(57)【要約】【課題】  熱的性質がピストン本体部と異なる膜を燃焼室側の冠面に有する内燃機関のピストンであって、膜の厚さを測定することが容易な内燃機関のピストンを提供する。【解決手段】  ピストンは、ピストン本体部と膜を備える。膜は、膜本体部及び膜厚測定用凹部を有する。膜厚測定用凹部は、燃焼室に向かって開口しており、底部、開口縁部、及び底部と開口縁部との間の周壁部を有する。開口縁部及び周壁部の少なくとも一部は膜本体部からなる。底部は、少なくとも一部に膜本体部が存在しない膜厚測定用基準面を有する。【選択図】      図１
2019044735.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のピストンであって、
金属を含み、ピストンヘッド及びスカート部を有するピストン本体部であって、
前記ピストンヘッドは、前記ピストンヘッドのうち内燃機関の燃焼室側の面である冠面に凹状の膜保持部を有する、
ピストン本体部と、
前記膜保持部にあり、膜本体部及び膜厚測定用凹部を有する膜であって、
前記膜本体部は、熱的性質が前記ピストン本体部と異なり、
前記膜厚測定用凹部は、前記燃焼室に向かって開口しており、底部、開口縁部、及び前記底部と前記開口縁部との間の周壁部を有し、
前記開口縁部及び前記周壁部の少なくとも一部は前記膜本体部からなり、
前記底部は、少なくとも一部に前記膜本体部が存在しない膜厚測定用基準面を有する、
膜と
を有する内燃機関のピストン。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記膜厚測定用凹部の前記開口縁部は、全周が前記膜本体部からなる、内燃機関のピストン。
【請求項３】
請求項２に記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記膜本体部は焼結体である、内燃機関のピストン。
【請求項４】
請求項３に記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記膜本体部は、金属であるバインダーを含む、内燃機関のピストン。
【請求項５】
請求項１に記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記膜厚測定用凹部の前記開口縁部は、前記膜本体部からなる第１領域と、前記膜保持部からなる第２領域とを含む、内燃機関のピストン。
【請求項６】
請求項５に記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記膜本体部は焼結体である、内燃機関のピストン。
【請求項７】
請求項６に記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記膜本体部は、金属であるバインダーを含む、内燃機関のピストン。
【請求項８】
請求項１に記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記膜は、前記周壁部において、前記ピストン本体部が内燃機関のシリンダ内で移動する方向である軸方向における厚さが、前記軸方向に対し直交する方向において前記底部側から前記開口縁部側に向かうに従い徐々に増加する、内燃機関のピストン。
【請求項９】
請求項１に記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記膜厚測定用基準面は、前記膜保持部の表面が機械加工によって表面処理された面である、内燃機関のピストン。
【請求項１０】
請求項１に記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記膜の前記膜本体部及び前記膜厚測定用凹部を覆う第２の膜を有する、内燃機関のピストン。
【請求項１１】
請求項１に記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記膜厚測定用基準面は、前記ピストン本体部が内燃機関のシリンダ内で移動する方向である軸方向に対し直交する平面と平行である、内燃機関のピストン。
【請求項１２】
内燃機関のピストンの膜厚測定方法であって、
前記ピストンは、
金属を含み、ピストンヘッド及びスカート部を有するピストン本体部であって、
前記ピストンヘッドは、前記ピストンヘッドのうち内燃機関の燃焼室側の面である冠面に膜保持部を有する、
ピストン本体部と、
前記膜保持部にあり、膜本体部及び凹部を有する膜であって、
前記膜本体部は、前記ピストン本体部よりも熱伝導率が低く、
前記凹部は、前記燃焼室に向かって開口しており、底部、開口縁部、及び前記底部と前記開口縁部との間の周壁部を有し、
前記開口縁部及び前記周壁部の少なくとも一部は前記膜本体部からなり、
前記底部は、少なくとも一部に前記膜本体部が存在しない基準面を有する、
膜と
を有するピストンであって、
前記基準面の位置を測定する第１工程と、
前記膜本体部のうち前記燃焼室側の面である表面の位置を測定する第２工程と、
前記第１工程と前記第２工程の測定結果に基づき、前記膜の厚さを演算する第３工程と
を有する、内燃機関のピストンの膜厚測定方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の内燃機関のピストンの膜厚測定方法において、
前記第１工程は、接触子を前記基準面に接触させる工程を含み、
前記第２工程は、前記接触子を前記膜本体部の前記表面に接触させる工程を含む、
内燃機関のピストンの膜厚測定方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の内燃機関のピストンの膜厚測定方法において、
前記第１工程は、膜厚測定用のレーザー光、超音波、又は磁気を前記基準面に照射する工程を含み、
前記第２工程は、前記膜厚測定用のレーザー光、超音波、又は磁気を前記膜本体部の前記表面に照射する工程を含む、
内燃機関のピストンの膜厚測定方法。
【請求項１５】
請求項１２に記載の膜厚測定方法を適用可能な内燃機関のピストンの製造方法であって、
前記膜本体部を焼結により形成する膜形成工程を含む、内燃機関のピストンの製造方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
前記膜形成工程は、金属粉末を材料として前記膜本体部を形成するとき、前記凹部を形成する、内燃機関のピストンの製造方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の内燃機関のピストンの製造方法において、
前記膜形成工程は、前記金属粉末に電極を当接させ、通電することで、前記膜本体部の焼結体を形成する、内燃機関の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、内燃機関のピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱的性質がピストン本体部と異なる膜を燃焼室側の冠面に有する内燃機関のピストンが知られている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−２２２０６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のピストンでは、膜の厚さを測定することが容易でなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一実施形態に係る内燃機関のピストンは、好ましくは、膜が膜本体部及び膜厚測定用凹部を有する。膜厚測定用凹部は、燃焼室に向かって開口しており、底部、開口縁部、及び底部と開口縁部との間の周壁部を有する。開口縁部及び周壁部の少なくとも一部は膜本体部からなる。底部は、少なくとも一部に膜本体部が存在しない膜厚測定用基準面を有する。
【発明の効果】
【０００６】
膜厚測定用基準面を用いて膜の厚さを容易に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第1実施形態のピストンを冠面の側から見た斜視図である。
【図２】第1実施形態のピストンを、ピストンの軸線（及び膜厚測定用凹部の軸）を含む平面で切った断面を示す。
【図３】第1実施形態の膜厚測定用凹部を含む膜の部分の断面を模式的に示す。
【図４】第1実施形態の鋳造工程で形成されたピストン本体部の原型の、図1と同様の斜視図である。
【図５】図4のピストン本体部の原型の、図2と同様の断面図である。
【図６】第1実施形態の焼結体形成工程で焼結材料が設置されたピストンの原型の、図1と同様の斜視図である。
【図７】図6のピストンの原型の、図2と同様の断面図である。
【図８】第1実施形態の焼結工程を、ピストンの原型の断面を用いて模式的に示す。
【図９】第1実施形態の焼結工程で形成されたピストンの原型の、図1と同様の斜視図である。
【図１０】図9のピストンの原型の、図2と同様の断面図である。
【図１１】第3実施形態のピストンの、図1と同様の斜視図である。
【図１２】第3実施形態のピストンの、図2と同様の断面図である。
【図１３】第4実施形態のピストンの、図1と同様の斜視図である。
【図１４】第4実施形態のピストンの、図2と同様の断面図である。
【図１５】第5実施形態の、図3と同様の断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
【０００９】
［第1実施形態］
まず、構成を説明する。本実施形態のピストン1は、内燃機関（エンジン）のシリンダの内部に、往復移動可能に収容される。エンジンは、4ストローク・ガソリンエンジンである。図1及び図2に示すように、ピストン1は、ピストン本体部2及び膜3を有する。ピストン本体部2は、アルミニウム合金（例えばAl-Si系のAC8A）を材料（素材）として各部が一体に形成されている。なお、ピストン本体部2の主材料は鉄等でもよい。ピストン1（ピストン本体部2）は、有底筒状であり、ピストンヘッド4と、ピストンピンボス部（エプロン部）5と、スカート部（ピストンスカート）6とを有する。ピストン本体部2は、軽量化等のため、アルミニウム合金を材料（素材）として形成される。以下、ピストン1がシリンダの内部で移動する方向を軸方向という。軸方向でピストンピンボス部5やスカート部6に対しピストンヘッド4の側を一方側といい、その反対側を他方側という。
【００１０】
ピストンヘッド4は、冠部40とランド部41を有する。冠部40は、ピストンヘッド4の軸方向一方側にあり、冠面（頂面）400を有する。冠面400は、冠部40の軸方向一方側にあり、軸方向に対し直交して広がる平面状であって、軸方向一方側からみて略円形の輪郭を有する。冠面400の中心を通り軸方向に延びる直線を、以下、ピストン1の軸線10という。冠面400は、シリンダヘッドとの間に、燃焼室を画する。冠面400は、ピストンヘッド4のうち燃焼室側（燃焼室に臨む側）の面であり、燃焼室の内部の燃焼ガスに直接暴露される。冠部40には凹部401がある。凹部401は、冠部40の軸方向一方側に開口する有底円筒状（底面が平面である浅皿状）であり、底部402、開口縁部、及び周壁部403を有する。底部402は、軸方向に対し直交して広がる（軸線10に対し直交する平面と実質的に平行な）平面状であり、軸方向一方側からみて略円形の輪郭を有する。周壁部403は、底部402と開口縁部との間を軸方向に延びる。凹部401は、冠部40の略中央にある。凹部401の軸線はピストン1の軸線10と実質的に（製造誤差の範囲内で）一致する。
【００１１】
ランド部41は冠部40の外周側から軸方向他方側に延びる。ランド部41の外周には、環状のピストンリング溝410が3つある。各溝410にはピストンリングが設置される。ランド部41の内部には、環状の通路411がある。通路411は、ピストン1の周方向に延び、軸方向から見て凹部401の外周側に重なる。通路411は、軸方向で（軸線10と直交する方向から見て）、各溝410が形成された領域の少なくとも一部と重なる。通路411には、例えばオイルジェットから噴射されたオイルが流通する。このオイルの流通によりピストンヘッド4（ランド部41）が冷却されうる。
【００１２】
ピストンピンボス部5及びスカート部6は、ピストンヘッド4（ランド部41）から軸方向他方側に延び、ピストンヘッド4に対し燃焼室の反対側にある。スカート部6及びピストンピンボス部5の内周側は中空である。ピストンピンボス部5は、ピストン1の軸線10に対する径方向の両側に一対ある。各ピストンピンボス部5はピンボス50を有する。各ピンボス50はピストンピン孔51を有する。ピストンピン孔51は、ピンボス50を貫通してピストン1の上記径方向に延びる。各ピストンピン孔51にはピストンピンの端部が挿入され嵌まる。ピストン1は、ピストンピンを介してコンロッドの小端部に連結される。コンロッドの大端部はクランクシャフトに連結される。スカート部6は、ピストン1の上記径方向両側に一対ある。スカート部6は、軸線10の周り方向（周方向）で両ピストンピンボス部5,5に挟まれる。スカート部6の周方向両側はピストンピンボス部5に接続する。スカート部6はシリンダの内壁に対し摺動する。
【００１３】
膜3は、燃焼室からピストン本体部2への熱伝導性を低下させるための構造体である。膜3は凹部401に収容される。凹部401は膜保持部として機能する。膜3の軸方向一方側は冠面400の一部として燃焼室に面する。膜3の軸方向他方側は凹部401の底部402に接する。膜3の外周は凹部401の周壁部403に接する。膜3の厚さ（凹部401の深さ）は例えば0.1〜0.2mmである。膜3は、膜本体部30及び凹部（膜厚測定用凹部）31を有する。
【００１４】
図3に示すように、膜本体部30は、バインダー300及び中空粒子301を含む。バインダー300は金属であり、アルミニウムを含む。アルミニウムは、純アルミニウムでもアルミニウム合金でもよい。中空粒子301は、ピストン本体部2の金属よりも熱伝導率が低い材料（低熱伝導性材料）である。中空粒子301は、金属又はセラミックスから形成された球状の外殻を有しており、その最大外形寸法は例えば数十μmである。外殻の内部に空隙がある。外殻の材料となる金属として、例えばチタン、チタン合金、ステンレス鋼等を用いることができる。外殻の材料となるセラミックスとして、例えばアルミナ、シリカ、アルミナとシリカの複合材等を用いることができる。中空粒子301は膜本体部30の内部に複数分散している。なお、平均粒径等の異なる2種以上の中空粒子を用いてもよい。膜本体部30は焼結体である。膜本体部30の内部には、バインダー300同士の間、又はバインダー300と中空粒子301との間に、焼結による複数の空隙302がある。
【００１５】
凹部31は、有底円筒状（底面が平面である浅皿状）であり、燃焼室に向かって開口する。凹部31は、底部310、開口縁部311、及び周壁部312を有する。底部310は、軸方向に対し直交して広がる（軸線10に対し直交する平面と実質的に平行な）平面状であり、軸方向一方側からみて略円形の輪郭を有する。底部310は、凹部401の底部402の一部である。底部310には膜本体部30が存在せず（接せず）、膜本体部30が底部310を覆わない。凹部401の底部402の一部が、底部310として、燃焼室側に露出する。開口縁部311は、軸方向一方側からみて略円形の輪郭を有する。開口縁部311の全部（全周）は、膜本体部30からなる。周壁部312は、底部310と開口縁部311との間の壁部であり、軸方向に延びる円筒状の内周面を有する。周壁部312の全部（全周）は、膜本体部30からなる。ピストン1の径方向で、凹部31は、膜本体部30（凹部401）の中央から若干ずれた位置にあり、凹部31の軸線は軸線10に対しずれている。凹部31の周壁部312の一部が軸線10と重なる。
【００１６】
以下、図4〜10を用いてピストン1の製造工程について説明する。製造工程は、鋳造工程、第1機械加工工程、焼結体形成工程、熱処理工程、第2機械加工工程、及び膜厚測定工程を含む。
【００１７】
鋳造工程で、ピストン本体部2の原型（中間加工材）を鋳造する。具体的には、母材金属としてのアルミニウム合金の溶湯を金型に流し込み、凝固させる。このとき、ピストン本体部2の内周や通路411の一部が形成される。
【００１８】
第1機械加工工程で、図4及び図5に示すようなピストン本体部2の原型2Aを、旋盤等を用いて機械加工により形成する。原型2Aは、凹部401の原型401Aを有する。機械加工によって、表面粗さ、例えば算術平均粗さRaの値が小さくなるように、原型401Aの底部402を仕上げる（底面を表面処理する）。なお、鋳造工程で凹部401の原型401Aを形成し、第1機械加工工程で原型401Aの底部402を仕上げ加工してもよい。
【００１９】
焼結体形成工程で、図9及び図10に示すようなピストン1の原型1Bを形成する。原型1Bは、凹部401の原型401Aの内部に、焼結体として形成された膜3の原型3Bを有する。焼結体形成工程は、材料準備工程と、材料設置工程と、焼結工程とを含む。
【００２０】
材料準備工程で、焼結体としての膜3を形成するための材料（以下、形成材料303という。）を準備する。形成材料303は、バインダー300としての金属粉末（アルミニウム粉）と中空粒子301とが所定の（重量又は体積）比率で混ぜ合わされたものである。
【００２１】
材料設置工程で、図6及び図7に示すように、形成材料303を、ピストン本体部2の原型2Aにおける凹部401の原型401Aに充填する。具体的には、原型401Aの上端部（開口縁部）まで形成材料を入れる。なお、原型401Aのどの位置まで形成材料303を入れるかは任意である。また、原型401Aに金属粉末と中空粒子301とを別々に入れた後、原型401Aの内部でこれらを混ぜ合わせてもよい。
【００２２】
焼結工程で、充填された形成材料303（具体的にはそのうちのアルミニウム粉）を焼結する。本実施形態では、放電プラズマ焼結法を利用し、機械的な加圧とパルス通電加熱とによって焼結を行う。準備工程として、図8に示すように、ピストン本体部2の原型2Aの軸方向両側に炭素電極81,82をそれぞれ配置する。軸方向一方側の電極81は突出部810を有する。突出部810は、電極81の端面の一部から軸方向に突出する円柱状である。形成材料303の内部であって膜3の凹部31となることが予定されている位置に、円柱状の絶縁体83を、軸方向に延びるように設置する。絶縁体83の軸方向一方側の端面は突出部810の端面に対向し、絶縁体83の軸方向他方側の端面は凹部401の原型401Aの底部402に接する。この状態で、形成材料303に電極81の端面を接触させ、ピストン本体部2の原型2Aの軸方向他方側に電極82を接触させる。そして、形成材料303を加圧しつつ、電源80からパルス電圧（電流）を印加する。通電による各アルミニウム粉の発熱や粒子間に発生する放電プラズマエネルギー等により、形成材料が焼結される。図9及び図10に示すように、当初の形成材料303よりも体積が減少した焼結体としての膜3の原型3Bが、凹部401の原型401Aの内部に形成される。
【００２３】
原型3Bにおいて、絶縁体83及び突出部810が取り除かれた後の空隙が、膜3の凹部31の原型31Bとなる。凹部401の原型401Aにおける底部402の一部が、凹部31の底部310として露出する。このように、形成材料303を用いて膜本体部30の原型が焼結により形成されるとき、同時に（共通する工程で）、凹部31の原型31Bが形成されるため、製造工程の簡素化を図ることができる。電極81や絶縁体83の形状を凹部31に対応させることで、容易に凹部31（原型31B）を形成することができる。なお、突出部810は導電体（電極）でなく絶縁体であってもよい。また、絶縁体83の代わりに、突出部810が進入可能な（導電性又は絶縁性の）円筒部材を軸方向に延びるように設置し、円筒部材の内周側であって原型401Aの底部402と突出部810の端面との間の空隙を絶縁体として機能させてもよい。この場合、円筒部材が取り除かれた後の空隙が、凹部31の原型31Bとなる。
【００２４】
熱処理工程で、ピストン1の原型1Bに熱処理を施す。これにより、原型1B（ピストン本体部2の原型2A）の性質を改善して適当な強度・硬さに調整する。なお、熱処理工程を、焼結体形成工程の前に行ってもよいし、第2機械加工工程の後に行ってもよい。
【００２５】
第2機械加工工程で、熱処理されたピストン1の原型1Bを旋盤等により機械加工し、図1及び図2に示すようなピストン1を形成する。ピストンヘッド4の軸方向一方側（燃焼室に臨む側）を切削加工し、冠面400を形成する。ピストンヘッド4の軸方向一方側の表面の全部は、機械加工される。ピストンヘッド4の（径方向外側の）一部と共に膜3の原型3Bの（表面側の）一部を切削加工することで、膜3を形成しつつ、膜3を含む冠面400を平面状に仕上げる。絶縁体83等が取り除かれた後の上記空隙（原型31B）の一部が残ることで、膜3に凹部31が形成される。その他、ピストンピン孔51やピストンリング溝410を加工するとともに、ピストンヘッド4やスカート部6の外周等、ピストン本体部2の外径を仕上げる。
【００２６】
以上のように、焼結体形成工程と第2機械加工工程は、膜3を形成するための膜形成工程として機能する。なお、形成された膜3の軸方向一方側の表面に陽極酸化処理を施してもよい。この場合、膜本体部30の強度が向上すると共に、バインダー300が酸化することで膜本体部30の熱伝導率が低下する。多孔質の陽極酸化皮膜が形成されるため、膜本体部30の熱伝導率が更に低下する。なお、陽極酸化皮膜の表面に封孔処理を施すことが好ましい。
【００２７】
膜厚測定工程は、形成された膜3（膜本体部30）の厚さを測定する。本実施形態の測定方法は接触式であり、膜厚測定機器として、例えば接触式表面粗さ計を用いる。図3において、一点鎖線の矢印で、表面粗さ計の触針（接触子）9の移動を示す。横方向に（軸線10に直交する平面に沿って）凹部31を経由して移動させた接触子9の上下方向（軸方向）の運動を電気的に検出し、その電気信号を処理することで、膜3の厚さを測定可能である。膜厚測定工程は、第1工程、第2工程、及び第3工程に分けて考えることができる。第1工程は、接触子9を、膜3の凹部31における底部310の表面に接触させる。これは、底部310の表面の位置を測定することに相当する。第2工程は、膜本体部30の軸方向一方側（燃焼室側）の表面に接触子9を接触させる。これは、膜本体部30の上記表面の位置を測定することに相当する。第3工程は、第1工程及び第2工程で検出された電気信号に基づき、接触子9の上下方向の変位量を算出する。これは、第1工程と第2工程の測定結果に基づき膜3の厚さを演算することに相当する。その後、測定された膜厚が所定の上限値と下限値との間（所定の範囲内）であるか否かを判定し、所定範囲内であれば合格とする。なお、第1工程と第2工程の先後は逆でもよい。実際に、第2工程の測定結果から第1工程の測定結果を減ずることで膜3の厚さを演算する処理を行ってもよい。
【００２８】
このように、凹部31は、膜厚測定用の凹部として機能する。底部310の表面は、膜厚測定用の基準面として機能する。なお、膜厚測定工程を、ピストン1の製造工程に限らず、ピストン1の使用後の検査工程等において実行してもよい。
【００２９】
次に、作用効果を説明する。膜3は、熱的性質がピストン本体部2と異なる機能層であり、燃焼室とピストン本体部2との間にあって、低熱伝導皮膜（断熱層）として機能する。よって、エンジンの熱効率や排ガス特性の向上を図ることができる。すなわち、膜本体部30は、その素材の熱的性質によるほか、中空粒子301の内部の空隙及び空隙302によって、ピストン本体部2よりも熱伝導率が低い。よって、燃焼室の内部のガスからピストンヘッド4（ピストン本体部2）への熱伝達が低下するため、その分、ガスの燃焼効率が向上する。また、膜3により冠面400が高温状態に維持されるため、冠面400に付着した燃料が速やかに気化・燃焼する。なお、膜3は、ピストン本体部2よりも（単位体積当りの）熱容量が低くてもよい。この場合、燃焼室内のガス温度に対する冠面400の温度の追従性が向上するため、燃料の異常燃焼（ノッキング）を抑制できる。また、膜3は、冠面400の一部に局在してもよい。これにより冠面400の温度の過度な上昇を抑制し、断熱性の向上とノッキングの抑制とを両立させることができる。例えば、ピストン1が筒内直噴式のエンジンに適用される場合、膜3は、冠面400における燃料の噴射領域に対応した箇所（燃料が衝突・爆発し、温度や圧力が最も高くなる部位及びその周辺）に局在してもよい。
【００３０】
膜本体部30における低熱伝導性材料は、中空粒子301以外の材料であってもよい。本実施形態では、膜本体部30が中空粒子301を含むため、膜本体部30における空隙率が増加し、熱伝導率が一層低くなる。なお、中空粒子301（外殻）の材料として、ピストン本体部2よりも熱伝導率が低い材料を用いることが好ましい。中空粒子301の形状は球状に限らず柱状（カーボンナノチューブ等）でもよい。
【００３１】
膜本体部30は、バインダー300を含む。よって、膜本体部30が中空粒子301を含む場合でも、バインダー300により、膜本体部30の内部における結合の強度（硬さ）が向上し、その欠けや崩れが抑制される。また、膜3とピストン本体部2との接合の強度が向上し、膜3をピストン本体部2に保持する力が向上する。バインダー300は金属である。よって、中空粒子301によって比較的大きな空隙が内部に形成されても、膜本体部30の強度を向上できる。バインダー300の金属はアルミニウムに限らず、チタン合金やマグネシウム等でもよいが、熱伝導率がピストン本体部2の素材（母材金属）と同等又はそれより低い金属（低熱伝導性材料）であることが好ましい。また、耐熱性や耐久性が高い金属であることが好ましい。本実施形態では、バインダー300はアルミニウムを含む。よって、アルミニウム合金を含むピストン本体部2と膜本体部30との接合力を向上できる。
【００３２】
膜本体部30は、焼結により形成される焼結体である。焼結体は、鋳造によるピストン本体部2よりも、微少な空隙302を多く含む。このため、膜3の熱伝導率をピストン本体部2よりも効率的に低くすることができる。また、焼結によれば、膜本体部30が比較的厚くても、膜本体部30を効率的に形成できる。言い換えると、膜3を厚くすることが容易である。なお、焼結体形成工程後に第2機械加工工程を行う。すなわち、冠面400を切削加工により形成する前に、膜3の原型3Bを形成する。よって、焼結体形成工程において、冠面400の形状による制約が少ないため、原型3Bを形成する作業が容易となる。言い換えると、冠面400を複雑な形状とした場合でも、この冠面400に膜3を容易に形成できる。
【００３３】
ピストンヘッド4は、冠面400に凹部401を有する。凹部401は、膜3の外周を周壁部403によって囲み、膜3の保持部として機能する。よって、ピストン本体部2からの膜3の脱落を抑制できる。また、焼結工程で、放電プラズマ焼結法を利用する場合でも、凹部401に形成材料303を保持しつつこれに圧力を加えて通電できるため、有利である。なお、焼結工程で、通電によらない加圧や加熱によって焼結を行ってもよい。また、形成材料303を加圧して円板状に成型したプリフォームを用意し、これを凹部401に設置して焼結を行ってもよい。この場合、膜3の凹部31の原型をあらかじめプリフォームに形成しておくことができる。また、摩擦撹拌溶接（接合）の原理を利用して焼結を行ってもよい。この場合、回転する工具により形成材料303を押圧することで、形成材料303が混ぜられると共に摩擦熱により加熱され、焼結体が形成される。この場合でも、ピストンヘッド4に凹部401があれば、凹部401に形成材料303を保持しつつこれに圧力を加えて撹拌できるため、有利である。また、この場合、膜3の凹部31の型となる部材を設置したり、凹部401の内部や凹部401に隣接する位置に形成材料303が設置されない（摩擦撹拌によっても焼結体が形成されない）空間を設けたりすることで、膜3の凹部31を形成可能である。
【００３４】
膜3が薄すぎると、上記熱伝達を十分に低下させることができない。一方、膜3が厚すぎると、膜3により冠面400が高温になりすぎてノッキングが発生するおそれがある。よって、膜3の厚さは、上記熱伝達の低下機能を十分に発揮可能でありかつノッキングの発生を抑制可能な所定範囲内に管理されることが望ましい。管理の必要性は、ピストン1の製造に際してだけでなく、製造後の使用に際しても言える。これに対し、膜3は凹部31を有する。よって、ピストン1の製造時や使用後に、上記膜厚測定工程を実行することで膜厚の測定を容易に行うことができ、その測定結果に基づき膜厚を上記所定範囲内に管理できる。凹部31の底部310の表面には、膜本体部30が存在せず、ピストン本体部2（凹部401の底部402）の表面が露出する。よって、この底部310の表面を基準面とすることにより、膜3（膜本体部30）の厚さを測定することができる。なお、底部310の表面の少なくとも一部に膜本体部30が存在していなければよく、底部310の表面に膜本体部30が部分的に存在する領域があってもよい。
【００３５】
膜3は凹部401により保持され、膜3の外周は周壁部403によって囲まれる。よって、膜3が凹部31を有しなければ、膜3の厚さを測定することは困難である。これに対し、膜3の一部に凹部31があるため、膜3が凹部401により保持される場合でも、膜厚を容易に測定することができる。
【００３６】
具体的には、膜厚測定工程は、膜3の凹部31における底部310の表面の位置を測定する第1工程と、膜本体部30のうち燃焼室側の面である表面の位置を測定する第2工程と、第1工程及び第2工程の測定結果に基づき、膜3（膜本体部30）の厚さを演算する第3工程とを有する。よって、底部310の表面から膜本体部30の表面（燃焼室に対向する面）までの距離（底部310の表面と膜本体部30の表面との間の段差の高さ）を測定することにより、膜3（膜本体部30）の厚さを測定することができる。なお、膜厚の測定は、実際の膜厚の数値を測定するものに限らず、膜厚が所定の範囲内にあるか否かを直接判断するものであってもよい。
【００３７】
膜3の凹部31における底部310の表面は、冠部40の凹部401における底部402の表面の一部である。底部402の表面は、第1機械加工工程において表面粗さが小さくなるように処理される。よって、膜厚測定の基準面としての底部310の表面も、表面粗さが小さくなるため、膜厚の測定精度を向上させることができる。なお、ピストン本体部2を鋳造する場合には、ピストン本体部2の原型2Aにおける底部402の表面が最初は鋳肌となる。この表面（鋳肌）が上記のように表面粗さが小さくなるように機械加工されることで、底部402（凹部401）と膜本体部30との密着性が向上するため、凹部401による膜3の保持性を向上させることができる。
【００３８】
膜3の凹部31における底部310の表面は、軸方向（軸線10）に対し直交する平面と平行である。よって、底部310の表面からの軸方向における寸法を測定すれば、膜3の厚さを測定できるため、膜厚測定機器へのピストン1の設置や膜厚測定等が容易となる。なお、底部310の表面が「軸方向に対し直交する面と平行である」とは、厳密に平行であることを意味しておらず、底部310の表面の加工誤差が許容されることや、膜厚測定機器へのピストン1の設置位置の正確さが保証されるものでないことは、言うまでもない。
【００３９】
膜3の凹部31の開口縁部311は、全周が膜本体部30からなる。よって、開口縁部311のうち、膜厚測定に適した箇所を適宜選択することができるため、測定精度の向上が可能である。例えば、開口縁部311の周りの複数箇所で膜厚を測定し、その平均値を最終的な膜厚の測定値としてもよい。
【００４０】
本実施形態の膜厚測定方法は接触式であり、膜厚測定機器の接触子9を底部310の表面に接触させる工程と、接触子9を膜本体部30の表面に接触させる工程とを含む。よって、非接触式の測定方法に比べ、測定対象の表面粗さの影響を受け難い。すなわち、接触子9の先端部（端子）が当接する表面に微少な凹凸が存在している場合であっても、それが測定結果に影響を与えにくいため、安定した測定結果を得ることができる。なお、膜厚測定機器として、表面粗さ計に限らず、例えば接触式の変位計（変位センサ）を用いてもよい。
【００４１】
[第2実施形態]
本実施形態における膜3の厚さ（膜厚）の測定方法は非接触式であり、膜厚測定機器として、例えばレーザー変位計（変位センサ）を用いる。図3において、一点鎖線の矢印で、レーザー光の照射位置の移動を示す。横方向に凹部31を経由して移動させたレーザー光の反射を受光部で検出し、その信号を処理することで、膜厚を測定可能である。第1実施形態と同様、膜厚測定工程は、第1工程、第2工程、及び第3工程に分けて考えることができる。第1工程は、レーザー光を底部310の表面に照射する。反射光を検出することで、上記表面までの距離を測定する。これは、底部310の表面の位置を測定することに相当する。第2工程は、レーザー光を膜本体部30の軸方向一方側の表面に照射する。反射光を検出することで、上記表面までの距離を測定する。これは、膜本体部30の上記表面の位置を測定することに相当する。第3工程は、第1工程の測定結果（距離）から第2工程の測定結果（距離）を減ずることで、膜3（膜本体部30）の厚さを演算する。なお、第1工程と第2工程の先後は逆でもよい。その他の構成は第1実施形態と同じである。
【００４２】
次に、作用効果を説明する。本実施形態の膜厚測定方法は非接触式であり、膜厚測定用のレーザー光を底部310の表面に照射する工程と、レーザー光を膜本体部30の表面に照射する工程とを含む。よって、接触式の測定方法に比べ、接触子が膜本体部30に接触しないため、接触子の接触に伴う膜3の損傷を抑制することができる。また、接触式の測定方法における接触子の端子の径よりも、レーザー光のスポットの径を小さくすることは容易である。このため、膜3における凹部31の形成範囲（膜本体部30が存在しない範囲）を小さくすることができる。よって、膜本体部30が存在しない部分による膜3の機能への影響を抑制することができる。なお、測定に用いられる光はレーザー光に限らない。底部310の表面に照射する測定用の媒体として、光に限らず、超音波や磁気を用いる非接触式の変位計により、膜厚の測定を行ってもよい。また、変位計に限らず、非接触式の測長センサを用いて膜厚の測定を行ってもよい。また、膜3において凹部31と膜本体部30とを跨ぐ部位の断面形状（の画像等）をレーザー光やX線の照射等により取得し、この断面形状における段差の大きさから膜厚を求めてもよい。その他、第1実施形態と同様の構成により、第1実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００４３】
[第3実施形態]
図11及び図12に示すように、膜3の凹部31は、ピストン1の径方向で、膜本体部30（凹部401）の中央から最も離れた位置（外周縁）にある。凹部31の開口縁部311の一部（軸線10から最も離れた部分）及び周壁部312の一部（軸線10から最も離れた部分）が、ピストン本体部2（ピストンヘッド4）における凹部401の開口縁部及び周壁部403とそれぞれ重なり、一致する。凹部31の開口縁部311の他の部分及び周壁部312の他の部分は、膜本体部30からなる。その他の構成は第1実施形態と同じである。
【００４４】
次に、作用効果を説明する。一般に、燃焼室における燃焼（爆発）は、ピストン1の軸線10の近傍から開始する。このため、冠面400の中央部又はその近傍において、膜3により、燃焼室とピストン本体部2との間の断熱性を高めることが効果的である。一方、膜3において、凹部31には膜本体部30が存在しないことから、凹部31においては膜3の断熱機能が発揮されない。これに対し、本実施形態では、凹部31の開口縁部311及び周壁部312は、膜本体部30からなる領域（第1領域）と、ピストンヘッド4の凹部401からなる領域（第2領域）とを含む。すなわち、凹部31が、ピストンヘッド4の凹部401に接する位置、言い換えると膜3の外周縁にある。よって、凹部31が冠面400の中央部又はその近傍に位置することを容易に回避できるため、膜本体部30が存在しない部分による膜の機能への影響を抑制できる。なお、ピストン1が筒内直噴式のエンジンに適用される場合、冠面400における燃料の噴射領域に対応した箇所を避けるように凹部31を配置すれば、膜3の機能の低下をより確実に抑制できる。その他、第1実施形態と同様の構成により、第1実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００４５】
[第4実施形態]
図13及び図14に示すように、冠部40には第1実施形態の凹部401がない。膜3の軸方向他方側は冠部40の軸方向一方側の表面に接する。膜3の外周はピストンヘッド4の外周の一部を構成する。膜3の凹部31における底部310の表面は、冠部40の軸方向一方側の表面である。凹部31は、膜本体部30の略中央にある。凹部31の軸線はピストン1の軸線10と実質的に一致する。凹部31の周壁部312は、軸線10に対し傾いている。凹部31の径は、底部310の側（軸方向他方側）から開口縁部311の側（軸方向一方側）に向かうに従い、徐々に増加する（大径となる）。周壁部312における膜3の厚さ（軸方向寸法）は、軸方向（軸線10）に対して直交する方向（ピストン１の径方向）において底部310の側（軸線10の側）から開口縁部311の側（ピストン１の径方向外側）に向かうに従い、徐々に増加する。その他の構成は第1実施形態と同じである。
【００４６】
次に、作用効果を説明する。凹部31の周壁部312が軸線10に沿って（軸方向に）延びる形状である場合、周壁部312の内周面と膜本体部30の軸方向一方側の表面とがなす角度が直角に近くなる。よって、開口縁部313の付近において膜3が破損しやすくなる。これに対し、本実施形態では、周壁部312における膜3の厚さ（軸方向寸法）が、底部310の側から開口縁部311の側に向かうに従い、徐々に増加する。このように周壁部312が傾斜する形状であるため、周壁部312の内周面と膜本体部30の軸方向一方側の表面とがなす角度が直角より大きくなる。よって、開口縁部313の付近における膜3の破損を抑制できる。また、膜3を焼結により形成し、焼結時に膜3の凹部31を型により形成する場合、型となる部材（第1実施形態の絶縁体83等）を抜く際、周壁部312の内周面が上記のように傾斜する形状であるため、この傾斜面が上記型となる部材の抜き勾配となり、周壁部312との干渉を抑制することができる。同様に、放電プラズマ焼結法を用いて膜3を形成する場合、周壁部312の傾斜面が電極81の突出部810の抜き勾配となり、周壁部312と突出部810との干渉を抑制することができる。その他、第1実施形態と同様の構成により、第1実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００４７】
[第5実施形態] 
図15に示すように、膜3の軸方向一方側の表面には、膜3（膜本体部30及び凹部31）を覆う第2の膜32がある。膜32は、膜本体部30を覆うほか、凹部31の底部310、開口縁部311、及び周壁部312を覆う。膜3（膜本体部30）は焼結体であり多孔質であるため、膜3の表面には多数の空孔が開口する（膜3の表面に陽極酸化処理を施した場合も同様）。膜32は、これらの空孔の開口を塞ぐ。膜32は、例えば、第2機械加工工程後、封孔処理剤を用いて膜3にメッキを施すことにより形成される（膜3の表面に陽極酸化処理を施した場合は加圧水蒸気等による封孔処理により形成される）。封孔処理剤は、例えば、耐熱性に優れるシリカを含む。膜厚測定工程は、上記封孔処理の工程前に行われ、膜32が形成される前に、膜3の厚さを測定する。その他の構成は第1実施形態と同じである。
【００４８】
次に、作用効果を説明する。膜3の表面に開口する空孔に未燃ガスや燃料が浸入すると、膜3の機能（断熱性）やエンジンの排ガス性能が低下するおそれがある。これに対し、膜3を覆う第2の膜32によりこの空孔が封止されることで、膜3の機能や排ガス性能の改善を図ることができる。
【００４９】
ここで、膜本体部30だけでなく凹部31を膜32が覆う場合、膜32の厚さが均一であれば、膜3の厚さの測定を、膜32が形成される前に行っても後に行っても、その測定結果は変わらない。しかし、膜本体部30を覆う膜32の厚さと、凹部31を覆う膜32の厚さとが異なる（例えば凹部31の側で膜32が厚くなる）場合がある。このように膜32の厚さが均一でない状態で膜3の厚さを測定すると、測定精度が低下するおそれがある。これに対し、膜厚測定工程は、膜32が形成される前に、膜3の厚さを測定する。これにより、膜3の厚さの測定精度が低下することを抑制できる。
【００５０】
なお、膜本体部30のいずれかの部位において、膜32の形成の前後で、膜厚を測定してもよい。これらの測定結果の差により、膜32の厚さを測定することができる。膜32の厚さの測定結果に基づき、膜32の厚さを所定範囲内に管理することで、膜3や膜32のそれぞれの機能を適切に発揮させることができる。その他、第1実施形態と同様の構成により、第1実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００５１】
［他の実施形態］
以上、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明したが、本発明の具体的な構成は、実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。例えば、エンジンの形式は任意である。エンジンは、4ストロークエンジンに限らず2ストロークエンジンであってもよい。ガソリンエンジンに限らず、ディーゼルエンジンであってもよい。燃料の供給方式は、シリンダ（燃焼室）内に直接噴射する筒内直噴式でもよいし、吸気ポートに噴射するポート噴射式でもよい。車両に限らず船舶等に搭載されるエンジンであってもよい。ピストンの形状は任意である。例えば、冠面にバルブとの干渉を抑制するための凹部等があってもよい。
【００５２】
［実施形態から把握しうる技術的思想］
以上説明した実施形態から把握しうる技術的思想（又は技術的解決策。以下同じ。）について、以下に記載する。
(1) 本技術的思想の内燃機関のピストンは、その1つの態様において、
金属を含み、ピストンヘッド及びスカート部を有するピストン本体部であって、
前記ピストンヘッドは、前記ピストンヘッドのうち内燃機関の燃焼室側の面である冠面に凹状の膜保持部を有する、
ピストン本体部と、
前記膜保持部にあり、膜本体部及び膜厚測定用凹部を有する膜であって、
前記膜本体部は、熱的性質が前記ピストン本体部と異なり、
前記膜厚測定用凹部は、前記燃焼室に向かって開口しており、底部、開口縁部、及び前記底部と前記開口縁部との間の周壁部を有し、
前記開口縁部及び前記周壁部の少なくとも一部は前記膜本体部からなり、
前記底部は、少なくとも一部に前記膜本体部が存在しない膜厚測定用基準面を有する、
膜と
を有する。
(2) より好ましい態様では、前記態様において、
前記膜厚測定用凹部の前記開口縁部は、全周が前記膜本体部からなる。
(3) 別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、
前記膜本体部は焼結体である。
(4) さらに別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、
前記膜本体部は、金属であるバインダーを含む。
(5) さらに別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、
前記膜厚測定用凹部の前記開口縁部は、前記膜本体部からなる第1領域と、前記膜保持部からなる第2領域とを含む。
(6) さらに別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、
前記膜本体部は焼結体である。
(7) さらに別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、
前記膜本体部は、金属であるバインダーを含む。
(8) さらに別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、
前記膜は、前記周壁部において、前記ピストン本体部が内燃機関のシリンダ内で移動する方向である軸方向における厚さが、前記軸方向に対し直交する方向において前記底部側から前記開口縁部側に向かうに従い徐々に増加する。
(9) さらに別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、
前記膜厚測定用基準面は、前記膜保持部の表面が機械加工によって表面処理された面である。
(10) さらに別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、
前記膜の前記膜本体部及び前記膜厚測定用凹部を覆う第2の膜を有する。
(11) さらに別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、
前記膜厚測定用基準面は、前記ピストン本体部が内燃機関のシリンダ内で移動する方向である軸方向に対し直交する平面と平行である。
(12) 本技術的思想の内燃機関のピストンの膜厚測定方法は、その1つの態様において、
前記ピストンは、
金属を含み、ピストンヘッド及びスカート部を有するピストン本体部であって、
前記ピストンヘッドは、前記ピストンヘッドのうち内燃機関の燃焼室側の面である冠面に膜保持部を有する、
ピストン本体部と、
前記膜保持部にあり、膜本体部及び凹部を有する膜であって、
前記膜本体部は、前記ピストン本体部よりも熱伝導率が低く、
前記凹部は、前記燃焼室に向かって開口しており、底部、開口縁部、及び前記底部と前記開口縁部との間の周壁部を有し、
前記開口縁部及び前記周壁部の少なくとも一部は前記膜本体部からなり、
前記底部は、少なくとも一部に前記膜本体部が存在しない基準面を有する、
膜と
を有するピストンであって、
前記基準面の位置を測定する第1工程と、
前記膜本体部のうち前記燃焼室側の面である表面の位置を測定する第2工程と、
前記第1工程と前記第2工程の測定結果に基づき、前記膜の厚さを演算する第3工程と
を有する。
(13) より好ましい態様では、前記態様において、
前記第1工程は、接触子を前記基準面に接触させる工程を含み、
前記第2工程は、前記接触子を前記膜本体部の前記表面に接触させる工程を含む。
(14) 別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、
前記第1工程は、膜厚測定用のレーザー光、超音波、又は磁気を前記基準面に照射する工程を含み、
前記第2工程は、前記膜厚測定用のレーザー光、超音波、又は磁気を前記膜本体部の前記表面に照射する工程を含む。
(15) 別の観点から、本技術的思想の内燃機関のピストンの製造方法は、その1つの態様において、
前記膜厚測定方法を適用可能な内燃機関のピストンの製造方法であって、
前記膜本体部を焼結により形成する膜形成工程を含む。
(16) より好ましい態様では、前記態様において、
前記膜形成工程は、金属粉末を材料として前記膜本体部を形成するとき、前記凹部を形成する。
(17) 別の好ましい態様では、前記態様のいずれかにおいて、
前記膜形成工程は、金属粉末に電極を当接させ、通電することで、前記膜本体部の焼結体を形成する。
【符号の説明】
【００５３】
１      ピストン
２      ピストン本体部
３      膜
３０    膜本体部
３００  バインダー
３１    凹部（膜厚測定用凹部）
３１０  底部
３１１  開口縁部
３１２  周壁部
３２    第２の膜
４      ピストンヘッド
４００  冠面
４０１  凹部（膜保持部）
６      スカート部
【図１】
2019044735.tif 000003
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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