JP6189426B2 - 磁気抵抗歯車センサ - Google Patents

Description

本発明は、歯車センサの技術分野に関し、特にＭＴＪ素子を検知素子とした磁気抵抗歯車センサに関する。

歯車センサは主に自動制御システムに応用され、歯車の回転速度及び回転方向を測定する。現在、一般的に使われる歯車センサは光学センサ及び磁気センサである。機械式回転システムでは、振動、衝撃、油汚れ等の悪環境に対し、磁気センサは光学センサに比べて大きな優位をもっている。公知の技術では、異なる種類の磁気センサが多く存在しており、例えばホール（Ｈａｌｌ）素子、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）素子又は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）を検知素子とした磁気センサが挙げられる。

ホール素子を検知素子とした磁気センサは感度が非常に低く、通常では、フラックスコンセントレータを用いて磁場を拡大することでホール素子の感度を高める必要があるが、これによってホール素子を検知素子とした磁気センサの大きさ及び重量が増える。また、ホール素子を検知素子とした磁気センサは消費電力が高く、線形性が悪いといった欠点を有する。ＡＭＲ素子の感度はホール素子より高いが、ＡＭＲ素子の線形動作範囲が狭い。ＡＭＲ素子を検知素子とした磁気センサには「ｓｅｔ／ｒｅｓｅｔ」コイルを配置して、設定／復帰操作を行う必要があるため、ＡＭＲ素子を検知素子とした磁気センサの製造プロセスが複雑化になるだけではなく、ＡＭＲ素子を検知素子とした磁気センサの大きさ及び消費電力ともに増加してしまう。ＧＭＲ素子を検知素子とした磁気センサはホール素子を検知素子としたセンサよりも高い感度をもつが、ＧＭＲ素子を検知素子とした磁気センサの線形動作範囲が狭い。更に、ＧＭＲ素子の応答曲線が偶対称となっているため、ＧＭＲ素子を検知素子とした磁気センサが単極性の勾配磁場しか測定できず、両極性の勾配磁場を測定することができない。

近年、新しいタイプの磁気抵抗効果センサ、すなわち磁気トンネル接合（ＭＴＪ、Magnetic Tunnel Junction）素子を検知素子とした磁気センサが産業上応用され始めている。ＭＴＪ素子を検知素子とした磁気センサの動作原理は、磁性多層膜材料のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ、Tunnel Magnetorsistance）効果を利用して磁場を検知する。ＭＴＪ素子はそれより以前に用いられたＡＭＲ素子及びＧＭＲ素子より大きい抵抗変化率を有する。ホール素子と比べて、ＭＴＪ素子は良好な温度安定性、高感度、低消費電力、良い線形性を有し、余計なフラックスコンセントレータも必要としない。ＡＭＲ素子と比べて、ＭＴＪ素子は良好な温度安定性、高感度、幅広い線形動作範囲を有し、余計な「ｓｅｔ／ｒｅｓｅｔ」コイル構造も必要としない。ＧＭＲ素子と比べて、ＭＴＪ素子は良好な温度安定性、高感度、低消費電力、幅広い線形動作範囲を有する。

通常では、歯車検知用の磁気センサはプリント基板（ＰＣＢ）式を採用した構造である。ＰＣＢ式の歯車センサは、通常では、磁気センサチップ、周辺電気回路及び永久磁石で構成されている。磁気センサチップは、その所在する物理的位置における永久磁石により生じた外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}の変化を検知して検知信号を出力しており、周辺電気回路は、磁気センサチップにより出力される検知信号に対して処理及び変換を行う。磁気センサチップの所在する物理的位置における永久磁石により生じた外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}の変化は非常に弱い。従って、ＰＣＢ式の歯車センサの応用においては、永久磁石により生じた外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}以外の干渉磁場による干渉を防止することが喫緊の課題である。

ＭＴＪ素子は高い感度を有するが、ＭＴＪ素子を検知素子とした磁気センサは以下の欠点を有する。

（１）永久磁石により生じた外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}がＭＴＪ素子の検知方向に沿う分量が大きく、線形動作範囲からはずれることによりＭＴＪ素子の性能低下を引き起こし、更にＭＴＪ素子が飽和状態に達することにより動作できなくなることを招いてしまう。

（２）磁気センサチップがその所在する物理的位置における永久磁石により生じた外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}の変化を検知する際に、永久磁石により生じた外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}以外の干渉磁場による干渉を受けやすい。

（３）歯車の歯の位置を確定できず、また、歯車の歯が欠けた場合に、その欠けた歯の具体位置を確定できない。

（４）歯車の運動方向を確定することができない。

（５）低コストで、大規模の生産を実現し難い。

従って、歯車の移動状態を精確に検知することができる歯車センサが望まれている。

本発明は、磁気抵抗歯車センサを提供することを目的とする。
本発明で提供する磁気抵抗歯車センサは、磁気センサチップ及び第１永久磁石を含み、前記磁気センサチップは、少なくとも１つのブリッジを含み、該ブリッジの各アームは少なくとも１つのＭＴＪ素子グループを含む。

前記磁気抵抗歯車センサは、前記磁気センサチップと前記第１永久磁石との間に配置される凹形状の軟磁性体を更に含み、且つ、前記軟磁性体の開口は前記磁気センサチップに向けていることが好適である。

前記少なくとも１つのＭＴＪ素子グループは複数のＭＴＪ素子グループであり、該複数のＭＴＪ素子グループは直列及び／又は並列に接続されていることが好適である。

複数のＭＴＪ素子グループは、同じ検知方向で直列及び／又は並列に接続されていることが好適である。

ＭＴＪ素子グループを含む全てのアームは、同じ検知方向を有することが好適である。

前記ブリッジは、ハーフブリッジ、フルブリッジ又はダブルフルブリッジであることが好適である。

各ＭＴＪ素子グループは、直列及び／又は並列に接続される複数のＭＴＪ素子を含むことことが好適である。

各ＭＴＪ素子グループは、同じ検知方向で直列及び／又は並列に接続される複数のＭＴＪ素子を含むことが好適である。

各ＭＴＪ素子は多層膜の構造であり、順次に堆積されるピンニング層、ピンド層、トンネルバリア層及び磁性自由層を含むことが好適である。

前記各ＭＴＪ素子グループの両側には一対の第２永久磁石が設けられ、前記ＭＴＪ素子グループにバイアス磁界を提供するため、各対の第２永久磁石は対応するＭＴＪ素子グループの検知方向に対して傾斜して配置されていることが好適である。

前記各ＭＴＪ素子グループの両側には一対の第２永久磁石が設けられ、前記ＭＴＪ素子グループのネールカップリング磁場を取り消すため、各対の第２永久磁石は対応するＭＴＪ素子グループの検知方向に対して傾斜して配置されていることが好適である。

前記ＭＴＪ素子グループのネールカップリング磁場を更に取り消すため、各対の第２永久磁石は対応するＭＴＪ素子グループの検知方向に対して傾斜して配置されていることが好適である。

各ＭＴＪ素子は多層膜の構造であり、順次に堆積されるピンニング層、ピンド層、トンネルバリア層、磁性自由層及びバイアス層を含むことが好適である。

各ＭＴＪ素子は、前記磁性自由層と前記バイアス層との間に設けられる隔離層を更に含むことが好適である。

前記磁気抵抗歯車センサは、前記磁気センサチップと電気的に接続される制御回路を更に含むことが好適である。

前記制御回路は、前記磁気センサチップから出力される電圧信号と歯車の歯の位置との対応関係に基づいて、歯の位置を確定することが好適である。

前記磁気センサチップはダブルフルブリッジを含み、前記ダブルフルブリッジの各アームはＭＴＪ素子グループを含み、前記制御回路は前記磁気センサチップから出力される電圧信号に基づいて歯車の運動方向を確定することが好適である。

前記磁気抵抗歯車センサはケーシングを更に含むことが好適である。

本発明は以下の有益な効果を有する。

（１）前記センサはＭＴＪ素子を検知素子としており、ホール素子、ＡＭＲ素子又はＧＭＲ素子を検知素子としたセンサと比べて、前記センサの温度安定性が良く、感度が高く、消費電力が低く、線形性が良く、線形動作範囲が広く、構造が簡単になる。

（２）前記センサに凹形状の軟磁性体が設けられており、永久磁石により生じた外部磁場におけるＭＴＪ素子の検知方向に沿う分量を低減させることで、磁気センサチップ中のＭＴＪ素子をその線形動作範囲内に動作させることを保証し、前記センサの性能を大きく改善することができる。

（３）前記センサの磁気センサチップにフルブリッジを採用することにより、前記センサは、永久磁石により生じた外部磁場以外の干渉磁場による干渉を受け難くなる。

（４）１つの好適的な実施例では、ＭＴＪ素子グループの両側に一対の傾斜した永久磁石を配置し、該傾斜した永久磁石により生じる磁場におけるＭＴＪ素子の検知方向と直交する分量が、ＭＴＪ素子にバイアス磁場を提供する。該バイアス磁場を変えることによってＭＴＪ素子の飽和磁場を調整することができ、これによって高感度のセンサを得ることができ、或いは要求に応じて異なる感度のセンサを実現することができる。

（５）１つの好適的な実施例では、ＭＴＪ素子グループの両側に一対の傾斜した永久磁石を配置し、該傾斜した永久磁石により生じる磁場におけるＭＴＪ素子の検知方向に沿う分量が、ＭＴＪ素子グループのネールカップリング磁場を取り消すことができ、これによってＭＴＪ素子の動作ポイントをその線形動作範囲に位置させることを保証し、前記センサの線形性を改善することができる。

（６）他の好適的な実施例では、ＭＴＪ素子の磁性自由層上にバイアス層を配置し、該バイアス層は磁性自由層にＭＴＪ素子の検知方向と直交するバイアス磁場を提供することができる。該バイアス磁場を変えることでＭＴＪ素子の飽和磁場を調整することができ、これによって高感度のセンサを得ることができ、或いは要求に応じて異なる感度のセンサを実現することができる。

（７）前記センサは歯車の歯の位置を確定することができ、歯車の歯が欠けた場合であっても、その欠けた歯の位置を確定することができる。

（８）前記センサは歯車の運動速度のみならず、歯車の運動方向も確定することができる。

（９）前記センサは、直線歯車だけではなく、円形歯車にも適用される。

（１０）前記センサは低コストで大規模の生産の実現に有利である。

図１は本発明の実施例１で提供した第１ＭＴＪ素子１１の構造の模式図である。 図２は理想状態において第１ＭＴＪ素子１１の抵抗が外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}に対する応答曲線図であり、外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}が第１ＭＴＪ素子１１の検知方向に沿うものである。 図３は実際に使用中において第１ＭＴＪ素子１１の抵抗が外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}に対する応答曲線図であり、外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}が第１ＭＴＪ素子１１の検知方向に沿うものである。 図４は複数の第１ＭＴＪ素子が直列接続されて１つの第１ＭＴＪ素子グループ１３になる模式図である。 図５は第１ＭＴＪ素子グループ１３の両側に、一対の傾斜した永久磁石１４を配置した模式図である。 図６は第１ＭＴＪ素子グループ１３の両側に、一対の傾斜した永久磁石を配置した後に、その周囲の磁場分布の断面図である。 図７は第１ＭＴＪ素子グループ１３の両側に、一対の傾斜した永久磁石１４を配置した平面図である。 図８はハーフブリッジ１５の物理的位置の平面図である。 図９は図８に示すハーフブリッジ１５の等価回路図である。 図１０はフルブリッジ１６の物理的位置の平面図である。 図１１は図１０に示すフルブリッジ１６の等価回路図である。 図１２はフルブリッジ１６を採用した磁場センサの出力電圧実測値の曲線図である。 図１３はダブルフルブリッジ１７の物理的位置の平面図である。 図１４は図１３に示すダブルフルブリッジ１７の等価回路図である。 図１５は本発明の実施例１で提供した磁気抵抗歯車センサ１８の構造の模式図である。 図１６は本発明の実施例１で提供した磁気抵抗歯車センサ１８から出力した正弦波の電圧信号の模式図である。 図１７は歯車の歯が欠けた際に、本発明の実施例１で提供した磁気抵抗歯車センサ１８から出力した正弦波及び矩形波の電圧信号の模式図である。 図１８は本発明の実施例１で提供した磁気抵抗歯車センサ１８から出力した２系統の電圧信号の模式図である。 図１９は本発明の実施例２で提供した第２ＭＴＪ素子２１の構造の模式図である。

以下、図面及び実施例を用いて本発明の内容について詳細に説明する。

＜実施例１＞
図１は本発明の実施例１で提供した第１ＭＴＪ素子１１の構造の模式図である。第１ＭＴＪ素子１１は多層膜の構造であり、図１に示すように、基板１１１の上に順次に堆積された絶縁層１１２、ボトム電極層１１３、ピンニング層１１４、ピンド層１１５、トンネルバリア層１１６、磁性自由層１１７及びトップ電極層１１８を含んでいる。ピンド層１１５と磁性自由層１１７は強磁性層であり、その材質は例えばＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＦｅＣｏ、ＦｅＮｉ、ＦｅＣｏＢ又はＦｅＣｏＮｉを含む。ピンド層１１５は強磁性層、Ｒｕ層と強磁性層とにより形成された複合層であり、例えばＦｅＣｏ層、Ｒｕ層とＦｅＣｏ層とにより形成された複合層である。ピンニング層１１４とピンド層１１５との間の交換結合により、ピンド層１１５の磁気モーメントの方向１１５１が一の方向に固定され、且つ外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}の働きによって磁気モーメントの方向１１５１が変化しない。ピンニング層１１４は、反強磁性層であり、その材質は例えばＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ又はＦｅＭｎを含む。トンネルバリア層１１６の材質は例えばＭｇＯ又はＡｌ_２Ｏ_３を含む。磁性自由層１１７の磁気モーメントの方向１１７１は外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}の変化に伴って変わることが可能である。外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}の働きによって、磁性自由層１１７の磁気モーメントの方向１１７１は、ピンド層１１５の磁気モーメントの方向１１５１と平行の方向から次第にピンド層１１５の磁気モーメントの方向１１５１と逆平行の方向に変わることが可能であり、その逆の場合も同じである。本実施例において、磁性自由層１１７の磁気モーメントの方向１１７１を第１ＭＴＪ素子１１の検知方向と定義する。トップ電極層１１８とボトム電極層１１３には、通常では、非磁性導電材料が用いられている。基板１１１の材質としては、通常ではシリコン、石英、耐熱ガラス、ＧａＡｓ又はＡｌＴｉＣが用いられている。絶縁層１１２の面積はボトム電極層１１３の面積よりも大きい。トップ電極層１１８及びボトム電極層１１３はその他の素子と電気的に接続するために用いられる。本実施例では、トップ電極層１１８及びボトム電極層１１３は例えばオーム計１２と電気的に接続され、第１ＭＴＪ素子１１の抵抗を測定する。

第１ＭＴＪ素子１１の抵抗の大きさは、磁性自由層１１７とピンド層１１５との磁気モーメントの相対配向と関連している。磁性自由層１１７の磁気モーメントの方向１１７１がピンド層１１５の磁気モーメントの方向１１５１と平行した場合、第１ＭＴＪ素子１１の抵抗が最も小さく、第１ＭＴＪ素子１１が低抵抗状態にあると称しており、磁性自由層１１７の磁気モーメントの方向１１７１がピンド層１１５の磁気モーメントの方向１１５１と逆平行した場合、第１ＭＴＪ素子１１の抵抗が最も大きく、第１ＭＴＪ素子１１が高抵抗状態にあると称する。公知の技術を利用し、外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}の変化に伴って第１ＭＴＪ素子１１の抵抗値を高抵抗状態と低抵抗状態との間で線形変化させることができる。

理想状態において、外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}に対する第１ＭＴＪ素子１１の抵抗の応答曲線図は図２に示す通りであり、外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}は第１ＭＴＪ素子１１の検知方向に沿っている。第１ＭＴＪ素子１１が低抵抗状態又は高抵抗状態にある場合、その応答曲線は飽和になる。低抵抗状態にある第１ＭＴＪ素子１１の抵抗値を例えばＲ_Ｌ、高抵抗状態にある第１ＭＴＪ素子１１の抵抗値を例えばＲ_Ｈとする。高抵抗状態と低抵抗状態との間において、第１ＭＴＪ素子１１の抵抗値Ｒが外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}の変化に伴って線形状に変化する。外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}に対する第１ＭＴＪ素子１１の抵抗値Ｒの応答曲線の勾配、すなわち外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}に伴う第１ＭＴＪ素子１１の抵抗値Ｒの変化率を第１ＭＴＪ素子１１の感度と定義する。図２に示すように、外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}に対する第１ＭＴＪ素子１１の抵抗の応答曲線は、Ｈ_{ａｐｐｌｙ}＝０の直線を軸対称としておらず、Ｈ_{ａｐｐｌｙ}＝Ｈ_Ｏの直線を軸対称としている。通常では、Ｈ_Ｏをネールカップリング（Ｎｅｅｌ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ）磁場と称する。通常状態において、ネールカップリング磁場Ｈ_Ｏの範囲は１―４０Ｏｅである。

図２に示すように応答曲線の線形範囲内において、第１ＭＴＪ素子１１の抵抗値Ｒは下式で近似的に表すことができる。

式（１）において、Ｈ_Ｓは飽和磁場を示す。飽和磁場Ｈ_Ｓの定義は、ネールカップリング磁場Ｈ_Ｏ＝０のときに、外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}に対する第１ＭＴＪ素子１１の抵抗の応答曲線の線形範囲の接線と正又は負の飽和曲線の接線との交差点に対応する外部磁場の値である。理想状態では、外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}に伴う第１ＭＴＪ素子１１の抵抗値Ｒの変化は完璧な線形関係であり、且つヒステリシスがない。実際の状況では、第１ＭＴＪ素子１１がヒステリシスを有するため、図３に示すように、外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}に対する第１ＭＴＪ素子１１の抵抗の応答曲線は１本の曲線である。実際のセンサ応用分野では、磁気センサの設計上の制約及び材料の欠陥に起因し、外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}に対する第１ＭＴＪ素子１１の抵抗の応答曲線が更に湾曲することになる。

応用上において、複数の第１ＭＴＪ素子１１を直列及び／又は並列に接続して１つの第１ＭＴＪ素子グループにすることができる。本実施例では、第１ＭＴＪ素子グループ１３は６個の第１ＭＴＪ素子１１を直列に接続することにより形成され、且つ図４に示すように、第１ＭＴＪ素子グループ１３に係る６個の第１ＭＴＪ素子１１の検知方向１１７１が同じである。第１ＭＴＪ素子グループ１３は他の素子、例えばオーム計１２と電気的に接続されている。電流１３１が第１ＭＴＪ素子グループ１３を流れるときに、電流１３１の方向は図４に示す通りである。通常の状況では、電流１３１の方向はＭＴＪ素子グループ１３の抵抗値に影響を与えない。第１ＭＴＪ素子グループ１３に係る第１ＭＴＪ素子１１の数を変えることで、第１ＭＴＪ素子グループ１３の抵抗値を調整することができる。１つの第１ＭＴＪ素子グループ１３をブリッジの１つのアームとすることができ、直列及び／又は並列に接続される複数の第１ＭＴＪ素子グループ１３をブリッジの１つのアームとしても良い。

第１ＭＴＪ素子１１又は第１ＭＴＪ素子グループ１３にバイアス磁界Ｈ_{ｃｒｏｓｓ}を提供し、且つネールカップリング磁場Ｈ_Ｏを取り消すために、第１ＭＴＪ素子１１又は第１ＭＴＪ素子グループ１３の両側に一対の傾斜した永久磁石１４を配置することができる。本実施例では、図５に示すように、例えば第１ＭＴＪ素子グループ１３の両側に一対の永久磁石１４が配置され、且つ永久磁石１４は第１ＭＴＪ素子グループ１３の検知方向に対して傾斜して配置されている。永久磁石１４を磁化した後、第１ＭＴＪ素子グループ１３の周囲の磁場分布は図６に示す通りである。本実施例では、永久磁石１４の形状は例えば長方体である。図７に示すように、永久磁石１４の長辺と第１ＭＴＪ素子グループ１３の検知方向１１７１との間の角度の余角を永久磁石１４の傾斜角θ_ｓｎｓと定義する。各永久磁石１４の長さ、幅及び厚さはそれぞれＬ、Ｗ及びｔであり、２つの永久磁石１４の間の隙間がＧである。

２つの永久磁石１４の隙間位置の磁界Ｈ_ｍａｇは２つの永久磁石１４の縁部の磁荷によって生じるものであり、且つ磁界Ｈ_ｍａｇは永久磁石１４の形状及び境界条件と関係があると考えられている。図７に示すように、永久磁石１４の残留磁気Ｍ_ｒ１４１と第１ＭＴＪ素子グループ１３の検知方向１７１１との間の角度を永久磁石１４の残留磁気Ｍ_ｒ１４１の傾斜角θ_ｍａｇと定義する。永久磁石１４の縁部の磁荷密度ρ _ｓ は、永久磁石１４の残留磁気Ｍ_ｒ１４１の大きさ、永久磁石１４の残留磁気Ｍ_ｒ１４１の傾斜角θ_ｍａｇ及び永久磁石１４の傾斜角θ_ｓｎｓと関係している。永久磁石１４の縁部の磁荷密度ρ _ｓ は以下の式で表すことができる。

永久磁石１４の縁部の磁荷によって生じる磁界Ｈ_ｍａｇは以下の式で表すことができる。

図７に示すように、永久磁石１４の縁部の磁荷によって生じる磁界Ｈ_ｍａｇにおける第１ＭＴＪ素子グループ１３の検知方向１１７１と直交する方向に沿う分量をバイアス磁界Ｈ_{ｃｒｏｓｓ}と定義する。θ_ｍａｇ＝θ_ｓｎｓ＝π／２のとき、バイアス磁界Ｈ_{ｃｒｏｓｓ}は以下の式で表すことができる。

式（４）より、２つの永久磁石１４の形状、寸法、両者間の隙間Ｇ及び残留磁気Ｍ_ｒ１４１の大きさを調整することで、第１ＭＴＪ素子グループ１３の所在位置のバイアス磁界Ｈ_{ｃｒｏｓｓ}を変えることができる。バイアス磁界Ｈ_{ｃｒｏｓｓ}を変えることにより第１ＭＴＪ素子グループ１３の飽和磁場を調整することができ、さらに第１ＭＴＪ素子グループ１３の感度を確定することができる。

バイアス磁界Ｈ_{ｃｒｏｓｓ}は以下の式で表すこともできる。

永久磁石１４の縁部の磁荷によって生じる磁界Ｈ_ｍａｇにおける第１ＭＴＪ素子グループ１３の検知方向１１７１に沿う分量Ｈ_ｏｆｆは、以下の式で表すこともできる。

式（６）より、永久磁石１４の形状、寸法及び残留磁気Ｍ_ｒ１４１の傾斜角θ_ｍａｇを調整することで、永久磁石１４の縁部の磁荷によって生じる磁界Ｈ_ｍａｇにおける第１ＭＴＪ素子グループ１３の検知方向１１７１に沿う分量Ｈ_ｏｆｆを変えることができ、これによって第１ＭＴＪ素子１１自体のネールカップリング磁場Ｈｏを取り消すことができ、第１ＭＴＪ素子１１の動作ポイントをその線形動作範囲に位置させることを保証できる。

図８はＸ−Ｙ面におけるハーフブリッジ１５の物理的位置の平面図である。図９はハーフブリッジ１５の等価回路図である。ハーフブリッジ１５は２つのアーム１５１，１５２を含み、該２つのアームには例えば１つの第１ＭＴＪ素子グループ１３を採用しており、該２つのアームの抵抗値は例えばＲ１、Ｒ２である。アーム１５１及びアーム１５２の検知方向はともに検知方向１１７１に沿っている。図８に示すように、磁場強度が傾斜度で変化した外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}を検知方向１１７１に沿って印加し、アーム１５１の所在する物理的位置での外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}の磁場強度はアーム１５２の所在する物理的位置での外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}の磁場強度と異なっている。アーム１５１及びアーム１５２の両側には一対の傾斜した永久磁石１４が配置されている。ハーフブリッジ１５の２つの入力端はＩＮ１、ＩＮ２であり、例えば入力端ＩＮ２がグランドと接続されている。ハーフブリッジ１５の出力端はＯＵＴ１である。入力端ＩＮ１と入力端ＩＮ２との間に安定電圧Ｖ_ｂｉａｓを印加し、アーム１５１の抵抗値Ｒ１の変化の大きさとアーム１５２の抵抗値Ｒ２の変化の大きさとが異なり、従って出力端ＯＵＴ１は電圧信号Ｖ_ＯＵＴ１＝Ｖ１を出力する。

図１０はフルブリッジ１６の物理的位置の平面図である。図１１は図１０に示すフルブリッジ１６の等価回路図である。フルブリッジ１６は、４つのアーム１６１、１６２、１６３、１６４を含み、該４つのアームには全て２つの第１ＭＴＪ素子グループ１３を直列接続することを採用しており、該４つのアームの抵抗はそれぞれＲ３、Ｒ４、Ｒ５及びＲ６である。アーム１６１、アーム１６２、アーム１６３及びアーム１６４の検知方向はともに検知方向１１７１に沿っている。磁場強度が傾斜度で変化した外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}を検知方向１１７１に沿って印加する。図１０に示すように、アーム１６１及びアーム１６２の所在する物理的位置での外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}の磁場強度はアーム１６３及びアーム１６４の所在する物理的位置での外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}の磁場強度と異なっている。各アーム１６１、アーム１６２、アーム１６３及びアーム１６４の両側には一対の傾斜した永久磁石１４が配置されている。フルブリッジ１６の２つの入力端はＩＮ３、ＩＮ４であり、例えば入力端ＩＮ４がグランドと接続されている。フルブリッジ１６の２つの出力端はＯＵＴ２及びＯＵＴ３である。入力端ＩＮ３と入力端ＩＮ４との間に安定電圧Ｖ_ｂｉａｓを印加し、アーム１６１の抵抗値Ｒ３又はアーム１６２の抵抗値Ｒ４の変化の大きさとアーム１６３の抵抗値Ｒ５又はアーム１６４の抵抗値Ｒ６の変化の大きさとが異なり、従って出力端ＯＵＴ２と出力端ＯＵＴ３とがそれぞれ電圧Ｖ２及びＶ３を出力し、フルブリッジ１６の出力電圧信号がＶ_ＯＵＴ２＝（Ｖ３−Ｖ２）である。

理想状態では、フルブリッジ１６から出力した電圧信号Ｖ_ＯＵＴ２はコモンモード磁場Ｈ_ｃＭに応答しないが、差動モード磁場Ｈ_ｄＭには応答する。コモンモード磁場Ｈ_ｃＭの働きによって、アーム１６１、アーム１６２、アーム１６３及びアーム１６４の抵抗値の変化は同じであるので、フルブリッジ１６は電圧信号を出力しない。理想状態では、フルブリッジ１６の４つのアームの抵抗値はともにＲになり、すなわちＲ３＝Ｒ４＝Ｒ５＝Ｒ６＝Ｒであり、且つフルブリッジ１６の４つのアームの感度はともにＳ_Ｒになり、すなわちＳ_Ｒ３＝Ｓ_Ｒ４＝Ｓ_Ｒ５＝Ｓ_Ｒ６＝Ｓ_Ｒであり、従って、以下の式になる。

式（９）より、フルブリッジ１６から出力した電圧信号は差動モード磁場Ｈ_ｄＭのみと関係し、コモンモード磁場Ｈ_ｃＭには関係していないことが分かる。従って、フルブリッジ１６は、コモンモード磁場Ｈ_ｃＭの干渉を抑制する大きい能力を有する。フルブリッジ１６の典型的な出力は図１２に示す通りである。

実際の応用では、センサに２つのフルブリッジ、すなわちダブルフルブリッジを採用しても良い。図１３はダブルフルブリッジ１７の物理的位置の平面図である。図１４はダブルフルブリッジ１７の等価回路図である。ダブルフルブリッジ１７は、８つのアーム１７１、１７２、１７３、１７４、１７５、１７６、１７７及び１７８を含み、該８つのアームは全て例えば第１ＭＴＪ素子グループ１３を３つ並列接続することを採用しており、該８つのアームの抵抗値はそれぞれＲ７、Ｒ８、Ｒ９、Ｒ１０、Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３及びＲ１４である。図１４に示すように、例えばアーム１７１、アーム１７２、アーム１７３及びアーム１７４は１つのフルブリッジを構成しており、アーム１７５、アーム１７６、アーム１７７及びアーム１７８は１つのフルブリッジを構成している。好適には、ダブルフルブリッジ１７に係る８つのアームの検知方向はともに検知方向１１７１に沿っている。磁場強度が傾斜度で変化した外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}を検知方向１１７１に沿って印加する。図１３に示すように、アーム１７１及びアーム１７２の所在する物理的位置での外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}の磁場強度はアーム１７３及びアーム１７４の所在する物理的位置での外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}の磁場強度と異なっており、アーム１７５及びアーム１７６の所在する物理的位置での外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}の磁場強度はアーム１７７及びアーム１７８の所在する物理的位置での外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}の磁場強度と異なっている。ダブルフルブリッジ１７の各アームの両側には、それぞれ一対の傾斜した永久磁石１４が配置されている。ダブルフルブリッジ１７の２つの入力端はＩＮ５、ＩＮ６であり、例えば入力端ＩＮ６がグランドと接続されている。ダブルフルブリッジ１７の４つの出力端はＯＵＴ４、ＯＵＴ５、ＯＵＴ６及びＯＵＴ７である。入力端ＩＮ５と入力端ＩＮ６との間に安定電圧Ｖ_ｂｉａｓを印加し、アーム１７１の抵抗値Ｒ７又はアーム１７２の抵抗値Ｒ８の変化の大きさとアーム１７３の抵抗値Ｒ９又はアーム１７４の抵抗値Ｒ１０の変化の大きさとが異なり、アーム１７５の抵抗値Ｒ１１又はアーム１７６の抵抗値Ｒ１２の変化の大きさとアーム１７７の抵抗値Ｒ１３又はアーム１７８の抵抗値Ｒ１４の変化の大きさとが異なっており、出力端ＯＵＴ４、出力端ＯＵＴ５、出力端ＯＵＴ６及び出力端ＯＵＴ７がそれぞれ電圧Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６及びＶ７を出力する。ダブルフルブリッジ１７は２系統の電圧信号Ｖ_ＯＵＴ４＝（Ｖ５−Ｖ４）及びＶ_ＯＵＴ５＝（Ｖ７−Ｖ６）を出力する。

磁気抵抗センサの実際の製造において、ハーフブリッジ１５、フルブリッジ１６及びダブルフルブリッジ１７はともに同一の基板上に同様なプロセスを利用して一回で製造され、通常ではシングルチップ磁気抵抗センサと称しており、或いは同一の基板上に同様なプロセスで複数の第１ＭＴＪ素子１１を製造し、その後に複数の第１ＭＴＪ素子１１を切断して単独にパッケージングし、リードワイヤで第１ＭＴＪ素子１１を電気的に接続して複数の第１ＭＴＪ素子グループ１３として、更に該複数の第１ＭＴＪ素子グループ１３をハーフブリッジ１５、フルブリッジ１６又はダブルフルブリッジ１７に電気的に接続する。シングルチップパッケージングした磁気抵抗センサ又はマルチチップパッケージングした磁気抵抗センサは、そのパッドを介して特定用途向け集積回路（Application Specific Integrated Circuit, ＡＳＩＣ）或いはリードフレームのリード線に接続される。

図１５に示すように、本実施例で提供した磁気抵抗歯車センサ１８は、磁気センサチップ１８１、永久磁石１８２、制御回路１８３、凹形状の軟磁性体１８４及びケーシング１８５を含む。磁気センサチップ１８１、永久磁石１８２、制御回路１８３及び軟磁性体１８４は、ケーシング１８５内に集中的に配置されている。磁気センサチップ１８１は少なくとも１つのブリッジを含み、該ブリッジはハーフブリッジ１５、フルブリッジ１６又はダブルフルブリッジ１７であり、ハーフブリッジ１５、フルブリッジ１６又はダブルフルブリッジ１７の各アームは少なくとも１つの第１ＭＴＪ素子グループ１３を含み、第１ＭＴＪ素子グループ１３は直列及び／又は並列に連続される複数の第１ＭＴＪ素子１１を含む。磁気センサチップ１８１は制御回路１８３と電気的に接続されている。軟磁性体１８４は磁気センサチップ１８１と永久磁石１８２との間に配置されており、軟磁性体１８４の開口は磁気センサチップ１８１に向けている。本実施例では、磁気センサチップ１８１は１つのダブルフルブリッジ１７を含み、ダブルフルブリッジ１７の各アームは１つの第１ＭＴＪ素子グループ１３を含む。永久磁石１８２は、外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}を生じさせ、且つ強磁材料からなる歯車を磁化させる。軟磁性体１８４は永久磁石１８２により生じた外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}における検知方向１１７１に沿う分量を減少させることで、磁気センサチップ１８１中の第１ＭＴＪ素子１１をその線形動作範囲内で動作させることを保証する。歯車と磁気センサチップ１８１との間に相対運動が生じるときに、磁気センサチップ１８１の所在位置での外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}の磁場強度が変化する。磁気センサチップ１８１は、その所在する物理的位置での外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}の磁場強度の変化を検知し、且つ制御回路１８３に電圧信号を出力する。制御回路１８３は磁気センサチップ１８１から出力される電圧信号に対して処理及び転換を行う。本実施例において、制御回路１８３は、磁気センサチップ１８１から出力した正弦波の電圧信号を矩形波の電圧信号に転換することができる。

本実施例では、図１５に示すように、例えば磁気抵抗歯車センサ１８が静止し、歯車が移動する。歯車の異なる位置ポイントＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥが順次に磁気抵抗歯車センサを通るときに、磁気抵抗歯車センサ１８から出力した例えば正弦波の電圧信号は図１６に示す通りである。磁気抵抗歯車センサ１８から出力した電圧信号である例えば正弦波と位置ポイントとの対応関係に基づいて、測定したい歯の具体位置を確定することができる。歯車の歯が欠けた場合に、磁気抵抗歯車センサ１８から出力した正弦波及び矩形波の電圧信号は図１７に示す通りである。磁気抵抗歯車センサ１８から出力した電圧信号である例えば正弦波又は矩形波に基づいて、歯車の歯が欠けるか否かを確定することができる。歯車の歯が欠けた場合、磁気抵抗歯車センサ１８から出力した電圧信号である例えば正弦波又は矩形波と位置ポイントとの対応関係に基づいて、欠けた歯の具体位置を確定することができる。本実施例で提供した磁気抵抗歯車センサ１８の磁気センサチップ１８１にダブルフルブリッジ１７を採用するため、磁気抵抗歯車センサ１８は２系統の電圧信号Ｖ_ＯＵＴ４及びＶ_ＯＵＴ５を出力することができ、図１８に示すように、該２系統の電圧信号Ｖ_ＯＵＴ４とＶ_ＯＵＴ５との位相差に基づいて歯車の運動方向を確定することができる。磁気抵抗歯車センサ１８を応用する際に、磁気センサチップ１８１の所在する位置において、永久磁石１８２により生じた外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}以外の干渉磁場をコモンモード磁場とすることができる。磁気センサチップ１８１にダブルフルブリッジ１７を採用し、且つダブルフルブリッジがコモンモード磁場による干渉を抑制する高い能力を有するため、磁気抵抗歯車センサ１８が永久磁石１８２により生じた外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}以外の干渉磁場による干渉を受け難くなる。

＜実施例２＞
図１９は本実施例で提供した第２ＭＴＪ素子２１の構造の模式図である。図１９に示すように、第２ＭＴＪ素子２１は多層膜の構造であり、基板２１１の上に順次に堆積された絶縁層２１２、ボトム電極層２１３、ピンニング層２１４、ピンド層２１５、トンネルバリア層２１６、磁性自由層２１７、バイアス層２１８及びトップ電極層２１９を含む。ピンド層２１５と磁性自由層２１７は強磁性層である。ピンド層２１５と磁性自由層２１７との材質は、例えばＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＦｅＣｏ、ＦｅＮｉ、ＦｅＣｏ又はＦｅＣｏＮｉを含む。ピンド層２１５は強磁性層、Ｒｕ層と強磁性層とにより形成された複合層であっても良く、例えばＦｅＣｏ層、Ｒｕ層とＦｅＣｏ層とによって形成された複合層である。ピンニング層２１４は、反強磁性層であり、その材質は例えばＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ又はＦｅＭｎを含む。ピンニング層２１４とピンド層２１５との間の交換結合により、ピンド層２１５の磁気モーメントの方向２１５１が一の方向に固定され、且つ外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}の働きによって磁気モーメントの方向２１５１が変化しない。トンネルバリア層２１６の材質は例えばＭｇＯ又はＡｌ_２Ｏ_３を含む。磁性自由層２１７の磁気モーメントの方向２１７１は外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}の変化に伴って変わることが可能である。外部磁場Ｈ_{ａｐｐｌｙ}の働きによって、磁性自由層２１７の磁気モーメントの方向２１７１は、ピンド層２１５の磁気モーメントの方向２１５１と平行の方向から次第にピンド層２１５の磁気モーメントの方向２１５１と逆平行の方向に変わることが可能であり、その逆の場合も同じである。バイアス層２１８は反強磁性層又は永久磁性層である。バイアス層２１８と磁性自由層２１７との間の交換結合により、バイアス層２１８に磁性自由層２１７のために第２ＭＴＪ素子２１の検知方向と直交するバイアス磁界Ｈ_{ｃｒｏｓｓ}を提供させることができる。バイアス磁界Ｈ_{ｃｒｏｓｓ}を変えることにより、第２ＭＴＪ素子２１の飽和磁場を調整することができ、第２ＭＴＪ素子２１の感度を更に調整することができる。バイアス層２１８が反強磁性層である場合に、バイアス層２１８のブロッキング温度（Blocking Temperature）はピンニング層２１４のブロッキング温度よりも低くなる。バイアス層２１８により提供されたバイアス磁界Ｈ_{ｃｒｏｓｓ}を低減するため、磁性自由層２１７とバイアス層２１８との間に１つの隔離層を堆積しても良い。隔離層の厚さを変えることによって、バイアス磁界Ｈ_{ｃｒｏｓｓ}の大きさを調整することができる。通常では、隔離層には例えばＴａ、Ｒｕ又はＣｕの非磁性材料を採用する。通常では、トップ電極層２１９とボトム電極層２１３に非磁性導電材料を採用する。基板２１１の材質としては、通常ではシリコン、石英、耐熱ガラス、ＧａＡｓ又はＡｌＴｉＣが用いられている。絶縁層２１２の面積はボトム電極層２１３の面積よりも大きい。トップ電極層２１９及びボトム電極層２１３はその他の素子と電気的に接続するために用いられる。

応用上において、複数の第２ＭＴＪ素子２１を直列及び／又は並列に接続して１つの第２ＭＴＪ素子グループ２３とすることができる。本実施例では、第２ＭＴＪ素子グループ２３は例えば４個の第２ＭＴＪ素子２３を並列に接続することにより形成され、且つ第２ＭＴＪ素子グループ２３に係る４個の第２ＭＴＪ素子２１の検知方向が同じである。第２ＭＴＪ素子グループ２３は他の素子、例えばオーム計１２と電気的に接続されている。１つの第２ＭＴＪ素子グループ２３をブリッジの１つのアームとすることができ、直列及び／又は並列に接続される複数の第２ＭＴＪ素子グループ２３をブリッジの１つのアームとしても良い。説明すべきことは、ブリッジに第２ＭＴＪ素子グループ２３を採用する場合に、第２ＭＴＪ素子グループ２３の両側に傾斜した永久磁石１４を設ける必要がない。本実施例では、ハーフブリッジ１５、フルブリッジ１６及びダブルフルブリッジ１７の各アームには、例えば１つの第２ＭＴＪ素子グループ２３を採用する。

磁気抵抗歯車センサ１８に第２ＭＴＪ素子グループ２３を採用する状況は、実施例１と同様である。

センサはＭＴＪ素子を検知素子としており、ホール素子、ＡＭＲ素子又はＧＭＲ素子を検知素子とするセンサと比べて、センサの温度安定性が良く、感度が高く、消費電力が低く、線形性が良く、線形動作範囲が広く、構造が簡単になる。センサに凹形状の軟磁性体が設けられており、永久磁石により生じた外部磁場におけるＭＴＪ素子の検知方向に沿う分量を低減させることで、磁気センサチップ中のＭＴＪ素子をその線形動作範囲内に動作させることを保証し、センサの性能を大きく改善することができる。センサの磁気センサチップにフルブリッジを採用することにより、センサは永久磁石により生じた外部磁場以外の干渉磁場による干渉を受け難くなる。１つの好適的な実施例では、ＭＴＪ素子の両側に一対の傾斜した永久磁石を配置し、該傾斜した永久磁石により生じる磁場におけるＭＴＪ素子の検知方向と直交する分量が、ＭＴＪ素子にバイアス磁場を提供しており、該バイアス磁場を変えることによってＭＴＪ素子の飽和磁場を調整することができ、これによって高感度のセンサを得ることができ、或いは要求に応じて異なる感度のセンサを実現することができる。１つの好適的な実施例では、ＭＴＪ素子の両側に一対の傾斜した永久磁石を配置し、該傾斜した永久磁石により生じる磁場におけるＭＴＪ素子の検知方向に沿う分量が、ＭＴＪ素子のネールカップリング磁場を取り消すことができ、これによってＭＴＪ素子の動作ポイントをその線形動作範囲に位置させることを保証し、センサの線形性を改善することができる。他の好適的な実施例では、ＭＴＪ素子の磁性自由層上にバイアス層を配置し、該バイアス層は磁性自由層にＭＴＪ素子の検知方向と直交するバイアス磁場を提供することができ、該バイアス磁場を変えることでＭＴＪ素子の飽和磁場を調整することができ、これによって高感度のセンサを得ることができ、或いは要求に応じて異なる感度のセンサを実現することができる。センサは歯車の歯の位置を確定することができ、歯車の歯が欠けた場合であっても、その欠けた歯の位置を確定することができる。センサは歯車の運動速度のみならず、歯車の運動方向も確定することができる。センサは直線歯車だけではなく、円形歯車にも適用される。センサは低コストで大規模の生産の実現に有利である。

理解すべきことは、以上の好適な実施例を用いて本発明の技術思想に対して行った詳細な説明が、例に過ぎず、本発明を限定するものではない。当業者は本発明の明細書を基に各実施例に記載の技術思想に修正し、又はその中の部分的な技術特徴に対して均等に置換することができるが、これらの修正又は置換は対応する技術思想の本質を本発明の各実施例の技術思想の要旨及び範囲を離脱させるものではない。

Claims (7)

1. 磁気センサチップ（１８１）及び第１永久磁石（１８２）を含み、
   前記磁気センサチップ（１８１）は、複数のブリッジアームを含む少なくとも１つのセンサブリッジを含み、
   該ブリッジの各アームは少なくとも１つのＭＴＪ素子グループ（１３，２３）を含み、 前記少なくとも１つのＭＴＪ素子グループは複数のＭＴＪ素子グループであり、該複数のＭＴＪ素子グループは直列及び／又は並列に接続されており、
   前記ＭＴＪ素子グループは、同じ検知方向を有し、前記検出方向は自由層に平行であり、
   前記各ＭＴＪ素子（１１）は多層膜の構造であり、順次に堆積されるピンニング層（１１４）、ピンド層（１１５）、トンネルバリア層（１１６）及び磁性自由層（１１７）を含み、
   前記磁気抵抗ギア歯車センサは、前記磁気センサチップ（１８１）と前記第１永久磁石（１８２）との間に配置される凹形状の軟磁性体（１８４）を更に含み、且つ、前記軟磁性体（１８４）の開口は前記磁気センサチップ（１８１）に向けており、
   前記センサチップは、フルブリッジ（１６）、ハーフブリッジ（１５）又はダブルフルブリッジ（１７）を有し、
   前記磁気抵抗ギア歯車センサは、さらに、第１の永久磁石とセンサチップとの間に配置され、
   前記磁気抵抗ギア歯車センサは、さらに、外部ハウジング構造を有し、
   前記各ＭＴＪ素子グループ（１３）の両側には一対の第２永久磁石（１４）が設けられ、前記ＭＴＪ素子グループ（１３）のネールカップリング磁場を取り消すため、各対の第２永久磁石（１４）は対応するＭＴＪ素子グループ（１３）の検知方向に対して傾斜して配置されており、
   前記第２永久磁石（１４）の縁部の磁荷によって生じる磁界Ｈ _mag における第１ＭＴＪ素子グループ（１３）の検知方向（１１７１）に沿う分量Ｈ _off は、以下の式で表される磁気抵抗歯車センサ。
   

   

   ここで、磁界Ｈ _mag は、２つの永久磁石（１４）の隙間位置の磁界であり、θ _mag は、永久磁石１４の残留磁気Ｍ _r １４１の傾斜角である。
2. さらに、前記ＭＴＪ素子グループ（１３）にバイアス磁界を提供するため、各対の第２永久磁石（１４）は対応するＭＴＪ素子グループ（１３）の検知方向に対して垂直に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗歯車センサ。
3. 前記ＭＴＪ素子グループ（１３）のネールカップリング磁場を更に取り消すため、各対の第２永久磁石（１４）は対応するＭＴＪ素子グループ（１３）の検知方向に対して傾斜して配置されていることを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗歯車センサ。
4. 各ＭＴＪ素子（２１）は多層膜の構造であり、順次に堆積されるピンニング層（２１４）、ピンド層（２１５）、トンネルバリア層（２１６）、磁性自由層（２１７）及びバイアス層（２１８）を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗歯車センサ。
5. 各ＭＴＪ素子（２１）は、前記磁性自由層（２１７）と前記バイアス層（２１８）との間に設けられる隔離層を更に含むことを特徴とする請求項４に記載の磁気抵抗歯車センサ。
6. 前記磁気抵抗歯車センサは、磁気センサブリッジと電気的に接続される制御回路（１８３）を更に含み、
   前記制御回路（１８３）は、前記磁気センサチップ（１８１）から出力される電圧信号と歯車の歯の位置との対応関係に基づいて、歯の位置を確定することを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗歯車センサ。
7. 前記磁気センサチップ（１８１）はダブルフルブリッジを含み、前記ダブルフルブリッジの各アームはＭＴＪ素子グループを含み、前記制御回路は前記磁気センサチップから出力される電圧信号に基づいて歯車の運動方向を確定することを特徴とする請求項６に記載の磁気抵抗歯車センサ。

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