DE2610407A1

DE2610407A1 - Piezoelektrische stimmgabel- schwingschaltung

Info

Publication number: DE2610407A1
Application number: DE19762610407
Authority: DE
Inventors: Takeshi Nakamura
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1975-03-13
Filing date: 1976-03-12
Publication date: 1976-09-30
Also published as: DE2610407B2; JPS51105255A; DE2610407C3; US4028640A; JPS5948561B2

Description

VON KREISLER SCHÖNWALD MEYER EISHOLD FUES VON KREISLER KELLER SELTING

PATENTANWÄLTE

Anmelder in Dr.-Ing. von Kreisler f 1973

, Dr.-Ing. K. Schönwald, Köln

Murata Manufacturing Co., Ltd. _Dr..|_ng. _Th. Meyer, Köln

16, Kaiden, Nishijin-chO, Dr.-Ing. K. W. Eishold, Bad Soden

Nagaokakyo-shi, Kyoto, Japan Dr. J. F-^Fues< ]<°^ln

^ ^J Dipl.-Chem. Alek von Kreisler, Köln

Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln Dipl.-Ing. G. Selting, Köln

Sg-Is 5 KÖLN l 11. März 1976

DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF

Piezoelektrische Stimmgabel-Schwingschaltung

Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Stimmgabel-Schwingschaltung mit einer piezoelektrischen Stimmgabel und einer mit ihr verbundenen externen Schaltung, welche eine Phasenkorrekturschaltung mit mindestens einem Widerstand und einem Kondensator enthält.

Derartige Stimmgabel-Schwingschaltungen werden in zunehmendem Maße in elektrischen und elektronischen Geräten eingesetzt. Die Phasendifferenz zwischen Eingangssignal und Ausgangssignal einer solchen Stimmgabel bereitet keinerlei Schwierigkeiten solange die piezoelektrische Stimmgabel als Filterelement benutzt wird. Wenn die Stimmgabel jedoch als Oszillatorelement in einer Schwingschaltung benutzt wird, verursacht diese Phasendifferenz eine Reihe von Problemen. In einer derartigen Schwingschaltung muß, damit die Schwingung erfolgen kann, eine positive Rückkopplung erfolgen. Im allgemeinen besteht bei der piezoelektrischen Stimmgabel,die selbst einen

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Phasenwinkel von +90° hat, ein Phasenunterschied zwischen Eingangs- und Ausgangssignal, und das Maß dieses Phasenunterschieds ändert sich in Abhängigkeit von der jeweiligen Frequenz und den angelegten äußeren Impedanzen. Wenn die piezoelektrische Stimmgabel beispielsweise mit einem einstufigen Verstärker gekoppelt wird, besteht eine Phasendifferenz von 180° zwischen Eingangs- und Ausgangssignal, während diese Phasendifferenz im Falle eines zweistufigen Verstärkers 0° beträgt und im Falle eines dreistufigen Verstärkers 180°. Diese Tatsache erfordert den Einbau einer Phasenkorrekturschaltung, damit die piezoelektrische Stimmgabel-Schwingschaltung zufriedenstellend arbeitet. Es sei darauf hingewiesen, daß in der einstufigen Stimmgabel-Schwingschaltung keine Schwingungen erzeugt werden, wenn der Phasenunterschied zwischen Eingangs- und Ausgangssignalen der Stimmgabel 0° oder 180° beträgt.

Fig. 1 zeigt die Beziehung zwischen der Frequenz der Phasendifferenz und der Ausgangsspannung bei einer konventionellen piezoelektrischen Stimmgabel-Schwingschaltung mit einstufiger Verstärkung. Die Kurve Pf kennzeichnet die Beziehung zwischen der Phasendifferenz und der Frequenz. Man erkennt, daß die Schwingfrequenz von der Mittenfrequenz abweicht, was zu einer instabilen Schwingung führt und einen Abfall der Ausgangsspannung umΛV bewirkt. Dies bedeutet,-daß die Ausgangsspannung verglichen mit der Schwingspannung bei Mittenfrequenz klein ist. Wenn zur Korrektur der Phasendifferenz eine Phasendifferenz von 180° erzeugt wird, fällt die Ausgangsspannung mit ^ V gegenüber der Ausgangsspannung bei Mittenfrequenz ab, was zu einer Frequenzabweichung oder Drift um A F von der Mittenfrequenz führt, wie an der Stelle A.

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Die Forderung nach optimaler Schwingung zur Erzeugung einer maximalen Ausgangsspannung bei der Mittenfrequenz ohne jegliche Phasenabweichung kann daher mit den bekannten Schaltungen nicht erfüllt werden.

Zur Erzielung einer optimalen Funktion der Stimmgabel-Schwingschaltung ist es unbedingt notwendig, zu veranlassen, daß die Schwingung über eine positive Rückkopplung bei der Mittenfrequenz der piezoelektrischen Stimmgabel erfolgt, ohne daß sie bei einer Frequenzabweichung ansteigt. Zu diesem Zweck sollte eine Phasenkorrekturschaltung, d.h. eine Schaltung zur Erzeugung unterschiedlicher Phasenwinkel am Eingang und am Ausgang, vorgesehen sein, also eine Schaltung, die eine Phasendifferenz zwischen Eingang und Ausgang erzeugt. Mit anderen Worten, in der Stimmgabel-Schwingschaltung mit einstufiger Verstärkung muß die Phasendifferenz von 0° oder 180° in der Verstärkerstufe am Ausgang der Stimmgabel, die eine Phasendifferenz von +90° verursacht, auch am Eingang der Stimmgabel zu 0° oder 180° gemacht werden, indem zwischen den Eingang der Stimmgabel und den Ausgang des Verstärkers eine Phasenkorrekturschaltung geschaltet wird. Bei Verwendung einer piezoelektrischen Stimmgabel für eine spezielle Frequenz muß der Phasenverschiebungswinkel an der Phasenkorrekturschaltung und der Phasendifferenzwinkel an der Stimmgabel lediglich 0° oder 180° bei Mittenfrequenz der Stimmgabel betragen, unabhängig von der Art der Phasenkorrekturschaltung, die bewirken soll, daß die Schwingung bei der Mittenfrequenz der Stimmgabel stattfindet.

Wenn jedoch piezoelektrische Stimmgabeln mit unterschiedlichen Mittenfrequenzen gegeneinander ausgetauscht werden

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sollen, oder wenn eine Umschaltung zwischen solchen Stimmgabeln stattfinden soll, unterscheiden sich die Phasendifferenzwinkel der Stimmgabeln entsprechend den jeweiligen Frequenzen. Allgemein kann man sagen, daß der Phasendifferenzwinkel infolge des Einflusses der elektrostatischen Kapazität der Stimmgabel mit größer werdender Frequenz kleiner wird, wie es beispielsweise in Fig. 3 für eine zweistufige Verstärkung dargestellt ist.

Ein Beispiel einer herkömmlichen piezoelektrischen Stimmgabel-Schwingschaltung mit zweistufiger Verstärkung enthält, wie Fig. 2 zeigt, eine Stimmgabel f, deren Ausgangsanschluß mit einem Verstärker £ a 1 verbunden ist, dessen Oszillations-Ausgangssignal abgeführt ist, und der ferner über einen Widerstand ra mit dem Eingang eines zweiten Verstärkers /a 2 verbunden ist. Der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand ra und dem Verstärker /a2 ist über einen Kondensator ca mit Erde verbunden. Der Eingangsanschluß der Stimmgabel f ist mit dem Ausgang des Verstärkers ^a2 über einen Widerstand rb verbunden, wobei der Verbindungspunkt von Stimmgabel f und Widerstand rb über einen Kondensator cb mit Erde verbunden ist. Der Widerstand rb und der Kondensator cb und ferner der Widerstand ra und der Kondensator ca bilden jeweils zweistufige Phasenkorrektur schaltungen pa und pb.

Bei den bekannten zweistufigen-Stimmgabel-Schwingschaltungen, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind, sollte der Phasenverschiebungswinkel der Phasenkorrekturschaltung zur Erzielung einer ausreichenden Korrektur mit steigender Frequenz ansteigen, da der Phasendifferenzwinkel der

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Stimmgabel sich mit steigender Frequenz verkleinert. Da die herkömmlichen Stimmgabelschaltungen mit zweistufiger Verstärkung jedoch so ausgebildet sind, daß die Phasenverschiebung an der Stimmgabel mit zunehmender Frequenz abnimmt, wie Fig. 3 zeigt, müssen mehrere Phasenkorrekturschaltungen vorgesehen sein, um von einem Bereich zum anderen umzuschalten, wie Fig. 4 zeigt. In Fig. 4 beträgt die Phasendifferenz -90°.

Zur Beseitigung der oben erwähnten Nachteile ist es bekannt, bei einer piezoelektrischen Stimmgabel-Schwingschaltung die Phasenverschiebung mit ansteigender Frequenz zu vergrößern. Diese Schwingschaltung hat jedoch den ernsthaften Nachteil, daß der Betrag der Phasenänderung so groß ist, daß mindestens eine zweistufige RC-Phasenverschxebungsschaltung unbedingt erforderlich ist.Dieser Nachteil der bekannten Schaltungen fällt möglicherweise ins Gewicht, weil piezoelektrische Stimmgabeln verwendet werden, deren piezoelektrische Elemente dieselben Abmessungen haben, und weil keine richtige Impedanzabstimmung derartiger Stimmgabeln in bezug auf die in der Schwingschaltung enthaltenen externen Schaltungen erfolgt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine piezoelektrische Stimmgabel-Schwingschaltung zur Verwendung in elektrischen und elektronischen Geräten zu schaffen, die eine Phasenkorrekturschaltung enthält, deren Schwingfrequenz mit der Mittenfrequenz der Stimmgabel über einen weiten Frequenzbereich übereinstimmt, wobei der Phasenverschiebungswinkel der Phasenkorrekturschaltung mit zunehmender Frequenz vergrößert wird, so daß die Nachteile der bekannten piezoelektrischen Stimmgabel-Schwingschaltungen

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im wesentlichen vermieden werden. Ferner soll die Schwingfrequenz der Schwingschaltung stabil sein, wobei die Ausgangsamplitude der Schwingschaltung möglichst auf dem Maximalwert gehalten werden soll. Die Schwingschaltung soll in ihrer Funktion stabil und in der Konstruktion einfach und mit geringen Kosten herstellbar sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Phasenkorrekturschaltung derart ausgebildet ist, daß sie eine solche Phasencharakteristik hat, daß die Oszillationsfrequenz in einem weiten Frequenzbereich mit der Mittenfrequenz der piezoelektrischen Stimmgabel übereinstimmt und der Phasenverschiebungswxnkel der Phasenkorrekturschaltung mit zunehmender Frequenz ansteigt, um eine stabile Schwingung mit maximaler Ausgangs-Schwingamplitude zu erhalten.

Bei der erfindungsgemäßen Schwingschaltung stimmt die Schwingfrequenz mit der Mittenfrequenz an der Stimmgabel über einen weiten Frequenzbereich überein, wobei der Phasenverschiebungswxnkel der Phasenkorrekturschaltung so angepaßt ist, daß er sich mit zunehmender Frequenz vergrößert. Im einzelnen ist in der erfindungsgemäßen Stimmgabel-Schwingschaltung eine Kompensationsschaltung vorgesehen, in der die Phasendifferenz in Abhängigkeit von Frequenzänderungen, kompensiert wird, d.h. eine Phasenkorrekturschaltung, bei der die Phasendifferenz der piezoelektrischen Stimmgabel durch Änderungen der Frequenz für die Phasenkorrektur variiert wird. Ferner sollten in der erfindungsgemäßen Stimmgabel-Schwingschaltung zur vollständigen Kombination durch die Phasenkorrekturschaltung die Größen, d.h. die Flächen und die Stärken der

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piezoelektrischen Elemente, die an die Eingangs- und Ausgangsseiten der Stimmgabel angelegt werden und einen Kondensator bilden, vorzugsweise so bemessen und angeordnet werden, daß die äquivalente elektrostatische Kapazität der Stimmgabel verringert wird,und/oder daß eine vollständige Anpassung der Impedanzen der externen Schaltungen, die mit den Eingangs- und Ausgangsseiten der Stimmgabel verbunden sind, an die Impedanz der Stimmgabel erfolgt. Dadurch können die auf Frequenzänderungen zurückgehenden Änderungen der Phasendifferenz der Stimmgabel auf einen Optimalwert reduziert werden.

Die erfindungsgemäße piezoelektrische Stimmgabel-Schwingschaltung enthält eine piezoelektrische Stimmgabel und Verstärker, bei denen es sich um normale Tonfrequenzverstärker mit Transistoren handeln kann. Zwischen den Verstärkern befindet sich eine einstufige Phasenkorrekturschaltung aus Widerständen und Kondensatoren. In der Phasenkorrekturschaltung stimmt die Schwingfrequenz mit der Mittenfrequenz der Stimmgabel über einen weiten Frequenzbereich überein, wobei der Phasenverschiebungswinkel der Korrekturschaltung-mit zunehmender Frequenz vergrößert wird, so daß eine stabile Schwingfrequenz mit größtmöglichem Ausgangs-Schwingsignal entsteht.

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Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer piezoelektrischen Stimmgabel-Schwingschaltung nach der Erfindung,

Fig. 6 zeigt die Phasenkorrekturcharakteristiken einer Phasenkorrekturschaltung, die in der Stimmgabel-Schwingschaltung nach Fig. 5 enthalten ist, und

Fig. 7 zeigt ein Schaltbild ähnlich demjenigen der Fig. 5, jedoch mit einigen Modifizierungen.

Vor der Erläuterung des Ausführungsbeispiels sei darauf hingewiesen, daß in den einzelnen Figuren der Zeichnung für gleiche Teile durchgehend gleiche Bezugszeichen verwendet sind.

In den Fig. 5 und 6 ist eine piezoelektrische Stimmgabel-Schwingschaltung dargestellt, die eine piezoelektrische Stimmgabel 3 enthält. Der Ausgangsanschluß der piezoelektrischen Stimmgabel 3 ist mit einem widerstandsangepaßten Verstärker 4 verbunden, bei dem es sich beispielsweise um einen normalen mit Transistoren aufgebauten Tonfrequenzverstärker handelt, dessen Ausgangssignal abgeführt wird, und dessen Ausgangsanschluß ferner über einen Widerstand R1 (oder die Ausgangsimpedanz des Verstärkers 4) mit einem weiteren Verstärker 5 gleichen Typs gekoppelt ist. Der Verbindungspunkt des Widerstandes R1 mit dem Verstärker 5 ist über eine Reihenschaltung aus einem Kondensator C und einem Widerstand R2 geerdet. Der Widerstand R1 der

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Kondensator C und der Widerstand R2 bilden eine Phasenkorrektur schaltung 6,'die in Fig. 5 mit gestrichelten Linien umrahmt ist, während der Eingangsanschluß der Stimmgabel 3 über einen Anpassungswiderstand 7 (oder über die Ausgangsimpedanz des Verstärkers 5) mit dem Ausgang des Verstärkers 5 verbunden ist. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Phasenkorrekturschaltung 6 aus dem Widerstand R1, dem Kondensator C und dem Widerstand R2 einstufig und besitzt eine Phasencharakteristik, bei der die Schwingfrequenz über einen weiten Bereich mit der Mittenfrequenz der Stimmgabel übereinstimmt, wie Fig. zeigt. Der Phasenverschiebungswinkel der Phasenkorrekturschaltung vergrößert sich mit zunehmender Frequenz zur Erzeugung einer stabilen Schwingfrequenz mit maximaler Ausgangsamplitude. Auf diese Weise erübrigen sich Umschaltungen und Einstellungen zum Zwecke der Phasenkorrektur über einen weiten Frequenzbereich und man erhält stets eine vollständige Phasenkorrektur. Bei der oben beschriebenen piezoelektrischen Stimmgabel-Schwingschaltung nach der Erfindung ist die Ausgangsspannung der Schwingschaltung stabil, da die Abweichung von der Mittenfrequenz stets vernachlässigbar ist. Über einen weiten Frequenzbereich ergeben sich nur außerordentlich geringe Veränderungen, wodurch ein Nachstellen der Ausgangsspannung nicht erforderlich ist.

Da die beschriebene piezoelektrische Stimmgabel-Schwingschaltung eine einstufige Phasenverschiebungsschaltung enthält, sollten Größe und Gestalt, d.h. die Flächen und die Stärken der an die Eingangs- und Ausgangsseiten der Stimmgabel angelegten piezoelektrischen Elemente, die einen Kondensator bilden, so gewählt sein, daß die

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äquivalente elektrostatische Kapazität der Stimmgabel verringert wird und/oder die Impedanzen der an die Eingangs- und AusgangsSeiten der Stimmgabel angeschlossenen externen Schaltungen sind vollständig an die Impedanz der Stimmgabel angepaßt. Dadurch können Abweichungen in den Steigungswinkeln der Phasenkorrekturcharakteristiken auf vorteilhafte Weise über einen weiten Frequenzbereich von z.B. 300 bis 3.000 Hz selbst in einstufigen Phasenverschiebungsschaltungen eliminiert werden.

In Fig. 7 ist eine Modifizierung der piezoelektrischen Stimmgabel-Schwingschaltung der Fig. 5 dargestellt. Bei dieser Modifizierung ist die Phasenkorrekturschaltung 6, die bei der Schaltung nach Fig. 5 zwischen die Verstärker 4 und 5 geschaltet ist, durch die Reihenschaltung aus einem Widerstand R1 ' und einem Kondensator C ersetzt. Diese beiden Bauelemente sind zwischen den Verstärker 4 und den Ausgang des Verstärkers 5 geschaltet, wobei parallel zu dem Kondensator C ein Widerstand R2' geschaltet ist. Die Verstärker 4 und 5 sind direkt miteinander verbunden, wobei der Verstärker 4 über einen Widerstand R3 geerdet ist. Da die Funktionsweise und Wirkung der Schaltung nach Fig. 7 gleich derjenigen von Fig. 5 sind, ist die detaillierte Beschreibung der Schaltung abgekürzt.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, sind Umschaltungen oder Einstellungen der piezoelektrischen Stimmgabel-Schwingschaltung zum Zwecke der Phasenkorrektur über einen weiten Frequenzbereich nicht erforderlich. Dies wird durch Einschaltung des einstufigen Phasenkorrekturnetzwerkes erreicht, das eine solche Charakteristik

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aufweist, daß die Schwingfrequenz mit der Mittenfrequenz der Stimmgabel über einen weiten Frequenzbereich übereinstimmt, wobei der Phasenverschiebungswinkel der Phasenkorrekturschaltung mit zunehmender Frequenz größer wird, so daß eine stabile Schwingfrequenz bei maximaler Ausgangsamplitude erzeugt wird. Feineinstellungen des Phasenwinkels sind möglich, indem die Widerstandswerte der Phasenkorrekturschaltung und/oder die Kapazitätswerte der piezoelektrischen Stimmgabel verändert werden. Schließlich können Änderungen der Schwingfrequenz leicht durchgeführt werden, indem lediglich die piezoelektrischen Stimmgabeln ausgetauscht werden, während es beispielsweise möglich ist, sowohl für Signalaussendung als auch für Signalempfang dieselbe piezoelektrische Stimmgabel zu verwenden. Da die Phasenkorrekturschaltung ferner zusätzlich als Hochpaßfilter wirkt, werden Spannungsüberhöhungen der Schwingschaltung, die während des Einstreuens von Strahlung auftreten, eliminiert. Auf diese Weise werden unerwünschte Streustrahlungen in vorteilhafter Weise unterdrückt .

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Claims

Ansprüche

/ 1. !Piezoelektrische Stimmgabel-Schwingschaltung mit einer "* piezoelektrischen Stimmgabel und einer mit ihr verbundenen externen Schaltung, welche eine Phasenkorrekturschaltung mit mindestens einem Widerstand und einem Kondensator enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenkorrekturschaltung (6) derart ausgebildet ist, daß sie eine solche Phasencharakteristik hat, daß die Oszillationsfrequenz in einem weiten Frequenzbereich mit der Mittenfrequenz der piezoelektrischen Stimmgabel (3) übereinstimmt und der Phasenverschiebungswinkel der Phasenkorrekturschaltung (6) mit zunehmender Frequenz ansteigt, um eine stabile Schwingung mit maximaler Ausgangs -Schwingamplitude zu erhalten.
2. Stimmgabel-Schwingschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsimpedanz und die Ausgangsimpedanz der piezoelektrischen Stimmgabel (3) und die Eingangs- und Ausgangsimpedanzen der externen Schaltung exakt aneinander angepaßt sind.
3. Stimmgabel-Schwingschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Stimmgabel (3) piezoelektrische Elemente aufweist, die innerhalb der Stimmgabel eine äquivalente elektrostatische Kapazität bilden und so ausgebildet und bemessen sind, da.3 die äquivalente elektrostatische Kapazität der Stimmgabel insgesamt minimisiert wird.
4. Stimmgabel-Schwingschaltung nach einem der vorhergehenden

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Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der piezoelektrischen Stimmgabel (3) mit dem Eingang eines ersten Verstärkers (4) verbunden ist, daß der Ausgang des ersten Verstärkers (4) über einen ersten Widerstand (R1) mit dem Eingang eines zweiten Verstärkers (5) verbunden ist, wobei der Verbindungspunkt des ersten Widerstandes (R1) mit dem zweiten Verstärker (5) über die Reihenschaltung aus einem Kondensator (C) und einem Widerstand (R2) mit Erde verbunden ist, und daß der Ausgang des zweiten Verstärkers (5) über einen dritten Widerstand (7) mit dem Eingangsanschluß der Stimmgabel (3) verbunden ist.

Stimmgabel-Schwingschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Stimmgabel (3) mit dem Eingang eines ersten Verstärkers (4) verbunden ist, dessen Ausgang einerseits herausgeführt und andererseits mit dem Eingang eines zweiten Verstärkers (5) verbunden ist, daß der Ausgang des ersten Verstärkers (4) zusätzlich über eine Reihenschaltung aus einem Kondensator (C) und einem ersten Widerstand (R1') mit dem Ausgang des zweiten Verstärkers (5) verbunden ist, wobei dem Kondensator (C¹) ein zweiter Widerstand (R2¹) parallelgeschaltet ist, daß der erste Verstärker (4) über einen dritten Widerstand (R3) mit Erde verbunden ist, und daß der Eingangsanschluß der Stimmgabel (3) über einen vierten Widerstand (7) mit dem Ausgang des zweiten Verstärkers (5) verbunden ist.

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