DE4233393A1 - Analogue displacement or angle encoder with leaf springs - is based on two diaphragms divided by concentric sectoral slits into leaves bridged by strain-gauge strips. - Google Patents

Analogue displacement or angle encoder with leaf springs - is based on two diaphragms divided by concentric sectoral slits into leaves bridged by strain-gauge strips.

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DE4233393A1 DE19924233393 DE4233393A DE4233393A1 DE 4233393 A1 DE4233393 A1 DE 4233393A1 DE 19924233393 DE19924233393 DE 19924233393 DE 4233393 A DE4233393 A DE 4233393A DE 4233393 A1 DE4233393 A1 DE 4233393A1
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Abstract

In the encoder, two diaphragm springs (1a,1b) are fixed at their outer edges to the wall (25) of their housing, and at their inner edges to a travelling nut (26) which runs along the external thread of a shaft (27) whose angle of rotation is to be measured. Each spring is divided into a number of leaves by slits following sectors of concentric circles. The slits run in opposite directions along alternate lines and are spanned by strain gauges (22). A null sensor (28) on the wall co-operates with a permanent magnet (29) cantilevered (30) near the end of the shaft. USE/ADVANTAGE - Esp. for large angles exceeding 360 deg. . Device is less sensitive to disturbance.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Eine solche Einrichtung ist bekannt aus DD 01 51 999. Dort ist eine flache Spiralfeder oder eine Schraubenfeder beschrieben, die mit Dehnungsmeßstreifen beklebt ist.The invention relates to a device according to the preamble of claim 1. Such a device is known from DD 01 51 999. There is a flat spiral spring or one Coil spring described with strain gauges is pasted.

Wollte man die bekannte Einrichtung für die Messung großer Winkel (über 360°) bemessen, so wäre eine Feder mit vielen Windungen zu verwenden. Das wäre nicht unproblematisch, weil eine solche Feder im Betrieb durchhängen kann oder zu Schwingungen neigt, wodurch Meßfehler entstehen.You wanted the well-known device for measuring large Angle (over 360 °) would be a spring with many To use turns. That would not be unproblematic because such a spring can sag during operation or too Vibration tends to result in measurement errors.

Dementsprechend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur analogen Weg- oder Winkel-Kodierung anzugeben, die weniger störanfällig ist und - soweit die Winkel-Kodierung betroffen ist - auch für große Winkelbereiche geeignet ist.Accordingly, it is an object of the invention to provide a device for analog path or angle coding, the less is susceptible to interference and - as far as the angle coding is concerned is - also suitable for large angular ranges.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Federmembran, die nicht notwendigerweise rund sein muß, sondern z. B. achteckig sein kann, kann als billiges Stanzteil hergestellt werden. Dieses kann kostengünstig mit einem oder mehreren Meßgebern, z. B. Dehnungsmeßstreifen, kostengünstig dickschichtbedruckt werden. Die zwischen den insbesondere parallel zueinander verlaufenden Schlitzen in der Federmembran befindlichen Blattfedern sind mechanisch neben- und/oder hintereinandergeschaltet. Entsprechend dieser Hintereinanderschaltung lassen sich auch die auf den Blattfedern vorgesehenen Meßgeber elektrisch hintereinander bzw. parallel schalten oder läßt sich ein langgestreckter Meßgeber (z. B. Dehnungsmeßstreifen) über viele der Blattfedern (die mechanisch hinter- oder parallelgeschaltet sind) führen, so daß sich die Meßwerte der einzelnen Dehnungen der Blattfedern elektrisch addieren.This task is solved by the establishment with the Features of claim 1. The spring membrane, which is not must necessarily be round, but z. B. be octagonal can be manufactured as a cheap stamped part. This can be inexpensive with one or more sensors, e.g. B. Strain gauges can be printed thick-film inexpensively. Those between those that run parallel to one another in particular Slits in the spring diaphragm are leaf springs mechanically connected in series and / or in series. According to this series connection can also be the transducers provided on the leaf springs are electrical  connect in series or in parallel or can be elongated sensors (e.g. strain gauges) over many the leaf springs (which mechanically back or are connected in parallel) so that the measured values of the electrically add individual strains of the leaf springs.

Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.Preferred embodiments are in the subclaims specified.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele beschrieben und die Erfindung wird näher erläutert.Exemplary embodiments are described with the aid of the drawings and the invention is explained in more detail.

Fig. 1 zeigt eine Federmembran, Fig. 1 shows a spring diaphragm,

Fig. 2 zeigt eine Einrichtung zur analogen Winkel-Kodierung, Fig. 2 shows a device for the analog angle-coding,

Fig. 3 gibt eine solche Einrichtung für einen größeren Winkelbereich wieder, Fig. 3 shows such a device for a larger angular range again,

Fig. 4 stellt eine andere Federmembran dar als Fig. 1. FIG. 4 shows a different spring membrane than FIG. 1.

In Fig. 1 weist eine Federmembran 1 aus gestanztem Blech Schlitze 2 bis 21 auf. Jeweils vier Schlitze liegen auf einer kreisförmigen Linie. Auf den insgesamt fünf konzentrischen Kreisen, auf denen jeweils vier Schlitze liegen, sind die Schlitze in Richtung der Kreislinienzüge gegeneinander versetzt.In Fig. 1, a spring membrane 1 made of stamped sheet metal has slots 2 to 21 . Four slots each lie on a circular line. On the total of five concentric circles, on each of which there are four slots, the slots are offset from one another in the direction of the circular lines.

Zwischen den Schlitzen von einander benachbarten Kreisen sind durch die Schlitzung Blattfedern, z. B. B, entstanden, die sich biegen, wenn der äußere Membranrand gegenüber dem inneren ich Achsrichtung verschoben wird.There are circles between the slots of adjacent circles by slitting leaf springs, e.g. B. B, which emerged bend when the outer membrane edge opposite the inner i Axis direction is shifted.

Über alle Blattfedern führt ein Dehnungsmeßstreifen 22, der elektrische Anschlüsse 23 und 24 aufweist.A strain gauge 22 , which has electrical connections 23 and 24 , extends over all leaf springs.

In Fig. 2 sind zwei solche Federmembranen nach Fig. 1, nämlich die Federmembranen 1a und 1b außen an einer Gehäusewand 25 und innen an einer Wandermutter 26 befestigt. Die Wandermutter läuft auf dem Außengewinde einer Welle 27, deren Winkelstellung mit Hilfe der Einrichtung nach Fig. 2 kodiert werden soll. Dazu werden die elektrischen Signale an den Klemmen 23a, 24a und 23b, 24b der Dehnungsmeßstreifen der Federmembranen 1a und 1b abgegriffen. Eine Schraubenfeder 27 drückt gegen die Wandermutter 26, um Hysterese zu vermeiden.In Fig. 2, two such spring membranes according to Fig. 1, namely the spring membranes 1 a and 1 b are attached to the outside of a housing wall 25 and the inside of a traveling nut 26 . The traveling nut runs on the external thread of a shaft 27 , the angular position of which is to be coded with the aid of the device according to FIG. 2. For this purpose, the electrical signals at the terminals 23 a, 24 a and 23 b, 24 b of the strain gauges of the spring membranes 1 a and 1 b are tapped. A coil spring 27 presses against the traveling nut 26 to avoid hysteresis.

Die Dehnungsmeßstreifen 22a und 22b befinden sich auf der Oberseite der Federmembran 1a bzw. auf der Unterseite der Federmembran 1b. Wenn die Wandermutter 26 z. B. nach oben wandert, so stellt der Dehnungsmeßstreifen 22a eine Entspannung und dem Dehnungsmeßstreifen 22b eine Zunahme der Dehnung fest. Werden die zugehörigen Meßwerte an den Klemmen 23a, 24a bzw. 23b, 24b, also die Widerstandswerte der Dehnungsmeßstreifen 22a und 22b voneinander subtrahiert, findet also ein Betrieb im Gegentakt statt, so werden Nichtlinearitäten im Widerstandsverlauf in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Welle 27 weitgehend eliminiert, d. h. die Differenz der Widerstandswerte ist weitgehend dem Drehwinkel proportional.The strain gauges 22 a and 22 b are located on the top of the spring membrane 1 a and on the underside of the spring membrane 1 b. If the traveling nut 26 z. B. moves upward, the strain gauge 22 a detects relaxation and the strain gauge 22 b an increase in elongation. If the associated measured values at terminals 23 a, 24 a and 23 b, 24 b, i.e. the resistance values of the strain gauges 22 a and 22 b, are subtracted from one another, operation in push-pull mode takes place, so non-linearities in the resistance curve become dependent on the angle of rotation the shaft 27 largely eliminated, ie the difference in resistance values is largely proportional to the angle of rotation.

In bekannter Weise ist an der Gehäusewand 25 noch ein sogenannter Nullsensor 28 vorgesehen, der mit einem Permanentmagneten 29 an einem Arm 30 der Welle 27 zusammenwirkt und bei jeder Umdrehung der Welle 27 deren Nullstellung feststellt.In a known manner, a so-called zero sensor 28 is also provided on the housing wall 25 , which cooperates with a permanent magnet 29 on an arm 30 of the shaft 27 and detects the zero position with each revolution of the shaft 27 .

In Fig. 3 ist eine Weiterbildung von Fig. 2 für sehr große Winkelbereiche angedeutet. Hier sind anstelle der Federmembranen 1a und 1b in Fig. 2 jeweils mehrere Federmembranen 31 bis 35 und 36 bis 40 mechanisch hintereinandergeschaltet. Die Widerstände der zugehörigen Dehnungsmeßstreifen sind zu Gesamtwiderständen R1 und R2 zusammengefaßt. Durch die Hintereinanderschaltung mehrerer Federmembranen zu einer balgartigen Anordnung kann sich die Wandermutter 26 in einem größeren Bereich auf und ab bewegen, ohne eine allzugroße Deformierung einer einzelnen Federmembran zu erzeugen. Eine allzugroße Deformierung würde nämlich dazu führen, daß der lineare Bereich zwischen dem Widerstandsverlauf des zugehörigen Dehnungsmeßstreifens und der Winkelstellung der Welle 27 verlassen würde.A development of FIG. 2 for very large angular ranges is indicated in FIG. 3. Here, instead of the spring diaphragms 1 a and 1 b in FIG. 2, several spring diaphragms 31 to 35 and 36 to 40 are mechanically connected in series. The resistances of the associated strain gauges are combined to form total resistances R1 and R2. By connecting a plurality of spring membranes in series to form a bellows-like arrangement, the traveling nut 26 can move up and down in a larger area without producing an excessive deformation of an individual spring membrane. An excessively large deformation would lead to the fact that the linear region between the resistance curve of the associated strain gauge and the angular position of the shaft 27 would be left.

Anstelle des in den Fig. 2 und 3 verwendeten Schneckengetriebes mit Wandermutter wäre es auch möglich, andere Mittel zur Umsetzung einer Drehbewegung in eine transiatorische Bewegung vorzusehen, z. B. eine Winde mit Seil, das von der Winde aufgewickelt wird und in der Mitte der Federmembran nach Fig. 1 angreift, um diese kegelförmig zu verformen.Instead of the worm gear with traveling nut used in FIGS . 2 and 3, it would also be possible to provide other means for converting a rotary movement into a transitional movement, for. B. a winch with rope, which is wound up by the winch and attacks in the middle of the spring membrane according to FIG. 1 to deform it conically.

Jedoch zeichnen sich die Einrichtungen nach diesen Fig. 2 und 3 durch die Möglichkeit einer einfachen Montage aus. Die Verwendung eines Kunststoffgehäuses ist möglich, da (anders als z. B. bei induktiven Anordnungen) keine Abschirmprobleme auftreten. Die schematisch dargestellten Einrichtungen sind außerdem unempfindlich gegen Schmutz und Feuchtigkeit.However, the devices according to these FIGS. 2 and 3 are characterized by the possibility of simple assembly. The use of a plastic housing is possible because (unlike e.g. with inductive arrangements) there are no shielding problems. The schematically shown devices are also insensitive to dirt and moisture.

Mit Fig. 4 soll noch auf eine Möglichkeit hingewiesen werden, die Empfindlichkeit der Membran nach Fig. 1 zu steigern, d. h. die Steilheit des Widerstandsverlaufes des Dehnungsmeßstreifens auf der Federmembran in Abhängigkeit von der Verformung der Federmembran (oder in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Einrichtung nach Fig. 2) zu erhöhen. Wenn die Federmembran nach Fig. 1 aus ihrer entspannten (insbesondere flachen) Lage zu einer kegelähnlichen Form verformt wird, so werden die Blattfedern B (Fig. 1), die im entspannten Zustand flach sind, S-förmig verformt. Der auf einer Seite angebrachte Dehnungsmeßstreifen 22 wird entsprechend seinem S-förmigen oder wellenförmigen Verlauf teils gestaucht und teils gedehnt. In Summe wird der Dehnungsmeßstreifen 22 dann, wenn die Membran von ihrer flachen Gestalt in eine kegelförmige überführt wird, mehr gedehnt als gestaucht, aber die Steilheit des Widerstandsverlaufes ist eingeschränkt, weil ein Teil der Dehnungen des Dehnungsmeßstreifens durch Stauchungen kompensiert wird. Weiterhin wird die Steilheit durch den Gegentaktbetrieb nach Fig. 2 reduziert, wo die Federmembranen 1a und 1b in der dargestellten Nullage bereits vorverformt sind. Bewegt sich die Wandermutter z. B. nach oben, so wird der obere Oberflächenteil der Federmembran 1a schrumpfen, die Dehnung des Dehnungsmeßstreitens 22a also abnehmen, während der untere Oberflächenteil der Federmembran 1b sich ausdehnt, der Dehnungsmeßstreifen 22b also gedehnt wird. Durch die Subtraktion der Widerstandswerte der beiden Dehnungsmeßstreifen ergibt sich eine Reduktion der Gesamtsteilheit, wenn dadurch auch eine Linearisierung erzielt wird. Fig. 4 is also intended to indicate a possibility of increasing the sensitivity of the membrane according to Fig. 1, i.e. the steepness of the resistance curve of the strain gauge on the spring membrane depending on the deformation of the spring membrane (or depending on the angle of rotation of the device according to Fig . 2) increase. If the spring membrane according to FIG. 1 is deformed from its relaxed (in particular flat) position to a cone-like shape, the leaf springs B ( FIG. 1), which are flat in the relaxed state, are deformed in an S-shape. The strain gauge 22 attached to one side is partly compressed and partly stretched in accordance with its S-shaped or undulating course. In total, the strain gauge 22 is stretched more than compressed when the membrane is converted from its flat shape to a conical one, but the steepness of the resistance curve is limited because part of the strain of the strain gauge is compensated for by compression. Furthermore, the steepness is reduced by the push-pull operation according to FIG. 2, where the spring membranes 1 a and 1 b are already pre-deformed in the zero position shown. If the traveling mother moves z. B. upwards, the upper surface part of the spring membrane 1 a will shrink, so the elongation of the strain gauge 22 a decrease, while the lower surface part of the spring membrane 1 b expands, the strain gauge 22 b is thus stretched. The subtraction of the resistance values of the two strain gauges results in a reduction in the overall steepness, even if linearization is thereby achieved.

In Fig. 4 ist eine Möglichkeit angedeutet, wie die Steilheit vergrößert werden kann. Der Dehnungsmeßstreifen 22c ist stückweise durch starke Linien und stückweise durch unterbrochene Linien dargestellt. Nimmt man z. B. an, daß der Innenrand der dargestellten Federmembran in der Zeichnungsebene bleibt und der Außenrand angehoben wird, so kann man sich vorstellen, daß die durch Schraffur hervorgehobene Blattfeder B im Bereich A konvex und im Bereich C konkav verformt wird. Entsprechend wird der Dehnungsmeßstreifen im Bereich A gedehnt. Damit er im Bereich c nicht gestaucht wird, ist er im Punkt D durch die Membran hindurch auf deren Rückseite geführt, verläuft also im Bereich C (und weiter bis zur nächsten Durchführung D′ in der Blattfeder B′) auf der Rückseite der Federmembran. Hier wird der Dehnungsmeßstreifen nun auch gedehnt, so daß schließlich der gesamte Dehnungsmeßstreifen 22c eine Dehnung erfährt.In FIG. 4 a possibility is indicated how the steepness can be increased. The strain gauge 22 c is shown piece by piece by strong lines and piece by broken lines. If you take z. B. that the inner edge of the spring membrane shown remains in the plane of the drawing and the outer edge is raised, it can be imagined that the leaf spring B highlighted by hatching is deformed convexly in area A and concave in area C. Accordingly, the strain gauge is stretched in area A. So that it is not compressed in area c, it is guided at point D through the membrane on its back, so it runs in area C (and further until the next passage D 'in the leaf spring B') on the back of the spring membrane. Here the strain gauge is now also stretched, so that finally the entire strain gauge 22 c is stretched.

Eine andere Möglichkeit der Verbesserung der Steilheit des Widerstandsverlaufes in Abhängigkeit von der Verformung der Federmembran besteht darin, keine Durchführungen D, D′ vorzusehen, sondern den Dehnungsmeßstreifen im Bereich A breiter und/oder dicker auszuführen als im Bereich C. Der Widerstandswert im Bereich einer Blattfeder B setzt sich dann aus dem höheren Widerstand im Bereich C und dem niedrigeren Widerstand im Bereich A zusammen. In Summe wirkt sich eine prozentuale Widerstandsänderung im Bereich C mehr aus als im Bereich A, so daß die Steilheit der gesamten Widerstandskurve größer ist, als wenn der Dehnungsmeßstreifen 22c über seine ganze Länge konstanten Querschnitt hätte. Wird der Dehnungsmeßstreifen auf gedruckt, so läßt sich zumindest eine Breitenvariation sehr leicht realisieren.Another possibility of improving the slope of the resistance curve depending on the deformation of the spring membrane is not to provide bushings D, D ', but to make the strain gauge wider and / or thicker in area A than in area C. The resistance value in the area of a leaf spring B then consists of the higher resistance in area C and the lower resistance in area A. In total, a percentage change in resistance in region C has a greater effect than in region A, so that the steepness of the entire resistance curve is greater than if the strain gauge 22 c had a constant cross section over its entire length. If the strain gauge is printed on, at least one variation in width can be realized very easily.

Claims (14)

1. Einrichtung zur analogen Weg- oder Winkel-Kodierung mit einer Feder, die weg- bzw. winkelabhängig spannbar und entspannbar ist und die mit wenigstens einem auf Torsionen, Biegungen oder Dehnungen reagierenden Meßgeber versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder Teil eines Systems von Blattfedern (B) ist, das aus einer Federmembran (1) besteht, die durch Schlitze (2-21) in die Blattfedern (B) aufgeteilt ist, die mechanisch hinter- und/oder nebeneinandergeschaltet und mit dem Meßgeber (22) versehen sind.1. Device for analog path or angle coding with a spring that can be tensioned and relaxed depending on the path or angle and that is provided with at least one sensor that reacts to torsion, bending or expansion, characterized in that the spring is part of a system of leaf springs (B), which consists of a spring membrane ( 1 ) which is divided by slots ( 2-21 ) in the leaf springs (B), which are mechanically connected in series and / or next to each other and provided with the measuring sensor ( 22 ) . 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mehrere Schlitze (2, 4, 6, 8) in einer Linie liegen und die Schlitze einer Linie gegenüber den Schlitzen (3, 5, 7, 9) einer benachbarten Linie in deren Richtung versetzt sind.2. Device according to claim 1, characterized in that in each case a plurality of slots ( 2 , 4 , 6 , 8 ) lie in a line and the slots of a line opposite the slots ( 3 , 5 , 7 , 9 ) of an adjacent line in their direction are offset. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Linien Kreise sind.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the lines are circles. 4. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßgeber (22) streifenförmig ist und sich über mehrere Blattfedern (B, B′) erstreckt.4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor ( 22 ) is strip-shaped and extends over a plurality of leaf springs (B, B '). 5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßgeber ein Dehnungsmeßstreifen (22) ist.5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor is a strain gauge ( 22 ). 6. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßgeber (22) in einem vorgegebenen Zustand des Systems vorwiegend auf den gedehnten oder vorwiegend auf den gestauchten Seiten der Blattfedern (B, B′) verläuft. 6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor ( 22 ) in a predetermined state of the system predominantly on the stretched or predominantly on the compressed sides of the leaf springs (B, B '). 7. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßgeber dort besonders empfindlich ausgebildet ist, wo er in einem vorgegebenen Zustand des Systems entweder auf den gedehnten (A) oder auf den gestauchten (C) Seiten der Blattfedern (B) verläuft.7. Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the sensor there is particularly sensitive is formed where it is in a predetermined state of the system either on the stretched (A) or on the compressed (C) sides the leaf springs (B) run. 8. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßgeber (22) aufgedruckt ist.8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor ( 22 ) is printed. 9. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei sich gegensinnig durchbiegende Federmembranen (1a, 1b) vorgesehen sind, deren Meßgeber (22a, 22b) in einer Gegentaktschaltung angeordnet sind.9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that two oppositely bending spring membranes ( 1 a, 1 b) are provided, the sensors ( 22 a, 22 b) are arranged in a push-pull circuit. 10. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Federmembranen (31 bis 40) nach Art von wechselweise gegensinnig aufgetürmten Tellerfedern vorgesehen sind.10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of spring membranes ( 31 to 40 ) are provided in the manner of alternately piled disc springs. 11. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Winkelkodierung, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die zur Umsetzung einer Drehung oder Schwenkung um den zu kodierenden Winkel in eine transiatorische Verlagerung eines Körpers (26) dienen und welche die Federmembran (1a, 1b) elastisch zu verformen imstande sind.11. Device according to one of the preceding claims for angular coding, characterized in that means are provided which are used to implement a rotation or pivoting about the angle to be coded in a transitory displacement of a body ( 26 ) and which the spring membrane ( 1 a, 1st b) are capable of elastic deformation. 12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel als Schneckengetriebe ausgestattet sind.12. The device according to claim 11, characterized in that the Means are equipped as worm gear. 13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandermutter (26) des Schneckengetriebes durch eine Feder (27a) in Achsrichtung vorgespannt ist. 13. The device according to claim 12, characterized in that the traveling nut ( 26 ) of the worm gear is biased in the axial direction by a spring ( 27 a). 14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Nullpunktsensor (28) vorgesehen ist.14. Device according to one of claims 11 to 13, characterized in that a zero point sensor ( 28 ) is provided.
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