KR101257592B1 - 듀얼 물리량 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 부품 개수나 비용을 삭감하는 것을 목적으로 한다.
제1 피측정 대상의 압력을 검출하는 압력 센서(3A)와, 제2 피측정 대상의 압력을 검출하는 압력 센서(3B)와, 압력 센서(3A) 및 압력 센서(3B)의 온도를 검출하는 온도 센서(4)와, 압력 센서(3A)의 검출 신호에서 온도 변화에 따른 변동분을 제외하는 보정을 실행하고, 이 보정 후의 신호를 제1 피측정 대상의 측정 신호로서 출력하는 제1 보정부와, 압력 센서(3B)의 검출 신호에서 온도 변화에 따른 변동분을 제외하는 보정을 실행하고, 이 보정 후의 신호를 제2 피측정 대상의 측정 신호로서 출력하는 제2 보정부를 포함하고, 온도 센서(4)를, 압력 센서(3A) 및 압력 센서(3B)와 서로 접촉한 상태로 일체화한다.

Description

듀얼 물리량 센서{DUAL PHYSICAL QUANTITY SENSOR}
본 발명은 듀얼 물리량 센서에 관한 것이다.
하기 특허문헌 1에는, 피측정 대상의 압력을 2개의 압력 센서로 각각 검출하는 듀얼 압력 센서가 개시되어 있다. 이 특허문헌 1의 듀얼 압력 센서는, 예컨대, 하기 특허문헌 2에 기재되어 있는 유량 제어 밸브의 밸브 본체에 부착하여, 차압 센서로서 사용할 수 있다. 이 경우에, 듀얼 압력 센서는, 밸브체보다 상류측의 유체 압력과 밸브체보다 하류측의 유체 압력을 각각 검출하여, 유량 제어 밸브를 제어하는 유량 측정 장치에 출력한다. 유량 측정 장치는, 상류측의 유체 압력과 하류측의 유체 압력의 차압에 기초하여 유량 제어 밸브의 유로 내를 흐르는 유체의 유량을 산출한다.
그런데, 압력 센서에는, 출력값이 사용시의 온도에 따라 변동하는 온도 특성을 갖는 것이 있다. 이러한 온도 특성을 갖는 압력 센서를 이용하여 유체의 유량을 정밀도 좋게 산출하기 위해서는, 압력 센서의 출력값을 적확하게 온도 보정하여, 출력값에서 온도 변화에 따른 변동분을 제외할 필요가 있다. 이 때문에, 특허문헌 1에서는, 2개의 압력 센서에 각각 온도 센서를 탑재하고, 이 온도 센서의 검출 온도를 이용하여 각 압력 센서의 검출값을 보정하고 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2009-31003호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 공개 제2009-115302호 공보
전술한 바와 같이 특허문헌 1의 듀얼 압력 센서는, 1개의 듀얼 압력 센서에 대하여 2개의 온도 센서를 갖출 필요가 있기 때문에, 부품 개수나 비용 삭감에 대한 요구에 응하는 것이 어려웠다.
그래서, 본 발명은, 부품 개수나 비용을 삭감할 수 있는 듀얼 물리량 센서를 제공하는 것을 목적의 하나로 한다.
본 발명에 따른 듀얼 물리량 센서는, 제1 피측정 대상의 물리량을 검출하는 제1 물리량 검출 소자와, 제2 피측정 대상의 물리량을 검출하는 제2 물리량 검출 소자와, 제1 물리량 검출 소자 및 제2 물리량 검출 소자의 온도를 검출하는 온도 검출 소자와, 제1 물리량 검출 소자의 검출 신호에서 온도 변화에 따른 변동분을 제외하는 보정을 실행하고, 이 보정 후의 신호를 제1 피측정 대상의 측정 신호로서 출력하는 제1 보정부와, 제2 물리량 검출 소자의 검출 신호에서 온도 변화에 따른 변동분을 제외하는 보정을 실행하며, 이 보정 후의 신호를 제2 피측정 대상의 측정 신호로서 출력하는 제2 보정부를 포함하고, 온도 검출 소자는, 제1 물리량 검출 소자 및 제2 물리량 검출 소자와 서로 접촉한 상태로 일체화되어 있다.
이러한 구성에 의해, 1개의 온도 검출 소자를, 제1 물리량 검출 소자 및 제2 물리량 검출 소자와 서로 접촉한 상태로 일체화할 수 있기 때문에, 제1 물리량 검출 소자 및 제2 물리량 검출 소자의 온도를 1개의 온도 검출 소자로 검출하는 것이 가능해진다.
상기 듀얼 물리량 센서에 있어서, 제1 물리량 검출 소자 및 제2 물리량 검출 소자의 온도를 동등하게 하는 발열기를 더 포함하는 것으로 하여도 좋다.
이에 따라, 피측정 대상 또는 듀얼 물리량 센서의 주변 온도가 변화된 경우라도, 발열기의 발열에 의해, 온도 변화에 따른 영향을 배제할 수 있는 레벨로까지 제1 물리량 검출 소자 및 제2 물리량 검출 소자의 온도를 상승시킬 수 있기 때문에, 물리량의 검출 정밀도를 향상시키는 것이 가능해진다.
상기 듀얼 물리량 센서에 있어서, 온도 검출 소자의 검출 온도가 미리 정해진 온도가 되도록 발열기의 발열량을 제어하는 발열 제어부를 더 포함하는 것으로 하여도 좋다.
이에 따라, 예컨대, 제1 물리량 검출 소자 및 제2 물리량 검출 소자가 손상되는 온도로까지 상승하는 일이 없도록, 발열기의 발열량을 억제할 수 있게 된다.
본 발명에 따르면, 부품 개수나 비용을 삭감할 수 있는 듀얼 물리량 센서를 제공할 수 있다.
도 1은 실시형태에 있어서의 듀얼 압력 센서의 한쪽 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 II-II선 화살표 방향에서 본 단면도이다.
도 3은 실시형태에 있어서의 듀얼 압력 센서의 기능 구성도이다.
도 4는 제1 변형예에 있어서의 듀얼 압력 센서의 기능 구성도이다.
도 5는 제2 변형예에 있어서의 듀얼 압력 센서의 기능 구성도이다.
도 6은 제3 변형예에 있어서의 듀얼 압력 센서의 기능 구성도이다.
본 발명의 실시형태에 대해서 설명한다. 이하의 도면의 기재에서는, 동일 또는 유사한 부분을 동일 또는 유사 부호로 나타낸다. 단, 도면은 모식적인 것이다. 따라서, 구체적인 치수 등은 이하의 설명과 대조하여 판단해야 할 것이다. 또한, 도면 상호간에 있어서도 서로의 치수 관계나 비율이 상이한 부분이 포함된다.
본 실시형태에서는, 듀얼 물리량 센서로서, 예컨대, 2개의 압력 센서를 갖는 듀얼 압력 센서에 대해서 설명한다. 또한, 물리량은 압력에 한정되지 않고, 다른 물리량에도 마찬가지로 적용할 수 있다.
도 1은 실시형태에 있어서의 듀얼 압력 센서(1)의 한쪽 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 II-II선 화살표 방향에서 본 단면도이다. 듀얼 압력 센서(1)는, 기밀 용기(2)와, 2개의 압력 센서(3A, 3B)와, 온도 센서(4)와, 히터(5)와, 기판(6)과, 제어 회로(7)를 포함하여 구성된다.
기밀 용기(2)는, 합성 수지 등에 의해 형성되는 용기 본체(21) 및 덮개(22)를 갖는다. 이하의 기술에서는, 기밀 용기(2) 중, 덮개(22)가 있는 쪽을 위쪽으로 하고, 용기 본체(21)가 있는 쪽을 아래쪽으로 한다. 용기 본체(21)는, 위쪽으로 개구되는 바닥이 있는 상자형 용기이다. 용기 본체(21)의 바닥판에는, 2개의 압력 센서(3A, 3B)에 대응하여 삽입 관통 구멍(21h)이 각각 형성되어 있다. 덮개(22)는, 용기 본체(21)의 상면에 시일 부재(도시되지 않음)를 통해 나사 체결 고정됨으로써, 용기 본체(21)의 개구부를 기밀(氣密)하게 밀봉한다.
용기 본체(21)의 내부에는, 2개의 압력 센서(3A, 3B)가 서로 밀접하게 병렬 설치되고, 이들 압력 센서(3A, 3B)의 상면에 온도 센서(4)가 설치되어 있다. 압력 센서(3A, 3B)와 온도 센서(4)는 서로 접촉한 상태로 일체화되어 있다. 이와 같이, 2개의 압력 센서(3A, 3B) 끼리를 서로 밀접시켜 둠으로써, 압력 센서(3A, 3B)간의 온도차를 발생시키기 어렵게 할 수 있다.
압력 센서(3A, 3B)는, 각각의 도입 구멍(3h)으로부터 유입되는 피측정 대상의 압력을 각각 검출한다. 피측정 대상으로서는, 예컨대, 물이나 가스 등의 유체가 해당된다. 압력 센서(3A, 3B)로서는, 예컨대, 다이어프램(박육 감압부)이 형성된 반도체 기판(실리콘)과, 이 반도체 기판에 불순물 또는 이온의 주입 기술에 의해 형성되는 확산형 왜곡 게이지를 갖는 공지의 반도체 압력 센서가 해당된다. 확산형 왜곡 게이지는, 다이어프램의 피측정 압력에 의한 왜곡을, 피에조 저항 효과를 이용하여 검출하고, 전기 신호로 변환한다. 압력 센서(3A, 3B)는, 출력의 게인이나 오프셋이 사용 온도에 따라 변화된다고 하는 온도 특성을 갖는다.
온도 센서(4)는, 압력 센서(3A, 3B)의 온도를 검출한다. 히터(5)는, 압력 센서(3A, 3B)의 주위를 미리 정한 온도로 균일하게 따뜻하게 한다. 정해진 온도는, 피측정 대상이 취할 수 있는 온도 범위의 상한보다도 조금 높은 온도로 설정하는 것이 바람직하다. 예컨대, 피측정 대상이 취할 수 있는 온도 범위가 7℃∼65℃인 경우에는, 그 상한인 65℃보다도 조금 높은 70℃∼75℃ 정도로 설정한다. 이에 따라, 외기온의 변화 등에 의해 피측정 대상이나 듀얼 압력 센서의 주변 온도가 변화된 경우라도, 히터(5)의 발열에 의해, 온도 변화에 따른 영향을 배제할 수 있는 레벨로까지 압력 센서(3A, 3B)의 온도를 상승시킬 수 있기 때문에, 압력 센서(3A, 3B) 사이에 온도차가 발생하는 사태를 억지할 수 있다. 그러므로, 압력값의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있게 된다.
제어 회로(7)는, 기판(6) 상에 설치되어, 듀얼 압력 센서(1)의 각부의 동작을 제어한다. 제어 회로(7)는, 이하에 기술하는 듀얼 압력 센서(1)의 각 기능을 실현시킨다. 도 3을 참조하여 실시형태에 있어서의 듀얼 압력 센서(1)의 기능 구성에 대해서 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 듀얼 압력 센서(1)는, 히터부(71)와, 제1 압력 검출부(72A)와, 제2 압력 검출부(72B)와, 온도 검출부(73)와, 제1 보정부(74A)와, 제2 보정부(74B)를 포함한다. 또한, 도 3은, 듀얼 압력 센서(1)의 후단에, 유체의 유량을 측정하는 유량 측정 장치(100)를 설치한 경우의 구성예를 나타내고 있다.
히터부(71)는, 히터(5)를 구동시켜, 압력 센서(3A, 3B)를 미리 정한 온도로 따뜻하게 한다.
제1 압력 검출부(72A)는, 압력 센서(3A)로부터 검출 신호를 취득하고, 취득한 검출 신호를 제1 보정부(74A)에 출력한다. 제2 압력 검출부(72B)는, 압력 센서(3B)로부터 검출 신호를 취득하고, 취득한 검출 신호를 제2 보정부(74B)에 출력한다.
온도 검출부(73)는, 온도 센서(4)로부터 검출 온도를 취득하고, 취득한 검출 온도를 제1 보정부(74A) 및 제2 보정부(74B)에 출력한다.
제1 보정부(74A)는, 온도 검출부(73)로부터 취득한 검출 온도에 기초하여 제1 압력 검출부(72A)로부터 취득한 검출 신호를 보정하고, 보정 후의 신호를 제1 측정 신호로서 유량 측정 장치(100)에 출력한다. 제2 보정부(74B)는, 온도 검출부(73)로부터 취득한 검출 온도에 기초하여 제2 압력 검출부(72B)로부터 취득한 검출 신호를 보정하고, 보정 후의 신호를 제2 측정 신호로서 유량 측정 장치(100)에 출력한다.
제1 보정부(74A) 및 제2 보정부(74B)는, 각각 셀렉터부(A1, B1), A/D 변환부(A2, B2), 보정 연산부(A3, B3) 및 보정식 기억부(A4, B4)를 갖는다. 셀렉터부(A1, B1)는, 예컨대, 멀티플렉서로서, 제1 압력 검출부(72A) 또는 제2 압력 검출부(72B)와 온도 검출부(73)로부터 각각 신호를 수신하고, 어느 하나의 신호를 선택하여 A/D 변환부(A2, B2)에 출력한다.
A/D 변환부(A2, B2)는, 셀렉터부(A1, B1)로부터 수신한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 보정 연산부(A3, B3)에 출력한다. 보정 연산부(A3, B3)는, A/D 변환부(A2, B2)로부터 수신한 디지털 신호에 대응하는 압력값을, 보정식 기억부(A4, B4)에 기억되어 있는 보정식을 이용하여 보정 처리를 실행하고, 보정 처리 후의 압력값에 대응하는 신호를 측정 신호로서 유량 측정 장치(100)에 출력한다. 보정식으로서는, 예컨대, 온도를 변수로 하는 일차식이나 이차식 등을 이용할 수 있다. 보정식은, 예컨대, 미리 실험 등을 행하여 온도마다 기준 온도로부터의 온도 변화에 따른 압력값의 변동을 구하고, 이 변동분을 검출 신호에서 제외할 수 있는 식을 준비한다. 즉, 보정 처리는, 제1 압력 검출부(72A) 또는 제2 압력 검출부(72B)의 검출 신호에서 온도 변화에 따른 변동분을 제외하는 보정을 행하는 처리가 된다.
유량 측정 장치(100)는, 제1 보정부(74A)로부터 출력된 제1 측정 신호와, 제2 보정부(74B)로부터 출력된 제2 측정 신호와의 차분을 구함으로써, 압력 센서(3A, 3B)간의 차압을 산출한다. 이 차압은, 예컨대 듀얼 압력 센서(1)를 유량 제어 밸브의 밸브 본체에 부착한 경우를 예로 하면, 이하와 같이 이용할 수 있다. 또한, 이 경우에는, 압력 센서(3A) 및 압력 센서(3B)를, 밸브체의 상류측의 유체 압력 및 하류측의 유체 압력을 각각 측정할 수 있도록 배치한다.
유량 제어 밸브의 유로 내를 흐르는 유체의 유량(Q)은, 밸브체의 상류측 유로와 하류측 유로 사이의 유체의 압력차(ΔP)와, 밸브체의 개방도로 정해지는 유량 계수(Cv값)를 이용하여, 하기 수학식 1에 의해 산출할 수 있다. 또한, 하기 수학식 1의 A는 상수이다.
[수학식 1]
Q=A*Cv*√ΔP
즉, 유량 측정 장치(100)로 산출한 차압을 상기 수학식 1의 ΔP에 대입함으로써, 유체의 유량(Q)을 산출할 수 있고, 이 유량(Q)에 따라 밸브체의 개방도를 제어할 수 있다.
듀얼 압력 센서(1)를 유량 제어 밸브에 부착시킨 경우, 듀얼 압력 센서(1) 및 유량 측정 장치(100)는, 예컨대, 이하와 같이 동작한다.
먼저, 밸브체보다 상류측의 피측정 압력이 압력 센서(3A)의 다이어프램에 인가되고, 밸브체보다 하류측의 피측정 압력이 압력 센서(3B)의 다이어프램에 인가되면, 각 압력 센서(3A, 3B)의 다이어프램은 인가된 압력에 따라 왜곡되고, 이 왜곡에 의해 확산형 왜곡 게이지의 출력 전압이 변화된다.
계속해서, 제1 압력 검출부(72A) 및 제2 압력 검출부(72A)는, 출력 전압의 변화에 기초하여 각각의 압력을 측정하고, 측정 결과를 검출 신호로서 제1 보정부(74A) 또는 제2 보정부(74B)에 출력한다. 이 경우, 다이어프램에는 기밀 용기(2) 내의 압력이 기준 압력으로서 인가되어 있기 때문에, 각 압력 센서(3A, 3B)의 출력 전압은 각각의 피측정 압력에 해당하는 절대압의 출력 전압이 된다.
계속해서, 제1 보정부(74A) 및 제2 보정부(74B)는, 온도 검출부(73)로부터 취득한 검출 온도를 이용하여, 검출 신호에 대응하는 압력값의 보정 처리를 각각 실행하고, 그 실행 결과를 측정 신호로서 유량 측정 장치(100)에 각각 출력한다.
계속해서, 유량 측정 장치(100)는, 듀얼 압력 센서(1)로부터 수신한 각 측정 신호에 대응하는 압력값을 이용하여 차압(ΔP)을 산출하고, 산출한 차압(ΔP)을 상기 수학식 1에 대입하여 연산함으로써, 유량 제어 밸브를 흐르는 유체의 유량(Q)을 산출한다.
전술한 바와 같이, 본 실시형태에 있어서의 듀얼 압력 센서에 따르면, 온도 센서(4)를, 압력 센서(3A, 3B)와 서로 접촉한 상태로 일체화할 수 있기 때문에, 압력 센서(3A, 3B)의 온도를 하나의 온도 센서(4)로 검출할 수 있게 된다.
[변형예]
본 발명을, 전술한 실시형태에 따라 설명하였지만, 이 개시의 일부를 이루는 기술 및 도면은, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 이 개시로부터 당업자에게는 여러 가지 대체의 실시형태나 운용 기술 등이 밝혀지는 것이다.
예컨대, 전술한 실시형태에서는, 히터(5)를 설치하고 있지만, 히터(5)를 생략하여도 좋다. 이 제1 변형예에 있어서의 듀얼 압력 센서(1)의 기능 구성을, 도 4에 나타낸다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 변형예에 있어서의 듀얼 압력 센서(1)는, 도 3에 도시된 실시형태에 있어서의 히터부(71)를 포함하지 않는 점에서, 상기 실시형태에 있어서의 듀얼 압력 센서(1)와 상이하다.
또한, 전술한 실시형태에서는 히터(5)의 발열량을 제어하지 않지만, 압력 센서(3A, 3B)의 온도가 미리 설정한 정해진 온도를 유지하도록, 온도 검출부(73)의 검출 온도를 이용하여 히터(5)의 발열량을 피드백 제어하는 것으로 하여도 좋다. 이 제2 변형예에 있어서의 듀얼 압력 센서(1)의 기능 구성을, 도 5에 나타낸다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 변형예에 있어서의 듀얼 압력 센서(1)는, 도 3에 도시된 실시형태에 있어서의 각부에 부가하여, 히터 제어부(75)를 더 포함하는 점에서, 상기 실시형태에 있어서의 듀얼 압력 센서(1)와 상이하다. 히터 제어부(75)는, 온도 검출부(73)의 검출 온도가, 미리 설정한 정해진 온도가 되도록 히터(5)의 발열량을 제어한다. 이에 따라, 예컨대, 압력 센서(3A, 3B)가 손상되는 온도로까지 상승하는 일이 없도록, 히터(5)의 발열량을 억제할 수 있게 된다.
상기 제2 변형예에 있어서 히터(5)의 발열량을 피드백 제어하면, 압력 센서(3A, 3B)의 온도는 정해진 온도로 유지되며, 그 결과, 압력 센서(3A, 3B)의 압력값을 보정할 때에 이용하는 보정식의 변수도 정해진 온도로 유지되게 된다. 따라서, 이 경우에는, 변수를 정해진 온도로 고정한 보정식을 이용하여 압력값을 보정하는 것으로 하여도 좋다. 이 제3 변형예에 있어서의 듀얼 압력 센서(1)의 기능 구성을, 도 6에 나타낸다. 도 6에 도시된 바와 같이, 제3 변형예에 있어서의 듀얼 압력 센서(1)는, 도 3에 도시된 실시형태에 있어서의 각부에 부가하여, 히터 제어부(75)를 더 포함하고, 온도 검출부(73)의 검출 온도를 제1 보정부(74A) 및 제2 보정부(74B)에 입력하지 않는 점에서, 상기 실시형태에 있어서의 듀얼 압력 센서(1)와 상이하다. 히터 제어부(75)는, 상기 제2 변형예와 마찬가지로 온도 검출부(73)의 검출 온도가 미리 설정한 정해진 온도가 되도록, 히터(5)의 발열량을 제어한다. 또한, 보정식 기억부(A4, B4)에 기억되는 보정식의 변수에는 정해진 온도를 미리 설정해 둔다. 이에 따라, 보정식을 간소화할 수 있기 때문에, 보정식의 기억 영역을 삭감할 수 있게 된다.
1 : 듀얼 압력 센서 2 : 기밀 용기
3A, 3B : 압력 센서 3h : 도입 구멍
4 : 온도 센서 5 : 히터
6 : 기판 7 : 제어 회로
21 : 용기 본체 21h : 삽입 관통 구멍
22 : 덮개 71 : 히터부
72A : 제1 압력 검출부 72B : 제2 압력 검출부
73 : 온도 검출부 74A : 제1 보정부
74B : 제2 보정부 75 : 히터 제어부
100 : 유량 측정 장치 A1, B1 : 셀렉터부
A2, B2 : A/D 변환부 A3, B3 : 보정 연산부
A4, B4 : 보정식 기억부

Claims (5)

  1. 제1 피측정 대상의 물리량을 검출하는 제1 물리량 검출 소자와,
    제2 피측정 대상의 물리량을 검출하는 제2 물리량 검출 소자로서, 상기 제1 물리량 검출 소자와 상기 제2 물리량 검출 소자 간의 온도차가 발생하는 것을 방지하기 위해 상기 제1 물리량 검출 소자와 밀접하게 병렬 설치되는 제2 물리량 검출 소자와,
    상기 제1 물리량 검출 소자 및 상기 제2 물리량 검출 소자의 온도를 검출하는 온도 검출 소자와,
    상기 제1 물리량 검출 소자의 검출 신호에서 온도 변화에 따른 변동분을 제외하는 보정을 실행하고, 이 보정 후의 신호를 상기 제1 피측정 대상의 측정 신호로서 출력하는 제1 보정부와,
    상기 제2 물리량 검출 소자의 검출 신호에서 온도 변화에 따른 변동분을 제외하는 보정을 실행하며, 이 보정 후의 신호를 상기 제2 피측정 대상의 측정 신호로서 출력하는 제2 보정부
    를 포함하고,
    상기 온도 검출 소자는, 상기 제1 물리량 검출 소자 및 상기 제2 물리량 검출 소자와 서로 접촉한 상태로 일체화되어 있는 것을 특징으로 하는 듀얼 물리량 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 물리량 검출 소자 및 상기 제2 물리량 검출 소자의 온도를 동등하게 하는 발열기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 물리량 센서.
  3. 제2항에 있어서, 상기 온도 검출 소자의 검출 온도가 미리 정해진 온도가 되도록 상기 발열기의 발열량을 제어하는 발열 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 물리량 센서.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 보정부 및 상기 제2 보정부는, 상기 온도 검출 소자의 검출 온도를 이용하여 상기 보정을 실행하는 것을 특징으로 하는 듀얼 물리량 센서.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제1 보정부 및 상기 제2 보정부는, 상기 정해진 온도를 이용하여 상기 보정을 실행하는 것을 특징으로 하는 듀얼 물리량 센서.
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