JP5574747B2 - 割れ易い材料からなるシートの罫書き方法 - Google Patents

Description

本発明は、割れ易い材料からなるシートの罫書き方法に関し、特に制御不能なクラックの伝播を最少にするガラスシートの罫書き方法に関するものである。

従来から、ガラスの罫書きには機械的工具が便利に用いられている。あるいは、波長が１０．６μｍのＣＯ_２レーザービーム等のレーザービームも用いられている。一般にガラスは、レーザーによる加熱後の急速に冷却されて、熱衝撃を通じてガラス内に過渡的引っ張り応力を発生させている。

レーザー罫書き時には、ガラス体に延びるメディアン・クラック（すなわち、中途までのベント）が形成される。このベント（ｖｅｎｔ）を形成するために、ガラスのエッジに小さな傷口（ｆｌａｗ）が形成される。この傷口は次いでベントに変形され、レーザービームによって伝播される。上記傷口は種々の方法によって形成することができる。例えば、上記傷口は、レーザーパルスによって、または罫書き針、罫書きホイール、インデンタ等の機械的工具によって形成することができる。

レーザービームでガラスを加熱すると、温度勾配と、ベントの形成および伝播の原因となる対応する応力場とが発生する。もし、加熱されたガラスが冷媒を用いて急冷されると、誘発された熱応力がさらに一層増大される。しかしながら、上記ベントの伝播はガラス内の背景応力（例えば内部応力および罫書き工程中におけるシートの取扱いまたは保持によってガラスシートに加えられる応力）によって影響を受ける。この背景応力は、例えばガラスシートが溶融体から引き出された直後において、冷却されて形成されたてのガラスに対しレーザー罫書きが実施されたときに大きな要因となり得る。これは、ガラスシートの牽引中に形成され得るシートのふくらんだ両エッジ部分（ビード）を取り除くときのような場合である。ガラスの内部応力は、例えば、成形工程中に生成されるガラスの厚さの差によって、したがって、一様でないガラスの冷却およびそれに続くビードが形成されているエッジ領域に集中される応力蓄積によって惹き起こされる。さらにガラスの取り扱いにおいて使用されるグリッパまたは（および）サクション・カップによるガラスシートの変形（曲げ、捩じり）によってさらに応力が加えられる。もし背景応力が十分に高ければ、それは制御不能なクラックの伝播の原因となり、このクラックは、最初に傷口が付けられたガラスシートエッジにおいて出発し、レーザービームがガラスシートのエッジに到達した瞬間に所望の罫書き方向から逸脱する。より簡単に表現すると、レーザービームによって誘起された熱応力は、望ましくない方向に伝播するクラックを発生させる可能性がある。同様に、予め引かれた罫書き線からのベントの逸脱は、レーザービームが反対側のエッジを出るときに、罫書き線の反対側の端部からも発生する可能性がある。

一つの実施の形態において、割れ易い材料からなるシートの罫書き方法が開示されており、この方法は、上記割れ易い材料からなるシートの第１のエッジから所定の距離だけ離れた開始点において、上記割れ易い材料からなるシートの表面に傷口を付け、この傷口上に電磁輻射線ビームを、上記開始点上に割り口（ｖｅｎｔ ｃｒａｃｋ）（罫書き溝）が形成されるように照射し、上記電磁輻射線ビームを上記シートの表面に沿って移動させて、上記割り口を上記割れ易い材料からなるシートの第２のエッジに向かって伝播させることを含み、その場合に、上記割り口は、上記電磁輻射線ビームの移動の間に上記第１のエッジと交差せず、電磁輻射線源と上記割れ易い材料からなるシートの表面との間に配置されたマスクによって、上記開始点と上記第１のエッジとの間の上記割れ易い材料からなるシートの表面に電磁輻射線ビームが当るのを防止する。

上記割れ易い材料からなるシートは、例えばガラス、またはガラスセラミック、またはセラミック材料からなるシートである。或る場合には、上記第２のエッジが上記第１のエッジとほぼ平行であり得る。ガラスシート形成作業によっては、シートの両エッジ部分（ビードが形成されたエッジ部分）が球状である。このようなシートの罫書きは、本明細書に開示された方法を適用することによって改善される。

上記電磁輻射線ビームの移動は、この移動の間に上記割り口が上記割れ易い材料からなるシートの第２のエッジまで伝播しないように、上記割り口を上記第２のエッジから所定の距離だけ離れた位置にある停止点まで伝播させることを含む。例えば、適当なマスクを用いて上記電磁輻射線ビームをマスクすることによって、上記停止点と上記第２のエッジとの間の上記割れ易い材料からなるシートの表面に上記電磁輻射線ビームが当るのを防止することができる。しかしながら、上記電磁輻射線ビームの出力を減衰させることによっても、上記停止点と上記割れ易い材料からなるシートの第２のエッジとの間に上記割り口が伝播するのを防止することができる。さらに罫書き作業を改善するために、移動する上記電磁輻射線ビームに近接させて、冷媒からなるジェットを上記割れ易い材料からなるシートの表面に沿って移動させると、上記シート内に生成される応力を増大させることができる。

上記開始点と上記第１のエッジとの間の距離は、上記電磁輻射線ビームの移動の間に上記割り口が上記第１のエッジと交差するのを防止するように選択されることが好ましい。例えば、上記開始点と上記第１のエッジとの間の所定の距離は少なくとも１ｍｍ、または少なくとも３ｍｍに選択することができる。上記第１のエッジと上記開始点との間の距離は、上記シートの表面上にマスクが広がる距離よりも長くなければならない。或る場合には、上記開始点が、マスクの広がる距離よりも上記第１のエッジからさらに約０．５ｍｍ離れるように選択することができる。上記マスクは、上記割れ易い材料からなるシートの表面から約５ｍｍ以下の距離に、例えばシートの表面から０．５ｍｍと５ｍｍとの間の距離に位置決めされるのが好ましい。しかしながら、上記マスクが上記割れ易い材料からなるシートの表面に接して配置されてもよい。

別の実施の形態においては、ガラスシートの第１のエッジから所定の距離だけ離れた開始点において、上記ガラスシートの表面に傷口を付け、この傷口上にレーザービームを、上記開始点上に割り口が形成されるように照射し、上記レーザービームを上記シートの表面に沿って移動させて、上記割り口を上記ガラスシートの第２のエッジに向かって伝播させることを含み、その場合に、上記割り口は、上記レーザービームの移動の間に上記第１のエッジと交差せず、レーザービーム源と上記ガラスシートの表面との間に配置された第１のマスクによって、上記開始点と上記第１のエッジとの間の上記ガラスシートの表面に上記レーザービームが当るのを防止する。

本発明は、添付図面を参照して如何なる限定をも伴わないで提供された下記の例示的説明の過程で、本発明がより容易に理解され、かつその他の目的、特徴、詳細および効果が明らかになるであろう。この説明に含まれる付加的なシステム、方法、特徴および効果の全ては、本発明の範囲内であり、添付の請求項によって保護されることを意図される。

フュージョン・ダウンドロー・ガラス作製方法に用いられる成形用本体の、一部を断面とした斜視図である。 図１の成形用本体によって形成された帯状ガラスから裁断されたガラスシートの図１の２−２線に沿った断面図である。 ガラスシートの第１のエッジから開始点までの部分をマスクするマスクを示す図２のガラスシートの正面図である。 開始点において生成された割り口の伝播状態を示す、図１のガラスシートの図２の４−４線に沿った断面図である。 第１のマスクが開始点の近傍に配置され、かつ第２のマスクが停止点の近傍に配置された２枚のマスクを示す図２のガラスシートの正面図である。

以下の詳細な説明は、本発明を完全に理解するために示された、具体的な詳細内容を開示する例示的かつ非限定的な実施の形態の説明である。しかしながら、本発明の恩恵に浴する当業者には、本発明は、ここに開示されている具体的な詳細内容から離れた他の実施の形態の実施も可能であることが明らかであろう。さらに、本発明の説明を曖昧にしないために、良く知られているデバイス、方法および材料についての説明は省略してある。最後に、類似の要素には、可能な限り類似の参照符号を付してある。

ここで用いられている「罫書き線」とは、罫書きを行なうための所望のまたは指定された径路を提供するための線である。

ここで用いられている「割り口（ｖｅｎｔ ｃｒａｃｋ）」とは、割れ易い材料の表面に開口する細長いクラックを意味する。この割り口は、割れ易い材料の表面に対し直角であってもなくてもよい。

ここで用いられている「割れ易い材料」とは、破壊に先立って塑性変形を少ししか示さないか、または全く示さない材料である。割れ易い材料の主な破壊モードは破砕である。割れ易い材料は、ガラス、ガラスセラミックおよびセラミック材料を含む。

大面積のガラスシートからの一部のガラスシートを分離させるのには、一般に先ずガラスシートを罫書くことによって行なわれる。機械的な罫書き方法において、罫書きは、ダイアモンド・スクライバ、カーバイド・スクライバまたは罫書きホイール等の機械的接触工具を用いてなされる。罫書きの結果は、ガラス体を通過する割り口の伝播の出発点を提供する。

典型的なレーザー罫書き線において、レーザーは、指定された罫書き線に沿ってガラスを加熱して、開始傷口において割り口を形成するのに十分な熱応力をガラス内に発生させる。次いでレーザービームは、ガラスの表面に沿って移動せしめられ、かつ移動するレーザービームによって生成された応力場に割り口が追従して、罫書き溝を生成させる。

一般に、罫書き溝が生成された後、罫書き溝に沿って応力が加えられる。例えば、ガラスシートは曲げモードにセットされ、引っ張り応力が罫書き溝に沿って加えられる。この応力は罫書き溝に（割り口の先端に）集中され、割り口はガラスの残存厚さ部分を突破してガラスを分離させる。

実際に、ガラスは、製造工程中にガラスシート内に凍結される永久的内部応力と、例えば特定の罫書き工程中にシートが支持される態様から発生し得る過渡的応力との双方を一般的に備えている。もしこれらの（背景）応力が過大であると、ガラスシート内に形成される割り口は、ガラスシート内の内部応力場に従って応答して、指定された径路に沿って罫書き溝を形成する（続いてシートを分離させる）のを困難にする。

ガラスシートの一つの作製方法は、フュージョン・ダウンドロー法によるものであり、これは溶融ガラス流が、成形用本体をオーバ−フローする２条のガラス流に分かれることからそのように呼ばれている。これら２条のガラス流は、成形用本体の底部において再結合すなわち再融合して、ガラスシートを形成する。この方法は、フュージョン・ダウンドロー・ガラス形成法に用いられ得る例示的な成形用本体を示す図１によって、より明快に理解することができる。

図１は成形用本体２０を示し、両側壁２４によって構成された成形用本体２０の上部に形成された通路すなわちトラフ２２と、成形用本体２０の長手方向に延びる底縁２８において交わる収斂する成形用表面２６ａおよび２６ｂとを備えている。溶融ガラス３０はトラフ２２内へ導入され、かつ成形用本体の両側壁２４をオーバーフローし、成形用本体２０に沿って流下する分離した２条のガラス流を形成する。これら分離した２条のガラス流は、収斂する成形用表面２６ａおよび２６ｂに沿って流れ、底縁２８において合流する。２条のガラス流は、底縁２８において再融合して１条のガラス流を形成し、清純な帯状ガラス３２として底縁２８から下方へ流動する。成形用本体２０の表面（例えば収斂する両成形用表面）に接触した溶融ガラスは、形成された帯状ガラスの内側部分内に埋め込まれるが、帯状ガラスの外表面は成形表面には接触していない。

流下する帯状ガラス内の表面張力は、帯状ガラスの幅を減衰させ（帯状ガラスが細くなる）、かつ帯状ガラスの両エッジの厚さが増大して球状になる（帯状ガラスの幅に沿った帯状ガラスの断面図を示す図２により明らかである）。複数のローラ３４が帯状ガラスのふくらんだエッジ部分（すなわちビード）４０を掴んで、帯状ガラス３２を下方へ牽引する。別の複数のローラ（不図示）が、内方へ向かう表面張力に抗して帯状ガラスを幅方向へ牽引する張力を発生させることによって帯状ガラスの幅を制御するのを助ける。次いで帯状ガラスは底縁２８の下方において罫書かれ（破線３６）、かつ帯状ガラスの幅方向に沿って分離されて、個々のガラスシート３８を形成する。

分離されたガラスシート３８のエッジ部分４０は、多くの場合、少なくともいくつかの理由で取り除かれる。第１に、取引条項によってガラスシートに課せられた全体の厚さの要求に適合していない。第２に、牽引ローラがガラスシートの両エッジ部分を掴んでいるので、両エッジ部分の表面はもはや清純ではなく、大部分の用途に対して一般に使用不能である。

ガラスシートのビードが形成された両エッジ部分４０は、ガラスシートの内側部分４２よりも厚いので、両エッジ部分の冷却速度は、内側部分の冷却速度とは異なる。一言で言えば、ガラスシートの両サイドエッジ４４近辺で最大となる温度勾配がガラスシートの幅方向に沿って発生し、この温度勾配が、ガラスが冷えるにつれて応力をガラス内に応力を誘起させ得る。さらに、牽引ローラが、より大きい掴み力をガラス上に提供するために歯を備えており、したがって、ビード厚さも、ガラスシートの長さ方向に沿って変化しており、これも内部応力の原因となる。

シート形成工程を完了させて、商品として販売可能なガラスシートを生成させるために、先ずビードと平行な指定された罫書き線に沿ってガラスシートを罫書き、次いで罫書かれた部分に対し曲げる力を加えることによって、ビードが取り除かれる。

前述のように、ガラスシートが罫書かれた時点においてガラス内に存在している応力は、罫書きによって生じる割り口の伝播方向（すなわち、ガラスシートを横切る方向）の制御を困難にする。この問題は、ガラスシートの両エッジ部分において特に深刻である。

したがって、本明細書において説明されている方法によれば、成長する割り口の制御の失敗（および指定された罫書き線からの割り口の逸脱）が最少または皆無にされる。図３を参照すると、帯状ガラスから切離された直後のガラスシート３８が示されている。ガラスシート３８は、「高品質」領域４２（ローラ３４等の牽引装置に接触しなかったガラスシートの内側部分であり、この部分の少なくとも一部が最終製品に用いられる）と、サイドエッジ４４において終端するエッジ部分４０とを備えている。高品質領域４２は両エッジ部分４０の間に広がっている。さらにガラスシート３８は、両サイドエッジ４４と交差するエッジ４６および４８を備えている。

上述のフュージョン・ガラス形成法において、エッジ４６および４８は、成形用本体２０から引き出された帯状ガラスからガラスシートを切り離すときに得られるエッジを表す。破線５０は、ガラスシート３８のサイドエッジ４４に対しほぼ平行に延びる指定された罫書き線を表す。下記の説明は、ガラスシート３８のビードを備えた両エッジ部分４０のうちの一方の除去に関するものであるが、反対側のエッジ部分も同様の態様で除去されることを理解すべきである。

エッジ部分４０を取り除くために、ガラスシートは罫書き線５０に沿って矢印５２によって示されている方向に罫書かれる。罫書きは、移動するレーザービーム５４（図４参照）により罫書き線５０に沿って矢印５２の方向に行なわれる。レーザービーム５４は細長いレーザービームが好ましい。レーザービームの形状は、例えば適当な光学素子（不図示）によって制御することができる。随意的に、冷却用ジェット５６がレーザービーム５４の背後に近接して、同じく矢印５２の方向へ移動する。冷却用ジェット５６は、一般に水が用いられるが、如何なる冷却液であってもよい。冷却用ジェットは、ガラスシート上に照射されるレーザービームによって加熱されたガラス部分に高い熱応力を発生させ、割り口５８の形成を助けることが判明している。

割り口の逆方向伝播がシートのエッジから延びるのを防止するために、最初の傷口は、従来実施していたようにガラスシートのエッジ４６ではなく、エッジ４６から内方のガラスシートの表面上に付けられる。この開始傷口は、スクライバ、ホイール、またはその他のガラスの表面に傷口を形成する従来の方法を用いて形成される引っかき傷でよい。ガラスシートのレーザー罫書きにおいて、細長いレーザービームはより効果的であることが判明しており、かつレーザービームの移動は瞬間的には開始せず、しかしながら急に速度を上げなければならないことに注目すべきである。したがって、そして特に生産環境においては、ガラスがレーザービームによって照射される以前にレーザーの移動速度を上げるのに十分な時間を与えるために、もしレーザーが、レーザービームをシートの外側（シートおよびシートエッジから離れた位置）で起動されることが可能であれば、罫書き工程はより効率的である。

本実施の形態によれば、レーザービーム源６２（レーザー６２）とガラスシート３８との間にマスク６０が配置されている。マスク６０は、シートのエッジ４６と開始傷口の位置（以後開始点６６と呼ぶ）との間のガラスシート３８上に広がっている。マスク６０は、開始点の背後の（レーザービーム５４の移動方向に対して）若干の距離部分上にレーザービームが当たるのを実質的に防止するのに適した如何なる反射材料または吸収材料であってもよい。すなわち、エッジ４６とマスク６０の一端との間（マスクがガラスシー上に広がっている距離）のガラスシート上にレーザービームが当たるのが防止される。マスク６０は、例えばステンレス鋼からなるシートがよい。マスク６０は、エッジ４６から約１ｍｍから約３ｍｍまで範囲内の距離ｄ_１だけガラスシート上に広がっていればよい。距離ｄ_１は、特定の罫書き条件下におけるレーザービームの移動中に逆方向に伝播する割り口がエッジ４６に交差しないように選択されるべきである。逆方向伝播とは、レーザービームが移動する方向からほぼ逆方向への割り口の伝播を意味する。例えば、もしレーザービームがエッジ４８に向かって移動するとすれば、割り口の逆方向伝播はエッジ４６に向かう方向である。逆に言えば、順方向に伝播する割り口は、レーザービームの移動方向に伝播する。例えば、もしレーザービームがエッジ４８に向かって移動するならば、エッジ４８に向かって移動する割り口は順方向に伝播する割り口である。

罫書き条件が変化するにつれて（例えば、ガラスシートの温度、ガラスシートがどのように取り扱われ、および／または位置決めされたか等）、開始点の位置も変わり得る。判明している逆方向伝播は、例えば約０．５ｍｍと３．５ｍｍとの間であり、それに応じて開始点も選択しなければならない。開始点６６は、距離ｄ_１よりもエッジ４６から遠い位置に選ぶべきである。例えば開始点６６は、ｄ_１よりも約０．５ｍｍ余計に取ればよい。

レーザービームの遮断におけるマスクの効率を減退させる回折効果を最少にするために、マスク６０はガラスシートの表面６８上に配置されるのが好ましい。例えば、マスク６０は一般に、ガラスシートの表面６８から５ｍｍ以内、例えば約０．５ｍｍの距離に配置される。実施の形態によっては、マスキング材料をガラスシートの表面に「塗布」する等によって、ガラスシート３８の表面６８上に配置することができる。場合によっては、接着剤を用いてマスキング材料を表面６８上に貼り付けられてもよい。

レーザービームの移動時に、前方へ伝播する割り口が罫書き線５０から逸脱しないことを確実にするために、レーザービームからの十分なエネルギーが第２のエッジ４８から限られた距離にある停止点を越えてガラスシートに当たるのを防止する措置が採られてもよい。すなわち、ガラスシート３８とレーザー６２との間でかつガラスシートの停止点とガラスシートの第２のエッジ４８との間に第２のマスクを挿入することによって、移動するレーザービームは、さらにガラスシート上を移動するのが防止されてもよい。このような実施の形態は、第１の、すなわち出発用マスク６０ａ、および第２のマスク、すなわち停止用マスク６０ｂを表す図５に示されている。停止点７０は、一般に第２のエッジ４８から約１ｍｍ〜３ｍｍの距離ｄ_２に配置される。第２のマスク６０ｂは、表面６８から５ｍｍ未満の距離に配置されるのが好ましく、必要に応じてガラスシートの表面に貼り付けられてもよい。

あるいは、停止点を越えた後にはレーザービームの出力が減衰されても、あるいは冷却用ジェットが停止点の手前で減衰されまたは止められても、割り口が罫書き線から逸脱するのを防止することが可能である筈である。

以上の説明は、フュージョン・ダウンドロー法によるガラスシート形成工程に関するものであるが、本明細書に開示されている方法は、ガラスシート形成方法に関係なく高い応力下にあるガラス、ガラスセラミック、またはセラミック等の割れ易い材料からなるシートの罫書きに一般的に適用可能である。このような高い応力は、温度勾配、物理的取扱い、厚さの変化、またはその他の内部的または外部的に発生または印加される応力源から生じる。例えば、本明細書に開示されている方法によれば、シートはシートの曲げにより生成される応力を含む。すなわち、シートは平らでない形状を含む。

本発明の上述の実施の形態、特に「好ましい」実施の形態は、実施の可能な例に過ぎず、本発明の原理を明快に理解するための説明に過ぎない。本発明の精神および原理から離れることなしに種々の変形および修正が可能である。このような変形および修正は本明細書および本発明の範囲内に含まれることが意図され、添付の請求項によって保護されるべきものである。

２０ 成形用本体
２２ 成形用本体のトラフ
２４ 成形用本体の側壁
２６ａ，２６ｂ 成形用本体の成形用表面
２８ 成形用本体の底縁
３０ 溶融ガラス
３２ 帯状ガラス
３４ ローラ
３８ ガラスシート
４０ ビード（ガラスシートのエッジ部分）
４２ ガラスシートの内側部分（高品質部分）
４４ ガラスシートのサイドエッジ
４６，４８ ガラスシートのエッジ
５０ 罫書き線
５４ レーザービーム
５６ 冷却用ジェット
５８ 割り口
６０，６０ａ，６０ｂ マスク
６２ レーザービーム源（レーザー）
６６ 開始点
６８ ガラスシートの表面
７０ 停止点

Claims (11)

1. 割れ易い材料からなるシートの罫書き方法であって、
   前記割れ易い材料からなるシートの第１のエッジから所定の距離だけ離れた開始点において、前記割れ易い材料からなるシートの表面に傷口を付け、
   前記傷口上に電磁輻射線ビームを、前記開始点上に割り口が形成されるように照射し、
   前記電磁輻射線ビームを前記シートの表面に沿って移動させて、前記割り口を前記割れ易い材料からなるシートの第２のエッジに向かって伝播させることを含み、その場合に、前記割り口は、前記電磁輻射線ビームの移動の間に前記第１のエッジと交差せず、
   電磁輻射線源と前記割れ易い材料からなるシートの表面との間に配置されたマスクによって、前記開始点と前記第１のエッジとの間の前記割れ易い材料からなるシートの表面に前記電磁輻射線ビームが当るのを防止することを特徴とする、割れ易い材料からなるシートの罫書き方法。
2. 前記割れ易い材料からなるシートは、ガラスまたはガラスセラミックまたはセラミックであることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記第２のエッジが前記第１のエッジとほぼ平行であることを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
4. 前記割れ易い材料が、ふくらんだ両エッジ部分を備えていることを特徴とする、請求項１記載の方法。
5. 前記電磁輻射線ビームの移動が、該移動の間に前記割り口が前記割れ易い材料からなるシートの第２のエッジまで伝播しないように、前記割り口を前記第２のエッジから所定の距離だけ離れた位置にある停止点まで伝播させることを含むことを特徴とする、請求項１から４の何れか１項記載の方法。
6. 前記電磁輻射線ビームをマスクすることによって、前記停止点と前記第２のエッジとの間の前記割れ易い材料からなるシートの表面に前記電磁輻射線ビームが当るのを防止することを特徴とする、請求項５記載の方法。
7. 前記電磁輻射線ビームの出力を減衰させることによって、前記停止点と前記割れ易い材料からなるシートの第２のエッジとの間に前記割り口が伝播するのを防止することを特徴とする、請求項５記載の方法。
8. 冷媒からなるジェットを、移動する前記電磁輻射線ビームに近接させて、前記割れ易い材料からなるシートの表面に沿って移動させることをさらに含むことを特徴とする、請求項１から７の何れか１項記載の方法。
9. 前記開始点と前記第１のエッジとの間の距離が、前記電磁輻射線ビームの移動の間に前記割り口が前記第１のエッジと交差するのを防止するように選択されることを特徴とする、請求項１から８の何れか１項記載の方法。
10. 前記開始点と前記第１のエッジとの間の所定の距離が少なくとも１ｍｍであることを特徴とする、請求項１から９の何れか１項記載の方法。
11. 前記マスクは、前記第１のエッジから距離ｄ _１ だけ前記シート上に広がっており、
    前記電磁輻射線ビームの移動の間に前記割り口が前記第１のエッジと交差するのを防止するように、前記開始点と前記第１のエッジとの間の所定の距離が前記距離ｄ _１ よりも長く選択されることを特徴とする請求項１記載の方法。

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