JP2007043245A - Antenna, and reader-writer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アンテナ、及びリーダライタに関するものである。 The present invention relates to an antenna and a reader / writer.
電磁誘導方式を用いたRFID(RadioFrequency IDentification)システムが知られている。このようなRFIDシステムに用いられるリーダライタやRFIDタグにはアンテナが用いられている。下記特許文献1〜4には、アンテナを用いたリーダライタが記載されている。
ところで、RFIDシステムには、リーダライタが複数のRFIDタグと同時にまたは順次に通信することができるアンチコリジョン機能(複数読み取り機能)を備えたものがある。このようなRFIDシステムに用いられるリーダライタには、複数のアンテナコイルを配列したアレイアンテナを用いることができる。しかしながら、アレイアンテナでは、それぞれのアンテナコイルへ電力を供給するために、複雑な給電用配線パターンが必要である。 Incidentally, some RFID systems have an anti-collision function (multiple reading function) that allows a reader / writer to communicate simultaneously or sequentially with a plurality of RFID tags. An array antenna in which a plurality of antenna coils are arranged can be used as a reader / writer used in such an RFID system. However, an array antenna requires a complicated power supply wiring pattern in order to supply power to each antenna coil.
そこで、本発明は、複数のアンテナコイルを備えており、且つ簡易な配線構造を有するアンテナを提供することを目的としている。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an antenna having a plurality of antenna coils and having a simple wiring structure.
本発明のアンテナは、複数の第1のアンテナコイルと、第2のアンテナコイルを備えている。第2のアンテナコイルは、複数の第1のアンテナコイルに電磁的に結合されており、且つ、送受信器に電気的に接続されている。 The antenna of the present invention includes a plurality of first antenna coils and a second antenna coil. The second antenna coil is electromagnetically coupled to the plurality of first antenna coils, and is electrically connected to the transceiver.
このアンテナによれば、第2のアンテナコイルに給電することによって、複数の第1のアンテナコイルから電磁波を放射することができる。したがって、このアンテナでは、複雑な給電用配線パターンを必要としない。 According to this antenna, an electromagnetic wave can be radiated from the plurality of first antenna coils by supplying power to the second antenna coil. Therefore, this antenna does not require a complicated power supply wiring pattern.
なお、第1のアンテナコイルおよび第2のアンテナコイルには、線状の導体を一巻き以上巻いてなるアンテナが適用可能である。かかるアンテナとしては、ループアンテナ、うずまきアンテナ、ヘリカルアンテナ、アンテナコイル、スパイラルインダクタ等が例示される。 Note that an antenna formed by winding a linear conductor one or more turns is applicable to the first antenna coil and the second antenna coil. Examples of such an antenna include a loop antenna, a spiral antenna, a helical antenna, an antenna coil, and a spiral inductor.
複数の第1のアンテナコイルによって構成されるアレイアンテナの中心軸線は、第2のアンテナコイルを通過していることが好ましい。より好ましくは、複数の第1のアンテナコイルによって構成されるアレイアンテナの中心軸線と第2のアンテナコイルの中心軸線とがほぼ同一線上にあることである。 It is preferable that the central axis of the array antenna constituted by the plurality of first antenna coils passes through the second antenna coil. More preferably, the central axis of the array antenna constituted by the plurality of first antenna coils and the central axis of the second antenna coil are substantially on the same line.
また、第2のアンテナコイルは、アレイアンテナのサイズと同等サイズであることが好ましい。 The second antenna coil is preferably the same size as the array antenna.
また、本発明のアンテナは、磁性体シートを更に備えており、複数の第1のアンテナコイルは第1の基板に設けられており、第2のアンテナコイルは第2の基板に設けられており、第2の基板は、磁性体シート及び第1の基板と対向するように当該磁性体シートと第1の基板との間に設けられていることが好ましい。 The antenna according to the present invention further includes a magnetic sheet, the plurality of first antenna coils are provided on the first substrate, and the second antenna coil is provided on the second substrate. The second substrate is preferably provided between the magnetic sheet and the first substrate so as to face the magnetic sheet and the first substrate.
この構成によれば、磁性体シートの側における第2のアンテナコイルからの磁束は、当該磁性体シートに集中する。したがって、第2のアンテナコイルに対して磁性体シートの裏側に、金属筐体や回路基板といった金属を含む部材を配置しても、当該金属による渦電流の発生を抑制することができる。 According to this configuration, the magnetic flux from the second antenna coil on the magnetic sheet side is concentrated on the magnetic sheet. Therefore, even if a metal-containing member such as a metal housing or a circuit board is disposed behind the magnetic sheet with respect to the second antenna coil, generation of eddy current due to the metal can be suppressed.
磁性体シートは、鉄、ニッケルおよびパーマロイのいずれか一つを含んでいることが好ましい。 The magnetic sheet preferably contains any one of iron, nickel, and permalloy.
なお、第1のアンテナコイルと第2のアンテナコイルを同一基板上に作成する場合も考えられる。この場合は、基板の表面に第1のアンテナを配置し、裏面に第2のアンテナを配置する。 Note that the first antenna coil and the second antenna coil may be formed on the same substrate. In this case, the first antenna is disposed on the front surface of the substrate, and the second antenna is disposed on the back surface.
また、本発明のリーダライタは、上述の本発明のアンテナと、第2のアンテナコイルに電気的に接続された送受信器と、を備える。このリーダライタでは、第2のアンテナコイルが、送受信器によって給電され、第1のアンテナコイルが、第2のアンテナコイルとの電磁的な結合によって励起される。 The reader / writer of the present invention includes the above-described antenna of the present invention and a transmitter / receiver electrically connected to the second antenna coil. In this reader / writer, the second antenna coil is supplied with power by the transceiver, and the first antenna coil is excited by electromagnetic coupling with the second antenna coil.
本発明によれば、複数のアンテナコイルを備えており、且つ簡易な配線構造を有するアンテナが提供される。 According to the present invention, an antenna having a plurality of antenna coils and having a simple wiring structure is provided.
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。以下に説明する実施の形態は、本発明のアンテナを用いたリーダライタに係るものである。なお、以下の説明において、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The embodiment described below relates to a reader / writer using the antenna of the present invention. In the following description, the same or corresponding parts are denoted by the same reference symbols in the drawings.
[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係るリーダライタを示す分解斜視図であり、図2は、図1に示すリーダライタの側面図であり、図3は、図1に示すアンテナの平面図である。
[First Embodiment]
1 is an exploded perspective view showing a reader / writer according to the first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a side view of the reader / writer shown in FIG. 1, and FIG. 3 is an antenna shown in FIG. FIG.
図1に示すリーダライタ1は、RFIDシステム用のリーダライタとして用いられるものであり、アンテナ10と、リーダライタ本体部11とを備えている。
A reader /
アンテナ10は、第1のアンテナコイル12A、12B、12C及び12Dと、第2のアンテナコイル14とを備えている。
The
第1のアンテナコイル12A〜12Dは、第1の基板16の一方の主面上に形成されたスパイラル形状の配線パターンである。この配線パターンは、例えば、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル、および、パーマロイ等の導電体を含む材料からなる。これらの材料は磁性体でもある。例えば、アルミニウムは軟磁性を有する常磁性体であり、銅は軟磁性を有する反磁性体であり、鉄、ニッケル、および、パーマロイは軟磁性を有する強磁性体である。また、第1の基板16は、例えば、ガラスエポキシ樹脂(FR−4)、テフロン(登録商標)、および、アルミナ等の誘電体を含む材料からなる。
The first antenna coils 12 </ b> A to 12 </ b> D are spiral wiring patterns formed on one main surface of the
これら第1のアンテナコイル12A〜12Dは、第1の基板16の一方の主面上に配列されている。すなわち、第1のアンテナコイル12A〜12Dは、所謂アレイアンテナを構成している。
The first antenna coils 12 </ b> A to 12 </ b> D are arranged on one main surface of the
第1の基板16の他方の主面には、第2の基板18が接着部材20によって固定されている。なお、接着部材20は、電磁波に対する損失が小さい誘電体であることが好ましい。かかる接着部材20としては、粘着テープが例示される。接着部材を用いず、第1の基板16と、第2の基板18を、ネジ等で固定しても良い。また、第1のアンテナコイル12A〜12Dと第2のアンテナコイル14とを同一基板上に作成することもできる。この場合には、基板の表面に第1のアンテナコイル12A〜12Dを配置し、裏面に第2のアンテナコイル14を配置すればよい。
A
第2の基板18の一方の主面上には、第2のアンテナコイル14が形成されている。第2のアンテナコイル14は、スパイラル形状の配線パターンである。この配線パターンは、例えば、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル、および、パーマロイ等の導電体を含む材料からなる。上述したように、これらの材料は磁性体でもある。また、第2の基板18は、例えば、ガラスエポキシ樹脂(FR−4)、テフロン(登録商標)、および、アルミナ等の誘電体を含む材料からなる。
A
第2のアンテナコイル14は、図3に示すように、第1のアンテナコイル12A〜12Dのそれぞれとほぼ均等に電磁的に結合されていることが好ましい。具体的には、図1に示すように、複数の第1のアンテナコイル12A〜12Dによって構成されるアレイアンテナの中心軸線Xは、第2のアンテナコイル14を通過するように、第2のアンテナコイル14と軸線X方向に重ねられており、このアレイアンテナの中心軸線Xと第2のアンテナコイルの中心軸線Yとがほぼ同一線上にあることが好ましい。
As shown in FIG. 3, the
第2のアンテナコイル14は、例えば、第2の基板18の他方の主面の配線パターン22を介してコネクタ23に電気的に接続されている。コネクタ23には、本体部11のコネクタが電気的に接続されている。
For example, the
本体部11は、アンテナ10の第2の基板18の他方の主面に対向するように配置されている。この本体部11は、第3の基板24、送受信器26、及びコネクタ29を有している。
The
コネクタ29は、第3の基板24の一方の主面に設けられており、当該コネクタ29はコネクタ23と電気的に接続されている。また、この第3の基板24の一方の主面上には、RFIDシステムに用いられる送受信器26が搭載されている。この送受信器26は、配線パターン28を介してコネクタ29に接続されている。送受信器26は、第2のアンテナコイル14に電力を出力し、また、第2のアンテナコイル14から電力を受ける。
The
ここで、「電力」とは、送受信器が出力する交流信号または送受信器が受ける交流信号のことであり、キャリア周波数成分と変調周波数成分とを含んでいる。なお、以下の動作説明では、「電力」の代わりに「信号」を用いることとする。 Here, “power” means an AC signal output from the transceiver or an AC signal received by the transceiver, and includes a carrier frequency component and a modulation frequency component. In the following description of the operation, “signal” is used instead of “power”.
以下、リーダライタ1におけるアンテナ10の動作を説明する。送受信器26から電圧信号が出力されると、この電圧信号の強度に応じた電流信号が第2のアンテナコイル14に流れる。
Hereinafter, the operation of the
第2のアンテナコイル14に電流信号が流れると、この電流に誘起された磁束が発生する。この磁束によって、第2のアンテナコイル14に電磁的に結合された第1のアンテナコイル12A〜12Dのそれぞれが励起され、これら第1のアンテナコイルから電磁波が放射される。このようにして、第1のアンテナコイル12A〜12Dから放射された電磁波が、アンテナ10の出力信号となる。
When a current signal flows through the
以上、アンテナ10および送受信器26の送信動作について説明したが、受信動作も同様である。第1のアンテナコイル12A〜12Dのうち少なくとも何れかに電磁波が照射されると、当該第1のアンテナコイルに電磁的に結合されている第2のアンテナコイル14に磁束が発生する。この磁束によって、第2のアンテナコイル14には、誘導電流が生じる。この誘導電流は送受信器26に入力されて電圧信号に変換される。このようにして、アンテナ10は、電磁波の信号を受信する。
The transmission operation of the
以上説明したように、アンテナ10では、送受信器26に電気的に接続された第2のアンテナコイル14とアンテナコイル12A〜12Dが電磁的に結合されているので、複数の第1のアンテナコイル12A〜12Dを配列しても、複雑な給電用配線パターンを必要としない。したがって、アンテナ10によれば、配線構造が簡易なものとなる。
As described above, in the
また、本実施の形態のアンテナ10によれば、複雑な給電用配線パターンを必要としないので、単層基板上にアレイアンテナを形成することができる。したがって、本実施の形態のアンテナは、低価格化が要求されているRFIDシステムに好適に適用される。
Furthermore, according to the
なお、本実施の形態では、本体部11は、アンテナ10の第2の基板18の他方の主面に対向するように配置されていたが、本体部11の位置は、リーダライタ1の形状によって変更可能である。例えば、本体部11は、アンテナ10の横に配置されていてもよい。
In the present embodiment, the
[第2の実施の形態]
図4は、本発明の第2の実施の形態に係るリーダライタの側面図である。図4に示すリーダライタ1Aは、アンテナ10Aと、リーダライタ本体部11とを備えている。
[Second Embodiment]
FIG. 4 is a side view of a reader / writer according to the second embodiment of the present invention. A reader /
アンテナ10Aは、第1の実施の形態のアンテナ10に磁性体シート40を備えたものである。アンテナ10aの他の構成はアンテナ10と同一である。
The antenna 10A includes the
磁性体シート40は、第2の基板18の他方の主面と本体部11の間に設けられている。すなわち、アンテナ10Aにおいては、第2の基板18が、第1の基板16と磁性体シート40とに対向するように、当該第1の基板16と磁性体シート40との間に設けられている。磁性体シート40は、例えば粘着テープといった接着部材42によって第2の基板18の他方の主面に固定されている。
The
磁性体シート40は、例えば、鉄、ニッケルおよびパーマロイ等のうちいずれか一つを主成分として含む材料からなる。このような磁性体シートは軟磁性を有する強磁性体である。
The
この磁性体シート40は、第2のアンテナコイル14のサイズより大きいことが好ましく、第2の基板18の他方の主面側から第2のアンテナコイル14を覆うように設けられていることが好ましい。
The
この磁性体シート40は、本体部11における金属のように、第2の基板18に対して磁性体シート40の裏側に設けられる金属を通過する磁束を減少させる。すなわち、第2のアンテナコイル14からは磁性体シート40に向けた磁束が発生するが、この磁束は磁性体シート40に集中する。したがって、磁性体シート40の更に裏側に設けられた金属表面を通過する磁束が減少する。その結果、当該金属に発生する渦電流の発生が抑制され、第2のアンテナコイル14から第1のアンテナコイル12A〜12Dに向かう磁束の減少を防止することができる。
This
なお、金属は、例えば、第3の基板24の配線パターン、第3の基板24に搭載される回路部品の電極、および、金属筐体等が想定され、その材料は、例えば、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル、および、パーマロイ等の導電体が想定される。上述したように、これらの材料は磁性体でもある。
The metal is assumed to be, for example, a wiring pattern of the
以下、第2のアンテナコイル14のサイズとアンテナの磁界強度との関係を説明する。図5は、第1の実施例のアンテナのシミュレーションモデルを示す図であり、図6は、第2の実施例のアンテナのシミュレーションモデルを示す図であり、図7は、第3の実施例のアンテナのシミュレーションモデルを示す図である。
Hereinafter, the relationship between the size of the
第1の実施例のアンテナでは、第1のアンテナコイル12A〜12Dは、外形A1×B1=20mm×20mm、配線パターン幅W1=1mm、配線パターン間隔S1=1mm、巻数3ターンのアンテナコイルであり、それぞれD1=D2=2mmの間隔で2次元配列されている。また、第2のアンテナコイル14は、第1のアンテナコイルと同サイズ(外形A2×B2=20mm×20mm、配線パターン幅W2=1mm、配線パターン間隔S2=1mm、巻数3ターン)のアンテナコイルである。すなわち、第1の実施例の第2のアンテナコイル14の面積は、第1のアンテナコイル12A〜12Dによって構成されるアレイアンテナの面積より小さい。また、第2のアンテナコイル14の中心は、第1のアンテナコイル12A〜12Dによって構成されるアレイアンテナの中心と同軸に設けられている。
In the antenna of the first embodiment, the
第2の実施例のアンテナでは、第1のアンテナコイル12A〜12Dは、第1の実施例と同一のものである。第2のアンテナコイル14は、外形A3×B3=42mm×42mm、配線パターン幅W3=1mm、配線パターン間隔S3=1mm、巻数3ターンのアンテナコイルである。すなわち、第2の実施例の第2のアンテナコイル14の面積は、第1のアンテナコイル12A〜12Dによって構成されるアレイアンテナの面積と一致している。また、第2のアンテナコイル14の中心は、第1のアンテナコイル12A〜12Dによって構成されるアレイアンテナの中心と同軸に設けられている。
In the antenna of the second embodiment, the
第3の実施例のアンテナでは、第1の放射用アンテナコイル12A〜12Dは、第1の実施例と同一のものである。第2のアンテナコイル14は、外径A4×B4=80mm×80mm、配線パターン幅W4=1mm、配線パターン間隔S4=1mm、巻数3ターンのアンテナコイルである。すなわち、第3の実施例の第2のアンテナコイル14の面積は、第1のアンテナコイル12A〜12Dによって構成されるアレイアンテナの面積より大きい。また、第2のアンテナコイル14の中心は、第1のアンテナコイル12A〜12Dによって構成されるアレイアンテナの中心と同軸に設けられている。
In the antenna of the third embodiment, the first radiating antenna coils 12A to 12D are the same as those in the first embodiment. The
図8は、第1、第2および第3の実施例のアンテナから放射される磁界強度のシミュレーション結果を示す図である。曲線Aは第1の実施例のアンテナから放射される磁界強度のシミュレーション結果であり、曲線Bは第2の実施例のアンテナから放射される磁界強度のシミュレーション結果である。また、曲線Cは第3の実施例のアンテナから放射される磁界強度のシミュレーション結果である。 FIG. 8 is a diagram showing a simulation result of the magnetic field intensity radiated from the antennas of the first, second, and third embodiments. Curve A is a simulation result of the magnetic field intensity radiated from the antenna of the first embodiment, and curve B is a simulation result of the magnetic field intensity radiated from the antenna of the second embodiment. Curve C is the simulation result of the magnetic field intensity radiated from the antenna of the third embodiment.
横軸の角度は、第1のアンテナコイル12A〜12Dによって構成されるアレイアンテナからの放射角度を示している。すなわち、図8は、これらのアンテナの指向性を示している。
The angle on the horizontal axis indicates the radiation angle from the array antenna configured by the
放射角度が0度の方向では、隣り合うアンテナコイルによって生成される磁界がお互いに弱め合うので、電界強度が低下している。具体的には、放射角度が0度の方向では、第1のアンテナコイル12Aおよび12Bによって生成される磁界の向きと第1のアンテナコイル12Cおよび12Dによって生成される磁界の向きとが逆方向であるので、それぞれの磁界が互いに弱め合う。また、第1のアンテナコイル12Aおよび12Cによって生成される磁界の向きと第1のアンテナコイル12Bおよび12Dによって生成される磁界の向きとが逆方向であるので、それぞれの磁界が互いに弱め合う。
In the direction where the radiation angle is 0 degree, the magnetic field generated by the adjacent antenna coils weakens each other, so that the electric field strength decreases. Specifically, when the radiation angle is 0 degree, the direction of the magnetic field generated by the
放射角度が−45度の方向および45度の方向では、第1のアンテナコイル12Aおよび12Bによって生成される磁界と第1のアンテナコイル12Cおよび12Dによって生成される磁界とが互いに強め合い、第1のアンテナコイル12Aおよび12Cによって生成される磁界と第1のアンテナコイル12Bおよび12Dによって生成される磁界とが互いに強め合うので、電界強度が高い。
When the radiation angle is in the direction of −45 degrees and 45 degrees, the magnetic field generated by the
放射角度が−90度の方向および90度の方向では、放射方向に対して垂直な磁界が生成されているので、放射方向の電界強度が低い。 In the direction where the radiation angle is −90 degrees and the direction where the radiation angle is 90 degrees, since a magnetic field perpendicular to the radiation direction is generated, the electric field strength in the radiation direction is low.
図8によれば、第2のアンテナコイル14を大きくすると、第2のアンテナコイル14から放射される磁界強度が増加するので、アンテナから放射される磁界強度が増加していることがわかる。このように、第2のアンテナコイル14のサイズを調整することによって、放射される磁界強度を調整することができる。
According to FIG. 8, it can be seen that when the
また、本実施の形態のアンテナ10によれば、複数の方向に対して電磁波を放射することができる。したがって、本実施の形態のアンテナ10は、リーダライタが複数のRFIDタグと同時にまたは順次に通信することができるアンチコリジョン機能を有するRFIDシステムに好適に適用される。
Moreover, according to the
また、本実施の形態のアンテナによれば、第1のアンテナコイル12A〜12Dによって構成されるアレイアンテナの中心軸線と第2のアンテナコイル14の中心軸線とがほぼ同一線上にあるので、第1のアンテナコイル12A、12B、12C、および、12Dから放射される磁界強度をほぼ等しくすることができる。したがって、本実施の形態のアンテナによれば、読み取り位置によって通信距離のばらつきが生じることがない。
Further, according to the antenna of the present embodiment, the center axis of the array antenna constituted by the
また、本実施例では、第3の実施例のアンテナの電界強度が第1および第2の実施例のアンテナコイルの電界強度より大きい結果が得られた。しかしながら、第3の実施例のアンテナはアンテナサイズが大きい。また、第3の実施例のアンテナのように、第2のアレイアンテナ14の外形が第1のアンテナコイル12A〜12Dによって構成されるアレイアンテナの外形より大きい場合、第2のアレイアンテナ14から放射される電磁波が、第1のアンテナコイル12A〜12Dから放射される電磁波と干渉する可能性がある。しかしながら、第2の実施例のアンテナのように、第2のアンテナコイル14の外形が、第1のアンテナコイル12A〜12Dによって構成されるアレイアンテナの外形とほぼ等しければ、第2のアレイアンテナ14から放射される電磁波が、第1のアンテナコイル12A〜12Dから放射される電磁波と干渉することがない。また、第2の実施例のアンテナでは、第2の基板18が第1の基板16より大きくなることがないので、アンテナサイズが大きくなることがなく、第2の基板18の大きさを最大限に利用するアンテナを構成することができる。
In this example, the electric field strength of the antenna of the third example was larger than the electric field strengths of the antenna coils of the first and second examples. However, the antenna of the third embodiment has a large antenna size. Further, like the antenna of the third embodiment, when the outer shape of the
なお、本発明は上記した本実施の形態に限定されることなく種々の変形が可能である。本実施の形態では、スパイラル形状の第1のアンテナコイルおよび第2のアンテナコイルを有するアンテナを例示したが、第1のアンテナコイルおよび第2のアンテナコイルはループ形状のものであれば、本実施の形態に適用可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made. In the present embodiment, the antenna having the spiral-shaped first antenna coil and the second antenna coil is exemplified. However, if the first antenna coil and the second antenna coil have a loop shape, the present embodiment It is applicable to the form.
また、本実施の形態では、4つの第1のアンテナコイルを備えるアンテナを例示したが、第1のアンテナコイルの個数は、これに限定されるものではない。 In the present embodiment, an antenna including four first antenna coils is illustrated, but the number of first antenna coils is not limited to this.
10…アンテナ、12A、12B、12C、12D…放射用アンテナコイル、14…電磁結合用アンテナコイル、16、18、24…基板、20…接着部材、22、28…配線パターン、23、29…コネクタ、26…送受信器、40…磁性体シート。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記複数の第1のアンテナコイルに電磁的に結合されており、且つ、送受信器に電気的に接続されるアンテナコイルと、
を備えるアンテナ。 A plurality of first antenna coils;
An antenna coil electromagnetically coupled to the plurality of first antenna coils and electrically connected to the transceiver;
With antenna.
前記第2のアンテナコイルに電気的に接続された送受信器と、
を備える、リーダライタ。 The antenna according to claim 1 or 2,
A transceiver electrically connected to the second antenna coil;
A reader / writer.
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2005
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