JP2007163424A - フラックスゲート型磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】共振回路３０の構成部品の特性にバラツキがあっても、地磁気などの入力磁界を最大の感度で検出できるように励磁周波数を自動的に調整できるフラックスゲート型磁気センサの提供。
【解決手段】試験モードにおいて、スイッチ回路１２をオフとし、Ｄ/Ａコンバータ１９から一定直流電圧の試験信号を模擬入力信号として出力し、周波数可変発振器１６の発振周波数を一定周波数範囲で変化させ、Ａ／Ｄ出力114が最大値となったときの励磁周波数が最大感度周波数であると判断し、励磁周波数が最大感度周波数ｆ（＝F／２）に保持されるように周波数可変発振器１６の発振周波数を設定するまでの処理をＣＰＵ１５により自動的に行い、この段階で試験モードから測定モードに移行し、測定モードでは励磁周波数を最大感度周波数に保持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁心、励磁コイル及び検出コイルでなるフラックスゲートと、このフラックスゲートの出力信号における不要周波数を遮断するための共振回路とを備え、フラックスゲートに入力する地磁気などの磁界を測定するフラックスゲート型磁気センサに関し、特に共振回路における部品の特性のバラツキや経年変化などにより共振回路の共振周波数が所定値からずれていても、常に最大の感度が得られるように、該励磁信号の周波数を最適値に自動的に設定するようにしたフラックスゲート型磁気センサに関する。

一般に、フラックスゲート型磁気センサは、トロイダル型の磁心、周波数ｆの励磁信号で該磁心を励磁する励磁コイル、該磁心に巻かれた検出コイル等により構成されるフラックスゲートを備え、その検出コイルに並列にコンデンサを接続して共振周波数２ｆの共振回路を構成し、フラックスゲートが測定対象の入力磁界（地磁気など）に置かれたとき、入力磁界に応じて検出コイルに現れる信号のうちで、周波数２ｆの信号を検出信号として取り出し、該検出信号又はこの検出信号を処理した信号でもって、入力磁界を表す信号とする。

図６は従来の一般的なフラックスゲート型磁気センサを示すブロック回路図である。図６の従来のフラックスゲート型磁気センサは、トロイダル型磁心に巻かれた励磁コイル６及びそのトロイダル型磁心に巻かれた検出コイル７を含むフラックスゲート１と、検出コイル７に並列に接続され、励磁周波数ｆ（励磁信号118の周波数）の倍周波数２ｆを共振周波数とする共振回路３０を構成するコンデンサ２と、周波数２ｆの信号126を発振する発振器２６と、発振器２６の発振信号126を分周し、周波数ｆの信号117と周波数２ｆの同期検波信号117aを生成する分周回路１７と、信号117の電流増幅をし、励磁コイル６に励磁信号118として供給する電流増幅回路１８と、検出コイル７より出力される検出信号107を増幅するプリアンプ８と、プリアンプ８の増幅出力108と同期検波信号117aとの積の処理により増幅出力108の同期検波をし、検波出力信号109を出力する同期検波器９と、検波出力信号109を積分し、積分出力を帰還信号110として検出コイル７に入力する積分器１０と、検出コイル７に直列に接続され、帰還信号110による電流の流路となり、帰還信号110による電流に比例した電圧を入力磁界信号111として出力する読取抵抗１１とを備えて構成される。以下では、発振信号126の周波数（以下、発振周波数と略記する）をF、共振回路３０の共振周波数をｆ_３０とする。上述のとおり、F＝２ｆである。

検出コイル７に現れる信号には、入力磁界を表す希望信号（励磁周波数ｆの倍周波数２ｆの信号）のみならず、励磁周波数ｆの３倍又はそれ以上の高調波信号成分が包含されているので、検出コイル７と並列にコンデンサ２を接続し、共振周波数２ｆの共振回路３０を構成し、周波数２ｆの成分だけを抽出するようにしている。ところが、共振回路３０を構成するコンデンサ２及び検出コイル７の特性には製造される部品毎にバラツキがあるから、共振回路３０の共振周波数ｆ_３０は、フラックスゲート型磁気センサ毎に相違する。また、コンデンサ２及び検出コイル７の特性は、環境温度や経年変化によっても変化する。このような要因により、共振回路３０の共振周波数ｆ_３０が設計値から変移するのは避けがたい。

従来のフラックスゲート型磁気センサの磁気センサ回路としては、例えば特許文献１（特開平９−６１５０６号公報）に記載されたものがある。特許文献１においては、共振回路３０の共振周波数の変移に起因して変動する感度を調整するために、検出コイル７とコンデンサ２とから成る共振回路に抵抗を挿入して共振回路３０のＱ値を低下させた上で、励磁周波数ｆをｆ_３０／２よりずらせる、即ちｆをｆ_３０／２に合わせるのではなく、両周波数に偏差をもたせる、としている。このようにして発振器２６の発振周波数Fを共振器３０の共振周波数f_３０から偏移させることにより磁気検出の感度調整ができるものとしている。
特開平９−６１５０６号公報

特許文献１においては、共振回路３０のＱ値を低下させた上で、発振器２６の発振周波数Fを共振周波数f_３０に一致させるのではなく、該発振周波数Fを共振周波数f_３０から偏移させることにより磁気検出の感度を調整するとしているが、共振回路のＱ値の低下に伴い検出感度が低下するとともに、励磁周波数ｆを常時適正周波数に合わせこむために発振器２６の発振周波数Fの手動調整が必要になる。したがって、共振回路３０の構成部品（コンデンサ２等）の特性が個別にバラツク場合には、フラックスゲート型磁気センサの製作ごとに、発振器２６の発振周波数Fの手動調整を要する。同様に、共振回路３０の構成部品の特性が経年変化するときは、フラックスゲート型磁気センサの製造時点からの年数の経過ごとに発振器２６の発振周波数Fの手動調整を要する。また、フラックスゲート型磁気センサを設置する環境の温度が相違すれば、環境が変わる度に、発振器２６の発振周波数Fの手動調整を要する。このように、従来のフラックスゲート型磁気センサには、感度が低い上に、面倒な手動調整を要し、また調整をするべき状況の判断に経験を要するので、解決するべき課題があった。

そこで、本発明の目的は、励磁周波数ｆの２倍の周波数２ｆ成分だけをフラックスゲートから取り出すための共振回路の構成部品に部品毎の特性のバラツキ、経年変化、又は設置環境の温度変化による該特性の変動があっても、地磁気などの入力磁界に対する感度を自動的に最大に設定できるようにしたフラックスゲート型磁気センサの提供にある。

前述の課題を解決するために本発明は次の手段を提供する。

（１）磁心、励磁コイル及び検出コイルを備え、励磁信号を該励磁コイルに受けるフラックスゲートと、
前記検出コイルに並列に接続されたコンデンサと、
前記検出コイル及び前記コンデンサでなる共振回路から出力される検出信号に基づき、地磁気その他の入力磁界の大きさを表す入力磁界信号を生成する検出回路部と、
試験モードと測定モードとで作動し、該試験モードでは該励磁信号の周波数を一定の範囲内で制御することにより、該一定の範囲内の該周波数の内で前記入力磁界信号の大きさが最大となる該周波数を見つけ出し、該最大となる該周波数を最大感度周波数として保持し、該測定モードでは該周波数を該最大感度周波数とする励磁信号発生部と、
前記励磁信号発生部が前記試験モードにあるときに、前記検出コイルに試験信号を印加する試験信号印加部と
を備えてなるフラックスゲート型磁気センサ。

（２）前記検出回路部は、前記測定モードでは前記入力磁界信号を前記検出コイルに帰還する帰還線路を備え、
前記帰還線路には直列にスイッチ回路が設けてあり、
前記励磁信号発生部は、前記試験モードでは前記スイッチ回路をオフとし、前記測定モードでは該スイッチ回路をオンとする
ことを特徴とする前記（１）に記載のフラックスゲート型磁気センサ。

上記の発明によれば、励磁周波数ｆの２倍の周波数２ｆ成分だけをフラックスゲートから取り出すための共振回路の構成部品に部品毎の特性のバラツキ、経年変化、又は設置環境の温度変化による該特性の変動があっても、地磁気などの入力磁界に対する感度を自動的に最大に設定できるようにしたフラックスゲート型磁気センサが提供できる。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態のフラックスゲート型磁気センサを示すブロック図、図２は図１のＣＰＵ１５の内部における処理手順を示すフローチャートである。この第１の実施形態は、図１に示されるように、フラックスゲート１と、コンデンサ２と、励磁信号発生部３と、検出回路部４と、試験信号印加部５とから構成される。フラックスゲート１は、励磁コイル６及び検出コイル７並びに磁心（図示せず）でなる。コンデンサ２は、検出コイル７に並列に接続され、検出コイル７とともに共振回路３０を形成する。励磁信号発生部３は、ＬＰＦ（低域濾波器）１３、Ａ/Ｄコンバータ１４、ＣＰＵ（セントラル・プロセッシング・ユニット）１５、周波数可変発振回路１６、分周回路１７及び電流増幅回路１８でなる。検出回路部４は、プリアンプ８、同期検波回路９、積分器１０、読取抵抗１１及びスイッチ回路１２でなる。試験信号印加部５はＤ/Ａコンバータ１９でなる。この構成において、ＣＰＵ１５は、試験モード及び測定モードという２つのモードで作動し、スイッチ回路１２、試験信号印加部５及び周波数可変発振器１６を制御し、試験モードにおいて最大の感度が得られる励磁周波数ｆ（最大感度周波数）を決定し、測定モードではその最大感度周波数で励磁コイル６を励磁できるように周波数可変発振器１６の発振周波数を設定する。

次に、本実施形態について、図１のブロック図及び図２のフローチャートを参照して説明する。この第１の実施形態では、検出回路部４にクローズドループを備える。このクローズドループは、図１における符号で示せば、３０→８→９→１０→１２→３０なる回路要素のループで構成される。測定モードにおいて、直流の帰還信号110を検出コイル７へ帰還し、帰還信号110による磁界と入力磁界とが釣り合わせることにより、検出信号107を得ており、検出信号107を生成する回路がクローズループを備える。図１の実施形態は、クローズループを有する点においては図６の従来例と同様である。しかし、図１の実施形態は、帰還信号110の帰還線路中にスイッチ回路１２を備え、試験モードか測定モードかに応じてスイッチ回路１２をオン／オフし、試験モードではスイッチ回路１２をオフにする点で、図６の従来例と相違している。

後述のように、励磁周波数ｆ（励磁信号118の周波数）は周波数可変発振器１６の発振周波数Ｆ（発振信号116の周波数）を分周回路１７により分周することにより生成される。そこで、ＣＰＵ１５の出力の周波数制御信号115により周波数可変発振器１６の発振周波数Ｆを設定したとき、この設定により励磁周波数ｆは一義的に決まる。この実施の形態では、発振周波数Ｆの制御により励振周波数ｆを制御している。

いま図１の実施形態のフラックスゲート型磁気センサに電源を投入すると、ＣＰＵ１５は自動的に試験モードの処理を開始し、試験モードで最大感度周波数を決定する。最大感度周波数を決定するために、ＣＰＵ１５は、周波数制御信号115でもって周波数可変発振器１６の発振周波数Fを指示する。ＣＰＵ１５は、一定周波数範囲内において、△Fの周波数間隔で間欠的に、発振周波数Fを順次に変化させる。ＣＰＵ１５は、発振周波数Fを一定範囲内変化させることにより、最大の感度が得られた発振周波数Fを見つけ、これを最大感度周波数として保存する。Ａ／Ｄコンバータ１４の出力114はこの実施の形態の感度を表し、出力114が最大値をなるときに、ＣＰＵ１５は本実施の形態の感度が最大であると判断する。最大感度周波数の周波数制御信号115とＤ／Ａコンバータ１９の出力をオフにする信号と、スイッチ回路１２をオンにする信号をＣＰＵ１５が出力して、本実施の形態は試験モードから測定モードに移行する。

以下に試験モードの処理について記述する。試験モードの処理の開始でＣＰＵ１５はまず初期設定（ステップＳ₁₁）を行う。この初期設定は、スイッチ回路（図２ではＳＷと略記）１２をオフにすること、Ｄ/Ａコンバータ１９に試験用電圧Ｖ_１９を出力すること、また、ＣＰＵ１５の内部メモリ内の変数の初期値として、周波数可変発振器１６の発振周波数FにF_STARTを設定すること、Ａ/Ｄコンバータ１４の出力値Ｖ_ＡＤの最大値Ｖ_ｍａｘに“０”を設定すること、最大値Ｖ_ｍａｘを得たときの発振周波数F_XにF_STARTを設定することの初期化から成る。

この初期設定において、Ｄ/Ａコンバータ１９は、デジタル試験信号115aをアナログ電圧に変換し、所定の試験用電圧Ｖ₁₉を出力する。試験用電圧Ｖ₁₉は、検出コイル７に印加される。これにより、検出コイル７には、試験用電圧Ｖ₁₉並びに検出コイル７の抵抗値及び読取抵抗１１の抵抗値により定まる電流が流れる。検出コイル７に流れるその電流は、試験モードにおける検出コイル７に対する模擬的な入力信号となる。また、試験モードでは、スイッチ回路１２は、前述のとおり、スイッチ制御信号115bによりオフに設定される。

ステップＳ₁₁の初期設定を受けて、ＣＰＵ１５は周波数制御信号115でもって周波数可変発振器１６の発振周波数Fを制御し、発振周波数FをF_STARTに設定する。周波数Fの発振信号116は、分周回路１７において２分周されて、励磁周波数ｆ＝F/２の信号117として電流増幅回路１８に入力されるとともに、元の周波数Fの発振信号は同期検波信号（復調キャリア）117aとして同期検波回路９に入力される。電流増幅回路１８は、周波数ｆの信号117の電流増幅を行い、電流増幅した信号を励磁信号118として励磁コイル６に供給する。励磁コイル６に周波数ｆの励磁信号118が供給されると、フラックスゲート１の磁心（図示省略）が励磁される。このとき、検出コイル７には、入力磁界を表す希望信号（励磁周波数ｆの倍周波数２ｆの信号）のみならず、励磁周波数ｆの３倍又はそれ以上の高調波信号成分が誘起されるが、検出コイル７とコンデンサ２でなる共振回路３０により周波数２ｆの信号だけが抽出される。この周波数２ｆの信号が検出信号107である。

検出信号107はプリアンプ回路８において増幅され、その出力信号108は、同期検波回路９において同期検波信号117aで同期検波され、検波信号109となる。検波信号109は、積分器１０で積分され、直流に変換され、帰還信号110なる。試験モードではスイッチ回路１２がオフであるから、帰還信号110は利用されない。他方、検波信号109は、ＬＰＦ１３にも供給される。ＬＰＦ１３は、検波信号109を平滑化し、直流信号113に変換する。Ａ/Ｄコンバータ１４は、直流信号113をデジタルのＡ/Ｄ出力114に変換する。

ＣＰＵ１５は、ステップＳ１１に続くステップにおいて、周波数可変発振器１６に発振周波数Fを出力し、Ａ／Ｄ出力114を周波数Fにおける感度を表すデータとしてＶ_ＡＤに格納する（ステップＳ１２）。続いて、Ａ／Ｄ出力値Ｖ_ＡＤと最大値Ｖ_maxの値を比較して、周波数ＦにおけるＡ／Ｄ出力が最大値よりも大であるか否かを判定する。Ｖ_ＡＤ＞Ｖ_maxでない場合にはステップＳ１５に進み、Ｖ_ＡＤ＞Ｖ_maxである場合にはステップＳ１４に進む（ステップＳ１３）。Ｖ_ＡＤ＞Ｖ_maxである場合には、Ａ／Ｄ出力値が最大となる発振周波数F_Xを発振周波数Fとし、最大値Ｖ_maxをＡ／Ｄ出力値Ｖ_ＡＤの値とする（ステップＳ１４）。続いて、発振周波数Fと予め決められている周波数F_STOPとを比較する。F≦F_STOPでない場合にはステップＳ１７に進み、F≦F_STOPである場合にはステップＳ１６に進む（ステップＳ１５）。発振周波数FがF_STOP以下である場合には、発振周波数Fに予め決められている△Fを加算したF＋△Fを発振周波数FとしてステップＳ１２に戻り、再度ステップＳ１２以降の処理手順を繰返す（ステップＳ１６）。発振周波数FがF_STOPの値を超えた場合には、周波数制御信号115にＡ／Ｄ出力値が最大となる発振周波数F_Xを設定し、Ｄ／Ａコンバータ１９の出力をオフとし、スイッチ回路１２をオンとして、試験モードの処理を終了し、測定モードへ移行する（ステップＳ１７）。このようにして、周波数F_STARTからF_STOPの範囲でＡ／Ｄ出力が最大となる発振周波数が、変数F_Xに格納される。周波数F_START、F_STOP、F_Xで検出出力が変わる様子を模式的に図５で示す。Ｄ／Ａコンバータ１９の出力がオフとなることで、検出コイルへの試験用電圧V₁₉の印加がなくなる。

測定モードでは、スイッチ回路１２がオンとなるので、帰還信号110は検出コイル７へ接続される。帰還信号110（直流電圧）は検出コイル７と読取抵抗１１との直列回路に供給され、帰還信号110による電流はその直列回路から接地点に至る回路に流れ、読取抵抗１１には入力磁界と拮抗する電流が流入する。この電流によって読取抵抗１１の端子に生じる電圧は、入力磁界（地磁気など）を表す信号となり、即ち磁界検出信号111として出力される。図1の実施形態では、磁界検出信号111は検出信号107と同じである。

測定モードにおける周波数可変発振器１６の発振周波数Fは、試験モードで設定された周波数F_Xである。周波数可変発振器１６は、入力磁界に対する本実施形態の感度を最大とする周波数F_Xで発振する。このとき、励磁信号118の周波数（励磁周波数）ｆはF_X／２となり、このF_X／２が前述の最大感度周波数に相当する。図1の第1の実施形態では、起動とともに自動的に試験モードで作動し、励磁周波数ｆが最大感度周波数となるように、周波数可変発振器１６の発振周波数Fが自動的に調整される。このような効果が得られるのは、試験モードにおいて、励磁周波数ｆが共振回路３０の共振周波数Ｆ_３０の２分の１、即ちＦ_３０／２に自動的に設定されるからである。

上述のように、図１の第１の実施形態は、励磁信号発生部３から出力される励磁信号118の周波数、即ち励磁周波数を、自動的に共振回路３０の共振周波数の２分の１に調整するので、共振回路３０を形成する検出コイル７とコンデンサ２の特性変動に関わりなく、常に最大感度で入力磁界を測定することができる。

次に、第２の実施形態について図面を参照して説明する。図３は本発明の第２の実施形態のフラックスゲート型磁気センサを示すブロック図、図４は図３のＣＰＵ１５の内部における処理手順を示すフローチャートである。図1の第１の実施形態と図３の第２の実施形態との相違点をまず説明する。主要な相違点は検出回路部４にあり、第1の実施形態では、検出回路部４が帰還ループを備えるクローズループであり、第２の実施形態では、検出回路部４が帰還ループのないオープンループとなっている点である。図３の第２の実施形態はオープンループであるから、図１で帰還ループに相当する帰還信号線路とスイッチ回路１２がなく、また積分器に代えてＬＰＦ３３を備えている。図１の第１の実施形態では、検出信号107が磁界検出信号111であり、磁界検出信号111でもって入力磁界の測定値を表しているが、図３の第２の実施形態では、ＬＰＦ３３の出力の磁界検出信号133でもって、入力磁界の測定値を表している。図３のＬＰＦ３３の機能は、図１のＬＰＦ１３と同じであり、ＬＰＦ３３の出力は励磁信号発生部３のＡ／Ｄコンバータへの入力にもなる。また、図１の読取抵抗１１は、図３では検出信号を出力するのではなく、検出コイル７に流れる電流を制限する電流制限抵抗となる。ＬＰＦ３３の機能は、検波信号109を直流に変換する点では積分器１０と同じ機能である。試験モードにおいて、所定の試験信号がＤ/Ａコンバータ１９から出力され、検出コイル７に印加されたとき、検出コイル７及び電流制限抵抗２０に流れる一定の電流が模擬的に検出信号127となる。

図３の第２の実施形態は、試験モード及び測定モードのいずれでも検出回路部４にはクローズドループは構成せず、オープンループだけで磁界検出信号133を得ている。ＣＰＵ１５における処理は、図４のフローチャートに示すとおりであり、試験モードにおいて、励磁周波数ｆが共振回路３０の共振周波数Fの１／２、即ち最大感度周波数となる周波数可変発振器１６の発振周波数を探索するために、周波数可変発振器１６の発振周波数を一定周波数範囲（F_STARTからF_STOPまで）で変化させ、Ａ／Ｄ出力114が最大値となったときの励磁周波数が最大感度周波数であると判断し、励磁周波数が最大感度周波数ｆ（＝F／２）に保持されるように周波数可変発振器１６の発振周波数を設定するまでの処理をＣＰＵ１５により自動的に行い、この段階で試験モードから測定モードに移行し、測定モードでは励磁周波数を最大感度周波数に保持する。図４のフローチャートにおけるステップＳ_２１〜Ｓ_２７は、図２のフローチャートにおけるステップＳ_１１〜Ｓ_１７にそれぞれ相当する。但し、図３の実施形態は図１の実施形態におけるスイッチ１２を有しないから、図２のステップＳ_１１におけるＳＷ→ＯＦＦの処理及び図２のステップＳ_１７におけるＳＷ→ＯＮの処理は、図４のステップＳ_２１及びステップＳ_２７にはない。

上述のように、図３の第２の実施形態は、励磁信号発生部３から出力される励磁信号118の周波数、即ち励磁周波数を、自動的に共振回路３０の共振周波数の２分の１に調整するので、共振回路３０を形成する検出コイル７とコンデンサ２の特性変動に関わりなく、常に最大感度で入力磁界を測定することができる。

本発明の第１の実施形態を示すブロック図である。 図１の第１の実施形態におけるＣＰＵの処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態を示すブロック図である。 図３の第２の実施形態におけるＣＰＵの処理手順を示すフローチャートである。 ＣＰＵ１５で設定する変数F_START、F_STOP及びF_Xと検出出力との関係を示す模式図である。 従来のフラックスゲート型磁気センサを示すブロック図である。

符号の説明

１ フラックスゲート
２ コンデンサ
３ 励磁信号発生部
４ 検出回路部
５ 試験信号印加部
６ 励磁コイル
７ 検出コイル
８ プリアンプ
９ 同期検波回路
１０ 積分器
１１ 読取抵抗
１２ スイッチ回路
１３，３３ ＬＰＦ
１４ Ａ/Ｄコンバータ
１５ ＣＰＵ
１６ 周波数可変発振器
１７ 分周回路
１８ 電流増幅回路
１９ Ｄ/Ａコンバータ
２０ 電流制限抵抗
107，127 検出信号
108 プリアンプ８の増幅出力
109 検波出力
110 帰還信号
111，133 磁界検出信号
113 ＬＰＦ出力の直流信号
114 Ａ／Ｄ出力
115 周波数制御信号
115a デジタル試験信号
115b スイッチ制御信号
116 発振信号
117 分周回路１７出力（周波数ｆの信号）
117a 同期検波信号
118 励磁信号

Claims (2)

1. 磁心、励磁コイル及び検出コイルを備え、励磁信号を該励磁コイルに受けるフラックスゲートと、
   前記検出コイルに並列に接続されたコンデンサと、
   前記検出コイル及び前記コンデンサでなる共振回路から出力される検出信号に基づき、地磁気その他の入力磁界の大きさを表す入力磁界信号を生成する検出回路部と、
   試験モードと測定モードとで作動し、該試験モードでは該励磁信号の周波数を一定の範囲内で制御することにより、該一定の範囲内の該周波数の内で前記入力磁界信号の大きさが最大となる該周波数を見つけ出し、該最大となる該周波数を最大感度周波数として保持し、該測定モードでは該周波数を該最大感度周波数とする励磁信号発生部と、
   前記励磁信号発生部が前記試験モードにあるときに、前記検出コイルに試験信号を印加する試験信号印加部と
   を備えてなるフラックスゲート型磁気センサ。
2. 前記検出回路部は、前記測定モードでは前記入力磁界信号を前記検出コイルに帰還する帰還線路を備え、
   前記帰還線路には直列にスイッチ回路が設けてあり、
   前記励磁信号発生部は、前記試験モードでは前記スイッチ回路をオフとし、前記測定モードでは該スイッチ回路をオンとする
   ことを特徴とする請求項１に記載のフラックスゲート型磁気センサ。

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