DE3223308A1

DE3223308A1 - Drehsignalgeber

Info

Publication number: DE3223308A1
Application number: DE19823223308
Authority: DE
Inventors: Seiichi Kariya Aichi Miyagawa; Takeshi Okazaki Aichi Nakane
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1981-07-17
Filing date: 1982-06-22
Publication date: 1983-02-03
Also published as: DE3223308C2; US4525670A

Description

TJEDTKE - BüHLING - KlNNE 5SSbESl

f\ I^ f·+ Dipl.-lng. H.Tiedtke m

IjIRUPE " KELLMANN - «RAMS Dipl.-Chem. G. Biihling

Dipl.-lng. R. Kinne

ο ο ο ο ο η ρ Dipl.-lng. R Grupe

_ 3 _^OUO Dipl.-lng. B. Pellmann

Dipl.-lng. K. Grams

Bavariaring 4, Postfach 202403 8000 München 2

Tel.:089-53 96 53

Telex: 5-24845 tipat

cable: Germaniapatent München

22.Juni 1982

DE 2231

case W-1861

Aisin Seiki Kabushiki Kaisha
Kariya city, Japan

Drehsignalgeber

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehsignalgeber zum Erzeugen von Drehsignalen; insbesondere betrifft die Erfindung einen elektrischen Signalgeber, der durch die Änderung der Stärke eines Magnetfelds bei dem Umlauf eines Läufers mit mindestens einem Permanentmagneten betrieben wird.

Ein herkömmlicher Drehsignalgeber hat einen Reedschalter, dessen Kontakte entsprechend dem Umlauf eines mit einem Permanentmagneten versehenen Läufers durch die Änderung der Stärke des Magnetfelds des Permanentmagneten geschaltet werden, wodurch das Drehsignal erzeugt wird. Diese Gestaltung hat jedoch den Nachteil, daß die Haltbarkeit der Kontakte des Reedschalters begrenzt ist. Ein anderer herkömmlicher Drehsignalgeber hat eine Abnahmespule, in der entsprechend dem Umlauf eines mit einem Permanentmagneten versehenen Läufers durch die Änderung der Stärke des Magnetfelds des Permanentmagneten eine Spannung indu-

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ziert wird, wodurch das Drehsignal erzeugt wird. Diese Gestaltung hat jedoch den Nachteil, daß das Ansprechvermögen im Bereich niedriger Drehzahlen des Läufers gering ist, da bei einem Absinken der Drehzahl des Läufers die induzierte Spannung klein wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen
Drehsignalgeber zu schaffen, bei dem die Unzulänglichkeiten gemäß dem Stand der Technik ausgeschaltet sind und bei dem synchron mit dem Läuferumlauf die Drehsignale auch dann leicht und genau erzeugt werden können, wenn die
Drehzahl des Läufers niedrig ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß eine durch den Umlauf eines mit einem Permanetmagneten versehenen Rotors bzw. Läufers hervorgerufene Änderung des Magnetflusses in einem magnetischen Teil zu einer Änderung der Impedanz einer elektrischen Spule bzw. Wicklung umgesetzt, um dadurch eine der Impedanzänderung der elektrischen
Wicklung entsprechende Spannung zu erfassen. Der erfindungsgemäße Drehsignalgeber hat demzufolge.eine große
Haltbarkeit, da lediglich der Läufer mit dem Permanentmagneten ein bewegter Teil ist. Ferner wird eine Spannung mit einer Kurvenform wie beispielsweise Sinus-Kurvenform erzielt, deren Amplitude auch bei Änderungen der Drehzahl konstant ist, da die Impedanz der elektrischen Wicklung nicht von der Drehzahl des mit dem Permanentmagneten versehenen Läufers in Zusammenhang steht.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drehsignalgebers wird ein magnetisches Teil aus einem amorphen magnetischen Material in Form eines weichmagnetischen Metall-Materials eingesetzt. Da ein derartiges Material aus Flüssigmetall abgeschreckt werden muß, wird es zu. einem dünnen Blatt geformt. Hinsichtlich der magneti-

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* sehen Eigenschaften ist das amorphe magnetische Material ferromagnetisch, wobei es hohe magnetische Permeabilität und hohe magnetische Sättigung sowie geringe Koerzitivkraft zeigt. In mechanischer Hinsicht hat das amorphe magnetische Material sehr hohe Bruchfestigkeit sowie hervorragende Elastizität und Beständigkeit.

Diese Eigenschaften des amorphen magnetischen Materials für das magnetische Teil sind für den Einsatz bei dem

Drehsignalgeber sehr vorteilhaft, da das magnetische Teil leicht mit dem Magnetfluß des in dem Läufer vorgesehenen Permanentmagneten gesättigt werden kann und damit leicht entsprechend dem Umlauf des Läufers eine
Änderung der Impedanz bzw. Induktivität der auf das magne-

¹^ tische Teil gewickelten elektrischen Wicklung herbeigeführt werden kann. In mechanischer Hinsicht wird durch die Eigenschaften des amorphen magnetischen Materials die Herstellung des Drehsignalgebers erleichtert, dessen Widerstandsfähigkeit gegenüber Schwingungen und Stoßen ver- ^ bessert und die Reproduzierbarkeit gesteigert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert

Fig. la ist eine Vertikal-Längsschnittansicht des Drehsignalgebers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. Ib ist eine Ansicht eines Schnitts längs der Linie

IB-IB in Fig. la.

Fig. Ic ist eine Ansicht eines Schnitts längs der Linie IC-IC in Fig. la.

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Fig. ld ist eine Ansicht eines Schnitts längs der Linie ID-ID in Fig. la.

Fig. Ie ist eine Unteransicht des in Fig. la gezeigten Drehsignalgebers.

Fig. If ist ein Schaltbild einer elektrischen Verarbeitungsschaltung für den Anschluß an zwei elektrische Wicklungen 6a und 6b des Drehsignalgebers nach Fig. la.

Fig. 2a,. 2b und 2c zeigen die Zusammenhänge zwischen Drehwinkeln eines Permanentmagneten 2 und Stellungen von Schenkeln 5a und 5b aus amorphem magnetischen Material sowie Magnetisierungseigenschaften des

amorphen magnetischen Materials bei diesen Zusammenhängen in dem in Fig. la gezeigten Drehsignalgeber.

Fig. 3a 3b und 3c zeigen Kurvenformen von Spannungen an jeweiligen Punkten der elektrischen Verarbeitungsschaltung nach Fig. If unter den jeweils in Fig. 2a, 2b bzw. 2c gezeigten Bedingungen.

Fig. 4 ist ein Zeitdiagramm eines Ausgangssignals OUT der elektrischen Verarbeitungsschaltung sowie von aus dem Signal OUT binärcodierten Impulsen Pout bei dem Umlauf des Läufers.

Fig. 5a ist eine Längsschnittansicht des Drehsignalgebers

gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Fig; 5b ist eine Stirnansicht eines Läufers 1, eines magnetischen Teils 5 und elektrischer Wicklungen 6a und 6b des Drehsignalgebers nach Fig. 5a.

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Fig. 5c ist eine Ansicht eines Schnitts längs der Linie 5C-5C in Fig. 5b,

Fig. 5d ist eine Ansicht eines Schnitts längs der Linie 5D-5D in Fig. 5b.

Fig. 5e ist ein Schaltbild einer elektrischen Verarbeitungsschaltung für den Drehsignalgeber nach Fig. 5a.

Fig. 6a, 6b und 6c zeigen die Zusammenhänge zwischen Drehwinkeln von Permanentmagneten 2. und 2_? und Stellungen des magnetischen Teils 5 bei dem in Fig. 5a gezeigten Drehsignalgeber sowie Magnetisie-

rungseigenschaften des magnetischen Teils bei

diesen Zusammenhängen.

Die Fig. la bis If zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel

des Drehsignalgebers. An einem Rotor bzw. Läufer 1 ist ein 20

ringförmiger Permanentmagnet 2 befestigt. Der Außenum-

fangsbereich des Permanentmagneten 2 ist zu zwölf Magnetpolen magnetisiert, wobei sechs Südpole und sechs Nordpole in Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet sind. Der Läufer 1 ist mit Lagern 4.. und 4„ gelagert, die jeweils in Teilgehäuse 3.. bzw. 3p eingepreßt sind. Der Läufer 1 hat beliebige Form und wird beispielsweise mit einem Ende la an die Ausgangswelle eines Getriebes und mit dem anderen Ende Ib an eine Tachometerwelle angeschlossen, so daß der Dreh-Signalgeber als Fahrzeuggeschwindigkeits-Meßgeber einge-

setzt werden kann. Nahe der Umfangsflache des Permanentmagneten 2 ist ein magnetisches Teil 5 aus einem amorphen magnetischen Material angebracht, das aus seinem Normalzustand in die Form eines U gebogen ist. Der Abstand zwischen Schenkeln 5a und 5b des magnetischen Teils 5 aus dem

amorphen magnetischen Material ist gleich dem Abstand zwi-

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sehen jeweils einem Nordpol und einem Südpol des Permanentmagneten 2, die benachbart sind. Die Schenkel 5a und 5b sind jeweils mit einer elektrischen Wicklung 6a bzw. 6b mit 200 Windungen versehen. Die Wicklungen 6a und 6b sind über Zuleitungsdrähte 7. und 7_? mit einem Anschlußstecker 8 verbunden. Nach Fig. If hat ein Schaltkreis 9 einen invertierenden Verstärker bzw. Inverter INI mit offenen bzw. freiem Kollektor, der mit einem Ende der Wicklung 6a verbunden ist, sowie zwei Inverter IN2 und IN3 in Reihenschaltung, wobei der offene Kollektor des letzteren mit einem Ende der Wicklung 6b verbunden ist. Die jeweils anderen Enden der Wicklungen 6a und 6b sind miteinander verbunden und an eine geregelte Versorgungsspannung Vcc über einen Widerstand R2 sowie an eine Glättungsschaltung

¹^ 10 mit einem Widerstand Rl und einem Kondensator C angeschlossen. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden beispielsweise Eingangsimpulse mit einer Frequenz in der Größenordnung von 50 kHz und einem Tastverhältnis in der Größenordnung von 50 % an die Inverter INI und IN2 angelegt. Während des hohen Pegels "1" der Eingangsimpulse wird der Inverter INI durchgeschaltet, wodurch das eine Ende der Wicklung 6a mit Masse verbunden wird, während der Inverter IN3 aufgrund des Durchschaltens des Inverters IN2 gesperrt wird, wodurch das eine Ende der Wicklung 6b offen bzw.
frei ist. Demzufolge fließt während der Dauer des hohen Pegels "1" der Eingangsimpulse Strom über die Wicklung 6a, jedoch nicht über die Wicklung 6b, während bei dem niedrigen Pegel "0" der Eingangsimpulse kein Strom über die

Wicklung 6a fließt, aber über die Wicklung 6b Strom

fließt. Infolgedessen werden die Wicklungen 6a und 6b abwechselnd eingeschaltet. Die Wicklungen 6a und 6b haben hohe Impedanz, bis mit der elektrischen Stromstärke eine Sätfigungs-Magnetflußdichte erreicht wird, jedoch niedrige Impedanz, wenn mit der Stromstärke die Sättigungs-Magnet-

flußdichte überschritten wird. Wenn gemäß der Darstellung

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in den Fig. 2a und 2c den Schenkeln 5a und 5b des magnetischen Teils 5 aus dem amorphen magnetischen Material jeweils Magnetpole des Permanentmagneten 2 gegenüberstehen, kann durch die Strombeschickung der Wicklungen 6a und 6b das amorphe magnetische Material leicht magnetisch gesättigt werden, wodurch die Impedanz der jeweiligen Wicklung
6a und 6b niedrig wird. Wenn andererseits gemäß der Darstellung in Fig. 2b ein Magnetpol des Permanentmagneten 2 zwischen den Schenkeln 5a und 5b liegt, kann das amorphe magnetische Material des magnetischen Teils 5 nicht leicht magnetisch gesättigt werden, so daß die Impedanz der Wicklung 6a bzw. 6b hoch ist. Wenn die Wicklung hohe Impedanz hat, ist der Spannungsabfall an der Wicklung groß, wodurch die an die Glättungsschaltung 10 angelegte Spannung hoch ist; wenn andererseits die Wicklung niedrige Impedanz hat, ist der Spannungsabfall der Wicklung klein, wodurch die an die Glättungsschaltung 10 angelegte Spannung gering
ist. Die Spannungen an jeweiligen Punkten der in Fig. If gezeigten elektrischen Verarbeitungsschaltung ändern sich durch das Umlaufen des Läufers 1 entsprechend der Darstellung in den Fig. 3a bis 3c. Die Fig. 3a zeigt die Spannungskurvenformen bei dem in Fig. 2a gezeigten Zustand. Die Fig. 3b zeigt die Spannungskurvenformen bei dem in
Fig.2b gezeigten Zustand. Die Fig. 3c zeigt die Spannungskurvenformen bei dem in Fig. 2c gezeigten Zustand. Demzufolge hat ein Ausgangssignal OUT der elektrischen Verarbeitungsschaltung entsprechend dem Umlauf des Läufers 1 Schwankungen in Form einer Sinuskurve gemäß der Darstellung in Fig. 4, wobei die Frequenz der Schwankungen zur

"30 Drehung des Läufers 1 direkt proportional ist, während die Amplitude Vw der Schwankungen bei hoher Drehzahl wie bei niedriger Drehzahl des Drehzahlmeßbereichs konstant ist. Das■Ausgangssignal OUT wird durch Binärcodierung bzw. Digitalisierung bei einem in Fig. 4 durch eine strichpunktierte Linie dargestellten Pegel in Impulse Pout umge-

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setzt, deren Frequenz der Drehzahl des Läufers 1 entspricht und zu dieser direkt proportional ist.

Ein zweites Ausführungsbeispiel des Drehsignaigebers ist in den Fig. 5a bis 5e und 6a bis 6c gezeigt. Bei diesem zweiten Ausfuhrungsbeispiel ist das Biegen des magnetischen Materials aus seinem Normal- bzw. Ursprungszustand nicht erforderlich, durch das die Permeabilität des magnetischen Materials herabgesetzt wird. Daher kann bei dem

IQ zweiten Ausfuhrungsbeispiel die magnetische Sättigung des magnetischen Materials selbst in einem schwachen Magnetfeld erreicht werden, so daß an dem Permanentmagneten des Läufers die Anzahl der Magnetpole gesteigert werden kann. Demzufolge kann die Anzahl von Signalen je Umdrehung des Läufers gesteigert werden, wodurch der Drehsignalgeber eine hohe Auflösung ermöglicht. Der Drehsignalgeber gemäß dem zweiten Ausfuhrungsbeispiel ist insbesondere für den Einsatz bei einem Fahrzeug-Geschwindigkeitsmesser mit digitaler Anzeige geeignet, bei dem je Umdrehung des Läufers mindestens 40 Impulse notwendig sind, weil die Anzeige des Geschwindigkeitsmessers in Kilometern (bzw. jeweils bei 1 km/h) zu erfolgen hat.

Gemäß den Fig. 5a bis 5d sind an die beiden Stirnseiten eines Läufers 1 aus magnetischem Material jeweils ein

kreisförmiger Permanentmagnet 2.. bzw. 2„ befestigt. Die Permanentmagneten 2. und 2_p sind jeweils an ihrem Außenumfang zu 40 Magnetpolen magnetisiert, wobei 20 Nordpole und 20 Südpole in Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet sind. Die Permanentmagneten 2. und 2_? sind in der Axialrichtung des Läufers 1 so ausgerichtet, daß einem Nordpol des einen Magneten ein Südpol des anderen Magneten gegenübersteht. Die Permanetmagneten 2.. und 2_? sind jeweils ein Ferritmagnet. Der Läufer 1 ist drehbar an einem Lager 4 angebracht, das in ein Teilgehäuse 3. eingepreßt ist. Eine

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Welle 11 für die Übertragung einer an einem Außenende derselben ausgeübten Drehkraft zu dem" Läufer 1 hat an einem Ende 11a rechteckigen Querschnitt, so daß das Ende in eine Öffnung la des Läufers 1 einzupassen ist, und an dem anderen Ende 11b irgendeine beliebige Form für den Anschluß an die Ausgangswelle eines Getriebes, so daß der Drehsignalgeber gemäß dem Ausführungsbeispiel als Fahrzeuggeschwindigkeits-Meßgeber eingesetzt werden kann. Nahe der Umfangsflache des Läufers 1 ist ein magnetisches Teil 5 aus einem amorphen magnetischen Material in der Form eines geraden dünnen Metallteils so angebracht, daß die beiden Enden des magnetischen Teils in der Axialrichtung den Permanentmagneten 2₁ und 2p radial gegenüberstehen. Auf einen Spulenkörper 12 sind elektrische Wicklungen 6a und 6b mit jeweils 200 Windungen gewickelt. Der Spulenkörper 12 ist an einem Teilgehäuse 3_? befestigt. Gemäß der Darstellung in den Fig. 5a und 5d steht ein Ende 5a des magnetischen Teils einem Nordpol des Permanentmagneten 2_? gegenüber, während das andere Ende 5b einem Südpol des Permanetmagneten 2₁ gegenübergestellt ist; wenn aber durch die Drehung des Läufers 1 das eine Ende 5a des magnetischen Teils 5 einem Südpol des Permanentmagneten 2_ gegenübergesetzt wird, steht das andere Ende 5b einem Nordpol des Permanentmagneten 2- gegenüber. Die elektrischen Wicklungen 6a und 6b sind über Zuleitungsdrähte 7 mit einem Anschlußstecker 8 verbunden. Die Anordnung der in Fig. 5e gezeigten elektrischen Verarbeitüngsschaltung für dieses zweite Ausführungsbeispiel ist gleichartig der in Fig. If gezeigten elektrischen Verarbeitungsschaltung. Wenn gemäß der

Darstellung in den Fig. 6a und 6c den beiden Enden 5a und 5b des magnetischen Teils 5 jeweils ein Pol des Permanentmagneten 2p bzw. 2- direkt gegenübersteht, kann durch die Stromspeisung der Wicklungen 6a und 6b das magnetische Teil 5 leicht magnetisch gesättigt werden, wodurch die Impedanz der jeweiligen Wicklung 6a bzw. 6b niedrig wird.

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■*■ Wenn andererseits gemäß der Darstellung in Fig. 6b die beiden Enden 5a und 5b des magnetischen Teils 5 jeweils in der Mitte zwischen benachbarten Polen des Permanentmagneten 2p bzw. 2₁ stehen, kann das magnetische Teil 5 nur

schwer magnetisch gesättigt werden, wodurch die jeweilige Impedanz der Wicklung 6a und 6b hoch wird. Demzufolge ändern sich die Spannungen an jeweiligen Schaltungspunkten a, b, c und d sowie die Ausgangsspannung OUT der in Fig. 5e gezeigten elektrischen Verarbeitungsschaltung auf
gleichartige Weise wie die in den Fig. 3a bis 3c gezeigten Spannungen. D.h., unter den in den Fig. 5a, 5b bzw. 5c gezeigten Bedingungen sind die jeweiligen Spannungskurven den in den Fig. 3a, 3b bzw. 3c gezeigten gleichartig. Infolgedessen werden bei diesem Ausführungsbeispiel ein Ausgangssignal OUT der elektrischen Verarbeitungsschaltung sowie Impulse Pout erzielt, die gleichartig dem Ausgangssignal OUT und den Impulsen Pout sind, die in Fig. 4 gezeigt sind. In der praktischen Ausführung erzeugt der

Drehsignalgeber gemäß diesem zweiten Ausführungsbeispiel

40 Impulse je Umdrehung.des Läufers.

Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist das magnetische* Teil als magnetisches Material in Form einer geraden Linie beschrieben, jedoch kann ein magnetisches Material, das im normalen Zustand bzw. Ursprungszustand gebogen ist, für den Drehsignalgeber verwendet werden, falls an dem magnetischen Material keine Belastung wirkt. Als magnetisches Material kann nicht nur amorphes magnetisches Material verwendet werden, sondern auch anderes magnetisches 30

Material wie beispielsweise Permalloy.

Es wird ein Drehsignalgeber angegeben, bei dem durch das Umläufen eines mit einem Läufer verbundenen Permanentmagneten in einem magnetischen Teil aus magnetischem, vorzugsweise amorphem Material ein Magnetfeld erzeugt wird,

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1 durch das das Erreichen der magnetischen Sättigung des magnetischen Teils verändert wird, wodurch sich eine zur Erzeugung des Drehsignals verarbeitete Änderung der Impedanz einer an dem magnetischen Teil angebrachten elektri-

5 sehen Wicklung ergibt.

Claims

Patentansprüche

( 1.) Drehsignalgeber zur Erzeugung eines Drehsignals, gekennzeichnet durch einen Läufer (1) mit mindestens einem Permanentmagneten (2; 1. , 2_), der in Umfangsrichtung abwechselnd angeordnete Nordpole und Südpole hat, ein magnetisches Teil (5) aus magnetischem Material, das an einem Teilbereich beim Umlauf des Läufers jeweils
einem der Nordpole und einem der Südpole gegenübersteht, eine elektrische Wicklung (6a, 6b), die auf das magnetische Teil gewickelt ist, und eine elektrische Verarbeitungsschaltung (9,10,R2) zum Beaufschlagen der elektrischen Wicklung mit einer Impulsspannung und zum Umsetzen der Impedanz der elektrischen Wicklung in eine Spannung.
2. Drehsignalgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Teil (5) den Polen jeweils an seinen beiden Enden gegenübersteht.
3. Drehsignalgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Wicklung (6a, 6b)
zweiteilig ist.

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4. Drehsignalgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verarbeitungsschaltung (9,
10,R2) eine Schalteinrichtung (9), die die beiden Wicklungsteile der elektrischen Wicklung (6a, 6b) abwechselnd speist, und eine Glättungsschaltung (10) hat, die zu den Wicklungsteilen parallel geschaltet ist.
5. Drehsignalgeber nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Teil

(5) aus einem amorphen magnetischen Material besteht.
6. Drehsignalgeber nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Permanetmagnet (2a,2b) zwei Reihen von Magnetpolen hat, in denen die Nordpole und die Südpole in Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet sind, und daß das magnetische Teil (5) bei dem Umlauf des Läufers (1) einem Nordpol in der einen Magnetpol-Reihe und einem Südpol in der anderen Magnetpol-Reihe gegenübergesetzt wird.
7. Drehsignalgeber nach Anspruch 6, .dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Teil (5) geradlinig geformt ist.

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