JP2013197913A - 振動素子、振動子、電子デバイス、発振器、及び電子機器 - Google Patents

振動素子、振動子、電子デバイス、発振器、及び電子機器 Download PDF

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Abstract

【課題】水晶振動子の指定温度範囲における周波数安定度を満たし、且つ水晶ウェハーの種類を低減する手段を得る。
【解決手段】基板10と、表裏一対の励振電極20a、20bと、を備えた振動素子であって、基板10は、平板状の基部12と、基部10の一方の面から厚さ方向に突出した第1凸部14と、他方の面から厚さ方向に突出した第2凸部16と、を有している。第1、及び第2凸部14、16は、基部12の厚さ方向の中心を通り且つ厚さ方向に直交する平面に対して非対称に形成されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、振動素子に関し、特にウェハー(例えば圧電基板)のカット角の種類を低減して構成した振動素子、振動子、電子デバイス、発振器、及び電子機器に関する。
振動子、中でも回転Yカット水晶振動子の一つであるATカット水晶振動子は、その振動モードが厚みすべり振動であって、小型化、高周波数化に適し、且つ周波数温度特性が他の振動子に比べ優れているので、電子機器等の多方面で使用されている。しかし、近年は振動子の更なる小型化、低背化が強く要求されている。
特許文献1には、ATカット水晶基板の表裏主面に形成する一対の励振電極の位置関係を変えることにより、ATカット水晶振動子の周波数温度特性を変化させた水晶振動子が開示されている。
ATカット水晶振動子において、水晶基板の両面に形成する一対の電極の位置関係を表裏面で対称な状態(整合状態)とはせずに、両電極の相対的位置関係をX軸と直交する方向に約0.3mm、0.5mm程度にずらすことにより、夫々周波数温度特性曲線は、−10℃における周波数偏差にして5〜6ppm、7〜8ppm程度ずれるように変化すると開示されている。
つまり、水晶基板の表裏両面の電極にずれがない場合の周波数温度特性を基準として、電極を水晶基板のZ’軸の一方の方向にdだけずらすと、この水晶振動子の周波数温度特性は変曲点を中心に反時計回りに変化し、電極をZ’軸の他方の方向(逆方向)にdだけずらすと、周波数温度特性は変曲点を中心に時計回りに変化する。なお、電極のずれdの値が0.2mmの場合には、基準のカット角から角度ずれは約2’に相当し、ずれdが0.1mmの場合には角度ずれは約1’となると開示されている。
再公表WO98/47226号公報
市場で広く使用されている小型ATカット水晶振動子(例えば、外形寸法が1.6×1.2mmの所謂、1612型)の典型的な周波数温度特性の規格としては、(1)周波数安定度±10ppm(温度範囲−20℃〜75℃)、(2)周波数安定度±15ppm(温度範囲−30℃〜85℃)、(3)周波数安定度±20ppm(温度範囲−40℃〜85℃)の主に3つの仕様がある。(1)、(2)、(3)の規格に対して、r面(r面は水晶の自然面であり、Z軸(水晶の光学軸)に対し38°13′30″の傾斜を有する)から夫々3°05′30″、3°04′30″、3°03′30″傾けたカット角が用いられる。このため、3種類のカット角の水晶基板(ウェハー)を常備しておく必要があった。
しかしながら、特許文献1に開示されているように、ATカット水晶基板の表裏の両主面に夫々形成されている励振電極を、Z’軸方向に沿って表裏で逆方向にずらして周波数温度特性を変える手法を用いる場合、要求される周波数温度特性の規格を満たすために、常備されている3種類のカット角の水晶基板から一種類を選択し、選択した水晶基板の表裏に配置する励振電極の互いのズレ量を適宜設計するので、励振電極パターンを形成するのに用いられる露光用マスクを数多く必要としなければならないという問題があった。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、露光用マスクを最小限に減らし、小型でCI値の小さい(高Qの)振動素子、振動子、電子デバイス、発振器、及び電子機器を提供することにある。
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]本発明に係る振動素子は、厚みすべり振動で振動する振動部、前記振動部の外縁に沿って配置されている外縁部を含む基板を備え、前記振動部は、前記外縁部の一方の主面から突出している第1凸部と、前記外縁部の一方の主面に対して裏面側の他方の主面から突出している第2凸部と、を有し、平面視において、前記第1凸部の一方の外縁は前記他方の主面の前記外縁部と重なっており、前記一方の外縁と対峙している他方の外縁は、前記第2凸部の主面と重なっていることを特徴とする振動素子である。
この構成によれば、カット角から恰もカット角をずらしたかのような周波数温度特性が得られる。この手段を用いることにより用意するウェハーの種類を大幅に低減することができるという効果がある。
[適用例2]また振動素子は、適用例1において、前記第1凸部の主面の外形と前記第2凸部の主面の外形とは同じであることを特徴とする振動素子である。
この構成によれば、基板の表裏のバランスが良くなるのでCI値を低くすることができるという効果がある。
[適用例3]また振動素子は、適用例2において、前記基板の厚さ方向に沿い、前記対峙する一方の外縁と他方の外縁を跨いだ断面形状は、前記断面の中心に対し点対称であることを特徴とする振動素子である。
この構成によれば、この構成によれば、前記第1、及び第2凸部を設けた前記基板の厚さ方向に沿った断面形状を、該断面の重心位置に対し点対称としたので、励起される振動モード(厚みすべり振動)が安定し、第1、及び第2凸部が前記基部の厚さ方向の中心を通る平面に対して対称とした基板のカット角から恰もカット角をずらしたかのような周波数温度特性が得られるという効果がある。
[適用例4]また振動素子は、適用例1乃至3の何れか一項において、前記基板は、回転Yカット水晶基板であることを特徴とする振動素子である。
この構成によれば、前記基板を回転Yカット水晶基板とすることにより、エッチング加工の長い経験を有効に活かせると共に、優れた周波数安定度が得られるという効果がある。
[適用例5]また振動素子は、適用例4において、前記一方の外縁と前記他方の外縁はZ’軸方向に対峙していることを特徴とする振動素子である。
この構成によれば、第1凸部と第2凸部とが基板の厚さ方向に正確に対向している振動素子に対比して、振動素子の温度特性を変化させることができるという効果がある。
[適用例6]また振動素子は、適用例4又は5において、前記基板の前記Z’軸方向に沿った辺の長さをZとし、Y’軸に方向に平面視で、前記第1凸部の前記Z’軸方向の中心と、前記第2凸部の前記Z’軸方向の中心との距離をdZとし、前記距離dZを零としたときの前記基板のカット角からの角度偏差量をdθとしたとき、前記dθは、
−37.7×(dZ/Z)−1.0≦dθ≦−37.7×(dZ/Z)+1.0
の範囲内にあることを特徴する振動素子である。
この構成によれば、上記の式を用いることにより、要求仕様と、用意された水晶ウェハーから、適切なウェハーを選定し、第1、及び第2凸部のずれ量dZ/Zを容易に求めることができるという効果がある。
[適用例7]また振動素子は、適用例1乃至6の何れか一項において、前記第1凸部の前記一方の主面からの高さと第2凸部の前記他方の主面からの高さは同じであることを特徴とする振動素子である。
この構成によれば、基板の厚み方向の質量負荷効果の表裏のバランスが更に良くなるのでCI値をより低く良好な特性とすることができるという効果がある。
[適用例8]また振動素子は、表裏の励振電極は、前記断面の中心を通る前記主面に平行な線に対し線対称であることを特徴とする振動素子である。
この構成によれば、表裏の励振電極により生じる電界は基板の厚さ方向に平行となり、斜めの電界に比べより効率的に基板を励振することができるという効果がある。
[適用例9]本発明に係る振動子は、適用例1乃至8の何れか一項に記載の振動素子と、前記振動素子を搭載する容器と、を備えていることを特徴とする振動子である。
この構成によれば、常備されたウェハーから仕様におおよそ適合しそうなウェハーを選び、第1、及び第2凸部のずれ量dZ/Zを調整して振動子を製作すればよく、納期を大幅に短縮できるという効果がある。また、常備ウェハーの種類を大幅に低減できるという効果がある。
[適用例10]本発明に係る電子デバイスは、適用例1乃至8の何れか一項に記載の振動素子と、電子素子と、前記振動素子及び前記電子素子を搭載する容器と、を備えていることを特徴とする電子デバイスである。
この構成によれば、上記のように振動素子を製作できるので電子デバイスの納期を大幅に短縮することが可能となる。
[適用例11]また、電子デバイスは、適用例10において、前記電子素子が、サーミスタ、コンデンサー、リアクタンス素子、及び半導体素子の少なくともいずれかであることを特徴とする電子デバイスである。
この構成によれば、上記の振動素子と、サーミスタ、コンデンサー、リアクタンス素子、半導体素子等を組み合わせることにより、客先の多様な要求に素早く対応できるという効果がある。
[適用例12]本発明に係る発振器は、適用例9に記載の振動子と、前記振動子を駆動する発振回路と、を備えていることを特徴とする発振器である。
この構成によれば、標準的なICの発振回路を用意しておけば、上記のように短期間に振動子を製造できるので、要求された仕様の発振器を要求納期内に完成できるという効果がある。
[適用例13]本発明に係る発振器は、適用例1乃至8の何れか一項に記載の振動素子を備えていることを特徴とする電子機器である。
この構成によれば、電子機器の小型化が図られると共に、周波数安定度、周波数温度特性の優れ、耐衝撃性のある電子機器が得られるという効果がある。
本発明に係る振動素子の構成を示す、(a)は平面図であり、(b)はP−P断面図であり、(c)はQ−Q断面図。 水晶の結晶軸(X,Y,Z)をX軸の回りにθ回転してできた新直交軸(X,Y’,Z’)とATカット水晶基板との関係を示す図。 (a)〜(c)は、ずれ量dZ/Zと、周波数温度特性との関係を示す図。 (a)〜(c)は、ずれ量dZ/Zと、周波数温度特性との関係を示す図。 (a)〜(c)は、ずれ量dZ/Zと、周波数温度特性との関係を示す図。 カット角を1度刻み変えたときの周波数温度特性曲線に、基準カット角の水晶基板に設けた第1、及び第2凸部の相対ずれ量dZ/Zを−5.0%から5.0%まで変化させた周波数温度特性を重ね書きした図。 ずれ量dZ/Zと一次温度係数との関係を示す曲線。 ずれ量dZ/Zと三次温度係数との関係を示す曲線。 ずれ量dZ/Zとカット角偏差との関係を示す曲線。 ずれ量dZ/Zとカット角偏差との関係を直線で近似した図。 第2の実施形態の振動素子2の構成を示す断面図。 第3の実施形態の振動素子3の構成を示す断面図。 振動子4の構成を示す断面図。 (a)、(b)とも電子デバイスの構成を示す断面図。 発振器の構成を示す断面図。 本発明に係る電子機器の模式平面図。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る振動素子1の構成を示す概略図である。図1(a)は振動素子1の平面図であり、同図(b)は(a)のP−P断面図であり、同図(c)は(a)のQ−Q断面図である。本発明に係る振動素子1は、平板状の振動基板(基板)10と、振動基板(基板)10の両主面に夫々対向配置された各励振電極20a、20bと、各励振電極20a、20bから夫々振動基板(基板)10の一方の端部に向かって延びる引出電極22a、22bと、各引出電極22a、22bと電気的に接続され振動基板(基板)10の2つの角隅部に夫々形成された電極パッド24a、24bと、を備えている。
振動基板(基板)10は、矩形平板状の基部12と、基部12の一方の面(表面)の略中央部から厚さ方向に突出した平板状(四角形状)の第1凸部14と、基部12の他方の面(裏面)の略中央部から厚さ方向に突出し、第1凸部14と同等の平面形状、及び同等の厚さを有した平板状(四角形状)の第2凸部16と、を有している。
第1凸部14、及び第2凸部16は、基板10の面方向位置が互いに重なる第1、及び第2の重なり領域14a、16aと、第1、及び第2の重なり領域14a、16aの対向する二つの端縁(側面)から夫々面方向、且つ逆方向へ延出し、面方向位置が互いに重ならない第1、及び第2の非重なり領域14b、16bを夫々有している。つまり、第1、及び第2凸部14、16は、基部12の厚さ方向の中心を通り、且つ厚さ方向に直交する平面に対して非対称に形成されている。なお、第1凸部14、及び第2凸部16以外の基板10を外縁部とも言う。
基板10は、振動ウェハーに周知のフォトリソグラフィ、及びエッチング技法を適用して形成することができる。
励振電極20a、20bは、図1に示す実施形態例では第1、及び第2凸部14、16の一部に形成されている。励振電極20a、20b、引出電極22a、22b、及び電極パッド24a、24bは、基板10の両面にスパッタ法、又は真空蒸着法を用いてクロム(Cr)、金(Au)等の金属膜をこの順に成膜する。成膜した金属薄膜にフォトリソグラフィ技法により、所定の形状の励振電極20a、20b、引出電極22a、22b、及び電極パッド24a、24bを形成して振動素子1を構成する。各励振電極20a、20bに交番電圧を印加すると、振動素子1は固有の厚みすべり振動の周波数で励振される。
基板10に水晶基板を用いる場合について説明する。水晶等の圧電材料は三方晶系に属し、図2に示すように互いに直交する結晶軸(X,Y,Z)を有する。X軸、Y軸、Z軸は、夫々電気軸、機械軸、光学軸と呼称される。ATカット水晶基板10は、XZ面(X軸及びZ軸に平行な面)をX軸の回りに角度θだけ回転させた平面に沿って、水晶から切り出された平板である。比較的面積の大きなATカット水晶基板10では、θは略35°15′(r面からは略2°58′30″)である。なお、Y軸及びZ軸もX軸の周りにθ回転され、夫々Y’軸、及びZ’軸となる。従って、ATカット水晶基板10は、直交する座標軸(X,Y’,Z’)を有する。ATカット水晶基板10は、厚み方向がY’軸であって、Y’軸に直交するXZ’面(X軸及びZ’軸に平行な面)が主面であり、厚みすべり振動が主振動として励振される。
即ち、水晶基板10は、図2に示すようにX軸(電気軸)、Y軸(機械軸)、Z軸(光学軸)からなる直交座標系のX軸を中心として、Z軸をY軸の−Y方向へ傾けた軸をZ’軸とし、Y軸をZ軸の+Z方向へ傾けた軸をY’軸とし、X軸とZ’軸に平行な面で構成され、Y’軸に平行な方向を厚みとするATカット水晶基板からなる。
図1に示す実施形態例では、基板10はY’軸に平行な方向(Y’軸方向)を厚み方向として、X軸に平行な方向(X軸方向)を長辺とし、Z’軸に平行な方向(Z’軸方向)を短辺とする矩形の形状を有する。基板10は、長辺、短辺の夫々の長さがX、Zであり、厚さがt’あるXZ’面に平行な矩形平板状の基部12を有する。基板10は、基部12の一方の面(+Y’軸方向の面)の略中央部から+Y’軸方向に突出した、X軸方向、Z’軸方向の長さが夫々Mx、Mzであり厚さがMdである平板状の第1凸部14と、基部12の他方の面(−Y’軸方向の面)の略中央部から−Y’軸方向に突出した、第1凸部14と同等の平面形状及び同等の厚さを有した平板状の第2凸部16と、を有している。第1、及び第2凸部14、16は、図1(b)に示すように、基部12の厚さ方向の中心を通り、且つ厚さ方向に直交する平面に対して非対称に形成されている。図1の実施形態例では、基板10のY’Z’断面は、その断面の重心位置に対して点対称の例である。
図1の実施形態に示すように、第1、及び第2凸部14、16は、夫々基部12の厚さ方向(Y’軸方向)の両面に連接されている。平板状の第1凸部14は、厚さMdの第1の重なり領域14aと、同じ厚さMdの第1の非重なり領域14bと、を備えている。同様に、平板状の第2凸部16は、厚さMdの第2の重なり領域16aと、同じ厚さMdの第2の非重なり領域16bと、を備えている。つまり、第1の重なり領域14aと、第1の非重なり領域14bとは、側面同志が互いに連接されている。同様に、第2の重なり領域16aと、第2の非重なり領域16bとは、側面同志が互いに連接されている。
第1の重なり領域14aと、第2の重なり領域16aとは、基部12を挟んでZ’軸方向に沿って重なっており、それらの加算した厚さt1(=t’+2Md)によって厚みすべり振動の周波数がほぼ決まる。
第1の非重なり領域14bは、第1の重なり領域14aの側面から+Z’軸方向に突出しており、基部12の+Z’軸方向の平面(表面)と重なっている。また、第2の非重なり領域16bは、第2の重なり領域16aの側面から−Z’軸方向に突出しており、基部12の−Z’軸方向の平面(裏面)と重なっている。
図1の実施形態の基板10は、矩形平板状の基部12と、基部12のY’軸方向であり、Z’軸方向に平行な略中央の平面(表面)から+Y’軸方向に突出した第1凸部と、基部12の−Y’軸方向であり、Z’軸方向に平行な略中央の平面(裏面)から−Y’軸方向に突出した第2凸部と、有する所謂1段構造のメサ型基板である。しかし、一般的なメサ型基板と異なり、基部12の中央を通るXZ’平面に対して非対称な構造をしている。
このように構成したため、第1凸部14は、X軸方向に沿って並行に延びる各段差縁部14c、14dと、Z’軸方向に沿って並行に延びる二つの段差縁部と、を有した構造となっている。図1の実施形態例では、段差縁部14c、14dのうち、段差縁部14cが+Z’軸側の段差縁部であり、段差縁部14dが−Z’軸側の段差縁部である。
また、第2凸部16は、X軸方向に沿って並行に延びる段差縁部16c、16dと、Z’軸方向に沿って並行に延びる二つの段差縁部と、を有した構造となっている。図1の実施形態例では、段差縁部16c、16dのうち、段差縁部16cが+Z’軸側の段差縁部であり、段差縁部16dが−Z’軸側の段差縁部である。
第1凸部14の段差縁部14c、14dの夫々の段差は、第1凸部14の屈曲した端縁と基部12の+Y’軸側の平面によって形成され、第1凸部14のXZ’平面に平行な面と、第1凸部14の側面、即ちXY’面に平行な面と、基部12の+Y’軸側のXZ’平面に平行な面と、によって構成される。同様に、第2凸部14の段差縁部16c、16dの段差は、第2凸部16の屈曲した端縁と基部12の−Y’軸側の平面によって形成され、第2凸部16のXZ’平面に平行な面と、第2凸部16の側面、即ちXY’面に平行な面と、基部12の−Y’軸側のXZ’平面に平行な面と、によって構成される。
このように基板10は、厚さ方向(Y’軸方向)に直交する面(XZ’面)に関し非対称な第1、及び第2凸部14、16を有しており、振動素子1は、厚みすべり振動を主振動とする1段型のメサ構造を有していると言える。基板10をこのように構造とすることにより、厚みすべり振動が励振されると、振動エネルギーが第1、及び第2凸部14、16の近傍に閉じ込められて、所謂閉じ込め効果を有することができる。
1612型水晶振動子(形状寸法1.6mm×1.2mm)の典型的な周波数温度特性である、(1)周波数安定度±10ppm(−20℃〜75℃)、(2)周波数安定度±15ppm(−30℃〜85℃)、(3)周波数安定度±20ppm(−40℃〜85℃)の3つの仕様に対し常備ウェハーの種類を低減すべく、検討を行った。つまり、図1の実施形態に示すように、第1、及び第2凸部14、16をZ’軸方向に沿って互いに逆方向にずらすことにより、第1、及び第2凸部14、16が基部12の厚さ方向の中心を通る平面に対し、対称である基準基板10の温度特性から、周波数温度特性曲線が変化させられるかどうかのシミュレーションを行った。振動素子1のパラメーターとして、カット角を3°4′30″(θ=35.14417°)、X、及びZ寸法を夫々995μm、635μm、厚さt1を41.3μm、第1凸部14(16)のX、及びZ寸法Mx、Mzを515μm、445μm、励振電極20a(20b)のX及びZ寸法Ex、Ezを460μm、400μm、励振電極20a(20b)の膜厚を夫々1750Åと設定した。
第1、及び第2凸部14、16の形状寸法を同一とし、Z’軸方向にずらした距離、つまりずれ量としては、次のように設定した。図1(b)に示すように、第1、及び第2凸部14、16のZ’軸方向長の中心部を夫々C1、C2とする。中心部C1とC2との間隔、或いはずれた距離をdZとし、ずれ量として基板10のZ’軸方向の長さZで距離dZを除した値を基準化したdZ/Z(百分率)を用いることにした。中心部C1が中心部C2に対し、+Z’軸側にずれている場合は「+」とし、−Z’軸側にずれている場合は「−」とした。
ずれ量が零、つまりdZ/Z=0の場合の周波数温度特性を基準特性として、ずれ量dZ/Zを変化させた場合に、周波数温度特性がどのように変動するかを、有限要素法(FEM)を用いてシミュレーションした。dZ/Z=0の場合は、第1、及び第2凸部14、16が、基部12を挟んで対称な状態、即ち基部12のY’軸方向(厚さ方向)の中心を通り、且つY’軸に直交するXZ’平面に対して対称に形成されている場合で、一般的な1段メサ構造の振動素子に相当する。このときの基準の周波数温度特性を、図4(b)に示す。
図3(a)は、ずれ量dZ/Zを−5.0%、つまり第1凸部14の中心部C1が、第2の凹部16の中心部C2より−Z’軸側にずれている場合の周波数温度特性曲線である。縦軸は周波数偏差df/f(ppm)であり、横軸はシミュレーションに用いた温度である。温度に対する周波数偏差df/f(ppm)の計算値(菱形)が、大きくばらついているが、高次の屈曲振動が主振動の厚みすべり振動に結合したため、近似の三次曲線(破線)から外れている菱形点もある。
図3(b)は、ずれ量dZ/Zを−2.52%とした場合のシミュレーションにより求めた周波数温度特性(菱形点)である。温度の−30℃近辺、+70℃近辺の二カ所で、高次の屈曲振動との結合があり、近似の三次曲線(破線)から外れている。
図3(c)は、ずれ量dZ/Zを−1.67%とした場合のシミュレーションにより求めた周波数温度特性(菱形点)である。温度の−35℃近辺、+70℃近辺の二カ所で、高次の屈曲振動との結合があり、近似の三次曲線(破線)から外れている。
図4(a)は、ずれ量dZ/Zを−0.83%とした場合のシミュレーションにより求めた周波数温度特性(菱形点)である。この場合は高次屈曲振動との結合は小さく、温度に対する周波数偏差df/f(ppm)の計算値(菱形点)は、近似の三次曲線にほぼ沿っている。
図4(b)は、ずれ量dZ/Zが0%の場合、即ち基準カット角(r面から3°4′30″)の基板10を用いた振動素子1の周波数温度特性であり、これを基準の周波数温度特性とした。10℃〜20℃、85℃の近傍で、主振動(厚みすべり振動)が高次の屈曲振動と結合しており、近似の三次曲線(破線)より若干外れている。
図4(c)は、ずれ量dZ/Zを0.83%とした場合のシミュレーションにより求めた周波数温度特性(菱形点)である。主振動と高次の屈曲振動との結合により、−10℃〜0℃、65℃で近似の三次曲線(破線)より若干外れている。
図5(a)は、ずれ量dZ/Zを1.68%とした場合のシミュレーションにより求めた周波数温度特性(菱形点)である。−10℃近辺、65℃近辺で近似の三次曲線(破線)より若干外れているが、高次の屈曲振動との結合による。
図5(b)は、ずれ量dZ/Zを2.5%とした場合のシミュレーションにより求めた周波数温度特性(菱形点)である。−20℃〜−10℃、50℃〜70℃近辺で近似の三次曲線(破線)より外れている。
図5(c)は、ずれ量dZ/Zを5.0%とした場合のシミュレーションにより求めた周波数温度特性(菱形点)である。−20℃〜−10℃、40℃以上の温度で、高次の屈曲振動との結合により近似の三次曲線(破線)より外れている。
第1、及び第2凸部14、16が対称状態、即ち基部12の厚さ方向の中心を通り、厚さ方向に直交する平面に対し対称である場合に対し、第1、及び第2凸部14、16を非対称とすることにより、厚みすべり振動の振動変位分布が、対称な状態の振動変位分布から変化することにより、周波数温度特性が変化するものと推定される。
また、図3(a)から図5(c)までのシミュレーションにより求めた周波数温度特性(菱形点)は、主振動に高次の屈曲振動が結合するため、近似の三次曲線から外れているが、基板10の寸法X、Z、第1凸部(第2凸部)14(16)の寸法Mx、Mz、励振電極の寸法を調整することにより、高次屈曲振動の結合を小さくすることができ、実用に供せられる振動素子を構成することは可能である。
図6は、ATカット水晶基板を1分刻みで切り出した場合の周波数温度特性(三次曲線)を細線で描き、その上に第1、及び第2凸部14、16の相対ずれ量dZ/Zを−5.%、−2.5%、0%、2.5%、5.0%とした場合の、シミュレーションにより求めた周波数温度特性(太線の破線、一点鎖線等)を重ね書きした図である。第1、及び第2凸部14、16の相対ずれ量dZ/Zを変えることにより、恰も基板10のカット角を変化させたように、振動素子1の周波数温度特性が変化することがシミュレーションの結果判明した。
ATカット水晶振動子の周波数温度特性は、一般的に温度tの三次式で近似される。
df/f=Ct+Bt+At+K (1)
ここで、Kは定数項、A、B、Cは夫々1次、2次、3次の温度係数である。式(1)を、変曲点温度Tiを用いて、(t−Ti)に関する三次の冪級数で展開すると、次式のようになる。
df/f=Ci(t−Ti)+Ai(t−Ti) (2)
周波数温度特性の温度係数は、1次温度係数Aiと三次温度係数Ciのみであり、周波数温度特性を端的に表現することができる。つまり正の係数の三次曲線と、負の係数を有する一次曲線との和で、周波数温度特性を表わすことができ、変曲点温度の近傍では一次温度係数が支配的となる。
図3(a)から図5(c)に示す、シミュレーションにより求めた温度tに対する周波数偏差df/f(菱形点)の各点を三次曲線(破線)で近似し、この三次式から変曲点温度Ti、一次、及び三次温度係数Ai、Ciを求めた。図7は、ずれ量dZ/Zと、一次温度係数Aiとの関係を示す曲線である。図8はずれ量dZ/Zと、三次温度係数Ciとの関係を示す曲線である。図7の縦軸の次数は10−8乗のオーダーであり、図8の次数は10−11乗のオーダーである。
主振動の厚みすべり振動に高次屈曲振動が結合しているため、図7、及び図8の曲線は滑らかさを欠いているが、図7に示す一次温度係数Aiは、ずれ量dZ/Zがマイナスからプラスへ変わる、つまり第1凸部の中心部C1が第2凸部の中心部C2に対し、−Z’軸側から+Z’軸側へ移るに応じて、一次温度係数Aiはその絶対値|Ai|が大きくなることが判明した。即ち、ずれ量dZ/Zを大きくすることにより、ATカット水晶振動素子の周波数温度特性を表わす三次曲線を、変曲点温度Tiを中心に時計回りに回転させる効果があることがシミュレーションの結果判明した。なお、図8において横軸の「ずれ量」は、ずれ量dZ/Zと同義である。図8に示す三次温度係数Ciは、ずれ量dZ/Zがマイナスからプラスへ大きくなるに応じて、少しずつ低減する傾向がある。従って変曲点温度Tiを中心とする近傍では、一次温度係数Aiが周波数温度特性を左右することになる。
図9は、ずれ量dZ/Zに対する基準カット角(本実施例ではr面から傾けた角度3°4′30″)からのカット角偏差を示した曲線である。この曲線も主振動の厚みすべり振動に高次屈曲振動が結合しているため、滑らかさを欠いているが、ずれ量dZ/Zがマイナスからプラスへ大きくなる、つまりつまり第1凸部の中心部C1が第2凸部の中心部C2に対し、−Z’軸側から+Z’軸側へ移るに応じて、カット角偏差が「+」から「−」にほぼ直線的に変化する。即ち、カット角は、ずれ量dZ/Zを変化させることにより、基準カット角(3°4′30″)を有する水晶基板10から恰も少しずつ小さい値の角度(r面からの角度)を有する水晶基板10と同等であるように変化することを示している。
図10は、ずれ量dZ/Zとカット角偏差との関係を直線で近似した例であり、実線は次の式(3)で表わすことができる。
y=−37.7×dZ/Z (3)
製造偏差を考慮すると、式(3)は式(4)のように幅を持たせることが妥当である。
y=−37.7×dZ/Z±1.0 (3)
ここでyの単位は分である(dZ/Zは単位を有さないため、式(3)の係数は分の単位を有することになる)。
なお、請求項においては、角度の概念を鮮明にするため、式(3)の「y」を「dθ」として表わしており、両者は同義である。つまり、dθ=−37.7×dZ/Z±1.0と表記している。
先行技術文献1では、水晶基板(基板)の上下両面の電極をZ’軸方向にずらして配置すると、電極の両端部において、電界の方向が水晶素板の垂直方向から斜めに傾くように作用する。これにより水晶素板の切断角度をあたかも僅かに回転した基板で構成した振動子のような周波数温度特性を呈するものと推察されると記述されている。
これに対して、本発明に係る振動素子1では、基板10の表裏両面に形成されている励振電極20a、20bは、Z’軸方向に対し互いにずれていない。つまり、励振電極20a、20bはY’軸方向に正確に対向しており、生じる電界の方向はY’軸方向に平行、つまり、主面に対して垂直であり、先行文献1のように斜めに傾いていない点で差異がある。
図11は第2の実施形態の振動素子2の構成を示すZ’軸方向に沿った断面図である。図1に示した振動素子1と異なる点は、励振電極20a、20bの大きさである。励振電極20aは、第1凸部14の全面と、基部12の−Z’軸側の表面の一部とに跨っている。また励振電極20bは、第2凸部16の全面と、基部12の+Z’軸側の裏面の一部とに跨っている。このように励振電極を大きくすることにより励振時に生じる電荷をより多くピックアップすることが可能となり、CI値の低減に寄与する。
図12は、第3の実施形態の振動素子3の構成を示すZ’軸方向に沿った断面図である。図1に示した振動素子1と異なる点は、第1、及び第2凸部14、16のZ’軸方向両端縁(両側面)の形状を夫々2段構造の段差部とし、エネルギー閉じ込め効果をより大きくした構造である。図12に示した励振電極20a、20bは、一例であり、基部12の一部に跨るように励振電極20a、20bを広げてもよい。
以上説明したように、第1、及び第2凸部14、16のZ’軸方向長の中心部C1、C2間の距離(間隔)dZを、基板10のZ’軸方向である短辺の長さZで除したずれ量dZ/Z(百分率)を用い、中心部C1が中心部C2に対し、+Z’軸側にある場合を「+」とし、−Z’軸側にある場合を「−」とし、第1、及び第2凸部14、16が、基部12の厚さ方向の中心を通る平面に対し対称である状態、つまりdZ/Z=0の場合の周波数温度特性を基準特性とし、そのときのカット角(r面からのカット角)を基準カット角とする。dZ/Zが負の場合は、基準カット角に対し恰もカット角が大きくなったような周波数温度特性となり、dZ/Zが正の場合は、恰もカット角が小さくなったような周波数温度特性となる。この手段を用いることにより、同一種類の水晶ウェハーを用意するだけで上記の(1)、(2)、(3)の仕様を満たす基板(水晶基板)10を得ることができるという効果がある。
また、第1、及び第2凸部14、16を設けた基板10の厚さ方向に沿った断面形状を、この断面の重心位置に対し点対称に構成されているので、励起される振動モード(厚みすべり振動)が安定し、第1、及び第2凸部14、16を対称な状態とした基板10の基準カット角から恰もカット角をずらしたかのような周波数温度特性が得られるという効果がある。
また、式(3)を用いることにより、要求仕様と、用意された水晶ウェハーから、適切なウェハーを選定し、第1、及び第2凸部のずれ量dZ/Zを容易に求めることができるという効果がある。
次に、本実施形態に係る振動子4について、図面を参照しながら説明する。図13は、本実施形態に係る振動子4を模式的に示す断面図である。図13は、振動子1の短手方向の断面図(振動素子1のはZ’軸方向の断面)であり、図1(b)に示した振動素子1の断面図と同様な位置における断面図である。振動子4は、本発明に係る振動素子1(図示の例では振動素子1を示しているが、図11、図12に示す振動素子であってもよい)と、容器30と、を備えている。
容器30は、キャビティー32内に振動素子1を収容することができる。容器30の材質としては、例えば、セラミック、ガラス等が挙げられる。キャビティー32は、振動素子1が動作するための空間であり、密閉され、減圧空間や不活性ガス雰囲気とされる。
振動素子1は、容器30のキャビティー32内に収容されている。キャビティー32の内底面の端部に複数の素子搭載用パッド35aが設けられ、各素子搭載用パッド35aは内部導体37で複数の実装端子33と導通接続されている。素子搭載用パッド35aに導電性接着剤39を塗布し、導電性接着剤39の上に振動素子1を載置して、各電極パッド24a、24bと各素子搭載用パッド35aとを、導電性接着剤39を介して電気的に接続し、固定する。図示の例では、振動素子1は、端部でZ’軸方向に沿った形成された電極パッド24a、24bの2点に塗布した導電性接着剤39により、片持ち梁状にキャビティー32内に固定されている。導電性接着剤39としては、例えば、半田、銀ペースト等を用いることができる。容器本体30aの上部には、シールリングリング30bが焼成されており、このシールリングリング30bに蓋部材30cを載置し、抵抗溶接機等を用いて溶接し、キャビティー32を気密封止して振動子を構成する。キャビティー32内は真空にしてもよいし、不活性ガスを封入してもよい。
上記のように、常備されたウェハーから仕様に大よそ適合しそうなウェハーを選び、第1、及び第2凸部のずれ量dZ/Zを調整して振動子を製作すればよく、納期を大幅に短縮できるという効果がある。また、常備ウェハーの種類を大幅に低減できるという効果がある。
次に、本実施形態に係る電子デバイスについて、図面を参照しながら説明する。
図14(a)は、本発明の電子デバイス5に係る実施形態例の断面図である。電子デバイス5は、本発明の振動素子1と、感温素子であるサーミスタ38と、振動素子1及びサーミスタ38を収容する容器30と、を概略備えている。容器30は、容器本体30aと、蓋部材30cとを備えている。容器本体30aは、上面側に振動素子1を収容するキャビティー32が形成され、下面側にサーミスタ38を収容する凹部34aが形成されている。キャビティー32の内底面の端部に複数の素子搭載用パッド35aが設けられ、各素子搭載用パッド35aは内部導体37で複数の実装端子33と導通接続されている。素子搭載用パッド35aに導電性接着剤39を塗布し、この導電性接着剤39の上に振動素子1を載置して、各電極パッド24a、24bと、各素子搭載用パッド35aとを導電性接着剤39を介して電気的に接続し、固定する。容器本体30aの上部には、シールリング30bが焼成されており、このシールリング30bに蓋部材30cを載置し、抵抗溶接機を用いて溶接し、キャビティー32を気密封止する。キャビティー52内は真空にしてもよいし、不活性ガスを封入してもよい。
一方、容器本体30aの下面側略中央には凹部34aが形成され、凹部34aの上面には電子部品搭載用パッド35bが焼成されている。電子部品搭載用パッド35bにサーミスタ38を搭載し、半田等を用いて導通接続して電子デバイス5を構成する。なお、電子部品搭載用パッド35bは、内部導体37で複数の実装端子33と導通接続されている。
図14(b)は、同図(a)の変形例の電子デバイス6であって、電子デバイス5と異なる点は、容器本体30aのキャビティー32の底面に凹部34bが形成されており、この凹部34bの底面に焼成された電子部品搭載パッド35bに、金属バンプ等を介してサーミスタ38が接続されている所である。電子部品搭載パッド35bは実装端子33と導通されている。つまり、振動素子1と感温素子のサーミスタ38とが、キャビティー32内に収容され、気密封止されている。
以上では、振動素子1とサーミスタ38とを容器30に収容した例を説明したが、容器30に収容する電子部品としては、サーミスタ、コンデンサー、リアクタンス素子、半導体素子のうち少なくとも一つを収容した電子デバイスを構成することが望ましい。
上記のように振動素子を製作できるので電子デバイスの納期を大幅に短縮することが可能となる。また、上記の振動素子と、サーミスタ、コンデンサー、リアクタンス素子、半導体素子等を組み合わせることにより、客先の多様な要求に素早く対応できるという効果がある。
図15は、本発明の発振器7に係る実施形態の一例の断面図である。発振器7は、本発明の振動素子1(図15では振動素子1の例を示したが、本発明の他の振動素子であってもよい)と、単層の絶縁基板40と、振動素子1を駆動するIC(半導体素子)58と、振動素子1及びIC58を含む絶縁基板40の表面空間を気密封止する凸状の蓋部材50と、を概略備えている。絶縁基板40は、表面に振動素子1及びIC58を搭載するための複数の素子搭載パッド44a、電子部品搭載パッド44bを有すると共に、裏面に外部回路との接続用の実装端子46を備えている。素子搭載パッド44a及び電子部品搭載パッド44bと、実装端子46とは、絶縁基板40を貫通する導体48により導通されている。更に、絶縁基板40表面に形成された導体配線(図示せず)により、素子搭載パッド44aと電子部品搭載パッド44bとは導通が図られている。金属バンプ等を用いてIC58を電子部品搭載パッド44bに搭載した後、素子搭載パッド44aに導電性接着剤39を塗布し、その上に振動素子1の電極パッド24a、24bを載置し、恒温槽内で硬化させて導通・固定を図る。凸状の蓋部材50は絶縁基板の周縁部に形成したメタライズ55を溶融させることにより気密封止される。このとき、封止工程を真空中で行うことにより内部を真空にすることができる。また、封止の手段としては蓋部材50を、レーザー光等を用いて溶融して溶着する手段も用いられている。蓋部材50で封止された内部空間は真空であってもよいし、不活性ガスを満たしてもよい。
上記の説明では、振動素子1を用いて発振器を構成した実施形態例を説明したが、図13に示す振動子4と半導体素子(IC)58とを用いて発振器を構成してもよい。
標準的なICの発振回路を用意しておけば、上記のように素早く振動子が製造できるので、客先の要求納期に対応できるという効果がある。
次に、本実施形態に係る電子機器について、図面を参照しながら説明する。図16は、本実施形態に係る電子機器として、携帯電話(スマートフォン)100を模式的に示す平面図である。スマートフォン100は、本発明に係る振動素子を含む。より具体的には、スマートフォン100は、本発明に係る電子デバイスを含む。以下では、図16に示すように、本発明に係る電子デバイスとして、振動素子1(1s、2、3、4、5)を備えた電子デバイス9を用いた例について説明する。なお、便宜上、図16では、電子デバイス9を簡略化して図示している。
スマートフォン100は、電子デバイス9を、例えば、基準クロック発振源などのタイミングデバイスとして用いる。スマートフォン100は、さらに、表示部(液晶ディスプレイや有機ELディスプレイ等)101、操作部102、および音出力部103(マイクロフォン等)を有することができる。スマートフォン100は、表示部101に対する接触検出機構を設けることで表示部101を操作部として兼用してもよい。
スマートフォン100によれば、屈曲振動を抑圧しつつ、製造工程を簡略化することができる振動素子1を有することができる。
なお、スマートフォン(携帯電話)100に代表される電子機器は、上述したように、振動素子1を駆動する発振回路と、振動素子1の温度変化に伴う周波数変動を補正する温度補償回路と、を備えていることが好ましい。
これによれば、スマートフォン100に代表される電子機器は、振動素子1を駆動する発振回路と共に、振動素子1の温度変化に伴う周波数変動を補正する温度補償回路を備えていることから、発振回路が発振する共振周波数を温度補償することができ、温度特性に優れた電子機器を提供することができる。
また、本発明に係る振動素子を備えた電子機器は、上記スマートフォンに限らず、電子ブック、パーソナルコンピューター、テレビ、デジタルスチールカメラ、ビデオカメラ、ビデオレコーダー、ナビゲーション装置、ベージャー、電子手帳、電卓、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、POS端末、タッチパネルを備えた機器などのタイミングデバイスとして好適にも用いることができる。
上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
1、2、3…振動素子、4…振動子、5、6…電子デバイス、7…発振器、10…振動基板、12…基部、14…第1凸部、14a…第1の重なり領域、14b…第1の非重なり領域、16…第2凸部、16a…第2の重なり領域、16b…第2の非重なり領域、20a、20b…励振電極、22a、22b…引出電極、24a、24b…パッド電極、30…容器、30a…容器本体、30b…シールリング、30c…蓋部材、32…キャビティー、33…実装端子、34a…凹部、35a…素子搭載用パッド、35b…電子部品搭載用パッド、37…内部導体、38…サーミスタ、39…電導性接着剤、40…絶縁基板、44a…素子搭載パッド、44b…電子部品搭載パッド、46…実装端子、48…導体、50…蓋部材、55…メタライズ、58…IC、X…振動基板のX軸方向の長さ、Z…振動基板のZ’軸方向の長さ、Mx…第1凸部のX軸方向の長さ、Mz…第1凸部のZ’軸方向の長さ、t1…第1、及び第2凸部の厚さに基部の厚さを加算した厚さ、t’…基部の厚さ

Claims (13)

  1. 厚みすべり振動で振動する振動部、前記振動部の外縁に沿って配置されている外縁部を含む基板を備え、
    前記振動部は、
    前記外縁部の一方の主面から突出している第1凸部と、
    前記外縁部の一方の主面に対して裏面側の他方の主面から突出している第2凸部と、
    を有し、
    平面視において、前記第1凸部の一方の外縁は前記他方の主面の前記外縁部と重なっており、前記一方の外縁と対峙している他方の外縁は、前記第2凸部の主面と重なっていることを特徴とする振動素子。
  2. 請求項1において、
    前記第1凸部の主面の外形と前記第2凸部の主面の外形とは同じであることを特徴とする振動素子。
  3. 請求項2において、
    前記基板の厚さ方向に沿い、前記対峙する一方の外縁と他方の外縁を跨いだ断面形状は、前記断面の中心に対し点対称であることを特徴とする振動素子。
  4. 請求項1乃至3の何れか一項において、
    前記基板は、回転Yカット水晶基板であることを特徴とする振動素子。
  5. 請求項4において、
    前記一方の外縁と前記他方の外縁はZ’軸方向に対峙していることを特徴とする振動素子。
  6. 請求項4又は5において、
    前記基板の前記Z’軸方向に沿った辺の長さをZとし、
    Y’軸に方向に平面視で、前記第1凸部の前記Z’軸方向の中心と、前記第2凸部の前記Z’軸方向の中心との距離をdZとし、
    前記距離dZを零としたときの前記基板のカット角からの角度偏差量をdθとしたとき、前記dθは、
    −37.7×(dZ/Z)−1.0≦dθ≦−37.7×(dZ/Z)+1.0
    の範囲内にあることを特徴する振動素子。
  7. 請求項1乃至6の何れか一項において、
    前記第1凸部の前記一方の主面からの高さと第2凸部の前記他方の主面からの高さは同じであることを特徴とする振動素子。
  8. 表裏の励振電極は、
    前記断面の中心を通る前記主面に平行な線に対し線対称であることを特徴とする振動素子。
  9. 請求項1乃至8の何れか一項に記載の振動素子と、
    前記振動素子を搭載する容器と、
    を備えていることを特徴とする振動子。
  10. 請求項1乃至8の何れか一項に記載の振動素子と、
    電子素子と、
    前記振動素子及び前記電子素子を搭載する容器と、
    を備えていることを特徴とする電子デバイス。
  11. 請求項10において、
    前記電子素子が、サーミスタ、コンデンサー、リアクタンス素子、及び半導体素子の少なくともいずれかであることを特徴とする電子デバイス。
  12. 請求項9に記載の振動子と、
    前記振動子を駆動する発振回路と、
    を備えていることを特徴とする発振器。
  13. 請求項1乃至8の何れか一項に記載の振動素子を備えていることを特徴とする電子機器。
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