JP6552456B2 - 電動芝刈り機の制御装置 - Google Patents

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Description

この発明は電動芝刈り機の制御装置に関し、より詳しくはユーザによって手押しされて芝生育地を移動可能なウォークビハインド型の電動芝刈り機の制御装置に関する。
この種のウォークビハインド型の電動芝刈り機は、通例、ユーザによって手押しされる機体に搭載されると共に、二次電池から動作電源を供給される電動モータを備え、その電動モータで機体の下面に配置されるブレードカッタを回転駆動させて芝を刈り取るように構成される。
そのような電動芝刈り機にあっては、ブレードカッタの回転を制動させるときの電動モータの回生電流で二次電池を充電することになるが、二次電池がエネルギ密度の高いリチウムイオン電池などから構成される場合、低温時や高電圧で充電すると、特性が劣化するおそれがある。
ところで、下記の特許文献1において、従来、二次電池に比べてエネルギ密度の高い電気二重層コンデンサに回生電力を一旦貯留していたことで構成が複雑となっていた不都合に鑑み、電動モータに電力を供給する主電池と、それよりも充電電圧が低く設定された補助電池を備え、回生制動時に電動モータの発生する回生電力を補助電池に貯留するように構成された電力回生システムが提案されている。
特開2013−207976号公報
特許文献1記載の技術は上記のように構成することで小型・低コスト化を図るように構成しているが、本願のようなウォークビハインド型の電動芝刈り機の場合、簡易な構成であることが優先されるため、特許文献1記載技術のように補助電池を追加することは望ましくない。
従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、充電が制約される二次電池で駆動される電動モータを備えると共に、二次電池の充電にも支障がないようにしたウォークビハインド型の電動芝刈り機の制御装置を提供することにある。
上記した課題を解決するために、請求項1にあっては、ユーザによって後方から手押しされて芝生育地を移動可能な機体と、前記機体に搭載される電動モータと、前記機体の下面に配置されると共に、前記電動モータに接続され、前記電動モータで回転駆動されるとき、前記芝を刈り取り可能なブレードカッタと、前記機体に搭載されると共に、前記電動モータに接続され、前記電動モータに貯留電力を動作電源として放電する一方、前記ブレードカッタの回転駆動の制動時に前記電動モータからの回生電流によって充電される二次電池と、前記電動モータへの動作電源の供給を調整するモータドライバ回路と、前記モータドライバ回路の動作を制御する制御部とを備えたウォークビハインド型の電動芝刈り機の制御装置において、前記二次電池と電動モータを接続する電流路に配置され、オンされるとき前記電動モータから前記二次電池への充電電流の通電を許容する一方、オフされるとき阻止する第1スイッチング素子と、前記電流路に介挿される抵抗器と、前記電流路において前記抵抗器と直列に介挿され、オンされるとき前記電動モータから前記抵抗器への充電電流の通電を許容する一方、オフされるとき阻止する第2スイッチング素子と、前記二次電池の温度を検出する二次電池温度検出手段と、前記モータドライバ回路の内部電圧を検出する回路内部電圧検出手段とを備えると共に、前記制御部は、前記二次電池温度検出手段と回路内部電圧検出手段の出力に基づいて前記第1、第2スイッチング素子のオン/オフ動作を制御する如く構成した。
請求項1に係るウォークビハインド型の電動芝刈り機にあっては、二次電池と電動モータを接続する電流路に配置され、オンされるとき電動モータから二次電池への充電電流の通電を許容する一方、オフされるとき阻止する第1スイッチング素子と、電流路に介挿される抵抗器と、電流路において抵抗器と直列に介挿され、オンされるとき電動モータから抵抗器への充電電流の通電を許容する一方、オフされるとき阻止する第2スイッチング素子と、二次電池の温度を検出する二次電池温度検出手段と、モータドライバ回路の内部電圧を検出する回路内部電圧検出手段とを備えると共に、制御部は、二次電池温度検出手段と回路内部電圧検出手段の出力に基づいて第1、第2スイッチング素子のオン/オフ動作を制御する如く構成したので、例えば、検出された二次電池温度が低いときは二次電池への充電電流(回生電流)の通電を阻止するように第1スイッチング素子のオン/オフ動作を制御することで二次電池の特性の劣化を回避することができ、よって二次電池の充電に支障が生じるのを確実に回避することができる。
また、検出されたモータドライバ回路の内部電圧が保護電圧を超えるときは例えば抵抗器への充電電流(回生電流)の通電を許容するように第2スイッチング素子のオン/オフ動作を制御することで、抵抗器への通電によってモータドライバ回路の内部電圧が過度に増加するのを防止することができる。
また、第1、第2スイッチング素子のオン/オフ動作を制御することで、二次電池の状態によって電動モータで発生される回生電流を二次電池に戻すか否かを容易に選択することができる。また、回生電流を二次電池に戻せない場合でも、例えば抵抗器への通電を許容することによってモータドライバ回路の内部電圧が過度に増加するのを防止できるので、機械的なブレーキを備えない場合でも、二次電池の状態によらず、確実なブレーキ力を得ることができる。
この発明の実施形態に係る電動芝刈り機の制御装置を全体的に示す概略図である。 図1装置の構成部品の電気的な接続関係を示すブロック図である。 図1装置の動作を示すフロー・チャートである。
以下、添付図面に即してこの発明の実施形態に係る電動芝刈り機の制御装置を実施するための形態について説明する。
図1はこの発明に係る電動芝刈り機の制御装置を全体的に示す概略図である。
図1において符号10は電動芝刈り機(以下、「芝刈り機」という)を示し、芝刈り機10は機体(フレーム)12を備える。機体12には電動モータ(以下「モータ」という)14と、ブレードカッタ16と、二次電池(以下「バッテリ」という)20と、ケース22aに収容された電子回路基板22とを備える。
バッテリ20はリチウムイオン電池などの通例の鉛電池に比してエネルギ密度の高い、充電可能な電池からなる。
機体12は図示のように車体類似の構造を呈すると共に、その下部に配置される一対の前輪12aと後輪12b(共に手前側のみ図示)とハンドル12cを備え、ユーザUによって後方からハンドル12cを手押しされて芝生育地Gを移動可能に構成される。
モータ14は機体12の中央付近に配置される。図示は省略するが、機体12においてモータ14の配置位置の下面は円形に切り欠かれて中空円筒状のカッタ室が形成され、そこにブレードカッタ16(とブロア(図示せず))が回転可能に収容される。機体12の上部はカバー12dで被覆される。
ブレードカッタ16とブロアはモータ14の出力軸14aに接続され、ブレードカッタ16はモータ14によって回転駆動されるとき、芝生育地Gの芝を刈り取るように構成される。刈り取られた芝はブロアによって放出口(図示せず)に圧送され、そこから機体12の後方に装着されるグラスバッグ24に集められる。ハンドル12cの付近にはユーザUがモータ14の始動・停止指示を入力可能なスイッチ(SW)26が設けられる。
図2は図1装置の構成部品の電気的な接続関係を示すブロック図である。
図示の如く、電子回路基板22上には、バッテリ20とモータ14とを接続する電流路30が形成される。電流路30は正側電流路30aと負側電流路30bからなる。尚、図2において符号32は端子を示す。
電流路30にはモータ14への動作電源の供給を調整するモータドライバ回路(以下「ドライバ回路」という)34が接続される。ドライバ回路34は具体的には、正側電流路30aと負側電流路30bの間に接続される。
モータ14は三相ブラシレスDCモータからなり、例えば外側にフライホイール型の内周面に複数組の永久磁石が配置された回転子(ロータ)と、それに対向して内側に複数個の突起とそれに巻回される、120度間隔に配置されたU,V,Wの三相コイル14bからなる固定子(ステータ)を備える多極のアウタロータ型から構成される。
ドライバ回路34は詳しくは、ブリッジ接続された複数組のゲート素子、即ち、絶縁FETと寄生ダイオードからなる正側の3個のゲート素子と負側の3個のゲート素子の計6個のゲート素子34a,34b,34c,34d,34e,34fと、6個のゲート素子のゲートに駆動電圧を出力してその動作を調整するドライバ34gとから構成されるインバータ回路からなる。
電子回路基板22上にはドライバ34gを通じてドライバ回路34の動作を制御するECU(Electronic Control Unit。電子制御ユニット(制御部(制御手段))36が配置される。ECU36は電流路30から動作電源の供給を受ける。
ECU36は具体的には、スイッチ26を通じてユーザUからモータ14の始動指示が入力されたとき、電流路30を通じて放電されるバッテリ20の放電電力をU,V,Wコイルにそれぞれ接続される6個のゲート素子34a―34fのゲートに順次位相順に動作電源として印加するようにドライバ34gの動作をPWM制御し、モータ14を回転させる。
また、ECU36は、スイッチ26を通じてユーザUからモータ14の停止指示が入力されたとき、U,V,W相に順次生じる誘導起電圧のタイミングに合わせて対応するゲート素子を駆動させて回生駆動し、三相コイル14bが回生電流を生じるように制御する。よって生じた回生電流は電流路30、より詳しくは正側電流路30a、負側電流路30bを通ってバッテリ20に回生電流として供給される。
尚、モータ14には3個のホール(Hall)素子センサ40が配置され、ロータの位置とモータ14の回転数に応じた出力を生じる。ホール素子センサ40の出力も電子回路基板22に入力されてECU36に送られる。ECU36はそれに基づいてドライバ34gの動作を上記の如く制御する。
電流路30、具体的には正側電流路30aには、ドライバ回路34のゲート素子と同様の、絶縁FETと寄生ダイオードからなる2個のスイッチング素子42、より具体的には充電スイッチング素子(第1スイッチング素子)42aと放電スイッチング素子42bからなる2個のスイチング素子が直列に介挿される。
充電スイッチング素子42aは、オンされるとき、モータ14からバッテリ20への充電電流の通電を許容する一方、オフされるとき、阻止するように構成される。放電スイッチング素子42bは、オンされるとき、バッテリ20からモータ14への放電電流の通電を許容する一方、オフされるとき、阻止するように構成される。
このように、電流路30にモータ14からバッテリ20への充電電流の通電を許容する充電スイッチング素子42aと、バッテリ20からモータ14への放電電流の通電を許容する放電スイッチング素子42bを直列に、換言すればオン・オフが二者択一的となるように介挿することで充電と放電を容易に制御することが可能となる。
また、電流路30、具体的には正側電流路30aと負側電流路30bの間にはブレーキ抵抗(抵抗器)44が介挿されると共に、ブレーキ抵抗44と直列に、充電スイッチング素子42aと同様の、絶縁FETと寄生ダイオードからなる回生抵抗スイッチング素子(第2スイッチング素子)46が介挿される。
回生抵抗スイッチング素子46は、オンされるとき、ドライバ回路34に貯留されたモータ14の回生時の充電電流のブレーキ抵抗44への通電を許容する一方、オフされるとき阻止するように構成される。
尚、ブレーキ抵抗44と回生抵抗スイッチング素子46は詳しくは正側電流路30aの充電スイッチング素子42a/放電スイッチング素子42bの介挿位置の下流位置と負側電流路30bを接続する接続回路50に介挿されると共に、通電による発熱の影響を低減するため、接続回路50においてブレーキ抵抗44は電子回路基板22の外部に配置される。
バッテリ20は制御部20aを備え、制御部20aはバッテリ20の温度を検出する温度センサ(二次電池温度検出手段)20bとバッテリ20の残容量(State of Charge)を検出する電圧/電流センサ(二次電池残容量検出手段)20cを備える。
バッテリ20の制御部20aと電子回路基板22は高低2本のCAN(Control Area Network)通信線52で接続され、検出されたバッテリ20の温度と残容量と放電許可などを示す信号が制御部20aからECU36に送信される。尚、バッテリ20の放電の可否などはECU36で判断するようにしても良い。
正側電流路30aと負側電流路30bは第2の接続回路54で接続される。第2の接続回路54には平滑コンデンサ54aが設けられて回生電流の交流から直流への変換時の脈動を吸収して平滑化する。平滑コンデンサ54aと並列に設けられる抵抗54bはモータ14の負荷変動による電圧降下などを安定化させる。
さらに、正側電流路30aは途中で分岐され、端子32を介して電子回路基板22に入力され、正側電流路30aに充電スイッチング素子42a/放電スイッチング素子42bの配置位置の下流で接続される分岐回路56が形成される。
分岐回路56にはダイオード56aと抵抗56bが直列に介挿され、放電スイッチング素子42bがオンされたときに平滑コンデンサ54aに突入電流が流れるのを防止するプリチャージ抵抗として機能する。
また、正側電流路30aを分圧してECU36に動作電源として供給する分圧回路には検出抵抗からなる電圧センサ(回路内部電圧検出手段)60が設けられ、検出したドライバ回路34の回路内部電圧をECU36に出力する。
図3は図1装置の動作を示すフロー・チャートであり、ECU36によって実行される。
以下説明すると、S10においてバッテリ20の状態を検出する。具体的には温度センサ20bと電圧/電流センサ20cによってバッテリ20の温度と残容量を検出する。
次いでS12に進み、充電可か、即ち、温度センサ20bによって検出されたバッテリ20の温度が適宜設定される所定温度以上か否か判断し、検出されたバッテリ20の温度が所定温度以上と判断されるときはS14に進み、充電スイッチング素子42aをオンさせてモータ14からバッテリ20への充電電流の通電を許容する。
その結果、前記した如く、モータ14の交流出力はゲート素子34a―34fの寄生ダイオードで整流され、よって生じた回生電流は電流路30を介してバッテリ20に回生電流として供給され、バッテリ20を充電する。
他方、S12において否定されるとき、即ち、バッテリ20の温度が所定温度未満と判断されるときはS16に進み、充電スイッチング素子42aをオフさせてモータ14からバッテリ20への充電電流の通電を阻止する。その結果、生成された回生電流(より正確には回生エネルギ(電力))はドライバ回路34に貯留される。
尚、S12においてはバッテリ20の温度に加え、電圧/電流センサ20cによって検出されたバッテリ20の残容量に基づいて充電可か否かが判断される。即ち、S12においては検出された残容量が所定容量未満か否かで充電可かどうか判断する。
S12で肯定されて所定容量未満と判断されるときはS14に進み、充電スイッチング素子42aをオンさせてモータ14からバッテリ20への充電電流の通電を許容する。一方、S12において否定されてバッテリ20の残容量が所定容量以上と判断されるときはS16に進み、充電スイッチング素子42aをオフさせてモータ14からバッテリ20への充電電流の通電を阻止する。
次いでS18に進み、ドライバ回路34の内部電圧を電圧センサ60の出力から検出し、S20に進み、電圧センサ60によって検出されたドライバ回路34の内部電圧が適宜設定される保護電圧以上か否か判断する。
S18で肯定、即ち、保護電圧以上と判断されるときはS22に進み、回生抵抗スイッチング素子46をオンさせてモータ14からブレーキ抵抗44への充電電流の通電を許容する。ここで、「保護電圧」はドライバ回路34の電圧がその値以上となるのを防止すべき値に設定される。
その結果、前記した如く、負側電流路30bと正側電流路30aが接続され、ドライバ回路34に貯留された回生電流はブレーキ抵抗44に流れて消費され、それによってドライバ回路34の内部電圧が過度に上昇するのを抑制することができる。
他方、S20で否定、即ち、検出されたドライバ回路34の内部電圧が所定の保護電圧未満と判断されるとき、内部電圧が過度に上昇する不都合が生じていないので、S24に進み、回生抵抗スイッチング素子46をオフさせてモータ14からブレーキ抵抗44への充電電流の通電を阻止する。
上記した如く、この実施形態においては、ユーザUによって後方から手押しされて芝生育地Gを移動可能な機体12と、前記機体に搭載される電動モータ14と、前記機体の下面に配置されると共に、前記電動モータ14に接続され、前記電動モータ14で回転駆動されるとき、前記芝を刈り取り可能なブレードカッタ16と、前記機体12に搭載されると共に、前記電動モータ14に接続され、前記電動モータ14に貯留電力を動作電源として放電する一方、前記ブレードカッタ16の回転駆動の制動時に前記電動モータ14からの回生電流によって充電される二次電池(バッテリ)20と、前記電動モータ14への動作電源の供給を調整するモータドライバ回路34と、前記モータドライバ回路の動作を制御する制御部(制御手段。ECU)36とを備えたウォークビハインド型の電動芝刈り機10の制御装置において、前記二次電池20と電動モータ14を接続する電流路30に配置され、オンされるとき前記電動モータ14から前記二次電池20への充電電流の通電を許容する一方、オフされるとき阻止する第1(充電)スイッチング素子42aと、前記電流路30に介挿される抵抗器(ブレーキ抵抗)44と、前記電流路30において前記抵抗器44と直列に介挿され、オンされるとき前記電動モータ14から前記抵抗器44への充電電流の通電を許容する一方、オフされるとき阻止する第2(回生抵抗)スイッチング素子46と、前記二次電池20の温度を検出する二次電池温度検出手段(温度センサ)20bと、前記モータドライバ回路34の内部電圧を検出する回路内部電圧検出手段(電圧センサ)60とを備えると共に、前記制御部(ECU)36は、前記二次電池温度検出手段と回路内部電圧検出手段の出力に基づいて前記第1、第2スイッチング素子42a,46のオン/オフ動作を制御する(S10からS24)如く構成したので、例えば、検出された二次電池(バッテリ)温度が低いときは二次電池20への充電電流(回生電流)の通電を阻止するように第1スイッチング素子42aのオン/オフ動作を制御することで二次電池20の特性の劣化を回避することができ、よって二次電池の充電に支障が生じるのを確実に回避することができる。
また、検出されたモータドライバ回路34の内部電圧が保護電圧を超えるときは例えば抵抗器(ブレーキ抵抗)44への充電電流(回生電流)の通電を許容するように第2スイッチング素子46のオン/オフ動作を制御することで、抵抗器44への通電によってモータドライバ回路34の内部電圧が過度に増加するのを防止することができる。
また、第1、第2スイッチング素子42a,46のオン/オフ動作を制御することで、二次電池(バッテリ)20の状態によって電動モータ14で発生される回生電流を二次電池20に戻すか否かを容易に選択することができる。また、回生電流を二次電池20に戻せない場合でも、例えば抵抗器44への通電を許容することによってモータドライバ回路34の内部電圧が過度に増加するのを防止することができるので、機械的なブレーキを備えない場合でも、二次電池20の状態によらず、確実なブレーキ力を得ることができる。
また、前記制御部(ECU)36は、前記二次電池温度検出手段(温度センサ)20bによって検出された前記二次電池20の温度が所定温度以上のとき前記第1スイッチング素子42aをオンさせて前記電動モータ14から前記二次電池20への充電電流の通電を許容する一方、前記二次電池20の温度が前記所定温度未満のとき前記第1スイッチング素子42aをオフさせて前記電動モータ14から前記二次電池20への充電電流の通電を阻止する(S10からS16)如く構成したので、上記した効果に加え、充電可能な場合に限り、モータ14の回生電流をバッテリ20に確実に供給してバッテリ20を充電することができる。
また、前記制御部(ECU)36は、前記回路内部電圧検出手段(電圧センサ)60によって検出された前記モータドライバ回路34の内部電圧が保護電圧以上のとき前記第2スイッチング素子46をオンさせて前記電動モータ14から前記抵抗器(ブレーキ抵抗)44への充電電流の通電を許容する一方、前記検出された前記モータドライバ回路34の内部電圧が前記保護電圧未満のとき前記第2スイッチング素子46をオフさせて前記電動モータ14から前記抵抗器44への充電電流の通電を阻止する(S18からS24)如く構成したので、上記した効果に加え、回生電流を二次電池20に戻せない場合でも、抵抗器44への通電を許容することによってモータドライバ回路34の内部電圧が過度に増加するのを確実に防止できるので、機械的なブレーキを備えない場合でも、二次電池20の状態によらず、確実なブレーキ力を得ることができる。
また、前記二次電池20の残容量を検出する二次電池残容量検出手段(電圧/電流センサ)20cを備え、前記制御部(ECU)36は、前記二次電池残容量検出手段によって検出された前記二次電池20の残容量が所定容量未満のとき前記第1スイッチング素子42aをオンさせて前記電動モータ14から前記二次電池20への充電電流の通電を許容する一方、前記二次電池20の残容量が前記所定容量以上のとき前記第1スイッチング素子42aをオフさせて前記電動モータ14から前記二次電池20への充電電流の通電を阻止する(S10からS16)如く構成したので、上記した効果に加え、充電可能な場合に限り、モータ14の回生電流をバッテリ20に確実に供給してバッテリ20を充電することができる。
尚、上記において、ウォークビハインド型の電動芝刈り機を開示したが、図示の構成は例示であり、それに限定されるものではなく、電動作業機であれば同様に妥当する。
10 電動芝刈り機(芝刈り機)、12 機体(フレーム)、14 電動モータ(モータ)、16 ブレードカッタ、20 二次電池(バッテリ)、20a 制御部、20b 温度センサ(二次電池温度検出手段)、20c 電圧/電流センサ(二次電池残容量検出手段)、22 電子回路基板、22a ケース、24 グラスバッグ、26 スイッチ、30 電流路、30a 正側電流路、30b 負側電流路、32 端子、34 モータドライバ回路(ドライバ回路)、34a,34b,34c,34d,34e,34f ゲート素子、34g ドライバ、36 ECU(電子制御ユニット。制御部(制御手段))、40 ホール素子センサ、42 スイッチング素子、42a 充電スイッチング素子(第1スイッチング素子)、42b 放電スイッチング素子、44ブレーキ抵抗(抵抗器)、46 回生抵抗スイッチング素子(第2スイッチング素子)、50,54 接続回路、56 分岐回路、60 電圧センサ(回路内部電圧検出手段)

Claims (4)

  1. ユーザによって後方から手押しされて芝生育地を移動可能な機体と、前記機体に搭載される電動モータと、前記機体の下面に配置されると共に、前記電動モータに接続され、前記電動モータで回転駆動されるとき、前記芝を刈り取り可能なブレードカッタと、前記機体に搭載されると共に、前記電動モータに接続され、前記電動モータに貯留電力を動作電源として放電する一方、前記ブレードカッタの回転駆動の制動時に前記電動モータからの回生電流によって充電される二次電池と、前記電動モータへの動作電源の供給を調整するモータドライバ回路と、前記モータドライバ回路の動作を制御する制御部とを備えたウォークビハインド型の電動芝刈り機の制御装置において、前記二次電池と電動モータを接続する電流路に配置され、オンされるとき前記電動モータから前記二次電池への充電電流の通電を許容する一方、オフされるとき阻止する第1スイッチング素子と、前記電流路に介挿される抵抗器と、前記電流路において前記抵抗器と直列に介挿され、オンされるとき前記電動モータから前記抵抗器への充電電流の通電を許容する一方、オフされるとき阻止する第2スイッチング素子と、前記二次電池の温度を検出する二次電池温度検出手段と、前記モータドライバ回路の内部電圧を検出する回路内部電圧検出手段とを備えると共に、前記制御部は、前記二次電池温度検出手段と回路内部電圧検出手段の出力に基づいて前記第1、第2スイッチング素子のオン/オフ動作を制御することを特徴とする電動芝刈り機の制御装置。
  2. 前記制御部は、前記二次電池温度検出手段によって検出された前記二次電池の温度が所定温度以上のとき前記第1スイッチング素子をオンさせて前記電動モータから前記二次電池への充電電流の通電を許容する一方、前記二次電池の温度が前記所定温度未満のとき前記第1スイッチング素子をオフさせて前記電動モータから前記二次電池への充電電流の通電を阻止することを特徴とする請求項1記載の電動芝刈り機の制御装置。
  3. 前記制御部は、前記回路内部電圧検出手段によって検出された前記モータドライバ回路の内部電圧が保護電圧以上のとき前記第2スイッチング素子をオンさせて前記電動モータから前記抵抗器への充電電流の通電を許容する一方、前記検出された前記モータドライバ回路の内部電圧が前記保護電圧未満のとき前記第2スイッチング素子をオフさせて前記電動モータから前記抵抗器への充電電流の通電を阻止することを特徴とする請求項1または2記載の電動芝刈り機の制御装置。
  4. 前記二次電池の残容量を検出する二次電池残容量検出手段を備え、前記制御部は、前記二次電池残容量検出手段によって検出された前記二次電池の残容量が所定容量未満のとき前記第1スイッチング素子をオンさせて前記電動モータから前記二次電池への充電電流の通電を許容する一方、前記二次電池の残容量が前記所定容量以上のとき前記第1スイッチング素子をオフさせて前記電動モータから前記二次電池への充電電流の通電を阻止することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の電動芝刈り機の制御装置。
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