JP7092253B2 - リニア振動モータ及びリニア振動システム - Google Patents

リニア振動モータ及びリニア振動システム Download PDF

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Description

本発明は、コイルに通電して可動子を振動させるリニア振動モータ及びこのリニア振動モータを用いたリニア振動システムに関する。
通電されたコイルが形成する磁界及び永久磁石が形成する磁界の相互作用で生じるローレンツ力により、可動子を振動させるリニア振動モータまたはアクチュエータが知られるようになっている。その中には、2つの永久磁石の間で生じる反発力を用いた磁気バネにより、可動子を振動方向に付勢するリニア振動モータが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
米国特許公開2016/0226363号
特許文献1に記載のリニア振動モータでは、磁気バネで付勢することにより所定の周波数で共振が生じ、これにより大きな振動を得ることができる。しかし、永久磁石を用いた磁気バネではバネ定数が一定なので、予め設定された周波数(共振周波数)以外では、十分な強さの振動を得ることができない。よって、様々な周波数で十分な強さの振動を発生させるには、互いに異なる共振周波数を有する複数のリニア振動モータを用いる必要があり、装置の小型化が困難になる。
従って、本発明の目的は、上記の課題を解決するものであり、様々な周波数の十分な強度の振動を1つのモータで発生可能にしたリニア振動モータ及びこのリニア振動モータを用いたリニア振動システムを提供することにある。
本発明の1つの態様に係るリニア振動モータは、
筺体と、
前記筺体内の空間に収容された可動子と、
前記筐体内に配置された駆動用コイル及び前記可動子に取り付けられた駆動用磁石を有する駆動部と、
コアと付勢用コイルとから構成され、前記筺体内に配置された付勢用電磁石、及び前記可動子に取り付けられた付勢用磁石を有する付勢部と、
を備え、
通電された前記駆動用コイルが形成する磁界及び前記駆動用磁石が形成する磁界の相互作用により生じるローレンツ力により、前記可動子が前記駆動用コイルの巻回軸に略直交する第1の方向に振動し、
前記付勢用電磁石及び前記付勢用磁石は前記付勢用電磁石の通電時において同極が略対向するように配置され、通電された前記付勢用電磁石及び前記付勢用磁石の間で生じる反発力による磁気バネにより、前記可動子を前記第1の方向に付勢し、
前記付勢用コイルへ流す電流値が変化することにより、前記磁気バネの磁気バネ定数が変化するようになっている。
本発明の1つの態様に係るリニア振動システムは、
筺体、
前記筺体内の空間に収容された可動子、
前記筐体内に配置された駆動用コイル及び前記可動子に取り付けられた駆動用磁石を有する駆動部、並びに
コアと付勢用コイルとから構成され、前記筺体内に配置された付勢用電磁石、及び前記可動子に取り付けられた付勢用磁石を有する付勢部
を備えたリニア振動モータと、
前記駆動用コイル及び前記付勢用コイルへ通電する外部回路と、
を備え、
前記外部回路により通電された前記駆動用コイルが形成する磁界及び前記駆動用磁石が形成する磁界の相互作用により生じるローレンツ力により、前記可動子が前記駆動用コイルの巻回軸に略直交する第1の方向に振動し、
前記付勢用電磁石及び前記付勢用磁石は前記付勢用電磁石の通電時において同極が略対向するように配置され、前記外部回路により通電された前記付勢用電磁石及び前記付勢用磁石の間で生じる反発力による磁気バネにより、前記可動子を前記第1の方向に付勢し、
前記付勢用コイルへ流す電流値が変化することにより、前記磁気バネの磁気バネ定数が変化するようになっている。
本発明によれば、様々な周波数で十分な強さの振動を1つのモータで発生可能にしたリニア振動モータ、及びこのリニア振動モータを用いたリニア振動システムを提供することができる。
本発明の第1の実施形態に係るリニア振動モータの構造を模式的に示す分解斜視図である。 図1のA-A断面を示す、本発明の第1の実施形態に係るリニア振動モータを模式的に示す側面断面図である。 本発明の第1の実施形態に係るリニア振動モータの磁気バネを模式的に示す図である。 付勢コイルへ流れる電流により異なる周波数で共振が生じることを示すグラフである。 本発明の第2の実施形態に係るリニア振動モータを模式的に示す側面断面図である。 本発明の第3の実施形態に係るリニア振動モータを模式的に示す側面断面図である。 本発明の第2または3の実施形態に係るリニア振動モータの磁気バネを模式的に示す図である。 磁気バネの線形近似を説明するための模式図である。 本発明の1つの実施形態に係るリニア振動システムを示すブロック図である。 図9に示すリニア振動システムにおける駆動用コイル及び付勢コイルへの電流供給パターンの一例を示すタイムチャートである。 本発明の第4の実施形態に係るリニア振動モータを模式的に示す側面断面図である。 本発明のその他の実施形態に係るリニア振動システムを示すブロック図である。 図12Aに示すリニア振動システムにおける駆動用コイル及び付勢コイルへの電流供給パターンの一例を示すタイムチャートである。 可動子を確実に安定して振動させるための移動支持機構の第1の例を模式的に示す側面断面図である。 図13AのB-B断面を示す断面図である。 可動子を確実に安定して振動させるための移動支持機構の第2の例を模式的に示す側面断面図である。 図14AのC-C断面を示す断面図である。 可動子を確実に安定して振動させるための移動支持機構の第3の例を模式的に示す断面図である。
以降、図面を参照しながら、本発明を実施するための様々な実施形態、実施例を説明する。各図面中、同一の機能を有する対応する部材には、同一符号を付している。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態を分けて示すが、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせは可能である。第2の実施形態(第2の例)以降では第1実施形態(第1の例)と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については、実施形態(実施例)毎には逐次言及しないものとする。
全ての図において、リニア振動モータが水平面に置かれた状態を示し、水平面上において、可動子の振動方向をX軸方向とし、それに直交する横方向をY軸方向とし、水平面に直交する高さ方向をZ軸方向とする。なお、可動子の振動方向であるX軸方向を第1の方向と称することもできる。
(第1の実施形態に係るリニア振動モータ)
はじめに、図1及び図2を参照しながら、本発明の第1の実施形態に係るリニア振動モータについて説明を行う。図1は、本発明の第1の実施形態に係るリニア振動モータの構造を模式的に示す分解斜視図である。図2は、図1のA-A断面を示す、本発明の第1の実施形態に係るリニア振動モータを模式的に示す側面断面図である。
本実施形態に係るリニア振動モータ2は、上面が開口した箱状の容器部4、及びこの容器部4内の空間に収容された可動子8を備える。容器部4は、底板と、底板の四方を囲む4つの側板から構成された略直方体の外形及び内部空間を有する。容器部4の上面には、容器部4内の空間を覆うリッド40が取り付けられる。容器部4及びリッド40は、樹脂材料をはじめとする非磁性の材料により形成されている。容器部4及びリッド40により、筐体3が構成される(図2参照)。よって、リッド40で覆われた容器部4内(または容器4内の空間)に収容されている場合には、筐体3内(または筐体3内の空間)に収容されていると言うことができる。
容器部4内の可動子8の上側には、駆動用コイル12が配置される。本実施形態では、駆動用コイル12は、リッド40の内面40aに取り付けられている。ただし、これに限られるものではなく、駆動用コイル12を容器部4側に取り付けることもできる。駆動用コイル12は、その巻回軸が略Z軸方向に向く空芯のコイルである。駆動用コイル12の下側の端部(一方の端部)12aが、可動子8の本体6の上面(一方の面)6cに対向するように配置されている。なお、容器部4には駆動用コイル12に通電するための、図示しない電極及び通電経路が設けられている。
また、容器部4のX軸方向における第1の内側面4aに、強磁性体からなるコア22Aとコア22Aの周囲に巻かれる付勢用コイル22Bとから構成される付勢用電磁石22が取り付けられる。付勢用コイル22Bは、その巻回軸が略X軸方向を向く。付勢用電磁石22は、通電時に、容器部4の第1の内側面4aと対向する端部がS極となり、その反対側の可動子8の本体6の第1の端面6aと対向する側がN極となるように通電される。なお、容器部4には付勢用電磁石22に通電するための、図示しない電極及び通電経路が設けられている。
容器部4のX軸方向における第2の内側面4bに、筐体側磁石24が取り付けられる。筐体側磁石24は、両極を結ぶ線が略X軸方向になるように配置される。筐体側磁石24は、容器部4の第2の内側面4bと対向する端部がS極となり、その反対側の可動子8の本体6の第2の端面6bと対向する側がN極となるように配置されている。
可動子8は、樹脂材料をはじめとする非磁性の材料により形成された本体、及び本体6に取り付けられた、磁石、ブラケット8A等から構成される。つまり、本体6は、磁石等が取り付けられる可動子8の構造体部分、フレーム部分に相当する。
可動子8の本体6の上面(一方の面)6cに、X軸方向で前後に配置された2つの凹部が形成されている。これらの2つの凹部の中に、それぞれ駆動用磁石14A及び14Bが配置され、固定されている。駆動用磁石14A及び14Bは、両極を結ぶ方向が駆動用コイル12の巻回軸方向(略Z軸方向)と略一致し、上面(一方の面)6cから露出した一方の極が、駆動用コイル12の下側の端部(一方の端部)12aの巻線に対向する位置に配置されている。更に詳細に述べれば、図2の図面左側に配置された駆動用磁石14Aは、上面(一方の面)6cからS極が露出し、駆動用コイル12の図面左側に位置する巻き線に対向する位置に配置されている。一方、図2の図面右側に配置された駆動用磁石14Bは、上面(一方の面)6cからN極が露出し、駆動用コイル12の図面右側に位置する巻き線に対向する位置に配置されている。ただし、S極やN極が露出せず、可動子8の本体6で覆われている場合もあり得る。
可動子8のX軸方向の両端部に、凹部が形成されている。これらの凹部に、それぞれ付勢用磁石26A、26Bが配置され、固定されている。更に詳細に述べれば、図2の図面左側に配置された付勢用磁石26Aは、両極を結ぶ線が付勢用コイル22Bの巻回軸の方向(略X軸方向)と略一致し、N極が付勢用電磁石22の端部(通電時のN極)と対向するように配置されている。図2の図面右側に配置された付勢用磁石26Bは、両極を結ぶ線が筐体側磁石24の両極を結ぶ線(略X軸方向)と略一致し、N極が筐体側磁石24の端部(N極)と対向するように配置されている。
図1に示すように、本体6のY軸方向における両側面に、それぞれ2つのブラケット8Aが接合されている。各々の側面では、2つのブラケット8Aは、X軸方向において前後に並んで配置されている。ブラケット8Aは、略X軸方向を軸方向とする穴部34が開けられ、同じ側面側にある2つのブラケット8Aの穴部34の中心軸は略一致している。
一方、容器部4内の空間には、2本のシャフト32が略X軸方向に延びて配置されている。2本のシャフト32は、それぞれ前後に並んだブラケット8Aの穴部34に挿入される。そして、シャフト32の両端部は、容器部4のX軸方向における両側の内側面4a、4bに固定される。
ブラケット8Aの穴部34は、シャフト32の外面と移動可能に接する接触面を有している。これにより、可動子8は、両側に配置されたシャフト32を支持部材として、容器部4内の空間を略X軸方向に移動できるようになっている。下記に説明するように、駆動用コイル12及び駆動用磁石14A、14Bから構成される駆動部10により、可動子8は、シャフト32の軸方向である略X軸方向に振動する。図1に示すシャフト32及び穴部34から構成される移動支持機構により、可動子8を略X軸方向に確実に安定して振動させることができる。
<駆動部10>
次に、容器部4(筐体3)内に配置された駆動用コイル12及び可動子8に取り付けられた駆動用磁石14A、14Bを有する駆動部10について説明を行う。
駆動用コイル12に電流が供給されると、磁界が形成される。駆動用コイル12により形成された磁界及び駆動用磁石14A、14Bにより形成された磁界の相互作用によりローレンツ力が生じる。駆動用コイル12の巻回軸及び駆動用磁石14A、14Bの両極を結ぶ線が略Z軸方向を向いているので、フレミング左手の法則に従い、ローレンツ力は駆動用コイル12の巻回軸に略直交した略X軸方向に生じる。
通電された駆動用コイル12において、図2の図面左側に位置する巻線の領域と、図面右側に位置する巻線の領域では、発生する磁界の向きが逆向きになるが、それぞれの巻き線に対向した駆動用磁石14A、14Bの極性が逆になっているので、略X軸方向の同じ向きにローレンツ力が生じる。駆動用コイル12は筐体3側(リッド40)に固定され、駆動用磁石14A、14Bが可動子8側に取り付けられているので、ローレンツ力により、可動子8が略X軸方向に移動する。
このとき、駆動用コイル12に、所定の周波数で逆方向の直流電流を交互に流す、または交流電流を流すことにより、可動子8は略X軸方向に振動する。駆動用コイル12に対して、このように通電することにより、可動子8を確実に振動させることができる。このとき、略X軸方向(第1の方向)に振動する可動子8の本体6の上側(X軸に直交するZ軸方向の側方)に、駆動用コイル12が配置されるので、X軸(第1の方向)における装置の全長を抑制しながら、十分な駆動力を付与する駆動部10を得ることができる。
<付勢部20>
次に、容器部4に取り付けられた付勢用電磁石22及び可動子8に取り付けられた付勢用磁石26A、並びに容器部4に取り付けられた筐体側磁石24及び可動子8に取り付けられた付勢用磁石26Bを有する付勢部20について説明を行う。なお、付勢用電磁石22及び付勢用磁石26Aによる付勢部を第1の付勢部と称し、筐体側磁石24及び付勢用磁石26Bによる付勢部を第2の付勢部と称することもできる。
本実施形態では、特に、X軸方向から視て、第1の付勢部及び第2の付勢部が可動子8の本体6と重なるように配置されている。つまり、図2において、第1の付勢部が可動子8の本体6の図面左側に配置され、第2の付勢部が可動子8の本体6の図面右側に配置されている。このように配置することにより、略X軸方向に振動する可動子8の本体6に、X軸方向の両側から付勢力を付与することができる。
ただし、これに限られるものではなく、例えば、第1の付勢部及び第2の付勢部は、付勢用磁石26A、26Bを、本体6からX軸方向と直交するY軸方向またはZ軸方向の側方に突設させることもできる。これに対応して、付勢用電磁石22及び筐体側磁石24の位置も移動させて、第1の付勢部及び第2の付勢部を本体6の側方に配置することもできる。
第1の付勢部の付勢用電磁石22及び付勢用磁石26Aは、付勢用電磁石22の通電時において同極であるN極が対向するように配置されているので、付勢用電磁石22及び付勢用磁石26Aの間の距離に応じた反発力が生じる。同様に、筐体側磁石24及び付勢用磁石26Bも、同極であるN極が対向するように配置されているので、筐体側磁石24及び付勢用磁石26Bの間の距離に応じた反発力が生じる。このような電磁石-磁石間及び磁石-磁石間の反発力により、第1の付勢部及び第2の付勢部は磁気バネとして機能する。第1の付勢部の磁気バネにより可動子8を付勢する向きと、第2の付勢部の磁気バネにより可動子8を付勢する向きが反対向きになっている。後述するように、共振が生じるような微少な移動距離においては、電磁石-磁石間または磁石-磁石間の反発力による磁気バネを線形近似することができる。
以上のように、第1の実施形態に係るリニア振動モータの付勢部20を、図3のように模式的に示すことができる。図3は、本発明の第1の実施形態に係るリニア振動モータの磁気バネを模式的に示す図である。図3に示すモデルでは、質量Mの可動子8は、付勢用電磁石22及び付勢用磁石26Aによるバネ定数k1の可変バネにより、X軸方向の図面左側から右側に付勢される。一方、可動子8は、筐体側磁石24及び付勢用磁石26Bによるバネ定数k2の定常バネにより、X軸方向の図面右側から左側に付勢される。
このとき、駆動用コイル12及び駆動用磁石14A、14Bから構成される駆動部10により、可動子8がX軸方向に振動する場合、振動の周波数が質量M、バネ定数k1、k2に基づく固有周波数に達すると、振動が増幅されて強い振れを伴う共振が生じる。
仮に、定常バネだけで可動子8を付勢する場合には、予め定まった周波数において共振が生じるだけである。一方、本実施形態では、付勢用電磁石22の付勢用コイル22Bに流す電流値を変化させることにより、付勢用電磁石22及び付勢用磁石26Aによるバネ定数k1を変化させることができるので、共振が生じる固有周波数を変化させることができる。
このことを、図4を参照しながら、更に詳細に説明する。図4は、駆動用コイル12へ流れる電流により異なる周波数で共振が生じることを示すグラフである。図4の縦軸には、可動子8の加速度を示し、横軸は振動の周波数を示す。
このグラフで、以下のことがわかる。電流値Iを駆動用コイル12に流した場合、周波数S1(例えば、150Hz)で共振が生じる。電流値Iより小さい電流値Iを駆動用コイル12に流した場合には、磁気バネ定数は小さくなり、周波数S1より低い周波数S2(例えば100Hz)で共振が生じる。電流値Iより大きい電流値Iを駆動用コイル12に流した場合には、磁気バネ定数は大きくなり、周波数S1より高い周波数S3(例えば200Hz)で共振が生じる。
以上のように、X軸方向(第1の方向)において、駆動部10により可動子8が振動するとき、付勢用電磁石22及び付勢用磁石26Aによる第1の付勢部、及び筐体側磁石24及び付勢用磁石26Bによる第2の付勢部から構成される磁気バネで付勢されるので、所定の振動周波数において可動子に共振が生じる。付勢用コイル22Bへ流す電流値を変化させることにより、磁力バネのバネ定数k1を変更できるので、これにより可動子8の共振周波数を変化させることができる。よって、1つのリニア振動モータで様々な周波数の十分な強度の振動を発生可能にするリニア振動モータ2を提供できる。
第1の実施形態では、付勢用電磁石22及び付勢用磁石26Aで構成された第1の付勢部、及び筐体側磁石24及び付勢用磁石26Bにより構成された第2の付勢部を個別に配置できるので、様々な設計や配置を実現できる。特に、X軸方向から視て、第1の付勢部及び第2の付勢部が可動子8の本体6と重なるように配置されている場合には、直接付勢力が加わる位置が可動子8の本体6と重なるので、安定した振動特性を得ることができる。
なお、付勢用コイル22Bへ流す電流値が変化すると、第1の付勢部の磁気バネ定数k1が変化して第1の付勢部における反発力が変化するが、第1の付勢部における反発力及び第2の付勢部における反発力がバランスする位置を振動中心として振動が生じる。すなわち、可動子8は第1の付勢部の磁気バネ定数k1が変化することによって、X方向に振動中心が変化し得る。
(第2の実施形態に係るリニア振動モータ)
次に、図5を参照しながら、本発明の第2の実施形態に係るリニア振動モータについて説明を行う。図5は、本発明の第2の実施形態に係るリニア振動モータを模式的に示す側面断面図である。図5は、図2と同様に、図1のA-A断面における側面断面図に相当する。
第2の実施形態では、付勢部20の構造や取り付け位置において、上記の第1の実施形態と異なる。ただし、容器部4、リッド40の構造や駆動用コイル12及び駆動用磁石14A、14Bを有する駆動部10については、基本的に上記の第1の実施形態と同様である。
<付勢部20>
本実施形態に係るリニア振動モータ2では、X軸方向から視て、付勢用電磁石22のコア22Aの周囲に巻かれた付勢用コイル22Bの巻回軸が、可動子8の本体6と重ならないように配置されている。更に詳細に述べれば、X軸方向から視て、付勢用コイル22Bの巻回軸が、可動子8の本体6からX軸方向と略直交する方向(図5では、Z軸方向の本体6の下側)に突設された付勢用磁石26A、26Bと重なるように配置されている。そして、X軸方向において、付勢用電磁石22は、2つの付勢用磁石26A、26Bの間に配置されている。
図5では、付勢用磁石26A、26Bが、Z軸方向である可動子8の本体6の下側に突設されているが、これに限られるものではない。X軸方向と略直交する方向であれば、例えば、可動子8の本体6のY軸方向における側方に、付勢用磁石26A、26Bを突設させることもできる。
付勢部20の極性については、X軸方向における図面左側の付勢用磁石26Aは、S極が付勢用電磁石22のコア22Aの端部と対向するように配置されている。一方、X軸方向における図面右側の付勢用磁石26Bは、N極が付勢用電磁石22のコア22Aの端部と対向するように配置されている。
ここで、図面左側の端部がS極、図面右側の端部がN極となるように、付勢用電磁石22の付勢用コイル22Bに電流を流せば、付勢用電磁石22の左側の端部及び付勢用磁石26Aの間で反力が生じて磁気バネとして機能し、付勢用電磁石22の右側の端部及び付勢用磁石26Bの間で反力が生じて磁気バネとして機能する。
以上のような第2の実施形態に係るリニア振動モータ2の付勢部20を、図7のように模式的に示すことができる。図7は、本発明の第2の実施形態、または後述する第3の実施形態に係るリニア振動モータの磁気バネを模式的に示す図である。図7に示すモデルでは、質量Mの可動子8は、付勢用電磁石22及び付勢用磁石26Aによるバネ定数k1の可変バネにより、X軸方向の図面左側から右側に付勢される、一方、質量Mの可動子8は、付勢用電磁石22及び付勢用磁石26Bによるバネ定数k1の可変バネにより、X軸方向の図面右側から左側に付勢される。つまり、本実施形態では、質量Mの可動子8の両側に同じバネ定数k1の可変バネの力が加わる。
付勢用電磁石22の付勢用コイル22Bに流す電流値を変化させることにより、付勢用電磁石22及び付勢用磁石26A、26Bによるバネ定数k1を変化させることができるので、共振が生じる固有周波数を変化させることができる。これにより、第2の実施形態においても、図4のグラフに示すように、付勢用コイル12へ流す電流値を変化させることにより、可動子8の共振周波数を変化させることができる。よって、1つの装置で様々な周波数の十分な強度の振動を発生可能な小型なリニア振動モータ2を提供できる。
第2の実施形態では、X軸方向(第1の方向)から視て、付勢用コイル22Bの巻回軸が可動子8の本体6と重ならないので、本体6のX軸と直交する方向の側方領域(図5では下側)に付勢用コイル22を配置できる。よって、リニア振動モータ2のX軸方向における全長を抑制しながら、十分な付勢力を得ることができる。また、必要に応じて付勢用コイル22の長さ(巻回軸長)を長く取ることもできる。
特に、X軸方向(第1の方向)から視て、付勢用コイル22Bの巻回軸が、可動子8の本体6から突設された付勢用磁石26A、26Bと重なるように配置されているので、リニア振動モータ2のX軸方向における全長を抑制しながら、確実に十分な付勢力を得ることができる。
更に、可動子8の本体6の側方領域において、2つの付勢用磁石26A、26Bの間に付勢用コイル22Bが配置されるので、リニア振動モータ2のX軸方向(第1の方向)における全長を十分に短くすることができる。
(第3の実施形態に係るリニア振動モータ)
次に、図6を参照しながら、本発明の第3の実施形態に係るリニア振動モータについて説明を行う。図6は、本発明の第3の実施形態に係るリニア振動モータを模式的に示す側面断面図である。図6は、図2と同様に、図1におけるA-A断面における側面断面図に相当する。
第3の実施形態では、X軸方向から視て、付勢用コイル22Bの巻回軸が可動子8の本体6と重ならないように配置されている点で、上記の第2の実施形態と同様である。しかし、付勢部20の詳細な構造や取り付け位置については、第2の実施形態と異なる。なお、容器部4、リッド40の構造や駆動用コイル12及び駆動用磁石14A、14Bを有する駆動部10については、基本的に上記の第1及び第2の実施形態と同様である。
<付勢部20>
本実施形態に係るリニア振動モータ2では、上記の第2の実施形態と同様に、X軸方向から視て、付勢用電磁石22のコア22Aの周囲に巻かれた付勢用コイル22Bの巻回軸が、可動子8の本体6と重ならないように配置されている。しかし、第3の実施形態においては、付勢用電磁石22のコア22Aの長手方向において、付勢用コイル22Bが巻回された中間領域22A1の両側に、X軸方向から視て、可動子8の本体6と重なる2つの端部領域22A2、22A2’を有する点で、上記の第2の実施形態と異なる。
これに伴い、可動子8の本体6のX軸方向のおける両端に付勢用磁石26A及び付勢用磁石26Bが取り付けられている。付勢用電磁石22のコア22Aの2つの端部領域22A2、22A2’は、可動子8の本体6の両端に配置された付勢用磁石26A、26Bと、それぞれ対向するように配置されている。更に詳細に述べれば、可動子8の本体6の図面左側の端部に配置された付勢用磁石26Aは、N極が付勢用電磁石22のコア22Aの端部領域22A2と対向するように配置されている。一方、可動子8の本体6の図面右側の端部に配置された付勢用磁石26Bは、S極が付勢用電磁石22のコア22Aの端部領域22A2’と対向するように配置されている。
ここで、端部領域22A2がN極、端部領域22A2’がS極となるように、付勢用電磁石22の付勢用コイル22Bに電流を流せば、付勢用電磁石22の端部領域22A2及び付勢用磁石26Aの間で反力が生じて磁気バネとして機能する。同様に、付勢用電磁石22の端部領域22A2’及び付勢用磁石26Bの間で反力が生じて磁気バネとして機能する。
以上のような第3の実施形態に係るリニア振動モータ2の付勢部20は、第2の実施形態と同様に、図7のように模式的に示すことができる。つまり、第3の実施形態でも、質量Mの可動子8の両側に同じバネ定数k1の可変バネの力が加わることになる。
よって、付勢用電磁石22の付勢用コイル22Bに流す電流値を変化させることにより、付勢用電磁石22及び付勢用磁石26A、26Bによるバネ定数k1を変化させることができるので、共振が生じる固有周波数を変化させることができる。これにより、第3の実施形態においても、図4のグラフに示すように、付勢用コイル12へ流す電流値を変化させることにより、可動子8の共振周波数を変化させることができる。よって、1つのリニア振動モータで様々な周波数の十分な強度の振動を発生可能にするリニア振動モータ2を提供できる。
第3の実施形態では、可動子8の本体6の側方領域に付勢用磁石26A、26Bが存在しないので、付勢用コイル22Bの巻回スペースを大きくとることができ、コイル長や巻回軸長を長くすることができる。場合によっては、可動子8の本体6のX軸方向の長さと同程度の巻回軸長の付勢用コイル22Bを配置することも可能である。これによって、巻回軸長の長い付勢用コイル22Bを配置できるので、より大きな付勢力を付与することができる、あるいは磁気バネにおける同反発力を得るのに必要な付勢用コイル12へ流す電流値を低くすることができる。更に、X軸方向(第1の方向)から視て、付勢力が加わる付勢用電磁石22のコア22Aの端部領域22A2、22A2’の位置が可動子8の本体6と重なるので、安定した振動特性を得ることができる。
図6では、Y軸方向から視て、コア22Aが略コの字形(屈曲領域が直角となるUの字形)に形成されているが、これに限られるものではない。可動子8の本体6と重ならない付勢用コイル22Bが巻回されたコア22Aの中間領域22A1の長手方向両側(または第1の方向両側)に、本体6と重なる端部領域22A2、A2’を有する形状であれば、略Cの字形、略Uの字形をはじめとする任意の形状を採用することができる。
(磁気バネの線形近似)
上記のように、共振が生じるような微少な移動距離においては、電磁石-磁石間または磁石-磁石間の反発力による磁気バネを線形近似することができる。次に、図8を参照しながら、磁気バネの線形近似について、更に詳細に説明する。図8は、磁気バネの線形近似を説明するための模式図である。ここでは、図7に示すような、質量Mの可動子8の両側に同じバネ定数k1の可変バネの力が加わる場合を例に取って説明する。なお、図4に示すような、バネ定数k1の可変バネ及びバネ定数k2の定常バネを用いる場合においても、両方のバネの反発力がバランスする位置において、同様な線形近似が可能である。
図8のモデルにおいて、可動子の質量をMとし、筐体側の付勢用電磁石のS極側と可動子側の付勢用磁石のS極との間の反発力をFとし、筐体側の付勢用電磁石のN極側と可動子側の付勢用磁石のN極との間の反発力をFとし、可動子側の付勢用磁石の磁気量をmとし、筐体側の付勢用電磁石の磁気量をmとし、比例定数をkとすると、可動子(質点)の運動方程式から、下記のように、数式1が成り立つ。また、反発力F1及びF2は数式2のように表すことができるので、数式1及び数式2から、数式3が得られる。
(数式1)
Figure 0007092253000001
(数式2)
Figure 0007092253000002
(数式3)
Figure 0007092253000003
可動子が付勢用電磁石との距離よりも十分に小さい範囲で振動すると仮定すると、x<<aとなるため、数式3は、下記の数式4のように近似できる。
(数式4)
Figure 0007092253000004
”k”を下記に数式5のように定義すれば、”k”が磁気バネのバネ定数に該当し、数式6のように表すことができる。よって、磁気バネを、バネ定数kの線形バネとして線形近することができる。
(数式5)
Figure 0007092253000005
(数式6)
Figure 0007092253000006
付勢用電磁石に流す電流値と付勢用電磁石の磁気量mとは正の相関を有するので、数式5から、付勢用電磁石に流す電流値と磁気バネのバネ定数kとは正の相関を有することがわかる。この磁気バネ系の固有振動数(共振周波数)をωとすると、数式7及び数式8が成り立つ。
付勢用電磁石に流す電流値と付勢用電磁石の磁気量mとは正の相関を有するので、数式8により、付勢用電磁石に流す電流値と共振周波数ωとが正の相関を有することがわかる。よって、図4のグラフに示すように、例えば、付勢用電磁石に流す電流値を高めた場合には、共振周波数ωが高くなる。付勢用電磁石に流す電流値と付勢用電磁石の磁気量mとの間の相関関数を用いることにより、共振周波数ωを算出することができる。
(数式7)
Figure 0007092253000007
(数式8)
Figure 0007092253000008
(1つの実施形態に係るリニア振動システム)
次に、図9を参照しながら、本発明の1つの実施形態に係るリニア振動システムの説明を行う。図9は、本発明の1つの実施形態に係るリニア振動システムを示すブロック図である。
本実施形態に係るリニア振動システム200では、上記の何れかの実施形態に係るリニア振動モータ2と、リニア振動モータ2に備えられた駆動用コイル12及び付勢用電磁石22の付勢用コイル22Bに通電する外部回路100とを備える。
外部回路100は、駆動用コイル12に電流を供給する駆動用コイルドライバ60と、付勢用コイル22Bに電流を供給する付勢用コイルドライバ70と、駆動用コイルドライバ60及び付勢用コイルドライバ70を制御する制御部50とを備える。制御部50は、駆動用コイルドライバ60から駆動用コイル12へ供給する電流値を制御する第1制御部52と、付勢用コイルドライバ70から付勢用コイル22Bに電流を供給する電流値を制御する第2制御部54とを備える。
次に、図10を参照しながら、第1制御部52により制御される駆動用コイル12への供給電流、及び第2制御部54により制御される付勢用コイル22Bへの供給電流について説明する。図10は、図9に示すリニア振動システムにおける駆動用コイル及び付勢コイルへの電流供給パターンの一例を示すタイムチャートである。図9の横軸に時間を示し、縦軸に電流値(A)を示す。0に対して上側がプラス、下側にマイナスを示す。
図9に示す例では、第1制御部52により、駆動用コイル12へ逆方向の直流電流を交互に流す場合を示す。例えば、PWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)制御により、正の電流及び負の電流それぞれについて、交互にオンとオフを繰り返す制御により出力することができる。
初めに150Hzの周波数で正負のパルス電流を流し、その後、100Hzの周波数で正負のパルス電流を流した場合を示す。これにより、可動子8は、150Hzの周波数で振動し、その後、150Hzの周波数で振動する。なお、150Hzの周波数は、図4のグラフのS1に対応し、100Hzの周波数は、図4のグラフのS2に対応する。
駆動用コイル12へ150Hz(=S1)の周波数でパルス電流を流している間に、第2制御部54により、150Hz(=S1)において共振が生じる磁気バネ定数となる電流値Iの電流を付勢用コイル22Bに流すように制御した場合を示す。その後、駆動用コイル12へ100Hz(=S2)の周波数でパルス電流を流している間に、第2制御部54により、100Hz(=S2)において共振が生じる磁気バネ定数となる電流値Iの電流を付勢用コイル22Bに流すように制御した場合を示す。
以上のような制御により、1つのモータで様々な周波数の振動を付与可能なリニア振動モータ2を有するリニア振動システムを提供できる。特に、第1制御部52及び第2制御部54により、駆動用コイル12及び付勢用コイル22Bへ供給する電流を適確に制御することにより、1つのリニア振動モータで確実に様々な周波数の振動を付与することができる。
(その他の実施形態に係るリニア振動システム)
次に、図11、図12A及び図12Bを参照しながら、本発明の第4の実施形態に係るリニア振動モータ、及びこのリニア振動モータを備えた本発明のその他の実施形態に係るリニア振動システムの説明を行う。図11は、本発明の第4の実施形態に係るリニア振動モータを模式的に示す側面断面図である。図12Aは、本発明のその他の実施形態に係るリニア振動システムを示すブロック図である。図12Bは、図12Aに示すリニア振動システムにおける駆動用コイル及び付勢コイルへの電流供給パターンの一例を示すタイムチャートである。図12Bのタイムチャートの縦横軸は、図10のタイムチャートと同様である。
本発明の第4の実施形態に係るリニア振動モータ2では、容器部4に振動センサ42が取り付けられている。ここでは、一例として、上記の第1の実施形態に係るリニア振動モータに振動センサ42が備えられた場合を示す。ただし、これに限られるものではなく、例えば、第2または第3の実施形態に係るリニア振動モータに振動センサ42が備えられた場合もあり得る。
上記の図9に示す1つの実施形態に係るリニア振動システムでは、フィードフォワード制御が行われるが、図12Aに示す本実施形態に係るリニア振動システムでは、振動センサ42からの信号に基づくフィードバック制御が行なわれる。
リニア振動モータ2に備えられた振動センサ42は、リニア振動モータ2の実際の振動を検出して、その振動波形を制御部50に電気信号として伝達する。振動センサ42として、例えば、加速度センサを用いることができる。振動センサ42からの信号は、例えば、図12に示すように、ノイズフィルタ46を経て、増幅器48で増幅されて制御部50に送信される。制御部50は、振動センサ42からの信号に基づいて、駆動用コイルドライバ、付勢用コイルドライバに与える信号波形を補正するフィードバック制御を行うことができる。
具体的な制御例として、下記を例示できる。
制御部50が、駆動用コイル12に150Hzの波形を与え、付勢用コイル22に電流値Iの電流を与えるように電気信号を出力した後、振動センサ42からの信号に基づいて、リニア振動モータ2の実際の振動である振動センサ42の波形の周波数が150Hzからずれていると制御部50が判別したとき、付勢用コイル22の電流値を変えるように、第2制御部54の出力信号を補正する。例えば、共振周波数を上げる必要があれば、付勢用コイル22への電流値Iを上げるように、共振周波数を下げる必要があれば、付勢用コイル22への電流値Iを下げるように、制御部50は第2制御部54の出力信号を補正する。
また、振動センサ42からの信号に基づいて、振動センサ42の波形の振幅が所定の範囲からずれていると制御部50が判別したとき、駆動用コイル12へ与える電流を変えるように、第1制御部52の出力信号を補正する。例えば、リニア振動モータ2が所望の振動振幅が得られないとき、駆動用コイル12に与える電流を補正する。より具体的には、振動振幅が小さい場合には、駆動用コイル12に与える電流を増やすように、振動振幅が大きい場合には、駆動用コイル12に与える電流を減らすように、制御部50は第1制御部52の出力信号を補正する。
図12B下側の付勢用コイルのタイムチャートでは、細線(直線)が、駆動用コイル12に150Hzまたは100Hzの波形を与えるときの付勢用コイル22に与える最適電流値(設計値)I、Iを示し、太線がフィードバック制御による実際の電流値を示す。細線で示す最適電流値(設計値)I、Iは、図10に示すタイムチャートと同様である。図12Bに示す例では、最適電流の設計値では、振動センサ42から検出されるリニア振動モータ2の振動数が目標の振動数に達しないため、I(I)+ΔI(ΔIは、補正量)が実質的な最適電流値となっている場合が示されている。各振動数の制御の開始初期においては、多少の時間的な遅れが生じているが、徐々に安定していくところが示されている。
以上のようなフィードバック制御を実施することにより、リニア振動モータ2が取り付けられた装置の使用者に対して、確実に所望の振動を伝達することができる。このとき、機械式ばねや不可変の磁気バネを用いた場合には、フィードバック制御で、駆動用コイルドライバへ与える電流波形は変化させることはできても、共振点を変化させる付勢用コイルの調整はできない。上記の実施形態に係るリニア振動モータ2のように、磁気バネの磁力を可変にすることにより、はじめて所望の振動を伝達できるフィードバック制御が実現できる。
(移動支持機構)
次に、可動子8を確実に安定して振動させるための移動支持機構の構造について、幾つかの例を用いて説明する。第1の実施形態で開示した移動支持機構に代えて、以下に示す第1の例から第3の例を用いることもできる。何れの例においても、移動支持機構は、容器部4(筐体)内の空間において、容器部4(筐体3)に対して固定されX軸方向に延びた支持部材、及び可動子8に設けられ、支持部材と移動可能に接する接触面を有している。このような構成により、可動子8をX軸方向(第1の方向)に確実に安定して振動させることができ、よって、安定した共振周波数特性が得られる。
<移動支持機構の第1の例>
はじめに、図13A及び図13Bを参照しながら、移動支持機構の第1の例について説明する。図13Aは、可動子を確実に安定して振動させるための移動支持機構の第1の例を模式的に示す側面断面図である。図13Bは、図13AのB-B断面を示す断面図である。
第1の例として示す移動支持機構30は、支持部材が、X軸方向に延びたシャフト32で構成され、接触面が、可動子8の本体6に設けられた穴部34の内面34Aにより形成されている。可動子8の本体6がシャフト32上を移動可能なように、シャフト32の外径及び穴部34の内径が設定されている。第1の例は、例えば、図2に示すリニア振動モータ2の容器部4内において、可動子8の本体6の下側の空間にシャフト32を貫通させる場合が考えられる。
このようなシャフト32及び可動子8から構成される移動支持機構30により、可動子8をX軸方向(第1の方向)に確実に安定して振動させることができる。
<移動支持機構の第2の例>
次に、図14A及び図14Bを参照しながら、移動支持機構の第2の例について説明する。図14Aは、可動子を確実に安定して振動させるための移動支持機構の第2の例を模式的に示す側面断面図である。図14Bは、図14AのC-C断面を示す断面図である。
第2の例として示す移動支持機構30は、支持部材が、X軸方向に延びたシャフト32で構成され、
接触面が、可動子8の本体6に取り付けられたブラケット8Aに設けられた凹部34’の内面34A’により形成されている。可動子8の本体6がシャフト32上を移動可能なように、シャフト32の外径及び凹部34’の内径が設定されている。このような、シャフト32及び凹部34’から構成される移動支持機構30により、可動子8をX軸方向(第1の方向)に確実に安定して振動させることができる。
上記の第1の実施形態や第1の例や第2の例に示す移動支持機構30において、例えば、シャフト32及び穴部34(凹部34’)の間に滑り軸受けを装着して、シャフト32の外面及び穴部34(凹部34’)の内面34A(34A’)との間の摩擦を軽減することができる。滑り軸受けは、自己潤滑式の滑り軸受けを用いることもできるし、強制潤滑機構を設けることもできるし、予めグリースや潤滑油を注入しておくこともできる。更に、滑り軸受けだけでなく、その他の任意のリニア軸受けを用いることができる。
<移動支持機構の第3の例>
次に、図15を参照しながら、第3の例に示す移動支持機構について説明する。図15は、可動子を確実に安定して振動させるための移動支持機構の第3の例を模式的に示す断面図である。図15は、図14Bと同様な位置の断面を示している。
第3の例として示す移動支持機構30は、支持部材が、X軸方向に延びたレール36で構成されている。可動子8の本体6の両側面には、受け部材38が取り付けられ、接触面が、受け部材38に設けられた受け面38Aにより形成されている。可動子8の本体6がレール36上をX軸方向に移動可能なように、レール36及び受け面38Aが配置されている。レール36及び受け面38Aの間に、摩擦を軽減する潤滑手段を施すことが好ましい。このような、レール36及び受け部材38から構成される移動支持機構30により、可動子8をX軸方向(第1の方向)に確実に安定して振動させることができる。
(その他の実施形態)
上記の実施形態に係る駆動部10は、可動子8の本体6の上側に配置されているが、これに限られるものではない。駆動用磁石14A、14Bとの関係でローレンツ力が付与されるようになっていれば、駆動部10を、可動子8の本体6の下側の面、左側の面、右側の面をはじめするその他の任意の側面側に配置することができる。それに対応して駆動用磁石14A、14Bを配置すれば、可動子8をX軸方向に振動させる駆動部10を実現できる。駆動部10が可動子8の本体6の上側に配置される場合には、駆動用コイル12はリッド40に取り付けられる。一方、駆動部10が可動子8の本体6の下側や横側に配置される場合には、駆動用コイル12は容器部4の底面や内側面に取り付けられる。何れの場合も、駆動用コイル12は、筐体3内に配置される。
上記の実施形態に係る駆動部10では、駆動用コイル12のX軸方向における前後の巻き線のそれぞれに対向するように極性が逆になった駆動用磁石14A、14Bが配置されているが、これに限られるものではない。1つの駆動用磁石で十分な駆動力が得られる場合には、どちらかの巻き線に対向するように配置された1つの駆動用磁石を備える場合もあり得る。逆に、より大きな駆動力を要する場合には、複数の駆動用コイル12を備えることもできる。
1つの駆動用コイル12を備える場合であっても、互いに磁化方向の異なる複数の磁石を配置したハルバッハ配列の駆動用磁石14を用いることにより、駆動用コイル12に対向する側の極の磁力を反対側の極に比べて強めることができる。これにより、総磁気エネルギが同じであっても、磁気エネルギを効率的に使うことにより、より大きな駆動力を得ることができる。よって、小型で大きな駆動力を有するリニア振動モータ2を実現できる。
上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形及び変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。更に、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。
2 リニア振動モータ
3 筺体
4 容器部
4a 第1の内側面
4b 第2の内側面
6 本体
6a 第1の端面
6b 第2の端面
6c 上面(一方の面)
8 可動子
8A ブラケット
10 駆動部
12 駆動用コイル
12a 下側の端部(一方の端部)
14A、14B 駆動用磁石
20 付勢部
22 付勢用電磁石
22A コア
22A1 中間領域
22A2、A2’ 端部領域
22B 付勢用コイル
24 筐体側磁石
26A、26B 付勢用磁石
30 移動支持機構
32 シャフト(支持部材)
34、34’ 穴部、凹部
34A、34A’ 内面
36 レール(支持部材)
38 受け部材
38A 受け面
40 リッド
40a 内面
42 振動センサ
46 ノイズフィルタ
48 増幅器
50 制御部
52 第1制御部
54 第2制御部
60 駆動用コイルドライバ
70 付勢用コイルドライバ
100 外部回路

Claims (14)

  1. 筺体と、
    前記筺体内の空間に収容された可動子と、
    前記筐体内に配置された駆動用コイル及び前記可動子に取り付けられた駆動用磁石を有する駆動部と、
    コアと付勢用コイルとから構成され、前記筺体内に配置された付勢用電磁石、及び前記可動子に取り付けられた付勢用磁石を有する付勢部と、
    を備え、
    通電された前記駆動用コイルが形成する磁界及び前記駆動用磁石が形成する磁界の相互作用により生じるローレンツ力により、前記可動子が前記駆動用コイルの巻回軸に略直交する第1の方向に振動し、
    前記付勢用電磁石及び前記付勢用磁石は前記付勢用電磁石の通電時において同極が略対向するように配置され、通電された前記付勢用電磁石及び前記付勢用磁石の間で生じる反発力による磁気バネにより、前記可動子を前記第1の方向に付勢し、
    前記付勢用コイルへ流す電流値が変化することにより、前記磁気バネの磁気バネ定数が変化することを特徴とするリニア振動モータ。
  2. 前記付勢部が、前記筐体に取り付けられた筐体側磁石を更に有し、
    前記付勢用電磁石及び前記付勢用磁石で構成される第1の付勢部と、前記筐体側磁石及び前記付勢用磁石で構成される第2の付勢部とを備え、
    前記第1の付勢部により前記可動子を付勢する向きと、前記第2の付勢部により前記可動子を付勢する向きが反対向きであることを特徴とする請求項1に記載のリニア振動モータ。
  3. 前記第1の方向から視て、前記第1の付勢部及び前記第2の付勢部が前記可動子の本体と重なるように配置されていることを特徴とする請求項2に記載のリニア振動モータ。
  4. 前記第1の方向から視て、前記付勢用コイルの巻回軸が前記可動子の本体と重ならないように配置されていることを特徴とする請求項1に記載のリニア振動モータ。
  5. 前記第1の方向から視て、前記付勢用コイルの巻回軸が、前記可動子の本体から前記第1の方向と略直交する方向に突設された前記付勢用磁石と重なるように配置されていることを特徴とする請求項4に記載のリニア振動モータ。
  6. 前記付勢用磁石が2つの磁石から構成され、
    前記第1の方向において、前記2つの磁石の間に前記付勢用電磁石が配置されていることを特徴とする請求項5に記載のリニア振動モータ。
  7. 前記付勢用磁石は前記可動子の本体の前記第1の方向における両端に配置された2つの磁石からなり、
    前記第1の方向において、前記コアは前記付勢用コイルが巻回された中間領域及び前記中間領域の両側に2つの端部領域からなり、
    前記第1の方向から視て、前記2つの端部領域は、前記可動子の本体と重なり、
    前記2つの端部領域は、前記2つの磁石とそれぞれ略対向するように配置されていることを特徴とする請求項4に記載のリニア振動モータ。
  8. 前記駆動用コイルに、逆方向の直流電流を交互に流すまたは交流電流を流すことを特徴とする請求項1から7の何れか1項に記載のリニア振動モータ。
  9. 前記駆動用コイルの一方の端部が、前記可動子の本体の一方の面に対向するように配置され、
    前記本体に取り付けられた前記駆動用磁石は、両極を結ぶ方向が前記駆動用コイルの巻回軸方向と略一致し、前記一方の面を向く一方の極が、前記駆動用コイルの一方の端部の巻線に対向する位置に配置されていることを特徴とする請求項8に記載のリニア振動モータ。
  10. 前記筺体内の空間において前記筺体に対して固定され前記第1の方向に延びた支持部材、及び前記可動子に設けられ、前記支持部材と移動可能に接する接触面を有する移動支持機構を備えることを特徴とする請求項1から9の何れか1項に記載のリニア振動モータ。
  11. 前記支持部材が、前記第1の方向に延びたシャフトで構成され、
    前記接触面が、前記可動子の本体または前記本体に取り付けられた部材に設けられた前記シャフトが挿入される穴部または凹部の内面により形成されることを特徴とする請求項10に記載のリニア振動モータ。
  12. 筺体、
    前記筺体内の空間に収容された可動子、
    前記筐体内に配置された駆動用コイル及び前記可動子に取り付けられた駆動用磁石を有する駆動部、並びに
    コアと付勢用コイルとから構成され、前記筺体内に配置された付勢用電磁石、及び前記可動子に取り付けられた付勢用磁石を有する付勢部
    を備えたリニア振動モータと、
    前記駆動用コイル及び前記付勢用コイルへ電力供給する外部回路と、
    を備え、
    前記外部回路により通電された前記駆動用コイルが形成する磁界及び前記駆動用磁石が形成する磁界の相互作用により生じるローレンツ力により、前記可動子が前記駆動用コイルの巻回軸に略直交する第1の方向に振動し、
    前記付勢用電磁石及び前記付勢用磁石は前記付勢用電磁石の通電時において同極が略対向するように配置され、前記外部回路により通電された前記付勢用電磁石及び前記付勢用磁石の間で生じる反発力による磁気バネにより、前記可動子を前記第1の方向に付勢し、
    前記付勢用コイルへ流す電流値が変化することにより、前記磁気バネの磁気バネ定数が変化することを特徴とするリニア振動システム。
  13. 前記外部回路は更に制御部を有し、
    前記制御部は、前記駆動用コイルへの供給電流を制御する第1制御部と、前記付勢用コイルへの供給電流を制御する第2制御部とを有することを特徴とする請求項12に記載のリニア振動システム。
  14. 前記リニア振動モータに振動センサが備えられ、
    前記制御部が、前記振動センサからの信号に基づいてフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項13に記載のリニア振動システム。
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