JP2019160800A - 加熱電極装置、通電加熱ガラス - Google Patents

Abstract

【課題】電波の送受信を円滑に行いつつも、加熱ムラの少ない加熱電極装置を提供する。【解決手段】間隔を有して配置され対となる複数のバスバー電極と、複数のバスバー電極を渡して配置される発熱部と、を有し、発熱部は、発熱導体が網目状に形成され且つ該発熱導体は其の網目の外輪郭線形状が長手方向に延在して帯状とされた複数の発熱帯を具備し、複数の発熱帯は、該発熱帯の長手方向とは異なる方向に間隙を形成して配列されている。【選択図】図１

Description

本発明は、通電することでジュール熱（Ｊｏｕｌｅ ｈｅａｔ）により発熱する発熱部を備える加熱電極装置、及びこれを用いた通電加熱ガラスに関する。

従来より、特許文献１、２に記載のように、自動車のフロントガラスに対して、通電することにより加熱し、ガラス窓の凍結や曇りを解消する技術がある。このようなガラス窓は、２枚のガラス板の間に加熱電極装置を具備して構成されている。そして当該加熱電極装置は、離隔して配置された一対のバスバー電極、及び、この一対のバスバー電極間を渡すように配置された複数の平行線条の発熱部を有しており、一対のバスバー電極に電源を接続することで発熱部に具備される発熱導体に通電可能とされ、この発熱導体を発熱させてガラス窓を加熱できるように構成されている。

特開平９−２０７７１８号公報 特開２０１３−５６８１１号公報

フロントガラスの凍結や曇りをムラなく解消する観点から、当該発熱導体をフロントガラスの全面に亘って配置することが好ましい。ところが、このようにフロントガラス全面に亘って発熱導体を配置すると、当該発熱導体によりフロントガラスを介した車内外の電波通信が阻害されることがあった。例えばＥＴＣ（電子料金収受システム（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｏｌｌ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）の略称）による有料道路の料金精算システムにおいて、道路側の装置と自動車室内側の装置との電波による信号の送受信が阻害される虞があった。

そこで本発明は、電波の送受信を円滑に行いつつも、加熱ムラの少ない加熱電極装置を提供することを課題とする。またこの加熱電極装置を用いた通電加熱ガラスを提供する。

以下本発明について説明する。ここでは理解容易のため図面の参照符号を付記するが、本発明はこれに限定されるものではない。

本発明の１つの態様は、通電して加熱されるガラスに用いられる加熱電極装置（２０）であって、間隔を有して配置され対となる複数のバスバー電極（２１）と、複数のバスバー電極を渡して配置される発熱部（２２）と、を有し、発熱部は、発熱導体が網目状に形成され且つ該発熱導体はその網目の外輪郭線形状が長手方向に延在して帯状とされた複数の発熱帯（２３）を具備し、複数の発熱帯は、該発熱帯の長手方向とは異なる方向に間隙（２５）を形成して配列されている、加熱電極装置である。

本発明によれば、加熱電極装置、及びこれを用いた通電加熱ガラスにおいて、室内外の電波の送受信を円滑に行いつつも、加熱ムラは抑制され、凍結解消及び曇り解消のムラを抑制させることが可能となる。

１つの形態に係る通電加熱ガラス１０を説明する図である。 通電加熱ガラス１０の層構成を説明する図である。 発熱部２０の一部を拡大して表した図である。 通電加熱ガラス１０の適用の一例を説明する図である。 他の形態に係る通電加熱ガラス１１０を説明する図である。

本発明の上記した作用及び利得は、次に説明する形態から明らかにされる。以下本発明を図面に示す形態に基づき説明する。ただし、本発明はこれら形態に限定されるものではない。なお、図面に表れる各部材は理解し易さの観点から大きさや形状を誇張、変形して表すことがある。

図１は１つの形態を説明する図で、通電加熱ガラス１０を正面から見た概念図である。図２は図１に示したＩＩ−ＩＩ線による断面図であり、通電加熱ガラス１０の層構成を説明する図である。
このような通電加熱ガラス１０は例えば自動車のフロントガラスとして自動車に備えられる。その他、いわゆるガラス窓を有する所に窓として用いることができ、これには例えば上記自動車をはじめ、鉄道車両、航空機、及び船舶等の乗り物の窓、建物の窓、並びに、冷蔵庫、展示箱、戸棚等の収納乃至保管設備の窓を挙げることができる。なお、ここで言う「窓」とは、狭義の窓、即ち、乗り物、建物、或いは収納乃至保管設備の壁面にあり、通常人乃至物が出入りせず外界の視認、換気等を主目的とする透視性開口部の他に、人乃至物の出入りを主目的とする、いわゆる、扉も包含する。

図１、図２からわかるように、通電加熱ガラス１０は全体として板状であり、複数の層が積層してなる。より具体的には、本形態の通電加熱ガラス１０は、第一パネル１１、接着層１２、基材層１３、加熱電極装置２０、接着層１４、及び第二パネル１５を有して構成されている。以下、それぞれについて説明する。

第一パネル１１、及び第二パネル１５は、透光性を有する板状の部材であり、互いに向かい合うように配置された板面間に間隔を有して略平行の配置されている。いわゆる二重パネル構造である。なお、ここで板面とは、図１で言えば、第一パネル１１及び第二パネル１５の表面のうちＸＹ平面に平行な対向する２平面になる。この第一パネル１１と第二パネル１５との間に、基材層１３や加熱電極装置２０の一部が配置され、接着層１２及び接着層１４により一体化されている。
第一パネル１１及び第二パネル１５は板ガラスにより構成することができる。これには、当該通電加熱ガラス１０が適用される設備（例えば乗り物や建物）が通常に有する窓に用いられる板ガラスと同じものを用いることができる。例えばソーダライム硝子（青板硝子）、硼珪酸硝子（白板硝子）、石英硝子、ソーダ硝子、カリ硝子等から成る普通板ガラス、フロート板ガラス、強化板ガラス、部分板ガラス等が挙げられる。また、必要に応じて３次元的に曲面状に湾曲部を有するものであってもよい。
ただし必ずしもガラス板である必要はなく、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂等の樹脂から成る樹脂板であってもよい。ただし、耐候性、耐熱性、透明性等の観点から板ガラスであることが好ましい。
これら第一パネル１１及び第二パネル１５の厚さは特に限定されることはないが、１．５ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが一般的である。

接着層１２は第一パネル１１のうち第二パネル１５側となる面に積層された接着剤からなる層であり、基材層１３と第一パネル１１とを接着する。接着剤としては特に限定されることはないが、接着性、耐候性、耐熱性等の観点からポリビニルブチラール樹脂を用いることができる。
接着層１２の厚さは特に限定されることはないが、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることが一般的である。

基材層１３は、加熱電極装置２０の、特にバスバー電極２１及び発熱部２２がその一方の面上に配置されて、該バスバー電極２１及び発熱部２２の基材として機能する層である。基材層１３は透明な板状の部材であり、樹脂により形成されている。基材層１３を形成する樹脂としては可視光線波長帯域の波長（３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）を透過するものであれば如何なる樹脂でも良いが、好ましくは熱可塑性樹脂を用いることができる。この熱可塑性樹脂としては、例えばポリメチル（メタ）クリレート、ポリブチル（メタ）アクリレート等のアクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、アモルファスポリエチレンテレフタレート（Ａ−ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート等のポリエステル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、環状ポリオレフィン等のポリオレフィン樹脂、トリアセチルセルロース（三酢酸セルロース）等のセルロース系樹脂、ポリスチレン、アクリロニトリル−スチレン共重合体（ＡＳ）樹脂等のスチレン系樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリ塩化ビニル等が挙げられる。なお、ここで、「（メタ）アクリル」の表記はアクリル又はメタクリルを意味する。

加熱電極装置２０は、通電することによって発熱し、通電加熱ガラス１０を加熱する装置である。図１、図２よりわかるように本形態では加熱電極装置２０は、バスバー電極２１、発熱部２２、電源３０、開閉器５０、及び電源接続電極２６を有して構成されている。

本形態でバスバー電極２１は、第一バスバー電極２１ａ及び第二バスバー電極２１ｂから形成されている。第一バスバー電極２１ａ、第二バスバー電極２１ｂはそれぞれ一方向（図１においてはＸ軸方向）に延在する帯状であり、第一バスバー電極２１ａと第二バスバー電極２１ｂとは間隔を有して同じ方向に延びる（略平行となる）ように配置されている。
このような第一バスバー電極２１ａ及び第二バスバー電極２１ｂは公知の形態を適用することができ、帯状である当該電極の幅は３ｍｍ以上１５ｍｍ以下が一般的である。

発熱部２２は第一バスバー電極２１ａと第二バスバー電極２１ｂとの間に両バスバー電極２１ａ、２１ｂと交叉する方向（図１に於いてはＹ軸方向）に延在して配置され、その一端が第一バスバー電極２１ａに電気的に接続され、他端が第二バスバー電極２１ｂに電気的に接続されている。この発熱部２２に通電されることにより発熱し、通電加熱ガラス１０が加熱される。
ここで、発熱部２２は複数の発熱帯２３が間隙２５を有して配列されている。従って、発熱帯２３と間隙２５とが交互に並ぶ形態である。図３には図１にＩＩＩで示した部分で、２つの発熱帯２３と、その間に形成された間隙２５を表した。

発熱帯２３は、細い線状の発熱導体が網目状（例えば規則性を有するか否かを問わず、メッシュ状、格子状等）に形成されて、図３に図示す如く、該網目状の発熱導体の外輪郭線形状が帯状とされている。例えば線径が１μｍ以上５０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以上１５μｍ以下である線状の発熱導体が網目状に組み合わされ、これが外輪郭線形状が基材層１３上にその延在方向（長手方向）が一方向（図３においては上下方向）に向けて帯状に形成され且つ複数の発熱帯２３が該延在方向と直交方向（図３においては左右方向）に互いに所定幅Ｂの間隙２５を開けて複数条配列されている。

発熱導体を構成する材料は、通電により発熱をするものであれば特に限定されることはないが、タングステン、モリブデン、金、銀、銅、白金、アルミニウム、クロム、ニッケル、チタン、パラジウム、インジウム等の金属、及び、これら金属を含む合金、例えば、ニッケル−クロム合金、真鍮、青銅等をエッチング（腐蝕）加工によりパターン形成したもの等を挙げることができる。
また、網目を構成する発熱導体自体は図３の如く直線状であっても良く、波状に形成されていてもよい。尚、網目形状は、複数の単位格子を互いに隣接させて平面内を隙間無く敷き詰めて構成される。各単位格子は導体線条からなる線分により囲繞、区画された多角形等の閉領域からなり、該単位格子の外周部は導体線条からなり、外周部の導体線条の内部は導体の存在し無い開口部をなす。単位格子の形状は、３角形、４角形、５角形、６角形、７角形、８角形等多角形、或いはこれら多角形の辺（外周部をなす導体線条）が直線では無く曲線とした形状でもよい。該曲線としては、円又は楕円の弧、抛物線、双曲線、正弦曲線、双曲線正弦曲線、楕円関数曲線、Ｂｅｓｓｅｌ関数曲線、サイクロイド曲線等が用いられる。網目（メッシュ）形状を構成する単位格子は全て同一（合同）な形状から構成されていても良いし、一分又は全部の単位格子が互いに他と異なり、平面内の何れの方向にも一定の周期を持たない非周期格子から構成されていてもよい。かかる非周期格子の網目パターンとしては、例えば、特開２０１３−２３８０２９号公報に開示の如き、隣接母点間距離がある上限値及び下限値内に分布するランダム２次元分布した母点から生成されるボロノイ図形が好適に用いることができる。

図３にＡで示した発熱帯２３の幅（発熱帯２３と間隙２５とが交互に配列する方向における発熱帯２３の大きさ）は凍結や曇り解消の為に必要な発熱量と透視性（視認性）とを考慮して、５ｍｍ以上２００ｍｍ以下とされる。

一方、隣り合う発熱帯２３の間には間隙２５が形成され、ここには発熱導体が配置されない。これにより間隙２５、電波が通過でき、当該電波は通電加熱ガラス１０を透過することが可能となるので、通電加熱ガラス１０が間にあっても電波が阻害されることなく、送受信をすることができる。
従って、図３にＢで示した間隙２５の幅（発熱帯２３と間隙２５が交互に配列する方向における間隙２５の大きさ）は、通電加熱ガラス１０を透過させるべき電波の波長に基づいて決めることができる。例えば間隙２５の幅Ｂの下限値は、透過させたい電波の波長の波長帯域の最小波長が該間隙により構成される開口部の遮断波長以下となるように決定する。又、間隙２５の幅Ｂの上限は、通電加熱ガラス１０の凍結や曇りの解消効果を、全面に亘って、目視上支障の無い程度に、均一化させるに足るように決定する。
ここで、図１において、発熱帯２３の間隙２５の幅をＢ、発熱帯２３の長手方向（延在方向、図１に於いては上下方向）の長さをＬとすると、発熱部２２における各間隙部２５は縦横各辺の長さが各々Ｂ、Ｌである長方形の開口部をなす。かかる開口部は、電磁波の透過に関しては、伝播方向の長さが極端に短い（本発明の発熱部２２の厚みがこれに相当する）矩形（断面）導波管と見なし得る。従って、当該間隙２５を電波が透過するか或いは遮断するかは、即ち、断面の各辺の長さがＢ及びＬの矩形導波管中を電波が伝播するか或いは遮断されるかと等価な問題となる。
導波管の分野においては、既に矩形導波管中の電波伝搬特性は解明されており、断面各辺の長さがＢ及びＬ（Ｂ＜Ｌ）の矩形導波管においては、固有の遮断波長λｃ以下の波長の電波；
λ≦λｃ
のみ伝播することが知られている。即ち、導体（発熱帯２３）の矩形開口部を透過可能な電波はλｃ以下の波長のもののみとなる。ここで、
λｃ＝２／{（ｎ／Ｂ）^２＋（ｍ／Ｌ）^２}^１／２ ・・・（式１）
である。又、ｍ、ｎは伝播する電波のモード数、Ｂ、Ｌは各々矩形開口部（矩形断面）の辺長さであり、Ｂ＜Ｌである。
今、図１及び図３において、隣接する２つの発熱帯２３の間の間隙２５を矩形導波管の開口部とする。開口部の幅が相対的に小さくて、より遮断波長が小さくなる幅Ｂ方向（図１においてはＸ方向）について、遮断波長λｃを求める。モード数をｍ＝０、ｎ＝１として、式１により遮断波長λｃの最大値を求める（モード数ｎ≧２以上のモードを想定するとよりλｃは小となる為）。式２より、
λｃ＝２Ｂ ・・・（式２）
となる。
よって、通電加熱ガラス１０を透過して送受信を想定する電波の周波数帯域乃至はスペクトルの最長波長をλｍａｘである場合には、
λｍａｘ≦λｃ＝２Ｂ （式３）
即ち、これをＢについて解くと、
Ｂ≧λｍａｘ／２ （式４−１）
とする。但し、間隙２５の幅Ｂに余裕を持たせて大きく設定し過ぎると、通電加熱ガラス１０全面の均一加熱が困難となってゆく。その為、通常、
（λｍａｘ／２）×１．０５≦Ｂ≦（λｍａｘ／２）×２．００ （式４−２）
とする。
通常想定される電波の波長帯域の透過性及び全面の均一加熱適性を勘案すると、発熱帯間の間隙２５の幅Ｂは、０．５ｍｍ以上５０ｍｍ以下、好ましくは１．２ｍｍ以上８．０ｍｍ以下とする。
尚、通電加熱ガラス１０を透して送信又は受信される電波の種類は特に限定されることなく、各種波長帯域の電波に各種変調方式により所望の情報を載せたものが用いられる。ここで、波長帯域としては、長波、中波、短波、超短波、極超短波等が用いられる。変調方式としては、振幅変調、周波数変調等のアナログ変調、周波数偏移変調、位相偏移変調等のデジタル変調、パルス符号変調、パルス幅変調等のパルス変調等の変調方式が用いられる。情報としては、各種の音声信号、映像信号、デジタル信号等が用いられる。具体的には、ＡＭ（振幅変調波）又は／ＦＭ（周波数変調波）ラジオ放送波の電波、テレビジョンのＵＨＦ放送波、ＶＨＦ放送波の電波、デジタル放送波の電波、自動車電話、携帯電話、ＥＴＣ（電子料金収受システム（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｏｌｌ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）の略称）、パーソナル無線、業務用無線等で用いる電波、及びＧＰＳ（全地球測位システム（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）の略称）で用いるＧＰＳ衛星の測位用電波などの各種電波を挙げることができる。

このような発熱帯２３と間隙２５とは図１、図２に示したように配置されている。すなわち、帯状である発熱帯２３の長手方向一端が第一バスバー電極２１ａに接続され、他端が第二バスバー電極２１ｂに接続される。そして、複数の発熱帯２３は、間隙２５を形成しながら、第一バスバー電極２１ａ及び第二バスバー電極２１ｂの長手方向に並べられている。
これにより電波が透過できる間隙２５が通電加熱ガラス１０の全体に亘って複数形成されるので、電波の透過にムラが発生し難い。そしてこのように複数の間隙を形成することで、１つ１つの間隙２５の幅は小さく抑えることができるので、隣接する発熱帯２３により間隙２５の部位も十分に加熱され、加熱ムラも抑えることが可能となる。

電源接続電極２６は、第一バスバー電極２１ａと第二バスバー電極２１ｂ間に電源３０を接続する電極である。電源３０は特に限定されることはないが、通電加熱ガラス１０が自動車に適用される場合には、電源３０として例えば自動車に既設のバッテリーを用いることができる。このときには例えばバッテリーの正極に第二バスバー電極２１ｂ、負極に第一バスバー電極２１ａを接続することができる。
このような電源接続電極２６は公知の構成を適用すればよい。

接着層１４は、バスバー電極２１及び発熱部２２を含み、基材層１３と第二パネル１５とを接着する層である。接着層１４は接着層１２と同じ構成とすることができる。

以上のような各構成により次のように通電加熱ガラス１０とされている。図２からわかるように、第一パネル１１の一方の面に接着層１２が積層されておりこの接着層１２を介して第一パネル１１に基材層１３が積層されている。また、基材層１３のうち接着層１２が配置された側とは反対側の面には加熱電極装置２０が配置されている。加熱電極装置２０のうち基材層１３が配置された側とは反対側に第二パネルが１５が配置されているが、基材層１３及び加熱電極装置２０と第二パネル１５との間を埋めるように接着層１４が配置されている。これにより第二パネル１５が基材層１３及び加熱電極装置２０に積層される。

このような加熱電極装置２０及びこれを含む通電加熱ガラス１０は例えば次のように製造することができる。
（１）先ず、金属箔を樹脂フィルムからなる基材層１３上に接着剤層を介して貼り合せ積層した積層体を製造する。
（２）次いで、該積層体の金属箔上に感光性レジスト層を塗工形成する。
（３）次いで、所望のパターン、例えば、図１及び図３に図示の如き網目状の直線線条の外輪郭線形状が長方形の帯状をなし、該長方形が平行配列したパターンの発熱部２２、バスバー電極２１ａ及びバスバー電極２１ｂからなる加熱電極装置２０の平面視パターンの遮光パターンを有するフォトマスクを用意する。
（４）次いで、該フォトマスクを該感光性レジスト層上に密着させて載置する。そして、該フォトマスクを通して紫外線露光し、フォトマスクを除去後、公知の現像処理により未露光の感光性レジスト層を溶解除去して、所望パターンに合致する形状のレジストパターン層を該金属箔上に形成する。
（５）次いで、該レジストパターン層上から該積層体を腐蝕液によるエッチング（腐蝕）加工を行い、該レジストパターン層非形成部の金属箔を腐蝕除去する。そして、該レジストパターン層を溶解除去（脱膜）する。斯くして、基材層１３上に図１の平面視形状及び図２の断面形状の所定パターンの発熱部２２、バスバー電極２１ａ及びバスバー電極２１ｂが形成された積層部材を製造する。
（６）次いで、第一パネル１１、接着層１２、基材層と加熱電極装置２０とからなる積層部材、接着層１４、及び第二パネル１５をこの順に重ねたものを、真空パックに投入し１４０℃で６０分間加熱しながら真空該真空パック内を吸引し、真空成型する。その後、オートクレーブにて１４０℃の温度、１．５ＭＰａの圧力にて６０分間加熱及び加圧した。
これにより、該複数層を接着積層して一体化する。
（７）以上の工程により、図１の平面図及び図２の断面図に示す、本発明の通電加熱ガラス１０を製造する。

以上説明した通電加熱ガラス１０は例えば次のように用いられて作用する。ここでは１つの例として通電加熱ガラス１０を自動車のフロントパネルに適用した場合で説明する。図４に概念的な説明図を表した。
通電加熱ガラス１０が自動車のフロントパネルの位置に配置される。この際には電源接続端子２６に電源３０が接続され、開閉器５０を閉じることによりバスバー電極２１を介して発熱部２２の発熱帯２３に電流を通電し、ジュール熱により発熱させることができる。電源３０としては、水滴（曇り）、凍結（霜）等を溶解或いは蒸発させるに必要な電力を供給可能なものであれば特に限定されず、適宜の電圧、電流、或いは周波数を有する公知の直流又は交流電源を用いればよい。本発明の通電加熱ガラス１０を自動車の窓として用いる場合は、自動車に既設の鉛蓄電池、リチウムイオン蓄電池等のバッテリーを用いることが可能である。勿論、別途専用の電源（電池、発電機等）を用いても良い。又、電動機を動力とする鉄道車両の場合は架線から給電された直流又は交流電力を適宜の電圧及び電流に変換して用いることもできる。又、建物の窓の場合は建物に供給されている商用交流電源を適宜の電圧及び電流に変換して用いることもできる。当該発熱帯２３の発熱により第一パネル１１、第二パネル１２が加熱されるのでフロントパネルとして機能する通電加熱ガラス１０の温度が上昇し、凍結及び曇りが解消される。このとき、間隙２５の幅が小さく抑えられているので、間隙２５の部分も十分に加熱され、加熱ムラが抑えられることから、凍結及び曇りの解消のムラも抑制できる。

一方、本形態では発熱部２２には、複数の間隙２５が形成されている。すなわち、図４に直線矢印で示したように、この間隙２５を通して車内外の電波の透過が阻害されず、送受信が円滑に行われる。

以上のように、通電加熱ガラス１０によれば、室内外の電波の送受信を円滑に行いつつも、加熱ムラは抑制される。

図５には他の形態を説明する図で、通電加熱ガラス１１０の層構成を表す図を示した。図５は図２に相当する図である。図５からわかるように本形態では基材層１３が設けられておらず、接着層１２のうち第一パネル１１が配置される側とは反対側に加熱電極装置２０が配置され、さらに接着層１４が設けられている。その他のついては上記した通電加熱ガラス１０と同様なのでここでは説明を省略する。
このような通電加熱ガラス１１０でも、加熱電極装置２０が含まれているので上記した通電加熱ガラス１０と同様の効果を奏するものとなる。通電加熱ガラス１１０では通電加熱ガラス１０より層の数を減らすことが可能である。

１０ 通電加熱ガラス
１１ 第一パネル
１２ 接着層
１３ 基材層
１４ 接着層
１５ 第二パネル
２０ 加熱電極装置
２１ バスバー電極
２２ 発熱部
２３ 発熱帯
２５ 間隙
３０ 電源

Claims (1)

1. 通電して加熱されるガラスに用いられる加熱電極装置であって、
   間隔を有して配置され対となる複数のバスバー電極と、
   前記複数のバスバー電極を渡して配置される発熱部と、を有し、
   前記発熱部は、発熱導体が網目状に形成され且つ該発熱導体は其の網目の外輪郭線形状が長手方向に延在して帯状とされた複数の発熱帯を具備し、
   複数の前記発熱帯は、該発熱帯の長手方向とは異なる方向に間隙を形成して配列されている、加熱電極装置。

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