JP6413099B2 - 電子機器 - Google Patents

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Description

本開示は、静電気放電(ESD:Electro−Static Discharge)による影響を軽減する対策を施した電子機器に関する。
従来から静電気放電は、電子機器の動作不具合やネットワークの断絶を引き起こす大きな要因となっており、電子機器のメーカーは、機器設計の際に適切なESD対策を要求されている。
ESD対策として例えば特許文献1は、電器回路または電気機器などを収容する筐体の構造に関し、低抵抗導電体で構成され、低抵抗導電体がフレームアースに接続された筐体において、表面が高抵抗導電体で形成され、内面の低抵抗導電体との間に絶縁体を挟み、高抵抗導電体をフレームアースに接続する構成が開示されている。
特開平4−157799号公報
本開示は、静電気放電による影響を軽減する対策を施した電子機器を提供する。
本開示における電子機器は、ディスプレイモジュールと、ディスプレイモジュールを保持する金属フレームと、金属フレームと電気的に接続されるグランドを有し、電子回路を搭載し、金属フレームのディスプレイモジュールが保持されている面の反対面に配置されるプリント基板と、金属フレームのプリント基板の配置面に形成された溝と、溝に配置され誘電体で構成される静電気抑制フィルタと、を備える。静電気抑制フィルタは、発生した静電気電流のうち所定の電磁波を誘電体へ伝搬し、所定の位置における金属フレームに流れる静電気電流の位相と誘電体に流れる静電気電流の位相との位相差を設ける。
本開示における電子機器は、静電気放電による影響を軽減できる。特に、薄型化・大画面化が進むタブレット型電子機器(以下、タブレット)の静電気放電による影響の軽減に有効である。
図1は、従来のタブレットの断面図である。 図2は、タブレットのサイズと静電容量比の関係を示すグラフである。 図3は、実施の形態1に係るタブレットの分解斜視図である。 図4は、図3の4−4断面図である。 図5は、図4のA方向の図である。 図6は、実施の形態1における金属フレームと静電気抑制フィルタに流れる静電気電流の伝搬動作を説明する図である。 図7は、実施の形態1における金属フレームの静電気電流の伝搬と誘電体内の静電気電流の伝搬を示す図である。 図8は、図6のB点での静電気電流の時間変化を示す図である。 図9Aは、静電気ガンのIEC61000−4−2で規定されている試験波形を示す特性図である。 図9Bは、図9Aの試験波形をフーリエ変換した波形を示す特性図である。 図10Aは、従来のタブレットに対する静電気電流分布の解析結果を示す図である。 図10Bは、実施の形態1のタブレットに対する静電気電流分布の解析結果を示す図である。 図11は、実施の形態2のタブレットの断面図である。 図12は、図11のA方向の図である。 図13は、実施の形態2における金属フレームと静電気抑制フィルタに流れる静電気電流の伝搬動作を説明する図である。
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。
(実施の形態1)
[1−1.課題]
まず、図1と図2を用いて大画面のタブレットにおける静電気放電の課題を説明する。図1は、従来のタブレットの断面図であり、図2は、タブレットのサイズと静電容量比の関係を示すグラフである。
タブレットを含むモバイル型の電子機器において、使用者が電子機器に触れた時などに、静電気放電により、筐体から電子機器の内部のプリント基板に静電気電流が流れ込み、プリント基板の電源/グランド間の電位が変動し、プリント基板に搭載されたLSI(Large Scale Integration)のリセットが発生したりタブレットのLCD(Liquid Crystal Display)パネルの画面にちらつきが発生したりする等の誤動作が生じることがある。
図1において、タブレット100は、LCDパネルとその駆動回路を含むディスプレイモジュール10と、マグネシウムの金属フレーム20と、金属フレーム20に接続され、盗難防止用のワイヤを取り付けるステンレスのセキュリティフック21と、タブレット100で使用する電子回路であるLSI32を搭載しガラスエポキシ基板からなるプリント基板30と、プリント基板30を内部に格納する樹脂外装40で構成される。
ディスプレイモジュール10と金属フレーム20は接続部11によって接続されている。プリント基板30と金属フレーム20は導電性部材の接続部31によって接続されており、プリント基板30のグランドは、金属フレーム20に電気的に接続されている。
タブレット100は、不図示の例えばリチウムイオン電池からなる二次電池を内蔵しており、この二次電池を充電、又はタブレット100を外部電源から動作させるために、電源ケーブル70を備えている。
図1において、タブレット100は、金属テーブル80の上に置かれている。金属フレーム20と金属テーブル80の距離をdとする。静電気放電は、タブレット100を金属テーブル80などの導電性物質の上で使用する際により顕著になる。タブレット100を金属テーブル80に置いて使用する時、タブレット100の金属フレーム20はマグネシウムで導電性物質であるので、金属テーブル80との間に大きな浮遊容量が形成され、低インピーダンス状態となり、静電気電流が増加する。
タブレット100において、金属フレーム20に接続されるステンレスで導電性部材であるセキュリティフック21に、指91が触れることで、静電気が発生し、発生した静電気電流92は、金属フレーム20に流れ、接続部31を通ってプリント基板30へ流れ、電源ケーブル70を通り、グランドへ流れていく。静電気電流92がプリント基板30を流れ、プリント基板30に搭載されるLSI32にも静電気電流92が流れる。LSI32に流れる静電気電流92が大きくなると、LSI32の誤動作を引き起こす。
図2おいて、横軸はタブレット100のディスプレイモジュール10のLCDパネルのサイズであり、縦軸は基準に対する静電容量比である。基準として、LCDパネルのサイズが10インチ、金属フレーム20と金属テーブル80の距離dが5mmの場合に発生する静電容量を1とする。図2において、距離dが1mm、3mm、5mmの場合のLCDパネルのサイズと基準に対する静電容量比を示している。
ここで、静電気電流Iと、金属テーブル80と金属フレーム20間で形成される静電容量Cは、周波数ω、電圧Vを用いると、
I=jωCV
の関係がある。さらに、静電容量Cと金属テーブル80と金属フレーム20間の対向面積Sと距離dは、ε0は空気の誘電率とすると、
C=ε0(S/d)
が成立する。すなわち、
I∝(S/d)
が成り立つ。対向面積Sが増加する、すなわちLCDパネルのサイズが大きくなり、距離dが減少する、すなわち、タブレット100が大型化かつ薄型化すると、静電気電流Iは増加する。図2おいて、例えば、サイズが20インチで、距離dが3mmの場合、静電容量は基準に対して約5倍にもなる。
このように、電気/機械設計用途、あるいは文教用途等でタブレット100のサイズが20インチ以上に大画面化し、さらに薄型化することに伴い、LSI32などに流れ込む静電気電流の量が増え、誤動作を引き起こし、静電気に対する課題はより深刻化する。
また、静電気放電に関して、帯電した操作者から直接、あるいは近接物体から発生する静電気放電に対する電子機器のイミユニティ必要条件や試験方法が、国際電気標準会議(IEC:International Electrotechnical Commission)が定めたIEC61000−4−2で規定されている。湿度が低い環境や、化学繊維のカーペットや衣服の使用されるような条件に操作者に蓄積した電荷が、電子機器へ向かって放電する現象を模擬するESD発生機である静電気ガンから、電子機器に静電気が印加される。タブレット100は、IEC61000−4−2で規定されている試験をクリアしなければならない。
[1−2.構成]
図3は、実施の形態1に係るタブレットの分解斜視図であり、図4は、図3の4−4断面図であり、図5は、図4のA方向の図である。
タブレット200は、タブレット100に対して、静電気抑制フィルタ110を備えている。タブレット200のディスプレイモジュール10のLCDパネルのサイズは20インチで、厚さが5mmとする。
タブレット200は、LCDパネルとその駆動回路を含むディスプレイモジュール10と、マグネシウムの金属フレーム20と、金属フレーム20に接続され、盗難防止用のワイヤを取り付ける、ステンレスのセキュリティフック21、タブレット200で使用する電子回路であるLSI32を搭載し、ガラスエポキシ基板からなるプリント基板30と、プリント基板30を内部に格納する樹脂外装40で構成される。金属フレーム20は、後述する静電気抑制フィルタ110を備えている。
図4において、タブレット200は、金属テーブル80の上に置かれている。
金属フレーム20は、横が480mm、幅が340mmの矩形形状を有した導電性平板で構成されている。ディスプレイモジュール10と金属フレーム20は接続部11によって接続されている。プリント基板30と金属フレーム20は導電性部材の接続部31によって接続されており、プリント基板30のグランドは、金属フレーム20に電気的に接続されている。
タブレット200は、不図示の例えばリチウムイオン電池からなる二次電池を内蔵しており、この二次電池を充電、又はタブレット200を外部電源から動作させるために、例えば、着脱可能な電源ケーブル70を備えている。
また、タブレット200は、静電気抑制フィルタ110を備えている。金属フレーム20に設けられたマグネシウムの2つの突起51によって形成された溝に誘電体60を充たした静電気抑制フィルタ110を備えている。2つの突起51は、金属フレーム20と同じ材料で構成される。2つの突起51は、金属フレーム20をプレス加工して形成する。図5に示すように、静電気抑制フィルタ110は、金属フレーム20上のセキュリティフック21に近い側で金属フレーム20の短辺方向に形成されている。誘電体60は、その誘電率により静電気抑制フィルタ110を通る静電気電流の伝搬距離である波長を短縮、つまり伝搬速度を小さくする役割で、ポリイミドで構成される。誘電体60の材料としては、誘電率5.2のガラス、誘電率8のポリエステルなどの材料を用いる。
なお、静電気抑制フィルタ110の溝は、2つの突起によって形成したが、これに限らない。例えば、金属フレーム20に窪みを生成してもよい。窪みの形成は、金属フレーム20をプレス加工して形成すればよい。
静電気抑制フィルタ110は、後述する静電気電流の複数の電磁波のうち、所定の電磁波に対して伝搬距離を短縮することで、金属フレーム20の表面を流れる所定の位置における静電気電流の位相と、誘電体60を流れる所定の位置における静電気電流の位相との差をπラジアン(180度)とする。このように構成にすることで、静電気電流を抑制できる。
[1−3.動作]
次に、タブレット200に流れる静電気電流の伝搬動作を説明する。図6は、金属フレーム20と静電気抑制フィルタ110に流れる静電気電流の伝搬動作を説明する図である。図7は、金属フレーム20の静電気電流の伝搬と誘電体60内の静電気電流の伝搬を示す図、図8は、図6のB点での静電気電流の時間変化を示す図である。
図6において、指91がセキュリティフック21に触れることで静電気が発生し、金属フレーム20に流れる静電気電流90は、金属フレーム20に流れる静電気電流90aと誘電体60に流れる静電気電流90bに分かれる。金属フレーム20に流れる静電気電流90aと誘電体60に流れる静電気電流90bの電気的な経路差を発生させ、特定周波数において位相差をπラジアン(180度)となるように誘電体60の長さLを決定する。
ここで、図7の上段は、金属フレーム20に流れる静電気電流90aの伝搬方向に対する変化を示している。図7の下段は、誘電体60に流れる静電気電流90bの伝搬方向に対する変化を示している。図8は、B点における静電気電流90a、90bの時間変化を示している。
上述のように誘電体60の長さLを決定すると、誘電体60のプリント基板30側の端であるB点において、誘電体60内を通る静電気電流90bは、図7、図8に示すように、静電気電流90aの位相と互いに180度ずれて互いにキャンセルし合う。そのため、プリント基板30に到達する静電気電流90の強度が減少し、電子機器の誤動作を抑制できる。
以上のように、タブレット200の静電気抑制フィルタ110は、金属フレーム20に流れる静電気電流と誘電体60に流れる静電気電流をキャンセルする。これにより静電気電流の抑制ができる。
次に、誘電体60の長さLの算出方法について説明する。
静電気電流90aと90bの間では位相差がπラジアンとなるように誘電体60の長さLを決定する。空間を伝わる波長をλ、誘電体60の誘電率をεとすると、静電気電流90aの伝搬経路で進む位相は、
2πL/λ
であり、静電気電流90bの伝搬経路で進む位相は、
2πεL/λ
となる。静電気電流90aと90bの位相差をπラジアンとするには、
(2πεL/λ)−(2πL/λ)=π
を満たせばよい。
電波の位相速度をc、周波数をfとすると、λ=c/fであるので、
L=λ/2(ε−1)=c/{2f(ε−1)}
となる。誘電体60として例えば誘電率7のガラスを用いf=200MHzにする場合、c=300Mm/sとすると、誘電体60の長さLとして125mmが得られる。
次に、静電気抑制の帯域について、図9A、図9Bを用いて説明する。タブレット200は、IEC61000−4−2で規定されている試験をクリアしなければならない。図9Aは、静電気ガンのIEC61000−4−2で規定されている試験波形を示す特性図であり、図9Bは、図9Aの試験波形をフーリエ変換した波形を示す特性図である。図9Aは、横軸が時間で、縦軸が静電気電流である試験波形を示しており、図9Bは、横軸が周波数、縦軸がスペクトルである静電気電流の周波数スペクトル波形を示している。
図9Aの試験波形は、試験開始から経過時間10nsまでが特に電流値が大きいことから、この部分の振幅を抑制することが静電気対策に効果的である。図9Bにおいて、図9Aの試験開始から経過時間10nsは、100MHz以下の周波数成分であるので、静電気電流のピークを落とすには100MHz以上の成分が効果的である。
また図9Bにおいて、周波数が200MHz以上はスペクトル強度が急激に減少しているので、200MHz以下の成分が大きいことがわかる。
以上から、静電気抑制対策は静電気電流の周波数スペクトル強度が所定値以上になる100MHz以上200MHz以下の電磁波に対して行うことが有効である。
そこで、静電気抑制フィルタ110は、静電気電流の周波数スペクトル強度が所定値以上になる周波数が100MHz以上200MHz以下の電磁波のうち所定の電磁波に対して、金属フレーム20の表面を流れるB点における静電気電流の位相と、誘電体60を流れるB点における静電気電流の位相との差をπとラジアンとなるように誘電体60の長さLを決定する。誘電体60を誘電率7のガラスを使用する場合、長さLは125mm以上250mm以下であればよい。この誘電体60の長さLの範囲は、金属フレーム20の長辺480mmに対して設定可能な長さである。
ここで、静電気電流を構成する周波数は、100MHz以上200MHz以下を対象とするので、流れる静電気電流は、金属フレーム20の表面付近であり、図6において、静電気電流90aと静電気電流90bは夫々金属フレーム20と誘電体60の中央付近を流れているように記載しているが、実際はそれらの境界近くを流れる。
[1−4.効果等]
タブレット100、200に対して静電気電流分布の解析を行った。この解析は、タブレット100、200のセキュリティフック21に静電気を印加した時の磁界分布を、電磁場解析の一手法である、FDTD(Finite−Difference Time−Domain Method)法により計算した。空間を約860万格子に分割し、約0.247psの時間刻みで約12万ステップ、計15nsの時間を計算した。静電気ガンのモデルは、6nsまで電荷を8kVになるように充電し、6ns以降に放電することで、解析対象のタブレット100、200に静電気を印加した。
図10Aは、静電気抑制フィルタ110を備えていないタブレット100に対する静電気電流分布の解析結果を示す図であり、図10Bは、静電気抑制フィルタ110を備えるタブレット200に対する線電気電流分布の解析結果を示す図である。図10Aにおいて、タブレット100に対して、図面右側から静電気が印加され、プリント基板30に搭載されるLSI32の位置に、最大で150dBμA/mの磁界を発生させる静電気電流が流れていることを示している。図10Bにおいて、タブレット200に対して、図面右側から静電気が印加され、プリント基板30に搭載されるLSI32の位置に、最大で140dBμA/mの磁界を発生させる静電気電流が流れていることを示している。従って、静電気抑制フィルタ110を備えたタブレット200は静電気抑制フィルタ110を備えていないタブレット100に対して、LSI32に10dBμA/mの磁界を発生させる静電気電流が減少した。
以上のように、本実施の形態のタブレットは、ディスプレイモジュール10と、ディスプレイモジュール10を保持する金属フレーム20と、金属フレーム20と電気的に接続されるグランドを有し、電子回路であるLSI32を搭載し、金属フレーム20のディスプレイモジュール10が保持されている面の反対面に配置されるプリント基板30と、金属フレーム20のプリント基板30の配置面に誘電体60で構成される静電気抑制フィルタ110と、を備える。静電気抑制フィルタ110は、発生した静電気電流のうち所定の電磁波を誘電体60へ伝搬する。
これによりタブレット200は、プリント基板30やLSI32に静電気抑制のための構造を付加することなく、金属フレーム20に静電気抑制フィルタ110を設けるだけで、静電気放電による影響を軽減できる。
(実施の形態2)
次に、実施の形態2を説明する。実施の形態1では、静電気抑制フィルタの誘電体が1つであったが、実施の形態2では、静電気抑制フィルタの誘電体が複数の場合を説明する。なお、実施の形態1と同様の構成には、同一の符号を付けている。
[2−1.構成]
図11は、実施の形態2のタブレット300の断面図であり、図12は、図11のA方向の図である。
タブレット300は、静電気抑制フィルタ111を備えている。金属フレーム20に設けられたマグネシウムの3つの突起52によって形成された2つの溝に、第1の誘電体60aと第2の誘電体60bを充たした静電気抑制フィルタ111を備えている。3つの突起52は、金属フレーム20をプレス加工して形成する。本実施の形態は、静電気抑制フィルタ111に第1の誘電体60a、第2の誘電体60bが2つの溝に充たされている点が実施の形態1と異なる。
金属フレーム20は、横が480mm、幅が340mmの矩形形状を有した導電性平板から構成されている。第1の誘電体60a、第2の誘電体60bは、その誘電率により静電気抑制フィルタ111を通る静電気電流の伝搬距離である波長を短縮、つまり伝搬速度を小さくする役割で、ともに同じポリイミドで構成する。第1の誘電体60a、第2の誘電体60bは、誘電率5.2のガラス、誘電率8のポリエステルなどの材料を用いる。
なお、静電気抑制フィルタ111の溝は、3つの突起によって形成したが、これに限らない。例えば、金属フレーム20に2つの窪みを生成してもよい。窪みの形成は、金属フレーム20をプレス加工して形成すればよい。
[2−2.動作]
次に、タブレット300に流れる静電気電流の伝搬動作を説明する。
図13は、金属フレーム20と静電気抑制フィルタ111に流れる静電気電流の伝搬動作を説明する図である。図13において、指91がセキュリティフック21に触れることで静電気が発生し、金属フレーム20に流れる静電気電流90は、金属フレーム20に流れる静電気電流90cと第1の誘電体60aに流れる静電気電流90dに分かれる。金属フレーム20に流れる静電気電流90cと第1の誘電体60aに流れる静電気電流90dの電気的な経路差が発生し、特定周波数において位相差をπラジアン(180度)となるように第1の誘電体60aの長さL1を決定する。そうすると、静電気電流90cと第1の誘電体60a内を通る静電気電流90dの位相は180度ずれ、互いにキャンセルし合う。その結果、プリント基板30に到達する静電気電流の強度が減少する。さらに、金属フレーム20に流れる静電気電流90cは、金属フレーム20に流れる静電気電流90eと第2の誘電体60bに流れる静電気電流90fに分かれる。金属フレーム20に流れる静電気電流90eと第2の誘電体60bに流れる静電気電流90fの電気的な経路差が発生し、特定周波数において位相差をπラジアン(180度)となるように第2の誘電体60bの長さL2を決定する。そうすると、金属フレーム20に流れる静電気電流90eと第2の誘電体60b内を通る静電気電流90fの位相は180度ずれ、互いにキャンセルし合う。これにより、プリント基板30に到達する静電気電流の強度が減少する。
以上のように、静電気抑制フィルタ111が2つの誘電体を含む構成は、金属フレーム20に流れる静電気電流と第1の誘電体60a、第2の誘電体60bに流れる静電気電流を二重にキャンセルする。これにより、静電気の抑制対策を行っている。
なお、第1の誘電体60aの長さL1と第2の誘電体60bの長さL2は異なっても構わない。例えば、第1の誘電体60aに誘電率7のガラスを用いて幅125mm、第2の誘電体60bに誘電率7のガラスを用いて幅250mmに設定すると、それぞれ200MHz、100MHzに対して静電気抑制ができる。
[2−3.効果等]
以上のように本実施の形態のタブレット300は、ディスプレイモジュール10と、ディスプレイモジュール10を保持する金属フレーム20と、金属フレーム20と電気的に接続されるグランドを有し、電子回路であるLSI32を搭載し、金属フレーム20のディスプレイモジュール10が保持されている面の反対面に配置されるプリント基板30と、金属フレーム20のプリント基板30の配置面に複数の誘電体である第1の誘電体60a、第2の誘電体60bで構成される静電気抑制フィルタ111と、を備える。静電気抑制フィルタ111は、発生した静電気電流のうち所定の電磁波を複数の誘電体である第1の誘電体60a、第2の誘電体60bへ伝搬する。さらに複数の誘電体である第1の誘電体60a、第2の誘電体60bは、静電気電流の伝搬方向に沿って縦列に配置される。
これにより、静電気抑制フィルタ111を用いるタブレット300は、2つの誘電体で構成されるので、20インチ以上の大画面のタブレットに対して、静電気電流の更なる抑制効果を得られる。
なお、実施の形態2では静電気抑制フィルタが2つの誘電体を含む構成で説明したが、3つ以上の誘電体を含んでも良い。複数の誘電体を備える構成の場合、それぞれの誘電体の材料や長さを適切に選ぶことにより、静電気抑制効果のある周波数帯域の更なる拡大、又は同一周波数帯域での静電気電流の更なる低減が可能になる。
また、実施の形態1、2において、金属フレームに流れる静電気電流と静電気抑制フィルタに流れる静電気電流の位相差を180度としたが、これに限らない。静電気抑制の効果が発揮できる位相差であればよい。
なお、実施の形態1、2において静電気の発生は、セキュリティフックに指が触れることで発生するものとして説明したが、これに限らない。タブレットの外装に突出している導電性部材または外装に設けられた孔の内側の導電性部材に、帯電した使用者が直接または近接した物体を介して触れることで静電気が発生してもよい。
なお、実施の形態1、2において、タブレットは電源ケーブルが接続されているものとして説明したが、電源ケーブルに接続せず、充電された二次電池を用いてもよい。
本開示は、金属テーブルに置いて使う可能性のあるタブレット型電子機器に適用可能である。タブレット型電子機器として具体的には、タブレット、スマートフォンなどに適用可能である。
10 ディスプレイモジュール
11 接続部
20 金属フレーム
21 セキュリティフック
30 プリント基板
31 接続部
32 LSI
40 樹脂外装
51,52 突起
60 誘電体
60a 第1の誘電体
60b 第2の誘電体
70 電源ケーブル
80 金属テーブル
90,90a,90b,90c,90d,90e,90f,92 静電気電流
91 指
100,200,300 タブレット
110,111 静電気抑制フィルタ

Claims (6)

  1. ディスプレイモジュールと、
    前記ディスプレイモジュールを保持する金属フレームと、
    前記金属フレームと電気的に接続されるグランドを有し、電子回路を搭載し、前記金属フレームの前記ディスプレイモジュールが保持されている面の反対面に配置されるプリント基板と、
    前記金属フレームの前記プリント基板の配置面に形成された溝と、
    前記溝に配置され、誘電体で構成される静電気抑制フィルタと、を備え、
    前記静電気抑制フィルタは、発生した静電気電流のうち所定の電磁波を前記誘電体へ伝搬し、所定の位置における前記金属フレームに流れる静電気電流の位相と前記誘電体に流れる静電気電流の位相との位相差を設ける、
    電子機器。
  2. 前記位相差は180度である、
    請求項記載の電子機器。
  3. 前記所定の電磁波は、100MHz以上200MHz以下である、
    請求項1記載の電子機器。
  4. 前記静電気抑制フィルタは、複数の誘電体で構成され、
    前記複数の誘電体は、静電気電流の伝搬方向に沿って縦列に配置される、
    請求項1記載の電子機器。
  5. 前記複数の誘電体のうち少なくとも2つの誘電体の誘電率が異なる、
    請求項記載の電子機器。
  6. 前記溝は、前記金属フレームに設けられた突起によって形成される、
    請求項1記載の電子機器。
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