JP6213529B2 - 回転体のバランス修正装置 - Google Patents

Description

本発明は、ターボチャージャのコンプレッサインペラやタービンホイールなどの回転体のバランスを修正する回転体のバランス修正装置に関する。

回転体のバランス修正装置としては、回転体のアンバランス量及びアンバランス修正位置を測定し、回転体を回転させた状態で回転体のアンバランス修正位置にレーザ光を照射して当該アンバランス修正位置の質量を除去することにより、回転体のアンバランスを修正する装置がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−１１２５１４号公報

ところで、上記した回転体のバランス修正装置において、回転体にレーザ光を照射して質量を除去する際に、除去物の飛散を抑制するために、回転体の外周縁よりも内側の位置の質量を除去する（除去部分の外側に外壁を残す）ことが考えられるが、この場合、質量の除去により形成された溝の外周部の強度（残した外壁の強度）が低いため、回転体の遠心力によって当該溝の外周部が変形する可能性がある。

本発明はそのような実情を考慮してなされたもので、回転体へのレーザ光照射によりバランス修正を行うバランス修正装置において、レーザ光照射により形成される溝の外周部の変形を抑制することが可能な技術を提供することを目的とする。

本発明は、回転体のバランスを修正する回転体のバランス修正装置であって、回転体をその回転軸を中心として回転させる回転駆動手段と、前記回転体に回転軸方向からレーザ光を照射して当該回転体の一部を除去するレーザ照射手段と、前記回転体の回転角を検出する回転角センサと、前記回転体の半径方向におけるレーザ光照射位置を設定する照射位置設定手段と、前記回転駆動手段、前記レーザ照射手段及び前記照射位置設定手段を制御する制御手段とを備えている。そして、前記制御手段は、前記回転角センサの出力に基づいて、前記回転体のアンバランス修正位置に、当該回転体の外周部が残るようにレーザ光を照射するとともに、前記レーザ光照射により形成される溝の前記回転軸方向における溝深さが前記回転体の外周に近いほど浅くなるように、前記レーザ光照射位置の半径方向の位置、前記回転体の回転速度及び前記レーザ照射手段のレーザ出力を制御することを技術的特徴としている。

本発明によれば、回転体へのレーザ光照射により形成される溝を、その溝深さが回転体の外周に近いほど浅くなるように形成することで、溝の外周部（外壁）の根本部の強度を確保することが可能になり、回転体の回転により作用する遠心力によって溝の外周部が変形することを抑制することができる。

本発明のバランス修正装置において、溝内にレーザ光照射により発生する溶融物（溶融金属）が堆積するように回転体の回転速度及びレーザ出力を制御するとともに、回転体へのレーザ光照射位置を当該回転体の半径方向の外側から内側に移動することにより、前記溝を、その溝深さが前記回転体の外周に近いほど浅くなるように形成するようにしてもよい。この場合、レーザ光照射位置が半径方向の内側になるほど、回転体の回転速度を高くすることで、レーザ光照射による溶融物（溶融金属）を溝内の外周側に、より効率的に堆積させることができる。

本発明のバランス修正装置において、回転体へのレーザ光照射位置を当該回転体の半径方向の内側から外側に移動するとともに、回転体へのレーザ光の照射位置が回転体の外周に近いほど、当該レーザ光照射による除去量を小さくすることにより、回転体へのレーザ光照射により形成される溝を、その溝深さが回転体の外周に近いほど浅くなるように形成してもよい。

本発明のバランス修正装置において、回転体の加速度を検出する加速度センサを備え、回転角センサ及び加速度センサの各出力に基づいて、回転体のアンバランス修正位置を判定するようにしてもよい。この場合、アンバランス修正位置の判定に継続して上記レーザ光照射によるバランス修正を行うことが可能になる。

本発明によれば、回転体へのレーザ光照射によりバランス修正を行うバランス修正装置において、そのレーザ光照射により形成される溝の外周部の変形を抑制することが可能になる。

本発明のバランス修正装置の一例を示す概略構成図である。 アンバランス修正位置及びレーザ光照射位置を示す図である。 溝内に溶融金属を積極的に堆積させる場合の制御の一例を示すフローチャートである。 溝内に溶融金属を積極的に堆積させることにより、溝の深さを外周に近いほど浅くする様子を模式的に示す図である。 バランス修正を行うときのタービン回転数が低い場合の問題点の説明図である。 タービンホイール頭部の半径方向の外側になるほど除去量を小さくする場合の制御の一例を示すフローチャートである。 レーザ光照射位置がタービンホイール頭部の半径方向の外側になるほど除去量を小さくすることにより、溝の深さを外周に近いほど浅くする様子を模式的に示す図である。 レーザ光照射位置をタービンホイール頭部の半径方向の内側から外側に移動する場合の問題点の説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

−ターボチャージャ−
まず、バランス修正を行うターボチャージャ２００の一例について図１を参照して説明する。

この例のターボチャージャ２００は、タービンホイール（例えば、インコネル（登録商標）製）２０１、コンプレッサインペラ（例えば、アルミニウム合金製）２０２、及び、これらタービンホイール２０１とコンプレッサインペラ２０２とを一体に連結する連結シャフト（図示せず）などによって構成されている。タービンホイール２０１はタービンハウジング２１０内に収容されており、コンプレッサインペラ２０２はコンプレッサハウジング２２０内に収容されている。タービンハウジング２１０には、タービンホイール２０１を回転駆動する流体を流す流路（スクロール）が形成されている。

また、上記連結シャフトを支持するベアリング（図示せず）はセンターハウジング２３０内に収容されており、このセンターハウジング２３０の両側に上記タービンハウジング２１０とコンプレッサハウジング２２０とが取り付けられている。

−バランス修正装置−
本実施形態のバランス修正装置１００は、レーザ発振器１、レーザ移動装置２、駆動エア供給装置３、回転角センサ４、加速度センサ５、架台６、及び、演算制御装置７などを備えている。

なお、レーザ発振器１が本発明の「レーザ照射手段」の一例であり、レーザ移動装置２が本発明の「照射位置設定手段」の一例である。駆動エア供給装置３が本発明の「回転駆動手段」の一例であり、また、演算制御装置７が本発明の「制御手段」の一例である。

架台６は、ターボチャージャ２００を着脱自在に支持することができる。架台６にターボチャージャ２００を支持した状態で、当該ターボチャージャ２００の回転中心（タービンホイール２０１の回転中心）が水平方向（Ｘ方向）に沿うようになっている。

レーザ発振器１は、例えばパルス発振が可能な半導体レーザであって、光軸が水平方向（タービンホイール２０１の回転軸と平行な方向）に沿うように配置されている。レーザ発振器１は、架台６に取り付けられたターボチャージャ２００のタービンホイール（回転体）２０１の円柱状の頭部２０１ａ（以下、タービンホイール頭部２０１ａともいう）に、当該タービンホイール２０１の回転軸方向（Ｘ方向）からパルスレーザ光（以下、単に「レーザ光」ともいう）を照射することができる。このレーザ光照射によりタービンホイール２０１の一部を除去することができる。レーザ発振器１の駆動は演算制御装置７にて制御される。

なお、レーザ発振器１から出射したレーザ光は、タービンハウジング２１０の排出口２１１を通過してハウジング内のタービンホイール２０１に照射される。

レーザ移動装置２は、レーザ発振器１をタービンホイール２０１の半径方向（タービンホイール２０１の回転軸と直交する方向：Ｙ方向）に移動する。このレーザ移動装置２によるレーザ発振器１の移動により、タービンホイール２０１へのレーザ光の照射位置を当該タービンホイール２０１の半径方向に移動・設定することができる。

駆動エア供給装置３は、エア供給源３１及びエアダクト３２などを備えている。エアダクト３２はタービンハウジング２１０のスクロール入口に接続されており、エア供給源３１からの駆動エアをタービンハウジング２１０のスクロールに供給することができる。駆動エアをスクロールに供給することにより、駆動エアがタービンホイール２０１を流れて当該タービンホイール２０１が回転する。タービンホイール２０１の回転速度（回転数）は、エア供給源３１が出力する駆動エアの流量（タービンホイール２０１に流す駆動エアの流量）を調整することにより可変に設定することができる。エア供給源３１が出力する駆動エアの流量は演算制御装置７によって制御される。

回転角センサ４は、架台６に装着されたターボチャージャ２００のタービンホイール頭部２０１ａの近傍に配置され、そのタービンホイール頭部２０１ａに設定された基準位置からの位相（回転角）を検出する。回転角センサ４の出力信号からタービンホイール２０１の回転角及び回転速度（タービン回転数）を計測することができる。回転角センサ４の出力信号は演算制御装置７に入力される。回転角センサ４としては、磁気センサや光センサなどの各種のものを適用することができる。

なお、上記基準位置は、例えば、タービンホイール頭部２０１ａへのペイント塗布、シール貼着、切欠き加工などの処理によって設定される。また、回転角センサ４にて検出される回転角は、基準位置（＝０度）からタービンホイール頭部２０１ａが１回転することで０度〜３６０度まで変化する。

加速度センサ５は、ターボチャージャ２００を支持する架台６に取り付けられている。加速度センサ５は、ターボチャージャ２００（タービンホイール２０１）が回転している状態のときの架台６の振動（回転体の加速度）を検出する。加速度センサ５の出力信号は演算制御装置７に入力される。

演算制御装置７は、例えば、パーソナルコンピュータであって、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、バックアップＲＡＭ、及び、入出力インターフェースなどを備えている。

ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された各種制御プログラムやマップなどに基づいて演算処理を実行する。ＲＯＭには、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップなどが記憶されている。ＲＡＭは、ＣＰＵによる演算結果などを一時的に記憶するメモリである。バックアップＲＡＭは、演算制御装置７をオフする際に保存すべきデータなどを記憶する不揮発性のメモリである。

演算制御装置７の入出力インターフェースには、レーザ発振器１、レーザ移動装置２、駆動エア供給装置３、回転角センサ４、及び、加速度センサ５などが接続されている。

−バランス修正−
次に、上記したバランス修正装置１００を用いてバランス修正（アンバランス判定及びレーザ光照射）を行う場合の一例について説明する。

［アンバランス判定］
まず、演算制御装置７は、下記の（ＳＴ１０１）〜（ＳＴ１０３）の処理により、アンバランス修正量及びアンバランス修正位置の判定を行う。これら（ＳＴ１０１）〜（ＳＴ１０３）の各処理は演算制御装置７によって実行される。

（ＳＴ１０１）
まず、図１に示すように、バランス修正装置１００の架台６に、バランス修正対象であるターボチャージャ２００を取り付けておく。この状態で、駆動エア供給装置３を制御して駆動エアによりタービンホイール２０１を回転させ、そのタービンホイール２０１の回転数（以下、タービン回転数ともいう）を上昇させていく。そのタービン回転数の上昇中における所定の回転数域において、回転角センサ４の出力信号及び加速度センサ５の出力信号を採取する。このようなトラッキング運転により採取した回転角データ及び加速度データ（振動データ）に基づいて、アンバランス量（加速度（振動）の振幅）及び基準位置に対するアンバランス位相（角度）を求める。

（ＳＴ１０２）
レーザ発振器１及びレーザ移動装置２を制御し、タービンホイール頭部２０１ａの任意の位相位置に１パルスのレーザ光をダミー照射してタービンホイール頭部２０１ａの一部を除去する。その後、上記と同様なトラッキング運転により回転角センサ４の出力信号及び加速度センサ５の出力信号を採取し、その採取した回転角データ及び加速度データに基づいて、アンバランス量（加速度（振動）の振幅）及び基準位置に対するアンバランス位相（角度）を求める。

（ＳＴ１０３）
上記（ＳＴ１０１）の処理で得られたアンバランス量と、上記（ＳＴ１０２）の処理で得られたアンバランス量との差分（ダミー照射前後のアンバランス量の変化）、及び、上記（ＳＴ１０１）の処理で得られたアンバランス位相と上記（ＳＴ１０２）の処理で得られたアンバランス位相との差分（ダミー照射前後のアンバランス位相の変化）に基づいて、公知の手法にてアンバランス修正量（質量除去量）及びアンバランス修正位置（位相）を判定する。

なお、以上のアンバランス修正量及びアンバランス修正位置の判定は、別の装置にて行っておいてもよい。

［レーザ光照射］
上記したアンバランス判定が終了した後、架台６にターボチャージャ２００を取り付けたままの状態でレーザ光照射を継続して行う。

具体的には、レーザ移動装置２を制御して、タービンホイール頭部２０１ａの外周縁よりも半径方向の内側の位置（除去後にタービンホイール頭部２０１ａの外周部が０．５ｍｍ以上残る位置）にレーザ光が照射されるように、レーザ発振器１の位置を設定する。

次に、駆動エア供給装置３を制御してタービン回転数を一定に保持する。この状態で、回転角センサ４の出力信号に基づいて、レーザ発振器１の出力タイミング（レーザ光の照射タイミング）を制御する。この制御の詳細について説明する。

タービンホイール頭部２０１ａが回転しているときには、上記した処理によって判定したアンバランス修正位置（位相）が回転するので、そのアンバランス修正位置は、所定時間ごとにレーザ発振器１の光軸上（レーザ光照射位置）を通過する。したがって、そのアンバランス修正位置がレーザ光照射位置にあるときに、パルスレーザ光が照射されるようにレーザ発振器１を制御することにより、アンバランス修正位置の質量を除去することができる。

ただし、タービンホイール頭部２０１ａは回転しており、パルスレーザ光にも時間幅（パルス幅）があるので、アンバランス修正位置がレーザ光照射位置に一致した時点でパルスレーザ光の出力を開始すると、レーザ光照射により除去される部分がアンバランス修正位置から回転方向にずれてしまう。そこで、本実施形態では、図２（ａ）に示すように、アンバランス修正位置に対し「−θ度」のタイミングでパルスレーザ光の出力（１パルスの出力）を開始し、「＋θ度」のタイミングでパルスレーザ光の出力が終了するようにしている。なお、図２（ａ）の角度θは、タービン回転数及びパルスレーザ光の１パルスのパルス幅によって決まる。

上記アンバランス修正位置への１パルスのレーザ光照射による除去量は、タービンホイール頭部２０１ａの材質及びレーザ発振器１のレーザ出力（エネルギ）によって決まる。通常、アンバランス修正位置への１回（１パルス）のレーザ光照射による除去量では、アンバランス修正量（質量除去量）を満足することができないため、タービンホイール２０１の回転過程において、アンバランス修正位置がレーザ発振器１の光軸上に位置するごとに、レーザ光照射を繰り返して行う。

ここで、本実施形態では、上記したように、タービンホイール頭部２０１ａの外周縁よりも半径方向の内側の位置にレーザ光を照射して、図２（ａ）に示すように、タービンホイール頭部２０１ａの外周部が０．５ｍｍ以上残るようにしている。その理由について説明する。図２（ｂ）に示すように、タービンホイール頭部２０１ａの外周部にレーザ光を照射すると、そのレーザ光照射により飛散するスパッタ（金属除去物）がタービンホイール２０１（タービン翼）に付着する場合がある。こうした不都合を回避するために、図２（ａ）に示すように、タービンホイール頭部２０１ａの外周部が０．５ｍｍ以上残るようにレーザ光を照射することで、スパッタのタービンホイール２０１側への飛散を少なくして、タービンホイール２０１へのスパッタの付着を抑制している。

［レーザ光照射位置の移動（１）］
次に、レーザ光照射位置の移動（半径方向の移動）について説明する。

まず、バランス修正を行う場合、回転体の外周側の方が、半径が大きくてアンバランス除去量（除去質量×半径）が大きいので、バランス修正の時間短縮の観点から、外周側から除去するのが一般的である。ここで、レーザ光照射により形成される溝が深くなると、レーザ発振器１からのレーザ光の焦点位置がずれてしまう等の理由から、レーザ光照射により除去できる溝深さ（回転軸方向の深さ）には限界がある。このため、回転体の外周部分（図２（ａ）に示す除去部分）の除去だけでは、アンバランス修正量（質量除去量）が足りない場合がある。その場合は、レーザ光照射位置を半径方向の内側に移動してレーザ光照射による除去を行う。

具体的には、例えば、図５（ａ）に示すように、まずは、タービンホイール頭部２０１ａの最外周位置にレーザ光を照射して、この部分を除去する。次に、レーザ光照射位置を半径方向の内側に移動してレーザ光照射を行い、図５（ｂ）に示すように、先に除去された部分（溝Ｃ３１）の内側の部分（Ｃ３２の部分）を除去する。さらに、レーザ光照射位置を半径方向の内側に移動してレーザ光照射を行い、図５（ｃ）に示すように、先に除去された部分（溝Ｃ３２）の内側の部分（Ｃ３３の部分）を除去する、という処理によりアンバランス修正量を満足できるようにする。

ところで、バランス修正を行うときのタービン回転数（レーザ光照射時の回転数）が低い場合、図５に示すように、レーザ光照射にて除去された溶融金属は、ほぼすべてがスパッタとして排出されるため、レーザ光照射にて形成された溝３０の外側の外周部（外壁Ｗ３）の根本部が強度不足となる可能性がある。このため、ターボチャージャ２００の使用回転域において、図５（ｃ）の破線で示すように、溝Ｃ３０の外側の外周部の外壁Ｗ３が遠心力により外側に変形する可能性がある。

このような点を解消するために、本実施形態では、タービン回転数（タービンホイール２０１の回転速度）を高く設定し、レーザ発振器１のレーザ出力を調整することにより、レーザ光照射により形成される溝内に、当該レーザ光照射にて発生する溶融金属を積極的に堆積させることで、溝の外周部の根本部の強度を確保するようにしている。

なお、タービンホイール２０１の回転速度を高く設定し、レーザ発振器１のレーザ出力を調整することにより、溝内に溶融金属が堆積することは、本発明者らの実験等により確認できている。

次に、レーザ光照射により形成される溝内に溶融金属を積極的に堆積させる場合の制御（レーザ光照射）の一例を、図３のフローチャートを参照して説明する。

この制御例では、タービンホイール頭部２０１ａの外周部分（図２（ａ）に示す除去部分）の除去だけでは、アンバランス修正量が足りない場合であって、そのタービンホイール頭部２０１ａの外周部分（最外周位置）にレーザ光を照射し、さらにレーザ光照射位置をタービンホイール頭部２０１ａの半径方向の内側に２回移動してレーザ光を照射する、という処理によりアンバランス修正量（質量除去量）を除去する場合の例を示している。

この図３に示す制御（レーザ光照射）は、上記したアンバランス判定を行った後に、架台６にターボチャージャ２００を取り付けたままの状態で継続して行う。

図３の制御が開始されると、まずは、ステップＳＴ２０１において、駆動エア供給装置３及びレーザ発振器１を制御して、図４（ａ）に示すように、第１溝Ｃ１１内に溶融金属が堆積するようなタービン回転数（回転体の回転速度）及びレーザ発振器１のレーザ出力を設定する。第１溝Ｃ１１内に溶融金属を堆積させるためのタービン回転数は、例えば３００００ｒｐｍ以上である。また、レーザ出力については、溶融金属のすべてがスパッタされずに溝Ｃ１１内に残るようなレーザ出力であり、タービン回転数との関係を考慮して実験・シミュレーションによって適合した値を設定する。

ステップＳＴ２０２では、架台６に取り付けたターボチャージャ２００のタービンホイール頭部２０１ａの最外周位置（第１周位置）に、上記ステップＳＴ２０１で設定した条件（タービン回転数及びレーザ出力）で、上記図２（ａ）に示すような照射タイミングでレーザ光を照射して、上記アンバランス修正位置の質量を除去する。最外周位置とは、タービンホイール頭部２０１ａの外周縁に近い位置（質量除去後にタービンホイール頭部２０１ａの外周部が例えば０．５ｍｍ以上残る位置）である。この最外周位置へのレーザ光照射は、例えば、レーザ光照射にて除去される質量除去量（後述する溶融金属の堆積量は除く）がアンバランス修正量の１／３に相当する量に達するまで行う。

このようにステップＳＴ２０１で設定した条件（タービン回転数及びレーザ出力）で最外周位置へのレーザ光照射を行うことにより、図４（ａ）に示すように、溶融金属のすべてがスパッタされず、一部の溶融金属が第１溝Ｃ１１内の奥部に堆積するようになる。その溶融金属の堆積量は遠心力により第１溝Ｃ１１の外周側になるほど多くなる。つまり第１溝Ｃ１１の溝深さがタービンホイール頭部２０１ａの外周に近いほど浅くなる。

以上の最外周位置へのレーザ光照射が終了したらステップＳＴ２０３に進む。ステップＳＴ２０３では、レーザ移動装置２を制御して、レーザ発振器１を半径方向（Ｙ方向）の内側（回転中心側）に、レーザ光の照射径（レーザ光照射により除去される部分の半径方向の幅）に相当する距離だけ移動させて、レーザ光照射位置を上記最外周位置（第１周位置）から内側の第２周位置に移動する。

ステップＳＴ２０４では、駆動エア供給装置３を制御して、タービン回転数（タービンホイール２０１の回転速度）を上記最外周位置へのレーザ光照射の場合よりも高く設定する（遠心力が大きくなるように設定する）。レーザ発振器１のレーザ出力についてはステップＳＴ２０１で設定した値のままとする。

ステップＳＴ２０５では、タービンホイール頭部２０１ａの第２周位置に、図２（ａ）に示すような照射タイミングでレーザ光を照射して、上記アンバランス修正位置（位相）の質量を除去する。この第２周位置へのレーザ光照射についても、レーザ光照射にて除去される質量除去量（後述する溶融金属の堆積量は除く）が、例えばアンバランス修正量の１／３に相当する量に達するまで行う。

このような第２周位置へのレーザ光照射を行うことにより、図４（ｂ）に示すように、第２溝Ｃ１２が、先にレーザ光照射により形成された第１溝Ｃ１１に繋がった状態で形成される。この第２周位置へのレーザ光照射においても、溶融金属のすべてがスパッタされずに第２溝Ｃ１２内に残って当該第２溝Ｃ１２内の奥部に堆積する。さらに、タービン回転数を高くして遠心力を大きくしているので、第２周位置へのレーザ光照射にて発生する溶融金属は、その大きな遠心力により、先に形成された第１溝Ｃ１１内にも流入し、この第１溝Ｃ１１の奥部に堆積している堆積物を覆うようにして堆積する。しかも、第１溝Ｃ１１に堆積する堆積量は大きな遠心力によりタービンホイール頭部２０１ａの外周側になるほど多くなる。これにより、図４（ｂ）に示すように、２つの溝Ｃ１１，Ｃ１２が繋がった溝の全体の深さはタービンホイール頭部２０１ａの外周に近いほど浅くなる。

以上の第２周位置へのレーザ光照射が終了したらステップＳＴ２０６に進む。ステップＳＴ２０６では、レーザ移動装置２を制御して、レーザ発振器１を半径方向（Ｙ方向）の内側（回転中心側）に、レーザ光の照射径（レーザ光照射により除去される部分の半径方向の幅）に相当する距離だけ移動させて、レーザ光照射位置を上記第２周位置から内側の第３周位置に移動する。

ステップＳＴ２０７では、駆動エア供給装置３を制御して、タービン回転数（タービンホイール２０１の回転速度）を上記第２周位置へのレーザ光照射の場合よりも高く設定する（遠心力が大きくなるように設定する）。レーザ発振器１のレーザ出力についてはステップＳＴ２０１で設定した値のままとする。

ステップＳＴ２０８では、タービンホイール頭部２０１ａの第３周位置に、図２（ａ）に示すような照射タイミングでレーザ光を照射して、上記アンバランス修正位置（位相）の質量を除去する。この第３周位置へのレーザ光照射についても、レーザ光照射にて除去される質量除去量（後述する溶融金属の堆積量は除く）が、例えばアンバランス修正量の１／３に相当する量に達するまで行う。

このような第３周位置へのレーザ光照射を行うことにより、図４（ｃ）に示すように、第３溝Ｃ１３が、先にレーザ光照射により形成された第２溝Ｃ１２に繋がった状態で形成される。この第３周位置へのレーザ光照射においても、溶融金属のすべてがスパッタされずに第３溝Ｃ１３内に残って当該第３溝Ｃ１３内の奥部に堆積する。さらに、タービン回転数を高くして遠心力を大きくしているので、第３周位置へのレーザ光照射にて発生する溶融金属は、その大きな遠心力により、先に形成された第２溝Ｃ１２に流入し、さらに第１溝Ｃ１１内にも流入して、これら第２溝Ｃ１２及び第１溝Ｃ１１の各奥部に堆積している堆積物を覆うようにして堆積する。しかも、第２溝Ｃ１２及び第１溝Ｃ１１に堆積する堆積量は大きな遠心力によりタービンホイール頭部２０１ａの外周側になるほど多くなる。これによって、図４（ｃ）に示すように、３つの溝Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３が繋がった溝Ｃ１０（以下、修正溝Ｃ１０ともいう）の全体の深さはタービンホイール頭部２０１ａの外周に近いほど浅くなる。

そして、このように、修正溝Ｃ１０を、その溝深さがタービンホイール頭部２０１ａの外周に近いほど浅くなるように形成することで、修正溝Ｃ１０の外周側の外壁Ｗ１（図４（ｃ）参照）の根本部の強度を確保することができる。これにより、ターボチャージャ２００の使用回転域において、修正溝Ｃ１０の外周側の外壁Ｗ１が変形することを抑制することができる。

この例では、第１〜第３周位置の３つの位置にレーザ光を照射する場合について説明したが、半径方向の２つの位置にレーザ光を照射してアンバランス修正量を除去するようにしてもよいし、半径方向の４つ以上の位置にアンバランス修正量を除去するようにしてもよい。

なお、タービンホイール頭部２０１ａの半径方向の１つの位置にレーザ光を照射する場合でも、図４（ａ）に示すように、溶融金属の堆積により、溝Ｃ１１の溝深さをタービンホイール頭部２０１ａの外周に近いほど浅くすることは可能である。

［レーザ光照射位置の移動（２）］
次に、レーザ光照射位置の移動（半径方向の移動）の他の例について説明する。

まず、上述したように、バランス修正の時間短縮の観点から、回転体の外周側から除去するのが一般的であるが、バランス修正時間を短縮する必要がない場合、回転体の半径方向の内周側から質量を除去することも可能である。

この場合、例えば、図８（ａ）に示すように、まずは、タービンホイール頭部２０１ａの半径方向の内側の位置にレーザ光を照射して、この部分を除去する。次に、レーザ光照射位置を半径方向の外側に移動してレーザ光照射を行い、図８（ｂ）に示すように、先に除去された部分（溝Ｃ４１）の外側の部分（Ｃ４２の部分）を除去する。さらに、レーザ光照射位置を半径方向の外側に移動してレーザ光照射を行い、図８（ｃ）に示すように、先に除去された部分（溝Ｃ４２）の外側の部分（Ｃ４３の部分）を除去する、という処理によりアンバランス修正量を満足できるようにする。

しかしながら、このようにして半径方向の内周側から質量を除去していくと、図８に示すように、各溝Ｃ４１，Ｃ４２，Ｃ４３の各溝内の奥部にはそれぞれ溶融金属が堆積するものの、最終的に形成された溝Ｃ４０の外側の外周部（外壁Ｗ４）の根本部（強度不足部分）には溶融金属を効率よく堆積させることができない。

このような点を解消するために、本実施形態では、レーザ光照射位置をタービンホイール頭部２０１ａの半径方向の内側から外側に移動してレーザ光照射を行う場合、レーザ光照射位置がタービンホイール頭部２０１ａの半径方向の外側になるほどレーザ光照射による除去量を小さくして、溝の溝深さを外周に近いほど浅くすることにより、溝の外周部の根本部の強度を確保するようにしている。その制御の一例を、図６のフローチャートを参照して説明する。

この制御例では、レーザ光照射位置をタービンホイール頭部２０１ａの半径方向の内周位置（第１周位置）にレーザ光を照射し、さらにレーザ光照射位置をタービンホイール頭部２０１ａの半径方向の外側に２回移動してレーザ光を照射する、という処理によりアンバランス修正量を除去する場合の例を示している。

なお、この例では、後述するように、第１周位置へのレーザ光照射による質量除去量をｍ１、第２周位置へのレーザ光照射による質量除去量をｍ２、第３周位置へのレーザ光照射による質量除去量をｍ３とし、それら質量除去量ｍ１，ｍ２，ｍ３の合計量がアンバランス修正量に相当する量になるようにレーザ光照射を行う。

図６の制御（レーザ光照射）は、上記したアンバランス判定を行った後に、架台６にターボチャージャ２００を取り付けたままの状態で継続して行う。

図６の制御が開始されると、まずは、ステップＳＴ３０１において、駆動エア供給装置３及びレーザ発振器１を制御して、図７（ａ）に示すように、第１溝Ｃ２１内に溶融金属が堆積するようなタービン回転数（回転体の回転速度）及びレーザ発振器１のレーザ出力を設定する。なお、このタービン回転数及びレーザ出力の設定の仕方は、上記したステップＳＴ２０１と同じであるので、その詳細な説明は省略する。

ステップＳＴ３０２では、架台６に取り付けたターボチャージャ２００のタービンホイール頭部２０１ａの第１周位置（タービンホイール頭部２０１ａの外周縁から離れた位置）に、上記ステップＳＴ３０１で設定した条件（タービン回転数及びレーザ出力）で、上記図２（ａ）に示すような照射タイミングでレーザ光を照射して、上記アンバランス修正位置の質量を除去する。第１周位置は、レーザ光照射中心がタービンホイール頭部２０１ａの回転中心ＣＬから半径ｄ１となる位置である。そして、この第１周位置へのレーザ光照射は、当該レーザ光照射に除去される質量除去量（後述する溶融金属の堆積量は除く）が質量ｍ１に達するまで行う。

なお、レーザ光を１パルス照射したときの質量除去量［除去量／パルス］はタービンホイール頭部２０１ａの材質及びレーザ発振器１のレーザ出力（エネルギ）によって決まるので、その［除去量／パルス］から質量ｍ１を除去できる照射パルス数（アンバランス修正位置へのレーザ光の照射時間）を設定してレーザ光照射を行うようにする。

以上の第１周位置へのレーザ光照射が終了したらステップＳＴ３０３に進む。ステップＳＴ３０３では、レーザ移動装置２を制御して、レーザ発振器１を半径方向（Ｙ方向）の外側に、レーザ光の照射径（レーザ光照射により除去される部分の半径方向の幅）に相当する距離だけ移動させて、レーザ光照射位置を上記第１周位置から外側の第２周位置（半径ｄ２の位置：図７（ｂ）参照）に移動する。

ステップＳＴ３０４では、タービンホイール頭部２０１ａの第２周位置に、図２（ａ）に示すような照射タイミングでレーザ光を照射して、上記アンバランス修正位置（位相）の質量を除去する。この第２周位置へのレーザ光照射による質量の除去量ｍ２は、上記した第１周位置へのレーザ光照射による除去量ｍ１よりも少なくする。ただし、除去量ｍ１と除去量ｍ２とは、ｍ１・ｄ１＝ｍ２・ｄ２の関係とする。

このような第２周位置へのレーザ光照射を行うことにより、図７（ｂ）に示すように、第２溝Ｃ２２が、先にレーザ光照射により形成された第１溝Ｃ２１に繋がった状態で形成される。この第２周位置へのレーザ光照射においても、溶融金属のすべてがスパッタされずに第２溝Ｃ２２内に残って当該第２溝Ｃ２２内の奥部に堆積する。しかも、その溶融金属の堆積量は遠心力により第２溝Ｃ２２の外周側になるほど多くなる。つまり第２溝Ｃ２２の溝深さがタービンホイール頭部２０１ａの外周に近いほど浅くなる。

以上の第２周位置へのレーザ光照射が終了したらステップＳＴ３０５に進む。ステップＳＴ３０５では、レーザ移動装置２を制御して、レーザ発振器１を半径方向（Ｙ方向）の外側に、レーザ光の照射径（レーザ光照射により除去される部分の半径方向の幅）に相当する距離だけ移動させて、レーザ光照射位置を上記第２周位置から外側の第３周位置（半径ｄ３の位置：図７（ｃ）参照）に移動する。

ステップＳＴ３０６では、タービンホイール頭部２０１ａの第３周位置に、図２（ａ）に示すような照射タイミングでレーザ光を照射して、上記アンバランス修正位置（位相）の質量を除去する。この第３周位置へのレーザ光照射による質量の除去量ｍ３は、上記した第２周位置へのレーザ光照射による除去量ｍ２よりも少なくする。ただし、除去量ｍ１と除去量ｍ２と除去量ｍ３とは、ｍ１・ｄ１＝ｍ２・ｄ２＝ｍ３・ｄ３の関係とする。

このような第３周位置へのレーザ光照射を行うことにより、図７（ｃ）に示すように、そのレーザ光照射により形成される第３溝Ｃ２３が、先にレーザ光照射により形成された第２溝Ｃ２２に繋がった状態で形成される。この第３周位置へのレーザ光照射においても、溶融金属のすべてがスパッタされずに第３溝Ｃ２３内に残って当該第３溝Ｃ２３内の奥部に堆積する。しかも、その溶融金属の堆積量は遠心力により第３溝Ｃ２３の外周側になるほど多くなる。つまり第３溝Ｃ２３の深さがタービンホイール頭部２０１ａの外周に近いほど浅くなる。

以上のようにして、レーザ光照射を半径方向の内側から外側に移動（第１周位置→第２周位置→第３周位置に移動）するとともに、レーザ光照射位置がタービンホイール頭部２０１ａの外周に近いほど、当該レーザ光照射による除去量を小さくすることにより、図７（ｃ）に示すように、レーザ光照射により形成された溝Ｃ２０（以下、修正溝Ｃ２０ともいう）の全体の深さがタービンホイール頭部２０１ａの外周に近いほど浅くなる。

そして、このように、修正溝Ｃ２０を、その溝深さがタービンホイール頭部２０１ａの外周に近いほど浅くなるように形成することで、修正溝Ｃ２０の外周側の外壁Ｗ２の根本部の強度を確保することができる。これにより、ターボチャージャ２００の使用回転域において、修正溝Ｃ２０の外周側の外壁Ｗ２（図７（ｃ））が変形することを抑制することができる。

しかも、第１周位置、第２周位置及び第３周位置の各周位置へのレーザ光照射ごとのアンバランス除去量（除去質量×半径）を一定（ｍ１・ｄ１＝ｍ２・ｄ２＝ｍ３・ｄ３）にすることができるので、バランス修正の精度の向上を図ることができる。

この例では、第１〜第３周位置の３つの位置にレーザ光を照射する場合について説明したが、タービンホイール頭部２０１ａの半径方向の２つの位置にレーザ光を照射してアンバランス修正量を除去するようにしてもよいし、タービンホイール頭部２０１ａの半径方向の４つ以上の位置にアンバランス修正量を除去するようにしてもよい。

なお、タービンホイール頭部２０１ａの半径方向の１つの位置にレーザ光を照射する場合でも、図７（ａ）に示すように、溶融金属の堆積により、第１溝Ｃ２１の深さをタービンホイール頭部２０１ａの外周に近いほど浅くすることは可能である。

−他の実施形態−
なお、今回開示した実施形態は、すべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、本発明の技術的範囲には、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、以上の実施形態では、タービンホイール２０１のバランス修正に本発明のバランス修正装置を用いた例について説明したが、本発明はこれに限られることなく、コンプレッサインペラ２０２のバランス修正に適用してもよい。また、バランス修正装置を、タービンホイール２０１及びコンプレッサインペラ２０２のそれぞれに個別にレーザ光を照射するレーザ発振器を備えた構造とし、タービンホイール２０１及びコンプレッサインペラ２０２の双方についてバランス修正を実施するようにしてもよい。

以上の実施形態では、ターボチャージャ２００のタービンホイール２０１やコンプレッサインペラ２０２のバランス修正に本発明のバランス修正装置を適用した例について説明したが、本発明はこれに限られることなく、他の任意の回転体のバランス修正にも適用可能である。

本発明は、ターボチャージャのコンプレッサインペラやタービンホイールなどの回転体のバランスを修正する回転体のバランス修正装置に利用可能である。

１００ バランス修正装置
１ レーザ発振器（レーザ照射手段）
２ レーザ移動装置（照射位置設定手段）
３ 駆動エア供給装置（回転駆動手段）
４ 回転角センサ
５ 加速度センサ
６ 架台
７ 演算制御装置（制御手段）
２００ ターボチャージャ
２０１ タービンホイール（回転体）
２０１ａ タービンホイール頭部
２０２ コンプレッサインペラ

Claims (5)

1. 回転体のバランスを修正する回転体のバランス修正装置であって、
   回転体をその回転軸を中心として回転させる回転駆動手段と、前記回転体に回転軸方向からレーザ光を照射して当該回転体の一部を除去するレーザ照射手段と、前記回転体の回転角を検出する回転角センサと、前記回転体の半径方向におけるレーザ光照射位置を設定する照射位置設定手段と、前記回転駆動手段、前記レーザ照射手段及び前記照射位置設定手段を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記回転角センサの出力に基づいて、前記回転体のアンバランス修正位置に、当該回転体の外周部が残るようにレーザ光を照射するとともに、前記レーザ光照射により形成される溝の前記回転軸方向における溝深さが前記回転体の外周に近いほど浅くなるように、前記レーザ光照射位置の半径方向の位置、前記回転体の回転速度及び前記レーザ照射手段のレーザ出力を制御することを特徴とする回転体のバランス修正装置。
2. 請求項１に記載の回転体のバランス修正装置において、
   前記溝内に前記レーザ光照射により発生する溶融物が堆積するように前記回転体の回転速度及びレーザ出力を制御するとともに、前記回転体へのレーザ光照射位置を当該回転体の半径方向の外側から内側に移動することにより、前記溝を、その溝深さが前記回転体の外周に近いほど浅くなるように形成する構成とされていることを特徴とする回転体のバランス修正装置。
3. 請求項２に記載の回転体のバランス修正装置において、
   前記レーザ光照射位置が半径方向の内側になるほど前記回転体の回転速度を高くすることを特徴とする回転体のバランス修正装置。
4. 請求項１に記載の回転体のバランス修正装置において、
   前記回転体へのレーザ光照射位置を当該回転体の半径方向の内側から外側に移動するとともに、前記回転体へのレーザ光の照射位置が回転体の外周に近いほど、当該レーザ光照射による除去量を小さくすることを特徴とする回転体のバランス修正装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の回転体のバランス修正装置において、
   前記回転体の加速度を検出する加速度センサを備え、前記制御手段は、前記回転角センサ及び前記加速度センサの各出力に基づいて、回転体のアンバランス修正位置を判定することを特徴とする回転体のバランス修正装置。

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