特許 6476817 内燃機関用ピストンおよび内燃機関用ピストンの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6476817

(24)【登録日】2019年2月15日

(45)【発行日】2019年3月6日

(54)【発明の名称】内燃機関用ピストンおよび内燃機関用ピストンの製造方法

(51)【国際特許分類】

   F02F 3/00 20060101AFI20190225BHJP

   F02F 3/10 20060101ALI20190225BHJP

   F16J 1/04 20060101ALI20190225BHJP

【ＦＩ】

   F02F3/00 M

   F02F3/10 B

   F16J1/04

【請求項の数】9

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2014-251932(P2014-251932)

(22)【出願日】2014年12月12日

(65)【公開番号】特開2016-113926(P2016-113926A)

(43)【公開日】2016年6月23日

【審査請求日】2017年4月10日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000000011

【氏名又は名称】アイシン精機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104433

【弁理士】

【氏名又は名称】宮園 博一

(72)【発明者】

【氏名】國安 篤史

(72)【発明者】

【氏名】新美 拓哉

(72)【発明者】

【氏名】岡本 明広

(72)【発明者】

【氏名】岡崎 亮

(72)【発明者】

【氏名】林 孝之

【審査官】 木村 麻乃

(56)【参考文献】

【文献】 実開昭６０−１８８８４８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２０１４−０９２１２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１２７２９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６０−０８７３５４（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００８−２２３６６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２３１９７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−０９７５１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表平０８−５０８３２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 欧州特許出願公開第０１８４０４１９（ＥＰ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｆ ３／００

Ｆ０２Ｆ ３／１０

Ｆ１６Ｊ １／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内燃機関用のピストン本体と、
前記ピストン本体の表面のうちの第１表面、第２表面、および、前記第１表面および前記第２表面とは異なる表面であるピストンピン穴の内周面に形成されたクロスハッチ状の溝と、を備え、
前記クロスハッチ状の溝は、クロスハッチが交差する角度であるクロスハッチ角度が１５度以上３５度以下の範囲に設定されているとともに、前記ピストンピン穴の内周面に形成された前記クロスハッチ状の溝は、前記ピストンピン穴の内周面とピストンピンとの摺動方向に対し、互いに異なる方向に複数の溝が延びて交差することによってクロスハッチ状に形成されているとともに、前記ピストンピン穴の内周面と前記ピストンピンとの摺動方向に対するクロスハッチ角度が前記１５度以上３５度以下の範囲内に設定されており、
前記第１表面の前記クロスハッチ状の溝は、前記第１表面の両側に隣接する前記第２表面の前記クロスハッチ状の溝と異なる形状を有する、内燃機関用ピストン。

【請求項2】

前記第２表面は、前記第１表面が摺動する摺動方向に直交する方向の両側にそれぞれ隣接して設けられている、請求項１に記載の内燃機関用ピストン。

【請求項3】

前記第１表面の前記クロスハッチ状の溝の深さは、前記第２表面の前記クロスハッチ状の溝の深さよりも大きく、
前記第１表面の前記クロスハッチ状の溝のピッチは、前記第２表面の前記クロスハッチ状の溝のピッチよりも小さい、請求項１または２に記載の内燃機関用ピストン。

【請求項4】

前記クロスハッチ状の溝は、４０μｍ以上６０μｍ以下のピッチで設けられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関用ピストン。

【請求項5】

前記クロスハッチ状の溝は、４μｍ以上８μｍ以下の深さを有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関用ピストン。

【請求項6】

前記ピストン本体は、前記第１表面および前記第２表面を有するピストンスカート部を含み、
前記第１表面および前記第２表面に形成された前記クロスハッチ状の溝は、前記ピストンスカート部の摺動方向に直交する方向に対する前記クロスハッチ角度の範囲内に設定されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関用ピストン。

【請求項7】

前記クロスハッチ状の溝形状を反映した状態で前記第１表面および前記第２表面を覆うように形成された樹脂製のクロスハッチ状被覆層をさらに備える、請求項６に記載の内燃機関用ピストン。

【請求項8】

前記第１表面および前記第２表面の前記クロスハッチ状の溝を埋め込んで覆うように形成された樹脂製の平坦面状被覆層をさらに備える、請求項６に記載の内燃機関用ピストン。

【請求項9】

内燃機関用のピストン本体の表面のうちの第１表面、第２表面、および、前記第１表面および前記第２表面とは異なる表面であるピストンピン穴の内周面に、クロスハッチが交差する角度であるクロスハッチ角度が１５度以上３５度以下の範囲を有するとともに、前記ピストンピン穴の内周面において、前記ピストンピン穴の内周面とピストンピンとの摺動方向に対し、互いに異なる方向に複数の溝が延びて交差することによってクロスハッチ状に形成するとともに、前記ピストンピン穴の内周面と前記ピストンピンとの摺動方向に対するクロスハッチ角度が前記１５度以上３５度以下の範囲を有するクロスハッチ状の溝を、レーザ加工を用いて形成する工程を備え、
前記クロスハッチ状の溝を形成する工程は、前記第１表面の前記クロスハッチ状の溝を、前記第１表面に、前記第１表面の両側に隣接する前記第２表面の前記クロスハッチ状の溝と異なる形状を有するように形成する工程を含む、内燃機関用ピストンの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、内燃機関用ピストンおよび内燃機関用ピストンの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、内燃機関用ピストンが知られている（たとえば、特許文献１参照）。

【0003】

上記特許文献１には、バイトによる切削加工やローラによる転造加工によりピストン本体におけるスカート部の表面に複数の条痕（筋状の溝）が形成された内燃機関のピストンが開示されている。この内燃機関のピストンでは、複数の条痕は、ピストン本体の摺動方向に対して一方側にのみ所定角度傾斜した状態でこの方向に互いに平行に延びている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００８−２９７９２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記特許文献１に記載された内燃機関のピストンでは、複数の条痕がピストン本体の摺動方向に対して一方側にのみ傾斜して延びているため、溝に入り込んだ潤滑油（オイル）がピストンの往復摺動とともに溝内を移動して溝の端部から排出されやすいと考えられる。このため、摺動部におけるオイル保持能力が十分に得られないので、ピストン本体の耐焼付性が確保できないという問題点がある。

【0006】

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、摺動部に十分なオイル保持能力が得られてピストン本体の耐焼付性を確保することが可能な内燃機関用ピストンおよび内燃機関用ピストンの製造方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するために本願発明者が鋭意検討した結果、上記課題を解決するために以下のような構成を見出した。すなわち、この発明の第１の局面における内燃機関用ピストンは、内燃機関用のピストン本体と、ピストン本体の表面のうちの第１表面、第２表面、および、第１表面および第２表面とは異なる表面であるピストンピン穴の内周面に形成されたクロスハッチ状の溝と、を備え、クロスハッチ状の溝は、クロスハッチが交差する角度であるクロスハッチ角度が１５度以上３５度以下の範囲に設定されているとともに、ピストンピン穴の内周面に形成されたクロスハッチ状の溝は、ピストンピン穴の内周面とピストンピンとの摺動方向に対し、互いに異なる方向に複数の溝が延びて交差することによってクロスハッチ状に形成されているとともに、ピストンピン穴の内周面とピストンピンとの摺動方向に対するクロスハッチ角度が１５度以上３５度以下の範囲内に設定されており、第１表面のクロスハッチ状の溝は、第１表面の両側に隣接する第２表面のクロスハッチ状の溝と異なる形状を有する。

【0008】

この発明の第１の局面における内燃機関用ピストンでは、上記のように、ピストン本体の表面のうちの第１表面および第２表面とは異なる表面であるピストンピン穴の内周面にクロスハッチ角度が１５度以上３５度以下の範囲に設定されたクロスハッチ状の溝を設けるとともに、ピストンピン穴の内周面に形成されたクロスハッチ状の溝を、ピストンピン穴の内周面とピストンピンとの摺動方向に対し、互いに異なる方向に複数の溝が延びて交差することによってクロスハッチ状に形成されているとともに、ピストンピン穴の内周面とピストンピンとの摺動方向に対するクロスハッチ角度が１５度以上３５度以下の範囲内に設定する。また、ピストン本体の表面うちの第１表面のクロスハッチ状の溝は、ピストン本体の表面うちの第１表面の両側に隣接する第２表面のクロスハッチ状の溝と異なる形状を有する。これにより、オイル（潤滑油）を互いに交差するクロスハッチ状の溝内に保持しやすくすることができる。すなわち、各々が独立して一方向にのみ延びる溝（複数の条痕）を形成する場合と異なり、溝がクロスハッチ状となる分、往復動するピストン本体に供給されたオイルをクロスハッチ状の溝内により長時間留めることができる。なお、この点は、後述する本発明の効果を確認するために行った実験により確認済みである。この結果、摺動部に十分なオイル保持能力が得られてピストン本体の耐焼付性を確保することができる。
上記第１の局面における内燃機関用ピストンにおいて、好ましくは、第２表面は、第１表面が摺動する摺動方向に直交する方向の両側にそれぞれ隣接して設けられている。
上記第１の局面における内燃機関用ピストンにおいて、好ましくは、第１表面のクロスハッチ状の溝の深さは、第２表面のクロスハッチ状の溝の深さよりも大きく、第１表面のクロスハッチ状の溝のピッチは、第２表面のクロスハッチ状の溝のピッチよりも小さい。

【0009】

上記第１の局面における内燃機関用ピストンにおいて、好ましくは、クロスハッチ状の溝は、４０μｍ以上６０μｍ以下のピッチで設けられている。

【0010】

このように構成すれば、溝のピッチが４０μｍ未満の場合に比べてピストン本体の表面粗さを小さくすることができる。また、溝のピッチが６０μｍよりも大きい場合に比べて溝以外の平滑面の面積が過大になるのを抑制することができる。この結果、ピストン本体表面（摺動部）の滑らかさとオイル保持能力とを適切に維持することができる。

【0011】

上記第１の局面における内燃機関用ピストンにおいて、好ましくは、クロスハッチ状の溝は、４μｍ以上８μｍ以下の深さを有する。

【0012】

このように構成すれば、溝の深さが４μｍ未満の場合にはピストン本体の表面粗さが過小になりオイル保持能力が低下するため、これを抑制することができる。また、溝の深さが８μｍよりも大きい場合には表面粗さが過大になり溝以外の平滑面に油膜切れが生じやすくなるため、これを抑制することができる。この結果、ピストン本体表面（摺動部）の滑らかさとオイル保持能力とを適切に維持することができる。

【0013】

上記第１の局面における内燃機関用ピストンにおいて、好ましくは、ピストン本体は、第１表面および第２表面を有するピストンスカート部を含み、第１表面および第２表面に形成されたクロスハッチ状の溝は、ピストンスカート部の摺動方向に直交する方向に対するクロスハッチ角度の範囲内に設定されている。

【0014】

このように構成すれば、溝がピストンスカート部の摺動方向寄りに傾斜している場合と異なり、往復動の慣性力に起因してピストン本体に供給されたオイルが溝内を移動してピストンスカート部の端部から短時間のうちに排出されるのを効果的に抑制することができる。この結果、ピストンスカート部でのオイル保持能力が十分に得られるので、ピストン本体の耐焼付性を確実に確保することができる。

【0015】

上記ピストン本体がピストンスカート部を含む構成において、好ましくは、クロスハッチ状の溝形状を反映した状態で第１表面および第２表面を覆うように形成された樹脂製のクロスハッチ状被覆層をさらに備える。

【0016】

このように構成すれば、クロスハッチ状の溝を反映したクロスハッチ状被覆層の表面にオイルを長時間保持することができる。したがって、樹脂製のクロスハッチ状被覆層でピストンスカート部を覆うことで、焼付を防止し、摩擦を低減することができる。これに加えて、クロスハッチ状の溝を反映したクロスハッチ状被覆層の表面に十分なオイル保持能力が得られて摩擦をさらに低減することができる。

【0017】

上記ピストン本体がピストンスカート部を含む構成において、好ましくは、第１表面および第２表面のクロスハッチ状の溝を埋め込んで覆うように形成された樹脂製の平坦面状被覆層をさらに備える。

【0018】

このように構成すれば、樹脂製の平坦面状被覆層でピストンスカート部を覆うことで、ピストン本体の焼付防止効果および摩擦低減効果を本来的に得ることができる。

【0019】

この発明の第２の局面における内燃機関用ピストンの製造方法は、内燃機関用のピストン本体の表面のうちの第１表面、第２表面、および、第１表面および第２表面とは異なる表面であるピストンピン穴の内周面に、クロスハッチが交差する角度であるクロスハッチ角度が１５度以上３５度以下の範囲を有するとともに、ピストンピン穴の内周面において、ピストンピン穴の内周面とピストンピンとの摺動方向に対し、互いに異なる方向に複数の溝が延びて交差することによってクロスハッチ状に形成するとともに、ピストンピン穴の内周面とピストンピンとの摺動方向に対するクロスハッチ角度が１５度以上３５度以下の範囲を有するクロスハッチ状の溝を、レーザ加工を用いて形成する工程を備え、クロスハッチ状の溝を形成する工程は、第１表面のクロスハッチ状の溝を、ピストン本体の表面うちの第１表面に、第１表面の両側に隣接する第２表面のクロスハッチ状の溝と異なる形状を有するように形成する工程を含む。

【0020】

この発明の第２の局面における内燃機関用ピストンの製造方法では、レーザ加工を用いてクロスハッチ状の溝をピストン本体の表面に容易に形成することができる。すなわち、一般的なショットピーニング処理（ＳＰ処理）などを用いてピストン本体の表面に凹凸を形成する場合などと異なり、ＳＰ処理で使用する微粒子（メディア）の洗浄などを必要とせず、また、溝を形成する領域以外の部分にマスキングを施す必要もない。したがって、簡素化された製造プロセスによりオイル保持能力を有するクロスハッチ状の溝を容易に形成して、耐焼付性が十分に確保された内燃機関用ピストンを容易に製造することができる。

【0021】

なお、第１の局面による内燃機関用ピストンにおいて、以下のような構成も考えられる。

【0022】

（付記項１）
すなわち、上記第１の局面による内燃機関用ピストンにおいて、ピストン本体のクロスハッチ状の溝以外の平滑面は、Ｒａが０．２μｍ以下の表面粗さで形成されている。

【0023】

（付記項２）
また、上記第１の局面による内燃機関用ピストンにおいて、ピストン本体は、ピストンピンを挿入してコンロッドが連結されるピストンピン穴を含み、ピストンピン穴の内周面に形成されたクロスハッチ状の溝は、ピストンピン穴の内周面とピストンピンとの摺動方向に対するクロスハッチ角度の範囲内に設定されている。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の第１実施形態によるエンジン用のピストン全体を示した断面図である。

【図2】本発明の第１実施形態によるピストン本体（スカート部）を示した図である。

【図3】本発明の第１実施形態によるピストンのスカート部の表面構造を示した断面図である。

【図4】本発明の第１実施形態によるピストン使用後のスカート部の表面状態を示した図である。

【図5】本発明の第１実施形態によるピストンの製造方法を説明するための模式図である。

【図6】本発明の第１実施形態の第１変形例によるスカート部の表面構造を示した断面図である。

【図7】本発明の第１実施形態の第２変形例によるピストン本体を示した図である。

【図8】本発明の第２実施形態によるエンジン用のピストン本体を示した断面図である。

【図9】本発明の効果を確認するために行ったリングオンディスク試験の結果を示した図である。

【図10】本発明の効果を確認するために行った往復摺動試験の結果を示した図である。

【図11】本発明の効果を確認するために行った表面粗さ等の比較結果を示した図である。

【図12】本発明の溝形状に関してクロスハッチ角度の範囲を検討した確認実験１の結果を示した図である。

【図13】本発明の溝形状に関して溝深さの範囲を検討した確認実験２の結果を示した図である。

【図14】本発明の溝形状に関して溝ピッチの範囲を検討した確認実験３の結果を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

【0026】

（第１実施形態）
図１〜図４を参照して、本発明の第１実施形態によるピストン１０について説明する。

【0027】

第１実施形態によるピストン１０は、自動車用のエンジン１００（内燃機関）に用いられる機械部品である。また、ピストン１０は、図１に示すように、ピストン本体１１と、ピストンリング２０とを備える。ピストン本体１１は、ピストンピン穴１３を有する一対のボス部１２と、スカート部１４（ピストンスカート部）とを有する。そして、コンロッド４０の一方端がボス部１２間に挟まれた状態でボス部１２のピストンピン穴１３にピストンピン３０が挿入されるとともに、コンロッド４０の他方端がクランクシャフト（図示せず）に接続されている。

【0028】

スカート部１４は、ピストンピン穴１３の延びるＸ方向に対して水平面内で直交するＹ方向に一対設けられている。また、スカート部１４の表面１４ａは、シリンダ５０の内径よりも僅かに小さい直径を有する曲面である。また、表面１４ａ上には、樹脂製の被覆層１５（クロスハッチ状被覆層の一例）が形成されている。エンジン１００では、ピストン１０の往復動とともに被覆層１５が油膜を介してシリンダ５０の内面５０ａに対してＺ方向に摺動する。なお、ピストン本体１１はアルミニウム合金製であり、被覆層１５は耐熱性を有する熱硬化性樹脂からなる。

【0029】

ここで、第１実施形態では、図２に示すように、スカート部１４の表面１４ａには、クロスハッチ状の溝１が形成されている。溝１は、一方方向に沿って延びる複数の溝１ａと他方方向に沿って延びる溝１ｂとが互いに交差している。そして、溝１ａと溝１ｂとが交差するクロスハッチ角度αは、ピストンピン３０の挿入されるＸ方向（スカート部１４の摺動方向（Ｚ方向）に直交する水平方向）に対して１５度以上３５度以下の範囲に設定されている。

【0030】

また、互いに平行に延びる溝１ａ同士は、４０μｍ以上６０μｍ以下の溝ピッチＰを有して形成されている。同様に、互いに平行に延びる溝１ｂ同士も４０μｍ以上６０μｍ以下の溝ピッチＰを有して形成されている。また、図３に示すように、溝１ａおよび１ｂは、４μｍ以上８μｍ以下の溝深さＨを有するとともに、１１μｍ以上１５μｍ以下の溝幅Ｗを有している。また、溝１の深底部分は鋭角に折れ曲がることなく曲面状に形成されている。

【0031】

そして、被覆層１５は、溝１のクロスハッチ形状を反映した状態で表面１４ａを覆っている。したがって、被覆層１５の表面にも、溝１とほぼ同じ溝深さＨおよび溝ピッチＰを有した凹部１５ａが残されている。なお、被覆層１５の厚みｔは、溝深さＨの２倍未満であるのが好ましい。たとえば、溝深さＨを約５μｍに形成した場合、約９μｍの厚みｔを有する被覆層１５が形成される。なお、スカート部１４の表面１４ａおける溝１以外の平滑面１４ｂは、表面粗さＲａ（算術平均粗さ）が０．２μｍ以下で形成されている。

【0032】

なお、ピストン１０がシリンダ５０内に組み付けられた後、エンジン１００の使用開始とともに被覆層１５がシリンダ５０の内面５０ａ（図１参照）に対して摺動する。これにより、図４に示すように、被覆層１５は部分的に擦り減って下地の表面１４ａが露出する。また、露出した表面１４ａの部分も内面５０ａに対して摺動するので、溝１は、若干溝深さＨが浅くなる。しかしながら、残された被覆層１５のクロスハッチ状の凹部１５ａに保持されているオイルが徐々に露出する表面１４ａの領域へと引き込まれる。これにより、溝深さＨが浅くなった表面１４ａ上にもオイルが保持されて、スカート部１４全体の摺動抵抗が低く維持される。したがって、エンジン１００の使用期間に関係なく、スカート部１４でのオイル保持能力が維持される。このようにして、エンジン１００に用いられるピストン１０は構成されている。

【0033】

次に、図３および図５を参照してピストン１０の製造方法について説明する。

【0034】

まず、所定の鋳型（図示せず）を用いてアルミニウム合金の鋳物からなるピストン本体１１（図５参照）を製造する。そして、スカート部１４（図５参照）の表面１４ａを、Ｒａが約０．２μｍ以下になるように研磨して鏡面にする。その後、図５に示すように、ピストン本体１１を加工機１０１にセットする。

【0035】

ここで、第１実施形態の製造プロセスでは、短パルスレーザ光発生装置１０２を用いてスカート部１４の表面１４ａにクロスハッチ状の溝１（図３参照）を形成する。具体的には、波長が約５１５ｎｍ、パルス幅が約１０ｐｓ（ピコ秒）、発振周波数が約１００ｋＨｚ、照射エネルギが約９μＪ／パルスに調整されたレーザ光を表面１４ａに向けて断続的に照射する。なお、焦点距離ｆ＝１００ｍｍのｆθ（エフシータ）レンズ１０３を用いるとともに、約１５．５μｍのレーザスポット径を有するように光学系が調整される。そして、スキャンピッチを約４０μｍ（溝ピッチＰ）とした状態で、等速度スキャンを行う。

【0036】

これにより、レーザ光が照射された表面１４ａに、溝ピッチＰが約４０μｍ、溝深さＨが約５μｍ、溝幅Ｗが約１２μｍを有するクロスハッチ状の溝１（図３参照）が形成される。なお、加工機１０１に対するピストン本体１１の固定角度を調整することにより、スカート部１４の摺動方向（Ｚ方向）に直交する方向に対して１５度以上３５度以下の範囲のクロスハッチ角度αとなるような溝１が形成される。なお、溝ピッチＰおよび溝深さＨが所定値（所定範囲）になるように光学系が調整されるため、約１２μｍとなる溝幅Ｗは、溝１の形成結果として得られた値である。

【0037】

その後、図３に示すように、表面１４ａ上に被覆層１５を形成する。この際、被覆層１５には溝１の形状を反映したクロスハッチ状の凹部１５ａが形成される。このようにして、ピストン１０が製造される。

【0038】

第１実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

【0039】

第１実施形態では、クロスハッチ角度αが１５度以上３５度以下の範囲に設定されたクロスハッチ状の溝１をスカート部１４の表面１４ａに設けることによって、オイル（潤滑油）を互いに交差するクロスハッチ状の溝１内に保持しやすくすることができる。すなわち、各々が独立して一方向にのみ延びる溝（複数の条痕）を形成する場合と異なり、溝１がクロスハッチ状となる分、往復動するピストン本体１１に供給されたオイルをクロスハッチ状の溝１内により長時間留めることができる。この結果、スカート部１４に十分なオイル保持能力が得られてピストン本体１１の耐焼付性を確保することができる。

【0040】

また、第１実施形態では、レーザ加工を用いることによって、上述のクロスハッチ角度α、溝ピッチＰおよび溝深さＨを有するクロスハッチ状の溝１をスカート部１４の表面１４ａに容易に形成することができる。すなわち、ショットピーニング処理（ＳＰ処理）を用いて表面１４ａに凹凸を形成する場合などと異なり、ＳＰ処理で使用する微粒子（メディア）の洗浄を必要とせず、溝１を形成する領域以外の部分にマスキングを施す必要もない。したがって、簡素化された製造プロセスによりオイル保持能力を有する溝１を容易に形成して、耐焼付性が十分に確保されたピストン１０を容易に製造することができる。

【0041】

また、第１実施形態では、スカート部１４の摺動方向（Ｚ方向）に直交する水平方向に対するクロスハッチ角度αの範囲内で溝１を表面１４ａに形成することによって、溝１がスカート部１４の摺動方向寄りに傾斜している場合と異なり、往復動の慣性力に起因してピストン本体１１に供給されたオイルが溝１内を移動してスカート部１４の端部から短時間で排出されるのを効果的に抑制することができる。この結果、スカート部１４でのオイル保持能力が十分に得られてピストン本体１１の耐焼付性を確実に確保することができる。

【0042】

また、第１実施形態では、クロスハッチ状の溝１を４０μｍ以上６０μｍ以下の溝ピッチＰで設けるので、溝ピッチＰが４０μｍ未満の場合に比べてピストン本体１１の表面粗さを小さくすることができる。また、溝ピッチＰが６０μｍよりも大きい場合に比べて溝１以外の平滑面１４ｂの面積が過大になるのを抑制することができる。

【0043】

また、第１実施形態では、クロスハッチ状の溝１を４μｍ以上８μｍ以下の深さで設けるので、溝深さＨが４μｍ未満の場合にはピストン本体１１の表面粗さが過小になりオイル保持能力が低下するため、これを抑制することができる。また、溝深さＨが８μｍよりも大きい場合には表面粗さが過大になり平滑面１４ｂに油膜切れが生じやすくなるため、これを抑制することができる。これらの結果、表面１４ａ（摺動部）の滑らかさとオイル保持能力とを適切に維持することができる。

【0044】

また、第１実施形態では、スカート部１４の表面１４ａを覆うように被覆層１５を設けるので、クロスハッチ状の溝１を反映した被覆層１５の凹部１５ａにオイルを長時間保持することができる。したがって、被覆層１５でスカート部１４を覆うことで、焼付を防止し摩擦を低減することができる。加えて、クロスハッチ状の溝１を反映した被覆層１５（凹部１５ａ）に十分なオイル保持能力が得られて摩擦をさらに低減することができる。

【0045】

（第１実施形態の第１変形例）
次に、図３および図６を参照して、第１実施形態の第１変形例について説明する。この第１実施形態の第１変形例では、平坦面状の被覆層１６（平坦面状被覆層の一例）を用いてスカート部１４をコーティングする例について説明する。

【0046】

すなわち、第１実施形態の第１変形例によるピストン７０では、図６に示すように、スカート部１４の表面１４ａ上に樹脂製の被覆層１６が形成されている。被覆層１６は、表面１４ａのクロスハッチ状の溝１（１ａおよび１ｂ）を埋め込んで覆うように形成されている。そして、被覆層１６は、溝１のクロスハッチ形状を反映することなく、その最表面１６ａは平坦面状を有している。この場合、被覆層１６は、被覆層１５（図３参照）よりも若干厚い。なお、ピストン７０のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

【0047】

第１実施形態の第１変形例では、以下のような効果を得ることができる。

【0048】

第１実施形態の第１変形例では、スカート部１４の表面１４ａを覆うように被覆層１６を設けるので、最表面１６ａが平坦面状である被覆層１６でスカート部１４を覆うことで、ピストン本体１１の焼付防止効果および摩擦低減効果を本来的に得ることができる。なお、第１実施形態の第１変形例のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。

【0049】

（第１実施形態の第２変形例）
次に、図７を参照して、第１実施形態の第２変形例について説明する。この第１実施形態の第２変形例では、溝１の形状を表面１４ａにおいて局所的に異ならせる例について説明する。

【0050】

すなわち、第１実施形態の第２変形例によるピストン８０では、図７に示すように、スカート部１４の表面１４ａにおける中央（中心）寄りの領域Ａと領域Ａの両側に隣接する領域Ｂとで、各々に形成される溝１の溝ピッチＰおよび溝深さＨが異なる。この場合、摺動により被覆層１５が摩耗しやすい領域Ａにおける溝１の溝深さＨは、被覆層１５が相対的に摩耗しにくい領域Ｂにおける溝１の溝深さＨよりも大きい。また、領域Ａにおける溝１の溝ピッチＰは領域Ｂにおける溝１の溝ピッチＰよりも小さい。これにより、領域Ａは領域Ｂよりも溝１が相対的に密に形成されている。なお、領域Ａも領域Ｂもクロスハッチ角度αは同じである。なお、ピストン８０のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

【0051】

第１実施形態の第２変形例では、以下のような効果を得ることができる。

【0052】

第１実施形態の第２変形例では、領域Ａでの溝１の溝ピッチＰが領域Ｂよりも相対的に小さくかつ溝深さＨを領域Ｂよりも相対的に大きいので、ピストン本体１１の往復動に伴い領域Ａの被覆層１５が擦り減ってスカート部１４の表面１４ａが広範囲に露出したとしても、溝１をより多く残すことができる。これにより、スカート部１４（凹部１５ａおよび領域Ａに露出する表面１４ａ）でのオイル保持能力をより長期間維持し続けることができる。なお、第１実施形態の第２変形例のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。

【0053】

（第２実施形態）
次に、図２、図５および図８を参照して、第２実施形態について説明する。この第２実施形態では、スカート部１４に加えて、ピストンピン穴１３の内周面１３ａにもクロスハッチ状の溝２を形成した例について説明する。

【0054】

第２実施形態によるピストン９０においては、図８に示すように、ピストンピン穴１３の内周面１３ａにクロスハッチ状の溝２が形成されている。溝２は、一方方向に沿って延びる複数の溝２ａと他方方向に沿って延びる溝２ｂとが互いに交差している。そして、溝２ａと溝２ｂとが交差するクロスハッチ角度βは、ピストンピン３０との摺動方向（内周面１３ａまわりの方向）に対して１５度以上３５度以下の範囲に設定されている。

【0055】

ここで、第１実施形態における溝１（図２参照）と第２実施形態における溝２とでは、クロスハッチ角度α（β）が共に同じ範囲内に設定される一方、クロスハッチの形成方向が互いに異なる。溝２が内周面１３ａとピストンピン３０との摺動方向（Ｙ方向）に対して１５度以上３５度以下の範囲に設定される理由は、次の通りである。

【0056】

ピストン９０の使用に伴って内周面１３ａには内周面１３ａとピストンピン３０との摺動に伴ってピストンピン穴１３が半径方向外側に裂けやすい傾向にある。また、このような亀裂（クラック）は、ピストンピン３０の挿入方向（Ｘ方向）に沿って成長しやすい。仮に溝２の形成方向がピストンピン３０の挿入方向に対してクロスハッチ角度βを有していた場合、内周面１３ａにおいてＸ方向に亀裂が入った場合に溝２が亀裂の成長を助長する。

【0057】

そこで、ピストンピン穴１３については溝２の形成方向を内周面１３ａとピストンピン３０との摺動方向（内周面１３ａまわりの方向）に概略沿わせることにより、Ｘ方向に沿って亀裂が生じやすくなるのを抑制している。なお、内周面１３ａおける溝２以外の平滑面１３ｂ（図８参照）は、表面粗さＲａが０．２μｍ以下で形成されている。また、溝２が形成された内周面１３ａには、被覆層１５は形成されていない。

【0058】

また、溝２（図８参照）の形成方法についても、短パルスレーザ光発生装置１０２（図５参照）を用いた短パルス状のレーザ光をピストンピン穴１３の内周面１３ａに照射して形成する。この場合、加工機１０１（図５参照）に対するピストン本体１１の固定角度を調整することにより、内周面１３ａとピストンピン３０との摺動方向（Ｙ方向）に対して１５度以上３５度以下の範囲のクロスハッチ角度βとなるような溝２が形成される。なお、第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

【0059】

第２実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

【0060】

第２実施形態では、クロスハッチ角度βが１５度以上３５度以下の範囲に設定されたクロスハッチ状の溝２をピストンピン穴１３の内周面１３ａに設けることによって、ピストンピン３０と内周面１３ａとの摺動部分に供給されたオイルを溝２内により長時間留めることができる。この結果、ピストンピン穴１３に十分なオイル保持能力が得られるのでピストンピン３０と内周面１３ａとの耐焼付性を確保することができる。

【0061】

また、第２実施形態では、内周面１３ａとピストンピン３０との摺動方向に対するクロスハッチ角度βの範囲内で溝２を内周面１３ａに形成することによって、半径方向外側に裂けやすいピストンピン穴１３に対して溝２を形成した場合であっても、溝２に起因してＸ方向に成長する亀裂が拡大するのを極力防ぐことができる。なお、第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。

【0062】

［実施例］
次に、図５および図９〜図１４を参照して、上述した実施形態の効果を確認するために行った確認実験（実施例）について説明する。以下、確認実験として行った摩擦試験としてのリングオンディスク試験および往復摺動試験について説明する。

【0063】

（リングオンディスク試験、往復摺動試験）
まず、リングオンディスク試験（スラストシリンダ式（鈴木式）の試験方法に準ずる）では、上記実施形態におけるスカート部１４への溝１の形成方法（図５参照）と同様の製造プロセスにより、クロスハッチ角度α＝３０度、溝ピッチＰ＝４０μｍ、溝深さＨ＝５μｍおよび溝幅Ｗ＝１２μｍを有するクロスハッチ状の溝をアルミニウム合金製の試験片に形成して、上記実施形態に対応する実施例１の試験片を作製した。

【0064】

また、実施例１に対する比較例１として、クロスハッチ状の溝を形成しない試験片（未処理品）を作製した。さらに比較例２として、一般的なショットピーニング処理（ＳＰ処理）によりスカート部の表面に微小かつ不規的な凹凸（凹部の深さは５μｍ程度）を形成した試験片を作製した。

【0065】

そして、８０℃に保たれた潤滑油（０Ｗ−２０オイル）中に、実施例１、比較例１および２の試験片をそれぞれ浸した状態でリング部材を試験片の表面に押し付けて回転させながら荷重を一定の割合で増加させていき、焼付発生時の摺動面に作用する単位面積当たりの荷重（焼付限界面圧（ＭＰａ））を測定した。なお、リングの回転速度を１．２ｍ／秒、荷重を２分毎に２４５Ｎずつ増加させた。なお、リング部材に摩擦係数計測器（図示せず）を取り付けておき、摩擦係数計測器により計測されたリング部材と試験片との摩擦係数が所定値を超えた際に焼付が発生したと見なして試験設備が停止されるように設定した。

【0066】

図９に示した試験結果では、実施例１の試験片は、溝を全く形成しない比較例１の試験片（未処理品）に対して焼付限界面圧が２７％増加するとともに、ＳＰ処理により表面に微小な凹凸を形成した比較例２の試験片に対しても焼付限界面圧が９％増加した。

【0067】

次に、往復摺動試験では、上記実施例１と同様の試験片、クロスハッチ状の溝を形成しない上記比較例１と同様の試験片、および、ショットピーニング処理（ＳＰ処理）を行った上記比較例２と同様の試験片を用いた。

【0068】

１５０℃の雰囲気中において、試験開始時に実施例１、比較例１および２の試験片の表面に潤滑油（０Ｗ−２０オイル）を塗布した状態で、先端部が半球状を有する柱状ピンを試験片の表面に押し付けて往復摺動させて、焼付発生時の往復摺動回数を測定した。なお、荷重を５００ｇ重、摺動速度を６０往復／分、および、摺動ストロークを１０ｍｍとした。なお、柱状ピンに摩擦係数計測器（図示せず）を取り付けておき、摩擦係数計測器により計測されたリング部材と試験片との摩擦係数が所定値を超えた際に焼付が発生したと見なして試験設備が停止されるように設定した。

【0069】

図１０に示した試験結果では、実施例１の試験片は、ＳＰ処理により表面に微小な凹凸を形成した比較例２の試験片に対して焼付限界往復回数が１００％増加（２倍に増加）した。

【0070】

また、実施例１の試験片、比較例１の試験片（未処理品）および比較例２の試験片における表面粗さ等の形状特性を比較した。測定項目として、ＪＩＳ Ｂ ０６７１−２に基づく摩擦試験前の各試験片が有する表面粗さ（Ｒａ：算術平均粗さ）、油溜まり深さ（Ｒｖｋ）および有効負荷粗さ（Ｒｋ）をそれぞれ測定した。そして、試験片ごとのＲａ値、Ｒｖｋ値、および、Ｒｖｋ／Ｒｋ値（油溜まり深さと有効負荷粗さとの比：油溜まり深さ率）を比較した。

【0071】

図１１において、まず、表面粗さ（左側の棒グラフ群）に関して、実施例１の試験片では比較例１の試験片（未処理品）に対して約３分の１に減少し、比較例２の試験片に対して約半分まで減少した。すなわち、スカート部１４に溝１が形成されていても表面粗さＲａは十分に小さいことが分かった。

【0072】

次に、油溜まり深さ（中央の棒グラフ群）に関して、実施例１の試験片では比較例１の試験片に対して約１２倍増加し、比較例２の試験片に対して約２．３倍増加した。すなわち、実施例１の試験片には最も大きい油溜まり形状が形成されていることが分かった。

【0073】

さらには、油溜まり深さ率（右側の棒グラフ群）に関して、実施例１の試験片では比較例２の試験片に対して約１３倍に増加していた。すなわち、実施例１の試験片では、有効負荷粗さに対して約６．７倍の大きさの油溜まり深さを有する十分な油溜まり形状が形成されていることが分かった。

【0074】

上記試験結果および表面形状測定結果（図９〜図１１参照）から、実施例１の試験片は、比較例１および２の試験片よりも表面粗さが相対的に小さく滑らかな摺動面を有し、かつ、オイルを保持するに十分な油溜まり深さを有する摺動面を有していることが判明した。

【0075】

次に、本発明のクロスハッチ状の溝を構成するクロスハッチ角度α、溝ピッチＰおよび溝深さＨの各々の最適な範囲を調べるために行った確認実験１〜３について説明する。

【0076】

（確認実験１）
まず、図１２を参照して、クロスハッチ角度αの最適な範囲を調べた確認実験１について説明する。確認実験１では、溝ピッチＰ＝４０μｍ、溝深さＨ＝５μｍ、溝幅Ｗ＝１２μｍを固定し、クロスハッチ角度αを１０度、１５度、２０度、３０度、３５度、４０度、４５度および５５度まで変化させた試験片を作製した。そして、各々の試験片に対して上記説明した往復摺動試験を行った。なお、焼付限界往復回数が８００回以上の場合に、その試験片に耐焼付性があると判断した。

【0077】

図１２に示した往復摺動試験の結果から、クロスハッチ角度αが３０度の場合に耐焼付性の最大値が存在することが分かった。なお、耐焼付性の有無を判断する焼付限界往復回数のしきい値を８００回としたが、十分な耐焼付性を確保するためには、クロスハッチ角度αを１５度以上３５度以下の範囲に設定するのが好ましいとの判断に至った。

【0078】

（確認実験２）
次に、図１３を参照して、溝ピッチＰの最適な範囲を調べた確認実験２について説明する。確認実験２では、クロスハッチ角度α＝３０度、溝深さＨ＝５μｍ、溝幅Ｗ＝１２μｍを固定し、溝ピッチＰを４０μｍおよび１００μｍに変化させた試験片を作製して各々の試験片に対して往復摺動試験を行った。また、作製された各試験片の表面粗さ（Ｒａ：算術平均粗さ）を測定した。

【0079】

図１３に示した往復摺動試験の結果から、溝ピッチＰを広げれば溝のオイル保持量が減少して焼付限界往復回数が減少する（グラフ左縦軸）一方、溝ピッチＰを狭めれば試験片の表面が粗くなる（グラフ右縦軸）ことが分かった。そして、十分な耐焼付性を確保するためには、溝ピッチＰを４０μｍ以上６０μｍ以下に設定するのが好ましいと判断した。

【0080】

（確認実験３）
次に、図１４を参照して、溝深さＨの最適な範囲を調べた確認実験３について説明する。確認実験３では、クロスハッチ角度α＝３０度、溝ピッチＰ＝４０μｍ、溝幅Ｗ＝１２μｍを固定とし、溝深さＨを３μｍ、５μｍ、７μｍおよび１０μｍに変化させた試験片を作製して各々の試験片に対して往復摺動試験を行った。また、作製された各試験片の表面粗さ（Ｒａ：算術平均粗さ）を測定した。

【0081】

図１４に示した往復摺動試験の結果から、溝深さＨの増加とともに溝のオイル保持量が増加して焼付限界往復回数が増加する（グラフ左縦軸）一方、試験片の表面が粗くなる（グラフ右縦軸）ことが分かった。そして、十分な耐焼付性を確保するためには、溝深さＨを４μｍ以上８μｍ以下の範囲に設定するのが好ましいと判断した。

【0082】

これらの結果から、摺動面にクロスハッチ状の溝を設けることによって、溝を全く設けない場合（比較例１）や、ショットピーニング処理により溝を設ける場合（比較例２）と比べて、オイル保持能力を向上させることが可能であることが判明した。この際、溝のクロスハッチ角度αを１５度以上３５度以下、溝ピッチＰを４０μｍ以上６０μｍ以下、溝深さＨを４μｍ以上８μｍ以下の範囲で形成することによって、母材表面（摺動面）の滑らかさを損ねることなく、オイル保持能力が維持されて十分な耐焼付性を有する摺動面を得ることが可能であることが確認された。

【0083】

今回開示された実施形態は、全ての点で例示であり制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。

【0084】

たとえば、上記第１実施形態とその第１および第２変形例および第２実施形態では、自動車のエンジン１００に用いられるピストン１０に本発明を適用したが、本発明はこれに限られない。たとえば、船舶用の内燃機関など、設備機器用の内燃機関などに用いられるピストンに対して、本発明を適用してもよい。

【0085】

また、上記第２実施形態では、クロスハッチ状の溝１および２をスカート部１４の表面１４ａおよびピストンピン穴１３の内周面１３ａにそれぞれ形成したが、本発明はこれに限られない。溝２のみを内周面１３ａに形成してピストン本体１１を構成してもよい。

【0086】

また、上記第１実施形態の第２変形例では、領域Ａも領域Ｂもクロスハッチ角度αを同じにしたが、本発明はこれに限られない。すなわち、シリンダ内面との摺動領域（領域Ａや領域Ｂなど）に応じて溝１のクロスハッチ角度αも異ならせてオイル保持能力がさらに維持されるように構成してもよい。

【0087】

また、上記第１実施形態とその第１および第２変形例および第２実施形態では、スカート部１４の表面１４ａ上に樹脂製の被覆層１５（１６）を形成したが、本発明はこれに限られない。すなわち被覆層１５（１６）を形成せずにピストン本体１１を構成してもよい。

【符号の説明】

【0088】

１、２ 溝
１０、７０、８０、９０ ピストン
１１ ピストン本体
１３ ピストンピン穴
１３ａ 内周面
１３ｂ、１４ｂ 平滑面
１４ スカート部（ピストンスカート部）
１４ａ 表面
１５ 被覆層（樹脂製のクロスハッチ状被覆層）
１５ａ 凹部
１６ 被覆層（樹脂製の平坦面状被覆層）
１６ａ 最表面
１００ エンジン（内燃機関）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】