JP2007128777A - 高圧水銀ランプの点灯方法、その点灯装置、ランプシステム及び投射型表示装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 点灯方法は、ハロゲンサイクルを利用する高圧水銀ランプの点灯を維持させる。制御内容は、先ず点灯してからランプ電圧Vlaが第1番目の電圧値V1になるまでは定電流制御し、ランプ電圧Vlaが第1番目の電圧値V1になると、定電流制御から電力が第1の電力値W1の定電力制御を行う。点灯中のランプのランプ電圧Vlaが、ハロゲンサイクルの状態が適正な状態から外れるときの電圧値(第2番目の電圧値V2である)になったときに、前記第1番目の電力値W1から第2番目の定電力値W2に下げて定電力制御を行う。
【選択図】 図4
Description
このようなハロゲンサイクルを利用する高圧水銀ランプは、点灯維持中に生じるハロゲンサイクルが有効に機能する適正な状態となるように、ランプへの印加電圧、水銀やハロゲン等の封入量、電極間の距離等が決定されている。なお、電極の材料には、タングステンが使用されることが多い。
ところで、ランプの点灯を維持した累計時間(以下、「累計点灯時間」という。)が長くなると、ハロゲンサイクルの状態が前記適正な状態から外れる。これによって、ハロゲンサイクルが有効に機能しなくなり、電極から蒸発して本来電極に堆積すべきタングステンが、放電空間を形成する放電容器の内面に付着(黒化現象)する。
ランプの寿命を長くする技術としては、予め、ランプの劣化がはじまるポイントを実験で求めておき、累計点灯時間が前記ポイント(所定時間)になると、定電力制御時の目標電力の値を下げるようにしたものが開示されている(特許文献1)。
つまり、前記ポイントとなる所定の時間は実験等により求めたとしても、ランプの使用環境の違い、一点灯における点灯の連続時間の差、ランプのばらつき等によって、累計点灯時間が所定時間に達したときのランプの状態が、必ずしもランプの劣化の始まるポイントとは限らないのである。
本来であれば、放電空間の温度、電極間距離を実際に測定して、その変化によって目標電力を変化させることが好ましいが、温度又は電極間距離を測定するのは現実的ではなく、発明者等は、温度変化又は電極間距離の変化に伴って、ランプに関連する何らかの特性が顕著に変化しないか否かを試験を行った。
<実施の形態>
1.前面投射型表示装置
以下、本発明に係る前面投射型の表示装置(以下、「液晶プロジェクタ」という。)についてそれぞれ図面を参照しながら説明する。
液晶プロジェクタ1は、図1に示すように、ランプ(図示省略)を内部に有するランプユニット3、制御ユニット5、ランプを点灯させるための点灯装置を含む電源ユニット7、集光レンズと透過型のカラー液晶表示板と駆動モータとが内蔵されているレンズユニット9、冷却用のファン11等を筐体13の内部に備える。
液晶プロジェクタ1は、ランプユニット3から射出された光を、レンズユニット9の内部に配されている集光レンズ等で集光すると供に、光路上に配されたカラー液晶表示板を透過する。これにより、液晶表示板に形成された画像が、レンズ19等を介して図外のスクリーン上に投影される。
図2は、本実施の形態に係るランプユニットの斜視図であり、図3は、ランプユニットの平面図であり、内部のランプの様子が分かるように反射鏡を切り欠いている
ランプユニット3は、同図に示すように、ランプ31と、反射鏡33とを備え、反射鏡33の内部にランプ31が組み込まれている。
ランプ31は、図3に示すように、内部に放電空間35を有する発光部37とこの発光部37の両側に設けられた封止部39,41とから構成される放電容器43と、前記放電空間35の内部で先端(後述する電極部)同士が対向する状態で両封止部39,41に封着されている電極構成体45a,45bとからなる。
外部リード線51a,51bは、両封止部39,41における発光部37と反対側の端面から外部に導出されている。なお、外部リード線51bは、図2及び図3に示すように、反射鏡33に形成されている貫通孔54を通って、反射鏡33の外部へと導出されている。
図3に戻って、封止部39,41のうち一方、例えば、封止部39における発光部37と反対側の端部には、口金57がセメント59を介して被着されており、外部リード線51aが口金57に接続されている。
反射鏡33は、図2及び図3に示すように、凹面状の反射面61が形成された本体部材63を有している。この本体部材63の開口65には前面ガラス67が設けられている。なお、本体部材63と前面ガラス67との固着は、例えば、シリコーン系の接着剤を用いて行われる。
ランプ31の上記反射鏡33への組込は、図3に示すように、口金57が被着している封止部39を本体部材63の開口径の小さい部分69にある貫通孔71に所定量挿入させた状態で、例えば、セメント72で固着されている。
次に、上記ランプ31の点灯方法について説明する。なお、ここでの説明は、本発明に係る「目標電力である電力値を下げるステップ」を1回含む場合であり、目標値である電力値は2つあり、2種類の定電力制御が行われる(本発明に係る「n」が「2」の場合である。)。
本実施の形態に係る点灯方法では、図4に示すように、先ず、区間1では定電流制御が、区間2及び区間3では定電力制御がそれぞれ実施される。区間1のランプ電圧Vlaの範囲は初期電圧値V0以上〜第1番目の電圧値V1未満の間で、区間2のランプ電圧Vlaの範囲は第1番目の電圧値V1以上〜第2番目の電圧値V2未満の間で、区間3のランプ電圧Vlaの範囲は第2番目の電圧値V2以上である。
区間1の定電流制御は、点灯開始時(ランプ電圧Vlaが初期電圧値V0でランプ電力Wlaが初期電力値W0である。)の開始ポイントP0から、ランプ電圧Vlaが第1番目の電圧値V1でランプ電力Wlaが第1番目の電力値W1である第1のポイントP1までは、ランプ電力Wlaがランプ電圧Vlaに比例して変化する。
区間2の定電力制御における目標電力の値は、第1番目の電力値W1であり、通常、ランプの定格ランプ電力である。この定電力制御は、区間1での定電流制御の終りである第1のポイントP1から、ランプ電圧Vlaが第2番目の電圧値V2でランプ電力Wlaが第1番目の電力値W1である第2のポイントP2まで行われる。
区間3の定電力制御における目標電力の値は、区間2での定電力制御の第1番目の電力値W1よりも低い第2番目の電力値W2で行われる。この定電力制御は、ランプ電圧Vlaが第2番目の電圧値V2でランプ電力Wlaが第2番目の電力値W2である第3のポイントP3から、同じ電力値(第2番目の電力値W2)であって、ランプ電圧Vlaが第3のポイントP3の第2番目の電圧値V2より大きい範囲で行われる。
区間2と区間3とを切換える基準となる、目標電力の切換え時の切換電圧の値は、第2番目の電圧値V2である。この切換電圧は、後述するが、ハロゲンサイクルの状態変化に起因して予め設定されている電圧値であり、例えば、放電空間の温度が、予め設定されているハロゲンサイクルが適正に行われる温度範囲から外れるとき(外れたときも含む)である。
3.点灯装置
(1)構成
図5は、ランプを点灯させるための点灯装置を示すブロック図である。同図に示すように、点灯装置100は、DC電源部101、DC/DCコンバータ102、DC/ACインバータ103、高圧発生部104、制御部105、電流検出部106及び電圧検出部107を備える。
DC/DCコンバータ102は、DC電源部101から供給された直流電圧を、後述の制御部105からの電力設定信号に従って所定電圧の直流電圧に変換し、DC/ACインバータ103に供給する。
電流検出部106は、ランプ31に流れる電流に相当する電流(以下、「ランプ電流」という。)を検出するもので、検出結果は制御部105に送られる。電圧検出部107は、ランプに印加される電圧に相当する電圧(以下、「ランプ電圧」という。)を検出するもので、検出結果は制御部105に送られる。
(2)制御内容
図6は、実施の形態に係るランプの点灯制御の内容を示すフローチャートである。
ランプ電圧Vlaの値が、第1番目の電圧値V1未満である場合(図中の「No」である。)、制御部105は、図4の区間1の定電流制御を行う(ステップS3)。一方、ランプ電圧Vlaの値が第1番目の電圧値V1以上である場合(図中「Yes」である。)、ステップS4に進んで、ステップS1で検出したランプ電圧Vlaの値が第2番目の電圧値V2以上であるか否かを判定する。なお、ステップS3で、制御部105は定電流制御すべく、DC/DCコンバータ102や、DC/ACインバータ103に所定の電流・電圧を出力するよう指示する。
4.比較試験
次に、本発明に係る点灯方法、つまり、目標電力の値を切換える方法(以下、「電力を切換える方法」ともいう。)でランプを点灯維持させた場合と、目標電力の値を切換えないで固定した方法(以下、「電力を固定した方法」ともいう。)でランプを点灯維持させた場合とについて点灯試験を行うことで両者の比較を行った。
(1)ランプの仕様
本試験に用いたランプ31は、例えば、液晶プロジェクタに用いられるものとして説明する。このランプ31は、定格ランプ電力が120Wタイプのもので、点光源に近付けるため、両者の間隔(電極間距離)は、0.5(mm)〜2.0(mm)の範囲に設定された、所謂「ショートアーク」タイプのランプである。
また、ハロゲン化物には、例えば、臭素、沃素などが用いられ、1×10−7(μmol/mm3 )〜1×10−2(μmol/mm3)の範囲で封入されている。
(2)点灯方法
2−1)目標電力を固定した方法での点灯
まず、点灯開始時におけるランプ電圧Vlaの値が第1番目の電圧値V1以下の場合は、ランプ電流値が2.5(A)となるように、図4の区間1の定電流制御により、ランプの点灯が維持される。ここでの第1番目の電圧値V1は48(V)である。
2−2)目標電力を切換える方法での点灯
まず、図4に示す制御特性図となるような点灯方法では、第1番目の電圧値V1が48(V)で、第1番目の電力値W1が120(W)である。また、本方法の特徴部分である第2番目の電圧値V2が86(V)であり、第2番目の電力値W2が110(W)である。
(3)比較結果
図7は、比較試験の試験結果を示す図である。なお、図中の実線(同じく図中の「電力切換」である。)が目標電力を切換えた方法での結果を示し、図中の破線(同じく図中の「電力固定」である。)が目標電力を固定した方法での結果を示す。
図7から、目標電力を120(W)で固定した点灯方法では、平均照度維持率が50(%)に達するのは、累計点灯時間が約6000時間である。一方、目標電力を切換える方法では、累計点灯時間が約10000時間である。
一方、本発明に係る目標電力を切換える点灯方法では、ランプの累計点灯時間が長くなっても、ハロゲンサイクルの状態が適正な状態から外れる時、又は外れた直後、具体的には、放電空間の温度がハロゲンサイクルの適正な温度範囲から外れる時、又は外れた直後に、目標電力を下げた定電力制御に切換えるため、ハロゲンサイクルの状態が適正な状態を維持し、これにより、電極から蒸発したタングステンが、ハロゲンサイクルによって、放電容器の管壁に付着することが少なく、再び電極に堆積するため、失透や黒化による照度の低下を抑制し、結果的に長寿命となったと考えられる。
次に、目標電力の値の切換えるタイミングについて説明する。
まず、放電空間内にハロゲン化物を封入し、ハロゲンサイクルを有効に作用させることにより、ランプの長寿命化を図ることができるのは知られている。
一方、ハロゲンサイクルの状態は、電極間距離や放電空間の温度によって適正な状態か否かが判断できる。従って、ハロゲンサイクルが適正な状態でランプを点灯させるには、例えば、放電空間の温度を検出して、その温度がハロゲンサイクルの適正な温度範囲から外れようとすると、定電力制御中の目標電力の値を変化させて、引き続き定電力制御すれば良い。
そこで、発明者等は、放電空間の温度(放電容器の温度)でなく、ランプに関連する特性を用いて、放電空間の温度がハロゲンサイクルの適正な温度範囲から外れるタイミングを把握できる方法について調査・検討を進めた。
図8は、実施の形態における累計点灯時間とランプ温度及び累計点灯時間とランプ電圧Vlaの関係を示す図である。
これに対し、累計点灯時間が2000時間を越えると、ランプ温度がハロゲンサイクルの適正な温度範囲を越えるため、ハロゲンサイクルが有効に作用せず、電極から蒸発したタングステンが再び電極に戻る量が少なくなり、逆に、電極から蒸発して放電容器の管壁に付着するタングステンの量が増えるため、電極の消耗が激しくなり、これにより、ランプ電圧Vlaの増加分が、累計点灯時間が2000時間までの増加分よりも大きくなったと考えられる。
なお、定格ランプ電力が120Wタイプのランプにおいては、傾きが変化するランプ電圧の値は約86(V)であり、ここで目標電力を切換える点灯方法では、図7で示したように、目標電力を固定した点灯方法により点灯させたランプの寿命に対して、約1.6倍の寿命が得られる。
図9は、定格ランプ電力が120Wタイプのランプにおける累計点灯時間とランプ電圧Vlaとの関係を示す図である。
図9では、同仕様のランプを5本用いて、そのばらつきの上限・下限を破線で示している。
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明の内容が、上記実施の形態に示された具体例に限定されないことは勿論であり、例えば、以下のような変形例をさらに実施することができる。
1.ランプについて
上記実施の形態では、定格ランプ電力が120(W)のランプについて本発明に係る点灯方法(点灯装置)を適用した場合について説明したが、本発明に係る点灯方法(点灯装置)を他の定格ランプ電力のランプに適用させても良い。以下、本発明を定格ランプ電力が200(W)のランプに適用した場合を、変形例1として説明する。
同図に示すように、先ず、累計点灯時間とランプ電圧Vlaとの関係から、ランプ電圧Vlaは、実施の形態における図8と同様に、累計点灯時間の経過と共に増加する傾向にある。そして、ランプ電圧Vlaの増加する傾きは、累計点灯時間が約490時間のときに変化している。また、この累計点灯時間が490時間のランプの温度は、図10からも分かるように、ハロゲンサイクルの適正な温度範囲の上限である約1000(℃)と一致する。なお、累計点灯時間が約490時間のときのランプ電圧Vlaは、約96(V)である。
この結果を利用して、定格ランプ電力が200(W)のランプを本発明に係る点灯方法で点灯させた場合について説明する。
図11から、目標電力を200(W)で固定した点灯方法では、平均照度維持率が50(%)に達するのは、累計点灯時間が約3000時間である。一方、ランプ電圧が約96(V)に達したときに、これまでの目標電力である200(W)から、180(W)に下げ、引き続き定電力制御を行う方法では、平均照度維持率が50(%)に達するのは、累計点灯時間が約5000時間である。
2.目標電力の切換えについて
実施の形態では、定電力制御における目標電力の切換えを1回(本発明に係る「n」が2の場合)行っている。つまり、図4において、区間2から区間3へと1回切換えているが、本発明に係る点灯方法及び装置は、切換え回数を1回に限定するものではなく、複数回行っても良く、以下、目標電力の切換えを3回行う場合(本発明に係る「n」が4の場合)を変形例2として説明する。
(1)変形例2における制御特性
図12は、変形例2における高圧水銀ランプの制御特性を示す図であり、実施の形態と同様に、高圧パルスをランプに印加して絶縁破壊させた後に供給されるランプ電圧Vlaとランプ電力Wlaとの相関図である。なお、上記制御特性は、後述の制御部により実行される。
1−1)区間2から区間3への切換え
区間2の定電力制御における目標電力の値は、第1番目の電力値W1である。ランプ電圧Vlaがランプの点灯維持中に増加して第2番目の電圧値V2に達すると、目標電力が、これまでの第1番目の電力値W1から第2の番目の電力値W2に下げられ、その後、ランプ電圧Vlaが第3番目の電圧値V3になるまで、目標電力が第2番目の電力値W2で定電力制御される。
区間3の定電力制御における目標電力の値は、第2番目の電力値W2である。ランプ電圧Vlaがランプの点灯維持中に増加して第3番目の電圧値V3に達すると、目標電力が、これまでの第2番目の電力値W2から第3番目の電力値W3に下げられ、その後、ランプ電圧Vlaが第4番目の電圧値V4になるまで、目標電力が第3番目の電力値W3で定電力制御される。
区間4の定電力制御における目標電力の値は、第3番目の電力値W3である。ランプ電圧Vlaがランプの点灯維持中に増加して第4番目の電圧値V4に達すると、目標電力が、これまでの第3番目の電力値W3から第4番目の電力値W4に下げられ、その後、目標電力が第4番目の電力値W4で定電力制御される。
本変形例2においても、目標電力の切換えは、ランプ電圧Vlaを基準にしており、ランプ電圧Vlaが予め設定されている電圧値(第n番目の電圧値)になると目標電力の値を、予め設定しておいた電力値(第n番目の電力値)に下げる(切換える)。
この切換電圧は、上述の実施の形態と同様に、ハロゲンサイクルの状態変化に起因して予め設定されている電圧値である。なお、図12では、目標電力である電力値は、3回切換えられており、目標値である電力値は4つあり、4種類の定電力制御が行われる(本発明に係る「n」が「4」の場合である。)。
図13は、変形例2のランプの点灯制御の内容を示すフローチャートである。
変形例2に係る点灯装置は、実施の形態と略同じ構成を有し、制御部での処理内容が異なる。また、変形例2に係る点灯装置は、図12における区間1までは、実施の形態と同様の制御を行うことから、実施の形態と同様のステップ番号を用いる。
ランプ電圧Vlaの値が、第1番目の電圧値V1未満である場合(図中の「No」である。)、制御部は、図12の区間1の定電流制御を行う(ステップS3)。一方、ランプ電圧Vlaの値が第1番目の電圧値V1以上である場合(図中「Yes」である。)、ステップS20に進む。
ステップ20で、目標電力を切換え回数を示す変数「k」を「1」に設定し、次のステップS21で変数「k」に「1」を加算する。そして、ランプ電圧VlaをステップS22で検出する。なお、検出方法等はステップS1と同じである。
以下、「k」が「2」である場合について説明する。
ランプ電圧Vlaの値が、第2番目の電圧値V2未満である場合(図中の「No」である。)、制御部は、図12の区間2の定電力制御を行うべく、目標電力の値Wreを第1番目の電力値W1に設定し(ステップS24)、ステップS26に進んで、前記第1番目の電力値W1を目標電力とした定電力制御を行う(この制御が、区間2である。)の定電力制御に相当する。)。
3.切換えタイミングについて
実施の形態及び変形例1におけるハロゲンサイクルの適正な温度範囲は、ハロゲンサイクルが有効に作用する理想的な温度(本ランプでは950(℃)である。)に対して、±50(℃)としている(つまり、900(℃)以上1000(℃)以下としている。)。そして、実施の形態及び変形例1では、ランプ温度がハロゲンサイクルの適正な温度範囲から外れるポイント近傍で、定電力制御の目標電力の値を切換えて(下げて)いるが、外れるポイントよりも遅い段階(累計点灯時間が長くなる段階)で切換えるようにしても良い。
4.切換え時の電力について
実施の形態及び変形例では、定電力制御における目標電力を第k番目の電力値(例えば、電力値W1である。)から第k+1の電力値(例えば、電力値W2である。)に切換える際に、ランプ電圧をそのまま一定にしたままで行っているが、例えば、目標電力を切換える際に、段階的に行っても良いし、ランプ電圧の増加に併せて、目標電力である電力値を徐々に下げるようにしても良い。なお、段階的に電力値を切換える場合もその回数は特に限定されるものではない。
実施の形態では、第2番目の電力値(W2=110(W))は、第1番目の電力値W1(W1=120(W))に対して、約92%であったが、本発明に係る前記第n番目の電力値は、前記第n−1番目の電力値に対して、80(%)以上 95(%)以下の範囲内にあれば良い。
6.ハロゲンサイクルの状態変化について
上記実施の形態では、ハロゲンサイクルの状態が適正な状態から外れる、つまり、ハロゲンサイクルの状態変化に起因して予め設定されているランプ電圧は、ランプの温度が、適正な温度範囲から外れる際のランプ電圧であったが、ランプの温度以外の条件がハロゲンサイクルの適正な状態から外れる際のランプ電圧であっても良い。
この電極間の距離は、ランプ電圧と一対一の関係を有していることが知られている。このため、ハロゲンサイクルの状態変化のタイミングは、電極間の距離が変化しだすタイミングと一致すると考えられる。従って、ハロゲンサイクルの状態変化を、電極間の距離の変化するランプ電圧Vlaで判定することも可能である。
ランプを備える表示装置として、前面投射型表示装置について説明したが、例えば、背面投射型の表示装置でも実施できる。
図14は背面投射型の表示装置の全体斜視図である。
本実施の形態でのプロジェクタは、上述したように、前面投影型について説明したが、図14に示す背面投射型のプロジェクタのような、前面投射型以外のタイプでも良い。
3 ランプユニット
31 ランプ
100 点灯装置
101 DC電源部
102 DC/DCコンバータ
103 DC/ACインバータ
104 高圧パルス発生回路
105 制御部
106 電流検出部
107 電圧検出部
V1 第1番目の電圧値
V2 第2番目の電圧値
W1 第1番目の電力値
W2 第2番目の電力値
Claims (10)
- ハロゲンサイクルを利用する高圧水銀ランプの点灯を、ランプ電圧が所定の電圧値以上のときに、決められた電力値を目標電力とする定電力制御により、維持する点灯方法であって、
前記定電力制御は、前記ハロゲンサイクルの状態変化に起因するランプ電圧の増加に伴って、目標電力である電力値を下げるステップを1以上行う
ことを特徴とする高圧水銀ランプの点灯方法。 - 前記定電力制御は、ランプ電圧が第1番目の電圧値以上のときに、第1番目の電力値を目標電力として行われ、
前記ステップは、
ランプ電圧が前記状態変化に起因して予め設定されている第n番目(nは2以上の自然数)の電圧値(nが大きいほど、電圧値は大きい)に転移したときに、目標電力を第n番目(nは2以上の自然数)の電力値に下げる
ことを特徴とする請求項1に記載の高圧水銀ランプの点灯方法。 - ランプ電圧が前記状態変化に起因して予め設定されている第n番目の電圧値に転移したときとは、前記高圧水銀ランプをその長手方向を略水平にして点灯した状態において、前記高圧水銀ランプの放電容器の表面のうち、頂上となる位置の温度が、予め設定されているハロゲンサイクルの適正な温度範囲から外れるときである
ことを特徴とする請求項2に記載の高圧水銀ランプの点灯方法。 - 前記高圧水銀ランプは一対の電極を備え、
ランプ電圧が前記状態変化に起因して予め設定されている第n番目の電圧値に転移したときとは、前記一対の電極間の距離が、予め設定されている適正な距離範囲から外れるときである
ことを特徴とする請求項2に記載の高圧水銀ランプの点灯方法。 - 前記第n番目の電力値は、第n−1番目の電力値に対して、80(%)以上 95(%)以下の範囲内にある
ことを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項に記載の高圧水銀ランプの点灯方法。 - 前記目標電力を第n−1番目の電力値から第n番目の電力値に下げるときに、段階的に行われる
ことを特徴とする請求項2〜5のいずれか1項に記載の高圧水銀ランプの点灯方法。 - ハロゲンサイクルを利用する高圧水銀ランプの点灯を維持させる点灯装置において、
ランプ電圧が所定の電圧値以上のときに、決められた電力値を目標電力とする定電力制御を行って前記高圧水銀ランプの点灯を維持させる点灯部と、
前記ハロゲンサイクルの状態変化に起因するランプ電圧の増加に伴って、目標電力である電力値を下げる目標電力切換え部とを
備えることを特徴とする点灯装置。 - 前記定電力制御は、ランプ電圧が第1番目の電圧値以上のときに、第1番目の電力値を目標電力として行われ、
前記目標切換え部は、
ランプ電圧が前記状態変化に起因して予め設定されている第n番目(nは2以上の自然数)の電圧値(nが大きいほど、電圧値は大きい)に転移したときに、目標電力を第n番目(nは2以上の自然数)の電力値に下げる
ことを特徴とする請求項7に記載の点灯装置。 - ハロゲンサイクルを利用して電極消耗を抑制する高圧水銀ランプと、当該高圧水銀ランプを点灯させるための点灯装置とを備えるランプシステムであって、
前記点灯装置は、請求項7又は8に記載の点灯装置である
ことを特徴とするランプシステム。 - 光源用の高圧水銀ランプと、当該高圧水銀ランプを点灯させる点灯装置とを備える投射型表示装置であって、
前記高圧水銀ランプは、ハロゲンサイクルを利用して電極消耗を抑制するランプであり、
前記点灯装置は、請求項7又は8に記載の点灯装置である
ことを特徴とする投射型表示装置。
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