JP2016205977A - 回転角検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マグネットの位置ずれや脱落を抑制して十分な検出精度を確保し得る回転角検出装置を提供する。
【解決手段】電動モータ４の出力軸４ａの一端側に一体回転可能に設けられたホルダ部材１０と、該ホルダ部材１０の一端側に設けられたマグネット収容部１１に収容保持されるマグネット２０と、該マグネット２０に対向配置され、前記出力軸４ａの回転角を検出する磁気センサ３とを備えた回転角検出装置１において、ホルダ部材１０の一端側にマグネット収容部１１を開口形成すると共に、他端側に該マグネット収容部１１と連通するように軸挿入部１２を開口形成し、軸挿入部１２側から流動性を有する状態で磁性材料をマグネット収容部１１内に充填することでマグネット２０とホルダ部材１０とを一体成形した。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転体の回転角を検出する回転角検出装置に関する。

従来の回転角検出装置としては、例えば以下の特許文献１に記載されたものが知られている。

この回転角検出装置は、回転軸と一体回転するマグネットと、該マグネットの磁界を検出する磁気センサと、から構成され、前記磁気センサの検出出力に基づいて前記回転軸の回転角度を検出するものである。

そして、前記回転軸と前記マグネットとは、所定の歯車部を介して回転方向の位置規制（回り止め）が行われると共に、プッシュナットによって軸方向の位置規制（抜け止め）を行われることで、一体回転可能に固定されている。

特開２００３−３２９８８号公報

しかしながら、前記従来の回転角検出装置では、別体に形成したマグネットを前記歯車部及びプッシュナットを介して前記回転軸に機械的に固定する構成となっているため、該マグネットの位置ずれや脱落を招来し、これによって、十分な検出精度を確保し得ないおそれがあった。

本発明は、かかる技術的課題に鑑みて案出されたもので、マグネットの位置ずれや脱落を抑制して十分な検出精度を確保し得る回転角検出装置を提供するものである。

本発明は、回転軸を中心に回転する回転体の回転軸方向の一端側に一体回転可能に設けられたホルダ部材と、前記ホルダ部材の前記回転軸方向の一端側に開口形成されたマグネット収容部と、前記マグネット収容部と連通するかたちで前記ホルダ部材の前記回転軸方向の他端側に開口形成され、前記回転体の前記回転軸方向の一端部が嵌挿される回転体挿入部と、磁性材料が流動性を有する状態で前記マグネット収容部に充填されることによって該マグネット収容部内に設けられ、前記回転体の回転方向においてＮ極とＳ極とが並ぶように設けられたマグネットと、前記マグネットと対向するかたちで配置され、前記回転体の回転に伴う前記マグネットの磁界の大きさ又は方向の変化を検出することによって前記回転体の回転角を検出する磁気センサと、を備えたことを特徴としている。

本発明によれば、マグネットと回転体を接続するホルダ部材にマグネットの材料となる磁性材料を直接充填することによってホルダ部材とマグネットとを一体に成形するため、別途マグネットを型成形してホルダ部材に固定する場合に比べて組立工数の削減を図ることができる。

本発明の第１実施形態に係る回転角検出装置の断面図である。 図１に示すマグネット部材単体の拡大断面図である。 図２に示すマグネット部材の要部拡大図である。 図２のＡ方向から見た矢視図である。 （ａ）はホルダ部材を成形型に正規に挿入した状態を表した断面図、（ｂ）はホルダ部材を成形型に逆方向から挿入した状態を表した断面図である。 図２に示すマグネットの射出成形工程に係る断面図であって、（ａ）はホルダ部材をキャビティに挿入した状態、（ｂ）はノズルを挿入した状態、（ｃ）は磁性材料を射出成形した状態、（ｄ）はノズル及びマグネット部材を離脱した状態、をそれぞれ表した図である。 図２に示すマグネット部材の電動モータへの取付工程を示す断面図である。 図２に示すマグネット部材の着磁工程を示す断面図である。 図３に示すマグネット部材の変形例である。 本発明の第２実施形態に係るマグネット部材の拡大断面図である。 本発明の第３実施形態を示し、（ａ）はマグネット部材の断面図、（ｂ）は同図（ａ）のＢ方向から見た矢視図である。

以下、本発明に係る回転角検出装置の各実施形態を図面に基づいて詳述する。

〔第１実施形態〕
図１〜図９は本発明に係る回転角検出装置の第１実施形態を示し、この回転角検出装置１は、図１に示すように、回転軸方向（図１の回転軸Ｚに沿う方向を指し、以下では単に「軸方向」と略称する。）の一端側が図示外の従動部材に接続され回転軸Ｚを中心に回転する回転体としての電動モータ４の出力軸４ａの他端側に一体回転可能に設けられたマグネット部材２と、該マグネット部材２と対向するかたちで配設された周知のＧＭＲ素子（磁気抵抗素子）であって前記出力軸４ａの回転に伴う前記マグネット部材２（後述するマグネット２０）の磁界の大きさ又は方向の変化を検出することにより前記出力軸４ａの回転角を検出する磁気センサ３と、から構成される。

前記マグネット部材２は、特に図１、図２に示すように、所定の磁性材料（本実施形態では鉄系金属材料）によりほぼ円筒状に形成されたホルダ部材１０と、該ホルダ部材１０の軸方向一端側（後述するマグネット収容部１１）に一体に成形されたマグネット２０とを備え、前記ホルダ部材１０の他端側（後述する軸挿入部１２）に前記電動モータ４の出力軸４ａの軸方向他端部が圧入されることにより、該出力軸４ａと一体回転可能となっている。

前記ホルダ部材１０は、前記磁気センサ３と対向する軸方向の一端側に、前記マグネット２０を収容保持する凹状のマグネット収容部１１が開口形成されると共に、軸方向の他端側に、前記電動モータ４の出力軸４ａの他端部に被嵌する凹状の回転体挿入部である軸挿入部１２が、前記マグネット収容部１１と連通するように開口形成されている。

前記マグネット収容部１１は、段差径状を呈し、ホルダ部材１０の軸方向の一端側に設けられ、マグネット収容部１１の内周壁と前記回転軸Ｚとの間の径方向距離Ｒが軸方向において一端側開口縁１１ａよりも長くなるように構成されたアンダーカット部１３と、ホルダ部材１０の軸方向他端側に前記アンダーカット部１３に対して段差縮径状に形成され、当該マグネット収容部１１内における前記マグネット２０の相対回転の規制に供する回転規制部１４と、を備える。

前記アンダーカット部１３は、前記径方向距離Ｒがマグネット収容部１１の一端側開口縁１１ａにおいて最も小さく、軸方向において一端側から他端側へと向かって漸次増大する円錐テーパ１３ａによって構成されている。そして、かかる円錐テーパ１３ａと該円錐テーパ１３ａからなるアンダーカット部１３内に磁性材料が充填されることでマグネット２０の外周部に突設される環状の係止突部２１との係止構造をもって、該マグネット２０の軸方向移動を規制し、該マグネット２０に対する抜け止め機能が発揮されるようになっている。

前記回転規制部１４は、その内周壁にほぼ螺旋状に形成された雌ねじ１４ａによって構成されている。そして、かかる雌ねじ１４ａの構造上、当該回転規制部１４単体では前記マグネット２０に対する回り止め機能を発揮し得ないが、前記アンダーカット部１３との組合せにより、すなわち前記アンダーカット部１３による係止構造によってマグネット２０の軸方向移動が規制されることで、前記マグネット２０に対する回り止め機能が発揮されるようになっている。

また、前記ホルダ部材１０には、図２、図５に示すように、軸方向の一端部外周に、後述するマグネット２０の射出成形に供する成形型３０のキャビティ３１内に突設された環状凸部３２と係合可能な環状凹部１５が凹設される一方（図５（ａ）参照）、他端部外周に、前記成形型３０の環状凸部３２と干渉してホルダ部材１０の前記キャビティ３１内への完全挿入を阻害する干渉部１６が設けられている。

すなわち、この干渉部１６は、ホルダ部材１０の一般部とほぼ同径の平坦状に形成されてなるもので、後述するマグネット２０の射出成形過程において、前記成形型３０に対し正常な方向（図５（ａ）参照）とは逆向きに挿入されたときに該成形型３０の環状凸部３２と干渉することによって（図５（ｂ）参照）、前記成形型３０のキャビティ３１への完全挿入が妨げられ、前記軸挿入部１２内にマグネット２０を成形するといった誤成形を抑制することが可能となっている。

前記マグネット２０は、図２に示すように、前記ホルダ部材１０を成形型の一部として利用することによって所定の磁性材料（本実施形態ではネオジム）を射出成形してなる、いわゆるボンド磁石であって、この磁性材料が流動性を有する状態で前記マグネット収容部１１（アンダーカット部１３及び回転規制部１４）内に充填されることによって、該マグネット収容部１１に一体に成形されている。

そして、このマグネット２０には、後述する着磁手段により着磁されることで、前記電動モータ４の出力軸４ａの回転方向においてＮ極とＳ極とが交互に並ぶことで構成されている。具体的には、一対の着磁部である第１Ｎ極着磁部Ｎ１及び第１Ｓ極着磁部Ｓ１と、第２Ｎ極着磁部Ｎ２及び第２Ｓ極着磁部Ｓ２とが、前記回転軸Ｚを挟んで互い違いの配置となるように設けられている。

また、前記マグネット２０は、図３、図７に示すように、その一端面２０ａが後述するマグネット部材２の圧入工程において後述する圧入用治具３６との当接面であるホルダ部材１０の一端面１０ａよりも軸方向他端側に僅かに凹むかたちで形成され、上端側に段差（およそ７０μｍ）状の凹部２２が構成されている。すなわち、かかる凹部２２を設けることで、前記マグネット部材２の圧入工程において、前記マグネット２０の一端面２０ａと前記圧入用治具３６との当接を抑制することが可能となっている。

また、前記マグネット２０の中央部には、図２に示すように、一定の内径を有する貫通孔２３が、軸方向に沿って貫通形成されている。そして、この貫通孔２３を設けることで、図７に示すように、マグネット部材２の軸挿入部１２内に電動モータ４の出力軸４ａを圧入する際に、当該貫通孔２３を通じて前記軸挿入部１２内の空気を抜くことが可能となっている（図７中の破線矢印参照）。

また、前記マグネット２０の軸方向他端面には、後述する射出成形ノズル３３の先端面に凹設された該ノズル３３を特定するための文字や記号等（本実施形態では数字）によって表された凹状の印部である凹印部３４と嵌合可能な凸状の印部である嵌合部としての凸印部２４が突設されている。

以下、前記回転角検出装置１の製造方法について、図６〜図８に基づいて説明する。

（マグネット部材の成形工程）
まず、図６（ａ）に示すように、前記ホルダ部材１０を、底面３１ａのほぼ中央部に前記貫通孔２３の形成に供するピン３５が立設された前記成形型３０のキャビティ３１内へと、軸方向一端側（マグネット収容部１１側）から前記ピン３５がマグネット収容部１１に挿通し、前記底面３１ａに一端面１０ａが当接するまで嵌挿する。

その後、図６（ｂ）に示すように、前記マグネット収容部１１への磁性材料の導入に供する射出成形ノズル３３を、前記成形型３０のキャビティ３１内に収容保持されたホルダ部材１０の軸挿入部１２内へと、該ホルダ部材１０の軸方向他端側から挿入する。

そして、図６（ｃ）示すように、前記射出成形ノズル３３より前記磁性材料をマグネット収容部１１（アンダーカット部１３及び回転規制部１４）内へと充填し、該マグネット収容部１１内に前記マグネット２０を射出成形することによって、ホルダ部材１０とマグネット２０とがマグネット部材２として一体に成形される。

こうして、前記マグネット部材２が完成すると、図６（ｄ）に示すように、ホルダ部材１０から前記射出成形ノズル３３を離脱した後、前記成形型３０のキャビティ３１からホルダ部材１０を離脱することによって、前記マグネット部材２の成形が完了する。

（マグネット部材の取付工程）
続いて、図７に示すように、前記マグネット部材２の圧入固定に供する圧入用治具３６をマグネット部材２の一端面（ホルダ部材１０の一端面１０ａ）に当接させ、該圧入用治具３６によって前記マグネット部材２の一端面（ホルダ部材１０の一端面１０ａ）を押圧して軸挿入部１２を電動モータ４の出力軸４ａの他端部へと押し込むことで、マグネット部材２を電動モータ４の出力軸４ａの他端部に圧入固定する。

そして、かかるマグネット部材２の圧入固定後、前記圧入用治具３６を退避させることによって、当該マグネット部材２の取付工程が完了する。

（マグネットの着磁工程）
続いて、図８に示すように、並列に配置されたＮ極用コイル３７Ｎ及びＳ極用コイル３７Ｓを、マグネット部材２の一端側にマグネット２０に対し近接して配置し、該各コイル３７Ｎ，３７Ｓに所定の電流を通電することで、前記マグネット２０を前述のように着磁して、前記第１Ｎ極着磁部Ｎ１及び第１Ｓ極着磁部Ｓ１と第２Ｎ極着磁部Ｎ２及び第２Ｓ極着磁部Ｓ２とを形成する（図２参照）。

そして、かかるマグネット２０の着磁後、前記各コイル３７Ｎ，３７Ｓを退避させることによって、当該マグネット２０の着磁工程が完了する。

以上のことから、本実施形態に係る回転角検出装置１によれば、マグネット２０と電動モータ４の出力軸４ａとを接続するホルダ部材１０に前記磁性材料を直接充填してホルダ部材１０とマグネット２０とをマグネット部材２として一体に成形するようにしたことにより、従来のように別途マグネットを型成形してホルダ部材に固定する場合に比べて、装置１の組立工数の削減を図ることができる。

また、前記ホルダ部材１０のマグネット収容部１１には、該マグネット収容部１１の内周壁と回転軸Ｚとの間の径方向距離Ｒが軸方向において一端側開口縁よりも長くなるアンダーカット部１３が設けられていることで、該アンダーカット部１３による係止構造をもってマグネット収容部１１からのマグネット２０の脱落を抑制することができる。

しかも、本実施形態では、前記アンダーカット部１３が、前記マグネット収容部１１の内周壁と回転軸Ｚとの間の径方向距離Ｒが軸方向一端側から他端側へと向かって漸次増大する前記円錐テーパ１３ａによって構成されていることから、マグネット収容部１１を機械加工（旋盤加工）によって形成する場合に特に有利となるメリットがある。

さらに、前記ホルダ部材１０のマグネット収容部１１には、該マグネット収容部１１内におけるマグネット２０の回転を規制する回転規制部１４が設けられていることから、該回転規制部１４によってマグネット２０の各磁極（Ｎ極、Ｓ極）の位相を維持することが可能となり、装置１による回転角の検出精度の向上に供される。

しかも、本実施形態では、前記回転規制部１４が、ほぼ螺旋状に形成された前記雌ねじ１４ａによって構成されていることから、セレーションのような軸方向溝状のものと比べて、比較的容易に機械加工できるメリットがある。

また、前記ホルダ部材１０には、ノズル挿入側となる前記軸挿入部１２側に、前記成形型３０の環状凸部３２と干渉する干渉部１６が設けられているため、成形型３０に対しホルダ部材１０を正常な向きとは逆の向きに挿入する、いわゆる逆挿入時には前記干渉部１６が前記環状凸部３２と干渉することとなり、該干渉作用によってホルダ部材１０の前記逆挿入の発見及び抑止に供され、該逆挿入を容易に防止することができる。

さらに、前記マグネット２０の軸方向他端面には、前記射出成形ノズル３３の先端面に凹設された該ノズル３３を特定するための凹印部３４と嵌合可能な凸印部２４が設けられていることで、前記射出成形にあたって複数のノズル３３を使用する場合でも、製品毎に使用されたノズル３３を特定することが可能となる。その結果、特定のノズル３３や図示外の充填装置自体に異常が生じた場合でも、そのノズル３３ないし図示外の充填装置を用いて製造された製品を容易に選別できるメリットがある。

また、本実施形態では、前記ホルダ部材１０が磁性材料で形成されていることから、この磁性材料によって形成されたホルダ部材１０が外部からの磁界を吸収することとなって、回転角検出用の磁界への影響を抑制することができ、回転角の検出精度の向上に供されることとなる。

また、前記マグネット部材２では、ホルダ部材１０の一端面１０ａに対してマグネット２０の一端面２０ａを凹ませる、すなわちマグネット２０の上端側に前記段差状の凹部２２を設ける構成としたことから、この凹んだマグネット２０の部分については前記電動モータ４の出力軸４ａの圧入作業時に前記圧入用治具３６と当接するおそれがないため、該マグネット２０の損傷を抑制することが可能となっている。

なお、前記マグネット２０の凹設については、前述のような当該マグネット２０の一端面２０ａ全体をホルダ部材１０の一端面１０ａよりも凹ませて構成する形態のほかに、例えば図９に示すように、マグネット収容部１１の一端側開口縁の領域に相当する周縁部２５を、ホルダ部材１０の一端面１０ａとほぼ同一平面を構成するように形成し、前記周縁部２５よりも回転軸Ｚ寄りの所定領域に相当する中央部を前記ホルダ部材１０の一端面１０ａよりも軸方向他端側へと凹ませてなる凹部２２として構成することも可能である。このように、内周側の一部の領域のみを前記凹部２２として構成した場合には、該凹部２２の形成に供する成形型３０の凸部３０ｂがマグネット収容部１１の一端側開口縁１１ａと接触するおそれがなく、ホルダ部材１０及び成形型３０の損傷を抑制できるメリットがある。

さらに、前記マグネット部材２では、マグネット２０の軸方向に沿う貫通孔２３が貫通形成されていることで、前記電動モータ４の出力軸４ａの圧入作業時に前記貫通孔２３を通じて軸挿入部１２内の空気を抜くことができるため、電動モータ４の出力軸４ａの良好な圧入作業の確保に供される。

〔第２実施形態〕
図１０は本発明に係る回転角検出装置の第２実施形態を示したものであって、前記第１実施形態に係るアンダーカット部１３の構成を変更したものである。

なお、本実施形態においても、回転角検出装置１の基本構成は前記第１実施形態と同様であるため、前記第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付すことによって、具体的な説明については省略する（以下、各実施形態において同じ。）。

すなわち、本実施形態では、前記アンダーカット部１３が、その軸方向中間部のみを拡径形成することによって形成される環状溝１３ｂとして構成され、かかる環状溝１３ｂと該環状溝１３ｂからなるアンダーカット部１３内に磁性材料が充填されることでマグネット２０の外周に突設される環状突部２６との係止構造をもって、該マグネット２０の軸方向移動が規制され、該マグネット２０に対する抜け止め機能が発揮されるようになっている。

このように、前記アンダーカット部１３は、前記第１実施形態のような円錐テーパ１３ａによるものに限定されるものではなく、マグネット収容部１１における軸方向の少なくとも一部の前記径方向距離Ｒがマグネット収容部１１の一端側開口縁１１ａよりも長くなるように構成されていればよく、かかる拡径部（前記環状溝１３ｂが相当）内に充填される磁性材料により形成される係止突部（前記環状突部２６が相当）との係止構造をもって、前記第１実施形態のように前記マグネット２０の抜け止めを図ることができる。

〔第３実施形態〕
図１１は本発明に係る回転角検出装置の第３実施形態を示したものであって、前記第１実施形態に係る回転規制部１４の構成を変更したものである。

すなわち、本実施形態では、前記回転規制部１４が、その周方向の所定位置（本実施形態ではほぼ１８０°間隔）に配置されたセレーションのような軸方向溝１４ｂによって構成され、かかる軸方向溝１４ｂと該軸方向溝１４ｂからなる回転規制部１４内に磁性材料が充填されることでマグネット２０の外周に突設される係止突条２７との係止構造をもって、該マグネット２０の回転方向移動が規制され、該マグネット２０に対する回り止め機能が発揮されるようになっている。

このように、前記回転規制部１４は、前記第１実施形態のような雌ねじ１４ａによるものに限定されるものではなく、前述のようなホルダ部材１０とマグネット２０との係止構造をもって相対回転規制を行うようにしてもよい。なお、かかる係止構造の場合には、前記回転規制部１４単体でホルダ部材１０とマグネット２０との相対回転規制が可能となるため、該両者１０，２０のより良好な回り止めが図れるメリットがある。

本発明は、前記各実施形態の構成に限定されるものではなく、例えばホルダ部材及びマグネット２０の具体的形状や、マグネット２０の前記各磁極Ｎ１，Ｎ２，Ｓ１，Ｓ２の配置など、前記作用効果を奏し得る形態であれば、適用する電動モータの仕様等に応じて自由に変更できることは言うまでもない。

１…回転角検出装置
３…磁気センサ
４ａ…電動モータの出力軸（回転体）
１０…ホルダ部材
１１…マグネット収容部
１２…軸挿入部（回転体挿入部）
２０…マグネット
Ｎ１，Ｎ２…第１、第２Ｎ極着磁部（Ｎ極）
Ｓ１，Ｓ２…第１、第２Ｓ極着磁部（Ｓ極）
Ｚ…回転軸

Claims (11)

1. 回転軸を中心に回転する回転体の回転軸方向の一端側に一体回転可能に設けられたホルダ部材と、
   前記ホルダ部材の前記回転軸方向の一端側に開口形成されたマグネット収容部と、
   前記マグネット収容部と連通するかたちで前記ホルダ部材の前記回転軸方向の他端側に開口形成され、前記回転体の前記回転軸方向の一端部が嵌挿される回転体挿入部と、
   磁性材料が流動性を有する状態で前記マグネット収容部に充填されることによって該マグネット収容部内に設けられ、前記回転体の回転方向においてＮ極とＳ極とが並ぶように設けられたマグネットと、
   前記マグネットと対向するかたちで配置され、前記回転体の回転に伴う前記マグネットの磁界の大きさ又は方向の変化を検出することによって前記回転体の回転角を検出する磁気センサと、
   を備えたことを特徴とする回転角検出装置。
2. 前記マグネット収容部は、該マグネット収容部の内周壁と前記回転軸との間の径方向距離が、前記回転軸方向において該回転軸方向の一端側の開口縁よりも長くなるアンダーカット部を有することを特徴とする請求項１に記載の回転角検出装置。
3. 前記マグネット収容部は、該マグネット収容部の内周壁と前記回転軸との間の径方向距離が、前記回転軸方向において前記一端側から他端側へと向かって漸増するように形成されることを特徴とする請求項２に記載の回転角検出装置。
4. 前記マグネット収容部は、該マグネット収容部内における前記マグネットの回転を規制する回転規制部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の回転角検出装置。
5. 前記回転規制部は、前記マグネット収容部の内周側に切欠形成された螺旋状の溝部によって構成されることを特徴とする請求項４に記載の回転角検出装置。
6. 前記磁性材料は、前記マグネット収容部の前記一端側開口を閉塞するかたちで前記ホルダ部材を包囲する成形型に収容された状態で前記マグネット収容部内に充填され、
   前記ホルダ部材は、前記成形型に対して正常な方向とは逆向きに挿入されたときに該成形型と干渉する干渉部を有することを特徴とする請求項１に記載の回転角検出装置。
7. 前記磁性材料は、所定のノズルから噴出されることで前記マグネット収容部内に充填され、
   前記マグネットは、前記ノズルの先端に設けられた該ノズルを特定するための印と嵌合する嵌合部を有することを特徴とする請求項１に記載の回転角検出装置。
8. 前記ホルダ部材は、磁性材料で形成されることを特徴とする請求項１に記載の回転角検出装置。
9. 前記回転体は、所定の治具を用いることで圧入によって前記回転体挿入部に嵌挿され、
   前記ホルダ部材は、前記回転軸方向の一端面に、前記回転体を圧入する際に前記治具に当接する当接面を有し、
   前記マグネットは、前記回転軸方向の一端面の少なくとも一部が前記ホルダ部材の前記当接面よりも他端側に凹むかたちで形成されることを特徴とする請求項１に記載の回転角検出装置。
10. 前記マグネットは、
    前記ホルダ部材の前記一端側開口が前記成形型により閉塞された状態で前記マグネット収容部に前記磁性材料が充填されることによって形成され、
    前記一端面のうち前記ホルダ部材の前記一端側開口の開口縁よりも前記回転軸側の所定領域が前記当接面よりも前記他端側に凹設されてなる凹部と、
    前記凹部よりも前記一端側開口の開口縁側の領域が前記当接面とほぼ同一の平面を構成するように形成された周縁部と、
    を有することを特徴とする請求項９に記載の回転角検出装置。
11. 前記マグネットは、前記回転軸方向に沿って貫通する貫通孔を有することを特徴とする請求項１に記載の回転角検出装置。

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