JP2023072165A - 水晶デバイス及び電子機器 - Google Patents

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孝男 楠木
Takao Kusuki
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Abstract

【課題】より安定して所望の共振周波数での振動が可能な水晶振動素子を有する水晶デバイス及び電子機器を提供する。【解決手段】水晶デバイス(1)は、水晶片(121)とその一端(E1)に沿って位置する搭載電極(124)とを有する水晶振動素子(12)と、底面(B)及び底面(B)から上方へ突出し搭載電極(124)が接着されている電極パッド(111)を含む搭載面を有する基体(11)と、を備える。基体(11)は、平面透視で水晶振動素子(12)と重なり、底面(B)から上方へ突出する突出部(113、114)を有し、突出部(113)は、搭載電極(124)の一部又は全部よりも一端(E1)から離れて位置し、突出部(114)は、突出部(113)よりも一端(E1)から離れて位置し、突出部(114)の底面(B)からの高さは、突出部(113)の底面(B)からの高さ以下である。【選択図】図2

Description

本開示は、水晶デバイス及び電子機器に関する。
共振を生じる水晶振動素子をパッケージ内部に封止してその共振周波数による振動に応じた電圧信号を出力する水晶デバイスがある。水晶デバイスでは、水晶振動素子は、端部に接続電極を有して当該接続電極がパッケージの基体に導電性接着剤により接着固定され、当該接続電極と電気的につながった励振電極を含む残りの部分がパッケージ内部でどこにも接触しないように中空配置されることで、適切な振動が生じる。
水晶振動素子の共振周波数が上昇するにつれて、水晶振動素子は薄くなっていく。水晶振動素子の小型化や軽量化に伴って、これらのサイズや重量に比して導電性接着剤の塗布量や塗布位置のばらつきが無視できなくなってきており、水晶振動素子を接着剤により適切な向きで固定して振動部分をパッケージと接しないように定めるのが難しくなってきている。特許文献1には、基板が水晶振動素子の接着面側端部と振動部分との間に接する突堤を有し、水晶振動素子の振動側端部と突堤直下とが基板に接した状態で他端を接着することで、接着剤の硬化時における収縮に応じた突堤をてことした動作に基づいて、適切に振動側端部をパッケージの接着面から浮上させ、振動に係る位相雑音特性などの電気特性を改善する技術が開示されている。
特開2004-112420号公報
しかしながら、上記技術では、接着剤の塗布時に突堤の隙間から水晶振動素子の裏面に沿って流れ、当該接着剤の硬化後に、水晶片の振動部分の振動に悪影響を与える場合がある。
そこで、より安定して所望の共振周波数での振動が可能な水晶振動素子を有する水晶デバイス及び電子機器を提供する。
本開示の一の態様は、
水晶片と、前記水晶片の一端に沿って位置する搭載電極とを有する水晶振動素子と、
基準面と、当該基準面から上方へ突出しており前記搭載電極が接着されているパッドとを含む搭載面を有する基体と、
を備え、
前記基体は、
平面透視で前記水晶振動素子と重なる第1重複部分を有し、前記搭載面から上方へ突出する第1突出部と、
平面透視で前記水晶振動素子と重なる第2重複部分を有し、前記搭載面から上方へ突出する第2突出部と、
を有し、
前記第1重複部分は、前記搭載電極の一部又は全部よりも前記一端から離れて位置し、
前記第2重複部分は、前記第1重複部分よりも前記一端から離れて位置し、
前記第2重複部分の前記基準面からの高さは、前記第1重複部分の前記基準面からの高さ以下である
水晶デバイスである。
本開示によれば、より安定して所望の共振周波数の信号を得ることができる。
本実施形態の水晶デバイスの構成を示す図である。 突出部の位置関係について説明する平面透視図である。 水晶振動素子の電極パッドへの取り付けについて説明する図である。 変形例の突出部を示す図である。
以下、実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本実施形態の水晶デバイス1の構成を示す図である。
水晶デバイス1は、基体11と、水晶振動素子12と、導電性接着剤13と、蓋体14と、部品15などを備える。
図1(a)の断面図(図1(b)の断面線CCにおけるモジュール用基板2に取り付けられた状態)と図1(b)の平面図(蓋体14を外した状態)に示すように、基体11は、一の面(上面)の周囲に位置する側壁面112を有し、当該側壁面112と底面B(基準面)とにより囲まれた凹部Aを有する箱形形状である。凹部Aの底面Bには、当該底面Bから上方へ突出して一段高くなっている電極パッド111(パッド)が位置している。底面Bと電極パッド111とがまとめて本実施形態の搭載面である。
電極パッド111には、水晶振動素子12が接続される。電極パッド111は、基体11の外面に露出されている外部接続パッド118との間で、基体11の内部を通る導体により電気的につながっている。なお、電極パッド111は、自身の厚みだけではなく、底面Bの突出部分上に更に位置しているものであってもよい。底面Bには、突出部113(第1突出部)及び突出部114(第2突出部)が位置している。これらについては後述する。外部接続パッド118は、モジュール用基板2に、例えばはんだなどを用いて接続されて、水晶デバイス1とモジュール用基板2とを備える電子機器Dにおける水晶デバイス1の信号の送受信を可能としている。
水晶振動素子12は、水晶片121と、励振電極122と、搭載電極124と、引出し電極125などを有する。搭載電極124は、水晶振動素子12を基体11に搭載するための電極であって、水晶片121の+z側の一端E1付近に(一端E1に沿って)、ここでは一端E1に接して位置し、導電性接着剤13を介して電極パッド111に接続、固定されており、すなわち、片持ち状態である。
励振電極122は、水晶片121の下面側(底面Bと対向する側、-z側)と上面側(+z側)にそれぞれ位置している。これら一対の励振電極122は、ここでは、上面側から見た平面視で同一位置にある。励振電極122は、それぞれ個別に対応する引出し電極125を介して搭載電極124に電気的につながっている。図1(b)に示すように、上面側に位置する引出し電極1251につながっている搭載電極1241は、上下両面にわたって広がっている。これにより、外部接続パッド118と励振電極122との間がそれぞれ水晶振動素子12の下面側で導電性接着剤13を介して接続され、電圧信号が励振電極122に印加されて水晶片121を振動させ(励振し)たり、励振電極122の間に生じた電圧が外部接続パッド118へ出力されたりする。
水晶片121は、出力対象の共振周波数に応じた厚さを有する。通常、共振周波数が高くなるほど水晶片121が薄くなる。特には限られないが、ここでは、水晶片121は、共振周波数が50~100MHz又はこれ以上である。なお、水晶片121は、全体が均一の厚さであるものに限られない。振動を生じる励振電極122との接触範囲及びその周辺(これらを振動部分と記す)の厚さに比して、搭載電極124の部分が厚くなっていてもよく、また、水晶片121は、更に上記振動部分を取り囲む相対的に厚い部分を有していてもよい。
水晶振動素子12は、振動時に振動部分が凹部Aの底面Bに接触しないように、当該振動部分が底面Bよりも上方に固定されている。電極パッド111の高さと導電性接着剤13の厚みにより、水晶振動素子12は、底面Bよりも上方で当該底面Bに略平行に固定されていればよい。
基体11の凹部Aを取り囲む側壁面112の上端面には、蓋体14がろう材などによって接合される。側壁面112と蓋体14との間には、平面視で側壁面112と略同一形状である枠状のメタライズ層(不図示)が位置していてもよい。メタライズ層は、塗布焼成された導体層であってもよいし、めっき層などであってもよい。蓋体14により凹部Aが封止されて、外部との空気や埃などの出入りが遮断される。基体11及び蓋体14が本実施形態の水晶デバイス1において水晶振動素子12を内部に収容する筐体である。
部品15は、基体11の底面側に位置している。部品15は、ICチップなどの電子部品であってもよいし、検温素子(サーミスタなど)といったセンサなどであってもよい。また、部品15は、同一種類又は複数種類の複数個の組合せであってもよい。これらは、水晶振動素子12の共振周波数の調整に係る付帯情報を出力したり、あるいは、付帯情報に応じた調整を行ったりするものであり、すなわち水晶デバイス1は、水晶発振器であってもよい。なお、部品15の位置は、底面の平面視中央付近ではなく、偏った位置であってもよい。
ここでは、基体11は、特には限られないが、例えば、セラミック材料、半導体材料若しくはガラス材料、又はこれらの組合せであり、内部や表面などに導体の信号線(電力供給及び接地に係るものを含む)を有する。導電性の電極パッド111は、例えば、基体11上に印刷されたものであってもよく、また、その最上面には、例えば、金めっきなどがなされていてもよい。
また、導電性接着剤13は、例えば、銀フィラーを含有する樹脂系(エポキシ樹脂など)の接着剤であってもよい。
また、蓋体14は金属導体の平板であり、例えば、鉄、銅、ニッケル、クロム、コバルト、モリブデン若しくはタングステンを含む金属、又はこれらの合金である。
次に、基体11が有する突出部113、114について説明する。
図2は、突出部113、114の位置関係について説明する平面透視図である。ここでは、蓋体14以外のものが上側にあるものについては、破線や点線などにより示されている。
凹部Aの底面Bには、+x側の端付近にy方向に2つの電極パッド111(それぞれ電極パッド1111、1112)が並んでいる。これらの電極パッド1111、1112に対し、導電性接着剤13(それぞれ導電性接着剤131、132)を介して水晶振動素子12の下面側で搭載電極124(それぞれ搭載電極1241、1242)が接着されている。
突出部1131は、電極パッド1111上(平面透視で電極パッド1111内)に位置し、突出部1132は、電極パッド1112上(平面透視で電極パッド1112内)に位置している。突出部1131、1132は、それぞれ搭載電極1241、1242の-x側、すなわち一端E1から遠い側の端付近に位置し(すなわち、搭載電極1241、1242の一部又は全部よりも一端E1から離れた位置にあり)、ここでは全体(第1重複部分)が平面透視で水晶振動素子12と重なっている。導電性接着剤131、132は、これら突出部1131、1132よりも+x側で電極パッド1111、1112と搭載電極1241、1242とを接着している。
図1(a)に示したように、突出部113の底面Bからの高さは、底面Bから平面視同一位置での水晶振動素子12(水晶片121)の高さと略同一である。すなわち、突出部113は、水晶振動素子12(搭載電極124)に接していてもよい。これにより、水晶振動素子12の底面Bからの高さが規定される。また、突出部1131、1132は、導電性接着剤131、132が水晶振動素子12に沿って振動部分へ流れるのを抑制する突堤として機能する。
突出部1141、1142は、それぞれ電極パッド1111、1112及び突出部1131、1132(第1重複部分)よりも一端E1から離れた側(-x側)に位置している。本実施形態では、突出部1141、1142は、それぞれ突出部1131、1132と同一形状であってもよく、底面B上に直接位置している(すなわち、平面透視で電極パッド1111、1112外にある)ので、当該底面B(基準面)からの高さは、電極パッド1111、1112の高さの分だけ突出部1131、1132よりも低い(以下である)。突出部1141、1142は、水晶振動素子12と少なくとも一部、ここでは全体が平面透視で重なっている(第2重複部分)。しかしながら、突出部1141、1142は、水晶振動素子12とは接していない。
突出部1141、1142は、平面透視で搭載電極1241、1242の位置と励振電極1221、1222との間にそれぞれ位置し、特に、搭載電極1241、1242の-x側端部と励振電極1221、1222の+x側端部との中間(中線)よりも+x側、すなわち、励振電極1221、1222よりも搭載電極1241、1242の近くに位置している。
この導電性接着剤131、132は、突出部1131、1132により振動部分の側にはみ出すのが抑制されている。
突出部113、114は、底面Bから直接盛り上がっているものであってもよいし、底面Bに別途接合されたものであってもよい。突出部113、114の材質は、基体11と同一であってもよいし、電極パッド111と同一であってもよい。あるいは、突出部113、114は、基体11及び電極パッド111のいずれとも異なる材質であってもよい。なお、突出部113が電極パッド111と同一の材質である場合に、当該突出部113の表面には金めっきなどがなされていなくてもよい。
図3は、水晶振動素子12の電極パッド111への取り付けについて説明する図である。
水晶振動素子12は、非常に薄型軽量になると、水平状態(底面Bに平行な状態)を保ったまま導電性接着剤13により接着固定するのが難しくなる。特に、導電性接着剤13は、硬化時に収縮するので、水晶振動素子12の一端E1のみに接着される場合、導電性接着剤13が当該一端E1を硬化時に下向きに引っ張ることになる。その結果、初めから水晶振動素子12が底面Bに平行であると、むしろ水晶振動素子12の他端E2が過剰に持ち上がって振動部分の振動時に当該他端E2が蓋体14に接触する場合が生じる。
そこで、図3(a)に示すように、突出部113より一端E1の側の電極パッド111上に導電性接着剤13が塗布される。それから、図3(b)に示すように、突出部113、114を支点として他端E2が底面Bに接する又は近接するように傾けて水晶振動素子12が配置される。このとき、水晶振動素子12に押された導電性接着剤13が突出部113との狭い隙間を電極パッド111の外側(-x側)へ速やかに広がって、一部分135がはみ出す。この広がりは、突出部114により妨げられる。そして、導電性接着剤13が硬化されると、図3(c)に示すように、水晶振動素子12の他端E2が適宜な角度底面Bから持ち上がって離隔する。これとともに、水晶振動素子12は、突出部114とも離隔する。これにより、実際の水晶片121の振動時には、突出部114が水晶振動素子12に接触しなくなるので、当該突出部114が振動に悪影響を与えたり水晶片121に損傷を与えたりしない。また、突出部114と当初接触する位置よりも振動部分の側への導電性接着剤13の付着をより確実に抑え、これにより、水晶片121の振動特性の悪化をより確実に抑えることができる。
一方、はみ出した導電性接着剤13の一部分135は、多少振動に悪影響を与え得るので、この長さが短いとよい。すなわち、突出部114は、突出部113に近い位置とされる。ここでは、突出部114は、上記のように平面透視で電極パッド111や搭載電極124の-x側端部と、励振電極122の+x側端部との距離L1に対し、搭載電極124の側からの距離L2が半分以下、すなわち、両電極を結ぶ線分の中点よりも一端E1の側にあるとよい。なお、突出部113、114の上端間の距離と高さ差の比が当初の水晶振動素子12の傾きとなるので、距離は、この傾きが精度よく定められる範囲であってよい。
なお、導電性接着剤13の硬化前に、水晶振動素子12が突出部113、114と同時に他端E2が底面Bにも接触することで、より安定して接着処理を行わせることができるが、これに限られるものではない。すなわち、突出部113と水晶振動素子12との接点から他端E2までの長さ(距離)に対する突出部113の高さの比は、初期状態で突出部114が水晶振動素子12と接触する一から他端E2までの長さ(距離)に対する突出部114の高さの比以下である。
[変形例]
図4(a)は、変形例1の突出部114aを示す平面透視図であり、図4(b)は、変形例2の突出部113bを示す断面図である。
図4(a)に示す突出部114aは、導電性接着剤13の広がりを防ぐ観点から、突出部113よりもy方向に広くてもよい。例えば、突出部114aは、上記実施形態における突出部1141、1142のy方向についての範囲を跨って延びる共通のものであってもよい。
図4(b)に示す突出部113bは、突出部114bとともに平面透視で電極パッド111の外に位置している。この場合、突出部113bと突出部114bの底面Bからの高さが異なることは、つまり各々の高さが異なっていることになる。このような突出部113b、114bであっても、突出部114bを導電性接着剤13の振動部分への広がりを抑え、かつ突出部114bを水晶振動素子12から離隔させることができる。
以上のように、本実施形態の水晶デバイス1は、水晶片121と、水晶片121の一端E1に沿って位置する搭載電極124とを有する水晶振動素子12と、底面Bと、当該底面Bから上方へ突出しており搭載電極124が接着されている電極パッド111とを含む搭載面を有する基体11と、を備える。基体11は、平面透視で水晶振動素子12と重なる第1重複部分を有し、搭載面から上方へ突出する突出部113と、平面透視で水晶振動素子12と重なる第2重複部分を有し、搭載面から上方へ突出する突出部114と、を有する。第1重複部分(突出部113)は、搭載電極124の一部又は全部よりも一端E1から離れて位置し、第2重複部分(突出部114)は、第1重複部分(突出部113)よりも一端E1から離れて位置し、第2重複部分(突出部114)の底面Bからの高さは、第1重複部分(突出部113)の底面Bからの高さ以下である。
このように突出部113、114を2列に並べることで、一方(突出部113)で初期状態での水晶振動素子12の高さなどを適切に定めつつ、他方(突出部114)で導電性接着剤13の振動部分への流出をより確実に抑えることができる。これにより、振動特性の悪化を抑えることができる。また、導電性接着剤13が硬化して水晶振動素子12が底面Bに対して略平行になると、水晶振動素子12と突出部114とが離隔するので、当該突出部114が水晶振動素子12の共振に悪影響を与えない。よって、この水晶デバイス1では、従来よりもより確実に好適な共振周波数の振動を得ることができる。
また、突出部113は平面透視で電極パッド111内に位置し、突出部114は平面透視で電極パッド111外に位置している。最終的に水晶振動素子12と接する突出部113が電極パッド111内に位置することで、突出部113が共振に悪影響を与えない。また、元々底面Bから突出している電極パッド111上に突出部113を設けることで、電極パッド111からの突出部113の高さと底面Bから突出部114の高さを同じとしてもよいので、製造がより容易になる。
また、突出部113は、搭載電極124に接している。上記に加えて、突出部113の表面が電極パッド111から続いて導電性を有することで、突出部113が電極パッド111と搭載電極124とを電気的に接続する経路となり得るので、より安定して信号を伝えることが可能となる。
また、水晶振動素子12は、搭載電極124よりも一端E1から離れて位置して搭載電極124に対して電気的につながっている励振電極122を有し、突出部114は、平面透視で励振電極122と搭載電極124の間であり、かつ励振電極122までの距離よりも搭載電極124までの距離が小さい位置にある。このように突出部114の位置、すなわち導電性接着剤が広がる範囲を電極パッド111の周囲の狭い範囲にとどめることができるので、当該導電性接着剤13の広がりの共振に対する悪影響を小さくすることができる。
また、水晶振動素子12は、一端E1に沿った方向に並ぶ複数の搭載電極124と、複数の搭載電極124よりも各々一端E1から離れて位置して搭載電極124に対して電気的につながっている複数の励振電極122と、を有し、基体11は、搭載電極124と同一の数の突出部113及び突出部114を有していてもよい。すなわち、各搭載電極124の接着範囲に応じて各々突出部114を有することで、効率よく導電性接着剤13の振動部分への流出をより確実に抑えることができる。
あるいは、基体11は、搭載電極124と同一の数の突出部113と、搭載電極124よりも少ない数の突出部114とを有し、突出部114の少なくとも一部は、一端E1に沿った方向に2以上の搭載電極124の範囲に跨って延びていてもよい。
すなわち、y方向に長い突出部114により共通に導電性接着剤13の流出を抑えるので、導電性接着剤13の突出部114の回り込みなども抑えることができ、より確実に振動部分への流出とこれによる共振への悪影響を抑えることができる。
また、本実施形態の電子機器Dは、上記の水晶デバイス1を備える。この電子機器Dによれば、より安定して所望の共振周波数で水晶振動素子12を振動させることが可能である。
なお、上記実施の形態は例示であって、様々な変更が可能である。
例えば、上記実施の形態及び変形例では、突出部113が電極パッド111上及び電極パッド111の外に位置しているものを例に挙げて説明したが、電極パッド111の内外に跨って位置していてもよい。
また、上記実施の形態では、突出部113、114全体が平面透視で水晶振動素子12と重なる位置関係にあるものとして説明したが、一部が水晶振動素子12と重なっていなくてもよい。
また、上記実施の形態では、平面視方形の錐台形状の突出部113、114の形状を示したが、これに限られない。突出部113、114の上端が丸まっていたり、上面が当初の水晶振動素子12の傾きに応じて傾いていたりしてもよい。また、突出部113と突出部114の形状は同一(高さが異なる場合を含む)でなくてもよい。
また、突出部114の位置は、必ずしも搭載電極124と励振電極122の対向部分の中間より搭載電極124の側に位置していなくてもよい。
また、上記実施の形態では、突出部114の底面Bからの高さを突出部113の底面Bからの高さよりも低くすることで、導電性接着剤13の硬化後に水晶振動素子12が底面Bに略平行になるものとして説明したが、水晶振動素子12が多少上向きになっても問題なければ、突出部114と突出部113の底面Bからの高さが同一であってもよい。
また、上記実施の形態では、搭載電極124が一端E1に接しているものとして説明したが、必ずしも接していなくても、一端E1の側に寄って(沿って)位置していればよい。
また、上記実施の形態では、2組の搭載電極124(1241、1242)及び励振電極122(1221、1222)について説明したが、これらの数は限定されず、また、そのうち一部の搭載電極124のみについて本開示の内容が適用されていてもよい。
また、上記実施の形態では、凹部Aを有する基体11の当該凹部Aに水晶振動素子12を収容して、平板状の蓋体14で封止される水晶デバイス1について説明したが、これに限られない。例えば、平板状の基体11の基準面上に水晶振動素子12を接着し、この水晶振動素子12を覆う凹部を有する蓋体14で当該水晶振動素子12を封止する水晶デバイス1であってもよい。
また、上記実施の形態では、モジュール用基板2に取り付けられた電子機器Dの一部としての水晶デバイス1について説明したが、水晶デバイス1が単体で製造、頒布などがなされてもよい。
その他、上記実施の形態で示した具体的な構成、処理動作の内容及び手順などは、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。本発明の範囲は、特許請求の範囲に記載した発明の範囲とその均等の範囲を含む。
1 水晶デバイス
2 モジュール用基板
11 基体
111、1111、1112 電極パッド
112 側壁面
113、1131、1132、113b、114、1141、1142、114a、114b 突出部
118 外部接続パッド
12 水晶振動素子
121 水晶片
122、1221、1222 励振電極
124、1241、1242 搭載電極
125、1251 引出し電極
13 導電性接着剤
131、132 導電性接着剤
135 一部分
14 蓋体
15 部品
A 凹部
B 底面
D 電子機器
E1 一端
E2 他端

Claims (7)

  1. 水晶片と、前記水晶片の一端に沿って位置する搭載電極とを有する水晶振動素子と、
    基準面と、当該基準面から上方へ突出しており前記搭載電極が接着されているパッドとを含む搭載面を有する基体と、
    を備え、
    前記基体は、
    平面透視で前記水晶振動素子と重なる第1重複部分を有し、前記搭載面から上方へ突出する第1突出部と、
    平面透視で前記水晶振動素子と重なる第2重複部分を有し、前記搭載面から上方へ突出する第2突出部と、
    を有し、
    前記第1重複部分は、前記搭載電極の一部又は全部よりも前記一端から離れて位置し、
    前記第2重複部分は、前記第1重複部分よりも前記一端から離れて位置し、
    前記第2重複部分の前記基準面からの高さは、前記第1重複部分の前記基準面からの高さ以下である
    水晶デバイス。
  2. 前記第1突出部は平面透視で前記パッド内に位置し、前記第2突出部は平面透視で前記パッド外に位置している請求項1記載の水晶デバイス。
  3. 前記第1突出部は、前記搭載電極に接している請求項1又は2記載の水晶デバイス。
  4. 前記水晶振動素子は、前記搭載電極よりも前記一端から離れて位置して前記搭載電極に対して電気的につながっている励振電極を有し、
    前記第2突出部は、平面透視で前記励振電極と前記搭載電極の間であり、かつ前記励振電極までの距離よりも前記搭載電極までの距離のほうが小さい請求項1~3のいずれか一項に記載の水晶デバイス。
  5. 前記水晶振動素子は、前記一端に沿った方向に並ぶ複数の前記搭載電極と、前記複数の搭載電極よりも各々前記一端から離れて位置して前記搭載電極に対して電気的につながっている複数の励振電極と、を有し、
    前記基体は、前記搭載電極と同一の数の前記第1突出部及び前記第2突出部を有する、
    請求項1~4のいずれか一項に記載の水晶デバイス。
  6. 前記水晶振動素子は、前記一端に沿った方向に並ぶ複数の前記搭載電極と、前記複数の搭載電極よりも各々前記一端から離れて位置して前記搭載電極に対して電気的につながっている複数の励振電極と、を有し、
    前記基体は、前記搭載電極と同一の数の前記第1突出部と、前記搭載電極よりも少ない数の前記第2突出部とを有し、
    前記第2突出部の少なくとも一部は、前記一端に沿った方向に2以上の前記搭載電極の範囲に跨って延びている
    請求項1~4のいずれか一項に記載の水晶デバイス。
  7. 請求項1~6のいずれか一項に記載の水晶デバイスを備える電子機器。
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