JP2007183319A - 液滴吐出装置及び液滴吐出方法 - Google Patents

液滴吐出装置及び液滴吐出方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明の課題は、ノズルから吐出する液滴重量のばらつきに起因する色むらやスジムラがなく、しかも塗布速度を低下することもない液滴吐出装置及び液滴吐出方法を提供することである。
【解決手段】インク滴を吐出する複数個のノズル開口を有するオリフィスプレートと、ノズル開口に対応したインク加圧室を形成するチャンバプレートと、インク加圧室の一部を形成する振動板と、振動板に固着された複数個の振動子とを有するインクジェットヘッドと、振動子に印加する駆動電圧を発生するインクジェットヘッド駆動部とを備え、インクジェットヘッド駆動部から複数種類の異なる波形の駆動パルスを発生し、これを振動子に印加して一つのノズル開口から液滴重量の異なる複数の液滴を吐出させるようにした。
【選択図】図3

Description

本発明はインクジェット方式による液滴吐出装置及び液滴吐出方法に関する。
一般にインクジェット方式によりパターンの描画を行う液滴吐出装置は、その装置の手軽さやパターンの形成し易さから、様々なパターンの形成用として応用開発が進められている。特に工業分野においては、従来フォトリソグラフィーで行われていた配線パターンの形成や、数多くの工程を経て製作されていた液晶のカラーフィルタやスペーサ塗布等の分野での利用の検討が進められている。
工業分野への適用例の一つである液晶パネルのカラーフィルタは、一般に現像・露光・エッチングといった数多くのフォトリソグラフィー工程をRGBの3色で繰り返して作製しているため、多数の製造設備とプロセスを必要としていた。一方、インクジェット方式でカラーフィルタを作成する場合には、RGBの3色のインクを各インクジェットヘッドに充填し、必要な場所のみに、必要な量を塗布し硬化させるだけで製作が可能となる。
また、同じ液晶パネルの製作プロセスにおいて、2枚の透明基板を狭持するスペーサの形成用としても開発が進められている。液晶パネルの表示素子は、2枚のガラス基板の間隙を一定に保つために、従来はガラス基板上にスプレーによりスペーサ材を全面塗布していた。
しかしながらこの方法では、光を透過させるカラーフィルタ上にもスペーサが塗布されるため、光の透過が妨げられ、パネルの性能を低下させるという欠点がある。このスペーサの塗布をインクジェット方式で実施する場合、カラーフィルタ上の光を透過しないブラックマトリックス上の定点に、必要な量のみスペーサを配置することが可能となるため、コントラストの向上や材料利用率の向上などの性能及び製造コストの両面において利点がある。
このようにインクジェット方式を用いてスペーサ塗布を行う方法として、特許文献1(特開平11−24083)は、カラーフィルタのブラックマトリックス上に、スペーサを配置することによってコントラスト比の低下の少ない液晶パネルが形成する方式を提案している。
しかしながらインクジェット方式により液晶パネルのスペーサを形成する場合、1つのノズルで同一セルラインに液滴を塗布するため、ノズル間、つまりセルライン間で吐出液滴量に差が発生することがある。スペーサ塗布の場合、スペーサの個数は吐出液滴量に比例しているため、セルラインによってビーズの個数が異なることにより、2枚の透明基板を張り合わせた際にギャップに差が生じ、ライン上の色むらやスジムラが発生する場合がある。
一方、印刷を目的としたインクジェットプリンタの場合に、ノズル間の液滴吐出量に差があるとインク濃度差を生じ、スジムラが発生することがある。この対策として印刷時の隣接ノズルを散らすことにより、スジムラを解消するバンディング処理が用いられているが、この方法は、印刷品質を向上させる一方で、印刷速度を低下させるという欠点がある。
本発明は上記のような従来の問題を解決した液滴吐出装置及び液滴吐出方法を提供することを目的とする。具体的には、本発明は塗布速度を低下せずに、ノズルから吐出する液滴重量のばらつきに起因する色むらやスジムラの発生を防止し得る液滴吐出装置及び液滴吐出方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために本発明は、インク滴を吐出する複数個のノズル開口を有するオリフィスプレートと、前記ノズル開口に対応したインク加圧室を形成するチャンバプレートと、前記インク加圧室の一部を形成する振動板と、前記振動板に固着された複数個の振動子とを有するインクジェットヘッドと、前記インクジェットヘッドの前記振動子に印加する駆動電圧を発生するインクジェットヘッド駆動部とを備えた液滴吐出装置において、前記インクジェットヘッド駆動部は、複数種類の異なる波形の駆動パルスを発生する駆動パルス発生回路を備え、前記振動子に複数種類の駆動パルスを印加して一つのノズル開口から液滴重量の異なる複数の液滴を吐出させるようにしたことに一つの特徴を有する。
本発明の他の特徴は、パルスの立下り部と、立上がり部との間の時間長が異なる複数の種類の駆動パルスを発生し得るように前記駆動パルス発生回路を構成したことにある。
本発明の他の特徴は、前記振動子に印加される3種類以上の波形の駆動パルスを発生するように前記駆動パルス発生回路を構成し、各駆動パルスに応じて異なる重量の液滴を吐出させるようにしたことにある。
本発明の他の特徴は、同一ラインにおける隣接するノズル開口から、重量の異なる液滴を吐出させると共に、異なる液滴の重量の比率を1.3以下に選定したことにある。
本発明の他の特徴は、前記ノズル開口から液滴重量は異なり、吐出速度は同じ液滴を吐出するようにしたことにある。
本発明の他の特徴は、インク滴を吐出する複数個のノズル開口を有するオリフィスプレートと、前記ノズル開口に対応したインク加圧室を形成するチャンバプレートと、前記インク加圧室の一部を形成する振動板と、前記振動板に固着された複数個の振動子とを有するインクジェットヘッドと、前記インクジェットヘッドの前記振動子に印加する駆動電圧を発生するインクジェットヘッド駆動部とを備えた液滴吐出装置を用いて液滴を吐出する方法において、前記インクジェットヘッド駆動部から異なる複数の波形の駆動パルスを前記振動子に印加し、複数の異なる重量の液滴を対象物に吐出するステップを有することにある。
本発明の他の特徴は、インク滴を吐出する複数個のノズル開口を有するオリフィスプレートと、前記ノズル開口に対応したインク加圧室を形成するチャンバプレートと、前記インク加圧室の一部を形成する振動板と、前記振動板に固着された複数個の振動子とを有するインクジェットヘッドと、前記インクジェットヘッドの前記振動子に印加する駆動電圧を発生するインクジェットヘッド駆動部とを備えた液滴吐出装置を用いて液滴を吐出する方法において、前記インクジェットヘッド駆動部から第1の波形の駆動パルスを前記振動子に印加して第1の重量の液滴を対象物に吐出するステップと、前記インクジェット駆動部から第1の波形とは異なる第2の波形をした駆動パルスを前記振動子に印加して第2の重量の液滴を対象物に吐出するステップと、前記インクジェットヘッド駆動部から第3の波形の駆動パルスを前記振動子に印加して第3の重量の液滴を対象物に吐出するステップを有することにある。
本発明の他の特徴は、前記対象物は液晶パネルのガラス基板であり、吐出した液滴によりスペーサを形成することにある。
本発明の他の特徴は、以下の説明により更に明瞭に理解される。
本発明によれば次の効果が得られる。
(1)インクジェットヘッドのノズル間の吐出液滴重量のばらつきに起因する塗布むらを塗布速度を低下させることなく防止することが可能である。
(2)インクジェット方式を用いてスペーサやカラーフィルタ等の液晶製造プロセスを実現することが可能となり、高品質の液晶パネルを低コストで製造することが可能になる。
以下本発明に係る液滴吐出装置の構成を説明し、次に、その装置におけるインクジェットヘッドの構成、インクジェットヘッド駆動部の構成、液滴吐出方法の順に説明する。
(1)液滴吐出装置の装置構成
図1は本発明に係る液滴吐出装置の装置構成を示す概略斜視図である。同図において、1はビーズスペーサを塗布するガラス基板で、基板ホルダ2に保持されている。ガラス基板1の上部にスペーサを塗布するための記録ヘッド部3が取付けられている。記録ヘッド部3には複数のノズルを有するインクジェットヘッド及びインクジェットヘッドを駆動するための駆動装置が格納されている。
記録ヘッド部3は、X及びZ方向に稼動可能なXガイド4及びZガイド5に取付けられており、更に基板ホルダ2はY方向に駆動できるように構成されている。このため、インクジェットヘッド駆動装置からの信号により、任意の距離からガラス基板1上の任意の位置にスペーサ溶液を塗布することができる。なお、スペーサ溶液は、溶液供給パイプ6を通して、図示されていないスペーサ溶液タンクより連続的に供給される。また、ガラス基板1の交換時や、装置休止時には、記録ヘッド部3は溶液の乾燥防止のためにヘッド保全部7に移動し、表面のクリーニング及びキャップ、場合によっては古い溶液を廃棄するためのダミー吐出等の操作が行われる。
(2)インクジェットヘッド
図2は、本発明に係るインクジェットヘッドのノズル部の構成の一実施例を示す断面図である。101はノズル開口部となるオリフィスで、オリフィルプレート113に列状に形成されている。102はインク加圧室で、各オリフィス101に対応した位置に、加圧室プレート112により形成されている。107はリストリクタで共通インク供給管108とインク加圧室102とを連結し、加圧室102へのインク流入を制御する。このリストリクタ107はリストリクタプレート111により形成される。なお、リストリクタプレート111と加圧室プレート112はチャンバープレートと称される。
共通インク供給路108は、フィルタプレート116に形成されたフィルタを介して、ハウジング115内のインク供給路に連通している。圧電素子(振動子)104はその一方の端部が圧電素子固定板106に固定され、他方の端部はシリコン接着剤等の弾性を有する接着剤110により振動板103に連結されている。振動板103は、これを補強する支持板114に形成されている。また圧電素子(振動子)104には信号入力端子105a及び106bが取り付けられる。
振動板103、リストリクタプレート111、加圧室プレート112、支持板114は、例えばステンレス材から作られ、オリフィスプレート113はニッケル材或いはステンレス材から作られている。また、圧電素子固定板106は、セラミックス、ポリイミドなどの絶縁物から作られている。
インクは、上流から下流へ向かって、共通インク供給管108の途中で,フィルタ109を通過して、リストリクタ107、加圧室102、オリフィス101の順に流れる。圧電素子104は信号入力端子105aと105bの間に電位差が印加されたときに伸縮し、信号入力端子105aと105b間に電位差が無くなれば伸縮前の形に戻る。この圧電素子104の変形によって、加圧室102内のインクに圧力が加わり、オリフィス101からインクが吐出する。
(3)インクジェットヘッド駆動部
インクジェットヘッド駆動部は、図3に示すように駆動パルス発生回路300とスイッチング回路400よりなる。駆動パルス発生回路300は、圧電素子104を駆動するパルスを発生する駆動パルス発生回路301と、スイッチ回路400のスイッチ群401を制御するパルスを発生するスイッチ制御パルス発生回路302を備える。タイミング信号発生回路303は駆動パルス及びスイッチ制御パルスの生成に必要なタイミング信号を供給する。
上記駆動パルス発生回路301は、例えば図4−1,4−2,4−3に示すような異なる波形の複数種類のパルス信号を発生するように構成されている。図4−1は圧電素子駆動パルス発生回路301により発生される第1のパルスの出力波形aを示す。このパルス波形の区間A,B1において、インク加圧室102(図2)内へのインクの吸い込みが行なわれ、区間Cにおいて、インク加圧室102が加圧されてインク滴を吐出する。
A及びCの傾斜角度は、圧電素子104の固有振動数の整数倍にすることにより、余計な振動を発生させることなく、安定した液滴の吐出が可能となる。またBの長さを変えることにより、液滴の重量や速度を変化させることが可能である。
図4−2は駆動パルス発生回路301により発生される第2のパルス波形bを示し、区間BがB2>B1の関係にある。更に、図4−3は駆動パルス発生回路301により発生される第3のパルス波形cを示し、区間BがB3>B2の関係にある。
圧電素子駆動パルス発生回路301は、図示しない上位装置(例えば、パーソナルコンピュータ)からの入力データと、タイミング信号発生回路303からのタイミング信号をもとに、図4−1,4−2,4−3に示した駆動パルスa,b,cを発生する。
またスイッチ制御パルス発生回路302は上位装置からの入力データとタイミング発生回路303からのタイミング信号をもとにスイッチ群401を制御するパルス信号を発生する。スイッチ群401のスイッチング素子を選択的にオンにすると、このスイッチング素子に接続された圧電素子104の個別電極は、選択的に接地される。一方、圧電素子104の共通電極には圧電素子駆動パルス波形発生回路301からパルス信号が印加されるので、選択された圧電素子104にはそのパルス信号が印加されることになる。従って選択された圧電素子104に対応するノズルより記録媒体に向けてインク滴を吐出する。
(4)液滴吐出方法
次に本発明に係る液滴吐出装置を用いて液滴を吐出布する液滴吐出方法を、一例としてガラス基板にスペーサを塗布する場合を例にとって説明する。
液晶パネルは、図5に示すようにRGBの3色のカラーフィルタセル204を形成されたカラーフィルタ基板202と、各セルに電気信号を送るTFT基板の2枚のガラス基板を有し、スペーサ203は2枚のガラス基板の間隙を一定に保持する役目を有する。2枚のガラス基板間には液晶が注入されており、ギャップにムラが発生すると液晶パネルの明るさにムラが発生し、品質の低下の原因となるのでギャップは一様に一定でなければならない。本実施例では次の手順に従ってカラーフィルタ基板202の定点に周期的にスペーサを塗布する。
(4.1)溶液の生成
最初に、スペーサとなる溶液を作る。スペーサは一般的には3〜4μmの樹脂の球形粒子であり、粒子径は液晶パネルの方式やサイズによって決定される。また、スペーサはインクジェットで吐出するために、溶剤に分散されており、安定吐出が可能なように粘度が10mPa・s程度に調整されている。本実施例では、水とエチレングリコールを混合し上記の粘度に調整し、3.5μmのスペーサを1.2%分散させた溶液を用いた。
(4.2)インクジェットヘッド配置の設定
本実施例ではカラーフィルタ基板202に形成するスペーサ203の間隔をセル204のピッチと等しくした。図5に示すように、スペーサ203は隣接するセル領域204の間に周期的に形成される。このセル領域204の間隔、つまりセルピッチはフィルタの仕様により例えば170μmに設定される。
一方、図3に示すようにインクジェットヘッド201には多数のオリフィス101が列状に形成されている。ここでは、説明の便宜上、丸印の中の数字でノズル番号を表している。各ノズル間の間隔、つまりノズルピッチはインクジェットヘッド201の設計により決定され、例えば338μmに設計される。
このようにセルピッチとノズルピッチとは通常等しくないので、これを整合させるために図5に示すようにインクジェットヘッド201をカラーフィルタ基板202に対して傾斜して配置する。
本実施例では塗布セルピッチ170μmに対し、ノズルピッチ338μmのインクジェットヘッド201を使用しているため、カラーフィルタ基板202の送り方向に対し、インクジェットヘッド201を30.1°傾斜して配置した。
(4.3)波形a,b,cによる液滴吐出
本実施例では図4−1、4−2、4−3に示すように、3種類の波形a,b,cの電圧を各ノズルに対応する圧電素子104に印加して、同じノズルから順次3種類の重量の液滴が吐出されるように制御する。
すなわち最初に圧電素子駆動パルス発生回路304で波形a(図4−1)のパルスを発生してこれを圧電素子104に印加して、波形aに相当する重量の液滴を吐出する。次に、同じノズルに対応する圧電素子104に波形b(図4−2)のパルスを印加して波形bに相当する重量の液滴を形成する。更に同じノズルに対応する圧電素子104に波形c(図4−3)のパルスを印加しこの波形cに相当する重量の液滴を吐出する。
このように一つのノズルから液滴重量の異なる複数の液滴を連続して吐出してスペーサを形成することによりノズル間の液滴重量の差を見かけ上分散することが可能となり、従来に比べて一様なスペーサを形成することが可能となる。
図6は本発明方法により形成されたスペーサ203の一例を示す。インクジェットヘッドはセルに対して角度を持って傾斜に配置されているため、セルへの吐出タイミングは各ノズルによって異なる。従って、各ノズルの吐出タイミングが来た時点で、例えばノズル番号1,4,7・・・にはパルスaを印加し、ノズル番号2,5,8・・・にはパルスbを印加し、更にノズル番号3,6,9・・・にはパルスcを印加してそれぞれのパルスに対応した液滴重量のスペーサを形成する。各ノズルには順次a,b,cのパルスが印加されるように設定することによって同一セルライン及び隣接セルにおいて、液滴重量が異なるドットを形成できる。
このようにしてカラーフィルタ基板202上にスペーサ203を塗布し、液晶パネルを組み立てて点灯試験を実施したところ、従来のインクジェット法で塗布を行った際に見られた塗布方向に平行なスジムラは見られなかった。
すなわち、従来の塗布方法では、同一セルラインを一つのノズルで、同じ波形のパルスで塗布するために、ノズル間の液滴重量バラツキが、スペーサの個数にそのまま反映され、セルによってギャップの高低が顕著に表れ、図6に示すような一定方向のスジムラ206が液晶パネル205に発生するが、本発明によれば、同一セルラインを一つのノズルで複数の液滴重量で塗布し、隣接ノズルの塗布にも故意に液滴重量を変えているため、同一セルの前後及び隣接セルのギャップにランダムな高低差が生じて、一定方向のスジムラの発生がなくなることが確認できた。
なお、本発明者の実験によると、前述の波形a,b,cにより一つのノズルから異なる重量の液滴を吐出させてノズル間の液滴重量の差を分散させる場合、波形a,b,cにより形成される液滴重量の比率が大き過ぎると効果が少ないことが見出された。実験では重量の比率が1.3以下の範囲で特に効果が大きいことが判明した。
(5)変形例
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明の基本的な考え方を逸脱しない範囲で種々の変形をすることは容易であり、それらの変形も本発明の範囲に入る。
例えば、本実施例では駆動パルス波形の区間Bの時間を変えることにより液滴重量を変化させたが、駆動電圧の大きさVeを変えたり、駆動パルスの形状を変化させることにより重なる重量の液滴を吐出することも可能である。
また駆動電圧の大きさや波形を変えて吐出する液滴の重量を変化させながら液滴の吐出速度を一定にすることもできる。この場合は液滴の着地位置のバラツキ精度を変えずにノズル間の液滴重量の差を分散することが可能となる。
また上記実施例では一つのノズルから3種類の異なる重量の液滴を吐出できるようにしたが、2個又は4個以上の異なる重量の液滴を吐出させるようにしてもよい。
更に、本発明を液晶パネルの製造プロセスに適用する場合、カラーフィルタ基板のセルサイズやピッチ及びインクジェットヘッドのノズル数や角度は任意に設定することができる。また上記実施例はカラーフィルタ基板にスペーサを形成する場合を例にとって説明したが、カラーフィルタの形成等にも適用することが可能である。
また上記本実施例ではスペーサの塗布について述べたが、同様の塗布方法を行うカラーフィルタの製造方法においても利用可能である。
本発明に係る液滴吐出装置の概略構成図である。 本発明液滴吐出装置におけるインクジェットヘッドの一実施例を示す構成図である。 本発明液滴吐出装置におけるインクジェットヘッド駆動部の一実施例を示す構成図である。 インクジェットヘッド駆動部により発生する駆動電圧の波形図である。 インクジェットヘッド駆動部により発生する駆動電圧の波形図である。 インクジェットヘッド駆動部により発生する駆動電圧の波形図である。 本発明装置を用いてスペーサを形成する方法を説明する説明図である。 本発明装置を用いてスペーサを形成する方法を説明する説明図である。 従来のインクジェット塗布方法で製作された液晶パネルのスジムラの説明図である。
符号の説明
1:ガラス基板、 2:基板ホルダ、 3:記録ヘッド部、
4:Xガイド、 5:Zガイド、 6:溶液供給パイプ、
7:ヘッド保全部、 101:オリフィス、 102:加圧室、
103:振動板、 104:圧電素子、 105a,105b:信号入力端子、
106:圧電素子固定基板、 107:リストラクタ、
108:共通インク供給路、 109:フィルタ、 110:接着剤、
111:リストラクタプレート、 112:加圧室プレート、
113:オリフィスプレート、 114:支持板、
115:共通インク供給部材、 116:フィルタプレート、
201:インクジェットヘッド、 202:カラーフィルタ基板、
203:スペーサ、 204:セル、 205:液晶パネル、
206:スジムラ、 300:駆動パルス発生回路、
301:圧電素子駆動パルス発生回路、 302:スイッチ制御パルス発生回路、
303:タイミング信号発生回路、 400:スイッチング回路、
401:スイッチ群

Claims (11)

  1. インク滴を吐出する複数個のノズル開口を有するオリフィスプレートと、前記ノズル開口に対応したインク加圧室を形成するチャンバプレートと、前記インク加圧室の一部を形成する振動板と、前記振動板に固着された複数個の振動子とを有するインクジェットヘッドと、
    前記インクジェットヘッドの前記振動子に印加する駆動電圧を発生するインクジェットヘッド駆動部とを備えた液滴吐出装置において、
    前記インクジェットヘッド駆動部は、複数種類の異なる波形の駆動パルスを発生する駆動パルス発生回路を備え、前記振動子に複数種類の駆動パルスを印加して一つのノズル開口から液滴重量の異なる複数の液滴を吐出させることを特徴とする液滴吐出装置。
  2. 請求項1において、前記駆動パルス発生回路は、パルスの立下り部と、立上がり部との間の時間長が異なる複数の種類の駆動パルスを発生することを特徴とする液滴吐出装置。
  3. 請求項1において、前記駆動パルス発生回路は、前記振動子に印加される駆動パルスの波形が3種類以上のパルスを発生し、各駆動パルスに応じて異なる重量の液滴を吐出させるようにしたことを特徴とする液滴吐出装置。
  4. 請求項3において、同一列の隣接するノズル開口から吐出する液滴の重量が互いに異なるようにしたことを特徴とする液滴吐出装置。
  5. 請求項3又は4において、前記駆動パルス発生回路は、異なる液滴の重量の比率が1.3以下の液滴を吐出するような駆動パルス波形を発生することを特徴とする液滴吐出装置。
  6. 請求項3又は4において、前記駆動パルス発生回路は、前記ノズル開口から吐出する液滴の重量は異なり、吐出速度は同じ液滴を吐出するパルス波形を発生することを特徴とする液滴吐出装置。
  7. インク滴を吐出する複数個のノズル開口を有するオリフィスプレートと、前記ノズル開口に対応したインク加圧室を形成するチャンバプレートと、前記インク加圧室の一部を形成する振動板と、前記振動板に固着された複数個の振動子とを有するインクジェットヘッドと、
    前記インクジェットヘッドの前記振動子に印加する駆動電圧を発生するインクジェットヘッド駆動部とを備えた液滴吐出装置を用いて液滴を吐出する方法において、
    前記インクジェットヘッド駆動部から、異なる複数の波形の駆動パルスを前記振動子に印加し、複数の異なる重量の液滴を対象物に吐出するステップを有することを特徴とする液滴吐出方法。
  8. インク滴を吐出する複数個のノズル開口を有するオリフィスプレートと、前記ノズル開口に対応したインク加圧室を形成するチャンバプレートと、前記インク加圧室の一部を形成する振動板と、前記振動板に固着された複数個の振動子とを有するインクジェットヘッドと、
    前記インクジェットヘッドの前記振動子に印加する駆動電圧を発生するインクジェットヘッド駆動部とを備えた液滴吐出装置を用いて液滴を吐出する方法において、
    前記インクジェットヘッド駆動部から第1の波形の駆動パルスを前記振動子に印加して第1の重量の液滴を対象物に吐出するステップと、前記インクジェット駆動部から第1の波形とは異なる第2の波形をした駆動パルスを前記振動子に印加して第2の重量の液滴を対象物に吐出するステップと、前記インクジェットヘッド駆動部から第3の波形の駆動パルスを前記振動子に印加して第3の重量の液滴を対象物に吐出するステップを有する液滴吐出方法。
  9. 請求項8において、第1、第2、第3の液滴の重量の比は1.3以下であることを特徴とする液滴吐出方法。
  10. 請求項7又は8において、前記対象物は液晶パネルのガラス基板であり、吐出した液滴によりスペーサを形成することを特徴とする液滴吐出方法。
  11. 請求項7又は8において、同一列の隣接するノズル開口から吐出する液滴の重量が互いに異なるようにしたことを特徴とする液滴吐出方法。
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