JP2012112676A

JP2012112676A - インペラの位相検出装置

Info

Publication number: JP2012112676A
Application number: JP2010259387A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Maeda; 智之前田; Hiroshi Horikawa; 宏堀川; Noriyuki Maruyama; 法之円山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2012-06-14
Anticipated expiration: 2030-11-19
Also published as: JP5699560B2

Abstract

【課題】アンバランス量を修正する作業工数を低減できるインペラの位相検出装置を提供する。
【解決手段】インペラの位相検出装置１００であって、インペラ１０の表面は、切削加工によって形成され、インペラ１０の表面には、周囲の表面粗度Ｒｚ５よりも小さい表面粗度Ｒｚ１で加工される第１所定領域１１が形成され、インペラの位相検出装置１００は、第１所定領域１１を検知する光センサユニット７０と、インペラ１０の位相を検出し、インペラ１０のアンバランス量を算出するコントローラ５０と、を具備し、コントローラ５０は、光センサユニット７０が第１所定領域１１を検出するタイミングによって、インペラ１０のアンバランス量を算出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、インペラの位相検出装置の技術に関する。

インペラの位相検出装置は、ターボチャージャー用インペラ（以下、単にインペラ）の回転位相を検出し、インペラのアンバランス量を算出するときに用いられる装置として公知である。アンバランス量とは、インペラの質量が回転対称ではない状態の度合いをいう。アンバランスな状態のインペラは、高回転速度では振動および摩耗等の弊害が生じる。

例えば、自動車は、インペラの他にも多数の回転部材（タイヤホイールまたは冷却ファン）を具備している。タイヤホイールは、タイヤホイールアッセンブリの状態で、位相検出装置によってアンバランス量が算出される。特許文献１は、位相検出装置によってタイヤホイールアッセンブリの回転位相を検出し、タイヤホイールアッセンブリのアンバランス量を算出する構成を開示している。

一般に、回転部材の位相検出装置では、回転部材の回転位相を検出するため、回転部材に位相検出部を設ける必要がある。特許文献１には、位相検出部として回転部材にシールを貼る構成が開示されている。また、従来技術として、位相検出部として回転部材にペイントを塗布する構成、あるいは、位相検出部として回転部材の外周に切り欠きを設ける構成が開示されている。

しかし、特許文献１または従来技術として開示される構成は、言い換えれば、回転部材に位相検出部として質量を付加または除去する構成であって、位相検出部を設けることで新たにバランスを崩していることになる。特に、インペラのように超高回転（数〜数十万ｒｐｍ）の回転部材では、最終アンバランス量の要求量が非常に小さく、位相検出部を設ける影響は大きい。この場合には、再度、位相検出部を施したインペラのアンバランス量を修正するという工程が必要となってくる。すなわち、インペラのアンバランス量を測定するためにインペラに位相検出部を設け、さらに位相検出部を設けたインペラのアンバランス量を修正する、といった作業工程が必要とされ、アンバランス量を修正する作業工数が必要以上に増加していた。

特開平１１−２８７７２８号公報

解決しようとする課題は、アンバランス量を修正する作業工数を低減できるインペラの位相検出装置を提供することである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、インペラの位相検出装置であって、前記インペラの表面は、切削加工によって形成され、前記インペラの表面には、周囲の表面粗度よりも小さい表面粗度で加工される第１所定領域が形成され、前記インペラの位相検出装置は、前記第１所定領域を検知する検知手段と、前記インペラの位相を検出し、該インペラのアンバランス量を算出する制御手段と、を具備し、前記制御手段は、前記検出手段が前記第１所定領域を検出するタイミングによって、前記インペラのアンバランス量を算出するものである。

請求項２においては、請求項１記載のインペラの位相検出装置であって、前記インペラの表面には、周囲の表面粗度よりも小さく、かつ、前記第１所定領域の表面粗度よりも大きい表面粗度で加工される第２所定領域が形成され、前記第２所定領域は、前記第１所定領域とは回転軸を中心として対称となる位置に形成され、前記第１所定領域よりも大きい面積とされるものである。

本発明のインペラの位相検出装置によれば、アンバランス量を修正する作業工数を低減できる。

本発明の実施形態に係るインペラの位相検出装置の構成を示した構成図。実施形態１のインペラを示す構成図。表面粗度Ｒｚと加工冶具との関係を示す模式図。実施形態２のインペラを示す構成図。実施形態３のインペラを示す構成図。

図１を用いて、インペラの位相検出装置１００について説明する。
なお、図１では、２点破線矢印は電気信号線を示し、実線矢印はレーザ光線を示している。
インペラの位相検出装置１００は、インペラ１０の回転位相を検出し、インペラ１０のアンバランス量を算出するときに用いられる装置である。インペラの位相検出装置１００は、ターボチャージャー用インペラ（以下、単にインペラ）１０と、回転装置６０と、検知手段としての光センサユニット７０と、加速度センサ５５と、制御手段としてのコントローラ５０と、を具備している。

インペラ１０は、ターボチャージャーのタービンに使用される羽根車をいう。インペラ１０は、ターボチャージャーに搭載される前に、インペラの位相検出装置１００によってアンバランス量が算出され、アンバランス量が修正される。なお、インペラ１０の詳細な構成については、後述する。

回転装置６０は、回転軸６１と、モータ６２と、ベース６３と、を具備している。回転軸６１は、インペラ１０を回転装置６０に装着するときに、インペラ１０の貫通孔１５に差し込まれるものである。モータ６２は、ベース６３に内蔵され、回転軸６１を回転駆動するものである。

光センサユニット７０は、投光部７０Ａと、受光部７０Ｂと、を具備している。投光部７０Ａは、測定用の光を照射するものであって、光源として出射光が拡散しないレーザが用いられている。受光部７０Ｂは、受光した光の強度を出力信号としてコントローラ５０に送るものであって、受光素子としてフォトダイオードが用いられている。投光部７０Ａおよび受光部７０Ｂは、１つのケーシング内に収納されている。光センサユニット７０は、インペラ１０に対して位置が固定される。

なお、本実施形態では、検知手段を光センサユニット７０とする構成としたが、これに限定されない。例えば、検知手段をレーザ変位計または画像計測装置とする構成であっても良い。

コントローラ５０には、光センサユニット７０と、モータ６２と、加速度センサ５５と、が接続されている。コントローラ５０は、回転装置６０によって回転するインペラ１０の後述する第１所定領域１１を、光センサユニット７０の受光部７０Ｂでの受光強度により検知して、インペラ１０の回転位相を検出し、インペラ１０のアンバランス量を算出する機能を有している。なお、インペラ１０の回転位相の検出方法、インペラ１０のアンバランス量の算出方法については、詳細な説明は後述する。また、インペラ１０のアンバランス量の修正方法については、詳細な説明は省略する。

図２を用いて、位相が検出されるインペラの実施形態１であるインペラ１０について説明する。
なお、図２（Ａ）は、インペラ１０の平面図を模式的に示し、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＳ５−Ｓ５´断面図を示し、図２（Ｃ）は、図２（Ａ）のＳ１−Ｓ１´断面図を示している。また、図２（Ａ）では、インペラ１０の羽根の記載を省略している。また、図２では、実線矢印はレーザ光線を示している。

インペラ１０は、５軸制御マシニングセンタ（５軸加工機）によって全ての表面を切削加工されるものとする。５軸加工機とは一般的にＸ、Ｙ、Ｚの３軸に傾斜軸であるＡ軸、回転軸であるＢ軸を付加されたものをいう。５軸制御マシニングセンタでは、５軸全てを同時制御することにより、複雑な形状のインペラ１０を加工することができる。

インペラ１０は、テーパボールエンドミル８０（図３参照）を用いた５軸面沿い加工（ポイントミーリング加工）による切削加工方法によって加工されるものとする。ボールエンドミルとは、刃の先端形状が、球状であるエンドミルをいう。ボールエンドミルは、刃先のＲを利用し、曲面を切削する仕上げ加工に適している。テーパボールエンドミルとは、シャンク方向に向かって角度がついているボールエンドミルのことをいう。５軸面沿い加工とは、５軸制御マシニングセンタを用いて加工する形状の３次元形状なりに加工する加工方法をいう。

インペラ１０は、第１所定領域１１と、貫通孔１５と、を具備している。第１所定領域１１は、インペラ１０の上面の円縁近傍に形成されている。第１所定領域１１は、インペラ１０の平面視において、インペラ１０の羽根に隠されることなく視認できるものとする。第１所定領域１１の面積は、インペラ１０の平面視において、貫通孔１５の面積と略同等とされている。

第１所定領域１１の表面粗度Ｒｚ１は、周囲の表面粗度、すなわちインペラ１０の上面の第１所定領域１１以外の領域（以下、その他の領域という）の表面粗度Ｒｚ５よりも小さい表面粗度Ｒｚとして加工されている。ここで、表面粗度Ｒｚ１は、表面粗度Ｒｚ５の９分の１とされている。

図３を用いて、表面粗度Ｒｚについて説明する。
図３は、テーパボールエンドミル８０が表面を切削加工している状態を示している。
表面粗度Ｒｚとは、工具としてのテーパボールエンドミル８０の移動量であるピックフィードＰおよび工具半径Ｒを用いて以下の（数１）式で表されるものとする。

表面粗度Ｒｚ１を加工するときのピッグフィードＰは、表面粗度Ｒｚ５を加工するときのピッグフィードＰの３分の１とされている。

本実施形態では、表面粗度Ｒｚを上式で定義したが、本発明はこれに限定されない。本発明の表面粗度とは、一般の材料表面の粗さとする。すなわち、表面粗度とは、小さいほど表面は平坦であって、大きいほど表面は粗いものであれば良い。

インペラの実施形態１であるインペラ１０の位相の基準位置の決定について説明する。
図２（Ｂ）に示すように、インペラ１０のその他の領域では、表面粗度Ｒｚ５として加工されているため表面が粗く、光センサユニット７０の投光部７０Ａによるレーザが反射後に拡散され、受光部７０Ｂによって受光されるレーザが少ない。

図２（Ｃ）に示すように、インペラ１０の第１所定領域１１では、表面粗度Ｒｚ１として加工されているため、その他の領域に比べて表面が細かく（その他の領域に比べて鏡面化されている）、光センサユニット７０の投光部７０Ａによるレーザが反射後に拡散されず、受光部７０Ｂによって多くのレーザが受光される。つまり、表面粗度Ｒｚ１では、表面粗度Ｒｚ５と比較して、レーザの反射率が大きい。そのため、第１所定領域１１は、位相検出部としての役割を担う。

インペラ１０の回転位相の検出方法としては、インペラ１０を回転装置６０により回転駆動しながら、投光部７０Ａからの照射光のインペラ１０の上面における反射光を受光部７０Ｂにより検出し、検出した受光強度の変化によりコントローラ５０にて回転位相の検出を行う。この場合、第１所定領域１１での受光強度は他の領域での受光強度よりも高いため、コントローラ５０においては、例えば第１所定領域１１での受光強度値と他の領域での受光強度値との間に閾値を設定して、閾値よりも受光強度が高くなる回転位相を基準位置として検出することにより、インペラ１０の回転位相を検出することが可能となる。

インペラ１０のアンバランス量の算出方法としては、インペラ１０の回転位相と、加速度センサ５５によって検出されるインペラ１０の加速度と、をＦＦＴ解析することによって算出する。そして、ＦＦＴ解析したインペラ１０の回転位相と、ＦＦＴ解析加速度と、の位相差を算出する。このとき、インペラ１０のアンバランス量は、位相差と、加速度の大きさと、をベクトルで表示したものとして表される。

インペラの実施形態１であるインペラ１０の効果について説明する。
従来、インペラのアンバランス量を測定するためにインペラにペイント塗布またはシールによる位相検出部を基準位置として設け、さらに位相検出部を設けたインペラのアンバランス量を修正する、といった作業工程が必要とされ、バランス修正の作業工数が必要以上に増加していた。

しかし、インペラ１０によれば、インペラ１０の形状加工段階で、位相検出部としての第１所定領域１１を基準位置として形成できるため、従来の位相検出部を設けたことによるインペラのアンバランス量を修正する工程が削減できる。つまり、インペラの位相検出装置１００によれば、作業工数を低減できる。

また、インペラ１０は、位相検出部としての第１所定領域１１がその他の領域より小さい表面粗度で形成されているのみの構成である。そのため、第１所定領域１１がインペラ１０のアンバランス量、あるいは、インペラ１０の空力性能に及ぼす影響は小さい。

図４を用いて、インペラの実施形態２であるインペラ２０について説明する。
なお、図４（Ａ）は、インペラ２０の平面図を模式的に示し、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＳ５−Ｓ５´断面図を示し、図４（Ｃ）は、図４（Ａ）のＳ１−Ｓ１´断面図を示し、図４（Ｄ）は、図２（Ａ）のＳ２−Ｓ２´断面図を示している。また、図４（Ａ）では、インペラ２０の羽根の記載を省略している。

インペラ２０は、５軸制御マシニングセンタ（５軸加工機）によって全ての表面を切削加工されるものとする。また、インペラ２０は、テーパボールエンドミル８０（図３参照）を用いた５軸面沿い加工（ポイントミーリング加工）による切削加工方法によって加工されるものとする。

インペラ２０は、第１所定領域２１と、第２所定領域２２と、貫通孔２５と、を具備している。第１所定領域２１および第２所定領域２２は、インペラ２０の上面の円縁近傍に形成されている。第１所定領域２１および第２所定領域２２は、インペラ２０の平面視において、インペラ２０の羽根に隠されることなく視認できるものとする。ここで、第１所定領域２１の領域面積を面積Ａ１とし、第２所定領域２２の領域面積を面積Ａ２と定義する。

第２所定領域２２は、回転軸としての貫通孔２５を中心として第１所定領域２１とは対称となる位置に形成されている。

図４（Ｃ）に示すように、第１所定領域２１の表面粗度Ｒｚ１は、その他の領域の表面粗度Ｒｚ５よりも小さいものとして加工されている。インペラ２０の上面を表面粗度Ｒｚ１に加工するときのピッグフィードＰは、表面粗度Ｒｚ５に加工するときのピッグフィードＰの３分の１として加工されている。つまり、上述した（数１）式より、表面粗度Ｒｚ１は、表面粗度Ｒｚ５の９分の１とされている。ここで、インペラ２０の上面を表面粗度Ｒｚ１に加工するときに、表面粗度Ｒｚ５に対して除去した部分について、所定の断面における単位長さあたりの断面積を断面積Ｅ１と定義する。

図４（Ｄ）に示すように、第２所定領域２２の表面粗度Ｒｚ２は、その他の領域の表面粗度Ｒｚ５よりも小さいものとして加工されている。表面粗度Ｒｚ２を加工するときのピッグフィードＰは、表面粗度Ｒｚ５を加工するときのピッグフィードＰの２分の１として加工されている（図４（Ｄ）参照）。つまり、上述した（数１）式より、表面粗度Ｒｚ１は、表面粗度Ｒｚ５の４分の１とされている。言い換えると、第２所定領域２２の表面粗度Ｒｚ２は、第１所定領域２１の表面粗度Ｒｚ１よりも大きい。ここで、表面粗度Ｒｚ２を加工するときに、表面粗度Ｒｚ５に対して除去した部分について、所定の断面における単位長さあたりの断面積を断面積Ｅ２と定義する。

ここで、第１所定領域２１の面積Ａ１と、第２所定領域２２の面積Ａ２と、第１所定領域２１の表面粗度Ｒｚ１の除去した単位長さあたりの断面積Ｅ１と、第２所定領域２２の表面粗度Ｒｚ２の除去した単位長さあたりの断面積Ｅ２とは、以下の（数２）式によって表される関係とされている。

インペラの実施形態２であるインペラ２０の作用について説明する。
インペラ２０のその他の領域では、表面粗度Ｒｚ５として加工されているため表面が粗く、光センサユニット７０の投光部７０Ａによるレーザが反射後に拡散され、受光部７０Ｂによって受光されない。すなわち、実施形態１であるインペラ１０と同様の作用となる（図２（Ａ）参照）。

インペラ２０の第２所定領域２２では、表面粗度Ｒｚ２として加工されているため表面が粗く、光センサユニット７０の投光部７０Ａによるレーザが反射後に拡散され、その他の領域と同様に受光部７０Ｂによって受光されない。

インペラ１０の第１所定領域２１では、表面粗度Ｒｚ１として加工されているため表面が細かく（鏡面化されている）、光センサユニット７０の投光部７０Ａによるレーザが反射後に拡散されず、受光部７０Ｂによって受光される。すなわち、実施形態１であるインペラ１０と同様の作用となる（図２（Ｂ）参照）。つまり、表面粗度Ｒｚ１では、表面粗度Ｒｚ２および表面粗度Ｒｚ５と比較して、レーザの反射率が大きい。そのため、第１所定領域２１は、位相検出部としての役割を担う。

インペラの実施形態２であるインペラ２０の効果について説明する。
インペラ２０によれば、インペラ２０の形状加工段階で、位相検出部としての第１所定領域２１を形成できるため、従来の位相検出部を設けたことによるインペラのアンバランス量を修正する工程が削減できる。つまり、インペラの位相検出装置１００によれば、作業工数を低減できる。

また、第１所定領域２１とは回転軸を中心として対称となる位置に第２所定領域２２が（数２）式によって示される関係によって形成されている。つまり、第１所定領域２１を加工するときに切削したインペラ２０上面の質量と、第２所定領域２２を加工するときに切削したインペラ２０上面の質量とが同じになるように、第１所定領域２１および第２所定領域２２が加工されている。このとき、第２所定領域２２の表面粗度Ｒｚ２は第１所定領域の表面粗度Ｒｚ１よりも大きいため、第２所定領域２２の面積は第１所定領域２１の面積よりも大きいものとされている。

さらに、第２所定領域２２は、表面粗度Ｒｚ２として加工されているため表面が粗く、位相検出部としての役割を有していない。そのため、インペラ２０は、切削により除去した第１所定領域２１及び第２所定領域２２の質量が回転軸を中心として完全に釣り合うように構成される。つまり、位相検出部がアンバランス量に及ぼす影響を完全に無視できる。

図５を用いて、インペラの実施形態３であるインペラ３０について説明する。
なお、図５（Ａ）は、インペラ３０の平面図を模式的に示し、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＳ５−Ｓ５´断面図を示し、図５（Ｃ）は、図５（Ａ）のＳ３−Ｓ３´断面図を示している。また、図４（Ａ）では、インペラ３０の羽根の記載を省略している。

インペラ３０は、５軸制御マシニングセンタ（５軸加工機）によって全ての表面を切削加工されるものとする。また、インペラ３０は、テーパボールエンドミル８０を用いた５軸面沿い加工（ポイントミーリング加工）による切削加工方法によって加工されるものとする。

インペラ３０は、第３所定領域３３と、貫通孔３５と、を具備している。第３所定領域３３は、インペラ３０の上面の円縁近傍に形成されている。第３所定領域３３は、インペラ３０の平面視において、インペラ３０の羽根に隠されることなく視認できるものとする。

第３所定領域３３の表面粗度Ｒｚ３は、周囲の表面粗度、すなわちインペラ１０の上面の第３所定領域３３以外（以下、その他の領域という）の表面粗度Ｒｚ５に対して、切削を１パス追加した部分を含むものとして加工されている。

インペラ３０の位相をインペラの位相検出装置１００によって検出するときは、光センサユニット７０の替わりにレーザ変位計を用いる。レーザ変位計とは、拡散するレーザによって測定対象の幾何学変化を測定する装置であって、測定対象の２次元的な形状を把握できる装置である。

インペラの実施形態３であるインペラ３０の効果について説明する。
インペラ３０によれば、インペラ３０の形状加工段階で、位相検出部としての第３所定領域３３を形成できるため、従来の位相検出部を設けたことによるインペラのアンバランスを修正する工程が削減できる。つまり、インペラの位相検出装置１００によれば、作業工数を低減できる。また、第３所定領域３３は、切削を１パス追加したのみで形成されるため、インペラ３０のアンバランス量に及ぼす影響を完全に無視できる。

本実施形態１〜３のインペラ１０、２０、３０は、５軸制御マシニングセンタによって全ての表面を切削加工する構成としているが、これに限定されない。例えば、基準型を５軸制御マシニングセンタによって全ての表面を切削加工し、表面粗度の異なる第１所定領域１１を転写する構成であっても良い。

本実施形態１〜３のインペラ１０、２０、３０は、５軸面沿い加工（ポイントミーリング加工）による切削加工方法によって加工する構成としているが、これに限定されない。例えば、スワーフ加工（フランクミーリング）による切削加工方法によって加工する構成であっても良い。このとき、スワーフ加工では、工具の回転数を変化させること等で表面粗度の異なる第１所定領域１１等を形成することができる。

１０インペラ
１１第１所定領域
１５貫通孔
３０光センサユニット
５０コントローラ
１００インペラの位相検出装置
Ｒｚ１表面粗度
Ｒｚ５表面粗度

Claims

インペラの位相検出装置であって、
前記インペラの表面は、
切削加工によって形成され、
前記インペラの表面には、
周囲の表面粗度よりも小さい表面粗度で加工される第１所定領域が形成され、
前記インペラの位相検出装置は、
前記第１所定領域を検知する検知手段と、
前記インペラの位相を検出し、該インペラのアンバランス量を算出する制御手段と、
を具備し、
前記制御手段は、
前記検出手段が前記第１所定領域を検出するタイミングによって、前記インペラのアンバランス量を算出する、
インペラの位相検出装置。
請求項１記載のインペラの位相検出装置であって、
前記インペラの表面には、
周囲の表面粗度よりも小さく、かつ、前記第１所定領域の表面粗度よりも大きい表面粗度で加工される第２所定領域が形成され、
前記第２所定領域は、
前記第１所定領域とは回転軸を中心として対称となる位置に形成され、
前記第１所定領域よりも大きい面積とされる、
インペラの位相検出装置。