JP5459695B2 - インクジェット記録装置及びインクジェット記録方法 - Google Patents

Description

本発明はインクジェット記録装置及び記録方法に関わり、特には圧力室が複数隣接する記録ヘッドを搭載し、液適量を増やしつつ高速で画像を記録するようにしたインクジェット記録装置及び記録方法に関する。

ノズルから微小なインク滴を吐出して記録媒体に着弾させることにより画像を記録するインクジェット記録方法では、インク滴が記録媒体の目的の位置に着弾することが画像の均一性を確保する上で重要である。

近年、より高画質の画像を記録するために、ノズルの高密度化やインク滴の小液滴化が進んでいる。

また、一方で生産性を挙げるために記録速度の高速化も求められており、そのために駆動周波数を上げることやノズル数を増やすことが行われている。

また、記録ヘッドのタイプとしてはベンダー型、ピストン型、シェアモード型、シェアードウォール型等が知られているが、いろいろな粘度の液体が吐出でき、かつ高密度化を考えるとシェアモード型が有利であると考えられている。

しかし、記録速度の高速化のために駆動周波数を高周波にし、つまり時間間隔を短くしてインク滴を吐出すると、次の吐出までの時間が短いため圧力室における圧力波の減衰が進みにくい現象が生じることがわかった。

シェアモード型のヘッドは、圧力室となるチャネルの隔壁を隣りのチャネルと共有し、両側に隣接するチャネルからは同時には吐出できないので、全チャネルを２つおきにＡ、Ｂ、Ｃの３組のチャネル群に分割して駆動する３サイクル駆動のセットで駆動を行う。その際に、この現象が顕著に起こる。

これは、例えば、Ａ、Ｂ、Ｃのチャネルが順番に並んでいた場合に、Ａの駆動時による変形によって、それに隣接する、つまり次に吐出するＢチャネル内に、小さいけれども、無視し得ない余計な圧力が発生してしまうためである。

しかも、時間間隔が短くなればなるほどこの圧力波の減衰が進まず、結果として、次のチャネルの吐出がうまくできず、液滴の尾曲りによる角度方向がずれて着弾誤差が生じやすいことが判った。

すなわち、ノズルから、所定の駆動周波数でインク滴を吐出すると、１滴目からの各インク滴によって形成される各ドット間隔は、図１１（ａ）に示すように、常に一定となることが理想的である。しかしながら、高い駆動周波数でインク滴を吐出すると、従来の技術では、図１１（ｂ）に示すように、吐出時に液滴の尾曲りが生じて角度方向がずれる為に、着弾が乱れ、本来、着弾すべき位置からずれた位置に着弾してしまい画像が乱れてしまうか、もしくはまったく吐出できずノズル欠を生じてしまう場合がある。

同じヘッドを駆動周波数を下げて駆動すると、安定に吐出できるようになることから、駆動周波数とそのときに発生する圧力波の減衰のさせ方に依存して発生するものと考えられる。つまり駆動周波数を低くして減衰するための時間を十分とってやる、または、吐出時の液滴速度を落とし、圧力波を抑制して減衰しやすくするなどと、低速にしての生産性を犠牲にする方法が考えられる。

しかしこの方法では、記録速度が低下し、記録時間の短縮化を図ることが困難となり、画像記録の高速化、かつ生産性の向上の要請を満足することができなくなる。

一方、駆動周波数を高速にして安定に精度よく吐出するには、液適量自体を狙いより少なくすることで、吐出する液適量が少ないので、それの吐出に必要な運動量、圧力が少なくなるので圧力波の影響が少なくなるし、着弾時の液滴の広がりも小さいので着弾精度もなんとか市場の要求に耐えられる下限レベルを達成することができることが知られている。

つまり、液適量を減らさず、かつ、市場の要求にこたえる高速であって、相乗効果によって生産性が高く、かつ尾曲りなどの吐出精度に問題がない高精細な画像を得ることは困難であることが判った。

特許文献１には、水溶性有機溶剤のインクを用いてノズルの開口の直径３０μｍ以下で駆動周波数１５ｋＨｚ以上で吐出する技術が開示されているが、やはり高速で、例えば２０ｋＨｚ以上における尾曲りが生じ実用に耐えなかった。

また、メニスカス位置を使った技術としては、特許文献２がある。しかしメニスカスをある所定の量引き込んだときに小液滴を吐出するための技術が開示されているのみで、やはり高速駆動での技術ではなく、高速のための高周波駆動における着弾精度をあげることができず不十分であった。

特許文献３には、駆動信号が印加されている圧力室ではなく、その隣の圧力室のメニスカスを規定することで、吐出するインクの液滴の体積を制御する技術が開示されているが、この技術ではなんら高速駆動における尾曲りについて課題解決されておらず、実用に耐えなかった。
特開２００２−２６４３３３号公報 特開２００３−１６５２２０号公報 特開２００６−７６２６０号公報

そこで、本発明は、同一のノズルから連続して安定に吐出でき、かつ吐出速度も落とすことなく高速で吐出して、高精細な画像を高速で記録しつつ、かつ、液適量も増加させることができ、その相乗効果によって生産性が高い、という相反する特徴を併せ持ったインクジェット記録装置及び記録方法を提供することを課題とする。

上記課題は、以下の各発明によって解決される。

１．インクを吐出する開口を有するノズルに連通する圧力室が複数隣接し、駆動信号の印加により前記圧力室の容積を変化させる電気・機械変換手段を備える記録ヘッドを有するインクジェット記録装置であって、
前記圧力室の容積を拡大するためのＤｒａｗパルスと、該Ｄｒａｗパルスの後に前記圧力室の容積を元に戻して前記ノズルからインクを吐出させるＲｅｌｅａｓｅパルスとを有する駆動信号を２０ｋＨｚ以上の駆動周波数で前記記録ヘッドに印加して吐出を行う際、前記Ｄｒａｗパルスを印加する時点での前記ノズルのメニスカス位置の押し出し量が０より大きく、前記開口の直径の３０％以下であり、
前記Ｄｒａｗパルスを印加する時点でのノズルの外側に押し出された量に相当する液滴量をＶａとし、吐出された１滴の液滴量をＶｔとしたときに、以下の式を満足することを特徴とするインクジェット記録装置。
０＜Ｖａ≦Ｖｔ／４

２．前記圧力室の音響的共振周期の１／２が１μｓｅｃ以上、３μｓｅｃ以下であることを特徴とする前記１に記載のインクジェット記録装置。

３．前記駆動信号は圧力波の残響をキャンセルするキャンセルパルスを含み、前記Ｄｒａｗパルスが最初に印加されることを特徴とする前記１または２に記載のインクジェット記録装置。

４．前記ノズルは、インク吐出側から前記圧力室側に向かって断面積が徐々に大きくなるテーパー部を有することを特徴とする前記１〜３の何れか１項に記載のインクジェット記録装置。

５．前記テーパー部のテーパー角が６度以上であることを特徴とする前記４に記載のインクジェット記録装置。

６．前記テーパー部が２段の異なるテーパー角を有することを特徴とする前記４または５に記載のインクジェット記録装置。

７．前記インクの粘度が５ｍＰａ・ｓ以上であることを特徴とする前記１〜６の何れか１項に記載のインクジェット記録装置。

８．インクを吐出する開口を有するノズルに連通する圧力室が複数隣接し、駆動信号の印加により前記圧力室の容積を変化させる電気・機械変換手段を備える記録ヘッドを用いたインクジェット記録方法であって、
前記圧力室の容積を拡大するためのＤｒａｗパルスと、該Ｄｒａｗパルスの後に前記圧力室の容積を元に戻して前記ノズルからインクを吐出させるＲｅｌｅａｓｅパルスとを有する駆動信号を２０ｋＨｚ以上の駆動周波数で前記記録ヘッドに印加して吐出を行う際、前記Ｄｒａｗパルスを印加する時点での前記ノズルのメニスカス位置の押し出し量が０より大きく、前記開口の直径の３０％以下であり、
前記Ｄｒａｗパルスを印加する時点でのノズルの外側に押し出された量に相当する液滴量をＶａとし、吐出された１滴の液滴量をＶｔとしたときに、以下の式を満足することを特徴とするインクジェット記録方法。
０＜Ｖａ≦Ｖｔ／４

９．前記圧力室の音響的共振周期の１／２が１μｓｅｃ以上、３μｓｅｃ以下であることを特徴とする前記８に記載のインクジェット記録方法。

１０．前記駆動信号は圧力波の残響をキャンセルするキャンセルパルスを含み、前記Ｄｒａｗパルスが最初に印加されることを特徴とする前記８または９に記載のインクジェット記録方法。

１１．前記ノズルは、インク吐出側から前記圧力室側に向かって断面積が徐々に大きくなるテーパー部を有することを特徴とする前記８〜１０の何れか１項に記載のインクジェット記録方法。

１２．前記テーパー部のテーパー角が６度以上であることを特徴とする前記１１に記載のインクジェット記録方法。

１３．前記テーパー部が２段の異なるテーパー角を有することを特徴とする前記１１または１２に記載のインクジェット記録方法。

１４．前記インクの粘度が５ｍＰａ・ｓ以上であることを特徴とする前記８〜１３の何れか１項に記載のインクジェット記録方法。

本発明によれば、同一のノズルから連続して安定に吐出でき、かつ吐出速度も落とすことなく高速で吐出して、高精細な画像を高速で記録しつつ、かつ、液適量も増加させることができ、その相乗効果によって生産性が高い、という相反する特徴を併せ持ったインクジェット記録装置及び記録方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、本欄の記載は請求項の技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、以下の本発明の実施の形態における断定的な説明はベストモードを示すものであって、本発明の用語の意義や技術的範囲を限定するものではない。
＜インクジェット記録装置＞
図１は、インクジェット記録装置の概略構成を示す図である。このインクジェット記録装置１において、記録媒体Ｐは、搬送機構３の搬送ローラ対３２に挟持され、更に、搬送モータ３３によって回転駆動される搬送ローラ３１により図示Ｙ方向に搬送されるようになっている。

搬送ローラ３１と搬送ローラ対３２の間には、記録媒体Ｐの記録面ＰＳと対向するように記録ヘッド２が設けられている。この記録ヘッド２は、記録媒体Ｐの幅方向に亘って掛け渡されたガイドレール４に沿って、不図示の駆動手段によって、上記記録媒体Ｐの搬送方向（副走査方向）と略直交する図示Ｘ−Ｘ’方向（主走査方向）に沿って往復移動可能に設けられたキャリッジ５に、該記録ヘッド２のノズル面が記録媒体Ｐの記録面ＰＳと対向するように配置されて搭載されており、フレキシケーブル６を介して、後述する吐出信号を発生するための回路が設けられる駆動信号発生手段としての駆動信号発生部１００（図３参照）に電気的に接続されている。

かかる記録ヘッド２は、キャリッジ５の移動に伴って記録媒体Ｐの記録面ＰＳを図示Ｘ−Ｘ’方向に移動し、この移動過程で記録媒体Ｐに向けてインク滴を吐出することによって、記録媒体Ｐの記録面ＰＳに所望のインクジェット画像が記録される。

なお、図中、７、８はインク受け器であり、記録媒体Ｐの両脇にそれぞれ配置されている。記録ヘッド２がこのインク受け器７、８上に位置している時（停止中、移動中を問わない。）に、このインク受け器７、８に向けてインク滴を少量パージするようにする。また、記録ヘッド２がホームポジションにおいて長期間作動停止している時は、図１には示されていないが、記録ヘッド２のノズル面にキャップを被せることにより保護するようになっている。

更に、本発明において、記録媒体Ｐは記録ヘッド２から吐出されるインク滴によってドット画像が記録可能であればいかなる記録媒体を用いることもでき、上述した普通紙の他にも各種の紙を使用することができる。また、その他、合成樹脂製フィルムや合成樹脂製シート、布を用いることもできる。

なお、記録媒体Ｐは、ロール体から連続状に繰り出される長尺状のものに限らず、予め所定サイズに裁断されたものであってもよい。

また、記録ヘッド２のインク滴の吐出方式としては、電気−機械変換方式（例えば、シェアモード型、シェアードウォール型等）、電気−熱変換方式（例えば、サーマルインクジェット型、バブルジェット（登録商標）型等）、静電吸引方式（例えば、電界制御型、スリットジェット型等）及び放電方式（例えば、スパークジェット型等）等を具体的な例として挙げることができるが、本発明はシェアモード型が好ましく、本発明の効果を阻害しない範囲で、静電吸引方式などの吐出方式を加えてもよい。

図２は記録ヘッド２の一例を示す図であり、図２（ａ）は一部断面で示す斜視図、（ｂ）はインク供給部を備えた状態の断面図である。また、図３はインク吐出時の作動を示す図である。

図２において、２１はインクチューブ、２２はノズル形成部材、２３はノズル、２３Ｋはインクを吐出する開口、２４はカバープレート、２５はインク供給口、２６は基板、２７は隔壁である。そして、圧力室となるチャネル（以下、圧力室ともいう）２８が、隔壁２７、カバープレート２４及び基板２６によって形成されている。

記録ヘッド２は、ここでは特に図３に詳細に示されるように、カバープレート２４と基板２６の間に、電気・機械変換手段であるＰＺＴ等の圧電材料からなる複数の隔壁２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃで隔てられたチャネル２８が多数並設されたシェアモード型の記録ヘッドを示している。このような記録ヘッド２では、隔壁２７が変形することによってチャネル２８内に圧力変化を発生させる。

図３では多数のチャネル２８の一部である３室（２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ）が示されているが、チャネル２８の数は限定されない。チャネル２８の一端（以下、これをノズル端という場合がある）はノズル形成部材２２に形成されたノズル２３につながり、他端（以下、これをマニホールド端という場合がある）はインク供給口２５を経て、インクチューブ２１によって図示されていないインクタンクに接続されている。そして、各チャネル２８内の隔壁２７表面には両隔壁２７の上方から基板２６の底面に亘って繋がる電極２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃが密着形成され、各電極２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃは駆動信号発生手段である駆動信号発生部１００に接続している。

各隔壁２７は、ここでは図３の矢印で示すように分極方向が異なる２枚の圧電材料２７ａ、２７ｂによって構成されているが、圧電材料は例えば符号２７ａの部分のみであってもよく、隔壁２７の少なくとも一部にあればよい。

圧電材料２７ａ、２７ｂに使用される圧電材料としては、電圧を加えることにより変形を生じるものであれば特に限定されず、公知のものが用いられ、有機材料からなる基板であっても良いが、圧電性非金属材料からなる基板が好ましく、この圧電性非金属材料からなる基板として、例えば成形、焼成等の工程を経て形成されるセラミックス基板、又は塗布や積層の工程を経て形成される基板等がある。有機材料としては、有機ポリマー、有機ポリマーと無機物とのハイブリッド材料が挙げられる。

セラミックス基板としては、ＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）、第三成分添加ＰＺＴがあり、第三成分としてはＰｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｍｎ_１／３Ｓｂ_２／３）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｃｏ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３等があり、さらにＢａＴｉＯ_３、ＺｎＯ、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３等を用いて形成することができる。

また、塗布や積層の工程を経て形成される基板として、例えば、ゾル−ゲル法、積層基板コーティング等で形成することができる。

圧電材料２７ａの上面には、全チャネル２８に亘って深溝部２８ａ上を覆うようにカバープレート２４が接着剤を介して接着されると共に、各チャネル２８の浅溝部２８ｂ上に、チャネル２８内へのインク流入口７７が形成されている。

カバープレート２４の接着後、ノズル２３が開設された１枚のノズル形成部材２２が接着剤を介して接着される。

カバープレート２４及び基板２６の材料は、特に限定されず、有機材料からなる基板であっても良いが、非圧電性非金属材料からなる基板が好ましく、この非圧電性非金属材料からなる基板として、アルミナ、窒化アルミニウム、ジルコニア、シリコン、窒化シリコン、シリコンカーバイド、石英、分極されていないＰＺＴの少なくとも１つから選ばれることが好ましい。有機材料としては、有機ポリマー、有機ポリマーと有機物とのハイブリッド材料が挙げられる。

また、ノズル形成部材２３の材料としては、ポリイミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、液晶ポリマー、アロマティックポリアミド樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂、ポリサルフォン樹脂等の合成樹脂のほか、ステンレス等の金属材料を用いることもできる。

各チャネル２８内には、その両側面から底面にかけて金属電極２９が形成されており、この金属電極２９は、浅溝部２８ｂを通って圧電材料２７ａの後部側表面まで延びている。各金属電極２９には、この後部側表面において異方導電性フィルム７８を介してフレキシブルケーブル６が接着されており、駆動信号発生手段１００から各金属電極２９に駆動信号を印加することにより側壁２７をせん断変形させ、その変形時の圧力によりチャネル２８内のインクをノズルプレート２２に形成されたノズル２３の開口２３Ｋから吐出するようになっている。

金属電極２９に用いられる金属としては、白金、金、銀、銅、アルミニウム、パラジウム、ニッケル、タンタル、チタンを用いることができ、特に、電気的特性、加工性の点から、金、アルミニウム、銅、ニッケルが好ましく、めっき、蒸着、スパッタで形成される。

次に、かかるインクジェット記録装置１において、本発明の特徴となる駆動方法について図３、図４及び図５を参照して説明する。ここでは、一例として、Ａ、Ｂ、Ｃの３つのチャネルに駆動信号を印加してインクを吐出する方法について図４、図５（ａ）の駆動信号と図５（ｂ）の液滴形状、メニスカス位置を参照して説明する。

図５（ａ）、（ｂ）の括弧内の数字は、それぞれ時間的に対応している。図５（ａ）において、横軸はＡＬ時間、縦軸は駆動電圧を表す。図５（ｂ）において、ノズル２３、ノズルの開口２３Ｋ、インク柱１０２、インク滴１１、メニスカスＭを示している。

各隔壁２７表面に密着形成された電極２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃに駆動信号発生部１００の制御により図４に示すような駆動信号が印加されると、以下に例示する動作によってインク滴をノズル２３の開口２３Ｋから吐出する。なお、図３ではノズルは省略してある。

シェアモード型の記録ヘッド２は、チャネル２８の隔壁２７を隣りのチャネル２８と共有するので、両側に隣接するチャネル２８からは同時には吐出できない。このため、全チャネル２８を２つおきにＡ、Ｂ、Ｃの３組のチャネル群に分割して駆動する３サイクル駆動を行うことが好ましい。また、本発明の効果を阻害しない範囲で、４、５・・・などのセットのサイクル駆動を行うことができる。

まず、電極２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃのいずれにも駆動信号が印加されない時は、隔壁２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃのいずれも変形しないが、図３（ａ）に示す状態において、電極２９Ａ及び２９Ｃを接地すると共に電極２９Ｂに駆動信号発生部１００から駆動信号を印加すると、隔壁２７Ｂ、２７Ｃを構成する圧電材料の分極方向に直角な方向の電界が生じ、各隔壁２７Ｂ、２７Ｃ共に、それぞれ隔壁２７ａ、２７ｂの接合面にズリ変形を生じ、図３（ｂ）に示すように隔壁２７Ｂ、２７Ｃは互いに外側に向けて変形し、チャネル２８Ｂの容積を拡大してチャネル２８Ｂ内に負の圧力が生じてインクが流れ込む（これを以降Ｄｒａｗパルスという）。

また、この状態を１ＡＬ時間維持した後、（ＡＬとは、チャネルの音響的共振周期の１／２であり詳しくは後述する）に電位を０に戻すと、隔壁２７Ｂ、２７Ｃは図３（ｂ）に示す膨張位置から図３（ａ）に示す中立位置に戻り、チャネル２８Ｂ内のインクに高い圧力が掛かる（Ｒｅｌｅａｓｅ）。

これによりチャネル２８Ｂを満たしているインクの一部によるノズル２３内のメニスカスがノズル２３から押し出される方向に変化する。この正の圧力がインク滴をノズル２３から吐出する程に大きくなると、ノズル２３から図４（ｂ）の（１）に示すインク滴が押し出されたメニスカス位置で、液滴の吐出方向に半円球状の液滴表面を作ると同時に、吐出方向の速度ベクトルの方向と一致させてノズル２３から吐出する。

引き続いて１ＡＬ時間維持した後に電位を逆にかけ、図３（ｃ）に示されるように、隔壁２７Ｂ、２７Ｃを互いに逆方向に変形させて、チャネル２８Ｂの容積を収縮させ、チャネル２８Ｂ内に正の圧力を生じさせ残留する圧力波をキャンセルする（Ｃａｎｃｅｌ）、そしてこの状態を１ＡＬ時間維持した後、電位を０に戻し、隔壁２７Ｂ、２７Ｃを収縮位置から中立位置に戻し、残留する圧力波をキャンセルする（Ｃａｎｃｅｌ）。

このように最初に圧力室の容積を拡大するＤｒａｗパルスを印加した後、１ＡＬ間隔で、Ｒｅｌｅａｓｅパルス、２つのＣａｎｃｅｌ（キャンセル）パルスを印加する一連の駆動方法で、きれいな自由表面を描いた液滴を吐出して、かつ、吐出後の圧力室の残響を抑えることで、次のインク滴も同様なメニスカス位置をもつことができた結果、良好な吐出サイクルが安定に可能となる。

本発明の実施様態の１つでは、このようにシェアモードで駆動する記録ヘッドの基本的な駆動法であり、Ｄｒａｗ（チャネルを拡大させる）→Ｒｅｌｅａｓｅ（元に戻す）→Ｃａｎｃｅｌ（チャネルを縮小させる）→Ｃａｎｃｅｌ（元に戻す）操作を繰り返す、いわゆるＤＲＣ駆動信号を例として説明した。

実際の例としては、例えばＡ１、Ｂ１、Ｃ１、Ａ２、Ｂ２、Ｃ２と連続のセット、この場合は３サイクルで、Ｃ１チャネルが隔壁２７Ａ、２７Ｂに囲まれ、一方、Ａ２チャネルが隔壁２７Ｂ、２７Ｃで囲まれたチャネルであるとして説明する。

本発明のメニスカス位置の押し出し量を調整して、なおかつ液適量を制御して増やすには、Ａ２チャネルから吐出する場合に、隔壁２７Ｂ、２７Ｃを外側に向けて変形させることが必要であるが、その前に、隔壁２７Ｂを右側（Ａ２チャネル側）に変形させ、その変形量を電圧で制御することで調整できる。また、変形させて発生した、押し出し位置の維持、もしくは制御は、次のＡ２チャネルの２７Ｂが変形動作を起こすまでの時間間隔を変えることで調整できる。

好ましくは、例えばＡ２から吐出する際に、Ｃ１の駆動信号によって変形して発生する圧力を変えることで、Ａ２チャネルのメニスカス位置を制御して、かつ、Ｃ１チャネルの駆動信号の終わりのタイミングとＡ２の駆動信号のＤｒａｗパルスをかけるタイミングの時間間隔を調整するのが好ましい。

Ｃ１チャネルに用いる駆動信号としては特に限定されないが、特には駆動信号の最後のパルスがＣ１チャネルにとって収縮するパルス、つまり隔壁２７Ｂが左（Ｃ１チャネル側）に「く」の字に変形後に右側（Ａ２チャネル側）に戻って中立の状態になる信号の電圧を変化させて調整しつつ、しかもＣ１チャネルの吐出自身の残響圧力をキャンセルさせてしまうように、図４（ａ）のような、Ｃａｎｃｅｌパルス−Ｃａｎｃｅｌパルス間が１ＡＬになるタイミングを選んでかけるのが好ましい。

特に好ましいのは、この要件をたもちつつＣ１、Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、とチャネルの駆動信号が連続で同じであるのが非常に好ましい。

また、好ましくは、前述のＤＲＣ駆動信号で、キャンセルの電位の大きさが、Ｄｒａｗに対して０．６〜１．０が速度の安定性から好ましい。

更に本発明の効果を損なわない範囲であれば、後述のＤＲＲ駆動信号にキャンセル部分のパルスを組み合わせて用いることができる。

大切なのはこれらを適宜調整して、本発明になるメニスカス位置を調整することである。一方、図６（ａ）は、図４に示す駆動信号（図６（ｂ）にも示す）を２０ｋＨｚ以上の駆動周波数で繰り返し印加した際の、開口の直径２５μｍのノズル内のメニスカスの押し出し量の様子を示している。図６（ｂ）における点線は、図示されている駆動信号が繰り返し印加されることを示している。なお、図６の（ａ）と（ｂ）における時間軸は一致している。

図６より、Ｄｒａｗパルスを加えるタイミングでメニスカスの位置が膨らんでいて、本発明のノズルのメニスカス位置の押し出し量が約５μｍとなっていて、ノズルの開口の直径の３０％以下となっていることがわかる。

ここで、本発明におけるノズルの開口の直径とは、ノズルのインク吐出側先端の開口の直径を意味し、開口の断面が円形の場合はその直径である。断面が矩形、楕円、長円等の非円形である場合の直径は、断面積が等しい円に置き換えた場合の直径とする。

このように、鋭意検討した結果、本発明の、高速であってそれによる生産性のアップを望むには、メニスカス押し出し量を本発明の範囲にして、引き込みの慣性量と吐出タイミング、次に影響する残響の減少の三つを同時に達成しなければならないということが判明した。そこで鋭意検討した結果、本発明の技術に至ったのである。

このように、本発明では、駆動信号を印加し吐出する際のＤｒａｗパルス印加時のノズルのメニスカス位置の押し出し量が０より大きく、ノズルの開口の直径の３０％以下であって、好ましくは２０％以下、さらに好ましくは５％〜２０％が吐出時の速度アップがしやすく好ましい。押し出し量が０以下、つまり引き込んだ状態では吐出までの時間が、高速駆動では無視できないタイムラグとなり、安定に高速で吐出できないので本発明には含まない。

ここで、押し出し量とは、駆動信号でＤｒａｗパルス印加時（印加直前）に観察されるノズル先端からのメニスカスの位置の値である。ノズルからのメニスカスの押し出し量は、例えば、ＫＥＹＥＮＣＥ社製デジタルマイクロスコープ「ＶＨ−６３００」を用いてストロボ同期により測定することができる。押し出し量は、図１２に示すように、メニスカスＭの略ノズルの中央部におけるノズル先端からの突出量を、ノズル形成部材と略垂直方向に測定した値である。

本発明は、Ｄｒａｗパルス印加時のノズルの外側に押し出された溢れ量に相当する液適量をＶａとし、該溢れ量を含め吐出された１滴の液適量をＶｔとしたときに、以下の式を満足することが好ましい。
０＜Ｖａ≦Ｖｔ／４
Ｖａ、Ｖｔは、実験やシミュレーション等によって求めることができる。

本実施形態のせん断モード型ヘッドでのＶａは、次の定義によって求めたものである。Ａ、Ｂ、Ｃチャネルの３ｃｙｃｌｅ駆動で連続して２０ｋＨｚ以上の駆動周波数で吐出したときの１滴の液適量がＶｔであり、単独で、例えばＡ、Ｂ、Ｃのうち、Ａチャネルだけを駆動して、１滴吐出した場合の液適量をＶ１としたとき
Ｖａ＝Ｖｔ−Ｖ１
で求められる。

高精細記録から、Ｖａは、より好ましくはＶｔ／１６以上Ｖｔ／８以下である。溢れ量が０以下、つまり引き込んだ状態では吐出までの時間が、高速駆動では無視できないタイムラグとなり、安定に高速で吐出できないので本発明には含まない。

本発明のメニスカス位置にするには、インクの表面張力、慣性、駆動周波数、その圧力室自身のＡＬ、ノズルの抵抗、そして圧力室の圧力の減衰のしやすさを変えることで適宜調整できる。

ノズルの開口の直径は大きくすればメニスカス位置は３０％以下に調整しやすいが、あまり直径を大きくするとノズルの抵抗が小さくなるが、吐出後の圧力波の残響が減衰しにくくなり、トータルの安定性は連続吐出では低下してしまう。そのため、ノズルの開口の直径は１０〜３０μｍが好ましい。

またノズルのインク吐出方向の長さは、ノズル抵抗を増やすので、圧力波の減衰からは長いほうが好ましく３０μｍ以上であるが、あまり長いとＡＬが長くなり駆動周波数が高いときのメニスカス位置の押し出し量が３０％を超えてしまうので８０μｍ以下が好ましくい。

また、ノズルは、図２に示すようにインク吐出側から圧力室側に向かって断面積が徐々に大きくなるテーパー部を有することが好ましく、テーパー部のテーパー角を小さくすることで、ノズル抵抗を大きく増やし、かつ同時に圧力波の減衰を早めることにより３０％以下に設計することができる。

ただし、テーパー角を６度以上にすることで、駆動電圧を下げることができ、かつ記録ヘッド総量での発熱が少なくなるので、テーパー角度は好ましくは、６度〜１０度である。

同様に、漏斗型のような、二段の異なるテーパー角を有するテーパー部にすることで、ノズル抵抗を下げ押し出し量を増やす方向に調整できる。いずれのテーパー角も６度以上が好ましい。

適宜、ノズルの開口の直径、テーパー角度、漏斗型を組み合わせることでメニスカスの押し出し量を調整できるのである。漏斗型のような、二段の異なるテーパー角を有するノズルにすることで、駆動電圧を結果的に下げることができ記録ヘッド総量での発熱が少なくなるので好ましい。

一方、圧力室のチャネル長（図２におけるＬ）を長くしても、抵抗は大きくなるのでそれによってメニスカス位置を調整することもできるが、ＡＬも変化してしまうので、チャネル長は１ｍｍ〜２ｍｍが高周波駆動でも押し出し量を３０％以下に適宜、安定に調整でき好ましい。

また、チャネルの断面積（図２のＤと図３のＷの積）を小さくしても、抵抗は大きくなるので押し出し量を調整できるが、チャネル長よりも乗数で増加しＡＬには比較的影響しないので、駆動電圧から好ましくは、高さ（図２のＤ）は１５０〜３５０μｍ、幅（図３のＷ）は７０〜９０μｍが好ましい。ただし、慣性は断面積が小さくなると同じように小さくなるので、適宜、これらパラメーターを調整し、本発明のメニスカス位置を３０％以内の押し出し量にすることが必要である。

インクの表面張力は２０〜４０ｄｙｎ／ｃｍが、２０ｄｙｎ／ｃｍ以上でメニスカス位置が安定しやすく好ましい。４０ｄｙｎ／ｃｍを超えると高周波駆動における高速吐出時に、吐出後の微小液滴やしぶきができやすく液適量が安定しにくくなる場合がある。

インク粘度を５ｍＰａ・ｓ以上にすることで、吐出時のしぶき（微小液滴）の発生が抑えられ、高精細な印字ができ好ましい。

シェアモード型の記録ヘッドであることでノズルを多数配置したヘッドを作ることができ、生産性から優位であり好ましい。

駆動周波数は好ましくは生産性から２５ｋＨｚ以上、かつメニスカス位置を安定に３０％以下にするためにも４０ｋＨｚ以下が好ましい。４０ｋＨｚを超えるとメニスカス位置が連続で制御しにくくなる場合がある。

記録ヘッドの圧力室の音響的共振周期の１／２であるＡＬは、好ましくは１μｓｅｃ以上、３μｓｅｃ以下、より好ましくは２μｓｅｃ以下が高速駆動ができ生産性が高く好ましい。

ここで、ＡＬ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｌｅｎｇｔｈ）とは、チャネルの音響的共振周期の１／２である。このＡＬは、電気・機械変換手段である圧電材料で構成された隔壁２７に矩形波の電圧パルスを印加して吐出するインク滴の速度を測定し、矩形波の電圧値を一定にして矩形波のパルス幅を変化させたときに、インク滴の飛翔速度が最大になるパルス幅として求められる。また、パルス幅とは、電圧の立ち上がり１０％と立ち下がり１０％との間の時間と定義する。さらに、ここで矩形波とは、電圧の１０％と９０％との間の立ち上がり時間、立ち下がり時間のいずれもがＡＬの１／２、好ましくは１／４以内であるような波形を指す。

駆動信号としては、つまり３サイクル駆動で、５ＡＬ間隔でインクを吐出するのが好ましい。

矩形波は、電圧の立ち上がり、立ち下がりが急激なため、これが傾斜状となる台形波よりインクの圧力変動が大きくなるように思われるが、実際は、本実施形態に示す記録ヘッド２は、チャネル２８を構成する隔壁２７を圧電材料により構成し、この隔壁２７をせん断変形させることによりインク滴をノズル２３から吐出させるための圧力を作り出すシェアモード型の記録ヘッドであるため、発生した圧力波の共振を利用して吐出するので、せん断変形する隔壁２７の変位量はｎｍオーダーで済み、伸縮モードで作動する積層型圧電素子で振動板を変形させるタイプの記録ヘッドに比べて、チャネル２８の変形は１／１０〜１／１００と極めて小さい。このため、矩形波を使用して隔壁２７を急激に変位させても、メニスカスが上記積層型のように大きく振動することはなく、空気を吸い込んだり、メニスカス振動の静定に時間がかかるような問題はない。

また、矩形波を使用すると、台形波に比べて、電圧の立ち上がり、立ち下がり傾斜が急なので、駆動信号の長さが半分以下と短くて済む。

更に、矩形波は、簡単なデジタル回路を用いることで容易に生成可能であるため、傾斜波を有する台形波を用いるものに比べ、回路構成も簡素化できる利点がある。

本発明の溢れ量に相当する液適量Ｖａが前記式を満足するようにするには、メニスカスの押し出し量の調整と同様にインクの粘度、慣性、駆動周波数、その圧力室自身のＡＬ、ノズルの抵抗、そして圧力室の圧力を変えることで、前述の押し出し量の調整と同様な方法で適宜調整できる。

一方、従来技術の第一例を図７、図８に示す。本発明とは異なり、メニスカス位置が３０％を越えた状態（図８で、Ｄｒａｗパルス印加時の押し出し量は約１１μｍであり、ノズルの開口の直径２５μｍの約４４％）で、ＤＲＣ駆動を行った場合は、Ｄｒａｗ時のインク液適量の慣性が大きく、かつノズル抵抗が大きいために、液滴の吐出のための適切な液滴形状の作成ができないので吐出に必要な速度ベクトルを合わせることができず、ノズルから液滴が溢れるだけで吐出できない。また溢れてしまった液滴により当然連続吐出できなくなってしまう。

更に、メニスカスが押し出されていない従来技術の第二例についても図９、図１０に説明する。

図９（ａ）に示すような駆動信号いわゆるＤＲＲ（Ｄｒａｗ−Ｒｅｌｅａｓｅ−Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅ）方式を印加すると、前述の実施例と同様に図３（ｂ）に示すように隔壁２７Ｂ、２７Ｃは互いに外側に向けて変形し、チャネル２８Ｂの容積を拡大してチャネル２８Ｂ内に負の圧力が生じてインクが流れ込む（Ｄｒａｗ）。また、この状態を１ＡＬ時間維持した後、電位を０に戻して図３（ｂ）に示す膨張位置から図３（ａ）に示す中立位置に戻し、チャネル２８Ｂ内のインクに高い圧力を掛ける（Ｒｅｌｅａｓｅ）。引き続いて図３（ｃ）に示すように逆方向に変形するように駆動信号を印加して、チャネル２８Ｂの容積を収縮させると、チャネル２８Ｂ内に正の圧力が生じる（Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅ）。

これによりチャネル内のインクの一部によるノズル２３内のメニスカスがノズル２３から押し出されてインク滴がノズル２３から吐出する。この状態を２ＡＬ時間維持した後、電位を０に戻し、隔壁２７Ｂ、２７Ｃを収縮位置から中立位置に戻し、残留する圧力波をキャンセルする（Ｃａｎｃｅｌ）。

図９（ｂ）、（ｃ）は、図９（ａ）のＤＲＲ駆動信号で駆動周波数を２０ｋＨｚよりも低くして非常に遅くした場合である。しかし、前述の実施例における図５と異なり、Ｄｒａｗ時のタイミングでは、メニスカス位置が引き込まれており、インクの慣性が少ない。そのためか液滴が形成されるまでの液滴の尾長さが長くなり、さらにタイミングがずれたことで残響が残り、結局吐出後のメニスカスが形成されず液ダマリとなり、次のインクが連続で安定に吐出できないので本発明の効果を得ることができない。

ちなみに、ここで記述したように、ノズル面に溢れ、かつ付着した状況での表面の高さは、本発明の押し出し量には含まない。また、同様に溢れ量にも含まない。

一方、本発明ではない駆動周波数が１５ｋＨｚの例を示す。

図９（ｂ）、（ｃ）のように一応吐出できるが、高速で吐出しているわけではなく、当然本発明の高速の生産性を達成できず役に立たないのは自明の理である。

（実施例１）
記録ヘッド、プリントの仕様、用いたインクは以下記す。図２に示すシェアモード型の記録ヘッド（チャネル長１．５ｍｍ、ＡＬ＝３μｓｅｃ、テーパー角６度、ノズルピッチ：１８０ｄｐｉ、ノズル数：２５６、ノズルの開口の直径：２５μｍ、インク滴量：４ｐｌ）を２つ用意し、各ヘッドのノズル列が、相互に１／２ピッチずらされ、千鳥状に配置するように貼り合わせ各ヘッドのそれぞれが１８０ｄｐｉのヘッドであるので、ノズルのピッチを互いに１／２ずらせることで、３６０ｄｐｉの記録ヘッドを作製した。評価は３Ｃｙｃｌｅ駆動で吐出した。

使用したインクは粘度１０ｍＰａ・ｓのアクリル系紫外線硬化インク（５０℃における測定値）、表面張力２８ｄｙｎ／ｃｍ（２５℃における測定値）。駆動信号は、図５に示すＤＲＣ駆動信号を用い、駆動周波数は２２ｋＨｚとした。

記録ヘッド移動速度：１０５ｃｍ／ｓｅｃ
記録媒体とノズル面のギャップ間隔：１．０ｍｍ
基準のインク滴の初速度：６ｍ／ｓｅｃ
評価項目は、吐出の精度、安定に吐出できる速度の上限である生産性とした。
＜吐出の精度＞
記録ヘッドを主走査方向に移動させながら、その吐出間隔（画像データを間引いた状態の駆動周波数）とインク滴の液滴量を変えた条件で、静止した記録媒体にインク滴を吐出し、その時の主走査方向の記録媒体上のドット間の間隔を経時的に調べた。なお、正規のドット間隔は、記録ヘッドの移動速度と駆動周波数から求められるので、その定常状態に対するずれを調べた。

なお、判断基準は以下の通りである。△でも実用上問題ないが○が好ましい。
○：ドット間隔が定常状態の１．２５倍以下
△：ドット間隔が定常状態の１．２５倍を越えて１．７５倍未満
×：ドット間隔が定常状態の１．７５倍以上か吐出不可
＜生産性＞
インク滴の初速度は６ｍ／ｓｅｃで、駆動周波数を上げて行き、安定に吐出できる、しぶき、ノズル欠などが起こらない最高駆動周波数を評価した。△でも実用上問題ないが○が好ましい。
○：２５ｋＨｚ以上でも吐出可能
△：２０〜２５ｋＨｚで吐出可能
×：２０ｋＨｚ未満以上でも吐出可能ドット間隔が定常状態の１．７５倍、以上か吐出不可。

また、ノズルのメニスカス位置の押し出し量を前述の方法により測定し、ノズルの開口の直径に対する比率を評価した。

（比較例１）
ノズルの開口の直径が２７μｍである以外は実施例１と同じヘッドを作製し、実施例１と同様にして評価した。

（比較例２）
実施例１と同じヘッドで駆動周波数を１６ｋＨｚで駆動した以外は実施例１と同様にして評価した。

以上の結果を表１に記す。

（実施例２）
ＡＬが２．５μｓｅｃ、ノズルの開口の直径を２２μｍである以外は実施例１と同じヘッドを作製し、駆動周波数を２７ｋＨｚで駆動した以外は実施例１と同様にして評価した。

（実施例３）
ＡＬが２．５μｓｅｃである以外は実施例１と同じヘッドを作製し、駆動周波数を２７ｋＨｚで駆動した以外は実施例１と同様にして評価した。

（比較例３）
ＡＬが２．５μｓｅｃ、ノズルの開口の直径を２８μｍである以外は実施例１と同じヘッドを作製し、駆動周波数を２７ｋＨｚで駆動した以外は実施例１と同様にして評価した。

以上の結果を表２に記す。

（実施例４）
ＡＬが２．５μｓｅｃであるである以外は実施例１と同じヘッドを作製し、駆動周波数を３０ｋＨｚで駆動した以外は実施例１と同様にして評価した。

結果を表３に記す。

（実施例５）
記録ヘッドのノズルがテーパー７度である以外は実施例１と同じヘッドを作製し、駆動周波数を２７ｋＨｚで駆動した以外は実施例１と同様にして評価した。

（実施例６）
記録ヘッドのノズルが、インク吐出側のテーパー５度と圧力室側のテーパー角４５度の２段漏斗型とした以外は実施例１と同じヘッドを作製し、駆動周波数を２７ｋＨｚで駆動した以外は実施例１と同様にして評価した。

テーパー角６度の実施例３の結果も併せて結果を表３に記す。

ただし駆動電圧は、実施例３が２０Ｖに対し、実施例５は２４Ｖで、実施例３のほうが好ましかった。また実施例６のように、更に漏斗型とすると、駆動電圧は１８Ｖで特に好ましかった。

（実施例７）
ＡＬが２．５μｓｅｃである以外は実施例１と同じヘッドを作製し、駆動周波数を２４ｋＨｚで駆動し、以下の評価項目を加えた以外は実施例１と同様にして評価した。

Ｄｒａｗパルスを印加する時点でのノズルの外側に押し出された量に相当する液適量をＶａと、吐出された１滴の液適量をＶｔとしたときのＶａを測定し、ＶａとＶｔの比を調べた。また、以下の評価基準でしぶきの評価を行った。
＜しぶきの評価＞
しぶきが起こらないきれいな吐出であるかをＹ、Ｍ、Ｃ、Ｋで文字を最大濃度で印刷して目視評価した。△でも実用上問題ないが○が好ましい。
○：目視ではみえない。
△：目視でやや見える。
×：目視で目立つ
（実施例８）
ノズルの開口の直径を２３μｍである以外は実施例７と同じヘッドを作製し、実施例７と同様にして評価した。

（実施例９）
ノズルの開口の直径を２７μｍである以外は実施例７と同じヘッドを作製し、駆動周波数を２１ｋＨｚで駆動した以外は実施例７と同様にして評価した。

実施例７〜９では、ノズルの開口の直径を変えても、押し出し量がほとんど同じくらいとなるようにして駆動周波数を調整し評価した。

結果を表５に記す。

０＜Ｖａ≦Ｖｔ／４の関係を満たす実施例７、９は、満たさない実施例８に比較してしぶきが少ないことがわかる。

以上の表１〜表５より本発明の実施例は、比較例に比べて吐出精度、生産性に優れることが判る。

ノズルのメニスカス位置の押し出し量のノズルの開口の直径に対する比率が２０％以下の範囲にある実施例２、実施例５は、２０％を超えて３０％以下のその他の実施例に比べて吐出精度が高い事が判る。

インクジェット記録装置を示す図 記録ヘッドの一例を示す図であり、（ａ）は一部断面で示す斜視図、（ｂ）はインク供給部を備えた状態の断面図 インク吐出時の作動を示す図 本発明のＤＲＣ駆動方法を示す図 本発明のＤＲＣ駆動方法とメニスカス位置を示す図 本発明のＤＲＣ駆動方法とメニスカス押し出し量を示す図 従来のＤＲＣ駆動方法とメニスカス位置を示す図 従来のＤＲＣ駆動方法とメニスカス押し出し量を示す図 従来のＤＲＲ駆動方法とメニスカス位置を示す図 従来のＤＲＲ駆動方法とメニスカス押し出し量を示す図 （ａ）は各インク滴によって形成される理想的なドット間隔を示す図、（ｂ）は吐出安定性が劣ったときのドット間隔を示す図 メニスカスの押し出し量を示す図

符号の説明

１ インクジェット記録装置
２ 記録ヘッド
３ 搬送機構
４ ガイドレール
５ キャリッジ
６ フレキシケーブル
７、８ インク受け器
２１ インクチューブ
２２ ノズル形成部材
２３ ノズル
２４ カバープレート
２５ インク供給口
２６ 基板
２７ 隔壁
２８ チャネル
３１ 搬送ローラ
３２ 搬送ローラ対
３３ 搬送モータ
１００ 駆動信号発生部
Ｐ 記録媒体
ＰＳ 記録面

Claims (14)

1. インクを吐出する開口を有するノズルに連通する圧力室が複数隣接し、駆動信号の印加により前記圧力室の容積を変化させる電気・機械変換手段を備える記録ヘッドを有するインクジェット記録装置であって、
   前記圧力室の容積を拡大するためのＤｒａｗパルスと、該Ｄｒａｗパルスの後に前記圧力室の容積を元に戻して前記ノズルからインクを吐出させるＲｅｌｅａｓｅパルスとを有する駆動信号を２０ｋＨｚ以上の駆動周波数で前記記録ヘッドに印加して吐出を行う際、前記Ｄｒａｗパルスを印加する時点での前記ノズルのメニスカス位置の押し出し量が０より大きく、前記開口の直径の３０％以下であり、
   前記Ｄｒａｗパルスを印加する時点でのノズルの外側に押し出された量に相当する液滴量をＶａとし、吐出された１滴の液滴量をＶｔとしたときに、以下の式を満足することを特徴とするインクジェット記録装置。
   ０＜Ｖａ≦Ｖｔ／４
2. 前記圧力室の音響的共振周期の１／２が１μｓｅｃ以上、３μｓｅｃ以下であることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録装置。
3. 前記駆動信号は圧力波の残響をキャンセルするキャンセルパルスを含み、前記Ｄｒａｗパルスが最初に印加されることを特徴とする請求項１または２に記載のインクジェット記録装置。
4. 前記ノズルは、インク吐出側から前記圧力室側に向かって断面積が徐々に大きくなるテーパー部を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のインクジェット記録装置。
5. 前記テーパー部のテーパー角が６度以上であることを特徴とする請求項４に記載のインクジェット記録装置。
6. 前記テーパー部が２段の異なるテーパー角を有することを特徴とする請求項４または５に記載のインクジェット記録装置。
7. 前記インクの粘度が５ｍＰａ・ｓ以上であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のインクジェット記録装置。
8. インクを吐出する開口を有するノズルに連通する圧力室が複数隣接し、駆動信号の印加により前記圧力室の容積を変化させる電気・機械変換手段を備える記録ヘッドを用いたインクジェット記録方法であって、
   前記圧力室の容積を拡大するためのＤｒａｗパルスと、該Ｄｒａｗパルスの後に前記圧力室の容積を元に戻して前記ノズルからインクを吐出させるＲｅｌｅａｓｅパルスとを有する駆動信号を２０ｋＨｚ以上の駆動周波数で前記記録ヘッドに印加して吐出を行う際、前記Ｄｒａｗパルスを印加する時点での前記ノズルのメニスカス位置の押し出し量が０より大きく、前記開口の直径の３０％以下であり、
   前記Ｄｒａｗパルスを印加する時点でのノズルの外側に押し出された量に相当する液滴量をＶａとし、吐出された１滴の液滴量をＶｔとしたときに、以下の式を満足することを特徴とするインクジェット記録方法。
   ０＜Ｖａ≦Ｖｔ／４
9. 前記圧力室の音響的共振周期の１／２が１μｓｅｃ以上、３μｓｅｃ以下であることを特徴とする請求項８に記載のインクジェット記録方法。
10. 前記駆動信号は圧力波の残響をキャンセルするキャンセルパルスを含み、前記Ｄｒａｗパルスが最初に印加されることを特徴とする請求項８または９に記載のインクジェット記録方法。
11. 前記ノズルは、インク吐出側から前記圧力室側に向かって断面積が徐々に大きくなるテーパー部を有することを特徴とする請求項８〜１０の何れか１項に記載のインクジェット記録方法。
12. 前記テーパー部のテーパー角が６度以上であることを特徴とする請求項１１に記載のインクジェット記録方法。
13. 前記テーパー部が２段の異なるテーパー角を有することを特徴とする請求項１１または１２に記載のインクジェット記録方法。
14. 前記インクの粘度が５ｍＰａ・ｓ以上であることを特徴とする請求項８〜１３の何れか１項に記載のインクジェット記録方法。

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