JP2005181184A - Pressure-measuring sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関の燃焼室等に用いられる圧力計測用センサに関する。 The present invention relates to a pressure measurement sensor used in a combustion chamber of an internal combustion engine.
内燃機関の燃焼室内における燃焼圧等を計測するための圧力計測用センサとして、機械的負荷を圧電素子によりアナログ信号に変換する圧電素子を備え、変換されたアナログ信号を計測することによって連続する圧力変化を測定するものが知られている。
このような圧力計測用センサの圧電素子部分を直接内燃機関内部に挿入して圧力を測定して異常時と正常時との燃焼波形を比較(以下、ノック検知と称する。)することによって、排気ガス還流(以下、EGRと称する。)、最大トルクのための最小進入角度(以下、MBTと称する。)の制御が可能となり、燃料と空気の最適混合比を実現できる。そして、リーンバーン制御が可能となって内燃機関の大幅な燃費向上を行うことができる。
As a pressure measurement sensor for measuring the combustion pressure in a combustion chamber of an internal combustion engine, a piezoelectric element that converts a mechanical load into an analog signal using a piezoelectric element is provided, and a continuous pressure is obtained by measuring the converted analog signal. Those that measure change are known.
By inserting the piezoelectric element portion of such a pressure measuring sensor directly into the internal combustion engine and measuring the pressure and comparing the combustion waveform between the abnormal time and the normal time (hereinafter referred to as knock detection), exhaust is performed. It is possible to control the gas recirculation (hereinafter referred to as EGR) and the minimum approach angle for maximum torque (hereinafter referred to as MBT), thereby realizing the optimum fuel / air mixing ratio. And lean burn control becomes possible and the fuel consumption of an internal combustion engine can be improved significantly.
従来、このような圧力計測用センサとしては、金属膜からなるダイヤフラムと、このダイヤフラム上に載置されて上部に端子を有する電極が形成された圧電素子基板と、この圧電素子基板上に載置されて端子の少なくとも一部を露出させると共に電極を覆う絶縁性部材とを備えたものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
この圧力計測用センサは、ダイヤフラムに加えられた圧力を機械的負荷として圧電素子に加え、この圧電素子がダイヤフラムによって圧縮されると圧電変換により電荷が発生する。そして、この電荷を電極で検出することにより圧力計測用センサに加えられた圧力の測定を行うものである。
This pressure measuring sensor applies a pressure applied to the diaphragm as a mechanical load to the piezoelectric element, and when the piezoelectric element is compressed by the diaphragm, an electric charge is generated by piezoelectric conversion. And the pressure applied to the sensor for pressure measurement is measured by detecting this electric charge with an electrode.
しかしながら、上記従来の圧力計測用センサには、以下の課題が残されている。すなわち、従来の圧力計測用センサでは、ダイヤフラムが受圧部とされており、ダイヤフラムに加えられた圧力が機械的負荷となって圧電素子に伝達されて電荷を発生させる。このため、圧力計測雰囲気の圧力変化に対する圧電素子の応答速度が遅いという問題がある。 However, the following problems remain in the conventional pressure measurement sensor. That is, in the conventional pressure measurement sensor, the diaphragm is a pressure receiving portion, and the pressure applied to the diaphragm becomes a mechanical load and is transmitted to the piezoelectric element to generate an electric charge. For this reason, there exists a problem that the response speed of the piezoelectric element with respect to the pressure change of pressure measurement atmosphere is slow.
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、圧力計測雰囲気の圧力変化に対する応答速度が速い圧力計測用センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a pressure measurement sensor that has a quick response speed to a pressure change in a pressure measurement atmosphere.
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の圧力計測用センサは、平坦な一面の少なくとも一部が受圧部とされた圧電素子と、該圧電素子を中に挟んで該圧電素子に接するように配置された一対の電極と、前記受圧部を計測雰囲気中に露出させた状態で、前記圧電素子及び前記一対の電極を覆う保護部材とを備えることを特徴とする。 The present invention employs the following configuration in order to solve the above problems. That is, the pressure measurement sensor of the present invention includes a piezoelectric element having at least a part of a flat surface as a pressure receiving portion, and a pair of electrodes disposed so as to be in contact with the piezoelectric element with the piezoelectric element interposed therebetween. And a protective member that covers the piezoelectric element and the pair of electrodes in a state where the pressure receiving part is exposed to a measurement atmosphere.
この発明にかかる圧力計測用センサでは、圧電素子の一面の少なくとも一部が計測雰囲気中に露出する受圧部とすることによって、受圧部に加えられた圧力は直接機械的負荷となって圧電素子に加えられて圧電変換により電荷が発生され、この電荷が一対の電極で検出される。よって、計測雰囲気の圧力変化に対する感度を向上させることができると共に、圧力変化に対する応答速度を向上させることができる。 In the pressure measurement sensor according to the present invention, the pressure applied to the pressure receiving portion becomes a direct mechanical load on the piezoelectric element by forming at least a part of one surface of the piezoelectric element as a pressure receiving portion exposed in the measurement atmosphere. In addition, electric charges are generated by piezoelectric conversion, and the electric charges are detected by the pair of electrodes. Therefore, the sensitivity to the pressure change of the measurement atmosphere can be improved, and the response speed to the pressure change can be improved.
また、本発明にかかる圧力計測用センサは、前記電極の面積が、前記受圧部の面積よりも大きいことが好ましい。
この発明にかかる圧力計測用センサでは、圧電変換により圧電素子で発生する電荷の電束密度は、受圧部に加えられた圧力に比例するので、効率よく発生した電荷を検出することができ、計測雰囲気の圧力変化に対する感度がより向上する。
In the pressure measurement sensor according to the present invention, it is preferable that the area of the electrode is larger than the area of the pressure receiving portion.
In the pressure measurement sensor according to the present invention, since the electric flux density of the electric charge generated in the piezoelectric element by the piezoelectric conversion is proportional to the pressure applied to the pressure receiving portion, the generated electric charge can be detected efficiently and measured. Sensitivity to atmospheric pressure changes is further improved.
また、本発明にかかる圧力計測用センサは、前記圧電素子が、ランガサイト単結晶あるいはランガテイト単結晶で構成されていることが好ましい。
この発明にかかる圧力計測用センサでは、1470℃までキュリー温度がなく、内燃機関内部の高温状態においても安定して同一の結晶構造を保持できるランガサイト(La3Ga5SiO14)単結晶あるいはランガテイト単結晶(La3Ta0.5Ga5.5O14)を圧電素子として用いることで、圧電素子の物質的劣化のない状態で内燃機関に入れて直接圧力計測が可能となる。
また、ランガテイトを用いた場合、α―quartzと同程度の温度安定性を維持するので、内燃機関内部などの高温下に直接挿入しても内部の圧力を正確に測定することができる。
In the pressure measurement sensor according to the present invention, it is preferable that the piezoelectric element is made of a langasite single crystal or a langate single crystal.
In the pressure measurement sensor according to the present invention, a langasite (La 3 Ga 5 SiO 14 ) single crystal or langate that does not have a Curie temperature up to 1470 ° C. and can stably maintain the same crystal structure even at a high temperature inside the internal combustion engine. By using a single crystal (La 3 Ta 0.5 Ga 5.5 O 14 ) as a piezoelectric element, it is possible to directly measure pressure by putting it in an internal combustion engine without any material deterioration of the piezoelectric element.
In addition, when Langatate is used, temperature stability similar to that of α-quartz is maintained, so that the internal pressure can be accurately measured even if it is directly inserted at a high temperature such as the internal combustion engine.
また、本発明にかかる圧力計測用センサは、前記一面が結晶光学上の座標軸Yにしたがった面であることが好ましい。
この発明にかかる圧力計測用センサでは、ランガサイト単結晶の結晶光学上の座標軸Yにしたがった面に加えられた圧力は、圧電変換により結晶光学上の座標軸Xにしたがった面に電荷を発生させる。すなわち、受圧部と一対の電極とを垂直に配置することでより効率のよい圧力計測が可能となる。
In the pressure measurement sensor according to the present invention, the one surface is preferably a surface according to the coordinate axis Y on the crystal optics.
In the pressure measuring sensor according to the present invention, the pressure applied to the surface according to the coordinate axis Y on the crystal optics of the langasite single crystal generates electric charges on the surface according to the coordinate axis X on the crystal optics by piezoelectric conversion. . That is, more efficient pressure measurement is possible by arranging the pressure receiving portion and the pair of electrodes vertically.
本発明の圧力計測用センサによれば、圧電素子の一面の少なくとも一部が計測雰囲気に接する受圧部とされることで、計測雰囲気の圧力変化を直接圧電素子に加えることができる。したがって、圧電素子に圧力を伝達する圧力伝達媒体を必要としないので、計測雰囲気の圧力変化に対する感度を向上させると共に、圧力変化に対する応答速度を向上させることができる。また、圧力伝達媒体を用いないことで、圧力計測用センサの小型化、製造コストの抑制ができる。 According to the pressure measurement sensor of the present invention, a pressure change in the measurement atmosphere can be directly applied to the piezoelectric element by setting at least a part of one surface of the piezoelectric element as a pressure receiving portion in contact with the measurement atmosphere. Therefore, since a pressure transmission medium for transmitting pressure to the piezoelectric element is not required, it is possible to improve the sensitivity to the pressure change in the measurement atmosphere and improve the response speed to the pressure change. Further, by not using the pressure transmission medium, the pressure measurement sensor can be reduced in size and the manufacturing cost can be reduced.
以下、本発明にかかる圧力計測用センサの第1の実施形態を、図1を参照しながら説明する。
本実施形態による燃焼圧センサ(圧力計測用センサ)1は、例えば車両用エンジンなどの内燃機関内の燃焼圧を計測するもので、直方体形状を有して下面(一面)2Aの一部が計測雰囲気と接する受圧部3とされた圧電素子2と、互いに対向する側面2Bに配された一対の電極4と、受圧部3を計測雰囲気中に露出させると共に圧電素子2及び一対の電極4を覆う保護部材5と、一対の電極4とそれぞれ電気的に接続されたリード線6とを備えている。
Hereinafter, a first embodiment of a pressure measuring sensor according to the present invention will be described with reference to FIG.
A combustion pressure sensor (pressure measurement sensor) 1 according to the present embodiment measures a combustion pressure in an internal combustion engine such as a vehicle engine, and has a rectangular parallelepiped shape and a part of the lower surface (one surface) 2A is measured. The
圧電素子2は、結晶光学上の座標軸X、座標軸Y及び座標軸Z軸方位にて切断して直方体形状に形成したランガサイト単結晶から形成されており、受圧部3を含む下面2AがY面とされ、銀によって形成された薄膜電極である一対の電極4が配置される側面2BがX面とされている。
The
保護部材5は、内部に圧電素子2及び一対の電極4を設置する箱状の部材であって、例えばアルミナなどの絶縁性部材によって形成された絶縁性セラミックス11と、例えばステンレスなどの導電部材によって形成されて絶縁性セラミックス11を覆う金属筐体12とを備えている。
The
絶縁性セラミックス11は、中空でほぼ直方体形状を有しており、内部に圧電素子2及び一対の電極4が配置される箱部13と、蓋部14とで構成されている。
箱部13は、圧電素子2のX面と対向する一対の内側面13Aに一対の電極4が形成されており、蓋部14を取り付けたときに一対の電極4の上端が絶縁性セラミックス11から露出するような構成とされている。
また、箱部13の底面13Bには圧電素子2の受圧部3が計測雰囲気中に露出するように矩形状の開口13Cが形成されている。
The insulating ceramic 11 is hollow and has a substantially rectangular parallelepiped shape, and includes a box portion 13 in which the
The box portion 13 has a pair of
Further, a rectangular opening 13C is formed on the
金属筐体12は、絶縁性セラミックス11と同様に、中空でほぼ直方体形状を有しており、内部に絶縁性セラミックス11が配置される箱部15と、蓋部16とで構成されている。
箱部15の底面15Aには絶縁性セラミックス11と同様に、圧電素子2の受圧部3が測定雰囲気と接触するように矩形上の開口15Bが形成されている。
また、箱部15の内側面と絶縁性セラミックス11との間には空隙17が形成されており、圧電素子2の側面側からの圧力を空隙17によって緩和させることで圧電素子2が受圧しないような構成とされている。
蓋部16は、絶縁性セラミックス11の一対の内側面13Aと接触する部分のほぼ中央に一対の電極4とそれぞれ電気的に接続された一対のリード線6を外部に露出させるために、一対のリード線用開口16Aが形成されている。
なお、金属筐体12と絶縁性セラミックス11とは、計測雰囲気が内部に侵入しないようにガラスによって封着されている。
Similar to the insulating ceramic 11, the
Similar to the insulating ceramic 11, a
In addition, a
The
The
リード線6は、一対の電極4の上端と電気的に接続されており、金属筐体12の蓋部16と電気的に接触しないように絶縁管18内に配置されており、圧電素子2に発生した電荷が一対の電極4及びリード線6以外に漏電しないように設置されている。
また、図2に示すように、一対のリード線6は、一方がチャージアンプ20に接続され、他方がグラウンドGに接続されている。このチャージアンプ20は、圧電素子2によって発生した電荷から取り扱いの容易なアナログ電圧信号として出力するような構成となっている。
The
As shown in FIG. 2, one of the pair of
以上のように構成された本発明の燃焼圧センサ1について以下にその製造方法を説明する。
まず、ランガサイトをX面の大きさが、例えば3.5mm×3.5mm、側面がY面及びZ面となるように加工して圧電素子2を形成する。
次に、絶縁性セラミックス11の箱部13の一対の内側面13Aに銀ペーストを塗布し、150℃で1時間乾燥させることにより一対の電極4を形成する。そして、圧電素子2のX面が一対の電極4と接触するように箱部13の中に載置すると共に、圧電素子2の上に蓋部14を載置した後、絶縁性セラミックス11の圧電素子2のX面と平行となっている側面を1kgの加重でプレスする。
A method for manufacturing the
First, the langasite is processed so that the size of the X plane is, for example, 3.5 mm × 3.5 mm and the side surfaces are the Y plane and the Z plane, thereby forming the
Next, a pair of
次に、絶縁性セラミックス11及び圧電素子2を多孔質ジルコニア基板上に置き、電気炉を用いて、300℃で48時間、脱バインダ処理を行い、さらに、850℃で2時間焼成する。そして、絶縁性セラミックス11から露出した一対の電極4の上端にリード線6及び絶縁管18を取り付ける。
最後に、このようにして組み上げたものを金属筐体12の箱部15の中に絶縁セラミックス11の側面と箱部15の内側面とが接触しないように載置し、さらに蓋部16を載置することにより絶縁性セラミックス11を収納する。
このとき、絶縁性セラミックス11及び金属筐体12は、ガラスにより封着されており、計測雰囲気が内部に侵入しないようにしている。
Next, the insulating ceramic 11 and the
Finally, the assembly thus assembled is placed in the
At this time, the insulating
次に、本実施形態にかかる燃焼圧センサ1の使用方法について説明する。
まず、燃焼圧センサ1を、図3に示すように、ガソリンエンジン30の例えば、点火プラグ31及び吸気ポート32の近傍位置から受圧部3を露出させるように燃焼室33内に挿入する。そして、クラウン軸34を回転して、コンロッド35に接続されるピストン36を上下させる。このとき、燃焼室33内に挿入されたガソリン燃料が燃焼して、図2に示す圧力Fが発生し、この圧力Fが、燃焼圧センサ1の受圧部3を変位させる。このとき、受圧部3が圧電素子2の結晶光学上のY面であるため、圧電変換による発生電荷は圧電素子の結晶光学上のX面である側面2Bに発生する。
Next, a method for using the
First, as shown in FIG. 3, the
ここで、受圧部3の変位が圧電素子2を圧縮する方向の場合、圧電素子2の一方の側面には負の電荷が発生すると共に、他方の側面には正の電荷が発生する。一方、受圧部3の変位が圧電素子2を引っ張る方向の場合、圧電素子2の一方の側面には正の電荷が発生すると共に、他方の側面には負の電荷が発生する。こうして発生した電荷はいずれの場合も電極4及びリード線6を介してチャージアンプ20に入力され、電気信号に変換される。
また、空隙17が設けられていることで、圧電素子2の側方からの圧力を圧電素子2が圧電変換しないようにすることができる。これにより、受圧部3からのみの圧力を計測することができる
Here, when the displacement of the
In addition, by providing the
出力されたアナログ信号は、車両に設けられた図示しない外部回路によって圧力値に変換されると共に表示される。
こうして、計測された燃焼圧からエンジントルク変動を直接検知することによって、EGR、MBTなどの制御が可能となり、燃料と空気の最適混合比を実現できる。そして、リーンバーン制御が可能となって内燃機関の大幅な燃費向上を行うことができる。
The output analog signal is converted into a pressure value and displayed by an external circuit (not shown) provided in the vehicle.
Thus, by directly detecting the engine torque fluctuation from the measured combustion pressure, it is possible to control EGR, MBT, etc., and to realize the optimum mixture ratio of fuel and air. And lean burn control becomes possible and the fuel consumption of an internal combustion engine can be improved significantly.
このように構成された燃焼圧センサ1は、受圧部3が計測雰囲気中に露出しているので、受圧部3に加えられた圧力が直接機械的負荷となって圧電素子に加えられて電荷を発生させる。これにより圧力の伝達損失が小さくなるので、感度を向上させることができ、計測雰囲気の圧力変化に対する応答速度を向上させることができる。
また、一対の電極4が計測雰囲気から離間することで、一対の電極4が繰り返し加えられた圧力や高温にさらされることによる腐食などで劣化し、計測精度が悪化することを抑制できる。
In the
In addition, since the pair of
また、1470℃までキュリー温度がなく、内燃機関内部の高温状態においても安定して同一の結晶構造を保持できるランガサイト単結晶を圧電素子2に用いることによって、物質的劣化のない状態で内燃機関に入れて直接圧力測定が可能となる。
また、受圧部3を結晶光学上の座標軸Yにしたがった面であることで、結晶光学上の座標軸Xにしたがった面に電荷が発生するので、受圧部3と一対の電極4とを垂直に配置することができ、より効率のよい圧力計測が可能となる。
また、一対の電極4の面積が、受圧部3の面積よりも大きいことで、効率よく発生した電荷を検出することができ、感度が向上する。なお、一対の電極4と受圧部3の面積との比は、2.0以上であることが望ましい。
Further, by using a langasite single crystal for the
In addition, since the
In addition, since the area of the pair of
次に、本発明にかかる圧力計測用センサの第2の実施形態について図4を参照して説明する。なお、以下の説明において、上記実施形態において説明した構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。
第2の実施形態と第1の実施形態との異なる点は、第1の実施形態における燃焼圧センサ1では、圧電素子2が絶縁セラミックス11内に載置され、さらにこの絶縁セラミックス11が金属筐体12内に載置されたのに対し、第2の実施形態における燃焼圧センサ40では、圧電素子2が保護部材である金属筐体41内に直接載置されている点である。
Next, a second embodiment of the pressure measurement sensor according to the present invention will be described with reference to FIG. In the following description, the same reference numerals are given to the components described in the above embodiment, and the description thereof is omitted.
The difference between the second embodiment and the first embodiment is that in the
すなわち、本実施形態における燃焼圧センサ40は、圧電素子2のX面とされる互いに対向する側面2Bに一対の電極4が形成され、この圧電素子2が金属筐体41の箱部42の底面42Aに載置されている。
一対の電極4は、金属筐体41と電気的に離間するように側面2Bの底面41A側の端辺には形成されていない。また、圧電素子2と金属筐体41の内側面との間に空隙17が設けられており、上述と同様に、圧電素子2の側面側からの圧力を空隙17によって緩和させて圧電素子が受圧しないような構成とされている。また、圧電素子2と底面42A及び蓋部43とは、上述と同様に、計測雰囲気が内部に侵入しないようにガラスによって封着されている。
That is, in the
The pair of
このように構成された燃焼圧センサ40は、第1の実施形態における燃焼圧センサ1と同様の作用・効果を有するが、圧電素子2が直接金属筐体41によって覆われることで、部品点数が削減できると共に、小型化が可能となる。
The
次に、本発明にかかる圧力計測用センサの第3の実施形態について図5を参照して説明する。なお、以下の説明において、上記実施形態において説明した構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。
第3の実施形態と第1の実施形態との異なる点は、第1の実施形態における燃焼圧センサ1では、圧電素子2の下面2Aの一部が受圧部3とされたのに対し、第3の実施形態における燃焼圧センサ50では、圧電素子2の下面の全体が受圧部3とされている点である。
Next, a third embodiment of the pressure measurement sensor according to the present invention will be described with reference to FIG. In the following description, the same reference numerals are given to the components described in the above embodiment, and the description thereof is omitted.
The difference between the third embodiment and the first embodiment is that, in the
すなわち、本実施形態における燃焼圧センサ50は、圧電素子2の側面2Bに一対の電極4が配され、保護部材51により受圧部3が露出すると共に圧電素子2及び一対の電極4が覆われている。
保護部材51は、絶縁性セラミックス52と金属筐体12とによって構成されている。絶縁性セラミックス52は、矩形上の筒部53と蓋部54とによって構成されており、筒部53が圧電素子2のX面と対向する一対の内側面53Aに一対の電極4が形成されており、蓋部54を取り付けたときに一対の電極4の上端が絶縁性セラミックス52から露出するような構成とされている。
なお、一対の電極4は、受圧部3と接触しないように内側面53Aの下端側には形成されておらず、計測雰囲気に露出しないようにガラス55により保護されている。
That is, in the
The
The pair of
このように構成された燃焼圧センサ50は、第1の実施形態における燃焼圧センサ1と同様の作用・効果を有するが、圧電素子2の下面全体が受圧部3とされているので、計測雰囲気の圧力変化に対する精度が向上する。
The
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、本発明の圧力計測用センサを上述したように燃焼圧センサとして利用する場合に限らず、高温度環境下における圧力計測用として使用するものとしてもかまわない。
また、ランガサイトを圧電素子2として用いたが、ランガテイトを用いてもよい。ランガテイトは、α―quartzと同程度の温度安定性を維持するので、内燃機関内部などの高温化に直接挿入しても内部の圧力を正確に測定することができる。
また、一対の電極に用いる導電性物質は、銀、白金、金等の導電性物質、もしくはこれらの混合物で構成されてもよい。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various change can be added in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
For example, the pressure measurement sensor of the present invention is not limited to being used as a combustion pressure sensor as described above, and may be used for pressure measurement in a high temperature environment.
Moreover, although langasite was used as the
The conductive substance used for the pair of electrodes may be formed of a conductive substance such as silver, platinum, or gold, or a mixture thereof.
1、40、50 燃焼圧センサ(圧力計測用センサ)
2 圧電素子
2A 下面(一面)
3 受圧部
4 電極
5、51 保護部材
1, 40, 50 Combustion pressure sensor (pressure measurement sensor)
2
3
Claims (4)
該圧電素子を中に挟んで該圧電素子に接するように配置された一対の電極と、
前記受圧部を計測雰囲気中に露出させた状態で、前記圧電素子及び前記一対の電極を覆う保護部材とを備えることを特徴とする圧力計測用センサ。 A piezoelectric element in which at least a part of one flat surface is a pressure receiving portion;
A pair of electrodes disposed so as to be in contact with the piezoelectric element with the piezoelectric element interposed therebetween;
A pressure measurement sensor comprising: a protective member that covers the piezoelectric element and the pair of electrodes in a state where the pressure receiving portion is exposed to a measurement atmosphere.
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---|---|---|---|---|
WO2009019834A1 (en) * | 2007-08-09 | 2009-02-12 | Meiji University | Pressure sensor and method for manufacturing the same |
CN104280162A (en) * | 2013-07-12 | 2015-01-14 | 纳米新能源(唐山)有限责任公司 | Pressure sensor based on friction power generation |
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2003
- 2003-12-22 JP JP2003424620A patent/JP2005181184A/en active Pending
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