JP2011115035A - モータ制御回路および制御方法ならびにそれらを用いた撮像機能付き電子機器 - Google Patents

モータ制御回路および制御方法ならびにそれらを用いた撮像機能付き電子機器 Download PDF

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    • G03B2205/0007Movement of one or more optical elements for control of motion blur

Abstract

【課題】摩擦が大きな対象物を正確に位置決めする。
【解決手段】制御回路100は、アクチュエータ4が発生すべきトルクを示す駆動信号S11を生成する。第1演算部10は、アクチュエータ4の可動子の状態を示す検出信号S2’にもとづき、位置信号S2、速度信号S4、加速度信号S5を生成する。第2演算部20は、目標信号S1と位置信号S2との差分を示す第1差分信号S3を生成する。第3演算部30は、第1差分信号S3に応じた信号と速度信号S4に応じた信号との差分を示す第2差分信号S6を生成する。第4演算部40は、第2差分信号S6がゼロとなるように位置制御信号S8を生成する。第5演算部50は、駆動信号S11に応じた信号と加速度信号S5に応じた信号の差分を示す第3差分信号S9を生成する。第6演算部60は、位置制御信号S8に応じた信号と第3差分信号に応じた外乱予測信号S10とを加算し、駆動信号S11を生成する。
【選択図】図2

Description

本発明はモータの駆動技術に関する。
デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、カメラ付き携帯電話端末などの撮像機能付き電子機器には、手ぶれ補正機能が搭載される。図1(a)、(b)は、手ぶれ補正機構を備える撮像装置の構成を示す図である。図1(a)を参照すると、撮像装置200は、撮像センサ202、レンズ204、レンズホルダー206、アクチュエータ(モータ)208、ジャイロセンサ214、ホール素子216、モータ制御回路218を備える。
手ぶれ補正用のレンズ204は、光軸220上に位置する。レンズ204を保持するためのレンズホルダー206は、シャフト209に軸支されており、X軸方向に移動可能となっている。図1(b)は、手ぶれ補正機構の斜視図である。図1(a)に示すX軸方向と同様の可動機構が、Y軸方向についても設けられており、レンズホルダー206は、XY平面上を移動可能となっている。レンズがZ軸方向に移動することによるピントのずれを防止するため、Z軸方向については固定されている。
アクチュエータ208は、可動子である磁石210と固定子であるコイル212のペアで構成され、磁石210はレンズホルダー206側に設けられ、コイル212はプリント基板上に設けられる。あるいは反対に、コイル212がレンズホルダー206側に設けられ、磁石210がプリント基板上に設けられる場合もある。
ホール素子216は、磁石210が発生する磁界を受け、磁石210の位置、すなわち可動子の位置を示すホール信号を発生する。ジャイロセンサ214は、撮像装置200の振動を検知し、変位量を示すジャイロ信号を生成する。制御回路218は、ジャイロ信号およびホール信号を受ける。制御回路218は、ジャイロ信号が示す撮像装置200の変位量とアクチュエータ208によるレンズ204の変位量がキャンセルするように、帰還によってコイル212に対する駆動信号を生成する。図1では、X軸方向に対する手ぶれ補正機構を示すが、Y軸方向に対しても同様の機構が設けられる。レンズに代えて、撮像センサを移動させることで手ぶれを防止する場合も同様である。
特開2003−151231号公報 特開2005−032406号公報
上述のように、Z軸方向のレンズの変動を防止するために、レンズホルダー206はシャフト209に沿って摺動する構造となっている。したがってアクチュエータ208は、摩擦による外力(抗力)を受けることになる。特にアクチュエータ208が静止した状態では静止摩擦力が大きくなる。
このような摩擦が大きい対象物を位置制御する場合、制御ループの帯域を広げることにより対処するのが一般的である。しかしこの手法は、帯域を広げることによりノイズが発生したり、系が不安定になるといった問題を生じさせる。こうした問題は、上述の手ぶれ補正機構に限らず、さまざまなアクチュエータ(モータ)において生じうる。
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、摩擦が大きな対象物を正確に位置決め可能なモータ駆動技術の提供にある。
本発明のある態様は、駆動対象のモータの可動子の目標位置を示す目標信号と、モータの可動子の現在の位置、速度もしくは加速度のいずれかを示す検出信号とにもとづき、モータが発生すべきトルクを示す駆動信号を生成する制御回路に関する。制御回路は、検出信号にもとづき、可動子の位置を示す位置信号、可動子の速度を示す速度信号および可動子の加速度を示す加速度信号を生成する第1演算部と、目標信号と位置信号との差分を示す第1差分信号を生成する第2演算部と、第1差分信号に応じた信号と速度信号に応じた信号との差分を示す第2差分信号を生成する第3演算部と、第2差分信号がゼロとなるように位置制御信号を生成する第4演算部と、駆動信号に応じた信号と加速度信号に応じた信号の差分を示す第3差分信号を生成する第5演算部と、位置制御信号に応じた信号と第3差分信号に応じた外乱予測信号とを加算し、駆動信号を生成する第6演算部と、を備える。
この態様によれば、摩擦等による外力の推定値を示す外乱予測信号を生成し、その外乱予測信号を駆動信号に足し合わせることにより外力をキャンセルするフィードバック制御を、従来の位置合わせのフィードバック制御(PI補償)とともに行うことにより、正確で迅速な位置制御を行うことが可能となる。なお、本明細書において、アクチュエータとモータは特に区別せずに用いるものとする。
ある態様の制御回路は、第3差分信号をフィルタリングすることにより外乱予測信号を生成する第7演算部をさらに備えてもよい。
ある態様において検出信号は、モータの可動子の現在の位置を示してもよい。第1演算部は、位置信号を微分して可動子の速度を示す速度信号を生成する第1微分器と、速度信号を微分して可動子の加速度を示す加速度信号を生成する第2微分器と、を含んでもよい。
第4演算部は、第2差分信号に応じた信号と第2差分信号の積分値に応じた積分信号を加算することにより位置制御信号を生成してもよい。あるいは積分信号を加算せずに、第2差分信号に応じた信号を位置制御信号としてもよい。
モータは、手ぶれ補正用のレンズを位置決めするモータであってもよい。本制御回路は、レンズが搭載される機器の変位速度を検出する変位センサからの入力信号を受け、当該入力信号を積分し、目標信号を生成する第8演算部をさらに備えてもよい。
本発明の別の態様は、撮像機能付き電子機器である。この撮像機能付き電子機器は、撮像センサと、撮像センサに入射する光路に設けられた手ぶれ補正用レンズと、レンズを変位させるアクチュエータと、本電子機器の変位速度を示す入力信号を生成する変位センサと、アクチュエータの可動子の現在の位置を示す位置信号を生成するホールセンサと、入力信号と位置信号とを受け、アクチュエータを駆動する上述のいずれかの態様の制御回路と、を備える。
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、外力が大きな系において、対象物を正確に位置決めできる。
図1(a)、(b)は、手ぶれ補正機構を備える撮像装置の構成を示す図である。 実施の形態に係る手ぶれ補正システムの構成を示すブロック図である。 図2の手ぶれ補正システムの動作を示す波形図である。 図4(a)、(b)は、外乱予測部を有さない従来の手ぶれ補正システムの動作を示す波形図である。
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Aと部材Bが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
図2は、実施の形態に係る手ぶれ補正システムの構成を示すブロック図である。手ぶれ補正システム1は、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、カメラ付き携帯電話端末などの撮像機能付き電子機器に搭載される。手ぶれ補正システム1は、手ぶれ補正ユニット2、ジャイロセンサ8、ホールセンサ9、制御回路100、駆動回路102を備える。
ジャイロセンサ8は、手ぶれ補正システム1を搭載する電子機器の筐体の振動に伴う角速度を検出する角速度センサである。この振動は、ユーザが筐体を保持する際に発生し、ユーザがシャッターを押すことにより発生し、あるいは撮像時のシャッターユニットの動作に起因して発生する。ジャイロセンサ8は、検出した筐体の変位の角速度[rad/sec]を示すジャイロ入力信号S0を生成する。
手ぶれ補正ユニット2は、レンズおよびレンズホルダー(以下、単にレンズという)6、アクチュエータ(モータ)4を備える。ホールセンサ9は、アクチュエータ4の可動子(つまりレンズ6)の変位量を示す検出信号S2’を生成する。たとえばホールセンサ9は、ホール素子9aおよびホールアンプ9bを含む。
制御回路100および駆動回路102はアクチュエータ4を駆動し、ジャイロ入力信号S0が示す手ぶれ補正システム1の振動をキャンセルするようにレンズ6の位置を制御する。具体的に制御回路100は、ジャイロ入力信号S0にもとづき、駆動対象のアクチュエータ4の可動子の目標位置を示す目標信号S1を生成し、目標信号S1と現在の可動子の位置を示す位置信号S2が一致するように、アクチュエータ4を制御する。
以上が手ぶれ補正システム1の全体の構成である。続いて制御回路100の構成を説明する。制御回路100は、可動子の目標位置を示す目標信号S1と、可動子の現在の位置を示す位置信号S2とにもとづき、アクチュエータ4が発生すべきトルクを示す駆動信号S11を生成する。制御回路100は、A/DコンバータADC1、ADC2、D/AコンバータDAC1、および第1演算部10〜第8演算部80を備える。
第1A/DコンバータADC1は、ジャイロ入力信号S0をデジタル信号に変換する。同様に第2A/DコンバータADC2は検出信号S2’をデジタル信号に変換する。
第8演算部80は、角速度のディメンジョンを有するジャイロ入力信号S0を受け、この信号を時間的に積分して角度(変位量)のディメンジョンを有する目標信号S1を生成する。第8演算部80は、オフセット回路82、第6係数回路K6、積分器84を含む。オフセット回路82は、系のオフセットをキャンセルするために設けられる。第6係数回路K6は、オフセットがキャンセルされたジャイロ入力信号S0に係数K6を乗じる。積分器84は、入力された信号を時間的に積分し、目標信号S1を生成する。
第1演算部10は、ホールセンサ9からの検出信号S2’にもとづき、可動子の速度を示す速度信号S4および可動子の加速度を示す加速度信号S5を生成する。第1演算部10は、第1微分器D1および第2微分器D2を含む。第1微分器D1は、位置信号S2を時間微分し、可動子の速度を示す速度信号S4[m/s]を生成する。第2微分器D2は、速度信号S4をさらに時間微分し、可動子の加速度を示す加速度信号S5[m/s]を生成する。位置信号S2は、検出信号S2’がそのまま利用される。
第2演算部20は、目標信号S1と位置信号S2の差分を示す第1差分信号S3を生成する。制御回路100は位置フィードバック制御によって、第1差分信号S3がゼロとなるようにアクチュエータ4の可動子の位置を制御する。
第3演算部30は、第1差分信号S3に応じた信号S3’と速度信号S4に応じた信号S4’との差分を示す第2差分信号S6を生成する。信号S3’は、第1差分信号S3に係数K1を乗じた値であり、信号S4’は速度信号S4に係数K2を乗じた値である。減算器32は、信号S3’から信号S4’を減じて第2差分信号S6を生成する。
第4演算部40は、PI補償器とも称され、第1差分信号S3’と速度信号S4’の差分がゼロとなるような位置制御信号S8を生成する。具体的に第4演算部40は、第2差分信号S6に応じた信号S6’と第2差分信号S6の積分値に応じた積分信号S7を加算することにより位置制御信号S8を生成する。
係数回路K3、K4はそれぞれ、第2差分信号S6に係数K3、K4を乗ずる。積分器42は、第4係数回路K4の出力を時間積分する。加算器44は、積分器42からの積分信号S7と第3係数回路K3の出力S6’を加算する。
第5演算部50は、駆動信号S11に応じた信号S11’と加速度信号S5に応じた信号S5’の差分を示す第3差分信号S9を生成する。具体的には遅延回路52は駆動信号S11を遅延させる。遅延回路52は、第5演算部50、第7演算部70および第6演算部60が形成するループを安定化するために設けられる。第5係数回路K5は加速度信号S5に第5係数K5を乗算する。減算器54は、遅延回路52の出力S11’から第5係数回路K5の出力S5’を減算して第3差分信号S9を生成する。
第7演算部70は、ローパスフィルタであり、第3差分信号S9にもとづいて外乱予測信号S10を生成する。第7演算部70の伝達関数は、1/(1+s・τ)で表される。ここでτはローパスフィルタの時定数を示す。
第6演算部60は、位置制御信号S8と外乱予測信号S10とを加算し、駆動信号S11を生成する。D/AコンバータDAC1は、駆動信号S11をアナログの駆動信号S11’に変換する。
以上が制御回路100の構成である。駆動回路102は、駆動信号S11’に応じたトルクが得られるように手ぶれ補正ユニット2を駆動する。本実施の形態において、アクチュエータ4は駆動信号S11の値に応じたデューティ比でパルス幅変調駆動される。駆動回路102はHブリッジ回路を含む。Hブリッジ回路の導通方向(極性)およびオン、オフのデューティ比は、駆動信号S11にもとづいて制御される。こうした構成においては、駆動回路102はローパスフィルタとして近似され、その伝達関数は
drv/(1+s・τdrv)+不感帯 …(1)
で与えられる。τdrvはローパスフィルタの時定数である。なお駆動回路102は公知の技術を用いればよく、その構成はHブリッジ回路には限定されない。駆動回路102の伝達関数を経て、アクチュエータ4に与えられる実効的な駆動電圧S12が得られる。
なお、駆動回路102の形式はHブリッジ回路によるパルス幅変調駆動に限定されず、BTL(Bridged Transless)駆動をはじめとするその他の駆動形式であってもよい。この場合も伝達関数は式(1)と同様に近似することができる。
アクチュエータ4の伝達関数は、
Kt×1/(R+sL)
で与えられる。1/(R+sL)はアクチュエータ4のコイルのインピーダンスであり、Rはアクチュエータ4の抵抗成分であり、Lはインダクタンス成分である。
駆動電圧S12に伝達関数1/(R+sL)を乗ずると、コイルに流れる電流[A]が得られる。コイルに流れる電流[A]に力変換係数Kt[N/A]を乗ずることにより、アクチュエータ4が発生する力[N]が得られる。
図1のようにレンズホルダーがシャフトに対して摺動する場合、アクチュエータ4は摩擦による外力FR[N]を受ける。したがって可動子には、アクチュエータ4が発生した力FAから、摩擦力FRを減じた力が与えられる。レンズ6の質量をm[kg]とすると、レンズ6の加速度は、
(FA−FR)/m
で与えられる。加速度を時間積分することにより速度が得られ、さらに積分することによりレンズ6の位置が得られる。レンズ6の位置は上述のホールセンサ9によって検出され制御回路100へとフィードバックされる。
以上が手ぶれ補正システム1の構成である。続いてその動作を説明する。図2の手ぶれ補正システム1においては、以下の2つのフィードバック制御が併用される。
1.位置合わせを行うフィードバック制御
2.摩擦等による外力の推定値を示す外乱予測信号を生成し、その外乱予測信号を駆動信号に足し合わせることにより外力をキャンセルするフィードバック制御
位置合わせのフィードバックは、主として第2演算部20、第3演算部30、第4演算部40および駆動回路102、手ぶれ補正ユニット2、ホールセンサ9を経るループにより実行される。
第1微分器D1、第2微分器D2、第5演算部50、第7演算部70は、外乱予測部90を形成する。外乱予測部90によって、摩擦等による外力が推定され、その推定値を示す外乱予測信号S10が生成される。そして、位置合わせフィードバックループによって生成された位置制御信号S8に、外乱予測信号S10を重畳して駆動信号S11を生成することにより外力を相殺し、迅速かつ正確な位置合わせが可能となる。
図3は、図2の手ぶれ補正システム1の動作を示す波形図である。図4(a)、(b)は、外乱予測部90を有さない従来の手ぶれ補正システムの動作を示す波形図である。本発明の効果をより明確化するため、先に図4(a)、(b)を参照して従来のアクチュエータの動作を説明する。図4(a)、(b)では、時刻t0の初期状態においてレンズ位置は0[m]である。時刻t0に、目標位置が0.0002[m]に設定され、時刻t=100[ms]に目標位置が−0.0002[m]に設定される。
図4(a)は、アクチュエータの可動子に対する外力が非常に小さい場合の動作を示す。この場合、位置合わせフィードバックのみによって、レンズ6の位置を目標位置に位置決めすることができる。一方、図4(b)は、レンズ6が受ける外力(静止摩擦係数)が大きい場合を示す。この場合、PI補償のみではレンズ6を正確に制御できず、レンズの位置が目標値から大きく逸脱してしまう。
続いて図3を参照する。図2の手ぶれ補正システム1によれば、外乱予測部90によって一点鎖線で示すように外力を推定することができる。そして第6演算部60を介してこの推定した外力を打ち消すように駆動信号S11を生成し、駆動信号S11にもとづいてアクチュエータ4を駆動することにより、正確かつ迅速にレンズ6を位置決めすることができる。
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセス、それらの組み合わせには、さまざまな変形例が存在しうる。以下、こうした変形例について説明する。
実施の形態では、ジャイロセンサ8から速度のディメンジョンを有するジャイロ入力信号S0を受ける場合について説明したが本発明はこれに限定されない。たとえば、別のセンサを用いて、位置のディメンジョンを有する入力信号を受けてもよい。この場合、第8演算部80の積分器84を省略することができる。
また実施の形態では、ホールセンサ9から位置のディメンジョンを有する位置信号S2を受ける場合を説明したが、本発明はそれに限定されない。たとえば、ホールセンサから速度のディメンジョンを有する速度信号を受けてもよい。この場合、この速度信号を積分することにより位置信号S2を生成することができ、第1微分器D1による微分処理が不要となる。あるいは、2つのホールセンサから、速度のディメンジョンを有する速度信号と、位置のディメンジョンを有する位置信号を並列的に受けてもよい。つまり第1演算部10は、アクチュエータ4の可動子の位置、速度もしくは加速度のいずれかを示す検出信号を受け、検出信号を微分もしくは積分することにより位置信号、速度信号、加速度信号を生成可能に構成すればよい。
実施の形態では、手ぶれ補正システム1について説明したが、制御回路100の用途はそれに限定されず、さまざまな位置制御に利用することができる。また制御対象は図1に示すリニアアクチュエータに限定されず、種々のモータ、アクチュエータに適用することができる。
また各係数回路の位置は図2の配置に限定されず、当業者であれば変更することが可能である。
実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
10…第1演算部、20…第2演算部、30…第3演算部、40…第4演算部、50…第5演算部、60…第6演算部、70…第7演算部、80…第8演算部、90…外乱予測部、D1…第1微分器、D2…第2微分器、K1…第1係数回路、K2…第2係数回路、K3…第3係数回路、K4…第4係数回路、K5…第5係数回路、K6…第6係数回路、ADC1…第1A/Dコンバータ、ADC2…第2A/Dコンバータ、DAC1…D/Aコンバータ、S0…ジャイロ入力信号、S1…目標信号、S2…位置信号、S3…第1差分信号、S4…速度信号、S5…加速度信号、S6…第2差分信号、S7…積分信号、S8…位置制御信号、S9…第3差分信号、S10…外乱予測信号、S11…駆動信号、1…手ぶれ補正システム、2…手ぶれ補正ユニット、4…アクチュエータ、6…レンズ、8…ジャイロセンサ、9…ホールセンサ、9a…ホール素子、9b…ホールアンプ、100…制御回路、102…駆動回路。

Claims (7)

  1. 駆動対象のモータの可動子の目標位置を示す目標信号と、前記モータの可動子の現在の位置、速度もしくは加速度のいずれかを示す検出信号とにもとづき、前記モータが発生すべきトルクを示す駆動信号を生成する制御回路であって、
    前記検出信号にもとづき、前記可動子の位置を示す位置信号、前記可動子の速度を示す速度信号および前記可動子の加速度を示す加速度信号を生成する第1演算部と、
    前記目標信号と前記位置信号との差分を示す第1差分信号を生成する第2演算部と、
    前記第1差分信号に応じた信号と前記速度信号に応じた信号との差分を示す第2差分信号を生成する第3演算部と、
    前記第2差分信号がゼロとなるように位置制御信号を生成する第4演算部と、
    前記駆動信号に応じた信号と前記加速度信号に応じた信号の差分を示す第3差分信号を生成する第5演算部と、
    前記位置制御信号に応じた信号と前記第3差分信号に応じた外乱予測信号とを加算し、前記駆動信号を生成する第6演算部と、
    を備えることを特徴とする制御回路。
  2. 前記第3差分信号をフィルタリングすることにより前記外乱予測信号を生成する第7演算部をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の制御回路。
  3. 前記検出信号は、前記モータの可動子の現在の位置を示し、
    前記第1演算部は、
    前記位置信号を微分して前記可動子の速度を示す速度信号を生成する第1微分器と、
    前記速度信号を微分して前記可動子の加速度を示す加速度信号を生成する第2微分器と、
    を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の制御回路。
  4. 前記第4演算部は、前記第2差分信号に応じた信号と前記第2差分信号の積分値に応じた積分信号を加算することにより前記位置制御信号を生成することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の制御回路。
  5. 前記モータは、手ぶれ補正用のレンズを位置決めするモータであり、
    本制御回路は、前記レンズが搭載される機器の変位速度を検出する変位センサからの入力信号を受け、当該入力信号を積分し、前記目標信号を生成する第8演算部をさらに備えることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の制御回路。
  6. 撮像センサと、
    前記撮像センサに入射する光路に設けられた手ぶれ補正用レンズと、
    前記レンズを変位させるアクチュエータと、
    本電子機器の変位を示す入力信号を生成する変位センサと、
    前記アクチュエータの可動子の位置を示す位置信号を生成するホールセンサと、
    前記入力信号と前記位置信号とを受け、前記駆動信号を生成する請求項5に記載の制御回路と、
    前記駆動信号にもとづき前記アクチュエータを駆動する駆動回路と、
    を備えることを特徴とする撮像機能付き電子機器。
  7. 駆動対象のモータの可動子の目標位置を示す目標信号と、前記モータの可動子の現在の位置、速度もしくは加速度のいずれかを示す検出信号とにもとづき、前記モータが発生すべきトルクを示す駆動信号を生成する方法であって、
    前記検出信号を積分もしくは微分することにより、前記可動子の位置を示す位置信号、前記可動子の速度を示す速度信号、前記可動子の加速度を示す加速度信号を生成するステップと、
    前記目標信号と前記位置信号との差分を示す第1差分信号を生成するステップと、
    前記第1差分信号に応じた信号と前記速度信号に応じた信号との差分を示す第2差分信号を生成するステップと、
    前記第2差分信号がゼロとなるように位置制御信号を生成するステップと、
    前記駆動信号に応じた信号と前記加速度信号に応じた信号の差分を示す第3差分信号を生成するステップと、
    前記位置制御信号に応じた信号と前記第3差分信号に応じた外乱予測信号とを加算し、前記駆動信号を生成するステップと、
    を備えることを特徴とする方法。
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