JP2010136243A - 振動子 - Google Patents

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Abstract

【課題】外部からの衝撃に対して強度の優れた圧電振動子を提供することを目的としている。
【解決手段】本発明の圧電振動子10は、圧電振動片20をパッケージ40に収容して、前記パッケージ40と蓋体60を接合させた圧電振動子10である。前記蓋体60は、前記パッケージ40を平面視して前記圧電振動片20を避けたスペースに前記パッケージ40の第1の基板44上まで先端が延びる厚肉部62を前記パッケージ40側に形成している。
【選択図】図1

Description

本発明は、電子機器等に用いられる振動子に関する。
電子機器の小型化および薄型化に伴い、表面実装型の振動子の小型化、薄型化が要求されている。特許文献1に示すような圧電デバイスを構成する圧電振動片は、パッケージ内において長手方向の固定端側をマウント電極で固定し、自由端側をフリーにした片持ち支持構造を採用している。これによりマウント電極からの通電を確保しつつマウント電極からの応力を緩和し圧電振動片の実装面積を減らしてデバイス全体の小型化を図っている。
しかし、薄型化を図った圧電デバイスは、パッケージのキャビティを封止する蓋体も薄肉に設計されている。蓋体は、パッケージとのシール領域から離れた長手方向における中央付近の強度が比較的弱くなる。このような圧電振動子に外部から何らかの衝撃(外圧)が作用すると、強度の弱い蓋体の中央付近が歪み易くなり、蓋体の割れなどパッケージが破損あるいは蓋体と圧電振動片が接触するおそれがある。
外圧による蓋体と圧電振動片との接触を回避するため蓋体に凸部等を設けた先行技術として、特許文献2〜5が開示されている。これらはいずれもパッケージを平面視して圧電振動片と対向する蓋体のパッケージ内側に凸部又は緩衝部を形成している。凸部又は緩衝部は、外部からの衝撃時にキャビティ内で圧電振動片と接触して蓋体と圧電振動片の破損を防止するものである。
特許第3982441号 特開2002−111427号公報 特開2003−60475号公報 特開2002−171152号公報 特開2007−228431号公報
しかしながら、特許文献2〜5は、いずれも圧電振動子を平面視して圧電振動片と重なる位置に凸部又は緩衝部を設けて、外部からの衝撃時において凸部又は緩衝部と圧電振動片を接触させている。このため接触の際に圧電振動片を破損するおそれがある。また特許文献2〜5に示す構成では、凸部又は緩衝部を圧電振動片の自由端側又は固定端側のいずれか一方に設けているため、蓋体の長手方向に対する応力による歪みを防止することができない。さらに特許文献2〜5は、いずれも圧電振動子を側面視して圧電振動片と対向する上下面に凸部又は緩衝部を設けているため、パッケージの枠体が厚くなり圧電振動子の薄型化が図れない。
そこで本発明は従来技術の問題点を解決するため、外部からの衝撃に対して強度の優れた振動子を提供することを目的としている。
本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
〔適用例1〕振動片をパッケージに収容して、前記パッケージと蓋体を接合させて真空封止した振動子であって、前記蓋体は、前記パッケージを平面視して前記振動片を避けたスペースに前記パッケージのベース基板上まで先端が延びる厚肉部を前記パッケージ側に形成したことを特徴とする振動子。
これにより蓋体の薄型化を図りながら強度が得られるため、パッケージ全体の強度も得られ、外部からの衝撃に対して厚肉部により応力が吸収されて蓋体が歪みにくくなる。
〔適用例2〕第1の封止孔を備えた第1の基板と、キャビティを構成する開口部と前記キャビティの枠部であって平面視した際に前記第1の封止孔の一部を塞いで重なる位置に設けられた第2の封止孔とを備え、前記第1の基板に積層される第2の基板と、前記第2の基板における開口部に収容される振動片と、前記第2の基板に積層される蓋体と、前記第1の封止孔の内壁面及び前記第1の封止孔と前記第2の封止孔との段差部に固着した封止材と、を備え、前記蓋体は、前記枠部の上面に枠状配設され、かつ、前記開口部及び前記第2の封止孔を囲う箇所に配設されたロウ材を介して、前記第2の基板に積層され、さらに、前記パッケージを平面視して前記振動片を避けたスペースに前記パッケージのベース基板上まで先端が延びる厚肉部を前記パッケージ側に形成したことを特徴とする振動子。
これにより蓋体の薄型化を図りながら強度が得られるため、パッケージ全体の強度も得られ、外部からの衝撃に対して厚肉部により応力が吸収されて蓋体が歪みにくくなる。また圧電振動片を収容するキャビティ内に封止材の蒸散粒子が混入・飛散することが無く、当該蒸散粒子が圧電振動片の励振電極等に付着することによる悪影響も無い。
〔適用例3〕前記厚肉部は、前記パッケージの長手方向に沿って形成したことを特徴とする適用例1又は適用例2に記載の振動子。
これにより、応力の影響を受けやすい蓋体の長手方向の中心部に対して効果的に応力を吸収することができる。また蓋体の薄型化を図りながら強度が得られるため、パッケージ全体の強度も得られ、外部からの衝撃に対して応力を吸収して蓋体が歪みにくくなる。
本発明の振動子の実施形態を添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。本実施形態では振動子に圧電振動子を用いて説明する。図1は第1実施形態に係る圧電振動子の構成概略を示す図である。同図(1)は平面図の部分透過図を示し、(2)は(1)のA−A断面図を示し、(3)は底面図を示している。図2は第1実施形態の蓋体の斜視図である。図示のように圧電振動子10は、圧電振動片20と、それを収容するためのキャビティを有するパッケージ40と、キャビティの上部開口を封止する蓋体60を主な構成要件としている。
圧電振動片20としては、圧電効果を奏する部材、例えば水晶やタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、及び圧電セラミックス等に電極パターンを形成して励振可能としたものであれば、その形態も種々選択可能である。また、圧電振動片20は、シリコンなど圧電効果を奏さない部材に、圧電膜を付けた振動片に代えることもできる。ここで本実施形態では、部材を周波数−温度特性に優れた水晶とし、以下のような形態の圧電振動片を採用している。すなわち、一対の振動腕21と、この振動腕21を支える基部22、及び振動腕21と基部22とを支持する一対の固定用腕23とを有する。ここで固定用腕23は、支持状態の安定性を確保するために、基部22から振動腕21と反対方向へ延設されたくびれ部24を介し、基部22の側方両側へ延設される。基部22の側方へ延設された固定用腕23はさらに、振動腕21の延設方向へと延設され、その端部を圧電振動片の長手方向中心付近に位置させている。このような形態とすることで、支持部を圧電振動片の長手方向中心付近に置くことができるため、その実装状態を安定させることができ、圧電振動片の実装状態での水平位置を確保しやすくなる。また、励振部である振動腕21から固定部である固定用腕23の先端までの距離を長くすることで、振動漏れを防止することができる。さらに、基部22と固定用腕23との間にくびれ部24を介在させたことにより、振動漏れ防止の効果を高めることができる。
振動腕21には、その断面において対向する面に同電位の電圧が印加されるように励振電極25,26が形成されている。なお励振電極25,26は、図1中逆向きの斜線で示すように、対を成す2つの振動腕21において互いに対応する面には、異なる極性の電位の電圧が印加されるように配線されている。固定用腕23には、励振電極25,26に対する電力の供給を行うための入出力電極27,28が形成されており、基部等に形成された引出し電極29a,29bを介して励振電極25,26と電気的に接続されている。
本実施形態に係るパッケージ40は、2つの基板(第1の基板42と第2の基板44)から構成される。第1の基板42、第2の基板44共に、構成部材としてアルミナや窒化アルミ等を原材料としたセラミックス基板とすれば良く、パッケージはこれらの基板を積層させて焼結することで形成される。
第1の基板42は、パッケージの底板を構成し、一方の主面にはマウント電極46、他方の主面には外部実装用電極48が形成されている。図1(3)に4つ示す外部実装用電極は、2つが能動電極(HOT電極)48aであり、残る2つが接地電極(GND電極)48bとして設定されている。そしてマウント電極46はそれぞれ、第2の基板44との接合部に引き回された金属パターン50、及び図示しないスルーホールを介して、HOT電極として設定された外部実装用電極48と電気的に接続されている。また外部実装用電極48は、図示しない実装機器側の電極と接続されてパッケージ内の圧電振動片20を発振させる発振回路と接続するものである。
第2の基板44には、キャビティを構成するための開口部52が形成されている。開口部52は、圧電振動片20の形状に合わせて形成されている。
蓋体60は、平板状の部材であれば良く、パッケージ40を構成する部材と熱膨張率の近い金属(例えばコバール等)や、ガラス(例えばソーダガラス)等により構成すれば良い。蓋体60に金属を用いた場合には、耐久性が高く、パッケージ40内部の配線によっては、蓋体60を外部電極として利用することも可能となる。また、蓋体60にガラスを用いた場合には、透光性を有する主面からレーザによる電極のトリミングが可能となり、パッケージ40に蓋体60を接合した後に周波数調整を行うことが可能となる。そして蓋体60は、図2に示すようにパッケージ40側に厚肉部62を形成している。厚肉部62は、パッケージ40を平面視して圧電振動片20を避けたスペースに、パッケージ40の第1の基板42上まで先端が延びるように形成している。そして厚肉部62は、外力に対して歪みやすい蓋体60の長手方向の中心部に設けている。
なお厚肉部62の厚さ(キャビティの高さ方向)は、蓋体60の厚みよりも厚く、最大で蓋体60の表面からパッケージ40の第1の基板42と接する厚みの範囲で設定することができる。そして、蓋体60が、外面から押された場合に厚肉部62が第1の基板42に接して蓋体60を支持する。また、厚肉部62は、パッケージの長手方向の内壁面に沿って形成される。
ロウ材98は、蓋体60とパッケージ40とを接合するために用いられる接合材である。ロウ材98としては、低融点の合金や低融点のガラス等が用いられる。ロウ材98は開口部52の周囲に略矩形状に施されている。ロウ材98として、低融点の合金を用いた場合、パッケージ40の開口部52の周囲にロウ材98の濡れ性が良いメタライズ79を施せば、パッケージ40と蓋体60との機密信頼性を向上させることができる。また、封止は、蓋体60をパッケージ40に載せてから炉に搬送して加熱することで行なわれるが、この搬送の際、厚肉部62がパッケージ40の内壁面に接触することで、蓋体60とパッケージ40との位置ずれが防止される。
上記構成による第1実施形態の圧電振動子によれば、パッケージ40のキャビティ52に収容した圧電振動片20を平面視して避けるスペースであって、蓋体60が最も歪み易い長手方向の中心部に、先端がパッケージ40の第1の基板42上に延びるように厚肉部62を形成している。これにより蓋体全体の厚みを薄く維持しながら、厚肉部62のみ厚肉にして蓋体の強度化を図ることができる。また厚肉部62はパッケージ40を平面視して圧電振動片と重ならない位置に設けているため、パッケージ全体の薄型化を図ることができる。さらに外力がパッケージに作用しても、蓋体60が歪むことがなく、厚肉部62が圧電振動片20に接触することもない。
次に第2実施形態に係る圧電振動子について説明する。図3は第2実施形態に係る圧電振動子の構成を示す図であり、(1)は平面、(2)は(1)におけるB−B断面をそれぞれ示す図である。なお、図3は蓋体を省略している。また、図4は第2実施形態の圧電振動子の構成を示す図であり、(1)は平面図の部分透視図、(2)は(1)におけるC−C断面、(3)は(1)におけるD−D断面、(4)は底面をそれぞれ示す図である。なお、図4から圧電振動片は省略されている。図5は第1の封止孔に金属ボールを載置したときの拡大図である。図6は図4(2)のE部の部分拡大図である。
第2実施形態に係る圧電振動子10Aの圧電振動片は第1実施形態と同様の圧電振動片20であり詳細な説明を省略する。
パッケージは、第1実施形態のパッケージ40と基本構成は同一であり、以下異なる構成について説明する。
第1の基板42bには、GND電極として設定された外部実装用電極48の1つに、第1の封止孔80が形成されている。第1の封止孔80は第1の基板42bを貫通する孔であり、その口径は、封止に用いる金属ボール96(ハンダボール)の直径よりも大きく設定されている。第1の封止孔80の内壁面には、金属皮膜(メタライズ)82が形成されている。第1の封止孔80の内壁面にメタライズ82を施すことにより、封止材(例えばハンダ)に対する濡れ性を向上させることができ、密着性、すなわちパッケージの気密信頼性を向上させることができる。なお、第1の封止孔80における内壁面のメタライズ82は、第1の基板42bを製造する際、外部実装用電極48の形成と同時にスクリーン印刷し、一方の主面側からの吸引により内壁面への引込みを行うことで形成することができる。
第2の基板44bには、キャビティを構成するための開口部52bが形成され、側壁となる枠部の上端面には、ロウ材98との濡れ性が良いメタライズ79が形成されている。さらに、メタライズ79を施した枠部の長辺部分と短辺部分に浮島状のメタライズ81が積層されている。そして、メタライズ79,81にロウ材が設けられている。開口部52bは、圧電振動片20の形状に合わせて形成されており、基板の長手方向に沿って、幅の広い幅広部90と、幅の狭い幅狭部92とを連接させて形成され、幅広部90に基部22と固定用腕23及び振動腕21の基端側を収容し、幅狭部92に振動腕21の先端側を収容可能とされている。このように、開口部52bの幅に差を持たせたために、側壁を構成する枠部には張り出し部94が形成されることとなる。
本実施形態では、第2の基板44bの枠部における張り出し部94に、第2の封止孔84を形成している。第2の封止孔84は第2の基板44bを貫通する孔であり、その口径は、上述した第1の封止孔80および金属ボール96の直径よりも小さく設定されており、その形成位置は中心が、第1の基板42bに形成した第1の封止孔80の中心と一致する位置とすることが望ましく、少なくともその一部を重複させる位置とする。第1の封止孔80と第2の封止孔84とをこのような位置関係で形成することで、第1の封止孔80と第2の封止孔84を介してキャビティの真空引きを行うことが可能となるからである。
図5に示すように第2の封止孔84の口径を金属ボール96の直径よりも小さくすることで、第1の封止孔80に収容した金属ボール96を支持することができるようになる。このため、第2の基板44bの厚み分だけ、金属ボール96とキャビティとの距離を離すことが可能となる。よって、金属ボール96を溶融させた際に生ずる蒸散粒子がキャビティ内へ浸入することを抑制することができる。また、第2の封止孔84を第1の封止孔80に比べて小径とすることで、枠状部材となる第2の基板44bの強度を高めることも可能となる。なお、第1の基板42bと対向する側の面であって、第2の封止孔84の周囲には、スクリーン印刷等によって形成されたメタライズ83が形成されている。当該部分にメタライズ83を形成することで、第1の封止孔80と第2の封止孔84との段差部分にメタライズが現れることとなる。よって、当該部分の封止材に対する濡れ性を高めることができる。このため、封止孔による封止面積(距離)を増やすことができ、圧電振動子の気密信頼性を向上させることができる。
なお、第1の封止孔80と第2の封止孔84とをずらして配置して、第1の封止孔80に収容した金属ボール96を第1の封止孔80と第2の封止孔84との段差部で支持する構成にすれば、第2の封止孔84に口径を金属ボール96の直径や第1の封止孔90の口径より大きくしても良い。ただし、封止の信頼性、すなわち、気密信頼性は、第2の封止孔84の口径を金属ボール96の直径よりも小さくすることで、第1の封止孔80に収容した金属ボール96を支持する構成にしたほうが優れる。
ロウ材98は、前述のように開口部52bの周囲に略矩形状に施されるため、張り出し部94はロウ材98による囲繞領域の内側に位置することとなる。また、メタライズ81は、ロウ材98を施した接合領域の長辺部分と短辺部分にそれぞれ形成されている。ロウ材98はそれ自体に微小な厚みを有することとなるため、ロウ材98が施されていない張り出し部94と蓋体60との間には、微小な隙間が形成されることとなるが、ロウ材98の溶融度合い等によってはその隙間のあき具合に誤差が生ずる場合がある。張り出し部94と蓋体60との隙間は、第2の封止孔84を介した真空引きの気道として用いられるため、当該隙間が狭まった場合には真空引きに要する時間が長時間化することとなる。
このため本実施形態では、図6に示すように蓋体接合時の熱によっては溶融しないメタライズ81の厚みによって張り出し部94と蓋体60との隙間100を所定範囲に確保した上でロウ材98によって第2の基板44bと蓋体60とを接合する構成とした。
上記構成による第2実施形態の圧電振動子10Aは、第1実施形態と同様に蓋体60の厚肉部62を設けているため、外部からの衝撃による蓋体60の歪みを防止できる。またパッケージ40bに蓋体60を接合した後、キャビティの真空引きをして第1の封止孔80を封止材で封止すると、封止材80を溶融させた際に生ずる蒸散粒子が、蓋体60やパッケージ40bにおける枠部(張り出し部)の上端面や厚肉部62の蒸散粒子付着領域(図6の斜線部分)に付着することとなる。換言すると、本実施形態の圧電振動子10Bは、蓋体60と第2の基板44b上端面と厚肉部62に設けた蒸散粒子付着領域に封止材80の蒸散粒子を付着させているのである。このため、本実施形態に係る圧電振動子10Bでは、圧電振動片20を収容するキャビティ内に封止材80の蒸散粒子が混入・飛散することが無く、当該蒸散粒子が圧電振動片10の励振電極等に付着することによる悪影響も無い。
また、上記のような構成の圧電振動子10Aでは、封止孔を第1の封止孔80と第2の封止孔84から成る段孔とし、第1の封止孔80の内壁面と第2の封止孔84の開口部の周囲とにメタライズ82,83を形成したことより、封止材の密着性と封止材の付着距離(面積)を増やすことができた。よって、パッケージの気密信頼性を向上させることができた。
さらに、上記のような構成の圧電振動子10Aでは、第2の封止孔84の口径を第1の封止孔80よりも小さくしたため、第2の基板44bの強度を向上させることができ、パッケージ全体としてもその強度を高めることができる。
図7は第3実施形態の圧電振動子の構成概略を示す図である。同図(1)は平面図の部分透視図を示し、(2)はF−F断面図を示し、(3)は蓋体の斜視図を示す。図示のように第3実施形態の圧電振動子10Bは、蓋体60の厚肉部62Aをパッケージ40の長手方向に沿って形成している。具体的に厚肉部62Aは、矩形状であってパッケージ40の長手方向に形成している。また厚肉部62Aは、パッケージ40を平面視して圧電振動子を避けるスペースに取り付けている。なお、厚肉部の形状は、矩形に限らず、半円形、山形など、蓋体60の両端から中心に向かって次第に厚肉とし、応力による曲げが生じ易い中心部分が最も厚肉となるような形状とすることもできる。また厚肉部62Aの厚さ(キャビティの高さ方向)は、蓋体60の厚みよりも厚く、最大で蓋体60の表面からパッケージ40の第1の基板42と接する厚みの範囲で設定することができ、少なくとも蓋体60に作用する応力を吸収する厚みであると良い。
このような第3実施形態の圧電振動子10Bによれば、厚肉部62Aをパッケージの長手方向に沿って形成しているため、パッケージ40に蓋体60を接合する際の位置決めが容易に行える。また厚肉部62Aにより蓋体60の強度が得られるため、外圧によるパッケージ全体の強度化を図ることができる。
第1実施形態の圧電振動子の構成概略を示す図である。 第1実施形態の蓋体の斜視図である。 蓋体を除いた第2実施形態に係る圧電振動子の構成を示す図である。 第2実施形態のパッケージの構成を示す図である。 第1の封止孔に金属ボールを載置したときの拡大図である。 図4(2)のF部の部分拡大図である。 第3実施形態の圧電振動子の構成概略を示す図である。
符号の説明
10………圧電振動子、20………圧電振動片、21………振動腕、22………基部、23………固定用腕、24………くびれ部、25,26………励振電極、27,28………入出力電極、29………引出し電極、40………パッケージ、42………第1の基板、44………第2の基板、46………マウント電極、48………外部実装用電極、50………金属パターン、52………開口部、60………蓋体、62………厚肉部、96………金属ボール、98………ロウ材。

Claims (3)

  1. 振動片をパッケージに収容し、前記パッケージと蓋体を接合させて真空封止した振動子であって、
    前記蓋体は、前記パッケージを平面視して前記振動片を避けたスペースに前記パッケージのベース基板上まで先端が延びる厚肉部を前記パッケージ側に形成したことを特徴とする振動子。
  2. 第1の封止孔を備えた第1の基板と、
    キャビティを構成する開口部と前記キャビティの枠部であって平面視した際に前記第1の封止孔の一部を塞いで重なる位置に設けられた第2の封止孔とを備え、前記第1の基板に積層される第2の基板と、
    前記第2の基板における開口部に収容される振動片と、
    前記第2の基板に積層される蓋体と、
    前記第1の封止孔の内壁面及び前記第1の封止孔と前記第2の封止孔との段差部に固着した封止材と、を備え、
    前記蓋体は、前記枠部の上面に枠状配設され、かつ、前記開口部及び前記第2の封止孔を囲う箇所に配設されたロウ材を介して、前記第2の基板に積層され、さらに、前記パッケージを平面視して前記振動片を避けたスペースに前記パッケージのベース基板上まで先端が延びる厚肉部を前記パッケージ側に形成したことを特徴とする振動子。
  3. 前記厚肉部は、前記パッケージの長手方向に沿って形成したことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の振動子。
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