造他們的晶體裝置。最后他們能夠開(kāi)始他們期待已久的量產(chǎn)。換句話說(shuō)，他們第一次在日本成功實(shí)現(xiàn)了人造石英的工業(yè)化（圖4）。
　　這個(gè)故事發(fā)表在各地的報(bào)紙上。競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手公司也開(kāi)始致力于開(kāi)發(fā)自己的人造石英。雖然他們的公司從零開(kāi)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(shí)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(guò)建立日本最高水平的智力團(tuán)隊(duì)來(lái)加強(qiáng)其技術(shù)開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，他們從山梨大學(xué)（當(dāng)時(shí)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(shí)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(kāi)始工業(yè)化時(shí)，他們特別為人造石英的結(jié)晶質(zhì)量所困擾。Nagai先生說(shuō)，“每當(dāng)我們將人造石英帶到晶體制造部門(mén)時(shí)，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(mén)別無(wú)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(jiǎn)單地將其去除，以便僅提供相對(duì)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(rèn)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(duì)所制造的人造石英的石英晶體細(xì)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(kāi)口。這些微觀差異不能單憑外觀來(lái)檢測(cè)，解決這個(gè)新問(wèn)題將非常困難。
　　他們通過(guò)修改高壓滅菌器內(nèi)部使用的解決方案解決了這個(gè)問(wèn)題。一開(kāi)始，他們使用的是碳酸鈉（蘇打灰），這被美國(guó)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(zhǎng)的速度。這反過(guò)來(lái)又有助于降低成本。然而，這不利于達(dá)到與天然石英相同的結(jié)晶質(zhì)量。
　　有人認(rèn)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(wèn)題是，如果他們使用這種解決方案來(lái)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(huì)以更慢的速度增長(zhǎng)。鑒于其眾多的缺點(diǎn)，由于其不切實(shí)際的性質(zhì)，他們很快就開(kāi)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(yàn)可以清楚地看出，如果他們繼續(xù)使用碳酸鈉，他們將無(wú)法獲得足夠的結(jié)晶質(zhì)量。東洋通信設(shè)備公司的團(tuán)隊(duì)決定抓住機(jī)會(huì)。他們開(kāi)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(duì)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(jiàn)了。通過(guò)使用氫氧化鈉并優(yōu)化生長(zhǎng)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(wú)限接近天然石英的結(jié)晶質(zhì)量的人造石英。“Junpei Asahara當(dāng)時(shí)率先開(kāi)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(yán)厲的抱怨。他經(jīng)常說(shuō)這是什么實(shí)際上幫助他取得了很好的最終結(jié)果，“Nagai先生回憶說(shuō)。他一直在接受一些艱難的投訴。他經(jīng)常說(shuō)這正是幫助他取得最佳成績(jī)的原因，“長(zhǎng)井回憶說(shuō)。他一直在接受一些艱難的投訴。他經(jīng)常說(shuō)這正是幫助他取得最佳成績(jī)的原因，“長(zhǎng)井回憶說(shuō)。
　　一旦他們提高了結(jié)晶質(zhì)量，向外界銷(xiāo)售的數(shù)量也大幅增長(zhǎng)。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(zhǎng)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(shí)，東洋通信設(shè)備公司開(kāi)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(tái)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(kāi)發(fā)了'B型'，一個(gè)300mm規(guī)格，深度為5000mm的高壓滅菌器。其中兩個(gè)安裝在公司的Sagami工廠（神奈川縣的Samukawa-machi）。當(dāng)時(shí)，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(gè)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(huì)社安裝了650mm規(guī)格，14000mm深的“E型”高壓滅菌器。

圖5：不斷增長(zhǎng)的高壓滅菌器的時(shí)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(shí)，它有一個(gè)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(yàn)也成為該公司開(kāi)發(fā)眾多石英裝置的推動(dòng)力量。東洋通信設(shè)備公司此后推出了一系列市場(chǎng)上的石英設(shè)備。這些是手機(jī)，GPS導(dǎo)航儀和筆記本電腦不可或缺的組件。換句話說(shuō)，公司對(duì)信息時(shí)代的曙光做出了重大貢獻(xiàn)。