CN1853051A - 流体轴承装置 - Google Patents

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Abstract

一种流体轴承装置，向外壳(7)或/及轴承套(8)施加超声波振动的同时，将轴承套(8)的外周面(8d)以规定的过盈量压入外壳(7)的内周面(7c)4而熔敷。在压入时，与外壳(7)的内周面(7c)上的与轴承套(8)相接触的区域利用超声波的作用而熔融或软化，因此，与单单压入的情况相比，能够大幅度降低压入时的压入力。

Description

流体轴承装置
技术领域
本发明涉及通过在径向轴承间隙中产生的润滑油的油膜将旋转部件以非接触的方式支承的流体轴承装置。本发明的轴承装置作为信息机器，例如，HDD、FDD等磁盘装置、CD-ROM、CD-R/RW、DVD-ROM/RAM等光盘装置、MD、MO等光盘装置等的主轴电机、激光打印机(LBP)的多角扫描电机(polygon scanner motor)、或电机器，例如，轴流扇等小型电机适用。
背景技术
上述各种电机除了需要满足高旋转精度之外，还需要满足高速化、低成本化、低噪音化等。确定这些性能要求的构成要素之一是支承该电机的主轴的轴承，近年来，作为这种轴承，探讨使用具有满足上述性能要求的优越的特性的流体轴承，或者在实际过程中使用。
这种流体轴承，与未具有动压轴承、和动压产生机构的所谓滚柱轴承(轴承面为圆柱形状的轴承)大有区别，所述动压轴承具有使在轴承间隙内的润滑油产生动压的动压产生机构。
例如，在组入HDD等盘装置的主轴电机的流体轴承装置中，设置有以非接触的方式径向支承轴部件自由旋转的径向轴承部、轴向支承轴部件自由旋转的推力轴承部，作为径向轴承部，使用在轴承套的内周面或轴部件的外周面设置有用于产生动压的槽(动压槽)的动压轴承。作为推力轴承部，使用例如，在轴部件的凸缘部的两端面、或与之对向的面(轴承套的端面或固定在外壳的止推部件的端面等)设置有动压槽的动压轴承(参照例如，专利文献1)或者，作为推力轴承部，也可以使用将轴部件的一端面通过止推板接触支承的构造的轴承(所谓枢轴轴承)(参照例如，专利文献2)。
通常，轴承套固定在外壳的内周的规定方向，另外，为了防止注入外壳的内部空间的润滑油向外部泄漏，在外壳的开口部多配设密封部件。
专利文献1：特开2000-291648号公报
专利文献2：特开平11-191943号公报
上述构成的流体轴承装置由所谓的外壳、轴承套、轴部件、止推部件、以及密封部件的部件构成，对确保随着信息机器日益高性能化所需的高轴承性能，且提高各部件的加工精度或组装精度，付出了努力。另一方面，随着信息机器倾向于低价格化，对这种流体轴承装置的成本的降低的要求也日益严重。
在实现这种流体轴承装置的低成本化的问题上重点之一是组装工序的效率化。即，通常，使用粘结剂固定外壳和轴承套、外壳和止推部件、外壳和密封部件的情况居多，但从涂布粘结剂到固化为止需要比较长的时间，从而，成为导致组装工序的效率下降的原因之一。另外，存在因粘结剂而需要排气、或粘结力随时间流逝而变差之虑。
另一方面，通过采用压入方法作为固定手段，可以消除上述弊害，但存在由于压入力而导致部件尺寸精度下降、或压入时部件之间的接触滑动导致产生磨损粉末(微粒)之虑。
发明内容
本发明的目的在于提供降低这种流体轴承装置的外壳的制造成本的同时，可以在外壳和轴承套等之间的固定部上不使用粘结剂，由此实现组装工序的效率化，进一步低成本化的流体轴承装置。
本发明的其他的目的在于提供部件相互之间的固定部发生漏气或固定力随时间流逝变差的情况少的流体轴承装置。
本发明的更进一步的目的在于提供保持部件的尺寸精度，并且，抑制污物进入，具有更高的可靠性的流体轴承装置。
为了达到上述目的，本发明提供以下构成，即：在具有外壳、配置在所述外壳的内部的轴承套、插入在所述轴承套的内周面的轴部件、和利用在所述轴承套的内周面和所述轴部件的外周面之间的径向轴承间隙中产生的润滑油的油膜以非接触的方式径向支承所述轴部件的径向轴承部的流体轴承装置中，所述外壳由树脂材料形成，且将所述轴承套在超声波振动的作用下压入所述外壳的内周面并被熔敷。
树脂制外壳可以通过注塑成形等模具成形来成形，因此，相比利用了车削等机械加工的金属制外壳，能够以低成本制造，并且，相比利用压印加工的金属制外壳，能够确保较高的精度。
轴承套在超声波振动的作用下，即，向外壳或/及轴承套施加超声波振动的同时，压入到外壳的内周面。在压入时，外壳内周面上的与轴承套相接触的区域因超声波振动的作用熔融或软化，因此，相比单单压入的情况(不施加超声波振动而压入的情况)，能够降低压入时的压入力。由此，抑制由于压入伴随的外壳的外径尺寸或轴承套的内径尺寸的变动，能够保持良好的尺寸精度。另外，通过降低压入时的压入力，减少外壳和轴承套之间的接触滑动部分产生的磨损粉末，抑制污物进入轴承装置内部。
超声波振动可以在轴承套的压入作业结束后继续施加，或者，如果在压入作业结束的时刻，外壳的内周面已熔融为可熔敷的程度，则也可以在压入作业结束的时刻停止施加超声波振动。这样，外壳的内周面上的与轴承套利用超声波振动的作用熔融而熔敷在轴承套(超声波熔敷)。相比以往的利用粘结剂的固定，能够提高作业效率，并且，能够防止或抑制从固定部发生漏气或固定力随时间变差的情况。
形成外壳的树脂只要是热塑性树脂，就不特别限定，但在非晶质树脂的情况下，可以使用例如，聚砜(PSF)、聚醚砜(PES)、聚苯砜(PPSF)、聚醚亚氨(PEI)。另外，在结晶性树脂的情况下，可以使用例如，液晶聚合物(LCP)、聚醚醚酮(PEEK)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚苯硫醚(PPS)。另外，向这些树脂掺合填充材。不特别限定填充材，但可以使用例如，玻璃纤维等纤维状填充材、钛酸钾等晶须状填充材、云母等鳞片状填充材、碳纤维、碳黑、石墨、碳纳米材料、金属粉末等纤维状或粉末状的导电性填充材。在掺合导电性填充材的情况下，从导电性的强度、树脂矩阵中的分散性的良好度、耐磨损磨耗性的良好度、低漏气性等点考虑，优选的是，碳纳米材料。作为碳纳米材料，优选的是，碳纳米纤维。该碳纳米纤维包括直径为40～50nm以下的“碳纳米管”。
在具有外壳、配置在所述外壳的内部的轴承套、插入在所述轴承套的内周面的轴部件、利用在所述轴承套的内周面和所述轴部件的外周面之间的径向轴承间隙中产生的润滑油的油膜以非接触的方式径向支承所述轴部件的径向轴承部、和轴向支承所述轴部件的推力轴承部的流体轴承装置中，所述外壳由树脂材料形成，且所述轴承套、以及构成所述推力轴承部的止推部件中的至少一方在超声波的作用下压入所述外壳的内周面并被熔敷即可。
另外，在具有外壳、配置在所述外壳的内部的轴承套、插入在所述轴承套的内周面的轴部件、利用在所述轴承套的内周面和所述轴部件的外周面之间的径向轴承间隙中产生的润滑油的油膜以非接触的方式径向支承所述轴部件的径向轴承部、和密封所述外壳的内部的密封部的流体轴承装置中，所述外壳由树脂材料形成，且所述轴承套、以及构成所述密封部的密封部件中的至少一方在超声波的作用下压入所述外壳的内周面并被熔敷即可。
根据本发明可知，可以提供降低外壳的制造成本，并且，可以在外壳和轴承套等的固定部不使用粘结剂，由此实现组装工序的效率的进一步低成本的流体轴承装置。
另外，根据本发明可知，可以提供减少从部件相互之间的固定部发生漏气或固定力随时间推移而变差的情况，品质及耐久性优越的流体轴承装置。
进而，根据本发明可知，可以提供保持部件尺寸精度，且抑制污物进入装置内部的具有更高的可靠性的流体轴承装置。
附图说明
图1是组入本发明的实施方式的动压轴承装置的信息机器用主轴电机的剖视图。
图2是表示本发明的实施方式的动压轴承装置的剖视图。
图3是从图2的A向观察外壳的图。
图4表示轴承套，图4(a)是剖视图，图4(b)是表示下侧端面的图，图4(c)是表示上侧端面的图。
图5是表示本发明的其他的实施方式的动压轴承装置的剖视图。
图6表示压入、熔敷后的外壳和轴承套的横截面。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式进行说明。
图1以示意性表示了组入有该实施方式的流体轴承装置(流体动压轴承装置)1的信息机器用主轴电机的一个构成例。该主轴电机使用在HDD等盘驱动装置，具有：以非接触的方式支承轴部件2自由旋转的动压轴承装置1、安装在轴部件2上的转子(轮毂，disc hub)3、以及例如相隔半径上的间隙而相对向的定子4及转子磁铁5。定子4安装在轴承架(bracket)6的外周，转子磁铁5安装在轮毂3的内周动压轴承装置1的外壳7安装在轴承架6的内周。在轮毂3上，支承一个或多个磁盘等盘D。如果对定子4通电，则转子磁铁5利用定子4和转子磁铁5之间的电磁力旋转，由此，轮毂3及轴部件2成一体旋转。
图2表示动压轴承装置1。该动压轴承装置1将外壳7、固定在外壳7的轴承套8及密封部件9、和轴部件2作为构成部件构成。
在轴承套8的内周面8a和轴部件2的轴部2a的外周面2a1之间，在轴方向上分隔设置有第一径向轴承部R1、和第二径向轴承部R2。另外，在轴承套8的下侧端面8c和轴部件2的凸缘部2b的上侧端面2b1之间，设置有第一推力轴承部T1，在外壳7的底部7b的内底面7b1和凸缘部2b的下侧端面2b2之间，设置有第二推力轴承部T2。还有，为了便于说明，将外壳7的底部7b一侧作为下侧，而将与底部7b相反侧作为上侧进行说明。
外壳7通过将向例如，作为结晶性树脂的液晶聚合物(LCP)中掺合作为导电性填充材的碳纳米管2～8wt％的树脂材料注塑成形，形成为带有底部的筒状，具有圆筒状的侧部7a、一体地设置在侧部7a的下端的底部7b。如图3所示，在成为第二推力轴承部T2的推力轴承面的底部7b的内底面7b1，形成有例如，螺旋形状的动压槽7b2。该动压槽7b2在注塑成形外壳7时成形。即，在成形外壳7的成形模子的期望部位(成形内底面7b1的部位)，加工有成形动压槽7b2的槽模，通过在注塑成形外壳7时将上述槽模的形状复制到外壳7的内底面7b1，能够成形外壳7的同时成形动压槽7b2。另外，在从内底面(推力轴承面)7b1向轴方向上方只距离规定尺寸x的位置，一体地形成有阶梯部7d。
轴部件2由例如不锈钢等金属材料形成，具有轴部2a、和一体或独立地设置在轴部2a的下端的凸缘部2b。
轴承套8由例如，烧结金属构成的多孔体，尤其将钢作为主要成分的烧结金属的多孔体形成为多孔体，并固定在外壳7的内周面7c的规定位置。
在由该烧结金属形成的轴承套8的内周面8a上，在轴方向上分隔设置有构成第一径向轴承部R1、和第二径向轴承部R2的径向轴承面的上下两个区域，在该两个区域，分别形成有例如，如图4(a)所示的人字形状的动压槽8a1、8a2。上侧的动压槽8a1形成为对轴方向中心m(上下倾斜槽之间的区域的轴方向中央)在轴方向上不对称，轴方向中心m靠上的上侧区域的轴方向尺寸X1比下侧区域的轴方向尺寸X2大。另外，在轴承套8的外周面8d上，贯穿轴方向的整个长度形成有一个或多个轴方向槽8d1。在该例子中，在圆周方向上以等间隔形成有三个轴方向槽8d1。
在构成第一推力轴承部T1的推力轴承面的轴承套8的下侧端面8c，形成有例如，图4(b)所示的螺旋形状的动压槽8c1。
如图(c)所示，轴承套8的上侧端面8b被设置在半径方向上的大致中央部的圆周槽8b1分隔为内径侧区域8b2和外径侧区域8b3，在内径侧区域8b2，形成有一个或多个半径方向槽8b21。在该例子中，在圆周上以等间隔形成有三个半径方向槽8b21。
密封部件9固定在例如外壳7的侧部7a的上端部内周，其内周面9a隔着规定的密封空间S，与设置在轴部2a的外周的锥面2a2相对向。还有，轴部2a的锥面2a2朝向上侧(对外壳7来说是外部侧)逐渐减径，也利用轴部件2的旋转作为利用离心力的密封发挥功能。另外，密封部件9的下侧端面9b的外径侧区域9b1形成为相比内径侧区域的直径大稍许。
该实施方式的动压轴承装置1通过例如，以下的工序组装。
首先，将轴部件2安装在轴承套8。还有，向外壳7或/及轴承套8施加超声波振动的同时，将轴承套8的外周面8d以规定的过盈量压入外壳7的内周面7c。在压入时，外壳7的内周面7c上的与轴承套8相接触的区域通过超声波振动的作用而熔融或软化，因此，相比单单压入的情况(未施加超声波振动而压入的情况)，能够大幅度降低压入时的压入力。将轴承套8压入到其下侧端面8c接触外壳7的阶梯部7d的位置。通过轴承套8的下侧端面8c与外壳7的阶梯部7d的接触，能够正确确定轴承套8在轴方向上的相对外壳7的位置。还有，在压入轴承套8的作业结束后也施加超声波振动，或者在结束压入作业的时刻，如果外壳7的内周面已熔融为可熔敷的程度，则停止施加超声波振动，将轴承套8的外周面8d熔敷在外壳7的内周面7c(超声波熔敷)。
图6表示压入、熔敷后的外壳7和轴承套8的横截面。外壳的内周面7c通过压入、熔敷，粘合在轴承套8的外周面8d。由于轴承套8由多孔材质的烧结金属形成，因此，在熔敷时，外壳7的内周面7c的熔融树脂从轴承套8的外周面8d的表面开孔(烧结金属的多孔材质组织的内部气孔在表面开孔而形成的部位)进入内部气孔内固化。还有，在内部气孔内固化的部分通过一种固定效果，使外壳7和轴承套8牢固粘合，因此，两者之间难以发生相对错位。而且，在轴承套8的与轴方向槽8d1相对向的位置，外壳7的内周面7c的一部分向内径方向以肋状突出，该肋状部7c1在旋转方向上与轴方向槽8d1卡合，由此，外壳7和轴承套8难以由于旋转方向而进一步错位。
外壳7的内周面7c和轴承套8的外周面8d之间的过盈量(初始值)δ设定为例如2δ＝20～30μm。该过盈量δ的值设定为即使在由于使用温度的上升或下降而导致外壳7和轴承套8热膨胀的情况下(树脂制外壳7与轴承套8相比热膨胀量更大)，在直径值上还剩余10μm左右的过盈量的值。还有，压入、熔敷后的过盈量(初始值)δ与压入时的压入余量相等，过盈量(初始值)δ的所有量或一部分量是熔敷余量。另外，肋状部7c1向内径方向的突出量与过盈量(初始值)δ大致相等，即很微小，因此，即使在形成了肋状部7c1的状态下，也能保持将轴方向8d1的横截面积的量保持在必要量。
其次，将密封部件9通过例如与轴承套8相同的机构，固定在外壳7的侧部7a的上端部内周。在该状态下，密封部件9的下侧端面9b的内径侧区域与轴承套8的上侧端面8b的内径侧区域8b2接触。
如果如上所述地完成组装，则处在轴部件2的轴部2a插入在轴承套8的内周面8a，凸缘部2b收容在轴承套8的下侧端面8c和外壳7的内底面7b1之间的空间部的状态。之后，由密封部件9密封的外壳7的内部空间，加之轴承套8的内部气孔，被润滑油填充。润滑油的油面保持在密封空间S的范围内。
在轴部件2旋转时，轴承套8的内周面8a上的构成径向轴承面的区域(上下两处区域)分别经由轴部2a的外周面2a1和径向轴承间隙相对向。另外，轴承套8的下侧端面8c上的构成推力轴承面的区域经由凸缘部2b的上侧端面2b1和推力轴承间隙相对向，在外壳7的内底面7b1上的构成推力轴承面的区域经由凸缘部2b的下侧端面2b2和推力轴承间隙相对向。还有，伴随轴部件2的旋转，润滑油在上述径向轴承间隙产生的动压，通过上述径向轴承间隙内形成的润滑油的油膜以非接触的方式径向支承轴部件2的轴部2a自由旋转。由此，构成以非接触的方式径向支承轴部件2自由旋转的第一径向轴承部R1和第二径向轴承部R2。同时，润滑油在上述推力轴承间隙之间产生动压，通过形成在上述推力轴承间隙内的润滑油的油膜以非接触的方式轴向支承轴部件2的凸缘部2b自由旋转。由此，构成以非接触的方式轴向支承轴部件2自由旋转的第一推力轴承部T1和第二推力轴承部T2。第一推力轴承部T1的推力轴承间隙(称为δ1)和第二推力轴承部T2的推力轴承间隙(称为δ2)可以通过外壳7的内底面7b1到阶梯部7d为止的轴方向尺寸x、和轴部件2的凸缘部2b的轴方向尺寸(称为w)，利用x-w＝δ1+δ2精确管理。
如上所述，第一径向轴承部R1的动压槽8a1形成为对轴方向中心m在轴方向上不对称，比轴方向中心m靠上的上侧区域的轴方向尺寸X1比下侧区域的轴方向尺寸X2大{图4(a)}。因而，在轴部件2旋转时，动压槽8a1对润滑油的吸引力在上侧区域相比下侧区域大。还有，利用该吸引力的压差，充满在轴承套8的内周面8a和轴部2a之间的外周面2a1之间的润滑油向下方流动，在所谓第一推力轴承部T1的推力轴承间隙->轴方向槽8d1->密封部件9的下侧端面9b的外径侧区域9b1和轴承套8的上侧端面8b的外径侧区域8b3之间的环状间隙->轴承套8的上侧端面8b的圆周槽8b1->轴承套8的上侧端面8b的半径方向槽8b21，的路径中循环，并再次吸入第一径向轴承部R1的径向轴承间隙之间。这样，通过使润滑油在外壳7的内部空间流动循环，防止内部空间内的润滑油的压力在局部处在负压的现象，从而，能够消除负压的产生伴随的气泡的产生，气泡的产生导致润滑油泄漏或发生振动等问题。另外，即使由于某些原因气泡混入润滑油中的情况下，也由于气泡伴随润滑油循环时，从密封空间S内的润滑油的油面(气液界面)排出到户外的空气中，因此，进一步有效防止气泡导致的恶劣影响。
图5表示其他的实施方式的流体轴承装置21。该实施方式的流体轴承装置21与图2中所示的动压轴承装置1基本不同点在于将密封部7a一体地形成在外壳7的点、和将外壳7的底部由独立于其的止推部件10形成的点。
密封部7a从圆筒状的侧部7b的上端向内径侧一体地延伸，其内周面7a1隔着设置在轴部2a的外周的锥面2a2和规定的密封空间S相对向。
止推部件10由例如，树脂材料或黄铜等金属材料形成，并固定在外壳7的内周面的下端部。在止推部件10的端面10a上，形成有与如图3所示的动压槽7b2相同的动压槽。另外，在该实施方式中，止推部件10一体地具有从端面10a的外周边向上方延伸的环状的接触部10b。接触部10b的上侧端面与轴承套8的下侧端面8c接触，接触部10b的内周面隔着间隙与凸缘部2b的外周面相对向。
该实施方式的动压轴承装置1由例如，以下的工序组装。
首先，与上述的实施方式的情形相同，向外壳7或/及轴承套8施加超声波振动的同时，将轴承套8的外周面8d以规定的过盈量压入外壳7的内周面7c熔敷。轴承套8被压入到其上侧端面8b接触密封部7a的内侧面7a2的位置。通过使轴承套8的上侧端面8b接触密封部7a的内侧面7a2，能够轴承套8对外壳7在轴方向上的位置。
其次，将轴部件2安装在轴承套8，之后，以例如，与上述的实施方式的轴承套8相同的机构，将止推部件10固定在内周面7c的下端部。在该状态下，止推部件10的接触部10b的上侧端面与轴承套8的下侧端面8c接触。由此，能够正确确定止推部件10对轴承套8在轴方向上的位置。从而，通过管理接触部10b和凸缘部2b在轴方向上的尺寸，能够精确设定第一推力轴承部T1/和第二推力轴承部T2的推力轴承间隙。
如果如上所述地完成组装，则处在轴部件2的轴部2a插入在轴承套8的内周面8a，凸缘部2b收容在轴承套8的下侧端面8c和止推部件10的端面10a之间的空间部的状态。之后，由密封部7a密封的外壳7的内部空间，加之轴承套8的内部气孔，被润滑油充满。润滑油的油面保持在密封空间S的范围内。
其他的事项依照上述的实施方式，省略重复说明。
还有，本发明可以同样适用在作为推力轴承部采用所谓的枢轴轴承的、或作为径向轴承部采用所谓的正圆轴承的流体轴承装置。
(实施例)
对将轴承套8以上述的方式下固定在外壳7的内周面7c上的实施例(“超声波+压入”)、将轴承套8用粘结剂固定在外壳7的内周面7c上的比较例(“粘结”)、和将轴承套8仅仅通过压入固定在外壳7的内周面7c的比较例(“压入”)，测定了轴承套8的内径尺寸的收缩量、微粒的产生量、压入力。其结果如表1～3所示。
表1
固定方法   轴承套的内径尺寸
  单体   固定后   内径收缩量
  超声波+压入   ￠3.99577   ￠3.99523   0.00054
  粘结   ￠3.99542   ￠3.99487   0.00055
  压入   ￠3.99577   ￠3.99520   0.00057
表2
固定方法 微粒数
2μm以上 3μm以上 5μm以上  10μm以上  15μm以上
  超声波+压入 10 6 3 1 0
  粘结 12 6 4  3  1
  压入 12 7 3  0  0
表3
  固定方法   压入力(N)
  超声波+压入   30
  压入   143
(内径尺寸的收缩量)
如表1所示，可以确认实施例(“超声波+压入”)中的轴承套8的内径尺寸的收缩量与比较例(“粘结”)同样程度地小，而且在固定后也可以维持轴承套8的良好的尺寸精度。
(微粒的产生量)
如表2所示，在比较例(“压入”)的情况下，测定到了直径大的微粒，但实施例(“超声波+压入”)与比较例(“粘结”)相同，表示了良好的结果。
(压入力)
如表3所示，在实施例(“超声波+压入”)中，可以确认相比比较例(“压入”)，压入力降低到1/5左右。

Claims (3)

1.一种流体轴承装置，具有外壳、配置在所述外壳的内部的轴承套、插入在所述轴承套的内周面的轴部件、和利用在所述轴承套的内周面和所述轴部件的外周面之间的径向轴承间隙中产生的润滑油的油膜以非接触的方式径向支承所述轴部件的径向轴承部，其特征在于，
所述外壳由树脂材料形成，所述轴承套在超声波振动的作用下被压入所述外壳的内周面并被熔敷。
2.一种流体轴承装置，具有外壳、配置在所述外壳的内部的轴承套、插入在所述轴承套的内周面的轴部件、利用在所述轴承套的内周面和所述轴部件的外周面之间的径向轴承间隙中产生的润滑油的油膜以非接触的方式径向支承所述轴部件的径向轴承部、和轴向支承所述轴部件的推力轴承部，其特征在于，
所述外壳由树脂材料形成，且所述轴承套、以及构成所述推力轴承部的止推部件中的至少一方在超声波的作用下压入所述外壳的内周面并被熔敷。
3.一种流体轴承装置，具有外壳、配置在所述外壳的内部的轴承套、插入在所述轴承套的内周面的轴部件、利用在所述轴承套的内周面和所述轴部件的外周面之间的径向轴承间隙中产生的润滑油的油膜以非接触的方式径向支承所述轴部件的径向轴承部、和密封所述外壳的内部的密封部，其特征在于，
所述外壳由树脂材料形成，且所述轴承套、以及构成所述密封部的密封部件中的至少一方在超声波的作用下压入所述外壳的内周面并被熔敷。
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