JPH09184774A - 圧電型物理量センサ - Google Patents
圧電型物理量センサInfo
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- JPH09184774A JPH09184774A JP7352955A JP35295595A JPH09184774A JP H09184774 A JPH09184774 A JP H09184774A JP 7352955 A JP7352955 A JP 7352955A JP 35295595 A JP35295595 A JP 35295595A JP H09184774 A JPH09184774 A JP H09184774A
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- electrodes
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- piezoelectric
- electrode
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P2015/0805—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
- G01P2015/0822—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
- G01P2015/084—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass the mass being suspended at more than one of its sides, e.g. membrane-type suspension, so as to permit multi-axis movement of the mass
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Abstract
(57)【要約】
[課題] 圧電セラミックスを用いてセンサ部にコンデ
ンサを形成し、センサに作用する力をコンデンサの容量
変化で検出測定する。 [解決手段] 板状の圧電セラミックス素子と、この圧
電セラミックス素子の上面に形成した上部電極と、この
圧電セラミックス素子の下面に形成された下部電極とに
よって構成されるセンサ部の、各電極により圧電セラミ
ックス素子を所望方位に分極処理した後必要に応じて各
電極を接続する。
ンサを形成し、センサに作用する力をコンデンサの容量
変化で検出測定する。 [解決手段] 板状の圧電セラミックス素子と、この圧
電セラミックス素子の上面に形成した上部電極と、この
圧電セラミックス素子の下面に形成された下部電極とに
よって構成されるセンサ部の、各電極により圧電セラミ
ックス素子を所望方位に分極処理した後必要に応じて各
電極を接続する。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は圧電型物理量センサ
に関するものである。
に関するものである。
【0002】力、速度、加速度等の物理量を測定する需
要は多くの分野に存在し、その測定方法、測定素子が開
発されている。特に前記物理量の測定により物の制御を
目的とする分野では安定した感度のよい測定と同時に小
型化が望まれている
要は多くの分野に存在し、その測定方法、測定素子が開
発されている。特に前記物理量の測定により物の制御を
目的とする分野では安定した感度のよい測定と同時に小
型化が望まれている
【0003】本発明の圧電型物理量センサは、センサ部
に圧電セラミックスを使用し、圧電セラミックスの上面
の所定位置に複数個の物理量検出用電極を設け、下面に
前記物理量検出用電極に対向する電極を設ける。上下の
電極により圧電セラミックスを分極処理し、その後必要
に応じて各電極を接続してセンサ部が完成する。12は
引出電極である。16、17、18はセンサ部の電極と
外部端子または駆動回路、検出回路と接続するための端
子電極であり、センサ筐体1b上に形成してある。
に圧電セラミックスを使用し、圧電セラミックスの上面
の所定位置に複数個の物理量検出用電極を設け、下面に
前記物理量検出用電極に対向する電極を設ける。上下の
電極により圧電セラミックスを分極処理し、その後必要
に応じて各電極を接続してセンサ部が完成する。12は
引出電極である。16、17、18はセンサ部の電極と
外部端子または駆動回路、検出回路と接続するための端
子電極であり、センサ筐体1b上に形成してある。
【0004】図1は本発明による圧電型物理量センサの
要部の斜視図である。図2は図1の圧電型物理量センサ
の正面断面図である。図3は図1の圧電型物理量センサ
の上面図である。
要部の斜視図である。図2は図1の圧電型物理量センサ
の正面断面図である。図3は図1の圧電型物理量センサ
の上面図である。
【0005】センサ1はセンサ部1aとセンサ筐体1b
及び重錘体15で構成され圧電セラミックスで一体に形
成されている。センサ部1aの上面の所定位置に複数個
の物理量検出用電極2、3、4、5、6、7、8及び9
を設け、下面に前記物理量検出用電極に対向する電極1
4を設ける。上下の電極により圧電セラミックスを分極
処理し、その後必要に応じて各電極を接続用電極10、
11、13で接続してセンサ部1aが完成する。
及び重錘体15で構成され圧電セラミックスで一体に形
成されている。センサ部1aの上面の所定位置に複数個
の物理量検出用電極2、3、4、5、6、7、8及び9
を設け、下面に前記物理量検出用電極に対向する電極1
4を設ける。上下の電極により圧電セラミックスを分極
処理し、その後必要に応じて各電極を接続用電極10、
11、13で接続してセンサ部1aが完成する。
【0006】前記圧電型物理量センサを加速度の検出測
定に使用することとして以下説明する。上面電極と下面
電極は圧電セラミックスを誘電体とするコンデンサを構
成している。センサに加速度が作用すると、重錘体15
が移動し、重錘体15を支えているセンサ部1aに歪み
が発生する。歪みが発生すると各コンデンサ部の電荷が
変化する。本発明の圧電型物理量センサはこの電荷量の
変化を検出することでセンサに作用した物理量を検出す
るものである。
定に使用することとして以下説明する。上面電極と下面
電極は圧電セラミックスを誘電体とするコンデンサを構
成している。センサに加速度が作用すると、重錘体15
が移動し、重錘体15を支えているセンサ部1aに歪み
が発生する。歪みが発生すると各コンデンサ部の電荷が
変化する。本発明の圧電型物理量センサはこの電荷量の
変化を検出することでセンサに作用した物理量を検出す
るものである。
【0007】圧電セラミックス素子(センサ部1a)の
片面内の一点に原点を定義し、この原点を通りかつ圧電
セラミックス素子面に平行な方向にX軸を、原点におい
てX軸に直交しかつ圧電セラミックス素子面に平行な方
向にY軸を定義し、X軸の正の側に2つの電極2、6
を、負の側に2つの電極3、7を同心円状に配置し、Y
軸の正の側に2つの電極4、8を、負の側に2つの電極
5、9を同心円状に配置し、前記圧電セラミックス素子
の反対面に前記電極群と対向する電極14を配置して圧
電セラミックスのコンデンサを形成しセンサ部1aとす
る。センサ部1aの外周をセンサ筐体1bに固定し、前
記原点で対向する電極(2と3、4と5)を対称形状と
し、お互いに異極に分極処理後、内側の電極を圧電セラ
ミックス上の接続用電極13で接続し、外側の電極で同
軸上の電極を圧電セラミックス上の接続用電極(10、
11)で接続する。外部から作用する物理量に基づいて
発生した力を、前記原点に伝達する機能を有する作用体
(重錘体15)を形成し、前記作用体(重錘体15)に
発生した力で発生する圧電セラミックスの歪をコンデン
サの電荷量変化として前記電極群により検出する。
片面内の一点に原点を定義し、この原点を通りかつ圧電
セラミックス素子面に平行な方向にX軸を、原点におい
てX軸に直交しかつ圧電セラミックス素子面に平行な方
向にY軸を定義し、X軸の正の側に2つの電極2、6
を、負の側に2つの電極3、7を同心円状に配置し、Y
軸の正の側に2つの電極4、8を、負の側に2つの電極
5、9を同心円状に配置し、前記圧電セラミックス素子
の反対面に前記電極群と対向する電極14を配置して圧
電セラミックスのコンデンサを形成しセンサ部1aとす
る。センサ部1aの外周をセンサ筐体1bに固定し、前
記原点で対向する電極(2と3、4と5)を対称形状と
し、お互いに異極に分極処理後、内側の電極を圧電セラ
ミックス上の接続用電極13で接続し、外側の電極で同
軸上の電極を圧電セラミックス上の接続用電極(10、
11)で接続する。外部から作用する物理量に基づいて
発生した力を、前記原点に伝達する機能を有する作用体
(重錘体15)を形成し、前記作用体(重錘体15)に
発生した力で発生する圧電セラミックスの歪をコンデン
サの電荷量変化として前記電極群により検出する。
【0008】次に前記圧電型物理量センサの製造につい
て説明する。圧電セラミックスの材料は種々開発されて
いるが例えば、強誘電性で圧電性であるPZT(ジルコ
ン酸チタン酸鉛)を使用する。粉末を金型で成形(セン
サ部、センサ筐体部、重錘体部を一体で成形する)し焼
成する。センサ部の上下面に蒸着、スパッタリング、ス
クリーン印刷等の方法で電極を形成する。上下面の電極
を使用して圧電セラミックスの分極を行う。分極の方向
が2種類になるのでそれぞれの電極を分類して分極処理
をする。分極後前述のとおり接続用電極で異極に分極し
た上面電極を接続する。理由は
て説明する。圧電セラミックスの材料は種々開発されて
いるが例えば、強誘電性で圧電性であるPZT(ジルコ
ン酸チタン酸鉛)を使用する。粉末を金型で成形(セン
サ部、センサ筐体部、重錘体部を一体で成形する)し焼
成する。センサ部の上下面に蒸着、スパッタリング、ス
クリーン印刷等の方法で電極を形成する。上下面の電極
を使用して圧電セラミックスの分極を行う。分極の方向
が2種類になるのでそれぞれの電極を分類して分極処理
をする。分極後前述のとおり接続用電極で異極に分極し
た上面電極を接続する。理由は
【0009】で説明する。
【0009】電極形成が2度に分けて行われるが、蒸着
やスパッタリングの場合は一般に金属マスクを使用し、
スクリーン印刷ではスクリーンを使用し、印刷後に熱処
理をする。図4は蒸着による1度目の電極形成のマスク
形状で平面図、図5は同2度目の接続電極形成のマスク
形状例で平面図ある。分極後に再度治具にセットして重
ね合わせの電極を形成をするのは製造工数が増加する。
図6は一回の蒸着で電極を形成するためのマスク形状の
平面図である。本発明では図6の様なマスク形状とし、
接続電極の一部をマスクにより切断しておき、分極後に
導電ペーストで接続するようにした。これにより窓抜き
によるマスクの強度の劣化を接続電極の一部を切断する
ための桟部で補強することができ、電極形成も一度でで
きるようになり、製造工数を少なくできた。
やスパッタリングの場合は一般に金属マスクを使用し、
スクリーン印刷ではスクリーンを使用し、印刷後に熱処
理をする。図4は蒸着による1度目の電極形成のマスク
形状で平面図、図5は同2度目の接続電極形成のマスク
形状例で平面図ある。分極後に再度治具にセットして重
ね合わせの電極を形成をするのは製造工数が増加する。
図6は一回の蒸着で電極を形成するためのマスク形状の
平面図である。本発明では図6の様なマスク形状とし、
接続電極の一部をマスクにより切断しておき、分極後に
導電ペーストで接続するようにした。これにより窓抜き
によるマスクの強度の劣化を接続電極の一部を切断する
ための桟部で補強することができ、電極形成も一度でで
きるようになり、製造工数を少なくできた。
【0010】次に本発明の圧電型物理量センサで物理量
が検出測定できる理論について図1、及び図7、図8に
より説明する。
が検出測定できる理論について図1、及び図7、図8に
より説明する。
【0011】図1の圧電型物理量センサにX軸方向に加
速度が作用した場合を考えてみる。図7はX軸方向に加
速度が作用したときのセンサ部1aの歪み発生状態を示
す正面断面図。重錘体15に加速度が作用すると、図7
に示すように重錘体15の重心GにX軸方向の力Fが発
生する。この力Fにより、原点Oには図7における反時
計まわりのモーメント力が生じ、センサ部1aは図のよ
うに歪む。この歪みにより圧電セラミックスは、ある部
分は伸び、ある部分は縮む変形が生じ、それに伴い、内
部応力が発生する。このような変化により、電極2、
3、4、5、6、7、8、9と電極14で構成されてい
るコンデンサの電荷量が変化する。コンデンサの電荷量
が変化した瞬間コンデンサには電流が流れ、重錘体15
の振動が減衰するまであたかも交流のように電流が流れ
る。電流の大きさはコンデンサの電荷量変化に比例し、
他の条件が変わらなければ、それは加速度の大きさに比
例する。センサ部1aの歪、応力の発生は円板、周辺固
定、中心に集中荷重でほぼシミュレーションでき、電極
の配置は応力の+−が反転する部分を考慮して決める。
速度が作用した場合を考えてみる。図7はX軸方向に加
速度が作用したときのセンサ部1aの歪み発生状態を示
す正面断面図。重錘体15に加速度が作用すると、図7
に示すように重錘体15の重心GにX軸方向の力Fが発
生する。この力Fにより、原点Oには図7における反時
計まわりのモーメント力が生じ、センサ部1aは図のよ
うに歪む。この歪みにより圧電セラミックスは、ある部
分は伸び、ある部分は縮む変形が生じ、それに伴い、内
部応力が発生する。このような変化により、電極2、
3、4、5、6、7、8、9と電極14で構成されてい
るコンデンサの電荷量が変化する。コンデンサの電荷量
が変化した瞬間コンデンサには電流が流れ、重錘体15
の振動が減衰するまであたかも交流のように電流が流れ
る。電流の大きさはコンデンサの電荷量変化に比例し、
他の条件が変わらなければ、それは加速度の大きさに比
例する。センサ部1aの歪、応力の発生は円板、周辺固
定、中心に集中荷重でほぼシミュレーションでき、電極
の配置は応力の+−が反転する部分を考慮して決める。
【0012】電極2と3には大きさが同じで方向が逆の
減少が発生するはずであるが、分極の方向を逆にしてあ
れば同じ方向に電流が流れるので、お互いの電極を接続
しておくと2倍電極面積でも同じ電流が流れることにな
る。検出感度の変化は無いが、周波数特性が改善され
る。接続電極10はそのためのものである。電極4、5
によるコンデンサ部にも歪が発生するが、X軸に直交す
るY軸に線対称に電極が形成されているので相殺されて
電流は流れない。Y軸方向に加速度が作用した場合も同
様に検出できる。XY平面に作用した加速度はそれぞれ
の出力の合成で加速度の大きさと方向が検出測定できる
ことになる。
減少が発生するはずであるが、分極の方向を逆にしてあ
れば同じ方向に電流が流れるので、お互いの電極を接続
しておくと2倍電極面積でも同じ電流が流れることにな
る。検出感度の変化は無いが、周波数特性が改善され
る。接続電極10はそのためのものである。電極4、5
によるコンデンサ部にも歪が発生するが、X軸に直交す
るY軸に線対称に電極が形成されているので相殺されて
電流は流れない。Y軸方向に加速度が作用した場合も同
様に検出できる。XY平面に作用した加速度はそれぞれ
の出力の合成で加速度の大きさと方向が検出測定できる
ことになる。
【0013】XY平面に直交するZ軸を定義して、Z軸
方向に加速度が作用した場合を考える。図8はZ軸方向
に加速度が作用したときのセンサ部1aの歪み発生状態
を示す正面断面図である。検出理論は前述と同じであ
り、電極6、7、8、9は接続電極13で接続されてい
る(電極6、7、8、9部のセラミックスは同じ方位に
分極されている)。加速度の方向が逆になると検出信号
が逆になるのは容易に理解できる。XY平面に平行な加
速度の場合は、点対称である4つの電極部のコンデンサ
の歪は相殺されて出力は無くなる。
方向に加速度が作用した場合を考える。図8はZ軸方向
に加速度が作用したときのセンサ部1aの歪み発生状態
を示す正面断面図である。検出理論は前述と同じであ
り、電極6、7、8、9は接続電極13で接続されてい
る(電極6、7、8、9部のセラミックスは同じ方位に
分極されている)。加速度の方向が逆になると検出信号
が逆になるのは容易に理解できる。XY平面に平行な加
速度の場合は、点対称である4つの電極部のコンデンサ
の歪は相殺されて出力は無くなる。
【0014】X軸、Y軸、Z軸方向の加速度を検出して
合成することにより、加速度の方向と大きさが測定でき
ることになる。
合成することにより、加速度の方向と大きさが測定でき
ることになる。
【0015】
【発明の効果】本発明は前記のような構成にすることで
次のような効果が生じる。
次のような効果が生じる。
【0016】センサ部を圧電セラミックスで形成し直接
電極を形成したので構造が簡単になり、安価に製造でき
る。
電極を形成したので構造が簡単になり、安価に製造でき
る。
【0017】分極後の電極接続をセンサ部上でスクリー
ン印刷、蒸着、スパッタリング等で行ったので、センサ
部と外部端子または駆動回路との接続が少なくてすむ。
ン印刷、蒸着、スパッタリング等で行ったので、センサ
部と外部端子または駆動回路との接続が少なくてすむ。
【0018】パターンの切断を電極形成時のマスクで行
ったので、マスクの補強ができ、また電極形成回数を1
回にすることができた。
ったので、マスクの補強ができ、また電極形成回数を1
回にすることができた。
【0019】パターン切断部の接続を導電ペーストで行
うことにより特別な装置を必要とせずに電極接続ができ
た。
うことにより特別な装置を必要とせずに電極接続ができ
た。
【図1】本発明による圧電型物理量センサの要部の斜視
図。
図。
【図2】本発明による圧電型物理量センサの正面断面
図。
図。
【図3】本発明による圧電型物理量センサの上面図。
【図4】第1回電極形成のマスク形状を示す平面図。
【図5】第2回電極形成のマスク形状を示す平面図。
【図6】マスク形状を示す平面図。
【図7】X軸方向に加速度が作用したときのセンサ部の
歪み発生状態を示す正面断面図。
歪み発生状態を示す正面断面図。
【図8】Z軸方向に加速度が作用したときのセンサ部の
歪み発生状態を示す正面断面図。
歪み発生状態を示す正面断面図。
1 センサ 1a センサ部 1b センサ筐体 2 検出用電極 3 検出用電極 4 検出用電極 5 検出用電極 6 検出用電極 7 検出用電極 8 検出用電極 9 検出用電極 10 接続用電極 11 接続用電極 12 引出用電極 13 接続用電極 14 電極 15 重錘体 16 端子電極 17 端子電極 18 端子電極
Claims (8)
- 【請求項1】板状の圧電セラミックス素子と、この圧電
セラミックス素子の上面に形成した上部電極と、この圧
電セラミックス素子の下面に形成された下部電極とによ
って構成されるセンサ部の、各電極により圧電セラミッ
クス素子を所望方位に分極処理した後必要に応じて各電
極を接続したことを特徴とする圧電型物理量センサ。 - 【請求項2】圧電セラミックス素子の片面内の一点に原
点を定義し、この原点を通りかつ圧電セラミックス素子
面に平行な方向にX軸を、原点においてX軸に直交しか
つ圧電セラミックス素子面に平行な方向にY軸を定義
し、X軸の正の側に1つの電極を、負の側に1つの電極
を配置し、Y軸の正の側に1つの電極を、負の側に1つ
の電極を配置し、前記圧電セラミックス素子の反対面に
前記電極群と対向する電極を配置してコンデンサを形成
しセンサ部とし、センサ部の外周をセンサ筐体に固定
し、前記原点に対向する電極を対称形状とし、お互いに
異極に分極処理後、同軸上の電極を圧電セラミックス上
で接続し、外部から作用する物理量に基づいて発生した
力を、前記原点に伝達する機能を有する作用体を形成
し、前記作用体に発生した力による圧電セラミックスの
電荷量変化を前記電極群により検出することを特徴とす
る圧電型物理量センサ。 - 【請求項3】圧電セラミックス素子の片面内の一点に原
点を定義し、この原点を通りかつ圧電セラミックス素子
面に平行な方向にX軸を、原点においてX軸に直交しか
つ圧電セラミックス素子面に平行な方向にY軸を定義
し、X軸の正の側に2つの電極を、負の側に2つの電極
を同心円状に配置し、Y軸の正の側に2つの電極を、負
の側に2つの電極を同心円状に配置し、前記圧電セラミ
ックス素子の反対面に前記電極群と対向する電極を配置
してコンデンサを形成しセンサ部とし、センサ部の外周
をセンサ筐体に固定し、前記原点に対向する電極を対称
形状とし、お互いに異極に分極処理後、内側の電極を圧
電セラミックス上で接続し、外側の電極で同軸上の電極
を圧電セラミックス上で接続し、外部から作用する物理
量に基づいて発生した力を、前記原点に伝達する機能を
有する作用体を形成し、前記作用体に発生した力による
圧電セラミックスの電荷量変化を前記電極群により検出
することを特徴とする圧電型物理量センサ。 - 【請求項4】分極後の電極接続が印刷によることを特徴
とする請求項1、2または3記載の圧電型物理量セン
サ。 - 【請求項5】分極後の電極接続が蒸着またはスパッタリ
ングによることを特徴とする請求項1、2または3記載
の圧電物理量センサ。 - 【請求項6】分極後接続される電極は細い接続パターン
で接続されるが、該接続パターンの一部が切断されてお
り、該切断部は蒸着またはスパッタリングによる電極形
成時のマスクによる切断であることを特徴とする請求項
1、2または3記載の圧電型物理量センサ。 - 【請求項7】切断部の接続を導電ペースト塗布で行うこ
とを特徴とする請求項6記載の圧電型物理量センサ。 - 【請求項8】物理量が加速度であることを特徴とする請
求項2または3記載の圧電型物理量センサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7352955A JPH09184774A (ja) | 1995-12-28 | 1995-12-28 | 圧電型物理量センサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7352955A JPH09184774A (ja) | 1995-12-28 | 1995-12-28 | 圧電型物理量センサ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH09184774A true JPH09184774A (ja) | 1997-07-15 |
Family
ID=18427603
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP7352955A Pending JPH09184774A (ja) | 1995-12-28 | 1995-12-28 | 圧電型物理量センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH09184774A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6508127B1 (en) | 1999-04-02 | 2003-01-21 | Ngk Insulators, Ltd. | Acceleration sensor element, acceleration sensor, and method of manufacturing the same |
US6546800B1 (en) | 1999-04-02 | 2003-04-15 | Ngk Insulators, Ltd. | Acceleration sensor element, acceleration sensor, and method of manufacturing the same |
KR100388375B1 (ko) * | 2001-02-12 | 2003-06-25 | 장동영 | 메탈라이징을 이용한 공작 기계의 축 회전 궤적 측정용세라믹 원통형 정전 용량형 센서 및 그 제조 방법 |
JPWO2019078144A1 (ja) * | 2017-10-20 | 2020-02-27 | 株式会社村田製作所 | 押圧検知センサ及び電子機器 |
-
1995
- 1995-12-28 JP JP7352955A patent/JPH09184774A/ja active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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