(57)【要約】【課題】スカート部の摩擦抵抗を低減するための表面処理工程を簡易化すると共に、オイルの潤滑状態が悪い固体接触領域と、オイルが循環する複合潤滑領域との両領域において、摩擦抵抗を低減できるピストンを提供する。【解決手段】内燃機関のピストン１において、スカート部１ａの表面２１に樹脂被膜層２を形成する。樹脂被膜層２で囲われた複数の凹部が樹脂被膜層２に規則性をもって配列されることにより、スカート部１ａの表面２１を機械加工することなく、凹部がオイル溜めとなって摩擦抵抗を低減できる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に用いられるピストンであって、
スカート部の表面には樹脂被膜層が形成されており、
前記樹脂被膜層には、規則的に配列された複数の凹部が設けられているピストン。
【請求項２】
前記凹部は、前記樹脂被膜層が形成されていない非被膜領域である請求項１記載のピストン。
【請求項３】
前記凹部における前記スカート部の摺動方向の長さを「Ｓ」とし、前記摺動方向に直交する円周方向の長さを「Ｌ」としたときに、
「Ｓ」＝「Ｌ」、又は、「Ｓ」＜「Ｌ」の関係に設定される請求項１又は２記載のピストン。
【請求項４】
前記「Ｓ」及び「Ｌ」は、５μｍ以上４ｍｍ以下である請求項３記載のピストン。
【請求項５】
前記凹部の深さは、５μｍ以上３０μｍ以下である請求項１から４のいずれかに記載のピストン。
【請求項６】
互いに隣接する前記凹部間の前記円周方向の最短距離を「ＰＬ」としたときに、
前記「ＰＬ」は、「０．５」×「Ｓ」から「２」×「Ｓ」の範囲に設定される請求項３から５のいずれかに記載のピストン。
【請求項７】
互いに隣接する前記凹部間の前記摺動方向の最短距離を「ＰＳ」としたときに、
前記「ＰＳ」は、「０．５」×「Ｓ」から「２」×「Ｓ」の範囲に設定される請求項３から５のいずれかに記載のピストン。
【請求項８】
前記樹脂は、ポリアミド樹脂、ポリフェニリンサルファド、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、及び、ポリテトラフルオロエチレン樹脂よりなる群から選ばれる少なくとも１種である請求項１から７のいずれかに記載のピストン。
【請求項９】
前記樹脂被膜層は、遷移金属硫化物、グラファイト、六方晶ボロンナイトライド、合成マイカ、及び、タルクよりなる群から選ばれる少なくとも１種の無機固体潤滑剤を含む請求項１から８のいずれかに記載のピストン。
【請求項１０】
前記樹脂被膜層は、フッ素系樹脂からなる有機固体潤滑剤を含む請求項１から９のいずれかに記載のピストン。
【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に関する。特に、ピストンの摩擦抵抗を低減するために、スカート部の表面に樹脂被覆層を形成する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関のピストンの摺動面に表面処理を施すことによって、燃費の向上、焼き付けの防止、及び、異音の発生の防止が可能となることが知られている。例えば、このような表面処理として、サンドブラスト又はショットピーニングにより、スカート部外壁に微小凹部を設けることが考案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１によれば、微小凹部に潤滑油を溜めて流下し難くし、シリンダライナとピストンが焼き付くのを防止できるとしている。
【０００３】
特許文献１と同様の表面処理として、スカート部の外周面に、加圧成形加工、サンドブラスト、ショットピーニングなどにより成形された、多くの凹陥部を備えた２サイクルガソリンエンジン用ピストンが考案されている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２によれば、ピストンのスカート部に凹陥部を設けることによって、高温ガスに晒されるシリンダ内壁面の上部にも充分な潤滑油が供給されるため、ピストンとシリンダとの摺動面全面に渡って潤滑性能を向上できるとしている。
【０００４】
又、ピストン本体の側面のスカート部に、円周方向に沿って延在する凸部を設け、更に、この凸部の表面に微細なディンプル（凹部）を設けたピストンが開示されている（例えば、特許文献３参照）。この微細なディンプルは、ショットピーニングにより適度な大きさに形成されたものである。この特許文献３によれば、微細なディンプルのそれぞれに潤滑油が保持されると共に、ピストンの上下運動により、潤滑油が凸部に形成された入江部から容易に摺動面に供給される。したがって、初期磨耗が終わってピストンがスリーブになじんだ後は、摺動面に潤滑油が供給されて油膜が形成され、摺動面を潤滑すると共に異音の発生を防止できるとしている。
【０００５】
更には、摺動部材の母材の表面に、表面粗さが十点平均粗さで８μｍＲｚ〜１８μｍＲｚとなるように条痕を形成した後、被覆層が形成された摺動部材が開示されている（例えば、特許文献４参照）。具体的には、被覆層は、ポリアミドイミド樹脂と、エポキシシラン、及び、エポキシ樹脂から選ばれる少なくとも１種の塗膜改質剤と、窒化珪素及びアルミナのうち少なくとも１種の硬質粒子と、を有する乾性被膜潤滑剤より構成されている。この特許文献４によれば、摺動部材の耐摩耗性や密着性が向上するとともに、摺動部材の摩擦係数がより低減されるため、ピストンとして好ましく使用できるとされている。
【特許文献１】実開昭５２−１６４５１号公報
【特許文献２】実開昭５７−１９３９４１号公報
【特許文献３】国際公開第０１／００２７１７号パンフレット
【特許文献４】特開２００４−１４９６２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の通り、特許文献１から３においては、サンドブラスト、ショットピーニング、加圧成形加工などの機械加工により、金属からなるスカート部の摺動面に微細な凹部を設け、この凹部をオイル溜りとしてオイルを摺動面に潤滑させて、スカート部の摩擦を低減している。しかしながら、スカート部においてオイルの潤滑状態が悪い摺動領域、いわゆる固体接触領域においては、潤滑油による摩擦低減効果が得られない。このため、特許文献１から３の表面処理では、スカート部における摩擦抵抗の低減には限界があった。
【０００７】
又、特許文献４では、スカート部に乾性被膜潤滑剤をコーティングすることにより、固体接触領域の摩擦抵抗を低減させている。スカート部の摺動面は、コーティングされる前に切削加工により規則的な条痕が形成され、この条痕がオイル溜りとして、スカート部においてオイルが循環する領域、いわゆる、複合潤滑領域の拡大により摩擦抵抗を低減している。しかしながら、特許文献４は、被膜層を形成するにあたり、研磨加工や旋盤加工などの通常の機械加工により、母材の摺動面を予め所望の表面粗さに仕上げるとともに、切削加工により更に規則的な条痕を形成し、次いで、被覆層を塗布して高温で反応硬化させ、乾性被膜潤滑剤による被膜層を形成している。即ち、特許文献４は、特許文献１から３と比較して、スカート部の摩擦抵抗の低減に、より効果があると予測されるものの、スカート部の表面処理において、機械的な表面処理と化学的な表面処理（塗装処理）の二工程を含んでいる。従って、より簡易に、スカート部の摩擦抵抗を低減できる表面処理方法が望まれる。
【０００８】
本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、スカート部の摩擦抵抗を低減するための表面処理工程を簡易化すると共に、オイルの潤滑状態が悪い固体接触領域と、オイルが循環する複合潤滑領域との両領域において、摩擦抵抗を低減できる内燃機関のピストンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、固体接触領域の摩擦抵抗を低減するために、スカート部の表面に樹脂被膜層を形成するとともに、この樹脂被膜層に規則的に配列された凹部を設けることにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下のようなものを提供する。
【００１０】
（１）  内燃機関に用いられるピストンであって、スカート部の表面には樹脂被膜層が形成されており、前記樹脂被膜層には、規則的に配列された複数の凹部が設けられているピストン。
【００１１】
（１）の発明によるピストンは、内燃機関に用いられるピストンであって、スカート部の表面には樹脂被膜層が形成されている。樹脂被膜層には、規則的に配列された複数の凹部が設けられている。
【００１２】
ここで、内燃機関は、２サイクルガソリンエンジンでもよく、４サイクルガソリンエンジンであってもよい。この内燃機関のピストンは、通常、３本のピストンリングに支えられてシリンダ内で往復運動が行われる。一般に、アルミニウム合金からなるピストン本体は、円筒状に形成され、ランド部とスカート部で構成されている。ランド部は頂面を有し、ピストンリングを保持する。そして、ピストン本体の内、スカート部の外周面はシリンダ内壁（スリーブとも呼称される）にすべり接触する面積が最も多い部位である。
【００１３】
したがって、スカート部の表面とは、スカート部の外周面を覆う面であってよく、シリンダ内壁とすべり接触する部位のことであってよい。又、スカート部の表面に樹脂被膜層を形成するとは、スカート部の外周面全域に亘り樹脂被膜層を形成することであってよく、シリンダとコンロッドを連結するためのピンが挿入されるピン穴の周囲を除外して、スカート部の外周面に樹脂被膜層を形成することであってもよい。通常、ピン穴の周囲はスカート部の外周面が切り欠かれたサイドウォールになっているからである。又、必要に応じて、樹脂被膜層の面積範囲及び部位を限定してもよい。
【００１４】
（１）の発明によるピストンは、スカート部の表面に低摩擦抵抗及び高耐熱性の単一樹脂による樹脂被膜層を形成してよく、スカート部の表面に前記単一合成樹脂に固体潤滑剤を含む複合樹脂による樹脂被膜層を形成してもよい。そして、スカート部の固体接触領域の摩擦抵抗を低減できる。又、単一樹脂か複合樹脂は適宜、選択されてよい。
【００１５】
（１）の発明によるピストンは、更に、樹脂被膜層には、規則的に配列された複数の凹部が設けられている。例えば、特許文献４にも開示されている通常の方法で、スカート部に凹部を形成することができる。概略説明すると、ピストン本体を脱脂、洗浄、余熱して、スプレー塗装又はスクリーン印刷の手法でスカート部の摺動面に樹脂被膜層となる塗料を塗布する。その後、この塗料を高温反応硬化させ樹脂被膜層を形成する。
【００１６】
したがって、スカート部の表面に予め複数の凹部をマスキングしておけば、スプレー塗装で、複数の凹部を形成できる。又は、スクリーン版に複数の凹部をレジスト（版膜）として描画しておけば、スクリーン印刷で複数の凹部を形成できる。そして、複数の凹部は、樹脂被膜層で囲われた領域ということもできる。又、複数の凹部は、樹脂被膜層で囲われて、当該凹部の底面に樹脂被膜層が形成されてもよく、スカート部の表面に規則的な凹部が設けられ、このスカート部の凹部を含む表面に樹脂被膜層が形成されてもよいが、樹脂被膜層で囲われた凹部の底面は、スカート部の表面が露出されることが好ましい。
【００１７】
本発明の凹部は、スカート部の表面に所定の面積として表出し、実体としては樹脂被膜層で囲われて、所定の容積をもつものと考えることができる。そして、樹脂被膜層で囲われた凹部がスカート部の表面に表出する形状は、例えば、円又は楕円であってよく、正四角形又は長方形であってよく、三角形であってもよく、その他の閉領域からなるいかなる形状をしていてもよい。そして、本発明は、異なる形状の凹部が混在することを排除するものではないが、複数の凹部は同形状であることが好ましい。
【００１８】
凹部が樹脂被膜層に規則性をもって配列されるとは、適正配置の一形態であり、後述する凹部が有する機能からして、凹部が樹脂被膜層に無秩序に点在するのは好ましくないと考えられ、凹部が樹脂被膜層に模様のように規則性をもって配置されることが好ましい。
【００１９】
具体的には、円形又は矩形で形成される凹部を格子状に配列することが考えられる。この場合の格子形状は、矩形又は菱形であってよい。そして、円形又は矩形で形成される凹部を、スカート部の摺動方向と当該摺動方向と直交する円周方向にそれぞれ等間隔で配置してもよく、スカート部の摺動方向の間隔と、前記円周方向の間隔を異ならせて配置してもよい。
【００２０】
前述のとおり、本発明による凹部は、一定の容積をもっており、オイル保持機能が付与される。本発明による複数の凹部は、いわゆるオイル溜めとして機能することができる。そして、この複数の凹部をオイル溜めとして、スカート部の複合潤滑領域の摩擦抵抗を低減することができる。更に、本発明は、従来のようにスカート部に機械的な表面処理を施すことなく、化学的なコーティング処理だけで複合潤滑領域の摩擦抵抗を低減できる。そして、スカート部トータルとして摩擦抵抗を低減できる。
【００２１】
（２）  前記凹部は、前記樹脂被膜層が形成されていない非被膜領域である（１）記載のピストン。
【００２２】
前述のとおり、凹部はマスキング又はレジストにより形成できる。前述において、複数の凹部の底面は樹脂被膜層であってもよい、としたのに対し、この凹部の底面はスカート部の表面としている。つまり、（１）の発明による樹脂被膜層は、複層を可能としているが、（２）の発明による樹脂被膜層は、単層を可能としている。したがって、塗装工程を簡略できる。
【００２３】
（３）  前記凹部における前記スカート部の摺動方向の長さを「Ｓ」とし、前記摺動方向に直交する円周方向の長さを「Ｌ」としたときに、「Ｓ」＝「Ｌ」、又は、「Ｓ」＜「Ｌ」の関係に設定される（１）又は（２）記載のピストン。
【００２４】
（３）の発明によるピストンは、凹部におけるスカート部の摺動方向の長さを「Ｓ」とし、凹部における摺動方向と直交する円周方向の長さを「Ｌ」としたときに、凹部は、「Ｓ」＝「Ｌ」、又は、「Ｓ」＜「Ｌ」の関係に設定されている。
【００２５】
発明者らは、実験を重ねた結果、本発明による凹部は、「Ｓ」＝「Ｌ」、又は、「Ｓ」＜「Ｌ」の関係に設定されることが有効であることを確認した。「Ｓ」＞「Ｌ」の関係に凹部が設定されると、スカート部の摺動時に当該凹部に充分な油圧を確保できなくなり、スカート部の摺動面に油膜形成ができにくくなる。そして、複合潤滑領域での摩擦低減効果が発揮できにくくなる。
【００２６】
例えば、「Ｓ」＝「Ｌ」の関係からなる凹部の形状は円又は正四角形である。「Ｓ」＜「Ｌ」の関係からなる凹部の形状を楕円形状とした場合に、長円を形成する長軸をスカート部の外周方向と平行に、前記長軸と直交する短円の短軸をスカート部に摺動方向と平行に配置することにより、凹部に油圧が確保でき、スカート部の複合潤滑領域での摩擦低減効果が発揮できる。
【００２７】
（４）  前記「Ｓ」及び「Ｌ」は、５μｍ以上４ｍｍ以下である（３）記載のピストン。
【００２８】
（４）の発明によるピストンは、凹部におけるスカート部の摺動方向の長さ「Ｓ」及び、凹部におけるスカート部の円周方向の長さ「Ｌ」を５μｍから４ｍｍの範囲に設定している。
【００２９】
例えば、凹部の形状を円とした場合に、当該円からなる凹部の直径が５μｍ以下の場合は、オイルが有する粘性で当該微細凹部にはオイルが流入しにくくなり、凹部でのオイル保持機能が低下する。したがって、複合潤滑領域での摩擦低減効果が発揮できにくくなる。
【００３０】
一方、前記円からなる凹部の直径が４ｍ以上の場合は、当該凹部に保持されるオイルが面厚により流出し、樹脂被膜層の表面に油膜が形成されにくくなる。したがって、複合潤滑領域での摩擦低減効果が発揮できにくくなる。
【００３１】
（５）  前記凹部の深さは、５μｍ以上３０μｍ以下である（１）から（４）のいずれかに記載のピストン。
【００３２】
（５）の発明によるピストンは、スカート部の表面に形成される樹脂被膜層が、５μｍから３０μｍの範囲の被膜厚に形成されている。
【００３３】
本発明による樹脂被膜層が、５μｍより薄い被膜厚の場合は、樹脂被膜層で囲まれる凹部の谷が浅く、当該凹部でのオイル保持量及び保持能力が小さくなり、樹脂被膜層の表面に油膜が形成されにくくなる。したがって、複合潤滑領域での摩擦低減効果が発揮できにくくなる。
【００３４】
一方、本発明による樹脂被膜層が、３０μｍより厚い被膜厚の場合は、樹脂被膜層で囲まれる凹部の谷が深く、当該凹部に多量のオイルを必要とするため、オイルの潤滑状態が余り良好でないスカート部の摺動環境では、摩擦低減効果が発揮できにくくなる。
【００３５】
（６）  互いに隣接する前記凹部間の前記円周方向の最短距離を「ＰＬ」としたときに、前記「ＰＬ」は、「０．５」×「Ｓ」から「２」×「Ｓ」の範囲に設定される（３）から（５）のいずれかに記載のピストン。
【００３６】
（６）の発明によるピストンは、スカート部の摺動方向と直交する円周方向に互いに隣接する凹部間の最短被膜距離を「ＰＬ」としたときに、「ＰＬ」は、「０．５」×「Ｓ」から「２」×「Ｓ」の範囲に設定されている。
【００３７】
円周方向に互いに隣接する凹部間の最短被膜距離ＰＬが「０．５」×「Ｓ」より短い場合は、コーティング壁となる樹脂被膜層の強度が不足し、当該樹脂被膜層に加えられるせん断力により、樹脂被膜層が破壊されることが予測される。一方、前記最短被膜距離ＰＬが「２」×「Ｓ」より長い場合は、固体接触の確率が高くなり、スカート部トータルとしての摩擦抵抗の低減が促進されない。
【００３８】
（７）  互いに隣接する前記凹部間の前記摺動方向の最短距離を「ＰＳ」としたときに、前記「ＰＳ」は、「０．５」×「Ｓ」から「２」×「Ｓ」の範囲に設定される請求項３から５のいずれかに記載のピストン。
【００３９】
（７）の発明によるピストンは、スカート部の摺動方向に互いに隣接する凹部間の最短被膜距離を「ＰＳ」としたときに、「ＰＳ」は、「０．５」×「Ｓ」から「２」×「Ｓ」の範囲に設定されている。
【００４０】
摺動方向に互いに隣接する凹部間の最短被膜距離ＰＳが「０．５」×「Ｓ」より短い場合は、コーティング壁となる樹脂被膜層の強度が不足し、当該被膜層に加えられるせん断力により、樹脂被膜層が破壊されることが予測される。一方、前記最短被膜距離ＰＳが「２」×「Ｓ」より長い場合は、固体接触の確率が高くなり、スカート部トータルとしての摩擦抵抗の低減が促進されない。
【００４１】
（８）  前記樹脂は、ポリアミド樹脂、ポリフェニリンサルファド、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、及び、ポリテトラフルオロエチレン樹脂よりなる群から選ばれる少なくとも１種である（１）から（７）のいずれかに記載のピストン。
【００４２】
（８）の発明によるピストンは、樹脂が、ポリアミド樹脂（ＰＡ）、ポリフェニリンサルファド（ＰＰＳ）、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ポリアミドイミド樹脂（ＰＡＩ）、ポリイミド樹脂（ＰＩ）、ポリテトラフルオロエチレン樹脂（ＰＴＦＥ）よりなる群から選ばれる少なくとも１種である。そして、これら樹脂は、低摩擦抵抗及び高耐熱性の物性を有している。
【００４３】
（９）  前記樹脂被膜層は、遷移金属硫化物、グラファイト、六方晶ボロンナイトライド、合成マイカ、及び、タルクよりなる群から選ばれる少なくとも１種の無機固体潤滑剤を含む（１）から（８）のいずれかに記載のピストン。
【００４４】
（９）の発明によるピストンは、樹脂被膜層が、遷移金属硫化物、グラファイト、六方晶ボロンナイトライド、合成マイカ、及び、タルクよりなる群から選ばれる少なくとも１種の無機固体潤滑剤を含んでいる。遷移金属硫化物としては、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）又は二硫化タングステン（ＷＳ２）を例示できる。
【００４５】
（１０）  前記樹脂被膜層は、フッ素系樹脂からなる有機固体潤滑剤を含む（１）から（９）のいずれかに記載のピストン。
【００４６】
（１０）の発明によるピストンは、樹脂被膜層が、フッ素系樹脂からなる有機固体潤滑剤を含んでいる。フッ素系樹脂からなる有機固体潤滑剤としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、四弗化エチレンパーフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＦＡ）を例示できる。
【発明の効果】
【００４７】
本発明のピストンは、内燃機関に用いられるピストンであって、スカート部の表面には樹脂被膜層が形成されている。樹脂被膜層には、規則的に配列された複数の凹部が設けられているので、オイルの潤滑状態が悪い固体接触領域と、オイルが循環する複合潤滑領域との両領域において、摩擦抵抗を低減できる。
【００４８】
更に、本発明のピストンは、従来のようにスカート部に機械的な表面処理を施すことなく、化学的なコーティンク処理だけで複合潤滑領域の摩擦抵抗を低減できる。そして、スカート部トータルとして摩擦抵抗を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００５０】
図１は、本発明によるピストンの一実施形態を示す正面図である。図１は被膜層の一部を破断して描かれている。図２は、前記実施形態によるスカート部表面の部分拡大図である。図３は、前記実施形態によるスカート部の部分断面図である。又、図３は図２のＡ−Ａ矢視断面図である。図４は、前記実施形態によるスカート部とスリーブの要部縦断面である。
【００５１】
図５は、前記実施形態による複数の凹部の平面配置図である。図５（Ａ）は円形の凹部の一配置実施例であり、図５（Ｂ）は円形の凹部の図５（Ａ）と異なる配置実施例である。図６は、前記実施形態による複数の凹部の平面配置図である。図６（Ａ）は長方形の凹部の一配置実施例であり、図６（Ｂ）は長方形の凹部の図６（Ａ）と異なる配置実施例である。図７は、前記実施形態による複数の凹部の平面配置図である。図７（Ｂ）は長方形の凹部の図６（Ａ）と異なる配置実施例である。図７（Ｂ）は正三角形の凹部の一配置実施例である。
【００５２】
図８は、従来品のスカート部と本発明によるスカート部の摩擦係数μ値を比較したグラフである。図９は、本発明によるスカート部の摩擦係数μ値を測定するための試験機の概略構成図である。
【００５３】
最初に、本発明による内燃機関のピストンの構成を説明する。図１において、ピストン１は、通常、３本のピストンリング（図示せず）に支えられてシリンダ内で往復運動が行われる。アルミニウム合金からなるピストン本体１０は、円筒状に形成され、スカート部１ａとランド部１ｂで構成されている。ランド部１ｂは頂面を有し、ピストンリングを保持する。そして、ピストン本体１０の内、スカート部１ａの外周面１１はスリーブ３（図４参照）にすべり接触する面積が最も多い部位である。
【００５４】
したがって、スカート部１ａの表面２１は、スカート部１ａの外周面１１を覆う面であってよく、シリンダ内壁とすべり接触する部位のことであってよい。なお、図中の矢印Ｘは、スカート部１ａの摺動方向を示している。
【００５５】
図１に示されるように、スカート部１ａの表面には、樹脂被膜層２が形成されている。スカート部１ａの表面は実質的に平滑であり、樹脂被膜層２で囲われた複数の凹部が樹脂被膜層２に規則的に配列されている。
【００５６】
図１において、スカート部１ａの外周面１１全域に亘り樹脂被膜層２を形成してもよく、シリンダとコンロッドを連結するためのピンが挿入されるピン穴の周囲を除外して、スカート部１ａの外周面１１に樹脂被膜層２を形成してもよい。通常、ピン穴の周囲はスカート部１ａの外周面１１が切り欠かれたサイドウォールになっているからである。又、必要に応じて、樹脂被膜層２の面積範囲及び部位を限定してもよい。
【００５７】
このように、ピストン１は、スカート部１ａの表面２１は実質的に平滑であり、スカート部１ａの表面２１に低摩擦抵抗及び高耐熱性の単一樹脂による樹脂被膜層を形成してよく、スカート部の表面２１に前記単一合成樹脂に固体潤滑剤を含む複合樹脂による樹脂被膜層を形成してもよい。そして、スカート部の固体接触領域の摩擦抵抗を低減できる。又、単一樹脂か複合樹脂は適宜、選択されてよい。
【００５８】
本発明によるピストン１は、樹脂被膜層２で囲われた複数の凹部（例えば、楕円形の凹部２ａ、図２参照）が当該樹脂被膜層２に規則性をもって配列されている。例えば、凹部２ａは、スカート部１ａの表面２１に所定の面積として表出し、実体としては樹脂被膜層２で囲われて、所定の容積をもつものと考えることができる（図３参照）。
【００５９】
そして、樹脂被膜層２で囲われた凹部が樹脂被膜層２の表面２１に表出する形状は、例えば、図５に示される円（円形の凹部２ｂ）であってよく、又は図４に示される楕円（楕円形の凹部２ａ）であってよい。又、凹部の形状は、正四角形でもよく、図６と図７（Ａ）に示される長方形（長方形の凹部２ｃ）であってよく、図７（Ｂ）に示される三角形（三角形の凹部２ｄ）であってもよく、その他の閉領域からなるいかなる形状をしていてもよい。
【００６０】
図２及び図５から図７は、凹部２ａ〜２ｄの適正配置を例示したものである。例えば、図２は、楕円の凹部２ａを矩形の格子状に配列している。又、図５（Ａ）は、円形の凹部２ｂを矩形の格子状に配列している。図５（Ｂ）は、円形の凹部２ｂを菱形の格子状に配列している。図６（Ａ）は、長方形の凹部２ｃを矩形の格子状に配列している。図６（Ｂ）は、長方形の凹部２ｃを菱形の格子状に配列している。
【００６１】
図７（Ａ）は、長方形の凹部２ｃを菱形の格子に沿った姿勢で配列している。図７（Ｂ）は、三角形の凹部２ｄを菱形の格子状に配列している。そして、円形又は矩形で形成される凹部を、スカート部１ａの摺動方向Ｘと摺動方向Ｘと直交する円周方向にそれぞれ等間隔で配置してもよく、スカート部１ａの摺動方向Ｘの間隔と、前記円周方向の間隔を異ならせて配置してもよい。
【００６２】
図４に示されるように、例えば、凹部２ａは、一定の容積をもっており、オイル保持機能が付与される。複数の凹部２ａは、いわゆるオイル溜めとして機能することができる。そして、この複数の凹部２ａをオイル溜めとして、スカート部１ａの複合潤滑領域の摩擦抵抗を低減することができる。更に、本発明は、従来のようにスカート部に機械的な表面処理を施すことなく、化学的なコーティング処理だけで複合潤滑領域の摩擦抵抗を低減できる。そして、スカート部トータルとして摩擦抵抗を低減できる。
【００６３】
更に、発明者らは、実験を重ねた結果、本発明を効果あるものとするために、凹部の大きさ、凹部間の距離、被膜厚などに諸条件があることを見出した。その第１は、凹部におけるスカート部の摺動方向の長さを「Ｓ」とし、凹部における摺動方向と直交する円周方向の長さを「Ｌ」としたときに、前記凹部は、「Ｓ」＝「Ｌ」又は「Ｓ」＜「Ｌ」の関係に設定することである。
【００６４】
本発明による凹部は、「Ｓ」＝「Ｌ」、又は、「Ｓ」＜「Ｌ」の関係に設定されることが有効であることを発明者らは確認した。「Ｓ」＞「Ｌ」の関係に凹部が設定されると、スカート部の摺動時に当該凹部に充分な油圧を確保できなくなり、スカート部の表面２１（摺動面）に油膜形成ができにくくなる（図４参照）。そして、複合潤滑領域での摩擦低減効果が発揮できにくくなる。
【００６５】
例えば、「Ｓ」＝「Ｌ」の関係からなる凹部の形状は円（図５参照）又は正四角形である。「Ｓ」＜「Ｌ」の関係からなる凹部の形状を楕円形状（図２参照）とした場合に、長円を形成する長軸をスカート部１ａの外周方向と平行に、前記長軸と直交する短円の短軸をスカート部１ａに摺動方向と平行に配置することにより、凹部に油圧が確保でき、スカート部の複合潤滑領域での摩擦低減効果が発揮できる。
【００６６】
その第２は、凹部におけるスカート部１ａの摺動方向の長さ「Ｓ」及び、凹部におけるスカート部１ａの円周方向の長さ「Ｌ」を５μｍから４ｍｍの範囲に設定することである。
【００６７】
例えば、凹部の形状を円（図５参照）とした場合に、円の凹部２ｂからなる直径が５μｍ以下の場合は、オイルＥ（図４参照）が有する粘性で当該微細凹部にはオイルＥが流入しにくくなり、凹部でのオイル保持機能が低下する。したがって、複合潤滑領域での摩擦低減効果が発揮できにくくなる。一方、非被膜円２ｂからなる直径が４ｍｍ以上の場合は、凹部２ｂからなる凹部に保持されるオイルＥ（図４参照）が面厚により流出し、被膜層の表面に油膜が形成されにくくなる。したがって、複合潤滑領域での摩擦低減効果が発揮できにくくなる。
【００６８】
その第３は、樹脂被膜層２は、５μｍから３０μｍの範囲の被膜厚ｈ（図３参照）に形成することである。樹脂被膜層２が、５μｍより薄い被膜厚ｈの場合は、例えば、凹部２ａ（図３参照）で形成される凹部の谷が浅く、凹部２ａでのオイル保持量及び保持能力が小さくなり、樹脂被膜層２の表面に油膜が形成されにくくなる。複合潤滑環領域での摩擦低減効果が発揮できにくくなる。
【００６９】
一方、樹脂被膜層２が、３０μｍより厚い被膜厚ｈ（図３参照）の場合は、例えば、凹部２ａで形成される凹部の谷が深く、凹部２ａに多量のオイルを必要とするため、オイルＥの潤滑状態が余り良好でないスカート部１ａの摺動環境では、摩擦低減効果が発揮できにくくなる。
【００７０】
その第４は、摺動方向Ｘと直交する円周方向に互いに隣接する凹部間の最短被膜距離を「ＰＬ」としたときに、最短被膜距離ＰＬは、０．５×Ｓ〜２×Ｓの範囲に設定されることである（図２参照）。最短被膜距離ＰＬが０．５×Ｓより短い場合は、コーティング壁となる樹脂被膜層２の強度が不足し、当該樹脂被膜層２に加えられるせん断力により、樹脂被膜層２が破壊されることが予測される。一方、最短被膜距離ＰＬが「２」×「Ｓ」より長い場合は、固体接触の確率が高くなり、スカート部トータルとしての摩擦抵抗の低減が促進されない。
【００７１】
その第５は、スカート部１ａの摺動方向Ｘに互いに隣接する凹部間の最短被膜距離を「ＰＳ」としたときに、最短被膜距離ＰＳは、０．５×Ｓ〜２×Ｓの範囲に設定される（図２参照）。最短被膜距離ＰＳが０．５×Ｓより短い場合は、コーティング壁となる樹脂被膜層２の強度が不足し、当該樹脂被膜層２に加えられるせん断力により、樹脂被膜層２が破壊されることが予測される。一方、最短被膜距離ＰＳが２×Ｓより長い場合は、固体接触の確率が高くなり、スカート部トータルとしての摩擦抵抗の低減が促進されない。
【００７２】
本発明に適用される被膜層のマトリックスとなる樹脂としては、ポリアミド樹脂（ＰＡ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ポリアミドイミド樹脂（ＰＡＩ）、ポリイミド樹脂（ＰＩ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、が例示できる。これらの樹脂は、低摩擦抵抗及び高耐熱性の物性を有しているので特に好ましい。又、上記の樹脂のから選択される２種以上の複合樹脂であってもよい。なお、「複合樹脂」とは、樹脂ブレンド、ポリマーアロイ、共重合体化等の手段を含むものである。
【００７３】
なお、前記被膜層は上記の樹脂の他、無機固体潤滑剤を含有してもよい。無機固体潤滑剤としては、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）や二硫化タングステン（ＷＳ２）などの遷移金属硫化物、グラファイト、六方晶ボロンナイトライド、合成マイカ、タルクなどのフィラーが挙げられる。これらは単独で用いてもよく、２種類以上を併用してもよい。
【００７４】
又、前記被膜層は上記の樹脂の他、有機固体潤滑剤を含有してもよい。有機固体潤滑剤としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、四弗化エチレンパーフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＦＡ）などのフッ素系樹脂からなるフィラーが挙げられる。これらは単独で用いてもよく、２種類以上を併用してもよい。
【００７５】
上記のうち、ＰＡＩを基材として、ＭｏＳ２とＰＴＦＥとを配合した被膜層は、低摩擦抵抗及び高耐熱性を有することから特に好ましい。
【実施例】
【００７６】
以下、実施例を説明する。本発明による被膜層の摩擦係数μ値を測定する試験機としては、「ＪＡＳＯ  Ｍ３４９−９５」に規定されている低速滑り摩擦試験装置（ＬＶＦＡ：Ｌｏｗ  Ｖｅｌｏｃｉｔｙ  Ｆｒｉｃｔｉｏｎ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ）を用いた。図９におけるＬＶＦＡの概略構成に示されるように、アルミニウム合金性のテストピースＢに後述する表１に示される数種の被膜Ｃを形成した。
【００７７】
これら被膜Ｃ付きテストピースＢを、６ｍ／ｓｅｃの周速度で回転させ、エンジンオイルＥを被膜Ｃに連続滴下し、プレートで被膜Ｃを一定の面圧Ｐで加圧して、摩擦係数μ値を測定した。その結果を表１に示す。なお、表１において、パターン仕様とは、本発明でいう凹部の形状、大きさ、間隔などを示している。
【００７８】
【表１】
2006161563.tif 000003
【００７９】
表１の実施例１〜４、７、８において、ＰＡＩ＝４０％、ＭｏＳ２＝３０％、ＰＴＦＥ＝３０％からなるポリアミドイミド複合樹脂を用いた。又、表１の実施例５、６、９において、フェノール樹脂からなる単一樹脂を用いた。
【００８０】
表１から、凹部における前述の設定条件が裏付けられている。例えば、実施例１と実施例２の比較、又は、実施例３と実施例４の比較から、凹部の長さ「Ｌ」及び「Ｓ」を５μｍから４ｍｍの範囲に設定する理由が裏付けられる。
【００８１】
又、図８は、表１の実施例１と、図９に示されたテストピースＢに被膜Ｃを設けない従来品に、面圧Ｐを「０．５」ＭＰａと「１．０」ＭＰａに変えて、その結果を示したグラフである。図８において、左方の模様のある棒グラフは実施例１の結果であり、右方の白抜きの棒グラフは、従来品の結果を示している。
【００８２】
図８に示されるように、本発明のピストンスカートは、「０．５」ＭＰａ程度の低面圧であっても、従来品と比較して低いμ値を示すことがわかる。又、本発明のピストンスカートは、「１．０」ＭＰａ程度の高面圧であっても、そのμ値を変えないことがわかる。
【００８３】
ピストンの摺動環境は、低面圧から高面圧に至る面圧変動を伴うため、特定の面圧のみでμ値が低いだけではなく、広範囲に亘る面圧条件下において、μ値が低いことが好ましい。本発明のピストンスカートは、低面圧下でμ値が低減されるのみならず、広範囲に亘る面圧条件下で、この低いμ値が維持される。したがって、本発明のピストンスカートを使用したエンジンは燃費を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明によるピストンの一実施形態を示す正面図であり、被膜層の一部を破断して描かれている。
【図２】前記実施形態によるスカート部表面の部分拡大図である。
【図３】前記実施形態によるスカート部の部分断面図である。
【図４】前記実施形態によるスカート部とスリーブの要部縦断面である。
【図５】前記実施形態による複数の凹部の平面配置図である。
【図６】前記実施形態による複数の凹部の平面配置図である。
【図７】前記実施形態による複数の凹部の平面配置図である。
【図８】従来品のスカート部と本発明によるスカート部の摩擦係数μ値を比較したグラフである。
【図９】本発明によるスカート部の摩擦係数μ値を測定するための試験機の概略構成図である。
【符号の説明】
【００８５】
１    ピストン
１ａ    スカート部
２    樹脂被膜層
２ａ〜２ｄ    凹部
２１  表面
【図１】
2006161563.tif 000004
【図２】
2006161563.tif 000005
【図３】
2006161563.tif 000006
【図４】
2006161563.tif 000007
【図５】
2006161563.tif 000008
【図６】
2006161563.tif 000009
【図７】
2006161563.tif 000010
【図８】
2006161563.tif 000011
【図９】
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