JP2005069808A - ケ−ブル状圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 環境汚染がなく、電極の安定性に優れたケーブル状圧力センサを提供すること。
【解決手段】 有機高分子と鉛を含まないビスマス層状構造を有するセラミック圧電体粒子からなる可撓性感圧体８と、可撓性感圧体８に電気絶縁性の可撓性支持体の両面に金属層を形成した可撓性外側電極９を巻回して構成されている。これによって、環境汚染を防止することができるとともに、安定した電気抵抗を有する電極を得ることができ、優れたセンサ特性を安定して実現することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は有機高分子と鉛を含まないセラミック圧電体粒子を感圧体とした可撓性を有するケ−ブル状圧力センサの構成に関するものである。

従来、この種のケ−ブル状圧力センサは図７に示すようなものがある（例えば、特許文献１参照）。図７に示すように、線状導電材１と導電ゴム２とから構成された芯電極３の周囲に可撓性感圧体４を配置し、その周囲に外皮電極層５と熱収縮チュ−ブ６を順次被覆して構成されている。可撓性感圧体４としては合成ゴムや合成樹脂の中にチタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛のセラミック圧電体粉末を添加した複合体が用いられ、外皮電極層５は可撓性感圧体４の表面に銀系ゴム塗料などの導電塗料を塗着したものが用いられている。上記ケ−ブル状圧力センサの一部あるいは全面に圧力が印加されたとき、その部分の圧力センサが歪む結果、芯電極３と外皮電極層５の間に電圧が誘起され、この誘起電圧を利用して圧力を検出している。
特開昭６２−２３００７１号公報

しかしながら、従来のケ−ブル状圧力センサは可撓性感圧体４に鉛を含む酸化物からなる圧電材料を含んでいる。このケーブル状圧力センサは、搭載した製品が廃棄処理される際、製品から取り外されて細かく裁断され廃棄されることが想定され、廃棄されたケ−ブル状圧力センサは酸性雨などの環境にさらされることもあり、このような場合には可撓性感圧体４を構成している鉛を含む酸化物からなる圧電材料から鉛が溶出し、環境汚染の原因となることが懸念される。

また、外皮電極層５は銀系ゴム塗料などの導電塗料を塗着して形成されるため膜厚が不均一となることにより電気抵抗が大きくなる部位が存在する可能性があり、センサとしての特性が悪くなるという課題を有していた。

また、外皮電極層５の周囲に被覆されている熱収縮チューブ６は熱収縮によって硬化するため、熱収縮チューブ６に圧力が印加されたとき、その部分の歪み量が少なくなるので芯電極３と外皮電極層５の間に誘起される電圧が小さくなり、センサとしての感度が低くなるという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、環境汚染がなく、感度の高いケーブル状圧力センサを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のケーブル状圧力センサは芯電極に周設された可撓性感圧体とこの表面に巻回された電気絶縁性の可撓性支持体と前記可撓性支持体の両面に設けられた金属層とからなる可撓性外側電極で構成され、可撓性感圧体を少なくとも有機高分子と、一般式がＢｉ２Ａｍ−１ＢｍＯ３ｍ+１で表され、Ａサイトイオンが周期表のアルカリ金属、アルカリ土類金属、Ｂｉ、Ｌａ、Ｙ、Ｇｄ、Ｎｄの少なくとも１種、Ｂサイトイオンが周期表の遷移金属の少なくとも１種を含むビスマス層状構造を有するセラミック圧電体粒子とから構成したものである。

これによって、可撓性感圧体に含まれるセラミック圧電体粒子は鉛を含まないので酸性雨などの環境に曝されても鉛の溶出を防止することができる。また、ビスマス層状構造を有するセラミック圧電体粒子を用いることにより、従来の鉛を含む圧電体粒子よりも比誘電率が低いので圧電特性を発現させる分極処理電圧を低くすることができる。また、ビスマス層状構造を有するセラミック圧電体粒子は他の構造の圧電体粒子に比べ、キュリー点が高く、高耐熱性を実現することができる。また、可撓性外側電極は可撓性感圧体に巻回された構成であるので安定した電気抵抗を有する電極を得ることができる。

本発明のケーブル状圧力センサは、可撓性感圧体を構成するビスマス層状構造を有するセラミック圧電体粒子が鉛を含んでいないのでケーブル状圧力センサが廃棄処理され酸性雨などの環境に曝されても鉛の溶出がなく、環境汚染を防止することができる。また、ビスマス層状構造を有するセラミック圧電体粒子は耐熱性が高く、かつ可撓性外側電極が可撓性感圧体に巻回された構成であるので安定した電気抵抗を有する電極を得ることができ、優れたセンサ特性を安定して実現することができる。

第１の発明に係る形態は、内側電極としての芯電極と、芯電極に周設された可撓性感圧体と、可撓性感圧体の表面に巻回される可撓性外側電極とから形成され、可撓性感圧体は少なくとも有機高分子と一般式がＢｉ２Ａｍ−１ＢｍＯ３ｍ+１で表され、Ａサイトイオンが周期表のアルカリ金属、アルカリ土類金属、Ｂｉ、Ｌａ、Ｙ、Ｇｄ、Ｎｄの少なくとも１種、Ｂサイトイオンが周期表の遷移金属の少なくとも１種を含むビスマス層状構造を有するセラミック圧電体粒子とから構成することにより、可撓性感圧体に含まれるセラミック圧電体粒子が鉛を含まないので酸性雨などの環境に曝されても鉛の溶出がなく、環境汚染を防止することができる。また、ビスマス層状構造を有するセラミック圧電体粒子を用いることにより、従来の鉛を含む圧電体粒子よりも比誘電率が低いので圧電特性を発現させる分極処理電圧を低くすることができ、製法の作業性、安全性を向上させることができる。また、ビスマス層状構造を有するセラミック圧電体粒子は他の構造の圧電体粒子に比べ、キュリー点が高く、高耐熱性を実現することができるとともに、可撓性外側電極は可撓性感圧体に巻回された構成であるので安定した電気抵抗を有する電極を得ることができ、優れたセンサ特性を安定して実現することができる。

第２の発明に係る形態は、特に、第１の発明のアルカリ金属がＮａ、Ｋ、Ｌｉの少なくとも１種を含む構成としたものである。

第３の発明に係る形態は、特に、第１または第２の発明のアルカリ土類金属がＣａ、Ｓｒ、Ｂａの少なくとも１種を含む構成としたものである。

第４の発明に係る形態は、特に、第１〜第３のいずれかの発明の遷移金属がＴｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅの少なくとも１種を含む構成としたものである。

第２〜第４の発明の構成によって、圧電特性をより高くすることができるのでセンサとしての特性をより向上させることができる。

第５の発明に係る形態は、特に、第１〜第４のいずれか１つの発明の有機高分子を熱可塑性エラストマーで構成することにより、感圧体自身に優れた弾性と可撓性を付与することができ、センサの感度を高めることができる。

第６の発明に係る形態は、特に、第５の発明の熱可塑性エラストマーを塩素化ポリエチレンで構成することにより、セラミック圧電粒子の含有量を多くすることができるのでセンサの感度を高めることができる。

第７の発明に係る形態は、特に、第１〜第６のいずれか１つの発明の可撓性外側電極を電気絶縁性の可撓性支持体と前記可撓性支持体の両面に設けられた金属層とから構成することにより、低い電気抵抗を有する電極を得ることができ、安定した優れたセンサ特性を実現することができるとともに、電気絶縁性の可撓性支持体によって外可撓性外側電極の張力を強くすることができるので強い張力で巻回しても可撓性外側電極が切断されることがなく、可撓性感圧体の可撓性外側電極の密着性を向上させることができ、センサの感度を高めることができる。

第８の発明に係る形態は、特に、第７の発明の可撓性支持体を高分子フィルムで構成することにより、ケ−ブル状圧力センサ全体の機械的インピ−ダンスを低くすることができるのでセンサに圧力が加わった際に容易に変形させることができ、低い印加圧力下での誘起電圧の検出を可能とすることができる。

第９の発明に係る形態は、特に、第８の発明の高分子フィルムをポリエチレンテレフタレ−トとすることにより、高分子フィルムの中でもポリエチレンテレフタレ−トフィルムは１５０℃の耐熱性を有しているので耐熱性に優れたケ−ブル状圧力センサを実現することができる。

第１０の発明に係る形態は、特に、第１〜第９のいずれか１つの発明の可撓性外側電極を可撓性感圧体の表面に金属層の一部が重なり合った状態で巻回することにより、可撓性感圧体の周囲全体を金属層で覆うことができるので金属層をア−ス電位にすることによって芯電極と可撓性外側電極間で発生する誘起電圧を検出することが可能となり、外部空間からの電気的ノイズを遮断することができる。

第１１の発明に係る形態は、特に、第１〜第９のいずれか１つの発明の可撓性外側電極を可撓性感圧体の表面に金属層が重ならない状態で巻回することにより、ケ−ブル状圧力センサ全体の機械的インピ−ダンスを低く保持できるのでセンサに圧力が加わった際に容易に変形させることができ、低い印加圧力下での誘起電圧の検出を可能とすることができる。

第１２の発明に係る形態は、特に、第１〜第１１のいずれか１つの発明の可撓性外側電極の周囲を導電性編組で被覆することにより、可撓性外側電極をアース電位にして芯電極と可撓性外側電極間で発生する誘起電圧を検出することが可能となり、外部空間からの電気的ノイズを遮断することができる。

第１３の発明に係る形態は、特に、第１〜第１２のいずれか１つの発明の可撓性外側電極の周囲を弾性体で被覆することにより、ケーブル状圧力センサの可撓性の低下を抑制することができるのでケーブル状圧力センサに圧力が印加されたとき、その部分での歪み量の低下を抑制することができるとともに、可撓性感圧体と可撓性外側電極の密着性が向上し、空気層を生じることがないのでセンサとしての感度の低下を防止することができる。

第１４の発明に係る形態は、特に、第１２の発明の弾性体を熱可塑性エラストマー、加硫ゴムのいずれか１種で構成することにより、水蒸気のセンサ内部への浸透を抑制することが可能であり、弾性と可撓性を維持しつつ優れた耐湿性を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるケ−ブル状圧力センサの要部外観図である。

図１において、ケーブル状圧力センサは芯電極７の周囲に可撓性感圧体８を形成し、さらに可撓性外側電極９が可撓性感圧体８の表面に重ならない状態で巻回されて構成されている。図２は可撓性感圧体８の内部構造を示す一部断面図であり、可撓性感圧体８は有機高分子１０の中に鉛を含まないセラミック圧電体粒子１１が分散した状態にある。また、図３は可撓性外側電極９の構成を示す一部断面図であり、可撓性外側電極９は電気絶縁性の可撓性支持体１２と可撓性支持体１２の両面に形成された金属層１３から構成されている。

芯電極７としては従来例で示した構成の芯電極、単数または複数の金属細線からなる芯電極、多数のポリエステル繊維の収束線に銅などの金属を巻回した芯電極などが用いられる。可撓性感圧体８を構成する有機高分子１０としては、塩素化ポリエチレンを代表とする熱可塑性エラストマーが用いられる。鉛を含まないセラミック圧電体粒子１１としては、ビスマス層状構造を有し、Ｂｉ２Ａｍ−１ＢｍＯ３ｍ+１で表され、Ａサイトイオンが周期表のアルカリ金属、アルカリ土類金属、Ｂｉ、Ｌａ、Ｙ、Ｇｄ、Ｎｄの少なくとも１種、Ｂサイトイオンが周期表の遷移金属の少なくとも１種を含む化合物が用いられる。また、可撓性外側電極９を構成する電気絶縁性の可撓性支持体１２としてはポリエチレンテレフタレ−ト、ポリプロピレン、ポリスチレン、塩化ビニル、ナイロン、ポリエチレン、トリアセテ−トなどの高分子フィルムが用いられ、金属層１３の金属としてはアルミニウム、銅、ニッケルなどの箔もしくは蒸着膜が用いられる。

以上のように構成されたケーブル状圧力センサについて、以下その動作、作用を説明する。

前記構成とした後、芯電極７と可撓性外側電極９間に直流電圧を印加して、可撓性感圧体８を分極する工程により圧電性が付与される。可撓性感圧体８に圧電性を付与することにより、前記ケ−ブル状圧力センサの一部あるいは全面に時間的に変化する圧力が印加されたとき、芯電極７と可撓性外側電極９間にはその部分のケーブル状圧力センサに生じる加速度に応じた振動電圧が誘起される。この誘起電圧を利用して圧力を検出することができる。このケーブル状圧力センサは、例えば自動車用のドアやウィンドウなどに取り付けられ、圧力検出装置として利用される。

本実施の形態のケーブル状圧力センサを搭載した製品が使用済みになると、ケーブル状圧力センサは製品から取り外されて細かく切断された後、廃棄処理されることが考えられる。廃棄処理されたケーブル状圧力センサは酸性雨などの厳しい環境に曝されることもあり、酸性雨によりケーブル状圧力センサの構成材料が溶出する可能性を有するが、可撓性感圧体８を構成するセラミック圧電体粒子１１は鉛を含まない材料を用いているので鉛の溶出がなく、環境を汚染することがない。

また、セラミック圧電体粒子１１として用いるビスマス層状構造を有する化合物は、従来の鉛を含む圧電体粒子よりも比誘電率が低いので圧電特性を発現させる分極処理電圧を低くすることができ、製法の作業性、安全性を向上させることができる。また、ビスマス層状構造を有する化合物はキュリー点が４００℃以上と高く、耐熱性が高いのでセンサを高温雰囲気下で使用してもセンサとしての性能劣化を抑制することができる。

また、一般式がＢｉ２Ａｍ−１ＢｍＯ３ｍ+１で表されるセラミック圧電体粒子１１のＡサイトイオンをＮａ、Ｋ、Ｌｉのアルカリ金属、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのアルカリ土類金属の少なくとも１種、ＢサイトイオンをＴｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅの遷移金属の少なくとも１種を含む化合物とすることにより、圧電特性をさらに向上させることができ、センサとしての感度を高めることができる。特に、ＳｒＢｉ２Ｎｂ２Ｏ９、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、（Ｋ０．５Ｂｉ０．５）Ｂｉ４Ｔｉ４Ｏ１５、ＣａＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５、ＳｒＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５、Ｓｒ２Ｂｉ４Ｔｉ５Ｏ１８、Ｓｒ２Ｂｉ４Ｔｉ５Ｏ１８が有用である。

また、有機高分子１０を熱可塑性エラストマーで構成することにより、可撓性感圧体８自身に優れた弾性と可撓性を付与することができるのでセンサの感度を高めることができる。特に、熱可塑性エラストマーを塩素化ポリエチレンで構成することにより、セラミック圧電粒子の含有量を多くすることができるのでセンサの感度をより高めることができる。

また、可撓性外側電極９を電気絶縁性の可撓性支持体１２と可撓性支持体１２の両面に設けられた金属層１３とから構成することにより、一定でかつ低い電気抵抗を有する電極を得ることができるので常に安定した優れたセンサ特性を実現することができるとともに、可撓性支持体１２によって可撓性外側電極９の張力を強くすることができるので強い張力で巻回しても可撓性外側電極が切断されることがなく、可撓性感圧体８と可撓性外側電極９の密着性を向上させることができ、センサの感度を高めることができる。

また、可撓性支持体１２として用いる高分子フィルムは、芯電極７と可撓性感圧体８の構成物の機械的インピ−ダンスに比べ、低い機械的インピ−ダンスを有するので可撓性感圧体８に巻回してもセンサ全体の機械的インピ−ダンスの増加を抑制することができ、外部からの圧力に応じて容易に変形させることが可能となり、低い印加圧力下においても荷重を検出することができる。また、高分子フィルムの厚さはできるだけ薄い方が機械的インピ−ダンスも低くなるので好ましいが、工業的に多く利用されている数十μｍ以下の厚さが入手の容易性や価格の点でも好ましい。

また、高分子フィルムの中でも特にポリエチレンテレフタレ−トは最高使用温度が約１５０℃と他の高分子フィルムに比べ、耐熱性が高いので耐熱性に優れたケ−ブル状圧力センサを実現することができる。

また、金属層１３の材料としてはアルミニウム、銅、ニッケルが挙げられるが、これらの中でも特にアルミニウムは銅に比べ熱的に酸化され難く、またニッケルに比べ柔らかいので機械的インピ−ダンスが低いことから最も適しており、金属層１３の厚さも高分子フィルムと同様にできるだけ薄い方が好ましく、その点からも高分子フィルムにアルミニウムなどの金属を蒸着したものがよい。

また、可撓性外側電極９が可撓性感圧体８の表面に金属層１３が重ならない状態で巻き付けることにより、ケ−ブル状圧力センサ全体の機械的インピ−ダンスを低く保持できるのでセンサに圧力が加わった際に容易に変形させることができ、低い印加圧力下においても感度よく誘起電圧を検出することができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２におけるケーブル状圧力センサの要部断面図である。図４において第１の実施の形態と異なるところはこの導電性編組１４を設けた点である。なお、第１の実施の形態と同一部材は同じ符号を付けている。

図４に示すように、可撓性外側電極９が可撓性感圧体８の表面に巻回した後、可撓性外側電極９に接触するように導電性編組１４で被覆した構成としている。

導電性編組１４がない場合、可撓性外側電極９は芯電極７の周囲を完全に覆っていないため、芯電極７と可撓性外側電極９間で発生する誘起電圧を検出する時、外部ノイズを拾い易い。従って、可撓性外側電極９の周囲を導電性編組１４で被覆し、可撓性外側電極９と導電性編組１４を短絡させ、かつ導電性編組１４をア−ス電位に保持することにより、シールド機能を付加することができるので外部空間からの電気的ノイズを遮断することができる。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３におけるケーブル状圧力センサの要部外観図である。図５において、第１の実施の形態と異なるところは可撓性外側電極１５の巻き付け構成にある。なお、第１の実施の形態と同一部材は同じ符号を付けている。

図５に示すように、可撓性感圧体８の表面に可撓性外側電極１５の一部が重なり合った状態で巻き付けられ、芯電極７と可撓性感圧体８は可撓性外側電極１５によって覆われた構成としている。可撓性外側電極１５は第１の実施の形態の可撓性外側電極９と同一構成、材料のものを用いている。

この構成によると、芯電極７と可撓性外側電極１５の間で発生する誘起電圧を検出する時、可撓性外側電極１５をア−ス電位とすることによって可撓性外側電極１５がシールド機能を兼ねることができるので外部空間からの電気的ノイズを遮断することができ、センサとしての特性を安定化することができる。

また、第３の実施の形態のケーブル状圧力センサによれば、シールド構成を設ける必要がないため、簡素なセンサ構成とすることができる。

なお、ケ−ブル状圧力センサが外部圧力により変形する時、可撓性外側電極１４の重なり合った部分の変形をより容易にするために重なり合う部分の幅をできるだけ短くすることが望ましい。

（実施の形態４）
図６は、本発明の実施の形態４におけるケーブル状圧力センサの要部断面図である。図６において、第３の実施の形態と異なるところは可撓性外側電極１５の周囲を弾性体１６で被覆した構成にある。なお、第３の実施の形態と同一部材は同じ符号を付けている。

可撓性外側電極１５の周囲を弾性体１６で被覆することにより、ケーブル状圧力センサの可撓性の低下を抑制することができるのでケーブル状圧力センサに圧力が印加されたとき、その部分での歪み量の低下を抑制することができるとともに、可撓性感圧体８と可撓性外側電極１５の密着性が強固になり、空気層を生じることがないのでセンサとしての感度の低下を防止することができる。

また、弾性体１６の材料は、前述の効果をより発揮させるために、熱可塑性エラストマー、加硫ゴムのいずれか１種で構成することが望ましい。特に、これら材料は、水蒸気のセンサ内部への浸透を抑制することが可能であり、弾性と可撓性を維持しつつ優れた耐湿性を実現することができる。

以上のように、本発明にかかるケーブル状圧力センサは、セラミック圧電体粒子が鉛を含んでいないので環境汚染を防止するとともに、可撓性外側電極が安定した電気抵抗を有するので優れたセンサ特性を安定して実現することが可能となる。したがって、このような特性が要求される自動車のドアやウィンドウの挟み込み防止や介護ベッドの在床検知の圧力検出装置など幅広い用途に適用できる。

本発明の実施の形態１におけるケ−ブル状圧力センサの要部外観図 同センサにおける可撓性感圧体の内部構成を示す局部断面図 同センサにおける可撓性外側電極の構成を示す局部断面図 本発明の実施の形態２におけるケ−ブル状圧力センサの要部断面図 本発明の実施の形態３におけるケ−ブル状圧力センサの要部外観図 本発明の実施の形態４におけるケ−ブル状圧力センサの要部断面図 従来のケ−ブル状圧力センサの要部断面図

符号の説明

７ 芯電極
８ 可撓性感圧体
９、１５ 可撓性外側電極
１０ 有機高分子
１１ セラミック圧電体粒子
１２ 絶縁性の可撓性支持体
１３ 金属層
１４ 導電性編組
１６ 弾性体

Claims (14)

1. 内側電極としての芯電極と、前記芯電極に周設された可撓性感圧体と、前記可撓性感圧体の表面に巻回される可撓性外側電極とから形成され、前記可撓性感圧体は少なくとも有機高分子と、一般式がＢｉ２Ａｍ−１ＢｍＯ３ｍ+１で表され、Ａサイトイオンが周期表のアルカリ金属、アルカリ土類金属、Ｂｉ、Ｌａ、Ｙ、Ｇｄ、Ｎｄの少なくとも１種、Ｂサイトイオンが周期表の遷移金属の少なくとも１種を含むビスマス層状構造を有するセラミック圧電体粒子とからなるケーブル状圧力センサ。
2. アルカリ金属は、Ｎａ、Ｋ、Ｌｉの少なくとも１種を含む請求項１記載のケーブル状圧力センサ。
3. アルカリ土類金属は、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａの少なくとも１種を含む請求項１または２に記載のケーブル状圧力センサ。
4. 遷移金属は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅの少なくとも１種を含む請求項１、２または３に記載のケーブル状圧力センサ。
5. 有機高分子は、熱可塑性エラストマーである請求項１〜４のいずれか１項に記載のケーブル状圧力センサ。
6. 熱可塑性エラストマーは、塩素化ポリエチレンである請求項５に記載のケーブル状圧力センサ。
7. 可撓性外側電極は電気絶縁性の可撓性支持体と、前記可撓性支持体の両面に設けられた金属層とからなる請求項１〜６のいずれか１項に記載のケーブル状圧力センサ。
8. 可撓性支持体は、高分子フィルムである請求項７に記載のケ−ブル状圧力センサ。
9. 高分子フィルムは、ポリエチレンテレフタレ−トである請求項８に記載のケ−ブル状圧力センサ。
10. 可撓性外側電極は、可撓性感圧体の表面に金属層の一部が重なり合った状態で巻回した請求項１〜９のいずれか１項に記載のケ−ブル状圧力センサ。
11. 可撓性外側電極は、可撓性感圧体の表面に金属層が重ならない状態で巻回した請求項１〜９のいずれか１項に記載のケ−ブル状圧力センサ。
12. 可撓性外側電極の周囲を導電性編組で被覆してなる請求項１〜１１のいずれか１項に記載のケーブル状圧力センサ。
13. 可撓性外側電極または導電性編組の周囲を弾性体で被覆してなる請求項１〜１２のいずれか１項に記載のケーブル状圧力センサ。
14. 弾性体は、熱可塑性エラストマー、加硫ゴムのいずれか１種からなる請求項１３記載のケーブル状圧力センサ。
    

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