KR102449648B1 - 임팩트 기능을 갖는 전동 공구에서 체결 부재의 회전 각도 측정 방법 - Google Patents

Abstract

전동 모터가 내장되고, 상기 전동 모터에서 발생되는 토크를 이용하여 해머가 앤빌 측에 임팩트를 제공하는 전동 공구에서, 상기 전동 공구에 의해 체결되는 체결 부재에 대한 회전 각도를 측정하는 방법으로서, 상기 전동 모터 측으로 공급되는 작동 전류를 시간의 흐름에 따라 실시간 모니터링하면서 상기 작동 전류의 값이 미리 설정된 저부하 전류와 동일하거나 상기 저부하 전류의 크기를 초과하는 시간 구간을 각각 검출하는 제1 단계; 및 상기 시간 구간 동안 상기 해머 측에 배치되는 회전각도센서를 통해 측정되는 회전 각도를 합산하여 전체 회전 각도를 측정하는 제2 단계;를 포함하는 임팩트 기능을 갖는 전동 공구에서 체결 부재의 회전 각도 측정 방법을 제공한다.

Description

임팩트 기능을 갖는 전동 공구에서 체결 부재의 회전 각도 측정 방법{METHOD OF MEASURING ROTATION ANGLE OF FASTENING MEMBER FOR ELECTRIC TOOL WITH IMPACT}

본 발명은 볼트 등의 체결 부재를 사용하여 조임 체결 등의 전동 작업을 하면서 체결 부재에 걸리는 부하의 크기에 따라 임팩트를 제공하는 전동 공구에 관한 것이다.

전동 공구는 배터리 등의 전원에 의해 전동 모터를 구동하여 전동 작업의 종류나 용도에 따라 선택적으로 결합되는 공구 툴을 회전시킴으로써 나사를 체결하거나 구멍을 뚫는 등 다중 작업을 할 수 있다.

이런 전동 공구 중 특히 임팩트를 제공하는 전동 공구는 전동 모터 측에 결합되는 해머와 해머에 의해 타격되는 앤빌을 포함한다. 이 때, 해머에 의한 타격력 즉, 임팩트의 크기는 특히 해머의 무게와 앤빌을 타격하기 직전 해머가 갖는 회전 속도에 좌우된다.

그러나, 임팩트 기능을 갖는 종래 전동 공구는 볼트 등의 체결 부재를 체결함에 있어 그 회전 각도를 확인할 수 없다는 문제점이 있었다. 이는 체결 과정에서 체결 부재의 조인트 특성에 적합한 회전 각도를 초과하여 체결이 이루어지게 한다.

그리고, 볼트가 약간 기울어진 상태에서 체결되기 시작하면 이내 체결 부하의 증가로 인해 전동 공구는 임팩트를 발생시키게 된다. 그 결과, 볼트에는 정상적인 체결 과정에서 가해지는 임팩트의 크기보다 과도한 임팩트가 가해질 수 있어 볼트에 손상이 발생하는 문제점이 있었다. 또한, 작업자는 작업 도중 이런 체결 불량을 즉시 인식하지 못하고, 이미 볼트의 조임 체결이 상당하게 진행된 이후 비로소 체결 불량을 인식하게 되는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허 제10-1453891호 일본 공개특허 제06190741호 일본 공개특허 제11138459호

본 발명의 실시예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 임팩트 기능을 갖는 전동 공구에서 체결 부재를 사용하여 조임 체결할 때, 그 회전 각도를 확인하면서 체결할 수 있도록 하여 체결 불량을 감소시키는 것을 목적으로 한다.

또한, 종래와 달리 임팩트 기능을 갖는 전동 공구에서도 체결 부재의 회전 각도에 대한 제어를 가능하도록 하여 체결 과정에서 발생하는 에러를 검출하고자 한다.

본 발명의 실시예는 상기와 같은 과제를 해결하고자, 전동 모터가 내장되고, 상기 전동 모터에서 발생되는 토크를 이용하여 해머가 앤빌 측에 임팩트를 제공하는 전동 공구에서, 상기 전동 공구에 의해 체결되는 체결 부재에 대한 회전 각도를 측정하는 방법으로서, 상기 전동 모터 측으로 공급되는 작동 전류를 시간의 흐름에 따라 실시간 모니터링하면서 상기 작동 전류의 값이 미리 설정된 저부하 전류와 동일하거나 상기 저부하 전류의 크기를 초과하는 시간 구간을 각각 검출하는 제1 단계; 및 상기 시간 구간 동안 상기 해머 측에 배치되는 회전각도센서를 통해 측정되는 회전 각도를 합산하여 전체 회전 각도를 측정하는 제2 단계;를 포함하는 임팩트 기능을 갖는 전동 공구에서 체결 부재의 회전 각도 측정 방법을 제공한다.

제1 단계에서, 상기 시간 구간은 상기 저부하 전류를 공급하는 저부하 구간과, 펄스 형태의 오버부하 전류를 공급하는 예비 임팩트 구간을 포함할 수 있다.

상기 예비 임팩트 구간의 각 종료 시각은 검출되는 종료 시각보다 미리 설정된 단축 비율만큼 더 앞당겨지는 것이 바람직하다.

상기 단축 비율은 상기 해머와 상기 앤빌이 접촉되는 양 측면의 경사도를 반영하여 조절될 수 있다.

상기 제2 단계 이후에, 상기 전체 회전 각도가 미리 설정된 목표 각도에 도달하면, 상기 작동 전류의 공급을 차단하는 제3 단계;를 더 포함할 수 있다.

다른 실시예는 전동 모터가 내장되고, 상기 전동 모터에서 발생되는 토크를 이용하여 해머가 앤빌 측에 임팩트를 제공하는 전동 공구에서, 상기 전동 공구에 의해 체결되는 체결 부재에 대한 회전 각도를 측정하는 방법으로서, 상기 전동 모터 측으로 공급되는 작동 전류를 시간의 흐름에 따라 실시간 모니터링하면서 펄스 형태의 오버부하 전류를 공급하는 예비 임팩트 구간을 각각 검출하는 제1 단계; 및 상기 예비 임팩트 구간 동안 상기 해머 측에 배치되는 회전각도센서를 통해 측정되는 회전 각도를 합산하여 전체 회전 각도를 측정하는 제2 단계;를 포함하는 임팩트 기능을 갖는 전동 공구에서 체결 부재의 회전 각도 측정 방법을 제공한다.

상기 예비 임팩트 구간의 각 종료 시각은 검출되는 종료 시각보다 미리 설정된 단축 비율만큼 더 앞당겨지는 것이 바람직하다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 과제해결 수단에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.

일 실시예에 따르면 임팩트 기능을 갖는 전동 공구를 사용하여 체결 부재를 조임 체결할 때, 체결 부재가 실제 회전한 회전 각도를 측정할 수 있다. 그 결과, 체결 불량이 감소하는 효과가 발생한다.

또한, 종래와 달리 임팩트 기능을 갖는 전동 공구를 사용하더라도 체결 부재에 대한 회전 각도의 측정이 가능하여 회전 각도에 대한 제어가 가능하다. 이런 각도 제어를 통해 체결 과정에서 의도하지 않은 부하로 인해 체결 에러가 발생할 수 있는 종래 임팩트 기능을 갖는 전동 공구의 단점을 보완할 수 있다.

체결 부재의 회전 각도를 측정함에 있어 해머와 앤빌의 구조로 인한 오차 부분을 반영함으로 그 정확성을 더욱 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동 공구에 포함되는 해머와 앤빌에 대한 개략적 사시도.
도 2는 도 1에서 타격돌부와 피타격날개의 양 측면을 도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 작동 전류의 개략적인 그래프.
도 4는 도 1의 예비 임팩트 구간에 단축 비율을 반영한 것을 도시한 그래프.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.

임팩트 기능을 갖는 전동 공구에서 체결 부재의 회전 각도 측정 방법은 저부하 전류의 크기를 초과하는 시간 구간을 검출하는 제1 단계, 전체 회전 각도를 측정하는 제2 단계, 작동 전류의 공급을 차단하는 제3 단계를 포함한다. 여기서, 체결 부재는 그 종류가 다양하지만 볼트를 기준으로 설명한다.

일 실시예에 따른 측정 방법은 토크의 제공 수단으로 전동 모터를 사용하는 전동 공구에 적용될 수 있다. 이 때, 전동 공구는 작동 전류의 제어를 전담하는 전류 제어부를 더 포함한다. 또한, 전동 공구는 전동 모터의 회전 속도를 검출하는 속도 센서, 체결 부재의 회전 각도를 검출하는 엔코더 등을 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 전동 공구에는 전동 모터가 내장되고, 전동 공구는 전동 모터에서 발생되는 토크를 이용하여 해머(10)가 앤빌(20) 측에 임팩트를 제공한다. 전동 공구에서 공구 축의 선단에는 작업 목적에 적합한 공구 툴이 체결된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동 공구에 포함되는 해머(10)와 앤빌(20)에 대한 개략적 사시도이고, 도 2는 도 1에서 타격돌부(12)와 피타격날개(22)의 양 측면을 도시한 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 작동 전류의 개략적인 그래프이다.

도 1 및 도 2를 참조하면 임팩트를 제공하는 순간 해머(10)는 공구 축의 회전 방향으로 앤빌(20)에 타격을 가한다. 이를 위해, 해머(10)에는 타격돌부(12)가 형성되고, 앤빌(20)에는 피타격날개(22)가 형성된다. 따라서, 임팩트는 타격돌부(12)의 측면이 피타격날개(22)의 측면에 빠른 속도로 부딪힐 때 발생한다.

이 때, 해머(10)가 앤빌(20)에 가하는 타격 토크 즉, 임팩트의 크기는 해머(10) 측에 배치되는 탄성 스프링(미도시)에 의한 탄성력과 해머(10)의 회전 속도에 따라 달라진다. 여기서, 탄성력은 일정한 바, 타격 토크의 크기는 주로 해머(10)에 토크를 제공하는 전동 모터의 구동축에 대한 회전 속도에 따라 달라진다.

도 3을 참조하면, 먼저 제1 단계에서는 전동 모터 측으로 공급되는 작동 전류를 시간의 흐름에 따라 실시간 모니터링하면서 작동 전류의 값이 미리 설정된 저부하 전류와 동일하거나 저부하 전류의 크기를 초과하는 시간 구간을 각각 검출한다.

작동 전류는 예를 들어, 무부하 전류, 저부하 전류, 오버부하 전류, 갭 전류 등으로 구분할 수 있다. 무부하 전류는 전동 공구에 단지 공구 툴만이 장착된 상태에서 전동 모터 측으로 전원을 인가할 때 공급되는 전류이다.

저부하 전류는 볼트의 체결이 시작되는 순간부터 오버부하 전류의 발생이 처음으로 시작되는 순간까지 전동 모터 측에 공급되는 전류이다. 이 때, 저부하 전류는 공급되는 동안 그 크기가 비교적 일정한 범위 내에서 유지될 수 있고, 이와 달리 시간의 흐름에 따라 서서히 증가할 수도 있다. 이와 관련하여 저부하 전류를 공급하는 시간 구간을 저부하 구간(p1)이라 한다.

오버부하 전류는 그래프 상에서 살펴보면 저부하 전류가 공급된 이후 제공된다. 구체적으로, 오버부하 전류는 체결 과정에서 앤빌(20) 측에 가해지는 토크에 대한 합력의 크기가 볼트에 걸리는 체결 부하의 크기보다 작은 경우 발생한다.

이런 오버부하 전류는 비교적 일정하거나 완만하게 증가하는 저부하 전류와 달리 전류가 급격하게 증가하기 시작하여 피크값을 갖은 이후 다시 급격하게 감소하는 모양을 갖는다. 한편, 오버부하 전류는 체결 작업이 진행됨에 따라 체결 부하가 증가하는 점을 고려할 때 예를 들어, 그 피크값이 증가하는 펄스 형태의 그래프 모양을 갖을 수 있다.

이와 관련하여 오버부하 전류를 공급하는 시간 구간을 예비 임팩트 구간(p2)이라 한다. 즉, 임팩트는 오버부하 전류가 공급된 이후 발생한다. 따라서, 볼트에 임팩트를 제공하기 위해서는 먼저 오버부하 전류의 공급이 선행한다. 이는 전술한 해머(10)와 앤빌(20)의 구조를 통해 이해될 수 있다.

부연 설명하면, 저부하 구간(p1)에서 해머(10)와 앤빌(20)의 양 측면은 접촉 상태에 있으며 해머(10)와 앤빌(20)은 함께 회동한다. 즉, 타격돌부(12)와 피타격날개(22)의 양 측면이 접촉 상태에 있다.

그리고, 최초 발생하는 예비 임팩트 구간(p2)에서 그 시작 시각에는 저부하 구간(p1)과 마찬가지로 해머(10)와 앤빌(20)의 양 측면이 서로 접촉되어 있다. 이와 같이 해머(10)와 앤빌(20)의 양측면이 서로 접촉되어 있는 상태에서는 해머(10)의 회전각도와 앤빌의 회전각도는 동일하다. 그러나, 어느 순간 앤빌(20) 측에 가해지는 토크에 대한 합력의 크기는 볼트에 걸리는 체결 부하의 크기보다 작아지기 시작한다.

이 때, 앤빌(20)은 더 이상 회동하지 못하고 정지 상태에 놓이게 되며, 그 결과 타격돌부(12)의 측면이 이와 접촉되어 있는 피타격날개(22)의 측면을 따라 슬라이딩됨에 따라 해머(10)는 후방으로 이동하게 된다.

그 결과, 탄성 스프링은 압축되기 시작하고, 그 자체에 탄성력을 축적한다. 그리고, 타격돌부(12)가 피타격날개(22)를 따라 슬라이딩되면서 피타격날개(22)의 상부면을 지나 넘어가는 순간 해머(10)는 앤빌(20)에 의해 구속되어 있던 상태에서 벗어나게 된다. 따라서, 해머(10)와 앤빌(20)의 회전각도에 차이가 발생한다. 즉, 도 2에 도시된 해머 타격돌부(12)의 경사면 최단길이(t) X cosθ 만큼의 거리만큼 회전량에 차이가 발생한다.

그 결과, 해머(10)에는 저부하 전류의 크기에 비해 상대적으로 큰 크기를 갖는 오버부하 전류에 의한 토크와 탄성 스프링의 복원력에 대한 합력이 작용하여 순간 급격한 속도로 회동하면서 회동 방향 상에 위치하는 바로 다음 앤빌(20)과 부딪히고, 앤빌(20)에 임팩트를 제공하게 된다.

갭 전류는 오버부하 전류와 바로 다음 발생하는 오버부하 전류 사이 구간에서 전동 모터 측으로 공급되는 전류이다. 이와 관련하여 갭 전류를 공급하는 시간 구간을 갭 구간(p3)이라 한다. 그리고, 이런 갭 전류가 발생하는 상태는 전술한 무부하 상태와 유사하거나 그 보다 더 낮은 부하 상태에 있는 바, 전류를 제어함에 있어 저부하 전류의 크기보다 작도록 설정하는 것이 바람직하다. 갭 구간(p3)는 해머(10)가 앤빌(20)의 구속에서 벗어나 순간부터 다음 임팩이 발생하기 직전까지의 구간이다. 따라서, 이 구간은 해머(10)는 회전을 하나, 앤빌(20)이 회전하지 않는 구간이다. 갭 구간(p3)에서는 전술한 바와 같이, 무부하 상태와 유사하게 되어 모터에 공급되는 전류는 매우 작으나, 모터의 회전 속도는 급격하게 증대되어, 다음 임팩시 큰 충격량을 줄 수 있게 된다. 다음 임팩 발생(즉, 해머와 앤빌이 접촉)과 동시에 모터에 공급되는 전류가 상승하게 되어 다음 오버부하 전류가 공급되며, 다음 예비 임팩트 구간(p2)이 반복된다.

도 4는 도 1의 예비 임팩트 구간(p2)에 단축 비율을 반영한 것을 도시한 그래프이다. 도 4를 참조하면, 제1 단계에서 검출 대상이 되는 시간 구간은 저부하 구간(p1)과 적어도 하나 이상의 예비 임팩트 구간(p2)이다. 다만, 예비 임팩트 구간(p2)의 각 종료 시각은 검출되는 종료 시각(tm)보다 미리 설정된 단축 비율만큼 더 앞당겨질 수 있다. 이를 수정 종료 시각(tm')이라 한다. 즉, 수정 종료 시각(tm')과 종료 시각(tm) 사이의 시간은 예비 임팩트 구간(p2)에서 전술한 해머(10)와 앤빌(20)의 회전각도 차이, 즉 해머 타격돌부(12)의 경사면 최단길이(t)와 cosθ의 곱에 해당하는 거리를 이동하는 시각에 해당된다.

이는 해머(10)와 앤빌(20)이 접촉되는 양 측면의 경사도(θ)를 반영한 것으로 이런 단축 비율은 조절될 수 있다. 한편, 단축 비율은 양 측면의 경사도(θ)를 고려하면 시간으로 환산될 때 수십 내지 수백 ms 이내일 수 있다.

해머(10)와 앤빌(20)은 그 접촉면 즉, 타격돌부(12)와 피타격날개(22)의 양 측면이 소정 각도를 갖는 경사면으로 형성된다. 따라서, 해머(10)가 슬라이딩되기 시작하는 시점부터 그 종료 시점까지 작동 전류는 피크값을 유지하고 있으나, 이와 달리 앤빌(20)은 여전히 정지 상태에 놓일 수 있다. 즉, 이런 구조적 형상을 반영하여 전술한 종료 시각(tm)에 단축 비율을 반영하면 볼트의 회전 각도 측정에 대한 정확성을 보다 향상시킬 수 있다.

다음으로, 제2 단계에서는 시간 구간 동안 해머(10) 측에 배치되는 회전각도센서를 통해 측정되는 회전 각도를 합산하여 전체 회전 각도를 측정한다. 회전각도센서로는 홀센서와 엔코더를 조합하여 사용한다. 즉, 전동 공구에 포함되는 제어부는 저부하 구간(p1)과 적어도 하나 이상의 예비 임팩트 구간(p2)에 각각 대응되는 시간 구간에 한정하여 측정된 회전 각도만을 추출하고 이를 합산한다. 보다 정확하게는, 저부하 구간(p1)과 단축비율을 적용한 예비 임팩트 구간(p2)에서의 해머의 회전각도를을 합산하여 앤빌의 전체 회전 각도를 측정할 수 있다.

그리고, 제3 단계에서는 전체 회전 각도가 미리 설정된 목표 각도에 도달하면 작동 전류의 공급을 차단한다. 즉, 전동 공구에 미리 목표 각도를 설정하면 체결 공정 중에 볼트의 체결 방향이 잘못되는 등의 이유로 체결 불량이 발생하는 상황에서 작업자는 신속하게 이를 인지할 수 있다. 따라서, 일 실시예에 따르면 임팩트 기능을 갖는 전동 공구에서 종래와 달리 각도 제어가 가능하다는 상승된 효과를 갖는다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 체결 부재의 회전 각도 측정 방법은 전동 모터가 내장되고, 전동 모터에서 발생되는 토크를 이용하여 해머(10)가 앤빌(20) 측에 임팩트를 제공하는 전동 공구에서, 전동 공구에 의해 체결되는 체결 부재에 대한 회전 각도를 측정하는 방법으로서, 전동 모터 측으로 공급되는 작동 전류를 시간의 흐름에 따라 실시간 모니터링하면서 펄스 형태의 오버부하 전류를 공급하는 예비 임팩트 구간(p2)을 각각 검출하는 제1 단계와, 예비 임팩트 구간(p2) 동안 해머(10) 측에 배치되는 회전각도센서를 통해 측정되는 회전 각도를 합산하여 전체 회전 각도를 측정하는 제2 단계를 포함한다. 즉, 다른 실시예에 따른 측정 방법은 도 3을 참고할 때 검출되는 복수 개의 예비 임팩트 구간(p2) 동안 회전각도센서를 통해 측정되는 회전 각도를 모두 합산하는 방법을 포함한다.

이런 측정 방법은 예를 들어, 너트가 착좌된 이후, 더 조여지는 후속 공정에서 너트가 회전되는 회전 각도를 측정함에 특히 유용하다. 여기서, '착좌'라고 함은 너트가 볼트의 나사산을 따라 회전하면서 전진하게 됨에 따라, 특히 너트의 머리가 피작업물과 만나 접촉하는 순간 마찰 계수의 증가로 너트의 회전 속도가 감소하기 시작할 때의 너트의 배치 상태를 말한다. 체결 공정은 착좌된 이후 너트를 더 조여 준 후에 비로소 완료된다.

착좌된 이후, 너트의 조임 체결은 조인트 특성에 의해 영향을 받는다. 그리고, 조인트 특성은 국제 표준화 기구에 의해 규정되어 있다. 구체적으로, 하드 조인트는 착좌된 이후 너트의 머리가 30도 이내 더 회전하면 정상 체결된 것으로 보는 반면, 소프트 조인트는 그 각도가 360도 또는 720도 이내 더 회전할 때 정상 체결된 것으로 인정한다.

한편, 착좌된 이후 체결 부재에는 펄스 형태의 오버부하 전류가 공급된다. 임팩트는 전술한 것처럼 오버부하 전류가 공급된 이후 발생한다. 그리고, 오버부하 전류가 공급되는 동안 체결 부재는 회전각도센서를 통해 측정되는 회전 각도만큼 더 조여진다.

따라서, 복수 개의 예비 임팩트 구간(p2) 동안 회전각도센서를 통해 측정되는 각각의 회전 각도를 합산하면 착좌된 이후 체결 부재가 더 조여진 최종 각도를 계산할 수 있다. 이를 통해, 작업자는 조인트 특성에 맞춰 체결 부재의 착좌 이후의 추가적인 조임 작업을 안정적으로 수행할 수 있다.

다만, 예비 임팩트 구간(p2)의 각 종료 시각(tm)은 검출되는 종료 시각보다 미리 설정된 단축 비율만큼 더 앞당겨지는 것이 바람직하다. 이는 전술한 이유와 동일한 바, 이하 구체적인 설명은 생략한다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

10: 해머 20: 앤빌
12: 타격돌부 22: 피타격날개
θ: 경사도 p1: 저부하 구간
p2: 예비 임팩트 구간 p3: 갭 구간
tm: 종료 시각 tm': 수정 종료 시각

Claims (1)

1. 전동 모터가 내장되고, 상기 전동 모터에서 발생되는 토크를 이용하여 해머가 앤빌 측에 임팩트를 제공하는 전동 공구에서, 상기 전동 공구에 의해 체결되는 체결 부재에 대한 회전 각도를 측정하는 방법으로서,
   상기 전동 모터 측으로 공급되는 작동 전류를 시간의 흐름에 따라 실시간 모니터링하면서 상기 작동 전류의 값이 미리 설정된 저부하 전류와 동일하거나 상기 저부하 전류의 크기를 초과하는 시간 구간을 각각 검출하는 제1 단계; 및
   상기 시간 구간 동안 상기 해머 측에 배치되는 회전각도센서를 통해 측정되는 회전 각도를 합산하여 전체 회전 각도를 측정하는 제2 단계;를 포함하며,
   상기 제1 단계에서,
   상기 시간 구간은 상기 저부하 전류를 공급하는 저부하 구간과, 펄스 형태의 오버부하 전류를 공급하는 예비 임팩트 구간을 포함하며,
   상기 예비 임팩트 구간의 각 종료 시각은 검출되는 종료 시각보다 미리 설정된 단축 비율만큼 더 앞당겨지며,
   상기 단축 비율은 상기 해머와 상기 앤빌이 접촉되는 양 측면의 경사도를 반영하여 조절되는 것을 특징으로 하는 임팩트 기능을 갖는 전동 공구에서 체결 부재의 회전 각도 측정 방법.

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