EP1460881B1 - Magnetsystem eines Schallwandlers - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to the magnetic system of a based on the electrodynamic principle, miniaturized transducer having a housing made of deep-drawn sheet metal, a magnet having magnet system and a membrane, which is provided with a coil, lead from the wires to a contact point has.
- Such transducers are in particular for installation in small devices, such as telephones, mobile phones, hands-free devices for phones, headphones or the like. intended.
- miniaturized electro-acoustic sound generators are equipped with a diaphragm and a plunger coil attached to it, a membrane holder, a magnet system and optionally a front cover and / or a back cover.
- the invention also relates to a method for producing a transducer.
- Electroacoustic sound generators for the dynamic principle have been known for almost one hundred years and find their application as speakers, headphones or in various acoustic applications such as the listening side of a telephone. They are called “converter” for the sake of simplicity.
- the publication US-A-5,751,828 discloses, for example, a manufacturing method of such a transducer, in particular, bonding of a magnetic powder and a steel sheet.
- the strength of the magnetic field in the air gap of the transducer is primarily dependent on the magnetic strength and the volume of the permanent magnet. The stronger and the bigger a magnet is, the more potential there is in it. However, this potential can only be exploited if the length of the magnetic lines up to the air gap and the material in which they run do not attenuate them too much. This is a second important factor in maximizing the magnetic field strength. Generally speaking, long and "thin" paths are always bad because they weaken the magnetic lines of force as they propagate through the yoke. Knowing the magnetic properties of the materials used, the calculation of the magnetic fields is very similar to the calculations in electrical circuits.
- the magnetic circuits for electroacoustic transducers are designed so that in a relatively narrow annular air area (air gap) reaches the maximum magnetic field strength.
- air gap air gap
- the size of the magnet is very limited. The more the execution of the magnetic yoke plays an important role. Generally speaking, it is important not to unnecessarily thin the yoke. Therefore, magnetic cup thicknesses below 2mm are poor and below 0.5mm are hardly usable because they cause too much loss. The same applies to the pole plate.
- a second important role of a pole plate is to allow linear magnetic field strength in the air gap of an acoustic transducer as possible. This means that (in the direction transverse to the axis of symmetry, thus radially), the magnetic field distribution should be constant. Therefore, the pole plate usually has a thickness which corresponds approximately to the stroke of the diaphragm. Depending on the type and application of the converter between 0.5 mm and 2 mm.
- the plunger coils are usually up to 300% longer than the pole plate is thick. This is necessary to make it possible that even with the extreme amplitudes of the membrane, the coil is still at least one third of its length in the air gap region.
- the housing For converters with diameters of about 10 centimeters, it is therefore common to produce the housing by deep drawing sheet metal of suitable thickness, usually about 2 mm thick.
- the invention now relates to miniaturized transducers with a diameter of less than about 20 mm, which does not allow the use of such sheet thicknesses in the deep-drawing process.
- the use of thin sheets in turn is not appropriate for the reasons mentioned above, which is why despite the problems associated with it, the plastic housing mentioned above are still used.
- the invention has set itself the task of changing the mechanical design of the converter so that a fully automatic converter production, especially of very small transducers to less than 10 mm in diameter, without much effort is possible and without the quality of the converter is deteriorated.
- the housing with an outer diameter of 20 mm maximum of thin steel sheet with a maximum thickness of 0.2 mm that the magnet system has a lower pole plate and an upper pole plate and that the pole plates are made of sheet steel having a thickness of at least 1.5 times the mean thickness of the bottom of the housing.
- average thickness is necessary because of the differences in the wall thickness occurring at different points of the finished housing during deep drawing of the housing.
- the pole plates have a thickness of at least 1.5 times, preferably at least twice, more preferably three times, the mean thickness of the bottom of the housing.
- the lower pole plate is part, preferably in one piece, of a magnet pot whose jacket region is at least substantially up to the upper one Surface of the upper pole plate is enough.
- a further development of the latter variant is characterized in that the wall thickness of the magnet pot corresponds to at least 1.5 times, preferably at least 2 times, more preferably at least 3 times, the mean thickness of the bottom of the housing. As a result, a particularly homogeneous magnetic field is achieved in the region of the dip gap.
- An inventive method for producing a transducer according to the invention with lower pole plate is characterized in that the lower pole plate is used in deep drawing of the housing in the manner of a lost core in the mold.
- the lower pole plate is used in deep drawing of the housing in the manner of a lost core in the mold.
- An inventive method for producing a transducer according to the invention with magnet pot is characterized in that the magnet pot is used in deep drawing of the housing in the manner of a lost core in the mold.
- the advantages are the same as in the aforementioned method.
- An inventive transducer 1 consists of a sheet steel housing 6, which is deep-drawn and punched, so that a membrane seat surface 2 for a diaphragm 14, rear sound openings 3, the mounting recess for a magnet system 4 are formed and that connection wires 5 of a coil 13, can be guided to connection contacts 15.
- the use of plates for transducer fabrication is in and of itself prior art, and has long been used in the manufacture of loudspeakers. Since the relatively large diameter of usually a few decimeters of a loudspeaker allows the use of thicker steel sheets, it is possible from the production, directly form the magnetic yoke (magnet and pole plate) with the cup-shaped steel sheet of the speaker housing. Since the steel sheets used are up to two millimeters thick, they have no negative effect on the strength of the magnetic field in the air gap of the magnet system. The use of thinner steel sheets reduces the magnetic field strength in the air gap of the magnet system and thus the speaker efficiency drastically.
- the invention provides a magnet system 4, as it is in Fig. 2 is shown, consisting of a pot 8, a magnet 9 and a pole plate 10 to connect with a deep-drawn sheet metal housing.
- a magnet system 4 as it is in Fig. 2 is shown, consisting of a pot 8, a magnet 9 and a pole plate 10 to connect with a deep-drawn sheet metal housing.
- the invention proposes as a preferred manufacturing method, during deep drawing of Housing 6, as in Fig. 3 or 4 schematically indicated to insert the pot 8 and the lower pole plate 11 in the thermoforming tool and deep draw with the housing plate. This results in a firm and adhesive-free connection between the pot 8 and the lower pole plate 11 of the magnet system and the remaining housing parts 6 of the converter. 1
- thermoformed according to the invention of thin sheet steel converter housing 1 also has openings 3. These serve the necessary acoustic tuning of the transducer and are known to those skilled in the field of electroacoustics and their number, size and location to determine easily.
- a practical magnet yoke according to the invention of a small transducer has a magnet of 0.9 mm, a pole plate of 0.3 mm thickness and a magnet cup of 0.4 mm thick. This magnet pot is housed in a 0.2 mm thick transducer housing ( Fig. 1 Part 6).
- the invention also proposes an improvement in the implementation of the wires 5 from the coil to the contact point in this context.
- Fig. 5 shown schematically, in the course of the deep drawing process in the outer region of the converter housing 6 in the region of the opening 3, are guided by the wires 5, two elevations 12 are formed.
- the wires 5 can be guided between these elevations and optionally fixed there with adhesive.
- the Fig. 6 shows, purely schematically and not to scale, a section normal to the (in Fig. 6 not shown) wires; the Fig. 7 also schematically, a section in the region of an opening 3, which is not formed as a simple opening, but also with elevations.
- the size of the opening is in Fig. 7 deliberately presented differently than in the Fig. 1 to illustrate the wide spectrum.
- apertures 3 in the housing 6 also in the bottom region of the pot 8 or in the region of the second pole plate 11, corresponding to corresponding recesses or openings in the pot or pole plate, in order to achieve the desired acoustic tuning.
Description
- Die Erfindung betrifft das Magnetsystem eines auf dem elektrodynamischen Prinzip basierenden, miniaturisierten Schallwandlers, der ein Gehäuse aus tiefgezogenem Blech, ein einen Magneten aufweisendes Magnetsystem und eine Membrane, die mit einer Spule versehen ist, von der Drähte zu einer Kontaktstelle führen, aufweist. Derartige Wandler sind insbesondere zum Einbau in Kleingeräte, wie Telefone, Mobiltelefone, Freisprecheinrichtungen für Telefone, Kopfhörer od.dgl. vorgesehen. Derartige miniaturisierte elektroakustische Schallgeber sind mit einer Membrane und einer an ihr befestigten Tauchspule, einem Membranhalter, einem Magnetsystem und gegebenenfalls einer Frontabdeckung und/oder einer Rückenabdeckung ausgestattet. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Wandlers.
- Elektroakustische Schallgeber nach dem dynamischem Prinzip sind seit fast einhundert Jahren bekannt und finden ihre Anwendung als Lautsprecher, Kopfhörer oder in verschiedensten akustischen Anwendungen wie zum Beispiel als Hörseite eines Telephons. Sie werden im weiteren der Einfachheit halber "Wandler" genannt.
- Die Druckschrift
US-A-5 751 828 offenbart z.B. ein Herstellungsverfahren eines solchen Wandlers, insbesondere das Verbinden von einem magnetischen Pulver und einem Stahlblech. - Der derzeitige Aufbau solcher Wandler erfolgt im wesentlichen mit Hilfe von Kunststoffen, wie zum Beispiel in der
AT 221 150 B AT 236 474 B - Prinzipiell ist es wichtig, um einerseits die Empfindlichkeit des Wandlers zu vergrößern, und andererseits seine Verzerrung der Wiedergabe zu minimieren, die Stärke des Magnetfeldes im Luftspalt des Wandlers so groß und so linear wie möglich zu machen. Die Stärke des Magnetfeldes im Luftspalt des Wandlers ist in erster Linie von der magnetischen Stärke und vom Volumen des Permanentmagneten abhängig. Je stärker und je größer ein Magnet ist, desto mehr Potential steckt in ihm. Dieses Potential kann aber nur dann ausgenützt werden, wenn die Länge der Magnetlinien bis zum Luftspalt und das Material, in dem sie verlaufen, sie nicht zu sehr abschwächt. Das ist ein zweiter wichtiger Faktor, um die Magnetfeldstärke zu maximieren. Generell gesehen sind lange und "dünne" Wege immer schlecht, weil sie die Magnetkraftlinien in ihrer Ausbreitung durch das Magnetjoch schwächen. Wenn man die Magneteigenschaften der verwendeten Materialien kennt, dann ist die Berechnung der Magnetfelder sehr ähnlich der Berechnungen in elektrischen Schaltkreisen.
- Die Magnetkreise für elektroakustische Wandler werden so konzipiert, dass man in einem relativ engen ringförmigem Luftbereich (Luftspalt) das Maximum an magnetischer Feldstärke erreicht. Bei kleinen Wandlern und "teuerem Platz" ist die Größe des Magneten sehr begrenzt. Desto mehr spielt die Ausführung des Magnetjochs eine wichtige Rolle. Generell gesagt ist wichtig, das Joch nicht unnötig dünn zu machen. Deshalb sind Magnettopfdicken unter 2 mm schlecht und unter 0,5 mm kaum brauchbar, da sie zu viel Verluste verursachen. Ähnliches gilt für die Polplatte.
- Eine zweite wichtige Rolle einer Polplatte ist, im Luftspalt eines akustischen Wandlers möglichst lineare Magnetfeldstärke zu ermöglichen. Das heißt, dass (in Querrichtung zur Symmetrieachse, damit radial) die Magnetfeldverteilung konstant sein soll. Deshalb hat die Polplatte üblicherweise eine Dicke, die in etwa dem Hub der Membrane entspricht. Das sind je nach der Art und Anwendung des Wandlers zwischen 0,5 mm und 2 mm. Die Tauchspulen sind normalerweise um bis zu 300% länger als die Polplatte dick ist. Das ist notwendig um es zu ermöglichen, dass auch bei den extremen Amplituden der Membrane, die Spule noch immer mit mindestens einem Drittel ihrer Länge im Luftspaltbereich liegt.
- Bei Wandlern mit Durchmessern von über etwa 10 Zentimetern ist es daher üblich, das Gehäuse durch Tiefziehen von Blech passender Stärke, meist mit etwa 2 mm Dicke, herzustellen. Die Erfindung betrifft nun miniaturisierte Wandler mit einem Durchmesser von unter etwa 20 mm, was die Verwendung derartiger Blechstärken im Tiefziehverfahren nicht mehr erlaubt. Die Verwendung dünner Bleche wiederum ist aus den oben genannten Gründen nicht angebracht, weshalb trotz der damit verbundenen Probleme nach wie vor die eingangs genannten Kunststoffgehäuse verwendet werden.
- Die Erfindung hat sich die Aufgabe gesetzt, die mechanische Konstruktion des Wandlers so zu verändern, dass eine vollautomatische Wandlerproduktion, insbesondere von sehr kleinen Wandlern bis unter 10 mm Durchmesser, ohne großen Aufwand möglich wird und ohne dass die Qualität der Wandler verschlechtert wird.
- Erfindungsgemäß werden diese Ziele dadurch erreicht, dass bei einem Wandler der eingangs definierten Art das Gehäuse mit einem Außendurchmesser von maximal 20 mm aus dünnem Stahlblech mit einer mittleren Dicke von maximal 0,2 mm besteht, dass das Magnetsystem eine untere Polplatte und eine obere Polplatte aufweist und dass die Polplatten aus Stahlblech mit einer Dicke von zumindest dem 1,5-fachen der mittleren Dicke des Bodens des Gehäuses bestehen. Dadurch wird es möglich, das Gehäuse günstig durch Tiefziehen herzustellen und durch die Stärkung des Bodenbereiches durch die untere Polplatte die Schwächung der Feldstärke im Wandbereich hinzunehmen und dafür eine sehr weit gehende Miniaturisierung zu erreichen.
- Der Begriff "mittlere Dicke" ist wegen der beim Tiefziehen des Gehäuses auftretenden Unterschiede in der Wandstärke an unterschiedlichen Stellen des fertigen Gehäuses notwendig.
- In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Polplatten eine Dicke von zumindest dem 1,5-fachen, bevorzugt von zumindest dem 2-fachen, besonders bevorzugt vom 3-fachen der mittleren Dicke des Bodens des Gehäuses aufweisen. Dadurch wird im Bereich des Tauchspaltes ein besonders homogenes Magnetfeld erreicht und die Schwächung des Magnetfeldes durch die geringe Dicke des Gehäuses wird weiter verringert.
- In einer Variante ist vorgesehen, dass die untere Polplatte Teil, bevorzugt einstückig, eines Magnettopfes ist, dessen Mantelbereich zumindest im wesentlichen bis zur oberen Oberfläche der oberen Polplatte reicht. Diese Variante mit nur etwas geringerem Grad der Miniaturisierung des Wandlers weist den Vorteil eines praktisch ungeschwächten Magnetfeldes auf.
- Eine Weiterbildung der letztgenannten Variante ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Magnettopfes zumindest dem 1,5-fachen, bevorzugt zumindest dem 2-fachen, besonders bevorzugt zumindest dem 3-fachen der mittleren Dicke des Bodens des Gehäuses entspricht. Dadurch wird im Bereich des Tauchspaltes ein besonders homogenes Magnetfeld erreicht.
- Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Wandlers mit unterer Polplatte ist dadurch gekennzeichnet, dass die untere Polplatte beim Tiefziehen des Gehäuses nach Art eines verlorenen Kernes in die Form eingesetzt wird. Damit wird trotz der geringen Abmessungen aller beteiligten Teile ein einfaches Hantieren möglich. Darüber hinaus kommt man zu einer zuverlässigen Fixierung der Polplatte ohne Verkleben od.dergl..
- Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Wandlers mit Magnettopf ist dadurch gekennzeichnet, dass der Magnettopf beim Tiefziehen des Gehäuses nach Art eines verlorenen Kernes in die Form eingesetzt wird. Die Vorteile sind die gleichen wie beim zuvor genannten Verfahren.
- Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt
- die
Fig. 1 einen erfindungsgemäß ausgebildeten Wandler, - die
Fig. 2 ein Detail derFig. 1 in vergrößertem Maßstab, - die
Fig. 3 ein Detail im Zuge der Herstellung, - die
Fig. 4 eine Variante derFig. 3 , - die
Fig. 5 bis 7 zeigen die Führung der Drähte der Tauchspule. - Eine erfindungsgemäße Lösung ist prinzipiell an Hand der
Fig. 1 dargestellt. Ein erfindungsgemäßer Wandler 1 besteht aus einem Stahlblechgehäuse 6, das tiefgezogen und ausgestanzt wird, sodass eine Membransitzfläche 2 für eine Membrane 14, rückwärtige Schallöffnungen 3, die Montageausnehmung für ein Magnetsystems 4 ausgebildet werden und dass Anschlussdrähte 5 einer Spule 13, zu Anschlusskontakten 15 geführt werden können. - Die Verwendung von Blechen für die Wandlerherstellung entspricht, wie oben erwähnt, an und für sich dem Stand der Technik, und wird seit langem bei der Herstellung von Lautsprechern verwendet. Da der relativ große Durchmesser von zumeist einigen Dezimetern eines Lautsprechers die Verwendung von dickeren Stahlblechen zulässt, ist es von der Herstellung her möglich, das Magnetjoch (Magnet und Polplatte) direkt mit dem topfförmigen Stahlblech des Lautsprechergehäuses auszubilden. Da die verwendeten Stahlbleche bis zu zwei Millimeter dick sind, haben sie keinen negativen Einfluss auf die Stärke des Magnetfeldes im Luftspalt des Magnetsystems. Eine Verwendung von dünneren Stahlblechen verringert die Magnetfeldstärke im Luftspalt des Magnetsystems und damit den Wirkungsgrad des Lautsprechers drastisch.
- Moderne Telekommunikationsgeräte wie Mobiltelefone und dergleichen benötigen immer kleinere Wandler, die im Extremfall sogar im Durchmesser unter 10 mm klein sind. Um die Herstellung von solchen Wandlern billig zu gestalten ist erfindungsgemäß vorgesehen, ein Magnetsystem 4, wie es in
Fig. 2 dargestellt ist, bestehend aus einem Topf 8, einem Magnet 9 und einer Polplatte 10, mit einem tiefgezogenen Blechgehäuse zu verbinden. So ist es möglich, dünne Bleche, bis zu 0,2 mm, ohne Magnetfeldverluste im Luftspalt zu verwenden, da der Magnetkreis aus einem "dickeren" Magnettopf besteht. - Bei einer in
Fig. 4 gezeigten, anderen, noch einfacheren Ausführungsart ist statt des Topfes 8 nur eine zweite Polplatte vorgesehen. Damit wird zwar ein gegenüber derFig. 3 schlechterer Magnetfluß erzielt, es ist aber eine weitere Miniaturisierung möglich. Den Magnetfluß kann man sich so vorstellen, dass die Magnetkraftlinien aus dem Boden des Magneten 9 über die untere Polplatte 11 und über das dünne Blechgehäuse 6 bis zum Luftspalt im oberen Teil und die obere Polplatte 10 (Fig. 2 ) in den Magneten 9 zurück verlaufen. Sie werden dabei selbstverständlich auf dem Weg durch das dünne Blech - statt durch den dickwandigen Topf 8 - mehr abgeschwächt als dort, aber für besonders kleine Wandler ist dies in Kauf zu nehmen. - Die Erfindung schlägt als bevorzugtes Herstellungsverfahren vor, beim Tiefziehen des Gehäuses 6, wie in
Fig. 3 bzw. 4 schematisch angedeutet, den Topf 8 bzw. die untere Polplatte 11 in das Tiefziehwerkzeug einzulegen und mit dem Gehäuseblech tiefzuziehen. Dadurch ergibt sich eine feste und klebstofflose Verbindung zwischen dem Topf 8 bzw. der unteren Polplatte 11 des Magnetsystems und den restlichen Gehäuseteilen 6 des Wandlers 1. - Aus den
Fig. 1 und 5 ist ersichtlich, dass ein erfindungsgemäß aus dünnem Stahlblech tiefgezogenes Wandlergehäuse 1 auch Öffnungen 3 aufweist. Diese dienen der notwendigen akustischen Abstimmung des Wandlers und sind dem Fachmann auf dem Gebiet der Elektroakustik bekannt und ihrer Anzahl, Größe und Lage nach leicht zu bestimmen. - Ein praxisnahes erfindungsgemäßes Magnetjoch eines kleinen Wandlers hat einen 0,9 mm dicken Magnet, eine 0,3 mm dicke Polplatte und einen 0,4 mm dicken Magnettopf. Dieser Magnettopf wird in einem 0,2 mm dicken Wandlergehäuse (
Fig. 1 , Teil 6) gehalten. - Die Erfindung schlägt in diesem Zusammenhang auch eine Verbesserung der Durchführung der Drähte 5 von der Spule zur Kontaktstelle vor. Wie in
Fig. 5 schematisch dargestellt, werden im Zuge des Tiefziehvorganges im äußeren Bereich des Wandlergehäuses 6 im Bereich der Durchbrechung 3, durch die Drähte 5 geführt werden, zwei Erhebungen 12 ausgebildet. Die Drähte 5 können zwischen diesen Erhebungen geführt und dort gegebenenfalls mit Klebstoff fixiert werden. DieFig. 6 zeigt, rein schematisch und nicht maßstäblich, einen Schnitt normal zu den (inFig. 6 nicht dargestellten) Drähten; dieFig. 7 , ebenso schematisch, einen Schnitt im Bereich einer Durchbrechung 3, der nicht als einfache Öffnung, sondern ebenfalls mit Erhebungen ausgebildet ist. Die Größe der Durchbrechung ist inFig. 7 bewußt anders dargestellt als in derFig. 1 , um das weite Spektrum zu veranschaulichen. - Es ist selbstverständlich möglich, Durchbrechungen 3 im Gehäuse 6 auch im Bodenbereich des Topfes 8 bzw. im Bereich der zweiten Polplatte 11, korrespondierend mit entsprechenden Ausnehmungen bzw. Durchbrechungen im Topf bzw. der Polplatte vorzusehen, um die gewünschte akustische Abstimmung zu erreichen.
Claims (6)
- Magnetsystem eines auf dem elektrodynamischen Prinzip basierenden, miniaturisierten Schallwandlers (1), der ein Gehäuse (6) aus tiefgezogenem Blech, ein einen Magneten (9) aufweisendes Magnetsystem (4) und eine Membrane (14) die mit einer Spule (13) versehen ist, von der Drähte (5) zu einer Kontaktstelle (15) führen, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (6) mit einem Außendurchmesser von maximal 20 mm aus dünnem Stahlblech mit einer mittleren Dicke von maximal 0,2 mm besteht, dass das Magnetsystem (4) eine untere Polplatte (11) und eine obere Polplatte (10) aufweist, und dass die Polplatten (10, 11) aus Stahlblech mit einer Dicke von zumindest dem 1,5-fachen der mittleren Dicke des Bodens des Gehäuses (6) bestehen.
- Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polplatten eine Dicke von zumindest dem 1,5-fachen, bevorzugt dem 2-fachen, besonders bevorzugt zumindest dem 3-fachen der mittleren Dicke des Bodens des Gehäuses (6) aufweisen.
- Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Polplatte (11) Teil, bevorzugt einstückig, eines Magnettopfes (8) ist, dessen Mantelbereich zumindest im wesentlichen bis zur oberen Oberfläche der oberen Polplatte (10) reicht.
- Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Magnettopfes (8) zumindest dem 1,5-fachen, bevorzugt zumindest dem 2-fachen, besonders bevorzugt zumindest dem 3-fachen der mittleren Dicke des Bodens des Gehäuses (6) entspricht.
- Verfahren zur Herstellung eines Wandlers gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Polplatte (11) beim Tiefziehen des Gehäuses (6) nach Art eines verlorenen Kernes in die Form eingesetzt wird.
- Verfahren zur Herstellung eines Wandlers gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnettopf (8) beim Tiefziehen des Gehäuses (6) nach Art eines verlorenen Kernes in die Form eingesetzt wird.
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