JP2007306137A - コイルアンテナの実装方法およびアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一つのコイルアンテナおよび回路基板によって複数通りのＱ特性を選択して実現することのできる表面実装型コイルアンテナの実装方法、およびかかるコイルアンテナを搭載したアンテナ装置を提供する。
【解決手段】磁性材料からなるコア３５の巻芯部３３にコイル３２が巻成されたコイルアンテナ３０の備える複数の実装端子を、回路基板２０の表面に複数のランドが分散配置されてなるランドパターン２６にそれぞれ接合する表面実装型コイルアンテナの実装方法において、前記実装端子の少なくとも一つが、それぞれ互いに面積の異なる複数のランドからなるランド群より選択されるランドに接合される実装方法、またはコイルアンテナの発生する磁束がランドを横切って通過する量を実装端子の接合位置によって調整する実装方法、ならびにかかる方法によりコイルアンテナ３０が回路基板２０に実装されたアンテナ装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器や通信機器等に用いられる表面実装型のコイルアンテナを回路基板に接合する実装方法、およびコイルアンテナを回路基板に実装したアンテナ装置に関する。

近年、自動車のキーレスエントリーシステムやタイヤ空気圧モニタリングシステム（ＴＰＭＳ）、イモビライザーなどに代表される車載用のアンテナ装置、または携帯型機器や電波時計など、無線信号を送受信する小型アンテナを搭載した装置が各種提案されている。これらの装置については、アンテナの受信感度の向上に加え、装置全体の小型化と部品点数の削減による製造コストの削減が求められている。

上記の各種装置に用いられるアンテナのうち最も一般的なものは、棒状の焼成フェライトコアにコイルを巻き回したバーアンテナである。またかかるコイルアンテナを回路基板に実装する態様としては、従来のピン実装方式と比べてスルーホールの穿設が不要であり、また多層基板への配線自由度の向上と実装密度の増大が可能であることから、表面実装（サーフェイスマウント）方式が広く行われている。

一方、コイルの特性を評価する指標としては、インダクタンス成分を抵抗成分で除したＱ特性（Ｑ値）が一般に用いられている。かかるＱ値が大きいほどインダクタ効率が高く、共振回路においてはよりシャープな共振特性の得られるコイルといえる。表面実装型のコイルアンテナにおいては、焼成フェライトなどの磁性材料からなるコアの軸方向の両端にフランジ状の鍔部を設け、その底面に実装端子を設けることで、ランドパターンとハンダ等にて接合することが一般的である。このとき、通電されたコイルの発する磁束がランドパターンと面直に交わることで電磁誘導の作用によって渦電流が生じ、かかる渦電流の形成する磁束によってコイルのインダクタンス成分が毀損されるという、いわゆる渦電流損失の発生がＱ特性を低下させる要因として問題となっている。渦電流損失の発生する原理をまず以下に説明する。

図４は従来のアンテナ装置１１０を示す斜視図である。アンテナ装置１１０は、回路基板１２０の上面に形成したランド１２１ａ，１２１ｂに対してコイルアンテナ１３０の鍔部１３１ａ，１３１ｂがそれぞれ接合されてなる。コイルアンテナ１３０は、磁性体からなるコアの軸方向の両端に鍔部が形成され、またコアの巻芯部にコイル１３２が巻成されてなることが一般的である。鍔部の下面にはそれぞれ導電性の実装端子（図示せず）が設けられ、また実装端子にはコイル１３２の各端部が絡げられている。これにより実装端子を導電性のランドとハンダ付けすることでコイル１３２は信号ライン１２２と導通し、所定の波形の電圧が印加される。

コイルアンテナ１３０が給電されると、鍔部１３１ａ，１３１ｂからはコイル１３２の巻軸方向に所定の密度の磁束が発せられる。磁束の向きは鍔部１３１ａと１３１ｂとでは逆向きとなる。便宜上ここでは鍔部１３１ａから外向きの磁束が発せられるものとするが、磁束の向きが逆の場合も以下の説明は成立する。
鍔部１３１ａの発する磁束は放射状であり、その一部を同図に矢印で示すようにランド１２１ａにはこれを横切る向きに磁束Ｂが通過する。ランドを通過する磁束Ｂの量が変化した場合、当該ランドには電磁誘導の法則により、かかる磁束Ｂの変化を打ち消すよう、新たな磁束を生じる向き（この場合、同図に示すように平面視反時計回り）に流れる渦電流ＥＣが発生する。すなわち、コイル１３２に交流電圧を印加している間、またはコイル１３２に直流電圧が印加された直後には、渦電流ＥＣの発生により鍔部１３１ａの発する磁束Ｂは一部毀損されてコイルアンテナ１３０のインダクタンスが低下するという渦電流損失が生じる。なお、鍔部１３１ｂについても同様であり、同図の場合は時計回りの渦電流が生じ、鍔部１３１ｂからコイル１３２に向かう磁束に渦電流損失が発生する。

そこで、例えば下記特許文献１に記載のチップコイルおよびその実装基板の発明においては、チップコイルにおける磁束の集中箇所を避け、実装端子を鍔部同士の間、すなわちコア胴部の直下に配置することでＱ特性の向上を図っている。

特開２００５−１０１５２１号公報

しかし、コイルやコンデンサに交流電流を供給する共振回路の設計にあたっては、それぞれ回路ごとに所望の共振特性が存在し、コイルアンテナのＱ値についてもただ高ければよいというものではなく、所定の上下限値で規定される望ましい範囲が存在する。このため、上記特許文献に記載のチップコイルをはじめ、従来のコイルアンテナについては、これと直列に抵抗を接続することでコイル自身のもつ高いＱ値を所望の値に調整して用いられている。

したがって、上述のようにアンテナ装置全体の小型化と部品点数の削減が求められる昨今においては、コイルアンテナのＱ特性を単に向上するのではなく、またはＱ特性の向上と並行して、回路基板ごとに異なる所望のＱ特性を実現して直列抵抗の接続を不要とし、さらにかかるＱ特性を複数通りに変化させることで異なる回路配置に対する汎用性を向上することのできるコイルアンテナが切望されている。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、すなわち一つのコイルアンテナおよび回路基板によって複数通りのＱ特性を選択して実現することのできる表面実装型コイルアンテナの実装方法、およびかかるコイルアンテナを搭載したアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明は、ランドパターンに対するアンテナコイルの実装位置を可変とし、かつ、その実装位置を変えることでアンテナコイルの発する磁束の横切るランド面積がそれぞれ変化するような形状のランドパターンを回路基板上に形成しておくことにより、発生する渦電流損失を任意に増減させ、もって一つのコイルアンテナおよび回路基板よって所望のＱ値を選択的に得るというまったく新しい技術思想に基づいてなされたものである。
すなわち本発明にかかる表面実装型コイルアンテナの実装方法は、
（１）コイルアンテナの実装端子を接合するためのランドを回路基板上に複数のランドからなるランド群として形成し、また該ランドの面積をそれぞれ相違させておくことによって、ランド群のうちいずれのランドを選択して実装端子を接合するかによりコイルアンテナのＱ特性を変化させることにより所定のＱ特性を実現する表面実装型コイルアンテナの実装方法；
（２）実装端子をランドに接合する位置に応じてコイルアンテナの発生する磁束がランドを横切って通過する量が増減するよう、該ランドの形状を予め特定しておき、かつ、実装端子の接合位置を複数通りより選択して決定することにより所定のＱ特性を選択的に実現する表面実装型コイルアンテナの実装方法；
を要旨とする。

また本発明にかかるアンテナ装置は、
（３）複数の実装端子が設けられた表面実装型コイルアンテナの実装位置を複数通りから選択できるよう回路基板に複数のランドが形成されるとともに、該ランドの面積を互いに相違させておくことにより、そのいずれかを選択して前記コイルアンテナが実装されることによって所定のＱ特性を選択的に実現するアンテナ装置；
（４）前記複数のランドを、コイルアンテナの巻軸方向に横並びに設けられた長さの異なるストライプ状とし、コイルアンテナの実装位置を該ストライプのいずれかから選択可能とする上記（３）に記載のアンテナ装置；
（５）複数の実装端子が設けられた表面実装型コイルアンテナを実装するランド上の位置を変えた場合に、コアよりも巻軸方向の外側に露出するランド面積の合計が変化するランド形状を採ることによって、コイルアンテナの実装位置をかかるランド上で任意に変化させることで所定のＱ特性を複数通りに実現するアンテナ装置；
（６）ランド形状が、前記巻軸方向にその幅が変化するテーパー状である上記（５）に記載のアンテナ装置；
（７）実装端子とランドには、互いに嵌合して両者を位置合せするための嵌合凸部または凹部のいずれかがそれぞれ設けられている上記（５）または（６）に記載のアンテナ装置；
を要旨とするものである。

本発明にかかる表面実装型コイルアンテナの実装方法、およびアンテナ装置によれば、一つのコイルアンテナおよび回路基板の組み合わせによって複数通りのＱ特性を実現することができるため、コイルアンテナをランドパターンに表面実装するアセンブリ作業の段階において、コイルアンテナの実装位置の選択によって所望のＱ特性を実現することが可能である。これにより、一つの回路基板に対し、搭載される抵抗やコンデンサなどのチップ部品の特性を替えることでコイルアンテナに求められるＱ特性が変化した場合であっても、コイルアンテナの実装位置をランドパターン上で選択的に替えることによって、所望のＱ特性を実現することができる。これにより、コイルアンテナのＱ特性を調整するために従来設けられていた直列抵抗を不要とすることができ、実装上およびコスト上のメリットが得られるほか、回路基板の汎用性が高まるという利点がある。

以下本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて具体的に説明する。ただし本発明は、具体的なランドや信号線の形状、コイルアンテナの形状や実装端子の位置等については以下の実施の形態に限定されるものではない。図１は本発明の第一の実施の形態にかかるアンテナ装置１０の分解斜視図である。
アンテナ装置１０は、回路基板２０の表面に形成された導体のランドパターン２６に対し、コイルアンテナ３０を図の矢印（破線）の向きに接合してなる。コイルアンテナ３０は磁性体のコア３５にコイル３２を巻成してなり、またコア３５は巻芯部３３の巻軸方向の両端にフランジ状の鍔部３１ａ，３１ｂが形成されている。
コア３５は磁性材料から成形されるが、具体的には例えば焼成フェライトの削り出しやアモルファス合金箔帯の積層成形などによって作ることができる。
鍔部３１ａ，３１ｂの下面には、金属などの導電性材料からなる実装端子３４ａ，３４ｂがそれぞれ設けられており、これがハンダなどの導電性接着剤によってランドパターン２６と接合される。また実装端子３４ａ，３４ｂには、コイル３２の各先端である巻端部をそれぞれ絡げるための絡げ部（図示せず）を設けられており、ランドパターン２６とコイル３２とは、実装端子３４ａ，３４ｂを介して導通している。

コイルアンテナ３０の実装端子３４ａ，３４ｂが接合されるランドパターン２６は、それぞれ面積の異なる複数のランドからなるランド群２５ａ，２５ｂより構成されている。ランド群を構成する各ランドは、いずれもコイルアンテナ３０の実装端子３４ａまたは３４ｂを接合可能な位置、面積および形状に形成されており、すなわちランド群より任意のランドを選択して実装端子を接合することができる。このように、コイルアンテナ３０の実装端子３４ａ，３４ｂが接合されるランドの面積を選択的に相違させることによって、ランドに生じる渦電流の強度（電流密度）を調整し、もってコイルアンテナ３０について所望のＱ特性を実現することができる。これは、上述のように渦電流ＥＣの強度はランド１２１ａ，１２１ｂ（図４参照）を通過する磁束Ｂの変化量に比例するところ、実装端子が接合されるランド面積の拡大または縮小に相関して磁束Ｂの通過量すなわち渦電流ＥＣの強度は増減し、したがって発生する渦電流損失の程度も上下するためである。

複数のランドからなるランド群の具体的な構成については、コイルアンテナ３０の実装位置を複数通りに選択しうるものであり、また各ランドのうち少なくとも二つ以上について、その面積が互いに相違するものであれば特に限定されない。ランド群よりランドを選択して接合する実装端子を、コイルアンテナ３０のうち一つのみとするかまたは二つ以上についてこれを行うか、さらにコイルアンテナ３０の備える実装端子のうちの一部のみとするかすべての実装端子についてこれを行うかも任意である。すなわち、例えば二つの実装端子を備えるコイルアンテナについて、一つの実装端子についてはランド群より一つのランドを選択してこれを接合し、他の実装端子については前記選択によらずに共通のランドと接合する方式を採ることもできる。これに対し、例えば二つの実装端子を備えるコイルアンテナ３０について、二つのランド群から各実装端子の接合位置を選択する方式としてもよい。かかる例として図１に示す本実施の形態では、実装端子３４ａ，３４ｂともにそれぞれランド群２５ａ，２５ｂから選択されるそれぞれ一のランドに接合される方式としている。

実装端子３４ａは、ランド群２５ａを構成するストライプ状のランド２１ａ，２１ｂ，２１ｃの中から一つが選択されて実装される。同図では、ランド２１ｂが選択された状態を示している。ランド２１ａ，２１ｂ，２１ｃはそれぞれ長さが異なり、かつコイル３２の巻軸方向に並んで形成されている。なお、各ランドに電流を供給する信号ライン２２はランドに比して充分に幅狭であり、コイルアンテナ３０に生じる渦電流損失への寄与は無視し得る。
一方、実装端子３４ｂについても、ランド群２５ｂを構成するストライプ状のランド２１ｄ，２１ｅ，２１ｆの中から一つが選択されて実装される。
コイルアンテナ３０の巻軸方向の長さは一定であることから、ランド２１ａと２１ｄ、２１ｂと２１ｅ、および２１ｃと２１ｆの長さおよび互いの間隔をそれぞれ等しくすることにより、実装端子３４ａ，３４ｂのいずれか一方の実装位置を決定することで、他方の実装端子が実装されるランドも必然的に決定されることとなる。

ランド２１ａ〜ｆはそれぞれ幅（コイル３２の巻軸方向の長さ）が均等で、長さ（コイル３２の巻軸直交方向の長さ）が２１ａ＜２１ｂ＜２１ｃかつ２１ｄ＜２１e＜２１ｆである。したがって、かかるランドパターン２６を回路基板２０に形成することにより、選択されるランドを替えることによって、信号ライン２２より給電されてコイルアンテナ３０が発する磁束のうち、当該ランドを横切って通過する量が相違する。
なお本発明において、コイルアンテナの発生する磁束のうちランドを横切って通過する磁束の量とは、コイルからランド、およびランドからコイルへと向かう磁束に、各磁束の入射角の正接（ｔａｎ）成分を乗じたものの総和を意味する。

具体的には、ランド２１aおよび２１ｄを選択してコイルアンテナ３０を実装した場合、該ランドを横切って通過する磁束の量がもっとも少なくなり、したがってコイルアンテナ３０の受ける渦電流損失はもっとも少なくなるため、アンテナ装置１０はもっとも高いＱ値を得ることができる。これに対し、コイルアンテナ３０を実装するランドを、ランド２１ｂおよび２１ｅ、またはもっとも面積の大きなランド２１ｃおよび２１ｆとした場合、ランドを通過する磁束の量がそれぞれ増大することからコイルアンテナ３０の受ける渦電流損失もまた増加し、反対にアンテナ装置１０のＱ値は抑制される。

以上より、コイルアンテナ３０の実装端子３４ａ，３４ｂの実装位置を回路基板２０上で選択することにより、本発明にかかるアンテナ装置１０はそのＱ特性を少なくとも複数通りから選択して実現することができる。

図２は本発明の第二の実施の形態にかかるアンテナ装置１０の分解斜視図である。コイルアンテナ３０については第一の実施の形態と共通するため詳述は省略する。
回路基板２０の表面に形成されたランドパターン２６は、コイルアンテナ３０の実装端子３４ａ，３４ｂの接合位置を図中の矢印ＡまたはＢのいずれか向きに変えることによって、コイルアンテナ３０から発せられてランド２１ａおよび２１ｂを横切って通過する磁束の量が増減する。
特に、コア３５よりもコイルの巻軸方向の外側に露出するランド面積の合計が増減することにより、コイルアンテナ３０から発せられた磁束のうちランドを横切って通過する成分の総和が顕著に増減することとなる。これはコイルアンテナ３０の発する磁束がコア３５の

なお本実施の形態において、コア３５よりもコイルの巻軸方向の外側に露出するランドの面積とは、巻芯部３３および鍔部３１ａ，３１ｂからなるコア３５を回路基板２０の法線方向に投射した場合の形状（射影）に対し、コイル３２の巻軸方向の両先端側に突出するランドの面積を意味するものである。

具体的には、本実施の形態のように、ランド２１a，２１ｂをともに巻軸方向にその幅が変化するテーパー状とすることにより、各ランドのうち幅狭の領域に実装端子３４ａ，３４ｂを接合するか、または幅広の領域にこれを行うかによって、磁束がランドを横切って通過する量を好適に増減することができる。

本実施の形態においては、同図に示すように実装端子３４ａ，３４ｂの接合位置を矢印Ａの向きに寄せた場合は、ランド２１a，２１ｂの中央に接合する場合（破線にて図示）と比較して、実装端子３４ｂの外側に露出するランド２１ｂの面積の増加分が実装端子３４ａの外側に露出するランド２１ａの面積の減少分を上回るため、コア３５よりもコイルの巻軸方向の外側に露出するランド面積の合計は増加する。
これに対し、実装端子３４ａ，３４ｂの接合位置を矢印Ｂの向きに寄せた場合は、同じくランド２１a，２１ｂの中央に接合する場合と比較して、実装端子３４ａの外側に露出するランド２１ａの面積の増加分が実装端子３４ｂの外側に露出するランド２１ｂの面積の減少分を下回るため、コア３５よりもコイルの巻軸方向の外側に露出するランド面積の合計は減少する。
これにより、矢印Ａの向きに寄せてコイルアンテナ３０を回路基板２０に実装した場合は、コイルアンテナ３０の被る渦電流損失は大きくなり、逆に矢印Ｂの向きに寄せてコイルアンテナ３０を回路基板２０に実装した場合は渦電流損失が小さくなる。

以上より、本実施の形態にかかるアンテナ装置１０によれば、実装端子３４ａ，３４ｂが接合されたランド２１a，２１ｂの形状が、コイルアンテナ３０の発生する磁束のうちこれらを横切って通過する量が実装端子３４ａ，３４ｂの接合位置に応じて増減するものであることから、ランド２１a，２１ｂに対する実装端子３４ａ，３４ｂの接合位置を複数通りより選択して決定することにより、所望のＱ値を複数通りに実現するコイルアンテナの実装方法が提供される。

図３は本発明の第三の実施の形態にかかるアンテナ装置１０の分解斜視図である。本実施の形態に用いるコイルアンテナ３０は、鍔部３１ａ，３１ｂの下面にそれぞれ２式ずつ、合計４式の実装端子３４ａ乃至３４ｄを備えている。一方、回路基板２０に形成されるランドパターン２６は、各実装端子に対応して４式のランド２１ａ乃至２１ｄより構成されている。
このうち、実装端子３４ｂおよび３４ｃは電流が供給される給電端子でありコイル３２と導通している。これに対し、実装端子３４ａおよび３４ｄはコイルアンテナ３０の接合強度を向上するためのダミー端子であり、同じくランド２１ａおよび２１ｄはダミーランドである。

ここで、給電端子の接合されるランドの形状を、該端子の接合位置に応じて磁束が該ランドを横切って通過する量を増減させるものとしておくことにより、上述のようにコイルアンテナ３０のＱ特性を調整することができる。
本実施の形態においては、ランド２１ｃを、コイルの巻軸方向にその幅が変化するテーパー状としている。これにより、同図に破線にて示すようにコイルアンテナ３０を各ランドの中間位置に実装する場合と比較して、実装端子３４ａ乃至３４ｄの接合位置を図中の矢印Ａの向きに寄せた場合は、コア３５から巻軸方向の外側に露出するランド面積の合計がもっとも大きくなり、したがって発生する渦電流損失の量が大きく、コイルアンテナ３０のＱ特性は抑制されたものとなる。これに対し、図中の矢印Ｂの向きに実装端子３４ａ乃至３４ｄの接合位置をシフトした場合、コア３５から巻軸方向の外側に露出するランド面積の合計は最も小さくなり、したがって発生する渦電流損失の量は小さく、コイルアンテナ３０のＱ特性はもっとも高いものとなる。

また同図に示すように、ランド２１ａ乃至２１ｄの表面、およびこれと当接する実装端子３４ａ，３４ｂの下面には、互いに嵌合する嵌合部が形成されており、両者を再現性よくかつ容易に位置合せすることができる。具体的には、実装端子３４ａ乃至３４ｄの下面には嵌合凸部３６がそれぞれ形成され、ランド２１ａ乃至２１ｄにはこれと嵌合する嵌合凹部２７がそれぞれ複数箇所に設けられている。
これにより、嵌合凸部３６と嵌合凹部２７とを互いに嵌合させることにより、コイルアンテナ３０と回路基板２０とは容易に位置合せがされ、両者の接合位置ごとに予め設定された所望のＱ特性を選択的に得ることができる。
なお、嵌合凸部と嵌合凹部とをそれぞれ実装端子側に設けるかもしくはランド側に設けるか、または嵌合部を何式設けるかなどの事項については当業者が適宜設定し得るものである。

以上、本発明によれば、コイルアンテナの実装端子を接合するランドをランド群から選択して、または実装端子を接合する位置を所定形状のランド内で変えることにより、コイルアンテナを回路基板に実装する時点において所望のＱ特性を複数通りに実現することができる。

本発明の第一の実施の形態にかかるアンテナ装置の分解斜視図である。 本発明の第二の実施の形態にかかるアンテナ装置の分解斜視図である。 本発明の第三の実施の形態にかかるアンテナ装置の分解斜視図である。 従来のアンテナ装置を示す斜視図である。

符号の説明

１０ アンテナ装置
２０ 回路基板
２１ａ〜２１ｆ ランド
２２ 信号ライン
２５ａ，２５ｂ ランド群
２６ ランドパターン
３０ コイルアンテナ
３１ａ，３１ｂ 鍔部
３２ コイル
３３ 巻芯部
３４ａ〜３４ｄ 実装端子
３５ コア

Claims (7)

1. 磁性材料からなるコアの巻芯部にコイルが巻成されたコイルアンテナの備える複数の実装端子を、回路基板の表面に複数のランドが分散配置されてなるランドパターンにそれぞれ接合する表面実装型コイルアンテナの実装方法において、
   前記実装端子の少なくとも一つが、それぞれ互いに面積の異なる複数のランドからなるランド群より選択されるランドに接合されることを特徴とする表面実装型コイルアンテナの実装方法。
2. 磁性材料からなるコアの巻芯部を巻軸としてコイルが巻成され、該コイルに通電することで磁束を発生するコイルアンテナを、回路基板の表面に形成されたランドに対し、コイルアンテナに設けられた実装端子を介して接合する表面実装型コイルアンテナの実装方法において、
   前記実装端子が接合されたランドが、コイルアンテナの発生する磁束のうち該ランドを横切って通過する量が、実装端子の接合位置に応じて増減する形状をなすとともに、前記ランドに対する前記実装端子の接合位置が、複数通りより選択して決定されることを特徴とする表面実装型コイルアンテナの実装方法。
3. 磁性材料からなるコアの巻芯部にコイルが巻成されたコイルアンテナの備える複数の実装端子が、回路基板の表面に形成されたランドパターンにそれぞれ接合されたアンテナ装置において、
   前記ランドパターンは、実装端子の少なくとも一つを接合しうるランドが複数設けられるとともに、前記複数のランドの面積がそれぞれ互いに相違することを特徴とするアンテナ装置。
4. 前記複数のランドが、前記巻芯部の巻軸方向に並設されたそれぞれ長さの異なるストライプ状をなす請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 磁性材料からなるコアの巻芯部を巻軸としてコイルが巻成されたコイルアンテナの備える複数の実装端子が、回路基板の表面に複数のランドが分散配置されてなるランドパターンにそれぞれ接合されたアンテナ装置において、
   前記ランドパターンは、前記コアよりも巻軸方向の外側に露出するランド面積の合計が、実装端子が接合される位置に応じて増減する形状であることを特徴とするアンテナ装置。
6. ランドの少なくとも一つが、前記巻軸方向に幅が変化するテーパー状である請求項５に記載のアンテナ装置。
7. 実装端子およびこれが接合されるランドには、互いに嵌合して実装端子をランドに位置合せするための嵌合部がそれぞれ設けられている請求項５または６に記載のアンテナ装置。

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