JP5771399B2 - クランクシャフトへの焼入方法及びそのクランクシャフト - Google Patents

Description

本発明は、クランクシャフトへの焼入方法及びそのクランクシャフトに関し、特に、レーザ光等の高密度エネルギービームでクランクシャフトを照射することで、クランクシャフトに硬化層を形成可能なクランクシャフトへの焼入方法及びそのクランクシャフトに関する。

従来、クランクシャフトへの焼入方法の一例として、例えば、特許文献１には、クランクシャフト等の焼入対象物の外周を加熱コイルで覆い、この加熱コイルに高周波を流し、高周波による焼入れを行う高周波焼入方法及び装置が開示されている。

また、クランクシャフトへの焼入方法の他例として、例えば、特許文献２には、レーザ光等のエネルギービームをクランクシャフト等の焼入対象物に照射することで、クランクシャフトの表面に硬化層を形成して焼入れを行うエネルギービームによる焼入方法及び焼入システムが開示されている。

また、特許文献３には、クランクシャフト等の焼入対象物に引張力を付与しながら高密度エネルギービームによりクランクシャフトのピン部の内周面に照射することで、予めクランクシャフトの変形量を調整して、クランクシャフトの変形を抑制することが可能なクランクシャフトの焼入方法が開示されている。

特開２００１−２２６７１６号公報 特開２０１０−４７７８９号公報 特公平６−１９１７７号公報

ところで、上記特許文献１では、上述したように、高周波による焼入れを行っているため、クランクシャフトへの入熱量が大きくなる。これにより、上記特許文献１では、クランクシャフトの変形量が大きくなってしまうという技術的課題がある。

また、上記特許文献２では、上記特許文献１の高周波によるものより、変形量が小さい高密度エネルギービームによるものであり、変形量を抑制しているものの、焼入個所での周囲との熱容量が異なるという課題がある。

このため、上記特許文献２では、焼入れ深さにバラつきが生じてしまい、このバラつきが変形として生じてしまうという技術的課題がある。これにより、上記特許文献２では、クランクシャフトへの焼入工程の後に、歪取り作業が必要になってしまう。

また、上記特許文献３は、クランクシャフトへの焼入れ時に、クランクシャフトに引張力を付与することで、クランクシャフトの変形を抑制することが可能になるが、クランクシャフト自体の強度を低下させてしまい、焼入れによるクランクシャフトの強度の増加を阻害してしまう可能性がある。

本発明の目的は、上記従来の実状に鑑みて、高密度エネルギービームによるクランクシャフトへの焼入れ時に、クランクシャフトの変形を抑制することが可能なクランクシャフトへの焼入方法及びそのクランクシャフトを提供することにある。

このような課題を解決するために、本発明に係るクランクシャフトへの焼入方法は、クランクシャフトのピン部に高密度エネルギービームを照射し、上記ピン部に硬化層を形成するものであって、上記ピン部の照射領域の熱容量に応じて、上記高密度エネルギービームの出力態様を異ならせて照射し、上記高密度エネルギービームの出力態様は、上記ピン部の外周面のうち、上記ピン部の軸よりも上記クランクシャフトの回転軸から離れる外周面を第１照射領域とし、上記ピン部の軸よりも上記クランクシャフトの回転軸に合う外周面を第２照射領域とした場合、上記第１及び第２照射領域の熱容量に応じて、これら第１及び第２照射領域に前記高密度エネルギービームの出力態様を異ならせて照射し、上記高密度エネルギービームの出力態様は、上記第１及び第２照射領域に前記高密度エネルギービームを照射した後に、上記第２照射領域のみに前記高密度エネルギービームを照射している。

このような課題を解決するために、本発明に係るクランクシャフトは、ピン部と、アーム部と、ジャーナル部と、からなる本体部を備え、上記ピン部に高密度エネルギービームを照射して上記ピン部に焼入れ加工が施され、上記ピン部の外周面は、上記ピン部の軸よりも上記本体部の回転軸から離れる第１表層面と、上記ピン部の軸よりも上記本体部の回転軸に合う第２の表層面と、を有し、上記第１及び第２表層面は、当該第１及び第２表層面の熱容量に応じて、異なる高密度エネルギービームの出力態様により照射され、上記高密度エネルギービームの出力態様は、上記第１及び第２表層面に前記高密度エネルギービームを照射した後に、上記第２表層面のみに前記高密度エネルギービームを照射し、上記第１及び第２表層面への焼入れ深さが略同一となるように形成されている。

本発明のクランクシャフトへの焼入方法によれば、高密度エネルギービームによるクランクシャフトへの焼入れ時に、クランクシャフトの変形を抑制することが可能になる。これにより、焼入れ時に、クランクシャフトに引張力を付与する等、クランクシャフトへの矯正が不要になる。また、焼入れ後に、クランクシャフトへの歪取り加工が不要なる。

よって、本発明のクランクシャフトへの焼入方法によれば、焼入れ時に、クランクシャフトへの矯正が不要になることで、矯正設備及び矯正作業工程を施すことなく、クランクシャフトへの焼入れが可能になるため、製造コストを削減することができる。また、本発明のクランクシャフトへの焼入方法によれば、クランクシャフトへの矯正が不要になることで、矯正によるクランクシャフトの強度低下を抑制することができる。

本発明の一実施の形態であるクランクシャフトへの焼入方法の焼入治具の構成について、側方から模式的に示す側方面図である。 図１Ａにおける線Ｉ−Ｉ´を模式的に示す断面図である。 本発明の一実施の形態であるクランクシャフトへの焼入方法の工程を示すフローである。 本発明の一実施の形態であるクランクシャフトへの焼入方法におけるレーザ装置の出力態様を模式的に示すグラフである。 本発明の一実施の形態であるクランクシャフトの構成について、側方から模式的に示す側方面図である。 図４における線ＩＩ−ＩＩ´を模式的に示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。
まず、本発明の一実施の形態である焼入方法の焼入治具１００の構成について、図１Ａ及び図１Ｂを用いて説明する。図１Ａは、本発明の一実施の形態であるクランクシャフト１０への焼入方法の焼入治具１００の構成について、側方から模式的に示す側方面図であり、図１Ｂは、図１Ａにおける線Ｉ−Ｉ´を模式的に示す断面図である。

本実施の形態の焼入治具１００は、後述する回転装置１０９によりクランクシャフト１０を回転させながら、後述するレーザ装置１１０によりレーザ光等の高密度エネルギービームを照射することで、クランクシャフト１０に硬化層を形成するものである。

図１Ａ及び図１Ｂに例示されるように、この焼入治具１００は、クランクシャフト１０を回転させるための回転装置１０９と、回転装置１０９の駆動に起因して回転したクランクシャフト１０に高密度エネルギービームを照射するためのレーザ装置１１０と、を備えて構成されている。

この回転装置１０９は、クランクシャフト１０の軸方向のおける両端を支持するスピンヘッド１０３及びテールストック１０５を備えて構成されている。これらスピンヘッド１０３及びテールストック１０５は、基台１０１の両端に配設されている。

具体的には、基台１０１の一端側には、スピンヘッド１０３を支持する第１支持体１０２が配設されている。そして、スピンヘッド１０３を支持する第１支持体１０２には、スピンヘッド１０３を構成する軸受部１０３ａ、ベアリング１０３ｂ、チャック１０３ｃが配設されている。

この軸受部１０３ａは、ベアリング１０３ｂを介して第１支持体１０２に回転可能に支持されている。そして、軸受部１０３ａには、チャック１０３ｃが連設されている。すなわち、チャック１０３ｃは、第１支持体１０２に軸受部１０３ａを回転軸にして回動可能に支持されている。

一方、基台１０１の他端側には、テールストック１０５を支持する第２支持体１０４が配設されている。そして、テールストック１０５を支持する第２支持体１０４には、スピンヘッド１０３と同様に、テールストック１０５を構成する軸受部１０５ａ、ベアリング１０５ｂ、チャック１０５ｃが配設されている。

この軸受部１０５ａは、ベアリング１０５ｂを介して、第２支持体１０４に回転可能に支持されている。そして、軸受部１０５ａには、チャックが連設されている。すなわち、チャック１０５ｃは、第２支持体１０４に軸受部１０５ａを回転軸にして回動可能に支持されている。

そして、テールストック１０５には、回転駆動源１０６が接続されている。すなわち、テールストック１０５の軸受部１０５ａは、回転駆動源１０６の駆動に起因して回転可能となっている。

そして、スピンヘッド１０３のチャック１０３ｃには、クランクシャフト１０の一端側が回転可能に嵌め込まれている。また、テールストック１０５のチャック１０５ｃには、クランクシャフト１０の他端側が回転可能に嵌め込まれている。

すなわち、クランクシャフト１０は、これらスピンヘッド１０３のチャック１０３ｃ及びテールストック１０５のチャック１０５ｃにより回転可能に支持されている。このため、クランクシャフト１０は、クランクシャフト１０の軸を中心にして回転可能に支持されているとともに、軸受部１０３ａ及び軸受部１０５ａを軸にして、回動可能に支持されている。

また、基台１０１の略中央には、ローラ体１０７及びローラ体１０８が配設されている。これらローラ体１０７及びローラ体１０８の夫々には、第２ピン部１２ａ及び第３ピン部１３ａに当接するローラ１０７ａ及びローラ１０８ａを有して構成されている。これらローラ１０７ａ及びローラ１０８ａは、クランクシャフト１０の第２ピン部１２ａ及び第３ピン部１３ａを支持している。

このため、回転装置１０９にクランクシャフト１０を設置した際、クランクシャフト１０自体の自重により第２ピン部１２ａ及び第３ピン部１３ａの近傍が下方への撓み易くなるが、この撓みを抑止する役目を果たしている。

本実施の形態の焼入治具１００は、上述したように、回転したクランクシャフト１０に高密度エネルギービームを照射するレーザ装置１１０を備えて構成されている。このレーザ装置１１０は、上述したように、クランクシャフト１０にレーザ光等の高密度エネルギービームを照射することで、クランクシャフト１０に硬化層を形成している。

このレーザ装置１１０は、高密度エネルギービームの出力を制御する出力制御手段を備えて構成されている。すなわち、レーザ装置１１０の出力制御手段は、高密度エネルギービームの出力を高出力、或いは、低出力に制御可能となっている。

このため、レーザ装置１１０は、クランクシャフト１０に高密度エネルギービームを照射する際、クランクシャフト１０への照射個所に応じて高密度エネルギービームの出力を調節することが可能になる。

次に、本発明の一実施の形態であるクランクシャフト１０への焼入方法について、図２及び図３を用いて説明する。図２は、本発明の一実施の形態であるクランクシャフト１０への焼入方法の工程を示すフローであり、図３は、本発明の一実施の形態であるクランクシャフト１０への焼入方法におけるレーザ装置１１０の出力態様を模式的に示すグラフである。

なお、図２で示した本実施の形態の焼入方法は、クランクシャフト１０を構成する複数の第１ピン部１１ａ、第２ピン部１２ａ、第３ピン部１３ａ及び第４ピン部１４ａへの夫々に共通している。

したがって、ここでは、第３ピン部１３ａへの焼入方法について説明し、第１ピン部１１ａ、第２ピン部１２ａ及び第４ピン部１４ａへの焼入方法は、第３ピン部１３ａへの焼入方法と同様であるため、その説明を省略する。

また、第１ピン部１１ａ、第２ピン部１２ａ、第３ピン部１３ａ及び第４ピン部１４ａへの焼入れ順序については、特に限定されず、一例として、クランクシャフト１０の軸方向の外側に位置する第１ピン部１１ａ及び第４ピン部１４ａに焼入れし、その後、クランクシャフト１０の軸方向の内側に位置する第２ピン部１２ａ及び第３ピン部１３ａに焼入れしても良い。

また、他例として、クランクシャフト１０の軸方向の内側に位置する第２ピン部１２ａ及び第３ピン部１３ａに焼入れし、その後、クランクシャフト１０の軸方向の外側に位置する第１ピン部１１ａ及び第４ピン部１４ａに焼入れしても良い。

ステップＳ１において、クランクシャフト１０が回転装置１０９に設置された後に、レーザ装置１１０の位置決めを行い、クランクシャフト１０の第３ピン部１３ａに照射可能となるように設定する。

ステップＳ２において、回転装置１０９の回転駆動源１０６を駆動させてクランクシャフト１０の回転を開始する。なお、回転装置１０９の回転速度は、特に限定されず、焼入れ回数等に応じて、適宜、設定することが可能である。
省略しても良い。

ステップＳ３において、クランクシャフト１０の第３ピン部１３ａにレーザ装置１１０による高密度エネルギービームを照射する。ここで、図１Ｂに例示されるように、第３ピン部１３ａの外周面のうち、第３ピン部１３ａの軸Ｘよりもクランクシャフト１０の回転軸Ｙから離れる外周面を第１照射領域Ａとし、第３ピン部１３ａの軸Ｘよりもクランクシャフト１０の回転軸Ｙに合う外周面を第２照射領域Ｂとする。

ステップＳ４において、第１照射領域Ａ及び第２照射領域Ｂに高密度エネルギービームの出力態様を異ならせて照射する。この出力態様の一態様として、図３に例示されるように、第１照射領域Ａよりも第２照射領域Ｂに高密度エネルギービームの出力を高出力で照射する。

ここで、第１照射領域Ａと第２照射領域Ｂとは周辺形状が異なるため、高密度エネルギービームに対する熱伝達特性が異なる。具体的には、第１照射領域Ａよりも第２照射領域Ｂの方にクランクアーム１３ｂが広がっている。

このため、第２照射領域Ｂは、第１照射領域Ａよりも照射されたエネルギービームによる熱をクランクアーム１３ｂ側に伝達され易い状態となっている。一方、第１照射領域Ａには、クランクアーム１３ｂ等の部位が周囲に存在しないため、照射された熱が周囲に伝達されにくく、径内方向へと伝達され易くなっている。

そこで、同等の高密度エネルギービームが照射された場合における照射箇所の周囲の形態の違いによる熱伝達の違いを、ここでは、熱容量の差で表現している。つまり、第１照射領域Ａの熱容量よりも第２照射領域Ｂの熱容量の方が大きくなる。

本実施の形態のクランクシャフト１０への焼入方法では、熱容量が小さい第１照射領域Ａよりも熱容量が大きい第２照射領域Ｂに高出力の高密度エネルギービームを照射することで、第１照射領域Ａと第２照射領域Ｂとの温度上昇を均一にすることが可能になる。

すなわち、高密度エネルギービームの照射後、冷却工程により、照射した部位が収縮するが、上述したように、第１照射領域Ａと第２照射領域Ｂとの温度上昇を均一にしているため、収縮量も均一にすることが可能になる。

このように、第１照射領域Ａと第２照射領域Ｂとの温度上昇を均一にすることで、収縮量も均一にすることが可能になり、レーザ装置１１０による第１ピン部１１ａの第１照射領域Ａと第２照射領域Ｂへの焼入れ深さを均一にすることができる。

これにより、高密度エネルギービームによるクランクシャフト１０への焼入れ時でのクランクシャフト１０の変形を抑制することが可能になる。

また、出力態様の他の態様として、第１照射領域への高密度エネルギービームの出力をゼロとし、第２照射領域Ｂへの高密度エネルギービームの出力を所定の出力で照射する。すなわち、第２照射領域Ｂのみに高密度エネルギービームを照射する。

このように、熱容量が小さい第１照射領域Ａに照射せず、熱容量が大きい第２照射領域Ｂのみに照射することで、第１照射領域Ａと第２照射領域Ｂとの温度上昇を均一にすることが可能になる。

また、出力態様の他の態様として、第１照射領域Ａと第２照射領域とに高密度エネルギービームの出力を同出力で照射する。その後、第１照射領域Ａに高密度エネルギービームの出力をゼロとし、第２照射領域Ｂに高密度エネルギービームを所定の出力で照射する。すなわち、第２照射領域Ｂのみに高密度エネルギービームを照射する。

このように、最初、第１照射領域Ａと第２照射領域Ｂとに高密度エネルギービームの出力を同出力で照射し、その後、第２照射領域Ｂのみに高密度エネルギービームを照射することで、第１照射領域Ａと第２照射領域Ｂとの温度上昇を均一にしている。

また、出力態様の他の態様として、熱容量の大きい第２照射領域Ｂに、上述の出力態様の一態様よりも更に高密度エネルギービームの出力を高出力で照射する。このため、第１照射領域よりも第２照射領域Ｂの方が、温度上昇が高くなる。

これにより、第２照射領域Ｂの温度上昇を予め高くすることで、任意の方向への変形を制御することが可能になる。このように、高密度エネルギービームの出力により、任意の方向への変形を制御して、高密度エネルギービームによるクランクシャフト１０への焼入れ時でのクランクシャフト１０の変形を抑制しても良い。

また、出力態様の他の態様として、各ピン部の外周面を第１照射領域Ａと第２照射領域Ｂとの２領域に分けて、これら第１照射領域Ａと第２照射領域Ｂとで高密度エネルギービームの照射出力を変えるのではなく、３以上の領域に分けて高密度エネルギービームの照射出力を変えても良い。

また、出力態様の他の態様として、各ピン部の外周面の周方向位置に応じて連続的、或いは、段階的に高密度エネルギービームの照射出力を変えても良い。これにより、各ピン部の外周面の焼入れ深さを全体的に均一にすることができる。

なお、この場合、高密度エネルギービームの照射出力を各照射領域、もしくは照射位置における各ピン部の熱容量に応じて焼入れ設定する点は、本実施の形態と同様である。照射出力は事前の実験や解析等によって決定する。

ステップＳ５において、第１照射領域Ａ及び第２照射領域Ｂへの照射を終了する。

ステップＳ６において、クランクシャフト１０の回転を停止する。

以上のように、本実施の形態のクランクシャフト１０への焼入方法によれば、高密度エネルギービームによるクランクシャフト１０への焼入れ時に、第１照射領域Ａ及び第２照射領域Ｂの熱容量に応じて、高密度エネルギービームの出力態様を異ならせることで、クランクシャフト１０の変形を抑制することが可能になる。

これにより、クランクシャフト１０への焼入れ時に、このクランクシャフト１０に引張力を付与する等のクランクシャフトへの矯正が不要になるとともに、焼入れ後におけるクランクシャフトへの歪取り加工が不要なる。

よって、本実施の形態のクランクシャフト１０への焼入方法によれば、焼入れ時でのクランクシャフト１０への矯正が不要になることで、クランクシャフト１０の強度低下を抑制することができる。

また、本実施の形態のクランクシャフト１０への焼入方法によれば、焼入れ後に、クランクシャフト１０への歪取り加工が不要になることで、作業工程にかかるコストを削減することができる。

次に、本実施の形態の焼入方法によって硬化層が形成されたクランクシャフト１０の構成について、図４及び図５を用いて説明する。図４は、本発明の一実施の形態であるクランクシャフト１０の構成について、側方から模式的に示す側方面図であり、図５は、図４における線ＩＩ−ＩＩ´を模式的に示す断面図である。

図４に例示されるように、本実施の形態のクランクシャフト１０は、４気筒の自動車エンジンに用いるものを想定している。すなわち、クランクシャフト１０は、複数のジャーナル部１５を備え、このジャーナル部１５間に位置する第１ピン部１１ａ、第２ピン部１２ａ、第３ピン部１３ａ及び第４ピン部１４ａを備えて構成されている。

そして、これら第１ピン部１１ａ、第２ピン部１２ａ、第３ピン部１３ａ及び第４ピン部１４ａの夫々には、一対のクランクアーム１１ｂ、クランクアーム１２ｂ、クランクアーム１３ｂ及びクランクアーム１４ｂが設けられている。

このように、第１ピン部１１ａには、一対のクランクアーム１１ｂが設けられている。そして、第１ピン部１１ａ及び一対のクランクアーム１１ｂと同様に、第２ピン部１２ａには、一対のクランクアーム１２ｂが設けられ、第３ピン部１３ａには、一対のクランクアーム１３ｂが設けられ、第４ピン部１４ａには、一対のクランクアーム１４ｂが設けられている。

図５に例示されるように、本実施の形態のクランクシャフト１０は、第３ピン部１３ａの外周面に、上述のクランクシャフト１０への焼入方法により形成された硬化層１３ｄを有して構成されている。

なお、第３ピン部１３ａと同様に、第１ピン部１１ａ、第２ピン部１２ａ及び第４ピン部１４ａにも上述のクランクシャフト１０への焼入方法により硬化層１３ｄが形成されている。したがって、ここでは、第３ピン部１３ａに基づいて説明する。

このクランクシャフト１０の第３ピン部１３ａの外周面は、この外周面のうち、第３ピン部１３ａの軸Ｘよりもクランクシャフト１０の回転軸Ｙから離れる第１照射領域Ａと、第３ピン部１３ａの軸Ｘよりもクランクシャフト１０の回転軸Ｙに合う第２照射領域Ｂと、を有している。

そして、第１照射領域Ａは、レーザ装置１１０により低出力で照射されている。一方、第２照射領域Ｂは、レーザ装置１１０により高出力で照射されている。ここで、第１照射領域Ａと第２照射領域Ｂとは高密度エネルギービームに対する熱容量が異なる。具体的には、第１照射領域Ａよりも第２照射領域Ｂの方にクランクアーム１１ｂが広がっている。

このため、第１照射領域Ａの熱容量よりも第２照射領域Ｂの熱容量の方が大きくなる。これに対し、本実施の形態のクランクシャフト１０は、熱容量の小さい第１照射領域Ａよりも熱容量が大きい第２照射領域Ｂに高出力の高密度エネルギービームを照射して形成されている。このため、クランクシャフト１０は、第１照射領域Ａと第２照射領域Ｂとの温度上昇が均一となるように形成されている。

このように、クランクシャフト１０は、高密度エネルギービームの照射後、冷却工程により、照射した部位が収縮するが、上述したように、第１照射領域Ａと第２照射領域Ｂとの温度上昇が均一となるように形成されているため、収縮量も均一となるように形成されている。

これにより、クランクシャフト１０は、第１照射領域Ａと第２照射領域Ｂとの温度上昇が均一となるように形成され、これに伴い、収縮量も均一となるように形成されているため、レーザ装置１１０による第３ピン部１３ａの第１照射領域Ａと第２照射領域Ｂへの焼入れ深さ、すなわち、硬化層１３ｄが均一となるように形成されている。

以上のように、本実施の形態のクランクシャフト１０は、焼入れ深さを均一となるように形成されることで、焼入れ後、歪取り加工が不要なる。よって、本実施の形態のクランクシャフト１０によれば、歪取り加工が不要になることで、作業工程にかかるコストを削減することができる。

１０ クランクシャフト
１１ａ 第１ピン部
１２ａ 第２ピン部
１３ａ 第３ピン部
１４ａ 第４ピン部
Ａ 第１照射領域
Ｂ 第２照射領域
Ｘ ピン部の軸
Ｙ クランクシャフトの回転軸

Claims (2)

1. クランクシャフトのピン部に高密度エネルギービームを照射し、
   前記ピン部に硬化層を形成するクランクシャフトへの焼入方法であって、
   前記ピン部の照射領域の熱容量に応じて、前記高密度エネルギービームの出力態様を異ならせて照射し、
   前記高密度エネルギービームの出力態様は、
   前記ピン部の外周面のうち、前記ピン部の軸よりも前記クランクシャフトの回転軸から離れる外周面を第１照射領域とし、前記ピン部の軸よりも前記クランクシャフトの回転軸に合う外周面を第２照射領域とした場合、
   前記第１及び第２照射領域の熱容量に応じて、これら第１及び第２照射領域に前記高密度エネルギービームの出力態様を異ならせて照射し、
   前記高密度エネルギービームの出力態様は、
   前記第１及び第２照射領域に前記高密度エネルギービームを照射した後に、
   前記第２照射領域のみに前記高密度エネルギービームを照射すること、
   を特徴とするクランクシャフトへの焼入方法。
2. ピン部と、アーム部と、ジャーナル部と、からなる本体部を備え、
   前記ピン部に高密度エネルギービームを照射して前記ピン部に焼入れ加工が施されたクランクシャフトであって、
   前記ピン部の外周面は、前記ピン部の軸よりも前記本体部の回転軸から離れる第１表層面と、前記ピン部の軸よりも前記本体部の回転軸に合う第２の表層面と、を有し、
   前記第１及び第２表層面は、当該第１及び第２表層面の熱容量に応じて、異なる高密度エネルギービームの出力態様により照射され、
   前記高密度エネルギービームの出力態様は、
   前記第１及び第２表層面に前記高密度エネルギービームを照射した後に、
   前記第２表層面のみに前記高密度エネルギービームを照射し、
   前記第１及び第２表層面への焼入れ深さが略同一となるように形成されたこと、
   を特徴とするクランクシャフト。

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