JP5718954B2 - 圧電トランス - Google Patents

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本発明は、電子機器類の電源回路に用いられる圧電トランスに関する。
一般的に圧電トランスは、圧電体を基板に直接実装されたり、あるいは、圧電体をケースに収容された上で基板に実装されたりする。またケースに収容された圧電体をケース内で固定させる先行技術が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
この先行技術では、ケースの上面及び下面に設けられた突起によって圧電素子(圧電体)を挟み込んだ状態で支持する構成を採用しており、突起と圧電素子との間には、さらに弾性接着剤を介在させている。このような構成によれば、弾性接着剤により圧電素子の機械的な振動(圧電振動)がある程度許容されているため、圧電振動を抑制することなく圧電素子をケース内に固定することができる。
特開平8−102561号公報
しかしながら、上述した先行技術では、圧電振動がある程度許容されているとはいえ、弾性接着剤が圧電素子に直接接触している以上、圧電素子の機械的な振動が弾性接着剤に吸収される可能性は払拭されていない。圧電素子の機械的な振動が弾性接着剤に吸収されてしまうと、その分、電力の変換効率が低下してしまう。
そこで本発明は、圧電体による機械的な振動を阻害することなく、電力の変換効率を向上させる技術の提供を課題とする。
上記の課題を解決するため、本発明は、圧電トランスを提供する。
本発明の圧電トランスは、平板状の圧電体と、圧電体の周面のうち、厚み方向に対をなす外面に形成された複数の電極と、開口を有する箱型をなしており、圧電体を内部に収容するケース体と、ケース体に設けられ、各電極に対応して電気的に接続される端子と、電極及びこれに対応する端子を相互に接続するリード線とを備える。本発明の圧電トランスにおいて、圧電体は、圧電体の周面がケース体の内側面から離れた状態でリード線により支持されている。
上記の構成によれば、圧電体は、リード線のみによって支持されているため、ケース体に接触することがない。したがって、圧電体による機械的な振動がケース体やその他弾性接着剤などによって阻害されることがない。このため、電力の変換効率を向上させることができる。また、圧電トランスが回路基板に実装された状態で、圧電体は、回路基板の実装面に接触することはない。したがって、回路基板に実装された状態で、外部からの振動がケース体に伝わったとしても、ケース体から圧電体に対して直接振動が伝わることはなく、圧電体を安全に収容することができる。
本発明の圧電トランスにおいて、リード線は、圧電体の厚み方向に対をなして配置されたリード線の電極から端子に向けて敷設される敷設方向が相互に逆方向であることが好ましい。またリード線は、金糸線からなることが好ましい。
このような構成によれば、リード線が互い違いの方向に敷設されるため、圧電体の重みを分散させることができる。したがって、圧電体の重みによってリード線が断線してしまうことを防止することができる。さらに、金糸線は、耐久性に優れているため、リード線の破断を確実に防止することができる。このため、圧電体を安定した姿勢でケース体の内部に保持しておくことができる。
また本発明の圧電トランスにおいて、ケース体は、リード線の敷設方向でみた両端側の側壁に形成され、圧電体の外面に沿って敷設されたリード線が挿通される切欠き部を有する。この切欠き部は、挿通されたリード線を固定する。
本発明の圧電トランスによれば、リード線を切欠き部で固定させることで、圧電体の重みでリード線を弛ませる事なく圧電体を支持することができる。また切欠き部は、リード線の敷設方向でみた両端側の側壁に形成されている。すなわち、圧電体の外面に沿って敷設されたリード線は、切欠き部に挿通されることになる。
なおリード線をスリット状の溝(切欠き部)に引っ掛けることにより固定させてもよい。あるいは、弾性接着剤を用いてリード線の一部を切欠き部に固着させてもよい。
また圧電体は、リード線の敷設方向に沿う外面に形成され、リード線の一部を固着させた状態で支持する固着部を有している。
このような態様によれば、リード線の弛みを確実に防止することができるため、リード線は、圧電体を安定した姿勢で支持することができる。
また圧電トランス1を回路基板に実装する過程では、圧電トランス1やその他の電子部品を回路基板の配線パターンに接続するために、フロー処理やリフロー処理が行われる。フロー処理やリフロー処理では、加熱条件に基づいて基板を加熱することにより、電子部品を実装する。このとき、上記の加熱に伴って、電極とリード線の端部と固定している半田が再度溶融してしまう。半田が溶融することにより、リード線は圧電体を支持することができなくなってしまう。これに対して、リード線の端部以外にも、リード線を電極に対して固定しておくことで、実装過程における不具合を解消することができる。
また固着部は、弾性接着剤によりリード線の一部を固着させてもよい。
弾性接着剤として、例えばシリコーンゴムを適用することができる。弾性接着剤は、リード線の端部と電極とを接続する半田よりも弾性に優れているため、外部からの振動がリード線に加わったとしても、この振動を柔軟に吸収してリード線の破断を防止することができる。
上記の固着部に対して、切欠き部は、固着部にてリード線を固着させる弾性接着剤よりも硬い素材の弾性接着剤によりリード線を固着させる。
切欠き部で用いられる弾性接着剤として、例えば、樹脂を適用することができる。この樹脂は、上記固着部で用いられるシリコーンゴムよりも硬いものであることが好ましい。
上記の態様によれば、硬い素材の弾性接着剤を用いることで、リード線を切欠け部から抜け落ちてしまうことが防止される。すなわち、圧電体をケース体の内部から脱落させることなく回路基板に実装することができる。
本発明の圧電トランスにおいて、リード線は、圧電体を幅方向でみた外面の中心線を跨いで敷設されている。
このような構成によれば、リード線は、圧電体を幅方向でみた一方の周縁側で端部が電極に半田付けされ、端部から上記の中心線を跨いで、他方の周縁側に向けて敷設される。この先リード線は、例えば切欠き部を経由して端子に接続される。すなわち、リード線は、圧電体を敷設方向へ向けて強く引っ張った状態で支持しつつも、その長さに充分な余裕が確保されている。したがって、外部の振動がケース体を通じてリード線に伝わったとしても、この振動が、電極に半田付けされたリード線の端部に対して伝わりにくい。このため、リード線の断線が防止されることにより、圧電体を安定した姿勢で支持することができる。
本発明の圧電トランスにおいて、ケース体は、開口に対向する底面に形成され、底面と底面に対向する圧電体の外面との間の空間を確保するためのリブを有している。
上記の構成によれば、外部からの衝撃によって圧電体がぐらついたとしても、リード線自体がケース体に接触することはない。したがって、リード線の断線が防止されることのより、圧電体を安定した姿勢で支持することができる。
本発明の圧電トランスは、圧電体の周面に沿って設けられ、圧電体の厚み方向に対をなして形成された電極間に抵抗値を付与する導電性被膜を備える。
本発明の圧電トランスによれば、圧電トランスが回路基板に実装された状態で、圧電体の周囲温度が変化すると、いわゆる焦電効果が働いて電極間に電荷が発生したり、放電が起こりやすくなったりする。これに対して、導電性被膜により抵抗値を電極間に付与することで、温度変化によって電荷が発生しても、これを速やかに消失させることができるため、有効に焦電対策を施すことができる。
本発明の圧電トランスによれば、圧電体による機械的な振動を阻害することなく電力の変換効率を向上させることができる。
一実施形態における圧電トランスを構成要素に分解して示す斜視図である。 第1例の圧電トランスを示す平面図である。 図2中のIII−III線に沿う圧電トランスの断面図である。 第2例の圧電トランスを示す平面図である。 図4中のV−V線に沿う第2例の圧電トランスを示す断面図である。 図4中のVI−VI線に沿う圧電トランスの断面図である。 第3例の圧電トランスの構成を分解して示す斜視図である。 第2実施形態における圧電トランスの構成を分解して示す斜視図である。 回路基板に実装された圧電トランスを示す断面図である。
〔第1実施形態〕
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図1は、第1実施形態の圧電トランス1を分解して示す斜視図である。圧電トランス1は、例えば、イオン発生器やオゾン発生器、空調機、レーザプリンタ等の高圧用電源として使用されるものである。
圧電トランス1は、圧電セラミックス(圧電体)2及びケース体4を備えている。圧電トランス1は、例えば板状の圧電セラミックス2を樹脂製のケース体4に収容した状態で回路基板に実装される。なお、図1では、回路基板の図示を省略している。
〔圧電体〕
圧電セラミックス2には、その外面(厚み方向で対向する面)に一次側電極2a及び二次側電極2bが長手方向に沿って形成されている。図1では一方の面のみが示されているが、図示の外面と反対側の面にも一次側電極2a及び二次側電極2bが形成されている。なお、圧電セラミックス2の長手方向で、一次側電極2aが形成されている部分は駆動部として機能する。また、二次側電極2bが形成されている部分は発電部として機能する。
〔ケース体〕
ケース体4は、圧電セラミックス2よりも大きな外形をなし、その内部には凹形状の収容部(参照符号省略)が形成されている。ケース体4は、回路基板の実装面に対向する上面が開口しており、この開口からケース体4の内部に向けて収容部が延びている。
ケース体4の収容部は、図示のように圧電セラミックス2を平置きした姿勢で、その上側から挿入するようにして収容することができる。このため、収容部は、圧電セラミックス2よりも一回り大きい形状(容積)を有している。
〔端子〕
ケース体4を幅方向でみた側壁の外側面には、4つの端子6,8,10,12が設けられている。端子6,8,10,12は、それぞれ一次側電極2a及び二次側電極2bに対応しており、各電極と電気的に接続される。
すなわち、4つの端子6,8,10,12のうち、端子6,8が入力用(一次側)、端子10,12が出力用(二次側)となっている。端子6,8は、一次側端子として、一次側電極2aにそれぞれ電気的に接続される。また端子10,12は、二次側端子として、二次側電極2bにそれぞれ電気的に接続される。なお、以下では「端子6,8」をそれぞれ「一次側端子6,8」と呼称し、「端子10,12」を「二次側端子10,12」と呼称する。
〔切欠き部〕
またケース体4には、幅方向でみた両端側の側壁にそれぞれ切欠き部14,16,18,20が形成されている。図1中に示す切欠き部14,18は、ケース体4を幅方向でみた一方の側壁に形成されており、切欠き部16,20は、他方の側壁に形成されている。切欠き部14,16,18,20は、開口に向けて凹型をなしている。切欠き部14,16,18,20は、挿通されたリード線を固定する。また、リード線は、切欠き部14,16,18,20にて、例えば樹脂からなる弾性接着剤により固着されてもよい。
ケース体4の幅方向でみて、切欠き部14,16は相互に対向している。また切欠き部18,20も同様に、相互に対向している。本実施形態において、相互に対向する切欠き部14,16(切欠き部18,20)は、圧電セラミックス2から取り出されるリード線の位置に対応するようにスリットの深さが異なっている。
〔リード線〕
一次側電極2aと一次側端子6,8とは、それぞれリード線22,24を介して接続される。また、二次側電極2bと二次側端子10,12とは、それぞれリード線26,28を介して接続される。本実施形態では、リード線22〜28として、例えば、金糸線を適用することができる。金糸線は、例えば、束ねた多数の細線を縄状に編んで芯(芯線)とし、その表面に帯状の銅箔を螺旋状に巻き付けた構成である。
図1中に示す圧電セラミックス2の2箇所の一次側電極2aには、それぞれリード線22,24の一端が半田2cで固定されている。また二次側電極2bにもリード線26,28の一端が半田2cで固定されている。
圧電セラミックス2がケース体4に収容された状態で、各リード線の他端は一次側端子6,8又は二次側端子10,12にそれぞれ絡げ付けた状態で半田付けされるものとなっている。これにより、2箇所の一次側電極2aはそれぞれ一次側端子6,8と接続された状態となり、また二次側電極2bは、二次側端子10,12と接続された状態となる。
〔固着部〕
またリード線22〜28は、半田2c以外にも、固着部2dによって固定されている。固着部2dは、リード線22〜28の敷設方向に沿う圧電セラミックス2の外面に形成され、リード線22〜28の一部を固着させた状態で支持する。固着部2dは、例えば、弾性接着剤(シリコーンゴム)により実現される。なお、切欠き部14,16,18,20でリード線を固着させるために用いられる弾性接着剤としては、例えば、樹脂を適用することができ、この樹脂は、固着部2dにてリード線22〜28を固着させる弾性接着剤よりも硬い素材であることが好ましい。なお、固着部2dは、半田2cに接していても、半田2cを覆っていても構わない。
〔第1例〕
次に、圧電セラミックス2がケース体4に収容された構成について説明する。
図2は、第1例の圧電トランス1を示す平面図である。図2から図9では、ケース体4の内部構成を便宜的に簡略化して示している。
圧電セラミックス2は、その周面がケース体4の内側面から離れた状態でリード線22〜28によって支持されている。
また、圧電セラミックス2にて同一の平面上に敷設された2本のリード線は、それぞれ互い違いの方向に敷設されている。具体的に、図2中に示すリード線26は、ケース体4の幅方向でみて、端部から右側に向けて敷設されている。これに対して、リード線24は、幅方向でみて端部から左側に向けて敷設されている。
リード線24及びリード線26は、それぞれ、圧電セラミックス2を幅方向でみた外面の中心線C1を跨いで敷設されている。また切欠き部16,18は、それぞれリード線24,26の敷設方向に沿うケース体4の側壁に形成されている。したがって、圧電セラミックス2の収容位置が固定されている。
図3は、図2中のIII−III線に沿う圧電トランス1の断面図である。図3中に示す圧電トランス1は、図1,2に示される向きと上下を逆さにした状態で、回路基板30に実装された構成を示している。
圧電トランス1は、回路基板30に実装された状態で、その周面がケース体4の内側面から離れた状態でリード線22〜28によって支持されている。例えば、図3中に示すリード線26,28のうち、圧電セラミックス2の上面に配置されたリード線28には、圧電セラミックス2を上方に持ち上げる方向に力が働いている。また、圧電セラミックス2の下面に配置されたリード線26には、圧電セラミックス2を支える方向に力が働いている。
本実施形態では、圧電セラミックス2の厚み方向に対をなして配置されたリード線26,28の二次側電極2bから二次側端子10,12に向けて敷設される敷設方向が相互に逆方向となっている。すなわち、圧電セラミックス2の厚み方向に対をなして配置された2つのリード線26,28は、それぞれ互い違いの方向に敷設されている。例えば、図3中に示すリード線28は、半田2cから外面(電極2b)に沿って右側に向けて敷設されており、リード線26が敷設される方向とは反対の方向に敷設されている。
リード線26,28は、圧電セラミックス2を幅方向でみた外面の中心線C1を跨いで敷設されている。またリード線26,28それぞれ圧電セラミックス2の外面(二次側電極2b)に沿って切欠き部18,20に挿通される。
切欠き部18,20では、挿通されたリード線26,28を固定している。具体的には、固着部2dにてリード線26,28を固着させる弾性接着剤よりも硬い素材の弾性接着剤によって固着させる。
〔第2例〕
図4は、第2例の圧電トランス1を示す平面図である。第2例の圧電トランス1は、図2中に示す第1例の圧電トランス1の構成に対して、ケース体4にリブ32,34が設けられている。
ケース体4の底面には、一次側電極2a及び二次側電極2bに対向する位置に、それぞれリブ32,34が形成されている。リブ32,34は、ケース体4の底面及び底面に対向する圧電セラミックス2の外面との間の空間を確保しつつ、この外面に沿う底面からの高さを維持した状態で、リード線22〜28を切り欠け部14〜20に固着させることを補助するためのものである。
リブ32,34は、ケース体4の幅方向に細長に形成されている。またリブ32,34は、リード線22〜28及び半田2cを避けた位置に形成されており、図4中に示すリブ32,34は、ケース体の長手方向でみて、リード線22〜28よりも外側に形成されている。なお、リブ32,34の形成位置は、リード線22〜28よりも内側であってもよい。
図5は、図4中のV−V線に沿う第2例の圧電トランス1を示す断面図である。圧電トランス1の製造過程にて、圧電セラミックス2をリブ32,34に載置させた上で、リード線22〜28をそれぞれ切り欠け部14〜20にて固着させたり、リード線22〜28をそれぞれ一次側端子6,8及び二次側端子10,12に接続させたりすることができる。
図5中に示すリブ34は、ケース体4の幅方向でみた中央部分が、その両端側の領域に比べて窪んでおり、この窪んだ領域に圧電セラミックス2が載置される。このように、中央部分を窪ませておくことで、リード線22〜28を一次側端子6,8及び二次側端子10,12に接続する際、圧電セラミックス2をがたつかせる事無く、安定した姿勢で保持することができる。
図6は、図4中のVI−VI線に沿う圧電トランス1の断面図である。図6では、圧電トランス1が回路基板30に実装された状態で表されている。
回路基板30に実装された状態において、圧電セラミックス2の上面は、リブ32から僅かに離れている。また圧電セラミックス2の下面は、回路基板30の実装面に触れていない。すなわち、圧電トランス1は、リード線22〜28のみによってケース体4内に支持されている。
〔第3例〕
図7は、第3例の圧電トランス1の構成を分解して示す斜視図である。第3例の圧電トランス1では、圧電セラミックス2に導電性被膜36が設けられている。
圧電セラミックス2には、その外面に沿って導電性被膜36が形成されている。この導電性被膜36は、例えば圧電セラミックス2の長手方向に沿う小端面を跨いでその両側に隣接する各側面(一次側電極2aが形成されている各側面)にまで回り込み、各側面において一次側電極2aに重なる(オーバーラップ)するようにして形成されている。このため図7には示されていないが、導電性被膜36は、圧電セラミックス2の反対側の側面においても一次側電極2aに重なるようにして形成されている。
このような導電性被膜36は、例えば導電性塗料(樹脂に導電性材料を混合させた塗料)を圧電セラミックス2の外面に塗布することで形成されている。なお、導電性塗料を塗布する方法としては、例えば刷毛を用いて直に塗布する方法、あるいは、導電性塗料を浸透性の担持体に浸透させた状態で、この担持体を圧電セラミックス2に対して一時的に押し付け、そこから転写するようにして塗布する方法、図示しない噴射機(エアブラシ)を用いて導電性塗料を吹き付けながら塗布する方法等がある。また導電性塗料には、上記の塗布方法の使用に適した粘度(流動性)を有するものを使用することができる。
圧電トランス1が回路基板30に実装された状態で、圧電セラミックス2の周囲温度が変化すると、いわゆる焦電効果が働いて電極間に電荷が発生したり、放電が起こりやすくなったりする。これに対して、導電性被膜36により抵抗値を電極間に付与することで、温度変化によって電荷が発生しても、これを速やかに消失させることができる。
〔第2実施形態〕
次に、第2実施形態の圧電トランス1について説明する。第1実施形態の圧電トランス1は、圧電セラミックス2を平置きした姿勢でケース体4に収容していたが、第2実施形態の圧電トランス1は、圧電セラミックス2を小端立てした姿勢でケース体4に収容する点で相違する。第2実施形態の圧電トランス1の基本的な構成は、第1実施形態の圧電トランス1と共通しており、共通する部材には、同一の符号を付すともに、重複する説明については適宜省略する。
図8は、第2実施形態における圧電トランス1の構成を分解して示す斜視図である。圧電トランス1は、小端立てした姿勢でケース体400の開口を通じて内部に収容される。
リード線22,24は、それぞれ図8中の圧電セラミックス200を高さ方向でみた下側に一端が半田2cに固定された状態で一次側電極2aに接続される。またリード線26,28は、リード線22,24と同様に、それぞれ図8中の圧電セラミックス200を高さ方向でみた下側で一端が半田2cにより固定された状態で、二次側電極2bに接続される。
各半田2cの上方には固着部2dが配置され、固着部2dにより、各リード線22〜28は圧電セラミックス200上に固着されている。
リード線22は、切り欠け部14aを通じて一次側端子6に接続される。リード線24,26,28も同様に、それぞれ切り欠け部16a,18a,20aを通じて一次側端子8及び二次側端子10,12に接続される。圧電セラミックス200は、ケース体400の内部にてリード線22〜28によって支持される。
図9は、回路基板30に実装された圧電トランス1を示す断面図である。圧電トランス1は、図8に示される向きと上下を逆さにした状態で、回路基板30に実装される。
圧電セラミックス200は、その周面がケース体400の内側面から離れた状態でリード線22〜28に支持されている。またリード線22〜28は、圧電セラミックス200を高さ方向でみた前記外面の中心線を跨いで敷設されている。なお、外部からの衝撃による圧電セラミックス200のぐらつきを防止するために、ケース体400の底面にリブ34を形成してもよい。またリブ34は、図9中に示す圧電セラミックス200を高さ方向でみた下側の面に対向する回路基板30の実装面に設けてもよい。
上述した第1及び第2実施形態の圧電トランス1によれば、圧電セラミックス2(圧電セラミックス200)は、リード線22〜28のみによって支持されているため、ケース体4(ケース体400)に接触することがない。したがって、圧電セラミックス2による機械的な振動がケース体やその他弾性接着剤などによって阻害されることがない。このため、電力の変換効率を向上させることができる。
また、圧電トランス1が回路基板30に実装された状態で、圧電セラミックス2は、回路基板の実装面に接触することはない。したがって、回路基板30に実装された状態で、外部からの振動がケース体4に伝わったとしても、ケース体4から圧電セラミックス2に対して直接振動が伝わることはなく、圧電セラミックス2をケース体4内に安全に収容することができる。
本発明は上述した実施形態に制約されることなく、種々に変形して実施することができる。各実施形態で挙げた圧電セラミックス2は一例であり、圧電体は、例えば内部電極を有した積層型のものでもよい。また端子6〜12は、ピン型の端子であってもよい。
1 圧電トランス
2 圧電セラミックス
2a 一次側電極(電極)
2b 二次側電極(電極)
2d 固着部
4 ケース体
6,8,10,12 端子
14,16,18,20 切欠け部
22,24,26,28 リード線
36 導電性被覆

Claims (9)

  1. 平板状の圧電体と、
    前記圧電体の周面のうち、厚み方向に対をなす外面に形成された複数の電極と、
    開口を有する箱型をなしており、前記圧電体を内部に収容するケース体と、
    前記ケース体に設けられ、前記各電極に対応して電気的に接続される複数の端子と、
    前記電極及びこれに対応する前記各端子を相互に接続するべく前記圧電体の厚み方向に対をなして配置され、前記各電極から前記各端子に向けて敷設される敷設方向が相互に逆方向である複数のリード線とを備え、
    前記圧電体は、
    前記圧電体の周面が前記ケース体の内側面から離れた状態で、前記圧電体の厚み方向に対をなして敷設された複数の前記リード線により二方向から支持されている
    ことを特徴とする圧電トランス。
  2. 請求項に記載の圧電トランスにおいて、
    前記リード線は、
    金糸線からなることを特徴とする圧電トランス。
  3. 請求項1又は2に記載の圧電トランスにおいて、
    前記ケース体は、
    前記リード線の敷設方向でみた両端側の側壁に形成され、前記圧電体の外面に沿って敷設された前記リード線が挿通される切欠き部を有し、
    前記切欠き部は、
    挿通された前記リード線を固定することを特徴とする圧電トランス。
  4. 請求項に記載の圧電トランスにおいて、
    前記圧電体は、
    前記リード線の敷設方向に沿う前記外面に形成され、前記リード線の一部を固着させた状態で支持する固着部を有していることを特徴とする圧電トランス。
  5. 請求項に記載の圧電トランスにおいて、
    前記固着部は、
    弾性接着剤により前記リード線の一部を固着させることを特徴とする圧電トランス。
  6. 請求項に記載の圧電トランスにおいて、
    前記切欠き部は、
    前記固着部にて前記リード線を固着させる前記弾性接着剤よりも硬い素材の弾性接着剤により前記リード線を固着させることを特徴とする圧電トランス。
  7. 請求項1からのいずれかに記載の圧電トランスにおいて、
    前記リード線は、
    前記圧電体を幅方向でみた前記外面の中心線を跨いで敷設されていることを特徴とする圧電トランス。
  8. 請求項1からのいずれかに記載の圧電トランスにおいて、
    前記ケース体は、
    前記開口に対向する底面に形成され、前記底面と前記底面に対向する前記圧電体の外面との間の空間を確保するためのリブを有していることを特徴とする圧電トランス。
  9. 請求項1からのいずれかに記載の圧電トランスにおいて、
    前記圧電体の周面に沿って設けられ、前記圧電体の厚み方向に対をなして形成された前記電極間に抵抗値を付与する導電性被膜を備えたことを特徴とする圧電トランス。
JP2013001737A 2013-01-09 2013-01-09 圧電トランス Active JP5718954B2 (ja)

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