JP2020162283A - 誘電エラストマーアクチュエータの駆動方法及びアクチュエータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】印加開始後初期における誘電エラストマーアクチュエータの温度上昇を低減し、絶縁破壊電圧の低下を防止する。【解決手段】誘電エラストマー成形体を第１電極と第２電極とで挟んだ構造を有する誘電エラストマーアクチュエータの駆動方法において、第１電極と第２電極との間に、誘電エラストマーアクチュエータが必要量の変位を発生させるのに必要な駆動電圧よりも低い初動電圧を、印加開始後所定時間印加した後、前記駆動電圧を印加する。【選択図】図２

Description

本発明は、誘電エラストマーアクチュエータの駆動方法及びアクチュエータ装置に関するものである。

誘電エラストマーアクチュエータは、誘電エラストマー成形体を２つの電極で挟んだ基本構造を有する駆動装置である（特許文献１，２）。２つの電極間に電圧を印加すると、電極間に発生したクーロン力により、誘電エラストマー成形体は、電極間方向に収縮変形し、その直角方向に伸長変形するので、これらの変形を駆動用の変位として取り出す駆動装置となる。これらの変形の量ひいては変位は、印加する電圧によって変わるため、誘電エラストマーアクチュエータが必要量の変位を発生させるのに必要な駆動電圧を印加することになる。

従来の誘電エラストマーアクチュエータの駆動方法（電圧の印加方法）は、２つの電極間に、前記駆動電圧を印加開始時から印加するというものであった。

特開２０１０−８６８６４号公報 特開２０１７−６６３１８号公報

しかし、前記駆動電圧が高い場合に、駆動電圧を印加開始時から印加すると、印加開始後初期に過大な電流(吸収電流)が流れ、アクチュエータが発熱して温度上昇することがある。アクチュエータの温度上昇は、絶縁破壊電圧の低下を起こして、絶縁破壊を加速するため、問題となる。

この発熱の原因は、現時点では判明していないが、誘電エラストマー成形体の内部に正極性又は負極性のどちらかに偏って存在する空間電荷が関連しているものと推定される。

そこで、本発明の目的は、印加開始後初期における誘電エラストマーアクチュエータの温度上昇を低減し、絶縁破壊電圧の低下を防止することにある。

本発明者らは、種々検討した結果、印加する電圧が高くなるほど、吸収電流が大きくなる傾向があること、また、ある程度の電荷が流れると、吸収電流がなくなり、漏れ電流のみになる現象を見出し、さらに検討を重ねて本発明に至った。

［１］誘電エラストマーアクチュエータの駆動方法
誘電エラストマー成形体を第１電極と第２電極とで挟んだ構造を有する誘電エラストマーアクチュエータの駆動方法において、
第１電極と第２電極との間に、誘電エラストマーアクチュエータが必要量の変位を発生させるのに必要な駆動電圧よりも低い初動電圧を、印加開始後所定時間印加した後、前記駆動電圧を印加することを特徴とする誘電エラストマーアクチュエータの駆動方法。

［２］アクチュエータ装置
誘電エラストマー成形体を第１電極と第２電極とで挟んだ構造を有する誘電エラストマーアクチュエータと、第１電極と第２電極との間に電圧を印加する電圧印加装置とを含むアクチュエータ装置であって、
電圧印加装置は、第１電極と第２電極との間に、誘電エラストマーアクチュエータが必要量の変位を発生させるのに必要な駆動電圧よりも低い初動電圧を、印加開始後所定時間印加した後、前記駆動電圧を印加する装置であることを特徴とするアクチュエータ装置。

＜作用＞
誘電エラストマーアクチュエータが必要量の変位を発生させるのに必要な駆動電圧よりも低い初動電圧を、印加開始後所定時間印加した後、前記駆動電圧を印加すると、過大な吸収電流が抑制され、その結果、誘電エラストマーアクチュエータの温度上昇が抑制される。

本発明によれば、印加開始後初期における誘電エラストマーアクチュエータの温度上昇を抑制し、絶縁破壊電圧の低下を防止することができるという優れた効果を奏する。

図１は実施例の誘電エラストマーアクチュエータを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は拡大断面図である。 図２は実施例１の駆動方法を比較例と対比して示し、（ａ）は電圧−時間曲線を示すグラフ図、（ｂ）は電流−時間曲線を示すグラフ図、（ｃ）は温度−時間曲線を示すグラフ図である。 図３は実施例２の駆動方法を比較例と対比して示し、（ａ）は電圧−時間曲線を示すグラフ図、（ｂ）は電流−時間曲線を示すグラフ図、（ｃ）は温度−時間曲線を示すグラフ図である。 図４は実施例３の駆動方法を比較例と対比して示し、（ａ）は電圧−時間曲線を示すグラフ図、（ｂ）は電流−時間曲線を示すグラフ図、（ｃ）は温度−時間曲線を示すグラフ図である。 図５は実施例４の駆動方法を比較例と対比して示し、（ａ）は電圧−時間曲線を示すグラフ図、（ｂ）は電流−時間曲線を示すグラフ図、（ｃ）は温度−時間曲線を示すグラフ図である。 図６は実施例５の駆動方法を比較例と対比して示し、（ａ）は電圧−時間曲線を示すグラフ図、（ｂ）は電流−時間曲線を示すグラフ図、（ｃ）は温度−時間曲線を示すグラフ図である。

［１］誘電エラストマー成形体
誘電エラストマー成形体は、誘電エラストマーからなり、誘電エラストマー以外の成分を含んでいてもよい。
誘電エラストマーとしては、特に限定されないが、シリコーンエラストマー、スチレン系熱可塑性エラストマー、天然ゴム、ニトリルゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、ウレアゴム、フッ素ゴム、架橋ポリロタキサン等を例示できる。
これら種々の誘電エラストマーを検討したところ、ウレタン系エラストマーは、上述したように印加開始後初期に過大な吸収電流が流れやすい。よって、誘電エラストマーとしてウレタン系エラストマーを用いる場合に、本発明は特に好適である。ウレタン系エラストマーとしては、ポリロタキサンと架橋剤とがウレタン結合で結合されている架橋ポリロタキサン、ウレタンゴム等を例示できる。

誘電エラストマー成形体の形態としては、特に限定されないが、膜、線、短冊、リング、棒、塊等を例示できる。また、膜等は別の基材上に塗工されたものであってもよい。

誘電エラストマー成形体は、変位を大きく取れる点で、２以上の膜状の誘電エラストマー成形体と３以上の電極とを交互に（第１電極／誘電エラストマー成形体／第２電極／誘電エラストマー成形体／第１電極・・・）積層したものが好ましい。この場合、２以上の誘電エラストマー成形体は、互いに同一材料でもよいし異材料でもよい。異材料としては、架橋ポリロタキサンとそれ以外の誘電エラストマーとの併用を例示できる。
積層数は、特に限定されないが、誘電エラストマー層の層数で表すと、２〜１９０が好ましく、１０〜１５０がより好ましい。

上記において、ポリロタキサンは、環状分子に直鎖状分子が相対スライド可能に貫通し、直鎖状分子の両末端に配された封鎖基により環状分子が脱離しない構造の分子集合体であり（例えば国際公開第２００５／０８０４６９号）、スライドリングマテリアルとも称されている。ポリロタキサンは、特定の環状分子、直鎖状分子、封鎖基を有するものに限定されない。
環状分子としては、シクロデキストリン、クラウンエーテル、シクロファン、カリックスアレーン、ククルビットウリル、環状アミド等を例示できる。
直鎖状分子としては、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリテトラヒドロフラン等のポリエーテル類、ポリ乳酸等のポリエステル類、６−ナイロン等のポリアミド類、ポリイソプレン、ポリブタジエン等のジエン系重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリビニルアルコール、ポリビニルメチルエーテル、ポリイソブチレン等のビニル重合体や、ポリジメチルシロキサン等を例示できる。
封鎖基としては、ジニトロフェニル基類、シクロデキストリン類、アダマンタン基類、トリチル基類、フルオレセイン類、ピレン類、置換ベンゼン類（置換基として、アルキル、アルキルオキシ、ヒドロキシ、ハロゲン、シアノ、スルホニル、カルボキシル、アミノ、フェニルなどを例示できる。）、置換されていてもよい多核芳香族類（置換基として、上記と同じものを例示できる。）、ステロイド類等を例示できる。
現在、最も一般的なポリロタキサンは、環状分子としてシクロデキストリン、直鎖状分子としてポリエチレングリコールを用いたものである。

そして、架橋ポリロタキサンは、隣接するポリロタキサンの環状分子間が架橋剤で架橋されたものであり、誘電率が高いことと、粘弾性等のユニークな力学的特性から、誘電エラストマーアクチュエータの誘電エラストマー成形体に適している。架橋剤は、特定のものに限定されない。
架橋剤としては、塩化シアヌル、トリメソイルクロリド、テレフタロイルクロリド、エピクロロヒドリン、ジブロモベンゼン、グルタールアルデヒド、脂肪族多官能イソシアネート、芳香族多官能イソシアネート、ジイソシアン酸トリレイン、ヘキサメチレンジイソシアネート、ジビニルスルホン、１，１‘−カルボニルジイミダゾール、アルコキシシラン類、およびそれらの誘導体、両末端にイソシアネートを有する重合体（例えば、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール等）、ポリシロキサンを含有するブロック共重合体（ポリカプロラクトン−ポリシロキサンブロック共重合体、ポリアジペート−ポリシロキサンブロック共重合体、ポリエチレングリコール−ポリシロキサンブロック共重合体等）等を例示できる。

［２］第１電極及び第２電極
第１電極及び第２電極は、誘電エラストマー成形体の変形に追従して変形できるものであり、特に限定されないが、導電性粒子からなる導電性膜、導電性粒子を含む導電性塗膜、導電性粒子を含む導電性エラストマー成形体等を例示できる。
ここで、導電性粒子としては、特に限定されないが、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、白金、金、銀、銅、ニッケル等の粒子等を例示できる。
導電性塗膜の樹脂成分としては、特に限定されないが、フタル酸系、アクリル系、ウレタン系、エポキシ系、ビニル系等の樹脂を例示できる。
導電性エラストマー成形体のエラストマー成分としては、特に限定されないが、上記［１］で例示した誘電エラストマーを例示できる。

［３］駆動電圧
駆動電圧（実効値）は、特に限定されないが、９００Ｖ以上が好ましく、１０００Ｖ以上がより好ましい。駆動電圧が９００Ｖ以上と高い場合に過大な吸収電流が流れやすく、それを抑制できる本発明が特に有益となるからである。駆動電圧の上限は、特にないが、敢えていえば５０００Ｖである。
駆動電圧の波形は、特に限定されず任意であり、直流、矩形波、正弦波等を例示できる。

［４］初動電圧
初動電圧（実効値）は、駆動電圧よりも低ければ一定の電圧でも変化する電圧でもよく、特に限定されないが、次の態様を例示できる。
（ア）初動電圧は、一定の電圧である。
（イ）初動電圧は、傾斜線状に上昇する電圧である。傾斜線状としては、一直線状、曲線状、折れ線状等を例示できる。
（ウ）初動電圧は、段階的に上昇する電圧である。段階数は、特に限定されない。
（エ）初動電圧は、第１電極と第２電極との間に流れる電量が所定電流以下となるように制御される。所定電流は、適宜設定でき、例えば駆動電圧を印加開始時から印加した場合に流れる吸収電流のピーク値の７０％の電流、好ましくは５０％の電流に設定することができる。
（オ）初動電圧は、誘電エラストマーアクチュエータの表面温度が所定温度以下となるように制御される。所定温度は、適宜設定でき、例えば駆動電圧を印加開始時から印加した場合に到達する表面温度のピーク値よりも３℃低い温度、好ましくは５℃低い温度に設定することができる。
上記態様（ア）〜（オ）は、適宜組み合わせることもできる。

初動電圧の波形は、特に限定されず任意であり、直流、矩形波、正弦波等を例示できる。

初動電圧を印加する印加開始後の「所定時間」は、特に限定されないが、１秒以上が好ましく、１０秒以上がより好ましく、２０秒以上が最も好ましい。１秒未満では、誘電エラストマー成形体に電荷が充分に流れないからである。所定時間の上限は、特にないが、敢えていえば６０分である。

以下、本発明を具体化した誘電エラストマーアクチュエータの駆動方法及び電圧印加装置の実施例について、次の順に説明する。なお、本発明は本実施例に限定されるものではない。
＜１＞誘電エラストマー成形体（架橋ポリロタキサン成形体）の作製
＜２＞電極（導電性エラストマー成形体）の作製
＜３＞誘電エラストマーアクチュエータの作製
＜４＞駆動試験

＜１＞誘電エラストマー成形体（架橋ポリロタキサン成形体）の作製
本出願人が先に提案した、特開２０１７−６６３１８号公報の実施例１と同様のポリロタキサン組成物を作製した。
すなわち、まず、同公報に開示された、ポリロタキサンＡと、ポリシロキサンを含有するブロック共重合体Ｂと、ポリシロキサンを含有しない重合体Ｃとを作製した。
ポリロタキサンＡは、具体的には、環状分子としてシクロデキストリンを含有し、直鎖状分子としてポリエチレングリコールを含有し、直鎖状分子の両末端に封鎖基が配置されたものである。本例のポリロタキサンＡは、さらに溶化性や相溶性を得るため、カプロラクトン基を有するものである。
ポリシロキサンを含有するブロック共重合体Ｂは、ポリシロキサン（シリコーン成分）により耐湿性を向上させるものであり、具体的には、末端ブロックイソシアネート基を有するポリカプロラクトン−ポリジメチルシロキサン−ポリカプロラクトンのブロック共重合体である。同共重合体Ｂの添加は任意である。
ポリシロキサンを含有しない重合体Ｃは、ポリロタキサンとの相溶性が高く、これを含むことで高誘電率と低弾性を実現するものであり、具体的には、末端ブロックイソシアネート基を有するポリプロピレングリコールである。同重合体Ｃの添加は任意である。
これらとその他の成分を、次に示す配合（配合数値は質量部）で加えて攪拌し、よく脱泡して、ポリロタキサン組成物溶液を調製した。
ポリロタキサンＡ １０
ポリシロキサンブロック共重合体Ｂ ４．９
重合体Ｃ １０．５
ポリプロピレングリコールジオール ４．７
メチルセロソルブ ２５．９
ジラウリル酸ジブチルスズ ０．０１４
ＤＢＬ−Ｃ３１（ＧＥＬＥＳＴ社製） ０．１４
ＩＲＧＡＮＯＸ１７２６（ＢＡＳＦ社製） ０．４２

上記ポリロタキサン組成物溶液を、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）板の上にスリットダイコータ法により塗布し、厚さ５０μｍのポリロタキサン成形体（膜）を形成した。続いて、ＰＥＴ板付きのポリロタキサン成形体を、１３０℃のオーブン内に減圧条件下で５時間おいて架橋・硬化させ、硬化した架橋ポリロタキサン成形体（誘電エラストマー成形体）をＰＥＴ板から剥がした。

＜２＞電極（導電性エラストマー成形体）の作製
シリコーンエラストマーとその他の成分を、次に示す配合（配合数値は質量部）で加えて攪拌し、よく脱泡して、エラストマー組成物溶液を作製した。カーボン粒子は、エラストマー成形体に導電性を付与するものである。
シリコーンエラストマー １０
有機溶媒（ヘプタン） ３００
カーボン粒子（ケッチェンブラック） １

上記エラストマー組成物溶液を、ＰＥＴ板の上にスリットダイコータ法により塗布し、厚さ１０μｍの導電性エラストマー成形体（膜）を形成した。続いて、ＰＥＴ板付きの導電性エラストマー成形体を、１００℃のオーブン内に減圧条件下で２４時間おいて架橋・硬化させ、硬化した導電性エラストマー成形体をＰＥＴ板から剥がした。

＜３＞誘電エラストマーアクチュエータの作製
上記架橋ポリロタキサン成形体と導電性エラストマー成形体を、それぞれ表面プラズマ処理した。
図１（ａ）に示すように、架橋ポリロタキサン成形体を１４ｍｍ×１５ｍｍの長方形に切断して、誘電エラストマー成形体３とした。また、導電性エラストマー成形体を１０ｍｍ×１２．５ｍｍの長方形に切断して、第１電極１及び第２電極２とした。

図１（ｂ）（ｃ）に示すように、１０層の誘電エラストマー成形体３と、６層の第１電極１と、５層の第２電極２とを交互に（第１電極１／誘電エラストマー成形体３／第２電極２／誘電エラストマー成形体３／第１電極１・・・第１電極１）積層した。この１０層の誘電エラストマー成形体３が電圧印加により変形するものである。さらに、最上層の第１電極１の上と、最下層の第１電極１の下に、それぞれ電極保護のための保護層４を積層した。保護層４には誘電エラストマー層３と同じものを用いた。

第１電極１と第２電極２は、上記１２．５ｍｍの長さ方向に２．５ｍｍずらして配されることにより、図１（ａ）に示すように、平面視で１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形領域で誘電エラストマー成形体３を挟んでいる。また、２．５ｍｍずらした部分にはシリコーンエラストマーからなる厚さ１０μｍの外埋め層５が設けられ、誘電エラストマー成形体３に段が付かないようになっている。

こうしてできた積層体を真空加熱プレス機にかけ、真空度１００Ｐａ以下、加熱温度１００℃の下で、圧力０．６７ＭＰａで５分圧着して接合した。積層体の一方の側面に銀粒子を含むシリコーンエラストマーを塗布して架橋・硬化させ、すべての第１電極１に導通する第１外部電極６を形成した。また、積層体の他方の側面に銀粒子を含むシリコーンエラストマーを塗布して架橋・硬化させ、すべての第２電極２に導通する第２外部電極７を形成した。第１電極１と第２電極２とは電気的につながっていない。こうして、誘電エラストマーアクチュエータ１０を作製した。

さらに、誘電エラストマーアクチュエータ１０を、接着剤１１（例えばウレタン系接着剤）により、基板１２（例えばガラス繊維強化エポキシ樹脂基板）に接着した。

＜４＞駆動試験
図１（ｃ）に示すように、誘電エラストマーアクチュエータ１０の第１外部電極６と第２外部電極７に電圧印加装置２０を接続し、その途中に保護抵抗（１ＫΩ）を直列に入れ、第１電極１と第２電極２との間に比較例及び実施例１〜５の各電圧プロフィールで直流電圧を印加する試験（駆動方法）を行った。試験環境は、温度２５℃、湿度４０％以下の大気中である。電流計で保護抵抗での電圧降下を検出することにより電流値を測定した。また、誘電エラストマーアクチュエータ１０の表面温度をサーモグラフィを用いて測定した。

第１電極１と第２電極２との間に電圧を印加すると、電極間に溜まった電荷のクーロン力により、図１（ｂ）に示すように、誘電エラストマー成形体３は、電極間方向に収縮変形し、その直角方向に伸長変形するので、これらの変形を駆動用の変位として取り出す駆動装置となる。比較例及び実施例１〜５では、誘電エラストマーアクチュエータ１０が必要量の変位を発生させるのに必要な駆動電圧を、１２００Ｖとした。

図２〜図６に、実施例１〜５の電圧プロフィールと電流と表面温度の経時変化曲線を、それぞれ比較例と対比して示す。なお、測定開始と電圧印加開始とは同期しておらず、いずれの曲線も横軸は測定開始からの経過時間（秒）であり、測定開始から５秒遅れて電圧印加が開始された。

比較例は、測定開始から５秒後に１２００Ｖの駆動電圧を印加開始した例である。印加直後に吸収電流のピーク値が約１００μＡとなり、印加開始から約３３秒後に表面温度が約３７．５℃に達した。

実施例１は、測定開始から５秒後〜６５秒後の６０秒間で０Ｖから１２００Ｖの直前まで一直線の傾斜線状に上昇する初動電圧を印加した後、１２００Ｖの駆動電圧を印加した例である。印加開始から約７１秒後に吸収電流のピーク値が約３８μＡとなり、印加開始から約１００秒後に表面温度が約３１．６℃に達した。

実施例２は、測定開始から５秒後〜３５秒後の３０秒間で０Ｖから６００Ｖまで、３５秒後〜９５秒後の６０秒間で６００Ｖから１０００Ｖまで、９５秒後〜１５５秒後の６０秒間で１０００Ｖから１２００Ｖの直前まで折れ線の傾斜線状に上昇する初動電圧を印加した後、１２００Ｖの駆動電圧を印加した例である。印加開始から約５４秒後に吸収電流のピーク値が約３１μＡとなり、表面温度のピーク的上昇は見られなかった。

実施例３は、測定開始から５秒後〜６５秒後の６０秒間、６００Ｖで一定の初動電圧を印加した後、１２００Ｖの駆動電圧を印加した例である。印加開始から約８秒後と約６７秒後に吸収電流のピーク値がそれぞれ約３２μＡと約４１μＡとなり、印加開始から約８３秒後に表面温度が約２９．２℃に達した。

実施例４は、測定開始から５秒後〜６５秒後の６０秒間、８００Ｖで一定の初動電圧を印加した後、１２００Ｖの駆動電圧を印加した例である。印加開始から約１４秒後と約７７秒後に吸収電流のピーク値がそれぞれ約４８μＡと約３７μＡとなり、印加開始から約８８秒後に表面温度が約２９．７℃に達した。

実施例５は、測定開始から５秒後〜６５秒後の６０秒間は６００Ｖ、６５秒後〜１２５秒後の６０秒間は１０００Ｖと、段階的に上昇する初動電圧を印加した後、１２００Ｖの駆動電圧を印加した例である。印加開始から約１６秒後と約７１秒後と約１３１秒後に吸収電流のピーク値がそれぞれ約３６μＡと約３６μＡと約２７μＡとなり、印加開始から約７７秒後に表面温度が約３０．１℃に達した。

以上のとおり、実施例１〜５は、比較例に対して、吸収電流のピーク値が３１〜４８％に低下し、表面温度のピーク値が５．９℃以上低下した。

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜変更して具体化することができる。

１ 第１電極
２ 第２電極
３ 誘電エラストマー成形体
４ 保護層
５ 外埋め層
６ 第１外部電極
７ 第２外部電極
１０ 誘電エラストマーアクチュエータ
１１ 接着剤
１２ 基板
２０ 電圧印加装置

Claims (9)

1. 誘電エラストマー成形体を第１電極と第２電極とで挟んだ構造を有する誘電エラストマーアクチュエータの駆動方法において、
   第１電極と第２電極との間に、誘電エラストマーアクチュエータが必要量の変位を発生させるのに必要な駆動電圧よりも低い初動電圧を、印加開始後所定時間印加した後、前記駆動電圧を印加することを特徴とする誘電エラストマーアクチュエータの駆動方法。
2. 初動電圧は、一定の電圧である請求項１記載の誘電エラストマーアクチュエータの駆動方法。
3. 初動電圧は、傾斜線状に上昇する電圧である請求項１記載の誘電エラストマーアクチュエータの駆動方法。
4. 初動電圧は、段階的に上昇する電圧である請求項１記載の誘電エラストマーアクチュエータの駆動方法。
5. 初動電圧は、第１電極と第２電極との間に流れる電量が所定電流以下となるように制御される請求項１記載の誘電エラストマーアクチュエータの駆動方法。
6. 初動電圧は、誘電エラストマーアクチュエータの表面温度が所定温度以下となるように制御される請求項１記載の誘電エラストマーアクチュエータの駆動方法。
7. 誘電エラストマー成形体は、ウレタン系エラストマーよりなる請求項１〜６のいずれか一項に記載の誘電エラストマーアクチュエータの駆動方法。
8. ウレタン系エラストマーは、ポリロタキサンと架橋剤とがウレタン結合で結合されているものである請求項７記載の誘電エラストマーアクチュエータの駆動方法。
9. 誘電エラストマー成形体を第１電極と第２電極とで挟んだ構造を有する誘電エラストマーアクチュエータと、第１電極と第２電極との間に電圧を印加する電圧印加装置とを含むアクチュエータ装置であって、
   電圧印加装置は、第１電極と第２電極との間に、誘電エラストマーアクチュエータが必要量の変位を発生させるのに必要な駆動電圧よりも低い初動電圧を、印加開始後所定時間印加した後、前記駆動電圧を印加する装置であることを特徴とするアクチュエータ装置。

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