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Dokumentenidentifikation DE60120045T2 26.10.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001162722
Titel Kleiner Linearantrieb
Anmelder Honda Giken Kogyo K.K., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Ohta, c/o Honda R & D Co., Masahiro, Wako-shi, Saitama-ken, JP;
Sukigara, c/o Honda R & D Co., Toru, Wako-shi, Saitama-ken, JP;
Kagawa, c/o Honda R & D Co., Kazuhiro, Wako-shi, Saitama-ken, JP
Vertreter Weickmann & Weickmann, 81679 München
DE-Aktenzeichen 60120045
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 30.05.2001
EP-Aktenzeichen 011132222
EP-Offenlegungsdatum 12.12.2001
EP date of grant 31.05.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.10.2006
IPC-Hauptklasse H02K 41/035(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung 1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Linearstellglied und insbesondere ein Linearstellglied, welches eine geringe Größe und ein geringes Gewicht aufweist.

2. Beschreibung des betreffenden Fachgebiets

Von einem Stellglied wird gefordert, dass es eine gute Ansprechempfindlichkeit, eine große Abgabeleistung, eine große Verschiebung, eine gute Fähigkeit zur Positionsbeibehaltung, Reproduzierbarkeit sowie einen guten Wirkungsgrad aufweist. Ein Stellglied vom Typ mit Festkörperverschiebung, welches piezoelektrische Eigenschaften, Elektrostriktion oder Super-Magnetostriktion nutzt, weist eine gute Ansprechempfindlichkeit und eine große Abgabeleistung auf. Da jedoch das Stellglied vom Typ mit Festkörperverschiebung eine geringe Verschiebung aufweist und aus einem zerbrechlichen Material hergestellt ist, sind Festigkeit und Steifheit gering.

Thermische Formgedächtnislegierung weist eine große Abgabeleistung und eine große Verschiebung auf. Die thermische Formgedächtnislegierung hat jedoch Hystereseeigenschaft in der Verschiebung und die Fähigkeit zur Positionsbeibehaltung ist gering. Außerdem ist die Ansprechempfindlichkeit bemerkenswert niedrig und der Wirkungsgrad ist gering.

Ein elektromagnetischer Rotationsmotor weist eine gute Ansprechempfindlichkeit und eine große Ausgangsleistung auf. Ferner weist der elektromagnetische Motor eine große Verschiebung, eine gute Fähigkeit zur Positionsbeibehaltung sowie gute Festigkeit auf. Somit weist der elektromagnetische Motor einen guten Wirkungsgrad auf. Der elektromagnetische Motor weist jedoch keine Linearität auf und benötigt einen externen Umwandlungsmechanismus zur Umwandlung eines Rotationsbetriebs in einen linearen Betrieb. Ferner benötigt der elektromagnetische Motor einen Verzögerungsmechanismus. Es ist somit schwierig, den Motor zu miniaturisieren.

Ein elektromagnetischer Linearmotor benötigt solch ein mechanisches System nicht. Der elektromagnetische Linearmotor weist jedoch eine geringe Ausgangsleistung auf und benötigt ein Regelsystem zur Fähigkeit zur Positionsbeibehaltung, so dass ein Anwendungsgebiet begrenzt ist. Da die elektromagnetische Kraft auf einen Körper von magnetischer Substanz nicht stabil wirkt, ist in dem elektromagnetische Kraft nutzenden Stellglied eine Regelung unbedingt notwendig.

Ein Fluiddruck nutzendes Stellglied ist kompliziert im Hinblick auf das Auslaufen von Öl und ein Fluidweg ist kompliziert, da das Stellglied viele Ventile enthält.

Ein Linearantrieb wird für ein Gelenk eines Arms oder eines Fingers eines Roboters zusätzlich zu einem Drehantrieb benötigt. Allgemein wird für den Linearantrieb ein kleiner Drehmotor mit einer großen Ausgangsleistung verwendet. Wie oben erwähnt, ist der Drehmotor in allen physikalischen Eigenschaften gut. Es müssen jedoch Einheiten von großer Größe, wie etwa der Verzögerungsmechanismus und das externe Umwandlungssystem, in engen Räumen, wie etwa dem Finger und dem Arm, hinzugefügt werden, so dass der Drehmotor so hergestellt werden muss, dass er eine geringe Größe aufweist. Im Ergebnis verringert sich die Ausgangsleistung des Drehmotors.

In der japanischen offen gelegten Patentanmeldung (JP-A-Heisei 8-214530) ist eine Technik offenbart, in welcher ein Stellglied vom Linearmotortyp unter Verwendung einer Spule hergestellt ist. In dem Stellglied wird die Konvergenz des magnetischen Flusses verbessert, so dass der magnetische Fluss gleichmäßig durch ein Joch hindurchtritt. Somit wirkt die Ankerreaktion effektiv über den gesamten Hubweg. Im Ergebnis wird die Raumersparnis ermöglicht.

Die US-A-5-521,446 offenbart ein Linearstellglied mit einer Linearausgabeeinheit, welche beweglich innerhalb einer zylindrischen Trägereinheit gehalten ist. Die zylindrische Trägereinheit umfasst eine elektromagnetische Spule und zwei Permanentmagnete. Die elektromagnetische Spule und die Permanentmagnete sind derart angeordnet, dass ein effektiver magnetischer Fluss im Inneren der Trägereinheit parallel zur Zylinderachse der elektromagnetischen Spule orientiert ist und mit einem Kernabschnitt der Linearausgabeeinheit in Wechselwirkung tritt, um die Linearausgabeeinheit entlang der Zylinderachse zu bewegen. Die Linearausgabeeinheit des bekannten Linearstellglieds wird durch eine Feder vorgespannt, deren Bewegungsachse mit der Zylinderachse zusammenfällt.

Ferner ist in einem Linearstellglied gemäß der GB-1 361 294 ein Ausgabezylinder koaxial innerhalb eines Trägerzylinders zur linearen Bewegung entlang der Achse des Trägerzylinders angeordnet. Der Ausgabezylinder ist mittels Federspannung durch zwei Spulenfedern zu einer mittleren Position hin vorgespannt. Der Trägerzylinder ist mit Permanentmagneten versehen, die mit an dem Ausgabezylinder angebrachten Elektromagneten wechselwirken, um die lineare Bewegung des Ausgabezylinders anzutreiben.

Auf dem Gebiet eines Fingers und eines Gelenks eines Roboters ist es erwünscht, dass ein elektromagnetischer Motor physikalische und mechanische Eigenschaften der folgenden Art aufweist: (1) eine große Abgabeleistung, (2) eine gute Ansprechempfindlichkeit, (3) eine große Verschiebung und (4) eine gute Reproduzierbarkeitscharakteristik, (5) einen guten Wirkungsgrad (6) eine große Abgabeleistung, (7) eine geringe Größe und (8) eine hohe Linearität. Zusätzlich werden ein hohes Maß an Konstruktionsfreiheit gefordert. Sowohl diese physikalischen als auch diese mechanischen Eigenschaften werden auf dem Gebiet der Industrie, etwa bei einem Industrieroboter, einem Maschinenwerkzeug und einem Kraftfahrzeug, gefordert. In einem solchen Anwendungsgebiet des Linearstellglieds werden besonders die geringe Größe und das leichte Gewicht ohne die Verwendung irgendeines Verschiebungsumwandlungsmechanismus oder Verzögerungsmechanismus gefordert.

Überblick über die Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Linearstellglied bereitzustellen, in welchem Kleinheit und Leichtigkeit durch Mischen und Kombinieren der physikalischen Eigenschaften und der mechanischen Eigenschaften mehr gefördert werden können.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Linearstellglied bereitzustellen, in welchem durch Mischen und Kombinieren der physikalischen Eigenschaften und der mechanischen Eigenschaften das Maß an Konstruktionsfreiheit vergrößert werden kann.

Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Linearstellglied bereitzustellen, in welchem die Reproduzierbarkeit und die Ansprechempfindlichkeit vergrößert werden können, so dass durch Mischen und Kombinieren der physikalischen Eigenschaften und der mechanischen Eigenschaften Kleinheit und Leichtigkeit weiter gefördert werden können.

Ferner ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Linearstellglied bereitzustellen, in welchem ein Deformations-Expansions-Mechanismus sowie ein Betriebsumwandlungsmechanismus nicht notwendig sind und in welchem durch Mischen und Kombinieren der physikalischen Eigenschaften und der mechanischen Eigenschaften Kleinheit und Leichtigkeit weiter gefördert werden können.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Linearstellglied bereitgestellt, welches die Merkmale von Anspruch 1 aufweist. Ein solches Linearstellglied enthält eine Trägereinheit mit einem Stopper, eine Linearausgabeeinheit, eine beweglichen Einheit und eine Magnetfluss-Erzeugungseinheit. Die bewegliche Einheit ist an einem Ende der beweglichen Einheit mit dem Stopper der Trägereinheit verbunden und an ihrem anderen Ende mit der Linearausgabeeinheit verbunden. Die Magnetfluss-Erzeugungseinheit erzeugt erste magnetische Flüsse. Die bewegliche Einheit weist Elastizität auf und expandiert oder kontrahiert auf Grundlage einer Wirkung der ersten magnetischen Flüsse und der Elastizität. Die Linearausgabeeinheit bewegt sich linear in Antwort auf die Expansion oder Kontraktion der beweglichen Einheit.

Die bewegliche Einheit enthält vorzugsweise eine Federspule.

Außerdem kann die Magnetfluss-Erzeugungseinheit die ersten magnetischen Flüsse in einer zur Bewegungsachse der beweglichen Einheit orthogonalen Richtung erzeugen.

Außerdem kann wenigstens ein Teil der Magnetfluss-Erzeugungseinheit in der beweglichen Einheit untergebracht sein. In diesem Fall kann die Magnetfluss-Erzeugungseinheit ein Spulengehäuse enthalten sowie eine elektromagnetische Spule, die auf dem Spulengehäuse aufgewickelt ist.

In diesem Fall ist außerdem eine Steuer-/Regeleinheit bereitgestellt, um der Magnetfluss-Erzeugungseinheit Strom zuzuführen, so dass die Magnetfluss-Erzeugungseinheit die ersten magnetischen Flüsse erzeugt.

Wenn die bewegliche Einheit aus einer Federspule aufgebaut ist, so kann die Steuer-/Regeleinheit einen zweiten Strom der Federspule zuführen, so dass die Federspule zweite magnetische Flüsse erzeugt. Die Federspule expandiert oder kontrahiert derart, dass eine Wechselwirkung zwischen den ersten magnetischen Flüssen und den zweiten magnetischen Flüssen mit der Elastizität der Federspule im Gleichgewicht ist. In diesem Fall kann die Steuer-/Regeleinheit der beweglichen Einheit einen konstanten Strom zuführen und den der elektromagnetischen Spule zugeführten Strom derart steuern/regeln, dass die Expansion und Kontraktion der beweglichen Einheit gesteuert/geregelt wird. Alternativ kann die Steuer-/Regeleinheit der Magnetfluss-Erzeugungseinheit einen konstanten Strom zuführen und den der beweglichen Einheit zugeführten Strom derart steuern/regeln, dass die Expansion und Kontraktion der beweglichen Einheit gesteuert/geregelt wird.

Ferner kann die Magnetfluss-Erzeugungseinheit ein Spulengehäuse sowie Magnete, die in dem Spulengehäuse eingebettet sind, enthalten. Wenn die bewegliche Einheit aus einer Federspule aufgebaut ist, so wird ferner eine Steuer-/Regeleinheit bereitgestellt, um der Federspule einen zweiten Strom zuzuführen, so dass die Federspule zweite magnetische Flüsse erzeugt. Die Federspule expandiert oder kontrahiert derart, dass eine Wechselwirkung zwischen den ersten magnetischen Flüssen und den zweiten magnetischen Flüssen mit der Elastizität der Federspule im Gleichgewicht ist. In diesem Fall kann die Steuer-/Regeleinheit den der beweglichen Einheit zugeführten Strom derart steuern/regeln, dass die Expansion und die Kontraktion der beweglichen Einheit gesteuert/geregelt wird.

Außerdem kann die Trägereinheit ein erstes Rohr und einen an einem Ende des ersten Rohrs angebrachten Stopper umfassen. Ein Teil der Linearausgabeeinheit ist verschiebbar in dem ersten Rohr untergebracht. In diesem Fall kann die Linearausgabeeinheit ein zweites Rohr enthalten, welches bezüglich des ersten Rohrs verschiebbar vorgesehen ist, sowie einen Stopper, welcher an einem dem ersten Rohr gegenüberliegenden Ende des zweiten Rohrs angebracht ist und mit welchem die bewegliche Einheit verbunden ist.

Außerdem kann die Trägereinheit umfassen: ein erstes Rohr, den Stopper, welcher an einem Ende des ersten Rohrs angebracht ist, sowie einen zusätzlichen Stopper, welcher an dem anderen Ende des ersten Rohrs angebracht ist und einen Lochbereich aufweist. Ein Teil der Linearausgabeeinheit ist verschiebbar in dem ersten Rohr untergebracht. In diesem Fall kann die Linearausgabeeinheit einen Basisabschnitt enthalten, der in dem ersten Rohr untergebracht ist und mit welchem die bewegliche Einheit verbunden ist, sowie den sich bewegenden Abschnitt, der von dem Basisabschnitt aus durch den Lochbereich des zusätzlichen Stoppers hindurch verläuft.

Außerdem können der Stopper der Trägereinheit und die Magnetfluss-Erzeugungseinheit einheitlich ausgebildet werden.

In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält ein Linearstellglied einen Magnetfluss-Erzeugungsabschnitt und einen beweglichen Abschnitt. Der Magnetfluss-Erzeugungsabschnitt ist fixiert und erzeugt erste magnetische Flüsse in einer ersten Richtung. Der bewegliche Abschnitt enthält eine Federspule, ist an dem Magnetfluss-Erzeugungsabschnitt angebracht, nimmt wenigstens einen Teil des Magnetfluss-Erzeugungsabschnitts auf und erzeugt zweite magnetische Flüsse in einer zweiten, zur ersten Richtung orthogonalen Richtung. Der bewegliche Abschnitt expandiert oder kontrahiert linear, so dass die Wechselwirkung zwischen den ersten magnetischen Flüssen und den zweiten magnetischen Flüssen mit der Elastizität im Gleichgewicht ist.

Die bewegliche Einheit kann dabei eine Federspule enthalten. Außerdem kann der Magnetfluss-Erzeugungsabschnitt ein Spulengehäuse enthalten sowie eine elektromagnetische Spule, die auf das Spulengehäuse aufgewickelt ist, um die ersten magnetischen Flüsse zu erzeugen.

Außerdem kann die bewegliche Einheit eine Federspule enthalten. Außerdem kann der Magnetfluss-Erzeugungsabschnitt ein Spulengehäuse sowie in dem Spulengehäuse eingebettete Magnete enthalten, um die ersten magnetischen Flüsse zu erzeugen.

Außerdem kann der Magnetfluss-Erzeugungsabschnitt ein erstes Rohr und einen an einem Ende des ersten Rohrs angebrachten Stopper enthalten. Ein Teil des beweglichen Abschnitts ist mit dem Magnetfluss-Erzeugungsabschnitt verschiebbar vorgesehen.

In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält das Linearstellglied einen mechanischen Betätigungskörper, eine Magnetfluss-Erzeugungseinheit und einen Linearausgabekörper. Der mechanische Betätigungskörper expandiert oder kontrahiert in Antwort auf magnetische Kraft. Die Magnetfluss-Erzeugungseinheit erzeugt magnetische Flüsse in einer Richtung, die orthogonal zu einer Richtung der Expansion oder Kontraktion des mechanischen Betätigungskörpers ist. Der Linearausgabekörper gibt eine Kontraktionskraft der beiden Enden des mechanischen Betätigungskörpers aus und bewegt sich relativ in Richtung der Expansion oder Kontraktion des mechanischen Betätigungskörpers. Der mechanische Betätigungskörper weist eine Federkonstante auf und expandiert oder kontrahiert auf eine Länge, die dem durch die Magnetfluss-Erzeugungseinheit erzeugten magnetischen Fluss entspricht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist eine Querschnittsansicht von vorn, welche die Struktur eines Linearstellglieds gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

2 ist eine perspektivische Ansicht, welche ein Spulengehäuse für eine interne Magnetfluss-Erzeugungseinheit zeigt, die in dem Linearstellglied gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt ist;

3 ist eine perspektivische Ansicht, welche den Zustand der durch die Magnetfluss-Erzeugungseinheit erzeugten Magnetflüsse zeigt;

4 ist eine Querschnittsansicht von vorn, welche den Betrieb des durch die Magnetfluss-Erzeugungseinheit erzeugten magnetischen Flusses zeigt;

5 ist eine Querschnittsansicht, welche das Linearstellglied gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

6 ist eine Querschnittsansicht, welche eine Magnetfluss-Erzeugungseinheit in dem Linearstellglied gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

7 ist eine Querschnittsansicht, welche das Linearstellglied gemäß einer Modifikation der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

8 ist eine Querschnittsansicht, welche das Linearstellglied gemäß einer Modifikation der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

9 ist eine Querschnittsansicht von vom, welche die Struktur des Linearstellglieds gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

10 ist eine Darstellung, welche die durch die Magnetfluss-Erzeugungseinheit erzeugten Magnetflüsse und die durch eine bewegliche Einheit erzeugten Magnetflüsse zeigt;

11 ist eine Querschnittsansicht, welche das Linearstellglied gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

12 ist eine Querschnittsansicht von vom, welche die Struktur des Linearstellglieds gemäß einer Modifikation der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und

13 ist eine Querschnittsansicht, welche das Linearstellglied gemäß einer Modifikation der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Nachfolgend wird ein Linearstellglied der vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

1 ist eine Querschnittsansicht von vorn, welche die Struktur eines Linearstellglieds gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Unter Bezugnahme auf 1 ist das Linearstellglied der ersten Ausführungsform aufgebaut aus einer beweglichen Einheit 1, Zylindergehäusen 2 und 3, Stoppern 4 und 5, einer Magnetfluss-Erzeugungseinheit 8 sowie einer Steuerung/Regelung und Stromzufuhr 70. In dem Linearstellglied der ersten Ausführungsform ist eine elektromagnetische Spule 8 als Magnetfluss-Erzeugungseinheit in eine Federspule 1 als bewegliche Einheit eingeführt.

Die Federspule 1 ist aus einem weichmagnetischen Metall gebildet und fortlaufend in Spiralform gewickelt, wie es in 1 gezeigt ist. Die Federspule 1 kann auf einem Kreiszylinder (Rohr) oder einem mehreckigen Zylinder aufgewickelt sein. Außerdem ist es möglich, solch einen Zylinder nicht zu verwenden. Die Federspule 1 expandiert und kontrahiert gleichmäßig entlang einer Achse L. Zu diesem Zeitpunkt hat die Form der Federspule 1 eine gute Reproduzierbarkeit nach Maßgabe des Hook'schen Gesetzes. Auf diese Weise weist eine solche Federspule 1 äußerst hervorragende physikalische und mechanische Eigenschaften auf.

Es sollte angemerkt werden, dass das Material der Federspule 1 vorzugsweise Federeigenschaft sowie eine hohe magnetische Permeabilität mit geringer Hysterese aufweist. Daher ist die Federspule 1 aus einem Material wie etwa Fe, Ni, ein anderes Metall oder verschiedene nicht-metallische Legierungen gebildet. Rostfreier Stahl (SUS) ist als Material eher geeignet.

Die Federspule 1 ist in einem ersten Gehäuse 2 und einem zweiten Gehäuse 3 untergebracht. Sowohl das erste Gehäuse 2 als auch das zweite Gehäuse 3 sind Kreiszylinder oder Rohre. Das erste Gehäuse 2 ist innerhalb des zweiten Gehäuses 3 angeordnet und ist durch die innere zylindrische Fläche des zweiten Gehäuses 3 derart geführt, dass das erste Gehäuse 2 sich verschieben und entlang der Achse L hin und her bewegen kann. Das Material des ersten Gehäuses 2 und das Material des zweiten Gehäuses 3 kann magnetisches Material oder nicht-magnetisches Material sein. Ein erster Stopper 4 ist fest in einem Öffnungsende des ersten Gehäuses 2 angebracht. Der zweite Stopper 5 ist fest in einem Öffnungsende des zweiten Gehäuses 3 angebracht. Ein Ende der Federspule 1 ist fest an dem ersten Stopper 4 abgestützt und das andere Ende der Federspule 1 ist fest an dem zweiten Stopper 5 abgestützt. Wenn somit die Federspule 1 entlang der Achse L kontrahiert und expandiert, so kann sich der Kreiszylinder 2 als Linearausgabeeinheit hin- und herbewegen.

Die elektromagnetische Spule 8 ist aus einem langen Spulengehäuse 6 und einer Spule 14 aufgebaut. Ein Zentralloch 7 ist entlang der Achse L derart ausgebildet, dass es durch den ersten Stopper 4 hindurch verläuft. Wie in 2 gezeigt ist, wird das Spulengehäuse 6 durch das Zentralloch 7 hindurch koaxial in das erste Gehäuse 2 und das zweite Gehäuse 3 sowie ferner koaxial in die Federspule 1 eingeführt. Das Spulengehäuse 6 ist aus einem Harz (ein Körper aus nicht-magnetischer Substanz) aus einer mehreckigen Säule gebildet. Ein Ende des Spulengehäuses 6 ist fest an dem zweiten Stopper 5 angebracht. Das andere Ende des Spulengehäuses 6 ist von dem ersten Stopper 4 losgelöst. Das Spulengehäuse 6 weist hohle Abschnitte auf, so dass es von geringerem Gewicht ist. Das Spulengehäuse 6 weist einen Hauptabschnitt 9 und Spulenendabschnitte 11 an beiden Enden auf. Der Hauptabschnitt 9 ist so ausgebildet, dass er die Form einer viereckigen Säule 12 aufweist. Jeder der Spulenendabschnitte 11 ist so ausgebildet, dass er die Form einer Halbkreissäule 13 aufweist.

Die Spule 14 ist an dem Hauptabschnitt 9 des Spulengehäuses 6 vorgesehen, in dem ein elektrisch leitfähiger Draht so an dem Hauptabschnitt 9 aufgewickelt ist, dass er entlang der Achse L verläuft, dann umkehrt und dann erneut entlang der Achse L verläuft, wie in 3 gezeigt ist. Der elektrisch leitfähige Draht der Spule 14 verläuft gleichmäßig entlang der Oberfläche der Halbkreissäule 11. In Bezug auf Materialkosten ist Kupfer als Material der Spule 14 geeignet. Die Richtung L' der Mittelachse der Spule 14 ist orthogonal zur Achse L, wie in 3 gezeigt ist.

Eisenkern-Haltelöcher 15 sind in den Seitenwänden so ausgebildet, dass sie entlang der Richtung L' der Mittelachse durch das Spulengehäuse 6 hindurchtreten. Wenn die Anzahl an Windungen in der Federspule 1, wie in 1 gezeigt, 40 beträgt, so ist es wünschenswert, dass die Anzahl an Eisenkern-Haltelöchern 15 kleiner ist als 40. Speziell ist es wünschenswert, dass die Abstände zwischen den Eisenkern-Haltelöchern 15 gleich 1/2 der Ganghöhe der Federspule 1 betragen. Ein Eisenkern 16 wird in jedes der Eisenkern-Haltelöcher 15 eingeführt. Der Eisenkern 16 wird fest an dem Spulengehäuse 6 angebracht. Die Zentralachse des Eisenkerns 16 ist parallel zur Richtung L' der Mittelachse.

Die Steuer-/Regeleinheit sowie Stromzufuhr 70 führt der elektromagnetischen Spule 14 als Magnetfluss-Erzeugungseinheit einen Strom zu, so dass die elektromagnetische Spule 14 die ersten magnetischen Flüsse erzeugt. In diesem Fall steuert/regelt die Steuer-/Regeleinheit 70 den der elektromagnetischen Spule 14 zugeführten Strom, um die Expansion und die Kontraktion der Federspule 1 zu steuern/zu regeln. Auf diese Weise sind die durch die elektromagnetische Spule 14 erzeugten ersten magnetischen Flüsse orthogonal zu einer Ausdehnungsrichtung der Federspule 1 als bewegliche Einheit.

4 zeigt eine Phasenbeziehung zwischen der Federspule 1 und dem Eisenkern 16. Wenngleich es theoretisch keine technische Bedeutung hat, dass die Beziehung der beiden eine bestimmte sein muss, so zeigt doch 4 die Phasenbeziehung, um einen Magnetfluss-Erzeugungsmechanismus zu verdeutlichen. In einer in 4 gezeigten Querschnittsebene gibt es einen Punkt und dieser ist ein Schnittpunkt zwischen der Achse L und der Achse L'. Der Punkt wird als Ursprung gesetzt. In einem Polarkoordinatensystem befindet sich ein Zentralpunkt 18 der Federspule 1 in der Querschnittsebene auf der 180-Grad-Position und ein Zentralpunkt 19 in der anderen Querschnittsebene befindet sich auf der Null-Grad-Position. Eine Linie in Radiusrichtung, die durch den Mittelpunkt hindurchtritt, fällt mit der Mittellinie des Eisenkerns 16 zusammen und läuft durch den Mittelpunkt zwischen den Zentralpunkten 19 und 19 oder den Nachbarpunkt Q.

Wenn durch die elektromagnetische Spule 14 ein Strom fließt, so wird eine magnetische Bahn 21 von annähernd rechteckiger Form ausgebildet. Die magnetische Bahn ist flach und die Richtung der magnetischen Bahn ist im Wesentlichen parallel zur Achse L' in dem Eisenkern 16. Ein magnetischer Fluss 22a in einem zur Achse L' parallelen Teil der magnetischen Bahn 21 ist an einem Zentralpunkt 19 gekrümmt und wird mit einem schrägen magnetischen Fluss 23a verbunden, welcher auf ein Ende eines bestimmten Eisenkerns 16A gerichtet ist. Der schräge magnetische Fluss 23a dringt in den bestimmten Eisenkern 16A ein und verbindet sich mit dem magnetischen Fluss 24 in dem Eisenkern 16A, welcher parallel zur Achse L' ist. Der magnetische Fluss 24 in dem Eisenkern 16A ist mit einem magnetischen Rückfluss verbunden, welcher durch den anderen Zentralpunkt 18 parallel zur Achse L' hindurchtritt. Der Magnetfluss 22b als anderer Teil der magnetischen Bahn 21 parallel zur Achse L' ist an dem anderen Zentralpunkt 19 gekrümmt und ist mit dem schrägen magnetischen Fluss 23b verbunden, welcher auf eine Endfläche des bestimmten Eisenkerns 16A gerichtet ist. Der schräge magnetische Fluss 23b dringt in den Eisenkern 16A ein und ist mit dem magnetischen Fluss 24 verbunden, welcher parallel zur Achse L' verläuft. Der magnetische Fluss 24 in dem Eisenkern 16A ist mit dem magnetischen Rückfluss verbunden, welcher durch den anderen Zentralpunkt 18 parallel zur Achse L' hindurchtritt.

Wenn das Spulengehäuse 6 ein festes stationäres System ist, so ist der in dem Spulengehäuse 6 befestigte Eisenkern 16 ein stationäres System. Eine Komponente des schrägen magnetischen Flusses 23a in einer Richtung der Achse L und eine Komponente des schrägen magnetischen Flusses 23b in einer Richtung der Achse L sind zueinander entgegengesetzt und die benachbarten Zentralpunkte 19 empfangen eine magnetische Kraft derart, dass sie einander anziehen. Sämtliche der Zentralpunkte 19, 19, ..., 19 sind keine unbeweglichen Punkte zu einem stationären System, sie sind bewegliche Punkte. Sämtliche der Zentralpunkte 19, 19,..., 19 in dem gesamten System ziehen einander an und die Federspule 1 kontrahiert. Das erste Gehäuse 2 und das zweite Gehäuse 3 nähern sich um die Kontraktionslänge entsprechend der Kontraktion relativ zueinander an. Durch die Kontraktion bewegen sich die Zentralpunkte 19 zu dem zweiten Stopper 5 des zweiten Gehäuses 3 hin, so dass sich die Phase zum Eisenkern 16 in der Achse L ändert. Die Phasenänderungen sind größtenteils bei den Zentralpunkten 18 und 19, die näher an dem ersten Stopper 4 des ersten Gehäuses 2 liegen.

Die benachbarten Zentralpunkte 19 empfangen eine Anziehungskraft durch zwei schräge, diagonale magnetische Flüsse, egal welche Werte diese Phasen aufweisen. Eine zuvor erwähnte Dynamikanalyse ist nur über die an dem Zentralpunkt wirkende magnetische Kraft durchgeführt worden. Wie jedoch in 4 gezeigt ist, wirkt die magnetische Kraft auf die anderen Punkte, deren Phasen von denen der Zentralpunkte 18 und 19 um 90° in einer Winkelkoordinatenrichtung verschoben sind. Ferner liegt in einem beliebigen Abschnitt der Federspule 1, der nicht vollständig in der zur Achse L' parallelen Ebene enthalten ist und in Bezug auf die Achse L' geneigt ist, stets magnetische Inklination vor. Der beliebige Abschnitt der magnetischen Spule 1 empfängt daher die magnetische Kraft derart, dass die Mittellinie mit der Richtung der magnetischen Bahn zusammenfällt. Daher empfängt die Federspule 1 stets fortwährend die magnetische Kraft in Kontraktionsrichtung, unabhängig von der relativen Phase des Eisenkerns 16. Da die Federspule 1 die magnetische Kraft in der Konraktionsrichtung ohne Bezug zur Phase empfängt, können sämtliche Eisenkerne 16 durch einen festen Eisenkern der Kreissäule oder der viereckigen Säule ersetzt werden. Das Spulengehäuse 6 selbst kann durch den Eisenkern ersetzt werden. Der Grund, warum das Spulengehäuse 6 aus einem Harz als nicht-magnetischem Material hergestellt ist und eine Vielzahl von Eisenkernen 16 in dem Spulengehäuse 6 verwendet werden, liegt in der Gesamtgewichtsreduzierung.

Die mechanische bewegliche Einheit ist nicht auf eine Federspule beschränkt und es wird weithin eine Federstruktur, wie etwa eine Blattfeder vom Krümmungstyp, nach Maßgabe des Anwendungsobjekts des Linearstellglieds eingesetzt. Da die Federspule ein Betätigungskörper ist, ist der Verschiebungsverstärkungsmechanismus theoretisch unnötig. Da es keinen Verschiebungsverstärkungsmechanismus gibt, weist das Linearstellglied eine exzellente Haltbarkeit und Zuverlässigkeit auf. Die Federspule kann aus einem weichmagnetischen Material gebildet sein und weist einen hohen Kontraktionswirkungsgrad auf. Der Eisenkern verbessert die Konvergenz des magnetischen Flusses, so dass der magnetische Fluss effizient durch die Federspule hindurchtritt. Daher ist der Kontraktionswirkungsgrad der Feder hoch. Die Federspule kann um die Magnetfeld-Erzeugungsquelle herum angeordnet sein. Daher sind der Betriebswirkungsgrad und der Energieumwandlungswirkungsgrad hoch. In vielen Fällen ist das weichmagnetische Material ein für die Feder geeignetes Material (Fe-System und SUS-System), so dass das Ausmaß der Konstruktionsfreiheit erweitert wird.

Als nächstes wird das Linearstellglied gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nachfolgend beschrieben.

5 zeigt das Linearstellglied gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Unter Bezugnahme auf 5 treten zwei Betätigungsstifte 53 als Linearausgabeeinheit durch einen Stopper 52 eines einheitlichen Zylinders 51. Der Betätigungsstift 53 ist mit einer Krempe 54 versehen. Die Krempen 54 sind in dem Zylinder 51 angeordnet. Das eine Ende der Federspule 1 ist durch den anderen Deckel 55 des Zylinders 51 in der Richtung der Achse L abgestützt und festgelegt. Das andere Ende der Federspule 1 ist an den Krempen 54 angebracht. Der Deckel 55 ist mit der Magnetfluss-Erzeugungseinheit 8 als eine Einheit verbunden. Die Magnetfluss-Erzeugungseinheit 8 weist eine Vielzahl von Löchern auf, welche in einer Richtung orthogonal zur Richtung L verlaufen. Permanentmagnete 41 sind in die Löcher eingeführt. Daher ist es in der zweiten Ausführungsform nicht notwendig, einen Strom durch die Spule 14 fließen zu lassen, so dass die Steuerung/Regelung und Stromzufuhr 70 weggelassen ist.

6 zeigt eine Magnetfluss-Erzeugungseinheit 8, welche anstatt der elektromagnetischen Spule verwendet wird. In diesem Fall werden die magnetischen Flüsse durch den Permanentmagneten 41 erzeugt. Eine Vielzahl von Stabmagneten 41 sind in einem Magnetenträgerrohr 42 derart angeordnet, dass die magnetischen Flüsse von den Magneten 41 in die Richtung der Zentralachse L' gewandt sind. Eine Magnetfluss-Abschirmungseinheit oder eine Magnetfluss-Änderungseinheit 43 ist zwischen der Federspule 1 und den Stabmagneten 41 angeordnet. Die Magnetfluss-Änderungseinheit 43 ist aus weichmagnetischem Material gebildet und eine Vielzahl von Löchern 44 sind in Abständen angeordnet, die gleich den Anordnungsabständen der Stabmagnete 41 sind. Die Löcher 44 bewegen sich relativ zu dem Magnetenträgerrohr 42entlang der Achse L, so dass die Magnetfluss-Änderungseinheit 43 derart arbeitet, dass sie die magnetische Kraft des Stabmagneten 41 zur Federspule 1 hin abschirmt oder die effektive magnetische Bahn der magnetischen Flüsse der Stabmagnete 41 ändert. Im Ergebnis wird bewirkt, dass die Änderung der Inklination des magnetischen Flusses die Federspule 1 kontrahiert oder expandiert. Durch die kleine Kraft zum Antreiben der Magnetfluss-Änderungseinheit 43 wird die große Expansions- und Kontraktionskraft der Federspule 1 verstärkt oder die Verschiebungsdistanz wird verstärkt. Das Linearstellglied in der zweiten Ausführungsform weist eine Verstärkungsfunktion auf und eine Positionssteuerung/-regelung der Magnetfluss-Änderungseinheit 43 ist einfach. Daher kann die Expansions- und Kontraktionslänge der Federspule 1 effektiv gesteuert/geregelt werden.

Die Kontraktions- und Expansionsfunktionen der Federspule 1 sind so wie oben erwähnt und die Betätigungsstifte 53 bewegen sich in Bezug auf das Rohr 51 in Reaktion auf die Expansion und Kontraktion der Federspule 1. Diese Ausführungsform kann ein schnellansprechendes Stellglied bereitstellen, da im Gegensatz zu obigen Ausführungsform der Reibungsverschiebungsbereich klein ist und die Masse des Linearausgabekörpers gering ist.

7 und 8 sind Modifikationen des Linearstellglieds der ersten und zweiten Ausführungsform. In 7 ist der Kreiszylinder 2 an der Außenseite des Kreiszylinders 3 vorgesehen. Außerdem sind in 8 die Stifte 53 mit einer einzigen Krempe 54 verbunden. Die Strukturen und Funktionsweisen werden für den Fachmann aus der obigen ersten und zweiten Ausführungsform offensichtlich sein. Eine detaillierte Beschreibung wird daher weggelassen.

Als nächstes wird ein Linearstellglied gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die dritte Ausführungsform ist in der Struktur ähnlich der ersten Ausführungsform. Es wird daher nur der abweichende Punkt beschrieben.

In der dritten Ausführungsform führt eine Steuer-/Regeleinheit und Stromzufuhr 72 der elektromagnetischen Spule 14 als Magnetfluss-Erzeugungseinheit einen Strom zu, so dass die elektromagnetische Spule 14 die ersten magnetischen Flüsse erzeugt. Die Steuer-/Regeleinheit 72 führt der Federspule 1 als der beweglichen Einheit 1 einen Strom zu, um die zweiten magnetischen Flüsse zu erzeugen. Wenn der Federspule 1 ein konstanter Strom zugeführt wird, so steuert/regelt die Steuer-/Regeleinheit 72 den der elektromagnetischen Spule 14 zugeführten Strom, um die Expansion und Kontraktion der Federspule 1 zu steuern/zu regeln. Alternativ kann die Steuer-/Regeleinheit 72 der elektromagnetischen Spule 14 einen konstanten Strom zuführen. In diesem Fall steuert/regelt die Steuer-/Regeleinheit 72 den der Federspule 1 zugeführten Strom derart, dass die Expansion und Kontraktion der Federspule 1 gesteuert/geregelt wird. Auf diese Weise sind die durch die elektromagnetische Spule 14 erzeugten ersten magnetischen Flüsse orthogonal zu den durch die Federspule 1 erzeugten zweiten magnetischen Flüssen, wie dies in 10 gezeigt ist.

Das erste Gehäuse 2 oder das zweite Gehäuse 3 arbeiten als Betätigungsabschnitt des Stellglieds. Wenn der der elektromagnetischen Spule 14 zugeführte erste Strom geändert wird, so neigen die zweiten magnetischen Flüsse durch die Wechselwirkung der ersten und zweiten magnetischen Flüsse aufgrund der Erhaltung des magnetischen Feldes dazu, sich zu ändern. Somit expandiert oder kontrahiert die Federspule 1 um eine Verschiebung L. Wenn der der Federspule 1 zugeführte zweite Strom durch I ausgedrückt wird, so sind die zweiten magnetischen Flüsse H von der Federspule 1 ungefähr proportional zu dem zweiten Strom I und ungefähr umgekehrt proportional zu einer Summe aus der Verschiebung L und der Länge der Federspule 1. Wenn jedoch die Federspule 1 länger ist als die Verschiebung, so kann die Änderung der zweiten magnetischen Flüsse in einem der Verschiebung L entsprechenden Bereich als ungefähr linear betrachtet werden. Somit wird eine Schubkraft erzeugt, die größer ist als beim bekannten Linearmotor. Andererseits weist die Federspule 1 eine Federkonstante oder einen Elastizitätskoeffizienten k auf und es wirkt eine elastische Rückstellkraft kL aufgrund der Verschiebung L. Auf diese Weise stoppt die Federspule 1 an der Position, an der sich die Expansions- oder Kontraktionskraft der Federspule 1 aufgrund der Wechselwirkung der ersten und zweiten magnetischen Flüsse mit der elastischen Kraft der Federspule 1 aufhebt. Durch die Expansion oder Kontraktion der Federspule 1 verschiebt und bewegt sich das erste Gehäuse 2 als eine Linearausgabeeinheit in Bezug auf das zweite Gehäuse 3.

Da die Verschiebung L auf Grundlage des Betrags des Stroms absolut bestimmt ist, benötigt dieses Stellglied theoretisch keinerlei Regelung und jeglicher Positionserfassungsmechanismus für die Regelung ist unnötig. Durch die Steuerung/Regelung des Stromwerts ist die relative Positionssteuerung/-regelung des ersten Gehäuses 2 und der Federspule 1 möglich. Da das Antriebssystem kein Rotationssystem ist, ist ein mechanischer Umwandlungsmechanismus zum Umwandeln eines Rotationsbetriebs in einen Linearbetrieb unnötig. Die zuvor erwähnten acht Bedingungen sind alle erfüllt.

11 zeigt das Linearstellglied gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Linearstellglied in der vierten Ausführungsform weist die gleiche Magnetfluss-Erzeugungseinheit auf, wie in 6 in der zweiten Ausführungsform gezeigt. Wenn die Magnetfluss-Änderungseinheit 43 eingestellt oder der der Federspule 1 zugeführte Strom geändert wird, so kontrahiert oder expandiert das Stellglied. Die übrige Struktur ist die gleiche wie bei der zweiten Ausführungsform. Der Betrieb des Stellglieds wird aus der zweiten und der dritten Ausführungsform deutlich.

12 und 13 sind Modifikationen des Linearstellglieds der dritten und vierten Ausführungsformen. In 12 ist der Kreiszylinder 2 an der Außenseite des Kreiszylinders 3 vorgesehen. Außerdem sind in 13 die Stifte 53 mit einer einzigen Krempe 54 verbunden. Die Strukturen und Funktionen werden dem Fachmann aus den obigen, ersten und zweiten Ausführungsformen offensichtlich sein. Eine detaillierte Beschreibung wird daher weggelassen.

In dem Linearstellglied der vorliegenden Erfindung weist eine Federspule selbst exzellente Reproduzierbarkeit dahingehend auf, dass die Federspule auf Grundlage von Stromsteuerung/-regelung in eine wählbare Länge expandiert oder kontrahiert. Durch Mischen und Kombinieren der mechanischen Eigenschaften und der elektromagnetischen Eigenschaften wird ein exzellentes Linearstellglied bereitgestellt. Ferner ist es möglich, alle gewünschten Eigenschaften zu erhalten.


Anspruch[de]
Linearstellglied, umfassend:

eine Trägereinheit (3, 5) mit einem Stopper (5);

eine Linearausgabeeinheit (2, 4);

eine bewegliche Einheit (1), welche mit dem Stopper (5) der Trägereinheit (3, 5) an einem Ende der beweglichen Einheit (1) verbunden ist und an dem anderen Ende derselben mit der Linearausgabeeinheit (2, 4) verbunden ist; und

eine Magnetfluss-Erzeugungseinheit (8), welche erste magnetische Flüsse erzeugt, und

wobei die bewegliche Einheit (1) einen Elastizitätsabschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass

die bewegliche Einheit (1) auf Grundlage einer Magnetwirkung der ersten magnetischen Flüsse auf den Elastizitätsabschnitt der beweglichen Einheit expandiert oder kontrahiert und dass sich die Linearausgabeeinheit (2, 4) linear in Reaktion auf die Expansion oder Kontraktion der beweglichen Einheit (1) bewegt.
Linearstellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfluss-Erzeugungseinheit (8) die ersten Magnetflüsse in einer Richtung (L') orthogonal zu einer Bewegungsachse (L) der beweglichen Einheit (1) erzeugt. Linearstellglied nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Einheit eine Federspule (1) als Elastizitätsabschnitt umfasst. Linearstellglied nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Federspule aus einer weichmagnetischen Substanz gebildet ist. Linearstellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Magnetfluss-Erzeugungseinheit in der beweglichen Einheit untergebracht ist. Linearstellglied nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfluss-Erzeugungseinheit umfasst:

ein Spulengehäuse (6); und

eine elektromagnetische Spule (14), welche auf dem Spulengehäuse aufgewickelt ist.
Linearstellglied nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner eine Steuer-/Regeleinheit (70, 72, 74) umfasst, welche der Magnetfluss-Erzeugungseinheit Strom zuführt, derart, dass die Magnetfluss-Erzeugungseinheit die ersten magnetischen Flüsse erzeugt. Linearstellglied nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Einheit eine Federspule umfasst, dass die Steuer-/Regeleinheit der Federspule einen zweiten Strom zuführt, derart, dass die Federspule zweite magnetische Flüsse in einer zur Richtung der ersten magnetischen Flüsse orthogonalen Richtung erzeugt, und dass die Federspule derart expandiert oder kontrahiert, dass eine Wechselwirkung zwischen den ersten magnetischen Flüssen und den zweiten magnetischen Flüssen mit der Elastizität der Federspule im Gleichgewicht ist. Linearstellglied nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer-/Regeleinheit der beweglichen Einheit einen konstanten Strom zuführt und den der elektromagnetischen Spule zugeführten Strom derart steuert/regelt, dass die Expansion und Kontraktion der beweglichen Einheit gesteuert/geregelt wird. Linearstellglied nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer-/Regeleinheit der Magnetfluss-Erzeugungseinheit einen konstanten Strom zuführt und den der beweglichen Einheit zugeführten Strom derart steuert/regelt, dass die Expansion und die Kontraktion der beweglichen Einheit gesteuert/geregelt wird. Linearstellglied nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfluss-Erzeugungseinheit umfasst:

ein Spulengehäuse (6); und

Magnete (16), welche in dem Spulengehäuse eingebettet sind.
Linearstellglied nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, dass das Linearstellglied ferner eine Steuer-/Regeleinheit umfasst, welche der Federspule einen zweiten Strom zuführt, derart, dass die Federspule zweite magnetische Flüsse erzeugt, und

dass die Federspule derart expandiert oder kontrahiert, dass die Wechselwirkung zwischen den ersten magnetischen Flüssen und den zweiten magnetischen Flüssen mit der Elastizität der Federspule im Gleichgewicht ist.
Linearstellglied nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12,

dadurch gekennzeichnet, dass die Trägereinheit umfasst:

ein erstes Rohr (3); und

den Stopper (5), welcher an einem Ende des ersten Rohrs angebracht ist, und

dass ein Teil der Linearausgabeeinheit verschiebbar in dem ersten Rohr untergebracht ist.
Linearstellglied nach Anspruch 13,

dadurch gekennzeichnet, dass die Linearausgabeeinheit umfasst:

ein zweites Rohr (2), welches so vorgesehen ist, dass es bezüglich des ersten Rohrs verschiebbar ist; und

einen Stopper (4), welcher an einem dem ersten Rohr gegenüberliegenden Ende des zweiten Rohrs angebracht ist und mit welchem die bewegliche Einheit verbunden ist.
Linearstellglied nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12,

dadurch gekennzeichnet, dass die Trägereinheit umfasst:

ein erstes Rohr (51);

den Stopper (55), welcher an einem Ende des ersten Rohrs angebracht ist; und

einen zusätzlichen Stopper (52), welcher an dem anderen Ende des ersten Rohrs angebracht ist und einen Lochbereich aufweist, und

dass ein Teil der Linearausgabeeinheit verschiebbar in dem ersten Rohr untergebracht ist.
Linearstellglied nach Anspruch 15,

dadurch gekennzeichnet, dass die Linearausgabeeinheit umfasst:

einen Basisabschnitt (54), welcher in dem ersten Rohr untergebracht ist und mit welchem die bewegliche Einheit verbunden ist; und

den sich bewegenden Abschnitt (53), welcher von dem Basisabschnitt durch den Lochbereich des zusätzlichen Stoppers hindurch verläuft.
Linearstellglied nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopper der Trägereinheit und die Magnetfluss-Erzeugungseinheit einheitlich ausgebildet sind.






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