DE2004335A1

DE2004335A1 - Variabler Widerstand

Info

Publication number: DE2004335A1
Application number: DE19702004335
Authority: DE
Inventors: Tatsuo; Watano Yutaka; Tokio; Tsukamoto Masaaki Kawasaki Kanagawa; Fujii (Japan)
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1969-01-31
Filing date: 1970-01-30
Publication date: 1970-08-13
Also published as: DE2004335C3; GB1303263A; US3594686A; DE7003251U; JPS4738847Y1

Description

Case 109

Nippon Kogaku K.K,
Tokio / Japan

Variabler Widerstand

Die Erfindung betrifft einen veränderlichen Widerstand und insbesondere Dünnfilm-Widerstandsschichten sowie Elektroden des veränderlichen Widerstandes.

Aufgabe der Erfindung ist, die Schaffung eines variablen Widerstandes mit dünnen Widerstandsschichten, bei welchem ein abgestufter Widerstandsschichtabschnitt vorgesehen ist, so daß ein höher Widerstand, der bisher durch einen her- " ä kömmlichen variablen Widerstand nicht erreichbar war, erzielt werden kann. Der Fehler, der durch eine mangelhafte Ausfluchtung der Maskenmuster verursacht wird,, die beim Aufdampfen der Widerstandsschichten etc. im Vakuum verwendet werden, können auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden.

Mit diesem abgestuften Widerstandsschichtabschnitt ist ferner ein Zickzack-Widerstandsabschnitt verbunden, so daß eine einzige Widerstandsschicht einen weiten Bereich von Widerstandswerten bis zu einem sehr hohen Widerstand umfassen kann.

Erfindungsgemäß wird ein Muster verwendet, welches· es er-

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BAP ORlQINAU

möglicht, daß eine Widerstandsschicht einen weiten Bereich von Widerstandswerten in der Richtung senkrecht zur Bewegungsbahn einer Schleifbürste eines einstellbaren Widerstands umfaßt. Ferner ist es möglich, den Fehler im Widerstandswert auf ein Mindestmaß herabzusetzen, der durch den Fluchtungsfehler der Maske zur Bildung der Abgriffelektroden mit der Maske zur Bildung der Widerstandsschicht verursacht wird sowie durch die Herstellungstoleranzen der Muster. Es kann daher ein veränderlicher Widerstand von einem höheren Präzisionsgrad, der seinen Widerstand entsprechend einer speziel-P len Funktion verändern kann, mit geringeren Kosten und mit einem hohen Ertrag geschaffen werden.

Weitere Ziele und Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden näheren Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und zwar zeigen!

Fig. 1 eine Draufsicht von Dünnfilm-Widerstandsschichten eines herkömmlichen veränderlichen Gleitwiderstandes;

Fig, 2 eine Draufsicht einer Ausführungsform der Erfindung;

fe Fig. 3 dient zur Erläuterung der Korrektur des Widerstandes

erfindungsgemäß in stufenförmiger Weise;

Fig, k und 5 Teilansichten in Draufsicht der herkömmlichen Widerstände zur Erläuterung ihrer Mängel; und

Fig. 6 eine der Fig. 3 ähnliche Ansicht zur Erläuterung der > Korrektur des Widerstandes erfindungsgemäß in stufenförmiger Weise.

Wie in Fig, 1 gezeigt, werden bei den herkönunlichen Elektroden und Widerstandsschichten, welche durch die Masken durch Auf-

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dampfen im Vakuum, durch Kathodenzerstäubung etc. gebildet werden, die Abgriffelektroden 1 im rechten Winkel zur Bahn der Schleifbürste geformt und wird eine keilförmige Widerstandsschicht 2, die sich nach einer Funktion verjüngt, auf die Abgriffelektroden 1 aufgelegt. Eine weitere Widerstandsschicht 3 wird "so angeordnet, daß sie sich von dem Spitzenende der keilförmigen Widerstandsschicht 2 aus erstreckt. Das Spitzenende der Widerstandsschicht 2 hat eine Breite, die so gering ist, wie sie durch das Herstellungsverfahren erzielbar ist, während die Widerstandsschicht 3 einen Widerstandswert je Flächeneinheit (Oberflächenwiderstand), der * höher als derjenige der Widerstandsschicht 2 ist. Wenn der Widerstandswertbereich bei der einen Widerstandsschicht erweitert wird, wie vorangehend beschrieben, muß die Basisbreite S¹ der Widerstandsschicht vergrössert werden, was jedoch „in der Praxis beschränkt ddt.' Es muß daher eine Zahl von Aufdampfvorgängen ohne Rücksicht auf zunehmende Kosten, erhöht werden. .

Es wurde noch ein weiteres Verfahren vorgeschlagen, bei welchem, wie in Fig. ^ gezeigt, die zickzackförmigen Widerstandselemente mit den keilförmigen vJiderstartdsschichten in Reihe geschaltet sind. Wenn jedoch der Abstand der Abgriffelektroden 'M begrenzt ist, besteht der Mangel, daß die relativen Fehler wegen der Verwindung der liuster vergrössert werden, wie in Fig. 5 gezeirgt.

Durch die Erfindung sollen die Mängel des herkömmlichen veränderlichen Widerstandes der beschriebenen Art beseitigt werden.

In Fig. 2 bezeichnen U, H* und 4" Ab griff elektroden,/ die mit einer Schleifbürste in Kontakt kommen und aus einem Material hergestellt sind, das einen niedrigen Gleitwiderstand (shut ' . " " resistance), eine hohe Festigkeit gegen Verschleiß durch

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Schleifwirkung und die Eigenschaft hat, daß es einen besseren elektrischen Konläct mit der Schleifbürste gewährleistet. Mit 5 und 5¹ sind Verbindungsstege aus dem gleichen Material wie die Elektroden bezeichnet, welche Stege durch Aufdampfen im Vakuum gleichzeitig mit der Bildung der Abgriffelektroden 4, 4' und 4" unter Verwendung der gleichen Maske geformt werden, D.h, mit anderen Worten, daß die gleiche oder eine gemeinsame Maske mit Schlitzen zur Bildung der Abgriffelektroden 4, 4¹ und 4" versehen ist sowie mit Schlitzen zum Formen der Verbindungsstege 5 und 5¹, Eine VJider stands schicht 6 hat einen verhältnismässig hohen Flächenwiderstand (sheet, resistance) und eine Keilform, die allgemein mit P bezeichnet ist, deren Breite S¹ so variiert ist, daß eine Veränderung im Widerstand gemäß einer gegebenen Funktion erhalten wird. (Ein solcher Widerstand wird nachfolgend der Kürze halber als "Funktionswiderstand" bezeichnet). Gleichzeitig mit der Widerstandsschicht 6 werden Stegwiderstände 7 gebildet und neben den Abgriffelektroden 4* mit den gleichen Abständen angeordnet. Die Abgriffelektroden 4¹ und die Stegwiderstände 7 überlappen sich an der Aussenseite der Bahn K der Schleifbürste und die Breite der Abgriffelektrode 4¹ ist grosser gemacht als diejenige des entsprechenden Stegwiderstandes 7. Die Stegwiderstände 7' werden ebenfalls gleichzeitig r.it der Widerstandsschcht 6 und mit dem Stegwiderstand 7 gebildet und sind so angeordnet, daß zwei Stegwiderstände 7' für jede der Abgriffelektrcden 4" vorgesehen sind.

Auf die Verbindungsstege 5 werden zwei Stegvriderstände in dem gestuften './iderstandsabschnitt 0 aufgelegt und einer der VerbindungsStege 5 ist ir.it dem Stegwiderstand verbunden, der benachbart der unteren Widerstandsschicht geformt ist. Auf die Verbindungsstege 5¹ werden alle Stegwiderstände 7' im Zickzack--/iderstandsabschnitt R aufgelegt. Mit anderen Worten, die benachbarten Stegwiderstände, welche nicht mit einer gemeinsamen Abgriffelektrode 4" verbunden sind, sind

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durch den Verbindungssteg 5' überbrückt.

Mit -9 ist eine elektrisch isolierende Basis bezeichnet, die mit einer Einkerbung bzw. einem Ausschnitt 10a an einem ■ Teil ihres Aussenumfangs, 8·· in der Mitte des Zickzack-Widerstandsabschnitts R versehen ist, so daß die Stegwiderstände im Zickzack-Widerstandsabschnitt, die Abgriffelektroden und ■ die Verbindungsstege nicht einander überlappen, wenn sie im Vakuum aufgedampft werden. Mit 10 ist ein Stift bezeichnet, der dazu dient, die Bezugsstellung zu bestimmen, wenn die Widerstandsschichten und die Abgriffelektroden auf die Basis 9 durch Aufdampfen im Vakuum aufgebracht werden, welche fj Bestimmung dadurch erfolgt, daß der Stift 10 gegen die eine Seitenkante des Ausschnitts 10a der Basis 9 zur Anlage gebracht wird.

Die allgemein mit J bezeichnete Schleifbürste wird durch vier Kontakte Jl, J2, J3 und J4 gebildet und kann über die Bahn K gleiten. Die Kontakte sind nieht in einer Linie angeordnet, wie in Fig. 2 gezeigt, so daß jeder der Kontakte mit mehr als zwei Abgriffelektroden Kontakt erhalten kann.

Die Wirkungsweise ist wie folgt. Es sei angenommen, daß der Widerstandswert der 'keilförmigen Widerstandsschicht 6 in g

logarithmischer Weise zunimmt. In diesem Falle verringert sich die Breite S^f des Widerstandes allmählich, bis sie den Endpunkt der Aufdampfung erreicht. In diesem Falle steht der Widerstandswert im Verhältnis zu der Strecke von der Klemme N, die als Bezugspunkt betrachtet wird, jedoch im umgekehrten Verhältnis zur Breite. Daher ist es, wenn die Breite jedes Widerstandes konstant gemacht wird und die Widerstände in der in den Abschnitten Q und R in Fig. 2 gezeigten Weise angeordnet und geschaltet sind, möglich, einen höheren Widerstandswert als- der keilförmige Widerstand innerhalb eines ·■ begrenzten Raumes zu erhalten. Der gestufte Widerstandsabschnitt Q ist zwischen dem keilförmigen Widerstand 6 und dem

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Zickzack-Widerstandsabschnitt R angeordnet, so daß der ungewöhnliche Widerstandswert, der wie bei b und g in Fig. 5 gezeigt, durch die Aufdampf-Fluchtungsfehler zwischen der Stegelektrode 4" und dem Stegwiderstand 7" sowie zwischen dem Verbindungssteg 5" und dem Stegwiderstand 7" verursacht wird, verhindert werden kann. Mit anderen Worten, es sind, wie in Fig. 4· im Zickzack-WiderStandsabschnitt R gezeigt, zwei Stegwiderstände 7¹ mit einer Abgriffelektrode 4" in Abstand voneinander um den Betrag i verbunden und die Toleranz e zwischen dem Verbindungssteg 5^f und dem Stegwiderstand Ί^%· sowie die Toleranz c zwischen dem Abgriff 4" und dem Stegwiderstand 7¹ müssen innerhalb eines begrenzten Raums und eines begrenzten Abstandes vorgesehen sein, so daß diese Toleranzen nicht grosser gemacht werden können. Ferner kann die Breite f des Verbindungssteges 5' wegen des Abstandes i nicht breiter gemacht werden. Daher wird beim Aufdampfen im Vakuum die Stellung der Basis 9 dadurch bestimmt, daß der Bezugsstift 10 in den Ausschnitt 10a gebracht wird, jedoch entstehen, so lange die Abgriffe 4·", der Verbindungssteg 5' und "der Stegwiderstand 7' gesondert aufgedampft werden, unvermeidlich Fehler in ihrer relativen Lage. Es werden daher, wie in Fig. 5 gezeigt, Abweichungen zwischen dem Abgriff 4" und dem Stegwiderstand 7" sowie zwischen dem letzteren und dem Verbindungssteg 5" verursacht, so daß die ungewöhnlichen Widerstandswerte an den Teilen 5a" und 5b" wegen des ungleichmassigen Stromflusses durch diese Stellen auftreten. Besonders im Abschnitt niedrigen Widerstandes kann der ungewöhnliche Widerstand über die zulässige Toleranz hinaus in keiner Weise vernachlässigt werden.

Um den vorangehend beschriebenen Mangel zu verhindern, ist der Zickzack-Widerstandsabschnitt R mit einem solch hohen Widerstandswert, daß der vorangehend beschriebene ungewöhnliche Widerstandswert vernachlässigbar sein kann, vorgesehen und zwischen der keilförmigen Widerstandsschicht 6

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if. '■■

und dem Zickzack-Widerstandsabschnitt R ist der Stufenwiderstandsabschnitt Q angeordnet, wie in Fig. 3 gezeigt.

Der Zuwachs in der Länge des Stegwiderstandes mit bezug auf den Zuwachs im Widerstand zwischen den benachbarten Abgriffen ist verhältnismässig klein im Vergleich zu demjenigen im Abschnitt R, so daß nur ein einziger Stegwiderstand für jeden der Abgriffe genügt. Daher können die Toleranzen a und a¹ zwischen dem Abgriff U¹ und dem Stegwiderstand 7, die Toleranz d zwischen dem Verbindungssteg 5 und dem Stegr widerstand 7 und die Abstände h und h^f grosser gemacht werden, so daß selbst, wenn die relative Stellung zwischen dem Abgriff und dem Stegwiderstand von deren richtigen Stellungen geringfügig abweicht, die in den Teilen b und g in Fig. 5 auftretenden Ungewöhnlichen Widerstände verhindert werden können. Es kann daher der ungewöhnliche Widerstand in dem Zickzackabschnitt R ausgeschaltet werden. .

Vom Gesichtspunkt des gegenwärtigen STandes der Aufdampfung im Vakuum sind der Abstand S sowie die Breite VZ des Verbindungssteges begrenzt, so daß, wenn der Zuwachs (Y - Y') in der Länge des StegwiderStandes Y mit bezug auf den Zuwachs im Widerstandswert zwischen den zwei benachbarten Abgriffen kleiner als die Summe von S und W ist, die Unterkante tb des Abgriffes 4* die Stellung Z¹ hat, welche sich von der Bezugslinie X - X^f um einen Betrag von (z +^z) in Abstand befindet, wobei Δ ζ = (die Sumne von s und w) (Y¹ - Y) ist. Daher muß, damit der Stufenwiderstandabschnitt Q über einen verhältnismässig weiten Bereich innerhalb eines begrenzten Raumes angeordnet werden kann, der . Betrag z¹ so weit als möglich verringertwerden. Für diesen Zweck wird, wie in Fig. 6 gezeigt, der Verbindungssteg 5a¹ zur Verbindung mit dem Abgriff η im Vakuum an einer Stelle aufgedampft, die sich von dem Verbindungssteg 5a nach oben um einen Betrag Y in Abstand befindet. In diesem Falle muß

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der Abstand Y so gewählt werden, daß der Abstand zwischen dem Veriindungssteg 5c zwischen den mit den Abgriffen η - 3 und n-2 verbundenen Stegwiderständen und dem Verbindungssteg 5a" grosser gemacht werden kann als der zulässige Mindestabstand, der bei der Vorbereitung der Vakuumaufdampfmasken gestattet wird. Daher wird der Zuwachs in der Länge Δ Yn zwischen den mit den Abgriffen n-1 und η verbundenen Stegwiderständen mit bezug auf den Zuwachs im l/iderstandswert Rn zwischen den beiden benachbarten Abgriffen n-1 und n, wenn der Verbindungssteg 5a¹*' nicht an der erhabenen Stelle aufgebracht ist und wenn der VJiderstandswert des Abgriffes vernachlässigbar ist.

■is*

(Yn + S) - Yn-I = ΔYn

Wenn jedoch der Verbindungsster 5a^{1 fl} ur. den 3etrag Y in die mit 5aⁿ angegebene Stellung angehoben wird, ist der Abstand vom Stegwiderstand 7 über den Verbindungssteg 5a'' zum Abgriff η kürzer als derjenige über den Verbindungssteg 5a^!lt. Daher wird, um den Zuwachs Δ Yn beizubehalten, die Länge Zn des Abgriffes η so verkürzt, daß das untere Ende des Abgriffes an der mit 4-b¹ bezeichneten Stelle angeordnet werden * kann. In diesem FAlIe erhalten die Län^e des neuen Steguiderstandes für den Angriff η und die Länge des Abgriffes η die '..'erte Y¹ η und Z*n. In diesem Falle ist die Verhinderung Δ Zn = (Zn - Z*n) des Abgriffes η gleich der. Unterschied zwischen der:. Abstand vom unteren Ende 4b des Abgriffes (n-2) über die Verbinäun^ssterje 5a und 5a" zum unteren Ende 4b¹ des Ab~rifios η und dem Abstand vom unteren Ende 4b des Abgriffes (n-2) übsr die Verbir.dungsstege 5a unc 5a" zum unteren Ende 4b¹. Daher ist, wenn die obere Seitenkante 5a¹ des VErbindunrs Steges 5 a als Bezugs linie angenorjnen wird, die Verminderung wie folgt:

Zn = /TYn - y - W - S) + (y - 'I)J - βή + Sj

= - 2(W + S) (1)

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•'^:'¹ ';■■■·" . BADOBiGiNAt '

Hieraus ergibt sich, daß die Länge Zn um 2(W + S) unabhängig von dem Abstand y verkürzt werden kann. Mit anderen Worten, .die neuen Längen Y*η und Z*n sind durch die folgenden'Beziehungen' gegeben: -

und · -

: " ■-■■ .'■

Hinsichtlich des Abgriffes (nr-1) wird der Verbindungssteg ™ 5a" zwischen der Elektrode 4a" und dem Verbindungssteg 5a¹ angeordnet, so daß der Abstand Y _-, um die Breite W verringert wird, weshalb 'der Abstand Z_, ebenfalls um W verringert werden sollte, um Y_n_i zu sichern, nämlich ' . ' _

Der Wert von y -ist durch den Abstand Z von der.gezugslinie X - X' begrenzt und ist gegeben aus der Gleichung Cl)

Zn £ 2 CW + S) Z_{n 2} = W (H)

<!-Um eine Überlappung zwischen den benachbarten Verbindungsstegen 5a" und 5c zu verhindern und einen Abstand zu erhalten, der grosser als S in der Richtung des Stegwiderstandes, mit Rücksicht auf die Toleranz ist, welche zur Vorbereitung der Maske zum Aufdampfen im Vakuum erforderlich ist, ist der Wert von y .^.. "

Damit der Verbindungssteg 5a" vom unteren Ende 4-B' des Abgri-ffes ^a* um einen Betrag von mehr als s"^: in Abstand gehalten werden kann · ■ 009833/1410

, , : BADORIQIHAt. "

' Y'n i S

Aus der Gleichung (3) ergibt sich daher

Yn + W = y (6)

Aus den Gleichungen (5) und (6) wird daher erhalten

Yn + W £ y ί 2 (W + S)

Yn ^ 2S + W (6¹)

Damit der Verbindungssteg 5a" von dem Abgriff (n-1) um einen Betrag in Abstand gehalten werden kann, der grosser als S ist,

^Yn-i ^{+ H} - y - ^s

Y_n-1 + IJ - S = y (7)

Aus den Gleichungen (5) und (7) ergibt sich /

Y_n-1 + W-S^y β'2(W + S)

Y , £ 3S + W (8)

n-1

Dies bedeutet, daß, wenn die Gleichungen (4-), (5), (6) und (8) befriedigt sind, der Verbindungssteg so viele Male als erforderlich wiederholt werden kann, so daß der Stufenwiderstand wirksam in einem begrenzten Raum untergebracht werden kann und dadurch ein breiter und stabiler Widerstandsbereich erhalten werden kann.

Um ±n Fig. 4 einen ausreichenden Abstand f zu erhalten, können die Verbindungsstege schräg angeordnet werden, wie durch die gestrichelten 11 und 12 in Fig. 2 angegeben.

Aus dem Vorangehenden ergibt sich, daß eine einzige Widerstandsschicht einen weiten Bereich von Widerstandswerten mit

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weniger relativen Fehlern in einem begrenzten Raum ergeben Kann» Obwohl die Anordnung derart ist, daß die beiden benachbarten Abgriffelektroden durch die Stegwiderstandsechicht miteinander verbunden sind, die sich radial er- u Streckt, kann det» Einfluß des Flüchtungsfehlers zwischen der Abgriffelektrode undflem Stegwiderstand bemerkenswert gering gehalten werden· Daher läßt sich der veränderliche Widerstand, dessen Widerstandswert'entsprechend einer gegebenen Funktion verändert werden kann, leicht mit geringen - ■- Kosten bei einem höheren Genauigkeitsgrad herstellen.

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Durch die Erfindung lassen sich daher die folgenden Vor-ξ teile erzielen?

1» Stufenwiöerstandsabschnitt können die Längen der Stegwiderstände auf der Seite geringeren Widerstandswertes verringert werden, so daß die Fehler in der" Breite der Stegwiderstände verringert werden können. Der relative Fehler im Widerstand auf der'Seite des geringeren Widerstandes läßt sich daher auf ein Hindestmaß herabsetzen.

2· Der Abstand zwischen den Verbindungsstegen, d.h. die Abmessungen des Brückenteils der Maske kann ausreichend ^ vorgesehen werden, ohne daß Schwierigkeiten bei der Herstellung entstehen. Ferner kann der Abstand kleiner gemacht werden»

3* Es kann mehr Raum in der iiaske ausgenutzt vrerden und dsren Lebensdauer kann erhöht warden» Die liaskenausfIuchtungstoleranz kann erhöht werden.

4. Die Arten der Widerstandsschichten können verringert werden, so daß die Zahl der Vakuumaufdampfungen verrinn gert werden kann, wodurch die Oberlagerung verschiedener Fehler bei der Vakuumaufdampfung verhindert wird. Auf diese Weise werden eine höhere Qualität und Präzisions- ·

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vriderstände von geringen Kosten erhalten.

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Claims

P a t e η t a η s pr u G h :

Variabler Widerstand mit" Dünnfilm-Widerstandsschichten", die auf einer isolierenden Basis geformt sind, einer Anzahl von Abgriffelektroden und einer Schleifbürste zur Gleitbewegung über die Abgriff elektroden, dadurch (|

gekennzeichnet, daß stegförmige Abgriffelektroden (4¹), die nebeneinander in der Bewegungsbahn der Schleifbürste angeordnet sind, in der einen Richtung aus der erwähnten Bahn haaus verlängert sind;

Stegwiderstände (7) nebeneinander mit den gleichen Abständen wie diejenigen der Abgriffelektroden und im Verhältnis lsi mit diesen so angeordnet sind, daß ihre einen Enden auf den erwähnten verlängerten Teilen der jeweiligen Abgriffelektroden aufliegen, wobei die Breite jedes der Stegwiderstände kleiner als diejenige jeder der Abgriffelektroden ist;

der Flächenwiderstand (sheet resistance) jedes der Stegwiderstände höher als derjenige jeder der Abgriffelektroden ^ ist, wobei auf jeden der Stegwiderstände die Enden von zwei Verbindungsstegen (5) aufliegen und einer der beiden Verbindungsstege mit dem benachbarten Stegwiderstand auf der Seite geringeren Widerstandes verbunden ist, während der andere mit dem benachbarten Stegwiderstand auf der Seite höheren Widerstandes verbunden ist; und ■ jeder der Verbindungsstege nur auf den beiden benachbarten Stegwiderständen aufliegt.

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