JP4792005B2 - Ultrasonic measurement method such as film thickness and ultrasonic measurement system such as film thickness - Google Patents
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Description
本発明は、第1物体と、この第1物体に対して相対的に移動可能な第2物体の間に形成される潤滑膜の膜厚、潤滑膜への気泡の混入、第1物体と第2物体の直接接触を超音波探触子を用いて測定するための膜厚等の超音波測定方法及び膜厚等の超音波測定システムに関するものであり、特に、第2物体の幅寸法が超音波探触子の大きさと同程度であり、第2物体の側面部の影響を十分に考慮しなければならない場合に有用な膜厚等の超音波測定方法及び膜厚等の超音波測定システムに関するものである。 The present invention relates to a film thickness of a lubricating film formed between a first object and a second object movable relative to the first object, mixing of bubbles into the lubricating film, the first object and the first object. The present invention relates to an ultrasonic measurement method such as a film thickness and an ultrasonic measurement system such as a film thickness for measuring the direct contact of two objects using an ultrasonic probe, and in particular, the width dimension of the second object is excessive. The present invention relates to an ultrasonic measurement method such as a film thickness and an ultrasonic measurement system such as a film thickness that are similar to the size of an acoustic probe and are useful when the influence of the side surface portion of a second object must be sufficiently taken into consideration. Is.
超音波探触子を用いて第1物体と第2物体の間に形成される潤滑膜の膜厚測定を行う技術が知られている。例えば、自転車のエンジンに設けられているシリンダ(第1物体に相当)とピストンリング(第2物体に相当)の間に形成される潤滑膜(油膜)の膜厚測定を行う場合に超音波探触子が使用される。 A technique for measuring the film thickness of a lubricating film formed between a first object and a second object using an ultrasonic probe is known. For example, when measuring the film thickness of a lubricating film (oil film) formed between a cylinder (corresponding to a first object) and a piston ring (corresponding to a second object) provided in a bicycle engine, an ultrasonic probe is used. Tentacles are used.
ところで、近年において、自動車に搭載される内燃機関には、地球環境の保全に向けたCO2の排出削減もあり、更なる省燃費化の要求が高まっている。そのために、低粘度の潤滑油や、幅薄のピストンリングが使用されており、潤滑領域はさらに過酷な領域に移行する傾向にある。かかる過酷な領域においても安定した状態でのピストンリングの開発を行なうためには、ピストンリングとシリンダの間に形成される潤滑膜の観測、特に膜厚測定は重要なポイントになる。 By the way, in recent years, internal combustion engines mounted on automobiles have reduced CO 2 emissions for the preservation of the global environment, and demands for further fuel savings are increasing. Therefore, a low-viscosity lubricating oil or a thin piston ring is used, and the lubricating region tends to shift to a more severe region. In order to develop a piston ring in a stable state even in such a harsh region, observation of the lubricating film formed between the piston ring and the cylinder, particularly the film thickness measurement, is an important point.
超音波探触子を用いて、第1物体と第2物体の界面の状態を計測するシステムとして、例えば、下記特許文献1,2が知られている。これらの先行技術においては、超音波探触子から超音波を測定箇所に送信し、その測定箇所から反射してきた超音波を同じ超音波探触子により受信し、受信された反射波を解析することで、測定箇所の状態を測定するものである。すなわち、送信用と受信用が兼用された超音波探触子を使用している。なお、このような測定方法は、反射波に基づいて計測を行うものであり、反射型と称することとする。
For example,
シリンダとピストンリングの間に形成される潤滑膜の計測を行うに際して、反射型測定方法により測定する場合、図11に示すようにピストンリング2の背面側に超音波探触子3を貼り付け、シリンダ1とピストンリング2の間に形成される潤滑膜Lに向けて超音波Sを照射する。超音波Sは、ピストンリング2から潤滑膜Lの内部に進行し、潤滑膜Lで多重反射をした後、再び超音波探触子3の方向に反射される。この反射波を超音波探触子3により受信して、反射波のエコー高さ信号などから潤滑膜Lの膜厚測定などを行うことができる。すなわち、潤滑膜の膜厚情報をエコー高さの大きさとして捉えることができる。また、エコー高さの大きさと膜厚との関係は理論式で表すことができ、理論式が成立する条件化では、エコー高さから膜厚を計算で求めることができる。
In performing the measurement of the lubricant film formed between the cylinder and the piston ring, when measured by the reflection measuring method, paste the ultrasound probe 3 on the back side of the
しかしながら、ピストンリングの幅寸法は薄くなっており、超音波探傷器で解析をする際に、超音波を送信してから所定時間内は追い込み領域(不感帯領域)と呼ばれ、受信信号が安定しない領域がある。そのため、膜部からの反射波は、超音波探傷器の不感帯領域に現われてしまい、ここで得られるエコー高さ(反射波の大きさ)と膜厚の関係は、理論式が成り立たない。理論式が成立しない場合には、予めエコー高さの大きさと膜厚寸法の関係を表す較正曲線を求めておく必要がある。このような較正曲線は、異なる条件ごとに、例えば、ピストンリング2の大きさ、超音波探触子3の取り付け状態、温度条件などにより求めておく必要があり、かなり煩雑な作業が必要とされる。
However, the width dimension of the piston ring is thin, and when analyzing with an ultrasonic flaw detector, it is called a drive-in area (dead zone area) within a predetermined time after transmitting the ultrasonic wave, and the received signal is not stable. There is an area. For this reason, the reflected wave from the film portion appears in the dead zone region of the ultrasonic flaw detector, and the relation between the echo height (the magnitude of the reflected wave) and the film thickness obtained here does not hold the theoretical formula. If the theoretical formula does not hold, it is necessary to obtain a calibration curve representing the relationship between the echo height and the film thickness in advance. Such a calibration curve needs to be obtained for each different condition, for example, depending on the size of the
これに対処するために、ピストンリング2の背面にアクリル柱のような遅延材を貼り付け、その背面に超音波探触子3を取り付けることで、路程をかせぎ、不感帯領域よりも後に膜部からのエコー高さが現われ、理論式によりエコー高さから膜厚を推定できる可能性が出てくる。
In order to cope with this, a delay material such as an acrylic column is attached to the back surface of the
しかしながら、超音波探触子3から照射される超音波Sは、図11に示すように広がりを持った状態で照射されるため、ピストンリング2の幅寸法や厚み寸法を考慮すると、超音波探触子3により受信される反射波には、潤滑膜の膜厚情報だけでなく、ピストンリング2の側面部2cからの反射波(膜厚情報には関係しない気泡や直接接触などの情報:以下「膜厚以外の情報」という。)も含まれるという問題がある。このような状況下では、較正曲線を予め求めておいたところで、精度のよい膜厚測定をすることは難しい。
However, since the ultrasonic wave S emitted from the ultrasonic probe 3 is emitted in a wide state as shown in FIG. 11, the ultrasonic probe is considered in consideration of the width dimension and thickness dimension of the
また、超音波探触子3で測定するものは主として潤滑膜の膜厚であるが、これ以外にも、気泡の存在やシリンダ1とピストンリング2の直接接触状態(前述の膜厚以外の情報)の検出を行ないたいという要望がある。これらの情報も、エンジンの性能に大きく関わるものであり、個別に計測できることが要望されているからである。かかる測定を反射型測定方法で行う場合、膜厚情報と共に気泡等の情報が埋もれてしまう可能性が高く、膜厚情報と切り離した状態で気泡や直接接触状態の計測を行うことが難しい。
What is measured by the ultrasonic probe 3 is mainly the film thickness of the lubricating film, but in addition to this, the presence of bubbles and the direct contact state between the
これは気泡の混入や直接接触の情報は、主としてピストンリング2の側面部2cから得られる情報であるから、反射型測定方法によれば、膜厚情報に埋もれた形でしか気泡等の情報が得られず、エコー高さの変化が膜厚の変化によるものなのか、気泡の混入によるものなのか、直接接触によるものなのかが判別できなかった。
This is because the information about the mixing of bubbles and the direct contact is mainly information obtained from the
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、膜厚以外の情報を極力排除した状態で膜厚情報を取得することができ、更に、膜厚情報以外の気泡混入や直接接触情報についても精度よく計測可能な膜厚等の超音波測定方法及び膜厚等の超音波測定システムを提供することである。更に、較正曲線を用いることなく理論式によりエコー高さから膜厚を求めることが可能な膜厚等の超音波測定方法及び膜厚等の超音波測定システムを提供することである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and the problem is that it is possible to acquire film thickness information in a state in which information other than the film thickness is excluded as much as possible, and further, air bubbles other than the film thickness information are mixed in or directly. An object of the present invention is to provide an ultrasonic measurement method such as a film thickness and an ultrasonic measurement system such as a film thickness that can accurately measure contact information. It is another object of the present invention to provide an ultrasonic measurement method such as a film thickness and an ultrasonic measurement system such as a film thickness that can determine the film thickness from the echo height by a theoretical formula without using a calibration curve.
上記課題を解決するため本発明に係る膜厚等の超音波測定方法は、
第1物体と、この第1物体に対して相対的に移動可能であると共に、取り付けられる超音波探触子と同程度の大きさを有する第2物体と、の間に形成される潤滑膜の膜厚、潤滑膜への気泡の混入、第1物体と第2物体の直接接触を超音波探触子を用いて測定するための膜厚等の超音波測定方法であって、
第1物体に取り付けられる超音波送信用の第1超音波探触子と、第2物体に取り付けられる超音波受信用の第2超音波探触子と、を用いて、第1超音波探触子から前記潤滑膜に向けて超音波を送信するステップと、潤滑膜を透過した超音波を第2超音波探触子により受信するステップとを有し、
第2超音波探触子により受信した波形信号に含まれる波のうち、潤滑膜を透過して最初に第2超音波探触子に到達した波を第1波とし、第2超音波探触子と第2物体との界面で反射した超音波が潤滑膜との界面で再反射することで第2超音波探触子に到達した波を第2波とし、第2波と同じように進行した超音波が再び第2超音波探触子と第2物体との界面で反射し、更に潤滑膜との界面で再反射することで第2超音波探触子に到達した波を第3波とし、第1波に基づいて膜厚の測定を行い、第2波、及び/又は、第3波に基づいて気泡の混入、及び/又は、前記直接接触の測定を行うステップを有することを特徴とするものである。
In order to solve the above problems, an ultrasonic measurement method such as a film thickness according to the present invention,
A lubricating film formed between the first object and a second object that is movable relative to the first object and has a size comparable to that of the ultrasonic probe to be attached. An ultrasonic measurement method for measuring film thickness, mixing of bubbles in a lubricating film, and direct contact between a first object and a second object using an ultrasonic probe,
A first ultrasonic probe using a first ultrasonic probe for transmitting ultrasonic waves attached to a first object and a second ultrasonic probe for receiving ultrasonic waves attached to a second object. Transmitting ultrasonic waves from a child toward the lubricating film; and receiving ultrasonic waves transmitted through the lubricating film by a second ultrasonic probe;
Of the waves included in the waveform signal received by the second ultrasonic probe, the wave that first passes through the lubricating film and reaches the second ultrasonic probe is defined as the first wave, and the second ultrasonic probe. The ultrasonic wave reflected at the interface between the child and the second object is re-reflected at the interface with the lubricating film, and the wave that has reached the second ultrasonic probe is changed to the second wave and travels in the same way as the second wave. The reflected ultrasonic wave is reflected again at the interface between the second ultrasonic probe and the second object, and is reflected again at the interface with the lubricating film, so that the wave that has reached the second ultrasonic probe is converted into the third wave. And measuring the film thickness based on the first wave, and measuring the mixing of bubbles and / or the direct contact based on the second wave and / or the third wave. It is what.
かかる構成による膜厚等の超音波測定方法の作用・効果を説明する。本発明は、第1物体と第2物体の間に形成される潤滑膜の膜厚だけでなく、潤滑膜への気泡の混入や第1物体と第2物体の直接接触(第1物体と第2物体の角部や側面との接触をいう。以下も同様)も測定可能な方法を提供する。そのために、超音波探触子を2つ使用し、1つは第1物体に取り付けられる送信用の超音波探触子であり、もう1つは第2物体に取り付けられる受信用の超音波探触子である。測定時には、第1超音波探触子から潤滑膜へ向けて超音波を照射する。超音波は潤滑膜を透過して、第2物体の内部を通過した後、第2超音波探触子へと到達する。このような構成によると、最初に第2超音波探触子に到達した第1波には、第2物体の幅中央付近の潤滑膜以外の部分からの反射の影響が含まれておらず、膜厚の影響のみを受けた情報を取得することができる。 The operation and effect of the ultrasonic measurement method for the film thickness and the like with such a configuration will be described. In the present invention, not only the film thickness of the lubricating film formed between the first object and the second object, but also the mixing of bubbles into the lubricating film and the direct contact between the first object and the second object (the first object and the first object). This also refers to contact with the corners and side surfaces of two objects, and so on. For that purpose, two ultrasonic probes are used, one is a transmitting ultrasonic probe attached to the first object, and the other is a receiving ultrasonic probe attached to the second object. It is a tentacle. At the time of measurement, ultrasonic waves are irradiated from the first ultrasonic probe toward the lubricating film. The ultrasonic wave passes through the lubricating film, passes through the inside of the second object, and then reaches the second ultrasonic probe. According to such a configuration, the first wave that first reaches the second ultrasonic probe does not include the influence of reflection from a portion other than the lubricating film near the center of the width of the second object, Information that is affected only by the film thickness can be acquired.
さらに第2超音波探触子により受信される波には、第2超音波探触子と第2物体との界面で反射した超音波が潤滑膜との界面で再反射することで第2超音波探触子に到達した第2波や、第2波と同じように進行した超音波が再び第2超音波探触子と第2物体との界面で反射し、更に潤滑膜との界面で再反射することで第2超音波探触子に到達した第3波もあるが、これらは、第1波とは時間的にずれた状態で取得される。また、このような界面での反射波には、路程が長い分、超音波の拡散により、第2物体の角部や側面部で発生する潤滑膜以外の気泡の混入や直接接触に関する情報が含まれる。従って、膜厚情報と、それ以外の気泡等の情報を個別に取得することができ、膜厚以外の情報を極力排除した状態で膜厚情報を取得することができる。更に、膜厚情報以外の気泡混入や直接接触情報についても精度よく計測可能になる。 Further, the waves received by the second ultrasonic probe are reflected by the ultrasonic waves reflected at the interface between the second ultrasonic probe and the second object and re-reflected at the interface with the lubricating film. The second wave that has reached the acoustic probe or the ultrasonic wave that has traveled in the same way as the second wave is reflected again at the interface between the second ultrasonic probe and the second object, and further at the interface with the lubricating film. There are also third waves that have reached the second ultrasonic probe due to re-reflection, but these are acquired in a state shifted in time from the first wave. In addition, the reflected wave at such an interface includes information on the mixture and direct contact of bubbles other than the lubricating film generated at the corners and side surfaces of the second object due to the diffusion of ultrasonic waves due to the long path length. It is. Therefore, the film thickness information and other information such as bubbles can be acquired individually, and the film thickness information can be acquired in a state where information other than the film thickness is excluded as much as possible. In addition, it is possible to accurately measure air bubble mixing and direct contact information other than film thickness information.
本発明において、第1波から得られた最大エコー高さデータと、エコー高さと膜厚の関係を表す理論式とに基づいて、膜厚を演算するステップを有することが好ましい。 In the present invention, it is preferable to have a step of calculating the film thickness based on the maximum echo height data obtained from the first wave and a theoretical formula representing the relationship between the echo height and the film thickness.
本発明によれば、第2超音波探触子の受信波に含まれる第1波は、超音波探傷器の不感帯外に現われ、また、幅中央付近の膜厚情報以外の情報が極力除外されているので、理論式に基づいて、エコー高さから膜厚を演算可能になる。また、この点は後述するが実験的にも明らかになった。従って、較正曲線をわざわざ求める手間を省くことができ、効率よく膜厚等の計測を行うことができる。 According to the present invention, the first wave included in the received wave of the second ultrasonic probe appears outside the dead band of the ultrasonic flaw detector, and information other than the film thickness information near the width center is excluded as much as possible. Therefore, the film thickness can be calculated from the echo height based on the theoretical formula. Moreover, although this point is mentioned later, it became clear experimentally. Therefore, it is possible to save the trouble of obtaining the calibration curve and to measure the film thickness and the like efficiently.
本発明において、第2超音波探触子の検出領域内において、第1物体と第2物体を接触させた状態で求められる平均膜厚値と、測定されたエコー高さと、前記理論式とに基づいて、膜厚を演算することが好ましい。 In the present invention, within the detection region of the second ultrasonic probe, the average film thickness value obtained in a state where the first object and the second object are in contact with each other, the measured echo height, and the theoretical formula It is preferable to calculate the film thickness based on this.
第1物体と第2物体の潤滑面には、実際には表面粗さが存在すると共に、潤滑面も完全な平面ではなく、例えば、ピストンリングのクラウニングのように曲面に形成される場合もある。そこで、上記のように、第1物体と第2物体を接触させて平均膜厚値を求めておき、この膜厚値とエコー高さと理論式とから、実際の膜厚を演算することができる。これにより、より精度の高い演算を行なうことができる。 The lubrication surfaces of the first object and the second object actually have surface roughness, and the lubrication surface is not a perfect plane. For example, it may be formed in a curved surface like a crowning of a piston ring. . Therefore, as described above, the average film thickness value is obtained by bringing the first object and the second object into contact with each other, and the actual film thickness can be calculated from the film thickness value, the echo height, and the theoretical formula. . Thereby, calculation with higher accuracy can be performed.
本発明において、第2波、及び/又は、第3波から得られた膜厚のみに依存する最大エコー高さ値が減少することにより気泡の混入を検出するステップを有することが好ましい。 In the present invention, it is preferable to have a step of detecting the mixing of bubbles by reducing the maximum echo height value that depends only on the film thickness obtained from the second wave and / or the third wave.
実際に気泡を発生させて実験してみたところ、第2波、及び/又は、第3波から得られた最大エコー高さが膜厚のみに依存する値から減少することが確認された。従って、第2波、及び/又は、第3波に基づいて、気泡の混入を計測することができる。 When an experiment was performed by actually generating bubbles, it was confirmed that the maximum echo height obtained from the second wave and / or the third wave decreased from a value depending only on the film thickness. Therefore, the mixing of bubbles can be measured based on the second wave and / or the third wave.
本発明において、第2波、及び/又は、第3波から得られた膜厚のみに依存する最大エコー高さ値が増加することにより前記直接接触を検出するステップを有することが好ましい。 In the present invention, it is preferable to include the step of detecting the direct contact by increasing the maximum echo height value that depends only on the film thickness obtained from the second wave and / or the third wave.
実際に直接接触を発生させて実験してみたところ、第2波、及び/又は、第3波から得られた最大エコー高さが膜厚のみに依存する値から増加することが確認された。従って、第2波、及び/又は、第3波に基づいて、直接接触情報を計測することができる。 When an experiment was performed by actually generating direct contact, it was confirmed that the maximum echo height obtained from the second wave and / or the third wave increased from a value depending only on the film thickness. Therefore, direct contact information can be measured based on the second wave and / or the third wave.
前述の課題を解決するため本発明に係る膜厚等の超音波測定システムは、
第1物体と、この第1物体に対して相対的に移動可能あると共に、取り付けられる超音波探触子と同程度の大きさを有する第2物体と、の間に形成される潤滑膜の膜厚、潤滑膜への気泡の混入、第1物体と第2物体の直接接触を超音波探触子を用いて測定するための膜厚等の超音波測定システムであって、
第1物体に取り付けられる超音波送信用の第1超音波探触子と、
第2物体に取り付けられる超音波受信用の第2超音波探触子と、を備え、第1超音波探触子から前記潤滑膜に向けて超音波を送信し、潤滑膜を透過した超音波を第2超音波探触子により受信可能に構成すると共に、
第2超音波探触子により受信した波形信号に含まれる波のうち、潤滑膜を透過して最初に第2超音波探触子に到達した波を第1波とし、第2超音波探触子と第2物体との界面で反射した超音波が潤滑膜との界面で再反射することで第2超音波探触子に到達した波を第2波とし、第2波と同じように進行した超音波が再び第2超音波探触子と第2物体との界面で反射し、更に潤滑膜との界面で再反射することで第2超音波探触子に到達した波を第3波とし、第1波に基づいて膜厚の測定を行い、第2波、及び/又は、第3波に基づいて気泡の混入、及び/又は、前記直接接触の測定を行う波形解析手段を備えたことを特徴とするものである。
In order to solve the above-mentioned problem, an ultrasonic measurement system such as a film thickness according to the present invention is provided.
Lubricant film formed between a first object and a second object that is movable relative to the first object and has a size comparable to that of an ultrasonic probe to be attached. An ultrasonic measurement system for measuring the thickness, mixing of bubbles into a lubricating film, and the film thickness for measuring direct contact between a first object and a second object using an ultrasonic probe,
A first ultrasonic probe for ultrasonic transmission attached to the first object;
A second ultrasonic probe for receiving ultrasonic waves attached to the second object, transmitting ultrasonic waves from the first ultrasonic probe toward the lubricating film, and transmitting the ultrasonic waves through the lubricating film Is configured to be received by the second ultrasonic probe,
Of the waves included in the waveform signal received by the second ultrasonic probe, the wave that first passes through the lubricating film and reaches the second ultrasonic probe is defined as the first wave, and the second ultrasonic probe. The ultrasonic wave reflected at the interface between the child and the second object is re-reflected at the interface with the lubricating film, and the wave that has reached the second ultrasonic probe is changed to the second wave and travels in the same way as the second wave. The reflected ultrasonic wave is reflected again at the interface between the second ultrasonic probe and the second object, and is reflected again at the interface with the lubricating film, so that the wave that has reached the second ultrasonic probe is converted into the third wave. And a waveform analysis means for measuring the film thickness based on the first wave and measuring the direct contact based on the second wave and / or the third wave. It is characterized by this.
かかる構成による膜厚等の超音波測定システムの作用・効果は既に述べた通りであり、膜厚以外の情報を極力排除した状態で膜厚情報を取得することができ、更に、膜厚情報以外の気泡混入や直接接触情報についても精度よく計測可能になる。 The operation and effect of the ultrasonic measurement system such as the film thickness by such a configuration is as described above, and the film thickness information can be acquired in a state where information other than the film thickness is excluded as much as possible. It is possible to accurately measure the air bubble contamination and direct contact information.
本発明に係る膜厚等の超音波測定方法及びシステムの好適な実施形態を図面を用いて説明する。測定対象となる潤滑膜については、シリンダ(第1物体に相当)とピストンリング(第2物体に相当)の間に形成される油膜を例にあげて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。また、シリンダに比べて、ピストンリングの幅寸法は小さく、超音波探触子の大きさ(径)と同程度である。従って、前述のような反射型測定方法を用いると、精度のよい油膜測定を行うことができないような場合に有用であり、後述の透過型測定方法を用いることで、油膜等の計測を精度よく行うことができるものである。 A preferred embodiment of an ultrasonic measurement method and system for film thickness and the like according to the present invention will be described with reference to the drawings. The lubricating film to be measured will be described with an oil film formed between the cylinder (corresponding to the first object) and the piston ring (corresponding to the second object) as an example, but the present invention is not limited to this. It is not something. Further, the width of the piston ring is smaller than that of the cylinder, which is about the same as the size (diameter) of the ultrasonic probe. Therefore, using the reflection type measurement method as described above is useful when accurate oil film measurement cannot be performed. By using the transmission type measurement method described later, measurement of oil film and the like can be performed with high accuracy. Is something that can be done.
<測定原理>
まず、本発明において、超音波探触子を用いて油膜の膜厚測定を行なう場合の原理について説明する。図1は、測定システムの原理を示す概念図である。図2は、受信されるエコー高さ信号の一例を示す図である。
<Measurement principle>
First, in the present invention, the principle when the film thickness of an oil film is measured using an ultrasonic probe will be described. FIG. 1 is a conceptual diagram showing the principle of a measurement system. FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the received echo height signal.
第1物体に相当するシリンダ1と第2物体に相当するピストンリング2の間に厚さLの油膜Fが形成されている。油膜Fは、シリンダ1の潤滑面1aとピストンリング2の潤滑面2aの間に形成される。シリンダ1は固定されているが、ピストンリング2は、実際は上下方向に往復運動をする。
An oil film F having a thickness L is formed between the
シリンダ1の潤滑面1aとは反対側に潤滑面1aと平行に取付面1bが設けられ、超音波送信用の第1超音波探触子11が取り付けられる。ピストンリング2の潤滑面2aとは反対側に潤滑面2aと平行に取付面2bが設けられ、受信用の第2超音波探触子12が取り付けられる。すなわち、2つの超音波探触子の組み合わせにより測定を行うものであり、これを従来型の反射型測定方法と区別するために、便宜上、本明細書において透過型測定方法と称する。
A mounting surface 1b is provided in parallel to the
第1超音波探触子11からは、油膜Fの方向に向けて超音波を照射する。超音波は油膜内をそのまま透過し、あるいは、油膜内で多重反射をした後、透過し、ピストンリング2の内部を伝わって第2超音波探触子12に到達され受信される。これを第1透過波(第1波)と呼ぶ。
From the first
第1透過波のように伝播した超音波のうち、一部は、第2超音波探触子12とピストンリング2の界面M21で反射し、再度油膜Fの方向に向かうものがある。この波は、ピストンリング2と油膜Fとの界面M22で再反射あるいは、油膜内で再度多重反射した後に、ピストンリング2の内部を伝播して第2超音波探触子2に到達され受信される。これを第2透過波(第2波)と呼ぶ。
Some of the ultrasonic waves propagated like the first transmitted wave are reflected at the interface M 21 between the second
また、第2透過波と同じように進行した超音波の一部は、再び第2超音波探触子12とピストンリング2との界面M21で再び反射し、再度油膜Fの方向に向かう。そして、更にピストンリング2と油膜Fとの界面M22で再度反射することで第2超音波探触子12に再度到達され受信される。これを第3透過波(第3波)と呼ぶ。
In addition, a part of the ultrasonic wave that has traveled in the same manner as the second transmitted wave is reflected again at the interface M 21 between the second
図2は、実際に計測された受信波であるエコー高さhの大きさを表している。縦軸は、エコー高さhの大きさを示し、横軸は超音波の伝播距離(もしくは時間)を示している。この図2に示すように、第1透過波、第2透過波、第3透過波は、分離可能な状態で捉えることができる。 FIG. 2 shows the magnitude of the echo height h, which is the actually measured received wave. The vertical axis indicates the magnitude of the echo height h, and the horizontal axis indicates the ultrasonic propagation distance (or time). As shown in FIG. 2, the first transmitted wave, the second transmitted wave, and the third transmitted wave can be captured in a separable state.
実際には、第1超音波探触子11は、ピストンリング2の幅寸法A(1.2mm程度)よりも十分に大きな長さを有するものがシリンダ1に貼り付けられる。すなわち、第1超音波探触子11は、ピストンリング2に貼り付けられる第2超音波探触子12に比べて、十分に大きな長さを有しているので、シリンダ1内における超音波の拡散は問題にはならない。
Actually, the first
従って、第1透過波として受信されるものは、ピストンリング2の側面部2cにおける反射をしていないものが受信され、かつ、後述の実験結果からも分かるように、ピストンリング2の幅中央付近における油膜情報が得られる。従って、膜厚以外の情報を極力排除した状態で、膜厚のみの影響を受けている情報を取得することができる。
Therefore, what is received as the first transmitted wave is not reflected on the
また、第2透過波や第3透過波は、界面により何回か反射をしているため、もともと角度をもって伝播する超音波が、伝播経路の路程長さに応じて徐々にピストンリング2の側面部2cの方向に拡散し、その側面部2cから反射されてくることで受信されるものである。すなわち、側面部2cあるいは側面部2cに近い位置からの反射波を含むため、当該領域における情報を含むことになる。従って、気泡の混入や直接接触に関する情報を含んだ形で受信することができる。ちなみに、ピストンリング2が往復移動する行程において、ピストンリング2の傾きに起因して、ピストンリング2のエッジ部がシリンダ1と直接接触する。更には、ピストンリング2内における再度の反射により、側面部2cの影響を受けやすくなった第3透過波により、ピストンリング2側面部への油の付着などの測定も可能になる。
In addition, since the second transmitted wave and the third transmitted wave are reflected several times by the interface, the ultrasonic wave that originally propagated at an angle gradually moves to the side surface of the
<実験装置>
次に、本発明に係る膜厚等の超音波測定システムの効果を実証するための実験を行った。その実験装置を図3に示す。
<Experimental equipment>
Next, an experiment for verifying the effect of the ultrasonic measurement system such as the film thickness according to the present invention was performed. The experimental apparatus is shown in FIG.
まず、シリンダ1として機能する擬似シリンダ10を下部に配置し、裏面側に第1超音波探触子11を貼り付けた。ピストンリング2は、リング保持器13に保持させ、擬似シリンダ10とピストンリング2の間に潤滑油を十分に供給した。ピストンリング2の内面側には、第2超音波探触子12が貼り付けられている。
First, the
リング保持器13は、マイクロメータヘッド14により上下方向に移動することができ、これにより、油膜厚さの設定を変えることができる。設定された油膜厚さは、非接触式の変位センサー17により読み取ることができる。また、擬似シリンダ10とピストンリング2が直接接触した状態になったかどうかは、マイクロメータヘッド14を操作した時の感触と、エコー高さの変動量の低下具合から判断している。もちろん、油膜厚さの設定方法や直接接触の設定については、上記以外の方法を用いてもよい。
The
第1超音波探触子11と第2超音波探触子12は、夫々超音波探傷器15に接続されており、さらに、この超音波探傷器15はコンピュータ16(パソコン)に接続されている。これら超音波探傷器15及びコンピュータ16により、第2超音波探触子12により受信されたエコー高さに含まれる波の解析(波形解析手段としての機能)や波形表示などを行うことができる。
The first
なお、実験において使用した超音波探触子は、第1超音波探触子11については、PVDF(ポリフッ化ビニリデンフィルム)によるものと、PZT(ジルコンチタン酸鉛)によるものを使用した。第2超音波探触子12としては、コンポジット型のものを使用したが、本発明としては、どのようなタイプの超音波探触子を使用するかについて、特に限定されるものではない。
In addition, the ultrasonic probe used in the experiment used the first
図4は、実際の測定データを示すグラフである。なお、擬似シリンダ10とピストンリング2の直接接触については、図5(a)に示すように、金属片20をピストンリング2のエッジに当てることで擬似的に作り出した。金属片20は、ピストンリング2と同じ材質のものを使用した。また、気泡の混入については、図5(b)に示すように、気泡21を意図的にピストンリング2のエッジ近傍に発生させた。また、気泡の混入は、次のような方法で行なった。気泡はマイクロシリンジにより発生させ、その大きさは、φ0.8mm程度、個数は1個である。
FIG. 4 is a graph showing actual measurement data. The direct contact between the
図4(a)(b)に実験結果が夫々示されている。なお、グラフ中におけるAの波は第1透過波であり、Bは第2透過波、Cは第3透過波に該当する。擬似シリンダ10、ピストンリング2の材質、寸法、設定油膜厚さ、使用する超音波の周波数などは予め分かっているので、横軸(伝播距離)との関係から、第1透過波、第2透過波、第3透過波を特定することができる。
The experimental results are shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b), respectively. In the graph, the A wave is the first transmitted wave, B is the second transmitted wave, and C is the third transmitted wave. Since the material, dimensions, set oil film thickness, ultrasonic frequency to be used, and the like of the
図4(a)において、直接接触がない場合とある場合のエコー高さの大きさを比較している。なお、エコー高さについては、最大のエコー高さ(ピーク値)について比較しているものである。第1透過波については、直接接触の有無に関わらず、エコー高さに変化は見られなかった。すなわち、第1透過波は、ピストンリング2の側面部(エッジ)の影響を受けていないことが分かる。これにより、第1透過波は、油膜厚さに依存した情報のみが含まれると考えられる。
In FIG. 4 (a), are compared echo height of the size of the case where there a case where there is no direct contact. As for the echo height, the maximum echo height (peak value) is compared. For the first transmitted wave, no change was seen in the echo height regardless of the presence or absence of direct contact. That is, it can be seen that the first transmitted wave is not affected by the side surface (edge) of the
一方、第2透過波と第3透過波を比較すると、直接接触があることで、エコー高さが増加することが分かった。特に第3透過波については大きく変化していることが確認できた。 On the other hand, comparing the second transmitted wave and the third transmitted wave, it was found that the echo height increases due to the direct contact. In particular, it was confirmed that the third transmitted wave changed greatly.
図4(b)において、気泡がある場合とない場合のエコー高さの大きさを比較している。エコー高さについては、同様に最大エコー高さについて比較したものである。第1透過波については、直接接触の場合と同様に、気泡の有無に関わらず、エコー高さに変化は見られなかった。すなわち、この点からも第1透過波は、ピストンリング2の側面部の影響を受けていないことが分かる。
In FIG. 4 (b), by comparing the echo height of the size with and without air bubbles. The echo height is similarly compared for the maximum echo height. As for the first transmitted wave, as in the case of direct contact, no change was seen in the echo height regardless of the presence or absence of bubbles. That is, it can be seen from this point that the first transmitted wave is not affected by the side surface of the
第2透過波と第3透過波を比較すると、気泡の混入があることで、エコー高さが減少することが分かった。第2透過波のほうが第3透過波よりも若干大きく減少していることが理解される。 Comparing the second transmitted wave and the third transmitted wave, it was found that the echo height decreases due to the presence of bubbles. It can be seen that the second transmitted wave is slightly smaller than the third transmitted wave.
以上の点から理解されるのは、透過型測定方法を用いることで、油膜厚さ・気泡の混入・直接接触を個別に測定できることである。特に、第1透過波により油膜厚さの測定を行うことができ、第2透過波や第3透過波のよるエコー高さの増加や減少により、気泡の混入であるか直接接触であるかの識別も可能である。 From the above points, it is understood that oil film thickness, bubble mixing, and direct contact can be individually measured by using a transmission type measurement method. In particular, the oil film thickness can be measured by the first transmitted wave, and whether the bubble is mixed or directly contacted by the increase or decrease of the echo height by the second transmitted wave or the third transmitted wave. Identification is also possible.
<理論式との関係>
図6は、理論式で計算した値と実験結果とを比較して示す図である。エコー高さ比と平均油膜厚さLHとの関係は、次の数式で表される。
FIG. 6 is a diagram showing a comparison between the value calculated by the theoretical formula and the experimental result. The relationship between the echo height ratio and the average oil film thickness L H is expressed by the following equation.
fは、超音波の中心周波数であり、実験では2MHzのものを使用した。C2は、潤滑油中における超音波の速度である。 f is the center frequency of the ultrasonic wave, and 2 MHz was used in the experiment. C 2 is the speed of ultrasonic waves in the lubricating oil.
なお、上記理論式におけるLHについては、厳密には次のように計算されるべきものである。図8は、シリンダ1とピストンリング2の潤滑面を拡大して示す模式図である。すなわち、夫々の潤滑面1a,2aは厳密な平滑面ではなく、表面粗さが存在する。また、ピストンリング2の潤滑面2aは、シリンダ1の潤滑面1aに対して平行面ではなく、クラウニングにより若干の曲率を有する面となっている。
Strictly speaking, L H in the above theoretical formula should be calculated as follows. FIG. 8 is an enlarged schematic view showing the lubrication surfaces of the
そこで、図8に示すように、クラウニングを有する上面(ピストンリング)と、平坦な下面(シリンダ)の幾何形状(d1,d2)で決まる膜厚検知範囲(後述の実験データからも分かるように0.4mm)内での平均的な距離をsiと定義する。実験で使用したシリンダ1とピストンリング2の形状は既知であるから、このsiは一義的に求めることができる。
Therefore, as shown in FIG. 8, the film thickness detection range determined by the geometric shape (d 1 , d 2 ) of the upper surface (piston ring) having the crowning and the flat lower surface (cylinder) (as can be seen from experimental data described later). The average distance within 0.4 mm) is defined as si. Since the shapes of the
L0=si+(RY1+RY2)/2
を定義する。表面粗さにRY1+RY2ついては、粗さ測定器を用いて予め求めておくことができる。従って、L0も既知の値である。ちなみに、L0は擬似シリンダ1とピストンリング2を軽く接触させた状態での平均膜厚であると定義できる。かかる接触状態においても、表面粗さやクラウニングの存在により油膜は存在する。
L 0 = si + (R Y1 + R Y2 ) / 2
Define The surface roughness R Y1 + R Y2 can be determined in advance using a roughness measuring instrument. Therefore, L 0 is also a known value. Incidentally, L 0 can be defined as an average film thickness in a state where the
従って、理論式における平均油膜厚さLHは、
LH = L+L0
で表される。ここで、Lは、シリンダ1とピストンリング2の夫々の粗さ突起先端間の最小距離(最小油膜厚さ)に相当するものであり、油膜厚さの評価をする場合に用いられるデータである。
Therefore, the average oil film thickness L H in the theoretical formula is
L H = L + L 0
It is represented by Here, L corresponds to the minimum distance (minimum oil film thickness) between the tips of the roughness protrusions of the
なお、理論式におけるエコー高さ比Hは、
H=h/h0
により表されるものである。h0は、図3における実験装置において、擬似シリンダ10とピストンリング2を極軽く接触させた状態で計測されるエコー高さであり、このh0を用いてエコー高さを標準化したエコー高さ比Hを用いる。
The echo height ratio H in the theoretical formula is
H = h / h 0
It is represented by. h 0 is an echo height measured in the experimental apparatus shown in FIG. 3 in a state where the
このh0の求め方であるが、例えば、図3に示す装置において、シリンダ1に対してピストンリング2を強く押し付けた状態から、徐々に接触面圧を下げながらエコー高さhの変化を調べる。このときのエコー高さhの変化は図10に示すような形となり、固体接触状態から非接触状態になり油膜が厚く形成されてエコー高さが激減する領域が表れる。この変化点におけるエコー高さをもってh0とすることができる。このような方法は、極めて簡便な方法であり、ピストンリング2を押し込む際の、シリンダ1とピストンリング2の面圧が正確にわからなくてもよく、極めて実用的な方法である。このh0を100%(=1)に設定する。
It is a method of calculating the h 0, for example, in the apparatus shown in FIG. 3, the
図6には、理論式で求めたエコー高さ比Hと最小油膜厚さL(μm)との関係を表すグラフと、実験で得られたエコー高さ比Hと最小油膜厚さL(μm)の関係を示すグラフを重ね合わせて表示させている。油膜厚さの設定変更は、図3においてマイクロメータによりリング保持器13を移動させることで設定変更することができる。
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the echo height ratio H and the minimum oil film thickness L (μm) obtained by the theoretical formula, and the echo height ratio H and the minimum oil film thickness L (μm) obtained in the experiment. ) Are superimposed and displayed. The setting change of the oil film thickness can be changed by moving the
図6からも分かるように、理論式のグラフと実験的に求めたグラフが問題のないレベルで一致していることが理解される。特に、通常の潤滑油膜厚さ(20μm以下程度)では、よく一致している。ちなみに、このグラフにおけるエコー高さhは、第1透過波における最大のエコー高さを用いて作成したものである。理論式とよく合うため、較正曲線を予め取得しておく必要はなく、エコー高さ比を求めることで、理論式に基づいて油膜厚さを演算で精度よく求めることができる。 As can be seen from FIG. 6, it is understood that the graph of the theoretical formula and the graph obtained experimentally coincide with each other at a problem-free level. In particular, the normal lubricating oil film thickness (about 20 μm or less) agrees well. Incidentally, the echo height h in this graph is created using the maximum echo height in the first transmitted wave. Since it fits well with the theoretical formula, it is not necessary to obtain a calibration curve in advance, and by obtaining the echo height ratio, the oil film thickness can be obtained with high accuracy based on the theoretical formula.
図7は、擬似シリンダ10に貼り付けられる第1超音波探触子11として、PVDF(長さ30mm×幅10mm)を用いた場合と、PZT(φ10mm)を用いた場合とを比較して示すグラフである。このグラフからもわかるように、超音波探触子11のタイプに関わらず同じような結果が得られている。
FIG. 7 shows a comparison between the case where PVDF (
<第2超音波探触子の検出領域>
次に、第2超音波探触子12の検出領域(感度)がどの程度であるのかを実験的に確認した。図9は、そのための実験装置を示す概念図である。
<Detection region of the second ultrasonic probe>
Next, it was experimentally confirmed to what extent the detection region (sensitivity) of the second
図9(a)に示すように擬似シリンダ10を用意し、その表面に厚さ10μmのシックネスゲージ22を貼り付ける。また、ピストンリング2と擬似シリンダ10の距離(油膜厚さ)は30μmに設定した。擬似シリンダ10は直動ステージ23の上に搭載し、図示の矢印の方向に移動できるように構成した。図9(b)は部分拡大図を示している。ピストンリング2の幅は1.2mmである。
As shown in FIG. 9A, a
擬似シリンダ10を図の左側から右側へ徐々に移動させることで、油膜厚さが変動するため、第2超音波探触子12により受信されるエコー高さが変化するはずである。図9(b)は、シックネスゲージ22の端面22aが、ちょうどピストンリング2の側面部2cの真下に位置している。
By gradually moving the
下のグラフは、シックネスゲージ22を0.1mm単位でピストンリング2の下方に侵入させたときのエコー高さの変化を示している。シックネスゲージ22の進入距離が0.4mmまではエコー高さに変化はなく、0.5mm、0.6mm(ちょうどピストンリング2の幅中心まで侵入)のときに変化が見られた。従って、第2超音波探触子12による検出領域は、中心部の幅0.4mmであることが分かる。従って、前述の理論式においては、この検出領域におけるsiを考慮すればよい。
The lower graph shows the change in echo height when the
<効果>
本発明における波形解析手段の機能は、第2超音波探触子12により取得されたエコー高さ信号から、第1透過波、第2透過波、第3透過波の各波を抽出し、各波のうちの最大エコー高さを更に抽出する。各波の最大エコー高さの変化を分析することで、油膜厚さ・気泡の混入・直接接触(金属接触)を個別に測定することができる。かかる波形解析手段は、コンピュータ16にインストールされるソフトウェアの機能により実現できるものである。また、各図で示したような解析結果をグラフなどで表示させる機能も有する。
<Effect>
The function of the waveform analysis means in the present invention is to extract each of the first transmitted wave, the second transmitted wave, and the third transmitted wave from the echo height signal acquired by the second
一般的に、超音波探触子で反射波を受信して超音波探傷器で解析をする際に、いわゆる追い込み領域の問題がある。すなわち、超音波を送信してから所定時間内は追い込み領域(不感帯領域)と呼ばれ、受信信号が安定しない領域がある。これは、超音波探傷器の特性に依存するものであり、この追い込み領域では、エコー高さと油膜厚さの理論式は適用することができない。 Generally, when a reflected wave is received by an ultrasonic probe and analyzed by an ultrasonic flaw detector, there is a problem of a so-called driving area. That is, there is a region where the received signal is not stable during a predetermined time after transmitting the ultrasonic wave, which is referred to as a driving region (dead zone). This depends on the characteristics of the ultrasonic flaw detector, and the theoretical formulas for the echo height and the oil film thickness cannot be applied in this driving area.
ピストンリング2の超音波探触子を取り付けて反射型測定方法を行う場合、ピストンリングの厚さ寸法との関係から、追い込み領域において反射波を受信してしまう可能性がある。このような点も反射型測定方法の問題点であるが、本発明のように透過型測定方法を用いると、シリンダ1とピストンリング2の厚み寸法の関係から、第1超音波探触子11と第2超音波探触子12の距離は、追い込み領域を回避するのに十分であり、精度のよい測定を行うことができる。
When the reflection type measurement method is performed with the ultrasonic probe of the
<別実施形態>
本実施形態において、第1物体がシリンダで第2物体がピストンリング2である例を説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、潤滑膜が形成される種々の場合に適用できるものである。
<Another embodiment>
In the present embodiment, an example in which the first object is a cylinder and the second object is a
1 シリンダ
1a 潤滑面
1b 取付面
2 ピストンリング
2a 潤滑面
2b 取付面
2c 側面部
10 擬似シリンダ
11 第1超音波探触子
12 第2超音波探触子
13 リング保持器
14 マイクロメータヘッド
15 超音波探傷器
16 コンピュータ
22 シックネスゲージ
F 潤滑膜
DESCRIPTION OF
Claims (6)
第1物体に取り付けられる超音波送信用の第1超音波探触子と、第2物体に取り付けられる超音波受信用の第2超音波探触子と、を用いて、第1超音波探触子から前記潤滑膜に向けて超音波を送信するステップと、潤滑膜を透過した超音波を第2超音波探触子により受信するステップとを有し、
第2超音波探触子により受信した波形信号に含まれる波のうち、潤滑膜を透過して最初に第2超音波探触子に到達した波を第1波とし、第2超音波探触子と第2物体との界面で反射した超音波が潤滑膜との界面で再反射することで第2超音波探触子に到達した波を第2波とし、第2波と同じように進行した超音波が再び第2超音波探触子と第2物体との界面で反射し、更に潤滑膜との界面で再反射することで第2超音波探触子に到達した波を第3波とし、第1波に基づいて膜厚の測定を行い、第2波、及び/又は、第3波に基づいて気泡の混入、及び/又は、前記直接接触の測定を行うステップを有することを特徴とする膜厚等の超音波測定方法。 And thickness of the lubricating film formed between the second object Ru relatively movable der respect to the first object of the first object Toko, and mixed and / or the first object of the bubble into the lubricating film An ultrasonic measurement method such as a film thickness for measuring a direct contact of a second object using an ultrasonic probe,
A first ultrasonic probe using a first ultrasonic probe for transmitting ultrasonic waves attached to a first object and a second ultrasonic probe for receiving ultrasonic waves attached to a second object. Transmitting ultrasonic waves from a child toward the lubricating film; and receiving ultrasonic waves transmitted through the lubricating film by a second ultrasonic probe;
Of the waves included in the waveform signal received by the second ultrasonic probe, the wave that first passes through the lubricating film and reaches the second ultrasonic probe is defined as the first wave, and the second ultrasonic probe. The ultrasonic wave reflected at the interface between the child and the second object is re-reflected at the interface with the lubricating film, and the wave that has reached the second ultrasonic probe is changed to the second wave and travels in the same way as the second wave. The reflected ultrasonic wave is reflected again at the interface between the second ultrasonic probe and the second object, and is reflected again at the interface with the lubricating film, so that the wave that has reached the second ultrasonic probe is converted into the third wave. And measuring the film thickness based on the first wave, and measuring the mixing of bubbles and / or the direct contact based on the second wave and / or the third wave. An ultrasonic measurement method for film thickness and the like.
第1物体に取り付けられる超音波送信用の第1超音波探触子と、
第2物体に取り付けられる超音波受信用の第2超音波探触子と、を備え、第1超音波探触子から前記潤滑膜に向けて超音波を送信し、潤滑膜を透過した超音波を第2超音波探触子により受信可能に構成すると共に、
第2超音波探触子により受信した波形信号に含まれる波のうち、潤滑膜を透過して最初に第2超音波探触子に到達した波を第1波とし、第2超音波探触子と第2物体との界面で反射した超音波が潤滑膜との界面で再反射することで第2超音波探触子に到達した波を第2波とし、第2波と同じように進行した超音波が再び第2超音波探触子と第2物体との界面で反射し、更に潤滑膜との界面で再反射することで第2超音波探触子に到達した波を第3波とし、第1波に基づいて膜厚の測定を行い、第2波、及び/又は、第3波に基づいて気泡の混入、及び/又は、前記直接接触の測定を行う波形解析手段を備えたことを特徴とする膜厚等の超音波測定システム。 And thickness of the lubricating film formed between the second object Ru relatively movable der respect to the first object of the first object Toko, and mixed and / or the first object of the bubble into the lubricating film An ultrasonic measurement system such as a film thickness for measuring a direct contact of a second object with an ultrasonic probe,
A first ultrasonic probe for ultrasonic transmission attached to the first object;
A second ultrasonic probe for receiving ultrasonic waves attached to the second object, transmitting ultrasonic waves from the first ultrasonic probe toward the lubricating film, and transmitting the ultrasonic waves through the lubricating film Is configured to be received by the second ultrasonic probe,
Of the waves included in the waveform signal received by the second ultrasonic probe, the wave that first passes through the lubricating film and reaches the second ultrasonic probe is defined as the first wave, and the second ultrasonic probe. The ultrasonic wave reflected at the interface between the child and the second object is re-reflected at the interface with the lubricating film, and the wave that has reached the second ultrasonic probe is changed to the second wave and travels in the same way as the second wave. The reflected ultrasonic wave is reflected again at the interface between the second ultrasonic probe and the second object, and is reflected again at the interface with the lubricating film, so that the wave that has reached the second ultrasonic probe is converted into the third wave. And a waveform analysis means for measuring the film thickness based on the first wave and measuring the direct contact based on the second wave and / or the third wave. An ultrasonic measurement system for film thickness, etc.
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