JP6514079B2 - Sound generator - Google Patents
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Description
本発明は、例えば振動板に貼り付けて音を出す音響発生器に関するものである。 The present invention relates to, for example, a sound generator that is attached to a diaphragm to make a sound.
ダイアフラムを端面に有する筒状のケース内に積層型圧電素子を収容し、積層型圧電素子の駆動によりダイアフラムを振動させる圧電アクチュエータが知られており(例えば特許文献1を参照)、このような圧電アクチュエータを音響発生器として用いることも知られている。 There is known a piezoelectric actuator in which a laminated piezoelectric element is accommodated in a cylindrical case having a diaphragm at an end face and the diaphragm is vibrated by driving the laminated piezoelectric element (see, for example, Patent Document 1). It is also known to use an actuator as a sound generator.
ここで、防水性、防塵性を有する音響発生器とするために、ケースの内部の空間の気密性を保つことが求められることから、例えば樹脂接着剤で筒状のケースの端面にダイアフラムの外周部を全周にわたって接着する方法が考えられる。 Here, in order to make the sound generator waterproof and dustproof, it is required to maintain the airtightness of the space inside the case. For example, the outer periphery of the diaphragm on the end face of the cylindrical case with a resin adhesive. A method is conceivable in which the parts are bonded all around.
しかしながら、樹脂接着剤による全周接着では、当該樹脂接着剤のヤング率が小さいので、中・高周波数領域の音が減衰され、音圧レベルが低くなるおそれがあるという問題があった。 However, in the all-around bonding with a resin adhesive, since the Young's modulus of the resin adhesive is small, the sound in the middle and high frequency region is attenuated, and there is a problem that the sound pressure level may be lowered.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、中・高周波数領域での音圧レベルが大きく音質の優れた音響発生器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a sound generator having a large sound pressure level in the middle and high frequency regions and an excellent sound quality.
本発明の音響発生器は、端面に底板の外周部を取り付けてなる筒状のケースと、該ケース内に収容され、前記底板を押圧する積層型圧電素子とを備えており、前記底板の外周部は、前記ケースの端面に両面テープで固定されているとともに複数のねじで固定されており、該複数のねじのうちの少なくとも一つのねじによる締め付けトルクが、他のねじによる締め付けトルクと異なっていることを特徴とする。 The sound generator according to the present invention comprises a cylindrical case having an outer peripheral portion of a bottom plate attached to an end face, and a laminated piezoelectric element housed in the case and pressing the bottom plate, the outer periphery of the bottom plate The part is fixed to the end face of the case with double-sided tape and fixed with a plurality of screws, and the tightening torque by at least one of the plurality of screws is different from the tightening torque by the other screws It is characterized by
本発明の音響発生器によれば、中・高周波数領域における音圧レベルを向上させ、また音質の優れたものとすることができる。 According to the sound generator of the present invention, the sound pressure level in the middle and high frequency regions can be improved, and the sound quality can be made excellent.
以下、本実施形態に係る音響発生器の一例について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。 Hereinafter, an example of a sound generator according to the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited by the embodiments described below.
図1(a)は本実施形態の音響発生器の一例を示す一部透過概略斜視図、図1(b)は図1(a)に示す音響発生器の概略縦断面図、図1(c)は図1(b)に示す音響発生器の底面図である。図1に示すように、本実施形態の音響発生器1は、端面に底板22の外周部を取り付けてなる筒状のケース21と、ケース21内に収容され、底板22を押圧する積層型圧電素子3とを備えており、底板22の外周部は、ケース21の端面に両面テープ23で固定されているとともに複数のねじ24で固定されている。
FIG. 1 (a) is a partially transparent schematic perspective view showing an example of the sound generator according to this embodiment, FIG. 1 (b) is a schematic longitudinal sectional view of the sound generator shown in FIG. 1 (a), FIG. ) Is a bottom view of the sound generator shown in FIG. As shown in FIG. 1, the
ここで、筒状のケース21は、鉛直方向に延びる円筒状の筒状部211の一端(上端)に天板部212を有し、他端(下端)は開口している形状、いわゆる有底筒状のもので、少なくとも積層型圧電素子3が収容される内部空間を有している。ケース21は、後述する積層型圧電素子3の駆動力を底板22へ十分に伝えるために変形の少ないものであるのが好ましく、例えばステンレス、アルミニウム、黄銅などの金属、ABS樹脂、ポリアセタール、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレンなどの樹脂で形成される。筒状部211および天板部212の厚みは例えば2.5mm〜10mmに設定される。筒状部211を天板部212に対して平行に切断したときの断面形状および天板部212の形状としては、例えば円形、楕円形あるいは多角形などが挙げられる。例えば円形であれば、後述する底板22の外縁にほぼ均等に力が伝わって振動するので、発生する振動の周波数の乱れを少なくすることができる。また、外周の形状が多角形で、積層型圧電素子2を収容する空間の内周の形状が円形という様に、外周と内周の形状が異なっていてもよい。
Here, the
筒状部211の長さは、例えば5mm〜55mmに設定される。また、筒状部211が円筒状の場合の筒状部211の内径は、例えば30mm〜50mmに設定される。ここで、後述する積層型圧電素子3の幅(例えば2mm〜3mm)に対して筒状部211の内径がかなり大きくなっているのは、底板22の面積を大きくして、低周波数帯域の音圧を上げるためである。
The length of the
なお、図示しないが、ケース21を構成する筒状部211または天板部212には、積層型圧電素子3を外部回路と接続するためのリード部材を通す孔が設けられている。
Although not shown, the
また、後述する底板22の振動を妨げず、底板22の変形に対して十分に小さい変形となる範囲内で、筒状部211または天板部212が変形するようになっていてもよい。例えば、筒状部211の厚みよりも天板部212の厚みが薄くなっていたり、筒状部211がベローズ状(蛇腹状)に形成されていたり、筒状部211の少なくとも一部がバネ形状になっていたりしてもよい。
In addition, the
筒状のケース21を構成する筒状部211の開口した他端側の端面には、底板22の外周部が取り付けられている。底板22は積層型圧電素子3の音波形に相当する振動を受け、音響発生器1が設置された振動板に振動を伝えるための部材であり、筒状部211の端面の形状に合わせて、例えば円形、楕円形あるいは多角形に形成されている。この底板22はケース21と同様の材質からなり、例えばステンレス、アルミニウム、黄銅などの金属、ABS樹脂、ポリアセタール、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレンなどの樹脂で形成される。底板22は天板部212よりも変形しやすくなっており、例えば天板部212の厚みの50%以下の厚みに設定され、例えば0.5mm〜2mmに設定される。
The outer peripheral portion of the
ケース21および底板22は、切削加工の他、金属の場合は鋳造、樹脂の場合はインジ
ェクション成型などにより作製される。
The
ケース21の内部には、底板22を押圧して振動させるように積層型圧電素子3が収容されている。積層型圧電素子3は、音波形に相当する電圧波形を受け、音波形に相当する振動を発生させるための部材であり、天板部211および底板22の間に配置されて、底板22を振動させる。より詳しくは、積層型圧電素子3は、底板22の主面に垂直な方向(図の鉛直方向)と、後述する当該積層型圧電素子3の積層方向とが同じ方向となるようにケース21の内部に収容されている。このように配置することで、いわゆるd33モードを利用した音響発生器1とすることができ、積層型圧電素子3の発生力が大きく、底板22および当該底板22を貼り付けた振動板を大きく変形させることが可能となり、音圧レベルを向上させることができる。
The laminated
積層型圧電素子3は、図2に示すように、例えば、圧電体層31および内部電極層32が交互に積層された積層体33と、積層体33の側面に積層方向に長く被着されて一つの側面へ導出された内部電極層32の端部に電気的に接続された外部電極層34と、外部電極層34に沿って導電性接合材(図示せず)によって接合された外部電極板35とを備えている。
As shown in FIG. 2, for example, the multilayer
積層体33は、圧電体層31および内部電極層32が交互に積層されて、例えば縦0.5〜10mm、横0.5〜10mm、高さ1〜50mmの四角柱状に形成されたもので、内部電極層32の端部が交互に積層体33の互いに反対側となる対向する側面に導出されている。なお、積層体33の形状に特に限定はない。
The laminated
圧電体層31は、圧電特性を有するセラミックスで形成されたもので、このようなセラミックスとして、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PbZrO3−PbTiO3)からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)などを用いることができる。
The
内部電極層32は、圧電体層31を形成するセラミックスと同時焼成により形成されたもので、この形成材料として、例えば低温焼成が可能な銀−パラジウム合金を主成分とする導体、あるいは銅、白金などを含む導体を用いることができる。
The
外部電極層34は、例えば銀とガラスからなるもので、積層体33の側面に積層方向に長く被着されている。そして、外部電極層34は、内部電極層32の導出された端部に電気的に接続されている。
The
外部電極板35は外部電極層34に沿って設けられていて、導電性接合材によって接合されている。この外部電極板35にリード部材(図示せず)が接合されて、外部回路と接続される。外部電極板35は、例えばステンレスなどの金属板からなり、幅方向にスリットや孔が形成されていてもよい。また、導電性接合材は、例えばポリイミド樹脂などの熱硬化性樹脂中に例えば銀などのフィラーがほぼ均一に分散してなるものである。
The
なお、積層型圧電素子3の構成については特に限定はなく、例えば外部電極板35が接合されていなくてもよい。
The configuration of the laminated
積層型圧電素子3の第1の端面(図に示す下側の端面)は底板22に当接し、積層型圧電素子3の第2の端面(第1の端面と対向する面、図1においては上面)はケース21の天板部212に当接している。組み付け後の底板22は積層型圧電素子3の振動を振動板4に伝える役目以外に積層型圧電素子3の保持の役目がある。例えば、積層型圧電素子3の保持の際の底板22のたわみ量は、ケース21の外部へ1mmの範囲になるように設定
される。
The first end face (the lower end face shown in the figure) of the laminated
ここで、積層型圧電素子3の第1の端面は底板22に接着剤などで接着されていてもよく、積層型圧電素子3の第2の端面はケース21の天板部212に接着剤などで接着されていてもよい。また、接着剤を用いて接着せずに、積層型圧電素子3が天板部212および底板22の面内方向にずれたり傾いたりするのを制限するように、例えば筒状部211に突起を設けたり、筒状部211と積層型圧電素子3との間にスペーサを介在させたりするなどしてもよい。なお、底板22と積層型圧電素子3とが直接接触しておらず、例えばコイルスプリングなどの弾性を有する部材がこれらの間に介在されていてもよい。同様に、天板部212と積層型圧電素子3とが直接接触しておらず、これらの間に介在するものが設けられていてもよい。
Here, the first end face of the laminated
そして、底板22の外周部は、ケース21の端面に両面テープ23で固定されているとともに複数のねじ24で固定されている。
The outer peripheral portion of the
両面テープ23は、例えばポリエチレン系やアクリル系の基材層と、例えばアクリル系粘着剤からなる粘着剤層とを含む構成のものであり、内部の気密性を得られるように全周にわたって設けられている。この両面テープ23は、厚みや幅を一定に保つことができる点で、樹脂接着剤よりも好ましく用いることができる。特に、両面テープ23は、シール性、防水性の高いものが好ましい。両面テープ23の厚みは例えば0.15mmから2mmで、両面テープ23の幅は例えばケース21(筒状部211)の端面の幅の±50%以内の幅とされたものである。
The double-
また、複数のねじ24は、底板22の外周部の数か所にそれぞれ挿通されて部分的に強固に固定するためのものである。この複数のねじ24は、例えば鉄鋼、ステンレス鋼、アルミ合金、黄銅などの金属のようにヤング率の高い材料からなり、サイズは例えばM1.6〜M6のものを用いることができる。複数のねじ24は、ケース21(筒状部211)の周方向の長さにもよるが、例えば2〜8個設けられ、周方向に例えば45〜180°間隔で設けられる。好ましくは、複数のねじ24は3〜5個設けられ、72〜120°の間隔で設けられる。
Further, the plurality of
両面テープ23のみによる固定であると、中・高周波数領域の音が減衰され、音圧レベルが低くなるおそれがある。一方、全周にわたって両面テープ23以外(例えば溶着)で強固に固定すると、ケース21と底板22との共振が重なって中・高周波数領域でのピークディップのレベルが大きくなり、音質が悪くなるおそれがある。
If the fixing is performed only by the double-
これに対し、全周にわたって設けられた両面テープ23で音響発生器1の気密性を保った上で、部分的に設けられた複数のねじ24でケース21と底板22とを部分的に強固に固定することで、中・高周波数領域の振動の伝搬がよくなり、中・高周波数領域における音圧レベルを向上させ、また音質の優れたものとすることができる。
On the other hand, the airtightness of the
ここで、複数のねじ24のうちの少なくとも一つのねじ24による締め付けトルクが、他のねじ24による締め付けトルクと異なっているのがよい。締め付けトルクは、例えば、ねじ24のサイズ(呼び径)、有効断面積、トルク係数などにより決定されるが、これらの値を異ならせることで、締めつけトルクを異ならせることができる。この締め付けトルクは、戻しトルク法や増し締めトルク法により測定することができる。
Here, the tightening torque by at least one
このような構成によれば、底板22にかかるテンションを場所によって異ならせることができ、底板22が不均一に振動するようになるため、共振しにくくなってピークディップを小さくすることができる。なお、例えばM3サイズのねじ24が円周上における0°
の位置と180°の位置とに2個設けられる場合、一方のねじ24を例えば0.5〜1.0N・m、他方のねじ24を例えば1.1〜3.0N・mで締めつけるように設定することで、異ならせることができる。また、ねじ24が3個以上設けられる場合、1個のねじ24のみの締め付けトルクを他のねじ24の締め付けトルクと異ならせてもよく、より好ましくはそれぞれの締めつけトルクを異ならせることで、より共振しにくくなり、ピークディップを小さくすることができる。
According to such a configuration, the tension applied to the
If two screws are provided at the position of 180 ° and 180 °, for example, tighten one
図3(a)は本実施形態に係る音響発生器の他の例を示す概略縦断面図、図3(b)は図3(a)に示す音響発生器の底面図である。図3に示すように、複数のねじ24のうちの少なくとも一つのねじ24の径が他のねじ24の径とは異なっているのがよい。ねじ24の径(呼び径)が異なると、ねじ24が底板22を押す力が異なるようになるので、このような構成によっても、底板22にかかるテンションを場所によって異ならせることができ、底板22が不均一に振動するようになるため、容易に調整でき、ピークディップを小さくすることができる。なお、ねじ24のサイズ(径)は、例えば円周上における0°の位置と180°の位置とにねじ24が2個設けられる場合、一方のねじ24を例えばM1.6〜4のサイズとし、他方のねじ24をM3〜6のサイズと設定される。また、ねじ24が3個以上設けられる場合、1個のねじ24のみの径を他のねじ24の径と異ならせてもよく、より好ましくはそれぞれの径を異ならせることで、より共振しにくくなり、ピークディップを小さくすることができる。
Fig.3 (a) is a schematic longitudinal cross-sectional view which shows the other example of the sound generator which concerns on this embodiment, FIG.3 (b) is a bottom view of the sound generator shown to Fig.3 (a). As shown in FIG. 3, the diameter of at least one of the plurality of
図4は本実施形態に係る音響発生器の他の例を示す概略縦断面図である。図4に示すように、周方向における複数のねじ24の間隔のうち、少なくとも一つの間隔が他の間隔とは異なっていてもよい。複数のねじ24の間隔のうち、少なくとも一つの間隔が他の間隔と異なる構成によっても、底板22が不均等に強固に固定される部分を有する形となり、底板22が不均一に振動するようになるため、共振しにくくなってピークディップを小さくすることができる。なお、図5に示す例では、ねじ24が3個設けられており、これらの3個のねじ24の間隔は、60°、150°、150°の間隔になっている。この例のように、ねじ24が3個の場合において、一つの間隔が他の二つの間隔と異なっていてもよいが、例えば30〜180°の範囲内で全ての間隔がそれぞれ互いに異なっていてもよい。
FIG. 4 is a schematic longitudinal sectional view showing another example of the sound generator according to the present embodiment. As shown in FIG. 4, at least one of the intervals of the plurality of
これまで述べた音響発生器1は、図5に示すように、音響発生器1の底板22を外部の振動板4に貼り付けて、積層型圧電素子3の駆動によって振動板4を振動させるスピーカーとすることができる。なお、図5は本実施形態に係る音響発生器1を用いたスピーカーの一例を示す概略縦断面図である。このスピーカーは、音響発生器1で振動を発生させ、それによって設置対象物となる振動板4を振動させることで音を発生させるものである。振動板4としては、石膏ボードからなるものを採用できる。
The
具体的には、増幅器によって増幅された電気信号が音響発生器1を構成する積層型圧電素子3に入力されて、振動板4が振動する。例えば、1V程度の電気信号が±50V程度まで増幅されて入力される。
Specifically, the electric signal amplified by the amplifier is input to the laminated
音響発生器1は、例えば接着剤や両面テープを用いて振動板4に貼り付けられる。例えば屋内設備の天板や壁を振動板4として利用することができ、これらに音響発生器1を設置して、設置された天板全体や壁全体を音響発生器1が振動させることで、天板や壁から音や音楽を発生させることができる。天板や壁は、石膏ボード、アクリル樹脂、建設用木材などでもよく、音響発生装置として機能する所望の厚さになっていればよい。
The
以下、音響発生器の具体例について説明する。 Hereinafter, specific examples of the sound generator will be described.
まず、積層型圧電素子として、チタン酸ジルコン酸鉛(PbZrO3−PbTiO3)からなる圧電体層と銀パラジウムからなる内部電極層とが積層された積層体を作製し、研削加工によって、縦が2mm、横が2mm、長さが25mmの四角柱状に作製した。 First, a laminate is prepared by laminating a piezoelectric layer made of lead zirconate titanate (PbZrO 3 -PbTiO 3 ) and an internal electrode layer made of silver palladium as a laminate type piezoelectric element, and the longitudinal direction is made by grinding. It produced in square pole shape of 2 mm, width 2 mm, and length 25 mm.
ケースは、SUS304からなり、外径が50mm、高さが30mmの円柱形状で、切削加工により内側にくり貫きを設けた形状とし、くり貫き部(内部空間)の寸法を直径35mm、深さが25mmとした。天板部の厚みを5mm、筒状部の厚みを7.5mmとした。 The case is made of SUS304 and has a cylindrical shape with an outer diameter of 50 mm and a height of 30 mm. The case has a hollowed inside by cutting. The diameter of the hollowed part (internal space) is 35 mm, depth is It was 25 mm. The thickness of the top plate was 5 mm, and the thickness of the cylindrical portion was 7.5 mm.
底板は、同様にSUS304からなり、円板形状で外径50mm、厚み1mmとした。 The bottom plate was similarly made of SUS304, and had a disk shape with an outer diameter of 50 mm and a thickness of 1 mm.
これらを用いて、5種類の試料となる音響発生器を作製した。 Using these, the sound generator used as five types of samples was produced.
具体的には、比較例として、底板の外周部を全周にわたってケースの端面にエポキシ系接着材にて固定して、音響発生器(試料1)を作製した。 Specifically, as a comparative example, the outer periphery of the bottom plate was fixed to the end face of the case with the epoxy adhesive over the entire circumference, and a sound generator (sample 1) was produced.
また、実施例として、ケースの端面に底板の外周部を全周にわたって両面テープ、具体的には、柔軟で、強靭なアクリルフォーム基材の両側に、耐候性、耐薬品性に優れたアクリル系粘着剤層を設けた厚み0.6mmの両面テープで、固定するとともに、2個のねじで底板の外周部の2箇所を180°間隔に強固に固定し、図1に示すような音響発生器(試料2)を作製した。ここで、2個のねじは、サイズM3のものを用い、締め付けトルクをどちらも0.74N・mにてねじ留めした。 In addition, as an example, the end face of the case is a double-sided tape all around the outer periphery of the bottom plate, specifically, an acrylic that is excellent in weather resistance and chemical resistance on both sides of a flexible, tough acrylic foam substrate. A sound generator as shown in FIG. 1 is fixed with two screws with a thickness of 0.6 mm provided with a pressure-sensitive adhesive layer, and at two locations of the outer peripheral part of the bottom plate with two screws at 180 ° intervals. (Sample 2) was produced. Here, the two screws were of size M3 and screwing was performed at a tightening torque of 0.74 N · m.
また、実施例として、試料2の音響発生器と同様に底板の外周部を全周にわたって両面テープで固定するとともに、サイズM3のねじを2個用い、ねじによる締め付けトルクを1.99N・mとして底板の外周部の2箇所を180°間隔に強固に固定し、音響発生器(試料3)を作製した。ここで、一方の締めつけトルクを0.67N・mとし、他方の締めつけトルクを1.99N・mとした。 Moreover, as an example, while fixing the outer peripheral part of the bottom plate with a double-sided tape over the entire circumference like the sound generator of sample 2, two screws of size M3 are used, and the tightening torque by the screw is 1.99 N · m An acoustic generator (sample 3) was manufactured by firmly fixing two places of the outer peripheral portion of the bottom plate at 180 ° intervals. Here, one tightening torque was 0.67 N · m, and the other tightening torque was 1.99 N · m.
また、実施例として、同様に底板の外周部を全周にわたって両面テープで固定するとともに、ねじを3個用意し、2個はサイズM3のもの、1個はサイズM5のものとして底板の外周部の2箇所を120°間隔に強固に固定し、図3に示すような音響発生器(試料4)を作製した。 Also, as an example, similarly, while fixing the outer peripheral portion of the bottom plate with double-sided tape all around, prepare three screws, two of size M3 and one of size M5. The two points of the above were firmly fixed at 120 ° intervals to produce an acoustic generator (sample 4) as shown in FIG.
また、実施例として、同様に底板の外周部を全周にわたって両面テープで固定するとともに、サイズM3のねじを3個用意し、周方向における複数のねじの間隔を、144°、144°、72°と、一つの間隔が他の間隔とは異なるように強固に固定し、図4に示すような音響発生器(試料5)を作製した。 Also, as an example, similarly, while fixing the outer peripheral portion of the bottom plate with a double-sided tape over the entire circumference, three screws of size M3 are prepared, and the intervals of the plurality of screws in the circumferential direction are 144 °, 144 °, 72 The sound generator (sample 5) as shown in FIG. 4 was manufactured by firmly fixing one interval to another so as to be different from the other intervals.
これらの音響発生器を1600mm×900mm、厚み10mmの石膏ボード上に設置してスピーカーとし、両面テープにて貼り付けた。音圧特性を評価した。 These sound generators were placed on a plaster board of 1600 mm × 900 mm and a thickness of 10 mm to form a speaker, which was attached with double-sided tape. Sound pressure characteristics were evaluated.
駆動条件はサインスイープで、振幅±15Vで、周波数を100Hzから20kHzまで連続的に変更させた。測定に際し、無響室内にてマイクロフォンを1mの下方に設置し、集音した。集音したデータは周波数ごとの音圧レベル値に変換し、比較を行った。 The driving conditions were sine sweep, with an amplitude of ± 15 V, and the frequency was continuously changed from 100 Hz to 20 kHz. At the time of measurement, a microphone was placed under 1 m in an anechoic chamber to collect sound. The collected data were converted to sound pressure level values for each frequency and compared.
測定した結果、全周波数(100Hzから20kHz)での平均音圧レベルは、試料1が67dB、試料2が72dB、試料3が75dB、試料4が75dB、試料5が76dBとなり、両面テープとねじとで底板を固定することで中・高周波数での音圧レベルの向
上が認められた。
As a result of the measurement, the average sound pressure level at all frequencies (100 Hz to 20 kHz) is 67 dB for
また、高周波数帯域である5kHzから10kHz付近に見られるピークとディップとの音圧レベル差は、試料2が14dB、試料3が10dB、試料4が10dB、試料5が8dBで、ねじの締め付けトルク、ねじの直径、間隔を異ならせることで、低減されることが確認された。
The sound pressure level difference between the peak and the dip seen around 5 kHz to 10 kHz, which is the high frequency band, is 14 dB for sample 2, 10 dB for
1 音響発生器
21 ケース
211 筒状部
212 天板部
22 底板
23 両面テープ
24 ねじ
3 積層型圧電素子
31 圧電体層
32 内部電極層
33 積層体
34 外部電極層
35 外部電極板
4 振動板
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