JP2010117011A - 球面軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性に優れる球面軸受を提供すること。
【解決手段】大球（５１）、この大球の周囲に配設されている、中空球体を球体の中心を通り上下に伸びる軸を含む仮想平面により均等に分割した構成の複数の湾曲小球保持片（５２ａ、５２ｂ）からなる球状小球保持器５２、球状小球保持器に回転可能に保持された複数の小球（５４ａ、５４ｂ、〜）、そして球状小球保持器を複数の小球と共に収容している、上下の少なくとも一方に開口を有する球状の空洞部を持つハウジング（５６）を含む球面軸受であって、前記の複数の小球保持片（５２ａ、５２ｂ）が、それぞれの分割面を介して接合手段（５７）により互いに接合されていることを特徴とする球面軸受。
【選択図】図５

Description

本発明は、三次元位置決め装置あるいは産業用ロボットの部品として有利に用いられる球面軸受に関する。

球面軸受は、例えば、三次元位置決め装置のステージ、あるいは産業用ロボットのアームと、その駆動装置との間に接続され、ステージやアームを多自由度で移動するために用いられている。

図１は、従来の球面軸受の構成例を示す断面図である。そして図２及び図３は、それぞれ図１の球面軸受１０が備える球状小球保持器１２の正面図及び平面図である。なお、図２及び図３において、球状小球保持器１２は、複数の小球１４ａ、１４ｂ、〜が保持されて、そして大球１１の周囲にて湾曲小球保持片１２ａ、１２ｂが互いに離隔された状態で記入してある。

この球面軸受１０は、大球１１、大球１１の周囲に配設されている、中空球体を球体の中心を通り上下に伸びる軸を含む仮想平面により均等に分割した構成の二個の湾曲小球保持片１２ａ、１２ｂからなる球状小球保持器１２、球状小球保持器１２に回転可能に保持された複数の小球１４ａ、１４ｂ、〜、そして球状小球保持器１２を複数の小球１４ａ、１４ｂ、〜と共に収容している、上下の各々に開口１５ａ、１５ｂを有する球状の空洞部１５を持つハウジング１６などから構成されている。

球面軸受１０の大球１１は、大球１１とハウジング１６との間に加圧状態にて配置された複数の小球１４ａ、１４ｂ、〜によって緊密に支持されている。このため、球面軸受１０は、そのロッド１８を大球１１と共に円滑に傾斜移動（及び／又はロッド１８の軸を中心として回転）させることができる。

特許文献１には、図１の球面軸受１０と同様に二個の湾曲小球保持片（リテーナの分割体）からなる球状小球保持器を備える球面軸受が、そして特許文献２には、六個の湾曲小球保持片（保持器の分割体）からなる球状小球保持器を備える球面軸受が開示されている。

特許文献３には、前記のような従来の球面軸受は部品点数が多く、組み立てに手間がかかり、また球状小球保持器が金属材料から形成されていると、球状小球保持器と小球との摩擦により発生する金属粉の影響を受けて小球の転動が不安定になる場合があると記載されている。そして同文献においては、上記の問題を解決するため、樹脂材料を用いて一体成形された球状小球保持器を備える球面軸受が提案されている。この球面軸受では、球状小球保持器の小球を保持する透孔（保持孔）に、小球（鋼球）を保持器の外側面の側から圧入して収容する。
特開２００２−１１５７１０号公報（第４図） 特開平８−３３８４２２号公報（第４図） 特開２００２−３３９９４７号公報

通常、球面軸受の球状小球保持器の外側面の側の透孔の開口の直径は、球状小球保持器からの小球の脱落を防止するため、小球の直径よりも小さな値に設定される。

前記の特許文献３の球面軸受では、樹脂材料製の球状小球保持器の透孔の内側面に、金属材料製の小球が接触するため、透孔の内側面が摩耗し易い。このため、この球面軸受は、長期間使用すると、前記の摩耗が原因で球状小球保持器の透孔のサイズが大きくなり易く、極端な場合には透孔から小球が脱落する場合もある。このような脱落を抑制するためには、球状小球保持器の外側面の側の透孔の開口の直径を小さくすることが望ましい。しかしながら、この球面軸受では、球状小球保持器の外側面の側の透孔の開口から小球を透孔に圧入する必要があるため、前記の透孔の開口の直径を極端に小さくすることは難しい。

本発明の課題は、耐久性に優れる球面軸受を提供することにある。

本発明者の検討によると、図１の球面軸受１０のハウジング１６の内部で金属粉が発生する主な原因は、以下に説明するように大球１１と球状小球保持器１２との相対的な位置関係にあることが判明した。

この図１は、球面軸受１０を組み立てた直後における球状小球保持器１２の配置を示している。図１に示すように、二個の湾曲小球保持片１２ａ、１２ｂは互いに近接配置されて球状小球保持器１２を構成している。

そして、この球面軸受１０のロッド１８を大球１１と共に傾斜移動させ、次いで図１に示す垂直の配置に復帰させる操作を繰り返した場合であっても、通常は、球状小球保持器１２は球状の形態を保ったまま傾斜移動し、次いで図１に示す配置に復帰することを繰り返すのみで何ら問題を生じることはない。

しかしながら、ロッド１８を大球１１と共に傾斜移動させ、次いで垂直の配置に復帰させる操作を更に繰り返すと、図４に示すように球状小球保持器１２の湾曲小球保持片１２ａと湾曲小球保持片１２ｂとが互いに離隔する場合がある。このように両者の湾曲小球保持片が離隔する原因は、次の通りである。

球面軸受１０の大球１１の表面とハウジング１６の内側面との間隔は、大球１１をその周囲に配設された複数の小球１４ａ、１４ｂ、〜によって緊密に支持するため、通常は小球の直径よりも僅かに小さな間隔（小球のサイズにも依存するが、例えば、小球の直径よりも１〜５μｍ程度小さな間隔）に設定される。そして、例えば、図１に示すロッド１８を図にて右側に傾斜移動させる際に、小球１４ｄは、ハウジング１６の下側の開口１５ｂの縁部に接触し、ハウジング１６の内部への進入が妨げられる。このため、小球１４ｄを保持している湾曲小球保持片１２ｂは、大球１１に対して僅かではあるが相対的に下方に移動する。従って、球面軸受１０は、ロッド１８を大球１１と共に図にて右側に傾斜移動させ、次いで垂直の配置に復帰させる操作を繰り返すと、湾曲小球保持片１２ａと湾曲小球保持片１２ｂとが、図４に示すように互いに離隔する傾向にある。

そして、図４に示すように湾曲小球保持片１２ｂが大球１１に対して相対的に下方に移動すると、例えば、小球１４ｃが、ハウジング１６の外部において大球１１から離れた位置に配置される。このため、ロッド１８を垂直の配置に復帰させる際に、小球１４ｃがハウジング１６の下側の開口１５ｂの縁部に強く接触する。これに伴い、小球１４ｃが湾曲小球保持片１２ｂの透孔１９ｃの内側面に強く接触する。また、湾曲小球保持片１２ｂが直接ハウジング１６の内側面に接触する場合もある。そして、これらの接触が原因でハウジング１６の内部に金属粉（前記の接触による摩耗が原因で生じる、小球、球状小球保持器あるいはハウジングの材料の粉末）、あるいは樹脂粉（例えば、球状小球保持器１２が樹脂材料から形成されている場合）が発生し易くなる。

また、例えば、図４に示すように湾曲小球保持片１２ｂが大球１１に対して極端に下方に移動すると、ロッド１８を垂直の配置に復帰する際に、湾曲小球保持片１２ｂがロッド１８とハウジング１６とに挟まれて破損する場合もある。

本発明者は、前記の球状小球保持器１２の湾曲小球保持片１２ａと湾曲小球保持片１２ｂとの離隔（各々の湾曲小球保持片の大球１１に対する相対的な移動）を防止することにより、ハウジング内部での金属粉や樹脂粉等の発生が抑制され、そして球状小球保持器の破損も防止されるため、球面軸受の耐久性が飛躍的に向上することを見出し、本発明に到達した。

従って、本発明は、大球、この大球の周囲に配設されている、中空球体を球体の中心を通り上下に伸びる軸を含む仮想平面により均等に分割した構成の複数の湾曲小球保持片からなる球状小球保持器、球状小球保持器に回転可能に保持された複数の小球、そして球状小球保持器を複数の小球と共に収容している、上下の少なくとも一方に開口を有する球状の空洞部を持つハウジングを含む球面軸受であって、前記の複数の小球保持片が、それぞれの分割面を介して接合手段により互いに接合されていることを特徴とする球面軸受にある。

本発明の球面軸受の好ましい態様は、次の通りである。
（１）接合手段が接着剤である。
（２）接合手段が、複数の湾曲小球保持片の外周面に各片の分割面を横断して環状に形成された溝、および前記溝の内部に挿入された弾性材料からなる環状の固定具から構成されている。
（３）球状小球保持器が、２〜４個の湾曲小球保持片からなる。

本発明の球面軸受は、ハウジング内部での金属粉や樹脂粉等の発生が抑制され、そして球状小球保持器の破損も防止されるために優れた耐久性を示す。

本発明の球面軸受を、添付の図面を用いて説明する。

図５は、本発明の球面軸受の構成例を示す断面図である。そして図６及び図７は、それぞれ図５の球面軸受５０が備える球状小球保持器５２の正面図及び平面図である。なお、図６及び図７において、球状小球保持器５２は、複数の小球５４ａ、５４ｂ、〜が保持されて、そして大球５１の周囲にて湾曲小球保持片５２ａと湾曲小球保持片５２ｂとが接合手段（接着剤）５７により互いに接合された状態で記入してある。

図５〜図７に示す球面軸受５０は、大球５１、大球５１の周囲に配設されている、中空球体を球体の中心を通り上下に伸びる軸を含む仮想平面により均等に分割した構成の二個の湾曲小球保持片５２ａ、５２ｂからなる球状小球保持器５２、球状小球保持器５２に回転可能に保持された複数の小球５４ａ、５４ｂ〜、そして球状小球保持器５２を複数の小球５４ａ、５４ｂ、〜と共に収容している、上下の各々に開口５５ａ、５５ｂを有する球状の空洞部５５を持つハウジング５６などから構成されている。そして球面軸受５０は、前記の二個の湾曲小球保持片５２ａ、５２ｂが、それぞれの分割面を介して接合手段５７である接着剤を介して接合されていることに主な特徴がある。

球面軸受５０の大球５１にはロッド５８が備えられており、このロッド５８を大球５１と共に傾斜移動すると、この大球５１の傾斜移動に伴い大球５１の周囲に配設された複数の小球５４ａ、５４ｂ、〜が転動する。これらの小球の転動によって、球面軸受５０のロッド５８は、ハウジング５６に対して大きな摩擦抵抗を生じることなく滑らかに傾斜移動（及び／又はロッド５８の軸を中心に回転）することができる。

球面軸受５０を構成する、ハウジング５６、ロッド５８、大球５１、そして小球５４ａ、５４ｂ、〜の各々の材料としては、通常、アルミニウム、銅合金（例、真鍮）、鋼（例、高炭素クロム鋼、ステンレス鋼）などの金属材料が用いられる。また、例えば、球面軸受が水中あるいは高温の環境下で使用される場合には、セラミック材料を用いることもできる。また、球面軸受を軽量化するために樹脂材料を用いることもできる。樹脂材料としては、ポリアセタール樹脂、ポリアミド樹脂、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）樹脂、あるいはポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂などに代表される機械的強度の大きな樹脂材料を用いることが好ましい。

ハウジング５６、ロッド５８、大球５１、そして小球５４ａ、５４ｂ、〜の各々は、優れた機械的強度が得られることから金属材料（特に、鋼）から形成することが好ましい。

球状小球保持器５２は、複数の小球５４ａ、５４ｂ、〜を保持して各々の小球の保持器５２の外部への脱落を防止し、そしてロッド５８を傾斜移動した際に、隣接する小球同士の接触による小球の摩耗の発生を抑制する。

球状小球保持器５２の材料としては、前記の金属材料や樹脂材料を用いることができる。球状小球保持器５２もまた、優れた機械的強度が得られ、また小球を収容保持する透孔を形成する機械加工が容易になることから金属材料（特に、真鍮）から形成することが好ましい。

そして前記のように、本発明の球面軸受５０においては、球状小球保持器５２を構成する二個の湾曲小球保持片５２ａ、５２ｂが、それぞれの分割面を介して接合手段（接着剤）５７により互いに接合されている。このため、球面軸受５０は、図８に示すようにロッド５８を大球５１と共に傾斜移動させ、次いで垂直の配置に復帰させる操作を繰り返した場合であっても、図に示すように湾曲小球保持片５２ａと湾曲小球保持片５２ｂとが離隔する（各々の湾曲小球保持片が大球５１に対して相対的に移動する）ことがない。すなわち、球面軸受５０では、ハウジング５６の外部に配置され、大球５１を支持する機能を果たしていない小球（例、小球５４ｄ）を常に大球５１に密着した状態で配置させることにより、この小球及び球状小球保持器５２のハウジング内部への円滑な進入を実現している。このため、球面軸受５０は、ハウジング内部での金属粉あるいは樹脂粉等の発生が抑制され、そして球状小球保持器の破損も防止されるために優れた耐久性を示す。

接合手段５７としては、湾曲小球保持片５２ａと湾曲小球保持片５２ｂとを接合して互いに固定することができる限り特に制限はないが、各々の湾曲小球保持片を接合のために特別な形状に設定する必要がないことから、前記のように接着剤を用いることが好ましい。

接合手段５７として用いる接着剤としては、公知の接着剤を用いることができるが、湾曲小球保持片５２ａと湾曲小球保持片５２ｂとの接合の作業が容易になることから、嫌気性接着剤（紫外線硬化型の嫌気性接着剤を含む）を用いることが好ましい。

本発明の球面軸受において、球状小球保持器を構成する湾曲小球保持片の数に特に制限はないが、球状小球保持器の組み立てが容易であることから、球状小球保持器を２〜４個の湾曲小球保持片から構成することが好ましい。このような球状小球保持器の構成例として、図９に、三個の湾曲小球保持片９２ａ、９２ｂ、９２ｃを接合手段（接着剤）５７により互いに接合して構成した球状小球保持器９２を、そして図１０に、四個の湾曲小球保持片１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄを接合手段（接着剤）５７により互いに接合して構成した球状小球保持器１０２を示す。

図１１は、本発明の球面軸受に用いることができる球状小球保持器の更に別の構成例を示す断面図である。図１２は、図１１の球状小球保持器１１２の正面図である。そして図１３は、図１２に示す環状の固定具１１７ｂの平面図である。

図１１〜図１３に示す球状小球保持器１１２においては、接合手段１１７が、二個の湾曲小球保持片１１２ａ、１１２ｂの外周面に各片の分割面を横断して環状に形成された溝１１７ａと、溝１１７ａの内部に挿入された弾性材料（代表例、金属材料）からなる環状の固定具１１７ｂとから構成されている。

このような環状の固定具１１７ｂを利用した接合手段１１７は、接着剤を用いる必要がないため、湾曲小球保持片１１２ａと湾曲小球保持片１１２ｂとの接合を、簡単な操作で且つ短時間で行なえる利点がある。

なお、本発明の球面軸受においては、前記のように球状小球保持器を樹脂材料から形成することもできる。このような場合にもまた、ロッドを垂直の配置に復帰させる際の小球とハウジングの開口の縁部との接触による金属粉の発生が抑制され、そして小球と球状小球保持器の透孔の内側面との接触、あるいは球状小球保持器とハウジングとの接触による樹脂粉の発生が抑制され、そして球状小球保持器の破損も防止される。そして更に、本発明の球面軸受で用いる樹脂材料製の球状小球保持器は、前記の特許文献３に記載の球状小球保持器とは異なり、球状小球保持器の外側面の側の透孔の開口から小球を透孔に圧入する必要はない。従って、樹脂材料製の球状小球保持器を備える本発明の球面軸受は、球状小球保持器の外側面の側の透孔の開口の直径を、小球の脱落を十分に防止できる程度に小さな値に設定すること、すなわち前記の小球と球状小球保持器の透孔の内側面との接触により前記透孔の内側面が摩耗した場合であっても小球を確実に保持することが可能であるため優れた耐久性を示す。

また、本発明の球面軸受において、大球には必ずしもロッドが固定されている必要はない。すなわち、本発明の球面軸受は、例えば、大球にロッド（例えば、外部の機械装置の駆動軸）を取り付けるための孔が形成された構成であってもよい。また、本発明の球面軸受において、ロッドは大球の上下の各々に備えられていてもよい。このような球面軸受は、例えば、各種の産業用ロボットの部品（例えば、駆動装置と駆動対象物とを連結するジョイント）として有利に用いることができる。

［実施例１］
実施例１では、図５に示す球面軸受５０を、以下の手順に従って作製した。

先ず、球面軸受５０を構成する部品であるハウジング５６の本体５６ｂ及び蓋５６ａ、ロッド５８を備えた大球５１、そして複数の小球５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、〜を用意した。これらの部品としては、各々高炭素クロム鋼から形成された公知の球面軸受の部品を用いた。そして、図５に示す球状小球保持器５２を構成する二個の湾曲小球保持片５２ａ、５２ｂを、それぞれ真鍮製の金属材を切削加工して作製した。

次に、湾曲小球保持片５２ａの内周面の側から、保持片５２ａの各透孔にグリースを付着させた小球を収容することにより、各透孔の内部に小球を仮固定した。同様にして、湾曲小球保持片５２ｂの各透孔の内部に、グリースを用いて小球（例、小球５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、〜）を仮固定した。そして各々の湾曲小球保持片の分割面に市販の嫌気性接着剤を塗布した後、湾曲小球保持片５２ａと湾曲小球保持片５２ｂとを両者の間に大球を収容した状態で互いに接着し、前記の接着剤が硬化するまで静置した。これにより、湾曲小球保持片５２ａと湾曲小球保持片５２ｂとが互いに接合され、大球５１の周囲に球状小球保持器５２が形成される。

そして、前記のハウジング５６の本体５６ｂを、開口５５ｂと対応する位置に空間部を設けた支持台の上に配置した。この本体５５ｂの内部に、ロッド５８を備え、そして前記のようにして周囲に球状小球保持器５２が取り付けられた大球５１を収容した。これにより、ロッド５８は前記支持台の空間部に配置され、そして大球５１が球状小球保持器５２に保持された複数の小球（例、小球５４ｃ、５４ｄ、〜）を介してハウジング本体５６ｂに支持される。このハウジングの本体５６ｂの上側に蓋５６ａをボルト５６ｃで固定し、次いで大球５１とハウジング５６との間に潤滑用のグリースを充填することにより、図５に示す球面軸受５０を作製した。

作製した球面軸受５０のロッド５８を、垂直に配置した状態から一方の方向に４０度の角度にて傾斜移動して再び垂直に配置し、次いで前記とは逆の方向に４０度の角度にて傾斜移動して再び垂直に配置する操作を２４０万回繰り返した。そして、球面軸受５０のハウジング５６の蓋５６ａを本体５６ｂから取り外し、ハウジング５６の内側面、そして球状小球保持器５２の外側面を目視にて観測した結果、球状小球保持器５２に割れや傷は無く、また金属粉も発生していなかった。

従来の球面軸受の構成例を示す断面図である。但し、図１の球面軸受１０は、そのハウジング１６と球状小球保持器１２とが切断された状態で記入されている。 図１の球面軸受１０が備える球状小球保持器１２の正面図である。但し、球状小球保持器１２は、複数の小球１４ａ、１４ｂ、〜が保持されて、そして大球１１の周囲にて湾曲小球保持片１２ａ、１２ｂが互いに離隔された状態で記入してある。 図１の球面軸受１０が備える球状小球保持器１２の平面図である。但し、球状小球保持器１２は、複数の小球１４ａ、１４ｂ、〜が保持されて、そして大球１１の周囲にて湾曲小球保持片１２ａ、１２ｂが互いに離隔された状態で記入してある。 図１の球面軸受１０のロッド１８を大球１１と共に傾斜移動させ、次いで垂直の配置に復帰させる操作を繰り返した場合の球状小球保持器１２の配置を示す図。 本発明の球面軸受の構成例を示す断面図である。但し、図５の球面軸受５０は、そのハウジング５６と球状小球保持器５２とが切断された状態で記入してある。 図５の球面軸受５０が備える球状小球保持器５２の正面図である。但し、球状小球保持器５２は、複数の小球５４ａ、５４ｂ、〜が保持されて、そして大球の周囲にて湾曲小球保持片５２ａと湾曲小球保持片５２ｂとが接合手段（接着剤）５７により互いに接合された状態で記入してある。 図５の球面軸受５０が備える球状小球保持器５２の平面図である。但し、球状小球保持器５２は、複数の小球５４ａ、５４ｂ、〜が保持されて、そして大球５１の周囲にて湾曲小球保持片５２ａと湾曲小球保持片５２ｂとが接合手段（接着剤）５７により互いに接合された状態で記入してある。 図５の球面軸受５０のロッド５８を大球５１と共に傾斜移動させ、次いで垂直の配置に復帰させる操作を繰り返した場合の球状小球保持器５２の配置を示す図。 本発明の球面軸受に用いることができる球状小球保持器の別の構成例を示す平面図である。但し、球状小球保持器９２は、複数の小球５４ａ、５４ｂ、〜が保持されて、そして大球５１の周囲にて三個の湾曲小球保持片９２ａ、９２ｂ、９２ｃが接合手段（接着剤）５７により互いに接合された状態で記入してある。 本発明の球面軸受に用いることができる球状小球保持器の更に別の構成例を示す平面図である。この球状小球保持器１０２は、複数の小球５４ａ、５４ｂ、〜が保持されて、そして大球５１の周囲にて四個の湾曲小球保持片１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄが接合手段（接着剤）５７により互いに接合された状態で記入してある。 本発明の球面軸受に用いることができる球状小球保持器の更に別の構成例を示す断面図である。但し、球状小球保持器１１２は、複数の小球５４ａ、５４ｂ、〜が保持されて、そして大球５１の周囲にて二個の湾曲小球保持片１１２ａ、１１２ｂが接合手段１１７により互いに接合された状態で記入してある。 図１１の球状小球保持器１１２の正面図である。 図１２に示す環状の固定具１１７ｂの平面図である。

符号の説明

１０ 球面軸受
１１ 大球
１２ 球状小球保持器
１２ａ、１２ｂ 湾曲小球保持片
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ 小球
１５ 空洞部
１５ａ、１５ｂ 開口
１６ ハウジング
１８ ロッド
１９ｃ 透孔
５０ 球面軸受
５１ 大球
５２ 球状小球保持器
５２ａ、５２ｂ 湾曲小球保持片
５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ 小球
５５ 空洞部
５５ａ、５５ｂ 開口
５６ ハウジング
５６ａ 蓋
５６ｂ 本体
５６ｃ ボルト
５７ 接合手段（接着剤）
５８ ロッド
５９ｂ、５９ｃ 透孔
９２ 球状小球保持器
９２ａ、９２ｂ、９２ｃ 湾曲小球保持片
１０２ 球状小球保持器
１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ 湾曲小球保持片
１１２ 球状小球保持器
１１２ａ、１１２ｂ 湾曲小球保持片
１１７ 接合手段
１１７ａ 溝
１１７ｂ 環状の固定具

Claims (4)

1. 大球、該大球の周囲に配設されている、中空球体を該球体の中心を通り上下に伸びる軸を含む仮想平面により均等に分割した構成の複数の湾曲小球保持片からなる球状小球保持器、該球状小球保持器に回転可能に保持された複数の小球、そして該球状小球保持器を複数の小球と共に収容している、上下の少なくとも一方に開口を有する球状の空洞部を持つハウジングを含む球面軸受であって、前記の複数の小球保持片が、それぞれの分割面を介して接合手段により互いに接合されていることを特徴とする球面軸受。
2. 接合手段が接着剤である請求項１に記載の球面軸受。
3. 接合手段が、複数の湾曲小球保持片の外周面に各片の分割面を横断して環状に形成された溝、および該溝の内部に挿入された弾性材料からなる環状の固定具から構成されている請求項１に記載の球面軸受。
4. 球状小球保持器が、２〜４個の湾曲小球保持片からなる請求項１乃至３のうちのいずれかの項に記載の球面軸受。

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