JP2010084932A - ばね圧調整式コイルばねおよびばね圧調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造でありながらも、簡易な操作でコイルばねの特性を変化させることができ、煩雑なコイルばねの取替え作業を必要としないばね圧調整式コイルばねおよびばね圧調整方法の提供。
【解決手段】本発明は、螺旋状に形成された線状体からなり、当該線状体の隣接するピッチに対応する部分が互いに接触することのないコイルばね２つからなり、前記コイルばねの１つと、他の１つとが互いに同一軸心上においてそれぞれの螺旋状の線状体の間に嵌入されてなるばね圧調整式コイルばねを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ばね圧調整式コイルばねおよびばね圧調整方法に関する。さらに詳しくは、配設したコイルばねを取り外すことなく、簡単な構造で自由にばねのピッチを変更することができるばね圧調整式コイルばねおよびばね圧調整方法に関する。

コイルばねは、自動車や新幹線などの乗り物において車輪と車体の間に取り付けられるサスペンションや、各種工場における製造機械などの大型の機械に限られず、自転車などの中型のものや、シャープペンシルやホッチキスなどの小型のものなど非常に幅広い分野で用いられている。

このように、コイルばねは非常に幅広い分野で使用され、汎用性が高い。また、用途に応じて必要な特性（たとえば、ばね定数）が様々であり、各用途に合わせたコイルばねの設計・製造が必要になってくる。

該ばねの特性は、コイルばねの材質および設計内容（たとえば、巻き線数やばねの線径など）によって決定される。したがって、先に必要とされるコイルばねの特性が決定されてから材質の選択および設計が開始され、コイルばねの製造が実施される。

しかしながら、製造された単一のコイルばねの特性を変化させることはできず、単一の装置が複数の用途を有している場合には単一のばねでは対応できない。そのような場合には、取り付けたばねを新たなばねと取替えるか、新たな特性を有した製品を作成することが必要である。このような状況下において、長年の間、コイルばねを取り替えることなく、コイルばねの特性を変更することができるコイルばねが要求されていた。

そこで、従来では、かかる要求に応えるためにばね定数を３段階に変化するように構成されたコイルばねの構成が提案されている（特許文献１）。

特開平９−１４２１２８号公報

しかしながら、特開平９−１４２１２８号公報に記載のコイルばねは、たわみ量の増加に伴ってばね定数を３段階に変化できるように構成されているので、コイルばね自体の構造が複雑化してしまうという問題があった。また、特開平９−１４２１２８号公報に記載のコイルばねでは、荷重によってコイルばねの特性が変化するので、種々の状況に合わせて設計することは困難である。また、ばね定数の変化は線形性を示しており、細かいばね定数の設定は不可能である。

本発明は、前記種々の問題点を解決するためのものであって、簡易な構造でありながらも、簡易な操作でコイルばねの特性を変化させることができ、煩雑なコイルばねの取替え作業を必要としないばね圧調整式コイルばねおよびばね圧調整方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、コイルばねの特性が外力（たとえば、ばねにかかる荷重）によって大きな影響を与えられることなく好適なコイルばねの特性を示すことができ、かつ細かいばね定数の設定が可能になるばね圧調整式コイルばねおよびばね圧調整方法を提供することを目的とする。

前述の課題を解決するため、本発明にかかるばね圧調整式コイルばねは、螺旋状に形成された線状体からなり、当該線状体の隣接するピッチに対応する部分が互いに接触することのないコイルばね２つからなり、前記コイルばねの１つと、他の１つとが互いに同一軸心上においてそれぞれの螺旋状の線状体の間に嵌入されてなることを特徴とする。

また、前記２つのコイルばねのうちの１つと、他の１つとが互いに同一軸心上にそれぞれの線状体の間に接触することなく嵌入されていてもよい。

また、本発明にかかるばね圧調整コイルばねは、可動式ばね圧調整機構を有したばね圧調整式コイルばねであって、該可動式ばね圧調整機構が、軸心上に延設された外筒および該外筒に挿通可能に形成された内筒と、該軸心に平行かつ前記コイルばねの外径よりも軸心から離間して延設される棒状の歯車とからなり、該内筒に、前記コイルばねの一方の端部が固着された小歯車およびばね支持ローラが一体的に形成されることを特徴とする。

前述の課題を解決するため、本発明は、互いに同一の外径と、内径と、ピッチとを有する２つのコイルばねを、同一軸線上で同一の外径、内径およびピッチを維持して互いに絡まりあわせることを特徴とする。

また、前記軸線は、直線または曲線であってもよい。

また、本発明にかかるばね圧調整式コイルばねは、互いに同一の外径、内径およびピッチを有するばねが、同一軸線上で互いに絡まりあわされてなる２重のコイルばねを備え、同一軸線上で同一の外径、内径およびピッチを維持して互いに絡まりあわせることを特徴とする。

また、本発明にかかる車輪支持構造体Ｓｔは、図４に示されるように、車両の架台Ｃと、該架台Ｃの下端に設けられた１対の車輪Ｗとからなり、該車輪Ｗが該架台Ｃと第１の弾性部材Ｓ１で連結され、該１対の車輪Ｗ同士が互いに第２の弾性部材Ｓ２で連結されてなることを特徴とする。ここで、第１の弾性部材Ｓ１は圧縮コイルばねであり、ばね圧調整式コイルばねであることが好ましい。また、第２の弾性部材Ｓ２は引っ張りコイルばねであり、ばね圧調整式コイルばねを用いることが好ましい。

また、本発明にかかる第１の態様における汎用車体支持構造は、前記車輪支持構造体を自転車に用い、前記２つのコイルばねの前記軸線上に、互いに入れ子式に形成される内筒と外筒とが設けられ、前記１対のばね圧調整式コイルばねが、該自転車の進行方向に両側において前記架台および軸受け間に設けられ、前記１対の車輪がボール状の自在輪であることを特徴とする。

また、自転車の前輪ブレーキと連動して、前記１対のボール状の自在輪を固定できる構造を有することが好ましい。

本発明によるコイルばねのばね圧調整方法を用いたばね圧調整式コイルばねは、非常に簡易な構造でありながらも、コイルばねの特性を使用状況に応じて変化させることができる。また、該コイルばねは、外力に大きな影響を受けずにコイルばねの特性を示すことができ、さらに、コイルばねの上限と下限だけが設定され、該上限および下限の範囲内でコイルばねの特性が変更可能となる。

また、本発明のばね圧調整式コイルばねによると、ばねの圧力および張力を同時に変更することができる。

また、本発明のばね圧調整式コイルばねを車のショックアブソーバに用いると、ばねの高さおよびばね圧を調整することが可能であるので、車高を変化させることなく車のクッションを変化させることも実現できる。また、逆に、車高を変化させたい場合（バリアフリーの介護車などへの適用）には、車高を変化するように調整することができる。

さらに、たとえば周知の技術である圧力を検知するセンサーを当該ショックアブソーバに連動するように設け、各タイヤにかかる圧力の変化に応じてばね圧を自動調整する機構を備えることで、自動車のコーナリング性能を向上させることができる。

以下、添付された図面により本発明の技術的構成を詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態１にかかる絡みあう前のばね圧調整式コイルばねを示す図、図２は本発明の実施の形態１にかかる完全に絡みあった状態のばね圧調整式コイルばねを示す図、図３ａは本発明の実施の形態１にかかる中途に絡みあった状態のばね圧調整式コイルばねを示す図、図３ｂは本発明のばね圧調整式コイルばねの力のかかり方を説明するための模式図、図４は本発明の車輪支持構造体を示す概念図、図５は本発明の実施の形態２にかかる汎用車体支持構造を取り付けた自転車の左側面図、図６は本発明の実施の形態２にかかる汎用車体支持構造の正面図、図７は本発明の実施の形態２にかかる汎用車体支持構造と自転車のフレームの連結部の一態様を示す図、図８（ａ）は本発明の実施の形態２にかかる汎用車体支持構造の通常状態の第１の態様を示す図、図８（ｂ）は本発明の実施の形態２にかかる汎用車体支持構造の通常状態の第２の態様を示す図、図９ａは本発明の実施の形態３にかかる汎用車体支持構造を説明する部分断面図、図９ｂは本発明の実施の形態３にかかる汎用車体支持構造の第１の態様を示す側面断面図、図９ｃは本発明の実施の形態３にかかる汎用車体支持構造の第２の態様を示す側面断面図である。

実施の形態１
本実施の形態１におけるばね圧調整式コイルばね１は、図１〜図３ｂに示されているように、第１のばね２ａと、第２のばね２ｂとからなる。

該第１のばね２ａは、コイルばね３ａと、該コイルばね３ａの一端が１または２以上の固定手段４ａによって固定される中空の固定部材５ａとからなる。

該第２のばね２ｂは、該コイルばね３ａと略同一の外径、内径およびピッチを有するコイルばね３ｂと、該コイルばね３ｂの一端が１または２以上の固定手段４ｂによって固定され、該中空の固定部材５ａ内を挿通自在に形成されるパイプ６が螺子７によって螺設されている。

前記コイルばね３ａ、３ｂは、互いに略同一の外径、内径およびピッチを有しており、一端が開放されており（開放端）、他端が閉塞されている（終端）。図１に示すように、当該コイルばね３ａ、３ｂは、軸心を同一にして、互いの開放端が対向し、図２〜図３ｂに示すように絡まりあっていく。

前記固定部材５ａ、５ｂは、それぞれ把部５１ａ、５１ｂと、該コイルばね３ａ、３ｂの終端が該固定手段４ａ、４ｂによって固定されるばね受け部５２ａ、５２ｂとからなる。該把部５１ａ、５１ｂの外径は、該コイルばね３ａ、３ｂの外径よりも大きく形成されてなり、該受け部５２ａ、５２ｂおよびパイプ６の外径は、該コイルばね３ａ、３ｂの内径よりも小さく形成されてなる。

図２は、本実施の形態１におけるばね圧調整式コイルばね１の第１の状態を示す図であり、該第１の状態におけるばね圧調整式コイルばね１のばね定数は該コイルばね３ａ、３ｂのもともとのばね定数よりも大きくなる（以下に示す式（２）参照）。図１の状態から図２の状態へ移行するには、固定部材５ａ（５ｂ）をコイルばね３ａ（３ｂ）の巻き方向に回転させるとよい。しかし、それに限らず、固定部材５ａおよび５ｂを両方を同時に回転させてもよい。この場合、一方を回転させて絡めあう場合の半分の回転数で該第１の状態に移行できるので、ばね圧を調整する時間が短縮できる。

図３ａは、本実施の形態１におけるばね圧調整式コイルばね１の第２の状態を示す図であり、図示していないが、たとえば受け部５２ａを介してパイプ６を螺着することにより第２の状態が維持され得る。なお、図３ａに示すような中途に絡まったばね圧調整式コイルばね１の場合、ばね圧が元々のコイルばね３ａ、３ｂのばね圧、第２の状態におけるばね圧調整式コイルばね１のばね圧とは異なる値を示す（式（３）参照）。

次に、ばね圧についての基本的事項を説明する。ばね圧とばね定数の関係は、式（１）で示される。
Ｆ＝ｋｘ （１）
また、ばね定数ｋは、一般的にはばね材料、ばねの線径、有効巻き数および平均コイル径から決定される。ばね定数ｋは、式（２）によって導出される。

（ばね定数：ｋ、ばね材料の横弾性係数：Ｇ、ばねの線径：ｄ、有効巻き数：Ｎａ、平均コイル径：Ｄ）つまり、ばね定数ｋは、ばねの線径ｄが太くなると大きくなり、有効巻き数Ｎａおよび平均コイル径Ｄが大きくなると小さくなる。

図３ｂに示すように、該第２の状態におけるばね圧調整式コイルばね１は、概略的には第１ばね部Ｘ、第２ばね部Ｙおよび第３ばね部Ｚが直列接続されたばねである。ここで、図３ｂに示すように、第１ばね部Ｘ、第２ばね部Ｙおよび第３ばね部Ｚには、第１ばね部Ｘ方向から力Ｆ１をかけた場合、第１ばね部Ｘの上端部において下向きの力Ｆ１が加わり、第１ばね部Ｘがつり合った状態である場合に、下端において上向きの力Ｆ２が加わっている。第１ばね部Ｘの下端に上向きの力Ｆ２が加わっているので、第２ばね部Ｙの上端には、力Ｆ２とつり合う力である下向きの力Ｆ１がかかり、第１ばね部Ｘと同様に、第２ばね部Ｙの下端においても上向きの力Ｆ２が加わる。第３のばね部Ｚにおいても同様である。また、式（１）と、図３ｂの力Ｆ１、Ｆ２により、３本のばねが直列接続された場合のばね定数は式（３）で導出される。

第１の状態におけるばね圧調整式コイルばね１は、図２に示すように該第１ばね部Ｘおよび第３ばね部Ｚが存在しないので、該コイルばね３ａおよび３ｂが同一の線径を有しているならば、見た目の線径が２倍になり、式（１）に即してばね定数ｋが増加しばね圧は増加する。

また、本実施の形態１において、コイルばね３ａおよび３ｂの線径は規定されていないが、該線径は該コイルばね３ａおよび３ｂが同一の材質を用いている場合、互いの線径の比率が１：３以内であることが望ましい。

また、本実施の形態１において、コイルばね３ａおよび３Ｂの線径と、該コイルばね３ａおよび３Ｂの線状体間の離間距離との比率については、線径：離間距離との比率がたとえば１：３〜１：５程度であることが好ましい。ただし、当該ばね圧調整式コイルばねのパラメーターはコイルばねの材質などによって変化し得るが、必ずしもこれに限定されるものではない。

なお、本実施の形態１におけるばね圧調整式コイルばね１は、線状体間の離間距離が互いに略同一であるコイルばね３ａ、３ｂを用いているがこれに限定されるものではなく、一方のコイルばね３ａの線状体間の離間距離が他方のコイルばね３ｂの線状体の線径よりも大きく、互いに絡みあえる形状であれば十分である。ただし、互いのコイルばね３ａ、３ｂが略同一の離間距離を有していることが好ましい。略同一の離間距離を有している場合、スムーズに絡みあわせることができる。

また、該コイルばね３ａ、３ｂの外径および内径は略同一であることが好ましいが、これに限定されるものではなく、コイルばね３ａ、３ｂが同一軸心上において互いに内径または外径で当接し得る程度の外径および内径を有しているコイルばね３ａ、３ｂであれば使用し得る。この場合、同一の外径および内径を有するコイルばね３ａ、３ｂに限定されないので、既存のコイルばねを代用することが容易になる。

実施の形態２
図５に示すように、本実施の形態２における汎用車体支持構造８は、自転車９の前輪Ｆと後輪Ｒの間で、該自転車９のフレーム１０に取り外し自在に設けられている。該汎用車体支持構造８は、該フレーム１０に対して垂直下向きに固着される支柱１１と、該支柱１１とフレーム１０とを連結する連結具１２と、支柱１１の下端に上下方向に回動自在に設けられたキャスター１３と、該支柱１１とキャスター１３とを連結するばね第１の弾性部材１４と、対向するキャスター１３同士を連結する引っ張りばね１５（図６ａ参照）とからなる。該汎用車体支持構造８は前輪Ｆおよび後輪Ｒの間に設けられるので、前輪Ｆおよび後輪Ｒの動きを邪魔することはない。また、該汎用車体支持構造のキャスター１３は、該支柱１１の下端に設けられているため、ペダル１６を漕ぐ際にも邪魔にならない。

図５に示すように、フレーム１０に固着された支柱１１の下端において、２本のアーム１７ａおよび１７ｂが自転車９に対して左右に突設されている。アーム１７ａおよび１７ｂの自由端には路面上において転動可能である補助輪１８ａおよび１８ｂが垂下される。補助輪１８ａおよび１８ｂは、直線性を有する車輪ではなく球体のローラを用いるのが好ましい。これは、本実施の形態１にかかる汎用車体支持構造８は該自転車９の進行方向および支柱１１を介して伝達される衝撃を受け流すために左右方向に動く（つまり、平面内を自在に移動する）必要があるためであり、該移動を実現可能である球体のローラを用いることで自転車９の通常走行を妨げることなく汎用車体支持構造としての機能を発揮することができる。

また、該支柱１１の下端にはスリットが設けられており（図示せず）、互いに嵌合するように形成された該アーム１７ａおよび１７ｂの一端が嵌合され、留め具１１ａによって上下方向に回動可能に連結されている。留め具１１ａとしては、たとえばボルトとナットが用いられるが、これに限定されるものではなく、両端が溶接された軸を用いてもよく、既知の種々の方法が用いられ得る。

該支柱１１および該アーム１７ａ、１７ｂそれぞれは、自転車９が転倒する際に転倒を防止する方向に力が加えられるための第１の弾性部材１４で連結されている。ここで、前記第１の弾性部材１４はばね圧調整式コイルばね１を用いることが好ましい。

また、対向するアーム１７ａおよび１７ｂは、互いに第２の弾性部材１５で連結されており、外部からの衝撃を緩和するのに用いられる。また、該第２の弾性部材１５にばね圧調整式コイルばね１を用いることがより好ましい。ばね圧調整式コイルばね１を用いることで、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、補助輪の状態に合わせたばね圧に設定することができる。図８（ａ）のように補助輪１８ａおよび１８ｂが常に接地するように設計することで、静止状態で自転車９が傾くことがほぼなくなり、図８（ｂ）のように補助輪１８ａおよび１８ｂが若干路面Ｒから離間するように引っ張りばね１５の強度を設定することにより、走行中に段差があった場合でも、キャスター１３ａおよび１３ｂが引っかかることなく走行することが可能になる。

図７に示されるように、連結具１２は、支柱１１と連結されている下部連結部材１２ａと、上部連結部材１２ｂとからなる。まず、下部連結部材１２ａが、フレーム１０に当接され、フレーム１０の上側から上部連結部材１２ｂが覆い被され、ボルト１０ａおよびナット１０ｂを介して螺着される。なお、本実施の形態１では、ボルト１０ａおよびナット１０ｂを介して下部連結部材１２ａおよび上部連結部材１２ｂを螺着しているが、これに限定されるものではなく周知の留め具を用いることができる。

また、前述したとおりに、本実施の形態では図８（ａ）に示すように、補助輪１８ａ、１８ｂが常に接地するように引っ張りばね１５のばね強度が設定されるが、図８（ｂ）のように補助輪１８ａ、１８ｂが持ち上げられる程度に弱いばね強度の引っ張りばね１５を用いてもよい。図８（ａ）および図８（ｂ）には接地されているかどうかを示すためにタイヤＴを図示している。このように、第１弾性部材１４および引っ張りばね１５に、ばね圧調整式コイルばね１を適用し、ばね圧を変更可能な機構を設けることにより補助輪の通常時における接地状態を変更できる。

また、本発明におけるばね圧調整式コイルばねおよび汎用車体支持構造における材質としては、耐久性の観点から鉄、アルミニウムまたはジェラルミンなどの適した金属が用いられ得る。

なお、本実施の形態では自転車に主眼をおいて説明しているが、図８にも示したとおりの構造である本発明の車輪支持構造体は、バイク、車いす（競技用の車いすを含む）にも適用でき得ることは言うまでもない。

実施の形態３
図９ａに示されるように、本実施の形態３にかかる汎用車体支持構造２０は、左右のばね圧調整式コイルばね２１の上端それぞれが一枚のスライド２２に回動自在に連結され、下端が回動不能に前記アーム１７ａ、１７ｂそれぞれに連結され、該スライド２２が支柱１１に設けられたスリット２３に上下動自在に嵌入され、該スライド２２の上端が、上方に付勢される付勢手段２４によって付勢されており、該スライド２２の下端がケーブル２５を介して前記自転車９（図４参照）のブレーキ（図示せず）に連動して下方向に付勢されてなる点以外は、実施の形態２の汎用車体支持構造８と同様である。ブレーキと連動してスライド２２が下方に付勢されるので、連結されるばね圧調整式コイルばねも下方に付勢され、キャスター１３が路面に確実に接地される。したがって、急ブレーキをかけた場合の安定性も向上し、転倒する危険性をさらに軽減できる。

図９ｂは、本実施の形態３のケーブル２５とブレーキの連結方法の第１の態様を示す図である。ブレーキを握ると、ケーブル２５は上方に引っ張られる。そこで、支柱１１内のスライド２２の下方にピン２６を設け、該ピン２６を介してスライド２２を下方に引っ張ることで、該スライド２２に下方への付勢力を与える。第１の態様の連結方法では、支柱１１の内部をケーブル２５が通過するので、外部からの影響を受けにくく、外観も損なわない。

次に、図９ｃは本実施の形態３のブレーキ２５とブレーキの連結方法の第２の態様を示す図である。第１の態様と動作は同様であり、第２の態様では、支柱１１の外部に形成された凸部２７、開口部２８およびピン２６を介してブレーキとスライド２２を連動させる。第２の態様による連結方法を用いると、後から設置する際も容易に設置することが可能になる。

本発明の実施の形態１にかかる絡みあう前のばね圧調整式コイルばねを示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる完全に絡みあった状態のばね圧調整式コイルばねを示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる中途に絡みあった状態のばね圧調整式コイルばねを示す図である。 図３ａの状態のばね圧調整式コイルばねにかかる力を説明するための模式図である。 本発明の車輪支持構造体を示す概略図である。 本発明の汎用車体支持構造を取り付けた自転車の左側面図である。 本発明の実施の形態２にかかる汎用車体支持構造の正面図である。 本発明の実施の形態２にかかる汎用車体支持構造と自転車のフレームの連結部の一態様を示す図である。 （ａ）は本発明の実施の形態２にかかる汎用車体支持構造の通常状態の第１の態様を示す図、（ｂ）は本発明の実施の形態２にかかる汎用車体支持構造の通常状態の第２の態様を示す図である。 本発明の実施の形態３にかかる汎用車体支持構造を説明する部分断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる汎用車体支持構造の第１の態様を示す側面断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる汎用車体支持構造の第２の態様にかかる汎用車体支持構造を示す側面断面図である。

符号の説明

１、２１ ばね圧調整式コイルばね
２ａ 第１のばね
２ｂ 第２のばね
３ａ、３ｂ コイルばね
４ａ、４ｂ 固定手段
５ａ、５ｂ 固定部材
６ パイプ
７ 螺子
８、２０ 汎用車体支持構造
９ 自転車
１０ フレーム
１０ａ ボルト
１０ｂ ナット
１１ 支柱
１１ａ、１１ｃ、１１ｄ 留め具
１１ｂ、１９ａ、１９ｂ 突起
１２ 連結具
１２ａ 下側連結部材
１２ｂ 上側連結部材
１３ａ、１３ｂ キャスター
１４ 第１の弾性部材
１５ 第２の弾性部材
１６ ペダル
１７ａ、１７ｂ アーム
１８ａ、１８ｂ 補助輪
２２ スライド
２３ スリット
２４ 付勢手段
２５ ケーブル
２６ ピン
２７ 凸部
２８ 開口部

Claims (7)

1. 螺旋状に形成された線状体からなり、
   当該線状体の隣接するピッチに対応する部分が互いに接触することのないコイルばね２つからなり、
   前記コイルばねの１つと、他の１つとが互いに同一軸心上においてそれぞれの螺旋状の線状体の間に嵌入されてなるばね圧調整式コイルばね。
2. 前記２つのコイルばねのうちの１つと、他の１つとが互いに同一軸心上にそれぞれの線状体の間に接触することなく嵌入されてなるばね圧調整式コイルばね。
3. 可動式ばね圧調整機構を有したばね圧調整式コイルばねであって、
   該可動式ばね圧調整機構が、軸心上に延設された外筒および該外筒に挿通可能に形成された内筒と、
   該軸心に平行かつ前記コイルばねの外径よりも軸心から離間して延設される棒状の歯車とからなり、
   該内筒に、前記コイルばねの一方の端部が固着された小歯車およびばね支持ローラが一体的に形成される
   ことを特徴とした請求項１または２記載のばね圧調整式コイルばね。
4. 互いに同一の外径と、内径と、ピッチとを有する２つのコイルばねを、同一軸線上で同一の外径、内径およびピッチを維持して互いに絡まりあわせる
   ことを特徴とするコイルばねのばね圧変更方法。
5. 前記軸心が、直線または曲線であることを特徴とする請求項１記載のばね圧変更方法。
6. 前記軸心が曲線であることを特徴とする請求項１記載のばね圧変更方法。
7. 前記軸心が直線であることを特徴とする請求項１記載のばね圧変更方法。

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