JP2013150373A - 永久磁石型ステッピングモータ一体型回転機構 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で小型かつ高トルクを出力可能な汎用性の高い永久磁石型ステッピングモータ一体型回転機構を提供する。
【解決手段】永久磁石型ステッピングモータにおいて、中空固定軸１の周りに挿入組付けられ固定子２の周囲に、磁極歯４ａ，４ｂに対向する磁極が形成された永久磁石７を備えた回転子６が中空固定軸１に回転可能に軸支され、回転子外周側にワークに当接して接触力が作用する駆動伝達部１９が一体に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば薄板状のカード、紙、布、樹脂等のシート搬送機構、平ベルト、タイミングベルト、ギヤ等の回転駆動する回転駆動系を備えた産業機器、事務機器などに用いられる永久磁石型ステッピングモータ一体型回転機構に関する。

近年、産業機器、事務機器などの小型化に伴い、例えばレーザービームプリンタの感光ドラムのように比較的大型の回転部品のみならず搬送ローラ等の搬送ユニットや駆動伝達ユニットにおいて回転体の内部に駆動モータを組み込むことで省スペース化を図るニーズが高まっている。

例えば、複写機やレーザービームプリンタのドラム駆動用に固定軸回りにハイブリッド型ステッピングモータに減速機を連結したものをドラム内部に内蔵し、減速機の遊星歯車とドラム側の内歯車と噛み合うことでドラムを回転駆動するドラム駆動方法が提案されている（特許文献１参照）。

また、複写機用のドラム駆動機構として、固定軸回りに駆動モータに減速機を連結したものをドラム内部に内蔵し、減速機の遊星歯車を軸支する端板を介してドラムを回転駆動するドラム駆動機構が提案されている（特許文献２参照）。

特開２００４−４６０２３号公報 特許第２９９９０２６号公報

上述したドラム駆動方法やドラム駆動機構においては、ドラムの内部にモータのみならず、減速機（遊星歯車機構）を内蔵しているため、ドラム径が大型になり部品重量も増大し易く、小型化した機器に用いることができない。
例えば駆動源としてハイブリッド型ステッピングモータを使用する場合、現在量産化されている最小サイズは□２０ｍｍである。これは、円形に換算するとφ２８ｍｍ相当である。ハイブリッド型ステッピングモータを小型化し難い理由は、回転子と固定子に設ける微小な極歯とその極歯間のギャップを小さくするための加工や組立が困難だからである。
また、搬送用、駆動伝達用などの所定にトルクを必要とする駆動ユニットには、駆動源としてハイブリッド型ステッピングモータやブラシレスモータではなく、クローポール型の永久磁石型モータが使用される場合が多い。これは、小型モータにおいてクローポール型の永久磁石モータが最も体積当たりのトルクを出力できるためである。

しかしながら、モータを回転駆動する回転体に組み込む場合、インナーロータタイプのクローポール型永久磁石モータと同等のトルクをより小型のモータ径で実現する必要がある。この点で、アウターロータタイプの永久磁石型ステッピングモータは、インナーロータタイプの永久磁石型ステッピングモータに比べて、同体格で比較した場合に大きなトルクを発生できる利点がある一方で、コイルリードの配線をモータ内部で行わなければならないために、コイルリードを配線するための空間が十分に確保できない。
一方で、コイルリードの配線のための空間を確保するには、コイルの占積率又は磁路となる固定子ヨークの体積を減らす方法が考えられるが、この方法の場合、モータの特性が低下してしまうという問題がある。
即ち、大きなトルクを発生するモータを、絶縁の信頼性の高い構造で実現することが困難であり、かつ組立に手間取り生産性が低いことが、アウターロータ型PMステップモータの普及し難い理由となっている。

本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、簡易な構成で小型かつ高トルクを出力可能な汎用性の高い永久磁石型ステッピングモータ一体型回転機構を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
筒状の中空固定軸と、前記中空固定軸の周りに挿入組付けられ、マグネットワイヤーを巻いた空芯コイルを櫛歯状の磁極歯が形成された固定子ヨークにより挟み込んだ固定子ユニットが同芯状に複数段積層された固定子と、前記磁極歯に対向する磁極が形成された永久磁石を備え前記中空固定軸に回転可能に軸支された回転子と、前記回転子外周側に一体に設けられ、ワークに当接して接触力が作用する駆動伝達部と、前記中空固定軸の周りに前記固定子に近接して配置され、各固定子ユニットの前記コイルの内外周側から引き出されたコイルリードを各々コイル外周側と前記磁極歯の隙間を通過して基板端子部と各々配線接続されているモータ基板と、を備えたことを特徴とする。
上記構成によれば、固定子の周囲に設けられた回転子の回転子外周側に駆動伝達部を一体に設けていることで、駆動伝達機構を省略して簡易な構成で小型かつ高トルクを出力可能なアウターロータ型の回転機構を提供することができる。また、駆動伝達部と一体化された駆動源は、個別に駆動制御可能な永久磁石型ステッピングモータであることから、制御系を簡略化して駆動伝達部をダイレクトドライブすることができる。
また、各固定子ユニットのコイルの内外周側から引き出されたコイルリードを各々コイル外周側と磁極歯の隙間を通過して基板端子部と各々配線接続されているので、アウターロータ型モータであっても回転子と干渉することなくコイルリードを配線するスペースを確保することができる。

前記中空固定軸にはＤカット面に貫通孔が形成され、前記モータ基板に接続された配線が前記貫通孔を通じて基板接続部とは反対側に中空孔を通じて引き出して配線されていることが望ましい。
これにより配線にテンションが作用しても基板接続部にはその作用が及ばないため、モータ基板への接続信頼性を維持することができる。

前記固定子は、同相の固定子ユニットが１相当たりｎ個（ｎは２以上の整数）に分割され、積層される全ての固定子ユニットの各固定子ヨークが同数の磁極歯を回転子回転方向に所定ピッチで形成され、かつ回転子を回転方向に付勢するように位相をずらせて同芯状に積層され、積層された各固定子ユニット間に磁極歯どうしが重なり合う界面部が軸方向で３箇所以上形成され、これらの界面部のうちで重なり合う磁極歯どうしの回転子回転方向の中間位置が電気角で９０°±３０°の位相差で積層される界面部が１対以上存在することにより、永久磁石と対向する磁極歯が軸方向で重なり合う界面部を通過する磁気回路に起因するコギングトルクを低減することが望ましい。
これにより、固定子ユニットは、少なくともユニットどうしが積層されて形成される少なくとも３箇所の界面部のうち、１対の界面部どうしは上下に重なり合う磁極歯の中心と他の上下の磁極歯の中心との位相差が電気角で（90°±30°）となるように積層されるので、上下の磁極歯と永久磁石間に形成される磁気回路によるコギングを減少させることができ、同相で積層する固定子ユニットの数が増えることで、固定子ヨークの磁束作用面の面積を増やすことができ、小径で大きな回転トルクが得られる。

前記中空固定軸に複数の前記駆動伝達部が回転駆動可能に設けられていてもよい。これにより、シート材の種類やサイズに合わせて搬送ローラを個別に駆動するか或いは同期を取って駆動することもできる。

前記駆動伝達部を有する前記中空固定軸どうしカップリングを介して直列若しくは交差して連結されていてもよい。
これにより、各駆動伝達部に速度差を設けて個別に回転駆動することでワークの搬送方向を変えたり、斜めに搬送されたワークを整列して搬送したりすることができる。また、駆動伝達部のレイアウトの自由度が増して、汎用性を高めることができる。

上述した永久磁石型ステッピングモータ一体型回転機構を用いれば、簡易な構成で小型かつ高トルクを出力可能な汎用性の高い永久磁石型ステッピングモータ一体型回転機構を提供することができる。

永久磁石型ステッピングモータ一体型回転機構の軸方向断面図である。 固定子ユニットの磁極歯の位相差を示す説明図である。 固定子ユニットのコイルリードの配線例を示す斜視図である。 固定子ガイド板の斜視図である。 固定子ガイド板間にコイルを巻いてコイルリードの配線例を示す斜視図である。 図５のコイルが巻かれた固定子ガイド板及び分割固定子ヨークの斜視図である。 他例に係る固定子ガイド板を含んで一体成形されたボビンの斜視図である。 図７のボビンを固定子ユニット分だけ積層した状態の斜視図である。 他例に係る永久磁石型ステッピングモータ一体型回転機構の斜視図である。

以下、本発明に係る永久磁石型ステッピングモータ一体型回転機構の一実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る永久磁石型ステッピングモータは、固定子が空芯状に巻かれたコイルを櫛歯状の磁極歯（クローポール）を有する固定子ヨークにより挟み込んで形成される複数の固定子ユニットが同芯状に積層されるクローポール型のアウターロータ型２相ステッピングモータを例示して説明する。

永久磁石型ステッピングモータ一体型回転機構の概略構成について図１乃至図８を参照して説明する。図１において、筒状の中空固定軸１の周りに固定子２が挿入組付けられている。固定子２は、図３に示すようにマグネットワイヤーを巻いた空芯コイル３を櫛歯状の磁極歯４ａ，４ｂが形成された一対の固定子ヨーク４により挟み込んだ固定子ユニット５Ａ〜５Ｄが同芯状に複数段（本実施例では４段）積層されてなる。各固定子ユニット５Ａ〜５Ｄは、固定子ヨーク４に形成された凹部４ｄと凸部４ｃを嵌め合わせることで所定の位置に積層される。本実施例では２相ステッピングモータであるため、電気角で位相が１８０度異なるＡ相コイルとＢ相コイルが例えばＡ−Ａ−Ｂ−Ｂ、Ａ−Ｂ−Ａ−Ｂ若しくはＡ−Ｂ−Ｂ−Ａとなるように積層されている。

図２に示すように、固定子２は、同相の固定子ユニットが１相当たりｎ個（ｎは２以上の整数；本実施例ではｎ＝２）に分割され、積層される全ての固定子ユニット５Ａ〜５Ｄの一対の固定子ヨーク４が同数の磁極歯４ａ，４ｂを回転子回転方向に所定ピッチで形成されかつ回転子６（図１参照）を回転方向に付勢するように位相をずらせて同芯状に直に積層されている。積層された各固定子ユニット５Ａ〜５Ｄ間に磁極歯どうしが直に重なり合う界面部Ａ，Ｂ，Ｃが軸方向で少なくとも３箇所以上（本実施例では３か所）形成されている。尚、固定子ユニット５Ａ〜５Ｄが直に重なり合うとは、固定子ヨーク４どうしが直に重なり合うほか固定子ヨーク４に絶縁塗料が塗布された状態で重なり合う場合も含む。

これらの界面部Ａ〜Ｃのうちで直に重なり合う磁極歯４ａ，４ｂどうしの回転子回転方向の中間位置が電気角で９０°±３０°の位相差で積層される界面部（図２では界面部ＡとＣ）が１対以上存在することにより、回転子６の永久磁石７（図１参照）と対向する磁極歯４ａ，４ｂが軸方向で直に重なり合う界面部を通過する磁気回路に起因するコギングトルクを低減することが望ましい。
このように上下の磁極歯４ａ、４ｂと永久磁石７間に形成される磁気回路によるコギングを減少させることにより、同相で積層する固定子ユニットの数を増やすことで、固定子ヨーク４の磁束作用面の面積を増やすことができ、小径であっても大きな回転トルクが得られる。

中空固定軸１回りに固定子２に近接して駆動回路が形成されたモータ基板８が配置されている。モータ基板８は、各固定子ユニット５Ａ〜５Ｄのコイル３の内外周側から引き出されたコイルリード３ａを図３に示すように各々コイル外周側と磁極歯４ａ，４ｂの隙間を通過して基板端子部（駆動回路端子部）と各々配線接続されている。これにより、アウターロータ型モータであっても回転子と干渉することなくコイルリード３ａを配線するスペースを確保することができる。

また、図４に示すリング状に形成された固定子ガイド板９を一対用いて、図５に示すようにボビンを形成してコイル３を巻き付けるようにしてもよい。図４において、固定子ガイド板９には、内周側から外周側にわたって設けられたスリット９ａ、該スリット９ａから軸方向に起立する起立壁９ｂが形成されている。また、スリット９ａとは径方向反対側に内周側から外周側にわたって起立壁９ｂ側に門型に膨らんだガイド部９ｃ（反対側が凹溝部９ｄ）が形成されている。ガイド部９ｃの外周側縁部は、内周側に向かって切り欠かれた切欠き部９ｅが形成されている。この切欠き部９ｅを通じてコイル外周側と一対の固定子ヨーク４の磁極歯４ａ，４ｂとの隙間に軸方向に配線することができる。固定子ガイド板９は表面が絶縁被膜で覆われている。

図５において４段のボビンに各々コイル３を巻いて、上段側コイル３よりコイルリード３ａが凹溝部９ｄ（ガイド部９ｃの反対側）を通じて内周側から外周側に引き出され、１段目と２段目の固定子ガイド板９間に形成された切欠き部９ｅ、起立壁９ｂを通過させて下段側コイル３の外周側を経て２段目と３段目の固定子ガイド板９間に形成された切欠き部９ｅ、起立壁９ｂを通過させる配線を繰り返し行って、コイルリード３ａをモータ基板８の図示しない基板端子と各々接続させる。尚、例えば１段目のコイル３の巻き終わりと２段目のコイル３の巻き始めをつなぎ合わせて巻かれており、３段目のコイル３の巻き終わりと４段目のコイル３の巻き始めをつなぎ合わせて巻かれていてもよい。

この場合、４段に形成したボビンごとに２つに分割された分割固定子ヨーク４Ａ１，４Ａ２を組み合わせて組付けても良いし、或いは図６に示すように４段に連なった状態で２分割されている分割固定子ヨーク４Ａ１，４Ａ２どうしを組み合わせて組み付けるようにしてもよい。分割固定子ヨーク４Ａ１，４Ａ２は、周方向両端を起立壁９ｂとガイド部９ｃに両側から突き当てて装着され、溶接、接着、圧入のうちいずれかで一体に組み付けられる。

また、固定子ガイド板９に代えて、一対のリング状のガイド板１０ａが内周側連結部１０ｂで連結されるように一体成形されたボビン１０が複数段（例えば図７に示す１０Ａ〜１０Ｄの４段）積層されて嵌め込まれ、各ボビン１０にマグネットワイヤーが巻かれたコイル３が各々組み付けられていてもよい。

図７において、リング状に形成された一対のガイド板１０ａには内周側から外周側にわたって設けられたスリット１０ｃ、該スリット１０ｃから軸方向に起立する起立壁１０ｄが形成されている。また、スリット１０ｃとは径方向反対側に内周側から外周側にわたって起立壁１０ｄ側に門型に膨らんだガイド部１０ｅ（反対側が凹溝部１０ｇ）が形成されている。ガイド部１０ｅの外周側縁部は、内周側に向かって切り欠かれた切欠き部１０ｆが形成されている。ボビン１０の対向する一対のガイド板１０ａは、起立壁１０ｄ及びガイド部１０ｅが対向面と反対側に突設されている。

図８に示すようにボビン１０Ａ〜１０Ｄを図示しない中空固定軸１の外周にガイド部１０ｅと起立壁１０ｄが重なり合うように積層されて嵌め込まれる。ガイド部１０ｅの反対面である凹溝部１０ｇと切欠き部１０ｆとこれに続く起立壁１０ｄに囲まれた部分が配線空間として用いられる。各ボビン１０Ａ〜１０Ｄに巻き付けられるコイル３は、コイルリード３ａが凹溝部１０ｇに沿って内周側から外周側へ引き出され、切欠き部１０ｆ、起立壁１０ｄを通じて隣接するコイル外周側に配線するようになっている。

また、図１において、中空固定軸１のモータ基板８の近傍にはＤカット面１ａが形成されている。このＤカット面１ａには径方向に貫通孔１ｂが形成されている。モータ基板６の駆動回路端子に接続された配線１１が貫通孔１ｂを通じて基板接続部とは反対側に中空孔１ｃを通じて引き出して配線されている。これにより配線１１にテンションが作用しても基板接続部にはその作用が及ばないため、モータ基板８への接続信頼性を維持することができる。

次に回転子６の構成について図１を参照して説明する。中空固定軸１に組み付けられた固定子２の軸方向両側には軸受１３ａ，１３ｂ（ボールベアリング）が各々組み付けられている。この軸受１３ａ，１３ｂの外周側に回転子ハブ１４が軸受１３ａ，１３ｂを内包するように中空固定軸１回りに各々回転可能に支持されている。

軸受１３ａ，１３ｂと固定子２との間にはスペーサー１５が中空固定軸１の周りに各々設けられている。また、軸受１３ａ，１３ｂと回転子ハブ１４との間にはワッシャー１６が各々設けられている。各スペーサー１５，ワッシャー１６は軸受１３ａ，１３ｂの軸方向位置を調整している。また、軸受１３ｂとワッシャー１６との間にはウェーブワッシャー１７が設けられている。ウェーブワッシャー１７は、軸受１３ｂに軸方向に予圧を付与して位置決めしている。

回転子ハブ１４の外周側凹部には、円筒状の磁性体からなる回転子ヨーク１８が組み付けられている。また、回転子ヨーク１８の内周側の固定子２と対向する位置には環状の永久磁石７が固着している。永久磁石７は、周方向にＮ・Ｓ交互に着磁され、固定子ユニット５Ａ〜５Ｄの一対の固定子ヨーク４に形成された磁極歯４ａ，４ｂと対向配置されている。

また、外周面が面一に形成された回転子ヨーク１８及び回転子ハブ１４の外周側には図示しないワーク（例えば紙等のシート材等）に当接して接触力（摩擦力）が作用する駆動伝達部１９（例えばゴム材などの樹脂材等）が組み付けられている。これら回転子ハブ１４、回転子ヨーク１８、駆動伝達部１９が回転子６を形成し、中空固定軸１の周りに回転可能に一体に軸支されている。駆動伝達部１９は筒状で一体でもよいが、図１のように２分割されていてもよい。試作では、回転子ヨーク径φ２１ｍｍ、ローラ径（駆動伝達部径）φ２５ｍｍの搬送ローラを製造することができた。尚、駆動伝達部１９はローラ形状に限らずギヤ形状であってもよい。例えば、駆動伝達部１９は駆動ギヤであり、被駆動部であるギヤ、タイミングベルト等と噛み合って駆動伝達するものでもよい。

上記構成によれば、固定子２の周囲に設けられた回転子６の外周側に駆動伝達部１９を一体に設けていることで、駆動伝達機構を省略して簡易な構成で小型かつ高トルクを出力可能なアウターロータ型の回転機構を提供することができる。また、駆動伝達部１９と一体化された駆動源は、個別に駆動制御可能な永久磁石型ステッピングモータであることから、制御系を簡略化して駆動伝達部１９を個別にダイレクトドライブすることができる。
よって、上述した永久磁石型ステッピングモータ一体型回転機構は、例えば薄板状のカード、紙、布、樹脂等のシート搬送機構、平ベルト、タイミングベルト、ギヤ等の回転駆動する回転駆動系を備えた産業機器、事務機器などの汎用性の高い回転機構として利用が期待できる。

図１０は永久磁石型ステッピングモータ一体型回転機構の他例を示す。
上述した回転機構は、中空固定軸１に１個の駆動伝達部１９を設けていたが複数の駆動伝達部１９を設けてもよい。これにより、シート材の種類やサイズに合わせて搬送ローラを個別に駆動するか或いは同期を取って駆動することもできる。
また、図１０に示すように中空固定軸１Ａ，１Ｂどうしをカップリング２１Ａ，２１Ｂにより直列に連結した構造であってもよい。各回転子６及び固定子２の構造は図１と同様であるので説明を援用するものとする。

図１０において、中空固定軸１Ａの駆動伝達部２０Ａと中空固定軸１Ｂの駆動伝達部２０Ｂがカップリング２１Ａ，２１Ｂにより連結されている。駆動伝達部２０Ａと駆動伝達部２０Ｂは個別に回転駆動可能である。例えば、駆動伝達部２０Ａと駆動伝達部２０Ｂは、同方向で異なる回転速度で回転駆動することもできるし、互いに回転方向を逆にして回転駆動することも可能である。

また、中空固定軸１Ａと中空固定軸１Ｂとは直列に連結するのみならず軸どうしが交差する連結（例えば直交するように連結）されていてもよい。
これにより、各駆動伝達部２０Ａ，２０Ｂに速度差を設けて個別に回転駆動することでワークの搬送方向を変えたり、斜めに搬送されたワークを整列して搬送したりすることができる。また、駆動伝達部２０Ａ，２０Ｂのレイアウトの自由度が増して、汎用性を高めることができる。

上述した実施例では、クローポール型の２相ステッピングモータについて例示したが、これに限定されるものではなく、軸方向の長さが長くなるが低振動を実現した３相、４相、…ｎ相などの多相ステッピング（ブラシレス）モータに適用することも可能である。
また、中空固定軸１は固定子２の中空孔に貫通して組み付けられている必要はなく、分割して組付けられていてもよい。

１，１Ａ，１Ｂ 中空固定軸 １ａ Ｄカット面 １ｂ 貫通孔 １ｃ 中空孔 ２ 固定子 ３ 空芯コイル ３ａ コイルリード ４ 固定子ヨーク ４Ａ１，４Ａ２ 分割固定子ヨーク ４ａ，４ｂ 磁極歯 ４ｃ 凸部 ５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ 固定子ユニット Ａ，Ｂ，Ｃ 界面部 ６ 回転子 ７ 永久磁石 ８ モータ基板 ９ 固定子ガイド板 ９ａ，１０ｃ スリット ９ｂ，１０ｄ 起立壁 ９ｃ，１０ｅ ガイド部 ９ｄ，１０ｇ 凹溝部 ９ｅ，１０ｆ 切欠き部 １０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ ボビン １０ａ ガイド板 １０ｂ 連結部 １０ｃ スリット １１ 配線 １３ 軸受 １４ 回転子ハブ １５ スペーサー １６ ワッシャー １７ ウェーブワッシャー １８ 回転子ヨーク １９，２０Ａ，２０Ｂ 駆動伝達部 ２１Ａ，２１Ｂ カップリング

Claims (5)

1. 筒状の中空固定軸と、
   前記中空固定軸の周りに挿入組付けられ、マグネットワイヤーを巻いた空芯コイルを櫛歯状の磁極歯が形成された固定子ヨークにより挟み込んだ固定子ユニットが同芯状に複数段積層された固定子と、
   前記磁極歯に対向する磁極が形成された永久磁石を備え前記中空固定軸に回転可能に軸支された回転子と、
   前記回転子外周側に一体に設けられ、ワークに当接して接触力が作用する駆動伝達部と、
   前記中空固定軸の周りに前記固定子に近接して配置され、各固定子ユニットの前記コイルの内外周側から引き出されたコイルリードを各々コイル外周側と前記磁極歯の隙間を通過して基板端子部と各々配線接続されているモータ基板と、を備えたことを特徴とする永久磁石型ステッピングモータ一体型回転機構。
2. 前記中空固定軸にはＤカット面に貫通孔が形成され、前記モータ基板に接続された配線が前記貫通孔を通じて基板接続部とは反対側に中空孔を通じて引き出して配線されている請求項１記載の永久磁石型ステッピングモータ一体型回転機構。
3. 前記固定子は、同相の固定子ユニットが１相当たりｎ個（ｎは２以上の整数）に分割され、積層される全ての固定子ユニットの各固定子ヨークが同数の磁極歯を回転子回転方向に所定ピッチで形成され、かつ回転子を回転方向に付勢するように位相をずらせて同芯状に積層され、積層された各固定子ユニット間に磁極歯どうしが重なり合う界面部が軸方向で３箇所以上形成され、これらの界面部のうちで重なり合う磁極歯どうしの回転子回転方向の中間位置が電気角で９０°±３０°の位相差で積層される界面部が１対以上存在することにより、永久磁石と対向する磁極歯が軸方向で重なり合う界面部を通過する磁気回路に起因するコギングトルクを低減する請求項１又は請求項２記載の永久磁石型ステッピングモータ一体型回転機構。
4. 前記中空固定軸に複数の前記駆動伝達部が回転駆動可能に設けられている請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の永久磁石型ステッピングモータ一体型回転機構。
5. 前記駆動伝達部を有する前記中空固定軸どうしカップリングを介して直列若しくは交差して連結されている請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の永久磁石型ステッピングモータ一体型回転機構。

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