2012年6月

2005年にセイコーエプソンの水晶デバイス部門と統合され「エプソントヨコム」となった東洋通信機。この会社の歴史はとても古い。前身の事業体は1891年に設立されており、その後、通信機の製造を生業に発展してきた。技術力は高く、同社が製造した無線機は、第2次世界大戦で使われた戦闘機「零戦」に採用されたほどだ。このように、もともとは通信機メーカーだった東洋通信機。しかし、1980～2000年代には、水晶デバイス・メーカーとしての知名度が上回ることになる。通信機メーカーから水晶デバイス・メーカーへ。そのきっかけとなったのは、「人工水晶の工業化」だ。今回は、人工水晶の工業化に国内で初めて成功したエンジニアたちの活躍を追った。

通信機器市場が急拡大

あの痛ましい戦争は、もう10年近くも前のことだった。行き交う人の顔には明るさが戻り、巷は好景気に沸いていた。後に言う「神武景気（じんむけいき）」である。

通信機メーカーである東洋通信機もご多分に漏れず、業績を大きく伸ばしていた。製品は、作る傍から飛ぶように売れていく。毎日がとても忙しい。しかし、従業員は泣き言一つ漏らさない。皆、充実感で満ちあふれていたからだ。

特に売れ行きが好調だったのが無線通信機である。電力会社に向けた短波帯無線電話機や、鉄道用携帯無線機、ロープウェイ用超短波無線機などの需要が急拡大していた。さらに、日本電信電話公社（現在のNTT）の中継機や交換機など、有線通信機も本格的な市場拡大期を迎えていた。「明るい未来が間違いなくやって来る」。従業員は皆、期待に胸を膨らませていた。

水晶が足らない

ところが、1954年（昭和29年）ころのことだ。そんな期待を一気に押しつぶしかねない問題が顕在化し始めた。「水晶材料が足らない」という問題である。

「水晶材料が足らないことが、どうして大きな問題なのか？」と疑問を持たれる方もいるだろう。実は、水晶材料は、無線通信機や有線通信機にとって極めて重要な役割を果たしていた。水晶材料を使って製造した水晶振動子は、非常に安定した周波数信号を生成できる。通信機は、この周波数信号を使って相手と情報をやり取りする。水晶振動子がなければ、通信機は動かない。つまり、通信機にとって水晶振動子は、「心臓部」の役割を果たしていたのだ。それは、今も昔も変わらない。

その水晶振動子だが、そもそも終戦直後の時期から品不足気味の状況にあった。理由は、天然の水晶材料（天然水晶）を加工して利用したからである。もちろん、日本国内でもある程度の量の天然水晶を採掘できる。しかし、含有不純物が少なく、双晶（互いに対称な二つの結晶が結合したもので、水晶デバイスには使えない）が一切ない良質な大型品はなかなか採れない。当時、こうした大型品を採掘できるのはブラジルに限られていた。

しかし、そのブラジルでも、良質な大型品を入手することは困難を極めた。水晶材料は、非常に重要な軍需物資だったからだ。東洋通信機で人工水晶の開発に携わり、現在は東京工科大学の応用生物学部で講師を務める永井邦彦氏によると、「良質で大きな天然水晶を採掘できる鉱山は、そのほとんどを米軍が管理していた。それでも、日本からブラジルまで買い付けに出掛けて、何とか必要な天然水晶を確保していた」という。

需要が比較的少ない時期であれば、こうした急場しのぎの対応でも何とか乗り切ることができた。しかし、歴史的な好景気をバックに、需要は急拡大している。もう、急場しのぎでは対応できなくなってきた。水晶材料がなければ、無線通信機は製造できない。「水晶材料が足らない」という問題は、東洋通信機にとってまさに死活問題だった。

甲府へと向かう

生まれて初めて見たオートクレーブ

夜も眠れない

最初に着手したのは、新しいオートクレーブの製作である。人工水晶を工業化するには、山梨大学の実験用オートクレーブでは小さすぎた。オートクレーブが小さければ、出来上がった人工水晶も小さくなる。一つの人工水晶からわずかな個数の水晶振動子しか製造できないため、コスト（単価）が極めて高くなってしまう。コストを下げて、工業化を実現するには、もっともっと大きなオートクレーブが必要だった。

そこで東洋通信機では、山梨大学の国富教授らの力を借りて、オートクレーブの大型化に取り組んだ。最初に製作したオートクレーブは、内径50mm×深さ800mmである。その次は、内径70～80mm×深さ1500～1600mmとさら一回り大きなオートクレーブ。そして1957年には、内径120mm×深さ2000mmと大きいオートクレーブの製作に成功した。

ついに工業化へ

こうした苦労を乗り越えて、1959年（昭和34年）には、比較的大きな人工水晶を製造できるようになり、やっと人工水晶の工業化にメドが立った。残るハードルは、オートクレーブの本数を増やすことである。本数が増えれば、人工水晶の量産性を高められ、多くの水晶振動子を製造できるようになるからだ。1959年年初の時点では、内径120mm×深さ2000mmのオートクレーブが2本しかなかった。

そんなとき、朗報が入った。1959年6月に、理化学研究所（後の新技術開発事業団）の工業化委託第1号のテーマとして、「人工水晶製造の工業化」が選ばれたのだ。これにより、2本のオートクレーブと、それに必要な制御装置を調達する資金を確保することに成功した。このほか、東洋通信機は自社費用で5本のオートクレーブを製作。これでオートクレーブの合計本数は9本に達した。このほか、電源（電圧）を安定化させるために、川崎事業所内に電源装置を設置し、高品質の人工水晶を製造する環境を整えた。

こんなもの使えない

人工水晶の工業化に成功した以降は、結晶品質の向上とオートクレーブの大型化との格闘の歴史と言える。特に、工業化当初に苦戦したのは、人工水晶の結晶品質である。「水晶振動子の製造部門に持って行っても、『こんなもの使えない』と言われる始末だった」（永井氏）という。もっとも、天然水晶はほとんど入手できない。このため水晶振動子の製造部門は、歩留まりが低下するものの、不承不承ながらも人工水晶を使っていた。

人工水晶が使いづらい理由は、結晶品質が劣っていた点にあった。もちろん、結晶欠陥が入っていれば、そこを取り除き、比較的品質が高い部分だけを納品すればいい。見た目は、天然水晶とほぼ同じ。しかし、水晶の最大の特徴と言える「3次の温度特性（温度と周波数変動量の関係が3次関数になる特性）」が十分に現れない。これでは、高性能な水晶振動子を製造できなかった。

原因は、結晶の緻密さにあった。製造した人工水晶を詳しく調べると、結晶格子の大きさが天然水晶と違っていた。人工水晶の方が大きく広がっており、そこに不純物が入っていたのである。見た目では分からないミクロの世界での違い。それだけに、問題解決には困難を極めた。

あきらめていた材料で賭に出る

解決のポイントは、オートクレーブ内に満たす溶液にあった。当初は、米国企業などが採用していた炭酸ナトリウム（炭酸ソーダ）を使っていた。この溶液を使えば、オートクレーブ内の温度と圧力を低く抑えられる上に、育成速度を高められる。その分だけ、コストを抑えられるわけだ。しかし、この溶液では、天然水晶と同等の結晶品質が得られない。

実は、溶液の候補はもう一つあった。水酸化ナトリウム（苛性ソーダ）である。ただし、この溶液を使って人工水晶を製造する場合は、オートクレーブ内の温度と圧力をかなり高くしなければならない。しかも、育成速度がかなり低い。デメリットが非常に多いため、当時は実用化をあきらめられていた材料だったのだ。

しかし、それまでの経験から炭酸ナトリウムでは十分な結晶品質が得られないことは明白だった。そこで、東洋通信機は賭に出た。炭酸ナトリウムと並行して、水酸化ナトリウムを使った人工水晶の量産にも着手したのだ。当初は、両者の結晶品質の間にあまり差はなかった。実際に、「1965年（昭和40年）ごろまでは、両方の溶液を使って人工水晶を生産していた」（永井氏）という。しかし、製造方法の最適化を進めるうちに徐々に差が現れる。そして、1970年（昭和45年）ころには、その差は歴然となった。水酸化ナトリウムを使い、育成条件を最適化したり、オートクレーブの構造をカスタマイズしたりしたことで、天然水晶に限りなく近い結晶品質の人工水晶が製造できるようになったのだ。永井氏は、「当時、高品質な人工水晶開発の陣頭指揮をとっていた浅原準平さんは、『製造現場がすぐ横にあって、日々、厳しい指摘を受けてきたからこそ良いものができたんだ』とよく言っていた」と当時を振り返る。

結晶品質が高まるやいなや、外販数量が急速に伸びていった。「天然水晶と同等の結晶品質の人工水晶がある」と目を付けたのは、欧州の通信機メーカーである。東洋通信機は、これらの企業と次々に大口契約を結ぶ。こうして、人工水晶は大きなビジネスへと育っていった。

世界有数の人工水晶メーカーに

山下勝己（テクニカル・ライター）

（次回に続く）

人工水晶の作り方

人工水晶は、オートクレーブと呼ばれる超高圧の圧力容器を使って製造する。このオートクレーブは円筒状であり、高さは3階建ての建物とほぼ同じと大きい。この内部を約360℃、1100～1700気圧の環境に保つことで、2〜6カ月の月日をかけて人工水晶を成長させる。この方法を、水熱合成法と呼ぶ。 製造方法を具体的に説明しよう（図A）。まずは、天然水晶のかけら「ラスカ」を洗浄して乾燥させ、オートクレーブ下部の溶解域に入れる。上半分の成長域には、人工水晶を短冊状に切断した種水晶を吊し、水酸化ナトリウムや炭酸ナトリウムなどのアルカリ水溶液で容器内の80%ほどを満たす。これで準備完了だ。オートクレーブをトップカバーとクランプで密閉し、加熱することで、容器内部を高温高圧に保つ。すると、容器の内部では、ラスカがアルカリ水溶液に溶けて、SiO₂の飽和溶液になる。オートクレーブの上半分（成長域）の温度は、下半分（溶解域）の温度よりも低く設定してあるので、自然対流が発生している。このため、下半分の飽和溶液が上部に移動して冷やされることで過飽和となり、種水晶にSiO₂が付着して大きくなる。この状態を2～6カ月間維持することで、大型の人工水晶を成長させる。

interview

	1965年に東洋通信機に入社。人工水晶の開発を担当した。開発の初期段階から、拡販段階、成熟段階までの長期間、人工水晶事業に携わった。定年後、トヨコム・エンジニアリングにて、新しい結晶材料の開発に取り組んだ後、東京工科大学 応用生物学部の講師に就任した。現在は、バイオ技術を利用した血液センサーの研究に取り組む一方、次世代の人材教育にも力を入れている。
	1972年に東洋通信機に入社。水晶発振器の開発や設計を担当した。その後、温度補償回路付き水晶発振器（TCXO）やFM変調器、デジタル方式のTCXOなどの開発を手掛ける。1年半の米国駐在後、モジュール品の開発や設計に携わった。現在は、電子デバイス商社の丸文に勤務。趣味はスキー、ゴルフ、クラシック音楽鑑賞。
	1977年に東洋通信機に入社。入社後は、水晶フィルタ（MCF：Monolithic Crystal Filter） の開発や設計を担当。その後、研究開発部門に異動し、SAW（弾性表面波）フィルタの開発に取り組む。現在は、セイコーエプソン デバイス管理部に在籍。趣味はスキー、ランニング、釣りなど。

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