JP2014031811A - 液体供給制御弁 - Google Patents

Abstract

【課題】二次側流路の圧力変動を吸収する耐久性に優れた圧力吸収機構を備えた液体供給制御弁を提供する。
【解決手段】液体供給制御弁は、一次側流路１１および二次側流路１２が形成された流路ブロック１０ａを有し、一次側流路１１と二次側流路１２とを連通させる連通室１７が開閉弁体１５により形成されている。駆動ブロック１０ｂには、開閉弁体１５を開閉駆動する駆動ロッド１９が設けられている。二次側流路１２に連通して圧力変動吸収室３３がダイヤフラム３２により区画されており、圧力変動吸収室３３が膨張したときにおけるダイヤフラム３２の弾性変形量は、ストッパ３７により制限される。
【選択図】図１

Description

本発明は、薬液等の液体を被塗布物に供給するために使用される液体供給制御弁に関する。

半導体や液晶ガラス等の製造技術分野においては、半導体ウエハ等の被加工物に対して薬液等の液体を塗布する工程を有している。例えば、半導体ウエハにフォトレジスト液等の液体を塗布するための液体供給装置は、液体供給源と塗布ノズルとを有しており、液体供給源と塗布ノズルは供給配管により接続されている。塗布ノズルから液体を塗布するときに供給配管内の流路を開放し、塗布を停止するときには流路を閉塞するために、開閉弁が供給配管に設けられている。

開閉弁は弁ハウジングつまり流路ブロックを有しており、流路ブロックには液体タンク側の一次側流路と塗布ノズル側の二次側流路とを連通させる連通流路が形成されている。連通流路を開閉するためにダイヤフラムタイプの弁体を開閉駆動する駆動ブロックが、流路ブロックに取り付けられている。弁体が連通流路を閉塞すると、二次側流路が負圧状態となった後に、大気圧よりも高い加圧状態に転じ、二次側流路内の液体は水撃現象を引き起こす。水撃現象は負圧状態と加圧状態とを複数回繰り返す現象であり、水撃現象が終息した後には、二次側流路内の圧力は大気圧になって安定する。弁体により連通流路が閉じられてから１秒以下の短時間で水撃減少は終了するが、終了するまでの二次側流路内の圧力変動により、塗布ノズルから液体が飛散することがある。

連通流路をゆっくりと閉塞すると、流路閉塞時における水撃現象の発生を防止することができる。その場合には、流路の開閉操作を迅速に行うことができなくなるだけでなく、流路をゆっくりと閉鎖する時には定常的な流量とはならないので、液体の供給流量を高精度に設定することができなくなる。これに対し、二次側の圧力変動を吸収して水撃現象の発生を防止すると、連通流路を迅速に閉塞することができる。特許文献１には、このような水撃現象の発生を防止するための吐出制御器が記載されている。この吐出制御器は、空気室と二次側流路に連通する液体室とを仕切るダイヤフラムを有しており、ダイヤフラムにより圧力変動を吸収するようにしている。

特開２０１０−２５１７１号公報

塗布ノズルから薬液を塗布する場合には、水撃現象の防止つまり圧力変動を吸収するダイヤフラムは、薬液により化学変化を起こさないように、耐薬液性に優れたフッ素樹脂が使用されている。上記特許文献１に記載されるように、吐出制御器に形成された空間を液体室と空気室とに仕切るように空間内に浮かした状態でダイヤフラムを配置すると、ダイヤフラムは二次側流路内の液体の圧力変動により弾性変形が制限されることなく不規則に変形することになる。このため、比較的短期間でダイヤフラムに亀裂が発生し、ダイヤフラムの耐久性を高めることができず、開閉弁の交換を短期間に行わなければならないという問題点がある。

開閉弁と吐出制御器とを分離させると、吐出制御器に設けられたダイヤフラムが劣化した場合には、開閉弁を交換することなく、吐出制御器のみを交換すれば、液体供給装置を迅速に立ち上げることができる。しかし、液体吐出装置を開閉弁と吐出制御器とを分離させた構造とすると、液体供給装置が複雑となり、その組立や設置作業を容易に行うことができない。

本発明の目的は、二次側流路の圧力変動を吸収する耐久性に優れた圧力変動吸収機構を備えた液体供給制御弁を提供することにある。

本発明の液体供給制御弁は、液体供給源に連通される一次側流路、および液体吐出具に連通される二次側流路が形成された流路ブロックと、前記一次側流路と前記二次側流路とを連通させる連通室を区画して前記一次側流路と前記二次側流路とを開閉する開閉弁体と、前記流路ブロックに設けられ、前記二次側流路に連通して形成された圧力変動吸収室を区画するダイヤフラムと、前記流路ブロックに設けられ、前記ダイヤフラムの弾性変形量を制限するストッパとを有することを特徴とする。

この液体供給制御弁においては、液体供給制御弁に組み込まれたダイヤフラムにより圧力変動吸収室を液体供給制御弁の内部に区画形成し、開閉弁体を閉じたときに二次側流路に発生する水撃現象を振動吸収機構としてのダイヤフラムの弾性変形により減衰する。水撃現象により圧力変動吸収室を膨張させる方向にダイヤフラムが弾性変形したときには、ダイヤフラムの弾性変形量がストッパにより制限されるので、ダイヤフラムが不規則に変形することが防止される。これにより、ダイヤフラムの耐久性を向上させることができる。ダイヤフラムが液体供給制御弁に組み込まれているので、このように振動吸収機構を具備した液体供給制御弁を用いることにより、液体を被塗布物に塗布する装置を容易に組み立てることができるとともに、メンテナンスを容易に行うことができる。

液体供給制御弁の一例を示す縦断面図である。 図１における圧力変動吸収室と二次側流路の部分を示す断面図である。 開閉弁体が図１に示された閉塞状態から開放状態に切り換えられたときにおけるダイヤフラムの挙動を示す液体供給制御弁の縦断面図である。 開閉弁体が開放状態から閉塞状態に切り換えられたときにおけるダイヤフラムの挙動を示す液体供給制御弁の縦断面図である。 液体供給制御弁の変形例を示す縦断面図である。 開閉弁体が図５に示された閉塞状態から開放状態に切り換えられたときにおけるダイヤフラムの挙動を示す液体供給制御弁の縦断面図である。 液体供給制御弁の他の変形例を示す縦断面図である。 液体供給制御弁のさらに他の変形例を示す縦断面図である。 開閉弁体が図８に示された閉塞状態から開放状態に切り換えられたときにおけるダイヤフラムの挙動を示す液体供給制御装置の縦断面図である。 開閉弁が図９に示された開放状態から閉塞状態に切り換えられたときにおけるダイヤフラムの挙動を示す液体供給制御弁の縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。それぞれの図面においては、共通の機能を有する部材には同一の符号が付されており、共通した部分の説明を省略する。

図１に示されるように、液体供給制御弁は流路ブロック１０ａを有し、流路ブロック１０ａには一次側流路１１と二次側流路１２が形成されている。一次側流路１１は図示しない液体収容タンクおよびこの中の液体を吐出するポンプ等を有する液体供給源に連通され、二次側流路１２は図示しない塗布ノズル等の液体吐出具に連通される。例えば、この液体供給制御弁が被加工物に対して薬液等の液体を塗布する工程に使用されるときには、ポンプから供給された液体が液体供給制御弁により液体吐出具に吐出される。

流路ブロック１０ａの一端部には一次側の継手部１３が突設され、他端部には二次側の継手部１４が突設されており、両方の継手部１３，１４は同軸となっている。継手部１３には、ポンプ等の液体供給源に接続された一次側の配管に連通する一次側ポート１３ａが設けられ、継手部１４には、塗布ノズル等の液体吐出具に接続された二次側の配管に連通する二次側ポート１４ａが設けられている。一次側流路１１は一次側ポート１３ａに連通する一次側の主流路１１ａを有し、二次側流路１２は二次側ポート１４ａに連通する二次側の主流路１２ａを有し、両方の主流路１１ａ，１２ａは同軸となっている。主流路１１ａは一次側の連通流路１１ｂを介して流路ブロック１０ａの表面と連通しており、連通流路１１ｂは主流路１１ａに対してほぼ直角方向に伸びている。主流路１２ａは二次側の連通流路１２ｂを介して流路ブロック１０ａの表面と連通している。連通流路１２ｂは主流路１２ａに対してほぼ直角方向に伸びており、連通流路１１ｂと平行となっている。

それぞれの連通流路１１ｂ，１２ｂが開口する流路ブロック１０ａの表面には、ダイヤフラム型の開閉弁体１５が配置されている。開閉弁体１５は、フッ素樹脂により形成されており、連通流路１２ｂの開口部に設けられた弁座１６に当接する開閉部１５ａと、環状基部１５ｂとを有し、開閉部１５ａと環状基部１５ｂとの間には弾性変形部１５ｃが設けられている。開閉弁体１５の環状基部１５ｂは、流路ブロック１０ａとこれに取り付けられる駆動ブロック１０ｂとの間に挟持されている。開閉弁体１５と流路ブロック１０ａとにより連通室１７が区画されており、この連通室１７は一次側流路１１と二次側流路１２とを連通させる。

駆動ブロック１０ｂに形成されたガイド孔１８には、弁駆動部材としての駆動ロッド１９が軸方向に往復動自在に装着され、この駆動ロッド１９の先端には、開閉弁体１５の開閉部１５ａに一体に設けられた軸部１５ｄがねじ結合されている。ガイド孔１８に連なって駆動ブロック１０ｂに形成されたシリンダ孔２１には、駆動ロッド１９の基端部に一体に設けられたピストン２２が軸方向に往復動自在に装着されている。駆動ブロック１０ｂの開口端部には蓋部材１０ｃが取り付けられており、蓋部材１０ｃとピストン２２とによりばね室２３が区画形成されている。ばね室２３にはピストン駆動用のばね部材として圧縮コイルばね２４が配置されており、圧縮コイルばね２４は駆動ロッド１９を介して開閉弁体１５の開閉部１５ａに弁座１６に向かうばね力を付勢している。

ピストン２２とシリンダ孔２１とにより空気圧室２５が区画されており、この空気圧室２５に連通する給排ポート２６が駆動ブロック１０ｂに形成されている。この給排ポート２６から空気圧室２５に圧縮空気が供給されると、駆動ロッド１９はばね力に抗して後退移動し、開閉部１５ａは弁座１６から離れる。これにより、一次側流路１１と二次側流路１２は連通室１７を介して連通状態となり、液体供給制御弁は開弁状態となる。これに対し、空気圧室２５内の空気を外部に排出すると、圧縮コイルばね２４のばね力により駆動ロッド１９は弁座１６に向けて前進移動して開閉部１５ａは弁座１６に当接する。これにより、一次側流路１１と二次側流路１２の連通は遮断され、開閉弁体１５は閉じた状態となる。蓋部材１０ｃにはばね室２３を外部に連通させる息付き孔２７が形成されており、駆動ブロック１０ｂには空気圧室２５を外部に連通させる息付き孔２８が形成されている。

ピストン２２は空気圧室２５に供給される圧縮空気により後退方向に駆動され、空気圧室２５内の空気を排出するとばね力により前進方向に駆動される単動型となっている。これに対し、ばね室２３を空気圧室としてピストン２２を空気圧により前進方向に駆動する形態とすると、ピストン２２は複動型となる。

流路ブロック１０ａには取付孔３１が形成されており、この取付孔３１には、圧力変動吸収機構を構成するダイヤフラム３２が設けられている。このダイヤフラム３２により二次側流路１２に連通する圧力変動吸収室３３が区画されている。ダイヤフラム３２は、開閉弁体１５と同様にフッ素樹脂により形成されており、中心部の移動部３２ａと、環状基部３２ｂとを有し、移動部３２ａと環状基部３２ｂの間には弾性変形部３２ｃが設けられている。ダイヤフラム３２の環状基部３２ｂは、流路ブロック１０ａとこれに取り付けられるホルダー３４との間に挟持されている。このホルダー３４には、ダイヤフラム３２の移動部３２ａに一体に設けられた軸部３２ｄの移動を案内するガイド孔３５が形成されている。ホルダー３４を流路ブロック１０ａに固定するために、流路ブロック１０ａには底板１０ｄが取り付けられており、底板１０ｄにはガイド孔３５に連通する息付き孔３６が形成されている。上述した流路ブロック１０ａ，駆動ブロック１０ｂ，蓋部材１０ｃおよび底板１０ｄにより弁ハウジングが構成される。

ダイヤフラム３２の軸部３２ｄの中心軸は、開閉弁体１５の軸部１５ｄの中心軸に対して二次側ポート１４ａに向けてずれて平行となっている。これにより、ダイヤフラム３２の弾性変形方向つまり軸部３２ｄの移動方向は、開閉弁体１５の開閉方向と同一方向となっている。さらに、ダイヤフラム３２の軸部３２ｄは二次側流路１２の主流路１２ａの中心軸に対してほぼ直角方向となっており、圧力変動吸収室３３は主流路１２ａの幅を広げるように形成され、二次側流路１２の一部は圧力変動吸収室３３を構成している。

二次側流路１２の圧力が高くなると、ダイヤフラム３２が弾性変形して圧力変動吸収室３３が膨張する。このダイヤフラム３２の弾性変形量を制限するために、ホルダー３４の内面にはストッパ３７が形成されている。これにより、ダイヤフラム３２の最大膨張変形量が制限されて、ダイヤフラム３２が過剰に変形することが防止される。しかも、軸部３２ｄの移動がガイド孔３５に案内されてダイヤフラム３２の変形方向が制限される。

図１は開閉弁体１５が弁座１６に当接して一次側流路１１と二次側流路１２の連通が遮断された状態を示しており、液体供給源から供給された液体を液体吐出具に吐出する際には、空気圧室２５に圧縮空気を供給する。図３は空気圧室２５に圧縮空気が供給されて開閉弁体１５が弁座１６から離れて開閉弁体１５が開放された状態を示す。

開閉弁体１５が開かれると、連通室１７から二次側流路１２の連通流路１２ｂに液体が流入する。流入した液体は、ダイヤフラム３２に衝突した後に流れの向きを変更して主流路１２ａに案内されて二次側ポート１４ａに向けて流れる。連通流路１２ｂから主流路１２ａおよび圧力変動吸収室３３に液体が流入してダイヤフラム３２を加圧すると、ダイヤフラム３２は圧力変動吸収室３３を膨張させる方向にガイド孔３５に案内されて弾性変形する。しかも、開閉弁体１５とダイヤフラム３２は液体供給制御弁の内部に組み込まれ、連通流路１２ｂを介して対向しているので、開閉弁体１５を開放したときには、連通流路１２ｂ内に流入した液体の圧力により迅速にダイヤフラム３２は弾性変形することになる。このときのダイヤフラム３２の弾性変形の最大量は、ダイヤフラム３２の移動部３２ａ、弾性変形部３２ｃがストッパ３７に当接することによって制限される。

このように、ダイヤフラム３２の最大変形量が制限されると、二次側流路１２に流入した液体によりダイヤフラムが過剰に変形することが防止される。これにより、長期間に渡ってダイヤフラム３２の破損発生を防止でき、ダイヤフラムの耐久性を高めることができる。開閉弁体１５はダイヤフラム３２と同様にダイヤフラムにより形成されているので、ダイヤフラム３２の弾性変形量を制限することによって、ダイヤフラム３２の寿命を開閉弁体１５の寿命に近付けることができる。したがって、液体供給制御弁のメンテナンス時に、開閉弁体１５とダイヤフラム３２とをともに交換することができ、液体供給制御弁のメンテナンス性が向上する。

図４は液体吐出具に対する液体供給を停止するために、開閉弁体１５を閉じた状態を示す。開閉弁体１５を閉じるときには、空気圧室２５内の圧縮空気を排出すると、圧縮コイルばね２４のばね力により駆動ロッド１９が前進移動される。開閉弁体１５が弁座１６に密着して二次側流路１２と連通室１７との連通が遮断されると、遮断直後に二次側流路１２の圧力が大気圧以下に低下する。このときには、圧力変動吸収室３３を収縮させるようにダイヤフラム３２が弾性変形して圧力低下を低減（防止）する。瞬間的な圧力低下に続いて、二次側流路１２の圧力が大気圧よりも高い圧力に上昇するが、ダイヤフラム３２が逆方向に弾性変形して圧力上昇を低減（防止）する。このように、開閉弁体１５を閉じたときに、二次側流路１２に水撃現象が発生しても、ダイヤフラム３２の弾性変形により二次側流路１２の圧力変動幅を小さくすることができるとともに、迅速に二次側流路１２の振動を減衰することができ、液体吐出具からの液体が飛散することを防止できる。

図５および図６は、液体供給制御弁の変形例を示す縦断面図である。この液体供給制御弁においては、ばね部材として圧縮コイルばね４１が、移動部３２ａと底板１０ｄとの間に設けられており、圧縮コイルばね４１によって圧力変動吸収室３３を収縮させる方向のばね力がダイヤフラム３２に付勢されている。

開閉弁体１５が閉じられているときには、図５に示されるように、ダイヤフラム３２は収縮用の圧縮コイルばね４１により弾性変形され、圧力変動吸収室３３を収縮させる。この状態のもとで、図６に示されるように、開閉弁体１５が弁座１６から離れると、液体は連通室１７から連通流路１２ｂに流入し、ダイヤフラム３２に衝突して二次側ポート１４ａへ向きを変えて流れる。ダイヤフラム３２は圧力変動吸収室３３を膨張させる方向に弾性変形する。このときの弾性変形量はストッパ３７により制限されるが、圧縮コイルばね４１の強さは過度に強くすることなく、流体の圧力によってダイヤフラム３２がストッパ３７に接触する程度が望ましい。

連通室１７から二次側流路１２に液体が流れている状態から、開閉弁体１５が閉じられて液体の流れが急速に停止すると、二次側流路１２の圧力が急速に低下する。すると、圧力変動吸収室３３は収縮することになるが、ダイヤフラム３２には収縮方向のばね力が付勢されているので、圧力変動吸収室３３の収縮量と収縮速度が高められる。これにより、開閉弁体１５が開放状態から閉塞状態に切り換えられたときに、水撃現象に起因した二次側流路１２の圧力低下量を少なくすることができ、二次側流路１２の水撃現象をより迅速に減衰することができる。

図７は液体供給制御弁の他の変形例を示す縦断面図である。この液体供給制御弁においては、ダイヤフラム３２に圧力変動吸収室３３を収縮させる方向のばね力を付勢するための収縮用のばね部材として、板ばね４２が流路ブロック１０ａに設けられている。この板ばね４２は、帯状のばね材を山形に折り曲げることにより形成されており、長手方向中央部の山の部分がダイヤフラム３２に当接している。板ばね４２の両端部は底板１０ｄとホルダー３４との間に形成された隙間内で摺動自在となっている。このように、収縮用のばね部材としては、圧縮コイルばね４１を用いた形態と、板ばね４２を用いた形態とがある。板ばね４２としては、ガイド孔３５の内周面から板ばねを突出させて、その板ばねの先端部をダイヤフラム３２の軸部３２ｄに当接させるようにした形態としても良い。

図８〜図１０は液体供給制御弁のさらに他の変形例を示す断面図である。この液体供給制御弁においては、膨張用のばね部材として圧縮コイルばね４３が、流路ブロック１０ａに設けられている。この圧縮コイルばね４３によって、ダイヤフラム３２がストッパ３７に当接する方向のばね力が、ダイヤフラム３２に付勢される。このばね力によってダイヤフラム３２は圧力変動吸収室３３を膨張させる。ダイヤフラム３２の軸部３２ｄには、フランジ部４４ａが設けられたばね受け部材４４が取り付けられており、圧縮コイルばね４３は、ホルダー３４に設けられた括れ部４５とフランジ部４４ａとの間に装着されている。この圧縮コイルばね４３は、開閉弁体１５が閉じられた状態のもとでは、圧力変動吸収室３３を膨張させて、ダイヤフラム３２をストッパ３７に当接させる。

図９は開閉弁体１５が開放されて、液体吐出具に液体が供給されている状態を示す。このときには、ダイヤフラム３２はストッパ３７に当接した状態を保持する。この状態のもとで開閉弁体１５が遮断されると、遮断直後に二次側流路１２の圧力が水撃現象によって大気圧よりも低下する。すると、ダイヤフラム３２はばね力に抗して圧力変動吸収室３３を収縮させる方向に弾性変形する。このように圧力変動吸収室３３が収縮した状態のもとで、二次側流路１２における水撃現象によって、二次側流路１２の圧力が大気圧よりも低下した状態から上昇した状態に転じると、ダイヤフラム３２には圧力変動吸収室３３を膨張させる方向にばね力が加えられるので、二次側流路１２内の液体は、圧力変動吸収室３３に向けて吸引されて逆流する。この逆流現象によって、液体吐出具の出口から液体が引き戻されるサックバック動作が達成される。

このように、サックバック動作が圧力変動吸収室３３によって達成されると、二次側流路１２を開閉弁体１５によって閉じたときにおける二次側流路１２の水撃現象を減衰することができるとともに、サックバック動作によって液体吐出具からの液だれを確実に防止することができる。なお、図５〜図１０に示される液体供給制御弁において、図１〜図４に示された液体供給制御弁と共通する部分についての説明は省略されている。

それぞれの液体供給制御弁においては、圧力変動吸収室３３を区画するためのダイヤフラム３２の変形方向が制限されるとともに弾性変形量が制限されるので、ダイヤフラム３２が不規則かつ無制限に変形することなく、ダイヤフラム３２の耐久性を大幅に向上させることができる。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、開閉弁体１５の中心軸とダイヤフラム３２の中心軸とを一致させるように、それぞれを流路ブロック１０ａに配置するようにしても良い。

１０ａ 流路ブロック
１０ｂ 駆動ブロック
１１ 一次側流路
１１ａ 主流路
１１ｂ 連通流路
１２ 二次側流路
１２ａ 主流路
１２ｂ 連通流路
１３ 継手部
１３ａ 一次側ポート
１４ 継手部
１４ａ 二次側ポート
１５ 開閉弁体
１６ 弁座
１７ 連通室
１８ ガイド孔
１９ 駆動ロッド
２３ ばね室
２５ 空気圧室
２６ 給排ポート
３２ ダイヤフラム
３３ 圧力変動吸収室
３４ ホルダー
３７ ストッパ
４１ 圧縮コイルばね
４２ 板ばね
４３ 圧縮コイルばね

Claims (6)

1. 液体供給源に連通される一次側流路、および液体吐出具に連通される二次側流路が形成された流路ブロックと、
   前記一次側流路と前記二次側流路とを連通させる連通室を区画して前記一次側流路と前記二次側流路とを開閉する開閉弁体と、
   前記流路ブロックに設けられ、前記二次側流路に連通して形成された圧力変動吸収室を区画するダイヤフラムと、
   前記流路ブロックに設けられ、前記ダイヤフラムの弾性変形量を制限するストッパとを有することを特徴とする液体供給制御弁。
2. 請求項１記載の液体供給制御弁において、前記ダイヤフラムに前記圧力変動吸収室を収縮させる方向のばね力を付勢する収縮用のばね部材を、前記流路ブロックに設けることを特徴とする液体供給制御弁。
3. 請求項２記載の液体供給制御弁において、前記開閉弁体により前記一次側流路と前記二次側流路が連通しているときに、前記ダイヤフラムが前記ストッパに接触することを特徴とする液体供給制御弁。
4. 請求項１記載の液体供給制御弁において、膨張用のばね部材が前記流路ブロックに設けられ、前記膨張用のばね部材により前記ダイヤフラムが前記ストッパに当接する方向のばね力を前記ダイヤフラムに付勢して、前記圧力変動吸収室を膨張させることを特徴とする液体供給制御弁。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の液体供給制御弁において、前記一次側流路は一次側ポートに連通する一次側の主流路、および当該一次側の主流路と前記連通室とを連通させる一次側の連通流路を有し、前記二次側流路は二次側ポートに連通するとともに前記一次側の主流路と同軸の二次側の主流路、および当該二次側の主流路と前記連通室とを連通させるとともに前記連通室との境界部に前記開閉弁体が当接する弁座が設けられた二次側の連通流路を有し、前記二次側の主流路に前記圧力変動吸収室を形成することを特徴とする液体供給制御弁。
6. 請求項５記載の液体供給制御弁において、前記ダイヤフラムの弾性変形方向を前記開閉弁体の開閉方向と同一方向に設定し、前記開閉弁体が開放されて前記連通室から前記二次側の連通流路に流入した液体を、前記ダイヤフラムに衝突させた後に流れの向きを変更させて前記二次側ポートに案内することを特徴する液体供給制御弁。
   

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