JP2018025402A - ロードセル - Google Patents

Abstract

【課題】従来のワッシャ型ロードセルは、周方向に沿ったスラスト荷重の分布を検出して偏荷重の有無を把握することができない。【解決手段】本発明によるロードセル１０は、環状をなす本体２０と、この本体の周方向に所定間隔で放射状に形成され、本体の一方の端面２０ａにそれぞれ開口する複数の溝部２１と、本体の一方の端面２０ａからそれぞれ突出し、本体の周方向に隣接する溝部２１の間にそれぞれ位置する複数の第１凸部２２と、本体の周方向に沿った溝部２１の間隔と同じ間隔で本体２０の他方の端面２０ｂからそれぞれ突出し、本体の端面に対して垂直な方向で溝部２１とそれぞれ重なり合う複数の第２凸部２３と、本体２０の他方の端面２０ｂにそれぞれ装着され、本体の周方向に隣接する第２凸部２３の間にそれぞれ位置して本体の周方向に隣接する溝部２１の間の領域の弾性変形量をそれぞれ取得する複数の歪検出手段３０とを具える。【選択図】図２

Description

本発明は、ロードセルに関する。

回転軸などに負荷するスラスト荷重を検出するものとして、環状をなす本体を具えた、いわゆるワッシャ型ロードセルが特許文献１などで知られている。

この特許文献１に開示されたワッシャ型ロードセルは、低スラスト荷重を検出することができるように、ロードセル本体に大きくゆがむ部分を形成している。そして、過大なスラスト荷重が負荷した場合には、大きくゆがむ部分の過大な変形を阻止するストッパとしての突起を本体に形成することにより、その破損を未然に防止している。

２０１１−１４９８１２号公報

引用文献１に開示された従来のワッシャ型ロードセルは、本体の輪郭形状が複雑であって、その製造コストが嵩む上、一対のアンギュラ玉軸受を背中合わせにした状態で重ね合わせる必要があり、そのための取り付け空間を確保しなければならない。

また、従来のワッシャ型ロードセルにおいては、周方向に沿ったスラスト荷重の分布を検出して偏荷重の有無を把握することもできなかった。

本発明の目的は、スラスト荷重の周方向に沿った分布を容易に把握し得るコンパクトなロードセルを提供することにある。

本発明によるロードセルは、環状をなす本体と、この本体の周方向に所定間隔で放射状に形成され、当該本体の一方の端面にそれぞれ開口する複数の溝部と、前記本体の一方の端面からそれぞれ突出し、前記本体の周方向に隣接する前記溝部の間にそれぞれ位置する複数の第１凸部と、前記本体の周方向に沿った前記溝部の間隔と同じ間隔で前記本体の他方の端面からそれぞれ突出し、前記本体の端面に対して垂直な方向で前記溝部とそれぞれ重なり合う複数の第２凸部と、前記本体の他方の端面にそれぞれ装着され、前記本体の周方向に隣接する前記第２凸部の間にそれぞれ位置する複数の歪検出手段とを具える。

本発明においては、本体の第１凸部と第２凸部とにスラスト荷重が作用すると、歪検出手段が本体の周方向に隣接する溝部の間の領域の弾性変形量をそれぞれ取得する。この場合、本体の周方向に所定間隔で配列する歪検出手段の数だけ、本体の周方向に沿ったスラスト荷重の分布が取得されることとなる。

本発明によると、本体の周方向に所定間隔で配列する複数の溝部を形成し、周方向に隣接する溝部の間の領域を個別に弾性変形させるようにしたので、スラスト荷重の分布を容易に把握し得るコンパクトなロードセルを提供することができる。

本発明によるロードセルの一実施形態の外観を表す平面図であり、その一部を拡大して示している。 図１に示したロードセルの外周面の一部を抽出拡大した端面図である。 図１に示したロードセルの裏面の一部を示す図２に対応した裏面図である。 図２中のIV−IV矢視に沿った拡大断面図である。 図３に示した歪ゲージの部分を抽出拡大した平面図である。 本発明によるロードセル他の一実施形態における外周面の一部を抽出拡大した端面図である。 図６に示した実施形態の平面図である。 図６に示した実施形態における歪ゲージの部分を抽出拡大した平面図である。 本発明によるロードセルの別な一実施形態における外周面の一部を抽出拡大した端面図である。 図９に示したロードセルの裏面図である。 本発明によるロードセルのさらに他の一実施形態における外周面の一部を抽出拡大した端面図である。 図１１に示した実施形態における荷重と歪との関係を模式的に表すグラフである。 本発明によるロードセルのさらに別な一実施形態における外周面の一部を抽出拡大した端面図である。 本発明によるロードセルのまたさらに他の一実施形態における外周面の一部を抽出拡大した端面図である。 本発明によるロードセルのまたさらに別な一実施形態の一部を抽出拡大した平面図である。 図１５中のXVI−XVI矢視に沿った拡大断面図である。

以下、本発明によるロードセルの実施形態のいくつかについて、図１〜図１６を参照しながら詳細に説明する。しかしながら、本発明はこれらの実施形態のみに限らず、必要に応じてこれらの構成の一部をさらに組み合わせたりすることも可能であり、以下の実施形態にのみ限定されない。なお、本発明の理解を助けるために歪検出手段の厚みや本体の弾性変形状態などを図面にて特に誇張して描いており、実際のものとは寸法形状が異なっていることに注意されたい。

第１の実施形態によるロードセルの表面側の外観を図１に示し、このロードセルの外周面の一部を抽出拡大して図２に示し、その裏面形状を図３に示し、図２中のIV−IV矢視に沿った拡大断面形状を図４に示す。

本実施形態におけるロードセル１０は、円形の環状をなす本体２０と、この本体２０に装着される複数の歪ゲージ３０とでその主要部が構成されている。

本体２０には、その一方の端面２０ａに形成された複数の第１溝部２１と、一方の端面２０ａからそれぞれ突出する複数の第２凸部２２と、一方の端面２０ａと反対側を向く他方の端面２０ｂからそれぞれ突出する複数の第２凸部２３とが形成されている。

第１溝部２１は、本体２０の中心軸線Ｃ（図１の紙面に対して垂直）に関して放射状をなすように、本体２０の周方向に沿って所定間隔ｐで配列している。個々の第１溝部２１は、本体２０の端面２０ａ，２０ｂと平行な底壁面２１ａと、この底壁面２１ａを挟んで対向する一対の側壁面２１ｂとを有するように本体２０の一方の端面２０ａと内周面２０ｃと外周面２０ｄとにそれぞれ開口している。

本体２０の中心軸線Ｃに沿ったスラスト荷重が加えられる第１凸部２２は、本体２０の中心軸線Ｃに関して放射状をなすように、本体２０の周方向に隣接する第１溝部２１の間にそれぞれ位置する。本実施形態における第１凸部２２は、第１溝部２１の配列間隔ｐと対応した間隔で第１溝部２１に対し半ピッチ（ｐ／２）ずらした状態で本体２０の周方向に沿って配列している。

第１溝部２１の反対側に位置し、本体２０の端面２０ａ，２０ｂに対して垂直な方向で第１溝部２１とそれぞれ重なり合う第２凸部２３には、先の第１凸部２２と共に本体２０の中心軸線Ｃに沿ったスラスト荷重が加えられる。本実施形態における第２凸部２３は、本体２０の中心軸線Ｃに関して放射状をなすように、第１溝部２１の配列間隔ｐと対応した間隔で本体２０の周方向に沿って配列している。第２凸部２３の周方向に沿った幅寸法２２ｗは、本体２０の周方向に沿った第１溝部２１の幅寸法２１ｗよりも大きく設定され、図２中、第１溝部２１に関して第２凸部２３が対称形状となるように配されている。

従って、第１凸部２２と第２凸部２３とにスラスト荷重が加わった場合、周方向に隣り合う２つの第１溝部２１の間の本体２０の部分が撓むことができるように、第１溝部２１の深さ２１ｄや回転軸線Ｃと平行な本体２０の厚み２０ｅなどが適切に設定される。

本発明における歪検出手段としての歪ゲージ３０の部分を抽出拡大して図５に示す。各歪ゲージ３０は、本体２０の周方向に隣接する第２凸部２３の間にそれぞれ位置するように、本体２０の他方の端面２２ｂに貼合されている。本実施形態における歪ゲージ３０は、第１溝部２１の配列間隔ｐと対応した間隔で、かつ第２凸部２３に対し半ピッチ（ｐ／２）ずらした状態で配されている。従って、周方向に隣り合う２つの第２凸部２３の間に位置する歪ゲージ３０は、第１凸部２２の真後ろに位置し、換言すると、本体２０の端面２０ａ，２０ｂに対して垂直な方向で第１凸部２２と重なり合った状態となっている。各歪ゲージ３０の向きは、歪の検出方向（図５中、左右方向）が本体２０の周方向と合致するように設定される。また、個々の歪ゲージ３０は、ＰＴＦＥ，ＦＥＰ，ＰＦＡなど、２００℃以上の耐熱性を持つフッ素樹脂を用いた内側の撥水・撥油コーティング層（図示せず）と、さらにその外側のＳiＯ₂層（図示せず）とで被覆されている。これにより、水中や油中などでも支障なく、ロードセル１０を使用することができるが、これに限定されない。

従って、第１凸部２２と第２凸部２３とにスラスト荷重が加わると、第２凸部２３を支点としてその周方向両側に位置する２つの第１溝部２１の間の本体２０の部分が弾性変形し、スラスト荷重の大きさに応じた歪が歪ゲージ３０によって検出される。そして、本体２０に装着されたすべての歪ゲージ３０の検出値をそれぞれ取得することにより、偏荷重の有無やその分布を同時に把握することができる。この場合、第１溝部２１，第２凸部２２，第２凸部２３，歪ゲージ３０の配列ピッチＰを小さくするほど、偏荷重の検出分解能を高めることができることは言うまでもない。

通常、ロードセル１０は、雰囲気温度によって本体２０を構成する材料の熱膨張または熱収縮に伴う測定誤差が生ずるため、高温雰囲気や低温雰囲気などで使用する場合には、このような測定誤差を補償するため、温度補償用歪ゲージを追加することが有効である。

このような本発明によるロードセルの他の一実施形態における外周面の一部を抽出拡大して図６に示し、その平面形状を図７に示すが、先の実施形態と同一機能の要素にはこれと同一符号を記すに止め、重複する説明を省略する。

本体２０には、この本体２０の中心軸線に関して放射状をなすように、第１溝部２１の配列間隔ｐと対応した間隔で本体２０の周方向に沿って配列する複数の第２溝部２４が本体２０の一方の端面２０ａにさらに形成されている。第２溝部２４は、第１溝部２１と第２溝部２４との間の本体２０の一方の端面２０ａに貼合される温度補償用歪ゲージ４０がスラスト荷重による影響を受けないようにするためのものである。第２溝部２４は第１溝部２１に対して近接状態となるように、それぞれ第１溝部２１に対し所定量Ｗだけ本体２０の周方向一方側にずらして配されている。第１溝部２１と第２溝部２４との間隔Ｗは、これらの間に配される温度補償用歪ゲージ４０を確実に貼合できるような必要最小限の間隔であることが好ましい。個々の第２溝部２４も、第１溝部２１と同様に、底壁面２４ａとこの底壁面２４ａを挟んで対向する一対の側壁面２４ｂとを有するように本体２０の一方の端面２０ａと内周面２０ｃと外周面２０ｄとにそれぞれ開口している。しかしながら、その溝幅２４ｗおよび深さ２４ｄを第１溝部２１のそれらよりも小さく設定することが好ましい。

本発明における温度補償用歪ゲージ４０の部分を抽出拡大して図８に示す。本実施形態における温度補償用歪ゲージ４０は、第１溝部２１の配列間隔ｐと対応した間隔で、かつ第１溝部２１に対して所定量Ｗ／２だけずらした状態で第１溝部２１と第２溝部２４との間の本体２０の一方の端面２０ｂに貼合されている。各温度補償用歪ゲージ４０の向きは、歪の検出方向（図８中、上下方向）が本体２０の径方向と合致するように設定される。また、個々の温度補償用歪ゲージ４０は、ＰＴＦＥ，ＦＥＰ，ＰＦＡなど、２００℃以上の耐熱性を持つフッ素樹脂を用いた内側の撥水・撥油コーティング層（図示せず）と、さらにその外側のＳiＯ₂層（図示せず）とで被覆されているが、これに限定されない。

従って、温度補償用歪ゲージ４０によって検出される歪は、本体２０の熱膨張または熱収縮に伴って生ずる本体２０の径方向の歪となるので、これを先の歪ゲージ３０の検出値から減算することにより、より正確なスラスト荷重を取得することができる。

上述した２つの実施形態では、第２凸部２３の突出高さＨ分だけ本体２０の弾性変形が可能であるけれども、過大なスラスト荷重が負荷した場合にロードセル１０の破損を未然に防止できるようにすることが有効である。

このような趣旨に基づく本発明によるロードセルの別な一実施形態における外周面の一部を抽出拡大して図９に示し、その裏面形状を図１０に示すが、先の実施形態と同一機能の要素にはこれと同一符号を記すに止め、重複する説明を省略する。

本実施形態の本体２０は、その他方の端面２０ｂから突出する複数の第３凸部２５をさらに有する。これら第３凸部２５は、本体２０の周方向に隣接する第２凸部２３の間にそれぞれ位置し、第１溝部２１の配列間隔ｐと対応した間隔で、かつ第２凸部２３に対し半ピッチ（ｐ／２）ずらした状態で配されている。従って、周方向に隣り合う２つの第２凸部２３の間に位置する第３凸部２５は、本体２０の端面２０ａ，２０ｂに対して垂直な方向で第１凸部２２と重なり合った状態となっている。

本実施形態では、第３凸部２５と、その周方向両側にある２つの第２凸部２３との間の本体２０の他方の端面２０ｂにそれぞれ歪ゲージ３０を１つずつ配することで本発明の１つの歪検出手段を構成しているが、これに限定されない。

本体２０の他方の端面２０ｂからの第３凸部２５の突出高さｈは、第２凸部２３の突出高さＨよりも小さく設定されている。周方向に隣接する第２凸部２３の間の本体２０の部分がスラスト荷重を受けて弾性変形しても、歪ゲージ３０がスラスト荷重を直接受けないようになっている。つまり、所定以上のスラスト荷重が加わると、第２凸部２３と共に第３凸部２５も図示しない計測対象部材と接触し、それ以上の本体２０の弾性変形が抑止される。

上述した実施形態では、スラスト荷重に対して本体２０の弾性変形量が比例するけれども、スラスト荷重に対する本体２０の弾性変形に非線形の特性を持たせることも可能である。

このような本発明によるロードセルのさらに他の一実施形態における外周面の一部を抽出拡大して図１１に示し、その荷重と歪との関係を模式的に図１２に示すが、先の実施形態と同一機能の要素にはこれと同一符号を記すに止め、重複する説明を省略する。

本実施形態におけるロードセル１０は、本体２０の周方向に隣接する第２凸部２３の間に本体２０の他方の端面２０ｂと隙間Ｇを隔てて対向するゴム状弾性体５０をさらに具えている。本実施形態における歪ゲージ３０は本体２０の他方の端面２０ｂ側に埋設されており、また第１溝部２１の深さ２１ｄは本体２０の厚み２０ｅよりも大きく、その底壁面２１ａは第２凸部２３内に達しているが、これに限定されない。

従って、図１２中の実線で示すように、本体２０の第１凸部２２と第２凸部２３とにスラスト荷重が負荷して本体２０の他方の端面２０ｂがゴム状弾性体５０に当接するまでは歪が急激に上昇する。さらにスラスト荷重が増大すると、その後はゴム状弾性体５０の弾性変形も加わるため、歪の上昇割合が減少するような特性を得ることができる。なお、図１２中の二点鎖線は、図９，図１０に示した実施形態に対応し、破線は図１〜図８に示した実施形態に対応する。この場合、本体２０およびゴム状弾性体５０を構成する材料や、本体２０の厚み２０ｅや、本体２０の他方の端面２０ｂとゴム状弾性体５０との間の隙間Ｇの大きさなどを選択することによって、荷重−歪の関係を自由に調整することが可能である。

本実施形態によると、本体２０の厚さ２０ｅを薄くすることによって、低スラスト荷重域にて本体２０の弾性変形量を大きくすることができるため、低スラスト荷重域での歪ゲージ３０の感度を向上させることができる。

スラスト荷重に対する本体２０の弾性変形に非線形の特性を持たせた本発明によるロードセルのさらに別な一実施形態における外周面の一部を抽出拡大して図１３に示すが、先の実施形態と同一機能の要素にはこれと同一符号を記すに止め、重複する説明を省略する。

本実施形態におけるロードセル１０は、第１凸部２２を除いて本体２０と基本的に相似形状のベース部材６０をさらに具え、このベース部材６０の一方の端面６０ａに本体２０が重ね合わされた状態で用いられる。円形の環状をなすベース部材６０は、その一方の端面６０ａに形成された複数の第１溝部６１と、一方の端面６０ａと反対側を向く他方の端面６０ｂからそれぞれ突出する複数の凸部６２とが形成されている。ベース部材６０の一方の端面６０ａには第１溝部６１が形成されているだけであり、本体２０の第１凸部２２に対応するものは存在しない。

第１溝部６１は、ベース部材６０の中心軸線（図示せず）に関して放射状をなすように、ベース部材６０の周方向に沿って所定間隔ｐで配列している。個々の第１溝部６１は、ベース部材６０の端面６０ａ，６０ｂと平行な底壁面６１ａと、この底壁面６１ａを挟んで対向する一対の側壁面６１ｂとを有するようにベース部材６０の一方の端面２０ａと内周面２０ｃと外周面２０ｄとにそれぞれ開口している。

第１溝部６１の反対側に位置し、ベース部材６０の端面６０ａ，６０ｂに対して垂直な方向で第１溝部６１とそれぞれ重なり合う凸部６２には、スラスト荷重が加えられる。本実施形態における凸部６２は、ベース部材６０の中心軸線に関して放射状をなすように、第１溝部６１の配列間隔ｐと対応した間隔でベース部材６０の周方向に沿って配列している。凸部６２の周方向に沿った幅寸法６２ｗは、ベース部材６０の周方向に沿った第１溝部６１の幅寸法６１ｗよりも大きく設定され、図１３中、第１溝部６１に関して凸部６２が対称形状となるように配されている。

従って、本体２０の第１凸部２２とベース部材６０の凸部６２とにスラスト荷重が加わると、周方向に隣り合う２つの第１溝部２１の間の本体２０の部分が撓む。そして、ここの部分がベース部材６０の一方の端面６０ａに当接した後は、周方向に隣り合う２つの第１溝部６１の間のベース部材６０の部分も撓むこととなる。本実施形態においても、本体２０の厚み２０ｅを薄くすることにより、低スラスト荷重域にて本体２０の弾性変形量を大きくすることができるため、低スラスト荷重域での歪ゲージ３０の感度を向上させることができる。

本体２０の弾性変形に非線形の特性を持たせた本発明によるロードセルのまたさらに他の一実施形態における外周面の一部を抽出拡大して図１４に示すが、先の実施形態と同一機能の要素にはこれと同一符号を記すに止め、重複する説明を省略する。

本実施形態におけるロードセル１０は、先の実施形態とは異なるベース部材６０をさらに具え、本体２０の他方の端面２０ｂには先の実施形態の如き第２凸部２３が形成されておらず、平坦となっている。円形の環状をなすベース部材６０には、その一方の端面６０ａから突出する複数の受け部６３が形成されており、その平坦な他方の端面６０ｂにスラスト荷重が加わるようになっている。

受け部６３は、ベース部材６０の中心軸線（図示せず）に関して放射状をなすように、ベース部材６０の周方向に沿って所定間隔ｐで配列している。受け部６３は、本体２０の他方の端面２０ｂに当接する先端面６３ａと、この先端面６３ａの周方向両側に形成された一対の斜面６３ｂとを有する。本体２０の第１溝部２１の反対側に受け部６３の先端面６３ａが位置するように、本体２０とベース部材６０とが重ね合わされる。そして、ベース部材６０の端面６０ａ，６０ｂに対して垂直な方向で本体２０の第１溝部２１とベース部材６０の受け部６３の先端面６３ａの中央部分とがそれぞれ重なり合うように位置決めされる。周方向に隣接する受け部６３の間の空間Ｓが本体２０の弾性変形を許容する空間となる。

従って、スラスト荷重が本体２０の第１凸部２２とベース部材６０の他方の端面６０ｂとの間に加わると、本体２０が撓んで第１溝部２１に近い部分がベース部材６０の受け部６３の斜面６３ｂに押し当たる。そして、さらなるスラスト荷重により、空間Ｓに臨む本体２０の部分がさらに弾性変形することとなる。本体２０の弾性変形領域が受け部６３の斜面６３ｂによって規制されるため、斜面６３ｂの傾斜角θやその周方向に沿った長さＬを調整することにより、所望の非線形の特性が得られる。本実施形態においても、本体２０がベース部材６０の斜面６３ｂに当接するまでの低スラスト荷重域にて本体２０の弾性変形量を大きくすることができるため、低スラスト荷重域での歪ゲージ３０の感度を向上させることができる。

上述した実施形態では、周方向に隣接する２つの第１溝部２１の間の本体２０の部分をそれぞれ周方向に弾性変形させるようにしたが、これを径方向にそれぞれ弾性変形させることも可能である。

このような本発明によるロードセルのまたさらに他の一実施形態の平面形状の一部を抽出拡大して図１５に示し、そのXVI-XVI矢視に沿った断面形状をさらに拡大して図１６に示すが、先の実施形態と同一機能の要素にはこれと同一符号を記すに止め、重複する説明を省略する。

本実施形態におけるロードセル１０の本体２０には、本体２０の外周面２０ｄから内周面２０ｃに向けて本体２０をその回転軸線に沿って二分するような環状溝２６が形成されている。この環状溝２６は、本体２０の内周面２０ｃに対して平行な底壁面２６ａと、本体２０の両端面２０ａ，２０ｂに対して平行な一対の側壁面２６ｂとを有し、本体２０の外周面２０ｄに開口している。本実施形態における第１溝部２１は、本体２０の外周面２０ｄから内周面２０ｃに向けて環状溝２６の底壁面２６ａまで形成され、本体２０の両端面２０ａ，２０ｂと外周面２０ｄとに開口している。しかしながら、第１溝部２１を本体２０の一方の端面２０ａと環状溝２６とにのみ開口するように本体２０に形成することも可能である。

本体２０の一方の端面２０ａの外周端部には、第１凸部２２が形成されているが、第１凸部２２を第１溝部２１まで周方向に延在させるようにしてもよい。この第１凸部２２よりも径方向内側の一方の端面２０ａには歪みゲージ３０がそれぞれ貼合されており、歪ゲージ３０は本体２０の径方向に沿った歪が検出できるように配されている。

本実施形態では本体２０の弾性変形領域が片持ち構造となるため、第２凸部を本体２０の他方の端面２０ｂに形成する必要がなく、本体２０の厚み２０ｅを先の実施形態よりも薄くすることができる。また、環状溝２６の幅２６ｗを変更することにより、歪ゲージ３０が貼合された本体２０の部分の弾性変形量を規定して歪ゲージ３０の損傷を回避することも可能である。しかも、本実施形態では、第１溝部２１の配列間隔Ｐを先の実施形態よりも狭めることができるので、より高密度に歪ゲージ３０を本体２０に装着することができ、ロードセル１０の偏荷重の分解能をさらに向上させることができる。

なお、本発明はその特許請求の範囲に記載された事項のみから解釈されるべきものであり、上述した実施形態においても、本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が記載した事項以外に可能である。つまり、上述した実施形態におけるすべての事項は、本発明を限定するためのものではなく、本発明とは直接的に関係のない構成を含め、その用途や目的などに応じて任意に変更し得るものである。

１０ ロードセル
２０ 本体
２０ａ 本体の一方の端面
２１ 第１溝部
２２ 第１凸部
２３ 第２凸部
３０ 歪ゲージ
ｐ 周方向に沿った配列間隔

Claims (1)

1. 環状をなす本体と、
   この本体の周方向に所定間隔で放射状に形成され、当該本体の一方の端面にそれぞれ開口する複数の溝部と、
   前記本体の一方の端面からそれぞれ突出し、前記本体の周方向に隣接する前記溝部の間にそれぞれ位置する複数の第１凸部と、
   前記本体の周方向に沿った前記溝部の間隔と同じ間隔で前記本体の他方の端面からそれぞれ突出し、前記本体の端面に対して垂直な方向で前記溝部とそれぞれ重なり合う複数の第２凸部と、
   前記本体の他方の端面にそれぞれ装着され、前記本体の周方向に隣接する前記第２凸部の間にそれぞれ位置する複数の歪検出手段と
   を具えたことを特徴とするロードセル。

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