JP3598874B2 - 圧電磁器組成物及びこの圧電磁器組成物を用いた圧電素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電磁器組成物及びこの圧電磁器組成物を用いた圧電素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、圧電磁器組成物としてチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）系のものが知られている。チタン酸鉛系の圧電磁器は、誘電率が低くかつ粒径が小さいため、高周波領域での実用に適している。また、圧電異方性が大きいので副共振を抑制しやすく、キュリー点が高く高温での使用に耐えうる等の優れた特徴を有している。このため、高周波領域で用いられるフィルタや発振子等の分野でチタン酸鉛系の圧電磁器を用いることが要求されている。しかし、チタン酸鉛系の圧電磁器は難焼結性で、緻密かつ機械的強度の大きい焼結体を得ることが困難であるのに加え、分極が難しいという欠点がある。この欠点を解決するため、ＰｂＴｉＯ３のＰｂの一部をＬａで置換し、例えばＭｎＣＯ３等のＭｎ化合物を添加したチタン酸鉛系の圧電磁器組成物が用いられてきた。この圧電磁器は、焼結性が良好で高温高電界での分極処理も可能であるという特徴を有する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この圧電磁器は共振周波数の温度係数が良好でなく、フィルタや発振子に用いた場合、通過周波数や発振周波数が温度によって大きく変化するという問題があった。このため、高精度を要求されるフィルタや発振子には、チタン酸鉛系の磁器を利用することが困難であった。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、共振周波数の温度安定性に優れ、フィルタや発振子などの用途に好適なチタン酸鉛系圧電磁器組成物及びこの圧電磁器組成物を用いた圧電素子を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段と作用】
以上の目的を達成するため、本発明に係る圧電磁器組成物は、一般式がＰｂ1-1.5xＮｄx［（Ｉｎ1/2Ｎｂ1/2）yＴｉ1-y］Ｏ3であり、０．１０≦ｘ≦０．１６、０．１５≦ｙ≦０．５０を満足する組成を有する主成分に、副成分としてＭｎがＭｎＣＯ3換算で０．１重量％以上３．０重量％以下含有されていることを特徴とする。以上の構成により、共振周波数の温度係数が良好な圧電磁器組成物が得られる。そして、前記構成の圧電磁器組成物を用いた圧電素子は、通過周波数や発振周波数等の温度による変化を抑えることができる。
【０００６】
ここに、ＮｄでＰｂを置換する量ｘが０．１０≦ｘ≦０．１６であるのは、ｘ＜０．１０では磁器の焼結性が良好でなく、かつ共振周波数の温度係数の改善効果が小さいからであり、０．１６＜ｘではキュリー温度の低下が著しく高温での使用に耐えないからである。ｙの範囲が０．１５≦ｙ≦０．５０であるのは、ｙ＜０．１５では共振周波数の温度係数が良好でないからであり、０．５０＜ｙではキュリー温度が著しく低下し高温での使用に耐えないからである。副成分のＭｎの含有量は、ＭｎＣＯ3に換算して０．１重量％以上３．０重量％以下が好ましい。０．１重量％未満では機械的品質係数Ｑｍが小さく、発振子やフィルタなどの用途に適さないからであり、３．０重量％より大きい範囲では磁器の絶縁性が劣化するため分極処理を施すことができず、圧電磁器としては利用できないからである。
【０００７】
【発明の実施形態】
以下、本発明に係る圧電磁器組成物及び圧電磁器組成物を用いた圧電素子の実施形態について添付図面を参照して説明する。
【０００８】
図１に示すように、圧電フィルタとして使われる圧電素子は、圧電体基板１、この圧電体基板１を収納している絶縁性容器１０及び封止蓋２０から構成されている。圧電体基板１は略矩形状をしている。この圧電体基板１は表面に振動電極２ａ，２ｂ、振動電極３ａ，３ｂが設けられ、裏面に振動電極２ｃ，３ｃが設けられている。振動電極２ａ，３ｂは、それぞれ圧電体基板１の表面の端部に設けた引出し電極４ａ，４ｂに電気的に接続し、振動電極２ｂと３ａは導体路を介して電気的に接続している。引出し電極４ａ，４ｂは、それぞれ基板１の両端部に配設されている。さらに、振動電極２ｃと３ｃは、基板１の裏面中央部に設けた導体路を介して電気的に接続している。圧電体基板１はＰｂＴｉＯ３系の磁器材からなり、振動電極２ａ〜３ｃ、引出し電極４ａ，４ｂはＡｇ，Ａｇ−Ｐｄ，Ｎｉ，Ｃｕ等からなる。圧電体基板１は振動電極２ａ，２ｂ，２ｃ及び振動電極３ａ，３ｂ，３ｃにて厚み縦振動を発生させる。
【０００９】
絶縁性容器１０は凹部１０ａを有し、この凹部１０ａの両端部には切り込み１１が設けられている。凹部１０ａの底面中央部には台座１２が設けられている。圧電体基板１は切り込み１１をガイドにして、横長の状態で水平に収納され、切り込み１１及び台座１２にて振動部分が凹部１０ａの底面に接触しないように支持される。
【００１０】
容器１０の切り込み１１及び台座１２の部分の３箇所には、ペースト状の導電性接着剤が塗布されており、圧電体基板１と容器１０が導電性接着剤を介して固定され、電気的に接続される。すなわち、容器１０の両端部及び中央部にはスパッタ、あるいは蒸着等の方法により引出し電極１６，１７，１８が形成されている。引出し電極１６，１７はそれぞれ切り込み１１の部分に延在し、引出し電極１８は台座１２の部分に延在している。振動電極２ａは引出し電極４ａ及び導電性接着剤を介して容器１０の引出し電極１６に電気的に接続され、振動電極３ｂは引出し電極４ｂ及び導電性接着剤を介して容器１０の引出し電極１７に電気的に接続され、振動電極２ｃ，３ｃは導電性接着剤を介して容器１０の引出し電極１８に電気的に接続されている。
【００１１】
封止蓋２０は、両端部及び中央部に導体２１，２２，２３がスパッタ、あるいは蒸着等の方法により形成されている。この封止蓋２０は容器１０の開口端面に接着剤によって固着される。従って、圧電体基板１は容器１０と封止蓋２０によって密閉された振動空間に収納された状態となる。
【００１２】
次に、圧電体基板１の組成について説明する。圧電体基板１の原料として、Ｐｂ３Ｏ４，Ｎｄ２Ｏ３，Ｉｎ２Ｏ３，Ｎｂ２Ｏ５，ＴｉＯ２，ＭｎＣＯ３を用いた。このほか、原料としてＰｂ，Ｎｄ，Ｉｎ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｍｎの他の酸化物、あるいは最終的に酸化物となるような化合物を用いてもよい。
【００１３】
上記原料を表１〜表５に示す組成になるように秤量し湿式で混合粉砕した後、７５０℃〜９５０℃で１時間〜４時間仮焼した。得られた仮焼粉に有機系バインダを加えて粉砕を行なった後、１ｔｏｎ／ｃｍ２の圧力でプレス成形した。これらの成形体を１０５０℃〜１２５０℃、１時間〜４時間の条件で焼成し焼結体を得た。この焼結体に電極を形成した後、１００℃の温度のシリコンオイル中で３〜５ｋＶ／ｍｍの電界を１０分〜３０分間印加して分極を行い、評価を行った。厚み縦振動での電気機械結合係数ｋｔ（％）、機械的品質係数Ｑｍ、キュリー温度Ｔｃ（℃）、共振周波数の温度係数Ｆ−ＴＣ（ｐｐｍ／℃）を表１〜表５に示す。試料番号に＊が付してあるものは本発明の範囲外の比較例を示す。
【００１４】
【表１】
【００１５】
【表２】
【００１６】
【表３】
【００１７】
【表４】
【００１８】
【表５】
【００１９】
本発明の範囲外である副成分ＭｎＣＯ３を含まない試料１においては、機械的品質係数Ｑｍが２００以下となるため、フィルタや発振子等の用途には適さない。また、副成分ＭｎＣＯ３の含有量を５重量％まで増やした場合、焼結体の絶縁性が低下し分極を施すことができなかった。従って、本発明においては、副成分ＭｎＣＯ３の含有量を、良好な機械的品質係数Ｑｍが得られかつ分極操作が容易な０．１重量％以上３．０重量％以下とした。
【００２０】
さらに、試料１０，１５，２０，３３，３８，４３，５６，６１，６６のように、ＰｂをＮｄで置換する量ｘを本発明の範囲を超えて０．１８まで増やすと、キュリー温度が２８０℃以下に低下する。キュリー温度が２８０℃以下となると、圧電磁器を利用したフィルタや発振子等の素子をプリント基板に実装する際のリフローで磁器の圧電性が著しく劣化するので好ましくない。一方、ＰｂをＮｄで置換する量ｘが０．００の場合（試料６，１１，１６，２９，３４，３９，５２，５７，６２）には、共振周波数の温度係数Ｆ−ＴＣが−３７ｐｐｍ／℃を超えて悪化するため、フィルタや発振子等の用途に向かなくなる。ＰｂをＮｄで置換する量ｘを本発明の範囲である０．０２≦ｘ≦０．１６とすれば、共振周波数の温度係数Ｆ−ＴＣが±３７ｐｐｍ／℃以内で、しかも２９０℃以上のキュリー温度を有する、フィルタや発振子等の用途に対して利用価値が大きい圧電磁器が得られる。
【００２１】
また、Ｔｉを（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）で置換する量ｙを、試料２４，４７，７０のように本発明の範囲外の０．６とすると、キュリー温度が２８０℃以下に低下するので、先に述べたのと同じ理由で好ましくない。しかし、（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）での置換量ｙが０．１５より少ない（試料２〜５，２５〜２８，４８〜５１）と、共振周波数の温度係数Ｆ−ＴＣが−３７ｐｐｍ／℃を超えて悪化するため、共振周波数の温度安定性と耐熱性の両方を備えた磁器を得るためには、Ｔｉを（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）で置換する量ｙは、本発明の請求範囲の０．１５≦ｙ≦０．５０でなければならない。
【００２２】
なお、本発明に係る圧電磁器組成物及び圧電磁器組成物を用いた圧電素子は前記実施形態に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。特に、圧電素子は前記実施形態に限定されるものではなく、発振子やトラップ素子であってもよい。また、圧電体基板の振動モードは、厚みすべり振動モードであってもよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、共振周波数の温度係数が良好で耐熱性に優れた圧電磁器組成物を得ることができる。これにより、リフロー半田付けの際の性能劣化が起こりにくく、温度安定性にすぐれたセラミック発振子やセラミックフィルタ等の圧電素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧電素子の一実施形態の構成を示す分解斜視図。
【符号の説明】
１…圧電体基板
２ａ，２ｂ，２ｃ，３ａ，３ｂ，３ｃ…振動電極
４ａ，４ｂ…引出し電極
１０…容器
１０ａ…凹部
１６，１７，１８…引出し電極
２０…封止蓋
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電磁器組成物及びこの圧電磁器組成物を用いた圧電素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、圧電磁器組成物としてチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）系のものが知られている。チタン酸鉛系の圧電磁器は、誘電率が低くかつ粒径が小さいため、高周波領域での実用に適している。また、圧電異方性が大きいので副共振を抑制しやすく、キュリー点が高く高温での使用に耐えうる等の優れた特徴を有している。このため、高周波領域で用いられるフィルタや発振子等の分野でチタン酸鉛系の圧電磁器を用いることが要求されている。しかし、チタン酸鉛系の圧電磁器は難焼結性で、緻密かつ機械的強度の大きい焼結体を得ることが困難であるのに加え、分極が難しいという欠点がある。この欠点を解決するため、ＰｂＴｉＯ３のＰｂの一部をＬａで置換し、例えばＭｎＣＯ３等のＭｎ化合物を添加したチタン酸鉛系の圧電磁器組成物が用いられてきた。この圧電磁器は、焼結性が良好で高温高電界での分極処理も可能であるという特徴を有する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この圧電磁器は共振周波数の温度係数が良好でなく、フィルタや発振子に用いた場合、通過周波数や発振周波数が温度によって大きく変化するという問題があった。このため、高精度を要求されるフィルタや発振子には、チタン酸鉛系の磁器を利用することが困難であった。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、共振周波数の温度安定性に優れ、フィルタや発振子などの用途に好適なチタン酸鉛系圧電磁器組成物及びこの圧電磁器組成物を用いた圧電素子を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段と作用】
以上の目的を達成するため、本発明に係る圧電磁器組成物は、一般式がＰｂ1-1.5xＮｄx［（Ｉｎ1/2Ｎｂ1/2）yＴｉ1-y］Ｏ3であり、０．１０≦ｘ≦０．１６、０．１５≦ｙ≦０．５０を満足する組成を有する主成分に、副成分としてＭｎがＭｎＣＯ3換算で０．１重量％以上３．０重量％以下含有されていることを特徴とする。以上の構成により、共振周波数の温度係数が良好な圧電磁器組成物が得られる。そして、前記構成の圧電磁器組成物を用いた圧電素子は、通過周波数や発振周波数等の温度による変化を抑えることができる。
【０００６】
ここに、ＮｄでＰｂを置換する量ｘが０．１０≦ｘ≦０．１６であるのは、ｘ＜０．１０では磁器の焼結性が良好でなく、かつ共振周波数の温度係数の改善効果が小さいからであり、０．１６＜ｘではキュリー温度の低下が著しく高温での使用に耐えないからである。ｙの範囲が０．１５≦ｙ≦０．５０であるのは、ｙ＜０．１５では共振周波数の温度係数が良好でないからであり、０．５０＜ｙではキュリー温度が著しく低下し高温での使用に耐えないからである。副成分のＭｎの含有量は、ＭｎＣＯ3に換算して０．１重量％以上３．０重量％以下が好ましい。０．１重量％未満では機械的品質係数Ｑｍが小さく、発振子やフィルタなどの用途に適さないからであり、３．０重量％より大きい範囲では磁器の絶縁性が劣化するため分極処理を施すことができず、圧電磁器としては利用できないからである。
【０００７】
【発明の実施形態】
以下、本発明に係る圧電磁器組成物及び圧電磁器組成物を用いた圧電素子の実施形態について添付図面を参照して説明する。
【０００８】
図１に示すように、圧電フィルタとして使われる圧電素子は、圧電体基板１、この圧電体基板１を収納している絶縁性容器１０及び封止蓋２０から構成されている。圧電体基板１は略矩形状をしている。この圧電体基板１は表面に振動電極２ａ，２ｂ、振動電極３ａ，３ｂが設けられ、裏面に振動電極２ｃ，３ｃが設けられている。振動電極２ａ，３ｂは、それぞれ圧電体基板１の表面の端部に設けた引出し電極４ａ，４ｂに電気的に接続し、振動電極２ｂと３ａは導体路を介して電気的に接続している。引出し電極４ａ，４ｂは、それぞれ基板１の両端部に配設されている。さらに、振動電極２ｃと３ｃは、基板１の裏面中央部に設けた導体路を介して電気的に接続している。圧電体基板１はＰｂＴｉＯ３系の磁器材からなり、振動電極２ａ〜３ｃ、引出し電極４ａ，４ｂはＡｇ，Ａｇ−Ｐｄ，Ｎｉ，Ｃｕ等からなる。圧電体基板１は振動電極２ａ，２ｂ，２ｃ及び振動電極３ａ，３ｂ，３ｃにて厚み縦振動を発生させる。
【０００９】
絶縁性容器１０は凹部１０ａを有し、この凹部１０ａの両端部には切り込み１１が設けられている。凹部１０ａの底面中央部には台座１２が設けられている。圧電体基板１は切り込み１１をガイドにして、横長の状態で水平に収納され、切り込み１１及び台座１２にて振動部分が凹部１０ａの底面に接触しないように支持される。
【００１０】
容器１０の切り込み１１及び台座１２の部分の３箇所には、ペースト状の導電性接着剤が塗布されており、圧電体基板１と容器１０が導電性接着剤を介して固定され、電気的に接続される。すなわち、容器１０の両端部及び中央部にはスパッタ、あるいは蒸着等の方法により引出し電極１６，１７，１８が形成されている。引出し電極１６，１７はそれぞれ切り込み１１の部分に延在し、引出し電極１８は台座１２の部分に延在している。振動電極２ａは引出し電極４ａ及び導電性接着剤を介して容器１０の引出し電極１６に電気的に接続され、振動電極３ｂは引出し電極４ｂ及び導電性接着剤を介して容器１０の引出し電極１７に電気的に接続され、振動電極２ｃ，３ｃは導電性接着剤を介して容器１０の引出し電極１８に電気的に接続されている。
【００１１】
封止蓋２０は、両端部及び中央部に導体２１，２２，２３がスパッタ、あるいは蒸着等の方法により形成されている。この封止蓋２０は容器１０の開口端面に接着剤によって固着される。従って、圧電体基板１は容器１０と封止蓋２０によって密閉された振動空間に収納された状態となる。
【００１２】
次に、圧電体基板１の組成について説明する。圧電体基板１の原料として、Ｐｂ３Ｏ４，Ｎｄ２Ｏ３，Ｉｎ２Ｏ３，Ｎｂ２Ｏ５，ＴｉＯ２，ＭｎＣＯ３を用いた。このほか、原料としてＰｂ，Ｎｄ，Ｉｎ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｍｎの他の酸化物、あるいは最終的に酸化物となるような化合物を用いてもよい。
【００１３】
上記原料を表１〜表５に示す組成になるように秤量し湿式で混合粉砕した後、７５０℃〜９５０℃で１時間〜４時間仮焼した。得られた仮焼粉に有機系バインダを加えて粉砕を行なった後、１ｔｏｎ／ｃｍ２の圧力でプレス成形した。これらの成形体を１０５０℃〜１２５０℃、１時間〜４時間の条件で焼成し焼結体を得た。この焼結体に電極を形成した後、１００℃の温度のシリコンオイル中で３〜５ｋＶ／ｍｍの電界を１０分〜３０分間印加して分極を行い、評価を行った。厚み縦振動での電気機械結合係数ｋｔ（％）、機械的品質係数Ｑｍ、キュリー温度Ｔｃ（℃）、共振周波数の温度係数Ｆ−ＴＣ（ｐｐｍ／℃）を表１〜表５に示す。試料番号に＊が付してあるものは本発明の範囲外の比較例を示す。
【００１４】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
本発明の範囲外である副成分ＭｎＣＯ３を含まない試料１においては、機械的品質係数Ｑｍが２００以下となるため、フィルタや発振子等の用途には適さない。また、副成分ＭｎＣＯ３の含有量を５重量％まで増やした場合、焼結体の絶縁性が低下し分極を施すことができなかった。従って、本発明においては、副成分ＭｎＣＯ３の含有量を、良好な機械的品質係数Ｑｍが得られかつ分極操作が容易な０．１重量％以上３．０重量％以下とした。
【００２０】
さらに、試料１０，１５，２０，３３，３８，４３，５６，６１，６６のように、ＰｂをＮｄで置換する量ｘを本発明の範囲を超えて０．１８まで増やすと、キュリー温度が２８０℃以下に低下する。キュリー温度が２８０℃以下となると、圧電磁器を利用したフィルタや発振子等の素子をプリント基板に実装する際のリフローで磁器の圧電性が著しく劣化するので好ましくない。一方、ＰｂをＮｄで置換する量ｘが０．００の場合（試料６，１１，１６，２９，３４，３９，５２，５７，６２）には、共振周波数の温度係数Ｆ−ＴＣが−３７ｐｐｍ／℃を超えて悪化するため、フィルタや発振子等の用途に向かなくなる。ＰｂをＮｄで置換する量ｘを本発明の範囲である０．０２≦ｘ≦０．１６とすれば、共振周波数の温度係数Ｆ−ＴＣが±３７ｐｐｍ／℃以内で、しかも２９０℃以上のキュリー温度を有する、フィルタや発振子等の用途に対して利用価値が大きい圧電磁器が得られる。
【００２１】
また、Ｔｉを（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）で置換する量ｙを、試料２４，４７，７０のように本発明の範囲外の０．６とすると、キュリー温度が２８０℃以下に低下するので、先に述べたのと同じ理由で好ましくない。しかし、（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）での置換量ｙが０．１５より少ない（試料２〜５，２５〜２８，４８〜５１）と、共振周波数の温度係数Ｆ−ＴＣが−３７ｐｐｍ／℃を超えて悪化するため、共振周波数の温度安定性と耐熱性の両方を備えた磁器を得るためには、Ｔｉを（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）で置換する量ｙは、本発明の請求範囲の０．１５≦ｙ≦０．５０でなければならない。
【００２２】
なお、本発明に係る圧電磁器組成物及び圧電磁器組成物を用いた圧電素子は前記実施形態に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。特に、圧電素子は前記実施形態に限定されるものではなく、発振子やトラップ素子であってもよい。また、圧電体基板の振動モードは、厚みすべり振動モードであってもよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、共振周波数の温度係数が良好で耐熱性に優れた圧電磁器組成物を得ることができる。これにより、リフロー半田付けの際の性能劣化が起こりにくく、温度安定性にすぐれたセラミック発振子やセラミックフィルタ等の圧電素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧電素子の一実施形態の構成を示す分解斜視図。
【符号の説明】
１…圧電体基板
２ａ，２ｂ，２ｃ，３ａ，３ｂ，３ｃ…振動電極
４ａ，４ｂ…引出し電極
１０…容器
１０ａ…凹部
１６，１７，１８…引出し電極
２０…封止蓋
Claims (3)
- 少なくともＰｂ，Ｎｄ，Ｉｎ，Ｎｂ及び Ｔｉを含む圧電磁器組成物において、
一般式をＰｂ1-1.5xＮｄX［（Ｉｎ1/2Ｎｂ1/2）yＴｉ1-y］Ｏ3とした場合、０．１０≦ｘ≦０．１６、０．１５≦ｙ≦０．５０を満足する組成を有する主成分に、副成分としてＭｎがＭｎＣＯ3換算で０．１重量％以上３．０重量％以下含有されていることを特徴とする圧電磁器組成物。 - 前記ＭｎがＭｎＣＯ 3 換算で１．０重量％以上３．０重量％以下含有されていることを特徴とする請求項１記載の圧電磁器組成物。
- 請求項１又は請求項２記載の圧電磁器組成物を用いたことを特徴とする圧電素子。
Priority Applications (9)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12810299A JP3598874B2 (ja) | 1998-05-27 | 1999-05-10 | 圧電磁器組成物及びこの圧電磁器組成物を用いた圧電素子 |
| SG1999002567A SG71926A1 (en) | 1998-05-27 | 1999-05-25 | Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric element using the piezoelectric ceramic composition |
| TW088108630A TW443033B (en) | 1998-05-27 | 1999-05-26 | Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric element using the piezoelectric ceramic composition |
| DE69918903T DE69918903T2 (de) | 1998-05-27 | 1999-05-26 | Piezoelektrische keramische Zusammensetzung und diese piezoelektrische keramische Zusammensetzung verwendendes piezoelektrisches Element |
| EP99110178A EP0969529B1 (en) | 1998-05-27 | 1999-05-26 | Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric element using the piezoelectric ceramic composition |
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