JP2012002750A - 光学検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】粉塵や飛沫のある場所でも撮像や検出が可能な光学検出装置を提供する。
【解決手段】気体供給孔１９８,１９９は、圧縮空気源から内部空間１９２へ与圧気体を供給する。気体供給孔１９８,１９９を通して内部空間１９２に供給された気体は、開口１９３からハウジング１９１の外部に噴き出される。開口１９３から気体を噴き出すことで、切削液や削り屑又はその混合物による検出部１９５のレンズあるいは照明部１９７の汚染を防止できる。また、開口１９３がオリフィスの役割をし、気体の流速を増加させ、ワーク上の切削液等を吹き飛ばすことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、粉塵や飛沫のある場所での使用に好適な光学検出装置に関する。

ワークの位置決めは従前の機械式から、基準撮像後ＸＹθ補正という態様に変化してきている。しかし加工機においては粉塵や切削液などの副次物の発生により、光学系が汚染され基準撮像そのものが困難であった。

下記特許文献１はレーザを用いた加工機に基準撮像用の撮像装置を利用した例で、撮像＋ガルバノミラーの位置決めが主題であり、副次物についての開示はない。下記特許文献２は同レーザ加工機の副次物発生を課題とした例であり、レーザ光が通過するＦθレンズに対して副次物が付着しないよう、ワーク直上で副次物を吸引している。

レーザ加工の場合、副次物は煙状であるが、機械加工に関わる場合、副次物は切り粉、研磨粒、研磨切削液等にまで及ぶ。また加工機に限らず、例えば粉体や液体をワークとして扱う装置の場合、撮像光学系はそれらの影響を避ける位置に配置することを余儀なくされている。

下記特許文献３はシーム接合時の粉塵や水飛沫を保護するために対物レンズ（又はファイバー端）周囲に空気の流れを形成するもので、空気流を起こすために空気タービンホイールを備える。下記特許文献４は対物レンズへの異物付着を完全に防止するために、対物レンズの前方に透明体（板）を置き、その透明体に沿ったエア噴射が可能なレンズフードを開示している。下記特許文献５はレーザ案内管の内側に螺旋状の空気流を形成し、その流れを粘着剤に当てることで粉塵等を粘着剤に捕捉する方法を開示している。

特開平８−７１７８０号 特開２００５−３０５５３７号 特開平３−１５８８２１号 特開２００１−１０８８８０号 特開２００２−３６１４６７号

特許文献３は空気タービンホイールなどが存在するため構造が複雑であり、特許文献４は空気流だけで保護しきれない異物を空気流でさらに取り除く構成であり、特許文献５はレーザ鏡筒内の防塵であって対物レンズ外側に対する防塵は非開示である。

本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、粉塵や飛沫のある場所でも撮像や検出が可能な光学検出装置を提供することにある。

本発明のある態様は、光学検出装置である。この光学検出装置は、
ハウジングと、
前記ハウジング内の内部空間と、
前記ハウジング外部と前記内部空間とを連通させる開口と、
前記内部空間を通りかつ前記開口から前記ハウジング外部へと続く光軸を有する検出部と、
前記内部空間へ気体を供給するための気体供給孔とを有し、
前記気体供給孔を通して前記内部空間に供給された前記気体が前記開口から前記ハウジング外部に噴き出す構成である。

ある態様の光学検出装置において、前記気体供給孔に送出する前記気体の圧力の調整手段を有するとよい。

ある態様の光学検出装置において、前記光学検出装置は撮像素子と光学系を鏡筒に有するとよい。

ある態様の光学検出装置において、前記内部空間から前記開口を通して前記ハウジング外部を照らす照明部を有するとよい。

本発明の別の態様も、光学検出装置である。この光学検出装置は、
ハウジングと、
前記ハウジング内の内部空間と、
前記ハウジング外部と前記内部空間とを連通させる開口と、
前記内部空間を通りかつ前記開口から前記ハウジング外部へと続く撮像光軸を有する、撮像素子と光学レンズにより構成された撮像部と、
前記内部空間から前記開口を通して前記ハウジング外部を照らす照明部と、
前記内部空間へ気体を供給するための気体供給孔と、
前記気体供給孔に送出する前記気体の圧力の調整手段とを有し、
前記気体供給孔を通して前記内部空間に供給された気体が前記開口から前記ハウジング外部に噴き出す構成である。

いずれの態様の光学検出装置においても、前記開口はオリフィスを兼ね、前記内部空間の気体を高流速で噴き出すとよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、粉塵や飛沫のある場所でも撮像や検出が可能な光学検出装置を実現することができる。

本発明の実施の形態に係る光学検出装置の第１構成例を示す断面図。 図１の光学検出装置の第１使用例を示すワーク切削装置の概念的斜視図。 第１使用例で加工対象とするワークの一例を示す平面図。 図２に示す撮像装置の別の構成例を示す断面図。 図１の光学検出装置の第２使用例を示すレーザ位置決め加工方法及び装置の実施例の全体構成図。 図１の光学検出装置の第３使用例を示す磁石成型装置の上面概略図。 同磁石成型装置の正面概略図。 同磁石成型装置における光学センサ使用部分の拡大図。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

(光学検出装置の構成例)
図１は、本発明の実施の形態に係る光学検出装置の第１構成例を示す断面図である。なお、互いに直交する３方向をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向(Ｚ方向は鉛直方向)としたとき、本図の断面はＹＺ平面と平行な面である。光学検出装置は、アルミや樹脂製のハウジング１９１(筐体)と、検出部１９５とを有する。検出部１９５は、例えばＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどの撮像素子と光学系(撮像素子上に結像させるもので、光学レンズ等)、若しくは光電センサの発光側或いは受光側を含む。必要に応じて照明部１９７を併せて組み込んでも良い。照明部１９７は、例えばファイバー照明である。なお、検出部１９５及び照明部１９７は、ハウジング１９１を密閉するように取り付けられており、ハウジング１９１は開口１９３及び気体供給孔１９８,１９９を除いて空気の出入りが無い。

ハウジング１９１内の内部空間１９２と、ハウジング１９１の外部とは、開口１９３で連通される。検出部１９５は、内部空間１９２を通りかつ開口１９３からハウジング１９１外部へと続く光軸を有する。照明部１９７は、内部空間１９２から開口１９３を通してハウジング１９１の外部を照らす。検出部１９５の光軸はＺ方向と平行であるのに対し、照明部１９７の光軸はＺ方向に対して所定の角度を成している。開口１９３は、検出部１９５の撮像範囲、及び撮像範囲に明るさを確保できる範囲で先端径が可能な限り小さいとよい。図示の例では、開口１９３は、内部側(末端側)の径が検出部１９５の鏡筒よりも小径であり、外部側(先端側)の径は内部側の径よりも小さい。また、開口１９３は、内部側から外部側に向かってテーパー状に径が小さくなる形状が好ましい。

気体供給孔１９８,１９９は、圧縮空気源から内部空間１９２へ与圧気体(圧縮空気)を供給するためのものである。気体は通常は大気であるが、不活性雰囲気を求める場合などは、窒素やアルゴンガス等としてもよい。気体は、不図示のポンプ或いはコンプレッサ等の圧空供給手段、または当該気体が高圧封入されたタンク等から、レギュレータ等の圧力や流量の調整用の器具を介して、任意の圧力で気体供給孔１９８,１９９に送出され、ハウジング１９１の内部空間に供給される。なお、供給気体は、標準的な工場エア(例えば０.２ＭＰａ〜０.５ＭＰａ)でもよい。気体供給孔１９８,１９９を通して内部空間１９２に供給された気体は、開口１９３からハウジング１９１の外部に噴き出される。開口１９３から気体を噴き出すことで、切削液や削り屑又はその混合物(以下「切削液等」とも表記)による検出部１９５のレンズあるいは照明部１９７の汚染を防止できる。また、開口１９３がオリフィスの役割をし、気体の流速を増加させ、ワーク１０上の切削液等を吹き飛ばすことができる。

(光学検出装置の第１使用例)
図２は、図１の光学検出装置の第１使用例を示すワーク切削装置の概念的斜視図である。図３は、本使用例で加工対象とするワーク１０の一例を示す平面図である。このワーク切削装置は、スピンドルユニット２０と、加工テーブルとしてのθテーブル４０と、２つの撮像装置９０Ｌ,９０Ｒと、粗位置決め用カメラ９２とを備える。図１の光学検出装置は、２つの撮像装置９０Ｌ,９０Ｒの各々として使用される。

スピンドルユニット２０は、フランジ２１と、スピンドル軸とスピンドル軸受の組立体（以下「回転軸２２」と表記）と、基材に固定砥粒を付着させた切断用回転砥石（以下「回転刃２３」と表記）と、Ｚスライダ２５とを有する。回転刃２３は、フランジ２１によって回転軸２２に取り付けられ、回転軸２２に垂直な面内で回転するようになっている。Ｚスライダ２５は、回転軸２２及び回転軸２２の駆動モータ(不図示)を支持する。Ｚスライダ２５は、Ｙスライダ７０の支持によりＺ方向に移動(スライド)自在である。Ｙスライダ７０は、Ｙ方向スライドガイド６０(不図示の装置基台側に固定)の支持によりＹ方向に移動(スライド)自在である。したがって、回転刃２３は、互いに直交するＹ方向及びＺ方向に移動自在である。なお、加工時の切削液は切削液供給ノズル３０から供給される。切削液供給ノズル３０はスピンドルユニット２０に固定されており、回転刃２３と一体にＹ方向及びＺ方向に移動自在である。

撮像装置９０Ｌ,９０Ｒは、Ｙ方向及びＺ方向に垂直なＸ方向に関して回転軸２２を挟んで反対側に位置する。図２では、撮像装置９０Ｌは回転軸２２の左側に位置し、撮像装置９０Ｒは回転軸２２の右側に位置する。撮像装置９０Ｌ,９０Ｒは、回転軸２２と同様にＹ方向及びＺ方向に移動自在である。また、撮像装置９０Ｌ,９０Ｒの光軸は、回転刃２３の取付位置を通る回転軸２２に垂直な面からＹ方向の同じ側に所定距離だけずれた各位置でワーク１０の存在平面と交差する。

θテーブル４０は、Ｚ方向と平行なθ軸４１に支持される。θ軸４１は、不図示の駆動モータで回転される。θテーブル４０は、θ軸４１と一体にθ方向に回転可能である。Ｘスライダ８０は、Ｘ方向スライドガイド８１(不図示の装置基台側に固定)の支持によりＸ方向に移動(スライド)自在である。したがって、θテーブル４０の上面すなわちワーク載置面(Ｚ方向と垂直な平面)上のワーク１０は、ＸＹ平面内で回転可能かつＸ方向に移動自在である。

Ｚスライダ２５、Ｙスライダ７０及びＸスライダ８０の駆動は、例えば公知のボールネジ機構によって為される。なお、回転刃２３及び撮像装置９０Ｌ,９０Ｒに対するワーク１０のＸＹＺ各方向に関する相対位置、ＸＹ平面と平行な任意の方向(例えばＸ方向)に対するワーク１０のＺ方向を軸とする相対回転角度を制御可能である限り、ワーク１０及び回転刃２３、撮像装置９０Ｌ,９０Ｒの支持構造は上記に限定されない。

制御ボックス５の内部には、制御部９５が格納されている。制御部９５は、プロセッサやメモリ、プログラムその他、本装置全体の動作制御及び各種演算(画像処理も含む)に必要な要素を包含する。回転刃２３、θテーブル４０、及び撮像装置９０Ｌ,９０Ｒ、並びにその他の各構成要素の現在位置データは、制御部９５にリアルタイムで保持される。撮像装置９０Ｌ,９０Ｒ及び粗位置決め用カメラ９２の撮像画像は、制御部９５内のメモリに記憶される。

粗位置決め用カメラ９２は、ワーク１０の基準マーク(図３参照)を含む画像を撮像する。この画像に基づき、切削加工の前にワーク１０を大まかに相対的に位置決めする。すなわち、粗位置決め用カメラ９２の撮像画像に基づき、制御部９５はワーク１０の位置を認識し、θテーブル４０のＸ方向位置及び回転角度、並びにスピンドルユニット２０及び撮像装置９０Ｌ,９０ＲのＹ方向位置を定める。詳細な位置決めは、撮像装置９０Ｌ,９０Ｒによってワーク１０の切断マーク(図３参照)を撮像した画像に基づいて為される。粗位置決め用カメラ９２は、１つでも複数でもよい。

図４は、図２に示す撮像装置９０Ｌ,９０Ｒの別の構成例を示す断面図である。図１に示した構成と異なり、照明部は２つであり、気体供給孔は１つである。その他の点は、図１に示した構成と同様である。すなわち、この撮像装置は、ハウジング２９１と、撮像部２９５と、照明部２９７Ａ,２９７Ｂとを有し、ハウジング２９１において気体供給孔２９９は１つである。照明部２９７Ａ,２９７Ｂは、撮像部２９５を挟んで対向し、それぞれＺ方向と所定角度を持って小径開口２９３を通して外部を照射する。なお、ハウジング２９１及び撮像部２９５は、筒状のホルダ２８０に支持され、ホルダ２８０はブラケット２８５によって装置側に固定される。本撮像装置も、図１に示したものと同様の作用効果を奏する。また、照明部を２つとしたことで、影の発生を防止し、より確実な撮像及び撮像画像の認識が可能である。

(光学検出装置の第２使用例)
ここでは、本出願人が特開平０８−０７１７８０号で提案のレーザ位置決め加工方法及び装置において図１の光学検出装置を使用する場合を説明する。図５は、図１の光学検出装置の第２使用例を示すレーザ位置決め加工方法及び装置の実施例の全体構成を示している。この図において、３０１はレーザ光を発生するレーザ発振器、３０２はレーザヘッド（レーザ光学系）であってレーザ発振器３０１からのレーザ光を受けてこれを走査するものである。レーザ発振器３０１には、レーザ電源から電力が供給されるようになっており、このレーザ発振器３０１は制御器（コントローラ）３０４でそのオン、オフ等の制御が行われる。

図５に示すように、被加工物としての連続シート状物（例えば、未焼成のセラミックシートである連続グリーンシート）３２０はその上面にレーザ加工すべき加工領域３２０ａを等間隔で有し、１つの加工領域３２０ａを囲むように例えば４箇所に画像認識マーク３２１を有している。そして、連続シート状物３２０は図示しない間欠搬送機構で加工領域３２０ａの配列間隔だけ１ピッチ搬送されたら停止する動作を繰り返し行うようになっている。この１ピッチの搬送は、シリンダや送りモータ等で位置ずれが生じないように高精度で行うようにする。なお、ここでは連続シート状物３２０がＸＹ平面上に配置されており、連続シート状物３２０の搬送方向がレーザヘッド３０２から照射されるレーザ光のＸ軸走査方向、すなわちＸ方向に一致し、Ｙ軸走査方向は搬送方向に直交しているものとする。また、前記４箇所の画像認識マーク３２１は、Ｘ方向に平行な２辺とＹ方向に平行な２辺を持つ長方形の各頂点にあるものとする。

図５中、レーザヘッド３０２の下方に位置しているレーザ加工を行う加工ステージＰよりも１ピッチ前の画像取り込みステージＱにおける４個の画像認識マーク３２１をそれぞれ撮像するために、撮像装置としての４個の撮像カメラ（ＣＣＤカメラ等）３２２が固定配置されている。これらの撮像カメラ３２２の撮像信号（ビデオ信号）は、画像処理装置３２３に入力される。この画像処理装置３２３は各カメラからの画像信号より各画像認識マーク３２１の位置を検出し、４個の画像認識マーク３２１の重心位置から連続シート状物３２０の基準配置からのずれ量（Ｘ方向についてのずれ量：ΔＸ、Ｙ方向についてのずれ量：ΔＹ、回転方向であるθ方向のずれ量：Δθ）を検出するものである。制御器３０４は画像処理装置３２３の出力信号（ΔＸ，ΔＹ，Δθ）を受けてＸ方向、Ｙ方向及びθ方向の補正後の走査用出力信号をスキャナコントローラ３２４に加える。スキャナコントローラ３２４は、Ｘ軸走査信号及びＹ軸走査信号をスキャナドライバ３２５に加える。スキャナドライバ３２５は、Ｘ軸走査信号及びＹ軸走査信号に基づいてレーザヘッド３０２内のＸＹガルバノミラー系を制御して、連続シート状物３２０の基準配置からのずれ量を相殺するように本来のレーザ光の走査位置を補正した位置にレーザ光を位置決めする。

ところがレーザ加工はワークを「焼く」ため、加工領域から煙状の副次物が発生するのは避けられない。多くの場合、レーザ照射域は作業者の安全のため囲われており、加工部分に排気ダクトを準備していても副次物が撮像カメラ３２２の対物レンズに付着する。

そこで撮像カメラ３２２を図１の構造とし、開口１９３から気体を噴き出しながらレーザ加工することで対物レンズの汚染を防止することができる。この実施例の場合、認識マーク３２１が平面上に存在するため、照明は一つでもかまわない。

(光学検出装置の第３使用例)
ここでは、本出願人が特開２００７−０８３２８０号で提案の圧縮成型装置において、材料粉を略所定量ずつ取り出すために図１の光学検出装置を使用する場合を説明する。

例えば、微細且つ活性な希土類合金粉末を用いて磁石を形成する場合、該粉末の急速な酸化を防止する必要上、該粉末の供給、秤量、成型及び焼結等の工程は低酸素分圧を維持した例えば窒素雰囲気中で行われる必要がある。これら各工程においては、各専用装置の内部或いは実際に各種処理を行う処理部を筐体等によって囲み、当該筐体内部の気体の酸素分圧を管理する、より簡易的には窒素置換することによってこれら必要性を満たすことが可能であると考えられる。

図６は、図１の光学検出装置の第３使用例を示す磁石成型装置の上面概略図を示している。図７は、同磁石成型装置の正面概略図を示している。図８は、同磁石成型装置における光電センサ使用部分の拡大図である。磁性粉末成型装置４００は、材料供給部４１０、秤量部４２０、充填・磁場プレス成型部４３０、整列部４４０、搬送ゾーン４５０、及び充填・磁場プレス成型部４３０と整列部４４０との間に配置されたメンテナンスゾーン４６０から構成される。これら各部は、外部雰囲気より隔絶された筐体内に所定のユニットを配置することで構成されている。

希土類合金粉末を主材料とする材料粉は、当該材料粉を窒素雰囲気中に保持可能なカプセル４０２によって材料供給部４１０に持ち込まれる。材料供給部４１０の供給エレベータ４１２にセットされたカプセル４０２は、当該エレベータによって搬送され、所定位置において光電センサ４９５によって材料粉は略所定量ずつ取り出される。略所定量ずつ取り出された材料粉は、秤量部４２０における秤量ユニット４２１おいて更に厳密な秤量により所定量とされた後に、成型用のダイ等、圧縮成型ユニットの所定部位に充填される。

材料粉は更に磁場プレス成型部４３０に搬送され、当該成型部４３０において任意の方向に磁場を加えた状態で圧縮成型し、所定の形状及び強度を有する焼結処理前の成型体を得る。当該成型体は取り出しロボット４４２によって充填・磁場プレス成型部４３０から取り出され、整列部４４０に配置されるトレイ４１３上に載置される。ここで、取り出しロボット４４２は、メンテナンスゾーン４６０を介して充填・磁場プレス成型部４３０に存在する成型済み磁性粉末（以下成型体と称する）を保持することが可能となるアーム長さを有している。トレイ４１３上に所定の個数の成型体が載置されると、搬送ゾーン４５０内に連続するように配置される処理装置コンベアによって、当該トレイ４１３は搬送ゾーン４５０における開口部４５０ａに向けて搬送される。開口部４５０ａから取り出されたトレイ４１３は、無人搬送車４８１によって他の装置に搬送される。

磁性粉末成型装置４００において、光電センサ４９５は材料供給部内を落下する粉体材料の概略量をチェックする役割を持つが、前述の通り粉体は外部雰囲気より隔絶され、酸化を防止されている。例えば材料供給部４１０に投光性の窓を設けて、窓の外側に光電センサの投光部と受光部を取り付けるという考えもあるが、粉体材料のため、窓はすぐ汚染される。

そこで、図８に拡大して示すように、材料供給部４１０に連通するハウジング４９１と、ハウジング４９１の一端を略密閉するように取り付けられた一対の光電センサ４９５(発光側及び受光側)と、ハウジング４９１内の残った空隙に所定圧力の窒素を供給する窒素供給手段とを備えた光電センサユニット(発光側と受光側がそれぞれ、図１から照明部１９７を除いたものに相当)を採用することで、光電センサ４９５の対物レンズが粉体材料の出す粉塵に汚染されることなく、窒素雰囲気を損なうことなく、粉体材料の概略量をチェックすることができる。

（実施の形態の効果、産業上の利用可能性）
以上の３例に見られるとおり、本実施の形態の光学検出装置は、
内部空間に供給された気体は、オリフィスを兼ねた開口からハウジングの外部に高流速で噴き出され、開口から気体を噴き出すことで、切削液や削り屑又はその混合物（以下汚染物）および粉塵による撮像或いは光学検出部の対物レンズあるいは照明部の汚染を、粉塵付着前に防止できることにあり、
汚染の原因が汚染物（液体、スラリー等）の場合は、内部空間に供給される圧力を高くし、外部と連通する開口をできるだけ小さくすることで、開口からハウジング内部空間への汚染物の侵入を確実に防止し、
汚染の原因が粉塵の場合は、内部空間に供給される圧力を低くすることで、気体の無駄な消費を抑え、
また検出対象が粉体の場合は、検出対象が開口から噴き出す気体で乱れず、且つハウジング内部空間に粉塵の侵入を防ぐような所定の気体圧力に調整することを可能とする。
そのために内部空間に気体を供給する経路に、気体圧力調整手段（レギュレータ）を備えておくことが望ましい。さらに、気体の無駄な消費を押さえたい場合は、内部空間に気体を供給する経路に、遮断弁を設けると良い。遮断弁は装置動作と連動して開閉可能なように電磁弁などの電気的コントロール可能な弁を用いることが望ましい。

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。

１９１ ハウジング
１９２ 内部空間
１９３ 開口
１９５ 検出部
１９７ 照明部
１９８,１９９ 気体供給孔

Claims (6)

1. ハウジングと、
   前記ハウジング内の内部空間と、
   前記ハウジング外部と前記内部空間とを連通させる開口と、
   前記内部空間を通りかつ前記開口から前記ハウジング外部へと続く光軸を有する検出部と、
   前記内部空間へ気体を供給するための気体供給孔とを有し、
   前記気体供給孔を通して前記内部空間に供給された前記気体が前記開口から前記ハウジング外部に噴き出す構成である、光学検出装置。
2. 前記気体供給孔に送出する前記気体の圧力の調整手段を有する、請求項１記載の光学検出装置。
3. 前記光学検出装置は撮像素子と光学系を鏡筒に有する、請求項１又は２記載の光学検出装置。
4. 前記内部空間から前記開口を通して前記ハウジング外部を照らす照明部を有する、請求項１乃至３のいずれか記載の光学検出装置。
5. ハウジングと、
   前記ハウジング内の内部空間と、
   前記ハウジング外部と前記内部空間とを連通させる開口と、
   前記内部空間を通りかつ前記開口から前記ハウジング外部へと続く撮像光軸を有する、撮像素子と光学レンズにより構成された撮像部と、
   前記内部空間から前記開口を通して前記ハウジング外部を照らす照明部と、
   前記内部空間へ気体を供給するための気体供給孔と、
   前記気体供給孔に送出する前記気体の圧力の調整手段とを有し、
   前記気体供給孔を通して前記内部空間に供給された気体が前記開口から前記ハウジング外部に噴き出す構成である、光学検出装置。
6. 前記開口はオリフィスを兼ね、前記内部空間の気体を高流速で噴き出すことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載の光学検出装置。

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