JP4627414B2 - アクチュエータ及び運動案内装置 - Google Patents

Description

本発明は、移動対象を可動させるアクチュエータ、及び移動対象が運動するのを案内する運動案内装置に関する。

本出願人は、図９に示されるように、移動ブロック１が軌道レール２に沿ってスライドするのを案内する案内機構３と、移動ブロック１を可動させるボールねじ機構４とを組み合わせたコンパクトなアクチュエータを提案している。

軌道レール２は底部と一対の壁部とを有する断面略Ｕ字形状に形成され、その対向する壁部間で移動ブロック１を挟む。移動ブロック１は、その中央にボールねじ部を有し、その両側部が軌道レール２の壁部に支持される。移動ブロック１のボールねじ部は、移動ブロックを貫通するねじ軸４に螺合する。ねじ軸４を回転駆動することで、移動ブロック１が軌道レール２に沿ってスライドする。移動ブロック１の両側部には、案内機構３を構成する、軌道レール２の軸線方向に伸びる負荷ボール転走溝が形成される。

軌道レールと移動ブロックとの間には、軌道レールに沿って移動ブロックが円滑にスライドするように、転がり運動する複数のボールが介在される。

このアクチュエータでは、Ｕ字形断面形状の軌道レールを採用しているので、コンパクトな外形寸法でありながら、高い剛性を確保できる、という利点がある。

本発明は、上記アクチュエータの特徴を活かし、よりコンパクトな外形寸法でありながら高い剛性を確保できるアクチュエータを提供することを目的とする。

以下、本発明は本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照番号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものでない。

上記課題を解決するために、請求項１に記載のアクチュエータは、軸線方向に伸びるスリットが形成される中空形状の軌道部材（６）と、前記軌道部材（６）の内部に配置され、前記軌道部材（６）に沿って移動可能な移動部材（７）と、前記移動部材（７）を前記軌道部材（６）の軸線方向に移動させる駆動機構（１７）と、を備え、前記軌道部材（６）の軸線方向と直交する断面において、前記軌道部材（６）は、前記移動部材（７）が移動するのを案内する案内部（９）と、該案内部（９）から前記移動部材（７）を覆うように張り出す延長部（１１）を有し、互いに対向する延長部（１１）間に形成される前記スリット（８）の幅（Ｗ１）が、前記移動部材（７）の幅（Ｗ２）よりも狭く形成され、前記軌道部材（６）の断面形状が実質的な円弧形状に形成され、前記軌道部材（６）には、前記案内部（９）として前記軌道部材（６）の軸線方向に伸びる転動体転走溝（９）が形成され、前記移動部材（７）には、前記転動体転走溝（９）に対向する負荷転動体転走溝（１３）が形成され、前記軌道部材（６）の転動体転走溝（９）と前記移動部材（７）の負荷転動体転走溝（１３）との間には、転がり運動可能な複数の転動体（１０）が介在されることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載のアクチュエータにおいて、前記スリット（８）は、前記軌道部材（６）の軸線方向と直交する断面において、前記軌道部材（６）の周方向の１箇所のみに空けられることを特徴とする。

請求項３のアクチュエータは、請求項１または２に記載のアクチュエータにおいて、前記軌道部材（６）の軸線方向と直交する断面において、前記軌道部材（６）の全体を覆い、前記軌道部材（６）の軸線方向に伸縮自在な覆い部材（２１）と、を備え、前記軌道部材（６）の前記スリット（８）から突出する前記移動部材（７）の一部（７ａ）が、前記覆い部材（２１）を貫通することを特徴とする。

請求項４に記載のアクチュエータは、軸線方向に伸びるスリットが形成される中空形状の軌道部材（６）と、前記軌道部材（６）の内部に配置され、前記軌道部材（６）に沿って移動可能な移動部材（７）と、前記移動部材（７）を前記軌道部材（６）の軸線方向に移動させる駆動機構（１７）と、を備え、前記軌道部材（６）の軸線方向と直交する断面において、前記軌道部材（６）は、実質的な円弧形状に形成され、前記軌道部材（６）には、前記案内部（９）として前記軌道部材（６）の軸線方向に伸びる転動体転走溝（９）が形成され、前記移動部材（７）には、前記転動体転走溝（９）に対向する負荷転動体転走溝（１３）が形成され、前記軌道部材（６）の転動体転走溝（９）と前記移動部材（７）の負荷転動体転走溝（１３）との間には、転がり運動可能な複数の転動体（１０）が介在されることを特徴とする。

請求項５に記載のアクチュエータは、請求項４に記載のアクチュエータにおいて、前記駆動機構（１７）は、前記移動部材（７）に形成されるねじ部と、前記移動部材（７）を貫通すると共に前記ねじ部に螺合するねじ軸（１７）とを有し、前記ねじ軸（１７）の中心線と、前記ねじ軸（１７）を回転駆動する駆動源（３１）の出力軸の中心線が一致することを特徴とする。

請求項６に記載の運動案内装置は、軸線方向に伸びるスリット（８）が形成される中空形状の軌道部材（６）と、前記軌道部材（６）の内部に配置され、前記軌道部材（６）に沿って移動可能な移動部材（７）と、を備え、前記軌道部材（６）の軸線方向と直交する断面において、前記軌道部材（６）は、前記移動部材（７）が移動するのを案内する案内部（９）と、該案内部（９）から前記移動部材（７）を覆うように張り出す延長部（１１）を有し、互いに対向する延長部（１１）間に形成される前記スリット（８）の幅（Ｗ１）が、前記移動部材（７）の幅（Ｗ２）よりも狭く形成され、前記軌道部材（６）の断面形状が実質的な円弧形状に形成され、前記軌道部材（６）には、前記案内部（９）として前記軌道部材（６）の軸線方向に伸びる転動体転走溝（９）が形成され、前記移動部材（７）には、前記転動体転走溝（９）に対向する負荷転動体転走溝（１３）が形成され、前記軌道部材（６）の転動体転走溝（９）と前記移動部材（７）の負荷転動体転走溝（１３）との間には、転がり運動可能な複数の転動体（１０）が介在されることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、軌道部材の断面形状が閉曲線に近くなり、コンパクトな外形寸法でありながら軌道部材の断面二次モーメントを大きくできる。このため、曲げ剛性、ねじり剛性等の剛性が高いアクチュエータを得ることができる。

請求項２の発明によれば、スリットを軌道レールの周方向の一箇所のみにすることで、より剛性が高くなる。またアクチュエータ内部を密封し易くなるので、防塵対策に優れたアクチュエータが得られる。

請求項３の発明によれば、最もコンパクトな外形寸法でありながら高い剛性のアクチュエータを得ることができる。また、軌道部材の案内部の配置の自由度が高まるので、移動部材に加わる荷重に応じて最適な位置に案内部を配置することもできる。

請求項４の発明によれば、移動部材を円滑に移動させることができる。

請求項５の発明によれば、移動対象を移動させるアクチュエータとしての機能を保ったまま高い防塵効果が得られる。

従来のアクチュエータは、ベッド等の平面状の固定部材に取り付け易くするために、軌道レールの底面をフラットに形成（軌道レールの断面形状をＵ字形状に形成）されていた。しかし、請求項６の発明のように、軌道部材の断面形状を実質的な円弧形状に形成することで、断面Ｕ字形状の軌道レールと同じ曲げ剛性を得ようとした場合、軌道部材を軽量化することができる。このため、例えば多関節ロボットの先端軸のようなアクチュエータが振り回される部分に好適に用いることができる。また、軌道部材の断面形状を実質的な円弧形状に形成することで、あらゆる方向の荷重に対しても均等な曲げ剛性が得られる。さらに、軌道部材の断面形状を実質的な円弧形状に形成することで、例えばパイプから軌道部材を製造することができ、加工が簡単になる。

請求項７の発明によれば、軌道部材及び駆動源の外形形状を合わせることができ、コンパクトでスリムなアクチュエータが得られる。

請求項８の発明によれば、軌道部材の断面形状が閉曲線に近くなり、軌道部材の外形がコンパクトでありながら断面二次モーメントを大きくし易くなる。このため、曲げ剛性、ねじり剛性等の剛性が高い運動案内装置を得ることができる。

図１及び図２は、本発明の第１の実施形態におけるアクチュエータを示す。図１は斜視図を示し、図２は断面図を示す。このアクチュエータでは、中空形状の軌道部材として、円筒形状の軌道レール６を使用する。軌道レール６の内部には、移動部材として移動ブロック７が、軌道レール６の軸線方向に移動可能に配置される。軌道レール６には、軸線方向に伸びるスリット８が形成される。このスリット８から移動ブロックの一部７ａが突出し、この一部に移動対象に連結される連結部材（詳しくは後述する）が固定される。移動ブロック７は、駆動機構としてのボールねじ機構によって、軌道レール６の軸線方向にスライドされる。

軌道レール６は、その両端がブラケット１８，１９によって支持され、あたかも宙に浮いたようになっている。軌道レール６のスリット８は、図２に示されるように、軌道レール６の軸線方向と直交する断面において、軌道レール６の周方向の一箇所にのみ形成される。軌道レール６の断面形状は、スリットが形成されている分、完全な円ではないが、実質的な円弧形状に形成される。

軌道レール６は、移動ブロック７が移動するのを案内する案内部９を有する。この実施形態では、案内部９は軌道レールの軸線方向に伸びる複数条のボール転走溝９から構成される。ボール転走溝９は、例えば、移動ブロック７の左右両側面の上部及び下部に対向して、左右両側に上下２条ずつ形成される。ボール転走溝９は、断面がボールの半径よりも若干大きい曲率を有する単一の円弧、所謂サーキュラーアーク溝からなる。なお、軌道レール６と移動ブロック７との間にボール１０が介在されずに、移動ブロック７が軌道レール６に対してすべり運動する場合には、移動ブロック７を摺動可能に支持する部分が案内部となる。

案内部９からは移動ブロック７を覆うように、延長部１１が張り出している。対向する一対の延長部１１の先端間にスリット８が形成される。案内部９から延長部１１が張り出すことによって、スリット８の幅Ｗ１は移動ブロック７の幅Ｗ２よりも狭くなる。軌道レール６から移動ブロック７を引き抜くような引張り荷重が移動ブロック７に加わり、仮に軌道レール６と移動ブロック７との間からボールが脱落しても、移動ブロック７が軌道レール６から抜けることがない。

図３は、本実施形態の軌道レール６と従来のＵ字形断面形状の軌道レール２とを比較したものである。本実施形態の軌道レール６は従来の軌道レール２と異なり、延長部１１が移動ブロック７の上方まで張り出しているのに特徴がある。これにより、軌道レール６の断面形状が閉曲線に近くなり、コンパクトな外形寸法でありながら軌道レール６の断面二次モーメントを大きくできる。このため、曲げ剛性、ねじり剛性等の剛性が高いアクチュエータを得ることができる。

図４は、本実施形態の軌道レール６と従来のＵ字形断面形状の軌道レール２とで、ＸＸ軸回りの断面二次モーメントＩＸ−Ｘを略一致させた場合の形状を比較したものである。図中ＡＲＥＡの値は、軌道レール２，６の面積を表し、軌道レール２，６の重量に比例する。この図４から、軌道レール６の断面形状を円弧形状にすることで、断面Ｕ字形状の軌道レール２と同じＸＸ軸回りの断面二次モーメントを得ようとした場合、ＡＲＥＡの値を約１／３まで低減することができ、すなわち重量を約１／３まで低減することができることがわかる。また、ＸＸ軸回りの断面二次モーメントＩＸ−Ｘ及びＹＹ軸回りの断面二次モーメントＩＹ−Ｙいずれも略等しい値になっているので、あらゆる方向の荷重に対しても均等な曲げ剛性が得られることがわかる。

なお、軌道レール６の外周は円弧形状に形成されるが、軌道レール６の内周はボール転走溝９が形成されたり、移動ブロック７の外形形状に一致させたりすることから、厳密にいうと円弧形状に形成されていない。軌道レール６を実質的な円弧形状に形成するという概念は、このような場合も含む。

図２に示されるように、移動ブロック７は、複数のボール１０を介して軌道レール６にスライド可能に支持されている。移動ブロック７の両側面には、軌道レール６のボール転走溝９に対向して直線状に伸びる負荷ボール転走溝１３が、移動ブロック７の左右側面それぞれの上下に２条形成される。この負荷ボール転走溝１３も、断面がボールの半径よりも若干大きい曲率を有する単一の円弧、所謂サーキュラーアーク溝からなる。

図５に示されるように、移動ブロック７には、負荷ボール転走溝１３と平行に伸びるボール戻し路１４、及び負荷ボール転走溝１３とボール戻し路１４とを接続する一対の方向転換路１５が形成される。方向転換路１５は、略一定曲率の円弧状に形成されているが、これに限定されるものでなく、例えば直線部分を含むものであっても良い。これら、負荷ボール転走溝１３、方向転換路１５、及びボール戻し路１４によってサーキット状のボール循環路が形成される。軌道レール６に対して移動ブロック７をスライドさせると、移動ブロック７と軌道レール６との間に介在されるボールが転がり運動し、ボール循環路を循環する。これにより、軌道レール６に対して移動ブロック７が円滑にスライドする。

この実施形態では、ボール循環路は合計４条設けられている。ボール循環路を４条設けると、図２に示される断面において、移動ブロック７に加わる荷重をあらゆる方向で負荷できるという利点がある。移動ブロック７が負荷できる荷重方向は、接触角線（１）〜（４）に一致する。ここで、接触角線とは、軌道レール６のボール転走溝９とボール１０との接点と、移動ブロック７の負荷ボール転走溝１３とボール１０との接点とを結んだ線のことである。この実施形態の移動ブロック７では、４条の負荷ボール転走溝１３が設けられているので、４本の接触角線（１）〜（４）が存在する。上側の２本の接触角線（１）（４）は、移動ブロック７の中心から外側に向けて斜め上方を向くように例えば４５度水平方向から傾斜され、下側の２本の接触角線（２）（３）は、移動ブロック７の中心から外側に向けて斜め下方を向くように例えば４５度水平方向から傾斜されている。これにより、ラジアル方向（下方向）、逆ラジアル方向（上方向）、横方向（左方向及び右方向）の４方向の荷重を負荷できるアクチュエータが得られる。軌道レール６の断面形状を円弧形状にすると、４本の接触角線をこのような放射状に配置し易くなる。

なお、移動ブロック７に加わる荷重によっては、負荷ボール転走溝の条数は２条等に設定してもよい。また加工を容易にするために、移動ブロック７の断面形状を四角形ではなく、円形にすることも可能である。

移動ブロック７のねじ部について説明する。図１に示されるように、移動ブロック７の中央部にはねじ軸１７が貫通している。ねじ軸１７の外周面には、螺旋状のねじ軸用ボール転走溝１７ａが形成される。このねじ軸用ボール転走溝１７ａの断面形状は、例えばねじ軸用のボールの半径よりも若干曲率半径の大きい２つの円弧からなるゴシックアーチに形成される。一方、移動ブロック７の貫通孔にも、ねじ軸用ボール転走溝１７ａに対向するねじ軸用負荷ボール転走溝が形成される。このねじ軸用負荷ボール転走溝の断面形状も、ボールの半径よりも若干大きい曲率半径の２つの円弧からなるゴシックアーチに形成される。また移動ブロック７には、ねじ軸用ボール転走溝１７ａとねじ軸用負荷ボール転走溝との間を転がるボールを循環させるためのリターンパイプが設けられる。

軌道レール６の長手方向の両端には、軌道レールの軸線方向の両端を支持する支柱としてのブラケット１８，１９が取り付けられる。このブラケット１８，１９はねじ軸１７を回転自在に支持する。ブラケット１８，１９と軌道レール６とはボルト等の結合手段によって結合される。ブラケット１９には、駆動源２０が取り付けられ、駆動源２０の出力はねじ軸１７に伝達される。ブラケット１８，１９は、軌道レール６を片持ち支持するように、軌道レールの軸線方向の一方のみに設けられても良いし、軌道レール６の両端を支持するように、軌道レールの軸線方向の両方に設けられても良い。

ねじ軸１７を回転させると、ねじ軸１７のねじ軸用ボール転走溝１７ａ上を荷重を受けながら周方向に転がるボールは、リターンパイプで掬い上げられる。掬い上げられたボールは、リターンパイプ内を通過し、数ピッチ間隔を隔てたねじ軸用ボール転走溝１７ａ上に戻される。

図６は、上記アクチュエータに連結部材及び覆い部材を取り付けた例を示す。軌道レールは、蛇腹状の覆い部材２１で覆われる。覆い部材２１の両端はブラケット１８，１９に取り付けられる。移動ブロック７の一部７ａ（この移動ブロック７の一部７ａは、移動ブロック７と一体であっても、別体でボルト結合等されてもよい）は、軌道レール６のスリット８から突出する。この実施形態では、移動ブロック７の一部７ａは、移動ブロック７とは別体に形成され、移動ブロック７にボルト結合される。また、移動ブロック７ａの一部を構成する連結部材２２は折れ曲がった棒状に形成される。連結部材２２の先端は球形状に形成され、移動対象に嵌め合わされる。連結部材２２は、覆い部材２１を貫通し、連結部材２２が貫通した部分は、接着、バンド等でシールされる。蛇腹状の覆い部材２１の材質には、ゴム、布、アルミ繊維等を挙げることができる。覆い部材２１は一つの部材から構成されても、２つの部材を組み合わせて構成されてもよい。

宙に浮かせた軌道レール６の全体を覆い部材２１で包むことで、移動対象を移動させるアクチュエータとしての機能を保ったまま、アクチュエータの内部を密封することができる。また、移動ブロック７がスライドし、覆い部材２１が伸縮しても、覆い部材２１の内部の全体の容積が実質的に変わらない（覆い部材２１が伸縮することによって、覆い部材２１の襞部の容積が若干は変化することはある）。このため、移動ブロック７がスライドしても、覆い部材２１が膨らんだり、しぼんだりすることがない。

図７は、本発明の第２の実施形態におけるアクチュエータを示す。この実施形態のアクチュエータは、上記第１の実施形態のアクチュエータと略同様な構成を有するが、移動ブロック７の一部を構成する連結部材２２の形状が上記第２の実施形態と異なっている。連結部材２２の形状は、アクチュエータの用途、移動対象との接合状況によって様々に決定される。勿論、上記第１及び第２の実施形態と異なり、連結部材は棒状に形成されなくてもよい。

図８は、本発明の第３の実施形態におけるアクチュエータを示す。この実施形態のアクチュエータでは、ねじ軸１７の中心線と、ねじ軸を回転駆動する駆動源としての電動モータ３１の出力軸の中心線とを一致させ、軌道レール６の軸線方向と直交する断面において、電動モータ３１の外形形状を軌道レール６の形状に合わせて円形に形成している。電動モータ３１の出力軸とねじ軸１７との間には、外形形状が円形のハーモニックドライブ又は遊星歯車等の減速機３２が介在される。軌道レール６、移動ブロック７、ねじ軸１７等の構成は、上記第１の実施形態のアクチュエータと同一なので、同一の符号を付してその説明を省略する。

この実施形態のアクチュエータによれば、軌道レール６及び電動モータ３１の外形形状を合わせることができ、コンパクトでスリムなアクチュエータが得られる。また、減速機３２を介在することなく、電動モータ３１にダイレクトドライブモータを使用し、回転子をねじ軸１７に直結すると、アクチュエータの軸線方向の長さをより短くすることができる。さらに、電動モータ３１の替わりに電動シリンダを用いることもできる。

なお、本発明は上記実施形態に限られることなく、本発明の要旨を変更しない範囲で種々変更可能である。例えば、軌道レールの断面形状には、円弧形状以外に楕円形状、長円形状（中央部が矩形で両端部が円弧形）等を採用することができる。軌道レールの片方の端部にのみ支柱を設けても良い。また、転動体としてはボールのみならず、ローラを使用することができる。さらにボール同士の接触を防止するために、ボール間にスペーサを介在させてもよい。

本発明の第１の実施形態におけるアクチュエータの斜視図。 上記アクチュエータの断面図（軌道レールの軸線と直交する面内）。 本実施形態の軌道レールと従来のＵ字形断面形状の軌道レールとを比較した断面図。 本実施形態の軌道レールと従来のＵ字形断面形状の軌道レールとで、断面二次モーメントを比較した断面図。 上記アクチュエータの断面図（軌道レールの軸線と平行な面内）。 覆い部材を取り付けたアクチュエータを示す斜視図。 本発明の第２の実施形態におけるアクチュエータを示す斜視図。 本発明の第３の実施形態におけるアクチュエータを示す斜視図。 従来のアクチュエータを示す斜視図。

符号の説明

６…軌道レール（軌道部材）
７…移動ブロック（移動部材）
７ａ…移動ブロックの一部
８…スリット
９…ボール転走溝（案内部）
１０…ボール（転動体）
１１…延長部
１３…負荷ボール転走溝
１７…ねじ軸（駆動機構）
１８，１９…ブラケット（支柱）
２１…覆い部材
３１…電動モータ（駆動源）
Ｗ１…スリットの幅
Ｗ２…移動部材の幅

Claims (6)

1. 軸線方向に伸びるスリットが形成される中空形状の軌道部材と、
   前記軌道部材の内部に配置され、前記軌道部材に沿って移動可能な移動部材と、
   前記移動部材を前記軌道部材の軸線方向に移動させる駆動機構と、を備え、
   前記軌道部材の軸線方向と直交する断面において、前記軌道部材は、前記移動部材が移動するのを案内する案内部と、該案内部から前記移動部材を覆うように張り出す延長部を有し、
   互いに対向する延長部間に形成される前記スリットの幅が、前記移動部材の幅よりも狭く形成され、
   前記軌道部材の断面形状が実質的な円弧形状に形成され、
   前記軌道部材には、前記案内部として前記軌道部材の軸線方向に伸びる転動体転走溝が形成され、前記移動部材には、前記転動体転走溝に対向する負荷転動体転走溝が形成され、前記軌道部材の転動体転走溝と前記移動部材の負荷転動体転走溝との間には、転がり運動可能な複数の転動体が介在されることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記スリットは、前記軌道部材の軸線方向と直交する断面において、前記軌道部材の周方向の１箇所のみに空けられることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記アクチュエータはさらに、
   前記軌道部材の軸線方向と直交する断面において、前記軌道部材の全体を覆い、前記軌道部材の軸線方向に伸縮自在な覆い部材とを備え、
   前記軌道部材の前記スリットから突出する前記移動部材の一部が、前記覆い部材を貫通することを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ。
4. 軸線方向に伸びるスリットが形成される中空形状の軌道部材と、
   前記軌道部材の内部に配置され、前記軌道部材に沿って移動可能な移動部材と、
   前記移動部材を前記軌道部材の軸線方向に移動させる駆動機構と、を備え、
   前記軌道部材の軸線方向と直交する断面において、前記軌道部材は、実質的な円弧形状に形成され、
   前記軌道部材には、前記案内部として前記軌道部材の軸線方向に伸びる転動体転走溝が形成され、前記移動部材には、前記転動体転走溝に対向する負荷転動体転走溝が形成され、前記軌道部材の転動体転走溝と前記移動部材の負荷転動体転走溝との間には、転がり運動可能な複数の転動体が介在されることを特徴とするアクチュエータ。
5. 前記駆動機構は、前記移動部材に形成されるねじ部と、前記移動部材を貫通すると共に前記ねじ部に螺合するねじ軸とを有し、
   前記ねじ軸の中心線と、前記ねじ軸を回転駆動する駆動源の出力軸の中心線が一致することを特徴とする請求項４に記載のアクチュエータ。
6. 軸線方向に伸びるスリットが形成される中空形状の軌道部材と、
   前記軌道部材の内部に配置され、前記軌道部材に沿って移動可能な移動部材と、
   前記軌道部材の軸線方向と直交する断面において、前記軌道部材は、前記移動部材が移動するのを案内する案内部と、該案内部から前記移動部材を覆うように張り出す延長部を有し、
   互いに対向する延長部間に形成される前記スリットの幅が、前記移動部材の幅よりも狭く形成され、
   前記軌道部材の断面形状が実質的な円弧形状に形成され、
   前記軌道部材には、前記案内部として前記軌道部材の軸線方向に伸びる転動体転走溝が形成され、前記移動部材には、前記転動体転走溝に対向する負荷転動体転走溝が形成され、前記軌道部材の転動体転走溝と前記移動部材の負荷転動体転走溝との間には、転がり運動可能な複数の転動体が介在されることを特徴とする運動案内装置。

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