(57)【要約】      （修正有）【課題】コリオリ効果質量流量計の磁石の回りに配置された保持器に磁界有効使用のための改良を加える。【解決手段】製造コストと質量を比較的低く抑えながら、捕捉される磁束線を増やすことによって、仕事が行われる空隙の磁束密度を最大化する線形アクチュエータ４００に関する。これは、十字型の強磁性材料を、十字形の４つの端部が磁石の長手方向軸に対して垂直になるように曲げて構成した保持器３００を特徴とする改良型線形アクチュエータで実現することができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁石（５１８）を有する磁石アッセンブリ（４１８）と、前記磁石アッセンブリと滑動可能に相互作用するコイル（４６４）を有するコイルアッセンブリ（４６０）と、
前記磁石を実質的に取り囲むとともに前記コイル（４６４）の少なくとも一部を囲繞する保持器（３００）とを備える線形アクチュエータ（４００）において、前記保持器が、
基部（３０５）と、
前記基部から伸張する少なくとも３つの脚部（３１５）であって、各脚部が
前記基部に取り付けられ、そこから半径方向に伸張する底部部材（３１０）を有する脚部と、
前記底部部材に取り付けられ、そこから上方向に伸張する側部部材（３２０）であって、少なくともその一部が前記基部の長手方向軸（３５０）に平行になっている側部部材と、
前記側部部材に取り付けられ、そこから前記基部の長手方向軸に向かって内向きに伸張する上部部材（３３０）であって、少なくともその一部が前記基部の長手方向軸に直交しているとともに該上部部材（３３０）と前記磁石アッセンブリ（４１８）との間で前記コイル（４６４）の少なくとも一部分が移動し得るように前記磁石アッセンブリ（４１８）間にギャップを設けるための上部部材と、
を有していることを特徴とする線形アクチュエータ（４００）。
【請求項２】
前記各脚部の前記底部、側部及び上部部材が、連続する湾曲条片（６１５）を画定している、請求項１に記載の線形アクチュエータ（４００）。
【請求項３】
前記底部部材は前記基部の長手方向軸に実質的に垂直であり、
前記側部部材は前記基部の長手方向軸に実質的に平行であり、
前記上部部材は前記基部の長手方向軸に実質的に垂直である、請求項１に記載の線形アクチュエータ（４００）。
【請求項４】
前記上部部材は、それぞれ、弓状の終端（３４０）を有している、請求項１に記載の線形アクチュエータ（４００）。
【請求項５】
前記各上部部材の終端を組み合わせると、前記磁石の外周の５０パーセント以上１００パーセント未満を取り囲んでいる、請求項１に記載の線形アクチュエータ（４００）。
【請求項６】
構造体の材料が強磁性である、請求項１に記載の線形アクチュエータ（４００）。
【請求項７】
前記基部から伸張する４つの脚部を有している、請求項１に記載の線形アクチュエータ（４００）。
【請求項８】
１つ又は複数の前記上部部材に取り付けられた円板部材（８６０）を更に備えている、請求項１に記載の線形アクチュエータ（４００）。
【請求項９】
極性部片（５３０）を更に備えている、請求項１に記載の線形アクチュエータ。
【請求項１０】
磁石スリーブ（５２７）を更に備えている、請求項１に記載の線形アクチュエータ。
【請求項１１】
取り付けブラケット（４１２）を更に備えている、請求項１に記載の線形アクチュエータ。
【請求項１２】
前記取り付けブラケットの構造体の材料が強磁性である、請求項１１に記載の線形アクチュエータ。
【請求項１３】
物質の流れ（４１１）を受け入れるための導管と、
前記流れ導管に連結されている線形アクチュエータであって、
磁石を有する磁石アッセンブリと、
前記磁石アッセンブリと滑動可能に相互作用するコイルを有するコイルアッセンブリとを備えている線形アクチュエータと、を備えているコリオリ質量流量計と組み合わせられている、請求項１に記載の線形アクチュエータ（４００）。
【請求項１４】
請求項１に記載の線形アクチュエータを製造する方法において、
基部と、前記基部から伸張する少なくとも３つの脚部とを有する形状に合致するように一片の材料を成形する段階と、
前記一片の材料を、前記各脚部が、
前記基部から半径方向に伸張する底部部材と、
前記底部部材から上方向に伸張する側部部材であって、その少なくとも一部が前記基部の長手方向軸に平行になっている側部部材と、
前記側部部材から前記基部の長手方向軸に向かって内向きに伸張する上部部材であって、その少なくとも一部が前記基部の長手方向軸に垂直になっている上部部材と、を備えているように曲げる段階と、から成る方法。
【請求項１５】
前記成形する段階はレーザー切断を含んでいる、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概括的には質量流量及び密度測定装置に関しており、厳密には、高感度の改良型流量センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
配管内を流れる物質に関する質量流量その他の情報を測定するには、１９８５年１月１日Ｊ．Ｅ．スミスらに発行の米国特許第４，４９１，０２５号、及び１９８２年２月１１日Ｊ．Ｅ．スミスに発行のＲｅ．３１，４５０号に開示されているように、コリオリ効果質量流量計を使用することが知られている。流量計は、直線形状、曲線形状、又は不規則形状の１つ又はそれ以上の導管を有している。各導管は、単純曲げ、ねじり又はひねりの一式の固有振動モードを有している。物質で満たされた各導管を、これら固有モードの内の１つで共振するように駆動する。固有振動モードは、部分的には、流れ導管と流れ導管内の物質との組み合わせ質量で決まる。流量計は、必ずしも固有モードで駆動する必要はない。
【０００３】
物質は、入口側に接続されている物質供給源から流量計に流れ込む。物質は、１つ又は複数の導管を通過して流量計の出口側から出る。
【０００４】
駆動機構は、力を加えて導管を振動させる。物質が流れていないときは、導管に沿う全ての点が、導管の第１曲げモードで同一位相で振動する。物質が流れているときは、コリオリの加速度によって、導管上の各点は他の点と異なる位相となり、即ち、導管の入口側の位相はドライバより遅れ、出口側の位相はドライバより進む。ピックオフを導管上に配置して、導管の動きを示す正弦波信号を作る。２つのセンサー信号間の位相差を振動の周波数で割って、物質の流れの質量流量に比例する遅れを得る。
【０００５】
コリオリ流量計の駆動機構を導管に取り付け、ドライバ制御回路からの信号に応じて導管を振動させる。コリオリ流量計の従来型の駆動機構は、コイルの反対側に取り付けられている保持器、磁石及び極部片を備えた磁気回路を有している。ドライバ制御回路は、駆動機構のコイルに電流又は駆動信号を送る。コイルを流れる電流は、駆動コイルと磁石の間に電磁力を生成し、それによって導管を振動させる。
【０００６】
駆動機構の作り出せる電力の量が大きいほど、高度減衰での流量計の性能が良くなるので、駆動機構の設計と配置は重要である。
【０００７】
過去の駆動機構の設計では、コストと質量の低減に注力しており、出力を高めることには殆ど注力していない。この設計の注力点は、コリオリ流量計のコストと大きさを低減させるという業界の要望と相まって、駆動システムの設計の難しさを拡大している。
【０００８】
典型的な駆動設計は、以下の２つの式に基づいて展開されている。即ち、
Ｐｄｉｓａｐａｔｅｄ＝−２・ω・ξ・Ｋ・Ａ２                式（１）
但し、
ω＝システムの角速度
ξ＝システムの臨界減衰比
Ｋ＝システムの剛性
Ａ＝システムの振幅
Ｐ＝システムの出力
及び、
Ｐｄｅｌｉｖｅｒｅｄ＝２・ω・Ｉ・Ｂ・Ｌ・Ａ                式（２）
但し、
ω＝システムの角速度
Ｉ＝使用可能電流
Ｂ＝合計磁束
Ｌ＝コイルのワイヤーの長さ
Ａ＝システムの振幅
Ｐ＝システムの出力
である。
【０００９】
式（１）は、コリオリ流量計が放散する出力を示しており、式（２）は、駆動機構が流量計へ送る出力を示している。流量計が配置される用途と場所によっては、流量計に送られる出力の量を、領域承認局（即ち、ＵＬ、ＣＥＮＥＬＥＣ、ＴＩＩＳ）が制限している場合もある。
【００１０】
正常な作動状態では、周波数と導管の振幅は事前に定められており、式（１）と（２）は等しくなる。しかしながら、流量計は、多くの要因によって正常な作動状態から逸れることもある。そのような要因には、空気の巻き込み、高粘性流体及び大量の固体を含む物質の流れが含まれる。正常な作動状態から逸れると、システムの振動特性が減衰することになるので、流量計に供給する出力を増やし、計器を正常な作動状態に戻す必要がある。流量計が正常な作動状態から逸れている場合でも、センサーの連続作動を保証するために、設計者は、「オーバーヘッド」又は「予備出力」で設計する。「オーバーヘッド」は、センサーが使用できる最大出力を、正常な作動状態の間にシステムを駆動するのに必要な出力で割ったものとして定義される。
【００１１】
センサーに必要なオーバーヘッドを作り出すために、駆動機構の設計者は、センサーに使用できる出力を増やすよう努力しなければならない。しかしながら、式（１）と（２）に含まれる変数の内、変数Ｋ、ω及びξはセンサーの幾何学的配置によって決まり、Ｉは領域承認局によって制限されているので、設計者が使用できるのはＢ、Ｌ及びＡだけである。
【００１２】
式（１）と（２）から、導管の振幅Ａを上げると、出力が供給されるよりも速く出力が放散されることになるのは明らかである。コイルの線を長くすると出力は上がるが、線を長くすると抵抗が増し、その結果、送出される出力が減る。更に、コイルのインダクタンスと抵抗の間の関係について承認局が課している追加の安全規制もある。しかしながら、磁束Ｂは、放散される出力に影響を与えることも、承認局が規制している変数に影響を及ぼすこともなく、増大させることができる。
【００１３】
合計磁束Ｂは、磁界を構成する磁束線がどれほど密に詰まっているか（即ち、密度）を示している。磁界を有効に使用するために、「保持器」が磁石の回りに配置されている。保持器は、磁束線の導体として作用する炭素鋼のような強磁性材料の部片である。強磁性材は、空気よりも集中化を支援するので、磁束線は鋼製の保持器内に集中する。保持器は、磁束線の導体として作用するだけでなく、磁束線を導いて、仕事が行われる空隙に最大の磁束密度を作り出す。磁石／コイルのドライバの場合、コイルは、磁束と電流ベクトルの間のクロス乗積が最大になるように、空隙内に配置され、方向付けられる。
【００１４】
或る先行技術の設計は、開放チャネル（図１）に曲げた金属帯片を使用している。このチャネルの設計では、比較的安価に作れるが、磁石の小部分しか取り囲んでいないので、磁束線の大きな部分を「捕捉」し損なう。別の先行技術の設計では、カップ状の保持器を使用している（図２Ａ及び２Ｂ）。このカップ状の保持器設計では、導電領域が３６０度なので、捕捉できる磁束線は最大になるが、製造に費用が嵩み、重量も法外に重い。
【特許文献１】米国特許第４，４９１，０２５号
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の目的は、製造コストと質量を比較的低く抑えながら、捕捉される磁束線を増やすことによって、仕事が行われる空隙の磁束密度を最大化する線形アクチュエータを提供することである。本目的は、十字型の強磁性材料を、十字形の４つの端部が磁石の長手方向軸に対して垂直になるように曲げて構成した保持器を特徴とする改良型線形アクチュエータで実現することができる。
【００１６】
保持器は、システムの他の変数に悪影響を及ぼすことなく、駆動機構に使用できる合計磁束を増やす。更に、この保持器は、軽くて製造し易い。
【００１７】
本発明による線形アクチュエータの１つの考えられる好適な典型的実施形態は、強磁性材料、望ましくは鉄鋼で作られた保持器を特徴としている。この保持器は、一片の材料を十字形にして、脚部の端部を磁石の外側形状とぴったり合うように成形する。脚部は、９０度の曲げを２回行って、端部が磁石の長手方向軸に垂直になるようにする。
【００１８】
本発明による線形アクチュエータの別の考えられる好適な実施形態は、強磁性材料から成る取り付けブラケットを特徴としている。磁石の作る磁束密度が保持器の負担容量を超えて、保持器が磁束飽和状態になる場合もある。保持器が飽和状態になると、磁石が作る追加の磁束は全て空中を通る。追加の磁束を捕捉するため、強磁性取り付けブラケットが磁石の極に配置される。
【００１９】
本発明は、大部分の磁束線を線形アクチュエータで捕捉し、コイルを通して所定の角度に向ける。本発明は、更に、磁石を略取り囲みながら、磁石との間隙を大幅に低減する。
【００２０】
本発明の或る態様は、磁石を実質的に取り囲む保持器であり、前記保持器は、基部と、前記基部から伸張する少なくとも３つの脚部とを特徴としており、各脚部は、前記基部に取り付けられ、そこから半径方向に伸張する底部部材と、前記底部部材に取り付けられ、そこから上方向に伸張する側部部材であって、少なくともその一部が前記基部の長手方向軸に平行になっている側部部材と、前記側部部材に取り付けられ、そこから前記基部の長手方向軸に向かって内向きに伸張する上部部材であって、少なくともその一部が前記基部の長手方向軸に垂直になっている上部部材と、を有している。
【００２１】
前記保持器は、各脚部の底部、側部及び上部部材が、連続する湾曲条片を画定していることを特徴とするのが望ましい。
【００２２】
前記保持器は、底部部材が基部の長手方向軸に実質的に垂直であり、側部部材が基部の長手方向軸に実質的に平行であり、上部部材が基部の長手方向軸に実質的に垂直であることを特徴とするのが望ましい。
【００２３】
前記保持器は、上部部材が、それぞれ弓状の終端を有していることを特徴とするのが望ましい。
【００２４】
前記保持器は、各上部部材の終端を組み合わせると、磁石の外周の５０パーセント以上１００パーセント未満を取り囲んでいることを特徴とするのが望ましい。
【００２５】
前記保持器は、構造体の材料が強磁性であることを特徴とするのが望ましい。
【００２６】
前記保持器は、基部から伸張する４つの脚部を備えているのが望ましい。
【００２７】
前記保持器は、１つ又は複数の上部部材に取り付けられた円板部材を備えているのが望ましい。
【００２８】
前記保持器は、磁石を有する磁石アッセンブリと、前記磁石アッセンブリと滑動可能に相互作用するコイルを有するコイルアッセンブリとを備えている線形アクチュエータと組
み合わせられているのが望ましい。
【００２９】
前記線形アクチュエータは、極性部片を備えているのが望ましい。
【００３０】
前記線形アクチュエータは、磁石スリーブを備えているのが望ましい。
【００３１】
前記線形アクチュエータは、取り付けブラケットを備えているのが望ましい。
【００３２】
前記線形アクチュエータは、取り付けブラケットの構造体の材料が強磁性であることを特徴とするのが望ましい。
【００３３】
前記保持器は、前記物質の流れを受け入れるための導管と、１つ又は複数の上部部材に取り付けたられた流れ導管に連結されている線形アクチュエータとを備えているコリオリ質量流量計と組み合わせられているのが望ましい。
【００３４】
本発明の更なる態様は、基部と、前記基部から伸張する少なくとも３つの脚部とを有する形状に合致するように一片の材料を成形する段階と、各脚部が、前記基部から半径方向に伸張する底部部材と、前記底部部材から上方向に伸張する側部部材であって、その少なくとも一部が前記基部の長手方向軸に平行になっている側部部材と、前記側部部材から前記基部の長手方向軸に向かって内向きに伸張する上部部材であって、その少なくとも一部が前記基部の長手方向軸に垂直になっている上部部材とを備えているように、前記一片の材料を曲げる段階とから成る、前記保持器を製造する方法を含んでいる。
【００３５】
前記方法は、レーザー切断を含む成形する段階を含んでいるのが望ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
図１の説明
図１は、線形アクチュエータ設計に組み込まれている既知の磁石保持器１００である。磁石保持器１００は、取り付け構造体（図示せず）に合うように形成されている実質的に平坦な部分１１０と、２つの側部部分１２０と、２つの上部部分１３０とを含んでいる。２つの上部部分は、磁石（図示せず）の外側部分とぴったり合うように作られている弓状の表面１４０を有している。磁石は、平坦部分１１０の内側表面１１０上に着座し、磁石の外側と上部部分１３０の弓状表面１４０の間に間隙ができる。この間隙は、保持器と磁石の間にコイル（図示せず）を通すためのものである。保持器１００は、金属板を上記形状に曲げることによって形成される。
【００３７】
図２Ａと２Ｂの説明
図２Ａと２Ｂは、線形アクチュエータ設計に組み込むように作られている別の既知の保持器２００を開示している。保持器２００は、当該技術ではカップ保持器と呼ばれている。カップ状の設計は、底部環状平坦部分２１０と、環状側壁２２０と、側壁２２０の上部にリップを形成する環状上部部分２３０とを備えている。上部部分２３０は、磁石（図示せず）の外側形状にぴったり合致するように成形された内側表面２４０を有している。磁石は平坦部分２１０の内側表面上に着座し、磁石の外側と上部部分２３０の表面２４０との間に間隙ができる。この間隙は、保持器と磁石の間にコイル（図示せず）を通すためのものである。保持器２００は、鋳造、曲げ又は機械加工で形成される。
【００３８】
図３の説明
図３は、本発明の好適な実施形態による保持器３００を示している。保持器３００は、長手方向軸３５０を有する実質的に平坦な基部部分３０５と、前記平坦な基部部分３０５から伸張する４つの脚部３１５を備えている。各脚部３１５は、平坦な基部部分３０５から伸張する下部部分３１０と、前記下部部分３１０から直角に伸張する側部部分３２０と、前記側部部分３２０から直角に伸張する上部部分３３０を備えている。上部部分３３０は、磁石（図示せず）の外側形状とぴったり合致するよう作られている弓状の内側表面３４０を有している。磁石は平坦な下部部分３０５の内側表面上に着座し、磁石の外側と弓状の表面３４０の間に間隙ができる。この間隙は、保持器３００と磁石の間にコイル（図
示せず）を通すためのものである。保持器３００は、金属板を上記形状に曲げることによって形成される。
【００３９】
図４の説明
図４は、コリオリ流量計の導管４１１と４１３に取り付けらえた線形アクチュエータの設計４００を示している。線形アクチュエータの設計は、磁石区画４１０とコイル区画４６０の２つの区画を備えている。
【００４０】
磁石部分４１０は、磁石４１８と保持器３００を導管４１３に取り付けるための磁石取り付けブラケット４１２を備えている。保持器３００は、ねじ４１６と座金４１７で取り付けブラケット４１２に取り付けられている。磁石アッセンブリ４１８は、接着剤と、配置機構と、磁石アッセンブリ４１８と保持器４１２の間の磁気引力とを組み合わせて、保持器４１２上の適所に保持されている。
【００４１】
コイル部分４６０は、コイル４６４を導管４１１に取り付けるためのコイル取り付けブラケット４６２を備えている。コイル４６４は、ねじ４６６と座金４６７でコイル取り付けブラケット４６２に取り付けられている。取り付け時、コイル４６４は、保持器３００の内側表面３４０（図３）と磁石アッセンブリ４１８の外側の間の間隙に配置される。
【００４２】
作動時には、出力が、電子機器（図示せず）を介し端子４６８を通してコイル４６４に掛けられる。出力が掛けられると、或る間隔をおいてコイルの極性が逆転し、磁石の引力又は反発力を引き起こし、導管４１１と４１３を振動させる。
【００４３】
図５の説明
図５は、図４の線形アクチュエータを詳細に示す分解図である。先に論じたように、線形アクチュエータ４００は、磁石区画４１０とコイル区画４６０の２つの区画を備えている。
【００４４】
磁石区画４１０は、導管４１３に取り付けられる取り付けブラケット４１２と、ねじ４１６と座金４１７でブラケット４１２に連結される保持器３００と、磁石アッセンブリ４１８とを備えている。磁石アッセンブリ４１８は、更に、下部磁石部分５１８と、上部磁石部分５１９と、磁石スリーブ５２７内に取り囲まれている極部片５３０とを備えている。磁石スリーブ５２７は、その底部から伸張し、保持器の対応するスロット５２６に嵌合する２つの突起５２４を有している。突起５２４とスロット５２６は、磁石区画４１０内で磁石アッセンブリ４１８が確実に正しく整列するようにしている。
【００４５】
コイル区画４６０は、導管４１１に取り付けられるコイル取り付けブラケット４６２と、ねじ４６６と座金４６７でコイル取り付けブラケット４６２に取り付けられるコイル４６４とを備えている。組み立てられたコイル４６４は、保持器３００と磁石アッセンブリ４１８の間の間隙に在る。
【００４６】
図６の説明
図６は、別の保持器６００を示している。保持器６００は、平坦な基部部分６０５と湾曲した側方脚部６１５を備えている。各脚部６１５は、磁石（図示せず）の外側形状にぴったりと合致するように成形された弓状の内側表面６４０で終端している。
【００４７】
図７の説明
図７は、又別の保持器７００を示している。保持器７００は、平坦な基部部分７０５と、３つの湾曲した側方脚部７１５を備えている。各脚部７１５は、平坦な基部部分７０５から伸張する下部部分７１０と、前記下部部分７１０から直角に伸張する側部部分７２０と、前記側部部分７２０から直角に伸張する上部部分７３０とを備えている。上部部分７３０は、磁石アッセンブリ（図示せず）の外側形状とぴったり合致するよう成形された弓状の内側表面７４０を有している。磁石が平坦な下部部分７０５の内側表面上に着座し、磁石の外側と弓状の表面７４０との間に間隙ができる。この間隙は、保持器７００と磁石
の間にコイル（図示せず）を通すためのものである。
【００４８】
図８の説明
図８は、更に又別の保持器８００を示している。保持器８００は、長手方向軸８５０を有する実質的に平坦な基部部分８０５と、前記平坦な基部部分８０５から伸張する４つの脚部８１５とを備えている。各脚部８１５は、前記平坦な基部部分８０５から伸張する下部部分８１０と、前記下部部分８１０から直角に伸張する側部部分８２０と、前記側部部分８２０から直角に伸張する上部部分８３０とを備えている。上部部分８３０は、磁石（図示せず）の外側形状とぴったり合致するよう成形された弓状の内側表面８４０を有している。円板部材８６０が、脚部８１５の上部部分８３０に取り付けられている。円板部材８６０を追加すると、製造コストを低く抑えながら、磁石の外周を完全に囲むことができる。磁石は平坦な下部部分８０５の内側表面上に着座し、磁石の外側と、弓状表面８４０及び円板部材８６０との間に間隙ができる。この間隙は、保持器８００と磁石（図示せず）の間にコイル（図示せず）を通すためのものである。
【００４９】
要約すると、改良型の保持器の設計による線形アクチュエータを使えば、効率と生産性の両方を改善することによって、駆動システムの性能を大幅に改良できることが、上記説明から理解頂けたであろう。ここに請求する本発明は、好適な実施形態の説明に限定されるものではなく、他の修正及び変更を含むことを明確に理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】先行技術による磁石保持器である。
【図２】図２Ａは、先行技術による別の磁石保持器である。図２Ｂは、図２Ａの保持器の断面図である。
【図３】本発明による磁石保持器を開示している。
【図４】本発明による線形アクチュエータの設計を開示している組立図である。
【図５】図４の分解図である。
【図６】本発明による別の磁石保持器を開示している。
【図７】本発明による又別の磁石保持器を開示している。
【図８】本発明による更に又別の磁石保持器を開示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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