JP2013531460A - 誘導型電力供給システム - Google Patents

Abstract

電力受信装置３０に電力を供給する電力供給装置２０が設けられ、この電力供給装置２０は、２つのプレート２２、ＡＣ電源４１に結合されるように配される２つの電極構造２３、４３、８１、８２、及び少なくとも１つの電力送信機２１を有する。各々の電極構造２３、４３、８１、８２は、前記２つのプレート２２の一方に取り付けられている。電力送信機２１は、前記２つのプレート２２の間に位置し、導電性コイル２８及びこの導電性コイル２８に結合される少なくとも２つの電気接点２５を有する。前記プレート２２及び電力送信機２１は、電気接点２５がＡＣ電源４１から電力を得るために夫々の２つの電極構造２３、４３、８１、８２と接した状態で、電力送信機２１がプレート２２の表面に平行な方向に移動可能であるように配される。

Description

本発明は、電力受信装置に電力を供給するための電力供給装置に関し、この電力供給装置は、２つのプレート、並びにこれら２つのプレートの間に位置し、そこから電力を得るためのＡＣ電源に結合される導電性コイルを有する少なくとも１つの電力送信機を有し、前記プレート及び電力送信機は、前記電力送信機が前記プレートの表面に平行な方向に移動可能であるように配される。

本発明はさらに、本発明による電力供給装置と協働する電力受信装置にも関する。

本発明は、電力供給装置及び電力受信装置の両方を有する電力消費システムにも関する。

上記電力供給装置は、例えば米国特許出願US2007/0182367 A1から知られている。前記特許出願は、バッテリー式の電子装置を充電するための携帯型の誘導電力装置を開示している。この電力装置は、コイルのアレイ及びＡＣ電源を備えるパッドを用いて交流磁場を作り出す。この交流磁場は、ＡＣ給電されるコイルに近い、前記パッドに置いた電子装置を充電するのに使用される。ある実施例（図１６）において、このアレイにある各コイルは、その中を横方向に自由に移動できるそれ自身の小さなセグメントを持つ。従って、本実施例は、固定したコイルのアレイの代わりに、固定したコイルのセグメントのアレイを使用することを考えている。これらコイルは、横方向の移動を制御するための永久磁石を有する。

この既知の電力供給装置の問題の１つは、この装置が多数のコイル及び対応する駆動電子機器を必要とすることである。各コイルは、ワイヤを用いて電源に接続され、これがコイルに対する移動の自由度を制限し、複数のコイルを組み合わせて使用する可能性を制限する。これらの問題は、この既知の装置が広範囲の利用における使用にあまり適さなくさせる。携帯型の電子装置用の充電装置にとって、その範囲の大きさはそれほど重要ではないが、他の応用にとって、拡張性は重要な態様である。例えば、自由に移動できるランプに電力を供給することが可能であるテーブル又は壁の表面は、かなり大きい。既知の技術を壁全体に適用するとき、多くのコイル及び追加の電子機器が必要とされる。

本発明の目的は、広範囲の利用により適している誘導電力供給装置を供給することである。

本発明の第１の態様によれば、本目的は、電力受信装置に電力を供給するための電力供給装置を設けることにより達成され、この電力供給装置は２つのプレート、ＡＣ電源に結合されるように配される２つの電極構造、及び少なくとも１つの電力送信機を有する。各々の電極構造は、前記２つのプレートの一方に取り付けられている。電力送信機は、これら２つのプレートの間に位置し、導電性コイル及びこの導電性コイルに結合される少なくとも２つの電気接点を有する。前記プレート及び電力送信機は、電気接点がＡＣ電源から電力を得るために夫々の２つの電極構造と接触した状態で、電力送信機がプレートの表面に平行な方向に移動可能であるように配される。

本発明による電力供給装置において、前記プレートは、２つの重要な機能を持っている。最初は、これらプレートは、例えばコイルが２つのプレートの間にある間隙内を自由に（二次元に）移動するような、コイルに対する移動の自由度を規定する。加えて、これらプレートは、コイルと電源との間に電気結合を提供する。電力送信機がプレート間にある間隙内を移動するとき、前記電気接点は、電極構造に沿ってすべり、これら電気構造との接触を保つ。結果として、誘導コイルは、コイルの位置に関係なくＡＣ電源により給電される。コイルの正確な位置を見つけるための追加の電子機器は必要なく、前記コイルは、このコイルが間隙内を移動するときに巻き込まれるかもしれないワイヤによりＡＣ電源に結合される必要はない。

本発明による電力供給装置の実施例において、２つのプレートの各プレートは、２つの電極構造の夫々の電極構造を有し、前記２つの電極構造は互いに向かい合っている。

この実施例において、電力送信機の電気接点の１つは、上のプレートの電極構造と接触し、電力送信機の他の接点は、下のプレートの電極構造と接触している。夫々の電極構造は、ＡＣ電源の異なる端子に結合されている。これら電極構造は、プレートの表面の大部分を覆っている導電層でもよい。

他の実施例において、両方の電極構造は、２つのプレートの同じプレートに取り付けられ、これら２つの電極構造は、電気的に分離している。故に、これらプレートの一方だけが導電材料を必要とする。ＡＣ電源の端子は、夫々の電極構造に結合されている。この実施例において、電力送信機の電気接点は、これらプレートに対する電力送信機の位置に関係なく、ある電気接点が短絡につながる同時に両方の電極構造に接触することができないように配されることが重要である。電力送信機の多くの（必ずしも全てではない）位置において、ＡＣ電力がコイルに供給されることを可能にするために、電気接点は、コイルが両方の電極構造に結合されるように置かれる。

本発明の他の態様によれば、上述したような電力供給装置と協働する電力受信装置が設けられ、この電力受信装置は導電性コイルを備える少なくとも１つの電力受信機を有する。このような電力受信装置が電力供給装置の上に又はその近くに置かれるとき、導電性コイルは、電力供給により発生した交流磁場を使用して電力を拾い上げる。拾い上げた電力は次いで、電力受信装置に給電するのに使用される。電力供給装置を別の位置に動かすことにより、電力受信装置も再位置決められる。結果として、如何なる配線又は再配線を必要とせずに、例えば机又は壁の如何なる所望する位置に電力受信装置を位置決めることを可能にする。電力受信装置は、例えば本発明による電力供給により充電されるバッテリー式の携帯型の電子装置、ランプ又はコンピュータディスプレイのような如何なる形式の電子装置でもよい。

本発明の電力供給装置の好ましい実施例において、電力送信機はさらに強磁性材料を有する。電力受信装置も（例えば誘導コイルに）強磁性材料を有し、及び電力送信機又は電力供給装置の何れか一方が磁石であるとき、電力受信装置は、前記間隙内で電力送信機を引っ張るのに使用されることができる。本発明の電力供給装置の実施例において、電力送信機は、電力供給装置において１つ以上の"デフォルト位置"を有する。電力供給が用いられないとき、電力送信機はこのデフォルト位置に戻る。この戻りは、例えば重力又は電子機器を用いて機械的に達成されてもよい。これらのデフォルト位置において、電力受信装置は電力送信機を磁力で拾い上げ、この電力送信機を所望の位置に引っ張るのに使用される。

本発明の電力供給装置の実施例において、前記プレートの少なくとも１つは、少なくとも部分的に透明である。このような実施例において、電力送信機は、その位置がプレートを介して観察されることができるので、デフォルト位置は必要ない。故に、ユーザは、電力送信機の上に電力受信装置を簡単に置くことができる。前記少なくとも部分的に透明な層が電極構造を有する場合、少なくとも部分的に透明な導電材料は、電力送信機が電力構造により覆い隠されないように、前記電極構造に使用される。インジウムスズ酸化物（例えばＩＴＯ）又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、この目的に適した透明な導電材料である。

本発明の電力供給装置の他の実施例において、前記プレートの少なくとも１つは、前記プレートの少なくとも１つに対する電力送信機の位置を示すための送信機位置インジケータを有する。例えばプレートの面上にあるＬＥＤが送信機コイルを見つけた場所を示してもよい。プレートが透明であるとき、位置を示しているＬＥＤは、電力送信機に設けられてもよい。前記ＬＥＤは電力送信機の一部であるとき、１つのＬＥＤだけが必要とされる。代わりに、プレートの表面及び電力送信機の位置を図示するための小さな表示スクリーンが設けられてもよい。

本発明の第３の態様によれば、上述した電力供給装置及び電力受信装置を有する電力消費システムが設けられる。

本発明のこれら及び他の態様は、いかに説明される実施例から明らかであり、これら実施例を参照して説明される。

本発明によるシステムを概略的に示す。 図１に示されるシステムの拡大図を示す。 図２に示されるシステム一部の断面図を示す。 スロットを持つ導電層を備える電力供給装置の断面部を示す。 スロットを持つ導電層を備える電力供給装置の断面部を示す。 位置インジケータを備える電力供給装置を示す。 電力送信機の位置を示す表示スクリーンを示す。 誘導式の移動可能な電力送信機を備える電力供給装置の断面図を示す。 １つのプレートだけが導電層を有する電力供給装置に使用される格子レイアウトを概略的に示す。 本発明の利点を行っている照明システムを示す。 本発明の利点を行っている照明システムを示す。

図１は本発明によるシステム１０を概略的に示している。このシステム１０は、ランプ３０に電力をワイヤレスで供給するための電力供給器２０を有する。この電力供給器２０は、電力送信機２１を有し、この電力送信機２１は、ランプ３０に電力を誘導的に供給するＡＣ電源（図示せず）に結合されている。ランプ３０は、電力送信機２１により供給される電力を受信し、このランプ３０を光らせる電力受信機３１を有する。

電力送信機２１は、２つの略平行なプレートにより形成される間隙内に置かれ、この間隙の中を二方向に動くことができる。この図において、電力送信機２１の再位置決めは、矢印１１により示される。電力送信機２１がランプ３０の電力受信機３１に対し十分な近さに位置決められるとき、電力供給器２０からランプ３０へ電力を導電的に送信することが可能である。ランプ３０が（矢印１２で示される）他の位置に移動し、電力送信機２１がランプ３０の新しい位置の近くに移動（矢印１１）するとき、ランプ３０はこの電力送信機２１から電力を受信し続ける。結果的に、異なる位置でランプ３０に給電することが可能であるために、これらの異なる位置に電力供給器のアレイを備える電力供給器２０を設ける必要はない。

ランプ３０は、単に例示的な電力受信装置として用いられているだけであることに注意すべきである。システム１０は、ノートブックＰＣ、スピーカー、ＰＣモニター又はバッテリー用若しくは携帯電話のようなバッテリーで給電する電子機器用の充電器のような他の電子装置を給電するのに使用されてもよい。電力供給器２０は別個の電力供給ユニットでもよく、しかし例えば机又はテーブル面に組み込まれてもよい。電力供給器２０を壁に組み込むことも可能である。

図２は、図１に示されるシステム１０の拡大図を示す。図２に示される拡大図は、図１に点線の長方形で示される範囲２００を拡大している。図２において、電力供給器２０は２つの略平行なプレート２２を有し、これらプレートの各々は、電力送信機２１をＡＣ電源に結合するための電極として機能する導電層２３を有することが示される。図８を参照して以下に説明されるように、システム１０は、導電層２３を持つプレート２２の一方だけを用いて機能してもよい。これらプレート２２は、不透明又は（部分的に若しくは完全に）透明の何れか一方でもよい。プレート２２に用いられる材料は、電力送信機２１により発生した磁場がプレート２２を通り抜け、電力受信機３１に到達することを可能にするために、１に近い比透磁率を持つべきである。プレート２２に適切な材料は、例えば木材、ガラス又はポリメチルメタクリレート(プレキシガラス)である。導電層２３に適切な材料は、例えばアルミニウム又は銅である。非導電性プレート２２を持たずに導電層２３のみを使用することはオプションである。しかしながら、それでは電圧がかかっている導電層２３に人が触れてしまうかも知れないので、印加される電圧を制限する。

２つのプレート２２は共に間隙２４を規定し、この間隙に電力送信機２１が設けられ、電力送信機２１はこの間隙内を移動することができる。電力送信機は、ＡＣ電源に結合されるとき、交流磁場を発生する導電性コイル２８を有する。このコイル２８は、すべり接触(sliding contacts)２５を介して導電層２３に電気結合される。図２に示されるすべり接触２５は、導電性プレート２３に接触するための導電性先端部２７、及びこの導電性先端部２７と導電層２３との間の安定した接触を保証するための任意のばね要素２６を有する。これらばね要素２６は、外部からの機械的な衝撃に対して及び電力送信機２１が間隙２４内を移動するとき、安定性を提供する。代わりに、コイル２８を導電層に電気結合することは、転がり接触（例えば導電性ホイール）を用いて実現されてもよい。

電力供給器２０の導電層２３は、ＡＣ電源（図示せず）に結合されている。ＡＣ電流がコイル２８を流れるとき、交流磁場が作られる。この交流磁場は、電力受信装置３０の電力受信機３１にある第２の導電性コイル３８に電流を誘導する。この誘導された電流は、電力受信装置３０に給電するのに使用される。それにより得られる電力伝送は、受信コイル３８が送信２８に最も近くにあり、それにより電磁結合を最大にするとき、最も効率的である。２つのコイル２８、３８の良好な配列（アライメント）は、少なくとも一方が永久磁石である２つの強磁性材料２９、３９を用いて得られる。互いにそれほど離れていないとき、これら２つの強磁性材料２９、３９の間の引き合う磁力は、これら強磁性材料２９、３９が共にさらに近くに位置するように、電力送信機２１を電力受信機３１の方向に引き寄せる。強磁性材料２９、３９の配列は送信コイル２８及び受信コイル３８の配列をもたらし、電力伝送の効率を最適化する。

電力送信機２１の間隙２４内の移動は、多くの異なる方法で実現されてもよい。電力送信機２１の位置は、例えば電気的又は機械的な手段により調整可能でもよい。好ましくは、電力送信機２１及び電力受信装置の位置は磁気結合され、電力受信装置３０をプレート２２の面上で滑らせることにより、電力送信機２１は間隙２４内を滑る。電力送信機２１のプレート２２に対する多数の又は全ての起こり得る位置において、すべり接触２５は、送信機コイル２８がＡＣ電源に結合され得るように、導電性プレート２３と接触している。任意で、電力送信機２１の少なくとも１つの位置において、すべり接触２５は導電層２３と接触していない。このような位置では、電力送信機は電力を消費せず、電力受信装置３０はオフである（又は少なくとも電力供給器により給電されない）。

図３は、図２に示されるシステム１０の一部の断面図を示す。この断面図は、図２の点線ＡＢの高さでの電力送信機２１の上面図を与える。この上面図において、すべり接触２５、送信機コイル３８及び強磁性材料２９が見ることができる。

図４ａ及び４ｂは、細長い隙間（スロット）を持つ導電層４３を備える電力供給装置２０の２つの断面図を示す。図４ａは側面図を示しているのに対し、図４ｂは同じ電力供給装置２０の上面図を示す。図４ａには、図１及び図２を参照して既に上述した多くの特徴が示されている。加えて、図４ａは導電層４３に結合されるＡＣ電源４１を示す。連続する導電層の代わりに、この実施例は、導電性材料のストリップ４３を用いたスロットを持つ導電層４３を使用し、導電層のない小さなスロット４４により分離される。これらスロット４４の効果は、導電層４３にある送信機コイルの磁場により誘発される渦電流を減少させることである。渦電流は、損失の増大及び効果的な送信機−受信機コイル結合の減少につながる。導電性ストリップ４３は、プレート２２の縁において並列に接続され、電源４１に結合される。送信機コイル２８に与える電気抵抗へのスロット４４の影響は無視できる。磁場が導電層をより効率的に通過するための代わりの又は追加の方法は、非常に薄い導電層の使用である。薄い導電層を得るために、真空蒸着又はスパッタリングが使用されてもよい。

図５は、位置インジケータ５１を備える電力供給装置を示す。ランプ３０をプレート２２の表面に置いたとき、電力送信機２１が見つけられる場所を知ることが重要である。ランプ３０は、プレート２２に置かれ、電力送信機２１に近いとき、単に電力送信機２１から電力を受信する。さらに、ユーザが電力送信機２１を所望の位置に移動させなければならないとき、電力送信機の現在の位置を知ることができることが重要である。プレート２２及び導電層２３の両方が透明である場合、電力送信機２１の位置を認識することは容易である。インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、透明な導電層に用いるのに適した材料の例である。プレート２２又は導電層２３の何れか一方が透明でない場合、何らかの種類の位置表示手段が必要とされる。例えば、電力送信機２１は、導電層２３及びプレート２２を通り光を放射することができるＬＥＤ５１又は他の形式の光源を装備する。代わりに、プレートの表面にある位置表示ＬＥＤが電力送信機の位置を示してもよい。プレート２２に対する電力送信機２１の位置を決定するための位置検出手段が設けられてもよい。電力送信機２１の位置を知るとき、プレートの表面にある対応するＬＥＤが光ってもよい。

代わりに、電力送信機２１の位置が別個の表示スクリーン６１上に示される。図６は、電力送信機２１の位置を示すための表示スクリーン６１を示す。この表示スクリーン６１は、電力供給器２０と共に、卓上面又は壁に組み込まれてもよいが、別個のユニットとして設けられてもよい。表示スクリーンは好ましくは、これらのユニットを簡単に１つにするために、電力送信機２１及び電力受信装置３０の位置を示す。電力送信機２１又は電力受信装置３０を再配置するとき、表示スクリーン６１は、これらの置く場所を決めるのに使用されることができる。

図７は、ガイド付きの移動可能な電力送信機２１を備える電力供給装置３０の断面図を示す。多くの応用において、電力送信機２１が二次元で自由に移動可能にすることが望ましい。しかしながら、審美的又は実用的な理由により、電力送信機２１に（及び故に電力受信装置３０にも）対する移動の自由度を制限することも好ましい。図７に示される電力供給器２０は、電力送信機２１に対する移動の自由度を制限するためのガイド手段７１、７２を有する。

図８は、１つのプレート２２だけが導電層２３を有する電力供給装置２０に使用される格子レイアウトを概略的に示す。ＡＣ電圧を電力送信機２１の送信機コイル２８に印加するために、電力送信機２１の２つのすべり接触２５は、ＡＣ電源の別々の端子に結合されなければならない。そうするための最も簡単な方法は、電力送信機２１の一方の側面にある電気接点２５が第１のプレート２２にある第１の導電層２３と接触し、電力送信機２１の反対側にある第２の電気接点２５は第２のプレート２２にある第２の導電層２３と接触している、上述した２つのプレート構成を使用することである。図８に示される格子レイアウトの場合、１つの導電層２３だけを使用することも可能である。導電層２３は２つの電気的に分離している電極構造８１、８２を有する。各電極８１、８２は、ＡＣ電源４１の端子の１つと結合されている。本実施例において、電力送信機２１は、導電層２３に面する側面に３つのすべり接触２５を有する。これら接触２５は、ある接触２５が両方の電極８１、８２を短絡させる危険性を回避するために、２つの電極８１、８２の間にある空間よりも小さい。加えて、電力送信機２１における３つのすべり接触２５の配置は、電力送信機の方位に関係なく、常に１つ又は２つの接触２５が電極８１、８２の各々と接しているようである。

図９及び図１０は、本発明の利点を取り入れた照明システム１０を示す。図９及び図１０のシステム１０の電力供給器２０は、壁に取り付けられても又は壁自体を形成してもよい。電力供給器２０は、図１、２、４若しくは５に示されるような２つのプレート構成を用いるか又は図８に示されるような１つの層の導電格子レイアウトを使用するかである。照明システム１０は、壁に取り付けられることができる１つ以上のランプ３０を有する。このランプ３０は例えば、ランプ３０にある磁石と導電層２３の強磁性材料との間及び／又はランプ３０にある磁石とランプ３０に結合される電力送信機２１にある強磁性材料との間の磁力を用いて壁に取り付けられてもよい。本実施例において、電力供給器２０の全表面は導電層２３で覆われていない。底部に導電層が存在しない無電力地帯９１が設けられる。電力送信機２１がこの無電力地帯にあるとき、この電力送信機はＡＣ電源に結合されず、如何なる電力も消費しない。ランプ３０が壁に取り付けられるとき、ユーザは無電力地帯９１にある電力送信機２１を持ち上げる。ランプ３０が壁面を滑るとき、電力送信機２１は、例えば磁力によってランプ３０を追従する。電力送信機２１のすべり接触２５が導電層２３に到達するとき、送信機コイル２８が電源に結合され、ランプ３０は送信電力を受信し、点灯することができる。ランプ３０は、導電層２３が存在している壁のどの位置に置かれてもよい。ランプ３０が壁から取り外されるとき、電力送信機２１は無電力地帯９１に向けて落下する。本実施例の利点は、電力送信機２１が使用されていないとき、送信機コイル２８を導電層２３から切り離すことによりエネルギーを節約することである。

図１０は、図９の壁のシステム１０の他の実施例を示す。ここでシステム１０は複数、例えば６個の電力送信機２１を有する。無電力地帯９１にレール又はスロープ９２が設けられる。このスロープ９２は、無電力地帯９１に落下している電力送信機２１をシステム１０の角の１つに導く。この角は、電力送信機２１に対する標準ピックアップ地点として機能する。さらに、電源供給器２０の表面が不透明であり、電力送信機２１を見ることができないとき、ユーザは、電力送信機２１が標準ピックアップ地点で拾い上げられることを知っている。第１のランプ３０が使用され、第１の電力送信機２１を拾い上げるとき、次の電力送信機２１は標準ピックアップ地点まで転がり落ちる。

上述した実施例は、本発明を限定するのではなく説明しているのであり、付随する特許請求の範囲から外れることなく多くの代替の実施例を立案することが可能であることに注意すべきである。請求項において、括弧内にある如何なる参照符号もその請求項を限定すると考えるべきではない。"有する"という動詞及びその活用形の使用は、請求項に述べた以外の要素又はステップの存在を排除するものではない。要素が複数あることを述べないことがこの要素が複数あることを排除するものではない。本発明は、幾つかの個別の要素を有するハードウェアを用いて、及び適切にプログラムされたコンピュータを用いて実施されてもよい。幾つかの手段を列挙している装置の請求項において、これらの手段の幾つかは、ハードウェアの同一アイテムにより具現化されてもよい。ある方法が互いに異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの方法の組み合わせが有利に使用されることができないことを示しているのではない。

Claims (12)

1. 電力受信装置に電力を供給するための電力供給装置であり、
   −２つのプレート、
   −ＡＣ電源に結合されるように配される２つの電極構造であり、各々の電極構造は前記２つのプレートの一方に取り付けられている電極構造、並びに
   −前記２つのプレートの間に位置し、導電性コイル及び前記導電性コイルに結合される少なくとも２つの電気接点を有する少なくとも１つの電力送信機、
   を有する電力供給器において、
   前記プレート及び前記電力送信機は、前記電気接点が前記ＡＣ電源から電力を得るために前記夫々の２つの電極構造と接触した状態で、前記電力送信機が前記プレートの表面に平行な方向に移動可能であるように配される
   電力供給装置。
2. 前記２つのプレートの各プレートは、前記２つの電極構造の夫々の構造を有し、前記２つの電極構造は互いに向かい合っている、請求項１に記載の電力供給装置。
3. 両方の電極構造は、前記２つのプレートの同じプレートに取り付けられ、前記２つの電極構造は電気的に分離している、請求項１に記載の電力供給装置。
4. 前記電力送信機はさらに、強磁性材料を有する、請求項１に記載の電力供給装置。
5. 前記電気接点は、ばね仕掛け接触である請求項１に記載の電力供給装置。
6. 前記電気接点は、すべり接触又は転がり接触である請求項１に記載の電力供給装置。
7. 前記プレートの少なくとも１つは、少なくとも部分的に透明である請求項１に記載の電力供給装置。
8. 前記電極構造の少なくとも１つは、少なくとも部分的に透明な導電材料を有する、請求項７に記載の電力供給装置。
9. 前記電極構造の少なくとも１つは、渦電流を減少させるために少なくとも部分的にスロットを有する、請求項１に記載の電力供給装置。
10. 前記プレートの少なくとも１つは、前記プレートの前記少なくとも１つに対する前記電力送信機の位置を示すための送信機位置インジケータを有する請求項１に記載の電力供給装置。
11. 請求項１乃至１０の何れか一項に記載の電力供給装置と協働する電力受信装置であり、導電性コイルを備える少なくとも１つの電力受信機を有する電力受信装置。
12. 請求項１乃至１０の何れか一項に記載の電力供給装置と、請求項１１に記載の電力受信装置とを有する電力消費システム。

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