JP2006067256A - Piezoelectric resonator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は発振回路やフィルタ回路などに広く用いられる圧電共振器に関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric resonator widely used in an oscillation circuit, a filter circuit, and the like.
従来より、発振回路やフィルタ回路などに圧電共振器が用いられている。 Conventionally, piezoelectric resonators are used in oscillation circuits, filter circuits, and the like.
かかる従来の圧電共振器は、例えば図6に示す如く、矩形状をなす圧電基板52の両主面に一部が対向するようにして振動電極53a、53bが配置された圧電共振素子の両側に、対向領域を囲繞する枠体54a、54bを介して一対の封止体55a、55bを取着させた構造のものが知られている(例えば、特許文献1参照。)。
Such a conventional piezoelectric resonator, for example, as shown in FIG. 6, is formed on both sides of a piezoelectric resonant element in which
上述した従来の圧電共振器は、振動電極53a、53b間に所定の電圧を印加することにより、振動電極53a、53bの対向領域で所定周波数の振動を発生させるようになっており、このような圧電共振器を例えば発振器に用いる場合は、圧電共振器の共振周波数に基づいて外部の発振回路及び増幅回路等を介して所定の発振信号を生成・出力することにより圧電共振器として機能する。
The conventional piezoelectric resonator described above generates a vibration of a predetermined frequency in a region facing the vibrating
ところで、上述した従来の圧電共振器においては、振動電極53a、53b間に電圧を印加した際、両電極53a、53bの対向領域で主に基本波と3倍波にかかる2種類の振動が発生するようになっている。
By the way, in the above-described conventional piezoelectric resonator, when a voltage is applied between the
このような圧電共振器を高周波機器等に用いる場合は、上述した2種類の振動のうち周波数の高い3倍波の振動を利用することが望ましく、そのためには基本波の振動をできるだけ抑制する必要があった。基本波の抑制方法としては、例えば、一方の振動電極53aの外形寸法を他方の振動電極53bよりも小さくして、基本波を対向領域の周囲に漏洩させるとともに、該漏洩波を枠体54a、54bでダンピングするといった手法が提案されている(例えば、特許文献2参照。)。
しかしながら、上述した従来の圧電共振器において、基本波の振動を抑制するために一方の振動電極53aの外形寸法を他方の振動電極53bよりも小さくした場合、振動電極53a、53bの対向面積も小さくなってしまうことから、振動電極53a、53bの対向領域で十分な静電容量を確保することが困難になり、またこのように静電容量が小さくなると、5倍波等の他の高調波まで強く現れることとなり、3倍波を用いた圧電共振器として良好に機能させることが不可となる欠点を有していた。
However, in the conventional piezoelectric resonator described above, when the outer dimension of one vibrating
本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は、振動電極の対向領域において十分な静電容量を確保しつつ、基本波にかかる振動を良好に抑制することが可能な圧電共振器を提供することにある。 The present invention has been devised in view of the above-described drawbacks, and its purpose is to achieve piezoelectric resonance that can satisfactorily suppress vibration applied to the fundamental wave while ensuring sufficient capacitance in the opposed region of the vibrating electrode. Is to provide a vessel.
本発明の圧電共振器は、矩形状をなす圧電基板の両主面に、該圧電基板を介して一部が対向し、且つ該対向領域から前記圧電基板の一辺と平行な相反する方向に導出された一対の振動電極を被着させた圧電共振素子の両側に、前記対向領域を囲繞する枠体を介して一対の封止体を取着させてなり、前記振動電極への電圧印加に伴い前記圧電共振素子の前記対向領域内で所定周波数の基本波とその3倍波とを発生させるようにした圧電共振器において、前記圧電共振素子及び封止体間で、前記一辺と平行な方向に係る前記対向領域の中央部、及び/又は前記一辺と直交する方向に係る前記対向領域の中央部に、前記振動電極に対して前記対向領域の外周部でのみ部分的に接触する振動抑制体を介在させるとともに、該振動抑制体の存在しない前記対向領域の外周部に前記振動電極と接触する空間層を介在させたことを特徴とするものである。 The piezoelectric resonator according to the present invention is derived in the opposite direction parallel to one side of the piezoelectric substrate from the opposing region, with the piezoelectric substrate having a rectangular shape partly opposed to both main surfaces through the piezoelectric substrate. A pair of sealing bodies are attached to both sides of the piezoelectric resonant element to which the pair of vibrating electrodes is attached via a frame body surrounding the opposing region, and a voltage is applied to the vibrating electrodes. In the piezoelectric resonator configured to generate a fundamental wave having a predetermined frequency and a third harmonic wave in the opposed region of the piezoelectric resonator element, the piezoelectric resonator element and the sealing body are arranged in a direction parallel to the one side. A vibration suppressor that is in partial contact with the vibration electrode only at the outer peripheral portion of the opposing region at the central portion of the opposing region and / or the central portion of the opposing region in a direction orthogonal to the one side. Before the vibration suppressor does not exist It is characterized in that the space layer in contact with the vibrating electrode on the outer periphery of the opposite region is interposed.
また本発明の圧電共振器は、前記空間層が、不活性ガス、真空のいずれかより成ることを特徴とするものである。 The piezoelectric resonator according to the present invention is characterized in that the space layer is made of either an inert gas or a vacuum.
更に本発明の圧電共振器は、前記振動抑制体が前記枠体と同一材料から成ることを特徴とするものである。 Furthermore, the piezoelectric resonator according to the present invention is characterized in that the vibration suppressing body is made of the same material as the frame.
また更に本発明の圧電共振器は、前記振動抑制体及び前記枠体が一体的に形成されていることを特徴とするものである。 Furthermore, the piezoelectric resonator of the present invention is characterized in that the vibration suppressing body and the frame body are integrally formed.
更にまた本発明の圧電共振器は、前記振動抑制体及び前記枠体が前記封止体と同一材料から成り、且つ、前記封止体と一体的に形成されていることを特徴とするものである。 Furthermore, the piezoelectric resonator of the present invention is characterized in that the vibration suppressing body and the frame body are made of the same material as the sealing body and are formed integrally with the sealing body. is there.
また更に本発明の圧電共振器は、前記一対の振動電極が、前記一辺と直交する方向で、前記対向領域の図心より外方に向かって延出された延出部を有していることを特徴とするものである。 Furthermore, in the piezoelectric resonator according to the aspect of the invention, the pair of vibrating electrodes may have an extending portion that extends outward from the centroid of the facing region in a direction orthogonal to the one side. It is characterized by.
更にまた本発明の圧電共振器は、前記振動抑制体が前記延出部で前記振動電極に接触していることを特徴とするものである。 Furthermore, the piezoelectric resonator of the present invention is characterized in that the vibration suppressing body is in contact with the vibration electrode at the extending portion.
本発明の圧電共振器によれば、圧電共振素子及び封止体間で、圧電基板の一辺と平行な方向に係る対向領域の中央部、及び/又は前記一辺と直交する方向に係る対向領域の中央部に、振動電極に対して対向領域の外周部でのみ部分的に接触する振動抑制体を介在させるとともに、振動抑制体の存在しない対向領域の外周部に振動電極と接触する空間層を介在させるようにしたことから、対向領域のうち、3倍波が集中する領域には空間層が形成され、基本波が集中する領域には振動抑制体が形成される。これにより、3倍波以外の振動を有効に抑制することができるようになり、良好な共振特性を得ることが可能となる。 According to the piezoelectric resonator of the present invention, between the piezoelectric resonant element and the sealing body, the central portion of the opposing region in the direction parallel to one side of the piezoelectric substrate and / or the opposing region in the direction orthogonal to the one side. A vibration suppression body that partially contacts the vibration electrode only at the outer peripheral portion of the opposing region is interposed in the central portion, and a space layer that is in contact with the vibration electrode is interposed at the outer peripheral portion of the opposing region where the vibration suppression member does not exist. Therefore, a spatial layer is formed in a region where the third harmonic is concentrated in the opposed region, and a vibration suppressing body is formed in a region where the fundamental wave is concentrated. As a result, vibrations other than the third harmonic can be effectively suppressed, and good resonance characteristics can be obtained.
そして、このような圧電共振器を発振回路に用いる場合には、圧電共振器の基本波の3倍波に相当する発振周波数で安定して動作させることができるようになり、また圧電共振器をフィルタ回路に用いる場合には、通過帯域外の減衰量を十分に確保することができるようになる。 When such a piezoelectric resonator is used in an oscillation circuit, the piezoelectric resonator can be stably operated at an oscillation frequency corresponding to the third harmonic of the fundamental wave of the piezoelectric resonator. When used in a filter circuit, a sufficient amount of attenuation outside the passband can be secured.
また本発明の圧電共振器によれば、振動抑制体を枠体と同一材料で形成することにより、従来周知のスクリーン印刷等によって振動抑制体と枠体とを同時に形成することができ、これによって圧電共振器の生産性を向上させることが可能となる。 Further, according to the piezoelectric resonator of the present invention, the vibration suppressing body and the frame body can be formed at the same time by conventionally known screen printing or the like by forming the vibration suppressing body from the same material as the frame body. Productivity of the piezoelectric resonator can be improved.
更に本発明の圧電共振器によれば、振動抑制体と枠体とを一体的に連続して形成することにより、振動抑制体と枠体とを別体で形成した場合に比し、振動電極と接する物体(振動抑制体及び枠体)の質量は大きくなり、このように質量の大きな物体を振動電極の所定箇所に接触させておくことで、基本波の振動をより確実に抑制することが可能となる。 Furthermore, according to the piezoelectric resonator of the present invention, the vibration suppression body and the frame body are integrally and continuously formed, so that the vibration electrode is different from the case where the vibration suppression body and the frame body are formed separately. The mass of the object (vibration suppressor and frame) in contact with the substrate increases, and the vibration of the fundamental wave can be more reliably suppressed by bringing a large mass in contact with a predetermined location of the vibration electrode. It becomes possible.
また更に本発明の圧電共振器によれば、一対の振動電極に、圧電基板の一辺と直交する方向で、対向領域の図心より外方に向かって延出された延出部を設けておくことにより、基本波が前記延出部で集中的に発生するとともに、3倍波が振動電極の対向領域の図心を中心とした広い領域で発生するようになり、その結果、より良好な共振特性が得られるようになる。特に、振動抑制体を前記延出部で振動電極に接触させておけば、基本波の振動を極めて良好に抑制することができる。 Furthermore, according to the piezoelectric resonator of the present invention, the pair of vibrating electrodes is provided with an extending portion extending outward from the centroid of the opposing region in a direction orthogonal to one side of the piezoelectric substrate. As a result, the fundamental wave is intensively generated at the extension part, and the third harmonic wave is generated in a wide area centering on the centroid of the opposed area of the vibrating electrode. Characteristics can be obtained. In particular, if the vibration suppressing body is brought into contact with the vibrating electrode at the extending portion, the vibration of the fundamental wave can be suppressed extremely well.
以下、本発明の圧電共振器を添付の図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, a piezoelectric resonator of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は本発明の一実施形態に係る圧電共振器の外観斜視図、図2は図1の圧電共振器の断面図であり、同図に示す圧電共振器は大略的に、圧電共振素子1の両側に枠体4a、4bを介して一対の封止体5a、5bを取着させた構造を有している。
FIG. 1 is an external perspective view of a piezoelectric resonator according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view of the piezoelectric resonator of FIG. 1. The piezoelectric resonator shown in FIG. A pair of
圧電共振素子1は、図3に示すように、矩形状をなす圧電基板2の両主面に、圧電基板2を介して一部が対向するように振動電極3a、3bが配置された構造を有している。また本実施形態における振動電極3a、3bは、上記対向領域Aから圧電基板2の一辺と平行な相反する方向に導出されている。
As shown in FIG. 3, the piezoelectric
圧電基板2は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛やチタン酸鉛等の圧電セラミック材料、或いは、水晶やニオブ酸リチウム等の圧電単結晶材料から成り、かかる圧電基板2は厚み方向に分極されている。
The
例えば、圧電基板2を圧電セラミック材料により形成する場合、まず原料粉末にバインダを加えてプレスする方法、或いは、原料粉末を水、分散剤と共にボールミルを用いて混合及び乾燥し、バインダ、溶剤、可塑剤等を加えてドクターブレード法により成型する方法などによってシート状と成し、次に、1100℃〜1400℃のピーク温度で数10分〜数時間焼成して基板を形成した後、例えば、厚み方向に60℃〜150℃の温度にて3kV/mm〜15kV/mmの電圧をかけ分極処理を施すことにより製作される。
For example, when the
また、圧電基板2を圧電単結晶材料により形成する場合、圧電単結晶材料のインゴット(母材)を所定の結晶方向となるように所定の厚みでスライスすることにより製作される。
When the
そして、圧電基板2の両主面に被着される振動電極3a、3bは、例えば金、銀、銅、クロム、ニッケル、錫、鉛、アルミニウム等の良導電性の金属から成り、これらの金属材料を従来周知の真空蒸着やスパッタリング法等によって圧電基板2の両主面に被着・形成したり、或いは、上述した金属材料を含む所定の導体ペーストを従来周知の印刷法等によって所定パターンに塗布し、高温で焼き付けることにより被着・形成される。
The vibrating
このような一対の振動電極3a、3b間に所定の電圧が印加されると、圧電効果によって主に基本波とその3倍波を含む種々の振動が励振され、それぞれの振動に起因する共振ピークが周波数特性に現れる。
When a predetermined voltage is applied between the pair of vibrating
また、上述した圧電共振素子1の上下両側に配置される一対の封止体5a、5bは、圧電共振素子1の両主面に枠体4a、4bを介して取着されており、圧電共振素子1と封止体5a、5bと枠体4a、4bの内側とで囲まれる領域に所定の空間層7が形成される。
Further, the pair of
封止体5a、5bは、縦・横の外寸が圧電基板2と略等しく形成されており、その厚みは例えば数10μm〜数mmに設定される。このような封止体5a、5bは、耐熱性樹脂、例えば、ポリブチレンテレフタレート(PBT)等のエンジニアリングプラスチックや、液晶ポリマーやガラス布基材エポキシ樹脂等から成り、特にガラス繊維を30%〜80%含有させたガラス布基材エポキシ樹脂が好適に使用される。その場合、100Pa以下の真空中にて0.2MPa〜5MPaの圧力を加えながら180℃〜200℃の温度で40分〜90分保持して樹脂を熱硬化させることによって良好に接合される。
The
尚、封止体5a、5bの両主面に形成されている外部端子電極6は、振動電極3a、3bと同様の材料及び方法により形成されており、その表面にはニッケルメッキや錫メッキが施される。
The external
また、圧電共振素子1と封止体5a、5bとの間に介在される枠体5a、5bは、圧電共振素子1の対向領域Aを囲繞するように形成されており、圧電共振素子1と封止体5a、5bとの間に所定の振動空間(空間層7)を形成するためのスペーサとして機能するとともに、該振動空間を気密封止するための封止材としての作用を為す。
The
このような枠体5a、5bは、例えばエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂からなり、従来周知の厚膜印刷法等を採用し、熱硬化性樹脂の液状前駆体を圧電基板2の両面に所定パターンに塗布し、熱硬化させることによって形成される。また、枠体4a、4bの粘度や熱膨張係数を調整するために、枠体4a、4b中に酸化珪素等の無機質材料から成るフィラーを所定量含有させておいてもよい。
尚、前記空間層7には、空気やN2、Ar等の不活性ガスが充填されるか、もしくは、真空状態とされ、特に不活性ガスを充填するか、真空状態の空間層7を採用する場合、圧電共振素子1の信頼性を高く維持することができる。
The
そして、上述した圧電共振素子1と封止体5a、5bとの間で、圧電基板2の一辺と平行な方向に係る対向領域Aの中央部と前記一辺と直交する方向に係る対向領域Aの中央部には、振動電極3a、3bに対して対向領域Aの外周部でのみ部分的に接触する振動抑制体8が介在されている。
And between the piezoelectric
前記振動抑制体8は、例えば、先に述べた枠体4a、4bと同様の熱硬化性樹脂、具体的にはエポキシ樹脂等によって枠体4a、4bと一体的に連続して形成されており、この振動抑制体8が存在しない部位に前記空間層7が形成される。
The
ここで、有限要素法を用いたシミュレーションを行い、3倍波と基本波の振動分布を解析した結果について図4を用いて説明する。 Here, a simulation using the finite element method is performed, and the result of analyzing the vibration distribution of the third harmonic and the fundamental wave will be described with reference to FIG.
同図によれば、3倍波は対向領域Aの中央域Cに、基本波は対向領域Aの外周域Bにそれぞれ集中的に分布しており、特に基本波は、圧電基板2の一辺と平行な方向に係る対向領域Aの中央部付近と前記一辺と直交する方向に係る対向領域Aの中央部付近に集中していることが分かる。 According to the figure, the third harmonic wave is concentrated in the central area C of the facing area A and the fundamental wave is concentrated in the outer peripheral area B of the facing area A. It turns out that it concentrates in the central part vicinity of the opposing area | region A which concerns on a parallel direction, and the central part vicinity of the opposing area | region A which concerns on the direction orthogonal to the said one side.
従って、対向領域Aのうち、3倍波が集中する領域Cに空間層7を配置し、基本波が集中する領域Bに振動抑制体8を配置することにより、基本波にかかる振動を有効に抑制することができ、良好な共振特性を得ることが可能となる。よって、このような圧電共振器を発振回路に用いる場合には、圧電共振器の基本波の3倍波に相当する発振周波数で安定して動作させることができるようになり、また圧電共振器をフィルタ回路に用いる場合には、通過帯域外の減衰量を十分に確保することができるようになる。
Therefore, by arranging the
また前記振動抑制体8を枠体4a、4bと同一の材料で形成する場合、振動抑制体8と枠体4a、4bとを従来周知のスクリーン印刷法等によって同時に形成することができ、圧電共振器の生産性を向上させることが可能となる。従って振動抑制体8と枠体4a、4bを同一の材料で形成することが好ましい。
When the
更に本実施形態においては、振動抑制体8と枠体4a、4bとが一体的に連続して形成されているため、振動抑制体8と枠体4a、4bとを別体で形成する場合に比し、振動電極3a、3bと接する物体(振動抑制体8及び枠体4a、4b)の質量は大きくなり、このように質量の大きな物体を振動電極3a、3bの所定箇所に接触させておくことで、基本波の振動をより確実に抑制することが可能となる。従って振動抑制体8と枠体4a、4bとは一体的に形成することが好ましい。
Furthermore, in this embodiment, since the
尚、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and improvements can be made without departing from the gist of the present invention.
例えば、上述した実施形態においては、振動抑制体8を、圧電基板2の一辺と平行な方向に係る対向領域Aの中央部と前記一辺と直交する方向に係る対向領域Aの中央部の双方に設けたが、いずれか一方に設ける場合であっても、振動抑制体8を設けた部分において上述した実施形態と同様の振動抑制効果を奏するものである。
For example, in the above-described embodiment, the
また上述した実施形態においては、振動抑制体8を枠体4a、4bと一体的に形成するようにしたが、これに代えて、振動抑制体8と枠体4a、4bとを分離した状態で形成するようにしても構わない。
In the above-described embodiment, the
更に上述した実施形態においては、対向領域が矩形状をなすように一対の振動電極3a、3bを配置させるようにしたが、対向領域は矩形状に限定されるものではなく、例えば図6に示す如く、振動電極の一部を対向領域Aの図心より外方に向かって延出させるようにしても良い。この場合、基本波が延出部23aで集中的に発生するとともに、3倍波が対向領域Aの図心を中心とした広い領域で発生するようになり、その結果、より良好な共振特性が得られるようになる。またこの場合、振動抑制体28は延出部23aで振動電極に接触されることとなる。
Further, in the above-described embodiment, the pair of vibrating
また更に上述した実施形態において、封止体の一部に誘電体基板を用いても構わない。この場合、誘電体基板にはその上下面に形成された電極によって大きな静電容量が形成されており、このような誘電体基板を用いることによって、例えば圧電共振器にコルピッツ型の発振回路を構成するためのコンデンサの機能を付加させることができる。 Furthermore, in the above-described embodiment, a dielectric substrate may be used as a part of the sealing body. In this case, the dielectric substrate has a large capacitance formed by the electrodes formed on the upper and lower surfaces thereof. By using such a dielectric substrate, for example, a Colpitts oscillation circuit is formed in the piezoelectric resonator. Capacitor function can be added.
更にまた上述した誘電体基板を封止体の一部として用いるのではなく、図1に示される圧電共振器に別途取り付けるようになしても良く、そのような構成とすることで、コンデンサの機能を付加したものであっても、圧電基板の両面に形成される封止体の熱膨張係数を一致させて反り等の発生を少なくし、安定した共振特性が得られるようになる。 Furthermore, the dielectric substrate described above is not used as a part of the sealing body, but may be separately attached to the piezoelectric resonator shown in FIG. Even with the addition of, the thermal expansion coefficients of the sealing bodies formed on both surfaces of the piezoelectric substrate are matched to reduce the occurrence of warping and the like, and a stable resonance characteristic can be obtained.
1・・・圧電共振素子
2・・・圧電基板
3a、3b・・・振動電極
4a、4b・・・枠体
5a、5b・・・封止体
6・・・外部端子電極
7・・・空間層
8・・・振動抑制体
A・・・対向領域
B・・・基本波が集中する領域
C・・・3倍波が集中する領域
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記圧電共振素子及び前記封止体間で、前記一辺と平行な方向に係る前記対向領域の中央部、及び/又は前記一辺と直交する方向に係る前記対向領域の中央部に、前記振動電極に対して前記対向領域の外周部でのみ部分的に接触する振動抑制体を介在させるとともに、該振動抑制体の存在しない前記対向領域の外周部に前記振動電極と接触する空間層を介在させたことを特徴とする圧電共振器。 A pair of oscillating electrodes that are partly opposed to both main surfaces of the piezoelectric substrate having a rectangular shape through the piezoelectric substrate and led out in opposite directions parallel to one side of the piezoelectric substrate from the facing region are covered. A pair of sealing bodies are attached to both sides of the attached piezoelectric resonant element via a frame surrounding the opposing area, and the opposing area of the piezoelectric resonant element is applied in accordance with voltage application to the vibration electrode. In a piezoelectric resonator that generates a fundamental wave of a predetermined frequency and a third harmonic thereof,
Between the piezoelectric resonant element and the sealing body, the vibration electrode has a central portion of the opposing region in a direction parallel to the one side and / or a central portion of the opposing region in a direction orthogonal to the one side. On the other hand, a vibration suppressing body that partially contacts only at the outer peripheral portion of the opposing region is interposed, and a space layer that is in contact with the vibrating electrode is interposed at the outer peripheral portion of the opposing region where the vibration suppressing body does not exist. A piezoelectric resonator characterized by the above.
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