CN107005177B - 用于控制压电电机的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于通过在控制电极上施加周期控制电压(U11，U12)控制一个具有两个控制电极的压电电机的一种方法和一种设备。为了在同时无从动件的移动的情况下通过减少压电电机的一个摩擦件与一个需由该摩擦件驱动的从动件之间的摩擦接触的静摩擦实现对压电电机的简化的调节，在方法的第一步骤中将具有一个相位移的周期控制电压(U11，U12)施加在控制电极上，和在方法的第二步骤中相对第一步骤改变周期控制电压(U11，U12)的振幅比。此外，本发明提供一种相应的设备，该设备如下地配备，即自动地执行本发明的方法。

Description

用于控制压电电机的方法和设备

技术领域

本发明涉及用于通过将周期控制电压施加在控制电极上控制具有两个控制电极的压电电机的一种方法和一种设备。本发明特别是涉及优选在20kHz以上的频率范围内运行的压电超声波马达的领域。

背景技术

例如由(图1)US 6,747,391 B1公知了一种具有两个控制电极的压电电机，所述控制电极由来自两个分离的电源的周期控制电压供电。

通常压电电机根据如下原理运行：通过将周期控制电压施加在它的控制电极上产生压电陶瓷元件(执行器)的，有针对性的周期变形。这个变形通过一个所谓的摩擦件(摩擦凸起部(Reibnase))传递到与其摩擦接触的从动件上，以便产生这个从动件的移动。在这种情况下，变形导致摩擦件的特定的运动轨迹，该运动轨迹通常具有一个椭圆形状，其中椭圆的长轴具有沿着从动件应该沿着该方向运动的方向的倾斜。在这种情况下，作为特殊情况椭圆的短轴可以如此之小，即摩擦件的运动轨迹在第一近似中(in erster Naeherung)具有线性的或直线的形状。摩擦件的相应的运动导致一个作用在从动件上的，具有指向从动件的驱动方向的速度分量的，短的动量。相应的，反复发生的动量整体导致从动件的所期望的运动。

由于摩擦件和从动件的与其接触的表面(在下文中也称为摩擦面)之间的，局部地和在时间上地变化的传动比或静摩擦比(Haftreibungsverhaeltnis)可能发生：超声波马达的从动件在一次施加具有确定的振幅的电压时如所期望的那样运动，而它在另一次时则停止不动。在这种情况下，最后涉及针对控制电压-速度-特性曲线或传递特性曲线的非线性或滞后。

在从动件在确定的控制电压时停止不动的前述情况中传动比或静摩擦比如下，即施加的电压或其振幅不足以从静摩擦中或从它与摩擦面之间的传动比中分离摩擦件或产生相应所需的起动力矩或起动电圧。

在这种情况下，存在电压的一个极限振幅(Schwellenamplitude)，在该极限振幅以上与传动比或静摩擦比无关地产生从动件的运动。其中电压的极限振幅通常比较高，由此产生一定的缺点。因为通过高电压首先导致高的能量消耗，然而其次导致由具有摩擦件和从动件的超声波执行器构成的系统内的相应高的能量投入。这个高的能量投入导致由超声波执行器和从动件构成的系统实际上直到从动件的真正的运动为止机械地预紧，和在从动件的运动开始时这个从动件经历一个相应高的，在调节技术上难以控制的加速度，特别是当应该达到仅仅小的调节行程或从动件应该以很小的速度运动时。因为在较高的驱动速度的情况中尽管此外存在的针对传递特性曲线的非线性或滞后依然能够通过控制电压的振幅的变化比较简单地调节超声波马达，而在驱动速度低的情况下，就是说，小于1mm/秒，几乎不能防止电机进入起动力矩或起动电圧的模式中，这最终可能导致震动和定位误差。

传递特性曲线的相应高的，在起动电圧的模式中具有所谓的死区的非线性对于压电的超声波马达的位置调节的运行来说构成决定性的(massgeblich)问题。

发明内容

因此本发明的目的是提供一种用于控制压电电机的方法，通过该方法特别是在驱动速度慢的情况下简化的位置调节成为可能。此外，本发明的目的是提供一种用于控制压电电机的相应的设备。

根据本发明的第一观点，上述目的通过根据权利要求1所述的方法得以实现。公开了一种用于通过在控制电极上施加周期控制电压控制一个具有至少两个控制电极的压电电机的方法，其中在该方法的第一步骤中将具有相位移的周期控制电压施加在控制电极上和在该方法的第二步骤中相对第一步骤改变周期控制电压的振幅比。

两个周期控制电压之间的相位移在方法的第一步骤中导致摩擦件基本上顺着需驱动的从动件的运动轨迹振动，使得驱动与从动之间的摩擦接触从它的静摩擦中分离(所谓的补偿振动)。与两个控制电极的同相激发不同-该激发在一个大幅偏心的，具有它的长轴的椭圆轨迹上垂直于摩擦面对摩擦件的振动进行导向-，相移的控制此外具有几乎不存在的或较低的，垂直于摩擦面的振动分力(Schwingungskomponente)的优点，这显著减少了从动的妨碍的固有振动的激发。

在方法的第二步骤中，为了调节从动件的移动，通过改变周期控制电压的振幅比相对第一步骤改变摩擦件的振动轨迹的倾斜。非线性的静摩擦过渡的和特别是传递特性曲线的与此相关的滞后的减少等于调节对象(Regelstrecke)的线性化，使得因此相对迄今为止的方法达到决定性的改进。

根据实际经验一种类似的现象是众所周知的：定位在一个振动的底座(例如洗衣机，行驶的车辆的仪表板，等等)上的物体可以利用最小的力的作用相对底座运动，因为由于底座的震动在物体与底座之间不或存在小得可忽略不计的粘附力。

从属权利要求的内容是本发明的有益的发展设计。

优选在方法的第一步骤中如下地调节周期控制电压的相位移和/或振幅比，即为了顺着与需由摩擦件驱动的从动件的摩擦面基本上正切地或精确正切地伸展的振动轨迹振动激发压电电机的一个摩擦件。摩擦件的振动轨迹在方法的第一步骤中优选水平地和/或与纵向边缘侧和/或与压电陶瓷元件(执行器)的平坦面的至少一个平行地伸展。如果从动件在一个水平的运动轨迹上移动和没有偏转的力起作用的话，该从动件在这个情况中处于顺着它的运动自由度的力平衡中并且立刻与摩擦件几乎无接触地浮动，而不运动。在“悬浮状态”中从动件处于力平衡中，就是说，顺着从动件的运动自由度起作用的力的总和相加为零。在这个所谓的“悬浮状态”中一个极小的动量已经足以使从动件沿着一个确定的方向运动。由于摩擦件的振动轨迹的长轴的，通过调节周期控制电压的振幅比达到的微小倾斜，从动件也可以从这个所谓的“悬浮状态”中以小的速度在短的距离上运动。因此从动件的定位误差也可以在调节行程小和/或速度小的情况下降低到最小程度。

可以有利的是：在方法的第一步骤中如下地调节周期控制电压的相位移和/或振幅比，即压电电机的一个摩擦件与一个需由该摩擦件驱动的从动件之间的摩擦接触从它的静摩擦中分离，而不同时产生从动件的移动。在本发明的范围内不仅考虑到简单的情况，即需驱动的从动件的摩擦面或运动轨迹精确地水平定向和无偏转的力作用在需驱动的从动件上。然而例如重力或其他的力(例如通过弹簧的预紧力)可以作用在从动件上，例如，当从动件的摩擦面或运动轨迹是倾斜的时候。反相地激发具有相同频率(例如156kHz)和振幅(就是说，振幅比＝1)的控制电极(相位移＝180°)将驱动与从动之间的摩擦接触从静摩擦中分离。从动件由于偏转的力运动，因为在解除静摩擦时顺着从动件的运动自由度起作用的力的总和不等于零。通过利用周期控制电压的一个确定的振幅比和/或一个确定的相位移有针对性地控制控制电极可以补偿这个偏转的力，使得顺着从动件的运动自由度作用在从动件上的力相加为零。因此根据各超声波马达系统在必要时需要调整需施加在控制电极上的控制电压的相位移和/或振幅比，以产生克服偏转的力的力，使得从动件在无移动的情况下保持在“悬浮状态”中。

此外可以有益的是：在方法的第二步骤中如下地相对第一步骤改变周期控制电压的相位移和/或振幅比，即摩擦件的振动轨迹与第一步骤相比倾斜和因此产生从动件的移动。通过这种方式可以影响从动件的速度和运动方向。

此外，可以证明为有意义的是：在方法的第一步骤中和/或在第二步骤中将具有恒定的相位移的周期控制电压施加在控制电极上，其中相位移优选基本上等于180°或精确地等于180°。两个周期控制电压之间的180°的相位移在振幅相同和确定的频率(例如156kHz)相同的的情况中导致摩擦件在一个大幅偏心的，具有它的长轴的椭圆轨迹上与摩擦面正切地振动。通过这个与摩擦面正切地高频率振动将摩擦接触从它的静摩擦中分离，而不同时产生移动。在保持周期控制电压之间的恒定的相位移的情况下，可以通过改变周期控制电压的振幅比有针对性地改变压电电机的摩擦件的振动轨迹的倾斜，而不获得在必要时非预期的，另外的运动要素。

此外，可以有利的是：在方法的第一步骤中周期控制电压的振幅比是恒定不变的，优选基本上等于1或精确地等于1。当从动件的摩擦面和运动轨迹水平地伸展和没有偏转的力作用在从动件上时，通过平衡的，为1的振幅比实现无移动的悬浮状态。假如偏转的力作用在从动件上的话，在必要时通过调节摩擦件的振动轨迹的确定的倾斜实现悬浮状态，在该悬浮状态中摩擦件与从动件之间的摩擦接触从静摩擦中分离和从动件保持在同样的位置上。

可以证明为有利的是：在方法的第二步骤中将周期控制电压的振幅比以第一值为出发点连续地改变到第二值上，其中第一值优选与第一步骤中的周期控制电压的振幅比相符。通过周期控制电压的振幅比调节摩擦件的振动轨迹的倾斜。因此振幅比的连续改变导致摩擦件的振动轨迹的倾斜的连续改变。由于摩擦件与悬浮状态中的从动件之间不或几乎不存在静摩擦，通过摩擦件的振动轨迹的微小的倾斜已经可以使从动件运动。这样结果是可以在无突然的运动的情况下达到从动件的平稳的起动。因此也可以构成从动件的小的调节行程和/或小的移动速度。

此外可以证明为有用的是：在方法的第一步骤中和/或在第二步骤中周期控制电压基本上具有相同的或精确地具有相同的频率，其中这个频率优选高于压电电机的压电陶瓷元件的或超声波马达系统中的超声波执行器的电谐振频率。

压电电机或压电的超声波执行器可以在它的各控制电极的区域内视为用于声学驻波的发电机，使得相应的区域构成一个分执行器(Teilaktor)。两个分执行器中的每一个构成一个阻抗，该阻抗在利用谐振频率激发时构成一个欧姆电阻。

周期控制电压经过至少一个在频率，振幅和相方面可调节的电源施加在这些分执行器上。在利用周期的，它们的频率与压电电机的或压电的超声波执行器的谐振频率相符的控制电压运行超声波马达时，电流从一个电源经过两个阻抗流入另外的，利用180°相位移控制的电源内。然而围绕谐振频率的范围内的小的频率移位导致电压与电流之间的相位旋转+/-180°，因此不能稳定地产生上面概略示出的和有益的通过电流。在这种情况下应该注意的是：压电的超声波执行器的谐振频率不是常量，而是根据机械和热边缘条件变化。这个变化以类似的方式导致电压与电流之间的上述不利的相位旋转。所以如此地选择用于控制压电的超声波执行器的频率，即控制电压与电流之间的相位旋转随着变化的谐振频率仅仅依然微弱变化。

由此谐振频率以外的和特别是附近的激发不如执行器系统的电力机械的谐振频率的必然始终存在的变化敏感。这一点是下述情况的先决条件，即也可以稳定地调整摩擦件的运动的振动矢量。尽管谐振频率内的振幅最大，然而谐振频率的范围内的运动矢量并不是目标明确的。

本发明的文首述及的目的根据本发明的第二观点通过根据权利要求9所述的设备得以实现。公开了一种用于通过在控制电极上施加周期控制电压控制具有至少两个控制电极的压电电机的设备，其中如下地配备该设备，即自动地执行根据前述设计中任意一项所述的方法。根据本发明，这个设备不仅适合于，而且还设置或配置用于主动地或自动地实施根据前述设计中任意一项所述的方法，特别是当(例如通过一个使用者或一个控制器)要求压电电机的从动件移动时。

可以有益的是：设备具有一个控制器，该控制器如下地配备，即首先在控制电极上施加具有相位移的周期控制电压和接着相对第一步骤改变周期控制电压的振幅比，优选当要求压电电机移动时。控制器优选如下地编程，即特别是在从动件起动时首先(在方法的第一步骤中)通过控制周期控制电压的相位移和振幅比(例如从来自两个分离的电源)产生摩擦件的一个振动，该振动导致摩擦件与从动件之间的静摩擦的解除，而不产生移动(悬浮状态)，以便紧接着(在方法的第二步骤中)通过改变振幅比如下地改变摩擦件的振动轨迹，即达到从动件的移动。

附图说明

通过在说明书，权利要求和附图中公开的特征的任意组合产生本发明的其他的有益的发展设计。

其示出：

图1为用于命名电极的压电电机的示意图；

图2为图1所示出的，带有所谓的控制电极上的周期控制电压(正弦形的交流电压)的压电电机的示意图，而所谓的接地电极接地；

图3为用于示出控制电极上存在的控制电压的相差从左上方(a)到右下方(j)的0到1的范围内的变化的简图，其中摩擦件的振动轨迹的长轴在椭圆沿着逆时针方向继续倾斜的情况中沿着顺时针方向旋转。其中各个简图(a)至(j)在具有根据调节的相差与从动件的摩擦面正切的(X-方向；参见图1和2)和横向于从动件的摩擦面(Y-方向；参见图1和2)的偏转的X-Y坐标系统中示出摩擦件的振动轨迹的走向；

图4为用于从左上方(a)至右下方(f)示出两个控制电极中的一个的激发的振幅在另外的控制电极在相差为180°或π时在0％至100％的范围内不断地完全控制时的变化的简图，其中摩擦件沿着Y-方向的偏转在振幅比为1(图4(f))时等于0和因此摩擦件的振动轨迹与摩擦面正切地伸展。其中各个简图(a)至(j)在具有根据调节的振幅比与从动件的摩擦面正切的(X-方向；参见图1和2)和横向于从动件的摩擦面(Y-方向；参见图1和2)的偏转的X-Y坐标系统中示出摩擦件的振动轨迹的走向。

附图标记列表

1： 压电电机

10： 压电陶瓷元件

11： 控制电极

12： 控制电极

13： 接地电极(接地的)

14： 摩擦件

15： 从动件

16： 从动件的运动轨迹

17： 摩擦面

U11： 周期控制电压

U12： 周期控制电压

具体实施方式

本发明涉及用于通过在控制电极11、12上施加周期控制电压控制一个具有两个控制电极11、12的压电电机1的一种方法和一种设备。特别是涉及的是一种具有一个压电的超声波执行器的压电超声波马达，所述超声波执行器以例如156kHz的频率运行。

下面参照图1和2对一种压电超声波马达1进行说明，本发明方法应用在该超声波马达上。

压电超声波马达1包括总共三个电极11、12、13。这些电极中的两个11、12位于一个大约方形的压电陶瓷元件10(尺寸例如25mm×11mm×4mm)的两个平坦面中的一个上和拥有相同尺寸(例如10mm×10mm)和大小(例如100mm²)的基本上正方形的面。这些安装在平坦面上的电极11、12通过一个控制器(未示出)与用于产生周期的交流电压(周期控制电压)U11、U12的电源连接和因此也称为控制电极11、12。设置在压电陶瓷元件10的相对的平坦面上的电极13是接地的或与外壳连接和因此称为所谓的接地电极13。在必要时可以在中间连接一个(与执行器阻抗相比)低欧姆的电阻(例如电容器)，因而电极13不必非要接地。

每个控制电极11、12基本上覆盖压电陶瓷元件10的这个平坦面的一半，其中在控制电极之间设置有至少一个用于电绝缘的，细长的分离区域。控制电极11、12关于一根假设的中心线对称地设置，该中心线穿过一个设置在压电陶瓷元件10的纵向边缘侧和中心的摩擦件14(摩擦凸起部)伸展并界定执行器系统的Y轴线。接地电极13(尺寸例如20mm×10mm)基本上覆盖压电陶瓷元件10的另外的平坦面的整个面。

通过有针对性的，经过控制器利用周期控制电压U11、U12对控制电极11、12的控制给压电陶瓷元件10施加电压。根据压电陶瓷元件10的压电特性将电压转换为一个周期的机械变形，这导致摩擦件14振动。根据周期控制电压U11、U12的相，振幅和频率，振动轨迹具有沿着X方向和/或沿着Y方向的运动要素。

一个需驱动的从动件15经过摩擦接触与摩擦件14联接，该从动件可以顺着界定X方向的运动轨迹16运动。这个运动轨迹16优选大约或精确地平行于压电陶瓷元件10的纵向边缘侧定向，摩擦件14从该纵向边缘侧上伸出。从动件15的与摩擦件14摩擦接触的侧面在下文中也称为摩擦面17。在目前的情况中出发点可以如下：运动轨迹16设置在一个水平的平面内并且平行于纵边缘侧以及平行于压电陶瓷元件10的两个配备有电极11、12、13的平坦面伸展。此外，在目前的情况中出发点可以如下：没有偏转的力作用在从动件15上。因此当摩擦件14与从动件15之间的摩擦接触从静摩擦中解除时，从动件15保持同样位置上的力平衡。

如果将施加在电极11或12之一与电极13之间的周期控制电压U11或U12与一个由控制器获得的控制信号协调起来的话，那么这个控制电压U11、U12导致与摩擦件14联接的从动件15顺着运动轨迹16沿着第一方向的机械移位。在另外的电极12或11与电极13之间施加一个周期控制电压U12导致从动件15顺着运动轨迹16沿着相反的方向的机械移位。

控制器构造成为了能够使周期控制电压U11、U12的相，频率和振幅彼此独立地变化。特别是可以将周期控制电压U11、U12相位移后地和振幅可调地(就是说，以可变的振幅比)施加在控制电极11、12上。因此可以在不同的运行范围内使压电电机1优化和达到一个较小的摩擦以及提高的调节性能。

本发明的方法规定：为了达到提高的控制特性以及更好的调节性能，为压电电机1的特别紧要的运行情况在参数空间内选择尽可能有利的组合。这一点特别适用于具有小的调节行程和/或具有低的速度的从动件15的移动的情况，在该情况中本发明的方法使简化的调节器稳定化(Reglerstabilisierung)成为可能。

图3和4示出示意图，这些示意图示出控制电极11、12上存在的周期控制电压U11、U12之间的相差的和振幅比的变化在X-Y坐标系统中如何例如作用在压电电机1的摩擦件14的振动轨迹上。

本发明的方法包括下列步骤：

在方法的第一步骤中，以一个无电压的状态为出发点经过控制器同时将具有分别为156kHz的相同频率，180°(或π)的相位移和振幅比为1的周期交流电压U11、U12施加在控制电极11、12上。利用相同的频率和振幅对两个控制电极11、12的反相控制导致摩擦件14在一个大幅偏心的，以其长轴与摩擦面17正切的，椭圆的轨迹上振动，因而将摩擦件14与从动件15之间的摩擦接触从它的静摩擦中解除。当没有偏转的力作用在从动件15上时，同时不产生移动。在这个状态中，从动件15在同样位置上保持几乎无接触的和“悬浮的”，因而这个状态也称为“悬浮状态”。

在方法的第二步骤中通过改变控制电极11、12上存在的周期控制电压U11、U12的振幅比使摩擦件14顺着其振动的椭圆的轨迹倾斜。其结果是使从动件15运动。能够通过振幅比控制轨迹的倾斜和由此产生的移动。优选以一个为1的值为出发点连续地或持续地，就是说非跳跃式地改变振幅比，其中一个控制电极11、12上存在的周期控制电压U11的振幅优选保持恒定不变和在另一个控制电极12上存在的周期控制电压U12的振幅变化。

在一个可选的第三步骤中，在实现一个“目标窗口”时(就是说，当从动件15位于一个所期望的目标位置的附近和与目标位置的距离优选在纳米的范围内时)通过有针对性地取消“悬浮状态”所需的“补偿”-振动可以重新完全地建立最大静摩擦的状态，因此可以获得在停止状态中无电流的，自动闭锁的执行器的优点。

本发明的设备如下地配置，即特别是在要求压电电机1移动的情况中自动地执行具有两个前述工序的本发明方法。本发明的设备例如配置成控制器，该控制器可以与一个具有两个控制电极11、12的压电电机1联接，以便为控制电极11、12(例如从分离的电源)提供周期控制电压U11、U12。

当例如使用者经过控制器要求从动件15移动时，周期控制电压U11、U12经过控制器相位移后地以相同的频率和振幅施加在控制电极11、12上，以便造成从动件15的“悬浮状态”。以这个状态为出发点，控制器自动地和在无需使用者的另外的辅助动作的情况下调整控制电极11、12上存在的控制电压U11、U12的振幅比，因而达到摩擦件14的振动面的上述倾斜和产生从动件15沿着由使用者所要求的方向和速度的移动。

因此可以通过本发明的设备克服在压电电机1起动时，特别是在调节行程小和速度低时跳跃式的和非线性的静摩擦过渡的问题，因而与传统的设备相比能够获得在从动件定位时的更高的定位精度。

在本发明理论的应用中例如可以提供自锁系统，这些系统在正常状态中是无电压的。通过施加所谓的补偿电压导致从动件15的悬浮状态并解除自锁状态。当补偿电压消失时重新建立自锁状态。因此只有在应该产生从动件15的移动和/或修正其位置时自锁系统才加载电压，和除此以外可以保持无电压。因此一种自锁系统可以与本发明协调以最少的能量消耗运行。

Claims (8)

1.一种用于通过在控制电极(11，12)上施加周期控制电压控制具有至少两个控制电极(11，12)的压电电机(1)的方法，其中在该方法的第一步骤中将具有相位移的周期控制电压(U₁₁，U₁₂)施加在控制电极(11，12)上和在该方法的第二步骤中相对第一步骤改变周期控制电压(U₁₁，U₁₂)的振幅比，其特征在于：在方法的第一步骤中如下地调节周期控制电压(U₁₁，U₁₂)的相位移和/或振幅比，即在不同时产生从动件(15)的移动的情况下减少压电电机(1)的摩擦件(14)与需由该摩擦件(14)驱动的从动件(15)之间的摩擦接触的静摩擦，和在方法的第二步骤中如下地相对第一步骤改变周期控制电压(U₁₁，U₁₂)的相位移和/或振幅比，即摩擦件(14)的振动轨迹与第一步骤相比倾斜和因此产生从动件(15)的移动。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在方法的第一步骤中如下地调节周期控制电压(U₁₁，U₁₂)的相位移和/或振幅比，即为了顺着与需由摩擦件(14)驱动的从动件(15)的摩擦面(17)基本上正切地或精确正切地伸展的振动轨迹振动激发压电电机(10)的摩擦件(14)。

3.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于：在方法的第一步骤中和/或在第二步骤中将具有恒定的相位移的周期控制电压(U₁₁，U₁₂)施加在控制电极(11，12)上。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在方法的第一步骤中周期控制电压(U₁₁，U₁₂)的振幅比是恒定不变的。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在方法的第二步骤中将周期控制电压(U₁₁，U₁₂)的振幅比以第一值为出发点连续地改变到第二值上。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在方法的第一步骤中和/或在第二步骤中周期控制电压(U₁₁，U₁₂)基本上具有相同的或精确地具有相同的频率，其中这个频率位于压电电机(1)的压电陶瓷元件的或超声波马达系统中的超声波执行器的电谐振频率以外。

7.一种用于通过在控制电极(11，12)上施加周期控制电压控制具有至少两个控制电极(11，12)的压电电机(1)的设备，其特征在于：如下地配备该设备，即自动地执行根据前述权利要求中任意一项所述的方法。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于：设备具有控制器，该控制器如下地配备，即首先在控制电极(11，12)上施加具有相位移的周期控制电压(U₁₁，U₁₂)和接着相对第一步骤改变周期控制电压(U₁₁，U₁₂)的振幅比。

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