薄膜の形成方法及び内燃機関の製造方法
【課題】基材上に塗布された薄膜の表面にレーザー光を照射することで薄膜を加熱して焼成する場合に、目標とする物性の薄膜を形成する。
【解決手段】母材３０の壁面３０ａ上に薄膜材料４２を含む溶液を薄膜状に塗布する薄膜塗布工程においては、薄膜２０のレーザー光透過率が厚さ方向位置に応じて変化するようにレーザー光吸収塗料が混入された溶液を母材３０の壁面３０ａ上に塗布する。焼成用加熱工程においては、この塗布された溶液による薄膜２０の表面２０ａにレーザー光６５を照射することで、薄膜２０を加熱して焼成する。
【解決手段】母材３０の壁面３０ａ上に薄膜材料４２を含む溶液を薄膜状に塗布する薄膜塗布工程においては、薄膜２０のレーザー光透過率が厚さ方向位置に応じて変化するようにレーザー光吸収塗料が混入された溶液を母材３０の壁面３０ａ上に塗布する。焼成用加熱工程においては、この塗布された溶液による薄膜２０の表面２０ａにレーザー光６５を照射することで、薄膜２０を加熱して焼成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜の形成方法及び内燃機関の製造方法に関し、特に、基材上に薄膜を形成する方法、及び燃焼室を形成する母材の少なくとも一部の、燃焼室内に臨む壁面に、薄膜が形成された内燃機関を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の熱効率を向上させるために、内燃機関の燃焼室を形成する母材の少なくとも一部の、燃焼室内に臨む壁面に、断熱用薄膜を形成する技術が提案されている（例えば下記非特許文献１，２）。非特許文献１，２においては、熱伝導率の低いセラミック（ジルコニア）からなる単一材料の断熱用薄膜をピストンの頂面上に形成することで、燃焼室内の燃焼ガスからピストンへの熱伝達を低下させて熱効率の向上を図っている。
【０００３】
このような薄膜を形成する方法としては、基材上に薄膜材料を含む溶液を塗布して焼成する方法が一般的に行われている。薄膜材料の焼成方法としては、薄膜の表面にレーザー光を照射することで、薄膜を加熱して焼成する方法が用いられている。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−８５６号公報
【特許文献２】特開平５−２１２３４０号公報
【特許文献３】特開昭５９−２１３６６５号公報
【特許文献４】国際公開第８９／０３９３０号パンフレット
【特許文献５】米国特許第４４９５９０７号明細書
【特許文献６】米国特許第５８２０９７６号明細書
【非特許文献１】Gerhard Woschni他,"Heat Insulation of Combustion Chamber Walls - A Measure to Decrease the Fuel Combustion of I.C. Engines?",SAE Paper 870339,Society of Automotive Engineers,1987
【非特許文献２】Victor W.Wong他,"Assessment of Thin Thermal Barrier Coatings for I.C. Engines",SAE Paper 950980,Society of Automotive Engineers,1995
【非特許文献３】志保浩司他、「有機無機複合粒子、中空無機粒子の合成」、ＪＳＲテクニカルレビュー No.109/2002、２００２年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
基材上に塗布された薄膜の表面にレーザー光を照射することで薄膜を加熱して焼成するときには、薄膜の表面が最もレーザー光の照射エネルギーが高くなり、薄膜の内部へ向かうにつれてレーザー光の照射エネルギーが低下する。そのため、薄膜の表面が最も高温となり薄膜の内部へ向かうにつれて低温となる、厚さ方向に関する温度分布が形成されて、薄膜には表面からの距離に対して焼成温度に差が生じる。その結果、薄膜の基材近傍の位置における物性値が設計値から外れる等、目標とする物性の薄膜が得られない場合が生じる。
【０００６】
また、材料の異なる基材上に塗布された薄膜の表面にレーザー光を照射することで薄膜を加熱して焼成するときには、レーザー光の照射による熱量が薄膜を介して各基材にも伝わる。基材同士で材料が異なり熱伝導率や熱容量が異なると、薄膜から各基材への熱伝導の様子も異なってくる。そのため、同様の薄膜材料及びレーザー光の照射エネルギーを用いても、各基材上の薄膜同士で焼成温度に差が生じる。その結果、各基材上の薄膜同士で物性値にも差が生じ、目標とする物性の薄膜が得られない場合が生じる。
【０００７】
また、有機化合物を含む溶液による薄膜の表面にレーザー光を照射することで薄膜を加熱して焼成するときには、有機化合物が蒸発または熱分解することによるガスが発生する。このガスが焼成中に薄膜内から十分に抜けきらないと、焼成後の薄膜に気泡や亀裂が発生する。その結果、薄膜の実際の強度が設計強度よりも低下しやすくなる。
【０００８】
本発明は、基材上に塗布された薄膜の表面にレーザー光を照射することで薄膜を加熱して焼成する場合に、薄膜の厚さ方向に関する温度分布を制御することで、目標とする物性の薄膜を形成することを目的の１つとする。また、本発明は、材料の異なる基材上に塗布された薄膜の表面にレーザー光を照射することで薄膜を加熱して焼成する場合に、各基材上の薄膜同士で焼成温度に差が生じるのを抑制することで、目標とする物性の薄膜を形成することを目的の１つとする。また、本発明は、基材上に塗布された薄膜の表面にレーザー光を照射することで薄膜を加熱して焼成する場合に、加熱により発生するガスが薄膜内に残存して薄膜の強度が設計強度よりも低下するのを防ぐことを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る内燃機関の製造方法及び薄膜の形成方法は、上述した目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【００１０】
本発明に係る薄膜の形成方法は、基材上に薄膜を形成する方法であって、基材上に薄膜材料を含む溶液を薄膜状に塗布する塗布工程と、該塗布された溶液による薄膜の表面にレーザー光を照射することで、薄膜を加熱して焼成する焼成用加熱工程と、を含み、塗布工程においては、薄膜のレーザー光透過率が厚さ方向位置に応じて変化するように、レーザー光吸収材料が混入された溶液を基材上に塗布することを要旨とする。
【００１１】
本発明によれば、レーザー光による焼成前における薄膜のレーザー光透過率を厚さ方向位置に応じて変化させることで、焼成時における薄膜の厚さ方向に関する温度分布を制御することができる。その結果、焼成後における薄膜の厚さ方向に関する物性分布を制御することができ、目標とする物性の薄膜を形成することができる。
【００１２】
本発明の一態様では、塗布工程においては、薄膜の基材側におけるレーザー光吸収材料の割合が薄膜の表面側よりも高くなるように、レーザー光吸収材料が混入された溶液を基材上に塗布することが好適である。
【００１３】
また、本発明に係る薄膜の形成方法は、基材上に薄膜を形成する方法であって、基材上に薄膜材料を含む溶液を薄膜状に塗布する塗布工程と、該塗布された溶液による薄膜の表面にレーザー光を照射することで、薄膜を加熱して焼成する焼成用加熱工程と、を含み、塗布工程においては、加熱によりレーザー光透過率が増加する材料が混入された溶液を基材上に塗布し、焼成用加熱工程においては、薄膜の厚さ方向に関して表面側を部分的に焼成するよう薄膜表面へのレーザー光の照射エネルギーを制御し、焼成後の薄膜の表面側を介して薄膜の基材側にレーザー光を照射することで、薄膜の基材側を焼成することを要旨とする。
【００１４】
本発明によれば、薄膜の表面側と基材側とでほぼ同等のレーザー光の照射エネルギーで焼成を行うことができるので、焼成時における薄膜の厚さ方向に関する温度分布を均一化するように制御することができる。その結果、焼成後における薄膜の厚さ方向に関する物性分布を均一化するように制御することができ、目標とする物性の薄膜を形成することができる。
【００１５】
本発明の一態様では、前記加熱によりレーザー光透過率が増加する材料は、加熱により透明化する感熱材料または透光性セラミック材料であることが好適である。
【００１６】
また、本発明に係る薄膜の形成方法は、基材上に薄膜を形成する方法であって、互いに材料の異なる第１及び第２基材の表面上に薄膜材料を含む溶液を薄膜状に塗布する塗布工程と、該塗布された溶液による薄膜の表面にレーザー光を照射することで、薄膜を加熱して焼成する焼成用加熱工程と、を含み、焼成用加熱工程においては、薄膜の表面にレーザー光を照射するときに、第１及び第２基材の材料が互いに異なることで生じる第１基材上の薄膜と第２基材上の薄膜との温度差を低減するための温度調整用材料を第１及び第２基材のいずれかの裏面に密着させることを要旨とする。
【００１７】
本発明によれば、互いに材料の異なる第１及び第２基材上の薄膜をレーザー光の照射により焼成するときに、レーザー光の照射エネルギーを変化させることなく、第１基材上の薄膜と第２基材上の薄膜との焼成温度差を低減することができる。その結果、焼成後における第１基材上の薄膜と第２基材上の薄膜とで物性値に差が生じるのを抑制することができ、目標とする物性の薄膜を形成することができる。
【００１８】
また、本発明に係る薄膜の形成方法は、基材上に薄膜を形成する方法であって、基材上に有機化合物を含む溶液を薄膜状に塗布する塗布工程と、該塗布された溶液による薄膜を焼成により固化する温度よりも低い温度で加熱して、加熱により薄膜で発生するガスを放出させるガス抜用加熱工程と、ガス抜用加熱工程後の薄膜にレーザー光を照射することで、薄膜を加熱して焼成する焼成用加熱工程と、を含むことを要旨とする。
【００１９】
本発明によれば、薄膜が焼成により固化する前に、加熱により薄膜で発生するガスを薄膜内から確実に放出させることができるので、焼成の際に発生するガスによる亀裂及び気泡が焼成後の薄膜に生じるのを防ぐことができる。その結果、薄膜の強度が設計強度よりも低下するのを防ぐことができる。
【００２０】
本発明の一態様では、ガス抜用加熱工程においては、焼成用加熱工程よりも低いエネルギーのレーザー光を薄膜に照射することで、加熱により薄膜で発生するガスを放出させることが好適である。
【００２１】
本発明の一態様では、前記塗布工程と前記ガス抜用加熱工程とを交互に複数回繰り返すことが好適である。
【００２２】
また、本発明に係る薄膜の形成方法は、基材上に薄膜を形成する方法であって、基材上に有機化合物を含む溶液を薄膜状に塗布する塗布工程と、該塗布された溶液による薄膜にレーザー光を照射することで、薄膜を加熱して焼成する焼成用加熱工程と、を含み、焼成用加熱工程においては、レーザーシート光を薄膜が焼成により固化していない方向へ徐々に移動させながら薄膜に照射することで、レーザーシート光を照射した部分を加熱して焼成するとともに、加熱により薄膜で発生するガスを焼成により固化していない部分から放出させることを要旨とする。
【００２３】
本発明によれば、レーザーシート光を照射した薄膜の部分を加熱して焼成するとともに、加熱により薄膜で発生するガスを焼成により固化していない薄膜の部分から放出させることができるので、焼成の際に発生するガスによる亀裂及び気泡が焼成後の薄膜に生じるのを防ぐことができる。その結果、薄膜の強度が設計強度よりも低下するのを防ぐことができる。
【００２４】
また、本発明に係る内燃機関の製造方法は、燃焼室を形成する母材の少なくとも一部の、燃焼室内に臨む壁面に、薄膜が形成された内燃機関を製造する方法であって、本発明に係る薄膜の形成方法により前記壁面に薄膜を形成する工程を含む、ことを要旨とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。
【００２６】
図１は、本発明の実施形態に係る製造方法により製造された内燃機関１の概略構成を示す図である。内燃機関（エンジン）１は、シリンダブロック９及びシリンダヘッド１０を備える。シリンダブロック９内には、その軸線方向に往復運動するピストン１２が収容されている。ピストン１２の頂面１２ａ、シリンダブロック９の内壁面９ａ、及びシリンダヘッド１０の下面１０ａに囲まれた空間は、燃焼室１３を形成する。シリンダヘッド１０には、燃焼室１３に連通する吸気ポート１４、及び燃焼室１３に連通する排気ポート１５が形成されている。さらに、吸気ポート１４と燃焼室１３との境界を開閉する吸気弁１６、及び排気ポート１５と燃焼室１３との境界を開閉する排気弁１７が設けられている。シリンダブロック９には、冷却水ジャケット１８が形成されており、冷却水ジャケット１８に冷却水が供給されることで、内燃機関１の冷却が行われる。
【００２７】
なお、図１では、説明の便宜上、燃料噴射弁や点火栓等の構成の図示を省略しているが、本実施形態に係る内燃機関１は、ディーゼルエンジン等の圧縮自着火式内燃機関であってもよいし、ガソリンエンジン等の火花点火式内燃機関であってもよい。圧縮自着火式内燃機関の場合は、例えばピストン１２が圧縮上死点付近に位置するときに燃料噴射弁から燃焼室１３内に燃料を噴射することで、燃焼室１３内の燃料が自着火して燃焼する。火花点火式内燃機関の場合は、点火時期にて点火栓の火花放電により燃焼室１３内の混合気に点火することで、燃焼室１３内の混合気を火炎伝播燃焼させる。燃焼室１３内の燃焼ガスは、排気行程にて排気ポート１５へ排出される。
【００２８】
本実施形態では、燃焼室１３を形成する母材の少なくとも一部の、燃焼室１３内に臨む（面する）壁面上には、燃焼室１３内の燃焼ガスから母材への伝熱を抑制するための断熱用薄膜２０が形成されている。ここでは、燃焼室１３を形成する母材として、シリンダブロック（シリンダライナ）９、シリンダヘッド１０、ピストン１２、吸気弁１６、及び排気弁１７を挙げることができる。そして、燃焼室１３内に臨む壁面として、シリンダブロック内壁面（シリンダライナ内壁面）９ａ、シリンダヘッド下面１０ａ、ピストン頂面１２ａ、吸気弁底面（傘部底面）１６ａ、及び排気弁底面（傘部底面）１７ａのいずれか１つ以上を挙げることができる。図１では、シリンダブロック内壁面９ａ、シリンダヘッド下面１０ａ、ピストン頂面１２ａ、吸気弁底面１６ａ、及び排気弁底面１７ａの各々に断熱用薄膜２０を形成した例を示している。ただし、必ずしもシリンダブロック内壁面９ａ、シリンダヘッド下面１０ａ、ピストン頂面１２ａ、吸気弁底面１６ａ、及び排気弁底面１７ａのすべてに断熱用薄膜２０を形成する必要はない。つまり、断熱用薄膜２０については、シリンダブロック内壁面９ａ、シリンダヘッド下面１０ａ、ピストン頂面１２ａ、吸気弁底面１６ａ、及び排気弁底面１７ａのいずれか１つ以上に形成することができる。
【００２９】
次に、本実施形態に係る内燃機関１の製造方法、特に、断熱用薄膜２０を形成する方法について説明する。なお、断熱用薄膜２０を形成する工程以外の内燃機関１の製造工程については、周知の工程で実現可能である。
【００３０】
「実施例１」
図２は、断熱用薄膜２０を形成する方法の一例を説明するフローチャートである。まずステップＳ１０１の薄膜塗布工程においては、図３に示すように、母材３０の壁面３０ａ上に薄膜材料４２を含む溶液を薄膜状に塗布することで、薄膜材料４２の溶液による薄膜２０を母材３０の壁面３０ａ上に形成する。薄膜材料４２の塗布方法としては、例えばスプレー、スピンコート、はけ塗り、ディップコート、スクリーン印刷等を用いることができる。ここでの溶液については、薄膜材料４２がキシレン等の有機溶剤（有機化合物）に溶解された溶液を用いることができ、薄膜材料４２については、例えばポリメタロカルボシラン等の有機珪素化合物を用いることができる。また、ここでの母材３０は、シリンダブロック（シリンダライナ）９であってもよいし、シリンダヘッド１０であってもよいし、ピストン１２であってもよいし、吸気弁１６であってもよいし、排気弁１７であってもよい。つまり、母材３０の壁面３０ａは、シリンダブロック内壁面（シリンダライナ内壁面）９ａであってもよいし、シリンダヘッド下面１０ａであってもよいし、ピストン頂面１２ａであってもよいし、吸気弁底面１６ａであってもよいし、排気弁底面１７ａであってもよい。また、薄膜２０の厚さは、例えば約１００μｍ程度である。
【００３１】
次に、ステップＳ１０２のガス抜用加熱工程においては、図４に示すように、ステップＳ１０１で塗布された薄膜材料４２及び有機溶剤を含む溶液による薄膜２０を加熱して、加熱により薄膜２０で発生するガスを薄膜２０内から放出させる。ここでは、薄膜２０（薄膜材料４２）が完全に焼結しないように、薄膜材料４２が焼成により固化する温度よりも低い温度で薄膜２０を加熱して下焼きする。薄膜２０の加熱については、例えば赤外線による加熱や火炎（バーナ）による加熱を用いることが可能である。また、薄膜２０の表面にレーザー光を照射することで、薄膜２０を加熱することも可能である。有機溶剤の沸点（例えばキシレンの場合は１３８℃程度）以上の温度で薄膜２０を加熱することで、有機溶剤が蒸発することによるガス５２が発生する。そして、薄膜材料４２が有機珪素化合物を含む場合は、有機珪素化合物が熱分解する約６００〜８００℃以上の温度で薄膜２０を加熱することで、有機珪素化合物が熱分解することによるＣＨ4やＨ2等のガス２２ａが発生する。また、有機珪素化合物の熱分解により二酸化珪素（ＳｉＯ2）や炭化珪素（ＳｉＣ）等の珪素化合物２２ｂが生成され、この珪素化合物２２ｂが完全に焼結する温度は約１０００〜１２００℃以上である。そこで、薄膜２０の温度が約１０００〜１２００℃よりも低くなるように薄膜２０を加熱することで、熱分解後の珪素化合物（ＳｉＯ2及びＳｉＣ）２２ｂが焼結して完全に固化することなく、有機溶剤が蒸発することによるガス５２、及び有機珪素化合物が熱分解することで発生するガス２２ａを薄膜２０内から外部へ確実に放出させることができる。
【００３２】
次に、ステップＳ１０３の焼成用加熱工程においては、図５に示すように、ステップＳ１０２のガス抜用加熱工程後における薄膜２０の表面２０ａに、レーザー光照射装置６４で発生させたレーザー光６５を照射することで、薄膜２０を加熱して焼成する。ここでは、薄膜材料４２が完全に焼結するように、ステップＳ１０２のガス抜用加熱工程よりも高い温度で薄膜２０を加熱して本焼成する。薄膜材料４２が有機珪素化合物を含む場合は、薄膜２０の温度が約１０００〜１２００℃以上になるようにレーザー光６５により薄膜２０を加熱することで、薄膜２０が焼成により完全に固化し、熱分解後の珪素化合物（ＳｉＯ2及びＳｉＣ）２２ｂが結晶化（セラミック化）して高強度化される。以上の工程により、セラミック化された珪素化合物（ＳｉＯ2及びＳｉＣ）２２ｂを含む断熱用薄膜２０が母材３０の壁面３０ａ上に形成される。
【００３３】
母材３０の壁面３０ａ上に塗布した薄膜材料４２の溶液を乾燥させたのみで、薄膜２０の表面全体にレーザー光６５を照射して薄膜２０を焼成する場合は、溶液に含まれる有機溶剤等の低沸点成分は乾燥では薄膜２０内から除去しきれず、レーザー光６５の照射により溶液から気泡として生じて、焼成により固化される薄膜２０に気泡が通過した経路が残る。この経路は薄膜２０の亀裂として存在し、薄膜２０の強度低下、性能悪化につながる。また、レーザー光６５の照射により薄膜２０を焼成する際には、薄膜材料４２（有機珪素化合物）が熱分解することによるガス２２ａが発生し、このガス２２ａが焼成中に薄膜２０内から十分に抜けきらないと、焼成後の薄膜２０内に気泡として残存する。この気泡は薄膜２０の熱伝導率を低くする点ではメリットとなるが、薄膜２０の強度の点では強度低下の一因となる。このように、薄膜２０の焼成の際に発生するガス２２ａ，５２が薄膜２０内から十分に抜けきらないと、焼成後の薄膜２０に亀裂や気泡が発生し、薄膜２０の実際の強度が設計強度よりも低下しやすくなる。
【００３４】
これに対して以上説明した断熱用薄膜２０の形成方法によれば、レーザー光６５の照射による薄膜２０の本焼成を行う前に、本焼成よりも低い温度で薄膜２０の下焼きを行うことで、薄膜２０が本焼成により固化する前に、有機溶剤が蒸発することによるガス５２、及び薄膜材料４２（有機珪素化合物）が熱分解することによるガス２２ａを薄膜２０内から確実に抜くことができる。そのため、焼成後の断熱用薄膜２０に、焼成の際に発生するガス２２ａ，５２による亀裂及び気泡が生じるのを防ぐことができる。その結果、断熱用薄膜２０の強度が設計強度よりも低下するのを防ぐことができる。
【００３５】
なお、ステップＳ１０２のガス抜用加熱工程において、レーザー光照射装置６４で発生させたレーザー光６５を薄膜２０の表面に照射することで薄膜２０を加熱する場合は、ステップＳ１０３の焼成用加熱工程よりも低いエネルギーのレーザー光６５を薄膜２０の表面に照射することで、加熱により薄膜２０で発生するガスを薄膜２０内から放出させる。これによって、レーザー光照射装置６４以外の加熱源を他に用いなくても、レーザー光６５の出力をデューティ比等により変更することで、薄膜２０の下焼き及び本焼成を実施することができる。
【００３６】
また、ステップＳ１０１の薄膜塗布工程において、母材３０の壁面３０ａ上に塗布される溶液には、図６に示すように、粒子状の断熱材４１を多数混入させることもできる。ここでの断熱材４１については、例えば中空のセラミックビーズ（ジルコニアビーズ等）や中空のガラスビーズ等の中空構造のものを用いることができる。その場合は、レーザー光６５の照射により薄膜２０を焼成することで、図７に示すように、珪素化合物（ＳｉＯ2及びＳｉＣ）２２ｂの内部に中空構造の断熱材４１が多数混入された断熱用薄膜２０が母材３０の壁面３０ａ上に形成される。
【００３７】
内燃機関のシリンダ内における熱損失Ｑ［Ｗ］については、シリンダ内の圧力やガス流に起因する熱伝達係数ｈ［Ｗ／(ｍ2・Ｋ)］、シリンダ内の表面積Ａ［ｍ2］、シリンダ内のガス温度Ｔｇ［Ｋ］、及びシリンダ内に面する（シリンダ内の燃焼ガスと接触する）壁面の温度Ｔｗａｌｌ［Ｋ］を用いて、以下の（１）式で表すことができる。
【００３８】
Ｑ＝Ａ×ｈ×（Ｔｇ−Ｔｗａｌｌ） （１）
【００３９】
内燃機関のサイクルにおいては、シリンダ内ガス温度Ｔｇが時々刻々変化するが、壁面温度Ｔｗａｌｌをシリンダ内ガス温度Ｔｇに追従させるよう時々刻々変化させることで、（１）式における（Ｔｇ−Ｔｗａｌｌ）の値を小さくすることができ、熱損失Ｑを低減することができる。壁面温度Ｔｗａｌｌをシリンダ内ガス温度Ｔｇに追従させるよう変化させるためには、燃焼室内に臨む壁面に形成する断熱用薄膜については、熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量が低いことが望ましい。これに対して、中空構造の断熱材４１が多数混入された断熱用薄膜２０を母材３０の壁面３０ａ上に形成することで、断熱用薄膜２０の熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量を低くすることができる。その結果、燃焼室壁面温度Ｔｗａｌｌのシリンダ内ガス温度Ｔｇへの追従性を向上させることができ、内燃機関１の熱効率を向上させることができる。
【００４０】
「実施例２」
図８は、断熱用薄膜２０を形成する方法の他の例を説明するフローチャートである。以下の実施例２の説明では、実施例１と同様の構成または対応する構成には同一の符号を付し、説明を省略する構成については実施例１と同様である。
【００４１】
図８のフローチャートにおいて、ステップＳ２０１，Ｓ２０２は実施例１のステップＳ１０１，Ｓ１０２とそれぞれ同様である。ただし、ステップＳ２０１の薄膜塗布工程で塗布する薄膜２０の厚さについては、図９に示すように目標の厚さよりも薄くし、例えば目標厚さの１／２〜１／５程度とする。ここでの目標厚さは例えば１００μｍ程度の厚さである。ステップＳ２０３では、母材３０の壁面３０ａ上に形成された薄膜２０の合計厚さが目標の厚さに達したか否かが判定される。薄膜２０の合計厚さが目標の厚さに達していない場合（ステップＳ２０３の判定結果がＮＯの場合）は、図１０に示すように、薄膜２０の合計厚さが目標の厚さに達するまで、ステップＳ２０１の薄膜塗布工程とステップＳ２０２のガス抜用加熱工程とを交互に繰り返す。一方、薄膜２０の合計厚さが目標の厚さに達した場合（ステップＳ２０３の判定結果がＹＥＳの場合）は、ステップＳ２０４の焼成用加熱工程において、実施例１のステップＳ１０３と同様に、図１１に示すように、レーザー光照射装置６４で発生させたレーザー光６５を薄膜２０の表面２０ａに照射することで、薄膜２０を加熱して焼成する。
【００４２】
薄膜２０の下焼きの際に発生するガス２２ａ，５２は、薄膜２０の厚さが厚すぎると、下焼き中に薄膜２０内から抜けにくくなり、本焼成後の薄膜２０に亀裂や気泡が発生しやすくなる。これに対して以上説明した断熱用薄膜２０の形成方法によれば、レーザー光６５の照射による薄膜２０の本焼成（ステップＳ２０４の焼成用加熱工程）を行う前に、薄い薄膜２０の塗り（ステップＳ２０１の薄膜塗布工程）と下焼き（ステップＳ２０２のガス抜用加熱工程）とを交互に複数回繰り返すことで、１回あたりに下焼きされる薄膜２０の厚さを薄くすることができ、下焼き時に発生するガス２２ａ，５２を薄膜２０内から抜けやすくすることができる。そのため、下焼き時に発生するガス２２ａ，５２が残存することによる亀裂及び気泡が本焼成後の断熱用薄膜２０に生じるのをより確実に防ぐことができ、断熱用薄膜２０の強度が設計強度よりも低下するのをより確実に防ぐことができる。
【００４３】
「実施例３」
図１２は、断熱用薄膜２０を形成する方法の他の例を説明するフローチャートである。以下の実施例３の説明では、実施例１，２と同様の構成または対応する構成には同一の符号を付し、説明を省略する構成については実施例１，２と同様である。
【００４４】
ステップＳ３０１の薄膜塗布工程においては、実施例１のステップＳ１０１と同様に、薄膜材料４２が有機溶剤に溶解された溶液を母材３０の壁面３０ａ上に薄膜状に塗布することで、薄膜材料４２の溶液による薄膜２０を母材３０の壁面３０ａ上に形成する。次に、ステップＳ３０２の焼成用加熱工程においては、ステップＳ３０１で塗布された薄膜材料４２及び有機溶剤を含む溶液による薄膜２０の表面２０ａに、レーザー光照射装置６４で発生させたレーザー光６５を照射することで、薄膜２０を加熱して焼成する。薄膜材料４２が有機珪素化合物を含む場合は、薄膜材料４２の焼成時の熱分解により生成された珪素化合物（ＳｉＯ2及びＳｉＣ）２２ｂが結晶化（セラミック化）して高強度化される。ここでは、図１３に示すように、レーザー光照射装置６４から薄膜２０の表面２０ａに照射するレーザー光としてレーザーシート光６５を用いる。薄膜２０の表面２０ａにおけるレーザーシート光６５が照射されている部分２０ｄは帯状の形状となり、薄膜２０におけるレーザーシート光６５が照射された後の部分２０ｂが焼成により固化する。焼成の際には、有機溶剤が蒸発することによるガス５２が発生する。そして、薄膜材料４２が有機珪素化合物を含む場合は、有機珪素化合物が熱分解することによるＣＨ4やＨ2等のガス２２ａが発生する。これらのガス２２ａ，５２は、薄膜２０におけるレーザーシート光６５がまだ照射されていない部分（焼成によりまだ固化していない部分）２０ｃから薄膜２０外へ放出される。レーザー光照射装置６４は、レーザーシート光６５の照射により薄膜２０全体を焼成する際には、図１３から図１４に示すように、レーザーシート光６５（レーザーシート光６５が照射されている部分２０ｄ）を、薄膜２０が焼成によりまだ固化していない方向（レーザーシート光６５がまだ照射されていない方向）へ徐々に移動させる。その際には、例えば薄膜２０の表面２０ａと平行で且つレーザーシート光６５の長手方向と垂直な方向に沿ってレーザーシート光６５を徐々に移動させる。レーザーシート光６５を薄膜２０が焼成によりまだ固化していない方向へ徐々に移動させながら薄膜２０の表面２０ａに照射することで、レーザーシート光６５を照射した部分２０ｂを加熱して焼成することができるとともに、加熱により薄膜２０で発生するガス２２ａ，５２を焼成により固化していない部分２０ｃから放出させることができる。レーザーシート光６５を薄膜２０の表面全体に渡って照射したら、レーザーシート光６５の照射を終了する。
【００４５】
以上説明した断熱用薄膜２０の形成方法によれば、レーザーシート光６５による薄膜２０の焼成の際に発生するガス２２ａ，５２を焼成により固化していない部分（レーザーシート光６５が照射されていない部分）２０ｃから確実に抜くことができる。そのため、焼成の際に発生するガス２２ａ，５２による亀裂及び気泡が焼成後の断熱用薄膜２０に生じるのを防ぐことができ、断熱用薄膜２０の強度が設計強度よりも低下するのを防ぐことができる。
【００４６】
なお、実施例１のステップＳ１０２のガス抜用加熱工程や実施例２のステップＳ２０２のガス抜用加熱工程において薄膜２０を加熱する際には、レーザーシート光６５を薄膜２０がまだ加熱されていない方向へ徐々に移動させながら薄膜２０の表面に照射することで、レーザーシート光６５を照射した部分を加熱することもできる。加熱により薄膜２０で発生するガス２２ａ，５２については、薄膜２０における加熱されていない部分（レーザーシート光６５が照射されていない部分）から薄膜２０外へ放出させることが可能である。
【００４７】
「実施例４」
次に、断熱用薄膜２０を形成する方法の他の例について説明する。以下の実施例４の説明では、実施例１〜３と同様の構成または対応する構成には同一の符号を付し、説明を省略する構成については実施例１〜３と同様である。
【００４８】
実施例４でも、図１２のフローチャートに示すように、ステップＳ３０１の薄膜塗布工程、ステップＳ３０２の焼成用加熱工程の順に断熱用薄膜２０を形成する。ステップＳ３０１の薄膜塗布工程においては、図１５に示すように、母材３０の壁面３０ａ上に薄膜材料４２を含む溶液を薄膜状に塗布することで、薄膜材料４２の溶液による薄膜２０を母材３０の壁面３０ａ上に形成する。ここでの溶液についても、薄膜材料４２がキシレン等の有機溶剤（有機化合物）に溶解された溶液を用いることができ、薄膜材料４２についても、例えばポリメタロカルボシラン等の有機珪素化合物を用いることができる。また、実施例１と同様に、粒子状の断熱材４１を溶液に多数混入させることもできる。ここでは、母材３０の壁面３０ａ上に塗布する溶液（薄膜材料４２）に、例えば蛍光塗料等のレーザー光吸収塗料（レーザー光吸収材料）を混入させる。ここでのレーザー光吸収塗料は、ステップＳ３０２の焼成用加熱工程で照射されるレーザー光６５の波長と同等の特定波長を吸収する。そして、溶液による薄膜２０のレーザー光吸収塗料の含有割合が厚さ方向位置に応じて変化するように、レーザー光吸収塗料を含む溶液を、レーザー光吸収塗料の含有割合を変化させながら複数回に分けて母材３０の壁面３０ａ上に重ね塗りする。これによって、母材３０の壁面３０ａ上に塗布された薄膜２０のレーザー光透過率が厚さ方向位置に応じて変化する。図１５に示す例では、レーザー光吸収塗料を含む溶液を、レーザー光吸収塗料の含有割合を徐々に減らしながら複数回に分けて母材３０の壁面３０ａ上に重ね塗りしている。そのため、薄膜２０においては、母材３０（壁面３０ａ）側の層におけるレーザー光吸収塗料の含有割合（レーザー光吸収率）が表面２０ａ側の層におけるレーザー光吸収塗料の含有割合（レーザー光吸収率）よりも高くなり、薄膜２０の壁面３０ａ側から表面２０ａ側へ向かうにつれてレーザー光吸収塗料の含有割合（レーザー光吸収率）が徐々に低くなる。これによって、薄膜２０の表面２０ａ側の層におけるレーザー光透過率が薄膜２０の壁面３０ａ側の層におけるレーザー光透過率よりも高くなり、薄膜２０の表面２０ａ側から壁面３０ａ側へ向かうにつれてレーザー光透過率が徐々に低くなる。
【００４９】
次に、ステップＳ３０２の焼成用加熱工程においては、図１６に示すように、ステップＳ３０１で塗布されたレーザー光吸収塗料を含む溶液による薄膜２０の表面２０ａに、レーザー光照射装置６４で発生させたレーザー光６５を照射することで、薄膜２０を加熱して焼成する。薄膜材料４２が有機珪素化合物を含む場合は、薄膜材料４２の焼成時の熱分解により生成された珪素化合物（ＳｉＯ2及びＳｉＣ）２２ｂが結晶化（セラミック化）して高強度化される。以上の工程により、セラミック化された珪素化合物（ＳｉＯ2及びＳｉＣ）２２ｂを含む断熱用薄膜２０が母材３０の壁面３０ａ上に形成される。
【００５０】
薄膜２０の表面２０ａにレーザー光６５を照射することで薄膜２０を焼成する場合に、薄膜２０のレーザー光透過率が厚さ方向に関して均一であると、薄膜２０の表面２０ａが最もレーザー光６５の照射エネルギーが高くなり、薄膜２０の内部へ向かうにつれてレーザー光６５の照射エネルギーが低下する。そのため、図１７に示すように、薄膜２０の表面２０ａが最も高温となり薄膜２０の内部へ向かうにつれて低温となる、厚さ方向に関する温度分布が形成される。したがって、薄膜２０には表面２０ａからの距離に対して焼成温度に差が生じる。その結果、例えば母材３０近傍の位置における熱伝導率や熱容量が設計値から外れる等、断熱用薄膜２０の熱伝導率や熱容量が厚さ方向に関して部分的に設計値から外れ、目標とする物性の断熱用薄膜２０が得られない場合が生じる。これに対して以上説明した断熱用薄膜２０の形成方法によれば、レーザー光６５による焼成前における薄膜２０のレーザー光透過率を厚さ方向位置に応じて変化させることで、焼成時における薄膜２０の厚さ方向に関する温度分布を制御することができる。その結果、断熱用薄膜２０の厚さ方向に関する熱伝導率や熱容量の分布を制御することができ、母材３０近傍の位置でも目標とする物性の断熱用薄膜２０を形成することができる。例えば、薄膜２０の表面２０ａ側におけるレーザー光透過率を薄膜２０の壁面３０ａ側におけるレーザー光透過率よりも高くすることで、薄膜２０の壁面３０ａ側では、薄膜２０の表面２０ａ側よりもレーザー光６５が吸収されやすくなる。そのため、レーザー光６５による焼成時における薄膜２０の表面２０ａ側と壁面３０ａ側との温度差を低減することができ、図１８に示すように、焼成時における薄膜２０の厚さ方向に関する温度分布を均一化することができる。その結果、断熱用薄膜２０の厚さ方向に関する熱伝導率や熱容量の分布を均一化することができる。
【００５１】
なお、ステップＳ３０１の薄膜塗布工程においては、図１９に示すように、薄膜材料４２の溶液による薄膜２０内に、例えば蛍光塗料等のレーザー光吸収塗料を含有させたシート６６を混入させることもできる。図１９に示す例では、薄膜２０における壁面３０ａ側の位置にシート６６を混入させている。シート６６（レーザー光吸収塗料）の混入された位置でレーザー光吸収率が高くなるため、薄膜２０のレーザー光透過率はシート６６の混入された位置で低くなる。したがって、レーザー光６５による薄膜２０の焼成時には、シート６６の混入された位置でレーザー光６５が吸収されやすくなり、シート６６の混入された位置での焼成温度を上昇させることができる。厚さ方向に関するシート６６の混入位置を調整することで、焼成時における薄膜２０の厚さ方向に関する温度分布を制御することができるので、断熱用薄膜２０の厚さ方向に関する物性分布を制御することができる。
【００５２】
「実施例５」
次に、断熱用薄膜２０を形成する方法の他の例について説明する。以下の実施例５の説明では、実施例１〜４と同様の構成または対応する構成には同一の符号を付し、説明を省略する構成については実施例１〜４と同様である。
【００５３】
実施例５でも、図１２のフローチャートに示すように、ステップＳ３０１の薄膜塗布工程、ステップＳ３０２の焼成用加熱工程の順に断熱用薄膜２０を形成する。ステップＳ３０１の薄膜塗布工程においては、実施例１のステップＳ１０１と同様に、薄膜材料４２が有機溶剤に溶解された溶液を母材３０の壁面３０ａ上に薄膜状に塗布することで、薄膜材料４２の溶液による薄膜２０を母材３０の壁面３０ａ上に形成する。ただし、ここでは、母材３０の壁面３０ａ上に塗布する溶液（薄膜材料４２）に、加熱によりレーザー光透過率が増加する透過率可変材料を混入させる。ここでの溶液に混入させる透過率可変材料としては、例えば加熱により透明化する感熱材料を用いることもできるし、例えば透光性アルミナ等の透光性セラミック材料を用いることもできる。加熱により透明化する感熱材料の具体例としては、例えば特開平７−２４６７８１号公報に記載されているように、少なくとも２種類の有機材料において一つの材料の屈折率が大きな温度依存性を示し、他の材料の屈折率の温度依存性が少ないものを選び、さらにある温度では各々の屈折率が一致し、他の温度では不一致であるように材料を選択して、いずれかの材料が他方の材料中に分散するように混合することによって得られる。このようにして得られた混合材料は、ある温度において一方の材料の屈折率が他方の材料の屈折率とほぼ等しいとき透明となり、別の温度において各々の屈折率が異なる場合界面で光が散乱するために白濁する。屈折率の温度依存性が少ない材料としては、アクリル、ウレタン、ポリビニルブチラール、ポリエステル、ポリ塩化ビニール、ポリ塩化ビニリデンなどの各種樹脂が使用できる。また屈折率の温度依存性が大きい材料としては各種液晶が使用でき、特にビスフェノール系のネマチック液晶が適する。これは同液晶の多くが常温で１．７以上の高い屈折率を示すため前記樹脂との界面で大きな光散乱が生じて高い白濁度が得られる、また加熱により相転移を起こしてネマチック状態からアイソトロピック状態に変化して屈折率が１．５程度に低下し樹脂との差がほとんど無くなって透明になるためである。
【００５４】
次に、ステップＳ３０２の焼成用加熱工程においては、ステップＳ３０１で塗布された透過率可変材料を含む溶液による薄膜２０の表面２０ａに、レーザー光照射装置６４で発生させたレーザー光６５を照射することで、薄膜２０を加熱して焼成する。薄膜材料４２が有機珪素化合物を含む場合は、薄膜材料４２の焼成時の熱分解により生成された珪素化合物（ＳｉＯ2及びＳｉＣ）２２ｂが結晶化（セラミック化）して高強度化される。ただし、ここでは、薄膜２０の厚さ方向に関して全体を焼成するのに必要なレーザー光６５のエネルギーを一度に照射するのではなく、複数回に分けてパルス状に照射する。その際には、レーザー光照射装置６４は、図２０に示すように、まず薄膜２０の厚さ方向に関して表面２０ａ側を部分的に焼成するよう薄膜２０の表面２０ａへのレーザー光６５の照射エネルギーを制御する。ここでは、薄膜２０の厚さ方向に関して全体を焼成する場合と比較して、レーザー光６５の出力を低くすることもできるし、レーザー光６５の照射時間を短くすることもできる。薄膜２０の表面２０ａ側における焼成後の部分２０ｂは、混入された透過率可変材料が加熱されることで透明度が増加してレーザー光透過率が増加する。一方、薄膜２０の母材３０（壁面３０ａ）側における焼成前の部分２０ｃは、透過率可変材料が加熱されないことで透明度が低くレーザー光透過率が低いままである。なお、１回あたりのレーザー光６５の照射エネルギーをさらに低く制御して、薄膜２０の表面２０ａ側の焼成を複数回に分けて行うことも可能である。
【００５５】
次に、レーザー光照射装置６４は、図２１に示すように、薄膜２０の表面２０ａ側における焼成後の部分２０ｂを介して薄膜２０の母材３０（壁面３０ａ）側における焼成前の部分２０ｃにレーザー光６５を照射することで、薄膜２０の壁面３０ａ側の部分２０ｃを焼成する。薄膜２０の表面２０ａ側における焼成後の部分２０ｂは、透過率可変材料の加熱により透明度（レーザー光透過率）が増加しているため、レーザー光照射装置６４から照射されたレーザー光６５のエネルギーは、焼成後の部分２０ｂでほとんど吸収されずに薄膜２０の壁面３０ａ側の部分２０ｃに到達する。そのため、薄膜２０の表面２０ａ側の部分２０ｂを焼成した場合とほぼ同等のエネルギーのレーザー光６５を薄膜２０の壁面３０ａ側の部分２０ｃに照射して焼成することができる。したがって、薄膜２０の壁面３０ａ側での焼成温度は、薄膜２０の表面２０ａ側での焼成温度とほぼ同等になる。なお、１回あたりのレーザー光６５の照射エネルギーをさらに低く制御して、薄膜２０の壁面３０ａ側の焼成を複数回に分けて行うことも可能である。
【００５６】
以上説明した断熱用薄膜２０の形成方法によれば、薄膜２０の表面２０ａ側と壁面３０ａ側とで、ほぼ同等のレーザー光６５の照射エネルギーで焼成を行うことができる。そのため、レーザー光６５による焼成時における薄膜２０の表面２０ａ側と壁面３０ａ側との温度差を低減することができ、焼成時における薄膜２０の厚さ方向に関する温度分布を均一化することができる。その結果、断熱用薄膜２０の厚さ方向に関する熱伝導率や熱容量の分布を均一化することができ、母材３０近傍の位置でも目標とする物性の断熱用薄膜２０を形成することができる。
【００５７】
なお、ステップＳ３０２の焼成用加熱工程において、薄膜２０の表面２０ａ側を部分的に焼成する際には、図２２に示すように、レーザーシート光６５を徐々に移動させることもできる。その際には、レーザー光照射装置６４は、レーザーシート光６５（レーザーシート光６５が照射されている薄膜２０の部分２０ｄ）を、薄膜２０の表面２０ａ側が焼成によりまだ固化していない方向（レーザーシート光６５がまだ照射されていない方向）へ徐々に移動させる。例えば薄膜２０の表面２０ａと平行で且つレーザーシート光６５の長手方向と垂直な方向に沿ってレーザーシート光６５を徐々に移動させる。レーザーシート光６５を徐々に移動させながら薄膜２０の表面２０ａに照射することによっても、薄膜２０の厚さ方向に関して表面２０ａ側を部分的に焼成するよう薄膜２０の表面２０ａへのレーザーシート光６５の照射エネルギーを制御することができる。
【００５８】
「実施例６」
次に、断熱用薄膜２０を形成する方法の他の例について説明する。以下の実施例６の説明では、実施例１〜５と同様の構成または対応する構成には同一の符号を付し、説明を省略する構成については実施例１〜５と同様である。
【００５９】
実施例６でも、図１２のフローチャートに示すように、ステップＳ３０１の薄膜塗布工程、ステップＳ３０２の焼成用加熱工程の順に断熱用薄膜２０を形成する。ステップＳ３０１の薄膜塗布工程においては、図２３に示すように、薄膜材料４２が有機溶剤に溶解された溶液を母材３０−１の壁面３０−１ａ上及び母材３０−２の壁面３０−２ａ上にそれぞれ薄膜状に塗布することで、薄膜材料４２の溶液による薄膜２０を母材３０−１の壁面３０−１ａ上及び母材３０−２の壁面３０−２ａ上にそれぞれ形成する。ここでは、実施例１と同様に、粒子状の断熱材４１を溶液に多数混入させることもできる。ここでの母材３０−１，３０−２は、シリンダブロック（シリンダライナ）９であってもよいし、シリンダヘッド１０であってもよいし、ピストン１２であってもよいし、吸気弁１６であってもよいし、排気弁１７であってもよい。つまり、母材３０−１，３０−２の壁面３０−１ａ，３０−２ａは、シリンダブロック内壁面（シリンダライナ内壁面）９ａであってもよいし、シリンダヘッド下面１０ａであってもよいし、ピストン頂面１２ａであってもよいし、吸気弁底面１６ａであってもよいし、排気弁底面１７ａであってもよい。ただし、ここでの母材３０−１，３０−２は、材料が互いに異なり、熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量等の物性値が互いに異なる。
【００６０】
次に、ステップＳ３０２の焼成用加熱工程においては、図２４に示すように、ステップＳ３０１で壁面３０−１ａ，３０−２ａ上に塗布された溶液による薄膜２０の表面２０ａに、レーザー光照射装置６４で発生させたレーザー光６５を照射することで、壁面３０−１ａ，３０−２ａ上の薄膜２０を加熱して焼成する。ここでは、熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量等の熱物性値が既知の温度調整用材料６８を母材３０−１，３０−２の裏面（壁面３０−１ａ，３０−２ａと反対側の面）３０−１ｂ，３０−２ｂのいずれかに接触（密着）させた状態で、薄膜２０の表面２０ａにレーザー光６５を照射して薄膜２０を焼成する。図２４に示す例では、母材３０−１と異なる材料の温度調整用材料６８を母材３０−１の裏面３０−１ｂに密着させているが、母材３０−２と異なる材料の温度調整用材料６８を母材３０−２の裏面３０−２ｂに密着させることも可能である。薄膜材料４２が有機珪素化合物を含む場合は、薄膜材料４２の焼成時の熱分解により生成された珪素化合物（ＳｉＯ2及びＳｉＣ）２２ｂが結晶化（セラミック化）して高強度化される。薄膜２０の焼成後は、温度調整用材料６８を取り除く。以上の工程により、セラミック化された珪素化合物（ＳｉＯ2及びＳｉＣ）２２ｂを含む断熱用薄膜２０が母材３０−１，３０−２の壁面３０−１ａ，３０−２ａ上にそれぞれ形成される。
【００６１】
レーザー光６５の照射により薄膜２０に熱量が加えられ、その温度が上昇することで薄膜２０が焼成されるが、レーザー光６５の照射による熱量は、薄膜２０を介して母材３０−１，３０−２にも伝わる。母材３０−１，３０−２同士で材料が異なり、熱伝導率、熱容量、体積が異なると、薄膜２０から母材３０−１，３０−２への熱伝導の様子も異なってくる。例えば母材３０−１の材料がアルミニウムまたはアルミニウム系合金であり、母材３０−２の材料が鉄または鉄系合金である場合等、母材３０−１の熱伝導率が母材３０−２の熱伝導率よりも高い場合を考えると、薄膜２０から母材３０−１への熱流束が薄膜２０から母材３０−２への熱流束よりも大きくなる。そのため、同様の薄膜材料４２及びレーザー光６５の照射エネルギーを用いても、母材３０−１上の薄膜２０と母材３０−２上の薄膜２０とで、焼成温度に差が生じる。その結果、焼成後における母材３０−１上の断熱用薄膜２０と母材３０−２上の断熱用薄膜２０とで、熱伝導率や熱容量等の物性値に差が生じる。その場合は、目標とする物性の断熱用薄膜２０が得られなくなる。
【００６２】
そこで、ステップＳ３０２の焼成用加熱工程において、薄膜２０の表面２０ａにレーザー光６５を照射して薄膜２０を焼成するときには、熱伝導率及び熱容量が既知の温度調整用材料６８を母材３０−１の裏面３０−１ｂに密着させることで、薄膜２０から母材３０−１への熱流束を調整する。これによって、母材３０−１上の薄膜２０の焼成温度を調整することができる。例えば母材３０−１の熱伝導率が母材３０−２の熱伝導率よりも高い場合は、温度調整用材料６８として、母材３０−１よりも熱伝導率が低い材料を用いることで、薄膜２０から母材３０−１への熱流束を減少させることができ、母材３０−１上の薄膜２０の焼成温度を上昇させることができる。一方、母材３０−１の熱伝導率が母材３０−２の熱伝導率よりも低い場合は、温度調整用材料６８として、母材３０−１よりも熱伝導率が高い材料を用いることで、薄膜２０から母材３０−１への熱流束を増加させることができ、母材３０−１上の薄膜２０の焼成温度を低下させることができる。したがって、母材３０−１，３０−２の材料が互いに異なることで生じる、薄膜２０から母材３０−１への熱流束と薄膜２０から母材３０−２への熱流束との差を低減することができ、母材３０−１上の薄膜２０と母材３０−２上の薄膜２０との焼成温度差を低減することができる。
【００６３】
ここで、熱伝導が薄膜厚さ方向に１次元的に起こるものとすると、以下の（２）式による熱伝導方程式が成立する。（２）式において、ｑは材料内での発熱量、ρは密度、ｃは比熱、ｋは熱伝導率、Ｔは薄膜厚さ方向位置ｘでの温度である。図２４に示すように、レーザー光６５の照射による薄膜２０への入射熱量をｑa、温度調整用材料６８（または母材３０−２）から逃げていく熱量をｑbとすると、（２）式のｑはｑa−ｑbにより表される。
【００６４】
【数１】
【００６５】
初期状態（レーザー光６５の照射前）での各材料（薄膜２０、母材３０−１，３０−２、温度調整用材料６８）内の温度Ｔと、各材料の密度ρ、比熱ｃ、熱伝導率ｋと、温度調整用材料６８及び母材３０−２の下面での温度ｔ0、熱伝達率ｈ0と、レーザー光６５の照射による薄膜２０への入射熱量ｑaとがわかっていれば、各時刻ｔにおける薄膜２０内の位置ｘでの温度Ｔは、（２）式による熱伝導方程式から計算することが可能である。そのため、（２）式による熱伝導方程式を用いて、母材３０−１上の薄膜２０の温度と母材３０−２上の薄膜２０の温度が等しく（あるいはほぼ等しく）なるような温度調整用材料６８の熱物性値（比熱ｃ、熱伝導率ｋ）及び厚さを算出することが可能である。温度調整用材料６８の材料としては、この算出した熱物性値（比熱ｃ、熱伝導率ｋ）に近い熱物性値（比熱ｃ、熱伝導率ｋ）を有する材料を選択することが好ましい。
【００６６】
以上説明した断熱用薄膜２０の形成方法によれば、材料の異なる母材３０−１，３０−２上の薄膜２０をレーザー光６５の照射により焼成するときに、薄膜２０から母材３０−１への熱流束と薄膜２０から母材３０−２への熱流束との差を低減するように熱伝導率及び熱容量等の熱物性値が調整された温度調整用材料６８を母材３０−１，３０−２の裏面３０−１ｂ，３０−２ｂのいずれかに密着させることで、母材３０−１，３０−２の材料が互いに異なることで生じる母材３０−１上の薄膜２０と母材３０−２上の薄膜２０との焼成温度差を低減することができる。したがって、レーザー光６５の照射エネルギーを変化させることなく、母材３０−１上の薄膜２０と母材３０−２上の薄膜２０とで、焼成温度に差が生じるのを抑制することができ、熱伝導率や熱容量等の物性値に差が生じるのを抑制することができる。その結果、材料の異なる母材３０−１，３０−２上に断熱用薄膜２０を形成する場合でも、目標とする物性の断熱用薄膜２０を形成することができる。
【００６７】
以上の実施例１〜６の説明では、断熱用薄膜２０を母材３０の壁面３０ａ上に直接形成する場合について説明した。ただし、実施例１〜６では、断熱用薄膜２０を母材３０と別の基材上に形成し、断熱用薄膜２０が形成された基材と母材３０の壁面３０ａとを接合することも可能である。
【００６８】
また、以上の説明では、内燃機関１の燃焼室１３を形成する母材３０の少なくとも一部の、燃焼室１３内に臨む壁面３０ａ上に、薄膜２０を形成する場合について説明した。ただし、実施例１〜６で説明した薄膜２０の形成方法については、内燃機関１の燃焼室１３内に臨む壁面３０ａ以外であっても適用可能である。
【００６９】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の実施形態に係る製造方法により製造された内燃機関の概略構成を示す図である。
【図２】断熱用薄膜を形成する方法の一例を説明するフローチャートである。
【図３】断熱用薄膜を形成する方法の一例を説明する図である。
【図４】断熱用薄膜を形成する方法の一例を説明する図である。
【図５】断熱用薄膜を形成する方法の一例を説明する図である。
【図６】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図７】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図８】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明するフローチャートである。
【図９】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図１０】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図１１】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図１２】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明するフローチャートである。
【図１３】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図１４】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図１５】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図１６】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図１７】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図１８】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図１９】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図２０】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図２１】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図２２】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図２３】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図２４】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【符号の説明】
【００７１】
１ 内燃機関、９ シリンダブロック、９ａ シリンダブロック内壁面、１０ シリンダヘッド、１０ａ シリンダヘッド下面、１２ ピストン、１２ａ ピストン頂面、１３ 燃焼室、１４ 吸気ポート、１５ 排気ポート、１６ 吸気弁、１６ａ 吸気弁底面、１７ 排気弁、１７ａ 排気弁底面、１８ 冷却水ジャケット、２０ 断熱用薄膜、２２ａ，５２ ガス、２２ｂ 珪素化合物、３０，３０−１，３０−２ 母材、３０ａ，３０−１ａ，３０−２ａ 壁面、４１ 断熱材、４２ 薄膜材料、６４ レーザー光照射装置、６５ レーザー光、６６ シート、６８ 温度調整用材料。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜の形成方法及び内燃機関の製造方法に関し、特に、基材上に薄膜を形成する方法、及び燃焼室を形成する母材の少なくとも一部の、燃焼室内に臨む壁面に、薄膜が形成された内燃機関を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の熱効率を向上させるために、内燃機関の燃焼室を形成する母材の少なくとも一部の、燃焼室内に臨む壁面に、断熱用薄膜を形成する技術が提案されている（例えば下記非特許文献１，２）。非特許文献１，２においては、熱伝導率の低いセラミック（ジルコニア）からなる単一材料の断熱用薄膜をピストンの頂面上に形成することで、燃焼室内の燃焼ガスからピストンへの熱伝達を低下させて熱効率の向上を図っている。
【０００３】
このような薄膜を形成する方法としては、基材上に薄膜材料を含む溶液を塗布して焼成する方法が一般的に行われている。薄膜材料の焼成方法としては、薄膜の表面にレーザー光を照射することで、薄膜を加熱して焼成する方法が用いられている。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−８５６号公報
【特許文献２】特開平５−２１２３４０号公報
【特許文献３】特開昭５９−２１３６６５号公報
【特許文献４】国際公開第８９／０３９３０号パンフレット
【特許文献５】米国特許第４４９５９０７号明細書
【特許文献６】米国特許第５８２０９７６号明細書
【非特許文献１】Gerhard Woschni他,"Heat Insulation of Combustion Chamber Walls - A Measure to Decrease the Fuel Combustion of I.C. Engines?",SAE Paper 870339,Society of Automotive Engineers,1987
【非特許文献２】Victor W.Wong他,"Assessment of Thin Thermal Barrier Coatings for I.C. Engines",SAE Paper 950980,Society of Automotive Engineers,1995
【非特許文献３】志保浩司他、「有機無機複合粒子、中空無機粒子の合成」、ＪＳＲテクニカルレビュー No.109/2002、２００２年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
基材上に塗布された薄膜の表面にレーザー光を照射することで薄膜を加熱して焼成するときには、薄膜の表面が最もレーザー光の照射エネルギーが高くなり、薄膜の内部へ向かうにつれてレーザー光の照射エネルギーが低下する。そのため、薄膜の表面が最も高温となり薄膜の内部へ向かうにつれて低温となる、厚さ方向に関する温度分布が形成されて、薄膜には表面からの距離に対して焼成温度に差が生じる。その結果、薄膜の基材近傍の位置における物性値が設計値から外れる等、目標とする物性の薄膜が得られない場合が生じる。
【０００６】
また、材料の異なる基材上に塗布された薄膜の表面にレーザー光を照射することで薄膜を加熱して焼成するときには、レーザー光の照射による熱量が薄膜を介して各基材にも伝わる。基材同士で材料が異なり熱伝導率や熱容量が異なると、薄膜から各基材への熱伝導の様子も異なってくる。そのため、同様の薄膜材料及びレーザー光の照射エネルギーを用いても、各基材上の薄膜同士で焼成温度に差が生じる。その結果、各基材上の薄膜同士で物性値にも差が生じ、目標とする物性の薄膜が得られない場合が生じる。
【０００７】
また、有機化合物を含む溶液による薄膜の表面にレーザー光を照射することで薄膜を加熱して焼成するときには、有機化合物が蒸発または熱分解することによるガスが発生する。このガスが焼成中に薄膜内から十分に抜けきらないと、焼成後の薄膜に気泡や亀裂が発生する。その結果、薄膜の実際の強度が設計強度よりも低下しやすくなる。
【０００８】
本発明は、基材上に塗布された薄膜の表面にレーザー光を照射することで薄膜を加熱して焼成する場合に、薄膜の厚さ方向に関する温度分布を制御することで、目標とする物性の薄膜を形成することを目的の１つとする。また、本発明は、材料の異なる基材上に塗布された薄膜の表面にレーザー光を照射することで薄膜を加熱して焼成する場合に、各基材上の薄膜同士で焼成温度に差が生じるのを抑制することで、目標とする物性の薄膜を形成することを目的の１つとする。また、本発明は、基材上に塗布された薄膜の表面にレーザー光を照射することで薄膜を加熱して焼成する場合に、加熱により発生するガスが薄膜内に残存して薄膜の強度が設計強度よりも低下するのを防ぐことを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る内燃機関の製造方法及び薄膜の形成方法は、上述した目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【００１０】
本発明に係る薄膜の形成方法は、基材上に薄膜を形成する方法であって、基材上に薄膜材料を含む溶液を薄膜状に塗布する塗布工程と、該塗布された溶液による薄膜の表面にレーザー光を照射することで、薄膜を加熱して焼成する焼成用加熱工程と、を含み、塗布工程においては、薄膜のレーザー光透過率が厚さ方向位置に応じて変化するように、レーザー光吸収材料が混入された溶液を基材上に塗布することを要旨とする。
【００１１】
本発明によれば、レーザー光による焼成前における薄膜のレーザー光透過率を厚さ方向位置に応じて変化させることで、焼成時における薄膜の厚さ方向に関する温度分布を制御することができる。その結果、焼成後における薄膜の厚さ方向に関する物性分布を制御することができ、目標とする物性の薄膜を形成することができる。
【００１２】
本発明の一態様では、塗布工程においては、薄膜の基材側におけるレーザー光吸収材料の割合が薄膜の表面側よりも高くなるように、レーザー光吸収材料が混入された溶液を基材上に塗布することが好適である。
【００１３】
また、本発明に係る薄膜の形成方法は、基材上に薄膜を形成する方法であって、基材上に薄膜材料を含む溶液を薄膜状に塗布する塗布工程と、該塗布された溶液による薄膜の表面にレーザー光を照射することで、薄膜を加熱して焼成する焼成用加熱工程と、を含み、塗布工程においては、加熱によりレーザー光透過率が増加する材料が混入された溶液を基材上に塗布し、焼成用加熱工程においては、薄膜の厚さ方向に関して表面側を部分的に焼成するよう薄膜表面へのレーザー光の照射エネルギーを制御し、焼成後の薄膜の表面側を介して薄膜の基材側にレーザー光を照射することで、薄膜の基材側を焼成することを要旨とする。
【００１４】
本発明によれば、薄膜の表面側と基材側とでほぼ同等のレーザー光の照射エネルギーで焼成を行うことができるので、焼成時における薄膜の厚さ方向に関する温度分布を均一化するように制御することができる。その結果、焼成後における薄膜の厚さ方向に関する物性分布を均一化するように制御することができ、目標とする物性の薄膜を形成することができる。
【００１５】
本発明の一態様では、前記加熱によりレーザー光透過率が増加する材料は、加熱により透明化する感熱材料または透光性セラミック材料であることが好適である。
【００１６】
また、本発明に係る薄膜の形成方法は、基材上に薄膜を形成する方法であって、互いに材料の異なる第１及び第２基材の表面上に薄膜材料を含む溶液を薄膜状に塗布する塗布工程と、該塗布された溶液による薄膜の表面にレーザー光を照射することで、薄膜を加熱して焼成する焼成用加熱工程と、を含み、焼成用加熱工程においては、薄膜の表面にレーザー光を照射するときに、第１及び第２基材の材料が互いに異なることで生じる第１基材上の薄膜と第２基材上の薄膜との温度差を低減するための温度調整用材料を第１及び第２基材のいずれかの裏面に密着させることを要旨とする。
【００１７】
本発明によれば、互いに材料の異なる第１及び第２基材上の薄膜をレーザー光の照射により焼成するときに、レーザー光の照射エネルギーを変化させることなく、第１基材上の薄膜と第２基材上の薄膜との焼成温度差を低減することができる。その結果、焼成後における第１基材上の薄膜と第２基材上の薄膜とで物性値に差が生じるのを抑制することができ、目標とする物性の薄膜を形成することができる。
【００１８】
また、本発明に係る薄膜の形成方法は、基材上に薄膜を形成する方法であって、基材上に有機化合物を含む溶液を薄膜状に塗布する塗布工程と、該塗布された溶液による薄膜を焼成により固化する温度よりも低い温度で加熱して、加熱により薄膜で発生するガスを放出させるガス抜用加熱工程と、ガス抜用加熱工程後の薄膜にレーザー光を照射することで、薄膜を加熱して焼成する焼成用加熱工程と、を含むことを要旨とする。
【００１９】
本発明によれば、薄膜が焼成により固化する前に、加熱により薄膜で発生するガスを薄膜内から確実に放出させることができるので、焼成の際に発生するガスによる亀裂及び気泡が焼成後の薄膜に生じるのを防ぐことができる。その結果、薄膜の強度が設計強度よりも低下するのを防ぐことができる。
【００２０】
本発明の一態様では、ガス抜用加熱工程においては、焼成用加熱工程よりも低いエネルギーのレーザー光を薄膜に照射することで、加熱により薄膜で発生するガスを放出させることが好適である。
【００２１】
本発明の一態様では、前記塗布工程と前記ガス抜用加熱工程とを交互に複数回繰り返すことが好適である。
【００２２】
また、本発明に係る薄膜の形成方法は、基材上に薄膜を形成する方法であって、基材上に有機化合物を含む溶液を薄膜状に塗布する塗布工程と、該塗布された溶液による薄膜にレーザー光を照射することで、薄膜を加熱して焼成する焼成用加熱工程と、を含み、焼成用加熱工程においては、レーザーシート光を薄膜が焼成により固化していない方向へ徐々に移動させながら薄膜に照射することで、レーザーシート光を照射した部分を加熱して焼成するとともに、加熱により薄膜で発生するガスを焼成により固化していない部分から放出させることを要旨とする。
【００２３】
本発明によれば、レーザーシート光を照射した薄膜の部分を加熱して焼成するとともに、加熱により薄膜で発生するガスを焼成により固化していない薄膜の部分から放出させることができるので、焼成の際に発生するガスによる亀裂及び気泡が焼成後の薄膜に生じるのを防ぐことができる。その結果、薄膜の強度が設計強度よりも低下するのを防ぐことができる。
【００２４】
また、本発明に係る内燃機関の製造方法は、燃焼室を形成する母材の少なくとも一部の、燃焼室内に臨む壁面に、薄膜が形成された内燃機関を製造する方法であって、本発明に係る薄膜の形成方法により前記壁面に薄膜を形成する工程を含む、ことを要旨とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。
【００２６】
図１は、本発明の実施形態に係る製造方法により製造された内燃機関１の概略構成を示す図である。内燃機関（エンジン）１は、シリンダブロック９及びシリンダヘッド１０を備える。シリンダブロック９内には、その軸線方向に往復運動するピストン１２が収容されている。ピストン１２の頂面１２ａ、シリンダブロック９の内壁面９ａ、及びシリンダヘッド１０の下面１０ａに囲まれた空間は、燃焼室１３を形成する。シリンダヘッド１０には、燃焼室１３に連通する吸気ポート１４、及び燃焼室１３に連通する排気ポート１５が形成されている。さらに、吸気ポート１４と燃焼室１３との境界を開閉する吸気弁１６、及び排気ポート１５と燃焼室１３との境界を開閉する排気弁１７が設けられている。シリンダブロック９には、冷却水ジャケット１８が形成されており、冷却水ジャケット１８に冷却水が供給されることで、内燃機関１の冷却が行われる。
【００２７】
なお、図１では、説明の便宜上、燃料噴射弁や点火栓等の構成の図示を省略しているが、本実施形態に係る内燃機関１は、ディーゼルエンジン等の圧縮自着火式内燃機関であってもよいし、ガソリンエンジン等の火花点火式内燃機関であってもよい。圧縮自着火式内燃機関の場合は、例えばピストン１２が圧縮上死点付近に位置するときに燃料噴射弁から燃焼室１３内に燃料を噴射することで、燃焼室１３内の燃料が自着火して燃焼する。火花点火式内燃機関の場合は、点火時期にて点火栓の火花放電により燃焼室１３内の混合気に点火することで、燃焼室１３内の混合気を火炎伝播燃焼させる。燃焼室１３内の燃焼ガスは、排気行程にて排気ポート１５へ排出される。
【００２８】
本実施形態では、燃焼室１３を形成する母材の少なくとも一部の、燃焼室１３内に臨む（面する）壁面上には、燃焼室１３内の燃焼ガスから母材への伝熱を抑制するための断熱用薄膜２０が形成されている。ここでは、燃焼室１３を形成する母材として、シリンダブロック（シリンダライナ）９、シリンダヘッド１０、ピストン１２、吸気弁１６、及び排気弁１７を挙げることができる。そして、燃焼室１３内に臨む壁面として、シリンダブロック内壁面（シリンダライナ内壁面）９ａ、シリンダヘッド下面１０ａ、ピストン頂面１２ａ、吸気弁底面（傘部底面）１６ａ、及び排気弁底面（傘部底面）１７ａのいずれか１つ以上を挙げることができる。図１では、シリンダブロック内壁面９ａ、シリンダヘッド下面１０ａ、ピストン頂面１２ａ、吸気弁底面１６ａ、及び排気弁底面１７ａの各々に断熱用薄膜２０を形成した例を示している。ただし、必ずしもシリンダブロック内壁面９ａ、シリンダヘッド下面１０ａ、ピストン頂面１２ａ、吸気弁底面１６ａ、及び排気弁底面１７ａのすべてに断熱用薄膜２０を形成する必要はない。つまり、断熱用薄膜２０については、シリンダブロック内壁面９ａ、シリンダヘッド下面１０ａ、ピストン頂面１２ａ、吸気弁底面１６ａ、及び排気弁底面１７ａのいずれか１つ以上に形成することができる。
【００２９】
次に、本実施形態に係る内燃機関１の製造方法、特に、断熱用薄膜２０を形成する方法について説明する。なお、断熱用薄膜２０を形成する工程以外の内燃機関１の製造工程については、周知の工程で実現可能である。
【００３０】
「実施例１」
図２は、断熱用薄膜２０を形成する方法の一例を説明するフローチャートである。まずステップＳ１０１の薄膜塗布工程においては、図３に示すように、母材３０の壁面３０ａ上に薄膜材料４２を含む溶液を薄膜状に塗布することで、薄膜材料４２の溶液による薄膜２０を母材３０の壁面３０ａ上に形成する。薄膜材料４２の塗布方法としては、例えばスプレー、スピンコート、はけ塗り、ディップコート、スクリーン印刷等を用いることができる。ここでの溶液については、薄膜材料４２がキシレン等の有機溶剤（有機化合物）に溶解された溶液を用いることができ、薄膜材料４２については、例えばポリメタロカルボシラン等の有機珪素化合物を用いることができる。また、ここでの母材３０は、シリンダブロック（シリンダライナ）９であってもよいし、シリンダヘッド１０であってもよいし、ピストン１２であってもよいし、吸気弁１６であってもよいし、排気弁１７であってもよい。つまり、母材３０の壁面３０ａは、シリンダブロック内壁面（シリンダライナ内壁面）９ａであってもよいし、シリンダヘッド下面１０ａであってもよいし、ピストン頂面１２ａであってもよいし、吸気弁底面１６ａであってもよいし、排気弁底面１７ａであってもよい。また、薄膜２０の厚さは、例えば約１００μｍ程度である。
【００３１】
次に、ステップＳ１０２のガス抜用加熱工程においては、図４に示すように、ステップＳ１０１で塗布された薄膜材料４２及び有機溶剤を含む溶液による薄膜２０を加熱して、加熱により薄膜２０で発生するガスを薄膜２０内から放出させる。ここでは、薄膜２０（薄膜材料４２）が完全に焼結しないように、薄膜材料４２が焼成により固化する温度よりも低い温度で薄膜２０を加熱して下焼きする。薄膜２０の加熱については、例えば赤外線による加熱や火炎（バーナ）による加熱を用いることが可能である。また、薄膜２０の表面にレーザー光を照射することで、薄膜２０を加熱することも可能である。有機溶剤の沸点（例えばキシレンの場合は１３８℃程度）以上の温度で薄膜２０を加熱することで、有機溶剤が蒸発することによるガス５２が発生する。そして、薄膜材料４２が有機珪素化合物を含む場合は、有機珪素化合物が熱分解する約６００〜８００℃以上の温度で薄膜２０を加熱することで、有機珪素化合物が熱分解することによるＣＨ4やＨ2等のガス２２ａが発生する。また、有機珪素化合物の熱分解により二酸化珪素（ＳｉＯ2）や炭化珪素（ＳｉＣ）等の珪素化合物２２ｂが生成され、この珪素化合物２２ｂが完全に焼結する温度は約１０００〜１２００℃以上である。そこで、薄膜２０の温度が約１０００〜１２００℃よりも低くなるように薄膜２０を加熱することで、熱分解後の珪素化合物（ＳｉＯ2及びＳｉＣ）２２ｂが焼結して完全に固化することなく、有機溶剤が蒸発することによるガス５２、及び有機珪素化合物が熱分解することで発生するガス２２ａを薄膜２０内から外部へ確実に放出させることができる。
【００３２】
次に、ステップＳ１０３の焼成用加熱工程においては、図５に示すように、ステップＳ１０２のガス抜用加熱工程後における薄膜２０の表面２０ａに、レーザー光照射装置６４で発生させたレーザー光６５を照射することで、薄膜２０を加熱して焼成する。ここでは、薄膜材料４２が完全に焼結するように、ステップＳ１０２のガス抜用加熱工程よりも高い温度で薄膜２０を加熱して本焼成する。薄膜材料４２が有機珪素化合物を含む場合は、薄膜２０の温度が約１０００〜１２００℃以上になるようにレーザー光６５により薄膜２０を加熱することで、薄膜２０が焼成により完全に固化し、熱分解後の珪素化合物（ＳｉＯ2及びＳｉＣ）２２ｂが結晶化（セラミック化）して高強度化される。以上の工程により、セラミック化された珪素化合物（ＳｉＯ2及びＳｉＣ）２２ｂを含む断熱用薄膜２０が母材３０の壁面３０ａ上に形成される。
【００３３】
母材３０の壁面３０ａ上に塗布した薄膜材料４２の溶液を乾燥させたのみで、薄膜２０の表面全体にレーザー光６５を照射して薄膜２０を焼成する場合は、溶液に含まれる有機溶剤等の低沸点成分は乾燥では薄膜２０内から除去しきれず、レーザー光６５の照射により溶液から気泡として生じて、焼成により固化される薄膜２０に気泡が通過した経路が残る。この経路は薄膜２０の亀裂として存在し、薄膜２０の強度低下、性能悪化につながる。また、レーザー光６５の照射により薄膜２０を焼成する際には、薄膜材料４２（有機珪素化合物）が熱分解することによるガス２２ａが発生し、このガス２２ａが焼成中に薄膜２０内から十分に抜けきらないと、焼成後の薄膜２０内に気泡として残存する。この気泡は薄膜２０の熱伝導率を低くする点ではメリットとなるが、薄膜２０の強度の点では強度低下の一因となる。このように、薄膜２０の焼成の際に発生するガス２２ａ，５２が薄膜２０内から十分に抜けきらないと、焼成後の薄膜２０に亀裂や気泡が発生し、薄膜２０の実際の強度が設計強度よりも低下しやすくなる。
【００３４】
これに対して以上説明した断熱用薄膜２０の形成方法によれば、レーザー光６５の照射による薄膜２０の本焼成を行う前に、本焼成よりも低い温度で薄膜２０の下焼きを行うことで、薄膜２０が本焼成により固化する前に、有機溶剤が蒸発することによるガス５２、及び薄膜材料４２（有機珪素化合物）が熱分解することによるガス２２ａを薄膜２０内から確実に抜くことができる。そのため、焼成後の断熱用薄膜２０に、焼成の際に発生するガス２２ａ，５２による亀裂及び気泡が生じるのを防ぐことができる。その結果、断熱用薄膜２０の強度が設計強度よりも低下するのを防ぐことができる。
【００３５】
なお、ステップＳ１０２のガス抜用加熱工程において、レーザー光照射装置６４で発生させたレーザー光６５を薄膜２０の表面に照射することで薄膜２０を加熱する場合は、ステップＳ１０３の焼成用加熱工程よりも低いエネルギーのレーザー光６５を薄膜２０の表面に照射することで、加熱により薄膜２０で発生するガスを薄膜２０内から放出させる。これによって、レーザー光照射装置６４以外の加熱源を他に用いなくても、レーザー光６５の出力をデューティ比等により変更することで、薄膜２０の下焼き及び本焼成を実施することができる。
【００３６】
また、ステップＳ１０１の薄膜塗布工程において、母材３０の壁面３０ａ上に塗布される溶液には、図６に示すように、粒子状の断熱材４１を多数混入させることもできる。ここでの断熱材４１については、例えば中空のセラミックビーズ（ジルコニアビーズ等）や中空のガラスビーズ等の中空構造のものを用いることができる。その場合は、レーザー光６５の照射により薄膜２０を焼成することで、図７に示すように、珪素化合物（ＳｉＯ2及びＳｉＣ）２２ｂの内部に中空構造の断熱材４１が多数混入された断熱用薄膜２０が母材３０の壁面３０ａ上に形成される。
【００３７】
内燃機関のシリンダ内における熱損失Ｑ［Ｗ］については、シリンダ内の圧力やガス流に起因する熱伝達係数ｈ［Ｗ／(ｍ2・Ｋ)］、シリンダ内の表面積Ａ［ｍ2］、シリンダ内のガス温度Ｔｇ［Ｋ］、及びシリンダ内に面する（シリンダ内の燃焼ガスと接触する）壁面の温度Ｔｗａｌｌ［Ｋ］を用いて、以下の（１）式で表すことができる。
【００３８】
Ｑ＝Ａ×ｈ×（Ｔｇ−Ｔｗａｌｌ） （１）
【００３９】
内燃機関のサイクルにおいては、シリンダ内ガス温度Ｔｇが時々刻々変化するが、壁面温度Ｔｗａｌｌをシリンダ内ガス温度Ｔｇに追従させるよう時々刻々変化させることで、（１）式における（Ｔｇ−Ｔｗａｌｌ）の値を小さくすることができ、熱損失Ｑを低減することができる。壁面温度Ｔｗａｌｌをシリンダ内ガス温度Ｔｇに追従させるよう変化させるためには、燃焼室内に臨む壁面に形成する断熱用薄膜については、熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量が低いことが望ましい。これに対して、中空構造の断熱材４１が多数混入された断熱用薄膜２０を母材３０の壁面３０ａ上に形成することで、断熱用薄膜２０の熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量を低くすることができる。その結果、燃焼室壁面温度Ｔｗａｌｌのシリンダ内ガス温度Ｔｇへの追従性を向上させることができ、内燃機関１の熱効率を向上させることができる。
【００４０】
「実施例２」
図８は、断熱用薄膜２０を形成する方法の他の例を説明するフローチャートである。以下の実施例２の説明では、実施例１と同様の構成または対応する構成には同一の符号を付し、説明を省略する構成については実施例１と同様である。
【００４１】
図８のフローチャートにおいて、ステップＳ２０１，Ｓ２０２は実施例１のステップＳ１０１，Ｓ１０２とそれぞれ同様である。ただし、ステップＳ２０１の薄膜塗布工程で塗布する薄膜２０の厚さについては、図９に示すように目標の厚さよりも薄くし、例えば目標厚さの１／２〜１／５程度とする。ここでの目標厚さは例えば１００μｍ程度の厚さである。ステップＳ２０３では、母材３０の壁面３０ａ上に形成された薄膜２０の合計厚さが目標の厚さに達したか否かが判定される。薄膜２０の合計厚さが目標の厚さに達していない場合（ステップＳ２０３の判定結果がＮＯの場合）は、図１０に示すように、薄膜２０の合計厚さが目標の厚さに達するまで、ステップＳ２０１の薄膜塗布工程とステップＳ２０２のガス抜用加熱工程とを交互に繰り返す。一方、薄膜２０の合計厚さが目標の厚さに達した場合（ステップＳ２０３の判定結果がＹＥＳの場合）は、ステップＳ２０４の焼成用加熱工程において、実施例１のステップＳ１０３と同様に、図１１に示すように、レーザー光照射装置６４で発生させたレーザー光６５を薄膜２０の表面２０ａに照射することで、薄膜２０を加熱して焼成する。
【００４２】
薄膜２０の下焼きの際に発生するガス２２ａ，５２は、薄膜２０の厚さが厚すぎると、下焼き中に薄膜２０内から抜けにくくなり、本焼成後の薄膜２０に亀裂や気泡が発生しやすくなる。これに対して以上説明した断熱用薄膜２０の形成方法によれば、レーザー光６５の照射による薄膜２０の本焼成（ステップＳ２０４の焼成用加熱工程）を行う前に、薄い薄膜２０の塗り（ステップＳ２０１の薄膜塗布工程）と下焼き（ステップＳ２０２のガス抜用加熱工程）とを交互に複数回繰り返すことで、１回あたりに下焼きされる薄膜２０の厚さを薄くすることができ、下焼き時に発生するガス２２ａ，５２を薄膜２０内から抜けやすくすることができる。そのため、下焼き時に発生するガス２２ａ，５２が残存することによる亀裂及び気泡が本焼成後の断熱用薄膜２０に生じるのをより確実に防ぐことができ、断熱用薄膜２０の強度が設計強度よりも低下するのをより確実に防ぐことができる。
【００４３】
「実施例３」
図１２は、断熱用薄膜２０を形成する方法の他の例を説明するフローチャートである。以下の実施例３の説明では、実施例１，２と同様の構成または対応する構成には同一の符号を付し、説明を省略する構成については実施例１，２と同様である。
【００４４】
ステップＳ３０１の薄膜塗布工程においては、実施例１のステップＳ１０１と同様に、薄膜材料４２が有機溶剤に溶解された溶液を母材３０の壁面３０ａ上に薄膜状に塗布することで、薄膜材料４２の溶液による薄膜２０を母材３０の壁面３０ａ上に形成する。次に、ステップＳ３０２の焼成用加熱工程においては、ステップＳ３０１で塗布された薄膜材料４２及び有機溶剤を含む溶液による薄膜２０の表面２０ａに、レーザー光照射装置６４で発生させたレーザー光６５を照射することで、薄膜２０を加熱して焼成する。薄膜材料４２が有機珪素化合物を含む場合は、薄膜材料４２の焼成時の熱分解により生成された珪素化合物（ＳｉＯ2及びＳｉＣ）２２ｂが結晶化（セラミック化）して高強度化される。ここでは、図１３に示すように、レーザー光照射装置６４から薄膜２０の表面２０ａに照射するレーザー光としてレーザーシート光６５を用いる。薄膜２０の表面２０ａにおけるレーザーシート光６５が照射されている部分２０ｄは帯状の形状となり、薄膜２０におけるレーザーシート光６５が照射された後の部分２０ｂが焼成により固化する。焼成の際には、有機溶剤が蒸発することによるガス５２が発生する。そして、薄膜材料４２が有機珪素化合物を含む場合は、有機珪素化合物が熱分解することによるＣＨ4やＨ2等のガス２２ａが発生する。これらのガス２２ａ，５２は、薄膜２０におけるレーザーシート光６５がまだ照射されていない部分（焼成によりまだ固化していない部分）２０ｃから薄膜２０外へ放出される。レーザー光照射装置６４は、レーザーシート光６５の照射により薄膜２０全体を焼成する際には、図１３から図１４に示すように、レーザーシート光６５（レーザーシート光６５が照射されている部分２０ｄ）を、薄膜２０が焼成によりまだ固化していない方向（レーザーシート光６５がまだ照射されていない方向）へ徐々に移動させる。その際には、例えば薄膜２０の表面２０ａと平行で且つレーザーシート光６５の長手方向と垂直な方向に沿ってレーザーシート光６５を徐々に移動させる。レーザーシート光６５を薄膜２０が焼成によりまだ固化していない方向へ徐々に移動させながら薄膜２０の表面２０ａに照射することで、レーザーシート光６５を照射した部分２０ｂを加熱して焼成することができるとともに、加熱により薄膜２０で発生するガス２２ａ，５２を焼成により固化していない部分２０ｃから放出させることができる。レーザーシート光６５を薄膜２０の表面全体に渡って照射したら、レーザーシート光６５の照射を終了する。
【００４５】
以上説明した断熱用薄膜２０の形成方法によれば、レーザーシート光６５による薄膜２０の焼成の際に発生するガス２２ａ，５２を焼成により固化していない部分（レーザーシート光６５が照射されていない部分）２０ｃから確実に抜くことができる。そのため、焼成の際に発生するガス２２ａ，５２による亀裂及び気泡が焼成後の断熱用薄膜２０に生じるのを防ぐことができ、断熱用薄膜２０の強度が設計強度よりも低下するのを防ぐことができる。
【００４６】
なお、実施例１のステップＳ１０２のガス抜用加熱工程や実施例２のステップＳ２０２のガス抜用加熱工程において薄膜２０を加熱する際には、レーザーシート光６５を薄膜２０がまだ加熱されていない方向へ徐々に移動させながら薄膜２０の表面に照射することで、レーザーシート光６５を照射した部分を加熱することもできる。加熱により薄膜２０で発生するガス２２ａ，５２については、薄膜２０における加熱されていない部分（レーザーシート光６５が照射されていない部分）から薄膜２０外へ放出させることが可能である。
【００４７】
「実施例４」
次に、断熱用薄膜２０を形成する方法の他の例について説明する。以下の実施例４の説明では、実施例１〜３と同様の構成または対応する構成には同一の符号を付し、説明を省略する構成については実施例１〜３と同様である。
【００４８】
実施例４でも、図１２のフローチャートに示すように、ステップＳ３０１の薄膜塗布工程、ステップＳ３０２の焼成用加熱工程の順に断熱用薄膜２０を形成する。ステップＳ３０１の薄膜塗布工程においては、図１５に示すように、母材３０の壁面３０ａ上に薄膜材料４２を含む溶液を薄膜状に塗布することで、薄膜材料４２の溶液による薄膜２０を母材３０の壁面３０ａ上に形成する。ここでの溶液についても、薄膜材料４２がキシレン等の有機溶剤（有機化合物）に溶解された溶液を用いることができ、薄膜材料４２についても、例えばポリメタロカルボシラン等の有機珪素化合物を用いることができる。また、実施例１と同様に、粒子状の断熱材４１を溶液に多数混入させることもできる。ここでは、母材３０の壁面３０ａ上に塗布する溶液（薄膜材料４２）に、例えば蛍光塗料等のレーザー光吸収塗料（レーザー光吸収材料）を混入させる。ここでのレーザー光吸収塗料は、ステップＳ３０２の焼成用加熱工程で照射されるレーザー光６５の波長と同等の特定波長を吸収する。そして、溶液による薄膜２０のレーザー光吸収塗料の含有割合が厚さ方向位置に応じて変化するように、レーザー光吸収塗料を含む溶液を、レーザー光吸収塗料の含有割合を変化させながら複数回に分けて母材３０の壁面３０ａ上に重ね塗りする。これによって、母材３０の壁面３０ａ上に塗布された薄膜２０のレーザー光透過率が厚さ方向位置に応じて変化する。図１５に示す例では、レーザー光吸収塗料を含む溶液を、レーザー光吸収塗料の含有割合を徐々に減らしながら複数回に分けて母材３０の壁面３０ａ上に重ね塗りしている。そのため、薄膜２０においては、母材３０（壁面３０ａ）側の層におけるレーザー光吸収塗料の含有割合（レーザー光吸収率）が表面２０ａ側の層におけるレーザー光吸収塗料の含有割合（レーザー光吸収率）よりも高くなり、薄膜２０の壁面３０ａ側から表面２０ａ側へ向かうにつれてレーザー光吸収塗料の含有割合（レーザー光吸収率）が徐々に低くなる。これによって、薄膜２０の表面２０ａ側の層におけるレーザー光透過率が薄膜２０の壁面３０ａ側の層におけるレーザー光透過率よりも高くなり、薄膜２０の表面２０ａ側から壁面３０ａ側へ向かうにつれてレーザー光透過率が徐々に低くなる。
【００４９】
次に、ステップＳ３０２の焼成用加熱工程においては、図１６に示すように、ステップＳ３０１で塗布されたレーザー光吸収塗料を含む溶液による薄膜２０の表面２０ａに、レーザー光照射装置６４で発生させたレーザー光６５を照射することで、薄膜２０を加熱して焼成する。薄膜材料４２が有機珪素化合物を含む場合は、薄膜材料４２の焼成時の熱分解により生成された珪素化合物（ＳｉＯ2及びＳｉＣ）２２ｂが結晶化（セラミック化）して高強度化される。以上の工程により、セラミック化された珪素化合物（ＳｉＯ2及びＳｉＣ）２２ｂを含む断熱用薄膜２０が母材３０の壁面３０ａ上に形成される。
【００５０】
薄膜２０の表面２０ａにレーザー光６５を照射することで薄膜２０を焼成する場合に、薄膜２０のレーザー光透過率が厚さ方向に関して均一であると、薄膜２０の表面２０ａが最もレーザー光６５の照射エネルギーが高くなり、薄膜２０の内部へ向かうにつれてレーザー光６５の照射エネルギーが低下する。そのため、図１７に示すように、薄膜２０の表面２０ａが最も高温となり薄膜２０の内部へ向かうにつれて低温となる、厚さ方向に関する温度分布が形成される。したがって、薄膜２０には表面２０ａからの距離に対して焼成温度に差が生じる。その結果、例えば母材３０近傍の位置における熱伝導率や熱容量が設計値から外れる等、断熱用薄膜２０の熱伝導率や熱容量が厚さ方向に関して部分的に設計値から外れ、目標とする物性の断熱用薄膜２０が得られない場合が生じる。これに対して以上説明した断熱用薄膜２０の形成方法によれば、レーザー光６５による焼成前における薄膜２０のレーザー光透過率を厚さ方向位置に応じて変化させることで、焼成時における薄膜２０の厚さ方向に関する温度分布を制御することができる。その結果、断熱用薄膜２０の厚さ方向に関する熱伝導率や熱容量の分布を制御することができ、母材３０近傍の位置でも目標とする物性の断熱用薄膜２０を形成することができる。例えば、薄膜２０の表面２０ａ側におけるレーザー光透過率を薄膜２０の壁面３０ａ側におけるレーザー光透過率よりも高くすることで、薄膜２０の壁面３０ａ側では、薄膜２０の表面２０ａ側よりもレーザー光６５が吸収されやすくなる。そのため、レーザー光６５による焼成時における薄膜２０の表面２０ａ側と壁面３０ａ側との温度差を低減することができ、図１８に示すように、焼成時における薄膜２０の厚さ方向に関する温度分布を均一化することができる。その結果、断熱用薄膜２０の厚さ方向に関する熱伝導率や熱容量の分布を均一化することができる。
【００５１】
なお、ステップＳ３０１の薄膜塗布工程においては、図１９に示すように、薄膜材料４２の溶液による薄膜２０内に、例えば蛍光塗料等のレーザー光吸収塗料を含有させたシート６６を混入させることもできる。図１９に示す例では、薄膜２０における壁面３０ａ側の位置にシート６６を混入させている。シート６６（レーザー光吸収塗料）の混入された位置でレーザー光吸収率が高くなるため、薄膜２０のレーザー光透過率はシート６６の混入された位置で低くなる。したがって、レーザー光６５による薄膜２０の焼成時には、シート６６の混入された位置でレーザー光６５が吸収されやすくなり、シート６６の混入された位置での焼成温度を上昇させることができる。厚さ方向に関するシート６６の混入位置を調整することで、焼成時における薄膜２０の厚さ方向に関する温度分布を制御することができるので、断熱用薄膜２０の厚さ方向に関する物性分布を制御することができる。
【００５２】
「実施例５」
次に、断熱用薄膜２０を形成する方法の他の例について説明する。以下の実施例５の説明では、実施例１〜４と同様の構成または対応する構成には同一の符号を付し、説明を省略する構成については実施例１〜４と同様である。
【００５３】
実施例５でも、図１２のフローチャートに示すように、ステップＳ３０１の薄膜塗布工程、ステップＳ３０２の焼成用加熱工程の順に断熱用薄膜２０を形成する。ステップＳ３０１の薄膜塗布工程においては、実施例１のステップＳ１０１と同様に、薄膜材料４２が有機溶剤に溶解された溶液を母材３０の壁面３０ａ上に薄膜状に塗布することで、薄膜材料４２の溶液による薄膜２０を母材３０の壁面３０ａ上に形成する。ただし、ここでは、母材３０の壁面３０ａ上に塗布する溶液（薄膜材料４２）に、加熱によりレーザー光透過率が増加する透過率可変材料を混入させる。ここでの溶液に混入させる透過率可変材料としては、例えば加熱により透明化する感熱材料を用いることもできるし、例えば透光性アルミナ等の透光性セラミック材料を用いることもできる。加熱により透明化する感熱材料の具体例としては、例えば特開平７−２４６７８１号公報に記載されているように、少なくとも２種類の有機材料において一つの材料の屈折率が大きな温度依存性を示し、他の材料の屈折率の温度依存性が少ないものを選び、さらにある温度では各々の屈折率が一致し、他の温度では不一致であるように材料を選択して、いずれかの材料が他方の材料中に分散するように混合することによって得られる。このようにして得られた混合材料は、ある温度において一方の材料の屈折率が他方の材料の屈折率とほぼ等しいとき透明となり、別の温度において各々の屈折率が異なる場合界面で光が散乱するために白濁する。屈折率の温度依存性が少ない材料としては、アクリル、ウレタン、ポリビニルブチラール、ポリエステル、ポリ塩化ビニール、ポリ塩化ビニリデンなどの各種樹脂が使用できる。また屈折率の温度依存性が大きい材料としては各種液晶が使用でき、特にビスフェノール系のネマチック液晶が適する。これは同液晶の多くが常温で１．７以上の高い屈折率を示すため前記樹脂との界面で大きな光散乱が生じて高い白濁度が得られる、また加熱により相転移を起こしてネマチック状態からアイソトロピック状態に変化して屈折率が１．５程度に低下し樹脂との差がほとんど無くなって透明になるためである。
【００５４】
次に、ステップＳ３０２の焼成用加熱工程においては、ステップＳ３０１で塗布された透過率可変材料を含む溶液による薄膜２０の表面２０ａに、レーザー光照射装置６４で発生させたレーザー光６５を照射することで、薄膜２０を加熱して焼成する。薄膜材料４２が有機珪素化合物を含む場合は、薄膜材料４２の焼成時の熱分解により生成された珪素化合物（ＳｉＯ2及びＳｉＣ）２２ｂが結晶化（セラミック化）して高強度化される。ただし、ここでは、薄膜２０の厚さ方向に関して全体を焼成するのに必要なレーザー光６５のエネルギーを一度に照射するのではなく、複数回に分けてパルス状に照射する。その際には、レーザー光照射装置６４は、図２０に示すように、まず薄膜２０の厚さ方向に関して表面２０ａ側を部分的に焼成するよう薄膜２０の表面２０ａへのレーザー光６５の照射エネルギーを制御する。ここでは、薄膜２０の厚さ方向に関して全体を焼成する場合と比較して、レーザー光６５の出力を低くすることもできるし、レーザー光６５の照射時間を短くすることもできる。薄膜２０の表面２０ａ側における焼成後の部分２０ｂは、混入された透過率可変材料が加熱されることで透明度が増加してレーザー光透過率が増加する。一方、薄膜２０の母材３０（壁面３０ａ）側における焼成前の部分２０ｃは、透過率可変材料が加熱されないことで透明度が低くレーザー光透過率が低いままである。なお、１回あたりのレーザー光６５の照射エネルギーをさらに低く制御して、薄膜２０の表面２０ａ側の焼成を複数回に分けて行うことも可能である。
【００５５】
次に、レーザー光照射装置６４は、図２１に示すように、薄膜２０の表面２０ａ側における焼成後の部分２０ｂを介して薄膜２０の母材３０（壁面３０ａ）側における焼成前の部分２０ｃにレーザー光６５を照射することで、薄膜２０の壁面３０ａ側の部分２０ｃを焼成する。薄膜２０の表面２０ａ側における焼成後の部分２０ｂは、透過率可変材料の加熱により透明度（レーザー光透過率）が増加しているため、レーザー光照射装置６４から照射されたレーザー光６５のエネルギーは、焼成後の部分２０ｂでほとんど吸収されずに薄膜２０の壁面３０ａ側の部分２０ｃに到達する。そのため、薄膜２０の表面２０ａ側の部分２０ｂを焼成した場合とほぼ同等のエネルギーのレーザー光６５を薄膜２０の壁面３０ａ側の部分２０ｃに照射して焼成することができる。したがって、薄膜２０の壁面３０ａ側での焼成温度は、薄膜２０の表面２０ａ側での焼成温度とほぼ同等になる。なお、１回あたりのレーザー光６５の照射エネルギーをさらに低く制御して、薄膜２０の壁面３０ａ側の焼成を複数回に分けて行うことも可能である。
【００５６】
以上説明した断熱用薄膜２０の形成方法によれば、薄膜２０の表面２０ａ側と壁面３０ａ側とで、ほぼ同等のレーザー光６５の照射エネルギーで焼成を行うことができる。そのため、レーザー光６５による焼成時における薄膜２０の表面２０ａ側と壁面３０ａ側との温度差を低減することができ、焼成時における薄膜２０の厚さ方向に関する温度分布を均一化することができる。その結果、断熱用薄膜２０の厚さ方向に関する熱伝導率や熱容量の分布を均一化することができ、母材３０近傍の位置でも目標とする物性の断熱用薄膜２０を形成することができる。
【００５７】
なお、ステップＳ３０２の焼成用加熱工程において、薄膜２０の表面２０ａ側を部分的に焼成する際には、図２２に示すように、レーザーシート光６５を徐々に移動させることもできる。その際には、レーザー光照射装置６４は、レーザーシート光６５（レーザーシート光６５が照射されている薄膜２０の部分２０ｄ）を、薄膜２０の表面２０ａ側が焼成によりまだ固化していない方向（レーザーシート光６５がまだ照射されていない方向）へ徐々に移動させる。例えば薄膜２０の表面２０ａと平行で且つレーザーシート光６５の長手方向と垂直な方向に沿ってレーザーシート光６５を徐々に移動させる。レーザーシート光６５を徐々に移動させながら薄膜２０の表面２０ａに照射することによっても、薄膜２０の厚さ方向に関して表面２０ａ側を部分的に焼成するよう薄膜２０の表面２０ａへのレーザーシート光６５の照射エネルギーを制御することができる。
【００５８】
「実施例６」
次に、断熱用薄膜２０を形成する方法の他の例について説明する。以下の実施例６の説明では、実施例１〜５と同様の構成または対応する構成には同一の符号を付し、説明を省略する構成については実施例１〜５と同様である。
【００５９】
実施例６でも、図１２のフローチャートに示すように、ステップＳ３０１の薄膜塗布工程、ステップＳ３０２の焼成用加熱工程の順に断熱用薄膜２０を形成する。ステップＳ３０１の薄膜塗布工程においては、図２３に示すように、薄膜材料４２が有機溶剤に溶解された溶液を母材３０−１の壁面３０−１ａ上及び母材３０−２の壁面３０−２ａ上にそれぞれ薄膜状に塗布することで、薄膜材料４２の溶液による薄膜２０を母材３０−１の壁面３０−１ａ上及び母材３０−２の壁面３０−２ａ上にそれぞれ形成する。ここでは、実施例１と同様に、粒子状の断熱材４１を溶液に多数混入させることもできる。ここでの母材３０−１，３０−２は、シリンダブロック（シリンダライナ）９であってもよいし、シリンダヘッド１０であってもよいし、ピストン１２であってもよいし、吸気弁１６であってもよいし、排気弁１７であってもよい。つまり、母材３０−１，３０−２の壁面３０−１ａ，３０−２ａは、シリンダブロック内壁面（シリンダライナ内壁面）９ａであってもよいし、シリンダヘッド下面１０ａであってもよいし、ピストン頂面１２ａであってもよいし、吸気弁底面１６ａであってもよいし、排気弁底面１７ａであってもよい。ただし、ここでの母材３０−１，３０−２は、材料が互いに異なり、熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量等の物性値が互いに異なる。
【００６０】
次に、ステップＳ３０２の焼成用加熱工程においては、図２４に示すように、ステップＳ３０１で壁面３０−１ａ，３０−２ａ上に塗布された溶液による薄膜２０の表面２０ａに、レーザー光照射装置６４で発生させたレーザー光６５を照射することで、壁面３０−１ａ，３０−２ａ上の薄膜２０を加熱して焼成する。ここでは、熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量等の熱物性値が既知の温度調整用材料６８を母材３０−１，３０−２の裏面（壁面３０−１ａ，３０−２ａと反対側の面）３０−１ｂ，３０−２ｂのいずれかに接触（密着）させた状態で、薄膜２０の表面２０ａにレーザー光６５を照射して薄膜２０を焼成する。図２４に示す例では、母材３０−１と異なる材料の温度調整用材料６８を母材３０−１の裏面３０−１ｂに密着させているが、母材３０−２と異なる材料の温度調整用材料６８を母材３０−２の裏面３０−２ｂに密着させることも可能である。薄膜材料４２が有機珪素化合物を含む場合は、薄膜材料４２の焼成時の熱分解により生成された珪素化合物（ＳｉＯ2及びＳｉＣ）２２ｂが結晶化（セラミック化）して高強度化される。薄膜２０の焼成後は、温度調整用材料６８を取り除く。以上の工程により、セラミック化された珪素化合物（ＳｉＯ2及びＳｉＣ）２２ｂを含む断熱用薄膜２０が母材３０−１，３０−２の壁面３０−１ａ，３０−２ａ上にそれぞれ形成される。
【００６１】
レーザー光６５の照射により薄膜２０に熱量が加えられ、その温度が上昇することで薄膜２０が焼成されるが、レーザー光６５の照射による熱量は、薄膜２０を介して母材３０−１，３０−２にも伝わる。母材３０−１，３０−２同士で材料が異なり、熱伝導率、熱容量、体積が異なると、薄膜２０から母材３０−１，３０−２への熱伝導の様子も異なってくる。例えば母材３０−１の材料がアルミニウムまたはアルミニウム系合金であり、母材３０−２の材料が鉄または鉄系合金である場合等、母材３０−１の熱伝導率が母材３０−２の熱伝導率よりも高い場合を考えると、薄膜２０から母材３０−１への熱流束が薄膜２０から母材３０−２への熱流束よりも大きくなる。そのため、同様の薄膜材料４２及びレーザー光６５の照射エネルギーを用いても、母材３０−１上の薄膜２０と母材３０−２上の薄膜２０とで、焼成温度に差が生じる。その結果、焼成後における母材３０−１上の断熱用薄膜２０と母材３０−２上の断熱用薄膜２０とで、熱伝導率や熱容量等の物性値に差が生じる。その場合は、目標とする物性の断熱用薄膜２０が得られなくなる。
【００６２】
そこで、ステップＳ３０２の焼成用加熱工程において、薄膜２０の表面２０ａにレーザー光６５を照射して薄膜２０を焼成するときには、熱伝導率及び熱容量が既知の温度調整用材料６８を母材３０−１の裏面３０−１ｂに密着させることで、薄膜２０から母材３０−１への熱流束を調整する。これによって、母材３０−１上の薄膜２０の焼成温度を調整することができる。例えば母材３０−１の熱伝導率が母材３０−２の熱伝導率よりも高い場合は、温度調整用材料６８として、母材３０−１よりも熱伝導率が低い材料を用いることで、薄膜２０から母材３０−１への熱流束を減少させることができ、母材３０−１上の薄膜２０の焼成温度を上昇させることができる。一方、母材３０−１の熱伝導率が母材３０−２の熱伝導率よりも低い場合は、温度調整用材料６８として、母材３０−１よりも熱伝導率が高い材料を用いることで、薄膜２０から母材３０−１への熱流束を増加させることができ、母材３０−１上の薄膜２０の焼成温度を低下させることができる。したがって、母材３０−１，３０−２の材料が互いに異なることで生じる、薄膜２０から母材３０−１への熱流束と薄膜２０から母材３０−２への熱流束との差を低減することができ、母材３０−１上の薄膜２０と母材３０−２上の薄膜２０との焼成温度差を低減することができる。
【００６３】
ここで、熱伝導が薄膜厚さ方向に１次元的に起こるものとすると、以下の（２）式による熱伝導方程式が成立する。（２）式において、ｑは材料内での発熱量、ρは密度、ｃは比熱、ｋは熱伝導率、Ｔは薄膜厚さ方向位置ｘでの温度である。図２４に示すように、レーザー光６５の照射による薄膜２０への入射熱量をｑa、温度調整用材料６８（または母材３０−２）から逃げていく熱量をｑbとすると、（２）式のｑはｑa−ｑbにより表される。
【００６４】
【数１】
【００６５】
初期状態（レーザー光６５の照射前）での各材料（薄膜２０、母材３０−１，３０−２、温度調整用材料６８）内の温度Ｔと、各材料の密度ρ、比熱ｃ、熱伝導率ｋと、温度調整用材料６８及び母材３０−２の下面での温度ｔ0、熱伝達率ｈ0と、レーザー光６５の照射による薄膜２０への入射熱量ｑaとがわかっていれば、各時刻ｔにおける薄膜２０内の位置ｘでの温度Ｔは、（２）式による熱伝導方程式から計算することが可能である。そのため、（２）式による熱伝導方程式を用いて、母材３０−１上の薄膜２０の温度と母材３０−２上の薄膜２０の温度が等しく（あるいはほぼ等しく）なるような温度調整用材料６８の熱物性値（比熱ｃ、熱伝導率ｋ）及び厚さを算出することが可能である。温度調整用材料６８の材料としては、この算出した熱物性値（比熱ｃ、熱伝導率ｋ）に近い熱物性値（比熱ｃ、熱伝導率ｋ）を有する材料を選択することが好ましい。
【００６６】
以上説明した断熱用薄膜２０の形成方法によれば、材料の異なる母材３０−１，３０−２上の薄膜２０をレーザー光６５の照射により焼成するときに、薄膜２０から母材３０−１への熱流束と薄膜２０から母材３０−２への熱流束との差を低減するように熱伝導率及び熱容量等の熱物性値が調整された温度調整用材料６８を母材３０−１，３０−２の裏面３０−１ｂ，３０−２ｂのいずれかに密着させることで、母材３０−１，３０−２の材料が互いに異なることで生じる母材３０−１上の薄膜２０と母材３０−２上の薄膜２０との焼成温度差を低減することができる。したがって、レーザー光６５の照射エネルギーを変化させることなく、母材３０−１上の薄膜２０と母材３０−２上の薄膜２０とで、焼成温度に差が生じるのを抑制することができ、熱伝導率や熱容量等の物性値に差が生じるのを抑制することができる。その結果、材料の異なる母材３０−１，３０−２上に断熱用薄膜２０を形成する場合でも、目標とする物性の断熱用薄膜２０を形成することができる。
【００６７】
以上の実施例１〜６の説明では、断熱用薄膜２０を母材３０の壁面３０ａ上に直接形成する場合について説明した。ただし、実施例１〜６では、断熱用薄膜２０を母材３０と別の基材上に形成し、断熱用薄膜２０が形成された基材と母材３０の壁面３０ａとを接合することも可能である。
【００６８】
また、以上の説明では、内燃機関１の燃焼室１３を形成する母材３０の少なくとも一部の、燃焼室１３内に臨む壁面３０ａ上に、薄膜２０を形成する場合について説明した。ただし、実施例１〜６で説明した薄膜２０の形成方法については、内燃機関１の燃焼室１３内に臨む壁面３０ａ以外であっても適用可能である。
【００６９】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の実施形態に係る製造方法により製造された内燃機関の概略構成を示す図である。
【図２】断熱用薄膜を形成する方法の一例を説明するフローチャートである。
【図３】断熱用薄膜を形成する方法の一例を説明する図である。
【図４】断熱用薄膜を形成する方法の一例を説明する図である。
【図５】断熱用薄膜を形成する方法の一例を説明する図である。
【図６】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図７】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図８】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明するフローチャートである。
【図９】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図１０】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図１１】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図１２】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明するフローチャートである。
【図１３】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図１４】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図１５】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図１６】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図１７】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図１８】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図１９】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図２０】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図２１】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図２２】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図２３】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【図２４】断熱用薄膜を形成する方法の他の例を説明する図である。
【符号の説明】
【００７１】
１ 内燃機関、９ シリンダブロック、９ａ シリンダブロック内壁面、１０ シリンダヘッド、１０ａ シリンダヘッド下面、１２ ピストン、１２ａ ピストン頂面、１３ 燃焼室、１４ 吸気ポート、１５ 排気ポート、１６ 吸気弁、１６ａ 吸気弁底面、１７ 排気弁、１７ａ 排気弁底面、１８ 冷却水ジャケット、２０ 断熱用薄膜、２２ａ，５２ ガス、２２ｂ 珪素化合物、３０，３０−１，３０−２ 母材、３０ａ，３０−１ａ，３０−２ａ 壁面、４１ 断熱材、４２ 薄膜材料、６４ レーザー光照射装置、６５ レーザー光、６６ シート、６８ 温度調整用材料。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材上に薄膜を形成する方法であって、
基材上に薄膜材料を含む溶液を薄膜状に塗布する塗布工程と、
該塗布された溶液による薄膜の表面にレーザー光を照射することで、薄膜を加熱して焼成する焼成用加熱工程と、
を含み、
塗布工程においては、薄膜のレーザー光透過率が厚さ方向位置に応じて変化するように、レーザー光吸収材料が混入された溶液を基材上に塗布する、薄膜の形成方法。
【請求項２】
請求項１に記載の薄膜の形成方法であって、
塗布工程においては、薄膜の基材側におけるレーザー光吸収材料の割合が薄膜の表面側よりも高くなるように、レーザー光吸収材料が混入された溶液を基材上に塗布する、薄膜の形成方法。
【請求項３】
基材上に薄膜を形成する方法であって、
基材上に薄膜材料を含む溶液を薄膜状に塗布する塗布工程と、
該塗布された溶液による薄膜の表面にレーザー光を照射することで、薄膜を加熱して焼成する焼成用加熱工程と、
を含み、
塗布工程においては、加熱によりレーザー光透過率が増加する材料が混入された溶液を基材上に塗布し、
焼成用加熱工程においては、
薄膜の厚さ方向に関して表面側を部分的に焼成するよう薄膜表面へのレーザー光の照射エネルギーを制御し、
焼成後の薄膜の表面側を介して薄膜の基材側にレーザー光を照射することで、薄膜の基材側を焼成する、薄膜の形成方法。
【請求項４】
請求項３に記載の薄膜の形成方法であって、
前記加熱によりレーザー光透過率が増加する材料は、加熱により透明化する感熱材料または透光性セラミック材料である、薄膜の形成方法。
【請求項５】
基材上に薄膜を形成する方法であって、
互いに材料の異なる第１及び第２基材の表面上に薄膜材料を含む溶液を薄膜状に塗布する塗布工程と、
該塗布された溶液による薄膜の表面にレーザー光を照射することで、薄膜を加熱して焼成する焼成用加熱工程と、
を含み、
焼成用加熱工程においては、薄膜の表面にレーザー光を照射するときに、第１及び第２基材の材料が互いに異なることで生じる第１基材上の薄膜と第２基材上の薄膜との温度差を低減するための温度調整用材料を第１及び第２基材のいずれかの裏面に密着させる、薄膜の形成方法。
【請求項６】
基材上に薄膜を形成する方法であって、
基材上に有機化合物を含む溶液を薄膜状に塗布する塗布工程と、
該塗布された溶液による薄膜を焼成により固化する温度よりも低い温度で加熱して、加熱により薄膜で発生するガスを放出させるガス抜用加熱工程と、
ガス抜用加熱工程後の薄膜にレーザー光を照射することで、薄膜を加熱して焼成する焼成用加熱工程と、
を含む、薄膜の形成方法。
【請求項７】
請求項６に記載の薄膜の形成方法であって、
ガス抜用加熱工程においては、焼成用加熱工程よりも低いエネルギーのレーザー光を薄膜に照射することで、加熱により薄膜で発生するガスを放出させる、薄膜の形成方法。
【請求項８】
請求項６または７に記載の薄膜の形成方法であって、
前記塗布工程と前記ガス抜用加熱工程とを交互に複数回繰り返す、薄膜の形成方法。
【請求項９】
基材上に薄膜を形成する方法であって、
基材上に有機化合物を含む溶液を薄膜状に塗布する塗布工程と、
該塗布された溶液による薄膜にレーザー光を照射することで、薄膜を加熱して焼成する焼成用加熱工程と、
を含み、
焼成用加熱工程においては、レーザーシート光を薄膜が焼成により固化していない方向へ徐々に移動させながら薄膜に照射することで、レーザーシート光を照射した部分を加熱して焼成するとともに、加熱により薄膜で発生するガスを焼成により固化していない部分から放出させる、薄膜の形成方法。
【請求項１０】
燃焼室を形成する母材の少なくとも一部の、燃焼室内に臨む壁面に、薄膜が形成された内燃機関を製造する方法であって、
請求項１〜９のいずれか１に記載の薄膜の形成方法により前記壁面に薄膜を形成する工程を含む、内燃機関の製造方法。
【請求項１】
基材上に薄膜を形成する方法であって、
基材上に薄膜材料を含む溶液を薄膜状に塗布する塗布工程と、
該塗布された溶液による薄膜の表面にレーザー光を照射することで、薄膜を加熱して焼成する焼成用加熱工程と、
を含み、
塗布工程においては、薄膜のレーザー光透過率が厚さ方向位置に応じて変化するように、レーザー光吸収材料が混入された溶液を基材上に塗布する、薄膜の形成方法。
【請求項２】
請求項１に記載の薄膜の形成方法であって、
塗布工程においては、薄膜の基材側におけるレーザー光吸収材料の割合が薄膜の表面側よりも高くなるように、レーザー光吸収材料が混入された溶液を基材上に塗布する、薄膜の形成方法。
【請求項３】
基材上に薄膜を形成する方法であって、
基材上に薄膜材料を含む溶液を薄膜状に塗布する塗布工程と、
該塗布された溶液による薄膜の表面にレーザー光を照射することで、薄膜を加熱して焼成する焼成用加熱工程と、
を含み、
塗布工程においては、加熱によりレーザー光透過率が増加する材料が混入された溶液を基材上に塗布し、
焼成用加熱工程においては、
薄膜の厚さ方向に関して表面側を部分的に焼成するよう薄膜表面へのレーザー光の照射エネルギーを制御し、
焼成後の薄膜の表面側を介して薄膜の基材側にレーザー光を照射することで、薄膜の基材側を焼成する、薄膜の形成方法。
【請求項４】
請求項３に記載の薄膜の形成方法であって、
前記加熱によりレーザー光透過率が増加する材料は、加熱により透明化する感熱材料または透光性セラミック材料である、薄膜の形成方法。
【請求項５】
基材上に薄膜を形成する方法であって、
互いに材料の異なる第１及び第２基材の表面上に薄膜材料を含む溶液を薄膜状に塗布する塗布工程と、
該塗布された溶液による薄膜の表面にレーザー光を照射することで、薄膜を加熱して焼成する焼成用加熱工程と、
を含み、
焼成用加熱工程においては、薄膜の表面にレーザー光を照射するときに、第１及び第２基材の材料が互いに異なることで生じる第１基材上の薄膜と第２基材上の薄膜との温度差を低減するための温度調整用材料を第１及び第２基材のいずれかの裏面に密着させる、薄膜の形成方法。
【請求項６】
基材上に薄膜を形成する方法であって、
基材上に有機化合物を含む溶液を薄膜状に塗布する塗布工程と、
該塗布された溶液による薄膜を焼成により固化する温度よりも低い温度で加熱して、加熱により薄膜で発生するガスを放出させるガス抜用加熱工程と、
ガス抜用加熱工程後の薄膜にレーザー光を照射することで、薄膜を加熱して焼成する焼成用加熱工程と、
を含む、薄膜の形成方法。
【請求項７】
請求項６に記載の薄膜の形成方法であって、
ガス抜用加熱工程においては、焼成用加熱工程よりも低いエネルギーのレーザー光を薄膜に照射することで、加熱により薄膜で発生するガスを放出させる、薄膜の形成方法。
【請求項８】
請求項６または７に記載の薄膜の形成方法であって、
前記塗布工程と前記ガス抜用加熱工程とを交互に複数回繰り返す、薄膜の形成方法。
【請求項９】
基材上に薄膜を形成する方法であって、
基材上に有機化合物を含む溶液を薄膜状に塗布する塗布工程と、
該塗布された溶液による薄膜にレーザー光を照射することで、薄膜を加熱して焼成する焼成用加熱工程と、
を含み、
焼成用加熱工程においては、レーザーシート光を薄膜が焼成により固化していない方向へ徐々に移動させながら薄膜に照射することで、レーザーシート光を照射した部分を加熱して焼成するとともに、加熱により薄膜で発生するガスを焼成により固化していない部分から放出させる、薄膜の形成方法。
【請求項１０】
燃焼室を形成する母材の少なくとも一部の、燃焼室内に臨む壁面に、薄膜が形成された内燃機関を製造する方法であって、
請求項１〜９のいずれか１に記載の薄膜の形成方法により前記壁面に薄膜を形成する工程を含む、内燃機関の製造方法。
【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】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【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】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【公開番号】特開２０１０−６９３９４（Ｐ２０１０−６９３９４Ａ）
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２３８１７５（Ｐ２００８−２３８１７５）
【出願日】平成２０年９月１７日（２００８．９．１７）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１７日（２００８．９．１７）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
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