JP4464597B2 - 半導体加速度センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部から加えられた力による加速度または傾斜させることにより静止状態で加わる重力加速度を測定できる半導体加速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
重錘固定部と筒状の支持部との間に可撓部を残すように半導体結晶基板にエッチングが施されて形成された加速度センサ本体と、重錘固定部に固定された重錘と、重錘の周囲を囲むように配置されて支持部を支持する筒状の台座とを具備する半導体加速度センサが知られている。この種の半導体加速度センサは、外部から加えられた力による加速度または傾斜させることにより静止状態で加わる重力加速度に基づく力により重錘が動いて可撓部が歪むことにより、可撓部に形成されたセンサ素子が歪み量に応じた加速度を検出する。このセンサ素子は、通常、重錘に加速度に基づく力が加わっていない状態において、重錘固定部及び重錘の中心をそれぞれ通って重錘固定部及び重錘が並ぶ方向に延びる方向をＺ軸方向とし、該Ｚ軸方向と直交する二つの方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とする三軸方向を仮定したときのＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の三軸方向の加速度を検出する。しかしながら、このような半導体加速度センサは、加速度センサ本体の可撓部の厚み寸法が小さいため、半導体加速度センサに加わる力の量によっては、可撓部が損傷するおそれがある。そこで、特開２０００−２３５０４４公報に示すように、重錘の下部において台座側に突出するように形成された突出部と、この突出部を囲むように台座に形成されて重錘がＺ軸方向に必要以上に大きく変位する際に該突出部と接触する凹部とによってストッパ構造を形成することが提案された。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなストッパ構造では、Ｚ軸方向への重錘の変位は、正確な変位量で規制できても、Ｘ軸方向及びＹ軸方向への重錘の変位を正確な変位量で規制できないという問題がある。また、ストッパ構造の形状が複雑で、ストッパ構造の形成が煩雑であった。
【０００４】
本発明の目的は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向への重錘の変位を正確な変位量で規制できる半導体加速度センサを提供することにある。
【０００５】
本発明の他の目的は、ストッパ構造を簡単に形成できる半導体加速度センサを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明が改良の対象とする半導体加速度センサは、中心部に重錘固定部、外周部に筒状の支持部、そして重錘固定部と支持部との間に可撓部を残すように半導体結晶基板にエッチングが施されて形成され且つ可撓部にセンサ素子が形成された加速度センサ本体と、一端が重錘固定部に固定され且つ他端が支持部によって囲まれた空間の外部に位置するような形状寸法を有する重錘と、重錘の周囲を囲む筒状の台座と、重錘の三軸方向への変位量を所定の範囲内に規制するストッパ構造とを備えている。台座は、重錘に加速度に基づく力が加わっていない状態において、重錘固定部及び重錘の中心をそれぞれ通って重錘固定部及び重錘が並ぶ方向に延びる方向をＺ軸方向とし、該Ｚ軸方向と直交する二つの方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とする三軸方向を仮定したときに、重錘に作用する加速度に基づく力により重錘が三軸方向に変位するのを許容するように支持部を支持し且つ加速度センサ本体から突出する重錘の周囲を囲んでいる。本発明では、重錘はその外周面にストッパ構造の一部を構成する第１のストッパ面を有し、台座はその内周面にストッパ構造の一部を構成し且つ第１のストッパ面と対向して規制時に第１のストッパ面と接触する第２のストッパ面を有している。そして、第１及び第２のストッパ面は、それぞれ周方向に連続してまたは間隔を開けて形成され且つ加速度センサ本体が位置する側に向かうに従ってＺ軸方向に延びる仮想Ｚ軸線に近づくように傾斜する傾斜面として形成する。
【０００７】
本発明によれば、重錘がＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のどの方向に変位しても、第１のストッパ面及び第２のストッパ面の相互の傾斜面どうしが接触して重錘の変位が規制される。そのため、第１のストッパ面と第２のストッパ面との間の間隔及び各ストッパ面の傾斜角度を適宜に設定するだけで、Ｚ軸方向だけでなく、Ｘ軸方向及びＹ軸方向への重錘の変位を正確な変位量で規制することができる。また、本発明の半導体加速度センサは、従来に比べてストッパ構造の形状が単純なため、ストッパ構造を簡単に形成することができる。
【０００８】
第１及び第２のストッパ面は、それぞれ切頭円錐面形状を有しているのが好ましい。また、重錘に加速度が加わっていない状態において、第１のストッパ面と第２のストッパ面との間の間隙は、周方向にほぼ等しく形成するのが好ましい。このようにすれば、重錘がどの方向に変位しても、第１のストッパ面と第２のストッパ面とはほぼ均等な力で相互に接触する。そのため、可撓部に偏った力が加わるのを防止することができる。
【０００９】
第１のストッパ面と第２のストッパ面とは、平行に延ばし、第１のストッパ面または第２のストッパ面が延長する仮想面と仮想Ｚ軸線とが交差する鋭角角度は３０°〜６０°とするのが好ましい。交差する鋭角角度が３０°を下回ると、Ｚ軸方向へのストッパ機能を十分に果たせなくなり、交差する鋭角角度が６０°を上回ると、Ｘ軸方向及びＹ軸方向への重錘の変位量を正確な変位量で規制することができなくなる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態の半導体加速度センサの断面図であり、図２は、図１のII−II線断面図である。両図に示すように、本実施の形態の半導体加速度センサは、加速度センサ本体１と重錘３と台座５とを有している。加速度センサ本体１は、中心部に重錘固定部７、外周部に筒状の支持部９、そして重錘固定部７と支持部９との間に可撓部１１を残すように半導体結晶基板にエッチングが施されて形成されている。可撓部１１の重錘固定部７及び支持部９が位置する側と反対の面（表面）には、図示しないセンサ素子が形成されている。このセンサ素子は、重錘３に加速度に基づく力が加わっていない状態において、重錘固定部７及び重錘３の中心Ｃをそれぞれ通って重錘固定部７及び重錘３が並ぶ方向に延びる方向をＺ軸方向とし、該Ｚ軸方向と直交する二つの方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とする三軸方向を仮定したときに、Ｘ軸方向に延びる仮想Ｘ軸線ＸＬ、Ｙ軸方向に延びる仮想Ｙ軸線ＹＬ及びＺ軸方向に延びる仮想Ｚ軸線ＺＬの方向の加速度をそれぞれ検出するＸ軸方向加速度検出用拡散抵抗、Ｙ軸方向加速度検出用拡散抵抗及びＺ軸方向加速度検出用拡散抵抗とから構成されている。本実施の形態の半導体加速度センサは、外部から加えられた力による加速度、または傾斜させた静止状態で加わる重力加速度に基づく力により重錘３が動いて可撓部１１が歪むことにより、センサ素子を構成する各拡散抵抗の抵抗値が変化して歪み量に応じた加速度を検出する。
【００１１】
重錘３は、タングステンにより形成されており、一端が重錘固定部７に固定され且つ他端が支持部９によって囲まれた空間の外部に位置している。この重錘３は、円柱形を呈しており、可撓部１１に対向する上面部３ａと前記仮想Ｚ軸線ＺＬに平行に延びる側面部３ｂと、上面部３ａと側面部３ｂとに亘って形成された傾斜面部３ｃとを有している。傾斜面部３ｃは、加速度センサ本体１が位置する側に向かうに従って仮想Ｚ軸線ＺＬに近づくように傾斜しており、切頭円錐面形状を有している。
【００１２】
台座５は、ガラスにより形成されており、横断面の外周部側の輪郭が正方形で、内周部側の輪郭が円形の筒状の形状を有している。この台座５は、重錘３に作用する加速度に基づく力により重錘３がＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の三軸方向に変位するのを許容するように支持部９を支持し且つ重錘３の周囲を囲んで配置されている。これにより台座５と重錘３との間には環状の間隙１３が形成されることになる。台座５の内周部は、重錘３の側面部３ｂと対向する対向内面部５ａと、重錘３の傾斜面部３ｃに沿って対向して規制時に傾斜面部３ｃと接触する対向傾斜面部５ｂとを有している。対向傾斜面部５ｂも傾斜面部３ｃと同様に、加速度センサ本体１が位置する側に向かうに従って仮想Ｚ軸線ＺＬに近づくように傾斜しており、切頭円錐面形状を有している。重錘３に加速度が加わっていない状態において、対向傾斜面部５ｂと傾斜面部３ｃとの間の間隙は、周方向にほぼ等しく形成されている。本実施の形態では、傾斜面部３ｃまたは対向傾斜面部５ｂが延長する仮想面と前記仮想Ｚ軸線ＺＬとが交差する鋭角角度θは３０°〜６０°とするのが好ましい。本実施の形態では、傾斜面部３ｃ及び対向傾斜面部５ｂにより、第１のストッパ面及び第２のストッパ面が構成されており、これら第１のストッパ面及び第２のストッパ面により重錘３の三軸方向への変位量を所定の範囲内に規制するストッパ構造が構成されている。
【００１３】
本実施の形態の半導体加速度センサでは、重錘３がＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のどの方向に変位しても、傾斜面部（第１のストッパ面）３ｃ及び対向傾斜面部（第２のストッパ面）５ｂの相互の傾斜面どうしが接触して重錘の変位が規制される。そのため、第１のストッパ面３ｃと第２のストッパ面５ｂとの間の間隔及び各ストッパ面の傾斜角度を適宜に設定するだけで、Ｚ軸方向だけでなく、Ｘ軸方向及びＹ軸方向への重錘の変位量を正確な変位量で規制することができる。
【００１４】
なお、重錘及び台座は、上記例の形状に限られるものではなく、種々の形状のものを採用できる。例えば、重錘を角柱の形状に形成し、台座の内周部側の輪郭を多角形に形成してもよい。
【００１５】
【発明の効果】
本発明によれば、第１のストッパ面と第２のストッパ面との間の間隔及び各ストッパ面の傾斜角度を適宜に設定するだけで、Ｚ軸方向だけでなく、Ｘ軸方向及びＹ軸方向への重錘の変位量を正確な変位量で規制することができる。また、ストッパ構造を簡単に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の半導体加速度センサの断面図である。
【図２】図１のII−II線断面図である。
【符号の説明】
１ 加速度センサ本体
３ 重錘
３ｃ 傾斜面部（第１のストッパ面）
５ 台座
５ｂ 対向傾斜面部（第２のストッパ面）
７ 重錘固定部
９ 支持部
１１ 可撓部
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部から加えられた力による加速度または傾斜させることにより静止状態で加わる重力加速度を測定できる半導体加速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
重錘固定部と筒状の支持部との間に可撓部を残すように半導体結晶基板にエッチングが施されて形成された加速度センサ本体と、重錘固定部に固定された重錘と、重錘の周囲を囲むように配置されて支持部を支持する筒状の台座とを具備する半導体加速度センサが知られている。この種の半導体加速度センサは、外部から加えられた力による加速度または傾斜させることにより静止状態で加わる重力加速度に基づく力により重錘が動いて可撓部が歪むことにより、可撓部に形成されたセンサ素子が歪み量に応じた加速度を検出する。このセンサ素子は、通常、重錘に加速度に基づく力が加わっていない状態において、重錘固定部及び重錘の中心をそれぞれ通って重錘固定部及び重錘が並ぶ方向に延びる方向をＺ軸方向とし、該Ｚ軸方向と直交する二つの方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とする三軸方向を仮定したときのＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の三軸方向の加速度を検出する。しかしながら、このような半導体加速度センサは、加速度センサ本体の可撓部の厚み寸法が小さいため、半導体加速度センサに加わる力の量によっては、可撓部が損傷するおそれがある。そこで、特開２０００−２３５０４４公報に示すように、重錘の下部において台座側に突出するように形成された突出部と、この突出部を囲むように台座に形成されて重錘がＺ軸方向に必要以上に大きく変位する際に該突出部と接触する凹部とによってストッパ構造を形成することが提案された。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなストッパ構造では、Ｚ軸方向への重錘の変位は、正確な変位量で規制できても、Ｘ軸方向及びＹ軸方向への重錘の変位を正確な変位量で規制できないという問題がある。また、ストッパ構造の形状が複雑で、ストッパ構造の形成が煩雑であった。
【０００４】
本発明の目的は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向への重錘の変位を正確な変位量で規制できる半導体加速度センサを提供することにある。
【０００５】
本発明の他の目的は、ストッパ構造を簡単に形成できる半導体加速度センサを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明が改良の対象とする半導体加速度センサは、中心部に重錘固定部、外周部に筒状の支持部、そして重錘固定部と支持部との間に可撓部を残すように半導体結晶基板にエッチングが施されて形成され且つ可撓部にセンサ素子が形成された加速度センサ本体と、一端が重錘固定部に固定され且つ他端が支持部によって囲まれた空間の外部に位置するような形状寸法を有する重錘と、重錘の周囲を囲む筒状の台座と、重錘の三軸方向への変位量を所定の範囲内に規制するストッパ構造とを備えている。台座は、重錘に加速度に基づく力が加わっていない状態において、重錘固定部及び重錘の中心をそれぞれ通って重錘固定部及び重錘が並ぶ方向に延びる方向をＺ軸方向とし、該Ｚ軸方向と直交する二つの方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とする三軸方向を仮定したときに、重錘に作用する加速度に基づく力により重錘が三軸方向に変位するのを許容するように支持部を支持し且つ加速度センサ本体から突出する重錘の周囲を囲んでいる。本発明では、重錘はその外周面にストッパ構造の一部を構成する第１のストッパ面を有し、台座はその内周面にストッパ構造の一部を構成し且つ第１のストッパ面と対向して規制時に第１のストッパ面と接触する第２のストッパ面を有している。そして、第１及び第２のストッパ面は、それぞれ周方向に連続してまたは間隔を開けて形成され且つ加速度センサ本体が位置する側に向かうに従ってＺ軸方向に延びる仮想Ｚ軸線に近づくように傾斜する傾斜面として形成する。
【０００７】
本発明によれば、重錘がＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のどの方向に変位しても、第１のストッパ面及び第２のストッパ面の相互の傾斜面どうしが接触して重錘の変位が規制される。そのため、第１のストッパ面と第２のストッパ面との間の間隔及び各ストッパ面の傾斜角度を適宜に設定するだけで、Ｚ軸方向だけでなく、Ｘ軸方向及びＹ軸方向への重錘の変位を正確な変位量で規制することができる。また、本発明の半導体加速度センサは、従来に比べてストッパ構造の形状が単純なため、ストッパ構造を簡単に形成することができる。
【０００８】
第１及び第２のストッパ面は、それぞれ切頭円錐面形状を有しているのが好ましい。また、重錘に加速度が加わっていない状態において、第１のストッパ面と第２のストッパ面との間の間隙は、周方向にほぼ等しく形成するのが好ましい。このようにすれば、重錘がどの方向に変位しても、第１のストッパ面と第２のストッパ面とはほぼ均等な力で相互に接触する。そのため、可撓部に偏った力が加わるのを防止することができる。
【０００９】
第１のストッパ面と第２のストッパ面とは、平行に延ばし、第１のストッパ面または第２のストッパ面が延長する仮想面と仮想Ｚ軸線とが交差する鋭角角度は３０°〜６０°とするのが好ましい。交差する鋭角角度が３０°を下回ると、Ｚ軸方向へのストッパ機能を十分に果たせなくなり、交差する鋭角角度が６０°を上回ると、Ｘ軸方向及びＹ軸方向への重錘の変位量を正確な変位量で規制することができなくなる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態の半導体加速度センサの断面図であり、図２は、図１のII−II線断面図である。両図に示すように、本実施の形態の半導体加速度センサは、加速度センサ本体１と重錘３と台座５とを有している。加速度センサ本体１は、中心部に重錘固定部７、外周部に筒状の支持部９、そして重錘固定部７と支持部９との間に可撓部１１を残すように半導体結晶基板にエッチングが施されて形成されている。可撓部１１の重錘固定部７及び支持部９が位置する側と反対の面（表面）には、図示しないセンサ素子が形成されている。このセンサ素子は、重錘３に加速度に基づく力が加わっていない状態において、重錘固定部７及び重錘３の中心Ｃをそれぞれ通って重錘固定部７及び重錘３が並ぶ方向に延びる方向をＺ軸方向とし、該Ｚ軸方向と直交する二つの方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とする三軸方向を仮定したときに、Ｘ軸方向に延びる仮想Ｘ軸線ＸＬ、Ｙ軸方向に延びる仮想Ｙ軸線ＹＬ及びＺ軸方向に延びる仮想Ｚ軸線ＺＬの方向の加速度をそれぞれ検出するＸ軸方向加速度検出用拡散抵抗、Ｙ軸方向加速度検出用拡散抵抗及びＺ軸方向加速度検出用拡散抵抗とから構成されている。本実施の形態の半導体加速度センサは、外部から加えられた力による加速度、または傾斜させた静止状態で加わる重力加速度に基づく力により重錘３が動いて可撓部１１が歪むことにより、センサ素子を構成する各拡散抵抗の抵抗値が変化して歪み量に応じた加速度を検出する。
【００１１】
重錘３は、タングステンにより形成されており、一端が重錘固定部７に固定され且つ他端が支持部９によって囲まれた空間の外部に位置している。この重錘３は、円柱形を呈しており、可撓部１１に対向する上面部３ａと前記仮想Ｚ軸線ＺＬに平行に延びる側面部３ｂと、上面部３ａと側面部３ｂとに亘って形成された傾斜面部３ｃとを有している。傾斜面部３ｃは、加速度センサ本体１が位置する側に向かうに従って仮想Ｚ軸線ＺＬに近づくように傾斜しており、切頭円錐面形状を有している。
【００１２】
台座５は、ガラスにより形成されており、横断面の外周部側の輪郭が正方形で、内周部側の輪郭が円形の筒状の形状を有している。この台座５は、重錘３に作用する加速度に基づく力により重錘３がＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の三軸方向に変位するのを許容するように支持部９を支持し且つ重錘３の周囲を囲んで配置されている。これにより台座５と重錘３との間には環状の間隙１３が形成されることになる。台座５の内周部は、重錘３の側面部３ｂと対向する対向内面部５ａと、重錘３の傾斜面部３ｃに沿って対向して規制時に傾斜面部３ｃと接触する対向傾斜面部５ｂとを有している。対向傾斜面部５ｂも傾斜面部３ｃと同様に、加速度センサ本体１が位置する側に向かうに従って仮想Ｚ軸線ＺＬに近づくように傾斜しており、切頭円錐面形状を有している。重錘３に加速度が加わっていない状態において、対向傾斜面部５ｂと傾斜面部３ｃとの間の間隙は、周方向にほぼ等しく形成されている。本実施の形態では、傾斜面部３ｃまたは対向傾斜面部５ｂが延長する仮想面と前記仮想Ｚ軸線ＺＬとが交差する鋭角角度θは３０°〜６０°とするのが好ましい。本実施の形態では、傾斜面部３ｃ及び対向傾斜面部５ｂにより、第１のストッパ面及び第２のストッパ面が構成されており、これら第１のストッパ面及び第２のストッパ面により重錘３の三軸方向への変位量を所定の範囲内に規制するストッパ構造が構成されている。
【００１３】
本実施の形態の半導体加速度センサでは、重錘３がＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のどの方向に変位しても、傾斜面部（第１のストッパ面）３ｃ及び対向傾斜面部（第２のストッパ面）５ｂの相互の傾斜面どうしが接触して重錘の変位が規制される。そのため、第１のストッパ面３ｃと第２のストッパ面５ｂとの間の間隔及び各ストッパ面の傾斜角度を適宜に設定するだけで、Ｚ軸方向だけでなく、Ｘ軸方向及びＹ軸方向への重錘の変位量を正確な変位量で規制することができる。
【００１４】
なお、重錘及び台座は、上記例の形状に限られるものではなく、種々の形状のものを採用できる。例えば、重錘を角柱の形状に形成し、台座の内周部側の輪郭を多角形に形成してもよい。
【００１５】
【発明の効果】
本発明によれば、第１のストッパ面と第２のストッパ面との間の間隔及び各ストッパ面の傾斜角度を適宜に設定するだけで、Ｚ軸方向だけでなく、Ｘ軸方向及びＹ軸方向への重錘の変位量を正確な変位量で規制することができる。また、ストッパ構造を簡単に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の半導体加速度センサの断面図である。
【図２】図１のII−II線断面図である。
【符号の説明】
１ 加速度センサ本体
３ 重錘
３ｃ 傾斜面部（第１のストッパ面）
５ 台座
５ｂ 対向傾斜面部（第２のストッパ面）
７ 重錘固定部
９ 支持部
１１ 可撓部
Claims (4)
- 中心部に重錘固定部、外周部に筒状の支持部、そして前記重錘固定部と前記支持部との間に可撓部を残すように半導体結晶基板にエッチングが施されて一体に形成され且つ前記可撓部にセンサ素子が形成された加速度センサ本体と、
一端が前記重錘固定部に固定され且つ他端が前記支持部によって囲まれた空間の外部に位置するような形状寸法を有する重錘と、
前記重錘に加速度に基づく力が加わっていない状態において、前記重錘固定部及び前記重錘の中心をそれぞれ通って前記重錘固定部及前記重錘が並ぶ方向に延びる方向をＺ軸方向とし、該Ｚ軸方向と直交する二つの方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とする三軸方向を仮定したときに、前記重錘に作用する加速度に基づく力により前記重錘が前記三軸方向に変位するのを許容するように前記加速度センサ本体の前記支持部を支持し且つ前記加速度センサ本体から突出する前記重錘の周囲を囲む筒状の台座と、
前記重錘の前記三軸方向への変位量を所定の範囲内に規制するストッパ構造とを備える半導体加速度センサであって、
前記重錘はその外周面に前記ストッパ構造の一部を構成する第１のストッパ面を有し、
前記台座はその内周面に前記ストッパ構造の一部を構成し且つ前記第１のストッパ面と対向して規制時に前記第１のストッパ面と接触する第２のストッパ面を有し、
前記第１及び第２のストッパ面は、それぞれ周方向に連続してまたは間隔を開けて形成され且つ前記加速度センサ本体が位置する側に向かうに従って前記Ｚ軸方向に延びる仮想Ｚ軸線に近づくように傾斜する傾斜面として形成されていることを特徴とする半導体加速度センサ。 - 前記第１及び第２のストッパ面は、それぞれ切頭円錐面形状を有している請求項１に記載の半導体加速度センサ。
- 前記重錘に加速度が加わっていない状態において、前記第１のストッパ面と前記第２のストッパ面との間の間隙は、前記周方向にほぼ等しく形成されている請求項２に記載の半導体加速度センサ。
- 前記第１のストッパ面または前記第２のストッパ面が延長する仮想面と前記仮想Ｚ軸線とが交差する鋭角角度が３０°〜６０°である請求項３に記載の半導体加速度センサ。
Priority Applications (3)
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2002
- 2002-02-15 JP JP2002039252A patent/JP4464597B2/ja not_active Expired - Fee Related
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