JP2006311696A - マイクロモータ用のモータシャフト及びマイクロモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 減速用ギヤ機構により大きな減速比を得ることができ、且つピニオンの高い寸法精度と耐久性が得られるマイクロモータ用のモータシャフトを得る。
【解決手段】 シャフトの先端側に、シャフトの外径以下の外径を有するピニオンを一体的に形成するとともに、このシャフトのうち少なくともピニオン部分を、ガラス質金属組織を体積率で５０％以上含むガラス質基合金で構成した。ピニオンを十分に小径化できるため、減速用ギヤ機構により大きな減速比を得ることができ、また、少なくともピニオン部分がガラス質基合金で構成されるため、ピニオン部分を高い寸法精度と耐久性を備えたものとすることができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、各種小型装置類の駆動源として用いられるマイクロモータ用のモータシャフトと、このモータシャフトが適用されたマイクロモータ及びマイクロギヤードモータに関する。

従来、携帯電話に内蔵される無音呼び出し用振動発生装置の駆動源等として、外径が数ｍｍ程度のマイクロモータが用いられている。また、この種のマイクロモータは、医療機器（例えば、内視鏡先端部のレンズ駆動機構や胎空内診断治療装置の駆動機構）をはじめとする様々な最先端装置類の駆動源として、今後その利用分野が益々拡大するものと考えられる。
一般に、マイクロモータを医療機器等のような小型装置類に使用する場合、減速用ギヤ機構を有するギヤヘッドを結合したマイクロギヤードモータとして装置内に組み込まれる（例えば、特許文献１）。
特開２００１−１１９８９４号公報

このマイクロギヤードモータは、図６に示すように、モータシャフト２２にピニオン２３が固着されたモータ部２０（マイクロモータ）と、このモータ部２０に前記ピニオン２３を介して駆動連結される減速用ギヤヘッド部２１とからなる。前記ピニオン２３はその取付孔（中心貫通孔）内にモータシャフト２２を圧入又は接着することにより、モータシャフト２２に固定されている。また、前記減速用ギヤヘッド部２１には減速用ギヤ機構部２４が内蔵され、その初段歯車２６に前記ピニオン２３が噛み合い、モータシャフト２２の駆動力は減速用ギヤ機構部２４を経て出力軸２５に伝えられる。

マイクロギヤードモータが適用される装置によっては、減速用ギヤ機構部による大きな減速比が必要となる場合がある。減速比は減速用ギヤ機構部側の歯車の歯数とモータシャフト側のピニオンの歯数との関係で決まり、減速用ギヤ機構部側の歯車の歯数が多いほど、また、ピニオンの歯数が少ないほど大きな減速比を得ることができる。しかし、減速用ギヤヘッド部には大きさ（径）の制約があるため、減速用ギア機構部側の歯車の歯数を増やすことには限度があり、一方において、上述したような構造の従来のマイクロギヤードモータでは、ピニオン径を小さくして歯数を少なくすることにも限度がある。このため従来のマイクロギヤードモータでは、十分に大きな減速比が得られないという問題がある。

また、従来のマイクロモータでは、ピニオンが接着や圧入等の方法でモータシャフトに接合されるが、この接合構造には次のような問題がある。
(a) 極小サイズのピニオンとモータシャフトとを接着又は圧入するための工程が必要であるため、コストアップとなるだけでなく、繰り返し運転により接合部が緩み、ピニオンスリップなどの不具合が生じることがある。
(b) 極小サイズのものどうしの接合であるため、モータシャフトとピニオンの同軸度の確保が難しく、このためピニオンと減速用ギヤ機構部側の初段歯車との良好な噛み合い状態が得られないことがあり、モータの故障や騒音発生の原因となりやすい。

また、マイクロモータのモータシャフト用のピニオンには高い寸法精度が要求されるとともに、破損や摩耗を生じにくい優れた耐久性を確保するために高強度・高硬度であることが求められ、また、製造が容易であることも重要な要素である。しかし、金属素材を放電加工や切削加工することにより、或いはプレス成形や転造成形などの塑性加工を行うことにより得られる従来のピニオンは、それらの諸要求を十分に満足し得るものではない。

したがって本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決し、減速用ギヤ機構により大きな減速比を得ることができるとともに、モータシャフトとピニオンとの高い同軸度を確保できること、ピニオンスリップなどの不具合を生じることがないこと、ピニオンの高い寸法精度が確保できること、高度の耐久性が得られること、製造が容易であること、などの諸要求をすべて十分に満足し得るマイクロモータ用のモータシャフトを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、そのようなモータシャフトを用いたマイクロモータ及びマイクロギヤードモータを提供することにある。

先に述べたように、マイクロギヤードモータにおいて大きな減速比を得ようとする場合、モータの大きさ（径）の制約上、減速用ギヤ機構部側の歯車径を大きくして歯数を増やすことはできない。そこで、本発明者らは、モータシャフトのピニオンを小径化するという観点から詳細な検討を行い、その際に、ピニオンを取付孔を介してモータシャフトに接合するという旧来の構造に対して、モータシャフトそのものにピニオンを一体的に形成（成形）することによりピニオンを極限的に小径化する、すなわちシャフト径以下のピニオン径にするという着想を得た。しかし、従来の当業者の技術常識からして、そのようにピニオンをモータシャフト径以下まで小径化したような構造では、ピニオンの強度が著しく不足し、モータトルクによる負荷によってピニオン（＝モータシャフトの一部）の破損や疲労破壊が頻発することが予想された。ところが、本発明者らが実際に同構造のマイクロギヤードモータを試作し、繰り返し運転試験を行ったところ、当初の予想に全く反し、ピニオンに強度不足による破損や繰り返し荷重の負荷による疲労破壊が生じるようなことはなく、実用上殆ど問題がない耐久性が得られることが判明した。これは、マイクロギヤードモータは一般のモータや他の小型モータに較べてモータトルクが非常に小さい（通常、数μＮｍ〜数百μＮｍ程度）ために、シャフト径以下のピニオンであってもモータトルクに対して十分な強度を有するためであると考えられ、従来全く知られていなかったマイクロギヤードモータに特有の性能である。
また、本発明者らがピニオンを一体化した上記モータシャフトの材質について検討した結果、少なくともピニオン部分をガラス質金属組織を主体とするガラス質基合金で構成することにより、高い寸法精度と特に優れた耐久性が得られることが判った。

本発明は、以上のような着想と知見に基づきなされたもので、その要旨は以下のとおりである。
（1）シャフトの先端側に、シャフトの外径以下の外径を有するピニオンが一体的に形成されるとともに、該シャフトのうち少なくともピニオン部分が、ガラス質金属組織を体積率で５０％以上含むガラス質基合金からなることを特徴とするマイクロモータ用のモータシャフト。
（2）上記（1）のモータシャフトにおいて、シャフト全体がガラス質基合金からなることを特徴とするマイクロモータ用のモータシャフト。

（3）上記（1）又は（2）のモータシャフトにおいて、シャフトの少なくともピニオン部分を含む先端側部分がガラス質基合金からなり、該先端側部分が接合されたシャフト本体部分が結晶質金属材からなることを特徴とするマイクロモータ用のモータシャフト。
（4）上記（3）のモータシャフトにおいて、シャフト本体部分に接して、先端側部分を鋳造することにより成形することを特徴とするマイクロモータ用のモータシャフト。
（5）上記（1）〜（4）のいずれかのモータシャフトにおいて、少なくともピニオン部分は、ビッカース硬度Ｈｖ５００以上、引張強度１５００ＭＰａ以上のうちの少なくとも一方を満足することを特徴とするマイクロモータ用のモータシャフト。

（6）上記（1）〜（5）のいずれかのモータシャフトにおいて、少なくともピニオン部分は、表面粗度Ｒｙが２μｍ以下であることを特徴とするマイクロモータ用のモータシャフト。
（7）上記（1）〜（6）のいずれかのモータシャフトにおいて、シャフトの外径が１ｍｍ以下であることを特徴とするマイクロモータ用のモータシャフト。
（8）上記（1）〜（7）のいずれかのモータシャフトを有することを特徴とするマイクロモータ。
（9）上記（8）のマイクロモータにおいて、外径が４ｍｍ以下であることを特徴とするマイクロモータ。

（10）上記（8）又は（9）のマイクロモータで構成されるモータ部と、該モータ部に、モータシャフトに形成されたピニオンを介して駆動連結される減速用ギヤヘッド部とを備えることを特徴とするマイクロギヤードモータ。
（11）上記（10）のマイクロギヤードモータにおいて、モータ部のモータシャフトに形成されたピニオンと減速用ギヤヘッド部の第１段目の減速用歯車との間の減速比が５以上となるように、前記ピニオンと減速用歯車の歯数が設定されることを特徴とするマイクロギヤードモータ。
（12）上記（10）又は（11）のマイクロギヤードモータにおいて、モータ部がブラシレスモータであり、減速用ギヤヘッド部の減速用ギヤ機構が遊星歯車減速機構であることを特徴とするマイクロギヤードモータ。
（13）上記（10）〜（12）のいずれかのマイクロギヤードモータにおいて、外径が４ｍｍ以下であることを特徴とするマイクロギヤードモータ。

本発明に係るマイクロモータ用のモータシャフト及びこれを適用したマイクロモータ並びにマイクロギヤードモータによれば、ピニオンを十分に小径化できるため、減速用ギヤ機構により大きな減速比を得ることができる。また、モータシャフトそのものにピニオンを一体的に形成するため、モータシャフトとピニオンとの高い同軸度を確保でき、このため故障が少なく長寿命であって且つ騒音発生の少ないモータとすることができ、しかもピニオンスリップなどの不具合を生じることもない。また、接着や圧入等によるピニオンの接合工程も不要であるため、製造工数と製造コストを削減できる利点もある。さらに、少なくともピニオン部分がガラス質基合金で構成されるため、ピニオン部分を高い寸法精度と耐久性を備えたものとすることができる。

図１及び図２は本発明のモータシャフト及びこれが適用されたマイクロギヤードモータの一実施形態を示すもので、図１は縦断面図、図２は図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
図において、１はマイクロモータで構成されるモータ部、２はこのモータ部１にモータシャフトのピニオンを介して駆動連結される減速用ギヤヘッド部である。なお、この実施形態において減速用ギヤヘッド部２を設けないものが、本発明のマイクロモータである。

本発明において、前記モータ部１を構成するマイクロモータの機構は任意であり、例えば、コアレスモータ、ブラシレスモータ等とすることができるが、本実施形態ではブラシレスモータにより構成されている。すなわち、モータ部１は、ハウジング３Ａと、モータシャフト用の軸受４ａ，４ｂと、この軸受４ａ，４ｂに回転自在に保持されるモータシャフト５と、軸受４ａ，４ｂ間のモータシャフト部分に外装固定されるローターマグネット６と、このローターマグネット６に対向してハウジング３Ａの内側に固定されるステータコイル７等から構成されており、このような構造自体は従来のマイクロギヤードモータと同様である。

前記モータシャフト５の先端部には、モータシャフト５の外径以下の外径を有するピニオン８が一体的に形成（成形）されている。このモータシャフト５のうち、少なくともピニオン部分はガラス質金属組織を体積率で５０％以上含むガラス質基合金で構成される。具体的には、モータシャフト全体を上記ガラス質基合金で構成してもよいし、また、モータシャフトの少なくともピニオン部分を含む先端側部分をガラス質基合金で構成し、この先端側部分が接合されたシャフト本体部分を鋼材などの結晶質金属材で構成してもよい。
なお、ピニオン８はモータシャフト５の先端側に形成されるが、その位置はモータシャフト５の最先端部でなくてもよい。

図３（ａ）〜（ｅ）は、モータシャフトの種々の構造例を示している。
これらのうち図３（ａ）のモータシャフト５は、ピニオン８を含むシャフト全体をガラス質基合金で構成したものである。このようなモータシャフト５は、例えば、溶融金属の精密射出技術を利用した鋳造成形により製造することができる。また、ガラス質基合金の丸棒の先端にホブ加工などの切削加工や転造加工等を施すことにより成形することもできる。このようにピニオン８をモータシャフト５そのものを切削加工や転造加工して形成する場合には、ガラス質基合金の丸棒からなるシャフト用部材をセンタレス加工して外径寸法精度と面粗さを調整した後、その先端部に切削加工又は転造加工等によってピニオン８を形成（成形）し、次いで、熱処理、バレル研磨処理等の工程を経てピニオン８を備えたモータシャフト５に仕上げられる。図４は、モータシャフト５の先端をホブ加工してピニオン８を成形したものを示しており、図中Ｐで示す範囲が実質的なピニオン部分である。

図３（ｂ）のモータシャフト５は、ピニオン８のみをガラス質基合金で構成し、それ以外のシャフト本体部分５０を鋼材（例えば、ステンレス鋼）などの結晶質金属材で構成したものである。この図３（ｂ）のモータシャフト５では、シャフト本体部分５０の先端の異形孔５０１にピニオン８（ピニオン部分）の後端の異形小径部８０が嵌め込まれた構造となっている。
また、図３（ｃ）〜（ｅ）のモータシャフト５は、ピニオン８を含むシャフト先端側部分５１をガラス質基合金で構成し、それ以外のシャフト本体部分５２を鋼材（例えば、ステンレス鋼）などの結晶質金属材で構成したものである。この例では、軸受４ａで支持される部分を含めたシャフト先端側部分５１がガラス質基合金で構成されている。ここで、図３（ｃ）のモータシャフト５は、シャフト先端側部分５１の後端の孔５１０にシャフト本体部分５２の先端の小径部５２０が嵌め込まれた構造であり、図３（ｄ）のモータシャフト５は、シャフト先端側部分５１の後端の異形孔５１１にシャフト本体部分５２の先端の異形小径部５２１が嵌め込まれた構造であり、図３（ｅ）のモータシャフト５は、シャフト本体部分５２の先端の異形孔５２２にシャフト先端側部分５１の後端の異形小径部５１２が嵌め込まれた構造である。

一般的には、図３（ｂ）〜（ｅ）の構造のモータシャフト５は、シャフト本体部分５０，５２に接してピニオン８又はシャフト先端側部分５１を鋳造することにより製造される。また、これらのなかで図３（ｃ），（ｄ）のモータシャフト５では、シャフト先端側部分５１の後半部分又は後端部分がシャフト本体部分５２の先端の小径部５２０又は異形小径部５２１を鋳ぐるむようにしてシャフト先端側部分５１が鋳造され、この鋳ぐるみ部によりシャフト先端側部分５１・シャフト本体部分５２間での強固な接合構造が得られる。また、図３（ｂ），（ｅ）のモータシャフト５では、ピニオン８又はシャフト先端側部分５１の後端部分がシャフト本体部分５０，５２の先端の異形孔５０１，５２２内に鋳込まれるようにしてピニオン８又はシャフト先端側部分５１が鋳造され、この鋳込み部によりピニオン８・シャフト本体部分５０間又はシャフト先端側部分５１・シャフト本体部分５２間での強固な接合構造が得られる。

図５は、図３（ａ）〜（ｅ）に示すようなモータシャフト５を、その全体又は一部を鋳造することにより製造する方法の具体例を示したものであり、１７は鋳型を構成する固定型、１８は同じく可動型である。前記固定型１７はシャフト本体部分を鋳込むための鋳込み空間又は予め製作されたシャフト本体部分を収納保持するための挿入孔を有し、一方、前記可動型１８はピニオン又はピニオンを含むシャフト先端側部分を鋳込むための鋳込み空間を有しており、この可動型１８は固定型１７に対してモータシャフト軸方向で移動可能となっている。本発明のモータシャフトはシャフトの外径以下の外径のピニオンが一体的に形成されるので、鋳造完了後は可動型１８をモータシャフト軸方向に移動させて鋳造体を引き抜くことができ、バリの少ないモータシャフトを容易に製造することができる。

図５（ａ）は、図３（ａ）に示すようなモータシャフトを得るために、モータシャフト全体を一体に鋳造する場合を示しており、固定型１７にはシャフト本体部分用の鋳込み空間１７０が、また、可動型１８にはシャフト先端側部分用の鋳込み空間１８０がそれぞれ形成され、両型１７，１８を組み付けることによりモータシャフト全体の鋳込み空間が構成される。可動型１８の下面には鋳込み空間に通じる湯道１８１が形成されている。この実施形態では、両型１７，１８により構成される鋳込み空間内に湯道１８１を通じて湯（溶融金属）が供給され、モータシャフト５が一体的に鋳造される。鋳造されたモータシャフト５に連なるランナー（湯道１８１内の凝固金属）は後に除去される。

図５（ｂ）は、図３（ｂ）に示すようなモータシャフト５を得るために、シャフト本体部分５０に対してピニオン８を鋳造する場合を示しており、固定型１７にはシャフト本体部分５０を保持するための挿入孔１７１が形成され、また、可動型１８にはピニオン用の鋳込み空間１８０が形成されている。また、この可動型１８の下面には鋳込み空間１８０に通じる湯道１８１が形成されている。この実施形態では、固定型１７の挿入孔１７１に、製作済みのシャフト本体部分５０を挿入した後、可動型１８を組み付け、シャフト本体部分５０の上方にピニオン用の鋳込み空間１８０を位置させる。この状態で、鋳込み空間１８０内に湯道１８１を通じて湯（溶融金属）が供給され、シャフト本体部分５０の先端にピニオン８が鋳造される。鋳造されたピニオン８に連なるランナー（湯道１８１内の凝固金属）は後に除去される。なお、通常、シャフト本体部分５０の先端には、図３（ｂ）に示すような接合構造を得るための孔や小径部（図示せず）が設けられる。

図５（ｃ）は、図３（ｃ）〜（ｅ）に示すようなモータシャフト５を得るために、シャフト本体部分５２に対してシャフト先端側部分５１を鋳造する場合を示しており、固定型１７にはシャフト本体部分５２を保持するための挿入孔１７１が形成され、また、可動型１８にはシャフト先端側部分用の鋳込み空間１８０が形成されている。また、この可動型１８の下面には鋳込み空間１８０に通じる湯道１８１が形成されている。この実施形態では、固定型１７の挿入孔１７１に、製作済みのシャフト本体部分５２を挿入した後、可動型１８を組み付け、シャフト本体部分５２の上方にシャフト先端側部分用の鋳込み空間１８０を位置させる。この状態で、鋳込み空間１８０内に湯道１８１を通じて湯（溶融金属）が供給され、シャフト本体部分５２の先端にシャフト先端側部分５１が鋳造される。鋳造されたシャフト本体部分５２に連なるランナー（湯道１８１内の凝固金属）は後に除去される。なお、通常、シャフト本体部分５２の先端には、図３（ｃ）〜（ｅ）に示すような接合構造を得るための孔や小径部（図示せず）が設けられる。

先に述べたように、一般的なサイズのモータや小型モータのなかでもマイクロモータよりも大きいモータは相応のモータトルクを有するため、ピニオン径をあまり小さくすると歯の部分に大きな応力が加わるため、破損や疲労破壊が容易に生じてしまう。これに対して、一般に外径が４ｍｍ以下であるマイクロモータの場合には、モータトルクが数μＮｍ〜数百μＮｍと非常に小さく、仮にロックして最大負荷を加えた場合でも、ピニオンの歯の部分の破損や繰り返し荷重による疲労破壊が生じ難いことが判った。そして、本発明のように、少なくともピニオン部分をガラス質基合金で構成することにより、ピニオンの歯の部分の破損や疲労破壊が特に生じ難くなることが判った。ちなみに、本発明者らが試作した直径２ｍｍのマイクロモータのモータトルクは７μＮｍであった。

本発明において、ピニオン８の外径をモータシャフト５の外径以下とするのは、言うまでもなくピニオンを小径化して大きな減速比を得るためであるが、モータシャフト５そのものを切削加工や転造加工等で加工してピニオン８を形成する場合においては、ピニオン８の外径をモータシャフト５の外径以下とすることは、以下のようなメリットもある。すなわち、ピニオン外径をモータシャフト外径より大きくする場合には、ピニオン形成前のブランク状態のモータシャフトは、直径の異なる段付きの棒形状となり、特に切削加工されたモータシャフトの外径精度と面粗さを高精度に仕上げることが難しくなる。これに対して、ピニオン外径がモータシャフト外径よりも小さければ、ピニオン形成前のブランク状態のモータシャフトは段付きのない丸棒形状となり、センタレス加工を行うことでモータシャフトの外径精度と面粗さが高精度に仕上げられる。そして、このようにセンタレス加工されたモータシャフトにピニオンを加工し、熱処理、バレル研磨処理等の工程を経てピニオン８を有するモータシャフト５が仕上げられる。

また、モータシャフトに一体形成されるピニオンの外径がモータシャフトの外径より大きい場合には、モータシャフトを軸受（ギヤヘッド側）に前方側から通した状態でローターマグネットを接着剤等によって固着しなければならないが、軸受が介在されている状態であると、モータシャフトとローターマグネットを高精度な位置関係で固着することが難しく、また接着剤がはみ出した場合、拭き取る工程も難しくなる。この点、ピニオン８の外径がモータシャフト５の外径より小さい本発明の場合には、予めモータシャフト５とローターマグネット６を固着することができるため、高精度で容易な組立が可能となる。

次に、モータシャフトのうち少なくともピニオン部分を構成するガラス質基合金について説明する。
ガラス質金属組織を有するガラス質基合金により構成されるピニオン部分（以下、単に「ピニオン」という）は、高い強度・硬度と表面平滑性を有している。しかし、ガラス質金属組織の体積率が５０％未満では、このような特性が十分に得られないため、本発明ではガラス質基合金中のガラス質金属組織の体積率は５０％以上とする。
ピニオンを構成するガラス質基合金は、ガラス質金属組織中に粒径が１００ｎｍ以下のナノ結晶粒が混在した金属組織を有するものであってもよい。一般に、ガラス質基合金のガラス質組織中に結晶が含まれると、同合金が備える高強度などの機械的性質が低下する傾向があるが、ガラス質金属組織の体積率が５０％以上であれば、機械的性質の低下はほとんど認められない。
但し、結晶粒の粒径が１００ｎｍを超えるとピニオンの表面粗度（表面平滑性）に悪影響を与えてしまうので、ガラス質金属組織のマトリックス中に混在する結晶粒の粒径は１００ｎｍ以下であることが望ましい。一方、優れた靭性及び展性を有する結晶粒がガラス質金属組織のマトリックス中に混在する場合には、機械的性質が向上することが知られており、この場合の結晶粒の粒径は２０ｎｍ以下であることがより好ましい。

また、ピニオンを構成するガラス質基合金としては、特に以下のような組成を有する合金、すなわち、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆなどの元素の１種以上を主成分とする３元系又は４元系以上の組成を有するガラス質基合金を用いることが好ましい。このようなガラス質基合金は、ＸＲＤパターンがハローパターン、すなわちブロードなピークを示す一定の規則性を持たない無秩序な組織から形成されていることが特徴であり、このガラス質基合金を用いることにより、工具鋼に匹敵する機械的性質（特に強度・硬度）を備え、且つ優れた加工性、表面平滑性、動的特性を備えたピニオンを得ることができる。

（イ）Ｍ_{１００−ｎ}ＴＭ_ｎ（但し、Ｍは、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆの中から選ばれる１種又は２種以上の元素からなり、ＴＭは、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｂの中から選ばれる１種又は２種以上の元素を１原子％以上含み、残部が３族，４族，５族，６族，８族，９族，１０族及び１１族の遷移金属元素（但し、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｂ及びＭに適用した元素を除く）、１３族，１４族及び１５族の典型元素（但し、Ａｌ，Ｓｎ，Ｂを除く）の中から選ばれる１種又は２種以上の元素からなり、１００−ｎ，ｎはＭ，ＴＭの各々の原子％を表し、ｎは５原子％以上５０原子％以下である。）で示される組成を有するガラス質基合金。
上記（イ）の合金組成において、ｎが５原子％未満ではガラス質金属組織を形成することが困難であり、一方、ｎが５０原子％を超えてもガラス質金属組織を形成することは可能であるが、強度・硬度の低下や寸法精度の低下が生じやすくなる。また、ＴＭとして、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆの中から選ばれる１種又は２種以上の元素を含有させることにより、結晶化による無秩序構造の秩序化が抑制され、より熱的に安定な信頼性の高いピニオン得ることが可能となる。

（ロ）Ｃｕ_ｐＴｉ_ｑＭ１_{１００−ｐ−ｑ}（但し、Ｍ１は、Ｈｆ，Ｚｒ，鉄族元素，白金族元素，Ａｇ，Ａｕ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｚｎの中から選ばれる１種又は２種以上の元素からなり、ｐ，ｑ，１００−ｐ−ｑはＣｕ，Ｔｉ，Ｍ１の各々の原子％を表し、ｐは５０原子％以上６５原子％以下、ｑは２原子％以上２０原子％以下である。）で示される組成を有するガラス質基合金。
上記（ロ）の組成（Ｃｕを主成分とする組成）を有するガラス質基合金は、１８００ＭＰａ以上の引張強度と３．５％を超える非常に大きな伸び歪みを示し、高強度で且つ破壊耐性に著しく優れている。この（ロ）の合金組成において、ｐが５０原子％未満では強度及び硬度が低下し、一方、６５原子％を超えると優れた破壊耐性が得られない。また、ｑが２原子％未満では伸び歪み限界が低下し、一方、２０原子％を超えると優れた表面平滑性が得られ難くなる。また、特に優れた破壊耐性を得るためには、Ｍ１としてＨｆ及び／又はＺｒを１０原子％以上４０原子％以下、より好ましくは２０原子％以上３５原子％以下含有することが望ましい。

（ハ）Ｎｉ_{１００−ｓ−ｔ−ｕ}Ｎｂ_ｓ（Ｚｒ，Ｈｆ）_ｔＭ２_ｕ（但し、（Ｚｒ，Ｈｆ）は「Ｚｒ及び／又はＨｆ」を表し、Ｍ２は、Ｔｉ，鉄族元素，白金族元素，Ａｇ，Ａｕの中から選ばれる１種又は２種以上の元素からなり、１００−ｓ−ｔ−ｕ，ｓ，ｔ，ｕはＮｉ，Ｎｂ，（Ｚｒ，Ｈｆ），Ｍ２の各々の原子％を表し、ｓは１０原子％以上２５原子％以下、ｔは５原子％以上２０原子％以下、ｕは５原子％から２５原子％以下、ｔとｕの和は１０原子％以上３５原子％以下である。）で示される組成を有するガラス質基合金。

上記（ハ）の組成（Ｎｉを主成分とする組成）を有するガラス質基合金は、全ての構成元素が遷移金属元素であるため粘り強く、さらにＮｉを主成分とするため高い硬度及び引張強度を有している。また、このガラス質基合金のようなＮｉ−Ｎｂ系合金は、酸化雰囲気に対して不働態皮膜を形成し、酸化による材質の劣化が極めて起き難い材料であるが、ピニオンに適用することによる最大のメリットは、無潤滑の歯車機構を形成することができ、潤滑油の粘性による抵抗がない動的特性を最大限に享受できることにある。この（ハ）の合金組成において、ｓが最大値より１５原子％大きく、ｔ，ｕがそれぞれ下限値よりも少ない、或いは存在しない場合でもガラス質金属組織は得られるが、既知の製造方法では加工条件が厳しくなり、優れた寸法精度及び表面精度を確保することが難しくなる。また、その他のｓ，ｔ，ｕ，ｔ＋ｕに関する数値限定は、既知の製造方法での加工条件において、優れた寸法精度及び表面精度（表面粗さＲｙ２μｍ以下）を確保できる範囲を限定したものである。
なお、同様の観点から、Ｍ２としては、特に５原子％以上２０原子％以下のＴｉを含有することが好ましい。

（ニ）Ｆｅ_{１００−ｘ−ｙ}Ｍ３_ｘＭ４_ｙ（但し、Ｍ３は、３族，４族，５族及び６族の遷移金属元素の中から選ばれる１種又は２種以上の元素からなり、Ｍ４は、Ｍｎ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｇａ，Ａｌ，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｂ，Ｃの中から選ばれる１種又は２種以上の元素からなり、１００−ｘ−ｙ，ｘ，ｙはＦｅ，Ｍ３，Ｍ４の各々の原子％を表し、ｘは２原子％以上３５原子％以下、ｙは５原子％以上３０原子％以下である。）で示される組成を有するガラス質基合金。
上記（ニ）の組成（Ｆｅを主成分とする組成）を有するガラス質基合金は、特に硬質であり、弾性変形の起こり難い特性を有する。この（ニ）の合金組成において、ｘが２原子％未満及び３５原子％超のいずれの場合でも、またｙが５原子％未満及び３０原子％超のいずれの場合でも、寸法精度、表面平滑性が著しく低下する。

（ホ）(Ｆｅ_１−ａ（Ｃｏ，Ｎｉ）_ａ）_{１００−ｘ−ｙ}Ｍ３_ｘＭ４_ｙ（但し、（Ｃｏ，Ｎｉ）は「Ｃｏ及び／又はＮｉ」を表し、Ｍ３は、３族，４族，５族及び６族の遷移金属元素の中から選ばれる１種又は２種以上の元素からなり、Ｍ４は、Ｍｎ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｇａ，Ａｌ，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｂ，Ｃの中から選ばれる１種又は２種以上の元素からなり、１−ａ，ａはＦｅ，（Ｃｏ，Ｎｉ）の各々の原子分率を表し、１００−ｘ−ｙ，ｘ，ｙは(Ｆｅ_１−ａ（Ｃｏ，Ｎｉ）_ａ），Ｍ３，Ｍ４の各々の原子％を表し、ａは０．１以上０．７以下、ｘは２原子％以上３５原子％以下、ｙは５原子％以上３０原子％以下である。）で示される組成を有するガラス質基合金。

この（ホ）の合金組成のように、上記（ニ）の合金組成における主成分であるＦｅの一部をＣｏ及び／又はＮｉと置換することにより、硬度及び強度はやや低下するものの、融点の低下や溶融金属の粘度の低下により成形が容易になり、また、より優れた寸法精度及び表面平滑性を得ることができる。
この（ホ）の合金組成において、ａの原子分率が０．１未満ではＣｏ、Ｎｉを添加して融点を下げる効果がほとんど得られず、一方、０．７を超えるとＦｅにより強度を確保する効果が十分に得られなくなる。このような観点から、ａの原子分率のより好ましい範囲は０．２以上０．６以下である。また、ｘ，ｙの限定理由は、先に述べた（ニ）の合金組成と同様である。

（ヘ）上記（ニ）又は（ホ）のガラス質基合金において、Ｍ４として、少なくともＢ及び／又はＳｉを含むガラス質基合金。
上記（ニ）のＦｅを主成分とするガラス質基合金及び上記（ホ）のＦｅ，Ｃｏ及び／又はＮｉを主成分とするガラス質基合金は、特にＭ４としてＢ及び／又はＳｉを含む場合には、安価な合金になるだけでなく、これら半金属成分の存在が負荷に対する弾性変形をより効果的に抑制し、ピニオンが有する微小で肉薄の歯のたわみ（歯の噛合い前後に起こることが懸念される歯のたわみ）を極めて小さくすることができる。しかも、表面平滑性も極めて良好であることから、ピニオンの小型化に最も有利な合金であると言える。この場合、好ましいＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉの含有量の総和は７０原子％以上である。また、ｘの好ましい範囲は２原子％以上原子１０％以下であり、ｘが２原子％未満及び１０原子％超の場合には、優れた精度及び表面平滑性を得ることが難しくなる。

（ト）（Ｚｒ，Ｈｆ）_ａＭ５_ｂＭ６_ｃ（但し、（Ｚｒ，Ｈｆ）は「Ｚｒ及び／又はＨｆ」を表し、Ｍ５は、３族，５族及び６族の遷移金属元素，鉄族元素，白金族元素，Ａｇ，Ａｕ，Ｔｉ，Ｍｎの中から選ばれる１種又は２種以上の元素からなり、Ｍ６は、Ｂｅ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｇａ，Ｂ，Ｃ，Ｎの中から選ばれる１種又は２種以上の元素からなり、ａ，ｂ，ｃは（Ｚｒ，Ｈｆ），Ｍ５，Ｍ６の各々の原子％を表し、ａは３０原子％以上７０原子％以下、ｂは１５原子％以上６５原子％以下、ｃは１原子％以上３０原子％以下である。）で示される組成を有するガラス質基合金。

上記（ト）の組成（Ｚｒ及び／又はＨｆを主成分とする組成）を有するガラス質基合金は、特に過冷却液体温度領域が広く、冷却速度が比較的小さくても複雑形状が得られやすい特徴を有し、特に優れた寸法精度及び表面平滑性が得られる。この合金の表面硬度はビッカース硬度Ｈｖが約５００程度と上述した他の合金のなかで最も低いが、主成分が耐食性に有効なＺｒ及び／又はＨｆであるため屋外や腐食環境などで用いることが可能で、また生体毒性が特に低い元素群からなるピニオンを構成できるため、医療用途に特に有利である。
この（ト）の合金組成において、ａが３０原子％未満では優れた耐食性が得られず、一方、７０原子％を超えると高い寸法精度及び表面平滑性が得られない。また、ｂ及びｃが規定の範囲を外れると、歯部に充填不良が発生し易くなり、耐久性が低下する。

（チ）Ｔｉ_{１００−ｉ−ｊ−ｋ}Ｃｕ_ｉＭ７_ｊＭ８_ｋ（但し、Ｍ７は、Ｚｒ，Ｈｆ，鉄族元素，白金族元素の中から選ばれる１種又は２種以上の元素からなり、Ｍ８は、３族，５族及び６族の遷移金属元素，Ａｌ，Ｓｎ，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｂ，Ｂｅの中から選ばれる１種又は２種以上の元素からなり、１００−ｉ−ｊ−ｋ，ｉ，ｊ，ｋはＴｉ，Ｃｕ，Ｍ７，Ｍ８の各々の原子％を表し、ｉは５原子％以上３５原子％以下、ｊは１０原子％以上３５原子％以下、ｋは１原子％以上２０原子％以下である。）で示される組成を有するガラス質基合金。

上記（チ）の組成（Ｔｉを主成分とする組成）を有するガラス質基合金は、Ｆｅ族を主成分とする合金に次ぐ高い強度を有しており、またＴｉは低比重であることから特に軽量なピニオンを得ることができ、起動時のトルク損失が低い歯車機構を得ることができる。この（チ）の合金組成において、ｉ，ｊが規定する下限値未満であると優れた表面平滑性が得られなくなり、一方、上限値を超えると、比重の増加によってＴｉを主成分とする優位性がなくなってしまう。また、ｋが１原子％未満及び２０原子％超のいずれの場合でも、鋳造の際に適切に金属ガラス化せず、所望のガラス質金属組織が得られ難くなる。

以上挙げた（イ）〜（チ）のガラス質基合金は、表面粗度Ｒｙが２μｍ以下で、寸法精度±５μｍのピニオンを製造することが可能であり、加工性、機械的性質、動的特性に優れ且つ高い寸法精度を有する微小ピニオンを得るのに極めて有用な合金である。また、ピニオンは、面圧分布を均一化し局所応力の発生を極力抑える必要があるが、上記ガラス質基合金からなるピニオンは、表面粗度及び寸法精度の改善によって滑らかな歯車伝達が可能となり、その結果、面圧分布が均一化して局所応力の発生が抑えられ、損失が少なく耐久性の高いピニオンが実現できる。また、上記ガラス質基合金からなるピニオンは、ミクロンオーダーのエッジ部位を持たない極めて緩やかな凹凸面を形成することが可能であることから、歯面の圧力分布が均一化され、微視的な欠損などのトラブルが抑制され、この点からも高い耐久性が実現できる。また、規則性を有する結晶金属からなるピニオンと異なり、方位性を持たない無秩序構造であり、あらゆる方向からの外部応力に対して強い構造を持つため、割れや欠けのない超精密で信頼性の高いピニオンが得られる。

また、合金は硬度が高いほど顕著な脆化が見られ、ピッチングなどの歯車面疲労に対する耐性に大きな悪影響を及ぼされることが知られているが、ガラス質基合金からなる本発明のピニオンは、ヤング率が低いため、高い硬度を有するにも拘わらず、ピッチングなどの歯車面疲労耐性に優れている。また、この効果を顕著に発現させるために、ガラス質基合金中の非金属元素量は３０原子％以下であることが望ましい。また、特に非金属元素量を２５原子％以下とした場合には、最も硬質なＦｅを主成分とするガラス質基合金においても、降伏若しくは破断までの曲げ歪みが１．５％以上であり、粘り強いピニオンを形成することが可能となる。

また、工具鋼並みの硬度と強度を備えるために、ピニオンはビッカース硬度Ｈｖ５００(ロックウェル硬さＨＲｃ４９相当)以上、引張強度１５００ＭＰａ以上のうちの少なくとも一方を満足すること、望ましくはその両方を満足することが好ましいが、ガラス質基合金からなる本発明のピニオン、特に上述した（イ）〜（チ）のガラス質基合金からなるピニオンは、そのような硬度と強度を容易に達成することができる。

また、ガラス質基合金は、昇温速度０．６７Ｋ／ｓで３０Ｋ以上の過冷却液体領域を有することが好ましい。ガラス質基合金は、溶融液体から過冷却液体領域、ガラス固体に至るまで安定した温度変化特性を示す。特に、昇温速度０．６７Ｋ／ｓで３０Ｋ以上の過冷却温度領域を有するガラス質基合金は、ガラス固体としての安定性が高いため、粘性流動による射出成形、押出し成形、加圧転造成形等の安価で形状再現性の高い成形加工を用いて、ピニオンを高精度に製造することができる。

ピニオンに適用するガラス質基合金を得る場合（同合金でピニオンを直接鋳造する場合を含む）、その無秩序構造の安定性に関わらず、溶融金属からの体積収縮を抑えるために、鋳造成型時には３００℃／秒以上の冷却速度で冷却凝固させることが好ましい。また、さらに好ましい冷却速度は１０^４℃／秒以上である。但し、鋳造成型時の冷却速度が１０^７℃／秒を超えると、溶融金属が鋳型に十分に充填される前に凝固し始めるため、充填不良となりやすい。その結果、表面粗度や寸法精度が著しく低下してしまう。このため鋳造成型時の冷却速度は３００℃／秒以上（より好ましくは１０^４℃／秒以上）１０^７℃／秒以下とすることが好ましい。

上記（イ）〜（チ）のガラス質基合金からなる本発明のモータシャフトを、公知の加圧鋳造成形装置を用いて一体鋳造成形した結果を以下に示す。このモータシャフトの鋳造では、溶融金属が１０^３〜１０^４℃／秒程度の冷却速度で急冷凝固するようにした。
製造されたモータシャフトのピニオン部分について、表面外観、寸法誤差、歯面の表面粗度Ｒｙ・表面硬度（ビッカース硬度Ｈｖ）、引張強度、伸び歪み、ＸＲＤパターンの測定・評価を行った。その結果を表１に示す。寸法誤差は、ピニオン内周円径の寸法誤差を工具顕微鏡により測定した。歯面の表面粗度Ｒｙは非接触式粗さ測定計にて測定し、表面硬度はマイクロビッカース硬度計を用いて１００ｇ〜１ｋｇの負荷にて測定した。引張強度は解析機能が付属した卓上引張試験機を用いて歯の肉厚に相当する６０μｍ厚、５０μｍ幅の箔体を０．２０ｍｍ幅で固定することによって測定し、歪みゲージおよび破断後の測長にて測定した。また、ＸＲＤパターンは微小Ｘ線回折装置を用いて測定し、ハローパターンを示すものを（Ｇ）、ハローパターンにピークの混在するものを（Ｇ＋Ｃ）、完全に結晶のパターンを示すものを（Ｃ）と判断した。ここで、（Ｇ）は非晶質、（Ｃ）は結晶を表す記号である。

本発明のモータ自体の外径やモータシャフト５の外径に特別な制約はないが、先に述べたようにマイクロモータのモータシャフト５にシャフト径以下のピニオン８を一体的に形成した場合でも、ピニオンが強度の面で十分な耐久性を得られるのは、モータトルクが非常に小さいマイクロモータに特有の性質であり、このような観点からは、特にモータの外径が４ｍｍ以下、モータシャフト５の外径が１ｍｍ以下のマイクロモータ（マイクロギヤードモータ）が好適である。
また、ピニオン８の外径はモータシャフト５の外径よりも小さければよく、ピニオン外径の下限は特に限定しないが、一般には強度的な面からモータシャフト５の外径の少なくとも８０％程度の外径を有することが好ましい。

前記減速用ギヤヘッド部２は、ハウジング３Ｂと、前記ピニオン８が駆動連結される減速用ギヤ機構部９と、その出力側（先端側）に配置され、軸受１１に回転自在に支持される出力軸１０とを備えており、前記ピニオン８は、減速用ギヤ機構部９の初段歯車に噛み合っている。
この減速用ギヤヘッド部２が有する減速用ギヤ機構部９の構造は任意であり、種々の機構のものを適用することができるが、本実施形態では遊星歯車減速機構により構成されている。この遊星歯車減速機構の基本構造は、図６に示すような従来の機構と同じであり、本実施形態ではモータ部１側から出力軸１０側に向かって順に配置される２組の独立したキャリアユニット１２ａ，１２ｂと、出力軸１０の基端部に設けられた１組のキャリアユニット１２ｃを備えている。

前記各キャリアユニット１２ａ，１２ｂは、モータ部側の面に遊星歯車支持用の３本の軸部１３０が周方向において１２０°等分の配置関係で突設されるとともに、反モータ部側の面の中央部に太陽歯車１５が突設された板状のキャリア１３と、前記各軸部１３０に回転自在に支持された遊星歯車１４（周方向において１２０°等分の配置関係の遊星歯車１４）とを備えている。
また、キャリアユニット１２ｃは、モータ部側の面に遊星歯車支持用の３本の軸部１３０ｃが周方向において１２０°等分の配置関係で突設されるとともに、反モータ部側の面の中央部に出力軸１０が基端部に固定（又は基端部に一体的に形成）された板状のキャリア１３ｃと、前記各軸部１３０ｃに回転自在に支持された遊星歯車１４ｃとを備えている。
また、減速用ギヤ機構部９が配置されたハウジング３Ｂの内面には内歯車１６が設けられている。

以上のような減速用ギヤ機構部９は、キャリアユニット１２ａ〜１２ｃの遊星歯車１４，１４ｃは内歯車１６に噛み合うとともに、隣り合うキャリアユニット１２間では、モータ部側のキャリアユニット１２の太陽歯車１５が反モータ側のキャリアユニット１２の各３つの遊星歯車１４，１４ｃに噛み合い、さらに、第１段目のキャリアユニット１２ａの３つの遊星歯車１４にモータシャフト５のピニオン８が噛み合っている。これによりピニオン８の回転は、３つのキャリアユニット１２ａ〜１２ｃを経て出力軸１０に伝えられるが、その過程において、
減速比＝（Z3／Z1＋１）
Z1：ピニオン８又は太陽歯車１５の歯数
Z3：内歯車１６の歯数
で示される減速比で回転数が順次減速され、最終的に出力軸１０から出力される。

ここで、ピニオン８と減速用ギヤ機構部９の第１段目の減速用歯車（本実施形態では内歯車１６）との間の減速比が５以上となるように、前記ピニオン８と減速用歯車の歯数を設定することが好ましい。この減速比５以上は、図６に示すような従来のマイクロギヤードモータでは達成不可能な減速比であるが、本発明によれば容易に達成することができる。

図６に示すような従来例のマイクロギヤードモータと、図１に示すような本発明例のマイクロギヤードモータについて、得られる減速比の一例を以下に示す。
・従来例
ピニオン（＝太陽歯車）の歯数Z1：１４枚
遊星歯車の歯数Z2：１５枚
内歯車の歯数Z3：４６枚
減速比＝（Z3／Z1＋１）≒４．２８６（４．２８６：１）
・本発明例
ピニオン（＝太陽歯車）の歯数Z1：８枚
遊星歯車の歯数Z2：１８枚
内歯車の歯数Z3：４６枚
減速比＝（Z3／Z1＋１）≒６．７５（６．７５：１）

以上のとおり、本発明例では従来例に較べて減速比を５０％以上も高めることができる。
なお、本発明のマイクロギヤードモータにおいて、前記ピニオン８が駆動連結される減速用ギヤ機構部９を構成する各歯車についても、ガラス質金属組織を体積率で５０％以上含むガラス質基合金、とりわけ上述したような（イ）〜（チ）のガラス質基合金で構成することが好ましい。これにより減速用ギヤ機構部９を構成する各歯車に対しても、すでに述べたような優れた特性が付与されることになり、マイクロギヤードモータのギヤ機構部全体の性能が向上し、特に耐久性を大きく向上させることができる。

本発明のマイクロギヤードモータの一実施形態を示す縦断面図 図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図 本発明のモータシャフトの構造例を示す説明図 本発明のモータシャフトの他の構造例を示す斜視図 本発明のモータシャフトを、その全体又は一部を鋳造することにより製造する方法の具体例を示した説明図 従来のマイクロギヤードモータの一例を示す縦断面図

符号の説明

１ モータ部
２ 減速用ギヤヘッド部
３Ａ，３Ｂ ハウジング
４ａ，４ｂ 軸受
５ モータシャフト
６ ローターマグネット
７ ステータコイル
８ ピニオン
９ 減速用ギヤ機構部
１０ 出力軸
１１ 軸受
１２ａ〜１２ｃ キャリアユニット
１３，１３ｃ キャリア
１３０，１３０ｃ 軸部
１４，１４ｃ 遊星歯車
１５ 太陽歯車
１６ 内歯車
１７ 固定型
１８ 可動型
１７０，１８０ 鋳込み空間
１７１ 挿入孔
１８１ 湯道
５０，５２ シャフト本体部分
５１ シャフト先端側部分
５１０ 孔
５０１，５１１，５２２ 異形孔
８０，５１２，５２１ 異形小径部
５２０ 小径部

Claims (13)

1. シャフトの先端側に、シャフトの外径以下の外径を有するピニオンが一体的に形成されるとともに、該シャフトのうち少なくともピニオン部分が、ガラス質金属組織を体積率で５０％以上含むガラス質基合金からなることを特徴とするマイクロモータ用のモータシャフト。
2. シャフト全体がガラス質基合金からなることを特徴とする請求項１に記載のマイクロモータ用のモータシャフト。
3. シャフトの少なくともピニオン部分を含む先端側部分がガラス質基合金からなり、該先端側部分が接合されたシャフト本体部分が結晶質金属材からなることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロモータ用のモータシャフト。
4. シャフト本体部分に接して、先端側部分を鋳造することにより成形することを特徴とする請求項３に記載のマイクロモータ用のモータシャフト。
5. 少なくともピニオン部分は、ビッカース硬度Ｈｖ５００以上、引張強度１５００ＭＰａ以上のうちの少なくとも一方を満足することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のマイクロモータ用のモータシャフト。
6. 少なくともピニオン部分は、表面粗度Ｒｙが２μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のマイクロモータ用のモータシャフト。
7. シャフトの外径が１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のマイクロモータ用のモータシャフト。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載のモータシャフトを有することを特徴とするマイクロモータ。
9. 外径が４ｍｍ以下であることを特徴とする請求項８に記載のマイクロモータ。
10. 請求項８又は９に記載のマイクロモータで構成されるモータ部と、該モータ部に、モータシャフトに形成されたピニオンを介して駆動連結される減速用ギヤヘッド部とを備えることを特徴とするマイクロギヤードモータ。
11. モータ部のモータシャフトに形成されたピニオンと減速用ギヤヘッド部の第１段目の減速用歯車との間の減速比が５以上となるように、前記ピニオンと減速用歯車の歯数が設定されることを特徴とする請求項１０に記載のマイクロギヤードモータ。
12. モータ部がブラシレスモータであり、減速用ギヤヘッド部の減速用ギヤ機構が遊星歯車減速機構であることを特徴とする請求項１０又は１１に記載のマイクロギヤードモータ。
13. 外径が４ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載のマイクロギヤードモータ。

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