JP6659995B2 - Vibration wave motor and optical equipment - Google Patents
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Description
本発明は、振動波モータ及び光学機器に関するものである。 The present invention relates to a vibration wave motor and an optical device.
従来、振動波モータを備えるレンズ鏡筒がある。振動波モータは、電気機械変換素子と、電気機械変換素子により振動される振動子と、振動子に加圧接触され、振動子の振動によって回転移動する移動子とを備える(特許文献1参照)。このような振動波モータは、ダイナミックレンジを上げすぎると異音を発生する恐れがある。 Conventionally, there is a lens barrel provided with a vibration wave motor. The vibration wave motor includes an electromechanical transducer, a vibrator vibrated by the electromechanical transducer, and a movable element that is brought into pressure contact with the vibrator and that rotates and moves by vibrating the vibrator (see Patent Document 1). . Such a vibration wave motor may generate abnormal noise if the dynamic range is raised too much.
本発明の振動波モータは、電気機械変換素子の振動により振動する振動子と、前記振動子に加圧接触され、前記振動子に対して相対移動する移動子と、を備える円環形状であり、前記振動子は、前記電気機械変換素子と接するベース部と、前記ベース部から前記移動子側に延びる櫛歯状に形成された櫛歯部と、を有し、前記櫛歯部における、前記電気機械変換素子から前記移動子に向かう高さをKh、前記ベース部の前記高さをBh、前記櫛歯部及び前記ベース部の径方向の幅をKr、前記電気機械変換素子に入力される駆動信号の波長をλ、としたときに、係数C=(Kh/Bh)×(Kr/λ)が、0.17〜0.5という構成にした。
また本発明の光学機器は、上記振動波モータを備える構成とした。
A vibration wave motor according to the present invention has an annular shape including a vibrator that vibrates due to vibration of an electromechanical transducer, and a mover that is in pressure contact with the vibrator and moves relatively to the vibrator. The vibrator has a base portion in contact with the electromechanical transducer, and a comb-shaped portion formed in a comb shape extending from the base portion to the mover side. The height from the electromechanical transducer toward the mover is Kh, the height of the base is Bh, the radial widths of the comb teeth and the base are Kr, and are input to the electromechanical transducer. When the wavelength of the drive signal is λ, the coefficient C = (Kh / Bh) × (Kr / λ) is configured to be 0.17 to 0.5.
Further, an optical apparatus according to the present invention is configured to include the vibration wave motor.
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、実施形態の振動波モータを備えるレンズ鏡筒20を備えたカメラ1を説明する図である。
カメラ1は、静止画及び動画撮影が可能なカメラであって、撮像光学系であるレンズ鏡筒20と、撮像素子30と、AFE(Analog front end)回路60と、画像処理部70と、音声検出部80と、操作部材90と、CPU100と、バッファメモリ110と、記録インターフェース120と、メモリ130と、モニタ140とから構成され、外部機器のPC150との接続が可能となっている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a diagram illustrating a camera 1 including a
The camera 1 is a camera capable of capturing a still image and a moving image, and includes a
レンズ鏡筒20は、複数の光学レンズ群Lにより構成され、被写体像を撮像素子30の受光面に結像させる。図1では、複数の光学レンズ群Lを簡略化して、単レンズとして図示している。この光学レンズ群Lのうちの、後述するAF用の第3レンズ群L3(図2に図示)は、振動波モータ10により駆動される。
The
撮像素子30は、受光面に受光素子が二次元的に配列されたCMOSイメージセンサ等によって構成される。撮像素子30は、レンズ鏡筒20を通過した光束による被写体像を光電変換してアナログ画像信号を生成する。
The
アナログ画像信号は、AFE回路60に入力される。AFE回路60は、アナログ画像信号に対するゲイン調整(ISO感度に応じた信号増幅)を行う。具体的には、CPU100からの感度設定指示に応じて、撮像感度を所定範囲内で変更する。AFE回路60は、更に、内蔵するA/D変換回路によってアナログ処理後の画像信号をデジタルデータに変換する。そのデジタルデータは、画像処理部70に入力される。
The analog image signal is input to the
画像処理部70は、デジタル画像データに対して、各種の画像処理を行う。
バッファメモリ110は、画像処理部70による画像処理の前工程や後工程での画像データを一時的に記録する。
The
The
音声検出部80は、マイクと信号増幅部とから構成され、主に動画撮影時に被写体方向からの音声を検出して取り込み、そのデータをCPU100へ伝達する。
The
操作部材90は、モードダイヤル、十字キー、決定ボタンやレリーズボタンを示し、各操作に応じた操作信号をCPU100へ送出する。静止画撮影や動画撮影の設定は、該操作部材90により設定される。
The
CPU100は、不図示のROMに格納されたプログラムを実行することによってカメラ1が行う動作を統括的に制御する。例えば、AF(オートフォーカス)動作制御、AE(自動露出)動作制御、オートホワイトバランス制御等を行う。
The
記録インターフェース120は、不図示のコネクタを有し、該コネクタにメモリカード121等の記録媒体が接続され、接続された記録媒体に対して、データの書き込みや、記録媒体からのデータの読み込みを行う。
The
メモリ130は、画像処理した一連の画像データを記録する。本実施形態のカメラ1においては、動画に対応した画像を取り込む。
モニタ140は、液晶パネルによって構成され、CPU100からの指示に応じて、操作メニュー、静止画像及び動画等を表示する。
The memory 130 records a series of image data subjected to image processing. The camera 1 of the present embodiment captures an image corresponding to a moving image.
The
次に、レンズ鏡筒20について説明する。
図2は、実施形態のレンズ鏡筒20を説明する図である。図3は、実施形態の振動波モータ10の振動子11を説明する図である。
レンズ鏡筒20は、レンズ鏡筒20の外周部を覆う外側固定筒31と、外側固定筒31よりも内周側に位置する内側固定筒32と、を備え、更に外側固定筒31と内側固定筒32との間に振動波モータ10を備える。
Next, the
FIG. 2 is a diagram illustrating the
The
内側固定筒32には、被写体側から第1レンズ群L1、第2レンズ群L2、AF環34に保持されたAFレンズである第3レンズ群L3、第4レンズ群L4が配置されている。第1レンズ群L1、第2レンズ群L2及び第4レンズ群L4は、内側固定筒32に固定されている。第3レンズ群L3は、AF環34が移動することにより内側固定筒32に対して移動可能に構成される。
A first lens unit L1, a second lens unit L2, a third lens unit L3, which is an AF lens held by an
図2に示すように、振動波モータ10は、振動子11、移動子15、加圧部材18等を備え、振動子11側を固定とし、移動子15を回転駆動する形態となっている。
振動子11について説明する。図3に示すように、振動子11は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する圧電素子や電歪素子等を例とした電気−機械変換素子(以下、圧電体13と称する)と、圧電体13を接合した弾性体12とから構成されている。振動子11には進行波が発生するようにされている。
As shown in FIG. 2, the
The
弾性体12は、共振先鋭度が大きな金属材料から成っている。弾性体2の形状は、円環形状である。弾性体12における圧電体13が接触する面の反対の面には、溝12cが切られた櫛歯部12aとなっており、突起部分(溝がない箇所)の先端面が駆動面となり移動子15に加圧接触される。
振動波モータ10は、圧電体13の励振により駆動面に発生する駆動力を用いて移動子15を駆動することによって第3レンズ群L3を駆動する。溝12cを切る理由は、進行波の中立面をできる限り圧電体13側に近づけ、これにより駆動面の進行波の振幅を増幅させるためである。弾性体12のうち、圧電体13が接触する接触面から移動子15が接触する接触面までのうち、溝12cの切っていない部分を本実施形態ではベース部12bと呼ぶ。
The
The
ベース部12bの櫛歯部12aとは反対面に圧電体13が接して配置されている。弾性体12の駆動面には潤滑性の表面処理がなされている。
The
圧電体13は、一般的には通称PZTと呼ばれるチタン酸ジルコン酸鉛といった材料から構成されているが、PZTに限らずその他の材料を用いてもよい。例えば、鉛フリーの材料であるニオブ酸カリウムナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸ナトリウム、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム等から構成されていてもよい。
The
図2に示すように、圧電体13の下には、不織布16、加圧板17、加圧部材18が配置されている。不織布16は、フェルトを例としたものであり、圧電体13の下に配置されていて、振動子11の振動を加圧板17や加圧部材18に伝えないようにしてある。
As shown in FIG. 2, a
加圧板17は、加圧部材18の加圧を受けるようにされている。加圧部材18は、皿バネにより構成され、加圧板17の下に配置されていて、加圧力を発生させるものである。本実施形態では、加圧部材18を皿バネとしたが、皿バネでなくともコイルバネやウェーブバネでも良い。加圧部材18は、押さえ環19が固定部材14に固定されることで、保持される。
The
移動子15は、アルミニウム等の軽金属からなり、摺動面の表面15aには耐摩耗性向上のための摺動材料等の表面処理がなされている(図3参照)。
The moving
移動子15の上には、移動子15の縦方向の振動を吸収するために、ゴム等により形成された振動吸収部材23が配置され、その上には、出力伝達部材24が配置されている。
A
出力伝達部材24は、固定部材14に設けられたベアリング25により、加圧方向と径方向とを規制し、これにより、移動子15の加圧方向と径方向とが規制されるようにされている。
The
出力伝達部材24は、突起部24aがあり、そこからカム環36に接続されたフォーク35が嵌合している。カム環36は、出力伝達部材24の回転とともに回転される。
The
カム環36には、周方向に対して斜めにキー溝37が切られている。また、AF環34の外周側には、固定ピン38が設けられている。固定ピン38は、キー溝37に嵌合していて、カム環36が回転駆動することにより、AF環34は光軸直進方向に駆動され、所望の位置に停止できるようになっている。
A
固定部材14には、押さえ環19がネジにより取り付けられている。押さえ環19を固定部材14に取り付けることで、出力伝達部材24から移動子15、振動子11、加圧部材18までを一つのモータユニットとして構成できる。
A holding
次に、振動波モータ10を駆動する駆動装置40Aについて説明する。
図4は、振動波モータ10の駆動装置40Aを説明するブロック図である。駆動装置40Aは、基板40(図2参照)に設けられている。
駆動装置40Aは、図4に示すように、振動波モータ10に接続されており、振動波モータ10に設けられた回転検出部45から振動波モータ10の回転速度情報を受信するとともに、振動波モータ10の制御も行う。
Next, a
FIG. 4 is a block diagram illustrating a
The driving
駆動装置40Aは、駆動制御部41と、発振部42と、移相部43と、増幅部44とを備える。
駆動制御部41は、レンズ鏡筒20内又はカメラ1本体のCPU100からの駆動指令を基に振動波モータ10の駆動を制御する。駆動制御部41には、振動波モータ10に取り付けられた回転検出部45から、制御情報として振動波モータ10の回転情報が入力されるようになっている。
The
The
発振部42は、駆動制御部41の指令により所望の波長及び周波数の駆動信号を発生する。
移相部43は、発振部42で発生した駆動信号を位相の異なる2つの駆動信号に分ける。
増幅部44は、移相部43によって分けられた2つの駆動信号をそれぞれ所望の電圧に昇圧する。
増幅部44からの2つの駆動信号は、振動波モータ10に伝達され、この2つの駆動信号の印加により振動子11に進行波が発生し、移動子15が駆動される。
The oscillating
The
The
The two driving signals from the amplifying
回転検出部45は、光学式エンコーダや磁気エンコーダ等により構成され、移動子15の駆動によって駆動された被駆動物の位置や速度を検出し、検出値を電気信号として駆動制御部41に出力する。
The
上記構成の駆動装置40Aは、駆動制御部41が、レンズ鏡筒20内又はカメラ1本体のCPU100からの駆動指令に基づいて、振動波モータ10の駆動を制御する。すなわち、駆動制御部41は、回転検出部45からの検出信号を受信すると、その値を基に、位置情報と速度情報とを得て、目標位置に位置決めされるように、駆動信号を制御する。すなわち、発振部42による周波数、移相部43による位相差、及び増幅部44による電圧を制御する。
In the
本実施形態は、上述の構成のレンズ鏡筒20の性能を向上するために、振動波モータ10の回転数のダイナミックレンジを拡張する。振動波モータ10の回転数のダイナミックレンジの拡張とは、振動波モータ10において使用可能な回転数の範囲を拡大することである。
In the present embodiment, in order to improve the performance of the
そこで、回転数の下限について検討する。
振動波モータ10の駆動周波数や位相差を操作することで、振動波モータ10の回転数を下げることはできるが、回転数が一定の値以下になると、振動子11から移動子15へ駆動力が伝達できずに、移動子15の回転が停止する。
Therefore, the lower limit of the number of revolutions will be examined.
By manipulating the driving frequency and the phase difference of the
ここで、力係数A及び電気機械結合係数Kvnについて説明する。
力係数Aとは、圧電体13を等価回路で表した時のインダクタンスと、圧電体13及び弾性体12等からなるステータの質量mで表されるパラメータである。
電気機械結合係数Kvnとは、振動波モータ10に加えられた電気的エネルギーのうち、機械的エネルギーに変えられる割合の平方根である。電気機械結合係数Kvnは、電気的エネルギーから機械的エネルギーへの変換効率(電気機械結合係数)を示す。この値が大きいほど、電気的エネルギーから機械的エネルギーへの変換効率が高い。
Here, the force coefficient A and the electromechanical coupling coefficient Kvn will be described.
The force coefficient A is a parameter represented by an inductance when the
The electromechanical coupling coefficient Kvn is a square root of a ratio of electrical energy applied to the
これらの力係数A又は電気機械結合係数Kvnを高くすることにより、電気的エネルギーと機械的エネルギー間の変換効率が向上するので、振動波モータ10の回転数の下限を下げることができると考えられる。
It is considered that by increasing the force coefficient A or the electromechanical coupling coefficient Kvn, the conversion efficiency between electric energy and mechanical energy is improved, so that the lower limit of the rotation speed of the
図5は、実施形態の振動波モータ10に備えられている振動子11の断面図である。図示するように、櫛歯部12aの高さ:Kh、ベース部12bの高さ:Bh、櫛歯部12a及びベース部12bの径方向の幅(内径と外径との差):Krとし、発振部42により発振されて圧電体13に入力される入力電圧の波長:λとする。
そして、これらの値より算出される以下の係数Cを導入する。
C=(Kh/Bh)×(Kr/λ)
ここで、櫛歯部12aの高さKhとは、櫛歯部12aのうちの圧電体13が接触する接触面側から移動子が接触する接触面までの距離(長さ)である。ベース部12bの高さBhとは、弾性体12の圧電体13が接触する接触面から移動子の接触面までの距離(長さ)のうち、櫛歯部12aの高さを除く部分の距離(長さ)である。
FIG. 5 is a cross-sectional view of the
Then, the following coefficient C calculated from these values is introduced.
C = (Kh / Bh) × (Kr / λ)
Here, the height Kh of the
この係数Cと、力係数及びKvnとの関係をシミュレーションにより求めた。
図6は力係数と係数Cとの関係を示したグラフである。図7は電気機械結合係数と係数Cとの関係を示したグラフである。
図6に図示するように、係数Cの値が大きくなると、力係数Aも大きくなる。
The relationship between the coefficient C, the force coefficient, and Kvn was determined by simulation.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the force coefficient and the coefficient C. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the electromechanical coupling coefficient and the coefficient C.
As shown in FIG. 6, as the value of the coefficient C increases, the force coefficient A also increases .
すなわち、C=(Kh/Bh)×(Kr/λ)における、櫛歯部12aの高さ:Kh、ベース部12bの高さ:Bh、櫛歯部12a及びベース部12bの径方向の幅(内径と外径との差):Kr、入力電圧の波長:λのいずれかの値を調整して係数Cの値を大きくすることにより、力係数Aを大きくすることができる。
That is, at C = (Kh / Bh) × (Kr / λ), the height of the
振動波モータ10の回転数は、駆動電圧が低ければ低く、駆動電圧が高ければ大きくなるが、駆動電圧があまり低いと、移動子15に駆動力が伝達されず、回転しない。
しかし、上述のように、係数Cを大きくすると、力係数Aが大きくなり、電気的エネルギーから機械的エネルギーへの変換効率が向上する。そのため、力係数Aが大きくなると、より小さい電気エネルギーでも回転数を出すことができる。したがって係数Cを大きくすることにより、回転力を伝達することができる下限の電圧(起動可能電圧)を下げることができ、回転数のダイナミックレンズを広げることができると考えられる。
The rotation speed of the
However, as described above, when the coefficient C is increased, the force coefficient A is increased, and the conversion efficiency from electrical energy to mechanical energy is improved. Therefore, when the force coefficient A increases, the number of rotations can be obtained even with smaller electric energy. Therefore, it is considered that by increasing the coefficient C, the lower limit voltage (startable voltage) at which the rotational force can be transmitted can be reduced, and the dynamic lens of the rotational speed can be increased.
図8は、実際の係数Cの値を変えて、起動可能電圧を測定した結果を示したグラフである。
ここで、実際に測定した結果、係数C<0.17においては、振動波モータ10より異音が発生した。この理由は、係数Cが小さくなると、振動波モータ10における振動子11と移動子15との間の加圧力が小さくなるからと考えられる。
また、0.5<係数Cにおいても、振動波モータ10より異音が発生した。これは係数Cが0.5より大きくなると、櫛歯部12aにおいて、移動子15を回転駆動する振動モード以外の他の振動モードが発生し、この他の振動モードの干渉によって、振動波モータ10の挙動が安定しないからと考えられる。
したがって、振動波モータ10を駆動させて異音を発生させないためには、係数Cは、0.17≦C≦0.5が好ましい。
FIG. 8 is a graph showing the result of measuring the startable voltage while changing the actual value of the coefficient C.
Here, as a result of the actual measurement, at the coefficient C <0.17, abnormal noise was generated from the
Also, when 0.5 <coefficient C, abnormal noise was generated from the
Therefore, the coefficient C is preferably set to 0.17 ≦ C ≦ 0.5 in order to drive the
そして、この係数Cの利用可能な範囲である、0.17≦C≦0.5における、更なる範囲0.17≦C≦0.2においては、図8に示すように係数Cが大きくなるにつれ起動可能電圧も下がってくる。
これは、上述のように係数Cが大きくなると、力係数Aが大きくなり、伝達効率が大きくなるからと考えられる。
Then, in a further range of 0.17 ≦ C ≦ 0.2 in the usable range of the coefficient C, 0.17 ≦ C ≦ 0.5, the coefficient C increases as shown in FIG. The startable voltage also decreases as time goes on.
This is probably because as the coefficient C increases as described above, the force coefficient A increases and the transmission efficiency increases.
図示するように、係数Cが0.2を超えると、係数Cの値の増加に伴う起動可能電圧の減少しなくなるが、係数Cが0.36程度までであれば駆動可能電圧は25Vより少し大きい程度の値である。そのため、起動可能電圧を考慮した場合の係数Cの更に好適な範囲は、0.2≦C≦0.36である。更に、係数Cが0.28程度までは起動可能電圧が20V程度を維持する。したがって、係数Cの更に好適な範囲は、0.2≦C≦0.28である。 As shown, when the coefficient C exceeds 0.2, the startable voltage does not decrease as the value of the coefficient C increases, but when the coefficient C is up to about 0.36, the drivable voltage is slightly less than 25V. It is a large value. Therefore, a more preferable range of the coefficient C in consideration of the startable voltage is 0.2 ≦ C ≦ 0.36. Further, the startable voltage is maintained at about 20 V until the coefficient C is about 0.28. Therefore, a more preferable range of the coefficient C is 0.2 ≦ C ≦ 0.28.
しかし、係数Cが0.28以上になると、起動可能電圧は上昇する。これは係数Cが大きくなると、上述したように、櫛歯部12aにおいて、移動子15を回転駆動する振動モード以外の他の振動モードが発生し、この他の振動モードの干渉することによって、振動波モータ10の挙動が不安定になるからと考えられる。
However, when the coefficient C becomes 0.28 or more, the startable voltage increases. This is because, as described above, when the coefficient C increases, a vibration mode other than the vibration mode for driving the
以上、本実施形態によると、係数Cは、0.17≦C≦0.5が好ましく、より好ましくは0.2≦C≦0.36であり、更に好ましくは0.2≦C≦0.28である。本実施形態においては、係数Cが、これらの範囲内の所望の値となるように、櫛歯部12aの高さ:Kh、ベース部12bの高さ:Bh、櫛歯部12a及びベース部12bの径方向の幅(内径と外径との差):Kr、入力電圧の波長:λを調整する。
このように調整することにより、振動波モータ10の起動可能電圧を下げることができ、ダイナミックレンジを拡張することができ、レンズ鏡筒の性能を向上することができる。
As described above, according to the present embodiment, the coefficient C is preferably 0.17 ≦ C ≦ 0.5, more preferably 0.2 ≦ C ≦ 0.36, and still more preferably 0.2 ≦ C ≦ 0. 28. In the present embodiment, the height of the
By performing such adjustment, the startable voltage of the
(変形形態)
以上、説明した実施形態に限定されることなく、以下に示すような種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の範囲内である。
(1)本実施形態では、実施形態の振動波モータを備えるレンズ鏡筒20が、カメラボディに対して着脱可能な例について説明したが、これに限定されず、カメラボディとレンズ鏡筒とは一体であっても良い。
(2)また、本実施形態では、被駆動体が、円環状の弾性体12の内部に有する振動波モータ10について説明したが、これに限らず、弾性体12の内部に軸部材が配置され、軸部材の回転により被駆動体を回転する構造であっても良い。
なお、実施形態は、適宜組み合わせて用いることもできるが、詳細な説明は省略する。また、本発明は以上説明した実施形態によって限定されることはない。
(Modified form)
The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications and changes as described below are possible, and these are also within the scope of the present invention.
(1) In the present embodiment, an example is described in which the
(2) In the present embodiment, the
The embodiments can be used in appropriate combinations, but detailed description is omitted. Further, the present invention is not limited by the embodiments described above.
1:カメラ、10:振動波モータ、11:振動子、12:弾性体、12a:櫛歯部、12b:ベース部、13:圧電体、15:移動子 1: Camera, 10: Vibration wave motor, 11: Vibrator, 12: Elastic body, 12a: Comb part, 12b: Base part, 13: Piezoelectric body, 15: Moving element
Claims (5)
前記振動子の振動により駆動される移動子と、を備え、
前記振動子は、
前記電気機械変換素子と接するベース部と、
前記ベース部から前記移動子側に形成された櫛歯部と、を有し、
前記櫛歯部の高さをKh、前記ベース部の高さをBh、前記櫛歯部及び前記ベース部の径方向の幅をKr、前記電気機械変換素子に入力される駆動信号の波長をλとしたときに、係数C=(Kh/Bh)×(Kr/λ)が、0.17以上で0.5以下であること、
を特徴とする振動波モータ。 A vibrator vibrated by the electromechanical transducer,
A mover driven by the vibration of the vibrator,
The vibrator,
A base portion in contact with the electromechanical transducer,
And a comb portion formed on the side of the mover from the base portion,
The height of the comb tooth portion is Kh, the height of the base portion is Bh, the radial width of the comb tooth portion and the base portion is Kr, and the wavelength of the drive signal input to the electromechanical transducer is λ. Where the coefficient C = (Kh / Bh) × (Kr / λ) is not less than 0.17 and not more than 0.5;
A vibration wave motor.
前記係数Cは0.2〜0.36であること、
を特徴とする振動波モータ。 The vibration wave motor according to claim 1,
The coefficient C that is 0.2 to 0.3 6,
A vibration wave motor.
前記振動子は円環形状であり、前記櫛歯部及び前記ベース部の幅は、前記櫛歯部及び前記ベース部の径方向の幅であることを特徴とする振動波モータ。 The vibration according to claim 1 or 2 is a motor,
The vibrator is characterized in that the vibrator has an annular shape, and the width of the comb teeth and the width of the base are radial widths of the comb teeth and the base.
前記櫛歯部は、前記ベース部から前記移動子側に伸びていることを特徴とする振動波モータ。 The vibration according to any one of claims 1 to 3, wherein the vibration is a motor,
The vibration wave motor according to claim 1, wherein the comb teeth extend from the base toward the movable element.
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