JP6091164B2

JP6091164B2 - 圧電振動子及び発振回路

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Publication number: JP6091164B2
Application number: JP2012245371A
Authority: JP
Inventors: 翔小澤; 水本　勝也; 勝也水本; 隼人遠藤
Original assignee: River Eletec Corp
Current assignee: River Eletec Corp
Priority date: 2012-11-07
Filing date: 2012-11-07
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2032-11-07
Also published as: JP2014096620A

Description

本発明は、帯電防止機能を有した圧電振動子及び発振回路に関するものである。

従来、一般的な圧電振動子は、圧電振動片を収容するための凹部を有した絶縁性のベース部と、このベース部を溶接によって封止する導電性の封止体とを備えて構成されている。前記ベース部には、圧電振動片をフリーに支持する内部電極端子とこの内部電極端子と導通し、外部との電気的接続を図るための外部電極端子が設けられており、この外部電極端子を介して圧電振動片の励振電極に電圧を印加することによって所定の振動モード及び振動周波数が得られるようになっている。

前記封止体は金属材料で形成されているため帯電しやすく、この帯電によって、圧電振動片と封止体との間にクーロン力が働き、意図しない振動となってしまう場合がある。前記凹部は、圧電振動片の機械的な振動を妨げないような空間を確保しているが、圧電振動子の小型化及び薄型化の要請によって、圧電振動片と封止体との距離を可能な限り狭くする必要がある。このように、圧電振動片と封止体とが接近していることによって、ベース部内がさらに帯電しやすく、それによって圧電振動片にかかるクーロン力も大きくなるといった問題を有していた。特に、前記圧電振動片をより振動しやすくするために、凹部内を真空に近い状態にすることで、内部ガスによる抵抗を抑える場合があるが、これによって圧電振動片と封止体との間のクーロン力を増幅させてしまい、安定した機械的な振動が得られないといった問題もある。

前記帯電現象は時間の経過と共に減衰するが、封止体と接するベース部の材料となるセラミック材の違いによって、帯電が解消するまでの時間にバラツキが生じている。このような帯電によるクーロン力を迅速に低減させるには、ベース部にグランド用の端子を設け、この端子を通じて回路基板側に放電させるのが有効である。しかしながら、このような端子を追加することによって、ベース部の小型化が図れず、製造コストも多くなるといった問題もある。また、交流信号入出力用の２端子からなる圧電振動子においては、グランドに直接接続することが困難である。

ベース部内に組み込んだ電子素子等の静電気による帯電や放電破壊を防止する手段としては、特許文献１に開示されているように、電子素子を実装する基板を第１層及び第２層からなるセラミック積層体によって形成し、このセラミック積層体に約１ｋΩ〜５ＭΩの抵抗値を有する抵抗パターンを設ける場合がある。

また、ベース部内に収容した圧電振動片への影響を防止する他の手段としては、特許文献２に開示されているように、導電性キャップで封止したパケージ構造体が開示されている。ここでは、絶縁性キャップを低抵抗で絶縁ベース部に接地することによって、圧電振動片に影響を及ぼすような浮遊容量や外来電磁波等の発生を防止することを目的としている。

特開平５−２６７４９７号公報特開２００１−１５６１９７号公報

前述したように、圧電振動片を収容するベース部がセラミック材である場合には、導電性の封止体に帯電した電荷が自然に減衰するには時間がかかる。このため、封止体を回路基板等のグランド端子に短絡線等を介して導通接続して放電させるのが望ましいが、そのための実装スペースや実装コストがかかるといった問題がある。特許文献１のように、一般的な電子部品を実装するベース部の場合は、回路構成上、共通のグランド端子を有しているため、封止体の一部をグランド端子に接地させることは容易である。しかしながら、小型の圧電振動子の場合は、専用のグランド端子を設けるためのスペースを確保するのが難しい。

一方、特許文献２は、導電性キャップを絶縁ベース部に低抵抗で接地しているため、ベース部内に収容した圧電振動子が浮遊容量や外来電磁波に起因するような特性変動についての防止を図ることはできる。しかしながら、前記低抵抗での接地は、導電性キャップと絶縁ベース部との間で行われているため、圧電振動子が帯電した場合は、回路基板等を介して外部へ放電することができず、帯電による特性変動は避けられないおそれがある。

そこで、本発明の目的は、絶縁性のベース部に収容した圧電振動片と、前記ベース部を封止する導電性の封止体との間で生じる帯電電荷をベース部外へ素早く放電させることによって、圧電振動片の振動特性への影響を防止することができる圧電振動子及び発振回路を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の圧電振動子は、圧電振動片が載置されるベース部と、該ベース部に固定され前記圧電振動片を空間内に密封する導電性の封止体と、前記ベース部の外側に配置され、前記圧電振動片を振動させるための交流信号が入出力される外部電極端子とを備え、前記封止体と外部電極端子とが１０^６Ω乃至１０^１２Ωレベルの抵抗値を有する導通部材を介して電気的に接続されていることを特徴とする。

また、本発明の発振回路は、圧電振動子を構成する封止体、導通部材及び外部電極端子からグランド又は電源ラインに至る放電路が形成されることを特徴とする。

本発明の圧電振動子によれば、封止体と外部電極端子とが導通部材を介して電気的に接続され、前記導通部材が封止体の浮遊容量、ベース部の抵抗値、発振周波数及び時定数で規定される１０^６Ω乃至１０^１２Ωレベルの抵抗値を有しているので、圧電振動片の振動特性に影響を及ぼすことなく、帯電した電荷を迅速に外部に放電することができる。特に、圧電振動片を振動させるための交流信号を入出力するのに必要な外部電極端子のみで、グランド用等の端子を有さない圧電振動子においても放電が可能となる。

また、本発明の発振回路によれば、圧電振動子を構成する封止体、導通部材及び外部電極端子からグランド又は電源ラインに至る放電路が形成されるので、封止体に帯電された電荷を圧電振動子の外部に短時間で放電させることができる。

本発明に係る第１実施形態の圧電振動子の断面図である。上記圧電振動子の分解斜視図である。導通部材を設けない場合の圧電振動子内の帯電状態を示す説明図である。導通部材を設けた場合の圧電振動子内の放電状態を示す説明図である。本発明に係る第２実施形態の圧電振動子の分解斜視図である。導通部材をベース部の内部に設けた圧電振動子の分解斜視図である。本発明に係る第３実施形態の圧電振動子の断面図である。上記圧電振動子の分解斜視図である。導通部材の上限抵抗値を計算するための回路図である。上記図９における放電時間を示すグラフである。導通部材の下限抵抗値を計算するための回路図である。リッドと外部電極端子との間に印加される電圧に対する周波数変化を示す測定図である。各種の導通部材の抵抗値における周波数変化を計算によって求めたグラフである。第４実施形態（ａ）及び第５実施形態（ｂ）の圧電振動子の断面図である。上記圧電振動子をインバータに接続してなる発振回路の構成図である。上記インバータをＦＥＴに置き換えた発振回路の構成図である。

以下、本発明の圧電振動子の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１及び図２は、第１実施形態の圧電振動子１０を示したものである。この圧電振動子１０は、圧電振動片１１と、この圧電振動片１１を収容するための空間１２が形成されたセラミック製のベース部１３と、前記空間１２を覆う導電性の封止体（リッド）１４と、このリッド１４からベース部１３の底面に設けられている外部電極端子１５に延びる導通部材２１とを有して構成されている。なお、前記リッド１４とベース部１３の上面とは、ビーム溶接によって封止される。

前記圧電振動片１１は、音叉屈曲振動モードや厚みすべり振動モード等の各種の振動モードやカット角を備えた水晶片が使用される。本実施形態では、音叉型の圧電振動片１１を構成要素とした圧電振動子１０について説明する。このタイプの圧電振動片１１は、電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光軸をＺ軸とした水晶原石の直交座標系においてカットされた水晶板を音叉型に加工して形成されている。また、前記水晶振動子では、ＸＹＺからなる三次元の直交座標系のＸ−Ｙ平面（Ｚ板）をＸ軸回転で−７〜＋７度回転させたＸＹ´Ｚ´の座標系の水晶板が用いられ、中心の振動周波数が標準で３２．７６８ＫＨｚに設定されている。

前記圧電振動片１１は、ベース部１３の空間１２内に設けられる内部電極端子１６に導通支持される矩形状の基部１７と、この基部１７から平行に延びる一対の振動腕部１８とを備えている。また、前記基部１７には前記内部電極端子１６に対応する電極部１９が設けられ、この電極部１９からそれぞれの振動腕部１８にかけて励振電極（図示せず）が形成されている。

前記ベース部１３は、セラミック材によって四角形状に形成され、圧電振動片１１を収容するための空間１２が設けられている。前記空間１２の底面には、圧電振動片１１の基部１７を支持すると共に、電極部１９との導通を図るための内部電極端子１６が設けられる。この内部電極端子１６は、図１に示したように、圧電振動片１１の一対の振動腕部１８を空間１２の底面から浮かせた状態で保持するような高さに形成され、圧電振動片１１の電極部１９と導電性接着剤２２あるいはハンダ部材を介して導通接続される。また、前記圧電振動片１１は、振動した際にも前記リッド１４に接触しないような間隔ｈを有して空間１２内に収容される。前記各内部電極端子１６は、ベース部１３の外部に対応して設けられている外部電極端子１５に導通しており、この外部電極端子１５を介して１Ｖ〜５Ｖ程度の交流信号を入出力させることによって、圧電振動片１１が所定の周波数で振動する。

前記リッド１４は、ベース部１３の平面形状と略同一形状の平板状の金属板と、この金属板の裏面全体にクラッド化された金属ろう材とで構成されている。前記金属板は従来のリッドと同様、４２アロイやコバールその他の鉄系合金で構成され、一方、金属ろう材は銀合金やアルミニウム合金等の金属材で構成される。このリッド１４は、ビーム等による照射熱によって加熱溶融し、前記ベース部１３の上面に設けられるメタライズ層２０にビーム溶接される。

本発明の特徴的な点は、前記リッド１４の一端とベース部１３の外部電極端子１５の少なくとも１つとが導通部材２１によって電気的に接続されているところにある。この導通部材２１は、ベース部１３が有する抵抗値に近い１０^６Ω乃至１０^１２Ωレベルの抵抗値を有した抵抗膜によって形成され、図１及び図２に示したように、リッド１４と外部電極端子１５とが導通するように、ベース部１３の側面に沿って被覆される。前記抵抗膜として形成される導通部材２１は、高抵抗率を有するニッケルクロムや銅ニッケル等が用いられ、蒸着あるいはスパッタリング等によって、ベース部１３の表面に被着形成することができる。また、前記抵抗膜の形成厚みや被着面積を調整することによって、所望の抵抗値に設定することができる。

図３に示すように、前記導通部材２１を有していない従来の圧電振動子１では、圧電振動片１１とリッド１４との間が静電気等によって帯電した場合は、ベース部１３が絶縁性の高いセラミック材であるため、帯電によって生じた電荷Ｑがリッド１４に留まり、自然放電するまで時間を要することになる。このような帯電現象は、圧電振動片１１を収容するスペースが狭く、封止するリッド１４とが近接すると共に、圧電振動片１１を振動させるための交流信号を入出力させるのに必要な外部電極端子１５のみで、専用のグランド端子やグランドパターン等を有さない小型の圧電振動子において顕著となり、圧電振動片１１の精密な振動に悪影響を及ぼすおそれがあった。

これに対して、本実施形態の圧電振動子１０では、図４に示したように、リッド１４の一端と、圧電振動片１１に交流信号を入出力させるための外部電極端子１５とが導通部材２１を介して電気的に接続されているので、この外部電極端子１５を通してリッド１４に帯電した電荷Ｑを素早く外部に放電させることができる。なお、前記導通部材２１は、ベース部１３自体が有する抵抗値に近い抵抗値を有しているため、圧電振動片１１の振動に影響を及ぼすことがない。

図５は、第２実施形態の圧電振動子３０を示したものである。この実施形態では、前記導通部材３１を複数の抵抗線で構成したものであり、所定の抵抗値を得るために、多数網目状に形成した抵抗線パターンを形成している。この抵抗線パターンも前記第１実施形態の抵抗膜と同様にベース部１３の外周面に沿って形成される。また、前記抵抗膜あるいは抵抗線パターンによって形成される導通部材３１を空間１２の内壁面に沿って形成し、リッド１４と内部電極端子１６とを導通させるようにしてもよい。

また、図６に示すように、前記導通部材３１をベース部１３の内壁面に沿って配設し、外部電極端子１５の少なくとも一つと導通するように引き回される内部導通パターン３２に接続させることもできる。これによって、前記導通部材３１がベース部１３の外周面に露出することなく、リッド１４に帯電した電荷をベース部１３の内部から外部に放電させることができる。なお、前記導通部材３１や内部導通パターン３２は、レーザやプラズマ等を用いた逆スパッタリングによって、ベース部１３の内壁面に付着させることができるため、製造コストを抑えることが可能となる。

図７及び図８は、第３実施形態の圧電振動子４０を示したものである。この実施形態では、ベース部１３の壁部の内部に上面から下面の外部電極端子１５に掛けて貫通する貫通孔を設け、この貫通孔に導通部材４１を埋め込むようにして形成したものである。前記導通部材４１は、リード線を有する抵抗体あるいは円柱状の抵抗体等の前記貫通孔に挿入可能なものが用いられ、リッド１４で封止することによって、このリッド１４と外部電極端子１５とが電気的に接続される。

上記実施形態では、ベース部１３とは別に導通部材２１，４１を設けたが、ベース部１３自体を前記導通部材２１，４１と同様の１０^６Ω乃至１０^１２Ωレベルの抵抗値を有したセラミック等の材料によって形成することもできる。これによって、前記ベース部１３を通じてリッド１４に帯電した電荷をそのまま外部電極端子１５から外部に放電させることができる。

次に、上記第１乃至第３実施形態における導通部材２１の抵抗値の上限及び下限をベース部１３、リッド１４その他の諸条件に基づいて定める。ベース部１３については、酸化アルミニウムを原料とするセラミックスで形成されており、このセラミックスの体積抵抗率は１０^１４Ω・ｃｍ以上であることが知られている。これは、前記ベース部をブロック状のセラミックスに置き換えて計算することによって求めることができる。一例として、ブロックサイズが３．２ｍｍ×１．５ｍｍ×０．７ｍｍで、対向する一対の側面（３．２ｍｍ×１．５ｍｍ）全体が電極面とした場合におけるセラミックスの抵抗値Ｒは、体積抵抗率をρ、電極間の長さをＬ、電極面積Ａとすると、
Ｒ[Ω]＝ρ[Ω・ｃｍ]・Ｌ[ｃｍ]／Ａ[ｃｍ^２]の計算式で求められる。
具体的な数値例として示すと、
Ｒ[Ω]＝１．０×１０^１４[Ω・ｃｍ]・０．０７[ｃｍ]／（０．３２×０．１５[ｃｍ^２]）＝１．４×１０^１４[Ω]となる。実際のベース部１３においては、圧電振動片１１を収容するための空間１２を有し、上面全体が金属材料からなるリッド１４で封止され、さらに、外周面に複数の外部電極端子１５が設けられているので、上記計算値より大きくなると考えられる。

前記導通部材２１の上限値を定める際には、上記で計算した値を超えない程度（１〜２ケタ程度小さい値）となる１×１０^１２[Ω]＝１０^６[ＭΩ]程度が好ましい。これに基づいて実際の使用条件における規格化された上限値を定める。ここでの計算モデルは、図９に示すように、リッド１４の浮遊容量をＣ、ベース部１３に設ける抵抗値をＲとしたＣＲ放電回路で計算することができる。このＲＣ放電回路において、時定数τとＲ，Ｃの関係は、
τ[ｓ]＝Ｒ[Ω]・Ｃ[Ｆ]
となる。なお、前記時定数τは、電圧が初期電圧の約３６．８％になる時間を示す。
次に、回路の特性上問題とならない時定数τを１[ｓ]、リッドの浮遊容量Ｃを１[ｐＦ]として、上限のベース部の抵抗Ｒを求める。
Ｒ＝τ[ｓ]／Ｃ[Ｆ]＝１[ｓ]／１[ｐＦ]＝１[ｓ]／１×１０^−１２[Ｆ]＝１０^１２[Ω]
となる。図１０は上記時間の経過に伴う放電の変化を示したものである。この実験結果によれば、リッド１４が帯電した場合であっても、１０秒程度で元の帯電のない状態に戻る。この結果から、リッド１４とベース部１３の外部電極端子１５との間に設ける導通部材２１の抵抗値の上限を１０^１２[Ω]＝１０^６[ＭΩ]とした。

次に、導通部材２１の下限値を定める。ここでの計算は、ベース部１３の抵抗値Ｒとリッド１４の浮遊容量Ｃとで、図１１に示すようなローパスフィルタ（ＬＰＦ）を形成しているものとみなされ、高域遮断周波数（カットオフ周波数）ｆｃが圧電振動子１０の周波数以下となるように設定される。例えば、リッド１４の浮遊容量Ｃを１ｐＦ、高域遮断周波数ｆｃを３２．７６８ｋＨｚと仮定すると、
ｆｃ[Ｈｚ]＝１／（２π・Ｃ[Ｆ]・Ｒ[Ω]）
Ｒ＝１／（２π・Ｃ[Ｆ]・ｆｃ[Ω]）
＝１／（２π×１[ｐＦ] ×３２７６８[Ｈｚ]
＝１／（２π×１×１０^１２×３２７６８）
＝４８５７０２[Ω]≒５．０[ＭΩ]
となる。このため、５．０[ＭΩ]が下限値とされる。

図１２は上記ベース部１３を用いた音叉型水晶振動子において、リッド１４と外部電極端子１５との間に０〜１０００[Ｖ]の範囲で電圧Ｖを印加しながら周波数変化ΔＦをプロットしたものである。この測定によれば、
ΔＦ＝０．００００４３Ｖ^２＋０．０００５２６Ｖ
の関係となっている。

図１３は前記音叉型水晶振動子において、リッド１４と外部電極端子１５との間の容量を１ｐＦ、帯電電圧を１ｋＶに設定し、所定の抵抗値による導通部材２１を介して放電した場合の時間に対する周波数変化を求めたものである。この測定結果から、抵抗値１０^１２Ωであれば、１０秒以内に元の周波数に戻るが、それ以上の抵抗値の場合には数秒では周波数に戻らないことがわかる。このため、導通部材２１の抵抗値を上記の上限値と下限値とで規定することによって、圧電振動片の主振動への影響を最小限に抑えながら放電時間の短縮化を図ることが可能となる。

図１４は上記第１乃至第３実施形態のベース部が平板状の絶縁性基板からなる二種類の圧電振動子を示したものである。図１４（ａ）に示す第４実施形態の圧電振動子５０は、前記絶縁性基板からなるベース部５３の上面に内部電極端子１６を介して圧電振動片１１が実装され、この圧電振動片１１を囲うようにして導電性の枠体５２を配置している。そして、前記枠体５２の上面に平板状のリッド５４を配置することによって、圧電振動片１１を密閉している。また、図１４（ｂ）に示す第５実施形態の圧電振動子６０は、前記ベース部５３の上面に圧電振動片１１を囲う空間１２を有したカップ状のリッド６４を配置することによって、圧電振動片１１を密閉している。なお、図１４（ａ），（ｂ）に示した例では、導通部材２１をベース部５３の外側に沿って設けたが、図６に示したように、外部電極端子１５と導通する内部導通パターンをベース部５３の上面に設け、この内部導通パターンと枠体５２（図１４（ａ））あるいはリッド６４（図１４（ｂ））との導通を図るようにしてもよい。

前記圧電振動子５０は、ベース部５３と接する枠体５２と外部電極端子１５とを第１乃至第３実施形態で示したような抵抗値を有する導通部材２１，３１，４１を介して電気的に接続、あるいは、ベース部５３自体を前記抵抗値と同程度の材料で形成することによって、リッド５４に帯電した電荷を外部電極端子１５から外部に放電させることができる。また、前記圧電振動子６０の場合は、ベース部と接するリッド６４の下端を通じて、このリッド６４に帯電した電荷を外部電極端子１５から外部に放電させることができる。

図１５及び図１６は上記圧電振動子１０，３０，４０，５０，６０を実装してなる発振回路７０，８０の構成例を示したものである。図１５は前記圧電振動子を構成するリッド１４、導通部材２１及び外部電極端子１５からインバータ（ＩＮＶ）を介してグランド（ＧＮＤ）又は電源（Ｖｃｃ）に至る放電路７１を形成したものである。前記ＩＮＶのＯＵＴ側端子の理想的なインピーダンスは０、ＩＮ側端子の理想的なインピーダンスは無限大とみなせる。また、この発振回路７０では、インバータのＩＮ−ＯＵＴ端子間に帰還抵抗Ｒｆが接続される。この帰還抵抗Ｒｆの値は一般的に１０ｋΩ〜２０ＭΩ程度のものが使用される。ここで、前記圧電振動子の実装に伴い、他の電子部品やＩＣなどに電気的に接続することによって、圧電振動片１１とリッド１４が帯電し、リッド１４に電荷Ｑが発生する。しかしながら、リッド１４と外部電極端子１５とが導通部材２１を介して外部電極端子１５に接続されているため、この外部電極端子１５を介して前記電荷Ｑは前記帰還抵抗ＲｆからＩＮＶのＯＵＴ側、ＧＮＤ又はＶｃｃに至る放電路７１を通して放電される。図１６は前記インバータ（ＩＮＶ）をトランジスタ（ＦＥＴ）に置き換えて構成した発振回路８０である。ここでは、圧電振動子を構成するリッド１４、導通部材２１及び外部電極端子１５からＦＥＴを介してＶｃｃに至る放電路８１が形成されている。なお、放電の作用効果は前記発振回路７０と同様である。

以上説明したように、圧電振動片１１を封止する各実施形態で示したリッド１４，５４，６４等の一端と外部電極端子１５の一部とを導通部材２１，３１，４１によって電気的に接続するといった簡易な構成をとることで、帯電に伴う電荷を迅速且つ確実に外部に放電させることができる。また、前記導通部材２１，３１，４１の上限抵抗値及び下限抵抗値を規定することによって、発振回路を組んだ際の周波数変動を最小限に抑えることができると共に、静電破壊等によるデバイス不良を有効に防止することができる。

１圧電振動子
１０圧電振動子
１１圧電振動片
１２空間
１３ベース部
１４リッド（封止体）
１５外部電極端子
１６内部電極端子
１７基部
１８振動腕部
１９電極部
２０メタライズ部
２１導通部材
２２導電性接着剤
３０圧電振動子
３１導通部材
３２内部導通パターン
４０圧電振動子
４１導通部材
５０圧電振動子
５２枠体
５３ベース部
５４リッド
６０圧電振動子
６４リッド
７０発振回路
７１放電路
８０発振回路
８１放電路

Claims

圧電振動片が載置されるベース部と、該ベース部に固定され前記圧電振動片を空間内に密封する導電性の封止体と、前記ベース部の外側に配置され、前記圧電振動片を振動させるための交流信号が入出力される外部電極端子とを備え、
前記封止体と外部電極端子とが１０^６Ω乃至１０^１２Ωレベルの抵抗値を有する導通部材を介して電気的に接続されていることを特徴とする圧電振動子。
前記導通部材は、前記封止体からベース部の外側、内側又は内部を通して外部電極端子まで延びる抵抗膜又は抵抗配線パターンである請求項１に記載の圧電振動子。
前記導通部材は、前記１０^６Ω乃至１０^１２Ωレベルの抵抗値を有する材料によって形成されたベース部である請求項１に記載の圧電振動子。
前記ベース部は圧電振動片を収容する空間を有し、ベース部の上面に載置した平板状の封止体によって空間を密封する請求項１に記載の圧電振動子。
前記圧電振動片には、電極部が設けられ、この電極部に対応する前記外部電極端子のいずれかと前記封止体の一端とが前記導通部材によって電気的に接続されている請求項１に記載の圧電振動子。
前記導通部材は、前記封止体が有する浮遊容量とベース部が有する抵抗値とでローパスフィルタ回路を構成した場合の高域遮断周波数が前記圧電振動片の主振動の発振周波数以下となるような下限値と、
前記封止体の浮遊容量とベース部の抵抗値とで放電回路を構成した場合の時定数が１０秒以下となるような上限値とで規定される範囲の抵抗値を備える請求項１に記載の圧電振動子。
請求項１に記載の圧電振動子が実装される発振回路であって、
前記圧電振動子を構成する封止体、導通部材及び外部電極端子からグランド又は電源ラインに至る放電路が形成される発振回路。