JP2023056253A - transducer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、トランスデューサに関する。 The present invention relates to transducers.
従来、音波又は超音波の送信又は受信を行うトランスデューサが知られている。トランスデューサは、例えば音波を送信するスピーカとして利用され、イヤホン又はウェアラブル端末などに搭載されている。 Conventionally known are transducers for transmitting or receiving sound waves or ultrasound waves. Transducers are used, for example, as speakers that transmit sound waves, and are mounted on earphones, wearable terminals, and the like.
例えば特許文献1には、イヤホンに好適な音発生装置が開示されている。この音発生装置は、磁界を発生させるコイルと、コイルにより発生させた磁界と相互作用して振動板を振動させるマグネットとを備えている。
For example,
コイルとマグネットとを用いるスピーカは、磁界を発生させるためにコイルに電流を流す必要があり、消費電力が高くなる。そこで、一対の電極によって圧電膜を両側から挟んで構成される圧電素子を利用したスピーカも注目されている(例えば、特許文献2参照)。この類のスピーカは、微細加工を実現する半導体製造技術であるMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)を用いて製造される。 A speaker using a coil and a magnet requires a current to flow through the coil in order to generate a magnetic field, resulting in high power consumption. Therefore, a speaker using a piezoelectric element configured by sandwiching a piezoelectric film from both sides with a pair of electrodes has also attracted attention (see, for example, Patent Document 2). This type of speaker is manufactured using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), which is a semiconductor manufacturing technology that realizes microfabrication.
圧電MEMS型のトランスデューサは、電界を印加することで変形する圧電膜と、変形しないシリコン等の基台との積層構造により構成され、膜の変形の有無によって積層膜が反るという仕組みを利用して、電界と運動の変換を行うマイクロ機構である。しかしながら、積層膜を動かすための電界印加時には、横方向に収縮しようとする膜と、収縮しない膜とが、いわゆる引っ張り合いをするため、それぞれの層内および層間で応力によるストレスを受けることになる。このストレスが繰り返された時または共振時には、振動からくる応力によって、結晶間、結晶粒塊間、結晶欠陥部などにクラックなどが発生し、振動膜に損傷が起こる可能性がある。 Piezoelectric MEMS transducers have a laminated structure consisting of a piezoelectric film that deforms when an electric field is applied and a base made of silicon or the like that does not deform. It is a micro-mechanism that converts electric field and motion. However, when an electric field is applied to move the laminated film, the film that is about to contract in the lateral direction and the film that is not contracting pull each other, so stress is applied within and between the layers. . When this stress is repeated or during resonance, cracks or the like may occur between crystals, between crystal grains, or at crystal defects due to the stress resulting from vibration, which may damage the vibrating membrane.
そこで、本開示は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、振動膜にかかる応力を緩和して振動膜の損傷を防止することのできるトランスデューサを提供することである。 Accordingly, the present disclosure has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a transducer that can prevent damage to the vibrating membrane by relieving the stress applied to the vibrating membrane.
このような課題を解決するために、本開示に係るトランスデューサは、圧電膜と、圧電膜の上面に積層された上部電極と、圧電膜の下面に積層された下部電極とを備えた圧電素子と、中空部が内部に形成された膜支持部によって支持された振動膜とを有する。そして、圧電素子が振動膜の上面に積層され、上部電極の表面から少なくとも圧電膜まで貫通する孔またはスリットが、複数形成されている。 In order to solve such problems, a transducer according to the present disclosure includes a piezoelectric element including a piezoelectric film, an upper electrode laminated on the upper surface of the piezoelectric film, and a lower electrode laminated on the lower surface of the piezoelectric film. , and a vibrating membrane supported by a membrane support portion having a hollow portion formed therein. A piezoelectric element is laminated on the upper surface of the vibrating film, and a plurality of holes or slits penetrating from the surface of the upper electrode to at least the piezoelectric film are formed.
本開示によれば、振動膜にかかる応力を緩和して振動膜の損傷を防止することのできるトランスデューサを提供することができる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a transducer capable of relieving stress applied to the vibrating membrane and preventing damage to the vibrating membrane.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same parts are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[第1実施形態]
図1乃至図3を参照して、本実施形態に係るトランスデューサ1の構成を説明する。本実施形態に係るトランスデューサ1は、圧電素子3と、膜体5とを主体に構成されている。以下の説明では、図2に示すトランスデューサ1の状態を基準に上下方向を定義するが、トランスデューサ1を使用する方向を限定するものではない。
[First embodiment]
The configuration of a
圧電素子3は、圧電膜11と、圧電膜11の上面に積層された上部電極13と、圧電膜11の下面に積層された下部電極15を備えており、後述する振動膜21の上面に積層されている。圧電膜11と上部電極13と下部電極15は、振動膜21の形状に対応する形状を有しており、図1乃至図3に示す例では円形状を有している。
The
圧電膜11は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)膜によって構成されている。圧電膜11は、チタン酸ジルコン酸鉛以外にも、窒化アルミニウム(AlN)、酸化亜鉛(ZnO)又はチタン酸鉛(PbTiO3)などを用いることができる。
The
上部電極13と下部電極15のそれぞれは、例えばプラチナ、モリブデン、イリジウム、又はチタンなどの導電性を有する金属の薄膜により形成されている。上部電極13は、圧電膜11の上側に位置し、上部電極13に駆動電圧を印加するための回路パターンである電極パッド13aに接続されている。下部電極15は、圧電膜11の下側に位置し、下部電極15に駆動電圧を印加するための回路パターンである電極パッド15aに接続されている。
Each of the
膜体5は、振動膜21と、膜支持部23とで構成されている。膜体5は、例えばシリコン(Si)より構成されている。膜体5の下面側をエッチングすることで、振動膜21と膜支持部23とが一体に形成されている。
The
振動膜21は、メンブレン型の振動膜であり、上面に圧電素子3が積層された薄膜から構成され、膜厚方向、すなわち、振動膜21に対する法線方向(図1における紙面垂直方向、図2における紙面上下方向)に変位可能に構成されている。振動膜21は、振動膜21と平行な平面で見た場合、円形状を有している。
The
膜支持部23は、キャビティ(中空部)25を形成する円筒状の内周面を備えている。膜支持部23の内周面には、振動膜21が内接するように振動膜21が全周にわたって連結され、これにより、振動膜21の周囲が膜支持部23によって支持される。振動膜21は膜支持部23の上端側に連結され、キャビティ25の上側は振動膜21によって閉塞されている。
The
ここで、トランスデューサ1には、図1に示すように複数の孔31が形成されている。複数の孔31は、図3Aに示すように上部電極13の表面から圧電膜11まで貫通している。上部電極13と下部電極15に駆動電圧が印加されると、圧電膜11が収縮するので、実際に収縮する圧電膜11の応力を緩和するためには、圧電膜11に複数の孔31が形成されている必要がある。そこで、複数の孔31を上部電極13の表面から圧電膜11まで貫通させることにより、実際に収縮する圧電膜11に複数の孔31を形成し、圧電膜11の収縮によって生じる応力を緩和できるようにしている。その結果、振動膜21にかかる応力を緩和して振動膜21の損傷を防止することができる。
Here, a plurality of
また、図3Bに示すように、複数の孔31が、上部電極13の表面から下部電極15まで貫通していてもよい。これにより、圧電膜11の収縮によって生じる応力を緩和できるとともに、下部電極15の応力を緩和することもできる。その結果、振動膜21にかかる応力を緩和して振動膜21の損傷を防止することができる。
Moreover, as shown in FIG. 3B, a plurality of
さらに、図3Cに示すように、複数の孔31が、上部電極13の表面から振動膜21まで貫通していてもよい。これにより、振動膜21に直接孔31を形成できるので、圧電膜11の収縮によって生じる応力を緩和できるとともに、振動膜21にかかる応力を直接緩和することもできる。したがって、より効果的に振動膜21の損傷を防止することができる。このように、複数の孔31は、上部電極13の表面から少なくとも圧電膜11まで貫通している。
Further, as shown in FIG. 3C,
また、複数の孔31は、振動膜21が円形状の場合に、図1に示すように振動膜21の中心に対して点対称に配置されている。孔31を点対称に配置することにより、振動膜21の中心から振動膜21の外周部に向かって、複数の孔31を直線状に配置することができる。振動膜21では、中心部が変位するのに対して、外周部は膜支持部23に連結されているので、固定されている。したがって、振動膜21にかかる応力は、振動膜21の中心と外周部との間の引っ張り合いによって作用する。そのため、複数の孔31を点対称に配置して、振動膜21の中心から外周部に向かって孔31を直線状に配置すると、振動膜21の中心と外周部との間で作用する応力を効果的に緩和することができる。
Further, when the vibrating
尚、複数の孔31は、図4に示すように、振動膜21の中心に対して同心円状に配置してもよい。この場合にも、振動膜21の中心から外周部に向かって孔31を直線状に配置することができるので、振動膜21の中心と外周部との間で作用する応力を効果的に緩和することができる。
The plurality of
また、複数の孔31の代わりに、図5に示すように、複数のスリット33が形成されていてもよく、この場合には複数のスリット33を、振動膜21の中心から放射状に配置する。これにより、スリット33を振動膜21の中心から外周部に向かって配置できるので、振動膜21の中心と外周部との間で作用する応力を効果的に緩和することができる。
Also, instead of the plurality of
尚、複数のスリット33も複数の孔31と同様に、図3A~Cに示すように上部電極13の表面から少なくとも圧電膜11まで貫通している。したがって、複数のスリット33は、上部電極13の表面から圧電膜11まで貫通していてもよいし、上部電極13の表面から下部電極15まで貫通していてもよい。さらに、複数のスリット33は、上部電極13の表面から振動膜21まで貫通していてもよい。
Like the plurality of
このように構成されたトランスデューサ1において、上部電極13と下部電極15にそれぞれ駆動電圧が印加されると、上部電極13と下部電極15の間に電位差が生じる。この電位差により、圧電膜11が収縮して振動膜21が変位する。
In the
さらに、上部電極13と下部電極15に対して駆動電圧を繰り返し印加することによって、振動膜21は、上側への変位と下側への変位を交互に繰り返す。この振動膜21の振動により、振動膜21の周囲の空気が振動させられ、空気の振動が音波として出力される。
Further, by repeatedly applying the drive voltage to the
[第1実施形態の効果]
以上、詳細に説明したように、本実施形態に係るトランスデューサ1では、上部電極13の表面から少なくとも圧電膜11まで貫通する孔31またはスリット33が、複数形成されている。したがって、実際に収縮する圧電膜11に複数の孔31またはスリット33を形成できるので、圧電膜11の収縮によって生じる応力を緩和することができる。その結果、振動膜21にかかる応力を緩和して振動膜21の損傷を防止することができる。
[Effect of the first embodiment]
As described above in detail, in the
また、本実施形態に係るトランスデューサ1では、複数の孔31またはスリット33が、上部電極13の表面から振動膜21まで貫通する。したがって、振動膜21に直接複数の孔31またはスリット33を形成できるので、圧電膜11の収縮によって生じる応力を緩和できるとともに、振動膜21にかかる応力を直接緩和することもできる。その結果、より効果的に振動膜21の損傷を防止することができる。
Moreover, in the
さらに、本実施形態に係るトランスデューサ1では、複数の孔31またはスリット33が、上部電極13の表面から下部電極15まで貫通する。したがって、圧電膜11の収縮によって生じる応力を緩和できるとともに、下部電極15の応力を緩和することもできる。その結果、振動膜21にかかる応力を緩和して振動膜21の損傷を防止することができる。
Furthermore, in the
また、本実施形態に係るトランスデューサ1では、振動膜21が円形状の場合に、複数の孔31を、振動膜21の中心に対して点対称に配置する。したがって、振動膜21の中心から外周部に向かって複数の孔31を直線状に配置できるので、振動膜21の中心と外周部との間で作用する応力を効果的に緩和することができる。
Further, in the
さらに、本実施形態に係るトランスデューサ1では、振動膜21が円形状の場合に、複数の孔31を、振動膜21の中心に対して同心円状に配置する。したがって、振動膜21の中心から外周部に向かって複数の孔31を直線状に配置できるので、振動膜21の中心と外周部との間で作用する応力を効果的に緩和することができる。
Furthermore, in the
また、本実施形態に係るトランスデューサ1では、振動膜21が円形状の場合に、複数のスリット33を、振動膜21の中心から放射状に配置する。したがって、スリット33を振動膜21の中心から外周部に向かって配置できるので、振動膜21の中心と外周部との間で作用する応力を効果的に緩和することができる。
Further, in the
[第2実施形態]
次に、図6及び図7を参照し、第2実施形態に係るトランスデューサ1について説明する。本実施形態に係るトランスデューサ1は、カンチレバー型の振動膜で構成されている点が第1実施形態と相違している。以下、第1実施形態と重複する内容の説明は省略し、以下、相違点を中心に説明する。
[Second embodiment]
Next, a
本実施形態において、膜体5は、カンチレバー型の振動膜21と、膜支持部23とで構成されている。振動膜21は、振動膜21と平行な平面で見た場合、略四角状を有している。膜支持部23は、振動膜21の周囲を囲み、振動膜21の1辺と連結されている。振動膜21の残りの3辺と膜支持部23との間には、隙間27が形成されている。すなわち、振動膜21は片持ち梁形状で支持されている。
In this embodiment, the
圧電素子3は、振動膜21の上面に積層され、振動膜21の形状に対応する形状を有しており、図6、7に示す例では四角状を有している。上部電極13に駆動電圧を印加するための回路パターンである電極パッド13aと、下部電極15に駆動電圧を印加するための回路パターンである電極パッド15aは、自由端側には設けられておらず、膜支持部23と連結される基端部側に配置されている。
The
ここで、トランスデューサ1には、図6に示すように複数の孔31が形成されている。複数の孔31は、図7に示すように上部電極13の表面から圧電膜11まで貫通している。また、図3B、Cに示したように、複数の孔31は、上部電極13の表面から下部電極15まで貫通していてもよいし、上部電極13の表面から振動膜21まで貫通していてもよい。したがって、複数の孔31は、上部電極13の表面から少なくとも圧電膜11まで貫通している。
Here, a plurality of
複数の孔31は、図6、7に示すように、四角状の振動膜21の4辺のうち膜支持部23に連結された辺40に対して交差する方向に複数の列で配置されている。ただし、複数の孔31は、図6に示すように、膜支持部23に連結された辺40に対して垂直な複数の列に配置されることが好ましく、さらに列内で等間隔に配置されることが好ましい。
As shown in FIGS. 6 and 7, the plurality of
振動膜21では、膜支持部23に連結された辺40が固定され、その対辺42が自由端となって変位する。したがって、振動膜21にかかる応力は、膜支持部23に連結された辺40とその対辺42との間で作用する。そのため、複数の孔31を、膜支持部23に連結された辺40に対して交差する方向に配置することによって、振動膜21にかかる応力を効果的に緩和することができる。このとき、複数の孔31を、膜支持部23に連結された辺40に対して垂直な複数の列に配置し、列内で等間隔に配置すれば、さらに振動膜21にかかる応力を効果的に緩和することができる。
In the vibrating
また、図8に示すように、複数の孔31の代わりに、複数のスリット33が形成されていてもよい。この場合に、複数のスリット33は、膜支持部23に連結された振動膜21の辺に対して交差する方向に配置される。ただし、複数のスリット33は、図8に示すように、膜支持部23に連結された辺40に対して垂直に配置されることが好ましい。
Also, as shown in FIG. 8 , a plurality of
振動膜21にかかる応力は、膜支持部23に連結された辺40とその対辺42との間で作用する。そのため、複数のスリット33を、膜支持部23に連結された辺40に対して交差する方向に配置することによって、振動膜21にかかる応力を効果的に緩和することができる。このとき、複数のスリット33を、膜支持部23に連結された辺40に対して垂直に配置すれば、さらに振動膜21にかかる応力を効果的に緩和することができる。
The stress applied to the vibrating
また、複数のスリット33は、図9に示すように、それぞれ複数に分割されて列になっていてもよい。例えば、図9では、膜支持部23に連結された辺40に対して交差する方向に、複数のスリット33が複数の列で配置されている。このように複数のスリット33を複数の列で配置しても、振動膜21にかかる応力を効果的に緩和することができる。
Moreover, as shown in FIG. 9, each of the plurality of
尚、本実施形態に係るトランスデューサ1では、カンチレバー型の振動膜で構成されている場合について説明したが、図10、11に示すように複数支持型の振動膜で構成されていてもよい。
Although the
図10、11に示すように、膜体5は、複数支持型の振動膜21と、膜支持部23とで構成されている。振動膜21は、振動膜21と平行な平面で見た場合、略四角状を有している。膜支持部23は、振動膜21の周囲を囲み、振動膜21の2辺と連結されている。振動膜21の残りの2辺と膜支持部23との間には、隙間27が形成されている。すなわち、振動膜21は両持ち梁形状で支持されている。また、図10では、複数の孔31が形成されている場合について示しているが、図8、9で示したように、複数の孔31の代わりに複数のスリット33を形成することも可能である。その他の構成については、振動膜21がカンチレバー型の場合と同様なので、詳細な説明は省略する。
As shown in FIGS. 10 and 11, the
上述した図6乃至図11で説明した本実施形態に係るトランスデューサ1において、上部電極13と下部電極15にそれぞれ駆動電圧が印加されると、上部電極13と下部電極15の間に電位差が生じる。この電位差により、圧電膜11が収縮して、カンチレバー型の場合には振動膜21の自由端側が膜厚方向に変位し、複数支持型の場合には振動膜21の中心が膜厚方向に変位する。
In the
さらに、上部電極13と下部電極15に対して駆動電圧を繰り返し印加することで、振動膜21は、上側への変位と下側への変位を交互に繰り返すことになる。この振動膜21の振動により、振動膜21の周囲の空気を振動させ、空気の振動が音波として出力される。
Furthermore, by repeatedly applying the drive voltage to the
[第2実施形態の効果]
以上、詳細に説明したように、本実施形態に係るトランスデューサ1では、振動膜21が四角状の場合に、複数の孔31を、膜支持部23に連結された振動膜21の辺40に対して交差する方向に複数の列で配置する。したがって、膜支持部23に連結された辺40とその対辺42との間で作用する応力を、効果的に緩和することができる。
[Effect of Second Embodiment]
As described above in detail, in the
また、本実施形態に係るトランスデューサ1では、振動膜21が四角状の場合に、複数のスリット33を、膜支持部23に連結された振動膜21の辺40に対して交差する方向に配置する。したがって、膜支持部23に連結された辺40とその対辺42との間で作用する応力を、効果的に緩和することができる。
Further, in the
[変形例]
以下、上述した各実施形態に適用可能な変形例について説明する。なお、以下に示す変形例は、特に断らない限り、第1及び第2実施形態のいずれにも適用可能である。
[Modification]
Modifications applicable to each of the above-described embodiments will be described below. The modifications shown below are applicable to both the first and second embodiments unless otherwise specified.
(第1変形例)
第1変形例に係るトランスデューサ1では、複数の孔31またはスリット33の内部に、樹脂が埋め込まれている。トランスデューサ1では、振動膜21の振動により、振動膜21の周囲の空気を振動させ、空気の振動が音波として出力されている。そのため、振動膜21に孔31またはスリット33が形成されていると、空気が通過してしまい、空気を振動させる圧力が低下して音波出力が低下する。
(First modification)
In the
そこで、第1変形例に係るトランスデューサ1では、孔31またはスリット33の内部に樹脂を埋め込んでいる。したがって、孔31またはスリット33を空気が通過することを防止できるので、音波出力の低下を防止することができる。尚、樹脂は、振動膜21の変位に応じて伸縮する軟質な素材で形成されていればよい。
Therefore, in the
(第2変形例)
第2変形例に係るトランスデューサ1では、複数の孔31の直径を、振動膜21の厚さよりも小さくなるように形成している。トランスデューサ1では、振動膜21の振動により、振動膜21の周囲の空気を振動させ、空気の振動が音波として出力されている。そのため、振動膜21に孔31が形成されていると、空気が通過してしまい、空気を振動させる圧力が低下して音波出力が低下する。しかし、孔31の大きさが十分に小さければ、空気の通過を抑制できるので、音波出力の低下を防止することが可能である。
(Second modification)
In the
そこで、第2変形例に係るトランスデューサ1では、孔31の直径を、振動膜21の厚さよりも小さくしている。したがって、孔31を空気が通過することを抑制できるので、音波出力の低下を防止することができる。
Therefore, in the
(第3変形例)
第3変形例に係るトランスデューサ1では、複数の孔31またはスリット33の総面積を、振動膜21の面積の10%より大きくなるように形成している。振動膜21に孔31またはスリット33を形成しても、その総面積が少ないと十分に振動膜21にかかる応力を低減することはできない。
(Third modification)
In the
そこで、第3変形例に係るトランスデューサ1では、複数の孔31またはスリット33の総面積を、振動膜21の面積の10%より大きくする。したがって、応力を緩和するために十分な孔31またはスリット33の面積を確保できるので、振動膜21にかかる応力を十分に低減させることができる。
Therefore, in the
このように第1~第3変形例を説明したが、第1~第3変形例は、それぞれの変形例に示す技術的な特徴を組み合わせて利用することもできる。さらに、第1及び第2実施形態は、第1~第3変形例に示される技術的な特徴を組み合わせて利用することができる。 Although the first to third modifications have been described in this way, the first to third modifications can also be used in combination with the technical features shown in the respective modifications. Furthermore, the first and second embodiments can be used in combination with the technical features shown in the first to third modifications.
上記のように、本発明の実施形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなるであろう。 While embodiments of the present invention have been described above, the discussion and drawings forming part of this disclosure should not be construed as limiting the invention. Various alternative embodiments, implementations and operational techniques will become apparent to those skilled in the art from this disclosure.
例えば、トランスデューサは、音波を送信する以外にも、音波を受信する用途に適用してもよい。また、トランスデューサは、音波に限らず、超音波の送信又は受信を行う用途に適用してもよい。 For example, the transducer may be applied to receive sound waves as well as to transmit sound waves. Moreover, the transducer may be applied to applications for transmitting or receiving not only sound waves but also ultrasonic waves.
1 トランスデューサ
3 圧電素子
5 膜体
11 圧電膜
13 上部電極
13a、15a 電極パッド
15 下部電極
21 振動膜
23 膜支持部
25 キャビティ
27 隙間
31 孔
33 スリット
REFERENCE SIGNS
Claims (11)
中空部が内部に形成された膜支持部によって支持された振動膜とを有し、
前記圧電素子が前記振動膜の上面に積層され、
前記上部電極の表面から少なくとも前記圧電膜まで貫通する孔またはスリットが、複数形成されているトランスデューサ。 a piezoelectric element comprising a piezoelectric film, an upper electrode laminated on the upper surface of the piezoelectric film, and a lower electrode laminated on the lower surface of the piezoelectric film;
a vibrating membrane supported by a membrane supporting part having a hollow part formed therein;
The piezoelectric element is laminated on the upper surface of the vibration film,
A transducer in which a plurality of holes or slits penetrating from the surface of the upper electrode to at least the piezoelectric film are formed.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021165493A JP2023056253A (en) | 2021-10-07 | 2021-10-07 | transducer |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2021165493A JP2023056253A (en) | 2021-10-07 | 2021-10-07 | transducer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2023056253A true JP2023056253A (en) | 2023-04-19 |
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ID=86004494
Family Applications (1)
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JP2021165493A Pending JP2023056253A (en) | 2021-10-07 | 2021-10-07 | transducer |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2023056253A (en) |
-
2021
- 2021-10-07 JP JP2021165493A patent/JP2023056253A/en active Pending
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