JP2015011004A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】圧力媒体の圧力と大気圧との差圧を検出する圧力センサの構成において、大気導入通路の閉塞を防止する。
【解決手段】圧力センサは、外部から各大気導入孔３４〜３６を介して大気が導入される圧力基準室２３と、測定対象の圧力媒体が導入される圧力測定室１９と、を有するケース１０を備えている。また、圧力センサは、圧力基準室２３と圧力測定室１９とを分離するようにケース１０に収容されていると共に、大気の大気圧と圧力媒体の圧力との差圧を検出するように構成された圧力検出部１１を備えている。そして、ケース１０は、外部から各大気導入孔３４〜３６を介して圧力検出部１１に至る経路に迷路構造３９を有している。これにより、異物が迷路構造３９のいずれかの場所で引っ掛かるので、異物による大気導入の閉塞を防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、大気圧と圧力媒体の圧力との差圧を検出する圧力センサに関する。

従来より、大気を導入する大気導入孔と圧力媒体を導入する圧力導入孔とを有するケースと、圧力検出を行うように構成されたセンサチップと、を備えた圧力センサが知られている。センサチップは、ケース内において圧力媒体が導入される空間と大気が導入される空間とを分離するようにケースに配置されている。

また、センサチップは板状をなしており、センサチップの表面側と裏面側とに印加される圧力の差圧を検出するように構成されている。これにより、センサチップは例えば表面側で大気圧を受ける一方、裏面側で圧力媒体の圧力を受けるので、圧力媒体の圧力と大気圧との差圧を検出できるようになっている。

しかし、上記の圧力センサの構成では、大気導入孔からケースの内部に水分や異物が侵入すると正確な圧力検出ができなくなる可能性がある。そこで、特許文献１では、ケースの内部に水溜空間が形成された構造が提案されている。これにより、大気導入孔を介してケースに侵入した水分等が水溜空間に留まるようになっている。

特開２００１−７４５８１号公報

しかしながら、上記従来の技術では、ケースの水溜空間に水分や異物が侵入した場合、水溜空間の閉塞が完全に閉塞してしまう可能性がある。このため、圧力センサの圧力検出の信頼性を確保できないという問題がある。

本発明は上記点に鑑み、圧力媒体の圧力と大気圧との差圧を検出する圧力センサの構成において、大気導入通路の閉塞を防止することができる構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、圧力センサは、外部から大気導入孔（３４〜３６、４４）を介して大気が導入される圧力基準室（２３）と、測定対象の圧力媒体が導入される圧力測定室（１９）と、を有するケース（１０）を備えている。

また、圧力センサは、圧力基準室（２３）と圧力測定室（１９）とを分離するようにケース（１０）に収容されていると共に、大気の大気圧と圧力媒体の圧力との差圧を検出するように構成された圧力検出部（１１）を備えている。

さらに、ケース（１０）は、外部から大気導入孔（３４〜３６、４４）を介して圧力検出部（１１）に至る経路に迷路構造（３９）を有していることを特徴とする。

これによると、ケース（１０）に迷路構造（３９）が設けられているので、大気導入孔（３４〜３６、４４）を介して水分や異物が入り込んだとしても、水分や異物は迷路構造（３９）のいずれかの場所で引っ掛かる。この場合、迷路構造（３９）の一部の経路が閉塞されたとしても、他の経路は外部と繋がっている。したがって、異物による大気導入の閉塞を防止することができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る圧力センサの断面図である。 図１のII−II断面図である。 ケースにおいてポート部の先端側から側面部側を見た図である。 迷路構造による大気導入経路を説明するための一部断面図である。 本発明の第２実施形態に係る圧力センサの断面図である。 本発明の第３実施形態に係る圧力センサにおいて、ケースからリッドを外したときに圧力検出部側を見た平面図である。 開口部側から圧力検出部側を見た防水コネクタ部の平面図である。 図６のVIII−VIII断面図である。 本発明の第４実施形態に係る圧力センサの断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る圧力センサは、例えば、検出対象物である自動車のガソリンタンクに取り付けられ、ガソリンベーパの圧力測定に用いられるものである。図１に示されるように、圧力センサは、ケース１０と、圧力検出部１１と、を有している。

ケース１０は、圧力センサの外観の一部をなすものである。例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）やエポキシ樹脂等の樹脂材料が型成形されて形成されている。このようなケース１０は、ポート部１２と、側面部１３と、穴部１４と、開口部１５と、ターミナル１６と、リッド１７と、を有している。

ポート部１２は、圧力検出部１１に圧力媒体を導く筒状の部分である。ポート部１２は、先端側から反対側の穴部１４に通じるように形成された圧力導入孔１８を有している。この圧力導入孔１８の空間は、測定対象の圧力媒体が導入される圧力測定室１９となる。ポート部１２はＯリング２０を介してガソリンタンクに固定される。

側面部１３は、ケース１０のうちポート部１２とは反対側の部分の部分においてポート部１２の延設方向に垂直な方向すなわち径方向に突出した部分である。また、側面部１３は、側面２１と、この側面２１に接する底面２２と、を有している。側面２１は側面部１３のうちポート部１２の延設方向に平行な面である。また、底面２２は側面部１３のうちのポート部１２側であってポート部１２の径方向に平行な面である。

穴部１４は、ケース１０のうちポート部１２とは反対側に形成されていると共にポート部１２側に凹んだ溝構造である。穴部１４の底部が圧力導入孔１８に繋がっている。この穴部１４の空間は、大気が導入される圧力基準室２３となる。

開口部１５は、ケース１０の側面部１３の一部が穴部１４側に凹んだ部位である。開口部１５は、外部機器と圧力検出部１１とを電気的に接続するための防水コネクタ部２４の一部を構成している。開口部１５には外部コネクタ等の外部機器が接続される。そして、防水コネクタ部２４は、外部機器が装着されることにより外部から開口部１５に水分が入り込まない構造になっている。

ターミナル１６は、圧力検出部１１と外部機器とを電気的に接続するための端子部品である。ターミナル１６は一端部が穴部１４に露出すると共に、他端部が開口部１５に露出するようにケース１０にインサート成形されている。例えば、電源用、グランド用、信号用の３本のターミナル１６がケース１０に設けられている。

リッド１７は、ケース１０の穴部１４を閉じるように、すなわち開口した穴部１４に蓋をするようにケース１０に取り付けられることで圧力基準室２３を構成する部品である。そして、リッド１７の開口端部２５がケース１０の穴部１４の周囲に設けられた溝部２６に接着剤２７を介して固定されている。

圧力検出部１１は、圧力基準室２３と圧力測定室１９とを分離するようにケース１０に収容されていると共に、大気の大気圧と圧力媒体の圧力との差圧を検出するセンサ部である。圧力検出部１１は、ケース１０の穴部１４の底部に配置されている。このような圧力検出部１１は、ステム２８と、台座２９と、センサチップ３０と、を有している。

ステム２８はケース１０からセンサチップ３０への応力伝達を抑制するための円板状の部品である。ステム２８は、中空部が圧力導入孔１８に通じるように穴部１４の底部に固定されている。ステム２８は例えばセラミック材料によって形成されている。

台座２９は、センサチップ３０を固定するためのセンサチップ３０と同形状の部品であり、センサチップ３０と陽極接合されたガラス部品である。ガラス台座２９は、中空部がステム２８の中空部を介して圧力導入孔１８に通じるようにステム２８に固定されている。

センサチップ３０は、例えばシリコン基板等の半導体基板に対してＣＭＯＳトランジスタ等が半導体プロセスで形成された半導体部品である。センサチップ３０は、物理量として圧力を検出するように構成されたセンシング部を有している。具体的には、センサチップ３０は歪み部としてのダイヤフラムを有し、このダイヤフラムに拡散抵抗などにより形成されたブリッジ回路等を備えたセンシング部を有している。すなわち、センシング部は、ピエゾ抵抗効果を利用して圧力を検出するように構成されている。

また、センサチップ３０には、センシング部に対して駆動信号を出力することや、センシング部からの電気信号を入力し、演算・増幅処理して外部へ出力すること等の機能を有する制御回路等が形成されている。そして、センサチップ３０はワイヤ３１を介してターミナル１６に電気的に接続されている。

さらに、センサチップ３０は、ダイヤフラムの一方の面が圧力基準室２３側に向けられると共に、ダイヤフラムの他方の面が圧力測定室１９側に向けられて台座２９に固定されている。これにより、センサチップ３０は圧力測定室１９から圧力基準室２３に通じる空間をそれぞれ別々の空間に分離している。したがって、センサチップ３０は、ダイヤフラムの一方の面で圧力基準室２３に導入された大気の大気圧を受けると共に、ダイヤフラムの他方の面で圧力測定室１９に導入された圧力媒体の圧力を受け、各圧力の差圧に応じた電気信号を出力する。

上記の構成の圧力検出部１１は、台座２９の一部及びステム２８がゴム部材３２で覆われている。また、ゴム部材３２及びセンサチップ３０が電気絶縁性及び耐薬品性に優れたフッ素ゲルやフッ素ゴム等からなるゲル部材３３で覆われている。これにより、センサチップ３０、ターミナル１６の一部、ワイヤ３１、センサチップ３０とワイヤ３１との接続部、及びワイヤ３１とターミナル１６との接続部が被覆され、異物からの保護、電気的な絶縁性の確保、並びに防食などが図られている。

次に、圧力基準室２３に大気を導入するための具体的な構造について説明する。図２に示されるように、ケース１０は圧力基準室２３に大気を導入するための複数の大気導入孔３４、３５、３６を有している。

具体的には、ケース１０は、大気導入孔として、底面２２と穴部１４とを繋ぐ第１大気導入孔３４と、側面２１と穴部１４とを繋ぐ第２大気導入孔３５及び第３大気導入孔３６と、を有している。図３に示されるように、第１大気導入孔３４はケース１０の側面部１３の底面２２に通じるように側面部１３に孔が設けられている。

各大気導入孔３４〜３６と外部とを繋ぐ部分を入口とし、各大気導入孔３４〜３６と穴部１４とを繋ぐ部分を出口とすると、図２に示されるように、各大気導入孔３４〜３６の各出口側は一つにまとめられた合流孔３７となっている。合流孔３７は大気導入孔３４〜３６の一部である。これらの大気導入孔３４〜３６を介して大気がケース１０の穴部１４に導入される。

また、第２大気導入孔３５と第３大気導入孔３６とは側面部１３においてそれぞれ異なる位置に形成されている。本実施形態では、第２大気導入孔３５は側面部１３において第３大気導入孔３６とは反対側に位置している。そして、第２大気導入孔３５及び第３大気導入孔３６は、入口側が出口側よりもポート部１２の先端側に位置している。

第１大気導入孔３４の大気導入経路は、結露時の排水経路も兼ねている。また、第１大気導入孔３４が閉塞した場合も、第２大気導入孔３５及び第３大気導入孔３６から圧力センサ内部の水分が抜ける構造となっている。

さらに、ケース１０は、側面部１３の側面２１の一部が凹んだ凹部３８を有している。この凹部３８はポート部１２の径方向に凹んでいる。凹部３８はいわゆる肉盗み部である。そして、第２大気導入孔３５が一方の凹部３８と穴部１４とを接続している。第３大気導入孔３６が他方の凹部３８と穴部１４とを接続している。すなわち、凹部３８は第２大気導入孔３５や第３大気導入孔３６の一部を兼ねている。このような構造により、第２大気導入孔３５及び第３大気導入孔３６は、凹部３８の存在によって直接的な異物の侵入を防止することができる。

そして、第１大気導入孔３４は、第２大気導入孔３５及び第３大気導入孔３６よりもケース１０の底面２２側に設けられている。第１大気導入孔３４の入口は、ポート部１２の延設方向において、第２大気導入孔３５及び第３大気導入孔３６の各入口よりもポート部１２の先端側に位置している。これにより、各大気導入孔３４〜３６からケース１０の内部に侵入した水分や異物を容易に排出することができる。

次に、ケース１０に設けられた迷路構造３９について説明する。図１及び図２に示されるように、ケース１０は、外部から各大気導入孔３４〜３６を介して圧力検出部１１に至る経路に迷路構造３９を有している。迷路構造３９は、各大気導入孔３４〜３６の各入口から圧力検出部１１に至る経路が複雑に入り組んでいる構造である。迷路構造３９が各大気導入孔３４〜３６と圧力検出部１１とを繋いでいるとも言える。そして、第１大気導入孔３４は底面２２と迷路構造３９とを繋いでいる。また、第２大気導入孔３５及び第３大気導入孔３６は側面２１と迷路構造３９とを繋いでいる。

本実施形態では、迷路構造３９は、リッド１７の形状とケース１０の形状とによって構成されている。具体的には、リッド１７は、当該リッド１７のうち穴部１４側の一面４０に設けられた凸部４１を有している。本実施形態では凸部４１はロッド状である。なお、凸部４１は複数設けられていても良い。

そして、リッド１７が穴部１４を覆うようにケース１０に固定されたときに、凸部４１が合流孔３７の孔壁面４２と離間するように合流孔３７すなわち各大気導入孔３４〜３６の一部に配置されることで迷路構造３９が構成されている。蟻等の昆虫の内部への侵入を防止するため、孔壁面４２と凸部４１との隙間を０．１５ｍｍ以下とすることが好ましい。このように、リッド１７に設けられた凸部４１によって迷路構造３９を構成することができる。

さらに、ケース１０は穴部１４の内壁面に設けられた突起構造４３を有している。具体的には、突起構造４３は、穴部１４の底部側からリッド１７側に突出するように壁状に設けられている。この突起構造４３は、リッド１７がケース１０に装着されたときにリッド１７に接触しないように設けられている。すなわち、迷路構造３９は、突起構造４３がリッド１７と離間するように開口部１５の内壁面に設けられることで構成されている。

以上説明したように、本実施形態では、リッド１７の凸部４１及びケース１０の突起構造４３によってケース１０に迷路構造３９が設けられていることが特徴となっている。これにより、各大気導入孔３４〜３６を介して水分や異物が圧力センサ内に入り込んだとしても、水分や異物は迷路構造３９のいずれかの場所で引っ掛かる。

例えば、図４に示されるように、各大気導入孔３４〜３６の各入口から圧力検出部１１に至る経路が矢印で示されている。この矢印の経路のうち点線で囲まれた部分に示されるように、リッド１７の凸部４１と合流孔３７の孔壁面４２との隙間や、突起構造４３とリッド１７の一面４０との隙間に異物が引っ掛かる。そして、異物が圧力センサ内に進入して迷路構造３９の一部の経路が閉塞されたとしても、他の経路は外部と繋がっている。したがって、異物による大気導入の閉塞を防止することができる。また、迷路構造３９により、穴部１４への異物の侵入を防止することができる。

また、迷路構造３９そのものが異物の進入を阻止するので、各大気導入孔３４〜３６の各入口から圧力検出部１１に至る経路にフィルタ等の他の部品を設ける必要がない。もちろん、フィルタの交換も不要である。さらに、部品点数を削減することができるので、圧力センサの製造工程数を削減することができる。フィルタ等の部品が不要であることから、圧力センサの構造の自由度を向上させることができ、ひいては測定対象に対する搭載レイアウトの自由度も増大させることができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、図５に示されるように、第２大気導入孔３５は、ケース１０の側面部１３の側面２１と迷路構造３９とを繋ぐように設けられている。また、第２大気導入孔３５は、ポート部１２の径方向に平行な方向に延びるように形成されている。このように第２大気導入孔３５がケース１０に形成されていても良い。なお、第３大気導入孔３６についても、第２大気導入孔３５と同様に、ポート部１２の径方向に平行な方向に延びるように形成されていても良い。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１、第２実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、外部機器から防水コネクタ部２４を介して大気を圧力基準室２３に導入する構造が特徴となっている。

図６の点線で示されるように、ケース１０の開口部１５と穴部１４とを繋ぐように第４大気導入孔４４が形成されている。また、図７に示されるように、第４大気導入孔４４の入口は、例えば２本のターミナル１６の間に設けられている。さらに、図８に示されるように、第４大気導入孔４４は、ポート部１２の径方向に平行に延びる部分と、ポート部１２の延設方向に平行な方向に延びる部分と、で構成されている。

そして、穴部１４のうち圧力検出部１１と第４大気導入孔４４の出口との間に、穴部１４の底部側からリッド１７側に突出すると共にリッド１７と離間するように壁状の突起構造４３が設けられている。これにより、第４大気導入孔４４から圧力検出部１１に至る経路に、突起構造４３とリッド１７との隙間が狭くされた迷路構造３９が形成されている。すなわち、第４大気導入孔４４は、開口部１５と迷路構造３９とを繋ぐように設けられている。

大気は、防水コネクタ部２４に接続された外部機器を介して開口部１５に到達し、第４大気導入孔４４を介して穴部１４に導かれる。上記の構成によると、第４大気導入孔４４は防水コネクタ部２４に覆われているので、第４大気導入孔４４から水分や異物が侵入することを防止することができる。

ここで、防水コネクタ部２４に外部コネクタ等が装着された際には、圧力センサ内部の内圧が増加し、センサ出力の変動や誤判定の可能性がある。そこで、図８に示されるように、ケース１０の側面部１３に穴部１４と外部とを繋ぐリリーフ弁としての孔４５を設けることが好ましい。これにより、防水コネクタ部２４に外部コネクタ等が装着されたときの圧力センサの内圧上昇分を逃がすことができる。

孔４５は、蟻等の昆虫の内部への侵入を防止するため、幅を０．１５ｍｍ以下とすることが好ましい。

孔４５はリリーフ弁の役目で設けられたものであり、閉塞しても問題ない。閉塞した場合は、穴部１４への水分等の侵入を防止することができるので問題ない。また、孔４５が閉塞状態であっても、外部コネクタ等が防水コネクタ部２４に装着されたときの穴部１４の内圧で、孔４５に詰まった異物や水分が吹き飛ばされる。なお、圧力基準室２３の大気圧を一定に保つことができる構造がケース１０に設けられている場合には孔４５は不要である。

（第４実施形態）
本実施形態では、第３実施形態と異なる部分について説明する。図９に示されるように、リッド１７は一面４０のうち第４大気導入孔４４に対応した位置にロッド状の凸部４１を有している。そして、リッド１７が穴部１４を覆うようにケース１０に固定されたときに、凸部４１の先端部が第４大気導入孔４４の孔壁面４６と離間するように第４大気導入孔４４の一部に配置されることで迷路構造３９が構成されている。これにより、迷路構造３９をさらに複雑な経路にすることができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された圧力センサの構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、圧力センサは車載用に限られない。

また、第１、第２実施形態のように、冗長設計のためには大気導入孔３４〜３６は複数設けられていることが好ましいが、大気導入孔は１つでも良い。すなわち、大気導入孔は、ケース１０の側面部１３の側面２１及び底面２２のうちのいずれかと迷路構造３９とを繋ぐように設けられていれば良い。一方、第３、第４実施形態では１つの第４大気導入孔４４が示されているが、開口部１５と穴部１４とを繋ぐ大気導入孔は複数設けられていても良い。

上記各実施形態では、穴部１４に突起構造４３が設けられていたが、突起構造４３が設けられていない構造としても良い。また、突起構造４３は上述した形状に限らず、他の形状としても良い。

上記各実施形態では、迷路構造３９を構成する凸部４１はロッド状であったが、板状等の他の形状でも良い。凸部４１が板状となることで、迷路構造３９をスリット形状にすることができる。ケース１０の穴部１４や各大気導入孔３４〜３６、４４の出口側の形状に合わせて凸部４１の形状を適宜設定することができる。

１０ ケース
１１ 圧力検出部
１９ 圧力測定室
２３ 圧力基準室
３４〜３６、４４ 大気導入孔
３９ 迷路構造

Claims (9)

1. 外部から大気導入孔（３４〜３６、４４）を介して大気が導入される圧力基準室（２３）と、測定対象の圧力媒体が導入される圧力測定室（１９）と、を有するケース（１０）と、
   前記圧力基準室（２３）と前記圧力測定室（１９）とを分離するように前記ケース（１０）に収容されていると共に、前記大気の大気圧と前記圧力媒体の圧力との差圧を検出するように構成された圧力検出部（１１）と、
   を備え、
   前記ケース（１０）は、外部から前記大気導入孔（３４〜３６、４４）を介して前記圧力検出部（１１）に至る経路に迷路構造（３９）を有していることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記ケース（１０）は、前記圧力検出部（１１）が配置された穴部（１４）と、前記穴部（１４）を閉じるように当該ケース（１０）に取り付けられることで前記圧力基準室（２３）を構成するリッド（１７）と、前記リッド（１７）のうち前記穴部（１４）側の一面（４０）に設けられた凸部（４１）と、を有しており、
   前記迷路構造（３９）は、前記凸部（４１）が前記大気導入孔（３４〜３６、４４）の孔壁面（４２、４６）と離間するように前記大気導入孔（３４〜３６、４４）の一部に配置されることで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記凸部（４１）は、ロッド状であることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
4. 前記凸部（４１）は、板状であることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
5. 前記ケース（１０）は、前記圧力検出部（１１）が配置された穴部（１４）と、前記穴部（１４）を閉じるように当該ケース（１０）に取り付けられることで前記圧力基準室（２３）を構成するリッド（１７）と、前記穴部（１４）の内壁面に設けられた突起構造（４３）と、を有しており、
   前記迷路構造（３９）は、前記突起構造（４３）が前記リッド（１７）と離間するように前記開口部（１５）の内壁面に設けられることで構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の圧力センサ。
6. 前記ケース（１０）は、側面部（１３）と、前記側面部（１３）の一部に設けられた開口部（１５）に外部機器が接続されることにより前記外部機器と前記圧力検出部（１１）とを電気的に接続するための防水コネクタ部（２４）と、を有しており、
   前記大気導入孔（３４〜３６、４４）は、前記ケース（１０）の側面部（１３）の側面（２１）及び底面（２２）のうちのいずれかと前記迷路構造（３９）とを繋ぐように設けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の圧力センサ。
7. 前記ケース（１０）の側面部（１３）は、当該側面部（１３）の側面（２１）が凹んでいると共に前記大気導入孔（３４〜３６、４４）の一部を兼ねた凹部（３８）を有していることを特徴とする請求項６に記載の圧力センサ。
8. 前記ケース（１０）は、前記側面部（１３）の側面（２１）に接する底面（２２）を有しており、
   さらに、前記ケース（１０）は、前記大気導入孔として、前記底面（２２）と前記迷路構造（３９）とを繋ぐ第１大気導入孔（３４）と、前記側面（２１）と前記迷路構造（３９）とを繋ぐ第２大気導入孔（３５）と、前記側面（２１）のうち前記第２大気導入孔（３５）とは異なる位置と前記迷路構造（３９）とを繋ぐ第３大気導入孔（３６）と、を有しており、
   前記第１大気導入孔（３４）は、前記第２大気導入孔（３５）及び前記第３大気導入孔（３６）よりも前記ケース（１０）の底面（２２）側に設けられていることを特徴とする請求項６または７に記載の圧力センサ。
9. 前記ケース（１０）は、側面部（１３）と、前記側面部（１３）の一部に設けられた開口部（１５）に外部機器が接続されることにより前記外部機器と前記圧力検出部（１１）とを電気的に接続するための防水コネクタ部（２４）と、を有しており、
   前記大気導入孔（３４〜３６、４４）は、前記開口部（１５）と前記迷路構造（３９）とを繋ぐように設けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の圧力センサ。

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