JP5391527B2 - 駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は圧電素子を用いた摩擦駆動方式の駆動装置に関する。

圧電素子によって、軸状の振動部材を軸方向に非対称に往復変位させ、振動部材に摩擦係合する摩擦係合部材を振動部材に対して相対的にすべり変位させる（摩擦係合部材が移動する場合と、振動部材が移動する場合とがある）摩擦駆動方式の駆動装置が公知である。

このような摩擦駆動方式の駆動装置では、圧電素子に周期的に変動する電圧を印加する駆動回路が必要とされる。中でも、半導体スイッチング素子によって、圧電素子の電極に電圧を印加または接地することで、圧電素子に矩形波電圧を印加する駆動回路が利用される。

例えば、特許文献１には、圧電素子の両電極を交互に電源に接続し、他極を接地することで、圧電素子に印加される極性を反転させるフルブリッジ回路が開示されている。

このように矩形波電圧によって駆動する摩擦駆動方式の駆動装置では、矩形波電圧の１パルス当たりの摩擦係合部材のすべり変位量が一定であるので、それより小さい変位量を得ることができない。

矩形波電圧のデューティ比を変えることで、１パルス当たりの摩擦係合部材のすべり変位量を小さくすることが可能である。しかしながら、矩形波電圧のデューティ比を変えて摩擦係合部材のすべり変位量を小さくすると、摩擦係合部材が振動部材に摩擦係合して移動する際の移動速度が大きくなり、駆動トルクが小さくなるという問題がある。

また、摩擦駆動方式の駆動装置において、摩擦係合部材を狭い範囲で変位させ続けると、摩耗等によって、駆動特性が変化してしまうという問題もあった。
特開２００１−２１１６６９号公報 特開２００１−２９８６５６号公報

前記問題点に鑑みて、駆動トルクを下げることなく、擦係合部材の変位量を小さくすることができる摩擦駆動方式の駆動装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による駆動装置は、電極間に電圧が印加されると伸縮する圧電素子と、前記圧電素子に一端が固定され、前記圧電素子の伸縮によって、軸方向に往復変位可能な振動部材と、前記振動部材に摩擦係合し、前記振動部材の往復変位によって、前記振動部材に対してすべり変位する摩擦係合部材と、電源に接続され、前記圧電素子に前記電源の電圧を所定の駆動周期で印加し、前記圧電素子の前記電極を前記電源に接続する充電スイッチング素子、および、前記圧電素子の前記電極をグランドに接地する放電スイッチング素子を含むブリッジ回路と、前記電源と前記ブリッジ回路との間および前記ブリッジ回路と前記グランドとの間の少なくともいずれかの電路に制限抵抗を挿入するスイッチ回路とを備え、前記スイッチ回路は、前記制限抵抗をバイパスするバイパス電路と、前記制限抵抗を含む制限電路と、前記バイパス電路を開放するバイパススイッチと、前記制限電路を開放する制限スイッチとを備え、前記ブリッジ回路の周期駆動を停止させた状態で、かつ、前記制限抵抗を電路に挿入した状態で、前記制限抵抗を介して前記圧電素子に電圧を印加して伸縮させることで、前記摩擦係合部材を緩慢に変位させ、前記制限抵抗を電路に挿入した状態で、前記圧電素子の充放電が完了する前に、前記圧電素子を前記電源および前記グランドの少なくともいずれかから切り離し可能であるものとする。

この構成によれば、制限抵抗を挿入することにより、圧電素子に充電または圧電素子から放電される電流を制限し、圧電素子をゆっくりと充電または放電することができる。これにより、圧電素子をゆっくりと伸長または収縮させて、摩擦係合部材をゆっくりと変位させることができる。

また、この構成によれば、バイパススイッチを閉じれば、摩擦係合部材を高速に駆動でき、バイパススイッチを開いて制限スイッチを閉じれば、摩擦係合部材を低速に駆動できるので、摩擦係合部材の変位速度を選択できる。

また、この構成によれば、制限抵抗を挿入して摩擦係合部材をゆっくりと変位させ、圧電素子の充放電の途中で圧電素子を切り離すことで、圧電素子を中間の充電状態に保持して任意の長さに固定することができる。これによって、摩擦係合部材を任意の変位量に停止させることができる。

また、本発明の駆動装置は、前記圧電素子の前記電極間の電圧を監視するモニタ回路をさらに有し、前記電極間の電圧が前記摩擦係合部材の所望の変位量に対応する値となったときに前記圧電素子を前記電源から切り離してもよい。

この構成によれば、圧電素子の寸法変位を電極間の電圧によって監視することができ、摩擦係合部材の停止位置を正確に制御できる。

また、本発明の駆動装置において、前記圧電素子の前記電極のいずれか一方を前記電源に接続するときのみ前記制限抵抗を挿入し、同じ電極をグランドに接地するときは前記制限抵抗を挿入しないようにしてもよい。

この構成によれば、圧電素子の伸長または短縮のいずれか一方向の寸法変位だけを制限抵抗によって緩慢にすることができる。これにより、摩擦係合部材を緩慢に位置変位させるときに負荷を与えても、摩擦係合部材がスリップし難く、駆動トルクが高い。

本発明によれば、制限抵抗を挿入することにより、圧電素子をゆっくりと伸長または収縮させて、摩擦係合部材をゆっくりと変位させることができる。高トルクの駆動装置や位置決め精度の高い駆動装置が実現できる。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に、本発明の第１実施形態の駆動装置１の構成を示す。駆動装置１は、電圧Ｖｐ（Ｖ）の直流電源２および制御装置３が接続された駆動回路４と、駆動回路４の出力が電極５ａ，５ｂに印加される圧電素子５と、圧電素子５に一端が固定された軸状の振動部材６と、振動部材６に摩擦力によって係合する摩擦係合部材７とを有する。

圧電素子５は、電極５ａ，５ｂ間に印加される電圧に応じて、振動部材６の軸方向に伸縮するようになっている。圧電素子５が伸縮すると、振動部材６は軸方向に往復移動する。摩擦係合部材７は、振動部材６が緩慢に移動する場合には、振動部材６に摩擦係合したまま振動部材６とともに移動するが、振動部材６が急峻に移動すると、その慣性力によってその場に留ろうとして、振動部材６の上ですべり移動する。

駆動回路４は、制御装置３の制御信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４によってオン／オフさせられる４つのトランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４を含むブリッジ回路８と、制御装置３の制御信号Ｓ５，Ｓ６によってオン／オフさせられる２つのトランジスタＴ１，Ｔ２と基礎抵抗Ｒ１および制限抵抗Ｒ２とを含むスイッチ回路９とからなっている。

トランジスタＱ１は、オンすることで電源２の電圧Ｖｐ（Ｖ）を圧電素子５の電極５ａに印加するｐチャネル型ＦＥＴからなる充電スイッチング素子であり、トランジスタＱ２は、オンすることで電極５ａを接地するｎチャネル型ＦＥＴからなる放電スイッチング素子である。また、トランジスタＱ３は、オンすることで電源２の電圧Ｖｐ（Ｖ）を電極５ｂに印加するｐチャネル型ＦＥＴからなる充電スイッチング素子であり、トランジスタＱ４は、オンすることで電極５ｂを接地するｎチャネル型ＦＥＴからなる放電スイッチング素子である。

制御装置３は、トランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４をそれぞれ駆動する周期的な（例えば、周波数１４０ｋＨｚ）矩形波状の制御信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を出力するが、制御信号Ｓ１と制御信号Ｓ２とが同じ波形（例えば、デューティ比０．７）であり、制御信号Ｓ３と制御信号Ｓ４とは、制御信号Ｓ１，Ｓ２を略反転した出力である。これにより、制御装置３は、トランジスタＱ１とトランジスタＱ４とが略同時にオンし、トランジスタＱ２とトランジスタＱ３とがトランジスタＱ１，Ｑ４がオフのときにオンするように駆動回路を制御する。つまり、ブリッジ回路８は、圧電素子５の電極５ａ，５ｂのいずれか一方に電源２の電圧Ｖｐ（Ｖ）を印加しながら他方をグランドに接地し、電圧Ｖｐ（Ｖ）を印加する電極５ａ，５ｂを交互に切り替えるフルブリッジ回路である。

スイッチ回路９において、トランジスタＴ１は、オンすることで制限抵抗Ｒ２をバイパスしてブリッジ回路８に電源２を接続することができるバイパススイッチである。一方、トランジスタＴ２は、バイパススイッチＴ１をオフしているときにオンすることで、制限抵抗Ｒ２を介してブリッジ回路８に電源２を接続、換言すると、電源２とブリッジ回路８との間の電路に制限抵抗Ｒ２を挿入する制限スイッチとして機能する。基礎抵抗Ｒ１は、電源２の内部抵抗などを含み、必ずしも独立した素子として実装されるものではない。

本実施形態では、制御信号Ｓ１，Ｓ２と制御信号Ｓ３，Ｓ４とに僅かなオーバーラップを設けている。これにより、電源２の電圧Ｖｐ（Ｖ）を印加する電極５ａ，５ｂを切り替える際に、両電極５ａ，５ｂを一瞬ショートさせることになり、電極５ａ，５ｂの一方に充電されている電荷の一部を他方に充電することで、消費電力を節約している。

圧電素子５は、回路上は、コンデンサと同視することができ、本実施形態では、例えば、容量が１００（ｎＦ）である。また、基礎抵抗Ｒ１の抵抗値は、例えば、３．３Ωであり、制限抵抗Ｒ２の抵抗値は、例えば、１０ｋΩである。

駆動装置１は、図２に示すように、摩擦係合部材７をすべり変位させるとき、制御信号５をＬＯにしてバイパススイッチＴ１をオンし、且つ、制御信号６をＨＩにして制限スイッチＴ２をオフした状態で、矩形波状の制御信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４によって、トランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４を駆動する。これにより、駆動回路４は、圧電素子５の電極５ａ，５ｂのいずれか一方を基礎抵抗Ｒ１を介して電源２に接続しながら他方をグランドに接地するが、基礎抵抗Ｒ２における電圧降下により、圧電素子５に印加される電圧は、図示するように、立ち上がりに遅れを有する波形となる。

この圧電素子５の電極５ａ，５ｂ間の電圧は、圧電素子５と基礎抵抗Ｒ１とからなるＲＣ回路の電圧変化として求められる。この電圧変化の立ち上がり遅れの程度を示す時定数は、３３０（ｎｓｅｃ）である。これに対し、トランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４の動作周波数は１４０ｋＨｚ（駆動周期は、約７．１μｓｅｃ）であり、圧電素子５に印加される電圧の遅れは、実際の波形を大きく歪ませるものではない。

さらに、圧電素子５は、弾性などにより、印加電圧に対する寸法変位（伸縮）に遅れがある。この遅れは、印加電圧の周波数によって異なり、本実施形態において、圧電素子５は、図２に示すように、緩慢に伸長し、急峻に収縮する、鋸歯状の寸法変位を示す。

この圧電素子５の寸法変位は、振動部材６の軸方向の変位を示し、振動部材６が緩慢に押し出されるときは、摩擦係合部材７が振動部材とともに移動（変位）させられ、振動部材６が急峻に引き戻されるときは、摩擦係合部材７が自身の慣性力によってその場に留まろうとして振動部材６上ですべり移動する。これを繰り返すことで、駆動装置１は、摩擦係合部材７を、絶対位置が圧電素子５から遠ざかるように移動させる。

制御信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を逆動作させれば、つまり、圧電素子に印加される電圧のデューティ比を０．７にすれば、圧電素子５の寸法変位の波形が逆向きになり、摩擦係合部材７を逆方向に、圧電素子５に向かって駆動できる。

また、駆動装置１は、摩擦係合部材７が振動部材６に対してすべり移動しないように圧電素子５を緩慢に伸縮させて、摩擦係合部材７の位置を微調整するようになっている。

摩擦係合部材７の位置の微調整は、図３に示すように、制御信号Ｓ５をＨＩにしてバイパススイッチＴ１をオフし、制御信号Ｓ１，Ｓ２をＬＯ、制御信号Ｓ３，Ｓ４をＨＩにして、制御信号Ｓ６を必要な時間ＴだけＬＯにする。つまり、圧電素子５の電極５ｂをグランドに接地し、電極５を電源２にスイッチ回路９を介して接続可能としておき、挿入スイッチＴ２をオンすることで、電極５と電源２との間の電路に制限抵抗Ｒ２を挿入して回路を閉じるようになっている。

このとき、圧電素子５と制限抵抗Ｒ２とで形成されるＲＣ回路の時定数は、１（ｍｓｅｃ）であり、圧電素子５に印加される電圧は、図示するように、緩慢に上昇してゆく。電圧変化が緩慢であるために、圧電素子５の寸法変位の遅れは略無視でき、摩擦係合部材７は、圧電素子５に印加される電圧波形に合致して位置変位する。

ここで、印加電圧が上昇している間、つまり、電源２から圧電素子５に充電が完了する前に、制御信号Ｓ６をＨＩに戻して挿入スイッチＴ２をオフすると、圧電素子５は、その瞬間に電源２から切り離されるので、既に充電された電荷を保持して、その電荷に応じた寸法を維持する。これによって、駆動装置１は、挿入スイッチＴ２をオフした瞬間の摩擦係合部材７の位置を保持する。

摩擦係合部材７の位置変位は、圧電素子５と挿入抵抗Ｒ２とに依存する時間の関数として表すことができるので、摩擦係合部材７を移動したい距離が決まると、制御信号Ｓ６をＬＯにするまでの時間Ｔを求めることができる。実際的には、制御装置３に、摩擦係合部材７の移動距離と制御信号Ｓ６をＬＯにする時間Ｔとの関係を対応付ける参照テーブルを記憶しておくことができる。

また、本実施形態の駆動装置１では、図４に示すように、制御信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に同期して、制御信号Ｓ５を制御信号Ｓ６とを互いに逆動作させることによって、摩擦係合部材７を高トルクで低速駆動することもできる。

つまり、圧電素子５を伸長させるときおよび収縮させるときのいずれか一方では、制限抵抗Ｒ２を挿入して、圧電素子５の寸法変位を緩慢にし、他方では制限抵抗Ｒ２をバイパスして圧電素子５を急峻に寸法変位させる。これにより、摩擦係合部材７が振動部材６とともに移動する際の摩擦係合部材に加わる加速度が小さくなり、その分、大きな負荷を駆動することができるのである。

制限抵抗Ｒ２を挿入して圧電素子５を充電する時間は、圧電素子５と制限抵抗Ｒ２とで形成されるＲＣ回路の時定数に比して短くならないようにすべきである。例えば、本実施形態では、ＲＣ回路の時定数が１（ｍｓｅｃ）であるのに対し、制御スイッチＴ２がオンする時間を約２，５（ｓｅｃ）としており、その結果、全体としての駆動周波数は約４００Ｈｚとなっている。

図５に、本発明の第２実施形態の駆動装置１を示す。以降の説明において、先に説明した構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付して説明を省略する。本実施形態の駆動装置１は、第１実施形態より、スイッチ回路９の挿入スイッチＴ２を省略したものである。

このため、本実施形態のスイッチ回路９は、電源２とブリッジ回路８とを、基礎抵抗Ｒ１のみを介して接続するか、基礎抵抗Ｒ１に加えて制限抵抗Ｒ２を挿入して電源２とブリッジ回路８とを接続するかを選択することができるが、電源２とブリッジ回路８との間の電路を開放することはできない。

そこで、本実施形態では、摩擦係合部材７を緩慢に移動させて正確に位置決めする際は、図６に示すように、制御信号Ｓ１と制御信号Ｓ２とを独立して変化させるようになっている。つまり、バイパススイッチＴ１を開いて制限抵抗Ｒ２を挿入し、トランジスタＱ３をオフし、トランジスタＱ４をオンして圧電素子５の電極５ｂをグランドに接地し、さらに、トランジスタＱ２をオフした状態で、トランジスタＱ１だけを変化させる。このとき、トランジスタＱ１は、摩擦係合部材７の移動量に応じた時間Ｔだけオンする。これによっても、第１実施形態と同様に、時間Ｔだけ圧電素子５に電源２から制限抵抗Ｒ２を介して電流を供給することができ、摩擦係合部材７を所望の位置に位置決めできる。

さらに、図７に、本発明の第３実施形態の駆動装置１を示す。本実施形態では、スイッチ回路９が、ブリッジ回路８と圧電素子５との間の電路に設けられている。本実施形態において、摩擦係合部材７を緩慢に移動させて正確に位置決めする場合、制御信号Ｓ１，Ｓ２がＨＩのときは、制限抵抗Ｒ２によって、圧電素子５の電極５ａに電源２からトランジスタＱ１を介して充電される電流を制限し、制御信号Ｓ１，Ｓ２がＬＯのときは、制限抵抗Ｒ２によって、電極５ａからトランジスタＱ２を介してグランドに放電される電流を制限するようになっている。

また、スイッチ回路９は、図７において、圧電素子５の電極５ａ，５ｂをグランドに接地する電路（Ａ点）に設けてもよい。また、摩擦係合部材７を緩慢に移動させて正確に位置決めする際にも、制御信号Ｓ１，Ｓ２および制御信号Ｓ３，Ｓ４を用いたフルブリッジ回路によって圧電素子５を寸法変位させてもよい。この場合、圧電素子５の電極５ｂを充電および接地するための電路（Ｂ点）にスイッチ回路９を設けてもよい。

さらに、図８に、本発明の第４実施形態の駆動装置１を示す。本実施形態の駆動装置１は、圧電素子５の電極５ａ，５ｂ間の電圧を監視するモニタ回路１０をさらに有している。

制限抵抗Ｒ２を挿入した微調整駆動では、圧電素子５に印加される電圧変化が緩慢であるため、圧電素子５の寸法変位を圧電素子５に印加される電圧によって測定することができる。このため、モニタ回路１０が圧電素子５の印加電圧を検出して制御装置３に入力することで、制御装置３は、摩擦係合部材７を停止させるべき位置に対応する圧電素子５の寸法変位を確認した瞬間に圧電素子５を電源２から切り離して、摩擦係合部材７を所望の位置に正確に停止させる。

以上の実施形態において、ブリッジ回路８は、圧電素子５の電極５ａ−５ｂ間にＶｐ（Ｖ）を−Ｖｐ（Ｖ）とを交互に印加できるフルブリッジ回路であるが、０（Ｖ）とＶｐ（Ｖ）とを交互に印加するハーフブリッジ回路であってもよい。

本発明による駆動装置１は、例えば、図９に示すように、走査型トンネル顕微鏡の駆動装置として利用できる。走査型トンネル顕微鏡では、トンネル電流を検出するプローブ１１を検体１２に対して、トンネル電流が流れるｎｍオーダーの距離まで近づける必要がある。検体１２をセットする際の検体１２とプローブ１１との距離は十数ｍｍあるが、先ず、不図示のセンサによりプローブ１１と検体１２との距離を監視しながら、制限抵抗Ｒ２を挿入しない駆動装置１の通常の駆動により、プローブ１１を検体１２に対して１００μｍ程度まで近づける。続いて、圧電素子５を伸長させるときだけ制限抵抗Ｒ２を挿入し、プローブ１１でトンネル電流を検出できるまで、摩擦係合部材７を高トルクで低速駆動する。最後に、プローブ１１で検出するトンネル電流が最大となったときに、圧電素子５を電源２から切り離して摩擦係合部材７を停止させる。このように、本発明の駆動装置１により、高速な駆動と、低速駆動と、正確な位置決め駆動とができる。

また、本発明による駆動装置１は、例えば、図１０に示すように、コントラスト検出方式のオートフォーカス装置のように、常にレンズ１３を振動させて結像のコントラスト変化を確認し、コントラストが最大となる位置にレンズ１３を位置決めするディザ動作と呼ばれる駆動を行う場合にも適している。このオートフォーカス装置では、大まかなフォーカシングを、制限抵抗Ｒ２を挿入しないで高速に行い、ディザ動作を制限抵抗Ｒ２を挿入して摩擦係合部材７を振動部材６に対してすべり変位させずに行う。これにより、高速なフォーカシングと精密なフォーカシングとが両立できる。また、ディザ動作において摩擦係合部材７が振動部材６に対してすべり変位しないので、摩擦係合部材７および振動部材６の局所摩耗が進んで駆動装置１の寿命を縮める畏れがない。

また、上記実施形態では、圧電素子５を固定して、摩擦係合部材７の絶対位置を移動する駆動装置１について説明したが、本発明は、自走式の駆動装置にも適用できる。例えば、上記実施形態の駆動装置１において、圧電素子５を移動ステージに固定し、摩擦係合部材７を筐体に固定すれば、振動部材６および圧電素子５が摩擦係合部材７に対して移動（摩擦係合部材７が相対的に振動部材６に対してすべり変位）して移動ステージを駆動する、自走式のステージ移動機構となる。

本発明の第１実施形態の駆動装置の回路図。 図１の駆動装置の通常駆動のタイムチャート。 図１の駆動装置の微調整駆動のタイムチャート 図１の駆動装置の高トルク低速駆動のタイムチャート 本発明の第２実施形態の駆動装置の回路図。 図５の駆動装置の微調整駆動のタイムチャート 本発明の第３実施形態の駆動装置の回路図。 本発明の第４実施形態の駆動装置の回路図。 本発明の駆動装置の第１の適用例を示す概略図。 本発明の駆動装置の第２の適用例を示す概略図。

符号の説明

１ 駆動装置
２ 電源
３ 制御装置
４ 駆動回路
５ 圧電素子
５ａ，５ｂ 電極
６ 振動部材
７ 摩擦係合部材
８ ブリッジ回路
９ スイッチ回路
Ｑ１，Ｑ３ 充電スイッチング素子
Ｑ２，Ｑ４ 放電スイッチング素子
Ｒ２ 制限抵抗
Ｔ１ バイパススイッチ
Ｔ２ 挿入スイッチ

Claims (4)

1. 電極間に電圧が印加されると伸縮する圧電素子と、
   前記圧電素子に一端が固定され、前記圧電素子の伸縮によって、軸方向に往復変位可能な振動部材と、
   前記振動部材に摩擦係合し、前記振動部材の往復変位によって、前記振動部材に対してすべり変位する摩擦係合部材と、
   電源に接続され、前記圧電素子に前記電源の電圧を所定の駆動周期で印加し、前記圧電素子の前記電極を前記電源に接続する充電スイッチング素子、および、前記圧電素子の前記電極をグランドに接地する放電スイッチング素子を含むブリッジ回路と、
   前記電源と前記ブリッジ回路との間および前記ブリッジ回路と前記グランドとの間の少なくともいずれかの電路に制限抵抗を挿入するスイッチ回路とを備え、
   前記スイッチ回路は、前記制限抵抗をバイパスするバイパス電路と、前記制限抵抗を含む制限電路と、前記バイパス電路を開放するバイパススイッチと、前記制限電路を開放する制限スイッチとを備え、
   前記ブリッジ回路の周期駆動を停止させた状態で、かつ、前記制限抵抗を電路に挿入した状態で、前記制限抵抗を介して前記圧電素子に電圧を印加して伸縮させることで、前記摩擦係合部材を緩慢に変位させ、
   前記制限抵抗を電路に挿入した状態で、前記圧電素子の充放電が完了する前に、前記圧電素子を前記電源および前記グランドの少なくともいずれかから切り離し可能であることを特徴とする駆動装置。
2. 前記ブリッジ回路と前記電源との間に前記スイッチ回路と直列に、基礎抵抗を備えることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記圧電素子の前記電極間の電圧を監視するモニタ回路をさらに有し、前記電極間の電
   圧が前記摩擦係合部材の所望の変位量に対応する値となったときに前記圧電素子を前記電
   源から切り離すことを特徴とする請求項１または２に記載の駆動装置。
4. 前記圧電素子の前記電極のいずれか一方を前記電源に接続するときのみ前記制限抵抗を挿入し、同じ電極を前記グランドに接地するときは、前記制限抵抗を挿入しないことを特徴とする請求項１または２に記載の駆動装置。

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