JP6311779B2 - アンテナ装置および電子機器 - Google Patents

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Description

この発明は、相手側機器と電磁界信号を介して通信するRFIDシステムや近距離無線通信システムに用いられるアンテナ装置及びそれを備えた電子機器に関するものである。
近年、利用が拡大しているRFIDシステムや近距離無線通信システム等、非接触通信を行うシステムにおいては、携帯電話等の携帯電子機器同士または携帯電子機器とリーダ・ライタとで通信を行うために、各々の機器に通信用のアンテナが搭載されている。
このような非接触通信用アンテナは、金属部材の裏面に実装された場合、金属部材により磁界が遮蔽されるため、金属部材に対してアンテナとは反対側にあるリーダ・ライタ等と通信を行うことができない。
一方、金属部材の裏面にアンテナコイルが配置され、金属部材に導体開口が設けられたアンテナ装置が特許文献1に開示されている。
図19(A)は特許文献1のアンテナ装置を備える電子機器の背面図である。電子機器の背面は通信相手側であるリーダ・ライタ側アンテナに向ける面である。図19(B)は前記背面側の下部筐体の内側の平面図である。
図19(A)に示すように、下部筐体1の外面には導体層22が形成されている。導体層22は例えばアルミニウム等の金属蒸着膜である。この導体層22には開口CAが形成されていて、さらにこの開口CAと外縁との間を連接するスリットSLが形成されている。図19(B)に示すように、下部筐体1の内面には前記開口CAに部分的に重なるようにアンテナコイルモジュール3が配置されている。
またその他の例として、アンテナコイルを通信端末の端部に配置し、通信端末の表裏どちらからでも通信可能にしたものが特許文献2に開示されている。
特許第4687832号公報 特許第4626413号公報
特許文献1に示されているアンテナ装置では、金属部材にスリットを設ける必要があるので、単純な形状の金属部材を備える場合に適用できない。また、構造材である金属部材を利用する場合に、開口と共にスリットを形成すると、そのアンテナ装置を備える電子機器の構造上の強度が損なわれる。また、放熱材である金属部材を利用する場合に、開口と共にスリットを形成すると、その放熱性が低下するおそれがある。
また、特許文献2に示されているアンテナ装置の構造では、コイルを電子機器内に配置するうえでの設計上の自由度が低いという問題がある。
そこで、この発明の目的は、金属部材の裏面にアンテナコイルを配置する構造で、金属部材に必要な開口を小さくし、且つ、金属部材を介して反対側にある通信相手と安定した通信を行えるようにしたアンテナ装置およびそれを備えた電子機器を提供することにある。
本発明のアンテナ装置は、
面状の金属部材と、
ループ状または渦巻き状に巻回されたアンテナコイルと、を備え、
前記金属部材には、全周が金属によって囲まれた開口が設けられており、
前記アンテナコイルは、平面視で当該アンテナコイルの内側領域および外側領域の両領域が前記開口に重なるように、前記金属部材の一方主面側に配置されており、
前記アンテナコイルのうち前記金属部材とは反対側に磁性体シートが設けられている、ことを特徴とする。
また、本発明のアンテナ装置は、
面状の金属部材と、
ループ状または渦巻き状に巻回されたアンテナコイルと、を備え、
前記金属部材には、全周が金属によって囲まれた開口が設けられており、
前記アンテナコイルは、前記金属部材の一方主面側に配置されていて、前記アンテナコイルのうち前記金属部材とは反対側に磁性体シートが設けられており、
前記アンテナコイルは、前記金属部材の他方主面側から前記開口を通って入り前記金属部材の前記一方主面側から前記他方主面側へ前記開口を通って出る磁束が鎖交するように配置されている、ことを特徴とする。
本発明の電子機器は、前記アンテナ装置を備え、前記金属部材を筐体の一部として備えるものである。
本発明によれば、金属部材の開口から入る磁束がアンテナコイルと効果的に鎖交し、通信相手のアンテナ装置と強く結合するので、金属部材に形成する開口は、より小さくて済み、かつ、通信相手と安定した通信を行える。
図1(A)は第1の実施形態に係るアンテナ装置101の平面図、図1(B)は、図1(A)のX−X部分の断面図である。 図2(A),図2(B)は比較対象である二つのアンテナ装置のモデルである。図2(C)は第1の実施形態のアンテナ装置101の特性をシミュレーションで求めるためのモデルである。 図3は図2(A),図2(B),図2(C)に示した各アンテナ装置の結合係数を示す図である。 図4(A)は第2の実施形態に係るアンテナ装置102の平面図、図4(B)は、図4(A)のX−X部分の断面図である。 図5は第2の実施形態のアンテナ装置の結合係数をシミュレーションで求めた図である。 図6(A)は第3の実施形態のアンテナ装置103の平面図、図6(B)は、図6(A)のX−X部分の断面図である。 図7は第3の実施形態のアンテナ装置の結合係数をシミュレーションで求めた図である。 図8は第3の実施形態に係るアンテナ装置において、アンテナコイル31の第2辺31S2から開口CAの内縁までの距離Lを変化させたときの結合係数の変化を示す図である。 図9(A)は第4の実施形態のアンテナ装置104の平面図、図9(B)は、図9(A)のX−X部分の断面図である。 図10は第4の実施形態のアンテナ装置の結合係数をシミュレーションで求めた図である。 図11(A)は第5の実施形態のアンテナ装置105の平面図、図11(B)は、図11(A)のX−X部分の断面図である。 図12は第6の実施形態のアンテナ装置106の平面図である。 図13は第7の実施形態のアンテナ装置107Aの平面図である。 図14は第7の実施形態の別のアンテナ装置107Bの平面図である。 図15は第8の実施形態の電子機器に設けたアンテナ装置部分の断面図である。 図16は第8の実施形態の別の電子機器に設けたアンテナ装置部分の断面図である。 図17は第9の実施形態の電子機器に設けたアンテナ装置部分の断面図である。 図18は第10の実施形態の電子機器に設けたアンテナ装置部分の断面図である。 図19(A)は特許文献1のアンテナ装置を備える電子機器の背面図である。図19(B)はその電子機器の背面側の下部筐体の内側の平面図である。
《第1の実施形態》
第1の実施形態に係るアンテナ装置101について図1〜図3を参照して説明する。
図1(A)は第1の実施形態に係るアンテナ装置101の平面図、図1(B)は、図1(A)のX−X部分の断面図である。但し、図1(A),図1(B)では主要部の構成のみを表している。
このアンテナ装置101は、アンテナコイル31、磁性体シート39および金属部材2を備えている。アンテナコイル31はフレキシブル基材33に形成されている。このアンテナコイル31は、巻回中心部をコイル開口部とするループ状または渦巻き状に巻回されていて、両端は接続部32として取り出されている。なお、詳細な図示は省略しているが、アンテナコイル31の導体が重なる部分等は、フレキシブル基材33に設けられたビアホールを介してフレキシブル基材33の両面にわたって形成される。
フレキシブル基材33の下面には磁性体シート39が配置されている。
図1(A)、図1(B)に表れているように、金属部材2はアンテナコイル31の一部を覆うように配置され、また、金属部材2には矩形の開口CAが形成されていて、アンテナコイル31の一部が金属部材2の開口CAから露出している。
前記フレキシブル基材33は例えばポリイミドフィルムであり、アンテナコイル31は例えば銅箔をパターン化したものである。磁性体シート39は例えばシート状に成形されたフェライトである。また、前記金属部材2は例えばアルミニウム板であり、電子機器の筐体の一部や放熱用のフレームなどである。
アンテナコイル31は第1部分である第1辺31S1およびそれに対向する第2部分である第2辺31S2を有している。この例では、アンテナコイル31の第1辺31S1が金属部材2に隠れ、第2辺31S2とコイル開口部の一部が開口CAから露出する状態で、アンテナコイル31は金属部材2の開口CAに近接配置されている。アンテナコイル31の第2辺31S2の外縁から開口CAの内縁までは距離Lだけ離れている。
図1(B)において、破線の矢印φa,φiは通信相手であるリーダ・ライタのアンテナから出る磁束を表している。アンテナコイル31の第2辺31S2は金属部材2の開口CAから露出しているので、この第2辺31S2に対して磁束φaが鎖交する。一方、アンテナコイル31の第1辺31S1は金属部材2で隠れているので、この第1辺31S1に対して磁束φiは鎖交しない。もし、磁束φa,φiの双方がアンテナコイル31を鎖交すると、磁束φaによってアンテナコイル31に発生する電流の向きと磁束φiによってアンテナコイル31に発生する電流の向きとが逆向きとなり、互いの電流が打ち消し合うためアンテナコイル31がアンテナとして機能しなくなる。本実施形態では、磁束φiがアンテナコイル31に実質的に鎖交しないことから、電流が打ち消し合うことなく、アンテナコイル31は通信相手であるリーダ・ライタのアンテナと磁界結合するアンテナとして機能する。
前記アンテナコイル31の接続部32には、例えば電子機器内の回路基板から突設された接続用ピンが当接して電気的に接続される。
回路基板側には前記接続部32に対して並列接続されるキャパシタが備えられている。そして、アンテナコイル31および磁性体シート39によって定まるインダクタンスと前記キャパシタのキャパシタンスとによって共振周波数が定められる。例えば中心周波数13.56MHzのHF帯を利用する場合には、前記共振周波数を13.56MHzに定める。但し、アンテナコイル31および磁性体シート39が金属部材2に近接しない状態での共振周波数を予め利用周波数帯域の中心周波数より低く設定しておく。アンテナコイル31を金属部材2に近接させると、アンテナコイル31のインダクタンス値が小さくなるので、アンテナ装置101の共振周波数が上昇する。そのため、アンテナ装置101を電子機器内に組み込んだ状態で、そのアンテナ装置101の共振周波数が利用周波数帯域の中心周波数とほぼ一致するように設計すればよい。
なお、アンテナコイル31をフレキシブル基材33の両面に形成し、アンテナコイル31の両面の導体間に発生する浮遊容量を前記キャパシタとして用いてもよい。その場合、別途キャパシタを設ける必要がなく部品点数が削減できる。
図2(C)は第1の実施形態のアンテナ装置101の特性をシミュレーションで求めるためのモデルである。但し、各部の寸法比率は図1に示した例とは異なる。図2(A),図2(B)は比較対象である二つのアンテナ装置のモデルである。図2(B)は渦巻き状のアンテナコイルを形成したフレキシブル基材の裏面に磁性体シートを配置したものである。図2(A)は、図2(B)に示したタイプのアンテナコイルおよび磁性体シートを備え、且つ金属部材2に開口CAを形成していないものである。
前記モデルの各部の寸法は次のとおりである。
開口CAのサイズ:25.9mm×20.1mm
アンテナコイルの形成領域の幅:2.9mm
アンテナコイルの巻き数:6ターン
アンテナコイルの導体パターンのピッチ:
0.5mm(ライン幅0.4mm、ライン間隔0.1mm)
アンテナコイルの外形サイズ:25.5mm×19.7mm
磁性体シートの外形サイズ:25.5mm×19.7mm
アンテナコイルと金属部材との厚み方向の間隔:0.1mm
図3は図2(A),図2(B),図2(C)に示した各アンテナ装置の結合係数を示す図である。図3中の“A−”〜“E”は図2(C)に示したアンテナ装置において、アンテナコイル31の第2辺31S2の外縁から開口CAの内縁までの距離Lを変化させたときの結合係数、“P1”は図2(B)に示したアンテナ装置の結合係数、“P0”は図2(A)に示したアンテナ装置の結合係数である。
図3において、A−〜Eと前記距離Lとの関係は次のとおりである。
A−:L=1mm
A:L=2mm
B:L=4mm
C:L=6mm
D:L=8mm
E:L=10mm
通信相手のアンテナ装置は、直径70mm、コイルの巻き数4ターン、コイルのライン幅1.5mm、ライン間隔0.3mmのアンテナコイルで構成され、金属部材2の垂直方向に25mm離れ、かつ金属部材2と通信相手のアンテナ装置のアンテナコイルが平行になるようにされた位置からの結合係数の最大値を求めた。
金属部材2に開口CAが形成されていなければ、図3中の“P0”で示すとおり、全く結合しない。図2(B)に示した比較対象のアンテナ装置では、渦巻き状のアンテナコイルの全体が磁性体シートの表面に配置されているので、金属部材2に開口CAが形成されていても、アンテナコイルの各部(例えば、アンテナコイル第1部分とそれに対向する第2部分)で磁束が鎖交するので、アンテナコイルの各部に発生する電流が互いに打ち消し合う。そのため、図3中で“P1”に示すとおり、高い結合係数は得られない。これに対し、本発明の第1の実施形態に係るアンテナ装置によれば、図3中で“A−”〜“E”に示すように、図2(B)に示した比較対象のアンテナ装置より高い結合係数が得られる。そして、アンテナコイル31の第2辺31S2が開口CAのほぼ中心を通る位置(図3に”D”で示したアンテナコイル31の位置)になるまでは、距離Lを大きくするほど、結合係数は増大することがわかる。
《第2の実施形態》
第2の実施形態に係るアンテナ装置102について図4,図5を参照して説明する。
図4(A)は第2の実施形態に係るアンテナ装置102の平面図、図4(B)は、図4(A)のX−X部分の断面図である。但し、図4(A),図4(B)では主要部の構成のみを表している。
このアンテナ装置102は、アンテナコイル31、磁性体シート39および金属部材2を備えている。アンテナコイル31はフレキシブル基材33に形成されている。このアンテナコイル31は、巻回中心部をコイル開口部とするループ状または渦巻き状に巻回されている。
アンテナコイル31、磁性体シート39および金属部材2の構成は第1の実施形態で示したものと同じである。異なるのは磁性体シート39の形状である。第2の実施形態では、金属部材2の開口CAに対して垂直方向に視て(平面視で)、開口CAの内側のほぼ全域に拡がるように磁性体シート39が配置されている。
図5は第2の実施形態のアンテナ装置の結合係数をシミュレーションで求めた図である。図5中の“B1”は第1の実施形態のうち図3に”B”で示したアンテナ装置101の特性、“B2”は第2の実施形態で示したアンテナ装置102の特性である。結合係数を求める条件は第1の実施形態の場合と同じである。
図5から明らかなように、開口CAの内側のほぼ全域に拡がるように磁性体シート39が配置されていることにより、アンテナコイルのコイル開口部の内外を鎖交する磁束が増大して、結合係数がより増大する。
《第3の実施形態》
図6(A)は第3の実施形態のアンテナ装置103の平面図、図6(B)は、図6(A)のX−X部分の断面図である。但し、図6(A),図6(B)では主要部の構成のみを表している。
このアンテナ装置103は、第2の実施形態で図4に示したアンテナ装置102と異なり、磁性体シート39を平面視で金属部材2の開口CA内にのみ設けている。その他は第2の実施形態のアンテナ装置102と同じである。
図7は第3の実施形態のアンテナ装置の結合係数をシミュレーションで求めた図である。図7中の“B2”は第2実施形態で示したアンテナ装置102の特性、“B3”は第3実施形態で示したアンテナ装置103の特性である。結合係数を求める条件は第1の実施形態の場合と同じである。
このように、開口CAからはみ出る部分について磁性体シート39が延在していてもいなくても結合係数は殆ど同じである。したがって、磁性体シート39を平面視で金属部材2の開口CA内にのみ設ければ、磁性体シートのサイズを最小限にとどめることができ、コストダウンを図れる。
図8は第3の実施形態に係るアンテナ装置において、アンテナコイル31の第2辺31S2から開口CAの内縁までの距離Lを変化させたときの結合係数の変化を示す図である。
図8中の“A−”〜“E”は図6に示したアンテナ装置において、アンテナコイル31の第2辺31S2の外縁から開口CAの内縁までの距離Lを変化させたときの結合係数、ある。また、“P”は比較例であり、図2(B)に示したアンテナ装置の結合係数である。
図8において、A−〜Eと前記距離Lとの関係は次のとおりである。
A−:L=1mm
A:L=2mm
B:L=4mm
C:L=6mm
D:L=8mm
E:L=10mm
結合係数を求める条件は第1の実施形態の場合と同じである。
図8から明らかなように、アンテナコイル31の第2辺31S2が開口CAのほぼ中心を通る位置(図8に”D”で示したアンテナコイル31の位置)になるまでは、距離Lを大きくするほど、結合係数は増大することがわかる。
《第4の実施形態》
図9(A)は第4の実施形態のアンテナ装置104の平面図、図9(B)は、図9(A)のX−X部分の断面図である。但し、図9(A),図9(B)では主要部の構成のみを表している。
このアンテナ装置104は、第3の実施形態で図6に示したアンテナ装置103と異なり、平面視で、アンテナコイル31の第2辺31S2のみが開口CAから露出している。すなわち、第1辺31S1と第2辺31S2とを繋ぐ第3辺31S3および第4辺31S4ならびに第1辺31S1は開口CAの外側にあって、金属部材2に隠れている。具体的には、図8中に“D”で示したアンテナ装置の第1辺31S1および第2辺31S2の寸法を長くして、第3辺31S3および第4辺31S4が金属部材2で隠れるようにしたものである。その他は第2の実施形態のアンテナ装置102と同じである。
図10は第4の実施形態のアンテナ装置の結合係数をシミュレーションで求めた図である。図10中の“D1”は第3実施形態で示したアンテナ装置103の特性(図8中に“D”で示したアンテナ装置の特性)、“D2”は第4実施形態で示したアンテナ装置104の特性である。結合係数を求める条件は第1の実施形態の場合と同じである。
このように、開口CA内に、磁束が有効に鎖交する第2辺31S2のみを露出させることによって、結合係数はさらに高まることが分かる。
《第5の実施形態》
図11(A)は第5の実施形態のアンテナ装置105の平面図、図11(B)は、図11(A)のX−X部分の断面図である。以上の各実施形態で示したアンテナ装置と異なり、アンテナ装置105が備える金属部材2の開口CAは非矩形である。この例では開口CAは楕円形である。開口CAは磁束が透過する窓であればよいので、このように非矩形であってもよい。
《第6の実施形態》
図12は第6の実施形態のアンテナ装置106の平面図である。以上の各実施形態で示したアンテナ装置と異なり、アンテナ装置106が備える磁性体シート39は開口部MAを備えている。この構造は、電子機器の筐体内にカメラモジュールを内蔵し、金属部材2の開口CAからカメラモジュールのレンズを露出させる場合に有効である。すなわち、磁性体シート39の開口部MAをカメラモジュールの撮像用の窓として、またはカメラモジュールのレンズを挿入する筒として利用できる。
《第7の実施形態》
図13は第7の実施形態のアンテナ装置107Aの平面図である。以上の各実施形態で示したアンテナ装置と異なり、アンテナ装置107Aが備えるアンテナコイル31は、金属部材2の開口CAは直交する2つの軸(X軸とY軸)を有し、アンテナコイル31の巻回中心を開口CAの中心から2つの軸(X軸とY軸)のいずれの方向へも偏位させ、アンテナコイル31の隣りあう2辺とコイル開口部の一部が開口CAから露出し、残りの2辺が露出しないように配置されている。
そのため、アンテナコイル31のうち、第2辺31S2だけでなく、磁性体シート39の挿通方向(軸方向)に対して平行な導体部分の片方である第3辺31S3も磁束有効鎖交部として作用する。その結果、アンテナの指向方向がX軸から傾き、図13中に矢印で示す方向を指向することになる。このようにして、アンテナコイル31の偏位方向によって指向性を制御することもできる。
図14は第7の実施形態の別のアンテナ装置107Bの平面図である。以上の各実施形態で示したアンテナ装置と異なり、アンテナ装置107Bが備えるアンテナコイル31の第2辺31S2は湾曲している。
アンテナコイル31は磁束有効鎖交部を備えていればよいので、このようにアンテナコイル31は、その一部または全部が湾曲部で構成されていてもよい。
《第8の実施形態》
第8の実施形態では、電子機器に備えるアンテナ装置の取り付け構造および電子機器の構成について示す。
図15、図16は電子機器に設けたアンテナ装置部分の断面図である。図15の例では、磁性体シート39の外周部を金属部材2の開口CAの外周部に粘着材(両面テープ等)41を介して貼付している。図16の例では、アンテナコイルを形成したフレキシブル基材33および磁性体シート39で構成されるアンテナモジュールを粘着材(両面テープ等)41で樹脂シート材42に貼付し、その樹脂シート材42を金属部材2の開口CAの周囲に貼付している。このようにして、金属部材2を含む各構成部材を一体化してもよい。
《第9の実施形態》
第9の実施形態では、金属部材2とは一体化しないアンテナ装置の取り付け構造および電子機器の構成について示す。
図17は電子機器に設けたアンテナ装置部分の断面図である。この例では、アンテナコイルを形成したフレキシブル基材33および磁性体シート39で構成されるアンテナモジュールをプリント配線板43に搭載している。金属部材2は電子機器の筐体の一部であり、この筐体内にプリント配線板43を収めることで、前記アンテナモジュールが開口CAに対向する。
このように、金属部材2とアンテナモジュールとは別体に設けてもよい。
《第10の実施形態》
第10の実施形態では、アンテナコイル31に対する特殊な給電構造および電子機器の構成について示す。
図18は電子機器に設けたアンテナ装置部分の断面図である。図18において、プリント配線板43には磁性体コア13および励振コイル12による給電モジュールが搭載されている。励振コイル12は図18の左右方向を巻回軸とする方向に、磁性体コア13に巻回されている。この給電モジュールの磁性体コア13はアンテナコイル31の第1辺31S1に近接していて、互いに電磁界結合(主に磁界結合)する。
アンテナコイル31は、これまでに示したアンテナ装置のアンテナコイルと基本的には同様の構成であるが、接続部32は無く、アンテナコイル31でLC並列共振回路が構成されている。このLC並列共振回路のキャパシタンス成分はアンテナコイルの導体パターン間に生じる容量である。また、アンテナコイル31とともに、必要に応じて、容量形成用の電極を設けてもよい。
《他の実施形態》
本発明に係る金属部材は金属板に限らず、例えば筐体の外面の一部を意匠上メタリックにするような場合に、筐体の外面に蒸着などによって金属膜が形成されるが、その金属膜を前記金属部材として兼用してもよい。
なお、アンテナコイル31の巻回数(ターン数)は外形サイズと必要なインダクタンスによって定めればよい。ワンターンであれば単にループ状のコイル導体となる。
なお、磁性体シート39は、磁束をアンテナコイル31に効率的に鎖交させるために有効な部材として機能するが、必ずしも備えていなくてもよい。
CA…開口
MA…磁性体シートの開口部
2…金属部材
12…励振コイル
13…磁性体コア
31…アンテナコイル
31S1…アンテナコイルの第1辺
31S2…アンテナコイルの第2辺
31S3…アンテナコイルの第3辺
31S4…アンテナコイルの第4辺
32…接続部
33…フレキシブル基材
34…スリット状開口部
39…磁性体シート
42…樹脂シート材
43…プリント配線板
101〜106…アンテナ装置
107A,107B…アンテナ装置

Claims (6)

  1. 面状の金属部材と、
    ループ状または渦巻き状に巻回されたアンテナコイルと、を備え、
    前記金属部材には、全周が金属によって囲まれた開口が設けられており、
    前記アンテナコイルは、平面視で、前記アンテナコイルの前記巻回の方向に沿った周の一部が前記開口から露出し、前記アンテナコイルのコイル開口の一部が前記開口の一部に重なるように、前記金属部材の一方主面側に配置されており、
    前記アンテナコイルに対して前記金属部材とは反対側に磁性体シートが設けられている、アンテナ装置。
  2. 面状の金属部材と、
    ループ状または渦巻き状に巻回されたアンテナコイルと、を備え、
    前記金属部材には、全周が金属によって囲まれた開口が設けられており、
    前記アンテナコイルは、前記金属部材の一方主面側に配置されていて、前記アンテナコイルのうち前記金属部材とは反対側に磁性体シートが設けられており、
    前記アンテナコイルは、前記金属部材の他方主面側から前記開口を通って入り前記金属部材の前記一方主面側から前記他方主面側へ前記開口を通って出る磁束が鎖交するように配置されている、アンテナ装置。
  3. 前記アンテナコイルは、平面視で、前記アンテナコイルの前記巻回方向に沿った周の一部が前記開口から露出する、請求項2に記載のアンテナ装置。
  4. 前記金属部材の主面に対して垂直方向に視た前記アンテナコイルのコイル開口部内で、前記磁性体シートに孔が形成された、請求項1〜のいずれかに記載のアンテナ装置。
  5. 前記アンテナコイルは湾曲部を備えている、請求項1〜のいずれかに記載のアンテナ装置。
  6. 請求項1〜のいずれかに記載のアンテナ装置と筐体とを備え、前記金属部材は前記筐体の一部である電子機器。
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