JP5613839B2 - 移動する物体の絶対的な位置特定のための方法及び装置 - Google Patents

移動する物体の絶対的な位置特定のための方法及び装置 Download PDF

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Description

本発明は、磁場感知式の2つのセンサに対して相対的に移動可能な要素の絶対的な位置を特定する方法に関するものであって、前記要素には磁場源が固定され、その磁気的特性が、第1のセンサ信号が磁場感知式の第1のセンサにより測定され、かつ、第2のセンサ信号が磁場感知式の第2のセンサにより測定されることで、磁場感知式の前記センサにより検出される。このとき、前記第1のセンサ信号及び前記第2のセンサ信号が磁場の成分を表すとともに、これらセンサ信号が0°<φ<180°又は180°<φ<360°の範囲の位相ずれφを有している。
ここで、磁場感知式のセンサは、以下、特にホールセンサ及び磁気抵抗式のセンサと理解されるべきである。
本発明は、相対的に移動する要素の非接触の検出のための装置であって、前記要素が移動する当該要素に固定された磁場源を備えている、前記装置にも関するものである。
移動する物体の絶対的な回転位置の非接触の特定は、その頑強性及び長寿命性により、とりわけ自動車産業におけるセンサ、産業オートメーション、医用技術及び消費財産業における装置において必要となる。
回転可能に支持された磁石及びホールセンサに基づく測定原理を用いた絶対的な回転角度の非接触の検出は、様々な特許文献に記載されている。
特許文献1(Austria Mikrosystem、2004年6月3日)には、回転位置の算出に必要な信号を2つのホールセンサ群の差異形成に基づき算出する方法が記載されている。この方法における欠点は、3つ又は4つのセンサが必要となるとともに、記載された装置は、ホールセンサが回転可能に支持された磁石の下方に位置する軸方向の構造を必要とする。
本願において記載されたような磁場源の周囲におけるセンサの取付による回転位置の特定は、センサが回転軸に対して同心状に取り付けられる必要があることから、特許文献1に基づく方法においては不可能である。
特許文献2(Allegro Microsystems、2009年7月16日)には、2つの実施形態が記載されている。第1の実施形態(図1〜図47、請求項1〜12)においては、軸方向の磁場を測定することで、絶対的な角度位置が磁場源の下方に配置された2つ又は4つのホールセンサにより特定される構造が記載されている。信号評価はアナログでなされる。この実施形態においては位相ずれを補正するためのアナログの手法も記載されており、位相ずれは、90°<φ<180°となる必要がある。
特許文献2の第2の実施形態(図48〜図55、請求項13〜29)においては、磁場源の周囲においてセンサが設けられており、このセンサが径方向の磁場を測定する構造が記載されている。ただし、これには3つ又は4つのホールセンサが必要である。
本願において記載された方法は、このような測定手法に対して2つのみのホールセンサが使用される。
特許文献3(Unique Mobility Inc.、2000年1月27日)には、2つのホールセンサが、これらセンサが接線方向の磁場を検出するよう磁場源の周囲に設けられた構造が記載されている。さらに、これらセンサは、測定された信号が90°の固定された位相ずれを備えるよう配置されている。
ここでの欠点は、ホールセンサの取付時に位置精度不良によって位相ずれが変化し得ることである。この誤差は、補償されない。さらに、この構造は、別々のケーシングにおける2つの線形なホールセンサを必要とする。
特許文献4(ZF Lenksysteme、2008年7月3日)には、2つのホールセンサが、2極に磁化された磁場源の周囲において、これらセンサが径方向の磁場を検出するよう設けられた構造が記載されている。これらセンサは、これらが90°固定された位相ずれを備えるよう配置されている。
ここでの欠点は、ホールセンサの取付時に位置精度不良によって位相ずれが変化し得ることである。この誤差は、補償されない。さらに、この構造は、別々のケーシングにおける2つの線形なホールセンサを必要とする。
90°の位相ずれを得るためには、センサが磁場源の1/4回転の距離に正確に位置させることが必要であり、このことは、比較的大きな空間を必然的に必要とするものである。
特許文献5(Timken Corp.、2008年11月27日)には、線形に移動する物体又は回転する物体の絶対位置が多極の磁石を用いて特定される構造が記載されている。さらに、複数の直列に位置するホールセンサの群が、これにより正弦信号及び余弦信号が生じるよう相互に接続される。センサ群の長さに対する異なる極長さにより生じる信号の位相の差異は、増幅調整によって補償されることができる。この方法における欠点は、絶対位置が多極の磁場源の極の対の内部においてのみ検出可能であることにある。この方法では、360°の完全な回転にわたる直接的かつ絶対的な位置特定は不可能である。
特許文献6(Moving Magnet Technoligies、2010年8月5日)においては、センサが径方向及び接線方向の磁場を検出することで磁場源の周囲における絶対位置が検出される。そして、必然的に互いに90°位相がずれたこれら両信号に基づき、絶対的な角度位置が算出される。
径方向及び接線方向の磁場を測定することで、特殊なセンサタイプが必要となる(強磁性の磁場集中器、メレキシス社、Triaxis(登録商標)参照)。これらセンサは、感度に起因して、2つの軸(x及びy、あるいは径方向及び接線方向の場)における磁場において外部の干渉磁場に対して過敏である。
独国特許出願公開第69816755号明細書 国際公開第2009/088767号明細書 国際公開第2000/04339号明細書 国際公開第2008/077861号明細書 米国特許出願公開第2008/0290859号明細書 米国特許出願公開第2010/0194385号明細書
本発明の目的とするところは、信頼性が高く、確実に動作する、移動する要素の絶対的な位置特定のための方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、本発明による方法を実行する装置を提供することでもある。
上記目的は、本発明に基づき、方法としての請求項1及び装置としての請求項7の特徴により、達成される。各従属請求項は、特別な実施形態に該当する。
本発明は、磁場感知式の2つのセンサに対して相対的に移動可能な要素の絶対的な位置を特定する方法であって、前記要素には磁場源が固定され、その磁気的特性が、第1のセンサ信号が磁場感知式の第1のセンサにより測定され、かつ、第2のセンサ信号が磁場感知式の第2のセンサにより測定されることで、磁場感知式の前記センサにより検出され、前記第1のセンサ信号及び前記第2のセンサ信号が磁場の成分を表すとともに、これらセンサ信号が0°<φ<180°又は180°<φ<360°の範囲の位相ずれφを有している、前記方法に関するものであり、
− ゲインがあらかじめ設定可能な信号レベル変化を前記各センサ信号の最大値及び最小値で除することによって特定されること、
− オフセット値が、前記センサ信号の各ゼロ点付近において前記センサ信号の最小値及び最大値に基づいて特定されること、
− 前記オフセット値を前記センサ信号から減算し、前記ゲインで規格化することにより、規格化されたセンサ信号が算出され、このとき、最小値及び最大値の特定が、前記両センサの前記センサ信号の同時の検出時に総移動にわたる前記要素及びこれに固定された前記磁場源の相対移動によってなされること、
− 規格化された前記センサ信号により合計信号及び差異信号が形成されること、
− 前記合計信号及び前記差異信号がここでもゲインの特定後に規格化され、このとき、最小値及び最大値の特定が、同時の前記合計信号及び前記差異信号の測定時並びに前記合計信号及び前記差異信号の最小値及び最大値の評価時に、総移動にわたる前記要素及びこれに固定された前記磁場源の相対移動によってなされること、及び
− 規格化された前記合計信号及び規格化された前記差異信号により、前記磁場源の絶対的な位置が算出されること
を行うものである。
また、方法の一実施形態においては、磁場の前記成分が径方向又は垂直方向の成分であるものとなっている。
また、方法の一実施形態においては、移動可能な前記要素が、回転可能又は直進運動的に支持されている。
また、方法の一実施形態においては、磁場源の絶対的な回転位置が、規格化された前記合計信号と規格化された前記差異信号の比率のアークタンジェントの形成により算出されるようになっている。
また、方法の一実施形態においては、前記磁場源の絶対的な回転位置が、座標変換のアルゴリズム、好ましくはCORDICアルゴリズムによって算出されるようになっている。
また、方法の一実施形態においては、前記センサ信号がノイズよりも大きいものとなっている。
本発明は、更に、相対的に移動する要素の非接触の検出のための装置であって、前記要素が移動する当該要素に固定された磁場源を備えている、前記装置に関するものであり、1つの平面に位置しつつ移動方向へ空間的にずらされた磁場感知式の2つのセンサが前記磁場源から離間して配置されており、これらセンサの間の間隔が、生じるセンサ信号の位相ずれが180°及び360°とならないよう選択されている。
また、装置の一実施形態においては、前記磁場源が多極に磁化されたディスク磁石又はpp極の対を有するリング磁石を備え、前記磁場源は、前記極の対の数量により分割された、絶対的に測定可能な360°の回転位置範囲を可能とするものとなっている。
また、装置の一実施形態においては、前記磁場源が、2極の対向して磁化されたディスク磁石を備えている。
また、装置の一実施形態においては、移動可能な前記要素が、回転可能に支持された要素又は直進的に移動する要素として構成されている。
また、装置の一実施形態においては、前記センサが共通して1つのセンサチップに統合されている。
また、装置の一実施形態においては、前記センサチップがアナログ/デジタル変換器を含んでおり、該アナログ/デジタル変換器が、入力側で前記センサの出力部に接続され、出力側でデジタルの演算ユニットに接続されている。
また、装置の一実施形態においては、前記デジタルの演算ユニットが、オフセット及び増幅を記録するための記憶装置を備えている。
本発明によれば、信頼性が高く、確実に動作する、移動する要素の絶対的な位置特定のための方法及び該方法を実行する装置を提供することが可能である。
一実施形態を示す図である。 図1に記載された実施形態の平面図である。 適当な磁場源の異なる実施形態を示す図であり、対向しつつ2極に磁化された、360°にわたって絶対的な角度位置の特定を可能とするディスク磁石5あるいはリング磁石8を示すものである。 適当な磁場源の異なる実施形態を示す図であり、対向しつつ2極に磁化された、360°にわたって絶対的な角度位置の特定を可能とするディスク磁石5あるいはリング磁石8を示すものである。 適当な磁場源の異なる実施形態を示す図であり、多極に磁化されたディスク磁石7あるいはリング磁石9を示すものである。 適当な磁場源の異なる実施形態を示す図であり、多極に磁化されたディスク磁石7あるいはリング磁石9を示すものである。 信号処理のアナログのブロック回路図を示す図である。 信号処理のデジタルのブロック回路図を示す図である。 信号経過を示す図であり、ブロック100におけるアナログの信号処理経過を示すものである。 信号経過を示す図であり、ブロック200におけるデジタルの信号処理経過を示すものである。 信号経過を示す図である。 信号経過を示す図である。 信号経過を示す図である。
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図9及び図10にはブロック100におけるアナログの信号処理経過が示されており、ブロック200にはデジタルの信号処理経過が示されている。
図9に示すような実施例においては、ホールセンサ1,2の測定信号が30°の位相合わせを有しており、すでに増幅され、かつ、位置決め精度並びにオフセット電圧及び異なる信号レベルを有するプロセス技術的な許容差に基づいて影響されるものと理解される。
第1のステップにおいては、センサ信号101,102のオフセット電圧が減算され、信号レベルが規格化された信号レベル変動(例えば2V-ss)に適合される。規格化された信号レベルは信号107,108として利用でき、これが図10に示されている。
オフセット1、オフセット2、ゲイン1及びゲイン2についての必要なトリム値を算出するためには、センサ信号101,102の最小値及び最大値の検出で十分である。このことは、センサ信号101,102の最小値及び最大値の検出と同時に磁場源を単純に回転させることでなされる。
そして、これら最小値及び最大値から、トリムに必要な値が以下のように算出され得る:
Figure 0005613839
Figure 0005613839
Figure 0005613839
Figure 0005613839
ここで、
H1max,min=センサ信号1 101の最大値あるいは最小値であり、
H2max,min=センサ信号2 102の最大値あるいは最小値
である。
次のステップにおいて、これら規格化された信号から合計109及び差異110が形成される。図11には、これらの信号が示されている。
差異信号に対する合計信号の信号レベル変動の割合は、入力信号101,102の位相合わせφに依存する。しかし、この差異信号に対する合計信号の位相合わせφは、常に90°となっている。
1つの例外は位相合わせφ=360°=0°及びφ=180°の特殊な場合を形成し、これにおいては、φ=180°で合計信号が0となり、φ=360°=0°で差異信号が0となるため、回転位置の決定が不可能である。
図13には、この関係が具象的に示されている。x軸は入力信号101,102の位相比率を示しているとともに、y軸は差異信号に対する合計信号のピーク値の増幅比率を示している。合計信号のピーク値の数学的関係は、位相合わせに対する
Figure 0005613839
によって、
0°<φ<180°に対して
Figure 0005613839
180°<φ<360°に対して
Figure 0005613839
から算出される。
更なるステップにおいて、合計信号109及び差異信号110がここでも例えば2VSSであるあらかじめ設定された値へ規格化される。
ゲイン3及びゲイン4に対する必要なトリム値を算出するためには、合計信号及び差異信号の最小値及び最大値の検出で十分である。このことは、合計信号及び差異信号の最小値及び最大値の検出と同時に磁場源5を全周期にわたって単純に回転させることでなされる。
そして、これら最小値及び最大値から、トリムに必要な値が以下のように算出され得る:
Figure 0005613839
Figure 0005613839
純粋なサインカーブに対応する規格化されたセンサ信号107,108を有し、もはやオフセット電圧がないものと仮定すれば、合計及び差異の形成によって、同様に追加的なオフセットが生じない。このことは、合計信号及び差異信号の最小値及び最大値によってチェックされ、かつ、場合によっては補正もなされる:
Figure 0005613839
Figure 0005613839
したがって、合計信号113及び差異信号114の規格化された信号は、正確に90°位相がずれつつ同様の信号レベル変動を有する2つの信号を生じさせる。そして、これら信号は、回転位置の算出に直接利用される。
以下では、規格化された合計信号113がVsinで、規格化された差異信号114がVcosで記載される。
Vsin=ゲイン3*[ゲイン1*(H1−オフセット1)+ゲイン2*(H2−オフセット2)]
Vcos=ゲイン4*[ゲイン1*(H1−オフセット1)+ゲイン2*(H2−オフセット2)]
ここで、
H1=ホールセンサ1 101のセンサ信号
H2=ホールセンサ2 102のセンサ信号
オフセット1=ホールセンサ1 103のオフセット信号
オフセット2=ホールセンサ2 104のオフセット信号
ゲイン1=センサ信号H1 105の増幅
ゲイン2=センサ信号H2 106の増幅
ゲイン3=合計信号111の増幅
ゲイン4=差異信号112の増幅
である。
入力信号Vsin113及びVcos114に基づいて、磁場源の絶対的な回転位置W 202を、アークタンジェント関数
Figure 0005613839
又は例えばデジタルのCORDICアルゴリズムのような座標変換の他の適当な座標変換手段を用いて検出することが可能である。
座標変換の値B 203は、全ての回転位置に対して一定となり、
Figure 0005613839
となる。
図12には、規格化された合計信号113=Vsin及び規格化された差異信号114=Vcosが示されている。
さらに、第2の縦軸においては、Vsin及びVcosから算出された、+/−180°の目盛りにおける絶対的な回転位置202が示されている。
多くの応用において、算出された回転位置を回転可能な要素4の所定の機械的な位置、例えば回転式アクチュエータのゼロ位置と合致させるのが好ましい。このことを容易にするために、任意の回転位置をゼロ−基準値204の減算によってゼロに設定することができる。
さらに、示された回転位置の達成された精度は、線形化回路によって任意に高められ得る。線形化の通常の形態は、算出された回転位置を使用者によって定義された基準点に適合させるよう試みる、表又は数学的な補正関数である。
以下においては、算出され、かつ、線形化された回転位置W_Lを、アナログの信号形態(波形)207又はデジタルの信号形態(波形)208に変換することにより使用することが可能である。
1つの好ましい実施形態においては、図8に示すように、信号処理がデジタルパスにおいてなされる。ホールセンサ1,2から発出される信号101,102はアナログ−デジタル変換器201/1によって直接デジタルの信号形態(波形)に変換され、図7においてブロック100で記載された信号処理ステップは、デジタルの演算ユニットにおいて実行される。このために必要な、増幅、オフセット、ゼロ点及び線形化のためのパラメータをデジタルの記憶装置にメモリすることが可能である。
磁場源の垂直方向の構成要素が評価されるべき場合には、ホールセンサは、磁場源の下方に配置される。
本発明によれば、回転可能な物体の絶対的な角度位置を検出することができ、このとき、両ホールセンサは、共通の基板に統合されているとともに、回転可能な物体に取り付け可能な磁場源の径方向又は垂直方向の磁場をその周囲において測定し、評価する。ホールセンサの信号は、離れた領域における任意の位相ずれ及び信号レベル変動を有し得る。2極の磁場源を用いる場合には、絶対的な角度位置を360°の全回転にわたって直接的に測定可能である。また、多極の磁場源を用いる場合には、極の対の内部において絶対的な角度位置を直接的に測定可能である。それゆえ、絶対的な位置特定を360°の全回転にわたって直接的に測定可能である。
また、この構造によれば、取付精度不良によって生じる両ホールセンサの位相ずれ、オフセット及び信号レベル変動に関する信号変化基準動作によって検出されて補正されるため、センサの磁場源に関する調整に対する広い許容差範囲が得られる。さらに、磁場源が測定すべき角度範囲にわたって移動し、このとき、最大値及び最小値のような重要な信号点が測定される。この信号点により、増幅ずれ、オフセットずれ及び位相ずれに影響される両センサ信号に基づいて、同様の信号レベルを有しつつオフセットを有さない正確に90°位相のずれた2つの信号を算出することができる補正パラメータが算出される。つづいて、これら両信号はデジタルの信号形態に変換され、デジタルパスにおいて回転可能な物体の絶対的な回転位置が算出される。合計及び差異の形成による信号の評価の手法により、特に極の範囲で、90°あるいは270°の角度位置の領域において外部磁場に対する明確な耐干渉性が得られる。
本発明の利点は、とりわけ自動車産業のセンサにおいて動作する物体の絶対的な回転角度位置の非接触による特定、産業オートメーション、医用技術の装置及び消費財産業におけるその頑強性及び長寿命に基づくその適用性にある。
本発明によれば、センサ及び評価回路を1つの基板に統合することができるとともに、半導体産業の標準プロセス手法により安価、すなわちできる限り少ない面において製造することが可能である。
本発明の好ましい実施形態においては2つのホールセンサによって径方向の磁場のみすなわち1つの軸における磁場のみが検出されて評価されるため、この構造は、外部の干渉磁場からの影響をより受けにくい。干渉抑制の他の改良は、両センサ信号の微分評価により達成される。これにより、極の範囲、90°あるいは270°の角度位置の領域において、外部磁場に対する明確な耐干渉性が達成される。さらに、本発明の利点は、0°<φ<180°又は180°<φ<360°の範囲において位相ずれの補正が可能であることである。
本発明の利点は、更に、2つのホールセンサを1つのケーシングに統合可能であることにもある。
本発明を複数の例及び図に基づいて詳細に説明したが、この説明は、本発明を限定するものではない。当業者にとって、本発明の特許請求の範囲を逸脱しない限り変更及び変化させることが可能である。特に、本発明は、ここに示す異なる実施形態の特徴の各組合せを有する複数の実施形態を含むものである。
1 第1の磁場検出式のホールセンサ
2 第2の磁場検出式のホールセンサ
4 回転可能な要素
5 磁場源
7 多極に磁化されたディスク磁石
8 2極に対向して磁化されたリング磁石
9 多極に磁化されたリング磁石
10 直線式に支持された要素
101 第1のセンサ信号
102 第2のセンサ信号
103 第1のオフセット
104 第2のオフセット
105 第1の増幅
106 第2の増幅
107 第1の規格化された信号
108 第2の規格化された信号
109 合計信号
110 差異信号
113 規格化された合計信号
114 規格化された差異信号
202 絶対回転位置
203 座標変換の値B
207 アナログ信号成形(波形)
208 デジタル信号成形(波形)
100 アナログの信号処理ブロック
200 デジタルの信号処理ブロック

Claims (13)

  1. 磁場感知式の2つのセンサに対して相対的に回転可能な要素の絶対的な位置を特定する方法であって、前記要素には磁場源が固定され、その磁気的特性が、第1のセンサ信号(101)が磁場感知式の第1のセンサにより測定され、かつ、第2のセンサ信号(102)が磁場感知式の第2のセンサにより測定されることで、磁場感知式の前記センサにより検出され、前記第1のセンサ信号(101)及び前記第2のセンサ信号(102)が磁場の成分を表すとともに、これらセンサ信号(101,102)が0°<φ<180°又は180°<φ<360°の範囲の位相ずれφを有している、前記方法において、
    − ゲインがあらかじめ設定可能な信号レベル変化を前記各センサ信号(101,102)の最大値及び最小値で除することによって特定されること、
    − オフセット値(103,104)が、前記センサ信号(101,102)の各ゼロ点付近において前記センサ信号(101,102)の最小値及び最大値に基づいて特定されること、
    − 前記オフセット値を前記センサ信号(101,102)から減算し、前記ゲインで規格化することにより、規格化されたセンサ信号が算出され、このとき、最小値及び最大値の特定が、前記両センサ(1,2)の前記センサ信号(101,102)の同時の検出時に総移動にわたる前記要素及びこれに固定された前記磁場源の相対移動によってなされること、
    − 規格化された前記センサ信号(107,108)により合計信号(109)及び差異信号(110)が形成されること、
    − 前記合計信号(109)及び前記差異信号(110)がここでもゲインの特定後に規格化され(113,114)、このとき、最小値及び最大値の特定が、同時の前記合計信号(109)及び前記差異信号(110)の測定時並びに前記合計信号(109)及び前記差異信号(110)の最小値及び最大値の評価時に、総移動にわたる前記要素及びこれに固定された前記磁場源の相対移動によってなされること、及び
    − 規格化された前記合計信号(113)及び規格化された前記差異信号(114)により、前記磁場源の絶対的な位置(202)が算出されること
    を特徴とする方法。
  2. 磁場の前記成分が径方向又は方向の成分であることを特徴とする請求項1記載の方法。
  3. 磁場源の絶対的な回転位置(202)が、規格化された前記合計信号(113)と規格化された前記差異信号(114)の比率のアークタンジェントの形成により算出されることを特徴とする請求項1又は2記載の方法。
  4. 前記磁場源の絶対的な回転位置(202)が、座標変換のアルゴリズムによって算出されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
  5. 前記センサ信号(1,2)がノイズよりも大きいことを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の方法。
  6. 請求項1〜5のいずれかに記載の方法に基づく回転可能な要素の絶対的な位置の非接触の検出のための装置であって、前記要素が移動する当該要素(4)に固定された磁場源を備えている、前記装置において、
    1つの平面に位置しつつ移動方向へ空間的にずらされた磁場感知式の2つのセンサ(1,2)が前記磁場源(5)から離間して配置されており、これらセンサ(1,2)の間の間隔が、生じるセンサ信号の位相ずれが180°及び360°とならないよう選択されていることを特徴とする装置。
  7. 磁場感知式の前記センサがホールセンサとして形成されていることを特徴とする請求項記載の装置。
  8. 磁場感知式の前記センサが、これらセンサが磁場の径方向成分又は方向成分を検出するよう構成されていることを特徴とする請求項又は記載の装置。
  9. 前記磁場源が多極に磁化されたディスク磁石(7)又は極の対の数量ppを有するリング磁石(9)を備え、前記磁場源は、前記極の対の数量により分割された、絶対的に測定可能な360°の回転位置範囲を可能とするものであることを特徴とする請求項のいずれか1項に記載の装置。
  10. 前記磁場源が、2極の対向して磁化されたディスク磁石(5)を備えていることを特徴とする請求項のいずれか1項に記載の装置。
  11. 前記センサ(1,2)が共通して1つのセンサチップに統合されていることを特徴とする請求項10のいずれか1項に記載の装置。
  12. 前記センサチップがアナログ/デジタル変換器を含んでおり、該アナログ/デジタル変換器が、入力側で前記センサ(1,2)の出力部に接続され、出力側でデジタルの演算ユニットに接続されていることを特徴とする請求項11記載の装置。
  13. 前記デジタルの演算ユニットが、オフセット(103,104)及び増幅(105,106,111,112)を記録するための記憶装置を備えていることを特徴とする請求項12記載の装置。
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