JP2015210243A - センシング装置、及び、タイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】振動を利用して発電を行う発電装置及びセンサを備えたセンシング装置において、センシング精度への影響を小さくできるとともに、発電量を向上させることが可能なセンシング装置等を提供する。【解決手段】本発明のセンシング装置１０は、振動を利用して発電を行うことが可能な発電部４を備えた発電装置１と、センサ１１と、発電装置及びセンサが取付けられる取付部材１４と、を備え、取付部材１４は、取付対象部６に固定されるとともにセンサ１１が取付けられる取付ベース部１５と、一端が取付ベース部に固定された固定端となり他端が自由端となった梁１６と、を備え、センサ１１が取付ベース部１５における梁１６の固定端側に取付けられるとともに、発電装置１が梁の自由端側に取付けられ、前記発電部４がタイヤの周方向に沿って振動するように前記取付ベース部１５がタイヤのトレッド部下に対応するタイヤの内面に取付けられたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、振動を利用して発電を行う発電手段及びセンサを備えたセンシング装置等に関する。

センサ、発電装置、通信装置等を一体化したセンシング装置をタイヤの内面に装着して、タイヤの状態等を運転者にリアルタイムで知らせるシステムが知られている（特許文献１等照）。

特許第５２５６３８１号公報

しかしながら、振動を利用して発電を行う発電装置を備えたセンシング装置を構成する場合、発電装置で生じた振動がセンサのセンシング精度に悪影響を及ぼす可能性がある。
特に、近年、車両が走行している路面の状態を判定するために、１軸の加速度、温度、タイヤ空気圧を検知するセンシング装置が開発され、発電装置で生じた振動が加速度センサに影響し、センシング精度に悪影響を及ぼす可能性がある。
本発明は、振動を利用して発電を行う発電装置及びセンサを備えたセンシング装置において、センシング精度への影響を小さくできるとともに、発電量を向上させることが可能なセンシング装置を提供する。

本発明に係るセンシング装置は、振動を利用して発電を行うことが可能な発電部を備えた発電装置と、センサと、前記発電装置及び前記センサが取付けられる取付部材と、を備え、前記取付部材は、取付対象部に固定されるとともに前記センサが取付けられる取付ベース部と、一端が前記取付ベース部に固定された固定端となり他端が自由端となった梁と、を備え、前記センサが前記取付ベース部における梁の固定端側に取付けられるとともに、前記発電装置が前記梁の自由端側に取付けられ、前記発電部がタイヤの周方向に沿って振動するように前記取付ベース部がタイヤのトレッド部下に対応するタイヤの内面に取付けられたので、センシング精度への影響を小さくできるとともに、発電量を向上させることが可能なセンシング装置を得ることができる。
また、前記梁と前記発電装置とで構成された構造物の固有振動数と前記発電装置の固有振動数とが一致するように構成されたので、共振効果が最大となり、発電装置の発電部の振動がより大きくなるため、発電量をより向上させることができる。
本発明に係るセンシング装置を備えたタイヤは、前記センシング装置の梁が、前記取付ベース部より立ち上がる立ち上がり部と、立ち上がり部の延長端より延長して取付ベース部と平行に対向するように設けられた対向部と、を備え、前記対向部がタイヤの周方向に沿って延長するように、前記取付ベース部がタイヤの内面に取付けられたので、タイヤの転動に伴って生じる慣性力によって梁の振動が大きくなり、発電量をより向上させることができるセンシング装置を備えたタイヤを得ることができる。
また、本発明に係るセンシング装置を備えたタイヤは、前記発電部がタイヤの周方向に沿って振動するように、又は、前記発電部がタイヤの幅方向に沿って振動するように、前記取付ベース部がタイヤの内面に取付けられたので、発電部の振動が大きくなり、発電量をより向上させることができるセンシング装置を備えたタイヤを得ることができる。
また、前記取付ベース部がタイヤのトレッド部下に対応するタイヤの内面に取付けられたタイヤを構成すれば、発電部をタイヤの周方向に振動させる力が発電部に効果的に働くようになり、発電量をより向上させることができるセンシング装置を備えたタイヤを得ることができる。

センシング装置の斜視図。 図１の右下側から見たセンシング装置の側面図。 図２の左下側から見たセンシング装置の正面図。 発電装置の斜視図。 （ａ）は図４の左下側から見た発電装置の正面図、（ｂ）は図４の右下側から見た発電装置の側面図。 タイヤの内面にセンシング装置が取付けられたタイヤを示す断面図。 センシング装置の斜視図。 タイヤの内面にセンシング装置が取付けられたタイヤを示す断面図。

以下、発明の実施形態を通じて本発明を詳説するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明される特徴の組み合わせのすべてが発明の解決手段に必須であるとは限らず、選択的に採用される構成を含むものである。

図１に示すように、実施形態に係るセンシング装置１０は、振動を利用して発電を行う発電装置１と、センサ１１と、通信装置１２と、蓄電装置１３と、これら部品が取付けられる取付部材１４と、を備えた構成である。
センシング装置１０は、例えば、タイヤ６０の内面７０（取付対象部６）に取付けられて、車両が走行している路面の状態を推定するためのタイヤ６０の接地面の情報を収集する装置である（図６参照）。

発電装置１は、例えば、図４に示すように、固定部２と、錘構成部３と、一端部が固定部２に固定されて固定端となり自由端となる他端部に錘構成部３が取付けられた発電部４と、一端部が固定部２に固定されて固定端となり自由端となる他端部に錘構成部３が取付けられた連結部５と、を備えた構成である。

固定部２は、例えば合成樹脂、ゴム、金属等の矩形板により形成され、発電部４を構成する複数の発電素子４０；４０…の一端部及び連結部５の一端部が当該矩形板の一方の板面に固定され、当該矩形板の他方の板面が取付部材１４における後述する梁１６の自由端１６ｔ側に取付けられる部材である。

錘構成部３は、例えば合成樹脂、ゴム、金属等の矩形板により形成された錘板３ａと、当該錘板の一方の板面にぶら下がるように設けられた錘体３ｂとを備え、発電部４を構成する複数の発電素子４０；４０…の他端部及び連結部５の他端部が当該錘板の一方の板面に固定される。当該錘構成部３は、応力を受けた場合に、発電部４の各発電素子４０及び連結部５を撓ませて、当該各発電素子４０及び連結部５に振動を付与する部材である。

発電部４は、振動を利用して発電を行う発電手段（振動発電手段）としての複数の発電素子４０；４０；４０…が隣り合うように並列に配列されて構成される。発電素子４０は、一方向に長く延長する長尺状に形成される。

発電素子４０は、例えば、圧電材料を電極で挟んで形成された圧電素子により構成される。
尚、圧電材料は、脆性材料であり、曲げや衝撃に対して弱い材料であるため、発電素子４０として圧電素子を用いる場合、圧電素子を剛性部材に張り合わせる等して圧電素子の強度を補強することが好ましい。
発電素子４０の一端部を固定して発電素子４０の固定端とし、発電素子４０の自由端に端部に力を作用させて発電素子４０を振動させた場合に発電素子に発生する電圧（起電力）が蓄電装置１３に蓄えられるように構成されている。

連結部５は、例えば合成樹脂、金属等により一方向に長く延長する長尺状に形成された１本以上の梁５０により構成され、梁５０の一端部が固定部２の一方の板面に連結され、梁５０の他端部が錘構成部３の一方の板面に連結されることによって、固定部２と錘構成部３とを連結して、発電部４のねじり変形を抑制するための部材である。

固定部２の一方の板面には、発電素子４０の長手方向一端部、及び、連結部５の長手方向一端部が挿入される溝８が形成され、複数の発電素子４０及び梁５０の当該長手方向一端部が当該溝８の溝底に接着剤等で固定されている。
錘構成部３の一方の板面には、発電素子４０の長手方向他端部、及び、連結部５の長手方向他端部が挿入される溝９が形成され、複数の発電素子４０及び梁５０の当該長手方向他端部が当該溝９の溝底に接着剤等で固定されている。
溝８は固定部２の一方の板面に沿った方向にまっすぐに延長する溝により形成され、溝９は錘構成部３の一方の板面に沿った方向にまっすぐに延長する溝により形成される。

連結部５は、例えば、２本の梁５０ａ；５０ｂにより形成され、一方の梁５０ａの一端部が固定部２の溝８の延長方向の一端部の溝底に固定され、一方の梁５０ａの他端部が錘構成部３の溝９の延長方向の一端部の溝底に固定され、さらに、他方の梁５０ｂの一端部が固定部２の溝８の延長方向の他端部の溝底に固定され、他方の梁５０ｂの他端部が錘構成部３の溝９の延長方向の他端部の溝底に固定されたことによって、固定部２に固定されている端が固定端、錘構成部３に固定されている端が自由端となる片持ち梁となるように構成され、かつ、溝８及び溝９の延長方向に沿った溝底の中心線が同一平面上に位置して溝８及び溝９が平行に向かい合うように配置されることになる。
尚、梁５０ａ；５０ｂは、例えば、発電素子４０と同じように、一方向に長く延長する長尺状に形成される（図４参照）。

錘構成部３は、溝９を境界とした一方部３１と他方部３２とが当該溝９を中心として対称な形状（同じ形状）でかつ同じ重量に構成されている（図５（ｂ）参照）。
錘構成部３は、一方部３１と他方部３２とがそれぞれ錘体３ｂを備え、外力を受けた場合に、一方部３１及び他方部３２が溝８を中心とした曲げ変形によって揺動しやすいように構成されている。

発電部４を構成する複数の発電素子４０；４０…は、梁５０ａと梁５０ｂとの間に位置される溝８；溝９の延長方向中央部側において、それぞれ溝８；９の延長方向に沿って隣り合って並ぶように並列配置され、発電素子４０の一端部が固定部２の溝８の延長方向中央部側の溝底に固定され、発電素子４０の他端部が錘構成部３の溝９の延長方向中央部側の溝底に固定されたことによって、固定部２に固定されている端が固定端、錘構成部３に固定されている端が自由端となる片持ち梁となるように構成される。

尚、複数の発電素子４０；４０…は、互いに所定の間隔を隔てて隣り合うように設けられ、かつ、発電素子４０と梁５０ａとが互いに所定の間隔を隔てて隣り合うように設けられているので、発電素子４０及び梁５０ａが撓んだ際に隣り合う部材同士の接触を防止でき、部材の耐久性を向上できる（図５（ａ）参照）。尚、図５（ａ）；図３では錘体３ｂの図示を省略している。

そして、前記２つの梁５０ａ；５０ｂにより構成されて固定部２と錘構成部３とに連結された連結部５の剛性が、前記複数の発電素子４０；４０…により構成されて固定部２と錘構成部３とに連結された発電部４の剛性よりも大きくなるように構成されている。

尚、錘構成部３が溝８を中心とした曲げ変形によって振動した場合、複数の複数の発電素子４０；４０…及び梁５０ａ；５０ｂの板面が撓んで（歪んで）、これら複数の発電素子４０；４０…及び梁５０ａ；５０ｂが振動するように構成されている。
具体的には、発電素子４０、及び、梁５０ａ；５０ｂは、溝８；溝９に沿った方向に直交する方向の長さ（板厚）が、溝８；溝９に沿った方向の長さ（板幅）よりも短い寸法の細長い薄板状に形成されている（図４参照）。

発電装置１の固定部２が取付部材１４の梁１６の自由端１６ｔ側に取付けられた場合、梁５０ａ；５０ｂ及び複数の発電素子４０；４０…は、固定部２に連結されている端が固定端、錘構成部３に連結されている端が自由端となる片持ち梁となり、当該錘構成部３に応力が加わって、当該錘構成部３が溝８を中心とした曲げ変形によって揺れ動く（振動する）のに伴って、連結部５及び発電部４が同じ方向に撓んで振動しやすくなる。
当該発電装置１によれば、連結部５よりも剛性が小さくねじりが発生しやすい発電部４の複数の発電素子４０の配列方向の両端側に連結部５を形成する梁５０ａ；５０ｂを設けたので、発電部４よりも剛性が大きい連結部５によって発電部４のねじり変形をより効果的に抑制することができる。

尚、連結部５を備えずに、複数の発電素子４０；４０…を互いに隣り合うように配列して固定部２と錘構成部３とに連結することで発電部４を構成した場合、発電部４の剛性が高くなると、発電素子４０に加わる歪が低減するために、発電量が小さくなる。
よって、発電素子４０の剛性を小さくして発電素子４０を撓み易いように構成する場合、発電部４のねじり剛性まで低下してしまうため、複数の発電素子４０に同位相の歪を与えることができなくなり、発電量を向上させることができなくなる。
そこで、当該発電装置１では、当該錘構成部３に応力が加わった場合に、発電部４のねじり変形を抑制でき、発電部４を構成する複数の発電素子４０；４０…が同じ方向に撓んで、複数の発電素子４０；４０…に同位相の歪を与えることができるようにするために、発電部４の剛性よりも剛性の大きい連結部５を設けるようにした。

当該発電装置１の構成によれば、発電部４がねじれようとしても連結部５の剛性が大きいため発電部４のねじり変形が抑制されるとともに、梁５０ａ；５０ｂ及び複数の発電素子４０；４０…が同じ方向に撓む場合には、梁５０ａ；５０ｂと同じ撓み量だけ撓むので、複数の発電素子４０；４０…に同位相の歪を与えることができるようになるため、発電能力の大きい発電装置１となる。

取付部材１４は、図１乃至図３に示すように、例えば平板状に形成された取付ベース部１５と、当該取付ベース部１５の一端から延長するように設けられた梁１６を備えて構成される。取付ベース部１５及び梁１６は、例えば平板により形成される。
梁１６は、板面が取付ベース部１５の板面と垂直をなすように設けられた立ち上がり部としての立ち上がり板１６ａと、立ち上がり板１６ａの延長端１６ｃより方向を変えて延長して板面が取付ベース部１５の板面と平行に対向するように設けられた対向部としての対向板１６ｂと、を備えて構成される。
尚、取付部材１４は、一体の取付ベース部１５と梁１６とで形成された構成、あるいは、別体に形成された取付ベース部１５と梁１６とが連結されて形成された構成であればよい。
そして、取付ベース部１５の一方の板面１５ａが取付対象部６に固定されることで、一端が取付ベース部１５に固定された固定端１６ｅとなり他端が自由端１６ｔとなった梁１６が形成される。

センサ１１は、取付ベース部１５の板面１５ｂ上において梁１６の固定端１６ｅ側に取付けられる。
尚、センサ１１は、例えば、加速度センサ、圧力センサ、温度センサのうち、少なくとも加速度センサを含む１つ又は複数のセンサにより構成される。
発電装置１は、梁１６における対向板１６ｂの自由端１６ｔ側において、取付ベース部１５の板面１５ｂと向かい合う内側の板面１６ｄに固定部２が取付けられることにより、センシング装置１０に搭載される。
通信装置１２は、取付ベース部１５の板面１５ｂ上に設けられて、センサ１１で検出されたデータを図外の車に設けられた解析装置に送信する。そして、解析装置は、路面の状態、タイヤの状態等を推定し、その推定データを車内の表示装置に画像及び音声などで運転者などに知らせる。尚、取付部材１４を金属等で構成すれば、取付部材１４を通信装置１２のアンテナとして使用できる。
蓄電装置１３は、取付ベース部１５の板面１５ｂ上に設けられて、発電装置１により発電された電力を充電して蓄える装置である。

尚、梁１６の対向板１６ｂは、例えば、立ち上がり板１６ａの延長端１６ｃより自由端１６ｔまで延長する延長方向の長さが、当該延長方向と直交する幅方向の長さよりも長い長方形平板により形成される。
また、立ち上がり板１６ａの高さ寸法長さは、対向板１６ｂの板面１６ｄに取付けられた発電装置１の錘構成部３と、取付ベース部１５の板面１５ｂに取付けられたセンサ１１、通信装置１２、蓄電装置１３とが接触しないような長さに設定されている。

発電装置１は、発電素子４０；４０…の配列方向Ｚと梁１６の対向板１６ｂの幅方向とが同じ方向になるように対向板１６ｂの板面１６ｄに取付けられている。言い換えれば、発電装置１は、発電素子４０の磁歪体４１の板面が対向板１６ｂの延長方向と直交する板面となるように対向板１６ｂの板面１６ｄに取付けられている。

そして、梁１６の固定端１６ｅから当該梁１６を経由した発電装置１の取付位置までの最短距離Ａと、梁１６の固定端１６ｅからセンサ１１の取付位置までの最短距離Ｂとの関係が、距離Ａ＞距離Ｂに設定されている。

また、発電装置１の発電部４の振動が共振により大きくなるように、梁１６と発電装置１とで構成された構造物の固有振動数と発電装置１の固有振動数とを一致させた。

実施形態のセンシング装置１０によれば、梁１６と発電装置１とで構成された構造物の固有振動数と発電装置１の固有振動数とを一致させたので、発電装置１の発電部４の共振効果が最大となり、発電装置１の発電部４の振動がより大きくなるため、発電量をより向上させることができる。さらに、取付ベース部１５の板面１５ｂ上において梁１６の固定端１６ｅ側にセンサ１１を取付けたので、センサ１１が発電装置１の振動の影響を受けにくくなる。
即ち、振動を利用して発電を行う発電装置１及びセンサ１１を備えたセンシング装置において、センシング精度への影響を小さくできるとともに、発電量を向上させることができるセンシング装置１０を得ることができる。

実施形態のセンシング装置１０を、図６に示すように、タイヤ６０の内面７０に取付けることでセンシング装置１０を備えたタイヤを構成できる。
例えば、センシング装置１０の梁１６の対向板（対向部）１６ｂがタイヤ６０の周方向に沿って延長し、かつ、複数の発電素子４０；４０…の配列方向Ｚが、タイヤ６０の赤道面６０Ｘと直交するように、センシング装置１０の取付ベース部１５がタイヤ６０のトレッド部６２下に対応するタイヤ６０の内面７０に取付けられたことで、タイヤ６０が転動した場合に、複数の発電素子４０；４０…がタイヤ６０の周方向に変形しやすくなり、発電部４がタイヤ６０の周方向に沿って振動するので、発電能力の大きい発電装置１を備えたタイヤとなる。
尚、対向板（対向部）１６ｂがタイヤ６０の周方向に沿って延長するように、取付ベース部１５がタイヤ６０の内面７０に取付けられたことによって、タイヤ６０の転動に伴って生じる慣性力によって梁１６の振動が大きくなり、発電量をより向上させることができる。
また、取付ベース部１５がタイヤ６０のトレッド部６２下に対応するタイヤ６０の内面７０に取付けられたタイヤを構成すれば、発電部４をタイヤ６０の周方向に振動させる力が当該発電部４に効果的に働くようになり、発電量をより向上させることができるようになる。

尚、タイヤ６０は、カーカス６０Ａと、ベルト６１と、トレッド部６２と、ビード部６３と、サイドウォール部６４と、ショルダー部６５と、を備えて構成される。カーカス６０Ａは、タイヤ６０の内面７０側からタイヤ６０の外面７１側に向けて積層された複数のコード層が一対のビード部６３；６３間をトロイド状に跨るように配設され、例えば、内層側の複数層は両端が該ビード部６３のビードコア６６に対してタイヤ幅方向内側から外側へ折り返されるターンアッププライとなっており、外層側の複数層は両端が該ビード部６３のビードコア６６に対してタイヤ幅方向外側から内側へ折り返されるダウンプライとなっている。ベルト６１は、カーカス６０Ａとトレッド部６２との間に設けられる。トレッド部６２は、カーカス６０Ａ及びベルト６１のタイヤ径方向外側に配置されている。トレッド部６２の表面には、タイヤ周方向に延びる複数の周方向主溝６７が形成されている。

また、図７に示すように、発電素子４０；４０…の配列方向と梁１６の対向板１６ｂの幅方向とが同じ方向になるように発電装置１が対向板１６ｂに取付けられた構成のセンシング装置１０を用い、センシング装置１０の梁１６の対向板（対向部）１６ｂがタイヤ６０の周方向に沿って延長し、かつ、図８に示すように、複数の発電素子４０；４０…が、タイヤ６０の赤道面６０Ｘと同一平面上又はタイヤ６０の赤道面６０Ｘと平行な平面上に位置されるように、センシング装置１０の取付ベース部１５がタイヤ６０のトレッド部６２下に対応するタイヤ６０の内面７０に取付けられたタイヤとしてもよい。

また、センシング装置１０が、タイヤ６０のトレッド部６２下に対応するタイヤ６０の内面７０の周方向に沿って均等な間隔を隔てて複数配置されたタイヤを構成すれば、発電能力が大きくて、かつ、ユニフォーミティの優れたタイヤを得ることができる。

また、センシング装置１０が、トレッド部６２の陸部６８下に対応するタイヤ６０の内面７０に取付けられた構成とすることが好ましい。このようにすれば、トレッド部６２の周方向主溝６７等の溝部の変形等の影響を受けにくくでき、発電装置１への外乱入力を抑制でき、発電部４のねじれ等が生じにくくなるので、好ましい。

上記では、圧電素子を使用した発電素子４０を備えた発電装置１を説明したが、発電素子として圧電素子以外の振動発電素子を利用した発電装置を用いてもよい。例えば、特許文献１に開示されたように、可変容量の一方の電極に電荷を与え、対向する他方の電極へ静電誘導により電荷を誘起する静電誘導型振動発電装置を用いてもよい。

また、発電装置１においては、連結部５の配置は特に限定されない。即ち、錘構成部３に応力が加わった場合に、発電部４のねじり変形を抑制して発電部４を構成する各発電手段に同位相の振動、あるいは、同位相に近い振動を付与することができるように構成された連結部５を備えていればよい。
また、発電装置１が取付けられる対象、即ち、発電装置１の取付対象部はタイヤ６０の内面に限られない。即ち、本発明の発電装置は、固定部が取付対象部に固定されて発電部が振動することで発電を行う構成であるので、固定部を様々な取付対象部に取付けて、発電能力の大きい発電装置を構成することが可能となる。

また、梁１６の断面Ｌ状に屈曲した形状の梁を備えたセンシング装置１０を説明したが、梁１６の形状は特に限定されるものではない。
即ち、梁の固定端から発電装置の取付位置までの最短距離Ａと、梁の固定端からセンサの取付位置までの最短距離Ｂとの関係を、距離Ａ＞距離Ｂに設定でき、しかも、発電装置１の発電部４の振動が共振により大きくなるように、梁と発電装置とで構成された構造物の固有振動数を、発電装置の固有振動数と一致、又は、発電装置の固有振動数に近い値に設定できる梁を備えていればよい。

１ 発電装置、４ 発電部、６ 取付対象部、１０ センシング装置、１１ センサ、１４ 取付部材、１５ 取付ベース部、１６ 梁、
１６ａ 立ち上がり板（立ち上がり部）、１６ｂ 対向板（対向部）、１６ｃ 延長端、
６０ タイヤ、６２ トレッド部、７０ タイヤの内面（取付対象部）。

Claims (5)

1. 振動を利用して発電を行うことが可能な発電部を備えた発電装置と、センサと、前記発電装置及び前記センサが取付けられる取付部材と、を備え、
   前記取付部材は、
   取付対象部に固定されるとともに前記センサが取付けられる取付ベース部と、
   一端が前記取付ベース部に固定された固定端となり他端が自由端となった梁と、を備え、
   前記センサが前記取付ベース部における梁の固定端側に取付けられるとともに、前記発電装置が前記梁の自由端側に取付けられ、
   前記発電部がタイヤの周方向に沿って振動するように前記取付ベース部がタイヤのトレッド部下に対応するタイヤの内面に取付けられたことを特徴とするセンシング装置。
2. 前記梁と前記発電装置とで構成された構造物の固有振動数と前記発電装置の固有振動数とが一致するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のセンシング装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のセンシング装置を備えたタイヤであって、
   前記センシング装置の梁が、前記取付ベース部より立ち上がる立ち上がり部と、立ち上がり部の延長端より延長して取付ベース部と平行に対向するように設けられた対向部と、を備え、
   前記対向部がタイヤの周方向に沿って延長するように、前記取付ベース部がタイヤの内面に取付けられたことを特徴とするタイヤ。
4. 請求項１又は請求項２に記載のセンシング装置を備えたタイヤであって、
   前記発電部がタイヤの周方向に沿って振動するように、又は、前記発電部がタイヤの幅方向に沿って振動するように、前記取付ベース部がタイヤの内面に取付けられたことを特徴とするタイヤ。
5. 前記取付ベース部がタイヤのトレッド部下に対応するタイヤの内面に取付けられたことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のタイヤ。

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