JP2015143814A - 加熱部材、定着装置、画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】短時間での加熱が可能な厚みの薄い定着部材を用いても、定着部材の耐摩耗性を確保することのできる加熱部材を提供する。
【解決手段】ヒータ２３は、定着ベルト２１の基材２１ａの被加熱面２１Ｄに当接する当接面２３Ｄのビッカース硬さを６００Ｈｖ以下としている。当接面２３Ｄは、ヒータ２３の発熱体２３ｂが配置されている側の面である。ヒータ２３は、当接面２３Ｄを被加熱面２１Ｄに当接させることにより、定着ベルト２１を加熱する。
【選択図】図７

Description

本発明は、加熱部材、加熱部材を備えた定着装置、および定着装置を備えた複写機、プリンタ、ファクシミリ、またはそれらの複合機における画像形成装置に関する。

複写機、プリンタ、ファクシミリ、またはそれらの複合機における画像形成装置においては、用紙に転写されたトナー画像を、熱と圧力によって定着させる。そこで、定着部材を加熱するための加熱部材、およびそれを備えた熱定着方式の定着装置が用いられている。

熱定着方式の定着装置には、特許文献１（特開平７−１６８４７１号公報）の様に、ヒータ等の加熱部材と、加熱部材によって加熱される定着ローラ（定着部材）と、それに対向する加圧ローラ（対向部材）等を備えたものがあり、両ローラの当接するニップ部に記録媒体を通過させることにより、その記録媒体上のトナー画像を加熱溶融させて定着するように構成されている。

このような定着装置の定着ローラにおいては、耐久性などを考慮して円柱形状の金属製のローラが一般的に用いられているが、このようなローラは熱容量が大きく、定着処理に十分な温度に加熱されるまでに多くの時間と熱エネルギーを要するという課題があった。

そこで、特許文献２（特開２００１−２２３０６３号公報）の様に、円柱形状の定着部材に代えて円筒形状の定着部材を用い、円筒面の内側からヒータで定着部材を加熱する発明や、特許文献３（特開平６−２２２６９６号公報）の様に、円柱形状の定着部材に代えて、複数のローラによって張架されたフィルム状の定着部材を用い、定着部材の裏面から発熱体によって定着部材を加熱する発明が既になされている。

これらの定着部材は、円柱形状の定着ローラに比べて厚みが薄いため、熱容量が小さく、加熱に要する時間と熱量を少なく抑えることができる。

しかし、特許文献２および３の構成においては、定着部材の厚みが薄いために耐摩耗性が十分でなく、長期間使用すると、加熱部材等との摩擦によって定着部材が摩耗し、適切に定着処理が行われなくなる恐れがあった。
この様な事情から、本発明では、上記の様な厚みの薄い定着部材を用いても、定着部材の耐摩耗性を確保することのできる加熱部材を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するため、本発明は、画像を定着させるための定着部材の被加熱面に当接する、前記定着部材を加熱するための加熱部材において、前記被加熱面に当接する当接面のビッカース硬さが６００Ｈｖ以下である加熱部材を特徴とするものである。

本発明の加熱部材においては、定着部材に当接する加熱部材の表面の硬さを調整し、その硬さを所定の値以下にすることで、定着部材の被加熱面と加熱部材の当接面の表面の硬さに大きく差が生じないようにしている。これにより、定着部材の急激な摩耗を防止している。

本発明を適用可能な画像形成装置の実施の一形態を示す概略構成図である。 定着装置の基本構成を示す断面図である。 定着装置の要部斜視図である。 画像形成パターンを示す平面図である。 通紙時のヒータの出力と定着ベルトの温度変化を示す図である。 本発明の実施形態に係るヒータを示した斜視図である。 本発明の実施形態に係るヒータを示した断面図である。 本発明の実施系形態の定着装置における定着ベルトの走行距離と定着ベルトの摩耗の関係を示した図である。 本発明の異なる実施形態における定着装置を示す図である。

以下、添付の図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の実施の形態を説明するための各図面において、同一の機能もしくは形状を有する部材や構成部品等の構成要素については、判別が可能な限り同一符号を付すことにより一度説明した後ではその説明を省略する。

図１は、本発明の実施の一形態に係る画像形成装置の概略構成図である。
図１に示す画像形成装置は、モノクロ画像形成装置であり、その装置本体１の中央には、感光体２が配設されている。感光体２の周囲には、帯電ローラ３と、露光手段を構成する光源４及びミラー５と、現像ローラ６を備える現像手段７と、転写手段８と、クリーニングブレード９を備えるクリーニング手段１０等が配設されている。

また、装置本体１には、記録媒体としての用紙Ｐを収容した給紙トレイ１１と、給紙トレイ１１から用紙Ｐを搬出する給紙ローラ１２と、一対のレジストローラ１３と、用紙Ｐに画像を定着する定着装置１４と、用紙Ｐを装置外に排出する排紙ローラ１５とが設けられている。なお、記録媒体には、普通紙以外に、厚紙、はがき、封筒、薄紙、塗工紙（コート紙やアート紙等）、トレーシングペーパ、ＯＨＰシート等が含まれる。また、手差し給紙機構が設けてあってもよい。

続いて、図１を参照して、本実施形態に係る画像形成装置の基本的動作について説明する。
作像動作が開始されると、感光体２が駆動装置によって図の時計回りに回転駆動され、感光体２の表面が帯電ローラ３によって所定の極性に一様に帯電される。次いで、読取装置やコンピュータ等からの画像情報に基づいて、光源４から照射された露光光Ｌがミラー５を介して走査され、感光体２の帯電面に照射される。これにより、感光体２の表面に静電潜像が形成される。この静電潜像に対し、現像ローラ６からトナーが供給されることにより、静電潜像がトナー画像として顕像化（可視像化）される。

また、作像動作が開始されると、給紙ローラ１２が回転駆動を開始し、給紙トレイ１１から用紙Ｐが１枚ずつ分離して送り出される。送り出された用紙Ｐは、レジストローラ１３によって搬送が一旦停止され、姿勢のずれが矯正される。その後、レジストローラ１３を感光体２の回転に同期して回転駆動させ、感光体２上のトナー画像の先端と用紙Ｐの搬送方向先端の所定位置とが一致するタイミングで用紙Ｐを搬送する。そして、搬送される用紙Ｐ上に、感光体２上のトナー画像が、転写手段８によって形成された転写電界により転写される。トナー画像が転写された用紙Ｐは、定着装置１４へと搬送され、定着装置１４によって用紙Ｐ上のトナー画像が定着される。その後、用紙Ｐは、排紙ローラ１５によって装置外へ排出される。

なお、用紙Ｐ上に転写されずに感光体２上に残った残留トナーは、感光体２の回転に伴ってクリーニングブレード９に至り、クリーニングブレード９によって掻き落とされ除去される。そして、感光体２の表面は、除電手段によって除電され、次の作像工程に備えられる。

図２は、本実施形態に係る定着装置の基本構成を示す断面図である。
図２に示すように、定着装置１４は、定着部材としての定着ベルト２１と、定着ベルト２１に当接してニップ部Ｎを形成する加圧ローラ２２と、定着ベルトを加熱する加熱部材としてのヒータ２３とを備える。

定着ベルト２１は、薄肉で可撓性を有する無端状のベルト部材（フィルムも含む）で構成されている。具体的に、定着ベルト２１は、外径３０ｍｍで厚みが５０μｍ〜７０μｍのポリイミド製の基材２１ａと、この基材２１ａの外周面を被覆する厚み５０〜１２０μｍのシリコーンゴム製の弾性層２１ｂと、この弾性層２１ｂの外周面を被覆する厚み５〜５０μｍのＰＦＡやＰＴＦＥ等のフッ素系樹脂製の離型層２１ｃとで構成されている。なお、定着ベルト２１の基材２１ａを、ＳＵＳやニッケル等の金属もしくはその内面に樹脂コーティングを施したもので構成することも考えられる。

加圧ローラ２２は、外径４０ｍｍで厚み２ｍｍの鉄製の芯金２２ａと、この芯金２２ａの外周面を被覆する弾性層２２ｂとで構成されている。加圧ローラ２２の弾性層２２ｂは、シリコーンゴムで構成されており、その厚みは５ｍｍである。また、離型性を高めるため、弾性層２２ｂの外周面に厚み４０μｍ程度のフッ素系樹脂から成る離型層を配設してもよい。

定着ベルト２１を挟んで加圧ローラ２２と対向する位置で、定着ベルト２１の内周側には、ニップ形成部材２４が配設されている。ニップ形成部材２４は、その両端部において、定着装置１４の側板に支持されている。このニップ形成部材２４に対し、加圧ローラ２２が加圧レバー等の加圧手段によって圧接せしめられることで、定着ベルト２１と加圧ローラ２２との圧接部において所定幅のニップ部Ｎが形成されている。なお、定着部材と対向部材とを加圧せず単に当接させるだけの構成としてもよい。

また、加圧ローラ２２は、モータ等の駆動源によって図の矢印Ｂ方向に回転駆動するように構成されている。そして、加圧ローラ２２が回転駆動すると、その駆動力がニップ部Ｎで定着ベルト２１に伝達され、定着ベルト２１が図の矢印Ｃ方向に従動回転するようになっている。また、定着ベルト２１の内周側には、定着ベルト２１を支持するベルト支持部材２９が配設されている。

ヒータ２３は、サーマルヒータやセラミックヒータ等の面状又は板状の発熱体で構成されている。定着ベルト２１の内周側にはステー３１が配設されており、このステー３１によって、ヒータ２３の当接面２３Ｄが、ニップ部Ｎよりも用紙搬送方向Ａの上流側で、定着ベルト２１の内周面である被加熱面２１Ｄに当接するように支持されている。また、ヒータ２３には電源２５が接続されており、電源２５からヒータ２３に電力が供給されるようになっている。この電源２５の出力は、加熱制御手段２６によって制御される。加熱制御手段２６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェース等を包含するマイクロコンピュータで構成されている。

また、定着装置１４は、ヒータ２３の温度を検知する第１のサーミスタ２７と、定着ベルト２１の温度を検知する第２のサーミスタ２８とを備える。第１のサーミスタ２７は、ヒータ２３に直接接触するように配設され、第２のサーミスタ２８は、定着ベルト２１の外周面に対し、ヒータ２３よりもベルト回転方向Ｃの上流側で対向するように配設されている。各サーミスタ２７，２８で検知された温度情報は、加熱制御手段２６に入力されるようになっており、この入力情報に基づいて、加熱制御手段２６は電源２５の出力を制御するように構成されている。

また、ヒータ２３と対向する位置には、定着ベルト２１を外周側から押さえる押圧ローラ３０が配設されている。この押圧ローラ３０によって、定着ベルト２１が外周側から押さえられることで、定着ベルト２１がヒータ２３に接触するようになっている。押圧ローラ３０は、外径が１５ｍｍ乃至３０ｍｍであり、外径が８ｍｍの鉄製の芯金３０ａと、この芯金３０ａの外周面を被覆する厚み３．５ｍｍ乃至１１ｍｍのシリコーンゴム製の弾性層３０ｂとで構成されている。また、離型性を高めるために、弾性層３０ｂの外周面に厚み４０μｍ程度のフッ素系樹脂から成る離型層を配設してもよい。ここでは、押圧ローラ３０は、加圧手段によって定着ベルト２１に圧接されているが、加圧を行わず単に当接させるだけの構成としてもよい。

図２を参照しつつ定着装置の基本動作について説明する。
画像形成装置本体の電源スイッチが投入されると、電源２５からヒータ２３に電力が供給されると共に、加圧ローラ２２が図の矢印Ｂ方向に回転駆動を開始する。これにより、定着ベルト２１は、加圧ローラ２２との間の摩擦力によって図の矢印Ｃ方向に従動回転する。

その後、上述の画像形成工程を経て未定着のトナー画像Ｇが担持された用紙Ｐが、定着ベルト２１と加圧ローラ２２との間のニップ部Ｎに搬送されると、用紙Ｐが加熱及び加圧され、用紙Ｐ上のトナー画像Ｇが定着される。そして、用紙Ｐはニップ部Ｎから搬出された後、機外に排出される。

以下、本実施形態に係る定着装置の構成について、さらに詳しく説明する。
図３に示すように、加熱部材としてのヒータ２３は、用紙Ｐの搬送方向と直交する幅方向に等間隔に配設された複数（図では７つ）の発熱体２３ｂを有している。各発熱体２３ｂは、それぞれに給電可能となるように電源２５に接続されており、各発熱体２３ｂへの供給電力は、加熱制御手段２６により互いに独立してコントロールされる。

具体的に、加熱制御手段２６は、複数の発熱体２３ｂのうち、発熱させる発熱体２３ｂを選択することによる用紙幅方向における加熱範囲の変更と、発熱体２３ｂのＯＮ／ＯＦＦのタイミングを制御することによる回転方向における加熱範囲の変更と、発熱体２３ｂの発熱量を制御することによる単位時間当たりの発熱量（加熱温度）の変更とを、行えるようになっている。なお、発熱体２３ｂの発熱量（出力）の制御は、各発熱体２３ｂに供給する電力を変更することで行われる。この供給電力の変更は、電圧をアナログ的に変更し、あるいは、点灯デューティー（所定時間中のＯＮ時間の比率）を変更することなどによって行われる。

画像形成装置の画像読取装置や外部機器から送信された画像信号は、図２に示す画像処理手段３３に入力され、所定の画像処理が行われる。画像処理手段３３からの画像情報は加熱制御手段２６に入力され、この画像情報に基づいて加熱制御手段２６が電源２５を介して各発熱体２３ｂの出力を制御する。

例えば、図４（ａ）に示すように、用紙搬送方向Ａの先端側から順に、画像領域ａ、非画像領域ｂ、画像領域ｃが存在するように画像形成された用紙Ｐの場合、画像領域ａ，ｃでは定着が必要であるが、非画像領域ｂでは定着の必要はない。このような場合、加熱制御手段２６は、画像処理手段３３から得られた画像情報に基づき、非画像領域ｂに対応する定着ベルト２１の部位の温度を、画像領域ａ，ｃに対応する定着ベルト２１の部位の温度よりも低くなるようにヒータ２３を制御する。すなわち、この場合、画像領域ａ，ｃに対応する箇所では、全発熱体２３ｂへの電力供給を通常通り行うが、非画像領域ｂに対応する箇所では、全発熱体２３ｂへの電力供給を低減又は停止する。このように、非画像領域ｂに対応する箇所では、発熱体２３ｂへの供給電力を低減又は停止することで、非画像領域ｂへの無駄な熱エネルギー消費を削減することができる。

また、図４（ｂ）に示すように、用紙Ｐの幅方向に渡って、画像領域ｄと非画像領域ｅとが混在する場合は、複数の発熱体２３ｂのうち、非画像領域ｅに対応する位置（図の右側）にある発熱体２３ｂへの電力供給を低減又は停止する。これにより、非画像領域ｅでの無駄な熱エネルギー消費を削減できる。

また、図４（ｃ）に示す例では、画像領域と非画像領域とが用紙Ｐの幅方向と搬送方向に渡って混在している。この場合は、図中の符号ｇの範囲と符号ｉの範囲とが重なり合った箇所に形成される非画像領域に対応して、発熱体２３ｂへの電力供給を低減又は停止することにより、上記と同様に、非画像領域での無駄な熱エネルギー消費を削減することができる。

図５は、図４（ａ）に示す用紙を通過させた場合のヒータの出力と定着ベルトの温度変化を示す図である。以下、図５を参照しつつ、定着ベルトの温度制御について説明する。

図５に示すように、用紙上の画像領域ａ，ｃがニップ部を通過するタイミングＴａ，Ｔｃでは、定着ベルトの温度が、定着に必要な所定の第１の目標温度Ｑ１となるように、発熱体への供給電力を制御する。一方、非画像領域ｂがニップ部を通過するタイミングＴｂでは、発熱体への電力供給を低減して、第１の目標温度Ｑ１よりも低い第２の目標温度Ｑ２となるように制御し、無駄な熱エネルギー消費を削減する。ここで、画像領域ａ，ｃがニップ部を通過しない時間Ｔｂ，Ｔ１，Ｔ２においては、発熱体への電力供給を完全に停止してもよいが、極端に温度が下がり過ぎると、次の、あるいは最初の画像領域に対応した温度の立ち上がりが間に合わないことがある。そのため、図５に示す例のように、発熱体の出力として、第１の目標温度Ｑ１用の出力Ｗ１よりも小さい出力Ｗ２を設定し、画像領域の非通過時Ｔｂ，Ｔ１，Ｔ２においては、小さい出力Ｗ２で加熱することにより、第１の目標温度Ｑ１よりも低いが室温よりは高い第２の目標温度Ｑ２に保つように制御することが望ましい。

また、一般的に、定着ベルトの加熱を開始してから、定着ベルトの温度が目標温度に達するまでには、一定の昇温時間を要する。従って、第１の目標温度Ｑ１用の出力Ｗ１での立ち上げを、画像領域ａの先端がニップ部に達した時点で開始した場合、第１の目標温度Ｑ１への昇温が間に合わない。そこで、図５に示す例のように、定着ベルトの昇温時間を考慮して、各画像領域ａ，ｃの先端がニップ部へ到達するよりも前のタイミングから、所定時間Ｔｘの間、出力Ｗ１による予熱を行うことが望ましい。ただし、省エネの観点から、予熱時間Ｔｘはできるだけ短い方が望ましい。また、定着ベルトの昇温時間は、定着ベルト自体の熱伝達率や回転方向の発熱長さなどによって異なるため、予め実験などにより特定しておくとよい。

なお、図５に示す例では、各画像領域ａ，ｃの定着温度を、同じ第１の目標温度Ｑ１に設定しているが、画像領域に応じて目標温度を異ならせてもよい。

例えば、各画像領域の画像の種類が、文字、写真、図などで異なる場合に、画像の種類に応じて各画像領域に対応する目標温度を異ならせてもよい。特に、画像が写真の場合は、画像の光沢度を上げる必要がある場合があるので、写真の画像領域に対しては目標温度を高く設定することで、所望の光沢度が得られる。

また、各画像領域の画像パターンが、ベタ画像、ハーフトーン画像、線画像、文字画像などで異なる場合や、画像パターンの処理方法が、ディザ法や誤差拡散法などで異なる場合、画像パターンや処理方法に応じて各画像領域に対応する目標温度を異ならせてもよい。各種画像パターンによってトナー粒子同士の孤立度合い又は密集度合いが異なっており、孤立している場合の方が密集している場合よりもトナーが剥がれやすいことが知られている。そのため、トナーが孤立している画像パターンに対しては、目標温度を上げて剥がれにくくし、反対に、トナーが密集している画像パターンに対しては、目標温度を下げることで消費エネルギーを削減することが可能である。

また、各画像領域のトナー付着量が異なる場合、それぞれ、定着に必要な温度が異なるため、画像情報に基づきトナーの付着量を把握しておき、これに応じて画像領域ごとに目標温度を異ならせてもよい。通常、トナーの付着量が多い画像では、トナーの溶融に多くの熱量が必要になるため、目標温度を上げる必要がある。反対に、トナーの付着量が少ない画像では、目標温度を下げて消費エネルギーの削減を図ることができる。

また、複数の色のトナーを用いるカラー画像形成装置においては、トナーの色によって定着に必要な熱量が異なる場合があるため、その場合、トナーの色に応じて目標温度を異ならせてもよい。例えば、ブラックのトナーは、イエロー、シアン、マゼンタ等の他の色のトナーに比べて、定着に必要な熱量が少なくてよい場合が多いため、ブラックのトナーのみ使用される画像領域では、目標温度を下げることで消費エネルギーの削減を図れる。

図６は本発明の定着装置のヒータの斜視図である。
ヒータ２３は、厚み０．７ｍｍのガラス基板２３ａの上に複数の発熱体２３ｂが配置された構成となっている。

ヒータ２３は、図７に示すように、定着ベルト２１の基材２１ａの被加熱面２１Ｄに当接する当接面２３Ｄを、絶縁性のガラス等の絶縁部材によってコーティングされている。当接面２３Ｄは、ヒータ２３の発熱体２３ｂが配置されている側の面である。ヒータ２３は、当接面２３Ｄを被加熱面２１Ｄに当接させることにより、定着ベルト２１を加熱する。
また、ガラス等の絶縁部材のコーティングの上に、更に別部材を設けたり、別部材により二重にコーティングすることも可能である。

図２を用いて既に説明したように、加圧ローラ２２の矢印Ｂ方向の回転により、定着ベルト２１が矢印Ｃ方向に従動回転する。この時、ヒータ２３はステー３１によって図の位置に固定されており、固定されたヒータ２３の当接面２３Ｄと回転する定着ベルト２１の被加熱面２１Ｄとの間で摩擦が発生する。両者で摩擦が発生した際に、被加熱面２１Ｄを有する基材２１ａの硬度が、当接面２３Ｄを有するヒータ２３の硬度と比べて顕著に小さいと、基材２１ａは激しく摩耗してしまう。

そこで、基材２１ａはポリイミドからなり、そのビッカース硬さは５０Ｈｖ程度に設定した。これに対して、本発明のヒータ２３は、前述のように当接面２３Ｄに絶縁部材をコーティングしており、そのビッカース硬さを６００Ｈｖ以下とし、基材２１ａとのビッカース硬さの差が５８０Ｈｖ以下となるように設定している。
当接面２３Ｄと被加熱面２１Ｄの硬度の差を一定以下にすることで、定着ベルト２１の基材２１ａの摩耗を抑制し、長期に渡って安定した定着動作を行う事ができる。

前述の基材２１ａの摩耗は、両部材の硬度のみでなく、部材の動摩擦係数および表面粗さによっても影響を受ける。そこで本発明では、当接面２３Ｄの被加熱面２１Ｄに対する動摩擦係数が０．３以下で、当接面２３Ｄの表面粗さが０．３μｍ以下となるように設定している。

さらに、当接面２３Ｄと被加熱面２１Ｄの間に、フッ素あるいはシリコンからなる潤滑剤を介在させ、両者の摩擦を低減している。

以上の様に、各対策を講じることで、図８に示すように、基材２１ａの磨耗が、定着ベルト２１の３００ｋｍ走行時で、１０μｍ以下に抑えることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。
本発明に係る画像形成装置は、図１に示すカラー画像形成装置に限らず、モノクロ画像形成装置や、複写機、プリンタ、ファクシミリ、あるいはこれらの複合機等であってもよい。

また、図９に示すように、図２に示す定着装置において、ヒータ２３を定着ベルト２１内部であってニップ部Ｎを形成する部位に配置することもできる。この場合、ヒータ２３をニップ形成部材２４として機能させ、定着ベルト２１と加圧ローラ２２の間で定着ニップが形成されると同時に、ヒータ２３を定着ベルト２１に押し当て、ヒータ２３が定着ベルト２１を加熱する事ができる。このため、図９の実施形態においては、押圧ローラ３０を必要としない。

１ 画像形成装置
１４ 定着装置
２１ 定着ベルト（定着部材）
２１Ｄ 被加熱面
２２ 加圧ローラ
２３ ヒータ（加熱部材）
２３ｂ 発熱体
２３Ｄ 当接面

特開平７−１６８４７１号公報 特開２００１−２２３０６３号公報 特開平６−２２２６９６号公報

Claims (8)

1. 画像を定着させるための定着部材の被加熱面に当接する、前記定着部材を加熱するための加熱部材において、
   前記被加熱面に当接する当接面のビッカース硬さが６００Ｈｖ以下であることを特徴とする加熱部材。
2. 前記当接面と被加熱面とのビッカース硬さの差が５８０Ｈｖ以下である請求項１記載の加熱部材。
3. 前記被加熱面がポリイミドからなり、前記当接面が絶縁部材によるコーティングが施されている請求項１または２記載の加熱部材。
4. 前記絶縁部材の、前記被加熱面に対する動摩擦係数が０．３以下である請求項１から３いずれか１項に記載の加熱部材。
5. 前記絶縁部材の表面粗さが０．３μｍ以下である請求項１から４いずれか１項に記載の加熱部材。
6. 前記被加熱面と前記絶縁部材の間に、フッ素あるいはシリコンからなる潤滑剤が介在させている請求項１から５いずれか１項に記載の加熱部材。
7. 請求項１から６いずれか１項に記載の加熱部材を備えた定着装置。
8. 請求項１から７いずれか１項に記載の定着装置を備えた画像形成装置。

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