JP2012049361A - ボンド磁石の製造方法及びボンド磁石 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化・小径化された着磁極間距離の狭いボンド磁石の被着磁体に対して、多極磁場を印加することが可能であり、かつ、効率の良い簡素化された構成の粉末加工成形機によって製造できるボンド磁石の製造方法を提供する。
【解決手段】未着磁の被着磁体を、磁石材料のキュリー点以上の温度に昇温し、その後、降温し、一定の磁場を被着磁体に印加してボンド磁石を製造する方法において、ボンド磁石用の磁石粉と熱硬化樹脂粉との混合粉７´´を粉末成形加工機１００で加圧すると同時にキュリー点以上の温度に昇温中に熱硬化樹脂粉を熱硬化させる。その後、連続して、ダイ４に包含される加熱手段からの熱を断熱部３で遮りながら、被着磁体を着磁部２で多極着磁して、小型・小径のモータ、ロータ等の回転子用のボンド磁石を製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボンド磁石の製造方法及びボンド磁石に関し、さらに詳細には円環状、円筒状であって多極着磁したボンド磁石の製造方法及びボンド磁石に関する。

ボンド磁石は、通常、未着磁の磁石粉と熱硬化性樹脂粉とを混合して混合粉を作製し、この混合粉を金型を含む粉末成形加工機で圧縮成形体を作製し、該圧縮成形体の熱硬化樹脂分を熱硬化し、所望の形状のいわゆるグリーン体（本願明細書では「被着磁体」という）を作製する。この後、被着磁体は着磁され、永久磁石化されたボンド磁石を得る。

上記方法によって製造されたボンド磁石は、混合粉が粉末成形加工機によって好適に圧縮成形されるため高密度となり、高特性のボンド磁石を得ることができる。このようにして得られるボンド磁石は、円環状又は円筒状に圧縮成形・熱硬化された後、Ｎ極、Ｓ極が交互に多極着磁され、しばしばステッピングモータ等の回転子に使用される。

ところで、年々、回転機構を含むエレクトロニクス製品、そして、そこに使用される回転子も軽薄短小化している。そして、それにつれ回転子用のボンド磁石が小型、小径化しており、多極着磁が困難になってきている。
多極着磁は、マグネットワイヤにパルス状の大電流を流してボンド磁石に多極化された磁場を付与するものであるが、ボンド磁石が小型、小径化すると多極着磁を施す際、着磁極間距離が狭くならざるを得ない。そのため現状の着磁手段のマグネットワイヤを細くする必要が生じる。ところが、十分な着磁を施すためにパルス電流を流すと、細いマグネットワイヤはジュール熱で断線し易くなる。

この不具合を解決するために、特許文献１又は２には、永久磁石（以下、着磁前の磁石を適宜「被着磁体」という）を被着磁体のキュリー点の温度未満の高温に曝すことにより飽和着磁磁場を減少させて着磁する方法が提示されている。しかし、この着磁方法では好適な磁気特性が得られない。

また、この方法では、着磁コイルに通電しながら磁場を被着磁体に対して印加する際、高温によって絶縁部分が破壊しがちである。また、同方法では、高温に曝されるため着磁手段のモールド樹脂材が劣化し易く、結果的に着磁手段の寿命が短くなり製造コスト上好ましくない。

そこで、上記の着磁方法を改善すべく、本願発明者は、特許文献３に示されている、被着磁体を磁石材料のキュリー点以上の温度に昇温してから、キュリー点未満の温度まで降温させつつ、その間一定の磁場を印加しつづける着磁方法を見出した[以下、この方法による着磁方法をＵＨＭ着磁法（Ultra High Magnetizing processの略称）と称する]。

係るＵＨＭ着磁法によれば、円環状又は円筒状の被着磁体が小径化した状態で多極磁化して着磁極間距離が狭くなっても、好適な多極着磁が可能であり上記課題を解決できる。

特許２９４００４８号公報 特開平６−１４０２４８号公報 特開２００６−２０３１７３号公報

ところが、被着磁前の熱硬化が完了した被着磁体たるボンド磁石に、さらに別の加熱手段を用いながらＵＨＭ着磁法を施すと、一度熱硬化樹脂を熱硬化したボンド磁石をキュリー点以上という高温まで再加熱することになる。これでは、二度の加熱工程が必要であり、製造コスト上、好ましくない結果を招く。

本発明は、従来のボンド磁石の製造工程にＵＨＭ着磁法を採用しながら、工程を煩雑にすることなくかつ低製造コストで、好適な磁気特性が得られるボンド磁石の製造方法及びボンド磁石を提供することを目的とする。

（発明の態様）以下、当該発明の態様を示す。（１）から（４）項が請求項１から請求項４に対応する。

（１）加熱手段を含むダイと、着磁部と、前記ダイと前記着磁部との間に断熱部とを含む粉末成形用金型を備えた粉末成形加工機によってボンド磁石を製造する方法であって、前記ボンド磁石用の磁石粉末及び熱硬化性樹脂を混合した混合粉を加圧し、かつ前記熱硬化性樹脂を熱硬化して、未着磁の被着磁体を成形し、その後、前記加熱手段からの熱を前記断熱部で遮りながら前記被着磁体を前記着磁部で着磁してボンド磁石を製造することを特徴とするボンド磁石の製造方法。

（１）項に係るボンド磁石の製造方法によれば、ボンド磁石が小型、小径化し、かつ円環状、円筒状にし、多極を持つ回転子用ボンド磁石を製造することができる。
特に、本項では、一台の粉末加工性成形機を用いて、ボンド磁石の、加圧成形、熱硬化及び着磁の各工程を連続化することができる。

（２）前記熱硬化する工程は、前記ボンド磁石用の磁石材料のキュリー点以上の温度まで昇温されることによってなされ、前記熱硬化後の前記未着磁の被着磁体は、キュリー点以上の温度を維持したまま前記着磁部に移動され、前記着磁部では、前記熱硬化後の前記未着磁の被着磁体に、キュリー点以上の温度からキュリー点未満の温度に下がるまで、着磁用の磁場を印加し続けることを特徴とする（１）項に記載のボンド磁石の製造方法。
本項は、ＵＨＭ着磁法を本発明に係るボンド磁石の着磁に適用する方法を例示する。本項によって、被着磁体が小型、小径化されたものであっても、被着磁体に多極着磁が好適に施される。

（３）前記着磁する工程は、電磁石又は永久磁石によって印加される多極磁場で行われることを特徴とする（１）項または（２）項のいずれかに記載のボンド磁石の製造方法。
着磁部の着磁手段には、電磁石又は永久磁石が使用される。前者の電磁石の場合は、電磁石を構成するモールド部分等が熱によって破壊されないように、かつ、後者の永久磁石の場合は、熱によって永久磁石が減磁しないように、粉末加工成形機の金型機構を改変する必要がある。それぞれについての好適実施形態は、後述する第１実施形態、第２実施形態に対応する。

（４） （１）項から（３）項のいずれかに記載の製造方法によって製造されるボンド磁石。
（１）項から（３）項の製造方法によって得られる磁石はボンド磁石である。このボンド磁石は、基本的に回転子用のものであるため、多極着磁がされている。小型、小径化されても、上記製造方法によれば、好適な回転子用の多極ボンド磁石を提供することができる。

本発明によれば、従来のボンド磁石の製造工程にＵＨＭ着磁法を採用しながら、特に小型、小径化された被着磁体に多極着磁を施すときに、シンプルかつ低コストで、好適な磁気特性が得られるボンド磁石の製造方法及びボンド磁石を提供することができる。

第１実施形態において、ボンド磁石用混合粉を粉末成形加工機の金型部に充填した状態を示す断面図である。 第１実施形態において、ボンド磁石用混合粉を粉末成形加工機の金型部に充填した状態のまま下パンチを鉛直下方に変位させ、磁石粉を圧縮成形および加熱する領域まで移動した状態を示す断面図である。 第１実施形態において、図２に示された充填されたボンド磁石用混合粉を上パンチと下パンチによって加圧して圧縮成形するとともに、熱硬化性樹脂を加熱し被着磁体を作製する状態を示す断面図である。 第１実施形態において、加熱された被着磁体を、下パンチで変位させて、多極着磁する状態を示す断面図である。 第１実施形態において、多極着磁が完了したボンド磁石を取り出す位置まで、下パンチを上げた状態を示す断面図である。 第２実施形態において、ボンド磁石用混合粉を粉末成形加工機の金型部に充填した状態を示す断面図である。 第２実施形態において、図６に示された充填されたボンド磁石用混合粉を上パンチと下パンチによって加圧して圧縮成形するとともに、熱硬化性樹脂を加熱し被着磁体を作製する状態を示す断面図である。 第２実施形態において、加熱された被着磁体を、下パンチで押し上げて、永久磁石を用いて多極着磁する状態を示す断面図である。 第２実施形態において、多極着磁されたボンド磁石を、着磁領域から隔離した状態を示す断面図である。 第２実施形態において、多極着磁が完了したボンド磁石を取り出す位置まで、下パンチを下げた状態を示す断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係るボンド磁石の製造方法について、着磁手段に電磁石を使用する第１実施形態と、着磁手段に永久磁石を使用する第２実施形態に分けて説明する。
[第１実施形態]
図１から図５は、第１実施形態に係るボンド磁石の製造方法に用いられる粉末成形加工機１００を示す概略断面図である。

まず、図１を参照しながら、粉末成形加工機１００の基本構成を説明する。
粉末成形加工機１００は、上パンチ１と、臼構造体（２、３、４）と、下パンチ５と、円柱状のコアロッド６とを備えている。
上パンチ１は、フランジ状のストッパ８を備えた円筒部材である。下パンチ５は、上パンチ１と同様にストッパ９をフランジ状に備えた円筒部材である。
図１から分かるように、上パンチ１と下パンチ５は、外径及び内径並びに肉厚が等しく、また対向する端面同士が平行に当接するように形成されている。

臼構造体（２、３、４）は、着磁ヨーク（着磁部）２、断熱部３及びダイ４を含み、上パンチ１及び下パンチ５が摺動できる円柱空間からなるキャビティ１０を備え、粉末成形加工機１００の基部に固定されている。
着磁ヨーク２は、図示しないが、被着磁体に対して多極着磁可能な構成、機能を持つ電磁石又は永久磁石を含んでいる。

断熱部３は、耐熱性金属製のケーシング（不図示）で形成し、その内部にパイプを引き回して冷却水が循環するようにしたものにしたり、或いは、ケーシング（不図示）内でグラスウール、ロックウール、セルロースファイバのような繊維系断熱材や、フェノールフォームのような発泡系断熱材等の断熱材をケーシングの中に包含させるようにすることが好ましい。同時にケーシング内に断熱材を含ませながら冷却水を循環するようにしてもよい。さらに、断熱部３の体積を大きくしたり又は鉛直方向に沿って長さを伸ばす等によって、断熱部３の熱容量を大きくして断熱効果を向上させるようにしてもよい。

さらに断熱部３は、従来技術の課題であった高温に曝される着磁手段の構成要素のモールド樹脂が劣化し易く、結果的に着磁手段の寿命が短くかつ製造コスト上好ましくない点を解消するために、ダイ４に含まれる加熱手段（不図示）から発生される熱が、着磁ヨーク２にできるだけ伝達しないようにする。

キャビティ１０は、混合粉７´´が充填し易いようにかつ上パンチ１と臼構造体（２、３、４）のかじりを防止できるように、かつ、混合粉７´´が次の工程で重力方向に下降し易いように、鉛直方向上方に末広がり状にテーパ加工されていることが好ましい。また、テーパ付け加工ばかりでなく、上パンチ１、下パンチ５及びダイ４のかじり防止のためには、各隣接し摺動する隙間に一定のクリアランスを設けておくことが好ましい。
円柱状のコアロッド６は、上パンチ１、下パンチ５の中空部に嵌合、摺動可能にされており、上パンチ１、下パンチ５の鉛直方向移動のガイド手段である。

次に、図１から図５を参照して、粉末成形加工機１００を用いた、第１実施形態に係るボンド磁石７（図５参照）の製造方法を説明する。
＜ボンド磁石用の混合粉７´´の作製及び充填工程：図１参照＞
永久磁石粉と熱硬化樹脂粉とを一定の割合で、好ましくは非酸化性雰囲気中で、ヘンシェルミキサー等の混合機で十分に混合した混合粉を準備する。
永久磁石粉は、ＢａＣＯ₃、ＳｒＣＯ₃等と酸化鉄との反応によって製造されるフェライト系磁石材料の合金を粉砕したもの、ＳｍＣｏ_５系、Ｓｍ_２Ｃｏ_１７系等のサマリウムコバルト系磁石材料、Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ系のネオジウム系磁石材料等の希土類系磁石の合金から粉砕したもの又は同希土類系磁石材料の溶湯を急冷薄帯化して粉砕したものを用いる。サマリウムコバルト系磁石材料、ネオジウム系磁石材料等の希土類系磁石材料は、酸化しやすいため、非酸化雰囲気で粉砕、混合、保管することが好ましい。

熱硬化樹脂は、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ＦＲＰ、エポキシ樹脂、ジアリルフタレート樹脂等の熱硬化樹脂を用いたいずれかの樹脂バインダ用の高分子樹脂を用いることが好ましい。熱硬化樹脂は、二次粒子化していない状態の粉体とし、該粉体と上記のいずれかの永久磁石粉とを十分混合してボンド磁石用の混合粉を作製する。
また、熱硬化樹脂は、各永久磁石粉のキュリー点を鑑みて、熱硬化温度がキュリー点以下のものを選択するようにする。
例えば、フェライト系磁石材料、ネオジウム系磁石材料、サマリウムコバルト系磁石材料の各キュリー点は、それぞれ４６０度、３１０度、７００〜８００度程度とされている。
このようにキュリー点が各磁石材料で異なるため、各磁石材料に応じて、キュリー点以下で熱硬化するような熱硬化温度特性を備えた熱硬化樹脂を選択することが好ましい。

以上のように準備されたボンド磁石用の混合粉７´´は、臼構造体（２、３、４）のキャビティ１０内に鉛直下方から挿入された下パンチ５を断熱部３の下面よりもやや下の位置に固定して形成された臼構造体（２、３、４）と、下パンチ５と、コアロッド６と、によって囲まれた円環状又は円筒状のキャビティ１０に充填される。
この充填の際、臼構造体（２、３、４）に振動を付与しながら充填すると効率的でよい。そして、臼構造体（２、３、４）のキャビティ１０から溢れ出た混合粉７´´は、臼構造体（２、３、４）の上端面にたとえば長尺矩形状の板状のへら部材を滑らせてすり切り除去する。このようにすると、上パンチ１１がコアロッド６及び臼構造体（２、３、４）に挿入されるときに、上パンチ１１と臼構造体（２、３、４）とが、かじることなく、円滑な圧縮成形を達成できる。また、ボンド磁石７（図５参照）のための必要十分な量の混合粉７´´をキャビティ１０に充填することができる。

＜充填された混合粉７´´の移動工程：図２参照＞
次に、下パンチ５を鉛直下方に一定距離下げて、臼構造体（２、３、４）のダイ４の領域まで充填された混合粉７´´を圧縮しないまま移動し、ダイ４の領域に混合粉７´´が位置決めされるように下パンチ５を固定させておく。
＜混合粉７´´の圧縮成形及び加熱硬化工程：図３参照＞
次に、下パンチ５によって鉛直下方から支えられている混合粉７´´に対して、上パンチ１を鉛直上方から鉛直下方に向け駆動させて、上パンチ１と下パンチ５との間で混合粉７´´を加圧して圧縮成形を行う。このとき略同じタイミングでＵＨＭ着磁法を適用する。そのため、ダイ４に含まれるヒータ（不図示）等の加熱手段からの熱を制御することによって、混合粉７´´中の磁石粉のキュリー点よりも高い温度に混合粉７´´を昇温する。
この昇温過程で、混合粉７´´中の熱硬化樹脂が軟化又は溶融し、混合粉７´´をダイ４の領域で圧縮成形・熱硬化するため、ボンド磁石７の着磁前の被着磁体７´が得られる。

＜多極着磁工程：図４参照＞
上記工程で得られた被着磁体７´を、キュリー点よりも高い温度のまま臼構造体（２、３、４）の着磁ヨーク２の領域まで、下パンチ５で押し上げたら、今度は、断熱部３によってダイ４の加熱手段からの熱を遮りながら、被着磁体７´の温度を自然冷却又は冷却ファンの送風等によって降温させながら、着磁ヨーク２に含まれる図示しない電磁石によって多極着磁し、ボンド磁石７を得る。
＜ボンド磁石７の取出し工程：図５参照＞
最後に、下パンチ５の上端部を臼構造体（２、３、４）の着磁ヨーク２の頂面に一致させて、温度が下がったボンド磁石７を着磁ヨーク２の頂面上を滑らせながら採取し、図示しないストックエリアに配列し、円環状又は円筒状のボンド磁石７を得る。

このように、第１実施形態によれば、熱硬化樹脂の熱硬化工程と、被着磁体７´の着磁工程とが連続して実行できるため、熱硬化と着磁が、同一の粉末成形加工機１００で連続的に施され、すなわち、被着磁体が着磁ヨーク２（着磁部）に移動した時点で多極着磁されたボンド磁石７を得ることができる。
また、第１実施形態によれば、加熱硬化工程に係る手段と着磁中の冷却工程に係る手段が鉛直方向に沿って上パンチ１、下パンチ５、コアロッド６、臼構造体（２、３、４）のキャビティ１０が同一の中心軸に沿って形成された金型構造体を粉末成形加工機１００に配置することによって、混合粉充填から着磁を経てボンド磁石が多極着磁されるまでの工程を一台の粉末成形加工機１００で連続的に処理することができる。

また、第１実施形態では、ＵＨＭ着磁法による好適な着磁をするため、磁石材料のキュリー点よりも高い温度にボンド磁石用の混合粉若しくは被着磁体を加熱し昇温するための加熱手段をダイ４に含んでいる。そのため、加熱空間が成形金型（上パンチ１、下パンチ５、コアロッド６、臼構造体（２、３、４）等からなる。以下同様）によって形成されるキャビティ１０を兼用している。そのため、ボンド磁石用の混合粉を加熱空間に供給し、熱硬化樹脂の熱硬化前における熱硬化樹脂の軟化又は溶融化とを同期させながら加圧成形を行うことができ、熱硬化樹脂の熱硬化後にはボンド磁石の高密度化、ひいては高磁気特性化が容易に可能となる。そして、所望密度のボンド磁石を比較的低圧力で製造することができ、これにより、成形金型の寿命を向上させることができる。

[第２実施形態]
図６から図１０は、第２実施形態に係るボンド磁石の製造方法に用いられる粉末成形加工機２００を示す概略断面図である。
まず、図６を参照しながら、粉末成形加工機２００の基本構成を説明する。
粉末成形加工機２００は、上パンチ１１と、着磁ヨーク１２及び断熱部１３からなる組立体１８と、ダイ１４と、下パンチ１５と、円柱状のコアロッド１６とを備えている。

ダイ１４は、上パンチ１１及び下パンチ１５が摺動できる円柱空間の
キャビティ１０´を備え、粉末成形加工機２００に固定されている。
着磁ヨーク１２は、上パンチ１１に対して摺動可能に嵌合されて配置されるが、その内部に含まれる図示しない着磁手段は永久磁石を用いることができる。
それは、図６に示されるように、着磁ヨーク１２と着磁ヨーク１２の真下に隣接して一体的に配置される断熱部１３との組立体１８を、図示しない加熱手段を含むダイ１４から所定距離、隔離するためである。この所定距離の隔離空間と断熱部１３とによって、着磁手段の永久磁石が、加熱手段から発生する熱に第１実施形態よりも曝されることがないため、熱減磁によって当該永久磁石の磁力が低下することを防げられ、着磁手段としての機能が維持される。

上パンチ１１及び下パンチ１５は、第１実施形態で説明した上パンチ１及び下パンチ５と同様の構成を有し、また、断熱部１３、着磁ヨーク１２及びキャビティ１０´は、第１実施形態の断熱部３、着磁ヨーク２及びキャビティ１０と同様の構成を有するので、これらの説明は省略する。

次に、図６から図１０を参照して、粉末成形加工機２００を用いた、第２実施形態に係るボンド磁石１７の製造方法を以下説明する。
＜混合粉１７´´の充填工程：図６参照＞
第１実施形態と同様な方法で準備した永久磁石粉と熱硬化樹脂粉とを十分混合した混合粉１７´´を、キャビティ１０´に、鉛直下方から挿入された下パンチ１５を、キャビティ１０´内の適当な位置に配置し、ダイ１４、下パンチ１５及びコアロッド１６によって形成された空間に第１実施形態と同様な方法で充填する。

＜混合粉１７´´の圧縮成形及び加熱硬化工程：図７参照＞
次に、下パンチ１５で固定されている、ダイ１４の領域にある混合粉１７´´に対して鉛直上方から鉛直下方に向けて、上パンチ１１を駆動させて、混合粉１７´´の圧縮成形を行う。このとき同時に、図示しないダイ１４の加熱手段によって、混合粉１７´´中の磁石粉の磁性体のキュリー点よりも高い温度まで混合粉１７´´を昇温する。

＜多極着磁工程：図８参照＞
混合粉１７´´を加圧して圧縮成形すると同時に熱硬化樹脂を熱硬化すると被着磁体１７´が作製されるが、この被着磁体１７´を、組立体１８の着磁ヨーク１２の領域まで、下パンチ１５で押し上げる。着磁ヨーク１２の領域に被着磁体１７´を位置決めし、着磁ヨーク１２に含まれる図示しない永久磁石によって、被着磁体１７´が多極着磁されたボンド磁石１７を得る。

＜ボンド磁石１７の取出し工程：図９、１０参照＞
次に、上パンチ１１と上パンチ１１に嵌合された着磁ヨーク１２及び断熱材１３との組立体１８とを、鉛直上方に移動させ（図９）、下パンチ１５の上端部をダイ１４の頂面に一致させる（図１０）。それから、例えば、自然冷却されたボンド磁石１７を着磁ヨーク２の頂面上を滑らせながら採取し、円環状又は円筒状のボンド磁石１７を得る。

以上、第２実施形態によれば、粉末加工成形機２００において永久磁石が熱から遮断されるように配置されて熱減磁のおそれがなくなるため、被着磁体に対する着磁手段に永久磁石を使うことができる。併せて、第２実施形態によれば、第１実施形態に係るボンド磁石の製造法で得られるボンド磁石と同様な、好適な磁気特性を持ち、かつ、小型、小径化され、かつ、多極着磁されたボンド磁石の製造方法を提供することができる。また、永久磁石を着磁手段に使うと着磁用の電力が不要であり、コスト削減に貢献できるという利点がある。

尚、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
例えば、第２実施形態で着磁手段に永久磁石を用いたが、永久磁石の代わりに電磁石を用いてもよい。

２、１２：着磁ヨーク（着磁部）、３、１３：断熱部、４、１４：ダイ、７´´、１７´´：混合粉、７´、１７´：被着磁体、７、１７：ボンド磁石、１００、２００：粉末成形加工機。

Claims (4)

1. 加熱手段を含むダイと、着磁部と、前記ダイと前記着磁部との間に断熱部とを含む粉末成形用金型を備えた粉末成形加工機によってボンド磁石を製造する方法であって、
   前記ボンド磁石用の磁石粉末及び熱硬化性樹脂を混合した混合粉を加圧し、かつ前記熱硬化性樹脂を熱硬化して、未着磁の被着磁体を成形し、
   その後、前記加熱手段からの熱を前記断熱部で遮りながら前記被着磁体を前記着磁部で着磁してボンド磁石を製造することを特徴とするボンド磁石の製造方法。
2. 前記熱硬化する工程は、前記ボンド磁石用の磁石材料のキュリー点以上の温度まで昇温されることによってなされ、前記熱硬化後の前記未着磁の被着磁体は、キュリー点以上の温度を維持したまま前記着磁部に移動され、
   前記着磁部では、前記熱硬化後の前記未着磁の被着磁体に、キュリー点以上の温度からキュリー点未満の温度に下がるまで、着磁用の磁場を印加し続けることを特徴とする請求項１に記載のボンド磁石の製造方法。
3. 前記着磁する工程は、電磁石又は永久磁石によって印加される多極磁場で行われることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のボンド磁石の製造方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の製造方法によって製造されるボンド磁石。

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