JP6059930B2 - 水晶振動素子 - Google Patents

Description

本発明は、例えば基準信号源やクロック信号源に用いられる水晶振動素子に関する。以下、水晶振動素子の一例として、音叉型屈曲水晶振動素子（以下「振動素子」と略称する。）について説明する。

図８は、関連技術１の振動素子を示す平面図である。以下、図８に基づき説明する。

本関連技術１の振動素子８０は、基部８１と、基部８１から平行に伸びる一対の振動腕部８２ａ，８２ｂと、を備えている。振動腕部８２ａ，８２ｂには、それぞれ溝部８３ａ，８３ｂが形成されている。

溝部８３ａ，８３ｂを含む振動腕部８２ａ，８２ｂには、励振電極９１ａ，９１ｂが形成されている。基部８１には、二つの電極パッド９２ａ，９２ｂが形成されている。電極パッド９２ａ，９２ｂは、互いに絶縁されるように、分離された状態で配置されている。振動腕部８２ａの側面及び振動腕部８２ｂの溝部８３ｂに形成された励振電極９１ａと、基部８１に形成された電極パッド９２ａとは、同じ極性同士になるように配線及び接続されている。振動腕部８２ｂの側面及び振動腕部８２ａの溝部８３ａに形成された励振電極９１ｂと、基部８１に形成された電極パッド９２ｂとは、同じ極性同士になるように配線及び接続されている。

電極パッド９２ａ，９２ｂに交番電圧が印加されると、発生した電界により振動腕部８２ａ，８２ｂに伸縮が生じ、これにより振動素子８０に所定の共振周波数の屈曲振動が生じる。

振動素子８０は、例えば携帯電話などの電子機器において、同期信号源として用いられている。近年の電子機器の小型化に伴い、そこに使われる振動素子８０にも小型化が求められている。振動素子８０の小型化にあたっては、振動腕部８２ａ，８２ｂ及び基部８１の長さを短くする必要がある。基部８１を短くすると、振動腕部８２ａ，８２ｂからの振動が、基部８１内で十分に吸収されず、基部８１の固定部分を介して、外部のパッケージなどに漏れてしまう問題（以下「振動漏れ」という。）が発生する。この振動漏れは、振動エネルギの損失となるため、振動素子８０に重要な特性値であるＣＩ（Crystal Impedance）を劣化すなわち増加させる要因となる。

この振動漏れを抑制する構造として、基部８１に切り込み部８４ａ，８４ｂを設ける技術が特許文献１、２に開示されている。基部８１に切り込み部８４ａ，８４ｂを入れることにより、比較的振動変位が大きくなっている基部８１の振動腕部８２ａ，８２ｂ側と、パッケージに固定される基部８１の電極パッド９２ａ，９２ｂ側とを分離できるので、振動漏れを抑制することができる。なお、切り込み部８４ａ，８４ｂの形状は、振動腕部８２ａ，８２ｂの延設方向に垂直かつ基部８１の外縁から内側へ延びる矩形状である。

特開昭５９−１８３５２０号公報 特開２００２−２６１５７５号公報 特開２０１１−１５１５６７号公報

しかしながら、関連技術１には、次のような問題があった。図９は、図８の振動素子の一部を拡大して示す平面図である。以下、図８及び図９に基づき説明する。

切り込み部８４ａ，８４ｂは基部８１の外縁から内側へ延びる矩形状であるため、基部８１に切り込み部８４ａ，８４ｂを入れると、基部８１に矩形状の最小幅部分８５が形成される。そのため、振動素子８０の落下などの衝撃に対して、最小幅部分８５に応力が集中することにより、最小幅部分８５で損傷するおそれがある。すなわち、切り込み部８４ａの矩形の頂点８６１，８６２に応力が集中しやすいため、頂点８６１，８６２にクラック８７１，８７２が入りやすいのである。

そこで、本発明の目的は、振動もれを抑制しつつ耐衝撃性を向上し得る振動素子を提供することにある。

本発明に係る振動素子は、
基部と、この基部から延設された振動部と、を備えた振動素子において、
前記基部と前記振動部とを含む平面内での前記振動部の延設方向に垂直な方向の、前記基部の長さを基部幅としたとき、
この基部幅は、前記振動部から遠ざかるにつれて滑らかに狭くなり中途から滑らかに広くなり、
前記基部は、前記基部幅を挟むことにより当該基部幅を定める二つの曲線状の側辺を有し、
前記曲線状の側辺は全体の曲率が等しい円弧状の側辺である、
ことを特徴とする。

本発明によれば、基部幅が振動部から遠ざかるにつれて滑らかに狭くなり中途から滑らかに広くなることにより、このくびれ部分で振動もれを抑制できるとともに、基部に矩形状の最小幅部分が形成されないことにより、基部の特定の部分での応力集中を回避できるので、耐衝撃性を向上できる。

実施形態１の振動素子を示す平面図である。 図１、図５、図６及び図７におけるII−II線縦断面図である。 実施形態１の振動素子を素子搭載部材に実装した状態を示す概略断面図である。 実施形態１の振動素子の寸法例を示す平面図である。 実施形態２の振動素子を示す平面図である。 実施形態３の振動素子を示す平面図である。 実施形態４の振動素子を示す平面図である。 関連技術１の振動素子を示す平面図である。 関連技術１の振動素子の一部を拡大して示す平面図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という。）について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成要素については同一の符号を用いる。図面に描かれた形状は、当業者が理解しやすいように描かれているため、実際の寸法及び比率とは必ずしも一致していない。

図１は、実施形態１の振動素子の平面図である。図２は、図１におけるII−II線縦断面図である。図３は、図１の振動素子を素子搭載部材に実装した状態を示す概略断面図である。以下、図１乃至図３に基づき説明する。

本実施形態１の振動素子１０は、基部１１と、基部１１から同一方向へ延設された振動腕部１２ａ，１２ｂと、を備えている。ここで、基部１１と振動腕部１２ａ，１２ｂとを含む平面内での振動腕部１２ａ，１２ｂの延設方向１００に垂直な方向の、基部１１の長さを基部幅１１０とする。このとき、基部幅１１０は、振動腕部１２ａ，１２ｂから遠ざかるにつれて滑らかに狭くなり中途から滑らかに広くなる。

つまり、基部１１は、基部幅１１０を挟むことにより基部幅１１０を定める二つの曲線状の側辺１４ａ，１４ｂを有する。本実施形態１における側辺１４ａ，１４ｂは、円弧状である。詳しく言えば、側辺１４ａ，１４ｂは基部１１の外縁から内側へ凹となる円弧状であり、側辺１４ａと側辺１４ｂとが向かい合うことにより基部１１に曲線状のくびれ部分１１５が形成される。換言すると、側辺１４ａ，１４ｂは、基部１１の内側に凹となるように向かい合っている。

側辺１４ａ，１４ｂの形状は、円弧状に限らず、楕円弧状、二次曲線状など曲線状であればどのような形状でもよく、換言すると、基部幅１１０が振動腕部１２ａ，１２ｂから遠ざかるにつれて滑らかに狭くなり中途から滑らかに広くなる形状であればどのようなものでもよい。側辺１４ａ，１４ｂにおいて、曲線の曲率は一定でなくてもよく、位置に応じて連続的に変化してもよい。基部幅１１０が最小となる位置は、図１において、基部１１の中央に限らず、その中央より上でも下でもよい。なお、振動腕部１２ａ，１２ｂは、特許請求の範囲に記載の「振動部」の一例である。

基部１１は、二つの側辺１４ａ，１４ｂと、振動腕部１２ａ，１２ｂが延設された上辺１１１と、上辺１１１に対向する下辺１１２とを有する四辺形であり、この四辺形の四つの頂点１１３ａ，１１３ｂ，１１４ａ，１１４ｂが丸みを帯びている。丸みを帯びていることの具体例としては、円弧状、楕円弧状、二次曲線状などの曲線状になっていることが挙げられる。図１の仮想線の円内に円弧状の頂点１１３ａを拡大して示すが、他の頂点１１３ｂ，１１４ａ，１１４ｂも同様である。なお、上辺１１１及び下辺１１２における「上下」は、図面上での上下を示す。

電極パッド２２ａ，２２ｂは、導電性接着剤３１を介して、素子搭載部材３２側の電極パッド３３に固定されると同時に電気的に接続される。電極パッド２２ａ，２２ｂに交番電圧が印加されると、発生した電界により振動腕部１２ａ，１２ｂに伸縮が生じ、これにより振動素子１０に所定の共振周波数の屈曲振動が生じる。

次に、振動素子１０の構成について更に詳しく説明する。

振動素子１０は、水晶振動片１５と、水晶振動片１５に設けられた励振電極２１ａ，２１ｂ、電極パッド２２ａ，２２ｂ及び周波数調整用金属膜２３ａ，２３ｂとから、主に構成されている。

水晶振動片１５は、音叉形状となっており、基部１１と、基部１１から延設された二本一対の振動腕部１２ａ，１２ｂとにより概略構成される。水晶振動片１５は、基部１１と振動腕部１２ａ，１２ｂとが一体となって音叉形状をなしており、例えば耐食膜の成膜技術、フォトリソグラフィ技術、フッ酸による化学エッチング技術により製造される。

振動腕部１２ａ，１２ｂの延設方向１００には、それぞれ溝部１３ａ，１３ｂが設けられている。それらの溝部１３ａ，１３ｂは、例えば、振動腕部１２ａの表裏面に二本ずつ及び振動腕部１２ｂの表裏面に二本ずつ、基部１１との境界部分から振動腕部１２ａ，１２ｂの先端に向って、振動腕部１２ａ，１２ｂの延設方向１００と平行に所定の長さで設けられる。なお、溝部１３ａ，１３ｂは、振動腕部１２ａの表裏面に一本ずつ及び振動腕部１２ｂの表裏面に一本ずつ設けてもよいし、振動腕部１２ａ，１２ｂの表裏面のどちらか一方にのみ設けてもよい。

振動腕部１２ａ，１２ｂには、水晶を挟んで対向する平面同士に同極となる励振電極２１ａ，２１ｂが設けられている。励振電極２１ａは、振動腕部１２ａの両側面及び振動腕部１２ｂの表裏面の溝部１３ｂに設けられている。励振電極２１ｂは、振動腕部１２ｂの両側面及び振動腕部１２ａの表裏面の溝部１３ａに設けられている。詳しく言えば、溝部１３ｂに設けられた励振電極２１ａは、振動腕部１２ｂの表裏面において、それぞれの二つの溝部１３ｂの内側及び当該二つの溝部１３ｂの間に設けられている。同様に、溝部１３ａに設けられた励振電極２１ｂは、振動腕部１２ａの表裏面において、それぞれの二つの溝部１３ａの内側及び当該二つの溝部１３ａの間に設けられている。

基部１１には、電極パッド２２ａ，２２ｂが設けられる。基部１１及び振動腕部１２ａ，１２ｂにおいて、励振電極２１ａ、電極パッド２２ａ及び周波数調整用金属膜２３ａは互いに電気的に導通し、励振電極２１ｂ、電極パッド２２ｂ及び周波数調整用金属膜２３ｂも互いに電気的に導通している。

これら励振電極２１ａ，２１ｂ、電極パッド２２ａ，２２ｂ及び周波数調整用金属膜２３ａ，２３ｂは、例えば成膜技術、フォトリソグラフィ技術、エッチング技術により形成され、例えばチタン層の上にパラジウム層又は金層が設けられた積層構造となっている。

振動素子１０は、電極パッド２２ａ，２２ｂ及び導電性接着剤３１を介して、素子搭載部材３２側の電極パッド３３に固定されると同時に電気的に接続される。

音叉型の水晶振動片１５を振動させる場合、電極パッド２２ａ，２２ｂに交番電圧を印加する。印加後のある電気的状態を瞬間的に捉えると、振動腕部１２ａの表裏面の溝部１３ａに設けられた励振電極２１ｂはプラス電位となり、振動腕部１２ａの両側面に設けられた励振電極２１ａはマイナス電位となり、プラスからマイナスに電界が生じる。このとき、振動腕部１２ｂの表裏面の溝部１３ｂに設けられた励振電極２１ａはマイナス電位となり、振動腕部１２ｂの両側面に設けられた励振電極２１ｂはプラス電位となり、振動腕部１２ａに生じた極性とは反対の極性となり、プラスからマイナスに電界が生じる。この交番電圧で生じた電界によって、振動腕部１２ａ，１２ｂに伸縮現象が生じ、振動腕部１２ａ，１２ｂに所定の共振周波数の屈曲振動モードが得られる。

次に、振動素子１０の作用及び効果について説明する。

（１）本実施形態１では、関連技術１と異なり、基部１１に矩形状の最小幅部分が形成されないため、基部１１の特定の部分での応力集中を回避できるので、耐衝撃性を向上できる。換言すると、破損の起点となる角張った切り込みが基部１１にないため、耐衝撃性に優れる。

（２）本実施形態１によれば、基部幅１１０が振動腕部１２ａ，１２ｂから遠ざかるにつれて滑らかに狭くなり中途から滑らかに広くなることにより、この曲線状のくびれ部分１１５で振動もれを抑制できる。また、基部１１の側辺１４ａ，１４ｂを曲線状にくびらせることにより、比較的振動変位が大きくなっている基部１１の振動腕部１２ａ，１２ｂ側と、素子搭載部材３２に固定される基部１１の電極パッド２２ａ，２２ｂ側とを分離できるので、振動漏れを抑制することができる。

（３）側辺１４ａ，１４ｂが円弧状である場合は、当然ながら側辺１４ａ，１４ｂのどこでも曲率が等しいので、基部１１の特定の部分での応力集中をより回避でき、耐衝撃性をより向上できる。

（４）円弧状の側辺１４ａ，１４ｂと直線状の上辺１１１及び下辺１１２とのなす角度は、鋭角となる。すなわち、基部１１の頂点１１３ａ，１１３ｂ，１１４ａ，１１４ｂは、そのままでは鋭角となるため、何かが衝突すると破損しやすくなる。この場合、基部１１の頂点１１３ａ，１１３ｂ，１１４ａ，１１４ｂが丸みを帯びていれば、頂点１１３ａ，１１３ｂ，１１４ａ，１１４ｂでの破損を防止できる。

図４は、実施形態１の振動素子の寸法例を示す平面図である。以下、図１及び図４に基づき、振動素子１０の寸法例について説明する。

振動素子１０は、例えば３２．７６８ｋＨｚで共振するように設計され、全長が約１．１７ｍｍ程度と小型化に対応している。振動素子１０の厚みは、使用する水晶ウェハの厚みと同程度であり、例えば０．ｌｍｍとなっている。ここでは、振動素子１０の長手方向を「長さ」、短手方向を「幅」とする。図面において左右対称な部分は、右又は左の一方のみについて説明する。

振動腕部１２ａの幅中心と振動腕部１２ｂの幅中心との距離４１は０．２１６２ｍｍ、振動腕部１２ｂの長さ４２は０．９６ｌｍｍに形成され、振動腕部１２ｂの幅４３は０．０４８６ｍｍである。基部１１の上辺１１１及び下辺１１２の幅４４は０．３４７ｍｍ、基部１１の長さ４５は０．２０８ｍｍである。側辺１４ａは円弧状であり、基部１１の下辺１１２から円弧の中心までの延設方向１００の距離４６は０．１０４ｍｍ、弧の半径４７は０．１９５ｍｍである。なお、これらの寸法は、あくまで一例であり、設計上適切な値を選べばよい。

この寸法例における振動素子１０を試作したところ、共振周波数は４０ｋＨｚ、ＣＩは６２ｋΩであった。また、その共振周波数の温度依存性は上に凸の２次曲線（横軸が温度、縦軸が共振周波数）となり、その頂点温度は３０℃であった。これに対し、側辺を真っ直ぐにした従来の基部形状の振動素子ではＣＩが９０ｋΩであったので、本実施形態１の振動素子１０による振動漏れ抑制の効果を確認できた。

図５は、実施形態２の振動素子の平面図である。図２は、図５におけるII−II線縦断面図である。以下、図２及び図５に基づき説明する。

本実施形態２の振動素子５０は、突起部５１とスリット５２とを備えた点で、実施形態２と異なる。突起部５１は、二本一対の振動腕部１２ａ，１２ｂの中間にあって、振動腕部１２ａ，１２ｂに沿って基部１１から延設されている。また、突起部５１は、幅が先端から基端へ進むに従い広くなるように、全体として二等辺三角形状に設けられる。突起部５１の先端には、延設方向に沿ってスリット５２が設けられている。突起部５１は水晶振動片１５の一部であり、スリット５２は突起部５１の厚み方向に水晶振動片１５を貫通している。なお、突起部５１の幅とは、振動腕部１２ａ，１２ｂの延設方向１００に垂直な方向における突起部５１の長さである。

本実施形態２では、スパッタ技術及びフォトリソグラフィ技術を用いたリフトオフ法によって、振動腕部１２ａ，１２ｂの側面に励振電極２１ａ，２１ｂを形成する。このとき、スリット５２は、振動腕部１２ａの側面の励振電極２１ａと振動腕部１２ｂの側面の励振電極２１ｂとを切り離す役割を果たす（特許文献３参照）。

本実施形態２の他の構成は、実施形態１と同様である。本実施形態２のような構成でも、実施形態１と同様の作用及び効果を奏する。

図６は、実施形態３の振動素子の平面図である。図２は、図６におけるII−II線縦断面図である。以下、図２及び図６に基づき、比較用として図１及び図３も用いつつ説明する。

本実施形態３の振動素子６０は、実施形態１の構成に加え、支持部６１ａ，６１ｂを更に備えている。支持部６１ａ，６１ｂは、水晶振動片１５の一部であり、基部１１から振動腕部１２ａ，１２ｂの延設方向１００と反対の方向に延設されるとともに、素子搭載部材３２（図３参照）に固定される。支持部６１ａ，６１ｂには、それぞれ電極パッド６２ａ，６２ｂが設けられている。更に、支持部６１ａ，６１ｂは、それぞれ振動素子６０の外側の方向６００ａ，６００ｂへ大きく延びている。

前述したように、図１及び図３に示す実施形態１では、基部１１の側辺１４ａ，１４ｂを曲線状にくびらせることにより、比較的振動変位が大きくなっている基部１１の振動腕部１２ａ，１２ｂ側と、素子搭載部材３２に固定される基部１１の電極パッド２２ａ，２２ｂ側とを分離できるので、振動漏れを抑制することができる。しかし、導電性接着剤３１を塗布する際のばらつきなどに起因して、導電性接着剤３１が基部１１の振動腕部１２ａ，１２ｂ側に達すると、そこでの自由な振動が妨げられるため、振動漏れが発生してＣＩが増大する。

これに対し、本実施形態３では、素子搭載部材に固定される支持部６１ａ，６１ｂが基部１１の外側に設けられているので、基部１１に導電性接着剤を塗布する必要がない。したがって、本実施形態３の振動素子６０によれば、導電性接着剤に起因する振動漏れを抑制できるので、よりＣＩを低減できる。しかも、振動素子６０によれば、素子搭載部材との接着面積が増加するため、耐衝撃性をより向上できる。

本実施形態３の他の構成は、実施形態１と同様である。本実施形態３のような構成にしても、実施形態１と同様の作用及び効果を奏する。

図７は、実施形態４の振動素子の平面図である。図２は、図７におけるII−II線縦断面図である。以下、図２及び図７に基づき、比較用として図１及び図３も用いつつ説明する。

本実施形態４の振動素子７０は、実施形態３の構成に加え、支持腕部７１を更に備えている。支持腕部７１は、水晶振動片１５の一部であり、支持部６１ａから振動腕部１２ａ，１２ｂの延設方向１００に延設され、素子搭載部材３２（図３参照）に固定される。支持腕部７１には、電極パッド７２が設けられている。なお、電極パッド７２は、電極パッド６２ａ，６２ｂがあるので、省略してもよい。支持腕部７１は、支持部６１ａに設けられているので支持部６１ａ，６１ｂと合わせてＬ字形となっているが、支持部６１ｂにも設けて支持部６１ａ，６１ｂと合わせてＵ字形としてもよい。

図１及び図３に示す実施形態１では、振動腕部１２ａ，１２ｂの先端が宙に浮いている状態で実装される。そのため、外部から衝撃が加わった場合、振動腕部１２ａ，１２ｂの先端に加わる力は、基部１１での導電性接着剤３１を剥がす方向に作用する。この点は本実施形態４も同様である。

これに対し、本実施形態４の振動素子７０によれば、支持腕部７１を設けたことにより、素子搭載部材との接着面積が更に増加するとともに、振動腕部１２ａ，１２ｂの先端に加わる力を支持腕部７１へ分散できるので、耐衝撃性を更に向上できる。

本実施形態４の他の構成は、実施形態１、３と同様である。本実施形態４のような構成にしても、実施形態１、３と同様の作用及び効果を奏する。

以上、上記各実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細については、当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができる。また、本発明には、上記各実施形態の構成の一部又は全部を相互に適宜組み合わせたものも含まれる。

本発明は、前述の音叉型振動素子の他にも、例えば輪郭すべり振動素子などの水晶振動素子に利用可能である。

１０ 振動素子
１００ 延設方向
１１ 基部
１１０ 基部幅
１１１ 上辺
１１２ 下辺
１１３ａ，１１３ｂ，１１４ａ，１１４ｂ 頂点
１１５ くびれ部分
１２ａ，１２ｂ 振動腕部
１３ａ，１３ｂ 溝部
１４ａ，１４ｂ 側辺
１５ 水晶振動片
２１ａ，２１ｂ 励振電極
２２ａ，２２ｂ 電極パッド
２３ａ，２３ｂ 周波数調整用金属膜
３１ 導電性接着剤
３２ 素子搭載部材
３３ 電極パッド
４１，４６ 距離
４２，４５ 長さ
４３，４４ 幅
４７ 半径

５０ 振動素子
５１ 突起部
５２ スリット
６０ 振動素子
６１ａ，６１ｂ 支持部
６２ａ，６２ｂ 電極パッド
６００ａ，６００ｂ 方向
７０ 振動素子
７１ 支持腕部
７２ 電極パッド

８０ 振動素子
８１ 基部
８２ａ，８２ｂ 振動腕部
８３ａ，８３ｂ 溝部
８４ａ，８４ｂ 切り込み部
８５ 最小幅部分
８６１，８６２ 頂点
８７１，８７２ クラック
９１ａ，９１ｂ 励振電極
９２ａ，９２ｂ 電極パッド

Claims (4)

1. 基部と、この基部から延設された振動部と、を備えた水晶振動素子において、
   前記基部と前記振動部とを含む平面内での前記振動部の延設方向に垂直な方向の、前記基部の長さを基部幅としたとき、
   この基部幅は、前記振動部から遠ざかるにつれて滑らかに狭くなり中途から滑らかに広くなり、
   前記基部は、前記基部幅を挟むことにより当該基部幅を定める二つの曲線状の側辺を有し、
   前記曲線状の側辺は全体の曲率が等しい円弧状の側辺である、
   ことを特徴とする水晶振動素子。
2. 基部と、この基部から延設された振動部と、を備えた水晶振動素子において、
   前記基部と前記振動部とを含む平面内での前記振動部の延設方向に垂直な方向の、前記基部の長さを基部幅としたとき、
   この基部幅は、前記振動部から遠ざかるにつれて滑らかに狭くなり中途から滑らかに広くなり、
   前記基部は、前記基部幅を挟むことにより当該基部幅を定める二つの円弧状の側辺と、前記振動部が延設された上辺と、この上辺に対向する下辺とを有する四辺形であり、この四辺形の四つの頂点が丸みを帯びている、
   ことを特徴とする水晶振動素子。
3. 基部と、この基部から延設された振動部と、を備えた水晶振動素子において、
   前記基部と前記振動部とを含む平面内での前記振動部の延設方向に垂直な方向の、前記基部の長さを基部幅としたとき、
   この基部幅は、前記振動部から遠ざかるにつれて滑らかに狭くなり中途から滑らかに広くなり、
   前記基部は、前記基部幅を挟むことにより当該基部幅を定める二つの円弧状の側辺と、前記振動部が延設された上辺と、この上辺に対向する下辺とを有する四辺形であり、この四辺形の四つの頂点のうち前記上辺を挟む二つの頂点が丸みを帯びており、
   前記基部から前記振動部の延設方向と反対の方向に延設されるとともに素子搭載部材に固定される支持部を更に備えた、
   ことを特徴とする水晶振動素子。
4. 前記支持部から前記振動部の延設方向に延設され、前記素子搭載部材に固定される支持腕部を更に備えた、
   請求項３記載の水晶振動素子。

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