JP2013525159A - プリントヘッド液体チャンバに被さる刺激器／フィルタ装置 - Google Patents

Abstract

噴射モジュール（４８）は、ノズルプレート（４９）と、熱刺激膜（１００）と、エンクロージャとを含む。ノズルプレートの一部は、ノズル（５０）の輪郭を構成する。熱刺激膜は複数の細孔（１１０）を含む。エンクロージャは、ノズルから熱刺激膜に向かって延びて、ノズルと熱刺激膜との間に位置する液体チャンバ（５３）の輪郭を構成する。液体チャンバは、各ノズル及び複数の細孔と流体連通する。液体チャンバには、熱刺激膜の一部が被さって位置する。供給源は、熱刺激膜から液体を加圧状態で提供し、その加圧状態の圧力は、液体が熱刺激膜を通って流れた後で、その液体の流れを噴出する十分な圧力である。

Description

本発明は、概してデジタル制御されたプリンタシステムに関し、特に、前記システムのプリントヘッドのノズルから後に放出される液体に対する刺激及びフィルタリング処理に関する。

従来、デジタル制御されたカラー印刷機能は、２つの技術のうちの一方によって実現されている。インクは、プリントヘッド内に形成された流路から供給される。各流路はノズルを含み、このノズルからインクの液滴飛沫が選択的に押し出されて媒体上に付着する。一般に、各技術は、印刷に使用されるインクの色ごとに個別のインク送出システムを必要とする。通常、減法混色の三原色、すなわち、シアン、イエロー、及びマゼンタが用いられる。これは、これら３つの色が、一般に、数百万に及ぶ色合いや配色を生成できるためである。

第１の技術は、一般に「液滴飛沫オンデマンド式」インクジェット印刷と呼ばれており、加圧アクチュエータ（熱式、圧電式等）を用いて選択的にインク液滴飛沫を供給して記録面に衝突させるものである。アクチュエータの選択的作動により、インク液滴飛沫の形成及び噴射が行われ、このインク液滴飛沫がプリントヘッドと印刷媒体の間の空間を越えて印刷媒体に衝突する。印刷画像の形成は、所望の画像を生成するために求められる通りに、インク液滴飛沫の個別形成を制御することによって達成される。一般に、各流路内の僅かな負圧は、ノズルからインクが不用意に漏れ出すことを防ぐと共に、ノズルに若干窪んだメニスカスを形成するため、ノズルをクリーンな状態に維持することに役立つ。

従来の液滴飛沫オンデマンド式インクジェットプリンタは、熱アクチュエータ又は圧電アクチュエータを利用して、プリントヘッドの開口部にインクジェット液滴飛沫を生成する。熱アクチュエータの場合、従来の位置に配置された加熱器がインクを加熱して、局在量のインクにガス状の蒸気泡への相変化を引き起し、この蒸気泡によって、内部インク圧力が十分に上昇することで、インク液滴飛沫が放出される。圧電アクチュエータでは、機械的力によってインク液滴飛沫が放出される。

第２の技術は、一般に「連続流」又は単に「連続」インクジェット印刷と呼ばれており、インク液滴飛沫の連続流を生成する、加圧されたインク供給源を利用するものである。従来、インク液滴飛沫は、選択的に荷電される。偏向電極が、帯電したこれらの飛沫の向きを変えて、帯電していない液滴飛沫の飛行経路とは異なる飛行経路に沿って送り出す。偏向された液滴飛沫、又は偏向されていない液滴飛沫のいずれかを利用して、受液媒体への印刷を行うことができ、利用されなかった方の液滴飛沫は、インク捕捉機構（キャッチャ、分離器、トイ等）に移動してリサイクルされるか、又は廃棄される。１９３３年１２月２６日に発行されたハンセル（Ｈａｎｓｅｌｌ）による特許文献１、及び１９６８年３月１２日に発行されたスウィート（Ｓｗｅｅｔ）らによる特許文献２は、印刷されるインク液滴飛沫が選択的に荷電されて記録媒体に向かって偏向される、連続インクジェットノズルの配列をそれぞれ開示している。

他の形式の連続インクジェット印刷では、例えば、２００２年１２月１０日に発行されたジャンメール（Ｊｅａｎｍａｉｒｅ）による特許文献３に記載されるように、プリントヘッドの各種のノズルに刺激装置が対応付けられる。前記特許文献３は、本願と同一の出願人によるものであり、本願に引用して援用する。前述の刺激装置は、制御手段によって刺激装置に供給される液滴形成波形に応じて、対応する一つ又は複数のノズルから顕現する液体流を撹乱する。この撹乱は、液体流からの液滴の分離を開始させる。異なる波形を利用することで、液滴体積が異なる複数種類の液滴を形成できる。刺激装置に供給された波形の制御されたシーケンスによって一連の液滴が生じ、これらの液滴の体積が、使用した波形によって制御される。液滴偏向装置が液滴に力を印加することで、液滴の軌道が液滴のサイズに基づいて分離するように仕向ける。液滴の軌道のうちのいくつかが印刷媒体に衝突できる一方で、残りがキャッチャ又はトイによって捉えられる。

米国特許第１，９４１，００１号明細書 米国特許第３，３７３，４３７号明細書 米国特許第６，４９１，３６２号明細書 米国特許第６，０７９，８２１号明細書 米国特許出願第２００８／００４３０６２号明細書

従来の熱刺激装置は、液体流からの液滴の分離を開始させる点では効果的であるが、刺激の大きさは比較的小さくなり得る。特定の状況では、より大きい刺激を利用することが求められる。このため、現時点において、連続プリンタシステムに利用するのに適した、より大きい刺激を提供できる熱刺激アクチュエータを求める要望がある。

本発明の一態様によれば、噴射モジュールは、ノズルプレート、熱刺激膜、及びエンクロージャを含む。ノズルプレートの一部がノズルの輪郭を構成する。熱刺激膜は複数の細孔を含む。エンクロージャは、ノズルから熱刺激膜に向かって延びて、ノズルと熱刺激膜の間に位置する液体チャンバの輪郭を構成する。液体チャンバは、ノズル及び複数の細孔とそれぞれ流体連通する。液体チャンバの上に、熱刺激膜の一部が被さる。供給源は、熱刺激膜から圧力のかかった状態で液体を供給し、前記圧力は、液体が熱刺激膜を通って流れた後で、ノズルから液体流を噴射する十分な圧力である。

本発明に従って作製された印刷システムの実施形態例を簡略化して示す模式的ブロック図である。 本発明に従って作製された連続プリントヘッドの実施形態例を示す模式図である。 本発明に従って作製された連続プリントヘッドの実施形態例を示す模式図である。 本発明に従って作製された噴射モジュールを断面で示す模式的側面図である。 図４Ａの噴射モジュールの模式的斜視図である。 本発明の実施形態例に係る熱刺激膜の動作を模式的に表現した図である。 本発明の他の実施形態例に係る熱刺激アクチュエータの模式的上面図である。 本発明の他の実施形態例に係る熱刺激アクチュエータの模式図である。 本発明の他の実施形態例に係る熱刺激アクチュエータの模式図である。 本発明の他の実施形態例に係る熱刺激アクチュエータの模式図である。

下記に提示する本発明の実施形態例の詳細な説明では、付属の図面を参照しながら説明を行う。

本明細書は、特に、本発明に係る装置の一部を構成する要素、又はより直接的に前記装置と協働する要素を対象として記述される。具体的な図示又は記載のない要素は、当業者に周知の各種の形式を取り得ることは理解されよう。下記の説明及び図面では、可能な限り同じ参照番号を用いて同一の要素を示した。

本発明の実施形態例は、模式的に図示され、判り易くするために拡大縮小されている。当業者であれば、本発明の実施形態例の要素の具体的な寸法、及び要素間の接続関係を容易に特定できるであろう。

本明細書で説明するように、本発明の実施形態例によって、一般にインクジェット印刷システムで用いられるプリントヘッド又はプリントヘッド構成要素が提供される。ただし、多くの他の用途も顕現し、このような用途では、精密な計量と、高い空間精度での付着とが必要とされる液体（インク以外）の放出にインクジェットプリントヘッドが用いられる。したがって、本明細書において、「液体」及び「インク」の用語は、後述するプリントヘッド又はプリントヘッド構成要素によって放出され得る任意の材料を表す。

図１を参照すると、連続印刷システム２０は、スキャナやコンピュータ等の画像供給元２２を含み、この画像供給元２２は、ラスタ画像データ、ページ記述言語の形式のアウトライン画像データ、又は他の形式のデジタル画像データを提供する。画像データは、画像処理装置２４によって、中間諧調のビットマップ画像データに変換され、この画像処理装置２４もメモリ内に画像データを格納する。複数の液滴形成装置制御回路２６が、画像メモリからデータを読み取り、プリントヘッド３０の一つ以上のノズルに対応付けられた一つ又は複数の液滴形成装置２８に時変電気パルスを付与する。これらの電気パルスが、適切な時間に適切なノズルに提供されることで、連続インクジェット流から形成された液滴は、画像メモリ内のデータによって指定された適切な位置において、記録媒体３２上にスポットを形成する。

記録媒体３２は、記録媒体搬送システム３４によってプリントヘッド３０に対して相対移動され、記録媒体搬送システム３４は、記録媒体搬送制御システム３６によって電子的に制御されることに加え、記録媒体搬送制御システム３６が、更に、マイクロコントローラ３８によって制御される。図１に示した記録媒体搬送システムは概略のみであり、多くの異なる機械構成を利用することができる。例えば、転写ローラを記録媒体搬送システム３４として利用して、記録媒体３２へのインク液滴の転写を容易にすることができる。このような転写ローラ技術は、この分野において周知である。ページ幅プリントヘッドの場合、最も都合がよいのは、記録媒体３２を動かして、静止したプリントヘッドを通過させることである。ただし、走査型印刷システムの場合は、プリントヘッドを一つの軸（副走査方向）に沿ってプリントヘッドを動かし、相対ラスタ動作における直交軸（主走査方向）に沿って記録媒体を動かすことが、通常、最も好都合である。

インクは、加圧状態でインク貯留槽４０に収容される。非印刷状態において、連続インクジェット液滴の流れは、その流れをブロックするインクキャッチャ４２により、記録媒体３２に到達することができない。また、このインクキャッチャ４２よって、インクの一部をインクリサイクルユニット４４でリサイクルすることができる。インクリサイクルユニットは、インクを再生して貯留槽４０に送り返す。このようなインクリサイクルユニットは、この分野で周知である。最適な動作に適したインク圧力は、ノズルの形状及び熱特性、並びにインクの熱特性を含むいくつかの要因に左右される。一定のインク圧力は、インク圧力調整機４６の制御下でインク貯留槽４０に圧力を加えることによって達成できる。これに代えて、インク貯留槽は、非加圧状態のままであっても、又は、減圧（真空）状態であってもよく、ポンプを利用して、インク貯留槽からプリントヘッド３０に加圧状態でインクを送り出す。このような実施形態において、インク圧力調整機４６は、インクポンプ制御システムを含んでよい。図１に示すように、キャッチャ４２は、一般に「刃形」キャッチャと呼ばれるタイプのキャッチャである。

インクは、インク流路４７を介してプリントヘッド３０に分配される。リンクは、プリントヘッド３０のシリコン基板にエッチングされた溝又は穴から、複数のノズルが配設されたプリントヘッド３０の前面まで流れることが好ましい。プリントヘッド３０がシリコン製である場合、液滴形成機構制御回路２６は、プリントヘッドと一体に形成することができる。プリントヘッド３０は、図２及び図３を参照して下記でより詳しく説明する偏向機構も含む。

図２を参照すると、連続液体プリントヘッド３０の模式図が示されている。プリントヘッド３０の噴射モジュール４８は、ノズルプレート４９に形成されたノズル５０の配列、又は複数のノズル５０を含む。図２において、ノズルプレート４９は、噴射モジュール４８に貼り付けられる。ただし、図３に示すように、ノズルプレート４９は、噴射モジュール４８と一体に形成されてもよい。

液体、例えば、インクは、配列の各ノズルから加圧状態で放出されて、液体５２の流れを形成する。図２において、配列又は複数のノズルは、図の内外に延びる。

噴射モジュール４８は、各ノズルから、第１のサイズ又は体積を持つ液体の液滴、及び第２のサイズ又は体積を持つ液体の液滴を形成するように動作できる。これを達成するために、噴射モジュール４８は液滴刺激又は液滴形成装置２８（図１に記載）を含み、この液滴形成装置２８は、選択的に作動されたときに、液体５２、例えばインクの一部を撹乱することで、液体の流れから対応する部分の液体流が離脱及び合体して液滴５４，５６を形成するように仕向ける。

通常、一つの液滴形成装置２８がノズル配列の各ノズル５０に対応付けられる。ただし、液滴形成装置２８は、ノズル５０のグループ、又はノズル配列の全てのノズル５０に対応付けられてもよい。

プリントヘッド３０の動作時に、液滴５４，５６は、通常、複数のサイズ又は体積で、例えば、大液滴５６が第１のサイズ又は体積、小液滴５４が第２のサイズ又は体積という形態で生成される。大液滴５６の質量と小液滴５４の質量の比は、一般に、２から１０の間の整数にほぼ匹敵する。液滴５４，５６を含む液滴の流れ５８は、液滴の経路、すなわち軌道５７を流れる。

プリントヘッド３０は、ガスフロー偏向機構６０も含み、このガスフロー偏向機構６０により、ガスフロー６２、例えばエアフローが、液滴軌動５７の一部を通過するように送られる。液滴軌道のこの部分は、偏向区画６４と呼ばれる。ガスフロー６２は、偏向区画６４内で液滴５４，５６と相互作用するときに、液滴の軌道を変化させる。液滴の軌道は、偏向区画６４から出るときに、偏向されない液滴軌道５７に対して、偏向角度と呼ばれる角度になる。

小液滴５４は、大液滴５６よりも顕著にガスフローの影響を受けるため、小液滴の軌道６６が大液滴の軌道６８から逸脱する。すなわち、小液滴５４の偏向角度は、大液滴５６よりも大きい。ガスフロー６２は、十分な液滴の偏向を提供し、その結果、小液滴と大液滴の軌道を十分に分岐させるため、キャッチャ４２（図１及び図３に図示）を配置することで、小液滴の軌道６６と大液滴の軌道６８の一方を捉えることができるので、その一方の軌道を進む液滴がキャッチャ４２によって収集され、他方の軌道を進む液滴が、キャッチャを迂回して記録媒体３２（図１及び図３に図示）に衝突する。

キャッチャ４２が、大液滴の軌道６８を遮るように配置される場合、小液滴５４は、キャッチャ４２との接触を回避する十分な度合いで偏向されて、印刷媒体に到達する。小液滴が印刷されるので、これを小液滴印刷モードと呼ぶ。キャッチャ４２が、小液滴の軌道６６を遮るように配置される場合は、大液滴５６が、印刷される液滴になる。これを大液滴印刷モードと呼ぶ。

図３を参照して説明すると、噴射モジュール４８は、ノズル５０の配列又は複数のノズル５０を含む。流路４７（図２に図示）を通って供給される液体、例えば、インクは、配列の各ノズル５０から加圧状態で放出されて液体５２の流れを形成する。図３において、配列又は複数のノズル５０は、図の内外に延びる。

液滴刺激又は液滴形成装置２８（図１に図示）は、選択的に作動されて液体５２の一部を撹乱し、対応する液体５２の流れから液滴が分離するように促す。これにより、液滴は、記録媒体３２に向かって移動する大液滴及び小液滴という形で選択的に形成される。

液滴の軌道５７の第１の側に、ガスフロー偏向機構６０の陽圧ガスフロー構成部６１が配置される。陽圧ガスフロー構成部６１は、下部壁面７４及び上部壁面７６を含む第１ガスフローダクト７２を含む。ガスフローダクト７２は、液体５２の流れに対して約４５°の下向きの角度θで陽圧源９２から供給されるガスフロー６２を、液滴偏向区画６４（図２にも図示）に向けて送り出す。省略可能な一つ以上のシール８４が、噴射モジュール４８とガスフローダクト７２の上部壁面７２の間に、エアシールを提供する。

ガスフローダクト７２の上部壁面７６は、液滴偏向区画６４（図２にも図示）まで延びる必要はない。図３において、上部壁面７６は、噴射モジュール４８の壁面９６において終了する。噴射モジュール４８の壁面９６は上部壁面７６の一部として機能し、液滴偏向区画６４において終了する。

液滴の軌道５７の第２の側に、ガスフロー偏向機構６０の負圧ガスフロー構成部６３が配置される。負圧ガスフロー構成部は、キャッチャ４２と上部壁面８２の間に設けられ、偏向区画６４からガスフローを排気する第２ガスフローダクト７８を含む。第２ダクト７８は、負圧源９４に接続され、この負圧源９４を利用して、第２ダクト７８を通って流れるガスの除去を支援する。省略可能な一つ以上のシール８４は、噴射モジュール４８と上部壁面８２の間にエアシールを提供する。

図３に示すように、ガスフロー偏向機構６０は、陽圧源９２及び負圧源９４を含む。ただし、考慮される具体的な用途によっては、ガスフロー偏向機構６０が、陽圧源９２と負圧源９４の一方のみを備えてもよい。

第１ガスフローダクト７４によって供給されたガスは、液滴偏向区画６４内に送られ、そこで、大液滴５６が大液滴の軌道６８を流れ、小液滴５４が小液滴の軌道６６を流れるように仕向ける。図３に示したように、小液滴の軌道６６は、キャッチャ４２の前部表面９０によって捉えられる。小液滴５４は、表面９０に接触してその表面９０の下方に流れ、キャッチャ４２とプレート８８の間に配置又は形成された液体返還ダクト８６に流入する。回収された液体は、再生されてインク貯留槽４０（図１に図示）に戻されて再利用されるか、又は廃棄される。大液滴５６は、キャッチャ４２を迂回して、記録媒体３２まで移動する。これに代えて、キャッチャ４２は、大液滴の軌道６８を遮るように配置することができる。大液滴５６は、キャッチャ４２に接触して、キャッチャ４２に配置又は形成された液体返還ダクトに流入する。回収された液体は、再生されて再利用されるか、又は廃棄される。小液滴５４は、キャッチャ４２を迂回して、記録媒体３２まで移動する。

図３に示すように、キャッチャ４２は、一般に「コアンダ」キャッチャとして知られるタイプのキャッチャである。ただし、図１に示した「刃形」キャッチャ及び図３に示した「コアンダ」キャッチャは、交換可能であり、等しく適切に機能する。これに代えて、キャッチャ４２は、限定するものではないが、多孔性表面キャッチャ、区切りエッジ（delimited edge）キャッチャ、又は前述したものの任意の組み合わせを始め、各種適切に設計されたものであればよい。

図４Ａに、本発明の実施形態例に用いられる噴射モジュール４８の断面図を示す。具体的には、ノズルプレート４９、流路４７、及び液滴形成装置２８が断面で図示されている。流路４７は、噴射モジュール４８内に組み立てられた個別の構成要素内に形成されている。ノズルプレート４９は、複数のノズル５０の輪郭を構成する部位８０を含む。判り易くするため、４つのノズル５０のみが図示されている。他の実施形態において、他の適切な個数のノズル５０を利用できることは理解されよう。噴射モジュール４８は、ノズル５０から延びる複数の液体チャンバ５３を含み、各液体チャンバ５３は、壁付きエンクロージャの一つに対応する。一部の実施形態において、各エンクロージャは、複数の隣接した壁面から成る壁を含む。他の実施形態において、各エンクロージャは、連続した壁面、例えば、楕円形又は円形を形成する壁を含む。各液体チャンバ５３は、ノズル５０のうちの個別の一つと流体連通するように配置される。本実施形態例において、液体５２は、流路４７によって各液体チャンバ５３に供給される。液体５２を流路４７に供給するポート、及び流路４７から液体５２を排出できるポートは、図面を判り易くするため、図４Ａ及び後述する図４Ｂには図示していない。

この分野で知られている各種異なる方法を利用して、プリントヘッド３０内に構成要素を作製することができる。微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）の作製に用いられるいくつかの手法も、プリントヘッド３０の構成要素の形成に利用できる。ＭＥＭＳ製造プロセスは、通常、改良された半導体デバイス製造技術を含む。ＭＥＭＳ製造法も、一般に、写真画像生成技法にエッチング技法を組み合わせて、基板内の特徴物を形成するものである。写真画像生成技法は、所望の基板領域を画定するために利用され、この画定された領域は、エッチ除去する必要のない他の基板領域を残してエッチ除去される領域である。ＭＥＭＳ製造法を利用して、ノズルプレート４９と共に、インク供給流路、インク貯留槽、導電体、電極、及び絶縁体等の他のプリントヘッド部品、並びに誘電性構成要素を作製することができる。

ノズルプレート４９は、ＭＥＭＳ製造法を利用して基板８５から形成される。この用途には、通常、シリコンベースの基板が比較的低コストであり、概して組成に欠陥がなく、また、シリコンベースの基板のために開発された製造プロセスが高度に発達していることから、シリコンベースの基板が利用される。プリントヘッド部品は、単一成分の基板、又は多成分の基板から形成することができる。一部の実施形態例において採用される基板は単一の材料層を含むが、他の実施形態例において採用される基板は、複数の材料層を含む。プリントヘッド部品は、蒸着プロセスで形成された少なくとも一つの材料層を含む基板、又は積層プロセスで付着させた少なくとも一つの材料層を含む基板から形成することができる。

本実施形態例において、ノズル５０及び液体チャンバ５３等の特徴物は、エッチングプロセスによって基板８５に形成される。エッチングプロセスは、基板８５の表面にパターン化マスク（図示せず）を形成することを含む。パターン化マスクは、フォトリソグラフィプロセスで形成できる。パターン化マスクは、通常、フォトレジストとして知られる、写真画像生成可能な高分子材料層から形成される。適切なフォトレジストとしては、液体フォトレジスト及びドライフィルムフォトレジストが挙げられる。液体フォトレジストの均一な被膜は、限定しない例としてスピンコーティングを含む方法によって、基板８５の表面に塗布することができる。ドライフィルムフォトレジストは、多くの場合、バッキング層及びレジスト層から成る組み合わせ材料を含む。組み合わせ材料は、基板８５の表面に積層され、バッキング層は、基板８５に接しているレジスト層を残して除去される。

フォトレジストの形式に関わらず、パターンニングして、実質的にエッチ除去すべき基板８５の領域と、実質的にエッチ除去する必要のない基板８５の他の領域とを画定する。フォトレジストを用いる実施形態例において、上記の領域は、フォトレジストに放射線を照射してパターニングすることで画定されてよい。フォトレジストは、補助マスクによって画像幅に調整された放射線によってパターニングされても、又は、フォトレジストの特定の領域を照射するように選択的に制御された一つ以上の放射ビームによって直接パターニングされてもよい。利用する放射線のタイプは、一般に、フォトレジストの組成に基づいたものであり、非限定的な例として、紫外放射線が挙げられる。フォトレジストには、追加の化学現像ステップ、及びパターニングマスクを形成する熱処理ステップを実行することができる。

パターン化マスクが形成された後、ノズル５０等の部品は、パターン化マスクの開口部を介して基板８５の各部を適切なエッチング液に晒すことによって形成される。限定ではないが、プリントヘッド３０内の部品の形成に適したエッチングプロセスとしては、湿式化学エッチングプロセス、ガスエッチングプロセス、不活性プラズマエッチングプロセス、及び化学反応性プラズマエッチングプロセスが挙げられる。

ノズル５０及び液体チャンバ５３は、個別のエッチングプロセスで形成することができる。例えば、ノズル５０と液体チャンバ５３の両方が、基板８５の同一の表面をエッチングすることによって形成されてよい。これに代えて、基板８５の異なる表面がエッチングされてもよい。異なる表面は、例えば、基板８５のそれぞれ反対側の表面を含んでよい。異なる材料層は、エッチングステップの間で付着させることができる。

各液体チャンバ５３は、エンクロージャから形成され、このエンクロージャの側壁は、エンクロージャがノズル５０のうちの対応する一つから離れるにつれて広がってゆく。図示した液体チャンバ５３のような側面が傾斜した構造は、異方性エッチング技法を含むプロセスで形成できる。等方性エッチング技法とは異なり、異方性エッチング技法に関連があるのは、異なる方向に沿ってエッチ速度が異なることである。シリコンは、単結晶材料の一例で、水酸化カリウム（ＫＯＨ）等の特定の化学物質の存在下において、結晶面に沿って選択的エッチング特性を示す。例えば、＜１００＞シリコン基板８５内に開口部をエッチングすると、基板８５の＜１１１＞結晶面の側壁が露出するため、傾斜した側面、又は広がってゆく側壁を持つ開口部が得られる。

図４Ａに戻って説明すると、液滴形成装置２８は、ノズルプレート４９と流路４７の間に配置されて図示されている。液滴形成装置２８は、液体５２の流れの放出元であるノズルプレート４９の表面５５上において、ノズル５０の周りに設けられるのではない。液滴形成装置２８は、むしろ、液体チャンバ５３への入り口の近くにおいて、噴射モジュール４８内の内部に配置される。本実施形態例において、液滴刺激装置２８は、複数の液体チャンバ５３を超えて延びる、又は、複数の液体チャンバ５３に「被さる」膜状の構造体によって提供される。本明細書では、この膜状の構造体を熱刺激膜１００と呼ぶ。熱刺激膜１００は、エンクロージャの壁面によって形成される液体チャンバの全周に接して固定される。

熱刺激膜１００は、各種の材料層を含むことができ、ＭＥＭＳ製造法を含む各種の適切な手法で形成できる。本実施形態例において、熱刺激膜１００は、複数の絶縁材料層１０５Ａ及び１０５Ｂ、並びに抵抗材料層１１５を含む。絶縁材料層１０５Ａ，１０５Ｂ、及び抵抗材料層１１５は、ＭＥＭＳ製造法によって提供されるような付着又は積層方法によるものを含む任意の適切なプロセスで形成できる。絶縁材料層１０５Ａ，１０５Ｂ、及び抵抗材料層１１５内の特徴物は、フォトリソグラフィ、及びＭＥＭＳ製造法によって提供されるような材料付着法又はエッチング技法を含む任意の適切なプロセスで形成されてよい。抵抗材料層１１５は、抵抗加熱用途での利用に適した材料を含んでよい。例えば、タンタルシリコン窒化物（ＴａＳｉＮ）は、抵抗加熱用途で利用される材料である。絶縁材料層１０５Ａ及び１０５Ｂは、テトラエチルオルトシリケート（ＦＥＯＳ）の利用を含む各種の手法で形成することができる。ただし、本発明は、これらの材料に限定されるものではなく、必要な抵抗又は絶縁特性を有する他の適切な材料を状況に応じて容易に採用することができる。

図４Ｂに、図４Ａの熱刺激膜１００の断面斜視図を模式的に示す。図４Ａの詳細図に示されるように、熱刺激膜１００は、複数の細孔１１０と、細孔の間で膜材料に埋め込まれた熱アクチュエータ１５０とを含む。図４Ｂでは、絶縁材料層１０５Ａの一部を取り除いて、熱アクチュエータ１５０を示している。

細孔１１０は、流路４７と液体流路５３の間での流体連通を可能にする。細孔１１０は、規則的パターン又は不規則的パターンのいずれで配置されてもよい。細孔１１０は、セット１２０内にグループ化され、各セット１２０は、それぞれ異なる流体チャンバ５３に対応する。所定の液体チャンバ５３の中に入る全ての液体５２は、その液体チャンバ５３に被さるセット１２０内の細孔１１０を通って流れる。ノズルを通る流体のフロー方向から見て、少なくとも一つの細孔１１０がノズル５０に重畳する。細孔１１０の壁面は、絶縁材料層１０５Ａ及び１０５Ｂを含む。絶縁材料層１０５Ａは、流路４７から熱刺激膜１００内を通る液体５２のフロー方向を遮るように配置された平面を含む。

熱アクチュエータ１５０は、抵抗材料層１１５内に設けられた一つ以上の抵抗加熱素子１５５を含む。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、各抵抗加熱素子１１５は、絶縁材料に包まれた抵抗材料を含む。本実施形態例において、細孔１１０は、各絶縁材料層１０５Ａ及び１０５Ｂによって輪郭が形成され、熱アクチュエータ１５０は抵抗材料層１１５によって輪郭が形成される。

ノズル５０、流体チャンバ５３、及び熱刺激膜１００を含む液滴生成アセンブリは、任意の適切な手法を用いて製造することができる。例えば、ノズル５０及び流体チャンバ５３は、既に説明したように基板８５内に作製できる。流体チャンバに、その後、犠牲材料を充填することができる。次に、熱刺激膜を形成する層を、適切な付着プロセスによって形成することができ、犠牲材料層は、この後で除去される。

これに代えて、基板上に熱刺激膜を形成することから始めてもよい。その後で、付着プロセスを用いて、流体チャンバ５３の壁面を形成することができる。流体チャンバには、この後で犠牲材料が充填されてよい。次に、ノズルを含む層が、チャンバの壁面及び犠牲材料の上に付着されてよい。この後、流体チャンバから犠牲材料を除去することができる。そして、この構造が形成された基板を裏側からエッチングして、熱刺激膜１００に流体を供給する流路４７を形成することができる。このプロセスは、熱刺激膜１００を超えて流路４７内に延びる壁面の形成にも利用できる。この場合、液体チャンバ５３は、第１液体チャンバと呼ぶことができ、熱刺激膜１００を超えて延びる前記壁面が、第２液体チャンバの輪郭を構成する。熱刺激膜１００は、第１液体チャンバ５３と第２液体チャンバの間に懸架される。

図５は、図４Ａ及び図４Ｂに示した熱刺激膜１００の一部の動作の模式的表現である。図１の貯留槽４０からの液体は、噴射モジュール４８に供給される。噴射モジュール４８の流路４７内に入る液体は十分な圧力で供給されるが、この圧力は、液体５２が、熱刺激膜１００の細孔１１０を通り抜けて液体チャンバ５３に入り、その後、液体５２の連続流を各ノズル５０から流出させる十分な流動速度でノズル５０から流出するように仕向ける十分な圧力である。熱刺激膜１００は、液体の各部分が熱刺激膜１００を通って対応する液体チャンバ５３に流入するときに、その各部分の液体５２を選択的に加熱して、最終的にノズル５０から液体５２を噴出させるように駆動される。図５に模式的に示したように、画像処理装置２４からのデータは、液滴形成装置制御回路２６に供給される。液滴形成装置制御回路２６は、電源（図示せず）を含み、この電源は、供給されたデータに従って、熱刺激膜１００内の熱アクチュエータ１５０に時変電気パルスを印加するように制御される。このため、電気エネルギパルスは、液体５２が熱刺激膜１００の細孔１１０を通って流れるときに、液滴形成装置制御回路２６によって熱刺激膜１００に選択的に供給される。電気エネルギパルスは、導電体１６５（図４Ｂに記載）を介して熱アクチュエータ１５０に供給される。電気パルスは、熱アクチュエータ１５０によって、熱エネルギの時変パルスに変換され、この変換された時変パルスは、液体が熱刺激膜１００の細孔１１０内を通るときに、液体５２に付与される。

各ノズルは、異なる特性を有する液滴の組み合わせを形成するように選択的に制御されるため、各ノズル５０に、一つの液滴形成装置制御回路２６が対応付けられる。他の実施形態において、各ノズル５０は、実質的に一定の特性（例えば、実質的に一定の体積）を含む均一な液滴流を提供するように利用される。この場合は、単一の液滴形成制御回路２６を利用することができる。

液体５２の複数の部分は、それぞれ個別の細孔１１０を通って移動するときに、熱エネルギのパルスに晒される。これらの部分の液体５２は、後に結合して、液滴チャンバ５３内に液体温熱層１７０を形成する。したがって、液体チャンバ５３内には、熱刺激膜１００に供給された電気パルスの特性に応じて、異なる液体温熱層１７０が形成され得る。電気パルスの長さ及び電圧等の要因を調整することで、複数の液体温熱層１７０を形成することができ、これら複数の液体温熱層１７０において、一つ以上の液体温熱層１７０が他の液体温熱層１７０と異なる特性を有する。異なる特性としては、非限定的な例として、異なる量の熱エネルギ、異なる温度、速度、圧力、異なる密度、粘度、表面張力、又はこれらの特性の組み合わせが挙げられる。図５において、異なる特性を有する液体温熱層１７０は、互いに異なるパターンで形成される。

図５に示すように、液体温熱層１７０は、液体チャンバ５３を通ってノズル５０に流入する。液体５２がノズル５０から噴射されるときに、温熱液体層１７０は、噴射流の一部となって噴射流から液滴を離脱させる。液体温熱層１７０内の前述した特性の差異は、液体５２の流れを所望の液滴流に分解させるのに適した方式で、液体５２の流れを刺激すると考えられる。液体チャンバ５３の壁面に勾配を付けることで、図５に示したように、ノズル５０に向かう流れの漏斗を生成して、液体温熱層１７０が混和又は融合することを抑制できる。これに代えて、液体チャンバ５３の壁面は、直線状に形成されて、ノズルプレート４９と垂直に配置されてもよい。

ノズルプレート内でノズルに隣接して埋め込まれた加熱器を用いる従来の熱刺激手法は、液滴の形成を制御することについては有効であるが、流体に伝達し得る熱量、ひいては刺激の大きさに限界がある。本発明は、熱刺激膜内の複数の細孔に隣接して加熱器の一部を配置するものであり、より効果的に熱を流体に伝達でき、その結果、より効果的に、ノズルから流出する液体流からの液滴の形成を促すことができる。

熱アクチュエータ１５０は、本発明において各種の形態を取ることができる。例えば、図６Ａに、図４Ｂに示した抵抗加熱素子１５５の平面図を模式的に示す。抵抗加熱素子１５５は、抵抗材料層１１５内の抵抗材料１６０から形成される。絶縁材料層１０５Ｂは、抵抗材料層１１５の下に示されているが、明瞭にするため、絶縁材料層１０５Ａの部分は図示していない。セット１２０内の細孔１１０は、絶縁材料層１０５Ｂによって少なくとも部分的に輪郭が構成される。本実施形態例において、液体５２が細孔１１０内を流れるときに液体５２の一部に熱エネルギを伝達する能力は、細孔１１０に対する抵抗材料１６０の空間分布と関連がある。

抵抗加熱素子１５５は、複数の開口部１５６を有する単一の素子から成り、各開口部が細孔１１０のうちの一つに対応する。導電性材料（例えば、アルミニウム）で形成される導電体１６５は、液滴形成装置制御回路２６（図６Ａには記載せず）によって提供されるとおりに、電気エネルギのパルスを抵抗加熱素子１５５に供給するように設けられる。抵抗材料１６０は、セット１２０の各細孔１１０の全ての側面に配置される。抵抗材料１６０は、各細孔１１０の周りに対称に分配される。電気絶縁性材料１６２は、各開口部１５６を縁取りして、液体５２が細孔１１０内を流れるときに、液体５２に対して抵抗材料１６０を電気的に絶縁する。絶縁材料１６２は、任意の適切なコーティングプロセス又は付着プロセスで付着させることができる。絶縁材料１６２は、非限定的な例として、図示しない絶縁材料層１０５Ａ等の絶縁材料層の一部であってよい。抵抗材料１６０は、導電性の液体と共に利用される場合には、電気分解を防ぐために、絶縁材料で取り囲むことができる。図６Ａの実施形態において、抵抗加熱素子１５５は、セット１２０内の各細孔１１０を通って流れる液体５２のあらゆる面に、均一又は均等にエネルギの熱パルスを提供するように配置される。

図６Ｂに、熱アクチュエータの他の実施形態例の平面図を模式的に示す。熱アクチュエータ１５０は、抵抗加熱素子１５５Ａを含む。図６Ａに示した実施形態例と同様の方式で、絶縁材料層１０５Ｂに重畳する抵抗材料層１５５から形成される。絶縁材料層１０５Ａは、明瞭にするために、ここでも図示していない。抵抗加熱素子１５５Ａは、導電体１６５の間に接続される細長い部材である。抵抗加熱素子１５５Ａは、細孔１１０の間で蛇行する経路に沿って延びる。この蛇行する経路は、抵抗材料１６０が、細孔１１０の側面の一つ以上であるが、全てではない側面に存在するように設けられている。ただし、蛇行経路は、抵抗材料１６０が細孔１１０の周りで対称に分配される経路である。抵抗材料１６０の所定の抵抗を得るために、非常に細長い形の抵抗加熱素子を利用して、抵抗加熱素子１５５Ａの実効抵抗を大きくしてもよい。

図６Ｃに、本発明の他の実施形態例に係る、熱アクチュエータ１５０に用いられる複数の抵抗加熱素子１５５Ｂの平面図を模式的に示す。図６Ａ及び図６Ｂに示した実施形態例と同様の方式で、各抵抗加熱素子１５５Ｂが、絶縁材料層１０５Ｂに重畳する抵抗材料層１１５から形成される。絶縁材料層１１５Ａは、明瞭にするために、ここでも図示していない。抵抗加熱素子１５５Ｂは、導電体１６５の間で、互いに平行な回路配置で配列、すなわち、抵抗加熱素子は、電気の並列回路として配列されるが、幾何形状として互いに平行である必要はない。複数の抵抗加熱素子１５５Ｂは、抵抗加熱素子１５５Ａと同様の方式で、抵抗材料１６０が細孔１１０の複数の側面に位置するように配置される。特に、抵抗加熱素子１５５Ｂは、抵抗材料１６０が各細孔１１０の一つ以上の側面、ただし、全てではない側面上に存在するように配置される。

各抵抗加熱素子１５５Ｂは、その各抵抗加熱素子１５５Ｂに電気エネルギパルスを分配するように構成された共通の１セットの導電体１６５に接続される。他の実施形態において、一つ以上の抵抗加熱素子１５５Ｂは、一つ以上の導電体１６５の異なるセットに接続することができ、導電体１６５の各セットは、異なる特性を持つ電気エネルギパルスをそれぞれ個別の抵抗加熱素子１５５Ｂに分配するように構成される。電気エネルギパルスの異なる特性としては、非限定的な例として、異なるパルス幅、異なるパルス電圧、及び異なるパルスタイミングが挙げられる。これにより、液体５２の異なる部分がそれぞれ個別の細孔１１０内を流れるときに、その異なる部分の液体５２に異なる熱特性を選択的に付与することができる。例えば、パルス遅延タイミングを利用して、液体５２の異なる部分が僅かに異なる時間において加熱されるように仕向けることができる。この遅延は、いくつかの異なる理由で望ましいものになり得、その理由には、流体チャンバ５３内において、液体５２の外側部分に、液体５２の内側部分とは異なる流動特性又は異なる流動経路を実現できることが含まれる。これに代えて、後に形成される液体５２の流れの偏向は、液体チャンバ５２に入る液体５２の各部分に非対称に熱を加えることによって実現できる。この範疇で利用される場合、本発明は、液滴生成装置であることに加え、偏向機構としても機能する。この種の液滴形成及び偏向は、例えば、２０００年６月２７に付与されたキワレク（Ｃｈｗａｌｅｋ）他による特許文献４に記載されるとおり既知である。

他の実施形態例を図６Ｄに示す。本実施形態において、細孔のセット１２０の細孔１１０、並びに液体チャンバ及びノズルに対応付けられた抵抗加熱素子１５５Ｃは、他の実施形態の場合よりも更に隔離されている。液体チャンバ及びノズルに対応付けられた熱刺激膜１００は、加熱器を形成する抵抗加熱素子１５５Ｃを含む一つ以上の第１部位１３０と、複数の細孔１１０がクラスタ化された一つ以上の第２部位１４０とを含む。このような細孔と加熱区画の個別の部位へのクラスタ化を利用して、液体流からの液滴分離の刺激に最も顕著に寄与する部位の流体流への熱エネルギの伝達を促進することができる。このような第２部位１４０内への細孔のクラスタ化では、各細孔が、その側面のうちの一つに沿って加熱器をそれぞれ備える必要はない。例えば、中央の細孔１１０Ａは、その側面のいずれにも加熱器が設けられていない。一部の実施形態例において、細孔１１０を含む第１部位１３０は、熱アクチュエータ１５０を含む第２部位１４０の一方の側に配置される。熱刺激膜１００の第１部位１３０及び第２部位１４０は、同一の平面に配置されてよい。

本発明の実施形態例は、ノズル５０から噴射されるときに、最終的に液滴の流れを形成するように刺激される液体５２に対する熱の伝達を向上させる。これは、液体５２を多数の小さい部分に分割する複数の細孔を利用し、且つ、液体５２の小部分がそれぞれ個別の細孔１１０を通って流れるときにその部分に熱エネルギを伝達することによって達成される。追加及び／又は代替の構成要素を利用して、本発明の作用を更に拡張できることは理解されるであろう。例えば、細孔１１０のいずれかを通って液体５２が移動する経路は、過度の圧力損失を避けるために短く維持されなければならない。これにより、比較的薄い熱刺激膜１００が得られるが、この膜は、連続プリンタシステムに付随する高い流体圧力に耐えることにはあまり適さないかもしれない。したがって、支持機構（図示せず）を設けることができる。支持機構は、基板８５又は他の部材に形成されてよい。ノズルプレート内でノズルの周りに配置された熱刺激装置と共に使用するために、例えば、特許文献５に記載されるように、冷却特性、放熱特性、又はヒートシンク特性を含む追加の構成要素（図示せず）を形成して、熱刺激膜１００内の残留熱を放散することができる。

複数の細孔１１０は、サイズが異なる細孔を含むことができる。いくつかの実施形態例において、複数の細孔１１０は、一つより多くの細孔寸法を有する。一部の細孔１１０は、代替及び／又は追加の機能のために利用されてよい。例えば、細孔１１０のセット１１０は、細孔内を通過する流体に熱を結合するように機能するのではなく、液体５２から粒子状物質をフィルタリングするように構成された少なくとも一つの細孔１１０を含むことができる。このような細孔は、その側面に設けられる抵抗材料を含まない。この少なくとも一つの細孔１１０のサイズは、液体５２内で測定又は予想される粒子状物質のサイズに応じて変えることができる。利用する細孔１１０の数は、細孔１１０を通るフローインピーダンスと、これに伴う熱刺激膜１００の端部での圧力低下、及び熱的に刺激されることが求められる液体５２の量に合わせて設定することができる。本発明の実施形態例に従って刺激機能とフィルタリング機能とを組み合わせることで、連続プリンタシステムのプリントヘッドの製造を簡略化できる。

２０ 連続プリンタシステム、２２ 画像供給元、２４ 画像処理装置、２６ 機構制御回路、２８ 液滴形成装置、３０ プリントヘッド、３２ 記録媒体、３４ 記録媒体搬送システム、３６ 記録媒体搬送制御システム、３８ マイクロコントローラ、４０ 貯留槽、４２ キャッチャ、４４ リサイクルユニット、４６ 圧力調整機、４７ 流路、４８ 噴射モジュール、４９ ノズルプレート、５０ 複数のノズル、５２ 液体、５３ 液体チャンバ、５４ 液滴、５５ 表面、５６ 液滴、５７ 軌道、５８ 液滴流、６０ ガスフロー偏向機構、６１ 陽圧ガスフロー構成部、６２ ガスフロー、６３ 負圧ガスフロー構成部、６４ 偏向区画、６６ 小液滴の軌道、６８ 大液滴の軌道、７２ 第１ガスフローダクト、７４ 下部壁面、７６ 上部壁面、７８ 第２ガスフローダクト、８０ 部位、８２ 上部壁面、８５ 基板、８６ 液体返還ダクト、８８ プレート、９０ 前部表面、９２ 陽圧源、９４ 負圧源、９６ 壁面、１００ 熱刺激膜、１０５Ａ，１０５Ｂ 絶縁材料層、１１０ 細孔、１１５ 抵抗材料層、１２０ セット、１３０ 第１部位、１４０ 第２部位、１５０ 熱アクチュエータ、１５５，１５５Ａ，１５５Ｂ，１５５Ｃ 抵抗加熱素子、１５６ 開口部、１６０ 抵抗材料、１６２ 絶縁材料、１６５ 導電体、１７０ 液体温熱層。

Claims (18)

1. ノズルプレートであって、前記ノズルプレートの一部がノズルの輪郭を構成するノズルプレートと、
   複数の細孔を含む熱刺激膜と、
   前記ノズルから前記熱刺激膜に向かって延びて、ノズルと熱刺激膜の間に位置する液体チャンバの輪郭を構成するエンクロージャであって、前記液体チャンバは、各ノズル及び複数の細孔と流体連通すると共に、前記液体チャンバに、前記熱刺激膜の一部が被さる、エンクロージャと、
   前記熱刺激膜を介して、圧力がかかった状態で液体を供給する供給源であって、前記圧力は、前記液体が前記熱刺激膜内を通って流れた後で、その液体の流れを前記ノズルから噴射する十分な圧力である、供給源と、
   を含む噴射モジュール。
2. 前記熱刺激膜は、前記液体が当該熱刺激膜を通って流れるときに、その液体に熱エネルギのパルスを与えるように構成された熱アクチュエータを含み、前記熱エネルギのパルスは、前記液体の流れを液滴の流れに分解するために提供される複数の熱エネルギパルスのうちの一つである、請求項１に記載の噴射モジュール。
3. 前記熱エネルギのパルスは、液体を蒸発させるには不十分である、請求項２に記載の噴射モジュール。
4. 前記液体が前記熱刺激膜を通って流れるときに、前記熱刺激膜に電気エネルギのパルスを供給するように構成された電気エネルギ源を含む、請求項１に記載の噴射モジュール。
5. 前記圧力は、前記液体が前記熱刺激膜を通って流れるときに、その液体を複数の部分に分離させる十分な圧力であり、前記液体の各部分は、複数の細孔のうちの一つの細孔を通って流れ、前記熱刺激膜は、前記液体の各部分が、複数の細孔のうちの対応する一つの細孔を通って流れるときに、その部分の液体に熱エネルギのパルスを与えるように構成された熱アクチュエータを含む、請求項１に記載の噴射モジュール。
6. 前記圧力は、前記液体が前記熱刺激膜を通って流れるときに、前記液体を複数の部分に分離させる十分な圧力であり、前記液体の各部分は、前記複数の細孔のうちの一つを通って流れ、前記噴射モジュールは、前記液体の各部分が前記複数の細孔のうちの対応する細孔を取って流れるときに、前記熱刺激膜に電気エネルギのパルスを供給するように構成された電気エネルギ源を含む、請求項１に記載の噴射モジュール。
7. 前記熱刺激膜は、前記電気エネルギのパルスが当該熱刺激膜に供給されるときに、前記複数の細孔のうちの一つにそれぞれ接する各部分の液体の外周領域に対して対称に熱エネルギを与えるように構成される、請求項６に記載の噴射モジュール。
8. 前記複数の細孔は、前記熱刺激膜の材料層内に設けられ、前記材料層は、前記熱刺激膜を通る前記液体のフロー方向を遮るように配置された平面を含む、請求項１に記載の噴射モジュール。
9. 前記複数の細孔は、前記熱刺激膜の材料層内に設けられ、前記材料層は、前記液体チャンバを跨いで位置する、請求項１に記載の噴射モジュール。
10. 前記複数の細孔のうちの少なくとも一つは、前記材料層を通る流体のフロー方向から見ると、前記液体チャンバに重畳している、請求項９に記載の噴射モジュール。
11. 前記複数の細孔のうちの少なくとも一つは、前記ノズルを通る流体のフロー方向から見ると、前記ノズルに重畳している、請求項１に記載の噴射モジュール。
12. 前記熱刺激膜は、絶縁材料に包み込まれた抵抗材料を含み、前記複数の細孔は、前記複数の細孔のうちの各細孔の全ての側面に抵抗材料が位置するように、前記熱刺激膜内に配置される、請求項１に記載の噴射モジュール。
13. 前記熱刺激膜は、絶縁材料に包み込まれた抵抗材料を含み、前記複数の細孔は、前記複数の細孔のうちの各細孔の周りに抵抗材料が対称に位置するように、前記熱刺激膜内に配置される、請求項１に記載の噴射モジュール。
14. 前記熱刺激膜は、絶縁材料に包み込まれた抵抗材料を含み、前記複数の細孔は、各細孔の全ての側面ではないが、各細孔の一つ以上の側面に抵抗材料が位置するように、前記熱刺激膜内に配置される、請求項１に記載の噴射モジュール。
15. 前記熱刺激膜は、絶縁材料に包まれた抵抗材料を含み、前記複数の細孔のうちの少なくとも一つは、前記複数の細孔のうちの前記少なくとも一つの細孔のいずれの側面にも抵抗材料が存在しないように、前記熱刺激膜内に配置される、請求項１に記載の噴射モジュール。
16. 前記液体チャンバは、前記熱刺激膜及び前記ノズルに垂直な平面において見ると一つの断面を含み、前記断面は、前記ノズルにおいて、前記熱刺激膜における当該断面よりも小さくなる、請求項１に記載の噴射モジュール。
17. 前記複数の細孔は、一つより多くの細孔寸法を有する、請求項１に記載の噴射モジュール。
18. 前記複数の細孔のうちの少なくとも一つは、前記液体内の粒子状物質をフィルタリングするように選択された細孔寸法を有する、請求項１に記載の噴射モジュール。

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