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DE202004008829U1 - Optoelectronic absolute angle indicator has a fine positioning track and shutter arrangement that permit maximization of the angular resolution - Google Patents

Optoelectronic absolute angle indicator has a fine positioning track and shutter arrangement that permit maximization of the angular resolution Download PDF

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DE202004008829U1 DE202004008829U DE202004008829U DE202004008829U1 DE 202004008829 U1 DE202004008829 U1 DE 202004008829U1 DE 202004008829 U DE202004008829 U DE 202004008829U DE 202004008829 U DE202004008829 U DE 202004008829U DE 202004008829 U1 DE202004008829 U1 DE 202004008829U1
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Abstract

Optoelectronic absolute angle indicator has a fine positioning track (F) whose angle graduation has a maximized resolution relative to the base position track. It comprises equal-size transparent and opaque fields, i.e. dark and light fields. The fine position is detected using a fine position opening (4F) in a shutter element (4).

Description

Der Gegenstand der Erfindung ist ein optoelektronischer Absolut-Winkelgeber mit erhöhter Auflösung auf Grund der lokalen Detektierung der Verhältnisse dunkler und heller Felder.The object of the invention is an optoelectronic absolute angle encoder with increased resolution Due to the local detection of the conditions darker and lighter Fields.

Die moderne Industrie verwendet die meßtechnischen Anlagen immer mehr ausgebreiteter. Diesem Trend paßt sich die schnelle Verbreitung der hochauflösenden optoelektronischen Absolut-Winkelgeber im Bereich der Fertigungs- und Montagenautomaten, Werkzeugmaschinen, Industrieroboter, Fahrzeuge und Positionierungsantriebe.Modern industry uses that metrological Investments more and more spread. This trend fits the rapid spread of high-resolution optoelectronic absolute angle encoders in the area of manufacturing and assembly machines, machine tools, Industrial robots, vehicles and positioning drives.

Nach dem Stand der Technik besteht ein hochauflösender optoelektronischer Absolut-Winkelgeber aus den folgenden grundsätzlichen Teilen: drehende Welle, zu der Welle befestigte Kodierscheibe, Lichtquelle (Led), optoelektrischer Sensor, Blende, eventuell Optik, Bearbeitungselektronik. Die Welle leitet den Drehungswinkel in die Meßeinrichtung weiter, sie dreht die Kodierscheibe an. Das Licht der Lichtquelle leuchtet im allgemeinen die Kodierscheibe durch, das danach in den für das Messen der Licht-Schatten-Verhältnisse geeigneten Sensor gelangt, dessen Signal die Bearbeitungselektronik in jeder Winkelposition in einen absoluten Winkelkode, also in eine Bitreihe umgestaltet. Auf dem Umfang der Kodierscheibe gibt es im allgemeinen sogenannte Gray-Kode-Spuren, die von außen nach innen in Ringen geordnet und für die Detektierung der absoluten Winkelpositionen geeignet sind. In der Verwendung ausschließlich nach Gray-Kodierung ermöglichen „n" Spuren 2n getrennte absolute Winkelkodes zu erzeugen (z. B.: 13 Spuren erzeugen 213 =8192 Kodes in einer Umdrehung). Die Auflösung des Meßgerätes hängt nur von der Auflösung der Kodierscheibe ab.According to the state of the art, a high-resolution optoelectronic absolute angle encoder consists of the following basic parts: rotating shaft, coding disk attached to the shaft, light source (Led), optoelectric sensor, aperture, possibly optics, processing electronics. The shaft transmits the angle of rotation into the measuring device, it turns the encoder disk. The light from the light source generally shines through the coding disk, which then arrives in the sensor suitable for measuring the light-shadow ratios, the signal of which the processing electronics in every angular position transforms into an absolute angular code, that is to say into a row of bits. There are generally so-called Gray code tracks on the circumference of the coding disk, which are arranged in rings from the outside inwards and are suitable for detecting the absolute angular positions. When used exclusively according to Gray coding, "n" tracks allow 2 n to generate separate absolute angle codes (eg: 13 tracks generate 2 13 = 8192 codes in one revolution). The resolution of the measuring device only depends on the resolution of the coding disk from.

Der eingesetzte Sensor ist im allgemeinen ein verwendungsspezifischer linearer Zeilen-Sensor (Opto-Asic). Die integrierten lichtempfindlichen Fotodioden innerhalb des Sensors funktionieren parallel und sie können das Licht bzw. den Schatten gleichzeitig und getrennt detektieren, wodurch die schnelle Datenverarbeitung möglich ist, weil sie die Licht-Schatten-Verhältnisse in jeder Spur gleichzeitig empfangen können.The sensor used is generally a application-specific linear line sensor (Opto-Asic). The integrated photosensitive photodiodes inside the sensor work parallel and they can detect light or shadow simultaneously and separately, which enables fast data processing because of the light-shadow ratios can receive in each track at the same time.

Die Verbesserung der grundsätzlichen Eigenschaften der oben beschriebenen optoelektronischen Absolut-Winkelgeber wird von zahlreichen Patenten bezielt, wie z. B.: US4633224, DE4202901, DE4207421, DE19530670. Nach US4633224 wird der optoelektronische Absolut-Winkelgeber nicht nur mit absoluten Kodespuren, sondern auch mit hochauflösender Inkrementalspur versehen. In der Ausführung nach DE4202901 und DE4207421 wird das absolut kodierte Spurensystem mit einer äußeren Spur aus einer Nonius-Spirale oder schrägen Strichen für die Feinkodierung ergänzt, die von einem zweiten Sensor, einem hochauflösenden CCD-Zeilensensensor, dekodiert wird. Nach dem Patent DE19530670 ist keine Feinpositionsspur nötig, aber ein anderer, entsprechend plazierter Sensor ist erforderlich die nach außen gezeigte Auflösung zu erhöhen.The improvement of the basic Properties of the optoelectronic absolute encoder described above is targeted by numerous patents, such as For example: US4633224, DE4202901, DE4207421, DE19530670. According to US4633224, the optoelectronic absolute encoder not only with absolute code tracks, but also with high-resolution incremental tracks Mistake. In execution according to DE4202901 and DE4207421 is the absolutely coded trace system with an outer trace from a vernier spiral or oblique lines for fine coding added, from a second sensor, a high-resolution CCD line sensor, is decoded. According to the patent DE19530670 there is no fine position track necessary, but another, appropriately placed sensor is required the outside shown resolution to increase.

Verwendung irgendwelches zweites Sensors kann für ungünstig gehalten werden, wenn die Erhöhung der Auflösung oder die Verminderung der Baugröße auch ohne ihn verwirklicht werden kann. Als Nachteil kann man feststellen, daß ein Spurensystem auf einer Kodierscheibe mit gegebenem Durchmesser „d" und unter den vorhandenen technologischen Möglichkeiten nur mit beschränkter Auflösung erzeugt werden kann und wobei die Anzahl der ablesbaren diskreten Winkelpositionen auch beschränkt ist! Zwecks des möglichst großen Rauschabstandes muß genug Licht für die lichtempfindlichen Flächen des Sensors sichergestellt werden, der auch es beschränkt, die Auflösung der feinsten Kodespur zu erhöhen. Z.B.: Falls n=13; d≈50mm sind, entstehen 213=8192 Kodes, wobei die Periode der äußeren Spur ca. 0,077mm ist und die Auflösungslänge ca. 0,02mm=20μm beträgt.The use of any second sensor can be considered unfavorable if the increase in resolution or the reduction in size can also be achieved without it. A disadvantage can be found that a track system on a coding disk with a given diameter "d" and under the available technological possibilities can only be produced with a limited resolution and the number of discrete angular positions that can be read is also limited! For the largest possible signal-to-noise ratio there must be enough Light for the light-sensitive areas of the sensor can be ensured, which also limits the resolution of the finest code track, eg if n = 13; d≈50mm, 2 13 = 8192 codes are created, the period of the outer track being approx. Is 0.077mm and the resolution length is approx.0.02mm = 20μm.

Der Durchmesser der Kodierscheibe bestimmt grundsätzlich die Baugröße des optoelektronischen Absolut-Winkelgebers. Die Reduzierung der Baugröße ist eine allgemeine technische Anforderung. Die mögliche Verminderung des Durchmessers der Kodierscheibe trägt zu bedeutender Reduzierung der Abmessungen der optoelektronischen Absolut-Winkelgeber bei, was einen technischen Vorteil bedeutet.The diameter of the encoder disk basically determines the size of the optoelectronic Absolute angle encoder. The reduction in size is a general technical one Requirement. The possible Reducing the diameter of the encoder disc contributes to more significant Reduction of the dimensions of the optoelectronic absolute angle encoder at what means a technical advantage.

Es ist das Ziel der Erfindung am Ausgang in den oben vorgeführten optoelektronischen Absolut-Winkelgebern trotz der beschränkten Auflösung der Kodierscheibe mit Behalten der schnellen Winkelkodierung neben wenigen zusätzlichen Kosten die Auflösung zu erhöhen oder neben gleicher Auflösung die Baugröße zu reduzieren.It is the aim of the invention on Output in the above optoelectronic absolute angle encoders despite the limited resolution of the Coding disc with keeping the fast angle coding next to a few additional Cost the dissolution to increase or in addition to the same resolution Reduce size.

Die Erfindung gründet sich auf der Erkennung, daß eine empfindlichere oder kleinere Meßanlage trotz der beschränkten Auflösung der Kodierscheibe erzeugt werden kann, wenn die diskrete absolute Winkelkodierung mit einer Ausführung, geeignet für lokale Detektierung der Signalveränderung innerhalb des Winkelbereiches, ergänzt ist.The invention is based on the recognition that a more sensitive or smaller measuring system despite the limited resolution the encoder disc can be generated if the discrete absolute Angular coding with one version, suitable for local detection of the signal change within the angular range, added is.

Die Erfindung ist ein optoelektronischer Absolut-Winkelgeber mit erhöhter Auflösung auf Grund der lokalen Detektierung der Verhältnisse dunkler und heller Felder, der aus drehender Welle, zu ihr befestigter Kodierscheibe, stehender Lichtquelle (Led), Blende auf der umstehenden Seite der Kodierscheibe, optoelektronischem Sensor und Bearbeitungselektronik besteht, bzw. die Kodierscheibe wird mit binär kodierten Spuren, die sogenannten Basispositionsspuren versehen und zu diesem Spurensystem gehört nach der Lösung auch eine sogenannte Feinpositionsspur, deren Winkelteilung der Winkelteilung der Basispositionsspur mit größester Auflösung entspricht und die aus gleich großen durchsichtigen und undurchsichtigen d. h. dunklen und hellen Felder besteht, gegenüber der eine Feinpositionsöffnung in der Blende gelegt ist, deren Breite der halben Periode der dunklen und hellen Felder der Feinpositionsspur entspricht und über der Feinpositionsöffnung befindet sich das Segment des optoelektronischen Sensors um die Feinposition zu empfangen.The invention is an optoelectronic absolute angle encoder with increased resolution due to the local detection of the conditions of dark and light fields, the rotating shaft, the coding disk attached to it, the standing light source (Led), the aperture on the surrounding side of the coding disk, optoelectronic sensor and There is processing electronics, or the coding disk is provided with binary-coded tracks, the so-called base position tracks, and this track system also includes a so-called fine-position track, the angular division of which corresponds to the angular division of the base position track with the highest resolution, and which consist of transparent and opaque, i.e. dark, equally large and bright fields stands opposite which a fine position opening is placed in the aperture, the width of which corresponds to half the period of the dark and light fields of the fine position track and above the fine position opening is the segment of the optoelectronic sensor to receive the fine position.

In einer günstigen Ausführung des Gebrauchsmusters werden mehr voneinander um halbe Teilung der Feinpositionsspur entfernte Feinpositionsöffnungen in der Blende zwischen dem Feinpositionssegment des optoelektronischen Sensors und der Feinpositionsspur der Kodierscheibe gelegt.In a cheap version of the Utility models become more by half division of the fine position track removed fine position openings in the aperture between the fine position segment of the optoelectronic Sensor and the fine position track of the coding disc.

Das Gebrauchsmuster wird nach den folgenden Zeichnungen dargestellt:The utility model is based on the following drawings:

1.: Konstruktion 1 .: Construction

2.: Obere Ansicht der Kodierscheibe mit Basis- und Feinpositionsspuren 2 .: Upper view of the coding disk with basic and fine position traces

3.: Vergrößerte Teilansicht der Kodierscheibe mit mehr Basispositions- und einer Feinpositionsöffnung der Blende 3 .: Enlarged partial view of the coding disc with more base position and one fine position opening of the aperture

4.: Vergrößerte Teilansicht der Feinpositionsspur mit der über ihr befindlichen Feinpositionsöffnung der Blende und den Feinpositionskodes aus der Dekodierung 4 .: Enlarged partial view of the fine position track with the fine position opening of the aperture located above it and the fine position codes from the decoding

5.: Vergrößerte Teilansicht der Kodierscheibe mit mehr Basispositions- und mehr Feinpositionsöffnungen der Blende 5 .: Enlarged partial view of the coding disk with more base position and more fine position openings of the aperture

6.: Vorteil der Kodierscheibe nach Gebrauchsmuster auf Grund der Größenreduzierung 6 .: Advantage of the coding disk according to the utility model due to the size reduction

7.: Kodierscheibe nach Gebrauchsmuster für die erhöhte Auflösung 7 .: Coding disk according to utility model for increased resolution

In 1. nach dem dargestellten optoelektronischen Absolut-Winkelgeber führt die Welle 1 den Drehwinkel auf die zu ihr befestigte und mit binär kodierten Spuren versehene Kodierscheibe 2 ein, deren Spuren eine geeignete Lichtquelle 3 – in günstiger Weise mit Led ausgeführt – durchleuchtet und ihr Licht gelangt durch die entsprechende Blende 4 an den optoelektronischen Sensor 5, der typisch als ein linearer Fotodiodenblock die Licht-Strom-Umwandlung durchführt und die elektrischen Signale der gekoppelten Bearbeitungselektronik 6, typisch einem Prozessor, weiterleitet, der den elektrischen Absolut-Winkelkode in Mehrbit-Format erzeugt.In 1 , the shaft leads after the optoelectronic absolute angle encoder shown 1 the angle of rotation on the encoder disk attached to it and provided with binary-coded tracks 2 a whose traces are a suitable light source 3 - Constructed in a favorable way with Led - Illuminated and their light passes through the corresponding aperture 4 to the optoelectronic sensor 5 , which typically performs the light-current conversion as a linear photodiode block and the electrical signals of the coupled processing electronics 6 , typically a processor, which generates the electrical absolute angle code in multi-bit format.

2. stellt erfindungsgemäß die Kodierscheibe 2 dar, wobei die üblichen Gray-Kode-Spuren B1, B2, B3...Bn, die das System der Basispositionsspuren – kurz verfasst Basisspuren – entstellen, mit der Feinpositionsspur F ergänzt werden, deren Winkelteilung der Winkelteilung der Basisspur mit höchster Auflösung – diesmal B1 – entspricht, und deren Bemusterung mit der proportional ist bzw. die sich vorzugsweise am äußersten Rand der Kodiescheibe befindet. 2 , provides the encoder disk according to the invention 2 The usual Gray code tracks B1, B2, B3 ... Bn, which distort the system of the basic position tracks - in short, basic tracks - are supplemented with the fine position track F, whose angular division of the angular division of the basic track with the highest resolution - this time B1 - corresponds, and the pattern with which is proportional or which is preferably located on the outermost edge of the body disc.

3. zeigt eine vergrößerte Teilansicht der Kodierscheibe mit Öffnungen der Blende und erklärt mit 1. die Dekodierung: Die Dekodierung der Basisspuren B 1, B2, B3 . . . Bn erfolgt konventionell, d. h. das Licht auf den einzelnen Dioden des optoelektronischen Sensors 5 erregt die von den dunklen und hellen Feldern abhängigen Fotoströme durch die Basisspositionsöffnungen 4B, deren Breite die Viertelperiode der höchstauflösenden Basisspur beträgt, und die Bearbeitungselektronik 6 ermittelt von Fotoströmen die einzelnen Bits der Basisposition an zwei unterschiedlichen logischen Pegeln (0 und 1), wobei sie mit gewissem Schwellenwert vergliechen sind. Dieses System wird mit der Dekodierung der Feinposition ergänzt, die durch die Feinpositionsöffnung 4F mit halber Periodenbreite erfolgt. Das Licht auf der Diode des optoelektronischen Sensors 5 zum Empfang der Feinposition erzeugt durch die Feinpositionsöffnung 4F einen Fotostrom, der vom Verhältnis der dunklen und hellen Felder der Feinpositionsspur F abhängt und wovon die Bearbeitungselektronik 6 nach dem Vergleich mit gewissen Schwellenwerten den Feinpositionskode in Ein- oder Mehrbit-Format entstellt. Es ist laut der Voraussetzung der Gray-Kodierung zu beachten, daß Bitwechsel der Feinposition gleichzeitig mit dem Übergang der Basisposition nicht erfolgen darf. Die Bits der Basis- und Feinposition nacheinander bilden den absoluten Winkelkode. 3 , shows an enlarged partial view of the encoder disc with openings in the aperture and explains with 1 , the decoding: the decoding of the base tracks B 1, B2, B3. , , Bn takes place conventionally, ie the light on the individual diodes of the optoelectronic sensor 5 excites the photo streams dependent on the dark and light fields through the base position openings 4B , the width of which is the quarter of the high-resolution base track, and the processing electronics 6 determines the individual bits of the base position at two different logic levels (0 and 1) from photocurrents, whereby they are compared with a certain threshold value. This system is supplemented with the decoding of the fine position by the fine position opening 4F with half the period width. The light on the diode of the optoelectronic sensor 5 for receiving the fine position generated by the fine position opening 4F a photo stream, which depends on the ratio of the dark and light fields of the fine position track F and on which the processing electronics 6 after comparison with certain threshold values, the fine position code is disfigured in one-bit or multi-bit format. According to the Gray coding requirement, it should be noted that bit changes in the fine position must not occur at the same time as the base position is changed. The bits of the basic and fine positions in succession form the absolute angle code.

4. zeigt ein Beispiel für die Dekodierung der Feinposition in Einbit-Format. In diesem Fall können die folgenden Kodes abhängig von den dunklen und hellen Feldern in der Feinpositionsöffnung der Blende vorkommen, wo Wert A gleich logischer 0 oder 1 bzw. seine Negation A* ist: 4 , shows an example for decoding the fine position in one-bit format. In this case, the following codes can occur depending on the dark and light fields in the fine position opening of the aperture, where value A is logical 0 or 1 or its negation A *:

  • Verhältnis dunkler Felder in der Feinpositionsöffnung: 0÷25% ⇒ Kode Arelationship dark fields in the fine position opening: 0 ÷ 25% ⇒ code A
  • Verhältnis dunkler Felder in der Feinpositionsöffnung: 25÷50% ⇒ Kode A*relationship dark fields in the fine position opening: 25 ÷ 50% ⇒ code A *
  • Verhältnis dunkler Felder in der Feinpositionsöffnung: 50÷75% ⇒ Kode A*relationship dark fields in the fine position opening: 50 ÷ 75% ⇒ code A *
  • Verhältnis dunkler Felder in der Feinpositionsöffnung: 75÷100% ⇒ Kode Arelationship dark fields in the fine position opening: 75 ÷ 100% ⇒ code A

5. stellt erfindungsgemäß eine vergrößerte Teilansicht der Kodierscheibe in einer weiteren günstigen Ausführung dar, wobei vor der Feinpositionsspur nicht nur eine, sondern mehr – gegebenenfalls zwei – Feinpositionsöffnungen voneinander um halbe Teilung der Feinpositionsspur ausgestaltet sind. Der Vorteil dieser Ausführung besteht darin, daß sich das einfallende Licht während der feinen Dekodierung vervielfacht, was ermöglicht, die einzelnen Signalpegel von den anderen Räuschen besser zu unterscheiden. 5 , represents according to the invention an enlarged partial view of the coding disk in a further advantageous embodiment, in front of the fine position track not only one, but more - possibly two - fine position openings from one another by half division of the fine position track. The advantage of this design is that the incident light multiplies during the fine decoding, which makes it possible to better distinguish the individual signal levels from the other noises.

6. erläutert erfindungsgemäß den Vorteil der Größenreduzierung mit Vergleich der konventionellen, oben dargestellten und der neuen, nach dem Gebrauchsmuster dargestellten Kodierscheibe. Beide Kodierscheiben geben 210=1024 unterschiedliche Kodes pro Umdrehung, aber gebrauchsmustersgemäß kann die nötige Kodierscheibe und dadurch der ganze Winkelgeber mit selber Technologie in halbem Durchmesser und Baugröße gefertigt werden. 6 , explains according to the invention the advantage of reducing the size by comparing the conventional coding disk shown above and the new coding disk shown according to the utility model. Both coding disks give 2 10 = 1024 different codes per revolution, but according to the model, the required coding disk and thus the entire angle encoder can be manufactured with the same technology in half the diameter and size.

7. stellt erfindungsgemäß die Kodierscheibe dar, die vorteilhaft neben selber Technologie mindestens doppelt so hohe Auflösung hat, wie die ursprüngliche, in der 6. oben dargestellte Kodierscheibe mit ca. gleichem Durchmesser. Die betroffene Kodierscheibe ermöglicht ausgenutzt die vorteilhaften Eigenschaften des optoelektronischen Absolut-Winkelgebers die Auflösung von 211=2048 Kodes zu realisieren. 7 , represents the coding disk according to the invention, which, in addition to its own technology, advantageously has at least twice the resolution as that original, in the 6 , Coding disk shown above with approximately the same diameter. The affected coding disk takes advantage of the advantageous properties of the optoelectronic absolute angle encoder to achieve the resolution of 2 11 = 2048 codes.

Claims (2)

Optoelektronischer Absolut-Winkelgeber mit erhöhter Auflösung auf Grund der lokalen Detektierung der Verhältnisse dunkler und heller Felder, der aus drehender Welle (1), zu ihr befestigter Kodierscheibe (2), stehender Lichtquelle (3), Blende (4) auf der umstehenden Seite der Kodierscheibe, optoelektronischem Sensor (5) und Bearbeitungselektronik (6) besteht, bzw. die Kodierscheibe (2) wird mit binär kodierten Spuren (B1, B2, B3...Bn), die sogenannten Basispositionsspuren versehen, dadurch gekennzeichnet, daß auch eine sogenannte Feinpositionsspur (F) zu diesem Spurensystem gehört, deren Winkelteilung der Winkelteilung der Basispositionsspur mit größester Auflösung entspricht und die aus gleich großen durchsichtigen und undurchsihtigen d. h. dunklen und hellen Felder besteht, gegenüber der eine Feinpositionsöffnung (4F) in der Blende (4) gelegt ist, deren Breite der halben Periode der dunklen und hellen Felder der Feinpositionsspur entspricht und über der Feinpositionsöffnung (4F) befindet sich das Segment des optoelektronischen Sensors (5) zum Empfang der Feinposition.Optoelectronic absolute angle encoder with increased resolution due to the local detection of the conditions of dark and light fields, that of rotating shaft ( 1 ) to the coding disk attached to it ( 2 ), standing light source ( 3 ), Cover ( 4 ) on the surrounding side of the coding disk, optoelectronic sensor ( 5 ) and processing electronics ( 6 ) exists or the coding disc ( 2 ) is provided with binary-coded tracks (B1, B2, B3 ... Bn), the so-called base position tracks, characterized in that a so-called fine position track (F) also belongs to this track system, the angular division of which corresponds to the angular division of the base position track with the greatest resolution and which consists of equally large transparent and opaque, i.e. dark and light fields, opposite which a fine position opening ( 4F ) in the aperture ( 4 ) whose width corresponds to half the period of the dark and light fields of the fine position track and above the fine position opening ( 4F ) is the segment of the optoelectronic sensor ( 5 ) to receive the fine position. Optoelektronischer Absolut-Winkelgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehr voneinander um halbe Teilung der Feinpositionsspur entfernte Feinpositionsöffnungen (4F) in der Blende (4) zwischen dem Feinpositionssegment des optoelektronischen Sensors (5) und der Feinpositionsspur (F) der Kodierscheibe (2) gelegt werden.Optoelectronic absolute angle encoder according to Claim 1, characterized in that more fine position openings (half a division of the fine position track) 4F ) in the aperture ( 4 ) between the fine position segment of the optoelectronic sensor ( 5 ) and the fine position track (F) of the coding disc ( 2 ) be placed.
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