JP5643670B2 - 光束制御部材および照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子から出射された光の進行方向を制御する光束制御部材、および、この光束制御部材を用いた照明装置に関する。

伝統的な白熱電球は、外部電源から電力をフィラメントに供給することにより、フィラメントから広範囲の均一な光線を発生する。しかしながら、白熱電球には、消費電力が高く、高温であり、使用寿命が短い、等の欠点がある。

これに対し、ＬＥＤ（発光ダイオード）電球は、寿命が長く、節電でき、廃棄物による環境汚染を発生しない、等の長所があるため、白熱電球に変わり、新時代の照明設備となりつつある。ただし、ＬＥＤは前方向のみにしか光が出射されないため、従来のＬＥＤ電球を天井に取り付けた場合、天井や壁面からの反射光が少なくなり、直下照度が同等の白熱電球よりも暗く感じてしまう。

この課題を解決するものとして、特許文献１の図４には、基板を円筒状に形成し、円筒の側面（ＬＥＤ電球の軸に平行な面）および円筒の上面（ＬＥＤ電球の軸に垂直な面）の両方にＬＥＤを実装するとともに、ＬＥＤからの出射光を透光性カバーの内面に形成した蛍光体層によって拡散してＬＥＤ電球の外部へ出射する、照明角度を拡げたＬＥＤ電球が開示されている。

特開２００１−２４３８０７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された従来のＬＥＤ電球は、基板の形状やＬＥＤの配置等、構造が複雑であるため、製造コストが高くなってしまう。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、ＬＥＤから出射された光を広範囲に拡散することができる光束制御部材、および、この光束制御部材を用い、簡単な構造で照明角度が広いＬＥＤ電球等の照明装置を提供することを目的とする。

本発明の光束制御部材は、発光素子から出射された光を入射し、進行方向を制御して出射する光束制御部材であって、板状の第１レンズと板状の第２レンズとにより構成され、前記第１レンズは、一方の主面である第１表面と、他方の主面である第１裏面と、前記第１レンズの平面外形を形作る第１側面と、を有し、前記第２レンズは、一方の主面である第２表面と、他方の主面である第２裏面と、前記第２レンズの平面外形を形作る第２側面と、を有し、前記第１レンズおよび前記第２レンズは、前記第２レンズの前記第２裏面を前記第１レンズの前記第１表面側に向けるとともに、前記第１レンズおよび前記第２レンズよりも低屈折率層を介して重ねて配置され、前記第１レンズの前記第１裏面を凹ませることにより形成され、前記発光素子から出射された光を入射して前記第１側面に向かって導光する光を生成する第１凹面と、前記第２レンズの前記第２表面を凹ませることにより形成され、前記第１凹面から入射して前記第１表面および前記第２裏面を透過した光を出射又は全反射させる第２凹面と、を有する、構成を採る。

本発明の照明装置は、発光素子と、前記発光素子から入射した光を、進行方向を制御して出射する上記光束制御部材と、を備える構成を採る。

本発明によれば、ＬＥＤから出射された光を広範囲に拡散することができ、ＬＥＤ１個とレンズ（光束制御部材）という簡単な構造で、照明角度が広いＬＥＤ電球等の照明装置を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る光束制御部材を用いたＬＥＤ電球を示す図 本発明の一実施の形態に係る光束制御部材の形状を示す図 本発明の一実施の形態に係る光束制御部材のレンズの組み付け例を示す図 本発明の一実施の形態に係る光束制御部材に入射する光の経路を示す図 従来のＬＥＤ電球の配光分布を示す図 本発明の一実施の形態に係る光束制御部材を用いたＬＥＤ電球の配光分布を示す図 本発明の一実施の形態に係る光束制御部材のバリエーション１の形状を示す図 図７の光束制御部材を用いたＬＥＤ電球の配光分布を示す図 本発明の一実施の形態に係る光束制御部材のバリエーション２の形状を示す図 図９の光束制御部材を用いたＬＥＤ電球の配光分布を示す図 本発明の一実施の形態に係る光束制御部材のバリエーション３の形状を示す図 図１１の光束制御部材を用いたＬＥＤ電球の配光分布を示す図 本発明の一実施の形態に係る光束制御部材のバリエーション４の形状を示す図 図１３の光束制御部材を用いたＬＥＤ電球の配光分布を示す図 本発明の一実施の形態に係る光束制御部材を用いたＬＥＤ電球のバリエーションを示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
〔ＬＥＤ電球の構成〕
図１は、本発明の一実施の形態に係る光束制御部材を用いたＬＥＤ電球１を示す図である。

ＬＥＤ電球１は、カバー２と、口金３と、電源ユニット４と、台座５と、ＬＥＤユニット６と、から主に構成される。

カバー２は、高熱伝導性を有する金属（例えばアルミニウム）からなる。カバー２には円筒状の口金取り付け部２ａが形成される。口金取り付け部２ａの内面側には、中央部に孔２ｃを有する円盤状の支持部材２ｂが接着剤等によって取り付けられ、支持部材２ｂの内面側に電源ユニット４が配設される。

口金３は、ねじ山を備えた筒状に形成された金属性のシェル部３ａ、および、シェル部３ａの一端側の頂部にシェル部３ａと絶縁部を介する金属製のアイレット部３ｂを有する。口金３は、シェル部３ａの他端側である開口３ｃを、絶縁物を介してカバー２の口金取り付け部２ａに装着することにより、カバー２に固定される。

電源ユニット４は、略円柱形状であり、入力電線（図示せず）を介してシェル部３ａとアイレット部３ｂの内側面に接続し、口金３から電力の供給を受ける。また、電源ユニット４は、出力電線４ａを介してＬＥＤユニット６に電力を供給する。

台座５は、略円柱形状であり、伝熱性の接着材によりカバー２の内面に取り付けられる。台座５の中央付近には、台座５を厚み方向に貫通した貫通孔５ａが設けられる。電源ユニット４に接続された出力電線４ａは、支持部材２ｂの孔２ｃから台座５の貫通孔５ａを通ってＬＥＤユニット６の基板６ａに接続される。

ＬＥＤユニット６は、基板６ａと、ＬＥＤ６ｂと、光束制御部材６ｃと、から構成され、基板６ａの裏面を台座５に接着することにより台座５に取り付けられる。基板６ａは、高熱伝導性を有する金属（例えばアルミニウム）からなる。基板６ａの表面にはＬＥＤ６ｂが実装される。ＬＥＤ６ｂは、基板６ａの表面に絶縁層を介して形成された銅箔からなる配線パターン（図示せず）に接続され、可視光を放射する。光束制御部材６ｃは、ＬＥＤ６ｂに対向するように基板６ａに取り付けられ、ＬＥＤ６ｂから出射された光の進行方向を制御する。なお、光束制御部材６ｃの形状等の詳細については後述する。

ＬＥＤ電球１を電球用ソケット（図示せず）に取り付けると、口金３のシェル部３ａとアイレット部３ｂがソケット内の電極と接触し、商用電源（図示せず）からの電力が電源ユニット４に供給される。電源ユニット４は、例えば１６０ｍＡの直流電流の電力を、出力電線４ａを介して基板６ａのＬＥＤ６ｂに供給する。ＬＥＤ６ｂは、電力が供給されると発光する。ＬＥＤ６ｂから出射された光は、光束制御部材６ｃによって進行方向を制御されて出射される。

〔光束制御部材の形状〕
図２は、本発明の実施の形態１に係る光束制御部材６ｃを示す図である。図２（ａ）は光束制御部材６ｃの平面図、図２（ｂ）は光束制御部材６ｃの正面断面図、図２（ｃ）は光束制御部材６ｃの底面図である。図２に示すように、本実施の形態に係る光束制御部材６ｃは、第１レンズ１０と、第２レンズ２０と、から主に構成される。

第１レンズ１０及び第２レンズ２０は、いずれも、例えば、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＥＰ（エポキシ樹脂）、ＣＯＰ（シクロオレフィン樹脂）等の透明樹脂材料や透明なガラスで形成される。なお、第１レンズ１０と第２レンズ２０とは、互いに材質が異なっていても良い。

第１レンズ１０は、薄肉円柱形状に形成され、第１裏面１０ａ、第１側面１０ｂ、第１表面１０ｃを有する。第１裏面１０ａおよび第１表面１０ｃは円形平面であり、第１側面１０ｂは凸プリズム形状の円周曲面である。第１裏面１０ａの中央部には、第１裏面１０ａを凹ませることにより、中心軸Ｃ上を頂点とする円錐面形状の第１凹面１０ｄが形成される。

第２レンズ２０は、薄肉円柱形状に形成され、第２裏面２０ａ、第２側面２０ｂ、第２表面２０ｃを有する。第２裏面２０ａおよび第２表面２０ｃは円形平面であり、第２側面２０ｂは径が一定の円周曲面である。第２表面２０ｃの中央部には、第２表面２０ｃを凹ませることにより、中心軸Ｃ上を頂点として中心軸から離れるに従って曲率が緩くなる曲面形状の第２凹面２０ｄが形成される。

〔光束制御部材のレンズの組み付け〕
第１レンズ１０と第２レンズ２０とは、第１表面１０ｃと第２裏面２０ａとが接する状態、あるいは、第１表面１０ｃと第２裏面２０ａとの間に微少な間隙が存在する状態で組み付けられる。すなわち、第１レンズ１０と第２レンズ２０とは密着しておらず、空気層が存在する。

なお、本発明において、第１レンズ１０と第２レンズ２０の組み付け方については制限がない。

例えば、図３に示すように、第１レンズ１０の第１表面１０ｃの外周部に、内径が第２レンズ２０の外形とほぼ等しい円環状の凸縁部１０ｅを形成し、第２レンズ２０を第１レンズ１０の凸縁部１０ｅに嵌合させることにより、第１レンズ１０と第２レンズ２０とを組み付けることができる。

あるいは、第１レンズ１０の第１表面１０ｃに微少な凹みを複数設け、第２レンズ２０の第２裏面２０ａにこれらの凹みに対応する突起を設け、各突起を各凹みに嵌合させることにより、第１レンズ１０と第２レンズ２０とを組み付けることができる。

あるいは、第２レンズ２０の第２裏面２０ａに、底面が平面の突起を複数設け、接着剤によって第１レンズ１０の第１表面１０ｃに各突起の底面を接着することにより、第１レンズ１０と第２レンズ２０とを組み付けることができる。

いずれの組み付け例においても、凹凸嵌合部や接着部が光束制御部材６ｃの光学特性に大きな影響を与えないように設計される。

〔光束制御部材の取り付け〕
第１レンズ１０と第２レンズ２０とが組み付けられた光束制御部材６ｃは、第１裏面１０ａがＬＥＤ６ｂに対向し、光束制御部材６ｃの中心軸ＣがＬＥＤ６ｂの光軸Ｌと一致するように基板６ａに取り付けられる。

光軸Ｌとは、光束の代表となる仮想的な光線であって、ＬＥＤ６ｂの発光面の中心から発光面と垂直に出射される光であって、ＬＥＤ６ｂから出射される立体的な光束の中心における光の進行方向をいう。

なお、本発明において、光束制御部材６ｃの基板６ａへの取り付け方については制限がない。

例えば、第１レンズ１０の第１裏面１０ａに、底面が平面の突起を複数設け、接着剤によって基板６ａに各突起の底面を接着することにより、光束制御部材６ｃの基板６ａに取り付けることができる。

あるいは、基板６ａに凹み、または貫通孔を複数設け、第１レンズ１０の第１裏面１０ａにこれらの凹みに対応する突起を設け、各突起を各凹みに嵌合させることにより、光束制御部材６ｃの基板６ａに取り付けることができる。

〔光束制御部材内の光の経路〕
図４は、光束制御部材６ｃに入射する光の光路を示す図である。図４（ａ）は、ＬＥＤ６ｂの発光面の中心から出射される光の光路を示す図であり、図４（ｂ）は、ＬＥＤ６ｂの発光面の中心より離れた点から出射される光の光路を示す図である。なお、以下の説明において、光軸Ｌ（中心軸Ｃ）に対する光の進行方向の角度をθとする。

図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、ＬＥＤ６ｂは発光面から放射状に光を出射する。ＬＥＤ６ｂから出射された光の大部分は、第１レンズ１０の第１凹面１０ｄから入射する。なお、ＬＥＤ６ｂから出射される光の進行方向の角度θの絶対値は９０°より小さくなる。

図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、第１凹面１０ｄから入射した光の内、第１レンズ１０の材質による臨界角φ以下で第１表面１０ｃに到達した光は、第１表面１０ｃから出射され、第２レンズ２０の第２裏面２０ａから第２レンズ２０内に入射する。一方、臨界角φより大きい角度で第１表面１０ｃに到達した光は、第１表面１０ｃにおいて全反射され、その後、第１裏面１０ａと第１表面１０ｃとの間を反射しながら進行し、第１側面１０ｂから出射される。なお、第１レンズ１０の材料がアクリルの場合、臨界角φはおよそ４２°である。

ＬＥＤ６ｂから出射された光が、第１凹面１０ｄが形成されない第１裏面１０ａから第１レンズ１０内に入射した場合には、略全光量が第１表面１０ｃから出射することとなり、第１レンズ１０内を導光する光が生成されない。したがって、第１凹面１０ｄには、第１表面１０ｃに近づくにしたがって凹部空間が先細りになるような傾斜面が形成されていることが必要である。

図４（ａ）に示すように、ＬＥＤ６ｂの発光面の１点（本実施の形態においては発光面の中心）から出射された光の内、第２裏面２０ａから第２レンズ２０内に入射した光は、第２凹面２０ｄで全反射され、主として第２側面２０ｂから出射される。

また、図４（ｂ）に示すように、ＬＥＤ６ｂの発光面の別の点（本実施の形態においては中心より離れた点）から出射された光の内、第２裏面２０ａから入射した一部の光は、第２表面２０ｃあるいは第２凹面２０ｄから出射され、残りの光は、第２凹面２０ｄで全反射され、第２側面２０ｂから出射される。このように、ＬＥＤ６ｂが点ではなく面状に発光していることにより、第２凹面２０ｄにおいて全反射する光および屈折して出射する光の両方を生成することができる。

図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、第１側面１０ｂあるいは第２側面２０ｂから出射される光の一部の進行方向の角度θの絶対値は、９０°より大きくなる。すなわち、光束制御部材６ｃは、ＬＥＤ６ｂから出射された光を広範囲に拡散して出射する。第１側面１０ｂに下向きの傾斜面（第１裏面１０ａに近づくとともに光軸Ｌに近づくような傾斜面）を形成することにより、後方（−９０°≧θ、＋９０°≦θ）への出射光量を増やすことが可能となる。

〔配光分布の対比〕
図５は、光束制御部材６ｃを用いない従来のＬＥＤ電球の配光分布を示す図であり、図６は、本実施の形態に係る光束制御部材６ｃを用いたＬＥＤ電球の配光分布を示す図である。

図５に示すように、従来のＬＥＤ電球は、前方（−９０°＜θ＜＋９０°）のみにしか光が出射されていない。これに対し、本実施の形態に係る光束制御部材６ｃを用いたＬＥＤ電球は、後方（−１８０°＜θ＜−９０°および＋９０°＜θ≦＋１８０°）にも光が出射されている。

〔本実施の形態の効果〕
以上のように、本実施の形態の光束制御部材６ｃは、第１レンズ１０と第２レンズ２０とを、第１表面１０ｃと第２裏面２０ａとの間に空気層が存在する状態で組み付けて構成され、第１凹面１０ｄおよび第２凹面２０ｄを有する。これにより、光束制御部材６ｃは、ＬＥＤ６ｂから出射された光を広範囲に拡げることができる。したがって、光束制御部材６ｃを用いることにより、簡単な構造で照明角度が広いＬＥＤ電球等の照明装置を提供することができる。なお、本実施の形態では第１レンズ１０と第２レンズ２０とを空気層を介して重ね合わせる場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、第１表面１０ｃで全反射する光が生成される形態であればよく、第１レンズ１０と第２レンズ２０とを第１レンズ１０および第２レンズ２０よりも低屈折率材料で接着してもよい。

さらに、本実施の形態によれば、光束制御部材６ｃを構成する２枚のレンズが、板状で薄肉であるので、各レンズの成形性を良くすることができる。

〔バリエーション〕
以下、本実施の形態に係る光束制御部材のバリエーションについて、図７から図１４を用いて説明する。

図７は、本実施の形態に係る光束制御部材のバリエーション１の形状を示す図であり、図８は、図７の光束制御部材を用いたＬＥＤ電球の配光分布を示す図である。なお、図７では、基板６ａおよびＬＥＤ６ｂとともに光束制御部材６ｃ−１を示す。

図７に示す光束制御部材６ｃ−１は、図２に示した光束制御部材６ｃと比較して、第２レンズ２０の第２側面２０ｂ−１の形状が異なる。第２側面２０ｂ−１は、第２裏面２０ａから第２表面２０ｃに向かって径が大きくなるテーパー形状の円周曲面に形成される。これにより、図６と図８との対比から明らかなように、図２に示した光束制御部材６ｃよりも、前方（−９０°＜θ＜＋９０°）の光量を増やすことができる。

図９は、本実施の形態に係る光束制御部材のバリエーション２の形状を示す図であり、図１０は、図９の光束制御部材を用いたＬＥＤ電球の配光分布を示す図である。なお、図９では、基板６ａおよびＬＥＤ６ｂとともに光束制御部材６ｃ−２を示す。

図９に示す光束制御部材６ｃ−２は、図２に示した光束制御部材６ｃと比較して、第２レンズ２０の第２側面２０ｂ−２の形状が異なる。第２側面２０ｂ−２は、第２裏面２０ａから第２表面２０ｃに向かって径が小さくなるテーパー形状の円周曲面に形成される。これにより、図６と図１０との対比から明らかなように、図２に示した光束制御部材６ｃよりも、後方（−１８０°＜θ＜−９０°および＋９０°＜θ≦＋１８０°）の光量を増やすことができる。

図１１は、本実施の形態に係る光束制御部材のバリエーション３の形状を示す図であり、図１２は、図１１の光束制御部材を用いたＬＥＤ電球の配光分布を示す図である。なお、図１１では、基板６ａおよびＬＥＤ６ｂとともに光束制御部材６ｃ−３を示す。

図１１に示す光束制御部材６ｃ−３は、図２に示した光束制御部材６ｃと比較して、第１レンズ１０の第１側面１０ｂ−３の形状が異なる。第１側面１０ｂ−３は、第１裏面１０ａから第１表面１０ｃに向かって径が大きくなるテーパー形状の円周曲面に形成される。これにより、図６と図１２との対比から明らかなように、図２に示した光束制御部材６ｃよりも、後方（−１８０°＜θ＜−９０°および＋９０°＜θ≦＋１８０°）の光量を増やすことができる。上向きの傾斜面（第１表面１０ｃに向かって径が小さくなるテーパー形状の円周曲面）が形成されていないことにより、上向きの傾斜面が形成されている図２に示した光束制御部材６ｃと比較して、前方（−９０°＜θ＜＋９０°）への出射光量は減少している。

図１３は、本実施の形態に係る光束制御部材のバリエーション４の形状を示す図であり、図１４は、図１３の光束制御部材を用いたＬＥＤ電球の配光分布を示す図である。なお、図１３では、基板６ａおよびＬＥＤ６ｂとともに光束制御部材６ｃ−４を示す。

図１３に示す光束制御部材６ｃ−４は、図２に示した光束制御部材６ｃと比較して、第１レンズ１０の第１側面１０ｂ−４の形状が異なる。第１側面１０ｂ−４は、第１裏面１０ａから第１表面１０ｃに向かって径が小さくなるテーパー形状の円周曲面に形成される。これにより、図６と図１４との対比から明らかなように、図２に示した光束制御部材６ｃよりも、前方（−９０°＜θ＜＋９０°）の光量を増やすことができる。また、第１裏面１０ａが基板６ａよりも大きな面積で形成されることより、第１裏面１０ａからの出射光も得ることができ、θ＝１８０°方向への光量を増やすことができる。

本発明に係る光束制御部材６ｃは、第１凹面、第２凹面、第１側面、第２側面の形状を適宜変更することにより、出射角度θ方向への光量を調整することが可能となり、全方位出射が可能となる。

本発明に係る照明装置には、光束制御部材６ｃからの出射光を更に拡散させるため、またはＬＥＤユニットの保護のために、図１５に示すように、表面が粗面化されたり内部に散乱粒子等が混入されたりしたグローブ７を取り付けてもよい。図１５において、カバー２には拡開した環状のグローブ取り付け部２ｄが形成される。グローブ７は、透明樹脂材料や透明なガラスによって、端部７ａが開口する球面状に形成される。端部７ａがカバー２のグローブ取り付け部２ｄの内側に嵌合され、接着剤によって接着される。これにより、グローブ７は、ＬＥＤユニット６を覆うように、カバー２に固定される。

また、光束制御部材６ｃの機能を損なわない範囲で、光束制御部材６ｃ内に散乱材が含まれていてもよい。

本発明に係る光束制御部材は、ＬＥＤ電球等の照明装置に広く活用することができる。

１ ＬＥＤ電球
２ カバー
３ 口金
４ 電源ユニット
５ 台座
６ ＬＥＤユニット
６ａ 基板
６ｂ ＬＥＤ
６ｃ 光束制御部材
７ グローブ
１０ 第１レンズ
１０ａ 第１裏面
１０ｂ 第１側面
１０ｃ 第１表面
１０ｄ 第１凹面
１０ｅ 凸縁部
２０ 第２レンズ
２０ａ 第２裏面
２０ｂ 第２側面
２０ｃ 第２表面
２０ｄ 第２凹面

Claims (8)

1. 発光素子から出射された光を入射し、進行方向を制御して出射する光束制御部材であって、
   板状の第１レンズと板状の第２レンズとにより構成され、
   前記第１レンズは、一方の主面である第１表面と、他方の主面である第１裏面と、前記第１レンズの平面外形を形作る第１側面と、を有し、
   前記第２レンズは、一方の主面である第２表面と、他方の主面である第２裏面と、前記第２レンズの平面外形を形作る第２側面と、を有し、
   前記第１レンズおよび前記第２レンズは、
   前記第２レンズの前記第２裏面を前記第１レンズの前記第１表面側に向けるとともに、前記第１レンズおよび前記第２レンズよりも低屈折率層を介して重ねて配置され、
   前記第１レンズの前記第１裏面を凹ませることにより形成され、前記発光素子から出射された光を入射して前記第１側面に向かって導光する光を生成する第１凹面と、
   前記第２レンズの前記第２表面を凹ませることにより形成され、前記第１凹面から入射して前記第１表面および前記第２裏面を透過した光を出射又は全反射させる第２凹面と、を有し、
   前記第１側面は、前記第１裏面側から前記第１表面側に向かって径が小さくなるテーパー形状の円周曲面を有し、
   前記第１側面の前記テーパー形状の円周曲面の最大外径は、前記第２レンズの前記第２側面の最大外径より大きい、
   光束制御部材。
2. 前記第１凹面は、前記第１レンズの中心軸上を頂点とする円錐面形状である、請求項１記載の光束制御部材。
3. 前記第２凹面は、前記第２レンズの中心軸上を頂点として中心軸から離れるに従って曲率が緩くなる曲面形状である、請求項１または請求項２に記載の光束制御部材。
4. 前記第１レンズの側面は、凸プリズム形状の円周曲面を有する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光束制御部材。
5. 前記第１レンズの側面は、前記第１裏面側から前記第１表面側に向かって径が大きくなるテーパー形状の円周曲面をさらに有する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光束制御部材。
6. 前記第２レンズの側面は、前記第２裏面側から前記第２表面側に向かって径が大きくなるテーパー形状の円周曲面を有する、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光束制御部材。
7. 前記第２レンズの側面は、前記第２裏面側から前記第２表面側に向かって径が小さくなるテーパー形状の円周曲面を有する、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光束制御部材。
8. 発光素子と、
   前記発光素子から入射した光を、進行方向を制御して出射する請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の光束制御部材と、
   を備える照明装置。

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