JP3616712B2 - 超音波モータ及び超音波モータ付電子機器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アナログ式時計等の駆動源として用いる超音波モータに係わり、特に、振動体の固定端から離反する方向の節部を弾性支持部材により支持するタイプの超音波モータおよび超音波モータ付電子機器の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、マイクロモータの分野では、圧電素子を駆動源として利用する超音波モータが注目されている。超音波モータには、平板矩形状の振動体を用いて、異なる共振モードを組み合わせる方式、円板状の振動体を用いて、９０゜位相の異なる２つの励振を組み合わせて進行波を生じさせる方式、振動体に定在波を生じさせる方式等が知られている。
【０００３】
図１４は、従来技術に係わる超音波モータの断面構造を示す。
この超音波モータは、所定の分極処理された圧電素子１１と、圧電素子１１に接合された振動体１２と、振動体１２に当接される移動体１５と、移動体１５を押圧するバネ部材２１１と、バネ部材２１１に当接する座金２１２と、座金２１２を介してバネ部材２１１を留めるストッパー２１３と、ストッパー２１３、移動体１２等を支持する中心軸１６と、中心軸１６を固定する固定台１７とからなる（特開昭６３−３０５７７０号公報参照）。
【０００４】
そして、圧電素子１１の圧電効果により振動体１２を振動させ、振動体１２に当接する移動体１５に摩擦力を加えて回転させる。ここで、移動体１５は、十分な摩擦力を加えるため、バネ部材２１１により十分に押圧する必要がある。
図１５は、他の従来技術に係わる超音波モータの斜視方向の構造を示す。
この超音波モータは、前記超音波モータと略同様の構成であるが、振動体１２の振動節を結んだ節円を３分割する３点を固定台１７上に設けた固定用の突起１７ａにより支持固定する点に特徴を有する（特開平２−１４２３６８号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者のように中心軸１６のみで振動体１２を支持すると、バネ部材２１１による押圧力を大きくしたとき、振動体１２は曲げモーメントにより撓んで反力を生じてしまい、不安定な振動を伴い、移動体１５との接触が不安定となる。
【０００６】
一方、後者の場合、振動体１２の撓みは防止されるものの、振動節は点であるため、突起１７ａは振動節の周辺まで及んで振動を抑制する。この傾向は、超音波モータを小型化すると、さらに助長される。
そこで、本発明は、以上の技術的課題を解決するためなされたものであって、その目的は、振動体を安定に振動させると共に、振動の抑制を防止する超音波モータおよび超音波モータ付電子機器を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
即ち、上記課題を解決する手段は、請求項１に記載するように、固定端から離反する方向へ前記固定端を含めて複数の節が現れる振動状態を生じると共に、前記振動状態の振幅方向へ押圧される振動体を備え、前記振動体の押圧に基づいて生じた摩擦力により駆動する超音波モータにおいて、
前記振動体の振動状態の節および節の近傍を含めた節部に、前記振動状態に合わせて弾性変形するとともに、前記振動体を押圧力に抗して支持する弾性支持部材を備えたことを特徴とする。
【０００８】
これによれば、振動体に押圧力が加えられて曲げモーメントが生じたとき、弾性支持部材は押圧力に抗する力を加えてこの曲げモーメントを緩和し、振動体の原形状を維持する。また、節部の節以外の部位では、振動体の振動状態の振幅方向の変位に合わせて弾性変形する。
したがって、振動体は撓んで反力を生じることもないので安定な振動を行い、振動体の振動は抑制されない。
【０００９】
以上の手段にあって、節近傍とは、振動体の振動状態の振幅方向の変位に対して、弾性支持部材が追従して弾性変形可能な範囲をいう。
弾性支持部材は、単数もしくは複数箇所に設ける場合、連続する節に沿って帯状に設ける場合のいずれも含まれる。また、振動体を安定に支持する観点から、３箇所以上に設ける方が好ましい。
【００１０】
また、弾性支持部材は、振動体の節部のうち、節および節近傍を支持する場合、節の近傍のみを支持する場合、若しくは節の周囲を環状に支持する場合の何れも含まれる。弾性支持部材の形状は、振動体を弾性変形して支持する形状であれば、円柱状、角柱状、円筒状、コイル状、板ばね状のその他何れの形状も含まれ、その材質は、材質的に弾性変形するゴム、ウレタン、また、構造的に弾性を有するコイルばね、板ばねも含まれる。
【００１１】
また、振動状態には、固定端に対して平行な方向に定在波方式、若しくは進行波方式の何れも含まれる。
また、上記手段にあって、請求項２に記載するように、前記振動体の振動状態の節部のうち、前記振動体が押圧された部位に対して最も近接する節部に前記弾性支持部材を備えた方が好ましい。
【００１２】
これによれば、振動体に対して弾性支持部材の支持する節部と押圧される部位の距離は最小となり、振動体に生じる曲げモーメントも最小になる。
ここで、弾性支持部材の支持する節部は、振動体に曲げモーメントを生じさせない観点から、前記振動体を押圧する部位と一致する方が望ましい。また、固定端と弾性支持部材間の振動体の曲げモーメントを緩和する観点から、固定端との間に振動体が押圧された部位を配置する方が望ましい。
【００１３】
また、上記手段にあって、請求項３に記載するように、前記振動体の振動状態の節部のうち、前記振動体の固定端の節部に前記弾性支持部材を備えた方が好ましい。
これによれば、弾性支持部材は、振動体の固定端を補強し、振動体はさらに撓みにくくなり、原形状を保つ。
【００１４】
また、上記手段にあって、請求項４に記載するように、前記摩擦力に基づいて前記振動体の可動が防止される可動止部材を備えた方が好ましい。
これによれば、振動体が摩擦力の反作用として可動力を得ても、可動止部材は振動体に可動力と等しい抗力を加える。したがって、振動体は可動することなく、安定した振動を行う。
【００１５】
ここで、可動止部材は、振動体と別個に設ける場合、若しくは、振動体と一体に設ける場合の何れも含まれる。
また、請求項５に記載するように、超音波モータ付電子機器は請求項１〜請求項４のいずれかに記載の超音波モータを備える。
これによれば、該超音波モータを駆動源とした超音波モータ付電子機器が実現される。ここで、電子機器には電子時計、計測器、カメラ、プリンタ等の超音波モータの適用可能な機器を全て含む。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図１３を参照して本発明を適用した実施の形態を詳細に説明する。
｛実施の形態１｝
図１は、本発明を超音波モータに適用した実施の形態１の断面構造を示す。
【００１７】
本超音波モータは、図１（ａ）に示すように、圧電素子１１と、圧電素子１１の表面に接合された振動体１２と、振動体１２の上面に設けられた振動拡大用の突起１３と、突起１３の上面に設けられた摺動板１４と、摺動板１４に当接するロータ体１５と、ロータ体１５および振動体１２の中心を貫く中心軸１６と、中心軸１６を固定する支持板１７と、支持板１７と振動体１２の間に設けられた弾性支持部材１８ａ、１８ｂとを備える。
【００１８】
また、中心軸１６の上部には加圧機構２１を設け、中心軸１６の上端には加圧機構２１を圧接する止具２２を設け、中心軸１６とロータ体１５の間にはベアリング２３を設けている。
図２は、本超音波モータの圧電素子１１の平面構造を示し、（ａ）は進行波方式を、（ｂ）は定在波方式を示す。
【００１９】
ここで、圧電素子１１は、同図（ａ）に示すように、略円板状であり、周方向に１２等分に分割され、各々の分割部ａ１…ａ６、ｂ１…ｂ６は略扇形状である。
圧電素子１１の表面と裏面には、分割部ａ１…ａ６、ｂ１…ｂ６に対応した略扇形状の電極パターンを形成し、一方の分割部ａ１…ａ６に対応した電極パターンは第１リード線（図示省略）に結線し、他方の分割部ｂ１…ｂ６に対応した電極パターンは、第２リード線（図示省略）に結線している。
【００２０】
また、隣接する分割部（ａ１とｂ１、ａ２とｂ２、…ａ６とｂ６）は、一組として同方向に分極処理され、かつ、隣接する一組の分割部同士は相互に分極方向が逆転するように処理されている。
図中（＋）もしくは（−）とあるのは、分極の方向を示したものである。（＋）は、圧電素子１１の下面から圧電素子１１と振動体１２の接合面に向かって電極パターンに正の電界を印加して分局処理を施し、（−）は負の電界を印加して分極所理を施したことを示す。
【００２１】
そして、一方の分割部ａ１…ａ６と他方の分割部ｂ１…ｂ６の位相を９０゜ずらして励振させ、振動体の周方向に進行波を発生させる。
一方、定在波方式を用いる場合、同図（ｂ）に示すように、突起１３を一組の分割部（ａ１とｂ１、ａ２とｂ２、…ａ６とｂ６）の境界に配置する。そして、正方向の駆動力を得たいときは、一方の分割部ａ１…ａ６を励振させて振動体１２に定在波を発生させ、また、逆方向の駆動力を得たいときは、他方の分割部ｂ１…ｂ６を励振させ、振動体１２に前記定在波と９０゜位相の異なる定在波を発生させる。
【００２２】
図３は、振動体１２および突起１３の斜視方向の構造を示し、図４は、振動体１３下部の平面構造および弾性支持部材１８ａ、１８ｂの構造を示す。
振動体１２は、圧電素子１１に対応した円板状の円板部と、中心部から下方へ突出する可動止部材としての突出部１２ａからなり、その材質は、例えばアルミ合金、ステンレス、黄銅等の弾性材料からなる。
【００２３】
突出部１２ａは、図４に示すように、中心軸１６を貫通させる略円筒状であり、その先端の一部は円弧の２点を直線に結んで切削し、切欠としている。一方、支持板１７には、突出部１２ａの先端の断面形状に対応した溝を成形し、突出部１２ａの先端が中心軸１６の基端部１６ａに当接するまで押し込み、これにより振動体１２の回転を防止する。そして、振動体１２は以下の様な振動状態を生じる。
【００２４】
図５は、本超音波モータの振動体１２の振動状態を示し、同図（ａ）は断面方向の振動状態、同図（ｂ）は平面方向の振動状態を示す。
本実施の形態において、振動体１２は、同図（ａ）に示すように、本発明の固定端としての中心軸１６に対して軸方向に移動可能となるとともに軸と垂直方向には移動不可とする固定部１２ｂ（以下、固定端という。）、および固定端１２ｂから径方向へ離反する部位１２ｃに節を有する２次の振動状態Ａを生じる。ここで、径方向へ離反する部位１２ｃの節を周方向へつなげると、同図（ｂ）に示すように、振動体１２の中心を環状に取り囲む節円Ｂを形成している。
【００２５】
一方、図６は、振動体の比較の振動状態を示し、同図（ａ）は断面方向の振動状態を、同図（ｂ）は平面方向の振動状態を示す。
この振動体１２に１次の振動状態Ｃを生じた場合、同図（ａ）に示すように、径方向へ固定端１２ｂのみに節を生じ、同図（ｂ）に示すように、径方向に節円は生じない。
【００２６】
突起１３は、図３、４に示すように、振動体１２の周方向へ環状に配置され、各々は同一の高さの角柱状である。そして、振動体１２の振動変位を拡大してロータ体１５に伝達する一方、振動体１２へ押圧力を伝達する。
弾性支持部材１８ａ、１８ｂのうち、一方の弾性支持部材１８ａは、図４に示すように、振動体１２の節円Ｂに沿って周方向へ環状に設けられる一方、径方向へは、固定端１２ｂとの間に突起１３を配置させている。これは、固定端１２ｂと弾性支持部材１８ａ間の振動体１２の曲げモーメントを緩和するためである。
【００２７】
他方の弾性支持部材１８ｂは、振動体１２の固定端１２ｂの周りを環状に設けられている。これは、振動体１２の固定端１２ｂを補強し、振動体１２ｂをさらに撓みにくくするためである。
弾性支持部材１８ａ、１８ｂは、帯状であり、その材質は例えばゴム、ウレタン等の振動体１２より柔らかいものからなり、振動体１２の振動変位に合わせて弾性変形する。一方、振動体１２より硬い材質は、振動変位に合わせて変形しないので、振動を抑制してしまう。
【００２８】
なお、本実施の形態の弾性支持部材１８ａ、１８ｂは振動状態の節およびその近傍を支持するが、節の近傍のみを支持してもよい。
摺動板１４は、図１に示すように、板状のエンジニアリングプラスチック製であり、ロータ体１５に当接して、適度な摩擦力を発生させる他、突起１３の摩耗を防止する。
【００２９】
加圧機構２１は、例えばコイルばねからなり、ロータ体１５を摺動板１４、突起１３を介して振動体１２の振幅方向に押圧する。そして、摺動板１４とロータ体１５との間に摩擦力を生じさせる。
次に、図１〜図５に基づいて、本実施の形態に係わる超音波モータの動作について説明する。
【００３０】
先ず、図２（ａ）に示すように、圧電素子１１の分割部ａ１、…ａ６と分割部ｂ１、…ｂ６を位相９０゜異ならせて同時に励振させる。振動体１２上には、周方向に進行波が発生し、径方向に、図５（ａ）に示すように、節が２箇所１２ｂ、１２ｃに生じる。
このとき、弾性支持部材１８ａ、１８ｂは、支持する節部の節以外の部位で、振動体１２の振動変位に合わせて弾性変形するので、振動体１２の振動は抑制されない。
【００３１】
突起１３は、図１に示すように、振動体１２の振動を拡大して伝達し、摺動板１４はロータ体１５の下面を摺動する。加圧機構２１は、ロータ体１５を押圧し、ロータ体１５と摺動板１４間に適度な摩擦力を発生させる。ここで、この押圧力は、突起１３を介して振動体１２に加えられ、振動体１２に下方向への曲げモーメントを発生する。
【００３２】
このとき、弾性支持部材１８ａ、１８ｂは押圧力に抗する力を加えて曲げモーメントを緩和する。特に、一方の弾性支持部材１８ａは、他方の弾性支持部材１８ｂに比べて突起１３から近いので、曲げモーメントを大きく減少させる。また、他方の弾性支持部材１８ｂは、固定端１２ｂを補強する。
また、突出部１２ａは、振動体１２が摩擦力の反作用として回転力を得ても、振動体１２に回転力と等しい抗力を加えるので、振動体１２は回転することもない。
【００３３】
そして、ロータ体１５は中心軸１６の回りを、安定に回転運動する。
以上より、本実施の形態によれば、振動体１２に加えられた曲げモーメントを緩和し、振動体１２の原形状を維持するようにしたので、振動体１２は撓んで反力を生じることもなく、安定な振動を行う。また、振動体１２の振動状態の振幅に合わせて弾性変形するようにしたので、振動体１２の振動は抑制されない。
【００３４】
弾性支持部材１８ａによれば、特に曲げモーメントを緩和するようにしたので、振動体１２の原形状は保たれる。
弾性支持部材１８ｂによれば、振動体１２の固定端を補強するようにしたので、振動体はさらに撓みにくくなり、原形状は保たれる。
突出部１２ａによれば、振動体１２に摩擦力の反作用に等しい抗力を加えるようにしたので、振動体１２は回転することなく、安定した振動を行う。
｛実施の形態２｝
図７は、本発明を超音波モータに適用した実施の形態２の断面構造を示し、図８は、振動体下部の平面構造および弾性支持部材の構造を示す。
【００３５】
本実施の形態は、実施の形態１と略同様の構成であり、以下共通の構成については、説明を省略する。
本実施形態の特徴は、振動体１２の節円Ｂを３等分に分割する点に円柱状の弾性支持部材１８ｃを配置した点、および振動体１２の突出部１２ａ先端と中心軸１６の基端部１６ａの間に間隙１９を設けた点である。
【００３６】
ここで、弾性支持部材１８ｃを３箇所に配置したのは、振動体１２を面として支持する最小数だからである。この態様においても、実施の形態１と同様の効果が得られる。なお、弾性支持部材１８ｃは、２箇所以上であれば特に限定されない。
また、上記間隙１９を設けることにより、弾性支持部材１８ｃは常に振動体１２に当接される。したがって、弾性支持部材１８ｃは、振動体１２との間に隙間をが生じて機能を失うこともない。
｛実施の形態３｝
図９は、本発明を超音波モータに適用した実施の形態３の断面構造を示し、図１０は、振動体下部の平面構造および弾性支持部材１８ａの構造を示す。
【００３７】
本実施の形態は、実施の形態１と略同様の構成であり、図１０に示すように、振動体１２の突出部１２先端の内周面の一部に断面矩形状の凹部１２ｄを形成し、一方、中心軸１６の一部に断面矩形状の凸部１６ｂを形成し、両者１２ｄ、１６ｂを嵌合して振動体１２の回転止とした点に特徴を有する。
また、図１０に示すように、弾性支持部材１８ａは振動体１２の節円Ｂの位置にのみに設けているが、この配置でも曲げモーメントに対して実施の形態１と同程度の効果が得られる。
｛実施の形態４｝
図１１は、本発明を超音波モータに適用した実施の形態４の断面構造を示し、図１２は、振動体下部の平面構造および弾性支持部材の構造を示す。
【００３８】
本実施の形態は、実施の形態１と略同様の構成であり、振動体１２中心部に振動体１２と別個に本発明の可動止部材としての回転止部材２４を設けた点に特徴を有する。
ここで、回転止部材２４は、実施の形態１の振動体１２の突出部１２ａと同形状であり、その材質は、例えば、金属、プラスチックからなるが、振動体１２と異なる材質が望ましい。
｛実施の形態５｝
図１３は、本発明を超音波モータ付電子機器に適用した実施の形態５のブロック図を示す。
【００３９】
本電子機器は、前述の振動体１２と、振動体１２により移動される移動体１５と、移動体１５と振動体１２に押圧力を加える加圧機構２１と、移動体１１と連動して可動する伝達機構３１と、伝達機構３１の動作に基づいて運動する出力機構３２を備えることにより実現する。
ここで、伝達機構３１には、例えば、歯車、摩擦車等の伝達車を用いる。出力機構３２には、例えば、カメラにおいてはシャッタ駆動機構、レンズ駆動機構を、電子時計においては指針駆動機構、カレンダ駆動機構を、工作機械においては刃具送り機構、加工部材送り機構等を用いる。
【００４０】
本実施の形態に係わる超音波モータ付電子機器としては、例えば、電子時計、計測器、カメラ、プリンタ、印刷機、工作機械、ロボット、移動装置などにおいて実現される。
また、移動体１５に出力軸を取り付け、出力軸からトルクを伝達するための動力伝達機構を有する構成にすれば、超音波モータ自体で駆動機構が実現される。
【００４１】
【発明の効果】
以上より、請求項１記載の発明によれば、振動体に加えられた曲げモーメントを緩和し、振動体の原形状を維持するようにしたので、振動体は撓んで反力を生じることもなく、安定な振動を行う。また、振動体の振動状態の振幅に合わせて弾性変形するようにしたので、振動体の振動は抑制されない。
【００４２】
請求項２記載の発明によれば、振動体に生じる曲げモーメントを最小にして、振動体の原形状を維持する。
請求項３記載の発明によれば、振動体の固定端を補強するようにしたので、振動体はさらに撓みにくくなり、原形状を保つ。
請求項４記載の発明によれば、振動体に可動力と等しい抗力を加えるようにしたので、振動体は可動することなく、安定した振動を行う。
【００４３】
請求項５記載の発明によれば、本発明の超音波モータを備えた超音波モータ付電子機器が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を超音波モータに適用した実施の形態１の断面構造を示す説明図である。
【図２】図１に係わる圧電素子の平面構造を示し、（ａ）は進行波方式の圧電素子電極パターンを、（ｂ）は定在波方式の圧電素子電極パターンと振動体突起との位置関係を示す説明図である。
【図３】図１に係わる振動体および突起の斜視方向の構造を構造を示す説明図である。
【図４】図１に係わる振動体下部の平面構造および弾性支持部材の構造を示す説明図である。
【図５】図１に係わる本超音波モータの振動体の振動状態を示し、同図（ａ）は断面方向の振動状態、同図（ｂ）は平面方向の振動状態を示す説明図である。
【図６】振動体の比較の振動状態を示し、同図（ａ）は断面方向の振動状態を、同図（ｂ）は平面方向の振動状態を示す説明図である。
【図７】本発明を超音波モータに適用した実施の形態２の断面構造を示す説明図である。
【図８】図７に係わる振動体下部の平面構造および弾性支持部材の構造を示す説明図である。
【図９】本発明を超音波モータに適用した実施の形態３の断面構造を示す説明図である。
【図１０】図９に係わる振動体下部の平面構造および弾性支持部材の構造を示す説明図である。
【図１１】本発明を超音波モータに適用した実施の形態４の断面構造を示す説明図である。
【図１２】図１１に係わる振動体下部の平面構造および弾性支持部材の構造を示す説明図である。
【図１３】本発明を適用した超音波モータを電子機器に適用した実施の形態５のブロック図を示す。
【図１４】従来技術に係わる超音波モータの断面構造を示す説明図である。
【図１５】従来技術に係わる超音波モータの斜視方向の構造を示す説明図である。
【符号の説明】
１１ 圧電素子
１２ 振動体
１３ 突起
１４ 摺動板
１５ ロータ体
１６ 中心軸
１７ 支持板
１８ 弾性支持部材
２１ 加圧機構
２２ 止ねじ
２３ ベアリング
２４ 回転止部材
３１ 伝達機構
３２ 出力機構

Claims (9)

1. 振動体の厚み方向にのみ移動可能とし、厚み方向と垂直となる径方向には振動体を移動不可とする固定端から離反する方向へ前記固定端を含めて複数の節が現れる振動状態を生じる振動体と、
   前記振動体の振動により駆動される移動体と、
   前記移動体に押圧力を与え、前記振動体と前記移動体の間に摩擦力を生じさせる加圧機構と、を備えた超音波モータにおいて、
   前記振動体の振動状態の節および節の近傍を含めた部分に、前記振動状態に合わせて弾性変形するとともに、前記振動体を前記押圧力に抗して支持する弾性支持部材と、
   前記摩擦力に基づいて前記振動体が可動されることを防止する可動止部材と、を備え、
   前記可動止部材は、
   前記振動体の前記円筒部に設けられた切り欠きと、
   前記切り欠きに対応するように前記支持板に設けられた溝と、
   前記円筒部と前記溝の間に設けられた間隙と、から構成されることを特徴とする超音波モータ。
2. 前記振動体の振動状態の節部のうち、前記振動体が押圧された部位に対して最も近接する節部に前記弾性支持部材を備えたことを特徴とする請求項１記載の超音波モータ。
3. 前記振動体の振動状態の節部のうち、前記振動体の固定端の節部に前記弾性支持部材を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波モータ。
4. 支持板と、
   前記支持板に固定された中心軸と、
   前記中心軸が貫通する円筒部を有する円板状の振動体と、
   前記振動体の振動により駆動される移動体と、
   前記中心軸の上部に設けられ、前記移動体に押圧力を与えることで、前記振動体と移動体の間に摩擦力を生じさせる加圧機構と、
   前記支持板と前記振動体間の前記振動体の振動の節および節の近傍を含めた部分に設けられ、前記振動状態に合わせて弾性変形するとともに、前記振動体を前記押圧力に抗して支持する弾性支持部材と、
   前記振動体の回転を防止し、中心軸の軸方向にのみ移動可能とする回転止め部材と、を備えた超音波モータにおいて、
   前記回転止め部材は、
   前記振動体の前記円筒部に設けられた切り欠きと、
   前記切り欠きに対応するように前記支持板に設けられた溝と、
   前記円筒部と前記溝の間に設けられた間隙と、から構成されることを特徴とする超音波モータ。
5. 前記支持板と前記振動体間の前記振動体の円筒部の周りに設けられた環状の第二弾性支持部材を有することを特徴とする請求項４記載の超音波モータ。
6. 前記弾性支持部材又は第二弾性支持部材は、環状であることを特徴とする請求項５記載の超音波モータ。
7. 前記第一弾性支持部材は円柱状であり、前記節円を複数等分に分割する点に設けられていることを特徴とする請求項４又は５記載の超音波モータ。
8. 前記振動体の円筒部と前記中心軸のいずれかに凹部が、他方に凸部が形成されており、前記凹部と凸部とを嵌合することで、前記振動体の回転を防止することを特徴とする請求項４から７のいずれかに記載の超音波モータ。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の超音波モータを備えたことを特徴とする超音波モータ付き電子機器。

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