JP5176517B2 - タイヤ踏面測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、タイヤが接地したときのタイヤ踏面の変形状態を測定するタイヤ踏面測定装置に関する。

現在、バスやトラック等に装着される重荷重用タイヤにおいて、タイヤトレッド部表面やタイヤトレッド溝にクラックが発生し、タイヤの寿命を短くする場合がある。このクラックの発生は、タイヤが地面に接地したときの踏面内で発生する歪みが要因として挙げられる。したがって、タイヤが地面に接地したときのタイヤ踏面内の歪みを知ることは重要である。

下記特許文献１には、タイヤ踏面の接地部測定装置が記載されている。当該公報に記載される装置は、試験タイヤとは反対側から試験タイヤの表面を撮影可能とする透明部を備えた撮影部と、試験タイヤの接地表面のテクスチャを撮影部を介して撮影する手段と、撮影した画像を記憶する記憶手段と、撮影した画像を表示する画像表示手段と、画像表示手段に表示された画像に対応させてパターンマッチングに用いる測定位置を指示する指示手段と、指示された測定位置に基づいて、接地表面の変位をパターンマッチングにより抽出する抽出手段とを有する。
特許文献１では、上記構成により、タイヤ表面の滑りを高精度でかつ効率的に計測することができる。

しかし、特許文献１に記載の接地部測定装置は、撮影部により、踏面の変位を２次元で撮影し解析するものであるが、画像から得られる情報は、２次元で撮影されたトレッド部の、透明部と直接接する（当接する）部分についてであり、トレッド溝については含まれない。このため、トレッド溝内部や側面についての変形形状の情報を得ることができない。

特開２００５−２１４８６０号公報

そこで、本発明は、上記問題点を解決するために、タイヤが接地したときのタイヤ踏面の変形状態を測定するタイヤ踏面測定装置であって、直接接地するトレッド部のみならず、トレッド溝についても変形状態を効率よく測定できる装置を提供することを目的とする。

本発明は、タイヤが接地したときのタイヤ踏面の変形状態を測定するタイヤ踏面測定装置であって、タイヤが接地する透明性を有する接地用板材と、前記接地用板材を挟んでタイヤと反対側に設けられ、前記接地用板材を介して、タイヤ踏面にレーザ光を照射するとともに、タイヤ踏面の画像を撮影し、これによって、接地変形状態にあるタイヤ踏面のトレッド部及びトレッド溝の変形形状を表す３次元データを取得する測定ユニットと、取得した前記３次元データを用いて、トレッド部及びトレッド溝を含む踏面の変形状態を解析する解析ユニットと、を有し、前記解析ユニットは、前記接地用板材の光学特性による前記３次元データの歪みを補正するための補正テーブルを有し、前記補正テーブルは、前記タイヤの替わりに配置した、３次元形状あるいは表面に描かれたマークの位置が既知の調整用部材を測定対象として、前記測定ユニットを用いて測定することにより得られる３次元データと、前記調整用部材の前記３次元形状の対応データあるいは前記マークの位置の対応データとの対応関係を用いて作成されたものであることを特徴とするタイヤ踏面測定装置を提供するものである。

ここで、前記タイヤのトレッド部の表面には、識別可能なマークが描かれており、前記解析ユニットは、前記タイヤが前記接地用板材に対して非接地状態にあるときのトレッド部表面の前記マークの位置のデータを３次元データとして予め取得しておき、前記タイヤが前記接地用板材に対して接地状態にあるとき、前記解析ユニットは、トレッド部表面の前記マークの位置のデータを３次元データとして取得し、取得した前記接地状態の３次元データと、予め取得した前記非接地状態の３次元データとを用いて、前記タイヤのトレッド部表面の接地によって生じる歪みを算出することが好ましい。

その際、前記マークは前記タイヤのトレッド部表面に複数設けられ、前記解析ユニットは、複数のマークの１つを基準マークとして、接地状態の３次元データと、予め取得した前記タイヤが非接地状態の３次元データとの位置合わせを行い、この位置合わせした前記接地状態の３次元データと前記非接地状態の３次元データとに基づいて前記タイヤのトレッド部表面の接地によって生じる歪みを算出することが好ましい。

さらに、前記タイヤを予備転動させて転動中の接地状態を再現するための予備転動路面が、前記接地用板材で作られる路面と面一に設けられ、この予備転動路面は、前記タイヤの外周の長さ以上の転動距離を備えることが好ましい。
さらに、前記タイヤにキャンバー角、スリップ角、制動力、及び駆動力の１つを付与可能な機構を備えることが好ましい。
前記接地用板材近傍には、タイヤ踏面を照明する光源が設けられていることが好ましい。

本発明では、接地用板材を介して、タイヤ踏面にレーザ光を照射するとともに、タイヤ踏面の画像を撮影し、これによって、接地変形状態にあるタイヤ踏面のトレッド部及びトレッド溝の変形形状を表す３次元データを取得するので、直接接地するトレッド部のみならず、トレッド溝についても変形状態を効率よく測定できる。
また、接地用板材の光学特性による３次元データの歪みを補正する補正テーブルを備えるので、精度の高い３次元データを取得することができる。

以下、添付の図面に示す実施形態に基づいて、本発明のタイヤ踏面測定装置を詳細に説明する。

図１（ａ），（ｂ）は、本発明におけるタイヤ踏面測定装置の実施形態を表す概略構成図である。図１（ａ）は正面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）中のＡ−Ａ’矢視断面図である。
図１（ａ），（ｂ）に示すタイヤ踏面測定装置（以降、単に装置という）１０は、重荷重用タイヤＴを転動した状態で、タイヤ踏面の変形状態を測定する装置である。変形状態の測定とは、トレッド部が接地面と直接接地するときのトレッド部の滑り量、トレッド部の歪み、トレッド溝の変形形状、あるいはトレッド溝底や溝側面の歪みを測定すること含む。
装置１０は、主に、予備転動路面１２と、踏面測定路面１４と、３次元形状測定ユニット１６と、解析ユニット１８と、タイヤスタンド２２と、を有して構成される。

予備転動路面１２は、タイヤＴを所定の測定条件（負荷荷重、内圧、キャンバー角、スリップ角、制駆動力）の下にタイヤＴを転動させ、踏面測定路面１４による測定前に、転動するタイヤを定常状態とするための路面である。予備転動路面１２は、踏面測定路面１４の面と面一に設けられ、タイヤＴの外周の長さ以上の転動距離を備えている。タイヤＴを、少なくともタイヤ外周程度の距離を転動させれば、タイヤＴを接地させて転動させた場合でも、タイヤ踏面を定常状態とすることができる。

踏面測定路面１４は、予備転動路面１２のタイヤＴの転がる方向の延長部分に設けられた路面で、路面は、タイヤＴが転動し接地する透明性を有する接地用板材２４で構成されている。タイヤＴの転動状態におけるタイヤ踏面の変形状態を、接地用板材２４を介して測定するために接地用板材２４は透明性を有する。接地用板材２４は、例えば、アクリル板や負荷荷重に耐えるガラス板等が用いられる。
タイヤＴの転動方向と直交する方向の、踏面測定路面１４における接地用板材２４の両側の側面には、接地したタイヤＴの踏面が照明されるように、反射板２８に周りを覆われた照明光源２６が設けられている。照明光源２６を接地用板材２４の両側の側面に設けることで、トレッド部が接地した部分から光が漏出して、トレッド部の接地部分近傍の非接地部分を明るく照らす。これにより、接地及び非接地の領域を明確にした画像を撮影することができる。
また、前記特殊観察用励起光源が、前記補助光源も兼ねており、前記前記特殊観察用励起光源と前記補助光源とが一つの光源であることが好ましい。

３次元形状測定ユニット１６は、測定空間内に位置するタイヤＴの転動中のタイヤ踏面の変形形状を測定する装置である。

図２は、３次元形状測定ユニット１６の構成を説明する図である。
３次元形状測定ユニット（以下、単に測定ユニットともいう）１６は、ＣＰＵ３１、ドライバー回路３２、レーザダイオード３３、ガルバノミラー３４、光学系３５，３６、ＣＣＤ素子３７、ＡＤ変換器３８、ＦＩＦＯ３９，信号処理プロセッサ（ＤＳＰ）４０、及びフレームメモリ４１を有する。
測定ユニット１６では、コンピュータ５０からの測定開始指示に応じて、ＣＰＵ３１は測定開始のトリガー信号を生成し、図示されないクロックジェネレータを起動してクロック信号を生成する。このクロック信号はＣＣＤ素子３７、ＡＤ変換器３８、ＦＩＦＯ３９、信号処理プロセッサ４０に供給される。一方、トリガー信号の生成により、ドライバー回路３２はレーザ光照射の信号を生成し、レーザダイオード３３に供給する。レーザダイオード３３は、これによりレーザ光を照射し、レーザ光をスリット光とし、このレーザ光の照射の信号に合わせて駆動を開始したガルバノミラー３４を振らして、光学系３５を介して照射されるスリット状のレーザ光をタイヤＴのタイヤ踏面上でスキャンさせる。
測定ユニット１６は、ＣＣＤ素子３７で、画像も取得するが、この画像は転動するタイヤのタイヤ踏面を動画として取得する。

一方、光学系３６を介して集束したレーザ光の反射光をＣＣＤ素子３７にて受光し、生成された画像信号をＡＤ変換器３８によりデジタル信号とし、ＦＩＦＯ３９を介して画像信号を順番に信号処理プロセッサ４０に供給する。信号処理プロセッサ４０は、光切断方法を用いた周知のアルゴリズムを実行する回路が組み込まれており、供給された画像信号から、タイヤ踏面の変形形状の３次元データを生成する部分である。このデータは、転動するタイヤの踏面の時系列の３次元データがフレームメモリ４１に逐次書き込まれ、必要に応じて呼び出される。画像信号から３次元データを生成する処理方法は、周知の光切断法を用いたアルゴリズムである。光切断法は、スリット光を測定対象物に照射し、測定対象物の曲がった帯状の反射光をＣＣＤ素子等のカメラで撮影し、画像における結像位置から３次元データを求める方法である。このときの演算は三角測量の原理に基づいて行われる。

すなわち、３次元形状測定ユニット１６、接地用板材２４を挟んでタイヤＴと反対側に設けられ、接地用板材２４を介して、タイヤ踏面にレーザ光を照射するとともに、タイヤ踏面の画像を撮影し、これによって、接地変形状態にあるタイヤ踏面のトレッド部及びトレッド溝の変形形状のデータを取得する。
生成された３次元データは、コンピュータ５０に供給される。
３次元形状測定ユニット１６は、以上の作用を行うように構成された装置である。
このようなユニットとして、例えば光切断方法を用いた非接触３次元デジタイザＶＩＶＩＤ９ｉ（（株）コニカ ミノルタ社製）が例示される。

タイヤスタンド２２は、タイヤＴにキャンバー角、スリップ角、制動力、及び駆動力等の測定条件の１つを付与可能な機構を備える部分であり、公知の装置が用いられる。キャンバー角、スリップ角の付与によってタイヤ踏面の変形状態は大きく変わる他、制動力及び駆動力によってもタイヤ踏面の変形状態は大きく変わる。このような変形状態を、測定条件を変えて、測定する。

解析ユニット１８は、コンピュータ５０と、ディスプレイ５２と、マウス・キーボード５４とを有する。
コンピュータ５０は、３次元形状測定ユニット３０に接続されて設けられている。コンピュータ５０には、ディスプレイ５２及びマウス・キーボード５４が接続されている。
コンピュータ５０は、３次元データを用いて、トレッド部及びトレッド溝を含む踏面の変形状態を解析する部分である。また、コンピュータ５０は、接地用板材２４の光学特性（屈折率、減衰係数）による３次元データの歪みを補正するための補正テーブルがコンピュータ５０のメモリに記憶されており、タイヤ踏面の３次元データを、この補正テーブルを用いて補正する機能を有する。接地用板材２４の屈折率によって、光路は折れ曲がり、得られる３次元データも歪む。

なお、補正テーブルは、タイヤＴの替わりに配置した、表面に描かれたマークの位置が既知の調整用部材５６（図３参照）を測定対象として、３次元形状測定ユニット１６を用いて測定することにより得られた３次元位置データと調整用部材５６の３次元位置の対応データとの対応関係を用いて作成されたものである。
図３は、調整用部材５６の一例が示されている。調整用部材５６は、平板状の黒色の板材の表面に一定間隔の白色のライン５８，６０によって構成された格子状のパターンが描かれたものである。なお、図３では、調整用部材５６の表面は白色、ライン５８，６０は、黒色に反転して描かれている。
この格子状のパターンの交点は、調整用部材５６の中心位置を基準として、既知の位置にあるので、この中心位置を、接地用板材２４に設けられた所定の位置に来るように調整用部材５６を配置することで、格子状のパターンの交点の位置は既知となる。また、調整用部材５６を接地用板材２４の表面から一定距離離間して配置することにより、図１（ｂ）中の高さ方向Ｚが既知となり、交点の３次元位置情報が既知となる。接地用板材２４の表面から一定距離離間して配置するには、接地用板材２４と調整用部材５６との間に、厚さが既知の部材を挟むとよい。

このようにして、調整用部材５６を接地用板材２４の表面から徐々に離して、３次元形状測定ユニット１６により、調整用部材５６の３次元データを取得し、この３次元データは、コンピュータ５０のメモリに記憶される。さらに、得られた３次元データを画像化してディスプレイ５２上で表示される、調整用部材５６の格子状のパターンの画像をオペレータが見ながら、この格子状のパターンの交点を、マウス・キーボード５４でクリックして指示することで、交点の３次元データが取得される。交点の３次元データの取得は、この他に、画像を２値化して自動的に交点を抽出して交点の３次元データを取得することもできる。この交点の３次元データは、接地用板材２４を介して得られたデータであるので、接地用板材２４の光学特性によってデータが歪んでいる。

一方、上述したように調整用部材５６上の交点の位置は既知であり、測定した調整用板材５６における接地用板材２４の表面からの高さは既知となっているので、これらの情報から、交点の真の３次元位置は特定できる。コンピュータ５０は、この交点の真の３次元位置のデータは予めメモリに記憶されている。
補正用テーブルは、上述した接地用板材２４の光学特性によって３次元位置が歪んでいる、取得した３次元位置データと、メモリに記憶されている交点の真の３次元位置のデータとの対応関係を定め、この対応関係を補正テーブルとして作成する。
コンピュータ５０は、このような作成した補正テーブルを予め取得し、メモリに記憶し、タイヤ踏面の３次元データの補正のために用いる。補正では、補正テーブルにある３次元データと真の３次元位置のデータとは代表点であるので、これらの代表点を用いた補間処理によって補正される。
なお、本発明においては、補正テーブルの作成のために用いる調整用部材は、表面に格子状のパターンが描かれた調整用部材５６の他に、３次元形状が既知の調整用部材を用いることもできる。

コンピュータ５０は、補正された３次元データを用いて、トレッド部及びトレッド溝を含む踏面の変形状態を解析する。
具体的には、タイヤＴのトレッド部が接地用部材２４と当接する部分の滑り量を求める。
図４は、タイヤＴのトレッド部表面に白いマークを描いたときのタイヤ踏面の様子を示す図である。図中、符号１〜１０まで、符号毎に３点ずつマークが付されている。コンピュータ５０では、ディスプレイ５２に表示された画像からマークの位置をマウス・キーボード５４でクリックして指定すると、この後、動画として得られた画像の中で、マークの位置をビデオトラッキング手法により追跡することにより、時系列の３次元データの中から、マークの位置データを取り出し、マークの移動距離を求める。

図５（ａ）は、スリップ角１度、キャンバー角１度の条件下の、符号１０（図４参照）におけるマークの幅方向の変位量（ｍｍ）を示すグラフである。図５（ｂ）は、この変位量から求められる幅方向滑り量（ｍｍ）を示すグラフであり、図５（ｃ）は、周方向滑り量（ｍｍ）を示すグラフである。幅方向とは、タイヤの回転軸に平行な方向をいい、周方向とは、タイヤの転動して進む進行方向をいう。
なお、図５（ａ）〜（ｃ）の横軸は、タイヤ踏込前端からの周方向の位置を示す。

さらに、コンピュータ５０は、タイヤ溝の３次元変形形状から、溝底の歪み、溝側面の歪みを算出する。図６（ａ）は、補正されたタイヤ踏面の３次元データを画像化した図である。図６（ｂ）は、３次元データから求められる溝底の歪みの分布を示す分布図である。測定位置は、図６（ｃ）に示す位置である。測定位置は、接地形状の中心位置である。
このように、本発明では、タイヤ溝の溝内の歪みも測定することができる。この場合、タイヤの非接地状態のタイヤ溝の３次元データを予め取得しておき、この非接地状態の３次元データと接地状態の３次元データとを用いて溝底の歪み、溝側面の歪みを算出する。

さらに、コンピュータ５０は、タイヤのトレッド部表面の接地によって生じる歪みを算出する。
具体的には、タイヤＴのトレッド部表面に、識別可能なマークを描く。例えば、一定の間隔の格子パターンで作られる交点（マーク）を描く。
コンピュータ５０は、タイヤＴが接地用板材に対して非接地状態にあるときのトレッド部表面のマークの位置データを、３次元形状測定ユニット１６を用いて、３次元情報として予め取得し、コンピュータのメモリに記憶しておく。

次に、タイヤＴが接地用板材２４に対して接地状態にあるとき、３次元形状測定ユニット１６は、トレッド部表面のマークの位置データを３次元情報として取得し、取得した接地状態の３次元情報と、予め取得した非接地状態の３次元情報とを用いて、タイヤのトレッド部表面の接地によって生じる歪みを算出する。例えば、格子状パターンの複数の交点に注目し、コンピュータ５０は、複数の交点の１つを基準マークとし、接地状態の３次元情報と、予め取得したタイヤが非接地状態の３次元情報との位置合わせを行う。この位置合わせした接地状態の３次元情報と非接地状態の３次元情報とに基づいてタイヤのトレッド部表面の接地によって生じる歪みを算出する。交点は、例えば、画像を２値化して、自動的に抽出し、その後、タイヤＴの転動によって変化する交点の位置をビデオトラッキング手法により追跡することで、交点の３次元情報を求めることができる。
図７（ａ）には、非接地状態のトレッド部表面の状態（無変形状態）を、図７（ｂ）は、接地状態のトレッド部表面の変形状態を示す図である。図７（ａ），（ｂ）では、例えば、交点Ｐ4を基準マークとする。

このように、装置１０は、３次元形状測定ユニット１６を用いてタイヤ踏面の変形状態を測定するので、直接接地するトレッド部のみならず、トレッド溝についても変形状態を効率よく測定できる。特に、透明性を有する接地用部材２４の光学特性によるデータの歪みを補正できるので、精度良く変形状態を測定できる。

このような装置１０では、測定対象のタイヤＴがタイヤスタンド２２に取り付けられ、設定された測定条件（キャンバー角、スリップ角、負荷荷重、制動力、駆動力）が与えられ、設定された負荷荷重で予備転動路面１２上に接地される。この状態で、予備転動路面１２を動かして、タイヤＴを転動させる。このとき、設定した条件に応じて、タイヤＴに制動力あるいは駆動力を与える。予備転動路面１２は、タイヤＴの外周の長さ以上の転動距離を備えるので、タイヤＴのタイヤ踏面の変形形状は定常状態となっている。
この状態で、踏面測定路面１４上にタイヤＴが来る。タイヤＴが踏面測定路面１４上に来ると、図示されない検知センサによってトリガー信号が生成され、３次元形状測定ユニット１６による測定が開始される。
３次元形状測定ユニット１６で得られた３次元データは、コンピュータ５０に供給され、上述したように、補正テーブルを用いて補正された後、トレッド部の滑り量、トレッド溝の変形形状、及びトレッド部の歪みのいずれか１つが算出される。

なお、本実施形態では、タイヤＴの予備走行路面１２及び踏面測定路面１４が移動し、タイヤＴ及び３次元形状測定ユニット１６が静止した構成であるが、タイヤＴの予備走行路面１２及び踏面測定路面１４が静止し、タイヤＴ及び３次元形状測定ユニット１６が移動する構成としてもよい。

以上、本発明のタイヤ踏面測定装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

（ａ），（ｂ）は、本発明におけるタイヤ踏面測定装置の一実施形態を表す概略構成図である。 本発明のタイヤ踏面測定装置に用いる測定ユニットの一例を示す構成図である。 本発明タイヤ踏面測定装置に用いる調整用部材の一例を示す図である。 本発明のタイヤ踏面測定装置に用いるマークを説明する図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明のタイヤ踏面測定装置で得られるデータの一例を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明のタイヤ踏面測定装置で得られるデータの一例を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）本発明のタイヤ踏面測定装置で得られるデータの他の例を示す図である。

符号の説明

１０ タイヤ踏面測定装置
１２ 予備転動路面
１４ 踏面測定路面
１６ ３次元形状測定ユニット
１８ 解析ユニット
２２ タイヤスタンド
２４ 接地用板材
２６ 反射板
２８ 光源
３１ ＣＰＵ
３２ ドライバー
３３ レーザダイオード
３４ ガルバノミラー
３５，３６ 光学系
３７ ＣＣＤ素子
３８ ＡＤ変換回路
３９ ＦＩＦＯ
４０ 信号処理プロセッサ
５０ コンピュータ
５２ ディスプレイ
５４ マウス・キーボード

Claims (6)

1. タイヤが接地したときのタイヤ踏面の変形状態を測定するタイヤ踏面測定装置であって、
   タイヤが接地する透明性を有する接地用板材と、
   前記接地用板材を挟んでタイヤと反対側に設けられ、前記接地用板材を介して、タイヤ踏面にレーザ光を照射するとともに、タイヤ踏面の画像を撮影し、これによって、接地変形状態にあるタイヤ踏面のトレッド部及びトレッド溝の変形形状を表す３次元データを取得する測定ユニットと、
   取得した前記３次元データを用いて、トレッド部及びトレッド溝を含む踏面の変形状態を解析する解析ユニットと、を有し、
   前記解析ユニットは、前記接地用板材の光学特性による前記３次元データの歪みを補正するための補正テーブルを有し、
   前記補正テーブルは、前記タイヤの替わりに配置した、３次元形状あるいは表面に描かれたマークの位置が既知の調整用部材を測定対象として、前記測定ユニットを用いて測定することにより得られる３次元データと、前記調整用部材の３次元形状の対応データあるいは前記マークの位置の対応データとの対応関係を用いて作成されたものであることを特徴とするタイヤ踏面測定装置。
2. 前記タイヤのトレッド部の表面には、識別可能なマークが描かれており、
   前記解析ユニットは、前記タイヤが前記接地用板材に対して非接地状態にあるときのトレッド部表面の前記マークの位置のデータを３次元データとして予め取得しておき、
   前記タイヤが前記接地用板材に対して接地状態にあるとき、前記解析ユニットは、トレッド部表面の前記マークの位置のデータを３次元データとして取得し、取得した前記接地状態の３次元データと、予め取得した前記非接地状態の３次元データとを用いて、前記タイヤのトレッド部表面の接地によって生じる歪みを算出する請求項１に記載のタイヤ踏面測定装置。
3. 前記マークは前記タイヤのトレッド部表面に複数設けられ、
   前記解析ユニットは、複数のマークの１つを基準マークとして、接地状態の３次元データと、予め取得した前記タイヤが非接地状態の３次元データとの位置合わせを行い、この位置合わせした前記接地状態の３次元データと前記非接地状態の３次元データとに基づいて前記タイヤのトレッド部表面の接地によって生じる歪みを算出する請求項２に記載のタイヤ踏面測定装置。
4. さらに、前記タイヤを予備転動させて転動中の接地状態を再現するための予備転動路面が、前記接地用板材で作られる路面と面一に設けられ、この予備転動路面は、前記タイヤの外周の長さ以上の転動距離を備える請求項１〜３のいずれか１項に記載のタイヤ踏面測定装置。
5. さらに、前記タイヤにキャンバー角、スリップ角、制動力、及び駆動力の１つを付与可能な機構を備える請求項１〜４のいずれか１項に記載のタイヤ踏面測定装置。
6. 前記接地用板材近傍には、タイヤ踏面を照明する光源が設けられている請求項１〜５のいずれか１項に記載のタイヤ踏面測定装置。