JP5231766B2 - インクジェット記録装置 - Google Patents

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Description

本発明は、液体にエネルギーを加えることによってこの液体を吐出することのできるインクジェット記録装置関する。
インクジェット記録装置は、写真プリントやはがきプリントを主な用途としており、高速記録、高品位、低騒音、多様な媒体に記録できるといった特長を有する。そして、近年のデジタルカメラ及びパーソナルコンピュータの普及を背景に、インクジェット記録装置のマーケットは急成長している。また、所定量の液体を粒状に吐出して記録媒体に付着させるインクジェット技術を産業分野において活用するなど、インクジェット技術はますます多様な用途に拡大しつつある。それに伴い、インクジェット記録装置に用いられる記録ヘッドの更なる高性能化と技術革新が加速している。
インクジェット方式として、主にバブルジェット(登録商標)方式と圧電方式の二種類が知られている。バブルジェット(登録商標)方式は、熱エネルギーをインクに与えることで、インクに急峻な体積変化(気泡の発生)を伴う状態変化を生じさせ、この状態変化に基づく作用力によって吐出口からインクを吐出する方法である。また、圧電方式は、圧電素子両面の電極に電圧を印加することにより圧電素子を変形させ、その体積変化によって吐出口からインクを吐出する方法である。
インクジェット記録装置は、上記方法を用いて、吐出口から吐出したインクを記録媒体上に着弾させて画像を形成する。
インクジェット記録においては、水を主成分としたインクを用いるため、水の蒸発等によりインクが増粘して吐出不良や目詰まりを起こしやすい。そこで、吐出不良や目詰まりを回避するために、記録動作を開始する前に画像を記録するためのインク吐出とは関係の無い吐出(予備吐出)を行い、吐出口をリフレッシュさせる方法がとられている。
近年、インクジェット記録装置について、より高精細な画像と高速記録を求める市場ニーズ及び産業用途への応用の期待に応えるため、従来よりも小さな液滴を安定に吐出する為の技術開発が進められている。また、主滴の後方に発生する主滴より更に小さな液滴であるサテライトを抑えるという課題解決の為の技術開発が進められている。
サテライトは様々な問題の原因となっている。例えば、小粒径のインク滴ほど空気抵抗の影響を受けやすい為、主滴が空気中を通過することによって生じる空気の流れの影響を受け、その後に続くサテライトが予定していない箇所に着弾して画質を低下させるという問題が挙げられる。また、サテライトのうち特に粒径の小さいものは、記録媒体に着弾せずにインクミストとなって浮遊して装置内を汚染する問題が挙げられる。
さらに、予備吐出時においては、吐出方向に記録媒体が配置されていないことが多く、インク滴が空気抵抗の影響を受けやすくなる。そのため、予備吐出時においては、記録時と比較して、浮遊するミストの量が多くなる傾向にあることが知られている。したがって、浮遊するミストの対策として、前記予備吐出時に発生するミストを減らすことが有効であると考えられる。
特許文献1には、予備吐出時に工夫をする技術が開示されている。特許文献1には、予備吐出時に、時間と共に変化する駆動周波数又は記録時の周波数以上の駆動周波数で記録ヘッドを駆動することにより、吐出口のインクメニスカスが凸状態となる過程を設け、吐出口周辺に付着したインクを除去する技術が開示されている。しかし、ここで開示されている技術は、そもそも吐出口の周りに付着したインクを取り込むことを目的としているのであって、予備吐出時のインクミストを減らすことにはつながっていない。
特開平4−239649号公報
本発明者の検討によって、隣接するノズルの駆動時間間隔を変化させることで、隣接する吐出口同士のクロストークを発生させ、吐出口のインクメニスカスの状態を、凸状態又は凹状態へと変化させることができることを見出した。さらに、隣接する吐出口同士のクロストークによって吐出口のインクメニスカスが凸状態又は凹状態へと変化するのに伴い、サテライトの形成状態が変化することを見出した。本発明者の検討の結果、吐出口のインクメニスカスが凸状態となったときにノズルを駆動し吐出動作を開始するとサテライトが大幅に低減することが見出された。また、吐出口のメニスカスが凹状態となったときにノズルを駆動し吐出動作を開始するとサテライトが増大することが見出された。
したがって、インクミストを低減するためには、吐出口のインクメニスカスが凸状態となった時に、ノズルを駆動し吐出動作を開始することが有効であると考えられる。
隣接するノズルの駆動時間間隔を調整し、吐出口のインクメニスカスが凸状態となったときにノズルを駆動し吐出動作を開始することにより、浮遊するインクミストを減らすことはできる。しかし、クロストークが発生している状態は不安定な状態である。このため、クロストークが記録に影響を及ぼすことも少なくなく、画質の低下を防止するためには、クロストークの影響が極力無い状態でノズルを駆動し吐出動作を開始する必要があることが一般に知られている。要するに、画質の低下を防止するためには隣接するノズルの駆動時間間隔は極力広い方が好ましい。一方、浮遊するインクミストを低減するために吐出口のインクメニスカスが凸状態となるようにするためには、隣接するノズルの駆動時間間隔を一定以内にする必要がある。このため、画質の低下を防止するための隣接するノズルの駆動時間間隔と、浮遊するインクミストを低減するための隣接するノズルの駆動時間間隔とはトレードオフの関係にあることがわかった。
すなわち、画質の低下を防止するために隣接するノズルの駆動時間間隔を広くすると、予備吐出時において浮遊するインクミストが多くなり、装置内を汚染しやすくなる。一方、浮遊するインクミストを減らすために隣接するノズルの駆動時間間隔をクロストークが起こりやすい間隔に調節すると、画質の低下の防止を妨げる原因となってしまうという課題を有していた。
そこで、本発明の目的は、画質の低下の防止とインクミストの低減とを両立するインクジェット記録装置提供することである。
上記課題を解決するための本発明は、インクを吐出するための複数のノズルを配列してなるノズル列と前記複数のノズルに対応して設けられた複数のヒータを配列してなるヒータ列とを有する記録ヘッドと、前記ヒータ列の前記複数のヒータを複数のブロックに分割し、前記ブロック毎に時分割駆動する駆動手段と、前記駆動手段による前記複数のブロックの駆動順を制御する制御手段とを有するインクジェット記録装置であって、前記制御手段は、画像の記録を行わないインク吐出の場合にはインクメニスカスが凸状態のノズルに対応するヒータを駆動するよう前記駆動手段を制御しつつ、隣接するヒータの駆動時間間隔が2.0μs以上5.0μs以下となるように前記複数のブロックの駆動順を制御することを特徴とする。
本発明のインクジェット記録装置及びこのインクジェット記録装置に用いられる記録ヘッドの駆動方法を用いることで以下の効果を得る。
記録時は記録性能に優れた吐出方法を選択し、予備吐出時はインクミスト量を低減する吐出方法を選択することで記録時と予備吐出時において近接するノズルの駆動時間間隔を変化させる。このような比較的簡易な方法で、高画質を保ちつつインクミスト量を大幅に減らすことができる。
以下に、具体的な実施例について図面を参照して詳細に説明する。
なお、この明細書において、「記録」(以下、「プリント」とも称する)とは、文字、図形等有意の情報を形成する場合のみならず、有意無意を問わず、広く記録媒体上に画像、模様、パターン等を形成する、又は媒体の加工を行う場合も表すものとする。また、人間が視覚で知覚し得るように顕在化したものであるか否かを問わない。
また、「記録媒体」とは、一般的な記録装置で用いられる紙のみならず、広く、布、プラスチック・フィルム、金属板、ガラス、セラミックス、木材、皮革等、インクを受容可能なものも表すものとする。
また、「インク」とは、上記「記録」の定義と同様広く解釈されるべきもので、記録媒体上に付与されることによって、画像、模様、パターン等の形成又は記録媒体の加工、或いはインクの処理に供され得る液体を表すものとする。インクの処理としては、例えば記録媒体に付与されるインク中の色剤の凝固又は不溶化させることが挙げられる。
またさらに、「ノズル」とは、特にことわらない限り吐出口乃至これに連通する液路及びインク吐出に利用されるエネルギーを発生する素子を総括して言うものとする。
図7は、本発明の代表的な実施例であるインクジェット記録装置の構成の概要を示す外観斜視図である。
図7に示すように、インクジェット記録装置(以下、記録装置という)は、インクジェット方式に従ってインクを吐出して記録を行う記録ヘッド3を搭載している。記録ヘッド3を搭載したキャリッジ2にキャリッジモータM1によって発生する駆動力を伝達機構4より伝え、キャリッジ2を主走査方向である矢印A方向に往復移動(往復走査)させる。この往復走査とともに、例えば、記録紙などの記録媒体Pを給紙機構5を介して給紙し、記録位置まで搬送し、その記録位置において記録ヘッド3から記録媒体Pにインクを吐出することで記録を行う。
記録装置のキャリッジ2には記録ヘッド3を搭載するのみならず、記録ヘッド3に供給するインクを収容するインクタンク6を装着する。このインクタンク6は、キャリッジ2に対して着脱自在になっている。
図7に示した記録装置はカラー記録が可能であり、そのためキャリッジ2にはマゼンタ(M)、シアン(C)、イエロー(Y)、ブラック(K)のインクをそれぞれ収容した4つのインクタンクを搭載している。これら4つのインクタンクはそれぞれ独立に着脱可能である。
キャリッジ2と記録ヘッド3とは、両部材の接合面が適正に接触されて所要の電気的接続を達成維持できるようになっている。記録ヘッド3は、記録信号に応じてエネルギーを印加することにより、複数の吐出口からインクを選択的に吐出して記録する。特に、本実施例の記録ヘッド3は、熱エネルギーを利用してインクを吐出するインクジェット方式を採用し、熱エネルギーを発生するために電気熱変換体を備える。その電気熱変換体に印加される電気エネルギーが熱エネルギーへと変換され、その熱エネルギーをインクに与えることにより生じる膜沸騰による気泡の成長、収縮によって生じる圧力変化を利用して、吐出口よりインクを吐出させる。この電気熱変換体は各吐出口のそれぞれに対応して設けられ、記録信号に応じて対応する電気熱変換体にパルス電圧を印加することによって対応する吐出口からインクを吐出する。
図7に示されているように、キャリッジ2はキャリッジモータM1の駆動力を伝達する伝達機構4の駆動ベルト7の一部に連結されており、ガイドシャフト13に沿って矢印A方向に摺動自在に案内支持されるようになっている。したがって、キャリッジ2は、キャリッジモータM1の正転及び逆転によってガイドシャフト13に沿って往復走査する。また、キャリッジ2の主走査方向(矢印A方向)に沿ってキャリッジ2の位置を示すためのスケール8が備えられている。
また、記録装置には、記録ヘッド3の吐出口(不図示)が形成された吐出口面に対向してプラテン(不図示)が設けられており、キャリッジモータM1の駆動力によって記録ヘッド3を搭載したキャリッジ2が往復走査される。これと同時に、記録ヘッド3に記録信号を与えてインクを吐出することによって、プラテン上に搬送された記録媒体Pの全幅にわたって記録が行われる。
記録装置には、記録ヘッド3を搭載するキャリッジ2の記録動作のための往復運動の範囲外(記録領域外)の位置に、記録ヘッド3の吐出不良を回復するための回復装置10が配設されている。
回復装置10は、記録ヘッド3の吐出口面をキャップするキャッピング機構11と記録ヘッド3の吐出口面をクリーニングするワイピング機構12を備えている。そして、キャッピング機構11による吐出口面のキャッピングに連動して回復装置内の吸引手段(吸引ポンプ等)により吐出口からインクを強制的に排出させる。それによって、記録ヘッド3のインク流路内の粘度の増したインクや気泡等を除去するなどの吐出回復動作を行う。
また、非記録動作時等には、記録ヘッド3の吐出口面をキャッピング機構11によるキャッピングすることによって、記録ヘッド3を保護するとともにインクの蒸発や乾燥を防止することができる。一方、ワイピング機構12はキャッピング機構11の近傍に配され、記録ヘッド3の吐出口面に付着したインク滴を拭き取るようになっている。
また、記録装置では、キャッピング機構11に記録に関係しないインクを吐出することにより、予備吐出を行うことができる構成となっている。
これらキャッピング機構11を使用した吸引動作及び予備吐出動作、ワイピング機構12を使用したワイパー動作により、記録ヘッド3のインク吐出状態を正常に保つことが可能となっている。
図8は、図7に示した記録装置の制御構成を示すブロック図である。
図8に示すように、コントローラ600は、MPU601、所要のテーブル、その他の固定データを格納したROM602を有する。また、キャリッジモータM1の制御、搬送モータM2の制御、及び、記録ヘッド3の制御のための制御信号を生成する特殊用途集積回路(ASIC)603を有する。また、画像データの展開領域やプログラム実行のための作業用領域等を設けたRAM604、MPU601、ASIC603、RAM604を相互に接続してデータの授受を行うシステムバス605を有する。さらに、以下に説明するセンサ群から入力されたアナログ信号をデジタル信号にA/D変換し、デジタル信号をMPU601に供給するA/D変換器606などで構成される。また、コントローラ600は、予備吐出時および記録時において、所定の時間間隔となるように前記複数のノズルを駆動する。
また、610は画像データの供給源となるコンピュータ等でありホストと総称される。ホスト610と記録装置との間ではインタフェース(I/F)611を介して画像データ、コマンド、ステータス信号等を送受信する。
さらに、620はスイッチ群であり、電源スイッチ621、プリント開始を指令するためのプリントスイッチ622、及び回復動作の起動を指示するための回復スイッチ623など、操作者による指令入力を受けるためのスイッチから構成される。630はホームポジションを検出するためのフォトカプラなどの位置センサ631、環境温度を検出するために記録装置の適宜の箇所に設けられた温度センサ632等から構成される装置状態を検出するためのセンサ群である。
さらに、640はキャリッジモータM1を駆動させるキャリッジモータドライバ、642は搬送モータM2を駆動させる搬送モータドライバである。
図7では、インクタンク6と記録ヘッド3とが分離された構成について示したが、本実施例はインクタンクと記録ヘッドとが一体に形成されたヘッドカートリッジであっても良い。
図9は、インクタンク6と記録ヘッド3とが一体的に形成されたヘッドカートリッジ100の構成を示す外観斜視図である。同図において、点線Kはインクタンク6と記録ヘッド3の境界線を示すものであるである。また、500は吐出口が複数配列してなるインク吐出口列である。インクタンク6に収容されるインクは、不図示のインク供給路を介して記録ヘッド3に供給される。ヘッドカートリッジ100には、キャリッジ2に搭載されたときに、キャリッジ2側から供給される電気信号を受け取るための電極(不図示)が設けられている。そして、この電気信号によって記録ヘッド3が駆動されて、吐出口列500の各吐出口から選択的にインクが吐出される。
(実施例1)
上記インクジェット記録装置における記録ヘッド3の駆動方法として、複数の吐出口を複数のブロックに分けて、ブロックごとに吐出口を同時駆動するブロック分割駆動方法がとられている。各々のブロックを駆動する時間間隔は等間隔であり、その間隔をブロック間隔と呼び、本件においてはtとする。
本実施例では、列状に配列されたノズルを16ブロックに分割して時分割駆動する記録ヘッドを使用している。
ここで、この記録ヘッドのうち記録時における隣接する16ノズルについての駆動図を図1に示す。図1の左側が隣接する16ノズルの吐出口を示しており、各々の吐出口に対応した駆動信号が、図中の左から右へと予め定められた順序で入力されている。そして、その駆動信号に応じて各々の吐出口からの吐出動作を開始する。
記録時においては、画質の低下を防止するために極力クロストークの影響がないように吐出動作を行うよう設計するのが望ましい。そのため、できるだけ隣接するノズルを駆動する時間間隔を離して駆動する必要がある。本実施例においては、図1の駆動図の通り、離散した位置のノズルを順に駆動していくことで、どのノズルにおいても、隣接するノズルを駆動する時間間隔は最低でも、5〜6tとなり、隣接するノズルを駆動する時間間隔を極力長くすることができる。
次に、画像を記録するためのインク吐出とは関係の無い吐出(予備吐出)時における図1の16ノズルと同じ16ノズルについての駆動図を図2に示す。予備吐出は画像形成を行うためのインク吐出ではないため、クロストークの影響に制約無く各ノズルの駆動順序を設計することができる。そのため、サテライトを抑えることだけを考えた駆動方法をとることができる。本実施例においては、図2の駆動図の通り、どのノズルにおいても、隣接するノズルが駆動される時間との駆動時間の間隔は、ブロック間隔と同じでtとなり、隣接するノズルを順次駆動していく駆動方法としている。
隣接するノズルを駆動する時間間隔を変化させることによって、吐出口から吐出されるインク滴のサテライト形成の状態が変化することが本発明者の検討により見出されている。ここで、本実施例の記録ヘッドである5plの吐出量の記録ヘッドにおける、吐出開始してから50μsにおけるサテライトの個数と隣接するノズルを駆動する時間間隔との関係を図3に示す。隣接するノズルを駆動する時間間隔を横軸とし、サテライト個数を縦軸とした。
図3において、隣接するノズルを駆動する時間間隔を変化させることで、サテライト個数が変化していることがわかる。図中の点線は従来の駆動方法によるサテライト個数を示している。隣接するノズルを駆動する時間間隔が5.0μs以下において、サテライト個数は従来よりも大幅に減っていることがわかる。そして、隣接するノズルを駆動する時間間隔が5.0μsを境にして、サテライト個数が多くなることがわかった。このように、隣接するノズルを駆動する時間間隔が短い間は、サテライト個数が少なくなる。ここで、サテライト個数が急増する時間をtとする。
図4に、従来の駆動方法における吐出状態を示す。ヒータ(電気熱変換体)103を駆動し気泡104を発生させることにより吐出口102から吐出したインクは、主滴105と呼ばれる部分と尾引き106と呼ばれる部分に分かれる。尾引き106は分裂及び合体をし、サテライトとよばれる小液滴となる。サテライトのうち、記録媒体に着弾できないものが、インクミストとして浮遊することになるので、尾引き106が短いものほど、浮遊するインクミスト量は減ると考えられる。
図5(a)に、隣接するノズルを駆動する時間間隔が5.0μs(t)以下の場合の吐出の状態を模式図にて示す。隣接するノズルを駆動する時間間隔が5.0μs以下では、ヒータ103駆動時のインクメニスカス101が凸状態となっており、インク吐出方向のインクが多くなる。この場合、インク先端が膨らんだ形状で吐出を開始するため、吐出したインク先端が球状になりやすい。そのため、吐出したインク先端は主滴105として早く切れる傾向にあり、吐出したインク後端の尾引き106が短くなり、サテライト個数も少なくなっている。
次に、図5(b)に、隣接するノズルを駆動する時間間隔が7.0μs以上10.0μs以下の場合の吐出の状態を模式図にて示す。7.0μs以上では、ヒータ103駆動時のインクメニスカス101が凹状態となっており、インク吐出方向のインクが少なくなる。この場合、インク先端が円柱状に吐出を開始するため、吐出したインク先端が球状になりにくい。そのため、吐出したインク先端が主滴105として切れるまで時間がかかる傾向にあり、吐出したインク後端の尾引き106も長くなり、サテライト個数も多くなっている。
要するに、浮遊するインクミスト量を減らすために、サテライトの個数を減らして吐出するためには、隣接するノズルを駆動する時間間隔がtよりも短い時間間隔であればよい。
本実施例における予備吐出時において、予め定められた第1の時間間隔として、ブロック間隔tを2.0μs以上5.0μs以下とする。こうすることで、隣接するノズルを駆動する時間間隔は2.0μs以上5.0μs以下となり、サテライトを少なくすることができる。
また、本実施例における記録時において、予め定められた第2の時間間隔として、隣接するノズルを駆動する時間間隔を10.0μs以上25.0μs以下と十分に長くする。こうすることで、クロストークの影響を低減することができる。
本実施例では、クロストークの影響が低減でき、高画質化を保ったまま、予備吐出時における浮遊するミストを少なくすることに成功した。
(実施例2)
本実施例では、実施例1と同様に、列状に配列されたノズルを16ブロックに分割して時分割駆動する記録ヘッドを使用している。
本実施例において、記録時におけるノズルの駆動順序は図1と同様の駆動順序としている。そのため、隣接するノズルを駆動する時間を極力離すことができ、クロストークの影響を少なくしている。
本実施例の予備吐出時におけるノズルの駆動順序を図6に示す。図6の駆動図の通り、どの吐出口においても、隣接するノズルが駆動される時間間隔は、ブロック間隔の2倍である2tとなる。この際、ブロック間隔を1.0μs以上2.5μs以下とすることで、隣接するノズルが駆動される時間間隔は2.0μs以上5.0μs以下となる。これにより、吐出口のメニスカスが凸状態の時に吐出が開始されるため、サテライトの少ない吐出を達成することができる。こうして、予備吐出時における浮遊するミストを少なくすることができる。
これより、本実施例においても、クロストークの影響が無く、高画質化を保ったまま、予備吐出時における浮遊するミストを少なくすることに成功した。
なお、上記各実施例においては、隣接するノズルの駆動時間間隔を制御したが、クロストークの影響は隣接するノズルだけでなく、近接するノズルに及ぶ場合も考えられる。そのため、本発明は、両隣の隣接ノズルに限らず、クロストークの影響が及ぶと考えられる離散した位置のノズル、つまり近接するノズルの駆動時間間隔を制御する場合も含まれる。
以下に、本発明の記録ヘッドの駆動方法の一例について、図10のフローチャートを用いて説明する。
まず、ステップS110で、予備吐出時における近接ノズルの駆動時間間隔が第1の時間間隔となるように複数のノズルをブロック駆動(第1の駆動)する。例えば、インクメニスカスが凸状態のときにノズルを駆動するように、近接するノズルの駆動時間間隔が所定の時間間隔に設定された駆動順序で、前記複数のノズルを駆動する。次にステップS120で、記録時における近接ノズルの駆動時間間隔が第1の時間間隔よりも長い第2の時間間隔となるように複数のノズルをブロック駆動(第2の駆動)する。例えば、クロストークの影響がないように、記録時における近接するノズルの駆動時間間隔が予備吐出時における近接するノズルの駆動時間間隔よりも長くなるように設定された駆動順序で前記複数のノズルを駆動する。
実施例1の記録時におけるノズルの駆動順序を示す図である。 実施例1の予備吐出時におけるノズルの駆動順序を示す図である。 サテライトの個数と隣接するノズルを駆動する時間間隔との関係を示す図である。 従来の駆動方法における吐出状態を示す図である。 インクメニスカスが凸状態及び凹状態における吐出状態を示す図である。 実施例2の予備吐出時におけるノズルの駆動順序を示す図である。 本発明の代表的な実施例であるインクジェット記録装置の構成の概要を示す外観斜視図である。 記録装置の制御回路の構成を示すブロック図である。 インクタンクと記録ヘッドとが一体的に形成されたヘッドカートリッジの構成を示す外観斜視図である。 本発明の記録ヘッドの駆動方法の一例を示すフローチャートである。
符号の説明
1 インクジェット記録装置
3 記録ヘッド
101 インクメニスカス面
102 吐出口
103 ヒータ
600 コントローラ

Claims (5)

  1. インクを吐出するための複数のノズルを配列してなるノズル列と前記複数のノズルに対応して設けられた複数のヒータを配列してなるヒータ列とを有する記録ヘッドと、前記ヒータ列の前記複数のヒータを複数のブロックに分割し、前記ブロック毎に時分割駆動する駆動手段と、前記駆動手段による前記複数のブロックの駆動順を制御する制御手段とを有するインクジェット記録装置であって、
    前記制御手段は、画像の記録を行わないインク吐出の場合にはインクメニスカスが凸状態のノズルに対応するヒータを駆動するよう前記駆動手段を制御しつつ、隣接するヒータの駆動時間間隔が2.0μs以上5.0μs以下となるように前記複数のブロックの駆動順を制御することを特徴とするインクジェット記録装置。
  2. 前記制御手段は、画像を記録するインク吐出の場合には、前記駆動時間間隔が、10.0μs以上25.0μs以下となるように前記複数のブロックの駆動順を制御す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. 前記制御手段は、画像の記録を行わないインク吐出の場合には、隣接するヒータを順次駆動するように制御し、画像を記録するインク吐出の場合には、離散した位置のヒータを順に駆動するように制御することを特徴とする請求項2に記載のインクジェット記録装置。
  4. 前記記録ヘッドは、5plのインクを吐出するために用いられることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のインクジェット記録装置。
  5. 画像の記録を行わないインク吐出の場合には、インクの吐出方向に記録媒体が配置されていないことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のインクジェット記録装置。
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