JP2022038362A - Vibration detector - Google Patents
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Abstract
Description
本件は、振動検出器に関する。 This case relates to a vibration detector.
磁気回路が生成する磁界の中を導体が振動することによって得られる起電力を測定することで、振動の大きさを検出する振動検出器が開示されている(例えば、特許文献1~5参照)。 A vibration detector that detects the magnitude of vibration by measuring the electromotive force obtained by vibrating a conductor in a magnetic field generated by a magnetic circuit is disclosed (see, for example, Patent Documents 1 to 5). ..
磁気回路を構成する磁石の特性は、周囲温度により変化する。例えば、周囲温度が高くなると、磁石の磁力が弱くなる傾向にある。したがって、振動検出器の感度が設置環境により変化し、振動検出器の測定精度が変動するおそれがある。 The characteristics of the magnets that make up the magnetic circuit change depending on the ambient temperature. For example, when the ambient temperature rises, the magnetic force of the magnet tends to weaken. Therefore, the sensitivity of the vibration detector may change depending on the installation environment, and the measurement accuracy of the vibration detector may fluctuate.
1つの側面では、本発明は、測定精度の変動を抑制することができる振動検出器を提供することを目的とする。 In one aspect, it is an object of the present invention to provide a vibration detector capable of suppressing fluctuations in measurement accuracy.
1つの態様では、本発明に係る振動検出器は、第1の磁石を備えるとともに、一部に空隙と、当該空隙に隣接する磁性体の磁束線通過部を含む第1の磁気回路と、第2の磁石を備えるとともに、一部に前記空隙及び前記磁束線通過部を含み、感度軸に沿って前記第1の磁気回路に積層させて形成され、前記磁束線通過部及び前記空隙における磁束線の向きが前記第1の磁気回路による磁束線の向きと一致する第2の磁気回路と、前記空隙に配置され、前記第1の磁気回路及び前記第2の磁気回路に対して相対的に変位可能な導体と、を備えることを特徴とする。 In one embodiment, the vibration detector according to the present invention includes a first magnet, a first magnetic circuit including a gap and a magnetic flux line passing portion of a magnetic material adjacent to the gap, and a first magnetic circuit. It is provided with two magnets, includes the void and the magnetic flux line passing portion in a part thereof, and is formed by being laminated on the first magnetic circuit along the sensitivity axis, and is formed by laminating the magnetic flux line in the magnetic flux line passing portion and the void. Is arranged in the gap between the second magnetic circuit whose direction is the same as the direction of the magnetic flux line by the first magnetic circuit, and is displaced relative to the first magnetic circuit and the second magnetic circuit. It is characterized by having a possible conductor.
上記振動検出器において、前記第1の磁気回路と前記第2の磁気回路は、前記空隙を除いた部分が磁性体によって形成されるようにしてもよい。 In the vibration detector, the first magnetic circuit and the second magnetic circuit may be formed by a magnetic material in a portion excluding the gap.
上記振動検出器において、天板部と底板部とが周壁部によって接続された筒状部と、前記筒状部内の中心部分に前記感度軸に沿って設けられた軸部と、を有し、前記周壁部から内方に向かって突出した環状部と、前記軸部との間に、前記空隙が形成され、前記第1の磁気回路は、前記天板部と、前記環状部と、前記空隙と、前記軸部と、を含み、前記第2の磁気回路は、前記底板部と、前記環状部と、前記空隙と、前記軸部と、を含むようにしてもよい。 The vibration detector has a tubular portion in which a top plate portion and a bottom plate portion are connected by a peripheral wall portion, and a shaft portion provided in a central portion of the tubular portion along the sensitivity axis. The gap is formed between the annular portion protruding inward from the peripheral wall portion and the shaft portion, and the first magnetic circuit has the top plate portion, the annular portion, and the gap. And the shaft portion, and the second magnetic circuit may include the bottom plate portion, the annular portion, the gap, and the shaft portion.
上記振動検出器において、前記第1の磁石及び前記第2の磁石は、前記軸部に設けられていてもよい。 In the vibration detector, the first magnet and the second magnet may be provided on the shaft portion.
上記振動検出器において、前記第1の磁石及び前記第2の磁石は、前記周壁部に設けられていてもよい。 In the vibration detector, the first magnet and the second magnet may be provided on the peripheral wall portion.
上記振動検出器において、前記磁束線通過部における磁束密度は前記磁束線通過部を形成している前記磁性体の飽和磁束密度以上とすることができる。 In the vibration detector, the magnetic flux density in the magnetic flux line passing portion can be equal to or higher than the saturation magnetic flux density of the magnetic material forming the magnetic flux line passing portion.
測定精度の変動を抑制することができる振動検出器を提供することができる。 It is possible to provide a vibration detector capable of suppressing fluctuations in measurement accuracy.
以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1(A)は、第1実施形態に係る振動検出器100の全体構成を例示する模式的な断面図である。図1(A)において、感度軸AX1(例えば鉛直方向)をZ軸とし、感度軸AX1と直交する方向(例えば水平方向)をX軸とする。
(First Embodiment)
FIG. 1A is a schematic cross-sectional view illustrating the overall configuration of the
図1(A)で例示するように、振動検出器100は、有底有蓋であってZ軸に沿って軸を有する略円筒形状を有するケース10内に各機器が配置された構造を有する。ケース10は、SUS304などの非磁性の金属からなる。
As illustrated in FIG. 1A, the
ケース10内において、ヨーク21が配置されている。図1(B)に示すように、ヨーク21は、天板部21aと底板部21bとが周壁部21cによって接続された筒状部として形成されている。天板部21aと底板部21bとは、X軸に沿って延びる軸線AX2を対称軸として略線対称となるように設けられている。
A
筒状部であるヨーク21は、Z軸に沿って軸を有している。ヨーク21は、磁性体(軟磁性材料)によって形成されている。ヨーク21は、天板部21aと底板部21bとを繋ぐ周壁部21cから内方に向かって突出した環状部21dを備えている。環状部21dは、環状部21dのZ軸方向に沿う寸法の1/2となる位置に軸線AX2が通過するように設けられている。環状部21dは、後に説明する第1の磁気回路M1及び第2の磁気回路M2における磁束線通過部を形成し、ヨーク21の外極として機能する。
The
ヨーク21の外径はケース10の内径よりも若干小さく設定されているため、ヨーク21は、ケース10内に収容される。ヨーク21は、ケース10内に固定されている。
Since the outer diameter of the
天板部21aの下面中心部に、Z軸方向に沿って軸を有する略円柱形状の第1の磁石22aが配置されている。一方、底板部21bの上面中心部に、Z軸方向に沿って軸を有する略円柱形状の第2の磁石22bが配置されている。第1の磁石22aと第2の磁石22bとの間には、Z軸方向に沿って軸を有する略円柱形状のトッププレート23が配置されている。トッププレート23は、磁性体(軟磁性材料)によって形成されている。トッププレート23は、外極として機能する環状部21dと対向する位置に配置されている。これにより、トッププレート23は、内極として機能する。本実施形態の第1の磁石22a及び第2の磁石22bは、いずれもネオジム磁石である。
A substantially cylindrical
第1の磁石22a、第2の磁石22b及びトッププレート23は、筒状部であるヨーク21の中心部分に感度軸AX1に沿って設けられた軸部として設けられている。このため、本実施形態に係る振動検出器100は、内磁型振動検出器となる。ここで、第1の磁石22aと第2の磁石22bは、トッププレート23を介して同極同士を対向させて配置される。例えば、第1の磁石22aのS極とN極のうち、S極がトッププレート23に近い側に配置されている場合、第2の磁石22bについても、S極がトッププレート23に近い側に配置される。
The
外極として機能する環状部21dと、内極として機能するトッププレート23とは、互いに離間している。それにより、環状部21dとトッププレート23とによって、空隙24が形成される。空隙24には、直流磁界が形成される。
The
それにより、天板部21a、周壁部21c(周壁部21cの軸線AX2よりも上側)、環状部21d、空隙24、トッププレート23及び第1の磁石22aによって第1の磁気回路M1が形成される。すなわち、第1の磁気回路M1は、天板部21a、環状部21d、空隙24及び軸部を含む。
As a result, the first magnetic circuit M1 is formed by the
また、底板部21b、周壁部21c(周壁部21cの軸線AX2よりも下側)、環状部21d、空隙24、トッププレート23及び第2の磁石22bによって第2の磁気回路M2が形成される。すなわち、第2の磁気回路M2は、底板部21b、環状部21d、空隙24及び軸部を含む。
Further, the second magnetic circuit M2 is formed by the
第1の磁気回路M1と第2の磁気回路M2は、感度軸AX1に沿って積層されて形成されている。第1の磁気回路M1と第2の磁気回路M2は、共通する環状部21d、共通するトッププレート23及び共通する空隙24を含んでいる。
The first magnetic circuit M1 and the second magnetic circuit M2 are formed by being laminated along the sensitivity axis AX1. The first magnetic circuit M1 and the second magnetic circuit M2 include a common
図2を参照すると、第1の磁気回路M1における磁束線は、第1の磁石22a、トッププレート23、空隙24、環状部21d、周壁部21c(周壁部21cの軸線AX2よりも上側)、天板部21a、第1の磁石22aというループを形成する。このループを便宜上、第1の磁気回路M1における内旋ループと称する。または、第1の磁気回路M1における磁束線は、第1の磁石22a、天板部21a、周壁部21c(周壁部21cの軸線AX2よりも上側)、環状部21d、空隙24、トッププレート23、第1の磁石22aというループを形成する。このループを便宜上、第1の磁気回路M1における外旋ループと称する。
Referring to FIG. 2, the magnetic flux lines in the first magnetic circuit M1 are the
一方、第2の磁気回路M2における磁束線は、第2の磁石22b、トッププレート23、空隙24、環状部21d、周壁部21c(周壁部21cの軸線AX2よりも下側)、底板部21b、第2の磁石22bというループを形成する。このループを便宜上、第2の磁気回路M2における内旋ループと称する。または、第2の磁気回路M2における磁束線は、第2の磁石22b、底板部21b、周壁部21c(周壁部21cの軸線AX2よりも下側)、環状部21d、空隙24、トッププレート23、第2の磁石22bというループを形成する。このループを便宜上、第2の磁気回路M2における外旋ループと称する。
On the other hand, the magnetic flux lines in the second magnetic circuit M2 include the
ここで、第1の磁気回路M1における磁束線が、内旋ループを形成しているとき、第2の磁気回路M2における磁束線も内旋ループを形成している。また、第1の磁気回路M1における磁束線が、外旋ループを形成しているとき、第2の磁気回路M2における磁束線も外旋ループを形成している。これは、第1の磁石22aと第2の磁石22bを、トッププレート23を介して同極同士を対向させて配置しているからである。これにより、空隙24における第1の磁気回路M1による磁束線の向きと、第2の磁気回路M2による磁束線の向きとが一致する。
Here, when the magnetic flux lines in the first magnetic circuit M1 form an internal rotation loop, the magnetic flux lines in the second magnetic circuit M2 also form an internal rotation loop. Further, when the magnetic flux lines in the first magnetic circuit M1 form an external rotation loop, the magnetic flux lines in the second magnetic circuit M2 also form an external rotation loop. This is because the
本実施形態では、第1の磁気回路M1と第2の磁気回路M2とが、感度軸AX1に沿って積層され、磁束線の向きが一致しているため、空隙24を通過する磁束線の密度が高くなっている。すなわち、空隙24には、同じ向きの第1の磁気回路M1による磁束線と第2の磁気回路M2による磁束線が通過するため、その磁束密度が高くなっている。
In the present embodiment, the first magnetic circuit M1 and the second magnetic circuit M2 are laminated along the sensitivity axis AX1 and the directions of the magnetic flux lines are the same, so that the density of the magnetic flux lines passing through the void 24 is the same. Is high. That is, since the magnetic flux line by the first magnetic circuit M1 and the magnetic flux line by the second magnetic circuit M2 in the same direction pass through the
なお、図2では、磁束線が描かれており、これを分かりやすくするために、ハッチングは省略されている。 In FIG. 2, a magnetic flux line is drawn, and hatching is omitted in order to make it easy to understand.
この空隙24において、Z軸方向を軸として周回するように巻線導体を備える略円筒形状のコイル30が配置されている。コイル30は、上下1対の支持バネ40によって支持されている。コイル30は、空隙24において、第1の磁気回路M1及び第2の磁気回路M2に対して相対的に変位可能であって、振動可能である。コイル30は、非磁性材料製のボビンを使用せずにコイル線材だけで直接円筒状に巻線するか、もしくはボビン上にコイル線材を円筒状に巻線して形成されている。コイル30から延びる2本のリード線51は、天板部21a及びケース10の蓋を貫通する出力端子52に接続されている。
In the
コイル30がZ軸方向に沿って振動すると、コイル30と第1の磁気回路M1及び第2の磁気回路M2との間の相対速度に比例した電圧Eがコイル30の両端に発生する。この電圧は、下記式(1)で表すことができる。出力端子52を用いてこの電圧Eを測定することにより、コイル30の振動速度vを検出することができ、振動変位を検出することができる。
E=BLv (1)
B:コイル30が位置している空隙24の磁束密度
L:コイル30の有効長
v:コイル30と第1の磁気回路M1及び第2の磁気回路M2との間の相対速度
When the
E = BLv (1)
B: Magnetic flux density of the
ここで、本実施形態に係る振動検出器100の効果について説明するため、比較形態に係る振動検出器200について説明する。図3は、振動検出器200の構成を例示する模式的な断面図である。図3で例示するように、振動検出器200が振動検出器100と異なる点は、ヨーク21の代わりに、ヨーク221が設けられている点である。ヨーク221は、磁性体からなり、底板部221b、周壁部221c及び外極として機能する環状部221dを備え、Z軸に沿って軸を有する略円筒形状を有する。ただし、ヨーク21とは異なり、天板部は備えていない。
Here, in order to explain the effect of the
振動検出器200は、底板部221bの上面中心部に、Z軸方向に沿って軸を有する略円柱形状の磁石220が配置され、磁石220上には、Z軸方向に沿って軸を有する略円柱形状のトッププレート230が配置されている。トッププレート230は、磁性体によって形成されており、内極として機能する。環状部221dとトッププレート230との間には、空隙240が形成されている。これにより、振動検出器200には、底板部221b、周壁部221c、環状部221d、空隙240、トッププレート230及び磁石220を含む単一の磁気回路M200が形成されている。そして、空隙240において、上下1対の支持バネ40によって支持された略円筒形状のコイル30が配置されている。コイル30は2本のリード線51を介して出力端子52に接続されている。
In the
振動検出器200においても、出力端子52を用いて電圧Eを測定することによって、振動速度vを検出することができる。しかしながら、磁石220の特性は、周囲温度により変化する。例えば、周囲温度が高くなると、磁石220の磁力が弱くなる傾向にある。したがって、振動検出器200の感度が設置環境により変化し、振動検出器200の測定精度が変動してしまう。
Also in the
また、このように、振動検出器200の測定精度が変動してしまう原因として、磁気回路M200における磁束の漏れが考えられる。図3に描かれた磁束線は、空隙240の周辺において、感度軸AX1に沿って上方へ漏れやすいと考えられる。すなわち、振動検出器200が備えるヨーク221は天板部を備えておらず、環状部221dよりも上側へ磁束が漏れやすいと考えられる。このため、仮に、磁石220の磁力を強くし、磁界の強さを強くしようとしても、空隙240における磁束密度を大幅に向上させにくいと考えられる。
Further, it is considered that the magnetic flux leakage in the magnetic circuit M200 is a cause of the fluctuation of the measurement accuracy of the
ここで、ヨーク21を形成する磁性体における磁界の強さと磁束密度の関係を示すグラフの一例である図4を参照すると、磁界の強さは、ある閾値を境に、第1領域と第2領域に分けて考えることができる。磁界が弱い領域、すなわち、磁界の強さが閾値よりも低い第1領域では、磁界の強さの上昇に伴って、磁束密度も急速に上昇する。これに対し、磁界が強い領域、すなわち、磁界の強さが閾値よりも高い第2領域では、磁界の強さの上昇に伴う磁束密度の上昇が鈍化し、概ね、磁束密度の飽和状態となっている。このように、第2領域では、磁界の強さが変化しても磁束密度は変化しにくい。換言すると、磁束密度が高い領域では、磁界の強さが変化しても、磁束密度は変化しにくい。このため、本実施形態の振動検出器100によれば、その周囲温度が変化して、第1の磁石22aや第2の磁石22bによる磁界の強さが変化しても、磁束密度が変化しにくい。この結果、振動検出器100の設置環境による感度の変化が抑制され、測定精度の変動が抑制される。
Here, referring to FIG. 4, which is an example of a graph showing the relationship between the magnetic field strength and the magnetic flux density in the magnetic material forming the
ここで、本実施形態における閾値は、ヨーク21を形成する磁性体の飽和磁束密度Bsとしている。閾値は、振動検出器100の温度特性、すなわち、温度に対する感度をどの程度に設定するかによって適宜設定することができるが、飽和磁束密度Bsは、磁性材料の磁気特性を表す項目の一つであることから、閾値として採用し易い。
Here, the threshold value in this embodiment is the saturation magnetic flux density Bs of the magnetic material forming the
振動検出器100では、磁界の強さ及び磁束密度を第2領域に維持しておくことができるように、磁石の選定、ヨーク21を形成する磁性体の選定、ヨーク21の形状(寸法)の設定が行われている。まず、磁石について、本実施形態では、第1の磁石22a及び第2の磁石22bとしてネオジム磁石を用いているが、他の磁石、例えば、サマリウムコバルト磁石等の希土類磁石を用いてもよい。また、ヨーク21を形成する磁性体は、図4に示す第1領域と第2領域とが明確に区別でき、かつ、飽和磁束密度の値が大きすぎない材料であると磁束密度を第2領域に維持し易く、使い勝手がよい。本実施形態では、このような性質を有する材料として、パーマロイが採用されている。ヨーク21の形状(寸法)のうち、振動検出器100における磁束密度に影響を与えるのがヨーク21の環状部21dの厚さ(Z方向に沿う寸法)である。そこで、本実施形態における環状部21dの厚さは、採用された第1の磁石22a及び第2の磁石22bの性能と、ヨーク21を形成する磁性体の材料に合わせて設定されている。
In the
比較形態に係る振動検出器200では、磁束が漏れやすく、空隙240における磁束密度を上昇させにくいことから、図4における第2領域での使用が難しく、第1領域での使用となりやすい。このため、振動検出器200の周囲温度が変化し、磁界の強さが変化すると、これに伴って磁束密度が大きく変化する。この結果、振動検出器200の測定精度は変動しやすい。
In the
これに対して、本実施形態に係る振動検出器100では、第1の磁気回路M1による磁束線と、第2の磁気回路M2による磁束線がともに環状部21dを通過することから、環状部21dに磁束を集中させることができる。また、第1の磁気回路M1と第2の磁気回路M2とが感度軸AX1に沿って積層されて形成されていることから、磁束の漏れも抑制される。この結果、空隙24の磁束密度が上昇し、磁束密度が飽和状態に近い第2領域において振動検出器100を使用することができる。環状部21dは、振動検出器100において、感度軸AX1に沿う方向の概ね中心部に配置されているので、磁束の漏れがより一層抑制される。
On the other hand, in the
環状部21dを第2領域で使用することで、第1の磁石22aや第2の磁石22bの磁力が周囲温度の影響によって変化しても、環状部21dの磁束密度は変化しにくくなる。この結果、空隙24における磁束密度の変化も抑制され、振動検出器100の測定精度の変動が抑制される。
By using the
(第2実施形態)
図5は、第2実形態に係る振動検出器100aを例示する模式的な断面図である。振動検出器100aが図1(A)の振動検出器100と異なる点は、以下の通りである。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view illustrating the
まず、振動検出器100において、軸部の一部としてヨーク21の中心部に設けられていた第1の磁石22aと第2の磁石22bが、振動検出器100において周壁部21cが設けられていた位置に配置されている。これに伴って、天板部21aから底板部21bに亘ってトッププレート23が設けられている。これにより、第2実施形態に係る振動検出器100aは、外磁型振動検出器を形成している。
First, in the
このような振動検出器100aにおいても、共通する環状部21dと共通する空隙24を含む第1の磁気回路M1と第2の磁気回路M2とが感度軸AX1に沿って積層されて形成されている。これにより、空隙24における高い磁束密度を維持することができ、振動検出器100aを図4に示す第2領域で使用することができる。
Also in such a
これにより、第1の磁石22aや第2の磁石22bの磁力が周囲温度の影響によって変化しても、環状部21dの磁束密度は変化しにくくなる。この結果、空隙24における磁束密度の変化も抑制され、振動検出器100aの測定精度の変動が抑制される。
As a result, even if the magnetic force of the
なお、振動検出器100と振動検出器100aでは、いずれも、軸線AX2を対称軸として第1の磁気回路M1と第2の磁気回路M2とが略線対称に設けられているが、これらは、必ずしも線対称に配置されていなくてもよい。第1の磁気回路M1と第2の磁気回路M2とを分ける軸線がヨーク21の天板部21aと底板部21bとの間に位置していればよい。そして、第1の磁気回路M1と第2の磁気回路M2は、共通する環状部21dと共通する空隙24を含んでいればよい。
In both the
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the examples of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the specific examples thereof, and various modifications and variations are made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.
10 ケース 21 ヨーク
21a 天板部 21b 底板部
21c 周壁部 21d 環状部
22a 第1の磁石 22b 第2の磁石
23 トッププレート 24 空隙
30 コイル 40 支持バネ
51 リード線 52 出力端子
M1 第1の磁気回路 M2 第2の磁気回路
100、100a 振動検出器
10
21c
Claims (6)
第2の磁石を備えるとともに、一部に前記空隙及び前記磁束線通過部を含み、感度軸に沿って前記第1の磁気回路に積層させて形成され、前記磁束線通過部及び前記空隙における磁束線の向きが前記第1の磁気回路による磁束線の向きと一致する第2の磁気回路と、
前記空隙に配置され、前記第1の磁気回路及び前記第2の磁気回路に対して相対的に変位可能な導体と、
を備えることを特徴とする振動検出器。 A first magnetic circuit including a first magnet, a gap, and a magnetic flux line passing portion of a magnetic material adjacent to the gap,
A second magnet is provided, and the gap and the magnetic flux line passing portion are partially included, and the magnetic flux in the magnetic flux line passing portion and the gap is formed by being laminated on the first magnetic circuit along the sensitivity axis. A second magnetic circuit whose wire direction matches the direction of the magnetic flux line by the first magnetic circuit, and
A conductor arranged in the gap and displaceable relative to the first magnetic circuit and the second magnetic circuit.
A vibration detector characterized by being equipped with.
前記周壁部から内方に向かって突出した環状部と、前記軸部との間に、前記空隙が形成され、
前記第1の磁気回路は、前記天板部と、前記環状部と、前記空隙と、前記軸部と、を含み、
前記第2の磁気回路は、前記底板部と、前記環状部と、前記空隙と、前記軸部と、を含む、
請求項1又は2に記載の振動検出器。 It has a cylindrical portion in which a top plate portion and a bottom plate portion are connected by a peripheral wall portion, and a shaft portion provided in a central portion of the tubular portion along the sensitivity axis.
The gap is formed between the annular portion protruding inward from the peripheral wall portion and the shaft portion.
The first magnetic circuit includes the top plate portion, the annular portion, the void, and the shaft portion.
The second magnetic circuit includes the bottom plate portion, the annular portion, the void, and the shaft portion.
The vibration detector according to claim 1 or 2.
The vibration detection device according to any one of claims 1 to 5, wherein the magnetic flux density in the magnetic flux line passing portion is equal to or higher than the saturated magnetic flux density of the magnetic material forming the magnetic flux line passing portion.
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JP2020142826A Pending JP2022038362A (en) | 2020-08-26 | 2020-08-26 | Vibration detector |
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JP (1) | JP2022038362A (en) |
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2020
- 2020-08-26 JP JP2020142826A patent/JP2022038362A/en active Pending
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