JP2010131881A - アクチュエータ装置、液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リード電極と上電極膜との電気的接触を確保し、アクチュエータ装置の変位量を大きくして、液体噴射装置で噴射できるインク量を増やして高速で印刷したり、圧力発生室の容量を小さくして液体噴射ヘッドを小型化したりすること。
【解決手段】上電極膜８０の厚い第２の領域に設けられた保護膜１００に開口部１００ａが設けられているので、エッチングがばらついても開口部１００ａ形成時に上電極膜８０が完全に除去される可能性は少なく、開口部１００ａには上電極膜８０が広い面積で露出し、リード電極９０と電気抵抗の低い接続を得ることができる。一方、上電極膜８０の第１の領域は薄く、上電極膜８０の第１の領域と基板と弾性膜５０と下電極膜６０と圧電体層７０とを合わせた圧電体能動部３２０の変位への上電極膜８０による阻害を少なくでき、変位量が大きくインクの噴射量の多い圧電アクチュエータ３１０を得ることができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、アクチュエータ装置、それを用いた液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置に関する。特に、液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置に関しては、インク滴を噴射するノズル開口と連通する圧力発生室の一部をアクチュエータ装置で構成し、アクチュエータ装置によりインク滴を噴射させるインクジェット式記録ヘッドおよびインクジェット式記録装置に関する。

アクチュエータ装置として、基板としての弾性膜および絶縁体膜上に、下電極膜、圧電体層、上電極膜を備えた圧電素子を形成したものが知られている。弾性膜、絶縁体膜および下電極膜は、振動板として働く。
また、インクジェット式記録ヘッドとして、ノズル開口に連通する複数の圧力発生室が併設された流路形成基板と、流路形成基板に設けられた圧力素子側に接合され、かつ圧電素子を駆動させる駆動回路が実装される接合基板とを有する構造が知られている。さらに、このようなインクジェット式記録ヘッドを搭載したインクジェット式記録装置が知られている。
圧電体層の側面と上電極膜の上面の周縁に設けられたカバレッジ膜を有し、カバレッジ膜に開口部を設け、リード電極と上電極膜を接続する構造のアクチュエータ装置、液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−１１８１９３号公報（４頁〜６頁、図３）

カバレッジ膜の開口部の形成は、カバレッジ膜のエッチングによって行う。ここで、エッチング速度等が面内で異なる。したがって、場所によってカバレッジ膜の下の上電極膜まで完全にエッチングされてしまうと、リード電極は、エッチングされて形成された上電極膜の穴の側面でしか接触が得られず、上電極膜との接続抵抗が高くなる。その結果、駆動時に発熱して損傷したり、駆動電流が十分に供給できなくなったりする。そのため、上電極膜の厚さは、エッチングがばらついても完全にエッチングされない厚さが必要である。
上電極膜の厚さが厚いため、上電極膜がアクチュエータ装置の変位を阻害してしまい、アクチュエータ装置の変位量を大きくして噴射できる液体量を多く出来ない。したがって、噴射できる液体量を増やして液体噴射装置で高速で印刷したり、圧力発生室の容量を小さくして液体噴射ヘッドを小型化するのが困難であった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
基板と、前記基板上に形成された第１の電極と、前記第１の電極上に形成された圧電体層と、前記圧電体層上に形成された第２の電極と、前記第２の電極の上面の少なくとも一部と側面とを覆うカバレッジ膜とを備え、前記第２の電極は、第１の領域と、前記第１の領域より厚い第２の領域を含み、前記第２の領域に設けられた前記カバレッジ膜に、外部配線と前記第２の電極とを接続するための開口部が形成されていることを特徴とするアクチュエータ装置。

この適用例によれば、第２の電極の厚い第２の領域に設けられたカバレッジ膜に開口部が設けられているので、エッチングがばらついても開口部形成時に第２の電極が完全に除去される可能性は少なく、開口部には第２の電極が広い面積で露出し、外部配線と電気抵抗の低い接続が得られる。一方、第２電極の第１の領域は薄く、第２の電極の第１の領域と基板と第１の電極と圧電体層とを合わせた圧電体能動部の変位への第２の電極による阻害が少なく、変位量が大きいアクチュエータ装置が得られる。

［適用例２]
上記アクチュエータ装置であって、前記第１の領域に設けられた前記カバレッジ膜には、前記第２の電極の露出部が形成されていることを特徴とするアクチュエータ装置。
この適用例では、第１の領域に設けられたカバレッジ膜が第２の電極の露出部を有しているので、圧電体能動部の動きを阻害するカバレッジ膜が第１の領域で少なくなり、圧電体能動部の変位量がより大きいアクチュエータ装置が得られる。

［適用例３］
液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室とを備え、前記圧力発生室の一部は、前記アクチュエータ装置で構成されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。

この適用例によれば、圧力発生室の一部が上記に記載のアクチュエータ装置で構成されているので、アクチュエータ装置の変位量が大きいことにより、圧力発生室の容量の変化も大きくなり、噴射できる液体量が増えた液体噴射ヘッドが得られる。また、噴射できる液体量が増えるので、圧力発生室の容量を小さくでき、液体噴射ヘッドを小型化できる。

［適用例４］
上記に記載の液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする液体噴射装置。

この適用例によれば、前述の効果を達成できる液体噴射装置が得られる。また、噴射できる液体量が増えるので、高速で印刷が可能な液体噴射装置が得られる。

以下、実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本実施形態における液体噴射装置としてのインクジェット式記録装置１０００の一例を示す概略斜視図である。
図１において、インクジェット式記録装置１０００は、記録ヘッドユニット１Ａおよび１Ｂを備えている。記録ヘッドユニット１Ａおよび１Ｂには、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａおよび２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａおよび１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。

記録ヘッドユニット１Ａおよび１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物およびカラーインク組成物を吐出する。そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａおよび１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動する。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８上を搬送されるようになっている。

記録ヘッドユニット１Ａおよび１Ｂは、液体噴射ヘッドとしてのインクジェット式記録ヘッド１を記録シートＳに対向する位置に備えている。図では、記録ヘッドユニット１Ａおよび１Ｂの記録シートＳ側に位置しており、図示していない。

図２に、本実施形態にかかるインクジェット式記録ヘッド１を示す分解部分斜視図を示した。インクジェット式記録ヘッド１の形状は略直方体であり、図２は、インクジェット式記録ヘッド１の長手方向（図中の白抜き矢印方向）に直交する面で切断した分解部分斜視図である。
また、図３には、インクジェット式記録ヘッド１の部分平面図を、図４（ａ）には、図３におけるＡ−Ａ断面図、（ｂ）にはＢ−Ｂ部分断面図を示した。

図２および図４において、インクジェット式記録ヘッド１は、流路形成基板１０とノズルプレート２０と接合基板３０とコンプライアンス基板４０と駆動回路２００とを備えている。
流路形成基板１０とノズルプレート２０と接合基板３０とは、流路形成基板１０をノズルプレート２０と接合基板３０とで挟むように積み重ねられ、接合基板３０上には、コンプライアンス基板４０が形成されている。また、接合基板３０上には、駆動回路２００が実装されている。

図２、図３および図４において、流路形成基板１０は、面方位（１１０）のシリコン単結晶板からなる。流路形成基板１０には、異方性エッチングによって、隔壁１１で区画された複数の圧力発生室１２が形成されている。ここで、圧力発生室１２は、インクジェット式記録ヘッド１の長手方向に並設されている。圧力発生室１２のインクジェット式記録ヘッド１の幅方向の断面形状は台形状で、圧力発生室１２は、インクジェット式記録ヘッド１の幅方向に長く形成されている。

図２および図４において、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向の一方には連通部１３が形成されている。さらに、連通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２に設けられたインク供給路１４を介して連通されている。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。

ノズルプレート２０には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍に、外部と連通するノズル開口２１が穿設されている。
ノズルプレート２０は、厚さが例えば、０．０１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば２．５〜４．５［×１０^-6／℃］であるガラスセラミックス、シリコン単結晶基板又は不錆鋼などからなる。
流路形成基板１０とノズルプレート２０とは、圧力発生室１２を異方性エッチングで形成する際のマスクとして用いられた絶縁保護膜５１を介して、接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。

流路形成基板１０のノズルプレート２０が固着された面と対向する面には、基板としての振動板である弾性膜５０が形成されている。弾性膜５０は、熱酸化により形成された酸化膜からなる。また、弾性膜５０上には、酸化膜からなる絶縁体膜５５が形成されている。

絶縁体膜５５上には、白金（Ｐｔ）などの金属やルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ）などの金属酸化物からなる下電極膜６０と、ペロブスカイト構造の圧電体層７０と、Ａｕ、Ｉｒなどの金属からなる上電極膜８０とが形成され、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０および上電極膜８０を含む部分をいう。
圧電素子３００と圧電素子３００の駆動により変位が生じる弾性膜５０および絶縁体膜５５（振動板）とを合わせて、アクチュエータ装置としての圧電アクチュエータ３１０と称する。

一般的には、圧電素子３００のいずれか一方の電極を共通電極とし、他方の電極および圧電体層７０を各圧力発生室１２にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた電極および圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部３２０という。

また、本実施形態では、下電極膜６０の圧力発生室１２の長手方向の端部を圧力発生室１２に相対向する領域内に設けることで、圧電素子３００の実質的な駆動部となる圧電体能動部３２０の長手方向の端部（長さ）を規定している。また、圧電体層７０及び上電極膜８０の圧力発生室１２の幅方向の端部を圧力発生室１２に相対向する領域内に設けることで、圧電体能動部３２０の短手方向の端部（幅）を規定している。すなわち、圧電体能動部３２０は、パターニングされた下電極膜６０及び上電極膜８０によって、圧力発生室１２に相対向する領域にのみ設けられていることになる。さらに、本実施形態では、圧電体層７０及び上電極膜８０が、図４（ｂ）に示すように、上電極膜８０側の幅が狭くなるようにパターニングされ、その側面は傾斜面となっている。

なお、本実施形態では、弾性膜５０、絶縁体膜５５および下電極膜６０が振動板として作用するが、これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜５０及び絶縁体膜５５を設けずに、下電極膜６０のみが振動板として作用するようにしてもよい。

図２、図３および図４において、圧電素子３００を構成する下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０（圧電体能動部３２０）は、耐湿性を有する絶縁材料からなるカバレッジ膜としての保護膜１００によって覆われている。
このように圧電素子３００を保護膜１００で覆うことにより、大気中の水分等に起因する圧電素子３００の破壊を防止することができる。ここで、このような保護膜１００の材料としては、耐湿性を有する材料であればよいが、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_x）、酸化タンタル（ＴａＯ_x）、酸化アルミニウム（ＡｌＯ_x）等の無機絶縁材料を用いるのが好ましく、特に、無機アモルファス材料である酸化アルミニウム（ＡｌＯ_x）、例えば、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を用いるのが好ましい。保護膜１００の材料として酸化アルミニウムを用いた場合、保護膜１００の膜厚を１００ｎｍ程度と比較的薄くしても、高湿度環境下での水分透過を十分に防ぐことができる。

保護膜１００上には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が設けられている。リード電極９０は、配線コンタクト部４００を介して一端部が上電極膜８０に接続されると共に、他端部が延設され、延設された先端部は、圧電素子３００を駆動する駆動回路２００と接続配線２１０を介して接続されている。

以下に、上電極膜８０、保護膜１００、リード電極９０、配線コンタクト部４００について詳しく説明する。
図５に、圧電アクチュエータ３１０付近の図３におけるＡ−Ａ拡大断面図を示した。
上電極膜８０には凹部８０ａが、保護膜１００には開口部１００ａが形成され、リード電極９０の一部が開口部１００ａおよび凹部８０ａに埋め込まれて形成されることにより、上電極膜８０とリード電極９０との接触が得られ、配線コンタクト部４００が構成されている。

上電極膜８０は、凹部８０ａおよび開口部１００ａが形成される第２の領域８２では厚く、その他の第１の領域８１では薄く形成されている。第２の領域８２は、凹部８０ａおよび開口部１００ａより広く形成されていればよい。
なお、上電極膜８０に凹部８０ａが形成されていなくても、保護膜１００の開口部１００ａだけを形成して、上電極膜８０の上面とリード電極９０とが接触するようにしてもよい。

例えば、上電極膜８０の第１の領域８１の厚さｔ１は３０ｎｍ程度、第２の領域８２の厚さｔ２は５０ｎｍ程度、リード電極９０の厚さは１３０ｎｍ程度である。また、図３において、平面視した場合の配線コンタクト部４００の大きさは、２０μｍ角程度である。
以上示した厚さ、大きさは、例示でありその他の数値であってもよい。

図２および図４（ａ）において、圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、圧電素子３００に対向する領域に、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部３１を有する接合基板３０が、接着剤３５によって接合されている。 なお、圧電素子保持部３１は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。
また、実施形態では、各圧電素子保持部３１は、各圧力発生室１２の列に対応する領域に一体的に設けられているが、圧電素子３００毎に独立して設けられていてもよい。

接合基板３０には、連通部１３に対向する領域にリザーバ部３２が設けられており、このリザーバ部３２は、流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１１０を構成している。また、接合基板３０の圧電素子保持部３１とリザーバ部３２との間の領域には、接合基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられ、この貫通孔３３内に下電極膜６０の一部およびリード電極９０の先端部が露出している。

また、接合基板３０上には、圧電素子３００を駆動するための駆動回路２００が固定されている。この駆動回路２００としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等を用いることができる。そして、駆動回路２００とリード電極９０とはボンディングワイヤ等の導電性ワイヤからなる接続配線２１０を介して電気的に接続されている。

接合基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。

接合基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３２の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成される。この固定板４２のリザーバ１１０に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、リザーバ１１０の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。

このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッド１では、インク供給手段であるカートリッジ２Ａおよび２Ｂからインクを取り込み、リザーバ１１０からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たす。その後、駆動回路２００からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加して、弾性膜５０、下電極膜６０および圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力を高め、ノズル開口２１からインク滴を吐出させる。

このような実施形態によれば、以下の効果がある。
（１）上電極膜８０の厚い第２の領域８２に設けられた保護膜１００に開口部１００ａが設けられているので、エッチングがばらついても開口部１００ａ形成時に上電極膜８０が完全に除去される可能性は少なく、開口部１００ａには上電極膜８０が広い面積で露出し、リード電極９０と電気抵抗の低い接続を得ることができる。一方、上電極膜８０の第１の領域８１は薄く、上電極膜８０の第１の領域８１と弾性膜５０と下電極膜６０と圧電体層７０とを合わせた圧電体能動部３２０の変位への上電極膜８０による阻害を少なくでき、変位量が大きくインクの噴射量の多い圧電アクチュエータ３１０を得ることができる。

（２）圧力発生室１２の一部が圧電アクチュエータ３１０で構成されているので、圧電アクチュエータ３１０の変位量が大きいことにより、圧力発生室１２の容量の変化も大きくでき、噴射できるインク量が増えたインクジェット式記録ヘッド１を得ることができる。また、噴射できるインク量が増えるので、圧力発生室１２の容量を小さくでき、インクジェット式記録ヘッド１を小型化できる。

（３）前述の効果を達成できるインクジェット式記録装置１０００を得ることができる。また、噴射できるインク量が増えるので、高速で印刷が可能なインクジェット式記録装置１０００を得ることができる。

（第２実施形態）
図６に、本実施形態にかかる圧電アクチュエータ３１０の拡大図を示した。（ａ）は圧電アクチュエータ付近の拡大平面図、（ｂ）は拡大断面図である。
第１実施形態と異なる点は、上電極膜８０の圧電体能動部３２０にあたる領域に、保護膜１００が設けられておらず、上電極膜８０の上面の圧電体能動部３２０に相当する領域に露出部１０１が設けられている。
露出部１０１は、保護膜１００を厚さ方向に貫通して圧電素子３００の長手方向に沿って矩形状に開口するものであり、例えば、流路形成基板１０上の全面に亘って保護膜１００を形成した後、選択的にパターニングすることで形成することができる。
上電極膜８０の厚さは、圧電体能動部３２０に相当する第１の領域８１がさらに薄く形成されている。第１の領域８１の厚さｔ１は第２の領域８２の厚さｔ２よりも薄い。
また、第１の領域８１および第２の領域８２の他に、厚さｔ３の領域も設けられている。厚さｔ３はｔ１より厚くｔ２より薄い。このように、第１の領域８１および第２の領域８２とは別の領域が設けられていてもよい。

このような実施形態によれば、以下の効果がある。
（４）第１の領域８１に設けられた保護膜１００が上電極膜８０の露出部１０１を有しているので、圧電体能動部３２０の変位を阻害する保護膜１００が第１の領域８１で少なくなり、圧電体能動部３２０の変位量をより大きくでき、インクの噴射量のより多い圧電アクチュエータ３１０を得ることができる。

（変形例）
図７に、変形例にかかる圧電アクチュエータ３１０の拡大図を示した。
第２実施形態と異なる点は、上電極膜８０が薄く形成された圧電体能動部３２０に相当する第１の領域８１にも保護膜１００が形成されている点である。また、変形例では、第１の領域８１および第２の領域８２以外の領域は設けられていない。

実施形態および変形例以外にも、種々の変更を行うことが可能である。
例えば、実施形態および変形例では、保護膜１００を図２、図３および図４（ｂ）に示すように、複数の圧電素子３００（圧電体能動部３２０）にわたって連続して設けるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、保護膜１００を各圧電素子３００に設けるようにしてもよい。

また、実施形態および変形例では、接合基板として圧電素子保持部３１を有する接合基板３０を例示したが、接合基板は、駆動回路が実装される基板であれば特に限定されるものではない。
また、凹部８０ａ、開口部１００ａおよび配線コンタクト部４００の形状、使用する材料、寸法等、その他詳細な事項において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。

さらに、上述した実施形態および変形例では、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも勿論適用することができる。 その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（電界放出ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。
さらに、このような液体噴射ヘッドに圧力発生手段として搭載されるアクチュエータ装置だけでなく、あらゆる装置に搭載されるアクチュエータ装置に適用することができる。例えば、アクチュエータ装置は、上述したヘッドの他に、センサー等にも適用することができる。

第１実施形態にかかるインクジェット式記録装置を示す概略斜視図。 インクジェット式記録ヘッドを示す分解部分斜視図。 インクジェット式記録ヘッドの部分平面図。 （ａ）は図３のＡ−Ａ断面図、（ｂ）はＢ−Ｂ部分断面図。 圧電アクチュエータ付近の図３におけるＡ−Ａ拡大断面図。 （ａ）は、第２実施形態にかかる、圧電アクチュエータ付近の拡大平面図、（ｂ）は拡大断面図。 変形例にかかる圧電アクチュエータ付近の拡大断面図。

符号の説明

１…液体噴射ヘッドとしてのインクジェット式記録ヘッド、１２…圧力発生室、２１…ノズル開口、５０…基板としての弾性膜、６０…第１の電極としての下電極膜、７０…圧電体層、８０…第２の電極としての上電極膜、８１…第１の領域、８２…第２の領域、９０…外部配線としてのリード電極、１００…カバレッジ膜としての保護膜、１００ａ…開口部、１０１…露出部、３１０…アクチュエータ装置としての圧電アクチュエータ、１０００…液体噴射装置としてのインクジェット式記録装置。

Claims (4)

1. 基板と、
   前記基板上に形成された第１の電極と、
   前記第１の電極上に形成された圧電体層と、
   前記圧電体層上に形成された第２の電極と、
   前記第２の電極の上面の少なくとも一部と側面とを覆うカバレッジ膜とを備え、
   前記第２の電極は、第１の領域と、前記第１の領域より厚い第２の領域を含み、
   前記第２の領域に設けられた前記カバレッジ膜に、外部配線と前記第２の電極とを接続するための開口部が形成されている
   ことを特徴とするアクチュエータ装置。
2. 請求項１に記載のアクチュエータ装置において、
   前記第１の領域に設けられた前記カバレッジ膜には、前記第２の電極の露出部が形成されている
   ことを特徴とするアクチュエータ装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のアクチュエータ装置と、
   液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室とを備え、
   前記圧力発生室の一部は、前記アクチュエータ装置で構成されている
   ことを特徴とする液体噴射ヘッド。
4. 請求項３に記載の液体噴射ヘッドを備えた
   ことを特徴とする液体噴射装置。

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