JPH06351273A - 位置決め装置 - Google Patents

位置決め装置

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JPH06351273A
JPH06351273A JP6107960A JP10796094A JPH06351273A JP H06351273 A JPH06351273 A JP H06351273A JP 6107960 A JP6107960 A JP 6107960A JP 10796094 A JP10796094 A JP 10796094A JP H06351273 A JPH06351273 A JP H06351273A
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JP
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motor
phase
power supply
frequency
inverter
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JP6107960A
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Joseph M Bowling
マイケル ボウリング ジョセフ
Michael D Strong
デービッド ストロング マイケル
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Whitaker LLC
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Abstract

(57)【要約】 【目的】消費電力が少なく、雑音や振動が少なく、比較
的安価な誘導モータを用いた位置決め装置を提供する。 【構成】3相Y結線の誘導モータを用いて該モータに結
合された被制御体を反復運動する位置決め装置で、被制
御体の運動を開始させ、被制御体が所定位置のとき停止
させ、直流電源及びモータの巻線間に接続された3相イ
ンバータにより、該巻線及び直流電源間を選択的に接続
せしめる。また、上記開始信号及び停止信号を受け、上
記インバータ手段を制御して巻線に略正弦波状の駆動電
流を供給する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は位置決め装置に関し、特
に誘導モータを用いて移動サイクル内の正確な位置に往
復可動部材を位置決めする位置決め装置に関する。
【0002】
【従来の技術】往復駆動される部材を、その位置サイク
ル内の正確な位置に停止させる必要のある多くの機械が
ある。この種の機械の一つとして、ワイヤの端部に電気
端子を取り付けるために、繰り返し使用される圧着プレ
スがある。米国特許第3,343,398号には、ラム
が軸に結合され、軸の各一回転の間、ラムを下方向に移
動させて、その初期位置に戻し、ラムの端部上の圧着ダ
イを移動させ、端子と接続させるような機械が開示され
ている。軸は、連続動作モータにより連続的に駆動され
るフライホイールに、単一回転クラッチを介して結合さ
れている。ワイヤ上に端子を圧着する必要があるときに
は、単一回転クラッチを係合し、一回転させて軸を駆動
して、ラムを移動させる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上述の構成は、所望の
目的に対しては有効であるものの、多くの問題もある。
すなわち、例えば、モータの連続動作は、電気エネルギ
ーの浪費であり、熱が発生してしまう。また、単一回転
クラッチの使用は雑音と振動を発生せしめる。更に、ク
ラッチは、適切に維持されなければならず、磨耗部品は
取り替えられなければならない。
【0004】更に、サーボモータを用いた位置決め装置
は公知である。しかしながら、必要とされるモータに起
因して、かかる装置は高価である。
【0005】そこで、本発明の目的は、消費電力が少な
く、雑音や振動の少ない位置決め装置を提供することに
ある。
【0006】本発明の他の目的は、比較的安価な誘導モ
ータを用いた位置決め装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに本発明の位置決め装置は、3相Y結線の誘導モータ
を用いて該モータに結合された被制御体を反復運動する
位置決め装置において、直流電源と、前記被制御体の運
動を開始させる開始信号を発生する開始信号手段と、前
記被制御体が所定位置のとき停止信号を発生する停止信
号手段と、前記直流電源及び前記モータの巻線間に接続
され、該巻線及び前記直流電源間を選択的に接続する制
御可能な3相インバータ手段と、前記開始及び停止信号
手段に接続され、前記インバータ手段を制御し、前記巻
線に略正弦波状の駆動電流を供給する制御手段とを備え
て構成される。
【0008】
【作用】前述及び更なる目的は、本発明の原理により達
成される。本発明の単一サイクル位置決め装置は、3相
Y結線の誘導モータを利用しており、直流電源、被制御
往復移動用モータに結合された可動部材、部材の移動を
初期化するスタート信号を供給する手段、その移動サイ
クル内の予め定めた位置に部材があるとき、ストップ信
号を供給するための当該部材に関連する手段、及び直流
電源とモータの3相巻線間に接続され、直流電源とモー
タ3相巻線間を選択的に接続する可変インバータ手段を
備える。更に、スタート信号とストップ信号を受信し、
インバータ手段を制御する制御手段が設けられている。
制御手段は、スタート信号に応答して動作し、インバー
タ手段を制御して、モータの3相巻線のそれぞれに送出
される3つの略正弦波位相の交流電源を直流電源から発
生させる。制御手段は、ストップ信号に応答して動作
し、モータをダイナミックブレーキさせ、可動部材を予
め定めた所定範囲内の所望位置に位置決めする。
【0009】本発明の一態様によれば、制御手段は、ス
タート信号に応答して動作し、所定の周波数まで増加す
る周波数の交流電源をモータに供給するように動作す
る。その後、交流電源の周波数は、ストップ信号を受信
するまで、上記所定の周波数に維持される。
【0010】本発明の他の態様によれば、制御手段は、
ストップ信号に応答して動作し、モータに供給される交
流電源の周波数を上記所定周波数から低減せしめる。
【0011】本発明の更なる態様によれば、制御手段
は、スタート信号の受信から、ストップ信号の受信ま
で、モータに供給される電圧を予め定めた値に維持す
る。
【0012】本発明の更に他の態様によれば、制御手段
は、ストップ信号受信後に、モータに供給される電圧
を、所定の周波数と供給周波数の比の関数として、所定
値に対して低下せしめる。
【0013】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
ながら説明する。図1と図2には、3相Y結線誘導モー
タ10を制御して、そこに結合されている可動部材、図
示の軸12が単一サイクル移動する例が示されている。
軸12が予め定めた角度方向に至ったときに閉成される
ホームスイッチ14が設けられている。図示の例では、
可動部材は軸12であるが、可動部材は、例えば往復素
子のような往復移動のために、モータ10により制御さ
れる如何なる部材であっても良いことに注意すべきであ
る。また、ホームスイッチ14は、簡単な単極単一フロ
ースイッチとして示されているが、他の型のスイッチ、
例えば磁気リードスイッチやホール効果感知デバイスの
ようなスイッチを利用することもできる。モータ10と
可動部材12間には、減速ギヤのような結合機構が設け
られ、可動部材12は、モータ10が予め定めた回転数
だけ回転すると、単一サイクル移動する。
【0014】当該装置が、前掲米国特許第3,343,
398号に開示されている通常タイプの圧着プレスの環
境下で用いられるときには、部材12の移動は、フット
動作スイッチであるスイッチ16の閉成に応答して初期
化される。フットスイッチ16の閉成により、光アイソ
レータ22を介して、マイクロプロセッサ20に至るリ
ード18上にスタート信号が発生する。同様に、ホーム
スイッチ14の閉成により、光アイソレータ26を介し
て、マイクロプロセッサ20に至るリード24上にスト
ップ信号が発生する。後述するように、マイクロプロセ
ッサ20は、リード18と24上のスタート信号及びス
トップ信号に応答し、3相インバータ28を制御し、モ
ータ10の3相巻線30、32及び34に電源を供給
し、軸12を単一回転せしめる。
【0015】マイクロプロセッサ20は、インテル社製
の80C51FAマイクロプロセッサであり、パルス幅
変調機能をもつ。マイクロプロセッサ20内には、幾つ
かのパルス幅変調レジスタが設けられ、それらのうち3
つは本発明の装置で用いられ、一つがモータ10の各相
用である。各レジスタに対応して、クロックによりイン
クリメントされるカウンタが設けられている。図示で
は、各レジスタとカウンタは、8ビット長で、0から2
55までの数を含んでいる。カウンタは、入力クロック
パルスに応答して、0から255までカウントし、次
に、0に再びロールするように構成される。各クロック
パルスに対して、各レジスタ内の値は、対応するカウン
タ内のカウントと比較される。カウント値がレジスタ内
の値以下のときは、マイクロプロセッサ20からの対応
パルス幅変調(PWM)は低い。カウントがレジスタ内
の値を越えると、対応PWM出力は高くなる。要する
に、マイクロプロセッサ20からの各PWM出力は、そ
の対応レジスタ内に予備ロードされている値で定まるデ
ューティサイクルをもつ矩形波である。
【0016】前述パルス幅変調用に使われるクロックパ
ルスは、プログラマブルタイマ36により供給される。
図示のタイマ36は、インテル社製の82C54型のプ
ログラマブルカウントアレイである。タイマ36でプロ
グラマブルされるのは、リード38に供給されるクロッ
クパルスの周波数である。この周波数は、マイクロプロ
セッサ20からリード40上に供給される信号によって
決定される。
【0017】マイクロプロセッサ20からの前述PWM
出力は、モータ10の3つの巻線30、32及び34に
対応するリード42、44及び46上に現われる。後で
詳述するように、リード42、44及び46上のデュー
ティサイクル矩形波信号が、インバータ28を制御する
ため、リード48、50及び52上の出力信号の選択に
関連して利用される。
【0018】インバータ28は、170ボルトの直流電
源54に接続され、モータ10の3相巻線30,32及
び34に接続される。インバータ28は、3対のトラン
ジスタを含み、一つの対は、巻線30,32及び34の
それぞれと対応している。巻線30に対応するのはハイ
トランジスタ56とロートランジスタ58であり、巻線
32に対応するのは、ハイトランジスタ60とロートラ
ンジスタ62であり、また、巻線34に対応するのは、
ハイトランジスタ64とロートランジスタ66である。
モータ10を動かすためには、(1)ハイトランジスタ
56,60及び64の一つがONされ、且つロートラン
ジスタ58、62及び66の2つがONされるか、
(2)ロートランジスタ58,62及び66の一つがO
Nされ、且つハイトランジスタ56,60及び64の2
つがONされる。しかしながら、巻線30,32及び3
4の特定の一つに対応するトランジスタ対の両方が同時
にオンされることはない。何故ならば、その場合には、
直流電源部54に短絡回路が生ずるからである。したが
って、例えば、トランジスタ56,62及び66をON
させる妥当な結合がある。そのとき、電流が、直流電源
54から、トランジスタ56、巻線30、2本の巻線3
2と34、及びトランジスタ62と66を通して接地に
流れる。トランジスタ56,58,60,62,64及
び66を選択的に制御することにより、周知のように、
回転磁界をモータ10内に設定できる。
【0019】光アイソレータ68−1,68−2,68
−3,68−4,68−5及び68−6が、インバータ
28内の高電圧を、低制御電圧から絶縁するために設け
られている。これらの制御電圧は、リード70,72,
74,76,78及び80上に与えられる。リード7
2,76及び80上の信号は、ハイトランジスタ56,
60及び64をそれぞれ制御し、リード70,74及び
78上の信号は、ロートランジスタ58、62及び66
をそれぞれ制御する。
【0020】マイクロプロセッサ20からのPWM出力
リード42,44及び46がそれぞれルーター回路82
−1,82−2及び82−3に接続される。ルーター回
路82−1,82−2及び82−3への他の入力は、マ
イクロプロセッサ20からの選択リード48,50及び
52のそれぞれである。こうして、各選択リード48,
50及び52上の信号が、各巻線用の各対のトランジス
タのどちらか、(すなわち、トランジスタ56と58の
どちらか、トランジスタ60と62のどちらか、及びト
ランジスタ64と66のどちらか)がONされ、対応す
るPWM出力リード42,44または46が導電デュー
ティサイクルを決定する。
【0021】内部に蓄積されているプログラムとデータ
に従い、マイクロプロセッサ20は、その特有のパルス
幅変調機能を利用して、該パルス幅変調出力リード4
2,44及び46及び選択リード48,50及び52上
に適切な信号を供給し、インバータ28を制御する。こ
うすることにより、3つの略正弦波交流位相がモータ1
0の3本の位相巻線30,32及び34に供給され、リ
ード18上のスタート信号に応答して、モータを静止状
態から駆動し、一回転して軸12を移動せしめる。これ
は、本発明に従い、モータ10を制御して、3つのステ
ージに動作させることにより達成される。第1のステー
ジは、加速ステージ、第2のステージは動作(ラン)ス
テージ、第3のステージは減速ステージである。
【0022】モータ10には、周波数60Hzの3相交
流電源が供給されている。モータを加速するには、交流
電源の周波数は、直ちに60Hzに上げるのではなく徐
々に60Hzまで上げるのが望ましいことがわかった。
こうすることにより、必要なモータ速度がより迅速に得
られる。さて、図6に示すように、フットスイッチ16
の閉成によるリード18上のスタート信号の受信に応答
して、モータ10に供給される交流電源の周波数は、0
から60Hzまで徐々に増加する。これは加速ステージ
である。動作ステージでは、周波数は60Hzに維持さ
れる。動作ステージが終了し、ホームスイッチ14の閉
成により生ずるリード24上のストップ信号の受信に応
答して、減速ステージが開始される。
【0023】誘導モータは、空間での内部磁界を固定す
ることによりダイナミックにブレーキがかかる。しか
し、モータ10に供給される電源の周波数を減少させて
減速制御することにより、更に良好な停止動作を行なう
ダイナミックブレーキが得られる。一方、加速ステージ
における時間に対する周波数の増加が略リニアであると
きには、減速ステージでの時間に対する周波数の低減
は、図6に示すように、略放物線状であることが望まし
い。一般に、特定の周波数で駆動されている誘導モータ
が低周波数で動作するときは、電圧は比例的に低下す
る。したがって、例えば、モータ10が30Hzで動作
している60Hz 120VのRMSモータであれば、
電圧を60V RMSに下げるのが有利である。しか
し、本発明に従えば、周波数がレート周波数より低くと
も、加速ステージでは、電圧を減少させる必要がなくな
る。つまり、モータ10を、より迅速に高速とすること
ができ。しかしながら、減速ステージでは、モータ電圧
は、周波数に比例して減少させられる。
【0024】図7は、本発明による装置の全体動作を示
す。フットスイッチ16の動作後、装置は加速ステージ
に入り、インバータ28が制御され、60Hzまで周波
数が増加する電源がモータに供給される。次に、装置
は、動作ステージに入り、インバータ28が制御され、
60Hzの電源がモータに供給される。装置は、ホーム
スイッチ14が動作するまで、この動作ステージのまま
である。ホームスイッチ14が動作すると、装置は、減
速ステージに入り、インバータ28が制御され、周波数
が減少し、電圧が周波数の関数として減少する電源がモ
ータ10に供給される。軸12の停止位置に対するホー
ムスイッチ14の位置は、減速ステージが所望の許容値
内で軸12を停止させるような位置である。
【0025】PWM出力リード42,44及び46上の
信号のデューティサイクルは、図3のテーブルに従って
決定され、モータ10に供給される電源の周波数は、リ
ード40上の信号によりプログラムされ、タイマ36か
らのリード38上のクロックパルスの周波数により定ま
る。図3を参照すると、マイクロプロセッサ20内に
は、24個の定められたパルス幅変調(PWM)値をも
つパルス幅変調テーブルが格納されている。これらの各
値は、0から23の範囲を変化するポインタ値に従って
アドレス付けされている。PWM値は、デューティサイ
クルを決め、0から255まで変化し、値255は10
0%デューティサイクルと等しい。マイクロプロセッサ
20は、ポインタ値を減少させることにより、図3のテ
ーブルを通して時系列的に動作する。図4は、ポインタ
値の関数としてのPWM値を示すカーブである。ポイン
タ値が22のときには、PWM値は115であり、デュ
ーティサイクル45%と等しい。
【0026】モータ10の各位相について、図3のテー
ブルに従ったシーケンスにより、また、各モータ巻線用
の適切なハイまたはロートランジスタを選択することに
よって、図5に示すように、3つの略正弦波位相の交流
電源が発生される。各位相は、独自のポインタを有す
る。時間t0及びt1の間で、位相A(つまり、巻線3
0)については、Aポインタは15から8に減少され、
ハイトランジスタは充分にONされる。同時に、位相B
については、ポインタBは7から0に減少され、ロート
ランジスタがONされ、減少パルス幅変調が行なわれ
る。位相Cについては、ポインタCが23から0に減少
され、ロートランジスタがオンされ、増大パルス幅変調
される。次に、時間t1〜t2では、位相Aについては、
ポインタAが7から0に減少し、ハイトランジスタがO
Nされて、減少パルス幅変調される。位相Bについて
は、ポインタBが23から16に減少され、ハイトラン
ジスタがONされ、増大パルス幅変調が為される。位相
Cについては、ポインタCが15から8に減少させら
れ、ロートランジスタが充分にONされる。この動作
は、3つの略正弦波位相の交流電源が発生するまで続
く。
【0027】上述の如く、マイクロプロセッサ20は、
パルス幅変調カウンタと幾つかのパルス幅変調レジスタ
を有する。タイマ36からのリード38上のクロックパ
ルスに応答して、カウンタは0から255までカウント
する。続いてのクロックパルスに応答して、カウンタは
0に戻り、インタラプト信号を発生する。図8に示すよ
うに、フットスイッチ16が動作すると、マイクロプロ
セッサ20は、3相のそれぞれについて初期ポインタ値
をセットする。3相が120度だけオフセットされなけ
ればならないので、初期ポインタ値は、図3のテーブル
に従って、1/3交互(スタガ)状態となる。図示のよ
うに、位相Aに対する初期ポインタ値は15、位相Bに
対する初期ポインタ値は7、位相Cに対する初期ポイン
タ値は23である。同時に、初期ポインタ値がセットさ
れ、PWMカウンタが、インタラプト信号を発生させる
値よりも小さい値にセットされる。こうして、PWMカ
ウンタは、255にセットされる。
【0028】図9は、一つの位相に対するパルス幅変調
の動作態様を示す。タイマ36からのパルスがリード3
8上に受信されると、PWMカウンタが増大される。カ
ウンタ値が0であるか否かのチェックが為される。も
し、カウンタ値が0であれば、インタラプト信号が発生
する。どの場合でも、カウンタ値は、PWMレジスタ内
に格納されているPWM値と比較される。カウンタ値が
PWM値よりも大きいときには、当該位相でONである
トランジスタがOFFとなる。カウンタ値がPWM値よ
り大きくないときには、その位相についての選択された
トランジスタは、導通状態となるように制御される。図
10は、どのようにしてPWM値が得られ、PWMレジ
スタに格納されるかを示す図である。インタラプト信号
の発生に応答して、ポインタが0であるか否かがチェッ
クされる。ポインタが0であれば、24にセットされ、
その位相の他のトランジスタ対が選択される。続いて、
ポインタが減少される。ポインタが0に等しくないとき
には、単純に減少される。ポインタは、図3のテーブル
からPWM値を得るために用いられる。PWM値は、次
に、PWMレジスタに格納される。
【0029】要するに、交流電源の各サイクルは、48
ステップに分けられている。これら48ステップの間に
は、ポインタは、図3のテーブルに従って2回時系列動
作し、一回は各位相対のトランジスタが選択され、一回
は各位相対の他のトランジスタが選択される。これら4
8ステップの各ステップは、更に256部分に細分割さ
れ、PWMレジスタ内に格納されているPWM値により
定まる256部分のうちのできるだけ多くの部分に対し
て、選択されたトランジスタがONとされる。
【0030】上述パルス幅変調動作は、モータ10の動
作中は変化しない。しかしながら、変化する1つは、加
速ステージで、モータ10に供給されている60Hzの
交流電源の周波数まで徐々に増加するタイマ36からの
パルスの周波数である。単一サイクルの48ステップ内
には256部分があるから、60Hzに対しては、これ
はタイマ36からの737,280パルス/秒のパルス
レートに等しい。マイクロプロセッサ20は、リード4
0を介して、タイマ36に、このパルスレートを制御す
るための信号を供給する。加速ステージではパルスレー
トは増加し、減速ステージではパルスレートは減少す
る。好ましくは、図6に示すように、加速ステージで
は、周波数の増大はリニアであり、減速ステージでは周
波数の減少は放物線的である。他の変数は、モータ10
に供給されるRMS電圧である。この電圧は、加速ステ
ージでは一定とすることができ、動作ステージでは一定
であるが、減速ステージでは減少する。したがって、減
速ステージでは、PWM値は、モータ10に供給される
電源の周波数と60Hzの動作周波数との比に対応する
係数により低減され、デューティサイクルを下げ、供給
電圧を低下せしめる。
【0031】減速ステージの終了時点でのDCブレーキ
を実行するためには、モータを停止させるのが好ましい
ことも発見されている。したがって、周波数が減速ステ
ージの終了時にゼロに達すると、PWM値60を用い
て、約80ミリ秒間だけ、モータ巻線30,32及び3
4内に固定(空間)磁界を設定することが有効であるこ
とが判明した。
【0032】以上、移動サイクル内の正確な位置に往復
可動部材を正確に位置決めするために誘導モータを用い
た改良された位置決め装置について説明した。以上の実
施例の説明は、本発明の原理の一例であり、多くの他の
アレンジメントが、当業者にとっては可能であり、これ
らは本発明に包含される。
【0033】本発明の一実施例では、制御手段がストッ
プ信号に応答して動作し、インバータ手段を制御してモ
ータに対してダイナミックブレーキをかけ、可動部材
を、所定位置の規定範囲内の所望位置に位置決めする。
本発明の他の態様では、制御手段は、スタート信号に応
答して動作し、モータに対して予め定めた周波数の交流
電源を供給し、その後、ストップ信号を受信するまで、
交流電源の周波数を上記予め定めた周波数に維持する。
本発明の更に他の態様では、制御手段は、ストップ信号
に応答して動作し、モータに供給される交流電源の周波
数を上記予め定めた周波数から減少させる。本発明の他
の態様では、制御手段は、スタート信号の受信からスト
ップ信号の受信まで、予め定めた値の電圧を維持して、
モータに供給する。本発明の更なる態様では、制御手段
は、ストップ信号の受信後、供給周波数と上記予め定め
た周波数の比の関数としての上記予め定めた値に対して
モータに供給される電圧を低下せしめるように動作す
る。
【0034】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による位置
決め装置によれば、比較的安価な誘導モータを用いるこ
とができ、電気エネルギーのロス、雑音及び振動の発生
を著しく減少することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による位置決め装置の一実施例を示す基
本構成ブロック図である。
【図2】実施例の詳細構成ブロック図である。
【図3】図1と図2に示す装置で用いられるパルス幅変
調値を示すテーブルである。
【図4】図3に示すテーブル内の値に従うプロット曲線
である。
【図5】本発明の実施例におけるモータの3相に供給さ
れる電圧の時間変化を示す図である。
【図6】本発明の実施例におけるモータに供給される交
流電源の周波数の時間変化を示す図である。
【図7】本発明の実施例における位置決め装置の全体動
作の処理手順を示すフローチャートである。
【図8】本発明の実施例における位置決め装置の動作の
処理手順を示すフローチャートである。
【図9】本発明の実施例における位置決め装置のパルス
幅変調動作の処理手順を示すフローチャートである。
【図10】本発明の実施例における位置決め装置のPW
M値取得、格納動作の処理手順を示すフローチャートで
ある。
【符号の説明】
10 誘導モータ 12 被制御体(可動部材) 14 停止信号手段 16 開始信号手段 20 制御手段 28 3相インバータ手段

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】3相Y結線の誘導モータを用いて該モータ
    に結合された被制御体を反復運動する位置決め装置にお
    いて、 直流電源と、 前記被制御体の運動を開始させる開始信号を発生する開
    始信号手段と、 前記被制御体が所定位置のとき停止信号を発生する停止
    信号手段と、 前記直流電源及び前記モータの巻線間に接続され、該巻
    線及び前記直流電源間を選択的に接続する制御可能な3
    相インバータ手段と、 前記開始及び停止信号手段に接続され、前記インバータ
    手段を制御し、前記巻線に略正弦波状の駆動電流を供給
    する制御手段と、 を具えることを特徴とする位置決め装置。
JP6107960A 1993-04-26 1994-04-21 位置決め装置 Pending JPH06351273A (ja)

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US08/052,882 1993-04-26
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