JP2017019214A - 印刷装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】多関節ロボットを用いて被印刷体に画像を印刷する際の印刷品質を向上させる印刷装置を提供する。【解決手段】印刷装置10は、多関節ロボット104を用いて基材20とプリントヘッド102との相対位置を変化させながら印刷を行う。プリントヘッド102には、基材20の表面に接するとともにプリントヘッド102に対する基材20の移動に追従して回転するローラと、ローラの回転量を検知して回転量に応じたパルス信号を出力するエンコーダとを備えるローラ付きエンコーダ126が配置されている。プリントヘッドドライバは、印刷図形の形状情報や印刷位置情報とともに、ローラ付きエンコーダ126からのパルス信号を用いてプリントヘッド102による印刷動作を制御する。【選択図】図1

Description

本発明は、多関節ロボットを用いて被印刷体とプリントヘッドとの相対位置を変化させながら印刷を行う印刷装置に関する。
従来、被印刷物、特に曲面形状を有する被印刷物に対して印刷を行う際に、多関節ロボットを用いて3次元的に被印刷体とプリントヘッドとの相対位置を変化させて印刷をおこなう技術が知られている。
たとえば、下記特許文献1には、プリントヘッドを多関節ロボットにツールとして持たせ、物体の湾曲した表面上に印刷をおこなう技術が開示されている。
特表2011−514234号公報
印刷紙などの平面に印刷を行う印刷装置では、一般に被印刷体およびプリントヘッドの移動方向がそれぞれ一方向であるため、印刷の位置決めや用紙送りの状態などの把握が容易である。
一方、多関節ロボットを用いた印刷装置では、多関節ロボットの各移動軸に沿った移動量をエンコーダで検出して座標を算出しているものの、被印刷体が実際にどのような動きをしているのかは特定できていない。この場合、印刷初期位置に被印刷体またはプリントヘッドが移動したことを作業者が確認して印刷開始信号を出力し、その後は一定(設定通り)の移動速度で多関節ロボットおよびこれに保持された被印刷体が移動するものとしてプリントヘッドの印刷動作が実行される。
よって、被印刷体の実際の動き(位置および移動スピード)と多関節ロボットの移動設定に沿った計算上の動き(位置および移動スピード)に誤差が生じる場合があり、印刷精度および再現性に改善の余地がある。
特に、多関節ロボットの移動距離(送り方向)が長いパターンを印刷する場合などは誤差が大きくなる可能性がある。
本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、多関節ロボットを用いて被印刷体に画像を印刷する際の印刷品質を向上させることを目的とする。
上述した問題を解決し、目的を達成するため、請求項1の発明にかかる印刷装置は、多関節ロボットを用いて被印刷体とプリントヘッドとの相対位置を変化させながら印刷を行う印刷装置であって、前記多関節ロボットの移動方向および移動量を制御するロボット制御手段と、前記被印刷体の表面に接するとともに前記プリントヘッドに対する前記被印刷体の移動に追従して回転する回転部材と、前記回転部材の回転量を検知して当該回転量に応じたパルス信号を出力するエンコーダと、印刷図形の形状情報と、前記被印刷体における印刷位置情報を含む印刷指示情報と、前記パルス信号とに基づいて、前記プリントヘッドによる印刷動作を制御するプリント制御手段と、を備えることを特徴とする。
請求項2の発明にかかる印刷装置は、前記エンコーダは、前記回転部材と一体となったローラ付きエンコーダである、ことを特徴とする。
請求項3の発明にかかる印刷装置は、前記プリントヘッドは、前記印刷図形を形成するインクを前記被印刷体に対して吐出するインク吐出口を備え、前記プリント制御手段は、前記プリントヘッドによる前記インクの吐出タイミングおよび吐出量を制御する、ことを特徴とする。
請求項4の発明にかかる印刷装置は、前記プリントヘッドは移動不能に配置されており、前記多関節ロボットは、前記被印刷体を前記作業点に固定して保持しながら前記作業点を移動させることにより前記被印刷体とプリントヘッドとの相対位置を変化させる、ことを特徴とする。
請求項5の発明にかかる印刷装置は、前記エンコーダは、前記プリントヘッドに移動不能に配置されている、ことを特徴とする。
請求項1の発明によれば、印刷開始後の被印刷体の実際の移動量に基づいてプリントヘッドによる印刷動作を制御するので、従来簡易的に(設定通りに多関節ロボットが動くことを前提に)決定していた印刷動作のタイミングをより正確に決定することができる。これにより、印刷品質の向上を図るとともに、同一条件下での印刷の再現性を向上させることができる。
請求項2の発明によれば、回転部材とエンコーダとが一体となったローラ付きエンコーダを用いるので、測定系を簡素化する上で有利となる。
請求項3の発明によれば、印刷装置がインクジェット式プリンタであるので、インクとして特殊な材質を用いることが可能であり、例えば基板上に回路を形成するなど図面印刷以外の用途に用いることが可能となる。
請求項4の発明によれば、プリントヘッドを固定し、被印刷体を動かしながら印刷するため、インクの吐出方向を安定させることができ、印刷品質を向上させることができる。
請求項5の発明によれば、エンコーダがプリントヘッドに固定されているので、プリントヘッドと被印刷体との相対位置の検出精度を向上させる上で有利となる。
実施の形態にかかる印刷装置10の構成を示す説明図である。 印刷装置10の制御系統を示すブロック図である。 多関節ロボット104の構成例を示す説明図である。 ローラ付きエンコーダ126の構成を示す説明図である。 エンコーダ126Bの構成例を示す説明図である。 プリントヘッドドライバ124による制御を模式的に示す説明図である。 印刷装置10における印刷処理の流れを示すフロー図である。
以下に添付図面を参照して、本発明にかかる印刷装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。
本実施の形態では、多関節ロボットを用いて被印刷体とプリントヘッドとの相対位置を変化させながら印刷を行う印刷装置の例として、プリントヘッドを固定設置するとともに、被印刷体を多関節ロボットで移動させながら印刷を行う場合について説明する。
また、本実施の形態では印刷装置がインクジェット式プリンタであるものとする。
図1は、実施の形態にかかる印刷装置10の構成を示す説明図である。
印刷装置10は、曲面形状を有する基材20の表面に配線パターンを印刷する。
一般的に、配線パターンは、平面状のフレキシブル基板をエッチングしてパターンを作成する。しかしながら、このような方法では曲面形状を有する基材20に配線パターンを形成するのは困難である。
一方で、実施の形態にかかる印刷装置10は、多関節ロボットを用いて被印刷体とプリントヘッドとの相対位置を変化させながら印刷を行うので、曲面形状を有する基材20に自由に配線パターンを配置することができる。
印刷装置10は、プリントヘッド102、被印刷体移動手段としての多関節ロボット104、インク硬化手段108、ローラ付きエンコーダ126および図2に示す各種制御手段によって構成され、曲面形状を有する被印刷体の表面に画像を印刷する。本実施の形態では、被印刷体(ワーク)の一例として、半球状の基材20を用いている。
プリントヘッド102は、第1の支持部材22に支持され、移動不能に配置されるとともに、画像を形成するインクを基材20に対して吐出するインク吐出口102Aを備える。プリントヘッド102は、たとえばインク吐出口102Aからのインク吐出方向が重力方向と一致するように下向きに支持されている。インク吐出口102Aは、プリントヘッド102に複数備えられていてもよい。
また、プリントヘッド102は、基材20に対するインク吐出口102Aの位置を調整する位置調整機構を備えていてもよい。位置調整機構としては、たとえば多関節ロボット(被印刷体移動手段としての多関節ロボット104と別個に設けたプリントヘッド移動手段としての多関節ロボット)を用いることができる。このような位置調整機構を設けることによって、被印刷体とプリントヘッド102との相対位置変化の自由度を高めることができ、印刷効率を向上させることができる。
プリントヘッド102から吐出されるインクは、たとえば、エネルギー照射によって硬化する硬化型インクである。例えば、導体素材を用いた硬化型インクによって周波数選択素子(FSS)のパターンを描画し、後述するインク硬化手段108を用いてインクを硬化させることによって、曲面形状を有する基材20の表面に周波数選択素子を形成することが可能となる。
インク硬化手段108は、第2の支持部材23に支持され、インクが吐出された基材20にエネルギー照射をおこなう。インク硬化手段108は、硬化型インクの種類に合わせて、たとえばレーザ、熱源、フラッシュ光、UV光などを照射することにより、基材20の表面に吐出された硬化型インクを硬化させる。インク硬化手段108は、多関節ロボットにツールとして持たせずに、図1に示すように第2の支持部材23に設置することによって安全性を向上させることができる。
多関節ロボット104は、基材20を作業点に固定して保持しながら作業点を移動させることにより基材20とプリントヘッド102との相対位置を変化させる。
図1では、多関節ロボット104で基材20を保持した状態を図示している。多関節ロボット104は、具体的には軸方向に移動可能なロボットであり、一次曲面であれば、4軸以上、二次曲面では5軸以上の自由度を有する多軸ロボットである。
本実施の形態では、多関節ロボット104として6軸多関節ロボットを用いる。
図3は、多関節ロボット104の構成例を示す説明図である。
図3に示した多関節ロボット104は6軸多関節ロボットであり、主に体部104A、腕部104B、手首部104Cによって構成される。
本実施の形態では、基材20は治具を介して手首部104Cに支持され、多関節ロボット104の移動に追従して移動される。
本実施の形態では、多関節ロボット104の作業点は、手首部104Cに支持される治具の先端部(多関節ロボット104と基材20との接触点)とする。
多関節ロボット104の体部104Aは、S軸を中心として回転可能であり、また、L軸を中心として前後方向に揺動可能である。
多関節ロボット104の腕部104Bは、R軸を中心に回転可能であり、また、U軸を中心として上下方向に揺動可能である。
多関節ロボット104の手首部104Cは、T軸を中心に回転可能であり、また、B軸を中心に上下方向に揺動可能である。
より詳細には、多関節ロボット104の各部(体部104A、腕部104B、手首部104C)には、それぞれの移動軸(S軸、L軸、R軸、U軸、T軸、B軸)に沿った支軸、および各支軸を回転させるモータ105(図2参照)が設けられている。各モータ105は、後述するロボットコントローラ106により回転量が制御される。
多関節ロボット104の位置や姿勢を規定する座標系として、体部104Aの接地中心を原点とするベース座標系(X,Y,Z)と、作業点(手首部104Cに支持される治具の先端部)を原点とするメカニカルインターフェース座標系(Xm,Ym,Zm)とがある。ベース座標系は他の座標系の基準となり変化しないが、メカニカルインターフェース座標系は各軸の角度変化により変化する。
多関節ロボット104の位置や姿勢を変化させるには、各座標系に対して移動量(位置偏差や回転偏差)および変位速度を入力する。
図1の説明に戻り、プリントヘッド102の基材20との対向面付近には、ローラ付きエンコーダ126が移動不能に配置されている。
図4は、ローラ付きエンコーダ126の構成を示す説明図である。
ローラ付きエンコーダ126は、基材20の表面に接するとともにプリントヘッド102に対する基材20の移動に追従して回転するローラ126A(回転部材)と、ローラ126Aの回転量を検知して当該回転量に応じたパルス信号を出力するエンコーダ126Bとを含んで構成される。なお、エンコーダ126Bから出力されたパルス信号は、後述するプリントヘッドドライバ124(図2参照)に出力される。
ローラ126Aは支軸126Cと一体に固定されており、ローラ126Aの回転と連動して支軸126Cも回転する。また、ローラ126Aとエンコーダ126Bとは、支軸126Cによって連結されて一体となっており、ローラ126Aの回転が支軸126Cを介してエンコーダ126Bに入力されるようになっている。
また、図4では、ローラ付きエンコーダ126はリンクアーム127をプリントヘッド102に取り付けられている。これは支軸126Cに過度な負担がかからないようにするためである。ローラ付きエンコーダ126は、基材20に対する印刷が行われている間、基材20とローラ126Aとが常時接する位置に配置する。
エンコーダ126Bは、物体が回転移動や直線移動する際に、移動方向や移動量、角度を検出する機器である。
図5Aに一般的な光学透過型のエンコーダ126Bの概略図を示す。
エンコーダ126Bは、LED発光素子502、レンズ504、コードホイール506、受光IC508を含んで構成される。
LED発光素子502およびレンズ504は、円板状のコードホイール506の一方の表面と対向するように設置される。また、受光IC508は、コードホイール506の他方の表面と対向するように設置される。
コードホイール506は、支軸126Cに取り付けられ、支軸126C(ローラ126A)の回転に連動して回転する。また、コードホイール506には、長方形の穴が開いたスリット部506Aと、穴が開いていない平板部506Bとが設けられている。スリット部506Aは、円板状のコードホイール506の外周に沿って、1周にわたり等間隔で開口している。
このコードホイール506の一方の表面に対して、LED発光素子502から検出用の光を照射する。LED発光素子502から照射光は錯乱光であるため、レンズ504で集光して平行光に近づける。
上述のように、コードホイール506にはスリット部506Aと平板部506Bとが設けられているため、スリット部506Aが通過するタイミングでのみ、コードホイール506の他方の表面側にある受光IC508に到達する。
受光IC508上にはフォトダイオードが配置されており、信号変換回路部で処理されて、図5Bに示すような1/4周期の位相差をもつ2相のパルス列をローラ126Aの角変位に応じて出力する。この2相パルス列(A相およびB相)の位相関係は回転方向に対応して反転する。
このようなパルス列を用いることによって、ローラ126Aの回転方向、回転量および回転速度を検出することができる。
より詳細には、A相とB相のどちらが先に立ち上がるかを検出することによって、コードホイール506を取り付けた回転軸の回転方向を判別することができる。
例えば、コードホイール506が正転(時計方向)へ回転している時、A相よりもB相が遅れて立ち上がることになる。コードホイール506が反転(反時計方向)へ逆回転すると、物理的な回転円板の回転方向が反転するので、B相がA相よりも先に立ち上がることになる。またこのような構成は、回転方向だけではなく、水平(リニア)駆動時の移動方向の判別にも用いることができる。
また、コードホイール506には、スリット部506Aが1周にわたり、等間隔で設けられている。例えば、コードホイール506の1周に360個のスリット部506Aが設けられているとすると、1つのスリット部506A当たり1つのパルスが出力されるので、1パルス当たり1度の回転量を検出することができる。同様に、1周に3600個のスリットを設ければ、0.1度単位で回転角度を検出することができる。
さらに、A相とB相のそれぞれの波形の立ち上がり/立ち下がり位置をカウントすることで、物理的に設けたスリット部506Aの数よりも細かい角度位置を検出することができる。
また、エンコーダ126Bから出力される1周期のパルス時間と1周期当たりの出力パルス数を測定し、下記式(1)を適用することで、ローラ126Aの出力軸の回転速度を算出することができる。
回転速度(r/min)=(1/(1周期の時間(秒)×パルス数))×60・・・(1)
つぎに、印刷装置10の制御系統について説明する。
図2は、印刷装置10の制御系統を示すブロック図である。
印刷装置10は、ロボットコントローラ106、コンピュータ120、プリントヘッドドライバ124を備えている。
コンピュータ120は、CPU、ROM、RAM、ハードディスク装置、キーボード、マウス、ディスプレイ等を有し、作業者が印刷図形の設定や多関節ロボット104およびプリントヘッド102への指示等を行うインターフェースとして機能する。
ロボットコントローラ106は、多関節ロボット104の移動方向および移動量を制御して、基材20をプリントヘッド102に対して所望の位置に移動させる。多関節ロボット104の移動方向および移動量は、コンピュータ120から出力される制御情報(基材20上の領域の印刷順序など)に基づいて決定する。
より詳細には、ロボットコントローラ106は、コンピュータ120からの制御情報に基づいて、多関節ロボット104の各移動軸に設けられたモータ105に対して制御信号を出力する。多関節ロボット104は、制御信号に基づいて各軸のモータ105を駆動させることにより指示された動きを実行する。
プリントヘッドドライバ124は、プリント制御手段として機能し、印刷図形の形状情報と、基材20における印刷位置情報を含む印刷指示情報と、ローラ付きエンコーダ126で生成されたパルス信号とに基づいて、プリントヘッド102による印刷動作を制御する。
上述のようにローラ付きエンコーダ126は、プリントヘッド102に対する基材20の移動に追従して回転するローラ126Aの回転量を検知し、当該回転量に応じたパルス信号をプリントヘッドドライバ124に出力する。
本実施の形態では、印刷装置10がインクジェット式プリンタであるため、プリントヘッドドライバ124は、パルス信号に基づいてプリントヘッド102に対する基材20の位置を検出しながら、プリントヘッド102によるインクの吐出タイミングおよび吐出量を制御する。
図6は、プリントヘッドドライバ124による制御を模式的に示す説明図である。
図6Aに示す図案F1は、印刷装置10での印刷図形の例であり、基材20上に等間隔(距離Xi)に描かれた2色の縞模様である。
図6A下段に示すパルス信号は、多関節ロボット104による基材20の移動速度を示す。図6A下段のパルス信号は、時間T=4t(tは単位時間)で距離Xi×2だけ基材20を移動させることを示す。すなわち、単位時間(t)当たりの移動距離は2Xi/4であり、この速度が標準移動速度であるものとする。
この場合、プリントヘッドドライバ124は、時間4t内に距離Xi×2分の印刷を行う。
ここで、何らかの理由で基材20の移動速度が速くなり、時間3tで距離Xi×2だけ基材20が移動したとする。この場合、単位時間(t)当たりの移動距離、すなわち移動速度は2Xi/3(>標準速度)となる。
従来のように基材20の移動速度が一定(標準速度)であるものとして印刷を行うと、時間4t内に距離Xi×2分の印刷を行うことになり、印刷速度に対して基材20の移動速度が速すぎてしまい、図6Bの図案F2のように縞模様の間隔が広くなる。なお、図案F2には単に縞模様の間隔が広くなったように図示しているが、実際には例えば印刷のムラなどが生じると考えられる。
一方、印刷装置10のプリントヘッドドライバ124は、基材20の移動距離に応じたパルス信号に基づいて印刷動作を制御するので、基材20の実際の移動速度に合わせて印刷範囲等を変更することができる。
すなわち、図6C下段に示すように何らかの理由で基材20の移動速度が速くなった場合(移動速度2Xi/3)、プリントヘッドドライバ124は、時間3t内に距離Xi×2分の印刷を行う。これにより、図6C上段の図案F3のように、誤差なく印刷図形を印刷することができる。
図7は、印刷装置10における印刷処理の流れを示すフロー図である。
図7のフロー図は一例であり、例えば図7でロボットコントローラ106またはプリントヘッドドライバ124が行っている処理を、コンピュータ120が行うように構成してもよい。
コンピュータ120は、作業者から印刷指示情報が入力されると(ステップS700)、ロボットコントローラ106に対しては多関節ロボット104の動きに関する制御情報を、プリントヘッドドライバ124に対しては印刷図形の形状情報や基材20における印刷位置情報などを含む制御情報(印刷指示情報)を、それぞれ出力する(ステップS702)。
ロボットコントローラ106は、制御情報が入力されると(ステップS704)、多関節ロボット104を作動させ、基材20を印刷開始位置に移動させる(ステップS706)。印刷開始位置への移動が完了すると、ロボットコントローラ106はプリントヘッドドライバ124に対して移動完了信号を出力する(ステップS708)。
なお、基材20が印刷開始位置に配置された際にローラ付きエンコーダ126のローラ126Aと基材20とが接して、ローラ付きエンコーダ126が作動可能となる。
プリントヘッドドライバ124は、コンピュータ120からの制御情報(ステップS709)および移動完了信号が入力されると(ステップS710)、ロボットコントローラ106に対して印刷開始信号を出力する(ステップS712)。
ロボットコントローラ106は、印刷開始信号が入力されると(ステップS714)、多関節ロボット104をステップS702で入力された制御情報に沿って移動させる(ステップS716)。
また、多関節ロボット104が移動を開始し、基材20が移動し始めると、基材20の移動に連動してローラ付きエンコーダ126のローラ126Aが回転を開始する。エンコーダ126Bはローラ126Aの回転量、すなわち基材20の移動量を検出し、基材20の移動量に合わせたパルス信号を生成する。そして、生成したパルス信号をプリントヘッドドライバ124に出力する(ステップS718)。
プリントヘッドドライバ124は、ステップS709で入力された制御情報およびパルス信号に基づいてプリントヘッド102からのインクの吐出を制御する(ステップS720)。なお、印刷開始からごく短時間の間はパルス信号が入力されないので、制御情報のみを用いてプリントヘッド102を制御する。
以上説明したように、実施の形態にかかる印刷装置10は、印刷開始後の基材20の実際の移動量に基づいてプリントヘッド102による印刷動作を制御するので、従来簡易的に(設定通りに多関節ロボット104が動くことを前提に)決定していた印刷動作のタイミングをより正確に決定することができる。これにより、印刷品質の向上を図るとともに、同一条件下での印刷の再現性を向上させることができる。
また、印刷装置10は、ローラ126Aとエンコーダ126Bとが一体となったローラ付きエンコーダ126を用いるので、測定系を簡素化する上で有利となる。
また、印刷装置10は、印刷装置10がインクジェット式プリンタであるので、インクとして特殊な材質を用いることが可能であり、例えば基板上に回路を形成するなど図面印刷以外の用途に用いることが可能となる。
また、印刷装置10は、プリントヘッド102を固定し、基材20を動かしながら印刷するため、インクの吐出方向を安定させることができ、印刷品質を向上させることができる。
また、印刷装置10は、ローラ付きエンコーダ126がプリントヘッド102に固定されているので、プリントヘッド102と基材20との相対位置の検出精度を向上させる上で有利となる。
なお、本発明の適用は印刷装置に限られない。すなわち、多関節ロボットを用いて被作業対象体と作業具との相対位置を変化させながら作業を行う装置であれば、本発明の適用が可能である。
また、本実施の形態では、プリントヘッド102を移動不能に配置し、多関節ロボット104で基材20を移動させながら印刷を行ったが、これに限らず、基材20を移動不能に配置し、多関節ロボット104でプリントヘッド102を移動させながら印刷を行う、または基材20およびプリントヘッド102の両方を多関節ロボット104で移動させながら印刷を行うようにしてもよい。
また、本実施の形態では、ローラ付きエンコーダ126をプリントヘッド102に配置したが、これに限らず、例えば多関節ロボット104でプリントヘッド102を移動させながら印刷を行う場合などは、多関節ロボット104にローラ付きエンコーダ126を配置してもよい。
10……印刷装置、20……基材、22,23……支持部材、102……プリントヘッド、102A……インク吐出口、104……多関節ロボット、104A……体部、104B……腕部、104C……手首部、105……モータ、106……ロボットコントローラ、108……インク硬化手段、120……コンピュータ、124……プリントヘッドドライバ、126……ローラ付きエンコーダ、126A……ローラ、126B……エンコーダ、126C……支軸、502……発光素子、504……レンズ、506……コードホイール、506A……スリット部、506B……平板部、508……受光IC。

Claims (5)

  1. 多関節ロボットを用いて被印刷体とプリントヘッドとの相対位置を変化させながら印刷を行う印刷装置であって、
    前記多関節ロボットの移動方向および移動量を制御するロボット制御手段と、
    前記被印刷体の表面に接するとともに前記プリントヘッドに対する前記被印刷体の移動に追従して回転する回転部材と、
    前記回転部材の回転量を検知して当該回転量に応じたパルス信号を出力するエンコーダと、
    印刷図形の形状情報と、前記被印刷体における印刷位置情報を含む印刷指示情報と、前記パルス信号とに基づいて、前記プリントヘッドによる印刷動作を制御するプリント制御手段と、
    を備えることを特徴とする印刷装置。
  2. 前記エンコーダは、前記回転部材と一体となったローラ付きエンコーダである、
    ことを特徴とする請求項1記載の印刷装置。
  3. 前記プリントヘッドは、前記印刷図形を形成するインクを前記被印刷体に対して吐出するインク吐出口を備え、
    前記プリント制御手段は、前記プリントヘッドによる前記インクの吐出タイミングおよび吐出量を制御する、
    ことを特徴とする請求項1または2記載の印刷装置。
  4. 前記プリントヘッドは移動不能に配置されており、
    前記多関節ロボットは、前記被印刷体を前記作業点に固定して保持しながら前記作業点を移動させることにより前記被印刷体とプリントヘッドとの相対位置を変化させる、
    ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載の印刷装置。
  5. 前記エンコーダは、前記プリントヘッドに移動不能に配置されている、
    ことを特徴とする請求項4記載の印刷装置。
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