JP3404212B2 - 圧電磁器組成物 - Google Patents
圧電磁器組成物Info
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- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧電磁器組成物に
関わり、例えばセラミックフィルタ、セラミックレゾネ
ータ、超音波応用振動子、圧電ブザー、圧電点火ユニッ
ト、超音波モータ、圧電ファン、圧電アクチュエータお
よび加速度センサ、ノッキングセンサ、AEセンサ等の圧
電センサ等に適する圧電磁器組成物に関する。 【0002】 【従来技術】圧電磁器組成物を利用した製品としては、
例えばセラミックフィルタ、セラミックレゾネータ、超
音波応用振動子、圧電ブザー、圧電点火ユニット、超音
波モータ、圧電ファン、圧電アクチュエータ等がある。 【0003】ここでセラミックフィルタ、セラミックレ
ゾネータ等の素子としてはPbZrO3 −PbTiO3
を主成分とした圧電磁器組成物が利用されており、これ
にNb2 O5 やMnO2 等の金属酸化物、Pb(Nb
2/3 Mg1/3 )O3 やPb(Nb2/3 Mn1/3 )O3 等
の複合ペロブスカイト酸化物を添加したり、置換するこ
とにより圧電特性の向上が図られている。このような圧
電磁器組成物としては、電気機械結合係数Kpが大きい
圧電性に優れた材料として、例えば、Pb(Nb2/3 C
o1/3 )O3 −PbZrO3 −PbTiO3 系の磁器組
成物が開示されている。 【0004】ところで、近年においては、携帯電話のデ
ジタル通信方式のサービス開始に伴い、セラミックフィ
ルタに組み込まれる圧電素子は大きい電気機械結合係数
Kpを有しながらも、ビットエラーを回避するために機
械的品質係数Qmの低いものが要求されている。 【0005】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記P
b(Nb2/3 Co1/3 )O3 −PbZrO3 −PbTi
O3 系の圧電磁器組成物は、機械的品質係数Qmが25
0〜2350程度と大きいため、フラットな群遅延特性
が要求される携帯電話などのフィルタ部品に用いた場
合、ビットエラーが起こりやすく実用上問題であった。 【0006】また、上記圧電磁器組成物では、共振周波
数の温度係数T.C.frの絶対値が50ppm/℃以
上と大きいため、環境変化の激しい車両搭載用通信装置
などのフィルタ等に用いた場合、素子の特性変化によっ
て安定した送受信ができなくなるという問題があった。 【0007】本発明の圧電磁器組成物は、高い電気機械
結合係数Kpを示すとともに、機械的品質係数Qmが小
さく、かつ共振周波数の温度特性が良好な圧電磁器組成
物を提供することを目的とする。 【0008】 【課題を解決するための手段】本発明者は、Pb,Z
r,Ti,Nb,Coを含む複合ペロブスカイト型化合
物であって、Nbを過剰に含有する一定の組成の圧電磁
器組成物は、共振周波数の温度特性に優れ、高い電気機
械結合係数Kpおよび低い機械的品質係数Qmを有する
ことを知見し、本発明に至った。 【0009】即ち、本発明の圧電磁器組成物は、金属成
分として少なくともPb,Zr,Ti,Nb,Coを含
む複合ペロブスカイト型化合物であって、その組成式を
Pba[(Nb2/3Co1/3)1-bNbb]c(TidZ
r1-d)1-cO3と表わした時、前記a,b,c,dの値
が0.97≦a≦1.03、0.03≦b≦0.12、
0.03≦c≦0.12、0.48≦d≦0.55を満
足するとともに、Pbの一部がNd,Gd,La,P
r,Smのうち少なくとも一種で0.12モル以下置換
されていることを特徴とする。 【0010】 【作用】本発明の圧電磁器組成物では、PbZrO3−
PbTiO3系の磁器組成物のZrおよびTiの一部を
Nb,Coで置換し、かつNbを過剰に含有させること
により、共振周波数の温度特性に優れ、高い電気機械結
合係数Kpおよび低い機械的品質係数Qmを有すること
が可能となる。また、Pbの一部をNd,Gd,La,
Pr,Smのうち少なくとも一種で0.12モル以下置
換することにより、共振周波数の温度特性を更に優れた
ものにすることが可能となる。 【0011】 【発明の実施の形態】本発明の圧電磁器組成物は、組成
式をPba [(Nb2/3 Co1/3 )1-b Nbb ]c (T
id Zr1-d )1-c O3 と表わした時、a,b,c,d
の値が、0.97≦a≦1.03、0.03≦b≦0.
12、0.03≦c≦0.12、0.48≦d≦0.5
5を満足するものである。 【0012】ここで、上記組成式においてa,b,c,
dを上記のように設定した理由について説明する。Pb
量aを0.97≦a≦1.03としたのは、aが0.9
7未満の場合や1.03よりも大きい場合には、電気機
械結合係数Kpが低下するからである。Pb量aは、電
気機械結合係数Kpを向上するという点から0.98≦
a≦1.01であることが特に望ましい。 【0013】また、Nbを過剰に含有させたのは、Nb
量を調整することにより機械的品質係数Qmを低下させ
ると同時に、共振周波数の温度特性を調整することがで
きるからである。そして、Nb量bを0.03≦b≦
0.12としたのは、bが0.03より少ない場合に
は、機械的品質係数Qmが大きくなりフィルタ特性の群
遅延特性が悪くなり、bが0.12より多い場合には、
共振周波数の温度特性が悪くなるからである。Nb量b
は、機械的品質係数Qmを低下させ、共振周波数の温度
特性を良好にするという観点から、0.06≦b≦0.
10であることが特に望ましい。 【0014】さらに、[(Nb2/3 Co1/3 )1-b Nb
b ]の(Tid Zr1-d )への置換量cを0.03≦c
≦0.12としたのは、cが0.03未満である場合に
は共振周波数の温度特性が悪くなり、またcが0.12
より大きい場合には電気機械結合係数Kpが急激に低下
するからである。[(Nb2/3 Co1/3 )1-b Nbb]
量cは、共振周波数の温度特性を向上し、電気機械結合
係数Kpを向上するという観点から、0.05≦c≦
0.07であることが特に望ましい。 【0015】TiのZrへの置換量dを0.48≦d≦
0.55としたのは、Ti量dが0.48未満および
0.55より大きい場合、電気機械結合係数Kpが小さ
くなりすぎるからである。Ti量dは、電気機械結合係
数Kpを向上するという観点から0.50≦d≦0.5
2であることが特に望ましい。 【0016】また、Pbの一部をNd,Gd,La,P
r,Smのうち少なくとも一種で0.12モル以下で置
換したのは、Nb量bの調整とPbの一部をNd,Gd
等で置換することを組み合わせることで、共振周波数の
温度特性を更に良好にすることができるからである。こ
こでNd,Gd等で0.12モル以下置換したのは、N
d,Gd等で0.12モルよりも多く置換すると電気機
械結合係数Kpが低下し易いからである。 【0017】そして、本発明の圧電磁器は、例えば、原
料としてPbO、ZrO2 、TiO2 、Nb2 O5 、C
oOの各原料粉末を所定量秤量し、ボールミル等で10
〜24時間湿式混合し、次いで、この混合物を脱水、乾
燥した後、500〜1100℃で1〜3時間仮焼し、当
該仮焼物を再びボールミル等で粉砕する。 【0018】その後、この粉砕物に有機バインダーを混
合し、造粒後、所定圧力で成形体を作成し、これらを大
気中において1200〜1350℃で0.5〜10時間
焼成することにより得られる。 【0019】本発明においては、耐熱性の向上という観
点から、MnO2 Cr2 O3 を添加しても良い。また、
Al,Fe,S,Si,Cl,Eu,Y,Tb,K,
P,Cu,Mg等が不可避不純物として混入する場合も
あるが、特性上問題ない。 【0020】さらに、本発明においては、Pba [(N
b2/3 Co1/3 )1-b Nbb ]c (Tid Zr1-d )
1-c O3 で表されるペロブスカイト型結晶を主結晶相と
するもので、他の結晶としてパイロクロアが少々存在し
ていてもよい。 【0021】 【実施例】原料粉末としてPbO、ZrO2 、Ti
O2 、Nb2 O5 、CoO、CaCO3 、SrCO3 、
BaCO3 、Nd2 O3 、Gd2 O3 、La2 O3 、P
r2 O3 、Sm2 O3 の各原料粉末を表1および表2の
組成となるように所定量秤量し、ZrO2 ボールを用い
たボールミルで12時間湿式混合し、次いで、この混合
物を脱水、乾燥した後、大気中900℃で3時間仮焼
し、当該仮焼物を再びボールミルで粉砕する。 【0022】その後、この粉砕物に有機バインダー(P
VA)を混合し、造粒した。得られた粉末を1.5t/
cm2 の圧力で直径23mm、厚さ2mmの寸法からな
る円板にプレス成形した。更に、これらの成形体をMg
O等からなる容器内に密閉し、大気中1300℃で2時
間の条件で焼成した。 【0023】得られた焼結体を研磨して直径約20m
m、厚み0.5mmの円板状に形成した。この円板の両
主面にAgペーストを焼き付けることにより電極を形成
し、80℃のシリコンオイル中で3kV/mmの直流電
圧を30分間印加して分極処理した後、電気機械結合係
数Kp、機械的品質係数Qm、共振周波数の温度係数
T.C.frを評価した。 【0024】電気機械結合係数Kp、機械的品質係数Q
mは、インピーダンスアナライザーで測定した、共振周
波数Fr、反共振周波数Fa、電気容量C、共振抵抗R
oの値から次の計算式により求めた。 【0025】 Kp=〔2.53×(Fa−Fr)/Fr〕1/2 Qm=Fa2 /〔2πFrRoC(Fa2 −Fr2 )〕 共振周波数の温度係数T.C.fr(ppm/℃)は、
T.C.fr=(Fr80−Fr-20 )/(Fr20×10
0)×106 (ここで、Fr80,Fr-20 ,Fr20それ
ぞれ+80℃、−20℃、+20℃での共振周波数の値
を示す)の式を用いて算出した。これらの結果を表1お
よび表2に示す。 【0026】 【表1】【0027】 【表2】 【0028】これらの表1および表2から、本発明の圧
電磁器組成物は、電気機械結合係数Kpが50%以上と
大きく、機械的品質係数Qmが200以下と小さく、し
かも共振周波数の温度係数T.C.frの絶対値が50
ppm/℃以内と小さいことが判る。 【0029】また、Pbの一部をNd,Gd,La,P
r,Smのうち少なくとも一種で置換することにより、
共振周波数の温度係数T.C.frの絶対値がさらに小
さくなることが判る。 【0030】 【発明の効果】以上詳述したとおり、本発明によれば、
PbZrO3−PbTiO3系の磁器組成物のZrおよび
Tiの一部をNb,Coで置換し、Nbを過剰に含有せ
しめることにより、共振周波数の温度特性に優れ、高い
電気機械結合係数Kpおよび低い機械的品質係数Qmを
有する圧電磁器組成物を得ることができる。また、Pb
の一部をNd,Gd,La,Pr,Smのうち少なくと
も一種で置換することにより、共振周波数の温度特性を
更に向上することができ、携帯電話など通信機用圧電部
品として好適に用いられる圧電磁器組成物を提供するこ
とができる。
関わり、例えばセラミックフィルタ、セラミックレゾネ
ータ、超音波応用振動子、圧電ブザー、圧電点火ユニッ
ト、超音波モータ、圧電ファン、圧電アクチュエータお
よび加速度センサ、ノッキングセンサ、AEセンサ等の圧
電センサ等に適する圧電磁器組成物に関する。 【0002】 【従来技術】圧電磁器組成物を利用した製品としては、
例えばセラミックフィルタ、セラミックレゾネータ、超
音波応用振動子、圧電ブザー、圧電点火ユニット、超音
波モータ、圧電ファン、圧電アクチュエータ等がある。 【0003】ここでセラミックフィルタ、セラミックレ
ゾネータ等の素子としてはPbZrO3 −PbTiO3
を主成分とした圧電磁器組成物が利用されており、これ
にNb2 O5 やMnO2 等の金属酸化物、Pb(Nb
2/3 Mg1/3 )O3 やPb(Nb2/3 Mn1/3 )O3 等
の複合ペロブスカイト酸化物を添加したり、置換するこ
とにより圧電特性の向上が図られている。このような圧
電磁器組成物としては、電気機械結合係数Kpが大きい
圧電性に優れた材料として、例えば、Pb(Nb2/3 C
o1/3 )O3 −PbZrO3 −PbTiO3 系の磁器組
成物が開示されている。 【0004】ところで、近年においては、携帯電話のデ
ジタル通信方式のサービス開始に伴い、セラミックフィ
ルタに組み込まれる圧電素子は大きい電気機械結合係数
Kpを有しながらも、ビットエラーを回避するために機
械的品質係数Qmの低いものが要求されている。 【0005】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記P
b(Nb2/3 Co1/3 )O3 −PbZrO3 −PbTi
O3 系の圧電磁器組成物は、機械的品質係数Qmが25
0〜2350程度と大きいため、フラットな群遅延特性
が要求される携帯電話などのフィルタ部品に用いた場
合、ビットエラーが起こりやすく実用上問題であった。 【0006】また、上記圧電磁器組成物では、共振周波
数の温度係数T.C.frの絶対値が50ppm/℃以
上と大きいため、環境変化の激しい車両搭載用通信装置
などのフィルタ等に用いた場合、素子の特性変化によっ
て安定した送受信ができなくなるという問題があった。 【0007】本発明の圧電磁器組成物は、高い電気機械
結合係数Kpを示すとともに、機械的品質係数Qmが小
さく、かつ共振周波数の温度特性が良好な圧電磁器組成
物を提供することを目的とする。 【0008】 【課題を解決するための手段】本発明者は、Pb,Z
r,Ti,Nb,Coを含む複合ペロブスカイト型化合
物であって、Nbを過剰に含有する一定の組成の圧電磁
器組成物は、共振周波数の温度特性に優れ、高い電気機
械結合係数Kpおよび低い機械的品質係数Qmを有する
ことを知見し、本発明に至った。 【0009】即ち、本発明の圧電磁器組成物は、金属成
分として少なくともPb,Zr,Ti,Nb,Coを含
む複合ペロブスカイト型化合物であって、その組成式を
Pba[(Nb2/3Co1/3)1-bNbb]c(TidZ
r1-d)1-cO3と表わした時、前記a,b,c,dの値
が0.97≦a≦1.03、0.03≦b≦0.12、
0.03≦c≦0.12、0.48≦d≦0.55を満
足するとともに、Pbの一部がNd,Gd,La,P
r,Smのうち少なくとも一種で0.12モル以下置換
されていることを特徴とする。 【0010】 【作用】本発明の圧電磁器組成物では、PbZrO3−
PbTiO3系の磁器組成物のZrおよびTiの一部を
Nb,Coで置換し、かつNbを過剰に含有させること
により、共振周波数の温度特性に優れ、高い電気機械結
合係数Kpおよび低い機械的品質係数Qmを有すること
が可能となる。また、Pbの一部をNd,Gd,La,
Pr,Smのうち少なくとも一種で0.12モル以下置
換することにより、共振周波数の温度特性を更に優れた
ものにすることが可能となる。 【0011】 【発明の実施の形態】本発明の圧電磁器組成物は、組成
式をPba [(Nb2/3 Co1/3 )1-b Nbb ]c (T
id Zr1-d )1-c O3 と表わした時、a,b,c,d
の値が、0.97≦a≦1.03、0.03≦b≦0.
12、0.03≦c≦0.12、0.48≦d≦0.5
5を満足するものである。 【0012】ここで、上記組成式においてa,b,c,
dを上記のように設定した理由について説明する。Pb
量aを0.97≦a≦1.03としたのは、aが0.9
7未満の場合や1.03よりも大きい場合には、電気機
械結合係数Kpが低下するからである。Pb量aは、電
気機械結合係数Kpを向上するという点から0.98≦
a≦1.01であることが特に望ましい。 【0013】また、Nbを過剰に含有させたのは、Nb
量を調整することにより機械的品質係数Qmを低下させ
ると同時に、共振周波数の温度特性を調整することがで
きるからである。そして、Nb量bを0.03≦b≦
0.12としたのは、bが0.03より少ない場合に
は、機械的品質係数Qmが大きくなりフィルタ特性の群
遅延特性が悪くなり、bが0.12より多い場合には、
共振周波数の温度特性が悪くなるからである。Nb量b
は、機械的品質係数Qmを低下させ、共振周波数の温度
特性を良好にするという観点から、0.06≦b≦0.
10であることが特に望ましい。 【0014】さらに、[(Nb2/3 Co1/3 )1-b Nb
b ]の(Tid Zr1-d )への置換量cを0.03≦c
≦0.12としたのは、cが0.03未満である場合に
は共振周波数の温度特性が悪くなり、またcが0.12
より大きい場合には電気機械結合係数Kpが急激に低下
するからである。[(Nb2/3 Co1/3 )1-b Nbb]
量cは、共振周波数の温度特性を向上し、電気機械結合
係数Kpを向上するという観点から、0.05≦c≦
0.07であることが特に望ましい。 【0015】TiのZrへの置換量dを0.48≦d≦
0.55としたのは、Ti量dが0.48未満および
0.55より大きい場合、電気機械結合係数Kpが小さ
くなりすぎるからである。Ti量dは、電気機械結合係
数Kpを向上するという観点から0.50≦d≦0.5
2であることが特に望ましい。 【0016】また、Pbの一部をNd,Gd,La,P
r,Smのうち少なくとも一種で0.12モル以下で置
換したのは、Nb量bの調整とPbの一部をNd,Gd
等で置換することを組み合わせることで、共振周波数の
温度特性を更に良好にすることができるからである。こ
こでNd,Gd等で0.12モル以下置換したのは、N
d,Gd等で0.12モルよりも多く置換すると電気機
械結合係数Kpが低下し易いからである。 【0017】そして、本発明の圧電磁器は、例えば、原
料としてPbO、ZrO2 、TiO2 、Nb2 O5 、C
oOの各原料粉末を所定量秤量し、ボールミル等で10
〜24時間湿式混合し、次いで、この混合物を脱水、乾
燥した後、500〜1100℃で1〜3時間仮焼し、当
該仮焼物を再びボールミル等で粉砕する。 【0018】その後、この粉砕物に有機バインダーを混
合し、造粒後、所定圧力で成形体を作成し、これらを大
気中において1200〜1350℃で0.5〜10時間
焼成することにより得られる。 【0019】本発明においては、耐熱性の向上という観
点から、MnO2 Cr2 O3 を添加しても良い。また、
Al,Fe,S,Si,Cl,Eu,Y,Tb,K,
P,Cu,Mg等が不可避不純物として混入する場合も
あるが、特性上問題ない。 【0020】さらに、本発明においては、Pba [(N
b2/3 Co1/3 )1-b Nbb ]c (Tid Zr1-d )
1-c O3 で表されるペロブスカイト型結晶を主結晶相と
するもので、他の結晶としてパイロクロアが少々存在し
ていてもよい。 【0021】 【実施例】原料粉末としてPbO、ZrO2 、Ti
O2 、Nb2 O5 、CoO、CaCO3 、SrCO3 、
BaCO3 、Nd2 O3 、Gd2 O3 、La2 O3 、P
r2 O3 、Sm2 O3 の各原料粉末を表1および表2の
組成となるように所定量秤量し、ZrO2 ボールを用い
たボールミルで12時間湿式混合し、次いで、この混合
物を脱水、乾燥した後、大気中900℃で3時間仮焼
し、当該仮焼物を再びボールミルで粉砕する。 【0022】その後、この粉砕物に有機バインダー(P
VA)を混合し、造粒した。得られた粉末を1.5t/
cm2 の圧力で直径23mm、厚さ2mmの寸法からな
る円板にプレス成形した。更に、これらの成形体をMg
O等からなる容器内に密閉し、大気中1300℃で2時
間の条件で焼成した。 【0023】得られた焼結体を研磨して直径約20m
m、厚み0.5mmの円板状に形成した。この円板の両
主面にAgペーストを焼き付けることにより電極を形成
し、80℃のシリコンオイル中で3kV/mmの直流電
圧を30分間印加して分極処理した後、電気機械結合係
数Kp、機械的品質係数Qm、共振周波数の温度係数
T.C.frを評価した。 【0024】電気機械結合係数Kp、機械的品質係数Q
mは、インピーダンスアナライザーで測定した、共振周
波数Fr、反共振周波数Fa、電気容量C、共振抵抗R
oの値から次の計算式により求めた。 【0025】 Kp=〔2.53×(Fa−Fr)/Fr〕1/2 Qm=Fa2 /〔2πFrRoC(Fa2 −Fr2 )〕 共振周波数の温度係数T.C.fr(ppm/℃)は、
T.C.fr=(Fr80−Fr-20 )/(Fr20×10
0)×106 (ここで、Fr80,Fr-20 ,Fr20それ
ぞれ+80℃、−20℃、+20℃での共振周波数の値
を示す)の式を用いて算出した。これらの結果を表1お
よび表2に示す。 【0026】 【表1】【0027】 【表2】 【0028】これらの表1および表2から、本発明の圧
電磁器組成物は、電気機械結合係数Kpが50%以上と
大きく、機械的品質係数Qmが200以下と小さく、し
かも共振周波数の温度係数T.C.frの絶対値が50
ppm/℃以内と小さいことが判る。 【0029】また、Pbの一部をNd,Gd,La,P
r,Smのうち少なくとも一種で置換することにより、
共振周波数の温度係数T.C.frの絶対値がさらに小
さくなることが判る。 【0030】 【発明の効果】以上詳述したとおり、本発明によれば、
PbZrO3−PbTiO3系の磁器組成物のZrおよび
Tiの一部をNb,Coで置換し、Nbを過剰に含有せ
しめることにより、共振周波数の温度特性に優れ、高い
電気機械結合係数Kpおよび低い機械的品質係数Qmを
有する圧電磁器組成物を得ることができる。また、Pb
の一部をNd,Gd,La,Pr,Smのうち少なくと
も一種で置換することにより、共振周波数の温度特性を
更に向上することができ、携帯電話など通信機用圧電部
品として好適に用いられる圧電磁器組成物を提供するこ
とができる。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名)
C04B 35/42 - 35/50
CA(STN)
REGISTRY(STN)
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】金属成分として少なくともPb,Zr,T
i,Nb,Coを含む複合ペロブスカイト型化合物であ
って、その組成式を Pba[(Nb2/3Co1/3)1-bNbb]c(TidZr1-d)1-cO3 と表わした時、前記a,b,c,dの値が 0.97≦a≦1.03 0.03≦b≦0.12 0.03≦c≦0.12 0.48≦d≦0.55 を満足するとともに、Pbの一部がNd,Gd,La,
Pr,Smのうち少なくとも一種で0.12モル以下置
換されていることを特徴とする圧電磁器組成物。
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---|---|---|---|
JP7785396A JP3404212B2 (ja) | 1996-03-29 | 1996-03-29 | 圧電磁器組成物 |
Applications Claiming Priority (1)
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JPH09268056A JPH09268056A (ja) | 1997-10-14 |
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ID=13645628
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100944888B1 (ko) * | 2007-10-18 | 2010-03-03 | 티디케이가부시기가이샤 | 압전 자기 조성물 및 발진자 |
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1996
- 1996-03-29 JP JP7785396A patent/JP3404212B2/ja not_active Expired - Fee Related
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KR100944888B1 (ko) * | 2007-10-18 | 2010-03-03 | 티디케이가부시기가이샤 | 압전 자기 조성물 및 발진자 |
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JPH09268056A (ja) | 1997-10-14 |
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