JP2005344747A - 動力伝達シャフト - Google Patents

Abstract

【課題】小型軽量で高い耐久性を達成できる動力伝達シャフトを提供する。
【解決手段】この動力伝達シャフトとしての中間軸２では、互いに嵌め合わされた内軸１３および筒状の外軸１４の間に介在する動力伝達要素としての複数のボール２１を介して内軸１３および外軸１４が回転方向Ｔ１に連結される。ボール２１を内軸１３の径方向外方Ｒ１に付勢する付勢部材としての樋状の板部材２２を備える。この板部材２２は、軌道溝１９を形成し、ボール２１を転動可能に受ける受け部２７を含む。この受け部２７の肉量が最も多くされている。これにより、受け部２７に生じる応力を抑制でき、高い耐久性を達成することができる。板部材２２の肉量を部分的に多くしているので、応力を抑制しつつ、重量の増加を抑制し、小型化を達成することができる。
【選択図】 図４

Description

この発明は、例えば、自動車のステアリング装置等に利用される動力伝達シャフトに関する。

動力伝達シャフトには、例えば、互いに嵌合される内軸および筒状の外軸を有し、両軸をスプライン継手により連結されてなるものがある。スプライン継手は、外軸と内軸とに設けられて軸方向に延びる溝状の軌道と、この軌道間に介在する複数のボールとを有する。ボールに遊びを持たせてトルクを伝達するとともに、ボールを付勢部材により付勢して回転方向のがたつきの発生を抑制するようにしている。

従来の第１の動力伝達シャフトは、内軸または外軸に軌道に対応して形成された凹条と、この凹条に嵌まり上述の軌道を形成する軌道部材とを有している。付勢部材は、凹条と軌道部材との間に介在する弾性体を用いている（例えば、特許文献１，２参照。）。
また、従来の第２の動力伝達シャフトは、上述の凹条および軌道部材を有し、付勢部材として上述の軌道部材を弾性変形させて用いている。軌道部材は、例えば、樋形状をなして肉厚一定の板部材により形成されていて、幅方向の両端部を支持された状態で幅方向の中央部を撓ませることにより、弾力的にボールを付勢する（例えば、特許文献３，４，５参照。）。
特開２００１−５０２９３号公報 実公昭４５−１９２０７号公報 特開２００３−２９１８２４号公報 特開２００３−３３６６５８号公報 独国特許第ＤＥ３７３０３９３Ｃ２号公報

ところで、自動車のステアリング装置のインターミディエイトシャフトに上述の動力伝達シャフトを適用しようとする場合、高い捩じり剛性を確保するためにボールを高い付勢力で付勢することと、上述のスプライン継手の小型化とが要請されている。
しかし、従来の第１の動力伝達シャフトでは、軌道部材と付勢部材とが別体なので、全体が大型化する。

また、従来の第２の動力伝達シャフトでは、付勢部材はボールと局部的に当接するので、ボールからの反力が集中する傾向にある。これに加えて、小型化のために反力の集中傾向が強まるうえに、高い付勢力を得るために弾性変形量を大きくする傾向にある。その結果、付勢部材に高い応力が発生する。従って、例えば、付勢部材が高強度部材であっても、安全率が低くなる傾向にあり、過酷な使用条件下での耐久性が低下することが懸念される。

また、従来の第２の動力伝達シャフトにおいて、応力を抑制するために付勢部材を厚板で形成することが考えられるが、この場合には、重量が増大して好ましくない。
さらに、上述のインターミディエイトシャフトに限らず、小型で高い耐久性を達成できてしかも重量増大を抑制できる動力伝達シャフトが要望されている。
そこで、この発明の目的は、小型で高い耐久性を達成できてしかも重量増大を抑制できる動力伝達シャフトを提供することである。

本発明の動力伝達シャフトは、互いに嵌め合わされた内軸および筒状の外軸の間に介在する動力伝達要素を介して内軸および外軸が回転方向に連結される動力伝達シャフトにおいて、上記動力伝達要素を内軸の径方向に付勢する付勢部材を備え、この付勢部材は、動力伝達要素を受ける受け部を有する樋状の板部材を含み、板部材の受け部の肉量が、受け部以外の部分の肉量よりも多くされていることを特徴とする。

この発明によれば、板部材が受け部を形成しつつ付勢部材を兼用することにより、動力伝達シャフトを小型化するのに好ましい。板部材の受け部において、曲げモーメントが最も大きくなるが、受け部の肉量を最も多くしてあるので、受け部における応力を抑制でき、高い耐久性を達成することができる。板部材の肉量を部分的に多くしているので、応力を抑制しつつ、重量の増加を抑制し、小型化を達成することができる。

この発明において、上記板部材の受け部の板厚が受け部以外の部分の板厚よりも厚くされている場合がある。この場合、曲げ応力を抑制できると共に、動力伝達シャフトを小型化、軽量化することができる。
上記板部材は、幅方向の一対の端部にそれぞれ設けられる一対の被支持部を含み、板部材の板厚は、各被支持部から対応する受け部に向かうにしたがってしだいに厚くされている場合がある。この場合、各被支持部と対応する受け部との間の曲げ応力の変化を抑制でき、例えば、曲げ応力を概ね一定にすることができる。従って、応力を小さく抑制しつつ、各被支持部から対応する受け部にかけての部分の板厚を過不足のない値にできる。

上記受け部は、一対の被支持部間の中央位置を挟んだ両側に離隔して設けられる一対の受け部を含み、上記板部材の板厚は、各受け部から上記中央位置に向かうにしたがってしだいに薄くされている場合がある。この場合、板部材を撓み易くでき、応力の増大を抑制しつつ付勢力を強めることができる。
上記板部材は、上記受け部を除く部位に設けられた透孔を含む場合がある。この場合、透孔により肉量を調節できるので、例えば、板厚が一定の板部材を利用することもできる。また、透孔により撓み易くできる。

上記板部材の板厚は一定である場合がある。この場合、板部材を、板厚一定の安価な部材を用いて安価に形成することができる。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態の動力伝達シャフトを適用する車両用操舵装置の概略構成を示す模式図である。
本実施形態では、本動力伝達シャフトが車両用操舵装置１の中間軸２である場合に則して説明するが、本発明はこれに限らず、例えば、後述するように車両用操舵装置以外の装置に適用することもできる。

図１を参照して、車両用操舵装置１は動力伝達シャフトとしての中間軸２を有する。中間軸２は、インターミディエイトシャフトとも呼ばれて、ステアリングホイール３に連結されるステアリングシャフト４と、車輪（図示せず）を操向するための舵取り機構５との間に設けられている。中間軸２は、車輪を操向するためにステアリングホイール３に加えられる操舵トルクを、ステアリングシャフト４から舵取り機構５の入力軸６へ伝達する働きをする。

また、車両用操舵装置１は、操舵トルクを伝達する上述のステアリングシャフト４と、このステアリングシャフト４を内部に通して回転自在に支持するステアリングコラム７とを有している。ステアリングシャフト４の一方の端部にステアリングホイール３が連結され、他方の端部に、第１の自在継手８、中間軸２および第２の自在継手９を介して上述の舵取り機構５の入力軸６が連結されている。ステアリングホイール３が操舵されると、その操舵トルクがステアリングシャフト４等を介して舵取り機構５に伝達され、これにより車輪を操向することができる。

また、ステアリングコラム７には、操舵補助用の電動モータ１０と、この電動モータ１０の出力回転をステアリングシャフト４のロアーシャフト４ａに伝達するための伝達機構としての減速機１１とが設けられている。電動モータ１０と減速機１１とは、ステアリングコラム７により支持されている。電動モータ１０により、操舵トルク、車速等に応じた操舵補助力を得ることができるようになっている。また、車両用操舵装置１では、走行時または組付時に生じる舵取り機構５の位置の変化を吸収できるように、中間軸２は伸縮自在に構成されている。

中間軸２は、軸状をなしてその軸方向Ｓ１に伸縮可能に且つトルク伝達可能なスプライン継手１２と、このスプライン継手１２の一方の端部に設けられて第１の自在継手８を形成するための連結部８ａと、スプライン継手１２の他方の端部に設けられて第２の自在継手９を形成するための連結部９ａとを有する。
スプライン継手１２は、互いにトルク伝達可能に嵌め合わされる内軸１３および筒状の外軸１４を有する。内軸１３と外軸１４とは、中心軸線同士が一致して配置されている。軸方向Ｓ１についての内軸１３と外軸１４との一部分同士が、互いの間に遊びをもって互いに嵌め合わされている。

図２および図３を参照して、本実施形態では、スプライン継手１２は、トルクを伝達可能に内軸１３および外軸１４を回転方向Ｔ１（周方向ともいう。）に剛的に連結可能な剛性連結要素１５と、内軸１３および外軸１４を回転方向Ｔ１に弾性的に連結する弾性連結要素１６とを備えている。剛性連結要素１５および弾性連結要素１６は、ともに内軸１３および外軸１４の軸方向Ｓ１について相対移動を許容する。

剛性連結要素１５は、互いに係合可能なスプライン歯としての複数対の凹条１７および凸条１８を有している。凹条１７は、内軸１３に形成され軸方向Ｓ１に延びている。凸条１８は、凹条１７に対向して外軸１４に形成され、軸方向Ｓ１に延びている。対をなす凹条１７および凸条１８との間には周方向に関して所定量の遊びが設けられている。
弾性連結要素１６は、内軸１３および外軸１４の互いに対向する位置にそれぞれ設けられ軸方向Ｓ１に延びる軌道としての複数対（例えば３対）の軌道溝１９，２０と、各対の軌道溝１９，２０間にそれぞれ介在する複数の動力伝達要素且つ転動体としてのボール２１（一部のみ図示）と、各対の軌道溝１９，２０間にそれぞれ保持され対応する複数のボール２１を内軸１３の径方向外方Ｒ１に付勢する付勢部材としての板部材２２とを有している。

板部材２２は、樋状（逆Ω字形状）をなす。また、内軸１３には、各板部材２２をそれぞれ保持するための軸方向Ｓ１に延びる保持溝２３が形成されている。複数のボール２１を介して内軸１３および外軸１４が回転方向Ｔ１に弾性的に連結されている。
内軸１３の保持溝２３は、軸方向Ｓ１に平行に延びる一対の支持部としての縁部２４によって、板部材２２の対応する被支持部としての縁部２５ないし縁部２５の近傍の部分２５ａ（図４参照）をそれぞれ支持している。縁部２５は、大きな伝達トルクがかかるときに支持され、縁部２５の近傍の部分２５ａは、伝達トルクがかからないときや小さいときに支持される。また、保持溝２３の内面と板部材２２との間には所定量の隙間が設けられている。

中間軸２では、内軸１３および外軸１４間に伝達トルクがかかっていないときや、所定値以下の伝達トルクがかかるときには、弾性連結要素１６の板部材２２によって中間軸２の径方向外方Ｒ１へ向けて弾力的に付勢されたボール２１を介して、内軸１３および外軸１４は互いに周方向に弾力的に連結されている。弾性連結要素１６のみを介して連結することにより、軸方向Ｓ１についての内軸１３および外軸１４の相対移動抵抗を小さくしてある。所定値以下の伝達トルクがかかるときには、弾性連結要素１６のみを介して内軸１３および外軸１４間にトルクが伝達される。所定値を超えて大きな伝達トルクがかかる場合には、板部材２２を撓ませて、両軸１３，１４が微小量相対回転することで、剛性連結要素１５を介して両軸１３，１４が剛的に連結される。このとき、弾性連結要素１６も、両軸１３，１４間のトルク伝達に寄与する。

複数のボール２１は、同一直径の鋼球からなる。各対の軌道溝１９，２０ごとに、複数のボール２１が、保持器２６により保持されて、軸方向Ｓ１に並んで列をなしている。
図４を参照して、軌道溝２０は、外軸１４の内周面に一体に形成される凹条からなる。この凹条は、軸方向Ｓ１に所定長さで延びていて、径方向に対して傾斜した一対の傾斜面を有している。一対の傾斜面は、ボール２１の転動を案内する一対の案内部２０ａをそれぞれ有する。一対の案内部２０ａは、横断面において周方向について互いに離隔し且つ互いに対向して配置されていて、ともに軸方向Ｓ１に平行に延びている。一対の案内部２０ａは、径方向外方Ｒ１および周方向両側へのボール２１の相対移動を規制する。

軌道溝１９は、樋状の板部材２２の内面によって区画される凹条からなる。この凹条は、軸方向Ｓ１に所定長さで延びていて、径方向に対して傾斜した一対の傾斜面を有している。一対の傾斜面は、ボール２１の転動を案内する一対の案内部１９ａをそれぞれ有する。一対の案内部１９ａは、横断面において周方向について互いに離隔し互いに対向して配置されていて、ともに軸方向Ｓ１に平行に延びている。一対の案内部１９ａは、径方向内方Ｒ２および周方向両側へのボール２１の相対移動を規制する。

軌道溝１９の一対の案内部１９ａと、軌道溝２０の一対の案内部２０ａとは、複数のボール２１を介在して互いに対向している。複数のボール２１が軌道溝１９の一対の案内部１９ａと軌道溝２０の一対の案内部２０ａとを転動することにより、ボール２１が軸方向Ｓ１に沿って移動するとともに、内軸１３と外軸１４とが軸方向Ｓ１に相対移動する。
板部材２２は、樋状をなす板ばねにより形成されている。板部材２２は、上述の一対の縁部２５，２５間にボール２１を受ける一対の受け部２７を含む。また、板部材２２は、内軸１３と係合する係合部（図示せず）を有し、この係合部の働きで、内軸１３に対する板部材２２の軸方向Ｓ１についての相対移動が規制されている。

各受け部２７の表面は、それぞれボール２１の転動を案内する上述の案内部１９ａを含んでいる。一対の受け部２７は、板部材２２の幅方向Ｗ１について、一対の縁部２５間の中央位置２８を挟んだ両側に互いに離隔して配置されている。より具体的には、一対の受け部２７は、板部材２２の樋状の部分を略３等分する位置に配置されている。
本実施形態では、板部材２２の受け部２７の肉量が最も多くされていて、受け部２７以外の残りの部分、例えば、幅方向端部２２ａ、中央位置２８の近傍部分２２ｂのそれぞれの肉量よりも多くされている。各部の肉量は、横断面において板部材２２が延びる方向についての単位長さ当たりの肉量で比較している。また、本実施形態では板部材２２の板厚を調節することにより、各部の肉量を所望量に設定している。

図５は、板部材２２の板厚Ｌと、幅方向についての縁部２５からの距離Ｐとの関係を示すグラフである。このグラフでは、所定位置での板厚Ｌを縦軸に取り、幅方向についての一方の縁部から所定位置までの距離Ｐを横軸に取って示す。距離Ｐの値Ｐ１は一方の縁部２５に対応する一方の受け部２７までの距離、値Ｐ２は中央位置２８までの距離、距離Ｐ３は他方の受け部２７までの距離、距離Ｐ４は他方の縁部２５までの距離を示す。

図４と図５を参照して、板部材２２の板厚Ｌは、各縁部２５から対応する受け部２７に向かうにしたがって（Ｐ０〜Ｐ１，Ｐ３〜Ｐ４）しだいに厚くされていて、受け部２７で最も厚くされている。具体的には、幅方向Ｗ１に沿って一方の縁部２５から所定位置までの距離Ｐと、所定位置での板厚Ｌとの関係が、放物線関数の関係を満たす部分を含んでいる。例えば、縁部２５に隣接する部分から対応する受け部２７までの間において、放物線関数の関係を満たしている。この関係では、板部材２２に生じる曲げ応力を一定にすることができる。

また、上述の板部材２２の板厚Ｌは、各受け部２７から中央位置２８に向かうにしたがって（Ｐ１〜Ｐ２，Ｐ２〜Ｐ３）しだいに薄くされている。
板部材２２の受け部２７の板厚の値Ｌ１が、幅方向端部２２ａの縁部２５の板厚の値Ｌ２よりも厚くされ（Ｌ１＞Ｌ２）、中央位置２８を通る部分２２ｂの板厚の値Ｌ３よりも厚くされている（Ｌ１＞Ｌ３）。この値Ｌ３は値Ｌ２よりも大きい（Ｌ３＞Ｌ２）。

板部材２２は、例えば、塑性加工としての圧延加工により、幅方向に板厚を所望値に変化させた製造用中間体としての板材料（図示せず）を形成し、この板材料を曲げ加工により樋形状に形成することにより得ることができる。塑性加工により板部材２２を高強度で得ることができて好ましい。
このように本実施形態では、板部材２２が軌道部材としての受け部２７を形成しつつ付勢部材を兼用することにより、中間軸２を小型化するのに好ましい。しかも、板部材２２の受け部２７において、曲げモーメントが最も大きくなるが、受け部２７の肉量を最も多くしてあるので、受け部２７における応力を抑制でき、高い耐久性を達成することができる。板部材２２の肉量を部分的に多くしているので、応力を抑制しつつ、重量の増加を抑制し、小型化を達成することができる。また、応力を抑制できるので、板部材２２に利用可能な材質の選択範囲を広くすることができる。

また、板部材２２の受け部２７の板厚Ｌ１が、最も厚く、すなわち、受け部２７以外の部分の板厚よりも厚くされている。この場合、曲げ応力を抑制できると共に、中間軸２を小型化、軽量化することができる。
板部材２２の板厚Ｌは、各縁部２５から対応する受け部２７に向かうにしたがってしだいに厚くされている。これにより、各縁部２５と対応する受け部２７との間の部分２２ｃにおける曲げ応力の変化を抑制でき、例えば、曲げ応力を概ね一定にすることができる。従って、応力を小さく抑制しつつ、各縁部２５から対応する受け部２７にかけての部分２２ｃの板厚を過不足のない値にできる。

板部材２２の板厚Ｌは、各受け部２７から中央位置２８に向かうにしたがってしだいに薄くされている。この場合、板部材２２を撓み易くでき、応力の増大を抑制しつつ付勢力を強めることができる。
剛性連結要素１５および弾性連結要素１６を併用する場合には、中間軸２の全体が担う伝達トルクに比べて弾性連結要素１６が担う伝達トルクを小さくできるので、弾性連結要素１６、ひいては中間軸２を小型化することができる。

板部材２２を、外軸１４に設けずに内軸１３の保持溝２３に収容するようにしている。この場合には、中間軸２を径方向に小型化できて好ましい。
上述の中間軸２では、捩じり剛性を高くできるので、車両用操舵装置１においてドライバががたつきや捩じり剛性の不足を感じることがなく、また、操縦安定性を高めることができる。さらに、操舵補助用の電動モータ１０をステアリングコラム７に設けた電動パワーステアリング装置では、中間軸２の伝達トルクひいては応力が大きくなる傾向にあるが、大きくなる傾向にある応力を本実施形態の中間軸２により抑制できて好ましい。

また、本実施形態について、以下のような変形例を考えることができる。以下の説明では、上述の実施形態と異なる点を中心に説明し、同様の構成については説明を省略し、図示する場合には対応部分に同じ符号を付しておく。
図６を参照して、板部材２２の変形例を説明する。図６のグラフでは、縦軸、横軸、横軸の距離Ｐの各値Ｐ１，Ｐ２，…等は図５と同様に示されている。図６に示す板部材２２では、一対の受け部２７の間の部分において（Ｐ１〜Ｐ３）、板部材２２の板厚Ｌを一定（例えばＬ１）として、肉量を一定としている。この場合には、一対の受け部２７の間に生じる応力を一定にすることができる。

また、各縁部２５から対応する受け部２７との間での板部材２２の板厚Ｌは、例えば、幅方向Ｗ１についての縁部２５から所定位置までの距離と所定位置での板厚との関係が、放物線関数以外の関係、例えば、１次関数を満たすものとすることも考えられる。また、各縁部２５から対応する受け部２７までの間の部分の板厚Ｌを一定値Ｌ１とし、縁部２５よりも先端側の部分の板厚を薄くすることも考えられる。

また、図７を参照して、板部材２２Ａは、受け部２７（一点鎖線で図示。）を除く部位、例えば、端部２２ａ，中央位置２８の近傍部分２２ｂに設けられた透孔２９を含むようにしてもよい。この場合、板部材２２Ａの受け部２７の肉量は、最も多くされ、上述の板部材２２の受け部２７の肉量と等しくなるようにされている。透孔２９により肉量を調節できるので、板厚一定の板部材を利用することができる。例えば、板部材２２Ａの板厚は、位置によらず一定値Ｌ１であり、これにより、板部材２２Ａを、板厚一定の安価な部材を用いて安価に形成することができる。また、透孔２９により板部材２２Ａを撓み易くできる。透孔２９としては、透孔２９の周縁部が閉じられているものでもよいし、透孔の周縁部の一部が外部に開放されて切欠き形状をなしているものでもよい。

また、板部材２２，２２Ａを、内軸１３に設けることの他、外軸１４に設けることも考えられ、内軸１３および外軸１４の少なくとも一方に設けることが考えられる。
また、動力伝達要素はボール２１に限定されず、例えば、転動体としてのローラ、そろばん玉形状の転動体、すなわち、軸線を含む断面形状が略菱形をなす回転体形状の転動体であって菱形の各片が凸湾曲線により形成されたもの等を用いることも考えられる。

また、本実施形態の動力伝達シャフトを、軸方向Ｓ１に相対移動させないで互いに嵌合させて連結した内軸および外軸を含む動力伝達シャフトに適用してもよい。例えば、上述のスプライン継手において、弾性連結要素が、ボール２１に代えて軸方向Ｓ１に延びる円柱形状をなす動力伝達要素を含む場合に相当する。この場合にも、板部材の受け部の肉量を多くして、応力を低減する効果を得ることができる。

また、本実施形態の動力伝達シャフトを車両用操舵装置１の中間軸２の他、各種の産業機械、装置等に適用してもよい。その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

本発明の一実施形態の動力伝達シャフトを適用した車両用操舵装置の概略構成を示す模式図である。 図１に示す中間軸の要部の一部縦断面図である。 図２に示す中間軸の III− III断面図である。 図３に示す中間軸の要部拡大断面図である。 図３に示す板部材の所定位置での板厚Ｌと、幅方向についての縁部からの所定位置までの距離Ｐとの関係を示すグラフである。 本発明の板部材の変形例についての、所定位置での板厚Ｌと、幅方向についての縁部からの所定位置までの距離Ｐとの関係を示すグラフである。 本発明の板部材の他の変形例を示す一部断面斜視図である。

符号の説明

２ 中間軸（動力伝達シャフト）
１３ 内軸
１４ 外軸
２１ ボール（動力伝達要素）
２２ 板部材（付勢部材）
２２Ａ 板部材（付勢部材）
２２ａ 端部（受け部を除く部位、受け部以外の部分）
２２ｂ 部分（受け部を除く部位、受け部以外の部分）
２５ 縁部（被支持部）
２７ 受け部
２８ 中央位置
２９ 透孔
Ｌ 板部材の板厚
Ｌ１ 受け部の板厚
Ｒ１ 径方向外方
Ｒ２ 径方向内方
Ｔ１ 回転方向
Ｗ１ 幅方向

Claims (6)

1. 互いに嵌め合わされた内軸および筒状の外軸の間に介在する動力伝達要素を介して内軸および外軸が回転方向に連結される動力伝達シャフトにおいて、
   上記動力伝達要素を内軸の径方向に付勢する付勢部材を備え、
   この付勢部材は、動力伝達要素を受ける受け部を有する樋状の板部材を含み、
   板部材の受け部の肉量が、受け部以外の部分の肉量よりも多くされていることを特徴とする動力伝達シャフト。
2. 請求項１に記載の動力伝達シャフトにおいて、上記板部材の受け部の板厚が受け部以外の部分の板厚よりも厚くされていることを特徴とする動力伝達シャフト。
3. 請求項２に記載の動力伝達シャフトにおいて、上記板部材は、幅方向の一対の端部にそれぞれ設けられる一対の被支持部を含み、板部材の板厚は、各被支持部から対応する受け部に向かうにしたがってしだいに厚くされていることを特徴とする動力伝達シャフト。
4. 請求項３に記載の動力伝達シャフトにおいて、上記受け部は、一対の被支持部間の中央位置を挟んだ両側に離隔して設けられる一対の受け部を含み、上記板部材の板厚は、各受け部から上記中央位置に向かうにしたがってしだいに薄くされていることを特徴とする動力伝達シャフト。
5. 請求項１に記載の動力伝達シャフトにおいて、上記板部材は、上記受け部を除く部位に設けられた透孔を含むことを特徴とする動力伝達シャフト。
6. 請求項５に記載の動力伝達シャフトにおいて、上記板部材の板厚は、一定であることを特徴とする動力伝達シャフト。
   

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