JP2016100517A - ソレノイド - Google Patents

Abstract

【課題】組立時のヨークの薄肉部の座屈を防止すると共に、磁気回路中のエアギャップをなくして吸引力を向上させたソレノイドを提供する。
【解決手段】ソレノイド１０は、コイルユニット１２と、コイルユニット１２の内側に配置され狭窄部１４ａを有するヨーク１４と、ヨーク１４の一方の端部と平面部１６ａとが当接するように配置されたプレート１６と、中央に開口が形成された底面部１１ａと筒状の側面部１１ｂとを有し、ヨーク１４の外周面と開口の内周面とが当接し、プレート１６と側面部１１ｂとが当接するように配置されたケース１１と、を備えている。ソレノイド１０は、コイルユニット１２と、ヨーク１４と、プレート１６と、ケース１１とによって囲まれた第１空間１８に樹脂を充填して、コイルユニット１２とヨーク１４とをプレート１６とケース１１に対して固定したバインダ２０を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ソレノイドに関する。

従前より、弁開閉時期制御装置の進角室及び遅角室への作動油の給排を制御するために、オイルコントロールバルブ（ＯＣＶ）が使用されている。ＯＣＶは外周に溝や孔が形成された円筒形状のスプールを円筒形状のスリーブの内周側に挿入して軸方向に往復移動させることにより作動油の流動方向の切り換えや作動油の流通、遮断を行う。

通常、ＯＣＶにおけるスプールの往復移動は、ばねの付勢力とリニアソレノイドアクチュエータ（以下、単にソレノイドと称する）の駆動力により行われる。ばねの付勢力とソレノイドの駆動力は軸方向に沿って逆向きに作用するように構成されており、ソレノイドの駆動力が０のときはばねの付勢力によりスプールは一方端部に移動し、ソレノイドを駆動させたときは駆動力がばねの付勢力を上回り、スプールは他方端部に移動する。

ＯＣＶのスプールを駆動するソレノイドは、例えば特許文献１に示すような構成を備えている。特許文献１に開示された電磁調節装置（本願発明のソレノイドに相当）は、コイルホルダ（本願発明のボビンに相当）に巻回されたコイルからなるコイルユニットと、コイルユニットの内周側に配置されたヨークコアユニット（本願発明のヨークに相当）と、ヨークコアユニットの内周側に配置されたアーマチュア部（本願発明のプランジャに相当）と、ヨークコアユニットが当接するハウジングベース（本願発明のプレートに相当）とハウジングシェル（本願発明のケースに相当）とを備えている。

コイルに通電すると、発生した磁力線がハウジングシェル、ハウジングベース、ヨークコアユニット、アーマチュア部、ヨークコアユニットを通って磁気回路を形成し、アーマチュア部及びアーマチュア部と一体となったプランジャユニットが軸心方向に移動する。

米国特許出願公開第２０１１／０２１０２７７号明細書

特許文献１に開示された電磁調節装置においては、ヨークコアユニットの一部が外周面から径方向内側に向けて狭窄中間部（本願発明の狭窄部に相当）が形成されており、狭窄中間部の最も内径側の部分（以下、薄肉部分と称する）の肉厚は非常に薄くなっている。

ヨークコアユニットとハウジングシェルとの間の磁気抵抗を小さくするために、ヨークコアユニットは特許文献１の図１の左方からハウジングシェルに圧入されている。圧入完了の時点で、ヨークコアユニットの左端面はハウジングシェルの左端面と面一になっており、ヨークコアユニットの右端面はハウジングベースの左端面にエアギャップなく当接している。

しかし、現実に図１のようにヨークコアユニットをハウジングベースにエアギャップなく当接させることは非常に困難である。ヨークコアユニットをハウジングシェルに圧入するときは、通常、ハウジングシェルを固定した状態で、ヨークコアユニットの左端面がハウジングシェルの左端面と面一になるまでヨークコアユニットを押圧する。

量産時におけるヨークコアユニットの左右方向の長さは常に同じではなく、公差の範囲内でばらつきを有している。また、ハウジングシェルの左端面とハウジングベースの左端面との距離も部品の寸法公差と組立公差の範囲内でばらつきを有している。

よって、ハウジングシェルの左端面とハウジングベースの左端面の距離よりもヨークコアユニットの左端面から右端面までの長さが長ければ、押圧によりヨークコアユニットの左端面がハウジングシェルの左端面と面一になる前に、ヨークコアユニットの右端面がハウジングベースの左端面に当接してしまう。その状態で、面一になるまでヨークコアユニットを無理やり押圧すると、押圧力が薄肉部分の曲げ座屈荷重を超えてしまい、薄肉部分が座屈してヨークコアユニットが変形してしまうおそれがある。

逆に、ハウジングシェルの左端面とハウジングベースの左端面の距離よりもヨークコアユニットの左端面から右端面までの長さが短ければ、押圧によりヨークコアユニットの左端面がハウジングシェルの左端面と面一になるまで押圧しても、ヨークコアユニットの右端面とハウジングベースの左端面との間にはエアギャップが存在することになる。この結果、磁気回路におけるヨークコアユニットとハウジングベースとの間の磁気抵抗が高くなり、電磁調節装置の駆動効率が低下して吸引力が低下するおそれがある。

このような特許文献１に開示された電磁調節装置の課題を回避するために、本願出願人は、図８に示す構造のソレノイド２１０を発明した。このソレノイド２１０においては、プレート１６の中央部に開口を設け、ヨーク１４の外周面とプレート１６の開口の内周面とが対向するように構成されている点で、電磁調節装置とは異なっている。そして、樹脂からなるカバー２２の底面には凹部２２ａが形成されており、ヨーク１４の上端面をケース１１の上端面と面一になるまで押圧して圧入しても、ヨーク１４の下端面が凹部２２ａの底面に接触しないように構成されている。それにより、ヨーク１４の薄肉部分が座屈するのを防止している。

ソレノイド２１０においては、ヨーク１４の外周面とプレート１６の開口の内周面とを圧入により当接させる構成とすると、ヨーク１４の押圧時に薄肉部が座屈して変形するおそれがあるので、ヨーク１４の外周面とプレート１６の開口の内周面との間にはわずかながらエアギャップが存在するように構成されている。そのため、磁気回路におけるヨーク１４とプレート１６との間の磁気抵抗が高くなり、ソレノイド２１０の駆動効率が低下して吸引力が低下するおそれがある。

上記問題に鑑み、本発明は、組立時のヨークの薄肉部の座屈を防止すると共に、磁気回路中のエアギャップをなくして吸引力を向上させたソレノイドを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るソレノイドの特徴構成は、絶縁体からなるボビンと絶縁被膜で被覆された銅線を前記ボビンに巻回して形成されたコイルとを有するコイルユニットと、前記コイルユニットの内周側の空間に配置され、外周面の全周に径方向内側に向けて形成された窪みである狭窄部を有する、磁性体からなる円筒形状のヨークと、平面部を有し、前記ヨークの一方の端部と前記平面部とが当接するように配置された、磁性体からなる円板形状のプレートと、中央に開口が形成された底面部と前記底面部から立設した筒状の側面部とを有し、前記ヨークの外周面と前記開口の内周面とが当接し、前記プレートと前記側面部とが当接するように配置された、磁性体からなるケースと、を備え、前記コイルユニットは、前記ヨークと前記プレートと前記ケースとに囲まれて形成された内部空間に収容されており、前記内部空間のうち、前記コイルユニットと、前記ヨークと、前記プレートと、前記ケースとによって囲まれた第１空間に樹脂を充填して、前記コイルユニットと前記ヨークとを前記プレートと前記ケースに対して固定したバインダを備える点にある。

このような特徴構成とすれば、ヨークとプレートとの間、ヨークとケースとの間、プレートとケースとの間はいずれも当接による接触のため隙間は０である。従って、コイルに通電したときに発生する磁力線が通る磁気回路のエアギャップがほぼ０になるので磁気抵抗を限りなく小さくすることが可能となる。このため、ソレノイドの駆動効率が向上し、吸引力は大きく向上する。また、バインダによりコイルユニットとヨークとをプレートとケースに対して固定しているので、ヨークをケースに対して圧入して固定する必要がない。その結果、ヨークをケースに挿入するときの押圧力が小さくて済むので、押圧力によって狭窄部の薄肉部分が座屈して変形するおそれもない。

本発明に係るソレノイドにおいては、前記ヨークは前記第１空間に繋がった溝を外周に有し、前記バインダを構成する樹脂が前記溝に充填されることにより、前記ヨークが前記プレートと前記ケースに対して固定されると好適である。

このような構成とすれば、バインダを構成する樹脂がヨークの溝にも充填されるので、ヨークはケースとプレートに対して更に強固に固定される。

本発明に係るソレノイドにおいては、前記空間のうち前記コイルユニットと前記狭窄部とによって囲まれて形成され且つ前記第１空間と連通した第２空間に、前記バインダを構成する樹脂が充填されていると好適である。

このような構成とすれば、樹脂が第２空間に充填されるので、コイルユニットとヨークが樹脂と接する面積は増大する。このため、コイルユニットとヨークとはケースとプレートに対して更に強固に固定される。

本発明に係るソレノイドにおいては、前記ヨークの内周に区画された空間に摺動可能に配置された、磁性体からなるプランジャをさらに備え、前記ヨークの内周面及び前記プランジャの外周面の少なくともいずれか一方に前記プランジャの摺動性を高めるコーティング剤が塗布されていると好適である。

このような構成とすれば、ヨークの面粗度が粗くても、プランジャは低摺動抵抗でヨークの内周側の空間を摺動することができる。このため、ヨークの内周面に対する研磨などによる表面処理が不要となり、安価にソレノイドを提供することができる。

第１実施形態に係るソレノイドを弁開閉時期制御装置に適用した状態を表す縦断面図である。 ソレノイドの構造を表す縦断面図である。 ヨークの斜視図である。 ストロークに対するソレノイドの吸引力を表したグラフである。 第２実施形態に係るソレノイドの構造を表す縦断面図である。 ヨークの斜視図である。 図５のVIII部の部分拡大図である。 従来のソレノイドの構造を表す縦断面図である。

以下、本発明に係るソレノイドの実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。

１．第１実施形態
〔ソレノイドの構成〕
図１に示すように、第１実施形態に係るソレノイド１０は、例えば自動車用エンジン（以下、単にエンジンと称する）の弁開閉時期制御装置３０において作動油を進角室４１及び遅角室４２に給排するオイルコントロールバルブ（ＯＣＶ）５０に用いられる。

弁開閉時期制御装置３０は、不図示のクランクシャフトと同期回転するハウジング３１とハウジング３１の内側でハウジング３１の軸心Ｘと同軸心に配置され、カムシャフト６０と一体回転する内部ロータ３２とを備えている。

ハウジング３１及び内部ロータ３２は固定ボルト５１によってカムシャフト６０に固定されている。ハウジング３１は、タイミングスプロケット３３を一体的に備えている。ハウジング３１の内側には内部ロータ３２が収容され、ハウジング３１と内部ロータ３２との間に、流体圧室としての進角室４１と遅角室４２が形成されている。内部ロータ３２には、進角室４１に連通する進角流路４３や遅角室４２に連通する遅角流路４４等が形成されている。

ＯＣＶ５０は、内部ロータ３２の内側に軸心Ｘと同軸心に配置されている。ＯＣＶ５０は、ソレノイド１０と、スリーブとしても機能する固定ボルト５１と、固定ボルト５１に内挿されたスプール５２と、スプリング５３とを備えている。これらの部品は、いずれも軸心Ｘと同軸心に配置されている。スプリング５３はスプール５２を固定ボルト５１の頭部側（図１の左方）に向けて付勢する。ＯＣＶ５０は、印加する電圧の大きさを変えてソレノイド１０の駆動力の大きさを変え、これによりスプリング５３の付勢力に抗してスプール５２の位置を変化させる。スプール５２の位置により、ＯＣＶ５０を例えば、作動油を進角室４１に供給し遅角室４２から排出する進角モードと、作動油を進角室４１から排出し遅角室４２に供給する遅角モードと、作動油を進角室４１と遅角室４２に供給も排出もしない中立モードとに切り換える。進角室４１と遅角室４２に供給される作動油は、オイルパン７０に貯留されており、エンジンの回転と同期して回転するオイルポンプ７２により吸入、吐出され、進角流路４３や遅角流路４４を流通する。

ソレノイド１０は、図２に示すように、ケース１１と、コイルユニット１２と、ヨーク１４とプランジャ１５と、プレート１６と、シャフト１７と、カバー２２と、を備えている。以下の説明で、上下左右を用いて方向を説明する際は、図２における上下左右方向を基準にする。

ケース１１は鉄等の磁性体からなり、上部中央に開口が形成された底面部１１ａと底面部１１ａから下方に向けて立設した筒状の側面部１１ｂとを有する。コイルユニット１２は、上下方向に延在する円状筒の両端にフランジが形成された形状で樹脂等の絶縁体からなるボビン１２ａと、ボビン１２ａの円状筒の外周に巻回された絶縁被膜で被覆された銅線からなるコイル１２ｂとを有する。銅線の端部は不図示のコネクタに接続され、外部電源に接続されている。ボビン１２ａの上側のフランジの一部は底面部１１ａに当接している。ケース１１もコイルユニット１２も軸心Ｘと同軸心に配置されている。

図２に示すように、ヨーク１４は鉄等の磁性体からなる円筒形状を有しており、ボビン１２ａの円状筒の内周側の空間に軸心Ｘと同軸心に配置されている。ヨーク１４の上端近傍の外周面は底面部１１ａの開口の内周面と隙間なく接している。図３に示すように、ヨーク１４の上下方向の中央近傍であって外周面の全周には、径方向内側に向かう窪みである狭窄部１４ａが形成されている。狭窄部１４ａのもっとも外径の小さい部分、すなわち、ヨーク１４の径方向の肉厚が最も薄い部分が薄肉部分１４ｂである（図２参照）。狭窄部１４ａは、コイル１２ｂへの通電により発生した磁力線をプランジャ１５に導くために設けられている。

また、ヨーク１４には、図２に示すように、狭窄部１４ａよりも下方に、狭窄部１４ａの径方向の深さよりも浅い溝１４ｃが全周に亘って形成されている。ヨーク１４の上端近傍の内周面には、プランジャ１５の移動を止める環状のストッパ２１が嵌め込まれている。

プレート１６は鉄等の磁性体からなり、中央に窪みを有する円板形状を有している。プレート１６は、平面部１６ａがヨーク１４の下端面と隙間なく当接した状態で、軸心Ｘと同軸心に配置されている。プレート１６の外周面はケース１１の側面部１１ｂに圧入されている。これにより、プレート１６はケース１１に対して固定されている。

コイルユニット１２はケース１１とヨーク１４とプレート１６とに囲まれて形成された内部空間に収容されている。

プランジャ１５は鉄等の磁性体からなり、ヨーク１４の内周に区画された空間にあって、且つ、プレート１６の窪みの中央部に形成された突出面１６ｂに軸心Ｘと同軸心に載置されている。このとき、プランジャ１５の上端面は、径方向に見たときに、ヨーク１４の薄肉部分１４ｂと重なる位置にある。プランジャ１５の中央部には軸心Ｘに沿って軸心Ｘと同軸心の貫通孔が形成されており、そこにシャフト１７が圧入されている。コイル１２ｂへの通電のオンオフによって、プランジャ１５とシャフト１７とは一体となって軸心Ｘに沿って摺動する。図２は、コイル１２ｂへの通電がなされていない状態を表している。

コイルユニット１２が収容された内部空間のうち、ケース１１と、コイルユニット１２と、ヨーク１４と、プレート１６とによって囲まれた第１空間１８には樹脂からなるバインダ２０が備えられている。バインダ２０は、溶融した樹脂をプレート１６に形成された貫通孔１６ｃを介して第１空間１８に流し込んで充填した後、樹脂を硬化させることにより形成されている。これにより、コイルユニット１２は、ケース１１及びプレート１６に対して固定される。

バインダ２０の樹脂はヨーク１４の溝１４ｃにも充填されている。これにより、ヨーク１４はケース１１及びプレート１６に対して固定される。

カバー２２は樹脂等の絶縁体からなり、ケース１１とプレート１６とを覆うように取り付けられている。カバー２２には弁開閉時期制御装置３０が取り付けられるエンジンブロックに取り付けるための不図示のボルト孔が開けられている。

外部電源からコネクタを介してコイル１２ｂに通電すると磁力線が発生する。発生した磁力線は磁気抵抗の低い磁性体の内部を通る。ソレノイド１０においては、磁力線は主に磁性体からなるケース１１、プレート１６、ヨーク１４の薄肉部分１４ｂより下方の部分、プランジャ１５、ヨーク１４の薄肉部分１４ｂより上方の部分を通る。この磁力線による電磁エネルギーにより、プランジャ１５はより磁気抵抗の小さい状態になるように動く。具体的にはプランジャ１５は図２の状態からストッパ２１に当接するまで上方に移動する。これにより、シャフト１７も上方に移動し、ＯＣＶ５０のスプール５２をスプリング５３の付勢力に抗して移動させることができる。

〔ソレノイドの組立方法〕
次に、ソレノイド１０の組立方法について説明する。まず、ケース１１にコイルユニット１２を収容して、次にプレート１６を圧入する。この状態では、コイルユニット１２はケース１１に対して固定されていない。その後、ケース１１の底面部１１ａの開口からヨーク１４をプレート１６の平面部１６ａに当接するまで挿入する。このときヨーク１４がボビン１２ａの円状筒の内周側の空間を通るようにする。ヨーク１４の外径と底面部１１ａの開口の内径の大きさの差は０か、若しくは、薄肉部分１４ｂが座屈しない軽圧入となる程度にヨーク１４の外径を開口の内径よりもやや大きくしている。このため、挿入時にヨーク１４には大きな押圧力は印加されず、薄肉部分１４ｂが座屈することもない。

ヨーク１４が挿入されてプレート１６に当接した状態の中間組立品を図２の状態から上下を逆にして、すなわち、底面部１１ａが下になるようにして射出成形用金型にセットする。これにより、ボビン１２ａの上側のフランジの一部が底面部１１ａに当接する。そして、プレート１６に設けられた貫通孔１６ｃを介して、熱可塑性樹脂を第１空間１８及び溝１４ｃに充填する。樹脂の充填後、中間組立品を冷却して樹脂を硬化させる。これにより、コイルユニット１２とヨーク１４は、ケース１１及びプレート１６に対して固定される。

その後、シャフト１７が圧入された状態のプランジャ１５をヨーク１４の内周に区画された空間に挿入し、ストッパ２１を嵌め込む。最後に別途成形したカバー２２をケース１１とプレート１６とを覆うように取り付けて、図２に示すようなソレノイド１０が完成する。

本実施形態に係るソレノイド１０であれば、ヨーク１４とプレート１６との間は当接による接触のため隙間は０であり、プレート１６とケース１１とは圧入されているので隙間は０であり、ケース１１とヨーク１４との間は隙間なし又は軽圧入による挿入のため隙間は０である。従って、コイル１２ｂに通電したときに発生する磁力線が通る磁気回路のエアギャップがほぼ０になるので磁気抵抗を限りなく小さくすることが可能となる。このため、ソレノイド１０の駆動効率が向上し、吸引力は大きく向上する。図４に示すように、図８に示す従来の構造のソレノイド２１０と図２に示す本実施形態の構造のソレノイド１０とでは、ソレノイド１０の方が明らかに吸引力が向上していることが理解される。

本実施形態において、コイルユニット１２やケース１１、ヨーク１４、プレート１６のうち、バインダ２０の樹脂と接する箇所の面粗度を粗くすれば、バインダ２０のコイルユニット１２やケース１１、ヨーク１４、プレート１６への食いつきをより高めることができ、コイルユニット１２とヨーク１４とをケース１１及びプレート１６に対してより強固に固定することができる。

２．第２実施形態
以下、本発明の第２実施形態に係るソレノイド１１０について図面に基づいて詳細に説明する。本実施形態の説明においては、第１実施形態と同じ構成の箇所には同じ符号を付し、同様の構成に関する説明は省略する。本実施形態のソレノイド１１０においては、ヨーク１４０の形状が第１実施形態のヨーク１４とは異なっており、それに伴い、バインダ２０の樹脂が充填される範囲が異なっている。

ソレノイド１１０のヨーク１４０は、図５、図６に示すように、溝１４ｃから軸心Ｘの方向に狭窄部１４ａまで延在する４本の連通溝１４２が形成されている。このような連通溝１４２を設けると、第１空間１８に樹脂を充填するときに、樹脂は同時に連通溝１４２を通り、コイルユニット１２のボビン１２ａと狭窄部１４ａとによって囲まれて形成される第２空間１８０にも充填される。このように、第１空間１８以外に第２空間１８０にも樹脂を充填することにより、コイルユニット１２とヨーク１４０が樹脂と接触する面積がより大きくなり、コイルユニット１２とヨーク１４は、ケース１１及びプレート１６に対してより強固に固定される。なお、本実施形態においては、連通溝１４２は４本設けたが、これより多くても少なくてもよい。充填する樹脂の粘度や充填時間に合わせて適切な本数の連通溝１４２を形成することができる。

図７に示すように、ヨーク１４０の内周面にはプランジャ１５の摺動性を良好にするコーティング剤１４４が塗布されている。コーティング剤１４４はヨーク１４０の内周面の凹凸に倣って塗布されるが、コーティング剤１４４自体の性質により、ヨーク１４０の内周面の面粗度が大きくてもプランジャ１５の摺動時の摺動抵抗を小さくすることができる。これにより、ヨーク１４０の内周面に対する研磨などによる表面処理が不要となり、安価にソレノイド１１０を提供することができる。

コーティング剤１４４は第１実施形態のヨーク１４の内周面に塗布してもよい。また、コーティング剤１４４はヨーク１４、１４０に替えて又はヨーク１４、１４０と共にプランジャ１５に塗布してもよい。

上記各実施形態においては、プレート１６の外周面はケース１１の側面部１１ｂに圧入されていたが、これだけに限られるものではない。例えば、ケース１１の側面部１１ｂに下方に突出した複数の突起を設け、該突起をプレート１６に設けた孔に圧入してもよい。また、圧入ではなく溶接等の方法によりケース１１とプレート１６とを接合してもよい。ケース１１とプレート１６の間の磁気抵抗を小さくできるのであれば、任意の方法によりケース１１とプレート１６とを接合することができる。

本発明は、ソレノイドに利用することが可能である。

１０、１１０ ソレノイド
１１ ケース
１１ａ 底面部
１１ｂ 側面部
１２ コイルユニット
１２ａ ボビン
１２ｂ コイル
１４、１４０ ヨーク
１４ａ 狭窄部
１４ｃ 溝
１５ プランジャ
１６ プレート
１６ａ 平面部
１８ 第１空間
２０ バインダ
１４４ コーティング剤
１８０ 第２空間

Claims (4)

1. 絶縁体からなるボビンと絶縁被膜で被覆された銅線を前記ボビンに巻回して形成されたコイルとを有するコイルユニットと、
   前記コイルユニットの内周側の空間に配置され、外周面の全周に径方向内側に向けて形成された窪みである狭窄部を有する、磁性体からなる円筒形状のヨークと、
   平面部を有し、前記ヨークの一方の端部と前記平面部とが当接するように配置された、磁性体からなる円板形状のプレートと、
   中央に開口が形成された底面部と前記底面部から立設した筒状の側面部とを有し、前記ヨークの外周面と前記開口の内周面とが当接し、前記プレートと前記側面部とが当接するように配置された、磁性体からなるケースと、を備え、
   前記コイルユニットは、前記ヨークと前記プレートと前記ケースとに囲まれて形成された内部空間に収容されており、
   前記内部空間のうち、前記コイルユニットと、前記ヨークと、前記プレートと、前記ケースとによって囲まれた第１空間に樹脂を充填して、前記コイルユニットと前記ヨークとを前記プレートと前記ケースに対して固定したバインダを備えるソレノイド。
2. 前記ヨークは前記第１空間に繋がった溝を外周に有し、
   前記バインダを構成する樹脂が前記溝に充填されることにより、前記ヨークが前記プレートと前記ケースに対して固定される、請求項１に記載のソレノイド。
3. 前記空間のうち前記コイルユニットと前記狭窄部とによって囲まれて形成され且つ前記第１空間と連通した第２空間に、前記バインダを構成する樹脂が充填されている、請求項１又は２に記載のソレノイド。
4. 前記ヨークの内周に区画された空間に摺動可能に配置された、磁性体からなるプランジャをさらに備え、
   前記ヨークの内周面及び前記プランジャの外周面の少なくともいずれか一方に前記プランジャの摺動性を高めるコーティング剤が塗布されている請求項１〜３のいずれか一項に記載のソレノイド。

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