JP6639790B2 - 積層複合板への接合に用いるスタッドピン接合装置、及びスタッドピン接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、積層複合板への接合に用いるスタッドピン接合装置、及びスタッドピン接合方法に係り、特に、樹脂板を金属板で挟んだ積層複合板に他の部材を接合するために設けられるスタッドピンを用いたスタッドピン接合装置、及びスタッドピン接合方法に関する。

図８に、積層複合板５の構成を示す。積層複合板５とは、サンドイッチパネルともいわれ、図８に示すように芯材２の両面を皮材３で挟んだ平板部材をいう。積層複合板５は、例えば、芯材が樹脂板２であり、皮材がアルミニウム合金や鋼板などの薄板金属板３からなる金属／樹脂積層複合板５が一般的である。

この金属／樹脂積層複合板５は、軽量構造材であり、例えば、皮材３のアルミニウムの不燃性、耐候性、芯材２の樹脂板の不燃性、断熱性などの特徴が組み合わされた建設資材として幅広く採用されている。例えば、建物の外装材、内装材、天井材だけではなく、サインパネル、店舗看板、道路標識などにも活用されている。

図８に、積層複合板５に取り付く他の接合部材４の実施例を示す。図８では、接合部材４は、アングル鋼材の場合を示す。一般的に、積層複合板５に用いられる金属製の薄板に対して他の部材を接合する場合、スタッドピンを用いて、例えば、ガス溶接、アーク溶接、抵抗スポット溶接などの一般的な溶融溶接法により締結する技術が知られている。本発明は、図８に示すように板厚が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの金属板３により樹脂板２を挟んだ金属／樹脂積層複合板５に金属的接合をするスタッドピン１に係る発明である。

特許文献１には、先端に溶接電流を効率良く流して、溶接の仕上がりをきれいにするとともに、溶接の作業能率を向上させるスタッドピンが開示されている。このスタッドピンは、ダクトに断熱材を内張し、その断熱材をダクトの内壁に止める止め金具として使用すされる。そして、スタッドピンは軸ピンの後端に座金を固定し、軸ピンの先端には先鋭な形状であり、その先端を金属板に電気溶接機によりスポット溶接する端部を設けている。また、軸ピンの側面に、その後端側から先端側に向けて複数の凸条と複数の凹条とを交互に配列した放熱部を設けること、が記載されている。

また、特許文献２には、スポット溶接による壁面塗料焼損部の補修を容易かつ迅速に行なえるようにするスタッド溶接ピンが開示されている。このスタッド溶接ピンは、船舶製品の防熱工事などに適用される。そして、表面に塗料を塗布したのち、防熱材を貼着した船体鋼板等の上表面にスタッドピン打ち器により打ち込みスポット溶接を行なうスタッド溶接ピンの長手方向中心部を中空状部に形成し、このピンの基部にワッシャ部と、塗料注入口を形成し、またこのピンの先端部に複数の塗料吐出口を穿設し、これを中空部と連通させたスタッド溶接ピン、が記載されている。

しかしながら、金属／樹脂積層複合板の表面層（金属板）は、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍと非常に薄い板材であり、上述したスタッドピン或いはスタッド溶接ピンを接合しようとすると、溶接に必要な熱が金属／樹脂積層複合板の内部層（樹脂板）にまで伝達し、表面の金属層のみならず内部の樹脂層までが溶融してしまい、内部層（樹脂板）が損なわれてしまう。すなわち、溶接による熱影響部が金属／樹脂積層複合板の内部層（樹脂板）にまで及んでしまう。

そこで、現状では、金属／樹脂積層複合板の表面から内部の樹脂までを穴明け加工した後、アンカー付きのスタッドピンを挿入するという機械的な接合が実施されている。

非特許文献１には、金属／樹脂積層複合板への機械的な接合方法が記載されている。ここでは、アルミ樹脂積層複合板に対して他の部材であるハット型のアルミ形材がＳＰリベットと称されている特殊なリベットにより機械的に接合されている。

また、近年、接合部材を溶融することなく固相（固体）状態のまま加熱し軟化させ、さらに加圧して塑性変形を与えて接着する固相溶接法の研究が進められている。非特許文献２には、固相溶接による鉄鋼とアルミニウム合金との溶接方法に関する一つの研究論文を示す。本発明は、特に高速固相溶接法と称される接合法に関連する。この高速固相溶接法は、放電時間を数ミリ秒という非常に短時間で行うため、接合部周辺への伝導熱が小さく、熱による板材の歪や溶接痕を発生させずに接合が可能となる接合法である。本発明は、高速固相溶接法を金属／樹脂積層複合板の接合に展開させ、後述する効果を発揮させた発明である。

実開平５−８９９２７号公報 特開平８−２９４７８０号公報

積水樹脂プラメタル株式会社製カタログ「セキスイ不燃アルミ樹脂積層複合板 プラメタルＦＲシリーズ 第４ページ図中のＳＰリベット（特殊リベット） 「回転ピンによる鉄鋼とアルミニウム合金の固相溶接」渡辺 健彦、柳沢 敦、高山 博史著 溶接学会論文集 第２２巻 ｐ．１４１−１４８（２００４）

上述したように、金属／樹脂積層複合板に他の部材を接合する方法として、従来のスタッド、スタッドピン、或いはスタッド溶接ピンを用いた溶接方法では、溶接に必要な熱が金属／樹脂積層複合板の内部層（樹脂板）にまで伝達し、表面の金属層のみならず内部の樹脂層までが溶融してしまい、内部層（樹脂板）が損なわれてしまう、という問題があった。

一方、金属／樹脂積層複合板への機械的な接合方法は、内部層（樹脂板）への熱影響はないものの、精緻な機械加工が要求されるため熟練度が高く、不良率の高い作業となる、という問題があった。さらに、この機械的な接合方法では、作業時間及び施工コストが嵩むという問題もあった。

本願の目的は、かかる課題を解決し、溶接熱により積層複合板の内部の樹脂板に熱影響を生じさせずにスタッドピンを金属板に高品質かつ経済的に接合するスタッドピン接合装置、及びスタッドピン接合方法を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明に係る積層複合板への接合に用いるスタッドピン接合装置は、樹脂板の両面を金属板で挟んだ積層複合板の金属板の表面にスタッドピンを用いて他の部材を接合するために設けられるスタッドピン接合装置において、スタッドピンは、円筒状の筒部と、外側に膨出した環状膨出部とからなり、接合される金属板の底部には、金属板に向かって凸となる逆三角形の環状突起部が設けられ、スタッドピンが嵌め込まれる内側円筒管と、内側円筒管を覆って金属板の表面に接触する外側円筒管とからなる二重円筒型電極に覆われて金属板の表面に接合され、円筒状の筒部と環状膨出部との交点となる係止部に内側円筒管を係止させることを特徴とする。

上記構成により、スタッドピンは、筒状の部材であり、接続する金属板に対して環状に接触し、電流が確実に伝わるため高品質な金属的接合となる。また、接続する金属板側の端部には外側に膨出した環状膨出部が設けられ、この環状膨出部を利用してスタッドピンに圧力を均一に加えることができる。また、スタッドピンの形状を簡素な構成にすることでより経済的な金属的接合となる。また、スタッドピン及び金属板は円環状のプロジェクションにより電流を確実に伝えることができる。さらに、スタッドピンの形状を簡素な構成にすることでより経済的な金属的接合となる。

上述したように、スタッドピン自体の形状を工夫し、固相溶接法によりスタッドピンを積層複合板に金属的接合する際に、高品質かつ経済的な接合が可能となる。

上記目的を達成するため、本発明に係る積層複合板への接合に用いるスタッドピン接合装置は、上述したスタッドピンを用い、スタッドピンは、内側円筒管と外側円筒管とからなる二重円筒型電極に覆われて金属板の表面に接合されることを特徴とする。

上記構成により、スタッドピンを積層複合板に金属的接合する装置として、内側円筒管と外側円筒管とからなる二重円筒型電極が設けられる。これにより、内側円筒管によりスタッドピンを加圧する機構と、内側円筒管と外側円筒管とにより電極としてスタッドピンの環状突起部と金属板の表面とに電流を流す機構を共に有することができ、スタッドピンを積層複合板に金属的接合をする際に、高品質かつ経済的な接合が可能となる。

また、スタッドピン接合装置は、二重円筒型電極がスタッドピンが嵌め込まれる内側円筒管と、内側円筒管を覆って金属板の表面に接触する外側円筒管と、スタッドピンを加圧する加圧手段と、スタッドピンを金属板に電気的接合させるコンデンサとからなることが好ましい。これにより、内側円筒管によりスタッドピンが嵌め込まれて加圧が可能となり、スタッドピンを嵌め込む内側円筒管と内側円筒管を覆って金属板の表面に接触する外側円筒管とにより電極としてスタッドピンの環状突起部と金属板の表面とに電流を流す機構を共に有することができ、スタッドピンを積層複合板に金属的接合をする際に、高品質かつ経済的な接合が可能となる。

さらに、スタッドピン接合装置は、加圧手段によりスタッドピンを金属板の表面に加圧させ、コンデンサから放電される電流をスタッドピンの環状突起部から金属板の表面に流して、スタッドピンと金属板の表面とを接合することが好ましい。これにより、スタッドピン接合装置は、加圧手段及びコンデンサを備えれば、スタッドピンと二重円筒型電極とにより簡易に金属板への固相溶接を実現することができる。

上記目的を達成するため、本発明に係るスタッドピン接合方法は、樹脂板の両面を金属板で挟んだ積層複合板の金属板の表面に他の部材を接合するスタッドピン接合方法において、スタッドピンに内側円筒管と、内側円筒管を覆って金属板の表面に接触する外側円筒管とからなる二重円筒型電極を差し込み、二重円筒型電極を円筒状の筒部と環状膨出部との交点となる係止部に係止させてスタッドピンを接合させる金属板の表面に相対させるステップと、スタッドピンの環状突起部を金属板の表面に接触させて加圧するステップと、電流を前記スタッドピンの環状突起部を経由して金属板に通電させるステップと、スタッドピンの先端部と金属板の表面とを接合させるステップと、を備えることを特徴とする。

上記構成により、二重円筒型電極を用いてスタッドピンを積層複合板の金属板に対して高品質かつ経済的に接合することができる。また、金属板への固相溶接を簡易に実現することができる。

また、スタッドピン接合方法は、スタッドピンの環状突起部を前記金属板の表面に接触させて加圧するステップでは、前記スタッドピンは、前記二重円筒型電極の内側円筒管を介して加圧されることが好ましい。これにより、加圧手段による空気圧を容易にかつ確実に、スタッドピンに伝達することができる。

さらに、スタッドピン接合方法は、電流をスタッドピンの環状突起部を経由して金属板に通電させるステップにおいて、スタッドピンは、二重円筒型電極の内側円筒管及び外側円筒管を介して通電されることが好ましい。これにより、コンデンサからの電流を容易にかつ確実に、スタッドピンの環状突起部に伝達することができる。

以上のように、本発明に係る積層複合板への接合に用いるスタッドピン接合装置、及びスタッドピン接合方法によれば、溶接熱により積層複合板の内部の樹脂板に熱影響を生じさせずにスタッドピンを金属板に高品質かつ経済的に接合するスタッドピン接合装置、及びスタッドピン接合方法を提供することができる。

本発明に係るスタッドピン接合装置の一つの実施形態の概略構成を示す断面図である。 本発明に係るスタッドピンを用いたスタッドピン接合装置の一つの実施形態の概略構成を示す説明図である。 スタッドピン接合方法の流れを示すフロー図である。 スタッドピン接合方法の第１ステップであり、スタッドピンに二重円筒型電極を差し込んだ状態を示す説明図である。 スタッドピン接合方法の第２ステップであり、スタッドピンの環状突起部を金属板の表面に接触させ、加圧して金属板の表面に押しつけた状態を示す説明図である。 スタッドピン接合方法の第３ステップであり、コンデンサから放電される電流がスタッドピンの環状突起部から金属表面に流れる状態を示す説明図である。 スタッドピン接合方法の第４ステップであり、スタッドピンが金属板の表面に接合した状態を示す説明図である。 積層複合板の構成、及び積層複合板に取り付く他の接合部材の実施例を示す斜視図である。

（スタッドピンの構成）
以下に、図面を用いて本発明に係るスタッドピン１につき、詳細に説明する。図１に、金属／樹脂積層複合板５に接合されるスタッドピン１の一つの実施形態を断面図にて示す。

本発明におけるスタッドピン１は、金属／樹脂積層複合板５に他の部材、例えば図８のアングル材などを接合するために設けられる部品である。このスタッドピン１は、内部に空洞部６を有する筒状の部材であり、円筒部１８と環状膨出部７と環状突起部８とから構成される。

スタッドピン１により接合される金属／樹脂積層複合板５は、芯材である樹脂板２の両面を皮材である金属板３ａ，３ｂで挟んだ積層複合板５である。金属板３はアルミニウム合金やステンレス鋼などの鋼板の薄板であり、板厚は０．１ｍｍ〜０．５ｍｍである。この金属板３ａの表面には、防錆のために酸化被膜１３が施される。

円筒部１８は、内部に空洞部６を有する筒状の部品である。この円筒部１８の内側にはねじ部１７が設けられている。スタッドピン１が金属／樹脂積層複合板５に接合されると。このねじ部１７にボルトなどの締結材が締め込まれ、他の部材、例えば図８に示すようなアングル材などとの連結が行われる。

環状膨出部７は、接合する金属板３ａ側の端部に設けられる外側に膨出した部分である。後述するように、スタッドピン１には加圧手段により圧力が加えられるが、この環状膨出部７は、スタッドピン１の底部の強度を高め、例えば座屈などによる破壊、破損、強度低下などを防止する役割を担う。また、円筒部１８と環状膨出部７との交点となる係止部１９は、後述するように加圧されて押しこまれた二重円筒型電極１０の内側円筒管１１が係止する点となる。

環状突起部８は、スタッドピン１が接合する金属板３ａ側の底部に設けられ、金属板３ａに向かって凸となる逆三角形のプロジェクションである。但し、このプロジェクションの形状は、逆三角形に限らず先端部が突出した形状であれば他の形状であっても良い。この環状突起部８は、スタッドピン１が接合する金属板３ａの接触部２２に接触して押しつけられる。そして、後述するように、コンデンサ１６から放電された電流が内側円筒管１１から環状突起部８へと流れ、金属板３ａの接触部２２へ伝わり、さらに外側円筒管１２へと流れる。この環状突起部８は、環状のプロジェクションであるため接触点が円形となり、安定した接合効果が得られる。

（スタッドピンを用いたスタッドピン接合装置の構成）
以下に、図面を用いて本発明に係るスタッドピン１を用いたスタッドピン接合装置２０につき、詳細に説明する。図２に、スタッドピン接合装置２０の一つの実施形態の概略構成を示す。図２（ａ）は、スタッドピン１、スタッドピン接合装置２０及び金属／樹脂積層複合板５を示す断面図であり、図２（ｂ）は、熱影響部２１を示す部分拡大図である。

本実施形態では、スタッドピン接合装置２０には二重円筒型電極１０が用いられる。この二重円筒型電極１０は、スタッドピン１が嵌め込まれる内側円筒管１１、内側円筒管１１を外側から覆う外側円筒管１２と、加圧手段１５と、コンデンサ１６を含む電気回路とから構成される。

内側円筒管１１は、環状のスタッドピン１を嵌め込んで加圧手段１５により金属板３ａ側に押し込む。そのため、内側円筒管１１は、スタッドピン１の円筒部１８と環状膨出部７との交点となる係止部１９に係止する。すなわち、環状のスタッドピン１に対して同様に環状でありより大きな径を有する内側円筒管１１は、スタッドピン１の環状膨出部７による径の拡大により安定的に係止される。そして、内側円筒管１１は、加圧手段１５からの圧縮力を円滑にスタッドピン１に伝達する。

外側円筒管１２は、内側円筒管１１より大きな径を有し、内側円筒管１１を外側から包み込む。そして、金属板３ａの表面に接触し、環状突起部８と金属板３ａとが金属的接合する間に、軟化して塑性変形する環状突起部８を外側から遮蔽する。また、外側円筒管１２は電気回路の一部を構成し、環状突起部８と金属板３ａとを十分に金属的接合させる。

加圧手段１５は、内側円筒管１１によりスタッドピン１を金属板３ａの表面に加圧させ、コンデンサ１６から放電される電流をスタッドピン１の環状突起部８から金属板３ａの接触部２２に流して、スタッドピン１と金属板３ａとを接合する。

コンデンサ１６は、大電流を放電して環状突起部８を軟化させて塑性変形させる。そして、スタッドピン１の環状突起部８と金属板３ａとを電気的に接合させる。このコンデンサ１６は、内側円筒管１１からスタッドピン１に流れ、環状突起部８から金属板３ａへと流れ、外側円筒管１２を経由する電気回路の一部に組み込まれる。

ここで、スタッドピン接合装置２０による金属的接合のメカニズムを説明する。スタッドピン接合装置２０は、スタッドピン１を内側円筒管１１に取り付け、空気圧により金属板３ａの表面に押し付ける。そして、コンデンサ１６からの放電電流が内側円筒管１１から外側円筒管１２に流れる。すると、ジュール熱により接触部２２の局所的な温度上昇が発生する。数ミリ秒という非常に短時間の放電大電流と加圧により、環状突起部８を軟化させて塑性変形させる。金属／樹脂積層複合板５の表面の酸化被膜１３が破壊されると、新生面の接触が生じて金属／樹脂積層複合板５の表面とスタッドピン１の環状突起部８の金属との金属的接合が完成する。

本発明によれば、接合時の熱影響部２１は、金属板３ａのごく表面のみに限られるので、金属／樹脂積層複合板５の芯材である樹脂板２には熱影響が及ばない。従って、スタッドピン１を金属／樹脂積層複合板５の皮材である金属板３ａに高品質かつ経済的に接合することができる。

（スタッドピン接合方法）
図３に、樹脂板２の両面を金属板３で挟んだ金属／樹脂積層複合板５に他の接合部材４を接合するスタッドピン接合方法について、その流れをフロー図で示す。なお、各ステップは、Ｓ１〜Ｓ４で示す。

図４に、スタッドピン接合方法の第１ステップであり、スタッドピン１に二重円筒型電極１０を差し込んだ状態を示す。図４に示すように、スタッドピン１の円筒部１８には、二重円筒型電極１０の内側円筒管１１が差し込まれる。そして、スタッドピン１は、内側円筒管１１の断面形が環状膨出部７として拡張する始点である係止部１９で内側円筒管１１に保持される。そして、スタッドピン１を接続させる金属板３の表面に環状突起部８を相対させる。この第１ステップにより、スタッドピン１を金属板３に接合する準備が整う。

図５に、スタッドピン接合方法の第２ステップであり、スタッドピン１の環状突起部８を金属板３の表面に接触させ、加圧して金属板３の表面に押しつけた状態を示す。このステップでは、図１に示す加圧手段１５により、二重円筒型電極１０の内側円筒管１１が金属板３の方向に押し下げられ、係止部１９を介してスタッドピン１の環状突起部８が金属板３の表面に接触するまで押し下げられる。また、外側円筒管１２も同様に金属板３の表面に接触するまで押し下げられる。

スタッドピン１の環状突起部８を金属板３の表面に接触させて加圧する上記ステップでは、スタッドピン１は、二重円筒型電極１０の内側円筒管１１を介して加圧される。すなわち、二重円筒型電極１０の内側円筒管１１は、加圧手段１５により環状突起部８と金属板３とを十分に接触させるという役割を担う。

図６に、スタッドピン接合方法の第３ステップであり、コンデンサ１６から放電される電流がスタッドピン１の環状突起部８から金属板３の表面に流れる状態を示す。このステップでは、二重円筒型電極１０の内側円筒管１１は加圧手段１５により金属板３の方向に加圧され、スタッドピン１の環状突起部８を金属板３の表面に十分に接触させるとともに、図１に示すコンデンサ１６から二重円筒型電極１０の内側円筒管１１に電流が流れ、その電流はスタッドピン１の環状突起部８から金属板３の表面に流れ、金属板３に達する。そして、電流は、二重円筒型電極１０の外側円筒管１２経由してコンデンサ１６に戻る。

電流をスタッドピン１の環状突起部８を経由して金属板３ａに通電させる上記ステップにおいて、スタッドピン１は、二重円筒型電極１０の内側円筒管１１及び外側円筒管１２を介して通電される。すなわち、二重円筒型電極１０の内側円筒管１１は、外側円筒管１２と協働して電気回路を構成し、環状突起部８と金属板３ａとを十分に金属的接合させるという役割を担う。

図７に、スタッドピン接合方法の第４ステップであり、スタッドピン１が金属板３の表面に接合した状態を示す。このステップでは、ステップ３においてスタッドピン１の環状突起部８と金属板３との接合が完了し、二重円筒型電極１０の内側円筒管１１及び外側円筒管１２が外された状態を示す。この金属的接合による熱影響部２１は、金属板３の厚み内に留まり、樹脂板２には熱影響が及ばない。

１ スタッドピン、２ 芯材又は樹脂板、３ 皮材又は金属板，３ａ 金属板（表面），３ｂ 金属板（裏面）、４ 接合部材（アングル鋼材）、５ 積層複合板又は金属／樹脂積層複合板、６ 空洞部、７ 環状膨出部、８ 環状突起部、１０ 二重円筒型電極、１１ 内側円筒管、１２ 外側円筒管、１３ 酸化被膜、１５ 加圧手段、１６ コンデンサ、１７ ねじ部、１８ 円筒部、１９ 係止部、２０ スタッドピン接合装置、２１ 熱影響部、２２ 接触部。

Claims (6)

1. 樹脂板の両面を金属板で挟んだ積層複合板の前記金属板の表面にスタッドピンを用いて他の部材を接合するために設けられるスタッドピン接合装置において、
   前記スタッドピンは、円筒状の筒部と、外側に膨出した環状膨出部とからなり、接合される前記金属板の底部には、前記金属板に向かって凸となる逆三角形の環状突起部が設けられ、
   前記スタッドピンが嵌め込まれる内側円筒管と、前記内側円筒管を覆って前記金属板の表面に接触する外側円筒管とからなる二重円筒型電極に覆われて前記金属板の表面に接合され、
   前記円筒状の筒部と前記環状膨出部との交点となる係止部に前記内側円筒管を係止させることを特徴とする積層複合板への接合に用いるスタッドピン接合装置。
2. 請求項１に記載の積層複合板への接合に用いるスタッドピン接合装置であって、前記二重円筒型電極は、更に前記スタッドピンを加圧する加圧手段と、前記スタッドピンを前記金属板に電気的接合させるコンデンサとを含むことを特徴とする積層複合板への接合に用いるスタッドピン接合装置。
3. 請求項２に記載の積層複合板への接合に用いるスタッドピン接合装置であって、前記加圧手段により前記スタッドピンを前記金属板の表面に加圧させ、前記コンデンサから放電される電流を前記スタッドピンの環状突起部から前記金属板の表面に流して、前記スタッドピンと前記金属板の表面とを接合することを特徴とする積層複合板への接合に用いるスタッドピン接合装置。
4. 樹脂板の両面を金属板で挟んだ積層複合板の金属板の表面に他の部材を接合するスタッドピン接合方法において、
   スタッドピンに内側円筒管と、前記内側円筒管を覆って前記金属板の表面に接触する外側円筒管とからなる二重円筒型電極を差し込み、前記二重円筒型電極を円筒状の筒部と環状膨出部との交点となる係止部に係止させて前記スタッドピンを接合させる前記金属板の表面に相対させるステップと、
   前記スタッドピンの環状突起部を前記金属板の表面に接触させて加圧するステップと、
   電流を前記スタッドピンの前記環状突起部を経由して前記金属板に通電させるステップと、
   前記スタッドピンの先端部と前記金属板の表面とを接合させるステップと、を備えることを特徴とする積層複合板への接合に用いるスタッドピン接合方法。
5. 請求項４に記載の積層複合板への接合に用いるスタッドピン接合方法であって、前記スタッドピンの環状突起部を前記金属板の表面に接触させて加圧するステップでは、前記スタッドピンは、前記二重円筒型電極の前記内側円筒管を介して加圧されることを特徴とする積層複合板への接合に用いるスタッドピン接合方法。
6. 請求項４又は５に記載の積層複合板への接合に用いるスタッドピン接合方法であって、電流を前記スタッドピンの前記環状突起部を経由して前記金属板に通電させるステップにおいて、前記スタッドピンは、前記二重円筒型電極の前記内側円筒管及び前記外側円筒管を介して通電されることを特徴とする積層複合板への接合に用いるスタッドピン接合方法。

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