(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状の励磁コイルと、上記励磁コイルの周囲を包囲し、その一部に、該励磁コイルの中心孔の軸方向両端部に相対向して位置する一対の極歯を備えたメインヨークと、上記励磁コイルの中心孔内に該中心孔の軸線方向に可動に配置され、Ｎ極とＳ極とがラジアル方向に着磁された円筒状の永久磁石と、上記円筒状の永久磁石を介して励磁コイルとは反対の側に該永久磁石と同軸状に位置する円筒状のバックヨークとを有し、
上記バックヨークは、上記永久磁石の起磁力で磁気飽和する厚さに形成され、
上記永久磁石は、上記励磁コイルの非通電時に、該永久磁石からの磁束が上記一対の極歯とメインヨーク及びバックヨークとを通ることにより発生する磁力の作用で中立位置に保持される、
ことを特徴とする磁石可動型電磁アクチュエータ。
【請求項２】
環状の励磁コイルと、上記励磁コイルの周囲を包囲し、その一部に、該励磁コイルの外周の軸方向両端部に相対向して位置する一対の極歯を備えたメインヨークと、上記励磁コイルの外周側に該コイルの軸線方向に可動に配置され、Ｎ極とＳ極とがラジアル方向に着磁された円筒状の永久磁石と、上記円筒状の永久磁石を介して励磁コイルとは反対の側に該永久磁石と同軸状に位置する円筒状のバックヨークとを有し、
上記バックヨークは、上記永久磁石の起磁力で磁気飽和する厚さに形成され、
上記永久磁石は、上記励磁コイルの非通電時に、該永久磁石からの磁束が上記一対の極歯とメインヨーク及びバックヨークとを通ることにより発生する磁力の作用で中立位置に保持される、
ことを特徴とする磁石可動型電磁アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、目的物を応答性よく移動させて位置決めできるようにした磁石可動型電磁アクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電磁的に目的物を移動させる往復運動装置として、励磁コイルに電圧を印加し、磁気力によって可動鉄心に直線的な運動を与える電磁ソレノイド（アクチュエータ）は、きわめて一般的に知られている。この電磁ソレノイドは、構造が簡単ではあるが、鉄心をコイルの内部に含んでいるため、電気的な応答をよくするのが難しく、また、電流を流していないときに推力を発生させることができない点で、用途が制限されるという問題がある。
そして、これらの問題に対処するため、起動時に大電圧を印加し、あるいはバネを用いて非通電時の位置決めを行うようにしている。そのため、構成が複雑化するとか部品点数が多くなるのを避けることができない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、従来の電磁ソレノイドのように起動時に大電圧を印加しなくても、応答性よく短時間で定常時の推力を発生させることができる磁石可動型電磁アクチュエータを提供することにある。
本発明の他の課題は、非通電時における可動部材の保持が容易な磁石可動型電磁アクチュエータを提供することにある。
本発明の更に他の課題は、磁極がラジアル方向に着磁された円筒状の永久磁石を用いるという簡単な構成によって上述した特長を発揮することができる、部品点数が少なく、小型、且つ安価な磁石可動型電磁アクチュエータを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の第１の磁石可動型電磁アクチュエータは、環状の励磁コイルと、上記励磁コイルの周囲を包囲し、その一部に、該励磁コイルの中心孔の軸方向両端部に相対向して位置する一対の極歯を備えたメインヨークと、上記励磁コイルの中心孔内に該中心孔の軸線方向に可動に配置され、Ｎ極とＳ極とがラジアル方向に着磁された円筒状の永久磁石と、上記円筒状の永久磁石を介して励磁コイルとは反対の側に該永久磁石と同軸状に位置する円筒状のバックヨークとを有し、上記バックヨークは、上記永久磁石の起磁力で磁気飽和する厚さに形成され、上記永久磁石は、上記励磁コイルの非通電時に、該永久磁石からの磁束が上記一対の極歯とメインヨーク及びバックヨークとを通ることにより発生する磁力の作用で中立位置に保持されることを特徴とするものである。
【０００５】
また、本発明の第２の磁石可動型電磁アクチュエータは、環状の励磁コイルと、上記励磁コイルの周囲を包囲し、その一部に、該励磁コイルの外周の軸方向両端部に相対向して位置する一対の極歯を備えたメインヨークと、上記励磁コイルの外周側に該コイルの軸線方向に可動に配置され、Ｎ極とＳ極とがラジアル方向に着磁された円筒状の永久磁石と、上記円筒状の永久磁石を介して励磁コイルとは反対の側に該永久磁石と同軸状に位置する円筒状のバックヨークとを有し、上記バックヨークは、上記永久磁石の起磁力で磁気飽和する厚さに形成され、上記永久磁石は、上記励磁コイルの非通電時に、該永久磁石からの磁束が上記一対の極歯とメインヨーク及びバックヨークとを通ることにより発生する磁力の作用で中立位置に保持されることを特徴とするものである。
【０００６】
上記構成を有する第１及び第２の磁石可動型電磁アクチュエータにおいて、励磁コイルに通電すると、その電流の向きに応じてメインヨークの一方の極歯がＮ極に、他方の極歯がＳ極になる。そして、これらの極歯に発生した磁極と、それに対面する側の永久磁石の磁極とが異極であればそれらの間に吸引力が、また同極であれば反発力が作用するので、これらの力が永久磁石に作用する軸線方向の推力となって、永久磁石がコイルの中心孔内またはコイルの外側をその軸線方向に移動する。また、励磁コイルに逆方向に通電すると、メインヨークの両極歯に生じるＮ及びＳの磁極が上述した場合とは逆になり、そのため、永久磁石に作用する推力も逆方向に向いたものとなり、永久磁石が逆の方向に移動することになる。
このように本発明によれば、従来の電磁ソレノイドのように起動時に大電圧を印加しなくても、応答性よく短時間で定常時の推力を発生させることができるという利点がある。
【０００７】
また、本発明においては、上記円筒状の永久磁石を介して励磁コイルとは反対の側、すなわち、上記永久磁石の内部又は外部に、該永久磁石と同軸状に位置する円筒状のバックヨークを設けたことにより、一方の極歯から永久磁石及びバックヨークを介して他方の極歯に至る磁路を形成できるので、磁気抵抗を低減して永久磁石の推力及び磁気吸着力を一層高めることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る第１の磁石可動型電磁アクチュエータの構成を原理的に示すものである。この第１の電磁アクチュエータ１Ａは、環状をした一つの励磁コイル１０と、該励磁コイル１０の周囲を包囲し、その一部に、該励磁コイル１０の中心孔１１の両端部に相対向して位置する円筒状の極歯１２ａ，１２ｂを備えた環状のメインヨーク１２と、上記励磁コイルの中心孔１１内に該孔の軸線方向に可動に配置され、Ｎ極とＳ極とがラジアル方向に着磁された円筒状の永久磁石１３とを備え、更に、該永久磁石１３の内側に円筒状のバックヨーク１４を備えている。上記メインヨーク１２及びバックヨーク１４は、それぞれ磁性素材により形成されている。
【００１２】
上記円筒状の永久磁石１３の好ましい長さは、両極歯１２ａ，１２ｂ間にまたがる長さであり、特に、永久磁石１３の一端が励磁コイルの中心孔１１内において一方の移動端まで達したときにも、永久磁石１３の他端が反対側の極歯と一部重複しているか、あるいは近接するような長さであることが望ましい。また、上記バックヨーク１４は必ずしも設ける必要がないものであるが、それを設ける場合には、永久磁石１３がどのような移動位置にあってもその殆どをカバーできるような長さのものを設置するのが望ましい。
【００１３】
一方、図２に示す本発明の第２の磁石可動型電磁アクチュエータ１Ｂは、環状の励磁コイル２０と、該励磁コイル２０の周囲を包囲し、その一部に、該励磁コイル２０の外周の軸方向両端部に相対向して位置する円筒状の極歯２２ａ，２２ｂを備えた環状のメインヨーク２２と、上記励磁コイル２０の外側に該コイルの軸線方向に可動に配置され、Ｎ極とＳ極とがラジアル方向に着磁された円筒状の永久磁石２３とを備え、更に、該永久磁石２３の外側に配置された円筒状のバックヨーク２４を備えている。上記永久磁石２３及びバックヨーク２４の長さ等に関しては、上述した第１の電磁アクチュエータ１Ａの場合と同様である。
【００１４】
この第２の電磁アクチュエータ１Ｂは、図１に示す第１の電磁アクチュエータ１Ａに比べ、励磁コイル、永久磁石及びバックヨークの配置が相違するだけで、機能的には実質的に相違するところがないので、以下においては図１の第１の電磁アクチュエータ１Ａの作用についてのみ説明し、第２の電磁アクチュエータ１Ｂの作用については説明を省略する。
【００１５】
上記構成を有する第１の電磁アクチュエータ１Ａにおいては、図１に示すように、永久磁石１３が、その外側がＳ極、内側がＮ極になるようにラジアル方向に着磁されている。この状態で、上記励磁コイル１０に、図１中に記号で示す方向に通電すると、その電流の向きによりメインヨーク１２の一方の極歯１２ａがＮ極に、他方の極歯１２ｂがＳ極になる。このため、上記極歯１２ａに発生したＮ極とそれに対面する永久磁石１３の外面側のＳ極との間に吸引力が作用すると共に、極歯１２ｂに発生したＳ極と永久磁石の上記Ｓ極との間に反発力が作用するので、これらの力が永久磁石１３に軸線方向の推力を発生させ、この推力によって永久磁石１３がコイルの中心孔１１内をその軸線方向（図１において右方）に移動する。
【００１６】
また、上記励磁コイル１０に逆方向に通電すると、メインヨーク１２の両極歯１２ａ，１２ｂに生じるＮ及びＳの磁極が上述した場合とは逆の関係になり、そのため、永久磁石１３に発生する推力の方向も逆方向（図１において左方）になり、永久磁石１３が上記とは逆の方向に移動することになる。
【００１７】
ここで、上記バックヨーク１４が設けられている場合には、メインヨーク１２におけるＮ極側の極歯から永久磁石１３を通じて該バックヨーク１４に至り、外部空間を通じて他方の極歯に至る磁路が形成されるので、このバックヨーク１４の磁気特性やその配置形態等によって、上記磁路の磁気抵抗等を調整して上記永久磁石１３の推力及び磁気吸着力を調整することができる。
【００１８】
一方、励磁コイル１０の非通電時における上記永久磁石１３の停止位置は、上記バックヨーク１４の有無や、該バックヨーク１４の磁気飽和特性等によって異なる。この点について以下に説明する。
【００１９】
先ず、上記バックヨーク１４が設置されていないか、あるいは、設置されていても永久磁石１３の起磁力で磁気飽和する程度に薄肉である場合には、励磁コイル１０の非通電時に上記永久磁石１３は、中立位置に保持される。即ち、上記励磁コイル１０に通電して永久磁石１３を極歯１２ａ側のストローク端に前進させた状態で、該励磁コイル１０への通電を断つと、図３に示すように、この前進端では、極歯１２ａ側の磁路Ｓａの磁気抵抗が極歯１２ｂ側の磁路Ｓｂの磁気抵抗より小さいため、永久磁石１３の起磁力により発生する磁束のうち、磁路Ｓｂを通る磁束Φｂは磁路Ｓａを通る磁束Φａより多くなり、この結果、永久磁石１３は極歯１２ｂ側に吸引されて移動する。そして、該永久磁石１３が中立位置まで移動すると、上記磁路ＳａとＳｂとにおける磁気抵抗が等しくなって磁束ΦａとΦｂとが均衡するため、該永久磁石１３はこの中立位置に停止する。一方、上記永久磁石１３を極歯１２ｂ側の後退ストローク端に移動させた状態で励磁コイル１０への通電を断った場合には、上記の場合とは逆に、該永久磁石１３は極歯１２ｂ側に吸引されて移動し、中立位置まで移動すると停止してその位置に保持される。
【００２０】
従って、上記永久磁石１３に駆動しようとする目的物を連結しておき、上記励磁コイル１０に正又は逆方向に通電して該永久磁石１３を前進又は後退させたあと、その通電を解除することにより、その目的物を永久磁石１３の中立位置に位置決めすることができる。また、この構成は、上記永久磁石１３の両側に機械的な復帰スプリングを設けたことと等価であるため、該永久磁石１３を連続的に往復駆動するような用途においては、共振的現象により永久磁石１３の切り換わりが助長されるため、効率的である。
【００２１】
次に、上記バックヨーク１４の厚さが、永久磁石１３の起磁力で磁気飽和しない程度に厚い場合には、励磁コイル１０の非通電時に上記永久磁石１３は、前進端又は後退端の２位置に保持される。即ち、上記励磁コイル１０に通電して永久磁石１３を極歯１２ａ側のストローク端に前進させた状態で、該励磁コイル１０への通電を断つと、図４に示すように、永久磁石１３から発生する磁束は、Ｎ極からバックヨーク１４及び極歯１２ａを通ってＳ極に至る磁束Φａと、Ｎ極からバックヨーク１４及び極歯１２ｂを通ってＳ極に至る磁束Φｂと、Ｎ極からバックヨーク１４、極歯１２ｂ、メインヨーク１２、及び極歯１２ａを通ってＳ極に至る磁束Φｃとに分かれる。従って、上記極歯１２ａを通ってＳ極に入る磁束はΦａ＋Φｃとなり、極歯１２ｂを通ってＳ極に入るΦｂより多いため、永久磁石１３は極歯１２ａ側に吸引されたまま前進端に保持される。このことは、永久磁石１３を極歯１２ｂ側のストローク端に移動させた状態で励磁コイル１０への通電を断った場合も同様で、この場合に永久磁石１３は、極歯１２ｂ側に吸引されたまま後退端に保持される。
【００２２】
従って、上記永久磁石１３に駆動しようとする目的物を連結しておき、上記励磁コイル１０に正又は逆方向に通電して該永久磁石１３を前進又は後退させたあと、その通電を解除することにより、その目的物を前進端又は後退端の２位置に確実に位置決めすることができる。
【００２３】
図５には、上記永久磁石１３の動作位置と、該永久磁石１３に自身の起磁力により発生する推力の大きさ及び方向との関係が示されている。図中グラフｍは、バックヨーク１４が設けられていないか、あるいは永久磁石１３の起磁力で磁気飽和する程度に薄肉のバックヨークが設けられている場合であり、グラフｎは、永久磁石１３の起磁力で磁気飽和しない程度に厚いバックヨーク１４が設けられている場合である。
【００２４】
上記グラフｍは、永久磁石１３が図３に示すように前進端にある場合には、該永久磁石１３には負方向（後退方向）の推力が作用し、逆に後退端にある場合には、正方向（前進方向）の推力が作用し、中立位置では推力が作用しないことを示している。従って永久磁石１３は、前進端にあっても後退端にあっても、中立位置まで移動して該中立位置に保持されることが分かる。
【００２５】
また、上記グラフｎは、永久磁石１３が図４に示すように前進端にある場合には、該永久磁石１３には正方向（前進方向）の推力が作用し、逆に後退端にある場合には、負方向（後退方向）の推力が作用することを示しており、従って永久磁石１３はそれぞれの位置に保持されることが分かる。なお、この場合にも、永久磁石が中立位置にあるときには推力は作用しない。
【００２６】
このように、励磁コイル１０の非通電時に永久磁石１３に作用する推力の大きさは、バックヨーク１４の材質や厚さ、一対の極歯１２ａ，１２ｂ間の間隔、永久磁石１３の長さ等を変えることによって自由に調節することができる。その一例として図６には、一対の極歯の間隔が推力特性に与える影響について示されており、この図から、極歯の間隔が小さいほど推力も小さくなることが分かる。あるいは図７に示すように、永久磁石に作用する推力をその全ストロークにおいて極力小さくすることも可能であり、この場合には、上記永久磁石やそれに保持された目的物等を、任意の位置に停止させてその位置に保持させることができる。そして、このような特性を持つ電磁アクチュエータは、制御性が良いため、制御用モーター等に応用することができる。
【００２７】
図８には、図１に示す第１の電磁アクチュエータ１Ａを具体化した実施例について示されている。
この電磁アクチュエータ１Ｃは、ボビン３１に巻線３２を捲回することにより構成した環状の励磁コイル３０と、該励磁コイル３０の周囲を包囲する環状のメインヨーク３３とを備えている。このメインヨーク３３は、ケーシングの外壁を兼ねる外筒部３４ａと一方の極歯３４ｂとが一体化されているアウタヨーク３４と、他方の極歯３５ａを備えた断面Ｌ字形のボトムヨーク３５とからなっていて、これらのアウタヨーク３４とボトムヨーク３５とを、上記一対の極歯３５ａ，３４ｂが励磁コイル３０の中心孔の両端部に位置して互いに対向するように組み合わせ、ねじ止め等の手段で相互に結合している。
【００２８】
また、上記メインヨーク３３の軸線方向の一端側にはカバー３７がねじ３８により固定され、他端側にはキャップ３９がＣ型止め輪４０により固定され、これらのメインヨーク３３とカバー３７とキャップ３９とによってケーシング４１が構成されている。このケーシング４１の内部には、外周を上記励磁コイル３０と一対の極歯３５ａ，３４ｂとで囲まれた磁石室４２が形成され、この磁石室４２内に、その中心を貫通して軸線方向に摺動自在の中空の出力用シャフト４５が設けられると共に、このシャフト４５の回りに円筒形をした磁石ホルダ４６が、該シャフト４５と一緒に変移するように取付けられ、この磁石ホルダ４６の外周面に、円筒形の永久磁石４７が、上記励磁コイル３０及び一対の極歯３５ａ，３４ｂの内部においてこれらのコイル３０及び極歯３５ａ，３４ｂと対面するように取付けられている。
【００２９】
上記永久磁石４７は、Ｎ極とＳ極とがラジアル方向に着磁されていて、メインヨーク３３の両極歯３５ａ，３４ｂ間にまたがる長さを有し、しかも、永久磁石４７の一端が励磁コイル３０の中心孔内において移動端まで達したときにも、永久磁石４７の他端が反対側の極歯と一部重複しているか、あるいは近接するような長さを有するものである。
【００３０】
上記永久磁石４７の内部には、図８中に鎖線で示しているように、円筒形をしたバックヨーク４８を、上記キャップ３９に取付けることによって該永久磁石４７と同軸状かつ固定的に配設することができる。このバックヨーク４８を設ける場合には、その長さを、永久磁石４７がどのような移動位置にあっても該永久磁石と対向するような長さとするのが望ましい。なお、前述したようにこのバックヨーク４８は、必ずしも設ける必要がないものである。
【００３１】
なお、図８において、５０はカバー３７に設けられてシャフト４５を摺動自在に支持する軸受、５１，５２はカバー３７及びキャップ３９に設けられて磁石ホルダ４６をストローク端で緩衝的に停止させるダンパ、５３は電磁アクチュエータを所定の場所に取付けるためのねじ孔、５５は非通電状態のとき上記シャフト４５を復帰位置に戻すための復帰用スプリングである。
【００３２】
上記構成を有する電磁アクチュエータ１Ｃは、上記シャフト４５を目的物に連結して該目的物の搬送等に使用される。いま、図８の下半に示すようにシャフト４５が左端にある動作状態において、励磁コイル３０に通電して、一方の極歯３５ａがＮ極になり且つ他方の極歯３４ｂがＳ極になる方向の電流を流すと、極歯３５ａに発生したＮ極と永久磁石４７の外面側のＳ極との間に吸引力が作用すると共に、極歯３４ｂに発生したＳ極と永久磁石の上記Ｓ極との間に反発力が作用するので、これらの力が永久磁石４７に軸線方向の推力となって作用し、該永久磁石４７がシャフト４５と共に図８の上半に示す右方端まで前進する。
【００３３】
また、上記永久磁石４７が前進端にある状態で上記励磁コイル３０に逆方向の電流を流すと、両極歯３５ａ，３４ｂに上述した場合とは逆の磁極が発生するため、永久磁石４７及びシャフト４５は、この磁力による推力と復帰用スプリング５５の弾発力との合成力によって復帰端まで速やかに後退する。あるいは、上記前進端で励磁コイル３０への通電を解除しても、上記永久磁石４７及びシャフト４５は、スプリング５５の弾発力で図８の下半部に示す後退端まで移動する。
【００３４】
このように、復帰用スプリング５５が設けられている場合には、永久磁石４７は前進端と後退端との２位置に切り換えられるが、スプリング５５が設けられていない場合には、上記バックヨーク４８の有無や、該バックヨーク４８が永久磁石４７の起磁力で磁気飽和するか否か等の条件に応じて、ストローク端で励磁コイル３０に逆方向の電流を流す場合と、通電を遮断する場合とで、切換動作が異なる。これらの切換動作については、上記第１の電磁アクチュエータ１Ａについて説明した場合と実質的に同じであるから、ここでの説明は省略する。
【００３５】
なお、上記電磁アクチュエータ１Ｃにおいては、磁極をラジアル方向に着磁した永久磁石４７を用いているため、シャフト４５、磁石ホルダ４６及び可動磁石４７を含む可動部分に働く横荷重が小さく、そのため、シャフト４５を支持する軸受５０も簡単なものでよく、コストの低減、小さい横荷重に起因する耐久性の向上を期待することができる。
【００３６】
更に、上記電磁アクチュエータ１Ｃにおいては、励磁コイル３０の内部に設ける鉄製部材を少なくできるため、該励磁コイルのインダクタンスを低減させることができ、そのため、該コイルにステップ電圧を印加したときの電流の立ち上がりがよく、電気的応答性を向上させることができ、結果的に、短時間（数ｍｓ程度）で定常時の推力を発生させることが可能になる。
【００３７】
【発明の効果】
以上に詳述した本発明の電磁アクチュエータによれば、ラジアル方向に着磁された円筒状の永久磁石を用いるという簡単な手段によって、従来の電磁ソレノイドのように起動時に大電圧を印加しなくても、応答性よく短時間で定常時の推力を発生させることができる。しかも、永久磁石を利用した上記構成により、非通電時に目的物を必要な動作位置に確実に保持させることができ、部品点数の減少によるコストの低減、耐久性の向上を図ることができる。
また、本発明の電磁アクチュエータによれば、上述した構成に基づき、外形寸法が同サイズの従来の電磁ソレノイドに比べ大きな推力を発生でき、外形寸法が同サイズであればより大きな推力を発生でき、更に、同程度の推力を発生させる場合には外形寸法を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の磁石可動型電磁アクチュエータの構成を原理的に示す断面図である。
【図２】本発明に係る第２の磁石可動型電磁アクチュエータの構成を原理的に示す断面図である。
【図３】第１の電磁アクチュエータの一例についての切換動作を説明するための断面図である。
【図４】第１の電磁アクチュエータの他例についての切換動作を説明するための断面図である。
【図５】バックヨークの有無による非通電時の動作特性を示す線図である。
【図６】非通電時における極歯の間隔と推力との関係を示す線図である。
【図７】非通電時における推力を全ストロークにおいて極力小さくした場合の動作特性を示す線図である。
【図８】図１の電磁アクチュエータを具体化した実施例を、上半部と下半部とで異なる動作状態にして示す断面図である。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ      電磁アクチュエータ
１０，２０，３０      励磁コイル
１１                  中心孔
１２，２２，３３      メインヨーク
１２ａ，１２ｂ，２２ａ，２２ｂ，３４ｂ，３５ａ      極歯
１３，２３，４７      永久磁石
１４，２４，４８      バックヨーク
３７                  カバー
３９                  キャップ
４２                  磁石室
４５                  シャフト
４６                  磁石ホルダ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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