JP2008300207A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体発光素子に対応して、目的とする配光特性を容易に作り出すことが可能な照明装置を提供する。
【解決手段】基体２１およびこの基体にマトリックス状に配置された半導体発光素子１１を有し、外形略矩形状をなす発光モジュール２０と；発光モジュールに対向して配置された略矩形状をなす一端開口部３１を形成したネック部３２、略円形状をなす他端開口部３３および一端開口部から他端開口部にわたり連続して形成された反射面３４を有する反射体３０と；を具備する照明装置を構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光ダイオード等の半導体発光素子を光源とした照明装置に関する。

近年、半導体発光素子、例えば発光ダイオードは、その発光効率の向上により、一般照明用の光源として採用した照明装置が商品化されてきている。

特に高輝度の発光ダイオードを複数個使用した丸型のダウンライトやスポットライトなどが盛んに商品化されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−４９１２４号公報

しかしながら、特許文献１に示される照明装置では、目的に適した配光制御のために発光ダイオード一つ一つにレンズや反射鏡などの光制御手段を対応させ、それらを灯具で固定する構成となっている。一方、近年、発光ダイオード単体の発光効率は依然として右肩上がりに改善がすすんでおり、比較的短いスパンで仕様変更がなされ、新しいパッケージが次々と製品化されている。

これら背景により、発光ダイオード単体の光束が増えた場合、1台の照明装置に必要な発光ダイオードの個数は減るため必然的にレンズや反射鏡の個数も減り、灯具全体の見直しが必要となる。このため、常に最も効率がよく、また明るい発光ダイオードを使用するためには、灯具全体を短いスパンで見直さなければならず、開発コストが高騰する問題が生じている。

このため、照明装置の光源を発光ダイオード等の半導体発光素子で構成する場合には、短いスパンで製品化される半導体発光素子に対応して、目的とする配光特性を容易に作り出すことができる照明装置を如何に実現するかが重要な課題となっている。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、半導体発光素子に対応して、目的とする配光特性を容易に作り出すことが可能な照明装置を提供しようとするものである。

請求項１に記載の照明装置の発明は、基体およびこの基体にマトリックス状に配置された半導体発光素子を有し、外形略矩形状をなす発光モジュールと；発光モジュールに対向して配置された略矩形状をなす一端開口部を形成したネック部、略円形状をなす他端開口部および一端開口部から他端開口部にわたり連続して形成された反射面を有する反射体と；を具備することを特徴とする。

本発明により、基体にマトリックス状に配置された半導体発光素子を有し、外形略矩形状をなす発光モジュールにより、使用する半導体発光素子の個数変更に対応することができる。

また、この発光モジュールに対向して配置された略矩形状をなす一端開口部を形成したネック部、略円形状をなす他端開口部および一端開口部から他端開口部にわたり連続して形成された反射面を有する反射体により、半導体発光素子の個数変更に対応した目的とする配光特性を容易に作り出すことができる。

本発明において、照明装置は、ダウンライトやスポットライト等、住宅用に限らず、オフィス等施設・業務用の各種の照明器具を構成しても、さらには、一般照明用の白熱電球に置き換え可能な発光ダイオードを用いたＬＥＤ電球等を構成するものであってもよい。

基体は、回路部品が実装される配線基板等の回路基板であることが好ましいが、基体の構成および実装するための手段は特定のものに限定されない。

半導体発光素子は、発光ダイオードや半導体レーザーなど、半導体を発光源とした発光素子が許容される。

発光モジュールは、例えば、ＣＯＢ（Ｃｈｉｐ ｏｎ ｂｏａｒｄ）技術を使用し、基体である、例えば、回路基板上に複数の半導体発光素子をマトリックス状に実装して配置した外形が略矩形状をなすものが許容される。また、マトリックスは、必要な個数の半導体発光素子を適宜選択して容易に配置できるように構成することが好ましいが、これを意図して設計したマトリックスではなくてもよく、要は必要個数の半導体発光素子が適宜配置できる構成のマトリックスであればよい。また、形状は略正方形をなすことが好ましいが、長方形をなす形状であってもよく、光源である半導体発光素子を効率よく配置でき、かつ目的とする配光を得るための全ての略矩形状なす形状が許容される。

反射体は、熱伝導性を有するアルミニウムやステンレス等の金属で構成することが好ましいが、その表面を鏡面加工したものでも、さらには、耐光性および電気絶縁性を有する白色の合成樹脂、例えば、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等で構成してもよい。

反射体の略矩形状をなすネック部は、外形略矩形状の発光モジュールに対応した形状をなしているが、全く同形状をなしている必要はなく、発光モジュールにマトリックス状に配置された半導体発光素子からの光を無駄なく効率的に捕捉できるように、発光モジュールの形状と略同形状の略矩形状の形態をなしていればよい。反射体の略円形状をなす開口部は、略円形をなしていることが好ましいが、厳密な円形をなしている必要はなく、例えば、発光モジュールが長方形をなしている場合には、長方形に対応した長円であってもよく、目的とする略回転対称の配光を得るための全ての略円形状が許容される。反射体の反射面は、略矩形状をなす一端開口部から略円形状をなす他端開口部にわたり連続して形成されるが、断面形状が略矩形状をなす部分と略円形状をなす部分の境界は、例えば、ネック部の近傍に形成しても、ネック部と他端開口部の略中間の位置に設けてもよく、目的とする配光を効率よく、かつ効果的に得るように、設計上の問題として適宜選択すればよい。反射体の略円形状をなす他端開口部に光路を制御するためのレンズ体等、別個の光制御手段をさらに付加してもよい。

請求項２に記載の照明装置の発明は、基体およびこの基体にマトリックス状に配置された半導体発光素子を有し、外形略正方形をなす発光モジュールと；発光モジュールに対向して配置された略正方形をなす一端開口部を形成したネック部、略円形をなす他端開口部および一端開口部から他端開口部にわたり連続して形成された反射面を有する反射体と；を具備することを特徴とする。

略正方形をなす発光モジュール、略正方形をなすネック部の一端開口部および略円形をなす他端開口部は、それぞれ厳密な正方形および円形をなしていることが必要条件ではなく、例えば、マトリックスの各辺の長さが多少異なる正方形でも、多少変形した円形であってもよく、発光モジュールにマトリックス状に配置された半導体発光素子からの光を無駄なく効率的に捕捉し、かつ目的とする略回転対称の配光を得るための全ての略正方形および略円形の形状が許容される。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の照明装置において、前記反射体は、熱伝導性部材で構成し、ネック部を発光モジュールに熱的に連結して配置させたことを特徴とする。

本発明によれば、反射体は、熱伝導性部材で構成し、ネック部を発光モジュールに熱的に連結して配置させ、発光モジュールで発生した熱を反射体を介して放熱することができる。

反射体のネック部を発光モジュールに熱的に連結する手段は、シリコーン樹脂等の熱伝導性を有する接着剤で直接連結しても、アルミニウムや銅等、熱伝導性の優れた材質からなる熱伝導部材を介して間接的に連結するようにしてもよい。

請求項１記載の発明によれば、基体およびこの基体にマトリックス状に配置された半導体発光素子を有し、外形略矩形状をなす発光モジュールと；発光モジュールに対向して配置された略矩形状をなす一端開口部を形成したネック部、略円形状をなす他端開口部および一端開口部から他端開口部にわたり連続して形成された反射面を有する反射体により、使用する半導体発光素子の個数変更等に対応し、かつ目的とする略回転対称をなす配光特性を容易に作り出すことが可能な照明装置を提供することができる。

請求項２記載の発明によれば、基体およびこの基体にマトリックス状に配置された半導体発光素子を有し、外形略正方形をなす発光モジュールと、発光モジュールに対向して配置された略正方形をなす一端開口部を形成したネック部、略円形をなす他端開口部および一端開口部から他端開口部にわたり連続して形成された反射面を有する反射体により、使用する半導体発光素子の個数変更等に対応した目的とする略回転対称をなす配光特性を容易に作り出すことが可能な照明装置を提供することができる。

請求項３記載の発明によれば、反射体は、熱伝導性部材で構成し、ネック部を発光モジュールに熱的に連結して配置させたことにより、発光モジュールで発生した熱を反射体を介して放熱することができ、発光モジュールの発光効率の向上および寿命を維持することが可能な照明装置を提供することができる。

以下、本発明に係る照明装置の実施形態について説明する。

図１〜図３に示すように、本実施例の照明装置１０は、半導体発光素子１１、半導体発光素子をマトリックス状に配置した発光モジュール２０および反射体３０で構成する。

光源となる半導体発光素子１１は、高輝度、高出力の発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」と称す）チップで構成する。

発光モジュール２０は、ＣＯＢ（Ｃｈｉｐ ｏｎ ｂｏａｒｄ）技術を使用し、本発明の基体を構成する回路基板２１上に複数のＬＥＤチップ１１をマトリックス状（ｍ×ｎ）に実装して外形が略矩形状をなす形状に構成する。本実施例においては、一辺に１７個、合計、最大２８９個のＬＥＤチップ１１が実装可能な外形が略正方形をなす形状に構成し、ＬＥＤチップの光束と照明装置として必要な光束に応じた必要な個数のＬＥＤチップが、任意の位置に選択されて実装可能なマトリックスに構成し、ｍ直列―ｎ並列、ｍ×２ｎ直列―ｎ／２並列などに電気的な接続がとられている（図３）。

反射体３０は、アルミニウムのダイカスト製で、両端に開口部を有する光軸をｘ−ｘとした円筒状のケース部材として構成し、外形が略正方形をなす発光モジュール２０に対向して配置され、略正方形の一端開口部３１を有するネック部３２と、略円形をなす他端開口部３３と、一端開口部３１からから他端開口部３３にわたり連続して形成された反射面３４を一体に形成する。

ネック部３２における一端開口部３１の形状は、略正方形の発光モジュール２０にマトリックス状に配置された最大２８９個の全てのＬＥＤチップ１１から放射される光を全て捕捉できるように、略正方形の発光モジュールを内包するような略正方形をなす形状に形成する。また、ネック部３２は、一端開口部３１の内面と、内包した発光モジュール２０の回路基板２１の各辺との間に熱伝導性を有するシリコーン樹脂製の接着剤を塗布することにより、発光モジュールに対向して配置され、かつ熱的に連結されて固定される。他端開口部３３は、目的とする略回転対称の配光を得るために、略円形状をなす形状に形成する。

反射面３４は、略正方形に形成された一端開口部３１から、略円形をなす他端開口部３３に向けて、反射面の断面形状が略正方形から略円形に連続して徐々に変化するように形成する。反射面３４の外面には、全周囲にわたり多数の放熱フィン３５を反射体の光軸ｘ−ｘ方向に平行に突出させて一体に形成する。

上記に構成した照明装置、例えば、色温度５０００Ｋ、平均演色評価指数Ｒａが、７０＜Ｒａ＜８０で発光モジュールを略正方形にして構成した照明装置によれば、反射体３０はそのまま変更せずにＬＥＤチップ１１の使用個数を変更し配列を変えるのみで、略回転対称をなす配光特性が変わることなく、次の表１に示すような各種の出力を持つ照明装置が構成される。

上記構成の照明装置１０は、各種出力に応じて、ダウンライトやスポットライト等の光源部として用いられる。

次に、上記照明装置を用いて光源部を構成したミニクリプトンダウンライト（ミニクリプトン電球４０Ｗ−１００Ｗ対応）につきその構成を説明する。図４に示すように、ダウンライト５０は、器具本体５１、光源部５２、光源を点灯するための電源部５３、電源部に電源を供給する電源端子台５４で構成する。

器具本体５１は、一端部に光源部５２および他端部に電源端子台５４を配設し、内部に電源部５３を収容するための両端が開放した円筒体をなす熱伝導性の良好なアルミニウムで構成する。また、器具本体５１は、円筒体内部の一端部の開口５１ａ側に位置して、仕切り板５１ｂを一体に形成し、開口と仕切り板との間に光源部５２を収納するための凹部からなる収納部５１ｃを一体に形成する。図４中５１ｄは収納部５１ｃの側壁周囲に貫通して形成された複数個の放熱孔である。

光源部５２は、上述した照明装置１０を収納することにより構成する。すなわち、照明装置１０は、ミニクリプトンダウンライト４０Ｗから１００Ｗに対応可能にするために、３５ｍｍ角の略正方形の発光モジュール２０を用い、高輝度、高出力のＬＥＤチップ１１を、発光モジュール２０の中心部にチップ配列７×７に配置した。

また、遮光角θ１が６０°（図１（ｂ））、１／２ビーム角を８０°を得るために、反射体３０の深さ寸法ｈは約２８ｍｍ、他端開口部３３の直径ｄは約６０ｍｍとした。ネック部３２における一端開口部３１の開口寸法ｌは、３５ｍｍ角の正方形の発光モジュール２０を内包し、全てのＬＥＤチップ１１の光が補足できるように、約３６ｍｍ角の正方形とした。これにより、器具効率８１％、発光モジュール２０の光束が３４５ｌｍ（ミニクリプトン電球４０Ｗ相当）、中心光度約１９０ｃｄが得られる。

また、反射体３０の反射面３４は、略正方形に形成された一端開口部３１から略円形をなす他端開口部３３に向けて、反射面の断面形状が略正方形から略円形に連続して徐々に変化するように形成してあるので、他端開口部３３付近が略回転対称と近い形状となっている。このために、図５に示すように器具の配光および照度分布は略回転対称となる。

図５は、本実施例の照明装置１０において、光の出射角度と光度の関係を測定し、その結果を示したグラフである。出射角度θ２（図１（ｂ））を０°から６０°の範囲で変化させ、照明装置の平面図である図１（ａ）に示すように、他端開口部３３において、光軸ｘ−ｘを中心として角度０°から１０°毎に９０°まで回転させた際の光度を測定したものであり、どの出射角度及びどの回転角においても光度は略一致しており、他端開口部３３付近における配光および照度分布が略回転対称になっていることが理解される。

また、上記のようにネック部３２の一端開口部３１を３５ｍｍ角の略正方形の発光モジュール２０を内包し、全てのＬＥＤチップ１１の光が補足できるように、約３６ｍｍ角の正方形としたので、器具効率が向上し、かつ小型化された照明装置が構成される。

因みに、ネック部３２の一端開口部３１を正方形でなく円形にすると、図６の外円ａに示すように上記同様３５ｍｍ角の発光モジュール２０に対して、ネック部３２の径を発光モジュールに外接するようにした場合、ネック部の径Φ１は約５０ｍｍとなり、遮光角θ１を６０°、１／２ビーム角を８０°を得るためには、反射体３０の深さ寸法ｈは約４０ｍｍ、他端開口部３３の直径ｄは約８５ｍｍとなる。しかし、ミニクリプトン電球４０Ｗから６０Ｗ相当のダウンライトにおける主な反射体の開口サイズはΦ８０ｍｍ程度であり、これに収まらない。このためＬＥＤ化の大きなメリットとして小型化があるが、これに沿わなくなる。

また、図６の内円ｂのように、ネック部３２の径Φ２を３５ｍｍとした場合、３５ｍｍ角の発光モジュール２０の方が大きいため、全てのＬＥＤチップ１１の光を補足できなくなり（図６斜線部分）、器具効率は６４％、中心光度は１６０ｃｄ（発光モジュールの光束が３４５ｌｍの場合）となり低くなる。

上記のように略回転対称の配光特性を有し、器具効率を向上して、かつ小型化した照明装置１０は、略正方形の発光モジュール２０の回路基板２１の外面を、器具本体５１の仕切り板５１ｂに熱伝導性を有し電気絶縁性を有するシリコーン樹脂等からなる絶縁シート等を介して密着させ、ネジ等の固定手段により支持する。

これにより、反射体３０の光軸ｘ−ｘ、すなわち、照明装置１０の光軸が、円筒体からなる器具本体５１の軸に合致し、さらに反射体３０の略円形をなす他端開口部３３が化粧枠５５の内側に位置して配設され、同時に回路基板２１と仕切り板５１ｂが熱的に連結される。また、光を放射する反射体３０の他端開口部３３は略円形をなしているので、器具本体５１には全体として平面視で略円形の発光面を有する光源部５２が構成される。

電源部５３は、上述のように器具本体５１の光源部５２に収納された照明装置１０を点灯させるための点灯回路を有し、リード線により照明装置１０に配線接続され、電源端子台５４を介して１００Ｖの商用電源が供給される。

なお、図４中５５は、ダウンライトのリング状をなす化粧枠で、リング状をなす化粧枠の内面には、透明なアクリル樹脂で構成したカバー部材５５ａが嵌め込まれ固定される。

５６はダウンライトを天井等へ設置するための支持具で、ステンレスの板材をプレス加工して形成した略Ｌ字形の２枚の板バネからなり、Ｌ字の垂直部分を器具本体５１外側面に、径方向に対向して位置させて固定する。

上記により、一端部の光源部５２に本実施例における照明装置１０が組み込まれ、他端部に電源端子台５４を配設し、内部に電源部５３を収容した、高さ寸法Ｈが約８４ｍｍ、化粧枠の直径寸法Ｄ１が約８８ｍｍ、器具本体の直径寸法Ｄ２が約６５ｍｍ、消費電力５ＷのＡＣ１００Ｖで駆動するミニクリプトン電球４０Ｗ相当のダウンライト５０が構成される。

上記構成のダウンライトは、被設置面である天井等に単体若しくは複数個を送り用ケーブルにより接続させて設置され点灯すると、略正方形の発光モジュール２０に配置された各ＬＥＤチップ１１が発光し、ＬＥＤから放射された光は、略正方形をなす反射体３０の一端開口部３１から取り込まれ、反射体の反射面３４で反射しながら他端開口部３３から放射される。

このとき、反射体の反射面３４は、略正方形に形成された一端開口部３１から略円形をなす他端開口部３３に向けて、反射面の断面形状が略正方形から略円形に連続して徐々に変化するように形成してあるので、他端開口部３３付近が略回転対称と近い形状となっており、図５に示すように器具の配光および照度分布は略回転対称となって部屋全体にわたり略均一な明るさで照明する。

各ＬＥＤチップ１１から発生した熱は、発光モジュール２０の回路基板２１から仕切り板５１ｂを介して面積の広いアルミニウムからなる器具本体５１に効果的に伝達され効率よく放熱される。同時に反射面３０の外面に一体に形成された多数の放熱フィン３５からも器具本体５１の放熱孔５１ｄを介して外部に放出される。

また、ＬＥＤの仕様変更がなされ、ＬＥＤ単体の光束が増した場合は、次のように対応する。すなわち、発光モジュール２０および反射体３０は変更せずに、ＬＥＤ１１チップの使用個数を、例えば、７×７から５×５に減らして略正方形の発光モジュールの中心部に配置する。

この変更手段のみで、所定の略回転対称の配光特性を変えずにＬＥＤの仕様変更に応じたミニクリプトン電球４０Ｗ相当のダウンライトが構成される。しかも、発光モジュール２０および反射体３０の設計を見直すことなく行える。

また、異なる出力の、例えば、６０Ｗや１００Ｗミニクリプトン電球相当のダウンライトを構成する場合には、次のように対応する。すなわち、ＬＥＤ１１チップの使用個数を、上記の表１に示すように、７×７から８×９に変更して６０Ｗミニクリプトン電球相当のダウンライトを構成する。また、１２×１３に変更して１００Ｗミニクリプトン電球相当のダウンライトを構成する。これらの変更も発光モジュール２０および反射体３０の設計を見直すことなく行える。

また、逆に、発光モジュール２０および反射体３０はそのままで、配光を変更する場合、例えば、照射面が横に長い長円形状の配光を得る場合には、ＬＥＤチップを発光モジュールに２×２０のように横に長くして配列すればよい。

以上、本実施例によれば、回路基板およびこの回路基板にマトリックス状に配置したＬＥＤチップ１１を有し、外形が略正方形をなす発光モジュール２０により、使用するＬＥＤチップ１１の個数変更に対応することができる。

また、この発光モジュール２０に対向して配置された略正方形をなす一端開口部３１を形成したネック部３２、略円形状をなす他端開口部３３および一端開口部３１から他端開口部３３にわたり連続して形成された反射面３４を有する反射体により、使用するＬＥＤチップ１１の個数を変更しても発光モジュール２０および反射体３０の設計を見直すことなく、かつ配光性能を損なうことなく略回転対称の所期の所定の配光特性をそのまま容易に作り出すことができる。

これにより、ＬＥＤの仕様変更に対しても容易に対応することができ開発コストの高騰化を抑制することができる。同時に発光モジュールおよび反射体を共通化して、各種出力を有する照明器具を構成することができ、開発コストを低減することもできる。

また、発光モジュール２０および反射体３０の設計を見直すことなく、ＬＥＤチップの配列のみを変えることにより各種の配光特性を容易に得ることも可能となる。

また、発光モジュールは略正方形となし、ＬＥＤチップをマトリックス状に配置するようにしたので、ＬＥＤチップ同士の電気的接続が容易になり、チップ数の変更に対しても容易に対応することができコスト的に有利となる。因みに、発光モジュールを円形にして同心円状にＬＥＤチップを配置した場合には、ＬＥＤチップ同士の電気的接続が複雑となり、チップ数の変更は容易でなく専用の回路パターンが必要となるなど開発コストがかさむ。

反射体３０は、アルミニウムで構成し、外面に多数の放熱フィン３５を一体に形成してネック部３２を発光モジュール２０に熱的に連結して配置させたので、各ＬＥＤチップ１１で発生した熱は反射体を介して効果的に放熱することができ、ＬＥＤの発光効率の向上および寿命を維持することができる。また、ダウンライト等の照明器具の光源部に組み込んだ場合でも、発光モジュールの回路基板から面積の広い器具本体側に効果的に伝達され効率よく放熱される。

以上、本実施例において、照明装置によりダウンライトを構成したが、スポットライト等、住宅用、さらにはオフィス等施設、業務用などの各種の照明器具を構成してもよい。

また、図７に示すように、一般照明用の白熱電球に置き換え可能な発光ダイオードを用いたＬＥＤ電球６０を構成してもよい。

すなわち、ＬＥＤ電球６０は、本実施例の照明装置を組み込んだ光源部６１と、点灯装６２を収納したカバー部材６３と、口金６４で構成する。口金６４は一般照明用の白熱電球用のソケットに装着可能な、例えばＥ２６形口金で構成する。

このＬＥＤ電球によれば、光源部６１における発光モジュールおよび反射体は見直さずに、使用するＬＥＤチップの個数を変更するのみで、４０Ｗ、６０Ｗ、１００Ｗ等の各種の電球を構成することができ、コスト的に有利なＬＥＤ電球を提供することができる。また、ＬＥＤの仕様変更にも容易に対応可能なＬＥＤ電球を提供することができる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明は上述の実施例に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の設計変更を行うことができる。

本発明の実施形態に係る照明装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図、（ｃ）は底面図。 同じく照明装置の斜視図。 同じく照明装置の発光モジュールの平面図。 同じく照明装置を光源部に使用したダウンライトの縦断面図。 同じく照明装置の光の出射角度と光度の関係を測定した結果のグラフ。 同じく照明装置の他の例を示す底面図。 同じく照明装置を光源部に使用したＬＥＤ電球を示す断面図。

符号の説明

１０ 照明装置
１１ 半導体発光素子
２０ 発光モジュール
２１ 基体
３０ 反射体
３１ 一端開口部
３２ ネック部
３３ 他端開口部
３４ 反射面

Claims (3)

1. 基体およびこの基体にマトリックス状に配置された半導体発光素子を有し、外形略矩形状をなす発光モジュールと；
   発光モジュールに対向して配置された略矩形状をなす一端開口部を形成したネック部、略円形状をなす他端開口部および一端開口部から他端開口部にわたり連続して形成された反射面を有する反射体と；
   を具備することを特徴とする照明装置。
2. 基体およびこの基体にマトリックス状に配置された半導体発光素子を有し、外形略正方形をなす発光モジュールと；
   発光モジュールに対向して配置された略正方形をなす一端開口部を形成したネック部、略円形をなす他端開口部および一端開口部から他端開口部にわたり連続して形成された反射面を有する反射体と；
   を具備することを特徴とする照明装置。
3. 前記反射体は、熱伝導性部材で構成し、ネック部を発光モジュールに熱的に連結して配置させたことを特徴とする請求項１または２記載の照明装置。
   
   

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