JP7416958B2 - Piezoelectric crystal weighing crystal growth apparatus and operating method - Google Patents
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Description
本発明は、圧電結晶の技術分野に関し、具体的には、圧電結晶秤量結晶成長装置および動作方法である。 The present invention relates to the technical field of piezoelectric crystals, and specifically to a piezoelectric crystal weighing crystal growth apparatus and operating method.
圧電結晶成長の技術分野において、特に、圧電結晶成長方法においては、引上げと秤量により結晶の成長を制御するのが一般的である。結晶成長過程の全体で、主に結晶の重量を測定することにより、結晶成長の過程を全体的に制御する。 In the technical field of piezoelectric crystal growth, particularly in piezoelectric crystal growth methods, it is common to control crystal growth by pulling and weighing. The entire crystal growth process is controlled mainly by measuring the weight of the crystal throughout the crystal growth process.
従来、通常の結晶成長方法は、高精度センサーを利用して結晶の重量を測定することであり、種結晶を秤量センサーに吊るし、成長過程で絶えず結晶重量信号を読み取ることにより、成長結晶の外観を制御することである。当該秤量結晶成長技術の欠点は、秤量センサーの精度が低く、測定範囲が狭く、価格が高く、コストが大きく、信頼性が悪いことである。また、結晶に直接的に接続されている秤量センサーは、炉体内に取り付けられているため、常に機械的損傷を受け、損傷しやすく、耐用年数が短いという問題点がある。 Traditionally, the usual crystal growth method is to measure the weight of the crystal using a high-precision sensor, and by hanging the seed crystal on a weighing sensor and constantly reading the crystal weight signal during the growth process, the appearance of the growing crystal can be determined. It is to control. The disadvantages of the weighing crystal growth technique are that the weighing sensor has low precision, narrow measurement range, high price, high cost, and poor reliability. Furthermore, since the weighing sensor that is directly connected to the crystal is installed inside the furnace body, it is constantly subject to mechanical damage, is easily damaged, and has a short service life.
上記の問題点に対し、特許公告番号がＣＮ１０５１７７７０４Ｂである特許文献では、『安定性の高い結晶成長炉用結晶秤量装置』が開示されている。当該装置は、結晶成長炉筐体と秤量真空密閉ボックスとを備え、前記秤量真空密閉ボックスは結晶成長炉筐体の上方に設けられ、前記秤量真空密閉ボックスと結晶成長炉筐体の間にコルゲートパイプが設けられて封止接続され、前記秤量真空密閉ボックス内にステッピングモーターが設けられ、前記ステッピングモーターの出力端にはコルゲートパイプを通って結晶成長炉筐体内まで延在する種結晶棒が接続して設けられ、前記結晶成長炉筐体内には種結晶棒に接続される結晶が設けられ、前記コルゲートパイプ内に複数の気圧支持棒が設けられる。 In response to the above-mentioned problems, a patent document with the patent publication number CN105177704B discloses a "highly stable crystal weighing device for a crystal growth furnace." The apparatus includes a crystal growth furnace housing and a weighing vacuum sealed box, the weighing vacuum sealed box is provided above the crystal growth furnace housing, and a corrugate is provided between the weighing vacuum sealed box and the crystal growth furnace housing. A stepper motor is provided in the weighing vacuum sealed box, and a seed crystal rod extending through the corrugated pipe and into the crystal growth furnace housing is connected to the output end of the stepper motor. A crystal connected to a seed crystal rod is provided within the crystal growth furnace housing, and a plurality of pressure support rods are provided within the corrugated pipe.
上記の問題点に対し、特許公告番号がＣＮ１０２３９２２９５Ｂである特許文献では、『サファイア単結晶炉用秤量装置』が開示されている。当該装置は秤量センサーを備え、前記秤量センサーはセンサーサポートによって下筐体内に取り付けられ、前記下筐体内には秤量センサーの秤量信号を伝送するための信号伝送装置が設けられ、秤量センサーおよび信号伝送装置がいずれも封止されて下筐体内に取り付けられる。当発明は秤量センサーが信号伝送装置に対応して動作することによりサファイア結晶成長過程で必要とする重量信号を提供することができ、所定の精度を有し、秤量センサーおよび信号伝送装置が封止されて下筐体内に取り付けられ、上筐体は下筐体の上方に位置し、下筐体は上筐体から分離されている。下筐体がサファイア結晶成長時の回転機構の回転に従うことができるため、回転過程中の信号の伝送が実現され、サファイア単結晶炉に必要とする封止条件も満たされる。構造がシンプルでコンパクトであり、取付けと使用が便利であり、測定精度が上がり、適応性に優れ、サファイアの成長の安定性および信頼性が向上する。 In order to address the above-mentioned problems, a "weighing device for a sapphire single crystal furnace" is disclosed in a patent document with the patent publication number CN102392295B. The device includes a weighing sensor, the weighing sensor is attached in a lower housing by a sensor support, and a signal transmission device for transmitting a weighing signal of the weighing sensor is provided in the lower housing, and the weighing sensor and the signal transmission Both devices are sealed and mounted within the lower housing. The present invention is capable of providing the weight signal required in the sapphire crystal growth process by the weighing sensor operating in correspondence with the signal transmission device, has a predetermined accuracy, and the weighing sensor and the signal transmission device are sealed. The upper housing is located above the lower housing, and the lower housing is separated from the upper housing. Since the lower housing can follow the rotation of the rotation mechanism during sapphire crystal growth, signal transmission during the rotation process is realized, and the sealing conditions required for a sapphire single crystal furnace are also satisfied. The structure is simple and compact, convenient to install and use, increases measurement accuracy, has good adaptability, and improves the stability and reliability of sapphire growth.
上記の問題点に対し、特許公告番号がＣＮ１０５８２１４７７Ｂである特許文献では、『キロプロス法サファイア結晶成長装置の高精度全範囲秤量システム』が開示されている。当該装置は、キャビティとトップカバーとが設けられ、キャビティの底部に円形の開口が設けられ、かつ種結晶棒スリーブが接続され、種結晶棒スリーブには円形支持台が設けられ、さらに結晶引上げプラットフォームを備え、キャビティ内に高精度秤量センサーが設けられ、さらに吸着装置と種結晶棒サポートとを備え、吸着装置の上面は首長ボルトによってトップカバーに接続され、上下に移動することができ、吸着装置の底面に前記高精度秤量センサーが固定して接続され、高精度秤量センサーの底面に種結晶棒サポートが固定して接続され、さらに少なくとも２つの低精度の広範囲秤量センサーが設けられ、結晶引上げプラットフォームに円形貫通穴が設けられ、広範囲秤量センサーは対称的に結晶引上げプラットフォームの円形貫通穴の周りに設けられ、種結晶スリーブが前記結晶引上げプラットフォームの円形貫通穴の真ん中を通っており、種結晶棒スリーブの円形支持台が広範囲秤量センサーに取り付けられ、さらに電子装置と吸着装置とが設けられ、高精度秤量センサーは広範囲秤量センサーに接続される。 In order to address the above-mentioned problems, a patent document with the patent publication number CN105821477B discloses a "high-precision full-range weighing system for a Kiropoulos method sapphire crystal growth apparatus." The device is provided with a cavity and a top cover, a circular opening is provided at the bottom of the cavity, a seed crystal rod sleeve is connected, the seed crystal rod sleeve is provided with a circular support, and a crystal pulling platform is provided. The cavity is equipped with a high-precision weighing sensor, and is further equipped with a suction device and a seed crystal rod support. the high-precision weighing sensor is fixedly connected to the bottom surface of the crystal pulling platform, the seed crystal rod support is fixedly connected to the bottom surface of the high-precision weighing sensor, and at least two low-precision wide-range weighing sensors are provided; is provided with a circular through hole in the crystal pulling platform, the wide range weighing sensor is provided symmetrically around the circular through hole in the crystal pulling platform, and the seed crystal sleeve passes through the middle of the circular through hole in the crystal pulling platform, and the seed crystal rod The circular support of the sleeve is attached to the wide range weighing sensor, further provided with an electronic device and a suction device, and the high precision weighing sensor is connected to the wide range weighing sensor.
上記のいくつかの発明はいずれも内部に設けられた秤量センサーによって結晶の重量を監視して、結晶の成長過程を制御するものである。その原理は依然として成長過程において秤量センサーを用いて結晶の重量を測定して、結晶の成長を実現することである。上記の発明は秤量センサーに特定の機械的構造を組み合わせて、装置の構造を最適化したものに過ぎない。実質的には依然としてセンサーを用いて検出・秤量するもので、秤量という重要な技術的ポイントに関しては飛躍的なブレークスルーと革新が遂げられなかった。秤量センサーが炉体の内部に取り付けられ、結晶性の揮発性物質や高温などに長時間に接触し、センサーは厳しい環境にあるため、耐用年数が非常に短い。また、センサーが直接的に結晶に接続され、結晶成長の過程で、さまざまな結晶が接着してしいること、過度に引き上げられることなどの現象がよくあり、機械的衝撃などを受けて損傷しやすい。以上から分かるように、上記の発明は依然として従来の秤量結晶成長の構造法に基づいて最適化を行うものであり、明らかな技術的なブレークスルーがなかった。 In all of the above-mentioned inventions, the weight of the crystal is monitored by a weighing sensor provided inside, and the crystal growth process is controlled. The principle is still to measure the weight of the crystal using a weighing sensor during the growth process to realize crystal growth. The above invention is nothing more than an optimization of the structure of the device by combining a weighing sensor with a specific mechanical structure. Essentially, sensors are still used for detection and weighing, and no dramatic breakthroughs or innovations have been achieved in the important technical point of weighing. The weighing sensor is installed inside the furnace body and comes into contact with crystalline volatile substances and high temperatures for a long time, and the sensor is exposed to a harsh environment, so its service life is extremely short. In addition, sensors are directly connected to crystals, and during the crystal growth process, phenomena such as various crystals adhering together or being pulled up excessively are common, resulting in damage due to mechanical shock, etc. Cheap. As can be seen from the above, the above invention still performs optimization based on the conventional weighing crystal growth structural method, and there has been no obvious technical breakthrough.
秤量センサーについては、世界で現行の最高精度クラスが１万分の１で、つまり、１００ｋｇの結晶を成長させる場合に、検出精度が１０ｇであり、数値が１０ｇ単位で跳ね上がるということである。このようなセンサーは精度クラス付きの検出に該当し、検出数値が連続的ではなく跳ね上がるものである。これを例として、結晶成長の初期で、結晶の重量が非常に小さく、１０ｇ以内の結晶成長量をセンサーが検出できないため、検出不感領域となり、制御不感領域ともなる。こうなると、１０ｇ～２０ｇの重量検出も制御不感領域となる。実際の生産データによれば、結晶成長の過程で結晶の底部接触、範囲外引上げ、誤動作などの状況があるため、秤量センサーを用いる場合に、センサーの故障率が２％以上である。また、高精度秤量センサーが高価であり、現在の市場価格によると、測定範囲を５０ｋｇとし、精度を１万分の１とする秤量センサーの価格が５万元以上で、製造コストが非常に高い。 Regarding weighing sensors, the current highest accuracy class in the world is 1/10,000, which means that when growing 100 kg of crystal, the detection accuracy is 10 g, and the value jumps in units of 10 g. Such sensors fall under the category of detection with accuracy class, meaning that the detection value is not continuous but jumps. Taking this as an example, in the early stage of crystal growth, the weight of the crystal is very small and the sensor cannot detect the amount of crystal growth within 10 g, resulting in a detection insensitive area and also a control insensitive area. In this case, weight detection of 10g to 20g also becomes a control insensitive area. According to actual production data, when using a weighing sensor, the failure rate of the sensor is more than 2% due to situations such as contacting the bottom of the crystal, pulling out of range, and malfunction during the crystal growth process. In addition, high-precision weighing sensors are expensive, and according to current market prices, a weighing sensor with a measuring range of 50 kg and an accuracy of 1/10,000 costs more than 50,000 yuan, making the manufacturing cost extremely high.
本発明の目的は圧電結晶秤量結晶成長装置および動作方法を提供することである。 It is an object of the present invention to provide a piezoelectric crystal weighing crystal growth apparatus and method of operation.
本発明の圧電結晶秤量結晶成長装置は従来の結晶成長技術の秤量センサーの代わりに、レバーバランスの原理を利用して、レバーの両端の重量を同期して増加させることにより、結晶成長の初期と後期にいずれも高精度の重量検出が保たれる。つまり、レバーの両端に重量の差があると、レバーがそれに応じてオフセットされる。したがって、本装置は精度クラスなしの検出を実現できる。 The piezoelectric crystal weighing crystal growth device of the present invention utilizes the principle of lever balance, instead of the weighing sensor of conventional crystal growth technology, to increase the weight at both ends of the lever synchronously, thereby increasing the initial stage of crystal growth. In both cases, highly accurate weight detection is maintained in the latter stages. That is, if there is a weight difference between the two ends of the lever, the lever will be offset accordingly. Therefore, this device can realize detection without accuracy class.
本発明は、上記の目的を達成するために、下記の技術案を提供する。
圧電結晶秤量結晶成長装置であって、結晶成長炉筐体の外側の上部に設けられるバランスレバーを備え、前記バランスレバーの下部に支点が設けられ、
支点の左側のバランスレバーの下方に回転モーターが取り付けられ、前記回転モーターの下部が種結晶棒に接続され、前記種結晶棒の下端は種結晶であり、
支点の右側のバランスレバーの上方にリニアガイドレールが取り付けられ、前記リニアガイドレールにスライダが取り付けられ、前記スライダにカウンターウェイトが配置されてもよく、
支点の右側のバランスレバーの上方には、さらにリニアガイドレールの左側に位置するモーターが取り付けられ、前記モーターは軸継手によってリードスクリューに接続され、前記リードスクリューはリードスクリューナットに接続されてからスライダに接続して固定される。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following technical solution.
A piezoelectric crystal weighing crystal growth apparatus, comprising a balance lever provided at the upper part of the outside of the crystal growth furnace housing, a fulcrum being provided at the lower part of the balance lever,
A rotary motor is installed below the balance lever on the left side of the fulcrum, the lower part of the rotary motor is connected to a seed crystal rod, and the lower end of the seed crystal rod is a seed crystal;
A linear guide rail may be attached above the balance lever on the right side of the fulcrum, a slider may be attached to the linear guide rail, and a counterweight may be disposed on the slider.
A motor located on the left side of the linear guide rail is further installed above the balance lever on the right side of the fulcrum, and the motor is connected to a lead screw by a shaft coupling, and the lead screw is connected to a lead screw nut and then the slider. is connected to and fixed.
そのうち、前記バランスレバーの上部の支点に向き合う位置に水平角度センサーが設けられる。 A horizontal angle sensor is installed at a position facing the upper fulcrum of the balance lever.
そのうち、前記種結晶の下方は結晶である。 Among them, below the seed crystal is a crystal.
そのうち、バランスレバーの長さは０．５メートル～２メートルである。 Among them, the length of the balance lever is 0.5 meters to 2 meters.
そのうち、前記カウンターウェイトはスライダに従って左右に移動することができ、前記カウンターウェイトの重量は０．１ｋｇ～１０ｋｇである。 The counterweight can be moved left and right according to the slider, and the weight of the counterweight is 0.1 kg to 10 kg.
そのうち、前記水平角度センサーはバランスレバーの水平からの傾斜角度データを検出し、結晶成長システム全体の平衡状態を監視するために用いられる。 The horizontal angle sensor is used to detect the tilt angle data of the balance lever from the horizontal and monitor the equilibrium state of the entire crystal growth system.
そのうち、前記モーターはサーボモーター、直流モーターまたは交流モーターである。 The motor may be a servo motor, a DC motor or an AC motor.
本発明の圧電結晶秤量結晶成長装置の動作方法は下記のとおりである。結晶成長の過程で、モーターによって絶えずカウンターウェイトの支点に対する位置を調整して、基準重量を変え、結晶成長の過程を制御して、結晶を基準重量の変化に応じて同期して成長させ、最終的に所望の形状の結晶を得る。 The method of operating the piezoelectric crystal weighing and growing apparatus of the present invention is as follows. In the process of crystal growth, the position of the counterweight with respect to the fulcrum is constantly adjusted by the motor to change the reference weight and control the crystal growth process, so that the crystal grows synchronously according to the changes in the reference weight, and the final to obtain crystals with the desired shape.
具体的には下記のとおりである。
最初に結晶成長製造工程に従って、結晶成長前に、成長速度、結晶形状、結晶の総量、カウンターウェイトの移動速度を含む対応するパラメータを決定し、
坩堝内の結晶粉末原料が融点に達すると、完全に溶融した状態下で、種結晶棒に種結晶を取り付けて種付けを行い、モーターの回転を制御することにより、リードスクリューを回転させてカウンターウェイトを連れて左右に移動させ、
種結晶棒が取り付けられた側の方が重く、バランスレバーが左に傾く場合は、バランスレバーが基本的に水平状態になるまで、カウンターウェイトを右側に移動するのに調整し、種結晶棒が取り付けられた側の方が軽く、バランスレバーが右に傾く場合は、バランスレバーが基本的に水平状態になるまで、カウンターウェイトを左側に移動するのに調整し、
バランスレバーが基本的に水平状態となる時、水平角度センサーの表示数値がゼロではなく、クリア動作により、水平角度センサーの表示と出力をゼロにすることができ、これまで、バランスシステム全体の初期水平基準の検証が完了となり、
結晶成長制御スイッチによって、圧電結晶秤量結晶成長装置全体を下降させ、種結晶を完全に溶融する液面にゆっくりと接触させて種付けを完了し、この時に、水平角度センサーによるクリア動作で、再びクリアし、自動結晶成長プログラムに切り替え、自動結晶成長過程が開始された後、圧電結晶秤量結晶成長装置が同期して上方に引き上げられ、ゆっくりと結晶成長を進めていき、
結晶成長過程全体で、レバーのオフセット角度の数値を検出して、結晶外観の直径の変化をフィードバックし、且つ、加熱温度を制御することにより結晶成長の速度を制御して、結晶成長の要件を満たす。
Specifically, the details are as follows.
Firstly, according to the crystal growth manufacturing process, before crystal growth, determine the corresponding parameters including growth rate, crystal shape, total amount of crystals, counterweight movement speed,
When the crystal powder raw material in the crucible reaches its melting point, the seed crystal is attached to the seed crystal rod in a completely molten state to seed it, and by controlling the rotation of the motor, the lead screw is rotated and the counterweight is removed. and move it left and right,
If the side with the seed rod attached is heavier and the balance lever tilts to the left, adjust the counterweight to the right until the balance lever is essentially horizontal, and the seed rod is If the attached side is lighter and the balance lever leans to the right, adjust the counterweight to the left until the balance lever is essentially horizontal,
When the balance lever is basically in the horizontal state, the displayed value of the horizontal angle sensor is not zero, but the clearing operation allows the display and output of the horizontal angle sensor to be zero. Verification of horizontal standards has been completed,
The entire piezoelectric crystal weighing crystal growth apparatus is lowered by the crystal growth control switch, and the seed crystal is slowly brought into contact with the completely melting liquid surface to complete the seeding. At this time, the horizontal angle sensor clears the crystal again. Then, the automatic crystal growth program is switched to, and after the automatic crystal growth process has started, the piezoelectric crystal weighing crystal growth device is synchronously pulled upward to slowly advance the crystal growth.
Throughout the crystal growth process, the value of the offset angle of the lever is detected to feed back the change in the diameter of the crystal appearance, and the speed of crystal growth is controlled by controlling the heating temperature to meet the requirements of crystal growth. Fulfill.
圧電結晶秤量結晶成長装置であって、上記の装置の水平角度センサーを抵抗ひずみセンサーまたはロードセルなどの他の類似する監視機能を有するセンサーに置き換えてもよい。例えば、ロードセルとバランスロッドとの間の相対的運動関係により位置監視を行い、つまり、ロードセルを炉体に固定して、バランスレバーに接続させ、バランスレバーにオフセット角度が生じると、ロードセルの測定点とバランスレバーとの位置の偏差が形成され、ロードセルが固定されているため、ロードセルが一定の引張力または推力を受け、受ける力の大きさはバランスレバーのオフセット角度の大きさにより決定される。ロードセルが受ける力の方向および大きさをフィードバックすることにより、制御システムにフィードバックして加熱調整を行い、結晶成長の制御過程を実現できる。 In a piezoelectric crystal weighing crystal growth apparatus, the horizontal angle sensor of the above apparatus may be replaced by a resistive strain sensor or other sensor with similar monitoring functionality, such as a load cell. For example, position monitoring is performed by the relative motion relationship between the load cell and the balance rod, that is, the load cell is fixed to the furnace body and connected to the balance lever, and when the balance lever has an offset angle, the measurement point of the load cell is Since the load cell is fixed, the load cell receives a certain tensile force or thrust, and the magnitude of the received force is determined by the magnitude of the offset angle of the balance lever. By feeding back the direction and magnitude of the force that the load cell receives, it is possible to feed back to the control system to adjust the heating and realize a controlled process of crystal growth.
本発明の圧電結晶秤量結晶成長装置の動作原理は下記のとおりである。
結晶成長の制御過程ではレバー原理が利用され、結晶成長部分の回転モーター、種結晶、種結晶棒などがバランスレバーの一端に取り付けられ、バランスレバーの他端にはモーター、リードスクリューでモーメントアームを調整するカウンターウェイトが設けられる。バランスレバーの両側の重力にモーメントアームを掛ける値が同じである場合に限って、バランスレバーが水平状態となる。
The operating principle of the piezoelectric crystal weighing and growing apparatus of the present invention is as follows.
The lever principle is used in the crystal growth control process; the rotating motor, seed crystal, seed crystal rod, etc. of the crystal growth part are attached to one end of the balance lever, and the moment arm is attached to the other end of the balance lever with a motor and a lead screw. A counterweight is provided for adjustment. The balance lever is in a horizontal state only when the moment arm multiplies the gravity on both sides of the balance lever by the same value.
結晶成長の初期で、最初にカウンターウェイトのバランスレバーにおける位置を調整して、バランスレバーを平衡状態とする。成長開始後、結晶が成長するのにつれて、結晶重量が徐々に増加するため、レバーの平衡が変わり、予め設定された速度でカウンターウェイトの位置を同期して調整するという方法でレバーの平衡状態を同期して安定的にする。また、結晶成長過程全体で、レバーのオフセット角度の数値を検出して、結晶外観の直径の変化をフィードバックする。且つ、加熱調整部分を制御して、結晶の成長速度を制御することにより、等径成長という結晶成長の要件を満たす。 At the beginning of crystal growth, the position of the counterweight on the balance lever is first adjusted to bring the balance lever into an equilibrium state. After the growth starts, as the crystal grows, the crystal weight gradually increases, which changes the equilibrium of the lever, and the equilibrium state of the lever is adjusted by synchronously adjusting the position of the counterweight at a preset speed. Be synchronized and stable. Additionally, throughout the crystal growth process, the value of the offset angle of the lever is detected to provide feedback on changes in the diameter of the crystal appearance. In addition, by controlling the heating adjustment portion and controlling the crystal growth rate, the crystal growth requirement of uniform diameter growth is satisfied.
図１に示されるとおり、動力をＦ１、抗力をＦ２、動力のモーメントアームの長さをＬ１、抗力のモーメントアームの長さをＬ２と設定すると、レバー原理の関係式は、Ｆ１×Ｌ１＝Ｆ２×Ｌ２となる。 As shown in Figure 1, if the power is set as F1, the drag is set as F2, the length of the moment arm of the power is set as L1, and the length of the moment arm of the drag is set as L2, the relational expression of the lever principle is F1 x L1 = F2 ×L2.
本発明は、従来の技術に比べて、下記の有益な効果を有する。
（１）圧電結晶秤量結晶成長装置および動作方法は秤量精度が高く、秤量範囲が広く、構造に信頼性があり、コストが安い。
（２）当該装置はカウンターウェイトで調整するため、さまざまな特殊形状の結晶の成長を実現できる。
（３）当該装置はデジタル化水平角度センサーを用いるため、結晶成長システムの平衡状態を直感的に、正確に観察することができ、リアルタイムに観察し、直感的で明瞭である。
（４）本発明の圧電結晶秤量結晶成長装置および動作方法はさまざまな結晶成長技術に用いることができ、明るい市場の見通しがある。
The present invention has the following beneficial effects compared to the conventional technology.
(1) Piezoelectric crystal weighing crystal growth apparatus and operating method have high weighing accuracy, wide weighing range, reliable structure, and low cost.
(2) Since the device is adjusted with a counterweight, it is possible to grow crystals with various special shapes.
(3) Since the device uses a digital horizontal angle sensor, the equilibrium state of the crystal growth system can be observed intuitively and accurately, and the observation is in real time, intuitive and clear.
(4) The piezoelectric crystal weighing crystal growth apparatus and operating method of the present invention can be used in various crystal growth techniques and has bright market prospects.
以下、本発明の実施例の図面と合わせて、本発明の実施例に係る技術案を明瞭、かつ完全に説明し、もちろん、説明される実施例は、本発明の実施例の一部に過ぎず、全ての実施例ではない。当業者が本発明の実施例に基づき、新規性のある作業をすることなく得られた他の実施例は、いずれも本発明の請求の範囲に属する。 Below, together with the drawings of the embodiments of the present invention, the technical solutions of the embodiments of the present invention will be clearly and completely explained, and of course the described embodiments are only a part of the embodiments of the present invention. However, this does not include all embodiments. Any other embodiments that can be obtained by a person skilled in the art based on the embodiments of the present invention without performing any novel work shall fall within the scope of the claims of the present invention.
図２を参照されたし、本発明は下記の技術案を提供する。
圧電結晶秤量結晶成長装置および動作方法であって、結晶成長炉筐体の外側の上部に設けられるバランスレバー３を備え、前記バランスレバー３の下部に支点１２が設けられ、
支点１２の左側のバランスレバー３の下方に回転モーター２が取り付けられ、前記回転モーター２の下部が種結晶棒１３に接続され、前記種結晶棒１３の下端は種結晶１４であり、
支点１２の右側のバランスレバー３の上方にリニアガイドレール１１が取り付けられ、前記リニアガイドレール１１にスライダ１０が取り付けられ、前記スライダ１０にカウンターウェイト９が配置されてもよく、
支点１２の右側のバランスレバー３の上方には、さらにリニアガイドレール１１の左側に位置するモーター５が取り付けられ、前記モーター５は軸継手６によってリードスクリュー７に接続され、前記リードスクリュー７はリードスクリューナット８に接続されてスライダ１０に固定される。
Referring to FIG. 2, the present invention provides the following technical solution.
A piezoelectric crystal weighing crystal growth apparatus and operating method, comprising a balance lever 3 provided at the upper part of the outside of a crystal growth furnace housing, and a fulcrum 12 provided at the lower part of the balance lever 3,
A rotary motor 2 is attached below the balance lever 3 on the left side of the fulcrum 12, the lower part of the rotary motor 2 is connected to a seed crystal rod 13, and the lower end of the seed crystal rod 13 is a seed crystal 14,
A linear guide rail 11 may be attached above the balance lever 3 on the right side of the fulcrum 12, a slider 10 may be attached to the linear guide rail 11, and a counterweight 9 may be disposed on the slider 10.
A motor 5 located on the left side of the linear guide rail 11 is further attached above the balance lever 3 on the right side of the fulcrum 12, and the motor 5 is connected to a lead screw 7 by a shaft coupling 6. It is connected to a screw nut 8 and fixed to a slider 10.
バランスレバー３の上部の支点１２に向き合う位置に水平角度センサー４が設けられる。前記水平角度センサー４はバランスレバー３の水平からの傾斜角度データを検出し、結晶成長システム全体の平衡状態を監視するために用いられる。 A horizontal angle sensor 4 is provided at a position facing the fulcrum 12 at the top of the balance lever 3. The horizontal angle sensor 4 is used to detect the tilt angle data of the balance lever 3 from the horizontal and monitor the equilibrium state of the entire crystal growth system.
モーター５はサーボモーター、直流モーターまたは交流モーターである。バランスレバー３の長さは０．５メートル～２メートルである。前記カウンターウェイト９はスライダ１０に従って左右に移動することができ、前記カウンターウェイト９の重量は０．１ｋｇ～１０ｋｇである。種結晶１４の下方は結晶１である。 The motor 5 is a servo motor, a DC motor, or an AC motor. The length of the balance lever 3 is 0.5 meters to 2 meters. The counterweight 9 can move left and right according to the slider 10, and the weight of the counterweight 9 is 0.1 kg to 10 kg. Crystal 1 is below seed crystal 14 .
（実施例１）
当該圧電結晶秤量結晶成長装置の動作方法は、具体的には下記のとおりである。
結晶成長製造工程に従って、結晶成長前に、成長速度、結晶形状、結晶の総量、カウンターウェイトの移動速度を含む対応するパラメータを決定し、
坩堝内の結晶粉末原料が融点に達すると、完全に溶融した状態下で、種結晶棒に種結晶を取り付けて種付けを行い、モーターの回転を制御することにより、リードスクリューを回転させてカウンターウェイトを連れて左右に移動させ、
種結晶棒が取り付けられた側の方が重く、バランスレバーが左に傾く場合は、バランスレバーが基本的に水平状態になるまで、カウンターウェイトを右側に移動するのに調整し、種結晶棒が取り付けられた側の方が軽く、バランスレバーが右に傾く場合は、バランスレバーが基本的に水平状態になるまで、カウンターウェイトを左側に移動するのに調整し、
バランスレバーが基本的に水平状態となる時、水平角度センサーの表示数値がゼロではなく、クリア動作により、水平角度センサーの表示と出力をゼロにすることができ、これにより、バランスシステム全体の初期水平基準の検証が完了となり、
結晶成長制御スイッチによって、圧電結晶秤量結晶成長装置全体を下降させ、種結晶を完全に溶融する液面にゆっくりと接触させて種付けを完了し、この時に、水平角度センサーによるクリア動作で、再びクリアし、自動結晶成長プログラムに切り替え、自動結晶成長過程が開始された後、圧電結晶秤量結晶成長装置が同期して上方に引き上げられ、ゆっくりと結晶成長を進めていき、
結晶成長過程全体で、レバーのオフセット角度の数値を検出して、結晶外観の直径の変化をフィードバックし、且つ、加熱温度を制御することにより結晶成長の速度を制御して、結晶成長の要件を満たす。
(Example 1)
The operation method of the piezoelectric crystal weighing crystal growth apparatus is specifically as follows.
According to the crystal growth manufacturing process, before crystal growth, determine the corresponding parameters including growth rate, crystal shape, total amount of crystals, counterweight movement speed,
When the crystal powder raw material in the crucible reaches its melting point, the seed crystal is attached to the seed crystal rod in a completely molten state to seed it, and by controlling the rotation of the motor, the lead screw is rotated and the counterweight is removed. and move it left and right,
If the side with the seed rod attached is heavier and the balance lever tilts to the left, adjust the counterweight to the right until the balance lever is essentially horizontal, and the seed rod is If the attached side is lighter and the balance lever leans to the right, adjust the counterweight to the left until the balance lever is essentially horizontal,
When the balance lever is basically in the horizontal state, the displayed value of the horizontal angle sensor is not zero, but the clearing operation allows the display and output of the horizontal angle sensor to be zero, which causes the initial state of the entire balance system. Verification of horizontal standards has been completed,
The entire piezoelectric crystal weighing crystal growth apparatus is lowered by the crystal growth control switch, and the seed crystal is slowly brought into contact with the completely melting liquid surface to complete the seeding. At this time, the horizontal angle sensor clears the crystal again. Then, the automatic crystal growth program is switched to, and after the automatic crystal growth process has started, the piezoelectric crystal weighing crystal growth device is synchronously pulled upward to slowly advance the crystal growth.
Throughout the crystal growth process, the value of the offset angle of the lever is detected to feed back the change in the diameter of the crystal appearance, and the speed of crystal growth is controlled by controlling the heating temperature to meet the requirements of crystal growth. Fulfill.
次に、例を挙げて説明する。
結晶成長の引上げ速度は５ｍｍ／ｈ、即ち結晶が毎時５ｍｍで成長すると仮定する。密度計算式により結晶重量の毎時の増加量を算出できる。
Next, an example will be given and explained.
It is assumed that the pulling rate of crystal growth is 5 mm/h, that is, the crystal grows at 5 mm/hour. The hourly increase in crystal weight can be calculated using the density calculation formula.
密度計算式は、ρ＝ｍ／Ｖであり、ニオブ酸リチウム結晶の密度は４．３ｇ／ｃｍ３である。 The density calculation formula is ρ=m/V, and the density of the lithium niobate crystal is 4.3 g/cm 3 .
成長したのは４インチの結晶であると仮定すると、１ミリメートルの結晶の体積は、Ｖ＝π×ｒ２×ｈ＝７．８５ｃｍ３であり、１ミリメートルの結晶の質量は、ｍ＝ρ×Ｖ＝３３．７５５ｇである。 Assuming that a 4 inch crystal was grown, the volume of a 1 mm crystal is V = π x r 2 x h = 7.85 cm 3 and the mass of a 1 mm crystal is m = ρ x V=33.755g.
これにより、カウンターウェイトの毎時の移動距離を算出できる。 Thereby, the hourly movement distance of the counterweight can be calculated.
カウンターウェイトの質量が１０００ｇであると仮定すると、カウンターウェイトが毎時に６．７５１ｍｍ移動すると予め設定する。 Assuming that the mass of the counterweight is 1000 g, it is preset that the counterweight moves 6.751 mm per hour.
この引き上げて成長させる過程で、例えば何らかの原因で、結晶成長が早すぎる場合は、バランスレバーが左右に傾く。結晶成長が早すぎると、バランスレバーは左に傾き、この時に水平角度センサーはバランスレバーの水平オフセット角度を検出し、角度センサーが当該角度偏差値を制御システムに送信して計算させ、制御システムは設定された比率で熱場の加熱力を調整する。 During this pulling and growing process, if for some reason the crystal grows too quickly, the balance lever will tilt to the left or right. If the crystal growth is too fast, the balance lever will tilt to the left, at this time the horizontal angle sensor will detect the horizontal offset angle of the balance lever, the angle sensor will send the corresponding angle deviation value to the control system for calculation, and the control system will Adjust the heating power of the thermal field with the set ratio.
結晶成長の原理によると、結晶成長が早すぎる場合に、熱場の加熱力を上げる必要がある。このように、最終的に結晶が毎時３３．７５５ｇの速度で成長し、最後に円柱状の結晶に成長した。 According to the principle of crystal growth, if the crystal grows too quickly, it is necessary to increase the heating power of the thermal field. In this way, the crystal finally grew at a rate of 33.755 g/hour, and finally grew into a cylindrical crystal.
成長した結晶の長さが所定の長さに達すると、自動制御が解除され、成長した結晶を結晶溶融液から引き出せば、結晶成長が完了する。 When the length of the grown crystal reaches a predetermined length, the automatic control is canceled and the grown crystal is pulled out from the crystal melt, completing the crystal growth.
成長過程で、カウンターウェイトの移動が連続的であり、カウンターウェイトの変化量の調整も連続的であるため、成長過程全体が高度に連続しており、成長した結晶は外観が滑らかで、ほぼ完璧な円柱となり、結晶の品質が優れる。 During the growth process, the movement of the counterweight is continuous, and the adjustment of the amount of change of the counterweight is also continuous, so the whole growth process is highly continuous, and the grown crystal has a smooth appearance and is almost perfect. It forms a cylinder and the quality of the crystal is excellent.
（実施例２）
圧電結晶秤量結晶成長装置であって、実施例１の水平角度センサーを抵抗ひずみセンサーまたはロードセルに置き換え、他の部品は変わらない。
(Example 2)
This is a piezoelectric crystal weighing crystal growth apparatus, in which the horizontal angle sensor of Example 1 is replaced with a resistive strain sensor or a load cell, and other parts remain unchanged.
本発明の実施例を示して説明したが、当業者は、本発明の原理と趣旨を逸脱することなく、これらの実施例に対して、様々な変更、修正、置き換え、変形を行うことができ、本発明の範囲は添付された特許請求の範囲およびその等価物により限定されると理解すべきである。 Although embodiments of the present invention have been shown and described, those skilled in the art will be able to make various changes, modifications, substitutions, and variations to these embodiments without departing from the principles and spirit of the invention. , it is to be understood that the scope of the invention is limited by the appended claims and their equivalents.
図において、１．結晶、２．回転モーター、３．バランスレバー、４．水平角度センサー、５．モーター、６．軸継手、７．リードスクリュー、８．リードスクリューナット、９．カウンターウェイト、１０．スライダ、１１．リニアガイドレール、１２．支点、１３．種結晶棒、１４．種結晶。 In the figure, 1. crystal, 2. Rotating motor, 3. Balance lever, 4. Horizontal angle sensor, 5. Motor, 6. shaft coupling, 7. Lead screw, 8. Lead screw nut, 9. Counterweight, 10. Slider, 11. Linear guide rail, 12. Fulcrum, 13. Seed crystal rod, 14. Seed crystal.
Claims (9)
前記支点（１２）の左側の前記バランスレバー（３）の下方に回転モーター（２）が取り付けられ、前記回転モーター（２）の下部が種結晶棒（１３）に接続され、前記種結晶棒（１３）の下端は種結晶（１４）であり、
前記支点（１２）の右側の前記バランスレバー（３）の上方にリニアガイドレール（１１）が取り付けられ、前記リニアガイドレール（１１）にスライダ（１０）が取り付けられ、前記スライダ（１０）にカウンターウェイト（９）が配置されてもよく、
前記支点（１２）の右側の前記バランスレバー（３）の上方には、さらに前記リニアガイドレール（１１）の左側に位置するモーター（５）が取り付けられ、前記モーター（５）は軸継手（６）によってリードスクリュー（７）に接続され、前記リードスクリュー（７）はリードスクリューナット（８）に接続されて前記スライダ（１０）に固定され、
前記バランスレバー（３）の上部の前記支点（１２）に向き合う位置に水平角度センサー（４）が設けられる、
ことを特徴とする圧電結晶秤量結晶成長装置。 A balance lever (3) is provided at the upper part of the outside of the crystal growth furnace casing, and a fulcrum (12) is provided at the lower part of the balance lever (3),
A rotary motor (2) is installed below the balance lever (3) on the left side of the fulcrum (12), and a lower part of the rotary motor (2) is connected to a seed crystal rod (13). The lower end of 13) is a seed crystal (14),
A linear guide rail (11) is attached above the balance lever (3) on the right side of the fulcrum (12), a slider (10) is attached to the linear guide rail (11), and a counter is attached to the slider (10). A weight (9) may be arranged,
A motor (5) located on the left side of the linear guide rail (11) is further attached above the balance lever (3) on the right side of the fulcrum (12), and the motor (5) is connected to the shaft joint (6). ) connected to a lead screw (7), said lead screw (7) being connected to a lead screw nut (8) and fixed to said slider (10) ;
A horizontal angle sensor (4) is provided at the top of the balance lever (3) at a position facing the fulcrum (12).
A piezoelectric crystal weighing crystal growth apparatus characterized by:
坩堝内の結晶粉末原料が融点に達すると、完全に溶融した状態下で、種結晶棒に種結晶を取り付けて種付けを行い、前記モーターの回転を制御することにより、リードスクリューを回転させて前記カウンターウェイトを連れて左右に移動させ、
前記種結晶棒が取り付けられた側の方が重く、バランスレバーが左に傾く場合は、前記バランスレバーが基本的に水平状態になるまで、前記カウンターウェイトを右側に移動して調整し、前記種結晶棒が取り付けられた側の方が軽く、前記バランスレバーが右に傾く場合は、前記バランスレバーが基本的に水平状態になるまで、前記カウンターウェイトを左側に移動して調整し、
前記バランスレバーが基本的に水平状態となる時、水平角度センサーの表示数値がゼロではなく、クリア動作により、前記水平角度センサーの表示と出力をゼロにすることができ、これにより、バランスシステム全体の初期水平基準の検証が完了となり、
結晶成長制御スイッチによって、圧電結晶秤量結晶成長装置全体を下降させ、前記種結晶を完全に溶融する液面にゆっくりと接触させて種付けを完了し、この時に、前記水平角度センサーによるクリア動作で、再びクリアし、自動結晶成長プログラムに切り替え、自動結晶成長過程が開始された後、圧電結晶秤量結晶成長装置が同期して上方に引き上げられ、ゆっくりと結晶成長を進めていき、
結晶成長過程全体で、レバーのオフセット角度の数値を検出して、結晶外観の直径の変化をフィードバックし、且つ、加熱温度を制御することにより結晶成長の速度を制御して、結晶成長の要件を満たす、
ことを特徴とする請求項７に記載の圧電結晶秤量結晶成長装置の動作方法。 According to the crystal growth manufacturing process, before crystal growth, determine the corresponding parameters including growth rate, crystal shape, total amount of crystals, counterweight movement speed,
When the crystal powder raw material in the crucible reaches its melting point, a seed crystal is attached to a seed crystal rod in a completely molten state to perform seeding, and by controlling the rotation of the motor, the lead screw is rotated to Move the counterweight left and right,
If the side to which the seed crystal rod is attached is heavier and the balance lever tilts to the left, adjust the counterweight by moving it to the right until the balance lever is essentially horizontal, If the side to which the crystal rod is attached is lighter and the balance lever tilts to the right, adjust the counterweight by moving it to the left until the balance lever is basically horizontal;
When the balance lever is basically in the horizontal state, the displayed value of the horizontal angle sensor is not zero, and the clearing operation can make the display and output of the horizontal angle sensor zero, which makes the entire balance system Verification of the initial horizontal standard has been completed,
The entire piezoelectric crystal weighing crystal growth apparatus is lowered by the crystal growth control switch, and the seed crystal is slowly brought into contact with the completely melting liquid surface to complete the seeding, and at this time, the clearing operation by the horizontal angle sensor, Clear it again, switch to the automatic crystal growth program, and after the automatic crystal growth process has started, the piezoelectric crystal weighing crystal growth device is synchronously pulled upward and slowly advances the crystal growth.
Throughout the crystal growth process, the value of the offset angle of the lever is detected to feed back the change in the diameter of the crystal appearance, and the speed of crystal growth is controlled by controlling the heating temperature to meet the requirements of crystal growth. Fulfill,
8. The method of operating a piezoelectric crystal weighing crystal growth apparatus according to claim 7 .
Piezoelectric crystal weighing crystal growth device, characterized in that the horizontal angle sensor (4) according to claim 1 is replaced by a resistive strain sensor or a load cell.
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