JP5429591B2 - 磁気センサ及び回転角度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転する磁場を検知するための磁気センサ及び回転角度検出装置に関する。

磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサは、非接触での検出を実現するものとして有用であり、回転角度を測定することを目的として磁気エンコーダや磁気回転角度センサが利用されている。特に、絶対角を測定するためには、回転する磁場に対して磁気抵抗効果素子の検出感度が等方的であり、どのような磁場の向きに対しても検出誤差が小さいことが重要である。このような磁気回転角度センサを実現することを目的として、例えば、特許文献１には、図９に示すような螺旋形状の磁気抵抗効果素子（螺旋型素子）が開示されている（本発明の図面の符号と区別するために、符号の説明を１００番台で示す）。これは磁気抵抗効果素子の形状に起因した磁気的異方性、即ち形状磁気異方性を低減するために螺旋型素子を構成し、回転する磁場に対して等方性を向上させる技術である。また、特許文献１には、図１０に示すような蛇行形状の磁気抵抗効果素子（蛇行型素子）が開示されている。半円形の磁気抵抗効果素子を連結させた蛇行形状を用いることで、半円形の円弧の特徴である磁気的な等方性を実現しようとするものである。特許文献２には、図１１に示すように半円形を組み合わせた磁気抵抗効果素子が開示されている（本発明の図面の符号と区別するために、符号の説明を２００番台で示す）。

特許第３５８７６７８号公報（図３，図４） 実開昭４８−０８６７６５号公報（第５図）

図９の螺旋型素子の場合、形状磁気異方性に起因する保磁力の大きさが螺旋の曲率半径によって変化するため、螺旋型素子の中心部と外周部で検出感度に差が生じる。その結果、磁気センサを小型化するために磁気抵抗効果素子のパターンの面積を縮小すると、検出感度の異方性が顕著になるという問題点があった。

図１０のように半円形の磁気抵抗効果素子を連結した場合、円弧部と半円接続部では外部磁場に対して磁気エネルギーが異なっており、円弧部では水平方向（紙面での横方向）の磁気異方性を示し、半円接続部では垂直方向（紙面での上下方向）の磁気異方性を示す。このとき、蛇行型素子を構成する円弧部と半円接続部の数は、必ず半円接続部の方が１つ多くなることから磁気抵抗効果素子全体の磁気異方性を十分小さくするには不十分なことがある。

図１１のように円弧の端が配線に接続されていると、円弧部と半円の端では外部磁場に対して磁気エネルギーが異なっており、円弧部では垂直方向（紙面での上下方向）の磁気異方性を示し、円弧の端では水平方向（紙面での横方向）の磁気異方性を示す。円弧の端における磁気異方性をキャンセルすることは難しい。

かかる状況において、磁気抵抗効果素子の形状磁気異方性を十分小さくする為には、円盤形状の磁気抵抗効果素子（円盤型素子）を用いることが理想的である。しかし、円盤型素子または前記円盤型素子を複数個連ねた素子では、電流を流したときに円盤内部の電位分布が一様ではないという問題点がある。また、所望の電気抵抗を得るためには円盤型素子の面積を大きくすることになり、小型化に反するという問題点もある。

本発明は、このような問題に着目してなされたものであり、検出感度の異方性を抑え、磁気的等方性を有し且つ小型の磁気センサおよびそれを用いた回転角度検出装置を提供することを目的とするものである。

本発明は非磁性の中間層を介して２つの強磁性膜が積層されたスピンバルブ型磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサであって、前記スピンバルブ型磁気抵抗効果素子は複数のＣ字型素子がその外周部同士で連なった形状を有し、前記複数のＣ字型素子が電気的に接続されている状態で通電され、外部磁場に対して前記スピンバルブ型磁気抵抗効果素子の電気抵抗が変化することを特徴とする。
スピンバルブ型磁気抵抗効果素子（以後、磁気抵抗効果素子と称す）として円形状に近似するＣ字型素子を用いたことで、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子の磁化の向きが電流路となるパターン形成された金属膜のなす角度と一定ではなく、あらゆる角度を有する形状となる。この形状とすることで、磁気センサは素子内部の磁化に対し、形状に起因する磁気異方性を低減し、検出信号の波形ひずみを低減できる。加えて、電流路の一端に開口部を設けることによりリング状素子を連結したものより電流路が制限され、電気抵抗が大きく出力の大きな磁気センサとなる。磁気抵抗効果素子の電気抵抗は大きい方が消費電力が少なく好ましい。

Ｃ字型素子は開口部が隣接するＣ字型素子とは異なる方向に開口していることが好ましい。開口部をそれぞれ別の方向にすることで形状に起因する磁気抵抗効果素子の磁気異方性を低減し、検出信号の波形ひずみを低減できる。
また、偶数個のＣ字型素子で1つの磁気抵抗効果素子が形成されることが好ましい。奇数個のものよりも磁気異方性を低減し、検出信号の波形ひずみを低減できる。
また、前記複数のＣ字型素子が屈曲もしくは屈折するように連なった形状とすることが好ましい。素子の電気抵抗を大きくすることができるので電流路が制限され、電気抵抗が大きく出力の大きな磁気センサとなる。
Ｃ字型素子とリング型素子が混在して連なっているものでもよい。

また、別の本発明は、非磁性の中間層を介して２つの強磁性膜が積層されたスピンバルブ型磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサであって、前記スピンバルブ型磁気抵抗効果素子は複数のＣ字型素子がその開口部の一端同士で結合して連続的に連なる形状を有し、前記複数のＣ字型素子が電気的に接続されている状態で通電され、外部磁場に対して前記スピンバルブ型磁気抵抗効果素子の電気抵抗が変化することを特徴とする。その効果は上記実施例１の磁気センサと同じものである。

偶数個のＣ字型素子で1つの磁気抵抗効果素子が形成されることが好ましい。奇数個のものよりも磁気異方性を低減し、検出信号の波形ひずみを低減できる。
また、前記複数のＣ字型素子が屈曲もしくは屈折するように連なった形状とすることが好ましい。素子の電気抵抗を大きくすることができるので電流路が制限され、電気抵抗が大きく出力の大きな磁気センサとなる。

これらのスピンバルブ型磁気抵抗効果素子が少なくとも２つ含まれるブリッジ回路を構成し、前記ブリッジ回路の抵抗が回転する磁場に対して変化することを検出する回転角度検出装置とすることで、従来よりも検出精度の高いものが得られる。

本発明によれば、検出感度の異方性を抑え、磁気的等方性を有し且つ小型の磁気センサ及びそれを用いた回転角度検出装置を提供することができる。
また、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子はＣ字型素子を屈曲もしくは屈折するように連なった形状とするため、素子の電気抵抗が高くなり、消費電力を極力小さくできる。

前記Ｃ字型素子は中心角が１８０°超の円弧形状が好ましく、２２５°超の円弧形状がなお好ましい。真円形状に近いほど外部磁場に対して磁気エネルギーが均一になり、磁気異方性が小さくなる。Ｃ字型素子は中心角度で６０度超〜１８０°未満の開口部を有する。Ｃ字型素子の１端から他端に流す電流の流路の幅（電気抵抗の幅）は一定にすることが好ましい。前記幅を制御することによって、所望の電気抵抗（磁場を印加していないときに比較する電気抵抗）を得ることができる。

Ｃ字型素子の開口部は電流を流す配線又は端子とは重ならない位置とすることが好ましい。Ｃ字型素子同士が連なった接点から周方向で約９０°ずれた位置で切り欠きを設けるのがよい。さらに、前記Ｃ字型素子を複数個連ねて磁気センサ用の素子を構成することもできる。

対の向かい合ったＣ字型素子は幾何学的に開口部の角度が６０度超となる。磁気抵抗効果素子は点対称になるように形成することが好ましい。また、全ての磁気抵抗素子が点対称になるように形成することが好ましい。

強磁性膜は単層膜或いは少なくとも１層の強磁性層を含む多層膜のいずれでもよい。一方の強磁性膜は製膜時に磁化方向を固定した固定層として用い、他方の強磁性膜は回転磁場の向きに沿って磁化方向が自由に回転する自由層として用いる。Ｃ字型素子が連なった形状とは、複数のＣ字型の磁気抵抗効果素子を直接連結した構造、複数のＣ字型の磁気抵抗効果素子を一括パターニングで一体に形成した構造、或いは配線を介して複数のＣ字型素子を電気的に接続した構造を含む。

以下、本発明についてさらに具体的な実施形態を用いて説明する。ただし、これら実施形態により本発明が限定されるものではない。なお、類似の部品については同じ符号で説明する。

図１は本発明の実施形態に係る磁気センサ９の平面図であり、第１のブリッジ回路と第２のブリッジ回路を基板４上に形成したものである。第１のブリッジ回路は、連結したＣ字型素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃ及び１Ｄでホイートストーンブリッジを構成すると共に、端子３ｄ及び３ｇをＶｃｃとし、端子３ａ及び３ｊをＧｎｄとし、端子３ｅと３ｆとの間で出力電圧Ｖｏ１を得る。第２のブリッジ回路は、連結したＣ字型素子１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ及び１Ｈでホイートストーンブリッジを構成すると共に、端子３ｄ及び３ｇをＶｃｃとし、端子３ｂ及び３ｉをＧｎｄとし、端子３ｃ及び３ｈとの間で出力電圧Ｖｏ２を得る。各々のＣ字型素子を構成するスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向は太い矢印で示した。第１のブリッジ回路に対して第２のブリッジ回路は固定層磁化方向を９０°回転させたので、正弦波的に変化する回転磁場を基板に平行な向きに印加すると、出力電圧Ｖｏ１とＶｏ２はコサイン波とサイン波の関係になり、逆正接（ｔａｎ^−１θ）演算を行うと、回転角度θを求めることができる。
図１のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子は、３個のＣ字型素子１ａ，１ｂ，１ｃが連なったものである。連結したＣ字型素子は直線上に並べられ、互いの端を重ねて形成することで電気的に連結したＣ字型素子１Ａとなっている。Ｃ字型素子の線幅は全て同じで一律とし、対応する形状にパターニングして得た。また、１対の端子部２３はＣｕ膜で構成した。

図２は別の連結したＣ字型素子を用いた磁気センサである。磁気抵抗効果素子の形状が異なる以外は、図１と同様の構成である。磁気抵抗効果素子は、複数のＣ字型素子がその開口部の一端同士で結合して連続的に連なる形状である。詳細に説明すれば、磁気抵抗効果素子は、対の向かい合ったＣ字型素子をずらして開口部の一端同士を結合し、そのパターンが繰り返し連なった形状で、８個のＣ字型素子１ａ〜１ｈが連なったものである。Ｃ字型素子は、中心角度で１２０°開口する円弧部分Ｒと、その開口する端部から接線方向に伸びた直線部分Ｓから構成されている。図１１にしめす従来形状よりも曲線部を増やすことによって、磁気抵抗効果素子の端部と端部を結ぶ方向に誘導される形状磁気異方性を軽減できる。

図３は本発明の実施形態に係る他の磁気抵抗効果素子の平面図である。図３（ａ）は、図１の磁気センサで使用した磁気抵抗効果素子とほぼ同形のもので、Ｃ字型素子の開口部が１８０°づつ変わるようにして、偶数個直列に繋げたものである。Ｃ字型素子が奇数個のものより磁気異方性を低減できる。Ｃ字型素子は、真円の一部を開口させた形状である。
これに対して、図１０の従来例のように磁気抵抗効果素子の半円の端が配線に接続されていると、半円の端における磁気的異方性が出力電圧に無視できない歪みを発生させるという問題が発生した。なお、図３（ａ）では、各々のＣ字型素子で開口部の無い側の半円部分に電流が流れるため、開口部側の円弧部分には電流が流れず、磁気センサの出力を大きくすることができた。
図３（ｂ）では、開口部の中心角度が９０°の円弧形状のＣ字型素子を、端部同士を段違いに接続したものである。磁気抵抗型素子に直線部分が無いので、図２に記載のＣ字型素子の連結部分に直線部分を用いたものより磁気異方性を極力小さくできる。
図３（ｃ）では、開口部の中心角度が１２０°で、かつ直線の組み合わせでＣ字型素子を形成したものである。直線のみを組み合わせてＣ字型素子を形成することで、製造プロセス中での素子幅が管理しやすく、素子幅によって変化する電気抵抗を制御しやすい。この図ではＣ字型素子は、正６角形の一部を開口させた形状であるが、開口部以外のＣ字型素子形状は特に正６角形である必要は無い。但し、磁気異方性を極力小さくすることを考えれば開口部以外のＣ字型素子形状は正多角形であることが好ましいし、さらに磁気異方性を小さくするには少なくとも正５角形以上、好ましくは正６角形以上の多角形とすることが好ましい。

図４は本発明の別の実施形態に係る磁気センサ９の平面図であり、第１のブリッジ回路と第２のブリッジ回路を基板４上に形成したものである。第１のブリッジ回路は、連結したＣ字型素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃ及び１Ｄでホイートストーンブリッジを構成すると共に、端子３ｄ及び３ｇをＶｃｃとし、端子３ａ及び３ｊをＧｎｄとし、端子３ｅと３ｆとの間で出力電圧Ｖｏ１を得る。第２のブリッジ回路は、連結したＣ字型素子１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ及び１Ｈでホイートストーンブリッジを構成すると共に、端子３ｄ及び３ｇをＶｃｃとし、端子３ｂ及び３ｉをＧｎｄとし、端子３ｃ及び３ｈとの間で出力電圧Ｖｏ２を得る。各々のＣ字型素子を構成するスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向は太い矢印で示した。第１のブリッジ回路に対して第２のブリッジ回路は固定層磁化方向を９０°回転させたので、正弦波的に変化する回転磁場を基板に平行な向きに印加すると、出力電圧Ｖｏ１とＶｏ２はコサイン波とサイン波の関係になり、逆正接（ｔａｎ^−１θ）演算を行うと、回転角度θを求めることができる。
図４の磁気抵抗効果素子は、４個のＣ字型素子が２列に連なり、かつその一端側でさらに２つのＣ字型素子と一部直線部分で形成される継部が連結したものである。継部の両端部２箇所で９０°づつ屈折し、全体として１８０°折り返した形状である。列の連結したＣ字型素子は直線上に並べられ、互いの端を重ねて形成されている。Ｃ字型素子の線幅は全て同じで一律とし、対応する形状にパターニングして得た。

図５は本発明の実施形態に係る他の磁気抵抗効果素子の平面図である。図５（ａ）は、図１の磁気センサで使用した磁気抵抗効果素子とほぼ同形のもので、開口部が１８０°づつ変わるように５個のＣ字型素子を２列に並べ、かつその一端側のＣ字型素子の間にもう１つのＣ字型素子を入れて継部として連結したものである。図４で記載した磁気抵抗効果素子よりも直線部分が少ないので磁気異方性を低減できる。Ｃ字型素子は、真円の一部を開口させた形状である。図３（ａ）などに記載した一列にＣ字型素子を並べた磁気抵抗効果素子よりも電気抵抗が大きくなるので消費電力を小さくすることができる。
図５（ｂ）は、開口部の中心角度が１２０°の円弧形状のＣ字型素子を、端部同士を段違いに接続し、継部の両端部２箇所で９０°づつ屈曲させ、かつ全体的に１８０°折り返して接続した磁気抵抗効果素子である。
図５（ｃ）は、開口部の中心角度が１２０°のＣ字型素子を、端部同士を段違いに接続し、継部の両端部２箇所で９０°づつ屈曲させ、かつ全体的に１８０°折り返して接続した磁気抵抗効果素子であり、かつＣ字型素子として開口部以外の形状を正６角形としたものである。直線形状で形成した効果や好ましい形状は、図３（ｃ）で説明した効果と同じである。

図６は別の実施形態に係る磁気センサ９の平面図であり、１つの磁気抵抗効果素子は、６個のＣ字型素子が曲線状配置され、全体的に屈曲した形状に連結して形成されている。磁気抵抗効果素子６１Ａ〜６１Ｄと、磁気抵抗効果素子６１Ｅ〜６１Ｈが連結して回路が形成される。ただし、素子配置による異方性を発生させないようにするため、リング型素子からなる磁気回路は回転対象に配置されることが必要である。

図７は、図１の磁気センサにおけるブリッジ回路を説明する回路図である。第１のブリッジ回路と第２のブリッジ回路を基板４４上に形成したものである。第１のブリッジ回路は、連結したＣ字型素子４１ａ及び４１ｂ，４１ｃ及び４１ｄ，４１ｅ及び４１ｆ，４１ｇ及び４１ｈでホイートストーンブリッジを構成すると共に、端子４３ｅをＶｃｃとし、端子４３ｆをＧｎｄとし、端子４３ａと端子４３ｊとの間で出力電圧Ｖｏ１と得る。第２のブリッジ回路は、連結したＣ字型素子４１ｉ及び４１ｊ，４１ｋ及び４１ｌ，４１ｍ及び４１ｎ，４１ｏ及び４１ｐでホイートストーンブリッジを構成すると共に、端子４３ｃをＶｃｃとし、端子４３ｈをＧｎｄとし、端子４３ｂ及び４３ｇと端子４３ｄ及び４３ｉとの間で出力電圧Ｖｏ２と得る。各々のＣ字型素子を構成するスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向は太い矢印で示した。第１のブリッジ回路に対して第２のブリッジ回路は固定層磁化方向を９０°回転させたので、正弦波的に変化する回転磁場を基板に平行な向きに印加すると、出力電圧Ｖｏ１とＶｏ２はコサイン波とサイン波の関係になり、逆正接（ｔａｎ^−１θ）演算を行うと、回転角度θを求めることができる。なお、他の実施形態として、図７中の上側のブリッジ回路にて、２辺における連結したＣ字型素子を通常の電気抵抗に置き換えたハーフブリッジとする場合、図７中の下側のブリッジ回路でも、２辺における連結したＣ字型素子を通常の電気抵抗に置き換えたハーフブリッジとした。

図８（ａ）は図６の磁気センサを用いたセンサデバイスの平面図であり、図８（ｂ）は前記センサデバイスを用いた回転角度検出装置の概略図である。センサデバイス５９は、磁気センサ４９をリードフレーム上に設け、磁気センサ４９の端子と電極ピン５２とをボンディングワイヤ５３で電気的に接続し、モールド樹脂５１で被覆して構成した。このセンサデバイス５９は、径方向ＮＳ２極に着磁した円盤状永久磁石５６に対向するように配置した。前記円盤状永久磁石５６は磁石支持部５５を介して回転軸５４に接続されており、回転軸が回転すると、センサデバイス５９に印加される磁力線５７のうちｘｙ平面に平行な成分も回転軸と同じように回転する。この回転磁界をセンサデバイス５９で検知した。

本発明の実施形態に係る磁気センサの平面図である。 本発明の実施形態に係る他の磁気センサの平面図である。 本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の平面図である。 本発明の実施形態に係る他の磁気センサの平面図である。 本発明の実施形態に係る他の磁気抵抗効果素子の平面図である。 本発明の実施形態に係る他の磁気センサの平面図である。 図５の磁気センサにおけるブリッジ回路を説明する回路図である。 （ａ）図６の磁気センサを用いたセンサデバイスの平面図、及び（ｂ）前記センサデバイスを用いた回転角度検出装置の概略図である。 従来の磁気センサの平面図である。 従来の他の磁気センサの平面図である。 従来の他の磁気センサの平面図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ，１ｃ：Ｃ字型素子、１Ａ：連結したＣ字型素子、
１ｄ，１ｅ，１ｆ：Ｃ字型素子、１Ｂ：連結したＣ字型素子、
１ｇ，１ｈ，１ｉ：Ｃ字型素子、１Ｃ：連結したＣ字型素子、
１ｊ，１ｋ，１ｌ：Ｃ字型素子、１Ｄ：連結したＣ字型素子、
１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ，１Ｈ：連結したＣ字型素子、
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ：端子、
３ｆ，３ｇ，３ｈ，３ｉ，３ｊ：端子、
４：基板、９，４９：磁気センサ、
１１ａ：内側のＣ字型素子、１１ｂ：中間のＣ字型素子、
１１ｃ：外側のＣ字型素子、
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ：配線（電極膜）、１２ｄ_２：接合部、
１３ａ：内側のＣ字型素子、１３ｂ：中間のＣ字型素子、
１３ｃ：外側のＣ字型素子、１４：切り欠き、
２１：一体形成したＣ字型素子、２３：端子部、２４：基板、２９：磁気センサ、
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ：Ｃ字型素子、
３３：端子、３４：基板、３９：磁気センサ、
４１ａ，４１ｂ：連結したＣ字型素子、４１ｃ，４１ｄ：連結したＣ字型素子、
４１ｅ，４１ｆ：連結したＣ字型素子、４１ｇ，４１ｈ：連結したＣ字型素子、
４１ｉ，４１ｊ：連結したＣ字型素子、４１ｋ，４１ｌ：連結したＣ字型素子、
４１ｍ，４１ｎ：連結したＣ字型素子、４１ｏ，４１ｐ：連結したＣ字型素子、
４２ｅ_１，４２ｅ_２，４２ｆ_１，４２ｆ_２：配線、
４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ，４３ｅ：端子、
４３ｆ，４３ｇ，４３ｈ，４３ｉ，４３ｊ：端子、
４４：基板、４９：磁気センサ、
５１：モールド樹脂、５２：電極ピン、５３：ボンディングワイヤ、５４：回転軸、
５５：磁石支持部、５６：円盤状永久磁石、５７：磁力線、５９：センサデバイス、
６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃ，６１Ｄ：連結したＣ字型素子、
６１Ｅ，６１Ｆ，６１Ｇ，６１Ｈ：連結したＣ字型素子、
６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，６３ｄ，６３ｅ：端子、
６３ｆ，６３ｇ，６３ｈ，６３ｉ，６３ｊ：端子、６９：基板、
１０３：磁界センサ、１０８：基板、１３０：磁気抵抗効果膜、
１３０ａ，１３０ｂ：螺旋状の形状パターンの両端部、
１３１：磁気抵抗効果膜のパターン形状、１３７：絶縁膜、
１９１，１９５，１９１ａ，１９５ａ：導電体電極膜、
１０４：磁界センサ、１４０：磁気抵抗効果膜、
１４１：磁気抵抗効果膜のパターン形状、１４１ａ：略半円状、
２０１：磁気抵抗効果素子、２０１Ａ：素子本体部、２０１Ｂ：補助素子部、
２０２：メタルバー、２０３：回転ヨーク、
２１３，２２１，２２２，２２３，２２４，２２５：端子、

Claims (4)

1. 非磁性の中間層を介して２つの強磁性膜が積層されたスピンバルブ型磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサであって、前記スピンバルブ型磁気抵抗効果素子は複数のＣ字型素子が屈折するように連なった形状を有し、前記複数のＣ字型素子が電気的に接続されている状態で通電され、外部磁場に対して前記スピンバルブ型磁気抵抗効果素子の電気抵抗が変化し、前記複数のＣ字型素子は隣接するＣ字型素子とは互いに異なる方向に開口しており、前記Ｃ字型素子は中心角が２２５°超の円弧形状であることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記スピンバルブ型磁気抵抗効果素子は複数のＣ字型素子がその外周部同士で連なった形状を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記スピンバルブ型磁気抵抗効果素子は複数のＣ字型素子がその開口部の一端同士で結合して連続的に連なる形状を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子が少なくとも２つ含まれるブリッジ回路を構成し、前記ブリッジ回路の抵抗が回転する磁場に対して変化し、回転角度を検出することを特徴とする回転角度検出装置。

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