JP2015105947A - Defect inspection machine, defect inspection apparatus, and defect inspection method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、少なくともシリコン等の半導体層とアルミニウム等の導電体層とが積層された太陽電池セル及び、太陽電池セルを多数配設した太陽電池モジュールに内在する割れや欠け、ヘアクラック等の欠陥を非接触状態且つ、高速、簡便に欠陥を検査する装置及び方法に関する。 The present invention is a solar cell in which at least a semiconductor layer such as silicon and a conductor layer such as aluminum are laminated, and defects such as cracks, chips and hair cracks inherent in a solar cell module in which a large number of solar cells are arranged. The present invention relates to an apparatus and a method for simply inspecting defects at a high speed in a non-contact state.
太陽エネルギーの利用方法として、シリコン型の太陽電池が知られているが、斯かる太陽光発電を商業ベースで広く実用化するためには、発電コストの低価格化が必要であり、太陽電池モジュールを構成する太陽電池セルの低価格化も急務となっている。
例えば半導体層が多結晶型シリコンからなる太陽電池素子では、材料価格を低減するために、より一層の薄型化が図られつつある。Silicon type solar cells are known as a method of utilizing solar energy. In order to make such photovoltaic power generation widely available on a commercial basis, it is necessary to reduce the power generation cost. There is also an urgent need to reduce the price of solar cells that make up the battery.
For example, in a solar cell element in which the semiconductor layer is made of polycrystalline silicon, further reduction in thickness is being attempted in order to reduce the material cost.
しかしながら、シリコン等の半導体層は硬くて脆いため、薄型化するためのスライシング工程や、その後の表面処理工程、電極形成工程等の生産工程において、或いはハンドリングする際において、半導体層に割れや欠けのような欠陥が発生する場合がある。これらの欠陥が生産工程で発生すると、生産性を阻害する他、製品に混入すると発電性能を低下させるという問題がある。 However, since a semiconductor layer such as silicon is hard and brittle, the semiconductor layer is not cracked or chipped in the slicing process for thinning, the subsequent surface treatment process, the production process such as the electrode formation process, or the handling. Such defects may occur. When these defects occur in the production process, productivity is hindered, and when mixed into a product, there is a problem that power generation performance is lowered.
上記の割れや欠けのような欠陥は、ヘアクラックと称される微細なヘアクラックが成長して生ずることが多い。従って微細なヘアクラックの段階で検出、除去できれば、生産性の改善や太陽電池モジュールの設置後に起こる発電性能の低下を最小限に留め、長期的に安定発電を実現することが可能となる。 Defects such as cracks and chips are often caused by the growth of fine hair cracks called hair cracks. Therefore, if it can be detected and removed at the stage of fine hair cracks, it is possible to minimize productivity degradation and decrease in power generation performance that occurs after the installation of the solar cell module, and to realize stable power generation in the long term.
従来から割れやヘアクラック等の簡易検出方法として、生産工程中での目視検査が実施されているが、検査員の個人差が大きいことや、ヘアクラックと無害なスリ傷あるいは、多結晶の太陽電池セルの場合、結晶の境界である粒界の模様との識別ができない等の問題があった。 Conventionally, visual inspection during the production process has been performed as a simple detection method for cracks, hair cracks, etc., but there are large individual differences among inspectors, hair cracks and harmless scratches, or polycrystalline sun. In the case of a battery cell, there is a problem that it cannot be distinguished from a grain boundary pattern that is a boundary between crystals.
特許文献1に開示された公報には、半導体層と導電体層とが積層された太陽電池素子に対向配置され、太陽電池素子に交流磁界を作用させて渦電流を誘起すると共に、誘起された渦電流を検出して渦電流信号として出力するプローブコイルと、プローブコイルから出力された渦電流信号を互いに位相が90°異なる2つの信号成分に分離する信号処理部と、信号処理部で分離された何れかの信号成分の振幅変化に基づいて、太陽電池素子に生じた、ヘアクラックを検出する検出部とを備えた太陽電池素子のヘアクラック検出方法及び装置が提案されている。 The gazette disclosed in
特許文献2に開示された公報には、渦流探傷用プローブであって、そのコイルがプリントコイルとされ、かつ励磁コイルと検出コイルとが積層されてなることを特徴とし、多数のプリントコイルが所定配列にて配設される渦流探傷用プローブが提案されている。 The gazette disclosed in
しかしながら、特許文献1の方法では渦電流を検出するプローブコイルと励磁コイルが同一のプローブコイルであるため、非接触での検査においては、プローブコイルに干渉する励磁成分のほうが、欠陥検出に必要な渦電流信号よりも数千倍から数万倍も大きくなる欠点があり、検査に必要な信号成分を分離することは極めて困難となるため、リフトオフが5mm以上での検査において、太陽電池素子のヘアクラックの検出は実現できていない。またプローブコイルが1個のみで装置が構成されているため、被検体を広範囲に渡りスキャンする必要があり太陽電池素子のヘアクラック検出を高速で行えない問題がある。 However, in the method of
特許文献2では、走査計測における計測死角を解消する目的で、走査方向の垂直方向にプリントコイル26が千鳥配列された図10が示されている。しかしながら渦電流を検出するプローブコイルが千鳥配列の場合、プリントコイル26と励磁コイルとの距離が異なるため励磁誘導電圧成分が不均一となり、励磁誘導電圧成分を完全に相殺することが困難となり検出性能を低下させる問題がある。とくにリフトオフが数mmとなるオープン磁路プローブではこの問題が致命的な欠点となる。
本発明は、前記のように隣接の励磁コイルによる励磁誘導電圧成分の干渉或いは、不均一により検出性能を低下させる問題を鑑みてなされたもので、積層絶縁基板に励磁コイルと検出コイルとを形成するが、その特徴として励磁コイルを外周に配設し内側に2個以上のセンサコイルを励磁コイルから等距離の位置に形成する構造とすることにより、励磁コイルからの励磁磁界がセンサコイルに及ぼす影響を極力等価となる構造とする。 The present invention has been made in view of the problem of lowering detection performance due to interference or non-uniformity of excitation induced voltage components due to adjacent excitation coils as described above. The excitation coil and the detection coil are formed on a laminated insulating substrate. However, as a feature thereof, an excitation coil is arranged on the outer periphery and two or more sensor coils are formed at equal distances from the excitation coil so that an excitation magnetic field from the excitation coil affects the sensor coil. Make the effect as equivalent as possible.
次に2個のセンサコイルの出力の差を取ることにより、外来ノイズと励磁誘導電圧成分を相殺することで太陽電池セルに生じた割れや欠け、ヘアクラック等の検出に必要な渦電流情報成分を効果的に抽出する。抽出された渦電流情報成分は欠陥検出回路により、欠陥情報として分離することによりリフトオフが6mm以上での検査においても太陽電池セルに内在する割れや欠け、割れや欠け、ヘアクラック等の検出を可能とする。 Next, by taking the difference between the outputs of the two sensor coils, the external noise and the excitation induced voltage component are canceled out, and the eddy current information component necessary for detecting cracks, chips, hair cracks, etc. that have occurred in the solar cells. Effectively extract. The extracted eddy current information component is separated by the defect detection circuit as defect information, so that it is possible to detect cracks, chips, cracks, chips, hair cracks, etc. inherent in solar cells even when the lift-off is 6 mm or more. And
請求項1記載の欠陥検査機によれば、半導体層と導電体層とが積層された太陽電池セル30に磁界を作用させる励磁コイル2及び、前記太陽電池セル30に誘起した渦電流検出するセンサコイルを一体として形成されたセンサ部5および、センサコイル3によって検出された渦電流情報に基づいて前記太陽電池セル30に生じた割れや欠け、ヘアクラック等を判定する欠陥検出回路6とを備え、検出された渦電流情報に基づいて前記太陽電池セル30に内在する割れや欠け、ヘアクラック等の欠陥検出を可能とする。 According to the defect inspection machine according to
請求項2に記載の欠陥検査機によれば、太陽電池セル30を走査計測する場合、励磁コイル2が、十分長い平行部分を有する長軸状平面図形を有しており、センサコイル3がそのセンサコイル内部の長軸に沿って配置された複数個のセンサコイルから構成されており、その隣接したコイルユニットが長軸の両側の面積が実質上同一の同一形状でかつ互いに長軸に対して直交する軸に関して線対称とならない図形で形成されたセンサコイル構造にすることにより走査計測における計測の死角を無くした検査を可能とする。 According to the defect inspection machine of
請求項3に記載の欠陥検査機によれば、積層絶縁基板の導体層の数にそれぞれ励磁コイル2とセンサコイル3とを形成しビアホール導体24で接続しコイルの巻き数を増やしたセンサ構造とすることで、センサ部のセンサコイルパターンを多数増設した多チャンネルの検査装置の場合においても、積層絶縁基板の製造精度である0.1mm以下となる寸法精度で前記センサ部5のセンサコイル3と励磁コイル2を形成できるため、隣接のセンサ出力信号の差を取ることにより励磁コイル2からの励磁誘導電圧を相殺することが可能となり、検査に必要な渦電流信号だけを効率良くとり出し検出感度を向上させることを可能とする。 According to the defect inspection machine of the third aspect, the sensor structure in which the
さらにセンサ部5はセンサコイル3と励磁コイル2とを併設した積層絶縁基板センサであることから、センサ部5の構造が簡素化され、高精度でありながら小型、軽量且つ、安価に、しかも短時間で大量に作製できるという優れた効果を有する。 Further, since the sensor unit 5 is a laminated insulating substrate sensor in which the
請求項4に記載の欠陥検査機によれば、前記センサ部5の表層部に励磁コイル2及びセンサコイル3を形成しないことでセンサ部の汚れを防止する機能を持たせることを特徴とする。 According to the defect inspection machine of the fourth aspect of the present invention, the
請求項5に記載の欠陥検査機によれば、曲面の有る検査対象の割れや欠け、クラック等の検査を可能とするためにセンサ部60を可撓性の有る絶縁基板、例えばポリイミド絶縁基板等に形成し被検査体70の表面に添わせる構造にすることにより、曲面をもった被検査体の検査を可能とする。 According to the defect inspection machine of claim 5, the sensor unit 60 is made of a flexible insulating substrate, for example, a polyimide insulating substrate, etc. in order to enable inspection of cracks, chips, cracks, etc. of the inspection target having a curved surface. The structure to be formed and attached to the surface of the inspection object 70 enables inspection of the inspection object having a curved surface.
請求項6に記載の欠陥検査装置によれば、太陽電池モジュール100の幅に対応して配列してなるセンサ部集合体7と、そのセンサ部5の数に対応する複数の欠陥検出処理部10の出力を逐次処理部11により統括的に処理することで太陽電池モジュール100の幅方向検査の欠陥検査を可能とする。 According to the defect inspection apparatus of the sixth aspect, the sensor unit assembly 7 arranged corresponding to the width of the
請求項7に記載の欠陥検査方法によれば、請求項1から5に記載の欠陥検査機または請求項6の欠陥検査装置を用い、センサ部5または前記センサ部集合体7検査対象の太陽電池モジュール100の面から2mm以上30mm以下の距離として平行に配置し、太陽電池モジュール100との距離を保ちつつその長軸方向に直角な方向に相対的に移動して検査する太陽電池の欠陥検査方法を提供する。また欠陥検出処理部10の各出力を逐次処理部11により順次切り替えながら太陽電池モジュール100との位置を相対的に移動することにより太陽電池モジュールの更なる高速検査を実現できる。 According to the defect inspection method of claim 7, the solar cell to be inspected by the sensor unit 5 or the sensor unit assembly 7 using the defect inspection machine according to
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。図1はセンサ部5に接続された欠陥検出回路6と欠陥検出処理部10から構成され、センサ部5により検査対象体である太陽電池セル30に交流磁界を作用させ、太陽電池セル30に誘起する渦電流信号情報に基づいて太陽電池セル30の割れや欠け、ヘアクラック等の検査を行う構成例を示す。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 includes a defect detection circuit 6 and a defect
まず励磁駆動回路1より励磁コイル2に正弦波を印加すると励磁コイル2から太陽電池セル30に向かう交流磁界が発生する。その交流磁界の作用により太陽電池セル30の導電体層に渦電流が流れる。太陽電池セル30に流れる電流渦はセンサコイル3−1からセンサコイル3−nによって検出されるが、センサコイルの出力には太陽電池セル30に誘起された渦電流に対応する逆起電力の電圧に加え、励磁コイル2から直接誘導される励磁誘導電圧及び、外来ノイズ成分が合成された重畳信号となっている。 First, when a sine wave is applied from the
そこで図2に示すようにセンサ第一コイル3−1とセンサ第二コイル3−2の出力と差を取ることで、重畳信号に含まれる励磁誘導電圧及び、外来ノイズ成分を相殺し低減させることにより図9に示す割れや欠け、ヘアクラック等の検出に必要な渦電流情報成分VSgを効果的に抽出する。抽出された渦電流情報成分VSgは欠陥検出回路6により判別処理を行う。ここで欠陥検出回路6はセンサ第一コイル3−1とセンサ第二コイル3−2の出力と差を取った信号と、センサ第三コイル3−3とセンサ第四コイル3−4の出力と差を取った信号との差を二重に取ることにより双方の信号の逆位相となる割れや欠け、ヘアクラック等の検出に有用な信号を抽出しても良い。 Therefore, as shown in FIG. 2, by taking the difference from the outputs of the sensor first coil 3-1 and the sensor second coil 3-2, the excitation induction voltage and the external noise component included in the superimposed signal are canceled and reduced. Thus, the eddy current information component VSg necessary for detecting cracks, chips, hair cracks and the like shown in FIG. 9 is effectively extracted. The extracted eddy current information component VSg is subjected to discrimination processing by the defect detection circuit 6. Here, the defect detection circuit 6 receives the difference between the outputs of the sensor first coil 3-1 and the sensor second coil 3-2, the outputs of the sensor third coil 3-3 and the sensor fourth coil 3-4. A signal useful for detecting cracks, chippings, hair cracks, etc., which are in opposite phases of both signals, may be extracted by taking the difference from the difference signal twice.
更にセンサ部5と太陽電池セル30との表面の距離を一定に保ちつつ両者を相対的に移動
け、割れや欠け、ヘアクラック等を高速、簡便に高速検査することが可能となる。Further, the distance between the surface of the sensor unit 5 and the
It is possible to perform high-speed and simple high-speed inspection of cracks, chips, hair cracks, and the like.
図2は、本発明のセンサ部5の励磁コイル2とセンサコイル3を形成した図を示す。励磁コイル2の内周にセンサ第一コイル3−1からセンサ第nコイル3−nまでを形成する構造とすることで絶縁基板の製造精度である50μm以下となる寸法精度で前記センサ部全体の部品を形成できるため、隣接の励磁誘導電圧を正確に相殺することが容易になり検査に必要な渦電流信号を効果的に抽出することで検出感度を飛躍的に向上させられる。 FIG. 2 shows a diagram in which the
図3は、本装置のセンサ部を両面基板で形成した一例を示す。励磁コイルは十分長い平行部分を有する長軸状平面図形を有するコイル又は図3に示すように励磁コイルが2個以上のセンサコイル3を逆巻きとなるループで取り囲むように形成しても良い。 FIG. 3 shows an example in which the sensor unit of the present apparatus is formed of a double-sided substrate. The exciting coil may be formed so as to surround a coil having a long-axis plane figure having a sufficiently long parallel portion or two or
図4は、本発明に関わるセンサ部5を積層絶縁基板で構成した図を示す。当該積層絶縁基板によるセンサ部5は励磁磁界調節、励磁誘導電圧均一化、センサコイル巻き数増設、検出死角排除、センサ部保護及び汚れ防止、偽造防止機能等の多彩な機能を有している。図4を例にセンサ部5の各機能を説明する。 FIG. 4 shows a diagram in which the sensor unit 5 according to the present invention is formed of a laminated insulating substrate. The sensor unit 5 using the laminated insulating substrate has various functions such as excitation magnetic field adjustment, excitation induction voltage equalization, increase in the number of turns of the sensor coil, detection dead angle elimination, sensor unit protection and contamination prevention, and counterfeit prevention functions. Each function of the sensor unit 5 will be described with reference to FIG.
励磁磁界調節機能として、励磁磁界調整コイル27に外接続電極22より微弱な電流を流すことにより積層絶縁基板a層励磁コイル20からの励磁磁界に逆方向の磁界を発生させ、積層絶縁基板の端にある第一センサコイル及び第二センサコイルの励磁誘導電圧を等価にする。これにより欠陥検査に不要な励磁誘導電圧を相殺し検査感度を上げる。更に積層絶縁基板上に励磁遮蔽パターン25を設け励磁コイルからセンサコイルに表面から伝わる励磁誘導電圧を遮蔽する機能を持たせてもよい。 As an exciting magnetic field adjustment function, a weak current from the
励磁誘導電圧均一化機能として、励磁誘導電圧を千から10万分の一以下まで相殺すことを目指し励磁コイル2と隣接するセンサコイルとの距離関係を50μm以下で形成する。図9に励磁誘導電圧が相殺され欠陥検査に必要な渦電流情報成分VSgが強調されたイメージ波形を示す。励磁コイル2に印加する励磁電流はリフトオフ距離と検査対象の特性に最適な値が好ましく、数百Hzから200MHzの正弦波又はそれらを含んだパルス波でも良い。 As a function for equalizing the excitation induction voltage, the distance relationship between the
センサコイル巻き数増設機能能として、積層絶縁基板a層にセンサコイル3aを設け、積層絶縁基板b層にセンサコイル3bに設け、上下のコイルパターンをビアホール導体24により直列に接続することで、積層絶縁基板の層数だけコイルの巻き数を増やし検出感度を上げることを可能とする。また積層絶縁基板上で2個又はそれ以上センサコイルを逆極性で接続しセンサ部で励磁誘導電圧と外来ノイズ成分とを相殺する機能を持たせてもよい。 As a function for increasing the number of turns of the sensor coil, the sensor coil 3a is provided on the laminated insulating substrate a layer, the
検出死角排除機能能として、太陽電池セル30を走査計測する場合、走査方向に垂直方向にセンサ部5のセンサコイルを2個以上備え、センサコイル相互の差を取る方式において走査方向に対して線対称とならい図形、例えば斜め長円、斜め楕円或いは、並行四辺形や多角形に形成されたセンサコイルとすることにより走査計測における計測死角を無くし、あらゆる方向の割れやヘアクラック等の検出を可能とする。計測死角を無くすやり方として図10に示すように、センサコイルを千鳥状の配列とし、コイル相互の差を取る方法も有るが、この場合長軸の両側の面積が実質上同一でないため走査方向に垂直方向に検査試料がさしかかるエッジ部で、試料が両コイルに到達するまでに時間差が生じることにより出力信号が大きく変動する問題が有るので高感度検査には向かない。 As the detection blind spot exclusion function, when the
センサ部保護及び汚れ防止機能能として、積層絶縁基板の表層部に励磁コイル及びセンサコイルを形成しない構造にすることでセンサ部のコイルパターンを保護し汚れ防止するとともに外部からコイルパターン構造を見えなくして偽造防止の役割を持たせる。 The sensor part protection and dirt prevention function function prevents the coil pattern structure from being seen from the outside while protecting the coil pattern of the sensor part by preventing the sensor coil coil and sensor coil from being formed on the surface layer part of the laminated insulating substrate. In order to prevent forgery.
図5は、本装置のセンサ部を積層絶縁基板とした断面の一例を示す図で、外部接続端子22から絶縁体層28を貫くビアホール導体24によって積層絶縁基板の導電体層に配設された上下層のコイルパターン或いは中継パターンを接続する。 FIG. 5 is a view showing an example of a cross section in which the sensor unit of the present apparatus is a laminated insulating substrate, and is disposed on the conductor layer of the laminated insulating substrate by a via-
図6は、太陽電池モジュール100の幅に対応して配列されたセンサ部5または前記センサ部集合体7検査対象の太陽電池モジュール100の面から2mm以上30mm以下の距離として平行に配置し、太陽電池モジュール100との距離を保ちつつその長軸方向に直角な方向に相対的に移動して検査する太陽電池の欠陥検査の構成例を示す、逐次処理部11により各欠陥検出処理部10の出力を順次切り替えながら太陽電池モジュール100との位置を相対的に移動することにより、1回走査で太陽電池モジュール100に内在する割れや欠け、ヘアクラック等を高速検出できる。更に検出情報は太陽電池モジュール100とセンサコイル3との相対位置情報と連動させ二次元画像等で表示しても良い。 FIG. 6 shows a sensor unit 5 arranged corresponding to the width of the
図7は、本発明の応用例としてセンサ部60を可撓性の有るポリイミドなどの絶縁基板に形成し、被検査体70に添わせる構造とすることで曲面を有する被検査体70の割れや欠け、クラック等の欠陥検査を可能とする。 FIG. 7 shows an example in which the sensor unit 60 is formed on a flexible polyimide insulating substrate as an application example of the present invention, and the inspection unit 70 having a curved surface is formed by attaching the sensor unit 60 to the inspection target 70. It enables defect inspection such as chipping and cracking.
図8は、本発明のセンサコイルの隣接したセンサ第一コイル3−1とセンサ第二コイル3−2の出力と差を取ることにより励磁誘導電圧を相殺した信号の波形を示す図である。 FIG. 8 is a diagram showing a waveform of a signal in which the excitation induced voltage is canceled by taking a difference from the outputs of the sensor first coil 3-1 and the sensor second coil 3-2 adjacent to each other in the sensor coil of the present invention.
図9は、本発明のセンサコイルの隣接したセンサ第一コイル3−1とセンサ第一コイルとセンサ第二コイル3−2の出力と差を取ることにより励磁誘導電圧を相殺し、検査に必要な渦電流情報VSgを分離抽出した波形を示す図である。 FIG. 9 shows the difference between the outputs of the sensor first coil 3-1, the sensor first coil, and the sensor second coil 3-2 adjacent to the sensor coil of the present invention, thereby canceling the excitation induced voltage and necessary for the inspection. It is a figure which shows the waveform which isolate | separated and extracted the eddy current information VSg.
図10は、特許文献2のプリントコイル26が千鳥配列としたフィルム基板を示す図である。 FIG. 10 is a diagram showing a film substrate in which the printed coils 26 of
本発明は太陽電池セル、モジュールの製造工程から出荷検査、設置前の受け入れ検査、設置後のメンテナンス現場での検査に至るまで幅広い応用展開が可能である。 The present invention can be applied to a wide range of applications from manufacturing processes of solar cells and modules to shipping inspection, acceptance inspection before installation, and inspection at the maintenance site after installation.
本発明は太陽電池セル、モジュールの割れや欠け、ヘアクラック等の高速検査のみならず、金属や透明電極の厚みや電気的性能のムラ及び欠陥の高速検査、更にリチウムイオン電池のセパレータ等に混入した金属性異物の高速検査まで幅広い応用の可能性を含んでいる。 The present invention is not only used for high-speed inspection of solar cells, module cracks and chips, hair cracks, etc., but also for high-speed inspection of metal and transparent electrode thickness and electrical performance irregularities and defects, and mixing into lithium ion battery separators, etc. This includes the possibility of a wide range of applications up to high-speed inspection of metallic foreign matter.
1 励磁駆動回路
2 励磁コイル
3 センサコイル
3−1 センサ第一コイル
3−2 センサ第二コイル
3−3 センサ第三コイル
3−4 センサ第四コイル
3−n センサ第nコイル
4 ビアホール導体接続パターン
5 センサ部
6 欠陥検出回路
7 センサ部集合体
10 欠陥検出処理部
10−n 第n欠陥検出処理部
11 逐次処理部
20 a層励磁コイル
22 外部接続端子
24 ビアホール導体
25 励磁遮蔽パターン
27 励磁磁界調整コイル
28 絶縁体層
3a−1 a層第一センサコイル
3a−2 a層第二センサコイル
3a−3 a層第二センサコイル
3a−n a層第nセンサコイル
3b−1 b層第一センサコイル
3b−2 b層第二センサコイル
3b−3 b層第三センサコイル
3b−n b層第nセンサコイル
3c c層センサコイル
50 披検査体又は太腸電池セル
60 可撓性を有する絶縁基板上に形成されたセンサ部
70 曲面のある被検査体
100 太陽電池モジュール
V1 センサ第一コイルの出力波形
V2 センサ第二コイルの出力波形
V3 V1とV2との差出力波形イメージ
VSg 欠陥情報の波形イメージ
21 フィルム基板
26 千鳥配列されたプリントコイルDESCRIPTION OF
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