(57)【要約】【課題】外周面に凹凸構造を有していても摺動相手材の摩耗を抑制することが可能なピストンリングを提供する。【解決手段】ピストンリングは、外周面に所定の方向に延在する溝部と陸部とを交互に有する凹凸構造が形成されたピストンリングであって、前記外周面は、前記ピストンリングの中心軸を含む断面による輪郭形状において、外径の寸法が最大となる最外径部を備え、前記凹凸構造は、前記最外径部には形成されていないことを特徴とする。【選択図】図３Ｂ
2020041573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に所定の方向に延在する溝部と陸部とを交互に有する凹凸構造が形成されたピストンリングであって、
前記外周面は、前記ピストンリングの中心軸を含む断面による輪郭形状において、外径の寸法が最大となる最外径部を備え、
前記凹凸構造は、前記最外径部には形成されていないことを特徴とする、ピストンリング。
【請求項２】
前記外周面は、前記最外径部及びその近傍からなる前記凹凸構造が形成されていない凹凸構造非形成領域と、前記凹凸構造非形成領域の上側面側又は下側面側の少なくとも一方に隣接して前記凹凸構造が形成された凹凸構造形成領域と、を有することを特徴とする、請求項１に記載のピストンリング。
【請求項３】
前記凹凸構造形成領域は、前記凹凸構造非形成領域よりも下側面側のみに有することを特徴とする、請求項２に記載のピストンリング。
【請求項４】
前記外周面の断面による輪郭形状は、前記最外径部から上側面側又は下側面側に向かうにつれて、前記外径が順次小さくなるような形状を有し、
前記凹凸構造非形成領域は、前記最外径部から少なくとも０．５μｍ以上径方向内側に前記外周面が位置する領域まであることを特徴とする、請求項２又は３に記載のピストンリング。
【請求項５】
前記凹凸構造は、前記外周面において前記溝部と前記陸部とが周方向に周期的に形成されている、請求項１から４のいずれか一項に記載のピストンリング。
【請求項６】
前記溝部と前記陸部とが交互に形成された繰り返し単位は、１００μｍ以下であることを特徴とする、請求項５に記載のピストンリング。
【請求項７】
前記凹凸構造の前記溝部の最深部から前記陸部までの高低差は、０．０１μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする、請求項６に記載のピストンリング。
【請求項８】
前記溝部及び前記陸部の少なくとも一方の表面には、前記凹凸構造の前記溝部の最深部から前記陸部までの高低差よりも小さい高低差の微細凹凸構造が形成されていることを特徴とする、請求項５から７のいずれか一項に記載のピストンリング。
【請求項９】
前記溝部及び前記陸部は、中心軸方向に沿って延在していることを特徴とする、請求項５から８のいずれか一項に記載のピストンリング。
【請求項１０】
前記凹凸構造の少なくとも一部は、前記最外径部よりも径方向内側に向かって１００μｍを超えない位置にある前記外周面の一部の領域に形成されていることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のピストンリング。
【請求項１１】
前記外周面は、前記最外径部から上側面側又は下側面側に向かうにつれて径方向内側に近づくように傾斜する傾斜部を、前記最外径部に対して中心軸方向の両側に備えることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のピストンリング。
【請求項１２】
前記外周面は、前記最外径部から上側面側又は下側面側に向かうにつれて径方向内側に近づくように傾斜する傾斜部を、前記最外径部に対して中心軸方向の一方側にのみ備えることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のピストンリング。
【請求項１３】
前記最外径部が前記外周面の前記中心軸方向における中心位置を含まない領域に位置していることを特徴とする、請求項１１又は１２に記載のピストンリング。
【請求項１４】
前記外周面は、前記最外径部を含むバレル状部と、中心軸方向の一端において前記バレル状部に連なるとともに、前記中心軸方向に対して１７°以上２７°以下の角度で傾斜するテーパ状部と、を備えることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載のピストンリング。
【請求項１５】
前記外周面は、硬質皮膜で構成されていることを特徴とする、請求項１から１４のいずれか一項に記載のピストンリング。
【請求項１６】
ピストンリングの外周面に硬質皮膜を形成する工程と、
前記ピストンリングの中心軸を含む断面による輪郭形状において、前記硬質皮膜が形成された後の外周面のうち外径の寸法が最も大きい最外径部以外の位置に凹凸構造を形成する工程と、
を含むピストンリングの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンリング、及びピストンリングの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関に使用される摺動部材として、ピストンリングがある。ピストンリングは、金属等で構成されたピストンの外周に周方向に沿って設けられたリング溝に、装着される。ピストンリングの外周面は、ピストンが軸方向に往復運動するとき、シリンダ内壁に対して摺動する。そのため、ピストンリングの外周面とシリンダ内壁との間では、摺動抵抗が発生する。
【０００３】
そこで、ピストンリングの外周面とシリンダ内壁との間での摺動抵抗を低減させるために、潤滑油を保持可能な凹凸構造を外周面に形成したピストンリングが開発されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−３４０４７３号公報
【特許文献２】特開２０１６−２００２４６号公報
【特許文献３】特許５６２０７９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１〜３に記載のピストンリングによれば、外周面に形成された凹凸構造に潤滑油が保持されることで、当該潤滑油を介してシリンダ等の相手材との間の摺動抵抗を低減させることができる。しかしながら、摺動面に形成された凹凸構造が相手材に対して摺動することが繰り返されることにより、相手材をより摩耗させてしまう。ことに、ピストンリングにおいては、シリンダ内壁が摩耗する場合がある。シリンダ内壁が摩耗した場合には、シリンダの内径が拡大するため、ピストンリングが拡径して合口の隙間が大きくなり得る。ピストンリングの合口の隙間が大きくなると、シール機能が低下し、ブローバイガス量の増加又はオイル消費量の増加等が生じてしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決することを課題とするものであり、その目的は、外周面に凹凸構造を有していても相手材の摩耗を抑制することが可能なピストンリング、及びピストンリングの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のピストンリングは、外周面に所定の方向に延在する溝部と陸部とを交互に有する凹凸構造が形成されたピストンリングであって、前記外周面は、前記ピストンリングの中心軸を含む断面による輪郭形状において、外径の寸法が最大となる最外径部を備え、前記凹凸構造は、前記最外径部には形成されていないことを特徴とする。
【０００８】
本発明は、上記構成において、前記外周面が、前記最外径部及びその近傍からなる前記凹凸構造が形成されていない凹凸構造非形成領域と、前記凹凸構造非形成領域の上側面側又は下側面側の少なくとも一方に隣接して前記凹凸構造が形成された凹凸構造形成領域と、を有することが好ましい。
【０００９】
本発明は、上記構成において、凹凸構造形成領域が、凹凸構造非形成領域よりも下側面側のみに有することが好ましい。
【００１０】
本発明は、上記構成において、前記外周面の断面による輪郭形状が、前記最外径部から上側面側又は下側面側に向かうにつれて、前記外径が順次小さくなるような形状を有し、前記凹凸構造非形成領域が、前記最外径部から少なくとも０．５μｍ以上径方向内側に前記外周面が位置する領域まであることが好ましい。
【００１１】
本発明は、上記構成において、前記凹凸構造が、前記外周面において前記溝部と前記陸部とが周方向に周期的に形成されていることが好ましい。
【００１２】
本発明は、上記構成において、前記溝部と前記陸部とが交互に形成された繰り返し単位が、１００μｍ以下であることが好ましい。
【００１３】
本発明は、上記構成において、前記凹凸構造の前記溝部の最深部から前記陸部までの高低差が、０．０１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。
【００１４】
本発明は、上記構成において、前記溝部及び前記陸部の少なくとも一方の表面には、前記凹凸構造の前記溝部の最深部から前記陸部までの高低差よりも小さい高低差の微細凹凸構造が形成されていることが好ましい。
【００１５】
本発明は、上記構成において、前記溝部及び前記陸部が、中心軸方向に沿って延在していることが好ましい。
【００１６】
本発明は、上記構成において、前記凹凸構造の少なくとも一部が、前記最外径部よりも径方向内側に向かって１００μｍを超えない位置にある前記外周面の一部の領域に形成されていることが好ましい。
【００１７】
本発明は、上記構成において、前記外周面が、前記最外径部から上側面側又は下側面側に向かうにつれて径方向内側に近づくように傾斜する傾斜部を、前記最外径部に対して中心軸方向の両側に備えることが好ましい。
【００１８】
本発明は、上記構成において、前記外周面が、前記最外径部から上側面側又は下側面側に向かうにつれて径方向内側に近づくように傾斜する傾斜部を、前記最外径部に対して中心軸方向の一方側にのみ備えることが好ましい。
【００１９】
本発明は、上記構成において、前記最外径部が前記外周面の前記中心軸方向における中心を含まない領域に位置していることが好ましい。
【００２０】
本発明は、上記構成において、前記外周面が、前記最外径部を含むバレル状部と、中心軸方向の一端において前記バレル状部に連なるとともに、前記中心軸方向に対して１７°以上２７°以下の角度で傾斜するテーパ状部と、を備えることが好ましい。
【００２１】
本発明は、上記構成において、前記外周面が、硬質皮膜で構成されていることが好ましい。
【００２２】
本発明のピストンリングの製造方法は、ピストンリングの外周面に硬質皮膜を形成する工程と、前記ピストンリングの中心軸を含む断面による輪郭形状において、前記硬質皮膜が形成された後の外周面のうち外径の寸法が最も大きい最外径部以外の位置に凹凸構造を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、外周面に凹凸構造を有していても相手材の摩耗を抑制することが可能なピストンリング、及びピストンリングの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態としての上側面側から見たピストンリングの平面図である。
【図２】ピストンに装着され、シリンダ内に挿入された状態の、図１のピストンリングを示す断面図である。
【図３Ａ】図２のピストンリングをシリンダのボアに収めた状態における、中心軸を含む断面による全体断面図である。
【図３Ｂ】図３Ａの一部を拡大して示す断面図である。
【図４Ａ】図１のピストンリングの凹凸構造を含む外周面を示す側面図である。
【図４Ｂ】図４Ａに示す凹凸構造とは異なる配置の凹凸構造を含む場合の、図１のピストンリングの外周面を示す側面図である。
【図４Ｃ】図４Ａに示す凹凸構造及び図４Ｂに示す凹凸構造とは異なる配置の凹凸構造を含む場合の、図１のピストンリングの外周面を示す側面図である。
【図５】図１のピストンリングの外周面に形成された凹凸構造を拡大して示す斜視図である。
【図６】図５に示す凹凸構造を示す断面図である。
【図７Ａ】図５に示す凹凸構造の第１の変形例を示す断面図である。
【図７Ｂ】図５に示す凹凸構造の第２の変形例を示す断面図である。
【図７Ｃ】図５に示す凹凸構造の第３の変形例を示す断面図である。
【図８】図１のピストンリングの第１の変形例を示す断面図である。
【図９】図１のピストンリングの第２の変形例を示す断面図である。
【図１０】図９のピストンリングの外周面を示す側面図である。
【図１１】図１のピストンリングの第３の変形例を示す断面図である。
【図１２】図１のピストンリングの第４の変形例を示す断面図である。
【図１３】図１２のピストンリングのランド部を拡大して示す断面図である。
【図１４】本発明の一実施形態としてのピストンリングの製造方法の一部の工程を示すフローチャートである。
【図１５】実施例１の試験方法を説明する図である。
【図１６】実施例３で用いる単体往復動試験機の一部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の各実施形態について、図面を参照して説明する。各図において共通の構成には、同一の符号を付している。
【００２６】
［ピストンリングの構成］
図１は、本発明の一実施形態としての上側面８０側から見たときのピストンリング１の平面図である。図２は、内燃機関用のシリンダ２００のボア内に挿入されたピストン１００のピストンリング溝１０１に装着された状態で、シリンダ２００のボア内に挿入された状態のピストンリング１を示す断面図である。具体的に、図２は、ピストンリング１の中心軸Ｏ（図１参照）を含む断面におけるピストンリング１の輪郭形状を示す図である。
【００２７】
以下、ピストンリング１を上側面８０側から見て、ピストンリング１の外周面が描く曲線を円で近似した際における円の中心をピストンリング１の中心軸を「Ｏ」とし、ピストンリング１の周方向を「Ａ」とし、中心軸Ｏに沿う中心軸方向を「Ｂ」とし、ピストンリング１の径方向を「Ｃ」とする。径方向Ｃは、中心軸方向Ｂに直交する方向である。中心軸方向Ｂにおいて、ピストンリング１に対して燃焼室が位置する側（図２の上側）を燃焼室側（上側面８０側）Ｄとし、ピストンリング１に対してクランクケースが位置する側（図２の下側）をクランクケース側（下側面９０側）Ｅとする。後述するピストンリング１の外周面１０から見て径方向Ｃの内側の方向を径方向内側Ｆとし、その反対方向を径方向外側Ｇとする。なお、図２は、ピストン１００の一部の断面を示すが、ピストン１００には図２に図示されたピストンリング溝１０１以外にもピストンリング溝が設けられている。ピストンリング溝１０１以外のピストンリング溝は、ピストンリング溝１０１に対して、シリンダ２００のボアとピストン１００のトップ面とで囲まれた燃焼室側Ｄの空間が位置する側とは逆側、すなわちクランクケース側Ｅに設けられている。そして、そのピストンリング溝にも別の形態のピストンリングが装着されている。
【００２８】
図１及び図２に示すように、ピストンリング１は、外周面１０と、外周面１０よりも径方向内側Ｆにある内周面７０と、燃焼室側Ｄの上側面８０と、クランクケース側Ｅの下側面９０と、を備える。本実施形態の上側面８０は、ピストン１００への装着時に外周面１０と内周面７０との間に位置する燃焼室側Ｄの面である。また、本実施形態の下側面９０は、ピストン１００への装着時に外周面１０と内周面７０との間に位置するクランクケース側Ｅの面である。図１に示すように、ピストンリング１には、合口６が形成されている。図２に示すように、本実施形態のピストンリング１の外周面１０は、凸状の湾曲面（バレルフェイス）形状に形成されている。ピストンリング１の内周面７０は、中心軸方向Ｂに略平行な円筒面形状に形成されている。ピストンリング１の上側面８０及び下側面９０は、それぞれ径方向Ｃに略平行な平坦面形状に形成されている。
【００２９】
図２に示すピストン１００は、内燃機関の動作時には、シリンダ２００内で中心軸方向Ｂに沿って燃焼室側Ｄ及びクランクケース側Ｅに繰り返し往復運動する。ピストンリング１は、ピストン１００に追従して、シリンダ２００内でシリンダ２００の内壁に対して摺動しながら、中心軸方向Ｂに沿って繰り返し往復移動する。ピストンリング１は、シリンダ２００の内壁に対して摺動する際、外周面１０の後述する最外径部１１（図３Ｂ等参照）を含む一部の領域で摺動する。
【００３０】
本実施形態のピストンリング１の基材は、鋳鉄材、鋼材、樹脂材料のいずれであってもよい。樹脂材料は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン（ＰＥＫＥＫＫ）、及び、液晶ポリマー（ＬＣＰ）からなる群から選ばれる少なくとも一種の樹脂成分と、ガラス繊維、合成繊維及びカーボン繊維からなる群から選ばれる少なくとも一種の繊維とを含む樹脂組成物からなることが好ましい。鋼材は、例えば、ＳＵＰ材などのバネ鋼、シリコンクロム鋼ＳＷＯＳＣ−Ｖ材、炭素鋼、低合金鋼、軸受鋼、マルテンサイト系ステンレスから選択された鋼であることが好ましい。炭素鋼は、炭素が０．６〜０．８質量％程度の高炭素鋼であることが好ましく、バネ鋼は、ＳＵＰ９、ＳＵＰ１０、ＳＵＰ１２等であることが好ましく、軸受鋼はＳＵＪ２であることが好ましく、マルテンサイト系ステンレスは、ＳＵＳ４２０Ｊ２又はＳＵＳ４４０Ｂであることが好ましい。
【００３１】
図３Ａ及び図３Ｂは、図１及び図２に示す本実施形態のピストンリング１の合口６をピストンリング１の外径寸法が呼称径になるまで狭めた状態で、シリンダ２００のボアに収めた状態を示す図である。具体的に、図３Ａは、ピストンリング１の中心軸Ｏを含む断面による全体断面図である。図３Ｂは、図３Ａの一部を拡大して示す断面図である。
【００３２】
図３Ａに示すように、外周面１０は、ピストンリング１の中心軸Ｏを含む断面の輪郭形状で、ピストンリング１の外径Ｄ１が最大となる最外径部１１を備える。図３Ａでは、最外径部１１におけるピストンリング１の外径Ｄ１を、外径Ｄ１ｍａｘとして示す。ここで、本明細書において、「ピストンリング１の外径Ｄ１」とは、中心軸方向Ｂの各々の位置における、ピストンリング１の外周面１０の直径を意味する。また、本明細書において、「ピストンリング１の最外径部１１」とは、ピストンリング１の外径Ｄ１が最大となる中心軸方向Ｂの位置に対応する、外周面１０の領域である。なお、本実施形態では、最外径部１１は、ピストンリング１の内周面７０から外周面１０までの厚さ方向（径方向Ｃ）の寸法が最大となる外周面１０の位置と同じになっている。外周面１０における最外径部１１から中心軸方向Ｂに沿って移動したときの外周面の位置では、最外径部１１よりもその外径Ｄ１が小さい。すなわち、外周面１０の断面形状は、最外径部１１から上側面側Ｄ又は下側面側Ｅに向かうにつれて、外径Ｄ１が順次小さくなるような形状を有する。
【００３３】
図４Ａは、本実施形態のピストンリング１の凹凸構造３０を含む外周面１０を示す側面図である。図３Ｂ及び図４Ａに示すように、本実施形態のピストンリング１の最外径部１１は、外周面１０の中心軸方向Ｂにおける中心（言い換えると、ピストンリングの幅寸法において、一方の側面から幅寸法の１／２の位置に相当）を含む領域に位置している。また、本実施形態のピストンリング１の最外径部１１は、周方向Ａに連なるように、ピストンリング１の周方向Ａのそれぞれの位置毎に存在している。但し、ピストンリング１の最外径部１１は、中心軸方向Ｂに略平行な円柱面を有していてもよいし、外周面１０の中心軸方向Ｂにおける中心から上側面側Ｄ及び下側面側Ｅに所定の幅を有していてもよい。かかる場合のピストンリング１の最外径部１１は、環状帯により構成される。
【００３４】
本実施形態のピストンリング１の外周面１０は、図３Ｂに示すように、ピストンリング１の中心軸Ｏを含む断面の輪郭形状で、最外径部１１からピストンリング１の側面（上側面８０又は下側面９０）に向かうにつれて外周面１０の径方向Ｃにおける位置が最外径部１１よりも径方向内側Ｆに近づくような傾斜面を有する傾斜部１２を、最外径部１１の上下両側に備えている。また、図３Ｂに示すように、ピストンリング１の外周面１０は、ピストンリング１の中心軸Ｏを含む断面の輪郭形状における全体が、シリンダ２００が位置する方向（径方向Ｃにおける径方向外側Ｇ）に凸状の湾曲面形状のバレル状部１４で構成されている。すなわち、バレル状部１４は、最外径部１１と、傾斜部１２とを含む。なお、傾斜部１２は、バレル状部１４のように中心軸Ｏを含む断面において、その輪郭が曲線で形成された形状のみには限定されず、その輪郭が直線状に形成された形状であってもよい。
【００３５】
図３Ｂ及び図４Ａに示すように、ピストンリング１の外周面１０には、凹凸構造３０が形成されている。図４に示すように、凹凸構造３０は、溝部３１と陸部４１とを有し、それぞれ所定の方向に延在した形状を有している。また、溝部３１及び陸部４１は、外周面１０において周方向Ａに周期的に交互に形成されていることが好ましい。これにより、後述する凹凸構造３０の機能を周方向Ａに亘って均等に発揮することができる。溝部３１及び陸部４１の詳細については後述する。
【００３６】
凹凸構造３０は、図３Ｂに示すように、少なくとも最外径部１１には形成されていない。特に、最外径部１１は、ピストン１００が上下運動することにより、シリンダ２００のボアと最も摺動し易い場所である。この場所に凹凸構造３０が形成されていないため、シリンダ２００のボアへの攻撃性を低減させ、シリンダ２００のボアの摩耗によるピストンリング１の合口６の隙間寸法の拡大を抑制させることができる。
【００３７】
なお、本実施形態におけるピストンリング１では、凹凸構造３０は、図３Ｂに示すように、最外径部１１から径方向内側Ｆに向かって第１距離Ｌ１以内に存在する外周面の領域（以下、「最外径部１１及びその近傍」とも記載する。）には形成されていない。図３Ｂに示すように、最外径部及びその近傍を含み、ピストンリング１の外周面１０においてピストンリング１の周方向Ａに連なる帯状の領域であって、凹凸構造３０が形成されていない領域を凹凸構造非形成領域Ｓと称する。この凹凸構造非形成領域Ｓにおける最外径の位置から最も径方向内側Ｆの位置までの径方向Ｃに沿った第１距離Ｌ１は、０．５μｍ以上であることが好ましく、１μｍ以上であることがより好ましく、３μｍ以上であることがより一層好ましく、１０μｍ以上であることが特に好ましい。なお、第１距離Ｌ１は、後述する第２距離Ｌ２よりも小さい。このように、凹凸構造３０が最外径部１１及びその近傍には形成されていないので、ピストンリング１の摺動相手材であるシリンダ２００の内壁に対して凹凸構造３０が摺動する機会を更に抑制することができる。これにより、シリンダ２００の内径拡大によるピストンリング１の拡径を抑制し、ひいてはピストンリング１の合口６の隙間の拡大によるシール機能の低下をより確実に抑制することができる。
【００３８】
本実施形態では、凹凸構造３０の最も最外径部１１寄りに位置する端部（すなわち、凹凸構造３０の径方向外側Ｇの端部）は、図３Ｂに示すように、最外径部１１よりも上側面側Ｄ又は下側面側Ｅに位置し、かつ最外径部１１から径方向内側Ｆに向かって第２距離Ｌ２以内にある外周面の領域に形成されている。なお、図３Ｂに示すように、本実施形態では、凹凸構造３０の径方向外側Ｇの端部は、下側面側Ｅに形成されている。第２距離Ｌ２は、１００μｍ以下であることが好ましく、５０μｍ以下であることがより好ましい。凹凸構造３０の径方向外側Ｇの端部は、図３Ｂに示すように、最外径部１１から径方向内側Ｆに向かって０．５μｍの地点に位置するようにした。ここで、シリンダ２００のボアには、エンジンオイル等の潤滑油による油膜が形成されており、当該油膜の膜厚は、約５０μｍ以上、約１００μｍ以下である。従って、凹凸構造３０の径方向外側Ｇの端部が、最外径部１１から上側面側Ｄ又は下側面側Ｅへ、最外径部１１から径方向内側Ｆに向かって第２距離Ｌ２以内にある領域に形成されていれば、シリンダ２００のボアに形成されている油膜のうち表面近傍の油膜が凹凸構造３０の一部を浸すことになる。それにより、凹凸構造３０の溝部３１にオイルを効率的に供給することができる。
【００３９】
また、凹凸構造３０の溝部３１に流入して保持された潤滑油が、ピストンリング１の中心軸方向Ｂに沿う往復移動による慣性又は毛管現象によって、最外径部１１及びその近傍の凹凸構造非形成領域Ｓに供給される。そのため、ピストンリング１とシリンダ２００のボアとの間の潤滑状態は良好なまま維持されるため、ピストンリング１の摺動抵抗を低減させることができる。また、凹凸構造３０の径方向外側Ｇ（凹凸構造非形成領域Ｓ側）の端部が常に油膜と接触する状態になりうるので、油膜が凹凸構造３０の溝部３１に入り込んだ燃焼ガスを堰き止める効果が生ずる。それゆえ、燃焼ガスが凹凸構造３０の溝部３１に沿って漏れるような状態を低減することができ、ピストンリング１とシリンダボアとの密封性の向上も期待できる。
【００４０】
また、本実施形態のピストンリング１では、凹凸構造３０に含まれる溝部３１と陸部４１の延在方向が、ピストンリング１の中心軸方向Ｂと略等しくなるように設定されている。このような構成によれば、ピストンリング１の中心軸方向Ｂに沿う往復運動により、凹凸構造３０の溝部３１に保持された潤滑油が凹凸構造非形成領域Ｓに排出されやすくなる。なお、本実施形態のピストンリング１においては、凹凸構造３０は、凹凸構造非形成領域Ｓの下側面側Ｅに隣接して形成されている。このように、凹凸構造非形成領域Ｓの上側面側Ｄ又は下側面側Ｅの少なくとも一方に隣接して凹凸構造３０が形成された領域を、凹凸構造形成領域Ｐと称する。
【００４１】
図３Ｂ及び図４Ａに示すように、本実施形態の凹凸構造３０は、最外径部１１に対して中心軸方向Ｂの一方側のみに形成されている。具体的に、本実施形態のピストンリング１は、凹凸構造３０が最外径部１１に対して中心軸方向Ｂのクランクケース側Ｅのみに形成されたトップリングである。仮に、凹凸構造３０が最外径部１１に対して中心軸方向Ｂの燃焼室側Ｄに形成されている場合、凹凸構造３０に保持された潤滑油が、上死点で慣性によって油滴として燃焼室側Ｄに飛散する可能性がある。本実施形態のピストンリング１には、最外径部１１に対して中心軸方向Ｂの燃焼室側Ｄに凹凸構造３０が形成されていないので、潤滑油が油滴として燃焼室側Ｄに飛散することが抑制される。そのため、潤滑油の消費の増大を抑制できる。
【００４２】
また、ピストンリング１をトップリングとして用いる場合、ピストンリング１は、ピストン１００の燃焼室側Ｄの端部付近に装着される。ピストン１００（図２参照）は、シリンダ２００（図２参照）に対して中心軸方向Ｂに沿って往復運動する際、ピストン１００の上昇行程（特に、排気行程）では、ピストン１００のピストンリング溝１０１（図２参照）の下側面又は上側面に、ピストンリング１の下側面９０又は上側面８０が全面的に接触せずに、ピストンリング溝１０１の中で傾いた姿勢で、シリンダ２００に摺動することがある。そのため、ピストン１００がシリンダ２００に対して傾いた状態でシリンダ２００と摺動する際には、ピストンリング１の外周面１０は、最外径部１１に対して中心軸方向Ｂのクランクケース側Ｅよりも燃焼室側Ｄの方がシリンダ２００の内壁と強く当たり易くなる。そこで、本実施形態のピストンリング１は、凹凸構造３０が最外径部１１に対して中心軸方向Ｂのクランクケース側Ｅのみに形成されているため、凹凸構造３０が摩耗しにくく、長期間に亘って機能を発揮し易い。
【００４３】
溝部３１及び陸部４１が延在する方向は、上述のような中心軸方向Ｂには限定されず、中心軸方向Ｂと周方向Ａの間の方向に延在していてもよい。但し、図４Ａに示すように、溝部３１が中心軸方向Ｂに沿って延在していれば、最外径部１１及びその近傍に、溝部３１に溜まった潤滑油がより供給され易い点で好ましい。
【００４４】
一方、図４Ｂは、図４Ａに示す凹凸構造３０とは異なる方向に延在した凹凸構造３０’を有するピストンリング１の外周面１０を示す側面図である。図４Ｂに示すように、凹凸構造３０’が有する溝部３１又は陸部４１の延在方向は、ピストンリング１の中心軸方向Ｂに対して角度を持って設定されていてもよい。中心軸方向Ｂに対して溝部３１又は陸部４１の延在方向がなす角度は、４５°以下であれば、最外径部１１及びその近傍に潤滑油が供給され易いので、好ましい。
【００４５】
図４Ｃは、凹凸構造３０及び凹凸構造３０’とは異なる配置の凹凸構造３０’’を含む場合の、ピストンリング１の外周面１０を示す側面図である。図４Ｃに示すように、凹凸構造３０’’の溝部３１は、必ずしもピストンリング１の上側面８０（図３Ｂ参照）又は下側面９０（図３Ｂ参照）まで連通していなくてもよい。この場合であっても、溝３１内にオイルを保持する機能を有するので、ピストン１００の往復運動により、最外径部１１に対して溜まったオイルを供給することができる。但し、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、溝部３１が上側面８０又は下側面９０まで連通していれば、摩耗粉が溝部３１から排出され易いので、ピストンリング１を長寿命化させ易い。
【００４６】
また、図４Ｃに示すように、溝部３１は、凹凸構造形成領域Ｐ内で、延在方向の途中で途切れていてもよい。但し、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、溝部３１が延在方向の途中で途切れていなければ、溝部３１に保持された潤滑油が、溝部３１の延在方向に沿って移動し易く、ひいては最外径部１１及びその近傍に供給され易いので、好ましい。
【００４７】
また、図４Ｃに示すように、凹凸構造形成領域Ｐ内における複数の溝部３１の延在方向は、必ずしも、全ての溝部３１について同一方向ではなくてもよい。図４Ｃに示す例では、境界線Ｘ１、境界線Ｘ２、境界線Ｘ３、及び境界線Ｘ４をそれぞれ境として、溝部３１の延在方向が変化している。
【００４８】
また、後述する図８に示すように、凹凸構造３０が形成された凹凸構造形成領域Ｐは、最外径部１１に対して中心軸方向Ｂの燃焼室側Ｄ及びクランクケース側Ｅの両方に形成されていてもよい。但し、ピストンリング１をトップリングとして用いる場合は、上述の効果が得られる点で、クランクケース側Ｅのみに形成されていることが好ましい。
【００４９】
なお、仮に、凹凸構造３０が最外径部１１及びその近傍を含む凹凸構造非形成領域Ｓに対して中心軸方向Ｂの燃焼室側Ｄに形成されている場合、ピストン１００（図２参照）がシリンダ２００（図２参照）に対して上昇する際に、潤滑油を最外径部１１及びその近傍に供給し易い。従って、船舶又は発電機等、潤滑油の消費の増大が問題となり難い内燃機関においては、凹凸構造３０が最外径部１１に対して中心軸方向Ｂの燃焼室側Ｄに形成されたピストンリングをトップリングとして用いることが好ましい場合がある。
【００５０】
図５は、ピストンリング１の外周面１０に形成された凹凸構造３０を拡大して示す斜視図である。図６は、凹凸構造３０を示す断面図である。図５及び図６に示すように、本実施形態の凹凸構造３０は、所定方向に延在する溝部３１と陸部４１とが、溝部３１の幅方向に交互に形成されており、周期性を有する凹凸構造として構成されている。また、図４Ａに示す本実施形態の凹凸構造３０のパターンは、ピストンリング１がピストン１００に装着された際、ピストンリング１のシリンダ２００への摺動方向と溝部３１の延在方向とが略平行になるように形成されている。溝部３１は、例えばレーザ加工等によって形成される。溝部３１は、溝部３１の幅方向に離間して複数形成されている。そのため、陸部４１は、隣接する２つの溝部３１間に形成されている。なお、本実施形態の凹凸構造３０は、中心軸方向Ｂに延在する溝部３１と陸部４１とが周方向Ａに交互に形成されているので、前述のようにピストンリング１の中心軸方向Ｂに沿う往復移動によって潤滑油が溝部３１に流入し、ピストンリング１の往復移動による慣性力、及び毛管現象によって、潤滑油が溝部３１を流路として最外径部１１及びその近傍に供給され易い。これにより、凹凸構造３０に蓄えられた潤滑油が、ピストン運動により最外径部１１及びその近傍に供給されやすくなるため、潤滑油として低粘度オイルなどを用いても、潤滑状態を良好に保つことが可能となる。特に、ピストンリング１をトップリングとして用いる場合には、特に上死点付近の摺動抵抗が低減する。
【００５１】
溝部３１と陸部４１とが幅方向に交互に形成された繰り返し単位Ｉは、１００μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以下であることがより好ましい。また、凹凸構造３０の高低差Ｊとしての溝部３１と陸部４１との高低差は、０．０１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、０．０５μｍ以上１０μｍ以下であることがより好ましい。繰り返し単位Ｉ又は高低差Ｊが上記範囲内であれば、潤滑油が溝部３１により保持され易く、また毛管現象がより発生し易い。溝部３１の幅は、陸部４１の幅よりも大きいことが好ましい。溝部３１の幅が広いほど、最外径部１１及びその近傍に潤滑油がより供給されやすく、陸部４１の幅が狭いほど、焼き付きが起こり難い。
【００５２】
溝部３１及び陸部４１は、外周面１０の周方向Ａの合口６に隣接する合口端を含む全周に亘って交互に形成されていることが好ましい。このような構成により、溝部３１及び陸部４１を形成することによる上記効果を、外周面１０の周方向Ａの全周に亘って得ることができる。なお、勿論、溝部３１及び陸部４１が、必ずしも合口端に至るまで周方向Ａに形成されていなくても、上述の効果が得られることは言うまでもない。
【００５３】
図７Ａ〜図７Ｃは、凹凸構造３０の変形例を示す断面図である。具体的に、図７Ａは、凹凸構造３０の第１の変形例としての凹凸構造３０ａを示す断面図である。図７Ｂは、凹凸構造３０の第２の変形例としての凹凸構造３０ｂを示す断面図である。図７Ｃは、凹凸構造３０の第３の変形例としての凹凸構造３０ｃを示す断面図である。
【００５４】
図７Ａ〜図７Ｃに示す例では、溝部３１及び陸部４１の少なくとも一方の表面には、図６に示す凹凸構造３０の高低差Ｊよりも小さい高低差Ｋと、図６に示す凹凸構造３０の繰り返し単位Ｉよりも小さい繰り返し単位とを有する微細凹凸構造５０が形成されている。微細凹凸構造５０は、微細凹部５１と微細凸部６１とを備える。具体的に、図７Ａに示す凹凸構造３０ａでは、溝部３１の表面としての底面に微細凹凸構造５０が形成されている。図７Ｂに示す凹凸構造３０ｂでは、陸部４１の表面に微細凹凸構造５０が形成されている。図７Ｃに示す凹凸構造３０ｃでは、溝部３１の表面としての底面及び陸部４１の表面に微細凹凸構造５０が形成されている。微細凹凸構造５０が形成されているとき、凹凸構造３０の高低差Ｊは０．１μｍ以上であることが好ましく、微細凹凸構造５０の高低差Ｋは０．１μｍ未満であることが好ましい。このように、溝部３１及び陸部４１の少なくとも一方の表面に微細凹凸構造５０が形成されていれば、毛管現象による潤滑油の供給機能を向上させることができる。なお、図７Ａ〜図７Ｃにおける凹凸構造３０の高低差Ｊは、微細凹凸構造５０の微細凸部６１を基準とした長さを意味する。具体的に、図７Ａにおける凹凸構造３０の高低差Ｊは、陸部４１の表面から、溝部３１の微細凹凸構造５０の微細凸部６１までの高低差を意味する。また、図７Ｂにおける凹凸構造３０の高低差Ｊは、陸部４１の微細凹凸構造５０の微細凸部６１から、溝部３１の表面までの高低差を意味する。更に、図７Ｃにおける凹凸構造３０の高低差Ｊは、陸部４１の微細凹凸構造５０の微細凸部６１から、溝部３１の微細凹凸構造５０の微細凸部６１までの高低差を意味する。また、図示はされていないが、溝部３１の断面形状がＵ字状の場合、溝部３１の最深部と陸部４１の高低差が、凹凸構造３０の高低差Ｊとなる。
【００５５】
微細凹部５１は、例えばレーザ加工等によって形成されている。微細凸部６１は隣接する２つの微細凹部５１に形成されている。微細凹部５１及び微細凸部６１の形状は特に限定されないが、微細凹部５１及び微細凸部６１は、それぞれ溝部３１と平行な方向に延在し、かつ、微細凹部５１の幅方向に交互に形成されていてもよい。また、微細凹部５１及び微細凸部６１の延在方向は、溝部３１及び陸部４１の延在方向と異なっていてもよいし、同じでもよい。例えば、微細凹凸構造５０が、図７Ａに示す凹凸構造３０ａ又は図７Ｃに示す凹凸構造３０ｃのように溝部３１の底面に形成され、かつ、微細凹部５１及び微細凸部６１の延在方向が、溝部３１の延在方向と異なっている場合、溝部３１内の潤滑油が微細凹凸構造５０によって保持され易くなる。なお、微細凹凸構造５０は、周期的に凹凸が所定の方向に現れる周期的な凹凸構造であることが好ましい。また、この微細凹凸構造５０が後述する硬質被膜上に形成されることで、シリンダボアと微細凹凸構造５０とが仮に摺動したときには、トライボ皮膜の形成が促進されやすくなり、低摩擦化に寄与することができる。
【００５６】
本実施形態のピストンリング１の外周面１０は、硬質皮膜で構成されている。具体的に、例えば、ピストンリングの基材の外周面に硬質皮膜を直接形成下後に、硬質皮膜で構成された外周面１０に上記いずれかの凹凸構造（凹凸構造３０、３０’、３０’’、３０ａ、３０ｂ、３０ｃのいずれか）を形成することで、その凹凸構造を備えるピストンリング１が得られる。ピストンリング１の外周面１０を硬質皮膜で構成することで、外周面１０の摩耗を抑制することができる。
【００５７】
硬質皮膜は、例えば非晶質硬質炭素皮膜（ＤＬＣ皮膜）であってもよい。非晶質硬質炭素皮膜は、水素含有非晶質硬質炭素皮膜であってもよいし、水素の含有量が１０ａｔ％以下の水素非含有非晶質硬質炭素皮膜であってもよい。また、硬質皮膜は、非晶質炭素皮膜以外であってもよく、例えば、無電解めっき、無電解めっきと電解めっきとの組み合わせ、硬質塗料コーティング、物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、スパッタ法等により形成した皮膜であってもよい。皮膜の材質としては、窒化クロム膜（ＣｒＮ）、窒化チタン膜（ＴｉＮ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、窒化アルミチタン（ＴｉＡｌＮ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、ＴｉＣＮ、ＡｌＣｒＮ、ＴｉＣ、又はニッケル（Ｎｉ）若しくはニッケルリン（ＮｉＰ）などのニッケル合金からなるめっき等が挙げられる。また、硬質皮膜は、無機材料による皮膜以外、例えばポリイミド等の高分子皮膜であってもよい。高分子皮膜は、カーボンファイバー又はグラスファイバーなどのフィラーを混入させたものであってもよい。なお、本実施形態のピストンリング１では、基材に硬質被膜を形成する前に、凹凸構造３０を形成していてもよい。
【００５８】
図８は、ピストンリング１の第１の変形例としてのピストンリング１ａを示す断面図である。図８に示すように、ピストンリング１ａの中心軸Ｏ（図１等参照）を含む断面による、外周面１０ａの輪郭形状は、シリンダ２００が位置する方向（径方向Ｃにおける径方向外側Ｇ）に凸状の湾曲面形状のバレル状部１４ａと、バレル状部１４ａに対して中心軸方向Ｂの両側に位置するテーパ状部１５ａと、を備える。バレル状部１４ａは、最外径部１１を含む。本実施形態の第１の変形例における傾斜部１２ａは、最外径部１１よりも上側面８０側及び下側面９０側に備えられ、バレル状部１４ａの一部とテーパ状部１５ａとからなる。なお、凹凸構造３０が形成された凹凸構造形成領域Ｐは、傾斜部１２ａの上側面側Ｄ及び下側面側Ｅに形成されており、最外径部１１とその近傍には凹凸構造非形成領域Ｓが設定されている。なお、最外径部１１から凹凸構造形成領域Ｐまでの径方向Ｃにおける第１距離Ｌ１は、０．５μｍ以上１００μｍ以下の範囲に設定されている。ピストンリング１ａは、凹凸構造３０が最外径部１１に対して中心軸方向Ｂの燃焼室側Ｄ及びクランクケース側Ｅの両側に形成されたトップリングである。すなわち、ピストンリング１ａは、凹凸構造非形成領域Ｓの上側面側Ｄ及び下側面側Ｅの両方に隣接する凹凸構造形成領域Ｐを有する。ピストンリング１ａの上記以外の構成は、上述のピストンリング１の構成と同様であるので、説明を省略する。
【００５９】
図９は、ピストンリング１の第２の変形例としてのピストンリング１ｂを示す断面図である。図１０は、ピストンリング１ｂの外周面１０ｂを示す側面図である。図９及び図１０に示すように、ピストンリング１ｂの中心軸Ｏ（図１等参照）を含む断面による外周面１０ｂの輪郭形状は、最外径部１１と、最外径部１１から中心軸方向Ｂに向かうにつれて径方向内側Ｆに近づくように傾斜する傾斜部１２ｂと、を備える。この傾斜部１２ｂは、図９に示す断面視では直線上に表すことができる輪郭を有している。図９及び図１０に示す傾斜部１２ｂは、最外径部１１に対して中心軸方向Ｂの一方側のみに位置する。より具体的に、図９及び図１０に示す傾斜部１２ｂは、最外径部１１に対して中心軸方向Ｂの燃焼室側Ｄのみに位置し、他方、最外径部１１よりもクランクケース側Ｅは下側面９０となっている。本実施形態の第２の変形例におけるピストンリング１ｂは、凹凸構造非形成領域Ｓに最外径部１１とその近傍の傾斜部１２ｂの一部を含んでおり、凹凸構造非形成領域Ｓの上側面側Ｄに隣接する傾斜部１２ｂに凹凸構造形成領域Ｐを有する。なお、最外径部１１から凹凸構造形成領域Ｐまでの径方向Ｃにおける第１距離Ｌ１は、０．５μｍ以上１００μｍ以下の範囲に設定され、凹凸構造３０は、凹凸構造非形成領域Ｓに隣接する位置（凹凸構造形成領域Ｐ）に形成されている。
【００６０】
図９及び図１０に示すように、ピストンリング１ｂは、凹凸構造３０が最外径部１１に対して中心軸方向Ｂの燃焼室側Ｄのみに形成されたセカンドリングである。従って、ピストンリング１ｂは、ピストンリングを収容可能なピストンリング溝が側面に３本以上形成されたピストンのピストンリング溝のうち、燃焼室側Ｄから２番目に位置するピストンリング溝に装着される。なお、ピストンリング１ｂが装着されるピストンの最も燃焼室側Ｄに位置するピストンリング溝には、ピストンリング１ｂとは異なるピストンリングが装着されることが想定される。ピストンリング１ｂは、ピストン１００（図２参照）がシリンダ２００（図２参照）に対して特に上昇する際に、潤滑油を最外径部１１及びその近傍に供給し易い。また、ピストンリング１ｂはセカンドリングであるので、凹凸構造３０に保持された潤滑油に上死点で慣性力が働いても、燃焼室側Ｄに位置するトップリングによって飛散が抑制される。ピストンリング１ｂの上記以外の構成は、上述のピストンリング１の構成と同様であるので、説明を省略する。
【００６１】
図１１は、ピストンリング１の第３の変形例としてのピストンリング１ｃを示す断面図である。なお、図１１において、図９と同一符号の構成については、図９に示すピストンリング１ｂの構成と同じなので、その説明を省略する。なお、第３の変形例としてのピストンリング１ｃは、第２の変形例としてのピストンリング１ｂと比較して、下側面側Ｅにも、傾斜部１２ｃが形成されている。そして、傾斜部１２ｃには、傾斜部１２ｂに形成された凹凸構造３０とは別の凹凸構造３０が形成されている。傾斜部１２ｃに形成された凹凸構造３０の径方向外側Ｇの端部は、最外径部１１から径方向内側Ｆに向かって第１距離Ｌ１の位置に形成されている。従って、第３の変形例としてのピストンリング１ｃでは、最外径部１１を含む凹凸構造非形成領域Ｓの上側面側Ｄ及び下側面側Ｅの両方に、凹凸構造形成領域Ｐが形成されている。このような断面形状を有するピストンリング１ｃであっても、前述のピストンリング１ｂと同様の効果を有する。第３の変形例としてのピストンリング１ｃにおける第１距離Ｌ１及び第２距離Ｌ２は、第２の変形例のピストンリング１ｂと同じ寸法値の範囲が好ましい。また、第３の変形例としてのピストンリング１ｃは、第２の変形例としてのピストンリング１ｂと同様に、セカンドリングとして用いることが好ましい。
【００６２】
図１２は、ピストンリング１の第４の変形例としてのピストンリング１ｄを示す断面図である。図１２に示すように、ピストンリング１ｄは、２ピースタイプのオイルリングであり、リング本体２と、コイルエキスパンダー３とを備える。コイルエキスパンダー３は、リング本体２を径方向外側Ｇに向けて付勢する。
【００６３】
リング本体２は、その内周面にウェブ部４が形成されており、また、その外周面には一対のレール部５が形成されている。リング本体２にはある間隔をもって、孔部８が形成されている。また、図示されてはいないが、リング本体２の一部には合口が設けられている。一対のレール部５は、それぞれウェブ部４に対して中心軸方向Ｂの燃焼室側Ｄ及びクランクケース側Ｅのリング本体２と一体に設けられている。一対のレール部５の最も外周よりの領域には、それぞれランド部７が形成されている。ランド部７は、図１２に示す破線で囲まれた領域に形成されている。これらのランド部７は、それぞれ対応するレール部５の外周端から径方向外側Ｇに向けて突出するとともにレール部５の全周に亘って延びる環状に形成されている。また、燃焼室側Ｄに形成されたランド部７と上側面８０との間に位置する外周面、及び、クランクケース側Ｅに形成されたランド部７と下側面９０との間に位置する外周面には、どちらも側面からランド部７に向かうにつれ、拡径するように形成された傾斜面４０が形成されている。
【００６４】
図１３は、図１２に示したピストンリング１ｄの一方のランド部７を拡大して示す断面図である。なお、燃焼室側Ｄのレール部５に設けられるランド部７とクランクケース側Ｅのレール部５に設けられるランド部７は、基本的に同一の形状を有しているので、以下では、燃焼室側Ｄのレール部５に設けられるランド部７に基づいて説明する。
【００６５】
図１３に示すように、ランド部７は、中心軸方向Ｂの燃焼室側Ｄの上側面側軸方向側部８０ｃと、中心軸方向Ｂのクランクケース側Ｅの下側面側軸方向側部９０ｃと、上側面側軸方向側部８０ｃと下側面側軸方向側部９０ｃとの間にテーパ状部１５ｃとバレル状部１４ｃとが備えられている。上側面側軸方向側部８０ｃ及び下側面側軸方向側部９０ｃは、テーパ状部１５ｃ及びバレル状部１４ｃを傾斜面４０よりも外周側（径方向外側Ｇ）に位置させるために、テーパ状部１５ｃ及びバレル状部１４ｃに向けて拡径するように形成されており、中心軸方向Ｂに対する傾斜角度は傾斜面４０やテーパ状部１５ｃよりも大きな角度となっている。また、テーパ状部１５ｃも、図１３に示すように、クランクケース側Ｅに向けて拡径するような傾斜面を有しており、バレル状部１４ｃがテーパ状部１５ｃよりも外周側に突出する位置関係になっている。
【００６６】
図１３に示すように、第４の変形例であるピストンリング１ｄの最外径部１１は、バレル状部１４ｃとなる。中心軸方向Ｂ（図１３に示す例では燃焼室側Ｄ）に向けてバレル状部１４ｃに連なるテーパ状部１５ｃが形成されている。バレル状部１４ｃは、凸状の湾曲面（バレルフェイス）形状に形成されている。テーパ状部１５ｃの中心軸方向Ｂに対する傾斜角αは、１７°以上２７°以下である。
【００６７】
ピストンリング１ｄのテーパ状部１５ｃには、上述のピストンリング１と同様に、凹凸構造３０が形成された凹凸構造形成領域Ｐが形成されている。ピストンリング１ｄの凹凸構造３０が形成される領域等の詳細は、図３Ｂ等で示す実施形態のピストンリング１と同様であるので説明を省略する。なお、図１３に示すピストンリング１ｄの形状では、テーパ状部１５ｃの最外径位置と最外径部１１との段差ｄＨが１μｍ以上１００μｍ以下に設定されているので、テーパ状部１５ｃのみを凹凸構造形成領域Ｐとしている。なお、段差ｄＨがより小さければ、バレル状部１４ｃの上側面側Ｄの一部にも凹凸構造３０を形成してもよい。
【００６８】
また、図１３に示す外周面形状及び構造は、３ピースタイプのオイルコントロールリングセットの上下両方のレール部材に適用することでも同様な効果が達成できる。この場合、上側面とランド部７との間、又は下側面とランド部７との間には、傾斜面４０を形成する必要は必ずしもない。そのため、レール部材の上側面から外周面を経て下側面に向けて、上側面側軸方向側部８０ｃ、テーパ状部１５ｃ、バレル状部１４ｃ、下側面側軸方向側部９０ｃの配置関係で外周面形状が構成されていることが好ましい。また、上下両方のレール部材の各々の外周面に形成されるランド部７は断面方向において１か所のみでよい。
【００６９】
ところで、本発明の実施の形態における外周面の好適な輪郭形状は、最外径部１１での外径と、最外径部１１から中心軸方向Ｂに０．３ｍｍ離れた傾斜部１２の位置での外径との差が、０．００２ｍｍ以上０．０５０ｍｍ以下が好ましい。なお、最外径部１１が中心軸方向Ｂに所定の幅を有する場合は、「最外径部１１から中心軸方向Ｂに０．３ｍｍ離れた傾斜部１２の位置」とは、最外径部１１の中心軸方向Ｂの中心から中心軸方向Ｂに０．３ｍｍ離れた傾斜部１２の位置を意味する。
【００７０】
なお、本実施形態における外周面の構造は、ピストンリング以外の摺動部材にも適用できる。例えば、摺動時に相手材と摺動する領域を含む外周面と、当該外周面の摺動方向及び摺動方向と反対方向に、当該外周面の面方向と異なる方向に向いた側面とを有した摺動部材において、その外周面に、上述のように凹凸構造非形成領域と凹凸構造形成領域とを設定あるいは形成することで、相手材の摩耗を防ぎつつ、良好な摺動特性を得ることができる。なお、このような摺動部材であっても、相手材と摺動する外周面の摺動領域は、摺動時においてそれぞれの側面のいずれか一方と隣接した領域に比して、相手材に近接するような形状を有していることが良い。このように側面に隣接した外周面に比して、相手材に近接するような形状、例えば、外周面の一部が凸形状を有するものにおいて、摺動時に相手材に近接するような凸部位の頂上及びその付近には、凹凸構造を設けず、その凸部位である摺動領域に隣接した領域に凹凸構造形成領域を設けることが好ましい。
【００７１】
［ピストンリングの製造方法］
図１４は、本発明の一実施形態としてのピストンリングの製造方法の一部の工程を示すフローチャートである。図１４に示すように、本実施形態のピストンリングの製造方法は、皮膜形成工程Ｓ１と、凹凸形成工程Ｓ２と、を含む。
【００７２】
皮膜形成工程Ｓ１は、硬質皮膜を形成する前のピストンリングの外周面に、硬質皮膜を形成する工程である。本実施形態の硬質皮膜は、上述のピストンリング１の外周面１０を構成する硬質皮膜と同様の材料であってもよく、ピストンリング１の外周面１０を構成する硬質被膜と同様の形成方法により形成することができる。
【００７３】
凹凸形成工程Ｓ２は、皮膜形成工程Ｓ１の後に、硬質皮膜が形成された後の外周面のうち外径が最も大きい最外径部及びその近傍以外の位置に凹凸構造を形成する工程である。本実施形態の凹凸構造は、上述のピストンリング１の凹凸構造３０と同様の構成であってもよく、凹凸構造３０と同様の形成方法により形成することができる。
【００７４】
このように、本実施形態のピストンリングの製造方法では、ピストンリングの外周面に硬質皮膜を形成した後で、当該外周面に凹凸構造を形成する。これにより、外周面に所望の凹凸構造をより精細に形成させることができる。なお、凹凸構造の上に硬質皮膜を形成しても凹凸構造が現れるように、硬質皮膜の厚さや成膜方法を調整すれば、ピストンリングの外周面に凹凸構造を形成した後で、硬質皮膜を形成してもよい。本実施形態のピストンリングの製造方法は、上記実施形態のピストンリング１及びピストンリング１ａ〜１ｄいずれの製造方法にも適用することができる。
【実施例】
【００７５】
本発明の効果を確認するために、本発明の実施例１〜３を用意し、以下の評価試験を行った。なお、本発明はこれらの実施例には限定されない。
【００７６】
（実施例１）
まず、バレルフェイス形状の外周面を有するリングを用意し、硬質被膜として、非晶質硬質炭素皮膜を形成した。次に、凹凸構造３０（図５等参照）を、図３Ｂに示すように、最外径部１１とその近傍を含む凹凸構造非形成領域Ｓよりも下側面側Ｅの位置における硬質炭素被膜上に形成した。なお、凹凸構造３０が形成された外周面１０での外径が最も大きい位置と、凹凸構造非形成領域Ｓ内の最外径部１１（図３Ｂ等参照）との径方向Ｃにおける第１距離Ｌ１は、０．００４ｍｍとした。当該ピストンリングは、最外径部１１での外径と、最外径部１１から中心軸方向Ｂ（図３Ｂ等参照）に０．３ｍｍ離れた位置での外径との差が、０．００５ｍｍであった。また、当該ピストンリングのサイズは、最外径部１１での外径が８６ｍｍ、中心軸方向Ｂの長さが１．２ｍｍ、径方向Ｃの長さが３．３ｍｍであった。
【００７７】
図１５は、実施例１の試験方法を説明する図である。図１５に示すように、上記得られたピストンリングを径方向Ｃに沿って切断し、リングピースＱとした。リングピースＱの外周面を、摺動相手材としてのシリンダ切り出し片２００’に向けて荷重Ｗを印加しながら、シリンダ切り出し片２００’の表面で摺動試験を行った。この際、滴下オイルの粘度を０Ｗ−２０、摺動時間を１０時間、荷重Ｗを１００Ｎ、とした。また、比較例１として、凹凸構造３０を、実施例１で形成した領域の他に、最外径部１１を含め、実施例１では凹凸構造非形成領域Ｓとして凹凸構造を形成していない領域にも形成した。なお、凹凸構造の溝部については、摺動方向に沿って延在するように形成しているものとした。その他の条件はリングピースＱと同様に作成したリングピースを用意した。比較例１のリングピースについても、上記摺動試験を行った。その結果、実施例１では、比較例１に対して、相手材摩耗量が約６０％であった。
【００７８】
（実施例２）
実施例１と同様にして、ピストンリングを得た。当該ピストンリングのサイズは、最外径部１１の外径が７８ｍｍ、中心軸方向Ｂの長さが１．２ｍｍ、径方向Ｃの長さが２．５ｍｍであったが、その他の条件は実施例１のピストンリングと同様であった。本実施例のピストンリングを組み込んだ内燃機関をガソリンエンジンで長時間運転させた後のブローバイ量を、下記の条件で測定した。すなわち、水冷4サイクルのガソリンエンジン（排気量１．５Ｌ、４気筒）を用いて、回転数４０００ｒｐｍ、全負荷（Ｗｉｄｅ  Ｏｐｅｎ  Ｔｈｒｏｔｔｌｅ）条件にて、運転時間１０時間として運転した。また、比較例２として、凹凸構造３０を、最外径部１１から径方向内側Ｆに向かって０．００４ｍｍの地点までの間にも形成し、その他の条件は本実施例のピストンリングと同様に作成したピストンリングを用意した。比較例１のピストンリングを組み込んだ内燃機関についても、上記測定を行った。測定結果から、経年後のブローバイ量を算出した。その結果、実施例２では、比較例２に対して、ブローバイ量が約７０％であった。
【００７９】
（実施例３）
図１６は、実施例３で用いる摩擦係数を測定するための単体往復動試験機３００の一部断面図である。本実施例のピストンリング３０１として、実施例１と同様のピストンリングを用意した。また、比較例３のピストンリングとして、ピストンリングの基材に実施例１と同じ硬質皮膜を形成し、その後、外周面には一切の凹凸構造を形成しないピストンリングを用意した。図１６に示すように、本実施例のピストンリング３０１及び比較例３のピストンリングを、それぞれ、単体往復動試験機３００のピストン３０２に装着して、評価試験を行った。具体的に、図１６に示す単体往復動試験機３００を用いて、円筒状のシリンダライナー３０３の内周面に本実施例のピストンリング３０１又は比較例３のピストンリングを装着したピストン３０２を挿入し、ピストン３０２を上下方向に往復運動させた。そのときのシリンダライナー３０３に固定されたブロック３０４の変位又はブロック３０４に掛かる荷重を、ロードセンサー（Load Sensor）３０６で検出することで、摩擦係数を算出した。図１６に示す単体往復動試験機３００の試験条件は、ボア×ストロークがφ８６×８６ｍｍ、回転数が５００ｒｐｍ、潤滑油の粘度が０Ｗ−２０、リング単体評価であった。その結果、実施例３では、比較例３に対して、上死点付近での摩擦係数が約６０％であった。
【００８０】
本発明は前記実施の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変更可能であることはいうまでもない。例えば、ピストンリングの外周面の形状は、上述の各態様には限定されず、他の任意の形状であってもよい。また、ピストンリングの内周面、上側面、及び下側面の各形状は、上述の各態様の形状には限定されない。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明は、ピストンリング、及びピストンリングの製造方法に関する。
【符号の説明】
【００８２】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ：ピストンリング
２：リング本体
３：コイルエキスパンダー
４：ウェブ部
５：レール部
６：合口
７：ランド部
８：孔部
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ：外周面
１１：最外径部
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ：傾斜部
１４ａ、１４ｃ：バレル状部
１５ａ、１５ｃ：テーパ状部
３０、３０’、３０’’、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ：凹凸構造
３１：溝部
４０：傾斜面
４１：陸部
５０：微細凹凸構造
５１：微細凹部
６１：微細凸部
７０：内周面
８０：上側面
８０ｃ：上側面側軸方向側部
９０：下側面
９０ｃ：下側面側軸方向側部
１００：ピストン
１０１：ピストンリング溝
２００：シリンダ
２００’：シリンダ切り出し片
３００：単体往復動試験機
３０１：ピストンリング
３０２：ピストン
３０３：シリンダライナー
３０４：ブロック
３０６：ロードセンサー
Ａ：周方向
Ｂ：中心軸方向
Ｃ：径方向
Ｄ：燃焼室側（上側面側）
Ｅ：クランクケース側（下側面側）
Ｆ：径方向内側
Ｇ：径方向外側
Ｉ：溝部と陸部との繰り返し単位
Ｊ：凹凸構造の高低差
Ｋ：微細凹凸構造の高低差
Ｌ１：第１距離
Ｌ２：第２距離
Ｄ１：ピストンリングの外径
Ｄ１ｍａｘ：最外径部での外径
ｄＨ：テーパ状部の最外径位置と最外径部との段差
Ｏ：中心軸
Ｐ：凹凸構造形成領域
Ｑ：リングピース
Ｓ：凹凸構造非形成領域
Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４：境界線
α：テーパ状部の中心軸方向に対する傾斜角
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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