JP2006331817A - 発光装置及びそれを用いた照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた発光装置において、ＬＥＤの実装された基板の放熱性とレンズユニットの耐久性を向上し、発光効率と信頼性を高める。
【解決手段】ＬＥＤ３の実装された基板４と、この基板４を覆うレンズユニット２と、基板４の背面に取り付けられた放熱板７とを備えた発光装置１において、ネジ部１１ａと、つば部１２と、つば部１２に押圧されて変形しレンズユニット２の窪み部６を押圧するゴム部１３と、ゴム部１３からの圧力により基板４を押圧するスペーサ部１４からなる嵌合部１０を備え、この嵌合部１０を基板４の貫通孔１５と放熱板７のネジ穴１６に嵌合させることにより、レンズユニット２と基板４を放熱板７に強く密着性して固定する。これにより、ＬＥＤ３の放熱性と発光効率を高め、レンズユニット２の歪や経年変化による割れを無くし、耐久性を向上させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード（以下、ＬＥＤと略称する）の発光する光をレンズで集光するＬＥＤを用いた発光装置及びそれを用いた照明器具に関する。

従来のこの種のＬＥＤを用いた発光装置の例を、図１２（ａ）〜（ｄ）に示す。これらの図において、発光装置１００は、発光ダイオードのＬＥＤ１０２が実装された基板１０１と、基板１０１を覆うレンズユニット１１０と、ＬＥＤ１０２の発熱を図１２（ａ）に示す白抜きの矢印の方向に放熱する放熱部材１０５とを備えている。レンズユニット１１０は、ＬＥＤ１０２からの光を集光するレンズ部１０４とレンズ部１０４を保持するレンズホルダ１０３とからなり、樹脂で形成されている。このレンズユニット１１０は、その外形の一部を中心部より離れる方向に拡大した半円形状のつば部１０３ａを備え、このつば部１０３ａにはネジ用の貫通孔１０７が設けられている。そして、貫通孔１０７を通るネジ１０６により、レンズユニット１１０と基板１０１が放熱部材１０５に固定されている。

このような従来の発光装置１００では、基板１０１を放熱部材１０５に強く押付けるために、つば部１０３ａと放熱部材１０５との間には、隙間ｄ１が必要とされる。しかしながら、樹脂製のレンズユニット１１０を放熱部材１０５にネジ１０６で固定すると、隙間ｄ１の存在により、図１２（ｃ）に示すように、放熱部材１０５に接するつば部１０３ａの外周側と基板１０１を押圧する圧接部１０３ｂ側とで、隙間ｄ１が異なってくる。すなわち、樹脂製のつば部１０３ａが傾斜して取り付けられ、つば部１０３ａが斜めに変形される。さらに、この変形は、図１２（ｄ）に示されるように、経年変化により、圧接部１０３ｂの背面側に割れ１０３ｃを発生する。従って、つば部１０３ａにより基板１０１を放熱部材１０５に強く固定できず、放熱部材１０５に基板１０１を継続的に強く押付けることができなかった。このため、ＬＥＤ１０２の熱を十分に放熱できず、ＬＥＤ１０２に多くの電流を流すことができないという問題があった。

なお、ＬＥＤチップアレイを装着したヘッド基板をロッドレンズアレイを備えたカバー体と放熱板とで挟んで締結するＬＥＤアレイプリントヘッドにおいて、カバー体の左右両側に位置決めピンを設け、この位置決めピンが挿入されるピン孔をロッドレンズアレイと放熱板に穿設し、各位置決めピンの外周面に、凹み溝を刻設することによりレンズ焦点のずれを低減する発光装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、この発光装置では、ロッドレンズアレイをカバー体と放熱板で挟み、カバー体の係合突起と板バネ製の締結体の係合孔とを係合させるだけの接合であり、ネジ留めによる締結がなされていない。このため、圧接力が弱く、また、板バネ製の締結体が周囲温度で変動する等により、ロッドレンズアレイと放熱板との密着性が不十分となり、ＬＥＤの放熱を十分に行うことができなかった。
実開平６−３６４４号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、ＬＥＤの放熱性を向上させ発光効率を高めると共に、耐久性の良い、安定な発光装置及びそれを用いた照明器具を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）が実装された基板と、この基板を覆う樹脂製のレンズユニットと、前記基板の背面に取付けられた放熱部材とを備えた発光装置において、前記基板の外形を、前記レンズユニットの外形より小さく形成し、前記基板及び前記放熱部材に、互いに対応する孔部を設け、前記基板及びレンズユニットを前記放熱部材に固定するための嵌合手段を備え、前記嵌合手段は、前記孔部に嵌入されるネジ部と、このネジ部の頭部にあるつば部と、該つば部により押圧されて変形し前記レンズユニットの縁部を押圧する弾性部材と、前記基板を前記放熱部材に押圧するためのスペーサ部とを備えたものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、前記レンズユニットと前記基板とを一体化したものである。

請求項３の発明は、請求項１に記載の発明において、前記スペーサ部と前記基板との接触面にそれぞれテーパを設けたものである。

請求項４の発明は、前記請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発光装置を用いた照明器具である。

請求項１の発明によれば、ＬＥＤが実装された基板を照明器具の一部を成す放熱部材に、強固に押付けることができるので、ＬＥＤから発する熱を効率良く放熱することができる。そして、放熱が良くなることにより、ＬＥＤにより電流を流すことが可能となり、より明るくＬＥＤを発光させることができる。さらに、樹脂製のレンズユニットを固定する際に、弾性部材で押付けるので、レンズユニットの変形や経年変化によるレンズユニットの割れを防止することができ、同時に、弾性部材のスプリングワッシャの効果により、ネジの緩みを防止することができ、装置の耐久性を良くすることができる。

請求項２の発明によれば、レンズユニットと基板を同時に放熱部材へ固定できるため、別々に放熱部材へ固定するよりも、放熱部材への取付けの部品点数を削減することができ、作業を軽減することができる。また、ＬＥＤをレンズユニットでほぼ完全に覆うことができるので、ＬＥＤに直接、人が触れることを避けることができ、人体によるＬＥＤの静電気破壊を防止することができる。

請求項３の発明によれば、スペーサ部の基板上の位置決めを正確に行うことができ、ネジ締め作業をスムーズに行うことができる。

請求項４の発明によれば、ＬＥＤの放熱性の向上に伴う電流増加により発光効率が高められ、レンズユニットの歪や経年変化の割れを削減され、耐久性の向上された発光装置を光源として用いることができ、明るい、信頼性の高い照明器具を構成することができる。

以下、本発明の一実施形態に係る発光装置について図１乃至図１１を参照して説明する。図１及び図２は本実施形態による発光装置１の構成を示す。

発光装置１は、光源となる発光ダイオード（以下、ＬＥＤと略す）３が複数個（本例では４個）実装された基板４と、この基板４を覆いＬＥＤ３からの光を集光するレンズ部２ｂと、このレンズ部２ｂを保持するレンズホルダ部２ａと、基板４の背面に取付けられた照明器具の一部をなす放熱板（放熱部材）７とを備えている。基板４には、４つのＬＥＤ３が中心に対し略対称に配置され、レンズ部２ｂ及びレンズホルダ部２ａは、樹脂製であり、一体化されてレンズユニット２を形成してる。レンズユニット２は、その外形が基板４の外形よりも大きく形成されて基板４を覆っている。また、レンズユニット２の外形の一部には、中心方向に略半円形状の窪み部（縁部）６が形成され、窪み部６の周辺には、ネジ留めされる半円形状のつば部６ａが形成されている。

上記基板４及び放熱板７は、互いに対応して、貫通孔１５（孔部）及びネジ穴１６（孔部）をそれぞれ備えている。この貫通孔１５及びネジ穴１６には、これらに嵌合し、基板４及びレンズユニット２を放熱板７に固定する嵌合部（嵌合手段）１０が形成されている。この嵌合部１０は、貫通孔１５及びネジ穴１６に嵌入されるネジ部１１ａと、このネジ部１１ａの頭部に位置するつば部１２と、このつば部１２により押圧されて変形しレンズユニット２の窪み部６のつば部６ａを押圧するゴム部（弾性部材）１３と、ゴム部１３からの圧力により基板４を放熱板７に押圧するためのスペーサ部１４とにより構成される。

図３（ａ）、（ｂ）は、ネジ部１１ａが締まっていない状態、及びネジ部１１ａが十分締まっている状態におけるそれぞれのネジ部１１ａとレンズユニット２及び基板４との嵌合状態を示す。図３（ａ）に示すように、ネジ部１１ａが放熱板７に十分締まっていない状態では、スペーサ部１４と基板４の間には、隙間ｄが存在する。そして、ネジ部１１ａが放熱板７にほぼ完全にネジ留めされた状態では、図３（ｂ）に示すように、つば部１２の下に設けたゴム部１３は、つば部１２とスペーサ部１４との間で押圧され、横方向に変形する。この変形により、レンズユニット２の窪み部６の半円状のつば部６ａが押されると同時に、スペーサ部１４が押圧される。この圧力により、レンズユニット２は基板４に圧接され、スペーサ部１４も基板４に押圧され、隙間ｄが無くなり、レンズユニット２とスペーサ部１４は、基板４に密着して接合される。

このように、嵌合部１０によるレンズユニット２と基板４との放熱板７への嵌合により、つば部１２と、ゴム部１３と、スペーサ部１４を連動させて嵌合させる。これにより、弾性をもって、レンズユニット２と基板４と放熱板７との各接合部は、水平方向に平行性を持って接合され、歪や割れのない強固で耐久性のある接合が可能となる。

図４（ａ）乃至（ｄ）は、レンズユニット２を示す。ここに、図４（ｃ）は、レンズユニット２が透光性樹脂で一体化成形された場合を示す。この一体化により、レンズ部２ｂのレンズホルダ部２ａへの取り付け作業が不要になり、部品を削減することができ低コストとなる。図４（ｄ）は、レンズユニット２が分離型とされた場合を示す。レンズ部２ｂは、レンズホルダ部２ａとは別体で製作されレンズ基板３１に装着される。レンズ基板３１は、レンズホルダ部２ａの上蓋部に設けられたレンズ部２ｂが貫通する貫通孔２１の入力側に設けられ凹部２２に嵌合され、圧入又は接着材で固定される。そして、レンズホルダ部２ａは、レンズ部２ｂが基板４（図１参照）のＬＥＤ３（図１参照）位置に対応するように接合される。この場合、レンズホルダ部２ａは、透光性樹脂でなくてもよく他の安価な材料を利用できる。

図５（ａ）は、ＬＥＤ３と基板４の接合状態を示す。同図（ｂ）は、基板として金属板４１とその表面に形成された絶縁体４２よりなる金属基板４ａを用いた場合を示す。金属板４１は、アルミや銅等で形成され、ＬＥＤ３からの熱の放熱性を向上する。絶縁体４２は、ガラスエポキシやセラミック等の絶縁体で形成され、ＬＥＤ３と金属板４１間の絶縁性を保つ。また、基板４は、放熱板７との密着性が良ければ、絶縁体４２のみで形成することも可能である。

図６（ａ）、（ｂ）は、レンズユニット２と基板４を放熱板７（図１参照）に取り付け易くするために、両者を接合し、固定して一体化する構造を示す。図６（ｃ）、（ｄ）は、レンズユニット２と基板４との固定状態を示すもので、図６（ａ）のＣ部を拡大して示す。図６（ａ）乃至（ｃ）において、レンズユニット２は、当初、基板４の嵌合穴９に嵌合するピン状の突起部５ａを有し、この突起部５ａは、基板４の嵌合穴９を貫通して嵌合される。次に、この貫通された突起部５ａの頭部分は、樹脂の熱変形等により扁平に広げられて基板４に接合する扁平山部８として形成される。この扁平山部８により、レンズユニット２と基板４とは、強く固定され、両者が一体化される。放熱板７（図３参照）には、この扁平山部８の出っ張り部が放熱板７に当らないように対応する部分に凹部１７（図３参照）が設けられている。

また、図６（ｄ）では、基板４の嵌合穴９に、レンズユニット２の突起部５ｂが基板４の表面上近くまで嵌入され、樹脂用のネジ１８によりワッシャ１９を挟んで突起部５ｂにネジ止めされる。これにより、レンズユニット２と基板４とを、ネジ１８とワッシャ１９により強固に圧接して一体化することができる。

このレンズユニット２と基板４との一体化構成により、ＬＥＤ３をレンズユニット２でほぼ完全に覆うことができる。従って、ＬＥＤ３に直接、人体が触れることが無くなり、人体によるＬＥＤ３の静電気破壊を防止することができる。また、レンズユニット２と基板４を同時に放熱板７へ固定できるため、別々に放熱板７へ固定するよりも取り付け工数を削減することができる。但し、本実施形態は、レンズユニット２と基板４を別々に放熱板７に固定することを制限するものではない。なお、図６（ｅ）に示すように、レンズユニット２に突起部５ｃを設け、この突起部５ｃを基板４の嵌合穴９に挿入し、基板４とレンズユニット２との一体化でなく位置決定用とすることもできる。

図７（ａ）、（ｂ）は、嵌合部１０の構成を示す。嵌合部１０は、ネジ山部１１ｐ及びネジ山部１１ｐより細いネジ切り部１１ｑを持つネジ部１１ａと、ネジ部１１ａのネジ山部１１ｐより大きい外形を持ったつば部１２と、Ｏリングなどの中空のゴム材からなるゴム部（弾性部材）１３と、つば部１２と略同形の中空を持つスペーサ部１４とにより構成される。スペーサ部１４の内径は、ネジ部１１ａのネジ切り部１１ｑより大きく、スペーサ部１４の外径は、つば部１２の外径より小さく形成されている。ゴム部１３の内径は、スペーサ部１４の外径に嵌るように形成される。このような構成により、ネジ留め時に、つば部１２でゴム部１３を密着して押圧できると共に、スペーサ部１４内にネジ部１１ａを通し、スペーサ部１４を確実に基板４（図１参照）に押圧させることができる。

このように、本実施形態によれば、ＬＥＤ３が実装された基板４を放熱板７に、強く圧接することができるので、ＬＥＤ３から発する熱を効率良く放熱板７を通して放熱することができる。そして、この放熱が良くなることにより、ＬＥＤ３により大きな電流を流すことが可能となり、ＬＥＤ３をより明るく発光させることができる。また、樹脂製のレンズユニット２を固定する際に、弾性のあるゴム部１３で押付けるので、レンズユニット２の変形や経年変化によるレンズユニット２の割れを防止することができる。同時に、ゴム部１３のスプリングワッシャの効果により、ネジ部１１ａの緩みを防止することができ、装置の信頼性と耐久性を高めることができる。

また、レンズユニット２と基板４とを一体化することにより、レンズユニット２と基板４とを一体化構成にしたことにより、レンズユニット２と基板４を同時に放熱板７へ固定できるため、別々に放熱板７へ固定するよりも取り付け工数を削減することができる。同時に、ＬＥＤ３をレンズユニット２でほぼ完全に覆うことができ、人がＬＥＤ３に直接触れることが無くなり、人体によるＬＥＤ３の静電気破壊を防止することができる。

また、ＬＥＤ３の放熱性の向上に伴う電流増加により発光効率が高められ、レンズユニット２の歪や経年変化の割れを削減され、耐久性の向上された発光装置１を光源として用いることにより、明るい、信頼性の高い照明器具を構成することができる。

図８は本実施形態の発光装置１における嵌合部１０の変形例を示し、図９は、この嵌合部１０を用いて基板４を放熱板７に固定した状態を示す。この嵌合部１０は、ネジ部１１ｂを、ネジ部１１ａ（図６参照）と、つば部１２（図６参照）とスペーサ部１４（図６参照）を一体化形成した点で前記実施形態と異なる。

これらの図において、嵌合部１０は、ネジ部１１ｂとゴム部１３で構成され、ネジ部１１ｂは、つば部１２とスペーサ部１４とネジ切り部１１ｒとが一体化されて形成されている。スペーサ部１４の外径寸法ｂは、図９に示すように、基板４の貫通孔１５の外径寸法ａより大きく形成されている。このネジ部１１ｂは、ゴム部１３を介し、基板４の貫通孔１５を通って放熱板７のネジ穴１６に嵌合され、基板４とレンズユニット２（図３（ｂ）参照）を放熱板７に圧接する。

このように、ネジ部１１ｂを一体化形成したことにより、つば部１２とスペーサ部１４とネジ切り部１１ｒの３つの部品が１つになるため部品点数が大幅に削減される。これにより、ネジ部１１ｂによりレンズユニット２と基板４を放熱板７に取り付ける際の作業性が著しく向上する。またネジ山部１１ｐ（図７（ａ）参照）を無くしたことにより、ネジ部１１ｂは、全長が短くなり、全体を小型化できる。

次に、図１０（ａ）は、本実施形態の発光装置１における嵌合部１０のさらに他の変形例の構成を示し、図１０（ｂ）は、この嵌合部１０を用いて基板４を放熱板７に固定した状態を示す。本実施形態の嵌合部１０は、スペーサ部１４にテーパ１４ｓを形成した点で前記実施形態と異なる。

これらの図において、嵌合部１０は、ネジ部１１ｂと、つば部１２、とスペーサ部１４と、ネジ切り部１１ｒと、ゴム部１３で構成され、スペーサ部１４にはテーパ１４ｓが形成されている。ネジ部１１ｂのスペーサ部１４が基板４に接する貫通孔１５の入口面に、スペーサ部１４のテーパ１４ｓに対応して、逆方向のテーパ１５ａが設けられている。この基板４のテーパ１５ａとスペーサ部１４のテーパ１４ｓは、互いに嵌合するように構成されている。このスペーサ部１４の外径寸法ｂは、基板４の貫通孔１５の外径寸法ａより大きく形成されている。

このようにスペーサ部１４にテーパ１４ｓを設け、これに合わせて、基板４側の貫通孔１５の入り口側に逆方向のテーパ１５ａを設けたことにより、ネジ部１１ｂの基板４上の位置決めを正確に行うことができ、ネジ締め作業をスムーズに行える。

図１１（ａ）は、本実施形態の発光装置１における嵌合部１０のさらに他の変形例の構成を示し、図１１（ｂ）は、この嵌合部１０を用いて基板４を放熱板７に固定した状態を示す。本実施形態の嵌合部１０は、つば部１２と、スペーサ部１４と、ネジ切り部１１ｒとを一体したネジ部１１ｂと、ゴム部１３で構成され、ネジ部１１ｂのスペーサ部１４にテーパ１４ｔを形成した点で前記実施形態と異なる。

これらの図において、嵌合部１０は、ネジ部１１ｂと、ゴム部１３で構成され、ネジ部１１ｂは、つば部１２、スペーサ部１４と、ネジ切り部１１ｒとを一体形成され、このネジ部１１ｂのスペーサ部１４には、テーパ１４ｔが形成されている。基板４側には、スペーサ部１４のテーパ１４ｔに対応して、貫通孔１５の入口面に逆方向のテーパ１５ａが設けられている。この基板４のテーパ１５ａとスペーサ部１４のテーパ１４ｔは、互いに嵌合するように構成されている。このスペーサ部１４の外径寸法ｂは、基板４の貫通孔１５の外径寸法ａより大きく形成されている。

このように一体化されたネジ部１１ｂのスペーサ部１４にテーパ１４ｔを設け、基板４側の貫通孔１５の入り口側に逆方向のテーパ１５ａを設けたことにより、ネジ部１１ｂの基板４上の位置決めを正確に行うことができると共に、ネジ締め作業をさらにスムーズに行える。

以上述べたように、本実施形態に係る発光装置１によれば、ＬＥＤ３が実装された基板４を照明器具の一部をなす放熱板７に強固に押付けることができるので、ＬＥＤ３から発する熱を効率良く放熱することができる。そして、放熱が良くなることにより、ＬＥＤ３により大きい電流を流すことが可能となり、より明るくＬＥＤ３を発光させることができる。さらに、樹脂製のレンズユニット２を固定する際に、弾性体のゴム部１３で押付けるので、レンズユニット２と基板４及び放熱板７との接合の密着性が良くなり、樹脂の変形や経年変化による樹脂の割れを防止することができる。同時に、ゴム部１３のスプリングワッシャの効果により、ネジの緩みを防止することができ、装置の耐久性を向上することができる。

また、レンズユニットと基板を一体型として構成することにより、レンズユニットと基板を同時に放熱板へ固定できるため、別々に放熱板へ固定するよりも作業性を軽減することができる。そして、ＬＥＤがレンズユニットでほぼ完全に覆われ、人間が直接ＬＥＤを触れることが無くなり、ＬＥＤの人体による静電気破壊を防止することができる。

また、ＬＥＤを実装する基板に金属基板を使用することによりと、経年変化による基板の寸法変化（縮み、ヤセ）が無いので長期にわたり安定した押付け力が得られ、ＬＥＤの放熱性能が安定させることができる。

また、スペーサ部と基板との双方の接触面にテーパを設けたことにより、ネジ部の基板上の位置決めを正確に行うことができ、ネジ締め作業をスムーズに行え、量産の作業性が上がる。

本発明の一実施形態に係る発光装置の断面図。 上記発光装置の平面図。 （ａ）はネジ部の未締結の状態における図１のＡ部の拡大図、（ｂ）はネジ部の締結された状態における図１のＡ部の拡大図。 （ａ）は上記発光装置のレンズユニットの断面図、（ｂ）は（ａ）の平面図、（ｃ）は（ｂ）のＢ１−Ｂ１線断面図、（ｄ）は分離型レンズユニットの場合の断面図。 （ａ）はＬＥＤを実装した基板の断面図、（ｂ）は基板を金属基板とした場合の一部拡大断面図。 （ａ）は基板と一体化したレンズユニットの断面図、（ｂ）は（ａ）の平面図、（ｃ）は（ａ）のＣ部の時系列での拡大断面図、（ｄ）は基板とレンズユニットのネジ接合の場合の拡大断面図、（ｅ）は基板とレンズユニットの位置決め接合の場合の拡大断面図。 （ａ）は上記発光装置の嵌合部の分解図及び組立図、（ｂ）は同部の平面図。 （ａ）は本実施形態に係る嵌合部の変形例の分解図及び組立図、（ｂ）は同部の平面図。 上記嵌合部で接合された基板と放熱板の断面図。 （ａ）は本実施形態に係る嵌合部の他の変形例の構成図、（ｂ）は同嵌合部で接合された基板と放熱板の断面図。 （ａ）は本実施形態に係る嵌合部の他の変形例の構成図、（ｂ）は同嵌合部で接合された基板と放熱板の断面図。 （ａ）は従来の発光装置の断面図、（ｂ）は（ａ）の平面図、（ｃ）は（ a ）のＤ部の拡大図、（ｄ）はレンズユニットが割れた状態における（ｂ）のＤ部の拡大図。

符号の説明

１ 発光装置
２ レンズユニット
３ ＬＥＤ（発光ダイオード）
４、４ａ 基板
６ 窪み部（縁部）
７ 放熱板（放熱部材）
１０ 嵌合部（嵌合手段）
１１ａ〜１１ｂ ネジ部
１２ つば部
１３ ゴム部（弾性部材）
１４ スペーサ部
１４ｓ、１４ｔ、１５ａ テーパ
１５ 貫通孔
１６ ネジ穴

Claims (4)

1. 発光ダイオード（ＬＥＤ）が実装された基板と、この基板を覆う樹脂製のレンズユニットと、前記基板の背面に取付けられた放熱部材とを備えた発光装置において、
   前記基板の外形を、前記レンズユニットの外形より小さく形成し、
   前記基板及び前記放熱部材に、互いに対応する孔部を設け、
   前記基板及びレンズユニットを前記放熱部材に固定するための嵌合手段を備え、
   前記嵌合手段は、前記孔部に嵌入されるネジ部と、このネジ部の頭部にあるつば部と、該つば部により押圧されて変形し前記レンズユニットの縁部を押圧する弾性部材と、前記基板を前記放熱部材に押圧するためのスペーサ部とを備えたことを特徴とする発光装置。
2. 前記レンズユニットと前記基板とを一体化したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光装置。
3. 前記スペーサ部と前記基板との接触面にそれぞれテーパを設けたことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
4. 前記請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発光装置を用いたことを特徴とする照明器具。

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