KR100798371B1 - 잉크젯 헤드 - Google Patents

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KR100798371B1
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pressure chamber
restrictor
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inkjet head
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유영석
정재우
박창성
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삼성전기주식회사
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Abstract

잉크젯 헤드가 개시된다. 노즐; 노즐에 잉크를 공급하는 압력챔버; 압력챔버에 잉크를 공급하는 유로인 리스트릭터(Restrictor); 압력챔버 및 리스트릭터 각각의 일면을 모두 커버하는 진동판; 압력챔버의 위치에 상응하여, 진동판에 결합되는 제1 액츄에이터(actuator); 제1 액츄에이터에 전원을 공급하는 제1 전원부; 리스트릭터의 위치에 상응하여, 진동판에 결합되는 제2 액츄에이터; 제2 액츄에이터에, 제1 전원부가 공급하는 전원과 동일한 주파수를 갖는 전원을 공급하는 제2 전원부; 및 제2 액츄에이터의 변위를 감지하는 LDV(laser doppler velicimeter)를 포함하는 잉크젯 헤드는, 리스트릭터 측의 유로저항을 조절함으로써, 향상된 액적 제어능력을 제공할 수 있다.
잉크젯, 헤드, 리스트릭터, 액츄에이터

Description

잉크젯 헤드{Ink-jet head}
도 1은 종래기술에 따른 잉크젯 헤드를 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 잉크젯 헤드를 나타내는 단면도.
도 3는 도 2를 통해 나타난 잉크젯 헤드의 제1 작동상태를 나타내는 단면도.
도 4는 도 2를 통해 나타난 잉크젯 헤드의 제2 작동상태를 나타내는 단면도.
도 5은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 잉크젯 헤드를 나타내는 단면도.
도 6는 도 3을 통해 나타난 잉크젯 헤드의 제1 작동상태를 나타내는 단면도.
도 7는 도 3을 통해 나타난 잉크젯 헤드의 제2 작동상태를 나타내는 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110: 리저버 120: 리스트릭터
130: 압력챔버 140: 노즐
150: 진동판 160: 액츄에이터
161: 제1 액츄에이터 162: 제2 액츄에이터
170: 전원 180: 제어부
본 발명은 잉크젯 헤드에 관한 것이다.
잉크젯 방식이 산업용으로 넓게 사용되기 시작하면서 헤드에 대한 성능 개선에 대한 요구가 많아지고 있다. 산업용으로 쓰이는 헤드는 일반적으로 압전소자(piezoelectric material)를 이용한 압전방식 헤드를 사용하고 있다.
압전용 헤드를 구성하는 요소로는 구동력을 발생시키는 액츄에이터(Actuator)부와 잉크의 공급을 담당하는 유로부 그리고 직접적인 토출이 되는 노즐부로 나눌 수 있다. 점점 더 정밀하고 균일한 패턴(pattern)형성이 가능해야 하므로 기존에 다수의 노즐을 동시에 같은 신호를 주어 구동하는 방식에서 DPN(Drive per Nozzle)을 통하여 개별노즐을 구동함으로써 노즐간 편차를 줄이는 노력이 이루어지고 있다. DPN은 기본적으로 액적(drop)의 크기를 일정하게 하면서 속도를 조절하거나 속도를 일정하게 하면서 액적의 크기를 조절하는 방식으로 구동 신호의 구동전압을 조절하거나 구동 주기를 조절함으로써 가능하다.
그러나 신호에 의한 구동신호에 의한 토출 액적의 조절은 한계가 있으며 노즐(nozzle)간 차이가 큰 경우에는 DPN이 불가능한 경우도 종종 발생한다.
도 1은 종래기술에 따른 잉크젯 헤드를 나타내는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 구동전압을 인가하면 압력을 발생시키는 압전소자(piezoelectric material)(60)와 진동판(50) 그리고 압력챔버(30)가 있으며 잉크가 토출되는 노즐(40)이 존재하고 잉크가 머무르는 리저버(10), 잉크가 공급되는 리스트릭터(20)로 구성되어 있다.
종래기술에 따른 잉크젯 헤드의 경우 잉크가 흐르는 리스트릭터(20)가 잉크 토출에 매우 중요한 역할을 수행함에도 불구하고, 리스트릭터(20)에 대한 조절능력이 없었다.
리스트릭터(20)의 경우, 기본적으로 잉크가 공급되기 위한 유로이면서 잉크가 막상 토출될 때에는 챔버(30)의 압력이 노즐 쪽으로 전달되도록 저항으로 작용해야 한다. 즉, 잉크가 공급될 때에는 유로의 저항이 작고 잉크가 토출될 때에는 저항이 낮아야 하는 모순을 지닌 구조를 가져야 하는 것이다.
그러나 종래기술에 따른 잉크젯 헤드의 경우, 일반적으로 노즐과 같은 저항을 유지하도록 고정된 형태의 리스트릭터가 형성되는 경우가 대부분이었으며, 간혹 기능상의 필요에 따라 리스트릭터의 형상이 변형된 경우도 존재하였으나, 이 경우 역시 리스트릭터는 고정된 형태인 것이어서, 앞서 제시한 바와 같은 문제점을 해결하기에는 부족한 것이었다.
본 발명은 잉크젯 헤드 내 유체의 저항을 조절할 수 있도록 리스트릭터를 설 계함으로써 향상된 성능을 나타내는 잉크젯 헤드를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 노즐과, 노즐에 잉크를 공급하는 압력챔버와, 압력챔버에 잉크를 공급하는 유로인 리스트릭터(Restrictor)와, 압력챔버 및 리스트릭터 각각의 일면을 모두 커버하는 진동판과, 압력챔버의 위치에 상응하여, 진동판에 결합되는 제1 액츄에이터(actuator), 및 리스트릭터의 위치에 상응하여, 진동판에 결합되는 제2 액츄에이터를 포함하는 잉크젯 헤드를 제시할 수 있다.
제2 액츄에이터는 압전소자를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 제2 액츄에이터의 작동을 조절하는 제어부가 추가로 형성되어 결합될 수 있으며, 제어부는, 제2 액츄에이터의 변위를 감지하고 이에 상응하는 입력신호를 생성하는 센서부와, 입력신호를 전달받아 입력신호에 상응하는 구동신호를 생성하는 중앙처리부, 및 구동신호를 전달받아 제2 액츄에이터를 구동하는 구동부를 포함하여 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 노즐과, 노즐에 잉크를 공급하는 압력챔버와, 압력챔버에 잉크를 공급하는 유로인 리스트릭터(Restrictor)와, 압력챔버 및 리스트릭터 각각의 일면을 모두 커버하는 진동판 및, 압력챔버 및 리스트릭터의 위치에 상응하여, 진동판에 결합되는 액츄에이터(actuator)를 포함하는 잉크젯 헤드를 제시할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위을 포함 한 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
이하, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 잉크젯 헤드를 나타내는 단면도이다. 도 2를 참조하면, 리저버(110), 리스트릭터(120), 압력챔버(130), 노즐(140), 진동판(150), 제1 액츄에이터(161), 제2 액츄에이터(162), 전원(170), 센서부(181), 중앙처리부(183), 구동부(185)가 도시되어 있다.
리저버(110)는 잉크를 수용하여, 이하에서 설명할 리스트릭터(120)를 통하여 압력챔버(130)에 잉크를 제공한다.
리스트릭터(120)는 리저버(110)와 추후 설명할 압력챔버(130)를 서로 연통하게 하여 리저버(110)로부터 압력챔버(130)에 잉크를 공급하는 유로로서의 기능을 수행한다. 리스트릭터(120)는 리저버(110)보다 작은 단면적으로 형성될 수 있으며, 압전소자에 의해 진동판(150)이 진동하는 경우 리저버(110)로부터 압력챔버(130)로 공급되는 잉크의 양을 조절할 수 있다.
한편, 리스트릭터(120)는, 일면이 진동판(150)에 의해 커버되도록, 잉크젯 헤드(100)의 상부에 형성되며, 리스트릭터(120)의 위치에 상응하는 진동판(150)의 상면에는 제2 액츄에이터(162)가 결합된다.
압력챔버(130)는 리스트릭터(120)와 연결되어 리저버(110)와 연통된다. 또한, 리스트릭터(120)와 연결된 측 외의 타 측면을 통하여 노즐(140)과 연결된다. 이러한 구조를 통해, 리스트릭터(120)를 통해 리저버(110)로부터 잉크를 공급받고, 이를 다시 노즐(140)에 공급함으로써 인쇄작업을 가능케 할 수 있다. 한편, 압력챔버(130) 역시 리스트릭터(120)와 마찬가지로 일면이 진동판(150)에 의해 커버되며, 압력챔버(130)의 위치에 상응하는 진동판(150)의 상면에는 제1 액츄에이터(161)가 결합된다.
제1 액츄에이터(161)는 압력챔버(130)의 위치에 상응하는 진동판(150)의 상면에 결합되어, 전원(170)에 의해 진동을 발생하는 수단으로서, 압전소자를 포함하여 이루어질 수 있다. 압전소자는 압전소자에 공급되는 전압에 따라 진동을 발생하여 진동판(150)을 통해 압력챔버(130)에 압력을 공급하는 기능을 수행한다.
노즐(140)은 압력챔버(130)와 연결되어 잉크를 토출하는 기능을 수행한다. 제1 액츄에이터(161)에 의해 발생한 진동이 진동판(150)을 통하여 압력챔버(130)에 전달되면, 압력챔버(130)에는 압력이 가해지고, 이 압력에 의해 노즐(140)이 인쇄대상물을 향하여 잉크를 토출하게 됨으로써 인쇄작업이 이루어질 수 있다.
진동판(150)은 압력챔버(130) 및 리스트릭터(120)의 상부에 형성된다. 이러한 진동판(150)은 별도의 구조물로서 압력챔버(130) 및 리스트릭터(120)의 상부에 결합될 수도 있으며, 그 이외의 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 진동판(150)은 제1 액츄에이터(161)에 의해 발생한 진동을 압력챔버(130)에 전달하는 수단이므로, 충분한 탄성을 가지는 재질 또는 구조를 가지는 것이 바람직하다. 예를 들면, 금속 또는 세라믹 재질로 이루어질 수 있다.
제2 액츄에이터(162)는 리스트릭터(120)의 위치에 상응하는 진동판(150)의 상면에 결합되어, 구동부(185)에 의해 진동을 발생하는 수단으로서, 제1 액츄에이터(161)와 마찬가지로 압전소자를 포함하여 이루어질 수 있다. 압전소자는 압전소자에 공급되는 전압에 따라 진동을 발생하여 진동판(150)을 통해 리스트릭터(120)에 압력을 공급하는 기능을 수행한다. 이러한 제2 액츄에이터(162)는 이하에서 설명할 제어부(180)에 의해 그 작동이 조절된다.
제어부(180)는, 제2 액츄에이터(162)의 변위를 감지하고, 이에 상응하는 입력신호를 생성하는 센서부(181)와, 센서부(181)에 의해 생성된 입력신호를 전달받아 입력신호에 상응하는 구동신호를 생성하는 중앙처리부(183), 및 중앙처리부(183)에 의해 생성된 구동신호를 전달받아 제2 액츄에이터(162)를 구동하는 구동부(185)를 포함하여 이루어진다.
센서부(181)는, 제2 액츄에이터(162) 즉, 압전소자의 진동을 감지하고, 감지된 제2 액츄에이터(162)의 변위를 토대로 입력신호를 생성하여 중앙처리부(183)에 전달한다. 센서부(181)로는 LDV(Laser Doppler Velocimeter)를 이용할 수 있다.
중앙처리부(183)는 센서부(181)에 의해 생성된 입력신호를 입력 받아, 사용자가 의도하는 제2 액츄에이터(162)의 작동을 구현하도록 하는 구동신호를 생성한다.
구동부(185)는 중앙처리부(183)에 의해 생성된 구동신호를 입력 받아, 제2 액츄에이터(162)를 구동하는 수단으로서, 제2 액츄에이터(162)가 압전소자로 이루 어지는 경우, 전압을 공급하는 전원일 수 있다.
다음으로, 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 잉크젯 헤드의 작동에 대해 도 3 및 도 4를 참조하여 설명하도록 한다. 도 3은 도 2를 통해 나타난 잉크젯 헤드(100)의 제1 작동상태를 나타내는 단면도이고, 도 4는 도 2를 통해 나타난 잉크젯 헤드의 제2 작동상태를 나타내는 단면도이다.
잉크의 토출을 위하여 제1 액츄에이터(161)가 압력챔버(130)에 압력을 가하는 경우, 제1 액츄에이터(161)에 의한 압력은 노즐(140)방향뿐만 아니라, 리스트릭터(120) 방향으로도 공급된다. 이 때문에 소정의 잉크는 리스트릭터(120) 방향으로 역류하게 된다. 이러한 잉크의 역류는 잉크젯 헤드의 작동 효율을 저하시키는 원인이 된다.
이를 방지하기 위하여 제1 액츄에이터(161)가 압력챔버(130)에 압력을 가하는 경우, 제2 액츄에이터(162) 역시 리스트릭터(120)에 압력을 가하여 리스트릭터(120)의 단면적을 줄여줌으로써 리스트릭터(120) 측의 유로저항을 높이도록 한다. 리스트릭터(120) 측의 유로저항을 높임으로써, 상대적으로 노즐(140) 측의 유로저항은 낮아, 잉크가 리스트릭터(120) 방향으로 역류하는 현상을 억제할 수 있게 된다. 이러한 작동은 도 3을 통하여 확인할 수 있다.
한편, 리저버(110)로부터 압력챔버(130)로의 잉크의 유입을 위하여 제1 액츄에이터(161)가 압력챔버(130)의 압력을 낮추는 경우 즉, 제1 액츄에이터(161)가 잉크젯 헤드(100)의 상향으로 진동하는 경우, 리스트릭터(120)의 단면적을 크게 해주 면, 압력챔버(130)로의 잉크의 유입이 원활히 이루어질 수 있게 된다.
이를 위하여, 제1 액츄에이터(161)가 압력챔버(130)의 압력을 낮추는 것에 맞추어, 제2 엑츄에이터 역시 리스트릭터(120)의 압력을 낮추어 즉, 잉크젯 헤드의 상향으로 진동하여 리스트릭터(120)의 단면적을 크게 해줌으로써 리스트릭터(120) 측의 유로저항을 낮추도록 한다. 리스트릭터(120) 측의 유로저항을 낮춤으로써, 압력챔버로의 잉크의 흐름이 원활히 이루어지도록 할 수 있게 된다. 이러한 작동은 도 4를 통하여 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따른 잉크젯 헤드의 작동을 원활히 하기 위하여, 제1 액츄에이터(161)와 제2 액츄에이터(162)의 작동은 동기화 되는 것이 바람직하다.
이는, 제1 액츄에이터(161)와 제2 액츄에이터(162)가 모두 압전소자를 포함하여 구성되는 경우를 예로 들면, 전원은 전압의 형태로 공급되므로, 제1 액츄에이터(161)에 공급되는 전압과, 제2 액츄에이터(162)에 공급되는 전압은 동일한 주파수를 갖도록 함으로써 구현될 수 있다.
한편, 리스트릭터(120) 측의 유로저항을 조절함에 있어서, 보다 효율을 높이기 위해서는, 제2 액츄에이터(162)에 공급되는 전압의 크기와 제1 액츄에이터(161)에 공급되는 전압의 크기를 다르게 조절할 필요가 있다. 즉, 본 실시예에 따른 잉크젯 헤드(100)의 작동을 실시간으로 살펴가면서, 제2 액츄에이터(162)의 작동을 제1 액츄에이터(161)의 작동과 별도로 조절할 필요가 있는 것이다. 이를 위하여, 제2 액츄에이터(162)의 작동을 별도로 조절하는 제어부가 개재된다.
제어부(180)는, 제2 액츄에이터(162)의 진동상태 즉, 변위를 감지하고 이에 상응하는 입력신호를 생성하는 센서부(181)와, 센서부(181)에 의해 생성된 입력신호를 전달받아 입력신호에 상응하는 구동신호를 생성하는 중앙처리부(183), 및 중앙처리부(183)에 의해 생성된 구동신호를 전달받아 제2 액츄에이터(162)를 구동하는 구동부(185)를 포함하여 이루어진다.
제2 액츄에이터(162)가 압전소자를 포함하여 이루어지는 경우를 예로 들어 설명하면, 센서부(181)는 압전소자의 진동을 실시간으로 감지한다. 구동부(185)에 의해 진동하는 제2 액츄에이터(162)의 변위를 감지하는 것이다. 감지된 제2 액츄에이터(162)의 변위를 토대로 입력신호를 생성하여 중앙처리부(183)에 전달한다.
중앙처리부(183)는 센서부(181)에 의해 생성된 입력신호를 입력 받아, 사용자가 의도하는 제2 액츄에이터(162)의 작동을 구현하도록 하는 구동신호를 생성한다.
구동부(185)는 중앙처리부(183)에 의해 생성된 구동신호를 입력 받아 구동신호에 상응하는 전압을 압전소자에 공급함으로써, 사용자가 의도하는 바대로 압전소자가 진동하도록 하게 한다.
이러한 제어부로써 리스트릭터(120) 측의 유로저항을 별도로 조절할 수 있게 되며, 이러한 작동을 통하여 본 실시예에 따른 잉크젯 헤드(100)는 보다 효율적인 작동을 할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 잉크젯 헤드를 나타내는 단면 도이다. 도 5를 참조하면, 리저버(210), 리스트릭터(220), 압력챔버(230), 노즐(240), 진동판(250), 액츄에이터(260), 전원(270)이 도시되어 있다.
본 실시예에 따른 잉크젯 헤드는, 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 잉크젯 헤드가 압력챔버(130)에 압력을 공급하는 제1 액츄에이터(161)와, 리스트릭터(120)에 압력을 공급하는 제2 액츄에이터(162)를 포함하고 있는 것과 달리, 압력챔버(230)와 리스트릭터(220) 모두에 압력을 공급하도록, 압력챔버(230) 및 리스트릭터(220)의 위치에 상응하여 진동판(250)에 결합되는 하나의 액츄에이터(260)를 포함하고 있는 것에 그 특징이 있다.
제1 실시예를 통해 설명한 바와 같이, 압력챔버(130)에 가해지는 압력을 조절하는 제1 액츄에이터(161)와, 리스트릭터(120)에 가해지는 압력을 조절하는 제2 액츄에이터(162)의 진동은 서로 동기화될 필요가 있다. 이러한 작동을 구조적으로 단순화 시키기 위하여, 본 실시예에서는 제1 액츄에이터(161)와 제2 액츄에이터(162)를 대체하는 하나의 액츄에이터(260)를 구비하도록 하되, 액츄에이터(260)가 압력챔버(230)와 리스트릭터(220)의 위치에 상응하도록 진동판(250)에 결합되도록 한다.
이러한 구조를 통하여, 제1 실시예에서와 같이 제1 및 제2 액츄에이터를 각각 구동하는 별개의 전원을 구비할 필요 없이, 하나의 전원(270)을 통하여 액츄에이터(260)를 구동할 수 있게 된다.
다만, 본 실시예에 따르는 경우, 제1 실시예에서와 같이 손쉽게 리스트릭터(220) 측의 유로저항을 별도로 조절할 수는 없으나, 압력챔버(230)와 리스트릭 터(220)에 가해지는 압력을 보다 용이하게 동기화 시킬 수 있으므로, 제1 실시예에 따른 잉크젯 헤드와는 다른 별도의 의미가 있다.
다음으로, 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 잉크젯 헤드(200)의 작동에 대하여 도 6및 도 7을 참조하여 설명하도록 한다. 도 6는 도 5를 통해 나타난 잉크젯 헤드(200)의 제1 작동상태를 나타내는 단면도이고, 도 7는 도 5를 통해 나타난 잉크젯 헤드(200)의 제2 작동상태를 나타내는 단면도이다.
전원이 인가되어 액츄에이터(260)가 잉크젯 헤드(200)의 하향으로 진동하는 경우(도 6 참조), 압력챔버(230)에 압력이 전달되어, 노즐(240)을 통해 잉크 액적이 토출된다. 이때, 리스트릭터(220)에도 액츄에이터(260)에 의해 압력이 전달되어 리스트릭터(220)의 단면적은 작아지며, 이를 통해 리스트릭터(220) 측의 유로저항은 커지게 된다. 리스트릭터(220) 측의 유로저항이 커지도록 함으로써, 상대적으로 노즐(240) 측의 유로저항은 낮출 수 있어, 잉크가 리스트릭터(220) 방향으로 역류하는 현상을 억제할 수 있게 된다. 이러한 작동은 도 6을 통하여 확인할 수 있다.
한편, 압력챔버(230)로의 잉크의 유입을 위하여 액츄에이터가 압력챔버(230)의 압력을 낮추는 경우(도 7 참조) 즉, 액츄에이터(260)가 잉크젯 헤드(200)의 상향으로 진동하는 경우, 이에 따라 리스트릭터(220)의 단면적은 커지게 되며, 이를 통해 리스트릭터(220) 측의 유로저항은 작아지게 된다. 리스트릭터(220) 측의 유로저항이 작아지도록 함으로써, 리저버(210)로부터 압력챔버(230)로의 잉크의 유입이 원활히 수행되도록 할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시예에 따른 잉크젯 헤드는, 압력챔버에 잉크를 공급하는 유로인 리스트릭터 측의 유로저항을 변경, 조절할 수 있도록 함으로써, 잉크젯 헤드의 작동을 보다 효율적으로 수행할 수 있도록 한다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 청구범위 내에 존재한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 잉크젯 헤드는 리스트릭터 측의 유로저항을 조절함으로써, 향상된 액적 제어능력을 제공할 수 있다.

Claims (6)

  1. 노즐;
    상기 노즐에 잉크를 공급하는 압력챔버;
    상기 압력챔버에 잉크를 공급하는 유로인 리스트릭터(Restrictor);
    상기 압력챔버 및 상기 리스트릭터 각각의 일면을 모두 커버하는 진동판;
    상기 압력챔버의 위치에 상응하여, 상기 진동판에 결합되는 제1 액츄에이터(actuator);
    상기 제1 액츄에이터에 전원을 공급하는 제1 전원부;
    상기 리스트릭터의 위치에 상응하여, 상기 진동판에 결합되는 제2 액츄에이터;
    상기 제2 액츄에이터에, 상기 제1 전원부가 공급하는 전원과 동일한 주파수를 갖는 전원을 공급하는 제2 전원부; 및
    상기 제2 액츄에이터의 변위를 감지하는 LDV(laser doppler velicimeter)를 포함하는 잉크젯 헤드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 액츄에이터는 압전소자를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드.
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