JP4831298B2 - Hardening depth measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、焼き入れ処理された鋼材の焼入れ層の深さを非破壊検査する焼き入れ深さ測定装置に関する。 The present invention relates to a quenching depth measuring apparatus that performs nondestructive inspection of the depth of a quenched layer of a steel material that has been quenched.
クランクシャフトやコンロッド等の鋼製の自動車部品は、通常、焼き入れによりその表面を硬化処理することで耐摩耗性や疲労特性の向上が図られている。従来、この種の鋼材の焼入れ層(硬化層)の深さの評価は、専ら、ビッカース硬さ試験、ブルネル硬さ試験、ロックウエル硬さ試験、ショア硬さ試験、マクロ組織試験法等の破壊方式により実施されている。 Steel automobile parts such as crankshafts and connecting rods are usually improved in wear resistance and fatigue characteristics by hardening their surfaces by quenching. Conventionally, the evaluation of the depth of the hardened layer (hardened layer) of this type of steel has been exclusively done by fracture methods such as Vickers hardness test, Brunel hardness test, Rockwell hardness test, Shore hardness test, macro structure test method, etc. Has been implemented.
これに対して本出願人等は、先に高周波焼き入れした鋼材の焼き入れ深さを非破壊検査する手法を提唱した(特許文献1を参照)。この手法は、鋼材の2点間に一定の電流Iを流す一対の通電電極針と、これによって上記鋼材に生じる電位分布の互いに異なる部位での電位差V1,V2をそれぞれ検出する2対の電位検出針とを用いた、いわゆる6端子測定法である。そして上記電流Iと上記電位差V1,V2、およびこれらの電位差V1,V2をそれぞれ計測した部位の情報から、前記鋼材に生起された電位分布と焼き入れ層および母材の各抵抗率との関係に従って、上記焼き入れ層の深さdを計算により求めるようにしたものである。
しかしながら上述した手法は、高周波焼き入れによりその表面を硬化処理しても、その内部の母材部分の抵抗率が変化することがなく、また母材の抵抗率が既知であるとの前提条件の下で行われる。これ故、侵炭焼き入れした鋼材のように、その内部の母材部分における抵抗率が焼き入れ時の熱により変化してしまうようなもの、更には鋼材の種別(組成)が不明で、母材の抵抗率が未知のものには上述した検査手法を適用することができないと言う不具合があった。 However, the above-mentioned method is based on the precondition that the resistivity of the base material portion does not change even if the surface is hardened by induction hardening, and the resistivity of the base material is known. Done under. Therefore, as in the case of carburized and hardened steel, the resistivity of the inner base metal part changes due to heat during quenching, and the type (composition) of the steel is unknown. There is a problem that the above-described inspection method cannot be applied to those whose resistivity is unknown.
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、母材の抵抗率が未知であっても鋼材の焼き入れ深さを簡単に精度良く測定することのできる焼き入れ深さ測定装置を提供することにある。 The present invention has been made in consideration of such circumstances, and its purpose is to provide a quenching depth that can easily and accurately measure the quenching depth of a steel material even when the resistivity of the base material is unknown. It is to provide a measuring device.
上述した目的を達成するべく本発明に係る焼き入れ深さ測定装置は、焼き入れ処理した鋼材の表面の任意の2点間に電流を流す1対の通電電極針と、この通電に伴って前記鋼材に生じる電位分布の、互いに異なる部位間での電位差をそれぞれ検出する少なくとも3対の電位検出針と、前記鋼材の焼き入れ層の深さ、該焼き入れ層の抵抗率、および前記鋼材の母材部の抵抗率をそれぞれ未知数とし、前記少なくとも3対の電位検出針によりそれぞれ検出する電位差V 1 ,V 2 ,〜V n (n≧3)、前記1対の通電電極針と前記少なくとも3対の電位検出針の配置、前記1対の通電電極針間に流れる電流、及び前記鋼材に生じる電位分布を示す特性式に基づいて、前記鋼材の焼き入れ層の深さを算出する演算手段と、を備えたことを特徴としている。 In order to achieve the above object hardening depth measuring apparatus according to the present invention, a pair energizing electrode needle passing a current between any two points of the baked can put the treated surface of the steel, with the energization of this At least three pairs of potential detection needles for detecting potential differences between different parts of the potential distribution generated in the steel material, the depth of the hardened layer of the steel material, the resistivity of the hardened layer, and the steel material the resistivity of the base metal respectively unknowns of the potential difference V 1, V 2 which detect the potential detecting needle of said at least three pairs, ~V n (n ≧ 3) , wherein the energizing electrode needle of the pair at least 3 pairs of arrangement of the potential detecting needle, based current, and the characteristic equation indicating the resulting Ru potential distribution in the steel is flow between the energized electrode needle of the pair, and calculates the depth of the hardening layer of the steel and calculating means, as comprising the That.
ちなみに前記少なくとも3対の電位検出針は、請求項2に記載するように前記一対の通電電極針間の中点を中心としてその並びの方向に対称に配列されたものからなる。特にこれらの電位検出針は、例えば前記1対の通電電極針と共に一体化された探針プローブとして実現することが好ましい。 Incidentally, the at least three pairs of potential detecting needles are arranged symmetrically with respect to the direction of their alignment with the middle point between the pair of energizing electrode needles as a center. In particular, these potential detection needles are preferably realized as a probe probe integrated with the pair of energizing electrode needles, for example .
具体的には請求項3に記載するように前記演算手段は、前記一対の通電電極針間に流す電流をI、これらの通電電極針間の離間距離をS、前記鋼材の母材部の抵抗率をρoとしたとき、対をなす前記各電位検出針間の電位差V1,V2,〜Vn(n≧3)を、
Vi=fi(ρo・I/S) i=1,2,〜n
として表され、また前記鋼材の焼き入れ層の深さd、該焼き入れ層の抵抗率ρ、および対をなす各電位検出針の前記通電電極針からの離間距離riに応じて前記各係数fi[=F(d,ρ,ri)]がそれぞれ決定されるものとして、上記各電位差についてそれぞれ求められた連立方程式から、その未知数である前記鋼材の焼き入れ層の深さdを計算するように構成される。
Specifically, as described in claim 3 , the calculation means is configured such that the current flowing between the pair of energizing electrode needles is I, the separation distance between these energizing electrode needles is S, and the resistance of the base material portion of the steel material When the rate is ρ o , potential differences V 1 , V 2 , to V n (n ≧ 3) between the potential detection needles forming a pair are expressed as follows:
V i = f i (ρ o · I / S) i = 1, 2, to n
Expressed as, also the respective coefficients according to the distance r i from the energizing electrode needle of each potential detection needles that form the depth d of the hardening layer, the resistivity of the quench layer [rho, and pairs of the steel Assuming that f i [= F (d, ρ, r i )] is respectively determined, the depth d of the hardened layer of the steel material, which is an unknown number, is calculated from the simultaneous equations obtained for each potential difference. Configured to do.
上記構成の焼き入れ深さ測定装置によれば、鋼材の表面に接触させた1対の通電電極針を介して通電される電流により上記鋼材に生起された電位分布を、少なくとも3対の電位検出針を用いて上記電位分布により生じる互いに異なる部位間での電位差としてそれぞれ検出するので、これらの電位差とその計測部位の情報、および前記通電電極針間に流した電流を用いて前記鋼材に生じた電位分布の特性を表すことができる。特に焼き入れ層および母材の各抵抗率とその焼き入れ深さを未知数として、前記各電位差毎に上記電位分布の特性をそれぞれ表すことができる。 According to the quenching depth measuring apparatus having the above-described configuration, at least three pairs of potentials are detected from the potential distribution generated in the steel material by the current passed through the pair of energizing electrode needles in contact with the surface of the steel material. Since the potential difference between the different parts generated by the potential distribution using the needle is detected respectively, information on the potential difference and the measurement part, and the current passed between the energized electrode needles are generated in the steel material. The characteristics of the potential distribution can be expressed. In particular, the characteristics of the potential distribution can be expressed for each potential difference, with the resistivity of the quenching layer and the base material and the quenching depth as unknowns.
従って互いに異なる部位間での各電位差を、少なくとも3箇所においてそれぞれ計測すれば、これらの各電位差毎に電位分布の特性を表した少なくとも3つの連立方程式を立てることができるので、これらの連立方程式を逆解析することにより未知数である上記焼き入れ深さを計測することが可能となる。特に母材の抵抗率、更には焼き入れ層の抵抗率が不明であっても、上述した電位分布の特性と、互いに異なる部位での少なくとも3箇所での電位差とから焼き入れ層の深さを精度良く計測することが可能となる。故に鋼材が高周波焼き入れしたものであるか、或いは侵炭焼き入れしたものであるかに拘わることなく、また鋼材の組成が不明である場合でも、その焼き入れ深さを精度良く計測することが可能となる。 Therefore, if each potential difference between different parts is measured in at least three locations, at least three simultaneous equations representing the characteristics of the potential distribution can be established for each potential difference. By performing the inverse analysis, it is possible to measure the quenching depth, which is an unknown number. In particular, even if the resistivity of the base material and the resistivity of the hardened layer are unknown, the depth of the hardened layer can be determined from the above-described characteristics of the potential distribution and the potential difference at at least three different locations. It becomes possible to measure with high accuracy. Therefore, regardless of whether the steel is induction hardened or carburized and hardened, it is possible to accurately measure the quenching depth even if the composition of the steel is unknown. It becomes.
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る焼き入れ深さ測定装置について説明する。
図1はこの発明に係る焼き入れ深さ測定装置の概略構成と、その計測原理を説明する為の図である。この焼き入れ深さ測定装置は、予め焼き入れによりその表面層を硬化処理した、例えば丸棒状の鋼材10の表面層の厚みd、つまり焼き入れ深さdを、鋼材10を破壊することなく検出する(非破壊検査する)ものである。特に本発明は、焼き入れ層の抵抗率がその母材部の抵抗率よりも高く、焼き入れ層の表面から任意の2点間に一定の電流を流した場合、これによって上記2点間に生起される電位分布が上記焼き入れ層の厚み(焼き入れ深さ)によって変化することに着目して、電位差法により焼き入れ深さdを計測するものとなっている。
Hereinafter, a quenching depth measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram for explaining a schematic configuration of a quenching depth measuring apparatus according to the present invention and a measurement principle thereof. This quenching depth measuring device detects, for example, the thickness d of the surface layer of the
この焼き入れ深さ測定装置は、その検出プローブとして上記鋼材10の表面に接触させて用いられる一対の通電電極針1a,1b(通電電極針対1)と、これらの通電電極針1a,1bの配列中心(プローブ中心)を基準としてその並びの方向に対称に設けられた3対の電位検出針2a,2b,3a,3b,4a,4b(電位検出針対2,3,4)とを備える。特にこの例では、各電位検出針2a,2b,3a,3b,4a,4bは、各通電電極針1a,1bから順次一定の間隔rを隔てて直線状に配列されている。
This quenching depth measuring device includes a pair of energized electrode needles 1a and 1b (energized electrode needle pair 1) used as a detection probe in contact with the surface of the
上記一対の通電電極針1a,1b(通電電極針対1)は、電源5から印加される電圧を受けて通電駆動され、鋼材10の上記通電電極針1a,1bがそれぞれ接触した2点間に一定の電流Iを流す役割を担う。また前記各電位検出針対2,3,4は、上記通電により鋼材10に生起された電位分布の状況を、その接触点間に生じる電位差V1,V2,V3としてそれぞれ検出する役割を担う。
The pair of energizing electrode needles 1a and 1b (the energizing electrode needle pair 1) is energized and driven by receiving a voltage applied from a
尚、この例では前記一対の通電電極針1a,1bは、距離Sを隔てて配列されており、第1の電位検出針対2は上記通電電極針対1の外側に配列され、また第2および第3の電位検出針対3,4は前記通電電極針対1の内側にそれぞれ配列されている。しかしこれらの配列関係は上述した例に限定されるものではなく、例えば一対の通電電極針1a,1bの内側に第1〜第3の電位検出針対2,3,4を対称に配列することも勿論可能である。またこれらの各針は、その先端を一定の圧力で鋼材10の表面に接触させて設けられる。
In this example, the pair of energizing electrode needles 1a and 1b are arranged at a distance S, the first potential detecting needle pair 2 is arranged outside the energizing electrode needle pair 1, and the second The third potential detecting needle pair 3 and 4 are arranged inside the energizing electrode needle pair 1, respectively. However, these arrangement relationships are not limited to the above-described example. For example, the first to third potential detection needle pairs 2, 3, 4 are arranged symmetrically inside the pair of energizing electrode needles 1a, 1b. Of course it is possible. Each of these needles is provided with its tip in contact with the surface of the
一方、上述した検出プローブが接続される測定装置本体6は、前述した電源5を内蔵すると共に、前記各電位検出針対2,3,4を介して前記鋼材10に生じた電位差V1,V2,V3をそれぞれ検出するセンシングアンプ(電圧計)71,72,73と、例えばマイクロプロセッサからなり、上記各センシングアンプ71,72,73にて検出された電位差V1,V2,V3に従って前記鋼材10の焼き入れ深さdを算出する演算器(演算手段)8とを備えて構成される。
On the other hand, the measuring device
より具体的には上記演算器8は、各電位検出針対2,3,4を介してそれぞれ検出された電位差V1,V2,V3と、通電電極針対1を介して鋼材10に流した電流I、更には前記通電電極針1a,1bの離間距離S、および通電電極針1a,1bに対する電位検出針2a,2b,3a,3b,4a,4bの位置ずれ量−r,r,2rに従い、前記電流Iによって鋼材10に生起された電圧分布から後述するようにして鋼材10の焼き入れ深さdを算出するものとなっている。
More specifically, the
即ち、前記鋼材10の母材部の抵抗率をρoとしたとき、前記各電位検出針対2,3,4を介してそれぞれ検出される電位差V1,V2,V3は、
V1=f1(ρo・I/S)
V2=f2(ρo・I/S)
V3=f3(ρo・I/S)
として表すことができる。但し、上記係数f1,f2,f3は、鋼材10の焼き入れ層の深さd、該焼き入れ層の抵抗率ρ、および各電位検出針2a,2b,3a,3b,4a,4bの記通電電極針1a,1bからの離間距離(位置ずれ量)r1(=−r),r2(=r),r3(=2r)に応じて決定される値[=F(d,ρ,ri)]である。
That is, when the resistivity of the base material portion of the
V 1 = f 1 (ρ o · I / S)
V 2 = f 2 (ρ o · I / S)
V 3 = f 3 (ρ o · I / S)
Can be expressed as However, the coefficients f 1 , f 2 , f 3 are the depth d of the hardened layer of the
一般的には3対以上の電位検出針をそれぞれ介して検出される電位差V1,V2,〜Vn(n≧3)は、
Vi=fi(ρo・I/S) i=1,2,〜n
として表される。そして上記各係数fiは、前記鋼材の焼き入れ層の深さd、該焼き入れ層の抵抗率ρに応じて前記電流Iによって生起される鋼材10での電位分布の下で、対をなす各電位検出針の前記通電電極針からの離間距離riに応じた関数値
fi=F(d,ρ,ri)
として与えられる。より具体的には、上記係数fiは次式で与えられる。
In general, potential differences V 1 , V 2 , to V n (n ≧ 3) detected through three or more pairs of potential detection needles are:
V i = f i (ρ o · I / S) i = 1, 2, to n
Represented as: Each coefficient f i makes a pair under the potential distribution in the
As given. More specifically, the coefficient f i is given by the following equation.
但し、上式においてmは係数fiが収束するまでの回数であり、αおよびQは焼き入れ層の抵抗率をρ、鋼材10の母材部の抵抗率をρ0としたとき
α=ρ/ρ0 , Q=(1−α)/(1+α)
としてそれぞれ定義される値(比)である。また上式は図2に示すように一対の通電電極針1a,1bをそれぞれ中心として正負の電位勾配が生じ、これに伴ってその間の抵抗率に応じた電位分布が生じているとして求められるものである。
However, in the above equation, m is the number of times until the coefficient f i converges, and α and Q are when the resistivity of the hardened layer is ρ and the resistivity of the base material portion of the
Are values (ratio) defined respectively. Further, the above formula is obtained as shown in FIG. 2 in which a positive and negative potential gradient is generated around each of the pair of energizing electrode needles 1a and 1b, and a potential distribution corresponding to the resistivity is generated accordingly. It is.
ここで高周波焼き入れのように鋼材10の内部の母材部分が熱の影響を受けることがなく、また鋼材10の組成が明らかでその抵抗率ρ0が既知であるとすれば、前述した特許文献1に開示されるように焼き入れ層の抵抗率ρとその焼き入れ深さdだけが未知数なので、上述した如く計測された電位差V1,V2,V3を上式に代入して、各電位差V1,V2,V3をそれぞれ満たす未知数α,dの関係をそれぞれ求めれば、これらの関係を同時に満足する条件として未知数dを特定することができる。即ち、即ち、検出プロープを用いた鋼材10の測定条件(電流Iや針間隔S,r等)が既知なので、計測された電位差V1,V2,V3をそれぞれ特定する前述した連立方程式を逆解析すれば、これによって未知数である焼き入れ深さdを算出することができる。特に少なくとも2対の電位検出針を用いて計測される2つの電位差V1,V2を用いることで、上述した連立方程式から焼き入れ深さdを計算することができる。
If the base metal part of the
しかしながら測定対象である鋼材10が、高周波焼き入れしたものであるか、或いは侵炭焼き入れしたものであるかが不明である場合、若しくは鋼材10の組成自体が不明であり、母材部の抵抗率ρ0が不明である場合には、焼き入れ層の抵抗率ρとその焼き入れ深さdを含めて未知数が3つとなるので、2対の電位検出針を用いて計測される2つの電位差V1,V2からだけでは前述した抵抗率の比αや焼き入れ深さdを特定することはできない。
However, when it is unknown whether the
この点、本発明に係る焼き入れ深さ測定装置においては、前述したように少なくとも3対の電位検出針2a,2b,3a,3b,4a,4bを備えており、これらの電位検出針対2,3,4により、互いに異なる部位間での3つの電位差V1,V2,V3をそれぞれ計測している。従ってこれらの各電位差V1,V2,V3についてそれぞれ求められる3つの連立方程式を解析することで、3つの未知数である焼き入れ層の抵抗率ρとその焼き入れ深さd、および母材部の抵抗率ρ0を、換言すれば上述した抵抗率の比α(=ρ/ρ0)および焼き入れ深さdをそれぞれ特定することができる。即ち、鋼材10の母材部の抵抗率ρ0が不明であっても、上記電位差V1,V2,V3から該鋼材10の焼き入れ深さdを算出することが可能となる。
In this regard, the quenching depth measuring apparatus according to the present invention includes at least three pairs of
ちなみに上述した如くして焼き入れ深さdを計算するに際しては、例えば通電電極針1a,1b間に流す電流Iを1Aとしておけば実質的に前式から電流Iの項を[1]として演算対象から除くことができるので、その演算負担を軽減することができる。また通電電極針1a,1b間の離間距離S、およびこれらの各通電電極針1a,1bに対する電位検出針2a,2b,3a,3b,4a,4bの離間距離rをそれぞれ整数値で表し得るように設定しておけば、これによってもその演算負担を軽減することができる。
Incidentally, when the quenching depth d is calculated as described above, for example, if the current I flowing between the energizing electrode needles 1a and 1b is set to 1A, the term of the current I is substantially calculated as [1] from the above equation. Since it can be excluded from the target, the calculation burden can be reduced. Further, the separation distance S between the energization electrode needles 1a and 1b and the separation distance r of the
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば4つ以上の電位検出針を用いて、互いに異なる4つ以上の部位での電位差をそれぞれ検出し、これらの各電位差から焼き入れ深さdを算出するようにしても良いことは言うまでもない。また通電電極針および電位検出針の形状・構造についても、鋼材10に対して確実に点接触し得るように構成しておけば十分である。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
The present invention is not limited to the embodiment described above. Needless to say, for example, by using four or more potential detection needles, potential differences at four or more different sites may be detected, and the quenching depth d may be calculated from these potential differences. In addition, it is sufficient that the shape and structure of the energizing electrode needle and the potential detection needle are configured so as to be able to reliably make point contact with the
1a,1b 対をなす通電電極針
2a,2b,3a,3b,4a,4b 対をなす電位検出針
5 電源
6 測定装置本体
71,72,73 センシングアンプ(電圧計)
8 演算器(演算手段)
10 鋼材
1a, 1b Pair of energizing
8 Calculator (Calculation means)
10 Steel
Claims (3)
この通電に伴って前記鋼材に生じる電位分布の、互いに異なる部位間での電位差をそれぞれ検出する少なくとも3対の電位検出針と、
前記鋼材の焼き入れ層の深さ、該焼き入れ層の抵抗率、および前記鋼材の母材部の抵抗率をそれぞれ未知数とし、前記少なくとも3対の電位検出針によりそれぞれ検出する電位差V 1 ,V 2 ,〜V n (n≧3)、前記1対の通電電極針と前記少なくとも3対の電位検出針の配置、前記1対の通電電極針間に流れる電流、及び前記鋼材に生じる電位分布を示す特性式に基づいて、前記鋼材の焼き入れ層の深さを算出する演算手段と、
を具備したことを特徴とする焼き入れ深さ測定装置。 A pair of energizing electrode needles for passing current between any two points on the surface of the hardened steel material;
At least three pairs of potential detection needles for detecting a potential difference between different parts of the potential distribution generated in the steel material with the energization;
The depth of the hardened layer of the steel material, the resistivity of the hardened layer, and the resistivity of the base material portion of the steel material are unknowns, and potential differences V 1 and V detected by the at least three pairs of potential detection needles, respectively. 2, ~V n (n ≧ 3 ), wherein a pair energization electrode needle of at least three pairs of the arrangement of the potential detecting needle, the pair currents flow between the energizing electrode needle, and the potential arising in the steel based on the characteristic equation showing the distribution, and calculating means for calculating the depth of the hardening layer of the steel material,
A quenching depth measuring apparatus comprising:
この通電に伴って前記鋼材に生じる電位分布の、互いに異なる部位間での電位差をそれぞれ検出する少なくとも3対の電位検出針と、
前記鋼材の焼き入れ層の深さを算出する演算手段と、を備え、
前記演算手段は、前記鋼材の焼き入れ層の深さ、該焼き入れ層の抵抗率、および前記鋼材の母材部の抵抗率をそれぞれ未知数とし、前記1対の通電電極針間に流す電流をI、前記1対の通電電極針間の離間距離をS、前記鋼材の母材部の抵抗率をρoとしたとき、前記少なくとも3対の電位検出針間の電位差V1,V2,〜Vn(n≧3)を、
Vi=fi(ρo・I/S) i=1,2,〜n
とし、前記鋼材の焼き入れ層の深さd、前記焼き入れ層の抵抗率ρ、および前記少なくとも3対の電位検出針の前記1対の通電電極針からの離間距離riに応じて各係数fi[=F(d,ρ,ri)]がそれぞれ決定されるとして、前記電位差V1,V2,〜Vnについての連立方程式から、その未知数である前記鋼材の焼き入れ層の深さdを計算する、ことを特徴とする焼き入れ深さ測定装置。 A pair of energizing electrode needles for passing current between any two points on the surface of the hardened steel material;
At least three pairs of potential detection needles for detecting a potential difference between different parts of the potential distribution generated in the steel material with the energization;
And calculating means for calculating the depth of the hardened layer of the steel material,
It said calculating means, the depth of the hardening layer of the steel, the resistivity of the quench layer, and the resistivity of the base metal of the steel material are as unknown, the current flowing between the current supply electrode needle of the pair I, the distance S between the energizing electrode needle of the pair, when the resistivity of the base metal of the steel was [rho o, the potential difference V 1 of the inter previous SL least three pairs of photoelectric position detecting needle, V 2 , ~ V n (n ≧ 3),
V i = f i (ρ o · I / S) i = 1, 2, to n
And then, the depth d of the quench layer of the steel, each in accordance with the distance r i from the pair energizing electrode needles resistivity [rho, and said at least three pairs of potential detection needles of the quenching layer coefficient f i [= F (d, ρ, r i)] as a determined respectively before Symbol conductive position difference V 1, V 2, from simultaneous equations for ~V n, baked the steel is its unknown A quenching depth measuring apparatus , characterized by calculating a depth d of the penetration layer.
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