(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料が噴射される噴孔、当該噴孔に連通する燃料通路、および、前記噴孔を囲むよう前記燃料通路に形成される弁座を有する筒状のハウジングと、
略円柱状に形成され、一方の端部に前記弁座に当接可能なシート部を有し、前記燃料通路内で軸方向に往復移動可能に設けられ、前記シート部が前記弁座から離座または前記弁座に着座することで前記噴孔を開閉するニードルと、
前記燃料通路内において前記ニードルの前記シート部とは反対側に、前記ニードルと一体に設けられる可動コアと、
略円筒状に形成され、軸方向の一方側に大径内壁面、軸方向の他方側に前記大径内壁面より径の小さい小径内壁面、および、前記大径内壁面と前記小径内壁面との間にコア段差面を有し、軸方向の他方側の端面が前記可動コアの前記ニードルとは反対側の端面に対向するよう前記燃料通路内において前記ハウジングに固定される固定コアと、
前記可動コアと前記固定コアとの間に設けられ、前記可動コアおよび前記ニードルを閉弁方向に付勢する付勢部材と、
前記固定コアの径方向外側に設けられ、電力が供給されると磁力を生じ、前記可動コアを前記固定コアに吸引することで前記ニードルを開弁方向に移動させるソレノイドと、
略円柱状に形成され、軸方向の一方側に大径部、軸方向の他方側に前記大径部より径の小さい小径部、および、前記大径部と前記小径部との間にピストン段差面を有し、軸方向の他方側の端部が前記固定コアの内側に挿通され、軸方向の一方側の端部が前記可動コアに接続されることで前記可動コアと一体に設けられるインナピストンと、
略円筒状に形成され、前記大径内壁面と前記小径部との間で軸方向に往復移動可能に設けられ、内壁が前記小径部の外壁と摺動可能なアウタピストンと、を備え、
前記ニードルの断面積をＳndl、前記シート部の断面積の最大値をＳsh、前記インナピストンの前記小径部の断面積をＳin、前記アウタピストンの断面積をＳoutとすると、
前記ニードル、前記インナピストンおよび前記アウタピストンは、Ｓin＝Ｓndl−Ｓsh、Ｓout＝Ｓshの関係を満たすよう形成され、
前記燃料通路は、前記可動コアを往復移動可能に収容する収容空間を含み、
前記インナピストンおよび前記アウタピストンは、前記可動コアとは反対側の端面に前記燃料通路内の燃料の圧力が作用することで前記ニードルの閉弁方向に付勢され、
前記アウタピストンは、
前記ニードルが閉弁状態のとき、前記可動コア側の端面が前記コア段差面に当接することで閉弁方向への移動が規制されるとともに前記ピストン段差面とは離間しており、
前記ニードルが閉弁状態から開弁状態に移行するとき、前記可動コア側の端面が前記ピストン段差面に当接し押されることで開弁方向に移動し、
前記ニードルが開弁状態から閉弁状態に移行するとき、前記可動コア側の端面が前記コア段差面に当接することで閉弁方向への移動が規制されることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
前記ニードルが閉弁状態のとき前記ニードルの一方の端面のうち前記シート部を除く部分、および、前記インナピストンの前記可動コアとは反対側の端面に作用する燃料の圧力をＰfuel、前記ニードルが閉弁状態から「前記アウタピストンの前記可動コア側の端面と前記ピストン段差面とが当接する状態」となるまでの間に前記シート部に作用する燃料の圧力をＰ’fuelとすると、
前記ニードルが閉弁状態のときの前記アウタピストンの前記可動コア側の端面と前記ピストン段差面との距離は、Ｐ’fuel≧０．９５×Ｐfuelの関係を満たすよう設定されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
【請求項３】
前記ニードルが閉弁状態のとき前記ニードルの一方の端面のうち前記シート部を除く部分、および、前記インナピストンの前記可動コアとは反対側の端面に作用する燃料の圧力をＰfuel、前記ニードルが閉弁状態から「前記アウタピストンの前記可動コア側の端面と前記ピストン段差面とが当接する状態」となるまでの間に前記シート部に作用する燃料の圧力をＰ’fuelとすると、
前記ニードルが閉弁状態のときの前記アウタピストンの前記可動コア側の端面と前記ピストン段差面との距離は、Ｐ’fuel≦０．５０×Ｐfuelの関係を満たすよう設定されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
【請求項４】
前記ハウジングは、前記収容空間と前記ハウジングの外部とを接続する排出通路を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
【請求項５】
前記燃料通路のうち前記収容空間の内側と外側とを液密に維持可能なシール部材をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関（以下、「エンジン」という。）に燃料を噴射供給する燃料噴射弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ソレノイドによりニードルを駆動することで噴孔を開閉し、高圧の燃料をエンジンの燃焼室に直接噴射する電磁駆動式の直噴型燃料噴射弁が知られている。このような燃料噴射弁では、高圧の燃料を噴射するため、高い燃料圧力や圧力変動によりニードルに作用する力が変化し、燃料噴射弁が誤って開弁したり、逆に開弁しない等の誤作動を起こすという問題があった。
【０００３】
一方、特許文献１には、ピエゾ素子および変位拡大機構を用いてニードルを駆動し噴孔を開閉する燃料噴射弁が開示されている。この燃料噴射弁では、変位拡大ニードルの変位拡大部の面積と、変位拡大ニードル上端面とバランスピストン下部との間に形成された部分の面積とを同じにすることで、高圧燃料および作動油の圧力が変化しても各々発生する油圧力（燃料圧力と燃料圧力が作用する面の面積との積）をキャンセルすることにより、上述の問題を解決しようとしている。
【０００４】
しかしながら、特許文献１の燃料噴射弁では、開弁時にニードルに作用する力はキャンセルされるものの、閉弁時にニードルに作用する力はキャンセルされない。そのため、ニードルの開弁が遅れる、あるいは、ニードルが開弁しないといった事態を招くおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１６８１５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、閉弁時および開弁時のいずれにおいても燃料の圧力および圧力変動のニードルへの影響を抑制し、燃料を安定して噴射可能な燃料噴射弁を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の燃料噴射弁は、ハウジングとニードルと可動コアと固定コアと付勢部材とソレノイドとインナピストンとアウタピストンとを備えている。ハウジングは、筒状に形成され、燃料が噴射される噴孔、当該噴孔に連通する燃料通路、および、噴孔を囲むよう燃料通路に形成される弁座を有している。ニードルは、略円柱状に形成され、一方の端部に、弁座に当接可能なシート部を有している。ニードルは、燃料通路内で軸方向に往復移動可能に設けられ、シート部が弁座から離座または弁座に着座することで噴孔を開閉する。可動コアは、燃料通路内においてニードルのシート部とは反対側に、ニードルと一体に設けられている。固定コアは、略円筒状に形成され、軸方向の一方側に大径内壁面、軸方向の他方側に大径内壁面より径の小さい小径内壁面、および、大径内壁面と小径内壁面との間にコア段差面を有している。固定コアは、軸方向の他方側の端面が可動コアのニードルとは反対側の端面に対向するよう燃料通路内においてハウジングに固定されている。付勢部材は、可動コアと固定コアとの間に設けられ、可動コアおよびニードルを閉弁方向に付勢している。ソレノイドは、固定コアの径方向外側に設けられ、電力が供給されると磁力を生じ、可動コアを固定コアに吸引することでニードルを開弁方向に移動させる。インナピストンは、略円柱状に形成され、軸方向の一方側に大径部、軸方向の他方側に大径部より径の小さい小径部、および、大径部と小径部との間にピストン段差面を有している。インナピストンは、軸方向の他方側の端部が固定コアの内側に挿通され、軸方向の一方側の端部が可動コアに接続されることで可動コアと一体に設けられている。アウタピストンは、略円筒状に形成され、固定コアの大径内壁面とインナピストンの小径部との間で軸方向に往復移動可能に設けられ、内壁がインナピストンの小径部の外壁と摺動可能である。
【０００８】
ここで、ニードルの断面積をＳndl、ニードルのシート部の断面積の最大値をＳsh、インナピストンの小径部の断面積をＳin、アウタピストンの断面積をＳoutとすると、ニードル、インナピストンおよびアウタピストンは、Ｓin＝Ｓndl−Ｓsh、Ｓout＝Ｓshの関係を満たすよう形成されている。また、燃料通路は、可動コアを往復移動可能に収容する収容空間を含んでいる。また、インナピストンおよびアウタピストンは、可動コアとは反対側の端面に燃料通路内の燃料の圧力が作用することでニードルの閉弁方向に付勢される。アウタピストンは、ニードルが閉弁状態のとき、可動コア側の端面が固定コアのコア段差面に当接することで閉弁方向への移動が規制されるとともにピストン段差面とは離間している。また、アウタピストンは、ニードルが閉弁状態から開弁状態に移行するとき、可動コア側の端面がインナピストンのピストン段差面に当接し押されることで開弁方向に移動する。さらに、アウタピストンは、ニードルが開弁状態から閉弁状態に移行するとき、可動コア側の端面が固定コアのコア段差面に当接することで閉弁方向への移動が規制される。
【０００９】
上記構成において、ニードルが閉弁した状態では、アウタピストンの可動コア側の端面とインナピストンのピストン段差面とは離間している。ここで、インナピストンおよびアウタピストンの可動コアとは反対側の端面、ならびに、ニードルの噴孔側の端面に作用する燃料の圧力をＰfuelとすると、ニードルに対し閉弁方向に作用する油圧力は、インナピストンの可動コアとは反対側の端面に作用する油圧力のみとなるため、Ｓin×Ｐfuel＝（Ｓndl−Ｓsh）×Ｐfuelである。また、このとき、ニードルに対し開弁方向に作用する油圧力は、ニードルの噴孔側の端面のうちシート部を除いた部分に作用する油圧力となるため、（Ｓndl−Ｓsh）×Ｐfuelである。よって、ニードルが閉弁状態のとき、ニードルに対し閉弁方向に作用する油圧力と開弁方向に作用する油圧力とは同じ大きさになり、互いに打ち消し合うことでキャンセルされる。
【００１０】
一方、ニードルが開弁した状態では、アウタピストンの可動コア側の端面とインナピストンのピストン段差面とは当接している。そのため、このときニードルに対し閉弁方向に作用する油圧力は、インナピストンおよびアウタピストンの可動コアとは反対側の端面に作用する油圧力となるため、（Ｓin＋Ｓout）×Ｐfuel＝（Ｓndl−Ｓsh＋Ｓsh）×Ｐfuel＝Ｓndl×Ｐfuelである。また、このとき、ニードルに対し開弁方向に作用する油圧力は、ニードルの噴孔側の端面に作用する油圧力となるため、Ｓndl×Ｐfuelである。よって、ニードルが開弁状態のとき、ニードルに対し閉弁方向に作用する油圧力と開弁方向に作用する油圧力とは同じ大きさになり、互いに打ち消し合うことでキャンセルされる。
【００１１】
このように、本発明では、ニードルが閉弁状態（閉弁時）または開弁状態（開弁時）のいずれの状態であっても、ニードルに対し閉弁方向に作用する油圧力と開弁方向に作用する油圧力とがキャンセルされる。そのため、燃料通路内の燃料の圧力および圧力変動のニードルへの影響を抑制することができる。したがって、ニードルの開弁および閉弁に関する誤作動が低減し、燃料を安定して噴射することができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明では、ニードルが閉弁状態のときニードルの一方の端面のうちシート部を除く部分、および、インナピストンの可動コアとは反対側の端面に作用する燃料の圧力をＰfuel、ニードルが閉弁状態から「アウタピストンの可動コア側の端面とピストン段差面とが当接する状態」となるまでの間にシート部に作用する燃料の圧力をＰ’fuelとすると、ニードルが閉弁状態のときのアウタピストンの可動コア側の端面とピストン段差面との距離は、Ｐ’fuel≧０．９５×Ｐfuelの関係を満たすよう設定されている。この構成では、ニードルが閉弁状態から「アウタピストンの可動コア側の端面とピストン段差面とが当接する状態」となるまでの間、ニードルに対し開弁方向のアシスト力が生じる。したがって、ニードルの開弁初期において、ニードルのリフト速度を向上することができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明では、ニードルが閉弁状態のときニードルの一方の端面のうちシート部を除く部分、および、インナピストンの可動コアとは反対側の端面に作用する燃料の圧力をＰfuel、ニードルが閉弁状態から「アウタピストンの可動コア側の端面とピストン段差面とが当接する状態」となるまでの間にシート部に作用する燃料の圧力をＰ’fuelとすると、ニードルが閉弁状態のときのアウタピストンの可動コア側の端面とピストン段差面との距離は、Ｐ’fuel≦０．５０×Ｐfuelの関係を満たすよう設定されている。この構成では、アウタピストンの可動コア側の端面とピストン段差面とが当接するときのニードルのリフト速度を遅くすることができる。これにより、インナピストンとアウタピストンとの当接時のバウンスを抑制することができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明では、ハウジングは、収容空間とハウジングの外部とを接続する排出通路を有する。これにより、可動コアを収容する収容空間の圧力を、燃料通路のうち収容空間の外側の燃料の圧力よりも低い状態に維持することができる。そのため、可動コアは、収容空間において円滑に往復移動可能となる。これにより、ニードルの応答性を高めることができる。
【００１５】
請求項５に記載の発明では、燃料通路のうち収容空間の内側と外側とを液密に維持可能なシール部材をさらに備える。ここで、シール部材の配置箇所としては、例えば、ニードルの外壁とハウジングの内壁との間、ならびに、インナピストンの小径部の外壁とアウタピストンの内壁との間およびアウタピストンの外壁と固定コアの大径内壁面との間、または、インナピストンの大径部の外壁と固定コアの小径内壁面との間等が考えられる。これにより、可動コアを収容する収容空間の圧力を、燃料通路のうち収容空間の外側の燃料の圧力よりも低い状態に維持することができる。そのため、可動コアは、収容空間において円滑に往復移動可能となる。これにより、ニードルの応答性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態による燃料噴射弁を示す断面図。
【図２】本発明の第１実施形態による燃料噴射弁の一部を示す断面図であって、（Ａ）は閉弁時のアウタピストン近傍を示す図、（Ｂ）は閉弁時の噴孔近傍を示す図、（Ｃ）は開弁時のニードル近傍を示す図。
【図３】本発明の第１実施形態による燃料噴射弁の一部を示す断面図であって、（Ａ）は閉弁時のアウタピストン近傍を示す図、（Ｂ）は開弁時のアウタピストン近傍を示す図。
【図４】本発明の第１実施形態による燃料噴射弁の噴孔近傍を示す断面図であって、開弁途中の状態を示す図。
【図５】（Ａ）は本発明の第１実施形態による燃料噴射弁の作動に関するタイミングチャート、（Ｂ）は比較例による燃料噴射弁の作動に関するタイミングチャート。
【図６】本発明の第２実施形態による燃料噴射弁の作動に関するタイミングチャート。
【図７】本発明の第３実施形態による燃料噴射弁を示す断面図。
【図８】本発明の第４実施形態による燃料噴射弁を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の複数の実施形態による燃料噴射弁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）
本発明の第１実施形態による燃料噴射弁を図１に示す。燃料噴射弁１は、図示しないガソリンエンジンの燃料噴射装置に用いられ、燃料をエンジンに噴射供給する。なお、燃料噴射弁１は、高圧の燃料をエンジンの燃焼室に直接噴射する電磁駆動式の直噴型燃料噴射弁である。
【００１８】
燃料噴射弁１は、ハウジング２０、ニードル３０、可動コア４０、固定コア５０、付勢部材としてのスプリング１１、ソレノイド１２、インナピストン６０およびアウタピストン７０等を備えている。
ハウジング２０は、金属により略円筒状に形成されている。ハウジング２０の一方の端部には、複数の噴孔２１が形成されている。また、ハウジング２０の他方の端部には、燃料入口２２が形成されている。燃料入口２２と噴孔２１とは、燃料通路２３により連通している。これにより、燃料入口２２から流入した燃料は、噴孔２１に到達可能である。
【００１９】
燃料通路２３は、第１燃料室２３１、収容室２３２、第２燃料室２３３、および、接続通路２３４を含んでいる。第１燃料室２３１と収容室２３２と第２燃料室２３３とは、この順番で同軸に配置され、互いに接続している。また、接続通路２３４は、第１燃料室２３１と第２燃料室２３３とを接続している。また、燃料入口２２と第１燃料室２３１とが連通し、第２燃料室２３３と噴孔２１とが連通している。
ハウジング２０の内壁、すなわち燃料通路２３（第２燃料室２３３）の噴孔２１近傍には、噴孔２１を囲むようにして円環テーパ状の弁座２４が形成されている。
【００２０】
ニードル３０は、金属により略円柱状に形成されている。ニードル３０は、一方の端部が第２燃料室２３３に収容されるようにして、ハウジング２０内に設けられている。ニードル３０の一方の端部は、略円錐状に形成されている。この端部の円錐状の面の一部（中央部）は、弁座２４に当接可能である。すなわち、ニードル３０は、一方の端部に、弁座２４に当接可能な略円錐状のシート部３１を有している。
【００２１】
ニードル３０の他方の端部は、収容室２３２内に位置する。ニードル３０の他方の端部近傍は、ハウジング２０の内壁と摺動し、ハウジング２０の内壁により軸方向に往復移動可能に支持されている。すなわち、ニードル３０は、第２燃料室２３３と収容室２３２との接続部分で支持されている。ニードル３０は、シート部３１が弁座２４から離座（離間）することで噴孔２１を開き（開弁し）、シート部３１が弁座２４に着座（当接）することで噴孔２１を閉じる（閉弁する）。以下、ニードル３０が開弁するときに移動する方向を「開弁方向」といい、閉弁するときに移動する方向を「閉弁方向」という。
【００２２】
可動コア４０は、金属により有底筒状に形成されている。可動コア４０は、底部がニードル３０のシート部３１とは反対側の端部に接続することで、ニードル３０と一体に設けられている。つまり、可動コア４０は、収容室２３２に収容されており、ニードル３０とともに往復移動可能である。
【００２３】
固定コア５０は、金属により略円筒状に形成されている。固定コア５０は、軸方向の一方側に大径内壁面５１、軸方向の他方側に大径内壁面５１より径の小さい小径内壁面５２、および、大径内壁面５１と小径内壁面５２との間にコア段差面５３を有している。固定コア５０は、燃料通路２３のうち収容室２３２に収容されている。固定コア５０は、軸方向の他方（小径内壁面５２）側の端面５４が可動コア４０のニードル３０とは反対側の端面４１に対向するようハウジング２０に固定されている。また、固定コア５０の端面５４には、凹部５５が形成されている。
【００２４】
スプリング１１は、可動コア４０の底部と固定コア５０の凹部５５との間に設けられている。スプリング１１は、軸方向に伸びる力を有している。これにより、スプリング１１は、可動コア４０およびニードル３０を閉弁方向に付勢している。
【００２５】
略円筒状のソレノイド１２は、固定コア５０の径方向外側に設けられ、ハウジング２０に固定されている。ソレノイド１２は、固定コア５０と同様、燃料通路２３のうち収容室２３２に収容されている。ソレノイド１２には、図示しない電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という。）が接続されている。ＥＣＵは、ソレノイド１２に供給する電力を調節することにより燃料噴射弁１の作動を制御する。ソレノイド１２には、ＥＣＵの指令に基づき、図示しないバッテリから電力が供給される。ソレノイド１２に電力が供給されると、ソレノイド１２には磁力が生じる。これにより、固定コア５０および可動コア４０に磁気回路が形成され、可動コア４０は、固定コア５０側、すなわち開弁方向に吸引される。これにより、ニードル３０のシート部３１が弁座２４から離座し開弁する。このとき、可動コア４０は、端面４１が固定コア５０の端面５４に当接することで開弁方向への移動が規制される。また、ソレノイド１２への電力の供給が絶たれると、可動コア４０は、スプリング１１の付勢力により閉弁方向に移動する。これにより、ニードル３０のシート部３１が弁座２４に着座し閉弁する。
【００２６】
インナピストン６０は、金属により略円柱状に形成されている。インナピストン６０は、軸方向の一方側に大径部６１、軸方向の他方側に大径部６１より径の小さい小径部６２、および、大径部６１と小径部６２との間にピストン段差面６３を有している。インナピストン６０は、軸方向の他方（小径部６２）側の端部が固定コア５０の内側に挿通され、軸方向の一方（大径部６１）側の端部が可動コア４０の底部に接続されることで可動コア４０と一体に設けられている。なお、ここで、スプリング１１は、インナピストン６０の径方向外側に位置している。
【００２７】
アウタピストン７０は、金属により略円筒状に形成されている。アウタピストン７０は、固定コア５０の大径内壁面５１とインナピストン６０の小径部６２との間で軸方向に往復移動可能に設けられている。本実施形態では、アウタピストン７０の内径は、小径部６２の外径とほぼ同じかやや大きく形成されている。そのため、アウタピストン７０の内壁は、小径部６２の外壁と摺動可能である。なお、アウタピストン７０の外径は、固定コア５０の大径内壁面５１の径よりも小さく形成されている。そのため、アウタピストン７０の外壁と固定コア５０の大径内壁面５１との間には略円筒状の隙間が形成され、アウタピストン７０の外壁は、固定コア５０の大径内壁面５１とは摺動しない。
【００２８】
ここで、各部材の断面積について説明する。図２（Ｂ）に示すようにニードル３０の断面積をＳndl、シート部３１の断面積の最大値（ニードル３０のうちシート部３１とそれ以外の部分との境界の断面積）をＳsh、図２（Ａ）に示すようにインナピストン６０の小径部６２の断面積をＳin、アウタピストン７０の断面積をＳoutとすると、ニードル３０、インナピストン６０およびアウタピストン７０は、下記式１および２の関係を満たすよう形成されている。
Ｓin＝Ｓndl−Ｓsh  ・・・式１
Ｓout＝Ｓsh  ・・・式２
【００２９】
図２（Ａ）に示すように、アウタピストン７０の外径は、固定コア５０の小径内壁面５２の径よりも大きく形成されている。そのため、アウタピストン７０の可動コア４０側の端面７１は、固定コア５０のコア段差面５３に当接可能である。
【００３０】
また、インナピストン６０の大径部６１の外径は、固定コア５０の小径内壁面５２の径よりも小さく形成されている。そのため、インナピストン６０の大径部６１の外壁と固定コア５０の小径内壁面５２との間には略円筒状の隙間が形成され、インナピストン６０の大径部６１は、固定コア５０の小径内壁面５２とは摺動しない。
【００３１】
図１に示すように、ニードル３０のシート部３１が弁座２４に着座（閉弁）し、かつ、アウタピストン７０の端面７１がコア段差面５３に当接した状態では、収容室２３２に、ハウジング２０の内壁、ソレノイド１２、固定コア５０、および、アウタピストン７０に囲まれた収容空間２３５が形成される。また、この状態のとき、インナピストン６０のピストン段差面６３とアウタピストン７０の端面７１との距離をｈ１、可動コア４０の端面４１と固定コア５０の端面５４との距離をｈ２とすると、ｈ１＜ｈ２となるよう設定されている。ここで、可動コア４０は、収容空間２３５において距離ｈ２の範囲内で往復移動可能である。つまり、可動コア４０は、往復移動可能に収容空間２３５に収容されている。また、ｈ２は、ニードル３０の最大リフト量に等しい。
【００３２】
また、上記構成により、可動コア４０の端面４１と固定コア５０の端面５４とが当接した状態、すなわち、ニードル３０が開弁し最大リフト量（ｈ２）分移動した状態では、インナピストン６０のピストン段差面６３とアウタピストン７０の端面７１とは当接するとともに固定コア５０のコア段差面５３とアウタピストン７０の端面７１とは離間した状態となる。
【００３３】
燃料噴射弁１の作動時、図示しない燃料レールから燃料入口２２を経由して燃料噴射弁１に燃料が供給される。これにより、燃料通路２３の第１燃料室２３１、接続通路２３４、および、第２燃料室２３３は、燃料で満たされる。本実施形態の燃料噴射弁１は、直噴型の燃料噴射弁のため、燃料噴射弁１には、比較的高圧の燃料が供給される。そのため、燃料噴射弁１の作動時、第１燃料室２３１、接続通路２３４、および、第２燃料室２３３は、比較的高圧となる。
【００３４】
また、第１燃料室２３１、接続通路２３４、および、第２燃料室２３３が燃料で満たされると、燃料は、アウタピストン７０と固定コア５０およびインナピストン６０との間、ならびに、ニードル３０とニードル３０を摺動可能に支持するハウジング２０の内壁との間等を経由して収容空間２３５に少しずつ流入する。これにより、収容空間２３５も燃料で満たされた状態となる。
【００３５】
本実施形態では、ニードル３０が開弁または閉弁するとき、インナピストン６０の小径部６２の可動コア４０とは反対側の端面６４、および、アウタピストン７０の端面７１とは反対側の端面７２は、第１燃料室２３１と収容室２３２との接続部分近傍に位置する。そのため、燃料噴射弁１の作動時、インナピストン６０およびアウタピストン７０は、端面６４および端面７２に第１燃料室２３１の燃料の圧力が作用することで、ニードル３０の閉弁方向に付勢されている（図３（Ａ）および（Ｂ）参照）。
【００３６】
次に、ニードル３０に作用する油圧力について説明する。
図３（Ａ）に示すように、ニードル３０のシート部３１が弁座２４に着座した状態（閉弁時）、すなわちニードル３０のリフト量が０の状態において、インナピストン６０の端面６４およびアウタピストン７０の端面７２には、第１燃料室２３１の燃料の圧力が作用している。ここで、第１燃料室２３１および第２燃料室２３３の燃料の圧力をＰfuelとする。このとき、アウタピストン７０の端面７１は、コア段差面５３に当接することで閉弁方向への移動が規制されるとともにピストン段差面６３とは離間している。そのため、このときニードル３０に対し閉弁方向に作用する油圧力は、インナピストン６０の端面６４に作用する油圧力のみとなるため（図２（Ａ）参照）、Ｓin×Ｐfuelである。ここで、Ｓin＝Ｓndl−Ｓsh（式１）より、Ｓin×Ｐfuel＝（Ｓndl−Ｓsh）×Ｐfuelとなる。また、このとき（閉弁時）、ニードル３０に対し開弁方向に作用する油圧力は、ニードル３０の噴孔２１側の端面のうちシート部３１を除いた部分に作用する油圧力となるため（図２（Ｂ）参照）、（Ｓndl−Ｓsh）×Ｐfuelである。よって、ニードル３０が閉弁状態のとき、ニードル３０に対し閉弁方向に作用する油圧力と開弁方向に作用する油圧力とは同じ大きさになり、互いに打ち消し合うことでキャンセルされている。
【００３７】
一方、図３（Ｂ）に示すように、ニードル３０のシート部３１が弁座２４から完全に離座した状態（開弁時）、すなわちニードル３０のリフト量がｈ２の状態において、インナピストン６０の端面６４およびアウタピストン７０の端面７２には、閉弁時と同様、第１燃料室２３１の燃料の圧力が作用している。このとき、アウタピストン７０の端面７１とインナピストン６０のピストン段差面６３とは当接している。そのため、このときニードル３０に対し閉弁方向に作用する油圧力は、インナピストン６０の端面６４およびアウタピストン７０の端面７２に作用する油圧力となるため、（Ｓin＋Ｓout）×Ｐfuelである。ここで、Ｓin＝Ｓndl−Ｓsh（式１）およびＳout＝Ｓsh（式２）より、（Ｓin＋Ｓout）×Ｐfuel＝（Ｓndl−Ｓsh＋Ｓsh）×Ｐfuel＝Ｓndl×Ｐfuelとなる。また、このとき（開弁時）、ニードル３０に対し開弁方向に作用する油圧力は、ニードル３０の噴孔２１側の端面に作用する油圧力となるため（図２（Ｃ）参照）、Ｓndl×Ｐfuelである。よって、ニードル３０が開弁状態のとき、ニードル３０に対し閉弁方向に作用する油圧力と開弁方向に作用する油圧力とは同じ大きさになり、互いに打ち消し合うことでキャンセルされている。
【００３８】
図４に示すように、ニードル３０のリフト量が０からｈ１となるまでの間、すなわち「ニードル３０のシート部３１が弁座２４に着座（閉弁）した状態」からニードル３０がリフトし「アウタピストン７０の端面７１とインナピストン６０のピストン段差面６３とが当接した状態」となるまでの間は、絞り効果により、シート部３１とハウジング２０の内壁との間の燃料の圧力（噴射前燃料圧力：Ｐ’fuel）は、ニードル３０の外壁のうちシート部３１を除く部分とハウジング２０の内壁との間（第２燃料室２３３）の燃料の圧力（Ｐfuel）よりも低くなる。よって、開弁初期の微小リフト領域（０＜ｈ＜ｈ１：ｈはニードルリフト量）においては、Ｐ’fuel（ｈ）＜Ｐfuelである。
【００３９】
本実施形態では、ｈ１は、下記式３の関係を満たすよう設定されている。
Ｐ’fuel（ｈ）＝０．９５×Ｐfuel  ・・・式３
微小リフト領域（０＜ｈ＜ｈ１）において、ニードル３０に対し閉弁方向に作用する油圧力は、Ｓin×Ｐfuelである。一方、ニードル３０に対し開弁方向に作用する油圧力は、（Ｓndl−Ｓsh）×Ｐfuel＋Ｓin×Ｐ’fuel（ｈ）である。よって、微小リフト領域（０＜ｈ＜ｈ１）において、ニードル３０に対し作用する油圧力は、開弁方向に作用する油圧力を正とすると、（Ｓndl−Ｓsh）×Ｐfuel＋Ｓsh×Ｐ’fuel（ｈ）−Ｓin×Ｐfuelとなる。ここで、Ｐ’fuel（ｈ）＝０．９５×Ｐfuel（式３）およびＳin＝Ｓndl−Ｓsh（式１）より、（Ｓndl−Ｓsh）×Ｐfuel＋Ｓsh×Ｐ’fuel（ｈ）−Ｓin×Ｐfuel＝（Ｓndl−Ｓsh）×Ｐfuel＋０．９５×Ｓsh×Ｐfuel−（Ｓndl−Ｓsh）×Ｐfuel＝０．９５×Ｓsh×Ｐfuel＞０となる。つまり、微小リフト領域（０＜ｈ＜ｈ１）においては、ニードル３０に対し開弁方向のアシスト力（０．９５×Ｓsh×Ｐfuel）が生じる。
【００４０】
次に、本実施形態による燃料噴射弁１の作動について、図５（Ａ）に示すタイミングチャートに基づき説明する。
図５（Ａ）に示すように、時刻ｔ０では、ソレノイド１２に対するＥＣＵの指令値はＯＦＦに対応する値である。そのため、このとき、ソレノイド１２には電力は供給されていない。よって、ニードル３０は着座した状態であり、ニードルリフト量は０である。また、このときニードル３０に対し閉弁方向に作用する油圧力と開弁方向に作用する油圧力とはキャンセルされているため、ニードル３０に対し開弁方向に作用する油圧力は０である。
【００４１】
時刻ｔ１でソレノイド１２に対するＥＣＵの指令値がＯＮに対応する値になると、ソレノイド１２に電力が供給される。これにより、可動コア４０が固定コア５０に吸引されることでニードル３０が開弁方向へ移動し、シート部３１が弁座２４から離座する。これにより、噴孔２１からの燃料の噴射が開始される。
【００４２】
時刻ｔ２では、アウタピストン７０の端面７１とインナピストン６０のピストン段差面６３とが当接する。
時刻ｔ２でアウタピストン７０の端面７１とインナピストン６０のピストン段差面６３とが当接すると、時刻ｔ２以降、アウタピストン７０は、端面７１がピストン段差面６３に押されることで開弁方向に移動する。
【００４３】
時刻ｔ３では、可動コア４０の端面４１が固定コア５０の端面５４に当接する。これにより、ニードル３０のシート部３１が弁座２４から完全に離座した状態（開弁した状態）、すなわちニードル３０のリフト量がｈ２の状態となる。
【００４４】
時刻ｔ３以降、ソレノイド１２に対するＥＣＵの指令値がＯＦＦに対応する値になりソレノイド１２への電力の供給が絶たれると、スプリング１１の付勢力により、可動コア４０は、閉弁方向へ移動し固定コア５０から離間する。このとき、アウタピストン７０は、インナピストン６０とともに閉弁方向へ移動し、端面７１が固定コア５０のコア段差面５３に当接する。これにより、アウタピストン７０は、閉弁方向への移動が規制される。その後、ニードル３０のシート部３１が弁座２４に着座（閉弁）すると、噴孔２１からの燃料の噴射が停止する。
【００４５】
図５（Ａ）に示すように、時刻ｔ１より前の期間Ｔ１では、ニードル３０に対し閉弁方向に作用する油圧力と開弁方向に作用する油圧力とはキャンセルされるため、ニードル３０に対し開弁方向に作用する油圧力は０である。
時刻ｔ１（閉弁状態）から時刻ｔ２までの期間は、ニードル３０に対し開弁方向のアシスト力（０．９５×Ｓsh×Ｐfuel）が生じる。
【００４６】
なお、時刻ｔ２より前の期間では、アウタピストン７０は端面７１が固定コア５０のコア段差面５３に当接した状態であり、ニードル３０に対し閉弁方向に作用する油圧力はインナピストン６０の端面６４のみに作用する油圧力となる。
時刻ｔ２以降の期間Ｔ２では、ニードル３０に対し閉弁方向に作用する油圧力と開弁方向に作用する油圧力とはキャンセルされるため、ニードル３０に対し開弁方向に作用する油圧力は０である。
【００４７】
なお、時刻ｔ２以降では、アウタピストン７０は端面７１がインナピストン６０のピストン段差面６３に当接した状態であり、ニードル３０に対し閉弁方向に作用する油圧力はインナピストン６０の端面６４およびアウタピストン７０の端面７２に作用する油圧力となる。
【００４８】
図５（Ｂ）に、比較例による燃料噴射弁の作動に関するタイミングチャートを示す。ここで、比較例による燃料噴射弁としては、本実施形態の燃料噴射弁１の構成と基本的な構成は同じであるが、インナピストン６０とアウタピストン７０とが一体に形成されるとともに、固定コア５０が小径内壁面５２およびコア段差面５３を有しない構成の燃料噴射弁を想定している。
【００４９】
比較例の場合、時刻ｔ１より前の期間（閉弁時）では、ニードル３０の噴孔２１側の端面のうちシート部３１に作用する油圧力分がキャンセルされないため、ニードル３０に対し閉弁方向に大きさＳsh×Ｐfuelの油圧力が作用している。一方、時刻ｔ２以降の期間Ｔ２では、ニードル３０に対し閉弁方向に作用する油圧力と開弁方向に作用する油圧力とはキャンセルされるため、ニードル３０に対し開弁方向に作用する油圧力は０である。
【００５０】
このように、比較例の場合、ニードル３０が閉弁状態のとき（閉弁時）、ニードル３０に対し閉弁方向に作用する油圧力は完全にはキャンセルされない。一方、本実施形態の場合、ニードル３０が閉弁状態（閉弁時：期間Ｔ１）または開弁状態（開弁時：期間Ｔ２）のいずれの状態であっても、ニードル３０に対し閉弁方向に作用する油圧力と開弁方向に作用する油圧力とがキャンセルされる。
また、本実施形態の場合、時刻ｔ１から期間ｔ２までの期間、ニードル３０に対し開弁方向のアシスト力（０．９５×Ｓsh×Ｐfuel）が生じるため、比較例と比べ、ニードル３０のリフト速度を向上することができる。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態では、ニードル３０、インナピストン６０およびアウタピストン７０は、Ｓin＝Ｓndl−Ｓsh、Ｓout＝Ｓshの関係を満たすよう形成されている。また、アウタピストン７０は、ニードル３０が閉弁状態のとき、可動コア４０側の端面７１が固定コア５０のコア段差面５３に当接することで閉弁方向への移動が規制されるとともにピストン段差面６３とは離間している。また、アウタピストン７０は、ニードル３０が閉弁状態から開弁状態に移行するとき、端面７１がインナピストン６０のピストン段差面６３に当接し押されることで開弁方向に移動する。さらに、アウタピストン７０は、ニードル３０が開弁状態から閉弁状態に移行するとき、端面７１が固定コア５０のコア段差面５３に当接することで閉弁方向への移動が規制される。この構成により、本実施形態では、ニードル３０が閉弁状態（閉弁時）または開弁状態（開弁時）のいずれの状態であっても、ニードル３０に対し閉弁方向に作用する油圧力と開弁方向に作用する油圧力とがキャンセルされる。そのため、燃料通路２３内の燃料の圧力および圧力変動のニードル３０への影響を抑制することができる。したがって、ニードル３０の開弁および閉弁に関する誤作動が低減し、燃料を安定して噴射することができる。
【００５２】
また、本実施形態では、ニードル３０が閉弁状態のときのアウタピストン７０の可動コア４０側の端面７１とピストン段差面６３との距離ｈ１は、Ｐ’fuel＝０．９５×Ｐfuelの関係を満たすよう設定されている。この構成では、ニードル３０が閉弁状態から「アウタピストン７０の端面７１とピストン段差面６３とが当接する状態」となるまでの間、ニードル３０に対し開弁方向のアシスト力（０．９５×Ｓsh×Ｐfuel）が生じる。したがって、ニードル３０の開弁初期において、ニードル３０のリフト速度を向上することができる。なお、距離ｈ１がＰ’fuel≧０．９５×Ｐfuelの関係を満たすよう設定されていれば、「ニードル３０の開弁初期において、ニードル３０のリフト速度を向上する」効果を奏することができる。
【００５３】
また、本実施形態では、上述のように、ニードル３０はハウジング２０の内壁と摺動可能に設けられ、アウタピストン７０は内壁がインナピストン６０の小径部６２の外壁と摺動可能かつ端面７１が固定コア５０のコア段差面５３に当接可能に設けられている。そのため、第１燃料室２３１および第２燃料室２３３から収容空間２３５への燃料の流入量は、極めて少量である。よって、燃料噴射弁１の作動時、第１燃料室２３１および第２燃料室２３３が高圧となっても、収容空間２３５は大気圧に維持される。その結果、可動コア４０は、収容空間２３５において円滑に往復移動可能となる。
【００５４】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による燃料噴射弁の作動に関するタイミングチャートを図６に示す。第２実施形態による燃料噴射弁は、物理的な構成は第１実施形態とほぼ同じであるが、ニードル３０が閉弁した状態におけるインナピストン６０のピストン段差面６３とアウタピストン７０の端面７１との距離ｈ１が、第１実施形態と異なる。
【００５５】
第２実施形態では、ニードル３０のシート部３１が弁座２４に着座（閉弁）し、かつ、アウタピストン７０の端面７１がコア段差面５３に当接した状態おける、インナピストン６０のピストン段差面６３とアウタピストン７０の端面７１との距離ｈ１は、下記式４の関係を満たすよう設定されている。
Ｐ’fuel（ｈ）＝０．５０×Ｐfuel  ・・・式４
つまり、第２実施形態では、距離ｈ１は、第１実施形態での距離ｈ１と比べ、小さく設定されている。
【００５６】
次に、本実施形態による燃料噴射弁の作動について、図６に示すタイミングチャートに基づき説明する。
図６に示すように、時刻ｔ０では、ソレノイド１２に対するＥＣＵの指令値はＯＦＦに対応する値である。そのため、このとき、ソレノイド１２には電力は供給されていない。よって、ニードル３０は着座した状態であり、ニードルリフト量は０である。また、このときニードル３０に対し閉弁方向に作用する油圧力と開弁方向に作用する油圧力とはキャンセルされているため、ニードル３０に対し開弁方向に作用する油圧力は０である。
【００５７】
時刻ｔ１でソレノイド１２に対するＥＣＵの指令値がＯＮに対応する値になると、ソレノイド１２に電力が供給される。これにより、可動コア４０が固定コア５０に吸引されることでニードル３０が開弁方向へ移動し、シート部３１が弁座２４から離座する。これにより、噴孔２１からの燃料の噴射が開始される。
【００５８】
時刻ｔ２では、アウタピストン７０の端面７１とインナピストン６０のピストン段差面６３とが当接する。
時刻ｔ２でアウタピストン７０の端面７１とインナピストン６０のピストン段差面６３とが当接すると、時刻ｔ２以降、アウタピストン７０は、端面７１がピストン段差面６３に押されることで開弁方向に移動する。
【００５９】
時刻ｔ４では、可動コア４０の端面４１が固定コア５０の端面５４に当接する。これにより、ニードル３０のシート部３１が弁座２４から完全に離座した状態（開弁した状態）、すなわちニードル３０のリフト量がｈ２の状態となる。
【００６０】
時刻ｔ４以降、ソレノイド１２に対するＥＣＵの指令値がＯＦＦに対応する値になりソレノイド１２への電力の供給が絶たれると、スプリング１１の付勢力により、可動コア４０は、閉弁方向へ移動し固定コア５０から離間する。このとき、アウタピストン７０は、インナピストン６０とともに閉弁方向へ移動し、端面７１が固定コア５０のコア段差面５３に当接する。これにより、アウタピストン７０は、閉弁方向への移動が規制される。その後、ニードル３０のシート部３１が弁座２４に着座（閉弁）すると、噴孔２１からの燃料の噴射が停止する。
【００６１】
図６に示すように、時刻ｔ１より前の期間Ｔ３では、ニードル３０に対し閉弁方向に作用する油圧力と開弁方向に作用する油圧力とはキャンセルされるため、ニードル３０に対し開弁方向に作用する油圧力は０である。
時刻ｔ１（閉弁状態）から時刻ｔ２までの期間は、ニードル３０に対し開弁方向のアシスト力（０．５０×Ｓsh×Ｐfuel）が生じる。
【００６２】
本実施形態では、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間が、第１実施形態の場合と比べで短いため、時刻ｔ２でアウタピストン７０の端面７１とインナピストン６０のピストン段差面６３とが当接するときのニードル３０のリフト速度は第１実施形態の場合より遅い。そのため、時刻ｔ２の直後、ニードル３０に対し閉弁方向の油圧力が作用する。よって、インナピストン６０とアウタピストン７０との当接時のバウンスが抑制される。
【００６３】
なお、時刻ｔ２より前の期間では、アウタピストン７０は端面７１が固定コア５０のコア段差面５３に当接した状態であり、ニードル３０に対し閉弁方向に作用する油圧力はインナピストン６０の端面６４のみに作用する油圧力となる。
時刻ｔ３では、ニードル３０に対し閉弁方向に作用する油圧力と開弁方向に作用する油圧力とはキャンセルされるため、ニードル３０に対し開弁方向に作用する油圧力は０となる。よって、時刻ｔ３以降の期間Ｔ４では、ニードル３０に対し開弁方向に作用する油圧力は０である。
【００６４】
なお、時刻ｔ２以降では、アウタピストン７０は端面７１がインナピストン６０のピストン段差面６３に当接した状態であり、ニードル３０に対し閉弁方向に作用する油圧力はインナピストン６０の端面６４およびアウタピストン７０の端面７２に作用する油圧力となる。
【００６５】
以上説明したように、本実施形態では、ニードル３０が閉弁状態のときのアウタピストン７０の可動コア４０側の端面７１とピストン段差面６３との距離ｈ１は、Ｐ’fuel＝０．５０×Ｐfuelの関係を満たすよう設定されている。この構成では、アウタピストン７０の可動コア４０側の端面７１とピストン段差面６３とが当接するときのニードル３０のリフト速度を遅くすることができる。これにより、インナピストン６０とアウタピストン７０との当接時のバウンスを抑制することができる。なお、距離ｈ１がＰ’fuel≦０．５０×Ｐfuelの関係を満たすよう設定されていれば、「インナピストン６０とアウタピストン７０との当接時のバウンスを抑制する」効果を奏することができる。
【００６６】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態による燃料噴射弁を図７に示す。第３実施形態は、第１実施形態の変形例である。
【００６７】
第３実施形態では、ハウジング２０の噴孔２１とは反対側の端部に燃料排出口２５が形成されている。また、ハウジング２０は、収容空間２３５と燃料排出口２５とを接続する排出通路２６を有している。つまり、排出通路２６は、収容空間２３５とハウジング２０の外部とを接続している。本実施形態の燃料噴射弁は、燃料排出口２５が図示しない燃料レールまたは燃料タンクに連通するよう設けられる。これにより、燃料噴射弁の作動時、収容空間２３５内の燃料は、排出通路２６および燃料排出口２５を経由して、燃料レールまたは燃料タンクへ排出される。
【００６８】
上記構成により、本実施形態では、燃料噴射弁の作動時、可動コア４０を収容する収容空間２３５の圧力を大気圧に維持することができる。そのため、可動コア４０は、収容空間２３５において円滑に往復移動可能となる。これにより、ニードル３０の応答性をより高めることができる。
【００６９】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態による燃料噴射弁を図８に示す。第４実施形態は、第１実施形態の変形例である。
【００７０】
第４実施形態では、複数のシール部材１３を備えている。シール部材１３は、例えばゴムまたは樹脂により略円環状に形成されている。本実施形態では、シール部材１３は、ニードル３０の外壁とハウジング２０の内壁（ニードル３０を摺動可能に支持する内壁）との間、インナピストン６０の小径部６２の外壁とアウタピストン７０の内壁との間、および、アウタピストン７０の内壁と固定コア５０の大径内壁面５１との間に設けられている。これにより、収容空間２３５と第１燃料室２３１および第２燃料室との間を液密に維持することができる。
【００７１】
このように、本実施形態では、複数のシール部材１３により、燃料通路２３のうち収容空間２３５の内側と外側とを液密に維持可能である。これにより、燃料噴射弁の作動時、可動コア４０を収容する収容空間２３５の圧力を大気圧に維持することができる。そのため、可動コア４０は、収容空間２３５において円滑に往復移動可能となる。これにより、ニードル３０の応答性をより高めることができる。
【００７２】
（他の実施形態）
本発明の他の実施形態では、ニードルが閉弁した状態におけるインナピストンのピストン段差面とアウタピストンの可動コア側の端面との距離（ｈ１）は、可動コアの固定コア側の端面と固定コアの可動コア側の端面との距離（ｈ２）より小さければ、どのような値に設定されていてもよい。
【００７３】
上述の第４実施形態では、シール部材を、ニードル３０の外壁とハウジング２０の内壁（ニードル３０を摺動可能に支持する内壁）との間、インナピストン６０の小径部６２の外壁とアウタピストン７０の内壁との間、および、アウタピストン７０の内壁と固定コア５０の大径内壁面５１との間に設ける例を示した。これに対し、本発明の他の実施形態では、シール部材を、ニードル３０の外壁とハウジング２０の内壁（ニードル３０を摺動可能に支持する内壁）との間、および、インナピストン６０の大径部６１の外壁と固定コア５０の小径内壁面５２との間に設けることとしてもよい。
【００７４】
本発明の燃料噴射弁は、ガソリンエンジンに限らず、ディーゼルエンジンに適用することもできる。
このように、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形態で実施可能である。
【符号の説明】
【００７５】
１  ・・・・・燃料噴射弁
１１  ・・・・スプリング（付勢部材）
１２  ・・・・ソレノイド
２０  ・・・・ハウジング
２１  ・・・・噴孔
２３  ・・・・燃料通路
２４  ・・・・弁座
３０  ・・・・ニードル
３１  ・・・・シート部
４０  ・・・・可動コア
５０  ・・・・固定コア
５１  ・・・・大径内壁面
５２  ・・・・小径内壁面
５３  ・・・・コア段差面
６０  ・・・・インナピストン
６１  ・・・・大径部
６２  ・・・・小径部
６３  ・・・・ピストン段差面
７０  ・・・・アウタピストン
２３５  ・・・収容空間
【図１】
0005462139.tif 000002
【図２】
0005462139.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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