JP2007274826A - 永久磁石回転機及びこれを使用した電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低慣性化、軽量化の要求を簡単な構成で満足することができる永久磁石回転機及びこれを使用した電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】外周面に永久磁石２５を配設したロータヨーク２４と、永久磁石２５と対向するステータ２９とを有する永久磁石回転機１２であって、前記ロータヨーク２４は、全体が中空の円筒状に形成され、永久磁石を固定する大径円筒部２４Ｃ及び外部出力端となる結合部２４ａを有する小径円筒部２４Ａとを備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、外周面に永久磁石を配設したロータヨークと、前記永久磁石をと対向するステータとを有する永久磁石回転機及びこれを使用した電動パワーステアリング装置に関する。

例えば電動パワーステアリング装置に用いられるモータは、操舵フィーリングに影響を及ぼすため、ロータ慣性を極力小さくしたいという要求があるが、従来のロータヨークとしては電磁鋼板をボスかしめや接着等により積層したコアに、トルクを伝達するシャフトを圧入した構造が一般的であり、このロータ構造では、低慣性にするために、磁路に影響を与えない範囲で、積層コア内径に透孔を開けて肉抜きを行うようにしている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、電動パワーステアリング装置用モータは、さらに低慣性を求められており、永久磁石を外嵌する部分のみの内周部に空間を形成して円筒状としたロータヨークも提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平０９−３２２４４５号公報 特開平０９−２２４３５９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の従来例にあっては、ロータヨークを積層コアで形成する場合には、外周面及び内周面に段差が生じるため、マグネット内径と積層コア外周面とを密着させることが困難であると共に、内径面の段差は、シャフト圧入時の圧入圧のバラツキ要因となり、さらにコアの打ち抜き、積層の工数が必要となり、さらには低慣性化の要求に対してはロータヨーク径を小さく抑えることで対処せざるを得ないという未解決の課題がある。

また、上記特許文献２に記載の従来例にあっては、永久磁石に対応する位置のロータヨークを円筒状とすることで低慣性の要求を満足することができるものであるが、シャフト成形に高い成形技術が必要で、製造コストが嵩むと共に、高精度化が困難であるという未解決の課題がある。
この他、モータ重量の低減も求められている。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、低慣性化、軽量化の要求を簡単な構成で満足することができる永久磁石回転機及びこれを使用した電動パワーステアリング装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に係る永久磁石回転機は、外周面に永久磁石を配設したロータヨークと、前記永久磁石をと対向するステータとを有する永久磁石回転機であって、前記ロータヨークは、全体が中空の円筒状に形成されていることを特徴としている。
また、請求項２に係る永久磁石回転機は、請求項１に係る発明において、前記ロータヨークは永久磁石が配設された大径円筒部と、該大径円筒部と連接して外部に動力伝達可能な結合部を成形した小径円筒部とで構成されていることを特徴としている。

さらに、請求項３に係る永久磁石回転機は、請求項２に係る発明において、前記結合部はスプライン結合、セレーション結合、キー結合やＤ形断面、二面幅等の非円形断面形状の結合で構成されていることを特徴としている。
さらにまた、請求項４に係る永久磁石回転機は、請求項１乃至３の何れか１つの発明において、前記永久磁石は、セグメントマグネット及びリングマグネットの何れか一方で構成され、前記ロータヨークに固定されていることを特徴としている。
なおさらに、請求項５に係る電動パワーステアリング装置は、操舵系に対して操舵補助力を発生する電動モータとして請求項１乃至４の何れか１項に記載の永久磁石回転機を適用したことを特徴としている。

本発明によれば、ロータヨークの全体が中空の円筒状に形成されているので、ロータヨークの低慣性化の要求を満足することができると共に、モータの軽量化の要求も満足することができるという効果が得られる。
しかも、ロータヨークを永久磁石を配設する大径部とこの大径部に連接した外部に動力伝達可能な結合部を形成した小径部とで構成することにより、積層コア構造のように積層コア長さ以上のシャフトを使用する必要がなく、トルク伝達機能を損なうことなく低慣性化及び低重量化を実現することができるという効果が得られる。

さらに、ロータヨークの全体が円筒状であるので、プレス加工で成形が可能であり、特別な設備を設ける必要がないという効果も得られる。
さらにまた、慣性の低減により、起動、停止特性を向上させることができ、起動時電流も低減することができるという効果が得られる。
なおさらに、上記構成の永久磁石回転機を、操舵補助力を発生するモータとして適用して電動パワーステアリング装置を構成することにより、操舵フィーリングが良好で、操舵補助特性の良好な電動パワーステアリング装置を提供することができるという効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明を電動パワーステアリング装置に適用した場合の一実施形態を示す全体構成図、図２は図１のモータ及び減速機構を示すｘ−ｘ断面図、図３は本発明を適用し得るブラシレスモータの縦断面図、図４は図３のロータヨークの断面図である。
図中、１は電動パワーステアリング装置であって、この電動パワーステアリング装置１は、図示しないステアリングホイールを上端に装着するステアリングシャフト２と、このステアリングシャフト２を回転自在に支持して車体に取付けられるステアリングコラム３と、このステアリングコラム３の下端部に装着されたステアリングシャフト２に対して操舵補助力を付与する操舵補助機構４と、この操舵補助機構４の下側で、ステアリングシャフト２及びユニバーサルジョイント５を介して接続された中間シャフト６と、この中間シャフト６の下端にユニバーサルジョイント７を介して連結された例えばラック・ピニオン式のステアリングギヤ８とを備えている。このステアリングギヤ８は、そのピニオン軸８ａがユニバーサルジョイント７に連結され、ラック軸８ｂが図示しない転舵輪に連結されている。

操舵補助機構４は、図２に示すように、ステアリングシャフト２に減速ギヤ機構１１を介して連接された操舵補助力を発生する永久磁石回転機としてのブラシレスモータ１２を備えている。減速ギヤ機構１１は、ステアリングシャフト２に固定されたウォームホイール１１ａと、このウォームホイール１１ａに噛合するウォーム１１ｂとを有する。
ウォーム１１ｂは左右一対の転がり軸受１３ａ及び１３ｂによって回転自在に且つ軸方向に移動可能に支持されたウォームシャフト１４の軸方向中央部に固定されている。ここで、転がり軸受１３ａ及び１３ｂは図２で拡大図示するようにその内輪の内周面にウォームシャフト１４の軸方向の摺動を許容するブッシュ１５が装着されている。
ウォームシャフト１４には軸受１３ａ及び１３ｂからウォーム１１ｂに向かって所定距離だけ隔てた位置にフランジ部１６ａ，１６ｂが形成されていると共に、軸受１３ｂから右方に突出した右端外周面に動力伝達可能な連結部としてのセレーション軸部１７が形成されている。

そして、ウォームシャフト１４のフランジ部１６ａ，１６ｂに係合し、その端面に当接するワッシャ１８ａ，１８ｂと軸受１３ａ，１３ｂの内輪に係合されたワッシャ１９ａ，１９ｂとの間に円筒状の天然ゴム、エラストマー等で形成された弾性体２０ａ，２０ｂが介挿されている。これら弾性体２０ａ，２０ｂによってウォームシャフト１４が図２で示す移動許容範囲分軸方向に移動することができ、ウォームホイール１１ａの回転はウォーム１１ｂに発生するトルクがブラシレスモータ１２の摩擦力及びイナーシャに打ち勝つまではウォーム１１ｂの軸方向の変位となり、ブラシレスモータ１２の回転とピニオン軸８ａに連動したウォームホイール１１ａの回転とは連動しない。すなわち、路面からのキックバックをウォームホイール１１ａが受けた場合は、ウォーム１１ｂを軸方向に摺動させ、弾性体２０ａ，２０ｂによりキックバックの衝撃を吸収することができる。

このように、弾性体２０ａ，２０ｂによってキックバック力をブラシレスモータ１２に集束させることなくピニオン軸８ａの回転方向に逃がすことができるので、ステアリングギヤ８に負荷が集中することを防ぐことができる。
また、ブラシレスモータ１２は、図３に示すように、有底円筒形のセンタハウジング２２Ａと、このセンタハウジング２２Ａの開口端部を閉塞する略円板状のフロントハウジング２２Ｂとを有している。

センタハウジング２２Ａの内側には、その軸心に沿って、フロントハウジング２２Ｂ及びセンタハウジング２２Ａの底部にそれぞれ配設された転がり軸受２３ａ，２３ｂによってロータヨーク２４が回転自在に配設されている。なお、転がり軸受２３ａの外輪は、フロントハウジング２２Ｂの周方向に連続した軸受外径よりも径方向内包に突出している凸部２２ａと、フロントハウジング２２Ｂの外面側にネジ止めされる軸受ホルダ２３Ａとに挟まれた状態で固定されている。そして、転がり軸受２３ａの内輪とロータヨーク２４の外部出力端となる小径円筒部２４Ａとが嵌合して、ロータヨーク２４が回転自在に支持されている。

ロータヨーク２４の周囲にはモータ駆動用のリングマグネットで構成される永久磁石２５が固定されている。このモータ駆動用の永久磁石２５は、Ｓ極及びＮ極が周方向に交互に且つ等間隔に着磁された磁石であって、これらロータヨーク２４及び永久磁石２５によってブラシレスモータ１２の回転自在のロータ２６が構成されている。
ロータヨーク２４は、その長手方向全域の内側に軸方向の両端間を貫通する空間２４Ｂを有する中空軸となっている。すなわち、ロータ２６及びこれに関連する部材を抜き出した断面図である図４にも示すように、ロータヨーク２４は、永久磁石２５を固定した部分がその内側に空間２４Ｂが形成されることにより大径円筒部２４Ｃとされ、この大径円筒部２４Ｃの右端に一体に連接して内側に空間２４Ｂが形成されることにより大径円筒部２４Ｃの外径よりも小さく外部出力端となる小径円筒部２４Ａが形成されている。そして、大径円筒部２４Ｃの開放端には軸受２３ｂが嵌合されている。ここで、大径円筒部２４Ｃ及び小径円筒部２４Ａの肉厚は同じであってもよいし、異ならせるようにしてもよい。

また、小径円筒部２４Ａには、大径円筒部２４Ｃ寄りの外周面に位相検出用の永久磁石３０が固定されていると共に、中間部に軸受２３ａの内輪が固定され、大径円筒部２４Ｃとは反対側の先端部内周面に前述した減速ギヤ機構１１のウォームシャフト１４のセレーション軸部１７と係合して結合部を構成するセレーション穴部２４ａが形成されている。ここで、ロータヨーク２４は、機械構造用炭素鋼鋼管（ＳＴＫＭ）やスチールパイプをプレス成形することによって製作され、セレーション穴部２４ａはプレス成形後にブローチによる加工をするか又はプレスによる押し出し成形することにより形成されている。

また、センタハウジング２２Ａの内周面にはコア２７が固定され、このコア２７には永久磁石２５を包囲するように例えば３相の励磁コイル２８が巻き付けられていて、これらコア２７及び励磁コイル２８によってブラシレスモータ１２のステータ２９が構成されている。
ロータヨーク２４の小径円筒部２４Ａにおけるフロントハウジング２２Ｂ側端部は、出力端としてハウジング外部に突出していて、そのセレーション穴部２４ａと減速ギヤ機構１１のウォームシャフト１４のセレーション軸部１７とを係合させることにより、ブラシレスモータ１２から減速ギヤ機構１１を介してステアリングシャフト２に動力伝達が可能となる。

また、ロータヨーク２４の小径円筒部２４Ａにおけるフロントハウジング２２Ｂ側端部には、永久磁石２５と同様にＳ極及びＮ極が周方向に交互に且つ等間隔に着磁されたリング状の位相検出用の永久磁石３０が固定されている。
さらに、フロントハウジング２２Ｂ内には、永久磁石３０の軸受２３ａ側の面に近接するように、断面凹状の回路基板３１が固定されている。そして、この回路基板３１には、永久磁石３０に対向するように、例えばホール素子等からなる位相検出用の検出素子３２が固定されている。なお、実際には検出素子３２は、励磁コイル２８の相数に対応して周方向に等間隔に複数設けられているが、図３は断面図であるため、その内の一つのみを示している。

そして、検出素子３２の出力がこれに対向する永久磁石３０の磁極によって変化することを利用してロータ２６の回転位置を認識し、それに応じて図示しないモータ駆動回路が励磁コイル２８に適宜電流を供給して励磁状態を切り換えることにより、ロータ２６を回転させてモータの回転出力を得ることができる。
フロントハウジング２２Ｂの内面には、ロータヨーク２４と同軸に周方向に連続した円周溝２２ｂが形成されていて、その円周溝２２ｂには基板ホルダ３５が嵌め込まれている。基板ホルダ３５は、円周溝２２ｂの内周側の立ち上がり面２２ｃに嵌め込まれる円筒部３５Ａと、この円筒部３５Ａの端部外側に一体に形成され円周溝２２ｂの底面に当接するフランジ部３５Ｂとから構成されていて、その円筒部３５Ａの先端側は、励磁コイル２８の内側に入り込むようになっている。
ここで、基板ホルダ３５は、フロントハウジング２２Ｂを外面側から貫通するネジ３６を締結することにより、フランジ部３５Ｂがフロントハウジング２２Ｂ内面に押し付けられて固定されるようになっている。

さらに、センタハウジング２２Ａにおけるロータヨーク２４の開口端２４Ｄに対向する底部２２Ｃ中央部には、これをプレス成形することにより、センタハウジング２２Ａ内側に盛り上がる凸部２２Ｄが形成されている。この凸部２２Ｄは、ロータヨーク２４の開口端２４Ｄの内側に余裕を持って入り込むような寸法に形成されていて、その凸部２２Ｄの外周面と開口端２４Ｄの内周面との間に軸受２３ｂが介在している（凸部２２Ｄの外周面に軸受２３ｂの内輪が外嵌し、開口端２４Ｄの内周面に軸受２３ｂの外輪が内嵌している）。つまり、ロータヨーク２４の開口端２４Ｄ側は、軸受２３ｂを介して凸部２２Ｄに回転自在に支持されている。なお、凸部２２Ｄの外周面には、軸受２３ｂが組み付けられた際に、その軸受２３ｂの外輪端面と底部２２Ｃ内面との間にクリアランスが保たれるように、軸受２３ｂの内輪端面が当接する段差４０が形成されている。この段差４０は、凸部２２Ｄをプレス成形する際に同時に形成されるものである。また、軸受２３ｂの外輪はロータヨーク２４の開口端２４Ｄに形成された段差４１内に嵌合されている。

次に、本実施の形態の作用効果を説明する。即ち、本実施の形態であっても、従来の電動パワーステアリング装置のブラシレスモータと同様に、検出素子３２の出力がこれに対向する永久磁石３０の磁極によって変化することを利用してロータ２６の回転位置を認識し、それに応じて図示しないモータ駆動回路がステアリングシャフト２に伝達される操舵トルクに基づいて操舵補助制御することにより、励磁コイル２８に適宜電流を供給して励磁状態を切り換えることにより、ロータ２６を回転させてモータの操舵トルクに応じた最適な操舵補助力を発生させる。

そして、ブラシレスモータ１２のロータヨーク２４と減速ギヤ機構１１のウォームシャフト１４とがセレーション穴部２４ａ及びセレーション軸部１７でセレーション結合しているので、ブラシレスモータ１２で発生された操舵補助力が減速ギヤ機構１１を介してステアリングシャフト２に伝達されることにより、このステアリングシャフト２に装着される図示しないステアリングホイールを軽い操舵力で操舵して、転舵輪を転舵することができる。

このように、上記実施形態によると、ロータヨーク２４には大径円筒部２４Ｃが形成され、その大径円筒部２４Ｃに比較的肉薄の円筒形の永久磁石２５が外嵌している構造であるため、高価な永久磁石２５の体積を大きくすることなくその着磁面が大きくなっているから、コストアップを招くことなく高出力を得るのに有利な構造となっている。そして、従来と同様に、外部出力端としての小径円筒部２４Ａを通じてブラシレスモータ１２の回転トルクが取り出されるから、ロータヨーク２４には、十分な機械的強度が必要であると共に、磁路部材としての機能も必要であるが、大径円筒部２４Ｃ及び小径円筒部２４Ａを円筒状としているから、その円筒部分の肉厚を十分確保すれば、ロータヨーク２４は、回転トルク伝達部材としても、磁路部材としても十分に機能を果たすことができる。

その一方で、ロータヨーク２４を貫通する空間２４Ｂを設けているから、中実の回転軸２４とした場合に比べてその質量を大幅に低減できる。よって、軽量化にとって有利であるし、慣性も低減できる。また、大径円筒部２４Ｃに対応する空間２４Ｂの内径が大きく、その形状も簡単であるので、前述したようにロータヨーク２４をプレス加工によって低コストで製造できるという利点もある。

しかも、センタハウジング２２Ａの底部２２Ｃに凸部２２Ｄを形成し、その凸部２２Ｄの外周面と開口端２４Ｄの内周面との間に軸受２３ｂを介在させているため、軸受３２ｂを配設する部分がハウジング外部に飛び出すような形状とはならないから、その分、モータ長を短くして小型化が図られるようにもなっている。なお、このような構成では、軸受２３ｂ近傍のロータヨーク２４の径も大きくなるが、そのロータヨーク２４の拡径も従来デッドスペースであった部分が減少するという影響でしかないから、特にモータの大型化に繋がることもない。

さらに、凸部２２Ｄも、例えば底部２２Ｃの肉厚を内側に増大させることにより形成するのではなく、その底部２２Ｃをプレスすることにより形成しているため、センタハウジング２２Ａの製造コストのアップや重量増加を招くことがなく、プレス成形であれば、凸部２２Ｄの先端側の角部２２Ｅに容易に丸みを持たせることができ、その角部２２Ｅに丸みがあれば、軸受２３ｂの凸部２２Ｄへの組み付けをスムーズに行えるという利点がある。なお、凸部２２Ｄの径が細い場合、その基端側の角部２２Ｆ内側の曲率が小さくなるため、強度的な問題点をなくするにはセンタハウジング２２Ａは鉄材で形成することが望ましい。

また、本実施形態のように、基板ホルダ３５を、円筒部３５Ａ及びフランジ部３５Ｂから構成すると、その円筒部３５Ａ先端部を励磁コイル２８の内側に入り込ませることができ、回路基板３１を励磁コイル２８に包囲された空間の内側に容易に配置できるから、永久磁石３０及び検出素子３２を、従来は利用されていなかった空間（図３において、永久磁石２５右側の励磁コイル２８に包囲された空間）に配置できる。その結果、ロータヨーク２４やセンタハウジング２２Ａの長さを短くできるから、小型のブラシレスモータ１２にとって、さらに有利な構成となっている。つまり、基板ホルダ３５を設けずに、回路基板３１を直接フロントハウジング２２Ｂにネジ止めすることも不可能ではないが、これでは、回路基板３１が大きくなってこれを励磁コイル２８の内側に入り込ませることができないし、円周溝２２ｂを励磁コイル２８を収容するスペースとして利用できないし、しかも回路基板３１にナットを固定することが必要になるため、結果として、本実施の形態のような基板ホルダ３５を設けることが、ブラシレスモータ１２の小型化・低コスト化を図る上で有利なのである。

このように、本実施形態のブラシレスモータ１２であれば、コストアップ等を招くことなく、その軽量化，小型化及び慣性低減を図ることができる。そして、小型化が図れれば取付スペースの余裕が小さい場合でも配設が容易になるし、軽量化は衝撃などが加わった際の故障発生を低減する上で有利であるし、慣性低減は応答性の面で優れるから、特に本実施の形態のブラシレスモータ１２は、配設スペースが小さく、走行中に振動等の影響を受けにくく、しかも高い応答性が要求される車両の電動式パワーステアリング装置の動力源として好適である。

なお、上記実施形態では、ウォームシャフト１４にセレーション軸部１７を形成し、ロータヨーク２４にセレーション穴部２４ａを形成した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ウォームシャフト１４にセレーション穴部を形成し、ロータヨーク２４にセレーション軸部を形成するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、減速ギヤ１１のウォームシャフト１４とブラシレスモータ１２のロータヨーク２４との結合部としてセレーション結合を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、セレーション結合に代えてスプライン係合やキー結合等の任意の動力伝達可能な非円形形状の結合方法を適用することができる。他に、円形断面の一部に平面部を形成したＤ形断面の結合、二面幅や四角、三角断面形状、楕円形状等の非円形形状の結合でもよい。

さらに、上記実施形態では、ブラシレスモータ１２のロータヨーク２４に固定する永久磁石２５をリングマグネットで構成した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、セグメントマグネットを適用するようにしてもよい。
さらにまた、上記実施形態では、軸受１３ａ，１３ｂ，２３ａ，２３ｂとして転がり軸受を適用しているが、これに限定されるものではなく、滑り軸受等の他の形式の軸受であってもよい。

なおさらに、上記実施形態では、位相検出センサとしてホール素子等が適用できる検出素子３２を設けた場合について説明したが、その場合、ホール素子により磁極を検出する簡単な構造であってもよいし、或いは、分解能を上げた磁気エンコーダのような構造であってもよい。
また、上記実施形態では、操舵補助力を発生するモータとしてブラシレスモータ１２を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ブラシを有するブラシモータに本発明を適用することもできる。

さらに、上記実施形態では、電動パワーステアリング装置１として、ステアリングホイールと中間シャフト６との間のステアリングシャフト２上に操舵補助機構を配置した、いわゆるコラムタイプの電動パワーステアリング装置に本発明を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ピニオン軸８ａに操舵補助機構４を設けるいわゆるピニオンタイプ電動パワーステアリング装置にも本発明を適用することができる。

さらにまた、上記実施形態においては、本発明を電動パワーステアリング装置１に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ステアリング装置のチルト位置やテレスコ位置を電動アクチュエータによって調整する電動位置調整式ステアリング装置の電動アクチュエータに用いられるモータや、ブレーキパッドを移動させるモータを有する電動ブレーキ装置のモータなどのモータを有する任意の機器に本発明を適用することができる。

本発明をコラムタイプ電動パワーステアリング装置に適用した場合の一実施形態を示す全体構成図である。 図１のｘ−ｘ断面図である。 図１のブラシレスモータの縦断面図である。 図３の要部の断面図である。

符号の説明

１…電動パワーステアリング装置、２…ステアリングシャフト、３…ステアリングコラム、４…操舵補助機構、５，７…ユニバーサルジョイント、６…中間シャフト、８…ステアリングギヤ、１１…減速ギヤ機構、１１ａ…ウォームホイール、１１ｂ…ウォーム、１２…ブラシレスモータ、１３ａ，１３ｂ…転がり軸受、１４…ウォームシャフト、１７…セレーション軸部、２２Ａ…センタハウジング、２２Ｂ…フロントハウジング、２３ａ，２３ｂ…軸受、２４…ロータヨーク、２４Ａ…小径円筒部、２４Ｂ…空間、２４Ｃ…大径円筒部、２４ａ…セレーション穴部、２５…永久磁石、２６…ロータ、２９…ステータ

Claims (5)

1. 外周面に永久磁石を配設したロータヨークと、前記永久磁石と対向するステータとを有する永久磁石回転機であって、
   前記ロータヨークは、全体が中空の円筒状に形成されていることを特徴とする永久磁石回転機。
2. 前記ロータヨークは永久磁石が配設された大径円筒部と、該大径円筒部と連接して外部に動力伝達可能な結合部を成形した小径円筒部とで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石回転機。
3. 前記結合部は非円形断面形状で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の永久磁石回転機。
4. 前記永久磁石は、セグメントマグネット及びリングマグネットの何れか一方で構成され、前記ロータヨークに固定されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の永久磁石回転機。
5. 操舵系に対して操舵補助力を発生する電動モータとして請求項１乃至４の何れか１項に記載の永久磁石回転機を適用したことを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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