JPWO2017026364A1 - 表示装置 - Google Patents

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Abstract

表示装置は、表示部と、光源と、反射部材と、圧電素子と、を備える。表示部は、画像を表示させる。光源は、前記表示部に光を出力する。反射部材は、前記表示部の主面の一方側に設けられ、前記光源の光を反射する。圧電素子は、前記反射部材の主面の一方側に設けられている。

Description

本発明は、表示部を備えた表示装置に関する。
特許文献1および特許文献2には、表示部と、操作面に対する押圧力を検知するタッチパネルと、を備えた表示装置が開示されている。特許文献1および特許文献2の表示装置は、タッチパネルの外周部分に圧電素子が配置されている。特許文献1および特許文献2の表示装置は、当該圧電素子により、操作面に対する押圧力を検知する。
しかし、タッチパネルの外周部分に圧電素子を配置する構成では、操作面の法線方向の微小な変位を検出することは困難である。
そこで、例えば操作面の裏面とタッチパネルとの間に圧電素子を設けることが考えられる。
特開2006−126997号公報 特開2015−095696号公報
しかし、操作面の裏面とタッチパネルとの間に圧電素子を設けると、タッチパネルまたは表示部から発生するノイズが圧電素子に影響する可能性がある。また、圧電素子が表示部の表示性能に影響する可能性がある。
そこで、本発明は、ノイズの影響を排除し、かつ表示部の表示性能への影響を排除した圧電素子の配置態様を実現する表示装置を提供する。
本発明の表示装置は、画像を表示させる表示部と、前記表示部に光を出力する光源と、前記表示部の主面の一方側に設けられ、前記光源の光を反射する反射部材と、前記反射部材の主面の一方側に設けられた圧電素子と、を備えている。
このように、圧電素子は、バックライトユニット(光源および反射部材)の裏面側に配置されている。したがって、圧電素子が表示部の表示性能に影響を与えることがない。また、表示部からのノイズが圧電素子に影響することもない。
また、本発明の表示装置は、画像を表示させる表示部と、前記表示部の主面の一方側に設けられた遮光部材と、前記遮光部材の主面の一方側に設けられた圧電素子と、を備えることを特徴とする。
この場合、OLED等のバックライトがない表示装置においても、圧電素子が表示部の表示性能に影響を与えることがない。また、表示部からのノイズが圧電素子に影響することもない。
なお、圧電素子は、主面の一方側に第1電極が配置され、他方側に第2電極が配置され、第2電極は、グランド電極であることが好ましい。これにより、ノイズの遮蔽効果が向上する。
また、第2電極が、グランド電極および反射部材を兼ねていることで、薄型化を実現することができる。
この発明によれば、ノイズの影響を排除し、かつ表示部の表示性能への影響を排除した圧電素子の配置態様を実現することができる。
表示装置の外観斜視図である。 表示装置の側面断面図である。 バックライトユニットの分解斜視図である。 表示装置のブロック図である。 変形例1における表示装置の側面断面図である。 変形例2における表示装置の側面断面図である。 変形例3における表示装置の側面断面図である。 変形例1に係る圧電センサの分解斜視図である。 変形例2に係る圧電センサの分解斜視図である。 変形例1に係る圧電センサの分解斜視図である。 変形例1に係る圧電センサの回路図である。 変形例1に係る圧電センサの回路図である。 変形例1に係る圧電センサの回路図である。 変形例2に係る圧電センサの分解斜視図である。 変形例3に係る表示装置の分解斜視図である。
以下、図面を参照して、本発明の圧電素子を備えた表示装置について説明する。
図1の外観斜視図に示すように、表示装置1は、外観上、直方体形状の筐体50と、筐体50の上面の開口部に配置された平面状の表面パネル40と、を備えている。表面パネル40は、利用者が指やペン等を用いてタッチ操作を行う操作面として機能する。
なお、本実施形態では、筐体50の幅方向(横方向)をX方向とし、長さ方向(縦方向)をY方向とし、厚み方向をZ方向とする。
図2に示すように、筐体50の内部には、筐体50の開口部(表面パネル40)側から順にZ方向に沿って、表示部(表示パネル)30、バックライトユニット31、および圧電センサ11が配置されている。圧電センサ11は、本発明の圧電素子に相当し、当該圧電センサ11と表面パネル40とによりタッチパネルが構成される。
圧電センサ11、表示パネル30、およびバックライトユニット31は、平板状であり、それぞれ筐体50の開口部(表面パネル40)と対面するように、または沿うように、筐体50の内部に配置されている。
筐体50の底面と圧電センサ11との間には、回路基板(不図示)が配置されている。当該回路基板には、図4に示す検出部20を構成する回路モジュールが設けられている。
図4に示すように、検出部20には、圧電センサ11および処理部22が接続される。処理部22には、検出部20、プログラム記憶部23、および表示パネル30が接続される。
表示装置1は、タッチ式入力装置45および処理装置47からなる。圧電センサ11および検出部20は、タッチ式入力装置45を構成する。処理部22、プログラム記憶部23、および表示パネル30は、処理装置47を構成する。
処理部22は、CPUを含み、処理装置47を統括的に制御する。すなわち、処理部22は、プログラム記憶部23に記憶されている動作用プログラムを読み出して各種処理を行う。例えば、処理部22は、表示パネル30を制御して画像を表示させるとともに、検出部20から入力された検出信号に応じて操作入力内容を決定し、表示されている画像を変更する。
圧電センサ11は、操作面である表面パネル40に対する押圧操作に応じた電荷を発生する。検出部20は、圧電センサ11で発生した電荷を検出し、検出信号として処理部22に出力する。
表示パネル30は、例えば液晶表示素子からなる。表示パネル30は、図示は省略するが、表偏光板、液晶パネル、および裏偏光板を備えている。
バックライトユニット31は、図2および図3に示すように、表面側から順に第1拡散シート310、プリズムシート311、第2拡散シート312、導光板313、および反射シート314を備えている。また、バックライトユニット31は、導光板313に光を入射させる光源350を備えている。
導光板313は、光源350からの光を取り込み、表面側に向けて面内で均一な強度の光を出力する。反射シート314は、導光板313から裏面側に出力される光を反射させる。
第2拡散シート312は、導光板313から出力された光を拡散する。プリズムシート311は、第2拡散シート312で拡散された光の広がり角度を所定の角度範囲に集中させる。第1拡散シート310は、プリズムシート311から出力された光を再び拡散させる。
このようにしてバックライト304から出力された光は、表示パネル30に入力される。表示パネル30には、駆動回路が接続され、画素毎に透過光量が変化される。これにより、表面パネル40に各種画像が表示される。
圧電センサ11は、表面側から順に、第1電極111、圧電フィルム112、および第2電極113を備えている。第1電極111および第2電極113は、圧電フィルム112の主面の略全面を覆うように配置されている。
第1電極111および第2電極113は、例えばアルミニウムからなる。また、第1電極111および第2電極113は、透明性を有する材料からなっていてもよい。透明性を有する材料は、例えば酸化インジウムスズ(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)、ポリチオフェンを主成分とする材料等がある。第1電極111および第2電極113は、それぞれPETフィルム等の主面に、蒸着等により予め形成されている。なお、アルミニウムのような光を透過させない材料は、第1電極もしくは第2電極のどちらか一方に用いられるようにしてもよい。
圧電フィルム112は、利用者が表面パネル40を押圧することで法線方向に撓み、電荷を発生する。圧電フィルム112は、PVDF、あるいはキラル高分子を用いる。キラル高分子の場合、より好ましくは、圧電フィルム112には、一軸延伸されたポリ乳酸(PLA)、さらにはL型ポリ乳酸(PLLA)であることが好ましい。
キラル高分子は、主鎖が螺旋構造を有し、一軸延伸されて分子が配向すると、圧電性を有する。そして、一軸延伸されたキラル高分子が発生する電荷量は、螺旋分子の分子軸に沿って加わったずり歪みによって一意的に決定される。
一軸延伸されたPLLAの圧電定数は、高分子中で非常に高い部類に属する。すなわち、押圧操作を高感度に検出し、押圧量に応じた変形検出信号を高精度に出力することができる。
また、キラル高分子は、延伸等による分子の配向処理で圧電性が生じるため、ポーリング処理を行う必要がない。特に、ポリ乳酸は、焦電性がないため、利用者の指等の熱が伝わる場合であっても、検出される電荷量が変化することがない。また、機器の発熱や周囲環境温度によって押圧感度が変わる等の影響を受けることもない。特に、発熱し易いバッテリと圧電フィルムとを近接配置するようなスマートフォンまたはタブレット端末等の小型電子機器に対して用いることが有効である。さらに、PLLAの圧電定数は経時的に変動することがなく、極めて安定している。
表面パネル40が利用者に押下されたとき、表示パネル40に積層された圧電フィルムには、水平方向に伸びまたは収縮が発生する。押下操作による伸縮は、螺旋分子の分子軸に対してずり歪みとなるように分子軸を配置することが望ましい。一軸延伸のポリ乳酸フィルムでは、圧電性に寄与する螺旋分子は延伸軸方向に向いている。本実施形態では、圧電フィルム112は、X方向およびY方向に対して、一軸延伸方向L1が略45°の角度を成すように配置されている。このような配置を行うことで、より高感度に押圧操作を検出できる。なお、一軸延伸方向L1は、45°であることが最も効果的であるが、例えば45±10°の範囲であっても略同等の効果が得られる。
なお、延伸倍率は3〜8倍程度が好適である。延伸後に熱処理を施すことにより、ポリ乳酸の延びきり鎖結晶の結晶化が促進され圧電定数が向上する。また、二軸延伸した場合はそれぞれの軸の延伸倍率を異ならせることによって一軸延伸と同様の効果を得ることが出来る。例えば、ある方向をX軸としてX軸方向に8倍、X軸に直交するY軸方向に2倍の延伸を施した場合、圧電定数に関してはおよそX軸方向に4倍の一軸延伸を施した場合とほぼ同等の効果が得られる。単純に一軸延伸したフィルムは延伸軸方向に沿って裂け易いため、前述したような二軸延伸を行うことにより幾分強度を増すことができる。
仮に、圧電フィルム112が完全に透明ではない場合、表示性能を考慮して、色の校正が必要になる。また、圧電フィルム112によって、表示画面が暗くなる可能性もある。この場合、バックライトをより高輝度で光らせる必要があるため、電池の消耗が大きい等の課題が発生する。しかし、本実施形態の圧電センサ11は、反射部材である反射シート314の主面の一方側(裏面側)に設けられている。したがって、圧電センサ11が表示パネル30の表示性能に影響を与えることがない。
仮に、圧電センサ11にノイズが侵入すると、圧電センサ11に接続される検出部20等の押圧検知回路では、ノイズによる電荷であるか、押圧によって発生した電荷でるか、の区別が難しくなる。したがって、押圧していないにも関わらず押圧したと誤検知する可能性がある。なお、検出部20の処理により、ノイズか否かを区別することも考えられるが、この場合、複雑な電気回路が必要になる。
しかし、圧電センサ11は、バックライトユニット31の裏面側に設けられているため、表示パネル30から発生するノイズが検出信号に影響することがない。
さらに、圧電センサ11は、表面側の第1電極111がグランド電極になっている。圧電センサ11は、表示パネル30に近い側の電極がグランド電極となっていることで、表示パネル30から発生するノイズが遮断される。したがって、圧電センサ11に接続される検出部20は、検出信号を適切に検知することができる。
なお、表示パネル面から静電気が侵入した場合、第1電極111または第2電極113を介して、回路が破損される恐れがある。そのため、パネル正面から見て、第1電極111および第2電極113が、LCDまたはタッチパネルからはみ出さない設計にすることが好ましい。具体的には、第1電極111および第2電極113の外周をエッチングする、もしくは第1電極111および第2電極113をLCDタッチパネルより一回り小さくするという手法が考えられる。
なお、第1電極111がアルミニウム等の可視光帯での反射光スペクトルがフラットな導電性材料からなる場合、当該第1電極111は、反射シート314の機能を兼ねることが可能である。反射シート314は、ポリエステルフィルムやポリエチレンフィルム等の両面にアルミニウムを蒸着してなる場合が多いが、仮にアルミニウムの厚みを薄くすると、反射シートとしての機能が劣化する(光を透過する)可能性がある。しかし、第1電極111が鏡面反射をするアルミニウム等の導電性材料からなる場合、第1電極111によって機能を補完することができる。そのため、反射シート314の反射膜を薄くしたり、片面にしたりすることができ、コストの低減を図ることができる。また、第2電極113もアルミニウム等の光を透過させない材料を使用することができる。これにより、良好な光の反射効果を得つつ機器の薄型化を実現することができる。
また、図5の変形例1に係る表示装置1Aの側面断面図に示すように、反射シート314を省略することも可能である。この場合、第1電極111がグランド電極と反射シートの機能を兼ねている。
次に、図6は、変形例2に係る表示装置1Bの構成を示す側面断面図である。図2と共通する構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
表示装置1Bは、表示パネル30に代えてOLEDパネル35および遮光部材(遮光シート)75を備えている。圧電センサ11は、遮光シート75の裏面側に設けられている。
このように、OLED等のバックライトがない表示装置においても、圧電センサ11は、表示パネル(OLEDパネル35)および遮光シート75の裏面側に配置されているため、表示性能に影響を与えることがない。また、この例においても、圧電センサ11は、表面側の第1電極111がグランド電極になっているため、OLEDパネル35から発生するノイズが当該グランド電極によって遮断される。したがって、圧電センサ11に接続される検出部20は、検出信号を適切に検知することができる。
次に、図7は、変形例3に係る表示装置1Cの構成を示す側面断面図である。図2と共通する構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
表示装置1Cは、表示装置1の構成に加えて、静電容量センサ70を備えている。静電容量センサ70は、圧電センサ11よりも表面パネル40側に配置されている。すなわち、各構成部は、筐体50の開口部(表面パネル40)側から順にZ方向に沿って、静電容量センサ70、表示パネル30、バックライトユニット31、および圧電センサ11の順で配置される。
静電容量センサ70は、平板状であり、筐体50の開口部(表面パネル40)と対面するように、または沿うように、筐体50の内部に配置されている。
静電容量センサ70は、第1静電容量検出用電極701、平板状の絶縁性基板702、および第2静電容量検出用電極703を備えている。絶縁性基板702は、透明性を有する材料からなり、例えばPMMA(アクリル樹脂)からなる。絶縁性基板702の表面側の主面には、第1静電容量検出用電極701が形成され、裏面側の主面には、第2静電容量検出用電極703が配置されている。
第1静電容量検出用電極701および第2静電容量検出用電極703は、全て透明性を有する材料からなり、例えば酸化インジウムスズ(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)、ポリチオフェンを主成分とする材料を用いる。
静電容量センサ70は、第1静電容量検出用電極701および第2静電容量検出用電極703で検出される静電容量の変化により、タッチ操作の有無およびタッチ位置を検出する。
変形例3に係る表示装置1Cにおいても、圧電センサ11は、表示パネル30の裏面側に配置されているため、表示性能に影響を与えることがない。また、この例においても、圧電センサ11は、表面側の第1電極111がグランド電極になっているため、表示パネル30から発生するノイズが当該グランド電極によって遮断される。また、静電容量センサ70から発生するノイズも、当該グランド電極によって遮断される。したがって、圧電センサ11に接続される検出部20は、検出信号を適切に検知することができる。
次に、図8は、変形例1に係る圧電センサ11の分解斜視図である。変形例1に係る圧電センサ11の第2電極113は、平面視して、2つの長辺のうち長手方向の中心付近が第2電極113の中心に向かって絞り込まれている。すなわち、第2電極113は、圧電フィルム112の全面にわたって設けられているのではなく、一部が欠けた状態となり、第1電極111よりも面積が小さくなっている。
表面パネル40は、防水・防塵機能を確保するために、外周縁部が全て筐体50に固定される場合がある。この場合、例えば表面パネル40を平面視して中心位置を押圧すると、圧電フィルム112の中心位置は、裏面方向に歪む。しかし、圧電フィルム112の長辺付近は、筐体50に固定された状態となっているため、中心位置とは逆方向に歪む状態となり、発生する電圧(電荷)の極性が反転する領域が形成される。圧電センサ11に接続される検出部20は、圧電フィルム112の歪み量に応じて発生した電圧(電荷)を全て合計して検出信号を検知するため、圧電フィルム112に電圧極性の反転領域が存在すると、発生した電圧(電荷)が相殺されてしまう。そのため、押圧が正確に検出できず、検出感度も低下する。そこで、圧電センサ11は、極性の反転領域に第2電極113を設けない態様としている。
この場合も、表面側の第1電極111は、圧電フィルム112の全面にわたって設けられ、かつグランド電極になっているため、表示パネル30から発生するノイズが当該グランド電極によって遮断される。
図9は、変形例2に係る圧電センサ11の分解斜視図である。変形例2に係る圧電センサ11の第2電極113は、平面視して、辺縁部分だけに形成されている。
圧電フィルム112は、平面視して中心位置付近の歪み量が大きく、辺縁部の歪み量が小さくなる。すなわち、同じ押圧量であっても、押圧位置によって発生する電荷量がばらつく。そこで、変形例2に係る圧電センサ11の第2電極113は、押圧位置により電荷量がばらつく中心位置付近での発生電荷は取り出さずに、押圧位置によるばらつきが少ない辺縁部のみからの電荷を取り出している。
この場合も、表面側の第1電極111は、圧電フィルム112の全面にわたって設けられ、かつグランド電極になっているため、表示パネル30から発生するノイズが当該グランド電極によって遮断される。第1電極111は圧電フィルムの全面にわたって一様に設けられていることが好ましい。これによりノイズを効果的に遮断できるとともにパターニングの必要が無くなり製造が容易となる。
一方で、第1電極111が圧電フィルムの全面にわたって一様に設けられることは本発明において必須の要件ではない。本発明の効果を奏する限り、パターニングされ部分的に電極が形成されない領域が存在していてもよい。
図10は、変形例1に係る圧電センサ11において、第2電極113が形成されていない箇所にダミー電極113Aを設けた例を示す分解斜視図である。
上述したように、反射シート314の厚みを薄くすると、反射シートとしての機能が劣化する(光を透過する)可能性がある。また、第1電極111がアルミニウム等の導電性材料からなる場合であっても、第1電極111において光を全て反射できない場合がある。ここで、圧電フィルム112がPLLA等の透明性の高い材料である場合、第2電極113側にも光が透過する場合がある。この場合、ダミー電極113Aが設けられ、第2電極113およびダミー電極113Aで光を反射させることで、反射シート314の機能をより適切に補助することができる。
なお、圧電センサ11は、ダミー電極113Aで検出される電圧を反転して(あるいは逆に第2電極113で検出される電圧を反転して)、第2電極113で検出される電圧と加算することで、検出信号を検知するようにしてもよい。
図11Aは、具体的な回路図である。圧電センサ11の第2電極113は、チャージアンプの反転入力端子に接続されている。ダミー電極113Aは、チャージアンプの非反転入力端子に接続されている。第2電極113のチャージアンプの出力端子は、非反転増幅回路に接続され、A/D変換回路に接続される。ダミー電極113Aのチャージアンプの出力端子は、反転増幅回路に接続され、A/D変換回路に接続される。
図11Bにおいて、圧電センサ11の第2電極113およびダミー電極113Aは、それぞれスイッチに接続され、さらに同じチャージアンプの反転入力端子に接続されている。チャージアンプの出力端子は、非反転増幅回路に接続され、A/D変換回路に接続される。圧電センサ11の第2電極113およびダミー電極113Aの出力は、それぞれ演算部にて記憶される。演算部は、記憶した各々の出力の差分を押圧力として検出する。
図11Cにおいて、圧電センサ11の第2電極113およびダミー電極113Aは、チャージアンプの非反転入力端子に接続されている。第2電極113およびダミー電極113Aのチャージアンプの出力端子は、反転増幅回路に接続される。さらに、第2電極113の反転増幅回路の出力端子は、差動増幅回路の+端子に接続され、A/D変換回路に接続される。ダミー電極113Aの反転増幅回路の出力端子は、差動増幅回路の反転入力端子に接続され、A/D変換回路に接続される。
このような回路構成とすることで配線を同一平面上あるいは圧電フィルムの一方主面側に形成することができるため、配線経路にビアを無くすことができ、出力の損失を抑制することができる。特に、圧電フィルムセンサのような微小な信号を扱うような場合は有効である。
また、ダミー電極側、第2電極側に接続するアンプの増幅率を変えることによって押圧力感度の面内分布を改善することができる。
図12は、変形例2に係る圧電センサ11において、第2電極113が形成されていない箇所にダミー電極113Bを設けた例を示す分解斜視図である。
この場合も、図10の例と同様に、第2電極113およびダミー電極113Bで光を反射させることで、反射シート314の機能をより適切に補助することができる。
図13は変形例3に係る圧電センサにおいて、圧電センサ11を表示パネル30の他方側に設けた例を示す分解斜視図である。
この場合も、圧電センサ11の表面側の第1電極111は、圧電フィルム112の全面にわたって設けられ、かつグランド電極になっているため、静電容量センサ70から発生するノイズが当該グランド電極によって遮断される。圧電センサ11の裏面側は、上述した通り、第2電極113およびダミー電極113Aから構成されていてもよい。
なお、この場合も上述した通り、圧電センサ11は、ダミー電極113Aで検出される電圧を反転して(あるいは逆に第2電極113で検出される電圧を反転して)、第2電極113で検出される電圧と加算することで、検出信号を検知するようにしてもよい。回路については図11に示した通りである。
さらに、第2電極113の裏面側には、表示パネル30のノイズを遮断するシールド電極が備えられていてもよい。
なお、第2電極113の非表示面側の主面には、不図示の絶縁性フィルムが形成されていてもよい。第2電極113の非表示面側には、シャーシ等の金属板が配置されている場合がある。第2電極が露出した状態で配置されていて、押圧時にシャーシと第2電極113が接触した場合、短絡する、または、第2電極113が傷つくことによって所望の特性が得られない可能性がある。また、シャーシ等が存在しない場合であっても、押圧時に筐体背面と第2電極113が接触して、第2電極113に傷がついてしまうおそれがある。そこで、第2電極113の非表示面側の主面には、不図示の絶縁性フィルムを形成することによって、第2電極113に傷がつくこと、またはショートすることを抑制することができる。なお、絶縁性フィルムについてはPETなどのフィルムでもよいし、レジストでもよい。
1…表示装置
11…圧電センサ
20…検出部
22…処理部
23…プログラム記憶部
30…表示パネル
31…バックライトユニット
35…OLEDパネル
40…表面パネル
45…タッチ式入力装置
47…処理装置
50…筐体
70…静電容量センサ
75…遮光シート
111…第1電極
112…圧電フィルム
113…第2電極
113A,113B…ダミー電極
304…バックライト
310…第1拡散シート
311…プリズムシート
312…第2拡散シート
313…導光板
314…反射シート
350…光源
701…第1静電容量検出用電極
702…絶縁性基板
703…第2静電容量検出用電極

Claims (8)

  1. 画像を表示させる表示部と、
    前記表示部に光を出力する光源と、
    前記表示部の主面の一方側に設けられ、前記光源の光を反射する反射部材と、
    前記反射部材の主面の一方側に設けられた圧電素子と、
    を備えることを特徴とする表示装置。
  2. 画像を表示させる表示部と、
    前記表示部の主面の一方側に設けられた遮光部材と、
    前記遮光部材の主面の一方側に設けられた圧電素子と、
    を備えることを特徴とする表示装置。
  3. 前記圧電素子は、主面の一方側に第1電極が配置され、他方側に第2電極が配置され、
    前記第2電極は、グランド電極である請求項1または請求項2に記載の表示装置。
  4. 前記圧電素子は、主面の一方側に第1電極が配置され、他方側に第2電極が配置され、
    前記第2電極は、グランド電極および前記反射部材を兼ねている請求項1に記載の表示装置。
  5. 前記第1電極は、前記第2電極よりも面積が小さい請求項3または請求項4に記載の表示装置。
  6. 前記圧電素子は、ポリ乳酸を含む請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の表示装置。
  7. 操作面と、
    前記操作面と、前記表示部の主面の他方側に設けられ、当該操作面に対する利用者のタッチ操作を検出するタッチパネルと、
    を備えた請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の表示装置。
  8. 画像を表示させる表示部と、
    表示部の他方側に設けられ、主面の一方側に配置された第1電極と前記主面の他方側に配置された第2電極とを有する圧電素子と、
    を備え、
    前記第2電極は、グランド電極であることを特徴とする表示装置。
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