JP2009051153A - 液体噴射ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 ヘッド形状の自由度を損なうことなく、吐出する液体の粘度を効率的に調節することで、信頼性を高めた液体噴射ヘッドを提供する。
【解決手段】ノズル開口２６から液滴を吐出させる記録ヘッドであって、複数のノズル開口２６を開口したノズルプレート２５およびノズル開口２６に連通する圧力発生室３５を形成した流路形成基板２４からなる流路ユニット１７と、圧力発生室３５に圧力変動を与える圧電振動子２９と、先端２８に流路ユニット１７を接合して保持するヘッドケース１６とから構成され、ヘッドケース１６に金具３８を圧力発生室３５と臨ませた状態で固定し、金具３８に、金具３８を加熱するヒータを接続した。
【選択図】 図４

Description

本発明は、インクジェット式記録ヘッドなどの液体噴射ヘッドに係り、特に、ノズルに連通する圧力発生室に圧力変動を与えて、圧力発生室内の液体をノズルから吐出させる液体噴射ヘッドに関する。

圧力発生室内の液体に圧力変動を生じさせることでノズル開口（ノズルの一種）から液滴として吐出（噴射）させる液体噴射ヘッドとしては、例えば、インクジェット式記録装置（以下、単にプリンタという）などの画像記録装置に用いられるインクジェット式記録ヘッド（以下、単に記録ヘッドという）、液晶ディスプレーなどのカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）などの電極形成に用いられる電極材噴射ヘッド、バイオチップ（生物化学素子）の製造に用いられる生体有機物噴射ヘッドなどがある。

例えば、上記の記録ヘッドでは、リザーバから圧力発生室を経てノズルに至る一連の液体流路が形成された流路ユニットや圧力発生室の容積を変動可能な圧力発生素子を有するアクチュエータユニットなどを樹脂製のヘッドケースに取り付けて構成されている。上記流路ユニットには、ノズルを開設した金属製のノズルプレート（ノズル形成部材の一種）が接合されている。

このような記録ヘッドから吐出する液体には、液体の種類に応じて、例えば、常温でおよそ４ｍＰａ・ｓなどのように、吐出に適した粘度がある。液体の粘度は、温度と相関関係にあるために、温度が低いほど粘度が高くなり、温度が高いほど粘度が低くなる特性がある。そのため、通常使用する液体の粘度に適するように設計された記録ヘッドが、低温（高温）環境に置かれた場合や、粘度の高い（低い）液体を吐出する場合などには、液体を加熱（冷却）するための温度調節部を備えたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この温度調節部は、ノズルに至るまでの一連の液体流路の一部にリング状の温度調節部を近接させて配置されており、液体流路内の液体を直接的に加熱（冷却）している。そのため、液体流路の内、温度調節部に近接していない部分は、液体流路内の液体を所望温度まで効率的に加熱（冷却）することができなかった。即ち、このような構成の記録ヘッドは、液体流路内の液体を所望温度に調整するまでに長時間を必要とし、実用に供することができなかった。そして、効率的に加熱するために、液体流路と温度調節部とを近接させて、尚且つ長尺に亘って配置する必要があった。

特開２００１−２７００９０公報

しかしながら、温度調節部を液体流路に近接させて、尚且つ長尺に亘って配置しようとすると、配置が限定されてしまうために、記録ヘッドの大型化の虞や、記録ヘッドの形状の自由度を損なう虞があった。また、液体流路と温度調節部との距離が離れてしまうと、液体流路内の液体を効率的に加熱（冷却）することができなかった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ヘッド形状の自由度を損なうことなく、吐出する液体の粘度を効率的に調節することで、信頼性を高めた液体噴射ヘッドを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の液体噴射ヘッドは、複数のノズルを開口したノズル形成部材及び前記ノズルに連通する圧力発生室を形成した流路形成基板からなる流路ユニットと、
圧力発生室に圧力変動を与える圧力発生素子と、
先端に前記流路ユニットを接合して保持するヘッドケースとから構成され、ノズルから液滴を吐出させる液体噴射ヘッドであって、
前記ヘッドケース内に金具を固定すると共に、
前記金具に、該金具を加熱するヒータを接続したことを特徴とする。

上記構成によれば、ヘッドケース内に金具を固定すると共に、金具に該金具を加熱するヒータを接続するので、ヒータによって金具を加熱すると、熱伝導に優れた金具がヒータの熱を効率良く伝達することができ、ヘッドケース内を効率的に加熱することができ、これにより、吐出する液体を温めて、液体の粘度を低下させることができる。このため、液体の粘度が吐出に適していない場合でも、液体の粘度を効率的に調節でき、液体噴射ヘッドの信頼性を高めることができる。また、金具とヒータとが接続していればよいので、ヒータを加熱対象部位から離れた位置に配置することもでき、従来に比べてヘッドケースの形状の自由度を高めることができる。

上記構成において、前記金具を前記圧力発生室に臨ませた状態で固定することが望ましい。

上記構成によれば、金具を前記圧力発生室に臨ませた状態で固定するので、ヒータの配置に依存せずに金具を圧力発生室に近接させて、圧力発生室内の液体を効率良く加熱することができる。このため、ヘッドケース内の液体を吐出に適した粘度に容易に調節できる。

上記構成において、前記流路ユニットは、前記圧力発生室を覆う弾性板を備え、前記金具を該弾性板と当接するように配設することが望ましい。

上記構成によれば、流路ユニットは、圧力発生室を覆う弾性板を備え、金具を該弾性板と当接するように配設するので、ヒータの熱を金具に伝導させ、さらに金具の熱を弾性板に伝導させることで、弾性板を介して圧力発生室内の液体を間接的に加熱することができる。また、ヒータを接続した金具を弾性板に当接させれば、金具を必ずしも圧力発生室に近接させる必要がなくなるので、金具の配置位置の自由度が高まる。

上記構成において、前記金具を前記ヘッドケースにインサート成型することが望ましい。

上記構成によれば、金具をヘッドケースにインサート成型することで、金具によってヘッドケースの剛性を高めることができる。その結果、クロストークを抑制することができる。また、吸湿などによる膨潤も抑制することができる。さらに、金具がヘッドケースに広範囲に亘って密着するので、金具からヘッドケースへの熱伝達が良好となり、これにより、ヘッドケース自体を容易にヒータの温度に近づけることができ、ヘッドケース内の液体の温度を効率的に調節できる。

上記構成において、前記金具及び前記ヘッドケースの線膨張率を揃えることが望ましい。

上記構成によれば、金具とヘッドケースとの線膨張率を揃えたので、加熱・冷却により金具が伸縮しても、ヘッドケースも同様に伸縮するので、両者間の剥離を防止できる。

上記構成において、前記金具を前記ヘッドケースの先端側から基端側に亘って延在した状態で固定することが望ましい。

上記構成によれば、金具をヘッドケースの先端側から基端側に亘って延在した状態で固定するので、ヘッドケースの高さ方向の剛性を高めることができ、その結果、クロストークを低減させることができる。このため、液体噴射ヘッドの信頼性を高めることができる。

上記構成において、前記ヘッドケースに、前記液体を貯留する液体貯留部から前記圧力発生室まで該液体を供給するヘッド流路を備え、
前記金具が前記ヘッド流路を囲む状態で配設されていることが望ましい。

上記構成によれば、金具がヘッド流路を囲む状態で配設されているので、ヘッド流路の外周からヘッド流路内の液体を確実に加熱することができる。このため、液体の粘性をさらに効率的に調節できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、添付図面などを参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、本発明の好適な具体例として種々の限定がされているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、本実施形態では、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッド（以下、「記録ヘッド」という）を例に挙げて説明する。

図１はインクジェット式記録装置の斜視図である。まず、記録ヘッドを搭載するインクジェット式記録装置（以下、プリンタという）の概略構成について、図１を参照して説明する。例示したプリンタ１は、記録紙などの記録媒体（吐出対象物）２の表面へ液体状のインクを吐出して画像などの記録を行う装置である。このプリンタ１は、インクを吐出（噴射）する記録ヘッド３（本発明における液体噴射ヘッドの一種に相当）と、この記録ヘッド３が取り付けられるキャリッジ４と、キャリッジ４を主走査方向（図１に矢印Ｘで示す）に移動させるキャリッジ移動機構５と、記録媒体２を副走査方向（主走査方向に直交する方向。図１に矢印Ｙで示す）に移送するプラテンローラ６などを備えている。ここで、上記のインクは、本発明の液体の一種であり、インクカートリッジ７（本発明における液体貯留部の一種に相当）に貯留されている。このインクカートリッジ７は、記録ヘッド３に対して着脱可能に装着される。

上記のキャリッジ移動機構５はタイミングベルト８を備えている。そして、このタイミングベルト８はＤＣモータなどのパルスモータ９により駆動される。従って、パルスモータ９が作動すると、キャリッジ４は、プリンタ１に架設されたガイドロッド１０に案内されて、主走査方向Ｘ（記録紙２の幅方向）に往復移動する。

次に、記録ヘッド３の構成について説明する。ここで、図２はキャリッジ４に取り付けられる記録ヘッド３の斜視図であり、図３は記録ヘッド３の分解斜視図である。例示した記録ヘッド３は、カートリッジ基台１５（以下、「基台」という）と、ヘッドケース１６と、流路ユニット１７と、振動子ユニット２２などから概略構成されている。

基台１５は、例えば合成樹脂によって成型されており、図３に示すように、その上面にはフィルタ１８を介在させた状態でインク導入針１９が取り付けられる。そして、基台１５に取り付けられたインク導入針１９にはインクカートリッジ７が装着される。

さらに、基台１５は、該基台１５の中央を貫通して形成された基板取付部２０を備えている。基板取付部２０は、その内側に挿入される回路基板２１を収容する。この回路基板２１は、例えば後述する圧電振動子２９への駆動信号の供給を制御するためのドライブ回路や、プリンタ本体側との接続のためのコネクタなどを備えている。そして、この回路基板２１は、基板取付部２０内に挿入されることで、基台１５に取り付けられる。

ヘッドケース１６は、その基端２７が基台１５の下面に固定され、後述する圧電振動子２９を有する振動子ユニット２２を収容するためのケーシングである。図４に、ヘッドケース１６に振動子ユニット２２を収容した要部断面図を示す。このため、ヘッドケース１６には、振動子ユニット２２を収容可能な収容空部３２が形成されている。そして、振動子ユニット２２は、この収容空部３２内に挿入され、接着などによって固定されている。そして、ヘッドケース１６の基端２７から離れた先端２８には、流路ユニット１７が接着剤などにより固定されている。

流路ユニット１７は、弾性板２３、流路形成基板２４、及びノズルプレート２５を積層した状態で接着剤などで接合して一体化することにより作製されている。

ノズルプレート２５は、本発明におけるノズル形成部材であり、例えばステンレス製の薄板から作製され、プリンタ１のドット形成密度に対応したピッチで微細なノズル開口２６が列状に形成されている。

上記の振動子ユニット２２は、圧電振動子群３０と、この圧電振動子３０が接合される固定板３１と、圧電振動子群３０に回路基板２１からの駆動信号を供給するためのフレキシブルケーブル（ＦＣ）などから構成される。本実施形態の圧電振動子３０は、櫛歯状に列設された複数本の圧電振動子２９（本発明における圧力発生素子の一種に相当）を備える。各圧電振動子２９は、固定端部が固定板３１上に接合され、自由端部が固定板３１の先端面よりも外側に突出している。即ち、各圧電振動子２９は、所謂片持ち梁の状態で固定板３１上に取り付けられている。また、各圧電振動子２９を支持する固定板３１は、例えば厚さ１ｍｍ程度のステンレス鋼によって構成されている。なお、圧力発生手段としては、上記圧電振動子以外にも、静電アクチュエータ、磁歪素子などを用いることができる。

ヘッドケース１６の内部には、上記の振動子ユニット２２を収納可能な収納空部３２を、ヘッドケース１６の高さ方向を貫通させた状態で形成している。そして、固定板３１の背面を、収納空部３２を区画するケース内壁面に接着することで、振動子ユニット２２は収納空部３２内に収納・固定されている。

流路形成基板２４は、共通インク室３３となる空部、インク供給口３４となる溝部、及び、圧力発生室３５となる空部を隔壁で区画した状態で各ノズル開口２６に対応させて複数形成した板状の部材である。この流路形成基板２４は、例えば、シリコンウェハーをエッチング処理することによって作製される。上記の圧力発生室３５は、ノズル開口２６の列設方向（ノズル列方向）に対して直交する方向に細長い室として形成されている。また、共通インク室３３は、ヘッドケース１６の高さ方向を貫通して形成されたインク連通路３７（本発明におけるヘッド流路の一種に相当）を介してインク導入針１９のインク導入路（図示せず）と連通し、インクカートリッジ７に貯留されたインクが導入される室である。そして、この共通インク室３３に導入されたインクは、インク供給口３４を通じて各圧力発生室３５に供給される。

弾性板２３は、ステンレス鋼などの金属製の支持板上に弾性フィルムをラミネート加工した二重構造の複合板材である。即ち、弾性板２３は、ヘッドケース１６と接合する側の面が熱伝導率の高い材質により構成されている。この弾性板２３は、圧力発生室３５を覆う。この弾性板２３の圧力発生室３５に対応する部分には、圧電振動子２９の自由端部の先端を接合するための島部３６が形成されており、この部分がダイヤフラム部として機能する。また、弾性板２３は、共通インク室３３となる空部の一方の開口面を封止し、コンプライアンス部としても機能する。このコンプライアンス部として機能する部分については弾性フィルムだけにしている。

この記録ヘッド３は、圧電振動子２９を素子長手方向に伸縮させると、島部３６が圧力発生室３５に近接する方向或いは離隔する方向に移動する。これにより、圧力発生室３５の容積が変化し、圧力発生室３５内のインクに圧力変動が生じる。この圧力変動によってノズル開口２６からインク滴（液滴の一種）が吐出される。

さらに、本実施形態のヘッドケース１６内には、図５に示すように、記録ヘッド３内のインクに熱を与えるための金具３８と、金具３８を加熱するヒータ３９と、を備えている。図５は、ヘッドケース１６にインサート成型される前の金具を説明する分解斜視図である。ヒータ３９は、細い円柱状に形成され、セラミックや電熱線などの発熱体を金属ケースで封止した、所謂カートリッジヒータである。ヒータ３９は、リード線３９´に電流を流すことによって発熱する。

金具３８は、例えばステンレスなど金属製の薄板部材によって作製されている。金具３８は、正面視矩形の筒状に形成された周壁４０と、周壁４０内を隔離する隔壁４１と、を備えている。周壁４０と隔壁４１とが連結する両端には、周壁４０および隔壁４１の高さ方向に沿って開口した貫通穴４２が形成されている。貫通穴４２は、ヒータ３９の収納空部として機能する空間であり、ヒータ３９が挿入されると、ヒータ３９の外側表面の大部分が貫通穴４２の内周面に接触する。したがって、貫通孔４２に挿入されたヒータ３９が発熱すると、その熱が貫通穴４２の内周面に直接伝導されて金具３８を効率良く加熱することができる。

金具３８は、ヘッドケース１６の線膨張率と略等しくなる材料から構成されている。つまり、金具３８の線膨張率とヘッドケース１６の線膨張率とが揃っている。例えば、ヘッドケース１６は、線膨張率がおよそ１０×１０^−６の熱硬化性の樹脂で、金具３８は、線膨張率が１２〜１３×１０^−６のＳＵＳなどから構成している。なお、金具３８の材質は、ＳＵＳではなくアルミでも構わない。その場合、ヘッドケース１６の線膨張率は、金具３８の線膨張率に揃えられていれば良い。この様に、線膨張率を揃えると、金具３８が温度変化によって伸縮しても、ヘッドケース１６も同様に伸縮するので、両者の間で剥離や変形などの不都合が生じない。

本実施形態では、金具３８をヘッドケース１６内にインサート成型することで、金具３８がヘッドケース１６に固定される。そのため、金具３８の表面は、ヘッドケース１６に覆われた状態で密着する。したがって、金具３８の熱がヘッドケース１６に効率良く伝導される。

ヘッドケース１６に取り付けられた金具３８は、図４に示すように、ヘッドケース１６の先端２８から基端２７に亘って延びている。つまり、周壁４０および隔壁４１即ち金具３８の高さ方向の長さは、ヘッドケース１６の高さ方向の長さ、即ち先端２８から基端２７に亘った長さよりも若干短い程度に形成されている。

また、周壁４０および隔壁４１（即ち金具３８）は、ヘッドケース１６の先端２８側に位置する一端４３が、図４に示すように、圧力発生室３５を覆う弾性板２３に当接する状態で配設される。そのため、周壁４０および隔壁４１即ち金具３８の一端４３は、弾性板２３に対してヒータ３９からの熱を効率良く伝導する。これにより、弾性板２３を介して、ヒータ３９からの熱が、圧力発生室３５に間接的に伝導して、その結果、圧力発生室３５内のインクが加熱される。

また、周壁４０および隔壁４１（即ち金具３８）の一端４３は、図４に示すように、圧力発生室３５に近接させて（臨ませて）配設されている。そのため、金具３８の一端４３から、圧力発生室３５まで伝わる経路が短く、その結果、圧力発生室３５内のインクが効率良く加熱される。

さらに、図４に示すように、周壁４０および隔壁４１（即ち金具３８）は、前述したインク連通路３７の全長を囲む状態でヘッドケース１６に固定されている。そのため、金具３８は、ヘッドケース１６内のインク連通路３７の全周に対してヒータ３９からの熱を伝導し、その結果、インク連通路３７内のインクが加熱される。

次に、ヒータ３９に電流を流すことによる熱の伝導を説明する。まず、ヒータ３９に電流を流すことによって、ヒータ３９が発熱する。そして、ヒータ３９の熱は、該ヒータ３９の端部が接続された金具３８の貫通穴４２を通して、金具３８に伝導される。すると、金具３８は、ヒータ３９から伝導された熱によって、全体が温度上昇する。そのため、金具３８の周壁４０および隔壁４１は、インク連通路３７の全周からヒータ３９の熱を伝導させて、インク連通路３７内のインクを加熱することができる。また、金具３８の一端４３は、弾性板２３に当接することで、弾性板２３を介して、圧力発生室３５内のインクを加熱することができる。さらに、金具３８の一端４３は、圧力発生室３５に近接する（臨む）ことで、該圧力発生室３５を効率良く加熱する。このようにして加熱されたインクは、吐出に適した粘度に調整され、このため圧電振動子２９の圧力変動によってノズル開口２６から設計通りの量と速度で吐出される。

このように、本実施形態の記録ヘッド３は、ヘッドケース１６内に金具３８を固定すると共に、金具３８に該金具３８を加熱するヒータ３９を接続するので、ヒータ３９によって金具３８を加熱すると、ヘッドケース１６内を効率的に加熱することができ、これにより、吐出するインクを温めて、インクの粘度を低下させることができる。このため、インクの粘度が吐出に適していない場合でも、インクの粘度を効率的に調節でき、記録ヘッド３の信頼性を高めることができる。また、金具３８とヒータ３９とが分離しているので、ヒータ３９を自由に配置することができると共に、ヘッドケース１６の形状の自由度を高めることができる。

また、金具３８を圧力発生室３５と臨ませた状態で固定するので、ヒータ３９を接続した金具３８から放出される熱の伝達経路が短くてすみ、圧力発生室３５内のインクを効率良く加熱できる。このため、ヘッドケース１６内のインクの温度を吐出に適した温度にするなどして、インクの粘度を容易に調整できる。

また、流路ユニット１７は、圧力発生室３５を覆う弾性板２３を備え、金具３８を該弾性板２３と当接するように配設するので、ヒータ３９の熱を金具３８から弾性板２３を介して圧力発生室３５内のインクを加熱することができる。また、ヒータ３９を接続した金具３８を弾性板２３に当接させれば、金具３８を必ずしも圧力発生室３５に近接させる必要がなくなるので、金具３８の配置位置の自由度が高まる。

また、金具３８をヘッドケース１６にインサート成型することで、金具３８によってヘッドケース１６の剛性を高めることができる。その結果、クロストークを抑制することができる。また、吸湿などによる膨潤も抑制することができる。さらに、ヘッドケース１６を直接加熱するので、ヘッドケース１６自体を容易にヒータ３９の温度に近づけることができ、ヘッドケース１６内のインクの温度を効率的に調節できる。

また、金具３８とヘッドケース１６との線膨張率を揃えたので、熱による伸縮で剥離したり変形するなどの不都合を防止でき、また、吸湿などによる膨潤を抑制することができ、クロストークを低減させることができる。このため、記録ヘッド３の信頼性を高めることができる。

また、金具３８をヘッドケース１６の先端２８側から基端２７側に亘って延在した状態で固定するので、ヘッドケース１６の高さ方向の剛性を高めることができ、その結果、クロストークを低減させることができる。このため、記録ヘッド３の信頼性を高めることができる。

また、ヘッドケース１６に、金具３８がインク連通路３７を囲む状態で配設されているので、インク連通路３７の外周からインク連通路３７内のインクを確実に加熱することができる。このため、インクの粘性をさらに効率的に調節できる。

ところで、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて種々の変形が可能である。上記実施形態では、金具３８をヘッドケース１６にインサート成型した例を示したが、これには限らず、例えば、流路ユニット１７や圧電振動子２９などをヘッドケース１６を固定する際などに、後から組み付けによって金具３８をヘッドケース１６に取り付けても良い。結果的に金具３８がヘッドケース１６に固定されていれば良い。

以上は、液体噴射装置の一種であるプリンタ１を例に挙げて説明したが、本発明は他の液体噴射装置にも適用することができる。例えば、液晶ディスプレーなどのカラーフィルタを製造するディスプレー製造装置，有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレーやＦＥＤ（面発光ディスプレー）などの電極を形成する電極製造装置，バイオチップ（生物化学素子）を製造するチップ製造装置などにも適用することができる。

プリンタの構成を説明する斜視図である。 記録ヘッドの構成を説明する斜視図である。 記録ヘッドの構成を説明する分解斜視図である。 記録ヘッドの内部構造を説明する断面図である。 ヘッドケースにインサート成型される金具を説明する分解斜視図である。

符号の説明

３…記録ヘッド，７…インクカートリッジ，１６…ヘッドケース，１７…流路ユニット，２３…弾性板，２４…流路形成基板，２５…ノズルプレート，２６…ノズル開口，２７…基端，２８…先端，２９…圧電振動子，３５…圧力発生室，３７…インク連通路，３８…金具，３９…ヒータ

Claims (7)

1. 複数のノズルを開口したノズル形成部材及び前記ノズルに連通する圧力発生室を形成した流路形成基板からなる流路ユニットと、
   圧力発生室に圧力変動を与える圧力発生素子と、
   先端に前記流路ユニットを接合して保持するヘッドケースとから構成され、ノズルから液滴を吐出させる液体噴射ヘッドであって、
   前記ヘッドケース内に金具を固定すると共に、
   前記金具に、該金具を加熱するヒータを接続したことを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 前記金具を前記圧力発生室に臨ませた状態で固定したことを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
3. 前記流路ユニットは、前記圧力発生室を覆う弾性板を備え、
   前記金具を該弾性板と当接するように配設したことを特徴とする請求項１または２に記載の液体噴射ヘッド。
4. 前記金具を前記ヘッドケースにインサート成型したことを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
5. 前記金具及び前記ヘッドケースの線膨張率を揃えたことを特徴とする請求項４に記載の液体噴射ヘッド。
6. 前記金具を前記ヘッドケースの先端側から基端側に亘って延在した状態で固定したことを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
7. 前記ヘッドケースに、前記液体を貯留する液体貯留部から前記圧力発生室まで該液体を供給するヘッド流路を備え、
   前記金具が前記ヘッド流路を囲む状態で配設されていることを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。

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