JP2008166994A - Piezoelectric vibrator, piezoelectric oscillator, and manufacturing method of piezoelectric vibrator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は圧電振動子、圧電発振器、および圧電振動子の製造方法に係り、特に絶縁容器内に圧電振動素子を導電性接着剤により実装搭載し、前記容器をリッドにより密封した場合の前記導電性接着剤からのアウトガスによる悪影響を改善した圧電振動子およびその製造方法、並びに圧電発振器に関する。 The present invention relates to a piezoelectric vibrator, a piezoelectric oscillator, and a method of manufacturing the piezoelectric vibrator, and more particularly, the conductivity when a piezoelectric vibration element is mounted and mounted with a conductive adhesive in an insulating container and the container is sealed with a lid. The present invention relates to a piezoelectric vibrator, a method for manufacturing the same, and a piezoelectric oscillator in which adverse effects due to outgas from an adhesive are improved.
一般に、圧電発振器(水晶発振器)は、圧電基板に励振電極を形成した圧電振動素子を用いており、斯かる圧電振動素子を導電性接着剤により絶縁容器内に実装搭載して容器をリッドで密閉した圧電振動子に、発振回路を接続した構造を採用する。従来の圧電振動子を用いた発振器の構造例を図14に示す。図示のように、従来の圧電発振器1は、上部と下部に凹所2,3を形成して断面がH型とされたセラミック容器4を備え、このセラミック容器4の底面部分には実装端子5を設けた構成となっている。上部凹所2には圧電振動素子6が搭載され、これは凹所の底面より1段高く形成された素子搭載面7上に設けている内部パッド8に、圧電振動素子6の一端部側に延びた励振電極用接続端子を導電性接着剤10により接着し、片持ち状態で搭載する構成とされる。上部凹所はリッド11により密閉封止される。また、下部凹所3には発振回路を構成するIC部品12がその天井面に設けた下部パッド13と接続されて実装される。そして、この下部パッド13は上記内部パッド8とともに前記実装端子5と電気的に接続される。
Generally, a piezoelectric oscillator (crystal oscillator) uses a piezoelectric vibration element in which an excitation electrode is formed on a piezoelectric substrate. The piezoelectric vibration element is mounted and mounted in an insulating container with a conductive adhesive, and the container is sealed with a lid. A structure in which an oscillation circuit is connected to the piezoelectric vibrator is adopted. A structural example of an oscillator using a conventional piezoelectric vibrator is shown in FIG. As shown in the figure, a conventional piezoelectric oscillator 1 includes a
ところで、上記圧電発振器を構成する圧電振動子は、振動素子を導電性接着剤でセラミック容器内に保持しつつ、リッドで気密封止される構造を採用しているが、セラミック容器に気密封止されている圧電振動子の共振周波数が時間経過とともに低下する現象が確認されている。このような現象は、圧電振動子の製造段階で周波数特性の調整を行っても、これをアッセンブリする際には周波数が低下してしまうという問題を生じる。 By the way, the piezoelectric vibrator constituting the piezoelectric oscillator employs a structure in which the vibration element is hermetically sealed with a lid while holding the vibration element in the ceramic container with a conductive adhesive, but hermetically sealed in the ceramic container. It has been confirmed that the resonance frequency of the piezoelectric vibrator is lowered with time. Such a phenomenon causes a problem that even when the frequency characteristics are adjusted at the stage of manufacturing the piezoelectric vibrator, the frequency is lowered when the piezoelectric vibrator is assembled.
このような周波数低下の原因は明確となっていないが、導電性接着剤から経時的に少しずつガスが放出され、このガス中のシロキサンが励振電極と反応して周波数特性を悪くすると認識されている。例えば特許文献1では、振動子の経年的な周波数低下現象の発生原因は、電極を構成する金属膜の表層で発生する酸化現象であると捉えている。また、特許文献2では、導電性接着剤や容器接着用低融点ガラスに含まれるガスが励振電極の銀と反応してしまうからであるとしている。
The cause of such a frequency drop is not clear, but it is recognized that gas is gradually released from the conductive adhesive over time, and that the siloxane in this gas reacts with the excitation electrode to deteriorate the frequency characteristics. Yes. For example, Patent Document 1 considers that the cause of the frequency decrease phenomenon of the vibrator over time is an oxidation phenomenon that occurs in the surface layer of the metal film constituting the electrode. In
このような特性劣化に対処するため、前者特許文献1に記載の技術では励振電極の表層に酸化層あるいは炭化層からなる保護層を設けて、経年的な酸化による質量増加による周波数低下現象を抑制しようとしている。また、後者の特許文献2に記載の技術では、電極膜の表層を被うニッケル被覆層を設け、導電性接着剤からのアウトガスが直接に電極膜の金または銀と反応することがないようにしている。
ところが、電極面に保護膜をつけてしまうと圧電振動子の特性が劣化してしまうという問題がある。圧電振動子は目的の共振周波数に精度良く合わせる必要があるため、特性調整が行われるが、その調整すべき振動子表面に保護膜を形成することは異物を附着させることに等しく、振動子特性を悪化させることはあっても向上させることは無い。 However, if a protective film is attached to the electrode surface, there is a problem that the characteristics of the piezoelectric vibrator deteriorate. Since the piezoelectric vibrator needs to be precisely matched to the target resonance frequency, the characteristics are adjusted. However, forming a protective film on the surface of the vibrator to be adjusted is equivalent to attaching foreign matter, and the vibrator characteristics Even if it worsens, it does not improve.
また、電極膜の表面に保護膜を形成する場合、特許文献1に記載のように、スパッタ成膜を行う場合はポーラスな膜であるため、アウトガス分子が電極表面に貫通しないように厚く成膜するのは大きな課題である。また、特許文献2に記載のように、電極膜をサンドイッチするように下地膜と表層膜からなる三層構造とすることは工程的に困難であるという問題がある。
Further, when forming a protective film on the surface of the electrode film, as described in Patent Document 1, since it is a porous film when performing sputtering film formation, the film is formed thick so that outgas molecules do not penetrate the electrode surface. To do is a big challenge. In addition, as described in
本発明は、上記問題点に着目し、圧電振動素子を容器に保持する導電性接着剤からのガスの放散自体を阻止することにより、圧電振動素子の電極へのシロキサンガスの附着に伴う振動子特性劣化を防止することを課題としている。 The present invention pays attention to the above-mentioned problems, and prevents the gas itself from being diffused from the conductive adhesive that holds the piezoelectric vibration element in the container, whereby the vibrator accompanying the attachment of the siloxane gas to the electrode of the piezoelectric vibration element. The problem is to prevent characteristic deterioration.
上記目的を達成するために、本発明に係る圧電振動子は、圧電振動素子を導電性接着剤により容器内に保持した圧電振動子において、前記導電性接着剤の表面に液状無機質材を塗布して固化させた被覆層を設けてなることを特徴とする。前記液状無機質材として液状ガラスを用いることができる。 In order to achieve the above object, a piezoelectric vibrator according to the present invention is a piezoelectric vibrator in which a piezoelectric vibration element is held in a container by a conductive adhesive, and a liquid inorganic material is applied to the surface of the conductive adhesive. And a solidified coating layer is provided. Liquid glass can be used as the liquid inorganic material.
また、前記導電性接着剤の周囲を囲む溝を前記容器の振動素子搭載面に形成することにより前記液状無機質材の塗布液の流れ止めをなすようにすればよい。あるいは、前記導電性接着剤の周囲に位置して前記圧電振動素子側に切欠溝を設けて前記液状無機質材の塗布液の流れ止めをなすことを併用するか、あるいは独立して行うようにしてもよい。 In addition, a groove surrounding the conductive adhesive may be formed on the vibration element mounting surface of the container so as to prevent the liquid inorganic material coating liquid from flowing. Alternatively, it may be used in combination with or independently of the flow of the liquid inorganic material coating liquid by providing a notch groove on the piezoelectric vibration element side located around the conductive adhesive. Also good.
更に、前記圧電振動素子における導電性接着剤との接触電極肉厚を厚肉として周囲電極面との段差を形成させ、前記液状無機質材の塗布液の圧電振動子電極側への流れ止めをなすようにしてもよい。 Further, the thickness of the contact electrode with the conductive adhesive in the piezoelectric vibration element is increased to form a step with the surrounding electrode surface, thereby preventing the liquid inorganic material coating liquid from flowing to the piezoelectric vibrator electrode side. You may do it.
また、本発明に係る圧電振動子は、圧電振動素子を導電性接着剤により容器内に保持した圧電振動子において、当該導電性接着剤からのアウトガス分子サイズを上限値とする孔径をもつ多孔質の無機質コーティング層によって、前記導電性接着剤の表面を被覆してなることを特徴とする。
本発明に係る圧電発振器は、上述した構成の圧電振動子発振回路部品を搭載したことを特徴とする。
Further, the piezoelectric vibrator according to the present invention is a porous vibrator having a pore diameter whose upper limit is an outgas molecule size from the conductive adhesive in the piezoelectric vibrator in which the piezoelectric vibration element is held in the container by the conductive adhesive. The surface of the conductive adhesive is covered with an inorganic coating layer.
The piezoelectric oscillator according to the present invention is characterized by mounting the piezoelectric vibrator oscillation circuit component having the above-described configuration.
また、本発明に係る圧電振動子の製造方法は、金属電極被膜を有する圧電振動素子を導電性接着剤により容器内に保持した後、前記導電性接着剤の外表面に液状ガラスをコーティングし、乾燥させて固化させたガラスコーティング層を形成することを特徴とする。 Further, in the method for manufacturing a piezoelectric vibrator according to the present invention, the piezoelectric vibration element having a metal electrode film is held in a container with a conductive adhesive, and then liquid glass is coated on the outer surface of the conductive adhesive. A glass coating layer that is dried and solidified is formed.
上記構成により、気密密閉された容器内に導電性接着剤で保持されている圧電振動素子を有する圧電振動子では、密閉空間内内部で導電性接着剤表面が無機質コーティング層で被覆され、空間への露出が防止される。これにより、導電性接着剤からのアウトガス放散が阻止され、圧電振動素子の電極膜表面へのシロキサンの附着が防止されることになる。よって、エージングによる周波数低下といった特性劣化が防止されるのである。更に、無機質コーティング層は液状無機質材を用いてシリンジなどの塗布手段で簡単に形成することができ、振動素子自体への付加的な加工を施すことなく、製造工程上の不具合は生じない。液状無機質材を塗布するに際して、導電性接着剤の周辺領域に対応する容器や振動素子に溝を形成したり、振動素子のパッド電極を厚くするなどの処理を行えば、表面張力による電極面への這い上がり現象を防止でき、不必要な個所への附着に伴う特性劣化を有効的に防止できる。 With the above configuration, in a piezoelectric vibrator having a piezoelectric vibration element that is held in a hermetically sealed container with a conductive adhesive, the surface of the conductive adhesive is covered with an inorganic coating layer inside the sealed space. Exposure is prevented. This prevents outgas emission from the conductive adhesive and prevents siloxane from adhering to the electrode film surface of the piezoelectric vibration element. Therefore, characteristic deterioration such as frequency reduction due to aging is prevented. Furthermore, the inorganic coating layer can be easily formed by using a liquid inorganic material by means of an application means such as a syringe, and there is no problem in the manufacturing process without performing additional processing on the vibration element itself. When applying a liquid inorganic material, if a treatment such as forming a groove in the container or the vibration element corresponding to the peripheral area of the conductive adhesive or increasing the pad electrode of the vibration element is performed, the electrode surface due to surface tension is applied. It is possible to prevent the creeping phenomenon, and it is possible to effectively prevent deterioration of characteristics due to unnecessary attachment.
以下に、本発明に係る圧電振動子、圧電発振器、および圧電振動子の製造方法についての具体的実施の形態を、図面を参照して、詳細に説明する。 Specific embodiments of a piezoelectric vibrator, a piezoelectric oscillator, and a method for manufacturing the piezoelectric vibrator according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
図1は実施形態に係る圧電発振器の断面図であり、図2は圧電発振器20のリッドを外した平面図、図3は圧電振動素子の接着部拡大平面図である。
これらの図に示すように、実施形態に係る圧電発振器20は、図13に示した従来例と同様に、上部と下部に凹所22,24を形成して断面がH型とされたセラミック容器26を備え、このセラミック容器26の底面部分には実装端子28を設けた構成となっている。上部凹所22には圧電振動素子30が搭載され、これは凹所22の底面より1段高く形成された素子搭載面32が形成されている。この素子搭載面32上に設けている内部パッド34に、圧電振動素子30の一端部側に延び、励振電極36と電気的に接続されている接続端子37を導電性接着剤38により接着し、圧電振動素子30を片持ち状態でセラミック容器26内に搭載する構成とされる。圧電振動素子30の収容空間を形成する上部凹所22はリッド40により密閉封止される。また、下部凹所24には発振回路を構成するIC部品42がその天井面に設けた下部パッド44と接続されて実装される。この下部パッド44は上記内部パッド34とともに前記セラミック容器26の底面に形成した実装端子28と電気的に接続されている。
1 is a cross-sectional view of the piezoelectric oscillator according to the embodiment, FIG. 2 is a plan view of the
As shown in these drawings, the
このような構成において、本実施形態に係る圧電発振器20では、セラミック容器26の上部凹所22内に導電性接着剤38により圧電振動素子30を片持ち状態で保持されるが、この保持のための導電性接着剤38の表面に液状無機質材を塗布して固化させたコーティング層46を設けた構造とされる。より具体的には、液体ガラスを塗布し、これを加熱して固化させたガラスコーティング層46を導電性接着剤38の表層面に形成したものである。液体ガラスは乾燥により固化するが、通常は加熱するため、この温度が低いものが望ましい。これは圧電振動素子30を導電性接着剤38により保持させた後にガラスコーティングを施すので、振動素子や接着剤への熱的影響が出ない温度でガラス化するものであればよい。例えば常温でガラス化するものが望ましく、ヒートレスグラス(株式会社日興製のHEATLESS GLASS GS-600シリーズ)を用いることができる。これをシリンジに詰め込み、接着剤を塗布する場合と同様の要領で、上記導電性接着剤38の表層にコーティングするのである。このようにすることで、図1〜図3に示されているように、導電性接着剤38と圧電振動素子30との間に位置し、導電性接着剤38の全体表面を被うガラスコーティング層46が出来上がる。
In such a configuration, in the
このような圧電発振器の製造は次のように行われる。セラミック容器26を準備し、上部凹所22の素子搭載面32の規定個所に導電性接着剤38を塗布する。搭載すべき圧電振動素子30は、その励振電極の接続端子37を、導電性接着剤38に当たるように接近させ、励振電極36を有する圧電振動素子30がセラミック容器26内に片持ち状態に保持される。次いで、圧電振動素子30を導電性接着剤38によりセラミック容器26内に保持した後、前記導電性接着剤38の外表面に液状ガラスをコーティングする。これは、上記導電性接着剤38に用いられるシリンジと同様なシリンジを用い、これに液状ガラスを入れておき、上述の圧電振動素子30の実装の後、導電性接着剤の表層面にコーティングする。これを乾燥させて固化させたガラスコーティング層46が形成される。
Such a piezoelectric oscillator is manufactured as follows. A
このようなガラスコーティング層46を形成した後、窒素ガス雰囲気下において、金属リッド40をセラミック容器26の上面に被せ、上部凹所22を密閉封止する。これによって圧電振動子部分が完成する。
After such a
次いで、セラミック容器26の下部凹所24の天井面に予め設けた下部パッド44に対して発振回路を有するIC部品42を実装し、下部パッド44と実装端子28との電気的な接続を行うことで、全体としての圧電発振器20が完成する。
Next, an
このような実施形態によれば、導電性接着剤38の表層面がガラスコーティング層46によって覆われ、上部凹所22に導電性接着剤38が露出することがない。この結果、経時的に導電性接着剤38表面から放出されているアウトガスはガラスコーティング層46によって遮蔽され、密閉されている上部凹所22内に保持されている圧電振動素子30の励振電極36の表面にシロキサンが附着するようなことはない。この結果、エージングによる周波数低下といった特性を悪化させることが生じない製品とすることができる。また、圧電振動素子への付帯的な膜形成など、特別な工程付加をなすことなく、アウトガスによるエージングの問題を解決することができる。
According to such an embodiment, the surface layer surface of the
次に、図4、図5、図6に第2実施形態に係る圧電発振器20Aを示す。これらの図は第1実施形態を示している図1〜3に対応する。この第2実施形態に係る圧電発振器20Aは、セラミック容器26における素子搭載面32にて、前記導電性接着剤の周囲を囲む溝52を備えている点が第1実施形態と異なるだけである。この溝52は、上述した液体ガラスを導電性接着剤38の表面にコーティングする際、液状ガラスの流れ止めを行わせ、特に狭い空間で相互に近接している面を這い上がって、励振電極36に附着することを防止する。この溝52は図示の例では矩形であるが、任意の形状を採用できる。また溝52の深さはコーティングする液体ガラスとの供給量に合わせればよく、導電性接着剤38の露出面積部へのコーティング量よりも多く供給するので、この余分な量の液体ガラスを収容できる体積に設定することが望ましい。
Next, FIGS. 4, 5 and 6 show a
このような第2実施形態では、内部パッドの四方に流れようとする液体ガラスをあたかも堀のように溝52が流れ止めをなすので、コーティング剤としての液体ガラスが圧電振動素子30の励振電極36に這い上がることを防止できる。
In such a second embodiment, the
図7は第3実施形態を示している。これはセラミック容器26の素子搭載面32に第2実施形態の場合と同様に溝52を形成するが、同時に圧電振動素子30側に、前記溝52と同様な役目をなす切欠溝54を形成したものである。すなわち、前記導電性接着剤38には圧電振動素子30の接続端子37が接続されるが、当該接続端子37の周囲に段差面を形成するように、圧電基板56の側縁に第1の切欠溝54Aを設け、一対の接続端子37間を分離するように第2の切欠溝54Bを設けるようにしている。
FIG. 7 shows a third embodiment. In this case, the
また、図8は第4実施形態を示しており、これでは、特に圧電振動素子30の裏面(接着面側)に励振電極36へ液体ガラスの流れ込みを防止する分断溝58(薄型化に反するが、凸条でもよい)を形成するようにしている。
FIG. 8 shows a fourth embodiment. In this case, in particular, a dividing
上記図7、図8のように、導電性接着剤38の周囲に位置して、圧電振動素子30側に切欠溝54を付け、あるいは分断溝58を形成する構成を採用すれば、液体ガラスのコーティング時にこの溶液が振動素子の励振電極36に這い上がって附着固化することを防止することができる。
As shown in FIGS. 7 and 8 above, if a configuration in which the
図9〜図10に第5実施形態を示す。これは、上述の液体ガラスの流れ込み防止が溝構造であったのに対し、この実施形態では圧電振動素子30の接続端子37の肉厚を厚くした厚肉端子60として、いわゆる壁構造として対処している。液体ガラスをコーティングした際、接続端子37の側壁面を表面張力によって這い上がることができなければ、当然ながら励振電極36へは到達しない。そこで、接続端子を液体ガラスが這い上がることができない程度の高さをもつような厚肉端子60とするのである。
9 to 10 show a fifth embodiment. In contrast to the groove structure that prevents the liquid glass from flowing in, the embodiment deals with a so-called wall structure as the
なお、上述した溝52、切欠溝54や分断溝58あるいは厚肉端子60は単独構成として用いることも併用構成として用いることもできることは当然である。
Of course, the above-described
また、コーティング層46は、液体ガラスを用いるようにしているが、これは経時的にガスが放散されない非ポーラスな液体無機質材を用いることができる。もちろんポーラスであっても、導電性接着剤38のアウトガス分子より小さい径を有するポーラス無機質材を用いることができる。この例を図11〜図13に示す。すなわち、図11に示すように、容器の素子搭載面に形成されている水晶搭載パッド(内部パッド)34に導電性接着剤38を覆うようにポーラスコーティング層62を形成する。経時的に導電性接着剤38からアウトガス分子64が放出され、図12に示すように、導電性接着剤38の表層面に至ってポーラスコーティング層62の内表面部に達する。図13に示されるように、アウトガスの分子サイズDよりもポーラス部66の径dが小さければ、アウトガス分子64はポーラスコーティング層62の内部に留まり、外部に放散されない。したがって、導電性のない無機質材を蒸着などにより導電性接着剤38の表面に対し、ポーラス部66の径がアウトガス分子64の径より小さくなるまで積層附着させることによって、アウトガスによるエージングを防止できる。
Moreover, although the
このように構成することにより、導電性接着剤38からのアウトガス自体の放散を防止することができ、エージングによる周波数低下といった特性劣化現象を防止することができる。
本発明は圧電振動子やこれを用いた発振器その他の製品製造に利用することができる。
With this configuration, it is possible to prevent the outgas itself from being diffused from the
The present invention can be used for manufacturing a piezoelectric vibrator, an oscillator using the same, and other products.
20………圧電発振器、22………上部凹所、24………下部凹所、26………セラミック容器、28………実装端子、30………圧電振動素子、32………素子搭載面、34………内部パッド、36………励振電極、37………接続端子、38………導電性接着剤、40………リッド、42………IC部品、44………下部パッド、46………コーティング層、52………溝、54………切欠溝、54A………第1切欠溝、54B………第2切欠溝、56………圧電基板、58………分断溝、60………厚肉端子、62………ポーラスコーティング層、64………アウトガス分子、66………ポーラス部
20 ......... Piezoelectric oscillator, 22 ......... Upper recess, 24 ......... Lower recess, 26 ......... Ceramic container, 28 ......... Mounting terminal, 30 ......... Piezoelectric vibration element, 32 .........
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