JP2006126130A - 磁歪式トルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】フレキシブル基板に多ターン数に検出コイルを形成しても断線することなく、かつ検出コイルの厚みが薄く磁歪回転軸１と接触することがない磁歪式トルクセンサを提供する。
【解決手段】磁歪回転軸１と、この回転軸の外周とｒの間隔を有しながら同心状に緊密に対向配置される半円筒状で高透磁率及び低導電率を有する磁心３，３と、半円筒状磁心３，３の内面に装着されるフレキシブル基板コイル９とを備え、フレキシブル基板コイル９は、フレキシブル基板の一方の面に、コイルが順時計回りに形成された部分と反時計回りに形成された部分とを交互に有し、順時計回りに形成された部分と反時計回りに形成された部分との接続をフレキシブル基板の他方の面を介して行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁歪特性を有する回転軸に加わるトルクを、透磁率変化による検出コイルのインダクタンス変化から非接触的に検出する非接触磁歪式トルクセンサに関し、特に、検出コイルを多ターン数に形成してもコイルが断線するおそれがなく、かつ検出コイルの厚みを薄くでき検出コイルと磁歪回転軸が接触するおそれの少ない磁歪式トルクセンサに関するものである。

自動車のパワーステアリング機構、エンジン制御機構、動力伝達機構などでは回転軸であるハンドル軸、その他の受動軸などに加わるトルクを検出する必要性が高い。

一般に、磁歪特性を有する材料は、力を加えると比透磁率が変化し、圧縮力方向では比透磁率が減少し、張力方向では比透磁率が増加する。この原理を利用した磁歪式トルク検出装置が、例えば特許文献１及び２に記載されている。

図４（ａ）に特許文献１に記載されている磁歪式トルク検出装置の略図を示す。図４（ａ）の磁歪式トルク検出装置は、受動軸である回転軸１１の外周に、回転軸１１に対して±４５°に複数の磁歪膜１３、１３を固着し、その外周に±４５°磁歪膜１３、１３に対応してリング形検出コイル１２、１２を配設したものである。回転軸１１に外部からトルクが印加されると、磁歪膜１３、１３の一方には張力が、他方には圧縮力が発生して歪が生じ、磁歪膜１３、１３の透磁率が変化する。この磁歪膜１３、１３の透磁率変化によるリング形検出コイル１２、１２のインダクタンス変化を検出して出力する。

図４（ｂ）に特許文献２に記載されている磁歪式トルク検出装置の略図を示す。図４（ｂ）の磁歪式トルク検出装置は、磁歪回転軸１１に対して±４５°傾いた２条の検出コイル１２、１２を重ね合わせてリング形磁心１４の内面に固着して、それを磁歪回転軸１１の周囲に配置して、磁歪回転軸１１の透磁率変化を検出して出力するものである。
特開平１−９４２３０号公報 特開平６−１９４２３９号公報（図４〜６及び実施例４）

しかし、図４（ａ）の磁歪式トルク検出装置によれば、回転軸１１に±４５°の磁歪膜１３、１３を固着するため、回転軸１１を加工する必要があるという問題がある。

また、図４（ｂ）の磁歪式トルク検出装置によれば、回転軸１１を加工する必要がないが、リング形磁心１４の内面に±４５°の傾きを有して重ねて配置された２条の検出コイル１２、１２のインダクタンスの差を検出しているため、トルクの方向を検出するためにはインダクタンスの増減方向を検出する必要があり、また、２条の検出コイル１２、１２のインダクタンスが等しくなった状態を零点に設定しようとすると、零点の設定が容易にできないという問題がある。また、回転軸１１はリング形磁心１４を貫通する構造であるため、検出コイル１２の装着容易性に欠けるという問題がある。

上記問題を解決するものとして、特願２００３−４０７２６２号に示す磁歪式トルクセンサがある。

図５に、この磁歪式トルクセンサの概略を示す。この磁歪式トルクセンサは、磁歪特性を有する、例えば、Ｎｉ、Ｆｅ−Ａｌ合金、Ｆｅ−Ｃｏ合金などの磁歪回転軸１と、磁歪回転軸１の軸Ｏに対して＋４５°傾いたコイル２と−４５°傾いたコイル４が内面に重ねて巻かれた２つの半円筒状で高透磁率及び低導電率を有する磁心３、３とから構成される。２つの半円筒状磁心３、３は、磁歪回転軸１の軸Ｏに垂直な面において磁歪回転軸１と同心状に距離ｒだけ離間して緊密に対向配置する。

図６は、図５の磁歪式トルクセンサの分解斜視図である。この図では、±４５°コイル２、４の図示は省略する。図６に示すように、半円筒状磁心３の内面には、＋４５°コイル２と−４５°コイル４の配線を配置するため、磁歪回転軸１に対して±４５°傾いた複数の溝５が設けられている。

図７に、このような複数の溝５にコイル用エナメル線８を配置するためのコイル巻き方法の一例を示す。＋４５°コイル２は半円筒状磁心３の頂点ＡからＣまで、ジグザグ状に＋４５°配線し、引き続き、頂点ＣからＡまで、ジグザグ状に＋４５°配線を形成する。同様に、−４５°コイル４は同じ半円筒状磁心３の内面に、頂点ＢからＤまで、ジグザグ状−４５°に配線し、引き続き、頂点ＤからＢまで、ジグザグ状に−４５°配線を形成する。この２つのコイルを重ねて、１つの半円筒状磁心３の内面に形成する。最後に、この２つの半円筒状磁心３，３を対向緊密に接合し、トルクセンサを構成する。

図８に、コイル巻き方法の別の例を示す。この方法では、細長帯状のフレキシブル基板７を用い、このフレキシブル基板７の表面に、コイルを頂点ＡからＣまで、ジグザグ状に配線し（配線の表面は絶縁処理されている。）、引き続き、頂点ＣからＥまでジグザグ状に配線を形成する。上記の配線の両端Ａ、Ｅには、取り出し用のパッドを形成する。同様に、フレキシブル基板７の裏面に、コイルは頂点Ｂ１（Ｂ点の反対面である）からＤ１（Ｄ点の反対面である）まで、ジグザグ状に配線し（配線の表面は絶縁処理されている）、引き続き、頂点Ｄ１からＦ１（Ｆの反対面である）まで、ジグザグ状に配線を形成する。上記の配線の両端Ｂ１、Ｆ１には、取り出し用のパッドを形成する。次に、このフレキシブル基板７をＣ（Ｃ１）、Ｄ（Ｄ１）位置に沿って折り曲げて、即ちＡとＥ及びＢとＦを重ねて、反対面にＡ１とＥ１及びＢ１とＦ１を重ねて、トルクセンサの１つの検出コイルを形成する。更に、この検出コイルを形成したフレキシブル基板７を半円筒状磁心３の内面に固着して、この２つの半円筒状磁心３，３を第一の方法と同じように、磁歪回転軸１に対向緊密に接合してトルクセンサを構成する。

しかしながら、このようなコイル巻き方法については、それぞれ次のような問題があった。まず、図７に示した方法では、半円筒状磁心３の内面にコイルの配線を配置するため、溝５を設けることが必要であるが、高透磁率及び低導電率を有する磁心（例えば、フェライト材料）は硬いため、内面に±４５°の溝を作ることが非常に困難である。

次に、図８に示す方法では半円筒状磁心３の内面に溝を加工する必要がないので、より安価にトルクセンサを構成することができる。しかし、実際にコイルを適用する際、検出感度の向上を図るため、検出コイルは多ターン数に形成する必要である。フレキシブル基板７の検出コイルを多ターン数に形成すると、フレキシブル基板７をＣ（Ｃ１）、Ｄ（Ｄ１）位置に沿って折り曲げる際、折り曲げる部分で断線する恐れがある。又、検出コイルを多ターン数に形成すると、フレキシブル基板７の面積も大きくなり、コスト高になる。更に、この場合には、検出コイルは厚くなってコイルと高速回転の磁歪回転軸１に接触恐れがあるので、コイルの磨耗、断線の可能性も大きくなる。

従って、本発明の目的は、フレキシブル基板に多ターン数に検出コイルを形成しても断線することなく、かつ検出コイルの厚みが薄く磁歪回転軸１と接触することがない磁歪式トルクセンサを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の磁歪式トルクセンサは、中心軸の周りに回転する磁歪特性を有する回転軸と、前記回転軸の外周と所定の間隔を有しながら同心状に緊密に対向配置される半円筒状で高透磁率及び低導電率を有する磁心と、前記半円筒状磁心の内面に装着されるフレキシブル基板コイルとを備え、前記フレキシブル基板コイルは、フレキシブル基板の一方の面に、前記中心軸に対して＋４５°傾いたコイルが形成されると共に、前記フレキシブル基板の他方の面には前記中心軸に対して−４５°傾いたコイルが形成され、前記フレキシブル基板の一方の面には、コイルが順時計回りに形成された部分と反時計回りに形成された部分とを交互に有し、前記順時計回りに形成された部分と前記反時計回りに形成された部分との接続が前記フレキシブル基板の他方の面を介して行われ、前記フレキシブル基板の他方の面には、コイルが順時計回りに形成された部分と反時計回りに形成された部分とを交互に有し、前記順時計回りに形成された部分と前記反時計回りに形成された部分との接続が前記フレキシブル基板の一方の面を介して行われることを特徴とする。

前記接続される箇所には、コイルの配線部分が形成されていないことが好ましい。

前記フレキシブル基板として、中間層を介しその両側に銅層を形成した基板を用いることができる。

前記中心軸に対して＋４５°傾いたコイルを前記フレキシブル基板の一方の面に多ターン数形成する一方、前記中心軸に対して−４５°傾いたコイルを前記フレキシブル基板の他方の面に多ターン数形成することもできる。

本発明の磁歪式トルクセンサによれば、フレキシブル基板コイルにおいてコイルの形成面と反対側の面でコイル同士を接続しているので、フレキシブル基板を折り曲げて半円筒状磁心に装着する必要がなく、折り曲げる部分における断線の恐れが無い。

また、フレキシブル基板コイルの表と裏両面に多ターン数にコイルを形成しても検出コイルの厚みを薄くできるため、半円筒状磁心に装着して回転軸と接合しても接触する危険性が少なく、コイルの磨耗、断線の可能性も小さくできる。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しつつ説明する。
（全体構成）
図１（ａ）、（ｂ）に、本発明の磁歪式トルクセンサの一実施形態を示す。この磁歪トルクセンサは、磁歪特性を有する、例えば、Ｎｉ、Ｆｅ−Ａｌ合金、Ｆｅ−Ｃｏ合金などの磁歪回転軸１と、磁歪回転軸１の軸Ｏに垂直な面において磁歪回転軸１と同心状に緊密に対向配置される２つの半円筒状磁心３，３と、半円筒状磁心３，３の内面に装着され、磁歪回転軸１の軸Ｏに対して＋４５°傾いたコイル２と−４５°傾いたコイル４が形成されたフレキシブル基板コイル９と、から構成される。磁歪回転軸１は従来と同様であるので説明を省略する。また、半円筒状磁心３も従来と同様、高透磁率及び低導電率を有する材料（好ましくは、透磁率μ＞１００以上、電気導電率１×１０⁴〜１×１０⁵ Ｓ／ｍ）が用いられる。

（フレキシブル基板コイル９）
次に、図２を参照して、２つの半円筒状磁心３，３の内面に装着されるフレキシブル基板コイル９について更に説明する。
図２（ａ）に示すように、フレキシブル基板コイル９は２つの半円筒状磁心３，３の内面に装着されるが、フレキシブル基板コイル９の幅Ｗ、即ち、半円筒状磁心３の幅Ｗは次の式で設定される。
Ｗ＝πＤ／２Ｎ（Ｎ＝１，２，３・・・）
ここで、Ｄは半円筒状磁心３の内径である。

また、フレキシブル基板コイル９のコイル長さＨは
Ｈ＝πＤ／２
フレキシブル基板コイル９の電流コイル幅Ｌは
Ｌ＝Ｗ／２＝πＤ／４Ｎ（Ｎ＝１，２，３・・・）
とされる。

例えば、Ｎ＝１の時、Ｈ＝Ｗ＝πＤ／２、Ｌ＝πＤ／４である。そのフレキシブル基板コイル９の形状は図２（ｂ）のようになる。

一方、Ｎ＝２の時、Ｈ＝πＤ／２、Ｗ＝πＤ／４、Ｌ＝πＤ／８である。そのフレキシブル基板コイル９の形状は図２（ｃ）のようになる。

（フレキシブル基板コイル９ａのコイル配線方法）
次に、図３を参照しつつ、このフレキシブル基板コイル９のコイル配線方法について説明する。
図３（ａ）に、Ｎ＝１、フレキシブル基板のＨ（長さ）＝Ｗ（幅）＝πＤ／２、Ｌ（電流コイル幅）＝πＤ／４である時のコイルの配線方法を示す。

まず、ここで用いられるフレキシブル基板１５は３層構造であり、中間層１７を介して上層と下層にはそれぞれ表面絶縁処理された銅層１６ａ，１６ｂが設けられる。

＋４５°コイルの配線は、以下のように行う。まず、フレキシブル基板１５の表面の銅層１６ａのビアＡからＢまで、順時計回りに第１コイル２１を形成する。次に、銅層１６ａのビアＣからＤまで、反時計回りに第２コイル２２と順時計回り第３コイル２３を形成する。最後に、銅層１６ａのビアＥからＦまで、反時計回りに第４コイル２４を形成する。

第１コイル２１と第２コイル２２の接続ビアＢとＣにおいては、フレキシブル基板１５の表面の銅層１６ａから裏面の銅層１６ｂまで貫通するライン（貫通孔）が形成されており、接続ビアＢとＣの接続は、裏面の銅層１６ｂで行われる。
同様に、第３コイル２３と第４コイル２４の接続ビアＤとＥにおいても、表面の銅層１６ａから裏面の銅層１６ｂまで貫通するライン（貫通孔）が形成されており、接続ビアＤとＥの接続は、裏面の銅層１６ｂで行われる。
更に、配線の両端ビアＡとＦには、取り出し用パッドを形成して、＋４５°コイルとする。

−４５°コイルの配線は、以下のように行う。まず、フレキシブル基板１５の裏面の銅層１６ｂのビアＧからＨまで、反時計回りに第１コイル２６を形成する。次に、銅層１６ｂのビアＩからＪまで、順時計回りに第２コイル２７と反時計回り第３コイル２８を形成する。最後に、銅層１６ｂのビアＫからＬまで、順時計回りに第４コイル２９を形成する。

第１コイル２６と第２コイル２７の接続ビアＨとＩにおいては、フレキシブル基板１５の裏面の銅層１６ｂから表面の銅層１６ａまで貫通するライン（貫通孔）が形成されており、接続ビアＨとＩの接続は、表面の銅層１６ａで行われる。
同様に、第３コイル２８と第４コイル２９の接続ビアＪとＫにおいても、裏面の銅層１６ｂから表面の銅層１６ａまで貫通するライン（貫通孔）が形成され、接続ビアＪとＫの接続ラインは、表面の銅層１６ａで接続される。
更に、配線の両端ビアＧとＬには、取り出し用パッドを形成して、−４５°コイルとする。

銅層１６ａにおける＋４５°コイルの第１コイル２１と第２コイル２２の接続ビアＢとＣの位置は、銅層１６ｂにおける−４５°コイルの第３コイル２８の中心部配線が無い位置に配置し、ＢとＣの接続ラインの傾く方向は任意である。同様に、銅層１６ａにおける＋４５°コイルの第３コイル２３と第４コイル２４の接続ビアＤとＥの位置は、銅層１６ｂにおける−４５°コイルの第２コイル２７の中心部配線が無い位置に配置し、ＤとＥの接続ラインの傾く方向は任意である。

銅層１６ｂにおける−４５°コイルの第１コイル２６と第２コイル２７の接続ビアＨとＩの位置は、銅層１６ａにおける＋４５°コイルの第３電流コイル２３の中心部配線が無い位置に配置し、ＨとＩの接続ラインの傾く方向は任意である。同様に、銅層１６ｂにおける−４５°コイルの第３コイル２８と第４電流コイル２９の接続ビアＪとＫの位置は、銅層１６ａにおける＋４５°コイルの第２コイル２２の中心部配線が無い位置に配置し、ＪとＫの接続ラインの傾く方向は任意である。

（フレキシブル基板コイル９ｂのコイル配線方法）
次に、図３（ｂ）に、Ｎ＝２、フレキシブル基板のＨ（長さ）＝πＤ／２、Ｗ（幅）＝πＤ／４、Ｌ（電流コイル幅）＝πＤ／８である時のコイルの配線方法を示す。
±４５°コイルの配線及び接続方法は図３（ａ）と同様である。

即ち、中間層１９を介してその上層と下層には銅層１８ａ，１８ｂを設けた３層構造のフレキシブル基板２０を用い、表面の銅層１８ａのビアＡからＢまで、順時計回りにコイルを形成し、次に、銅層１８ａのビアＣからＤまで、反時計回り及び順時計回りにコイルを形成し、更に、銅層１８ａのビアＥからＦまで、反時計回り及び順時計回りにコイルを形成し、最後に、銅層１８ａのビアＧからＨまで、反時計回りにコイルを形成する。ここで、接続ビアＢとＣ、ＤとＥ、及びＦとＧにおいては、表面の銅層１８ａから裏面の銅層１８ｂまで貫通するライン（貫通孔）が形成されており、これらの接続ビアの接続は、裏面の銅層１８ｂで行われる。更に、配線の両端ビアＡとＨには、取り出し用パッドを形成して、＋４５°コイルとする。

更に、裏面の銅層１８ｂのビアＩからＪまで、半時計回りにコイルを形成し、次に、銅層１８ｂのビアＫからＬまで、順時計回り及び反時計回りにコイルを形成し、更に、銅層１８ｂのビアＭからＮまで、順時計回り及び反時計回りにコイルを形成し、最後に、銅層１８ｂのビアＯからＰまで、順時計回りにコイルを形成する。ここで、接続ビアＪとＫ、ＬとＭ、及びＮとＯにおいては、裏面の銅層１８ｂから表面の銅層１８ａまで貫通するライン（貫通孔）が形成されており、これらの接続ビアの接続は、表面の銅層１８ａで行われる。更に、配線の両端ビアＩとＰには、取り出し用パッドを形成して、−４５°コイルとする。

銅層１８ａにおける＋４５°コイルの接続ビアＢとＣ、ＤとＥ、ＦとＧの位置は、銅層１８ｂにおける−４５°コイルの中心部配線が無い位置に配置し、ＢとＣ、ＤとＥ、ＦとＧの接続ラインの傾く方向は任意である。同様に、銅層１８ｂにおける−４５°コイルの接続ビアＪとＫ、ＬとＭ、ＮとＯの位置は、銅層１８ａにおける＋４５°コイルの中心部配線が無い位置に配置し、ＪとＫ、ＬとＭ、ＮとＯの接続ラインの傾く方向は任意である。

（磁歪式トルクセンサの形成）
このようにして形成したフレキシブル基板コイル９ａ又は９ｂを半円筒状磁心３の内面に装着して、２つの半円筒状磁心３，３を磁歪回転軸１に対向緊密に接合して磁歪式トルクセンサを構成する。このような磁歪式トルクセンサの動作原理及び応用システムは特願２００３−４０７２６２号と同じであるので、説明は省略する。

なお、図３（ａ），（ｂ）では±４５°コイルの巻きターン数が１ターンであるが、多ターン数に巻くこともできる。

また、図２（ａ）、（ｂ）に示したように、Ｎが大きくなると、半円筒状磁心３の幅Ｗが小さくなる。即ち、センサの体積が小さくなる。しかし、Ｎが極端に大きくなると、フレキシブル基板の電流コイルの幅Ｌも短くなるため、回転軸１に対して同方向に傾く導線間の影響が大きくなり、出力信号に対し、悪影響が発生する。又、フレキシブル基板の電流コイルの幅Ｌが短くなると、電流コイルの中心部に配線なしの部分も小さくなり、電流コイルと電流コイルの接続ビアの配置も困難になる。

（本実施形態の効果）
（１）フレキシブル基板コイル９ａ又は９ｂの表と裏両面にコイルを形成し、コイルの形成面と反対側の面で接続しているので、従来のフレキシブル基板を用いた形成方法と異なり、フレキシブル基板に沿って折り曲げる必要がない。このため、折り曲げる部分の断線の恐れが無い。
（２）フレキシブル基板コイル９ａ又は９ｂの表と裏両面に多ターン数にコイルを形成しても検出コイルの厚みを薄くできる。このため、半円筒状磁心３に装着して磁歪回転軸１と接合しても磁歪回転軸１と接触する危険性が少なく、コイルの磨耗、断線の可能性も小さくなる。
（３）多ターン数コイルをフレキシブル基板コイル９ａ又は９ｂに形成できるので、磁歪式トルクセンサの感度を高くすることができる。
（４）フレキシブル基板コイル９ａ又は９ｂを用いてコイルを形成しているので、半円筒状磁心３に簡易に装着することができる。また、従来のようにコイルを配置するための溝を半円筒状磁心３に形成する必要がなく、加工費等が不要であり生産価格を低減することができる。

本発明の磁歪式トルクセンサの一実施形態を示す図であり、（ａ）は概略図、（ｂ）は分解斜視図である。 本実施形態に用いられるフレキシブル基板コイルを示す図であり、（ａ）は２つの半円筒状磁心の内面に装着される説明図、（ｂ）はＮ＝１の場合のフレキシブル基板コイルの平面図、（ｃ）はＮ＝２の場合のフレキシブル基板コイルの平面図である。 本実施形態のフレキシブル基板コイルにおけるコイルの配線方法を説明する図であり、（ａ）はＮ＝１の場合、（ｂ）はＮ＝２の場合である。 従来の磁歪式トルク検出装置を示す概略図であり、（ａ）は特許文献１に示す磁歪式トルク検出装置の概略図、（ｂ）は特許文献２に示す磁歪式トルク検出装置の概略図である。 特願２００３−４０７２６２号に示す磁歪式トルクセンサを示す概略図である。 図５の磁歪式トルクセンサの分解図である。 磁歪式トルクセンサのコイル巻き方法の一例を示す説明図である。 磁歪式トルクセンサのコイル巻き方法の他の例を示す説明図である。

符号の説明

１ 磁歪回転軸
２ ＋４５°コイル
３ 半円筒状磁心
４ −４５°コイル
５ 溝
７ フレキシブル基板
８ コイル用エナメル線
９ａ，９ｂ フレキシブル基板コイル
１１ 回転軸
１２ コイル
１３ 磁歪膜
１４ 磁心
１５，２０ フレキシブル基板
１６ａ，ｂ 銅層
１７ 中間層
１８ａ，ｂ 銅層
１９ 中間層
２１ 第１コイル
２２ 第２コイル
２３ 第３コイル
２４ 第４コイル
２６ 第１コイル
２７ 第２コイル
２８ 第３コイル
２９ 第４コイル

Claims (4)

1. 中心軸の周りに回転する磁歪特性を有する回転軸と、前記回転軸の外周と所定の間隔を有しながら同心状に緊密に対向配置される半円筒状で高透磁率及び低導電率を有する磁心と、前記半円筒状磁心の内面に装着されるフレキシブル基板コイルとを備え、
   前記フレキシブル基板コイルは、フレキシブル基板の一方の面に、前記中心軸に対して＋４５°傾いたコイルが形成されると共に、前記フレキシブル基板の他方の面には前記中心軸に対して−４５°傾いたコイルが形成され、
   前記フレキシブル基板の一方の面には、コイルが順時計回りに形成された部分と反時計回りに形成された部分とを交互に有し、前記順時計回りに形成された部分と前記反時計回りに形成された部分との接続が前記フレキシブル基板の他方の面を介して行われ、
   前記フレキシブル基板の他方の面には、コイルが順時計回りに形成された部分と反時計回りに形成された部分とを交互に有し、前記順時計回りに形成された部分と前記反時計回りに形成された部分との接続が前記フレキシブル基板の一方の面を介して行われることを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
2. 前記接続される箇所には、コイルの配線部分が形成されていないことを特徴とする請求項１記載の磁歪式トルクセンサ。
3. 前記フレキシブル基板として、中間層を介しその両側に銅層を形成した基板を用いることを特徴とする請求項１記載の磁歪式トルクセンサ。
4. 前記中心軸に対して＋４５°傾いたコイルが前記フレキシブル基板の一方の面に多ターン数形成される一方、前記中心軸に対して−４５°傾いたコイルが前記フレキシブル基板の他方の面に多ターン数形成されることを特徴とする請求項１記載の磁歪式トルクセンサ。
   
   

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