JPWO2018155073A1 - 電動工具 - Google Patents

Abstract

高調波を抑制可能な電動工具を提供するため、電動工具としての携帯用切断機１は、モータ６、交流を直流に変換するダイオードブリッジ４２、モータ６に駆動電流を供給するインバータ回路４３、モータ６の起動を指示するトリガ部５、ダイオードブリッジ４２の出力端子間に設けられた電解コンデンサＣ２、Ｃ３、及びダイオードブリッジ４２の出力端子間に電解コンデンサＣ２、Ｃ３と直列接続されたスイッチング素子Ｑ７、を備える。トリガ部５によりモータ６の起動が指示された後、低負荷時にはスイッチング素子Ｑ７をオフ状態とし、高負荷時にはスイッチング素子Ｑ７をオン状態とする。【選択図】図３

Description

本発明は、ブラシレスモータを駆動源とする交流駆動の電動工具に関する。

ブラシレスモータを駆動源とする交流駆動の電動工具は、ダイオードブリッジ等の整流回路、モータに駆動電流を供給するインバータ回路、及びインバータ回路のサージ電圧を吸収するコンデンサを備える。グラインダや丸のこ等の出力の高い電動工具の場合、大きなリプル電流を許容するために、コンデンサの容量を大きくする必要がある。下記特許文献１は、整流回路の出力側に、静電容量の異なる２つのコンデンサを並列接続した平滑回路を設け、インバータ回路のサージ電圧及びピーク電流を抑制している。

国際公開第２０１６／１５８１３３号

交流駆動の電動工具では、無負荷時の高調波を小さくすることが好ましいが、整流回路の出力側に設けるコンデンサの容量を大きくすると、力率が悪くなり高調波も大きくなるという問題がある。これを改善するために力率改善回路を設けると電動工具が大きくなってしまう。

本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、高調波を抑制可能な電動工具を提供することにある。また、高調波を抑えつつ大型化も抑えた電動工具を提供することにある。

本発明のある態様は、電動工具である。この電動工具は、
ブラシレスモータと、
交流を直流に変換する整流回路と、
前記ブラシレスモータに駆動電流を供給するインバータ回路と、
前記ブラシレスモータの起動を指示するトリガ部と、前記整流回路の出力端子間に、前記インバータ回路と並列に設けられたコンデンサと、前記コンデンサと直列に接続された第１スイッチと、を備え、
前記ブラシレスモータの負荷が大きくなっていくと前記第１スイッチをオフ状態からオン状態に切り替えるように構成されたことを特徴とする。

前記ブラシレスモータによって駆動される先端工具を備え、
前記トリガ部により前記ブラシレスモータの起動が指示された後、前記先端工具が相手材に接触していない状態では、前記第１スイッチをオフ状態としてもよい。

相手材に対する前記先端工具の接触力を大きくしていく過程で前記第１スイッチをオン状態に切り替えてもよい。

負荷が閾値以下の場合に前記第１スイッチをオフ状態とし、負荷が所定値を超えた場合に前記第１スイッチをオン状態としてもよい。

負荷を前記ブラシレスモータを流れる電流としてもよい。

前記コンデンサが第１コンデンサであり、
前記第１コンデンサ及び前記第１スイッチと並列に接続された、前記第１コンデンサより容量が小さい第２コンデンサ、を備えてもよい。

前記トリガ部は、前記整流回路と前記インバータ回路との間の電流経路に設けられた第２スイッチのオンオフを切り替えるものであり、
前記コンデンサ及び前記第１スイッチは、前記第２スイッチの前記整流回路側に設けられてもよい。

前記インバータ回路を制御する制御部を備え、
前記第１スイッチは、前記制御部によって制御されるスイッチング素子で構成されてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、高調波を抑制可能な電動工具を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る電動工具としての携帯用切断機（携帯用丸鋸）１の斜視図。 携帯用切断機１の側断面図。 携帯用切断機１の制御ブロック図。 比較例に係る携帯用切断機の制御ブロック図。 図３及び図４においてダイオードブリッジ４２の出力端子間の容量の大小を変えた場合の、交流電流波形及び直流電圧波形の違いを示す波形図。 携帯用切断機１の制御フローチャート。 携帯用切断機１の動作の一例を示すタイムチャート。 本発明の実施の形態２に係る携帯用切断機１Ａの制御ブロック図。 本発明の実施の形態３に係る携帯用切断機１Ｂの制御ブロック図。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

（実施の形態１） 図１は、本発明の実施の形態１に係る電動工具としての携帯用切断機（携帯用丸鋸）１の斜視図である。図２は、携帯用切断機１の側断面図である。図１により、前後、上下、左右の各方向を定義する。携帯用切断機１は、本体１０、ベース３０、スタンド部４０、連結部材５０、及びブラケット６０、を備える。携帯用切断機１の機械的構成は周知であり、以下では簡単な説明に留める。

本体１０は、ベース３０に対して、左右方向又は左右の一方向に傾動可能かつ上下方向に揺動可能に支持される。本体１０は、ハウジング１１及びギヤカバー１３により外殻が形成される。ハウジング１１は、例えば樹脂成形体であり、図３に示すモータ（電動モータ）６を内部に収容する。ハンドル部１２は、ハウジング１１に設けられる。ハンドル部１２には、使用者がモータの起動を指示するためのトリガ部５が設けられる。ギヤカバー１３は、例えばアルミ等の金属製であり、モータ６の回転を減速して鋸刃１６に伝達する不図示の減速機構を覆うと共に、鋸刃１６の上半分を覆う。保護カバー１５は、例えば樹脂成形体であり、鋸刃１６の下半分を開閉可能に覆う。先端工具（回転具）としての鋸刃１６は、円板状の回転刃であり、モータ６によって回転駆動される。鋸刃１６は、ベース３０の貫通穴３１を通ってベース３０の下面から下方に突出する。

ベース３０は、例えばアルミ等の金属製の略長方形の板材である。ベース３０の長手方向は切断進行方向と一致する。ベース３０の底面は、被削材との摺動面である。ベース３０は、鋸刃１６を通すための貫通穴３１を有する。スタンド部４０は、ベース３０の前端部に立設され、本体１０の傾動位置を調節する傾動位置調節機構を構成する。スタンド部４０は、ベベルプレート部４７を有する。ベベルプレート部４７は、前後方向と略垂直であって、傾動ガイド穴４８を有し、本体１０の傾動ガイドとして機能する。傾動ガイド穴４８は、前後方向と略平行な傾動軸４９を中心とする円弧状の長穴である。連結部材５０は、本体１０とスタンド部４０とを連結する部材であり、一端が傾動軸４９に回動可能に支持される。連結部材５０の他端は、本体１０のハウジング１１を回動可能に支持する。使用者は、傾動固定レバー５１を緩めることで、連結部材５０を傾動軸４９を中心に回動可能とし、本体１０の傾動位置を調節できる。また、使用者は、傾動固定レバー５１を締めることで、連結部材５０の回動位置を固定し、本体１０の傾動位置を固定できる。ブラケット６０は、切込み深さ調整機構を構成する不図示のリンクの支持体であり、貫通穴３１の後方に設けられる。前記リンクは、本体１０を上下方向に揺動可能（すなわち鋸刃１６による切込み深さを調整可能）とする。

図２に示すように、ハウジング１１の内部には、図３に示す交流電源５１に接続する接続手段としての電源コード７の延出元付近となる位置に、メイン基板４１が設けられる。メイン基板４１には、電解コンデンサＣ２〜Ｃ４及びスイッチング素子Ｑ７が設けられ、また図２には現れないが、図３に示すダイオードブリッジ４２、インバータ回路４３、制御部５０、フィルタ回路５２、ＩＰＤ回路５３、及びレギュレータ５４等も設けられる。

図３は、携帯用切断機１の制御ブロック図である。交流電源５１には、ノイズ対策用のフィルタ回路５２を介して、交流を直流に変換する整流回路としてのダイオードブリッジ４２が接続される。フィルタ回路５２は、ヒューズＦin、バリスタＺ１、パターンヒューズＦ１、コンデンサＣ１、抵抗Ｒ１、及びチョークコイルＬ１を含む。ヒューズＦinは、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６が短絡した場合の保護用である。バリスタＺ１は、サージ電圧吸収用である。パターンヒューズＦ１は、バリスタＺ１が働いた場合に線間がショートするのを防止する役割を持つ。コンデンサＣ１及びチョークコイルＬ１は、線間のノイズ除去用である。抵抗Ｒ１は、コンデンサＣ１の放電抵抗である。ダイオードブリッジ４２は、フィルタ回路５２からの出力電流（交流）を全波整流して直流に変換する。

ダイオードブリッジ４２の出力端子間には、第１コンデンサとしての電解コンデンサＣ２、Ｃ３、及び第１スイッチとしてのスイッチング素子Ｑ７が、インバータ回路４３と並列に設けられる。スイッチング素子Ｑ７は、図示の例ではＦＥＴであるが、ＩＧＢＴであってもよい。電解コンデンサＣ２、Ｃ３の一端は、ダイオードブリッジ４２の一方の出力端子に接続される。電解コンデンサＣ２、Ｃ３の他端は、スイッチング素子Ｑ７の一端に接続される。スイッチング素子Ｑ７の他端は、ダイオードブリッジ４２の他方の出力端子に接続される。スイッチング素子Ｑ７の制御端子としてのゲートには、制御部５０からの制御信号が入力される。ダイオードブリッジ４２の出力端子間には、電解コンデンサＣ２、Ｃ３、及びスイッチング素子Ｑ７と並列に、かつインバータ回路４３と並列に、第２コンデンサとしての電解コンデンサＣ４が設けられる。電解コンデンサＣ４は、電解コンデンサＣ２、Ｃ３より容量が小さい。

ダイオードブリッジ４２とインバータ回路４３との間の電流経路には、第２スイッチとしての接点スイッチ５ａが設けられる。電解コンデンサＣ２、Ｃ３、及びスイッチング素子Ｑ７は、接点スイッチ５ａのダイオードブリッジ４２側に設けられる。電解コンデンサＣ４は、接点スイッチ５ａのインバータ回路４３側に設けられる。接点スイッチ５ａは、トリガ部５の操作によってオンオフが切り替えられる。トリガ部５は、２極トリガスイッチの操作部であり、トリガ部５の操作により接点スイッチ５ａがオンになると、同時に制御部５０に繋がる接点が閉じ、制御部５０にオン信号が入力される。

インバータ回路４３は、三相ブリッジ接続されたＩＧＢＴやＦＥＴ等のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を含み、制御部５０の制御に従ってスイッチング動作することで、モータ６のステータコイル６ｅ（Ｕ，Ｖ，Ｗの各巻線）に駆動電流を供給する。モータ６は、インナーロータ型のブラシレスモータであり、ロータに複数の（例えば４つの）ロータマグネット（永久磁石）６ｃを有し、ロータの周囲にはステータコア６ｄが設けられ、ステータコア６ｄにはステータコイル６ｅが設けられる。抵抗Ｒsは、モータ６の電流経路に設けられる。抵抗Ｒsの両端間の電圧は、制御部５０に入力される。制御部５０は、抵抗Ｒsの両端間の電圧により、モータ６の電流（負荷）を検出する。また、制御部５０は、複数のホールＩＣ４５の出力電圧により、モータ６の回転位置（ロータ回転位置）を検出する。

ダイオードブリッジ４２の一方の出力端子には、ダイオードＤ１のアノードが接続される。ダイオードＤ１のカソードは、ＩＰＤ回路５３の第１入力端子に接続される。ダイオードブリッジ４２の他方の出力端子には、ＩＰＤ回路５３の第２入力端子が接続される。ＩＰＤ回路５３の第１及び第２入力端子間には、電解コンデンサＣ５が設けられる。ＩＰＤ回路５３は、インテリジェント・パワー・デバイス（Intelligent Power Device）であるＩＰＤ素子やコンデンサ等により構成された回路であり、ダイオードブリッジ４２の出力端子間の電圧を例えば約１８Ｖに降圧するＤＣ−ＤＣスイッチング電源回路である。ＩＰＤ回路５３は、集積回路であり、消費電力が小さく省エネルギーであるというメリットがある。ＩＰＤ回路５３の出力電圧は、レギュレータ５４によって例えば約５Ｖに更に降圧され、制御部５０に動作電圧（電源電圧Ｖcc）として供給される。ＩＰＤ回路５３及びレギュレータ５４は、制御部５０に動作電圧を供給する制御系電源回路を構成する。制御部５０は、例えばマイクロコントローラ（マイコン）である。

制御部５０は、トリガ部５の操作により接点スイッチ５ａがオンになったことを検出すると、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をスイッチング制御（例えばＰＷＭ制御）し、モータ６を駆動する。制御部５０は、後述のように、トリガ部５によりモータ６の起動が指示された後（接点スイッチ５ａがオンされた後）、スイッチング素子Ｑ７をオフ状態とし、その後、スイッチング素子Ｑ７をオン状態に切り替える制御を行う。スイッチング素子Ｑ７がオンの場合、ダイオードブリッジ４２の出力端子間の容量は、電解コンデンサＣ２〜Ｃ４の容量の和で、大容量となる。このため、サージ電圧吸収効果が高く、また許容リプル電流も大きい。一方、スイッチング素子Ｑ７がオフの場合、ダイオードブリッジ４２の出力端子間の容量は、電解コンデンサＣ４のみで小容量となる。このため、力率の悪化が抑制され、高調波が抑制される。

図４は、比較例に係る携帯用切断機の制御ブロック図である。本比較例の携帯用切断機は、実施の形態１の携帯用切断機１と比較して、電解コンデンサＣ３が無くなり、スイッチング素子Ｑ７の部分が短絡に替わった点で相違し、その他の点で一致する。本比較例では、ダイオードブリッジ４２の出力端子間の容量が固定されるため、容量を大きくすると高調波が大きくなり、容量を小さくするとサージ電圧吸収効果が低く且つ許容リプル電流が小さくなる。

図５は、図３及び図４においてダイオードブリッジ４２の出力端子間の容量の大小を変えた場合の、交流電流波形及び直流電圧波形の違いを示す波形図である。なお、ダイオードブリッジ４２の出力端子間の容量が大きい場合は、図３ではスイッチング素子Ｑ７がオンの場合に対応し、図４では電解コンデンサＣ２、Ｃ４の合計容量が大きい場合に対応する。また、ダイオードブリッジ４２の出力端子間の容量が小さい場合は、図３ではスイッチング素子Ｑ７がオフの場合に対応し、図４では電解コンデンサＣ２、Ｃ４の合計容量が小さい場合に対応する。図５に示す波形図は、上から順に、
・交流電源５１の電圧波形、
・無負荷かつダイオードブリッジ４２の出力端子間の容量が大きい場合の交流電源５１の電流波形、
・無負荷かつダイオードブリッジ４２の出力端子間の容量が小さい場合の交流電源５１の電流波形、
・高負荷かつダイオードブリッジ４２の出力端子間の容量が小さい場合のダイオードブリッジ４２の出力端子間電圧波形、
・高負荷かつダイオードブリッジ４２の出力端子間の容量が大きい場合のダイオードブリッジ４２の出力端子間電圧波形、
を示す。なお、交流電源５１の電流波形の波形図（図５の上から２つ目と３つ目の波形図）には、交流電源５１の電圧波形を破線で併せて示している。

図５の上から２つ目と３つ目の電流波形の比較から明らかなように、無負荷時又は低負荷時において、ダイオードブリッジ４２の出力端子間の容量が小さいと、容量が大きい場合と比較して、１サイクルあたりの通電時間が長くなり、力率の悪化が抑制され、高調波が抑制される。また、図５の上から４つ目と５つ目の電圧波形の比較から明らかなように、高負荷時において、ダイオードブリッジ４２の出力端子間の容量が大きいと、容量が小さい場合と比較して、サージ電圧がより吸収され、電圧のオーバーシュートが抑制される。そこで本実施の形態では、無負荷時ないし低負荷時は、スイッチング素子Ｑ７をオフにしてダイオードブリッジ４２の出力端子間の容量を小さくし、力率の悪化を抑制して高調波を抑制する。一方、高負荷時は、スイッチング素子Ｑ７をオンにしてダイオードブリッジ４２の出力端子間の容量を大きくし、サージ電圧吸収効果を高め且つ許容リプル電流を大きくする。

図６は、携帯用切断機１の制御フローチャートである。図６に示すフローチャートは、電源コード７が交流電源５１に接続されることによりスタートし、スタート時、トリガ部５はオフである。制御部５０は、初期状態として、モータ６を停止し（Ｓ１）、スイッチング素子Ｑ７をオフする（Ｓ２）。制御部５０は、トリガ部５がオンになると（Ｓ３のＹＥＳ）、インバータ回路４３のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をスイッチング制御し、モータ６を駆動する（Ｓ４）。制御部５０は、モータ６の駆動中にモータ６に流れる電流（以下「モータ電流」とも表記）を監視し、モータ電流が第１閾値以上になると（Ｓ５のＹＥＳ）、スイッチング素子Ｑ７をオンにする（Ｓ６）。その後、制御部５０は、モータ電流が第１閾値より小さい第２閾値以下になると（Ｓ７のＹＥＳ）、スイッチング素子Ｑ７をオフにする（Ｓ８）。

図７は、携帯用切断機１の動作の一例を示すタイムチャートである。図７に示すタイムチャートは、上から順に、交流電源５１からの入力電圧の実効値（以下「ＡＣ電圧実効値」とも表記）、トリガ部５のオンオフ、モータ６に流れる電流、スイッチング素子Ｑ７のオンオフ、を示す。時刻ｔ１において電源コード７が交流電源５１に接続されると、ＡＣ電圧実効値が立ち上がる。時刻ｔ１ではトリガ部５がオフであり、制御部５０は、モータ６を停止し、スイッチング素子Ｑ７をオフしている。時刻ｔ２においてトリガ部５がオンされると、制御部５０がモータ６を駆動し、モータ電流が立ち上がる。時刻ｔ２では、鋸刃１６は相手材に接触していない無負荷運転のため、モータ電流は第２閾値Ｉ２以下であり、制御部５０はスイッチング素子Ｑ７をオフに維持する。時刻ｔ３において鋸刃１６が相手材に接触し始めると、モータ電流が上昇する。その後、鋸刃１６を相手材に押し付けていく（相手材に対する鋸刃１６の接触力を大きくしていく）過程の時刻ｔ４においてモータ電流が第１閾値Ｉ１以上になると、制御部５０は、スイッチング素子Ｑ７をターンオンする。その後、鋸刃１６を相手材から離していく（相手材に対する鋸刃１６の接触力を小さくしていく）過程の時刻ｔ５においてモータ電流が第２閾値Ｉ２以下になると、制御部５０は、スイッチング素子Ｑ７をターンオフする。

本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。

(1) モータ電流が小さい無負荷ないし低負荷時は、スイッチング素子Ｑ７をオフにしてダイオードブリッジ４２の出力端子間の容量を小さくするため、出力端子間の容量が常に大きい場合と比較して高調波を抑制できる。また、モータ電流が大きい高負荷時は、スイッチング素子Ｑ７をオンにしてダイオードブリッジ４２の出力端子間の容量を大きくするため、出力端子間の容量が常に小さい場合と比較してサージ電圧吸収効果を高め且つ許容リプル電流を大きくすることができる。したがって、高調波の抑制と、高いサージ電圧吸収効果及び大きい許容リプル電流と、をバランス良く実現することができる。また、力率改善回路を設ける必要がないため、電動工具の大型化を抑制することができる。

(2) スイッチング素子Ｑ７をターンオンする第１閾値と、ターンオフする第２閾値と、の間に差を持たせ、第２閾値を第１閾値より小さくしているため、ターンオン及びターンオフを同一の閾値で行う場合と比較して、スイッチング素子Ｑ７のオンオフ動作の安定性が高められる。

（実施の形態２） 図８は、本発明の実施の形態２に係る携帯用切断機１Ａの制御ブロック図である。携帯用切断機１Ａは、実施の形態１の携帯用切断機１と比較して、電解コンデンサＣ４がフィルムコンデンサＣ７に替わった点で相違し、その他の点で一致する。本実施の形態も、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。

（実施の形態３） 図９は、本発明の実施の形態３に係る携帯用切断機１Ｂの制御ブロック図である。携帯用切断機１Ｂは、実施の形態１の携帯用切断機１と比較して、電解コンデンサＣ３が無くなった点で相違し、その他の点で一致する。本実施の形態も、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。

電動工具は、実施の形態で例示した携帯用切断機に限定されず、グラインダ等の他の種類のものであってもよい。第１スイッチとして、スイッチング素子Ｑ７に替えて、リレー等の接点スイッチを使用してもよい。また、負荷としてブラシレスモータに流れる電流を検出するのではなく、ブラシレスモータ又は先端工具（鋸刃）の回転数や、インバータ回路を構成するスイッチング素子のデューティ比等を検出してもよく、電流に限るものではない。負荷が大きくなるとブラシレスモータや先端工具の回転数が低下するため、回転数を検出してスイッチング素子Ｑ７のオンとオフを切り替えてもよい。ブラシレスモータを定速度制御する場合には、ブラシレスモータの回転数は一定となるように、スイッチング素子のデューティ比を増加させるため、このデューティ比を検出すれば負荷を検出することができる。

１，１Ａ，１Ｂ…携帯用切断機、７…電源コード、４２…ダイオードブリッジ、４３…インバータ回路、５０…制御部（マイクロコントローラ）、５１…交流電源、５２…フィルタ回路、５３…ＩＰＤ回路、５４…レギュレータ、Ｒｓ…検出抵抗

Claims (8)

1. ブラシレスモータと、
   交流を直流に変換する整流回路と、
   前記ブラシレスモータに駆動電流を供給するインバータ回路と、
   前記ブラシレスモータの起動を指示するトリガ部と、
   前記整流回路の出力端子間に、前記インバータ回路と並列に設けられたコンデンサと、
   前記コンデンサと直列に接続された第１スイッチと、を備え、
   前記ブラシレスモータの負荷が大きくなっていくと前記第１スイッチをオフ状態からオン状態に切り替えるように構成されたことを特徴とする、電動工具。
2. 前記ブラシレスモータによって駆動される先端工具を備え、
   前記トリガ部により前記ブラシレスモータの起動が指示された後、前記先端工具が相手材に接触していない状態では、前記第１スイッチをオフ状態とすることを特徴とする、請求項１に記載の電動工具。
3. 相手材に対する前記先端工具の接触力を大きくしていく過程で前記第１スイッチをオン状態に切り替えることを特徴とする、請求項２に記載の電動工具。
4. 負荷が閾値以下の場合に前記第１スイッチをオフ状態とし、負荷が所定値を超えた場合に前記第１スイッチをオン状態とすることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の電動工具。
5. 前記負荷は、前記ブラシレスモータを流れる電流であることを特徴とする、請求項４に記載の電動工具。
6. 前記コンデンサが第１コンデンサであり、
   前記第１コンデンサ及び前記第１スイッチと並列に接続された、前記第１コンデンサより容量が小さい第２コンデンサ、を備えることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の電動工具。
7. 前記トリガ部は、前記整流回路と前記インバータ回路との間の電流経路に設けられた第２スイッチのオンオフを切り替えるものであり、
   前記コンデンサ及び前記第１スイッチは、前記第２スイッチの前記整流回路側に設けられることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の電動工具。
8. 前記インバータ回路を制御する制御部を備え、
   前記第１スイッチは、前記制御部によって制御されるスイッチング素子で構成されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の電動工具。

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