JP4137644B2 - 機械装置のためのリニアモータ駆動ユニット - Google Patents

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Description

関連出願
本出願は、2001年4月12日に出願されたドイツ特許出願 101 18 420.4を優先権主張の基礎としている。このドイツ特許出願の開示内容は、本出願の対象としてここに引照を以って繰り込まれるものとする。
本発明は、とりわけプラスチック及びその他の可塑性物質を処理するための射出成形機等の機械装置の駆動ユニットに関し、特に請求項1の上位概念(前置部)に応じた駆動ユニットに関する。即ち、本発明は、共通の推進方向に対し互いに平行に配列されると共に、共に運動するために同様に作用する(gleichwirkend)要素が互いに結合される複数のリニアモータを備える、とりわけプラスチック及びその他の可塑性物質を処理するための射出成形機等の機械装置の駆動ユニットであって、該リニアモータが、推進方向に、磁石要素と、該磁石要素と作用結合するコイル要素とを有すると共に、該リニアモータには、少なくとも1つの電力供給装置が配される形式の駆動ユニットに関する。
ドイツ特許公開DE 199 20 626 A1から、複数のリニアモータが駆動ユニットに入れ子式に組み込まれている駆動ユニットが既知である。リニアモータは円筒状であり、可動子(ないしスライダ:Laeufer)の円筒面には磁石が配設され、ステータの円筒面(ないし円柱周面)には、ステータ巻線が配設されている。同等に機能する複数の円筒面は、互いに結合され、かつ一緒に駆動される。
複数の研究の結果、複数のリニアモータを入れ子式に組み込んで1つの駆動ユニットを形成することにより、構造を小型化しつつ出力を大きくすることができるものの、作動時に、駆動ユニットに正弦曲線状の力推移が生じるということが示された。正弦曲線状の力推移は、リニアモータの可動子に列をなして配設された磁石要素(複数)に基づいて引き起こされ、磁石要素(複数)の長さにほぼ相当する波長を有する。ドイツ特許公開DE 100 20 338 A1には、この効果を除去するために、複数のリニアモータを並行して駆動する際、当該リニアモータの電気モータ角(Elektromotorwinkel)をステップ状にずらす、ということが既に提案されている。しかしながら、力推移における変動は、製造公差によっても摩擦(磨耗)によっても引き起こされうる。
ドイツ特許公開DE 197 29 976 A1には、直進運動の際に、磁極と電流が流れているコイルの導体との間の結合(カップリング)は、当該2つの部分の互いに対する、即ち例えば当該2つの部分の運動の際の、幾何学的位置に依存して一定ではない、ということが既に確認されている。このため、生じる推進力は、被動部分の場所ないし位置に依存して最早一定ではなくなる。研究の結果、力推移の変動は40%に達することが示されている。
この問題を解決するために、ドイツ特許公開DE 197 29 976 A1には、磁石要素の磁極エッジ(輪郭)を傾斜させて(平行四辺形状に)形成したり、複数の矩形状の小磁石(を一組としこれ)を可動子表面に沿って(階段状に)互いにずらして配列する、ということが既に提案されている。
米国特許US 5,973,459 Aでは、リニアモータの推移位置に応じた目標力推移が、リニアモータに予め与えられる。尤も、これは、磁場の推移が定式的に(formelmaessig)既知であることを出発点(前提)としている。しかし、力検出手段は開示されていない。
射出成形機に使用するためのリニアモータは、欧州特許公開EP 0 280 743 A1でも提案されているが、この出願は、その第4図〜第7図において、複数の異なる相の切換(導通)の際にリニアモータの運動が引き起こされる、ということについてしか検討していない。
ドイツ特許公開DE 199 20 626 A1 ドイツ特許公開DE 100 20 338 A1 ドイツ特許公開DE 197 29 976 A1 米国特許US 5,973,459 A 欧州特許公開EP 0 280 743 A1
それゆえ、本発明の課題は、上記従来技術を出発点とし、リニアモータを使用する場合に平滑な力推移を示す、機械装置の駆動ユニットを提供することである。
上記の課題は、請求項1の特徴部に記載の特徴を有する機械装置の駆動ユニットにより解決される。即ち、本発明は少なくとも組立ないし作動開始の際に前記リニアモータの推移位置に依存する力を検出するための力検出手段が配設されること、及び作動状態において、前記リニアモータの推移位置に依存して前記力検出手段によって検出される力に依存して、前記電力供給装置から該リニアモータヘ供給される電力を目標推移に適合するよう制御する制御装置を有することを特徴とする(形態1・基本構成)
即ち、この駆動ユニットは、少なくとも組立(Montage)ないし作動開始の際に前記リニアモータの推移位置に依存する力を検出するための力検出手段(力センサ)が配設されること、及び作動状態において、前記リニアモータの推移位置に依存して前記力検出手段によって検出される力に依存して、前記電力供給装置から該リニアモータヘ供給される電力を目標推移(Sollverlauf)に適合するよう制御する制御装置を有することを特徴とする。
この構成によって、位置に依存する推進力の差違(変動)が制御技術的に補償される。リニアモータの各自の電力制御が電力供給装置を介して行なわれることによって、力推移はリニアモータの進路に亘って制御される。この場合、少なくとも組立の際、好ましくはリニアモータの駆動時に、力推移は力検出手段によって検出される。そのようにして得られた結果は、作動状態において、電力供給装置の電力の制御ないし調節のために利用されるため、所望の力推移が得られる。これによって、境界条件及び製造公差に依存しないで力推移を平滑化することができる「学習」システムが得られる。
制御技術的方策を、互いに平行に接続されるリニアモータ、即ち共に駆動ユニットを構成する異なる複数のリニアモータの磁石要素及び/又はコイル要素を互いにずれが生じる(偏位する)ように配列する請求項2の機械的方策と組み合わせることも可能である。これによって、異なる複数のリニアモータの力推移(力経過曲線)を重ね合わせて、十分に一様な力推移を生成することができる。
力推移の更なる平滑化は、請求項10及び11に応じ、磁石をリニアモータの円筒面(ないし円柱周面)の周に沿って階段状にずれを生じさせることによって、場合により互いに独立に、即ち例えば異なる階段の段を構成するようずれを生じさせることによって達成することができる。
なお、以下に、本発明の好ましい実施の形態を示す:
(形態1) 上記基本構成参照。
(形態2) 上記の駆動ユニットにおいて、前記磁石要素は、推進方向に関し、極性を交互に替えて配列されること、及び
前記磁石要素と前記コイル要素は、互いに対向する面にそれぞれ配設されると共に、少なくとも1つの前記リニアモータの磁石要素及び/又はコイル要素は、推進方向に関し、少なくとも1つの他の前記リニアモータの磁石要素及び/又はコイル要素に対しずれをなして配設されることが好ましい。
(形態3) 上記の駆動ユニットにおいて、前記リニアモータには、それぞれ、各別の電力供給装置が配されることが好ましい。
(形態4) 上記の駆動ユニットにおいて、前記リニアモータは、推進方向に対し平行に配列される共通の作用軸線に対し対称的に配設されることが好ましい。
(形態5) 上記の駆動ユニットにおいて、前記リニアモータは、互いに同心に配設されることが好ましい。
(形態6) 上記の駆動ユニットにおいて、前記リニアモータは、円筒状に構成されると共に、テレスコピックな入れ子状に構成されることが好ましい。
(形態7) 上記の駆動ユニットにおいて、2つのリニアモータを有する駆動ユニットを構成するためにステータとして構成されるコイル巻枠の円周面ないし円筒面に配されるコイル要素と一緒に作用する磁石要素がその2つの円筒面ないし円周面に配設される磁石支持体として構成される中空円筒状スライダを備えることが好ましい。
(形態8) 上記の駆動ユニットにおいて、内側に配設されるリニアモータの磁石要素及び/又はコイル要素が、外側に配設されるリニアモータの磁石要素及び/又はコイル要素に対し軸線方向にずれをなして配設されることが好ましい。
(形態9) 上記の駆動ユニットにおいて、
前記ずれvは、
v=a/(p×2)
で表されること
ここに、
p=モータの相の数
a=p個の相を有するコイルパケットの長さ
であることが好ましい。
(形態10) 上記の駆動ユニットにおいて、少なくとも1つのリニアモータの磁石要素は、該リニアモータの周に関して階段状にずれを生じるように配設されることが好ましい。
(形態11) 上記の駆動ユニットにおいて、前記リニアモータの各々における階段状のずれは、互いに独立に構成されることが好ましい。
(形態12) 上記の駆動ユニットにおいて、前記リニアモータの各々の磁石要素の長さbと、該リニアモータの各々のコイル要素の該磁石要素に適合されたパケットの長さaは、互いに独立に構成されることが好ましい。
(形態13) 上記の駆動ユニットにおいて、前記コイル要素は、推進方向に対し傾斜するよう、前記リニアモータの円周面ないし円筒面に楕円状に配設されることが好ましい。
以下に、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。尤も、以下の各実施例は、単なる例であって、本発明の技術的思想を特定の態様に限定するものと考えてはならない。
図1は、複数の駆動ユニットDを有する、プラスチック及び例えばセラミックス又は粉体等のその他の可塑性物質のための射出成形機の側面図である。尤も、以下に記載する駆動ユニットは、直進的駆動を利用できる他のどのような機械装置でも使用することができる。しかしながら、この実施例では、射出成形機に関して以下に詳細に説明する。
この種のプラスチック射出成形機は、何れも装置台13上に配設される射出ユニットS並びに型締ユニットFを有する。定置式型支持部材10と駆動ユニットDによって駆動される可動式型支持部材11との間には、型締ユニットFによって周期的に動かされる射出成形型Mを受容することができる。型を締めるための駆動ユニットDは、案内部材12を介して定置式型支持部材10と結合し、案内部材12は、通常、同時に可動式型支持部材11に対しても案内部材として利用される。駆動ユニットDが作動する際、可動式型支持部材11は、付加的に案内要素(複数)14にも案内される。
射出成形型Mが締められると、射出ユニットSは、可塑化シリンダ16内で可塑化された材料を射出成形型Mの型内部空間へ注入(射出)する。可塑化シリンダ16は、注入支持橋(ブリッジ部材)17に受容される。射出(ユニット)側の駆動ユニットDによって、注入運動及び復動運動、即ち可塑化シリンダ16内に受容される送給(フィード)スクリュウ(不図示)の軸線方向運動が行なわれる。その際、この駆動ユニットDには、案内要素(複数)15が貫入している。しかしながら、駆動ユニットDは、型締(ユニット)側においても、(成形品)取出装置の領域で用いることができる。
原理的には、この種の駆動ユニットDは、大きな力で正確に目的通りに直進運動を行なわなければならないような場合に有利に使用することができる。このことは、冒頭で述べた通り、原理的には、射出成形機の範囲外の装置にも妥当する。
駆動ユニットDは、図2のように、エンドプレート28で閉鎖されるハウジング18内に配設される。駆動ユニットDを案内するために、ハウジングには案内要素15が貫入している。図2に示した軸線方向のスクリュウ走行運動のための駆動ユニットを用いて、以下に実施例の1つについて説明する。
以下の各実施例において共通なことは、共通の推進方向に互いに並列に配設されると共に共通の運動のために同様に作用する複数の要素が互いに結合される複数のリニアモータL1、L2を基本的に備える、ということである。上記の実施例では、複数のリニアモータが、円筒状かつ互いに同心的に配設されるため、図3、図4のように入れ子式に配設することができるが、本発明の原理上は、複数のリニアモータが互いに並列(平行)に配設され、共通の運動のために互いに結合されるということだけで、基本的には十分である。
図4に、ドイツ特許公開DE 199 20 626 A1から既知のリニアモータを示す。2つのリニアモータL1、L2は、それぞれ、推進方向a−aに列をなして並べられる磁石要素23、24と、該磁石要素23、24と作用結合(機能的に結合)するコイル要素26、27とを、互いに対向し合うが互いに協働して作用する面に有する。磁石要素23、24の長さbと、複数のコイル要素から構成されるパケット(セット)の長さaは、同じであることが好ましい。1つのパケットのまとめられるコイルの数は、モータを駆動するための相の数に依存する。作動の際には、各相に配属されるコイル要素は順次接続(導通)されて、誘導磁場が生成する。このため、磁石要素23、24は、交替的に吸引又は反発を行ない、以ってリニアモータL1、L2ないし駆動ユニットDの所望の運動を引き起こす。当該運動の間、駆動ユニットの各部は、案内要素15によって案内される。このため、構造を小型化することができる一方、モータの各部を精密に入れ子式(ないしテレスコピック)にガイドすることができる。
図4の通り、従来技術では、この場合2つのリニアモータの磁石要素23、24もコイル要素26、27も互いに合同的に配設される。このような構造は、直進運動する際、一方での磁極と他方でのコイル要素との間の結合が、当該2つの要素の幾何学的位置に依存して一定ではないという点で不利である。このため、図8に示すように、推進力に周期的な変動が生じる。リニアモータL1、L2がそれぞれ有する力の変動はΔFL1、ΔFL2とそれ自体は小さなものに過ぎないが、その合同性のため、これらの変動は強め合い、ΔFL1,2が生じる。
寸法a(=コイルパケットの長さ)と寸法b(=磁石要素の長さ)との間には、通常、整数の比率が成立することが、一般的に妥当する。その際、磁石(要素)の長さbは、少なくともコイル要素26、27の1つのパケットによって覆われる(カバーされる)べきである。長さaとbが同一のとき最適な結果が得られるが、必要とあれば、磁石要素23、24の長さbをコイル要素26、27のパケットの長さの整数倍とすることも可能である。
推進力の位置に依存する差違を補償するために、それぞれ別のリニアモータL1、L2に属する磁石要素23、24(図5の場合)又はコイル要素26、27(図6の場合)を互いに推進方向a−aに沿ってずれをもって配設する。しかしながら、原理的には、同一の駆動ユニットの磁石要素23、24もコイル要素26、27も互いにずれをもって配設することも可能である。ずれ(の大きさ)vは、以下の式
v=a/(p×2)
で表すことができる。ここに、
p=モータの相の数
a=p個の相を有するコイルパケットの長さ
である。
上式により、3相モータの場合、図5ないし図6の通り、ずれ(の大きさ)はa/6となり、2相モータの場合は、ずれ(の大きさ)はa/4となり、これによって、可能な限り良好な(力推移の)平滑性が得られる。このような構成により、図9のような力推移が得られる。経路sに沿った力推移の差違(変動)、即ちFL1とFL2は、位相がずらされることにより、図9の一番上のグラフで示されるような平滑化された力推移が得られる。
磁石要素23、24及び/又はコイル要素26、27が図5、図6のように互いにずらされるような機械的方策の代わりに、場合によってはこの機械的方策に加えて補充的に、相応の電力供給装置42、43を介して力推移を平滑化することを制御技術的に行なうことも可能である。この目的のために、力検出手段(力センサ)40、制御装置41、及び少なくとも1つの電力供給装置42、43を有する制御システムを図5に模式的に示した。これにより、経路(位置)に応じて検出される力に依存して、リニアモータの力は、リニアモータのステータに対するスライダの推移位置に応じて、目標推移(値)に制御ないし調節される。これは、共通の力推移を生成する1つの電力供給装置を介して行うことができるが、有利には、リニアモータL1、L2の各々に、それぞれ1つの電力供給装置42、43を配属することにより当該制御を改善することができる。この場合、電力供給装置42、43は、互いに独立的に、電力(供給)を制御することができる。従って、2つのリニアモータの推移の単純な総和によって作動するのではなく、その代わりに、一方のモータが最低点(Tiefpunkt)にあるとき、その瞬間に他方のモータがその最高点(Hochpunkt)にある場合であっても、当該一方のモータは強められて駆動される。
上記制御ないし調節は、原理的には、リニアモータを組み立てた後に一度だけ行なえば十分である。というのは、各磁石要素の位置は最早変化せず、従って推進力の変動も既知となるからである。この場合、リニアモータの各々に供給される電力の一旦検出された推移が、その後の使用のために確定され、駆動ユニット(リニアモータ)は、これに応じて制御されて駆動される。しかしながら、目標推移を常時制御することにも意義はある。というのは、外側(外部)の境界条件によっても、摩擦(ないし磨耗)によっても、力推移は変動し得るからである。リニアモータの経路(進路)に亘り、各リニアモータの電力制御ないし電力調節を少なくとも1つの電力供給装置によって行なうことにより、力推移は制御される。これに関し、少なくとも組立時に、好ましくは更にリニアモータの駆動時にも、力検出手段(力センサ)によって力推移は検出される。このようにして得られた結果は、作動状態において、電力供給装置の電力(供給)の制御ないし調節に利用され、以って所望の力推移が得られる。上述の通り、この方策は、機械的方策と重ね合わせて行なうことができる。
上記の各実施例は、入れ子式(テレスコピック)に組み込まれた円筒状のリニアモータを有する装置に関するものである。(1つの)磁石支持体22上には、2つのリニアモータL1、L2の磁石要素23、24が配設され、他方、外側に配置されるコイル巻枠(コイル枠リング)20(より適切にはコイルシリンダ)及び内側に配置されるコイル巻枠21(より適切にはコイルシリンダ)には、コイル要素26、27がそれぞれ配設される。この限りにおいて、コイル巻枠はステータをなす。このような入れ子構造により、空間を節減する構造が得られるが、このような構造の代わりに、別々の(相異なる)リニアモータL1、L2を共通の作動軸線a−aに関して対称的に配設することも、原理的には可能である。尤も、この場合、当該別々のリニアモータ間にも、推進方向a−aに沿って、即ち例えば中心作動軸線に沿って、対称的な力推移が生じるよう留意すべきであり、また有利でもある。これは、例えば、4つのリニアモータを2つ一組にして十字状に配設し、対をなす2つのリニアモータをそれぞれ中心軸線に関して対称的に配置し、磁石要素又はコイル要素の配置が同一になるよう構成することによって行なうことができる。
図5及び図6の具体的実施例では、内側リニアモータL2の磁石要素24及び/又はコイル要素26は、外側リニアモータの磁石要素23及び/又はコイル要素27に対し軸線方向にずらされ、推進力の位置依存的な差違(変動)を互いに打ち消している。
力推移の所望の平滑化は、図7のように、少なくとも1つのリニアモータL1、L2の磁石要素23、24及び/又はコイル要素26、27を当該リニアモータの周に沿って、即ち例えば中空円筒状可動子(磁石支持体22)の円周面上で、階段状にずらして配置することによって強化(向上)することができる。この場合、各リニアモータL1、L2における階段状のずれ(段差)dを互いに異なるように、従って互いに独立に選択することも可能である。各リニアモータにおける磁石要素の長さaを互いに独立に選択することも原理的には可能であり、この場合、コイル要素26、27のパケットの長さbが当該磁石要素の長さaに適合されていることのみが保証されていればよい。また、コイル要素を円筒状リニアモータの円周面ないし円筒面に楕円状に配設することも可能であろう。
上述の態様は、各請求項に均等の範囲内において種々の修正・変更・適合化を行なうことができることは自明である。
複数の駆動ユニットを有する機械装置(この場合、射出成形機)の一例の側面図。 等尺で表した射出ユニットのための駆動ユニットの一例の斜視図。 図2の駆動ユニットの横断面図。 従来技術による駆動ユニットに関する図3の矢視4−4断面図。 本発明の第1実施例に関する図4に対応する断面図。 本発明の第2実施例に関する図5に対応する断面図。 磁石支持体の周に沿って配設された磁石要素の階段状のずれの一例。 従来技術により直進駆動装置が運動する場合の力推移の一例。 本発明により直進駆動装置が運動する場合の力推移の一例。
符号の説明
10 定置式型支持部材
11 可動式型支持部材
12 案内部材(案内ロッド)
13 装置台
14、15 案内要素
16 可塑化シリンダ
17 注入支持橋(ブリッジ部材)
18 ハウジング
19 円筒部材ないし円筒シェル部材(Mantel)
20 外側コイル巻枠
21 内側コイル巻枠
22 磁石支持体
23、24 磁石要素
25 内側円筒部材
26、27 コイル要素
28 エンドプレート
40 力検出手段(力センサ)
41 制御装置
42、43 電力供給装置
a コイル要素パケットの長さ
b 磁石要素の長さ
a−a 推進方向
d ずれ(偏位)
s 経路
D 駆動ユニット
F 型締ユニット
L1、L2 リニアモータ
M 射出成形型
S 射出ユニット

Claims (13)

  1. 共通の推進方向(a−a)に対し互いに平行に配列されると共に、共に運動するために同様に作用する要素が互いに結合される複数のリニアモータ(L1、L2)を備える、とりわけプラスチック及びその他の可塑性物質を処理するための射出成形機等の機械装置の駆動ユニットであって、該リニアモータ(L1、L2)が、推進方向に、磁石要素(23、24)と、該磁石要素(23、24)と作用結合するコイル要素(26、27)とを有すると共に、該リニアモータ(L1、L2)には、少なくとも1つの電力供給装置(42、43)が配される形式の駆動ユニットにおいて、
    少なくとも組立ないし作動開始の際に前記リニアモータ(L1、L2)の推移位置に依存する力を検出するための力検出手段(40)が配設されること、及び
    作動状態において、前記リニアモータ(L1、L2)の推移位置に依存して前記力検出手段によって検出される力に依存して、前記電力供給装置から該リニアモータ(L1、L2)ヘ供給される電力を目標推移に適合するよう制御する制御装置(41)を有すること
    を特徴とする駆動ユニット。
  2. 前記磁石要素(23、24)は、推進方向に関し、極性を交互に替えて配列されること、及び
    前記磁石要素(23、24)と前記コイル要素(26、27)は、互いに対向する面にそれぞれ配設されると共に、少なくとも1つの前記リニアモータ(L1、L2)の磁石要素(23、24)及び/又はコイル要素(26、27)は、推進方向に関し、少なくとも1つの他の前記リニアモータ(L1、L2)の磁石要素(23、24)及び/又はコイル要素(26、27)に対しずれをなして配設されること
    を特徴とする請求項1に記載の駆動ユニット。
  3. 前記リニアモータ(L1、L2)には、それぞれ、各別の電力供給装置(42、43)が配されること
    を特徴とする請求項1に記載の駆動ユニット。
  4. 前記リニアモータ(L1、L2)は、推進方向(a−a)に対し平行に配列される共通の作用軸線に対し対称的に配設されること
    を特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の駆動ユニット。
  5. 前記リニアモータ(L1、L2)は、互いに同心に配設されること
    を特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の駆動ユニット。
  6. 前記リニアモータ(L1、L2)は、円筒状に構成されると共に、テレスコピックな入れ子状に構成されること
    を特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の駆動ユニット。
  7. 2つのリニアモータ(L1、L2)を有する駆動ユニット(D)を構成するためにステータとして構成されるコイル巻枠(20、21)の円周面ないし円筒面に配されるコイル要素(26、27)と一緒に作用する磁石要素(23、24)がその2つの円筒面ないし円周面に配設される磁石支持体(22)として構成される中空円筒状スライダを備えること
    を特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の駆動ユニット。
  8. 内側に配設されるリニアモータ(L2)の磁石要素(24)及び/又はコイル要素(26)が、外側に配設されるリニアモータ(L1)の磁石要素(23)及び/又はコイル要素(27)に対し軸線方向にずれをなして配設されること
    を特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載の駆動ユニット。
  9. 前記ずれvは、
    v=a/(p×2)
    で表されること
    ここに、
    p=モータの相の数
    a=p個の相を有するコイルパケットの長さ
    を特徴とする請求項2又は8に記載の駆動ユニット。
  10. 少なくとも1つのリニアモータ(L1、L2)の磁石要素(23、24)は、該リニアモータの周に関して階段状にずれを生じるように配設されること
    を特徴とする請求項1〜9の何れか1項に記載の駆動ユニット。
  11. 前記リニアモータ(L1、L2)の各々における階段状のずれ(d)は、互いに独立に構成されること
    を特徴とする請求項10に記載の駆動ユニット。
  12. 前記リニアモータ(L1、L2)の各々の磁石要素(23、24)の長さbと、該リニアモータ(L1、L2)の各々のコイル要素(26、27)の該磁石要素に適合されたパケットの長さaは、互いに独立に構成されること
    を特徴とする請求項1〜11の何れか1項に記載の駆動ユニット。
  13. 前記コイル要素(26、27)は、推進方向に対し傾斜するよう、前記リニアモータ(L1、L2)の円周面ないし円筒面に楕円状に配設されること
    を特徴とする請求項1〜12の何れか1項に記載の駆動ユニット。
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