JP4372581B2 - 光学式傾斜センサ - Google Patents

Description

本発明は、発光素子と受光素子を用いて傾斜角を検出する光学式傾斜センサに関し、特に、受光素子に到達する光量を傾斜角に応じて変化させ、受光素子の出力から傾斜角を検出することができる光学式傾斜センサに関する。

傾斜センサは、自動車、船舶、建設機械等の各種装置や機器の姿勢を検知するうえで有効な機能部品である。近年、小型で安価な発光素子と受光素子の入手が可能になったことから、これら発光素子と受光素子を用いて傾斜角を検出することができる光学式傾斜センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

その機能と構成について図面に基づいて説明する。図５（ａ）は従来の技術における光学式傾斜センサ１００の構造を示す断面図であり、図５（ｂ）はこの光学式傾斜センサ１００を所定の角度θだけ傾けて配置した場合の作用を説明するための図面である。

この従来の光学式傾斜センサ１００は、発光ダイオード１０１と、ピンホール部材１０２と、常に鉛直に位置する反射鏡１０３と、反射鏡の反射面を支持する回転軸１０４と、光点位置検出素子１０５とを備えている。

次に、図５（ｂ）を参酌して従来の光学式傾斜センサの傾斜角検出における作用について説明する。
従来の光学式傾斜センサ１００を構成する発光ダイオード１０１より発した光は、ピンホール部材１０２により細いビーム光に絞られ、反射鏡１０３で反射して光点位置検出素子１０５の受光面に当たる。また、反射鏡１０３は反射面を回転軸１０４により回転支持されており、その自重によって光学式傾斜センサ１００の傾斜角θに関わらず常に鉛直となる。

そのため、ビーム光が反射鏡１０３で反射する際、光学式傾斜センサ１００のケースと水平面に生じた傾斜角θに応じて、ビーム光の入射角及び反射角が変化する。したがって、光点位置検出素子１０５の受光面に当たるビーム光の位置が変化することとなる。この際、傾斜角をθ、反射鏡１０３と光点位置検出素子１０５の受光面との距離をＬ、光点位置検出素子１０５における受光面上のビーム光の当たる位置の変化量をＸとすると、下記に示す（数１）の関係式から目的の傾斜角θを求めることができる。

この光学式傾斜センサ１００は、大型の高分解能なロータリーエンコーダを用いる測定方法と比較して、装置の小型化や低価格化には有利な構造である。

特開平７−３１８３４４号公報（第２頁、第１−２図）

しかし、従来の技術の光学式傾斜センサ１００は、前述の構造及び検出作用から明らかな様に、大きな傾斜角の変化を検出しようとすれば、必然的に大型の光点位置検出素子１
０５を必要とし、センサの小型化や低価格化の利点は損なわれてしまう。つまり、傾斜角θが±９０度近傍に達した場合は、ほぼ無限大の有効長を有する光点位置検出素子１０５が必要となり、微小な角度検出しかできない構成であった。したがって、この光学式傾斜センサ１００を用いて大きな傾斜角θ（±９０度に近い傾斜角θ）を検出しようとすると、センサ自体のサイズが大きくなってしまい、例えば携帯用電子機器等にこの様な方式の光学式傾斜センサを搭載することは現実的には不可能とされていた。

本発明の目的は、上記の課題を解決して、広範囲な角度検出が可能な小型の光学式傾斜センサを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の光学式傾斜センサは、基本的に下記記載の構成を採用するものである。
本発明の光学式傾斜センサは、光学式傾斜センサにおいて、外部からの光を遮蔽するケースと、ケース内側に向けて光を出射する発光素子と、ケース内側で前記発光素子から出射される光の光量を検知する受光素子と、発光素子の中心軸とほぼ直交する方向に設けられた回転軸と、回転軸に回転支持され、常に鉛直方向の姿勢を取り、ケースの傾斜の度合いに応じて、発光素子から出射されて受光素子へ到達する光量を分離するための板状の光量分離手段と、ケース内壁に設けられ、回転軸方向に延在する板状の光量分離手段の回転軸方向の端面である側面部と、これの近傍に位置するケース内壁との隙間から受光素子に達する漏洩光を遮蔽するための光遮蔽部材とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の光学式傾斜センサは、前記光遮蔽部材が、前記ケース内の前記回転軸と前記受光素子の間で、前記ケースの内壁を取り囲むようにして設けられ、前記光量分離手段の前記回転軸方向の端面である側面部と、これの近傍に位置する前記ケース内壁との隙間より僅かに内側に開口部を有するリング形状を成すことを特徴とする。

また、本発明の光学式傾斜センサは、上述した開口部の数が、配置された受光素子の数と同数であり、この開口部の中心に受光素子が配置されてなることを特徴とする。

また、本発明の光学式傾斜センサは、上記の構成に加えて、光遮蔽部材を、中心軸に対して、回転軸の位置で直交する水平軸近傍に配置することで、光量分離手段の可動範囲を規定するストッパーの役割と、光量分離手段とケースとの隙間の漏洩光を遮光する機能を兼ね備えた構成としたことを特徴とする。

また、本発明の光学式傾斜センサは、上述した発光素子の数が２つであることを特徴とする。

また、本発明の光学式傾斜センサは、上述した受光素子の数が２つであることを特徴とする。

また、本発明の光学式傾斜センサは、上述した２つの受光素子の間に隔壁を設け、この隔壁により各受光素子に入射する漏洩光を遮光することを特徴とする。

請求項１または請求項２に係る本発明の光学式傾斜センサによれば、従来の光学式傾斜センサでは達成できなかった±９０度の広い範囲でありながら、漏洩光による検出感度の低下を極力抑えながら精度の高い傾斜角度の検出を可能とし、さらに小型化の光学式傾斜センサとすることができる。

また、請求項３に係る構成によれば、より前述した漏洩光を遮光する効果を向上させることができる。

さらに、請求項４に係る構成によれば、光量分離手段の最大角度を規定するストッパー部材と光遮蔽部材の共通化ができ、光学式傾斜センサを構成する部品点数を少なくすることができる。

さらに、請求項５または請求項６に係る構成によれば、発光素子の光量を増加、または受光素子の受光感度を向上させることができるようになる。

さらに、請求項７に係る構成によれば、さらなる漏洩光の遮光効果を向上させることができる。

本発明の光学式傾斜センサは、外部からの光を遮蔽するケースと、ケース内側に向けて光を出射する発光素子と、ケース内側で発光素子から出射される光の光量を検知する受光素子と、発光素子と受光素子との中心軸とほぼ直行する方向に設けられた回転軸と、回転軸に回転支持され、常に鉛直方向の姿勢を取り、ケースの傾斜の度合いに応じて、発光素子から出射されて受光素子へ到達する光量を分離するための光量分離手段と、ケース内壁に設けられ、光量分離手段とケース内壁の隙間から受光素子に達する漏洩光を遮蔽するための光遮蔽部材とを備える構成を採用してなる。
以下図面を参照しながら、本発明の最適な実施の形態における傾斜角センサの構造と傾斜角検出作用および傾斜角検出方法について詳細に説明する。

［光学式傾斜センサの構成]
まず、本発明における光学式傾斜センサの構成について説明する。
図１（ａ）は本発明の光学式傾斜センサ８を正面から見た構造断面図であり、図１（ｂ）は本発明の光学式傾斜センサ８を側面から見た構造断面図である。図１（ｃ）はこの光学式傾斜センサ８に配する光遮蔽部材４の形状を示す平面図であり、図１（ｄ）は光遮蔽部材４の他の形状を示す平面図である。

図１（ａ）に示す様に、本発明の光学式傾斜センサ８は、ケース１内部の底面に発光素子６を備え、上面に２つの受光素子５ａと５ｂを備えている。なお、この発光素子６には、管球式光源、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機発光体（有機ＥＬ）等を用いることができ、受光素子５ａ，５ｂには、ＣｄＳセル、フォトダイオードを用いることができる。この発光素子６中心は、ケース１の中心軸１０に合致するように設置され、受光素子５ａ，５ｂの設置位置はケース１の中心軸１０に対して対称になっている。そして、発光素子６の電源端子と受光素子５ａ，５ｂの出力端子はケース１外部に引き出されている。

なお、本図面においては、発光素子６を１つ、受光素子５ａ，５ｂを２つ設けた構成例を示したが、必ずしもこの形態に限定されるものではなく、受光素子の受光量を増やしたい場合は、２つの発光素子を受光素子５ａ，５ｂに対向させる形態として配置しても構わない。この様に、発光素子と、受光素子の数を同数設ける場合は、それぞれの素子の光軸を合わせて配置することが好ましく、仕様用途に応じて発光素子と受光素子の数とその配置形態を決めればよい。

また、本発明の光学式傾斜センサ８は、ケース１の前面と背面に穴明け加工を施して回転軸２を設けるとともに、当該回転軸２には、所定の幅と厚みを有する光量分離手段３が回転支持されている。この光量分離手段３は、正確な傾斜角を得るために適度な厚みを有することで重量を持たせ、ケース１が傾いた場合でも光量分離手段３が重力により常に鉛直方向に位置するようにしてある。ここでは、この光量分離手段３を板形状のものを示しているが、これに限定されるものではなく他の形状のものであっても構わない。

この様に図１（ａ）では、光量分離手段３が回転軸２を中心としてケース１内で左右に可動することとなるので、その可動範囲において光量分離手段３は、ケース１内壁に接触しない程度の長さと幅に設定することが肝要である。この様な構造とすることで、この光量分離手段３により発光素子６から受光素子５ａ，５ｂに到達する光の光量が左右に分離されるようになる。

更に、この光量分離手段３は、その可動範囲において図１（ｂ）に示す様にケース１に接触しない程度になるべく大きくすることが好ましい。これにより、この光量分離手段３が発光素子６から発光された光を図１（ａ）における左右の領域に光を分離する際の、漏洩光による受光素子５への検出感度の低下の影響をできるだけ抑えることができるようになる。

そして、本発明の光学式傾斜センサは、図１（ｂ）に示すように光量分離手段３とケース１内壁の僅かな隙間からの漏れ光を防止するために、回転軸２と受光素子５の間でケース１の内壁を取り囲むように、開口部を１つ有するリング形状の光遮蔽部材４を有している。尚、この光遮蔽部材４は、特に回転軸２側、つまり板形状の光量分離手段３が可動する領域のみの漏洩光を遮蔽すれば良い場合は、その箇所のみに配する構成としても構わない。

図１（ａ）、図１（ｂ）では、この光遮蔽部材４として、図１（ｃ）に示す開口部を１つ有するリング状の光遮蔽部材４ａを配設した例を示しているが、光遮蔽部材の形状はこれに限定されるものではなく、特に発光素子６と受光素子５の数を同数設けた場合は、この光遮蔽部材に開口部を複数個設けても構わない。

以下にこの光遮蔽部材に開口部を２つ設けた例を示す。その場合は、図１（ｄ）に示す２つの開口部を有する光遮蔽部材４ｂを用い、発光素子６を２つ設けるとともに、その発光素子６の光軸と合わせてそれぞれの開口中心に受光素子５ａ，５ｂを配置する。これにより、受光素子５ａ，５ｂに入射する漏洩光をこの光遮蔽部材４ｂによりほぼ遮蔽することができるようになる。

なお、この光遮蔽部材４ｂの開口部の面積が小さい程、光量分離手段３とケース１との隙間からの漏洩光に対する遮蔽効果は大きくなるが、発光素子６から受光素子５ａ，５ｂに達する光量が減少してしまうこととなる。
したがって、本実施例においては図１（ｂ）に示す様に、光遮蔽部材４ａが光量分離手段３とケース１内壁の隙間より僅かに内側に開口部を有する形態とし、この光遮蔽部材４ａをケース内壁で回転軸２に隣接する箇所に設けて、できるだけ漏洩光を遮光できるようにした。

そして、前述した漏洩光を完全に遮光するために、本発明の光学式傾斜センサには、図１（ａ）、図１（ｂ）に示す様に、ケース１右辺を経路として受光素子５ｂに入射する光と、ケース１左辺を経路として受光素子５ａに入射する光との分離を良好にして検出感度を高めるために、受光素子５ａ，５ｂの間に隔壁９を設けている。この隔壁９は、ケース１内壁から中心軸１０に沿って回転軸２にできるだけ近くまで設けられ、この隔壁９と回転軸２との隙間をできるだけ小さくするように構成するのが望ましく、これにより、右辺または左辺から入射した光を確実に分離でき、かつ漏洩光を遮光できるようになる。

この様に、光遮蔽部材４を図１（ａ）、図１（ｂ）に示す構成とすれば、光量分離手段３とケース１の傾斜により生じる最大傾斜角度は、ケース１の内壁に設けた光遮蔽部材４によって傾き角度を規制することができる。つまり、本図面の構成では、中心軸１０に対して回転軸２の位置で直行する水平軸１１が、ケース１と交わる箇所に光遮蔽部材４を配
してあるので、この光遮蔽部材４は、光学式傾斜センサ８の左右の最大傾斜角度を９０度とする機能と、漏洩光における光遮蔽の機能を兼ね備えることができる。なお、測定傾斜角を９０度以内で規制する必要がある場合は、ケース１内壁に別途ストッパーを設けることで、この最大傾斜角度を任意に設定する様にしても良いことは言うまでもない。

以上の構成を採用することで、本発明の光学式傾斜センサ８は、ケース１に傾きが生じていない状態では、光量分離手段３はケース１の中心軸１０上に位置しており、発光素子６から発光した光は、当該光量分離手段３の左右で均等に分離されて、受光素子５ａ，５ｂに同一光量の光が入射することとなる。したがって、受光素子５ａ，５ｂにフォトダイオード等を用いれば入射光量に応じた各々の受光素子５ａ，５ｂについて等しい出力電圧を得ることができる。また、ケース１が傾いた状態では、発光素子６から出射された光は、常に鉛直方向の姿勢を取る光量分離手段３により、傾きに応じた光量に分離され、受光素子５ａ，５ｂからその光量に応じた出力電圧を得て、正確にケース１の傾斜角θを検出できるようになる。

そして、傾斜センサとして本発明の光学式傾斜センサ８を用いれば、大きな角度（例えば９０度）傾いたとしても、正確に目的の傾斜角θを検出することができるようになる。その作用については、後段で詳細に説明する。

なお、ケース１には、金属やプラスチック等の材料を用いることができるが、外部の光が受光素子６に入射しないように、不透明な材料を用いることが望ましい。そして、このケース１内面に例えば無反射加工を施して光反射率を低くすれば、ケース１内側からの反射による漏洩光を抑え、光量分離手段３により分離される光量のみを確実に受光素子５ａ，５ｂで検知できるようになる。また、受光素子５ａ，５ｂでの検出感度が低い場合には、ケース１内側に例えばニッケルメッキ等の反射加工を施して光反射率を高くするようにしても構わない。その際は、この反射加工されたケース１内面からの反射光による漏洩光が受光素子５ａ，５ｂに入射する可能性がある点に留意する必要がある。

［傾斜角検出作用］
以下図面を参照しながら本発明の実施の形態における傾斜角検出作用について説明する。図２（ａ）は本発明の光学式傾斜センサ８が左に傾斜角θだけ傾いた状態を示す構造断面図であり、図２（ｂ）は右に傾斜角θだけ傾いた状態を示す構造断面図である。図３（ａ）は本発明の光学式傾斜センサ８が傾斜角θ傾いた場合の、傾斜角θと一方の受光素子５ａの出力電圧値の関係を示す特性図であり、図３（ｂ）は傾斜角θと他方の受光素子５ｂの出力電圧値の関係を示す特性図である。
なお、以下の説明は、前述した隔壁９を設けるとともに、ケース１内面に反射加工を施した光学式傾斜センサを用いた例を示している。

図１（ａ）に示す様にケース１に傾きが生じていない状態では、前述した通り、光量分離手段３はケース１の中心軸１０上に位置しており、発光素子６から発せられた光は当該光量分離手段３の左右で均等に分離されて受光素子５ａ，ｂに入射する。したがって、受光素子５ａ，５ｂからは等しい出力電圧が発生することとなる。

一方、図２（ａ）に示すようにケース１に右肩上がりの傾斜、すなわち水平面に対してケース１に傾斜角θを与えた場合は、光量分離手段３が常に鉛直に位置するので当該光量分離手段３とケース１の中心軸１０に対し傾斜角θを生ずる。この際、発光素子６から受光素子５ａに到達する光量は、図２（ａ）に示す光量分離手段３下端からケース１左側壁までの距離Ｌａと、ケース１前面内壁から背面内壁までの距離との積から得られる断面積によって規制される。ここで、回転軸２からケース１左側壁までの距離をＲａとすれば、距離Ｌａは下記に示す（数２）で表すことができる。

上記数２から、ケース１前面内壁から背面内壁までの距離は常に一定であることから、受光素子５ａに入射する光量は、傾斜角θの関数として表される距離Ｌａに比例して変化することが判る。この様に作用することで、受光素子５ａからはこの傾斜角θの関数として変化する入射光量に相応の出力電圧が発生することとなる。

また、この際、発光素子６から受光素子５ｂに到達する光量は、図２（ａ）に示す回転軸２からケース１右側壁までの距離Ｒｂと、ケース１前面内壁から背面内壁までの距離との積から得られる断面積によって規制されている。なお、図２（ａ）に示す様に、水平面に対してケース１に傾斜角θなる傾斜を与えた場合において、距離Ｒｂは常に一定であり、傾斜を与えない図１（ａ）の場合と等しい出力電圧を受光素子５ｂから得ることができる。

一方、図２（ｂ）に示す様にケース１に右肩下がりの傾斜、すなわち水平面に対してケース１を傾斜角−θなる傾斜を与えた場合は、光量分離手段３もケース１の中心軸に対して傾斜角−θを生ずる。そして、図２（ａ）を用いて説明した場合と同様に、光量分離手段３下端からケース１右側壁までの距離Ｌｂは、下記に示す（数３）で表すことができる。

上記（数３）から受光素子５ｂに入射する光量は、距離Ｌｂの変化に比例して変化することが判る。そして、受光素子５ｂからはこの傾斜角θの関数として変化する入射光量に相応の出力電圧が発生することとなる。

またこの際、発光素子６から受光素子５ａに到達する光量は、図２（ｂ）に示す回転軸２からケース１左側壁までの距離Ｒａと、ケース１前面内壁から背面内壁までの距離との積から得られる断面積によって規制されている。なお、図２（ｂ）に示す様に、水平面に対してケース１に傾斜角−θなる傾斜を与えた場合において、距離Ｒａは常に一定であり、傾斜を与えない図１（ａ）の場合と等しい出力電圧を受光素子５ａから得ることができる。

以上説明した如く、本発明の光学式傾斜センサ８の構成によれば、±９０度の傾斜角θの範囲において、受光素子５ａからは図３（ａ）に示す様に、０度から−９０度までは一定の出力電圧値が出力され、０度から９０度まではその傾斜角度に応じた出力電圧値が出力される。また、受光素子５ｂからは図３（ｂ）に示す様に、９０度から０度までは一定の出力電圧値が出力され、０度から−９０度まではその傾斜角度に応じた出力電圧値が出力される。この様に、本発明の構成を用いれば、従来の光学式傾斜センサでは測定のできなかった±９０度範囲の傾斜角検出が可能となる。

次に、上記作用に基づく具体的な傾斜角算出手段について説明する。
図４は同じ傾斜角θにおける受光素子５ａ，５ｂのそれぞれの出力電圧値の差分と、傾斜角θの関係を示す特性図である。

まず、図３（ａ）と図３（ｂ）に示す受光素子５ａ，５ｂから出力される各々の出力電圧値を減算して、図４に示す傾斜角θと出力電圧の連続関数を得る。この減算から得られた出力電圧値と傾斜角θの関数は、図４に示す様に傾斜角θが±４５度以内の範囲ではほぼ直線で近似できていることが判る。また、傾斜角θが４５度から９０度、−４５度から−９０度の範囲では、出力電圧値の差分はほぼ正弦関数として変化していることが判る。ここで受光素子５ａと５ｂの出力電圧値の差をＸとすると、以下の関係式（数４）から傾斜角θを算出することができる。

また、上記（数４）を用いた傾斜角算出手段に基づく実際の電気回路的な傾斜角θの具体的な検出手段は、例えば、減算、加算、積算等の論理回路を組み合わせた電気回路により各受光素子５ａ，５ｂから出力される出力電圧に基づく傾斜角θを検出する。または、受光素子５ａ，５ｂから出力される出力電圧をデジタル信号に変換した後、演算器等を備えた電気回路を用いて傾斜角θを算出する手段により行うことができる。これにより、図３（ａ）、図３（ｂ）に基づいて図４の特性図を導き、この特性図から容易にケース１が傾く傾斜角θを得ることができる。

上述の説明の如く、本発明の光学式傾斜センサを小型化とすることができたので、従来の構成では不可能とされていた、携帯用電子機器、例えば特に携帯電話、ＰＤＡといった携帯情報端末や腕時計などに本発明の光学式傾斜センサの搭載が可能となる。

また、上記構成を応用して、光量分離手段３の振れ具合を検出できる形態に改良すれば、本発明の光学式傾斜センサを加速度検出装置に適用することができる。

本発明の光学式傾斜センサの構造を示すセンサ断面図である。 本発明の光学式傾斜センサの構造を示すセンサ側面図である。 本発明の光学式傾斜センサに用いる光量分離手段の構成例を示す平面図である。 本発明の光学式傾斜センサに用いる光量分離手段の他の構成例を示す平面図である。 本発明の光学式傾斜センサがθ傾いた場合の角度検出作用を説明するためのセンサ断面図である。 本発明の光学式傾斜センサが−θ傾いた場合の角度検出作用を説明するためのセンサ断面図である。 本発明の光学式傾斜センサの一方の受光素子から得られる出力電圧と傾斜角の関係を示す特性図である。 本発明の光学式傾斜センサの他方の受光素子から得られる出力電圧と傾斜角の関係を示す特性図である。 本発明の光学式傾斜センサの２個の受光素子から得られる出力電圧値の差分と傾斜角の関係を示す特性図である。 従来技術の光学式傾斜センサの構造を示すセンサ断面図である。 従来技術の光学式センサの傾斜角検出作用を説明するためのセンサ断面図である。

符号の説明

１ ケース
２ 回転軸
３ 光量分離手段
４ 光遮蔽部材
５ 受光素子
６ 発光素子
８ 光学式傾斜センサ
９ 隔壁
１０ 中心軸
１１ 水平軸

Claims (7)

1. 光学式傾斜センサにおいて、
   外部からの光を遮蔽するケースと、
   前記ケース内側に向けて光を出射する発光素子と、
   前記ケース内側で前記発光素子から出射される光の光量を検知する受光素子と、
   前記発光素子の中心軸とほぼ直交する方向に設けられた回転軸と、
   前記回転軸に回転支持され、常に鉛直方向の姿勢を取り、前記ケースの傾斜の度合いに応じて、前記発光素子から出射されて前記受光素子へ到達する光量を分離するための板状の光量分離手段と、
   前記ケース内壁に設けられ、前記回転軸方向に延在する板状の前記光量分離手段の前記回転軸方向の端面である側面部と、これの近傍に位置する前記ケース内壁との隙間から前記受光素子に達する漏洩光を遮蔽するための光遮蔽部材と、
   を備えることを特徴とする光学式傾斜センサ。
2. 前記光遮蔽部材は、前記ケース内の前記回転軸と前記受光素子の間で、前記ケースの内壁を取り囲むようにして設けられ、前記光量分離手段の前記回転軸方向の端面である側面部と、これの近傍に位置する前記ケース内壁との隙間より僅かに内側に開口部を有するリング形状を成すことを特徴とする請求項１に記載の光学式傾斜センサ。
3. 前記開口部の数は、配置された前記受光素子の数と同数であり、
   さらに、前記開口部の中心に、前記受光素子が配置されていることを特徴とする請求項２に記載の光学式傾斜センサ。
4. 前記光遮蔽部材を、前記中心軸に対して、前記回転軸の位置で直交する水平軸近傍に配置することで、前記光量分離手段の可動範囲を規定するストッパーの役割と、前記漏洩光を遮光する機能を兼ね備える構成としたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光学式傾斜センサ。
5. 前記受光素子の数は、２つであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光学式傾斜センサ。
6. 前記発光素子の数は、２つであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の光学式傾斜センサ。
7. 前記２つの受光素子の間に隔壁を設け、この隔壁により前記各受光素子に入射する漏洩光を遮光することを特徴とする請求項５に記載の光学式傾斜センサ。

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