CN101878547A - 具有多功能弹簧的压电致动器及使用该压电致动器的装置 - Google Patents

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K·C·亚当斯
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Abstract

本发明公开一种压电致动装置(60)，其包括：主体(62)、设置在主体(62)中的阀(70)以及用于阀(70)的致动器(50)，致动器(50)包括与主体(62)联接的壳体(51)和设置在壳体(51)中的压电元件(32)。致动器(50)还包括向压电元件(32)施加预加载力的多功能弹簧(10)。多功能弹簧(10)包括第一区段(12)、第二区段(14)和第三区段(16)，第一区段具有能够在致动器(50)的操作过程中转换压电元件(32)的运动的活塞(22)，第二区段具有至少一个弯曲元件(26)，第三区段具有第一组螺纹(39)。第一组螺纹(39)与致动器(50)的第二组螺纹(43)接合并且将第二区段(14)保持在与预加载力相对应的张紧状态。

Description

具有多功能弹簧的压电致动器及使用该压电致动器的装置
技术领域
本发明整体上涉及压电装置，更具体地，涉及一种在用于压电装置的致动器中使用的多功能弹簧。
背景技术
由于诸如致动器的压电装置在各种应用中在改进的精确性、坚固性和可靠性方面具有很好的前景，近年来这些压电装置受到关注。在燃料喷射器领域中，压电致动器通常与控制阀联接，以控制燃料喷射事件的定时、持续时间或速率形状。一般而言，压电致动器包括一个或多个压电元件，压电元件在被施加电势时经历构形改变。在如上所述具有控制阀的燃料喷射器的情况下，这种现象发挥作用以相对精确地控制感兴趣的与致动器联接的部件的位置。尽管近些年来对压电致动器的关注度越来越高，但它们尚未在燃料系统中获得广泛的商业利用。有关用在这种致动器中的压电元件的制造、组装和操作的问题对于燃料系统制造商而言，仍具有挑战性。
压电致动器的一个问题涉及在其中使用的压电元件上设置“预加载”。如熟悉压电致动器的技术人员能够理解的，压电元件通常必须保持压缩，用于使其可预测地并且可靠地响应于所施加的电势。关于压电致动器的许多提议将致动器与迅速运动以控制燃料喷射器中的较大体积燃料的压力和/或流量的相对小、低流量控制阀联接。在这些例子中，很明显需要可预测性和可靠性。但是，在致动器的压电元件上的预加载过高或过低的情况下，压电元件不会表现得如期望的那样。
在相关的方式中，许多针对压电致动器设计和组装的早先的策略在很大程度上受预加载问题的驱动。换句话说，迄今为止，诸如减少零部件数量、降低部件的复杂性或消除组装步骤等传统的制造目标对于许多设计者而言并不是优先考虑的。因此，现有技术的制造策略趋于相对复杂，并且压电致动器在很多情况下制造成本较高。Oakley等人的美国专利No.7145282 B2中提出了一种已知的具有相对少量的零部件的压电致动器装置。在Oakley等人提出的设计中，声称压电盘的堆叠的预加载经由用于致动器的外壳的弹性而获得。这似乎由于预加载元件被集成到外壳中而提供了不需要单独元件来施加预加载的优点。然而，一个缺点在于利用Oakley等人的精确预加载会是相对困难的。
发明内容
一个方面，提供一种致动器，包括：壳体、能够定位在壳体中的压电元件，以及也能够定位在壳体中并且能够向压电元件施加预加载力的多功能弹簧。多功能弹簧包括第一区段、第二区段和第三区段，第一区段具有能够在致动器的操作过程中转换压电元件的运动的活塞，第二区段具有至少一个弯曲元件，第三区段具有第一组螺纹，该第一组螺纹能够与致动器的第二组螺纹接合以将第二区段拉伸到对应于预加载力的状态。
另一方面，提供一种压电致动装置，包括：主体、设置在主体中的阀，以及用于阀的致动器，致动器包括与主体联接的壳体和设置在壳体中的压电元件。致动器还包括向压电元件施加预加载力的多功能弹簧。多功能弹簧包括第一区段、第二区段和第三区段，第一区段具有能够在致动器的操作过程中转换压电元件的运动的活塞，第二区段具有至少一个弯曲元件，第三区段具有第一组螺纹。第一组螺纹与致动器的第二组螺纹接合并且将第二区段保持在与预加载力相对应的张紧状态。
又一方面，提供一种用于压电致动器的多功能弹簧，该多功能弹簧包括：弹簧主体，其具有第一端、第二端和在第一端和第二端之间延伸的一长度，以及在第一端和第二端之间延伸且能够接收压电元件的腔。弹簧主体还具有各自包括所述长度的一部分的多个区段，其中具有第一区段，第一区段在第一端处封闭腔并且包括能够在其致动的过程中转换位于腔中的压电元件的运动的活塞。弹簧主体还包括第二区段和第三区段，第二区段包括至少一个弯曲元件，第三区段包括一组螺纹，所述一组螺纹能够与用于拉伸第二区段以预加载位于腔中的压电元件的相关联的压电致动器的另一组螺纹接合。
附图说明
图1是根据一种实施方式的多功能弹簧的侧视图；
图2是根据另一种实施方式的多功能弹簧的侧视图；
图3是根据一种实施方式的致动器的分解图；
图4是根据另一种实施方式的致动器的分解图；
图5是图3的致动器的侧面剖视图；
图6是根据一种实施方式的燃料喷射器的侧面剖视图；以及
图7是根据又一种实施方式的致动器的侧面剖视图。
具体实施方式
参照图1，其示出了根据一种实施方式的弹簧10。弹簧10包括多功能弹簧，其可以用在压电致动器中，用于例如向压电元件施加预加载，如这里进一步描述的。术语“多功能”应当被理解为是指该弹簧10具有能够使其在其目标操作环境中用于多于一种目的的特征和操作特性，如从以下的描述中进一步清楚的。弹簧10以及这里设想的其它弹簧可以以这样一种方式设计，即，对采用根据本发明的弹簧的致动器和相关装置的制造和组装与许多早先的设计相比也更相对简单并且更容易。
弹簧10可以具有弹簧主体11，其长度为L，宽度为W，宽度W可以是长度L的两倍或更多倍，但通常小于长度L的大约五倍。弹簧10还可以包括多个区段12、14和16，每个区段包括长度L的一部分。换句话说，如这里描述的弹簧10或弹簧主体11的“区段”可以被限定为弹簧10或弹簧主体11的在垂直于长度L的假想平面处彼此隔开的部分。在一种实施方式中，第一区段12包括邻接弹簧10的第一终端18的端部区段，第二区段14包括邻接区段12的中间区段，第三区段16包括邻接区段14并且也邻接弹簧10的第二终端20的另一端部区段。第三区段16可以包括一个或多个平面部分15，以便在制造和/或组装过程中能够保持弹簧主体11。在一种实施方式中，区段12、14和16中的至少两个区段并且通常为所有的区段具有相等的宽度。第一区段12可以包括能够以在这里进一步描述的方式在压电元件的致动过程中转换定位在弹簧10中的压电元件的运动的活塞22。在一种实施方式中，活塞22在与长度L对准的方向上的厚度可以等于或大于长度L的大约二十分之一。也简单地参照图3，可以注意到腔13形成在弹簧主体11中。腔13可以在第一端18和第二端20之间延伸。活塞22可以在第一端18附近封闭腔13，并且形成在弹簧主体11中的孔37可以从第二端20延伸以连接腔13和/或包括腔13。
返回图1，第一区段12还可以包括能够接触经由腔13中的压电元件的致动而调节的诸如可动阀构件或其它部件的阀元件的接触按钮24。接触按钮24可以是圆柱形的并且其宽度相对地小于活塞22的宽度，并且活塞22可以如下所述在与弹簧10相关联的压电元件的致动过程中将出现的弹簧10的伸展和收缩的过程中辅助引导壳体中的弹簧10。在弹簧10的伸展和收缩过程中，线圈26可以更像盘簧那样弯曲。在一种实施方式中，第二区段14可以具有圆柱形形状，并且包括至少一个弯曲元件26。在所示的实施方式中，所述至少一个弯曲元件包括弹性螺旋形线圈26，其大致沿第一区段12和第三区段16之间的第二区段14的整个长度延伸。螺旋形槽28邻近并且大致平行于线圈26延伸。在一种实施方式中可以利用单个螺旋形槽28和单个螺旋形线圈26，但在其他实施方式中，可以利用多个槽和线圈。弹簧10可以由经机加工的金属材料制成的单件构成，例如经机加工的钢杆坯料件等。在其他实施方式中，弹簧10可以经由例如焊接等任何适当的工艺接合在一起的多个工件构成。
现在参照图2，示出了根据另一种实施方式的另一种弹簧110。弹簧110也包括弹簧主体111，并且具有第一区段112、第二区段114和第三区段116。弹簧110类似于图1中的弹簧10，但具有某些差别。例如，第二区段114的宽度比第一区段112和第三区段116的宽度相对窄，而对于弹簧10，各个区段12、14和16的宽度可以相等。此外，与弹簧10中包括线圈的弯曲元件不同，弹簧110包括多个弯曲元件128，每个弯曲元件128由沿着弹簧110的长度与槽128交替的弹簧主体111的相对薄的部分或肋126构成。在一种实施方式中，如图所示槽128可以以交错布置的形式沿着区段114均匀间隔，但在这里也可以设想其它槽样式或形状。应当理解的是，本发明并不限于弯曲元件的任何具体样式或类型，但是，例如上述Oakley等人的外壳的具有弯曲的均匀结构的设计不应被相当地理解为包括如这里设想的“弯曲元件”。在弹簧110的伸展和收缩过程中，肋126可以弯曲以适应并便于弹簧长度的改变。弹簧主体111也可以包括在其中具有腔137的中空主体。腔137能够如这里进一步描述的接收压电元件并且可以由第一区段112的活塞122封闭。
孔113也可以形成在第三区段116中并且与腔137连接。在一种实施方式中，包括内螺纹的一组螺纹143可以位于孔137中。螺纹143能够与利用弹簧110的致动器的第二组螺纹(图2中未示出)接合，以通过使得弯曲元件126弯曲将第二区段114拉伸到与在腔137内的压电元件上的目标预加载力相对应的状态。一旦由此被拉伸，弹簧110可以保持在期望的预加载状态中。如图3所示，弹簧10在孔37中具有配合螺纹43，该配合螺纹也能够与利用弹簧10的致动器的另一组螺纹接合，以将第二区段14拉伸到对应于腔37内的压电元件上的目标预加载力的状态，并且将弹簧10保持在这种状态。
如之前提及的，弹簧10和110中的每一个被认为是多功能弹簧。如上所述，弹簧10、110中的每一个包括能够在相关联的致动器的操作过程中转换位于腔37、137中的压电元件的运动的活塞22、122。转换压电元件的运动是由弹簧10、110执行(特别是由所示实施方式中的第一区段12、112执行)的第一功能。第二功能是将预加载力施加到目标压电元件上。第二区段14、114执行该第二功能。第三功能是经由螺纹43、143与第二组螺纹的相互作用来拉伸第二区段14、114，从而实际地设定和/或调节预加载力，如这里进一步描述的。该策略与更早的设计形成对照，在更早的设计中，需要单独的部件来执行与致动器组装和操作有关的这些或其它功能。通过将各种特征和功能集成到单个件中(即弹簧10、110中)，与更早的策略相比，所使用的零部件数量更少，并且致动器和相关联的装置的组装更快、更容易且更可靠。
回到图3，示出了根据本发明的利用弹簧10的致动器50的分解图。致动器50包括壳体51，例如圆柱形壳体。包括弹簧10的一组部件可以装载到壳体51中，以形成适用于与由其控制的装置或系统联接的组装的致动器。在一种实施方式中，可以提供可以是盘状隔膜的隔膜30，使其能够在弹簧10的端部18处围绕接触按钮24定位。在一种实施方式中，隔膜30可以焊接到壳体51并且也焊接到接触按钮24，使得隔膜30在致动器50的操作过程中被固定以与接触按钮24一起运动。
图3中也示出了能够定位在腔37内的压电元件32。在一种实施方式中，压电元件32可以是基本上环绕压电盘33的堆叠且包括热补偿材料35的子组件，关于热补偿材料35有多种适当的已知且在商业上可获得的例子。在其它实施方式中，例如可以利用单片压电元件。可以提供第一接线端34a和第二接线端34b，它们以传统方式与盘33电连接。还可以提供定位件36，其能够定位在压电元件32的顶部。还示出了螺母38，其包括能够与螺纹43接合的第二组螺纹39，用于设定并调节以及保持压电元件32上的预加载，如这里进一步描述的。提供也可以包括螺母的锁定元件40，其包括外螺纹41，该外螺纹41也能够与孔37中的螺纹43接合。
参照图4，示出了根据本发明的利用弹簧110的另一种致动器150的分解图。致动器150包括类似于隔膜30的隔膜130，和可以类似于致动器50的压电元件32的压电元件132，压电元件132具有接线端134a和134b。例如O型圈的第一密封构件117a和第二密封构件117b能够围绕接线端134a和134b定位，以提供围绕接线端134a和134b的流体密封。也可以提供定位件136和具有外螺纹139的螺母138。也提供锁定元件144，以将螺母138固定在孔137内的适当位置，用于如这里进一步描述的在弹簧110上设定预加载。在弹簧主体111中也提供孔142，该孔用于接收能够阻止定位件136和压电元件132之间以及定位件136和弹簧主体111之间的相对转动的紧定螺钉、销等。定位件136可以包括与孔142对准且用于接收紧定螺钉、销等的孔(未示出)。类似的孔-紧定螺钉设置可以与弹簧10结合使用。注意到，致动器150的部件可以沿着与用于致动器50的加载方向相反的方向装载到壳体151中。
参照图6，示出了根据一种实施方式的压电致动装置60。压电致动装置60可以是燃料喷射器60，但在其它实施方式中，可以包括例如定位致动器、应用于燃料系统之外的流体控制系统等各种其它压电致动装置中的任意种。因此，当前对于燃料喷射器60的描述不应当以任何方式限制本发明。燃料喷射器60可以包括具有控制阀70的喷射器主体62，控制阀构件72定位在控制阀70中。诸如针阀的喷嘴阀80也可以定位在喷射器主体62中并且包括阀构件82。喷嘴阀80可以与控制阀70可控联接。流体入口84定位在喷射器主体62中并且向喷嘴阀80供应诸如燃料的高压流体。致动器50也设置在喷射器主体62中并且能够控制阀70以便以传统方式调节阀构件82的位置。在一种实施方式中，接触按钮24被定位成与阀构件72相接触。压电元件32的致动可以调节接触按钮24的位置，接触按钮24又作用在阀构件72的端部74上以调节阀构件72的位置。随着压电元件32被致动，压电元件32趋于克服弹簧10的偏置延伸长度。一旦压电元件32被去能，弹簧10使压电元件32回复到预加载状态。也可以提供盖53，其与喷射器主体62联接。盖53或其它部件可以使致动器50在喷射器主体62内流体密封。
工业实用性
现在参照图5，示出了类似于上述致动器50但被组装的致动器50的侧面剖视图。虽然仅结合预加载设定具体示出并在这里描述了致动器50，本说明书应当被理解为可被类似地应用于(而不是局限于)致动器150和这里可以想到的其它致动器。隔膜30与壳体51并且与接触按钮24联接，并且环绕接触按钮24。提供诸如O型圈的密封构件55，其在弹簧主体11和壳体51的内周壁52之间流体密封。密封构件17a和17b在接线端34a和34b处流体密封壳体51。定位件36、螺母38和锁定元件40也被组装在壳体51中，以经由弹簧10以目标预加载在压电元件32上设定预加载。在一种实施方式中，可以通过将第二区段14拉伸到能够使弹簧10在压电元件32上施加等于期望预加载力的力的张紧状态来对压电元件32进行预加载。
接合孔37中的螺母38的螺纹39能够使螺母38运动到孔37中的更深处，增加弹簧10的长度，直到其达到张紧状态，在该状态下，其弹簧力(即其返回到放松状态的趋势)等于用于压电元件32的目标预加载力。在特定实施方式中，目标预加载力可以在大约800牛顿和大约900牛顿之间。因此，可以通过使螺母38在孔37中转动来使弹簧10伸展，直到弹簧10经由定位件36在压电元件32上施加等于大约800牛顿和大约900牛顿之间的目标预加载力的预加载力。在其它实施方式中，预加载力可以大于900牛顿或者小于800牛顿。一旦螺母38已经用于在压电元件32上设定预加载力，其可以通过接合孔37中的锁定元件38而相对于弹簧10固定在对应于目标预加载力的径向定向。在致动器150的压电元件132上设定预加载可以以使螺母38以螺纹连接方式接合在孔137中的类似方式进行。
在一种实际的执行策略中，压电元件32的预加载可以在将弹簧10和压电元件32设置在壳体51中之前进行。因此，包括弹簧10、压电元件32、定位件36、螺母38和锁定元件40的子组件可以被组装，并且弹簧10被预加载，然后子组件可以插入到壳体51中。密封构件55可以在该子组件被放入壳体51中之前围绕弹簧10定位。一旦插入到壳体51中，隔膜30可以被紧固就位。完成的致动器50随后能够通过将致动器50插入在喷射器主体62中而与燃料喷射器60联接，使得接触按钮24接触阀构件72并且喷射器主体62随后经由盖53或其它部件流体密封。
这里想到的多功能弹簧、致动器和压电致动装置被认为相对于现有技术中的系统提供了多个优点。通过将有关适当致动器组装和操作的多种功能集成到单个部件中，即，集成到多功能弹簧10、110中，总体设计可以更相对简单、使用更少的零部件并且更易于制造。这些目标的实现不会损害性能。特定的压电致动器用于在可以包括几百万或甚至几十亿周期的使用寿命中操作。多功能弹簧10、110提供用于预加载压电元件32的坚固和可靠部件，并且使压电元件32容纳在受保护的环境中。
这里的描述仅仅出于示意的目的，不应当被理解为以任何方式缩小本发明的范围。因此，本领域技术人员将理解，可以对本发明所公开的实施方式进行各种变型，而不脱离本发明的完整且清楚的范围和精神。例如，虽然各个致动器50和150的所示构造包括具有内螺纹的第三区段16、116，也可以想到替代方案。在其他实施方式中可以利用外螺纹，例如与致动器壳体中的内螺纹接合。参照图7，示出了这样的实施方式，其中，致动器250包括壳体251、压电元件232和多功能弹簧210。在图7的实施方式中，弹簧210包括具有活塞222的第一区段、具有弯曲元件226且类似于致动器50的第二区段14示出的第二区段214，和第三区段216。也提供隔膜230，类似于这里描述的其它实施方式。不同于致动器50、150中接合第三区段216中的孔内的螺纹，第三区段216上的外螺纹243与壳体251的内螺纹239接合，以将弹簧210拉入用于预加载压电元件232的张紧状态。通过对附图和权利要求书的研究，其它方面、特征和优点也是清楚的。

Claims (10)

1.一种致动器(50，150，250)，包括：
壳体(51，151，251)；
能够定位在所述壳体(51，151，251)中的压电元件(32，132)；以及
多功能弹簧(10，110，210)，其也能够定位在所述壳体(51，151，251)中并且能够向所述压电元件(32，132)施加预加载力；
所述多功能弹簧(10，110，210)包括第一区段(12，112，212)、第二区段(14，114，214)和第三区段(16，116，216)，所述第一区段具有能够在所述致动器(50，150，250)的操作过程中转换所述压电元件(32，132)的运动的活塞(22，122，222)，所述第二区段具有至少一个弯曲元件(26，126)，所述第三区段具有第一组螺纹(43，143，243)，所述第一组螺纹能够与所述致动器(50，150，250)的第二组螺纹(39，139，239)接合以将所述第二区段(14，114，214)拉伸到对应于所述预加载力的状态。
2.根据权利要求1所述的致动器(50，150)，其中，所述多功能弹簧(10，110)包括其中设置有所述压电元件(32，132)的腔(37，137)和在所述第三区段(16，116)中与所述腔(37，137)连接的孔(13)，并且其中所述第一组螺纹(43，143)包括位于所述孔(13)中的内螺纹。
3.根据权利要求2所述的致动器(50，150)，还包括：
螺母(38，138)，其上设有所述第二组螺纹(39，139)，并且所述螺母(38，138)至少部分地定位在所述孔(13)中；以及
锁定元件(40，144)，其将所述螺母(38，138)和所述多功能弹簧(10，110)固定在相对径向定向处，在该处，所述第二区段(14，114)被拉伸到对应于所述预加载力的状态。
4.根据权利要求2所述的致动器(50)，其中，所述第二区段(14)包括螺旋形槽(28)，并且其中所述至少一个弯曲元件(26)包括邻接所述螺旋形槽(28)的螺旋形线圈(26)。
5.根据权利要求2所述的致动器(150)，其中，所述第二区段(114)包括多个均匀分布的槽(128)，并且其中所述至少一个弯曲元件(126)包括多个均匀分布的肋(126)。
6.根据权利要求1所述的致动器(50，150，250)，其中：
所述壳体(51，151，251)包括内周壁(52)，并且其中所述致动器(50，150，250)还包括在所述内周壁(52)和所述第一区段(12，112，212)之间流体密封的密封构件(55)；并且
所述第一区段(12，112，212)包括能够接触燃料喷射器(60)的阀元件(72)以用于控制燃料喷射的接触按钮(24)，并且其中所述致动器(50，150，250)还包括在所述致动器(50，150，250)的操作过程中围绕所述接触按钮(24)并且被固定以与所述接触按钮一起运动的隔膜(30，130，230)。
7.一种压电致动装置(60)，包括：
主体(62)；
设置在所述主体(62)中的阀(70)；以及
用于所述阀(70)的致动器(50，150，250)，所述致动器(50，150，250)包括与所述主体(62)联接的壳体(51，151，251)和设置在所述壳体(51，151，251)中的压电元件(32，132)；
所述致动器(50，150，250)还包括向所述压电元件(32，132)施加预加载力的多功能弹簧(10，110，210)，所述多功能弹簧(10，110，210)包括第一区段(12，112，212)、第二区段(14，114，214)和第三区段(16，116，216)，所述第一区段具有能够在所述致动器(50，150，250)的操作过程中转换所述压电元件(32，132)的运动的活塞(22，122，222)，所述第二区段具有至少一个弯曲元件(26，126)，所述第三区段具有第一组螺纹(43，143，243)，所述第一组螺纹与所述致动器的第二组螺纹(39，139，239)接合并且将所述第二区段(14，114，214)保持在与所述预加载力相对应的张紧状态。
8.根据权利要求7所述的装置(60)，包括燃料喷射器(60)，所述阀(70)包括控制阀(70)并且所述燃料喷射器(60)包括与所述控制阀(70)可控地联接的喷嘴阀(80)；并且
其中所述第一区段(12，112，212)和所述第三区段(16，116，216)包括所述多功能弹簧(10，110，210)的端部区段，并且所述第二区段(14，114，214)包括所述多功能弹簧(10，110，210)的邻接所述第一区段(12，112，212)和所述第三区段(16，116，216)中的每一个的中间区段。
9.所述装置(60)还包括螺母(38，138)，在所述螺母上设有所述第二组螺纹(39，139)，所述多功能弹簧(10，110)还包括孔(13)，在所述孔中设有所述第一组螺纹(43，143)；并且
其中所述致动器(50，150)在所述主体(62)内流体密封，并且所述致动器(50，150)还包括流体密封所述壳体(51，151)中的所述压电元件(32，132)和所述多功能弹簧(10，110)的多个密封构件(55，17a，17b)。
10.一种用于压电致动器(50，150，250)的多功能弹簧(10，110，210)，包括：
弹簧主体(11，111)，其具有第一端(18，118)、第二端(20，120)和在所述第一端(18，118)和所述第二端(20，120)之间延伸的一长度，以及在所述第一端(18，118)和所述第二端(20，120)之间延伸且能够接收压电元件(32，132)的腔(37，137)；
所述弹簧主体(11，111)还具有各自包括所述长度的一部分的多个区段，即具有第一区段(12，112，212)、第二区段(14，114，214)和第三区段(16，116，216)，所述第一区段在所述第一端(18，118)处封闭所述腔(37，137)并且包括能够在其致动的过程中转换所述腔(37，137)中的压电元件(32，132)的运动的活塞(22，122)，所述第二区段包括至少一个弯曲元件(26，126)，所述第三区段包括一组螺纹(43，143，243)，所述一组螺纹能够与用于拉伸所述第二区段(14，114，214)以预加载所述腔(37，137)中的压电元件(32，132)的相关联的压电致动器(50，150，250)的另一组螺纹(39，139，239)接合。
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