JP2005321295A - 測定装置及び測定装置の温度補償方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 温度補償の対象となる半導体デバイスの温度を正確に検出し、前記各回路構成部品の温度特性を向上させること無しに回路要件の精度を向上させ、回路構成部品のコスト低減を図ることができる測定装置及び測定装置の温度補償方法を提供する。
【解決手段】 半導体デバイス１２の出力に基づいて測定値を算出する制御装置１において、前記半導体デバイス１２と同一チップ内に温度センサ回路１５を設け、この温度センサ回路１５の出力に基づいて定められたゲインによって前記半導体デバイス１２の出力を補正することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、測定装置及び測定装置の温度補償方法に関するものである。

従来から、例えばソレノイド等の通電電流を監視する測定装置が知られている。この測定装置では前記通電電流を精度よく読み出すために、予め製造時に常温で２つの異なる電流を流し、この電流を読み込んだときの半導体デバイス内に構成される増幅回路のゲインを測定し、この測定結果をＥＥＰＲＯＭ等に記録させることで、ソレノイド等の通電電流を監視する際、ゲインにより該読み込み電流を補正することで、半導体デバイスの許容差バラツキをキャンセルし精度をアップさせている。
ところで、このような測定装置の中には、前記増幅回路の出力の温度変化による影響を低減するために温度補償回路を設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。さらに、温度を検出するために増幅回路を有する半導体デバイスと同一基板上にサーミスタを設け、このサーミスタからの温度情報に基づいて温度補償を行うものがある。（例えば、特許文献２参照）。
特開２０００−３３８１４６号公報 特開２００４−８０１１４号公報

サーミスタからの温度情報に基づき温度補償した場合の測定装置を図面に基づいて説明すると、図６に示すように、例えば、ソレノイドタイプのアクチュエータを制御する制御装置（測定装置）６０１にはソレノイド６０２を駆動するソレノイドドライバ回路６０３が設けられている。このソレノイドドライバ回路６０３にはここに通電される電流をモニタするために前記電流に比例した電圧信号を出力するセンス抵抗回路６１０が接続されている。このセンス抵抗回路６１０は半導体デバイス６１２内に構成された増幅回路６１３に接続され、この増幅回路６１３の出力が演算ユニット６３１のＡ／Ｄ変換器６２５に入力されている。

このＡ／Ｄ変換器６２５には前記半導体デバイス６１２に給電する電源回路６１４が接続されている。前記演算ユニット６３１には演算ユニット６３１で使用するデータを蓄積したＥＥＰＲＯＭ６３４が接続されている。そして、前記半導体デバイス６１２の近傍にはサーミスタ６２９が設けられ、このサーミスタ６２９の端子間電圧を前記演算ユニット６３１でモニタすることで、前記半導体デバイス６１２の温度を検出している。

図７は縦軸を前記サーミスタ６２９の端子間電圧、横軸をサーミスタ６２９の温度とした場合の前記サーミスタ６２９の温度に対するサーミスタ６２９の端子間電圧の変化を示している。前記サーミスタ６２９は温度によって抵抗値が変化する素子であるため、定電圧電源６２７の電圧（ＶＣＣ）を固定抵抗６３５と前記サーミスタ６２９とで分圧すると温度に対応した前記端子間電圧を得ることができる。つまり、この端子間電圧から現在のサーミスタ６２９の温度を知ることができるのである。したがって、前記演算ユニット６３１は前記サーミスタ６２９の温度に基づいて前記半導体デバイス６１２内に構成される増幅回路６１３の出力をＥＥＰＲＯＭ６３４に格納されたデータを参照して温度補償を行っている。

しかしながら、上記制御装置とこの温度補償方法では、前記サーミスタ６２９の出力電圧は低温域と高温域とで温度特性が非線形となるため、この温度特性がリニアな特性温度域（図７中、Ａの範囲）以外では測定誤差が大きくなり温度補償の精度が低くなる問題がある。
さらに、前記サーミスタ６２９と同一基板上又は近傍に発熱量の大きいソレノイドドライバ回路６０３等の構成部品が配置されていると、この発熱の影響を受けて温度補償の対象となる半導体デバイス６１２の温度を直接正確に検出することが困難になる問題がある。
このため、前記制御装置６０１は各回路構成部品の温度特性に依存されるため、各回路構成部品の保障使用条件の変化しうる組み合わせを積み上げて性能許容範囲を定義する必要があるが、回路要件の精度を向上させると前記各構成部品の個々の温度特性変化量を狭めることとなり、その結果、構成部品のコストアップに繋がるという問題がある。

そこで、本発明は、温度補償の対象となる半導体デバイス６１２の温度を正確に検出し、前記各回路構成部品の温度特性を向上させること無しに回路要件の精度を向上させ、回路構成部品のコスト低減を図ることができる測定装置及び測定装置の温度補償方法を提供するものである。

請求項１に記載した発明は、半導体デバイス（例えば、実施の形態における半導体デバイス１２）の出力に基づいて測定値を算出する測定装置（例えば、実施の形態における制御装置１）において、前記半導体デバイスと同一チップ内に温度モニタ（例えば、実施の形態における温度センサ回路１５）を設け、この温度モニタの出力に基づいて定められた変換係数（例えば、実施の形態におけるゲインＫｎ）によって前記半導体デバイスの出力を補正することを特徴とする。
このように構成することで、前記温度モニタがこの周囲の発熱体の影響を受けても前記半導体デバイスそのものの温度を直接測定できるため、半導体デバイスの温度に基づいて温度補償を行い正確な測定を行うことができる。

請求項２に記載した発明は、前記温度モニタの出力は温度変化に対して線形な特性がある回路構成であることを特徴とする。
このように構成することで、半導体デバイスの温度に対してリニアな出力電圧を得ることができるため、半導体デバイスの温度を高温域から低温域まで正確に検出することができる。

請求項３に記載した発明は、前記変換係数は予め低温、常温、高温時における温度モニタの出力電圧に基づいて算出されることを特徴とする。
このように構成することで、予め半導体デバイスの温度を３点測定するため、構成された回路の温度特性が特定できない、つまり正特性、負特性を限定できない場合でも読み込み精度を向上することができる。

請求項４に記載した発明は、ソレノイド（例えば、実施の形態におけるソレノイド２）を駆動するソレノイドドライバ（例えば、実施の形態におけるソレノイドドライバ回路３）を設け、前記ソレノイドドライバの通電電流を電圧信号に変換するセンス抵抗（例えば、実施の形態におけるセンス抵抗回路１０）を設け、前記半導体デバイスには前記センス抵抗の電圧信号を増幅する増幅回路（例えば、実施の形態におけるアンプ回路１３）と前記温度モニタと電源回路とを同一チップ内に設け、前記電源回路と前記温度モニタと増幅器からの信号がＡ／Ｄ変換器（例えば、実施の形態におけるＡ／Ｄ変換器２５）を介して入力されると共に前記変換係数を格納するメモリ（例えば、実施の形態におけるＥＥＰＲＯＭ３４）を有し前記半導体デバイスの出力値を補正する演算ユニット（例えば、実施の形態における演算ユニット３１）を設け、前記変換係数は前記増幅回路の温度に応じて定められていることを特徴とする。
このように構成することで、温度モニタが発熱量の多いソレノイドドライバからの影響を受けても前記半導体デバイス内の回路の温度を正確に検出することができ、温度検出結果に基づいて演算回路でアンプ回路の出力電圧を温度補償することができるため、ソレノイドドライバの通電電流を正確に算出することができる。

請求項５に記載した発明は、半導体デバイスと同一チップ内に配置した温度モニタにより半導体デバイスの温度を検出し、前記半導体デバイスの温度に基づいて定められた変換係数によって前記半導体デバイスの出力を補正することを特徴とする。

請求項６に記載した発明は、前記温度モニタによる半導体デバイスの温度検出は温度変化に対して線形な電圧出力を用いて算出していることを特徴とする。

請求項７に記載した発明の前記温度データ回路特性変化係数は、予め低温、常温、高温時における温度モニタの出力電圧に基づいて算出することを特徴とする。

請求項１に記載した発明によれば、前記温度モニタがこの周囲の発熱体の影響を受けても前記半導体デバイスそのものの温度を直接測定できるため、半導体デバイスの温度に基づいて温度補償を行い正確な測定を行うことができ、したがって、温度特性変動が小さい高価な半導体デバイスで回路を構成しなくとも測定精度の向上を図ることができる効果がある。

請求項２に記載した発明によれば、請求項１の効果に加え、半導体デバイスの温度に対してリニアな出力電圧を得ることができるため、半導体デバイスの温度を高温域から低温域まで正確に検出することができ、したがって、更なる測定精度の向上を図ることができる効果がある。

請求項３に記載した発明によれば、請求項１又は請求項２の効果に加え、予め半導体デバイスの温度を３点測定するため、構成された回路の温度特性が特定できない、つまり正特性、負特性を限定できない場合でも読み込み精度を向上することができ、したがって、温度動作確認工程での作業者の負担を軽減すると共にコストの低減を図ることができる効果がある。

請求項４に記載した発明によれば、前述した何れかの効果に加え、温度モニタが発熱量の多いソレノイドドライバからの影響を受けても前記半導体デバイス内の回路の温度を正確に検出することができ、温度検出結果に基づいて演算回路でアンプ回路の出力電圧を温度補償することができるため、ソレノイドドライバの通電電流を正確に算出することができ、したがって、ソレノイドに通電される電流制御の精度を向上させることができる効果がある。

尚、請求項５に記載した発明によれば、請求項１に記載した発明と同様に、前記温度モニタがこの周囲の発熱体の影響を受けても前記半導体デバイスそのものの温度を直接測定できるため、測定精度の向上を図ることができる効果があり、請求項６に記載した発明によれば、請求項２に記載した発明と同様に、半導体デバイスの温度変化に対してリニアな出力電圧を得ることができるため、半導体デバイスの温度を高温域から低温域まで正確に検出することができる。そして、請求項７に記載した発明によれば、請求項３に記載した発明と同様に、構成された回路の温度特性が特定できない、つまり、正特性、負特性を限定できない場合でも読み込み精度を向上することができる。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１において、１はいわゆるソレノイドタイプのアクチュエータを制御する制御装置（測定装置）を示している。前記制御装置１には前記アクチュエータのソレノイド２を駆動するソレノイドドライバ回路３が設けられている。このソレノイドドライバ回路３は、電源４にソース側が接続されたＦＥＴ等のスイッチング素子５とこのスイッチング素子５の保護用ダイオード６とを並列接続し、この並列接続したものに逆流防止ダイオード７を直列接続して構成した回路である。ここで、前記ソレノイドドライバ回路３は前記ソレノイド２を駆動する比較的大きな駆動電流が通電されるため、発熱量が多くなる回路である。尚、前記スイッチング素子５の制御端子（例えば、ゲート）８にはこれを制御する図示しない制御回路が接続され、前記逆流防止用ダイオード７にはアース９が接続されている。

前記スイッチング素子５のスイッチング動作で決定される平均電流がセンス抵抗１０に流れることで発生する作動電圧をゲイン設定抵抗部１９，２０，２２，２３を介しオペアンプ１７に入力することにより得られる増幅電圧を抵抗２４を介して後述するＡ／Ｄ変換器２５に読み込む。

尚、ゲイン設定抵抗部には作動電圧を底上げするための電圧を分圧抵抗１７により設定している。この分圧抵抗電圧を直接、ゲイン設定抵抗部に印加するとゲイン及び底上げ電圧に狂いが生じるため、ボルテージフォロア１６を介して分圧抵抗電圧を印加している。

前記半導体デバイス１２の前記温度センサ回路１５には一定の電流を供給する定電流源２７が設けられている。この定電流源２７とアース２８間には２個のダイオード２９，２９が直列接続され、ここに前記定電流源２７からの電流が常時通電されている。つまり、前記２個のダイオード２９，２９にはそれぞれ順方向電圧が発生することとなる。
前記２個のダイオード２９，２９の定電流源２７側にはオペアンプ３０の＋側が接続されている。このオペアンプ３０は前記２個のダイオード２９，２９の順方向電圧の和を増幅するものであり、出力側には後述する演算ユニット（ＣＰＵ）３１が接続され、さらに、帰還抵抗３２を介して前記オペアンプ３０の−側が接続されている。そして、前記オペアンプ３０の−側は抵抗３３を介してアース２８に接続されている。つまり、前記オペアンプ３０は周知の非反転増幅器として構成されているのである。

図２は縦軸を温度センサ回路１５の出力電圧、横軸を半導体デバイス１２の温度とした場合の半導体デバイス１２の温度に対する前記温度センサ回路１５の出力電圧の推移を示したものである。
具体的には、前記半導体デバイス１２の温度を−３０℃〜１５０℃の間（図２中、Ｂの範囲）で変化させると、前記温度センサ回路１５の出力電圧は、前記半導体デバイス１２の温度が低い程高く、前記半導体デバイス１２の温度が高い程低く推移し、前記温度センサ回路１２の温度に対してリニアな特性となる。

図１に示すように、前記アンプ回路１３の出力端にはＡ／Ｄ変換器２５が接続されている。このＡ／Ｄ変換器は演算ユニットに入力されるアナログ信号をデジタル変換するものであり、前記演算ユニット３１の内部に設けられている。前記演算ユニット３１は前記Ａ／Ｄ変換器２５を介して入力された前記アンプ回路１３の出力に基づいて前記ソレノイドドライバ回路３の通電電流を算出するものであり、ここには前記電源回路１４からの電圧信号がＡ／Ｄ変換器２５を経由して入力されると共に前述した温度センサ回路１５の出力電圧が前記電源回路１４と同様にＡ／Ｄ変換器２５を経由して入力されている。そして、前記演算ユニット３１にはメモリであるＥＥＰＲＯＭ３４が接続されている。ここで、前記ＥＥＰＲＯＭ３４には詳細を後述するアンプ回路１３のゲイン（変換係数）Ｋｎと温度センサ回路１５の出力電圧とが対になって記憶されている。

図３（ａ）は縦軸をアンプ回路のゲインＫｎ、横軸を前記半導体デバイス１２の温度とした場合の、前記半導体デバイス１２の温度に対する前記アンプ回路１３のゲインＫｎの推移を示している。
ここで、前記アンプ回路１３のゲインＫｎは、前記ソレノイドドライバ回路３に一定の電流を通電した状態で前記半導体デバイス１２の温度を低温（例えば、−３０℃）、常温（例えば、２５℃）、高温（例えば、７０℃）としたときの前記アンプ回路１３のそれぞれのゲインＫ_Ｌｏ、ゲインＫ_２５、ゲインＫ_Ｈｉを求めたものであり、前記半導体デバイス１２の温度が低温時をゲインＫ_Ｌｏ、常温時をゲインＫ_２５、高温時をゲインＫ_Ｈｉとしている。これらゲインＫ_Ｌｏ，Ｋ_２５，Ｋ_Ｈｉとから後述する現使用ゲインＫ_ＮＯＷを求めることができる。

前記アンプ回路１３のゲインＫｎ（Ｋ_Ｌｏ，Ｋ_２５，Ｋ_Ｈｉ）は、以下に示す［数１］の関係が成り立つ。ここで、以下に示す［数１］中のＡＶＲＥＦは前記Ａ／Ｄ変換器２５の基準電源電圧を示し、例えばＡＶＲＥＦ／１０２４は１０ビットＡ／Ｄ変換器の分解能を示している。さらに、ｘ_０はソレノイド２に通電する実電流値である電流条件１を示し、同様に、ｘ_１はソレノイド２に通電する実電流値である電流条件２を示している。さらに、Ｖ_０は前記電流条件１を通電したときの前記アンプ回路１３の出力電圧を示し、Ｖ１は前記電流条件２を通電したときの前記アンプ回路１３の出力電圧を示している。さらに、Ｖ_０は前記電流条件１を通電した時の前記アンプ回路１３の出力電圧のＡ／Ｄ変換結果を示し、Ｖ_１は前記電流条件２を通電した時の前記アンプ回路１３の出力電圧のＡ／Ｄ変換結果を示している。

図４は横軸を前記アンプ回路１３の出力電圧のＡ／Ｄ変換結果、縦軸をソレノイドに通電する電流値とした場合のＡ／Ｄ変換結果に対する前記実電流値を示している。
つまり、前述したように、既知の電流条件１（ｘ_０）を前記ソレノイドに通電した際の前記アンプ回路１３の出力電圧のＡ／Ｄ変換結果（Ｖ_０）と、既知の電流条件２（ｘ_１）を前記ソレノイドに通電した際の前記アンプ回路１３の出力電圧のＡ／Ｄ変換結果（Ｖ_１）とを測定することで前記アンプ回路１３のゲインＫｎを［数１］を用いて算出することができるのである。
そして、前記各ゲインＫ_Ｌｏ，Ｋ_２５，Ｋ_Ｈｉは、前述したように、前記半導体デバイス１２の温度を変化させて前記アンプ回路１３の出力電圧のＡ／Ｄ変換結果Ｖ_０，Ｖ_１を測定し、この測定結果を用いて前記［数１］で算出しているのである。尚、前記電源回路も同一デバイス上にあるため、前記ゲインＫ_Ｌｏ，Ｋ_２５，Ｋ_Ｈｉには前記Ａ／Ｄ変換器の分解能の温度変化が加味されている。

一方、図３（ｂ）は縦軸を温度センサ回路１５の出力電圧、横軸を半導体デバイス１２の温度とした場合の前記半導体デバイス１２の温度に対する温度センサ回路１５の出力電圧を示している。
ここで、前記半導体デバイス１２の温度が低温である場合には前記温度センサ回路１２の出力電圧Ｖ_Ｌｏが得られ、前記半導体デバイス１２の温度が常温である場合には前記温度センサ回路１５の出力電圧Ｖ_２５が得られる。そして、前記半導体デバイス１２の温度が高温である場合には前記温度センサ回路１５の出力電圧Ｖ_Ｈｉが得られる。尚、前記温度センサ回路１５の出力電圧には、任意温度における出力電圧差が生じることもあるが、図３（ｂ）中の直線の傾きであるΔＶ／℃は共通特性となる。

すなわち、前記ＥＥＰＲＯＭ３４には、以下の表１に示すように、前記図３（ａ）と図３（ｂ）とで得られた低温時のゲインＫ_Ｌｏと温度センサ回路１５の出力電圧Ｖ_Ｌｏ、常温時のゲインＫ_２５と温度センサ回路１５の出力電圧Ｖ_２５、高温時のゲインＫ_Ｈｉと温度センサ回路１５の出力電圧Ｖ_Ｈｉをそれぞれ対で記憶して予め学習しているのである。

次に、図５のフローチャートに基づいてゲイン変換処理を説明する。
まず、ステップＳ５０１ではＶ_ＴＭＰに温度センサ回路の現在の出力電圧を入れる。ステップＳ５０２では、Ｖ_ＴＭＰがＶ_２５よりも小さいか否かを判定する。判定結果が「ＮＯ」（小さくない）である場合はステップＳ５０３に進み、判定結果が「ＹＥＳ」（小さい）である場合はステップＳ５０４に進む。ステップＳ５０３では以下に示す［数２］を用いて前記Ｖ_ＴＭＰに対応する現使用のゲインＫ_ＮＯＷを算出してステップＳ５０５に進む。

ステップＳ５０５ではゲインＫ_ＮＯＷを現在のアンプ回路のゲインであるとして前記演算回路でアンプ回路からの出力電圧のゲイン係数をゲインＫ_ＮＯＷで持ち替えてリターンする。
ステップＳ５０４では以下の［数３］を用いて前記Ｖ_ＴＭＰに対応するゲインＫ_ＮＯＷを算出して前述のステップＳ５０５に進みリターンする。

したがって、上記実施の形態によれば、前記温度センサ回路１５がソレノイドドライバ回路３の発熱の影響を受けたとしても前記半導体デバイス１２そのものの温度を直接的に測定できるため、半導体デバイス１２の温度に基づいて温度補償を行い正確な測定を行うことができ、その結果、温度による出力の変動が小さい高価な半導体デバイスで回路を構成しなくとも測定精度の向上を図ることができる。

また、前記温度センサ回路１５に２個のダイオード２９，２９を用いることで半導体デバイス１２の温度に対してリニアなダイオード順方向電圧を得ることができるため、半導体デバイス１２の温度を高温域から低温域まで正確に検出することができ、更なる測定精度の向上を図ることができる。

さらに、前記ＥＥＰＲＯＭ３４には、半導体デバイス１２の温度を３点で測定するため、構成された回路の温度特性が特定できない、つまり正特性、負特性を限定できない場合でも読み込み精度を向上することができ、温度動作確認工程時の作業者の負担を軽減すると共にＥＥＰＲＯＭ３４のコストを低減することができる。

そして、温度センサ回路１５は発熱量の多いソレノイドドライバ回路３からの影響を受けても前記半導体デバイス１２内の温度を正確に検出することができ、この温度検出結果に基づいてステップＳ５０３とステップＳ５０４とで現使用アンプゲインＫ_ＮＯＷを算出し、このＫ_ＮＯＷを用いて演算ユニット３１でアンプ回路１３の出力電圧を補正することができるため、ソレノイドドライバ回路３の通電電流を正確に算出することができ、ソレノイド２の通電電流制御の精度を向上させることができる。

尚、この発明は上記各実施の形態に限られるものではなく、温度特性を有した回路の電流又は電圧を測定するものであれば前記ソレノイド以外の、例えば、リファレンス電源や分圧器等の測定にも用いることができる。また、前記アンプ回路のゲインに限らず、温度特性を有する出力であれば予め変換係数を算出してメモリ等に記憶させて温度補償を行うことができる。さらに、前記温度センサ回路、前記アンプ回路、前記電源回路以外の回路を半導体デバイスに集積して設けても良い。
さらに、前記半導体デバイスの温度を３点測定したが、設計時に構成された回路の温度特性が正特性又は負特性なのかを特定できるときには、測定点を少なくとも１点測定すれば良い。

本発明の実施の形態における測定装置の回路図である。 本発明の実施の形態におけるダイオードの温度特性のグラフである。 本発明の実施の形態における温度に対するアンプ回路のゲインと温度センサ回路の出力電圧のグラフである。 本発明の実施の形態における通電電流に対するアンプ回路の出力電圧を示すグラフである。 本発明の実施の形態における常時持ち替え処理のフローチャートである。 従来の測定装置の図１に相当する回路図である。 従来の測定装置の図２に相当するグラフである。

符号の説明

１ 制御装置（測定装置）
２ ソレノイド
３ ソレノイドドライバ回路
１０ センス抵抗回路（センス抵抗）
１２ 半導体デバイス
１３ アンプ回路（増幅器）
１５ 温度センサ回路（温度モニタ）
２５ Ａ／Ｄ変換器
２９ ダイオード
３１ 演算ユニット
３４ ＥＥＰＲＯＭ（メモリ）
Ｋｎ ゲイン（変換係数）

Claims (7)

1. 半導体デバイスの出力に基づいて測定値を算出する測定装置において、前記半導体デバイスと同一チップ内に温度モニタを設け、この温度モニタの出力に基づいて定められた変換係数によって前記半導体デバイスの出力を補正することを特徴とする測定装置。
2. 前記温度モニタの出力は温度変化に対して線形な特性がある回路構成であることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 前記変換係数は予め低温、常温、高温時における温度モニタの出力電圧に基づいて算出されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の測定装置。
4. ソレノイドを駆動するソレノイドドライバを設け、前記ソレノイドドライバの通電電流を電圧信号に変換するセンス抵抗を設け、前記半導体デバイスには前記センス抵抗の電圧信号を増幅する増幅回路と前記温度モニタと電源回路とを同一チップ内に設け、前記電源回路と前記温度モニタと増幅器からの信号がＡ／Ｄ変換器を介して入力されると共に前記変換係数を格納するメモリを有し前記半導体デバイスの出力値を補正する演算ユニットを設け、前記変換係数は前記増幅回路の温度に応じて定められていることを特徴とする請求項１〜３に記載の測定装置。
5. 半導体デバイスと同一チップ内に配置した温度モニタにより半導体デバイスの温度を検出し、前記半導体デバイスの温度に基づいて定められた変換係数によって前記半導体デバイスの出力を補正することを特徴とする測定装置の温度補償方法。
6. 前記温度モニタによる半導体デバイスの温度検出は温度変化に対して線形な電圧出力を用いて算出していることを特徴とする請求項５に記載の測定装置の温度補償方法。
7. 前記温度データ回路特性変化係数は、予め低温、常温、高温時における温度モニタの出力電圧に基づいて算出することを特徴とする請求項５に記載の測定装置の温度補償方法。
   
   

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