TW201528979A - 電子抽菸裝置 - Google Patents

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Abstract

一電子抽菸裝置包含一外殼容納一電池作為供應電力給一可電氣加熱霧化器之電源，該霧化器包含一電氣加熱器及適用以霧化從一貯槽供應之一液體以提供一氣霧從該霧化器送出。該霧化器之該加熱器係藉控制電子電路加以控制。一煙團檢測器指示一氣霧吸氣煙團給該控制電子電路。該控制電子電路針對該煙團以一預定位準之電氣功率操作該霧化器之該加熱器。較佳地，該電子抽菸裝置包含一電壓感測器度量該電池電壓，其中該控制電子電路針對一煙團，根據由該電壓感測器測量得的電池電壓，藉脈寬調變而分配該預定位準之電氣功率。

Description

電子抽菸裝置
本發明係有關於電子抽菸裝置，特別係有關於電子菸。
電子抽菸裝置例如設計成電子菸形式，通常包含一外殼容納一電源(通常為電池或充電電池)；一可電氣加熱式霧化器包括一電氣加熱器適用以霧化從一貯槽(通常為一膠囊)供給的液體以提供氣霧從該霧化器送出；及控制電子電路其控制該霧化器之該加熱器。一煙團檢測器指示或發訊一氣霧吸氣煙團給該控制電子電路。通常，該煙團檢測器係設定為吸氣感測器檢測一使用者的吸氣煙團，但也可例如呈現當吸氣該氣霧時由該使用者按壓之一簡單按鈕達成。當一煙團指示給該控制電子電路時，該霧化器中之該加熱器被供電，造成產生氣霧。此處及後文中，霧化器之動作稱作「霧化」及其相關產品稱作「氣霧」而與其組成無關，其組成可能包括氣態及煙霧組成分。
EP 2 443 946 A1揭示一電子菸及一膠囊含有欲在一霧化器中霧化(或氣化)之液體。該膠囊包含一殼體其於一端側係由一可刺穿膜密封。為了將該膠囊安裝於該電子 菸之嘴端側，環繞該膠囊之一軟套筒係置於容納該霧化器之一管之該端區。於該安裝步驟期間，設在一種金屬芯末端之一銷針刺穿了該膜，及該膠囊之液體由該芯導流至該霧化器。由該霧化器所產生的氣霧經由設在該膠囊外表面之某些導管送至該膠囊區到達一開口，於該處該氣霧由該消費者吸入。
US 2011/0304282 A1描述一電子菸之電源供應區段。此一區段包含一細長外殼套筒，其中容納一充電電池，用以檢測一使用者的氣霧吸氣煙團之一吸氣檢測器，及連結至該吸氣檢測器及適用以控制一霧化器之該加熱器的控制電子電路。於該外殼套筒之一端側，一連接器提供該電子菸之嘴側區段之一機械支承，其包含該霧化器及固定含有欲霧化液體之一膠囊。該連接器包括該霧化器之電氣連結。
於該等已知之電子抽菸裝置中，該霧化器之該加熱器通常係藉電池提供的電壓驅動及供電歷經某個時間週期，通常為吸氣檢測器發訊一煙團之存在的週期或歷經一預定週期。當電池於使用期間放電時，其電壓降低因而加熱器之功率減低，結果導致較不強的煙團。某些裝置中，使用者可藉外部設定而影響加熱器，但如此可能以非期望方式影響了從霧化器產生的氣霧。一般而言，當加熱器不夠熱時，氣霧的產生不佳或完全停止。另一方面，當加熱器變過熱時，產生過多的氣霧或甚至更不利地，氣霧物質可能燃燒或瓦解，及電池放電太過快速。期望測定加熱器 之溫度，但如此將需要有一溫度感測器接近該加熱器，暗示要求付出相當大的技術努力。
US 6,040,560揭示一種用於外部加熱一含菸草之香煙的電子抽菸系統之電源控制器。此種控制器使用包括至少兩相之一電力週期，各相具有一預定總能輸入。
本發明之目的係提出一種電子抽菸裝置，於其中該霧化器之該加熱器可以簡單可靠且可再現性之方式操作，與該電池電壓之變化獨立無關。
此項目的係藉具有請求項1之特徵之一電子抽菸裝置達成。本發明之優異實施例之遵照附屬請求項。
依據本發明之電子抽菸裝置包含一外殼，其容納一電池作為供電一可電氣加熱霧化器之電源。該霧化器包含一電氣加熱器且能霧化從一貯槽供應之液體以提供一氣霧從該霧化器送出。此外，電子抽菸裝置包含控制電子電路及煙團檢測器。該煙團檢測器例如為一吸氣檢測器或一可手動致動開關(參見後文)，指示一氣霧吸氣煙團給該控制電子電路。該控制電子電路係適用以控制該霧化器之該加熱器。舉例言之，當該煙團檢測器檢測得一煙團及指示或發訊給該控制電子電路時，該加熱器係利用該控制電子電路供電以產生氣霧。
依據本發明，該控制電子電路針對該煙團以一預定位準之電氣功率操作該霧化器之該加熱器。表示供給該加熱器之電力(亦即每單位時間之電能)係以某種方式控制 使得其維持於針對該實際煙團之預定位準。如此並不排除於該煙團期間功率之起伏波動，但該等起伏波動的時間尺規係比該煙團之持續時間更短。換言之，操作該加熱器之電力於該煙團期間係維持恆定於預定位準至相當高之一準確度。如此，於一吸氣煙團期間的條件大為具有可再現性，即便當該電池電壓因消費及放電而減低之時亦復如此。給定霧化器中之氣霧產生的潛熱及利用氣霧之輻射熱及對流熱傳熱所致之熱損耗，預定功率位準可相對應於該霧化器及該加熱器之一或多或少經明確確定之溫度。此種功率與溫度間之一般關係許可預選擇一合宜功率位準，其實際上從實驗上進行為較佳。
依據本發明之一完整電子抽菸裝置，例如電子菸除了前述外殼、煙團檢測器及控制電子電路之外可包括其它組件。舉例言之，霧化器及貯槽可容納於連結至前述外殼之一分開區段。但根據定義「電子抽菸裝置」一詞也係用於只包括外殼、煙團檢測器及控制電子電路之裝置，原因在於該裝置係與電子抽菸有關且可分開出售。就此方面而言，電池(其係安裝於外殼內，但通常為可更換)、霧化器及/或貯槽可為或可非為電子抽菸裝置之組件。
於優異實施例中，依據本發明之電子抽菸裝置包含一電壓感測器。該電壓感測器測量該電池電壓及連結至控制電子電路。此外，控制電子電路係適用於針對一煙團，根據由該電壓感測器測量得的電池電壓，藉脈寬調變而分配該預定位準之電氣功率。
舉例言之，電壓感測器檢測隨著時間之經過何時電池電壓降低。根據該項資訊，控制電子電路能夠調整提供給加熱器端子之脈寬調變電壓之工作週期。假設加熱器之電阻大為恆定，亦即與溫度獨立無關(參見後文)及具有預定值，於加熱器端子之瞬時電壓位準相對應於流經該加熱器之某個瞬時電流(電流=電壓/電阻)及因而相對應於加熱器電阻中之某個瞬時電氣功率耗散(功率=電壓x電流=電壓2/電阻)。供給加熱器端子之電壓可為電池電壓。如此，只要小於(電池電壓)2/電阻，則可維持預定功率位準，及控制係透過脈寬調變之工作週期執行。此點將藉實施例以進一步細節解說，參見後文。
若加熱器之電阻非為常數，則也可使用脈寬調變。總而言之，針對一預定功率，可藉實驗建立一詢查表決定電池電壓測量值與工作週期間之關係。
由於電池之內電阻，在加熱器端子可用的電池電壓係取決於流經該加熱器之電流。因該電流係以脈寬調變切換開關，故於一煙團期間該電池電壓將改變。此外，當無電流流動時，電池電壓呈時間之函數回復，其也係取決於電池之電荷態。實際上，於一煙團期間電池電壓起伏波動，其產生針對電池電壓選擇適當值以便以可靠方式操作脈寬調變的問題。
於本發明之優異實施例中，控制電子電路係適用以於一煙團期間接收電池電壓之多個測量值及推衍電池電壓之一代表值。此一代表值取作為電池電壓之適當值，可 用以決定脈寬調變之工作週期。原則上，該電池電壓之代表值可藉類比技術選擇，例如藉濾波取起伏波動之某個平均值。
但數位技術更優異。舉例言之，控制電子電路可適用以推衍該電池電壓之代表值為該電池電壓之個別測量值加一常數。換言之，電池電壓經常於某個煙團(煙團n)期間測量及儲存測量結果。較低測量值傾向於與加熱器被啟動有關，且係表示電池在負載下。另一方面，電池電壓之最低值將不實際，原因在於電池之起伏波動及短時間回復之故。因此加上一常數，例如200毫伏特之一常數。
於煙團n期間藉此方式推衍之該電池電壓之代表值可應用於下個煙團(亦即煙團n+1)作為該電池電壓之值。如此表示此值取作為煙團n+1期間的電池電壓，用於決定脈衝寬度以遵守於煙團n+1期間之電力於該預定恆定位準。如同於煙團n中，於煙團n+1期間也頻繁測量電池電壓以推衍電池電壓之新代表值，該值係用於煙團n+2等等。藉此方式，於各個煙團期間，電池電壓取用作為一常數，但須考慮電池電壓將隨著煙團數目的增加而改變。針對第一煙團(煙團1)，例如電池剛充飽電之後的第一煙團，一實驗值可取作為該電池電壓之代表值，例如鋰離子電池之標稱電壓(最高電壓)減一實驗校正常數。
於其它實施例中，該控制電子電路係適用以於一煙團期間接收該電池電壓之多個測量值及於該煙團期間重新調整該脈衝寬度(工作週期)以遵守電氣功率之該預定位 準。表示控制電子電路能夠對於一煙團期間之電池電壓變化起反應，及仍在此煙團期間據此調整該工作週期。
電壓感測器可整合於控制電子電路。也可提供一獨立電壓計。熟諳技藝人士知曉完成一電壓感測器用於度量電池電壓及傳輸結果給控制電子電路之許多可能。舉例言之，電池電壓可使用類比至數位轉換器(ADC)度量，該ADC可整合於微控制器(單晶片系統)或提供為一獨立積體電路(IC)其係經由積體電路間匯流排(I2C)或串列周邊介面(SPI)匯流排介面而連結至微控制器或單晶片系統。
當一煙團指示給該控制電子電路時所引發的反應種類有數個選項。於一優異實施例中，該控制電子電路係適用以當指示一煙團時，只要該煙團被指示，以電氣功率之該預定位準操作該霧化器之該加熱器。如此表示傳送給該加熱器之能量(及因此所產生之氣霧量)為可變，及取決於該煙團之長度。於另一個實施例中，該控制電子電路係適用以當指示一煙團時，以電氣功率之該預定位準歷經一預定週期操作該霧化器之該加熱器。於該種情況下，一煙團之指示只是觸發了一預定動作，亦即傳遞預定電能量給該霧化器。
於本發明之優異實施例中，控制電子電路當不以電氣功率之該預定位準操作時，以電氣功率之一減低之位準操作該霧化器之該加熱器。如此表示於該等煙團間之間隔加熱器不被關閉，反而以較低溫操作，如此避免加熱器太過冷卻，故當有需要時可快速重新啟動。另一方面，於 本操作模式中之總能耗較高。
如前文已經解說，煙團檢測器發送(指示)訊息給控制電子電路該使用者取用一吸氣煙團。為了達成此項目的，可手動致動開關(例如按鈕)即足，由該使用者於吸氣期間按壓該鈕。於更加精心製作之設計中，煙團檢測器包含一吸氣感測器，例如一感測器檢測當該使用者於菸嘴吸氣時所產生的該電子抽菸裝置外殼中之真空或氣流。
於本發明之優異實施例中，霧化器之該加熱器包含一加熱電阻器，其中該加熱電阻器之材料包含一鎳-鉻合金、包含80%重量比鎳及20%重量比鉻之一鎳-鉻合金(NiCr合金80/20)、一薄膜聚醯亞胺、及/或一鐵-鉻-鋁合金(FeCrAl合金，肯薩(Kanthal)合金)。此等合金之電阻係數之溫度相依性相當低，有助於霧化器之控制。
電池可為電子抽菸裝置之一組件。較佳地，該電池係設計成由安全電路保護之一充電式鋰離子電池。於此種情況下，至目前為止描述之控制電子電路並不監視電池之電荷態以防止該電池完全放電或過充。此種安全性相關工作係由安全電路執行，其可設計成該電池之一部分。
1‧‧‧電子抽菸裝置
2‧‧‧筒狀外殼
4‧‧‧菸嘴
6‧‧‧替換式膠囊
10‧‧‧電池
12、13、23‧‧‧引線
14‧‧‧控制電子電路
15‧‧‧印刷電路板
16‧‧‧發光二極體(LED)
18‧‧‧煙團檢測器
20‧‧‧霧化器
22‧‧‧加熱器
24‧‧‧芯裝置
25‧‧‧刺穿梢端
26‧‧‧膜
28‧‧‧液體
30‧‧‧吸氣孔口
32‧‧‧充電埠
34‧‧‧電壓感測器
後文中，將利用實施例以進一步細節解釋本發明。附圖顯示圖1為依據本發明之電子抽菸裝置之一實施例之示意縱剖面圖，圖2為依據圖1之該實施例之電子電路之方塊圖，及 圖3為施加至依據圖1之該實施例之霧化器之一電氣加熱器之電壓呈時間之函數(脈寬調變)之圖解代表圖。
圖1以示意縱剖面圖例示電子抽菸裝置1之一實施例。
電子抽菸裝置1包含一筒狀外殼2及一菸嘴4，該菸嘴係設計成可卸式蓋。拔開菸嘴4提供接近一替換式膠囊6，其係用作為液體貯槽。
外殼2容納一電池10。於該實施例中，電池10係設計成充電式鋰離子電池及包括其本身安全電路。電池10係透過引線12及13連結至控制電子電路14，該電路包括安裝於一印刷電路板15上之積體電路。印刷電路板15也承載多個LED 16，該等LED組裝於設在外殼2的個別窗後方，及指示電子抽菸裝置1之電流狀態。
一煙團檢測器18係連結至該等控制電子電路14。於該實施例中，煙團檢測器18係設計為吸氣感測器，其檢測當一使用者在該菸嘴4吸氣時於該外殼2內部產生的真空。
一霧化器20包含透過引線23連結至控制電子電路14之一加熱器22。該加熱器22包括一加熱導線安裝於陶瓷殼體(圖中未顯示)，其也支承由綹編金屬或海綿狀金屬材料製成的一芯裝置24。位在該芯裝置24遠端之一刺穿梢端25能夠穿透用以密封該膠囊6之一膜26，使得容納於該膠囊6內之液體28可從膠囊6導流出，通過芯裝置24至該加熱器 22區域。
於其自由端，該菸嘴4包含一吸氣孔口30。於該電子抽菸裝置1之該相對端，設有充電埠32，其許可電池10例如透過USB埠之充電。
欲使用該電子抽菸裝置1，消費者插入一新膠囊6，使其膜26被刺穿及液體從膠囊6通過芯裝置24供給該加熱器22區域。當該消費者於吸氣孔口30吸氣時，煙團檢測器18感測在外殼2內部形成的真空及指示給控制電子電路14。應答之，該加熱器22被供電使得其加熱導線能夠霧化於其附近的液體以便形成氣霧，該氣霧由該消費者吸入。於該實施例中，只要煙團檢測器18感測得真空，則加熱器繼續維持啟動。
圖1為電子抽菸裝置1之一般配置之示意例示。電子抽菸裝置1之功能配置係以更適當方式利用電子電路之方塊圖顯示於圖2。
依據圖2，電池10係透過引線12及13連結至控制電子電路14。煙團檢測器18係顯示為連結至控制電子電路14之一方塊，原因在於其輸出信號係饋至控制電子電路14。加熱器22也利用引線23連結至控制電子電路14。於該實施例中，加熱器22包含由鎳-鉻合金(80%重量比鎳及20%重量比鉻)之導線製成的加熱電阻器。技藝界眾所周知之加熱電阻器的其它材料也可使用。前述鎳-鉻合金具有電阻率對溫度之相依性低之優點。至目前為止，圖2中顯示之組件也存在於圖1。
又復，圖2顯示一電壓感測器34，其係連結於電池10之引線12及13間及偵測實際電池電壓。電壓感測器34之輸出供給控制電子電路14。於該實施例中，電壓感測器34係設計成控制電子電路14之一組件。該電壓感測器34包含一類比至數位轉換器(ADC)其輸出表示實際電池電壓之一數值，其可藉微處理器處理，該微處理器屬於控制電子電路14的部件。也可涵蓋電壓感測器34之其它實施例。
於該電子抽菸裝置1之使用期間，電池10之電壓因放電而降低。此一過程藉該電壓感測器34監控使得控制電子電路14係準-連續地被通知電池10的電荷狀態。針對各個煙團，為了使用一預定位準之電力操作該霧化器20之該加熱器22，該控制電子電路14基於由該電壓感測器34度量的電池電壓，藉脈寬調變分配供給加熱器22之電力。當電池電壓改變時，脈寬調變之工作週期經調整，使得所得功率維持於預定值。
於該實施例中，於各個煙團針對該電池電壓之適當值係以下述方式決定。
於一煙團期間，控制電子電路14透過電壓感測器34接收電池電壓之多個測量值，此等值經儲存。一煙團典型地比較針對電池電壓之典型測量時間顯著更長，後者又轉而比脈寬調變週期顯著更長。於該實施例中，電池電壓之測量與脈寬調變週期並非彼此同步。
在煙團結束時(稱作「煙團n」)，電池電壓之一代表值係從所儲存的測量值推衍。為了達成此項目的，該 控制電子電路14選擇於本煙團期間測得的最小電池電壓值且加上一常數。該常數之適當值可經實驗決定。於該實施例中，該常數為200毫伏特。
於煙團n期間，藉此方式推衍的電池電壓之代表值施用於下個煙團(亦即用於煙團n+1)作為電池電壓值。亦即表示此值取作為煙團n+1期間的電池電壓，用於決定脈衝寬度(工作週期)以維持於煙團n+1期間傳遞給加熱器22之電力於該預定恆定位準。
但如同於煙團n中，於煙團n+1期間也頻繁測量電池電壓以推衍電池電壓之新代表值，該值係用於煙團n+2等等。藉此方式，於各個煙團期間，假設電池電壓為常數，但須考慮電池電壓將隨著煙團數目的增加而改變，亦即通常將因電池放電而減低。
針對該第一煙團(煙團1)，例如電池10新充電後的該第一煙團，實驗值可取作為電池電壓之代表值，例如鋰離子電池之標稱電壓(最高電壓)減實驗校正常數。
當煙團檢測器18並未感測得該外殼2內部的真空時，該加熱器22未被供電。另外，於此等間隔期間，該加熱器22可於減低的或甚至遠更減低的功率位準操作，以便於霧化器20維持某個升溫，當檢測得下個煙團時，其許可該霧化器20更快速的重新啟動。藉施用不同工作週期，此種減低的功率位準也可利用脈寬調變加以控制。
後文中提出數值實施例其解釋利用施加至加熱器引線23之電壓的脈寬調變該加熱器22之操作。於本實施 例中，該加熱器22被考慮為具有R=2.25歐姆之恆定電阻之一歐姆電阻器，忽略任何電感或電容效應。針對達成P0=3瓦之恆定加熱器功率，呈實際電池電壓之函數(亦即前述電池電壓之代表值)，所要求之工作週期係由簡單計算決定。結果可儲存於記憶體中呈詢查表，使得控制電子電路14之微處理器可應答於該電池電壓之一代表值而選擇該工作週期。電感或電容效應例如可藉實驗性校正於該詢查表中之工作週期值而列入考慮。
圖3示意地例示呈時間之函數供給加熱器22之電壓脈衝。時間單位為相對值，亦即相對於一個完整脈衝之週期。於該實施例中，此一週期約為4毫秒，比起一個煙團的典型持續時間(數秒)此一時間極短。於各個煙團期間，供給實際電池電壓或零電壓，及個別工作週期係取自該詢查表。圖3顯示兩個不同電池電壓之脈衝，亦即3V及4V。
使用歐姆法則(U=R．I，電池電壓U，加熱器電阻R及加熱器電流I)，一個脈衝啟動狀態期間於該加熱器22耗散之功率P為P=U．I=U2/R。此種狀態持續一個脈衝週期之一分量c。於此分量(1-c)期間，電壓被關閉。如此，c可藉c．P=P0或c=P0．R/U2計算。該脈衝之工作週期係由c決定。
下表提出c為電池電壓U之函數。假設U從4.2V之初始值降至2.9V。當電池電壓降至過低時，電池10由其本身的安全電路變成不作用態。
實際上，該詢查表可經計算及儲存於精密步驟。
10‧‧‧電子抽菸裝置
12、13、23‧‧‧引線
14‧‧‧控制電子電路
18‧‧‧煙團檢測器
22‧‧‧加熱器
34‧‧‧電壓感測器

Claims (16)

  1. 一種電子抽菸裝置，其包含-一外殼適用以容納一電池作為一電源供電給一可電氣加熱霧化器，其包含一電氣加熱器及適用以霧化從一貯槽供給之一液體以提供一氣霧從該霧化器送出，-控制電子電路適用以控制該霧化器之該加熱器，-一煙團檢測器適用以指示一氣霧吸氣煙團給該控制電子電路，其中該控制電子電路係適用以針對一煙團以一預定位準之電氣功率操作該霧化器之該加熱器。
  2. 如請求項1之電子抽菸裝置，其中該電子抽菸裝置包含一電壓感測器適用以量測該電池電壓及連結至該控制電子電路，及其中該控制電子電路係適用以針對一煙團根據由該電壓感測器測量得的電池電壓藉脈寬調變而分配該預定位準之電氣功率。
  3. 如請求項2之電子抽菸裝置，其中該控制電子電路係適用以於一煙團期間接收該電池電壓之多個測量值及從其中推衍該電池電壓之一代表值。
  4. 如請求項3之電子抽菸裝置，其中該控制電子電路係適用以推衍該電池電壓之該代表值為該電池電壓之該最小個別測量值加一常數，較佳地該常數為200毫伏特。
  5. 如請求項3或4之電子抽菸裝置，其中該控制電子電路係適用以當於該下個煙團期間決定該脈衝寬度時，施加於 該煙團期間推衍得之該電池電壓之該代表值為該電池電壓之一常數值以遵守電氣功率之該預定位準。
  6. 如請求項2之電子抽菸裝置，其中該控制電子電路係適用以於一煙團期間接收該電池電壓之多個測量值及於該煙團期間重新調整該脈衝寬度以遵守電氣功率之該預定位準。
  7. 如請求項2至6中之任一項之電子抽菸裝置，其中該控制電子電路係適用以藉使用該加熱器之該電阻之一預定常數值決定該要求的脈寬調變。
  8. 如請求項2至7中之任一項之電子抽菸裝置，其中該電壓感測器係整合於該控制電子電路。
  9. 如請求項1至8中之任一項之電子抽菸裝置，其中該控制電子電路係適用以當指示一煙團時，以電氣功率之該預定位準歷經一預定週期操作該霧化器之該加熱器。
  10. 如請求項1至8中之任一項之電子抽菸裝置，其中該控制電子電路係適用以當指示一煙團時，只要該煙團被指示以電氣功率之該預定位準操作該霧化器之該加熱器。
  11. 如請求項1至10中之任一項之電子抽菸裝置，其中該控制電子電路係適用以當不以電氣功率之該預定位準操作時，以電氣功率之一減低之位準操作該霧化器之該加熱器。
  12. 如請求項1至11中之任一項之電子抽菸裝置，其中該煙團檢測器包含一可手動致動之開關。
  13. 如請求項1至11中之任一項之電子抽菸裝置，其中該煙 團檢測器包含一吸氣感測器。
  14. 如請求項1至13中之任一項之電子抽菸裝置，其中下列項目中之至少一者為該電子抽菸裝置之一組件：電池、霧化器、貯槽。
  15. 如請求項1至14中之任一項之電子抽菸裝置，其中該霧化器為該電子抽菸裝置之一組件及其中該霧化器之該加熱器包含一加熱電阻器，其中該加熱電阻器之該材料包含下列材料中之至少一者：一鎳-鉻合金、包含80%重量比鎳及20%重量比鉻之一鎳-鉻合金、一薄膜聚醯亞胺、一鐵-鉻-鋁合金。
  16. 如請求項1至15中之任一項之電子抽菸裝置，其中該電池為該電子抽菸裝置之一組件及其中該電池係設計成由安全電路保護之一充電式鋰離子電池。
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