JP2008032475A - 表面形状測定装置及び触針荷重の異常検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定物の表面に接触する触針を有する表面形状測定装置において、触針に作用する荷重の異常を検出することを可能にすることにより、触針に作用する過大な荷重による触針やピックアップの破損を防止する。
【解決手段】表面形状測定装置1を、触針11と被測定物Wとを相対移動させるモータ(51、52)の回転速度又は触針1と被測定物Wとの間の相対移動速度を検出する速度検出部64と、モータ(51、52)を流れる駆動電流を検出する電流検出部(53、54)と、モータ(51、52)の回転速度又は相対移動速度が所定の閾値速度Tvより遅く、かつ駆動電流が所定の閾値電流Tiを超えるとき、触針11に異常な荷重が作用していると判定する触針荷重異常検出部64と、を備えて構成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、触針を被測定物の表面に接触させながら相対移動させ、このとき被測定物の表面の起伏により生じる触針の変位を検出した変位信号を生成して、被測定物の表面形状を測定する表面形状測定装置に関し、特にこの触針、若しくは触針の変位を検出するピックアップ部の破損を防止する技術に関する。

表面形状測定装置は、被測定物の表面に所定の測定圧力で触針を押しつけながら、この触針と被測定物を相対移動させ、そのとき被測定物の表面の起伏により生じる触針の変位量を電気信号に変換して、電気信号に変換された変位信号をコンピュータ等の計算機で読み取り、この変位量から求まる触針と被測定物表面との接触点の高さ情報を、触針の移動経路上に順次配置することにより被測定物の表面形状データを作成するものである（例えば、下記特許文献１）。図１に、表面形状測定装置の基本構成を示す。

表面形状測定装置１には、被測定物Ｗを載置するためのＸＹ平面に沿ったテーブル２が設けられる。テーブル２にはコラム３が立設される。そしてコラム３にはＺ方向可動部４が取り付けられる。コラム３にはモータ５１が内蔵されており、このモータ５１が駆動されることによりＺ方向可動部４がコラム３に沿って（すなわちＺ方向に沿って）上下に昇降する。
Ｚ方向可動部４にはＸ方向可動部５が設けられ、このＸ方向可動部５に腕部１０を取り付け、さらに腕部１０の先にピックアップ６を取り付ける。Ｚ方向可動部４もまたモータ５２を内蔵しており、このモータ５２が駆動されることによってＸ方向可動部５がＸ方向に駆動される。

腕部１０の先端には、テーブル２上に載置された被測定物の表面粗さを測定するための測定子（ピックアップ）６が設けられ、このピックアップ６には、一方の端に触針１１が設けられたカンチレバー７が取り付けられる。
被測定物Ｗの測定面１０３上の表面形状を測定する際には、まずコンピュータ等の計算部４０が、モータ駆動回路７０を介してＺ方向可動部４を移動させるモータ５１及びＸ方向可動部５を移動させるモータ５２を駆動し、測定面１０３上の測定開始位置に触針１１を位置付ける。
そして計算部４０は、触針１１を測定面１０３に押し当てた状態のままモータ５２を駆動させてＸ方向駆動部４を一定速度で移動させる。触針１１が測定面の輪郭に沿って昇降するとカンチレバー７が揺動する。この揺動量がピックアップ６内の差動トランスや差動インダクタンスによって電気信号に変換される。図２にピックアップの内部構造を示す。

ピックアップ６は、カンチレバー７の長手方向と触針１１の突出方向とに直角な方向を回転軸としてカンチレバー７を揺動可能に支える支点２１と、カンチレバー７に付勢を与え、触針１１を一定の測定圧力で被測定物Ｗの測定面１０３に押し当てるための、バネ等の弾性体である付勢手段２２と、を備える。

触針１１が測定面１０３の起伏に沿って変位すると（すなわち、図示したＺ方向可動部４の所定の基準面に対して触針１１が上下方向に変位すると）、この触針１１の変位によってカンチレバー７が揺動し、この揺動量がピックアップ６内の差動トランスによって電気信号に変換される。
図示の構成例では、差動トランスは、励磁された１次コイル２３と、２つの２次コイル２５と、その中心部に挿入された磁性体コア２６を備えて構成され、磁性体コア２６はカンチレバー７に固定される。触針１１の変位に応じてカンチレバーが回転すると、これに応じて磁性体コア２６がコイル内で移動し、１次コイル２３に対する２つの２次コイル２５のそれぞれの相互インダクタンスが変化する。このため２つの２次コイル２５の誘導電圧に違いが生じ、コアの移動量すなわち触針１１の変位量に応じた出力電圧を得ることができる。差動トランスの代わりに差動インダクタンスやレーザ干渉計、光学式エンコーダが用いられることもある。

ピックアップ６の出力信号は、アナログディジタル変換回路（ＡＤＣ）３０に入力されて、アナログディジタル変換回路３０はこのアナログ信号を所定のサンプリング周期でディジタル形式の変位信号列に変換する。ディジタル形式の変位信号列は計算部４０に入力される。計算部４０は、Ｘ方向可動部５を一定速度で移動させて触針１１を被測定物表面１０３上で移動させながら順次読み取った各変位信号の値から、それぞれの位置における触針１１と被測定物表面１０３との接触点のＺ座標を求め、これを触針１１の移動経路上に順次配置することにより被測定物の表面形状データを作成する。

特開２００２−１０７１４４号公報 特開２００５−１２７９３４号公報 特開２００５−２９７１２７号公報

上述のような、触針１１を被測定物に接触させる表面形状測定装置１では、被測定物の表面に穴や段差があるとそこに触針１１がひっかかり、触針１１に過大な荷重が作用する場合がある。しかし従来の表面形状測定装置１では触針１１に作用する荷重の検出手段を有しないため、触針１１に過大な荷重が作用したままＸ方向可動部５やＺ方向可動部４移動させ続けてしまい、触針１１を破損することがある。

例えば図３の（Ａ）に示すように、被測定物Ｗの横穴１０１の内側面の表面形状を測定する場合には、図において点線で示した測定開始点まで触針を移動する場合に、触針１１を穴１０１の奥にぶつけて破損しやすい。
また図３の（Ｂ）に示すように、被測定物Ｗの表面に穴１０２がある場合に、触針１１が穴１０２に落ちてしまい、これに引っかかって触針１１を破損することがある。

また表面形状測定装置１では、測定中でない触針１１の移動時、例えば測定開始点まで触針１１を移動させる際に、触針１１を障害物にぶつけたままＺ方向可動部４やＸ方向可動部５を移動させてしまい、触針１１やピックアップ６を破損することがあった。
上記問題点に鑑み、本発明は被測定物の表面に接触する触針を有する表面形状測定装置において、触針に作用する荷重の異常を検出することを可能にすることにより、触針に作用する過大な荷重による触針やピックアップの破損を防止することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では触針と被測定物とをモータで相対移動させる際に、このモータによる触針及び被測定物の間の相対移動速度とこのモータの駆動電流とを各々監視し、相対移動速度が低下しかつ駆動電流が所定の閾値を超えるときに、触針に作用する荷重の異常を検出する。
障害物により触針に異常な荷重が作用しているか否かを判定するには、モータ駆動中にこのモータによる運動が停止しそのためにモータの駆動電流が増大し又は触針及び被測定物の間の相対移動速度が低下したことを検出すればよいが、本発明では相対移動速度及びモータの駆動電流の双方を監視する。

これによって、例えば測定表面の摺動抵抗が変化して一時的に駆動電流だけが大きくなった場合でも、触針荷重の異常を誤検出することを防止する。また低速で触針を測定表面上で摺動させる場合には、「スティックスリップ」と呼ばれる運動、すなわち触針が一瞬動いてまた停止する動作を繰り返すが、このとき駆動電流も併せて監視することによって、触針と被測定物との間の相対移動だけが一時的に低下た場合に触針荷重の異常を誤検出することを防止する。

触針及び被測定物の間の相対移動速度は、相対移動速度を直接測定してもよくモータの回転速度を測定することにより間接的に測定してもよい。
そして触針荷重の異常を検出した際には、触針と被測定物とを相対移動させるモータを停止させることによって、触針やこれを支持するピックアップの破損を防止する。

さらに、正常な測定が行われている間であっても一時的に摺動抵抗が増加することによって、一時的にモータの駆動電流の増加と相対移動速度の低下とが同時が生じることがある。このような場合にまで触針荷重の異常を検出してモータを停止させると測定作業に支障をきたすおそれがある。
このため駆動電流の増加によって触針荷重の異常を検出するにあたっては、駆動電流が所定の閾値を超える時間が、所定時間以上であるときに限り触針に異常な荷重が作用していると判定してもよい。

本発明は被測定物の表面に接触する触針を有する表面形状測定装置において、触針に作用する荷重の異常を検出することを可能にすることにより、異常を検出した際には触針の移動を止め触針に作用する過大な荷重による触針やピックアップの破損を防止することが可能となる。

以下、添付する図面を参照して本発明の実施例を説明する。図４は、本発明の実施例による表面形状測定装置の概略構成図である。本実施例では、Ｚ方向可動部４を移動させるモータ５１及びＸ方向可動部５を移動させるモータ５２の駆動電流を、それぞれ検出するモータ電流検出部５３及び５４を備えている。
また計算部４０には、モータ５１及びモータ５２の回転速度を検出するために、これらのモータから各々の回転速度に応じて変化する回転速度指示信号が入力される。回転速度指示信号は例えばモータ５１及びモータ５２内に内蔵されたエンコーダから出力されるパルス信号であってよく、またはモータ回転速度に応じた大きさの電圧を有する速度発電機からの出力信号であってもよい。
本発明の実施例による表面形状測定装置のその他の構成要素は、図１及び図２に示す表面形状測定装置１と同様であるため、記載の重複を防ぐために説明を省略することとし、以下、特に説明がない限りは同様の機能を有することとする。

図５は、図４に示す計算部４０の概略構成例を示す図である。コンピュータ等で実現される計算部４０は、表面形状測定装置１の制御プログラムや、またピックアップ６からの出力信号を処理して表面形状データを作成するプログラムなどを実行するＣＰＵ４１と、ＣＰＵ４１による各プログラムの実行に必要なデータを記憶するための、ＲＡＭ及びＲＯＭなどの主記憶装置４２と、ＣＰＵ４１が実行する各プログラムや作成した表面形状データを保存するための副記憶装置４３と、副記憶装置４３とＣＰＵ４１との間のデータのやりとりを行うインタフェース４４と、を備える。

また計算部４０は、ピックアップ６からの出力信号をアナログディジタル変換回路３０にてディジタル信号に変換した変位信号を計算部４０に入力し、またモータ５１及び５２の動作を制御する制御信号をモータ駆動回路５０に出力し、またモータ５１及び５２にて検出されたこれらモータの回転速度指示信号を入力し、モータ電流検出部５３及び５４にてそれぞれ検出されたモータ５１及び５２を駆動するモータ電流値指示信号を入力するためのインタフェース部（Ｉ／Ｆ）４５を備える。

図６は、図５に示す計算部４０により実現される機能ブロック図である。計算部４０は、副記憶装置４３に記憶した所定のプログラムをＣＰＵ４１で実行することにより、少なくとも移動機構制御部６１と、表面形状データ作成部６２と、速度検出部６３と、触針荷重異常検出部６４、タイマ６５の各機能ブロックを実現する。

移動機構制御部６１は、モータ５１及び５２を駆動するためのモータ制御命令をモータ駆動回路５０に供給する。移動機構制御部６１は、駆動回路５０にモータ制御命令を与えることによって、被測定物Ｗの表面上の所定測定開始位置まで触針１１を運搬させ、また測定中にはＺ方向可動部５を一定速度で移動させる。
モータ制御命令を受信したモータ制御回路５０は、移動機構制御部６１から指示された移動速度で指示された移動量だけＸ方向可動部５及びＺ方向可動部４を移動するように、モータ５１及び５２を駆動する。このときモータ制御回路５０は、サーボ制御を行うことによって、各モータ５１及び５２の回転速度が一定になるようにモータへの駆動電流を制御する。
また移動機構制御部６１は、表面形状データの作成に必要なＺ方向可動部５の移動量や座標値などのデータを、表面形状データ作成部６０に供給する。

表面形状データ作成部６２は、触針１１が被測定物Ｗの表面に沿って移動するのに伴ってピックアップ６が出力する変位信号の列を順次受信する。そしてこの変位信号から、各測定点における触針１１と被測定物Ｗ表面との接触点の高さ情報を求める。
そして表面形状データ作成部６２は、移動機構制御部６１から得たＺ方向可動部５の移動量及び座標値から触針１１が移動した移動経路を求める。そして各測定点の高さ情報をこの移動経路上に順次配置することにより被測定物の表面形状データを作成する。

速度検出部６３は、モータ５１及び５２から出力された回転速度指示信号を各々受信して、これらモータ５１及び５２のそれぞれの回転速度を検出し触針荷重異常検出部６４に出力する。
触針荷重異常検出部６４は、移動機構制御部６１がモータ５１及び５２を駆動していることを示す動作信号を受信する。そしてこれらのモータが駆動されている間は、モータ電流検出部５３及び５４によって検出されたモータ５１及び５２のモータ電流及び、速度検出部６３によって検出されたモータ５１及び５２の回転速度を監視し、これらモータ電流及び回転速度の情報を用いて後述する検出方法に従って、触針１１に作用する荷重の異常があったことを検出する。
タイマ６５については後述する。

図７を参照して、触針荷重異常検出部６４による触針荷重の異常検出方法を説明する。図７は、各モータ５１及び５２を駆動させた場合のモータ電流Ｉｍとモータ回転速度Ｖｍの時間変化を示すグラフである。図７において実線はモータ回転速度Ｖｍを示し、一点鎖線はモータ電流Ｉｍを示す。図示するように、モータ制御回路５０がサーボ制御を行うことにより、各モータ５１及び５２の回転速度は時刻ｔ０に至るまで一定である。

時刻ｔ０において、図３の（Ａ）を参照して説明したように、触針１１が被測定物Ｗの横穴１０１の奥にぶつかるとモータ５２に過大な負荷がかかり速度が低下する。このためモータ制御回路５０はモータ５２の回転速度を維持するためにモータ電流を増加させるが、モータ５２は時刻ｔ１において停止するに至る。
また図３の（Ｂ）に示すように、触針１１が被測定物Ｗの表面の穴１０２に落ちて引っかかった場合にも、モータ５２が停止すると共にモータ電流が増加する。
そこで、触針荷重異常検出部６４は、モータ電流検出部５３及び５４によって検出されたモータ５１及び５２のモータ電流Ｉｍ、並びに速度検出部６３によって検出されたモータ５１及び５２の回転速度Ｖｍを監視し、これらモータ電流Ｉｍが所定の閾値電流Ｔｉを超え、かつ回転速度Ｖｍが所定の閾値速度Ｔｖよりも遅くなったときに、触針１１に作用する荷重の異常があったことを検出し、モータ５１及び５２を停止させるモータ停止命令信号を移動機構制御部６１に出力する。

以下、モータ電流Ｉｍだけを監視して触針荷重の異常を検出する方法に比べて、本発明による触針荷重の異常検出方法が優れていることを説明する。モータ電流Ｉｍが過大となったことだけを触針荷重の異常の兆候と見なすと、例えば触針１１が摺動抵抗が大きい領域を走査している場合には、触針荷重の異常を誤って検出することがあり得る。
すわなち、触針１１が摺動抵抗が大きい領域を走査する場合には、図８の（Ａ）に示すように触針１１が一定速度で移動していても、モータ電流が瞬間的に上限値Ｔｉを超え、または一定時間以上上限値Ｔｉを超えることがあるからである。
本発明による触針荷重の異常検出方法では、モータ速度も同時に監視しているため、モータ電流Ｉｍだけを監視した場合に生じ得る誤検出を防止できる。

次に、モータの回転速度だけを監視して触針荷重の異常を検出する方法に比べて、本発明による触針荷重の異常検出方法が優れていることを説明する。
特に低い速度で触針１１を測定表面上で摺動させる場合には、触針１１は「スティックスリップ」と呼ばれる運動、すなわち一瞬動いて停止する動作を繰り返す。このときモータ回転速度は、通常の測定動作であるにも関わらず、図８の（Ｂ）に示すように一時的に下限値Ｔｖを下回り、触針荷重の異常を誤って検出することがあり得る。
本発明による触針荷重の異常検出方法では、モータ電流も同時に監視しているため、このようなモータ回転速度Ｖｍだけを監視した場合に生じ得る誤検出を防止できる。

図９は、本発明の実施例による触針荷重の異常検出方法の第１例のフローチャートである。
ステップＳ１１において、図６に示す移動機構制御部６１がモータ駆動回路５０にモータ制御命令を送信し、これによってモータ５１及び５２が駆動される。このとき触針荷重異常検出部６４は、移動機構制御部６１がモータ５１及び５２を駆動していることを示す動作信号を受信して、モータ５１及び５２のモータ電流及びモータ回転速度の監視を始める。
ステップＳ１２において、図４に示すモータ電流検出部５３及び５４によって、モータ５１及び５２のモータ電流Ｉｍを検出する。そしてステップＳ１３において触針荷重異常検出部６４は、検出されたモータ電流Ｉｍの値が所定の電流閾値Ｔｉを超えているか否かを判定する。

ステップＳ１３において、モータ電流Ｉｍが閾値Ｔｉを超えていないと判定された場合には、触針荷重異常検出部６４は、ステップＳ１４において触針荷重に異常がないと判定し、処理をステップＳ１１に戻す。ステップＳ１３において、モータ電流Ｉｍが閾値Ｔｉを超えていると判定された場合には、処理をステップＳ１５に移す。

ステップＳ１５において、図６に示す速度検出部は、モータ５１及び５２の回転速度指示信号からモータ５１及び５２の回転速度Ｖｍを検出する。そしてステップＳ１６において触針荷重異常検出部６４は、検出されたモータ回転速度Ｖｍの値が所定の速度閾値Ｔｖよりも遅いか否かを判定する。
ステップＳ１６において、モータ回転速度Ｖｍが閾値Ｔｖよりも速いと判定された場合には、触針荷重異常検出部６４は、ステップＳ１４において触針荷重に異常がないと判定し、処理をステップＳ１１に戻す。

ステップＳ１６において、モータ回転速度Ｖｍが閾値Ｔｖよりも遅いと判定された場合には、ステップＳ１７にて触針荷重に異常があったと判定し、ステップＳ１８にてモータ停止命令信号を移動機構制御部６１に出力して、モータ５１及び５２を停止させる。

なお、触針荷重異常検出部６４は、移動機構制御部６１からモータ５１及び５２の動作信号を受信している間は、測定中であるか否かを問わず上記ステップＳ１１〜Ｓ１８を実行し、モータ５１及び５２のモータ電流及び回転速度を監視する。そして触針１１に作用する荷重の異常を検出したときには、モータ５１及び５２を停止させる。
したがって、測定中だけでなく、触針１１の移動時（例えば測定開始点への触針１１の移動時）にも、触針１１を障害物にぶつけることによる触針１１やピックアップ６の破損を防止する。

図１０は、本発明の実施例による触針荷重の異常検出方法の第２例のフローチャートである。
正常な測定が行われている間であっても一時的に摺動抵抗が増加することによって、一時的にモータの駆動電流の増加と相対移動速度の低下とが同時が生じることがある。このような場合にまで触針荷重の異常を検出してモータを停止させると測定作業に支障をきたすおそれがある。

このため図１０に示す本実施例では、図９に示したフローチャートに加えて、ステップＳ１３においてモータ電流Ｉｍが閾値Ｔｉを超えていると判定された場合には、一定期間Δｔ経過後にもう一度モータ電流Ｉｍを検出することによって、モータ電流Ｉｍが閾値Ｔｉを超えている期間が、一定期間ΔＴ以上であるか否かを判定する。

すなわち図１０に示すフローチャートでは、ステップＳ１３においてモータ電流Ｉｍが閾値Ｔｉを超えていると判定された場合には、ステップＳ２０において図６に示すタイマ６５を用いて一定期間ΔＴを計時してその間待機した後、再度ステップＳ２１及びＳ２２にてモータ電流Ｉｍが閾値Ｔｉを超えているか否かを判定し、このΔＴ経過中に、モータ電流Ｉｍが閾値Ｔｉを超えなくなった場合にはステップＳ１４に進んで、触針荷重に異常がないと判定する。

一方、Ｓ２２においてモータ電流Ｉｍが閾値Ｔｉを超えていると判定した場合には、期間ΔＴの間モータ電流Ｉｍが閾値Ｔｉを超えていたと判定し、モータ回転速度Ｖｍのチェックを行うステップＳ１５に処理を移行する。

なお、上記実施例では、触針１１をモータで移動させることによって触針１１と被測定物Ｗとを相対移動させたが、本発明はこれに限定されることなく、上記実施例とは反対に被測定物Ｗをモータで移動させることによって触針１１と被測定物Ｗとを相対移動させる態様にも利用可能であり、このような態様も本発明の範囲に含まれる。
さらに上記実施例では、触針１１と被測定物Ｗとの間の相対移動速度を間接的に測定するために、モータ５１及び５２の回転速度を検出することとしたが、本発明はこれに限定されることなく、触針１１と被測定物Ｗとの間の相対移動速度を、例えばレーザ測長計や超音波測距装置によって、直接測定する態様にも利用可能であり、このような態様も本発明の範囲に含まれる。

本発明は、触針を被測定物の表面に接触させながら相対移動させ、このとき被測定物の表面の起伏により生じる触針の変位を検出した変位信号を生成して、被測定物の表面形状を測定する表面形状測定装置に利用可能である。

表面形状測定装置の基本構成図である。 ピックアップの内部構造を示す概略図である。 （Ａ）は触針が被測定物の横穴の奥にぶつかる様子を示す図であり、（Ｂ）は触針が被測定物の穴に引っかかる様子を示す図である。 本発明の実施例による表面形状測定装置の概略構成図である。 図４に示す計算部の概略構成例を示す図である。 図５に示す計算部により実現される機能ブロック図である。 本発明の実施例による触針荷重の異常検出方法の説明図（その１）である。 （Ａ）は本発明の実施例による触針荷重の異常検出方法の説明図（その２）であり、（Ｂ）の本発明の実施例による触針荷重の異常検出方法の説明図（その３）である。 本発明の実施例による触針荷重の異常検出方法の第１例のフローチャートである。 本発明の実施例による触針荷重の異常検出方法の第２例のフローチャートである。

符号の説明

１ 表面形状測定装置
２ テーブル
３ コラム
４ 可動部
６ ピックアップ
７ カンチレバー
１０ 腕部
１１ 触針

Claims (6)

1. 触針を被測定物の表面に接触させながら相対移動させたときの前記触針の変位を検出して、前記被測定物の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、
   前記触針と前記被測定物とを相対移動させるモータの回転速度又は前記触針と前記被測定物との間の相対移動速度を検出する速度検出部と、
   前記モータを流れる駆動電流を検出する電流検出部と、
   前記モータの回転速度又は前記相対移動速度が所定の閾値速度より遅く、かつ前記駆動電流が所定の閾値電流を超えるとき、前記触針に異常な荷重が作用していると判定する触針荷重異常検出部と、
   を備えることを特徴とする表面形状測定装置。
2. 前記触針荷重異常検出部は、さらに、前記駆動電流が前記所定の閾値を所定時間以上超えるときに、前記触針に異常な荷重が作用していると判定することを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
3. 前記触針荷重異常検出部が前記荷重の異常を検出したとき、前記モータを停止させることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面形状測定装置。
4. 触針を被測定物の表面に接触させながら相対移動させたときの前記触針の変位を検出して、前記被測定物の表面形状を測定する表面形状測定における、前記触針に作用する荷重の異常を検出する触針荷重の異常検出方法であって、
   前記触針と前記被測定物とを相対移動させるモータの回転速度又は前記触針と前記被測定物との間の相対移動速度を検出する速度検出ステップと、
   前記モータを流れる駆動電流を検出する電流検出ステップと、
   前記モータの回転速度又は前記相対移動速度が所定の閾値速度より遅く、かつ前記駆動電流が所定の閾値電流を超えるとき、前記触針に異常な荷重が作用していると判定する触針荷重異常判定ステップと、
   を行うことを特徴とする異常検出方法。
5. 前記触針荷重異常判定ステップは、さらに、前記駆動電流が前記所定の閾値を所定時間以上超えるときに、前記触針に異常な荷重が作用していると判定することを特徴とする請求項４に記載の異常検出方法。
6. 前記荷重の異常を検出したとき、前記モータを停止させることを特徴とする請求項４又は５に記載の異常検出方法。

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