KR20180088730A - 초음파 혼 - Google Patents

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KR20180088730A
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히카루 미우라
타쿠야 아사미
야스모토 토가시
노부유키 아오야기
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가부시키가이샤 신가와
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Abstract

초음파 혼이 발진기로부터 입력된 초음파대역의 주파수를 갖는 신호에 근거하여 초음파대역의 주파수를 갖는 세로 진동을 발생시키도록 구성되는 진동 발생부와, 상기 진동 발생부에서의 상기 세로 진동을 전달시키면서 증폭시키도록 구성되는 진동 증폭부와, 상기 진동 증폭부의 표면에 홈 형상으로 형성되는 슬릿을 갖고, 상기 세로 진동을 비틀림 진동으로 변환하도록 구성되는 세로-비틀림 진동 변환 슬릿부를 구비한다. 상기 진동 증폭부는 평면시로 다각형 형상이며, 상기 슬릿이 설치되어 있는 면을 복수 가짐과 아울러 슬릿이 설치되어 있지 않은 면을 갖는다.

Description

초음파 혼
본 발명은 초음파 혼에 관한 것이다.
본원은, 2015년 12월 4일에, 일본에 출원된 일본 특원 2015-238059호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
예를 들면, 특허문헌 1에는, 세로 진동을 비틀림 진동으로 변환하는 세로-비틀림 진동 변환 슬릿부를 로드의 둘레면에 구비한 초음파 복합 진동 장치가 개시되어 있다. 이러한 초음파 복합 진동 발생 장치에 의하면, 세로 방향의 진동과 비틀림 방향의 진동을 복합적으로 발생시키는 것이 가능하다.
일본 특개 2013-111508호 공보
그런데, 초음파 복합 진동 장치는 파지부를 설치하고, 선단에 가공용 헤드를 부착함으로써, 초음파 가공기로서 이용하는 것을 생각할 수 있다. 특허문헌 1에 개시된 초음파 복합 진동 장치에 있어서, 세로-비틀림 진동 변환 슬릿부가 로드의 둘레면에 대하여 원주 형상으로 설치되어 있다. 이 때문에, 파지부 및 가공용 헤드를 설치하는 위치는 세로-비틀림 변환부에 의해 제약되어, 세로-비틀림 변환부의 근방에 파지부 및 가공용 헤드를 설치하는 것은 어렵다.
본 발명은 상술하는 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 파지부를 설치하는 것 및 가공용 헤드를 부착하는 것이 용이한 초음파 혼을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태에 따른 초음파 혼은 발진기로부터 입력된 초음파대역의 주파수를 갖는 신호에 근거하여 초음파대역의 주파수를 갖는 세로 진동을 발생시키도록 구성되는 진동 발생부와, 상기 진동 발생부로부터의 상기 세로 진동을 전달시키면서 증폭시키도록 구성되는 진동 증폭부와, 상기 진동 증폭부의 표면에 홈 형상으로 형성되는 슬릿을 갖고, 상기 세로 진동을 비틀림 진동으로 변환하도록 구성되는 세로-비틀림 진동 변환 슬릿부를 구비한다. 상기 진동 증폭부는 평면시(平面視)로 다각형 형상이며, 상기 슬릿이 설치되어 있는 면을 복수 가짐과 아울러 슬릿이 설치되어 있지 않은 면을 갖는다.
상기 슬릿은 상기 세로 진동의 전달 방향에 대하여 비스듬히 형성되어 있어도 된다.
상기 진동 증폭부는 평면시로 직사각형 형상이며, 상기 슬릿은 상기 진동 증폭부의 대향하는 2면에 설치되어도 된다.
상기 진동 발생부는 단일의 주파수의 상기 세로 진동을 발생시켜도 된다.
본 발명의 상기 양태에 의하면, 진동 증폭부는 평면시로 다각형 형상이며, 복수의 면에 슬릿이 설치됨과 아울러 슬릿이 설지되어 있지 않은 면을 갖는다. 복수의 면에 슬릿이 설치됨으로써, 세로 진동을 비틀림 진동으로 변환하는 것이 가능하다. 또한 슬릿이 설치되어 있지 않은 면에 파지부 및 가공용 헤드를 설치하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 초음파 혼을 모식적으로 도시하는 상면도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시형태에 있어서의 진동 증폭부 및 세로-비틀림 진동 변환 슬릿부를 포함하는 사시도이다.
도 3a는 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 초음파 혼의 상면도이며, 순시적인 진동 방향을 나타낸다.
도 3b는 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 초음파 혼의 측면도이며, 순시적인 진동 방향을 나타낸다.
도 3c는 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 초음파 혼의 저면도이며, 순시적인 진동 방향을 나타낸다.
도 3d는 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 초음파 혼의 세로 진동 전달 방향에 있어서의 측면도이며, 순시적인 진동 방향을 나타낸다.
도 4a는 본 발명의 하나의 실시형태에 있어서의 진동 증폭부의 변형예를 나타내는 도면이며, 사시도이다.
도 4b는 본 발명의 하나의 실시형태에 있어서의 진동 증폭부의 변형예를 나타내는 도면이며, 세로-비틀림 진동 변환 슬릿부가 설치되어 있는 위치에 있어서의 단면도이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 초음파 혼에 대하여 설명한다.
도 1은 본 실시형태에 따른 초음파 혼(1)을 모식적으로 나타내는 상면도이다.
초음파 혼(1)은 발진기(2)로부터의 신호 입력에 기초하여 진동하는 장치이다. 초음파 혼(1)은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 진동자(진동 발생부)(3), 진동 증폭부(4) 및 세로-비틀림 진동 변환 슬릿부(5)를 구비하고 있다. 발진기(2)는 진동자(3)의 구동 주파수의 신호를 진동자(3)에 입력하도록 구성된다. 진동자(3)는 발진기(2)로부터 입력된 초음파대역의 주파수를 갖는 신호에 근거하여, 예를 들면, 40kHz의 초음파의 세로 진동을 여기 가능하며, 진동 증폭부(4)에 접속되어 있다. 세로-비틀림 진동 변환 슬릿부(5)는 진동 증폭부(4)의 표면에 홈 형상으로 형성되는 복수의 슬릿으로 구성된다. 발진기(2) 및 진동자(3)는 초음파 혼(1)에 단일 주파수의 세로 진동을 발생시킨다. 또한, 발진기(2)로부터 발생시키는 구동 주파수의 범위는, 예를 들면, 10kHz∼200kHz의 초음파의 대역이다.
도 2는 본 실시형태에 있어서의 진동 증폭부(4) 및 세로-비틀림 진동 변환 슬릿부(5)를 포함하는 사시도이다.
진동 증폭부(4)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 상면시로 등변 사다리꼴 형상의 상면(4A) 및 바닥면(4B)을 갖는 단면이 중실의 사각기둥 형상을 하고 있다. 상면(4A)은 바닥면(4B)에 대향하는 면이다. 상면(4A) 및 바닥면(4B)에는, 세로-비틀림 진동 변환 슬릿부(5)를 구성하는 2개의 상측 슬릿(5a) 및 2개의 하측 슬릿(5b)이 형성되어 있다. 또한 진동 증폭부(4)는 세로-비틀림 진동 변환 슬릿부(5)가 형성되어 있지 않은 면인 측면(4C), 측면(4D), 끝면(4E) 및 끝면(4F)을 가지고 있다.
측면(4C) 및 측면(4D)은 대향하고 있고, 초음파 혼(1)을 초음파 가공기로서 사용하는 경우에는, 측면(4C) 및 측면(4D)에서 세로 진동의 마디의 위치에 파지부를 설치하는 것이 가능하다. 끝면(4E) 및 끝면(4F)은 서로 평행하게 위치하고 있고, 평면시로 직사각형 형상을 하고 있다. 끝면(4E)은 진동자(3)와 맞닿아 있다. 또한 끝면(4F)은 끝면(4E)보다도 면적이 작게 설정되어 있다. 또한, 끝면(4F)에 가공용 헤드를 부착하는 것도 가능하다. 즉, 진동 증폭부(4)는 세로 진동의 전달 방향에 대하여, 끝면(4F)을 향하여 테이퍼가 형성된 끝쪽으로 점점 가늘어지는 형상으로 되어 있다. 진동 증폭부(4)는 진동자(3)로부터 전달된 세로 진동의 진폭을 증폭시키도록 구성된다.
세로-비틀림 진동 변환 슬릿부(5)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 상면(4A)에 형성된 2개의 상측 슬릿(5a)과, 바닥면(4B)에 형성된 2개의 하측 슬릿(5b)을 가지고 있다. 이들 세로-비틀림 진동 변환 슬릿부(5)는 모든 슬릿의 깊이 및 폭은 동일하게 되도록 설정되어 있다. 또한, 상측 슬릿(5a) 및 하측 슬릿(5b)은 진동 증폭부(4)를 관통하고 있지 않다. 또 모든 상측 슬릿(5a) 및 하측 슬릿(5b)의 최대 깊이는 진동 증폭부(4)의 상하 방향의 두께의 1/2 미만이다. 또한 세로-비틀림 진동 변환 슬릿부(5)는 진동 증폭부(4)에 있어서 세로 진동의 마디가 되는 위치에 설치하는 것이 바람직하다.
또한 상측 슬릿(5a)은 2개가 평행하게 인접하고, 세로 진동 전달 방향(도 1 및 도 2에 나타내는 화살표(A) 방향)에 대하여 45° 비스듬히 형성되어 있다. 하측 슬릿(5b)은 2개가 평행하게 인접하여 있음과 아울러, 세로 진동 전달 방향에 대하여 상측 슬릿(5a)의 경사와 반대 방향으로 45° 비스듬히 형성되어 있다. 즉, 상측 슬릿(5a)과 하측 슬릿(5b)은, 상면(4A) 측에서 보아, 끝면(4E)의 중심을 통과하는 세로 진동의 전달 방향에 평행한 선에 대하여 선대칭으로 배치되어 있다. 이 구성을 가짐으로써 세로-비틀림 진동 변환 슬릿부(5)는 진동자(3)로부터 전달되는 세로 진동을 비틀림 진동으로 변환한다. 또한, 상측 슬릿(5a) 및 하측 슬릿(5b)은 세로 진동 전달 방향에 대하여 10°∼80°의 범위에서 비스듬히 형성되는 것이 바람직하다.
초음파 혼(1)은 상술의 구성을 가짐으로써, 진동자(3)에 의해 생성되는 초음파의 세로 진동과, 세로-비틀림 진동 변환 슬릿부(5)에 의해 생성되는 초음파의 비틀림 진동을 동시에 생성 가능하다.
계속해서, 본 실시형태에 따른 초음파 혼(1)의 동작에 대하여 설명한다. 도 3a∼3d는 본 실시형태에 있어서의 진동 증폭부(4)의 순시적인 진동 방향을 도시하는 도면이다. 도 3a는 진동 증폭부(4)의 상면도이고, 도 3b가 진동 증폭부(4)의 측면도이고, 도 3c가 진동 증폭부(4)의 저면도이며, 도 3d가 세로 진동 전달 방향에 있어서의 진동 증폭부(4)의 단면도이다. 또한, 도 3a∼3d의 실선의 화살표는 세로 진동을 나타내고, 점선의 화살표는 비틀림 진동을 나타내고 있다.
초음파 혼(1)이 구동되면, 발진기(2)로부터 진동자(3)에 신호가 입력되고, 진동자(3)의 초음파 세로 진동이 여기된다. 세로 진동은, 도 3a∼3d에 도시하는 바와 같이, 진동 증폭부(4)에 있어서, 진동자(3)와 맞닿는 끝면(4E)측으로부터 전달된다. 진동 증폭부(4)에 전달된 세로 진동이 세로-비틀림 진동 변환 슬릿부(5)를 통과함으로써, 세로 진동의 전달 방향이 변화된다.
이때, 세로-비틀림 상면(4A) 측에 있어서 상측 슬릿(5a)에 도달한 세로 진동은 상측 슬릿(5a)에 의해 전달 방향을 측면(4D)을 향하는 방향으로 굴절되어, 휨 진동으로 변환된다. 또한 바닥면(4B)측에서 하측 슬릿(5b)에 도달한 세로 진동은 하측 슬릿(5b)에 의해 측면(4C)을 향하는 방향으로 굴절되어, 휨 진동으로 변환된다.
이것에 의해, 도 3a∼3d에 도시하는 바와 같이, 상측 슬릿(5a)을 통과한 휨 진동 및 하측 슬릿(5b)을 통과한 휨 진동은 서로 반대 방향을 향하여 전달된다. 그 때문에 진동 증폭부(4)가 세로 진동 전달 방향을 축으로 하여 비틀어지는 비틀림 진동이 된다. 즉, 세로 진동이 상측 슬릿(5a) 및 하측 슬릿(5b)을 통과함으로써 끝면(4F)에서 비틀림 진동이 발생한다. 또한 상측 슬릿(5a) 및 하측 슬릿(5b)을 통과하지 않는 세로 진동은 끝면(4F)에서 세로 진동 그대로이다. 이들 진동이 초음파 혼(1) 전체에 전파됨으로써, 세로-비틀림 진동이 된다. 따라서, 진동 증폭부(4)에 있어서, 세로 진동과 비틀림 진동의 양쪽의 진동이 생성된다. 또한, 도 3a∼3d에 나타내는 화살표는 순시적인 진동의 방향을 나타내고 있고, 세로 진동 및 비틀림 진동의 방향은 끊임없이 반전하고 있다.
본 실시형태에 따른 초음파 혼(1)은 진동 증폭부(4)의 상면(4A)에 상측 슬릿(5a)이 형성되고, 바닥면(4B)에 하측 슬릿(5b)이 형성된다. 한편, 측면(4C) 및 측면(4D)에는 슬릿이 형성되어 있지 않다. 이것에 의해, 2면에 설치된 상측 슬릿(5a) 및 하측 슬릿(5b)에 의해, 세로 진동을 비틀림 진동으로 변환하는 것이 가능하다. 또한 슬릿이 설치되어 있지 않은 측면(4C) 및 측면(4D)에는, 가공용 헤드를 고정하는 것이 가능하다.
또한 진동 증폭부(4)에 세로-비틀림 진동 변환 슬릿부(5)를 형성함으로써, 로드를 설치할 필요가 없다. 이것에 의해, 본 실시형태에 따른 초음파 혼(1)은 구조를 단순화하는 것이 가능하다. 따라서, 초음파 혼(1)은 보다 효율적으로 진동을 전달하는 것이 가능하다.
또한 본 실시형태에 따른 초음파 혼(1)에 의하면, 진동 증폭부(4)는 세로 진동 전달 방향에 있어서의 평면시가 직사각형 형상이다. 이 때문에, 세로-비틀림 진동 변환 슬릿부(5)를 형성할 때의 가공에 특수한 공구를 필요로 하지 않는다.
또한 본 실시형태에 따른 초음파 혼(1)에 의하면, 세로-비틀림 진동 변환 슬릿부(5)의 슬릿(5a, 5b)은 상면(4A)과, 상면(4A)과 대향하는 바닥면(4B)에 설치되어 있다. 이것에 의해, 상면(4A) 측의 휨 진동과 바닥면(4B)측의 휨 성분이 동일한 정도의 세기가 된다. 따라서, 안정적으로 비틀림 진동을 발생시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서의 세로-비틀림 진동 변환 슬릿부(5)의 슬릿(5a, 5b)은 세로 진동 전달 방향에 대하여 45° 비스듬히 형성되어 있다. 이것에 의해, 상측 슬릿(5a) 및 하측 슬릿(5b)에 도달한 세로 진동은 수직하게 굴곡되어 휨 진동으로 되기 때문에, 휨 진동 성분의 강도가 크다. 따라서, 세로-비틀림 진동 변환 슬릿부(5)는 세로 진동을 효율적으로 비틀림 진동으로 변환하는 것이 가능하다.
또한, 슬릿(5a, 5b)이 형성되어 있지 않은 면인 측면(4C) 및 측면(4D)에 파지부를 설치하고, 가공용 헤드를 고정하는 것이 가능하게 된다. 측면(4C)과 측면(4D)은 대향하는 위치에 설치되어 있기 때문에, 가공용 헤드를 양면에 고정함으로써 가공용 헤드를 안정적으로 지지할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 따른 초음파 혼(1)에 의하면, 발진기(2) 및 진동자(3)는 단일 주파수의 세로 진동을 발생시킨다. 즉, 초음파 혼(1)은, 단일 주파수의 세로 진동에 의해, 세로 진동 및 비틀림 진동을 발생시키는 것이 가능하다. 따라서, 진동의 종류마다 발진기(2) 및 진동자(3)를 설치할 필요가 없어, 초음파 혼(1)의 구조를 단순화하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, 이하와 같은 변형예가 생각된다.
(1) 상기 실시형태에서는, 세로-비틀림 진동 변환 슬릿부(5)는 상면(4A) 및 바닥면(4B)에 형성되는 슬릿(5a, 5b)으로 구성되지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다.
도 4a 및 4b는 실시형태에 있어서의 진동 증폭부(4)의 변형예를 나타내는 도면으로, 도 4a가 사시도이며, 도 4b가 세로-비틀림 진동 변환 슬릿부(5)가 설치되어 있는 위치에 있어서의 단면도이다. 도 4a에 도시하는 바와 같이, 세로-비틀림 진동 변환 슬릿부(5)를 구성하는 슬릿은 측면(4C) 및 측면(4D)에 설치되어도 된다.
또한, 측면(4C) 및 측면(4D)에 슬릿을 형성하는 경우에는, 도 4b의 실선으로 나타내는 바와 같이, 측면(4C) 및 측면(4D)에 대하여 수직 방향을 향하여 형성하는 경우와, 도 4b의 점선으로 나타내는 바와 같이 세로 진동의 전달 방향에 대하여 수직으로 형성하는 경우를 생각할 수 있다.
(2) 또한 상기 실시형태에서는, 진동 증폭부(4)는 사각기둥인 것으로 하고, 끝면(4E) 및 끝면(4F)은 직사각형 형상으로 했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 끝면(4E) 및 끝면(4F)은, 예를 들면, 삼각형이나, 오각형 등의 다각형이어도 된다.
(3) 또한 상기 실시형태에서는, 세로-비틀림 진동 변환 슬릿부(5)를 구성하는 슬릿은 측면(4C) 및 측면(4D)의 2면에 형성되어 있지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 끝면(4E) 및 끝면(4F)이 사각형 이상의 다각형인 경우, 끝면(4E) 및 끝면(4F) 이외에 슬릿이 설치되어 있지 않은 면을 가지고 있으면, 세로-비틀림 진동 변환 슬릿부(5)는 2면 이상에 형성되는 슬릿으로 구성되어도 된다.
(4) 또한 상기 실시형태에서는, 세로-비틀림 진동 변환 슬릿부(5)를 구성하는 슬릿은 세로 진동의 전달 방향에 대하여 45° 비스듬히 형성되어 있지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다.
세로-비틀림 진동 변환 슬릿부(5)를 구성하는 슬릿은, 세로 진동의 전달 방향에 대하여, 예를 들면, 30° 비스듬히 형성되는 것으로 해도 된다. 이 경우, 상측 슬릿(5a)은 세로 진동 전달 방향(도 2에 나타내는 화살표(A))에 대하여 우회전으로 30° 비스듬히 형성하고, 하측 슬릿(5b)은 세로 진동 전달 방향(도 2에 나타내는 화살표(A))에 대하여 좌회전으로 30° 비스듬히 형성한다. 이것에 의해 휨 진동의 강도가 동일한 정도로 되기 때문에, 안정한 비틀림 진동이 얻어진다.
(5) 또한 상기 실시형태에서는, 슬릿이 설치되어 있지 않은 면(측면(4C) 및 측면(4D))에 대하여 파지부를 설치하고, 가공용 헤드를 부착하는 것이 가능하지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 슬릿이 설치되어 있는 면(상면(4A) 및 바닥면(4B))에 있어서, 슬릿에 맞닿지 않는 위치에 파지부를 설치하고, 가공용 헤드를 부착하는 것도 가능하다.
(6) 또한 상기 실시형태에서는, 진동 증폭부(4)의 1개의 면에 대하여, 상측 슬릿(5a) 및 하측 슬릿(5b)은 상면(4A) 및 바닥면(4B)에 각각 2개씩 설치되어 있지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 상측 슬릿(5a) 및 하측 슬릿(5b)은 각각 1개씩이어도 되고, 각각 3개 이상이어도 된다.
(7) 또한 상기 실시형태에 있어서의 세로-비틀림 진동 변환 슬릿부(5)에서는, 모든 슬릿의 깊이 및 폭이 동일하다고 했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 슬릿의 깊이, 폭 및 형상은 진동 증폭부(4)의 형상 등에 따라 변경하는 것이 가능하다.
(8) 또한 상기 실시형태에서는, 발진기(2)는 1개만 설치하는 것으로 했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 발진기(2)를 복수 설치하고, 진동자(3)에 복수의 주파수를 인가하는 것으로 해도 된다. 또한, 복수의 발진기(2)를 설치하는 경우에는, 발진기(2)와 진동자(3) 사이에 가산기 또는 승산기를 설치하는 것으로 해도 된다.
(산업상의 이용가능성)
본 발명은, 와이어 본딩 장치에 사용되는 초음파 혼으로서 적합하다. 또한, 본 발명은 용접 장치 등의 초음파 진동을 대상물에 부여하는 장치에도 이용 가능하다.
1 초음파 혼 2 발진기
3 진동자 4 진동 증폭부
4A 상면 4B 바닥면
4C 측면 4D 측면
4E 끝면 4F 끝면
5 세로-비틀림 진동 변환 슬릿부 5a 상측 슬릿
5b 하측 슬릿

Claims (4)

  1. 초음파 혼으로서,
    발진기로부터 입력된 초음파대역의 주파수를 갖는 신호에 근거하여 초음파대역의 주파수를 갖는 세로 진동을 발생시키도록 구성되는 진동 발생부;
    상기 진동 발생부로부터의 상기 세로 진동을 전달시키면서 증폭시키도록 구성되는 진동 증폭부; 및
    상기 진동 증폭부의 표면에 홈 형상으로 형성되는 슬릿을 갖고, 상기 세로 진동을 비틀림 진동으로 변환하도록 구성되는 세로-비틀림 진동 변환 슬릿부;를 구비하고,
    상기 진동 증폭부는 평면시(平面視)로 다각형 형상이며, 상기 슬릿이 설치되어 있는 면을 복수 가짐과 아울러 슬릿이 설치되어 있지 않은 면을 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 혼.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 슬릿은 상기 세로 진동의 전달 방향에 대하여 비스듬히 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 혼.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 진동 증폭부는 평면시로 직사각형 형상이며,
    상기 슬릿은 상기 진동 증폭부의 대향하는 2면에 설치되는 것을 특징으로 하는 초음파 혼.
  4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 진동 발생부는 단일 주파수의 상기 세로 진동을 발생시키는 것을 특징으로 하는 초음파 혼.
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