(57)【要約】【課題】  ピストンの動きを点火タイミングの決定に用いることにより、フライホイールの軽量化と、冷却風の流れを妨げないようにしたエンジン及びエンジン作業機を提供する。【解決手段】  ピストン４を鉄製、もしくは磁性体を組み込んだ構造とし、シリンダ２に発電コイル２５、２６が巻かれた鉄心２１を埋め込み、ピストン４の往復移動により磁界の磁路を形成又は断続して発電を行うように構成した。鉄心２１はシリンダ２の外側から燃焼室内に露出するように設置され、鉄心２１内には永久磁石２３ａ、２３ｂによって所定方向の磁界が生じるようにした。鉄心２１には発電用の一次コイル２５と二次コイル２６が同心状に巻かれる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室を形成するシリンダと、前記シリンダの内部を往復移動するピストンと、前記燃焼室に吸入される混合気に点火する点火プラグと、前記点火プラグに供給される高圧電流を供給する点火装置を有するエンジンにおいて、
前記点火装置として、前記シリンダの外側から内側部分に接近するように設置された鉄心と、前記鉄心に巻装された発電用のコイルと、
前記鉄心を磁化させる永久磁石を設け、
前記ピストンに前記永久磁石によって生じる磁界の磁路を形成する誘導子を設けたことを特徴とするエンジン。
【請求項２】
前記鉄心は前記シリンダの外側から内側に貫通するように設置されることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
前記鉄心は２つの端部が接近するように湾曲された形状であって、前記２つの端部が前記シリンダに形成された貫通穴を貫通して前記ピストンが往復移動する空間に接近するように取り付けられることを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジン。
【請求項４】
前記鉄心の端部付近における磁路の方向が、前記ピストンの移動方向と略直角になるように前記鉄心が配置されることを特徴とする請求項２又は３に記載のエンジン。
【請求項５】
前記鉄心の２つの端部から連結部分に至る間にそれぞれ前記永久磁石が取り付けられ、
前記２つの永久磁石の間に前記コイルが設けられることを特徴とする請求項４に記載のエンジン。
【請求項６】
前記ピストンが前記鉄心の２つの端部のある位置を横切ることにより、前記点火プラグによる点火動作が行われることを特徴とする請求項４又は５に記載のエンジン。
【請求項７】
前記ピストンを磁性体で製造することにより前記誘導子としての機能を果たすことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のエンジン。
【請求項８】
前記誘導子として前記ピストンの外周部に磁性体を埋め込むか、または前記ピストンの表面に磁性体をメッキすることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のエンジン。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載のエンジンを用いて作業機器を駆動させることを特徴とするエンジン作業機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型エンジンに使用される改良された磁石発電式の点火装置を有するエンジン及びそれを用いたエンジン作業機に関する。
【背景技術】
【０００２】
刈払機、ヘッジトリマ、チェンソーといったエンジン工具は、一般的に、２サイクルエンジン等の火花点火エンジンを駆動源とする。火花点火エンジン（以下、単に「エンジン」という）は、放電により燃焼室内の混合気に点火する点火プラグと、エンジンの回転に同期して点火プラグに高電圧を印加する点火装置を備える。特に、エンジン作業機のエンジンは、電源を小型化又は省略するため、一般的に、マグネト式発電装置（磁石発電装置）を備える。このようなマグネット（磁石）によって発電する装置では、たとえば特許文献１のように、フライホイールの外周に永久磁石を取り付け、さらにその外周に発電コイルを巻装した鉄心を配置する。発電コイルは、鉄心に巻かれた一次コイル及び二次コイルを備え、フライホイールの回転に伴ってマグネットと一次コイルとの電磁誘導作用により発生する電圧を、一次コイルと二次コイルとの相互誘導作用により昇圧させることにより高電圧を発生し、高圧コード及びプラグキャップを介してその高電圧を点火プラグに供給する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実公昭６３−２１７３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のフライホイールの外周に永久磁石を取り付ける場合、フライホイールの円周上の特定箇所に隣接して２つの永久磁石を取り付けるようにしている。同時にフライホイールの回転バランスをとるために、永久磁石と同等の重量のカウンターウエイトを永久磁石と円周上の反対側に取り付ける必要があるため、永久磁石とカウンターウエイトを取り付けるためにフライホイールの重量が重くなってしまうことが多い。また、永久磁石およびカウンターウエイトの取り付け部の構造及び取り付け方法を、フライホイールの高速回転の遠心力に耐えられるように工夫する必要がある。この工夫を行うことはフライホイールの重量の更なる増大を招くことになる。そして、フライホイールの外周側に隣接して取り付ける発電コイルが巻かれた鉄心は、シリンダの冷却したい箇所を覆うことが多いため、フライホイールに形成されたフィンによる冷却風の通りを妨げて冷却効果を悪化させる恐れがあった。
【０００５】
本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、その目的はピストンの動きを点火タイミングの決定に用いることにより、精度良い点火時期の制御を行うことができるエンジン及びエンジン作業機を提供することにある。
【０００６】
本発明の他の目的は、構造を単純化してフライホイールの軽量化を達成できるエンジン及びエンジン作業機を提供することにある。
【０００７】
本発明のさらに他の目的は、フィン付きのフライホイールによって生成される冷却風の流れを妨げること無く、エンジンの冷却効果を向上させたエンジン及びエンジン作業機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願において開示される発明のうち代表的なものの特徴を説明すれば次の通りである。
本発明の一つの特徴によれば、燃焼室を形成するシリンダと、シリンダの内部を往復移動するピストンと、燃焼室に吸入される混合気に点火する点火プラグと、点火プラグに供給される高圧電流を供給する点火装置を有するエンジンにおいて、点火装置として、シリンダの外側から内側部分に接近するように設置された鉄心と、鉄心に巻装された発電用のコイルと、鉄心を所定方向に磁化させる永久磁石を設け、ピストンに永久磁石によって生じる磁界の磁路を形成する誘導子を設けた。誘導子はピストンを鉄製としてピストンそのものを誘導子とするか、又は、非鉄製のピストンに誘導子となる磁性体を組み込んだ構造とするか、又は、ピストンの表面に磁性体をメッキすることにより実現でき、ピストンの往復移動により磁界の磁路を形成又は遮断して発電する。鉄心はシリンダの外側から内側に貫通するように、又は、ほぼ貫通するように設置される。このような構造とすることによりフライホイールを点火装置用の発電に用いる必要が無いので、構造を単純にすることができ、軽量で回転バランスが良く、しかも冷却風の生成効率を良くすることができるフライホイールを実現できた。
【０００９】
本発明の他の特徴によれば、鉄心は２つの端部がピストンに接近するように湾曲された形状であって、これらの端部がシリンダに形成された貫通穴を貫通してピストンが往復移動する空間に接近するように取り付けられる。鉄心は略Ｕ字状であって、鉄心の端部付近における磁路の方向が、ピストンの移動方向と略直角になるようにシリンダに取り付けられる。鉄心の２つの端部から連結部分に至る間にはそれぞれ永久磁石が取り付けられ、２つの永久磁石の間に発電コイルが設けられる。ピストンが鉄心の２つの端部のある位置を横切ることにより、点火プラグによる点火動作が行われる。このように構成することにより、ピストンの動きに応じて最適な点火タイミングにてコイルに高圧電流が流れるので、高精度の点火制御を行うことができる。また、鉄心に対する誘導子がシリンダの内部に配置されるために、故障の恐れが少なくて信頼性の高い点火装置を実現できる。
【００１０】
本発明のさらに他の特徴によれば、請求項のいずれか一項に記載のエンジンを用いて作業機器を駆動させるので、フライホイールによる冷却風の生成効率を良くして、エンジン部分の小型軽量化を図り、ひいては作業機器全体の小型軽量化を達成したエンジン作業機を実現できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、フライホイールに永久磁石や、カウンターウエイトを組み込まないため、フライホイールの軽量化、風量の増加、単純化が図れる。また、永久磁石と発電コイルを有する鉄心はシリンダの冷却を妨げない箇所に配置することにより、効率の良いシリンダの冷却が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】エンジン作業機の一例である刈払機１００の全体形状を示す斜視図である。
【図２】本実施例に係るエンジン本体部１の内部構造を示す縦断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ部の断面図である。
【図４】図２の鉄心２１及び一次コイル２５、二次コイル２６の上面図である。
【図５】本発明の第２の実施例に係るエンジンの内部構造を示す断面図であって、図２のＡ−Ａ部に相当する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１３】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。なお、以下の図において、同一の部分には同一の符号を付し、繰り返しの説明は省略する。また、本明細書においては、前後、上下の方向は図中に示す方向であるとして説明する。
【００１４】
図１はエンジン作業機の一例である刈払機１００の全体形状を示す斜視図である。刈払機１００は、メインパイプ１０１の一端に取り付けられたエンジン本体部１(駆動部)と、メインパイプ１０１の他端側に取り付けられたギヤユニット１０２と、ギヤユニット１０２の図示しないスピンドルに取り付けられた回転する刈刃（回転刃）１０３を有して構成される。エンジンは、例えば２サイクルエンジンから構成されており、燃焼室を画成するシリンダ、シリンダ内を往復するピストン、ピストンの往復に伴って回転するクランクシャフト、燃料を収容する燃料タンク、燃料と空気との混合気を作るキャブレタ、クランクシャフトを回転させてエンジンを始動するためのリコイルスターター等を備える。さらに、エンジンは、放電により燃焼室内の混合気に点火する点火プラグ１９と、エンジン本体部１の回転に同期して点火プラグ１９（図２にて後述）に高電圧を印加する点火装置２０（図３にて後述）を備えて構成させる。
【００１５】
メインパイプ１０１は、アルミニウム合金や強化プラスチック等から形成された中空管であり、エンジン本体部１とギヤユニット１０２とを機械的に接続する。メインパイプ１０１には、エンジン本体部１の動力をギヤユニット１０２に伝達する図示しない動力伝達部材が挿通される。ギヤユニット１０２は、メインパイプ１０１の動力伝達部材に接続された図示しない傘歯車と、傘歯車に接続された出力軸（スピンドル）を有する。刈刃１０３は草を刈るために用いられる先端工具であって、ギヤユニット１０２に設けられたスピンドル（図示せず）に対して着脱可能とされる。刈刃１０３の近傍には、刈り払った草の飛散防止のための飛散防御カバー１０５が設けられる。
【００１６】
メインパイプ１０１の長手方向の中間部分には取付部材１０８によってハンドル１０６が組み付けられる。ハンドル１０６はメインパイプ１０１の長手方向視において略Ｕ字状に形成された金属製のパイプであり、先端部分には作業者が把持する部分となる樹脂製のグリップ１０７ａ、１０７ｂが設けられる。
【００１７】
作業者が右手で把持する側のグリップ１０７ａの根元付近にはスロットルレバー１０９が設けられる。スロットルレバー１０９は、揺動式のレバーであり、引き量に応じてエンジンの図示しないキャブレタに供給される空気の量を制御し、エンジンの回転数（出力）を変化させる。作業者は、スロットルレバー１０９を操作することでエンジンの回転数を調整して刈刃１０３の回転動作速度を調整する。スロットル用のケーブル１１０は、内側（インナー）にワイヤが配置され、外側（アウター）が樹脂製のカバーで覆われたものであって、ケーブル１１０は図示しないキャブレタのスロットル機構に接続される。スロットルレバー１０９を引くとケーブル１１０の内部に配置されたワイヤ（後述）がハンドル側に引かれてキャブレタのスロットルが開き、エンジンの回転速度が上昇する。また、スロットルレバー１０９を離すと、スロットルレバー１０９は元の位置に戻り、エンジンの回転速度はアイドリング回転数まで低下する。
【００１８】
このように小型軽量で大きな出力を得ることができる２サイクルエンジン等の汎用エンジンを用いて刈刃等の先端工具を駆動して作業機器を動作させるように構成したので、燃料を補給することにより長時間の作業が可能となる。
【００１９】
図２は本実施例のエンジン本体部１の内部構造を示す断面図である。ここでエンジン本体部１とは、クランクケース３とシリンダ２によって収容されるエンジンの基本部分を指すものとして説明し、エンジン作業機用の汎用エンジンに用いられる図示しないキャブレタ、マフラー、燃料タンク、リコイルスターター、フライホイール、等の構成要素を含まないものとして説明する。また、本明細書で単に「エンジン」と呼ぶ場合は、エンジン本体部１に上述した構成要素（補記類）を含むものとして説明する。エンジン本体部１は一体形に製造されるシリンダ２と、シリンダの下側を塞ぐようにして取り付けられるクランクケース３によって構成され、シリンダ２とクランクケース３はクランクシャフト１４を含む面（水平面）において上下に分割可能とされ、これらは図示しないネジ又はボルトによって固定される。クランクケース３により画定される内部空間（クランク室）ではクランクシャフト１４と一体に製造されるカウンターウエイト１３が回転し、カウンターウエイト１３にはピン１２（図３参照）によってコンロッド１１が固定される。クランクシャフト１４は２つのベアリング１５、１６によってクランクケース３内で回転可能なように保持される。磁性体で製造されるピストン４は、シリンダ２の内部空間５を矢印ａの方向に往復移動する。
【００２０】
シリンダ２の一部には鉄心２１の先端部を貫通させるための２つの貫通穴２ｂ、２ｃが形成され、鉄心２１の先端部はシリンダ２の外側から内側に貫くように組み込まれ、鉄心２１は図示しないねじ等によってシリンダ２に固定される。鉄心の配置は、鉄心内の磁力線の方向、特に鉄心２１のシリンダ２への取り付け位置付近における磁路の方向が、ピストン４の移動方向と略直角になるよう、即ち図１の場合は水平面（前後左右方向を含む面）になるように配置すると好ましい。シリンダ２の貫通穴２ｂ、２ｃが形成される位置は、ピストン４が下死点に到達したときに、鉄心２１の先端部に対向する近傍位置にピストン４が位置し、ピストン４が上死点に到達したときには鉄心２１の先端部がピストン４と離れた状態となるような位置関係にすることが重要である。この条件を満たした上で、最適な点火時期において点火プラグ１９に火花が飛ぶように鉄心２１の上下位置を決定する。鉄心２１は棒状であって断面Ａ−Ａと平行に延びるように配置され、鉄心２１中には鉄心を所定方向に磁化させる永久磁石２３ａ、２３ｂが配置され、また鉄心２１の一部には発電用の一次コイル２５と二次コイル２６が巻装される。
【００２１】
図３は、図２のＡ−Ａ部の断面図である。シリンダ２は円筒形の基本部分から外部に延びる複数の冷却フィン２ａが形成される。冷却効率を良くするために冷却フィン２ａは左右及び前後方向に十分大きく形成される。鉄心２１は図３のように下側から見て略Ｕ字状の形状とされ、両方の端部がピストン４の外周と対向するように配置される。鉄心には２本の脚部２２ａ、２２ｂが形成され、脚部２２ａ、２２ｂに繋がる部分には永久磁石２３ａ、２３ｂが組み込まれる。永久磁石２３ａ、２３ｂの間の鉄心部分には発電用の一次コイル２５、二次コイル２６が設けられる。一次コイル２５は、鉄心２１に巻回され、その端部は点火時期の制御回路に接続される。二次コイル２６は、一次コイル２５の外周側に巻回され、一次コイル２５と電磁的に結合される。二次コイル２６の一端は、点火プラグ１９に接続され、他端は接地される。ここで二次コイル２６の巻数は一次コイル２５の巻数よりも多いように設定する。
【００２２】
エンジン本体部１のリコイルが引かれると、クランクシャフトが回転し、これによりピストン４がシリンダ内で往復移動する。ピストン４が上死点から下死点に向かって移動すると、ピストン４の下側部分（スカート部分）が鉄心２１と対向する位置に到達するが、鉄などの磁性体で製造されたピストン４が誘導子の働きをするため。永久磁石２３ａ、２３ｂによって鉄心２１内に形成される磁路２８がピストン４を介して閉磁路として形成されることになる。従って、一次コイル２５には、電磁誘導作用により、一次電流が発生する。さらにピストン４が移動して上昇することによりピストン４のピン１２よりも下側部分（スカート部分）が鉄心２１と対向する位置から離れるため、鉄心に形成される磁路４８の磁界を反転させため、一次コイル２５の周りの磁界を急速に変化させる。これにより、二次コイル２６には、一次コイル２５と二次コイル２６との相互誘導作用により、二次電圧が発生する。なお、二次電圧は、一次コイル２５と二次コイル２６との巻数の違いにより、一次コイル２５で発生した起電力に対してはるかに高い電圧の電力が二次コイル２６に誘導される。そして、二次コイル２６の出力は図示しない高圧コードとプラグキャップを介して点火プラグ１９に伝達され、点火プラグ１９で放電されることによってエンジン本体部１の燃焼室内の混合気に点火する。
【００２３】
エンジンを停止する場合には、一次コイル２５の両端部を短絡させる図示しないストップスイッチをオンにすることにより、点火プラグ１９に印加される一次電圧を短絡させて、点火プラグ１９における放電を規制する。以上のように構成することにより、従来のようにフライホイールの外周付近に点火コイルを設ける必要が無くなるので、フライホイールの形状をシンプルかつ軽量に構成することができる。また、フライホイールによって生成される冷却風の生成効率を良くして、風路の通過抵抗を下げることが可能となるので、エンジン全体の小型化及び軽量化を図ることができる。
【００２４】
図４は図２の鉄心２１及び一次コイル２５、二次コイル２６の上面図である。鉄心２１は２つの端部がピストン４の外周面に十分接近するように配置され、それらの先端部２１ａ、２１ｂの形状はピストン４の外周面に沿って等距離にて隔てるように湾曲された形状である。本実施例では鉄心２１の端部がシリンダ２に形成された貫通穴を貫通して、先端部２１ａ、２１ｂがピストン４の往復移動する内部空間５に接近するように取り付けられる。鉄心２１は、ピストンの往復移動方向に対して垂直な面となるように配置される。鉄心２１の上面視においてその形状は略Ｕ字状とされ、開放端側となる２つの端部と、端部からピストンと離れる方向（反ピストン方向）に延びるほぼ平行な延在部と、延在部からほぼ垂直方向に延びてこれらを連結する連結部により構成される。本実施例においては、鉄心２１はＵ字状にされた一体品から成るのでは無く、矢印２１ｃ、２１ｄ付近において先端側（端部側）と後方側（連結部側）に分割された形状であって、これらを接合させることにより鉄心２１が製造される。このように分割構造とすることで、例えば先端側を鋳込みによりシリンダと一体に設け、シリンダ内面とともにボーリング加工等を行うことにより、シリンダ内面と均一な面に形成することができ、組立精度を向上させることができる。平行に配置される２つの延在部の内部には、それぞれ永久磁石２３ａ、２３ｂが配置され、永久磁石２３ａ、２３ｂによって鉄心２１内の所定方向（図３の点線２８の方向）に磁束が効果的に誘起される。鉄心２１の２つの永久磁石２３ａ、２３ｂを結ぶ間には、発電用の一次コイル２５、二次コイル２６が設けられる。尚、永久磁石の数や取り付け位置は図４の構造に限定されずに、例えば永久磁石は１つ又は３つ以上で実現しても良い。また、コイルの巻回箇所を他の場所にしても良い。
【００２５】
本実施例の構成によれば、磁性体たるピストン４の特定部分が、鉄心２１の端部に接近又は離反するように往復移動するため、一次コイル２５と二次コイル２６に発生する電圧は、エンジン本体部１の回転に完全に同期する。従って、鉄心２１のシリンダ２に対する取り付け位置を適切に設定することにより、点火プラグ１９による点火タイミングを設定することができる。このように磁性体たるピストン４の往復移動を利用する点火装置２０を用いることにより、エンジン本体部１を継続的に回転させることができる。尚、ピストン４はシリンダ２内を往復移動するため、ピストン４の移動範囲内であれば鉄心２１はシリンダ２のどこでも設置でき、シリンダ２の冷却効果や、その他の部品の配置を考慮して決めることができる。例えば、２サイクルエンジンであれば掃気通路を避けて配置する必要があり、熱の影響の大きいマフラー付近も避ける必要があるため、これらを考慮して排気通路と対向する側に鉄心を設けるようにしても良い。また、永久磁石としては、シリンダ２側の鉄心２１に配置される構成としたが、ピストンに備えられた誘導子と共に設けられていても良く、例えばアルミ合金製のピストンに永久磁石と磁性体を鋳込むように製造しても良い。さらに、鉄心としては、渦電流損によるロスを考慮して図２のＡ−Ａ断面と平行に重ねられる複数枚の鉄板からなる積層構造（積層鉄心）としても良い。
【実施例２】
【００２６】
次に図５を用いて本願発明の第２の実施例を説明する。図５の例においては、ピストン自体を磁性体で形成せずに、非磁性体からなるピストン３４の外周部であって、鉄心２１と対向する位置に磁性板３７を設置するにした。このような構成であってもピストン３４が移動することにより、ピストン３４に取り付けられた磁性板３７が鉄心の先端部を上下方向（ピストンの移動方向）に横切るように移動するので、一次コイル２５と二次コイル２６に所定の電圧が発生する。このように誘導子として作用する磁性板３７をピストン３４に設けたことにより、軽量なアルミ合金製のピストンを用いながら本発明に係る磁石発電式の点火装置を実現できる。磁性板３７としては、ピストン３４に貼付されるか、又は、ピストン３４の外周部に磁性体を鋳込むようにして製造できるが、それだけに限られずに、ピストン３４の表面に磁性体をメッキすることにより誘導子を形成するように構成しても良い。
【００２７】
以上、本発明によれば、ピストンの動きを用いて磁石発電式の点火装置を実現したので、フライホイールを簡単な形状でかつ軽量に構成できる。特に、フライホイールに永久磁石やカウンターウエイトを組み込む必要がないので、冷却風を発生するための構造、重量に注目して設計すれば良いため、冷却効率のアップと軽量化を図ることができる。尚、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。例えば上述の実施例では、エンジン作業機の一例として刈払機の例で説明したが、ヘッジトリマ、チェンソー、カルチベータといったような内燃機関式のエンジンを用いるエンジン作業機であれば、他の機器においても同様に適用できる。
【符号の説明】
【００２８】
１  エンジン本体部                    ２  シリンダ
２ａ  冷却フィン                      ２ｂ、２ｃ  （シリンダの）貫通穴
３  クランクケース                    ４  ピストン
５  内部空間（燃焼室）                ７  エンジンカバー
８  燃料タンク                        ８ａ  燃料キャップ
１１  コンロッド                      １２  ピン
１３  カウンターウエイト              １４  クランクシャフト
１５、１６  ベアリング                １９  点火プラグ
２０  点火装置                        ２１  鉄心
２１ａ、２１ｂ  （鉄心の）先端部      ２１ｃ、２１ｄ  （鉄心の）分割面
２２ａ、２２ｂ  脚部                  ２３ａ、２３ｂ  永久磁石
２５  一次コイル                      ２６  二次コイル
２８  磁路                            ３４  ピストン
３７  磁性板                          ４８  磁路
１００  刈払機                        １０１  メインパイプ
１０２  ギヤユニット                  １０３  刈刃
１０５  飛散防御カバー                １０６  ハンドル
１０７ａ  グリップ                    １０８  取付部材
１０９  スロットルレバー              １１０  ケーブル  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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