JP2022094924A - 液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の液体吐出口から同時に液体を吐出する場合であっても、液体を正確に吐出することが可能な液体吐出装置を提供する。【解決手段】液体を吐出する複数の液体吐出口と、前記液体吐出口に対応して設けた複数の弁体と、前記弁体を駆動して前記液体吐出口を開閉する複数の駆動体とを備える液体吐出体と、前記液体吐出体に対して前記液体を加圧供給する液体供給手段と、前記複数の弁体のうち同時に駆動する弁体の数に応じて前記駆動体の印加電圧を制御する制御手段とを備える。【選択図】図８

Description

本発明は、液体吐出装置に関するものである。

特許文献１は、ノズル２２に連通するキャビティ２３に吐出液体を加圧供給すると共に、ピン２４でノズル２２を閉塞可能とし、このピン２４をアクチュエータ２５でノズル２２に対して離接可能とし、このアクチュエータ２５を制御装置１２で制御する構成とすることで、ピン２４がノズル２２から離間している間だけ、加圧供給されている吐出液体がノズル２２から液滴として吐出される液滴吐出ヘッドを開示している。

本発明の目的は、複数の液体吐出口から同時に液体を吐出する場合であっても、液体を正確に吐出することが可能な液体吐出装置を提供することにある。

本発明は、液体を吐出する複数の液体吐出口と、前記液体吐出口に対応して設けた複数の弁体と、前記弁体を駆動して前記液体吐出口を開閉する複数の駆動体とを備える液体吐出体と、前記液体吐出体に対して前記液体を加圧供給する液体供給手段と、前記複数の弁体のうち同時に駆動する弁体の数に応じて前記駆動体の印加電圧を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、複数の液体吐出口から同時に液体を吐出する場合であっても、液体を正確に吐出することが可能な液体吐出装置を提供することができる。

本発明の液体吐出装置の一例を示す全体斜視図。 液体吐出装置のキャリッジの全体斜視図。 液体吐出ヘッド単体の全体斜視図。 液体吐出ヘッド単体の全体断面図。 液体吐出モジュール単体の説明図。 液体供給手段の一例を示す概略構成図。 液体吐出動作の説明図。 圧電素子の印加電圧制御の説明図。 液体吐出装置の制御系ブロック図。 駆動波形生成部の他の実施例を示す構成図。 駆動波形テーブルの説明図。 同時駆動の低減を可能にする液体吐出ヘッド設置例の説明図。 ノズル開閉動作の説明図。 変形例１に係る液体吐出ヘッドによる液体吐出動作の説明図。 変形例２に係る液体吐出ヘッドの説明図。

本発明の実施形態を図面を用いて説明する。

図１は、本発明の液体吐出装置の一例を示す全体斜視図である。

液体吐出装置１０００は、対象物の一例である被描画物１００に対向して設置している。液体吐出装置１０００は、Ｘ軸レール１０１と、このＸ軸レール１０１と交差するＹ軸レール１０２と、Ｘ軸レール１０１およびＹ軸レール１０２と交差するＺ軸レール１０３を備える。

Ｙ軸レール１０２は、Ｘ軸レール１０１がＹ方向に移動可能なように、Ｘ軸レール１０１を保持する。また、Ｘ軸レール１０１は、Ｚ軸レール１０３がＸ方向に移動可能なように、Ｚ軸レール１０３を保持する。そして、Ｚ軸レール１０３は、キャリッジ１がＺ方向に移動可能なように、キャリッジ１を保持する。ここで、キャリッジ１は、液体吐出ユニットの一例である。

液体吐出装置１０００は、キャリッジ１をＺ軸レール１０３に沿ってＺ方向に動かす第１のＺ方向駆動部９２と、Ｚ軸レール１０３をＸ軸レール１０１に沿ってＸ方向に動かすＸ方向駆動部７２を備える。また、液体吐出装置１０００は、Ｘ軸レール１０１をＹ軸レール１０２に沿ってＹ方向に動かすＹ方向駆動部８２を備える。さらに、液体吐出装置１０００は、キャリッジ１に対してヘッド保持体７０をＺ方向に動かす第２のＺ方向駆動部９３を備える。ここで、ヘッド保持体７０は、保持体の一例である。

上記構成の液体吐出装置１０００は、キャリッジ１をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の方向に動かしながら、ヘッド保持体７０に設けたヘッドから液体の一例であるインクを吐出し、被描画物１００に描画を行う。ここで、キャリッジ１およびヘッド保持体７０のＺ方向への移動は、Ｚ方向と平行である必要はなく、少なくともＺ方向の成分を含んでいれば斜めの移動であってもよい。

なお、図１において被描画物１００の表面形状は平面として示しているが、被描画物１００の表面形状は、車やトラックの車体、航空機の機体などのように鉛直に近い面、もしくは曲率半径の大きい面でもよい。

次に、キャリッジ１の構成を説明する。

図２は、液体吐出装置のキャリッジの全体斜視図である。

キャリッジ１は、ヘッド保持体７０を備えている。また、キャリッジ１は、図１に示した第１のＺ方向駆動部９２からの動力によりＺ軸レール１０３に沿ってＺ方向へ移動可能である。ヘッド保持体７０は、図１に示した第２のＺ方向駆動部９３からの動力によりキャリッジ１に対してＺ方向へ移動可能である。

また、ヘッド保持体７０は、液体吐出ヘッド３００を取り付けるためのヘッド固定板７０ａを備えている。ここで、液体吐出ヘッド３００は液体吐出体の一例である。

本実施形態では、ヘッド固定板７０ａに６個の液体吐出ヘッド３００ａ～３００ｆを積層状に並べて設けた構成を例示している。なお、以下の説明において、これらの液体吐出ヘッドを総称する場合は、液体吐出ヘッド３００と記す。

液体吐出ヘッド３００ａ～３００ｆは、それぞれ複数のノズル３０２を備えている。なお、液体吐出ヘッド３００ａ～３００ｆで用いるインクの色は、ヘッド毎に異なる色としてもよいし、すべて同じ色としてもよい。また、液体吐出ヘッド３００を構成するヘッドの数は、６個に限るものではない。６個より多くてもよく、また、６個より少なくてもよい。

液体吐出ヘッド３００は、図示のように各ヘッドのノズル列が水平面（Ｘ－Ｚ面）と交差し、かつ複数のノズル３０２の配列方向をＸ軸に対して傾けた状態でヘッド固定板７０ａに固定する。この状態でノズル３０２は、重力方向と交差する方向（Ｚ方向）にインクを吐出する。ここで、ノズル３０２は液体吐出口の一例である。

図３は、液体吐出ヘッド単体の全体斜視図である。

図２に示した液体吐出ヘッド３００ａ～３００ｆは、それぞれが図３に示すようにハウジング３１０を備える。ハウジング３１０は金属または樹脂からなる。また、ハウジング３１０は、その上部に電気信号の通信のためのコネクタ３５０を備える。また、ハウジング３１０の左右には、インクをヘッド内に供給するための供給ポート３１１と、インクをヘッドから排出するための回収ポート３１３を設けている。

図４は、液体吐出ヘッド単体の全体断面図（図３のＡ－Ａ線矢視断面図）である。

ハウジング３１０は、インクを吐出するノズル３０２を備えたノズル板３０１を保持している。また、ハウジング３１０は、供給ポート３１１側からのインクをノズル板３０１上を経て回収ポート３１３側へ送る流路３１２を備えている。

供給ポート３１１と回収ポート３１３との間には、流路３１２内のインクをノズル３０２から吐出するための液体吐出モジュール３３０を配置している。液体吐出モジュール３３０の数はノズル３０２の数に対応しており、本例では１列に並べた８個のノズル３０２に対応する８個の液体吐出モジュール３３０を備えた構成を示している。なお、ノズル３０２および液体吐出モジュール３３０の数および配列は上記に限るものではない。例えば、ノズル３０２および液体吐出モジュール３３０の数は、複数ではなく１個であってもよい。また、ノズル３０２および液体吐出モジュール３３０の配列は、１列ではなく複数列で配置してもよい。

上記の構成により、供給ポート３１１は加圧した状態のインクを外部から取り込み、インクを矢印ａ１方向へ送り、インクを流路３１２に供給する。流路３１２は、供給ポート３１１からのインクを矢印ａ２方向へ送る。そして、回収ポート３１３は、流路３１２に沿って配置したノズル３０２から吐出しなかったインクを矢印ａ３方向へ排出する。

液体吐出モジュール３３０は、ノズル３０２を開閉するニードル弁３３１と、ニードル弁３３１を駆動する圧電素子３３２を備える。

ハウジング３１０は、圧電素子３３２の上端部と対向する位置に規制部材３１４を備えている。この規制部材３１４は、圧電素子３３２の上端部に当接しており、圧電素子３３２の固定点をなしている。ここで、ニードル弁３３１は弁体の一例であり、圧電素子３３２は駆動体の一例である。

上記の構成において、圧電素子３３２を作動してニードル弁３３１を上方向へ動かした場合は、ニードル弁３３１によって閉じていたノズル３０２が開いた状態になり、ノズル３０２からインクを吐出する。また、圧電素子３３２を作動してニードル弁３３１を下方向へ動かした場合は、ニードル弁３３１の先端部がノズル３０２に当接してノズル３０２が閉じた状態になり、ノズル３０２からインクは吐出しなくなる。なお、被描画物１００（図１参照）に対してインクを吐出している期間は、ノズル３０２からのインクの吐出効率が低下しないようにするため、回収ポート３１３からのインクの排出を一時的に行わないようにしてもよい。

図５は、液体吐出ヘッドを構成する液体吐出モジュール単体の説明図である。図５（ａ）は液体吐出モジュールの全体断面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＢ部の拡大図である。

液体吐出モジュール３３０は、ノズル３０２を開閉するニードル弁３３１と、ニードル弁３３１を駆動する圧電素子３３２とを備えている。ノズル板３０１はハウジング３１０に接合している。また、流路３１２はハウジング３１０に設けた複数の液体吐出モジュール３３０に共通の流路である。

ニードル弁３３１の先端には弾性部材３３１ａを備えており、ニードル弁３３１の先端をノズル板３０１に押し付けた際にノズル３０２を確実に閉塞するようにしている。また、ニードル弁３３１とハウジング３１０との間には、軸受部３２１を設け、軸受部３２１とニードル弁３３１との間にはＯリングなどのシール部材３１５を設けている。

ハウジング３１０の空間３２２内には圧電素子３３２を収容している。保持部材３３３の中央空間３３３ａが圧電素子３３２を保持しており、圧電素子３３２とニードル弁３３１とは同軸上に保持部材３３３の先端部３３３ｂを介して連結している。すなわち、保持部材３３３は、圧電素子３３２を収容する中央空間３３３ａを有し、先端部３３３ｂ側はニードル弁３３１と連結し、後端部３３３ｃ側はハウジング３１０に取り付けた規制部材３１４により固定してある。

ここで、圧電素子３３２は、電圧印加手段２００によって電圧を印加したときに、ノズル３０２が開く方向にニードル弁３３１を駆動する。したがって、圧電素子３３２に電圧を印加していないときは、ニードル弁３３１がノズル３０２を閉塞しているので、流路３１２にインクが加圧供給されていても、ノズル３０２からインクが吐出することはない。そして、圧電素子３３２に電圧を印加することで、圧電素子３３２が収縮し、保持部材３３３を介してニードル弁３３１を引っ張るので、ニードル弁３３１がノズル３０２から離間してノズル３０２を開放する。これにより、流路３１２に加圧供給したインクをノズル３０２から吐出する。

図６は、液体供給手段の一例を示す概略構成図である。

液体吐出装置１０００は、各液体吐出ヘッド３００ａ～３００ｄから吐出するインク３０ａ～３０ｄを収容した密閉容器としてのタンク１０５ａ～１０５ｄを備えている。なお、以下の説明において、これら各インクを総称する場合はインク３０と記す。また、各タンクを総称する場合は、タンク１０５と記す。

タンク１０５と液体吐出ヘッド３００の注入口（図３、図４に示した供給ポート３１１）とは、それぞれチューブ３１１ａを介して接続している。一方、タンク１０５は、エアーレギュレータ１０６を含むパイプ１０７を介してコンプレッサ１０８に接続しており、コンプレッサ１０８は加圧空気を供給する。これにより、液体吐出ヘッド３００内のインク３０は加圧状態にあるため、前述のニードル弁を開けばノズル３０２からインク３０が吐出する。ここで、コンプレッサ１０８、エアーレギュレータ１０６を含むパイプ１０７、タンク１０５、およびチューブ３１１ａは、液体吐出ヘッド３００に対してインク３０を加圧供給する液体供給手段の一例である。

図７は、液体の吐出動作の説明図である。図７（ａ）は吐出時の概略構成およびそのときの圧電素子への印加電圧を示した説明図、図７（ｂ）は非吐出時の概略構成およびそのときの圧電素子への印加電圧を示した説明図である。

図７（ａ）に示すように、圧電素子３３２は、所定電圧Ｖｈの印加（すなわち相対的に大きな電圧の印加）により長手方向に収縮し、ニードル弁３３１を図において右側に動かす。これによりノズル３０２が開き、ノズル３０２からインク３０が吐出する。

また、図７（ｂ）に示すように、圧電素子３３２への印加電圧を０Ｖにすると（すなわち相対的に小さな電圧を印加すると）、圧電素子３３２は伸張してもとの位置に戻り、ニードル弁３３１を図において左側に動かす。これによりノズル３０２が閉じ、ノズル３０２からのインク３０の吐出を抑止する。なお本実施例ではノズル３０２を閉じるときは電圧を０Ｖとしているが、所定電圧Ｖｈよりも小さな電圧であれば０Ｖ以外としてもよい。

図８は、圧電素子の印加電圧制御の説明図である。

図４などで説明したように本発明の液体吐出装置における液体吐出ヘッド３００は、供給ポート３１１と回収ポート３１３とをつなぐ流路３１２内を流れるインク３０を、複数の液体吐出モジュール３３０で用いる構成としている。そのため、例えば１列に並べた８個のノズル３０２のうち、１個のノズルからインクを吐出する場合と、８個すべてのノズルからインクを吐出する場合とでは、インクが流れ出るノズルの総面積が変化することによって各ノズルにかかる圧力が変化する。

すなわち、複数のニードル弁３３１のうち同時に駆動するニードル弁３３１の数によって各ノズルにかかる圧力が変化するため、インク３０の吐出量、吐出速度等の吐出特性にばらつきが生じてしまう。これは、供給ポート３１１から流路３１２に供給されるインクの流量および流速は、同時に駆動するニードル弁３３１の数によらずおよそ一定であるのに対し、ノズル３０２の１つあたりから吐出されるインクの流量および吐出流速は、同時に駆動するニードル弁３３１の数すなわち同時に開かれるノズル３０２の断面積の合計が多いほど減少するためである。特に、個別液室同士が流路で接続されている構造（直列でつながっている構造）では、この課題が顕著である。すなわち、流体的に直列でつながっている複数のノズル３０２のうち、流路３１２においてインクの流れる方向における下流側に位置するノズル３０２から吐出されるインクの流量および吐出流速が顕著に減少する。

そこで、本発明においては、図８に示すように、複数のニードル弁３３１のうち同時に駆動するニードル弁３３１の数の増加に応じて、圧電素子３３２の印加電圧が増大するように制御する。同時に駆動するニードル弁３３１の数が多いほど、基準の駆動電圧Ｖｈに加算する補正量（すなわち増大量）ΔＶｈを大きくする。そして、圧電素子３３２の印加電圧ＶＨは同時に駆動するニードル弁３３１の数が多いほど大きくなるように制御される。これにより、圧電素子３３２がより変位し、ニードル弁３３１の移動量が増加する。ニードル弁３３１の移動量が増加し、その変位が増えることでニードル弁３３１は流路３１２内でノズル３０２からより遠いところまで退避する。すると、供給ポート３１１からノズル３０２にインク３０が流れる迄の間で、ニードル弁３３１がノズル３０２の近傍で流れを妨げることに起因する圧力損失が減少する。これにより、ノズル３０２の１つあたりから吐出されるインク３０の流量および吐出流速が減少することを防止できる。その結果、ノズル３０２とニードル弁３３１との間の流体抵抗が減り、インク３０の吐出特性が改善する。

図９は、液体吐出装置の制御構成の一例を示したブロック図である。

液体吐出装置１０００は、コントローラ９０１、ヘッド駆動制御部９０２等を備えている。また、コントローラ９０１にはコンピュータ９０３を接続している。コンピュータ９０３は、ＲＩＰ（Routing Information Protocol）部９０３１、レンダリング部９０３２等を備える。ＲＩＰ部９０３１は、カラープロファイルやユーザの設定に応じて画像処理を行う機能を有する。レンダリング部９０３２は、被描画物１００（図１参照）に描画する画像データを、スキャン毎（例えばキャリッジ１が１回のＸ方向への移動で描画する単位毎）の画像データに分解する機能を有する。また、コンピュータ９０３には、入力装置９０３３を接続している。入力装置９０３３はキーボード、マウス、タッチパネル等からなり、被描画物１００に描画する画像データ、座標データの設定、描画モードの選択等、ユーザからの入力を受け付ける。

コントローラ９０１は、システム制御部９０１１、画像データ格納部９０１２、メモリ制御部９０１３、吐出周期信号生成部９０１４およびキャリッジ制御部９０１５等を備える。システム制御部９０１１は、コンピュータ９０３から画像データや指令を受信し、液体吐出装置１０００の全体動作を制御する。画像データ格納部９０１２は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等のメモリを備え、コンピュータ９０３から受信した画像データ等を格納する。メモリ制御部９０１３は、システム制御部９０１１からの指令に基づき、画像データ格納部９０１２への画像データ等の書き込み、画像データ格納部９０１２からの画像データ等の読み出しを行う。

吐出周期信号生成部９０１４は、エンコーダセンサ１０９の出力信号と、コンピュータ９０３から受信した画像データの解像度を示す情報とに基づき、インクの吐出周期信号を生成する。

ここで、エンコーダセンサ１０９は、例えば液体吐出装置１０００のＸ軸レール１０１に沿って設置したリニアエンコーダのスリットを光学的に検出して前述の出力信号を発生する。なお、エンコーダセンサ１０９は、キャリッジ１のＸ方向の位置を検知できる構成であればよく、リニアエンコーダ方式に限るものではない。リニアエンコーダ方式以外に、例えばＸ方向駆動部７２の駆動モータの回転をカウントする方式に置き換えてもよい。

キャリッジ制御部９０１５は、エンコーダセンサ１０９の出力信号に基づきキャリッジ１の位置情報を算出して、Ｘ方向駆動部７２の速度を制御する。なお、本例においては、システム制御部９０１１にてキャリッジ１の移動速度の変化量を算出している。そしてシステム制御部９０１１は、この変化量に基づきキャリッジ１の速度制御を行う。

以上のようにコントローラ９０１は、システム制御部９０１１、画像データ格納部９０１２、メモリ制御部９０１３、吐出周期信号生成部９０１４およびキャリッジ制御部９０１５等を備えている。コントローラ９０１は、演算処理装置および記憶装置を有し、記憶装置内に事前に記録されているプログラムを演算処理装置が実行することで、これら各機能部を実現する。

次にヘッド駆動制御部９０２を説明する。液体吐出ヘッド３００の駆動を制御するヘッド駆動制御部９０２は、駆動波形データ格納部９０２１、駆動波形生成部９０２２、Ｄ／Ａコンバータ９０２３、電圧増幅部９０２４および電流増幅部９０２５等を備える。駆動波形データ格納部９０２１は、液体吐出ヘッド３００を駆動するための駆動波形を格納する。

駆動波形生成部９０２２は、駆動波形データ格納部９０２１から読み出した駆動波形データを、吐出周期信号生成部９０１４からの吐出周期信号を契機としてＤ／Ａコンバータ９０２３に出力する。Ｄ／Ａコンバータ９０２３は、駆動波形生成部９０２２から受信した駆動波形データをアナログデータに変換し、そのアナログデータを電圧増幅部９０２４に出力する。電圧増幅部９０２４は、Ｄ／Ａコンバータ９０２３から受信したアナログデータの電圧を増幅する。また、電流増幅部９０２５は、電圧増幅部９０２４から受信したアナログデータの電流を増幅する。

以上のようにヘッド駆動制御部９０２は、駆動波形データ格納部９０２１、駆動波形生成部９０２２、Ｄ／Ａコンバータ９０２３、電圧増幅部９０２４および電流増幅部９０２５等を備えている。ヘッド駆動制御部９０２で生成した駆動波形によって、液体吐出ヘッド３００のノズル毎の駆動制御を実現する。

なお、図９に示した制御構成は一例であり、これに限るものではない。例えば、ＲＩＰ部９０３１とレンダリング部９０３２は、コンピュータ９０３に設けるのではなく、コントローラ９０１のシステム制御部９０１１に設ける構成としてもよい。

上述のように、本実施形態は、インク３０を吐出する複数のノズル３０２と、ノズル３０２に対応して設けた複数のニードル弁３３１と、ニードル弁３３１を駆動してノズル３０２を開閉する複数の圧電素子３３２とを備える液体吐出ヘッド３００と、液体吐出ヘッド３００に対してインク３０を加圧供給する液体供給手段（コンプレッサ１０８、エアーレギュレータ１０６を含むパイプ１０７、タンク１０５およびチューブ３１１ａ）と、複数のニードル弁３３１のうち同時に駆動するニードル弁３３１の数に応じて圧電素子３３２の印加電圧Ｖｈを制御する制御手段（コントローラ９０１、ヘッド駆動制御部９０２およびコンピュータ９０３）とを備える。

これにより、複数の液体吐出口から同時に液体を吐出する場合であっても、液体を正確に吐出することが可能な液体吐出装置を提供することができる。

図１０は、駆動波形生成部の他の実施例を示す構成図である。

図９のヘッド駆動制御部９０２において、駆動波形生成部９０２２を図１０の駆動波形生成部９０２６のように構成してもよい。駆動波形生成部９０２６は、画像データ出力部９０２６ａ、画素カウント部９０２６ｂ、駆動波形補正値算出部９０２６ｃ、駆動波形テーブル９０２６ｄおよび駆動波形補正部９０２６ｅ等を備える。

画像データ出力部９０２６ａは、コントローラ９０１から受信した画像データを基に、次の周期でインク吐出を行う画像データを特定する。そして、画像データ出力部９０２６ａは、特定した画像データを画素カウント部９０２６ｂに出力する。画像データ出力部９０２６ａは、所定の周期、例えば１スキャン毎に画像データを出力する。

画素カウント部９０２６ｂは、画像データ出力部９０２６ａから受信した画像データに基づき、液体吐出ヘッド３００において同時に駆動するノズルの数をカウントする。画素カウント部９０２６ｂは、同時に駆動するノズルの数をカウントした後に、当該ノズルの数を駆動波形補正値算出部９０２６ｃに出力する。

駆動波形テーブル９０２６ｄには、駆動ノズル数と駆動電圧補正量との関係を示すテーブルが予め格納してある（詳細は後述する）。駆動波形補正値算出部９０２６ｃは、画素カウント部９０２６ｂから受信した駆動ノズル数を示す情報と、駆動波形テーブル９０２６ｄのテーブル情報とに基づいて駆動波形補正値を取得する。駆動波形補正値算出部９０２６ｃは、ヘッド駆動電圧変化量（図８のΔＶｈ）を算出し、取得した駆動波形補正値に対してさらに補正を行う。

駆動波形補正部９０２６ｅは、駆動波形補正値算出部９０２６ｃから受信した補正値と、駆動波形テーブル９０２６ｄに格納した駆動波形とに基づいて補正処理を行う。駆動波形補正部９０２６ｅによって補正処理した駆動波形を液体吐出ヘッド３００に出力することで、液体吐出ヘッド３００のノズル毎の駆動制御を実現する。

図１１は、駆動波形テーブル９０２６ｄの一例を示す説明図である。

ここでは、エアー圧力の設定値、同時に駆動するノズル数、および駆動電圧の補正量を対応づけたテーブルを例示している。エアー圧力設定値は、図示のように複数用意しておき、例えばカラーインク（Ｃ、Ｍ、Ｙ、Ｋ等）は０．４５に設定し、白インクは０．３に設定するなど、インク特性に応じてエアー圧力を使い分けてもよい。同時に駆動するノズル数が１のときの駆動電圧補正量Ａ１およびＡ２はゼロボルトである。駆動電圧補正量は、Ａ１からＨ１、Ａ２からＨ２へ移るにしたがい大きい値となる。

この駆動波形テーブルを用いて基準の駆動電圧Ｖｈに対し補正量ΔＶｈを加算した駆動電圧ＶＨを導出する。

上述のように、液体吐出ヘッド３００は、圧電素子３３２に電圧印加していないときはニードル弁３３１が閉じており、圧電素子３３２に電圧印加したときはニードル弁３３１が開いてノズル３０２よりインク３０を吐出する。

これにより、非常事態等で電源を遮断した場合であっても、ニードル弁３３１がノズル３０２を閉じ、ノズル３０２からのインク３０の吐出を確実に止めることができる。

また、上述のように、複数のニードル弁３３１のうち同時に駆動する弁体の数が多いときは、少ないときと比べて圧電素子３３２への印加電圧を大きくする（電圧Ｖｈから電圧ＶＨに補正する）。また、複数のニードル弁３３１のうち同時に駆動する弁体の数が多いときは、少ないときと比べてニードル弁３３１の移動量を大きくする。

さらに、上述のように、圧電素子３３２への印加電圧は、複数のニードル弁３３１のうち同時に駆動するニードル弁３３１の数と圧電素子３３２の印加電圧補正量とを対応づけた駆動波形テーブル９０２６ｄにしたがい制御する。

これにより、ノズル３０２とニードル弁３３１との間の流体抵抗が減り、インク３０の吐出特性を改善することができる。

なお、同時に駆動するノズル数が２以上のときの駆動電圧補正量Ｂ１～Ｈ１およびＢ２～Ｈ２は、流体的に直列でつながっている複数のノズル３０２のうち流路３１２においてインクの流れる方向における下流側に位置するノズル３０２の駆動電圧補正量は、上流側に位置するノズル３０２の駆動電圧補正量よりも大きくしてもよい。たとえば、同時に駆動するノズル数が２のときの、図４に示す８つのノズル３０２の駆動電圧補正量を、上流側（図中左側）から順にＢ１（１）、Ｂ１（２）・・・Ｂ１（８）としたとき、Ｂ１（１）＜Ｂ１（２）＜・・・＜Ｂ１（８）とする。８つのノズル３０２のうちで駆動する２つのノズルの駆動電圧補正量として、８つの補正量のうち対応する２つの補正量を用いる。

直列でつながっている複数のノズル３０２のうち下流側に位置するノズル３０２は、供給ポート３１１からノズル３０２にインクが流れる迄の間に当該ノズル３０２よりも上流側に位置するニードル弁３３１によってインクの流れが妨げられ、圧力損失が増える。これにより、下流側に位置するノズル３０２から吐出されるインクの流量および吐出流速は、上流側に位置するノズル３０２よりも顕著に減少する。そこで、下流側に位置するノズル３０２の駆動電圧補正量を上流側に位置するノズル３０２の駆動電圧補正量よりも大きくすることにより、下流側のノズル３０２から吐出されるインクの流量および吐出流速が減少することを防止できる。

図１２は、同時駆動の低減を可能にする液体吐出ヘッド設置例の説明図である。なお、説明を簡単にする為ここでは液体吐出ヘッド３００のノズル数が４個の場合で説明する。

ドット間ピッチをＸ（ｍｍ）とした場合、ノズル３０２－１に対するノズル３０２－２、３０２－３、３０２－４のＸ方向のずれ量がドット間ピッチＸの１／４となるように液体吐出ヘッド３００を角度θだけ傾けて設ける。なお、ドット間ピッチＸは、Ｘ方向の解像度（ｄｐｉ）によって決まる値である。

すなわち、液体吐出ヘッド３００の各ノズル間隔をＮＰとすると、Ｌ＝１／４・Ｘ＝ＮＰ・ｓｉｎθ（ｍｍ）となり、ノズル数がＮ個の場合は、Ｌ＝１／Ｎ・Ｘ＝ＮＰ・ｓｉｎθ（但し、０°＜θ＜９０°）となる。

液体吐出ヘッド３００のＸ方向の移動速度をＶ（ｍｍ／ｓ）とすると、１駆動周期Ｔ（ｓ）は、Ｔ＝Ｘ／Ｖ（ｓ）となる。

液体吐出ヘッド３００を上記のように取り付けることにより、各ノズルのヘッド駆動周期（吐出周期）が、隣り合うノズルに対して１／４・Ｔ（ｓ）ずれた状態になる。これによりノズルの駆動タイミングが分散し、同時に駆動するノズル数を低減することが可能になる。

また、角度θは一つではなく、次の式を満たす規則性に伴い複数存在する。
Ｌ＝（１／４＋Ｍ）・Ｘ＝ＮＰｓｉｎθ（ｍｍ）（但し、０°＜θ＜９０°）
但し、Ｍは正の整数であり、ノズル数がＮ個の場合は上記の式の（１／４＋Ｍ）を（１／Ｎ＋Ｍ）とする。

上述のように、液体吐出ヘッド３００を、Ｘ方向の解像度（ｄｐｉ）と各ノズル３０２の間隔ＮＰとから求まる角度で傾けて設ける。

これにより、複数のノズル３０２の駆動タイミングが分散し、同時に駆動するノズル３０２の数、すなわち同時に駆動するニードル弁３３１の数を低減することができる。

図１３は、ノズルの開閉動作の説明図であり、図１３（ａ）はノズルのオープン時間が吐出周期Ｔに対して２５％、つまり１／４Ｔのときの状態を示し、図１３（ｂ）はノズルのオープン時間が吐出周期Ｔに対して５０％、つまり１／２Ｔのときの状態を示している。

図１３（ａ）では、４個のノズル３０２－１～３０２－４すべてを駆動しているにも関わらず、各ノズルが同時に駆動することはない。従って前述の実施例と組み合わせた場合、圧電素子３３２の印加電圧の補正を行う必要がない。

図１３（ｂ）では、４個のノズル３０２－１～３０２－４すべてを駆動しているにも関わらず、同時駆動数は２個に低減できている。従って前述の実施例と組み合わせた場合、同時駆動ノズル数を２個として圧電素子３３２の印加電圧の補正を行う。

図１４は、変形例１に係る液体吐出ヘッドによる液体の吐出動作の説明図である。図１４（ａ）は吐出時の概略構成およびそのときの圧電素子への印加電圧を示した説明図、図１４（ｂ）は非吐出時の概略構成およびそのときの圧電素子への印加電圧を示した説明図、図１４（ｃ）は圧電素子の印加電圧制御の説明図である。

上述の実施例に係る液体吐出ヘッドでは、印加電圧を大きくするほど長手方向の全長が縮む特性を有する圧電素子を用いたが、変形例１に係る液体吐出ヘッドでは、印加電圧を大きくするほど長手方向の全長が伸びる特性を有する圧電素子を用いる。図１４（ａ）に示すように、圧電素子３３２は、印加電圧として小さな電圧Ｖｌ（すなわち相対的に小さな電圧）を印加することにより長手方向に収縮し、ニードル弁３３１を図において右側に動かす。これによりノズル３０２が開き、ノズル３０２からインク３０が吐出する。

また、図１４（ｂ）に示すように、圧電素子３３２は、印加電圧として上述の電圧Ｖｌよりも大きな電圧Ｖｈ（すなわち相対的に大きな電圧）を印加することにより長手方向に伸張し、ニードル弁３３１を図において左側に動かす。これによりノズル３０２が閉じ、ノズル３０２からのインク３０の吐出を抑止する。

変形例１においては、図１４（ｃ）に示すように、複数のニードル弁３３１のうち同時に駆動するニードル弁３３１の数の増加に応じて、圧電素子３３２へ印加する電圧を小さくするように印加電圧が制御される。同時に駆動するニードル弁３３１の数が多いほど、基準の駆動電圧Ｖｌから減算する補正量（すなわち減少量）ΔＶｌを大きくする。そして、圧電素子３３２の印加電圧ＶＬは同時に駆動するニードル弁３３１の数が多いほど小さくなるように制御される。これにより、圧電素子３３２がより変位し、ニードル弁３３１の移動量が増加する。

ニードル弁３３１の移動量が増加し、その変位が増えることでニードル弁３３１は流路３１２内でノズル３０２からより遠いところまで退避する。すると、供給ポート３１１からノズル３０２にインクが流れる迄の間で、ニードル弁３３１がノズル３０２の近傍で流れを妨げることに起因する圧力損失が減少する。これにより、ノズル３０２の１つあたりから吐出されるインクの流量および吐出流速が減少することを防止できる。その結果、ノズル３０２とニードル弁３３１との間の流体抵抗が減り、インク３０の吐出特性が改善する。

変形例１によれば、上述の実施例と同じく、複数の液体吐出口から同時に液体を吐出する場合であっても、液体を正確に吐出することが可能な液体吐出装置を提供することができる。

図１５は、変形例２に係る液体吐出ヘッドの説明図である。図１５（ａ）は吐出口を閉塞した状態を示す変形例２に係る弁型液体吐出ヘッドの一実施形態を示す断面図、図１５（ｂ）は吐出口を開口した状態を示す変形例２に係る弁型液体吐出ヘッドの一実施形態を示す断面図である。

図示された弁型液体吐出ヘッド５００は、概略として、先端にインク（液体の一例）を吐出するノズル５０２が設けられると共に、ノズル５０２の近傍にインクを注入する注入口５１２が設けられた中空状のハウジング５１０と、ハウジング５１０に内蔵され、外部からの電圧の印加に応じて伸縮（図１５（ａ），（ｂ）の左右方向へ伸縮）する圧電素子５３２と、ノズル５０２を開閉するニードル弁５３１と、ニードル弁５３１と圧電素子５３２の間に配置された逆バネ機構５３３（移動機構の一例）と、ニードル弁５３１に外嵌されてインクが圧電素子５３２側へ流入することを阻止する封止部材５１５と、圧電素子５３２の電極に接続された電圧印加用の一対のリード線２００ａ，２００ｂを備えて構成されている。圧電素子５３２は、上述の変形例１で用いる圧電素子３３２と同じく、印加電圧を大きくするほど長手方向の全長が伸びる特性を有する。

ハウジング５１０は、全体として円筒状又は角筒状に形成され、ノズル５０２及び注入口５１２以外は閉塞されている。ノズル５０２はハウジング５１０の先端に穿設された小さな開口であり、インクＤ２が吐出されるようになっている。注入口５１２は、ノズル５０２の近傍のハウジング５１０の側面に設けられ、インクタンクと接続されると共に加圧手段によって連続的にインク（または塗料）が弁型液体吐出ヘッド５００に供給されるようになっている。圧電素子５３２は、ジルコニアセラミックス等を用いて形成されており、吐出されるインクＤ２の量等に応じて適宜の外形及び厚みによって形成される。また、圧電素子５３２は、コントローラ９０１によって制御されるヘッド駆動制御部９０２から出力される電圧が連続的に印加される。封止部材５１５は、例えばパッキンやＯリング等であり、封止部材５１５をニードル弁５３１に外嵌することで、注入口５１２側から圧電素子５３２側へインクが流入することを防止している。尚、弁型液体吐出ヘッド５００を備えた塗装装置は、それぞれ異なる色のインクを吐出する弁型液体吐出ヘッド５００を複数並列配置することによって構成される。

逆バネ機構５３３は、適宜に変形可能なゴムや軟質樹脂等又は薄い金属板等を成形加工することによって形成された弾性部材であり、ニードル弁５３１の基端側の面（図１５（ａ）ではニードル弁５３１の右側端面）に当接するようにして形成された断面略台形状の変形部５３３ａと、ハウジング５１０の内壁面に固定される固定部５３３ｂと、圧電素子５３２の端面と連結されるガイド部５３３ｃを備えており、台形状の変形部５３３ａの長辺（台形の下底に相当）は固定部５３３ｂと連結された屈曲辺５３３ｄとされている。このような構造を備えた逆バネ機構５３３は、ヘッド駆動制御部９０２を介して圧電素子５３２に所定の電圧が印加されると圧電素子５３２が伸張することによりガイド部５３３ｃがノズル５０２側へ移動して変形部５３３ａの屈曲辺５３３ｄの中央部付近を押圧すると共に、屈曲辺５３３ｄの周縁部側が圧電素子５３２側に引き込まれるように変形する。

これにより、ニードル弁５３１と連結されている変形部５３３ａの頂部（台形の上底に相当）が圧電素子５３２側に移動する（図１５（ｂ）参照）。これにより、ニードル弁５３１は図１５に示す距離ｄだけ圧電素子５３２側に引き寄せられることでノズル５０２が開口する。そして、このような逆バネ機構５３３の変形部５３３ａにおけるニードル弁５３１との連結部である頂部と屈曲辺５３３ｄとの距離や屈曲辺５３３ｄの長さを適宜に調整することにより圧電素子５３２が伸張する長さよりもニードル弁５３１が移動する長さを長くすることが可能となる。すなわち、逆バネ機構５３３は圧電素子５３２の僅かな伸張を増幅することが可能となる。例えば、ニードル弁５３１の移動距離を圧電素子５３２の端面の移動距離の２倍とすれば圧電素子５３２の長さを従来の約１／２にすることが可能となる。

このように、圧電素子５３２に印加される電圧が０Ｖの状態（すなわち相対的に小さな電圧が印加される状態）においては、圧電素子５３２は原型に戻るので逆バネ機構５３３には外部から力が加わらない状態となり、図１５（ａ）に示すように変形は生じない。一方、圧電素子５３２に＋Ｖｈの電圧が印加されると（すなわち相対的に大きな電圧が印加されると）圧電素子５３２が伸張し、これに応じて逆バネ機構５３３のガイド部５３３ｃがノズル５０２方向（軸方向）へ移動するため、変形部５３３ａが軸方向の変形を受け、図１５（ｂ）に示すように押し潰されたように変形する。

［弁型液体吐出ヘッド５００の動作］
次に、上述した弁型液体吐出ヘッド５００の動作について説明する。圧電素子５３２に電圧が印加されていない状態、すなわち、印加電圧＝０Ｖ（すなわち相対的に小さな電圧が印加される状態）のときには、逆バネ機構５３３の変形部５３３ａは膨らんだ状態（通常状態）になっており、ニードル弁５３１は変形部５３３ａの弾性力によってノズル５０２方向に付勢され、図１５（ａ）に示すように、ノズル５０２はニードル弁５３１の端面によって閉塞されている。したがって、ノズル５０２からインクＤ２が吐出されることはない。

圧電素子５３２に電圧（＋Ｖｈ）が印加されると（すなわち相対的に大きな電圧が印加されると）、圧電素子５３２は図１５（ｂ）に示す軸方向に先端（図１５では左端）が伸長してガイド部５３３ｃがノズル５０２方向（軸方向）へ移動する。これに伴い、変形部５３３ａの屈曲辺５３３ｄの中央部付近がノズル５０２側（図１５（ｂ）の矢印ａ方向）へ押し込まれると共に、ハウジング５１０の内壁側近くの屈曲辺５３３ｄの周縁部が圧電素子５３２側（図１５（ｂ）の矢印ｂ方向）へ後退し、変形部５３３ａが圧縮された状態となり、変形部５３３ａの屈曲辺５３３ｄとニードル弁５３１との連結面までの長さが縮まり、ニードル弁５３１が図１５に示す距離ｄだけ圧電素子５３２側に引き寄せられる。その結果、ニードル弁５３１の先端面とノズル５０２との間に図１５（ｂ）に示すような空隙が生じ、ノズル５０２が開口される。これにより、注入口５１２とノズル５０２が連通してノズル５０２からインクＤ２が吐出する。

変形例２に係る弁型液体吐出ヘッド５００は、圧電素子５３２として印加される電圧が大きいほど長手方向に伸張する特性を有する圧電素子を用いる。また、圧電素子とニードル弁の間に移動機構を介在させ、圧電素子に相対的に大きな電圧を印加することにより移動機構によって吐出口（ノズル）を開口するようにニードル弁を移動させ、吐出口からインクを吐出する。また、圧電素子に印加する電圧を相対的に小さくすることにより移動機構によって吐出口を閉じる。また、上述の実施例と同様に、すなわち図７及び図８で示したのと同様の方法で、複数のニードル弁のうち同時に駆動するニードル弁の数に応じて圧電素子の印加電圧を制御する。

変形例２においては、複数のニードル弁５３１のうち同時に駆動するニードル弁５３１の数の増加に応じて、圧電素子５３２の印加電圧が増大するように制御する。同時に駆動するニードル弁５３１の数が多いほど、基準の駆動電圧Ｖｈに加算する補正量（すなわち増大量）ΔＶｈを大きくする。そして、圧電素子５３２の印加電圧ＶＨは同時に駆動するニードル弁５３１の数が多いほど大きくなるように制御される。これにより、圧電素子５３２がより変位し、ニードル弁５３１の移動量が増加する。ニードル弁５３１の移動量が増加し、その変位が増えることでニードル弁５３１は注入口５１２内でノズル５０２からより遠いところまで退避する。すると、供給ポートからノズル５０２にインクが流れる迄の間で、ニードル弁５３１がノズル５０２の近傍で流れを妨げることに起因する圧力損失が減少する。これにより、ノズル５０２の１つあたりから吐出されるインクの流量および吐出流速が減少することを防止できる。その結果、ノズル５０２とニードル弁５３１との間の流体抵抗が減り、インクＤ２の吐出特性が改善する。

なお、変形例２では、変形例１に係る液体吐出ヘッドすなわち印加電圧を大きくするほど長手方向の全長が伸びる特性を有する圧電素子を有する液体吐出ヘッドに移動機構を組み合わせた構成としたが、これに替えて、印加電圧を大きくするほど長手方向の全長が縮む特性を有する圧電素子を有する液体吐出ヘッドに移動機構を組み合わせて構成してもよい。

なお、本発明において、液体は、水や有機溶媒等の溶媒、染料や顔料等の着色剤、重合性化合物、樹脂、界面活性剤等の機能性付与材料、ＤＮＡ、アミノ酸やたんぱく質、カルシウム等の生体適合材料、天然色素等の可食材料、などを含む溶液、懸濁液、エマルジョンなどでもよい。これらは例えば、インクジェット用インク、表面処理液、電子素子や発光素子の構成要素や電子回路レジストパターンの形成用液、３次元造形用材料液等の用途で用いることができる。

以上説明したものは一例であり、本発明は、次の態様毎に特有の効果を奏する。

（態様１）
態様１は、液体（例えばインク３０）を吐出する複数の液体吐出口（例えばノズル３０２）と、前記液体吐出口に対応して設けた複数の弁体（例えばニードル弁３３１）と、前記弁体を駆動して前記液体吐出口を開閉する複数の駆動体（例えば圧電素子３３２）とを備える液体吐出体（例えば液体吐出ヘッド３００）と、前記液体吐出体に対して前記液体を加圧供給する液体供給手段（例えばコンプレッサ１０８、エアーレギュレータ１０６を含むパイプ１０７、タンク１０５およびチューブ３１１ａ）と、前記複数の弁体のうち同時に駆動する弁体の数に応じて前記駆動体の印加電圧（例えば印加電圧Ｖｈ）を制御する制御手段（例えばコントローラ９０１、ヘッド駆動制御部９０２およびコンピュータ９０３）とを備えることを特徴とするものである。

態様１によれば、複数の液体吐出口から同時に液体を吐出する場合であっても、液体を正確に吐出することが可能な液体吐出装置を提供することができる。

（態様２）
態様２は、態様１において、前記液体吐出体（例えば液体吐出ヘッド３００、５００）は、前記駆動体（例えば圧電素子３３２、５３２）に印加される前記印加電圧が相対的に小さいときは前記弁体（例えばニードル弁３３１、５３１）が閉じており、前記駆動体に印加される前記印加電圧が相対的に大きいときは前記弁体が開いて前記液体吐出口（例えばノズル３０２、５０２）より前記液体（例えばインク３０、Ｄ２）を吐出することを特徴とするものである。

態様２によれば、非常事態等で電源を遮断した場合であっても、弁体が液体吐出口を閉じ、液体吐出口からの液体の吐出を確実に止めることができる。

（態様３）
態様３は、態様２において、前記複数の弁体（例えばニードル弁３３１、５３１）のうち同時に駆動する弁体の数が多いときは、少ないときと比べて前記印加電圧（例えば印加電圧Ｖｈ）を大きくすることを特徴とするものである。
（態様４）
態様４は、態様１において、前記液体吐出体（例えば液体吐出ヘッド３００）は、前記駆動体（例えば圧電素子３３２）に印加される前記印加電圧が相対的に大きいときは前記弁体（例えばニードル弁３３１）が閉じており、前記駆動体に印加される前記印加電圧が相対的に小さいときは前記弁体が開いて前記液体吐出口（例えばノズル３０２）より前記液体（例えばインク３０）を吐出することを特徴とするものである。

（態様５）
態様５は、態様４において、前記複数の弁体（例えばニードル弁３３１）のうち同時に駆動する弁体の数が多いときは、少ないときと比べて前記印加電圧（例えば印加電圧Ｖｈ）を小さくすることを特徴とするものである。

（態様６）
態様６は、態様１乃至５のいずれかにおいて、前記複数の弁体（例えばニードル弁３３１、５３１）のうち同時に駆動する弁体の数が多いときは、少ないときと比べて前記弁体の移動量を大きくすることを特徴とするものである。

（態様７）
態様７は、態様１乃至６のいずれかにおいて、前記印加電圧（例えば印加電圧Ｖｈ）は、前記複数の弁体（例えばニードル弁３３１、５３１）のうち同時に駆動する弁体の数と前記駆動体（例えば圧電素子３３２、５３２）の印加電圧補正量（例えば印加電圧補正量ΔＶｈ）とを対応づけた制御テーブル（例えば駆動波形テーブル９０２６ｄ）にしたがい制御することを特徴とするものである。

態様３乃至態様７によれば、液体吐出口と弁体との間の流体抵抗が減り、液体の吐出特性を改善することができる。

（態様８）
態様８は、態様１乃至７のいずれかにおいて、前記液体吐出体（例えば液体吐出ヘッド３００、５００）を、解像度（例えばＸ方向の解像度（ｄｐｉ））と前記各液体吐出口の間隔（例えばノズル間隔ＮＰ）とから求まる角度で傾けて設けることを特徴とするものである。

態様８によれば、複数の液体吐出口の駆動タイミングが分散し、同時に駆動する液体吐出口の数、すなわち同時に駆動する弁体の数を低減することができる。

３０ インク（液体）
１０５ タンク
１０６ エアーレギュレータ
１０７ パイプ
１０８ コンプレッサ
３００ 液体吐出ヘッド（液体吐出体）
３０２ ノズル（液体吐出口）
３１１ａ チューブ
３３１ ニードル弁（弁体）
３３２ 圧電素子（駆動体）
９０１ コントローラ
９０２ ヘッド駆動制御部
９０３ コンピュータ
１０００ 液体吐出装置

特開２０１０－２４１００３号公報

Claims (8)

1. 液体を吐出する複数の液体吐出口と、前記液体吐出口に対応して設けた複数の弁体と、前記弁体を駆動して前記液体吐出口を開閉する複数の駆動体とを備える液体吐出体と、
   前記液体吐出体に対して前記液体を加圧供給する液体供給手段と、
   前記複数の弁体のうち同時に駆動する弁体の数に応じて前記駆動体の印加電圧を制御する制御手段と
   を備えることを特徴とする液体吐出装置。
2. 前記液体吐出体は、前記駆動体に印加される前記印加電圧が相対的に小さいときは前記弁体が閉じており、前記駆動体に印加される前記印加電圧が相対的に大きいときは前記弁体が開いて前記液体吐出口より前記液体を吐出することを特徴とする請求項１記載の液体吐出装置。
3. 前記複数の弁体のうち同時に駆動する弁体の数が多いときは、少ないときと比べて前記印加電圧を大きくすることを特徴とする請求項２記載の液体吐出装置。
4. 前記液体吐出体は、前記駆動体に印加される前記印加電圧が相対的に大きいときは前記弁体が閉じており、前記駆動体に印加される前記印加電圧が相対的に小さいときは前記弁体が開いて前記液体吐出口より前記液体を吐出することを特徴とする請求項１記載の液体吐出装置。
5. 前記複数の弁体のうち同時に駆動する弁体の数が多いときは、少ないときと比べて前記印加電圧を小さくすることを特徴とする請求項４記載の液体吐出装置。
6. 前記複数の弁体のうち同時に駆動する弁体の数が多いときは、少ないときと比べて前記弁体の移動量を大きくすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の液体吐出装置。
7. 前記印加電圧は、前記複数の弁体のうち同時に駆動する弁体の数と前記駆動体の印加電圧補正量とを対応づけた制御テーブルにしたがい制御することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の液体吐出装置。
8. 前記液体吐出体を、解像度と前記各液体吐出口の間隔とから求まる角度で傾けて設けることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の液体吐出装置。

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