JP4956435B2 - 係合斜面を有する螺旋形の駆動固定部材 - Google Patents

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Description

この出願は一般的にねじ部を有する固定部材(締結部材)の駆動システム(複合的機械要素)、当該駆動システム製造用の工具、及び上記固定部材にトルクを付与するドライバに関する。さらに明確にはこの出願は翼形のドライバを使用する固定部材に関する。特に凹部を有する固定部材は螺旋形の駆動面を有し、前記凹部は回転するドライバとの係合を容易にするように設計されている。
ねじ部を有する固定部材(締結部材)は広く工業製品において使用され、電動工具により高速度及び高トルク負荷のもとで駆動される。このような条件に耐えるための設計・構成は簡単ではなく、特に駆動システムにおいて使用する場合、さらに詳しくは固定部材頭部にドライバと係合可能な凹部を有するねじ部を有する固定部材において使用する場合困難である。理想的には、このような駆動システムの凹部及び頭部は容易に製造されなければならず、且つ、固定部材頭部を形成するための工具及び凹部と係合するドライバも容易に製造されなければならない。固定部材頭部の強度は凹部により悪い影響を受けてはならない。ドライバは容易に凹部にはめ込むこと及び凹部から容易に引き抜くことができなければならない。ドライバ及び凹部は係合されたときに、凹部若しくはドライバ若しくは両方を変形させ駆動システムの早期の不具合を引き起こす応力局部集中領域の形成を回避するために応力負荷を一様に分散させなければならない。
固定部材が駆動されたときに駆動システムはドライバの凹部からのカムアウトを阻止しなければならない。多くの使用例においては、固定部材はいくつもの繰り返される使用に耐えることができなければならない事はとても重要である。例えば、固定部材は部品の修理若しくは交換のためまたはアクセスパネルの取り外し及び交換のために取り外しができなければならない。理想的には固定部材駆動システムはこのように繰り返し使用できなくてはならなく、特に凹部が汚染される、ペイントされる、腐食される若しくはそうでなければ使用に際して悪い影響を受けるような環境でも使用できなくてはならない。このような環境では、取り外し方向にトルクが加えられる間、駆動システムが駆動係合を保持していることが不可欠である。駆動システムは前記固定部材を取り外すときにより高いレベルのトルクを付与できることが必要であり、これは初期の組み立ての間に固定部材に過剰なトルクが付与されるとき、又は接合部分若しくは係合されたねじ部において腐食が進む場所、又は組み立てられた部品の熱サイクルが増大された負荷を固定部材にかける場合に生じることがある。これらの1つ若しくは複数の特性又は他の特性の競合する点がある場合、一つを妥協し他を優先し形成することになるだろう。
様々な凹部及びドライバの構造が一般に使われており、多数の十字型の凹部も含まれていて、これらは米国特許第24,878号(スミスなど)、第3,237,506号(ミュエンチンガー)及び第2,474,994号(トマリス)に記述されている。他の固定部材の形状は例えば米国特許第3,763,725号(レイランド)に記載された複数のローブ形状及び米国特許第4,187,892号(シモン)に記載されたリブ付き駆動システムである。また、同様な形のドライバを受け入れるほぼ真っ直ぐな壁で六角形に形成されたソケット(アレンシステム)は一般的な凹部構造の一つである。
リブ付きシステムを除いては、ドライバ及び凹部の壁及び面は一般的に駆動面と被駆動面が直接接触するためにお互いが密着するように構成されている。十字型凹部を有する固定部材では、ドライバが凹部に正しく整列(位置決め)され据えられる場合にのみ直接面同士の係合が起こる。しかし実際には、凹部へのドライバの挿入を可能にするには2つの間に少しの隙間が必然的になければならない。
このような隙間の必要性はレイランドの米国特許第3,763,725号特許及びアレンヘッドシステムのようなほぼ垂直な駆動壁を有する凹部ではさらに重大である。これらのシステムの全てにおいては、現実的には隙間が必要であるので、ドライバの表面と凹部の表面との間の広い領域での面同士の接触は滅多に達成されない。ねじ部を有する固定部材の多数の駆動システムでは、ドライバは頭部の凹部と係合するとき、面同士の広い面接触ではなく点接触若しくは線接触となる。通常は、実際の接触面積は完全な面同士の接触よりもかなり小さい。従って、ドライバによってトルクが加えられると力がねじ頭に加えられ、力は局所的な部分に集中し、その結果高い局所的な応力を生じる傾向にある。このような局所的な高い応力は凹部の塑性変形を生じさせ、傾斜若しくは他の変形を形成し、凹部からのドライバの早期且つ意図しない離脱を引き起こす。
上述された問題点は当該技術分野では認識されていた。例えば、米国特許第2,248,695号(ブラッドショウ)はねじ頭及びドライバ装置を示しており、この装置ではドライバ及び固定部材の駆動面及び被駆動面は各々曲線を描き、ねじの軸に対してずらされて配置されている。ブラッドショウの固定部材では、摩擦係合によりお互いを拘束若しくは固定する限り、円形若しくは対数螺旋形のような「適切な曲率」が使用されてもよい。ブラッドショウの教示にもかかわらず、上記されたより最近の固定部材駆動システムは摩擦係合に依存するブラッドショウの教示を採用したものは現れない。
ドライバと凹部の間の係合可能な表面積を最大化させるための駆動システムは米国特許第5,957,645号に記述されている(本出願人の特許である)。この米国特許(以後‘645号特許と称する)の開示内容は参照によりこの出願に含まれたものとする。‘645号特許の凹部及びドライバは螺旋形に構成された係合面を有している。
‘645号特許に記載された発明の利点はドライバ及び固定部材の駆動面及び被駆動面を螺旋形の一部に一致させるように形成することにより得られる。特にこの螺旋構造ではドライバの挿入及び取り外しの間にドライバと凹部との間に十分で豊富な隙間を与えるものの、完全に据えられたドライバは隙間をふさぐように回転することを許される。ドライバの駆動壁及び凹部のドライバ係合可能壁の螺旋形の構造は螺旋形の壁が係合したときに係合は比較的広い面積でなされるので応力の付与及び分散は広い面積で起こる。向きが定められた螺旋形に形成された駆動壁及び被駆動壁は加えられたトルクの大部分を、ほぼ接線の摩擦係合に依存したとしてもほとんど依存することなく、固定部材の半径に対してほぼ直角に向ける。
それぞれの複数のローブを備えた駆動システムはいくつかの類似点及び相違点を有するが、これらのシステムでは凹部及びドライバの係合が最適化されるとドライバの挿入がさらに問題となることは共通である。ドライバとローブとの間の比較的正確な整列は素早く完全な係合を得るために要求される。これは固定部材の凹部と係合しながらドライバが回転される製造工程及びその他の環境において特に重要である。回転する状態及び簡単な手動の取り付けにおいてさえも、凹部にドライバを正しく整列させることの失敗は固定部材頭部の変形及び固定部材の破壊をも起こす。従来技術においてこの問題に対してのいくつかの解決策が教示されている。
米国特許第2,77,353号、第3,253,625号、及び第3,620,106号は様々な早期の挿入をさらに良くする凹部形状を開示しており、この凹部形状は特定のドライバ形状に適用される。その後に発行された1992年のセイドルの米国特許第5,171,117号では複数のローブ状の凹部に適用するための案内面27が示されている。このシステムの案内面はローブの上部表面上に延び、固定部材の取り付け方向に徐々に下方に傾斜している。この構造は製造するのが難しく且つ取り付けを容易にするだけである。これは固定部材の取り外し方向にドライバを係合するときは不利益である。
簡単に製造され且つ固定部材が回転する両方向に斜面を凹部のローブ上に有する表面を形成することが発明の目的である。
この出願の固定部材(結合部材)は電動回転工具を固定部材の凹部への容易に挿入できるように構成されている。この固定部材の凹部は通常は螺旋形に形成された駆動面を使用し、凹部の翼形状部を区画形成する4つの径方向内方に突き出るローブを有する。ローブは固定部材の上面のカウンターボアの中に形成され、各ローブはカウンターボア内へ所定値窪まされた上面を有する。斜面は上面に形成され、回転ビットを凹部に係合するように導く(落とす)。斜面は取り外し傾斜部及び取り付け傾斜部を有するように形成される。取り外し傾斜部は頂点から後縁まで延び所定の円周(円弧部分)の扇形を形成する。取り外し傾斜部は固定部材軸の方に対し径方向内方に全体的に下向きであり且つ取り外し方向に向かって全体的に下向きである複合角の傾斜を形成する。取り付け傾斜部は斜面の頂点から斜面の前縁まで延び他の所定の円周(円弧部分)の扇形を形成する。取り付け傾斜部は固定部材軸方向に対し径方向内方に全体的に下向きであり且つ取り付け方向に向かって全体的に下向きである複合角の傾斜を形成する。
このように固定部材の凹部は従来の技術を使用し製造されてもよく、取り付け方向及び取り外し方向において係合を容易にさせる。
本発明の固定部材(締結部材)は添付図面を参照してさらに詳しく説明される。
図1は一端にねじ部14が形成された軸部(12)を有し且つ他端に凹部18が形成された頭部16を有する典型的なねじ部付固定部材10を示している。頭部16は従来のツーブローヘッダーマシーン(two-blow header machine)により形成されてもよく、ワイヤー材料若しくは他の材料の端から固定部材が作られる。ワイヤー材料若しくは他の材料の端はヘッダーマシーンの金型内に支持されており、頭部側にはまずパンチにより衝撃が与えられて頭部の一部が形成され、その後仕上げ用のパンチにより頭部が仕上がり、ドライバ係合可能凹部が形成される。
凹部18は中心部20及び径方向外方に延びる複数の翼状部22を有して図示されている。図1の実施例における凹部は翼状部22各々が取り付け壁24(右回しのねじ部14を仮定している)及び取り外し壁26を有し形成される。取り付け壁24及び取り外し壁26は好ましくはほぼ垂直に形成され、ねじの長手軸と平行な円筒形表面を区画形成する若しくはそれに近い物を形成する。凹部の底は円錐形の底壁28により区画形成される。各翼状部の径方向外方端は翼状部の取り付け壁24と取り外し壁26とを繋ぐ滑らかな曲面30を形成するように形成されてもよい。また凹部は一つの翼状部22の取り付け壁24と次の隣接した翼状部22の取り外し壁26とを繋ぐ内側壁32を含んでいる。
なお本発明はねじ部が形成された固定部材においてほぼ十字型の凹部及び図に示された4つの翼状部よりも多い若しくは少ない翼状部を有する凹部を含んだ幅広い様々な構造を含んでいてもよい。本発明は螺旋形の係合について記述しているが、本発明は他の係合の仕組みを有する凹部にも同様に効果的である。
本発明の固定部材は図1に示された固定部材とほぼ同様であるが、本発明の固定部材は図2に示された変形・変更を含んでいる。上記されたように、この出願の固定部材10は電動回転工具の凹部18への挿入を容易にするように構成される。本発明の固定部材10の凹部18は図2の断面図及び図3の斜視図に一番良く示されている。固定部材10は頭部16及び軸部12から構成される。頭部16は頭部16の上面7に形成された凹部18を有している。例えば、凹部18は凹部の翼状部22を区画形成する4つの径方向内方に突き出たローブ3を有し形成される。
本発明の固定部材では、ローブ3は上面7のカウンターボア2内に形成され、ローブはカウンターボア2内で所定値d窪まされた上部表面8を有する。
図2及び図3に示されたように各斜面1はローブ3の窪んだ上部表面8に同様に形成され、各斜面は約90°の扇形を有している。斜面1及びカウンターボア2は凹部へ回転ビットを係合するように導く(落とす)。ローブ表面8の斜面1は取り外し傾斜部5及び取り付け傾斜部6を有している。
取り外し傾斜部5は円周(円弧部)xの扇形を形成するために斜面1の頂点9から後縁11(基準として図1に示される時計回りの回転40を用いる)まで延びる。図2に示されるように取り外し傾斜部5は固定部材の軸方向に向かう径方向内方に全体的に下向きであり且つ取り外し方向(図1の反時計回り方向41)に角度Aで全体的に下向きである複合角で傾斜する。角度Aは1°から2°の範囲である。
取り付け傾斜部6は円周(円弧部)yの扇形を形成するために斜面1の頂点9から前縁15(基準として図1の時計回り方向40を使用する)まで延びる。図2に示されるように取り付け傾斜部6は固定部材軸方向に向かう径方向内方に全体的に下方向であり且つ取り付け方向(時計回り40)へ角度Bで全体的に下向きである複合角で傾斜する。角度Bは2°から6°の範囲である。
図2の実施例において、傾斜部6は約60°の扇形であり、傾斜5は約30°の扇形である。これはローブの数により変化するが、概して前記2つの傾斜部の相対的な大きさは製造の容易さを考慮するとおおよそ2対1である。
カウンターボア2はドライバが斜面1に近づくとドライバの係合を速めることによりドライバの係合を助ける。カウンターボア2は斜面1の頂点9において最小の深さdで形成され、深さdは固定部材の大きさに応じて変化し、例えばMT−1の凹部の大きさを有する固定部材では0.0044インチ(約0.11mm)である。傾斜部6は頂点9から深さd1まで取り付け方向に角度Bで下方に傾斜する。傾斜部5は深さd2まで取り外し方向に角度Aで下方に傾斜する。
パンチ50は図4−図6に示されており、周知の方法により高圧でプレス加工することによって固定部材ブランクに本発明の凹部を冷間形成する際に使用される。パンチ50は図2及び図3に示された固定部材10の翼状部22を形成するようにローブ52を有している。ローブ52は固定部材10のカウンターボア2を形成するための表面53から外側に延びる。表面53は固定部材10の斜面1を形成するために傾斜部5及び6の鏡像の形状をしている。
これを達成するために、表面53は円周xの扇形を形成するために表面53の頂点59から図5の時計回り方向の隣接するローブ52の頂点61まで延びる領域55を有している。領域55はパンチの軸方向へ径方向内方に全体的に上向きであり且つ角度A(図2)で頂点61の方向へ全体的に上向きである複合角で傾斜している。角度Aは1°から2°の範囲である。
領域56は円周yの扇形を形成するために表面53の頂点59から図5の反時計回り方向の隣接するローブの頂点62まで延びる。領域56はパンチの軸方向へ径方向内方に全体的に上向きであり且つ角度B(図2)で頂点62方向へ全体的に上向きである複合角で傾斜している。角度Bは2°から6°の範囲である。図5の実施例では、領域56は約60°の扇形であり、領域55は約30°の扇形である。これはローブの数により変わるが、概して製造の容易さのために前記2つの傾斜部の相対的な大きさはおおよそ2対1である。
パンチ50は図7aから図7eに示されるように形成され、図8a及び図8bに示されるように周知の方法により固定部材10を冷間形成するために使用される。
パンチ50を形成するために、図7aから図7eに示されるように、ワイヤーEDM操作は固定部材10の凹部を形成するパンチを冷間形成するための金型若しくはホブ70を形成するために使用される。ホブ70はスチールバーのブランク(半加工品)71から形成され、例えば、直径が1インチ(25.4mm)で高さ1インチ(25.4mm)であり、直径は1インチ(25.4mm)+0.0005/−0.0000の許容誤差で芯なし(センターレス)研削される。ブランクの両端は所定外径に対して平行で且つ所定外径値に一致する必要がある。小さな許容誤差はワイヤーEDM操作の成功を確実にするために必要となる。図7aに示されるように、中心穴72はブランク71に凹部18の谷径(座部の直径)よりも小さい直径で軸方向に穴を開けられる(ドリル加工される)。
完全な寸法に合わされ且つ穴が開けられたブランク71は、穴72を通り挿入されたワイヤーを有しワイヤーEDM固定具に位置される。ワイヤーEDMは金型空洞(キャビティ)73を図2に示されるような螺旋形凹部18の形状に形成するために材料の塊を切り出すようにプログラムされている。パンチ50において各ローブ上に領域55及び領域56を形成するために、図7cに示されるようにEDMプローブ80は表面53の形状に機械加工される。表面81、82、83、84がプローブ80に機械加工される。斜面の要求された形を得るために、表面81乃至84は9度及び15度の複合角で機械加工される。
図7dに示されるようにプローブ80を使用することにより、各ローブに斜面75及び斜面76を有するカウンターボア穴74を形成することができる。図7eに示されるようにホブ70の金型空洞73は固定部材10の凹部18の形に仕上げられる。ホブ70はプレス加工によりパンチ50を形成するために使われる。図8a及び図8bに示されるように、固定部材10はパンチ50を使用しブランクを冷間形成することにより形成される。
本発明は特定の実施例について記述されたが、特定の実施例の記述は例示の目的のためだけであり且つ本発明の範囲を制限すると解釈してはならない。当業者ならば請求項に定義された本発明の精神及び範囲を逸脱することなしに様々な他の変更及び変形をするであろう。
図1は螺旋状に形成された凹部を有する平らな頭のねじの斜視図である。 図2は本発明による傾斜した突出面を有する平らな頭のねじの断面図である。 図3は本発明の係合斜面を有する固定部材の斜視断面図である。 図4は図2の凹部を形成するために使用されるパンチの斜視図である。 図5は図4のパンチの上面図である。 図6は図5の8−8線に沿った図4のパンチの側断面図である。 図7aは本発明の凹部を形成するために使用されるパンチの製造方法の工程の図示である。 図7bは本発明の凹部を形成するために使用されるパンチの製造方法の工程の図示である。 図7cは本発明の凹部を形成するために使用されるパンチの製造方法の工程の図示である。 図7dは本発明の凹部を形成するために使用されるパンチの製造方法の工程の図示である。 図7eは本発明の凹部を形成するために使用されるパンチの製造方法の工程の図示である。 図8aは図7のパンチを利用した本発明の凹部の冷間形成の図示である。 図8bは図7のパンチを利用した本発明の凹部の冷間形成の図示である。

Claims (19)

  1. 長手軸に沿って延びる固定部材の頭部の上面に形成された凹部であり、前記凹部は、
    螺旋形に形成された駆動面を画定する半径方向内方に延びる複数のローブからなり、前記駆動面は前記長手軸方向において前記ローブの外向き上面から前記凹部の底部に向かって延び、前記駆動面は前記固定部材を前記長手軸の回りに取付方向又は取外方向に回転せしめるための駆動工具と係合するように形成され、
    前記凹部はさらに、
    前記固定部材頭部の上面に凹みとして構成され、円筒形であり前記長手軸と同心に形成されて、前記複数のローブの外側上面を含むカウンターボアと、
    前記複数のローブの各々の前記外側に面する表面上に形成された複数の非駆動の斜面と、からなり、
    前記非駆動の斜面の各々は、
    頂部を有し、かつ前記頂部から半径方向内方に前記取付方向の円周方向に延び、かつ半径方向及び円周方向における複合角で前記頂部から下方傾斜する取付傾斜部と、
    頂部を有し、かつ前記頂部から半径方向内方に前記取外方向の円周方向に延び、かつ半径方向及び円周方向における複合角で前記頂部から下方傾斜する取外傾斜部と、からなり、
    前記取付傾斜部及び取外傾斜部は取付方向若しくは取外方向どちらかにおいて回転駆動工具と前記駆動面との係合を促すことを特徴とする凹部。
  2. 前記取付傾斜部は前記カウンターボアの所定の円周長だけ延びる第一の扇形を形成し、前記取外傾斜部は前記カウンターボアの所定の円周長だけ延びる第二の扇形を形成し、前記第一の扇形の円周長は前記第二の扇形の円周長より大きい請求項1記載の固定部材の凹部。
  3. 前記第一の扇形の円周長と前記第二の扇形の円周長の比はほぼ2対1である請求項2記載の固定部材の凹部。
  4. 前記第一の扇形は60°であり前記第二の扇形は30°である請求項2記載の固定部材の凹部。
  5. 前記取付傾斜部は所定の角度で円周方向に下方傾斜する請求項1記載の固定部材の凹部。
  6. 前記所定の角度は2°から6°の範囲である請求項5記載の固定部材の凹部。
  7. 前記取外傾斜部は所定の角度で円周方向に下方傾斜する請求項1記載の固定部材の凹部。
  8. 前記所定の角度は1°から2°の範囲である請求項7記載の固定部材の凹部。
  9. 長手軸に沿って延びる固定部材の頭部の上面に凹部を形成するためのパンチの作成方法であって、前記凹部は螺旋形に形成された駆動面を画定する半径方向内方に延びる複数のローブを有し、前記駆動面は前記長手軸方向において前記ローブの外向き上面から前記凹部の底部に向かって延び、前記駆動面は前記長手軸の回りに取付方向又は取外方向に回転せしめるための駆動工具と係合するように形成され、前記方法は、
    金型ブランク内に円筒形であり前記長手軸と同心の穴を形成する工程と、
    前記固定部材凹部の前記複数の駆動面を画定するために前記穴内に半径方向内方に延びる複数のローブを形成する工程と、
    前記金型の前記複数のローブの各々の前記外側に面する表面上に形成された複数の非駆動の斜面を形成する工程と、からなり、前記非駆動の斜面の各々は前記穴内のカウンターボア内に所定値窪まされ、前記非駆動の斜面の各々は、
    頂部を有し、かつ前記頂部から半径方向内方に前記取付方向の円周方向に延び、かつ半径方向及び円周方向における複合角で前記頂部から下方傾斜する取付傾斜部と、
    頂部を有し、かつ前記頂部から半径方向内方に前記取外方向の円周方向に延び、かつ半径方向及び円周方向における複合角で前記頂部から下方傾斜する取外傾斜部と、からなり、
    前記取付傾斜部及び取外傾斜部は取付方向若しくは取外方向どちらかにおいて回転駆動工具と前記駆動面との係合を促すように形成され、
    前記方法はさらに、
    前記金型内へパンチブランクをプレス加工することによりパンチを冷間形成する工程を有する製造方法。
  10. 前記複数のローブの各々の外側に斜面を形成する工程は、
    前記カウンターボアに一致するように形成され、係合面を有し、ほぼ円筒形のワイヤーEDMプローブを形成する工程と、
    前記取付及び取外傾斜部の複合角を形成するために前記係合面のローブの数に一致する一連の形成面を形成する工程と、を含む請求項9記載の方法。
  11. 前記一連の形成面を構成する工程は9度及び15度の複合角で4つの形成面を機械加工する工程を含む請求項10記載の方法。
  12. 長手軸に沿って延びる固定部材の頭部の上面に凹部を形成するためのパンチであって、前記凹部は螺旋形に構成された駆動面を画定する半径方向内方に延びる複数のローブを有し、前記駆動面は前記長手軸方向において前記ローブの外向き上面から前記凹部の底部に向かって延び、前記駆動面は前記長手軸の回りに取付方向又は取外方向に回転せしめるための駆動工具と係合するように形成され、前記パンチは、
    螺旋形の駆動面を形成するように配置されたローブを有する頂点の方に軸部から外に延び、軸部において第一の直径を有するパンチ頭部からなり、パンチ頭部は
    第二の直径を有する円筒形であり前記長手軸と同心の基部からなり、
    前記基部は前記パンチの軸部の外側に形成され、前記第二の直径は前記第一の直径よりも小さく、前記ローブは前記基部から前記頂点へ外側に突きだし、第二の直径まで半径方向に延び、前記ローブは外側に向かう翼状面を各ローブの間の前記基部に形成し、
    各前記翼状面上に非駆動の斜面が構成され、各前記斜面は、
    谷部を有し、かつ前記谷部から半径方向内方に前記取付方向の円周方向に延び、かつ半径方向及び円周方向における複合角で前記谷部から下方傾斜する取付傾斜部と、
    谷部を有し、かつ前記谷部から半径方向内方に前記取外方向の円周方向に延び、かつ半径方向及び円周方向における複合角で前記谷部から下方傾斜する取外傾斜部と、からなることを特徴とするパンチ。
  13. 前記取付傾斜部は前記基部の所定の円周長だけ延びる第一の扇形を形成し、前記取外傾斜部は前記基部の所定の円周長だけ延びる第二の扇形を形成し、前記第一の扇形の円周長は前記第二扇形の円周長より大きい請求項12記載のパンチ。
  14. 前記第一の扇形の円周長と前記第二の扇形の円周長の比はおおよそ2対1である請求項13記載のパンチ。
  15. 前記第一の扇形は60°であり前記第二の扇形は30°である請求項13記載のパンチ。
  16. 前記取付傾斜部は所定の角度で円周方向に傾斜する請求項12記載のパンチ。
  17. 前記所定の角度は2°から6°の範囲である請求項16記載のパンチ。
  18. 前記取外傾斜部は所定の角度で円周方向に傾斜する請求項12記載のパンチ。
  19. 前記所定の角度は1°から2°の範囲である請求項18記載のパンチ
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