JPWO2015151690A1 - 光学素子成形用型セット、及び、光学素子の製造方法 - Google Patents

光学素子成形用型セット、及び、光学素子の製造方法 Download PDF

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Abstract

光学素子成形用型セット100は、互いに対向する第1の成形型(上型101)及び第2の成形型(下型102)と、第1の成形型(上型101)と第2の成形型(下型102)との間のキャビティCの外周に位置する第3の成形型(外周型104)と、を備え、第3の成形型(外周型104)の内周面(成形面104a)は、第1の成形型(上型101)と第2の成形型(下型102)との対向方向(矢印D)における一方側と他方側とで摩擦係数が異なる。

Description

本発明は、光学素子を成形するための光学素子成形用型セットと、光学素子を製造する光学素子の製造方法とに関する。
従来、上型、下型、及び外周型を用いて、光学面及び外周面を同時に成形して芯取り不要なレンズを成形する場合、通常、成形前には、上型成形面とガラス素材上面との間の空間と、下型成形面とガラス素材下面との間の空間とに体積差がある。そのため、上型、下型、及び外周型により囲まれる空間であるキャビティにおいて、上型の成形面の外周部と下型の成形面の外周部とにガラスが充填されるまでに時間差が生じる。
この時間差によって、上型成形面及び下型成形面の外周部までガラスを充填させようとすると、先に充填される型の成形面の外周部から、この型と外周型との隙間にガラスが流入する。
そこで、上下の成形型に温度差をつけて成形することで、成形素材の片側の面の変形を遅らせる方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開昭62−128932号公報
しかしながら、上型と下型とに温度差をつけすぎると面精度悪化、ガラスを一例とする成形素材の型への融着、プレス時間の増大等の不具合が発生する。特にメニスカス形状のレンズ等の光学素子を球形の成形素材から成形する場合など、成形素材との間の空間体積差が上型側と下型側とで大きい場合、生産性のある温度条件設定が困難となる。
ところで、上述のように、上型成形面と成形素材上面との間の空間と、下型成形面と成形素材下面との間の空間とに体積差があることで、成形素材が上型又は下型と外周型との隙間に流入すると、成形された光学素子の周囲にバリが形成される。このバリを除去するためには、例えば面取り加工を行うことが必要になる。
本発明の目的は、互いに対向する第1の成形型又は第2の成形型と、これらの間のキャビティの外周に位置する第3の成形型との隙間への成形素材の流入が抑制される光学素子成形用型セット及び光学素子の製造方法を提供することである。
1つの態様では、光学素子成形用型セットは、互いに対向する第1の成形型及び第2の成形型と、前記第1の成形型と前記第2の成形型との間のキャビティの外周に位置する第3の成形型と、を備え、前記第3の成形型の内周面は、前記第1の成形型と前記第2の成形型との対向方向における一方側と他方側とで摩擦係数が異なる。
別の1つの態様では、光学素子の製造方法は、成形素材を挟んで互いに対向する第1の成形型及び第2の成形型と、前記第1の成形型と前記第2の成形型との間のキャビティの外周に位置する第3の成形型と、を備える光学素子成形用型セットを用いて前記成形素材を加熱、プレス、及び冷却することで、光学素子を製造する光学素子の製造方法において、前記第1の成形型と前記第2の成形型との対向方向における一方側と他方側とで内周面の摩擦係数が異なる前記第3の成形型によって前記光学素子の外周面を成形することで、前記キャビティ内で加圧された前記成形素材が前記対向方向における前記キャビティの外周の一端側と他端側とに流動する速度を調整する。
前記態様によれば、互いに対向する第1の成形型又は第2の成形型と、これらの間のキャビティの外周に位置する第3の成形型との隙間への成形素材の流入が抑制される。
本発明の一実施の形態における光学素子の成形装置を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係る光学素子成形用型セットを示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係る光学素子の製造方法により製造される光学素子を示す断面図である。 本発明の一実施の形態における成形素材の外周部と型との距離を説明するための説明図(その1)である。 本発明の一実施の形態における成形素材の外周部と型との距離を説明するための説明図(その2)である。
以下、本発明の実施の形態に係る光学素子成形用型セット及び光学素子の製造方法について、図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の一実施の形態に係る光学素子の成形装置1を示す断面図である。
図1に示す光学素子の成形装置1は、成形室2と、予備加熱ステージ10と、第1プレスステージ20と、第2プレスステージ30と、冷却ステージ40と、を備える。
成形室2は、搬入側シャッタ2aと、搬出側シャッタ2bと、流入口2cと、を有する。
搬入側シャッタ2aは、光学素子成形用型セット(以下、単に「型セット」と呼ぶ)100が成形室2内に搬入される際に開放するように図示しない制御部により制御される。また、搬出側シャッタ2bは、型セット100が成形室2内から搬出される際に開放するように図示しない制御部により制御される。なお、図示しない制御部は、光学素子の成形装置1の各部の動作を制御する。また、型セット100の搬入及び搬出並びに後述するステージ10,20,30,40間の搬送は図示しないアームで行われる。
流入口2cは、例えば窒素などの不活性ガスの流入口であり、成形室2内は、流入口2cから流入される気体で置換可能な構造になっている。
予備加熱ステージ10、第1プレスステージ20、第2プレスステージ30、及び冷却ステージ40は、一対の下プレスプレート11,21,31,41及び上プレスプレート12,22,32,42と、加圧駆動部13,23,33,43と、を有する。
下プレスプレート11,21,31,41と上プレスプレート12,22,32,42とは、型セット100を挟むように対向して配置されている。また、下プレスプレート11,21,31,41及び上プレスプレート12,22,32,42には、加熱源の一例であるカートリッジヒータ11a,21a,31a,41a,12a,22a,32a,42aが内蔵され、任意の温度に設定可能となっている。
下プレスプレート11,21,31,41は、例えば成形室2内の基台に固定されている。上プレスプレート12,22,32,42は、上下方向に駆動する例えばエアシリンダである加圧駆動部13,23,33,43に連結されている。上プレスプレート12,22,32,42は、加圧駆動部13,23,33,43による昇降動作によって、型セット100の挟持、挟圧等の動作を行う。
図2(a)及び(b)に示すように、型セット100は、上型101と、下型102と、胴型103と、外周型104と、を有する。
上型101及び下型102は、互いに対向する第1の成形型及び第2の成形型の一例である。また、外周型104は、上型101と下型102との間のキャビティCの外周に位置する第3の成形型の一例である。
上型101及び下型102は、例えば円柱形状を呈する。
上型101の底面には、光学素子の光学機能面を成形するための例えば凸型の成形面101aが形成されている。また、下型102の上面には、光学素子の光学機能面を成形するための例えば凹型の成形面102aが形成されている。なお、上型101及び下型102の成形面101a,102aのうち中央に位置する凸部又は凹部を除く周囲は、例えば平坦面である。
上型101の上端には、フランジ部101bが形成されている。また、下型102の下端にも、フランジ部102bが形成されている。
胴型103は、例えば円筒形状を呈する。胴型103には、上端から上型101が挿入され、下端から下型102が挿入される。胴型103は、上型101のフランジ部101bと下型102のフランジ部102bとの間において、上型101及び下型102の周囲に位置する。なお、上型101は、外周面において胴型103の内周面に対し摺動可能である。
外周型104は、例えば円筒形状を呈し、上型101と下型102との間のキャビティCの外周に位置する。また、外周型104は、上型101と下型102との間で且つ胴型103の内側に配置されている。なお、外周型104は、例えば、上型101及び下型102の成形面101a,102aの平坦面の間に位置する。
外周型104の内周面は、光学素子側面の円筒面(図3に示すいわゆるコバ部301d)を成形するための成形面104aである。
外周型104の成形面104aは、上型101と下型102との対向方向(矢印D)における第1の成形型101側に位置する鏡面104a−1と、下型102側に位置する粗面104a−2と、を含む。なお、鏡面104a−1と粗面104a−2との境界位置は、例えば球状の成形素材201のプレスによる変形で最初に外周型104に接触する位置の近傍とするとよい。
上型101と下型102との間に配置される成形素材201は、まず、上型101と下型102との中間部分において図2に示す外周型104の成形面104aに接触し、その後、成形面104aに沿って上下に移動する。この際、成形素材201は、摩擦係数が小さい鏡面104a−1側で、摩擦係数が大きい粗面104a−2側よりも、成形面104aに沿って移動する流動速度が速くなる。
鏡面104a−1は、研削加工により形成され、例えば算術平均粗さが40nmである。また、粗面104a−2は、放電加工により形成され、例えば算術平均粗さが300nmである。このように、外周型104の成形面104aは、対向方向(矢印D)における一方側と他方側とで表面粗さが異なる。これにより、外周型104の成形面104aは、対向方向(矢印D)における一方側と他方側とで摩擦係数が異なる。
なお、鏡面104a−1の算術平均粗さRaが例えば50nm以下で、粗面104a−2の算術平均粗さRaが例えば200nm以上であるとよい。但し、鏡面104a−1及び粗面104a−2という呼び名は、あくまで一例にすぎない。
型セット100は、例えば、タングステンカーバイド(WC)等の超硬合金を精密加工して仕上げられているとよい。また、成形素材201は、例えば市販の光学ガラスなどの光学材料が用いればよい。
以下、型セット100を用いて成形素材201を加熱、プレス、及び冷却することで、光学素子301を製造する光学素子の製造方法について説明する。
成形素材201として、直径2.36mmの球形の研磨品を用いて、図3に示す光学素子301を製造する例について説明する。この光学素子301では、一方の凹光学機能面301aが、曲率半径1.266mm,球欠直径2.12mmの凹面と、この凹面に続く周囲に位置する平坦面301cとを有する。また、光学素子301のもう一方の凸光学機能面301bが曲率半径10.9mmの凸面を有する。
また、光学素子301は、外径(直径)3.3mm、中心厚0.38mmの凹メニスレンズであり、凹光学機能面301a、凸光学機能面301b、平坦面301c、及びコバ部301dが同時に成形される。なお、コバ部301dの上端は上側稜線部301eであり、コバ部301dの下端は下側稜線部301fである。
まず、図1に示すように、型セット100は、搬入側シャッタ2aが開放した状態で成形室2に搬入される。また、型セット100は、予めガラス転移点以下の所定温度に加熱してある予備加熱ステージ10の下プレスプレート11と上プレスプレート12との間に搬送される。そして、予備加熱ステージ10の加圧駆動部13が上プレスプレート12を下降させて、型セット100の図2に示す上型101に上プレスプレート12が当接した状態で、型セット100ひいては成形素材201が加熱される。
所定時間経過後(例えば60秒後)、型セット100は、予めガラス屈伏点以上の所定温度に加熱してある第1プレスステージ20の下プレスプレート21と上プレスプレート22との間に搬送される。そして、第1プレスステージ20の加圧駆動部23が上プレスプレート22を下降させて型セット100の上型101に上プレスプレート22が当接した状態で、型セット100ひいては成形素材201が加熱される。
所定時間経過後(例えば30秒後)、第1プレスステージ20の上プレスプレート22の下降圧を増圧することでメインプレス工程が開始する。プレス中の成形素材201は、図2(b)に示すように、上型101及び下型102の成形面101a,102aの中央から外周に押し広げられ、図3に示す凹光学機能面301a、凸光学機能面301b、及び平坦面301cが形成される。ついで、成形素材201には、外周型104によりコバ部301dが成形され、最後に上側稜線部301e及び下側稜線部301fに成形素材201が充填される。
この際、外周型104の成形面104aは、成形素材201が最初に接触する位置から上部を鏡面104a−1に、下部を粗面104a−2に形成されているため、成形素材201が成形面104aに沿って変形する際の流動抵抗が下部の方で大きくなる。すなわち、未充填空間への成形素材201の充填速度が上部より下部で遅くなる。その結果、未充填空間の大きい上部と未充填空間の小さい下部との最終充填時間がほぼ一致する。
このように、キャビティC内で加圧された成形素材201が、対向方向(矢印D)におけるキャビティCの外周の一端側と他端側とに流動する速度が調整され、キャビティCの外周の一端と他端とのうち一方に先に到達するのが防がれている。なお、成形素材201の過充填によるバリやプレス時間の増大を考慮してキャビティCに完全に成形素材201を充填せず例えばR0.05mm相当の未充填部(自由面)が形成されるとよい。
第1プレスステージ20で成形素材201のプレスが完了した後、型セット100は、予めガラス素材の転移点付近の所定温度に加熱してある第2プレスステージ30の下プレスプレート31と上プレスプレート32との間に搬送される。そして、第2プレスステージ30の加圧駆動部33が上プレスプレート32を下降させて型セット100を所定時間加圧させつつ除冷する。
その後、型セット100は、冷却ステージ40の下プレスプレート41と上プレスプレート42との間に搬送される。そして、冷却ステージ40の加圧駆動部43が上プレスプレート42を下降させて型セット100の上型101に上プレスプレート42が当接した状態で、型セット100は、所定時間保持され、冷却される。その後、型セット100は、搬出側シャッタ2bが開放した状態で成形室2外に搬出される。
このように製造される光学素子301は、図3に示すように、凹光学機能面301a、凸光学機能面301b、平坦面301c、及びコバ部301dが形成され、上側稜線部301e及び下側稜線部301fの未転写部(自由面)が例えばR0.05mm相当で均等となる。
ここで、外周型104の成形面104aにおいて摩擦係数を異ならせる条件の例について説明する。
図2(b)に示すように、外周型104に囲まれた空間において、成形素材201が加圧されて外周型104の内周面104aに到達した時点における成形素材201を挟んだ上型101側の空間S1及び下型102側の空間S2について考える。これらの空間S1,S2のうち、体積が大きい空間(例えばS1)側で体積が小さい空間(例えばS2)側よりも、外周型104の成形面104aの摩擦係数が小さくなるようにするとよい。
図4は、成形素材202の外周部202aと上型111及び下型112との距離L1,L2を説明するための説明図(その1)である。
図4に示すように、上型111は凸型の成形面111aを有し、下型112は凹型の成形面112aを有する。成形素材202は、例えば楕円球状又は球状である。
上型111と下型112との対向方向(矢印D)における、成形素材202の外周部202aと上型111との距離L1は、外周部202aと下型112との対向方向(矢印D)における距離L2よりも長い。
この観点では、図2に示すのと同様に、外周型104の成形面104aには、距離L1,L2のうち長い方の上部側で流動速度を速めるために、上部側に摩擦係数の小さい鏡面104a−1を形成し、下部側に摩擦係数の大きい粗面104a−2を形成するとよい。なお、距離L1,L2の比較により摩擦係数の大小を設定する場合、図2(b)に示す空間S1,S2の体積を算出する必要がなく、簡易に摩擦係数の大小を設定することができる。
図5は、成形素材203の外周部203aと上型121及び下型122との距離L11,L12を説明するための説明図(その2)である。
図5に示すように、上型121は凸型の成形面121aを有し、下型122も凸型の成形面122aを有する。成形素材203は、例えば円板形状である。
上型121と下型122との対向方向(矢印D)における、成形素材203の外周部203aと上型121との距離L11は、外周部203aと下型122との対向方向(矢印D)における距離L12よりも長い。
そのため、この観点では、図2に示すのと同様に、外周型104の成形面104aには、距離L11,L12のうち長い方の上部側で流動速度を速めるために、上部側に摩擦係数の小さい鏡面104a−1を形成し、下部側に摩擦係数の大きい粗面104a−2を形成するとよい。
なお、図2に示す外周型104の成形面104aにおいて、上型101と下型102との対向方向(矢印D)における一方側と他方側とで摩擦係数を異ならせるためには、鏡面104a−1や粗面104a−2を形成して表面粗さを変更しなくともよい。例えば、外周型104の成形面104aのうち例えば摩擦係数を小さくしたい側にコーティングを施してもよい。コーティングの一例としては、ダイヤモンドライクカーボンが挙げられる。
また、図2に示す外周型104の成形面104aにおいて、上型101と下型102との対向方向(矢印D)における一方側と他方側とで摩擦係数を異ならせるためには、対向方向(矢印D)における一端と他端とで摩擦係数が異ならなくともよい。例えば、外周型104の成形面104aの一部に摩擦係数の大きい部分または小さい部分を形成してもよい。また、外周型104の成形面104aは、上型101側又は下型102側に向かって摩擦係数が徐々に大きくなったり小さくなったりしていてもよい。
また、本実施の形態では、上型101及び下型102(互いに対向する第1の成形型及び第2の成形型の一例)の間のキャビティCの外周に位置する第3の成形型の一例として、外周型104について説明した。しかし、外周型104が配置されない型セット100において、胴型103の内周面が成形面(キャビティCの外周)として機能する場合には、胴型103を第3の成形型として用いることができる。なお、胴型103と外周型104とが一体になった形状の成形型を第3の成形型として用いてもよい。
また、本実施の形態では、光学素子成形用型セットとして、光学素子の成形装置1内を搬送される型セット100について説明した。しかし、上型101及び下型102が光学素子の成形装置1に固定された例えば1ステージのみの光学素子の成形装置における上型101、下型102、及び外周型104を光学素子成形用型セットとして捉えることも可能である。
以上説明した本実施の形態では、型セット100は、互いに対向する第1の成形型及び第2の成形型の一例である上型101及び下型102と、これらの間のキャビティCの外周に位置する第3の成形型の一例である外周型104と、を備える。また、外周型104の内周面である成形面104aは、上型101と下型102との対向方向(矢印D)における一方側と他方側とで摩擦係数が異なる。
そのため、キャビティC内で加圧された成形素材201が、上型101と下型102との対向方向(矢印D)におけるキャビティCの外周の一端側と他端側とに流動する速度を調整することができる。よって、本実施の形態によれば、互いに対向する上型101又は下型102と、これらの間のキャビティCの外周に位置する外周型104との隙間への成形素材201の流入が抑制される。これにより、光学素子301のバリの発生を抑えることができるため、バリを除去するための面取り加工が省略され、低コストで光学素子301の製造が可能となる。
また、本実施の形態では、外周型104の成形面104aは、上型101と下型102との対向方向(矢印D)における一方側と他方側とで表面粗さが異なることで摩擦係数が異なる。そのため、外周型104の成形面104aの表面粗さを異ならせるという簡単な手法で、上型101又は下型102と外周型104との隙間への成形素材201の流入が抑制される。
また、本実施の形態では、外周型104の成形面104aが、算術平均粗さRaが50nm以下の部分(鏡面104a−1)と、算術平均粗さRaが200nm以上の部分(粗面104a−2)とを含むとよい。この場合、成形素材201の流動速度に差がつきやすくなり、上型101又は下型102と外周型104との隙間への成形素材201の流入がより一層抑制される。
また、本実施の形態では、外周型104の成形面104aにコーディングが施されている場合、外周型104への研削加工や放電加工などの加工を要さずに、上型101又は下型102と外周型104との隙間への成形素材201の流入が抑制される。
また、本実施の形態では、上記のコーティングがダイヤモンドライクカーボンである場合、成形素材201の流動速度に差がつきやすくなり、上型101又は下型102と外周型104との隙間への成形素材201の流入がより一層抑制される。
また、本実施の形態では、図2(b)に示すように、外周型104に囲まれた空間において、成形素材201が加圧されて外周型104の成形面104aに到達する。この到達時点における成形素材201を挟んだ上型101側の空間S1及び下型102側の空間S2のうち体積が大きい空間側で体積が小さい空間側よりも、外周型104の成形面104aの摩擦係数が小さい。そのため、キャビティCのうち未充填空間が大きい成形型(上型101)側で成形素材201の流動速度を速めることができる。
また、本実施の形態では、図2に示す外周型104の成形面104aは、上型101及び下型102のうち一方の成形型である上型101側で他方の成形型である下型102側よりも摩擦係数が小さい。この一方の成形型は、図4及び図5に示すように、加圧前の成形素材202,203の外周部202a,203aとの上記対向方向(矢印D)における距離が、下型112,122(L2,L12)よりも長い上型111,121(L1,L11)である。そのため、上述のような空間S1,S2の体積を算出する必要がなく、簡易に摩擦係数の大小を設定して、キャビティCのうち未充填空間が大きい成形型(上型101)側で成形素材201の流動速度を速めることができる。
1 光学素子の成形装置
2 成形室
2a 搬入側シャッタ
2b 搬出側シャッタ
2c 流入口
10 予備加熱ステージ
20 第1プレスステージ
30 第2プレスステージ
40 冷却ステージ
11,21,31,41 下プレスプレート
11a,21a,31a,41a カートリッジヒータ
12,22,32,42 上プレスプレート
12a,22a,32a,42a カートリッジヒータ
13,23,33,43 加圧駆動部
100 光学素子成形用型セット(型セット)
101 上型
102 下型
101a,102a 成形面
101b,102b フランジ部
103 胴型
104 外周型
104a 成形面
104a−1 鏡面
104a−2 粗面
111,121 上型
112,122 下型
111a,112a,121a,122a 成形面
201,202,203 成形素材
202a,203a 外周部
301 光学素子
301a 凹光学機能面
301b 凸光学機能面
301c 平坦面
301d コバ部
301e 上側稜線部
301f 下側稜線部
C キャビティ
D 対向方向
S1,S2 空間

Claims (12)

  1. 互いに対向する第1の成形型及び第2の成形型と、
    前記第1の成形型と前記第2の成形型との間のキャビティの外周に位置する第3の成形型と、を備え、
    前記第3の成形型の内周面は、前記第1の成形型と前記第2の成形型との対向方向における一方側と他方側とで摩擦係数が異なる、
    ことを特徴とする光学素子成形用型セット。
  2. 前記第3の成形型の前記内周面は、前記対向方向における一方側と他方側とで表面粗さが異なることで摩擦係数が異なることを特徴とする請求項1記載の光学素子成形用型セット。
  3. 前記第3の成形型の前記内周面は、算術平均粗さRaが50nm以下の部分と、算術平均粗さRaが200nm以上の部分とを含むことを特徴とする請求項2記載の光学素子成形用型セット。
  4. 前記第3の成形型の前記内周面は、コーディングが施されていることで、前記対向方向における一方側と他方側とで摩擦係数が異なることを特徴とする請求項1記載の光学素子成形用型セット。
  5. 前記コーティングがダイヤモンドライクカーボンであることを特徴とする請求項4記載の光学素子成形用型セット。
  6. 成形素材を挟んで互いに対向する第1の成形型及び第2の成形型と、前記第1の成形型と前記第2の成形型との間のキャビティの外周に位置する第3の成形型と、を備える光学素子成形用型セットを用いて前記成形素材を加熱、プレス、及び冷却することで、光学素子を製造する光学素子の製造方法において、
    前記第1の成形型と前記第2の成形型との対向方向における一方側と他方側とで内周面の摩擦係数が異なる前記第3の成形型によって前記光学素子の外周面を成形することで、前記キャビティ内で加圧された前記成形素材が前記対向方向における前記キャビティの外周の一端側と他端側とに流動する速度を調整する、
    ことを特徴とする光学素子の製造方法。
  7. 前記対向方向における一方側と他方側とで前記内周面の表面粗さが異なることで前記内周面の摩擦係数が異なる前記第3の成形型によって前記光学素子の前記外周面を成形することを特徴とする請求項6記載の光学素子の製造方法。
  8. 前記内周面が、算術平均粗さRaが50nm以下の部分と算術平均粗さRaが200nm以上の部分とを含む前記第3の成形型によって前記光学素子の前記外周面を成形することを特徴とする請求項7記載の光学素子の製造方法。
  9. 前記内周面にコーティングが施されていることで前記対向方向における一方側と他方側とで前記内周面の摩擦係数が異なる前記第3の成形型によって前記光学素子の前記外周面を成形することを特徴とする請求項8記載の光学素子の製造方法。
  10. 前記コーティングがダイヤモンドライクカーボンであることを特徴とする請求項9記載の光学素子の製造方法。
  11. 前記第3の成形型に囲まれた空間において、前記成形素材が加圧されて前記第3の成形型の前記内周面に到達した時点における前記成形素材を挟んだ前記第1の成形型側の空間及び前記第2の成形型側の空間のうち体積が大きい空間側で体積が小さい空間側よりも、前記第3の成形型の前記内周面の摩擦係数が小さいことを特徴とする請求項6から10のいずれか1項記載の光学素子の製造方法。
  12. 前記第3の成形型の前記内周面は、前記第1の成形型及び前記第2の成形型のうち、前記キャビティ内に載置された加圧前の前記成形素材の外周部との前記対向方向における距離が長い成形型側で他方の成形型側よりも摩擦係数が小さいことを特徴とする請求項6から10のいずれか1項記載の光学素子の製造方法。
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