JP2000044336A - 圧電磁器組成物及びこの圧電磁器組成物を用いた圧電素子 - Google Patents
圧電磁器組成物及びこの圧電磁器組成物を用いた圧電素子Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 共振周波数の温度安定性に優れ、フィルタや
発振子等の用途に好適なチタン酸鉛系圧電磁器組成物及
びこの圧電磁器組成物を用いた圧電素子を得る。 【解決手段】 圧電体基板１はＰｂＴｉＯ3系の磁器材
からなり、振動電極２ａ〜３ｃを表裏面に設けている。
ＰｂＴｉＯ3系の磁器材は、Ｐｂ1-1.5xＮｄx［（Ｉｎ
1/2Ｎｂ1/2）yＴｉ1-y］Ｏ3、０．０２≦ｘ≦０．１
６、０．１５≦ｙ≦０．５０を満足する組成を有する主
成分に、副成分としてＭｎをＭｎＣＯ3換算で０．１重
量％以上３．０重量％以下含有している。
発振子等の用途に好適なチタン酸鉛系圧電磁器組成物及
びこの圧電磁器組成物を用いた圧電素子を得る。 【解決手段】 圧電体基板１はＰｂＴｉＯ3系の磁器材
からなり、振動電極２ａ〜３ｃを表裏面に設けている。
ＰｂＴｉＯ3系の磁器材は、Ｐｂ1-1.5xＮｄx［（Ｉｎ
1/2Ｎｂ1/2）yＴｉ1-y］Ｏ3、０．０２≦ｘ≦０．１
６、０．１５≦ｙ≦０．５０を満足する組成を有する主
成分に、副成分としてＭｎをＭｎＣＯ3換算で０．１重
量％以上３．０重量％以下含有している。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧電磁器組成物及
びこの圧電磁器組成物を用いた圧電素子に関する。
びこの圧電磁器組成物を用いた圧電素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、圧電磁器組成物としてチタン
酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）系のものが知られている。チタン
酸鉛系の圧電磁器は、誘電率が低くかつ粒径が小さいた
め、高周波領域での実用に適している。また、圧電異方
性が大きいので副共振を抑制しやすく、キュリー点が高
く高温での使用に耐えうる等の優れた特徴を有してい
る。このため、高周波領域で用いられるフィルタや発振
子等の分野でチタン酸鉛系の圧電磁器を用いることが要
求されている。しかし、チタン酸鉛系の圧電磁器は難焼
結性で、緻密かつ機械的強度の大きい焼結体を得ること
が困難であるのに加え、分極が難しいという欠点があ
る。この欠点を解決するため、ＰｂＴｉＯ3のＰｂの一
部をＬａで置換し、例えばＭｎＣＯ3等のＭｎ化合物を
添加したチタン酸鉛系の圧電磁器組成物が用いられてき
た。この圧電磁器は、焼結性が良好で高温高電界での分
極処理も可能であるという特徴を有する。
酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）系のものが知られている。チタン
酸鉛系の圧電磁器は、誘電率が低くかつ粒径が小さいた
め、高周波領域での実用に適している。また、圧電異方
性が大きいので副共振を抑制しやすく、キュリー点が高
く高温での使用に耐えうる等の優れた特徴を有してい
る。このため、高周波領域で用いられるフィルタや発振
子等の分野でチタン酸鉛系の圧電磁器を用いることが要
求されている。しかし、チタン酸鉛系の圧電磁器は難焼
結性で、緻密かつ機械的強度の大きい焼結体を得ること
が困難であるのに加え、分極が難しいという欠点があ
る。この欠点を解決するため、ＰｂＴｉＯ3のＰｂの一
部をＬａで置換し、例えばＭｎＣＯ3等のＭｎ化合物を
添加したチタン酸鉛系の圧電磁器組成物が用いられてき
た。この圧電磁器は、焼結性が良好で高温高電界での分
極処理も可能であるという特徴を有する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この圧
電磁器は共振周波数の温度係数が良好でなく、フィルタ
や発振子に用いた場合、通過周波数や発振周波数が温度
によって大きく変化するという問題があった。このた
め、高精度を要求されるフィルタや発振子には、チタン
酸鉛系の磁器を利用することが困難であった。
電磁器は共振周波数の温度係数が良好でなく、フィルタ
や発振子に用いた場合、通過周波数や発振周波数が温度
によって大きく変化するという問題があった。このた
め、高精度を要求されるフィルタや発振子には、チタン
酸鉛系の磁器を利用することが困難であった。
【０００４】そこで、本発明の目的は、共振周波数の温
度安定性に優れ、フィルタや発振子などの用途に好適な
チタン酸鉛系圧電磁器組成物及びこの圧電磁器組成物を
用いた圧電素子を提供することにある。
度安定性に優れ、フィルタや発振子などの用途に好適な
チタン酸鉛系圧電磁器組成物及びこの圧電磁器組成物を
用いた圧電素子を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段と作用】以上の目的を達成
するため、本発明に係る圧電磁器組成物は、一般式がＰ
ｂ1- 1.5xＮｄx［（Ｉｎ1/2Ｎｂ1/2）yＴｉ1-y］Ｏ3であ
り、０．０２≦ｘ≦０．１６、０．１５≦ｙ≦０．５０
を満足する組成を有する主成分に、副成分としてＭｎが
ＭｎＣＯ3換算で０．１重量％以上３．０重量％以下含
有されていることを特徴とする。以上の構成により、共
振周波数の温度係数が良好な圧電磁器組成物が得られ
る。そして、前記構成の圧電磁器組成物を用いた圧電素
子は、通過周波数や発振周波数等の温度による変化を抑
えることができる。
するため、本発明に係る圧電磁器組成物は、一般式がＰ
ｂ1- 1.5xＮｄx［（Ｉｎ1/2Ｎｂ1/2）yＴｉ1-y］Ｏ3であ
り、０．０２≦ｘ≦０．１６、０．１５≦ｙ≦０．５０
を満足する組成を有する主成分に、副成分としてＭｎが
ＭｎＣＯ3換算で０．１重量％以上３．０重量％以下含
有されていることを特徴とする。以上の構成により、共
振周波数の温度係数が良好な圧電磁器組成物が得られ
る。そして、前記構成の圧電磁器組成物を用いた圧電素
子は、通過周波数や発振周波数等の温度による変化を抑
えることができる。
【０００６】ここに、ＮｄでＰｄを置換する量ｘが０．
０２≦ｘ≦０．１６であるのは、ｘ＜０．０２では磁器
の焼結性が良好でなく、かつ共振周波数の温度係数の改
善効果が小さいからであり、０．１６＜ｘではキュリー
温度の低下が著しく高温での使用に耐えないからであ
る。ｙの範囲が０．１５≦ｙ≦０．５０であるのは、ｙ
＜０．１５では共振周波数の温度係数が良好でないから
であり、０．５０＜ｙではキュリー温度が著しく低下し
高温での使用に耐えないからである。副成分のＭｎの含
有量は、ＭｎＣＯ3に換算して０．１重量％以上３．０
重量％以下が好ましい。０．１重量％未満では機械的品
質係数Ｑｍが小さく、発振子やフィルタなどの用途に適
さないからであり、３．０重量％より大きい範囲では磁
器の絶縁性が劣化するため分極処理を施すことができ
ず、圧電磁器としては利用できないからである。
０２≦ｘ≦０．１６であるのは、ｘ＜０．０２では磁器
の焼結性が良好でなく、かつ共振周波数の温度係数の改
善効果が小さいからであり、０．１６＜ｘではキュリー
温度の低下が著しく高温での使用に耐えないからであ
る。ｙの範囲が０．１５≦ｙ≦０．５０であるのは、ｙ
＜０．１５では共振周波数の温度係数が良好でないから
であり、０．５０＜ｙではキュリー温度が著しく低下し
高温での使用に耐えないからである。副成分のＭｎの含
有量は、ＭｎＣＯ3に換算して０．１重量％以上３．０
重量％以下が好ましい。０．１重量％未満では機械的品
質係数Ｑｍが小さく、発振子やフィルタなどの用途に適
さないからであり、３．０重量％より大きい範囲では磁
器の絶縁性が劣化するため分極処理を施すことができ
ず、圧電磁器としては利用できないからである。
【０００７】
【発明の実施形態】以下、本発明に係る圧電磁器組成物
及び圧電磁器組成物を用いた圧電素子の実施形態につい
て添付図面を参照して説明する。
及び圧電磁器組成物を用いた圧電素子の実施形態につい
て添付図面を参照して説明する。
【０００８】図１に示すように、圧電フィルタとして使
われる圧電素子は、圧電体基板１、この圧電体基板１を
収納している絶縁性容器１０及び封止蓋２０から構成さ
れている。圧電体基板１は略矩形状をしている。この圧
電体基板１は表面に振動電極２ａ，２ｂ、振動電極３
ａ，３ｂが設けられ、裏面に振動電極２ｃ，３ｃが設け
られている。振動電極２ａ，３ｂは、それぞれ圧電体基
板１の表面の端部に設けた引出し電極４ａ，４ｂに電気
的に接続し、振動電極２ｂと３ａは導体路を介して電気
的に接続している。引出し電極４ａ，４ｂは、それぞれ
基板１の両端部に配設されている。さらに、振動電極２
ｃと３ｃは、基板１の裏面中央部に設けた導体路を介し
て電気的に接続している。圧電体基板１はＰｂＴｉＯ3
系の磁器材からなり、振動電極２ａ〜３ｃ、引出し電極
４ａ，４ｂはＡｇ，Ａｇ−Ｐｄ，Ｎｉ，Ｃｕ等からな
る。圧電体基板１は振動電極２ａ，２ｂ，２ｃ及び振動
電極３ａ，３ｂ，３ｃにて厚み縦振動を発生させる。
われる圧電素子は、圧電体基板１、この圧電体基板１を
収納している絶縁性容器１０及び封止蓋２０から構成さ
れている。圧電体基板１は略矩形状をしている。この圧
電体基板１は表面に振動電極２ａ，２ｂ、振動電極３
ａ，３ｂが設けられ、裏面に振動電極２ｃ，３ｃが設け
られている。振動電極２ａ，３ｂは、それぞれ圧電体基
板１の表面の端部に設けた引出し電極４ａ，４ｂに電気
的に接続し、振動電極２ｂと３ａは導体路を介して電気
的に接続している。引出し電極４ａ，４ｂは、それぞれ
基板１の両端部に配設されている。さらに、振動電極２
ｃと３ｃは、基板１の裏面中央部に設けた導体路を介し
て電気的に接続している。圧電体基板１はＰｂＴｉＯ3
系の磁器材からなり、振動電極２ａ〜３ｃ、引出し電極
４ａ，４ｂはＡｇ，Ａｇ−Ｐｄ，Ｎｉ，Ｃｕ等からな
る。圧電体基板１は振動電極２ａ，２ｂ，２ｃ及び振動
電極３ａ，３ｂ，３ｃにて厚み縦振動を発生させる。
【０００９】絶縁性容器１０は凹部１０ａを有し、この
凹部１０ａの両端部には切り込み１１が設けられてい
る。凹部１０ａの底面中央部には台座１２が設けられて
いる。圧電体基板１は切り込み１１をガイドにして、横
長の状態で水平に収納され、切り込み１１及び台座１２
にて振動部分が凹部１０ａの底面に接触しないように支
持される。
凹部１０ａの両端部には切り込み１１が設けられてい
る。凹部１０ａの底面中央部には台座１２が設けられて
いる。圧電体基板１は切り込み１１をガイドにして、横
長の状態で水平に収納され、切り込み１１及び台座１２
にて振動部分が凹部１０ａの底面に接触しないように支
持される。
【００１０】容器１０の切り込み１１及び台座１２の部
分の３箇所には、ペースト状の導電性接着剤が塗布され
ており、圧電体基板１と容器１０が導電性接着剤を介し
て固定され、電気的に接続される。すなわち、容器１０
の両端部及び中央部にはスパッタ、あるいは蒸着等の方
法により引出し電極１６，１７，１８が形成されてい
る。引出し電極１６，１７はそれぞれ切り込み１１の部
分に延在し、引出し電極１８は台座１２の部分に延在し
ている。振動電極２ａは引出し電極４ａ及び導電性接着
剤を介して容器１０の引出し電極１６に電気的に接続さ
れ、振動電極３ｂは引出し電極４ｂ及び導電性接着剤を
介して容器１０の引出し電極１７に電気的に接続され、
振動電極２ｃ，３ｃは導電性接着剤を介して容器１０の
引出し電極１８に電気的に接続されている。
分の３箇所には、ペースト状の導電性接着剤が塗布され
ており、圧電体基板１と容器１０が導電性接着剤を介し
て固定され、電気的に接続される。すなわち、容器１０
の両端部及び中央部にはスパッタ、あるいは蒸着等の方
法により引出し電極１６，１７，１８が形成されてい
る。引出し電極１６，１７はそれぞれ切り込み１１の部
分に延在し、引出し電極１８は台座１２の部分に延在し
ている。振動電極２ａは引出し電極４ａ及び導電性接着
剤を介して容器１０の引出し電極１６に電気的に接続さ
れ、振動電極３ｂは引出し電極４ｂ及び導電性接着剤を
介して容器１０の引出し電極１７に電気的に接続され、
振動電極２ｃ，３ｃは導電性接着剤を介して容器１０の
引出し電極１８に電気的に接続されている。
【００１１】封止蓋２０は、両端部及び中央部に導体２
１，２２，２３がスパッタ、あるいは蒸着等の方法によ
り形成されている。この封止蓋２０は容器１０の開口端
面に接着剤によって固着される。従って、圧電体基板１
は容器１０と封止蓋２０によって密閉された振動空間に
収納された状態となる。
１，２２，２３がスパッタ、あるいは蒸着等の方法によ
り形成されている。この封止蓋２０は容器１０の開口端
面に接着剤によって固着される。従って、圧電体基板１
は容器１０と封止蓋２０によって密閉された振動空間に
収納された状態となる。
【００１２】次に、圧電体基板１の組成について説明す
る。圧電体基板１の原料として、Ｐｂ3Ｏ4，Ｎｄ2Ｏ3，
Ｉｎ2Ｏ3，Ｎｂ2Ｏ5，ＴｉＯ2，ＭｎＣＯ3を用いた。こ
のほか、原料としてＰｂ，Ｎｄ，Ｉｎ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｍ
ｎの他の酸化物、あるいは最終的に酸化物となるような
化合物を用いてもよい。
る。圧電体基板１の原料として、Ｐｂ3Ｏ4，Ｎｄ2Ｏ3，
Ｉｎ2Ｏ3，Ｎｂ2Ｏ5，ＴｉＯ2，ＭｎＣＯ3を用いた。こ
のほか、原料としてＰｂ，Ｎｄ，Ｉｎ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｍ
ｎの他の酸化物、あるいは最終的に酸化物となるような
化合物を用いてもよい。
【００１３】上記原料を表１〜表５に示す組成になるよ
うに秤量し湿式で混合粉砕した後、７５０℃〜９５０℃
で１時間〜４時間仮焼した。得られた仮焼粉に有機系バ
インダを加えて粉砕を行なった後、１ｔｏｎ／ｃｍ2の
圧力でプレス成形した。これらの成形体を１０５０℃〜
１２５０℃、１時間〜４時間の条件で焼成し焼結体を得
た。この焼結体に電極を形成した後、１００℃の温度の
シリコンオイル中で３〜５ｋＶ／ｍｍの電界を１０分〜
３０分間印加して分極を行い、評価を行った。厚み縦振
動での電気機械結合係数ｋt（％）、機械的品質係数Ｑ
ｍ、キュリー温度Ｔｃ（℃）、共振周波数の温度係数Ｆ
−ＴＣ（ｐｐｍ／℃）を表１〜表５に示す。試料番号に
＊が付してあるものは本発明の範囲外の比較例を示す。
うに秤量し湿式で混合粉砕した後、７５０℃〜９５０℃
で１時間〜４時間仮焼した。得られた仮焼粉に有機系バ
インダを加えて粉砕を行なった後、１ｔｏｎ／ｃｍ2の
圧力でプレス成形した。これらの成形体を１０５０℃〜
１２５０℃、１時間〜４時間の条件で焼成し焼結体を得
た。この焼結体に電極を形成した後、１００℃の温度の
シリコンオイル中で３〜５ｋＶ／ｍｍの電界を１０分〜
３０分間印加して分極を行い、評価を行った。厚み縦振
動での電気機械結合係数ｋt（％）、機械的品質係数Ｑ
ｍ、キュリー温度Ｔｃ（℃）、共振周波数の温度係数Ｆ
−ＴＣ（ｐｐｍ／℃）を表１〜表５に示す。試料番号に
＊が付してあるものは本発明の範囲外の比較例を示す。
【００１４】
【表１】
【００１５】
【表２】
【００１６】
【表３】
【００１７】
【表４】
【００１８】
【表５】
【００１９】本発明の範囲外である副成分ＭｎＣＯ3を
含まない試料１においては、機械的品質係数Ｑｍが２０
０以下となるため、フィルタや発振子等の用途には適さ
ない。また、副成分ＭｎＣＯ3の含有量を５重量％まで
増やした場合、焼結体の絶縁性が低下し分極を施すこと
ができなかった。従って、本発明においては、副成分Ｍ
ｎＣＯ3の含有量を、良好な機械的品質係数Ｑｍが得ら
れかつ分極操作が容易な０．１重量％以上３．０重量％
以下とした。
含まない試料１においては、機械的品質係数Ｑｍが２０
０以下となるため、フィルタや発振子等の用途には適さ
ない。また、副成分ＭｎＣＯ3の含有量を５重量％まで
増やした場合、焼結体の絶縁性が低下し分極を施すこと
ができなかった。従って、本発明においては、副成分Ｍ
ｎＣＯ3の含有量を、良好な機械的品質係数Ｑｍが得ら
れかつ分極操作が容易な０．１重量％以上３．０重量％
以下とした。
【００２０】さらに、試料１０，１５，２０，３３，３
８，４３，５６，６１，６６のように、ＰｂをＮｄで置
換する量ｘを本発明の範囲を超えて０．１８まで増やす
と、キュリー温度が２８０℃以下に低下する。キュリー
温度が２８０℃以下となると、圧電磁器を利用したフィ
ルタや発振子等の素子をプリント基板に実装する際のリ
フローで磁器の圧電性が著しく劣化するので好ましくな
い。一方、ＰｂをＮｄで置換する量ｘが０．００の場合
（試料６，１１，１６，２９，３４，３９，５２，５
７，６２）には、共振周波数の温度係数Ｆ−ＴＣが−３
７ｐｐｍ／℃を超えて悪化するため、フィルタや発振子
等の用途に向かなくなる。ＰｂをＮｄで置換する量ｘを
本発明の範囲である０．０２≦ｘ≦０．１６とすれば、
共振周波数の温度係数Ｆ−ＴＣが±３７ｐｐｍ／℃以内
で、しかも２９０℃以上のキュリー温度を有する、フィ
ルタや発振子等の用途に対して利用価値が大きい圧電磁
器が得られる。
８，４３，５６，６１，６６のように、ＰｂをＮｄで置
換する量ｘを本発明の範囲を超えて０．１８まで増やす
と、キュリー温度が２８０℃以下に低下する。キュリー
温度が２８０℃以下となると、圧電磁器を利用したフィ
ルタや発振子等の素子をプリント基板に実装する際のリ
フローで磁器の圧電性が著しく劣化するので好ましくな
い。一方、ＰｂをＮｄで置換する量ｘが０．００の場合
（試料６，１１，１６，２９，３４，３９，５２，５
７，６２）には、共振周波数の温度係数Ｆ−ＴＣが−３
７ｐｐｍ／℃を超えて悪化するため、フィルタや発振子
等の用途に向かなくなる。ＰｂをＮｄで置換する量ｘを
本発明の範囲である０．０２≦ｘ≦０．１６とすれば、
共振周波数の温度係数Ｆ−ＴＣが±３７ｐｐｍ／℃以内
で、しかも２９０℃以上のキュリー温度を有する、フィ
ルタや発振子等の用途に対して利用価値が大きい圧電磁
器が得られる。
【００２１】また、Ｔｉを（Ｉｎ1/2Ｎｂ1/2）で置換す
る量ｙを、試料２４，４７，７０のように本発明の範囲
外の０．６とすると、キュリー温度が２８０℃以下に低
下するので、先に述べたのと同じ理由で好ましくない。
しかし、（Ｉｎ1/2Ｎｂ1/2）での置換量ｙが０．１５よ
り少ない（試料２〜５，２５〜２８，４８〜５１）と、
共振周波数の温度係数Ｆ−ＴＣが−３７ｐｐｍ／℃を超
えて悪化するため、共振周波数の温度安定性と耐熱性の
両方を備えた磁器を得るためには、Ｔｉを（Ｉｎ1/2Ｎ
ｂ1/2）で置換する量ｙは、本発明の請求範囲の０．１
５≦ｙ≦０．５０でなければならない。
る量ｙを、試料２４，４７，７０のように本発明の範囲
外の０．６とすると、キュリー温度が２８０℃以下に低
下するので、先に述べたのと同じ理由で好ましくない。
しかし、（Ｉｎ1/2Ｎｂ1/2）での置換量ｙが０．１５よ
り少ない（試料２〜５，２５〜２８，４８〜５１）と、
共振周波数の温度係数Ｆ−ＴＣが−３７ｐｐｍ／℃を超
えて悪化するため、共振周波数の温度安定性と耐熱性の
両方を備えた磁器を得るためには、Ｔｉを（Ｉｎ1/2Ｎ
ｂ1/2）で置換する量ｙは、本発明の請求範囲の０．１
５≦ｙ≦０．５０でなければならない。
【００２２】なお、本発明に係る圧電磁器組成物及び圧
電磁器組成物を用いた圧電素子は前記実施形態に限定す
るものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更するこ
とができる。特に、圧電素子は前記実施形態に限定され
るものではなく、発振子やトラップ素子であってもよ
い。また、圧電体基板の振動モードは、厚みすべり振動
モードであってもよい。
電磁器組成物を用いた圧電素子は前記実施形態に限定す
るものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更するこ
とができる。特に、圧電素子は前記実施形態に限定され
るものではなく、発振子やトラップ素子であってもよ
い。また、圧電体基板の振動モードは、厚みすべり振動
モードであってもよい。
【００２３】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、共振周波数の温度係数が良好で耐熱性に優れた
圧電磁器組成物を得ることができる。これにより、リフ
ロー半田付けの際の性能劣化が起こりにくく、温度安定
性にすぐれたセラミック発振子やセラミックフィルタ等
の圧電素子を実現することができる。
よれば、共振周波数の温度係数が良好で耐熱性に優れた
圧電磁器組成物を得ることができる。これにより、リフ
ロー半田付けの際の性能劣化が起こりにくく、温度安定
性にすぐれたセラミック発振子やセラミックフィルタ等
の圧電素子を実現することができる。
【図１】本発明に係る圧電素子の一実施形態の構成を示
す分解斜視図。
す分解斜視図。
１…圧電体基板 ２ａ，２ｂ，２ｃ，３ａ，３ｂ，３ｃ…振動電極 ４ａ，４ｂ…引出し電極 １０…容器 １０ａ…凹部 １６，１７，１８…引出し電極 ２０…封止蓋
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 宏一 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株式 会社村田製作所内 (72)発明者 安藤 陽 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株式 会社村田製作所内
Claims (2)
- 【請求項１】 少なくともＰｂ，Ｎｄ，Ｉｎ，Ｎｂ及び
Ｔｉを含む圧電磁器組成物において、 一般式をＰｂ1-1.5xＮｄX［（Ｉｎ1/2Ｎｂ1/2）yＴｉ
1-y］Ｏ3とした場合、０．０２≦ｘ≦０．１６、０．１
５≦ｙ≦０．５０を満足する組成を有する主成分に、副
成分としてＭｎがＭｎＣＯ3換算で０．１重量％以上
３．０重量％以下含有されていることを特徴とする圧電
磁器組成物。 - 【請求項２】 請求項１記載の圧電磁器組成物を用いた
ことを特徴とする圧電素子。
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