JP7175108B2 - 超音波溶着システム - Google Patents

Description

本発明は、超音波振動によって被溶着物を溶着する超音波溶着システムに関し、詳しくはコンバータ、ホーン及び振動作用部を一体として垂直方向に配置可能とするとともに被溶着物に横方向の超音波振動を与えることができる構造とした超音波溶着システムに関するものである。

この種の超音波溶着システムは、超音波電気信号を超音波振動に変換するコンバータと、前記コンバータからの超音波振動を増幅するブースタと、前記ブースタからの超音波振動を振動作用部に与えるホーンとを備えたシステムとして知られている。

この超音波溶着システムでは、前記ホーンの振動作用部とアンビルとの間に被溶着物を置き、前記コンバータからの超音波振動を前記ブースタで増幅して前記ホーンに与え、ホーンの振動作用部を加圧しつつ前記振動作用部とアンビルとの間に置かれた被溶着物に超音波振動を作用させることにより被溶着物を溶着している。このような超音波溶着においては、被溶着物には、溶着工程を容易にする等の利便性のため、水平方向の超音波振動が与えられている。

ところで、上記超音波溶着システムにおいて、前記コンバータから発生する超音波振動は、前記コンバータ、前記ブースタ及び前記ホーンと配列されている方向（縦方向）に振動している。したがって、このような縦方向の超音波振動を、水平方向の超音波振動にするために、従来、次のような装置が提案されていた。

このように水平方向の超音波振動を与える従来の超音波溶着システムの一例としては、前記コンバータ、前記ブースタ及び前記ホーンを水平方向に配置し、この配置により縦方向の超音波振動を物理的に水平方向の超音波振動にすることにより、前記ホーンの振動作用部に横方向の超音波振動を与えるようにしたものである（特許文献１）。

また、上記従来の超音波溶着システムのような構造に配置することが困難な場合に適用された従来の他の超音波溶着システムの例としては、ホーンに代えて振動方向変換手段を採用し、前記コンバータ、前記ブースタ及び振動方向変換手段を垂直に配置し、この振動方向変換手段で縦振動を横振動に変換し、これらとは別に設けた加圧可能な振動作用部に前記横振動を伝達して被溶着物を溶着できるようにしたものである（特許文献２）。

特許第２９８４２２５号公報 特許第２７５６４３３号公報

上記特許文献１記載の従来の超音波溶着システムによれば、次のような問題があった。

（１）前記コンバータ、前記ブースタ及び前記ホーンを水平方向に配置することが必須の条件であるため、横方向に使用超音波周波数の波長の１．５波長分以上の長さの空間を必要とし、横方向に大きな空間が必要となる。
（２）前記ブースタの保持構造が複雑である。そのために部品点数が多い。
（３）ホーン先端の振動作用部とホーン保持部との距離が半波長もあり、加圧力によるベンディング量が多い。

また、上記特許文献２記載の従来の他の超音波溶着システムによれば、次のような問題があった。

（１）縦向きに配置されている前記コンバータ、前記ブースタ及び振動方向変換手段と、振動作用部とが離れており、それがために縦方向の空間を多く必要となる。
（２）前記コンバータ、前記ブースタ及び振動方向変換手段に加えて、振動作用部の加圧系の装置も別途必要であって、部品点数が多く、構造も複雑となる。

本発明は、上記従来技術の欠点を解消し、構造を簡素化するとともに部品点数を少なくし、かつ設置空間を少なくした超音波溶着システムを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明に係る超音波溶着システムは、
発振器からの超音波電気信号を機械的超音波振動に変換するコンバータと、
前記機械的超音波振動の振動方向を変換させる振動方向変換手段とを少なくとも備えた超音波溶着システムにおいて、
前記振動方向変換手段は、立体形状に形成された縦振動体部及び横振動体部からなり、
前記横振動体部は、前記縦振動体部の一端部側で直角方向にかつ前記縦振動体部の側面よりそれぞれ突出させて設けられており、
前記縦振動体部は、その他端部側を超音波振動入力端とし、前記超音波振動入力端から前記縦振動体部と前記横振動体部との境までの長さを第１の長さとし、
前記横振動体部は、前記縦振動体部の側面から前記各横振動体部の端面までの長さを第２及び第３の長さとし、
前記縦振動体部の第１の長さは、前記横振動体部の第２の長さまたは第３の長さより大きいことを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、前記振動方向変換手段が、前記横振動体部の端面側であって前記縦振動体部とは反対側の前記横振動体部の一面に振動作用部を設け、
かつ、少なくとも前記コンバータ、前記振動方向変換手段及び前記振動作用部を一体として垂直方向に配置したことを特徴とするものである。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の超音波溶着システムにおいて、前記横振動体部の第２の長さと第３の長さはほぼ同一長さであることを特徴とするものである。

請求項４記載の発明は、請求項１、２または３記載の超音波溶着システムにおいて、前記横振動体部の一端面から前記縦振動体部の中心軸を含む前記一端面と平行な面との距離を第４の長さとしたときに、第４の長さは使用超音波振動の波長に対して少なくとも四分の一波長より小さく設定してなることを特徴とするものである。

請求項５記載の発明は、請求項１、２、３または４記載の超音波溶着システムにおいて、前記横振動体部の両端面間の距離を第５の長さとしたときに、前記第５の長さは、少なくとも使用超音波振動の波長に対して二分の一の長さに設定したことを特徴とするものである。

請求項６記載の発明は、請求項１、２、３、４または５記載の超音波溶着システムにおいて、前記縦振動体部の第１の長さは、前記横振動体部の第５の長さより小さく設定したものであることを特徴とするものである。

本発明によれば、前記振動方向変換手段を立体形状の縦振動体部及び横振動体部から構成し、前記横振動体部を前記縦振動体部の一端部側で直角方向にかつ前記縦振動体部の側面よりそれぞれ突出させて設け、縦振動体部の長さと横振動体部の長さとを使用超音波振動の波長に対して一定の関係に設定し、前記横振動体部の一面に振動作用部を設けたので、少なくとも前記コンバータ、前記振動方向変換手段及び前記振動作用部を一体として垂直方向に配置でき、そのため設置空間を著しく小さくできる。

また、本発明によれば、少なくとも前記コンバータ、前記振動方向変換手段及び前記振動作用部を一体的に構成したので、構造が簡単で部品点数が著しく少なくできる。

本発明の実施形態に係る超音波溶着システムの要部を示す正面図である。 本発明の実施形態に係る超音波溶着システムにおいて振動方向変換手段の構成例を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る超音波溶着システムにおいて振動方向変換手段の振動方向を説明するために示す図である。 本発明の他の実施形態に係る超音波溶着システムの要部を示す正面図である。 本発明の他の実施形態に係る超音波溶着システムにおいて振動方向変換手段の振動方向を説明するために示す図である。 本発明のさらに他の実施の形態に係る超音波溶着システムの要部を示す図である。 本発明の実施形態に係る超音波溶着システムにおいて振動方向変換手段の縦振動体部及び横振動体部の長さと使用超音波振動周波数と振動方向との関係を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１ないし図３は本発明の実施の形態に係る超音波溶着システムの要部を説明するための図である。

これらの図において、本発明の実施形態に係る超音波溶着システム１は、発振器３と、コンバータ５と、ブースタ７と、振動方向変換手段（方向変換ホーン）９と、振動作用部１１と、アンビル１３と、図示しない加圧装置とを備えている。

前記ブースタ７には、加圧保持部７１が設けられている。この加圧保持部７１を介して、前記コンバータ５、前記ブースタ７及び前記方向変換ホーン９は、例えば図示しない加圧装置に固定されている。よって、前記コンバータ５、前記ブースタ７、前記方向変換ホーン９及び前記振動作用部１１は、一体として垂直方向に配置されることができる。そして、前記方向変換ホーン９及び振動作用部１１等を含む全体を加圧装置によって図１に示す加圧方向Ｐへ加圧できるような構成となっている。

前記振動方向変換手段（方向変換ホーン）９は、図１ないし図３に示すように、立体形状に形成された縦振動体部９１及び横振動体部９２から構成されている。前記横振動体部９２は、前記縦振動体部９１の一端部９１ａ側において前記縦振動体部９１に対して直角方向にかつ前記縦振動体部９１の側面９１ｂ，９１ｃよりそれぞれ突出させて設けられており、所定側面から見て図３に示すように逆Ｔ字状の形状をしている。

前記振動作用部１１は、前記横振動体部９２の端面９２ａ，９２ｂ側であって前記縦振動体部９１とは反対側の前記横振動体部９２の一面９２ｃに設けられている。この振動作用部１１に対向する位置には、アンビル１３が配置されている。前記振動作用部１１と前記アンビル１３との間には、被溶着物（接合対象（ワーク））２０が置かれている。

前記縦振動体部９１では、その他端部側を超音波振動入力端９１ｄとしている。前記縦振動体部９１において、前記超音波振動入力端９１ｄから、前記縦振動体部９１と前記横振動体部９２との境（一端部９１ａ）までの長さを第１の長さＬ１とする。

前記横振動体部９２では、前記縦振動体部９１の側面９１ｂから前記横振動体部９２の端面９２ａまでの長さを第２の長さＬ２とし、前記縦振動体部９１の側面９１ｃから前記横振動体部９２の端面９２ｂまでの長さを第３の長さＬ３とする。

また、本発明の実施の形態に係る超音波溶着システムにおいては、前記第１の長さＬ１と前記第２の長さＬ２または第３の長さＬ３とは、使用超音波振動の波長に対して一定の関係に設定されている。

ここにおいて、前記縦振動体部９１の第１の長さＬ１は、前記横振動体部９２の第２の長さＬ２または第３の長さＬ３より大きいことが望ましい。
また、前記横振動体部９２の第２の長さＬ２と、前記横振動体部９２の第３の長さＬ３はほぼ同一長さであることが望ましい。

さらは、前記横振動体部９２の一端面９２ａ（９２ｂ）から前記縦振動体部９１の中心軸Ｏを含む前記一端面９２ａ（９２ｂ）に平行な面との距離を第４の長さＬ４としたときに、第４の長さＬ４は使用超音波振動の波長λに対して四分の一波長（λ／４）より小さく設定することが望ましい。

前記横振動体部９２の両端面９２ａ，９２ｂ間の距離を第５の長さＬ５としたときに、前記第５の長さＬ５は、少なくとも使用超音波振動の波長λに対して二分の一の長さ（λ／２）に設定することが望ましい。

さらに、前記縦振動体部９１の第１の長さＬ１は、前記横振動体部９２の第５の長さＬ５より小さく設定することが望ましい。

このような実施の形態に係る超音波溶着システムでは次のように動作する。

前記発振器３は、所定の周波数の超音波電気信号を発振し、前記コンバータ５に与える。前記コンバータ５は、前記発振器３からの超音波電気信号を機械的超音波振動に変換する。前記コンバータ５から出力された機械的超音波振動は、前記ブースタ７によって増幅されて方向変換ホーン９の縦振動体部９１の超音波振動入力端９１ｄに与えられる。

前記方向変換ホーン９の超音波振動入力端９１ｄに与えられた機械的超音波振動は、縦振動体部９１を介して横振動体部９２に伝達される。このとき、縦振動体部９１を伝達している縦振動の超音波振動は、図３に示すように、横振動体部９２において横振動に変換されて前記横振動体部９２の両端面９２ａ，９２ｂで最大振幅となる（図３の矢印Ｍ）。

このような状態の横振動の機械的超音波振動は、振動作用部１１に供給される。また、振動作用部１１は、加圧保持部７１から図示しない加圧装置によって加圧されて、振動作用部１１とアンビル１３との間に置かれた被溶着物（接合対象（ワーク））２０に加えられる。

前記被溶着物（接合対象（ワーク））２０には、振動作用部１１の横方向の機械的超音波振動と、図示しない加圧装置からの圧力が振動作用部１１を介して加えられることになる。これにより、前記被溶着物（接合対象（ワーク））２０は溶着されることになる。

このような本発明の実施の形態に係る超音波溶着システム１によれば、前記方向変換ホーン９を縦振動体部９１及び横振動体部９２から構成し、前記横振動体部９２を前記縦振動体部９１の一端部９１ａ側において直
角方向にかつ前記縦振動体部９１の側面９１ｂ，９１ｃよりそれぞれ突出させて設け、縦振動体部９１の長さＬ１と横振動体部９２の長さＬ２，Ｌ３とを使用超音波振動の波長に対して一定の関係に設定し、横振動体部９２のブースタ７、前記方向変換ホーン９及び前記振動作用部１１を一体として垂直方向に配置でき、そのため設置空間を著しく小さくできる。

また、本発明の実施形態に係る超音波溶着システム１よれば、前記コンバータ５、前記ブースタ７、前記方向変換ホーン９及び前記振動作用部１１を一体的に構成したので、構造が簡単で部品点数を著しく少なくすることができる。

さらに、本発明の実施形態に係る超音波溶着システム１によれば、前記コンバータ５から前記振動作用部１１までの各部品が垂直方向に一体的に配置されているので、従来装置の構造と比較すると従来装置よりは加圧方向のベンディング量を少なくすることが期待できる。

加えて、本発明の実施形態に係る超音波溶着システム１によれば、前記コンバータ５から前記振動作用部１１までの各部品が垂直方向に一体的に配置されているので、縦方向に所定の空間があれば設置できるため、汎用性が高くなる。

図４及び図５は、本発明の他の実施形態に係る超音波溶着システムの要部を説明するための図である。これらの図において、本発明の他の実施形態に係る超音波溶着システム１Ａが、本発明の実施形態に係る超音波溶着システム１と異なるところは、前記方向変換ホーン９の横振動体部９２の両端側９２ａ，９２ｂにそれぞれ振動作用部１１ａ，１１ｂを設けたものであって、これらに合わせてアンビル１３ａ，１３ｂを設けたものであり、他の構成は本発明の実施形態に係る超音波溶着システム１と同一であるので、同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

本発明の他の実施形態に係る超音波溶着システムによれば、本発明の実施の形態と同様な作用効果を奏するほか、振動作用部１１ａ，１１ｂにより二つ同時に溶着を行うことができる。

図６は、本発明のさらに他の実施形態に係る超音波溶着システムの要部を説明するための図である。これらの図において、本発明の他の実施形態に係る超音波溶着システム１Ｂが、上記各超音波溶着システム１，１Ｂと異なるところは、前記ブースタ７を省略した点にあり、他の構成には変更がないので、同一部材には同一の符号を付して説明する。

すなわち、本超音波溶着システム１Ｂは、発振器３、コンバータ５、方向変換ホーン９及び振動作用部１１から構成したものである。なお、加圧保持部は図示せず。

また、本超音波溶着システム１Ｂであっても、上記各超音波溶着システム１，１Ａと同様に動作し、かつ上記超音波溶着システム１，１Ａと同様な利点を持つことになる。

すなわち、本超音波溶着システム１Ｂによっても、設置空間を著しく小さくできること、部品点数を著しく少なくすることができることという利点を有することになる。

図７は、本発明の実施形態に係る超音波溶着システムにおいて振動方向変換手段の縦振動体部及び横振動体部の長さと使用超音波振動周波数と振動方向との関係を示す説明図である。

図７に示す説明図では、前記方向変換ホーン９の縦振動体部９１の超音波振動入力端９１ｄに入力された機械的超音波振動の振動方向（入力縦振動）と、前記方向変換ホーン９の横振動体部９２から出力される機械的超音波の振動方向（出力横振動）とを矢印で示している。

この入力縦振動と出力横振動とは、二つの態様を示すことが分かっている。

態様Ａは、方向変換ホーン９の縦振動体部９１の超音波振動入力端９１ｄにおける入力縦振動と、方向変換ホーン９の横振動体部９２の端側９２ａ，９２ｂの出力横振動が同時に内側または外側に向く態様である。

態様Ｂは、超音波振動入力端９１ｄにおける入力縦振動と、横振動体部９２の端側９２ａ，９２ｂの出力横振動が互い違いに向く態様である。

まず、態様Ａについて説明する。
態様Ａでは、Dimentionとして、［Ｌ１＝２×Ｌ２］、［Ｌ１＝１．７５×Ｌ２］ 、［Ｌ１＝１．５×Ｌ２］、［Ｌ１＝１．２５×Ｌ２］、［Ｌ１＝１×Ｌ２］の関係を選択するものとする。このようなDimentionにおいて、それぞれ超音波周波数(Frequency)を変化させたときに、方向変換ホーン９の縦振動体部９１及び横振動体部９２上で振動ベクトルがどのように変化するかが、Vibration Vectorとして表示されている。

まず、［Ｌ１＝２×Ｌ２］において超音波振動周波数４００９９［Ｈｚ］の超音波を方向変換ホーン９に加えたときに、縦振動体部９１の超音波振動入力端９１ｄでは外側を向くベクトルが生じ、方向変換ホーン９の横振動体部９２の両端９２ａ，９２ｂにも同時に外側を向くベクトルが前記両端９２ａ，９２ｂの全てに大きく発生している。

同様に、［Ｌ１＝１．７５×Ｌ２］において超音波振動周波数４０７３８［Ｈｚ］の超音波を方向変換ホーン９に加えたときに、縦振動体部９１の超音波振動入力端９１ｄでは外側を向くベクトルが生じ、方向変換ホーン９の横振動体部９２の両端９２ａ，９２ｂにも同時に外側を向くベクトルが前記両端９２ａ，９２ｂの下側に大きく発生している。

同様に、［Ｌ１＝１．５×Ｌ２］において超音波振動周波数４２６７１［Ｈｚ］の超音波を方向変換ホーン９に加えたときに、縦振動体部９１の超音波振動入力端９１ｄでは外側を向くベクトルが生じ、方向変換ホーン９の横振動体部９２の両端９２ａ，９２ｂにも同時に外側を向くベクトルが前記両端９２ａ，９２ｂに発生している。

同様に、［Ｌ１＝１．２５×Ｌ２］において超音波振動周波数４６２１９［Ｈｚ］の超音波を方向変換ホーン９に加えたときに、縦振動体部９１の超音波振動入力端９１ｄでは外側を向くベクトルが生じるが、方向変換ホーン９の横振動体部９２の両端９２ａ，９２ｂにも同時に外側を向くベクトルが前記両端９２ａ，９２ｂに発生しているが、大きなベクトルとはならない。

同様に、［Ｌ１＝１×Ｌ２］において超音波振動周波数５０７４０［Ｈｚ］の超音波を方向変換ホーン９に加えたときに、縦振動体部９１の超音波振動入力端９１ｄでは外側を向くベクトルが小さく生じるが、方向変換ホーン９の横振動体部９２の両端９２ａ，９２ｂにも同時に外側を向くベクトルが前記両端９２ａ，９２ｂに発生しているが、大きなベクトルとはならない。

以上のことから、態様Ａの場合にあっては、［Ｌ１＝２×Ｌ２］～［Ｌ１＝１．５×Ｌ２］程度に選択することが望ましいことがわかる。

次に、態様Ｂについて説明する。
態様Ｂでも、Dimentionとして、［Ｌ１＝２×Ｌ２］、［Ｌ１＝１．７５×Ｌ２］ 、［Ｌ１＝１．５×Ｌ２］、［Ｌ１＝１．２５×Ｌ２］、［Ｌ１＝１×Ｌ２］の関係を選択するものとする。このようなDimentionにおいて、
それぞれ超音波周波数(Frequency)を変化させたときに、方向変換ホーン９の縦振動体部９１及び横振動体部９２上で振動ベクトルがどのように変化するかが、Mode２(Vibration Vector）として表示されている。

まず、［Ｌ１＝２×Ｌ２］において超音波振動周波数３４８６１［Ｈｚ］の超音波を方向変換ホーン９に加えたときに、縦振動体部９１の超音波振動入力端９１ｄでは外側を向くベクトルが生じているが、方向変換ホーン９の横振動体部９２の両端９２ａ，９２ｂには内側を向くベクトルが前記両端９２ａ，９２ｂに発生している。

同様に、［Ｌ１＝１．７５×Ｌ２］において超音波振動周波数３７０１６［Ｈｚ］の超音波を方向変換ホーン９に加えたときに、縦振動体部９１の超音波振動入力端９１ｄでは外側を向くベクトルが生じているが、方向変換ホーン９の横振動体部９２の両端９２ａ，９２ｂには内側を向くベクトルが前記両端９２ａ，９２ｂに小さく発生していることがわかる。

同様に、［Ｌ１＝１．５×Ｌ２］において超音波振動周波数３８４７６［Ｈｚ］の超音波を方向変換ホーン９に加えたときに、縦振動体部９１の超音波振動入力端９１ｄでは外側を向くベクトルが生じているが、方向変換ホーン９の横振動体部９２の両端９２ａ，９２ｂには内側を向くベクトルが前記両端９２ａ，９２ｂの図示上側に若干大きく発生している。

同様に、［Ｌ１＝１．２５×Ｌ２］において超音波振動周波数３９０１７［Ｈｚ］の超音波を方向変換ホーン９に加えたときに、縦振動体部９１の超音波振動入力端９１ｄでは外側を向くベクトルが生じているが、方向変換ホーン９の横振動体部９２の両端９２ａ，９２ｂには内側を向くベクトルが前記両端９２ａ，９２ｂに大きく発生している。

同様に、［Ｌ１＝１×Ｌ２］において超音波振動周波数３９２２９［Ｈｚ］の超音波を方向変換ホーン９に加えたときに、縦振動体部９１の超音波振動入力端９１ｄでは外側を向くベクトルが小さく生じるが、方向変換ホーン９の横振動体部９２の両端９２ａ，９２ｂには内側を向くベクトルが前記両端９２ａ，９２ｂに大きく発生していることがわかる。

以上のことから、態様Ｂの場合にあっては、［Ｌ１＝１．５×Ｌ２］～［Ｌ１＝１×Ｌ２］程度に選択することが望ましいことがわかる。

よって、態様Ａ及び態様Ｂの結果から、使用超音波周波数において、縦振動体部９１の長さＬ１は、横振動体部９２の長さＬ２または長さＬ３より大きく選択することが望ましいことがわかる。また、Ｌ１とＬ２は、使用超音波振動の波長に対して一定の関係を持たせる必要があることがわかる。

１，１Ａ,１Ｂ 超音波溶着システム
３ 発振器
５ コンバータ
７ ブースタ
９ 方向変換ホーン（振動方向変換手段）
１１ 振動作用部
１３ アンビル
７１ 加圧保持部
９１ 縦振動体部
９２ 横振動体部

Claims (6)

1. 発振器からの超音波電気信号を機械的超音波振動に変換するコンバータと、
   前記機械的超音波振動の振動方向を変換させる振動方向変換手段とを少なくとも備えた超音波溶着システムにおいて、
   前記振動方向変換手段は、立体形状に形成された縦振動体部及び横振動体部からなり、
   前記横振動体部は、前記縦振動体部の一端部側で直角方向にかつ前記縦振動体部の側面よりそれぞれ突出させて設けられており、
   前記縦振動体部は、その他端部側を超音波振動入力端とし、前記超音波振動入力端から前記縦振動体部と前記横振動体部との境までの長さを第１の長さとし、
   前記横振動体部は、前記縦振動体部の側面から前記各横振動体部の端面までの長さを第２及び第３の長さとし、
   前記縦振動体部の第１の長さは、前記横振動体部の第２の長さまたは第３の長さより大きいことを特徴とする超音波溶着システム。
2. 前記振動方向変換手段は、前記横振動体部の端面側であって前記縦振動体部とは反対側の前記横振動体部の一面に振動作用部を設け、
   かつ、少なくとも前記コンバータ、前記振動方向変換手段及び前記振動作用部を一体として垂直方向に配置したことを特徴とする請求項１記載の超音波溶着システム。
3. 前記横振動体部の第２の長さと第３の長さはほぼ同一長さであることを特徴とする請求項１または２記載の超音波溶着システム。
4. 前記横振動体部の一端面から前記縦振動体部の中心軸を含む前記一端面と平行な面との距離を第４の長さとしたときに、第４の長さは使用超音波振動の波長に対して四分の一波長より小さく設定してなることを特徴とする請求項１、２または３記載の超音波溶着システム。
5. 前記横振動体部の両端面間の距離を第５の長さとしたときに、前記第５の長さは、少なくとも使用超音波振動の波長に対して二分の一の長さに設定したことを特徴とする請求項１、２、３または４記載の超音波溶着システム。
6. 前記縦振動体部の第１の長さは、前記横振動体部の第５の長さより小さく設定したものであることを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載の超音波溶着システム。
   

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