JPWO2018074216A1 - 圧電振動子 - Google Patents

Abstract

圧電振動子の共振周波数の低下を抑制する。
本発明に係る水晶振動子（１０）は、基板（１２）、蓋（１４）及び基板（１２）と蓋（１４）とを接合する接着部材（３０）を含むパッケージ（１１）と、パッケージ（１１）内に収納されている水晶振動素子（１６）と、水晶振動素子（１６）に付加して設けられており、かつ、湿度が高くなるにしたがって、単位時間及び単位体積当たりの揮発量が増加する材料を含む調整部材（１５０）と、を備えている。

Description

本発明は、圧電振動子に関する。

従来の圧電振動子に関する発明としては、例えば、特許文献１に記載の圧電振動部品が知られている。特許文献１に記載の圧電振動部品は、基板、圧電振動素子、導電性保持部材及びキャップを備えている。圧電振動素子は、導電性保持部材により基板上に実装されている。キャップは、圧電振動素子を内部空間に設けるように、接合部材により基板に固定されている。以上のような圧電振動部品は、例えば、圧電振動子や圧電発振器等に用いられる。

特許第４９４７２１３号

ところで、本願発明者は、特許文献１に記載の圧電振動部品が多湿環境下で使用し続けられると、圧電振動部品の共振周波数が低下することを発見した。

そこで、本発明の目的は、共振周波数の低下を抑制できる圧電振動子を提供することである。

本発明の第１の形態に係る圧電振動子は、
基板、蓋及び前記基板と前記蓋とを接合する有機接着部材を含む保持器と、
前記保持器内に収納されている圧電振動素子と、
前記圧電振動素子に付加して設けられており、かつ、湿度が高くなるにしたがって、単位時間及び単位体積当たりの揮発量が増加する材料を含む調整部材と、
を備えている。

本発明の第２の形態に係る圧電振動子は、
液密封止された内部空間を有する保持器と、
前記保持器内に収納されている圧電振動素子と、
前記圧電振動素子に付加して設けられており、かつ、内部空間内の湿度が高くなるにしたがって、単位時間及び単位体積当たりの揮発量が増加する材料を含む調整部材と、
を備えている。

本発明によれば、共振周波数の低下を抑制できる。

図１は、水晶振動子１０の外観斜視図である。 図２は、水晶振動子１０の分解斜視図である。 図３は、図１のＡ−Ａにおける断面構造図である。

（水晶振動子の構造）
以下に、本発明の一実施形態に係る水晶振動子（Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ｕｎｉｔ）について図面を参照しながら説明する。図１は、水晶振動子１０の外観斜視図である。図２は、水晶振動子１０の分解斜視図である。図３は、図１のＡ−Ａにおける断面構造図である。

以下では、水晶振動子１０の主面に対する法線方向を上下方向と定義し、上側から見たときに、水晶振動子１０の長辺が延在する方向を前後方向（又は長辺方向）と定義し、水晶振動子１０の短辺が延在する方向を左右方向（又は短辺方向）と定義する。

水晶振動子１０は、図１ないし図３に示すように、保持器（Ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ）の一例であるパッケージ１１、水晶振動素子（Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）１６及び調整部材１５０を備えており、圧電振動子（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ｕｎｉｔ）の一例である。水晶振動子１０の左右の幅は例えば１．６ｍｍである。水晶振動子１０の前後の長さは例えば２．０ｍｍである。

パッケージ１１は、基板１２、蓋１４、接着部材３０及び絶縁部材５０を含み、直方体構造を有する密封容器である。パッケージ１１は、その内部に外部から隔離された空間Ｓｐ（内部空間）を有している。パッケージ１１は液密構造を有している。すなわち、空間Ｓｐは、液密封止されている。そのため、パッケージ１１外と空間Ｓｐとの間で液体（例えば、水）が行き来できない。ただし、パッケージ１１は、気密構造を有さない。そのため、パッケージ１１外と空間Ｓｐとの間で気体（例えば、水蒸気）が行き来できる。

基板１２は、基板本体２１、外部電極２２，２６，４０，４２，４４，４６、引き出し導体層３２，３４及び接続導体２５，２８を含んでいる。

基板本体２１は、板状構造を有しており、上側から見たときに、長方形状構造を有している。そのため、基板本体２１は、長方形状の上面及び下面を有している。長方形は正方形も含む意味である。長方形状とは、長方形の他に長方形から僅かに変形した形状も含む意味である。本実施形態では、上側から見たときに、基板本体２１は、４つの角近傍が切り欠かれた構造を有している。より詳細には、上側から見たときに、基板本体２１の４つの角近傍は、中心角が９０°である扇形に切り欠かれている。各切り欠きは、基板本体２１の上面から下面までの間にわたって形成されている。基板本体２１は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化ケイ素質焼結体、ガラスセラミックス焼結体等のセラミックス系絶縁性材料、水晶、ガラス、シリコン等により作製されている。本実施形態では、基板本体２１は、酸化アルミニウム質焼結体により作製されている。

外部電極２２は、基板本体２１の上面の左後ろの角近傍に設けられている長方形状の導体層である。外部電極２６は、基板本体２１の上面の右後ろの角近傍に設けられている長方形状の導体層である。外部電極２２と外部電極２６とは、左右方向に並んでいる。

引き出し導体層３２は、第１の端部及び第２の端部を有する導体層である。第１の端部は、外部電極２２に接続されている。第２の端部は、基板本体２１の上面の左前の角に位置している。引き出し導体層３４は、第３の端部及び第４の端部を有する導体層である。第３の端部は、外部電極２６に接続されている。第４の端部は、基板本体２１の上面の右後ろの角に位置している。

外部電極４０は、基板本体２１の下面の右後ろの角近傍に設けられている正方形状の導体層である。外部電極４２は、基板本体２１の下面の左後ろの角近傍に設けられている正方形状の導体層である。外部電極４４は、基板本体２１の下面の右前の角近傍に設けられている正方形状の導体層である。外部電極４６は、基板本体２１の下面の左前の角近傍に設けられている正方形状の導体層である。

接続導体２５は、基板本体２１の左前の角に設けられた切り欠きを覆うように設けられており、引き出し導体層３２の第２の端部と外部電極４６とを接続している。これにより、外部電極２２と外部電極４６とが電気的に接続されている。接続導体２８は、基板本体２１の右後ろの角に設けられた切り欠きを覆うように設けられており、引き出し導体層３４の第４の端部と外部電極４０とを接続している。これにより、外部電極２６と外部電極４０とが電気的に接続されている。

外部電極２２，２６，４０，４２，４４，４６、引き出し導体層３２，３４及び接続導体２５，２８は、３層構造を有しており、具体的には、下層側から上層側へとモリブデン層、ニッケル層及び金層が積層されることにより構成されている。

蓋１４は、長方形状の開口を有する筺体であり、金属キャップとも呼ばれる。蓋１４は、例えば、鉄ニッケル合金又はコバルトニッケル合金の母材にニッケルめっき及び金めっきが施されることにより作製されている。本実施形態では、蓋１４は、下側が開口した直方体状の箱であり、鉄ニッケル合金の母材の表面にニッケルめっき及び金めっきが施されることにより作製されている。

接着部材３０及び絶縁部材５０は、基板本体２１の上面上に下側から上側へとこの順に重ねて配置される。接着部材３０及び絶縁部材５０は、長方形状の環状構造を有しており、上側から見たときに、水晶振動素子１６及び外部電極２２，２６を囲んでいる。絶縁部材５０は、エポキシ樹脂等の絶縁性樹脂により作製されている。接着部材３０は、有機接着部材であり、より好ましくは樹脂接着部材である。接着部材３０は、樹脂接着部材である場合には、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ系、あるいはシリコーン系の樹脂材料により作製されている。接着部材３０及び絶縁部材５０は、蓋１４と基板１２の引き出し導体層３２，３４とを絶縁する役割を果たすと共に、基板１２と蓋１４とを接合する役割を果たす。蓋１４の開口の外縁が絶縁部材５０に接触した状態で、接着部材３０及び絶縁部材５０が溶融及び固化させられる。これにより、蓋１４は、開口の外縁の全長において基板本体２１の上面に接合する。その結果、基板本体２１の上面及び蓋１４により、空間Ｓｐが形成されている。ただし、接着部材３０が有機接着部材であるので、前記のようにパッケージ１１が液密構造を有し、かつ、気密構造を有さない。

水晶振動素子１６は、パッケージ１１内に励振可能に収納されている。水晶振動素子１６は、水晶片（Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｂｌａｎｋ）１７、外部電極９７，９８、励振電極１００，１０１及び引き出し導体１０２，１０３を含み、圧電振動素子の一例である。水晶片１７は、上面（第１の主面の一例）及び下面（第２の主面の一例）を有する板状構造を有しており、上側から見たときに、長方形状構造を有している。水晶片１７は、圧電片の一例である。よって、水晶片１７の代わりに、圧電片として、圧電セラミック片が用いられてもよい。

水晶片１７は、所定の結晶方位を有する水晶であり、例えば、水晶の原石などから所定の角度で切り出されたＡＴカット型の水晶片である。水晶片１７のサイズは、前後方向の長さが２．０ｍｍ、左右方向の幅が１．６ｍｍの範囲に収まるサイズである。パッケージの壁厚さ、封止材のにじみ、素子のマウント精度等を考慮して、水晶片１７の前後方向の長さが１．５０ｍｍ以下となり、水晶片１７の左右方向の幅が１．００ｍｍ以下となるように水晶片１７が設計される。

外部電極９７は、水晶片１７の左後ろの角及びその近傍に設けられている導体層である。外部電極９７は、上面、下面、後面及び左面に跨って形成されている。外部電極９８は、水晶片１７の右後ろの角及びその近傍に設けられている導体層である。外部電極９８は、上面、下面、後面及び右面に跨って形成されている。これにより、外部電極９７，９８は、水晶片１７の短辺に沿って並んでいる。

励振電極１００（第１の励振電極の一例）は、水晶片１７の上面の中央に設けられており、上側から見たときに長方形状構造を有している。励振電極１０１（第２の励振電極の一例）は、水晶片１７の下面の中央に設けられており、上側から見たときに長方形状構造を有している。励振電極１００と励振電極１０１とは、上側から見たときに、これらの外縁が一致するように重なっている。

引き出し導体１０２は、水晶片１７の上面に設けられており、外部電極９７と励振電極１００とを接続している。引き出し導体１０３は、水晶片１７の下面に設けられており、外部電極９８と励振電極１０１とを接続している。外部電極９７，９８、励振電極１００，１０１及び引き出し導体１０２，１０３は、２層構造を有しており、クロム層（クロムからなる層の一例）及び金層（金からなる層の一例）を含んでいる。クロム層は、水晶片１７の表面上に設けられている。金層は、クロム層の上に設けられている表面金属層である。金層は水晶片１７への密着性が低い。そのため、クロム層は、金層と水晶片１７との間に設けられることによって、外部電極９７，９８、励振電極１００，１０１及び引き出し導体１０２，１０３の水晶片１７の表面への密着層として機能している。なお、クロム層の代わりにチタン層等の他の金属層を密着層として用いてもよい。

水晶振動素子１６は、基板１２の上面に実装される。具体的には、外部電極２２と外部電極９７とが導電性接着部材２１０により電気的に接続された状態で固定され、外部電極２６と外部電極９８とが導電性接着部材２１２により電気的に接続された状態で固定される。これにより、水晶振動素子１６は、導電性接着部材２１０，２１２により基板１２に支持されている。導電性接着部材２１０，２１２の材料は、例えば、エポキシ系樹脂基材に銀フィラーなどの導電性材料フィラーを含有したものである。

調整部材１５０は、水晶振動素子１６に付加して設けられている。本実施形態では、調整部材１５０は、水晶片１７の上面において励振電極１００に対して前側に設けられている。水晶片１７の上面において励振電極１００に対して前側とは、片持ち支持された水晶片１７の自由端側を意味する。ただし、調整部材１５０が設けられる位置はこれに限らない。調整部材１５０は、水晶片１７の下面に設けられていてもよいし、励振電極１００上又は励振電極１０１上に設けられていてもよい。特に、励振電極１００又は励振電極１０１の近傍に調整部材１５０が設けられると大きな効果が得られる。なお、調整部材１５０は、導電性接着部材２１０及び導電性接着部材２１２に含まれていても良い。

また、調整部材１５０は、湿度が高くなるにしたがって、単位時間及び単位体積当たりの揮発量が増加する材料を含んでいる。本実施形態では、調整部材１５０の材料は、空気中の水分と反応することにより、固体から気体に状態変化する。このような材料としては、例えば、シロキサンが挙げられる。揮発量とは、固体又は液体が気体に変化する量を意味する。揮発量の測定は、湿度以外の条件を変化させず（すなわち、試料の形状（表面積）を一定とする）、湿度のみを変化させて行うものとする。

（水晶振動子の製造方法）
以下に、水晶振動子１０の製造方法について図面を参照しながら説明する。

まず、基板１２を作製する。複数の基板本体２１がマトリクス状に配列されたマザー基板を準備する。マザー基板は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化ケイ素質焼結体、ガラスセラミックス焼結体等のセラミックス系絶縁性材料、水晶、ガラス、シリコン等により作製されている。

次に、マザー基板において、基板本体２１の切り欠きが形成される位置にビームを照射して、円形の貫通孔を形成する。接続導体２５，２８の下地電極をマザー基板の貫通孔の内周面に形成する。具体的には、モリブデン層をマザー基板の切り欠き内に印刷し、乾燥させる。その後、モリブデン層を焼結する。これにより、接続導体２５，２８の下地電極が形成される。

次に、外部電極４０，４２，４４，４６の下地電極をマザー基板の下面に形成する。具体的には、モリブデン層をマザー基板の下面上に印刷し、乾燥させる。その後、モリブデン層を焼結する。これにより、外部電極４０，４２，４４，４６の下地電極が形成される。

次に、外部電極２２，２６及び引き出し導体層３２，３４の下地電極をマザー基板の上面に形成する。具体的には、モリブデン層をマザー基板の上面上に印刷し、乾燥させる。その後、モリブデン層を焼結する。これにより、外部電極２２，２６及び引き出し導体層３２，３４の下地電極が形成される。

次に、外部電極４０，４２，４４，４６，２２，２６、引き出し導体層３２，３４及び接続導体２５，２８の下地電極に、ニッケルめっき及び金めっきをこの順に施す。これにより、外部電極４０，４２，４４，４６，２２，２６、引き出し導体層３２，３４及び接続導体２５，２８が形成される。

次に、ダイサーにより、マザー基板を複数の基板本体２１に分割する。なお、レーザビームを照射してマザー基板に分割溝を形成した後、マザー基板を複数の基板本体２１に分割してもよい。これにより、基板１２が完成する。

次に、水晶振動素子１６を作製する。水晶の原石をＡＴカットにより切り出して、長方形状の板状の水晶片１７を得る。更に、必要に応じて、水晶片１７に対してバレル加工装置を用いてべベル加工を施す。これにより、水晶片１７の稜線付近が削り取られる。

次に、水晶片１７の表面に外部電極９７，９８、引き出し導体１０２，１０３を介して外部電極９７，９８に電気的に接続している励振電極１００，１０１を形成する。なお、外部電極９７，９８、励振電極１００，１０１及び引き出し導体１０２，１０３の形成については、一般的な工程であるので説明を省略する。これにより、水晶振動素子１６が完成する。

次に、基板本体２１の上面に水晶振動素子１６を実装する。具体的には、図２及び図３に示すように、外部電極２２と外部電極９７とを導電性接着部材２１０により接着すると共に、外部電極２６と外部電極９８とを導電性接着部材２１２により接着する。

次に、水晶片１７の上面上に調整部材１５０を塗布する。

次に、パッケージ１１を密封する。蓋１４の開口の外縁が絶縁部材５０上に位置するように、蓋１４を基板１２上に配置する。そして、蓋１４及び基板１２を、例えば、１９０℃まで加熱することにより、接着部材３０及び絶縁部材５０を溶融させる。この後、蓋１４及び基板１２を冷却することにより、接着部材３０及び絶縁部材５０を固化させる。これにより、パッケージ１１が密封される。以上の工程を経て、水晶振動子１０が完成する。

（効果）
本実施形態に係る水晶振動子１０によれば、以下に説明するように、共振周波数の低下の発生を抑制できる。本願発明者は、特許文献１に記載の圧電振動部品の共振周波数が低下する原因を検討した。その結果、本願発明者は、圧電振動部品の振動電極が空気中の水分と反応して、振動電極の重量が大きくなることが原因であることを発見した。より詳細には、特許文献１に記載の圧電振動部品は、樹脂の接着部材によりキャップと基板とが接合されている。そのため、圧電振動部品は、液密構造を有し、気密構造を有さない。これにより、圧電振動部品外と圧電振動部品内との間で液体（例えば、水）が行き来できない。ただし、圧電振動部品外と圧電振動部品内との間で気体（例えば、水蒸気）が行き来できる。その結果、圧電振動部品が多湿環境下で使用されると、圧電振動部品内の湿度も上昇する。

ここで、圧電振動部品では、圧電振動子は、圧電片及び一対の振動電極を含んでいる。一対の振動電極はそれぞれ、圧電片の対向する２つの主面に設けられ、圧電片を挟んでいる。このような振動電極は、例えば、下地のクロム層及び表面の金層を含んでいる。クロム層は、圧電板の主面上に直接に形成されている。金層は、クロム層上に形成されている。ただし、金層の厚みは非常に薄い。そのため、前記のように、大気中の湿度が高くなると、圧電振動部品の液密封止内に湿った大気が入り込む。これにより、圧電振動部品の金層を内部空間内の水蒸気が透過する比率が増加し、クロム層まで到達する水分量が増加する。表面の金層を透過した水分がクロム層と反応し、振動電極のクロム層が酸化するなどして重量が増加する。振動電極は圧電片に接触しているので、振動電極にも圧電片の振動が伝達されている。そのため、振動電極の重量が増加すると、圧電片が振動しにくくなる。その結果、圧電振動子の共振周波数が低下する。

また、圧電片には、導電性保持部材も接触しているので、導電性保持部材にも圧電片の振動が伝達されている。更に、導電性保持部材も振動電極と同様に水分と反応し、導電性保持部材の重量が増加する。導電性保持部材の変化によって、圧電振動素子に加わる応力が変化し、圧電振動素子の共振周波数が低下する。

そこで、水晶振動子１０は、水晶片１７に接触する調整部材１５０を備えている。調整部材１５０は、湿度が高くなるにしたがって、単位時間及び単位体積当たりの揮発量が増加する材料を含んでいる。これにより、以下に説明するように、水晶振動子１０の共振周波数の低下が抑制される。空間Ｓｐの湿度が上昇すると、励振電極１００，１０１内のクロム層と水分とが反応し、励振電極１００，１０１の重量が増加する。同様に、導電性接着部材２１０，２１２と水分とが反応し、導電性接着部材２１０，２１２の重量が増加する。このような励振電極１００，１０１及び導電性接着部材２１０，２１２の重量の増加は、水晶振動子１０の共振周波数を低下させる。ただし、空間Ｓｐの湿度が上昇すると、調整部材１５０の揮発量が増加し、調整部材１５０の重量が減少する。このような調整部材１５０の重量の減少は、水晶振動子１０の共振周波数を増加させる。その結果、水晶振動子１０の共振周波数の低下が抑制される。なお、揮発した調整部材１５０は、時間経過に伴って、パッケージ１１外に放出される。

また、本願発明者は、特許文献１に記載の圧電振動部品の共振周波数が低下する原因を更に検討した。その結果、本願発明者は、以下に説明する原因を発見した。具体的には、導電性保持部材が空気中の水分と反応すると変形する。導電性保持部材が変形すると、圧電片が導電性保持部材から応力を受ける。このような応力は、圧電振動部品の共振周波数を低下させる。

そこで、水晶振動子１０は、水晶片１７に接触する調整部材１５０を備えている。調整部材１５０は、湿度が高くなるにしたがって、単位時間及び単位体積当たりの揮発量が増加する材料を含んでいる。これにより、以下に説明するように、水晶振動子１０の共振周波数の低下が抑制される。空間Ｓｐの湿度が上昇すると、導電性接着部材２１０，２１２と水分とが反応し、導電性接着部材２１０，２１２が変形する。このような導電性接着部材２１０，２１２の変形は、水晶振動子１０の共振周波数を低下させる。ただし、空間Ｓｐの湿度が上昇すると、調整部材１５０の揮発量が増加し、調整部材１５０の重量が減少する。このような調整部材１５０の重量の減少は、水晶振動子１０の共振周波数を増加させる。その結果、水晶振動子１０の共振周波数の低下が抑制される。

（その他の実施形態）
本発明に係る圧電振動子は、前記水晶振動子１０に限らず、その要旨の範囲内において変更可能である。例えば、水晶振動素子に、水晶の結晶軸（Ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ａｘｉｓ）として互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸に対して所定の角度で切り出された水晶板を基材とした水晶片であって、基部と、基部から延びている少なくとも１本の振動腕とを有する水晶片と、屈曲振動を発生させるように振動腕に設けられた励振電極とを備える音叉型水晶振動素子が使用できる。

なお、励振電極１００，１０１の内の少なくともいずれか一方が密着層及び表面金属層（好ましくは金層）を含んでいればよい。

以上のように、本発明は、圧電振動子に有用であり、特に、共振周波数の低下を抑制できる点で優れている。

１０：水晶振動子
１１：パッケージ
１２：基板
１４：蓋
１６：水晶振動素子
１７：水晶片
２１：基板本体
３０：接着部材
５０：絶縁部材
１００，１０１：励振電極
１５０：調整部材
２１０，２１２：導電性接着部材
Ｓｐ：空間

Claims (12)

1. 基板、蓋及び前記基板と前記蓋とを接合する有機接着部材を含む保持器と、
   前記保持器内に収納されている圧電振動素子と、
   前記圧電振動素子に付加して設けられており、かつ、湿度が高くなるにしたがって、単位時間及び単位体積当たりの揮発量が増加する材料を含む調整部材と、
   を備えている、
   圧電振動子。
2. 液密封止された内部空間を有する保持器と、
   前記保持器内に収納されている圧電振動素子と、
   前記圧電振動素子に付加して設けられており、かつ、内部空間内の湿度が高くなるにしたがって、単位時間及び単位体積当たりの揮発量が増加する材料を含む調整部材と、
   を備えている、
   圧電振動子。
3. 前記保持器は、基板、蓋及び前記基板と前記蓋とを接合する有機接着部材を含んでいる、
   請求項２に記載の圧電振動子。
4. 前記調整部材は、シロキサンを含む、
   請求項１又は請求項３のいずれかに記載の圧電振動子。
5. 前記圧電振動素子は、互いに対向する第１の主面及び第２の主面を有する圧電片と、前記圧電片を介して対向するように、前記第１の主面及び前記第２の主面に設けられている第１の励振電極及び第２の励振電極と、を含んでいる、
   請求項１、請求項３又は請求項４のいずれかに記載の圧電振動子。
6. 前記第１の励振電極及び／又は前記第２の励振電極はそれぞれ、前記圧電片の前記第１及び第２の主面上に設けられている密着層、及び、前記密着層上に設けられている表面金属層を含んでいる、
   請求項５に記載の圧電振動子。
7. 前記密着層は、クロムからなる層である、
   請求項６に記載の圧電振動子。
8. 前記表面金属層は、金からなる層である、
   請求項６又は請求項７のいずれかに記載の圧電振動子。
9. 前記有機接着部材は、樹脂接着部材である、
   請求項１、請求項３ないし請求項６のいずれかに記載の圧電振動子。
10. 前記圧電振動素子は、導電性接着部材により前記基板に支持されている、
    請求項１、請求項３ないし請求項９のいずれかに記載の圧電振動子。
11. 前記圧電片は、所定の結晶方位を有する水晶である、
    請求項５ないし請求項８のいずれかに記載の圧電振動子。
12. 前記調整部材は前記導電性接着部材に含まれている
    請求項１０に記載の圧電振動子。

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