JP2010040437A - 冷陰極蛍光ランプ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高電流の管電流が印加された場合でも耐スパッタリング性に優れた電極を備え、アマルガムの形成を抑制し、環境負荷が小さく、容易に安価に製造することができ、長寿命の実用レベルの電極を有する冷陰極蛍光ランプを提供する。
【解決手段】内壁面に蛍光体層が設けられ、内部に希ガス及び水銀を保持し、両端を封止部材により密閉された透明管と、該透明管の内部の両端部付近に設けられた電極と、該電極に接続され封止部材を貫通して設けられるリード線とを有する冷陰極蛍光ランプにおいて、電極が、平均結晶粒径が４．９μｍ以下の微細組織を有する鉄又は鉄合金材料で形成されたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷陰極蛍光ランプ及びその製造方法に関し、より詳しくは、高電流の管電流が印加される場合でも電極の耐スパッタリング性を向上させることにより長寿命化を図った冷陰極蛍光ランプ及びその製造方法に関する。

テレビ、コンピューター等の液晶表示装置に適用されるバックライト、ファクシミリ等の読み取り用光源、複写機のイレーサー用光源、各種表示用等に冷陰極蛍光ランプが、高輝度、高演色性、長寿命、低消費電力性等に優れることから、多用されている。この種の冷陰極蛍光ランプにおいては、内部に希ガスと水銀とを気密に保持したガラス等の透明管の両端部付近に設けられる電極に電圧を印加することにより、透明管内に僅かに存在する電子により希ガスを電離させ、電離した希ガスを電極に衝突させて二次電子を放出させグロー放電を生起させ、これにより水銀を励起して紫外線を放射させる。この紫外線を受けた透明管の内壁に設けられる蛍光体から可視光が発光されるようになっている。

この種の冷陰極蛍光ランプの電極としては、管電圧と消費電力の低減を図ることができるカップ形状のものが使用され、カップ形状の開口が相互に対向するようにそれぞれ透明管の内部両端に配置される。電極の材質としては、溶融温度が低く、加工が容易であり、水銀や希ガスのイオン等に対する耐スパッタ性に優れ、封止部材に一般的に用いられるコバール等との溶接が良好で、４〜５ｍＡの管電流での使用に充分耐え得る耐久性を有することから、ニッケルが用いられていた。しかし、近年のテレビの大画面、高輝度の液晶表示装置のバックライトユニットの冷陰極蛍光ランプにおいては、５ｍＡ以上の管電流に対する耐久性を有することが必要であり、その電極として、大きい負荷に対しても耐スパッタ性に優れ、また、低仕事関数を有し、放電開始電圧を低減できるモリブデンやニオブ等がニッケルに替えて、用いられている（特許文献１）。

しかしながら、モリブデンやニオブはその融点がそれぞれ２６２２℃、１９５０℃と高温であり、このような高融点金属を完全に溶融して電極を作製することができる加熱炉を作成することは困難である。また、モリブデンやニオブはそれ自体が高価であることに加え、このような金属の高融点温度において耐久性を有する加熱炉は高価であり、これらの金属を用いた電極はコスト高となるため、一般的には、これらの金属を１８００℃程度で焼結して作成したインゴットや素線を加工して電極を作製している。しかしながら、融点に達しない温度で溶融して成形されたインゴットや素線を用いて作製した電極においては、原料粒子が残存し原料粒子が粒界を介して結合した組織を有し、冷陰極蛍光ランプの製造時に電極表面が加熱により酸化を受けると、酸化により原料粒子間の結合が弱められた粒界に選択的に水銀や希ガスのイオンによるスパッタリングが進行してしまう。このため、モリブデンやニオブを原料とした電極は、現実の冷陰極蛍光ランプにおいて、耐スパッタリング性を有するものではなく、実用上信頼性に欠ける。

また、モリブデンやニオブは、ニッケルに比べ、水銀や希ガスのイオン等に対する耐スパッタリング性に若干の優位性があるが、スパッタリングされたモリブデンやニオブは、ニッケルと同様に水銀と反応してアマルガムを形成するため、ランプに導入された水銀を消費することになる。近年の環境問題からも、透明管内へ導入する水銀量を最小限に抑えることが望ましく、アマルガムの形成を抑制することができる電極材料が求められている。

しかし、ニッケル、モリブデン及びニオブは、ランプの動作中にスパッタにより水銀と反応して発光に寄与しないアマルガムを形成し続けるため、透明管に導入された水銀が消費されてしまう。このため、透明管へ導入する水銀量は、発光に使用される水銀量にアマルガム形成に消費される水銀量を加えた量とする。近年の環境問題からも、透明管内へ導入する水銀量を最小限に抑えることが望ましく、電極のスパッタの際にアマルガムの形成を抑制することができる電極材料が求められている。

水銀とアマルガムを形成しない主な材料としては、鉄、タングステン、マンガンが挙げられるが、タングステンは融点が極めて高く、電極材料として用いるためには一般に焼結材料しかなく、電極として極めて高価になってしまうため実用には不適当である。また、マンガンは電極の主成分としては実用上不向きである。電極材料として実用上、可能であるのは鉄材であるが、例えば、炭素の含有量が０．０２質量％程度までの一般に純鉄といわれる鉄材のように、鉄の含有量が高い材料は、水銀やネオンイオンによるスパッタリングに対する耐スパッタリング性は、ニッケルと同等以下であり、耐スパッタリング性を向上させることが必要である。

また、ニッケル、ステンレス、鉄、アルミニウム、銅のうちの少なくとも１種からなる層の上に、タングステン、モリブデン、ニオブ等の層を有する電極を備え、エミッタ保持性能に優れ、長寿命を資する放電ランプ（特許文献２）や、このような２層構造であって特定構造を有する冷陰極蛍光ランプ（特許文献３、４）も報告されているが、表面に設けられるモリブデン、ニオブ等のため、実用化には問題がある。
特開２００４−３５５９７１号公報 特開２００５−１８３１７２号公報 特開２００５−３２７４８５号公報 特開２００６−０７３３０７号公報

本発明の課題は、高電流の管電流が印加された場合でも優れた耐スパッタリング性を有し、アマルガムの形成を抑制し、環境に対する負荷が小さく、容易に安価に製造することができ、長寿命の実用レベルの電極を有する冷陰極蛍光ランプを提供することにある。

本発明者は、鋭意研究の結果、鉄又は鉄合金を主成分とし、その結晶粒径が４．９μｍ以下の微細組織を有する電極は、冷陰極蛍光ランプに適用した場合、高電流の管電流が印加された場合でも耐スパッタリング性に優れ、アマルガムの形成を抑制することができることの知見を得た。かかる知見に基づき本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、内壁面に蛍光体層が設けられ、内部に希ガス及び水銀を保持し、両端を封止部材により密閉された透明管と、該透明管の内部の両端部付近に設けられた電極と、該電極に接続され封止部材を貫通して設けられるリード線とを有する冷陰極蛍光ランプにおいて、電極が、平均結晶粒径が４．９μｍ以下の微細組織を有する鉄又は鉄合金材料で形成されたことを特徴とする冷陰極蛍光ランプに関する。

本発明の冷陰極蛍光ランプは、高電流の管電流が印加された場合でも優れた耐スパッタリング性を有し、アマルガムの形成を抑制し、環境に対する負荷が小さく、容易に安価に製造することができ、長寿命の実用レベルの電極を有する。

本発明の冷陰極蛍光ランプは、内壁面に蛍光体層が設けられ、内部に希ガス及び水銀を保持し、両端を封止部材により密閉された透明管と、該透明管の内部の両端部付近に設けられた電極と、該電極に接続され封止部材を貫通して設けられるリード線とを有する冷陰極蛍光ランプにおいて、電極が、平均結晶粒径が４．９μｍ以下の微細組織を有する鉄又は鉄合金材料で形成されたことを特徴とする。

本発明の冷陰極蛍光ランプに用いる透明管としては、ケイ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス、亜鉛ホウケイ酸ガラス、鉛ガラス、ソーダガラス等のガラス製等、可視光を透過する材質であればいずれのものであってもよい。その形状としては直管型、湾曲型などいずれであってもよい。管径としては、いずれであってもよく、例えば、１．５〜６．０ｍｍ等を挙げることができる。透明管の厚さとしては、使用目的により適宜選択することができるが、上記口径のものであれば、０．１５〜０．６０ｍｍの厚さとすることが好ましい。

透明管内壁面には、ほぼ全面に亘って蛍光体層が設けられる。蛍光体層は後述する水銀により放射される紫外線により励起して可視光を発光する蛍光体を含有する。かかる蛍光体は使用目的により目的の波長を発光するものを選択することができ、例えば、ハロリン酸塩蛍光体や希土類蛍光体等を用いることができる。これらを適宜組み合わせて使用し、白色光を発光させることもできる。蛍光体層の厚さとしては、１１μｍ以上３５μｍ以下であることが好ましい。

透明管内には放電により紫外線を発生する水銀が導入され、アルゴン、キセノン、ネオン等から適宜選択される希ガスが導入され、透明管内で発生された放電電子が水銀原子に衝突し、水銀原子が蛍光体を励起する２５３．７ｎｍを含む紫外線を発生するようになっている。導入する水銀や希ガスの量としては、蛍光ランプの点灯時において、水銀の蒸気圧が、例えば、１〜１０Ｐａ等、希ガスの圧力が、例えば、５０００Ｐａ〜１１０００Ｐａ等となる量であることが好ましい。

透明管の内部の両端に設けられる電極は、平均結晶粒径が４．９μｍ以下の微細組織を有する鉄又は鉄合金材料（以下、電極材料ともいう。）で形成されたものである。電極材料には、鉄が唯一のものとして含有されていてもよいが、炭素が含まれることが好ましい。このような電極材料は、鉄を主成分とするため、モリブデンやニオブ等を含有する材料より融点が低く、更に、炭素を含有することにより、より低融点となり、リード線の接続もより低い温度で行うことができるため、リード線の劣化を抑制することができ、加工成形性に優れる。リード線に、例えば、コバールを用いた場合、同程度の温度範囲の融点を有し、しかも、微細組織を有するため、得られる電極に高い管電流、例えば、１２ｍＡが印加された場合でも、優れた耐スパッタリング性を有するものとなる。

ここで、電極の結晶粒子の平均粒径は、酸によりエッチング処理した電極表面を、光学顕微鏡観察を用いた比較法により求めた粒子径から求めることができる。具体的には、（社）日本熱処理技術協会編著、大河出版発行、「入門金属材料と組織」（Ｐ１８９〜１９３）に記載される方法に準拠して、実視野径０．８ｍｍの円の光学顕微鏡１００倍の写真印画の大きさ径８０ｍｍの円において、標準図と比較してその相当する粒度番号を判定して平均粒子径を得る。例えば、電極の光学顕微鏡により得られる画像から、粒子粒子径は粒度番号５より若干小さいものであり、粒子径の平均値４．９μｍを得ることができる。

上記電極材料は、鉄又は鉄合金を主成分として含む溶融物を冷却して得られるものであり、上記電極材料が炭素を含む場合、炭素は、鉄又は鉄合金中に、固溶体（フェライト、オーステナイト、マルテンサイト）、黒鉛（グラファイト）、炭化鉄（セメンタイト）として存在する。ここで、グラファイトは、六方晶系の結晶相を有する炭素鉱物であり、セメンタイトは鉄と炭素が結合した炭化鉄Ｆｅ₃Ｃである。また、固溶体は、鉄の結晶格子の原子間の隙間に極僅かな炭素原子が侵入した侵入型固溶体であり、高温ではオーステナイト（面心立方格子構造）を安定な構造とし、常温ではフェライト（体心立方格子構造）を安定な構造とするが、オーステナイト構造の高温の固溶体を急冷する（焼入れ）ことにより、非常に硬くて脆いマルテンサイト（体心正方格子構造）となり、更に、マルテンサイトを再加熱し一定時間保持した後、除冷する（焼き戻し）ことにより、高靭性の焼き戻しマルテンサイトにすることができる。上記電極材料中に含有される炭素が、固溶体、グラファイト、セメンタイトのいずれの形態をとるかは、鉄又は鉄合金を含む溶融物を冷却する際の冷却速度（時間）、鉄又は鉄合金材料中に存在するその他の元素、炭素の含有量、溶融物を冷却して得られる鋳物の厚さ等の条件により、これらの条件を調整することにより、炭素を電極材料中に所望の形態で含有させることができる。

上記電極材料としては、鉄又は鉄合金の結晶粒内に、炭化物粒子、具体的には、炭化鉄（セメンタイト）粒子を含むものが好ましい。上記電極材料中に含有される炭素は、０．０８質量％以上、１．４質量％以下の範囲で含有されることが好ましく、より好ましくは、０．１８質量％以上、０．６８質量％以下である。電極材料中の炭素がこの範囲で含有されることにより、炭素原子は鉄と結合し炭化鉄となる傾向にあり、溶融された電極材料は流動性に優れ、冷却後の電極材料が加工性が容易な硬度を有する。また、１２ｍＡを超えるような電流が印加されても、電極は希ガスのイオンに対し優れた耐スッパタリング性を有し、冷陰極蛍光ランプの長寿命化を図ることができる。

また、炭化鉄粒子径の平均粒子径は９５ｎｍ以下であることが好ましい。炭化鉄の粒子径は、上記微細組織の測定方法と同様の方法によって得られる平均粒径を採用することができる。

上記電極材料は、鉄と共に、又は鉄合金として、モリブデン、マンガン、クロム又はケイ素のいずれか１種又はこれらの２種以上を含有することが好ましい。モリブデン、マンガン、クロムは、炭化鉄を安定にし、鉄の酸化を抑制し、焼入れ効果を増加させ組織を緻密にして、硬度を増加させる作用を有する。更に、マンガンは鉄又は鉄合金に含まれるイオウと結合し硫化マンガンを形成し、イオウと結合しないマンガンは炭化物を形成するため、黒鉛の析出を抑制する。

また、ケイ素は炭素を最も黒鉛化する元素で、炭化鉄を分解する作用が強い。しかし、溶融した電極材料の流動性を向上させることができ、形成する電極の厚さが厚い場合、冷却速度が速く炭素の黒鉛化が抑制される。

モリブデン、マンガン、クロム又はケイ素は、電極材料中にこれらの原子の合計として０．３質量％以上、３．５質量％以下の範囲で含有されることが好ましく、より好ましくは、０．６質量％以上、２．１質量％以下である。これらの原子がこの範囲で含有されることにより、炭化鉄を安定して電極材料中に含有させることができ、また、溶融した電極材料の流動性を保持し、電極の成形を容易にすることができる。

上記電極材料を用いて形成する電極は、板状等であってもよいが、カップ形状を有することが、管電圧と消費電力の低減を図ることができることから、好ましく、カップ状の開口を相互に対向させて透明管の内部の両端部付近にそれぞれ配置したものが好ましい。カップ形状の電極を作成するには、上記電極材料を板状のインゴットに形成し、これから切り出した部材を接合して作製することもできるが、円形に切り出し、プレス成形し、カップ状に形成することができる。また、上記電極材料を素線に形成し、所望の長さに切断し、切断面を軸方向に打ち込み凹部を形成し、カップ状に形成する、いわゆるヘッダー加工をすることによりカップ状電極を容易に成形することができる。カップの形状は、透明管の内径、ランプの出力により適宜選択することができるが、例えば、外径１．０５〜２．７５ｍｍ、長さ３〜８ｍｍ等とすることができる。

上記電極には、電極を外部の電源と接続するためのリード線が接続される。リード線は一端が電極の底面に融着され、他端が透明管の端部を密閉するための、封止部材を貫通して外部に突出して、設けることができる。リード線としては、電極に融着する際の加熱、密閉部材を透明管に密着する際の加熱により劣化されるのを抑制するため、耐熱性を有するものが好ましく、また、ランプの使用時の電極の熱を、透明管外部へ効率よく放熱することができるように、ランプ内のリード線には銅の芯線をコバールで被覆した二重構造を有するコバール線等を、外部リード線には、ジュメット線等を接続して用いてもよい。

上記希ガス及び水銀を保持する透明管の両端を密閉する、ステム等の封止部材は、上記リード線を貫通して設けられ、リード線を介して電極を固定する機能を有する。封止部材には、例えば、ガラスビード、コバール等が用いられる。

本発明の冷陰極蛍光ランプは、蛍光体層と透明管との間に、水銀から放射される紫外線等の透明管外への漏洩を抑制するため、若しくは、水銀等による透明管の劣化を抑制するため保護層を設けてもよい。保護層としては、例えば、酸化イットリウム、酸化アルミニウム等の金属酸化物等を用いて形成することができる。

上記冷陰極蛍光ランプを製造する方法としては、鉄又は鉄合金と、必要に応じて炭素、モリブデン、マンガン、クロム、ケイ素等を含む鉄又は鉄合金材料を溶融した溶製材を用いて、鋳物、即ち、インゴット又は素線を作成し、これを多方向から歪を加え鍛造又は圧延し、平均結晶粒径４．９μｍ以下の微細組織を有する電極を成形することが好ましい。

電極の作製方法としては、具体的には、例えば、鉄原子の含有率が９６質量％、炭素の含有率が０．５質量％の場合、１５００℃で溶融し、鋳物を得る。得られた鋳物を塑性加工する。塑性加工は、鋳塊を熱間鍛造、熱間圧延により、多方向から歪を加えコイル材を形成する。得られたコイル材を酸洗した後、焼鈍で歪を除去し展延性の向上を図ると共に、硬度調整を行いながら伸線し、例えば、口径１〜２．６ｍｍ等、形成する電極に応じた直径の線材に形成する。更に、線材をヘッダー加工し、筒状等の所望の形状に形成する。

また、鋳塊を熱間鍛造、熱間圧延、冷間圧延により、多方向から歪を加え、例えば、厚さ０．１〜０．２ｍｍ等、形成する電極に応じた厚さの板材を形成する。得られた板材をプレス加工により筒状等の所望の形状に形成したり、部材に切断し接合して電極を形成してもよい。

塑性加工時の加熱温度は３５０〜７８０℃が好ましい。

上記電極の製造方法により、平均粒径４．９μｍ以下の鉄の結晶の微細組織に、平均粒径９５ｎｍ以下の炭化鉄が含有された、電極を得ることができる。得られた電極を表面研磨した後、リード線を接合するが、コバール線の場合は、抵抗溶接又はレーザー溶接にて直接に電極とコバールとを一体化することができる。

透明管内壁の蛍光体層の形成は、上記蛍光体を溶媒に分散させた分散液を調製し、これを所定の形状のガラス製等の透明管の内壁面に所定の厚さに浸漬、スプレー等の方法により塗工し、乾燥して、上記厚さの蛍光体層を成形する。その後、透明管の端部に電極を配置し、リード線を貫通させて封止部材で透明管端部を密閉して製造することができる。水銀と希ガスを透明管内へ導入することができる。

本発明の冷陰極蛍光ランプの一例として、図１に示す液晶パネルのバックライト用を例示することができる。図１の概略断面図に示す冷陰極蛍光ランプ１は、ホウケイ酸ガラスによって形成されたガラス管２の両端が封止部材であるガラスビード３で気密に封止されて構成されている。ガラス管２の外径は、１．５〜６．０ｍｍの範囲内、好ましくは１．５〜５．０ｍｍの範囲内である。ガラス管２の内壁面には、そのほぼ全長に亘って蛍光体層４が設けられている。内壁面で囲まれたガラス管２の内部空間５には、希ガス及び水銀が所定量導入され、内部圧力は大気圧の数十分の一程度に減圧されている。ガラス管２の長手方向両端には、図２の斜視図に示すように、それぞれ、平均結晶粒径が４．９μｍ以下の鉄又は鉄合金の微細組織を有するカップ状の電極７が、開口１０が対向するように配置されている。コバール等のリード線９は、その一端がカップ状の電極７の底面部８に溶接され、他端がガラスビード３外部に引き出されて設けられている。

上記冷陰極蛍光ランプは、平均粒径４．９μｍ以下の鉄又は鉄合金の微細組織を有する電極を備えることにより、特に、電極が炭素原子を０．０８質量％以上、１．４質量％以下の範囲で、炭化鉄として、粒径９５ｎｍ以下のものを含有することにより、耐スパッタリング性に優れ、アマルガムの形成を抑制し、環境に対する負荷が小さい冷陰極蛍光ランプを得ることができる。

以下に実施例によって本発明を更に詳細に説明する。
［実施例１］
鉄に、表１に示す割合で、グラファイト、その他の元素を加えた原料を１４００℃で溶融した。この溶製材を、キャビティを有する金型に注入して、８００℃〜９００℃の温度から常温の水中に入れ、焼き入れした。その後、５００℃で熱間鍛造、熱間圧延によりコイル材に多方向から歪を与え、線引き等を反復して直径０．２ｍｍ程度のワイヤー材を作製した。ワイヤー材ヘッダー加工により、外径１．７ｍｍ、長さ５ｍｍのカップ形状の電極を作製した。得られた電極の底面部に口径０．８ｍｍのコバール線を溶接にて一体化した。

電極の鉄の平均結晶粒子径を、比較法により測定した。鉄の平均結晶粒子径は２μｍであった。

口径２．０ｍｍのガラス管の内壁面に蛍光体を約１８μｍ塗布した。ガラス管両端にコパール線を融着した電極をその開口が相互に対向するように配置し、コパール線を貫通したガラスビーズで、ガラス管の両端を封止した。その後、水銀及び希ガスを導入し、冷陰極蛍光ランプ作製した。

得られた冷陰極蛍光ランプについて、管電流１０ｍＡにて点灯させた後、カップ部の磨耗量により耐スパッタリング性の良否を観察した。電極のカップ部の磨耗量から、以下の基準により耐スパッタ性について評価を行った。結果を表１に示す。
◎：カップ部の磨耗が極僅かにみられる。
○：カップ部の磨耗が認められるが、充分に使用可能である。
△：カップ部の磨耗が認められるが、使用には限界の領域である。
×：カップ部の磨耗が激しく、使用できない。
［実施例２〜２８］
表１に示す原料を用いた他は、実施例１と同様にして、冷陰極蛍光ランプを作製し、得られた冷陰極蛍光ランプについて、耐スパッタリング性を評価した。結果を表１に示す。

［比較例］
表１に示す原料を用いた他は、実施例１と同様にして、冷陰極蛍光ランプを作製し、得られた冷陰極蛍光ランプについて、耐スパッタ性を評価した。結果を表１に示す。

本発明の冷陰極蛍光ランプは、管電流が高電圧となっても、耐スパッタ性に優れる電極を備え、耐久性に優れることが明らかである。

本発明の冷陰極蛍光ランプの一例を示す概略構成図である。 本発明の冷陰極蛍光ランプの一例の電極を示す斜視図である。

符号の説明

１ 冷陰極蛍光ランプ
２ ガラス管（透明管）
３ ガラスビード
４ 蛍光体層
５ 内部空間
７ 電極
８ 底面部
９ リード線
１０ 開口部

Claims (7)

1. 内壁面に蛍光体層が設けられ、内部に希ガス及び水銀を保持し、両端を封止部材により密閉された透明管と、該透明管の内部の両端部付近に設けられた電極と、該電極に接続され封止部材を貫通して設けられるリード線とを有する冷陰極蛍光ランプにおいて、電極が、平均結晶粒径が４．９μｍ以下の微細組織を有する鉄又は鉄合金材料で形成されたことを特徴とする冷陰極蛍光ランプ。
2. 鉄又は鉄合金材料が、炭素を、０．０８質量％以上、１．４質量％以下の範囲で含有することを特徴とする請求項１記載の冷陰極蛍光ランプ。
3. 鉄又は鉄合金材料が、炭素を鉄又は鉄合金の結晶粒内に炭化物粒子として含有することを特徴とする請求項１又は２記載の冷陰極蛍光ランプ。
4. 炭化物粒子が、平均粒径９５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３記載の冷陰極蛍光ランプ。
5. 炭化物粒子が、炭化鉄であることを特徴とする請求項３又は４記載の冷陰極蛍光ランプ。
6. 鉄又は鉄合金材料が、モリブデン、マンガン、クロム又はケイ素のいずれか１種又はこれらの２種以上を、０．３質量％以上、３．５質量％以下の範囲で含有することを特徴とする請求項１から４のいずれか記載の冷陰極蛍光ランプ。
7. 請求項１から６のいずれか記載の冷陰極蛍光ランプの製造方法であって、鉄又は鉄合金材料を用いて鋳物を形成し、鋳物を多方向から歪を加えて鍛造又は圧延し、平均結晶粒径４．９μｍ以下の微細組織を有する電極を形成することを特徴とする冷陰極蛍光ランプの製造方法。

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