JP2007317511A - 放電灯点灯装置及び照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】高輝度放電灯の始動に関する絶縁破壊性能とアーク移行性能を最適にし、スムースな始動を実現する。
【解決手段】始動時に、ＤＣ／ＡＣインバータ５が高周波電圧を出力することで始動回路６が共振動作により高電圧を高輝度放電灯７に印加する区間Ａと、ＤＣ／ＡＣインバータ５が低周波矩形波電圧あるいは直流電圧を始動回路６を介して高輝度放電灯７に印加する区間Ｂとを交互に出力する放電灯点灯装置において、共振動作により高電圧を印加する区間Ａを初期エージングの高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る時間程度と設定し、且つ、その高電圧発生区間Ａと低周波矩形波電圧あるいは直流電圧発生区間Ｂとを交互に出力する区間Ｃを寿命末期の高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る時間程度と設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は高輝度放電灯を点灯させるための放電灯点灯装置及びこれを用いた照明器具に関するものである。

高輝度放電灯はコンパクトな形状で高光束を得ることができ、点光源に近く、配光制御が容易なため、白熱灯やハロゲンランプの代替として近年広く使用されるようになってきた。この高輝度放電灯を点灯させるために直流電圧を高周波でスイッチングし、インダクタやコンデンサを介して低周波の矩形波に変換して高輝度放電灯を動作させる放電灯点灯装置がある。高輝度放電灯を高周波電力で点灯させると、音響的共鳴現象によってアーク放電が不安定になり、ちらつきが発生したり、立ち消えを起こすことがあるが、低周波の矩形波による交流点灯ではアーク放電を安定に継続することができる。

高輝度放電灯は始動に際して数ＫＶ〜数十ＫＶの高電圧のインパルス電圧を印加することによる絶縁破壊を必要とする。また、電極間の絶縁破壊が起きてから、その後のグロー放電を経てアーク放電へと移行することが必要であり、それぞれの動作状態に応じて最適な条件でエネルギーを供給し、始動状態から安定点灯状態へとスムースに移行できるように制御する必要がある。

特開２００４−２６５７０７（特許文献１）では、図７のように、高輝度放電灯の始動時に、共振動作により高電圧を印加する区間Ａと低周波矩形波電圧を印加する区間Ｂとを交互に区間Ｃの間、繰り返すことが提案されている。共振動作により高電圧を印加する区間Ａにより電極間の絶縁破壊を確実にし、低周波矩形波電圧を印加する区間Ｂによりグロー放電からアーク放電への移行を確実にするというものである。
特開２００４−２６５７０７号公報

最近の検討によると、図７の各区間Ａ、Ｂ、Ｃを夫々最適時間に設定することが重要であることが分かってきた。つまり、共振動作により高電圧を印加する区間Ａが低周波矩形波電圧を印加する区間Ｂに対して短すぎると、グロー放電からアーク放電への移行はスムースにできるが、絶縁破壊性能が乏しくなり、逆に、共振動作により高電圧を印加する区間Ａが低周波矩形波電圧を印加する区間Ｂに対して長すぎると、絶縁破壊はできるが、グロー放電からアーク放電への移行がスムースにならないという不都合が発生することが分かった。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、始動時に共振動作により高電圧を印加する区間と低周波矩形波電圧あるいは直流電圧を印加する区間及びその繰り返し周期について定性的あるいは定量的に最適な条件を導き、定義することで、高輝度放電灯の始動に関する重要な二因子である絶縁破壊性能とアーク移行性能を最適にし、スムースな始動を実現する放電灯点灯装置及び照明器具を提供することを課題とする。

本発明にあっては、上記の課題を解決するために、図１に示すように、直流電源（平滑用コンデンサ３）の電源電圧を電圧変換し、高輝度放電灯７を安定点灯させるＤＣ／ＤＣコンバータ４と、その直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣインバータ５と、図４に示すように、少なくとも１つ以上のコンデンサ６６及びインダクタ６５からなる共振回路を具備して、ＤＣ／ＡＣインバータ５の出力を高輝度放電灯７に供給する始動回路６とを備え、高輝度放電灯７の始動時には、図７に示すように、ＤＣ／ＡＣインバータ５が高周波電圧を出力することで始動回路６が共振回路の共振動作により発生する高電圧を高輝度放電灯７に印加する区間Ａと、ＤＣ／ＡＣインバータ５が低周波矩形波電圧あるいは直流電圧を始動回路６を介して高輝度放電灯７に印加する区間Ｂとを交互に出力し、高輝度放電灯７の点灯時にはＤＣ／ＡＣインバータ５は低周波矩形波電圧を始動回路６を介して高輝度放電灯７に印加する放電灯点灯装置において、共振動作により高電圧を印加する区間Ａを初期エージングの高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る時間程度と設定し、且つ、その高電圧発生区間Ａと低周波矩形波電圧あるいは直流電圧発生区間Ｂとを交互に出力する区間Ｃを寿命末期の高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る時間程度と設定することを特徴とするものである。

本発明は、高輝度放電灯の始動過程において、共振動作により高電圧を印加する区間と低周波矩形波電圧あるいは直流電圧を印加する区間及びその繰り返し周期を、初期エージング放電灯及び寿命末期放電灯の絶縁破壊に必要な時間と関連させることで、絶縁破壊性能とアーク移行性能を最適にし、スムースな始動を実現する放電灯点灯装置を提供できる。

（実施の形態１）
図１に本発明の実施の形態１の放電灯点灯装置の回路構成を示す。商用電源電圧を供給する交流電源１から整流器２を経て整流された出力をコンデンサ３により平滑し、ＤＣ／ＤＣコンバータ４により高輝度放電灯７を安定に点灯させるために必要なランプ電流あるいはランプ電力を制御する。こうして所望の値に制御された出力はＤＣ／ＡＣインバータ５により低周波の矩形波出力へ変換され、高輝度放電灯７へ供給される。但し、この高輝度放電灯７は始動に際して数ＫＶ〜数十ＫＶの高電圧のインパルス電圧による絶縁破壊を必要とする。始動回路６から高圧パルスを発生して高輝度放電灯７を始動させる。

高輝度放電灯の始動過程では、電極間の絶縁破壊から、その後のグロー放電を経てアーク放電へと移行することが特徴であり、それぞれの動作状態に応じて最適な条件でエネルギーを供給し、始動状態から安定点灯状態へとスムースに移行できるように制御する必要がある。所謂、蛍光灯の場合は絶縁破壊も数百Ｖという比較的低い電圧で始動が可能であり、且つ、即時に定常放電状態に移行する点で高輝度放電灯とは異なる。そのため、高輝度放電灯の始動過程における制御は、蛍光灯の場合の始動過程における制御と比較して、複雑な制御となる。

図２に始動回路６の一例（比較例）を示す。この回路方式はパルストランスを用いて、その一次側に印加される電圧を数十〜数百倍にして二次側に伝達する方式で比較的細い幅の高圧パルスを高輝度放電灯７へ印加するインパルス始動回路６４である。コンデンサ６１とパルストランス６２の一次側６２ａの直列回路と、スイッチング素子６３の直列回路と、高輝度放電灯７とパルストランス６２の二次側６２ｂの直列回路が前段のＤＣ／ＡＣインバータ５の出力端に接続される構成となっている。コンデンサ６１に充電された電圧をスイッチング素子６３によりパルストランス６２の一次側６２ａを介して一気に放電し、その際に一次側６２ａに印加される電圧を二次側６２ｂに数十〜数百倍にして伝達することで数ＫＶ〜数十ＫＶの高圧パルスとして高輝度放電灯７へ印加することができる。

この場合の高圧パルス波形は図３（ａ）のようになり、比較的幅の細いパルス、即ち、パルスエネルギーとしては比較的小さいものとなる。実際はこの高圧パルスは図３（ｂ）のように、安定点灯時の低周波矩形波出力に重畳されて高輝度放電灯７に供給されることとなる。図３（ｃ）のＳ点は、高輝度放電灯７が絶縁破壊し、始動したことを示している。Ｓ点以降は高圧パルスは停止される。

図４に始動回路６の別の例（実施例）を示す。この回路方式はインダクタとコンデンサの共振回路で構成されており、前段のＤＣ／ＡＣインバータ５により上記共振回路の共振周波数近傍の高周波電圧を発生させる方式で、比較的太い幅の高圧パルスを高輝度放電灯７へ印加する共振昇圧始動回路６７である。インダクタ６５とコンデンサ６６の直列回路が前段のＤＣ／ＡＣインバータ５の出力端に接続され、コンデンサ６６に並列に高輝度放電灯７が接続される構成となっている。

ＤＣ／ＡＣインバータ５がインダクタ６５とコンデンサ６６で構成される共振回路の共振周波数近傍の高周波電圧を発生させることにより、インダクタ６５あるいはコンデンサ６６の両端に共振昇圧電圧を誘起することで数ＫＶ〜数十ＫＶの高圧パルスとして高輝度放電灯７へ印加することができる。この場合の高圧パルス波形は図５（ａ）のようになり、数本のパルスがまとまって出力されることとなり、高輝度放電灯７の始動条件上は、比較的幅の太いパルス、即ち、パルスエネルギーとしては比較的大きいものとなる。なお、インダクタ６５を前述のパルストランス６２のような昇圧トランス構造とし、一次側の数倍の電圧として高輝度放電灯７へ印加することもある。

図５（ａ）の高圧パルス波形は、ＤＣ／ＡＣインバータ５の動作周波数がインダクタ６５、コンデンサ６６の共振周波数近傍で固定されている波形例であるが、実際にはインダクタ６５、コンデンサ６６の共振周波数のばらつきを吸収する等の目的でＤＣ／ＡＣインバータ５の動作周波数が共振周波数近傍でスイープされることもあり、そのときの高圧パルス波形は図５（ｂ）のようになる。

実際は、この高圧パルスは図６（ａ）のように、共振昇圧電圧による高圧パルス発生区間と安定時の低周波矩形波出力区間に分かれており、通常、点灯判別時点（図中のＳ点）で高輝度放電灯７の点灯状態を判別し、不点灯の場合はそれ以降の出力を停止する。これは先に述べたように高圧パルスのエネルギーが大きく、常時出力することは安全上、部品の耐久性上、好ましくないためである。また、高圧パルス発生区間はその性質上、どのような種別の高輝度放電灯７であっても点灯できるように、比較的長い期間となるように選定されている。図６（ｂ）のＳ点までに高輝度放電灯７が絶縁破壊し、始動・点灯している場合、低周波矩形波出力区間として安定点灯まで動作が継続される。この時、先の例と同様に高圧パルスは停止されている。

ここで最近の検討により、図２のインパルス始動回路６４、図４の共振昇圧始動回路６７について、夫々にメリット、デメリットがあることが分かってきた。

先に述べたように、高輝度放電灯７の絶縁破壊に際しては、インパルス始動回路６４はその高圧パルスエネルギーが小さいために、高輝度放電灯７に十分な絶縁破壊エネルギーを与えられないことがある。一方、共振昇圧始動回路６７は高圧パルスエネルギーが大きいため、高輝度放電灯７の絶縁破壊を確実にできる。

もう一つの始動条件である高輝度放電灯７のアーク放電移行については、低周波の電力供給がそのスムースな安定点灯移行に有効であることが分かっている。インパルス始動回路６４は常に低周波矩形波が高輝度放電灯７に供給されることになるので、アーク放電移行がスムースである。一方、共振昇圧始動回路６７は高周波動作により高圧パルスを発生させていることから、少なくとも高圧パルス発生区間は低周波矩形波を高輝度放電灯７に供給できないため、アーク放電移行がスムースにならないことが確認されている。

即ち、インパルス始動回路６４は絶縁破壊には不利、アーク放電移行には有利であり、共振昇圧始動回路６７は絶縁破壊には有利、アーク放電移行には不利であり、互いに一長一短である。

この双方の優位点を併せ持つ優れた始動方式として、特開２００４−２６５７０７（特許文献１）が提案されている。ここでは、図７のように共振昇圧始動回路６７の区間Ａと低周波矩形波の区間Ｂを交互に区間Ｃの間、繰り返すことで、その双方の始動に対する優位点を結び付けている。即ち、共振昇圧始動回路６７の区間Ａにより絶縁破壊性能を確実に確保し、アーク放電への移行性能は低周波矩形波の区間Ｂにより確保するというものである。ＤＣ／ＡＣインバータ５の動作周波数は、区間Ａでは十ＫＨｚ以上（数十ＫＨｚ〜数百ＫＨｚ）の高周波、区間Ｂでは１ＫＨｚ未満（百Ｈｚ〜数百Ｈｚ）の低周波もしくは直流とされている。

ところで、最近の検討によると、特開２００４−２６５７０７の各区間Ａ、Ｂ、Ｃを夫々最適時間に設定することが重要であり、それが最適でないと先のインパルス始動回路６４、共振昇圧始動回路６７のデメリットの要因が大きく表面化することが分かった。つまり、共振昇圧始動回路６７の区間Ａが短すぎると先のインパルス始動回路６４のデメリットが表面化し、アーク放電への移行はスムースにできるが、絶縁破壊性能が乏しくなり、逆に、共振昇圧始動回路６７の区間Ａが長すぎると、先の共振昇圧始動回路６７のデメリットが表面化し、絶縁破壊はできるが、アーク放電への移行がスムースにならないということが発生する。

加えて、特に高輝度放電灯７は図８のように、商品出荷時の初期エージング（例えば０〜１００時間）の放電灯は比較的始動しやすいが、寿命末期（例えば１０，０００時間）に近づくにつれ、その放電灯の電極スパッタ等々が原因で放電灯は徐々に始動し難くなっていくことも分かっている。

つまり、初期エージング放電灯の絶縁破壊に要する時間を区間Ａと設定すると、寿命末期放電灯では絶縁破壊性能が十分でなく、一方、寿命末期放電灯の絶縁破壊に要する時間を区間Ａと設定すると、初期エージング放電灯においてはアーク放電への移行性能が不足するという二律背反が発生する。その点も踏まえて、本点灯回路が実市場で組み合わされる可能性のある全ての高輝度放電灯に対して絶縁破壊性能とアーク移行性能を総合的に満足させ、確実な始動性能を確保することは非常に重要である。

本発明による区間Ａと区間Ｃの設定について、図９を用いて説明する。図９に示すように、一般的な初期エージング高輝度放電灯についての絶縁破壊必要時間ＡＡと寿命末期高輝度放電灯についての絶縁破壊必要時間ＣＣが明らかになっている。よって、図７の共振動作により高電圧を印加する区間Ａを、一般的な初期エージング高輝度放電灯についての絶縁破壊必要時間ＡＡ程度と設定し、且つ、図７の高電圧発生区間と低周波矩形波電圧あるいは直流電圧発生区間とを交互に出力する区間Ｃを、寿命末期高輝度放電灯についての絶縁破壊必要時間ＣＣ程度と設定する。なお、「〜程度と設定」とは、例えば「区間Ａが時間ＡＡと同じ、区間Ｃが時間ＣＣ以上」でも良いし、「区間Ａが時間ＡＡ以上、区間Ｃが時間ＣＣと同じ」であっても良いし、「区間Ａが時間ＡＡ以上、区間Ｃが時間ＣＣ以上」であっても良い。

低周波矩形波または直流出力の区間Ｂについては、通常点灯時の低周波矩形波に相当する周期、あるいはそれよりも長い周期として設定される。

これらの時間の設定は、ＤＣ／ＡＣインバータ５の制御回路８により夫々の時間においてＤＣ／ＡＣインバータ５の極性反転動作を制御することで実現される。Ａの区間においてはＤＣ／ＡＣインバータ５を始動回路６の共振周波数近傍の高周波（数十ＫＨｚ〜数百ＫＨｚ）で動作させることにより共振昇圧高電圧を出力し、Ｂの区間においてはＤＣ／ＡＣインバータ５を、低周波（百Ｈｚ〜数百Ｈｚ）で動作あるいは直流動作させることにより低周波矩形波電圧あるいは直流電圧として出力することができ、それらを交互に繰り返すことで区間Ｃを構成する。

通常、制御回路８は８ビットマイコン等で構成され、区間Ａ、Ｂ、Ｃの動作周波数や区間Ａ、Ｂ、Ｃの持続時間はマイコンプログラムにより任意に設定することができる。

尚、ＤＣ／ＡＣインバータ５の動作は先の従来例でも記載したとおり、共振周波数近傍での周波数固定動作のみならず、周波数スイープ動作するものとして構成することも出来る。

本実施の形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ４が降圧チョッパ回路で構成されているが、特開２００４−２６５７０７号公報にも記載のように、昇圧チョッパ回路、あるいはフライバック型の昇降圧コンバータ回路で構成することもできる。また、本構成ではＤＣ／ＤＣコンバータ４とＤＣ／ＡＣインバータ５が独立した構成となっているが、特開２００４−２６５７０７号公報にも記載のように、両者を兼用したフルブリッジ回路あるいはハーフブリッジ回路で構成することもできる。例えば、低周波矩形波電圧の出力時には、フルブリッジ回路の低電位側の一対のスイッチング素子を低周波で交互にＯＮ／ＯＦＦし、ＯＮ状態のスイッチング素子と対角方向に位置する高電位側のスイッチング素子を高周波でＯＮ／ＯＦＦさせることにより、ＤＣ／ＤＣコンバータとＤＣ／ＡＣインバータの機能を１つのフルブリッジ回路で兼用することができる。

（実施の形態２）
実施の形態１の説明に加えて、図１０を用いて実施の形態２を説明する。実施の形態１において、図７の区間Ａを長く設定しすぎると、先の始動回路６７で見られたアーク放電への移行がスムースでないというデメリットが顕在化してくるので、その値には十分留意が必要である。ここでアーク放電への移行がスムースでなくなる時間をＤとすると、区間Ａは実施の形態１の条件に加えて、アーク放電への移行がスムースでなくなる時間Ｄ以下である必要がある。そこで、本実施の形態では、図７の高周波動作区間Ａを、一般的な初期エージング高輝度放電灯についての絶縁破壊必要時間ＡＡ以上で、且つ、アーク放電への移行がスムースでなくなる時間Ｄ以下と設定する。Ｂの区間については、通常点灯時の低周波矩形波に相当する周期、あるいはそれよりも低い周期として設定される。これらの時間の設定は実施の形態１と同様に制御回路８のマイコンにより制御される。

（実施の形態３）
実施の形態１の説明に加えて、図１１を用いて実施の形態３を説明する。上述の図８は現時点で商品化されている放電灯を対象としたサンプリングであり、昨今のように小型化、高効率化等の特徴を持つ新規放電灯が次々市場にリリースされる現状を鑑みると、設計時以後にその絶縁破壊に要する時間が長くなることも十分に考慮しておく必要がある。すなわち、図１１に示すように、設計時に検証できる高輝度放電灯サンプルよりも絶縁破壊が困難な放電灯が市場に流出するリスクを鑑み、若干その時間を長めに設計しておくことが必要とされる。

但し、図７の区間Ａを長く設定しすぎると先の始動回路６７で見られたアーク放電への移行がスムースでないというデメリットが顕在化してくるので、その値には十分留意が必要である。検討の結果、区間Ａは１０ｍ秒以上長くなると放電灯のアーク放電への移行がスムースでなくなる。

一方、図７の区間Ｃは寿命末期の放電灯を対象とした絶縁破壊時間の設定という意味で、予測されるその時間のばらつきは非常に大きなものとなる。一方、一般的には１秒以上の区間において区間Ａを伴う区間Ｃのような高電圧波形が発生することは、本点灯回路に用いられている電子部品の信頼性上、あるいは使用者の安全上、好ましいことではない。

よって、図７の区間Ａを１ｍ秒〜１０ｍ秒と設定し、且つ、図７の区間Ｃを１０ｍ秒〜１秒と設定する。Ｂの区間については通常点灯時の低周波矩形波に相当する周期、あるいはそれよりも長い周期として設定される。これらの時間の設定は実施の形態１と同様に制御回路８のマイコンにより制御される。

（実施の形態４）
図１２を用いて実施の形態４を説明する。図１２において、高輝度放電灯７の累積点灯時間を判別する手段として、放電灯の管電圧検出回路９を設け、管電圧が高くなると累積点灯時間が長くなっていると判別することができる。これは放電灯がその寿命につれ、その管電圧が高くなる性質を利用している。管電圧検出回路９により判定された管電圧を制御回路８に伝達し、不揮発性のメモリにその情報を蓄積しておくことで、次回の始動時において、区間Ｃを放電灯寿命、即ち累積点灯時間が長くなるにつれて長く設定することができる。

その他、単純に制御回路８に不揮発性のタイマ機能（電源がＯＦＦされてもタイマカウント値が保持される機能）を持たせ、このタイマにより放電灯の点灯時間をカウントすると共に、放電灯の交換時にはタイマをリセットすることにより、放電灯の累積点灯時間を判別するように構成しても良い。

（実施の形態５）
実施の形態１〜４の放電灯点灯装置は、高輝度放電灯を装着した照明器具に内蔵され、もしくは灯具とは別設の外付け安定器として使用することができる。また、このような照明器具を人感センサや明るさセンサと組み合わせてセンサ出力に応じて光出力が制御される照明システムを構成しても良い。また、タイマと組み合わせて時間帯に応じて光出力が制御される照明システムを構成しても良い。さらに、高輝度放電灯を光源とする投射型の画像表示装置や車両用の前照灯点灯装置に利用しても良く、放電灯の始動がスムースであることにより光出力の立ち上がりが早くなる利点がある。

本発明の実施の形態１の回路図である。 従来のインパルス始動回路の回路図である。 図２の始動回路の動作波形図である。 本発明に用いる共振昇圧始動回路の回路図である。 図４の始動回路の動作波形図である。 図４の始動回路の動作波形図である。 本発明の実施の形態１の動作波形図である。 本発明の実施の形態１の説明図である。 本発明の実施の形態１の説明図である。 本発明の実施の形態２の説明図である。 本発明の実施の形態３の説明図である。 本発明の実施の形態４の回路図である。

符号の説明

３ 平滑用コンデンサ
４ ＤＣ／ＤＣコンバータ
５ ＤＣ／ＡＣインバータ
６ 始動回路
７ 高輝度放電灯
８ 制御回路

Claims (5)

1. 直流電源の電源電圧を電圧変換し、高輝度放電灯を安定点灯させるＤＣ／ＤＣコンバータと、その直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣインバータと、少なくとも１つ以上のコンデンサ及びインダクタからなる共振回路を具備して、ＤＣ／ＡＣインバータの出力を高輝度放電灯に供給する始動回路とを備え、高輝度放電灯の始動時には、ＤＣ／ＡＣインバータが高周波電圧を出力することで始動回路が共振回路の共振動作により発生する高電圧を高輝度放電灯に印加する区間と、ＤＣ／ＡＣインバータが低周波矩形波電圧あるいは直流電圧を始動回路を介して高輝度放電灯に印加する区間とを交互に出力し、高輝度放電灯の点灯時にはＤＣ／ＡＣインバータは低周波矩形波電圧を始動回路を介して高輝度放電灯に印加する放電灯点灯装置において、共振動作により高電圧を印加する区間を初期エージングの高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る時間程度と設定し、且つ、その高電圧発生区間と低周波矩形波電圧あるいは直流電圧発生区間とを交互に出力する区間を寿命末期の高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る時間程度と設定することを特徴とする放電灯点灯装置。
2. 請求項１において、共振動作により高電圧を印加する区間を初期エージングの高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る時間以上、且つ、高周波点灯によりアーク放電移行が妨げられない時間以下と設定することを特徴とする放電灯点灯装置。
3. 請求項１または２において、初期エージングの高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る時間を１ｍ秒以上１０ｍ秒以下とし、寿命末期の高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る時間を１０ｍ秒以上１秒以下とすることを特徴とする放電灯点灯装置。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、高輝度放電灯の累積点灯時間を判別する手段を備え、累積点灯時間の増加につれて高電圧発生区間と低周波矩形波電圧あるいは直流電圧発生区間とを交互に出力する区間を増加させることを特徴とする放電灯点灯装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の放電灯点灯装置を具備する照明器具。

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