JP2008275567A - 相対変位測定センサーモジュール及びこれを用いた移動方向感知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】相対変位測定センサーモジュール及びこれを用いた移動方向感知方法を提供する。
【解決手段】凸部と凹部が交代に形成されたグルーブパターンを有する対象物体の相対変位を測定するセンサーモジュールであって、磁場を発生させる磁石１４０、前記磁石と前記対象物体の間に設けられ、磁場の変化を感知して電気的信号を出力する巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサー１３０、前記巨大磁気抵抗センサーの出力信号を処理して矩形波を出力する信号処理部１５０、前記磁石、前記巨大磁気抵抗センサー及び前記信号処理部を支持するハウジング１１０を含む。これにより、対象物体の移動方向、移動距離、移動速度などを非接触式に安定的に測定できる。また、センサーモジュールはアクチュエーターの形態や種類に関係なく使用することができ、対象物体との接続点が狭い範囲に局限されても正確に感知できる。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、物体の相対変位を測定するセンサーモジュールに係り、より詳しくは、シリンダー型アクチュエーターの相対変位を巨大磁気抵抗（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ＧＭＲ）センサーを用いて非接触式に測定するセンサーモジュールに関する。

一般に、車両や産業機器には油圧又は空圧で作動するシリンダー型アクチュエーターが多く使用され、このようなシリンダー型アクチュエーターはシリンダーとその内部で往復運動するピストンバルブ、前記ピストンバルブに連結されて駆動力を伝達するピストンロッドなどで構成される。

また、アクチュエーターの動作を精密に制御したり自動化が要求される場合にはセンサーを用いてピストンバルブ又はピストンの変位を測定し、その測定結果をフィードバックしてアクチュエーターの動作を制御している。

例えば、車両に使用されるシリンダー型アクチュエーターを構成するダンパーは、車輪と車体との間に設けられて路面の振動や衝撃を吸収する役割を果たすが、高級車両に装着される電子制御式ダンパーは車軸と車体の相対的な位置をセンサーを通じて感知した後にその感知結果を用いてダンパーの減衰力又は引張力を能動的に制御している。

従って、電子制御式ダンパーやその他シリンダー型アクチュエーターの動作をフィードバック制御するためにはアクチュエーターの状態を感知できるセンサーを使用しなければならない。現在多様な種類のセンサーが使用されており、このようなセンサーの種類は広く接触式センサーと非接触式センサーに区分できる。

ところで、接触式センサー（例えば、ポテンシャルメートル）はピストンロッドやピストンバルブと接する状態でその移動状態を感知するので摩擦によってセンサーが損傷される場合が多く、相対的に製品寿命が短いという問題点がある。

また、非接触式センサーには、光学式センサーが代表的であるが、衝撃に弱いだけでなく、異物質によって光が遮断されれば使用できないという問題点がある。

本発明が解決しようとする技術的課題は、対象物体の動きを非接触式により安定的に測定できるセンサーモジュールを提供することにある。

本発明が解決しようとする他の技術的課題は、アクチュエーターの形態に関係なく使用でき、耐久性に優れたセンサーモジュールを提供することにある。

本発明は、前記技術的課題を達成するために、凸部と凹部が交代に形成されたグルーブパターンを有する対象物体の相対変位を測定するセンサーモジュールであって、磁場を発生させる磁石；前記磁石と前記対象物体の間に設けられ、磁場の変化を感知して電気的信号を出力する巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサー；前記巨大磁気抵抗センサーの出力信号を処理して矩形波を出力する信号処理部；前記磁石、前記巨大磁気抵抗センサー及び前記信号処理部を支持するハウジング；とを含む相対変位測定用センサーモジュールを提供する。

前記ＧＭＲセンサーは、第１の抵抗素子及び第２の抵抗素子の直列連結対と第３の抵抗素子及び第４の抵抗素子の直列連結対が互いに並列に連結される構造を有し、前記電気的信号は前記第１の抵抗素子及び前記第２の抵抗素子の間の第１のノードと前記第３の抵抗素子及び前記第４の抵抗素子の間の第２のノードの間で磁場の変化に応じて発生する出力電圧であることを特徴とすることができる。

前記ＧＭＲセンサーは、それぞれ磁場の変化を感知して電気的信号を出力する第１のサブセンサー及び第２のサブセンサーを備え、前記第１のサブセンサーの先端部と前記第２のサブセンサーの先端部は前記対象物体の移動方向に沿って離隔されていて、前記対象物体が移動すれば、前記第１のサブセンサーの出力信号と前記第２のサブセンサーの出力信号が時差を置いて生成されることを特徴とすることができる。

ここで、前記信号処理部は、前記ＧＭＲセンサーの出力信号を増幅する信号増幅部；前記信号増幅部で増幅された信号を矩形波に変換して外部に伝送するデジタル変換部を含むことができる。

また、前記ハウジングは一端に開口部を備え、前記ＧＭＲセンサーは前記開口部を密閉するＰＣＢ基板の外側に搭載されることを特徴とすることができ、ここで前記ＧＭＲセンサーの外側には、保護カバーが設けることができる。

また前記磁石は、前記ＰＣＢ基板の内側に固定される永久磁石であることを特徴とすることができる。

また、前記ハウジングの内側には前記信号処理部と付属回路を搭載する第２のＰＣＢ基板が設けられ、前記ＰＣＢ基板と前記第２のＰＣＢ基板はＦＰＣＢを通じて電気的に連結されることを特徴とすることができる。

また本発明は、凸部と凹部が交代に形成されたグルーブパターンを有する対象物体の移動方向に沿って互いに離隔されて設けられ、磁場変化に対応する電気的信号をそれぞれ出力する第１のセンサーと第２のセンサーを内蔵するＧＭＲセンサーを用いて前記対象物体の移動方向を感知する方法において、前記対象物体が前記第１のセンサー及び前記第２のセンサーについて移動すれば、前記第１のセンサーから生成される第１の電気的信号と前記第２のセンサーから生成される第２の電気的信号の出力順序を認識して前記対象物体の移動方向を判断する対象物体の移動方向感知方法を提供する。

本発明のセンサーモジュールを用いれば、対象物体の移動方向、移動距離、移動速度などを非接触式に安定的に測定することができる。

また、本発明のセンサーモジュールはアクチュエーターの形態や種類に関係なく使用でき、対象物体との接続点が狭い範囲に局限されても正確に感知することができる。

また、従来の光学式や接触式センサーに比べて優秀な耐久性と剛性を有するセンサーモジュールを提供することができる。

以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。

本発明の実施例によるセンサーモジュール１００は、それぞれ斜視図及び部分切開斜視図である図１Ａ及び図１Ｂに示すように、内部に中空部を有し、一端に開口部１１２が形成されたハウジング１１０、前記ハウジング１１０の内部で前記開口部１１２を密閉する第１のＰＣＢ１２０、前記第１のＰＣＢ１２０の外側に結合するＧＭＲセンサー１３０、前記第１のＰＣＢ１２０の内側に結合する永久磁石１４０を含む。

また、前記ハウジング１１０の内部にはＧＭＲセンサー１３０の出力信号を処理する信号処理部１５０が設けられ、前記信号処理部１５０やその他付属回路は第２のＰＣＢ１６０に搭載される。

ハウジング１１０の外側には、電源／信号線１７０が引き出され、前記電源／信号線１７０はＧＭＲセンサー１３０及び信号処理部１５０の動作に必要な電源を供給する電源供給ラインと信号処理部１５０の出力信号を外部に伝送する信号伝送ラインを含む。

ハウジング１１０の外形は、設置場所によって変わるものであるため、示すような円筒形状に限定されるものではない。

ＧＭＲセンサー１３０は、周辺磁場の強さによって内蔵された抵抗素子の抵抗値が変わる特性を有し、従って入力電圧が同一であっても周辺磁場が変われば出力電圧が変わる。

従って、ＧＭＲセンサー１３０の出力電圧を用いれば、磁場の強さを測定できるのでハードディスクドライブ（ＨＤＤ）の記録及び再生と関連された分野でこのようなＧＭＲセンサーが多く使用されてきた。

本発明の実施例は、このようなＧＭＲセンサー１３０を用いてシリンダー型アクチュエーターの相対変位を非接触式に測定するセンサーモジュール１００を提案しているものである。

ＧＭＲセンサー１３０は、第１のＰＣＢ１２０に搭載されたままハウジング１１０の開口部１１２を通じてハウジング１１０の外部に露出されるが、汚染物質から保護するためにＧＭＲセンサー１３０の外側に保護カバー（図示せず）がさらに設けられてもよい。

ＧＭＲセンサー１３０の出力信号を処理する信号処理部１５０が搭載された第２のＰＣＢ１６０は、ＧＭＲセンサー１３０が搭載された第１のＰＣＢ１２０と電気的に連結されなければならなく、このため第１のＰＣＢ１２０と第２のＰＣＢ１６０をＦＰＣＢなどを用いて連結することができる。勿論他の電気的連結手段が用いられてもよい。

ＧＭＲセンサー１３０は、多様な形態で製造でき、図２のブロック図はその一例を示す図面である。すなわち、４個の抵抗素子（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）をホイートストンブリッジ形態で連結してＧＭＲセンサー１３０を構成し、この時前記抵抗素子（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）は基板上に蒸着された金属薄膜であって、少なくとも一つは周辺磁場の強さによって抵抗値が変わる特性を有する。

従って、ＧＭＲセンサー１３０の周辺で磁場が変われば、ホイートストンブリッジの抵抗釣り合いが破れながらＧＭＲセンサー１３０で所定の出力電圧（Ｖｏｕｔ）が発生するようになる。

図３は、ＧＭＲセンサー１３０の出力電圧（Ｖｏｕｔ）が変わる過程を対象物体の動きによって示す図面である。

先ず永久磁石１４０をグルーブパターンを有する金属物体２００に近接設けた状態で前記金属物体２００を移動させれば、グルーブパターンの凸部２１０と凹部２２０なので永久磁石１４０と金属物体２００の間隔が周期的に変わるようになり、これにより永久磁石１４０と金属物体２００の間の磁場のパターンも周期的に変わるようになる。

従って、永久磁石１４０と金属物体２００の間にＧＭＲセンサー１３０を設ければ、このような磁場の変化によってＧＭＲセンサー１３０に内蔵された抵抗素子の抵抗値が変わりながら出力電圧（Ｖｏｕｔ）が周期的に変動される。

先ず、ＧＭＲセンサー１３０が図２のように連結された抵抗素子（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）を内蔵しており、図３の（ａ）のようにＧＭＲセンサー１３０が金属物体２００の凸部２１０の上部に位置する場合には各抵抗素子（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）の抵抗値が釣り合いを行って出力電圧（Ｖｏｕｔ）がゼロと仮定する。

続いて図３の（ｂ）のように金属物体２００が図面上右側に移動しながら永久磁石１４０が凹部２２０の上部と重畳され始めれば、磁場の変化によってＧＭＲセンサー１３０の抵抗釣り合いが破れながら出力電圧（Ｖｏｕｔ）が発生し始める。

出力電圧（Ｖｏｕｔ）は、徐々に増加してからＧＭＲセンサー１３０が金属物体２００の凹部２２０の上部と多く重畳されながら再び減少し、図３の（ｃ）に示すように永久磁石１４０が完全に凹部２２０の上部に位置すれば再び抵抗釣り合いが行われて出力電圧（Ｖｏｕｔ）がゼロになる。

金属物体２００が図面上右側に移動し続けて永久磁石１４０が図３の（ｄ）のように再び凸部２１０の上部と重畳され始めれば、再びＧＭＲセンサー１３０の抵抗釣り合いが破れながら出力電圧（Ｖｏｕｔ）が発生し始めるが、この場合に出力電圧は図３の（ａ）とは反対の極性を有するようになる。

結局、凸部２１０及び凹部２２０のグルーブパターンを有する金属物体２００が永久磁石１４０について移動する間にＧＭＲセンサー１３０は正弦波形態の出力電圧（Ｖｏｕｔ）を連続的に発生するようになる。

信号処理部１５０は、図４の回路ブロック図に示すように信号増幅部１５２とデジタル変換部１５４で構成される。

信号増幅部１５２は、ＧＭＲセンサー１３０の出力電圧（Ｖｏｕｔ）を増幅させる役割を果たし、例えば図４の回路ではＲ７／Ｒ４、すなわち２００倍で増幅された出力電圧（Ｖｏｕｔ）を得ることができる。

デジタル変換部１５４は、信号増幅部１５２で増幅された信号を矩形波に変換させる役割を果たす。

デジタル変換部１５４で出力される矩形波の周波数、パルス幅、オフセットデータなどはアクチュエーターの動作を制御する制御モジュール（図示せず）に伝送され、制御モジュールはこのようなデータを用いて金属物体２００の移動速度や移動距離を判断し、必要な制御信号を送り出してアクチュエーターの動作をフィードバック制御する。

一方、前述した方式のＧＭＲセンサー１３０を使用すれば、対象物体の移動を感知できるが、移動方向を判別しにくいという問題点がある。

すなわち、図３の（ｂ）のようにＧＭＲセンサー１３の出力電圧（Ｖｏｕｔ）が最高値である状態で出力電圧（Ｖｏｕｔ）がゼロになる場合に図３の（ａ）の位置にあることであるか、或いは図３の（ｃ）の位置にあることであるか有無を判断しにくい。

これを解決するために、本発明の実施例では一つの半導体チップに２個のセンサーが含まれたＧＭＲセンサー１３０を用いて対象物体の移動方向を感知する。すなわち、図５に示すようにそれぞれホイートストンブリッジを構成する４個の抵抗素子から成る第１のサブセンサー（１３０ａ）と第２のサブセンサー（１３０ｂ）を含んで一つのＧＭＲセンサー１３０を構成する。

この時、第１のサブセンサー（１３０ａ）と第２のサブセンサー（１３０ｂ）を同一な位置に形成せず第１のサブセンサー（１３０ａ）の先端部と第２のサブセンサー（１３０ｂ）の先端部が対象物体の移動方向に沿って所定間隔離隔されるように形成すれば、第１のサブセンサー（１３０ａ）と第２のサブセンサー（１３０ｂ）で出力電圧が発生する時点が変わるのでこれを用いて対象物体の移動方向を確認できる。

すなわち、図５で金属物体２００が図面上右側に移動すれば、ＧＭＲセンサー１３０の下部に凹部２２０が近接しながら、第１のサブセンサー（１３０ａ）が第２のサブセンサー（１３０ｂ）より先に凹部２２０の上部に位置するようになる。

従って、磁場の変化によって第１のサブセンサー（１３０ａ）で先ず出力電圧が発生し、所定時間後に第２のサブセンサー（１３０ｂ）で出力電圧が発生するようになる。

この場合、信号処理部１５０の出力信号は図６Ａに図示すように示され、これにより第１のサブセンサー（１３０ａ）の出力信号（Ｖｏｕｔ１）が第２のサブセンサー（１３０ｂ）の出力信号（Ｖｏｕｔ２）に比べて時間的に先立つことが分かる。

もし金属物体２００が図面上左側に移動すれば、第２のサブセンサー（１３０ｂ）で出力電圧が先ず発生し、所定時間後に第１のサブセンサー（１３０ａ）で出力電圧が発生する。

この場合、信号処理部１５０の出力信号を調べれば、図６Ｂに示すように第２のサブセンサー（１３０ｂ）の出力信号（Ｖｏｕｔ２）が第１のサブセンサー（１３０ａ）の出力信号（Ｖｏｕｔ１）に比べて時間的に先立つ。

結局、第１のサブセンサー（１３０ａ）の出力信号と第２のサブセンサー（１３０ｂ）の出力信号の発生順序を用いて金属物体２００の移動方向が分かる。

図７は、２個のサブセンサーを内蔵するＧＭＲセンサー１３０と信号処理部１５０の連結構成を示す回路ブロック図である。

ＧＭＲセンサー１３０は、各サブセンサー毎に独立された出力端子の出力信号（Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２）を備え、信号処理部１５０はＧＭＲセンサー１３０の各出力端子の出力信号（Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２）を独立的に処理した後矩形波として出力する。

以上で説明したセンサーモジュール１００は多様な用度で使用可能である。例えば、車両用ダンパーのピストンバルブの動作状態を感知することに用いられてもよく、航空機ランディングギアにも使用されてもよい。また、掘削機などの建設機器や産業機器のアクチュエーターの動作を感知することに使用されてもよく、工場自動化機器のアクチュエーターの動作を感知する用度で使用されてもよい。

以下では例えば、本発明の実施例によるセンサーモジュール１００が車両用ダンパー１０に設けられる場合を説明する。

図８は、車両用ダンパー１０を部分切開した斜視図であって、ダンパー１０の上端部に本発明の実施例によるセンサーモジュール１００が装着されている。

より具体的に調べれば、前記ダンパー１０は円筒形のシリンダー１１、シリンダーの内部に設けられるピストンバルブ１２、ピストンバルブ１２の上端に結合するピストンロッド１３、シリンダー１１の上端を密閉しながらピストンロッド１３の上下運動をガイドするロッドガイド１４を含む。

ピストンバルブ１２には、流体通過孔（図示せず）が形成されており、ピストンバルブ１２下部の圧縮室と上部の引張室には流体が充填されている。従って、圧縮行程では圧縮室の流体が流体通過孔を通じて上部の引張室に移動し、引張行程では引張室の流体が下部の圧縮室に移動する。

センサーモジュール１００は、前記ロッドガイド１４に設けることが好ましく、このため、ロッドガイド１４はその側部にセンサーモジュール１００のハウジング１１０に対応する貫通ホールを備える。

センサーモジュール１００を結合するときはＧＭＲセンサー１３０を貫通ホールの内側に挿入してロッドガイド１４に沿って昇降するピストンロッド１３に最大に近接させなければならない。正確な感知のためには、ピストンロッド１３の表面とＧＭＲセンサー１３０の間隔が１ｍｍ内外になる程度で近接設けることが好ましい。

また、ＧＭＲセンサー１３０は、対象物体にグルーブ（溝）パターンが形成されていて、その動きを感知できるため、ピストンロッド１３の感知対象部分には運動方向について実質的に垂直方向にグルーブパターン（１３ａ）を形成する。

前記グルーブパターン（１３ａ）は、交代に形成された多数の凸部と多数の凹部から成り、ピストンロッド１３の移動方向と必ずしも垂直ではなく、多少傾いても凸部と凹部が一定した寸法と間隔に形成さえすればピストンロッド１３の動きを感知できる。

車両の制御モジュールは、センサーモジュール１００の感知結果を用いてダンパー１０の減衰力又は引張力を制御し、最近はシリンダー内部に磁気粘性流体（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｆｌｕｉｄ）を充填し、ピストンバルブ１２にソレノイドコイルを設けて磁場を用いて流体通過孔を通じた流体の挙動を制御するダンパーが注目を浴びている。

磁気粘性流体は、磁化できる金属粒子を含有する流体であって、周辺に磁場が発生すれば、その影響によって外見粘度が変わる特性を有する。従って、ピストンバルブ１２の流体通過孔周囲にソレノイドコイルを設けて磁場の強さを調節することによってダンパー１０の減衰力や引張力を制御できる。

従って、本発明の実施例によるセンサーモジュール１００が路面の屈曲や衝撃によって移動するピストンロッド１３の動きを感知すれば、車両の電子制御ユニット（ＥＣＵ）で感知結果を用いてフィードバック制御信号を生成し、ソレノイドコイルに印加される電流の強さを調節する方式でダンパー１０の減衰力や引張力が電磁的に制御されるものである。

本発明の実施例によるセンサーモジュールの斜視図である。 本発明の実施例によるセンサーモジュールの部分切開斜視図である。 ＧＭＲセンサーの概念図である。 ＧＭＲセンサーが対象物体の動きを感知する原理を順序通り示す図面である。 信号処理部の回路ブロック図である。 ２個のサブセンサーを内臓したＧＭＲセンサーが対象物体を感知する姿を示す図面である。 対象物体の移動方向に沿って２個のサブセンサーの出力信号が時差を有する姿を示す図面である。 対象物体の移動方向に沿って２個のサブセンサーの出力信号が時差を有する姿を示す図面である。 ２個のサブセンサーを内蔵するＧＭＲセンサーと信号処理部の連結構成を示す回路ブロック図である。 車両用ダンパーに本発明のセンサーモジュールが装着された姿を示す図面である。

符号の説明

１００：センサーモジュール
１１０：ハウジング
１１２：開口部
１２０：第１のＰＣＢ
１３０：ＧＭＲセンサー
１４０：永久磁石
１５０：信号処理部
１５２：信号増幅部
１５４：デジタル変換部
１６０：第２のＰＣＢ
１７０：電源／信号線

Claims (9)

1. 凸部と凹部が交代に形成されたグルーブパターンを有する対象物体の相対変位を測定するセンサーモジュールであって、
   磁場を発生させる磁石；
   前記磁石と前記対象物体との間に設けられ、磁場の変化を感知して電気的信号を出力する巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサー；
   前記巨大磁気抵抗センサーの出力信号を処理して矩形波を出力する信号処理部；
   前記磁石、前記巨大磁気抵抗センサー及び前記信号処理部を支持するハウジング；
   とを含むことを特徴とする相対変位測定用センサーモジュール。
2. 前記ＧＭＲセンサーは、第１の抵抗素子及び第２の抵抗素子の直列連結対と第３の抵抗素子及び第４の抵抗素子の直列連結対が互いに並列に連結される構造を有し、
   前記電気的信号は、前記第１の抵抗素子及び前記第２の抵抗素子の間の第１のノードと前記第３の抵抗素子及び前記第４の抵抗素子の間の第２のノードの間で磁場の変化に応じて発生する出力電圧であることを特徴とする請求項１に記載の相対変位測定用センサーモジュール。
3. 前記ＧＭＲセンサーは、それぞれ磁場の変化を感知して電気的信号を出力する第１のサブセンサー及び第２のサブセンサーを備え、
   前記第１のサブセンサーの先端部と前記第２のサブセンサーの先端部は前記対象物体の移動方向に沿って離隔されており、前記対象物体が移動すれば、前記第１のサブセンサーの出力信号と前記第２のサブセンサーの出力信号が時差を置いて生成されることを特徴とする請求項１に記載の相対変位測定用センサーモジュール。
4. 前記信号処理部は、
   前記ＧＭＲセンサーの出力信号を増幅する信号増幅部；
   前記信号増幅部で増幅された信号を矩形波に変換して外部に伝送するデジタル変換部を含むことを特徴とする請求項１に記載の相対変位測定用センサーモジュール。
5. 前記ハウジングは一端に開口部を備え、前記ＧＭＲセンサーは前記開口部を密閉するＰＣＢ基板の外側に搭載されることを特徴とする請求項１に記載の相対変位測定用センサーモジュール。
6. 前記ＧＭＲセンサーの外側には、保護カバーが設けられることを特徴とする請求項５に記載の相対変位測定用センサーモジュール。
7. 前記磁石は、前記ＰＣＢ基板の内側に固定される永久磁石であることを特徴とする請求項５に記載の相対変位測定用センサーモジュール。
8. 前記ハウジングの内側には前記信号処理部と付属回路を搭載する第２のＰＣＢ基板が設けられ、前記ＰＣＢ基板と前記第２のＰＣＢ基板はＦＰＣＢを通じて電気的に連結されることを特徴とする請求項５に記載の相対変位測定用センサーモジュール。
9. 凸部と凹部が交代に形成されたグルーブパターンを有する対象物体の移動方向に沿って互いに離隔されて設けられ、磁場変化に対応する電気的信号をそれぞれ出力する第１のセンサーと第２のセンサーとを内蔵するＧＭＲセンサーを用いて前記対象物体の移動方向を感知する方法において、
   前記対象物体が前記第１のセンサー及び前記第２のセンサーについて移動すれば、前記第１のセンサーから生成される第１の電気的信号と前記第２のセンサーから生成される第２の電気的信号の出力順序を認識して前記対象物体の移動方向を判断することを特徴とする対象物体の移動方向感知方法。

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