JPH0794978B2 - Detecting method of rotation center position of rotating shaft and detecting device therefor - Google Patents

Detecting method of rotation center position of rotating shaft and detecting device therefor

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JPH0794978B2
JPH0794978B2 JP8959991A JP8959991A JPH0794978B2 JP H0794978 B2 JPH0794978 B2 JP H0794978B2 JP 8959991 A JP8959991 A JP 8959991A JP 8959991 A JP8959991 A JP 8959991A JP H0794978 B2 JPH0794978 B2 JP H0794978B2
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rotation
target
detecting
center
displacement
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則光 小澤
喜代松 竹内
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工業技術院長
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は回転軸の回転中心位置
を検出するための技術に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a technique for detecting the rotational center position of a rotary shaft.
【0002】[0002]
【従来の技術】回転軸の回転中心位置は、軸及び軸受の
構造、回転数、軸に作用する外力等により変動する。中
でも、工作機械主軸は様々な形状と重量を持つ工具或い
は工作物を保持して回転させながら加工を行うため、こ
うした変動は加工結果(寸法形状、加工面形状等)に対
して直接的な影響を及ぼすことになる。従って、必要と
される加工精度に対して許容し得る軸心変動となるよう
な主軸系の設計を行うことが要求される。例えば、0.
01μmの加工精度が要求される超精密加工機では、回
転中心位置の変動は同じ0.01μmオ―ダ以下におさ
えることが必要となる。また精密旋削加工においては工
具刃先の高さを回転中心位置に高精度に一致させること
も重要な技術的課題となっているが、これらの課題に対
応するためには、まず、無負荷回転中及び加工回転中に
おける主軸の回転中心位置を、サブミクロン或いはナノ
メ―タのオ―ダで高精度に検出する方法を確立すること
が必要である。
2. Description of the Related Art The position of the center of rotation of a rotary shaft varies depending on the structure of the shaft and the bearing, the number of revolutions, the external force acting on the shaft, and the like. Among them, since the machine tool spindle carries out machining while holding and rotating tools or workpieces with various shapes and weights, such fluctuations have a direct effect on the machining results (dimension shape, machined surface shape, etc.). Will be affected. Therefore, it is required to design the spindle system so that the shaft center fluctuation is allowable with respect to the required machining accuracy. For example, 0.
In an ultra-precision processing machine that requires a processing accuracy of 01 μm, it is necessary to keep the fluctuation of the rotation center position within the same 0.01 μm order. In precision turning, it is also an important technical issue to match the height of the tool edge with the center of rotation with high accuracy, but in order to meet these issues, first of all, Also, it is necessary to establish a method for detecting the position of the center of rotation of the spindle during processing rotation with sub-micron or nanometer order with high accuracy.
【0003】回転軸の回転中心を検出する技術としては
従来レーザドップラ法を応用した技術が開発されている
(昭和57年特許出願第51581号参照)。
A technique applying the laser Doppler method has been developed as a technique for detecting the center of rotation of a rotating shaft (see Japanese Patent Application No. 51581 in 1982).
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】このレーザードップラ
法による速度検出法を応用した回転軸の回転中心検出方
法は、回転体の回転中心位置では接線速度が0になるこ
とに注目して、接線速度が0になる位置を計測すること
で、回転中心を検出するものであるが、測定精度がミク
ロンオーダの範囲にあり、これ以上の高精度な回転中心
の検出が必要な場合には、別の測定技術の開発が必要で
ある。
In the method of detecting the center of rotation of a rotary shaft to which the speed detection method based on the laser Doppler method is applied, the tangential speed becomes 0 at the center of rotation of the rotating body. The center of rotation is detected by measuring the position where is 0, but if the measurement accuracy is in the micron order range and more accurate detection of the center of rotation is required, another Development of measurement technology is necessary.
【0005】この発明は上記のごとき事情に鑑みてなさ
れたものであって、超精密加工機の主軸の測定に使用で
きるように、より高精度で、かつ測定の容易な主軸回転
中心位置測定技術を提供することを目的とするものであ
る。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and is a technique for measuring the rotational center position of a spindle with higher accuracy and easier measurement so that it can be used for measuring the spindle of an ultra-precision processing machine. It is intended to provide.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】この目的に対応して、第
1の発明の回転軸の回転中心位置の検出方法は、非接触
型変位計の測定軸に対して回転軸の回転によって偏差が
生じるように、前記回転軸の先端にターゲットを取り付
けて前記回転軸の回転中における前記ターゲットの軸方
向の変位を測定し、前記変位の信号のうち前記回転と同
期した成分が最小となる位置を回転軸の回転中心として
判定することを特徴としている。また、第2の発明の回
転軸の回転中心位置の検出装置は、非接触型変位計の測
定軸に対して回転軸の回転によって偏差が生じるよう
に、前記回転軸の先端に取り付けられるターゲットと、
前記ターゲットに対向して位置し前記ターゲットの軸方
向の変位を測定する非接触型変位計と、前記変位計を支
持し回転軸に直交する平面内等を変位可能な微動台と、
前記変位計の出力信号から回転同期成分を取り出すフィ
ルタリング装置とを備えることを特徴としている。
Corresponding to this object, the method of detecting the position of the rotation center of the rotating shaft of the first invention is a non-contact method.
Deviation due to the rotation of the rotary shaft with respect to the measuring axis of the displacement meter
As it occurs , the target is attached to the tip of the rotary shaft to measure the axial displacement of the target during rotation of the rotary shaft, and the position where the component of the displacement signal in synchronization with the rotation is minimized is determined. The feature is that it is determined as the center of rotation of the rotation axis. Further, the detecting device for the rotational center position of the rotating shaft of the second invention is a non-contact type displacement measuring device.
Deviation may occur due to the rotation of the rotating shaft with respect to the fixed axis
A target attached to the tip of the rotating shaft,
A non-contact type displacement gauge that is positioned to face the target and measures the displacement in the axial direction of the target, and a fine movement table that supports the displacement gauge and can be displaced in a plane orthogonal to the rotation axis, or the like.
And a filtering device for extracting a rotation synchronization component from the output signal of the displacement meter.
【0007】[0007]
【作用】回転軸の先端に高精度の鋼球や平面板(オプチ
カルフラット)等のターゲットを取り付け、変位計によ
り回転軸の回転中におけるターゲットの軸方向の変位を
測定する。変位計の出力信号にはターゲットの形状成分
取付誤差及び回転精度成分を含むが、変位計の出力信
号から回転同期成分だけを取り出し、回転同期成分が最
小となる位置を向転軸の回転中心として判定する。ここ
で回転同期成分とは回転軸が1回転する時間と同じ時間
で変化する成分をいう。また回転精度成分とは回転軸及
び軸受の回転運動性能に起因する回転運動における現象
による成分をいう。
The target such as a high-precision steel ball or a flat plate (optical flat) is attached to the tip of the rotary shaft, and the displacement of the target in the axial direction during rotation of the rotary shaft is measured by the displacement meter. The output signal of the displacement meter includes the target shape component, mounting error, and rotation accuracy component, but only the rotation synchronization component is extracted from the output signal of the displacement meter, and the position where the rotation synchronization component is minimized is the rotation center of the turning axis. Is determined as. here
The rotation synchronization component is the same time as one rotation of the rotation axis
The component that changes with. The rotation accuracy component is the rotation axis and
In rotary motion due to rotary motion performance of bearings and bearings
Refers to ingredients.
【0008】[0008]
【実施例】以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面
について説明する。図1及び図2において、1は回転中
心位置測定装置であり、回転中心位置測定装置1は工作
機械の主軸2の先端にターゲット3をとりつけている。
ターゲット3は後述する変位計7における計測の対象と
なるもので、このようなターゲット3としては鋼球や平
面板(オプチカルフラット)を使用することができる。
図1で示す実施例ではターゲット3として鋼球4を使用
し、鋼球4が取付具5によって主軸2の先端にとりつけ
られている。ターゲット3は変位計のセンサ軸に対し
て、センサ軸が回転軸の回転中心線上にない場合には、
回転軸の回転によって偏差が生ずるように取り付けられ
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The details of the present invention will be described below with reference to the drawings showing an embodiment. 1 and 2, reference numeral 1 denotes a rotation center position measuring device, and the rotation center position measuring device 1 has a target 3 attached to the tip of a spindle 2 of a machine tool.
The target 3 is a target of measurement by the displacement gauge 7 described later, and a steel ball or a flat plate (optical flat) can be used as such a target 3.
In the embodiment shown in FIG. 1, a steel ball 4 is used as the target 3, and the steel ball 4 is attached to the tip of the main shaft 2 by a fixture 5. Target 3 is relative to the sensor axis of the displacement gauge
If the sensor axis is not on the rotation center line of the rotation axis,
It is installed so that deviation occurs due to the rotation of the rotating shaft.
It
【0009】鋼球4の軸方向の変位は変位計7によって
計測される。変位計7は、鋼球4に対向してかつ鋼球4
とは非接触で位置している。変位計7は3次元微動台8
に支持されている。3次元微動台8はYZ方向での自己
の移動量を検出する移動量検出器11を備えている。変
位計7の出力は増幅器12に入力されて増幅され、さら
にフィルタ13でフィルタリングされた後、電圧計14
で計測される。
The axial displacement of the steel ball 4 is measured by a displacement gauge 7. The displacement meter 7 faces the steel ball 4 and
It is located in non-contact with. The displacement gauge 7 is a three-dimensional fine movement table 8
Supported by. The three-dimensional fine movement table 8 includes a movement amount detector 11 that detects the movement amount of itself in the YZ direction. The output of the displacement meter 7 is input to the amplifier 12, amplified, filtered by the filter 13, and then output by the voltmeter 14.
Is measured at.
【0010】図3にはこの発明の他の実施例が示されて
いる。この図3に示す実施例ではターゲット3として、
オプチカルフラット15が使用されており、オプチカル
フラット15はゴニオステージ16によって主軸1の先
端に取付られている。
FIG. 3 shows another embodiment of the present invention. In the embodiment shown in FIG. 3, as the target 3,
An optical flat 15 is used, and the optical flat 15 is attached to the tip of the main shaft 1 by a gonio stage 16.
【0011】次にこのように構成された回転中心位置検
出装置における回転中心位置検出操作について説明す
る。
Next, the operation of detecting the rotation center position in the rotation center position detecting device thus configured will be described.
【0012】(鋼球を使った主軸回転中心位置測定法)
図1及び図2に示すような主軸2の端面に鋼球4を取付
け、これと対向させて非接触変位計7を3次元微動台8
上にセットする。3次元微動台8のY,Z方向の移動量
は精密な検出器11で測定する。
(Measurement method of main shaft rotation center position using steel ball)
A steel ball 4 is attached to the end surface of the spindle 2 as shown in FIGS.
Set on top. The amount of movement of the three-dimensional fine movement table 8 in the Y and Z directions is measured by a precise detector 11.
【0013】いま、図4に示すように主軸2の回転中心
がX軸上にありり、半径rの鋼球4がX軸からeだけ偏
心して同図の実線で示すように主軸端に取付けられてい
るとする。この主軸2の軸方向のエラーモーション(ア
キシアルモーション)が0であれば、主軸2が半回転す
ると鋼球は破線で示す位置に来る。回転中心位置Oから
yだけずれた位置Bにおける鋼球4の半弦の長さを実線
の場合にBC、半回転後に破線の場合をBEとすれば、
両者の差x(CE)は主軸の回転にともなって正弦波状
に変動し、その周期は主軸の回転の周期と一致する。そ
して、回転中心位置、すなわちy=0の位置ではx=0
となることがわかる。そして鋼球4が幾何学的に理想的
な球である場合には、xとyは次の数式1のように表す
ことが出来る。
Now, as shown in FIG. 4, the center of rotation of the main shaft 2 is on the X axis, and the steel ball 4 having a radius r is eccentric from the X axis by e and is attached to the end of the main shaft as shown by the solid line in the figure. It is supposed to be. If the axial error motion (axial motion) of the main spindle 2 is 0, the steel ball comes to the position shown by the broken line when the main spindle 2 makes a half rotation. If the length of the half chord of the steel ball 4 at the position B deviated from the rotation center position O by y is BC, the solid line is BC, and the broken line after half rotation is BE.
The difference x (CE) between the two fluctuates in a sinusoidal manner with the rotation of the main shaft, and the cycle thereof coincides with the rotation cycle of the main shaft. Then, at the rotation center position, that is, at the position of y = 0, x = 0
It turns out that When the steel ball 4 is a geometrically ideal sphere, x and y can be expressed by the following mathematical formula 1.
【0014】[0014]
【数1】 [Equation 1]
【0015】ここでxがyに比べて極めて小さい場合に
は、x2 の項を無視して次の数式2とすることができ
る。
Here, when x is extremely smaller than y, the term of x 2 can be ignored and the following equation 2 can be obtained.
【0016】[0016]
【数2】 [Equation 2]
【0017】更にy及びeが鋼球4の半径に比べて極め
て小さい場合には次の数式3と近似することができる。
Further, when y and e are extremely smaller than the radius of the steel ball 4, the following equation 3 can be approximated.
【数3】 [Equation 3]
【0018】いま、直径1/2インチ(半径6.35m
m)の鋼球4が、回転中心位置から10μm偏心して取
付けられている場合のxとyの関係を図5に示す。この
図の実線は数式2を当てはめた場合であり、破線のグラ
フは数式3を当てはめた場合である。これよりyが±2
mm以内では両者の差は5%以下となる。
Now, the diameter is 1/2 inch (radius 6.35 m).
FIG. 5 shows the relationship between x and y when the steel ball 4 of (m) is mounted with an eccentricity of 10 μm from the rotation center position. The solid line in this figure is the case where Equation 2 is applied, and the broken line graph is the case where Equation 3 is applied. From this, y is ± 2
Within mm, the difference between the two is 5% or less.
【0019】こうしたことから、主軸2の回転に同期し
た鋼球4のX軸方向の動きxを高感度非接触変位計7に
よって計測しながら、変位計7をY(またはZ)方向に
スライドさせてxが最小になる位置を検出し、次にその
位置で直交するZ(またはY)方向にスライドさせてx
が0になる位置を検出することにより、回転中心位置を
測定できることがわかる。
From the above, the displacement meter 7 is slid in the Y (or Z) direction while measuring the movement x of the steel ball 4 in the X-axis direction synchronized with the rotation of the main shaft 2 by the high-sensitivity non-contact displacement meter 7. Position where x is minimized, and then slide in the Z (or Y) direction orthogonal to that position to move x
It can be seen that the rotation center position can be measured by detecting the position where is zero.
【0020】(実験結果)図6は、高精密加工機主軸の
先端に真円度0.025μm、直径1/2インチの鋼球
を取付けて毎分1160回転の回転速度で回転させ、そ
の際のxを静電容量型変位計(測定分解能0.005μ
m以下)で測定した結果である。この時の変位計の移動
量はやはり別の静電容量変位計(測定分解能1μm以
下)で測定している。
(Experimental Results) FIG. 6 shows that a steel ball having a circularity of 0.025 μm and a diameter of 1/2 inch is attached to the tip of a spindle of a high precision processing machine and is rotated at a rotation speed of 1160 rpm. X is a capacitance type displacement meter (measurement resolution 0.005μ
m or less). The movement amount of the displacement gauge at this time is also measured by another capacitance displacement gauge (measurement resolution 1 μm or less).
【0021】回転同期成分は4nmで最小値となってい
て0とはならない。これは実際の主軸では軸芯方向の回
転誤差成分(アキシアルモ―ション)が存在すること、
鋼球の形状が理想的な球ではないこと等によるものと考
えられる。
The rotation synchronization component has a minimum value at 4 nm and does not become 0. This is because there is a rotation error component (axial motion) in the axial direction on the actual spindle.
It is considered that the shape of the steel ball is not an ideal ball.
【0022】更に、この結果を数式3に当てはめること
によって鋼球のの取付偏心量を推定することも可能であ
り、この場合には8.5μmと推定できることがわか
る。
Further, it is possible to estimate the mounting eccentricity of the steel ball by applying this result to Equation 3, and in this case, it can be estimated that it is 8.5 μm.
【0023】(オプチカルフラットを使った回転中心位
置測定法)図3に示すごとく、鋼球の替わりに高精度な
平面を持ったオプチカルフラット15をゴニオステ―ジ
16と共に軸端面にY或いはZ軸からθだけ傾けて取付
ける。この場合には、主軸2の回転によって回転中心位
置Oからyの位置で生ずるオプチカルフラットの振れの
回転同期成分xは次の数式4のようになる。
(Method of Measuring Rotation Center Position Using Optical Flat) As shown in FIG. 3, an optical flat 15 having a highly accurate plane instead of a steel ball is attached to the shaft end face together with the gonio stage 16 from the Y or Z axis. Mount by tilting by θ. In this case, the rotation synchronization component x of the shake of the optical flat generated at the position y from the rotation center position O due to the rotation of the main shaft 2 is given by the following Expression 4.
【0024】[0024]
【数4】 [Equation 4]
【0025】この場合にはゴニオステ―ジ16を用いて
オプチカルフラット15の傾き角θを変えれば、振れx
の大きさを変えることができ、式から明らかなように、
傾きθがわかっていればxを測定することによって回転
中心位置からのズレyの大きさを求めることができる。
鋼球のの場合と異なって、xとyの関係は1次関数で極
めてシンプルな関係となる。
In this case, if the inclination angle θ of the optical flat 15 is changed by using the goniostage 16, the shake x
The size of can be changed, and as is clear from the formula,
If the inclination θ is known, the magnitude of the deviation y from the rotation center position can be obtained by measuring x.
Unlike the case of a steel ball, the relationship between x and y is a linear function and is extremely simple.
【0026】回転中心の位置は、変位計Y(またはZ)
方向にスライドさせてxが最小になる位置を検出し、次
にその位置で直交するZ(またはY)方向にスライドさ
せた場合に、xが0になる位置であることがわかる(図
3参照)。
The position of the center of rotation is the displacement gauge Y (or Z).
It is understood that the position where x becomes 0 when it is slid in the direction to detect the position where x becomes the minimum, and when it is then slid in the Z (or Y) direction orthogonal to that position (see FIG. 3). ).
【0027】[0027]
【発明の効果】このようにこの発明によれば、超精密加
工機の主軸の測定に使用できるような、より高精度で、
かつ測定の容易な主軸回転中心位置測定技術を得ること
ができる。その結果、工作機械等における切削力による
主軸の弾性変形を直接求めることができ、主軸の設計に
際して有益な資料を得ることができる。この発明の回転
中心検出技術では、ターゲットである鋼球または平面板
と軸心との心合わせは厳密に行う必要がないので、操作
がきわめて簡単である。
As described above, according to the present invention, it is possible to measure the spindle of an ultra-precision machining machine with higher accuracy,
In addition, it is possible to obtain a spindle rotation center position measurement technique that is easy to measure. As a result, the elastic deformation of the spindle due to the cutting force in a machine tool or the like can be directly obtained, and useful data can be obtained when designing the spindle. In the rotation center detecting technique of the present invention, since it is not necessary to strictly align the target steel ball or plane plate with the shaft center, the operation is extremely simple.
【0028】この方法では測定精度に影響を及ぼすもの
としては、以下のような要因が考えられる。 鋼球の真円度 現状 0.025μm/12.7φ オプチカルフラットの平面度 現状 0.006μm/10 φ 微動台の真直度 現状 0.1 μm/1mm 微動台のスケ―ルの分解能 現状 0.1 μm 測定系のノイズレベル 0.005μm 軸のアキシアルモ―ション これより現状では、測定精度は微動台とスケ―ルの精度
により制約されており、0.1μmであることがわか
る。従って、微動台とスケ―ルの精度を向上させれば一
層高精度な検出が可能となる。
In this method, the following factors are considered to have an influence on the measurement accuracy. Roundness of steel ball Current status 0.025 μm / 12.7φ Flatness of optical flat Current status 0.006 μm / 10 φ Straightness of fine motion table Current status 0.1 μm / 1 mm Scale resolution of fine motion table Current status 0.1 Noise level of μm measurement system 0.005 μm Axial motion on axis From this, it can be seen that at present, the measurement accuracy is 0.1 μm, which is limited by the accuracy of the fine motion table and the scale. Therefore, if the precision of the fine motion table and the scale is improved, the detection can be performed with higher precision.
【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]
【図1】回転中心位置検出装置の構成斜視説明図であ
る。
FIG. 1 is a perspective view illustrating a configuration of a rotation center position detection device.
【図2】回転中心位置検出装置のターゲット部の構成正
面説明図である。
FIG. 2 is a front view illustrating the configuration of a target portion of the rotation center position detecting device.
【図3】他の回転中心位置検出装置のターゲット部の構
成正面説明図である。
FIG. 3 is a front view illustrating the configuration of a target portion of another rotation center position detecting device.
【図4】鋼球を使用した回転中心位置測定法を示す説明
図である。
FIG. 4 is an explanatory view showing a rotation center position measuring method using a steel ball.
【図5】鋼球による測定法における回転同期成分の大き
さを示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing the magnitude of a rotation synchronizing component in a measuring method using steel balls.
【図6】鋼球による測定法における実験結果を示すグラ
フである。
FIG. 6 is a graph showing an experimental result in a measuring method using a steel ball.
【符号の説明】 1 回転中心位置測定装置 2 主軸 3 タ―ゲット 4 鋼球 5 取付具 6 移動量検出器 7 変位計 8 3次元微動台 11 移動量検出器 12 増幅器 13 フィルタ 14 電圧計 15 オプチカルフラット 16 ゴニオステ―ジ[Explanation of symbols] 1 Rotation center position measuring device 2 Spindle 3 Target 4 Steel ball 5 Fixture 6 Moving amount detector 7 Displacement meter 8 Three-dimensional fine movement table 11 Moving amount detector 12 Amplifier 13 Filter 14 Voltmeter 15 Optical Flat 16 goniometer

Claims (2)

    【特許請求の範囲】[Claims]
  1. 【請求項1】 非接触型変位計の測定軸に対して回転軸
    の回転によって偏差が生じるように、前記回転軸の先端
    にターゲットを取り付けて前記回転軸の回転中における
    前記ターゲットの軸方向の変位を測定し、前記変位の信
    号のうち前記回転と同期した成分が最小となる位置を回
    転軸の回転中心として判定することを特徴とする回転軸
    の回転中心位置の検出方法
    1. A rotating shaft with respect to a measuring shaft of a non-contact type displacement gauge.
    So that a deviation occurs due to the rotation of, the target is attached to the tip of the rotary shaft to measure the axial displacement of the target during rotation of the rotary shaft, and the component of the displacement signal that is synchronized with the rotation is A method for detecting the position of the center of rotation of a rotary shaft, characterized in that the position of the minimum is determined as the center of rotation of the rotary shaft.
  2. 【請求項2】 非接触型変位計の測定軸に対して回転軸
    の回転によって偏差が生じるように、前記回転軸の先端
    に取り付けられるターゲットと、前記ターゲットに対向
    して位置し前記ターゲットの軸方向の変位を測定する非
    接触型変位計と、前記変位計を支持し回転軸に直交する
    平面内等を変位可能な微動台と、前記変位計の出力信号
    から回転同期成分を取り出すフィルタリング装置とを備
    えることを特徴とする回転軸の回転中心位置の検出装置
    2. A rotating shaft with respect to the measuring shaft of the non-contact type displacement gauge.
    So that a deviation is caused by the rotation of the target, a target attached to the tip of the rotating shaft, a non-contact type displacement meter that is positioned to face the target and that measures the displacement in the axial direction of the target, and supports the displacement meter. And a fine movement table capable of displacing in a plane orthogonal to the rotation axis, and a filtering device for extracting a rotation synchronization component from the output signal of the displacement gauge, the rotation center position detecting device of the rotation axis.
JP8959991A 1991-03-28 1991-03-28 Detecting method of rotation center position of rotating shaft and detecting device therefor Expired - Lifetime JPH0794978B2 (en)

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