JP2007040517A - 調和減速機およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 耐久性、軽量でかつ作製の容易な調和減速機を実現できるようにする。
【解決手段】 本発明の調和減速機は、環状の剛性内歯歯車2と、この内側に配置された可撓性外歯歯車3と、さらにこの内側に配置された波動発生器4とを有し、可撓性外歯歯車3は、半径方向に変形可能で可撓性を有する筒状の胴部31と、この胴部31の一端に連続している外歯が形成された筒状の歯部30と、胴部31の他端に連続して半径方向に延びる環状のダイヤフラム32と、このダイヤフラムに連続しているボス33とを備えたもので、可撓性外歯歯車が絞り加工または押出加工により成形されたものである。
【選択図】 図1
【解決手段】 本発明の調和減速機は、環状の剛性内歯歯車2と、この内側に配置された可撓性外歯歯車3と、さらにこの内側に配置された波動発生器4とを有し、可撓性外歯歯車3は、半径方向に変形可能で可撓性を有する筒状の胴部31と、この胴部31の一端に連続している外歯が形成された筒状の歯部30と、胴部31の他端に連続して半径方向に延びる環状のダイヤフラム32と、このダイヤフラムに連続しているボス33とを備えたもので、可撓性外歯歯車が絞り加工または押出加工により成形されたものである。
【選択図】 図1
Description
本発明は、耐久性向上と軽量化をはかり、かつ、作製が容易な可撓性外歯歯車を備えた調和減速機に関するものである。
調和減速機は、そこに組み込まれている可撓性外歯歯車の形状によって、カップ型、シルクハット型、およびフラット型のものがある。従来、カップ型の調和減速機について提案されている代表的な例を図1に示す(例えば特許文献1参照)。
図1はカップ型の調和減速機の概略を示す側断面図、図2はその正面図である。調和減速機1は、環状の剛性内歯歯車2と、この内側に配置されたカップ形の可撓性外歯歯車3と、この内側にはめ込まれた楕円形の波動発生器4とを有している。可撓性外歯歯車3は、円筒状の胴部31と、この胴部31の一端に連続している外歯34が形成された円筒状歯部30と、胴部31の他端を封鎖している環状のダイヤフラム32と、このダイヤフラム32の中心に一体形成されているボス33とを備えている。
図1はカップ型の調和減速機の概略を示す側断面図、図2はその正面図である。調和減速機1は、環状の剛性内歯歯車2と、この内側に配置されたカップ形の可撓性外歯歯車3と、この内側にはめ込まれた楕円形の波動発生器4とを有している。可撓性外歯歯車3は、円筒状の胴部31と、この胴部31の一端に連続している外歯34が形成された円筒状歯部30と、胴部31の他端を封鎖している環状のダイヤフラム32と、このダイヤフラム32の中心に一体形成されているボス33とを備えている。
可撓性外歯歯車3は、波動発生器4によって楕円形に撓められて、その楕円形状の長軸方向の両端部分の外歯34が、内歯歯車2の内周面に形成した内歯21に噛み合っている。波動発生器4がモータ回転軸等により回転すると、両歯車の噛み合い位置が円周方向に移動する。内歯21と外歯34の歯数は2N(Nは正の整数)だけ差があるので、この歯数差に応じた相対回転が両歯車の間に発生する。一般的には、内歯歯車2の側が固定されるので、カップ形の可撓性外歯歯車3の側から、両歯車の歯数差に応じて大幅に減速された回転が出力される。このような動作のため、可撓性外歯歯車3は実用上は機械的強度に優れる特殊鋼を用いることが一般的である。
以上、カップ型のものを例に調和減速機の説明を行なったが、シルクハット型、フラット型に関しても動作の原理は同様である。
以上、カップ型のものを例に調和減速機の説明を行なったが、シルクハット型、フラット型に関しても動作の原理は同様である。
以上、説明した調和減速機はロボット等の駆動装置で使用されるため耐久性の向上と共に軽量化が求められている。特に、ロボットアームやロボットハンドに用いる場合は、信頼性の観点から長期安定駆動と耐久性向上、さらにこの調和減速機の重量そのものがロボット動作時の負荷となるため、低消費電力といった環境に考慮する側面からも軽量化が求められている。耐久性向上に関しては合金鋼の適用や表面の窒化処理が提案されている(例えば特許文献1参照)。一方、軽量化に対応した例として、構成部材を通常のアルミニウム合金で置き換えることが提案されている(例えば特許文献2参照)。
しかし、従来の耐久性の向上と軽量化に対する方法では複雑な加工が必要となり、作製に工数がかかるという問題があった。これらの問題を解決する方策として、複数の部材を溶接して作製する方法が提案されている(例えば特許文献3参照)。
特開2000−55147号公報(第3頁、図1)
特開平10−318338号公報(第3−5頁、図1)
特許3032534号公報(第2−3頁、第2図)
ところが、従来の溶接して作製する方法では溶接部が強度的に弱くなり、耐久性に問題があった。また、軽量化や加工性においてもまだ満足できるものではなかった。
そこで、本発明はこの点に鑑みて、従来、可撓性外歯歯車が特殊鋼で構成されている調和減速機なみの伝達トルクを備えながら、耐久性が向上してかつ軽量で、かつ作製が容易な調和減速機を提供することを目的とする。
そこで、本発明はこの点に鑑みて、従来、可撓性外歯歯車が特殊鋼で構成されている調和減速機なみの伝達トルクを備えながら、耐久性が向上してかつ軽量で、かつ作製が容易な調和減速機を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明は、次のように構成したものである。
請求項1記載の発明は、環状の剛性内歯歯車と、この内側に配置された可撓性外歯歯車と、さらにこの内側に配置された波動発生器とを有し、前記可撓性外歯歯車は、半径方向に変形可能で可撓性を有する筒状の胴部と、この筒状胴部の一端に連続している外歯が形成された筒状の歯部と、前記胴部の他端に連続して半径方向に延びる環状のダイヤフラムと、このダイヤフラムに連続しているボスとを備えた調和減速機において、前記可撓性外歯歯車が絞り加工または押出加工により成形されたものである。
ものである。
また、請求項2記載の発明は、前記可撓性外歯歯車は超塑性合金で構成されたものである。
また、請求項3記載の発明は、前記超塑性合金が、22質量%のアルミニウムを含有する亜鉛合金、6質量%の銅と0.5質量%のジルコニウムを含有するアルミニウム合金、6質量%のアルミニウムと4質量%のバナジウムを含有するチタン合金、または26質量%のクロム、6質量%のニッケルを含有する鉄合金のいずれかとしたものである。
また、請求項4記載の発明は、前記可撓性外歯歯車が、30〜60質量%のバナジウム族元素を含有するチタン合金で構成されたものである。
また、請求項5記載の発明は、前記チタン合金は、ジルコニウムとハフニウムとスカンジウムとからなる金属元素群中の1種以上の元素を合計で1〜20質量%含有するものである。
また、請求項6記載の発明は、前記チタン合金は、0.08〜0.6質量%の酸素を含有するものである。
また、請求項7記載の発明は、環状の剛性内歯歯車と、この内側に配置された可撓性外歯歯車と、さらにこの内側に配置された波動発生器とを有し、前記可撓性外歯歯車は、半径方向に変形可能な可撓性の胴部と、この胴部の一端に連続している外歯が形成された筒状歯部と、前記胴部の他端に連続して半径方向に延びる環状のダイヤフラムと、このダイヤフラムに連続しているボスとを組み込んで製造する調和減速機の製造方法において、前記可撓性外歯歯車を絞りまたは押出しにより成形するものである。
また、請求項8記載の発明は、前記チタン合金は、前記可撓性外歯歯車を超塑性合金で構成し、熱間加工または冷間加工の少なくとも一方を用いて成形するものである。
また、請求項9記載の発明は、前記可撓性外歯歯車が、引張強度を弾性率で除した弾性ひずみが0.015から0.03であり、引張強度750MPa以上である金属ガラスで構成されたものである。
また、請求項10記載の発明は、前記金属ガラスは、ジルコニウムを5から60質量%含有し、かつ残部にニッケルを含有するものである。
請求項1記載の発明は、環状の剛性内歯歯車と、この内側に配置された可撓性外歯歯車と、さらにこの内側に配置された波動発生器とを有し、前記可撓性外歯歯車は、半径方向に変形可能で可撓性を有する筒状の胴部と、この筒状胴部の一端に連続している外歯が形成された筒状の歯部と、前記胴部の他端に連続して半径方向に延びる環状のダイヤフラムと、このダイヤフラムに連続しているボスとを備えた調和減速機において、前記可撓性外歯歯車が絞り加工または押出加工により成形されたものである。
ものである。
また、請求項2記載の発明は、前記可撓性外歯歯車は超塑性合金で構成されたものである。
また、請求項3記載の発明は、前記超塑性合金が、22質量%のアルミニウムを含有する亜鉛合金、6質量%の銅と0.5質量%のジルコニウムを含有するアルミニウム合金、6質量%のアルミニウムと4質量%のバナジウムを含有するチタン合金、または26質量%のクロム、6質量%のニッケルを含有する鉄合金のいずれかとしたものである。
また、請求項4記載の発明は、前記可撓性外歯歯車が、30〜60質量%のバナジウム族元素を含有するチタン合金で構成されたものである。
また、請求項5記載の発明は、前記チタン合金は、ジルコニウムとハフニウムとスカンジウムとからなる金属元素群中の1種以上の元素を合計で1〜20質量%含有するものである。
また、請求項6記載の発明は、前記チタン合金は、0.08〜0.6質量%の酸素を含有するものである。
また、請求項7記載の発明は、環状の剛性内歯歯車と、この内側に配置された可撓性外歯歯車と、さらにこの内側に配置された波動発生器とを有し、前記可撓性外歯歯車は、半径方向に変形可能な可撓性の胴部と、この胴部の一端に連続している外歯が形成された筒状歯部と、前記胴部の他端に連続して半径方向に延びる環状のダイヤフラムと、このダイヤフラムに連続しているボスとを組み込んで製造する調和減速機の製造方法において、前記可撓性外歯歯車を絞りまたは押出しにより成形するものである。
また、請求項8記載の発明は、前記チタン合金は、前記可撓性外歯歯車を超塑性合金で構成し、熱間加工または冷間加工の少なくとも一方を用いて成形するものである。
また、請求項9記載の発明は、前記可撓性外歯歯車が、引張強度を弾性率で除した弾性ひずみが0.015から0.03であり、引張強度750MPa以上である金属ガラスで構成されたものである。
また、請求項10記載の発明は、前記金属ガラスは、ジルコニウムを5から60質量%含有し、かつ残部にニッケルを含有するものである。
請求項1、7、8記載の発明によると、可撓性外歯歯車を熱間による絞りあるいは押し出しにより加工されているので、この作製工程を減らすことができ、作製を容易にすることができる。
請求項2記載の発明によると、可撓性外歯歯車を超塑性合金としたため、軽量化を図り、かつ、熱間による絞りあるいは押し出しにより加工されているので、この作製工程を減らすことができ、作製を容易にすることができる。
請求項3記載の発明によると、可撓性外歯歯車の部材に亜鉛合金、アルミニウム合金、チタン合金、鉄合金を用いたので、安価に、かつ、熱間による絞りあるいは押し出しにより加工されているので、この作製工程を減らすことができ、作製を容易にすることができる。
請求項4〜6記載の発明によると、可撓性外歯歯車を軽量かつ耐久性を兼ね備え、熱間あるいは冷間あるいはこれらの併用による絞りあるいは押し出しにより加工できるチタン合金で構成したので、作製を容易にすることができる。
請求項9、10記載の発明によると、可撓性外歯歯車を軽量かつ耐久性を兼ね備え、冷間による絞りあるいは押し出しにより加工できる金属ガラスで構成したので、作製を容易にすることができる。
請求項2記載の発明によると、可撓性外歯歯車を超塑性合金としたため、軽量化を図り、かつ、熱間による絞りあるいは押し出しにより加工されているので、この作製工程を減らすことができ、作製を容易にすることができる。
請求項3記載の発明によると、可撓性外歯歯車の部材に亜鉛合金、アルミニウム合金、チタン合金、鉄合金を用いたので、安価に、かつ、熱間による絞りあるいは押し出しにより加工されているので、この作製工程を減らすことができ、作製を容易にすることができる。
請求項4〜6記載の発明によると、可撓性外歯歯車を軽量かつ耐久性を兼ね備え、熱間あるいは冷間あるいはこれらの併用による絞りあるいは押し出しにより加工できるチタン合金で構成したので、作製を容易にすることができる。
請求項9、10記載の発明によると、可撓性外歯歯車を軽量かつ耐久性を兼ね備え、冷間による絞りあるいは押し出しにより加工できる金属ガラスで構成したので、作製を容易にすることができる。
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図1、2は、本発明を用いたカップ形の調和減速機である。形状的には従来と同じであるため、各部の符号の説明は省略する。環状の剛性内歯歯車2と波動発生器4およびその他の部品は従来と同じ方法で作製している。
可撓性外歯歯車3の作製方法は、可撓性外歯歯車3のカップ外径寸法を45mmとし、板材の材質を亜鉛合金、アルミニウム合金、チタン合金、鉄合金とした。そして、つぎの#1から#8の8種類の板材を用いて、加熱−冷却深絞り法により形成した。この際、250℃から900℃に加熱加工後空冷、あるいは室温加工にて形成した。この時、深絞り率は50〜90%程度である。また、板材の材質を金属ガラスとして#9および#10の2種類の板材を用いて、冷却深絞り法により形成した。金属ガラスは引張強度を弾性率で除した弾性ひずみが0.015から0.03のものを用いた。数値は合金成分の質量%を表す。
(1)#1:Zn−22Al
(2)#2:Al−6Cu―0.5Zr
(3)#3:Ti−6Al−4V
(4)#4:Fe−26Cr−6Ni
(5)#5:Ti−35Nb−10V−0.35O
(6)#6:Ti−40Nb−6V−4Ta−0.28O
(7)#7:Ti−20Nb−5V−10Ta−5Zr−5Hf−0.29O
(8)#8:Ti−35Nb−5Ta−3Sc−0.27O
(9)#11:Zr−30Cu−10Al−5Ni
(10)#12:Ni−20Nb−10Ti−8Zr−6Co−3Cu
(11)#9:マルエージング鋼
(12)#10:ニッケルクロムモリブデン鋼
#1〜#4は、熱間加工により形成し、#5〜#8は、冷間加工により形成した後、100〜400℃の焼鈍を併用した。歯部30の歯形は切削による後加工を施したものもある。#9、#10は、冷間加工により形成した。なお、#11〜#12は従来の方法で作製した比較例である。
可撓性外歯歯車3の作製方法は、可撓性外歯歯車3のカップ外径寸法を45mmとし、板材の材質を亜鉛合金、アルミニウム合金、チタン合金、鉄合金とした。そして、つぎの#1から#8の8種類の板材を用いて、加熱−冷却深絞り法により形成した。この際、250℃から900℃に加熱加工後空冷、あるいは室温加工にて形成した。この時、深絞り率は50〜90%程度である。また、板材の材質を金属ガラスとして#9および#10の2種類の板材を用いて、冷却深絞り法により形成した。金属ガラスは引張強度を弾性率で除した弾性ひずみが0.015から0.03のものを用いた。数値は合金成分の質量%を表す。
(1)#1:Zn−22Al
(2)#2:Al−6Cu―0.5Zr
(3)#3:Ti−6Al−4V
(4)#4:Fe−26Cr−6Ni
(5)#5:Ti−35Nb−10V−0.35O
(6)#6:Ti−40Nb−6V−4Ta−0.28O
(7)#7:Ti−20Nb−5V−10Ta−5Zr−5Hf−0.29O
(8)#8:Ti−35Nb−5Ta−3Sc−0.27O
(9)#11:Zr−30Cu−10Al−5Ni
(10)#12:Ni−20Nb−10Ti−8Zr−6Co−3Cu
(11)#9:マルエージング鋼
(12)#10:ニッケルクロムモリブデン鋼
#1〜#4は、熱間加工により形成し、#5〜#8は、冷間加工により形成した後、100〜400℃の焼鈍を併用した。歯部30の歯形は切削による後加工を施したものもある。#9、#10は、冷間加工により形成した。なお、#11〜#12は従来の方法で作製した比較例である。
つぎに、作製した可撓性外歯歯車3を剛性内歯歯車2および波動発生器4に組み込み、減速比100として調和減速機1の耐久性を評価した。
評価方法は、出力端すなわち可撓性外歯歯車3のボス33を固定し、この出力側に75Nmおよび150Nmのトルクを正方向および負方向へ印加されるよう入力端である波動発生器4を動作させ、可撓性外歯歯車3が破壊するまでの往復回数を計測した。
耐久性の評価結果を表1に示す。なお、結果は標準的に可撓性外歯歯車に用いられる#12にて従来の作製方法による破壊までの回数を1とした比率として表している。
評価方法は、出力端すなわち可撓性外歯歯車3のボス33を固定し、この出力側に75Nmおよび150Nmのトルクを正方向および負方向へ印加されるよう入力端である波動発生器4を動作させ、可撓性外歯歯車3が破壊するまでの往復回数を計測した。
耐久性の評価結果を表1に示す。なお、結果は標準的に可撓性外歯歯車に用いられる#12にて従来の作製方法による破壊までの回数を1とした比率として表している。
表1から分かるように、本発明の実施例の#1〜#10は、75Nmの負荷トルクでは、比較例と同等あるいはそれ以上の耐久性を得ることができた。また、150Nm負荷トルクでは、#3、#4では従来と同等のものが得られた。とくに、#5〜#10の条件では、耐久性が大幅に向上したことがわかる。これに対して、比較例の#11〜#12では熱間による加工ができず、本発明が加工性に優れていることがわかった。
さらに、#5〜#10においては、そのV溝加工性がよいことがわかったため、可撓性外歯歯車3の歯部(詳細は図示せず)の成形において真空成形とブロー成形を併用して、歯車凹部の肉厚を歯車のないカップ部と同じ厚さになるように加工した。この成形で作製した歯車形状は従来例の転造で作製していたものよりも加工精度がよい。また、耐久性も従来例と同様あるいは優れるものとなった。また、従来例に比べ、動作時の温度上昇率が低減できた。これは歯部の肉厚が薄くなり、歯の噛み合いが従来よりも均一になったため効率が上昇したものであると推察できる。
このように、本発明の調和減速機は、従来の調和減速機に比べ、耐久性と加工性に優れており作製工程を低減でき、かつ作製も容易であるという効果がある。
なお、可撓性外歯歯車3に用いたチタン合金は、バナジウム族元素を30〜60質量%としたが、30質量%未満では、平均ヤング率の低下が十分でなく、60質量%を超えると材料偏析が顕著となり強度、靭性および延性の特性を満足しない。また、ジルコニウムとハフニウムとスカンジウムとからなる金属元素群中の1種以上の元素を合計で1〜20質量%以下含有するものとしたが、20質量%を超えると材料偏析が顕著となり強度、靭性および延性の特性を満足しない。さらに、酸素の含有量を0.08〜0.6質量%としたが、0.08質量%未満では、チタン合金の高強度化が十分でなくなり、0.6質量%を超えるとチタン合金の脆化を招き好ましくない。
また、可撓性外歯歯車3に用いた金属ガラスは、引張強度を弾性率で除した弾性ひずみが0.015から0.03のものを用いたが、この範囲以外の弾性ひずみのものでは、本発明に利用できるだけ十分なヤング率ではなく好ましくない。また、引張強度750MPa以上としたが、これ以下では本発明に利用できるだけ十分な強度ではなく好ましくない。
このように、本発明の調和減速機は、従来の調和減速機に比べ、耐久性と加工性に優れており作製工程を低減でき、かつ作製も容易であるという効果がある。
なお、可撓性外歯歯車3に用いたチタン合金は、バナジウム族元素を30〜60質量%としたが、30質量%未満では、平均ヤング率の低下が十分でなく、60質量%を超えると材料偏析が顕著となり強度、靭性および延性の特性を満足しない。また、ジルコニウムとハフニウムとスカンジウムとからなる金属元素群中の1種以上の元素を合計で1〜20質量%以下含有するものとしたが、20質量%を超えると材料偏析が顕著となり強度、靭性および延性の特性を満足しない。さらに、酸素の含有量を0.08〜0.6質量%としたが、0.08質量%未満では、チタン合金の高強度化が十分でなくなり、0.6質量%を超えるとチタン合金の脆化を招き好ましくない。
また、可撓性外歯歯車3に用いた金属ガラスは、引張強度を弾性率で除した弾性ひずみが0.015から0.03のものを用いたが、この範囲以外の弾性ひずみのものでは、本発明に利用できるだけ十分なヤング率ではなく好ましくない。また、引張強度750MPa以上としたが、これ以下では本発明に利用できるだけ十分な強度ではなく好ましくない。
可撓性外歯歯車の表面応力に対して歪量を大きくとれるので、歪ゲージ貼り付けによる力検出機能を持つ調和減速機の可撓性外歯歯車の要素としても適用できる。
1 調和減速機
2 内歯歯車
21 内歯
3 可撓性外歯歯車
30 歯部
31 胴部
32 ダイヤフラム
33 ボス
34 外歯
4 波動発生器
2 内歯歯車
21 内歯
3 可撓性外歯歯車
30 歯部
31 胴部
32 ダイヤフラム
33 ボス
34 外歯
4 波動発生器
Claims (10)
- 環状の剛性内歯歯車と、この内側に配置された可撓性外歯歯車と、さらにこの内側に配置された波動発生器とを有し、前記可撓性外歯歯車は、半径方向に変形可能で可撓性を有する筒状の胴部と、この胴部の一端に連続している外歯が形成された筒状の歯部と、前記胴部の他端に連続して半径方向に延びる環状のダイヤフラムと、このダイヤフラムに連続しているボスとを備えた調和減速機において、
前記可撓性外歯歯車が絞り加工または押出加工により成形されたものであることを特徴とする調和減速機。 - 前記可撓性外歯歯車は超塑性合金で構成されたことを特徴とする請求項1記載の調和減速機。
- 前記超塑性合金が、22質量%のアルミニウムを含有する亜鉛合金、6質量%の銅と0.5質量%のジルコニウムを含有するアルミニウム合金、6質量%のアルミニウムと4質量%のバナジウムを含有するチタン合金、または26質量%のクロム、6質量%のニッケルを含有する鉄合金のいずれかであることを特徴とする請求項2記載の調和減速機。
- 前記可撓性外歯歯車が、30〜60質量%のバナジウム族元素を含有するチタン合金で構成されたことを特徴とする請求項1記載の調和減速機。
- 前記チタン合金は、ジルコニウムとハフニウムとスカンジウムとからなる金属元素群中の1種以上の元素を合計で1〜20質量%含有するものであることを特徴とする請求項4記載の調和減速機。
- 前記チタン合金は、0.08〜0.6質量%の酸素を含有することを特徴とする請求項5記載の調和減速機。
- 環状の剛性内歯歯車と、この内側に配置された可撓性外歯歯車と、さらにこの内側に配置された波動発生器とを有し、前記可撓性外歯歯車は、半径方向に変形可能な可撓性の胴部と、この胴部の一端に連続している外歯が形成された歯部と、前記胴部の他端に連続して半径方向に延びる環状のダイヤフラムと、このダイヤフラムに連続しているボスとを組み込んで製造する調和減速機の製造方法において、
前記可撓性外歯歯車を絞りまたは押出しにより成形することを特徴とする調和減速機の製造方法。 - 前記可撓性外歯歯車を超塑性合金で構成し、熱間加工または冷間加工の少なくとも一方を用いて成形することを特徴とする請求項7記載の調和減速機の製造方法。
- 前記可撓性外歯歯車が、引張強度を弾性率で除した弾性ひずみが0.015から0.03であり、引張強度750MPa以上である金属ガラスで構成されたことを特徴とする請求項1記載の調和減速機。
- 前記金属ガラスは、ジルコニウムを5から60質量%含有し、かつ残部にニッケルを含有することを特徴とする請求項9記載の調和減速機。
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JP2006008339A JP2007040517A (ja) | 2005-07-07 | 2006-01-17 | 調和減速機およびその製造方法 |
Publications (1)
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JP2007040517A true JP2007040517A (ja) | 2007-02-15 |
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Cited By (23)
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