JP7168210B2 - 純チタン金属材料薄板の製造方法およびスピーカ振動板の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、チタン金属材料薄板の製造方法に関し、特に高強度かつ、高延性を有する純度９９％以上の純チタンからなるチタン金属材料薄板であって曲面を有する薄板の製造方法に関するものである。
チタン金属材料の動的機械特性から楽器や音響関係のスピーカ等の振動板部材として注目され、製造技術研究が進められている。具体的に振動板に求められる厚さは通常２００μm以下で、特にツイータ用として厚さは数１０μm以下が必要とされている。純チタン金属材料は加工性、強度の面で要求仕様を満たすことが困難であるため、他の金属材料との合金で要求を満たすための研究が行われているが、純チタンと比較し、特性が劣ったり、コストアップになったりして実用化には至っていない。
また、生体適合性の観点から、チタン金属材料は人工骨への適用が期待されているが、振動板と同様に加工性を改善するため純チタン材料に他の金属材料を添加したチタン合金材料が提案されている。しかしながら、添加する金属材料によっては生体への影響が懸念される。
これら振動板や人工骨などの用途では、コストや生体適合性から、他の金属材料の添加によって課題解決するのではなく、純チタン材料を用いて製造方法による課題解決のアプローチが望ましい。そこで、純チタン薄板の曲面への加工性に着目して従来技術について説明する。
従来の純チタン製薄板は変形限界に近い過酷な成形による割れが問題とされてきた。非特許文献１では、０．６ｍｍ～１．０ｍｍ程度のチタン薄板を対象として、酸素含有量が低いほど、また結晶粒径が大きいほど張出成形性が良好になることを実験的に確かめている。
非特許文献２では、板厚２５μｍのチタン薄板材料を対象として、結晶粒径が４μｍの時に加工性が高いことが報告されている。具体的にはJIS１種相当の純チタン薄板を板厚２５μｍに冷間圧延したものを連続焼鈍設備にて、６２０～７４０℃まで温度を変えての焼鈍を繰り返して結晶粒径をコントロールし、エリクセン試験を行った結果、結晶粒径が８０μｍを超えると成形性が低下することが示されている。
特許文献１には、２００μｍ以下チタン薄板で表面が硬く内部が軟質であるチタン薄板とその製造方法を開示している。具体的にはバルク中の鉄が０．１mass％以下、酸素が０．１mass％以下であり、板厚（ｍｍ）／粒径（ｍｍ）≧３でかつ粒径≧２．５μｍを満たし、表面に２００ｎｍ～２μｍの硬化層を有した材料を開示している。製造方法としては、ＪＩＳＨ４６００に規定された純チタン材料を冷間圧延および中間焼鈍を行ったあと、Ａｒ雰囲気で更に焼鈍を行うことにより結晶粒をコントロールするものであった。また、表面の硬化層は圧延油や焼鈍炉のガス雰囲気によって酸素、窒素、炭素のいずれかを濃化させて形成するものであった。
本願の発明者によって開発された技術は特許文献２に開示されるが、この技術ではブロック状の純チタン材料を出発原料として多軸鍛造（Multi-Directional Forging：MDF）を行った後、圧延率６５％以上で圧延処理を行うことで平均結晶粒径が５００ｎｍの厚さ数ｍｍ程度チタン板を実現している。多軸鍛造では、純チタン製の矩形上の被加工体を３軸のそれぞれの軸方向から順次鍛造するパスを複数回繰り返すことで被加工体の結晶粒径の平均値が５００ｎｍ以下の超微粒の組織が得られる。多軸鍛造後に被加工体の強度をより一層高めるために圧延処理が行われ、室温以下の温度条件で、圧延率は６５％以上となるよう条件で施されることが示されている。
鋸屋正喜,私市 優，石山成志，鉄と鋼 第72年第6号 115-122 （1986）
松本啓, 喜多勇人, 新日鐵住金技法, 第396号, 117-122 (2013)
しかしながら、前掲の非特許文献１、２および特許文献１、２では、１０μｍ～２００μｍ程度の厚さで曲面を有しておらず、スピーカの振動板として硬さやヤング率などの必要な機械特性を発現しうる薄板が提供できていない。また、非特許文献２には加工例としてスピーカ振動板が掲載されているが、その製造方法については何ら開示されておらず、当該板厚におけるチタン金属材料による曲面形状の加工性についての評価もなされていないことから、良好な曲面形状への加工方法は確立されていない状況であった。
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、高強度で且つ優れた加工性を有する曲面形状のチタン金属材料薄板を安価に製造するための製造方法を提供するところにある。
この目的を達成するために純チタン金属製薄板の製造方法にかかる第１の発明は、純チタン金属材料に強ひずみ加工を施す予備加工工程と、該予備加工工程で加工された純チタン金属製薄板を所定形状に変形する変形加工工程とを含み、前記予備加工工程は、ひずみ量を０．１～０．８の範囲内として三次元方向に少なくとも各１回以上の鍛造を施す多軸鍛造処理工程と、６５％以上の圧延率で圧延処理する圧延工程とを含み、前記変形加工工程は、室温以上４００℃以下の条件下において張出成形する成形工程を含むことを特徴とする。
純チタン金属製薄板の製造方法にかかる第２の発明は、第１の発明において、前記変形加工工程が、さらに、チタンが再結晶化しない温度に加熱する熱処理工程を含むものである。
純チタン金属製薄板の製造方法にかかる第３の発明は、第１または第２の発明において、前記成形工程が、１００℃以上３００℃以下の条件下において張出成形するものである。
純チタン金属製薄板の製造方法にかかる第４の発明は、第１または第２の発明において、前記変形加工工程が、金型およびダイスを室温以上４００℃以下に加熱した状態が維持されているものである。
純チタン金属製薄板の製造方法にかかる第５の発明は、第３の発明において、前記変形加工工程が、金型およびダイスを１００℃以上３００℃以下に加熱した状態が維持されているものである。
純チタン金属製薄板の製造方法にかかる第６の発明は、第１ないし第５の発明において、前記予備加工工程が、多軸鍛造工程で製造された純チタン金属材料を、前記圧延工程により肉厚を１０μｍ～３００μｍ とするものであり、前記成形加工工程は、該肉厚の純チタン金属材料を曲面に変形するものである。
純チタン金属製薄板の製造方法にかかる第７の発明は、第６の発明において、前記加工方法が、前記曲面が前記張出成形によって加工される範囲の長さに対する張出方向長さの割合が１／１６～１／４に変形されるものである。
スピーカ振動板の製造方法にかかる発明は、純チタン金属製薄板の製造方法にかかる第６または第７に記載の製造方法によって、１０μｍ～３００μｍの肉厚による純チタン金属薄膜を球面状に加工してなることを特徴とするものである。
本発明の曲面を有するチタン金属材料薄板の加工方法によれば、純チタン金属材料を用いて、結晶組織をコントロールすることで、強度と延性を有するチタン金属材料を安価に製造できるという効果がある。
以下に本発明の実施形態について詳細に説明する。
本発明に用いるチタン金属材料は不純物が少ないチタン材料（JISの２種のＣＰチタン）でどのような形状のものを用いてもよく、例えば、棒状、丸棒などのブロック形状のものが用いられる。原料に用いるチタン金属材料の結晶の平均結晶粒径は約３３μｍ程度、ヤング率は１０６．４GPaであるものが一般的である。
製造方法の一実施形態を図１に示す。Ｓ１工程は多軸鍛造工程である。Ｓ１工程の後に、Ｓ２工程の圧延工程で所定の厚さの薄板に圧延する。Ｓ３工程は張出成形工程である。Ｓ４工程は成形品の熱処理工程である。ここで、Ｓ１、Ｓ２工程を予備加工工程と呼び、Ｓ３工程を変形加工工程と呼ぶ。Ｓ４工程の熱処理は加工品の要求特性に応じ省略することができる。
Ｓ１工程の多軸鍛造（MDF）法を説明する。多軸鍛造法は、ブロック状加工体に所定の鍛造加工ひずみを付与し、鍛造パス毎に９０度ずつ試料を回転させる方法である。具体的には、最初に矩形状被加工体を準備する。この被加工体が第１の方向に沿って鍛造される（第１回目のパス）。次に被加工体の第１の方向と直角の方向となる第２の方向に沿って鍛造される（第２回目のパス）。さらに、被加工体が第１と第２の方向と直角の方向となる第３の方向に沿って鍛造される（第３回目のパス）。３回のパスによって、被加工体は外観上、実質的に最初と同じ形状に戻ることになる。この各方向における（各パスでの）鍛造によって被加工体に加えられる加工ひずみ量は、同じであっても異なっていてもよい。また、鍛造工程中、鍛造をより行いやすくするために被加工体を切削加工しても良い。このような多軸鍛造によって各方向からの鍛造パスを順次繰り返すことにより、結果的に被加工体に多量のひずみを導入することができる。純チタン材料は室温での活動すべり系が少ないため、塑性加工性が低いことが知られており、１回のパスで大きなひずみを導入しようとすると、容易に割れや欠陥が生じる。このため、各１回の鍛造パスで導入されるひずみ量を少なくして各方向の鍛造を実施する。１回のパスで与えるひずみ量は０．１～０．８の範囲であり、０．２～０．４の範囲であることが好ましい。この工程により、材料組織の超微細粒化が可能となり、チタン金属材料の平均結晶粒径をより小さくできる。多軸鍛造により、被加工体には、大きなひずみが累積して導入される。Ｓ１工程後に被加工体に導入される累積ひずみ量は、例えば、１．０～４０の範囲である。累積ひずみ量は２．０～１０が好ましい。
多軸鍛造工程は室温（３００K前後）で実施されるが、例えば－１９６℃（７７K：液体窒素雰囲気）のような、室温より低い温度で実施されてもよい。低温での鍛造処理により、一度の鍛造で、より多くの変形誘起組織(変形双晶、せん断帯、マイクロバンド、変形帯、転位等)を被加工体に導入しより早く結晶粒を微細化することができるメリットがある。本発明において多軸鍛造処理の温度は、主として被加工体がさらされる環境の温度を意味するものとする。これは、被加工体の温度が鍛造の実施によってある程度上昇するため、被加工体の温度で温度を規定すると、その値が曖昧になるためである。
Ｓ２工程の圧延工程では、MDF工程によって材料の塑性加工性が良くなっていることから低い温度で圧延することができ、室温～再結晶化が始まらない温度で行うことが好ましい。好ましくは４００℃以下の温度である。更に好適には３００℃以下の温度である。圧延温度が３００℃より高いでは結晶粒径が大きくなりやすく、場合によっては再結晶化して好ましくない（後述する図８～図１２参照）。
Ｓ３工程の張出成形方法を詳細に説明する。予備加工工程のＳ２工程まで製作した薄板を均一な厚さの曲面状に成形する工程で温度管理が重要な要素であるため、曲面に成形するための金型のパンチ・ダイスおよび被加工体の薄板は、成形開始前に加熱炉を用いて成形温度として定めた所定温度まで昇温し、それぞれが所定温度となるまで十分に保持する。張出成形工程の温度は、室温から再結晶化が始まらない温度以下である。好ましくは４００℃以下である。さらに好適には３００℃以下である。３００℃以上の温度では、予備加工工程で超微細結晶化されたチタン金属材料の粒成長が始まり、さらに高温域では再結晶化が始まり、好ましくない。薄板の成形では成形品寸法、形状、金型などの機械的成形条件により応力状態、変形形状、破断形態が多種多様な変化を示すため、成形方法ごとに区分して考える必要がある。金属材料に適用される成形方法のひとつである張出成形法を本発明では、適用したが、この方法では伸び変形の最も大きい部分から破断する傾向にある。この破断限界を向上させるためには、薄板の延性を向上させることと、ひずみ分布の一様性を確保する必要がある。すなわち、変形が局所に集中することを避け、できるだけ薄板全体に分散する条件を適用することである。スピーカのツイータの振動板として適用するためには、成形後の肉厚分布の均一性も要求される。張出性は張出試験で通常剛体ポンチによって張出し成形を行い、割れが発生したときの張出量をエリクセン値として表示される。エリクセン値は薄板上の圧延方向とその直角方向の２軸に対してほぼ等ひずみの変形下の割れ限界値である。
Ｓ４工程は熱処理工程である。熱処理温度は４００℃（５７３Ｋ）であり、好ましくは３００℃（５７３Ｋ）以下の温度範囲にて行うことで、強度（硬度）および加工性のどちらの特性も熱処理前に対して劣化させることなく、塑性変形が可能となるため、Ｓ３の張出成形工程で曲面に成形した後の加工性が改善される。４００℃以上の温度では結晶粒径が急激に大きくなるため、好ましくない。
Ｓ１～Ｓ４の工程を経て製造された曲面を有するチタン金属材料薄板であって、スピーカのツイータの振動板および頭蓋骨の一部として使う人工骨の斜視図を図２に示す。図２（ａ）は、スピーカのツイータに使用する振動板で、図２（ｂ）は頭蓋骨の人工骨の模式図である。ツイータの振動板は肉厚が１０μｍ～３００μｍ程度の範囲のもので、加工された範囲の直径に対して張出方向の長さの割合は１／１６～１／４が実現できる。
評価試験について説明する。評価試験において、結晶構造は、供試材のＮＤ(圧延面法線方向)からの透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscopy/ＴＥＭ)を観察する。機械特性として行う張出し試験では、延性を評価するためヤング率とエリクセン値を調査し、強度試験では、ビッカース硬度を評価する。
ＴＥＭ観察で結晶組織を観察し、そのTEM像からラインインターセプト法により平均結晶粒径を求める。強度試験は、２０μｍ薄板のT.D.面（圧延面垂直方向の面）に対する硬さをダイナミック微小硬度計で測定する。２０μｍ薄板のT.D.面に対する硬さの測定を行うために、２０μｍの薄板を樹脂に埋め埋め込んだ後、エメリー紙研磨、バフ研磨を順に行って試験試料を作成する。エメリー紙研磨では、回転研磨盤に耐水ペーパーを敷き、粒度#１８０～#４０００まで順次交換しながら機械研磨を行う。また、#４０００の研磨方向がＲ.Ｄ.方向（圧延方向）と平行になるように機械研磨方向を調整する。続くバフ研磨では、回転研磨盤にバフを敷き、粒度０．１μｍのアルミナペーストを用いて、Ｎ.Ｄ.方向（圧延面法線方向）と平行になるように鏡面状態になるまで研磨を行う。硬さ試験では、試験力を１０ｍＮまたは ２０ｍＮ、負荷保持時間５秒、除荷保持時間を５秒に設定して、鏡面状態の箇所で動的硬さ試験する。
以下、本発明の製造方法および効果を検証するための実験例を説明する。
出発材料は直径約６０ｍｍの市販の丸棒状純チタン試料（JISの２種のＣＰチタン）である。その平均結晶粒径は約３３μｍ程度、ヤング率は１０６．４GPaである。ここで、JISH４６００に定められている２種の純チタンの化学組成を表１に示す。
出発材料を矩形状の被加工体に切断加工後、Ｓ1工程でＭＤＦ法で多軸鍛造を行った。
ＭＤＦ法の条件について説明する。室温で、被加工体の第１の方向（Ｘ方向、主として出発材料の長手方向）に沿って、被加工体を鍛造した（第１パス）。第１パスにより導入されるひずみ量△εは、０．２とした。次に、被加工体の第２の方向（Ｙ方向）に沿って、被加工体を鍛造した（第２パス）。第２パスにより導入されるひずみ量△εは、０．２とした。次に、被加工体の第３の方向（Ｚ方向）に沿って、被加工体を鍛造した（第３パス）。第３パスにより導入されるひずみ量△εは、０．２とした。このように、Ｘ方向→Ｙ方向→Ｚ方向の順番で、鍛造処理を合計１０回（１０パス）繰り返すことにより、被加工体に累積ひずみΣ△ε＝２．０を導入した。また、本発明において、各パスにおけるひずみ速度は、１×１０－３／秒～１０／秒の範囲であることが好ましい。なお、多軸鍛造処理後の被加工体には、ワレや欠陥の発生は認められなかった。
つぎに、多軸鍛造処理を施した矩形状の被加工体に対して、S２工程の圧延処理を室温で実施した。また、圧延による被加工体の圧延率は、９５％以上とし、複数回圧延を繰り返すことで１３μｍ、２０μｍ、３０μｍ、５０μｍ、１００μｍの５種類の厚さの薄板(箔)を作製した。それぞれ１３μｍ箔、２０μｍ箔、３０μｍ箔、５０μｍ箔、１００μｍ箔と呼ぶ。圧延処理後の薄板には、ワレや欠陥が箔端に認められたが、切断除去した。
図３はＳ１→Ｓ２工程によって作製した２０μｍ箔の結晶構造のＴＥＭ観察像である。ラインインターセプト法により平均結晶粒径を測定した結果、６９nｍであった。黒色コントラスト部が複数点在しており、ＭＤＦによって転位下部組織が発達していることが観察される。組織は必ずしも等軸では無く、ラメラ状組織も一部に残存しているが、微細粒組織であることがわかる。図３の左上には、ＳＡＤ（selected area diffraction）パターンも記した。微視組織観察の結果、転位のタングル及び転位セルの存在が顕著に見られた。
Ｓ３工程の押出成形工程でスピーカのコーン状の曲面形状に成形した。被加工体の大きさは圧延方向（R.D.）の長さ×垂直方向（T.D.）の長さを ３０ｍｍ×１８ｍｍとし、押出成形の雄型のパンチには直径８ｍｍの鋼球を用いた。雌型は成形対象の薄板の厚さの２倍に直径８ｍｍを加算した直径の半球状の凹みを有する金属性の型である。これらの雄雌型および薄板を小型炉の槽内に入れ、５分間、所定の成形温度に昇温・保持し、型および被加工体が所定の温度になっていることを確かめた。押出成形は、亀裂の発生がない、設計上の深さまで行い押し込みは手動で行った。２０μｍの薄板では、直径８ｍｍに対して、曲面の深さ（くぼみ変形深さ）は０．５ｍｍ～２ｍｍであった。この直径に対するくぼみ変形深さの比は１／４～１／１６まで成形できた。
張出成形工程の成形条件を求めるために張出試験を行った。２０μm薄板を使って張出成形時の温度とエリクセン値の測定結果を図４に示す。エリクセン値は破壊限界の張出成形量を示したものであることから、成形条件の温度を決めることができる。張出成型性を示すエリクセン値は温度の上昇に伴って上昇し、温度により成形性が向上している。特に３００℃(５７３K)でのエリクセン値の上昇は顕著であり、スピーカに用いるツイータ用振動板の製造にとって十分大きな値であった。ＭＤＦを施し結晶粒が微細化され粒界すべりが生じるようになったことと、温間成形による活動すべり系の増加が主な原因と考えられる。また、張出成形工程後のくぼみ変形部の硬さとヤング率を図５に示す。張出成形後の変形による大きな強度の低下はなかった。ヤング率は３００℃（５７３Ｋ）で最も低下し、さらに７７℃（３５０Ｋ）から１７７℃（４５０Ｋ）の間でヤング率の極小点が存在する傾向にあることが分かった。これらの結果から、スピーカのツイータとして薄板加工が可能な張出成形温度は３００℃（５７３Ｋ）から２７℃（３００Ｋ）である。ただし、わずかな結晶粒の成長を許容するならば（後述の図１２参照）、粒界すべりと活動すべり系の増加の観点から４００℃以下と考えられる。
成形前の薄板の厚さとエリクセン値の関係を図６に示す。３００℃(５７３K)におけるエリクセン値は室温２７℃（３００Ｋ）に対して約２．３倍以上のエリクセン値を示した。特に、１３μｍ箔は約３．６倍のエリクセン値を示した。また、厚さ５０μｍの薄板でも１３μｍと同等のエリクセン値０．５ｍｍが得られており、５０μｍ厚さでもスピーカのツイータの振動板をつくることができることが分かった。
張出成形後のくぼみ変形部分の厚さの分布を図７に示す。試験片のくぼみ変形部分の中心を通る線分の両端を０と１１とし、１１等分する。線分の間の点を左から順に１～１０とし、この１０点の部分の厚さを測定した。測定点の１と１０である両端付近でわずかに厚さが減少しているものの成形温度２７℃から３００℃の範囲では顕著な厚さバラツキがみられない。
Ｓ４工程の熱処理を行った。真空中で熱処理の温度の最適な範囲を求めるため、室温から５００℃（７７３Ｋ)までの範囲で試験をおこなった。３００℃、３５０℃、４００℃、５００℃で熱処理した後の試験片の組織をTEMで観察した写真を図８～図１１に示す。同図の左上には、ＳＡＤ（selected area diffraction）パターンも記した。熱処理前および熱処理温度３００℃では転位のタングルおよび転位セルの存在が顕著に見られ、熱処理の影響はない。３５０℃、４００℃、５００℃の熱処理後の組織は、いずれも再結晶したとみられる結晶粒組織が多数観察された。図１２の熱処理温度と平均結晶粒径の関係から、３００℃(５７３K)以下の熱処理では結晶粒径は６９ｎｍ～１００ｎｍの値を示し、それ以上で急激に結晶成長し平均結晶粒径が大きくなった。このことから、Ｓ4工程の熱処理温度は結晶粒径に影響を与えない３００℃以下が好ましい。ただし、５００℃の熱処理温度でもその平均結晶粒径は1μm以下で、超微細粒組織であり通常のチタン組織と比較して著しく微細である。
熱処理温度を変えて熱処理を行った２０μｍの薄板の硬さとヤング率の測定結果を図１３に示す。熱処理温度が２７℃（３００Ｋ）～５００℃（７７３Ｋ）の範囲ではヤング率は、６８GPa～９０GPaであった。また、この温度範囲では強度（硬度）が高い値を示している。スピーカ用の振動板への利用する場合、比弾性率（E/ρ、E：ヤング率、ρ：密度）は高い方が材料の分割振動に起因するノイズが低減されるため、同一材料でヤング率は高いほうが良い。３００℃（５７３Ｋ）までは硬さとヤング率が上昇し、３００℃（５７３Ｋ）をピークに、熱処理温度の上昇に伴い硬さとヤング率が低下することがわかった。熱処理温度３００℃（５７３Ｋ）以上では，ＴＥＭ写真でも確認できているように粒成長と再結晶が進むためであると言える。
純チタン金属製薄板の製造方法にかかる本発明により製造される純チタン金属製薄板は、板厚１３μｍ～５０μｍにおいてエリクセン値０．５ｍｍ以上となることから、成形性に優れたものとなり、前掲のスピーカ振動板（ツイータ）または頭蓋骨用人工骨に使用することができるほか、金属光沢による審美性を有するという利点から、薄板を用いた携帯電話用筐体や、その他の各種製品の筐体としても利用でき、さらに、生体適合性の観点から、人工関節などにも使用することができる。
また、純チタン金属製であることから、耐食性および熱伝導率を考慮すれば、薄板によって構成する伝熱管、熱交換器、エンジン周辺部品などに使用することができ、ＩＴ機器にも使用し得る。
Claims (5)
- ヴィッカース硬度および板厚１３～５０μｍでのエリクセン値のそれぞれが所望の範囲内にある純チタン金属製薄板の製造方法であって、
純チタン金属材料に強ひずみ加工を施す予備加工工程と、
該予備加工工程で加工された純チタン金属製薄板を所定形状に変形する変形加工工程とを含み、
前記予備加工工程は、ひずみ量を０．１～０．８の範囲内として三次元方向に少なくとも各１回以上の鍛造を施す多軸鍛造処理工程と、
６５％以上の圧延率で圧延処理する圧延工程とを含み、
前記変形加工工程は、２７℃～３００℃の条件下において張出成形する成形工程と、チタンが再結晶化しない２７℃～５００℃に加熱する熱処理工程とを含むことを特徴とする純チタン金属製薄板の製造方法。 - 前記変形加工工程は、金型およびダイスを１００℃以上３００℃以下に加熱した状態が維持されている請求項１に記載の純チタン金属製薄板の製造方法。
- 前記予備加工工程は、多軸鍛造工程で製造された純チタン金属材料を、前記圧延工程により肉厚を１０μｍ～３００μｍとするものであり、前記変形加工工程は、該肉厚の純チタン金属材料を曲面に変形するものである請求項１または２に記載の純チタン金属製薄板の製造方法。
- 前記曲面は、前記張出成形によって加工される範囲の長さに対する張出方向長さの割合が１／１６～１／４に変形されるものである請求項３に記載の純チタン金属製薄板の製造方法。
- 純チタンによるスピーカ振動板の製造方法であって、請求項３または４に記載の製造方法によって、１０μｍ～３００μｍの肉厚による純チタン金属薄膜を球面状に加工してなることを特徴とするスピーカ振動板の製造方法。
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