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JP2019213012A - 振動片、振動子及び発振器 - Google Patents

振動片、振動子及び発振器 Download PDF

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JP2019213012A
JP2019213012A JP2018106261A JP2018106261A JP2019213012A JP 2019213012 A JP2019213012 A JP 2019213012A JP 2018106261 A JP2018106261 A JP 2018106261A JP 2018106261 A JP2018106261 A JP 2018106261A JP 2019213012 A JP2019213012 A JP 2019213012A
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resonator element
central portion
substrate
vibrating
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JP2018106261A
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隆司 松本
Takashi Matsumoto
隆司 松本
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Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
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Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
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Abstract

【課題】 外部からの振動を防いで位相雑音特性を向上させることができる振動片、振動子及び発振器を提供する。【解決手段】 振動部と支持部とが一体に形成された振動片であって、支持部の外周部分を形成する外周部20と、その内側に設けられ中央部30と、外周部20と中央部30とを本体の長辺に沿って分離する隙間部51,52と、外周部20と中央部30とを短辺同士で接続する連結部40とを備え、外周部20は、本体の長辺上に設けられ、パッケージの基板に接触する接続部21a,21bと、四隅に形成されたアーム部22とを有し、中央部30の上下両面に励振電極10a,10bが設けられ、励振電極10a,10bが設けられた部分を振動部310とした振動片としている。【選択図】 図2

Description

本発明は、振動片、振動子及び発振器に係り、特に外部からの振動を防いで位相雑音特性を向上させることができる振動片、振動子及び発振器に関する。
従来の水晶振動子では、パッケージ及びパッケージ外部からの水晶片に与える影響を抑制する構成として、主に水晶から成る台座(水晶台座)を用いる構成が知られている。
また、パッケージを表裏に凹部が形成されたH構造とし、表側に水晶片と水晶台座を搭載し、裏面に発振回路のIC(Integrated Circuit)を搭載した水晶発振器がある。
パッケージの表面又は裏面に温度補償回路を設けた温度補償型水晶発振器(TCXO:Temperature Compensated Crystal Oscillator)がある。
一般に、水晶振動子では、台座に水晶片を搭載する際には、水晶片の電極と台座の金属パターンとを導電性接着剤で接着するが、経年変化により導電性接着剤からガスが発生し(アウトガス)、水晶振動子のエージング特性が劣化することが知られている。
そして、従来、エージング特性の向上や応力の軽減を図るため、台座と振動片とを一体に形成した振動素子もあった。
[関連技術]
尚、関連する先行技術として、特許第3017750号公報「水晶振動子」(特許文献1)、特許第4715252号公報「圧電振動子」(特許文献2)、特開2013−098678号公報「水晶振動子」(特許文献3)、特開2016−220180号公報「圧電振動素子及び圧電デバイス」(特許文献4)、特開2016−225705号公報「水晶デバイス」(特許文献5)がある。
特許文献1には、保持用水晶板に振動用水晶片を搭載する位置に凹部を形成し、その凹部によって形成される隙間で振動用水晶片を確実に励振させ、励振用水晶片の長手方向での熱によるストレスを発生させない水晶振動子が示されている。
特許文献2には、基板における熱膨張の影響を小さくするために、隙間を有するスプリング部を備える圧電振動子が示されている。
特許文献3には、温度変化に伴う水晶片の変形を防ぎ、良好な周波数温度特性が得られる構成の水晶振動子が示されている。
また、特許文献4及び5には、振動部と、振動部を支持する支持部とが一体に形成された水晶振動子が示されている。
特許第3017750号公報 特許第4715252号公報 特開2013−098678号公報 特開2016−220180号公報 特開2016−225705号公報
しかしながら、上述した従来の水晶振動子や水晶発振器に用いられる水晶台座では、外部からの振動が水晶片に影響してしまい、その振動によって位相雑音特性が劣化するという問題点があった。
尚、特許文献1〜5には、振動部と支持部とが一体に構成され、四隅にアーム部を設けた外周部と、その内側の中央部とを、隙間部によって分離すると共に、中央部に励振電極を備え、励振電極が設けられた部分を振動部とした振動片は記載されていない。
本発明は上記実状に鑑みて為されたもので、支持部と振動部とを一体化した構成として、外部からの振動を防いで位相雑音特性を向上させることができる振動片、振動子及び発振器を提供することを目的とする。
上記従来例の問題点を解決するための本発明は、パッケージの基板に設置される支持部を備えた振動片であって、支持部の外周を構成する外周部と、外周部の内側に形成され、外周部の短辺に接続する中央部と、外周部の各長辺に沿って、外周部と中央部とを分離するよう形成された2つの隙間部とを備え、外周部は、各長辺に形成され、基板に接触する2つの接続部と、四隅に形成され、接続部に接続するアーム部とを有し、中央部の表面及び裏面に励振電極を設け、励振電極が設けられた部分を振動部としたことを特徴としている。
また、本発明は、上記振動片において、アーム部は、接続部より厚みが薄く、且つ幅が狭く形成されていることを特徴としている。
また、本発明は、上記振動片において、接続部は、基板に接続する接続電極を備え、基板側に突出するよう、中央部に比べて厚みが厚く形成されており、振動部の励振電極が、金属パターンによって接続電極に接続されていることを特徴としている。
また、本発明は、上記振動片において、中央部は、表面又は裏面、若しくは、表面及び裏面に凹部を備え、凹部における底面を振動部としたことを特徴としている。
また、本発明は、上記振動片において、中央部に凹部を備えず、中央部とアーム部の厚みを同等としたことを特徴としている。
また、本発明は、上記振動片において、中央部には、中央部の短辺の幅より狭い形状で、外周部の短辺に延びて形成される2つの連結部が設けられたことを特徴としている。
また、本発明は、振動子において、上記のいずれか記載の振動片を、パッケージの表面凹部の底面の基板に設置したことを特徴としている。
また、本発明は、発振器において、パッケージの表面凹部の底面の基板に上記振動片を設置し、パッケージの裏面凹部に発振回路を搭載したことを特徴としている。
本発明によれば、パッケージの基板に設置される支持部を備えた振動片であって、支持部の外周を構成する外周部と、外周部の内側に形成され、外周部の短辺に接続する中央部と、外周部の各長辺に沿って、外周部と中央部とを分離するよう形成された2つの隙間部とを備え、外周部は、各長辺に形成され、基板に接触する2つの接続部と、四隅に形成され、接続部に接続するアーム部とを有し、中央部の表面及び裏面に励振電極を設け、励振電極が設けられた部分を振動部とした振動片としているので、外部からの振動が接続部に到達したとしても、アーム部が変形して振動を吸収することにより、搭載部への影響を防ぎ、出力周波数を安定させ、位相雑音特性を良好にすると共に、低背化を図ることができる効果がある。
また、本発明によれば、中央部は、表面又は裏面、若しくは、表面及び裏面に凹部を備え、凹部における底面を振動部とした上記振動片としているので、振動部以外の中央部を厚く形成することで、十分な強度を得ることができる効果がある。
また、本発明によれば、中央部に凹部を備えず、中央部とアーム部の厚みを同等とした上記振動片としているので、大幅な小型化を図ることができる効果がある。
本発振器の概略図である。 本振動片の表面説明図である。 本振動片の長辺側面説明図である。 本振動片の短辺側面説明図である。 本振動片の裏面説明図である。 本振動片の表面斜視図である。 本振動片の裏面斜視図である。 別の振動片の表面説明図である。 別の振動片の長辺側面説明図である。 別の振動片の短辺側面説明図である。
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
[実施の形態の概要]
本発明の実施の形態に係る振動片(本振動片)は、パッケージの基板に設置される支持部と振動部とを一体化した振動片であり、支持部の外周を構成する外周部と、その内側に形成された中央部と、外周部と中央部とを支持部の長辺に沿って分離する隙間部とを備え、外周部が、長辺上に設けられ、基板に接触する接続部と、四隅に形成されたアーム部とを有し、中央部の表面及び裏面に励振電極を設け、励振電極が設けられた部分を振動部としたものであり、外部からの振動を、アーム部が撓(たわ)んで変形することによって吸収して、振動部を保護して出力周波数を安定させると共に、低背化を図ることができるものである。
また、本発明の実施の形態に係る振動子(本振動子)は、本振動片をパッケージの表面凹部の底面の基板に搭載したものである。
また、本発明の実施の形態に係る発振器(本発振器)は、本振動片をパッケージの表面凹部の底面の基板に搭載し、パッケージの裏面凹部に発振回路を搭載したものである。
尚、以下の説明では、水晶で構成される振動片と、水晶振動子及び水晶発振器を例として説明するが、振動部に表面弾性波(SAW;Surface Acoustic Wave)電極を形成して、SAW共振子を構成してもよい。また、水晶に限らず、別の圧電材料を用いて振動片を形成して、圧電振動子及び発振器を構成してもよい。
[本発振器の概略構成:図1]
本発振器の概略構成について図1を用いて説明する。図1は、本発振器の概略図である。
本発振器は、図1に示すように、水晶等の圧電材料から成り、中央に振動部310を備えた振動片1と、振動片1を表面凹部に収容して当該凹部の底面(基板)に搭載するパッケージ3と、パッケージ3の裏面凹部に搭載される発振回路(IC)4と、パッケージ3の表面周囲に形成されるシームリング5と、蓋となるリッド6とを基本的に備えている。
[本発振器の各部]
本発振器の各部について具体的に説明する。
振動片(本振動片)1は、水晶(ATカット、SCカット)で形成されており、中央部分に励振電極が形成され、励振電極が形成された部分が振動部310となっている。図1では、励振電極等は省略している。
本振動片1の詳細な構成については後述する。
パッケージ3は、セラミック等で形成され、表面及び裏面の両面に凹部が形成された断面H型の形状となっており、各凹部の底面は基板となっている。そして、表面凹部に本振動片1を収納して当該凹部の底面(基板)に本振動片1を搭載し、裏面凹部に発振回路4を収容して搭載している。
パッケージ3に本振動片1と発振回路4を搭載する際には、半田等で固定されるようになっている。
発振回路(IC)4は、パッケージ3の裏面凹部に収納され、その凹部の底面(基板)に搭載される。尚、当該IC4以外に温度補償回路をパッケージ3の表面基板又は裏面基板に設けてもよい。温度補償回路を備えると、温度補償型水晶発振器(TCXO)となる。
シームリング5は、シーム封止を行うためにパッケージ3の表面周囲に銀(Ag)ロウ等で形成される。
リッド6は、蓋となるもので、コバールをニッケルメッキしたもの等が用いられ、シームリング5に接着するよう形成される。
尚、本振動片1をパッケージ3の凹部に搭載した構成が、本水晶振動子である。
[本振動片の構成:図2〜7]
次に、本振動片の構成について図2〜7を参照しながら説明する。図2は、本振動片の表面説明図であり、図3は、本振動片の長辺側面説明図であり、図4は、本振動片の短辺側面説明図であり、図5は、本振動片の裏面説明図であり、図6は、本振動片の表面斜視図であり、図7は、本振動片の裏面斜視図である。
上述したように、本振動片1は、水晶で形成された支持部と振動部とが一体に形成されたものである。
図2に示すように、本振動片1は、本体の外周(外枠部分)を構成する外周部20と、外周部20の内側に形成された中央部30と、外周部20と中央部30とを長辺に沿って分離する隙間部51,52と、外周部20と中央部30とを短辺に沿って接続する連結部40とを備えている。
そして、中央部30の中心付近に、水晶片に相当する振動部310が形成されている。振動部310については後述する。
つまり、本振動片1は、略長方形の中央部30の周囲を囲むように、外周部20が形成され、中央部30の短辺と外周部20の短辺とが2つの連結部40によって接続された構成である。
隙間部51,52は、本振動片1の長辺に沿って略コの字に形成されており、本体の表裏を貫通している。
尚、請求項においては、中央部30と連結部40とを合わせた構成を中央部と称している。また、振動部以外の構成を支持部と称している。
このように、本振動片1では、振動部310が形成された中央部30を、隙間部51,52によって、外部からの力の影響を受けやすい外周部20と切り離して設けることで、振動部310への外部からの振動の影響を抑えるようにしている。
ここで、中央部30の短辺の幅に比べて連結部40の幅(図2の連結部40における縦方向の長さ)が狭くなっている。それによって、隙間部51,52が上下に向けて開く、コの字状となっている。
特に、連結部40を、中央部30の長辺側ではなく短辺側に設けて、更に中央部30の幅よりも狭く形成することで、より大きな柔軟性(弾性)を備えるものである。
また、外周部20は、本振動片1の長辺上に形成され、パッケージ3の基板(底面)に形成された電極に接続する2つの接続部21a,21bと、本体の四隅に、湾曲した形状に形成され、本振動片1の長辺と短辺とを接続する4つのアーム部22とを備えている。
ここで、図3,4,6,7に示すように、接続部21a,21bは、本振動片1の下側、つまりパッケージ3の基板に接続する側に突出するよう、厚く形成されている。
中央部30の振動部310以外の部分の厚みをa、アーム部22の厚みをb、接続部21a,21bの厚みをcとすると、図3,4に示すように、厚みの関係は、c>a>bとなる。つまり、パッケージ3の基板に接触する接続部21a,21bが最も厚く、アーム部22が最も薄くなっている。
また、振動部310の厚みは、アーム部22の厚みbより小さく(薄く)形成され、所望の振動周波数が得られるように調整されている。
これにより、本振動片1をパッケージ3の基板に搭載した場合に、振動部310を備えた中央部30が基板に接触することなく、中央部30を浮かせた状態で接続部21a,21bと基板とを接着でき、振動を妨げず、水晶と基板との熱膨張率の違いによって生じる応力の影響を小さくするものである。
また、接続部21a,21bは、アーム部22に比べて幅が広く、太く形成されており、アーム部22は、接続部21a,21bに比べて幅が狭く、細く形成されている。
そのため、隙間部51,52の形状は、接続部21a,21bに接する長手方向では幅が狭く、アーム部22に接する角部分では幅が広く形成されている。
接続部21a,21bの幅を広く、厚く形成することで、本振動片1の構造的な強度を増大させ、また、基板との接合面積を大きくして接続を確実にすることができるものである。
また、アーム部22を細く薄く形成することで、変形しやすくして、外部から振動が加わった場合に、アーム部22が撓んで変形して、外部からの力を吸収することができ、振動部310への影響を抑えて特性の変動を防ぐことができるものである。
そして、図2,6に示すように、本振動片1は、中央部30の表面の中央付近に凹部31が形成され、当該凹部31の底面に励振電極10aが形成されている。また、中央部30の裏面において、励振電極10aと重なる部分に、励振電極10bが形成されている。
凹部31が形成された部分は、中央部30の他の領域に比べて水晶板の厚みが薄く、振動しやすい構成となっている。
そして、凹部31の底面の、励振電極10a及び10bが設けられた部分が振動部310となる。
これにより、従来のように、台座の上に水晶片を搭載する構成に比べて、水晶振動子の厚みを低減することができ、パッケージ3及び全体の低背化を図ることができるものである。
また、本振動片1では、台座と水晶片とを導電性接着剤で接着する必要がなくなり、従来、台座と水晶片とを接続するために、例えば、4か所に塗布していた導電性接着剤を不要とすることができるものである。
導電性接着剤の使用量を抑えることで、アウトガスを低減し、水晶振動子のエージング特性を向上させることができるものである。
尚、ここでは、中央部30の表面に凹部31を形成したが、表面の代わりに裏面に凹部を形成してもよい。また、裏面において、表面の凹部31と重なる位置に裏面の凹部を形成して、振動部310となる水晶板の厚みを一層薄くしてもよい。
中央部30自体は、ある程度の厚みを備えている方が外部からの衝撃等にも強い構成となるため、中央部30の厚みと所望の振動を得るための振動部310の厚みを考慮して、凹部を表面のみとするか裏面にも設けるかを決定すればよい。
凹部31を備えた構成とすることにより、凹部31以外の中央部30の厚みを確保でき、強度を保持できるものである。
また、凹部31の面積や中央部30の他の領域の面積についても、強度や振動部の特性を考慮して決定される。
そして、本振動片1の表面には、図2,6に示すように、励振電極10aに接続する電極パターン11,励振電極10bに接続する電極パターン12が形成されている。電極パターン11,12は、金等の金属の薄膜で形成される。
具体的には、電極パターン11は、図2に示すように、表面において、励振電極10aから本体の一方の短辺側に引き出されて、アーム部22を介して、一方の接続部21aの全体に亘って形成されている。
また、図5に示すように、電極パターン11は、裏面においては、上記と同一のアーム部22の端部(表面の電極パターン11と重ならない位置)から接続部21aに亘って形成されている。
また、電極パターン12は、図5に示すように、裏面において、励振電極10bから、電極パターン11と同じ短辺側に引き出されて、当該短辺上の別のアーム部22を介して他方の接続部21bの裏面全体に亘って形成されている。また、図1に示すように、電極パターン12は、表面においては、当該アーム部22の端部(表面の電極パターン12と重ならない位置)から接続部21bに亘って形成されている。
更に、図3,4,6,7に示すように、電極パターン11,12は、アーム部22の内側及び外側の側面と、接続部21a,21bの内側及び外側の側面にも形成されている。
[実施の形態の効果]
本振動片1によれば、水晶で形成され、本体の外周部分を形成する外周部20と、その内側に設けられた中央部30と、外周部20と中央部30とを振動片の長辺に沿って分離する隙間部51,52と、外周部20と中央部30とを短辺同士で接続する連結部40とを備え、外周部20は、振動片の長辺上に設けられ、パッケージの基板に接触する接続部21a,21bと、四隅に形成されたアーム部22とを有し、中央部30の上下両面に励振電極10a,10bが設けられ、励振電極10a,10bが設けられた部分を振動部310としているので、PCのファンの振動や、車の振動ノイズ等の外部からの振動(低周波ノイズ)が接続部21a,21bにまで到達したとしても、アーム部22が撓(たわ)んで変形することによって吸収して振動部310を保護することができ、位相雑音特性を良好にすると共に、振動部310を支持部と一体に構成することにより、低背化を図り、導電性接着剤の使用箇所を減らすことでアウトガスを低減して、エージング特性を向上させることができる効果がある。
また、本振動片1によれば、中央部30の内側に凹部31を形成し、その底面を振動部310としているので、振動部310以外の中央部30は振動部310に比べて厚く形成でき、十分な強度を保持できる効果がある。
また、本水晶振動子によれば、本振動片1をパッケージ3の表面の凹部に収納した水晶振動子としているので、外部からの振動の影響を抑えて位相雑音特性を向上させ、低背化を図り、エージング特性を向上させることができる効果がある。
また、本水晶発振器によれば、本振動片1をパッケージ3の表面の凹部に備え、裏面の凹部に発振回路4を備えた水晶発振器としているので、外部からの振動の影響を抑えて位相雑音特性を向上させ、低背化を図り、エージング特性を向上させることができる効果がある。
[別の実施の形態]
次に、本発明の別の実施の形態に係る振動片(別の振動片)について説明する。
上述した振動片では、中央部に凹部を形成し、その底面を振動部として構成としていたが、別の振動片は、中央部全体を振動部としたものである。
別の振動片の構成について、図8,9,10を用いて説明する。図8は、別の振動片の表面説明図であり、図9は、別の振動片の長辺側面説明図であり、図10は、別の振動片の短辺側面説明図である。
別の振動片2は、図8〜10に示すように、上述した本振動片1と同様に、水晶等の圧電材料で形成され、支持部と一体に形成された振動片であって、支持部の外周を構成する外周部60と、振動部となる中央部70と、外周部60と中央部70とを長辺に沿って分離する隙間部91,92と、外周部60と中央部70とを短辺に沿って接続する連結部80とを備えている。
また、外周部60は、本体の長辺上に設けられた接続部61a,61bと、四隅に設けられた4つのアーム部62とを備えている。
接続部61a,61bは、パッケージの基板に接続するものであり、他の部分に比べて厚みが大きく、下に凸の形状に形成されている。
別の振動片2も、本振動片1と同様に、アーム部62が撓むことで、外部からの振動を吸収して、中央部70への影響を防ぐことができるものである。
そして、別の振動片2の特徴として、中央部70の内側に凹部を設けず、中央部70全体を薄く形成して、表面に励振電極13a,裏面に励振電極13b(図示せず)を備え、中央部70全体を振動部としている。つまり、別の振動片2の表面は、電極及び金属パターン部分を除き、平坦に形成されている。
表面の励振電極13aは、金属パターン14によって接続部61aの接続電極に接続され、裏面の励振電極13bは、金属パターン15によって接続部61bの接続電極に接続されている。
更に、別の振動片2では、連結部80と、連結部80に接続する外周部60の短辺と、外周部60の四隅となるアーム部62の厚みを、中央部70と同じ厚みで形成している。
具体的には、振動部となる中央部70の厚みを所望の周波数に基づいて算出し、中央部70、連結部80、及び接続部61a,61bを除く外周部60を当該厚さになるよう形成する。つまり、中央部70の厚みによって出力周波数の値が設定されるものである。
別の振動片2では、中央部70全体を振動部とすることができるため、中央部70の大きさを、例えば、図2に示した本振動片1の振動部310と同等の大きさに形成することが可能となり、水晶振動子及びそれを用いた水晶発振器の大幅な小型化を図ることができるものである。
また、別の振動片2は、図9,10に示すように、凹部の形成を不要とし、製造工程数を削減すると共に電極形成を容易にすることができるものである。
[別の実施の形態の効果]
別の振動片によれば、中央部70全体を薄く形成して、表面及び裏面に励振電極13a,13bを設けて振動部としているので、中央部70全体を振動部として動作させることができ、本振動片と同様の効果に加えて、小型化を図ることができる効果がある。
また、別の振動片によれば、接続部61a,61bを除く外周部60と、中央部70と、連結部80とを同じ厚みとして、表面が平坦になる構成としているので、全体として凹凸が少ない形状となり、水晶の加工及び電極形成を容易にし、製造コストを低減することができる効果がある。
また、別の振動片を備えた水晶振動子及び水晶発振器によれば、外部からの振動の影響を抑えて位相雑音特性を向上させ、エージング特性を良好にし、小型化を図ることができる効果がある。
本発明は、外部からの振動を防いで出力周波数を安定させて位相雑音特性を向上させることができる振動片、振動子及び発振器に適している。
1,2…振動片、 3…パッケージ、 4…発振回路、 5…シームリング、 6…リッド、 10a,10b,13a,13b…励振電極、 11,12…金属パターン、 20,60…外周部、 21a,21b,61a,61b…接続部、 22,62…アーム部、 30,70…中央部、 31…凹部、 310…振動部、 40,80…連結部、 51,52,91,92…隙間部

Claims (8)

  1. パッケージの基板に設置される支持部を備えた振動片であって、
    前記支持部の外周を構成する外周部と、
    前記外周部の内側に形成され、前記外周部の短辺に接続する中央部と、
    前記外周部の各長辺に沿って、前記外周部と前記中央部とを分離するよう形成された2つの隙間部とを備え、
    前記外周部は、前記各長辺に形成され、前記基板に接触する2つの接続部と、四隅に形成され、前記接続部に接続するアーム部とを有し、
    前記中央部の表面及び裏面に励振電極を設け、前記励振電極が設けられた部分を振動部としたことを特徴とする振動片。
  2. アーム部は、接続部より厚みが薄く、且つ幅が狭く形成されていることを特徴とする請求項1記載の振動片。
  3. 接続部は、基板に接続する接続電極を備え、前記基板側に突出するよう、中央部に比べて厚みが厚く形成されており、
    振動部の励振電極が、金属パターンによって前記接続電極に接続されていることを特徴とする請求項1又2記載の振動片。
  4. 中央部は、表面又は裏面、若しくは、表面及び裏面に凹部を備え、前記凹部における底面を振動部としたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか記載の振動片。
  5. 中央部に凹部を備えず、前記中央部とアーム部の厚みを同等としたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか記載の振動片。
  6. 中央部には、前記中央部の短辺の幅より狭い形状で、外周部の短辺に延びて形成される2つの連結部が設けられたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか記載の振動片。
  7. 請求項1乃至6のいずれか記載の振動片を、パッケージの表面凹部の底面の基板に設置したことを特徴とする振動子。
  8. パッケージの表面凹部の底面の基板に請求項1乃至6のいずれか記載の振動片を設置し、前記パッケージの裏面凹部に発振回路を搭載したことを特徴とする発振器。
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