JP6983713B2 - 光学式センサ、およびその光学式センサを備えた装置 - Google Patents

Description

本発明は、外力を定量的に検出する光学式センサに関する。

従来、業用ロボットのアームや、医療用等のマニピュレータの各部に作用する外力を検出するために力覚センサが使用されている。

多軸の外力を検出する力覚センサの方式として、複数の受光素子列からなる光学式変位センサを用い、得られた変位情報より外力を定量的に検出する光学式力覚センサが提案されている（特許文献１参照）。この方式によれば、センサ実装面に対する面外方向の変位を含む多軸変位を検出することができため、薄型の多軸力覚センサを構成できる。

特開２０１０−２８１６３５公報

しかしながら、上述したような従来の力覚センサによれば、発光素子から受光素子に至る光路中にゴミやオイル等の異物が入ると、正確な検出ができなくなるという問題がある。また、光路中に透明媒質と空気の界面があると、屈折率差による反射が迷光になり、ＳＮ比の低下を引き起こす。

本発明は、作用部と基部と間の異物混入の影響を抑え、迷光によるＳＮ比の低下を抑制することで、高精度、高信頼性の力および／または加速度が検知できる光学式センサを提供すること目的とする。

本発明に係る光学式センサは、
基部と、作用部と、
前記基部と前記作用部のいずれか一方に反射体、他方に光源と受光素子を備えた検出部、を有し、
前記検出部と前記反射体の間が光透過性材料によって満たされており、
前記光源から出射し前記反射体によって反射された光を前記受光素子で検出することで力および／または加速度を検知することを特徴とする。

上記構成によれば、異物混入の影響を抑え、高精度、高信頼性の光学式センサを実現できる。

本発明の第１の実施形態における力覚センサの構成を示す図である。 第１〜７の実施形態における検出部１０の光路を示す図である。 本発明の第２の実施形態における加速度センサの構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態における、（ａ）加速度センサ、速度センサ、振動センサの構成を示す図である。（ｂ）ゲルシート２１の構成を示す図である。 第４の実施形態における（ａ）センサ１０１の機構部を示した上面から見た図、（ｂ）センサ１０１の機構部を示した断面図、である。 第４の実施形態のセンサ１０１の機構部を下面から見た図である。 第４の実施形態における回路基板６を示す平面図である。 第５の実施形態におけるセンサ１０１の機構部を示した断面図である。 第６の実施形態のセンサ１０１の機構部を上面から見た図である。 第６の実施形態のセンサ１０１の機構部を示した断面図である。 第７の実施形態におけるロボットアーム搬送装置の構成図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。また本発明は本発明の趣旨を超えない限り、下記の実施形態に限定されるものではない。

（第１の実施形態）
本発明に係る光学式センサは、基部と、作用部と、前記基部と前記作用部のいずれか一方に反射体、他方に光源と受光素子を備えた検出部、を有している。検出部と反射体の間が光透過性材料によって満たされており、光源から出射し反射体によって反射された光を受光素子で検出することで力および／または加速度を検知する。光透過性材料はさまざまな材料を用いて良いが、力あるいは加速度を検知するにあたり適度な弾性を有するという観点で樹脂であることが好ましい。

図１は第１の実施形態における１軸力覚センサの構成を示した図である。

センサ１０１は基部１、作用部２、支持部材３、スケール４、検出部１０、光透過性樹脂２０を有する。センサ１０１は、作用部２に対し図中Ｘ方向に印加される外力を検出し、外力に応じた信号を出力する。

支持部材３は、基部１と作用部２の間にかかる外力に応じて、弾性変形可能な形状、および材質によりなっている。支持部材３の弾性は、検出したい外力の範囲によって最適に設計される。すなわち、微小な外力を検出する場合は、変形しやすいように弾性を高める。大きな外力を検出する場合、あるいは機械的な剛性を高めたい場合は、弾性を低く設計する必要がある。

検出部１０は、基部１上に固定され、スケール４は、作用部２上に固定されている。検出部１０の光路を示す図を図２に示す。

検出部１０は、電流狭窄型ＬＥＤからなる光源１１と、受光素子がアレイ状に配された受光素子アレイ１２を有する受光ＩＣ１３とが同一パッケージ内に実装された受発光一体型のセンサユニットである。反射体であるスケール４は、ガラス基板上にクロム反射膜のパターン５が格子状にパターニングされている回折格子である。検出部と反射体の間には光透過性材料が充填されており、例えば樹脂や後段で説明するゲルシートを用いることができる。

受光素子アレイ１２は、スケール４のパターンからの反射光の強度分布を検出する複数の検出素子を、スケール４（または作用部）の移動方向（測長方向）であるＸ方向に配列して構成されている。

カバーガラス１６は、光源１１および受光ＩＣ１３を封止する透明樹脂１７の上に貼り合わされおり、透明樹脂１７と光学的に一体化している。

光源１２は、電狭窄型のＬＥＤ、半導体レーザ等を使用することができる。受光素子アレイ１２は、スケール４のパターンからの光の分布を検出する複数の検出素子が、スケール４の移動方向（測位方向）に並べられた検出素子アレイとして機能する。検出部１０は、スケール４と対向するように配置され、相対変位量を検出する。光源１２から出射した発散光束は、スケール４上の格子パターンに反射され、回折および干渉によって受光素子アレイ上で、縞状の光量分布（干渉縞）を形成する。

受光素子アレイ１２の検出素子は、Ａ＋相、Ｂ＋相、Ａ−相、および、Ｂ−相の順に循環的に割り当てられており、これら４つの相における各相に割り当てられた複数の受光素子が１つの受光素子群を構成する。この循環周期は、干渉縞の周期に合うように設定されている。干渉縞の周期を３６０度として、位相が９０度ずつずれた位置に、Ａ＋相、Ｂ＋相、Ａ−相、Ｂ−相に対応する受光素子が配置されている。

各受光素子群を構成する受光素子は互いに電気的に接続されており、これらの出力（電流）は互いに足し合わされて後段に相ごとに設けられたＩＶ変換アンプ（不図示）に入力される。４つのＩＶ変換アンプは、４相の信号Ｓ１（Ａ＋）、Ｓ１（Ｂ＋）、Ｓ１（Ａ−）、および、Ｓ１（Ｂ−）をそれぞれ出力する。

信号Ｓ１（Ａ＋）、Ｓ１（Ｂ＋）、Ｓ１（Ａ−）、Ｓ１（Ｂ−）は、スケール４の移動に応じてその値が正弦波状に変化する電圧信号（正弦波信号）となる。４つの相に対して設けられた４つのＩＶアンプの出力信号は、信号位相の０度、９０度、１８０度、および、２７０度にそれぞれ対応している。信号処理回路（図示せず）は、４相の信号Ｓ１（Ａ＋）、Ｓ１（Ｂ＋）、Ｓ１（Ａ−）、Ｓ１（Ｂ−）に対して、以下の式（１）、（２）で表される演算処理を行い、４相の信号から直流成分が除去され、信号位相が９０度ずれた２相の正弦波信号Ｓ１（Ａ）、Ｓ１（Ｂ）に変換する。
Ｓ１（Ａ）＝Ｓ１（Ａ＋）−Ｓ１（Ａ−） … （１）
Ｓ１（Ｂ）＝Ｓ１（Ｂ＋）−Ｓ１（Ｂ−） … （２）

また信号処理回路は、以下の式（３）で表される演算により、位置信号の元となる位相信号Φを取得する。
Φ＝ＡＴＡＮ２［Ｓ１（Ａ），Ｓ１（Ｂ）］ … （３）
式（３）において、ＡＴＡＮ２［Ｙ，Ｘ］は、象限を判別して０〜２π位相に変換する逆正接演算関数である。

位相信号Φは、スケール４の格子パターン移動による干渉縞の移動量に対応し、位相信号Φの変化量を累積することにより、スケール４と検出部１０の移動方向（測位方向）における相対変位量を検出することができる。

図１に示すように、光透過性樹脂２０は、検出部１０の表面にあるカバーガラス１６とスケール４の表面の間に隙間なく充填されている。充填される領域は、少なくとも、光源１１から出て、スケール４で反射され、受光素子アレイ１２に至る光束の光路範囲が含まれていればよい。

光透過性樹脂２０は、シリコーン、ポリエステル、エポキシ系樹脂など、さまざまな材料を選択することができる。支持部材３をステンレス等の金属材料とし、光透過性樹脂２０に比べ相対的に剛性を高くすれば、光透過性樹脂２０が全体の剛性に与える影響は微小にできる。また、光透過性樹脂２０は、ＵＶ硬化、熱硬化、その他の硬化条件を選択できる。光透過性は高い方が望ましいが、信号を検出するのに十分であればよい。なお、光透過性は、使用する波長に対して有していればよく、例えば、検出に赤外光源（波長７６０ｎｍ以上）を使って、光透過性樹脂２０は可視光（波長４００ｎｍ〜７６０ｎｍ）に対し非透過の材料としても良い。その場合は、光透過性材料は可視光を遮蔽し、赤外光を透過するので自然光等による外乱の影響を抑制することができる。また、光透過性樹脂２０の屈折率は、境界面での反射を最小化するため、検出部１０の表面にあるカバーガラス１６と近い値をとるのが望ましい。たとえば屈折率は１．２以上２．０以下であることが好ましい。

光透過性樹脂２０がない場合では、カバーガラス１６の表面にて、空気との屈折率差によって、臨界角（４５度前後）を超えた入射角度では全反射が生じる。全反射光は検出部１０内で、受光素子アレイに入射して迷光の要因となる。通常、この全反射を避けるため、検出部１０の内部光路長大きくとる必要があり、センサユニットの大型化をきたす。本発明のように、スケール４の表面まで隙間なく光透過性樹脂２０を充填することにより、光路長を増大させることなく、境界面での反射を大幅に低減することができる。

このように、本発明によれば、作用部と基部との適度な弾性による移動自由度を保ちつつ、異物混入の影響を抑え、迷光によるＳＮ比の低下を抑制することができる。よって、高精度、高信頼性の力を検出可能な光学式センサを実現できる。

（第２の実施形態）
光学式センサの一例として、本実施形態における加速度センサ１０２の構成を図３に示す。加速度センサ１０２は、実施形態１の構成に加え、おもり部材３０が作用部２に固定されている。基部１は加速度の測定対象に固定される。センサ部１０２は、図中Ｘ方向に印加される加速度を検出し、加速度に応じた信号を出力する。このおもり部材を設けることで力あるいは加速度の感度を向上させ、また光学式センサ自体の共振周波数を調整することが可能である。

光透過性樹脂２０は、検出部１０の表面にあるカバーガラス１６とスケール４の表面の間に隙間なく充填されている。なお、光透過性樹脂２０として、適度に粘性を有する材料を選択することで、ダンパー効果を持たせ、共振による測定誤差を低減することができる。

（第３の実施形態）
光学式センサの一例として、本実施形態における加速度センサ１０２、速度センサ１０２、振動センサ１０２の構成を図４（ａ）に示す。第２の実施形態と同様、おもり部材３０が作用部２に固定されている。

本実施形態における光透過性樹脂２０として、図４（ｂ）に示すゲルシート２１を用いる。ゲルシート２１は、平行平板状に成形された透明樹脂層２２と、その両面に形成された透明粘着層２３を有するゲルシート２１は、検出部１０の表面にあるカバーガラス１６とスケール４の表面それぞれに隙間なく貼りあわせられる。これにより、別途支持部材を設けることなく、検出部１０とスケール４の間の平行度を維持することが容易となる。

すなわちゲルシートはシート状に形成されているため、シート自身の平面に検出部とスケールを倣わせることができる。

光透過性樹脂２０は、支持部材としての機能を兼ねる。加速度の検出感度、および検出できる周波数範囲は、光透過性樹脂２０の弾性係数に依存する。

なお、固有振動数より高い周波数範囲にて、振動の振幅を直接検出することも可能である。また、固有振動数付近の周波数範囲では、振動の速度を検出することができる。光透過性樹脂２０を支持部材として機能させることで、大きな質量のおもりを用いずに固有振動数を低く設計することが可能となり、光学式センサの小型、軽量化が可能である。

（第４の実施形態）
光学式センサの一例として、本実施形態は、６軸力覚センサへの適用例である。

本実施形態におけるセンサ１０１の機構部は、基部１と作用部２とをつなぐように複数もうけられた梁状の支持部材３に変位方向変換機能を付与した構造である。機構部における作用部２の上部を不可視にし、上面から力覚センサを見た図を図５（ａ）に示す。また、図５（ｂ）は、本実施形態における力覚センサの断面図であり、図５（ａ）の力覚センサにおける作用部２の中心を、支持部材３に沿って紙面に向かって左右に切った図である。断面に向かって奥に配置されるスケール４Ｇおよびスケール４Ｃもあわせて描いてある。

下蓋、回路基板６を取り、−Ｚ方向から機構部を見た図を図６に示す。検出部１０Ａ〜Ｈとスケール４Ａ〜Ｈの間には、第３の実施形態で説明したゲルシート２１が貼りあわせられている。

変位方向変換機能は、コの字型の変位方向変換機構３０によって実現される。すなわち、作用部２に−Ｚ方向の力が入力されると、変位方向変換機構３０に変形が生じ、設置されたスケール４Ｅ、４Ｆ、４Ｇ、４Ｈは−Ｚ方向とともにＸＹ平面内にも変位を生じる。

スケール４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄは、作用部２に連結された柱状部材５０の先端に貼り付けられている。作用部２にＸ方向、Ｙ方向の力、Ｚ軸まわりのモーメントが入力されると、ＸＹ平面内で力やモーメントの方向に変位を生じる。

基部１に連結され、図７で示す回路基板６が固定される。十字がＸ軸およびＹ軸を示しており、その方向は図上に示した座標系のとおりである。

回路基板６には、検出部１０Ａ〜１０Ｈが実装されている。それとともに、信号処理ＩＣ２０、信号を出力するコネクタ２１等の電気部品が実装されている。

検出部１０Ａ、検出部１０Ｂの変位検出方向は、図上Ｘ軸の方向である。検出部１０Ｃ、検出部１０Ｄの変位検出方向は、図上Ｙ軸の方向である。検出部１０Ａ、検出部１０Ｂは変位検出方向がＸ軸に平行であり、かつ、Ｘ軸方向とＹ軸方向に離間し、機構部の中心位置に対し、点対称に配置されている。さらに、機構部の中心位置を通り、Ｘ軸に平行な直線とＹ軸に平行な直線で４象限に分けたとき、検出部１０Ａと検出部１０Ｃは同じ象限に配され、検出部１０Ｂと検出部１０Ｄは同じ象限に配されている。検出部１０Ａと検出部１０Ｂが配されていない象限には、信号処理ＩＣ２０やコネクタ２１が実装されている。

検出部１０Ｅの変位検出方向はＸ軸の方向で、Ｘ軸上に配され、Ｘ軸方向の位置は検出部１０Ａと略同一である。検出部１０Ｆの変位検出方向はＸ軸の方向で、Ｘ軸上に配され、Ｘ軸方向の位置は検出部１０Ｂと略同一である。検出部１０Ｇの変位検出方向はＹ軸の方向で、Ｙ軸上に配され、Ｙ軸方向の位置は検出部１０Ａと略同一である。検出部１０Ｈの変位検出方向はＹ軸の方向で、Ｙ軸上に配され、Ｙ軸方向の位置は検出部１０Ａと略同一である。

６軸の外力成分（Ｘ軸方向Ｆｘ、Ｙ軸方向Ｆｙ、Ｚ軸方向Ｆｚ、Ｘ軸周りモーメントＭｘ、Ｙ軸周りモーメントＭｙ、Ｚ軸周りモーメントＭｚ）、および、２軸の熱膨張の成分（Ｘ軸方向膨張Ｔｘ、Ｙ軸方向膨張Ｔｙ）を入力とする。このときの各軸入力による変位量の応答をまとめ、８×８の行列Ｄｍａｔとすると、以下のように表わされる。

本実施形態における設計では、変位量の単位をマイクロメートルとし、以下のようになる。

つまり、基部と、外力を受けて基部に対して変位する作用部と、基部と作用部を連結する弾性支持部を備えている光学式センサは以下の構成をさらに備えている。

すなわち第１の方向での作用部の基部に対する変位を検出する２組の変位センサからなる第１の変位センサ対（例えば図７に示すようにＸ方向の変位を検出する検出部１０Ａと検出部１０Ｂ）を備えている。

加えて、第１の方向と交差する第２の方向での作用部の基部に対する変位を検出する２組の変位センサからなる第２の変位センサ対（例えば図７に示すようにＹ方向の変位を検出する検出部１０Ｃと検出部１０Ｄ）と、を備えている。

さらに第１の変位センサ対を構成する２組の変位センサの中点を通り、第１の方向と第２の方向のそれぞれに沿った２本の直線によって分けられる４象限のうち、第１の変位センサ対が配置された２つの象限に第２の変位センサ対が配置されている。

本発明の配置により、ＤａとＤｃ、ＤｂとＤｄの符号関係が、Ｍｚが加わった場合と、温度Ｔが加わった場合で逆転するため、ＳＮ良く両者を分離することが可能となる。

さらに、熱膨張の成分を精度良く分離できることで、Ｍｚ以外の成分に対しても、温度変化の影響を補正できることについて、以下に述べる。

各検出部１０の出力より、６軸の外力成分、および、２軸の熱膨張の成分を算出する演算は以下のように行う。

ここで、変換行列Ｃは、各検出部１０出力より、６軸の外力成分、および、２軸の熱膨張の成分に変換するための行列である。変換行列Ｃは、Ｍｍａｔの逆行例より、以下のようになる。

このとき、６軸の外力成分、および、２軸の熱膨張の成分が独立に分離検出されていることを以下により示す。各軸に独立の入力があった場合の各検出部１０の変位出力を、８×８の行列Ｄｍａｔとする。このＤｍａｔに変換行列Ｃをかけると、逆行列の性質より以下のような対角行列となる。

各検出部１０の出力は、構造サイズに対し非常に微小な変位を検出するため、各軸外力の応答に対し、重ね合わせ近似が成り立つ。よって、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ、Ｔｘ、Ｔｙの８成分は、複合して作用した場合にも、互いに独立な成分として分離検出が可能である。

本実施形態における光学式センサは、作用部と基部との適度な弾性による移動自由度を保ちつつ、異物混入の影響を抑え、迷光によるＳＮ比の低下を抑制することが可能である。

（第５の実施形態）
光学式センサの一例として本実施形態は６軸力覚センサの別の適用例である。本実施形態におけるセンサ１０１の機構部、回路基板の構成は第４の実施形態のものと同様である。

図８は、本実施形態における力覚検出装置の断面図である。第４の実施形態のゲルシート２１の代わりに、ユニット内部の空間に、回路基板６の周囲も含め、光透過性樹脂２０が充填されている。このようにすることで、センサ部、回路部ともに防水、防塵機能等、耐環境性を向上することが可能である。また、シリコーン樹脂等、熱伝導性の高い樹脂を用いれば、回路の放熱硬化が向上することができる。またウレタン系樹脂、あるいはアクリル系樹脂も好適に用いることができる。

（第６の実施形態）
光学式センサの一例として本実施形態は６軸力覚センサの別の適用例である。

本実施形態におけるセンサ１０１の機構部を上面から見た図を図９に示す。また、側面から見た断面図を図１０に示す。作用部２としての外輪部と、基部１としての内輪部がある。検出部１０Ａ〜Ｈは、基部１上に固定され、スケール４Ａ〜Ｈは、作用部２上に固定されている。基部１と作用部２の間隔に光透過性樹脂２０が隙間なく充填されている。

検出部１０Ａ、１０Ｂは、Ｙ方向の変位を検出するように配され、検出部１０Ｃ、１０ＤはＸ方向の変位を検出するように配される。検出部１０Ｅ、１０Ｆ、１０Ｇ、１０Ｈは、Ｚ方向の変位を検出するように配される。８つの検出部１０Ａ〜Ｈより、６軸の外力に変換する演算は、実施形態４と同様にして可能である。

本実施形態では、光透過性樹脂２０が支持部材としての機能を兼ねることで、機構部品を簡略化するとともに、センサユニットの薄型化が実現できる。

（第７の実施形態）
本発明の光学式センサを備えた装置の一例として、次に、図１１を参照して、本発明の実施形態７におけるロボットアーム搬送装置について説明する。図１１は、本実施形態におけるロボットアーム搬送装置４００の構成図であり、実施形態４〜６で説明したセンサ１０１を備えたロボットアーム搬送装置４００を示している。

動作可能な可動部としてのロボットアーム２００は、把持部２０１にて被搬送物２０５を把持する。ロボットアーム２００は、被搬送物２０５を基板２０６に形成された穴部２０６ａに挿入する動作を行っており、その動作は制御部２１０によって制御される。

ロボットアーム２００には、把持部２０１が被搬送物２０５を介して基板２０６から受ける上向きの外力を検出するためのセンサ１０１（光学式力覚センサ）が搭載されている。被搬送物２０５が基板２０６の上面における穴部２０６ａ以外の部分に接触している場合、把持部２０１からセンサ１０１に外力が作用するため、被搬送物２０５の位置が穴部２０６ａの位置から外れていることが検出される。このため、制御部２１０は、被搬送物２０５を基板２０６の上面に沿って移動させるようにロボットアーム２００の動作を制御する。

そして、被搬送物２０５が穴部２０６ａの上方に位置すると、それまで把持部２０１からセンサ１０１に作用していた外力がなくなるため、被搬送物２０５の位置が穴部２０６ａの位置に一致したことが検出される。このため、制御部２１０は、被搬送物２０５を穴部２０６ａ内に挿入するようにロボットアーム２００の動作を制御する。

このように本実施形態の装置（ロボットアーム搬送装置４００）は、可動部（把持部２０１）と、実施形態４〜６のセンサ部（光学式力覚センサ）と、力覚センサを用いて可動部を制御する制御部２１０とを有する。ロボットアーム２００に実施形態４〜６にて説明したセンサ１０１を用いることにより、ロボットアーム２００の動作を高精度に制御することができる。なお、実施形態１〜６にて説明したセンサ１０１は、本実施形態で説明したようなロボットアーム搬送装置４００以外の装置であって、外力検出の結果を用いて動作の制御を行う各種装置に用いることができる。

以上の各実施形態に示すように、高精度、高信頼性の力覚センサ、および、装置を提供することができる。

１ 基部
２ 作用部
３ 支持部材
４ スケール
１０ 検出部
２０ 光透過性樹脂
１０１ センサ

Claims (12)

1. 基部と、
   作用部と、
   前記基部と前記作用部のいずれか一方に反射体、前記基部と前記作用部の他方に光源と受光素子、を備えた検出部と、
   を有し、
   前記検出部と前記反射体の空間は、光透過性材料と空気の界面が含まれないように、前記光透過性材料によって満たされ、
   前記空間には、前記光源から出て、前記検出部で反射され、前記受光素子に至る光路が含まれ、及び 前記光源から出射し前記反射体によって反射された光を前記受光素子で検出することで力および加速度の少なくともいずれか一方を検知することを特徴とする光学式センサ。
2. 前記基部と前記作用部とを支持する支持部材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光学式センサ。
3. 前記作用部に設けられたおもり部材をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の光学式センサ。
4. 前記光透過性材料の屈折率は１．２以上２．０以下である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学式センサ。
5. 前記光透過性材料は可視光を遮蔽し、赤外光を透過する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学式センサ。
6. 前記光透過性材料は光透過性樹脂であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学式センサ。
7. 前記光透過性樹脂は、シリコーン樹脂、ウレタン系樹脂、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂あるいはポリエステルである請求項６に記載の光学式センサ。
8. 前記光透過性樹脂は透明粘着層と透明樹脂層を有するゲルシートであることを特徴とする請求項６または７に記載の光学式センサ。
9. 前記受光素子はアレイ状に構成されており、前記反射体は回折格子を備える請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光学式センサ。
10. 前記光透過性材料は、樹脂又はガラスであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光学式センサ。
11. 動作可能な可動部と、
    請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光学式センサと、
    前記可動部を制御する制御部と、を有することを特徴とする装置。
12. 前記可動部はロボットアームである請求項１１記載の装置。

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