JP2014184789A - 電動パワーステアリング装置及びこの装置の組付け方法 - Google Patents

Abstract

【課題】トルクセンサの中立点を簡易に設定しつつ、電動パワーステアリング装置の組付けを精度良く行う。
【解決手段】本発明に係る電動パワーステアリング装置は、ステアリングシャフトに入力された操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ１１と、アシストモータとを備える。操舵トルクセンサ１１は、トーションバーにより同軸に連結された入力軸及び出力軸の一方に固定された永久磁石１５と、他方に固定され、永久磁石１５の磁界内に配置されて磁気回路を形成する磁性体２０と、磁性体２０に発生した磁束を検出する検出部とを有する。永久磁石１５は、Ｎ極１５ａとＳ極１５ｂとが周方向で交互に配置され、かつＮ極１５ａとＳ極１５ｂとの境界線１８が永久磁石１５の軸線１９に対して傾斜するよう着磁されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置及びこの装置の組付け方法に関し、特に磁束の変化に基づき相対位相変位を検出することで操舵トルクを検出する操舵トルク検出部を具備した電動パワーステアリング装置及びこの装置の組付け方法に関する。

電動パワーステアリング装置（以下、単にＥＰＳ装置ともいう。）は、車両のステアリング系にトルクセンサやアシストモータなどを組み付けてなるもので、例えば、ステアリングホイールを通じてステアリング系に入力された操舵トルクの大きさに基づき、ＥＣＵと呼ばれるコントロールユニットがアシストモータを駆動制御することで、ステアリングシャフトにアシストトルクを付与するものが一般的である。

ＥＰＳ装置は、上述の如く、ステアリング系に入力された操舵トルクに応じて、ドライバーが操舵に必要な力をアシストするものであり、操舵トルクに応じた最適なアシストトルクを付与するために、操舵トルクを検出するトルクセンサを備えている。ここでいうトルクセンサとは、トルクの入力に伴い、ステアリングシャフトに組み込まれたトーションバーのねじれ角を操舵トルクとして検出するものを指し、例えば自己インダクタンス方式、ホールＩＣ方式、レゾルバ方式、電磁誘導方式、光学方式などの回転角センサで、入力軸と出力軸との位相差を検出することでトーションバーのねじれ角を取得可能としている。

このうち、ホールＩＣ方式は、他の方式に比べて部品点数が少ないことから故障し難く、また低コストに入手可能なことから、小型量産車のステアリング系に好適に採用されている。

このトルクセンサは、例えば特許文献１に記載のように、トーションバーにより同軸に連結された第１軸及び第２軸と、第１軸に固定された永久磁石と、第２軸に固定され、永久磁石の磁界内に配置されて磁気回路を形成する複数の軟磁性体と、軟磁性体に発生した磁束を検出する検出器とを備えるもので、第１軸又は第２軸にトルクが入力されたときに、検出器の出力に基づき操舵トルクを検出可能としている。

また、永久磁石１１５は、図６で模式的に示すように、Ｎ極１１５ａとＳ極１１５ｂとが周方向で交互に等間隔で着磁された円筒形状の多極磁石であり、両極１１５ａ，１１５ｂ間の境界線１１８の方向は、永久磁石１１５の軸線１１９の方向に一致している。一方、複数の軟磁性体は２つの磁気ヨーク１２０で、各磁気ヨーク１２０は、板状のリング１２３と、板状のリング１２３の一方の板面から垂直に伸びＮ極１１５ａ又はＳ極１１５ｂと同数の爪部１２４とを有する。各々の磁気ヨーク１２０において複数の爪部１２４は周方向で等間隔に配設されており、かつ各々の磁気ヨーク１２０の爪部１２４が周方向に適当な間隔を持って上下で交互に突出するように、２つの磁気ヨーク１２０が軸方向に対向配置される。そのため、このトルクセンサにおいては、磁気ヨーク１２０の各爪部１２４の中心線１２５が、永久磁石１１５の境界線１１８とが一致するように、磁気ヨーク１２０と永久磁石１１５とを円周方向で位置合わせを行うことで、当該センサの中立点（検出器で検出すべき磁束が零となる位置）が設定される。

特開２００５−６９９９４号公報

ところで、この種の回転角センサをＥＰＳ装置のトルクセンサとして用いる場合には、中立点の設定が非常に重要となる。ＥＰＳ装置のトルクセンサとして使用した際に必要となる検出領域（トーションバーのねじれ角領域）は非常に小さいため、適切なアシストトルクの付与のためには、特に中立点近傍における磁束の変化を正確に検出することが重要となるためである。しかしながら、従来のトルクセンサにおいては、特許文献１に記載のように、永久磁石１１５の境界線１１８が永久磁石１１５の軸線１１９と平行になっているため、中立点の設定に際しては、磁気ヨーク１２０と永久磁石１１５とを半径方向に重ね合わせた状態で、一方を他方に対して相対回転させて、境界線１１８と、爪部１２４の中心線１２５とを正確に一致させる作業が必要となり、非常に手間がかかっていた。

また、上記構成の回転角センサをＥＰＳ装置のトルクセンサとして用いる場合には、トルクセンサの中立点を設定するのと同時に、当該中立点と、ステアリング系における操舵トルクのゼロ点とを一致させる必要がある。永久磁石と磁気ヨークは入力軸と出力軸とに固定され、これら入力軸と出力軸とはトーションバーを介して所定の位相で連結される。そのため、永久磁石と磁気ヨークとの相対位相関係は、入力軸と出力軸との連結時における相対位相関係によっても左右される。しかしながら、入力軸と出力軸との連結は、通常、トーションバーとのピン圧入によって成されることから、圧入時の僅かな回転（位相のずれ）によっても、永久磁石と磁気ヨークとの位相関係が中立点からずれることになる。これでは、トルクセンサの中立点と操舵トルクのゼロ点とがずれた状態でトルクセンサの組付けが成されるので、操舵トルクを付与していない状態でも、想定外のアシストトルクが作用するおそれが生じる。以上の理由より、トルクセンサを含むＥＰＳ装置の組付け作業には非常に時間が掛かり、また不具合も発生することから必ずしも歩留まりが高いとはいえない状況にあった。

以上の事情に鑑み、本発明により解決すべき課題は、トルクセンサの中立点を簡易に設定しつつ、電動パワーステアリング装置の組付けを精度良く行うことにある。

前記課題の解決は、本発明に係る電動パワーステアリング装置によって達成される。すなわち、この装置は、ステアリングシャフトに入力された操舵トルクを検出する操舵トルクセンサと、操舵トルクセンサで検出された操舵トルクの大きさに基づき、ステアリングシャフトにアシストトルクを付与するアシストモータとを備え、操舵トルクセンサは、トーションバーにより同軸に連結された入力軸及び出力軸の一方に固定された永久磁石と、他方に固定され、永久磁石の磁界内に配置されて磁気回路を形成する磁性体と、磁性体に発生した磁束を検出する検出部とを有する電動パワーステアリング装置において、永久磁石は、Ｎ極とＳ極とが周方向で交互に配置され、かつＮ極とＳ極との境界線が永久磁石の軸線に対して傾斜するよう着磁されている点をもって特徴付けられる。

このように、本発明では、電動パワーステアリング装置の操舵トルクセンサを構成する永久磁石に、Ｎ極とＳ極とが周方向で交互に配置され、かつＮ極とＳ極との境界線が永久磁石の軸線に対して傾斜するよう着磁したものを使用した。このように、Ｎ極とＳ極との境界線を永久磁石の軸線に対して傾斜させることで、磁性体に発生する磁束が、当該磁性体を永久磁石に対して周方向だけでなく軸方向に相対移動させた場合にも変化する。これにより、操舵トルクセンサの中立点を設定する際、磁性体を永久磁石に対して円周方向に相対移動（相対回転）させることなく、軸方向に相対移動させるだけで、中立点を設定することができる。また、このタイプのセンサであれば、軸方向に比較的大きめの公差が保証されているので、永久磁石と磁性体とを各々の軸方向基準位置で一致させなくても（多少軸方向にずれていても）、検出精度を確保することができる。よって、上述のように軸方向の位置合わせでもって中立点を設定したとしても検出性能に問題はない。

また、本発明に係る電動パワーステアリング装置は、磁性体が、永久磁石の外周に配置される一対の磁気ヨークであって、磁気ヨークはそれぞれ、環状部と、環状部から軸方向に伸び永久磁石のＮ極又はＳ極と同数の爪部とを有し、爪部の中心線がＮ極とＳ極との境界線と平行になるよう、磁気ヨークの軸線方向に対して傾斜しているものであってもよい。なお、ここでいう爪部の「中心線」とは、当該爪部の永久磁石との対向面における重心位置を通り、かつ当該中心線を境として上記対向面が等面積に二分される線をいう。

本発明は、永久磁石と磁気ヨークとの軸方向の相対移動により、中立点の設定を可能とするものであるから、少なくとも永久磁石の境界線が軸線に対して傾斜していればよく、磁気ヨークのうち永久磁石と対向する部分の形状は特に限定されない。ここで、磁気ヨークの具体的な形態として、環状部と、環状部から軸方向に伸び永久磁石のＮ極又はＳ極と同数の爪部とを有するものが挙げられる。この場合、爪部の中心線がＮ極とＳ極との境界線と平行になるよう、磁気ヨークの軸線方向に対して傾斜していることで、中立点から左右にずれた場合の磁束の変化の度合いを等しくすることができる。つまり、中立点においては、爪部の中心線と永久磁石の境界線とは半径方向から見て一致しているため、爪部はその中心線を境としてＮ極とＳ極それぞれと略等しい面積で対向している。よって、この状態から磁気ヨークと永久磁石の一方を左右いずれの方向に相対回転させた場合においても、磁束の変化の度合いは左右で略等しくなる。従って、操舵方向によらず、操舵トルクを高い精度で検出することが可能となる。

また、前記課題の解決は、本発明に係る電動パワーステアリング装置の組付け方法によっても解決される。すなわち、この組付け方法は、ステアリングシャフトに入力された操舵トルクを検出する操舵トルクセンサと、操舵トルクセンサで検出された操舵トルクの大きさに基づき、ステアリングシャフトにアシストトルクを付与するアシストモータとを備え、操舵トルクセンサは、トーションバーにより同軸に連結された入力軸及び出力軸の一方に固定された永久磁石と、他方に固定され、永久磁石の磁界内に配置されて磁気回路を形成する磁性体と、磁性体に発生した磁束を検出する検出部とを有する電動パワーステアリング装置の組付け方法であって、永久磁石に、Ｎ極とＳ極とが周方向で交互に配置され、かつＮ極とＳ極との境界線が永久磁石の軸線に対して傾斜するよう着磁したものを使用し、操舵トルクが入力されていない状態で、検出部で検出すべき磁束が零となるように、磁性体と永久磁石との軸方向相対位置を調整する点をもって特徴付けられる。

以上のように、本発明に係る電動パワーステアリング装置及びこの装置の組付け方法によれば、トルクセンサの中立点を簡易に設定しつつ、電動パワーステアリング装置の組付けを精度良く行うことが可能となる。

本発明の一実施形態に係るＥＰＳ装置の平面図である。 図１に示すＥＰＳ装置に組み込まれた操舵トルクセンサの断面図である。 図２に示す操舵トルクセンサの斜視図である。 図２に示す操舵トルクセンサの側面図であって、中立点の設定前における永久磁石と磁気ヨークとの位置関係を示す側面図である。 図２に示す操舵トルクセンサの側面図であって、中立点の設定後における永久磁石と磁気ヨークとの位置関係を示す側面図である。 従来のトルクセンサの側面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング（ＥＰＳ）装置を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置１０の平面図を示している。図１に示すように、この電動パワーステアリング装置１０は、操舵トルクセンサ１１と、操舵角センサ１２と、アシストモータ１３と、コントロールユニットとしてのＥＣＵ１４とを備える。そして、図示しないステアリングホイールからステアリングシャフトの入力軸２にトルクが入力された際の操舵トルクを操舵トルクセンサ１１で検出し、検出した操舵トルクの大きさに基づき、ＥＣＵ１４がアシストモータ１３を駆動制御することで、アシストモータ１３から出力軸３に適度な大きさのアシストトルクを付与可能としている。

操舵トルクセンサ１１は、図２に示すように、トルク入力時、入力軸２と出力軸３とを連結するトーションバー４のねじれ角を、入力軸２と出力軸３との回転位相差を検出することで取得するもので、以下の構成を有する。すなわち、この操舵トルクセンサ１１は、トーションバー４により同軸に連結された入力軸２及び出力軸３の一方に固定された永久磁石１５と、他方に固定され、永久磁石１５の磁界内に配置されて磁気回路を形成する磁性体１６と、磁性体１６に発生した磁束を検出する検出部１７とを有する。本実施形態では、永久磁石１５は入力軸２の一端に固定され、磁性体１６は出力軸３の他端に固定され、これにより、磁性体１６が、永久磁石１５の外周に配置され、入力軸２と出力軸３との相対回転により生じた回転位相差を検出可能とされる。

永久磁石１５は、図３に示すように円筒形状をなすもので、Ｎ極１５ａとＳ極１５ｂとを円周方向で等間隔に交互に配置してなる。また、永久磁石１５の外周面に生じるＮ極１５ａとＳ極１５ｂとの境界線１８は、永久磁石１５の軸線１９に対して円周方向に傾斜するよう着磁されている。本実施形態では、図４に示すように、全ての境界線１８が、側面視した状態で、永久磁石１５の軸線１９に対して同一方向に所定角θだけ傾斜している。

磁性体１６は、永久磁石１５の外周に配置される一対の磁気ヨーク２０と、磁気ヨーク２０の更に外周に配設される一対の集磁リング２１とで構成される。

一対の磁気ヨーク２０は何れも永久磁石１５と同軸に配設されており、軸方向に伸びる固定部２２（図２を参照）を介して相互に固定される。各磁気ヨーク２０は、図３に示すように、板状の環状部２３と、環状部２３の内周縁から軸方向に伸びる複数の爪部２４とを有する。各磁気ヨーク２０に形成された爪部２４の数とＮ極１５ａ又はＳ極１５ｂの数とは同一である。すなわち、一対の磁気ヨーク２０に形成された爪部２４の合計数は永久磁石１５の総極数（例えば２４極）に等しい。これら複数の爪部２４は円周方向で等間隔に配置されている。

本実施形態では、各爪部２４は基端側（環状部２３の側）から先端側に向けて円周方向寸法を小さくした形状をなしており、永久磁石１５の外周面との間に一定の半径方向隙間を介して、当該外周面と対向している。また、各爪部２４の中心線２５は、Ｎ極１５ａとＳ極１５ｂとの境界線１８と平行になるよう、磁気ヨーク２０の軸線、すなわち永久磁石１５の軸線１９に対して円周方向に傾斜している。本実施形態では、図４に示すように、全ての爪部２４の中心線２５が、側面視した状態で、永久磁石１５の軸線１９に対して同一方向に所定角θだけ傾斜している。

上記構成の一対の磁気ヨーク２０は、各々の磁気ヨーク２０に形成した複数の爪部２４を、互いに対向する側の磁気ヨーク２０に向けて配置されている。

一対の集磁リング２１は、対応する磁気ヨーク２０とそれぞれ磁気結合され、磁気ヨーク２０に生じた磁束をそれぞれ誘導可能とされる。また、これら集磁リング２１は、平行に配置され、互いに周方向の他の部分よりも近接する平板部２１ａを有し、これら互いに近接する平板部２１ａの隙間に、１又は複数の検出部１７（例えばホールＩＣ）が挿入されている。これら集磁リング２１と検出部１７は例えば電動パワーステアリング装置１０のケーシング２６（図１）に固定される。

上述のように、本発明に係る操舵トルクセンサ１１は、永久磁石１５の境界線１８をその軸線１９に対して円周方向に傾斜させたものであるから、検出部１７で検出すべき磁束（例えば磁束密度）が零となる位置、すなわち中立点は、永久磁石１５と磁気ヨーク２０との軸方向相対位置を以下のように調整することにより設定される。

まず、図２に示すように、入力軸２と出力軸３とをトーションバー４を介して連結しておく。この際、トーションバー４のねじれが零となるように、すなわち、操舵トルクが零となる相対位相で入力軸２と出力軸３とを連結しておく。そして、永久磁石１５の外周に磁気ヨーク２０を重ね合わせる。この際、永久磁石１５と磁気ヨーク２０とは相対回転可能な状態にあるため、重ね合わせた状態では、多くの場合、図４に示すように、永久磁石１５の境界線１８と、爪部２４の中心線２５とがずれた状態にある。

よって、この状態から、永久磁石１５と磁気ヨーク２０とを軸方向（軸線１９に沿った方向）に相対移動させると共に、その際の磁束の変化を検出部１７でモニタリングする。そして、検出部１７で検出した磁束が零となる位置で上記軸方向の移動を停止し、永久磁石１５及び磁気ヨーク２０をそれぞれ対応する軸（入力軸２又は出力軸３）に固定する。これにより、永久磁石１５におけるＮ極１５ａとＳ極１５ｂとの境界線１８と、爪部２４の中心線２５とが一致した状態で位置決めがなされ（図５を参照）、操舵トルクセンサ１１の中立点が設定される。また、このようにして中立点を設定することで、当該中立点と、先に設定したステアリング系における操舵トルクのゼロ点とを一致させた状態で、操舵トルクセンサ１１と、入力軸２及び出力軸３の組付けが行われる。なお、この際、軸方向に移動させない他方の部材は予め対応する軸に固定しておいてもよい。

このように、本発明では、電動パワーステアリング装置１０の操舵トルクセンサ１１を構成する永久磁石１５に、Ｎ極１５ａとＳ極１５ｂとが周方向で交互に配置され、かつＮ極１５ａとＳ極１５ｂとの境界線１８が永久磁石１５の軸線１９に対して傾斜するよう着磁したものを使用した。このように、永久磁石１５の境界線１８をその軸線１９に対して傾斜させることで、磁性体としての磁気ヨーク２０に発生する磁束が、磁気ヨーク２０を永久磁石１５に対して円周方向だけでなく軸方向に相対移動させた場合にも変化する。これにより、操舵トルクセンサ１１の中立点を設定する際、磁気ヨーク２０を永久磁石１５に対して円周方向に相対移動（相対回転）させることなく、軸方向に相対移動させるだけで、中立点を設定することができる。また、このタイプのセンサであれば、軸方向に比較的大きめの公差が保証されているので、永久磁石１５と磁気ヨーク２０とが各々の軸方向基準位置（例えば図４に示す位置）から多少軸方向にずれていても、検出精度を確保することができる。

また、本実施形態では、磁気ヨーク２０の環状部２３から軸方向に伸びる爪部２４を、当該軸方向から円周方向に比較的小さな角度（例えば４５度未満）で傾斜させるようにした。こうすることで、磁気ヨーク２０を永久磁石１５に対して相対回転させたときよりも、軸方向に相対移動させたときのほうが、中心線２５と境界線１８との近接又は離間量が小さくなる。言い換えると、ある程度大きく軸方向に移動させるようにしても、中立点の調整（中心線２５と境界線１８との一致）が可能となる。よって、相対回転により中立点を設定するよりも、容易かつ短時間で中立点を設定することが可能となる。この効果は、中心線２５及び境界線１８の軸線１９に対する傾斜角度が小さいほど顕著となる。

以上、本発明の一実施形態について述べたが、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲において、上記以外の構成を採ることも可能である。

例えば、上記実施形態では、永久磁石１５として、Ｎ極１５ａとＳ極１５ｂとの間の全ての境界線１８が、側面視した状態で、永久磁石１５の軸線１９に対して同一方向に同一角度だけ傾斜したものを使用したが、もちろんこれ以外の構成に係る永久磁石１５を使用することも可能である。

また、爪部２４の形状に関し、本実施形態では、側面視で台形形状（截頭三角形計上）をなすものを例示したが、もちろんこれ以外の形状をなすものであってもよい。例えば、幅方向寸法が一定の矩形形状（短冊形状）をなすものであっても、等形状かつ円周方向に沿って等間隔に配置される限りにおいて、使用可能である。

また、上記操舵トルクセンサ１１の中立点設定作業を含む組付け作業に関し、上記実施形態では、先に入力軸２と出力軸３とを連結しておき、然る後、永久磁石１５と磁気ヨーク２０とを軸方向に相対移動させて、検出部１７で検出すべき磁束が零となる位置で永久磁石１５と磁気ヨーク２０とを入力軸２と出力軸３の何れかにそれぞれ固定する場合を説明したが、先に永久磁石１５と磁気ヨーク２０とを入力軸２と出力軸３に固定し、然る後、入力軸２とトーションバー４又は出力軸３とトーションバー４との軸方向固定位置を設定することで、中立点の設定を図ることも可能である。

例えば図２に示すように、入力軸２（又は出力軸３）とトーションバー４とがピン５の圧入により相互に連結される場合、入力軸２とトーションバー４とを軸方向及び周方向で位置決めした後、ピン５の圧入穴を入力軸２とトーションバー４を貫通形成することがある。よって、その場合、先に永久磁石１５を入力軸２に、磁気ヨーク２０を出力軸３にそれぞれ固定しておき、然る後、まず磁気ヨーク２０を固定した出力軸３をトーションバー４にピン５の圧入で固定する。そして、磁気ヨーク２０及び出力軸３と一体に移動可能な状態としたトーションバー４と入力軸２とを軸方向で相対移動させて、検出部１７で検出すべき磁束が零となる位置で、入力軸２とトーションバー４双方に、ピン５圧入用の穴を貫通形成し、ピン５を圧入することで、入力軸２とトーションバー４とを連結する。以上のようにして、操舵トルクセンサ１１の中立点を設定してもよい。

２ 入力軸
３ 出力軸
４ トーションバー
５ ピン
１０ 電動パワーステアリング装置
１１ 操舵トルクセンサ
１２ 操舵角センサ
１３ アシストモータ
１４ ＥＣＵ
１５ 永久磁石
１５ａ Ｎ極
１５ｂ Ｓ極
１６ 磁性体
１７ 検出部
１８ 境界線（永久磁石）
１９ 軸線（永久磁石）
２０ 磁気ヨーク
２１ 集磁リング
２３ 環状部
２４ 爪部
２５ 中心線（爪部）

Claims (3)

1. ステアリングシャフトに入力された操舵トルクを検出する操舵トルクセンサと、該操舵トルクセンサで検出された前記操舵トルクの大きさに基づき、前記ステアリングシャフトにアシストトルクを付与するアシストモータとを備え、
   前記操舵トルクセンサは、トーションバーにより同軸に連結された入力軸及び出力軸の一方に固定された永久磁石と、他方に固定され、前記永久磁石の磁界内に配置されて磁気回路を形成する磁性体と、該磁性体に発生した磁束を検出する検出部とを有する電動パワーステアリング装置において、
   前記永久磁石は、Ｎ極とＳ極とが周方向で交互に配置され、かつ前記Ｎ極と前記Ｓ極との境界線が前記永久磁石の軸線に対して傾斜するよう着磁されていることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記磁性体は、前記永久磁石の外周に配置される一対の磁気ヨークであって、該磁気ヨークはそれぞれ、環状部と、該環状部から軸方向に伸び前記永久磁石の前記Ｎ極又は前記Ｓ極と同数の爪部とを有し、
   前記爪部の中心線が前記Ｎ極と前記Ｓ極との境界線と平行になるよう、前記磁気ヨークの軸線方向に対して傾斜している請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. ステアリングシャフトに入力された操舵トルクを検出する操舵トルクセンサと、該操舵トルクセンサで検出された前記操舵トルクの大きさに基づき、前記ステアリングシャフトにアシストトルクを付与するアシストモータとを備え、
   前記操舵トルクセンサは、トーションバーにより同軸に連結された入力軸及び出力軸の一方に固定された永久磁石と、他方に固定され、前記永久磁石の磁界内に配置されて磁気回路を形成する磁性体と、該磁性体に発生した磁束を検出する検出部とを有する電動パワーステアリング装置の組付け方法であって、
   前記永久磁石に、Ｎ極とＳ極とが周方向で交互に配置され、かつ前記Ｎ極と前記Ｓ極との境界線が前記永久磁石の軸線に対して傾斜するよう着磁したものを使用し、
   前記操舵トルクが入力されていない状態で、前記検出部で検出すべき磁束が零となるように、前記磁性体と前記永久磁石との軸方向相対位置を調整することを特徴とする電動パワーステアリング装置の組付け方法。

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