JP5995352B2 - 水晶デバイス - Google Patents

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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。従来の導電性接着剤の塗布径の大きさで水晶素子を接合すると、水晶素子と導電性接着剤との接着面積が大きくなるため、励振用電極と導電性接着剤が接触すする虞がある。
本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、小型の水晶素子を実装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、矩形状であって、中央部に実装領域を有し、実装領域の両側に周辺領域を有する基板と、基板の周辺領域の一方に設けられ、平面視して多角形状であって、周辺領域の一方に対応する基板の一辺に沿った方向の幅が、周辺領域の一方から実装領域に向かって小さく、中央部側に頂部を有する導電性接着剤と、導電性接着剤上に頂部から実装領域にわたって重なるようにして接続された水晶素子と、を備え、導電性接着剤が周辺領域の一方に二つ設けられており、一対の導電性接着剤が平面視して直角三角形状であって、一対の導電性接着剤のそれぞれの頂部は、近接し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、多角形状の導電性接着剤の頂部から実装領域にわたって重なるように接続された水晶素子を備えていることで、水晶素子と導電性接着剤との接触面積が小さくし、小型の水晶素子を実装することが可能となる。
第一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)第一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)第一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)第一実施形態の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)第一実施形態の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)第二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)第二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)第三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)第三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。
(第一実施形態)
第一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、中央部に実装領域R1を有し、実装領域R1の両側に周辺領域R2を有している。基板110aの上面には、水晶素子120を接合するための一対の電極パッド111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、基板110aの上面の一対の電極パッド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(図示せず)及びビア導体(図示せず)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による凹部K1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。
凹部113は、図1及び図3(b)に示されているように、一対の電極パッド111に設けられている。また、平面視した時の凹部113の形状は、多角形状となっており、その一例として、図3に示されているように、三角形状が挙げられる。導電性接着剤DSは、凹部113内の各壁面に沿って、三角形状に設けられる。また、導電性接着剤DSの各頂部は、表面張力のため丸みを持ちながら設けられる。また、導電性接着剤DSは、凹部113の開口面から盛り上がるようにして設けられている。実装領域R1側を向いている頂部の箇所の導電性接着剤DSが開口面から約30〜50μm盛り上がっており、周辺領域R2側を向いている2つの頂部の箇所の導電性接着剤DSが開口面から約10〜25μm盛り上がっている。
ここでパッケージ110を平面視したときの縦寸法が、1.6mmであり、平面視したときの横寸法が1.2mmである場合を例にして、凹部113の大きさを説明する。凹部113の開口面の三角形の底辺は、基板110aの短辺と平行になっている。図3(b)に示した、凹部113の開口面の三角形の底辺の長さは、約150〜200μmであり、凹部113の開口面である三角形の高さの長さは、約150〜200μmである。また、凹部113の上下方向の長さは、約10〜40μmである。
また、凹部113は、電極パッド111にレジストマスクを形成した後、電極パッド111の一部をエッチングにより除去し、レジストマスクを除去することによって形成される。
また、凹部113の各頂部には、R形状が設けられている。このように頂部にR形状を設けることにより、各頂部にかかる応力を分散し、電極パッド111の剥がれを低減することができる。電極パッド111の剥がれを低減することで、水晶素子120が安定して発振周波数を出力することが可能となる。
導電性接着剤DSは、基板110aの周辺領域R2の一方に設けられ、平面視して多角形状となっている。導電性接着剤DSの形状の一例として、図3に示されているように、三角形状が挙げられる。また、三角形状の導電性接着剤DSは、周辺領域R2の一方に対応する基板110aの一辺に沿った方向の幅が、周辺領域R2の一方から実装領域R1に向かって小さく、中央部側に頂部を有している。
また、導電性接着剤DSは、凹部113の周辺領域R2に向かって設けられている2つの頂部に向かって広がるため、水晶素子120と電極パッド111との間に広がることを低減することができる。
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に示されているように、導電性接着剤DSを介して基板110a上の電極パッド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。
水晶素子120は、導電性接着剤DS上に基板110aの実装領域R1の方向を向いている頂部から実装領域R1にわたって重なるようにして設けられている。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110の上面と接続した固定端とし、他端を基板110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、三角形状の凹部113の重心Pを通り、基板110aの短辺と平行になるように設けられた線分CLに対して、頂部側に位置するように設けられている。実装領域R1側を向いている頂部の箇所の導電性接着剤DSと水晶素子120の接続用電極123が接触しており、周辺領域R2側を向いている2つの頂部の箇所の導電性接着剤DSと水晶素子の固定端側の外周縁とが、約5〜45μmの間隔を空けている。このようにすることにより、水晶素子120と導電性接着剤DSとの接触面積を小さくし、水晶素子120のクリスタルインピーダンス値を小さくすることができる。
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110への接合方法について説明する。まず、導電性接着剤DSは、例えばディスペンサによって、一対の電極パッド111の三角形状の凹部113内に塗布される。この際に、導電性接着剤DSは、三角形状の凹部113の壁部に沿って広がるため、三角形状の外形になる。また、導電性接着剤DSは、三角形状の凹部113の開口面から盛り上がるようにして設けられている。そして、水晶素子120が、三角形状の導電性接着剤DSの頂部上に搬送される。さらに、水晶素子120は、三角形状の凹部113の重心Pを通り、基板110aの短辺と平行になるように設けられた線分に対して、水晶素板121の固定端側の外周縁が頂部側に位置するように、導電性接着剤DSの三角形状の頂部上に載置される。そして水晶素子120は、導電性接着剤DS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DS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。
第一実施形態における水晶デバイスは、導電性接着剤DS上に頂部から実装領域115にわたって重なるようにして接続された水晶素子120を有していることによって、水晶素子120と導電性接着剤DSとの接触面積が小さくし、導電性接着剤DSと励振用電極122とを接触することを低減することで、小型の水晶素子120を実装することが可能となる。
(変形例)
以下、第一実施形態の変形例における水晶デバイスについて説明する。なお、第一実施形態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。
凹部113は、図4に示されているように、一対の電極パッド111に設けられている。また、平面視した時の凹部113の形状は、直角三角形状となっている。導電性接着剤DSは、凹部113内の各壁面に沿って、直角三角形状に設けられる。また、直角三角形状の凹部113にある各頂部は、導電性接着剤DSの表面張力のため丸みを持ちながら設けられる。また、導電性接着剤DSは、凹部113の開口面から盛り上がるようにして設けられている。
第一実施形態における水晶デバイスは、導電性接着剤DSが周辺領域R2の一方に二つ設けられており一対の導電性接着剤DSが平面視して直角三角形状であって、一対の導電性接着剤DSのそれぞれの頂部は、近接して配置されていることにより、水晶素子120と導電性接着剤DSとの接触面積が小さくなり、水晶素子120のクリスタルインピーダンス値を低減することができる。また、水晶デバイスは、導電性接着剤DSが凹部113から溢れでることがないので、隣接する導電性接着剤同士が短絡することを低減することができる。また、水晶デバイスは、導電接着剤DS同士の間隔を短くすることができるので、さらに小型の水晶素子120を実装することができる。
(第二実施形態)
以下、第二実施形態における水晶デバイスについて説明する。なお、第二実施形態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。
第二実施形態における水晶デバイスは、図5に示されているように、台形状の導電性接着剤DSが設けられている点において第一実施形態と異なる。
凹部213は、図5(b)に示されているように、一対の電極パッド211に設けられている。また、本実施形態における圧電デバイスを構成するパッケージ210の平面視した時の凹部213の形状は、図5(b)に示されているように、台形状が挙げられる。導電性接着剤DSは、凹部213内の各壁面に沿って形成されるため、台形状に設けられる。実装領域R1側を向いている2つの頂部の箇所の導電性接着剤DSが開口面から約30〜50μm盛り上がっており、周辺領域R2側を向いている2つの頂部の箇所の導電性接着剤DSが開口面から約10〜25μm盛り上がっている。
ここでパッケージ210を平面視したときの縦寸法が、1.6mmであり、平面視したときの横寸法が1.2mmである場合を例にして、凹部213の大きさを説明する。凹部213の開口面の台形の上底及び下底は、基板210aの短辺と平行になっている。図5に示した、凹部213の開口面の台形の上底の長さは、約10〜50μmであり、凹部213の開口面の台形の下底の長さは、約150〜200μmである。また、凹部213の開口面である台形の高さの長さは、約150〜200μmである。また、凹部213の上下方向の長さは、約10〜40μmである。
水晶素子120は、導電性接着剤DS上に基板210aの実装領域R1の方向を向いている2つの頂部から実装領域R1にわたって重なるようにして設けられている。水晶素子120は、導電性接着剤DSの2つの頂部を介して電極パッド211と接合されている。
第二実施形態における水晶デバイスは、導電性接着剤DSが台形状となっており、実装領域R1を向いている2つの頂部と水晶素子120が接続されているので、導電性接着剤DSに熱が加わった際に、熱応力が2つの頂部に分散されるため、導電性接着剤DSと水晶素子120との接続強度が向上される。よって、水晶素子120の発振周波数を安定して出力することができる。
(第三実施形態)
以下、第三実施形態における水晶デバイスについて説明する。なお、第三実施形態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。
第三実施形態における水晶デバイスは、図6に示されているように、導電性接着剤DSが、周辺領域R2の両方にそれぞれ一つずつ設けられており、一対の導電性接着剤DSの頂部同士は、それぞれ実装領域R1側に配置されている点で第一実施形態と異なる。
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。基板310aは、図6(b)に示されているように、中央部に実装領域R1を有し、実装領域R1の両側に周辺領域R2を有している。
第一電極パッド311aは、周辺領域R2の一辺に沿って設けられており、第二電極パッド311bは、対向する周辺領域R2の一辺に沿って設けられている。
凹部313は、図6に示されているように、第一電極パッド311a及び第二電極パッド311bに設けられている。平面視した時の凹部313の形状は、三角形状である。導電性接着剤DSは、凹部313内の各壁面に沿って、三角形状に設けられる。また、三角形状の凹部313の一角は、導電性接着剤DSの表面張力のため丸みを持ちながら設けられる。
水晶素子220は、図6(b)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DS上に基板310aの実装領域R1の方向を向いている一対の頂部と接続されている。水晶素子120は、周辺領域R2の両方にそれぞれ一つずつ設けられている導電性接着剤DSのそれぞれの頂部を介して電極パッド311と接合されている。
水晶素板221の一方の外周縁は、図6(a)に示されているように、三角形状の凹部213の重心Pを通り、基板310aの短辺と平行になるように設けられた線分CL1に対して、頂部側に位置するように設けられている。水晶素板221の他方の外周縁も、同様に、三角形状の凹部313の重心Pを通り、基板310aの短辺と平行になるように設けられた線分CL2に対して、頂点側に位置するように設けられている。
第三実施形態においては、電極パッド311と接続されている水晶素子220の両端を基板310aの上面と固定された両保持構造にて水晶素子220が基板310a上に固定されている。
第三実施形態における水晶デバイスは、周辺領域R2の両方にそれぞれ一つずつ設けられている導電性接着剤Dを有し、一対の導電性接着剤DSの頂部同士は、それぞれ実装領域R1側に配置され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、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。
第三実施形態の変形例における水晶デバイスは、一対の導電性接着剤DSの頂部同士が対角線上に位置するように向き合うように設けられている。水晶素子220は、平面視して少なくとも一対の導電性接着剤DSの頂部と重なれば、水晶素子220と電極パッド311とを電気的に接続することができる。そこで、一対の導電性接着剤DSの頂部を基板の中心に近づけるように配置することで、一対の導電性接着剤DSと接続することが可能な水晶素子220をより小型化することができる。このようにすることによって、水晶デバイスは、パッケージ310の基板310aに、より小型の水晶素子220を実装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、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
112・・・封止用導体パターン
113、213、313・・・凹部
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
K・・・収容空間
DS・・・導電性接着剤
G・・・外部接続用端子
R1・・・実装領域
R2・・・周辺領域

Claims (1)

  1. 矩形状であって、中央部に実装領域を有し、前記実装領域の両側に周辺領域を有する基板と、
    前記基板の前記周辺領域の一方に設けられ、平面視して多角形状であって、前記周辺領域の一方に対応する前記基板の一辺に沿った方向の幅が、前記周辺領域の一方から前記実装領域に向かって小さく、前記中央部側に頂部を有する導電性接着剤と、
    前記導電性接着剤上に前記頂部から前記実装領域にわたって重なるようにして接続された水晶素子と、を備え
    前記導電性接着剤が前記周辺領域の一方に二つ設けられており、
    一対の前記導電性接着剤が平面視して直角三角形状であって、一対の前記導電性接着剤のそれぞれの頂部は、近接して配置されていることを特徴とする水晶デバイス。
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