JP6451367B2 - 水晶振動子 - Google Patents

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Description

本開示は、水晶振動子に関する。
圧電基板に主電極とは別個に設けられた補助電極を備える補助発振部を備え、補助発振部の発振出力の周波数を検出し、この周波数と補助発振部の周波数の温度特性とに基づいて、水晶振動子の温度を推定する圧電発振器が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2011-135342号公報
ところで、近年、装置小型化の要求に応えるべく、部品やモジュールの小型化及び高密度実装化が進んでいる。クロック源となる水晶振動子についても例外ではなく、小型化が進んでいる。このような状況下において、水晶振動子の異常に起因して装置の機能不具合が発生したと思われる場合、実装状態のままで水晶振動子の電気的特性を検査できることは有用である。これは、高密実装が進むと、水晶振動子の取り外し時に周辺部品を破壊してしまう等の理由から、水晶振動子だけを取り出して検査することが困難であるためである。
開示の技術は、実装状態のまま検査できる水晶振動子の提供を目的とする。
本開示の一局面によれば、水晶片と、
前記水晶片に設けられ、前記水晶片の主振動を励起させる励振電極と、
前記水晶片を収容する筐体と、
前記筐体に設けられ、前記水晶片の副振動を励起させる副振動用電極とを含む、水晶振動子が提供される。
本開示の技術によれば、実装状態のまま検査できる水晶振動子が得られる。
一実施例(実施例1)による水晶振動子100を概略的に示す上面図である。 水晶片10及び励振電極20を示す上面図である。 水晶振動子100の断面図である。 水晶振動子100において副振動用電極70により励起される副振動の説明図である。 水晶振動子100を組み込んだ電子装置の一例を概略的に示す図である。 水晶振動子100の検査方法の説明図である。 副振動に係る外部電極42,44間のインピーダンスの周波数特性の一例を示す図である。 主振動に係る外部電極41,43間のインピーダンスの周波数特性の一例を示す図である。 不具合時の外部電極42,44間のインピーダンスの周波数特性の一例を示す図である。 不具合時の外部電極42,44間のインピーダンスの周波数特性の他の一例を示す図である。 不具合時の外部電極42,44間のインピーダンスの周波数特性の他の一例を示す図である。 水晶振動子100の実装状態の一例を示す図である。 水晶振動子100の他の検査方法の説明図である。 他の一実施例(実施例2)による水晶振動子102を概略的に示す上面図である。 水晶振動子102を組み込んだ電子装置の一例を概略的に示す図である。 他の一実施例(実施例3)による水晶振動子103を概略的に示す上面図である。 水晶振動子103において副振動用電極70により励起される副振動の説明図である。
以下、添付図面を参照しながら各実施例について詳細に説明する。
図1は、一実施例(実施例1)による水晶振動子100を概略的に示す上面図である。図1では、内部が見えるように、筐体30の蓋の図示を省略している。また、図1では、筐体30の底部が見えるように、水晶片10及び励振電極20については水晶片10の外形線のみが一点鎖線で示される。以下では、水晶片10の厚み方向(図1の上下方向)を上下方向とし、筐体30の蓋のある方を「上側」とする。但し、水晶振動子100の実装状態の向きは任意である。また、X方向は、図1に示すように、水晶振動子100の主振動方向に対応する方向に定義し、Y方向は、図1に示すように、水晶片10の表面に対して平行な方向であって、水晶振動子100の主振動方向に垂直な方向に定義する。図2は、水晶片10及び励振電極20を示す上面図である。図3は、水晶振動子100の断面図であり、(A)は、図1のラインA−Aに沿った断面図であり、(B)は、図1のラインB−Bに沿った断面図である。
水晶振動子100は、水晶片10と、励振電極20と、筐体30と、外部電極41乃至44と、副振動用電極70とを含む。水晶振動子100は、図1に示すように、表面実装タイプである。
水晶片10は、例えばATカットされた人工水晶基板であってよい。図1に示す例では、水晶片10は、上面視で矩形であるが、他の形態の外形を有してもよい。水晶片10は、筐体30に片持ち構造で支持されてよい。図1乃至図3に示す例では、水晶片10は、筐体30X方向の一端側で片持ち構造で支持される。図1乃至図3に示す例では、水晶振動子100の駆動時、水晶片10は、X方向に振動(厚みすべり振動)するものとする。尚、水晶片10は、Y方向の端部で片持ち支持されてもよい。以下、水晶片10のX方向の振動(厚みすべり振動)は、「主振動」とも称される。
励振電極20は、水晶振動子100の動作時、水晶片10の主振動を励起させる。水晶片10の上側表面に設けられる上側励振電極21と、水晶片10の下側表面に設けられる下側励振電極22とを含む。水晶振動子100の駆動時、上側励振電極21と下側励振電極22との間の電位差により水晶片10の主振動が励起される。
筐体30は、水晶片10を収容する。筐体30は、例えばセラミック材料の層を積層して形成されるセラミックパッケージである。筐体30は、図3に示すように、蓋34を含み、内部空間に水晶片10を気密に封入する。例えば、筐体30の内部空間は真空、又は、乾燥窒素で満たされ、蓋34で密封される。図3に示す例では、蓋34は、シール部32を介して筐体30の本体部に結合される。
外部電極41乃至44は、筐体30に設けられる。外部電極41乃至44は、筐体30の外部の表面に設けられる。図1乃至図3に示す例では、外部電極41乃至44は、筐体30の下面36に設けられる。外部電極41、43は、それぞれ上側励振電極21及び下側励振電極22に電気的に接続される。図1乃至図3に示す例では、外部電極41は、筐体30の内層に形成された導体パターン45、及び、水晶片10の上面に形成された導体パターン47を介して上側励振電極21に電気的に接続される。導体パターン45は、両端部においてビア90,91より筐体30の内層から表面に露出し、一端が外部電極41に電気的に接続され、他端が導体パターン47に電導性接着剤49により電気的に接続される(図3(A)参照)。同様に、外部電極43は、筐体30に形成された導体パターン46、及び、水晶片10の下面に形成された導体パターン48を介して下側励振電極22に電気的に接続される。導体パターン46は、ビア93を介して、一端が外部電極43に電気的に接続され、他端が導体パターン48に電導性接着剤49により電気的に接続される。電導性接着剤49は、水晶片10の縁部(片持ち支持される側の縁部)に設けられる。
副振動用電極70は、第1乃至第4副電極71乃至74を含む。第1乃至第4副電極71乃至74は、筐体30に設けられる。第1乃至第4副電極71乃至74は、水晶片10の副振動を励起できる位置に形成される。副振動については後述する。
図1乃至図3に示す例では、次のように第1乃至第4副電極71乃至74が形成される。第1乃至第4副電極71乃至74は、筐体30の底面33(筐体30の内部の表面)に設けられる。第1乃至第4副電極71乃至74は、水晶片10に対して上下方向で対向する。即ち、第1乃至第4副電極71乃至74は、上面視で、水晶片10に対してオーバーラップする。尚、図1乃至図3に示す例では、第1乃至第4副電極71乃至74は、上面視で、水晶片10に対して完全にオーバーラップするが、部分的にオーバーラップしてもよい。第1副電極71及び第2副電極72は、上面視で、上側励振電極21をY方向で挟む関係で配置される。即ち、第1副電極71及び第2副電極72は、上面視で、水晶片10のY方向の一端及び他端(図4の第1領域11及び第2領域12参照)にそれぞれ対向する位置に設けられる。第3副電極73及び第4副電極74は、上面視で、上側励振電極21をX方向で挟む関係で配置される。即ち、第3副電極73及び第4副電極74は、上面視で、水晶片10のX方向の一端及び他端(図4の第3領域13及び第4領域14参照)にそれぞれ対向する位置に設けられる。
また、図1乃至図3に示す例では、第1乃至第4副電極71乃至74は、上面視で矩形の水晶片10の各辺の中心に、それぞれの中心が来るように配置される。即ち、上面視で、第1副電極71及び第2副電極72は、X方向で水晶片10の中心に配置され、第3副電極73及び第4副電極74は、Y方向で水晶片10の中心に配置される。但し、第1乃至第4副電極71乃至74は、上面視で矩形の水晶片10の各辺の中心から一方側に片寄って配置されてもよい。
第1乃至第4副電極71乃至74は、外部電極42(第2外部電極の一例)及び外部電極44(第1外部電極の一例)に電気的に接続される。具体的には、第1副電極71及び第2副電極72は、外部電極44に電気的に接続され、第3副電極73及び第4副電極74は、外部電極42に電気的に接続される。この電気的な接続方法は任意である。
図1乃至図3に示す例では、次のように第1乃至第4副電極71乃至74が外部電極42,44に電気的に接続される。第1副電極71は、筐体30の底面33(及び内層)及び下面36に形成された導体パターン85(第1導体パターンの一例)及びビア94を介して外部電極44に電気的に接続される。尚、ビア94の位置は任意であり、図1に示す位置とは異なる位置(例えば、第1副電極71の直下の位置)に設けられてもよい。第2副電極72は、筐体30の底面33に形成される導体パターン86(第1導体パターンの一例)を介して第1副電極71に電気的に接続される。これにより、第2副電極72は、導体パターン86、第1副電極71、導体パターン85及びビア94を介して外部電極44に電気的に接続される。第3副電極73は、筐体30の底面33(及び内層)及び下面36に形成された導体パターン88(第2導体パターンの一例)及びビア93を介して外部電極44に電気的に接続される。第4副電極74は、筐体30の内層に形成される導体パターン87(第2導体パターンの一例)、ビア95及び96を介して第3副電極73に電気的に接続される。これにより、第4副電極74は、導体パターン87、ビア95,96、第3副電極73、ビア93及び導体パターン88を介して外部電極44に電気的に接続される。
尚、図1乃至図3に示す例では、外部電極43と外部電極42とは、導体パターン88及び導体パターン46を介して電気的に接続される。即ち、導体パターン88の一部は、導体パターン46により形成される。但し、後述する実施例2(図14参照)のように、外部電極43と外部電極42とは、電気的に絶縁されてもよい。
図4は、水晶振動子100において副振動用電極70により励起される副振動の説明図であり、水晶片10のみを上面視で概略的に示す図である。図4において、H1及びH2は、副振動による変位に起因した水晶片10の外形(輪郭)の変化を模式的に表す。また、図4において、水晶片10における第1乃至第4副電極71乃至74に対向する各領域11乃至14(上面視で対向する各領域11乃至14)が、一点鎖線で図示されている。また、図4において、領域11乃至14間の矢印は、水晶振動子100の検査時におけるあるタイミングで領域11乃至14間に生じる電界方向を表す。尚、図4は、模式図であり、各領域11乃至14の各位置は、図1乃至図3とは正確には対応していない。
副振動用電極70は、水晶振動子100の検査時、水晶振動子100の副振動を励起させる。具体的には、第1副電極71及び第2副電極72には、正弦波の第1信号が印加され、第3副電極73及び第4副電極74には、第1信号とは逆相の正弦波の第2信号が印加される。これにより、第1副電極71及び第3副電極73間、第1副電極71及び第4副電極74間、第2副電極72及び第3副電極73間、及び、第2副電極72及び第4副電極74間に、交番電界が発生する。これらの電界は、第1乃至第4副電極71乃至74に近接する水晶片10にも及ぶことになり、水晶片10には、基板面に沿った方向の電界が発生する。即ち、第1領域11及び第3領域13間、第1領域11及び第4領域14間、第2領域12及び第3領域13間、及び、第2領域12及び第4領域14間にも、同様の交番電界が発生する。図4に示す電界の矢印は、第1副電極71及び第2副電極72に負の電圧が印加されている状態(それに伴い、第3副電極73及び第4副電極74に正の電圧が印加されている状態)における電界の方向を示す。主たる電界の方向は、図4に示すように、X方向(主振動の方向)に対して斜め方向となる。即ち、各辺の中心から、隣接する辺の中心に向う方向となる。このとき、水晶片10は、外形H1に示す態様で変位する。尚、図4に示す電界方向と逆向きの電界が発生されるときは、水晶片10は、外形H2で示す態様で変位する。このようにして、第1乃至第4副電極71乃至74間に交番電界を発生させることで、水晶振動子100の副振動を励起させることができる。尚、図4に示すような態様の副振動は、水晶片10の輪郭の変化を伴い、輪郭振動と称される。尚、水晶片10の支持点(電導性接着剤49の位置)は、好ましくは、支持点の輪郭振動への影響を最小化するために、輪郭振動のノーダルラインL1,L2上又はその近傍に設定される。
図1乃至図3に示す実施例1による水晶振動子100によれば、副振動用電極70が筐体30に設けられるので、副振動用電極70(第1乃至第4副電極71乃至74)と外部電極44との間の電気的な接続方法が容易となる。例えば、副振動用電極を水晶片10に設ける場合、ワイヤボンディングで電気的な接続を実現できるが、かかる電気的な接続方法は、配線の複雑化を引き起こす。また、副振動用電極を水晶片10に設ける場合、水晶片10上の励振電極20と同様に導電性接着剤を用いて電気的な接続を実現できるが、かかる電気的な接続方法は、支持点が増加して水晶片10の振動特性に影響を与えうる。例えば、所望の振動特性を実現するためには水晶片10の大型化が必要となる。この点、実施例1による水晶振動子100によれば、副振動用電極70が筐体30に設けられるので、かかる不都合を抑制できる。また、副振動用電極70に係る導体パターン85,86,87,88等は、励振電極20に係る導体パターン45、46等と同工程で形成可能であるので、生産性が良好である。
図5は、水晶振動子100を組み込んだ電子装置の一例を概略的に示す図である。
電子装置700は、水晶振動子100と、配線111,113と、外部モニタ端子110,112とを含む。配線111,113及び外部モニタ端子110,112は、例えば水晶振動子100が実装される基板900(図12参照)に形成されてよい。
図5に示す例では、電子装置700は、更にIC200を含み、IC200は、水晶振動子100に接続される。即ち、IC200の端子202及び端子204に水晶振動子100の外部電極41、43がそれぞれ接続される。水晶振動子100は、IC200で用いるクロックを生成する。IC200は、反転増幅器206と、出力バッファ208とを含む。端子202に入力された信号は、反転増幅器206で反転増幅される。反転増幅された信号は、出力バッファ208に入力されると共に、外部電極43を介して上側励振電極21に供給される。尚、図5に示す例において、上側励振電極21及び下側励振電極22の配置は逆であってもよい。
水晶振動子100には、マッチングコンデンサ300が接続される。具体的には、第1コンデンサ302が水晶振動子100の外部電極41とグランドの間に接続され、第2コンデンサ304が水晶振動子100の外部電極43とグランドの間に接続される。尚、図5においては、IC200に関して、端子内部の容量、実装基板の配線パターンの浮遊容量、水晶振動子100に流れる電流を制限する抵抗等は図示が省略されている。マッチングコンデンサ300は、水晶振動子100からIC200の回路を含むすべての容量合計(負荷容量値)を負荷とした時に水晶振動子100の発振周波数が所望値(設計値)になるよう調整(マッチング調整)するために設けられる。尚、図5において、点線で囲まれた範囲が主振動に係る発振回路500(以下、「主振動用発振回路500」とも称する)を形成する。尚、主振動用発振回路500の構成要素(マッチングコンデンサ300等)は、水晶振動子100が実装される基板900(図12参照)に実装されてよい。
配線111,113は、水晶振動子100に接続される。配線111は、一端が外部電極42に接続され、他端に外部モニタ端子110に接続される。配線113は、一端が外部電極44に接続され、他端に外部モニタ端子112に接続される。配線111,113及び外部モニタ端子110,112は、図5に示すように、主振動用発振回路500とは実質的に電気的に切り離される。配線111,113及び外部モニタ端子110,112は、副振動に基づいて水晶振動子100を検査する際に用いられる。これについては後述する。
IC200は、主振動用発振回路500をモニタする端子220,222を備えてもよいが、かかる端子220,222は省略されてもよい。これは、後述の如く、本実施例では配線111,113及び外部モニタ端子110,112を備えることで、副振動に基づき水晶振動子100を検査できるためである。
図6は、水晶振動子100の検査方法の説明図であり、検査時の状態を概略的に示す図である。
以下で説明する水晶振動子100の検査方法は、水晶振動子100の実装状態において行うことができる。具体的には、実装状態の水晶振動子100には、図6に概略的に示すように、ネットワークアナライザやスペクトラムアナライザのようなアナライザ350が接続される。配線351,352は、例えば、プローブ(図示せず)を外部モニタ端子110,112に当てることで形成される。尚、この目的のため、外部モニタ端子110,112は、水晶振動子100の実装状態でプローブを容易に当てることができる位置に設定される。尚、水晶振動子100の実装状態で外部電極42,44に直接的にプローブを容易に当てることができる場合は、配線111,113及び外部モニタ端子110,112は省略されてもよい。この場合、検査者は、水晶振動子100の実装状態で外部電極42,44に直接的にプローブを当てることで、アナライザ350を外部電極42,44に電気的に接続できる。
検査者は、水晶振動子100の主振動を停止した状態で、水晶振動子100の副振動用電極70にアナライザ350からの入力信号を配線351,352を介して与える。例えば、入力信号として、配線351を介して正弦波の第1信号が入力され、配線352を介して、第1信号とは逆相の正弦波の第2信号が入力される。尚、水晶振動子100の主振動を停止した状態とは、反転増幅器206の電源がオフしている状態に対応する。この際、検査者は、副振動が励起されるようにアナライザ350からの入力信号の周波数を走査(変更)する。この結果、検査者は、アナライザ350を介して、水晶振動子100に与えた入力信号に対する出力(配線351,352を介して得られる出力)を得る。アナライザ350は、配線351,352を介して得られる出力(応答)に基づいて、外部電極42,44間のインピーダンスの周波数特性を出力する。このようにして、アナライザ350を外部モニタ端子110,112に接続し、入力信号を与えることで、外部モニタ端子110,112から外部電極42,44間のインピーダンスの周波数特性を得ることができる。
図7は、外部電極42,44間のインピーダンスの周波数特性(副振動に係る特性)の一例を示す図である。図7には、外部電極42,44間のインピーダンスの周波数特性として、外部モニタ端子110,112から得られるインピーダンスの周波数特性が破線で示されている。また、図7には、外部電極42,44間のインピーダンスの周波数特性として、参考として水晶振動子100の単体での特性(以下、「単体特性」とも称する)が実線で併せて示されている。水晶振動子100の単体特性は、水晶振動子100を単体で取り出し、外部電極42,44間から観測したものである。尚、水晶振動子100を単体で取り出すことは、水晶振動子100が実装状態ではなくなることを意味する。
水晶振動子100の単体特性では、図7に示すように、主振動(周波数f1)は副振動(周波数f2)に比べ小さなレスポンスとなる。これは、アナライザ350からの入力信号に起因して派生的に若干の主振動が発生するものの、主振動自体は停止されているためである(即ち図5の反転増幅器206がオフされているためである)。尚、図7に示す特性は、あくまで一例であり、副振動のレスポンスが主振動に対して図示のような比になるとは限らない。
図8は、対比として、外部電極41,43間のインピーダンスの周波数特性(主振動に係る特性)の一例を示す図である。図8には、外部電極41,43間のインピーダンスの周波数特性として、端子202,204(又は端子226,228)から得られるインピーダンスの周波数特性が破線で示されている。また、図8には、外部電極41,43間のインピーダンスの周波数特性として、参考として水晶振動子100の単体特性が実線で併せて示されている。水晶振動子100の単体特性は、水晶振動子100を単体で取り出し、外部電極41,43間から観測したものである。
水晶振動子100の単体特性では、図7に示す副振動に係る同単体特性に比べて、副振動(周波数f2)は主振動(周波数f1)に比べ小さなレスポンスとなる。端子202,204(又は端子226,228)から得られるインピーダンスの周波数特性は、水晶振動子100の実装状態で得ることができうるものの、図8に示すように、単体特性で観測できる明確なレスポンスを観測できない。これは、水晶振動子の端子202,204(又は端子226,228)間のインピーダンスは、水晶振動子100だけではなく、マッチングコンデンサ300や、図には示されていないIC内部の容量、基板の浮遊容量などを含むためである。
この点、副振動に係る外部モニタ端子110,112(及び外部電極42,44)は、主振動用発振回路500とは実質的に電気的に接続されていない(図5参照)。従って、外部モニタ端子110,112間のインピーダンスは、水晶振動子100の単体特性に、若干の基板浮遊容量が付加されるのみである。従って、外部モニタ端子110,112からは、水晶振動子100の単体特性に近いインピーダンス特性を得ることができる。但し、外部モニタ端子110,112から得られるインピーダンスの周波数特性(図7の破線参照)では、水晶振動子100の単体特性(図7の実線参照)に比べて、主振動に係るレスポンスは観測し難くなっている。これは、主振動のレスポンスが水晶振動子100の単体特性でも相対的に小さいこと(図7の実線参照)、及び、基板浮遊容量などに起因する。他方、副振動のレスポンスは、図7に示すように、依然として観測可能であることが分かる。
このように、本実施例によれば、副振動に係る外部電極42,44間のインピーダンスの周波数特性であって、水晶振動子100の単体特性に近いインピーダンス特性を、水晶振動子100の実装状態で外部モニタ端子110,112から取得できる。これにより、水晶振動子100の実装状態で水晶振動子100を検査できる。
図9は、不具合時の外部電極42,44間のインピーダンスの周波数特性の一例を示す図である。図9には、水晶振動子100が経時劣化した場合の周波数特性の一例が点線で示され、良品状態の水晶振動子100の同特性が実線で示される。尚、図9に示すインピーダンスの周波数特性は、外部モニタ端子110,112から取得できる。
水晶振動子100が経時劣化した場合は、図9に示すように、副振動に係るピーク周波数は、良品状態であるときの同ピーク周波数に比べて低下する傾向がある。図9に示す例では、副振動に係るピーク周波数は、経時劣化に起因してΔf1だけ低下している。但し、水晶振動子100が経時劣化した場合は、図9に示すように、副振動に係るレスポンス(ピーク値)は、良品状態であるときの同レスポンスに比べて実質的に変化しない傾向となる。従って、検査時に外部モニタ端子110,112から取得した外部電極42,44間のインピーダンスの周波数特性に基づいて、かかる傾向の有無を判断することで、水晶振動子100の経時劣化の有無を判断できる。
例えば、良品状態であるときの副振動に係るピーク周波数を基準周波数frefとすると、基準周波数frefと、検査時に得られる副振動に係るピーク周波数(以下、「検査時ピーク周波数f0'」とも称する)とを比較する。これにより、水晶振動子100の経時劣化を判断できる。この場合、基準周波数frefは、良品状態である他の個体のピーク周波数(複数の場合は平均値等)に基づいて決定されてもよいし、同一の個体の良品状態時のピーク周波数に基づいて決定されてもよい。例えば、検査時ピーク周波数f0'が基準周波数frefに対して第1所定閾値以上低下した場合、水晶振動子100に不具合があると検査者が判断してもよい。第1所定閾値は、試験等により適合されてよい。この際、検査者は、更に、検査時に得られる副振動に係るレスポンス(以下、「検査時レスポンスI0'」とも称する)を、基準値Irefと比較してもよい。基準値Irefは、同様に、良品状態である他の個体のレスポンス(複数の場合は平均値等)に基づいて決定されてもよいし、同一の個体の良品状態時のレスポンスに基づいて決定されてもよい。例えば、検査時ピーク周波数f0'が基準周波数frefに対して第1所定閾値以上低下し、且つ、検査時レスポンスI0'が基準値に対して第2所定閾値以上低下していない場合、水晶振動子100が経時劣化したと判断してもよい。第2所定閾値は、後述の異物不着に係る不具合を検出するための閾値であり、試験等により適合されてよい。
尚、上述の不具合の有無や不具合の形態(経時劣化)の判断は、検査者が目視(データの比較)により実現されるが、自動的に(処理装置に組み込まれたプログラムにより)実現されてもよい。これは、以下で説明する他の形態の不具合についても同様である。
図10は、不具合時の外部電極42,44間のインピーダンスの周波数特性の他の一例を示す図である。図10には、水晶振動子100の水晶片10に異物が付着している場合の周波数特性の一例が点線で示され、良品状態の水晶振動子100の同特性が実線で示される。尚、図10に示すインピーダンスの周波数特性は、外部モニタ端子110,112から取得できる。
水晶片10に異物不着が生じた場合は、図10に示すように、副振動に係るピーク周波数は、良品状態であるときの同ピーク周波数に比べて低下する傾向がある。図10に示す例では、副振動に係るピーク周波数は、異物不着に起因してΔf2だけ低下している。また、水晶片10に異物不着が生じた場合は、図10に示すように、副振動に係るレスポンス(ピーク値)は、良品状態であるときの同レスポンスに比べて低下する傾向がある。図10に示す例では、副振動に係るレスポンスは、異物不着に起因してΔIだけ低下している。従って、検査時に外部モニタ端子110,112から取得した外部電極42,44間のインピーダンスの周波数特性に基づいて、かかる傾向の有無を判断することで、水晶片10に対する異物不着の有無を判断できる。
例えば、基準周波数frefを検査時ピーク周波数f0'と比較すると共に、検査時レスポンスI0'を基準値Irefと比較することで、水晶片10への異物不着の有無を判断できる。例えば、検査時ピーク周波数f0'が基準周波数frefに対して第3所定閾値以上低下し、且つ、検査時レスポンスI0'が基準値Irefに対して第2所定閾値以上低下した場合、水晶片10に異物不着が生じていると検査者が判断してもよい。第3所定閾値は、試験等により適合されてよい。
図11は、不具合時の外部電極42,44間のインピーダンスの周波数特性の他の一例を示す図である。図11には、水晶振動子100の水晶片10に破損が生じている場合の周波数特性の一例が点線で示され、良品状態の水晶振動子100の同特性が実線で示される。尚、図11に示すインピーダンスの周波数特性は、外部モニタ端子110,112から取得できる。
水晶片10に破損が生じた場合は、図11に示すように、インピーダンスは、周波数全体にわたって低い値になる傾向がある。従って、検査時に外部モニタ端子110,112から取得した外部電極42,44間のインピーダンスの周波数特性に基づいて、かかる傾向の有無を判断することで、水晶片10の破損の有無を判断できる。
例えば、検査時ピーク周波数f0'及び検査時レスポンスI0'の有無に基づいて、水晶片10の破損の有無を判断できる。具体的には、検査時ピーク周波数f0'及び検査時レスポンスI0'が特定できない場合、水晶片10に破損が生じていると検査者が判断してもよい。或いは、等価的に、検査時に得られるインピーダンスが周波数全体にわたって第4所定閾値以下である場合に、水晶片10に破損が生じていると検査者が判断してもよい。第4所定閾値は、試験等により適合されてよい。
このように本実施例によれば、検査時に外部モニタ端子110,112から取得した外部電極42,44間のインピーダンスの周波数特性に基づいて、水晶振動子100の経時劣化の有無や、水晶振動子100への異物不着の有無、破損の有無を判断できる。
尚、上述の不具合の有無や不具合の形態(経時劣化等)の判断は、検査時の値(f0'、I0')が、対応する基準値(fref、Iref)に対して、対応する所定閾値以上乖離しているか否かに基づいているが、これに限られない。例えば、等価的に、検査時の値(f0'、I0')が、対応する基準範囲内にあるか否かに基づいて、上述の不具合の有無や不具合の形態(経時劣化等)の判断を行ってもよい。また、検査時に外部モニタ端子110,112から取得した外部電極42,44間のインピーダンスの周波数特性と、基準となるインピーダンスの周波数特性とを比較することで、上述の不具合の有無や不具合の形態(経時劣化等)の判断を行ってもよい。基準となるインピーダンスの周波数特性は、良品状態である他の個体の周波数特性であってもよいし、同一の個体の良品状態時の周波数特性であってもよい。
ところで、近年、装置小型化の要求に応えるべく、部品やモジュールの小型化及び高密度実装化が進んでいる。クロック源となる水晶振動子についても例外ではなく、例えば3.2×2.5mm、2.5×2.0mm、2.0×1.6mmと小型化が進んでいる。このような状況下において、水晶振動子の異常に起因して装置の機能不具合が発生したと思われる場合、実装状態のままで水晶振動子を検査できることは有用である。これは、高密実装が進むと、水晶振動子100だけを取り出して検査することは、取り外し時に周辺部品を破壊してしまう危険を伴うためである。
この点、水晶振動子100の実装状態においては、ハイインピーダンスのプローブ検査が可能となり得る。しかしながら、近年の小型化に伴い、IC200に発振状態が確認可能な端子(図3の端子220,222参照)が無く、BGA(Ball grid array)化により端子がICパッケージ裏面に隠れる場合がある。また、マッチングコンデンサ300もIC200内部に取り込まれ、加えて水晶振動子100も裏面端子化されるなど、プロービングポイントが皆無の状態になる場合がある。また、高密実装が進むことで、図12に模式的に示すように、物理的にプローブ78を当てる場所が無い場合もある。尚、図12に示す例では、水晶振動子100は、近傍の周辺部品920と共に基板(例えばマザーボード)900に実装されている。
この点、本実施例による検査方法によれば、上述の如く、端子220,222等を用いたプローブ検査が不能又は困難である場合でも、水晶振動子100を精度良く検査できる。また、本実施例による検査方法によれば、端子220,222からの出力に基づく検査方法に比べて、水晶片10単体の状態を精度良く検査できる。これは、端子220,222からの出力には、水晶片10以外の構成要素(IC200やマッチングコンデンサ300等)の特性が重畳されるのに対して(図8の破線参照)、外部モニタ端子110,112からの出力には、かかる特性が重畳されないためである。
次に、図13を参照して、アナライザ350を用いない検査方法(他の検査方法)について説明する。
図13は、水晶振動子100の他の検査方法の説明図であり、検査時の状態を概略的に示す図である。
以下で説明する水晶振動子100の他の検査方法は、水晶振動子100の実装状態において行うことができる。具体的には、実装状態の水晶振動子100には、図13に概略的に示すように、配線403,405を介して副振動用発振回路400が接続される。副振動用発振回路400の外部端子402,404への配線403,405は、例えば、プローブ(図示せず)を外部モニタ端子110,112に当てることで形成される。尚、図6を参照して上述した検査方法と同様、水晶振動子100の実装状態で外部電極42,44に直接的にプローブを容易に当てることができる場合は、配線111,113及び外部モニタ端子110,112は省略されてもよい。この場合、検査者は、水晶振動子100の実装状態で外部電極42,44に直接的にプローブを当てることで、副振動用発振回路400を外部電極42,44に電気的に接続できる。
副振動用発振回路400は、主振動用発振回路500と実質的に同様の構成要素を備える。具体的には、副振動用発振回路400は、マッチングコンデンサ412,414、反転増幅器416、及び、出力バッファ418を含む。反転増幅器416は、図13に示すように、利得が可変のタイプの増幅器であってよい。また、副振動用発振回路400は、外部端子402,404,406を備える。
検査者は、水晶振動子100の主振動を停止した状態で、副振動用発振回路400の反転増幅器416の電源をオンすることで、副振動用電極70に入力信号(ノイズ)を配線403を介して与える。この結果、水晶振動子100の副振動が励起される。検査者は、外部端子406を介して、水晶振動子100に与えた入力信号に対する出力を得ることができる。外部端子406からは、水晶振動子100の副振動に係る出力波形(パルス波形)が出力される。出力波形の周波数は、副振動に係る周波数であり、上述の検査時ピーク周波数f0'に対応する。従って、検査者は、出力波形の周波数を基準周波数frefと比較することで、図6を参照して上述した検査方法と同様に、水晶振動子100の不具合の有無を判断できる。尚、外部端子406からの出力波形の周波数は、例えば周波数カウンタにより特定できる。このようにして、検査者は、副振動用発振回路400を外部モニタ端子110,112に接続し、水晶振動子100の副振動を励起させることで、水晶振動子100を検査できる。
また、図13に示す検査方法では、検査者は、反転増幅器416の利得を増加させることで、過励振状態を作り、振動の状態を変化(正常発振化など)させることも可能となり得る。これは、特に不具合の形態が異物の不着である場合に効果的となり得る。過励振により異物が取り除かれる場合があるためである。
次に、他の一実施例(実施例2)による水晶振動子102について説明する。実施例2による水晶振動子102は、上述した実施例1による水晶振動子100に対して、副振動用電極70と外部電極42,44との間の電気的な接続方法が異なり、他の構成は同様であってよい。実施例2において、上述した実施例1による水晶振動子100と同一であってよい構成要素については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
図14は、他の一実施例(実施例2)による水晶振動子102を概略的に示す上面図である。図14は、図1と同様に、内部が見えるように、筐体30の蓋の図示を省略している。また、図14では、筐体30の底部が見えるように、水晶片10及び励振電極20については水晶片10の外形線のみが一点鎖線で示される。
水晶振動子102は、水晶片10と、励振電極20と、筐体30と、外部電極41乃至44と、副振動用電極70とを含む。
図14に示す例では、図1乃至図3に示す例とは異なり、第3副電極73は、筐体30の底面33(及び内層)及び下面36に形成された導体パターン89(第2導体パターンの一例)及びビア97を介して外部電極44に電気的に接続される。従って、図14に示す例では、図1乃至図3に示す例とは異なり、外部電極43と外部電極42とは、電気的に絶縁される。即ち、図14に示す例では、第3副電極73及び第4副電極74は、導体パターン46に対して電気的に絶縁される態様で、外部電極42に電気的に接続される。
図15は、水晶振動子102を組み込んだ電子装置の一例を概略的に示す図である。図15に示す電子装置702は、図5に示した電子装置700に対して、水晶振動子100が水晶振動子102に置換された点が異なり、他の構成は同様である。
本実施例2によっても、上述した実施例1と同様の効果が得られる。
次に、他の一実施例(実施例3)による水晶振動子103について説明する。実施例3による水晶振動子103は、上述した実施例2による水晶振動子102に対して、副振動用電極70と外部電極42,44との間の電気的な接続方法が異なり、他の構成は同様であってよい。実施例3において、上述した実施例2による水晶振動子102と同一であってよい構成要素については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
図16は、他の一実施例(実施例3)による水晶振動子102を概略的に示す上面図である。図16は、図14と同様に、内部が見えるように、筐体30の蓋の図示を省略している。また、図16では、筐体30の底部が見えるように、水晶片10及び励振電極20については水晶片10の外形線のみが一点鎖線で示される。
水晶振動子103は、水晶片10と、励振電極20と、筐体30と、外部電極41乃至44と、副振動用電極70とを含む。
図16に示す例では、図14に示した例に対して、導体パターン86、87及びビア95、96が省略される一方、導体パターン81(第1導体パターンの一例)及び導体パターン(第2導体パターンの一例)82が追加される。
導体パターン81は、筐体30の底面33に形成され、第1副電極71と第4副電極74とに電気的に接続する。導体パターン82は、筐体30の底面33に形成され、第2副電極72と第3副電極73とに電気的に接続する。従って、図16に示す例では、図14に示した例とは異なり、第1副電極71及び第4副電極74が外部電極44に電気的に接続され、第2副電極72及び第3副電極73が外部電極42に電気的に接続される。尚、図16に示す例とは異なり、第1副電極71及び第3副電極73が外部電極44に電気的に接続され、第2副電極72及び第4副電極74が外部電極42に電気的に接続されてもよい。尚、図16に示す例では、導体パターン82は、導体パターン89に電気的に接続するが、第3副電極73に直接的に電気的に接続されてもよい。
図17は、水晶振動子102において副振動用電極70により励起される副振動の説明図であり、水晶片10のみを上面視で概略的に示す図である。図17において、H3及びH4は、副振動による変位に起因した水晶片10の外形(輪郭)の変化を模式的に表す。また、図17において、水晶片10における第1乃至第4副電極71乃至74に対向する各領域11乃至14が、一点鎖線で図示されている。また、図17において、領域11乃至14間の矢印は、水晶振動子100の検査時におけるあるタイミングで領域11乃至14間に生じる電界方向を表す。尚、図17は、模式図であり、各領域11乃至14の各位置は、図16とは正確には対応していない。
副振動用電極70は、水晶振動子100の検査時、水晶振動子100の副振動を励起させる。具体的には、第1副電極71及び第4副電極74には、正弦波の第1信号が印加され、第2副電極72及び第3副電極73には、第1信号とは逆相の正弦波の第2信号が印加される。これにより、第1副電極71及び第3副電極73間、及び、第2副電極72及び第4副電極74間に、交番電界が発生する。これらの電界は、第1乃至第4副電極71乃至74に近接する水晶片10にも及ぶことになり、水晶片10には、基板面に沿った方向の電界が発生する。即ち、第1領域11及び第3領域13間、及び、第2領域12及び第4領域14間にも、同様の交番電界が発生する。図17に示す電界の矢印は第1副電極71及び第4副電極74に負の電圧が印加されている状態(それに伴い、第2副電極72及び第3副電極73に正の電圧が印加されている状態)における電界の方向を示す。主たる電界の方向は、図17に示すように、X方向(主振動の方向)に対して斜め方向となる。即ち、第2領域12及び第3領域13に係る各辺の中心から、それぞれ、第4領域14及び第1領域11に係る各辺の中心に向う方向となる。このとき、水晶片10は、外形H3に示す態様で変位する。尚、図17に示す電界方向と逆向きの電界が発生されるときは、水晶片10は、外形H4で示す態様で変位する。このようにして、第1乃至第4副電極71乃至74間に交番電界を発生させることで、水晶振動子100の副振動を励起させることができる。尚、図17に示すような態様の副振動は、図4を参照して上述した副振動と同様、水晶片10の輪郭の変化を伴い、輪郭振動と称される。
本実施例3によっても、モードが異なるものの上述した実施例1と同様の輪郭振動を励振でき、上述した実施例1と同様の効果が得られる。即ち、副振動に係る外部電極42,44間のインピーダンスの周波数特性であって、水晶振動子100の単体特性に近いインピーダンス特性を、水晶振動子100の実装状態で外部モニタ端子110,112から取得できる。これにより、水晶振動子100の実装状態で水晶振動子100を検査できる。
以上、各実施例について詳述したが、特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。また、前述した実施例の構成要素を全部又は複数を組み合わせることも可能である。
例えば、上述した実施例では、副振動は、図2に示すような特定の形態の輪郭振動(各辺に中心付近が節となる形態)であるが、他の形態の輪郭振動であってもよい。
また、上述した実施例では、副振動用電極70が筐体30の本体部に設けられているが、筐体30の他の部位(例えば蓋34)に設けられてもよい。
なお、以上の実施例に関し、さらに以下の付記を開示する。
(付記1)
水晶片と、
前記水晶片に設けられ、前記水晶片の主振動を励起させる励振電極と、
前記水晶片を収容する筐体と、
前記筐体に設けられ、前記水晶片の副振動を励起させる副振動用電極とを含む、水晶振動子。
(付記2)
前記筐体の外部の表面に設けられ、前記副振動用電極に電気的に接続される外部電極を更に含む、付記1に記載の水晶振動子。
(付記3)
前記副振動用電極は、前記水晶片の基板面に平行な電界であって前記主振動の方向に対して斜め方向の電界を前記水晶片に与えるように設けられる、付記2に記載の水晶振動子。
(付記4)
前記副振動用電極は、前記水晶片に対して、前記水晶片の厚み方向で対向する、付記2又は3に記載の水晶振動子。
(付記5)
前記副振動用電極は、前記水晶片における第1領域に前記水晶片の厚み方向で対向する第1副電極と、前記水晶片における第2領域に前記水晶片の厚み方向で対向する第2副電極と、前記水晶片における第3領域に前記水晶片の厚み方向で対向する第3副電極と、前記水晶片における第4領域に前記水晶片の厚み方向で対向する第4副電極とを含み、
前記第1領域及び前記第2領域は、前記水晶片の厚み方向に視て、前記水晶片における中心に対して前記主振動の方向に垂直な方向で一端側及び他端側にそれぞれ位置し、前記第3領域及び前記第4領域は、前記水晶片における中心に対して前記主振動の方向で一端側及び他端側にそれぞれ位置する、付記2〜4のうちのいずれか1項に記載の水晶振動子。
(付記6)
前記筐体の内層又は表面に形成され、前記副振動用電極を前記外部電極に電気的に接続する導体パターンを更に含む、付記2〜5のうちのいずれか1項に記載の水晶振動子。
(付記7)
前記筐体に形成され、前記導体パターンに電気的に接続されるビアを更に含む、付記6に記載の水晶振動子。
(付記8)
前記外部電極は、第1外部電極と、第2外部電極とを含み、
前記第1副電極及び前記第2副電極は、前記筐体に形成される第1導体パターンを介して前記第1外部電極に電気的に接続され、
前記第3副電極及び前記第4副電極は、前記筐体に形成される第2導体パターンを介して前記第2外部電極に電気的に接続される、付記5に記載の水晶振動子。
(付記9)
前記外部電極は、第1外部電極と、第2外部電極とを含み、
前記第1副電極及び前記第4副電極は、前記筐体に形成される第1導体パターンを介して前記第1外部電極に電気的に接続され、
前記第2副電極及び前記第3副電極は、前記筐体に形成される第2導体パターンを介して前記第2外部電極に電気的に接続される、付記5に記載の水晶振動子。
(付記10)
前記第1導体パターン及び前記第2導体パターンは、前記筐体の内層又は表面に形成される、付記8又は9に記載の水晶振動子。
(付記11)
前記副振動用電極は、前記筐体の内部の表面に設けられる、付記2に記載の水晶振動子。
(付記12)
前記副振動用電極及び前記外部電極は、主振動に係る発振回路から電気的に切り離される、付記2〜11のうちのいずれか1項に記載の水晶振動子。
(付記13)
前記主振動は、厚みすべり振動であり、
前記副振動は、輪郭振動である、付記1〜12のうちのいずれか1項に記載の水晶振動子。
(付記14)
前記筐体は、セラミック材料の多層構造を有する、付記1〜13のうちのいずれか1項に記載の水晶振動子。
(付記15)
付記8又は9に記載の水晶振動子と、
前記水晶振動子が実装される基板と、
前記基板に設けられ、前記第1外部電極及び前記第2外部電極にそれぞれ電気的に接続される第1配線及び第2配線と、
前記基板に設けられ、前記第1配線及び第2配線のそれぞれの端部に接続される第1端子及び第2端子とを含む、電子装置。
(付記16)
水晶振動子の副振動を励起させる副振動用電極に、前記副振動用電極に電気的に接続され前記水晶振動子の筐体の外表面に設けられる外部電極を介して入力信号を与え、前記入力信号に応答する前記水晶振動子の出力を前記外部電極を介して取得する工程と、
前記外部電極を介して取得した前記出力に基づいて、前記外部電極間のインピーダンスの周波数特性を出力する工程と、
出力した前記周波数特性と、前記水晶振動子の良品状態を表す基準となる周波数特性とを比較する工程とを含む、水晶振動子の検査方法。
(付記17)
前記出力に基づいて、前記副振動に係るピーク周波数及びピーク値の少なくともいずれか一方を特定する工程を更に含む、付記16に記載の水晶振動子の検査方法。
(付記18)
前記副振動に係るピーク周波数及びピーク値の少なくともいずれか一方と、対応する基準値又は基準範囲とを比較する工程を更に含む、付記17に記載の水晶振動子の検査方法。
10 水晶片
11乃至14 第1乃至第4領域
20 励振電極
21 上側励振電極
22 下側励振電極
30 筐体
32 シール部
34 蓋
41乃至44 外部電極
70 副振動用電極
71乃至74 第1乃至第4副電極
81、82、85、86、87、88、89 導体パターン
110,112 外部モニタ端子
100,102,103 水晶振動子
350 アナライザ
400 副振動用発振回路
500 主振動用発振回路
900 基板

Claims (9)

  1. 水晶片と、
    前記水晶片に設けられ、前記水晶片の主振動を励起させる励振電極と、
    前記水晶片を収容する筐体と、
    前記筐体に設けられ、前記水晶片の副振動を励起させる副振動用電極とを含む、水晶振動子。
  2. 前記筐体の外部の表面に設けられ、前記副振動用電極に電気的に接続される外部電極を更に含む、請求項1に記載の水晶振動子。
  3. 前記副振動用電極は、前記水晶片に対して、前記水晶片の厚み方向で対向する、請求項2に記載の水晶振動子。
  4. 前記副振動用電極は、前記水晶片における第1領域に前記水晶片の厚み方向で対向する第1副電極と、前記水晶片における第2領域に前記水晶片の厚み方向で対向する第2副電極と、前記水晶片における第3領域に前記水晶片の厚み方向で対向する第3副電極と、前記水晶片における第4領域に前記水晶片の厚み方向で対向する第4副電極とを含み、
    前記第1領域及び前記第2領域は、前記水晶片の厚み方向に視て、前記水晶片における中心に対して前記主振動の方向に垂直な方向で一端側及び他端側にそれぞれ位置し、前記第3領域及び前記第4領域は、前記水晶片における中心に対して前記主振動の方向で一端側及び他端側にそれぞれ位置する、請求項3に記載の水晶振動子。
  5. 前記筐体の内層又は表面に形成され、前記副振動用電極を前記外部電極に電気的に接続する導体パターンを更に含む、請求項2〜4のうちのいずれか1項に記載の水晶振動子。
  6. 前記外部電極は、第1外部電極と、第2外部電極とを含み、
    前記第1副電極及び前記第2副電極は、前記筐体に形成される第1導体パターンを介して前記第1外部電極に電気的に接続され、
    前記第3副電極及び前記第4副電極は、前記筐体に形成される第2導体パターンを介して前記第2外部電極に電気的に接続される、請求項4に記載の水晶振動子。
  7. 前記外部電極は、第1外部電極と、第2外部電極とを含み、
    前記第1副電極及び前記第4副電極は、前記筐体に形成される第1導体パターンを介して前記第1外部電極に電気的に接続され、
    前記第2副電極及び前記第3副電極は、前記筐体に形成される第2導体パターンを介して前記第2外部電極に電気的に接続される、請求項4に記載の水晶振動子。
  8. 前記主振動は、厚みすべり振動であり、
    前記副振動は、輪郭振動である、請求項1〜7のうちのいずれか1項に記載の水晶振動子。
  9. 水晶振動子の副振動を励起させる副振動用電極に、前記副振動用電極に電気的に接続され前記水晶振動子の筐体の外表面に設けられる外部電極を介して入力信号を与え、前記入力信号に応答する前記水晶振動子の出力を前記外部電極を介して取得する工程と、
    前記外部電極を介して取得した前記出力に基づいて、前記外部電極間のインピーダンスの周波数特性を出力する工程と、
    出力した前記周波数特性と、前記水晶振動子の良品状態を表す基準となる周波数特性とを比較する工程とを含む、水晶振動子の検査方法。
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