JP5247118B2 - 液面レベル検出装置および液面レベル検出装置の設計方法 - Google Patents
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Description
本発明は液面レベル検出装置に関し、例えばエタノールやメタノールといったアルコールそのもの或いはそれらを含有するアルコール系燃料など、電解性の燃料を用いる自動車等の車両の燃料残量を検出するのに好適な液面レベル検出装置および液面レベル検出装置の設計方法に関する。
従来の液面レベル検出装置の一例を図９に示す。図９に示す液面レベル検出装置１０１は、液体を貯留した容器内に配置されるセンサ１０２を備えている。センサ１０２は、液面の変位に連動して接点を移動させて抵抗値を変化させる可変抵抗器１０３を有しており、所定の電圧を印加されて可変抵抗器１０３の抵抗値に応じた電圧信号を出力する。また、液面レベル検出装置１０１は、このセンサ１０２に電圧を印加する電源回路１０４を備えている（例えば特許文献１参照。）
センサ１０２の構成の一例を図１０に示す。図１０に示すセンサ１０２は、液体に浮かぶフロート１１０が先端に取り付けられたアーム１１１と、アーム１１１の基端部を回動可能に支持するフレーム１１２と、フレーム１１２に取り付けられた基板１１３と、アーム１１１の基端部に設けられた接触子１１４と、を含んでいる。基板１１３の表面には、不図示の抵抗体が形成され、この抵抗体には電源回路１０４により所定の電圧が印加される。接触子１１４は、アーム１１１の回動に伴ってアーム１１１の回動軸まわりに旋回し、基板１１３の抵抗体上を摺動する（例えば特許文献４参照）。
基板１１３の抵抗体の一端および接触子１１４は、それぞれセンサ１０２の出力端子１１５，１１６に電気的に接続している。液面の変位に連動してフロート１１０が上下し、それに伴いアーム１１１が回動して接触子１１４が抵抗体上を摺動する。それにより、出力端子１１５に接続している抵抗体の一端から接触子１１４の間（以後、抵抗体の第１領域という）の抵抗値が変化する。すなわち、これら抵抗体と接触子１１４とで可変抵抗器１０３が構成されている。抵抗体に印加された電圧は、抵抗体の第１領域の抵抗値に応じて分圧され、この第１領域にかかる電圧が、センサ１０２の出力信号として出力端子１１５，１１６間に検出される。
再び図９を参照して、液面レベル検出装置１０１は、センサ１０２の出力信号を処理回路１０５で取得し、取得した信号に基づいて液体の残量を表示するメータ１０６を駆動している。
ところで、自動車等の車両の燃料残量を検出する場合に、液面レベル検出装置１０１のセンサ１０２は燃料タンク内に配置されるが、近年では車両用燃料にバイオエタノールなどが使用され始めている。バイオエタノールなどのアルコール系燃料は電解液であり、センサ１０２の抵抗体や接触子１１４の摺接面が電解液に晒されると、通電に伴い、それらの摺接面に電食などの電気化学反応が生じて劣化し、接点部の接触抵抗が上昇して正確な測定の妨げとなる。このような不具合を回避するため、センサ１０２に所定の周期で間欠的に電圧を印加することが提案されている（例えば特許文献１〜３参照）。
特開２００２−２１４０２３号公報
特開昭６３−１３８２１５号公報
特開２００６−２１４８２８号公報
特許第３８９８９１３号公報
ここで、電食などの電気化学反応において通電時間は重要な要素となるが、上記特許文献１〜３では１周期あたりの好適な通電時間について言及されておらず、十分な対策とはなっていなかった。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電解液に晒された場合にも長期にわたり液面レベルを高精度に検出することができる液面レベル検出装置、および液面レベル検出装置の設計方法を提供することにある。
上記目的は、本発明に係る下記（１）〜（４）の液面レベル検出装置、および下記（５）の液面レベル検出装置の設計方法により達成される。
（１）アルコール系燃料を貯留した燃料タンク内に該燃料に晒される状態で配置され、前記燃料の液面の変位に連動して抵抗値を変化させる可変抵抗器を有し、所定の電圧を印加されて前記可変抵抗器の抵抗値に応じた電圧信号を出力するセンサと、前記センサに所定の周期で間欠的に前記電圧を印加する電源回路と、を備える液面レベル検出装置において、前記可変抵抗器は、互いに並行して延びる第１および第２の導電パターンと、前記第１および第２の導電パターンに橋架され、液面の変位に連動して前記第１および第２の導電パターン上を摺動する接触子と、を有しており、前記電源回路により前記センサに印加される前記電圧の１周期あたりの通電時間が、前記第１および第２の導電パターンと前記接触子との接点部を絶縁した状態で前記センサに前記電圧を印加した際に、前記第１および第２の導電パターンに流れる電流が上昇傾向となるまでの時間が６０ｓ以上となるように選定されていることを特徴とする液面レベル検出装置。
（２）前記電圧の１周期が１００ｍｓであり、１周期あたりの前記通電時間が１５ｍｓ以下であることを特徴とする（１）に記載の液面レベル検出装置。
（３）前記電圧の１周期が１００ｍｓであり、１周期あたりの前記通電時間が１ｍｓを超えていることを特徴とする（１）に記載の液面レベル検出装置。
（４）前記電圧の１周期が１００ｍｓであり、１周期あたりの前記通電時間が略５ｍｓであることを特徴とする請求項１に記載の液面レベル検出装置。
（５）アルコール系燃料を貯留した燃料タンク内に該燃料に晒される状態で配置され、前記燃料の液面の変位に連動して抵抗値を変化させる可変抵抗器を有し、所定の電圧を印加されて前記可変抵抗器の抵抗値に応じた電圧信号を出力するセンサと、前記センサに所定の周期で間欠的に前記電圧を印加する電源回路と、を備える液面レベル検出装置において、前記可変抵抗器は、互いに並行して延びる第１および第２の導電パターンと、前記第１および第２の導電パターンに橋架され、液面の変位に連動して前記第１および第２の導電パターン上を摺動する接触子と、を有しており、前記第１および第２の導電パターンと前記接触子との接点部を絶縁した状態で前記センサに前記電圧を印加した際に、前記第１および第２の導電パターンに流れる電流が上昇傾向となるまでの時間が６０ｓ以上となるように、前記電源回路が前記センサに前記電圧を印加する１周期あたりの通電時間を選定することを特徴とする液面レベル検出装置の設計方法。
（１）アルコール系燃料を貯留した燃料タンク内に該燃料に晒される状態で配置され、前記燃料の液面の変位に連動して抵抗値を変化させる可変抵抗器を有し、所定の電圧を印加されて前記可変抵抗器の抵抗値に応じた電圧信号を出力するセンサと、前記センサに所定の周期で間欠的に前記電圧を印加する電源回路と、を備える液面レベル検出装置において、前記可変抵抗器は、互いに並行して延びる第１および第２の導電パターンと、前記第１および第２の導電パターンに橋架され、液面の変位に連動して前記第１および第２の導電パターン上を摺動する接触子と、を有しており、前記電源回路により前記センサに印加される前記電圧の１周期あたりの通電時間が、前記第１および第２の導電パターンと前記接触子との接点部を絶縁した状態で前記センサに前記電圧を印加した際に、前記第１および第２の導電パターンに流れる電流が上昇傾向となるまでの時間が６０ｓ以上となるように選定されていることを特徴とする液面レベル検出装置。
（２）前記電圧の１周期が１００ｍｓであり、１周期あたりの前記通電時間が１５ｍｓ以下であることを特徴とする（１）に記載の液面レベル検出装置。
（３）前記電圧の１周期が１００ｍｓであり、１周期あたりの前記通電時間が１ｍｓを超えていることを特徴とする（１）に記載の液面レベル検出装置。
（４）前記電圧の１周期が１００ｍｓであり、１周期あたりの前記通電時間が略５ｍｓであることを特徴とする請求項１に記載の液面レベル検出装置。
（５）アルコール系燃料を貯留した燃料タンク内に該燃料に晒される状態で配置され、前記燃料の液面の変位に連動して抵抗値を変化させる可変抵抗器を有し、所定の電圧を印加されて前記可変抵抗器の抵抗値に応じた電圧信号を出力するセンサと、前記センサに所定の周期で間欠的に前記電圧を印加する電源回路と、を備える液面レベル検出装置において、前記可変抵抗器は、互いに並行して延びる第１および第２の導電パターンと、前記第１および第２の導電パターンに橋架され、液面の変位に連動して前記第１および第２の導電パターン上を摺動する接触子と、を有しており、前記第１および第２の導電パターンと前記接触子との接点部を絶縁した状態で前記センサに前記電圧を印加した際に、前記第１および第２の導電パターンに流れる電流が上昇傾向となるまでの時間が６０ｓ以上となるように、前記電源回路が前記センサに前記電圧を印加する１周期あたりの通電時間を選定することを特徴とする液面レベル検出装置の設計方法。
上記構成の液面レベル検出装置によれば、電解液に晒された場合にも可変抵抗器の接点部における電食などの電気化学反応が抑制される。その理由は以下のように考察される。化学反応に関与する分子は、それが生成物質の状態に移る前にエネルギー障壁を乗り越える必要がある。接点部の電食においては、図４に示すように、接点部の金属表面にあるポテンシャルエネルギーの障壁を乗り越える必要があり、通電によってそれを越えるエネルギーが与えられて活性化されることにより電子を放出してイオン化し、溶出する。１周期あたりの通電時間が４０ｍｓ以下の場合には、接点部の金属分子は基底状態Ｓ１から活性化状態Ｓ２まで励起されることなく再び基底状態Ｓ１に戻る。１周期あたりの通電時間としては、好ましくは１５ｍｓ以下、より好ましくは１ｍｓ超１５ｍｓ以下、特に好ましくは略５ｍｓである。１周期あたりの通電時間が１ｍｓ以下であると、センサの出力信号をサンプリングする際にサンプリング時間が不足する虞がある。これは、Ａ／Ｄコンバータに直流が流入することを阻止するためにセンサとＡ／Ｄコンバータとの間にコンデンサが介装される場合があるが、このコンデンサにより、Ａ／Ｄコンバータに入力されるセンサの出力信号の立ち上がりが鈍るためである。また、基底状態Ｓ１に戻るための時間は、励起に要した時間以上に時間が必要となるので、１周期における通電時間の割合が５０％以下であることが好ましい。
また、可変抵抗器の第１および第２の導電パターンと接触子との接点部を絶縁した状態でセンサに電圧を印加した際に、第１および第２の導電パターン間にはキャパシタが形成される。このキャパシタの両極となる第１および第２の導電パターンには、印加された電圧が耐電圧よりも高い場合に電気分解が生じて電流が流れる。上記構成の液面レベル検出装置の設計方法は、この電流値の上昇開始点までの時間が長ければ、第１および第２の導電パターンの金属が溶出しにくく、また、溶出した金属イオンも移動しにくいとの着想から、通電時間と電流値の上昇開始点までの時間特性とにより、より適切な通電時間を選定するものである。溶出した金属イオンは、通電時には主として泳動により陽極から陰極に向けて移動するが、非通電時には拡散、対流により移動する。拡散、対流によると、金属イオンは、第１および第２の導電パターン間で種々の方向に移動（分散）するため、両導電パターンのいずれか陰極側に向かう移動速度は遅くなる。即ち、電気化学反応が抑制される。そして、１周期あたりの通電時間が１５ｍｓ以下では、電流値の上昇開始点までの時間が６０ｓ以上となり、金属イオンの溶出抑制傾向が格段と高くなる。
本発明によれば、電解液に晒された場合にもセンサの可変抵抗器の接点部における電食などの電気化学反応を抑制することができ、それにより、長期にわたり液面レベルを高精度に検出することができる。
以下、図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
図１は本発明に係る液面レベル検出装置の一実施形態の概略構成を説明する図、図２は図１の液面レベル検出装置に用いられるセンサを説明する図、図３は図２に示すセンサの要部を説明する図である。
図１に示すように、本実施形態の液面レベル検出装置１は、液体を貯留した容器内に配置されるセンサ２を備えている。センサ２は、液面の変位に連動して接点を移動させて抵抗値を変化させる可変抵抗器３を有しており、所定の電圧を印加されて可変抵抗器３の抵抗値に応じた信号を出力する。また、液面レベル検出装置１は、このセンサ２に所定の電圧を印加する電源回路４を備えている（例えば特許文献１参照。）
図２を参照して、センサ２は、液体に浮かぶフロート１０が先端に取り付けられたアーム１１と、アーム１１の基端部を回動可能に支持するフレーム１２と、フレーム１２に取り付けられた基板１３と、アーム１１の基端部に設けられた接触子１４と、を含んでいる。
図３に示すように、基板１３の表面には、第１導電パターン１５および第２導電パターン１６が設けられており、これら第１導電パターン１５および第２導電パターン１６は、アーム１１の回動軸Ｏ（図２参照）を中心として円弧状に互いに並行して延びている。第１導電パターン１５の一端には入出力用導電部１７が連設されており、また、第２導電パターン１６の一端には入出力用導電部１８が連設されている。
外径側に位置する第１導電パターン１５は、その周方向に所定の間隔をおいて配置された複数の導電セグメント１５ａと、これら複数の導電セグメント１５ａを互いに電気的に接続している抵抗体１５ｂとで構成されている。また、第２導電パターン１６は、その周方向に所定の間隔をおいて配置された複数の導電セグメント１６ａと、これら複数の導電セグメント１６ａを互いに電気的に接続している連結体１６ｂとで構成されている。
第１導電パターン１５の導電セグメント１５ａおよび第２導電パターン１６の導電セグメント１６ａは、例えば耐食性に優れる銀パラジウムで形成され、また、抵抗体１５ｂは例えば耐食性に優れる酸化ルテニウムで形成されている。
接触子１４には、互いに電気的に接続されている２つの接点１９、２０が設けられている。接触子１４は、アーム１１の回動に伴ってアーム１１の回動軸Ｏまわりに旋回し、接点１９において第１導電パターン１５の導電セグメント１５ａ上を摺動し、いずれかの導電セグメント１５ａに接続する。同時に、接触子１４は、接点２０において第２導電パターン１６の導電セグメント１６ａ上を摺動し、いずれかの導電セグメント１６ａに接続する。それにより、入出力用導電部１７から入出力用導電部１８の間の回路に介在する抵抗体１５ｂの長さが変化し、該回路の抵抗値が変化する。すなわち、第１導電パターン１５および第２導電パターン１６ならびに接触子１４により可変抵抗器３が構成されている。
センサ２は、一端を入出力用導電部１７に接続して可変抵抗器３に直列につながれる固定抵抗器７をさらに含んでいる。これら可変抵抗器３および固定抵抗器７には電源回路４により所定の電圧が印加される。
液面の変位に連動してフロート１０が上下し、それに伴いアーム１１が回動する。アーム１１の回動に伴い接触子１４が旋回し、それにより、可変抵抗器３の抵抗値が変化する。可変抵抗器３および固定抵抗器７に印加された電圧は、可変抵抗器３の抵抗値と固定抵抗器７の抵抗値との比に応じて分圧され、可変抵抗器３にかかる電圧が、センサ２の出力信号として入出力用導電部１７，１８間に検出される。
ここで、第１導電パターン１５の導電セグメント１５ａおよび第２導電パターン１６の導電セグメント１６ａや接触子１４の接点１９，２０の摺接面、すなわち接点部が電解液に晒される場合に、センサ２に常時継続して電圧が印加されていると、例えば、陽極側の第１導電パターン１５の導体が電食により劣化し、他方、負極側の第２導電パターン１６には、第１導電パターン１５から溶出した金属イオンが析出する。析出した金属は不活性な絶縁体となり易く、第２導電パターン１６の導電セグメント１６ａの摺接面が絶縁物で覆われると、接点部の接触抵抗が上昇し、正確な測定の妨げとなる。
そこで、本実施形態の液面レベル検出装置１において、電源回路４は、所定の周期で間欠的にセンサ２に電圧を印加するようになっており、センサ２に電圧を印加する通電時間は、１周期あたり４０ｍｓ以下に設定されている。これにより、接点部が電解液に晒された場合にも、接点部における電食などの電気化学反応が抑制される。好ましくは、１周期における通電時間の割合、すなわちデューティー比が５０％以下とされる。
再び図１を参照して、液面レベル検出装置１は、センサ２の入出力用導電部１７、１８間の電圧をセンサ２の出力信号として処理回路５で取得する。尚、処理回路５は、電源回路４がセンサ２に電圧を印加する周期に同期してセンサ２の出力信号を取得する。そして、処理回路５は、取得したセンサ２の出力信号に基づいて、液体の残量を表示する表示手段としてのメータ６を駆動する。
本発明の効果を確認するため、上述した液面レベル検出装置１について、１周期あたりのセンサ２への通電時間を種々に変えたものを用意し、エタノール混合ガソリンに浸漬して５００時間経過した後の各センサ２の出力を測定した。測定条件を以下に示す。尚、容器内の液体の変位が最低位のときに接触子１４が回動される位置に、接触子１４を固定して、測定を行っている。また、基板１３全体が、液体に浸漬された状態で、測定を行っている。
［測定条件］
導電セグメント１５ａ，１６ａの材料：銀パラジウム
抵抗体１５ｂの材料：酸化ルテニウム
センサ２への印加電圧：１６Ｖ
エタノール混合ガソリンのエタノールの濃度３０％
エタノール混合ガソリンの温度：６０℃
１周期：１００ｍｓ
［測定条件］
導電セグメント１５ａ，１６ａの材料：銀パラジウム
抵抗体１５ｂの材料：酸化ルテニウム
センサ２への印加電圧：１６Ｖ
エタノール混合ガソリンのエタノールの濃度３０％
エタノール混合ガソリンの温度：６０℃
１周期：１００ｍｓ
測定結果を図５に示す。尚、図５に示すグラフにおいて、浸漬前のセンサの出力を基準として、これに対する割合で各センサの出力を示している。図５に示す測定結果より、センサ２への通電時間が４０ｍｓ以下の場合には、センサ出力の上昇率は０．４％以下であり、液面レベル検出の障害とならない範囲に収まっている。これは、接点部における接触抵抗が上昇していないためであり、すなわち、接点部における電食などの電気化学反応が抑制されていることがわかる。
また、上記測定条件で、センサ２への１周期あたりの通電時間を１０ｍｓ、２０ｍｓ、４０ｍｓ、６０ｍｓ、常時通電とし、それぞれの可変抵抗器３の抵抗値の時間軸での変化量を測定した結果を図６に示す。また、上記測定条件で、センサ２への１周期あたりの通電時間を５ｍｓとし、可変抵抗器３の抵抗値の時間軸での変化量を測定した結果を図７に示す。
図６に示す測定結果より、センサ２への通電時間が４０ｍｓ以下の場合には、可変抵抗器３の抵抗値の変化量（増加量）は２Ω未満であり、液面レベル検出の障害とならない範囲に収まっている。さらに、図７に示す測定結果より、センサ２への１周期あたりの通電時間が５ｍｓでは可変抵抗器３の抵抗値にほとんど変化が認められず、１周期あたりの通電時間として５ｍｓが特に好ましいことがわかる。
次に、上述した液面レベル検出装置１のセンサ２の第１導電パターン１５と、第２導電パターン１６とを、センサ２における位置関係を保ち、それら単独でエタノール混合ガソリンに浸漬してキャパシタを形成した。そして、第１導電パターン１５と、第２導電パターン１６とに、１周期あたりの通電時間を種々に変えて電圧を印加し、両パターン１５、１６に流れる電流を測定した。測定条件を以下に示す。
［測定条件］
導電セグメント１５ａ，１６ａの材料：銀パラジウム
抵抗体１５ｂの材料：酸化ルテニウム
センサ２への印加電圧：１６Ｖ
エタノール混合ガソリンのエタノールの濃度３０％
エタノール混合ガソリンの温度：１８℃
１周期：１００ｍｓ
［測定条件］
導電セグメント１５ａ，１６ａの材料：銀パラジウム
抵抗体１５ｂの材料：酸化ルテニウム
センサ２への印加電圧：１６Ｖ
エタノール混合ガソリンのエタノールの濃度３０％
エタノール混合ガソリンの温度：１８℃
１周期：１００ｍｓ
通電時間毎の測定結果ならびに電流値が上昇傾向となる時間を図８に示す。図８に示す測定結果より、１周期あたりの通電時間が１５ｍｓ以下では、電流値の上昇開始点までの時間が６０ｓ以上となり、金属イオンの溶出抑制傾向が格段と高くなることがわかる。
以上説明したように、所定の周期で間欠的にセンサ２に電圧を印加し、センサ２に電圧を印加する通電時間を１周期あたり４０ｍｓ以下に設定することにより、電解液に晒された場合にもセンサ２の可変抵抗器の接点部における電食などの電気化学反応を抑制することができ、それにより、長期にわたり液面レベルを高精度に検出することができる。
尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が自在である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置場所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。
１ 液面レベル検出装置
２ センサ
３ 可変抵抗器
４ 電源回路
５ 処理回路
６ メータ
１０ フロート
１１ アーム
１２ フレーム
１３ 基板
１４ 接触子
１５ 第１導電パターン
１５ａ 導電セグメント
１５ｂ 抵抗体
１６ 第２導電パターン
１６ａ 導電セグメント
１６ｂ 連結体
１７ 入出力用導電部
１８ 入出力用導電部
１９ 接点
２０ 接点
Ｏ アームの回動軸
２ センサ
３ 可変抵抗器
４ 電源回路
５ 処理回路
６ メータ
１０ フロート
１１ アーム
１２ フレーム
１３ 基板
１４ 接触子
１５ 第１導電パターン
１５ａ 導電セグメント
１５ｂ 抵抗体
１６ 第２導電パターン
１６ａ 導電セグメント
１６ｂ 連結体
１７ 入出力用導電部
１８ 入出力用導電部
１９ 接点
２０ 接点
Ｏ アームの回動軸
Claims (5)
- アルコール系燃料を貯留した燃料タンク内に該燃料に晒される状態で配置され、前記燃料の液面の変位に連動して抵抗値を変化させる可変抵抗器を有し、所定の電圧を印加されて前記可変抵抗器の抵抗値に応じた電圧信号を出力するセンサと、
前記センサに所定の周期で間欠的に前記電圧を印加する電源回路と、
を備える液面レベル検出装置において、
前記可変抵抗器は、互いに並行して延びる第１および第２の導電パターンと、前記第１および第２の導電パターンに橋架され、液面の変位に連動して前記第１および第２の導電パターン上を摺動する接触子と、を有しており、
前記電源回路により前記センサに印加される前記電圧の１周期あたりの通電時間が、前記第１および第２の導電パターンと前記接触子との接点部を絶縁した状態で前記センサに前記電圧を印加した際に、前記第１および第２の導電パターンに流れる電流が上昇傾向となるまでの時間が６０ｓ以上となるように選定されていることを特徴とする液面レベル検出装置。 - 前記電圧の１周期が１００ｍｓであり、１周期あたりの前記通電時間が１５ｍｓ以下であることを特徴とする請求項１に記載の液面レベル検出装置。
- 前記電圧の１周期が１００ｍｓであり、１周期あたりの前記通電時間が１ｍｓを超えていることを特徴とする請求項１に記載の液面レベル検出装置。
- 前記電圧の１周期が１００ｍｓであり、１周期あたりの前記通電時間が略５ｍｓであることを特徴とする請求項１に記載の液面レベル検出装置。
- アルコール系燃料を貯留した燃料タンク内に該燃料に晒される状態で配置され、前記燃料の液面の変位に連動して抵抗値を変化させる可変抵抗器を有し、所定の電圧を印加されて前記可変抵抗器の抵抗値に応じた電圧信号を出力するセンサと、前記センサに所定の周期で間欠的に前記電圧を印加する電源回路と、を備える液面レベル検出装置において、
前記可変抵抗器は、互いに並行して延びる第１および第２の導電パターンと、前記第１および第２の導電パターンに橋架され、液面の変位に連動して前記第１および第２の導電パターン上を摺動する接触子と、を有しており、
前記第１および第２の導電パターンと前記接触子との接点部を絶縁した状態で前記センサに前記電圧を印加した際に、前記第１および第２の導電パターンに流れる電流が上昇傾向となるまでの時間が６０ｓ以上となるように、前記電源回路が前記センサに前記電圧を印加する１周期あたりの通電時間を選定することを特徴とする液面レベル検出装置の設計方法。
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