(57)【要約】【課題】本発明は、簡単な流体ばねの構造で、燃焼室の容積の可変（可変圧縮比）が行える内燃機関のピストンおよびピストンの組立方法を提供する。【解決手段】本発明は、ピストン頂面を形成する頂壁４と頂壁の外周から軸方向に延びる周側壁６とピストンスカート６ａとを有するピストン基部２と、ピストン基部に対してピストン中心軸方向に往復運動可能なピストン移動部３とを有する内燃機関のピストンで、ピストン基部を、頂壁を含む頂壁部２ａとピストンスカートを含むスカート部２ｂに周側壁で分割し、分割された頂壁部の端部とスカート部の端部を嵌合可能にし、頂壁部の端部とスカート部の端部をピストン径方向に形成された挿入孔２８と挿入部材２９によって固定し、スカート部の内面にピストン移動部を支える受け座１２を形成した。これにより、簡単な構造で、ピストン頂部とピストン移動部との間に形成される密閉空間Ｓが、空気を含む流体ばねとして機能する可変圧縮比ピストンを提供できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン頂面を形成する頂壁と前記頂壁の外周から軸方向に延びる周側壁とピストンスカートとを有するピストン基部と、
前記ピストン基部に対してピストン中心軸方向に往復運動可能なピストン移動部と、
を有する内燃機関のピストンであって、
前記ピストン基部は、
前記頂壁を含む頂壁部と前記ピストンスカートを含むスカート部に前記周側壁で分割され、
分割された前記頂壁部の端部と前記スカート部の端部は嵌合可能に形成され、
前記頂壁部の端部と前記スカート部の端部は、前記ピストン径方向に形成された挿入孔と前記挿入孔に挿入される挿入部材によって固定され、
前記スカート部の内面は前記ピストン移動部を支える受け座を有する
ことを特徴とする内燃機関のピストン。
【請求項２】
ピストン中心軸方向に付勢する弾性体を有し、
前記弾性体は、前記ピストン基部と前記ピストン移動部の間に収納される
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のピストン。
【請求項３】
前記挿入部材は、片側端面が前記ピストン基部の内部に臨んで挿通され、
前記端面は、前記ピストン径方向に凹部を有し、
前記ピストン移動部は、前記ピストン軸方向側面に前記凹部と差込み可能に形成された凸部を有する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関のピストン。
【請求項４】
前記ピストン移動部は、外部から供給される油圧を受ける油路を有し、
前記凸部は、前記油路とつながり、前記油路からの油圧により突出される
ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関のピストン。
【請求項５】
ピストン頂面を形成する頂壁と前記頂壁の外周部から軸方向に延びる周側壁とピストンスカートとを有するピストン基部と、
前記ピストン基部に対してピストン中心軸方向に往復運動可能なピストン移動部と、
前記ピストン基部と前記ピストン移動部の間に収納され、前記ピストン中心軸方向に付勢する弾性体とからなり、
前記ピストン基部は、
前記頂壁を含む頂壁部と前記ピストンスカートを含むスカート部に前記周側壁で分割され、
分割された前記頂壁部の端部と前記スカート部の端部は嵌合可能に形成され、
前記頂壁部の端部と前記スカート部の端部は前記ピストン径方向に挿入孔が形成され、
前記スカート部の内面に前記ピストン移動部を支える受け座を有する
ピストンの組立方法であって、
まず、分割した前記周側壁部の開口部分から当該スカート部内へ、前記受け座と重なるように  前記ピストン移動部、前記弾性体の順で組み付け、
この後、前記頂壁部の端部と前記スカート部の端部とを嵌め合わせながら前記挿入孔同士を合  致させ、
前記合致した挿入孔へ挿入部材を挿入して、前記ピストン基部を組み上げる
ことを特徴とするピストンの組立方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のピストンおよびピストンの組立方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両に搭載されるレシプロ式の内燃機関は、車両の燃費低減のため、過給機を用いてダウンサイジング（吸入空気量を過給機で増加させ、代わりに排気量を小さく）する傾向にある。
しかし、こうした内燃機関は、反面、中高負荷などでノッキングが発生しやすくなる傾向にある。
【０００３】
そこで、内燃機関では、中高負荷でのノッキングの発生を抑えるために、特許文献１に開示されているように燃焼室の一部に別途、室空間を形成し、この室空間に流体ばね構造を設け、流体ばねの働きで、燃焼室の容積が、燃焼室内の圧力に応じて可変させる提案が行われている（圧縮比可変）。
しかしながら、この技術は、内燃機関の燃焼室に、室空間や流体ばね構造を組み込むために、内燃機関が、かなり複雑となりやすい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−  ９７６５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、この技術をピストンに適用することが考えられる。
しかし、可変圧縮比ピストンの多くは、弾性体の弾性力に依存したり、油圧に依存して燃焼室の容積を可変する構造がほとんどで、流体ばねを用いて、燃焼室の容積を可変するピストンは見当たらない。しかも、可変圧縮比ピストンは、複雑な構造になる傾向にあるが、流体ばねの簡素化まで踏み込んだピストンは見当たらない。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、簡単な流体ばねの構造で、燃焼室の容積の可変（可変圧縮比）が行える内燃機関のピストンおよびピストンの組立方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、ピストン頂面を形成する頂壁と頂壁の外周から軸方向に延びる周側壁とピストンスカートとを有するピストン基部と、ピストン基部に対してピストン中心軸方向に往復運動可能なピストン移動部とを有する内燃機関のピストンであって、ピストン基部は、頂壁を含む頂壁部とピストンスカートを含むスカート部に周側壁で分割され、分割された頂壁部の端部とスカート部の端部は嵌合可能に形成され、頂壁部の端部とスカート部の端部は、ピストン径方向に形成された挿入孔と挿入孔に挿入される挿入部材によって固定され、スカート部の内面はピストン移動部を支える受け座を有することとした。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、ピストン中心軸方向に付勢する弾性体を有し、弾性体は、ピストン基部とピストン移動部の間に収納されることとした。
請求項３に記載の発明は、挿入部材は、片側端面がピストン基部の内部に臨んで挿通され、端面は、ピストン径方向に凹部を有し、ピストン移動部は、ピストン軸方向側面に凹部と差込み可能に形成された凸部を有することとした。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、ピストン移動部は、外部から供給される油圧を受ける油路を有し、凸部は、油路とつながり、油路からの油圧により突出されることとした。
請求項５に記載の発明は、ピストン頂面を形成する頂壁と頂壁の外周部から軸方向に延びる周側壁とピストンスカートとを有するピストン基部と、ピストン基部に対してピストン中心軸方向に往復運動可能なピストン移動部と、ピストン基部とピストン移動部の間に収納され、ピストン中心軸方向に付勢する弾性体とからなり、ピストン基部は、頂壁を含む頂壁部とピストンスカートを含むスカート部に周側壁で分割され、分割された頂壁部の端部とスカート部の端部は嵌合可能に形成され、頂壁部の端部とスカート部の端部はピストン径方向に挿入孔が形成され、スカート部の内面にピストン移動部を支える受け座を有するピストンの組立方法であって、まず、分割した周側壁部の開口部分から当該スカート部内へ、受け座と重なるようにピストン移動部、弾性体の順で組み付け、この後、頂壁部の端部とスカート部の端部とを嵌め合わせながら挿入孔同士を合致させ、合致した挿入孔へ挿入部材を挿入して、ピストン基部を組み上げることとした。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１の発明によれば、ピストンは、ピストン頂部とピストン移動部との間に形成される密閉空間が、空気を含む流体ばねとして機能し、内燃機関の燃焼室内の圧力に応じて燃焼室の容積を可変させる（圧縮比可変）。
特にこの流体ばねを用いたピストンは、ピストン移動部を収めたスカート部の端部と頂壁部の端部とを嵌合し、同端部に形成した挿入孔に挿入部材を挿入するだけで、ピストン頂部とピストン移動部との間に密閉空間が形成されるので、簡単に流体ばねの機能が確保できる。
【００１１】
それ故、簡単な構造で、流体ばねを用いた可変圧縮比ピストンが提供できる。
請求項２および請求項５の発明によれば、流体ばねを助ける弾性体の追加により、内燃機関に応じて、容易にピストンの可変圧縮比の設定ができる。しかも、弾性体を有しても、請求項１のときと同様、挿入部材を挿入孔へ挿入する作業で、頂壁部とスカート部を、容易にピストン移動部を収めたまま固定できる。
【００１２】
請求項３の発明によれば、ロアピストン部の凸部が、挿入部材端面の凹部に差し込まれることにより、ピストン基部は、目標の圧縮比となる位置で保持される。しかも、衝撃荷重が加わりやすい凹部は、高剛性強度を有する挿入部材に形成されるので、既存部材の流用でよく、簡単、かつ廉価な構造ですむ。
請求項４の発明によれば、外部から供給される油圧を用いて、簡単に凸部を突出させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係るピストンの平面図、（ｂ）は同じく正断面図。
【図２】（ａ）は同ピストンをピストン基部とピストン移動部とに分割した正断面図、（ｂ）はピストン基部を、周側壁で、頂壁を含む頂壁部とピストンスカートを含むスカート部とに分割した正断面図。
【図３】ピストンの各部を組み立て順に分割した正断面図。
【図４】（ａ）は本発明の第２の実施形態に係るピストンの平面図、（ｂ）は同じく正断面図。
【図５】同ピストンの各部を分解した正断面図。
【図６】同ピストンの組立方法を順に示す正断面図。
【図７】図６に続くピストンの組立方法を順に示す正断面図。
【図８】本発明の第３の実施形態に係るピストンを示す正断面図。
【図９】図８中のＡ−Ａ線に沿う平断面図。
【図１０】同ピストンを例えば最も低い圧縮比状態に保持させたときを示す正断面図。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係るピストンを示す正断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を図１から図３に示す第１の実施形態にもとづいて説明する。
図１（ａ)は本発明を適用した、圧縮比を可変するピストンであるところの可変圧縮比ピストンの平面図を示し、図１(ｂ）は同ピストンの正断面図を示し、図２および図３は同ピストンを分解した分解図を示している。
図１〜図３を参照して可変圧縮比ピストンの構造を説明すると、図中１は同ピストンのピストン本体を示している。ピストン本体１は、図２（ａ）にも示されるようにピストン基部であるところのアッパピストン部２と、ピストン移動部であるところロアピストン部３との組み合わせから構成される。
【００１５】
このうちアッパピストン部２は、ピストンの頂面を形成する頂壁４と同頂壁４の外周からピストン軸方向に沿って延びる周側壁６と、同周側壁６の端からピストン軸方向に延びるピストンスカート６ａを有して、凹形に形成されている。
また周側壁６の内周面の最下部には、環状の受け座１２が形成されている。ここでは、受け座１２は、周側壁６の内周面から内側へ突き出るＬ形の断面部分で形成される。なお、周側壁６の外周面には、複数のピストンリング溝１３が設けられている。
【００１６】
更にこのアッパピストン部２を詳しく説明すると、図２（ｂ）に示されるようにアッパピストン部２は、周側壁６で、頂壁４を含む凹形の頂壁部２ａと、ピストンスカート６ａや受け座１２を含む筒形のスカート部２ｂに分割されている。ここでは、周側壁６のピストンスカート６ａ寄りの地点を分割部２６として、頂壁部２ａとスカート部２ｂとに分割されている。
【００１７】
分割された頂壁部２ａの頂壁４の内面中央からは、柱形のガイドポスト部８が突き出ている。また分割された頂壁部２ａの端部とスカート部２ｂの端部は、相互を嵌め合わせる嵌合部２７と、挿入部材であるところの固定ピン２９とを用いて脱着可能に固定される。具体的には、図２（ｂ）に示されるように嵌合部２７は、例えば頂壁部２ａの端部となる周壁部６の端面に、環状の凸壁部で形成される差込み部３０ａを設け、スカート部２ｂの端部となる周側部６の端面に、凸壁部と対となる環状の段差壁部で形成される受け部３０ｂを設けて構成される。これら差込み部３０ａと受け部３０ｂとが嵌り合う。またピストン径方向で重なり合う差込み部３０ａの壁部および受け部３０ｂの壁部の各部位、例えば周方向の四個所の壁部分には、それぞれ一対のピン孔２８(本願の挿入孔に相当)が形成されている。差込み部３０ａのピン孔２８は貫通孔でなり、受け部３０ｂのピン孔２８は、有底形の穴（凹形）でなる。そして、外部から固定ピン２９を各ピン孔２８へ挿入（圧入）することによって、分割された頂壁部２ａとスカート部２ｂとが固定され、アッパピストン部２が組み立てられる。
【００１８】
一方、ロアピストン部３は、円板形のベース部１４と、同ベース部１４の一側面から突き出る一対のピンボス部１６と、ベース部１４の他側面の中央から突き出るガイド筒部９とを有して構成されている。
このロアピストン部３のベース部１４が、分割部２６を通じて、アッパピストン部２内に往復動可能に収められる。この収容に伴い、ベース部１４は、受け座１２で支えられ、ガイド筒部９とガイドポスト部８とは摺動可能に嵌り、ピンボスボス部１６は、アッパピストン部２外に配置され、頂壁４とベース部１４との間に密閉空間Ｓを形成する。この密閉空間Ｓは、図１および図３に示されるように周側壁６の内周面が、ベース部１４を摺動可能に収める形状に形成され、摺動面間（ベース部の外周面と周側壁の内周面間）が、例えば潤滑油でシールされることにより形成される。これにより、密閉空間Ｓが、圧縮比を可変させる重要な要素となる、空気を含む流体ばねとして機能する。
【００１９】
この流体ばねをなす密閉空間Ｓの容積は、ピストン頂面から加わる燃焼室（内燃機関）の圧力に応じて可変し、燃焼室の容積が可変される構造となる（可変圧縮比）。つまり、可変圧縮比ピストンのアッパピストン部２は、流体ばねの働きにより、燃焼室内の圧力に応じ、図１（ｂ）中の矢印で示される突き出た状態（実線で示す状態）、すなわち圧縮比を上げる高圧縮比状態αから、退避する状態（二点鎖線で示す状態）、すなわち圧縮比を下げる低圧縮比状態βまで可変させる構造としてある
この流体ばね（密閉空間Ｓ）を有する可変圧縮比ピストンは、容易に組み立てられる。
【００２０】
すなわち、組み立ては、まず、図３に示されるようにロアピストン部３のベース部１４を、分割したスカート部２ｂ内に開口部分７から嵌め込み、ベース部１４の外周部をスカート部２ｂの内面下側に有る受け座１２に重ねる。この際、周側壁６の内面には、予め潤滑油を塗布しておく。ベース部１４は、スカート部２ｂ内に、潤滑油でシールされつつ、ピストン軸方向に往復動可能に嵌る。ピンボス部１６（コンロッドと連結する部分）は、スカート部２ｂ外へ突き出る。
【００２１】
この後、頂壁部２ａを、分割したスカート部２ｂの端部に組み付ける。これには、まず、頂壁部２ａの差込み部３０ａとスカート部２ｂの受け部３０ｂとを嵌め、ピン孔２８同士が合致するよう両者を嵌め合わせる。この合致したピン孔２８へ固定ピン２９を圧入（挿入）する。これにより、頂壁部２ａとスカート部２ｂとは固定される。
この固定に伴い、図１に示されるように頂壁４（ピストン頂部）と、受け座１２で支えられるベース部１４（ロアピストン部３）との間に密閉空間Ｓが形成される。この密閉空間Ｓは、閉じ込められた空気が流体ばねとして機能し、ロアピストン部３をピストン軸方向に変位可能に支持する。
【００２２】
これにより、燃焼室の容積を可変させる可変圧縮比ピストンが組み立てられる。
したがって、圧縮比可変ピストンは、往復動可能にロアピストン部３を嵌めたスカート部２ｂと頂壁部２ａとを固定ピン２９で固定する構造が、そのまま、流体ばねをなす密閉空間Ｓを形成する構造となるので、簡単に可変圧縮比ピストンが製作できる。
図４〜図７は、本発明の第２の実施形態を示す。
【００２３】
本実施形態は、第１の実施形態の変形例で、アッパピストン部２とロアピストン部３との間に弾性体、例えば直列に並んだ複数の皿ばね部材２０を収納して、アッパピストン部２にピストン軸方向の力が追加されるようにしたものである。
図４は皿ばね部材２０を追加した可変圧縮比ピストンの平面図および正断面図、図５は同可変圧縮比ピストンの各部を分解した断面図が示されている。
【００２４】
密閉空間Ｓで形成される流体ばねの機能を助けるために、皿ばね部材２０（弾性体）を追加する構造は、不足する流体ばねの弾性力を助ける皿ばね部材２０を追加するだけで、各種内燃機関に応じたピストンの圧縮比可変の設定が容易に行える。しかも、追加する皿ばね部材２０は、流体ばねを助けるだけのばね部材でよいから、ピストンを組み立てるときの作業負担は最小限ですむ。
【００２５】
図６（ａ），（ｂ）および図７（ａ）〜（ｃ）には、この可変圧縮比ピストンを組み立てる手順が示されている。
ここでは、頂壁４の内面に、皿ばね部材２０を抑える環状の突起部１０を設けている。
同ピストンの組立方法を説明すると、まず、図６（ａ），（ｂ）に示されるように分割したスカート部２ｂの端部の開口部分７から、ロアピストン部３、皿ばね部材２０の順で入れ、受け座１２に、ロアピストン部３のベース部１４、皿ばね部材２０を順で重なるように組み付ける。つぎに、頂壁部２ａを組み付ける。
【００２６】
このときには頂壁部２ａは、スカート部２ｂのピン孔２８と位置合わせつつ、図７（ａ）に示されるように頂壁４から突き出ているガイドポスト部８を、皿ばね部材２０の中央から突き出ているガイド筒部９へ差し込む。このガイド筒部９をガイドとして、頂壁部２ａ端の差込み部３０ａとスカート部２ｂ端の受け部３０ｂとを嵌める。
このとき、皿ばね部材２０は、自由状態なので、図７（ａ）に示されるように突起部１０は、ピン孔２８同士が合致する前に、皿ばね部材２０と当接する。そのため、図７（ｂ）に示されるように荷重Ｆを加え、頂壁部２ａとスカート部２ｂとを嵌め合わせながら、差込み部３０ａのピン孔２８と受け部３０ｂのピン孔２８同士を合致させる。
【００２７】
その後、図７（ｂ）に示されるように合致したピン孔２８へ固定ピン２９を圧入（挿入）する。これにより、頂壁部２ａは、ベース部１４との間に密閉空間Ｓを形成、さらには皿ばね部材２０をスカート部２ｂ内に押し込みつつ、スカート部２ｂに固定される。
このため、皿ばね部材２０が追加されても、第１の実施形態と同様、頂壁部２ａとスカート部２ｂとの嵌合や固定ピン２９を挿入孔２８へ挿入する作業で、容易に、頂壁部２ａとスカート部２ｂとの固定と、密閉空間Ｓの形成が行える。
【００２８】
図８〜図１０は、本発明の第３の実施形態を示す。
本実施形態は、第１，２の実施形態の変形例で、分割されたアッパピストン部２を固定する固定ピン２９を活用して、可変圧縮比ピストンを、目標となる圧縮比、ここでは最も圧縮比が低い状態である低圧縮比状態に保持されるようにしたものである。
この保持構造には、受け部３０ｂのピン孔２８を貫通孔から形成して、固定ピン２９の挿入端をスカート部２ｂの内部へ臨ませる構造にし、このアッパピストン部２内に臨む各固定ピン２９（四個）の端面（片側端面；挿入方向先端側の端面）に、ピストン径方向に凹む凹部でなる円形のロック穴３３を設け、ロアピストン部３のベース部１４の外周端に、ロック穴３３と差込み可能な凸部、ここでは差込みピン部３５を設けた構造が用いられている。
【００２９】
具体的には、図８および図９に示されるように差込みピン部３５は、いずれもロアピストン部３のベース部１４の外周面の各部（四個所）に、ピストン径方向に凹む凹形のシリンダ部３６を形成し、シリンダ部３６内にピン部材３７を往復動可能に収める構造が用いられる。詳しくは、ピン部材３７は、シリンダ部３６内に据付けたガイド部材３８によって、往復方向（ピストン径方向）に変位可能に支持されている。と共に、シリンダ部３６内に収めた復帰用のばね部材３９にて退避方向へ付勢されて、ベース部１４内に突出可能に収められている。
【００３０】
またベース１４内には、例えばシリンダ部３５（四個）を二つのグループに分けて、これらをグループ毎に、各ピンボス部１６（二個）の各ボス孔１６ａのジャーナル面１６ｂと連通させる油路４０ａ，４０ｂ（二系統）が設けられている。つまり、各油路４０ａ，４０ｂの一端は、それぞれジャーナル面１６ｂに開口し、他端側はそれぞれシリンダ部３６に開口する。
【００３１】
ここで、ジャーナル面１６ｂは、ピストンピン４１を介してコネクティングロッド４２（以下、コンロッド４２という）と回動自在に連結される部分である（いずれも図６中の二点鎖線に図示）。コンロッド４２には、クランクシャフト（図示しない）からジャーナル面１６ｂへ制御用油圧を導く中継用油路４４が形成されていて（図８に二点鎖線で図示）、中継用油路４４からの制御用油圧が、各油路４０ａ，４０ｂを通じて、シリンダ部３６に供給されると、ピン部材３７がベース１４から押し出されて（突出）、固定ピン２９のロック穴３３へ差し込まれる。
【００３２】
このとき、ロック穴３３は、目標となる圧縮比が保たれる位置、ここでは低圧縮比となる位置に設定されている。
つまり、図１０に示されるように制御油圧がピン部材３７に加わると、低圧縮比のときに、ピン部材３７とロック穴３３とが嵌り合う。これで、アッパピストン部２はロックされ、そのまま低圧縮比状態が保持され続ける。
【００３３】
これにより、アッパピストン部２は、目標となる圧縮比の位置を保持し続ける（図１０）。しかも、衝撃荷重が加わりやすいロック穴３３は、高剛性強度（頂壁部２ａとスカート部２ｂとを固定するため）を有する固定ピン２９に形成されているので、別途、高剛性強度の部材や構造を必要とせず、既存部材の流用でよく、簡単、かつ廉価な構造ですむ。特にロアピストン部３に、外部から供給される油圧をシリンダ部３６へ導く油路４０ａ，４０ｂを形成すると、簡単な構造で、ピン部材３７を突出させることができる。
【００３４】
なお、ピン部材３７を突出させる油路構造は、二系統でなく、一系統でも、他の構造でも構わない。もちろん、高圧縮比状態に保持される構造にしてもよい。
図１１は、本発明の第４の実施形態を示す。
本実施形態は、第１の実施形態の可変圧縮比ピストンに、第３の実施形態の、油圧でロアピストン部３の動きを規制して、目標となる圧縮比に保持する技術を組み合わせたものである。このようにしても上述した実施形態と同様の効果を奏する。
【００３５】
但し、図４〜図１１において、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して、その説明を省略した。
本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々可変して実施しても構わない。上述した実施形態では、弾性体として皿ばね部材を用いた例を挙げたが、これに限らず、他の弾性体を用いてもよい。
【符号の説明】
【００３６】
２  アッパピストン部（ピストン基部）
２ａ  頂壁部
２ｂ  スカート部
３  ロアピストン部（ピストン移動部）
４  頂壁
６  周側壁
６ａ  ピストンスカート
１２  受け座
２８  ピン孔（挿入孔）
２９  固定ピン（挿入部材）
３０ａ  差込み部
３０ｂ  受け部
Ｓ  密閉空間
【図１】
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【図２】
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【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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