JPH04341853A - 圧電式インクジェットプリンタヘッド - Google Patents
圧電式インクジェットプリンタヘッドInfo
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- JPH04341853A JPH04341853A JP3114654A JP11465491A JPH04341853A JP H04341853 A JPH04341853 A JP H04341853A JP 3114654 A JP3114654 A JP 3114654A JP 11465491 A JP11465491 A JP 11465491A JP H04341853 A JPH04341853 A JP H04341853A
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- Japan
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- piezoelectric
- piezoelectric element
- printer head
- local deformation
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- 239000000919 ceramic Substances 0.000 abstract description 8
- 238000010030 laminating Methods 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 25
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 7
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
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- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 description 1
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、インクジェットプリン
タに係わり、より詳細には局所変形積層圧電素子を利用
した圧電式インクジェットプリンタヘッドに関する。
タに係わり、より詳細には局所変形積層圧電素子を利用
した圧電式インクジェットプリンタヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、我々は特開平２−７５８５８号公
報にて、複数個に分割された内部電極を有し、電圧印加
に伴い個別に局所変形を生ずる局所変形部を備えた一体
の積層圧電素子をインク滴の噴射に利用した圧電式イン
クジェットプリンタヘッドを提案した。この圧電式イン
クジェットプリンタヘッドは、積層圧電素子の変形の縦
効果を利用している。従って電圧印加時の変位量ｘは、
ｘ＝（ｄ３３・Ｖ）・ｎで表され（ｄ３３：縦効果の圧
電定数、Ｖ：駆動電圧）、積層枚数ｎを増やすことで、
必要な変位量ｘを得るための駆動電圧を低減することが
でき、低電圧駆動が可能な圧電式インクジェットプリン
タヘッドを供給することができた。
報にて、複数個に分割された内部電極を有し、電圧印加
に伴い個別に局所変形を生ずる局所変形部を備えた一体
の積層圧電素子をインク滴の噴射に利用した圧電式イン
クジェットプリンタヘッドを提案した。この圧電式イン
クジェットプリンタヘッドは、積層圧電素子の変形の縦
効果を利用している。従って電圧印加時の変位量ｘは、
ｘ＝（ｄ３３・Ｖ）・ｎで表され（ｄ３３：縦効果の圧
電定数、Ｖ：駆動電圧）、積層枚数ｎを増やすことで、
必要な変位量ｘを得るための駆動電圧を低減することが
でき、低電圧駆動が可能な圧電式インクジェットプリン
タヘッドを供給することができた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記圧
電式インクジェットプリンタヘッドは、ヘッドとしての
小型化を考えた場合、用いる積層圧電素子の厚みを薄く
する必要があった。積層圧電素子の厚みを薄くし、且つ
積層枚数を増やすためには、積層する圧電材料の一層の
厚みを薄くする必要がある。積層圧電素子の静電容量Ｃ
は、Ｃ＝ε・Ｓ／ｔで表され（ε：圧電材料の誘電率、
Ｓ：内部電極のトータル面積、ｔ：圧電材料の一層の厚
み）、積層枚数が増加し、圧電材料の一層の厚みが薄く
なるほど大きくなる。つまり前記圧電式インクジェット
プリンタヘッドは、一層の厚みを薄くし積層枚数を増や
せば数ボルト程度の低電圧駆動が可能ではあるが、反面
、静電容量が非常に大きくなるため、積層圧電素子の局
所変形駆動部を瞬時に変形させるためには非常に大きな
瞬時電流を流す必要が出てくる。圧電式インクジェット
プリンタヘッドでは圧電素子に電圧を印加し、インクキ
ャビティの容積を増加させ、その後電圧を除去しインク
キャビティの容積をもとに戻すと共にインク滴の噴射を
行うという駆動方式が採用されることが多い。従って電
圧印加時（充電時）は、圧電素子の両端電圧の立ち上が
り時間を遅らせたり、ＬＣ共振回路を利用する等の制御
側の工夫で必要な瞬時電流の値をコントロールすること
が可能である。しかしながらインク滴噴射を行う放電時
は、インクキャビティー内の圧力変化を瞬時に起こす必
要があり、数μｓｅｃ程度の時間内で素子の変形（放電
）を実現しなければならない。
電式インクジェットプリンタヘッドは、ヘッドとしての
小型化を考えた場合、用いる積層圧電素子の厚みを薄く
する必要があった。積層圧電素子の厚みを薄くし、且つ
積層枚数を増やすためには、積層する圧電材料の一層の
厚みを薄くする必要がある。積層圧電素子の静電容量Ｃ
は、Ｃ＝ε・Ｓ／ｔで表され（ε：圧電材料の誘電率、
Ｓ：内部電極のトータル面積、ｔ：圧電材料の一層の厚
み）、積層枚数が増加し、圧電材料の一層の厚みが薄く
なるほど大きくなる。つまり前記圧電式インクジェット
プリンタヘッドは、一層の厚みを薄くし積層枚数を増や
せば数ボルト程度の低電圧駆動が可能ではあるが、反面
、静電容量が非常に大きくなるため、積層圧電素子の局
所変形駆動部を瞬時に変形させるためには非常に大きな
瞬時電流を流す必要が出てくる。圧電式インクジェット
プリンタヘッドでは圧電素子に電圧を印加し、インクキ
ャビティの容積を増加させ、その後電圧を除去しインク
キャビティの容積をもとに戻すと共にインク滴の噴射を
行うという駆動方式が採用されることが多い。従って電
圧印加時（充電時）は、圧電素子の両端電圧の立ち上が
り時間を遅らせたり、ＬＣ共振回路を利用する等の制御
側の工夫で必要な瞬時電流の値をコントロールすること
が可能である。しかしながらインク滴噴射を行う放電時
は、インクキャビティー内の圧力変化を瞬時に起こす必
要があり、数μｓｅｃ程度の時間内で素子の変形（放電
）を実現しなければならない。
【０００４】局所変形積層圧電素子を用いた圧電式イン
クジェットプリンタヘッドでは放電時の最大瞬時電流が
非常に大きくなり、その結果非常に高価な放電回路が必
要となるという問題点があった。
クジェットプリンタヘッドでは放電時の最大瞬時電流が
非常に大きくなり、その結果非常に高価な放電回路が必
要となるという問題点があった。
【０００５】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、放電時（インク滴噴射時）に必
要な最大瞬時電流を低減し、かつ数十ボルトでの低電圧
駆動可能な圧電式インクジェットプリンタヘッドの局所
変形積層圧電素子の構成を提示することにある。
になされたものであり、放電時（インク滴噴射時）に必
要な最大瞬時電流を低減し、かつ数十ボルトでの低電圧
駆動可能な圧電式インクジェットプリンタヘッドの局所
変形積層圧電素子の構成を提示することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドには分
割内部電極が形成された厚み４０μｍ〜１５０μｍの圧
電材料層と、共通内部電極が形成された厚み４０μｍ〜
１５０μｍの圧電材料層とが一層おきに積層された、局
所変形積層圧電素子が利用されている。また、該局所変
形積層圧電素子の側面には積層方向の各分割内部電極を
連結する外部電極と、共通内部電極を連結する外部電極
を備えている。
に本発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドには分
割内部電極が形成された厚み４０μｍ〜１５０μｍの圧
電材料層と、共通内部電極が形成された厚み４０μｍ〜
１５０μｍの圧電材料層とが一層おきに積層された、局
所変形積層圧電素子が利用されている。また、該局所変
形積層圧電素子の側面には積層方向の各分割内部電極を
連結する外部電極と、共通内部電極を連結する外部電極
を備えている。
【０００７】
【作用】上記の構成を有する本発明の圧電式インクジェ
ットプリンタヘッドでは、局所変形積層圧電素子の圧電
材料層の一層おきに設けられた分割内部電極と同数の局
所変形駆動部を持つ。
ットプリンタヘッドでは、局所変形積層圧電素子の圧電
材料層の一層おきに設けられた分割内部電極と同数の局
所変形駆動部を持つ。
【０００８】分割内部電極を連結する外部電極と共通内
部電極を連結する外部電極間に電圧を印加することで任
意の局所変形駆動部を駆動させることができる。従って
インクキャビティ及びインク噴射孔を多数個の局所変形
駆動部の位置関係に対応させて形成することで局所変形
駆動部への電圧のｏｎ−ｏｆｆに従うインクキャビティ
の容積変化を利用したインク滴の噴射が実現できる。
部電極を連結する外部電極間に電圧を印加することで任
意の局所変形駆動部を駆動させることができる。従って
インクキャビティ及びインク噴射孔を多数個の局所変形
駆動部の位置関係に対応させて形成することで局所変形
駆動部への電圧のｏｎ−ｏｆｆに従うインクキャビティ
の容積変化を利用したインク滴の噴射が実現できる。
【０００９】また積層されている圧電材料の厚みが４０
μｍ〜１５０μｍなので、効率の良い局所変形が起こり
且つ各局所変形駆動部の静電容量も、それほど大きくな
く、低電圧駆動できるので必要となる最大瞬時電流の値
も実用レベルとなる。
μｍ〜１５０μｍなので、効率の良い局所変形が起こり
且つ各局所変形駆動部の静電容量も、それほど大きくな
く、低電圧駆動できるので必要となる最大瞬時電流の値
も実用レベルとなる。
【００１０】
【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例を図面を
参照して説明する。
参照して説明する。
【００１１】本実施例の圧電式インクジェットプリンタ
ヘッドの概略構成を図１に示す。該圧電式インクジェッ
トプリンタヘッドは、局所変形積層圧電素子１１と、イ
ンクキャビティプレート１５と、インクノズルプレート
１７と、バックプレート１９を積み重ねることで構成さ
れている。
ヘッドの概略構成を図１に示す。該圧電式インクジェッ
トプリンタヘッドは、局所変形積層圧電素子１１と、イ
ンクキャビティプレート１５と、インクノズルプレート
１７と、バックプレート１９を積み重ねることで構成さ
れている。
【００１２】図２に局所変形積層圧電素子１１の概略構
成図を示す。局所変形積層圧電素子１１の外形寸法は１
４．４×６８×０．５ｍｍである。局所変形積層圧電素
子１１として１４．４×６８ｍｍの面に６４個の分割さ
れた１×６．７ｍｍ寸法の内部電極１２または１３×６
６ｍｍ寸法の共通内部電極１３が形成された厚み２０、
４０、８０、１２０、１６０μｍの圧電セラミックス層
を用いて５種類の積層体を構成した。一層おきに形成さ
れた分割内部電極１２を連結する６４個の外部電極１４
が６８×０．５ｍｍの両面に各々３２個ずつ形成されて
いる。また一層おきに形成された共通内部電極１３を連
結する外部電極１４が１４．４×０．５ｍｍの片方の面
に形成されている。
成図を示す。局所変形積層圧電素子１１の外形寸法は１
４．４×６８×０．５ｍｍである。局所変形積層圧電素
子１１として１４．４×６８ｍｍの面に６４個の分割さ
れた１×６．７ｍｍ寸法の内部電極１２または１３×６
６ｍｍ寸法の共通内部電極１３が形成された厚み２０、
４０、８０、１２０、１６０μｍの圧電セラミックス層
を用いて５種類の積層体を構成した。一層おきに形成さ
れた分割内部電極１２を連結する６４個の外部電極１４
が６８×０．５ｍｍの両面に各々３２個ずつ形成されて
いる。また一層おきに形成された共通内部電極１３を連
結する外部電極１４が１４．４×０．５ｍｍの片方の面
に形成されている。
【００１３】インクキャビティプレート１５は外形寸法
１４．４×６８×０．１ｍｍで各局所変形駆動部に対応
する位置関係に６４個のインクキャビティ１６が寸法１
．６×６．３×０．１ｍｍにて形成されている。インク
ノズルプレート１７は外形寸法１４．４×６８×０．１
ｍｍで６４個の各インクキャビティ１６の位置に対応す
るように、６４個のインク噴射孔１８が設けらている。 バックプレート１９は外形寸法１４．４×６８×１ｍｍ
で局所変形積層圧電素子１１の１４．４×６８ｍｍの裏
面と強固に接着される。
１４．４×６８×０．１ｍｍで各局所変形駆動部に対応
する位置関係に６４個のインクキャビティ１６が寸法１
．６×６．３×０．１ｍｍにて形成されている。インク
ノズルプレート１７は外形寸法１４．４×６８×０．１
ｍｍで６４個の各インクキャビティ１６の位置に対応す
るように、６４個のインク噴射孔１８が設けらている。 バックプレート１９は外形寸法１４．４×６８×１ｍｍ
で局所変形積層圧電素子１１の１４．４×６８ｍｍの裏
面と強固に接着される。
【００１４】尚、本実施例で用いた圧電セラミックスは
チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックス材料で、比誘
電率εｓ約３０００、縦方向の圧電定数ｄ３３約４５０
〜５００ｐｍ／Ｖ、キュリー温度Ｔｃ約３００℃である
。 圧電定数ｄ３３のもっと大きい圧電セラミックス材料は
他にもあるが一般的にそう言った材料は比誘電率が大き
く、キュリー温度も低いので局所変形積層圧電素子には
不向きである。
チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックス材料で、比誘
電率εｓ約３０００、縦方向の圧電定数ｄ３３約４５０
〜５００ｐｍ／Ｖ、キュリー温度Ｔｃ約３００℃である
。 圧電定数ｄ３３のもっと大きい圧電セラミックス材料は
他にもあるが一般的にそう言った材料は比誘電率が大き
く、キュリー温度も低いので局所変形積層圧電素子には
不向きである。
【００１５】次に上記５種類の圧電式インクジェットプ
リンタヘッドの駆動を考えてみると、まず用いた局所変
形積層圧電素子１１の静電容量は一つの局所変形駆動部
につき各々約１００、３５、８．８、３．９、２．２ｎ
Ｆであった。またインク滴噴射に必要なインクキャビテ
ィーの容積変化はこのヘッドでは約３．３７×１０−４
ｍｍ３であり、そのために必要な駆動電圧は各々約１６
、２０、５０、９０、１５０Ｖであった。そのグラフを
図３に示した。静電容量の値がＣ＝ε・Ｓ／ｔで表され
る（ε：圧電材料の誘電率、Ｓ：内部電極のトータル面
積、ｔ：圧電材料の一層の厚み）値から圧電材料の一層
の厚みが２０μｍの場合のみ大きくずれているのは圧電
材料の誘電率が下がっていたためである。
リンタヘッドの駆動を考えてみると、まず用いた局所変
形積層圧電素子１１の静電容量は一つの局所変形駆動部
につき各々約１００、３５、８．８、３．９、２．２ｎ
Ｆであった。またインク滴噴射に必要なインクキャビテ
ィーの容積変化はこのヘッドでは約３．３７×１０−４
ｍｍ３であり、そのために必要な駆動電圧は各々約１６
、２０、５０、９０、１５０Ｖであった。そのグラフを
図３に示した。静電容量の値がＣ＝ε・Ｓ／ｔで表され
る（ε：圧電材料の誘電率、Ｓ：内部電極のトータル面
積、ｔ：圧電材料の一層の厚み）値から圧電材料の一層
の厚みが２０μｍの場合のみ大きくずれているのは圧電
材料の誘電率が下がっていたためである。
【００１６】駆動電圧についても理論式からのずれが大
きかった。その原因を調べるために各素子に１０Ｖの直
流電圧を印加し最高変位量を測定した。単位電界強度当
りの変位量を理論値を１００％として図４に示した。圧
電セラミックス層の一層の厚み４０μｍ以上でほぼ理論
値に近い変位量を示した。一層の厚み２０μｍで変位量
が少なかったのは上記の誘電率の低下と対応ずけられる
ものと考えられる。
きかった。その原因を調べるために各素子に１０Ｖの直
流電圧を印加し最高変位量を測定した。単位電界強度当
りの変位量を理論値を１００％として図４に示した。圧
電セラミックス層の一層の厚み４０μｍ以上でほぼ理論
値に近い変位量を示した。一層の厚み２０μｍで変位量
が少なかったのは上記の誘電率の低下と対応ずけられる
ものと考えられる。
【００１７】また局所変形の効率を調べるために、単位
電界強度当りの体積変化量を測定した。その時の局所変
形積層圧電素子の変形の様子を図５に示した。圧電セラ
ミックス層の一層の厚み４０μｍの素子の体積変化量を
１００％とした時の各層厚の素子の体積変化量を図６に
示した。この結果から圧電セラミックス層の一層の厚み
の増加に伴い局所変形効率が低下していくことが判る。
電界強度当りの体積変化量を測定した。その時の局所変
形積層圧電素子の変形の様子を図５に示した。圧電セラ
ミックス層の一層の厚み４０μｍの素子の体積変化量を
１００％とした時の各層厚の素子の体積変化量を図６に
示した。この結果から圧電セラミックス層の一層の厚み
の増加に伴い局所変形効率が低下していくことが判る。
【００１８】またインク滴噴射に必要なインクキャビテ
ィーの容積変化を約２μｓｅｃで発生させるための放電
時の最大瞬時電流値は、各々１９００、７００、４３８
、３５０、３２９ｍＡとなった。放電をトランジスタを
用いて行なうとトランジスタの大きさ、コスト等から最
大瞬時電流は１Ａ以下が望ましいことから圧電セラミッ
クス層の一層の厚み４０μｍ以上が望ましいことになる
。また圧電セラミックス層の一層の厚みが１５０μｍ以
上になると低電圧駆動が困難になる。従って本発明の圧
電式インクジェットプリンタヘッドに利用する局所変形
積層圧電素子の圧電材料の一層の厚みは４０〜１５０μ
ｍの範囲であることが望ましい。
ィーの容積変化を約２μｓｅｃで発生させるための放電
時の最大瞬時電流値は、各々１９００、７００、４３８
、３５０、３２９ｍＡとなった。放電をトランジスタを
用いて行なうとトランジスタの大きさ、コスト等から最
大瞬時電流は１Ａ以下が望ましいことから圧電セラミッ
クス層の一層の厚み４０μｍ以上が望ましいことになる
。また圧電セラミックス層の一層の厚みが１５０μｍ以
上になると低電圧駆動が困難になる。従って本発明の圧
電式インクジェットプリンタヘッドに利用する局所変形
積層圧電素子の圧電材料の一層の厚みは４０〜１５０μ
ｍの範囲であることが望ましい。
【００１９】
【発明の効果】以上説明したことから明かなように、複
数個に分割された内部電極を有し、電圧印加に伴い個別
に局所変形を生ずる局所変形部を備えた一体の積層圧電
素子を用いた圧電式インクジェットプリンタヘッドに於
て、局所変形積層圧電素子の圧電材料の一層の厚みを４
０〜１５０μｍの厚みとすることで放電時の瞬時電流を
実用レベルの値に押え、かつ効率のよい局所変形を実現
することにより低電圧駆動可能な圧電式インクジェット
プリンタヘッドを提供することができる。
数個に分割された内部電極を有し、電圧印加に伴い個別
に局所変形を生ずる局所変形部を備えた一体の積層圧電
素子を用いた圧電式インクジェットプリンタヘッドに於
て、局所変形積層圧電素子の圧電材料の一層の厚みを４
０〜１５０μｍの厚みとすることで放電時の瞬時電流を
実用レベルの値に押え、かつ効率のよい局所変形を実現
することにより低電圧駆動可能な圧電式インクジェット
プリンタヘッドを提供することができる。
【図１】本発明の圧電式インクジェットプリンタヘッド
の構成図である。
の構成図である。
【図２】圧電式インクジェットプリンタヘッドを構成す
る局所変形積層圧電素子の図である。
る局所変形積層圧電素子の図である。
【図３】本実施例の各局所変形積層圧電素子の駆動電圧
と静電容量を示す図である。
と静電容量を示す図である。
【図４】本実施例の各局所変形積層圧電素子の単位電界
強度当りの変位量を示す図である。
強度当りの変位量を示す図である。
【図５】本実施例の局所変形積層圧電素子の電圧印加時
の変形を示す図である。
の変形を示す図である。
【図６】本実施例の各局所変形積層圧電素子の単位電界
強度当りの体積変化量を示す図である。
強度当りの体積変化量を示す図である。
１１ 積層圧電素子（局所変形積層圧電素子）１２
内部電極（分割内部電極） １３ 内部電極（共通内部電極）
内部電極（分割内部電極） １３ 内部電極（共通内部電極）
Claims (1)
- 【請求項１】 複数個に分割された内部電極を有し、
電圧印加に伴い個別に局所変形を生ずる局所変形部を備
えた一体の積層圧電素子を用いた圧電式インクジェット
プリンタヘッドに於て、一層の厚みが４０μｍ〜１５０
μｍの範囲である圧電材料の積層体で構成された局所変
形積層圧電素子を利用することを特徴とする圧電式イン
クジェットプリンタヘッド。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3114654A JPH04341853A (ja) | 1991-05-20 | 1991-05-20 | 圧電式インクジェットプリンタヘッド |
| US07/886,332 US5402159A (en) | 1990-03-26 | 1992-05-20 | Piezoelectric ink jet printer using laminated piezoelectric actuator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3114654A JPH04341853A (ja) | 1991-05-20 | 1991-05-20 | 圧電式インクジェットプリンタヘッド |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04341853A true JPH04341853A (ja) | 1992-11-27 |
Family
ID=14643221
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3114654A Pending JPH04341853A (ja) | 1990-03-26 | 1991-05-20 | 圧電式インクジェットプリンタヘッド |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04341853A (ja) |
Cited By (28)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5906481A (en) * | 1995-05-23 | 1999-05-25 | Fujitsu Limited | Piezoelectric fluid pump |
| US6007189A (en) * | 1995-01-18 | 1999-12-28 | Fujitsu Isotec Limited | Piezoelectric type ink-jet printing head having a pressure chamber plate which is less flexible than piezoelectric elements |
| US6536879B2 (en) | 2000-09-22 | 2003-03-25 | Brother Kogyo Kabushiki Kaisha | Laminated and bonded construction of thin plate parts |
| US6846069B2 (en) | 2002-05-10 | 2005-01-25 | Brother Kogyo Kabushiki Kaisha | Ink-jet head |
| EP1506863A1 (en) | 2003-08-12 | 2005-02-16 | Brother Kogyo Kabushiki Kaisha | Inkjet print head |
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