JP6372545B2 - 振動式トランスデューサ - Google Patents
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Description
本発明は、振動式トランスデューサに関し、特に、ガス透過による動作不良を防ぐ技術に関する。
振動式トランスデューサは、シリコン基板上に形成された振動子の共振周波数の変化を検出することにより、印加された物理量を測定する装置である。振動式トランスデューサは、圧力センサ、加速度センサ、角速度センサ、共振器等のMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスとして伝送器等において広く用いられている。
従来、振動式トランスデューサは、両端が固定された長板状の振動子の平面側をチップ状のシリコン基板と平行に形成し、シリコン基板の上下方向に振動させるようにしていたが、特許文献1には、振動子の平面側をシリコン基板と垂直に形成し、シリコン基板の横方向に振動させる振動式トランスデューサが開示されている。これにより、加工工程が簡略化され、振動式トランスデューサを高精度かつ安価に製造することが可能となる。
図8は、特許文献1に記載された振動式トランスデューサ300の要部組立構成を示しており、図8(a)は断面図、図8(b)は活性層部分の平面図である。
本図に示すように、振動式トランスデューサ300は、シリコン基板310と表面シリコン層(活性層320の下部)との間にBOX層酸化膜311を挿入した構造のSOI基板上に、シリコンの活性層320を加工して振動子330と第1電極板341と第2電極板342とが形成され、さらに絶縁酸化膜360、上部ポリシリコン層350が積層され、上部ポリシリコン層350によりシェル351が形成された構造となっている。
固定電極である第1電極板341、第2電極板342は、振動子330を挟むようにして形成されており、振動子330の周囲は真空室370となっている。また、振動子330の端側にも電極が形成されており、振動子電極板331として機能する。
振動子330と第1電極板341との間および振動子330と第2電極板342との間の対向する各面には、相互の付着を防止するための凸凹部380が形成されている。
この構成において、振動子電極板331と第2電極板342との間にバイアス電圧を印加した状態で、第1電極板341に励振信号を印加すると、振動子330が共振周波数で振動し、振動子330と第2電極板342との間の静電容量が変化することにより、第2電極板342から電流が出力される。出力される電流は不図示の演算増幅器を用いた電流電圧変換回路で電圧に変換され出力センサで周波数が検出される。ただし、各電極板に印加する電圧や信号の組み合わせ、電極板の数は変更することができる。
振動式トランスデューサ300の上下に異なった圧力が印加されると、振動式トランスデューサ300に歪みが生じ、歪みの大きさに応じて振動子330の共振周波数が変化する。このため、検出された周波数の変化に基づいて印加された圧力の差圧を求めることができる。
従来の振動式トランスデューサ300では、BOX層酸化膜311および絶縁酸化膜360が振動式トランスデューサ300の側面から真空室370まで通じている。酸化膜は、シリコン層、ポリシリコン層よりもガス透過性が高く、振動式トランスデューサ300の周辺に水素やヘリウム等の分子の小さなガスが存在すると、酸化膜を経路として真空室370にガスが透過する場合がある。真空室370にガスが透過すると、真空度が低下するため、振動子330の励振不良が発生するおそれがある。
そこで、本発明は、振動式トランスデューサにおいて、真空室へのガス透過による動作不良を防ぐことを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の振動式トランスデューサは、シリコン基板上の酸化膜で隔てられた活性層に、振動子と、前記振動子と導通する振動子電極と、前記振動子に近接した固定電極と、前記振動子を囲む真空室とが形成され、前記前記振動子のシェルを形成するポリシリコン層が酸化膜で隔てられて積層され、前記ポリシリコン層と前記シリコン基板とを導通させる基板コンタクト部が、前記活性層の前記振動子、前記振動子電極、前記固定電極を含まない領域において、前記真空室を連続的に囲って形成されていることを特徴とする。
ここで、前記基板コンタクト部が、多重に形成されていてもよい。
前記ポリシリコン層側に、前記振動子電極と導通するパッドと、前記固定電極と導通するパッドと、前記シリコン基板と導通する基板コンタクトパッドとが設けられていてもよい。
前記振動子電極と前記シリコン基板との間および前記固定電極と前記シリコン基板との間にダイオードが形成されていてもよい。
この場合、前記ダイオードは、前記活性層の前記振動子、前記振動子電極、前記固定電極を含まない領域と、当該領域に形成された当該領域の導電型と異なる導電型の拡散とにより形成されていることができる。
あるいは、前記ダイオードは、前記各電極と、前記各電極に形成された前記各電極の導電型と異なる導電型の拡散とにより形成されていてもよい。
また、前記活性層の前記振動子、前記振動子電極、前記固定電極を含まない領域に前記ダイオードと別個に温度センサ用のダイオードが形成されていてもよい。
ここで、前記基板コンタクト部が、多重に形成されていてもよい。
前記ポリシリコン層側に、前記振動子電極と導通するパッドと、前記固定電極と導通するパッドと、前記シリコン基板と導通する基板コンタクトパッドとが設けられていてもよい。
前記振動子電極と前記シリコン基板との間および前記固定電極と前記シリコン基板との間にダイオードが形成されていてもよい。
この場合、前記ダイオードは、前記活性層の前記振動子、前記振動子電極、前記固定電極を含まない領域と、当該領域に形成された当該領域の導電型と異なる導電型の拡散とにより形成されていることができる。
あるいは、前記ダイオードは、前記各電極と、前記各電極に形成された前記各電極の導電型と異なる導電型の拡散とにより形成されていてもよい。
また、前記活性層の前記振動子、前記振動子電極、前記固定電極を含まない領域に前記ダイオードと別個に温度センサ用のダイオードが形成されていてもよい。
本発明によれば、振動式トランスデューサにおいて、真空室へのガス透過による動作不良を防ぐことができる。
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は本発明に係る振動式トランスデューサ10の基本構造を示す図であり、図1(a)は、活性層を示した平面図、図1(b)はA−B断面図を示している。
本図に示すように、振動式トランスデューサ10は、シリコン基板130と表面シリコン層(活性層150)との間にBOX層酸化膜135を挿入した構造のSOI基板上に、シリコンの活性層150を加工して振動子100と第1電極板111と第2電極板121とが形成され、さらに絶縁酸化膜152、上部ポリシリコン層153が積層されている。
固定電極である第1電極板111、第2電極板121は、振動子100を挟むようにして形成されており、振動子100の周囲は真空室となっている。また、振動子100の端側にも電極が形成されており、振動子電極板101として機能する。
振動式トランスデューサ10では、シリコン基板130が、ポリシリコンあるいはシリコンの基板コンタクト部131を通じて、電極板と振動子とを除いた活性層150(「周辺活性層151」と称する)および上部ポリシリコン層153と電気的に接続されている。
そして、基板コンタクト部131は、真空室の周りを切れ目なく連続的に囲むように形成されている。ポリシリコンあるいはシリコンの基板コンタクト部131で真空室を囲むことにより、酸化膜によるガス透過経路が分断されるため、真空室の真空度劣化による振動子100の励振不良を防ぐことができる。
酸化膜のガス透過は、ガスの拡散で進行すると考えられるため、ガス透過による振動式トランスデューサの寿命は、透過する膜の厚さの2乗に比例する。基板コンタクト部131を多重化すると、酸化膜のガス透過経路を分断するシリコンまたはポリシリコンの幅も増加するため、振動式トランスデューサの寿命をさらに延ばすことが可能となる。図2は、基板コンタクト部131を3重化した場合の例を示している。基板コンタクト部131の多重化は、以下のいずれの実施例にも適用することができる。
図3は、上記基本構造を適用した本発明に係る振動式トランスデューサ10の第1実施例を示す図であり、図3(a)は、活性層を示した平面図、図3(b)は断面図を示している。ただし、図3(a)では、振動子、電極板以外の活性層は省略している。
第1実施例では、シリコン基板130と表面シリコン層(活性層150)との間にBOX層酸化膜135を挿入した構造のSOI基板上に、シリコンの活性層150を加工して振動子100と第1電極板111と第2電極板121とが形成され、さらに絶縁酸化膜152、上部ポリシリコン層153を積層し、上部ポリシリコン層153によりシェル154が形成された構造となっている。
固定電極である第1電極板111、第2電極板121は、振動子100を挟むようにして形成されており、振動子の周囲は真空室となっている。また、振動子100の端側にも電極が形成されており、振動子電極板101として機能する。振動子100と第1電極板111および振動子100と第2電極板121との間の対向する各面に凸凹部を形成してもよい。また、固定電極の数を変更してもよい。
第1実施例においては、シリコン基板130、活性層150、上部ポリシリコン層153ともP型で形成されている。そして、シリコン基板130は、基板コンタクト部131を通じて、電極板と振動子とを除いた活性層150(「周辺活性層151」と称する)およびシェル154を含む上部ポリシリコン層153と電気的に接続されている。ここで、基板コンタクト部131は、真空室の周りを切れ目なく連続的に囲むように形成されている(図3(b)では一部のみを示している)。
基板コンタクト部131と導通する上部ポリシリコン層153は、振動式トランスデューサ10の表面に形成された基板コンタクトパッド132と導通している。なお、基板コンタクト部131は、周辺活性層151とその下のBOX層酸化膜135を部分的に除去し、P型不純物拡散されたポリシリコンを埋め戻すことにより形成することができる。
このように、シリコン基板130と電気的に接続された基板コンタクトパッド132を振動式トランスデューサ10の表面(上部ポリシリコン層153側)に形成しているため、他の電極板と同様に表面からシリコン基板130に電位を与えることができる。このため、裏面(シリコン基板130側)から、振動式トランスデューサ10のチップを固定する台座等を介して電位を与える手間を省くことができ、簡易な構造とすることができる。
このとき、基板コンタクトパッド132からシリコン基板130に電位を与えると、周辺活性層151、上部ポリシリコン層153にもまとめて同じ電位を与えることができる。本例では、基板コンタクトパッド132を接地するため、周辺活性層151、上部ポリシリコン層153とも接地される。
なお、振動式トランスデューサ10は、シリコン基板130を電気的に固定しないと、各電極とシリコン基板130とが容量接続し、十分な出力を得ることができなくなるおそれがあることから、シリコン基板130に電気的にコンタクトする必要がある。本実施例では、上述のように、基板コンタクトパッド132を設けているため、他の電極板と同様に表面からシリコン基板130に電位を与えることができる。後述する実施例でも同様である。
第1実施例では、P型の周辺活性層151にN型拡散を形成することで保護用のダイオードを構成し、振動子電極板101、第1電極板111、第2電極板121と接続するようにしている。N型拡散は、例えば、酸化膜をマスクとして不純物拡散を行なうことで形成することができる。
ここで、保護用のダイオードを構成しているのは以下の理由による。すなわち、図8に示した従来の振動式トランスデューサでは、振動子330と第1電極板341および振動子330と第2電極板342との間の対向する各面に凸凹部380が形成されているため、通常の使用態様においては相互の付着を防ぐことができる。
しかしながら、電極板やシリコン基板310等に静電気放電(ESD)等が加わり、大きな放電電流が流れた場合には、凸凹部380では防ぎきることができずに、振動子330が周囲の部材、例えば、第1電極板341や第2電極板342、シリコン基板310、シェル351と接触し、融着してしまうおそれがある。
そこで、振動子電極板101、第1電極板111、第2電極板121のいずれかに静電気放電(ESD)が加わったとしても、保護ダイオードを介して電気を接地に逃がすことで、振動子330が周囲の部材と接触して融着することを防いでいる。
保護ダイオードは電極板の外部の周辺活性層151に形成し、電極パッドを介して電極板と導通している。具体的には、図3(b)に示すように、第2電極板121は、第2電極板パッド122を介して周辺活性層151に形成された保護ダイオード拡散123と導通している。振動子電極板100、第1電極板111についても同様である。
周辺活性層151は、基板コンタクト部131によりシリコン基板130と電気的に接続しているため、振動子電極板101、第1電極板111、第2電極板121のそれぞれがシリコン基板130とダイオード接続していることになる。第1実施例では、振動子電極板101、第1電極板111、第2電極板121がカソード側となる。
さらに、第1実施例では、電極板、周辺活性層151とは独立したP型活性層部分にN型の温度センサ拡散143を形成することで温度センサダイオード140を構成している。ここで、ダイオードの電気的特性は温度に大きく依存し、電流一定の条件下では、順方向電圧は温度の上昇とともにほぼ直線的に減少する。このため、N型の温度センサ拡散143と導通する電極パッドと、周辺活性層151と独立したP型活性層部分の電極パッドとを形成し、定電流下での順方向電圧を測定することで、ダイオード140を温度センサとして機能させることができる。
一般に、振動式トランスデューサ10を実装する際には、温度補償用の温度センサを用意する必要があるが、本例では、電極板に接続する保護ダイオードと同じ工程で振動式トランスデューサ10内に温度センサダイオード140を容易に構成できるため、温度補償用の温度センサを、別チップで用意することなく、振動子100と同一チップ内に配置することができる。
なお、振動子100や各電極パッド、各保護ダイオード、温度センサダイオード140の形状や大きさ、配置は本図の例に限られない。例えば、塑性変形するアルミニウムで形成される各電極パッドは出力のドリフトを避けるため、実装上は振動子100から離して配置することが望ましい。この場合、保護ダイオード、温度センサダイオード140も振動子100から離れて配置されることになる。
図4は、第1実施例における振動式トランスデューサ10の動作時の回路を説明する図である。本図に示すように、振動子電極板101と第2電極板121との間にバイアス電圧を印加した状態で、第1電極板111に励振信号を印加すると、振動子100が共振周波数で振動し、振動子100と第2電極板121との間の静電容量が変化することにより、第2電極板121から電流が出力される。出力される電流は演算増幅器を用いた電流電圧変換回路で電圧に変換され出力センサで周波数が検出される。ただし、動作時回路は本図の例に限られない。
振動式トランスデューサ10の上下に異なった圧力が印加されると、振動式トランスデューサ10に歪みが生じ、歪みの大きさに応じて振動子100の共振周波数が変化する。このため、検出された周波数の変化に基づいて印加された圧力の差圧を求めることができる。
振動子電極板101、第1電極板111、第2電極板121とカソード側が導通した各保護ダイオードのアノード側は、接地されたシリコン基板130と導通している。また、上部ポリシリコン層153、周辺活性層151ともシリコン基板130と同電位となる。
この構成において、振動子電極板101、第1電極板111、第2電極板121のいずれかに静電気放電(ESD)が加わったとしても、保護ダイオードを介して電気を接地に逃がすことができる。具体的には、電極側に低い電圧が印加されると保護ダイオードがオンすることで電気を接地に逃がし、電極側に高い電圧が印加されると保護ダイオードが降伏して電気を接地に逃がすことができる。
このため、静電気放電等による放電電流で振動子100と第1電極板111、第2電極板121とが接触し、融着することを防ぐことができる。なお、通常の使用態様で各電極板に印加される電圧レンジにおいては、いずれの保護ダイオードとも導通しないため測定に影響することはない。
また、上部ポリシリコン層153や周辺活性層151、シリコン基板130のいずれかに静電気放電(ESD)が加わったとしても、これらは接地されているため影響を受けない。
ところで、第1実施例では、シリコン基板130と、上部ポリシリコン層153、周辺活性層151とは基板コンタクト部131を介してチップ内で導通しているため、固定用の台座等を介して裏面から接続する場合よりも抵抗を小さくすることができる。抵抗が大きいと、いずれかに静電気放電(ESD)が加わった場合に電位差が発生し、放電電流で振動子100とシリコン基板130、シェル154とが接触し、融着するリスクが高まるため、この点からも第1実施例の構成は有利である。
次に、本発明に係る振動式トランスデューサ10の第2実施例について図5を参照して説明する。以下では、第1実施例と異なる部分を中心に説明する。
第2実施例においては、シリコン基板130、活性層150は、第1実施例と同様にP型で形成しているが、上部ポリシリコン層153をN型で形成している。そして、シリコン基板130は、基板コンタクト部131を通じて、周辺活性層151と導通している。第2実施例では、薄い活性層のSOI基板の活性層とBOX層酸化膜135とを部分的に除去して、エピ成長で活性層150を所望の厚さに調整するようにしている。部分的に除去した箇所が基板コンタクト部131となり、シリコン基板130と周辺活性層151とを導通させる。
本図の例では、真空室の周りを切れ目なく連続的に囲む基板コンタクト部137を基板コンタクト部131とは別に形成しているが、基板コンタクト部131を上部ポリシリコン層153と接した状態で真空室の周りを切れ目なく連続的に囲むように形成してもよい。(図5(b)では基板コンタクト部137の記載を省略している)。
シェル154を含む上部ポリシリコン層153は、振動式トランスデューサ10の表面に形成された基板コンタクトパッド132によりシリコン基板130と導通することになる。このため、第2実施例においても表面からシリコン基板130に電位を与えることができ、さらに、周辺活性層151、上部ポリシリコン層153にも同時に同電位を与えることができる。
第2実施例では、P型の各電極板(振動子電極板101、第1電極板111、第2電極板121)にN型拡散を形成することで保護用のダイオードのカソードを構成し、カソードが上部ポリシリコン層153と接触して導通するようにしている。このとき、各電極の活性層150がアノードとなる。
具体的には、図5(b)に示すように、第2電極板121に保護ダイオード拡散123を形成することでカソードとし、カソードが上部ポリシリコン層153と導通している。振動子電極板101、第1電極板111についても同様である。そして、上部ポリシリコン層153は、基板コンタクトパッド132を介して周辺活性層151と導通し、さらに基板コンタクト部131を介してシリコン基板130と導通している。
温度センサダイオード140については、P型の周辺活性層151と独立したP型活性層部分にN型の温度センサ拡散143を形成し、不純物濃度を高めた上部ポリシリコン層153を介して温度センサ用の電極パッドを形成することで構成している。このため、第2実施例における振動式トランスデューサ10の動作時の回路は、図6に示すものとなり、保護ダイオードの極性が入れ替わるが、動作については第1実施例と実質的に同一である。
製造工程においては、P型の各電極板のN型拡散を形成する部分と上部ポリシリコン層153とを直接接触させた構造とし、上部ポリシリコン層153に不純物を拡散する際に、各電極板のN型拡散も同時に行なうことができる。
第2実施例の構成において、振動子電極板101、第1電極板111、第2電極板121のいずれかに静電気放電(ESD)が加わったとしても、保護ダイオードを介して電気を接地に逃がすことができる。具体的には、電極側に高い電圧が印加されると保護ダイオードがオンすることで電気を接地に逃がし、電極側に低い電圧が印加されると保護ダイオードが降伏して電気を接地に逃がすことができる。
このため、静電気放電等による放電電流で振動子100と第1電極板111、第2電極板121とが接触し、融着することを防ぐことができる。なお、通常の使用態様で各電極板に印加される電圧レンジにおいては、いずれの保護ダイオードとも導通しないため測定に影響することはない。
また、上部ポリシリコン層153や周辺活性層151、シリコン基板130のいずれかに静電気放電(ESD)が加わったとしても、これらは接地されているため影響を受けない。その他の利点についても第1実施例と同様である。
次に、本発明に係る振動式トランスデューサ10の第3実施例について図7を参照して説明する。以下では、第1実施例、第2実施例と異なる部分を中心に説明する。
第3実施例においては、シリコン基板130はN型で形成し、活性層150はP型で形成し、上部ポリシリコン層153はN型で形成している。そして、シリコン基板130は、周辺活性層151とBOX層酸化膜135の一部を除去してN型ポリシリコンを埋め戻すことで形成された基板コンタクト部131を通じて、周辺活性層151および表面に形成された基板コンタクトパッド132と導通している。
本図の例では、真空室の周りを切れ目なく連続的に囲む基板コンタクト部137を基板コンタクト部131とは別に形成しているが、基板コンタクト部131を上部ポリシリコン層153と接した状態で真空室の周りを切れ目なく連続的に囲むように形成してもよい(図7(b)では基板コンタクト部137の記載を省略している)。
また、シリコン基板130は、電極板を構成する活性層150とBOX層酸化膜135の一部を除去してN型ポリシリコンを埋め戻すことで形成された上層コンタクト部156を介して上部ポリシリコン層153と導通している。
このため、第3実施例においても表面からシリコン基板130に電位を与えることができ、さらに、周辺活性層151、上部ポリシリコン層153にも同時に同電位を与えることができる。
第3実施例では、上層コンタクト部156を形成する際に埋め戻されたN型ポリシリコンから電極板を形成している周囲の活性層150にN型不純物を拡散することで、保護ダイオードのカソードを形成し、カソードが上層コンタクト部156を介して上部ポリシリコン層153と導通するようにしている。このとき、各電極の活性層150がアノードとなる。N型拡散は活性層150の単結晶部に形成されるので、良好なダイオードが得られる。
具体的には、図7(b)に示すように、第2電極板121に保護ダイオード拡散123を形成することでカソードを構成し、カソードが上部ポリシリコン層153と導通している。振動子電極板101、第1電極板111についても同様である。そして、上部ポリシリコン層153は、上部コンタクト部156を介してシリコン基板130と導通し、さらに基板コンタクト部131を介して周辺活性層151と導通している。
温度センサダイオード140は、周辺活性層151と独立したP型活性層部分で活性層とBOX層酸化膜135の一部を除去してN型ポリシリコンを埋め戻すことで温度センサコンタクト部146を形成し、周囲の周辺活性層151にN型不純物を拡散することで、温度センサ拡散143を形成している。このため、第3実施例における振動式トランスデューサ10の動作時の回路は、図6に示した第2実施例の回路において温度センサダイオード140のカソードがシリコン基板130と接続したものとなる。
第2実施例と同様に、この構成において振動子電極板101、第1電極板111、第2電極板121のいずれかに静電気放電(ESD)が加わったとしても、保護ダイオードを介して電気を接地に逃がすことができる。具体的には、電極側に高い電圧が印加されると保護ダイオードがオンすることで電気を接地に逃がし、電極側に低い電圧が印加されると保護ダイオードが降伏して電気を接地に逃がすことができる。
このため、静電気放電等による放電電流で振動子100と第1電極板111、第2電極板121とが接触し、融着することを防ぐことができる。なお、通常の使用態様で各電極板に印加される電圧レンジにおいては、いずれの保護ダイオードとも導通しないため測定に影響することはない。
また、上部ポリシリコン層153や周辺活性層151、シリコン基板130のいずれかに静電気放電(ESD)が加わったとしても、これらは接地されているため影響を受けない。その他の利点についても第1実施例と同様である。
10…振動式トランスデューサ、100…振動子、101…振動子電極板、111…第1電極板、121…第2電極板、130…シリコン基板、131…基板コンタクト部、132…基板コンタクトパッド、135…BOX層酸化膜、137…基板コンタクト部、140…温度センサダイオード、143…温度センサ拡散、146…温度センサコンタクト部、150…活性層、151…周辺活性層、152…絶縁酸化膜、153…上部ポリシリコン層、154…シェル、156…上層コンタクト部
Claims (7)
- シリコン基板上の酸化膜で隔てられた活性層に、振動子と、前記振動子と導通する振動子電極と、前記振動子に近接した固定電極と、前記振動子を囲む真空室とが形成され、
前記前記振動子のシェルを形成するポリシリコン層が酸化膜で隔てられて積層され、
前記ポリシリコン層と前記シリコン基板とを導通させる基板コンタクト部が、前記活性層の前記振動子、前記振動子電極、前記固定電極を含まない領域において、前記真空室を連続的に囲って形成されていることを特徴とする振動式トランスデューサ。 - 前記基板コンタクト部が、多重に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の振動式トランスデューサ。
- 前記ポリシリコン層側に、前記振動子電極と導通するパッドと、前記固定電極と導通するパッドと、前記シリコン基板と導通する基板コンタクトパッドと
が設けられていることを特徴とする請求項1または2に記載の振動式トランスデューサ。 - 前記振動子電極と前記シリコン基板との間および前記固定電極と前記シリコン基板との間にダイオードが形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の振動式トランスデューサ。
- 前記ダイオードは、前記活性層の前記振動子、前記振動子電極、前記固定電極を含まない領域と、当該領域に形成された当該領域の導電型と異なる導電型の拡散とにより形成されていることを特徴とする請求項4に記載の振動式トランスデューサ。
- 前記ダイオードは、前記各電極と、前記各電極に形成された前記各電極の導電型と異なる導電型の拡散とにより形成されていることを特徴とする請求項4に記載の振動式トランスデューサ。
- 前記活性層の前記振動子、前記振動子電極、前記固定電極を含まない領域に前記ダイオードと別個に温度センサ用のダイオードが形成されていることを特徴とする請求項4〜6のいずれか1項に記載の振動式トランスデューサ。
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