JP5105266B2 - 回転角度検出装置 - Google Patents
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Description
また、特許文献2の装置では、円形状のヨークの内側に、磁気検出素子としてのホール素子を回転中心から磁石と反対側に配置することで磁束変化の直線範囲を拡大している。
特許文献3の装置では、磁気検出素子の両側に対向して配置される2つの磁石の内面および外面を曲面形状にすることで、磁気検出素子を通過する磁束密度を安定させている。
特許文献3の装置は、磁気検出素子付近の磁束を真っ直ぐにするため、磁束ベクトルが均一化し、ロバスト性に強い。しかし、磁石の形状が複雑なため製造コストが増大する。
請求項1に記載の発明は、磁束伝達手段と磁界発生手段と磁気検出手段とを備える。
磁気検出手段は、第1壁と第2壁との間に配置され、検出対象の回転に伴って磁界発生手段および磁束伝達手段に対して相対回転し、感磁面が設けられて検出対象の回転角度を検出する。
磁界発生手段は、第1壁の内壁にのみ設置され、第1壁と直交する方向に着磁される。
また、磁気回路のパーミアンスが増大し、磁界発生手段の減磁を抑制できるとともに、磁気検出手段が検出する磁束密度が大きくなってSN比が向上する。
磁束伝達手段は、例えばヨークとして具現化される。
さらに、磁界発生手段は第1壁の内壁にのみ設置されるため、構成が簡易となる。
特に請求項2に記載の発明では、第3壁および第4壁において回転軸に直交する平面での断面形状は、回転軸を中心とする円弧である。
例えば、第1壁および第2壁が基準面に平行な平面で、第3壁および第4壁の断面形状が円弧のとき、第1壁および第2壁は「弦」に相当する。したがって、磁気検出手段から第2壁までの距離が相対的に短いほど、弦である第2壁の長さが長くなる。そのため、磁気検出手段に近い側で、磁束ベクトルが均一化される範囲を広げることができる。また、第1壁を構成する第1壁右要素および第1壁左要素、あるいは、第2壁を構成する第2壁右要素および第2壁左要素が基準面に対して傾斜して形成される場合でも同様である。
よって、磁束ベクトルがより均一化され、ロバスト性に強くなる。
請求項1に記載の発明によると、磁気検出手段の第2壁側の磁束ベクトルは、磁気検出手段の第1壁側の磁束ベクトルよりも均一化する。ところで、磁気検出手段が配置される位置には、ばらつきが生じることが想定される。そこで、ばらつきの上限値をΔmaxとすると、磁気検出手段を「対称面上で回転軸に対して第2壁側にΔmax以上ずらした位置」に配置することにより、磁気検出手段の±90°範囲内の相対回転の軌跡を、常に、「回転軸に対して第2壁側」の領域に含むことができる。したがって、最も磁束ベクトルが均一化された領域で磁束密度が検出されるため、ロバスト性に特に強くなる。
単純形状であるため、加工および組立工程でのばらつきを抑制することができる。よって、磁束ベクトルがより均一化し、位置ずれに対するロバスト性に強くなる。また、単純形状であるため、例えば従来技術による曲面形状の磁界発生手段に対して、製造コストを低減することができる。
「1つのまとまった磁界発生手段」は、1個の単一磁石で構成されるだけでなく、1群の分割磁石群から構成されてもよい。例えば、複数の直方体の小磁石を、同じ極性の磁極同士が隣接するように並べて、直方体形状の1つのまとまった磁界発生手段を構成することができる。これにより、磁界発生手段のサイズにバリエーションを設ける場合に標準サイズの磁石を組み合わせることで構成可能となり、設計自由度が増す。
請求項7に記載の発明では、第1壁は、第1壁右要素と第1壁左要素とを含む複数の壁要素により構成される。また、磁界発生手段は、右側磁界発生手段と左側磁界発生手段とに分離して構成される。右側磁界発生手段は、第1壁右要素の内壁に設置され第1壁右要素と直交する方向に着磁される。左側磁界発生手段は、第1壁左要素の内壁に設置され第1壁左要素と直交する方向に着磁される。
特に請求項8に記載の発明では、第1壁右要素および第1壁左要素は、内壁が基準面に平行な同一平面上に形成される。すなわち、請求項4に記載の発明に対し第1壁については同様であり、磁界発生手段が1つにまとまっておらず2つに分離している点が異なる。
これにより、対称面から離れた所での磁束ベクトルの曲がりを対称面に平行な方向に矯正することができる。したがって、磁束ベクトルを対称面に平行な方向に均一化できる範囲が広くなる。そのため、検出対象の回転角度の全域にわたって、ロバスト性により強くなる。
この構成では、対称面から離れた所での磁束ベクトルの曲がりを余計に大きくすることになる。しかし、検出対象の回転角度の特定の範囲について、磁束ベクトルの曲がりを利用し、磁束が相対的に強い位置では磁束が磁気検出手段の感磁面を通過しにくく、磁束が相対的に弱い位置では磁束が磁気検出手段の感磁面を通過しやすくすることで、検出のバランスを向上することができる。
請求項13に記載の発明では、第2壁右要素および第2壁左要素は、対称面に近づくにしたがって内壁が基準面から遠ざかるように基準面に対して傾斜して形成される。すなわち、第2壁が径方向に凸となるように形成される。
請求項14に記載の発明では、第2壁右要素および第2壁左要素は、対称面に近づくにしたがって内壁が基準面に近づくように前記基準面に対して傾斜して形成される。すなわち、第2壁が径方向に凹となるように形成される。
請求項16に記載の発明では、磁気検出手段は、さらに、第1磁気検出素子が検出した磁束密度が検出対象の回転角度に対して線形に変化するように補正するリニア補正手段を備える。これにより、検出磁束密度の直線性を向上することができる。
また、第1磁気検出素子は、請求項18に記載の発明のように、ホール素子であることが好ましい。
本発明では、2つの磁気検出素子が検出する磁束密度は位相がずれて変化し、それらの検出磁束密度を三角関数演算することにより、検出対象の回転角度を検出する。これにより、個々の磁気検出素子が有する検出磁束密度の温度特性をキャンセルすることができ、簡易な構成で高精度な検出が可能となる。
また、第1磁気検出素子および第2検出素子は、請求項22に記載の発明のように、ホール素子であることが好ましい。
(第1実施形態)
本発明の回転角度検出装置は、例えば、自動車の電子スロットル、排気ガス再循環バルブ、及び、アクセルペダル等の回転部に適用される。回転角度検出装置は、検出対象の回転角度を検出する。
図2に示すように、ロータリアクチュエータ4の回転部4aの回転角度を検出する回転角度検出装置2は、図示しない基板に第1磁気検出素子としてのホール素子5が取り付けられ、検出対象となる回転部4aに磁界発生手段としての磁石21が取り付けられている。回転部4aの回転に伴って回転する磁石21に対して相対回転するホール素子5は、回転部4aの回転角度を検出する。検出された回転角度は、ECU(エンジン制御ユニット)10に出力される。ECU10は、回転角度検出装置2から出力された回転角度に基づいて、ロータリアクチュエータ4をフィードバック制御する。
回転角度検出装置2は、直方体形状の磁石21、ホール素子5、及び、磁束伝達手段としてのヨーク40を備えている。
ヨーク40は、対称面Syに対して対称の枠状に磁性材料で形成される。第1壁41の内壁41aおよび第2壁42の内壁42aは、基準面Sxに対して平行に形成される。
第1壁41の内壁41aに磁石21が取り付けられる。磁石21は、対称面Syに対して対称に配置される。磁石21は、第1壁41に接する側がN極であり、第2壁42に対面する側がS極である。
また、ホール素子5はz軸上に配置されるため、距離Y1は「ホール素子5から第1壁41の内壁41aまでの距離」に等しく、距離Y2は、「ホール素子5から第2壁42の内壁42aまでの距離」に等しい。
検出対象である回転部4aの回転に伴って、ホール素子5が磁石21に対して相対回転すると、感磁面5aが検出する磁束密度は、図5(a)に示すように正弦波状に変化する。なお、検出磁束密度がゼロとなる回転位置を「回転角度0°」とする。
リニア補正回路18は、回転角度が±90°の範囲で検出磁束密度を直線化するように補正して、図5(b)に示すリニア補正後出力を出力する。
第1実施形態は、下記(1)〜(8)の効果を奏する。
(1)ヨーク40がz軸を内側に含む枠状に形成されることによって、シールド効果により、他の磁界や磁性体の近接による外乱に強くなる。
また、磁気回路のパーミアンスが増大し、磁石21の減磁を抑制できるとともに、ホール素子5が検出する磁束密度が大きくなってSN比が向上する。
(2)ヨーク40が対称面Syに対して対称に設けられることにより、磁束のバランスが良好となる。よって、磁束ベクトルがより均一化され、ロバスト性に強くなる。
また、磁石21は第1壁41の内壁41aにのみ設置されるため、構成が簡易となる。
(4)さらに、第3壁43および第4壁44は、z軸を中心とする円弧形状である。これにより、ホール素子5から第3壁43および第4壁44までの距離を相対的に遠ざけ、第3壁43および第4壁44からの磁束の回り込みによる磁束ベクトルの曲がりを小さくすることができるため、磁束ベクトルがより均一化され、ロバスト性に強くなる。また、ヨーク40の外形を回転半径に合わせられ、スペース使用効率が向上する。
(8)ホール素子5およびリニア補正回路18は、1つのホールICチップ7として構成される。これにより、磁気検出手段の体格を小型化でき搭載性が向上する。
次に、特許文献1、2に記載の従来技術の組合せに基づく比較例を説明する。この比較例では、図24に示すように、円形枠状のヨーク48、及び、ヨーク48の径内方向の一方の内壁に沿って設けられるヨーク49が磁束伝達手段を構成し、ヨーク49に対向する位置に磁石29が設けられる。ホール素子5は、磁石29とヨーク49の間の回転軸上に配置される。
(第2実施形態)
第2実施形態の回転角度検出装置2では、図4に示すように、ホール素子5は、z軸に対して第2壁42側に所定距離Yhずらした位置に配置される。ここで、所定距離Yhは、ホール素子5の加工、組立時における位置ばらつきの上限値Δmax以上の値に設定される。現実の製品の位置ばらつきが設計公差内に入っているとすれば、設計公差の上限値を「位置ばらつきの上限値Δmax」とみなしてもよい。
その他、第2実施形態は、第1実施形態と同様の効果を奏する。
なお、第2実施形態のホール素子5の検出磁束密度は、図5(c)に示す波形となる。この波形は、正確な正弦波に比べ、回転角度が−90°〜90°の範囲で、回転角度に対する検出磁束密度の変化が直線的になる。
第3実施形態は、図6に示すように、第1実施形態に対し、磁気検出手段がホール素子を2個備えるものである。
第1磁気検出素子としての第1ホール素子5、及び、第2磁気検出素子としての第2ホール素子6は、1つのホールICチップ9内に近接して搭載されている。第1ホール素子5の感磁面5aの方向と第2ホール素子6の感磁面6aの方向とは、所定角度αだけ異なる。ホールICチップ9は、特許請求の範囲に記載の「半導体チップ」に相当する。
V1:第1ホール素子5の出力電圧(mV)
V2:第2ホール素子6の出力電圧(mV)
K(t):ホール係数(−)
I(t):ホール電流(mA)
B(t):検出しうる磁束密度の最大値(正弦波の振幅の1/2)(mT)
B1(t):第1ホール素子5の検出磁束密度(mT)
B2(t):第2ホール素子6の検出磁束密度(mT)
θ:回転角度(°)なお、θ(°)=πθ/180(rad)である。
α=γ−β:第1ホール素子5と第2ホール素子6との位相差(°)
β:第1ホール素子5の基準角度に対する位相差(°)
γ:第2ホール素子5の基準角度に対する位相差(°)
V1=K(t)・I(t)・B1(t)
=K(t)・I(t)・B(t)・sin(θ−β) ・・・(式1)
V2=K(t)・I(t)・B2(t)
=K(t)・I(t)・B(t)・sin(θ−γ) ・・・(式2)
このように、ホール素子5、6の出力電圧Vは雰囲気温度tに依存する。したがって、雰囲気温度tを測定し、ホール係数K(t)、ホール電流I(t)、磁束密度B(t)それぞれの温度特性から出力電圧Vを補正しようとすると、複雑な補正回路が必要となる。
θ=(180/π)×arctan{cot(πα/360)・Cv}・・(式3)
Cv=(V1−V2)/(V1+V2) ・・・(式4)
特にα=90°の場合には、(式5)のようになる。
θ=(180/π)×arctan(V1/V2) ・・・(式5)
演算角度は、上記の式による計算結果に、位相差αに応じたオフセット量を加えることによって得られる。
演算回路17は、検出磁束密度B1、B2に基づき、図8(b)に示す演算角度を演算する。
第3実施形態は、第1実施形態の効果(1)〜(6)に加え、下記の効果を奏する。
(7)2個のホール素子5、6を備え、演算回路17が三角関数演算を実行することにより、出力電圧Vの温度特性をキャンセルできるため、簡易な構成で高精度な検出が可能となる。また、リニア補正回路18が演算角度を直線化するように補正するため、検出磁束密度の直線性を向上することができる。
第4実施形態は、図9に示すように、第3実施形態に対し、ホールICチップ9がz軸に対して第2壁42側に所定距離Yhずらした位置に配置される。ホールICチップ9の構成は第3実施形態と同様であり、所定距離Yhは第2実施形態と同様に設定される。
図10は、第4実施形態による特性図を示す。図15(a)に示す例では、β=0°、γ=90°に設定されており、第2ホール素子6の検出磁束密度B2は、第1ホール素子5の検出磁束密度B1に対して、α=90°だけ遅れた波形となる。この波形は、正確な正弦波に比べ、−90°≦θ≦90°の範囲で、回転角度に対する検出磁束密度の変化が直線的になる。
その他、第4実施形態は、第3実施形態と同様の効果を奏する。
(第5実施形態)
第5実施形態は、図11に示すように、第1実施形態(図1参照)の磁石21に代えて右側磁石211および左側磁石212の2つの磁石を備えている。右側磁石211および左側磁石212は、第1壁41の内壁41aに対称面Syに対して対称に、一定の間隔をあけて設置される。右側磁石211および左側磁石212は、第1壁に接する側がN極であり、第2壁42に対面する側がS極である。
ホール素子5はz軸上に配置される。
第6実施形態は、図12に示すように、第2実施形態(図4参照)に対応し、ホール素子5をz軸に対して第2壁42側に所定距離Yhずらした位置に配置している。
これにより、ホール素子5の±90°範囲内の相対回転の軌跡は、常に、「z軸に対して第2壁42側」の領域に含まれる。したがって、最も磁束ベクトルが均一化された領域で磁束密度が検出されるため、ロバスト性に特に強くなる。
第7実施形態は、図13に示すように、第3実施形態(図6参照)に対応し、2個のホール素子5、6を含む磁気検出手段をz軸上に配置することで、三角関数演算により高精度な検出が可能となる。
第8実施形態は、図14に示すように、第4実施形態(図9参照)に対応し、2個のホール素子5、6を含む磁気検出手段をz軸に対して第2壁42側に所定距離Yhずらした位置に配置する。これにより、第6実施形態および第7実施形態の効果を兼ね備える。
(第9実施形態)
第9実施形態は、図15(a)に示すように、第1壁41が径方向に凸となるように形成される。すなわち、第1壁右要素411および第1壁左要素412は、対称面Syに近づくにしたがって内壁411a、412aが基準面Sxから遠ざかるように、基準面Sxに対して傾斜して形成される。なお、第2壁42は上記の実施形態と同様、基準面Sxに平行に形成される。
第10実施形態は、図15(b)に示すように、第1壁41が径方向に凹となるように形成される。すなわち、第1壁右要素411および第1壁左要素412は、対称面Syに近づくにしたがって内壁411a、412aが基準面Sxに近づくように、基準面Sxに対して傾斜して形成される。第2壁42は、基準面Sxに平行に形成される。
第11〜第14実施形態は、さらに第2壁42が、対称面Syに対して紙面右側に形成される第2壁右要素421と、対称面Syに対して紙面左側に形成される第2壁左要素422とから構成される。そして、第2壁右要素421の内壁421aと第2壁左要素422の内壁422aとが基準面Sxに対して傾斜して形成される。
第12実施形態は、図16(b)に示すように、第10実施形態に対して、さらに、第2壁42が径方向に凸となるように形成される。
第14実施形態は、図17(b)に示すように、第10実施形態に対して、さらに、第2壁42が径方向に凹となるように形成される。
また、いずれも、距離D2が距離D1よりも短くなるように形成される。したがって、ホール素子5に近い側で、磁束ベクトルが均一化される範囲を広げることができ、ロバスト性に強くなる。
(ア)上記の第1〜第4実施形態では、第1壁41に接する側が磁石21のN極であるが、逆に、第1壁に接する側がS極であってもよい。また、上記の第5〜第14実施形態では、第1壁右要素411および第1壁左要素412に接する側が右側磁石211および左側磁石212のN極であるが、逆に、第1壁右要素および第1壁左要素に接する側がS極であってもよい。
これにより、磁界発生手段のサイズにバリエーションを設ける場合に標準サイズの小磁石を組み合わせることで構成可能となり、設計自由度が増す。
4 ・・・ロータリアクチュエータ
4a ・・・回転部
5 ・・・ホール素子、第1ホール素子(第1磁気検出素子、磁気検出手段)
6 ・・・ホール素子、第2ホール素子(第2磁気検出素子、磁気検出手段)
5a、6a ・・・感磁面
7、9 ・・・ホールICチップ(半導体チップ、磁気検出手段)
10 ・・・ECU
14 ・・・信号処理装置
17 ・・・三角関数演算回路(演算手段)
18 ・・・リニア補正回路(リニア補正手段)
21 ・・・磁石(磁界発生手段)
211 ・・・磁石、右側磁石(右側磁界発生手段)
212 ・・・磁石、左側磁石(左側磁界発生手段)
27、271、272・・・分割磁石群
40 ・・・ヨーク(磁束伝達手段)
41 ・・・第1壁
411 ・・・第1壁右要素
412 ・・・第1壁左要素
41a、411a、412a・・・内壁
42 ・・・第2壁
421 ・・・第2壁右要素
422 ・・・第2壁左要素
42a、421a、422a・・・内壁
43 ・・・第3壁
44 ・・・第4壁
Sx ・・・基準面
Sy ・・・対称面
Claims (22)
- 回転する検出対象の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、
前記検出対象の回転軸を含む任意の一平面を対称面とし、前記検出対象の回転軸を含み前記対称面に直交する平面を基準面とすると、
前記検出対象の回転軸を内側に含み前記対称面に対して対称の枠状に磁性材料で形成され、前記対称面を跨ぎ前記基準面に対して互いに反対側に設けられる第1壁並びに第2壁、前記対称面の一方の側で前記第1壁と前記第2壁とを接続する第3壁、及び、前記対称面の他方の側で前記第1壁と前記第2壁とを接続する第4壁、から構成される磁束伝達手段と、
前記磁束伝達手段の内壁に前記対称面に対して対称に設置される磁界発生手段と、
前記第1壁と前記第2壁との間に配置され、前記検出対象の回転に伴って前記磁界発生手段および前記磁束伝達手段に対して相対回転し、感磁面が設けられて前記検出対象の回転角度を検出する磁気検出手段と、
を備え、
前記磁界発生手段は、前記第1壁の内壁にのみ設置され、前記第1壁と直交する方向に着磁され、
前記第3壁および前記第4壁において前記回転軸に直交する平面での断面形状は、前記基準面上で前記対称面からの垂直距離が最大であり、前記基準面から遠ざかるにしたがって前記対称面からの垂直距離が減少する形状であり、
前記回転軸から前記第2壁の内壁までの距離は、前記回転軸から前記第1壁の内壁までの距離よりも短いことを特徴とする回転角度検出装置。 - 前記第3壁および前記第4壁において前記回転軸に直交する平面での断面形状は、前記回転軸を中心とする円弧であることを特徴とする請求項1に記載の回転角度検出装置。
- 前記磁気検出手段は、前記対称面上で前記回転軸に対して前記第2壁側に所定距離ずらした位置に配置されることを特徴とする請求項1または2に記載の回転角度検出装置。
- 前記第1壁および前記第2壁は、内壁が前記基準面と平行に形成され、
前記磁界発生手段は、前記第1壁に設置される1つのまとまった磁界発生手段で構成されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の回転角度検出装置。 - 前記磁界発生手段は直方体形状であることを特徴とする請求項4に記載の回転角度検出装置。
- 前記磁界発生手段は、同じ極性の磁極同士が隣接した分割磁石群から構成されていることを特徴とする請求項4または5に記載の回転角度検出装置。
- 前記第1壁は、第1壁右要素と第1壁左要素とを含む複数の壁要素により構成され、
前記磁界発生手段は、
前記第1壁右要素の内壁に設置され前記第1壁右要素と直交する方向に着磁される右側磁界発生手段と、前記第1壁左要素の内壁に設置され前記第1壁左要素と直交する方向に着磁される左側磁界発生手段とに分離して構成されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の回転角度検出装置。 - 前記第1壁右要素および前記第1壁左要素は、内壁が前記基準面に平行な同一平面上に形成されることを特徴とする請求項7に記載の回転角度検出装置。
- 前記第1壁右要素および前記第1壁左要素は、前記対称面に近づくにしたがって内壁が前記基準面から遠ざかるように前記基準面に対して傾斜して形成されることを特徴とする請求項7に記載の回転角度検出装置。
- 前記第1壁右要素および前記第1壁左要素は、前記対称面に近づくにしたがって内壁が前記基準面に近づくように前記基準面に対して傾斜して形成されることを特徴とする請求項7に記載の回転角度検出装置。
- 前記右側磁界発生手段および前記左側磁界発生手段は直方体形状であることを特徴とする請求項7〜10のいずれか一項に記載の回転角度検出装置。
- 前記右側磁界発生手段および前記左側磁界発生手段は、同じ極性の磁極同士が隣接した分割磁石群から構成されていることを特徴とする請求項7〜11のいずれか一項に記載の回転角度検出装置。
- 前記第2壁は、第2壁右要素と第2壁左要素とを含む複数の壁要素により構成され、
前記第2壁右要素および前記第2壁左要素は、前記対称面に近づくにしたがって内壁が前記基準面から遠ざかるように前記基準面に対して傾斜して形成されることを特徴とする請求項7〜12のいずれか一項に記載の回転角度検出装置。 - 前記第2壁は、第2壁右要素と第2壁左要素とを含む複数の壁要素により構成され、
前記第2壁右要素および前記第2壁左要素は、前記対称面に近づくにしたがって内壁が前記基準面に近づくように前記基準面に対して傾斜して形成されることを特徴とする請求項7〜12のいずれか一項に記載の回転角度検出装置。 - 前記磁気検出手段は、
前記磁界発生手段に対して相対回転することにより生じる磁界の変化に応じた信号を出力する第1磁気検出素子を備えることを特徴とする請求項1〜14のいずれか一項に記載の回転角度検出装置。 - 前記磁気検出手段は、
前記第1磁気検出素子が検出した磁束密度が前記検出対象の回転角度に対して線形に変化するように補正するリニア補正手段を備えることを特徴とする請求項15に記載の回転角度検出装置。 - 前記第1磁気検出素子および前記リニア補正手段は、1つの半導体チップとして構成されることを特徴とする請求項16に記載の回転角度検出装置。
- 前記第1磁気検出素子はホール素子であることを特徴とする請求項15〜17のいずれか一項に記載の回転角度検出装置。
- 前記磁気検出手段は、
前記第1磁気検出素子と、
前記第1磁気検出素子に近接して設けられ、感磁面の方向が前記第1磁気検出素子の感磁面の方向と異なる第2磁気検出素子と、
前記第1磁気検出素子および前記第2磁気検出素子の出力信号に基づき三角関数演算により前記検出対象の回転角度を演算する演算手段と、
を備えることを特徴とする請求項15に記載の回転角度検出装置。 - 前記磁気検出手段は、
前記演算手段が演算した演算角度が前記検出対象の回転角度に対して線形に変化するように補正するリニア補正手段を備えることを特徴とする請求項19に記載の回転角度検出装置。 - 前記第1磁気検出素子、前記第2磁気検出素子、前記演算手段、及び、前記リニア補正手段は、1つの半導体チップとして構成されることを特徴とする請求項20に記載の回転角度検出装置。
- 前記第1磁気検出素子および前記第2検出素子はホール素子であることを特徴とする請求項19〜21のいずれか一項に記載の回転角度検出装置。
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