JP6624850B2 - 画像形成装置 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば電子写真画像形成方式を用いて記録媒体に画像を形成する電子写真複写機、電子写真プリンタ(例えばレーザービームプリンタ、LEDプリンタ等)、ファクシミリ装置などの画像形成装置に関する。
電子写真方式の画像形成装置に用いられる感光体としては、低価格および高生産性の利点から、光導電性物質(電荷発生物質や電荷輸送物質)として有機材料を用いた感光層(有機感光層)を金属からなる支持体上に設ける有機電子写真感光体が普及している。有機電子写真感光体としては、光導電性染料や光導電性顔料の電荷発生物質を含有する電荷発生層と光導電性ポリマーや光導電性低分子化合物の電荷輸送物質を含有する電荷輸送層とを積層してなる積層型感光層を有する電子写真感光体が主流である。これにより、高感度および材料設計の多様性を実現させている。
このような感光体の表面には、画像形成プロセスにおいて電気的外力や機械的外力が加えられるため、これらの外力に対する表面の傷や摩耗の発生に対する耐久性、すなわち、耐傷性および耐摩耗性が要求される。この耐傷性や耐摩耗性を向上させるために、近年は感光体の表面層を硬化層にして表面層の機械的強度を高めるという技術が確立されてきている。例えば、結着樹脂として硬化性樹脂を用いた硬化層を表面層とするものなどがある。
しかし、このように表層に硬化層を持つ感光体を用いても表面の摩耗を完全に防ぐことはできない。そして、耐久が進んで硬化層が削られると、硬化層の下層に存在する感光層が露出して感光層の摩耗が始まる。この感光層は機械的外力に弱く、露出したところから急激に摩耗する。そして、絶縁体である感光層の摩耗が進むと、摩耗部では感光層の下層に存在する金属からなる支持体に電荷が移動してしまい、電荷の保持ができなくなる。この結果、摩耗部では画像不良が発生する。
このため、従来から感光体の膜厚を検知する方法が提案されている。例えば特許文献1では、感光体を帯電させる帯電部材に電圧を印加して感光体を所定の電位までに帯電させたときに感光体に流れる直流電流を検知し、その検知した電流値から感光体の膜厚を算出する。
特開平5−223513号公報
特許文献1の構成において、膜厚検知時に検知する直流電流は帯電していない感光体の表面が帯電部材により帯電されるときに発生する。このため、膜厚検知時に検知される直流電流は、単位時間当たりに帯電を行う帯電部に突入する感光体の面積に依存する。そして、この帯電部に突入する感光体の面積は感光体の回転速度に依存する。
このため、図7に示す様に、例えば感光体の回転速度が400mm/sより遅い200mm/sの場合には、感光体の膜厚に対して検知される直流電流が小さくなる。そして耐久が進んで膜厚が減少していくと、膜厚の減少量に対して検知される直流電流の増加量が小さくなる。このような状況では、直流電流の検知誤差があった場合に膜厚の算出に際してその誤差の影響が及びやすくなる。
そこで、本発明はこのような現状を鑑みてなされたものであり、感光体の膜厚の検知をより正確に行うことができる画像形成装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための本発明に係る画像形成装置の代表的な構成は、回転可能に設けられた像担持体と、前記像担持体を帯電させる帯電部材と、直流電圧と交流電圧とを重畳した電圧を前記帯電部材に印加する電圧印加手段と、前記帯電部材が前記像担持体を帯電させる際に前記像担持体に流れる直流電流を検知する電流検知手段と、前記電流検知手段が検知した直流電流値に基づいて前記像担持体の寿命を予測する予測手段と、前記像担持体の回転速度を制御する制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記電流検知手段が前記予測手段に用いる前記直流電流値を検知する際には、前記電圧印加手段は画像形成時に印加する交流電圧よりも大きい交流電圧を前記帯電部材に印加し、前記制御手段は画像形成時の回転速度よりも大きい回転速度で前記像担持体を回転させることを特徴とする。
本発明にあっては、像担持体の回転速度を画像形成時よりも速くした上で、電圧印加手段が電圧を印加した際に像担持体に流れる電流を検知して像担持体の膜厚を算出する。このため、像担持体の膜厚の減少量に対して電流検知手段により検知される電流値の増加量が相対的に大きくなる。従って、膜厚の算出に際して電流の検知誤差の影響を小さくすることができ、膜厚をより正確に検知することができる。
画像形成装置の断面概略図である。 感光体ドラムの層構造を説明する図である。 画像形成装置のシステムの構成を示すブロック図である。 膜厚検知シーケンスのフローチャートである。 帯電交流電圧とドラム電位と帯電直流電流との関係を示すグラフである。 感光体ドラムの膜厚と帯電直流電流との関係を示すグラフである。 感光体ドラムの膜厚と帯電直流電流と感光体ドラムの回転速度との関係を示すグラフである。
(第1実施形態)
<画像形成装置>
以下、まず本発明の第1実施形態に係る画像形成装置Aの全体構成を画像形成時の動作とともに図面を参照しながら説明する。
図1に示す様に、画像形成装置Aはシートにトナー像を転写する画像形成部と、画像形成部へシートを供給するシート給送部と、シートにトナー像を定着させる定着部と、を備えている。
画像形成部は、像担持体として回転可能に設けられた回転ドラム型の有機電子写真感光体である感光体ドラム1(1Y、1M、1C、1K)を有する。また帯電部材として感光体ドラム1表面を一様に帯電処理する接触式帯電方式の帯電ローラ2(2Y、2M、2C、2K)を備える。またウレタンゴムからなる平板状のクリーニングブレード6(6Y、6M、6C、6K)、レーザスキャナユニット3(3Y、3M、3C、3K)、現像装置4(4Y、4M、4C、4K)、中間転写ユニットなどを有する。
感光体ドラム1は、図2に示す様に、導電性基体としてのアルミニウム製シリンダの表面に、下地層、有機材料からなる電荷発生層、電荷輸送層、硬化層を下から順に塗り重ねて形成される。なお本実施形態では、感光体ドラム1の表面硬化処理として結着樹脂として硬化性樹脂を用いた硬化層を用いた。しかしこれに限らず、例えば炭素−炭素二重結合を有するモノマーと電荷輸送性モノマーとを熱または光のエネルギーにより硬化重合させることによって形成される電荷輸送性硬化層を硬化層として用いることができる。また、同一分子内に連鎖重合性官能基を有する正孔輸送性化合物を電子線のエネルギーにより硬化重合させることによって形成される電荷輸送性硬化層を表面層としたものでもよい。
また、帯電ローラ2はステンレス製の芯金と芯金の外回りに形成された導電ゴム層から構成されている。またこの芯金の両端部は軸受け部材により回転自在に保持され、押圧ばねにより感光体ドラム1の表面に圧接されている。
中間転写ユニットは、一次転写ローラ5(5Y、5M、5C、5K)、中間転写ベルト15、駆動ローラ16、テンションローラ17、二次転写ローラ7、二次転写対向ローラ8、クリーニング装置9を備える。中間転写ベルト15は無端円筒状ベルトであり、駆動ローラ16、テンションローラ17、二次転写ローラ7によって張架されている。
画像形成に際しては、図3に示す制御部100がプリント信号を発すると、シート積載部11に積載収納されたシートが給送ローラ12によってシート搬送路に給送される。給送されたシートは搬送ローラ14により画像形成部に搬送される。
画像形成部においては、モータなどの駆動源(不図示)から駆動を受けることにより、感光体ドラム1が回転し、これに従動して帯電ローラ2が回転する。このとき、図3に示す帯電電源104より所定の帯電電圧が帯電ローラ2に印加される。本実施形態では、画像形成時の帯電電圧として直流電圧を−500V、交流電圧をその環境において感光体ドラム1が放電を開始する放電開始電圧の2倍以上の値に設定する。これにより、帯電ローラ2と感光体ドラム1との間の微小ギャップにて生じる放電現象を利用して感光体ドラム1の表面が約−500Vに帯電される。なお、本実施形態において画像形成時の感光体ドラム1は中心支軸を中心に200mm/sの周速度で回転し、帯電ローラ2は感光体ドラム1の回転に従動して300mm/sの周速度で回転する。
次に、感光体ドラム1が帯電されると、レーザスキャナユニット3が内部に備える不図示の光源からレーザ光を出射し、レーザ光を感光体ドラム1上に照射する。これにより感光体ドラム1の表面上に静電潜像が形成される。
次に、この静電潜像は、現像装置4が有する現像スリーブ(不図示)が感光体ドラム1に接触することで感光体ドラム1上にトナー像として現像される。なお、静電潜像へのトナーの付与率を向上させるために、現像スリーブには不図示の現像電源から現像電圧が印加される。本実施形態では、現像電圧として直流電圧と、周波数8.0kHz、ピーク間電圧1.8kV、矩形波の交流電圧を重畳した振動電圧が印加される。なお、本実施形態において現像に用いられるトナーとしてはポリエステルを主体とした樹脂バインダーに顔料を混練したものを粉砕分級して得られた平均粒径が約6μmのトナーを使用した。また、感光体ドラム1に付着するトナーの平均帯電量は約−30μC/gである。
次に、一次転写ローラ5(転写部材)と感光体ドラム1から形成される一次転写ニップ部において、一次転写ローラ5に不図示の転写電源(転写電圧印加手段)から一次転写電圧が印加される。これにより、感光体ドラム1上に形成されたトナー像は中間転写ベルト15(被転写体)にそれぞれ一次転写される。なお、本実施形態においては、画像形成時の一次転写電圧は600Vに設定される。
次に、駆動ローラ16が駆動源から回転力を受けて回転することで中間転写ベルト15が回転する。そして、中間転写ベルト15に一次転写されたトナー像は、中間転写ベルト15の回転方向下流にある二次転写ローラ7と二次転写対向ローラ8とで形成される二次転写ニップ部に到達する。その後、二次転写部においてトナー像がシートに転写される。
トナー像が転写されたシートは、定着装置10に送られ、加熱、加圧されてトナー像がシートに定着された後に排出部13に排出される。
<制御部>
次に、帯電ローラ2に印加する帯電電圧の制御構成など、画像形成装置Aのシステム構成について説明する。図3に示す様に、まず画像形成装置AはCPU105、ROM106、RAM107から構成される制御部100を有する。この制御部100は、感光体ドラム1の回転速度の制御や帯電電源104、現像電源、転写電源などの制御や後述する制御など、画像形成について様々な制御を行う。なお、ROM106とRAM107は画像形成装置A内の基盤内のメモリでもよいし、ドラムカートリッジに設置されるタグ内のメモリでもよい。
また制御部100は、帯電電圧を印加するための帯電電源104(電圧印加手段)と接続されている。この帯電電源104は、帯電ローラ2に対して帯電交流電圧を印加する帯電交流電源104aと帯電直流電圧を印加する帯電直流電源104bとから構成される。
また制御部100は、感光体ドラム1と接地電位との間に形成される電流検知回路101と接続されている。この電流検知回路101は、帯電交流電源104aが帯電交流電圧を印加することにより帯電ローラ2から感光体ドラム1に流れる帯電交流電流を測定する帯電交流電流測定回路101aを有する。また帯電直流電源104bが帯電直流電圧を印加することにより帯電ローラ2から感光体ドラム1に流れる帯電直流電流Iを測定する帯電直流電流測定回路101bを有する。
また、帯電直流電流測定回路101bは抵抗RとコンデンサCを有する。そして、抵抗Rの端子間電圧を測定してその測定値から帯電直流電流Iを算出する。また、コンデンサCは帯電交流電流をバイパスする。
その他、制御部100はユーザがシートサイズや坪量などの各種設定を行う操作パネル102や、画像形成装置Aが置かれた環境、例えば温度や湿度などを検知する環境センサ103と接続されており、これらの制御を行う。また、通紙カウンタ108と接続され、これにより画像形成枚数を検知する。
<膜厚検知シーケンス>
次に、感光体ドラム1の膜厚を検知する膜厚検知シーケンスについて説明する。
膜厚検知シーケンス自体を説明する前に、まずは感光体ドラム1の膜厚算出方法を説明する。感光体ドラム1の膜厚として、膜厚dを感光層の表面から導電性基体表面までの距離と規定する。このとき、感光層に与えられる単位面積あたりの電荷量をQ、帯電ローラ2により与えられる感光体ドラム1の表面電位をV、感光層の単位面積あたりの静電容量をC、真空中の誘電率をε0、感光層の比誘電率εrとすると、以下の式1の関係が成り立つ。
Q=CV=ε0・εr・1/d・V・・・(式1)
上記式1から電荷量Qと膜厚dとが反比例することがわかる。ここで、真空中の誘電率ε0と感光層の比誘電率εrは一定である。このため、帯電ローラ2により与えられる感光体ドラム1の表面電位Vを所定電位にしたときに感光層に与えられる単位面積あたりの電荷量Qがわかれば膜厚dを算出することができる。すなわち、電荷量Qとして帯電直流電圧を印加して帯電ローラ2により感光体ドラム1を帯電させたときに感光体ドラム1に流れる帯電直流電流I(電流値)を測定することで、膜厚dを算出することができる。
なお、感光体ドラム1の膜厚をより精度よく検知するために、感光体ドラム1の使用初期に検知した帯電直流電流Iと、膜厚検知シーケンス実行時に検知した帯電直流電流Iとの差分値ΔIから感光体ドラム1の膜厚を検知することも可能である。これは、決まっている膜厚に対してどれくらい削れているかという観点から膜厚を見積もる方法である。
次に、図4のフローチャートを用いて膜厚検知シーケンスを説明する。図4に示す様に、まず膜厚検知シーケンスが開始されると、制御部100は通紙カウンタ108により検知した画像形成枚数が閾値α以上か否かを判定する(S1)。ここで、画像形成枚数が閾値α未満のときは膜厚検知を行わずに膜厚検知シーケンスを終了する。
一方、画像形成枚数が閾値α以上のとき、次に制御部100は、感光体ドラム1の回転速度の設定を画像形成時の回転速度よりも速い回転速度に変更する(S2)。この感光体ドラム1の回転速度は、帯電ローラ2に帯電直流電圧が印加されたときに感光体ドラム1の表面を十分に帯電させられる回転速度であれば良いが、本実施形態では画像形成時の200mm/sから400mm/sに変更することとした。
次に制御部100は、後述する理由から、上記帯電直流電流Iを検知する際に帯電ローラ2に印加する帯電電圧、具体的には帯電直流電圧と帯電交流電圧の設定を画像形成時の設定から変更する(S3)。なお、帯電直流電流Iを検知するためには必ずしも帯電交流電圧を印加する必要はないものの、以下に説明する理由から、帯電直流電圧に帯電交流電圧を重畳させた帯電振動電圧を印加することが好ましい。このため本実施形態では、帯電直流電流Iを検知する際にはこの振動電圧を印加する構成とした。
図5は、帯電交流電圧と感光体ドラム1の帯電電位(以下、ドラム電位という)と帯電直流電流Iとの関係を示すグラフである。図5(a)に示すように、帯電交流電圧が印加されないと、帯電ローラ2に印加した帯電直流電圧をドラム電位に十分に反映できない。具体的には、帯電交流電圧が印加された際に帯電ローラ2から感光体ドラム1に交流電流である帯電交流電流の放電を開始する放電開始電圧より大きい帯電交流電圧を印加することで、帯電ローラ2に印加した帯電直流電圧をドラム電位に反映させることができる。また、放電開始電圧より大きい帯電交流電圧を印加することで、図5(b)に示すように、帯電直流電圧と帯電直流電流Iとの関係も安定する。従って、帯電直流電圧に放電開始電圧より大きい帯電交流電圧を重畳させた帯電振動電圧を印加することで、帯電直流電圧が帯電直流電流Iに正確に反映されて膜厚をより正確に算出することができる。
ここで、感光体ドラム1の回転速度が上がると、より大きい帯電交流電圧を印加しないと帯電交流電流が放電しなくなる。従って、印加する帯電直流電圧と帯電直流電流Iとの関係を安定させて膜厚を正確に算出するためには、感光体ドラム1の回転速度が上がるにつれて帯電直流電流Iを検知する際に印加する帯電交流電圧を大きく設定し直す必要がある。
そこで、次に制御部100は、帯電交流電圧を印加したときに感光体ドラム1へ流れる帯電交流電流を検知し、この帯電交流電流が十分に流れる帯電交流電圧を、帯電直流電流Iを検知する際に印加する帯電交流電圧として設定する。なお、本実施形態では帯電交流電流が40μAになるような帯電交流電圧に設定する。これにより、印加する帯電直流電圧が帯電直流電流Iに正確に反映されて膜厚をより正確に算出することができる。
また、本実施形態では帯電直流電流Iを検知する際に帯電ローラ2に印加する帯電直流電圧を−700Vと設定する。この帯電直流電圧は基本的にはいくらでもよいが、大きい方が帯電直流電流Iも増加するため、リークなどの弊害がないところまで上げるのが好ましい。
次に制御部100は、帯電直流電流Iを検知する際に一次転写ローラ5に印加する一次転写電圧の設定を画像形成時の設定から変更する(S4)。本実施形態では、ドラム電位をリセットするために帯電電圧とは逆極性の一次転写電圧を一次転写ローラ5に印加する構成である。ここで、感光体ドラム1の回転速度が上がると、ドラム電位をリセットするために必要な一次転写電圧も上がる。このため、この一次転写電圧も改めて設定し直す必要がある。なお、本実施形態ではこの一次転写電圧を設定し直す制御を一次転写ATVC制御と呼ぶ。
一次転写ATVC制御は感光体ドラム1の帯電電位をリセットできるような転写電位を形成する一次転写電圧を決定できる制御であればどのような制御であってもよい。本実施形態では、帯電された感光体ドラム1の領域が一次転写ニップ部に突入する際に、ドラム電位と一次転写ローラ5の電位との差分により発生する一次転写電流を検知し、この一次転写電流が所定値になるような電圧に設定する。具体的には、本実施形態では一次転写電流が30μAになるような直流の一次転写電圧に設定する。
以上の様に帯電電圧と一次転写電圧を設定が完了すると、次に制御部100は、感光体ドラム1を回転させ、また帯電電圧と一次転写電圧の印加を開始する(S5)。
次に、制御部100は帯電直流電流測定回路101bにより帯電直流電流Iの検知を行う(S6)。この帯電直流電流Iの検知は、一度だけ帯電直流電流Iを検知する方法や、所定時間毎に複数回の帯電直流電流Iを検知してその平均値を取る方法などがある。
帯電直流電流Iの検知後は、感光体ドラム1の回転を停止させ、また帯電電圧と一次転写電圧の印加を停止させる(S7)。その後、画像形成に備えて感光体ドラム1の回転速度を画像形成時の速度である200mm/sに設定に戻す。また帯電電圧と一次転写電圧の設定値を画像形成時の設定に戻す(S8)。
次に、制御部100は検知した帯電直流電流Iの値から前述した算出方法により感光体ドラム1の膜厚を算出する(S9)。
このように感光体ドラム1の回転速度を上昇させた上で帯電直流電流Iを検知することで、単位時間当たりに帯電ニップ部に突入する感光体ドラム1の面積が増える。従って、感光体ドラム1の膜厚の減少量に対して検知される帯電直流電流Iが相対的に大きくなる(図7参考)。従って、出力画像の品質を保つために画像形成時の感光体ドラム1の回転速度が遅い装置であっても、膜厚の算出に際して帯電直流電流Iの検知誤差の影響を小さくすることができ、膜厚をより正確に検知することができる。また、算出された膜厚から感光体ドラム1の寿命をより正確に予測や検知することができる。
なお、実験時において本シーケンス実行時に検出された帯電直流電流Iの値は、回転速度が200mm/sのときは30μAであり、回転速度が400mm/sのときは60μAだった。また、参考までに本実施形態の構成における帯電直流電流Iと感光体ドラム1の膜厚との関係を表すグラフを図6に示す。
また、単に検知された感光体ドラム1の膜厚から感光体ドラム1の寿命を予測や検知するだけでなく、検知した膜厚に応じて感光体ドラム1に隣接する部材(プロセス部材)の各設定値にフィードバックすることも可能である。
例えば、感光体ドラム1の膜厚が1um減少するごとに画像形成時に帯電ローラ2に印加する帯電交流電圧を10V下げる制御を行う。これは、膜厚が減少するにつれて感光体ドラム1の静電容量が大きくなる。従って、帯電交流電圧を下げても十分に所望の帯電を行うことができるためである。これにより、感光体ドラム1を削れにくくすることができる。
或いは、光を照射してドラム電位を除電する前露光装置(除電手段)を有する構成では、感光体ドラム1の膜厚が減少するにつれて前露光装置が照射する光の光量を少なくする。これは、膜厚が減少するにつれてドラム電位を除電する際に必要な光量が少なくなるためである。これにより、消費電力が削減されてコスト減につながる。
さらに、感光体ドラム1が減少するごとに画像形成時に一次転写ローラ5に印加する一次転写電圧を下げる制御を行う。これは、膜厚が減少するにつれて感光体ドラム1の静電容量が大きくなる。従って、一次転写電圧を下げても十分に所望の転写を行うことができるためである。これにより、感光体ドラム1を削れにくくすることができる。
なお、膜厚検知シーケンスは上記したタイミングに限らず、非画像形成時のその他のタイミングで行う構成としてもよい。
また、本実施形態では帯電ローラ2より感光体ドラム1を帯電させた際に感光体ドラム1に流れる帯電直流電流Iから膜厚を算出したものの、本発明はこれに限定されない。すなわち、感光体ドラム1を帯電させることができる部材であればよく、例えば一次転写ローラ5に一次転写電圧を印加して感光体ドラム1を帯電させた際に感光体ドラムに流れる電流から膜厚を算出する構成であってもよい。
また、本発明は中間転写方式の画像形成装置Aに限定されない。すなわち、感光体ドラムの表面に形成されたトナー像をシートに直接転写する直接転写方式の画像形成装置であってもよい。また、カラー方式の画像形成装置ではなく、モノクロ方式の画像形成装置であってもよい。
1…感光体ドラム
2…帯電ローラ
3…レーザスキャナユニット
4…現像装置
5…一次転写ローラ
6…クリーニングブレード
7…二次転写ローラ
8…二次転写対向ローラ
9…クリーニング装置
10…定着装置
11…シート積載部
12…給送ローラ
13…排出部
14…搬送ローラ
15…中間転写ベルト
16…駆動ローラ
17…テンションローラ
100…制御部
101…電流検知回路
102…操作パネル
103…環境センサ
104…帯電電源
105…CPU
106…ROM
107…RAM
108…通紙カウンタ
A…画像形成装置

Claims (5)

  1. 回転可能に設けられた像担持体と、
    前記像担持体を帯電させる帯電部材と、
    直流電圧と交流電圧とを重畳した電圧を前記帯電部材に印加する電圧印加手段と、
    前記帯電部材が前記像担持体を帯電させる際に前記像担持体に流れる直流電流を検知する電流検知手段と、
    前記電流検知手段が検知した直流電流値に基づいて前記像担持体の寿命を予測する予測手段と、
    前記像担持体の回転速度を制御する制御手段と、
    を有し、
    前記制御手段は、前記電流検知手段が前記予測手段に用いる前記直流電流値を検知する際には、前記電圧印加手段は画像形成時に印加する交流電圧よりも大きい交流電圧を前記帯電部材に印加し、前記制御手段は画像形成時の回転速度よりも大きい回転速度で前記像担持体を回転させることを特徴とする画像形成装置。
  2. 前記電圧印加手段は、前記予測手段により予測された前記像担持体の寿命が短くなるにつれて画像形成時に印加する交流電圧を小さくすること特徴とする請求項1に記載の画像形成装置。
  3. 前記像担持体に形成されたトナー像を被転写体に転写させる転写部材と、
    前記電圧印加手段が前記帯電部材に印加する電圧と逆極性の転写電圧を前記転写部材に印加する転写電圧印加手段と、
    を有し、
    前記転写電圧印加手段は、前記予測手段により予測された前記像担持体の寿命が短くなるにつれて画像形成時に印加する前記転写電圧を小さくすること特徴とする請求項1又は2に記載の画像形成装置。
  4. 光を照射して前記像担持体を除電する除電手段を有し、
    前記除電手段は、前記予測手段により予測された前記像担持体の寿命が短くなるにつれて照射する光の光量を小さくすることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の画像形成装置。
  5. 画像を形成する画像形成数が設定値を超えた場合に、前記電流検知手段が前記予測手段に用いる前記直流電流値を検知する動作を実行することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の画像形成装置。
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