KR20060054193A - 360°에 걸쳐 회전 부재의 절대 각도 위치를 결정하기 위한센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각도 위치 센서에 관한 것이다.

본 발명은, 가변 자속을 생성하는 회전 파트(14), 출력 전류를 각각 갖는 두 프로브들(22,26)을 지지하는 고정 파트(16), 및 두 프로브들로부터의 전류들을 더하기 위한 장치(30)를 포함하는 센서에 관한 것이며, 상기 프로브들 중 제 1 프로브(22)는 자속이 제로를 통과할 때 불연속성을 갖는 출력 전류를 가지며, 상기 프로브들 중 제 2 프로브(26)는 제 1 자속에 비해 90°만큼 시프트된 제 2 자속이 발생하고 상기 자속의 연속 함수인 출력 전류를 갖는다. 제 1 프로브(22)로부터의 전류의 변차 범위는 제 2 프로브(26)로부터의 전류의 변차 범위보다 약간 작다.

본 발명은 엔진 캠축들에 응용된다.

Description

360°에 걸쳐 회전 부재의 절대 각도 위치를 결정하기 위한 센서{ABSOLUTE ANGULAR POSITION SENSOR ON 360°OF A ROTATING ELEMENT}

본 발명은 360°에 걸쳐 회전 부재의 절대 각도 위치를 결정하기 위한 센서에 관한 것이다.

비록 본 발명은 매우 광범위하게 응용되지만, 매우 엄격한 조건들을 부여하는 하나의 특정 응용에 있어서 설명될 것이다. 따라서, 본 발명은 내연기관 캠축의 360°이상의 절대 각도 위치를 결정하는 상황에서 설명될 것이고, 상기 센서는 자동차의 엔진 격실에 직접 배치된다.

더 정확하게는, 시동장치(starter)가 없이도 다중실린더 내연기관을 동작시는 것이 예견되는데, 이는 연소 사이클에서 이를 위해 가장 유리한 위치를 갖는 하나 이상의 실린더들에서 적절하게 점화된 공기/연료 혼합물의 확장을 간단히 생성함으로써 이루어진다. 따라서, 사용될 실린더나 실린더들을 선택할 수 있기 위해서 각각의 실린더에서 각 피스톤의 정확한 위치를 아는 것이 필수적이다.

이러한 매우 엄격한 특정 응용들에 있어서는, 초기화를 실행하는 것이 불가능한데, 그 이유는 이러한 초기화가 엔진이 동작하고 있어야 하는 것을 필요로 할 것이기 때문이다. 저항성의 광학 또는 용량성 타입의 코더들이나 장치들을 사용하 는 기술들이 구현하기 어렵다. 자기(magnetic) 기술들 중에서, 단지 자기저항 및 홀-효과 기술들만이 진지하게 구상될 수 있다.

자기저항 및 홀-효과 자기 센서들은 자기장의 강도 또는 방향에 상응하는 점차 가변하는 신호들을 제공하는 자기 파트와, 상기 자기장을 측정하여 전기 신호를 변환하도록 예정된 전자 파트를 포함한다. 자기장은 사인곡선적으로 변하기 때문에, 자기장을 출력 신호로 변환하는 자기저항 또는 홀-효과 프로브들은 회전 각도를 갖는 선형적인 신호를 생성하지 않는다.

매우 정확하지만 비용이 많이 드는 자기저항 프로브들은 측정 신호들의 모호함을 나타내어 실질적으로는 회전 엘리먼트가 0°와 180°사이 또는 180°와 360°사이의 위치에 있는지 여부를 결정할 수 없다.

이러한 문제를 해결하기 위해서, 문헌 US 6 212 783호에서는 두 개의 프로브들을 사용하는 것에 대해 개시하고 있는데, 상기 두 프로브는 각도 측정치를 제공하는 자기저항 프로브와, 각도가 0°와 180°사이에 있거나 또는 180°와 360°사이에 있다는 사실을 확인하도록 의도되는 이진 연산을 갖는 홀-효과 프로브이다. 이러한 해결책은, 자기저항 프로브의 높은 비용과는 상관없이, 상기 자기저항 프로브가 엔진 캠축의 절대 각도를 결정하기 위한 앞서 설명된 응용에서 사용되지 못하게 하는 몇 가지 단점들을 갖는다. 첫 번째로, 이러한 단점들은 두 프로브들 사이의 부정합, 심지어는 작은 부정합이 홀-효과 프로브가 이력 현상(hysteresis phenomenon)을 나타낼 때도 180°까지의 범위일 수 있는 에러들을 발생시킬 수 있다는 사실이다. 두 번째로, 출력 잡음으로 인해 자기저항 프로브에서 이력 현상의 부재는 360°근처에서 측정의 모호성을 발생시킬 수 있고, 그 각도에서는 신호가 큰 불연속성을 나타낸다. 세 번째로, 자기저항 프로브들은 비싼 희토류(rare earths) 물질로 만들어진 소결자석(sintered magnet)을 포함한다. 마지막으로, 획득된 신호들은 마이크로프로세서가 두 프로브들로부터의 신호들에 기초하여 각도들을 계산하기 위한 알고리즘을 실행하기 위해 필요함으로 처리되어야 한다. 만약 마이크로프로세서가 센서로부터 어느 정도의 거리에 떨어져 위치된다면, 상기 단점들은 더욱 더 심각해지는데, 그 이유는 두 프로브들 각각을 연결하는 것이 필요하고, 전선의 수가 증가되어 커넥터의 수가 증가되며, 컴퓨터가 추가적인 입력을 필요로 하기 때문이다. 이러한 상황은 접속 문제가 센서 고장의 주요 원인인 것으로 알려져 있는 자동차 분야에서 매우 심각한 결함을 초래한다.

따라서, 앞서 설명한 기술은 예견된 응용의 경우에 두 가지의 기본적인 문제를 갖는데, 한 편으로는 각도 값이 모호해질 위험성이고, 다른 한 편으로는 높은 비용이다.

본 발명의 요지는 그러한 모호성을 갖지 않으면서 또한 비용이 적게 들면서도 매우 강력하고 따라서 자동차의 엔진 격실에서 사용될 수 있는, 360°에 걸쳐 절대 각도 위치를 결정하기 위한 센서이다.

이러한 결과들은, 360°에 걸친 각도를 나타내는 모호하지 않은(명료한) 출력 신호를 제공하기 위해서, 신호의 수동적인 처리를 자체적으로 수행할 수 있는 센서에서 두 홀-효과 프로브들을 사용함으로써 본 발명에 따라 달성된다. 이러한 결과는 다음의 특징들에 의해서 달성된다:

- 180°내지 360°범위로부터 0°내지 180°범위를 구별하기 위해, 앞서 설명된 문헌 US 6 212 783호에서와 같이 이진 연산을 홀-효과 프로브에 사용;

- 출력 전류들이 더해지는 전류 소스 모드에서 작용하는 두 프로브들의 사용; 및

- 180°및 360°에서 획득된 값들의 경우에 모호성이 존재하지 않도록 하기 위해서, 두 프로브들로부터의 신호들의 변차 범위들 사이의 시프트 도입.

더 정확하게는, 본 발명은 360°에 걸쳐 회전 부재의 절대 각도 위치를 결정하기 위한 센서에 관한 것이고, 상기 센서는,

회전 파트 - 상기 회전 파트의 회전은 가변적인 자속을 생성시킴 -;

프로브들을 지지하기 위한 고정 파트; 및

상기 고정 파트에 의해서 지지되며 각각이 출력 전류 신호를 갖는 적어도 두 개의 프로브들 - 상기 두 프로브들 중 제 1 프로브는 상기 회전 파트의 회전에 따라 주기적으로 변할 수 있는 제 1 자속이 발생하고, 자속이 정해진 값을 통해 각각의 방향으로 흐를 때 불연속성을 갖는 출력 신호를 가지며, 상기 두 프로브들 중 제 2 프로브는 상기 제 1 자속의 변차에 대해 90°만큼 위상 시프트되는 변차를 갖는 회전 파트의 회전에 따라 주기적으로 변할 수 있는 제 2 자속이 발생하고, 자속의 연속 함수인 출력 신호를 가짐 - 를 포함하고, 상기 센서는 또한 두 프로브들로부터의 전류들을 더하고 또한 360°에 걸쳐 두 배의 값을 갖지 않는 출력 전류 신호를 제공하는 장치를 포함한다.

바람직하게는, 센서의 출력 전류 신호가 360°에 걸쳐 두 배의 값을 갖지 않도록 하는 특징은 제 1 프로브로부터의 출력 전류의 변차 범위가 제 2 프로브로부터의 출력 전류의 변차 범위보다 약간 크다는 사실에 기인한다.

일실시예에서, 회전 파트는 자석을 포함하는데, 자석의 자화(magnetization) 방향은 상기 회전 파트의 회전 축에 수직이고, 상기 자석을 둘러싸고 있는 고정 파트는 자속이 90°만큼 오프셋되는 두 개의 공기 갭을 정하고, 상기 두 에어 갭들에 프로브들이 위치한다.

바람직하게는, 제 1 프로브로부터의 신호의 불연속성이 발생하는 자속의 정해진 값은 상기 제 1 프로브에 발생되는 자속의 부호의 반대 부호에 상응한다.

가장 일반적으로는, 제 1 및 제 2 자속 변차들은 사인곡선 형태이다.

비록 프로브들이 자기저항 유형일 수 있지만, 비용의 이유로 인해서 상기 프로브들은 홀-효과 유형인 것이 유리하다.

바람직하게는, 제 1 프로브는 180°를 각각 커버하는 두 각도 범위들 사이의 두 상이한 일정 전류 값들을 갖는 이진 신호를 제공하고, 제 2 프로브는 회전 각도에 따라 선형적으로 변하는 두 파트들을 포함하는 함수에 의해서 표현되어 지는 출력 전류 신호를 제공하는데, 이러한 두 파트들은 정반대의 기울기를 갖는다.

매우 간단한 일실시예에서는, 가산 장치(addition device)가 두 프로브들로부터의 출력들의 간단한 연결로 구성된다.

폴 피스(pole piece)를 형성하는 고정 파트가 이력 현상을 생성하는 재료로 만들어지는 것이 유리하다.

유리한 응용에 있어서, 센서는 가산 장치로부터의 출력 신호를 수신하는 부하 저항을 더 포함하는데, 상기 부하 저항의 단자들에서 측정 전압이 획득가능하다.

프로브들로부터의 출력 신호가 변화(modulation)를 나타낼 때는, 센서가 바람직하게는 수동 유형인 필터를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 특징들 및 장점들이 첨부된 도면들을 참조하여 제공되는 다음의 설명으로부터 더욱 명확히 나타날 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 360°절대 각도 위치 센서의 부분적인 단면을 나타내는 도면.

도 2는 도 1의 프로브들 각각에 의해서 보여지는 자속 밀도를 나타내는 그래프.

도 3은 회전 각도에 따른 제 2 프로브로부터의 평균 출력 전류를 나타내는 그래프.

도 4는 센서의 출력에서 획득되는 전체적인 신호 및 제 1 프로브로부터의 신호를 나타내는 그래프.

도 5는 도 1의 센서를 사용하는 예를 나타내는 도면.

도 1은 본 발명에 따른 센서를 부분적인 단면도로서 개략적으로 나타내고 있다.

총괄해서 참조번호 10으로 표기된 본 센서는 예컨대 부하 저항을 가지고 있는 사용자 장치(12)에 신호를 전송하도록 의도된다.

센서는 예컨대 내연 기관 캠축인 회전 부재 상에 장착되는 자석(14)을 포함하는데, 상기 회전 부재의 위치가 검출되어야 한다. 자석(14)의 자화 방향은 자석(14)의 회전 축들에 대해 직경적인데(diametral), 즉 상기 회전 축에 실질적으로 직교하고, 상기 회전 축 자체는 도 1의 평면에 직교한다. 자석(14)은 예컨대 플라스틱 바인더의 NdFeB에 기초하는 비교적 저렴한 유형일 수 있다.

모터에 대해 고정되는 폴 피스(pole piece)(16)는 자석(14) 둘레에 장착되어 수 개의 공기 갭들을 정의하는데, 서로에 대해 90°로 배치되는 제 1 공기 갭(18) 및 제 2 공기 갭(20)을 적어도 포함한다. 이러한 공기 갭들에서의 자속들은 따라서 90°만큼 오프셋된다. 공기 갭들(18,20) 각각은 홀-효과 프로브를 포함한다.

제 1 공기 갭(18)은 전선(24)을 통해 자신의 출력 신호를 구성하는 전류를 전송하는 제 1 홀-효과 프로브(22)를 포함한다. 이러한 출력 신호는 바람직하게는 한편으로는 0°와 180°사이인 일정 레벨과 다른 한편으로는 180°와 360°사이인 일정 레벨인 두 가지의 상이한 일정 레벨들을 갖는 이진 신호인데, 이들은 적절한 사전 프로그래밍을 통해서 획득된다.

제 2 공기 갭(20)은 전선(28)을 통해 자신의 출력 신호를 구성하는 전류를 전송하는 제 2 홀-효과 프로브(26)를 포함한다. 사전 프로그래밍에 의해서, 제 2 홀-효과 프로브는 도 3에 도시된 바와 같이 0°에서 180°까지는 감소하는 곡선(제 1 기울기)을 따르고 이어서 180°에서 360°까지는 증가하는 곡선(제 1 기울기와는 반대인 제 2 기울기)을 따르는 회전 각도에 따라서 선형적으로 변하는 출력 전류를 제공한다. 전류의 임의의 값이 변차 범위에 놓이기 위해서는 회전 각도의 두 값들이 존재한다는 것이 주시되어야 한다. 그러므로, 단일 프로브의 사용은 절대 위치가 360°이상으로 알려지는 것을 허용하지 않는다.

제 2 프로브로부터의 출력 신호가 정확하도록 하기 위해서는, 특정 홀-효과 프로브에 의해서 허용되는 가장 가파른 기울기를 사용하는 것이 유리하다. 본 발명에 따르면, 제 2 출력 신호가 변하는 두 가지 상이한 레벨들 사이의 차이는 제 1 출력 신호의 두 가지 일정한 레벨들 사이의 차이보다 약간 작다.

본 발명에 따른 센서에서는, 두 프로브들(22,26)로부터의 출력 전류들이 더해지는데, 즉 두 전선들(24,28)이 접속 포인트(30)에서 접속되고, 이는 상기 두 프로브들로부터의 신호들을 더하기 위한 장치를 나타낸다.

도 1에서는, 만약 프로브들(22 및 26)을 공급하기 위해 두 개의 전선들이 필요하다고 가정한다면(이러한 전선들은 도시되어 있지 않음), 센서(10)는 단지 세 개의 전선들을 갖는데, 즉 외부측과의 세 개의 접속을 갖는다는 것이 주시되어야 한다.

도 1을 참조하여 설명되는 센서가 장착되어 동작하는 방식이 도 1 내지 도 4를 참조하여 이제 설명될 것이다.

센서는 내연 기관 상에 장착된다. 자석(14)은 캠축과 일체형이며 도 1에서 화살표(32)에 의해 표시된 바와 같이 회전된다. 이러한 회전 동안에는, 공기 갭들(18 및 20)에서의 자속 밀도들이 도 2에서 표시된 바와 같이 변한다. 이러한 자속 밀도는 90°씩 시프트된다는 것이 주시되어야 한다.

도 3은 상응하는 자속 밀도와 함께 제 2 홀-효과 프로브(26)로부터의 출력 신호를 구성하는 평균 전류를 도시한다. 도 4에서, 실선은 제 1 홀-효과 프로브(22)로부터의 출력 신호를 나타낸다. 그것의 두 일정 전류 레벨들은, 본 발명에 따라 제 2 프로브에 의해 주어지고 도 3에 도시되어 있는 신호의 변차 범위 보다 큰 변차 범위에 의해서 분리된다. 이러한 방식으로, 두 홀-효과 프로브들로부터의 출력 신호들을 더함으로써 획득되는 최종 출력 신호를 형성하는 평균 전류는, 도 4에서 짧은 점선으로 도시된 바와 같이, 겹치지 않을 뿐만 아니라 갭(34)에 의해서 분리되는 두 개의 선형 변차 범위를 갖는다. 이러한 방식으로, 센서로부터의 평균 출력 전류의 각 값은 0°와 360°사이의 단일 각도에 명확하게 상응한다.

예시적인 실시예에서, 두 프로브들은 Micronas IC 856 유형이 프로브들이며, 그것들은 11 mA의 최대 변차 범위를 갖는다. 이러한 최대 변차 범위는 제 1 홀-효과 프로브의 두 일정 레벨들 사이의 차이로서 사용된다. 그러나, 제 2 프로브를 위해 사용되는 변차 범위는 예컨대 10.7 mA이고, 즉 0.3 mA 더 작다. 이러한 방식으로, 0.3 mA의 차이가 360°에서 센서로부터의 출력 신호와 180°에서의 출력 신호 사이에 존재한다. 이러한 0.3 mA 차이는 여러 잡음 현상 및 가능한 이력 현상을 고려할 때 각도의 절대 값이 항상 명확하게 공지되기에 충분하다.

프로브들이 부정합되는 경우에, 즉 두 프로브들 사이의 위상 시프트가 정확히 90°가 아닌 경우에, 신호는 여전히 명확하고, 180°및 360°값들 주변의 정확도가 약간 감소된다.

도 5는 본 발명에 따른 센서의 사용에 대한 일예를 나타낸다. 앞선 설명에서 고려되어진 홀-효과 프로브들(Micronas IC 856)은 1 kHz의 최대 주파수에서 가변적인 폭을 갖는 펄스들에 의해 변조되어진 출력 전류를 갖는다. 다음으로, 센서로부터의 출력 신호는 획득되는 아날로그 신호가 평활되도록 필터링되어야 한다. 도 5는 이를 위해서 사용되는 필터의 일예를 나타낸다.

도 5에서, 부하 저항(12)은 두 저항들(38 및 40) 및 두 커패시터들(42 및 44)을 포함하는 2차 수동 필터의 형태로 도시되어 있는 필터(36)에 의해서 도 5의 우측에 위치한 출력과 분리된다. 센서, 부하 저항 및 필터를 포함하고 있는 도 5에 도시된 결합은 불명확하지 않으면서 전반적으로 수동적인 방식으로 회전 부재의 절대 위치를 나타내는 평활한 아날로그 신호를 제공하는 독립적인 컴포넌트를 형성할 수 있다.

따라서 제작되는 센서는 전반적으로 독립적이며 마이크로프로세서와 같은 어떠한 컴퓨팅 엘리먼트도 포함하지 않으며, 따라서 비싸지 않다.

요약하면, 본 발명에 따른 센서는 따라서 아래와 같은 장점들을 갖는다.

본 발명에 따른 센서는 예컨대 마이크로제어기와 같은 어떠한 능동 신호 처리 엘리먼트도 필요로 하지 않기 때문에, 상기 센서는 독립적이다.

마이크로제어기가 존재하지 않아 상기 센서는 단지 세 개의 접속 전선들만을 구비하기 때문에, 상기 센서는 큰 동작 신뢰도를 갖는다.

고가의 마이크로제어기가 존재하지 않고, 접속 수가 감소하며, 플라스틱 바인더를 갖는 저가의 자석이 사용되기 때문에, 센서는 비용이 비싸지 않다.

따라서, 본 발명은 독립적이고, 즉 센서로부터의 출력 신호가 직접 사용될 수 있고, 상기 출력 신호는 전류 또는 전압의 형태일 수 있으며, 단일 이동 컴포넌트를 사용하기 때문에 매우 강력한 어떠한 활성 신호 처리도 사용 동안에 필요로 하지 않으며, 저가이며, 작은 수의 필요한 접속들로 인해 매우 신뢰적인 360°절대 각도 위치 센서에 관한 것이다.

물론, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 비제한적인 예를 통해서 앞서 설명되어진 센서들에 대해서 당업자에 의해 여러 변경이 이루어질 수 있다.

Claims (10)

1. 360°에 걸쳐 회전 부재의 절대 각도 위치를 결정하기 위한 센서로서,

   회전 파트(14) - 상기 회전 파트(14)의 회전은 상기 회전 부재의 회전에 링크되고, 상기 회전 파트는 가변적인 자속을 생성함 -;

   프로브들을 지지하기 위한 고정 파트(16);

   상기 고정 파트에 의해서 지지되며 각각이 출력 전류 신호를 갖는 적어도 두 개의 프로브들(22,26) - 상기 두 프로브들 중 제 1 프로브(22)는 상기 회전 파트의 회전에 따라 주기적으로 변할 수 있는 제 1 자속이 발생하며, 상기 자속의 정해진 값을 통과하는 불연속성의 출력 신호를 제공하고, 상기 두 프로브들 중 제 2 프로브(26)는 회전 파트의 회전에 따라 주기적으로 변할 수 있는 제 2 자속이 발생하는데 상기 제 2 자속의 변차들은 상기 제 1 자속의 변차에 대해 90°만큼 위상 시프트되며, 자속의 연속 함수인 출력 신호를 나타냄 -; 및

   두 프로브들로부터의 출력 신호들을 더하고, 360°에 걸쳐 두 배의 값을 갖지 않는 출력 전류 신호를 제공하며, 상기 프로브의 출력 신호의 두 개의 전선들(24,28)의 접속(30)을 통해서 연결되어 있는 장치(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 부재의 절대 각도 위치를 결정하기 위한 센서.
2. 제 1항에 있어서, 360°에 걸쳐 두 배의 값을 갖지 않는 상기 센서의 전력 출력 신호는 제 1 프로브(22) 출력의 변차가 제 2 프로브(26)의 변차보다 약간 높 다는 사실에 기인한 결과인 것을 특징으로 하는 회전 부재의 절대 각도 위치를 결정하기 위한 센서.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 회전 파트는 자화 방향이 상기 회전 파트의 회전 축에 직교하는 자석(14)을 포함하고, 상기 자석을 둘러싸고 있는 상기 고정 파트(16)는 자속들이 90°만큼 오프셋되는 두 공기 갭들(18,20)을 정의하며, 상기 프로브들(22,26)이 상기 두 공기 갭들(18,20)에 위치되는 것을 특징으로 하는 회전 부재의 절대 각도 위치를 결정하기 위한 센서.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 프로브(22)로부터의 신호의 불연속성이 발생하는 자속의 정해진 값이 상기 제 1 프로브에 발생되는 자속의 부호의 반대 부호에 상응하는 것을 특징으로 하는 회전 부재의 절대 각도 위치를 결정하기 위한 센서.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로브들(22,26)은 홀-효과 프로브들(Hall-effect probes)인 것을 특징으로 하는 회전 부재의 절대 각도 위치를 결정하기 위한 센서.
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 프로브(22)는 180°를 각각 커버하는 두 각도 범위들 사이의 두 상이한 일정 전류 값들을 갖는 이진 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 회전 부재의 절대 각도 위치를 결정하기 위한 센서.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 프로브(26)는 회전 각도에 따라 선형적으로 변하는 두 파트들을 포함하는 함수에 의해서 표현되어 지는 출력 전류 신호를 제공하고, 상기 두 파트들은 정반대의 기울기를 갖는 것을 특징으로 하는 회전 부재의 절대 각도 위치를 결정하기 위한 센서.
8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 폴 피스(pole piece)(16)를 형성하는 상기 고정 파트는 이력 현상(hysteresis phenomenon)을 생성하는 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 회전 부재의 절대 각도 위치를 결정하기 위한 센서.
9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서는 상기 가산 장치(30)로부터의 출력 신호를 수신하는 부하 저항(12)을 더 포함하고, 상기 부하 저항의 단자들에서는 측정 전압이 획득되는 것을 특징으로 하는 회전 부재의 절대 각도 위치를 결정하기 위한 센서.
10. 제 9항에 있어서, 상기 센서는 수동 필터(36)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 부재의 절대 각도 위치를 결정하기 위한 센서.

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