JP2015075143A - 磁気粘性流体緩衝器 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化するとともに、コイルに流れる電流を変えることなく、ピストン速度と、ピストン位置に依存した減衰力を発生可能な磁気粘性流体緩衝器を提供する。
【解決手段】 筒状のシリンダ１に出入りするピストンロッド２に保持されてシリンダ１内を軸方向に移動する磁性体からなるピストン３と、シリンダ１内に形成されてピストン３で区画される二つの部屋Ｌ１，Ｌ２と、これら二つの部屋Ｌ１，Ｌ２に充填されて磁界の作用で粘度が変化する磁気粘性流体と、二つの部屋Ｌ１，Ｌ２を連通する通路Ｌ３と、通電時に通路Ｌ３に磁界を発生させるコイル４とを備える磁気粘性流体緩衝器Ｄにおいて、シリンダ１は、磁性体からなり、ピストン３の可動範囲の一部に他の部分１ｂと肉厚の異なる肉厚変更部１ａを備ており、通路Ｌ３は、ピストン３とシリンダ１との間に形成されており、コイル４は、ピストン４の外周に巻き回されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気粘性流体緩衝器に関する。

磁気粘性流体緩衝器は、磁界の作用によって粘度が変化する磁気粘性流体を利用して減衰力を発生する緩衝器である。一般的に、磁気粘性流体緩衝器は、筒状のシリンダと、このシリンダに出入りするピストンロッドと、このピストンロッドに保持されてシリンダ内を軸方向に移動可能なピストンと、シリンダ内にピストンで区画される二つの部屋と、これら二つの部屋に充填される磁気粘性流体と、二つの部屋を連通する通路とを備えるとともに、当該通路に磁界を発生させる磁石を備えている。

また、特許文献１に開示の磁気粘性流体緩衝器では、図３に示すように、ピストン３００が、磁性体からなるピストンアッシー３０１と、同じく磁性体からなりピストンアッシー３０１の外周に設けられる環状のリング３０２とを備えて構成されており、ピストンアッシー３０１とリング３０２との間に、二つの部屋Ｌ１，Ｌ２を連通する通路Ｌ３が形成されている。また、ピストンアッシー３０１の外周にコイル４を巻き回して電磁石を構成し、コイル４に電流を流すことにより、通路Ｌ３に磁界を発生させる。

そして、磁気粘性流体緩衝器の伸縮作動時には、リング３０２の外周に設けられる軸受け３０３をシリンダ１００の内周面に摺接させながら、ピストン３００がシリンダ１００内を軸方向に移動し、縮小される一方の部屋（Ｌ１またはＬ２）の磁気粘性流体が、通路Ｌ３を通って拡大する他方の部屋（Ｌ２またはＬ１）に移動する。このため、磁気粘性流体緩衝器は、磁気粘性流体が通路Ｌ３を通過する際の抵抗に起因する減衰力を発生する。また、通路Ｌ３に発生する磁界の強さに応じて、通路Ｌ３を流れる磁気粘性流体の粘度が変わるので、コイル４に流れる電流量を変更して上記減衰力を調節できる。

特開２００８−１７５３６９号公報

従来の磁気粘性流体緩衝器の減衰力は、コイル４に流れる電流量が同じ場合、ピストン速度に応じて変化する。そして、このような磁気粘性流体緩衝器は、多くの場合、スカイフック制御等の任意の制御則に則り、コイル４への供給電流量を適宜調節して所望の減衰特性を実現している（例えば、特開２００８−１２９５９号公報）。

しかしながら、上記従来の磁気粘性流体緩衝器においては、コイル４への電流供給量を変更しない限り、シリンダ１００に対するピストン３００の位置（以下、ピストン位置という）に応じて減衰力を変化させることができない。また、ピストン３００がリング３０２を備える場合、ピストン３００が大径化するので、シリンダ１００内径を大きくする必要があり、磁気粘性流体緩衝器が大型化する。

そこで、本発明の目的は、小型化するとともに、コイルに流れる電流を変えることなく、ピストン速度と、ピストン位置に依存した減衰力を発生可能な磁気粘性流体緩衝器を提供することである。

上記課題を解決するための手段は、筒状のシリンダと、このシリンダに出入りするピストンロッドと、このピストンロッドに保持されて上記シリンダ内を軸方向に移動する磁性体からなるピストンと、上記シリンダ内に形成されて上記ピストンで区画される二つの部屋と、これら二つの部屋に充填されて磁界の作用で粘度が変化する磁気粘性流体と、上記二つの部屋を連通する通路と、通電時に上記通路に磁界を発生させるコイルとを備える磁気粘性流体緩衝器において、上記シリンダは、磁性体からなり、上記ピストンの可動範囲の一部に他の部分と肉厚の異なる肉厚変更部を備ており、上記通路は、上記ピストンと上記シリンダとの間に形成されており、上記コイルは、上記ピストンの外周に巻き回されていることである。

本発明の磁気粘性流体緩衝器によれば、小型化するとともに、コイルに流れる電流を変えることなく、ピストン速度と、ピストン位置に依存した減衰力を発生できる。

本発明の一実施の形態に係る磁気粘性流体緩衝器を部分的に切り欠いて示した正面図である。 図１の一部を拡大して示した図である。 従来の磁気粘性流体緩衝器におけるピストン部分を拡大して示した縦断面図である。

以下に本発明の一実施の形態に係る磁気粘性流体緩衝器について、図面を参照しながら説明する。いくつかの図面を通して付された同じ符号は、同じ部品か対応する部品を示す。

図１に示すように、本実施の形態に係る磁気粘性流体緩衝器Ｄは、筒状のシリンダ１と、このシリンダ１に出入りするピストンロッド２と、このピストンロッド２に保持されて上記シリンダ１内を軸方向に移動する磁性体からなるピストン３と、上記シリンダ１内に形成されて上記ピストン３で区画される二つの部屋Ｌ１，Ｌ２と、これら二つの部屋Ｌ１，Ｌ２に充填されて磁界の作用で粘度が変化する磁気粘性流体と、上記二つの部屋Ｌ１，Ｌ２を連通する通路Ｌ３と、通電時に上記通路Ｌに磁界を発生させるコイル４とを備えている。そして、上記シリンダ１は、磁性体からなり、上記ピストン３の可動範囲Ｍの一部に他の部分１ｂと肉厚の異なる肉厚変更部１ａを備えている。さらに、上記通路Ｌ３は、上記ピストン３と上記シリンダ１との間に形成されており、上記コイル４は、上記ピストン３の外周に巻き回されている。

また、本実施の形態において、上記磁気粘性流体緩衝器Ｄは、二輪車や三輪車等の鞍乗型車両において前輪を懸架するフロントフォークに利用されている。このフロントフォークの構成は周知であるため、詳細に図示しないが、前輪の両側に起立する一対の脚部Ｆ（一方の脚部Ｆのみを図示し、他方の脚部を図示せず）を備えている。一対の脚部Ｆは、アウターチューブ５とインナーチューブ６とからなるテレスコピック型のチューブ部材Ｔをそれぞれ備えている。そして、両脚部Ｆのアウターチューブ５が図示しない車体側ブラケットを介して連結され、この車体側ブラケットを介して車体の骨格となる車体フレームに連結されている。他方、両脚部Ｆのインナーチューブ６は、それぞれ、下端部に取り付けられる車輪側ブラケット６０を介して前輪の車軸に連結されている。このため、路面凹凸による衝撃が前輪に入力されると、アウターチューブ５にインナーチューブ６が出入りしてフロントフォークが伸縮作動する。そして、上記一対の脚部Ｆのうち、一方または両方が本実施の形態に係る磁気粘性流体緩衝器Ｄである。

なお、一方の脚部Ｆのみが本実施の形態に係る磁気粘性流体緩衝器Ｄである場合、他方の脚部は、作動油を利用して減衰力を発生する油圧緩衝器であっても、他の緩衝器であってもよく、他方の脚部におけるチューブ部材Ｔ内に、減衰力を発生するための機構を収容しなくてもよい。また、本実施の形態において、アウターチューブ５が車体側に連結されるとともに、インナーチューブ６が車輪側に連結されて、フロントフォークが倒立型に設定されているが、アウターチューブ５が車輪側に連結されるとともに、インナーチューブ６が車体側に連結されてフロントフォークが正立型に設定されるとしてもよい。また、本発明に係る磁気粘性流体緩衝器Ｄは、フロントフォーク以外に利用されるとしてもよく、例えば、鞍乗型車両の後輪を懸架するリアクッションや、自動車用の緩衝器や、車両以外に利用されるとしてもよい。

以下、本実施の形態に係る磁気粘性流体緩衝器Ｄの各構成について詳細に説明する。当該磁気粘性流体緩衝器Ｄは、上記したチューブ部材Ｔと、このチューブ部材Ｔに収容される緩衝器本体ｄ１とを備えており、チューブ部材Ｔと緩衝器本体ｄ１との間にリザーバＲが形成されている。このリザーバＲには、油が貯留されるとともに、この油の液面を介して上側に気体が封入されている。さらに、リザーバＲには、磁気粘性流体緩衝器Ｄを伸長方向に附勢して、車体を弾性支持する懸架ばねＳが収容されている。本実施の形態において、懸架ばねＳはコイルばねからなるが、エアばねからなるとしてもよい。また、リザーバＲに収容される気体や液体の種類や、気体と液体の比率も適宜変更できる。

上記したように、チューブ部材Ｔは、アウターチューブ５と、このアウターチューブ５に出入りするインナーチューブ６とを備えてテレスコピック型となっている。そして、アウターチューブ５の上側開口がキャップ部材５０で塞がれ、インナーチューブ６の下側開口が車輪側ブラケット６０で塞がれ、アウターチューブ５とインナーチューブ６の重複部の間に形成される筒状隙間（符示せず）の下側開口が環状のシール部材５１で塞がれている。このため、チューブ部材Ｔ内が外気側と区画され、チューブ部材Ｔ内に収容される液体や気体が外気側に漏れないようになっている。

また、アウターチューブ５とインナーチューブ６の重複部の間に形成される筒状隙間には、アウターチューブ５に出入りするインナーチューブ６を軸支する上下一対の環状の軸受け５２（下側の軸受け５２のみを図示し、上側の軸受けを図示せず）が設けられている。インナーチューブ６には、その肉厚を貫通する通孔６ａが形成されており、上下の軸受け５２の摺動面をリザーバＲに収容される油で潤滑できるようになっている。

つづいて、緩衝器本体ｄ１は、インナーチューブ６の軸心部に起立する筒状の磁性体からなるシリンダ１と、このシリンダ１の上側開口部に固定される環状のロッドガイド７と、キャップ部材５０に吊り下げられた状態に保持されるとともにロッドガイド７に軸支されシリンダ１に出入りする筒状のピストンロッド２と、このピストンロッド２の下端部に保持されてシリンダ１内を軸方向に移動する磁性体からなるピストン３と、シリンダ１の反ピストンロッド側の内周面に摺接するフリーピストン８と、シリンダ１の下側開口を塞ぐ図示しない封止部材と、ロッドガイド７とピストン３との間に配置されるリバウンド部材９とを備えている。本実施の形態において、シリンダ１が車輪側に連結されるとともに、ピストンロッド２が車体側に連結されて磁気粘性流体緩衝器Ｄが正立型に設定されているが、シリンダ１が車体側に連結されるとともに、ピストンロッド２が車輪側に連結されて磁気粘性流体緩衝器Ｄが倒立型に設定されるとしてもよい。

そして、シリンダ１内には、ピストン３で区画され磁気粘性流体が充填される二つの部屋Ｌ１，Ｌ２と、ピストン側の部屋Ｌ２とフリーピストン８で区画され気体が圧縮されながら封入される気室Ｇとが形成されている。以下、上記二つの部屋Ｌ１，Ｌ２を区別するため、ピストンロッド２側の部屋をロッド側室Ｌ１、ピストン３側の部屋をピストン側室Ｌ２という。これらに充填される磁気粘性流体は、油等の液体中に強磁性を有する微粒子を分散させた液体であり、磁界の作用により高粘度化する。磁気粘性流体の粘度は、磁界の強さに応じて変わり、磁界を除くと元の状態に戻る。

ロッドガイド７の内周には、ピストンロッド２の外周面に摺接する上下一対の環状のＵパッキン７０，７１が取り付けられており、ロッド側室Ｌ１の磁気粘性流体とリザーバＲの油が混じることを防いでいる。また、フリーピストン８の外周には、シリンダ１の内周面に摺接するＯリング８０が取り付けられており、ピストン側室Ｌ２の磁気粘性流体と気室Ｇの気体が混じることを防いでいる。さらに、この気室Ｇの気体は、図示しない封止部材で、シリンダ１外への流出が防がれており、リザーバＲの油と混じらないようになっている。

上記ロッド側室Ｌ１とピストン側室Ｌ２とを区画するピストン３は、上記したように磁性体からなり、ピストンロッド２の下端部外周に螺合する小径な連結部３ａと、この連結部３ａよりも大径に形成される本体部３ｂとを備えている。この本体部３ｂの外径は、シリンダ１の内径よりもわずかに小さく形成されており、本体部３ｂとシリンダ１との間に、環状の通路Ｌ３を形成している。そして、ロッド側室Ｌ１とピストン側室Ｌ２は、当該通路Ｌ３を介して連通する。

さらに、ピストン３の本体部３ｂにおける軸方向の中央部外周には、周方向に沿う環状の溝部３ｃが形成されており、この溝部３ｃにコイル４が巻き回されている。このコイル４には、配線４０を介して図示しないコントローラが接続されており、当該コントローラでコイル４に流れる電流量を多段階若しくは無段階に調節できるようになっている。上記コントローラは、チューブ部材Ｔの外側に配置されているので、配線４０は、筒状に形成されるピストンロッド２の内側を通ってチューブ部材Ｔの外に延びている。

また、ロッドガイド７とピストン３との間に配置されるリバウンド部材９は、ピストンロッド２の外周に配置されており、コイルばね９０と、環状に形成されて内周にコイルばね９０の上端部が嵌合する上側のばね受け９１と、有底筒状に形成されて底部にコイルばね９０の下端が離着座する有底筒状の下側のばね受け９２とを備えている。上側のばね受け９１は、ロッドガイド７の下端に取り付けられて、コイルばね９０を吊り下げた状態に保持している。他方、下側のばね受け９２は、コイルばね９０が離着座する底部をピストン３の連結部３ａ外周に螺合させており、シリンダ１の内周面に摺接してピストン３とともにシリンダ１内を軸方向に移動する。また、当該ばね受け９２の底部には、上下に貫通する複数の通孔９２ａが形成されており、ロッド側室Ｌ１の磁気粘性流体が通孔９２ａを通って当該ばね受け９２の上下に移動できるようになっている。

そして、磁気粘性流体緩衝器Ｄの最伸長時に、コイルばね９０が上下のばね受け９１，９２の間で圧縮されて反力を発生し、最伸長時の衝撃を吸収する。また、本実施の形態においては、下側のばね受け９２が、ピストン３を介してピストンロッド２の下端部に保持されて、シリンダ１の内周面に摺接しているので、従来のように、ピストン３００が軸受け３０３を備えていなくても、ロッドガイド７と下側のばね受け９２でピストンロッド２を軸支し、ピストンロッド２をシリンダ１に円滑に出入りさせることができる。

つづいて、シリンダ１は、上記したように筒状の磁性体からなり、本実施の形態においては鉄で形成されている。このため、図示しないコントローラでコイル４０に電流を流して磁界Ｚを発生させると（図２）、ピストン３及びシリンダ１が磁化される。このとき、通路Ｌ３を磁力線が横切り、通路Ｌ３を流れる磁気粘性流体が高粘度化する。また、ピストン３の可動範囲Ｍにあるシリンダ１の内径は均一である一方、外径は部分的に拡径されている。本実施の形態において、外径が拡径されている部分がシリンダ１の肉厚変更部１ａであり、他の部分１ｂと比較して厚みが増している。このため、当該肉厚変更部１ａは、他の部分１ｂと比較して、コイル４に流れる電流量が同じであっても強い磁力を発生できる。つまり、通電されているコイル４と肉厚変更部１ａとの軸方向の位置が重なると、上記強い磁力の作用で通路Ｌ３を通過する磁気粘性流体の粘度が更に高くなる。なお、シリンダ１は、鉄以外の磁性体からなるとしてもよい。

上記ピストン３の可動範囲Ｍとは、磁気粘性流体緩衝器Ｄが最伸長状態にあるときの、本体部３ｂの上端を通る水平線（磁気粘性流体緩衝器Ｄの軸に直交する直線）ｍ１と、磁気粘性流体緩衝器Ｄが最圧縮状態にあるときの、本体部３ｂの下端を通る水平線（磁気粘性流体緩衝器Ｄの軸に直交する直線）ｍ２とで挟まれる範囲のことである。そして、上記可動範囲Ｍにおいて、水平線ｍ１側（上側）が伸長側であり、水平線ｍ２側（下側）が圧縮側である。

本実施の形態において、肉厚変更部１ａは、ピストン３の可動範囲Ｍにおける圧縮側に配置されている。このため、磁気粘性流体緩衝器Ｄの圧縮作動の後半で、減衰係数(ピストン速度変化量に対する減衰力変化量の割合)を大きくできる。また、本実施の形態において、他の部分１ｂに連なる肉厚変更部１ａの一端にテーパを設けており、他の部分１ｂから肉厚変更部１ａにかけての肉厚変化を緩やかにしている。このため、減衰係数を徐々に変化させることができる。なお、肉厚変更部１ａを設ける位置や形状は、適宜変更することが可能である。例えば、肉厚変更部１ａの肉厚は、他の部分１ｂと比較して薄くてもよい。また、肉厚変更部１ａのテーパを廃して段差形状にするとしてもよく、肉厚変更部１ａを可動範囲Ｍにおける伸長側に設けるとしてもよい。

以下、本実施の形態に係る磁気粘性流体緩衝器Ｄの作動について説明する。

インナーチューブ６がアウターチューブ５に出入りするとともに、ピストンロッド２がシリンダ１に出入りする磁気粘性流体緩衝器Ｄの伸縮作動時において、ロッド側室Ｌ１とピストン側室Ｌ２のうち、縮小される一方の部屋の磁気粘性流体が通路Ｌ３を通過して拡大する他方の部屋に移動するので、磁気粘性流体緩衝器Ｄは、磁気粘性流体が通路Ｌ３を通過する際の抵抗に起因する減衰力を発生する。このとき、シリンダ１に出入りしたピストンロッド２体積分シリンダ１内容積が変化するが、フリーピストン８が上下に移動して気室Ｇ容積を変更し、上記シリンダ１内容積変化を補償する。

また、コイル４に電流を流すと通路Ｌ３に磁界Ｚが発生し、この磁界Ｚの作用で磁気粘性流体が高粘度化するので、磁気粘性流体が通路Ｌ３を通過する際の抵抗が大きくなり、減衰力を大きくできる。さらに、コイル４への供給電流量を変更すると、通路Ｌ３を通過する磁気粘性流体の粘度を変えることができるので、上記磁気粘性流体の粘度を高くして減衰力を大きくしたり、反対に、上記磁気粘性流体の粘度を低くして減衰力を小さくしたりできる。

また、磁気粘性流体緩衝器Ｄの圧縮量が所定量以上となり、コイル４が肉厚変更部１ａに達すると、この肉厚変更部１ａでは磁力が強くなるので、この強い磁力の影響を受けて磁気粘性流体の粘度が高まり、磁気粘性流体が通路Ｌ３を通過する際の抵抗が大きくなる。このため、コイル４に流れる電流量が一定であっても、肉厚変更部１ａでは、他の部分１ｂと比較して、ピストン速度に対する減衰力変化、すなわち、減衰係数が大きくなる。つまり、磁気粘性流体緩衝器Ｄは、ピストン速度に依存した減衰力を発生するとともに、ピストン位置に依存した減衰力を発生できる。また、本実施の形態においては、肉厚変更部１ａがピストン３の可動範囲Ｍにおける圧縮側部分に設けられているので、圧縮作動の後半で減衰係数を大きくできる。

以下、本実施の形態に係る磁気粘性流体緩衝器Ｄの作用効果について説明する。

本実施の形態において、磁気粘性流体緩衝器Ｄは、アウターチューブ５とインナーチューブ６とからなるテレスコピック型のチューブ部材Ｔを備えており、当該チューブ部材Ｔにシリンダ１及びピストンロッド２が収容されている。

本実施の形態のように、フロントフォークの脚部Ｆを構成する緩衝器では、多くの場合、チューブ部材Ｔに緩衝器本体ｄ１を収容する。そして、従来の磁気粘性流体緩衝器のように、ピストン３００がリング３０２を備える場合、ピストン３００が大径化してシリンダ１００が大径化する。このため、従来の磁気粘性流体緩衝器を、そのまま緩衝器本体ｄ１としてチューブ部材Ｔに収容しようとすると、チューブ部材Ｔの径を大きくしなければならず、既存のチューブ部材Ｔを使用することができない。

そこで、本実施の形態のように、シリンダ１を磁性体にしてリング３０２を廃することで、シリンダ径を小さくできるので、既存のチューブ部材Ｔを利用することが可能となる。つまり、本実施の形態のように、チューブ部材Ｔに緩衝器本体ｄ１を収容する場合、シリンダ１を磁性体にしてリング３０２を廃し、シリンダ１とピストン３の間に通路Ｌ３を形成することが特に有効である。なお、このような、リング３０２を廃することによる小型化の効果は、チューブ部材Ｔを備える磁気粘性流体緩衝器Ｄであれ、他の磁気粘性流体緩衝器であれ、得ることができ、チューブ部材Ｔを廃するとしてもよい。

また、本実施の形態において、シリンダ１は、磁性体からなり、ピストン３の可動範囲Ｍの一部に他の部分１ｂと肉厚の異なる肉厚変更部１ａを備えている。また、通路Ｌ３は、ピストン３とシリンダ１との間に形成されており、コイル４は、上記ピストン３の外周に巻き回されている。

上記構成によれば、従来のリング３０２を廃することができるので、上記したようにシリンダ１を小径化し、延いては、磁気粘性流体緩衝器Ｄを小型化することが可能となる。

さらには、ピストン３の可動範囲Ｍの一部に他の部分１ｂと肉厚の異なる肉厚変更部１ａを備えているので、コイル４に流れる電流量を変えることなく、磁気粘性流体緩衝器Ｄがピストン速度と、ピストン位置に依存した減衰力を発生できる。このようにすることで、例えば、コイル４への供給電流量を使用者の手動操作で変更する場合であっても、ピストン位置に依存して減衰力を変化させることができる。なお、スカイフック制御等、任意の制御則に則りコイル４への供給電流量を変更する磁気粘性流体緩衝器に本発明が適用されるとしてもよい。

以上、本発明の好ましい実施の形態を詳細に説明したが、特許請求の範囲から逸脱することなく改造、変形及び変更を行うことができることは理解すべきである。

Ｄ 磁気粘性流体緩衝器
Ｌ１，Ｌ２ 部屋
Ｌ３ 通路
Ｍ ピストンの可動範囲
Ｔ チューブ部材
Ｚ 磁界
１ シリンダ
１ａ 肉厚変更部
１ｂ 他の部分
２ ピストンロッド
３ ピストン
４ コイル
５ アウターチューブ
６ インナーチューブ

Claims (4)

1. 筒状のシリンダと、このシリンダに出入りするピストンロッドと、このピストンロッドに保持されて上記シリンダ内を軸方向に移動する磁性体からなるピストンと、上記シリンダ内に形成されて上記ピストンで区画される二つの部屋と、これら二つの部屋に充填されて磁界の作用で粘度が変化する磁気粘性流体と、上記二つの部屋を連通する通路と、通電時に上記通路に磁界を発生させるコイルとを備える磁気粘性流体緩衝器において、
   上記シリンダは、磁性体からなり、上記ピストンの可動範囲の一部に他の部分と肉厚の異なる肉厚変更部を備ており、
   上記通路は、上記ピストンと上記シリンダとの間に形成されており、
   上記コイルは、上記ピストンの外周に巻き回されていることを特徴とする磁気粘性流体緩衝器。
2. 上記肉厚変更部は、上記可動範囲の圧縮側に配置されており、上記可動範囲の上記他の部分よりも肉厚が厚いことを特徴とする請求項１に記載の磁気粘性流体緩衝器。
3. 上記可動範囲において、上記他の部分に連なる上記肉厚変更部の一端に、テーパが設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁気粘性流体緩衝器。
4. アウターチューブとインナーチューブとからなるテレスコピック型のチューブ部材を備えており、当該チューブ部材に上記シリンダ及び上記ピストンロッドが収容されることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の磁気粘性流体緩衝器。

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