JP5527452B2 - 圧力調整弁およびこれを備えた液滴吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、機能液供給手段から機能液滴吐出ヘッドに機能液を適正に減圧供給する圧力調整弁およびこれを備えた液滴吐出装置に関するものである。

従来、サブタンクの機能液を、所定の圧力に減圧して機能液滴吐出ヘッドに供給する圧力調整弁が知られている（特許文献１参照）。この圧力調整弁は、バルブハウジング内に形成された流入ポートに連通する１次室および流出ポートに連通する２次室と、１次室と２次室との間の隔壁を連通する連通流路と、１次室側の連通流路開口縁部を弁座として連通流路を１次室側から開閉する弁体と、２次室の１の面を構成すると共に、弁体を大気圧基準で開閉するダイヤフラム（受圧膜体）と、弁体を閉弁方向に付勢する弁体ばねと、を備えている。圧力調整弁を構成するバルブハウジング、隔壁および弁体等の部材は、導入する機能液に対する耐溶剤性やガスバリアー性を担保するためにステンレス等の耐食性金属で形成されている。
一方、弁体は、弁座に直接接触するＯリングと、Ｏリングを保持する保持部、および保持部から連通流路を挿通して延びる軸部から成る弁ホルダーと、を有している。また、連通流路は断面十字状に形成され、これに挿通した軸部がダイヤフラムに当接している。すなわち、ダイヤフラムと弁体ばねが拮抗した状態で、ダイヤフラムの挙動を受けて弁体が開閉するようになっている。

特開２００６−１６３７３３号公報

しかし、このような圧力調整弁では、弁体の軸部と連通流路との間に微小な間隙を有しているものの、連通流路が断面十字状に形成されているため、弁体の開閉動作に伴って、弁体の軸部と連通流路の流路壁とが接触すると、部分当りとなって比較的大きな摺動抵抗を生ずる。特に、弁体の軸部と連通流路の流路壁とは、ステンレス等の金属同士であるため、摩擦が大きく、弁体の円滑な開閉動作が阻害され、弁体が円滑に動作しなくなるという問題があった。

本発明は、弁体を円滑に開閉動作させることができる圧力調整弁およびこれを備えた液滴吐出装置を提供することをその課題としている。

本発明の圧力調整弁は、バルブハウジング内の１次室と２次室とを画成する隔壁に貫通形成された連通流路と、連通流路を形成した隔壁の１次室側開口縁部を弁座として、連通流路を開閉する弁体と、２次室の１の面を構成すると共に弁体を大気圧基準で開閉動作させる受圧膜体と、を備え、機能液供給手段から１次室に供給された機能液を、弁体の開閉動作により圧力調整して２次室に供給し、２次室からインクジェット方式の機能液滴吐出ヘッドに供給する圧力調整弁であって、弁体は、１次室に配設され弁座に対し直接開閉動作する弁体本体と、弁体本体を保持する保持部、および保持部から連通流路を同軸上に挿通して延び受圧膜体に当接する作動軸部から成る弁ホルダーと、を有し、作動軸部は、受圧膜体に向って先細りのテーパー形状に形成され、連通流路は、作動軸部に対し相補的形状に形成されていることを特徴とする。

この場合、弁体本体が弁座に密接する閉弁状態において、作動軸部は、連通流路に対し微小間隙を存して挿通していることが、好ましい。

これらの構成によれば、作動軸部が受圧膜体に向ってテーパー形状に形成されていると共に、連通流路が作動軸部と相補的形状に形成されているため、弁体が開弁動作する際、作動軸部が連通流路の流路壁から離れるように移動する。したがって、作動軸部が連通流路の流路壁に接触することがあっても、大きな摺動抵抗が生じることがなく、受圧膜体の動きに対応して開閉動作する弁体を、円滑に動作させることができなる。また、弁体の弁開度に応じて連通流路の流路面積が変化するため、例えば機能液滴吐出ヘッド側から、機能液を強制吸引する動作においては、弁体が大きく開弁したときに、これに応じて多量の機能液を流路抵抗無く（圧力損失無く）２次室に流入させることができる。

この場合、弁体本体は、Ｏリングで構成され、保持部と作動軸部との境界部分には、作動軸部を延長して形成された弁体本体の抜止め部が形成されていることが、好ましい。

この構成によれば、作動軸部のテーパー形状を利用することで、Ｏリングの抜止め部を簡単に形成することができる。

本発明の液滴吐出装置は、上記の圧力調整弁と、機能液供給手段と、機能液滴吐出ヘッドと、を備え、ワークに対し機能液滴吐出ヘッドを相対的に移動させながら、ワーク上に機能液を吐出して描画を行なうことを特徴とする。

この構成によれば、機能液供給手段から機能液滴吐出ヘッドに機能液を適正圧力で安定して供給することができ、機能液滴吐出ヘッドのワークへの描画品質を向上させることができる。

液滴吐出装置の斜視図である。 液滴吐出装置の平面図である。 液滴吐出装置の側面図である。 キャリッジの外観斜視図である。 機能液滴吐出ヘッドの表裏外観斜視図である。 機能液供給装置の模式図である。 圧力調整弁の平面図である。 圧力調整弁のＡ−Ａ断面図である。 弁体廻りの拡大図である。 圧力調整弁の開閉動作を説明するための説明図（１）である。 圧力調整弁の開閉動作を説明するための説明図（２）である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の一実施形態に係る圧力調整弁を備えた液滴吐出装置について説明する。この液滴吐出装置は、フラットパネルディスプレイの製造ラインに組み込まれており、例えば、特殊なインクや発光性の樹脂液である機能液を導入した機能液滴吐出ヘッドを用い、液晶表示装置のカラーフィルタや有機ＥＬ装置の各画素となる発光素子等を形成するものである。また、圧力調整弁は、機能液滴吐出ヘッドに機能液を一定圧力で減圧供給するものである。

図１ないし図３に示すように、液滴吐出装置１は、石定盤に支持されたＸ軸支持ベース１１上に配設され、主走査方向となるＸ軸方向に延在してワークＷをＸ軸方向に移動させるＸ軸テーブル２と、複数本の支柱１２を介してＸ軸テーブル２を跨ぐように架け渡された１対のＹ軸支持ベース１３上に配設され、副走査方向となるＹ軸方向に延在するＹ軸テーブル３と、Ｙ軸テーブル３に移動自在に吊設され、複数（１２個）の機能液滴吐出ヘッド１４が搭載された１３個のキャリッジユニット４と、から構成されている。さらに、液滴吐出装置１は、これらの装置を温度および湿度が管理された雰囲気内に収容するチャンバ５と、チャンバ５を貫通して、機能液滴吐出ヘッド１４に機能液を供給する機能液供給ユニット６と、を備えている。また、チャンバ５の側壁の一部には、機能液を貯留するメインタンク５１等を収納するタンクキャビネット７が設けられている。液滴吐出装置１は、Ｘ軸テーブル２およびＹ軸テーブル３の駆動と同期して、機能液滴吐出ヘッド１４を吐出駆動させることにより、機能液供給ユニット６から供給された機能液を吐出させ、ワークＷに所定の描画パターンを描画する。

また、液滴吐出装置１は、フラッシングユニット１５、吸引ユニット１６、ワイピングユニット１７および吐出性能検査ユニット１８から成るメンテナンス装置８を備えており、これらユニットを機能液滴吐出ヘッド１４の保守に供して、機能液滴吐出ヘッド１４の機能維持・機能回復を図るようになっている。本実施形態の液滴吐出装置１では、Ｘ軸テーブル２とＹ軸テーブル３とが交わる領域にキャリッジユニット４を臨ませてワークＷの描画を行い、Ｙ軸テーブル３とメンテナンス装置８（吸引ユニット１６、ワイピングユニット１７）が交わる領域にキャリッジユニット４を臨ませて、機能液滴吐出ヘッド１４の機能維持・機能回復を行う。

図２および図３に示すように、Ｘ軸テーブル２は、ワークＷを吸着セットするセットテーブル２１と、セットテーブル２１をＸ軸方向にスライド自在に支持するＸ軸第１スライダー２２と、上記したフラッシングユニット１５および吐出性能検査ユニット１８をＸ軸方向にスライド自在に支持するＸ軸第２スライダー２３と、Ｘ軸方向に延在し、Ｘ軸第１スライダー２２およびＸ軸第２スライダー２３をＸ軸方向に移動させる左右一対のＸ軸リニアモーター（図示省略）と、を備えている。

Ｙ軸テーブル３は、１３個のキャリッジユニット４をそれぞれ吊設した１３個のブリッジプレート２４と、各ブリッジプレート２４を両持ちで支持する１３組のＹ軸スライダー（図示省略）と、一対のＹ軸支持ベース１３上に設置され、ブリッジプレート２４をＹ軸方向に移動させる一対のＹ軸リニアモーター（図示省略）と、を備えている。また、Ｙ軸テーブル３は、各キャリッジユニット４を介して描画時に機能液滴吐出ヘッド１４を副走査するほか、機能液滴吐出ヘッド１４を吸引ユニット１６およびワイピングユニット１７に臨ませる。この場合、各キャリッジユニット４を独立させて個別に移動させることも可能であるし、１３個のキャリッジユニット４を一体として移動させることも可能である。

図４に示すように、各キャリッジユニット４は、Ｒ・Ｇ・Ｂの３色、各４個（計１２個）の機能液滴吐出ヘッド１４と、１２個の機能液滴吐出ヘッド１４を６個ずつ２群に分けて、各機能液滴吐出ヘッド１４が同一の水平面内に配設されるように支持するヘッドプレート２５と、から成るヘッドユニット２６を備えている。また、各キャリッジユニット４は、機能液滴吐出ヘッド１４に機能液を大気圧基準で減圧供給する圧力調整弁２７（詳細は後述する。）と、ヘッドユニット２６をθ補正（θ回転）可能に支持するθ回転機構２８と、θ回転機構２８を介して、ヘッドユニット２６をブリッジプレート２４に支持させる吊設部材２９（共に図３参照）と、を備えている。加えて、各キャリッジユニット４は、機能液を一時的に貯留するサブタンク４６（図１参照）が配設されており（実際には、ブリッジプレート２４上に配設）、このサブタンク４６および圧力調整弁２７により、各機能液滴吐出ヘッド１４に対して一定圧力で機能液が供給されるようになっている。

図５に示すように、機能液滴吐出ヘッド１４は、いわゆる２連のインクジェットヘッドであり、２連の接続針３４を有する機能液導入部３１と、機能液導入部３１に連なる２連のヘッド基板３２と、ヘッド基板３２の下方に連なり機能液を吐出するヘッド本体３３と、を備えている（図５（ａ）参照）。機能液導入部３１は、ノズル列３９の数に対応した２連の接続針３４を有しており、サブタンク４６からの機能液を、機能液供給システム４８（図６参照）を介して供給されるようになっている。また、ヘッド本体３３は、ピエゾ素子等で構成される２連のポンプ部３５と、複数の吐出ノズル３７が形成されたノズル面３８を有するノズルプレート３６と、を有している。ノズルプレート３６のノズル面３８に形成された多数の吐出ノズル３７は、相互に平行且つ半ノズルピッチ位置ズレして列設された２列のノズル列３９を構成しており、各ノズル列３９は、等ピッチで並べた１８０個の吐出ノズル３７で構成されている（図５（ｂ）参照）。ヘッド基板３２には、２連のコネクター４０が設けられており、各コネクター４０は、フレキシブルフラットケーブル１９（図４参照）を介して図外の制御装置に接続されている。そして、この制御装置から出力された駆動波形が各コネクター４０を介して各ポンプ部３５（圧電素子）に印加されることで、各吐出ノズル３７から機能液が吐出される。

次に、図６を参照して、機能液供給ユニット６について説明する。機能液供給ユニット６は、上記した３色に対応した３組の機能液供給装置（機能液供給手段）４１と、メインタンク５１およびサブタンク４６等に制御用の圧縮窒素ガスを供給する窒素ガス供給設備４２と、各種開閉弁の制御用の圧縮エアーを供給する圧縮エアー供給設備４３と、各部からガス排気を行うためのガス排気設備４４と、を備えている。３組の機能液供給装置４１は、それぞれ３色に対応した機能液滴吐出ヘッド１４に接続されており、これにより、各色の機能液滴吐出ヘッド１４には、対応する色の機能液が供給される。

各機能液供給装置４１は、機能液の供給源を構成する２つのメインタンク５１,５１を有するメインタンクユニット４５と、各キャリッジユニット４に対応した１３個のサブタンク４６と、メインタンクユニット４５および各サブタンク４６を接続する上流側機能液流路４７と、サブタンク４６からの機能液を機能液滴吐出ヘッド１４に減圧供給する圧力調整弁２７と、各サブタンク４６および各圧力調整弁２７を接続する１３組の下流側機能液流路４９と、を備えている。各メインタンク５１内の機能液は、これに接続した窒素ガス供給設備４２からの圧縮窒素ガスにより加圧され、ガス排気設備４４を介して大気開放された１３個のサブタンク４６に上流側機能液流路４７を介して選択的に供給される。そして、サブタンク４６の機能液は、下流側機能液流路４９および圧力調整弁２７を介して、各機能液滴吐出ヘッド１４に一定圧力で供給される。

上流側機能液流路４７は、上流端がメインタンクユニット４５に接続されており、１３分岐流路５２を介して、下流端がサブタンク４６にそれぞれ接続されている。また、上流側機能液流路４７には、上流側から、機能液中の気泡を除去する気泡除去ユニット５３と、上流側の上流側機能液流路４７内に混入した気泡を除去するエアー抜きユニット５４と、が介設されている。メインタンクユニット４５から供給された機能液は、１３分岐流路５２により１３個に分流して各サブタンク４６に供給される。

次に、図７ないし図９を参照して、圧力調整弁２７について説明する。圧力調整弁２７は、主要部を成す調整弁本体６１と、調整弁本体６１の流入側に差込み接合した流入コネクター６２と、調整弁本体６１の流出側に差込み接合した流出コネクター６３と、を備えている。そして、流入コネクター６２には、流入側押えナット６４を介して、サブタンク４６に接続した下流側機能液流路４９が接続され、流出コネクター６３には、流出側押えナット６５を介して、機能液滴吐出ヘッド１４に連なるヘッド接続チューブ１００が接続されている。

調整弁本体６１（圧力調整弁２７）は、前面および後面の中央部が凹型形成されたバルブハウジング７１と、バルブハウジング７１と共に１次室７５を画成する蓋体７２と、バルブハウジング７１に受圧膜体７３を固定することでバルブハウジング７１と共に２次室７６を画成する膜体押え部材７４と、で構成されている。また、１次室７５および２次室７６は、バルブハウジング７１の一部を構成する隔壁７７を隔てて同軸上に配設されており、隔壁７７の中心部（軸心）には、１次室７５および２次室７６を連通する連通流路７８が貫通形成されている。

１次室７５は、隔壁７７を主体とするバルブハウジング７１の後面および蓋体７２により形成されている。また、１次室７５の上部には、１次室７５から径方向斜めに延びる流入ポート８１が形成され、中心部には、連通流路７８に連なる１次室側開口部８２が開口している。そして、この１次室側開口部８２には、１次室７５側から連通流路７８を開閉する弁体８４が臨む一方、これに対応して、１次室側開口部８２の周縁部により、弁体８４が離接する弁座８３が構成されている。なお、弁体８４は、係合した弁体付勢ばね８５によって、閉弁方向（２次室７６側）に弱い力で付勢されている。

２次室７６は、バルブハウジング７１の前面および受圧膜体７３により形成されている。また、２次室７６の下部には、真下に延びる流出ポート８６が形成され、中心部には、連通流路７８に連なる２次室側開口部８７が開口している。そして、この２次室側開口部８７の周縁部と受圧膜体７３との間には、受圧膜体７３を前方向に向かって付勢する膜体付勢ばね８８が介設されている。

受圧膜体７３は、樹脂フィルムで構成した膜体本体９１と、膜体本体９１の中央部に接着した樹脂製の受圧板９２と、で構成されている。受圧板９２は、膜体本体９１と同心の円板状に、且つ膜体本体９１に対し十分に小さい径に形成されており、その中央に弁体８４が当接するようになっている。

連通流路７８は、上記したように、バルブハウジング７１の中央部分を構成する隔壁７７を直交方向から貫通するように形成されている。連通流路７８は、その１次室側開口部８２が大径で、２次室側開口部８７が小径となる、先細りのテーパー形状に形成されている。詳細は後述するが、連通流路７８に挿通する弁体８４の作動軸部９９が先細りのテーパー形状に形成されており、連通流路７８は、この作動軸部９９と相補的形状に形成されている。

弁体８４は、図９に示すように、弁機能を奏する弁体本体９４と、弁体本体９４を保持する弁ホルダー９５と、を備えている。弁体８４は、受圧膜体７３による大気圧基準で、弁座８３となる１次室側開口部８２の周縁部に離接することで開閉し、この開閉を繰り返すことにより、機能液が１次室７５から２次室７６に間欠的に流入する。

弁体本体９４は、耐薬品性のパーフルオロゴムの素材で構成された、いわゆるОリングであり、通常に用いられるシリコンゴム製の弁体本体９４に比して硬質なものとなっている。そして、弁ホルダー９５に装着した弁体本体９４の前端部分が、弁座８３に離接して弁の機能を奏するようになっている。

弁ホルダー９５は、断面略「Ｔ」字状に形成されており、同軸上において軸線方向の後方から、弁体付勢ばね８５が係合する厚肉円板状のホルダーベース９６と、ホルダーベース９６に連なり、弁体本体９４を直接保持する保持部９７と、保持部９７に連なり、弁体本体９４を抜止め状態に保持する抜止め部９８と、抜止め部９８の先端から延在した作動軸部９９と、から構成されている。そして、弁体本体９４は、作動軸部９９側から抜止め部９８を乗り越えて装着されている。また、作動軸部９９（弁ホルダー９５）は、上記の連通流路７８に挿通して、その先端が受圧板９２（受圧膜体７３）に当接している。なお、請求項に言う保持部は、上記のホルダーベース９６と保持部９７とから構成されている。

ホルダーベース９６は、円形の板状に形成されており、１次室７５側の受圧部を構成すると共に、その背面側には、弁体付勢ばね８５が係合する環状のばね受け部１０２が形成されている。ホルダーベース９６は、その背面で１次室７５の圧力を受けると共に、弁体付勢ばね８５により閉弁方向に弱い力で付勢されている。

保持部９７は、ホルダーベース９６に連なり、弁体本体９４の内径より僅かに太径に形成され、且つ弁体本体９４の装着時において、弁体本体９４の前端より突出しない長さに形成されている。

抜止め部９８は、保持部９７の先端に連なる段部で構成され、弁体本体９４が弁座８３に当接する部位を僅かに残して、抜止め状態に保持する。すなわち、抜止め部９８の前端は、弁体本体９４の前端より後退した位置にあり、弁体本体９４の内径より僅かに太径に形成された作動軸部９９からの延長部分で構成されている。

作動軸部９９は、太径に形成された抜止め部９８の先端から先細りのテーパー形状に形成されており、先端が受圧板９２からの押圧を受けるように平坦面、或いは半球状（図示省略）に形成されている。また、作動軸部９９は、上記の連通流路７８に１次室７５側から挿通しており、上記の連通流路７８は、作動軸部９９に対して相補的形状にされている。弁体本体９４が弁座８３に当接する閉弁状態では、作動軸部９９と連通流路７８の流路壁との間に微少間隙が生ずるように構成されており、後述する閉弁動作において、弁体本体９４が弁座８３に当接する前に作動軸部９９が流路壁に接触しないようになっている。そして、この状態から弁体本体９４が開弁し、作動軸部９９が後退すると、作動軸部９９の連通流路７８の流路壁との間に十分な断面積の流路が確保される。この場合、作動軸部９９と流路壁との間の流路面積は、弁体８４のストロークに比例して大小変化することになる。

次に、図１０および図１１を参照して、弁体８４の開閉動作について説明する。上記のように構成された圧力調整弁２７では、例えば機能液滴吐出ヘッド１４の液滴吐出により２次室７６の圧力が下がってゆくと（図１０（ａ）参照）、大気圧により受圧膜体７３が凹変形してゆき、受圧板９２が作動軸部９９を介して弁体８４を１次室７５側に押圧する。このとき、作動軸部９９は、その周面が連通流路７８の流路壁から離れるように後退する。また、同時に弁体本体９４が弁座８３から離れて開弁状態となる（図１０（ｂ）参照）。このようにして、弁体８４が開弁すると、連通流路７８を介して１次室７５の機能液が２次室７６に流入し、２次室７６の圧力が高くなることで、受圧膜体７３が外部に向かって凸変形する。このとき、作動軸部９９は、その周面が連通流路７８の流路壁に近づくように、弁体付勢ばね８５の付勢力により前進する。また、同時に弁体本体９４が、弁体付勢ばね８５のばね力で弁座８３に当接し、閉弁状態となる。

一方、機能液の初期充填やクリーニング時における機能液の強制的な吸引時においては、多量の機能液が吸引されるため、それに対応して、２次室７６の負圧も急激に高まり、弁開度が最大になる。係る場合、多量の機能液が連通流路７８に流れ込むが、弁開度に応じて連通流路７８の流路面積もさらに大きくなる（図１１参照）ため、機能液を圧力損失なく２次室７６に流入させることができる。

このように、圧力調整弁２７は、大気圧と機能液滴吐出ヘッド１４に連なる２次室７６との内部圧力のバランスにより受圧膜体７３が変形することで連通流路７８を開閉する。その際、弁体付勢ばね８５および膜体付勢ばね８８に力が分散して作用し、且つ弁体本体９４の弾性力により、弁体８４は極めてゆっくり開閉動作する。このため、弁体８４の開閉による圧力変動（キャビテーション）が抑制され、機能液滴吐出ヘッド１４の吐出駆動に影響を与えないようになっている。

以上の構成によれば、作動軸部９９および連通流路７８が共に、受圧膜体７３に向ってテーパー形状に形成されているため、弁体８４が開弁動作する際、摺動抵抗が生じることがなく、弁体８４を円滑に開閉させることができなる。また、弁体８４の弁開度に応じて連通流路７８の断面積が変化するため、流れ込む機能液量に関係なく、所定の機能液を圧力損失なく、２次室７６に供給させることができる。

１…液滴吐出装置 １４…機能液滴吐出ヘッド ２７…圧力調整弁 ４１…機能液供給装置 ７１…バルブハウジング ７３…受圧膜体 ７５…１次室 ７６…２次室 ７７…隔壁 ７８…連通流路 ８３…弁座 ８４…弁体 ９４…弁体本体 ９５…弁ホルダー ９７…保持部 ９８…抜止め部 ９９…作動軸部 Ｗ…ワーク

Claims (4)

1. バルブハウジング内の１次室と２次室とを画成する隔壁に貫通形成された連通流路と、前記連通流路を形成した前記隔壁の１次室側開口縁部を弁座として、前記弁座に対して進退して前記連通流路を開閉する弁体と、前記２次室の１の面を構成すると共に前記弁体を大気圧基準で開閉動作させる受圧膜体と、を備え、
   機能液供給手段から前記１次室に供給された機能液を、前記弁体の開閉動作により圧力調整して前記２次室に供給し、前記２次室からインクジェット方式の機能液滴吐出ヘッドに供給する圧力調整弁であって、
   前記弁体は、前記１次室に配設され前記弁座に対し離接する弁体本体と、前記弁体本体を保持する保持部、および前記保持部から前記連通流路を同軸上に挿通して延び前記受圧膜体に当接する作動軸部から成る弁ホルダーと、を有し、
   前記弁座となる前記１次室側開口縁部は、前記弁体の進退方向に対して垂直に構成されており、
   前記保持部には、前記弁体本体に対する前記進退方向前進側への抜止めとなって前記弁体本体を保持する抜止め部が形成されており、前記進退方向における前記抜止め部の前端が、前記進退方向における前記弁体本体の前端より後退した位置にあることを特徴とする圧力調整弁。
2. 前記弁体本体が前記弁座に密接する閉弁状態において、前記作動軸部は、前記連通流路に対し微小間隙を存して挿通していることを特徴とする請求項１に記載の圧力調整弁。
3. 前記弁体本体は、Ｏリングで構成され、
   前記抜止め部は、前記保持部と前記作動軸部との境界部分に、前記作動軸部を延長して形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力調整弁。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の圧力調整弁と、
   前記機能液供給手段と、
   前記機能液滴吐出ヘッドと、を備え、
   ワークに対し前記機能液滴吐出ヘッドを相対的に移動させながら、前記ワーク上に機能液を吐出して描画を行なうことを特徴とする液滴吐出装置。

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