JP2018176782A - 飛行装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基体の傾斜を招くことなく、飛行方向および飛行速度が変更される飛行装置を提供する。【解決手段】飛行装置１０は、基体１１、推力発生モジュール１２およびモジュール駆動部１３を備える。推力発生モジュール１２は、基体１１の重心を包囲して基体１１に複数設けられている。推力発生モジュール１２は、一対の第一ファン部２１および第二ファン部２２を有し、第一ファン部２１のプロペラ２１１は第一回転方向へ回転し、第二ファン部２２のプロペラ２２１は第一回転方向と逆の第二回転方向へ回転し、推進力を発生する。モジュール駆動部１３は、推力発生モジュール１２の基体１１に対する角度を変更する。【選択図】図１

Description

本発明は、飛行装置に関する。

近年、いわゆるドローンと称される飛行装置の普及が進んでいる。このような飛行装置は、一般に開放されたプロペラを有する複数のスラスタをアームで接続する構成が採用されている。このような構成により、従来の飛行装置は、軽量で効率が高いという利点を有している。

しかしながら、このような従来の飛行装置の場合、推力の発生方向を変更するのは困難である。そのため、従来の飛行装置は、基体の傾きを変更することによって、移動方向および移動速度を変更している（特許文献１参照）。このように基体の傾きを用いて移動方向および移動速度を変更する場合、飛行中に基体の傾きが常に変化する。その結果、従来の飛行装置は、飛行中に水平を維持することが困難であり、物品の搭載位置は基体の中心に限定されるという問題がある。

特許第４７９１４９２号明細書

そこで、本発明の目的は、基体の傾斜を招くことなく、飛行方向および飛行速度が変更される飛行装置を提供することにある。

請求項１記載の発明では、推力発生モジュールは、基体の重心を包囲して基体に複数設けられている。そして、推力発生モジュールは、モジュール駆動部によって基体に対する角度が変更される。そのため、推力発生モジュールから発生する推進力の方向は、基体に設けられた推力発生モジュールの角度によって調整される。これにより、推力発生モジュールの角度によって、飛行方向および飛行速度が変更され、飛行中、基体は一定の姿勢を維持する。したがって、基体の傾斜を招くことなく、飛行方向および飛行速度を変更することができ、基体の姿勢を一定に維持することができる。

また、請求項１記載の発明では、推力発生モジュールは、一対の第一ファン部および第二ファン部を有している。これら第一ファン部と第二ファン部とは、プロペラの回転方向が互いに逆に設定されている。そのため、推力発生モジュールは、第一ファン部と第二ファン部とで生じるジャイロ効果が相殺される。したがって、基体の無用な旋回が低減され、基体の姿勢をより安定して維持することができる。

第１実施形態による飛行装置の簡略化した構成を示す概略図 第１実施形態による飛行装置をヨー軸方向の上方から見た模式的な斜視図 第２実施形態による飛行装置の簡略化した構成を示す概略図 第３実施形態による飛行装置の簡略化した構成を示す概略図 第４実施形態による飛行装置の簡略化した構成を示す概略図 第５実施形態による飛行装置の簡略化した構成を示す概略図 第６実施形態による飛行装置の簡略化した構成を示す概略図 第６実施形態による飛行装置の推力発生モジュールを示す模式図 第６実施形態による飛行装置の推力発生モジュールの変形例を示す模式図 第７実施形態による飛行装置を示す模式的な斜視図 第７実施形態による飛行装置の推力発生モジュールを示す模式図 第８実施形態による飛行装置の推力発生モジュールを示す模式図

以下、飛行装置の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、複数の実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
第１実施形態による飛行装置１０は、図１および図２に示すように基体１１、推力発生モジュール１２およびモジュール駆動部１３を備えている。飛行装置１０は、無線もしくは有線による遠隔制御、または航法制御による自立的な制御によって無人で飛行する無人飛行装置である。第１実施形態の場合、基体１１は、図２に示すように本体１４およびフレーム１５を有している。本体１４は、飛行装置１０のヨー軸方向において上方に位置している。本体１４は、平板状に形成されている。本体１４は、推力発生モジュール１２の数にあわせてモジュール収容部１６を有している。モジュール収容部１６は、本体１４の外周側の端部からヨー軸を中心とする径方向の内側へ窪んでいる。フレーム１５は、飛行装置１０のヨー軸方向において下方に位置している。フレーム１５は、概ね円環状に形成されており、推力発生モジュール１２の外側を包囲している。

推力発生モジュール１２は、基体１１の重心を包囲して設けられている。第１実施形態の場合、基体１１の重心は、概ね飛行装置１０のヨー軸が貫く位置にある。これにより、第１実施形態の場合、推力発生モジュール１２は、ヨー軸を包囲する円周上に配置されている。また、第１実施形態の場合、飛行装置１０は、ヨー軸を包囲する円周の周方向へ３つの推力発生モジュール１２を備えている。

推力発生モジュール１２は、それぞれ一対となった第一ファン部２１および第二ファン部２２を有している。第一ファン部２１は、プロペラ２１１、モータ２１２および第一筒部２１３を有している。モータ２１２は、第一ファン部２１のプロペラ２１１を駆動する。第一筒部２１３は、これらプロペラ２１１およびモータ２１２の外周側を筒状に覆っている。すなわち、第一ファン部２１は、プロペラ２１１が第一筒部２１３によって覆われたダクテッドファンである。第一筒部２１３は、ヨー軸方向の上端および下端がそれぞれ開口している。つまり、第一筒部２１３は、軸方向において上端側に上部開口２１４を有し、下端側に下部開口２１５を有している。同様に、第二ファン部２２は、プロペラ２２１、モータ２２２および第二筒部２２３を有している。モータ２２２は、第二ファン部２２のプロペラ２２１を駆動する。第二筒部２２３は、これらプロペラ２２１およびモータ２２２の外周側を筒状に覆っている。すなわち、第二ファン部２２は、第一ファン部２１と同様に、プロペラ２２１が第二筒部２２３によって覆われたダクテッドファンである。第二筒部２２３は、ヨー軸方向の上端および下端がそれぞれ開口している。つまり、第二筒部２２３は、軸方向において上端側に上部開口２２４を有し、下端側に下部開口２２５を有している。

第一ファン部２１のプロペラ２１１と第二ファン部２２のプロペラ２２１とは、互いに逆方向に回転する。すなわち、第一ファン部２１のプロペラ２１１は、モータ２１２の駆動力により図１の矢印Ｒ１で示すように第一回転方向Ｒ１へ回転する。一方、第二ファン部２２のプロペラ２２１は、モータ２２２の駆動力により図１の矢印Ｒ２で示すように第二回転方向Ｒ２へ回転する。第一回転方向Ｒ１と第二回転方向Ｒ２とは互いに逆方向である。第一ファン部２１は、プロペラ２２１が第一回転方向Ｒ１へ回転することにより、上部開口２１４から空気を吸入し、吸入した空気を加速して下部開口２１５から排出する。一方、第二ファン部２２は、プロペラ２２１が第二回転方向Ｒ２へ回転することにより、上部開口２２４から空気を吸入し、吸入した空気を加速して下部開口２２５から排出する。これにより、推力発生モジュール１２は、基体１１を飛行させる推進力を発生する。

モジュール駆動部１３は、図１および図２に示すように基体１１と推力発生モジュール１２との間に設けられている。モジュール駆動部１３は、推力発生モジュール１２を、図示しない回転軸を中心として図１の矢印Ｒ３で示すように駆動方向Ｒ３へ駆動する。モジュール駆動部１３が推力発生モジュール１２を駆動方向Ｒ３へ駆動することにより、モジュール駆動部１３は、基体１１のヨー軸に対する推力発生モジュール１２の角度を変更する。このように、モジュール駆動部１３で推力発生モジュール１２を回転駆動することにより、推力発生モジュール１２が発生する推進力の向きは変更される。換言すると、推力発生モジュール１２が発生する推進力の向きは、モジュール駆動部１３によってヨー軸に対する角度が変更される。

推力発生モジュール１２が回転する中心となる回転軸は、推力発生モジュール１２の重心の近傍に設けられていることが好ましい。回転軸を推力発生モジュール１２の重心に設けることにより、モジュール駆動部１３が推力発生モジュール１２を駆動するために必要な駆動力は低減される。すなわち、推力発生モジュール１２の重心の近傍に回転軸を設けることにより、モジュール駆動部１３はより小さな力で推力発生モジュール１２の位置を制御することができる。

第１実施形態のように３つの推力発生モジュール１２は、モジュール駆動部１３によって駆動方向Ｒ３へ回転駆動される。これにより、３つの推力発生モジュール１２が発生する推進力の方向は、個別に変化する。各推進力発生モジュール１２で発生する推進力の大きさを変更するのに加え、モジュール駆動部１３によって推進力の向きを変更することにより、基体１１は姿勢を一定に保持したまま飛行方向や飛行速度が変化する。例えば、基体１１の本体１４を地面と水平な姿勢に維持したまま、飛行装置１０の飛行方向や飛行速度が変更される。すなわち、飛行装置１０は、本体１４を地面に対して傾斜させることなく飛行方向や飛行速度だけを変更することができる。また、飛行装置１０は、例えば基体１１のヨー軸と地面との角度を一定に保ったままの姿勢で飛行方向や飛行速度が変更される。

第１実施形態では、推力発生モジュール１２は、基体１１の重心を包囲して基体１１に複数設けられている。そして、推力発生モジュール１２は、モジュール駆動部１３によって基体１１のヨー軸に対する角度が変更される。そのため、推力発生モジュール１２から発生する推進力の方向は、基体１１に設けられた推力発生モジュール１２の角度によって調整される。これにより、推力発生モジュール１２の角度によって、飛行方向および飛行速度が変更され、飛行中、基体１１は一定の姿勢を維持する。したがって、基体１１の傾斜を招くことなく、飛行方向および飛行速度を変更することができ、基体１１の姿勢を一定に維持することができる。

また、第１実施形態では、推力発生モジュール１２は、一対の第一ファン部２１および第二ファン部２２を有している。これら第一ファン部２１のプロペラ２１１と第二ファン部２２のプロペラ２２１とは、回転方向が互いに逆に設定されている。そのため、推力発生モジュール１２は、第一ファン部２１と第二ファン部２２とで生じるジャイロ効果が相殺される。したがって、基体１１の無用な旋回が低減され、基体１１の姿勢をより安定して維持することができる。

第１実施形態では、３つの推力発生モジュール１２を備えている。そのため、基体１１の姿勢は、３つの推力発生モジュール１２が発生する推進力を制御することにより、任意に変更される。したがって、基体１１の姿勢を精密に一定に維持することができる。

第１実施形態では、推力発生モジュール１２の第一ファン部２１および第二ファン部２２は、いずれもダクテッドファンである。そのため、第一ファン部２１のプロペラ２１１および第二ファン部２２のプロペラ２２１が発生する空気の流れは第一筒部２１３および第二筒部２２３によって整流され、推進力が発生する方向は容易に変更可能である。したがって、推進力の方向の制御精度が向上し、基体１１の姿勢をより安定して維持することができる。

第１実施形態では、モジュール駆動部１３は推力発生モジュール１２の重心の近傍に設けられた回転軸を中心として推力発生モジュール１２を駆動する。これにより、モジュール駆動部１３は、推力発生モジュール１２の駆動のために必要な力が小さくなり、小型化が図られる。飛行装置１０は、物品の運搬などに用いられる。そのため、飛行装置１０は、できる限り軽量であることが求められる。モジュール駆動部１３の小型化を図ることにより、重量の増加が抑えられる。したがって、ペイロードの維持を図りつつ、基体１１の安定した姿勢の維持を図ることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態による飛行装置を図３に示す。
第２実施形態では、図３に示すように飛行装置１０は、２つの推力発生モジュール１２を備えている。２つの推力発生モジュール１２は、それぞれ第一ファン部２１および第二ファン部２２を有している。第一ファン部２１のプロペラ２１１は第一回転方向Ｒ１へ回転し、第二ファン部２２のプロペラ２２１は第二回転方向Ｒ２へ回転する。このように、一対の第一ファン部２１および第二ファン部２２で推力発生モジュール１２を構成することにより、プロペラ２１１およびプロペラ２２１の回転にともなうジャイロ効果は低減される。したがって、推力発生モジュール１２の数にかかわらずジャイロ効果を低減することができ、基体１１の安定した飛行を維持することができる。

（第３、第４実施形態）
第３実施形態による飛行装置を図４、および第４実施形態による飛行装置を図５に示す。
第３実施形態の場合、モジュール駆動部１３は、図４に示すように基体１１の重心を中心とする円周上に配置されている。モジュール駆動部１３は、この基体１１の重心を中心とする円周の接線方向に設けられた回転軸を中心に推力発生モジュール１２を駆動する。

第４実施形態の場合、モジュール駆動部１３は、図５に示すように基体１１の重心を中心とする円周上に配置されている。一方、第４実施形態では、モジュール駆動部１３は、この基体１１の重心の径方向に設けられた回転軸を中心に推力発生モジュール１２を駆動する。
第３実施形態および第４実施形態では、モジュール駆動部１３は、推力発生モジュール１２を回転駆動する回転中心の配置を周方向または径方向に設定することができる。このように、飛行装置１０の基体１１の設計に応じて、推力発生モジュール１２の駆動方向は任意に設定することができる。

（第５、第６実施形態）
第５実施形態による飛行装置を図６、および第６実施形態による飛行装置を図７に示す。

第５実施形態および第６実施形態では、推力発生モジュール１２は、第一ファン部２１と第二ファン部２２とが直列に配置されている。推力発生モジュール１２は、上述の第１実施形態から第４実施形態のように並列に配置する例に限らず、第５実施形態および第６実施形態のように直列に配置してもよい。このように、直列に配置された第一ファン部２１および第二ファン部２２を有する推力発生モジュール１２は、互いに逆方向へ回転するプロペラ２１１およびプロペラ２２１のジャイロ効果が低減される。これら第５実施形態および第６実施形態の場合、図８に示すように筒部３０は、第一筒部３１と第二筒部３２とが軸方向に一体に構成されている。筒部３０は、軸方向において一方の端部側に開口３３を有し、他方の端部側に開口３４を有している。この場合、第一ファン部２１および第二ファン部２２が作動することにより、空気は、開口３３から吸入され、第一ファン部２１および第二ファン部２２で加速された後、開口３４から排出される。

第５実施形態の場合、モジュール駆動部１３は、第３実施形態と同様に基体１１の重心を中心とする円周の接線方向に設けられた回転軸を中心に推力発生モジュール１２を駆動する。また、第６実施形態の場合、モジュール駆動部１３は、第４実施形態と同様に基体１１の重心の径方向に設けられた回転軸を中心に推力発生モジュール１２を駆動する。

第５実施形態および第６実施形態では、第一ファン部２１および第二ファン部２２は直列に配置することができる。したがって、飛行装置１０の基体１１の設計に応じて、推力発生モジュール１２の設計自由度を高めることができる。
第５実施形態および第６実施形態の変形例として、図９に示すように第一ファン部２１と第二ファン部２２とは、プロペラ２１１とプロペラ２２１とを二重反転プロペラとして構成してもよい。

（第７実施形態）
第７実施形態による飛行装置を図１０に示す。
第７実施形態の飛行装置１０は、基体１１の本体１４に設けられた搭載部４０を備えている。搭載部４０は、平面状に形成されている。これにより、搭載部４０は、第一ファン部２１の第一筒部２１３において一方の端部側、および第二ファン部２２の第二筒部２２３において一方の端部側に被さっている。この場合、図１１に示すように搭載部４０と、第一筒部２１３の上部開口２１４および第二筒部２２３の上部開口２２４との間には、空気が流れる十分な間隔が確保されている。

このような第７実施形態の場合、第一ファン部２１は、第一筒部２１３の軸方向において搭載部４０側の端部である上部開口２１４から吸気して、搭載部４０と反対側の端部である下部開口２１５から排気する。同様に、第二ファン部２２は、第二筒部２２３の軸方向において搭載部４０側の端部である上部開口２２４から吸気して、搭載部４０と反対側の端部である下部開口２２５から排気する。このように、第７実施形態の飛行装置１０は、第一ファン部２１および第二ファン部２２をダクテッドファンとし、搭載部４０と第一筒部２１３の上部開口２１４および第二筒部２２３の上部開口２２４との間に空間を確保している。これにより、推力発生モジュール１２の一方の端部側に搭載部４０が被さる場合でも、空気は第一ファン部２１および第二ファン部２２を安定した流れで通過する。第７実施形態の場合、上述の複数の実施形態と同様に第一ファン部２１および第二ファン部２２を有する推力発生モジュール１２は、モジュール駆動部１３によって駆動される。

第７実施形態の場合、搭載部４０は、推力発生モジュール１２の端部側に被さっている。そのため、飛行装置１０は、物品を搭載するための広い面が確保される。したがって、ペイロードの増加を図ることができる。また、第７実施形態の場合、推力発生モジュール１２の第一ファン部２１および第二ファン部２２をダクテッドファンで構成することにより、空気の流れの制約を受けにくくなる。そのため、広い面積の搭載部４０を確保することにより、推力発生モジュール１２の端部に搭載部４０が被さる場合でも、推力発生モジュール１２は安定した推進力を発生する。したがって、広い搭載面積と安定した飛行とを両立することができる。さらに、第７実施形態では、推力発生モジュール１２はモジュール駆動部１３によって駆動される。これにより、推力発生モジュール１２が発生する推進力の方向は、任意に変更される。したがって、搭載部４０の姿勢を一定に維持したまま飛行速度や飛行方向を変更することができる。

（第８実施形態）
第８実施形態による飛行装置を図１２に示す。
第８実施形態では、推力発生モジュール１２の第一筒部２１３および第二筒部２２３は、軸方向の一方の端部が搭載部４０によってほぼ塞がれている。すなわち、第一筒部２１３の上部開口２１４と搭載部４０との間の距離、および第二筒部２２３の上部開口２２４と搭載部４０との間の距離は、小さい、またはほとんど空間が形成されない程度に設定されている。一方、推力発生モジュール１２の第一筒部２１３は、搭載部４０側の端部付近に、第一開口部５１を有している。第一開口部５１は、第一筒部２１３の周方向へ一つ以上設けられている。同様に、第二筒部２２３は、搭載部４０側の端部付近に、第二開口部５２を有している。第二開口部５２は、第二筒部２２３の周方向へ一つ以上設けられている。

上記の構成により、第一ファン部２１は、モータ２１２でプロペラ２１１を駆動することにより、プロペラ２１１よりも搭載部４０側に設けられた第一開口部５１から吸気して、搭載部４０と反対側に位置する下部開口２１５から排気する。同様に、第二ファン部２２は、モータ２２２でプロペラ２２１を駆動することにより、プロペラ２２１よりも搭載部４０側に設けられた第二開口部５２から吸気して、搭載部４０と反対側に位置する下部開口２２５から排気する。これにより、第一筒部２１３の上部開口２１４と搭載部４０との間の距離、および第二筒部２２３の上部開口２２４と搭載部４０との間の距離が小さいときでも、第一ファン部２１は第一開口部５１から空気を吸入し、第二ファン部２２は第二開口部５２から空気を吸入する。

第８実施形態では、第一筒部２１３は第一開口部５１を有し、第二筒部２２３は第二開口部５２を有している。そのため、第一ファン部２１および第二ファン部２２は、第一筒部２１３および第二筒部２２３と搭載部４０との間の形状に依存することなく、十分な空気を吸入する。したがって、推力発生モジュール１２および搭載部４０の設計自由度を高めることができ、より大きなペイロードの確保、および飛行姿勢の安定化を図ることができる。
なお、空気を排気する場合、プロペラ２１１およびプロペラ２２１を通過した空気は、第一筒部２１３のプロペラ２１１よりも搭載部４０から遠い側、または第二筒部２２３のプロペラ２２１よりも搭載部４０から遠い側に形成した開口から排出する構成としてもよい。

（その他の実施形態）
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
以上説明した複数の実施形態では、推力発生モジュール１２が第一筒部２１３および第二筒部２２３を有するダクテッドファンを例に説明した。しかし、第１実施形態から第６実施形態の例の場合、推力発生モジュール１２は第一筒部２１３および第二筒部２２３を有していなくてもよい。すなわち、第１実施形態から第６実施形態の場合、推力発生モジュール１２は、第一ファン部２１のプロペラ２１１および第二ファン部２２のプロペラ２２１が露出したオープンロータであってもよい。

また、複数の実施形態では、モジュール駆動部１３は、回転軸を中心に推力発生モジュール１２を回転駆動する例について説明した。しかし、モジュール駆動部１３は、基体１１と推力発生モジュール１２との間の角度を変更可能であれば、上述の実施形態の例に限らず、任意の構成を採用することができる。

また、複数の実施形態では、推力発生モジュール１２は、基体１１のヨー軸の上方から空気を吸入し、下方へ排出する例について説明した。しかし、例えば基体１１が下降する場合、第一ファン部２１および第二ファン部２２を上述の実施形態とは逆方向へ駆動して、上昇時とは逆方向へ推進力を発生する構成としてもよい。

本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

図面中、１０は飛行装置、１１は基体、１２は推力発生モジュール、１３はモジュール駆動部、２１は第一ファン部、２２は第二ファン部、３１は第一筒部、３２は第二筒部、４０は搭載部、５１は第一開口部、５２は第二開口部、２１１はプロペラ、２１３は第一筒部、２２１はプロペラ、２２３は第二筒部を示す。

Claims (9)

1. 基体（１１）と、
   前記基体（１１）の重心を包囲して前記基体（１１）に複数設けられ、一対の第一ファン部（２１）および第二ファン部（２２）を有し、前記第一ファン部（２１）のプロペラ（２１１）は第一回転方向へ回転し、前記第二ファン部（２２）のプロペラ（２２１）は前記第一回転方向と逆の第二回転方向へ回転し、推進力を発生する推力発生モジュール（１２）と、
   前記推力発生モジュール（１２）の前記基体（１１）に対する角度を変更するモジュール駆動部（１２）と、
   を備える飛行装置。
2. ２つ以上の前記推力発生モジュール（１２）を備える請求項１記載の飛行装置。
3. 前記推力発生モジュール（１２）は、前記第一ファン部（２１）の外周側を筒状に覆う第一筒部（２１３）、および前記第二ファン部（２２）の外周側を筒状に覆う第二筒部（２２３）を有するダクテッドファンである請求項１または２記載の飛行装置。
4. 前記基体（１１）に設けられ、前記第一筒部（２１３）の一方の端部側および前記第二筒部（２２３）の一方の端部側に被さる平面状の搭載部（４０）をさらに備える請求項３記載の飛行装置。
5. 前記第一ファン部（２１）は、前記第一筒部（２１３）の軸方向において前記搭載部（４０）側の端部から吸気して、前記搭載部（４０）と反対側の端部から排気するとともに、
   前記第二ファン部（２２）は、前記第二筒部（２２３）の軸方向において前記搭載部（４０）側の端部から吸気して、前記搭載部（４０）と反対側の端部から排気する請求項３記載の飛行装置。
6. 前記第一ファン部（２１）は、前記第一筒部（２１３）において前記搭載部（４０）側に設けられた第一開口部（５１）から吸気して、前記搭載部（４０）と反対側の端部から排気するとともに、
   前記第二ファン部（２２）は、前記第二筒部（２２３）において前記搭載部（４０）側に設けられた第二開口部（５２）から吸気して、前記搭載部（４０）と反対側の端部から排気する請求項３記載の飛行装置。
7. 前記第一ファン部（２１）と前記第二ファン部（２２）とは、並列に設けられている請求項１から６のいずれか一項記載の飛行装置。
8. 前記第一ファン部（２１）と前記第二ファン部（２２）とは、直列に設けられ、前記第一筒部（３１）と前記第二筒部（３２）とが軸方向に一体に構成されている請求項１から６のいずれか一項記載の飛行装置。
9. 前記モジュール駆動部（１３）は、前記推力発生モジュール（１２）の重心に設けられた回転軸を中心に前記推力発生モジュール（１２）を回転駆動する請求項１から８のいずれか一項記載の飛行装置。

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