JP5683884B2 - 振動板及びそれを利用したスピーカー - Google Patents
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Description
本発明は、振動板及びそれを利用したスピーカーに関し、特にカーボンナノチューブを利用した振動板及びそれを利用したスピーカーに関するものである。
スピーカーは電気音響変換器として、電気信号を音に変換することができる。動作原理により、スピーカーは、ダイナミックスピーカー、マグネティックスピーカー、静電気スピーカー、圧電スピーカーなどの多種に分類される。前記多種のスピーカーは、全て機械的振動によって音波を生じ、即ち、電気―機械力―音の変換を実現する。ここで、ダイナミックスピーカーが広く利用されている。
従来のスピーカーにおいて、ボイスコイルには振動板が直結して、この振動板が一緒に振動することで音声信号と等しい波形の音が空気中に放射される。スピーカーの音量は、スピーカーに入力された電気信号のパワー及び該電気信号を音に転換する効率に関係がある。しかし、前記スピーカーに入力した電気信号のパワーが大きすぎると、前記振動板は変形又は損傷する可能性がある。従って、振動板の強靭性及びヤング率は、スピーカーの定格出力に関係する。即ち、スピーカーの定格出力は、振動板の変形又は損傷を発生させない程度まで、前記スピーカーに入力される最大のパワーである。前記振動板の単位あたりの重量が小さければ、該振動板を振動させるためのエネルギーは小さく、前記スピーカーのエネルギー転換効率は高く、前記スピーカーの出力音量は大きくなる。
Ｋａｉｌｉ Ｊｉａｎｇ、Ｑｕｎｑｉｎｇ Ｌｉ、Ｓｈｏｕｓｈａｎ Ｆａｎ、"Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｙａｒｎｓ"、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１
しかし、従来のスピーカーの振動板はポリマー、金属、セラミック又は紙からなる。ポリマー又は紙からなる振動板の強靭性及びヤング率は、非常に低く、金属又はセラミックからなる振動板の重量は大きいので、前記振動板を利用したスピーカーの定格出力は低い（例えば、０．３Ｗ〜０．５Ｗ）という問題がある。また、従来の振動板の密度は高いので、スピーカーのエネルギー転換効率が低い。従って、スピーカーの定格出力及びエネルギー転換効率を高めるために、振動板のヤング率及び強靭性を高め、振動板の密度を低減させることが必要となる。
特許文献１では、界面活性剤でカーボンナノチューブを膜（ステアリン酸又は脂肪酸）に分散させて形成した複合材を利用して振動板を製造している。しかし、カーボンナノチューブの比表面積は非常に大きいので、カーボンナノチューブは前記膜に集結しやすい。前記膜に添加したカーボンナノチューブの数量が多くなると、前記カーボンナノチューブの分散が困難となる。また、界面活性剤などの添加剤を利用するので、前記振動板において不純物が多くなる問題がある。また、該振動板の所定の場所だけ、カーボンナノチューブを設置することが難しい。
本発明は、前記課題を解決するために、高い強靭性及びヤング率を有する振動板及びこれを利用したスピーカーを提供する。
本発明の第一実施形態である振動板は、複数のカーボンナノチューブ線状構造体を含む。単一の前記カーボンナノチューブ線状構造体は複数のカーボンナノチューブからなる。
本発明の第二実施形態である振動板は、複数の複合カーボンナノチューブ線状構造体を含む。単一の前記複合カーボンナノチューブ線状構造体は、複数のカーボンナノチューブ線状構造体及び強化層を含む。単一の前記カーボンナノチューブ線状構造体は複数のカーボンナノチューブからなる。該強化層は、前記カーボンナノチューブ線状構造体の表面を覆うように設置されている。
本発明の第三実施形態である振動板は、複数のカーボンナノチューブ線状構造体及び複数の強化線状構造体を含む。単一の前記カーボンナノチューブ線状構造体は複数のカーボンナノチューブからなる。前記複数のカーボンナノチューブ線状構造体は、前記複数の強化線状構造体と交叉して織られている。
本発明の第四実施形態である振動板は、複数の複合カーボンナノチューブ線状構造体及び複数の強化線状構造体を含む。前記複数の複合カーボンナノチューブ線状構造体は、前記複数の強化線状構造体と交叉して織られている。単一の前記複合カーボンナノチューブ線状構造体は、複数のカーボンナノチューブ線状構造体及び強化層を含む。単一の前記カーボンナノチューブ線状構造体は複数のカーボンナノチューブからなる。該強化層は、前記カーボンナノチューブ線状構造体の表面を覆うように設置されている。
本発明の第五実施形態である振動板は、複数のカーボンナノチューブ線状構造体と、複数の複合カーボンナノチューブ線状構造体と、複数の強化線状構造体と、を含む。前記複数のカーボンナノチューブ線状構造体と、複数の複合カーボンナノチューブ線状構造体と、複数の強化線状構造体と、は、交叉して織られている。単一の前記複合カーボンナノチューブ線状構造体は、複数のカーボンナノチューブ線状構造体及び強化層を含む。単一の前記カーボンナノチューブ線状構造体は複数のカーボンナノチューブからなる。該強化層は、前記カーボンナノチューブ線状構造体の表面を覆うように設置されている。
本発明のスピーカーは、磁気ギャップを有する磁気ユニットと、該磁気ギャップに設置されたボビンと、該ボビンに巻き付いた音声コイルと、前記ボビンの一つ内縁に固定された振動板と、を備えている。前記振動板は前記第一実施形態〜第五実施形態のいずれかの振動板であることを特徴とする。
従来の技術と比べて、本発明の振動板は次の優れた点がある。第一に、カーボンナノチューブは高い強靭性、ヤング率及び小さい密度を有するので、カーボンナノチューブを利用した振動板の強靭性及びヤング率が高い。第二に、本発明の振動板に利用したカーボンナノチューブ線状構造体は交叉して織られているので、前記振動板におけるカーボンナノチューブが均一に分散し、カーボンナノチューブの凝集が生じず、それ故該振動板の強靭性及びヤング率が高くなる。第三に、前記カーボンナノチューブ線状構造体を前記振動板の任意の場所に設置することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
（実施例１）
図１を参照すると、本実施例の振動板１０は、複数のカーボンナノチューブ線状構造体１２を含む。該複数のカーボンナノチューブ線状構造体１２は、平行に並列され、又は交叉して織られ、又はねじれて、自立構造を有する振動板１０を形成する。ここで、自立構造とは、支持体材を利用せず、前記振動板１０を独立して利用することができるという形態のことである。すなわち、前記振動板１０を対向する両側から支持して、前記振動板１０の構造を変化させずに、前記振動板１０を懸架させることができることを意味する。本実施例において、前記複数のカーボンナノチューブ線状構造体１２は、交叉して織られて平板状の振動板１０を形成する。前記振動板１０は、長方形、楕円形、円形、三角形などの形状に形成されている。実際応用の条件に対応して、前記振動板１０を一つの支持体（図示せず）に固定させることができる。
図１を参照すると、本実施例の振動板１０は、複数のカーボンナノチューブ線状構造体１２を含む。該複数のカーボンナノチューブ線状構造体１２は、平行に並列され、又は交叉して織られ、又はねじれて、自立構造を有する振動板１０を形成する。ここで、自立構造とは、支持体材を利用せず、前記振動板１０を独立して利用することができるという形態のことである。すなわち、前記振動板１０を対向する両側から支持して、前記振動板１０の構造を変化させずに、前記振動板１０を懸架させることができることを意味する。本実施例において、前記複数のカーボンナノチューブ線状構造体１２は、交叉して織られて平板状の振動板１０を形成する。前記振動板１０は、長方形、楕円形、円形、三角形などの形状に形成されている。実際応用の条件に対応して、前記振動板１０を一つの支持体（図示せず）に固定させることができる。
図２及び図３を参照すると、単一の前記カーボンナノチューブ線状構造体１２は、少なくとも一本のカーボンナノチューブワイヤ１２１を含む。一つの例として、図２を参照すると、単一の前記カーボンナノチューブ線状構造体１２は、複数の前記カーボンナノチューブワイヤ１２１を含む。該複数のカーボンナノチューブワイヤ１２１は、前記カーボンナノチューブ線状構造体１２の中心軸を軸に、平行して配列されている。もう一つの例として、図３を参照すると、単一の前記カーボンナノチューブ線状構造体１２は、複数の前記カーボンナノチューブワイヤ１２１を含む。該複数のカーボンナノチューブワイヤ１２１は、前記カーボンナノチューブ線状構造体１２の中心軸を軸に、螺旋状に配列されている。
前記カーボンナノチューブワイヤの製造方法には、超配列カーボンナノチューブアレイ（非特許文献１を参照）から引き出してなるドローン構造カーボンナノチューブフィルムを利用する。該ドローン構造カーボンナノチューブフィルムにおいて、複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って、端と端が接続されている。単一の前記ドローン構造カーボンナノチューブフィルムは、複数のカーボンナノチューブセグメント（図示せず）を含む。前記複数のカーボンナノチューブセグメントは、長さ方向に沿って分子間力で端と端が接続されている。それぞれのカーボンナノチューブセグメントは、相互に平行に、分子間力で結合された複数のカーボンナノチューブを含む。単一の前記カーボンナノチューブセグメントにおいて、前記複数のカーボンナノチューブの長さが同じである。
前記カーボンナノチューブワイヤを形成する方法は、次の三種がある。第一種では、前記ドローン構造カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの長手方向に沿って、前記ドローン構造カーボンナノチューブフィルムを所定の幅で切断し、非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤを形成する。第二種では、前記ドローン構造カーボンナノチューブフィルムを有機溶剤に浸漬させて、前記ドローン構造カーボンナノチューブフィルムを収縮させて非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤを形成することができる。第三種では、前記ドローン構造カーボンナノチューブフィルムを機械加工（例えば、紡糸工程）してねじれ状カーボンナノチューブワイヤを形成する。詳しく説明すれば、まず、前記カーボンナノチューブフィルムを紡糸装置に固定させる。次に、前記紡糸装置を動作させて前記カーボンナノチューブフィルムを回転させ、ねじれ状カーボンナノチューブワイヤを形成する。
図４を参照すると、前記カーボンナノチューブワイヤは、分子間力で接続された複数のカーボンナノチューブからなる。前記複数のカーボンナノチューブはカーボンナノチューブワイヤの中心軸に平行に配列されている。この場合、一本の前記カーボンナノチューブワイヤの直径は、０．５ｎｍ〜１００μｍである。図５を参照すると、前記カーボンナノチューブワイヤをねじり、ねじれ状カーボンナノチューブワイヤを形成することができる。ここで、前記複数のカーボンナノチューブは前記カーボンナノチューブワイヤの中心軸を軸に、螺旋状に配列されている。この場合、一本の前記カーボンナノチューブワイヤの直径は、０．５ｎｍ〜１００μｍである。前記カーボンナノチューブ線状構造体は少なくとも一本のカーボンナノチューブワイヤを含む。一本の前記カーボンナノチューブワイヤの熱容量は、０（０は含まず）〜２×１０−４Ｊ／ｃｍ２・Ｋであり、５×１０−５Ｊ／ｃｍ２・Ｋであることが好ましい。前記カーボンナノチューブ線状構造体は、前記非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤ、ねじれ状カーボンナノチューブワイヤ又はそれらの組み合わせのいずれか一種からなることができる。
前記振動板１０は少なくとも一本の前記カーボンナノチューブ線状構造体１２を含み、該カーボンナノチューブ線状構造体１２は少なくとも一本の前記カーボンナノチューブワイヤ１２１を含み、該カーボンナノチューブワイヤ１２１は複数のカーボンナノチューブを含む。カーボンナノチューブは、高い強靭性及びヤング率を有するので、前記カーボンナノチューブワイヤ１２１もこれらの特性を有しており、結果として、前記振動版１０も同様の特性を有している。
（実施例２）
図６を参照すると、本実施例の振動板２０は、複数の複合カーボンナノチューブ線状構造体２２を含む。該複数の複合カーボンナノチューブ線状構造体２２は、平行に並列され、又は交叉して織られ、又はねじれて、自立構造を有する振動板２０を形成する。
図６を参照すると、本実施例の振動板２０は、複数の複合カーボンナノチューブ線状構造体２２を含む。該複数の複合カーボンナノチューブ線状構造体２２は、平行に並列され、又は交叉して織られ、又はねじれて、自立構造を有する振動板２０を形成する。
図７を参照すると、単一の前記複合カーボンナノチューブ線状構造体２２は、実施例１のカーボンナノチューブ線状構造体１２及び強化層２４を含む。該強化層２４は、前記カーボンナノチューブ線状構造体１２の表面を覆うように設置されている。前記強化層２４は、金属、ダイヤモンド、セラミック、紙、セルロース、ポリマー（例えば、ポリプロピレン、テレフタル酸ポリエチレン（ＰＥＴ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエーテルスルホン膜（ＰＥＳ））のいずれか一種からなる。前記カーボンナノチューブ線状構造体１２は複数の孔を有するので、ＰＶＤ、ＣＶＤ、スパッタ又は蒸着などのいずれか一種の方法により、前記強化層２４を形成する場合、前記カーボンナノチューブ線状構造体１２における各々のカーボンナノチューブの表面に、前記強化層２４を形成することができる。前記方法で繰り返して前記カーボンナノチューブ線状構造体１２の表面に前記材料を塗布することにより、前記カーボンナノチューブ線状構造体１２の表面に複数の同心の強化層２４を形成することができる。これにより、前記カーボンナノチューブ線状構造体１２及び強化層２４を含むカーボンナノチューブ線状構造体２２のヤング率が高くなる。前記強化層２４の厚さは、０．５ｎｍ〜５０００ｎｍである。
さらに、前記振動板２０は、複数の、前記強化層２４で被覆されないカーボンナノチューブ線状構造体１２を含む。該複数のカーボンナノチューブ線状構造体１２は、前記複数の複合カーボンナノチューブ線状構造体２２と交叉して織られ、平板状の構造体に形成されている。
（実施例３）
図８を参照すると、本実施例の振動板３０は、複数の実施例１のカーボンナノチューブ線状構造体１２及び複数の強化線状構造体３２を含む。該複数のカーボンナノチューブ線状構造体１２は平行して配列され、該複数の強化線状構造体３２は平行して配列されている。前記複数のカーボンナノチューブ線状構造体１２は、前記複数の強化線状構造体３２に垂直して、交叉して織られている。前記複数のカーボンナノチューブ線状構造体１２及び前記複数の強化線状構造体３２は緊密に交叉して織られているので、前記複数のカーボンナノチューブ線状構造体１２及び前記複数の強化線状構造体３２の間に形成した隙間が少ない。
図８を参照すると、本実施例の振動板３０は、複数の実施例１のカーボンナノチューブ線状構造体１２及び複数の強化線状構造体３２を含む。該複数のカーボンナノチューブ線状構造体１２は平行して配列され、該複数の強化線状構造体３２は平行して配列されている。前記複数のカーボンナノチューブ線状構造体１２は、前記複数の強化線状構造体３２に垂直して、交叉して織られている。前記複数のカーボンナノチューブ線状構造体１２及び前記複数の強化線状構造体３２は緊密に交叉して織られているので、前記複数のカーボンナノチューブ線状構造体１２及び前記複数の強化線状構造体３２の間に形成した隙間が少ない。
前記強化線状構造体３２は、綿線、ファイバー、ポリマーワイヤ又は金属ワイヤである。本実施例において、前記強化線状構造体３２は綿線である。従って、前記振動板３０のヤング率が高くなり、そのコストが低くなる。
（実施例４）
図９を参照すると、本実施例の振動板４０は、複数の実施例２の複合カーボンナノチューブ線状構造体２２及び複数の実施例３の強化線状構造体３２を含む。該複数の複合カーボンナノチューブ線状構造体２２は平行して配列され、該複数の強化線状構造体３２は平行して配列されている。前記複数の複合カーボンナノチューブ線状構造体２２は、前記複数の強化線状構造体３２に垂直して、交叉して織られている。前記複数の複合カーボンナノチューブ線状構造体２２及び前記複数の強化線状構造体３２は緊密に交叉して織られているので、前記複数の複合カーボンナノチューブ線状構造体２２及び前記複数の強化線状構造体３２の間に形成した隙間が少ない。
図９を参照すると、本実施例の振動板４０は、複数の実施例２の複合カーボンナノチューブ線状構造体２２及び複数の実施例３の強化線状構造体３２を含む。該複数の複合カーボンナノチューブ線状構造体２２は平行して配列され、該複数の強化線状構造体３２は平行して配列されている。前記複数の複合カーボンナノチューブ線状構造体２２は、前記複数の強化線状構造体３２に垂直して、交叉して織られている。前記複数の複合カーボンナノチューブ線状構造体２２及び前記複数の強化線状構造体３２は緊密に交叉して織られているので、前記複数の複合カーボンナノチューブ線状構造体２２及び前記複数の強化線状構造体３２の間に形成した隙間が少ない。
（実施例５）
図１０を参照すると、本実施例の振動板５０は、複数の実施例１のカーボンナノチューブ線状構造体１２と、複数の実施例２の複合カーボンナノチューブ線状構造体２２と、複数の実施例３の強化線状構造体３２と、を含む。前記複数のカーボンナノチューブ線状構造体１２と、複数の複合カーボンナノチューブ線状構造体２２と、複数の強化線状構造体３２と、は、交叉して織られている。該複数のカーボンナノチューブ線状構造体１２は平行して配列され、該複数の複合カーボンナノチューブ線状構造体２２は平行して配列され、該複数の強化線状構造体３２は平行して配列されている。前記複数のカーボンナノチューブ線状構造体１２及び前記複数の複合カーボンナノチューブ線状構造体２２は平行して、前記強化線状構造体３２に垂直して配列されている。
図１０を参照すると、本実施例の振動板５０は、複数の実施例１のカーボンナノチューブ線状構造体１２と、複数の実施例２の複合カーボンナノチューブ線状構造体２２と、複数の実施例３の強化線状構造体３２と、を含む。前記複数のカーボンナノチューブ線状構造体１２と、複数の複合カーボンナノチューブ線状構造体２２と、複数の強化線状構造体３２と、は、交叉して織られている。該複数のカーボンナノチューブ線状構造体１２は平行して配列され、該複数の複合カーボンナノチューブ線状構造体２２は平行して配列され、該複数の強化線状構造体３２は平行して配列されている。前記複数のカーボンナノチューブ線状構造体１２及び前記複数の複合カーボンナノチューブ線状構造体２２は平行して、前記強化線状構造体３２に垂直して配列されている。
（実施例６）
図１１及び図１２を参照すると、前記実施例１〜４の振動板を利用したスピーカー４００は、フレーム４０２と、磁気ユニット４０４と、音声コイル４０６と、ボビン４０８と、振動板４１０と、ダンパー４１２と、を含む。前記フレーム４０２は、前記磁気ユニット４０４の一側に固定されている。前記音声コイル４０６は前記ボビン４０８に巻き付いて、前記磁気ユニット４０４の中に収容されている。前記振動板４１０の一つ外縁は、前記フレーム４０２の一つ内縁に固定され、前記振動板４１０の一つ内縁は前記ボビン４０８の一つ外縁に固定されている。前記振動板４１０は、前記磁気ユニット４０４の磁気ギャップ４２４に嵌め込まれている。
図１１及び図１２を参照すると、前記実施例１〜４の振動板を利用したスピーカー４００は、フレーム４０２と、磁気ユニット４０４と、音声コイル４０６と、ボビン４０８と、振動板４１０と、ダンパー４１２と、を含む。前記フレーム４０２は、前記磁気ユニット４０４の一側に固定されている。前記音声コイル４０６は前記ボビン４０８に巻き付いて、前記磁気ユニット４０４の中に収容されている。前記振動板４１０の一つ外縁は、前記フレーム４０２の一つ内縁に固定され、前記振動板４１０の一つ内縁は前記ボビン４０８の一つ外縁に固定されている。前記振動板４１０は、前記磁気ユニット４０４の磁気ギャップ４２４に嵌め込まれている。
前記磁気ユニット４０４は、中心柱４２２が固定された第一平板４１６と、第二平板４１８と、マグネット４２０と、を含む。前記マグネット４２０は、前記第一平板４１６及び第二平板４１８の間に挟まれている。前記第二平板４１８及びマグネット４２０は円環状である。前記中心柱４２２は、前記第二平板４１８及びマグネット４２０の中心に挿し込まれている。
前記フレーム４０２は、その一つ端部に開口が形成された錐台であり、中空孔及び底部４１４を有する。前記中空孔４１５には、前記振動板４１０及びダンパー４１２が内蔵されている。前記底部４１４は、中心孔４１３を有する。前記中心柱４２２は、前記底部４１４の中心孔４１３に挿し込まれている。前記フレーム４０２の底部４１４は、前記磁気ユニット４０４に固定されている。
前記音声コイル４０６は、前記スピーカー４００を駆動する素子として、前記ボビン４０８に巻きつけられている。前記音声コイル４０６に電気信号を入力すると、前記音声コイル４０６によって磁界を発生できる。前記音声コイル４０６で生じた磁界及び前記磁気ユニット４０４の相互作用により、前記音声コイル４０６を振動させる。
前記ボビン４０８は軽い中空の構造体である。前記中心柱４２２は、前記ボビン４０８と所定の距離で離れるように、前記ボビン４０８の中空部に設置されている。前記音声コイル４０６が振動するとき、前記ボビン４０８及び振動板４１０は同時に振動され、音を発生する。
前記振動板４１０は、前記スピーカー４００の発声素子として設置されている。大寸法のスピーカー４００に応用する場合、前記振動板４１０は錐体に形成されている。小寸法のスピーカー４００に応用する場合、前記振動板４１０は、平板状の円形又は長方形に形成されている。
前記ダンパー４１２は環状であり、機械的に前記振動板に係止されている。前記ダンパー４１２は、前記フレーム４０２及びボビン４０８に固定されている。
さらに、前記フレーム４０２に入力端子が外接されている。また、前記振動板及び前記ボビン４０８の接合部を覆うように、カバー（図示せず）を設置することができる。
１０ 振動板
１２ カーボンナノチューブ線状構造体
１２１ カーボンナノチューブワイヤ
２０ 振動板
２２ 複合カーボンナノチューブ線状構造体
２４ 強化層
３０ 振動板
３２ 強化線状構造体
４０ 振動板
４００ スピーカー
４０２ フレーム
４０４ 磁気ユニット
４０６ 音声コイル
４０８ ボビン
４１０ 振動板
４１２ ダンパー
４１６ 第一平板
４１８ 第二平板
４２０ マグネット
４２２ 中心柱
４２４ 磁気ギャップ
５０ 振動板
１２ カーボンナノチューブ線状構造体
１２１ カーボンナノチューブワイヤ
２０ 振動板
２２ 複合カーボンナノチューブ線状構造体
２４ 強化層
３０ 振動板
３２ 強化線状構造体
４０ 振動板
４００ スピーカー
４０２ フレーム
４０４ 磁気ユニット
４０６ 音声コイル
４０８ ボビン
４１０ 振動板
４１２ ダンパー
４１６ 第一平板
４１８ 第二平板
４２０ マグネット
４２２ 中心柱
４２４ 磁気ギャップ
５０ 振動板
Claims (1)
- 複数のカーボンナノチューブ線状構造体及び複数の複合カーボンナノチューブ線状構造体を含み、
前記複数のカーボンナノチューブ線状構造体が、前記複数の複合カーボンナノチューブ線状構造体と交叉して織られた振動板であって、
前記複合カーボンナノチューブ線状構造体は、前記カーボンナノチューブ線状構造体の表面に強化層が被覆されたものであり、
単一の前記カーボンナノチューブ線状構造体は、複数のカーボンナノチューブワイヤからなり、前記複数のカーボンナノチューブワイヤは、前記カーボンナノチューブ線状構造体の中心軸を軸に、平行して配列されているか、または螺旋状に配列されており、
前記カーボンナノチューブワイヤは、複数のカーボンナノチューブからなることを特徴とする振動板。
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