JPWO2008065878A1 - ボールスプライン装置 - Google Patents

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Abstract

本来の機能を十分に発揮ししつも、ナット部材の外径を極限まで小型化することができ、しかも組み立て手間がなく、安価に且つ簡便に製造しつつも信頼性を維持することが可能なボールスプライン装置であって、ナット部材(2)はボール(3)が循環するトラック溝(30)をスプライン軸(1)に面した内周面に有し、前記トラック溝(30)は、スプライン軸(1)のボール転走溝(10a,10b)と対向して形成される負荷直線溝(31)と、この負荷直線溝(31)と平行に設けられる無負荷直線溝(32)と、これら負荷直線溝(31)と無負荷直線溝(32)とを連通連結してこれらの間でボール(3)を往来させる一対のボール偏向溝(33)とから構成され、前記ボール偏向溝(33)は、前記ボール転走溝(10a,10b)内を転動するボール(3)の進行方向を強制的に変化させ、前記スプライン軸(1)のプロファイルを利用してボール(3)を前記ボール転走溝(10a,10b)から離脱させる。

Description

本発明は、多数のボールを介してスプライン軸とナット部材とが相対的に直線運動自在に組み合わされ、工作機械や各種産業機械における直線案内部、産業用ロボットにおけるトルク伝達部等に使用されるボールスプライン装置に関する。
従来、この種のボールスプライン装置としては、実開昭６１−１７９４１４号公報や特開昭５８−１３７６１６号公報等に開示されるものが知られている。これらのボールスプライン装置は、長手方向に沿って延びる複数条のボール転走溝を備えたスプライン軸と、多数のボールを介して前記スプライン軸に組み付けられると共に、前記ボールの無限循環路を備えたナット部材とから構成されており、ボールの無限循環に伴って前記ナット部材がスプライン軸の周囲をその長手方向に沿って自在に移動し得るように構成されている。
また、ナット部材に具備されたボールの無限循環路は、ボールがナット部材とスプライン軸の間に作用する荷重を負荷しながら転走する負荷通路と、この負荷通路と平行に形成されるボール戻し通路と、これら負荷通路とボール戻し通路とを連結するＵ字状の方向転換路とから構成されている。そして、負荷通路とボール戻し通路の両端に前記方向転換路を配置することにより、ボールの無限循環路が構成されるようになっている。
ナット部材それ自体に前記ボール戻し通路を貫通形成すると、かかるナット部材が肉厚となり大径化する傾向にあり、しかもボールの直径が小さい場合にはボール戻し孔の直径も小さなものとなり、このボール戻し孔をナット部材に対して直接に貫通形成するのは困難である。このため、前記文献に示されるボールスプライン装置では、円筒状に形成されたナット部材の内周面とこれを貫通するスプライン軸との隙間に合成樹脂製の保持器を介装し、かかる保持器とナット部材の協働によってボール戻し通路及び方向転換路を形成していた。
また、前記負荷通路を転走しているボールが方向転換を経てボール戻し通路に移動するためには、かかるボールをスプライン軸のボール転走溝から離脱させることが必要となる。このため、従来のボールスプライン装置では前記保持器に対して前記方向転換路に連続するボール掬い上げ部が設けられており、前記ボール転走溝を転走してきたボールはこの掬い上げ部に乗り上げるようにして該ボール転走溝から離脱し、保持器とナット部材の協働によって形成された方向転換路内に収容されるようになっていた。
実開昭６１−１７９４１４号公報 特開昭５８−１３７６１６号公報
しかし、説明してきたような従来のボールスプライン装置では、保持器とナット部材の協働によってボール戻し通路が形成されていることから、かかるボール戻し通路は少なくとも保持器の厚さ分だけはスプライン軸からその半径方向へ離間せざるを得なかった。また、保持器には前記方向転換路やボール戻し通路が形成されており、その複雑な形状を実現するために合成樹脂の射出成形によって製作されるが、ナット部材の内周面に装着した保持器が変形してしまうと、かかる保持器がスプライン軸に接触し、ナット部材の運動が阻害されてしまうので、保持器を極端には薄く形成することは困難であった。このため、スプライン軸とナット部材との間に保持器を収容した従来のボールスプライン装置ではナット部材の外径が保持器の厚さに影響を受けることとなり、ナット部材の小径化に限界があった。
また、従来のボールスプライン装置では、前記保持器に具備された掬い上げ部を用いてボールをスプライン軸のボール転走溝から離脱させているが、その際、ボールは前記掬い上げ部に乗り上げてボール転走溝の真上に持ち上がり、それから方向転換路へと進入するので、その分だけナット部材とスプライン軸の間にスペースを必要とし、この点もナット部材の小型化を妨げる要因となっていた。
更に、従来のボールスプライン装置では保持器を必要とし、しかも保持器に具備された掬い上げ部はボール転走溝に対して正確に位置決めする必要があったので、製作及び組立に手間がかかり、しかも組立精度に対する信頼性が損なわれやすいといった問題点があった。
本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、本来の機能を十分に発揮しつつも、ナット部材の外径を極限まで小型化することができ、しかも組み立て手間がなく、安価に且つ簡便に製造しつつも信頼性を維持することが可能なボールスプライン装置を提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明のボールスプライン装置は、外周面に軸方向に沿ってボール転走溝が形成されたスプライン軸と、このスプライン軸が貫通する略円筒状に形成され、前記スプライン軸に対して多数のボールを介して組付けられると共に、前記ボールが循環するトラック溝を前記スプライン軸に面した内周面に有するナット部材とから構成されている。
前記トラック溝は、スプライン軸のボール転走溝と対向して形成されて該ボールの負荷通路を形成する負荷直線溝と、この負荷直線溝と平行に設けられると共にスプライン軸の外周面に向けて開放された無負荷直線溝と、これら負荷直線溝と無負荷直線溝とを連通連結してこれらの間でボールを往来させると共に前記スプライン軸の外周面に開放された一対のボール偏向溝とから構成されている。
すなわち、本発明のボールスプライン装置はスプライン軸とナット部材との間に保持器を有しておらず、ボールはナット部材の内周面に形成されたトラック溝を循環しながら、スプライン軸とナット部材との間で荷重を負荷する。前記トラック溝を構成する負荷直線溝、無負荷直線溝及びボール偏向溝のうち、負荷直線溝はスプライン軸のボール転走溝と対向してボールの負荷通路を構成することから、かかる負荷直線溝がスプライン軸に向けて開放されているのは当然であるが、その他の無負荷直線溝及びボール偏向溝もスプライン軸の外周面に向けて開放されており、ボールはスプライン軸に面した状態で前記無負荷直線溝及びボール偏向溝の内部を転走する。
従って、ボールの無限循環路はスプライン軸の外周面に接する状態で形成されており、保持器を具備した従来のボールスプライン装置と比較し、スプライン軸の直径が同一であればナット部材の外径を小径化することが可能となる。このことは、ボールスプライン装置を使用する各種産業機械の小型化を可能とする。別の見方をすれば、各種産業機械において使用し得るナット部材の外径が決まっている場合、本発明のボールスプライン装置は従来品と比較して直径の太いスプライン軸を使用することが可能となり、スプライン軸の剛性向上に伴うナット部材の運動精度の向上、伝達トルクの向上を達成することができ、ボールスプライン装置を採用する産業機械の能力向上に資することが可能となる。
一方、本発明のボールスプライン装置において、前記ボール偏向溝は、前記スプライン軸のボール転走溝内を転動するボールの進行方向を強制的に変化させ、前記スプライン軸のプロファイルを利用してボールを前記ボール転走溝から離脱させる一方、離脱したボールを前記スプライン軸の外周面と協働して前記無負荷直線溝に誘導するように構成されている。
すなわち、本発明ではボールをスプライン軸のボール転走溝から離脱させるに当たり、従来のようにボールを掬い上げ部によってボール転走溝の真上に持ち上げる構成を採用せず、スプライン軸のプロファイルを利用している。スプライン軸に向けて開放されたボール偏向溝がボール転走溝内を転動するボールの進行方向を強制的に変化させることにより、ボールはスプライン軸のプロファイルに沿ってボール転走溝から離脱し、スプライン軸の外周面とボール偏向溝によって転走方向を規制されながら無負荷直線溝に誘導される。
このようにしてボールをスプライン軸のボール転走溝から離脱させる本発明のボールスプライン装置では、ボールをボール転走溝から持ち上げるための掬い上げ部が不要となり、かかる掬い上げ部をボール転走溝に対して位置決めする手間から開放される。従って、安価に且つ簡便に製造することが可能となる。また、従来の掬い上げ部はボールが連続して乗り上げていくことから、ボールが高速で循環した場合に変形、破損を生じる懸念があったが、かかる掬い上げ部を用いない本発明のボールスプライン装置ではそのような懸念はなく、スプライン軸に対してナット部材を高速で移動させた際の信頼性を高めることが可能となる。
本発明を適用したボールスプライン装置の実施の形態を示す一部分解斜視図である。 図１に示すボールスプライン装置の軸方向に垂直な断面図である。 ナット部材に具備されたトラック溝を平面上に展開した様子を示す図である。 ナット部材を構成するナット本体の軸方向に垂直な断面図である。 ナット部材を構成するエンドキャップを示す斜視図である。 スプライン軸の軸方向から前記トラック溝内を転動するボールを観察した拡大図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明のボールスプライン装置を詳細に説明する。
図１及び図２は本発明を適用したボールスプライン装置の実施の形態を示すものである。このボールスプライン装置は、断面略円柱状に形成されたスプライン軸１と、略円筒状に形成されると共に多数のボール３を介して前記スプライン軸１に組付けられたナット部材２とから構成されており、前記ナット部材２がスプライン軸１の周囲を軸方向へ自在に往復運動するように構成されている。
前記スプライン軸１の外周面には軸方向に沿って４条のボール転走溝１０が形成されており、ボール３はこれらボール転走溝１０を転走しながらナット部材２とスプライン軸１との間で荷重を負荷する。各ボール転走溝１０の長手方向と垂直な断面における形状はサーキュラアーク状、すなわちボール球面の曲率よりも僅かに大きな曲率の単一円弧からなる形状に形成されている。これらのボール転走溝１０は、ナット部材２がスプライン軸１の周囲を矢線Ａ方向に回転する場合に荷重を負荷するボール転走溝１０ａと、矢線Ｂ方向に回転する場合に荷重を負荷するボール転走溝１０ｂとから構成されており、互いに隣接するボール転走溝１０ａとボール転走溝１０ｂがグループとなって、スプライン軸１の外周面に複数のグループが等間隔に形成されている。これにより、ナット部材２とスプライン軸１との間で回転トルクの伝達が可能となっている。図１及び図２に示したボールスプライン装置では２グループ４条のボール転走溝１０がスプライン軸１の外周面に形成されているが、３グループ６条または４グループ８条のボール転走溝を形成することもできる。
一方、前記ナット部材２は、金属製のナット本体４と、このナット本体４の軸方向の両端にボルトで締結される一対のエンドキャップ５とから構成されており、これらナット本体４とエンドキャップ５は共に前記スプライン軸１が挿通される貫通孔を有している。また、ナット本体４の外周面にはキー溝４０が形成されており、ナット部材２を機械装置に取り付ける際に利用されるようになっている。
このようにナット本体とエンドキャップとの組み合わせからなるナット部材２は、ボール３が無限循環するトラック溝３０をスプライン軸１に面した貫通穴の内周面に有している。このトラック溝３０は、スプライン軸１の転走溝１０と対向してナット本体４の内周面に形成された負荷直線溝３１と、ナット本体４の内周面に対して前記負荷直線溝３１と僅かに間隔をおいて平行に形成された無負荷直線溝３２と、これら負荷直線溝３１と無負荷直線溝３２との間でボール３の転走方向を１８０度転換させると共にこれら溝の間でボール３を往来させるボール偏向溝３３とから構成されている。このトラック溝３０はその全域においてスプライン軸１に向けて開放されており、トラック溝３０に配列されたボール３はスプライン軸１と面した状態で該トラック溝３０内を循環する。
図３は前記トラック溝３０を平面上に展開した様子を示すものである。このトラック溝３０の一部を構成する負荷直線溝３１は、その長手方向に垂直な断面がスプライン軸１側のボール転走溝１０と同様にサーキュラアーク状に形成されている。スプライン軸１には４条のボール転走溝１０が形成されているので、ボール３とスプライン軸１の各ボール転走溝１０またはナット部材２の各負荷直線溝３１が接触する方向は、スプライン軸１の周方向に関して９０度ずつ異なっている。これにより、ナット部材２はスプライン軸１の軸方向以外に作用するあらゆる荷重を負荷しながら当該スプライン軸１に沿って往復動することが可能となっている。
一方、前記トラック溝３０の一部を構成する無負荷直線溝３２はボール３の直径よりも僅かに大きな通路として形成されており、スプライン軸１の外周面に向けて開放した状態でナット部材の内周面に形成されている。従って、ボール３は無負荷状態、すなわち自由に回転し得る状態のまま無負荷転走溝３２内に収容されている。また、無負荷直線溝３２がスプライン軸１に向けて開放されていることから、ボール３はスプライン軸１と接触しながら無負荷直線溝３２の内部を転動するようになっている。
また、前記ボール偏向溝３３は負荷直線溝３１と無負荷直線溝３２とを連結する略Ｕ字状の軌道を有しており、荷重を負荷しながら負荷直線溝３１を転走してきたボール３を荷重から解放すると共に、かかるボール３の転走方向を徐々に変化させ、１８０度方向転換させて前記無負荷直線溝３２に送り込むように構成されている。このボール偏向溝３３は負荷直線溝３１との連結部位においてもっとも浅く、無負荷直線溝３２との連結部位においてもっとも深くなるように形成されている。ボール偏向溝３３が徐々に深くなることにより、負荷直線溝３１を転走してきたボール３がボール偏向溝３３に進入すると、かかるボール３は荷重から解放され、無負荷状態となってボール偏向溝３３内を無負荷直線溝３２へ向けて進行し、そのままの状態で無負荷直線溝３２に進入するようになっている。
ナット部材２をスプライン軸１に沿って移動させると、スプライン軸１のボール転走溝１０とナット部材２の負荷直線溝３１との間に挟まれているボール３は、スプライン軸１に対するナット部材２の移動速度Ｖの半分の速度０．５Ｖで負荷直線溝３１内を移動する。負荷直線溝３１内を転走するボール３はボール偏向溝３３に到達すると、前述の如くボール偏向溝３３の深さが徐々に深くなることから、次第に荷重から解放される。荷重から解放されたボール３は後続のボール３に押されるようにしてそのままスプライン軸１のボール転走溝１０内を進行するが、ボール偏向溝３３はボール転走溝１０におけるボール１０の転走を遮り、ボール３の進行方向を強制的に変化させるので、ボール３はボール偏向溝３３によってボール転走溝１０の片側へ寄せられ、スプライン軸１のプロファイル（外形）に沿うようにして当該スプライン軸の外周面にまで這い上がる。これにより、ボール３はスプライン軸１のボール転走溝１０から完全に離脱し、ナット部材２のボール偏向溝３３に完全に収容される。
平面上に展開したボール偏向溝３３は略Ｕ字状の軌道を有していることから、かかるボール偏向溝３３内に収容されたボール３はその転走方向を逆転させ、スプライン軸１の外周面と対向するナット部材２の無負荷直線溝３２内に進入する。また、無負荷直線溝３２内を進行したボール３は反対側のボール偏向溝３３に進入し、再び転走方向を逆転させた後、スプライン軸１のボール転走溝１０とナット部材２の負荷直線溝３１との間に進入する。この際、ボール３はスプライン軸のプロファイル（外形）に沿うようにしてボール転走溝１０に進入し、ボール偏向溝３３が徐々に浅くなるにつれ、無負荷状態から荷重の負荷状態へと移行する。
ボール３はこのようにして移動ブロック２のトラック溝３０内を循環し、これに伴ってナット部材２がスプライン軸１に沿って間断なく連続的に移動することが可能となっている。
前記トラック溝３０を構成する負荷直線溝３１、無負荷直線溝３２及びボール偏向溝３３のうち、負荷直線溝３１と無負荷直線溝３２は前記ナット本体４の貫通孔の内周面に形成されている。図４はナット本体４の軸方向に垂直な断面を示すものであり、この断面形状がナット本体４の軸方向に連続している。このナット本体４の内周面の形状は、前記負荷直線溝３１及び無負荷直線溝３２も含めてワイヤカット放電加工によって形成されている。負荷直線溝３１については、面粗度を改善するため、ワイヤカット放電加工後に研削加工等を施しても良い。もっとも、ナット本体４の貫通孔の内径が大きい場合にはワイヤカット放電加工を用いず、均一な内周面を有する円筒状のナット本体４に対して、切削加工または研削加工によって前記負荷直線溝３１及び無負荷直線溝３２を形成するようにしても良い。
一方、トラック溝３０を構成するボール偏向溝３３については前記エンドキャップに形成されている。図５は前記エンドキャップ５をナット本体４側から観察した斜視図である。このエンドキャップ５の貫通孔の内周面にはＵ字状のボール偏向溝３３が形成されると共に、スプライン軸１のボール転走溝１０と僅かな隙間を介して対向するシール突部５０が形成されている。また、エンドキャップ５の外周面にはナット本体４のキー溝４０に連続するアクセス溝５１が形成されており、エンドキャップ５をナット本体４に固定した状態でも、キーをナット部材２の軸方向からナット本体４のキー溝４０に滑り込ませることが可能となっている。更に、このエンドキャップ５にはナット本体４に対する位置決め用スタッド５２が突設されており、かかるスタッド５２をナット本体４の基準孔４１に嵌合させることによって、エンドキャップ５がナット本体４に対して正確に位置決めされ、エンドキャップ５側のボール偏向溝３３とナット本体４側の負荷直線溝３１及び無負荷直線溝３２が正確に結合されるように構成されている。
前記エンドキャップ５は複雑な形状をしていることから、合成樹脂の射出成形を用いて製作されている。これ以外の製作方法としては、金属射出成形（ＭＩＭ成形）を用いることも可能である。また、スプライン軸の外径が大きく、エンドキャップも大型化するのであれば、切削加工によって形成することも可能である。
更に、図１ではナット部材２をナット本体４及びエンドキャップ５の組み合わせから構成しているが、これはスプライン軸１の外径が小さい場合にボール偏向溝３３を切削加工あるいは研削加工によってナット部材２の内周面に形成することが困難なためであり、スプライン軸１の外径が十分に大きく、前記ボール偏向溝３３を切削加工あるいは研削加工によってナット部材２の内周面に形成することが容易であれば、前記ナット部材２を単一の金属材料から製作しても良い。
図６は、スプライン軸１の軸方向から前記トラック溝３０内を転動するボール３を観察した拡大図である。前記スプライン軸１には各ボール転走溝１０に隣接して平坦なボール誘導面１１が形成されている。このボール誘導面１１はナット部材２に具備されたボール偏向溝３３と対向するようにして前記ボール転走溝１０の片側に設けられており、サーキュラアーク状に形成されたボール転走溝１０の接線方向に沿って形成されている。そして、このボール誘導面１１のボール転走溝１０と反対側の端部は一定曲率で形成されたスプライン軸１の外周面１２と接続している。
このようなボール誘導面１１は、総型砥石を用いることにより、スプライン軸１に対してボール転走溝１０と同時に研削加工することが可能である。その結果、ボール誘導面１１とボール転走溝１０との連続性を著しく高めることができる。
ボール転走溝１０と滑らかに連続するボール誘導面１１を形成したことにより、ボール偏向溝３３によってスプライン軸１のボール転走溝１０内での転走を遮られたボール３は、その進行方向を変化させつつ、前記ボール誘導面１１に沿ってボール転走溝１０から離脱し、スプライン軸１の外周面１２に到達することになる。そして、ボール偏向溝３３内を転走しながらスプライン軸１の外周面１２に沿って無負荷直線溝３２へと進入する。図６中の一点鎖線はボール偏向溝３３内におけるボール３の転動軌跡Ｌを示している。ボール３は負荷直線溝３１と無負荷直線溝３２との間、すなわちボール偏向溝３３の内部では前記ボール誘導溝１１及びスプライン軸１の外周面１２に接触しながらこれに沿って移動するので、この図から明らかなように、ボール偏向溝３３内におけるボール３の転動軌跡Ｌをスプライン軸１の軸方向と垂直な断面に投影した軌跡は、ボール偏向溝３３と対向する部位におけるスプライン軸１のプロファイル（外形）と合致したものとなっている。
このため、ナット部材２に具備されたボール３の無限循環路はスプライン軸１に対して最大限に近接しているので、ナット部材２にボール３の無限循環路を具備させるに当たり、かかるナット部材２の肉厚、すなわちナット部材２の内径と外形との差を小さくすることが可能であり、スプライン軸１の外径及び使用するボール３の直径が同じであれば、ナット部材２の小径化を図ることができるものである。また、ナット部材２の外径を基準として考えれば、かかるナット部材２の肉厚を薄くできる分、スプライン軸１の外径を大きくすることができ、ボールスプライン装置の許容荷重、剛性等の向上を図ることができるものである。
また、前記ボール誘導面１１はサーキュラアーク状に形成されたボール転走溝１０の接線方向に沿って形成されており、かかるボール転走溝１０と滑らかに連続しているので、ボール転走溝１０内を転走するボール３はボール偏向溝３３によってその進行方向を強制的に変化させられても、引っ掛かりを生じることなくボール転走溝１０から離脱してボール誘導面１１に乗り移ることができ、負荷直線溝３１とボール偏向溝３３との間におけるボール３の往来を円滑に行うことができる。これにより、本発明のボールスプライン装置ではトラック溝３０内におけるボール３の無限循環を一層円滑に行うことが可能となっている。
また、トラック溝３０内におけるボール３の無限循環の更なる円滑化を考慮するのであれば、前記ボール誘導面１１とスプライン軸１の外周面１２との接続部についても、境界のない滑らかな連続面として形成することが好ましい。

Claims (6)

  1. 外周面に軸方向に沿ってボール転走溝(10a,10b)が形成されたスプライン軸(1)と、このスプライン軸(1)が貫通する略円筒状に形成され、前記スプライン軸(1)に対して多数のボール(3)を介して組付けられると共に、前記ボール(3)が循環するトラック溝(30)を前記スプライン軸(1)に面した内周面に有するナット部材(2)とから構成され、
    前記トラック溝(30)は、スプライン軸(1)のボール転走溝(10a,10b)と対向して形成されて該ボールの負荷通路を形成する負荷直線溝(31)と、この負荷直線溝(31)と平行に設けられると共にスプライン軸(1)の外周面に向けて開放された無負荷直線溝(32)と、これら負荷直線溝(31)と無負荷直線溝(32)とを連通連結してこれらの間でボール(3)を往来させると共に前記スプライン軸(1)の外周面に開放された一対のボール偏向溝(33)とから構成され、
    前記ボール偏向溝(33)は、前記スプライン軸(1)のボール転走溝内を転動するボール(3)の進行方向を強制的に変化させ、前記スプライン軸(1)のプロファイルを利用してボール(3)を前記ボール転走溝(10a,10b)から離脱させる一方、離脱したボール(3)を前記スプライン軸(1)の外周面と協働して前記無負荷直線溝(32)に誘導することを特徴とするボールスプライン装置。
  2. 前記ボール偏向溝(33)内におけるボール(3)の転動軌跡をナット部材(2)の軸方向と垂直な断面に投影した軌跡は、かかるボール偏向溝(33)と対向するスプライン軸(1)のプロファイルと合致していることを特徴とする請求項１記載のボールスプライン装置。
  3. 前記スプライン軸(1)のボール転走溝(10a,10b)の一側には、前記ナット部材(2)のボール偏向溝(33)と対向する部位にボール誘導面(11)が形成され、このボール誘導面(11)はボール転走溝(10a,10b)から滑らかに連続していることを特徴とする請求項１記載のボールスプライン装置。
  4. 前記スプライン軸(1)には２条が一対となった偶数条のボール転走溝(10a,10b)が形成されて、各ボール転走溝はその長手方向と垂直な断面における形状がサーキュラアーク状をなしていることを特徴とする請求項３記載のボールスプライン装置。
  5. 前記ナット部材(2)は、前記負荷直線溝(31)及び無負荷直線溝(32)が形成されたナット本体(4)と、前記ボール偏向溝(33)が形成されると共に前記ナット本体(4)の軸方向の両端部に固定される一対のエンドキャップ(5)とから構成されることを特徴とする請求項１記載のボールスプライン装置。
  6. 前記ナット部材(2)は単一部材からなり、その内周面に前記トラック溝(30)が形成されていることを特徴とする請求項１記載のボールスプライン装置。
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