JP5928575B2 - レーザ加工機 - Google Patents

Description

関連出願

この出願は、２０１２年２月１４日出願の特願２０１２−０２９１５２の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。

この発明は、レーザビームで加工対象物を切断加工するレーザ加工機に関し、特にレーザビームを偏向させて加工対象物におけるレーザビームの照射位置を微調整することが可能なものに関する。

一般に、レーザ加工機は、入射されたレーザビームを集束して加工対象物に照射する集束レンズ等の光学系と、加工対象物におけるレーザビームが照射された箇所に切断用ガスを吹き付ける切断ノズルを設けた加工ヘッドを有し、この加工ヘッドを加工対象物に対して相対的に直交３軸方向に移動させることにより、レーザビームにより切断等の加工を行う。

ところで、上記加工ヘッドは多くの部品で構成されているため、比較的重量が重い。そのため、加工ヘッド全体を移動させる場合、大きな慣性力が作用して、迅速かつ精度良く方向転換や加減速することが難しい。そこで、光学系に、レーザビームを直交２軸回りに偏向可能な偏向方向調整手段を設け、直線部等の長い距離区間については、加工ヘッド全体を移動させることで加工を行い、コーナー部や曲線部等の短い距離区間については、レーザビームの偏向角度を調整することで加工を行う手法が提案されている（例えば特許文献１）。

ＷＯ２００９／１４６６９７／Ａ１号公報

レーザ加工機において、高い加減速度の加工をするほど、切断ヘッドは大きな振動源になる。また、可動部重量を比較的軽くなるようにした、特許文献１においても、光学系と切断ノズルが同じ加工ヘッドに設けられていると、切断ノズルの振動が光学系に伝わり、光学系の偏向の精度に悪影響を与える可能性がある。

この発明の目的は、光学系が、レーザビームを偏向させて加工対象物におけるレーザビームの照射位置を微調整する機能を有し、切断ノズルの振動が光学系に影響を与えることが少ないレーザ加工機を提供することである。

この発明のレーザ加工機は、入射されたレーザビームを偏向かつ集束して加工対象物に照射する合焦光学系、およびこの合焦光学系によるレーザビームの偏向方向を少なくとも直交２軸回りに調整する偏向方向調整手段を有する光学系ヘッドと、加工対象物におけるレーザビームが照射された箇所に切断用ガスを吹き付ける切断ノズル、およびこの切断ノズルの加工対象物と平行な平面上の位置を、前記偏向方向調整手段の動作と同期して調整するノズル位置調整手段を有するノズル保持ヘッドとを個別に備え、加工対象物に対して相対的に直交３軸方向に進退自在な光学系・ノズル支持部材に、前記光学系ヘッドおよびノズル保持ヘッドを別々に支持させた。この基本構成において、次の演算部を設けるか、または前記ノズル位置調整手段を次の構成とする。

この構成であると、光学系ヘッドおよびノズル保持ヘッドが光学系・ノズル支持部材に別々に支持できるため、ノズル保持ヘッドの切断ノズルの振動が光学系ヘッドの合焦光学系に伝わり難くできる。具体的には、防振材を介して支持してもよい。また、固有振動数が高くなるような支持構成にしてもよい。よって、合焦光学系によるレーザビームの偏向に悪影響を与えることが少なくできる。そのため、精度の良い加工を行える。

この発明において、前記ノズル位置調整手段は、前記切断ノズルの位置を前記偏向方向調整手段の動作と同期して調整する動作とは別に、前記切断ノズルを加工対象物に切断用ガスを吹き付ける領域外へ退避させる動作を行うものであり、このノズル位置調整手段が前記同期して調整する動作、および前記領域外へ退避させる動作のいずれを行うかを判断する演算部を設けてもよい。

この構成であると、加工対象物に切断ガスを吹き付けずに加工を行う場合、切断ノズルを加工領域外に退避させることで、切断ノズルが邪魔にならないようにできる。

また、前記ノズル位置調整手段は、前記光学系・ノズル支持部材に支持されたベース部材に、加工対象物に対して垂直な軸心回りに回動自在に設けられた２つの回動アームと、これら２つの回動アームをそれぞれ回動させる２つの回動駆動源と、加工対象物に対し平行かつ互いに直交するように前記切断ノズルに直接または間接的に固定され、前記２つの回動アームの回動端をそれぞれ摺動自在に案内する２本の案内レールとを有する構成としてもよい。

回動駆動源により回動アームを回動させると、回動アームの回動端が案内レールに沿って移動しながら、案内レールをその長さ方向と直交する方向に位置変換させる。それにより、案内レールに直接または間接的に固定された切断ノズルも位置変換する。２本の案内レールは互いに直交しているため、各回動アームの回動により、切断ノズルは互いに直交する２軸方向に位置変換する。よって、２つの回動アームをそれぞれ適当な角度だけ回動させることで、切断ノズルを任意の目標位置に位置させることができる。各回動アームは互いに並列の関係であり、どちらの回動アームを回動させる場合も、回動駆動源に同程度の負荷がかかる。そのため、一方の軸方向の位置変換が他方の軸方向の位置変換に影響を与えることがなく、直交２軸方向の位置決めを同じ精度で行える。つまり、一般的な直列の関係(ピギーバック構成)にした場合の誤差の累積をなくすことができる。

請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。

この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明からより明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の部品番号は、同一または相当部分を示す。
この発明の一実施形態にかかるレーザ加工機の全体斜視図である。 同レーザ加工機の光学系ヘッドおよびノズル保持ヘッドの斜視図である。 同光学系ヘッドの内部構造を示す断面図である。 同光学系ヘッドのＸ軸方向走査ミラー、Ｙ軸方向走査ミラー、およびスキャンレンズの斜視図である。 同光学系ヘッドに設けられたスキャンレンズの作用を示す説明図である。 同ノズル保持ヘッドに設けられた切断ノズルの断面図である。 同ノズル保持ヘッドの平面図である。 （Ａ）〜（Ｊ）はそれぞれ切断ノズルの平面上位置が異なる状態を示すノズル保持ヘッドの平面図である。 加工対象物の切断加工の一例を示す図である。

この発明の一実施形態を図面と共に説明する。図１の全体斜視図に示すように、このレーザ加工機は、ベッド１上に板材からなる加工対象物Ｗを載せるテーブル２が設けられ、この公知のテーブル２に載せられた加工対象物Ｗに対して、光学系ヘッド３およびノズル保持ヘッド４が直交３軸方向に移動しながら切断加工等の加工を行う。

光学系ヘッド３およびノズル保持ヘッド４は、ＸＹＺ軸移動機構５により移動させられる。ＸＹＺ軸移動機構５は、ベッド１上面の左右両側部に設置された左右一対のＹ軸レール６に沿って前後方向（Ｙ軸方向）に進退自在なＹ軸移動体７と、このＹ軸移動体７の前面に設置されたＸ軸レール８に沿って左右方向（Ｘ軸方向）に進退自在なＸ軸移動体９と、このＸ軸移動体９の前面に設置されたＺ軸レール１０に沿って上下方向（Ｚ軸方向）に進退自在なＺ軸移動体１１とを有する。ＸＹＺ各移動体９，７，１１の進退は、例えばリニアモータにより行なわれる。そして、図２のように、Ｚ軸移動体１１の一部分である光学系・ノズル支持部材１２の立面の上部に光学系ヘッド３が、下部にノズル保持ヘッド４がそれぞれ個別にボルト１２ａ等で連結し、かつ光学系ヘッド３とノズル保持ヘッド４は連結関係がないように支持されている。

図３に示すように、レーザ発振器１３で発振されたレーザビームＬが、伝送用光ファイバ１４を介して光学系ヘッド３に入射される。レーザ発振器１３は、例えば固体レーザ発振器からなる。光学系ヘッド３は、入射されたレーザビームＬを偏向かつ集束して加工対象物Ｗに照射する合焦光学系１５、およびこの合焦光学系１５によるレーザビームＬの偏向方向を直交２軸回りに調整する偏向方向調整手段１６を有する。

合焦光学系１５は、光学系・ノズル支持部材１２に固定の光学系ヘッドハウジング１７の内部に設けられた複数のレンズおよびミラーで構成される。コリメートレンズ１８は、伝送用光ファイバ１４の先端から発散して出射されるレーザビームＬを平行光束にする。反射ミラー１９は、平行光束になったレーザビームＬをＸ軸方向走査ミラー２０に向けて反射する。Ｘ軸方向走査ミラー２０は、上下方向（Ｚ軸方向）の軸心回りに回動自在で、反射ミラー１９からのレーザビームＬをＹ軸方向走査ミラー２１に向けて反射する（図４）。Ｙ軸方向走査ミラー２１は、左右方向（Ｘ軸方向）の軸心回りに回動自在で、Ｘ軸方向走査ミラー２０からのレーザビームＬをスキャンレンズ２２に向けて反射する（図４）。

スキャンレンズ２２は、複数のレンズ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを組み合わせたレンズ集合体であって、前記Ｘ軸方向走査ミラー２０およびＹ軸方向走査ミラー２１により偏向されたレーザビームＬを集光して、加工対象物Ｗに照射する。その際、図５に示すように、入射角θの角度変化と加工対象物Ｗ上で走査距離Ｌが、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のいずれについても比例するようになっている（Ｌ＝ｆθ）。また、入射角θの大きさに関係なく、常に集光されたレーザビームＬが加工対象物Ｗに対して垂直に照射するようになっている。このようなスキャンレンズ２２のことを、テレセントリックＦ−θスキャンレンズと呼ぶ。

偏向方向調整手段１６は、Ｘ軸方向走査ミラー２０を上下方向（Ｚ軸方向）の軸心回りに正逆回転させるＸ軸方向走査モータ２３と、Ｙ軸方向走査ミラー２１を左右方向（Ｘ軸方向）の軸心回りに正逆回転させるＹ軸方向走査モータ２４とでなる。これらのモータ２３，２４は、光学系ヘッドハウジング１７の外部に、同ハウジングに固定して設けられている。

図２において、ノズル保持ヘッド４は、加工対象物ＷにおけるレーザビームＬが照射された箇所に切断用ガスを吹き付ける切断ノズル２６、およびこの切断ノズル２６の加工対象物と平行な平面上の位置を、前記偏向方向調整手段１６の動作と同期して調整するノズル位置調整手段２７を有する。

切断ノズル２６は、図６の断面図に示すように、ノズル本体２６ａの下端に吹出し口部材２６ｂを取付けたものであり、これらノズル本体２６ａおよび吹出し口部材２６ｂには、両者を上下に貫通する上下貫通孔２９が形成されている。この上下貫通孔２９は、全体的に下側へ行くほど先細りの形状であり、下端の吹出し口２９ａは微小な口径とされている。ノズル本体２６ａの上部側面部には、ホース接続管３０が取付けられ、このホース接続管３０に接続されたホース３１（図２）を介して、外部に設けた切断用ガス供給源（図示せず）から切断用ガスが切断ノズル２６に供給される。供給された切断用ガスは、環状溝３２、複数の小径穴３３および円周隙間３４を介して、保護レンズ３５下部からノズル軸心に向かって均一に噴射され、上下貫通孔２９に吐出され、さらに上下貫通孔２９の吹出し口２９ａから加工対象物に向けて吹付けられる。

ノズル位置調整手段２７は、図７の平面図に示す構成である。すなわち、前記光学系・ノズル支持部材１２に支持されたベース部４０に、加工対象物に対して垂直な上下方向の軸心ＯＸ，ＯＹ回りに回動自在に設けられた２つの回動アーム４１Ｘ，４１Ｙが設けられている。これら２つの回動アーム４１Ｘ，４１Ｙは、回動駆動源４２Ｘ，４２Ｙによりそれぞれ回動させられる。回動アーム４１Ｘ，４１Ｙの回動端には、上下方向の軸４３ａおよび軸４３ｂ回りに回動自在なスライダ４３Ｘ，４３Ｙが設けられており、これらスライダ４３Ｘ，４３Ｙが、Ｙ軸方向およびＸ軸方向に延びる案内レール４４Ｘ，４４Ｙにそれぞれ摺動自在に跨っている。

案内レール４４Ｘ，４４Ｙは、切断ノズル２６と一体に設けられたプレート４５の上面に設置されている。つまり、案内レール４４Ｘ，４４Ｙは、加工対象物に対し平行かつ互いに直交するように切断ノズル２６に間接的に固定されている。ベース部４０には、切断ノズル２６の下部が挿通される開口４０ａが形成されている。

回動駆動源４２Ｘ，４２Ｙにより回動アーム４１Ｘ，４１Ｙを回動させると、回動アーム４１Ｘ，４１Ｙのスライダ４３Ｘ，４３Ｙが案内レール４４Ｘ，４４Ｙに沿って移動しながら、案内レール４４Ｘ，４４Ｙをその長さ方向と直交する方向に位置変換させる。それにより、案内レール４４Ｘ，４４Ｙにプレート４５を介して固定された切断ノズル２６も位置変換する。２本の案内レール４４Ｘ，４４Ｙは互いに直交しているため、各回動アーム４１Ｘ，４１Ｙの回動により、切断ノズル２６は互いに直交する２軸方向に位置変換する。よって、２つの回動アーム４１Ｘ，４１Ｙをそれぞれ適当な角度だけ回動させることで、切断ノズル２６を任意の目標位置に位置させることができる。

上記回動駆動源４２Ｘ，４２Ｙは、演算部４６による動作判断に基づいて制御される。つまり、演算部４６は、ノズル位置調整手段２７が前記偏向方向調整手段１６の動作と同期して調整する動作、および切断ノズル２６を加工領域Ｒ（図８（Ａ））外へ退避させる動作のいずれを行うかを判断して、回動駆動源４２Ｘ，４２Ｙを制御する。

各回動アーム４１Ｘ，４１Ｙは互いに並列の関係であり、どちらの回動アーム４１Ｘ，４１Ｙを回動させる場合も、回動駆動源４２Ｘおよび４２Ｙに同程度の負荷がかかる構造である。そのため、一方の軸方向の位置変換が他方の軸の位置変換に影響を与えることがなく、直交２軸方向の位置決めを同じ精度で行える。つまり、一般的な直列の関係(ピギーバック構成)にした場合の誤差の累積をなくすことができる。

ノズル位置調整手段２７は、この実施形態の構成には限定されない。例えば、ベース部４０に対してＸ軸方向にスライド自在なＸ軸スライド体（図示せず）を設け、このＸ軸スライド体に対してＹ軸方向にスライド自在なＹ軸スライド体（図示せず）を設け、このＹ軸スライド体に切断ノズル２６を設けた構成としてもよい。Ｘ軸スライド体とＹ軸スライド体の位置関係が逆であってもよい。この構成であっても、切断ノズル２６を任意の目標位置に位置させることができる。ただし、この構成の場合、各軸が直列の関係(ピギーバック構成)になるため、誤差が累積する。

図８（Ａ）〜（Ｊ）は、回動アーム４１Ｘ，４１Ｙの角度位置と切断ノズル２６の平面上位置との関係を示す図である。同図（Ｆ）は、切断ノズル２６が原点位置（Ｘ＝０，Ｙ＝０）にある状態を示す。この状態から、回動アーム４１Ｘが図の右方向に回動すると、同図（Ｄ），（Ｇ），（Ｊ）のように、切断ノズル２６がＸ軸の正方向へ移動し、回動アーム４１Ｘが図の左方向に回動すると、同図（Ｂ），（Ｅ），（Ｈ）のように、切断ノズル２６がＸ軸の負方向へ移動する。また、回動アーム４１Ｙが図の上方向に回動すると、同図（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）のように、切断ノズル２６がＹ軸の正方向へ移動し、回動アーム４１Ｙが図の下方向に回動すると、同図（Ｈ），（Ｉ），（Ｊ）のように、切断ノズル２６がＹ軸の負方向へ移動する。

以上の図８（Ｂ）〜（Ｊ）では、切断ノズル２６が、加工対象物に切断用ガスを吹き付ける加工領域Ｒ内にある。加工領域Ｒは、図８（Ａ）においてクロスハッチングで示す領域である。さらに、回動アーム４１Ｙを特定の角度位置にし、かつ回動アーム４１Ｘを大きく回動させると、図８（Ａ）のように、切断ノズル２６が加工領域Ｒ外の退避位置Ｔへ退避する。

上記ノズル位置調整手段２７による切断ノズル２６の平面位置の調整を、前記偏向方向調整手段１６によるレーザビームＬの偏向方向の調整と同期して行うことにより、加工対象物におけるレーザビームＬが照射された箇所に、切断ノズル２６が切断用ガスを吹き付けるようにできる。このとき、レーザビームＬの合焦光学系１５で偏向されたレーザビームＬは、切断ノズル２６の上下貫通孔２９を通って加工対象物Ｗに照射される。

このレーザ加工機による加工の一例を、図９と共に説明する。図は、加工対象物Ｗから直角のコーナー部と円弧状のコーナー部を有する概略長方形の板材Ｗ１を切断加工し、その板材Ｗ１の内部に円形孔を開ける例を示す。テーブル２の上に加工対象物Ｗを固定状態に載せて、加工を行う。距離が長い直線部Ａについては、ＸＹＺ軸移動機構５で光学系ヘッド３およびノズル保持ヘッド４を移動させることで、加工対象物ＷにおけるレーザビームＬの照射位置を高速で移動させながら加工する。また、直角のコーナー部Ｂ、円弧状のコーナー部Ｃ、および円形孔Ｄについては、偏向方向調整手段１６によりレーザビームＬの偏向角度を調整することで、加工対象物におけるレーザビームＬの照射位置を微調整しながら加工する。

光学系ヘッド３およびノズル保持ヘッド４は、多くの部品で構成されていて、比較的重量が重い。そのため、ＸＹＺ軸移動機構５で光学系ヘッド３およびノズル保持ヘッド４を移動させるのは、大きな慣性力が作用して、精度良く方向転換や加減速することが難しい。これに対し、レーザビームＬの偏向角度の調整は、軽量のＸ，Ｙ軸方向走査ミラー２０，２１を回転させるだけであるため、小さな出力で行うことができ、応答性の良い調整が可能である。そのため、複雑な形状の加工も効率良く行える。よって、ＸＹＺ軸移動機構５による光学系ヘッド３およびノズル保持ヘッド４のＸＹＺ３軸方向の移動と、偏向方向調整手段１６によるレーザビームＬの偏向方向の調整とを組み合わせることにより、単純形状の長い距離区間の加工、および複雑な形状の短い距離区間の加工の両方を効率良く行うことができる。

加工対象物Ｗの板厚がある一定厚（例えば、レーザビームＬの出力が２ｋＷの場合、０．８ｍｍ）以上である場合は、切断ノズル２６を加工領域Ｒに位置させて、加工対象物ＷにおけるレーザビームＬが照射された箇所に切断用ガスを吹き付ける。それにより、溶けた金属を下方に吹き飛ばして、切断加工がスムーズに行えるようにする。

加工対象物Ｗの板厚がある一定厚未満である場合は、加工時に発生する熱で切断箇所の金属が気化してしまい溶融金属が発生しない。そのため、切断ノズル２６から切断用ガスを吹き付ける必要がない。したがって、この場合には、切断ノズル２６を退避位置Ｔ（図８（Ａ））に退避させておく。溶接加工やマーキング加工を行う場合も、切断ノズル２６を退避位置Ｔに退避させておく。

また、このレーザ加工機は、光学系ヘッド３およびノズル保持ヘッド４が、光学系・ノズル支持部材１２に別々に支持できるため、ノズル保持ヘッド４に設けられた切断ノズル２６の振動が光学系ヘッド３に設けられた合焦光学系１５に伝わり難くできる。具体的には、防振材を介して支持してもよい。また、固有振動数が高くなるような支持構成にしてもよい。よって、合焦光学系１５によるレーザビームＬの偏向に悪影響を与えることが少なくできる。そのため、精度の良い切断加工を行える。

この実施形態の合焦光学系１５は、レーザビームＬの偏向方向を直交２軸回りに調整するが、直交３軸回りに調整可能な構成としてもよい。それにより、平板でない加工対象物Ｗについても加工が可能になる。

また、この実施形態では、加工対象物Ｗは位置固定して、光学系ヘッド３およびノズル保持ヘッド４を加工対象物Ｗに対して相対移動させる構成であるが、逆に、光学系ヘッド３およびノズル保持ヘッド４は位置固定して、加工対象物Ｗを光学系ヘッド３およびノズル保持ヘッド４に対して相対移動させる構成としてもよい。

以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、添付の特許請求の範囲から定まるこの発明の範囲内のものと解釈される。

３…光学系ヘッド
４…ノズル保持ヘッド
５…ＸＹＺ軸移動機構
１２…光学系・ノズル支持部材
１５…合焦光学系
１６…偏向方向調整手段
２６…切断ノズル
２７…ノズル位置調整手段
４０…ベース部
４１Ｘ，４１Ｙ…回動アーム
４２Ｘ，４２Ｙ…回動駆動源
４４Ｘ，４４Ｙ…案内レール
４６…演算部
Ｌ…レーザビーム
Ｒ…加工領域
Ｔ…退避位置
Ｗ…加工対象物

Claims (3)

1. 入射されたレーザビームを偏向かつ集束して加工対象物に照射する合焦光学系、およびこの合焦光学系によるレーザビームの偏向方向を少なくとも直交２軸回りに調整する偏向方向調整手段を有する光学系ヘッドと、
   加工対象物におけるレーザビームが照射された箇所に切断用ガスを吹き付ける切断ノズル、およびこの切断ノズルの加工対象物と平行な平面上の位置を、前記偏向方向調整手段の動作と同期して調整するノズル位置調整手段を有するノズル保持ヘッドとを個別に備え、
   加工対象物に対して相対的に直交３軸方向に進退自在な光学系・ノズル支持部材に、前記光学系ヘッドおよびノズル保持ヘッドを別々に支持させ、
   前記ノズル位置調整手段は、前記切断ノズルの位置を前記偏向方向調整手段の動作と同期して調整する動作とは別に、前記切断ノズルを加工対象物に切断用ガスを吹き付ける領域外へ退避させる動作を行うものであり、このノズル位置調整手段が前記同期して調整する動作、および前記領域外へ退避させる動作のいずれを行うかを判断する演算部を設けたレーザ加工機。
2. 入射されたレーザビームを偏向かつ集束して加工対象物に照射する合焦光学系、およびこの合焦光学系によるレーザビームの偏向方向を少なくとも直交２軸回りに調整する偏向方向調整手段を有する光学系ヘッドと、
   加工対象物におけるレーザビームが照射された箇所に切断用ガスを吹き付ける切断ノズル、およびこの切断ノズルの加工対象物と平行な平面上の位置を、前記偏向方向調整手段の動作と同期して調整するノズル位置調整手段を有するノズル保持ヘッドとを個別に備え、
   加工対象物に対して相対的に直交３軸方向に進退自在な光学系・ノズル支持部材に、前記光学系ヘッドおよびノズル保持ヘッドを別々に支持させ、
   前記ノズル位置調整手段は、前記光学系・ノズル支持部材に支持されたベース部材に、加工対象物に対して垂直な軸心回りに回動自在に設けられた２つの回動アームと、これら２つの回動アームをそれぞれ回動させる２つの回動駆動源と、加工対象物に対し平行かつ互いに直交するように前記切断ノズルに直接または間接的に固定され、前記２つの回動アームの回動端をそれぞれ摺動自在に案内する２本の案内レールとを有するレーザ加工機。
3. 前記ノズル位置調整手段は、前記光学系・ノズル支持部材に支持されたベース部材に、加工対象物に対して垂直な軸心回りに回動自在に設けられた２つの回動アームと、これら２つの回動アームをそれぞれ回動させる２つの回動駆動源と、加工対象物に対し平行かつ互いに直交するように前記切断ノズルに直接または間接的に固定され、前記２つの回動アームの回動端をそれぞれ摺動自在に案内する２本の案内レールとを有する請求項１記載のレーザ加工機。

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