JP2007068277A - Brushless dc motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は,ブラシレスDCモータ(以後モータと称する)の回転速度を検出する周波数発電機(以後FGと称する)が設けられているレーザビームプリンタ(以後LBPと称する)等の事務機に使用されるドラム駆動用のFG付きモータの着磁方法に関するものである。 The present invention is used in an office machine such as a laser beam printer (hereinafter referred to as LBP) provided with a frequency generator (hereinafter referred to as FG) for detecting the rotational speed of a brushless DC motor (hereinafter referred to as a motor). The present invention relates to a method for magnetizing a motor with an FG for driving a drum.
LBPのドラム駆動用モータとしては,特に回転ムラ特性を要求される分野に多く使用されている。このモータにはFGが取り付けられ,所定の回転数にモータを制御するための速度制御回路が付加されて使用されている場合が多い。 As an LBP drum driving motor, it is often used particularly in fields that require rotational unevenness characteristics. In many cases, an FG is attached to this motor, and a speed control circuit for controlling the motor is added to a predetermined rotational speed.
図9に従来一般に使用されているモータの主要構造を示す。ブラケット6のほぼ中心部に一体的に突出形成されるベアリングホルダ7と,その内面にはベアリング8の外輪が嵌着される。また,ベアリング8の内輪にはモータ軸3が嵌着される。なお,モータ軸3は止め輪9により位置決め固定される。モータ軸3の図の上方側にはスペーサ10を介してのロータヨーク2が固着される。ロータヨーク2の内面にはマグネット4が嵌着される。一方,ベアリングホルダ7の外周にはステータコア1が固定される。また,図示のように,ステータコア1の最下層はベアリングホルダ7の段付部11に当接しモータ軸方向に位置決めされる。また,ステータコア1には巻線12が巻回される。
FIG. 9 shows a main structure of a motor generally used in the past. A
マグネット4は製作時にステータコア1に向かってラジアル異方性の磁場配向がなされている。マグネットの下端面14にはエアギャップを介してプリント配線基板5が配置されていて,マグネット4の磁極位置を検出するホール素子13が設けられている。またマグネットの下端面14にエアギャップを介して対向するプリント配線基板5上には放射線状のFGパターン15が設けられている。 以上の構造により,モータ磁極の位置をホール素子13で検出して,駆動回路(図示せず)を介してステータ巻線12に通電することによりマグネット4の磁力作用により回転トルクがステータコア1とロータ2間に生じて,モータ軸3が回転しモータとして機能する。また,FGにより負荷変動等による回転数変動を検出し,制御回路によりモータの回転数が一定に保たれている。
The
上述のようにマグネットの磁束は,回転トルクを発生させるメイン磁束,マグネットの磁極を検出するホール素子用磁束,FG発電用の磁束と3種類に分類され,それぞれに適切な磁束密度が必要である。 As described above, the magnetic flux of the magnet is classified into three types, that is, a main magnetic flux that generates rotational torque, a magnetic flux for Hall element that detects the magnetic pole of the magnet, and a magnetic flux for FG power generation, and each needs an appropriate magnetic flux density. .
図10は図9に示した マグネット4を拡大表示したものである。ここで従来のマグネットの着磁方法について詳細に説明する。
ラジアル異方性の磁場配向22が施されたマグネット内径側の磁化容易方向に,モータ回転用のメイン着磁20を施す。そのマグネット下端面14から磁化困難方向(モータ軸方向)に向けてFG着磁21を施している。もともと後磁化困難方向の着磁は入りにくいが,モータ回転用のメイン着磁20がマグネット端面14まで入っていると,FG着磁21は更に入りにくくなる。
図11は従来のメイン着磁20を実施するためのメイン着磁ヨーク31とマグネット4の関係を示すものである。図中32は着磁ヨークの巻線であり,35は着磁ヨークガイドである。また,図9に示したようにマグネットはステータコアの厚みに比べて軸方向に長く設計されている。そのためメインの着磁ヨーク31もマグネット内周面の軸方向長さ一杯に接触している。本来はステータコアの厚みとマグネット軸方向長さがほぼ一致させるのが経済的である。しかし,マグネットの下端面にはFGが存在するため下側方向にはステータコアよりも長くする必要があった。その場合,マグネットとステータコアのモータ軸方向の磁気中心にずれが生じ,モータが通電されて回転すると電磁加振力の発生原因になる。それを避けるために,マグネットの上側端面も長く設計されている。
FIG. 10 is an enlarged view of the
The main magnetization 20 for rotating the motor is applied in the easy magnetization direction on the inner diameter side of the magnet to which the radial anisotropic
FIG. 11 shows the relationship between the main
図12はメイン着磁20のみのマグネット端面14の表面の磁化状況をマグネットビューアで観測した図である。マグネットビューアで観測すると磁極の境界線上に線25が現れる。メイン着磁は径方向であり,マグネットビューアでの観測がモータ軸方向となっているため極の境は明瞭でなく,マグネット内径に向かって広がりを見せている。図は簡略化するためメイン着磁20の磁極数を4極として表している。
また,図13はFG着磁を実施する際のFG着磁ヨーク33であり,FG着磁ヨークの巻線34であり,30は着磁ガイドである。図14はFG着磁を実施した後のマグネット下端面14の磁化状況をマグネットビューアで観測した図でありFG着磁21の磁極数を20極とした場合で,メイン着磁磁極とFG着磁磁極の極切り替わり位置を合わせて着磁を実施している。本来放射線状に着磁されるFG着磁の磁極境界26は大きく傾いている。これはメイン磁極が強く,FGの着磁が弱いため,FG着磁の磁極奥まで入らないために生じている現象である。また,メイン磁極の境27はFG着磁でモータ軸方向に着磁されるため,図12に比べると若干シャープにはなっている。しかしそれらの結果としてFG出力電圧が大きく取れないことになる。メイン着磁が無く,FG着磁のみであれば磁化困難方向の着磁で磁化は弱いが,図15に示すようにラジアル方向に直線に磁極の境界28が現れ,十分なFG出力電圧が得られる。
FIG. 12 is a diagram in which the magnetization state of the surface of the
FIG. 13 shows an FG
また,図9のような面実装のホール素子13では,マグネットからの磁束量と指向性に問題があり,マグネットの磁極位置を正確に検出できない場合が生じる。図16はその対策として縦型のホール素子17を使用した例である。しかし縦型ホール素子を使用するとその実装に難がありコストアップの要因となっている。
Further, in the surface
これらの問題に関するブラシレスモータの着磁に関する公知技術としては,例えば,特公昭63−38948号公報に示すものや,特開昭62−45008号公報に示すものがある。 Known techniques relating to the magnetization of brushless motors relating to these problems include those disclosed in Japanese Patent Publication No. 63-38948 and those disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 62-45008.
特公昭63−38948号公報は前記した従来技術のマグネットの形状を断面がL字形状で先端につば部を有するリング状に形成され,ロータヨークも円筒部先端につば部を有する鍋状に形成されている。モータ用のメイン着磁はステータコアと対向するラジアル方向に着磁され,ホール素子用の着磁はつば部内周に着磁され,FG用のFG着磁はつば部外周に着磁されている。 Japanese Examined Patent Publication No. Sho 63-38948 discloses that the above-described prior art magnet is formed in a ring shape having a L-shaped cross section and having a flange at the tip, and the rotor yoke is also formed in a pan shape having a flange at the tip of the cylindrical portion. ing. The main magnetization for the motor is magnetized in the radial direction facing the stator core, the magnetization for the Hall element is magnetized on the inner periphery of the collar, and the FG magnetization for FG is magnetized on the outer periphery of the collar.
また,特開昭62−45008号公報では,モータ径方向に磁場配向されたリング状のメイン用マグネットと,それよりも外周面に突出してモータ軸方向に磁場配向されたFG用マグネットを一体に成形し,それぞれ磁場配向方向に着磁して使用している。 In Japanese Patent Laid-Open No. 62-45008, a ring-shaped main magnet that is magnetically oriented in the motor radial direction and an FG magnet that projects from the outer circumferential surface and is magnetically oriented in the motor axial direction are integrated. Molded and magnetized in the direction of magnetic field orientation.
また,図9のモータのステータコアの厚み方向の中心位置とマグネットのモータ軸方向の中心位置がずれていると,モータ回転中にのモータ軸方向に電磁加力が生じ,モータの振動・騒音の原因になることが知られている。そのためモータのマグネットの軸方向長さはFG方向長さと合わせるために,ロータ上面近くにまで延長している。 In addition, if the center position in the thickness direction of the stator core of the motor in FIG. 9 is shifted from the center position in the motor axis direction of the magnet, an electromagnetic force is generated in the motor axis direction during motor rotation, and the motor vibration and noise are reduced. It is known to cause. For this reason, the axial length of the magnet of the motor is extended close to the upper surface of the rotor in order to match the length in the FG direction.
また,本発明者等は特開2004−340751号広報により,モータ駆動用のメイン磁極と,モータ軸方向の端面に等ピッチで複数の周波数発電機用の磁極を施し,周波数発電用の磁極と空隙を介して対向するように複数の発電線素からなる周波数発電コイルパターンを,モータ駆動用の磁極数の奇数倍とし,且つ前記モータ駆動用のメインの1磁極の両端が,その磁極と同極となるように周波数発電機用の磁極を配置し,周波数発電機の出力電圧のSN比を向上させることを開示している。
上述した従来の公知例は何れも樹脂マグネットであり,金型の形状でリング状マグネットの厚みを部分的に変化させていることになる。また,マグネット成型時に異方性の磁場配向をある程度自由に決めることができる。しかしながら,成型のような金型の必要がなく,安価に入手できるゴム系のシートマグネットを打ち抜いてロータヨークの内径に丸めて挿入する方式においては,マグネットの厚みは均一で,異方性の磁場配向はマグネット厚み方向に限定されている。 All of the conventional examples described above are resin magnets, and the thickness of the ring-shaped magnet is partially changed depending on the shape of the mold. In addition, anisotropic magnetic field orientation can be freely determined to some extent during magnet molding. However, there is no need for a mold such as molding, and in the method of punching a rubber sheet magnet, which can be obtained at low cost, and rolling it into the inner diameter of the rotor yoke, the magnet thickness is uniform and anisotropic magnetic orientation Is limited to the magnet thickness direction.
また,上述した従来のマグネットの着磁方法で,FG着磁を強くして,FGの出力電圧を大きく取り出すために,次のような着磁方法が採用されている。モータ回転用のメイン着磁用の着磁ヨークのモータ軸方向長さを短めに製作して,マグネット4の下端面14にはメイン着磁を実施しない方法である。これにより,マグネット下端面14のメイン磁極が弱くなり,FGの着磁が強く入る。
Further, in order to increase the FG magnetization and take out a large output voltage of the FG by the conventional magnet magnetization method described above, the following magnetization method is adopted. This is a method in which the main magnetizing yoke for rotating the motor is manufactured with a shorter length in the motor axial direction, and the main magnetizing is not performed on the
しかしながら,この着磁方法では,ホール素子13への磁束量が減少してしまう。そのために図16のようにホール素子17をマグネット内周に対向させて,プリント配線基板に立てて取り付ける等の工夫が必要になり,自動組み立ての障害にになる。
However, with this magnetizing method, the amount of magnetic flux to the
また,モータ回転時の振動騒音の原因になるのが,ステータコア1とマグネット4の磁気バランスである。これはステータコア1とマグネット4のモータ軸方向長さの中心を一致させる,つまり磁気バランスを合わせる必要がある。一般的にマグネット4の下端面は,FG15面近くまで延びているため,磁気バランスを合わせる為には,マグネット4の上端面は,ステータコア1の上端面から大きく伸ばす必要がある。
この伸びたマグネット4の上端面16はモータトルクに対する寄与率が低く,結果として材料費のコストアップ要因と成っている。
Further, it is the magnetic balance between the stator core 1 and the
The extended
また,特開2004−340751号広報の方式によるFGでは,メイン着磁の磁束の方向が径方向であるため,マグネット端面のFG方向への磁束は弱く,メイン着磁分によるFG発電電圧は少ない。 In the FG according to the method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-340751, the direction of the magnetic flux of the main magnetization is the radial direction, so the magnetic flux in the FG direction of the magnet end face is weak, and the FG generated voltage due to the main magnetization is small. .
本発明は上述の従来問題に留意し,マグネットの全体の磁束を有効に活用し,磁気バランスを確保して,モータ回転トルク特性を劣化させることのないメイン用着磁を施し,メインの磁極を正確に検出するホール素子用着磁を施し,FGの出力電圧を極力大きく取り出すためのFG着磁をマグネットに施すことで,安価で特性の良いモータを提供することを目的とする。 The present invention pays attention to the above-mentioned conventional problems, effectively utilizes the entire magnetic flux of the magnet, secures a magnetic balance, applies main magnetization without deteriorating the motor rotational torque characteristics, An object of the present invention is to provide a low-priced and excellent motor by magnetizing Hall elements that are accurately detected and by applying FG magnetization to the magnet so as to extract the output voltage of the FG as much as possible.
上記の目的を達成するために,マグネット内径側のメイン着磁はマグネット端面までは着磁せず,ステータコアとマグネットの磁気バランスの取れる位置までに限定し,ホール素子用の着磁をマグネット端面から磁化困難方向に着磁を施し,最後にFG着磁をマグネット端面から磁化困難方向に着磁を施す。 In order to achieve the above-mentioned purpose, the main magnetizing on the inner diameter side of the magnet is not magnetized up to the magnet end face, but limited to the position where the stator core and magnet can be magnetically balanced, and the magnetizing for the Hall element is performed from the magnet end face. Magnetization is performed in the magnetization difficult direction, and finally FG magnetization is performed in the magnetization difficult direction from the magnet end face.
マグネットの端面の配向はFG着磁にとって困難方向であるが,事前にホール素子用の着磁を施すことで,磁化が容易になる効果があることを実験で把握することが出来た。その結果本発明の効果は下記のように列挙される。
1.FG着磁の磁束密度アップとホール素子用着磁による磁束密度アップにより,FG出力電圧が大幅に増加でき,その結果SN比が向上して回転むら特性が改善される。
2.面実装のホール素子用の磁束も,プリント配線基板を介して裏面に取り付けても十分に大きく取り出せて,自動機でホール素子を実装することが可能となる。
3.ゴム系のマグネットも使用でき,成型等の金型も不要である。
4.マグネットを余分にモータ軸方向に伸ばすことなく,ステータコアとの磁気バランスが確保でき,コストダウンが図れる。
Although the orientation of the end face of the magnet is difficult for FG magnetization, it has been experimentally found that magnetization can be facilitated by magnetizing the Hall element in advance. As a result, the effects of the present invention are listed as follows.
1. By increasing the magnetic flux density of the FG magnetization and increasing the magnetic flux density by magnetizing the Hall element, the FG output voltage can be greatly increased. As a result, the SN ratio is improved and the uneven rotation characteristic is improved.
2. The magnetic flux for the surface-mounting Hall element can be taken out sufficiently large even if it is attached to the back surface via the printed wiring board, and the Hall element can be mounted by an automatic machine.
3. Rubber magnets can also be used, and molds such as molding are not required.
4). Without extending the magnet in the direction of the motor shaft, the magnetic balance with the stator core can be secured, and the cost can be reduced.
ラジアル配向のリング状マグネットを準備し,ステータコアの上端面部よりも若干長く,マグネットの上端面部の長さを決め,マグネットの下端面はFG面近くまで延ばし,メイン着磁のモータ軸方向長さは,ステータコアの下端面部よりも若干長くし,ステータコアとマグネットの磁気中心がほぼ一致するようにラジアル方向のメイン着磁ヨークを設定する。また,このマグネットの磁化困難方向である軸方向にマグネット下端面からメイン磁極と同極で位置を合わせて,ホール素子用の着磁をマグネット端面から磁化困難方向に着磁を施す。また,FG着磁をホール素子用の着磁と磁極を合わせて,マグネット端面から磁化困難方向に着磁を施す。 Prepare a radially oriented ring magnet, slightly longer than the upper end surface of the stator core, determine the length of the upper end surface of the magnet, extend the lower end surface of the magnet to near the FG surface, the length of the main magnetization in the motor axial direction is The main magnetizing yoke in the radial direction is set to be slightly longer than the lower end surface portion of the stator core so that the magnetic centers of the stator core and the magnet substantially coincide with each other. In addition, the position of the magnet is aligned with the main magnetic pole from the lower end surface of the magnet in the axial direction, which is the direction of hard magnetization of the magnet, and magnetization for the Hall element is performed in the direction of hard magnetization from the end surface of the magnet. Further, FG magnetization is magnetized in the direction in which magnetization is difficult from the magnet end face by combining the magnetization for the Hall element and the magnetic pole.
本発明の請求項1と2に係わる実施の形態を図2と図3を用いて説明する。図2は,マグネット内径面のメイン磁極と同極になるように位置合わせをしたホール素子用の着磁ヨーク43を用いて,マグネット下端面14から磁化困難方向への着磁実施図である。メイン磁極がマグネット下端面14まで入っていないので比較的容易に着磁出来る。マグネットビューアでマグネット下端面を観測すると図4のように,磁極の境界29が直線状に見える。
Embodiments according to
図3は,ホール素子用の磁極にその奇数倍のFG着磁を,ホール素子用の1磁極の両端が,その磁極と同極となるようにFG用の磁極を配置し,位置合わせをしたFG着磁ヨーク46をマグネット端面14から磁化困難方向に着磁を施す図である。ホール素子用着磁により,磁化困難方向に着磁されているので比較的容易にFG着磁が入ることが実験的に確認できた。図中47はFG着磁ヨーク用の巻線である。マグネットビューアでマグネット下端面14を観測すると図5のように,磁極の境界24のように傾きが,図14の磁極境界26に比べて改善されていることが分かる。
Fig. 3 shows the alignment of the magnetic poles for the Hall element with odd number of times of FG magnetization, and the magnetic poles for FG arranged so that both ends of one magnetic pole for the Hall element are the same as the magnetic poles. FIG. 3 is a diagram for magnetizing an FG magnetized yoke 46 from a magnet end face 14 in a direction in which magnetization is difficult. It has been experimentally confirmed that FG magnetization is relatively easy because it is magnetized in the direction of difficult magnetization by magnetization for the Hall element. In the figure, 47 is a winding for an FG magnetized yoke. When the magnet
また,マグネット端面のFG磁極がホール素子用の磁極数の奇数倍で,且つ前記ホール素子用の1磁極の両端が,その磁極と同極となるようFG用の磁極を配置しいるため,FGの発電にはホール素子用の磁極も多く発電に寄与することが可能となり,従来方式の着磁に比べて,FGの出力電圧は2倍近くに増加することが可能となった。 In addition, since the FG magnetic poles on the magnet end face are odd multiples of the number of magnetic poles for the Hall element and both ends of the one magnetic pole for the Hall element are the same as the magnetic poles, This power generation can contribute to power generation with many magnetic poles for the Hall element, and the output voltage of the FG can be increased almost twice as compared with the conventional method.
ホール素子に印加される磁束はホール素子の配置場所により,図6のようになる。図6中41は面実装のホール素子がマグネットに近い場所で,FGの着磁磁束の影響が大きく関係し,42は適切な距離に設定した場合で,モータ実装図7又は図8のように配置された場合を示すものである。
The magnetic flux applied to the Hall element is as shown in FIG. 6 depending on the location of the Hall element. In FIG. 6,
図1は,本発明の請求項3に係わる実施の形態を示すもので,41はメイン着磁ヨーク,42はメイン着磁ヨークの巻線,40は着磁ヨークガイドである。ステータコア上端部とリングマグネットの上端面16の軸方向位置をほぼ同一とし,リングマグネットの下端面14はFGパターン近くまで延ばし,メイン着磁ヨークの長さhはステータヨークとほぼ同一としている。ステータコア下端部からFGパターンに対向する軸方向スパン部分にはメイン着磁を施さない。このように着磁を実施することで,磁気中心位置が合わせられて,モータ軸方向の加振力が低減でき,マグネットの利用効率もアップできコストダインが図れる。
FIG. 1 shows an embodiment according to
また,マグネット内周面のメイン磁極と同極に位置合わせを実施し,マグネット下端面から磁化困難方向に着磁するホール素子用着磁と,ホール素子用の磁極と整数倍の周波数発電機用着磁をホール素子用磁極と周波数発電機用用磁極のそれぞれの極境が一致するように位置合わせを実施し,一体に形成する請求項4に記載した形態の着磁ヨークを製作することは可能である。
In addition, the magnetic pole is aligned with the main magnetic pole on the inner circumferential surface of the magnet, and magnetized for the Hall element, which is magnetized in the direction of magnetization difficult from the lower end of the magnet, and for the frequency generator that is an integral multiple of the Hall element magnetic pole. The magnetizing yoke having the form described in
以上のように本発明の実施例をアウターロータ方式のモータについて説明してきたが,インナーロータ方式のモータにも同様に実施出来ることは言うまでもない。 As described above, the embodiments of the present invention have been described with respect to the outer rotor type motor. However, it goes without saying that the present invention can be similarly applied to the inner rotor type motor.
マグネットの端面の着磁困難方向に配向されているが,メイン着磁の領域とマグネットの端面へのホール素子用の着磁を施すことで,磁化が容易になる効果があり,FG出力電圧アップと面実装のホール素子での磁極検出精度アップによる回転むら特性改善が可能である。さらにゴム系の異方性シートマグネットが使用でき,面実装のホール素子の搭載容易化,マグネットを余分にモータ軸方向に伸ばすことない等の効果により大幅にコストダウンが図れる。
本発明の各要素の基本技術は確立されていて,レーザビームプリンタ(以後LBPと称する)等の事務機に使用されるドラム駆動用として最適と言える。
Although the magnet end face is oriented in the direction of difficulty in magnetizing, magnetizing the Hall element to the main magnetizing area and the magnet end face has the effect of facilitating magnetization, increasing the FG output voltage. In addition, it is possible to improve the uneven rotation characteristics by increasing the magnetic pole detection accuracy in the surface mount Hall element. In addition, rubber-based anisotropic sheet magnets can be used, making it easy to mount surface-mounted hall elements and reducing the cost significantly by not extending the magnets in the direction of the motor shaft.
The basic technology of each element of the present invention has been established and can be said to be optimal for driving a drum used in an office machine such as a laser beam printer (hereinafter referred to as LBP).
1:ステータコア
2:ロータコア
3:モータ軸
4:マグネット
5:プリント配線基板
6:ブラケット
7:ベアリングホルダ
8:ベアリング
10:スペーサ
11:段付部
12:巻線
13:ホール素子
14:マグネット下端面
15:FGパターン
16:マグネット上端面
17:縦型ホール素子
20:メイン着磁
21:FG着磁
22:ラジアル異方性磁場配向
24:FG着磁の磁極境界線
25:メイン着磁の磁極境界線
26:FG着磁の磁極境界線
27:メイン着磁の磁極境界線
29:メイン着磁の磁極境界線
30:着磁ヨークガイド
31:メイン着磁ヨーク
32:着磁ヨークの巻線
33:FG着磁ヨーク
34:着磁ヨークの巻線
35:着磁ヨークガイド
40:着磁ヨークガイド
41:メイン着磁ヨーク
42:着磁ヨークの巻線
43:ホール素子用の着磁ヨーク
44:着磁ヨーク用の巻線
45:着磁ヨークガイド
46:FG着磁ヨーク46
47:着磁ヨーク用の巻線
h:メイン着磁ヨーク長さ
1: Stator core 2: Rotor core 3: Motor shaft 4: Magnet 5: Printed wiring board 6: Bracket 7: Bearing holder 8: Bearing 10: Spacer 11: Stepped portion 12: Winding 13: Hall element 14: Magnet lower end surface 15 : FG pattern 16: Magnet upper end surface 17: Vertical Hall element 20: Main magnetization 21: FG magnetization 22: Radial anisotropic magnetic field orientation 24: FG magnetization magnetic pole boundary 25: Main magnetization magnetic pole boundary 26: FG magnetization magnetic pole boundary line 27: Main magnetization magnetic pole boundary line 29: Main magnetization magnetic pole boundary line 30: Magnetization yoke guide 31: Main magnetization yoke 32: Magnetization yoke winding 33: FG Magnetized yoke 34: Magnetized yoke winding 35: Magnetized yoke guide 40: Magnetized yoke guide 41: Main magnetized yoke 42: Magnetized yoke winding 43: For Hall element Magnetizing yoke 44: winding 45 for magnetizing yoke: magnetizing yoke guide 46: FG magnetizing yoke 46
47: Winding for magnetized yoke h: Main magnetized yoke length
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