JP2014104079A - 超音波探触子 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子とフレキシブル基板との接着剥離による断線を防止し、良好な電気信号伝達を行う超音波探触子を提供する。
【解決手段】超音波探触子が、電気信号と超音波とを相互に変換する圧電素子２と、圧電素子２に形成される電極６ａと、電極６ａに接続するフレキシブル基板３とを備え、フレキシブル基板３は第１の導体７−３ｂと、第１の導体に積層され前記第１の導体よりもイオン化傾向が小さい第２の導体７−３ｃを含み、第２の導体７−３ｃは電極６ａに接し、第１の導体７−３ｂの一部は、第２の導体７−３ｃを貫通して電極と接している構成を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波診断に用いられる超音波探触子に関する。

従来の超音波探触子として、例えば、特許文献１に記載された構造のものが知られている。

図１１に従来の超音波探触子１００の概略構造図を示す。

超音波探触子１００は、超音波診断装置本体（図示せず）から伝達される電気信号を圧電素子１０１により超音波に変換し、被検体に対して超音波の送信を行う。また、圧電素子１０１は被検体から反射する超音波を受信して電気信号に変換し、この電気信号が超音波診断装置本体に伝達され、超音波診断画像が生成される。圧電素子１０１は、被検体側に位置し超音波放射面となる第１面と、それに対向する第２面にそれぞれ電極を設けている。これらの電極の一方はＩ／Ｏ信号電極、もう一方はアース電極である。

圧電素子１０１のＩ／Ｏ信号電極側には、圧電素子１０１へ送信あるいは圧電素子１０１から受信する電気信号を伝達させるためのＩ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板１０２が接着され、Ｉ／Ｏ信号電極と電気的に接続され、アース電極側には同様にアース電極用フレキシブル基板１０３が接着され、アース電極と電気的に接続されている。

また、圧電素子１０１の超音波放射面と対向する面に背面負荷材１０４が取りつけられる。

超音波探触子１００は探触子ケーブル（図示せず）を介して超音波診断装置本体に接続しており、Ｉ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板１０２とアース電極用フレキシブル基板１０３が探触子ケーブルと電気的に接続されている。

このとき、Ｉ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板１０２とアース電極用フレキシブル基板１０３は、ポリイミドなどの絶縁体に銅箔などの下地導体が積層され、且つ、この下地導体にはめっきなどの処理により酸化防止用の金が施されている。

特開２００５−１２４２６号公報

しかしながら、従来の構成では、圧電素子１０１とＩ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板１０２との接着面、圧電素子１０１とアース電極用フレキシブル基板１０３との接着面において、Ｉ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板１０２とアース電極用フレキシブル基板１０３の例えば銅箔などからなる下地導体に、下地導体と比較してイオン化傾向が小さい例えば金などの金属が積層されるが、この下地導体と比較してイオン化傾向が小さい金属は、必要な接着強度が確保されず、Ｉ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板１０２とアース電極用フレキシブル基板１０３の下地導体に積層されたイオン化傾向が小さい金属との面を境界に、圧電素子１０１との接着が剥離して、電気的に断線してしまい、超音波診断装置本体での画像の表示輝度が大きく低下してしまうという問題があった。

本発明は、上記従来の問題を解決するもので、圧電素子とフレキシブル基板との接着剥離による断線を防止し、良好な電気信号伝達を行う超音波探触子を提供することを目的とする。

そしてこの目的を達成するために本発明に係る超音波探触子は、電気信号と超音波とを相互に変換する圧電素子と、圧電素子に形成される電極と、電極に接続するフレキシブル基板とを備え、フレキシブル基板は第１の導体と、第１の導体に積層され第１の導体よりもイオン化傾向が小さい第２の導体を含み、第２の導体は電極に接し、第１の導体の一部は、第２の導体を貫通して電極と接している構成を有する。

また、第１の導体と第２の導体の積層方向にむかって、第１の導体の厚みが段階的に変化していてもよい。

また、フレキシブル基板と電極の接続面において、第２の導体に対する第１の導体の濃度の割合が１１％以上２１％以下であってもよい。

また、フレキシブル基板のうち、電極と接する部分のみ、第１の導体の一部が第２の導体を貫通していてもよい。

また、フレキシブル基板は絶縁層を含み、第１の導体に対して、第２の導体とは反対側に絶縁層が積層されていてもよい。

また、電極は、圧電素子の第１の面に形成される信号電極と、圧電素子の第１の面と対向する第２の面に形成されるアース電極を含み、フレキシブル基板は、信号電極と接続される信号電極用フレキシブル基板とアース電極と接続されるアース電極用フレキシブル基板を含んでいてもよい。

本発明は、フレキシブル基板の積層される少なくとも２つの導体のうち、圧電素子に形成される電極に接続される１つの導体を、もう一方の導体が貫通し、貫通した導体も電極に接続されることにより、フレキシブル基板と電極との接触面において、１つの導体しか電極に接続されない場合に比べて接着力が増加し、フレキシブル基板と電極が剥離することによる断線を防止し、送受信信号の接続不良を低下させることができる。

本発明の実施の形態における超音波探触子の概略構造図 図１のＡ部の詳細図 図１のＢ部の詳細図 Ｉ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３と電極６ａとの接続状態の詳細図 共振特性を示したインピーダンス軌跡を示す図 本発明の超音波探触子の共振特性のバラツキ値を測定した結果を示す図 表面層に対する下地導体の濃度の割合を変化させたときの共振特性のバラツキ値を測定した結果を示す図 下地導体の割合に対する共振特性のバラツキ値を示すグラフ （ａ）は接着剥離が発生しない場合の受信信号の応答波形を示す図、（ｂ）は接着剥離が発生した場合の受信信号の応答波形を示す図 周波数に対するインピーダンスの軌跡を示す図 従来の超音波探触子の概略構造図

以下に、本発明の超音波探触子の実施の形態を図面とともに説明する。

本発明における超音波探触子の概略構造図を図１に示す。この超音波探触子は超音波診断装置本体（図示せず）に接続可能であり、被検体（図示せず）に対して超音波の送受信を行う。

図１に示すように、超音波の送受信を行う超音波探触子１は、電気信号と超音波信号とを相互に変換する圧電素子２、圧電素子２へ送信あるいは圧電素子２から受信する電気信号を伝達するＩ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３、アース電極用フレキシブル基板４、圧電素子２を機械的に保持し、且つ、不要な超音波信号を減衰させる機能を有する背面負荷材５で構成される。圧電素子２のうち、超音波を送信する被検体側の面にはアース電極用フレキシブル基板４が接続し、被検体側と対向する面にＩ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３及び背面負荷材５が接続する。

圧電素子２は、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃）系などの圧電セラミックス等が用いられる。また、この圧電素子２は、アレイ方向（図１中のＡＡ方向）に研削などの手段によってスリット（溝、切込みともいう）が形成され、数十から数百のエレメントに分割されている（図示せず）。

このように構成される超音波探触子は、圧電素子２がＩ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３及びアース電極用フレキシブル基板４によって印加される超音波診断装置本体からの起動電圧を、圧電素子２の電気・音響変換効果によって、超音波を発生させ、被検体に照射する。また被検体から反射した超音波は、圧電素子２により受信され圧電素子２の電気・音響変換効果によって、電気信号に変換されＩ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３及びアース電極用フレキシブル基板４によって、受信信号として超音波診断装置本体に入力され、超音波診断装置本体により信号処理される。

次に、Ｉ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３及びアース電極用フレキシブル基板４と圧電素子２との接続状態の詳細について、図１のＡ部、Ｂ部の詳細図である図２、図３を用いて説明する。

図２に示すとおり、Ｉ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３は、ポリイミドなどの高分子材料７−３ａに、ニッケル、亜鉛、銀、銅、クロム、錫などのうち少なくとも一つを含む下地導体７−３ｂを極めて薄く（１μｍから１０μｍ程度）積層し、下地導体７−３ｂの表面層７−３ｃにはめっきなどの処理により酸化防止用の導体として、下地導体７−３ｂよりもイオン化傾向が小さい導体、例えば金又は白金などのうち少なくとも一つを含む導体が積層されている。圧電素子２には被検体側の表面にめっきあるいはスパッタなどの手段により導体からなる電極６ｂが設けられており、圧電素子２の被検体側と対向する面にはめっきあるいはスパッタなどの手段により導体からなる電極６ａが設けられている。表面層７−３ｃと電極６ａが接触し、電気的に接続している。

また、図３に示すとおり、アース電極用フレキシブル基板４は、ポリイミドなどの高分子材料７−４ａにニッケル、亜鉛、銀、銅、クロム、錫などのうち少なくとも一つを含む下地導体７−４ｂが極めて薄く積層し、下地導体７−４ｂの表面層７−４ｃにはめっきなどの処理により酸化防止用の導体として、下地導体７−４ｂよりもイオン化傾向が小さい導体、例えば金又は白金などのうち少なくとも一つを含む導体が積層している。圧電素子２には被検体側の表面にめっきあるいはスパッタなどの手段により導体からなる電極６ｂが設けられており、圧電素子２の被検体側と対向する面にはめっきあるいはスパッタなどの手段により導体からなる電極６ａが設けられている。表面層７−４ｃと電極６ｂが電気的に接続している。

次に、図４を用いてＩ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３と電極６ａとの接続状態の詳細について説明する。なお、以降はＩ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３と電極６ａとの接続状態について説明するが、アース電極用フレキシブル基板４と電極６ｂとの接続状態も同様であり、表面層７−３ｃは表面層７−４ｃとして読み替え、下地導体７−３ｂを下地導体７−４ｂ、電極６ａを電極６ｂと読み替えると、アース電極用フレキシブル基板４と電極６ｂとの接続状態の説明となる。

圧電素子２の被検体側と対向する面の電極６ａと、Ｉ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３は、接着層８を介して接続している。接着層８は導電性の接着剤あるいはエポキシ系接着剤などで極めて薄い接着層として電極６ａとＩ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３とを密着させることによって電気的な接続が可能となる。

下地導体７−３ｂには表面層７−３ｃが積層され、表面層７−３ｃが接着層８を介して電極６ａに接続しているが、下地導体７−３ｂの一部は、表面層７−３ｃを貫通し、この貫通した部分も接着層８を介して電極６ａに接続している。更に、下地導体７−３ｂと表面層７−３ｃの積層方向に、下地導体７−３ｂの厚みが段階的に変化し、最も厚みが厚くなっている部分が接着層８を介して電極６ａに接続している。ここでは、下地導体７−３ｂのうち一箇所のみが電極６ａに接続している例を図示しているが、下地導体７−３ｂは複数箇所で表面層７−３ｃを貫通している。

Ｉ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３の圧電素子２の電極６ａと接している表面層７−３ｃに、下地導体７−３ｂを貫通させる手法としては、Ｉ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３に加熱拡散処理を施す方法がある。Ｉ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３を圧電素子２の表面上に形成された電極６ａと接着する前に１００℃前後で１時間から数時間加熱することで、表面層７−３ｃの導体と下地導体７−３ｂとが互いに交わるように拡散が発生し、図４のように、下地導体７−３ｂが表面層７−３ｃを貫通し、Ｉ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３のうち電極６ａと接続する表面上に、表面層７−３ｃだけでなく下地導体７−３ｂを存在させることが可能となる。そして熱拡散によって表面層７−３ｃを貫通した下地導体７−３ｂが接着剤と接することによって、Ｉ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３と電極６ｂとの接着力が強化され、両者の接着が良好となり、接着剥離を防止できる。下地導体７−３ｂの酸化を防止するために、下地導体７−３ｂの上に表面層７−３ｃを積層し、Ｉ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３の表面層７−３ｃと圧電素子２の電極６ａとが接しているが、表面層７−３ｃのみが電極６ａに接続する場合、表面層７−３ｃは下地導体７−３ｂよりもイオン化傾向が小さく、化学的に安定しているため、接着層８との接着が下地導体７−３ｂに比べて不十分となり、研削加工などによる機械的な負荷により接着剥離が発生してしまう。Ｉ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３のうち電極６ａと接続する表面上に、表面層７−３ｃのみでなく、接着力が比較的強い下地導体７−３ｂが存在することにより、表面層７−３ｃで下地導体７−３ｂの表面を保護しながら、接着層８との接着が良好となり、接着剥離を防止できる。

ここで、圧電素子２の電極６ａとＩ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３の表面層７−３ｃ及び、圧電素子２の電極６ｂとアース電極用フレキシブル基板４の表面層７−４ｃとの接着力を確認する方法として、接着後あるいは、接着後さらに圧電素子２に上記スリットが形成され、分割された後の超音波素子部の共振特性のバラツキを測定する手法がある。

超音波探触子１の共振特性を示したインピーダンス軌跡を図５に示す。図５のインピーダンス軌跡の頂点部が共振点Ｃとなる。圧電素子２の電極６ａと、Ｉ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３の表面層７−３ｃあるいは、圧電素子２の電極６ｂと、アース電極用フレキシブル基板４の表面層７−４ｃとの接着が剥離すると、例えば図５の太線のように共振点Ｃが変化する。すなわち、接着が剥離した場合、共振点Ｃのインピーダンス値が減少する。超音波探触子１の共振特性を幾つか測定し、そのバラツキ（標準偏差）を測定することで、圧電素子２の電極６ａと、Ｉ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３の表面層７−３ｃ及び、圧電素子２の電極６ｂと、アース電極用フレキシブル基板４の表面層７−４ｃとの接着剥離の状態が確認できる。このとき、バラツキの値が小さいほど接着力が高く、剥離が生じ難いことを示す。

図６に下地導体７−３ｂが表面層７−３ｃを貫通し下地導体７−４ｂが表面層７−４ｃを貫通する場合の超音波探触子の共振特性のバラツキの値を測定した結果を示す。図６の実施の形態の超音波探触子は、Ｉ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３の下地導体７−３ｂ及びアース電極用フレキシブル基板４の下地導体７−４ｂとして銅、Ｉ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３の表面層７−３ｃ及びアース電極用フレキシブル基板４の表面層７−４ｃとして金を用い、加熱拡散によって、下地導体７−３ｂが表面層７−３ｃを貫通し下地導体７−４ｂが表面層７−４ｃを貫通する構成としている。

なお、Ｉ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３のうち電極６ａに接続する表面における表面層７−３ｃに対する下地導体７−３ｂの濃度の割合（Ａｔｏｍｉｃ％）及びアース電極用フレキシブル基板４のうち電極６ｂに接続する表面における表面層７−４ｃに対する下地導体７−４ｂの濃度の割合（Ａｔｏｍｉｃ％）は、例えばＸ線光電子分光（ＸＰＳ；Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）による測定結果から算出することができ、ここではその割合は１４％のものを用いた結果である。なお、Ｉ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３、アース電極用フレキシブル基板４の表面層７−３ｃ、７−４ｃをＸ線光電子分光測定することで、物質の濃度比（Ａｔｏｍｉｃ％）が測定され、その結果、表面層７−３ｃ、表面層７−４ｃに下地導体７−３ｂ、下地導体７−４ｂがどれだけの割合で存在するかどうかがわかる。

図６より、下地導体７−３ｂが表面層７−３ｃを貫通せず、下地導体７−４ｂが表面層７−４ｃを貫通しない場合の共振特性バラツキの値は３９に対して、下地導体７−３ｂが表面層７−３ｃを貫通し下地導体７−４ｂが表面層７−４ｃを貫通する場合の共振特性バラツキの値は１２となりバラツキが小さい、つまり、圧電素子２とＩ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３、及び、圧電素子２とアース電極用フレキシブル基板４との接着剥離の発生は減少することがわかる。

ここで、Ｉ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３及びアース電極用フレキシブル基板４の全面において下地導体７−３ｂ及び下地導体７−４ｂが表面層７−３ｃ、表面層７−４ｃをそれぞれ貫通しているような構成とするのではなく、Ｉ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３の表面層７−３ｃの圧電素子２の電極６ａと接している部分、アース電極用フレキシブル基板４の表面層７−４ｃの圧電素子２の電極６ｂと接している部分のみにおいて、下地導体７−３ｂ及び下地導体７−４ｂが表面層７−３ｃ、表面層７−４ｃをそれぞれ貫通しているような構成を有する場合でも、同様な効果が得られる。

また、図１から３では、Ｉ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３の表面層７−３ｃ、アース電極用フレキシブル基板４の表面層７−４ｃとは、それぞれ、圧電素子２の電極６ａ、電極６ｂの一部と接着しているが、電極６ａ、電極６ｂの全面と接着している構成でも同様な効果が得られる。

さらに、Ｉ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３のうち電極６ａに接続する表面における表面層７−３ｃに対する下地導体７−３ｂの濃度の割合（Ａｔｏｍｉｃ％）及びアース電極用フレキシブル基板４のうち電極６ｂに接続する表面における表面層７−４ｃに対する下地導体７−４ｂの濃度の割合（Ａｔｏｍｉｃ％）を変化させたときの剥離の発生のしやすさについて検討する。

図７にＩ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３のうち電極６ａに接続する表面における表面層７−３ｃに対する下地導体７−３ｂの濃度の割合（Ａｔｏｍｉｃ％）及びアース電極用フレキシブル基板４のうち電極６ｂに接続する表面における表面層７−４ｃに対する下地導体７−４ｂの濃度の割合（Ａｔｏｍｉｃ％）を変化させたときの共振特性バラツキの値を示す。図７からわかるとおり、Ｉ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３のうち電極６ａに接続する表面における表面層７−３ｃに対する下地導体７−３ｂの濃度の割合（Ａｔｏｍｉｃ％）及びアース電極用フレキシブル基板４のうち電極６ｂに接続する表面における表面層７−４ｃに対する下地導体７−４ｂの濃度の割合（Ａｔｏｍｉｃ％）を１８％とした場合、共振特性バラツキの値は７となる。この結果から、表面層７−３ｃに対する下地導体７−３ｂの濃度の割合（Ａｔｏｍｉｃ％）及び表面層７−４ｃに対する下地導体７−４ｂの濃度の割合（Ａｔｏｍｉｃ％）と共振特性のバラツキの値との特性グラフを図８に示す。

ここで、接着剥離が全く生じていない場合の超音波探触子からの受信信号に対して２０％以上信号値が低下すると、超音波診断装置本体での表示の輝度が大きく変わり、超音波診断装置の画像として大きな支障がでるため、受信信号の信号値の低下は１９％以内とすることが望ましい。

図９に例えば、超音波素子部において圧電素子２とＩ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３及びアース電極用フレキシブル基板４との間に接着剥離が全く発生していない場合と、そこから信号値が２０％低下した場合の受信信号の応答波形の計算値を示している。図９（ａ）は接着剥離が発生していない場合（正常）の受信信号の応答波形であり、図９（ｂ）は接着剥離が発生していない場合（正常）と比較して受信信号のピーク電圧Ｖｐ−ｐが２０％低下している場合の受信信号の応答波形である。このときの超音波素子部のそれぞれの共振特性を図１０に示す。信号値が２０％低下した場合の共振特性のバラツキを測定すると、共振特性のバラツキの値は２０となった。

以上のことから、超音波探触子の共振特性のバラツキは１９以内にすることが望ましい。

図８のグラフより、共振特性バラツキ値が１９となる下地導体７−３ｂ、７−４ｂの表面層７−３ｃ、７−４ｃに対する濃度の割合（Ａｔｏｍｉｃ％）は、１１％と読みとることができる。

また、図８のグラフより、共振特性バラツキ値が０となる表面層７−３ｃ又は７−４ｃにおける下地導体７−３ｂ又は７−４ｂの濃度割合（Ａｔｏｍｉｃ％）は、２１％と読みとることができる。つまり、表面層７−３ｃ又は７−４ｃにおける下地導体７−３ｂ又は７−４ｂの濃度割合が２１％となるときに、共振特性バラツキ値の推測値が０となり、実質的なバラツキを最小限に抑えることができる。

よって、表面層７−３ｃ、７−４ｃにおける下地導体７−３ｂ、７−４ｂの濃度の割合（Ａｔｏｍｉｃ％）が１１％以上２１％以下であれば、共振特性バラツキ値が１９以下となり、望ましい。

以上に説明したとおり、本実施形態の超音波探触子によれば、圧電素子２とＩ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３及びアース電極用フレキシブル基板４との接着強度を大きくし、圧電素子２とＩ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板３及びアース電極用フレキシブル基板４との間の接着剥離による断線を防止し、送受信信号の接続不良を低減した超音波探触子を提供することができる。

本発明にかかる超音波探触子は、フレキシブル基板を圧電素子に接続する超音波探触子において、圧電素子とフレキシブル基板との接着剥離による断線を防止し、送受信信号の接続不良を低減することができる超音波探触子として有用である。

１、１００ 超音波探触子
２、１０１ 圧電素子
３、１０２ Ｉ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板
４、１０３ アース電極用フレキシブル基板
５、１０４ 背面負荷材
６ａ、６ｂ 電極
７−３ａ、７−４ａ 高分子材料
７−３ｂ、７−４ｂ 下地導体
７−３ｃ、７−４ｃ 表面層
８ 接着層
Ａ 圧電素子とＩ／Ｏ信号電極用フレキシブル基板との接着部
Ｂ 圧電素子とアース電極用フレキシブル基板との接着部
Ｃ 共振点

Claims (6)

1. 電気信号と超音波とを相互に変換する圧電素子と、
   前記圧電素子に形成される電極と、
   前記電極に接続するフレキシブル基板とを備え、
   前記フレキシブル基板は第１の導体と、前記第１の導体に積層され前記第１の導体よりもイオン化傾向が小さい第２の導体を含み、
   前記第２の導体は前記電極に接し、前記第１の導体の一部は、前記第２の導体を貫通して前記電極と接している超音波探触子。
2. 前記第１の導体と前記第２の導体の積層方向に、前記第１の導体の厚みが段階的に変化している請求項１に記載の超音波探触子。
3. 前記フレキシブル基板と前記電極の接続面において、前記第２の導体に対する前記第１の導体の濃度の割合が１１％以上２１％以下である請求項１又は２に記載の超音波探触子。
4. 前記フレキシブル基板のうち、前記電極と接する部分のみ、前記第１の導体の一部が前記第２の導体を貫通している請求項１から３に記載の超音波探触子。
5. 前記フレキシブル基板は絶縁層を含み、
   前記第１の導体に対して、前記第２の導体とは反対側に前記絶縁層が積層されている請求項１から４に記載の超音波探触子。
6. 前記電極は、前記圧電素子の第１の面に形成される信号電極と、前記圧電素子の前記第１の面と対向する第２の面に形成されるアース電極を含み、
   前記フレキシブル基板は、前記信号電極と接続される信号電極用フレキシブル基板と前記アース電極と接続されるアース電極用フレキシブル基板を含む請求項１から５に記載の超音波探触子。

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