(57)【要約】【課題】改良されたカーボン整流子を提供すること。【解決手段】電気モータ用整流子が、ブラシ接触面を形成する複数のセグメントと、該セグメントを支持するハブとを備えている。該セグメントは、リード線接続のための端子を有するコネクターと、ブラシ接触面を形成するカーボン層と、このカーボン層に固定され、電気的にカーボン層をコネクターに接続する接続層とを含んでいる。複数の微小構造が前記接続層とカーボン層との間の境界部に形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブラシ接触面を形成する複数のセグメントと、
該セグメントを間隔をもった関係で支持するハブと、
を備え、
該セグメントは、リード線接続のための端子を有するコネクターと、ブラシ接触表面を形成するカーボン層と、電気的及び機械的に該カーボン層に固定され、電気的に該カーボン層をコネクターに接続する接続層とを含み、
前記接続層とカーボン層との間の境界部に複数の微小構造が形成された、
ことを特徴とする電気モータ用整流子。
【請求項２】
前記微小構造は、該接続層の表面に複数の微小孔を形成し、該カーボン層が前記微小孔を貫通する、請求項１に記載の整流子。
【請求項３】
前記微小孔の直径は、０．５ｍｍ以下である請求項２に記載の整流子。
【請求項４】
前記接続層は、発泡金属、金属繊維フェルトのグループから選定された材料により形成される請求項１、２又は３に記載の整流子。
【請求項５】
前記接続層は、前記コネクターに半田付けされる、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の整流子。
【請求項６】
前記微小構造は、前記接続層の表面から延びる複数の毬状突起を形成しており、該毬状突起が前記カーボン層を貫通する、請求項１に記載の整流子。
【請求項７】
該毬状突起の直径は、０．５ｍｍ以下である、請求項６に記載の整流子。
【請求項８】
前記接続層及びコネクターは、単一構造として構成される、請求項１、６、又は７に記載の整流子。
【請求項９】
前記接続層は、カーボン層から離れた表面に施された半田層を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の整流子。
【請求項１０】
前記カーボン層は、接続層の取付け後に焼結される、請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の整流子。
【請求項１１】
整流子は平面型である請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の整流子。
【請求項１２】
前記ハブは前記セグメントに成形されており、前記コネクターは、取付けを補助するために前記ハブ内に延びる少なくとも１つのアンカーを有する、請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載の整流子。
【請求項１３】
電気モータ用の整流子を製造する方法であって、
カーボン粉末の環状リング形状のカーボン層ブランクを準備すること、
複数の微小構造を含む導電性材料の環状リング形状の接続層ブランクを準備すること、
前記環状リングを一緒に押圧して前記カーボン粉末を前記導電性材料の中の微小構造と係合させ、カーボン部分ブランクを形成すること、
該カーボン部分ブランクを加熱し、カーボン材料を安定した塊りとすること、
導電性材料の環状円板形状のコネクターブランクを準備すること、
ハブを該コネクターブランクに成形すること、
前記カーボン部分ブランクをコネクターブランクに半田付けしてセグメントブランクを形成すること、
前記セグメントブランクを前記ハブに支持された複数の個別セグメントに分割すること、
の各段階を含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
前記カーボン部分ブランクをコネクターブランクに半田付けする前に、前記カーボン部分ブランクの接続層ブランクの露出面に半田層を設ける段階を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記コネクターブランクの一方にアンカーを形成し、該アンカーを該ハブ内に埋め込むように、該ハブを鋳込み成形する段階を含む、請求項１３、１４に記載の方法。
【請求項１６】
複数の一体的な半径方向に延びる腕部を有する前記コネクターブランクを準備し、前記ハブを該コネクターブランクに鋳込み成形した後に、該腕部を変形させてリード線を取付けるための端子を形成する段階を含む、請求項１３、１４又は１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記微小構造を構成するために、該導電層に複数の毬状突起を形成する段階を含む、請求項１３、１４、１５又は１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記コネクターブランクの表面に前記微小構造を構成して、該コネクターブランクを前記接続層として利用する段階を含み、前記カーボン部分ブランクを前記コネクターブランクに半田付けする段階を省略する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
銅系発泡金属、又は金属繊維フェルトから接続層ブランクを形成して、微小孔として前記微小構造を形成する段階を含む、請求項１３、１４、１５又は１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、整流子、特に、ブラシ接触表面を形成する複数のカーボンセグメントを有する小型電気モータ用の整流子に関し、またそのような整流子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図９は、部分的に構成された先行技術の平面型カーボンセグメント整流子の分解図である。この整流子は、半径方向に延びる腕部を備える円板状の銅コネクター１０’を有する。典型的にはフェノール樹脂からなる非電導性ハブ３０’が、この銅コネクターの上に鋳込み成形される。カーボン円板２０’が、この銅コネクターに半田付けされ、次いで、半径方向腕部が、電機子のリード線を接続するためのＵ字型端子又は中子内に曲げ込まれる。続いて、この銅／カーボン円板の組立体が、複数の整流子セグメントに切り分けられ、ハブに一体支持される。カーボン円板に直接半田付けすることは非常に困難である為、コネクターに半田付けされるカーボン円板表面は、先ずニッケル層４０’で電気メッキされ、次いで、該ニッケル層に銅層４５’が電気メッキされる。通常は、銅コネクターに対する半田結合の良好な付着性と信頼性を保証するために、銅層には半田層５０’が形成される。ハブ３０’に対するコネクター１０’の固定を強固にするために、小さなフィンガー又はアンカーが、銅コネクター上に一体に形成される。
【０００３】
しかし、ニッケルメッキ４０’と銅メッキ４５’がされていても、カーボン円板２０’と銅コネクター１０’間の半田接続には問題がある。カーボン円板とニッケル層との間の結合力は脆弱であり、メッキ工程は、時間がかかり高価である。更に、電気メッキ中に、メッキ溶液がカーボン層に浸透することがあり、除去が困難である。このメッキ溶液が除去されないと、該溶液が塗膜を腐食し、それによってカーボン円板と銅コネクター間の電気的な電導性が低下し、整流子の作動寿命が減少する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
カーボン層が直接銅コネクターに鋳込まれたカーボン整流子は知られているが、実際には、カーボンと銅との間の電気的接続は、半田付けされた整流子よりも高い接触抵抗を有し、良好な物理的強度を確保する為には、より厚いカーボン層が必要になる。これは又、ブラシ接触面から中子までの整流子を通る電流経路の抵抗を増加させる。特別に低電圧の用途及び高電流の用途にとっては、この増加抵抗は問題である。高電流の用途においては、この抵抗増加は、整流子の過熱を生じる。
【０００５】
したがって、上述した問題点を解消することができる、改良されたカーボン整流子に対する要望がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
したがって、１つの側面においては、本発明は、ブラシ接触面を形成する複数のセグメントと、該セグメントを一定の離れた関係に支持するハブとを備え、各々のセグメントは、リード線への接続のための端子を有するコネクターと、ブラシ接触表面を形成するカーボン層と、電気的及び機械的に該カーボン層に固定されて、該カーボン層を電気的にコネクターに接続する接続層とを含み、前記接続層とカーボン層との間の界面に複数の微小構造が形成された、電気モータ用整流子を提供する。
【０００７】
この微小構造は、接続層の表面に複数の微小孔を形成し、カーボン層がこの微小孔を貫通することが好ましい。
【０００８】
この微小孔の直径は、０．５ｍｍ以下であることが好ましい。
【０００９】
接続層は、発泡金属、金属繊維フェルトのグループから選定された材料により形成されることが好ましい。接続層は、銅、ニッケル又はその合金であることが好ましい。
【００１０】
接続層は、コネクターに半田付けされることが好ましい。
【００１１】
或いは、微小構造は、該接続層の表面から延びる複数の毬状突起を形成し、毬状突起がカーボン層を貫通するものとする。
【００１２】
この毬状突起の直径は、０．５ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００１３】
カーボン層は、接続層が取り付けられた後に焼結されることが好ましい。
【００１４】
接続層は、カーボン層から遠い方の表面に設けられた半田層を有することが好ましい。
【００１５】
代替的には、接続層とコネクターとは、単一構造体として形成される。
【００１６】
整流子は、平面型整流子、或いは円筒型整流子であることが好ましい。
【００１７】
ハブは、セグメントに鋳込み成形され、コネクターは、取付けを補助するためにハブ内に延びる少なくとも１つのアンカーを有することが好ましい。
【００１８】
第２の側面によれば、本発明は、カーボン粉末の環状リング形状のカーボン層ブランクを準備すること、複数の微小構造を含む導電性材料の環状リング形状の接続層ブランクを準備すること、これら環状リングを一緒に押圧して前記カーボン粉末を導電性材料中の微小構造と結合させ、カーボン部分ブランクを形成すること、このカーボン部分ブランクを加熱してカーボン材料を安定した塊りにすること、導電性材料からなる環状円板形状のコネクターブランクを準備すること、ハブを該コネクターブランクに鋳込み成形すること、カーボン部分ブランクをコネクターブランクに半田付けしてセグメントブランクを形成すること、ハブにより支持されたセグメントブランクを複数の個別セグメントに分割すること、の各段階を含む、電気モータ用整流子の製造方法を提供する。
【００１９】
この方法は、カーボン部分ブランクをコネクターブランクに半田付けする前に、カーボン部分ブランクの接続層ブランクの露出面に半田層を設ける段階を含むことが好ましい。
【００２０】
この方法は、銅の発泡金属、又は金属繊維フェルトからなる接続層ブランクを形成する段階と、微小孔の微小構造を形成する段階とを含むことが好ましい。
【００２１】
この方法は、複数の一体的な半径方向に延びる腕部を有するコネクターブランクを準備し、リード線を取付けるための端子を形成するために、ハブをコネクターブランクに成形した後に、腕部を変形させる段階を含むことが好ましい。
【００２２】
代替的には、この方法は、導電層に複数の毬状突起を形成して微小構造を構成する段階を含む。
【００２３】
代替的には、この方法は、コネクターブランク表面に微小構造を構成し、該コネクターブランクを接続層として利用する段階を含み、カーボン部分ブランクとコネクターブランクの半田付け段階を無くす。
【００２４】
本発明の好ましい実施態様が、例示的に、以下に添付図面を参照して説明される。図では、幾つかの図を通じて表される同様な構造、要素、又は部分は、表示される全ての図において、同じ参照番号で示される。図示される部品及び特徴部分の寸法は、全体的に、表示の便宜と明確さのために選ばれており、必ずしも縮尺で示すものではない。図は、以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の好ましい実施形態である、平面型カーボンセグメント整流子を示す。
【図２】図１の整流子構造を異なる製作段階で示し、カーボン部を示す。
【図３】図１の整流子構造を異なる製作段階で示し、カーボン部分ブランクの断面図を示す。
【図４】図１の整流子構造を異なる製作段階で示し、整流子の分解図を示す。
【図５】図１の整流子構造を異なる製作段階で示し、セグメントブランクの斜視図を示す。
【図６Ａ】電気的導電ブラシ接触部分と接続層の他の実施形態で、カーボン部分ブランクが形成される場面を示す。
【図６Ｂ】電気的導電ブラシ接触部分と接続層の他の実施形態で、接続層ブランク４０の一部を拡大して微小構造４２の詳細を示す。
【図６Ｃ】電気的導電ブラシ接触部分と接続層の他の実施形態で、カーボン部分ブランクの概略的断念図を示す。
【図７Ａ】電気的導電ブラシ接触部分と接続層の更に別の実施形態で、カーボン部分ブランクが形成される場面を示す。
【図７Ｂ】電気的導電ブラシ接触部分と接続層の更に別の実施形態で、接続層ブランク４０の一部を拡大して微小構造４２の詳細を示す。
【図７Ｃ】電気的導電ブラシ接触部分と接続層の更に別の実施形態で、カーボン部分ブランクの概略的断念図を示す。
【図８Ａ】本発明の第２実施形態の円筒型整流子の構成を異なる製作段階を示し、カーボンセグメントを示す。
【図８Ｂ】本発明の第２実施形態の円筒型整流子の構成を異なる製作段階を示し、セグメントブランクの分解図を示す。
【図８Ｃ】本発明の第２実施形態の円筒型整流子の構成を異なる製作段階で、組立て後のセグメントブランクを示す。
【図９】部分的に構成された先行技術の平面型カーボンセグメント整流子の分解図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１の整流子は、小型ＰＭＤＣモータのような、小型電気モータ用の平面型カーボンセグメント整流子である。このような整流子は、平面型カーボン整流子として一般的に知られている。
【００２７】
整流子は、図４に分解状態で示されており、フェノール樹脂のような非電導性材料からなるハブ３０を有する。該ハブは、平面型ブラシ接触表面を構成するように配列された複数の整流子セグメント１２を支持する。各セグメントは、導電材料、好ましくは銅からなるコネクターを有し、かつ該セグメントを電機子巻線と接続するための端子又は中子を有する。コネクターの一方側には、カーボン部が取付けられる。カーボン部は、コネクター１０の広い面に半田付けされる。カーボン部は、カーボン層と接続層とを有する。接続層は、電気的な電導性を有し、例えば銅のような半田可能な材料からなる。接続層は、該接続層をカーボン層に接続するため、複数の微小構造を有する。好ましくは、該接続層は、多孔質であり、複数の微小孔又は細孔を有しており、カーボン層がこの微小孔を貫通して、物理的及び電気的にカーボン層を接続層に接続する。微小孔とは、通常１ｍｍ以下の極めて小さい直径の孔を意味する。微小孔の直径は、０．５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２８】
接続層の材料は、発泡銅であることが好ましいが、他の発泡金属材料又は、金属繊維フェルト又は、多孔質構造の他の金属材料でもよい。接続層の材料は、金属、合金、或いは、金属微粒子及び非金属微粒子及び／又はカーボン繊維材料から成る合成堆積構造でもよい。
【００２９】
接続層４０は、電気メッキ法又は、粉末冶金法又は、これ以外の方法から作成される発泡金属であることが好ましい。他の態様では、接続層４０は、電気メッキ法又は、粉末冶金法又は、これ以外の方法から作成される金属繊維フェルトでもよい。金属は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ−Ｗ合金、Ｃｕ−Ｚｎ合金、Ｃｕ−Ｓｎ合金、及び他の金属／合金、又は金属／合金からなる混合物、及びセラミック、或いは他の非金属であってもよい。Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｕ合金及びＮｉ合金が、中でも好ましい。
【００３０】
カーボン層の材料は、カーボン材料又は金属塗膜したカーボン材料、又は焼結金属を含むカーボン材料であってもよい。粉末状態のカーボン材料は、粉末微粒子を一緒に保持する結合剤を含んでいてもよい。
【００３１】
任意に、接続層の外側面には、カーボン部をコネクターに対して半田性を向上させるために、製造ラインで、半田層又はメッキ層塗膜を設けることができる。
【００３２】
整流子の構造を更に説明するために、図２〜図５を参照して、整流子の製造工程を説明する。図２に示されるように、最初にカーボン層ブランク２０と接続層ブランク４０とを形成することによって、カーボン部分が成形される。カーボン層ブランク２０は、カーボン粉末材料を圧縮して形成された筒型体である。接続層ブランク４０は、多孔質材料からなる環状円板である。カーボン層ブランク２０と接続層ブランク４０とは、互いに押圧され、カーボン材料が接続層ブランク内を貫通する。カーボン材料は、接続層ブランク内の全空間を充填する必要はないが、電気的かつ機械的に良好な接合とするために、カーボン材料が十分に貫通することが望ましい。図３は、成形されたカーボン部分ブランクの断面図であり、上述の２つの部分が互いに押圧された後、接続層４０の微小孔４２が、カーボン層ブランク２０の材料によって充填されていることを概念的に（かつ拡大図により）示している。カーボン部分ブランクは、加熱され、カーボン層が固められる。この加熱は、カーボン材料に含まれる結合剤を効果的に溶融し、かつ、粉末微粒子を強く一体的結合させるため固化させる硬化工程とすることができる。これは、コスト的に有利な工程であるが、結合剤は、カーボン層の導電性に影響を及ぼす。他の態様としては、この加熱は、焼結工程でもよく、この工程では、カーボン部分ブランクが高温加熱され、カーボン材料を焼結し、カーボン粉末材料中の結合剤及び他の不純物を蒸発させ、かつ炭化させる。このように、丈夫で耐摩耗性のある低抵抗の材料が製造され、更に、より低い接触抵抗で、接続層とカーボン層が強固に結合される。
【００３３】
図５は、コネクターブランク１０にカーボン部分ブランク２０、４０を半田付けすることにより形成されたセグメントブランクを示すもので、カーボン部分ブランクには、任意に、付加的な半田層を設けても、設けなくてもよい。図５から分かるように、コネクターブランクの反対側にはアンカーが配置されており、該アンカーは、ハブがセグメントブランクに成形される時に、ハブに埋め込まれる。カーボン部分ブランクがコネクターブランクに半田付けされる前に、ハブはコネクターブランクに鋳込み成形される。ハブがコネクターブランクに鋳込み成形された後で、更に好ましくはカーボン部分ブランクが固定される前に、コネクターブランクの半径方向腕部は変形され、端子を構成する。端子が形成され、カーボン部分ブランクがコネクターブランクに取り付けられてセグメントブランクを形成された後に、該セグメントブランクは、ハブ３０により定位置に保持された状態で個々のセグメントに分割されて、図１の整流子が製作される。
【００３４】
図６Ａ〜図６Ｃは、本発明の第２の実施形態である別のカーボン部分ブランク構成を示す。図６Ａは、カーボン層ブランク２０と接続層ブランク４０とが一体に押圧され、カーボン部分ブランクが形成される状態を示す。図６Ｂは、微小構造４２の詳細を示すために、図６Ａの接続層ブランク４０の一部を拡大して示す。図６Ｃは、完成されたカーボン部分ブランクの概略的断念図を示す。カーボン層２０と接する接続層ブランク４０の表面は、毬状突起形状をなした複数の微小構造を有する。これらの突起は、電気メッキ法、化学メッキ法、物理的気相成長法（ＰＶＤ）、化学的気相成長法（ＣＶＤ）、エッチング法、粉末金属焼結法、又は他のどのような公知の方法で形成することができる。カーボン層ブランク２０と接続層ブランク４０とが一緒に押圧された後、接続層４０の毬４２は、カーボン層ブランク４０内にしっかり固定され、接続層４０とブラシ接触部２０とを機械的及び電気的に確実に結合する。
【００３５】
他の方法で、接続層４０を、コネクター１０の表面に一体形成することができる。例えば、図７Ａ〜図７Ｃで示すような、毬状突起形状をした複数の微小構造は、コネクターブランク１０の表面上に、電気メッキ法、化学メッキ法、物理的気相成長法（ＰＶＤ）、化学的気相成長法（ＣＶＤ）、エッチング法、粉末金属焼結法、又は他のどのような公知の方法で一体形成することができる。このようにすると、接続層４０の導電基板１０への半田工程が省略される。事実上は、接続層４０とコネクター１０とは、単一構造体として構成されている。図７Ａ〜図７Ｃにおいて、図７Ａは、カーボン層ブランク２０と接続層ブランク４０とが一体に押圧されてカーボン部分ブランクが形成される状態を示し、図７Ｂは、微小構造４２の詳細を示すために、図７Ａの接続層ブランク４０の一部を拡大して示し、図７Ｃは、完成されたカーボン部分ブランクの概略的断念図を示す。
【００３６】
図８Ａ〜図８Ｃは、本発明の別の実施形態である円筒型カーボンセグメント整流子の構成を示す。このような整流子は、円筒型カーボン整流子と一般的に言われている。図８Ａは、カーボン部分ブランクの構成を示し、図８Ｂは、整流子用セグメントブランクの分解図を示し、図８Ｃは、組立て後のセグメントブランクであるが、ハブ（図示せず）が成形される前で、かつ個々のセグメントに分割する前の状態を示す。該整流子は、ブランク１００、円筒型カーボン層ブランク２００、及び、前記基板１００とブラシ接触部２００との間に配置された接続層４００とを有する。接続層ブランク４００は、底板４０２と円筒状突出部４０４とを含む。カーボン層ブランク２００は、ブラシ接触部を形成する円筒型円周面と、該接続層４００の円筒状突出部４０４を収容する中央収容空間部とを有する。カーボン層２００と接する接続層４００の表面は、微小孔及び／又は毬形状の複数の微小構造を有する。カーボン層ブランク２００と接続層ブランク４００とが、図８Ａの矢印方向に一体に押圧された後、接続層４００とカーボン層２００とが確実に一体固定される。カーボン層ブランク２００の底面に取り付けられる接続層ブランク４００の底板４０２は、半田によって電気的及び機械的にコネクターブランク１００に固定され、セグメントブランクを形成する。好ましくは、半田層５００を接続層ブランク表面に設けて、コネクターブランク１００と接続層ブランク４００間の半田性を向上させるようにしてもよい。カーボン部分ブランクがコネクターブランクに半田付けされる前に、ハブをコネクターブランクに鋳込み成形することが好ましい。セグメントブランクがハブにより支持されるようになると、該セグメントブランクは、ハブにより支持された個々のセグメントに分割される。コネクターブランクから延びる腕部１１０は、セグメントを電機子巻線に接続する端子を形成する。
【００３７】
本発明においては、ブラシ接触部２０、２００と、接続層４０、４００との間の境界部には、複数の微小孔／毬組織があり、これらが２つの部分間の電気的接続および機械的強度を大幅に向上させる。接続層４０、４００は、従来の整流子に使われている電気メッキ層に置き換わるもので、電気メッキ溶液がブラシ接触部２０、２００内に浸透して、整流子寿命を低下させることを防止する。
【００３８】
本発明の詳細な説明及び請求の範囲において、「備える」、「含む」、「包含する」、「有する」といった動詞の各々は、包括的な意味で使われており、記述された事項の存在を規定するが、他の事項の存在を排除するものではない。
【００３９】
本発明は、１又は複数の好ましい実施形態を参照して説明されたが、当業者には、種々の変更が可能であることが認識されるであろう。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲により決定されるべきである。
【符号の説明】
【００４０】
１０  コネクター
１２  整流子セグメント
１４  腕部
２０  カーボン層ブランク（ブラシ接触部）
３０  ハブ
４０  接続層ブランク（接続層）
４２  微小構造（微小孔及び／又は毬状突起）
１００  コネクターブランク
２００  カーボン層ブランク
４００  接続層ブランク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
2011211897.tif 000009
【図６Ｃ】
2011211897.tif 000010
【図７Ａ】
2011211897.tif 000011
【図７Ｂ】
2011211897.tif 000012
【図７Ｃ】
2011211897.tif 000013
【図８Ａ】
2011211897.tif 000014
【図８Ｂ】
2011211897.tif 000015
【図８Ｃ】
2011211897.tif 000016
【図９】
2011211897.tif 000017
【外国語明細書】
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2011211897.tif 000019
2011211897.tif 000020
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