JP2007041455A - 光学装置の像振れ補正装置 - Google Patents

光学装置の像振れ補正装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 撮像装置全体の小型化・薄型化を可能にし、像振れ補正効果の高い像振れ補正装置を提供する。
【解決手段】 光学装置の像振れ補正装置は、レンズと撮像素子とを保持するレンズモジュール101と、レンズモジュール101を回動軸17,27により回動可能に支持する内枠11及び外枠12と、回動軸17,27のロータ16,26に駆動力を与えることでレンズモジュール101を内枠11及び外枠12に対して回動させるアクチュエータ13,23と、アクチュエータ13,23を回動軸17,27のロータ16,26に付勢する板ばね41,51とを備えている。
【選択図】 図4

Description

本発明は、撮像光学系の像振れを解決する像振れ補正装置に関する。
昨今、ムービおよびデジタルスチルカメラの高倍率ズーム時や暗所撮影時には、像振れによる撮影画像の乱れが問題となっている。
従来、カメラ撮影時の像振れを補正する手段として、以下のような技術が知られている。
例えば、特許文献1には、撮影レンズを保持するレンズ鏡筒と、撮影レンズの一部であり光軸に対して垂直面内に移動させることで像振れ補正を行う補正レンズと、レンズ鏡筒の振れ量を検出する第1及び第2の振れ検出手段とを備え、第1及び第2の振れ検出手段が検出したレンズ鏡筒の振れ量に応じて補正レンズを保持する保持枠を光軸と直交する2方向に駆動することにより、撮像素子に入射する光線の角度を変えて像振れ補正行う像振れ補正装置が記載されている。
さらに、特許文献2には、バリアングルプリズム式像振れ補正装置が記載されている。即ち、この像振れ補正装置は、2枚のガラス板を特殊フィルム製の蛇腹でつなぎ、内部に高屈折率を有する液体を充填させた可変頂角プリズムを撮像レンズ群の内部に配置し、2枚のガラス板を水平方向及び垂直方向にそれぞれ傾けることにより、撮像素子に入射する光線の角度を変えて像振れ補正を行う。
特開2000−75338号公報 特開平11−183951号公報
昨今、CCD等撮像素子の画素数は年々増加してきている。高画質化に伴って、撮像素子の画素数が少ない場合には気にならなかった少しの手触れによる撮影画像の乱れが目立つようになってきた。
一方、携帯電話やモバイル機器などの小型携帯機器においてカメラの搭載比率の増加は顕著であり、これらに搭載されるカメラにも像振れ補正機能が要望されている。
ムービやデジタルスチルカメラには上述したような像振れ補正装置が付加されたものが商品化されているが、この像振れ補正装置は構造が複雑で、機構的に大きく、小型化に不向きである。そして、この像振れ補正装置を更に小型化しようとすると、十分な像振れ補正効果が得られない。従って、従来の像振れ補正装置は、デジタルスチルカメラの更なる小型化の障害となり、また、携帯電話やモバイル機器などの小型携帯機器には実質的に搭載することができないという問題を有していた。
本発明は、従来の像振れ補正装置の上記の問題を解決し、撮像装置全体の小型化・薄型化を可能にする装置を提供することを目的とする。
請求項1に記載の光学装置の像振れ補正装置は、レンズと撮像素子とを保持するレンズモジュールと、レンズモジュールを回動軸により回動可能に支持する枠構造と、回動軸の被駆動部に駆動力を与えることでレンズモジュールを枠構造に対して回動させる駆動手段と、駆動手段を回動軸の被駆動部に付勢する付勢手段とを備えている。
この装置では、駆動手段は付勢手段によって回動軸の被駆動部に付勢された状態で回動軸に駆動力を与えて回動軸を回転させ、その結果レンズモジュールを枠構造に対して回動させる。駆動手段が回動軸に直接当接しているため、装置全体が小型化している。
請求項2に記載の光学装置の像振れ補正装置では、請求項1において、回動軸の被駆動部は軸本体より大径のロータである。
請求項3に記載の光学装置の像振れ補正装置では、請求項1において、回動軸の被駆動部は軸本体である。
請求項4に記載の光学装置の像振れ補正装置では、請求項1〜3のいずれかにおいて、駆動手段及び付勢手段は枠構造に取り付けられている。
この装置では、全体が小型化している。
請求項5に記載の光学装置の像振れ補正装置では、請求項4において、駆動手段及び付勢手段は枠構造の外側に取り付けられている。
この装置では、駆動手段と回動軸の接触部分で生じる摩耗粉が枠構造内に入りにくい。
請求項6に記載の光学装置の像振れ補正装置では、請求項4又は5において、駆動手段は回動軸の被駆動部に対して光軸と直角方向から当接するように配置されている。
この装置では、光軸方向に小型化、すなわち薄型化が実現される。
請求項7に記載の光学装置の像振れ補正装置では、請求項1〜6のいずれかにおいて、駆動手段は、圧電素子と回動軸側の作用部とからなるアクチュエータであり、作用部は、圧電素子の縦振動および屈曲振動により回動軸を駆動する。
請求項8に記載の光学装置の像振れ補正装置では、請求項1〜7のいずれかにおいて、回動軸の被駆動部の表面にはセラミックコーティングが施されている。
この装置では、回動軸の被駆動部が摩耗しにくい。
請求項9に記載の光学装置の像振れ補正装置では、請求項8において、セラミックコーティングの材質は、DLC(ダイヤモンドライクカーボン)、TiN、TiAlN、Si34、Al23、SiCである。
この装置では、回動軸の被駆動部が摩耗しにくい。
請求項10に記載の光学装置の像振れ補正装置では、請求項8又は9において、セラミックコーティングのビッカース硬度はHv1000〜3000の範囲にある。
この装置では、回動軸の被駆動部が摩耗しにくい。
請求項11に記載の光学装置の像振れ補正装置は、請求項1〜10のいずれかにおいて、回動軸を枠構造に支持する軸受をさらに備えている。
この装置では、駆動手段は付勢手段からの付勢力によって回動軸に押し付けられ、回動軸は枠構造の支持部分に押し付けられるが、軸受によって両者の接触部分に大きな摩擦が生じにくい。したがって、回動軸はスムーズに回動する。
本発明によれば、撮像装置全体の小型化・薄型化を実現できる。
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態として、像振れ補正装置を有するデジタルカメラについて説明する。
(実施の形態1)
図1は、本実施形態にかかるデジタルカメラの構成を示すブロック図である。本実施形態のデジタルカメラは、OIS(optical image stabilizer)モジュール1、画像処理回路2、液晶モニタ3、画像メモリ4、カードインターフェイス5、メモリカード6、ヨー側角速度センサ7、ピッチ側角速度センサ8、マイコン9、および、操作部10を備える。
OISモジュール1は、CCDイメージセンサ(後述)を備えている。画像処理回路2は、CCDイメージセンサで生成された画像データに対して、YC変換、解像度変換、圧縮変換等の画像処理を行う。液晶モニタ3は、画像処理回路2で処理された画像データを表示する。画像メモリ4は、画像処理回路2による画像処理の際にバッファメモリとして機能する。カードインターフェイス5は、メモリカード6を着脱可能である。メモリカード6は、カードインターフェイス5を介して、画像処理回路2で処理された画像データを記録し、また、画像処理回路2に対してメモリカード6内に格納している画像データを出力する。
ヨー側角速度センサ7およびピッチ側角速度センサ8は、デジタルカメラのヨー回転方向、ピッチ回転方向の角速度をそれぞれ測定するためのセンサであり、例えばジャイロセンサ等である。デジタルカメラのヨー回転方向はデジタルカメラの水平面内での回転方向であり、デジタルカメラのピッチ回転方向はデジタルカメラの鉛直面内での回転方向である。
マイコン9は、OISモジュール1を含めたデジタルカメラ全体を制御する。マイコン9は、積分回路901,902を備える。積分回路901,902は、ヨー側角速度センサ7およびピッチ側角速度センサ8でそれぞれ測定された角速度データのAC成分を積分する。これにより、マイコン9は、積分回路901,902の出力をデジタルカメラが移動した角度として認識する。この移動角度がデジタルカメラのぶれ量に相当する。そして、手ぶれ補正制御部903は、積分回路901,902の出力に基づいて、OISモジュール1を制御する。
具体的には、デジタルカメラが移動した角度を打ち消すように、OISモジュール1をその反対方向に回転させるように制御する。これにより、デジタルカメラがぶれていても、そのぶれを打ち消すようにOISモジュール1が回転するため、OISモジュール1に入射される被写体からの光線がぶれるのを抑制できる。そのため、OISモジュール1で撮像した画像にぶれが発生するのを低減できる。操作部10は、ユーザからのデジタルカメラに対する指示を受け付けるインタフェースである。
次に、OISモジュール1の構成について説明する。
図2は、OISモジュール1の構成を示すブロック図である。OISモジュール1は、レンズモジュール101と、これをピッチ方向に回転するピッチ方向駆動機構102と、レンズモジュール101を支持する内枠(後述)のピッチ方向の位置を検出するピッチ側位置センサ103と、レンズモジュール101をヨー方向に回転するヨー方向駆動機構104と、レンズモジュール101のヨー方向の位置を検出するヨー側位置センサ105と、OISモジュール1の動作を制御する駆動制御部106とを備える。
レンズモジュール101は、CCDイメージセンサ1010と、シャッタユニット1011と、レンズホルダ1012と、フォトセンサ1013と、フォーカスモータ1014と、駆動力伝達機構1015とを備える。これらの構成がレンズモジュール101として一体化され、ピッチ方向およびヨー方向に回転可能である。
シャッタユニット1011は、メカシャッタを備え、駆動制御部106の制御の下でシャッタを開閉する。レンズホルダ1012は、レンズを保持する。シャッタユニット1011を介して入射された被写体の光学信号は、レンズホルダ1012に保持されたレンズにより、CCDイメージセンサ1010に集光される。CCDイメージセンサ1010は、レンズにより集光された被写体の光学信号を電気信号に変換し、画像データを生成する。フォーカスモータ1014は、駆動力伝達機構1015を介して、レンズホルダ1012を光軸方向に移動する。これにより、レンズホルダ1012が保持するレンズとCCDイメージセンサ1010との距離を調節可能であり、CCDイメージセンサ1010に集光された光学信号のピントを合わせることができる。フォトセンサ1013は、レンズホルダ1012の光軸方向における位置が基準位置にあるか否かを検出し、駆動制御部106に通知する。
ピッチ方向駆動機構102は、レンズモジュール101を保持する保持機構と、レンズモジュール101をピッチ方向に回転させるべく前記保持機構を駆動するアクチュエータ等を備える。ヨー方向駆動機構104は、レンズモジュール101を保持する保持機構と、レンズモジュール101をヨー方向に回転させるべく前記保持機構を駆動するアクチュエータ等を備える。
駆動制御部106は、マイコン9からの制御信号を受けて、レンズモジュール101内のCCDイメージセンサ1010以外の電子部品を制御し、それらの電子部品からのデータを受けてマイコン9に送信する。なお、駆動制御部106は、ICチップとして実現可能であり、例えば、レンズモジュール101とマイコン9とを接続するフレキシブル基板(後述)の表面等、レンズモジュール101の外部に設けられることが好ましい。
尚、図2ではシャッタユニットおよびフォーカスモータを備えたデジタルカメラについて例示したが、例えばカメラ付携帯電話では必要としない場合があり、本実施形態ではシャッタユニットやフォーカスモータのない構成について説明する。
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態としての像振れ補正装置について説明する。
図3はOISモジュール1を被写体側から見た外観斜視図である。図4はレンズモジュール101にある鏡筒カバー21を取り外した時の外観斜視図である。図5はOISモジュール1の平面図である。図6は、OISモジュール1を背面から見た外観斜視図である。レンズモジュールの背面にはCCDイメージセンサ1010が取り付けられており、イメージセンサ1010からの電気出力信号はフレキシブル基板61によって外部に出力される。
レンズモジュール101は、ピッチ回転方向に回転可能となるように内枠11に保持されている。具体的には、内枠11は、レンズモジュール101の外形よりも大きい開口部を有する枠構造であり、レンズモジュール101は、内枠11の開口部内でピッチ回動軸回りに回動可能に軸支されている。内枠11は、ヨー回動軸回りに回動可能になるように外枠12に保持されている。外枠12は、内枠11よりも大きくて内枠11の外側に配置されており、デジタルカメラの筐体に固定されている。内枠11はピッチ方向駆動機構102の一部を構成し、外枠12はヨー方向駆動機構104の一部を構成する。OISモジュール1は、ヨー軸がカメラの垂直軸に一致し、ピッチ軸がカメラの水平軸に一致するように固定される。
ピッチ方向駆動機構102について説明する。図9及び図10に示すように、レンズモジュール101をピッチ方向に回動させる駆動手段は、内枠11の回動軸近傍に配置されたアクチュエータ13である。アクチュエータ13は圧電素子からなり、その先端に作用部13aが取り付けられている。作用部13aは、セラミックス製であり、先端に向かって細くなるテーパー状である。レンズンズモジュール101を内枠11に対して回転支持するピッチ回動軸17の一端にはロータ16が取り付けられている。ロータ16は回動軸の軸本体より大径の部材であり、円周面を有する円柱形状である。アクチュエータ13は、内枠11に固定されたアクチュエータホルダー15に保持されている。アクチュエータホルダー15には、アクチュエータ13の光軸方向の位置を規制する付勢ばね14と、アクチュエータ13をピッチ回動軸17に対して直角に付勢する板ばね41とが設けられている。板ばね41はビス42によって内枠11に固定されている。アクチュエータ13は板ばね41でロータ16に付勢され、より具体的にはロータ16の回動軸中心、つまり、ピッチ回動軸に対して垂直方向に付勢されている。その結果、アクチュエータ13の作用部13aは、ロータ16のほぼ回転中心方向に押し付けられている。
ヨー方向駆動機構104について説明する。図7及び図8に示すように、レンズモジュール101と内枠11をヨー方向に回動させる駆動手段は、外枠12の回動軸近傍に配置されたアクチュエータ23である。アクチュエータ23は圧電素子からなり、その先端に作用部23aが取り付けられている。作用部23aは、セラミックス製であり、先端に向かって細くなるテーパー状である。レンズモジュール101と内枠11を外枠12に対して回転支持するヨー回動軸27の一端にはロータ26が取り付けられている。ロータ26は回動軸の軸本体より大径の部材であり、円周面を有する円柱形状である。アクチュエータ23は、外枠12に固定されたアクチュエータホルダー25に保持されている。アクチュエータホルダー25には、アクチュエータ23の光軸方向の位置を規制する付勢ばね24と、アクチュエータ23をヨー回動軸27に対して直角に付勢する板ばね51とが設けられている。板ばね51はビス52によって外枠12に固定されている。アクチュエータ23は板ばね51によってロータ26に付勢され、より具体的には、ロータ26の回動中心、つまり、ヨー回動軸に対して垂直方向に付勢されている。その結果、アクチュエータ23の作用部23aは、ロータ26のほぼ回転中心方向に付勢されている。
図7はヨー回動用アクチュエータ近傍の拡大図である。図8は図7のロータ26を取り除いた時のアクチュエータ近傍の拡大図である。
ヨー回動軸27は軸受28で支持されている。アクチュエータの付勢力に対して回動軸は回転しなければならないため、軸受における損失は可能な限り小さいことが求められる。従って、この軸受は一般的な玉軸受が好ましい。しかしながら、デジタルカメラやムービで行われる像振れ補正角度は一般的に±1度以下であるため、ヨー回動軸27の直径にもよるが、仮に1mmとしても軸受28と摺動する距離は±10μm以下であり、低摩擦負荷である部材でも十分問題はない。例えば、樹脂部材では低摩擦部材であるポリアセタールが好ましい。以上の結果、アクチュエータ23は板ばね51からの付勢力によってヨー回動軸27に押し付けられ、さらにヨー回動軸27は外枠12の孔に押し付けられるが、軸受28によって両者の接触部分に大きな摩擦が生じにくい。したがって、ヨー回動軸27はスムーズに回動する。
図9はピッチ回動軸に作用するアクチュエータの様子を表した図であり、外枠は省略してある。なお、外枠の回動中心となるのはピッチ回動軸17である。図10は図8と同様、ロータ16を取り除いた時のアクチュエータ近傍の拡大図である。
ヨー軸と同様、ピッチ回動軸17は軸受18で支持されており、軸受も同様、玉軸受、もしくはポリアセタール樹脂で保持されている。以上の結果、アクチュエータ13は板ばね41からの付勢力によってピッチ回動軸17に押し付けられ、さらにピッチ回動軸17は内枠11の孔に押し付けられるが、軸受18によって両者の接触部分に大きな摩擦が生じにくい。したがって、ピッチ回動軸17はスムーズに回動する。
次に本アクチュエータの構成と動きについて説明する。
アクチュエータはりん青銅等の金属の薄板をチタン酸ジルコン酸鉛(以下PZTという)等で作られた2枚の圧電体で挟み込んだ圧電振動体であり、2枚の圧電体の両面に蒸着などによって電極が形成されている。図11に詳細に示すように、アクチュエータ23は、矩形板状の圧電基板71の一方の主面に4つの電極72a,72a,72b,72bが設けられて構成されている。これらの電極72a,72a、72b、72bは互いに絶縁された状態で配置されており、対角の位置にある電極72a同士と電極72b同士が電気的に接続されている。さらに、2つの交流電圧源73,74が配置され、電極72aと電極72bにそれぞれ電圧印可が可能である。このアクチュエータの動作原理は、位相の異なる交流信号を電極72a、72bに加えることで、圧電振動子の長さ方向に定在波を励起する屈曲振動の曲げモードと、圧電振動子の長さ方向に伸縮させる縦振動モードを生じさせる。2つのモード振動の合成によって、図12に示すように、アクチュエータ13、23の作用部13a、23aは楕円振動を行う。この結果、ロータ26は回動する
この楕円運動を正確にロータ16、26に伝達するためには適正な付勢力が必要であり、回動軸に対して直角に働く付勢力とアクチュエータ13、23のロータ16,26に対する作用点の安定化を図るために位置規制用のばね14、24が配置されている。
また、ロータ16,26とアクチュエータ13,23の作用部13a、23aの作用点で磨耗が生じると、正確な接触が阻害され、駆動能力に大きく影響を与える。その影響を軽減するためには、一般的にアクチュエータ13,23の作用部13a,23aには磨耗を減らすためにAl23が用いられて場合が多い。本発明の実施形態におけるアクチュエータは駆動周波数が可聴帯域の20kHz以上で駆動させるのが一般的であり、作用点では接触と離脱を繰り返すために、極めて磨耗が多くなることが懸念された。そこで、ロータ16、26の材質の最適化を図る検討を行った結果、一般炭素鋼材にセラミックスコーティングしたロータの駆動特性が優れていた。特に、DLC、所謂ダイヤモンドライクカーボン、チタン系合金であるTiNやTiAlN、その他ではSi34、Al23、SiCが効果的であり、磨耗粉は殆ど発生が見られなかった。特に、セラミックコーティングは、ビッカース硬度がHv1000〜3000の範囲にあることが好ましい。
なお、ロータは円筒形状にしたが、この限りではなく、駆動特性との兼ね合いで扇型形状でも構わない。ここでいう扇形状とは、アクチュエータの作用部が当接する部分に円周面(の一部)が確保され、他の部分がカットされた形状をいう。また、本実施例ではロータを配置したが、ピッチ回動軸やヨー回動軸の軸本体を直接駆動しても構わない。さらに、付勢機構はばねによる後方からの加圧としたが、磁石による反力で加圧する方法でも構わない。
本発明の作用効果について説明する。この像振れ補正装置では、アクチュエータ13,23は、板ばね41,51によって回動軸17,27のロータ16,26に付勢された状態で回動軸17,27に駆動力を与えて回転させ、その結果レンズモジュール101を内枠11や外枠12に対して回動させる。アクチュエータ13,23が回動軸17,27に直接当接しているため、装置全体が小型化している。なお、アクチュエータ13,23が実際に当接しているのは、ロータ16,26である。
アクチュエータ13,23及び板ばね41,51が内枠11と外枠12に取り付けられているため、全体が小型化している。特に、アクチュエータ13,23および板ばね41,51が内枠11と外枠12の外側に取り付けられているため、アクチュエータ13,23とロータ16,26の接触部分で生じる摩耗粉が内枠11と外枠12の内に入りにくい。
アクチュエータ13,23は回動軸17,27のロータ16,26に対して光軸と直角方向から当接するように配置されているため、像振れ補正装置は光軸方向に小型化、すなわち薄型化される。
本発明は小型で像振れ補正が可能な携帯端末やデジタルカメラに適応することが可能である。また、一般的には回転運動するロータを回転させる小型の駆動手段として好適である。
本発明の一実施形態にかかるデジタルカメラの構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態にかかるデジタルカメラが備えるOISモジュールの構成を示すブロック図である。 OISモジュールの外観を示す斜視図である。 OISモジュールの鏡筒カバーをはずした時の外観を示す斜視図である。 OISモジュールを光軸上から見た平面図である。 OISモジュールを背面から見た斜視図である。 ヨー軸用アクチュエータの拡大図である。 ヨー軸用アクチュエータ近傍のロータをはずした時の拡大図である。 ピッチ軸用アクチュエータの拡大図である。 ピッチ軸用アクチュエータ近傍のロータをはずした時の拡大図である。 圧電振動素子からアクチュエータとその駆動方法を説明するための図である。 アクチュエータの作用部の動作を示す図である。
符号の説明
1 OISモジュール
2 画像処理回路
3 液晶モニタ
4 画像メモリ
5 カードインターフェース
6 メモリカード
7 ヨー側角速度センサ
8 ピッチ側角速度センサ
9 マイコン
901 積分回路
902 積分回路
903 像振れ補正制御部
10 操作部
11 内枠
12 外枠
13、23 圧電アクチュエータ(駆動手段)
13a、23a 作用部
14、24 位置規制ばね
15、25 アクチュエータホルダー
16、26 ロータ
17 ピッチ回動軸
18、28 軸受
20 レンズモジュールベース
27 ヨー回動軸
41、51 板ばね(付勢手段)
42,52 ピス
101 レンズモジュール
1010 CCDイメージセンサ
1011 シャッタユニット
1012 レンズホルダ
1013 フォトセンサ
102 ピッチ方向駆動機構
103 ピッチ側位置センサ
104 ヨー方向駆動機構
105 ヨー側位置センサ
106 駆動制御部

Claims (11)

  1. レンズと撮像素子とを保持するレンズモジュールと、
    前記レンズモジュールを回動軸により回動可能に支持する枠構造と、
    前記回動軸の被駆動部に駆動力を与えることで前記レンズモジュールを前記枠構造に対して回動させる駆動手段と、
    前記駆動手段を前記回動軸の前記被駆動部に付勢する付勢手段と、
    を備えた光学装置の像振れ補正装置。
  2. 前記回動軸の前記被駆動部は軸本体より大径のロータである、請求項1に記載の光学装置の像振れ補正装置。
  3. 前記回動軸の前記被駆動部は軸本体である、請求項1に記載の光学装置の像振れ補正装置。
  4. 前記駆動手段及び前記付勢手段は前記枠構造に取り付けられている、請求項1〜3のいずれかに記載の光学装置の像振れ補正装置。
  5. 前記駆動手段及び前記付勢手段は前記枠構造の外側に取り付けられている、請求項4に記載の光学装置の像振れ補正装置。
  6. 前記駆動手段は前記回動軸の前記被駆動部に対して光軸と直角方向から当接するように配置されている、請求項4又は5に記載の光学装置の像振れ補正装置。
  7. 前記駆動手段は、圧電素子と前記回動軸側の作用部とからなるアクチュエータであり、
    前記作用部は、前記圧電素子の縦振動および屈曲振動により前記回動軸を駆動する、請求項1〜6のいずれかに記載の光学装置の像振れ補正装置。
  8. 前記回動軸の前記被駆動部の表面にはセラミックコーティングが施されている、請求項1〜7のいずれかに記載の光学装置の像振れ補正装置。
  9. 前記セラミックコーティングの材質は、DLC(ダイヤモンドライクカーボン)、TiN、TiAlN、Si34、Al23、SiCである、請求項8に記載の光学装置の像振れ補正装置。
  10. 前記セラミックコーティングのビッカース硬度はHv1000〜3000の範囲にある、請求項8又は9に記載の光学装置の像振れ補正装置。
  11. 前記回動軸を前記枠構造に支持する軸受をさらに備えている、請求項1〜10のいずれかに記載の光学装置の像振れ補正装置。

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