JP2008298275A - 静圧気体軸受および回転装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転体とラジアル軸受パッドとの隙間調整を容易に行なうことができる静圧気体軸受を提供する。
【解決手段】この回転体を支持する静圧気体軸受は、回転体を半径方向に支持するラジアル軸受パッド３と、ラジアル軸受パッド３を移動させる直動案内１ｃと、直動案内１ｃに対してラジアル軸受パッド３を揺動可能に結合するボールスタッド４とを備える。直動案内１ｃがラジアル軸受パッド３を移動させる方向は、回転体の回転中心とボールスタッド４とを結ぶ方向に対して交差している。回転体の外周面２ｃとラジアル軸受パッド３との間の軸受隙間の変化量に対して、直動案内１ｃがラジアル軸受パッド３を移動させる移動調整量は大きいために、軸受隙間の微細な量の調整を精度よく行なうことができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、静圧気体軸受および回転装置に関し、特に、回転体を支持する静圧気体軸受、および、当該静圧気体軸受を備える回転装置に関する。

従来、回転体の支持に転がり軸受を使用してきた分野において、高速高精度回転・低騒音・低振動・長寿命などを実現するために、静圧気体軸受を採用する例が増えている。

たとえば、医療診断用撮像の分野におけるＣＴスキャナは、放射線源などを搭載して回転する回転軸を有している。１）走査時間の短縮のためにＣＴスキャナの速度を早くする、２）ＣＴスキャナの静粛な動作を得る、３）接触部の磨耗部を排除して保守を減少させる、といった目的のために、ＣＴスキャナの回転軸を静圧気体軸受によって支持する例がある（たとえば、特許文献１参照）。

特許文献１においては、上記目的で、回転軸は非回転部から複数の静圧気体軸受パッドによって支持される構造が示されている。ここでは、ラジアル軸受パッドは回転軸の外側の研磨された外周面を支持し、アキシアル軸受パッドは回転軸の手前側および反対側の平らな外周面を支持している。

ラジアル軸受パッドの背後（回転軸に対向する側と反対側）にはラジアルボールスタッドが設置され、ラジアル軸受パッドとボールスタッドの間にはスプリング要素がある。ラジアル軸受パッドは回転軸の外周近傍に配置されており、ラジアルボールスタッドによって所定位置に保持される。つまり、ラジアルボールスタッドは、背後からスプリング要素を介して回転軸の径方向に所望の張力まで締め付けられ、このラジアルボールスタッドの調整によってラジアル軸受パッドの径方向の位置が調整される。
特表２００４−５２８１１３号公報

特許文献１においては、ボールスタッドの調整方向は、回転軸の回転中心とボールスタッドの先端とを結ぶ直線の方向である。つまり、ボールスタッドがラジアル軸受パッドを移動させる方向は、回転軸の回転中心とボールスタッドの先端とを結ぶ方向に対して平行である。そのため、ボールスタッドの位置の調整量が、そのままその先に配置されるラジアル軸受パッドの回転軸に対する位置、つまり軸受隙間（ラジアル軸受パッドと回転軸との隙間）の量を決定する。

ところが、この軸受隙間は小さいため（通常１ｍｍ以下）、軸受隙間の量を調整するためには、微細な量のボールスタッドの調整が必要となる。特に特許文献１で開示されている回転装置の使用状態、すなわち回転体の軸方向が略水平方向に配置された状態では、回転軸の下側に配置されたラジアル軸受パッドに回転軸の重量が直接掛かることになる。この状態で軸受隙間の量をパッド背後のボールスタッドの外周に付けたねじなどによって調整するのは大変難しく、理想の隙間に調整し難かった。

それゆえに、この発明の主たる目的は、回転体とラジアル軸受パッドとの隙間調整を容易にする、静圧気体軸受および回転装置を提供することである。

この発明に係る静圧気体軸受は、回転体を支持する静圧気体軸受であって、回転体を半径方向に支持するラジアル軸受パッドと、ラジアル軸受パッドを移動させる移動部材と、移動部材に対してラジアル軸受パッドを揺動可能に結合する結合部とを備える。そして、移動部材がラジアル軸受パッドを移動させる方向は、回転体の回転中心と結合部とを結ぶ方向に対して交差している。

この場合は、移動部材がラジアル軸受パッドを移動させる移動調整量に対して、回転体の回転中心と結合部との距離の変化する量、すなわち軸受隙間の変化量を小さくすることができる。つまり、軸受隙間の変化量に対してラジアル軸受パッドの移動調整量は大きいために、軸受隙間の微細な量の調整を精度よく行なうことができる。

移動部材がラジアル軸受パッドを移動させる方向が、回転体の回転中心と結合部とを結ぶ方向に対して直交する方向、またはその近傍であれば、軸受隙間の変化量に対するラジアル軸受パッドの移動調整量を一層大きくすることができるので好ましい。たとえば、移動部材がラジアル軸受パッドを移動させる方向と、回転体の回転中心と結合部とを結ぶ方向との成す角度が、９０°±２０°の範囲であれば好ましく、９０°±１０°の範囲であればより好ましい。軸受隙間（通常１ｍｍ以下）を調整するために、本構成では送りねじを使ってラジアル軸受パッドを移送されるが、送りねじのねじピッチ（隣接する二つのねじ山の間の距離）は通常１ｍｍ程度である。移動部材がラジアル軸受パッドを移動させる方向と、回転体の回転中心と結合部とを結ぶ方向との成す角度が、９０°±２０°の範囲の場合、軸受隙間の変化量に対するラジアル軸受パッドの移動調整量の比は５以上となる。そのため、送りねじ１回転でラジアル軸受隙間の移動調整量０．２ｍｍ未満となる、高精度な調整が可能となる。さらに、上記角度が９０°±１０°の範囲では、上記比を１０以上にできるため、送りねじ１回転で上記移動調整量０．１ｍｍ未満と、より高精度な調整が可能となる。

軸受隙間の変化量に対してラジアル軸受パッドの移動調整量を大きくするには、移動部材がラジアル軸受パッドを移動させる方向と、回転体の回転中心と結合部とを結ぶ方向との成す角度が、ラジアル軸受パッドの移動に伴って変化する構成であればよい。このような構成であれば、ラジアル軸受パッドの移動方向は、直線状であってもよく、曲線状であってもよい。ただし、上記角度が常に９０°であれば軸受隙間は変化できない。たとえば、回転体の曲率と同一の曲率を有する曲線に沿ってラジアル軸受パッドが移動する場合には、ラジアル軸受パッドが移動しても軸受隙間は変化しない。つまり、上記角度が常に９０°となる構成は除かれるべきである。

上記静圧気体軸受において好ましくは、移動部材は、先端が球状のボールスタッドを含む。ラジアル軸受パッドの回転体と対向していない部分に、凹部が形成されている。結合部は、凹部にボールスタッドの先端が挿入されて構成されている。

この場合は、ラジアル軸受パッドと回転体とは、ボールスタッドの先端の球状体を介在させて結合されている。ラジアル軸受パッドは、ボールスタッドによって、移動部材に対して自由に傾き得るように支持されている。よって、ラジアル軸受パッドは、回転体のラジアル軸受パッドが対向している部分の形状に合わせて移動部材に対する傾きを変化させながら、回転体の周方向に移動することができる。

また、結合部は、ラジアル軸受パッドを回転体の周方向にのみ揺動可能とするヒンジ部によって構成されていてもよい。この場合は、ラジアル軸受パッドと回転体とは、ヒンジ部を介在させて結合されている。ラジアル軸受パッドは、ヒンジ部によって、回転体の周方向において移動部材に対して自由に傾き得るように支持されている。よって、ラジアル軸受パッドは、回転体のラジアル軸受パッドが対向している部分の形状に合わせて移動部材に対する傾きを変化させながら、回転体の周方向に移動することができる。

結合部がヒンジ部によって構成されていれば、ラジアル軸受パッドが移動部材に対して傾き得る方向は、ヒンジ部の可動方向に限られる。ヒンジ部の可動方向を回転体の周方向に合わせるように配置すれば、回転体の軸方向にラジアル軸受パッドが傾くことを防止することができる。つまり、結合部がヒンジ部によって構成されていれば、回転体の軸方向へのラジアル軸受パッドの傾きを規制するためのストッパー板などを設ける必要はない。したがって、静圧気体軸受をより簡単な構成とすることができる。

上記静圧気体軸受において好ましくは、移動部材は直動案内であって、直動案内の往復直進運動によりラジアル軸受パッドを移動させる。この場合は、移動部材は往復直進運動を行なう。そのため、ラジアル軸受パッドの移動方向と、回転体の回転中心と結合部とを結ぶ方向との成す角度は、ラジアル軸受パッドの移動に伴って変化する。そのため、ラジアル軸受パッドの移動に伴って、軸受隙間の量が変化する。軸受隙間の変化量に対してラジアル軸受パッドの移動調整量はより大きいために、ラジアル軸受パッドの移動によって、軸受隙間の微細な量の調整を行なうことができる。

この発明に係る回転装置は、回転体を備える。また回転装置は、回転体を半径方向に支持する、上記のいずれかの複数の静圧気体軸受を備える。この場合は、静圧気体軸受の移動部材がラジアル軸受パッドを移動させる移動調整量に対して、回転体の回転中心と結合部との距離の変化する量、すなわち軸受隙間の変化量を小さくすることができる。つまり、軸受隙間の変化量に対してラジアル軸受パッドの移動調整量はより大きいために、回転体の軸受隙間の微細な量の調整をより精度よく行なうことができる。

好ましくは、静圧気体軸受は、回転体の回転中心を通る鉛直な面に対して、対称となるように配置されている。この場合は、静圧気体軸受によって、回転体を半径方向により安定させて支持することができる。

この発明の静圧気体軸受によれば、回転体とラジアル軸受パッドとの隙間調整を容易に行なうことができる。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１の静圧気体軸受の構成を示す部分断面模式図である。図１に示すように、静圧気体軸受は、パッド軸受部３ａにおいて回転軸の外周面２ｃを、回転軸の半径方向に支持する、ラジアル軸受パッド３を備える。パッド軸受部３ａの外周面２ｃに対向する面は、外周面２ｃと同じまたは軸受隙間分だけ大きな曲率を有する。ラジアル軸受パッド３の、回転軸の外周面２ｃと対向するパッド軸受部３ａが設けられている側と反対側には、凹部３ｃが形成されている。凹部３ｃは、球面形状に形成されている。なお、凹部３ｃはテーパ状の面を有するように形成されていてもよい。

パッド軸受部３ａには、給気孔３ｇが複数個形成されている。給気孔３ｇは外周面２ｃに対向する側の端部に向けて絞られている。すなわち、給気孔３ｇは、給気孔３ｇの外部への開口部に近接するにつれて小径となるように形成されている。また、ラジアル軸受パッド３の内部には、複数の給気孔３ｇへ連通するように給気溝３ｆが形成されており、給気溝３ｆへ連通するように給気口３ｅが形成されている。圧縮空気は、外部の図示しない圧縮空気源から給気口３ｅに供給され、給気溝３ｆに導かれ、さらに給気孔３ｇの先端の絞られた開口部から回転軸の外周面２ｃに向けて噴出し、静圧気体ジャーナル軸受を形成している。

凹部３ｃには、ボールスタッド４の球状の先端部４ａが挿入されており、結合部を形成している。ボールスタッド４の基部は、上板４ｂに固定されている。上板４ｂは、微動テーブル４ｃ上に搭載固着されている。微動テーブル４ｃは、テーブルベース１ｂ上に固着された、移動部材としての直動案内１ｃ上に、直動案内１ｃに沿って移動可能なように組み込まれている。

上板４ｂには、ねじ端接合部材４ｄが取り付けられている。テーブルベース１ｂ上には、その上部にねじ孔が形成されている送りねじ支柱５ｂが設置されている。上記ねじ孔には送りねじ５ａが挿入されている。送りねじ５ａがねじ孔に挿入されている量（送り量）は任意に調整可能である。送り量を調整され適当な位置に配置された送りねじ５ａは、たとえば、固定部材としての送りねじ５ａに螺合しているフランジナットが、送りねじ支柱５ｂに向かって締め付けられるなどの方法によって、その位置を固定される。

送りねじ５ａの先端面は、ねじ端接合部材４ｄに接触している。この送りねじ５ａを回転させ送り量を調整することにより、微動テーブル４ｃを往復直進運動させることができる。微動テーブル４ｃの往復直進運動によって上板４ｂが移動すると、上板４ｂに固定されているボールスタッド４も移動し、これに伴いラジアル軸受パッド３も移動する。ラジアル軸受パッド３の移動方向（すなわち、微動テーブル４ｃの移動方向）は、回転軸２の回転中心と、凹部３ｃにボールスタッド４の先端部４ａが挿入されて形成されている結合部とを結ぶ方向に対して、交差している。ラジアル軸受パッド３は直線状に移動するために、ラジアル軸受パッド３の移動方向と、回転軸２の回転中心と結合部とを結ぶ方向との成す角度は、ラジアル軸受パッド３の移動に伴って変化する。

図２は、移動部材がラジアル軸受パッドを移動させる移動調整量に対する、軸受隙間の変化量を説明するための図である。図２を参照して、移動調整量と軸受隙間の変化量との関係を説明する。図２において、回転軸の回転中心をＯ、ボールスタッド先端位置をＡ、点Ａにおける回転軸の接線をｈ、接線ｈに対して所定の角度θ傾いた線をｉとする。またｈに対する法線をＸ、線Ｘから角度θ傾いた線をＹとし、線Ｙと線ｉとの交点をＢとする。また、線Ｙと、点Ｏを中心とし点Ｏから点Ａまでの距離ｒを半径とする円Ｚとの交点をＣとする。

ボールスタッド先端位置を点Ａから点Ｂまで線ｉに沿って直進移動調整する場合を考える。ボールスタッド先端位置と点Ｏとの距離は、移動前はｒであるのに対し、移動後は距離ＯＢとなり、距離ＢＣ分だけ移動前後で短縮する。この距離ＢＣの量だけ軸受隙間が変化することになる。このとき、移動調整量ＡＢに対する距離ＢＣの比は、ＢＣ／ＡＢ＝ｒ（１−ｃｏｓθ）／ｒｓｉｎθとなる。

たとえば、θ＝１０°のときＢＣ／ＡＢ＝０．０９である。またθ＝２０°のときＢＣ／ＡＢ＝０．１８である。つまり、移動調整量ＡＢに対し、軸受隙間の変化量ＢＣは、大幅に小さくなっていることになる。

したがって、図１に示すように、ラジアル軸受パッド３が微動テーブル４ｃの往復直進運動に伴って移動するとき、ラジアル軸受パッド３は回転軸の径方向にも移動することになる。そして、ラジアル軸受パッド３の移動調整量に対する回転軸の径方向の移動量は、ラジアル軸受パッド３の移動調整量に基づいた所定の比率で縮小されていることになる。これによって、ラジアル軸受パッド３の、回転軸の径方向における微小な移動量の調整を容易に行なうことができる。つまり、軸受隙間の微細な量の調整をより精度よく行なうことができる。

圧縮気体を回転軸の外周面２ｃに向けて噴出し静圧気体軸受を形成していることにより、回転軸を支持する力が発生する。このとき、ラジアル軸受パッド３には、上記回転軸を支持する力の反力（軸受反力）が負荷される。ラジアル軸受パッド３は、軸受反力によって、パッド軸受部３ａがボールスタッド４の先端部４ａに押し付けられた状態となる。また、ラジアル軸受パッド３は、球面形状の面（またはテーパ状の面）を有する凹部３ｃにボールスタッド４の球状の先端部４ａが挿入されているために、直動案内１ｃに対して自由に傾き得るように支持されている。よって、ラジアル軸受パッド３は、微動テーブル４ｃの移動に伴って直線運動するとともに、ラジアル軸受パッド３が対向している回転体の外周面２ｃの形状に合わせて自動的に直動案内１ｃに対する傾き角度を調整しながら、回転軸の周方向に移動することができる。

次に、上記の静圧気体軸受を備える回転装置について説明する。図３は、回転装置の構成を示す模式図である。図３に示すように、回転装置は、非回転部１と、回転体としての回転軸２とを備える。非回転部１の四隅には、テーブル支柱１ａが設置されている。回転軸２を半径方向に支持する複数の静圧気体軸受は、傾いて設置されているテーブル支柱１ａ上に設置されたテーブルベース１ｂ上に固着された直動案内１ｃ上に、直動案内１ｃに沿って移動可能なように組み込まれている。

回転軸２は、図の手前側に突き出した突き出し部を含み、先端面２ａおよび外周面２ｃは突き出し部を構成する。突き出し部は、回転軸２の軸方向に延在する、円筒形状を有する。突き出し部の基部は、フランジ状に形成された円環形状のフランジ部２ｂに固定されている。回転軸２は、突き出し部およびフランジ部２ｂによって構成されている。回転軸２に搭載物が搭載される場合には、突き出し部の先端面２ａに搭載される。たとえば、ＣＴスキャナとして回転装置が使用される場合、放射線源、放射線検出器、電源装置などが、突き出し部の先端面２ａに搭載される。

回転軸２は、非回転部１に固定された、複数の静圧気体軸受によって支持されている。静圧気体軸受は、突き出し部の外周面２ｃにおいて、回転軸２を半径方向に支持している。図３に示すように、静圧気体軸受は、回転軸２の外周面２ｃ上の５箇所に配置されており、回転軸２の下側に３個、上側に２個の静圧気体軸受が配置されている。このように、回転軸２および回転軸２への搭載物による重力が作用する方向に、より多くの静圧気体軸受を配置することにより、最小個数の静圧気体軸受によって効率よく回転軸２の荷重を支持することができる。なお、静圧気体軸受の配置を調整するだけでなく、たとえば給気孔３ｇの直径や個数など、静圧気体軸受の他の諸元を調整することによっても同様に、最小個数の静圧気体軸受によって効率よく回転軸２の荷重を支持できる効果を得ることができる。

また回転軸２は、フランジ部２ｂにおいて、複数のアキシアル軸受パッド６を備える静圧気体軸受によって、軸方向に支持されている。アキシアル軸受パッド６は、図３に示すフランジ部２ｂの手前側の面と、図示されていないフランジ部２ｂの反対面とにおいて、それぞれ複数、フランジ部２ｂに対向して設置されている。アキシアル軸受パッド６においても、既に説明したラジアル軸受パッド３と同様に、圧縮空気が供給され、供給された圧縮空気が回転軸２のフランジ部２ｂの両面に向けて噴出されて、静圧気体スラスト軸受を形成している。静圧気体スラスト軸受によって、回転軸２は軸方向に支持されている。このように、静圧気体軸受によって回転軸２は軸方向および半径方向において非接触支持されている。そのため、回転軸２の静粛な高速運転が可能である。また、非接触であるため、摩耗部もなく、メンテナンスフリーとなる。

回転軸２を半径方向に支持する静圧気体軸受では、移動部材としての直動案内１ｃがラジアル軸受パッド３を移動させる移動調整量に対して、回転軸２の回転中心とボールスタッド４との距離の変化する量、すなわち軸受隙間の変化量を小さくすることができる。つまり、軸受隙間の変化量に対してラジアル軸受パッド３の移動調整量はより大きいために、回転軸２の半径方向における軸受隙間の微細な量の調整を、より精度よく行なうことができる。

また、ラジアル軸受パッド３、１３は、回転軸２の回転中心を通る鉛直な面（すなわち、重力の方向を通る面）に対して、対称となるように配置されている。ラジアル軸受パッド２３、３３も同様に、回転軸２の回転中心を通る鉛直な面に対して、対称となるように配置されている。上記鉛直な面は、図３では、図の上下方向の一点鎖線によって示されている。このように静圧気体軸受が配置されているために、回転軸２は半径方向に、より安定して支持されている。そのため、回転軸２は、回転運動中の回転中心のぶれを防止できるように、静圧期待軸受によって支持されている。

なお、実施の形態１の構成においては、送りねじ５ａはねじ端接合部材４ｄに接触し、送りねじ５ａと微動テーブル４ｃとは常に一体で移動する構成となっているが、弾性部材を介在させる構造としてもよい。たとえば、送りねじ５ａとねじ端接合部材４ｄとの間、または、ねじ支柱５ｂと微動テーブル４ｃとの間などに、ばねなどの弾性部材を介在させる構造とすることができる。このようにすれば、回転軸の回転に伴う振動を、微動テーブル４ｃの振動によって吸収し、回転装置の静粛な回転を実現することができる。

（実施の形態２）
図４は、実施の形態２の静圧気体軸受の構成を示す部分断面模式図である。実施の形態２の静圧気体軸受と、上述した実施の形態１の静圧気体軸受とは、基本的に同様の構成を備えている。しかし、実施の形態２では、移動部材としての直動案内１ｃに対してラジアル軸受パッド３を結合する結合部の構成が、図４に示すような構成となっている点で実施の形態１とは異なっている。具体的には、結合部は、ヒンジ部７によって構成されている。ヒンジ部７は、ラジアル軸受パッド３を外周面２ｃの周方向にのみ移動可能とするように、配置されている。

つまり、ラジアル軸受パッド３は、ヒンジ部７によって、回転体の周方向において直動案内１ｃに対して自由に傾き得るように支持されている。よって、ラジアル軸受パッド３は、ラジアル軸受パッド３が対向している回転体の外周面２ｃの形状に合わせて直動案内１ｃに対する傾きを変化させながら、回転体の周方向に移動することができる。

結合部がヒンジ部７によって構成されていれば、ラジアル軸受パッド３が直動案内１ｃに対して傾き得る方向は、ヒンジ部７の可動方向に限られる。ヒンジ部７の可動方向を回転体の周方向に合わせるように配置すれば、回転体の軸方向にラジアル軸受パッド３が傾くことを防止することができる。つまり、回転体の軸方向へのラジアル軸受パッド３の傾きを規制するための部材（たとえば、ストッパー板など）を設ける必要はないため、静圧気体軸受をより簡単な構成とすることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

実施の形態１の静圧気体軸受の構成を示す部分断面模式図である。 移動部材の移動調整量に対する軸受隙間の変化量を示す図である。 回転装置の構成を示す模式図である。 実施の形態２の静圧気体軸受の構成を示す部分断面模式図である。

符号の説明

１ 非回転部、１ａ テーブル支柱、１ｂ テーブルベース、１ｃ 直動案内、２ 回転軸、２ａ 先端面、２ｂ フランジ部、２ｃ 外周面、３，１３，２３，３３ ラジアル軸受パッド、３ａ パッド軸受部、３ｃ 凹部、３ｅ 給気口、３ｆ 給気溝、３ｇ 給気孔、４ ボールスタッド、４ａ 先端、４ｂ 上板、４ｃ 微動テーブル、４ｄ ねじ端接合部材、５ａ 送りねじ、５ｂ ねじ支柱、６ アキシアル軸受パッド、７ ヒンジ部。

Claims (6)

1. 回転体を支持する静圧気体軸受であって、
   前記回転体を半径方向に支持するラジアル軸受パッドと、
   前記ラジアル軸受パッドを移動させる移動部材と、
   前記移動部材に対して前記ラジアル軸受パッドを揺動可能に結合する結合部とを備え、
   前記移動部材が前記ラジアル軸受パッドを移動させる方向は、前記回転体の回転中心と前記結合部とを結ぶ方向に対して交差している、静圧気体軸受。
2. 前記移動部材は、先端が球状のボールスタッドを含み、
   前記ラジアル軸受パッドの前記回転体と対向していない部分に、凹部が形成されており、
   前記結合部は、前記凹部に前記ボールスタッドの前記先端が挿入されて構成されている、請求項１に記載の静圧気体軸受。
3. 前記結合部は、前記ラジアル軸受パッドを前記回転体の周方向にのみ揺動可能とするヒンジ部によって構成されている、請求項１に記載の静圧気体軸受。
4. 前記移動部材は、直動案内であって、
   前記直動案内の往復直進運動により前記ラジアル軸受パッドを移動させる、請求項１から請求項３のいずれかに記載の静圧気体軸受。
5. 回転体と、
   前記回転体を半径方向に支持する、請求項１から請求項４のいずれかに記載の複数の静圧気体軸受とを備える、回転装置。
6. 前記静圧気体軸受は、前記回転体の回転中心を通る鉛直な面に対して、対称となるように配置されている、請求項５に記載の回転装置。

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