JP2014011664A - 水晶デバイス - Google Patents

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Hiroki Yasunaga
浩樹 安永
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Abstract

【課題】 本発明は、水晶素子に加わる応力を緩和することができ、水晶素子の発振周波数の変動を
低減することが可能な水晶デバイスを提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明の水晶デバイスは、導電性接着剤140が、平面視して第三電極部111c上から第一電極部111a上及び第二電極部111b上に広がって形成され、且つ第三電極部111c上から基板110a上であって基板110aの外縁側に向かって漏れ出ず、励振用電極122と間をあけて配置されていることを特徴とするものである。
【選択図】図3

Description

本発明は、例えば電子機器等に用いられる水晶デバイスに関するものである。
従来の水晶デバイスは、水晶素子の圧電効果を利用して、水晶素板の両面が互いにずれるように厚みすべり振動を起こし、特定の周波数を発生させるものである。現在では、基板上に設けられた電極パッドに導電性接着剤を介して実装された水晶素子を備えた水晶デバイスが提案されている(例えば、下記特許文献1参照)。水晶素子は、水晶素板の両主面に励振用電極を有しており、水晶素子の一端を基板の上面と接続した固定端とし、他端を基板の上面と間を空けた自由端とした片保持構造となる。
特開2002−111435号公報
上述した水晶デバイスは、小型化が顕著であるが、パッケージに搭載する水晶素子も小型化になっている。従来の電極パッド上に導電性接着剤を塗布し、水晶素子を導電性接着剤の上面に載置すると、導電性接着剤が漏れ拡がるため、導電性接着剤を介し、安定して水晶素子が実装できない虞があった。また、安定して水晶素子が実装できないため、水晶素子の発振周波数が変動してしまうといった虞があった。
本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、導電性接着剤を介して、水晶素子を安定して実装でき、安定して水晶素子の発振周波数を出力することが可能な水晶デバイスを提供することを目的とする。
本発明の一つの態様による水晶デバイスは、矩形状の基板と、基板上に設けられ、前記基板の一辺と平行になるように設けられた第一電極部と、基板の一辺と交わる辺と平行になるように設けられた第二電極部と、第一電極部と第二電極部とが交わる位置に設けられ、第一電極部及び第二電極部と接続された第三電極部とを有した電極パッドと、基板上に設けられ、矩形状の水晶素板と、水晶素板の上下面に設けられた励振用電極と、水晶素板の下面に励振用電極と間を空けて設けられた接続用電極と、を有し、接続用電極と電極パッドとが導電性接着剤を介して接続された水晶素子と、を備え、導電性接着剤が、平面視して第三電極部上から第一電極部上及び第二電極部上に広がって形成され、且つ第三電極部上から基板上であって基板の外縁側に向かって漏れ出ず、励振用電極と間をあけて配置されていることを特徴とするものである。
本発明の一つの態様による水晶デバイスは、露出している基板上面には導電性接着剤が漏れ拡がりにくいため、導電性接着剤を介して、安定して水晶素子を電極パッドに実装することが可能となる。また、水晶デバイスは、安定して水晶素子を電極パッドに実装することができるので、安定して水晶素子の発振周波数を出力することが可能となる。
本実施形態における水晶デバイスを示す分解斜視図である。 図1に示された水晶デバイスのA−Aにおける断面図である。 (a)本実施形態における水晶デバイスの蓋体を外した状態を示す平面図であり、(b)本実施形態における水晶デバイスの蓋体及び水晶素子を外した状態を示す平面図である。 (a)本実施形態の第一変形例における水晶デバイスの蓋体を外した状態を示す平面図であり、(b)本実施形態の第一変形例における水晶デバイスの蓋体及び水晶素子を外した状態を示す平面図である。 (a)本実施形態の第二変形例における水晶デバイスの蓋体を外した状態を示す平面図であり、(b)本実施形態の第二変形例における水晶デバイスの蓋体及び水晶素子を外した状態を示す平面図である。
本実施形態における水晶デバイスは、図1及び図2に示されているように、パッケージ110と、パッケージ110の基板110aに接合された水晶素子120とを含んでいる。パッケージ110は、基板110aの上面と枠体110bの内側面によって囲まれた収容空間Kが形成されている。
基板110aは、矩形状であり、上面で実装された水晶素子120を支持するための支持部材として機能するものである。基板110aは、基板110aの上面に、水晶素子120を接合するための電極パッド112が設けられている。また、基板110aの下面の四隅には、外部接続用電極端子Gが設けられている。
基板110aは、例えばアルミナセラミックス又はガラス−セラミックス等のセラミック材料である絶縁層からなる。基板110aは、絶縁層を1層用いたものであっても、絶縁層を複数層積層したものであってもよい。基板110aの表面及び内部には、上面に設けられた電極パッド111と下面の外部接続用電極端子Gとを電気的に接続するための配線パターン及びビア導体が設けられている。
枠体110bは、基板110a上に収容空間Kを形成するためのものである。枠体110bは、例えばアルミナセラミックス又はガラス−セラミックス等のセラミック材料からなり、基板110aと一体的に形成されている。枠体110bの上面には、封止用導体パターン112が設けられている。
封止用導体パターン112は、蓋体130と封止部材131を介して接合する際に、封止部材131の濡れ性をよくする役割を果たしている。また、封止用導体パターン112は、基板110aの内部に形成されたビア導体(図示せず)及び配線パターン(図示せず)により少なくとも1つの外部接続用電極端子Gに接続されている。少なくとも1つの外部接続用電極端子Gは、外部の実装基板上のグランドと接続されている実装パッドと接続されることにより、グランド端子の役割を果たす。そのため、封止用導体パターン112に接合される蓋体130がグランドに接続されることとなり、蓋体130による収容空間K内のシールド性が向上する。封止用導体パターン112は、例えばタングステン又はモリブデン等から成る導体パターンの表面にニッケルメッキ及び金メッキを順次、枠体110bの上面を環状に囲む形態で施すことによって、例えば10μm〜25μmの厚みに形成されている。
電極パッド111は、一対で設けられており、基板110aの一辺に沿うように隣接して設けられている。電極パッド111は、第一電極部111a、第二電極部111b及び第三電極部111cによって構成されている。第一電極部111aは、基板110aの一辺と平行になるように設けられている。第二電極部111bは、基板110aの一辺と交わる辺と平行になるように設けられている。第三電極部111cは、第一電極部111aと第二電極部111bとが交わる位置に設けられている。また、第一電極部111a、第二電極部111b及び第三電極部111cは、矩形状になるように設けられている。また、第三電極部111cは、基板110aの外周縁と平行となる第三電極部111cの辺がそれぞれ向かい合うようにして配置されており、第三電極部111c同士の間隔が短くなっている。
ここでパッケージ110を平面視したときの一辺の寸法が、1.2〜2.0mmである場合を例にして、電極パッド111の大きさを説明する。基板110aの一辺と平行となる第一電極パッド111の辺の長さは、0.15〜0.2mmとなる。また、基板110aの一辺と交わる辺と平行となる第一電極パッド111aの辺の長さは、0.13〜0.18mmとなる。第一電極パッド111aの上下方向の厚みの長さは、0.01〜0.05mmとなる。基板110aの一辺と平行となる第二電極パッド111bの辺の長さは、0.15〜0.2mmとなる。また、基板110aの一辺と交わる辺と平行となる第二電極パッド111bの辺の長さは、0.13〜0.18mmとなる。第二電極パッド111cの上下方向の厚みの長さは、0.01〜0.05mmとなる。基板110aの一辺と平行となる第三電極パッド111cの辺の長さは、0.15〜0.2mmとなる。また、基板110aの一辺と交わる辺と平行となる第三電極パッド111cの辺の長さは、0.13〜0.18mmとなる。第三電極パッド111cの上下方向の厚みの長さは、10〜50μmとなる。
電極パッド111の算術平均表面粗さは、0.02〜0.1μmであり、基板110a表面の算術平均表面粗さは、0.5〜1.5μmである。よって、導電性接着剤140は、第一電極部111aの一辺と第二電極部111bの一辺が交わる箇所から基板110aの外縁側に向かって広がりにくくなる。
導電性接着剤140は、平面視して第三電極部111c上から第一電極部111a上及び第二電極部111b上に広がって形成され、且つ第三電極部111c上から基板110a上であって基板110aの外縁側に向かって漏れ出ず、励振用電極122と間をあけて配置されている。水晶デバイスは、導電性接着剤140と励振用電極122とが間を空けて配置されていることにより、導電性接着剤140が励振用電極122に付着することで生じる短絡を低減することができる。
導電性接着剤140は、図3(b)に示されているように、第一電極部111aの一辺と第二電極部111bの一辺が交わる箇所から基板110aの外縁側に向かって拡がりにくくなっている。これは、電極パッド111の外周縁部では、導電性接着剤140が表面張力により盛り上がり、第一電極部111aの側面、第二電極部111の側面、又は第一電極パッド111aと第二電極パッド111bの交わる箇所の側面を伝って、外側へ流れにくい状況となるので、導電性接着剤140の基板110a上への拡がりを抑えることができる。よって、水晶デバイスは、導電性接着剤140が電極パッド111から漏れ拡がりにくいため、導電性接着剤140を介して、安定して水晶素子120を電極パッド111に実装することが可能となる。また、安定して水晶素子120が実装することができるので、安定して水晶素子120の発振周波数を出力することが可能となる。また、導電性接着剤140の粘度が、35〜45Pa・sのものを使用することによって、塗布した際に、導電性接着剤140は、第三電極パッド111cから基板110a上面に流れ出ることなく、電極パッド111上に留まり、上下方向の厚みが維持される。また、導電性接着剤140は、電極パッド111の第三電極部111cに塗布されている。このようにすることで、水晶デバイスは、導電性接着剤140の塗布量及び塗布位置を視覚的によりわかりやすくすることができるので、電極パッド111間が短絡しないようにすることができる。
また、導電性接着剤140が電極パッド111から漏れ拡がりにくいため、導電性接着剤140の上下方向の厚みも確保することができる。導電性接着剤140の上下方向の厚みの長さは、10〜25μmである。このように導電性接着剤140の厚みを確保できることによって、落下等の試験により加わった衝撃が水晶素子120に対して導電性接着剤140を中心にして上下方向へ加わったとしても、その衝撃を導電性接着剤140で十分に吸収緩和することができる。また、導電性接着剤140が第一電極部111a上及び第二電極部111b上に拡がって形成されるため、導電性接着剤140と電極パッド111との接着面積も確保することができる。
ここで、パッケージ110の作製方法について説明する。基板110a及び枠体110bがアルミナセラミックスから成る場合、まず所定のセラミック材料粉末に適当な有機溶剤等を添加・混合して得た複数のセラミックグリーンシートを準備する。また、セラミックグリーンシートの表面或いはセラミックグリーンシートに打ち抜き等を施して予め穿設しておいた貫通孔内に、従来周知のスクリーン印刷等によって所定の導体ペーストを塗布する。さらに、これらのグリーンシートを積層してプレス成形したものを、高温で焼成する。最後に、導体パターンの所定部位、具体的には、一対の電極パッド111又は外部接続用電極端子Gとなる部位にニッケルメッキ又は金メッキ等を施すことにより作製される。また、導体ペーストは、例えばタングステン、モリブデン、銅、銀又は銀パラジウム等の金属粉末の焼結体等から構成されている。
水晶素子120は、図2及び図3(a)に示されているように、導電性接着剤140を介して電極パッド111上に接合されている。水晶素子120は、安定した機械振動と圧電効果により、電子装置等の基準信号を発振する役割を果たしている。
水晶素子120は、図2に示されているように、水晶素板121の上面及び下面のそれぞれに励振用電極122、接続用電極123及び引き出し電極124を被着させた構造を有している。励振用電極122は、水晶素板121の上面及び下面のそれぞれに金属を所定のパターンで被着・形成したものである。引き出し電極124は、励振用電極122から水晶素板121の短辺に向かって延出されている。接続用電極123は、引き出し電極124と接続されており、水晶素板121の長辺又は短辺に沿った形状で設けられている。
本実施形態においては、電極パッド111と接続されている水晶素子120の一端を基板110aの上面と接続した固定端とし、他端を基板110aの上面と間を空けた自由端とした片保持構造にて水晶素子120が基板110a上に固定されている。
水晶素板121の固定端側の外周縁は、図3(a)に示されているように、平面視して、基板110aの一辺と平行であり、基板110aの外周縁側を向いている第一電極部111aの辺と重なる位置になるように設けられている。このようにすることにより、水晶素子120の実装位置を視覚的によりわかりやすくすることができるので、水晶デバイスの生産性を向上させることが可能となる。また、このようにすることによって、パッケージ110の枠体110bと、水晶素子120の外周縁とが接触することを低減することができ、水晶素子120の欠けを防ぐことが可能となる。
ここで、水晶素子120の動作について説明する。水晶素子120は、外部からの交番電圧が接続用電極123から引き出し電極124及び励振用電極122を介して水晶素板121に印加されると、水晶素板121が所定の振動モード及び周波数で励振を起こすようになっている。
ここで、水晶素子120の作製方法について説明する。まず、水晶素子120は、人工水晶体から所定のカットアングルで切断し、水晶素板121の外周の厚みを薄くし、水晶素板121の外周部と比べて水晶素板121の中央部が厚くなるように設けるベベル加工を行う。そして、水晶素子120は、水晶素板121の両主面にフォトリソグラフィー技術、蒸着技術又はスパッタリング技術によって、金属膜を被着させることにより、励振用電極122、接続用電極123及び引き出し電極124を形成することにより作製される。
水晶素子120の基板110aへの接合方法について説明する。まず、導電性接着剤140は、例えばディスペンサによって、一対の電極パッド111の第3電極部111cの上面に塗布される。水晶素子120は、導電性接着剤140上に搬送される。さらに、水晶素子120は、水晶素板121の固定端側の外周縁が、平面視して、基板110aの一辺と平行であり、基板110aの外周縁側を向いている第一電極部111aの辺と重なる位置になるように、導電性接着剤140上に載置される。そして水晶素子120は、導電性接着剤140を加熱硬化させることによって一対の電極パッド111に接合される。
導電性接着剤140は、シリコーン樹脂等のバインダーの中に導電フィラーとして導電性粉末が含有されているものであり、導電性粉末としては、アルミニウム、モリブデン、タングステン、白金、パラジウム、銀、チタン、ニッケル又はニッケル鉄のうちのいずれか、或いはこれらの組み合わせを含むものが用いられている。また、バインダーとしては、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂又はビスマレイミド樹脂が用いられる。
蓋体130は、例えば、鉄、ニッケル又はコバルトの少なくともいずれかを含む合金からなる。このような蓋体130は、真空状態にある収容空間K又は窒素ガスなどが充填された収容空間Kを気密的に封止するためのものである。具体的には、蓋体130は、所定雰囲気で、パッケージ110の枠体110b上に載置され、枠体110bの封止用導体パターン112と蓋体130の封止部材131とが溶接されるように所定電流を印加してシーム溶接を行うことにより、枠体110bに接合される。
封止部材131は、パッケージ110の枠体110b上面に設けられた封止用導体パターン112に相対する蓋体130の箇所に設けられている。封止部材131は、例えば、銀ロウ又は金錫によって設けられている。
本実施形態における水晶デバイスは、露出している基板110aの上面には導電性接着剤140が漏れ拡がりにくいため、導電性接着剤140を介して、安定して水晶素子120を電極パッド111に実装することが可能となる。また、水晶デバイスは、安定して水晶素子120を電極パッド111に実装することができるので、安定して水晶素子120の発振周波数を出力することが可能となる。
(第一変形例)
以下、本実施形態の第一変形例における水晶デバイスについて説明する。なお、本実施形態の第一変形例における水晶デバイスのうち、上述した水晶デバイスと同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。
本実施形態の第一変形例における水晶デバイスは、図4に示されているように、電極パッド211が一対で設けられ、基板210aの一辺に沿って隣接するようにして設けられると共に第三電極部211cが基板210aの外周縁側に位置するように配置されている点で本実施形態と異なる。第一電極部211aは、基板210aの外周縁と平行となる第一電極部211aの辺がそれぞれ向かい合うようにして配置されている。第三電極部211cは、基板210aの外周縁に近接する位置に配置されており、第三電極部211c同士の間隔が実施形態と比べ短くなっている。
本実施形態の第一変形例における水晶デバイスは、隣接するように設けられた電極パッド211の第三電極部211cが基板210aの外周縁部に位置するように配置され、第三電極部211c同士の間隔を、本実施形態と比して、空けて配置されていることによって、外形寸法の大きい水晶素子120を実装することができる。よって、要求された発振特性にそれぞれ適した水晶素子120を実装することができる。
(第二変形例)
以下、本実施形態の第二変形例における水晶デバイスについて説明する。なお、本実施形態の第三変形例における水晶デバイスのうち、上述した水晶デバイスと同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。
本実施形態の第二変形例における水晶デバイスは、図5に示されているように、電極パッド111が一対で設けられ、基板110aの両端にそれぞれ1つずつ設けられている点で本実施形態と異なる。
パッケージ310は、基板310aと枠体310bとによって構成されている。電極パッド111は、一対で設けられ、基板110aの両端にそれぞれ1つずつ設けられている。
水晶素子220は、図5に示されているように、水晶素板221の上面及び下面のそれぞれに励振用電極222、接続用電極223及び引き出し電極224を被着させた構造を有している。励振用電極222は、水晶素板221の上面及び下面のそれぞれに金属を所定のパターンで被着・形成したものである。引き出し電極224は、励振用電極222から水晶素板221のそれぞれの短辺に向かって延出されている。接続用電極223は、引き出し電極224と接続されており、水晶素板221の短辺に沿った形状でそれぞれ1つずつ設けられている。
水晶素子220は、導電性接着剤140を介して基板310aの電極パッド311と接続されている。水晶素板221の一方の外周縁は、図5(a)に示されているように、平面視して、基板310aの一辺と平行であり、基板310aの外周縁側を向いている第一電極部311aの辺と重なる位置になるように設けられている。また、水晶素子221の他方の外周縁は、平面視して、基板310aの一辺と平行であり、基板310aの外周縁側を向いている第一電極部311aの辺と重なる位置になるように設けられている。このようにすることにより、水晶素子220の実装位置を視覚的によりわかりやすくすることができるので、水晶デバイスの生産性を向上させることが可能となる。また、このようにすることによって、パッケージ310の枠体と、水晶素子220の外周縁とが接触することを低減することができ、水晶素子220の欠けを防ぐことが可能となる。
本実施形態の第二変形例における水晶デバイスは、基板310aの両端にそれぞれ一つずつ設けられている電極パッド311を有していることによって、水晶素板221の両端にて保持することができる。よって、水晶デバイスは、落下試験等を行った際に、水晶素子220にかかる応力が水晶素板221の両端に均等にかかるため、水晶素子220が電極パッド311から剥がれることを低減することが可能となる。
尚、本実施形態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、改良等が可能である。上記の第一実施形態の変形例では、枠体110bが基板110aと同様にセラミック材で一体的に形成した場合を説明したが、枠体110bが金属製であっても構わない。この場合、枠体は、銀−銅等のロウ材を介して基板の導体膜に接合されている。上記実施形態では、基板の上面に枠体が設けられている場合について説明したが、基板に水晶素子を実装した後に、下面に壁部が設けられた蓋体を用いて、水晶素子を気密封止する構造であっても構わない。上記実施形態では、水晶素子は、AT用水晶素子を用いた場合を説明したが、基部と、基部の側面より同一の方向に延びる二本の平板形状の振動腕部とを有する音叉型屈曲水晶素子を用いても構わない。
また、上記実施形態では、水晶素子は、ベベル加工を用いた場合を説明したが、水晶素板121の外周の厚みを薄くし、水晶素板121の外周部と比べて水晶素板121の中央部が厚くなるように設けるベベル加工を用いても構わない。また、水晶素子120のベベル加工方法について説明する。
所定の粒度のメディアと砥粒とを備えた研磨材と、所定の大きさに形成された水晶素板121とを用意する。円筒体に用意した研磨材と水晶素板121とを入れ、円筒体の開口した端部をカバーで塞ぐ。研磨材と水晶素板121とを入れた円筒体を、円筒体の中心軸線を回転軸として回転させる水晶素板121が研磨材で研磨されてベベル加工が行われる。
110、210、310、・・・パッケージ
110a、210a、310a、・・・基板
110b、210b、310b、・・・枠体
111、211、311、・・・電極パッド
111a、211a、311a、・・・第一電極部
111b、211b、311b、・・・第二電極部
111c、211c、311c、・・・第三電極部
112、212・・・封止用導体パターン
120、220・・・水晶素子 121、221・・・水晶素板
122、222・・・励振用電極
123、223・・・接続用電極
124、224・・・引き出し電極
130・・・蓋体
131・・・封止部材
140・・・導電性接着剤
K・・・収容空間
G・・・外部接続用端子

Claims (3)

  1. 矩形状の基板と、
    前記基板上に設けられ、前記基板の一辺と平行になるように設けられた第一電極部と、前記基板の一辺と交わる辺と平行になるように設けられた第二電極部と、前記第一電極部と第二電極部とが交わる位置に設けられ、前記第一電極部及び前記第二電極部と接続された第三電極部とを有した電極パッドと、
    前記基板上に設けられ、矩形状の水晶素板と、前記水晶素板の上下面に設けられた励振用電極と、前記水晶素板の下面に前記励振用電極と間を空けて設けられた接続用電極と、を有し、前記接続用電極と前記電極パッドとが導電性接着剤を介して接続された水晶素子と、を備え、
    前記導電性接着剤が、平面視して前記第三電極部上から前記第一電極部上及び前記第二電極部上に広がって形成され、且つ前記第三電極部上から前記基板上であって前記基板の外縁側に向かって漏れ出ず、前記励振用電極と間をあけて配置されていることを特徴とする水晶デバイス。
  2. 請求項1記載の水晶デバイスであって、
    前記電極パッドが一対で設けられ、前記基板の一辺に沿って隣接するようにして設けられると共に前記第三電極部が基板の外周縁と近接する位置に配置されていることを特徴とする水晶デバイス。
  3. 請求項1記載の水晶デバイスであって、
    前記電極パッドが一対で設けられ、前記基板の両端にそれぞれ1つずつ設けられていることを特徴とする水晶デバイス。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2018137704A (ja) * 2017-02-24 2018-08-30 京セラクリスタルデバイス株式会社 水晶素子及び水晶デバイス
JP2019208284A (ja) * 2019-09-03 2019-12-05 セイコーエプソン株式会社 パッケージ、振動デバイス、電子機器、および移動体

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