JP3054189B2 - インクジェットヘッド駆動方式及び記録装置 - Google Patents

インクジェットヘッド駆動方式及び記録装置

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JP3054189B2 JP31969290A JP31969290A JP3054189B2 JP 3054189 B2 JP3054189 B2 JP 3054189B2 JP 31969290 A JP31969290 A JP 31969290A JP 31969290 A JP31969290 A JP 31969290A JP 3054189 B2 JP3054189 B2 JP 3054189B2
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、インクジェットヘッド駆動方式及び記録装
置に関し、より詳細には、インクジットプリンタ、プロ
ッタ、ファックス、およびコピア等に適用されるインク
ジェット記録装置に関する。
従来技術 従来、圧電素子を使用した方式や発熱素子を使用した
バブルジェット方式に於ては、パルス幅を変えたり、駆
動電圧を変えたりしてインク滴径を制御していた。ま
た、従来技術で中間調表現を行うときは、前記のように
パルス幅を変化させるか、駆動電圧を変化させるかし
て、インクのドット径を制御して中間調表現をしたり、
インクの打ち込み密度を変えて中間調表現を行ってい
た。
しかしながら、パルス幅を変えることはデジタル的に
出来るが、インク滴径を大きく変化させることは出来な
かった。又、駆動電圧を変化させるには、アナログ的に
行う必要があり、ドライブ回路が複雑になるきらいがあ
るだけでなく、以下に述べる問題があった。
第15図(a),(b)は、インクジェットヘッドの駆
動電圧とインク滴質量およびインク滴速度との関係を示
す図で、図(a)はインクジェットヘッドの駆動電圧と
インク滴質量との関係図、図(b)はインクジェットヘ
ッドの駆動電圧とインク滴速度との関係図である。以上
の関係図から明らかなようにインク滴質量およびインク
滴速度は共にインクジェットヘッドの駆動電圧に比例し
て増大する。従って、駆動電圧を下げてインク滴質量を
小さくするとインク滴速度も小さくなる。一方、シリア
ル(連続)走査型のインクジェット記録装置において
は、インクジェットヘッドはインクを噴射しながら主走
査方向に一定速度で移動するのでインク滴径をインクジ
ェットヘッド駆動電圧により変化させる方法ではインク
滴速度も変化し、インクジェットヘッドの駆動電圧変化
に応じた位置変化を与えることとなりドット位置精度に
影響を与える。
主走査速度を一定とした場合、インク滴速度の絶対値
が大きい程、ドット位置精度に対してのバラツキの幅が
小さくなる。すなわちバラツキの許容差が大きくとれる
ため、インク滴速度が大きい方が望ましい。
叙上の如く、従来のインク滴の質量を小さくするため
インクジェットヘッドの駆動電圧を下げるという方式で
は、インク滴速度も小さくなるためインク滴速度のバラ
ツキ許容差も小さくなり階調記録上問題があった。
目的 本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもの
で、第一の目的としてインクジェットヘッドの駆動方式
を押し打ち方式、または引き打ち方式のどちらでインク
を噴射させるかを切り替え、押し打ち方式と、引き打ち
方式とでインクを噴射させる時の噴射特性の違いによる
インク滴径に違いがあることに着目し、どの駆動方式で
インクを噴射させるかにより同一のインクジェットヘッ
ドでインク滴径をデジタル的に制御出来るようにしたも
ので、更には、第二の目的として押し打ち方式、または
引き打ち方式のインクジェットヘッド駆動によるインク
滴噴射特性の違いを利用して同一のインクジェットヘッ
ドで記録ドット密度の大幅な変換(例えば300dpi(ドッ
ト/インチ)と600dpi)を安定に行うことができる記録
装置、具体的には、インク滴質量を大幅に変えても、イ
ンク滴速度の変動幅、すなわち許容差が大きくとれ、実
用上安定性のある記録密度の変更を可能にするインクジ
ェット記録装置を提供し、これにより一つの記録装置で
幅広いニーズに対応した画像出力が得られるインクジェ
ット記録装置を提供することを目的としてなされたもの
である。
構成 本発明は、上記第一の目的を達成するために、(1)
圧電素子を使用したドロップオンデマンド方式のインク
ジェットヘッド駆動方式において、同一ヘッド内でヘッ
ド駆動方式を押し打ち方式、又は引き打ち方式に選択切
り替え可能とし、インク滴径を制御しうるようにしたこ
と、或いは、(2)圧電素子を使用したドロップオンデ
マンド方式のインクジェットヘッド駆動方式において、
印字の一主走査期間で押し打ち方式、又は引き打ち方式
を切り替えインク滴径を制御することで中間調画像が得
られようにしたこと、或いは、上記第二の目的を達成す
るために、(3)圧電素子を使用したドロップオンデマ
ンド方式のインクジェットヘッド駆動方式を、同一ヘッ
ド内で押し打ち方式または引き打ち方式に切り替えるこ
とにより、インク滴径を変えて記録ドット密度を選択可
能とした記録装置において、記録ドット密度の小さい記
録を押し打ち方式で、記録ドット密度の大きい記録を引
き打ち方式で行なうことを特徴としたものである。以
下、本発明の実施例に基づいて説明する。
第1図(a)〜(c)は、第一の目的達成するための
本発明の請求項第1項及び第2項に記載の発明によるイ
ンクジェットヘッド駆動方式の押し打ち方式の動作説明
図、図中、1は圧電素子、2は振動板、3はヘッド基
板、4はノズル、5は液室である。
(a)は圧電素子1が駆動されていない状態で、液室
5は広がった状態にあり、この状態の時、圧電素子1に
第3図(a)のような電圧が印加されると、振動板2が
(b)に示したように液室5を縮める方向に変形し、ノ
ズル4からインクを飛び出させる。次に、電圧が第3図
(a)に図示したようにゆっくり立ち下がると(c)の
ように圧電素子1は元の状態に戻る。この時、新しいイ
ンクが液室5内に供給され、次の印字にそなえる。
第2図(a)〜(c)は、本発明によるインクジェッ
トヘッド駆動方式の引き打ち方式の動作説明図で、図
中、第1図と同じ参照番号が付してある。この引き打ち
方式では、押し打ち方式とは逆に非印字時に圧電素子1
に電圧を印加しておき、(a)のように液室5を縮めた
状態にしておき、次に印字時にはまず第3図(b)に示
すように電圧が印加された状態からゆっくり立ち下げて
やることにより、(b)に示すように液室5が拡張して
液室5内にインクが供給され、(c)に示すように駆動
信号の次の立ち上げの時、液室5が縮まりインクがノズ
ル4より飛び出す。
本発明では、前記の押し打ち方式と、引き打ち方式と
を外部入力信号により切り替え、インクのドット径を変
えることにより中間調を出せるようにしたものである。
第5図はドライブ回路の一実施例で、第6図は、第5
図におけるタイムチャート、第4図は前記したタイムチ
ャートで印字したときの印字例で、一走査期間中に、
大、小のドット径の画素を形成したものをそれぞれ示す
図である。第5図に於てSg1端子は印字信号、Sg2端子は
駆動方式の切り替え信号であり、これらは図示されてい
ない処理回路より作成されて送られて来る。
CLKは基本タイミング信号、10はバイスタブル・フリ
ップフロップ、11はモノスタブル・フリップフロップ
で、圧電素子に印加する駆動信号の幅を決定するための
もの、13、17、18はAND回路、14、15はNAND回路、16はO
R回路、19、20、21は、バッファー回路、22は圧電素子
である。Q1、Q2はpnpタイプの、Q3はnpnタイプの出力ト
ランジスタである。
R2、R3は圧電素子駆動信号の立ち上がり、立ち下がり
時間を制御するためのものであり、R1はQ3の保護用で、
R2、R3より抵抗値は低く選ばれている。R2、R3は圧電素
子の静電容量と、立ち上がり、立ち下がり時間とから決
定される値である。
以下に回路動作を説明する。
今、第4図に示したi1、i2の大きい画素径のドットを
印字(押し打ち方式で)する時は、Q1をONすると共にQ3
をOFFすると、圧電素子にQ1、R1のルートで電流が流れ
圧電素子が変位する。即ち、この時、インクがノズルよ
り飛び出していく。次に、Q1がOFF、Q3がONすると圧電
素子に充電されていた電荷はR3、Q3のルートで放電され
る。この時、R3値が大きなものであるとゆっくりと放電
していく、これは、ノズルから空気を液室内に引き込ま
ないようにするためである。
次に、引き打ち方式でi4を印字するには、まず駆動方
式の切り替え信号が来た時点で第2図の(a)のように
液室を変位させておく必要がある。このためQ2をONして
R2(抵抗値がR3と同様に大きな値を持ち、圧電素子をゆ
っくり変位させる)を通して圧電素子に印加する。実際
の印字タイミングではまずQ2をOFF、Q3をONして一旦ゆ
っくり放電させ、液室を第2図(b)のように戻してお
いてからQ3をOFF、Q1をONさせ、一気に液室を縮めてノ
ズルよりインクを噴射させる。
次に、引き打ち方式から、押し打ち方式への切り替え
はQ1、Q2をOFFしておき、Q3をONにしてやれば圧電素子
に蓄えられていた電荷はR3、Q3を通してゆっくり放電
し、第1図(a)のような押し打ち方式の定常状態に液
室形状は戻り、押し打ち方式での印字に備える。
以上のように、各入力信号よりS1,S2,S3を作り、出力
トランジスタQ1,Q2,Q3を制御することにより、第4図に
示したような大きさの異なった印字をすることができ
る。
さらに、請求項第3項〜第5項に記載された発明を以
下に説明する。
第7図は、第二の目的を達成するための好適なインク
ジェット記録装置の構成図で、図中、31はノズル、32は
流路板、33は流路、34は流体抵抗、35は共通液室、36は
外部電極、37は駆動回路プリント基板、38は圧電素子、
39は基板、40は保護板、41はインク滴、42はインク液流
入口である。基板39には端面に保護板40を当接したPZT
(チタン酸ジルコン酸鉛)等の圧電素子38が接合され、
該圧電素子38は駆動回路プリント基板(PCB)37上の電
気回路(図示せず)および外部電極36を介して電気的に
制御されることにより厚み方向(紙面上下方向)に変位
する。この変位は流路板32内に設けられた流路(加圧液
室)33の容積を縮小又は拡大させる機能をもっている。
流路(加圧液室)33は共通液室35と連通しており、共通
液室35内にはインク液流入口42より供給されたインクが
充されているので、流路(加圧液室)33内のインクは縮
小時にノズル31よりインク滴41として噴射し、拡大させ
ることにより共通液室35より流路33内にインクが供給さ
れる。
以下、上記インクジェットヘッドにおけるインク噴射
の制御方法とインク滴質量(mj)、に対するインク噴射
速度(vj)との関係についての詳細を述べる。
上記インク噴射の制御方法には、第一の制御方法(以
下、押し打ち方式と呼ぶが、押し打ち方式はpush駆動と
も呼ばれる)と、第二の制御方法(以下、引き打ち方式
と呼ぶが、引き打ち方式はpull駆動とも呼ばれる)とが
ある。
第8図は、押し打ち方式における駆動電圧パルスのパ
ルス波形を示す図で、図中、(a)は、1サイクル中の
加圧・噴射工程、(b)は、1サイクル中のインク充填
工程、(c)は、1サイクル中の残留振動減衰工程を示
す。圧電素子(PZT)38は、正電圧印加時において流路
(加圧液室)33の容積を縮小させるように構成してあ
る。押し打ち方式において、(a)の加圧・噴射工程で
は流路(加圧液室)33の容積を縮小するように圧電素子
(PZT)38が変位するので、ノズル31よりインク滴41を
加圧・噴射し、(b)のインク充填工程では、圧電素子
(PZT)38の変位が初期の位置に戻ることにより、流路
(加圧液室)33の容積も復元し、流路(加圧液室)33内
にはインクが充填される。実際には流体の応答には遅れ
を伴なう。(c)の残留振動減衰工程は、流路(加圧液
室)33、圧電素子(PZT)38の構成要素およびインクの
粘性等による流体抵抗34により定まる振動減衰を含む工
程である。
第9図は、引き打ち方式における駆動電圧パルスのパ
ルス波形を示す図で、図中の(a),(c)は、1サイ
クル中の加圧・噴射および残留振動減衰工程、(b)
は、1サイクル中のインク充填工程である。引き打ち方
式において、圧電素子(PZT)38には予め一定の正の電
圧を印加して流路(加圧液室)33内の内方に向けて圧電
素子(PZT)38を変位させておき、画像信号があったと
き工程(b)に示すごとく印加電圧を零レベルまで落
し、圧電素子(PZT)38が流路(加圧液室)33を拡大方
向に変位させることによりインクを充填し、その後、工
程(a)において圧電素子(PZT)38に流路(加圧室)3
3を縮小する正の電圧を印加して該圧電素子(PZT)38を
変位させ、これによりインクを加圧・噴射させる。
次に、同一のインクジェットヘッドを用いて押し打ち
方式と引き打ち方式とを駆動した場合のインク噴射速度
(vj)とインク滴質量(mj)との関係を調べてみる。
第10図(a),(b)は、押し打ち方式におけるイン
ク噴射速度(vj)のインク滴質量(mj)との関係を示す
図で、図(a)は駆動電圧(vp)とインク噴射速度
(vj)、図(b)は駆動電圧(vp)とインク滴質量
(mj)との関係を実験結果から得た図である。
第11図(a),(b)は引き打ち方式におけるインク
噴射速度(vj)とインク滴質量(mj)との関係を示す図
で、図(a)は、駆動電圧(vp)とインク噴射速度
(vj)、図(b)は、駆動電圧(vp)とインク滴質量
(mj)との関係を示す図である。
第10図の押ち打ち方式と第11図の引き打ち方式とから
比較的小さいインク滴質量(mj)、例えば70×10-3グラ
ムのインク滴質量(mj)を得る場合のインク滴速度
(vj)を比較してみると、 押し打ち方式では、約3m/s(メータ/秒) 引き打ち方式では、約8m/s(メータ/秒) となり、引き打ち方式のインク滴速度(vj)は押し打ち
方式のインク滴速度(vj)に対して2倍以上のインク滴
速度(vj)が得られている。
次に、上記のインクジェットヘッドを用いて記録ドッ
ト密度300dpi(ドット/インチ)と600dpiを達成する場
合の一例を説明する。
第12図は、インク滴質量(mj)と記録紙上のドット径
(dj)との関係の一例を示す図で、記録紙としてギルバ
ードボンド(コットン25%)紙を用いた場合の実験結果
である。なお、上記の関係は記録紙の種類によっても若
干異なる。
通常、記録ドット密度(dpi)に対応するドット径(d
j)の適切な寸法は、ドットピッチの 程度とされている。従ってドット径の適切な寸法は 300dpiでは約120μm(ミクロン) 600dpiでは約60μm(ミクロン) である。
従って、第12図より、適切なインク滴質量(mj)は、 300dpiでは約120×10-9グラム 600dpiでは約40×10-9グラム である。
これらを達成する方法として、 300dpiを第10図に押し打ち方式とすると、駆動電圧は約
27Vでその時のインク滴速度は約5m/s(メータ/秒)で
ある。600dpiを第11図の引き打ち方式とすると、駆動電
圧は約23Vでその時のインク滴速度は約5m/sとなり、制
御方法と駆動電圧とを各々変えることで記録ドット密度
300dpi、600dpiともにインク滴速度(vj)を5m/sとする
ことができる。
以上に述べた本発明のインクジェット駆動方式に対し
て、記録ドット密度300dpiと600dpiを 押し打ち方式の駆動のみで行った場合は、インク滴質
量40×10-9グラムではインク滴速度は約2m/sに落ちてし
まい、ノズル間あるいは画像周波数の変化に伴いインク
滴速度(vj)のバラツキ許容差が非常に小さくなり、ド
ット位置精度の良い画像を安定して得ることは困難とな
る。
また、引き打ち方式の駆動のみの場合は、インク滴
質量(mj)を大きくすることが難かしく、本発明の実施
例に使用したインクジェットヘッドの構成では、記録ド
ット密度300dpiに適切なインク滴質量(mj)である120
×10-9グラムは、所定の駆動電圧範囲内では得られなか
った。
以上より同一インクジェットヘッドで300dpi、600dpi
を実現する方法として、記録ドット密度300dpiに対して
は押し打ち駆動、記録、ドット密度600dpiに対しては引
き打ち方式を用いる方法は非常に有効であることが判
る。
次に、上記のインクジェットヘッドを用いて記録ドッ
ト密度300dpiと600dpiの画像を出力する具体的な方法に
ついて述べる。
第13図は、インクジェットヘッドの配列と記録ドット
密度300dpiと600dpiの画像との関係を示すための説明図
で、図(a)はノズルの配列の一部を示し、図(b)は
300dpi、図(c)は600dpiのドット配列を示す。
ノズルは記録ドット密度300dpi相当の画像を1回の走
査で形成するピッチで配列されており、記録ドット密度
600dpiの画像を得る場合は1回目の走査で図(c)のハ
ッチングされたドットを印字し、その後記録紙を1ドッ
トピッチ即ち1/600インチ送った後、2回目の走査で図
(a)の白ヌキ部分のドットを印字することにより600d
piの画像を形成することができる。以上に述べた走査を
以降くり返して行うことにより一頁の記録を完了する。
以上は、頁全体にわたり、画素密度が一定な場合につ
いて述べたが、上記記録方法により記録ドット密度300d
pi画像と600dpi画像を同一ページ上に混合させる方法と
しては、例えば、記録ドット密度300dpi画像を印写後、
記録紙を逆方向に所望の位置まで移動させ、再度記録ド
ット密度600dpiの画像を記録させることにより達成され
る。例えば、文章中に高精度の図や画像を挿入する場合
など文章は記録ドット密度300dpiで高速出力し、画像を
記録ドット密度600dpiで高精度に出力することが可能と
なる。
上述の記録装置の他のメリットとして以下のことがあ
る。記録装置に記録ドット密度300dpiのページメモリ
(A4で約1MB)を持たせ記録ドット密度300dpiで印写す
る場合フルページメモリとして使い、記録ドット密度60
0dpiでは同一のメモリを使用して1/4ページ分の画面サ
イズまで扱うことができる。通常文章中に画像を挿入す
る場合、1/4ページ分の画面サイズがあれば十分である
場合が多いから、メモリコストが安く実用的な記録装置
を提供することができる。とくにカラー記録の場合は通
常モノクロ(単色)の4倍のメモリコストがかかるため
経済的効果が大きい。
第14図は、本発明のインクジェット記録装置の回路構
成の一例を示すブロック図で、図中、43はホストコンピ
ュータ、44はコントローラ、45はドライバ、45aは押し
打ち方式による記録ドット密度300dpiのドライバ、45b
は引き打ち方式による600dpiのドライバ、46はインクジ
ェットヘッド、47は走査系である。ホストコンピュータ
43に入力される画像情報に基づいて、該ホストコンピュ
ータ43では例えば、記録ドット密度300dpiと600dpiの判
別を行ない、押し打つ方式か引き打ち方式かを決定し、
決定された指令信号に基づいてコントローラ44を駆動す
る。例えば文字情報の場合はドライバ45の中から記録ド
ット密度300dpiの押し打ち方式によるドライバ45aを選
択してインクジェットヘッド46を駆動して印字し、この
ときの記録速度に応じて走査系47を駆動する。同様に画
像情報の場合は、記録ドット密度600dpiの引き打ち方式
によるドライバ45bを選択してインクジェットヘッド46
を駆動し、走査系47により副走査方向に1ドットピッチ
を移動する等の駆動を行うことにより画像情報に従って
異なる記録ドット密度の印字を行ない一頁の画像を作成
する。
効果 以上の説明から明らかなように、本発明によると、以
下のような効果がある。
(1)引き打ち方式、押し打ち方式と、同一インクジェ
ットヘッド内で駆動方式を切り替えることで、印字ドッ
ト径を変えることができ、簡単な構成で中間調表現が出
来る。又、従来の方式と併用することで、より広い中間
調表現が出来るようになる。
(2)同一インクジェットヘッドの駆動方式を記録ドッ
ト密度が小さい記録を押し打ち方式、記録ドット密度が
大きい記録を引き打ち方式に切り替えることにより、イ
ンク滴質量を大幅に変えても、インク滴速度変動の許容
値が大幅にとれ、記録ドット密度を大幅に変換しても安
定で協調性の優れた記録装置を提供できる。又、これに
より一つの装置で幅広いニーズに対応した画像出力を得
ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)〜(c)は、本発明によりインクジェット
ヘッド駆動方式の押し打ち方式の動作説明図、第2図
(a)〜(c)は、本発明によるインクジェットヘッド
駆動方式の引き打ち方式の動作説明図、第3図(a),
(b)は、印加電圧波形を示す図で、(a)は押し打ち
方式時、(b)は引き打ち方式時、第4図は、印字例を
示す図、第5図は、ドライブ回路の一実施例を示す図、
第6図は、そのタイムチャート、第7図は、本発明によ
る他のインクジェットヘッド駆動方式及びインクジェッ
ト記録装置を実施するインクジェットヘッドの構成を示
す図、第8図は、押し打ち方式における駆動電圧パルス
のパルス波形を示す図、第9図は引き打ち方式における
駆動電圧パルスのパルス波形を示す図、第10図(a),
(b)は、押し打ち方式におけるインク噴射速度とイン
ク滴質量との関係を示す図、(a)は、駆動電圧とイン
ク噴射速度との関係、(b)は、駆動電圧とインク滴質
量との関係を示す図、第11図(a),(b)は、引き打
ち方式におけるインク噴射速度とインク滴質量との関係
を示す図、(a)は、駆動電圧とインク噴射速度との関
係(b)は、駆動電圧とインク滴質量との関係を示す
図、第12図は、インク滴質量と記録紙上のドット径との
関係の一例を示す図、第13図は、インクジェットヘット
の配列と記録ドット密度300dpiと600dpiの画像との関係
を示すための説明図、第14図は、本発明のインクジェッ
ト記録装置の回路構成の一例を示すブロック図、第15図
(a),(b)は、インクジェットヘッドの駆動電圧と
インク滴質量およびインク滴速度との関係を示す図で、
図(a)はインクジェットヘッドの駆動電圧とインク滴
質量との関係図、図(b)はインクジェットヘッドの駆
動電圧とインク滴速度との関係図である。 1,38……圧電素子、2,32……振動板、3,39……ヘッド基
板、4,31……ノズル、5,35……液室。
フロントページの続き (72)発明者 駒井 博道 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株 式会社リコー内 (72)発明者 成瀬 修 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株 式会社リコー内 (72)発明者 松本 修三 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株 式会社リコー内 (72)発明者 中野 智昭 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株 式会社リコー内 (56)参考文献 特開 平2−192947(JP,A) 特開 昭55−17589(JP,A) 特開 昭63−71355(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B41J 2/205 B41J 2/045 B41J 2/055

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】圧電素子を使用したドロップオンデマンド
    方式のインクジェットヘッド駆動方式において、同一ヘ
    ッド内でヘッド駆動方式を押し打ち方式、又は引き打ち
    方式に選択切り替え可能とし、インク滴径を制御しうる
    ようにしたことを特徴とするインクジェットヘッド駆動
    方式。
  2. 【請求項2】圧電素子を使用したドロップオンデマンド
    方式のインクジェットヘッド駆動方式において、印字の
    一主走査期間で押し打ち方式、又は引き打ち方式を切り
    替えインク滴径を制御することで中間調画像が得られる
    ようにしたことを特徴とするインクジェットヘッド駆動
    方式。
  3. 【請求項3】圧電素子を使用したドロップオンデマンド
    方式のインクジェットヘッド駆動方式を、同一ヘッド内
    で押し打ち方式または引き打ち方式に切り替えることに
    より、インク滴径を変えて記録ドット密度を選択可能と
    した記録装置において、記録ドット密度の小さい記録を
    押し打ち方式で、記録ドット密度の大きい記録を引き打
    ち方式で行なうことを特徴としたインクジェット記録装
    置。
JP31969290A 1989-12-14 1990-11-22 インクジェットヘッド駆動方式及び記録装置 Expired - Lifetime JP3054189B2 (ja)

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