JP6180551B2 - 半球共振型ジャイロ - Google Patents
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Description
本発明の実施の形態1に係る半球共振型ジャイロの機械系構成を図1および図2に示す。
図1は、本発明の実施の形態1に係る半球共振型ジャイロの機械系構成を説明するための、角度計測軸を含む平面に沿った断面図である。図2は、本発明に係る半球共振型ジャイロの機械系構成を説明するための、角度計測軸に垂直な平面に沿った、半球共振器、アクチュエータ、変位センサの空間配置を示す簡略図である。
図3は、本発明の実施の形態1による半球共振型ジャイロの全体構成を示すブロック図である。図3に示したように、この実施の形態1による半球共振型ジャイロは、半球共振器2、アクチュエータDj(j=1、2、・・・、16)、変位センサSk(k=1、2、・・・、8)、基準信号生成手段10、振動形状抽出手段11、駆動周波数補正手段12、波節直角位相振動制御手段13、共振制御手段14、角度スケールファクタ乗算手段15、および、アクチュエータ駆動信号合成手段16を備えている。
電気的剛性制御手段40は、振動形状抽出手段11から出力される波節直角位相振動の振動振幅Bの符号反転値が入力され、波節直角位相振動を抑制するための電気的剛性補正指令uNQを生成する。
直流駆動電圧分配手段41は、電気的剛性制御手段40から出力される電気的剛性補正指令uNQ、および、振動形状抽出手段11から出力される1次共振モードの波腹方位角θrに基づいて、電気的剛性補正指令uNQが正符号の場合には、図10(a)に示すように、波腹方位角θrに対して+22.5度位相がずれた直交軸方向を、半球共振器2に対する電気的剛性補正軸42とする。一方、電気的剛性補正指令uNQが負符号の場合には、図10(b)に示すように、波腹方位角θrに対して−22.5度位相がずれた直交軸方向を半球共振器2に対する電気的剛性補正軸42とする。更に、図10において、太線矢印で示したように、電気的剛性補正軸42に沿って、電気的剛性補正指令uNQの絶対値に対応する半径方向吸引力が半球共振器2に作用するように、電気的剛性補正軸42の両側に配置された各1個のアクチュエータに対して、アクチュエータ直流駆動信号fNQj(j=1、2、・・・、16)を分配する。
共振振幅制御手段50では、振動振幅偏差を零とするような制御指令を算出し、当該制御指令と振動振幅指令A*との加算値を共振振幅指令uRESとして交流駆動電圧分配手段51に対して出力する。
θr:1次共振モード・波腹方位角、
φr:1次共振モード・アクチュエータ交流駆動信号に対する共振位相特性、
B:波節直角位相振動・振動振幅、
ωr:アクチュエータ駆動周波数≒1次共振周波数。
(a)アクチュエータ駆動周波数ωr<半球共振器2の1次共振周波数32
⇔ 共振位相特性φr>共振位相特性指令φr *の場合は、
アクチュエータ駆動周波数ωrが高周波側へシフトし、
(b)アクチュエータ駆動周波数ωr>半球共振器2の1次共振周波数32
⇔ 共振位相特性φr<共振位相特性指令φr *の場合は、
アクチュエータ駆動周波数ωrが低周波側へシフトする。
アクチュエータ駆動周波数ωr=半球共振器2の1次共振周波数32
⇔ 共振位相特性φr=共振位相特性指令φr *で、
駆動周波数補正手段12が安定化し、半球共振器2における真の1次共振周波数32を高精度にロックする。
KNQI:積分ゲインとする。
ただし、ξ:XY平面第1象限に存在する電気的剛性補正軸42が、X軸となす角度とする。
KAI:積分ゲインとする。
この構成により、従来のフェーズ・ロックド・ループPLLを使用せずに半球共振器に励起された1次共振モード、および波節直角位相振動の詳細な振動形状を抽出することができるため、半球共振型ジャイロの動作を常に安定化し、半球共振器の1次共振周波数に対する極めてスペクトル純度の高い動作と高精度なロックが可能となる。
また、本構成に基づく振動形状抽出により、半球共振器の1次共振周波数に対して高位相分解能を実現することができ、半球共振型ジャイロの角度検出分解能を向上させることが可能となる。
更に、本構成によって半球共振器における真の1次共振周波数を高精度にロックすることが可能となるため、半球共振器に対して効率的な1次共振モードの励起を実現するための、アクチュエータ交流駆動信号の位相特性を生成することができる。
この構成により、従来のフェーズ・ロックド・ループPLLを使用せずに半球共振器に励起された1次共振モード、および波節直角位相振動の詳細な振動形状を抽出することができるため、半球共振型ジャイロの動作を常に安定化し、更に半球共振器の1次共振周波数に対して極めてスペクトル純度の高い動作と、当該1次共振周波数に対する高位相分解能の実現により、半球共振型ジャイロの角度検出分解能を向上させることができる。
この構成により、半球共振器2における真の1次共振周波数を高精度にロックすることが可能となり、更に半球共振器2に対して効率的な1次共振モードの励起を実現するための、アクチュエータ交流駆動信号の位相特性を生成することができる。
この構成により、波節直角位相振動を抑制して、半球共振器に対して1次共振モードのみが励起された状態を実現することができるため、半球共振型ジャイロで検出する角度出力のドリフトを抑制することが可能となる。
この構成により、半球共振器に対する効率的な1次共振モードの励起と、1次共振モードの角度計測軸回りの自由な回転を実現するための、アクチュエータ交流駆動信号を生成することが可能となる。
この構成により、半球共振器に対する所望の1次共振モード励起に関して、アクチュエータ交流駆動信号の生成に必要な制御演算量を低減することが可能となる。
本発明の実施の形態2による半球共振型ジャイロにおいて、半球共振型ジャイロの機械系構成に関する角度計測軸を含む平面に沿った断面図、および、角度計測軸に垂直な平面に沿った、半球共振器、アクチュエータ、変位センサの空間配置を示す簡略図は、実施の形態1の図1および図2と同一である。
この構成により、アクチュエータ駆動周波数におけるアクチュエータ位相特性、および変位センサ位相特性が不明でも、半球共振器における真の1次共振周波数を高精度にロックすることが可能となり、更に半球共振器に対して効率的な1次共振モードの励起を実現するための、アクチュエータ交流駆動信号の位相特性を生成することができる。
この構成により、アクチュエータとして発生吸引力が印加電圧の2乗に比例するような静電容量式アクチュエータを適用した場合において、半球共振器に対する所望の1次共振モード励起に関して、各アクチュエータ交流駆動信号の印加電圧レベルを低減すると共に、より正確なアクチュエータ発生吸引力の制御が可能となる。
本発明の実施の形態3による半球共振型ジャイロにおいて、半球共振型ジャイロの機械系構成に関する角速度計測軸を含む平面に沿った断面図、および、角速度計測軸に垂直な平面に沿った、半球共振器、アクチュエータ、変位センサの空間配置を示す簡略図は、実施の形態1の図1および図2と同一である。
KθI:積分ゲインとする。
この構成により、従来のフェーズ・ロックド・ループPLLを使用せずに半球共振器に励起された1次共振モード、および波節直角位相振動の詳細な振動形状を抽出することができるため、半球共振型ジャイロの動作を常に安定化し、半球共振器の1次共振周波数に対する極めてスペクトル純度の高い動作と高精度なロックが可能となる。
また、本構成に基づく振動形状抽出により、半球共振器の1次共振周波数に対して高位相分解能を実現することができ、半球共振型ジャイロの角速度検出分解能を向上させることが可能となる。
更に、本構成によって半球共振器における真の1次共振周波数を高精度にロックすることが可能となるため、半球共振器に対して効率的な1次共振モードの励起を実現するための、アクチュエータ交流駆動信号の位相特性を生成することができる。
この構成により、半球共振器に対する効率的な1次共振モードの励起と、1次共振モードに関して振動振幅、波腹方位角の双方を予め設定された一定形状に制御するための、アクチュエータ交流駆動信号を生成することが可能となる。
この構成により、半球共振器に対する所望の1次共振モード励起に関して、各アクチュエータ交流駆動信号の印加電圧レベルを低減することが可能となる。
本発明の実施の形態4による半球共振型ジャイロにおいて、半球共振型ジャイロの機械系構成に関する角速度計測軸を含む平面に沿った断面図、および、角速度計測軸に垂直な平面に沿った、半球共振器、アクチュエータ、変位センサの空間配置を示す簡略図は、実施の形態1の図1および図2と同一である。
本発明の実施の形態4による半球共振型ジャイロでは、図1に示す半球共振器2の対称軸(Z軸)が、角速度計測軸1となる。
この構成により、アクチュエータとして発生吸引力が印加電圧の2乗に比例するような静電容量式アクチュエータを適用した場合において、半球共振器に対する所望の1次共振モード励起に関して、アクチュエータ交流駆動信号の生成に必要な制御演算量を低減すると共に、より正確なアクチュエータ発生吸引力の制御が可能となる。
Claims (13)
- 計測軸としての角度計測軸に対して軸対称な半球形状を有し、前記角度計測軸に対して垂直な平面において共振パターンを維持させるための半球共振器と、
前記半球共振器に対して前記角度計測軸回りに配置され、前記半球共振器に対して半径方向の吸引力を発生させる複数のアクチュエータと、
前記半球共振器に対して前記角度計測軸回りに配置され、前記半球共振器の半径方向の変位を検出する複数の変位センサと、
複数の前記変位センサから出力される前記半球共振器の半径方向の前記変位に基づいて、前記計測軸まわりに互いに45度ずれた位置に配置された前記変位センサの出力をそれぞれ実数部および虚数部として得られる複素表現を前記アクチュエータの駆動周波数に一致する回転速度で回転する回転座標系の表現に変換したものから、予め設定された正方向回転の低周波成分と予め設定された負方向回転の低周波成分を求め、これらの低周波成分から前記アクチュエータの交流駆動信号に対する共振位相特性を求め、これらの低周波成分と前記共振位相特性から、前記半球共振器に励起された共振モードの振動振幅及び波腹方位角、および、前記半球共振器に励起された波節直角位相振動の振動振幅を抽出する振動形状抽出手段と、
前記振動形状抽出手段から出力される前記アクチュエータの前記交流駆動信号に対する前記共振位相特性に基づいて、前記アクチュエータの前記駆動周波数を前記半球共振器の共振周波数に一致させる駆動周波数補正手段と、
前記振動形状抽出手段から出力される前記波節直角位相振動の前記振動振幅および前記共振モードの前記波腹方位角に基づいて、前記波節直角位相振動を抑制するための複数の前記アクチュエータの直流駆動信号を生成する波節直角位相振動制御手段と、
前記振動形状抽出手段から出力される前記共振モードの前記振動振幅および前記波腹方位角に基づいて、前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記振動振幅を予め設定された一定値に制御し、かつ、前記共振モードの前記角度計測軸回りの自由な回転を実現するための複数の前記アクチュエータの前記交流駆動信号を生成する共振制御手段と
を備え、
前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記波腹方位角から、前記半球共振器の前記角度計測軸方向の回転角度を検出する
半球共振型ジャイロ。 - 計測軸としての角速度計測軸に対して軸対称な半球形状を有し、前記角速度計測軸に対して垂直な平面において共振パターンを維持させるための半球共振器と、
前記半球共振器に対して前記角速度計測軸回りに配置され、前記半球共振器に対して半径方向の吸引力を発生させる複数のアクチュエータと、
前記半球共振器に対して前記角速度計測軸回りに配置され、前記半球共振器の半径方向の変位を検出する複数の変位センサと、
複数の前記変位センサから出力される前記半球共振器の半径方向の前記変位に基づいて、前記計測軸まわりに互いに45度ずれた位置に配置された前記変位センサの出力をそれぞれ実数部および虚数部として得られる複素表現を前記アクチュエータの駆動周波数に一致する回転速度で回転する回転座標系の表現に変換したものから、予め設定された正方向回転の低周波成分と予め設定された負方向回転の低周波成分を求め、これらの低周波成分から前記アクチュエータの交流駆動信号に対する共振位相特性を求め、これらの低周波成分と前記共振位相特性から、前記半球共振器に励起された共振モードの振動振幅及び波腹方位角、および、前記半球共振器に励起された波節直角位相振動の振動振幅を抽出する振動形状抽出手段と、
前記振動形状抽出手段から出力される前記アクチュエータの前記交流駆動信号に対する前記共振位相特性に基づいて、前記アクチュエータの前記駆動周波数を前記半球共振器の共振周波数に一致させる駆動周波数補正手段と、
前記振動形状抽出手段から出力される前記波節直角位相振動の前記振動振幅および前記共振モードの前記波腹方位角に基づいて、前記波節直角位相振動を抑制するための複数の前記アクチュエータの直流駆動信号を生成する波節直角位相振動制御手段と、
前記振動形状抽出手段から出力される前記共振モードの前記振動振幅および前記波腹方位角に基づいて、前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記振動振幅及び前記波腹方位角の双方を予め設定された一定値及び一定角度に制御するための複数の前記アクチュエータの前記交流駆動信号を生成する共振制御手段と
を備え、
前記共振制御手段における前記波腹方位角を前記一定角度に維持するための制御指令から、前記半球共振器の前記角速度計測軸方向の回転角速度を検出する
半球共振型ジャイロ。 - 計測軸としての角度計測軸に対して軸対称な半球形状を有し、前記角度計測軸に対して垂直な平面において共振パターンを維持させるための半球共振器と、
前記半球共振器に対して前記角度計測軸回りに配置され、前記半球共振器に対して半径方向の吸引力を発生させる複数のアクチュエータと、
前記半球共振器に対して前記角度計測軸回りに配置され、前記半球共振器の半径方向の変位を検出する複数の変位センサと、
前記計測軸に直交する第1の直交軸方向に配置された前記変位センサの出力を合成する第1の合成手段、
前記計測軸に直交し、前記第1の直交軸に対して計測軸回りに45度位相がずれた第2の直交軸方向に配置された前記変位センサの出力を合成する第2の合成手段、
前記第1の合成手段からの出力を実数部として前記第2の合成手段からの出力を虚数部とする複素表現を、前記アクチュエータの駆動周波数に一致する回転速度で正方向に回転する回転座標系による表現に変換する正方向回転座標変換手段、
前記第1の合成手段からの出力を実数部として前記第2の合成手段からの出力を虚数部とする複素表現を、前記アクチュエータの前記駆動周波数に一致する回転速度で負方向に回転する回転座標系による表現に変換する負方向回転座標変換手段、
前記正方向回転座標変換手段の出力から予め設定された低周波成分を抽出する正方向低周波抽出手段、
前記負方向回転座標変換手段の出力から予め設定された低周波成分を抽出する負方向低周波抽出手段、
前記正方向低周波抽出手段および前記負方向低周波抽出手段の出力に基づいて、前記半球共振器に励起された共振モードの前記アクチュエータの交流駆動信号に対する共振位相特性を算出する位相特性抽出手段、及び、
前記正方向低周波抽出手段および前記負方向低周波抽出手段の出力および前記位相特性抽出手段の出力に基づいて、前記半球共振器に励起された前記共振モードの振動振幅及び波腹方位角、および、前記半球共振器に励起された波節直角位相振動の振動振幅を抽出する振動特性抽出手段
を有する振動形状抽出手段と、
前記振動形状抽出手段から出力される前記アクチュエータの前記交流駆動信号に対する前記共振位相特性に基づいて、前記アクチュエータの前記駆動周波数を前記半球共振器の共振周波数に一致させる駆動周波数補正手段と、
前記振動形状抽出手段から出力される前記波節直角位相振動の前記振動振幅および前記共振モードの前記波腹方位角に基づいて、前記波節直角位相振動を抑制するための複数の前記アクチュエータの直流駆動信号を生成する波節直角位相振動制御手段と、
前記振動形状抽出手段から出力される前記共振モードの前記振動振幅および前記波腹方位角に基づいて、前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記振動振幅を予め設定された一定値に制御し、かつ、前記共振モードの前記角度計測軸回りの自由な回転を実現するための複数の前記アクチュエータの前記交流駆動信号を生成する共振制御手段と
を備え、
前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記波腹方位角から、前記半球共振器の前記角度計測軸方向の回転角度を検出する
半球共振型ジャイロ。 - 計測軸としての角速度計測軸に対して軸対称な半球形状を有し、前記角速度計測軸に対して垂直な平面において共振パターンを維持させるための半球共振器と、
前記半球共振器に対して前記角速度計測軸回りに配置され、前記半球共振器に対して半径方向の吸引力を発生させる複数のアクチュエータと、
前記半球共振器に対して前記角速度計測軸回りに配置され、前記半球共振器の半径方向の変位を検出する複数の変位センサと、
前記計測軸に直交する第1の直交軸方向に配置された前記変位センサの出力を合成する第1の合成手段、
前記計測軸に直交し、前記第1の直交軸に対して計測軸回りに45度位相がずれた第2の直交軸方向に配置された前記変位センサの出力を合成する第2の合成手段、
前記第1の合成手段からの出力を実数部として前記第2の合成手段からの出力を虚数部とする複素表現を、前記アクチュエータの駆動周波数に一致する回転速度で正方向に回転する回転座標系による表現に変換する正方向回転座標変換手段、
前記第1の合成手段からの出力を実数部として前記第2の合成手段からの出力を虚数部とする複素表現を、前記アクチュエータの前記駆動周波数に一致する回転速度で負方向に回転する回転座標系による表現に変換する負方向回転座標変換手段、
前記正方向回転座標変換手段の出力から予め設定された低周波成分を抽出する正方向低周波抽出手段、
前記負方向回転座標変換手段の出力から予め設定された低周波成分を抽出する負方向低周波抽出手段、
前記正方向低周波抽出手段および前記負方向低周波抽出手段の出力に基づいて、前記半球共振器に励起された共振モードの前記アクチュエータの交流駆動信号に対する共振位相特性を算出する位相特性抽出手段、及び、
前記正方向低周波抽出手段および前記負方向低周波抽出手段の出力および前記位相特性抽出手段の出力に基づいて、前記半球共振器に励起された前記共振モードの振動振幅及び波腹方位角、および、前記半球共振器に励起された波節直角位相振動の振動振幅を抽出する振動特性抽出手段
を有する振動形状抽出手段と、
前記振動形状抽出手段から出力される前記アクチュエータの前記交流駆動信号に対する前記共振位相特性に基づいて、前記アクチュエータの前記駆動周波数を前記半球共振器の共振周波数に一致させる駆動周波数補正手段と、
前記振動形状抽出手段から出力される前記波節直角位相振動の前記振動振幅および前記共振モードの前記波腹方位角に基づいて、前記波節直角位相振動を抑制するための複数の前記アクチュエータの直流駆動信号を生成する波節直角位相振動制御手段と、
前記振動形状抽出手段から出力される前記共振モードの前記振動振幅および前記波腹方位角に基づいて、前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記振動振幅及び前記波腹方位角の双方を予め設定された一定値及び一定角度に制御するための複数の前記アクチュエータの前記交流駆動信号を生成する共振制御手段と
を備え、
前記共振制御手段における前記波腹方位角を前記一定角度に維持するための制御指令から、前記半球共振器の前記角速度計測軸方向の回転角速度を検出する
半球共振型ジャイロ。 - 前記駆動周波数補正手段は、
前記振動形状抽出手段から出力される前記アクチュエータの前記交流駆動信号に対する前記共振位相特性を、前記アクチュエータの前記駆動周波数におけるアクチュエータ位相特性と、前記アクチュエータの前記駆動周波数における変位センサ位相特性と、−90度との合計値に固定するように、前記アクチュエータの前記駆動周波数を制御する
請求項1から4までのいずれか1項に記載の半球共振型ジャイロ。 - 前記駆動周波数補正手段は、
前記振動形状抽出手段から出力される前記アクチュエータの前記交流駆動信号に対する前記共振位相特性を、前記半球共振器の前記共振周波数に対して予め設定された周波数だけ前記アクチュエータの前記駆動周波数を低く設定した場合の共振位相特性と、前記半球共振器の前記共振周波数に対して予め設定された周波数だけ前記アクチュエータの前記駆動周波数を高く設定した場合の共振位相特性との平均値に固定するように、前記アクチュエータの前記駆動周波数を制御する
請求項1から4までのいずれか1項に記載の半球共振型ジャイロ。 - 前記波節直角位相振動制御手段は、
前記振動形状抽出手段から出力される前記波節直角位相振動の前記振動振幅に基づいて、前記波節直角位相振動を抑制するための電気的剛性補正指令を生成する電気的剛性制御手段と、
前記電気的剛性制御手段から出力される前記電気的剛性補正指令の符号に応じて、前記符号が正符号の場合には前記共振モードの前記波腹方位角に対して+22.5度位相がずれた直交軸方向を、前記符号が負符号の場合には前記共振モードの前記波腹方位角に対して−22.5度位相がずれた直交軸方向を、前記半球共振器に対する電気的剛性補正軸とし、前記電気的剛性補正軸の両側に配置された各1個の前記アクチュエータに対して、前記電気的剛性補正指令の絶対値に基づいて前記アクチュエータの前記直流駆動信号を分配する直流駆動電圧分配手段と
を有する請求項1から6までのいずれか1項に記載の半球共振型ジャイロ。 - 前記アクチュエータの前記駆動周波数に対応する正弦波信号および余弦波信号を生成する基準信号生成手段を備え、
前記共振制御手段は、
前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記振動振幅を前記一定値に制御する共振振幅指令を生成する共振振幅制御手段と、
前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記波腹方位角を共振位相指令として、前記共振振幅指令、前記共振位相指令、および、前記基準信号生成手段から出力される前記余弦波信号に基づいて、複数の前記アクチュエータに対する前記交流駆動信号を分配する交流駆動電圧分配手段と
を有する請求項1または3に記載の半球共振型ジャイロ。 - 前記アクチュエータの前記駆動周波数に対応する正弦波信号および余弦波信号を生成する基準信号生成手段を備え、
前記共振制御手段は、
前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記振動振幅を前記一定値に制御する共振振幅指令を生成する共振振幅制御手段と、
前記半球共振器に励起された前記共振モードの前記波腹方位角を前記一定角度に制御する共振位相指令を生成する共振位相制御手段と、
前記共振振幅指令、前記共振位相指令、および、前記基準信号生成手段から出力される前記余弦波信号に基づいて、複数の前記アクチュエータに対する前記交流駆動信号を分配する交流駆動電圧分配手段と
を有する請求項2または4に記載の半球共振型ジャイロ。 - 前記共振制御手段の前記交流駆動電圧分配手段は、
前記共振位相指令で規定される前記計測軸に直交する直交軸の両側に配置された各1個の前記アクチュエータに対して、前記共振振幅制御手段から出力される前記共振振幅指令および前記基準信号生成手段から出力される前記余弦波信号に基づいて、前記アクチュエータの前記交流駆動信号を分配する
請求項8または9に記載の半球共振型ジャイロ。 - 前記共振制御手段の前記交流駆動電圧分配手段は、
前記共振位相指令で規定される前記計測軸に直交する直交軸の両側に配置された各2個の前記アクチュエータに対して、前記アクチュエータの駆動電圧のノルムが最小となるように、前記共振振幅制御手段から出力される前記共振振幅指令および前記基準信号生成手段から出力される前記余弦波信号に基づいて前記アクチュエータの前記交流駆動信号を分配する
請求項8または9に記載の半球共振型ジャイロ。 - 前記共振制御手段の前記交流駆動電圧分配手段が、
前記共振位相指令で規定される前記計測軸に直交する直交軸の両側に配置された各1個の前記アクチュエータに対して、前記共振振幅制御手段から出力される前記共振振幅指令および前記基準信号生成手段から出力される前記余弦波信号に基づいた余弦波吸引力指令の平方根を、前記アクチュエータの前記交流駆動信号として分配する
請求項8または9に記載の半球共振型ジャイロ。 - 前記共振制御手段の前記交流駆動電圧分配手段は、
前記共振位相指令で規定される前記計測軸に直交する直交軸の両側に配置された各2個の前記アクチュエータに対して、前記アクチュエータの発生吸引力のノルムが最小となるように、前記共振振幅制御手段から出力される前記共振振幅指令および前記基準信号生成手段から出力される前記余弦波信号に基づいて余弦波吸引力指令を算出し、前記余弦波吸引力指令の平方根を、前記アクチュエータの前記交流駆動信号として分配する
請求項8または9に記載の半球共振型ジャイロ。
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