JP5833317B2

JP5833317B2 - タイヤ形状計測方法及びタイヤ形状計測装置

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Publication number: JP5833317B2
Application number: JP2011015692A
Authority: JP
Inventors: 崇川井
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2031-01-27
Also published as: JP2012154858A

Description

本発明は、タイヤ形状を計測する方法とその装置に関するもので、特に、路面との接地境界面を中心とするタイヤ形状の計測に関する。

従来、タイヤの接地面近傍の形状を測定する方法として、タイヤのトレッド面を台座上に接地させて、タイヤの側面または前後方向からレーザー変位計によりトレッドの溝形状を検出する方法（例えば、特許文献１参照）や、タイヤを透明な強化ガラス板の上面に押し付けるとともに強化ガラス板の下面側から光を照射し、強化ガラス板の上面で全反射された光の反射光量から強化ガラス板に作用するタイヤの圧力分布を求めてタイヤの接地面形状を推定する方法（例えば、特許文献２参照）、あるいは、タイヤのトレッドパターンを模した測定パッドに所定の荷重をかけてガラス板に押し付けるとともに、この測定パッドをガラス板上に置かれた所定水準の不透明度を有する液体中で様々な速度で通過させてトレッドの接地部分の不透明度をガラス板を通して観察し、トレッドの浮き量からタイヤの接地面形状を推定する方法（例えば、特許文献３参照）などが知られている。

特開２００８−１２２０９８号公報実開平７−２９４４号公報特開平１０−２３９１３６号公報

しかしながら、レーザー変位計を用いる方法では、タイヤのサイド部分は問題なく計測できるものの、接地境界面では測定対象面とレーザー光の入射方向とがほぼ平行なのでレーザー光が反射しなくなる。そこで、特許文献1では、台座のレーザー光の入射する側を透明板で構成するとともに、台座内に反射板を設けてレーザー光を屈曲させてタイヤ接地面に照射してトレッド面の変形状態を検出するようにしている。そのため、台座の一部を透明な材料で構成するとともに、台座に反射板を収納するための収納孔を形成し反射板を設置する必要があった。
また、レーザー変位計による計測は、変位計１個に付き計測点が１点であり、ラインレーザーを用いたとしても、１個に付き１ラインしか同時に計測できないので、タイヤ接地面の周辺全体の形状計測を同時に行うことができなかった。すなわち、レーザー変位計による計測は、タイヤが走行している状態での接地面形状の計測には不向きである。
また、強化ガラス板に作用するタイヤの圧力分布からタイヤの接地面形状を推定する方法でも、光源が点光源であり、かつ、全反射光を光電子増倍管で検出する構成なので、レーザー変位計による計測と同様に、タイヤが走行している状態での接地面形状を計測することは困難であった。

また、トレッドの接地部分の不透明度からトレッドの浮き量を推定する方法では、測定パッドの速度、すなわち、液体の流速による測定パッドの浮き量を計測しているが、この場合も、測定パッドに所定の荷重をかけてガラス板に押し付ける構成であるため、測定パッドは移動することはできても回転することはできない。したがって、この従来例においてもタイヤが走行している状態での接地面形状を計測することは困難であった。
なお、タイヤが走行している状態における接地面形状の測定方法としては、従来、感圧紙などの上にタイヤを押し付ける方法が知られているが、この方法では、タイヤにスリップ角や制駆動力を付与したときに紙に皺が寄るなどして正しい接地面形状を計測することは困難であった。更に、この方法では、接地面形状は獲得できるが、接地面近傍のタイヤ形状は計測することができないといった問題点がある。
また、タイヤの走行中の形状については、ＦＥＭなどによるモデル計算により接地面形状を含む接地形状やタイヤの変形を予測する試みも行われているが、結局のところ計算が正しいかどうかは最終的に実測して比較しないと分からないので、実測が困難な現状では計算の正しさを証明することは難しい。

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、タイヤが走行しているときの接地面形状及び接地面近傍を含むタイヤの表面形状を精度よく計測する方法とその装置を提供することを目的とする。

本願の請求項１に記載の発明は、路面に接地しているときのタイヤ形状を計測する装置であって、タイヤを回転可能に保持するタイヤ保持手段と、少なくとも前記タイヤが接地する部分が光を透過させる材料で構成された透過部を備え前記タイヤの前後方向に延長する路面と、前記路面のタイヤ側に設けられた枠体と、前記路面と前記枠体とにより形成された空間に収納されて前記透過部の上面に液体層を形成する、白色、もしくは、白色に着色された液体と、前記透過部の前記タイヤが接地する側とは反対側に設置されて前記タイヤの接地面と接地面近傍とを撮影する撮像手段と、前記撮像手段と同じ側に設置されて前記タイヤに光を照射する投光手段と、前記撮像手段で撮影したタイヤの画像を画像処理して各画素の輝度データを算出するとともに、前記撮影した画像の濃淡分布に対応する各画素の輝度分布を求める画像処理手段と、前記輝度分布から前記タイヤと前記透過部との間にある前記液体の厚さである深度分布を算出して、前記タイヤの３次元形状を計測する形状計測手段と、前記路面を、前記タイヤと前記撮像手段とに対して、前記タイヤの前後方向に相対的に移動させる移動手段とを備え、前記タイヤの３次元形状が、前記タイヤのタイヤ幅方向の深度分布をタイヤ前後方向に繋げて得られた、前記タイヤの接地面と接地面近傍の３次元形状であり、前記形状計測手段では、前記算出された輝度データと、予め求めておいた、前記路面上に前記タイヤと同質のゴムシートを載せて走行させた画像を撮影して得られた画像の輝度データとの差分を求める差分処理を行って、前記輝度データの光量ムラ成分を除去した後、前記液体層の深さごとに予め求めておいた前記路面と前記タイヤと同じ色の板との間の液体層の厚さと画像の濃淡との関係を示す校正用のデータと前記光量ムラ成分が除去された輝度データとから、前記タイヤの３次元形状を計測する、ことを特徴とする。
これにより、タイヤが路面を走行する状態を実現できるので、タイヤの接地面の状態や接地面近傍のタイヤの変形状態を精度良く計測することができる。また、タイヤにスリップ角やキャンバー角を与えることで、タイヤに横力が入力したときのタイヤの変形状態についても計測することができるので、実際の走行状態におけるタイヤの形状を精度よく再現することができる。
また、タイヤ踏面内における液体の浸入量や液体に漬かっているタイヤ部分の形状についても精度よく計測することができるので、スリップ状態などのＷＥＴ路におけるタイヤの走行状態を精度よく把握することができる。
また、液体をタイヤの色である黒色とは対極色である白色とし、撮影された画像の白色の濃淡で、タイヤ踏面内における液体の浸入深さや実際にタイヤの液体に漬かっている深さを精度よく計測することができるようにしたので、タイヤ形状の計測精度を更に向上させることができる。
前記移動手段は、路面を移動させる手段であってもよいし、タイヤと撮像手段とを同時に移動させる手段であってもよい。また、投光手段はタイヤと撮像手段とともに固定されるか、タイヤと撮像手段とともに移動するように設置される構成としてもよいし、路面ととともに固定されるか、路面ととともに移動するように設置してもよい。

請求項２に記載の発明は、前記路面が、前記透過部を有する走行部と、前記走行部の前記タイヤの移動方向とは反対側に設けられる、前記タイヤ側の面である上面の位置が前記走行部の上面よりも高い助走部とを備えるとともに、前記走行部と前記助走部との間に、前記走行部の上面と前記助走部の上面とを連結する斜面部が設けられていることを特徴とする。
これにより、タイヤを助走部から走行部にスムースに移動させることができる。
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のタイヤ形状計測装置であって、前記タイヤに制動力及び駆動力のいずれか一方もしくは両方を付与する機構を備えることを特徴とする。
これにより、制動時や駆動時におけるスリップ率の違いによるタイヤの接地面の状態や接地面近傍のタイヤの変形状態を精度良く計測することができる。

請求項４に記載の発明は、タイヤを透明板上に接地させ、前記透明板の前記タイヤが接地する側とは反対側から前記タイヤに光を照射して前記タイヤの形状を撮影し、この撮影された画像から前記タイヤの形状を計測するタイヤ形状計測方法において、前記タイヤを回転可能に保持するとともに、前記透明板の表面に、白色の液体、もしくは、白色に着色された液体から成る液体層を設けて、前記透明板を前記タイヤの前後方向に移動させながら前記タイヤの接地面と接地面近傍とを撮影した後、前記透明板を前記タイヤの前後方向に移動させながら撮影した画像の輝度データを用いて、前記タイヤのタイヤ幅方向における前記液体層の厚さの分布をタイヤ前後方向に繋げた前記タイヤの深度分布を求めるとともに、前記液体層の深さごとに予め求めておいた前記路面と前記タイヤと同じ色の板との間の液体層の厚さと画像の濃淡との関係を示す校正用のデータと前記タイヤの深度分布とを用いて、前記タイヤの接地面と接地面近傍の３次元形状を求めることを特徴とする。
これにより、タイヤを液体層が設けられた路面上を回転しながら走行させることができるので、タイヤ踏面内における液体の浸入量や地面との接地境界面を中心とするタイヤの形状を精度良く計測することができる。したがって、タイヤの運動性能を考察する上での指標となるデータを提供することができる。

なお、前記発明の概要は、本発明の必要な全ての特徴を列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となり得る。

本実施の形態に係るタイヤ形状計測装置の構成を示す側面図である。本実施の形態に係るタイヤ形状計測装置の構成を示す正面図である。校正用のデータ（深さと濃淡）の取得方法を示す図である。画像の濃淡と液体深度との関係を説明するための図である。光量のばらつきを補正する方法を示す図である。撮影画像の一例を示す図である。タイヤ形状の計測結果の一例を示す図である。本発明によるタイヤ形状計測方法を示す図である。本発明によるタイヤ形状計測装置の他の例を示す図である。

以下、実施の形態を通じて本発明を詳説するが、以下の実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものでなく、また、実施の形態の中で説明される特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１，図２は本実施の形態に係るタイヤ形状計測装置１０の構成を示す図で、各図において、１１は路面、１２はタイヤ保持手段、１３は制駆動手段、１４は撮像手段としてのＣＣＤカメラ、１５は投光手段としてのＬＥＤライン光源、１６は移動手段、１７は画像処理手段、１８は形状計測手段である。
本例では、ＣＣＤカメラ１４と移動手段１６とを固定部材である基台２１に搭載し、タイヤ保持手段１２を基台２１に立設された取付フレーム２２に取り付けた。また、路面１１とＬＥＤライン光源１５とは路面保持部材２３を介して移動手段１６に取付けられる。
路面１１は光を通す透明な素材で構成された走行部１１ａと、助走慣らし走行用の路面としての助走部１１ｂとを備える。タイヤＴは、タイヤ保持手段１２により、前後方向（走行方向）が走行部１１ａの長手方向になるように接地する。以下、図１の左右方向を前後方向、紙面に垂直な方向を幅方向、図１の上下方向を上下方向という。
本例では、後述するように、路面１１が移動するが、路面１１が静止していると仮定したときのタイヤの移動方向を前側とすると、走行部１１ａが前側に位置し助走部１１ｂが後側に位置している。また、助走部１１ｂの上面の位置は走行部１１ａの上面よりも高い位置にある。

走行部１１ａは、前後方向に長い透明な強化ガラス板Ｇで構成されており、強化ガラス板Ｇの幅方向の両側においてそれぞれ路面保持部材２３に保持されている。
路面保持部材２３としては、例えば、後述するガイド部材１６２に立設されたフレーム２３ａとこのフレーム２３ａに取付けられて強化ガラス板Ｇの幅方向端部を下側から支持する支持片２３ｂとを備える。フレーム２３ａは上部において、強化ガラス板Ｇの幅方向の端部を規制する。
強化ガラス板Ｇの長手方向の長さから後述する路面プールを構成するための枠体１９の厚さを除いた長さがタイヤＴの走行する路面長となり、幅方向の長さから前記枠体１９の厚さを除いた長さが路面幅となる。
路面長としては、タイヤＴに前後力やスリップ角及びキャンバー角などを付与しない、いわゆる、フリーローリング状態でタイヤ形状を計測する場合には、タイヤＴの転がり周長の１/４以上あれば十分である。しかし、タイヤＴが制駆動されて前後力が発生した状態やスリップ角・キャンバー角の付与により横力が発生した状態でタイヤ形状を計測する場合には、タイヤの接地挙動を安定させるため、タイヤＴの転がり周長の１/３〜１周分程度の路面長が必要である。
路面幅については、試験するタイヤＴのタイヤ幅の１．５倍以上あれば十分である。路面幅が狭すぎると光源がカメラに写ってしまう虞れがある。また、路面幅が広すぎる場合には光源の光量を強くする必要があるが、そうすると、路面全体への光源の光の強度分布にムラができやすいので、タイヤ幅の２〜５倍とするのがよく、最大でも１０倍以内とすることが好ましい。
なお、走行部１１ａを構成する材料である路面素材としては、本例で用いた強化ガラス板Ｇの他に、アクリルや透明プラスチックなどのような光の透過率の高い材料を用いてもよいが、いずれにしても、タイヤＴに作用する荷重に耐えられる強度を有している必要がある。強度が弱いとタイヤ荷重や横力、前後力の付与によって路面１１が変形したり傷ついてしまい、計測データの精度が低下する。
また、路面１１の表面、特に、走行部１１ａの表面は凹凸のない平滑な面であることが好ましい。具体的な平滑度については計測する形状の必要精度により適宜決定される。例えば、必要精度が０．２ｍｍであれば、路面１１の最大凹凸は少なくともその半分である０．１ｍｍ以下にする必要がある。

本例のタイヤ形状計測装置１０の路面１１には、走行部１１ａの表面に着色された液体Ｌが保持されている。
この液体Ｌは、走行部１１ａを構成する強化ガラス板Ｇと、強化ガラス板Ｇの上面に設けられた枠体１９とで囲まれた路面プールに収納される。この液体Ｌが強化ガラス板Ｇ上に液体層を構成する。本例では、枠体１９として、強化ガラス板Ｇの上面の前後の端部に立設された前壁１９ａ及び後壁１９ｂと、強化ガラス板Ｇの幅方向の両端部に立設された左壁１９ｃ及び右壁１９ｄとから成る断面が長方形状のものを用いた。なお、枠体１９に代えて、走行部１１ａを構成する強化ガラス板Ｇを、端部を高さのあるフレームで取り囲むような形態に加工して路面プールを形成してもよい。また、素材がアクリルや透明プラスチックなどである場合には、路面プールを成形時に形成してもよい。
後壁１９ｂの上面は助走部１１ｂの上面と同じ高さにあり、この後壁１９ｂの前方には斜面部（スロープ）１９ｋが設けられている。このスロープ１９ｋは、タイヤＴが助走部１１ｂからスムースに走行部１１ａに移動するために設けられたもので、図１に示すように、後方である後壁１９ｂ側の高さが後壁１９ｂの高さに等しく前方に行くに従って高さが減少する、縦断面が直角三角形の部材から構成される。
また、路面プール内に収納される液体Ｌの深さとしては、最低が０．１ｍｍで、最大でもタイヤＴの全体が浸る深さであればよい。実用的には、液体Ｌの深さが０．５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲であれば、実際のＷＥＴ路面でのタイヤの挙動を把握することができる。
液体Ｌの粘度としては、水と同程度がそれ以下の粘度を有することが好ましい。これは、液体の粘度が高すぎると接地特性に影響するためである。また、雨天時の走行を再現するためには、水と同じ粘度とすることが特に好ましい。
また、液体Ｌとしては、タイヤＴの表面が黒色であるので、水を白い顔料または染料で着色したもの、もしくは、白色の液体を用いることが好ましい。

更に、液体Ｌは完全に不透明ではなく、濃度もしくは着色剤の量を調整して接地面以外のタイヤ形状についても撮影できる透明度を有するようにしたものを用いることが好ましく、深さに対して線形に光を透過するものを用いることが特に好ましい。これにより、撮影した画像の白色から黒色に至る濃淡がそのままタイヤ形状になる。しかし、線形でなくとも、深さと濃淡との関係を予め調べて校正用のデータを取得しておけば、この校正用のデータを用いて濃淡からタイヤ形状を求めることができる。なお、線形であると予想される場合にも、深さと濃淡との関係を予め確認しておくことが好ましい。
校正用のデータの取得方法としては、例えば、図３に示すように、走行部１１ａを構成する強化ガラスと同じ材質のガラス板３１の周囲に枠体３２を設け、このガラス板３１と枠体３２とにより形成されたプールに液体Ｌを投入するとともに、液体Ｌの深さの半分の厚み（ここでは、０．５ｍｍ）を有し、計測するタイヤＴと同じ黒色に着色した鉄板３３と、厚さが１ｍｍ以上の四角柱の角材３４とを準備し、鉄板３３をガラス板３１に密着させるとともに、角材３４の一端３４ａを鉄板３３上に載せ、他端３４ｂをガラス板３１の上に載せて、ガラス板３１の下側から、ＣＣＤカメラ１４を用いて鉄板３３と角材３４とを撮影する。ガラス板３１と角材３４との間の液体Ｌの厚さは鉄板３３側で０．５ｍｍで、角材３４の他端３４ｂ側に行くに従って減少し、他端３４ｂでは０ｍｍとなる。したがって、図４に示すような、鉄板３３の角材３４側が載っている側とは反対側の端部３３ａを原点Ｏとし、原点Ｏから角材３４の他端３４ｂ方向に向かって測った距離ｘと撮影した画像（撮影画像）の濃淡との関係（実線は測定例、一点鎖線は、深さに対して線形に光を透過する液体を用いた例）、及び、液体Ｌの深さ（液体深度）と前記距離ｘとの関係とから、液体の深さと撮影画像の濃淡との関係を示す校正用のデータを得ることができる。

タイヤ保持手段１２は、タイヤＴのタイヤ軸Ｊを軸受け（図示せず）を介して回転可能に支持するタイヤ支持部材１２１と、タイヤ支持部材１２１を上下させることでタイヤＴを路面１１に押し付ける力（荷重）を調整するシリンダー装置１２２と、分力計１２３とを備える。
シリンダー装置１２２は、一端がタイヤ支持部材１２１に連結されるシリンダーロッド１２２ａとシリンダーロッド１２２ａの他端側に設けられた図示しないピストンを駆動してシリンダーロッド１２２ａの長さを伸縮させるシリンダー本体１２２ｂとを備える。シリンダー本体１２２ｂが取付フレーム２２に取り付けられる。本例では、シリンダー装置１２２としては油圧シリンダーを用いた。
分力計１２３は、タイヤ軸Ｊに取付けられてタイヤ軸Ｊに作用する前後方向の力であるタイヤ軸力を計測して記録する機能を有する。
本例では、基台２１に立設された縦フレーム２２ａと、縦フレーム２２ａの上端から水平方向でかつタイヤ幅方向に平行な方向に突出する横フレーム２２ｂとを備えた取付フレーム２２の横フレーム２２ｂにシリンダー本体１２２ｂを固定している。
このように、タイヤＴはシリンダー装置１２２を備えたタイヤ保持手段１２に回転可能に保持されているので、路面１１に所定の荷重で接地するとともに、路面１１が前後方向に移動すると、タイヤＴは路面１１との摩擦により回転する。これにより、路面１１が後方（図１の右方向）に移動した場合、路面１１上の観察者から見ると、タイヤＴは回転しながら路面１１上を前方（図１の左方向）に走行する。すなわち、本発明のタイヤ形状計測装置１０は、タイヤＴが回転しながら路面１１上を走行する状態を再現できる。
制駆動手段１３は、出力軸がタイヤ軸Ｊに連結されたモーター１３ａと、このモーター１３ａの回転数と回転方向とを制御してタイヤ軸Ｊに付与する駆動力の大きさとブレーキ力の大きさとを制御することで、タイヤＴのスリップ率を制御するスリップ率制御手段１３ｂとを備える。

ＣＣＤカメラ１４は、路面１１が移動を開始する前の状態である初期状態では、走行部１１ａの後方側の下方に位置して、タイヤＴを接地面側から撮影する。ＣＣＤカメラ１４のフレームレートとしては秒間３０コマ（３０fps）であれば通常の解析では問題ない。タイヤ接地挙動を高速度で撮影したい場合などには、ＣＣＤカメラ１４に代えて高速度カメラを用いればよい。
ＬＥＤライン光源１５は、透過部となる走行部１１ａの強化ガラス板Ｇの下側で、かつ、フレーム２３ａの内側に、光源取付部材１５ｍを介して取付けられる。
本例では、投光手段を路面１１ととともに移動させる構成であるので、ＬＥＤライン光源１５のような、路面１１の延長方向に延長する、透過部となる走行部１１ａの強化ガラス板Ｇ全体に均一に光を投射する長さの長い投光手段を用いている。また、光の照射角度としては強化ガラス板Ｇに対して入射角がほぼ４５°になるように設置することが好ましく、これにより、走行部１１ａ全体を均一な明るさで照らすことができる。このとき、ＬＥＤライン光源１５がＣＣＤカメラ１４に映らないような位置にＬＥＤライン光源１５を設置することはいうまでもない。
なお、ＬＥＤライン光源１５に代えてハロゲンランプをなど他の光源を用いてもよい。要は、光量の調節が可能で、試験中の光量が安定し、かつ、走行部１１ａに沿って光量がバラつかないものであればよい。
本発明においては、前記のように、走行部１１ａ全体を均一な明るさで照らすようにしているが、実際には反射映り込み等による光ムラがあるため、撮影画像を数値化したときに色ムラが発生することがある。そこで、本例では、図５（ａ）に示すように、走行部１１ａの強化ガラス板Ｇ上にタイヤＴと同質のゴムシート３５を載せ、液体のない状態で疑似的に走行させて画像を撮影し、この撮影された画像に基づいて色ムラ（明るさのムラ）を補正するようにしている。本来は、強化ガラス板Ｇは黒色のゴムシートで覆われているので、路面全体が完全な接地領域になるはずである。しかしながら、実際に撮影した画像は、図５（ｂ）に示すように、色ムラが発生している。暗い部分が完全接地領域で明るい部分が光量ムラが大きい部分である。そこで、撮影した画像全体の明るさをマップ化しておき、実際に撮影したデータから差分処理を行うことで、光量ムラ成分を除去し計測の精度を向上させることができる。

移動手段１６は２本のガイドレール１６１とガイド部材１６２と、移動機構１６３とを備える。ガイドレール１６１は前後方向に延長する部材で、基台２１上に所定の間隔を隔てて設置される前後方向に延長する２本のレール保持台２４上にそれぞれ設けられる。ガイド部材１６２は路面保持部材２３を保持するブロック状の部材で、移動機構１６３により、ガイドレール１６１上を前後方向に走行する。
移動機構１６３は、ボールねじ１６３ａとモーター１６３ｂとを備える。ボールねじ１６３ａのネジ軸１６３ｊの一端側にはモーター１６３ｂの出力軸が連結されてボールねじ１６３ａのナット部１６３ｎはガイド部材１６２に固定されている。モーター１６３ｂは基台２１上に取付けられたモーター取付台２５上に固定されているので、モーター１６３ｂの回転によりネジ軸１６３ｊが回転するとともに、ナット部１６３ｎが前後方向に移動することにより、路面保持部材２３を介してガイド部材１６２に取付けられた路面１１が前後方向に移動する。
移動速度はボールねじ１６３ａの正確な位置制御により行われ、ボールねじ１６３ａのナット部１６３ｎはガイド部材１６２に固定されているので、試験時にタイヤＴに荷重や前後力、横力が発生しても、ガイド部材１６２の動きには影響はない。

画像処理手段１７と形状計測手段１８とは、例えば、コンピュータのソフトウェアから構成される。画像処理手段１７は、ＣＣＤカメラ１４で撮影した画像の濃淡分布に対応する各画素の輝度分布を求め、形状計測手段１８は、輝度分布からタイヤＴと強化ガラス板Ｇとの間にある液体Ｌの深さである液体深度を算出し、この液体深度からタイヤＴの形状を推定する。
図６（ａ）〜（ｃ）は、深さ１ｍｍの白く着色した水の層を有する走行部１１ａをタイヤＴが走行したときの撮影画像の一例を示す図で、（ａ）図は駆動力が作用したときの画像で、（ｂ）図はニュートラル状態（フリーローリング状態）、（ｃ）図は制動力が作用したときの画像である。駆動力作用時のスリップ率は−２０％、制動力作用時のスリップ率は２０％である。各図において、中央の白い領域Ｐが水が浸入していない完全接地領域、領域Ｐの外側の領域Ｑが接地面から離れている部分（タイヤＴと強化ガラス板Ｇとの間に液体Ｌの層がある部分）のタイヤＴの形状を示す領域、領域Ｑの外側の領域Ｒが０．５ｍｍ以上の水がある領域である。
また、図７は図６の形状切り出し位置Ａ−Ａにおけるタイヤ形状を示す図で、横軸はタイヤ幅方向中心の位置を原点（ｙ＝０）としたときの走行部１１ａの幅方向位置で、縦軸は画像の濃淡から求めた液体深度である。液体深度が０ｍｍの領域Ｐが完全接地領域である。液体深度が０ｍｍ〜０．５ｍｍの領域ＱはタイヤＴの接地面近傍での反射光による像である。領域ＲではタイヤＴには光が当たっていない。
したがって、形状計測手段１８にて、図７のようなタイヤ幅方向の液体深度分布をタイヤ前後方向に沿って繋げることにより、タイヤＴの接地長だけでなく、タイヤ接地面近傍でのタイヤＴの３次元形状を求めることができる。
また、タイヤ軸Ｊに制駆動力を加えることにより、スリップ率の違いによるタイヤ形状の違いについても計測することができる。

次に、本発明のタイヤ形状計測装置１０を用いて、タイヤ形状を計測する方法について説明する。
まず、走行部１１ａの強化ガラス板Ｇと枠体１９とで構成した路面プールに白色の液体Ｌを所定の深さだけ入れ、校正用のデータを取得する。校正用のデータは、液体Ｌの深さ（以下、水深という）を変更する毎に行う。なお、前もって、複数の水深について校正用のデータを取得しておいてもよい。
そして、図８（ａ）に示すように、路面１１を路面の進行方向の最後端部である助走部１１ｂの後端側（初期位置）に設定する。この初期位置で図示しないシリンダー装置１２２のシリンダーロッド１２２ａを伸長させて、タイヤＴを助走部１１ｂの後端側に接地させる。
次に、移動機構１６３のモーター１６３ｂを駆動してボールねじ１６３ａのネジ軸１６３ｊを回転させて路面１１を同図の右方向である後方に移動させる。タイヤＴはタイヤ保持手段１２に回転可能に取付けられているので、路面１１との摩擦により回転しながら助走路１１からスロープ１９ｋ方向に移動し、図８（ｂ）に示すように、走行部１１ａの強化ガラス板Ｇの上面に着地する。
ＣＣＤカメラ１４によるタイヤ接地面の撮影とタイヤ軸力の測定とは、タイヤＴが走行部１１ａの強化ガラス板Ｇに着地した時点から開始する。なお、このとき、タイヤＴには、シリンダー装置１２２により、所定の荷重がかけられているものとする。
ボールねじ１６３ａのネジ軸１６３ｊの回転により、走行部１１ａと助走部１１ｂとは同図の右側である後方に更に移動する。すなわち、走行部１１ａが静止していると考えると、タイヤＴは水深の走行部１１ａを前方に回転しながら走行する。
ＣＣＤカメラ１４は、回転しながら走行するタイヤＴを透明な強化ガラス板ＧのタイヤＴとは反対側からタイヤＴの接地面と接地面近傍を撮影する。本例では、ＬＥＤライン光源１５が透過部である走行部１１ａの強化ガラス板Ｇの全長に亘って設けられているので、走行部１１ａ全体を均一な明るさで照らすことができる。
そして、図８（ｃ）に示すように、タイヤＴが路面１１の前端部まで進んだ時点で撮影を終了し、路面１１の移動を停止する。
ＣＣＤカメラ１４で撮影された画像のデータは画像処理手段１７に送られ、画像処理手段１７にて画像の各画素の輝度分布が求められる。形状計測手段１８では、輝度分布から液体深度を計算して、タイヤＴの３次元形状を計測する。
これにより、従来１点もしくは１ラインしか同時に計測できなかったタイヤ接地面と接地面近傍の形状を同時に計測できるので、走行中のタイヤ形状と接地状態とを精度よく計測することができる。また、タイヤ軸力も同時に計測できるので、タイヤ軸力の変化と接地特性及びタイヤ形状との関係を考察することが可能となる。更に、タイヤ接地面に入り込んだ水の量についても計測できるので、タイヤのＷＥＴ特性も考察できる。

このように本実施の形態では、タイヤＴを路面１１の走行部１１ａを構成する透明な強化ガラス板Ｇ上に接地させるとともに、強化ガラス板Ｇの表面に設けられた路面プールに白色の液体Ｌを投入し、移動機構１６３のボールねじ１６３ａを回転させて路面１１を保持するガイド部材１６２をガイドレール１６１に沿って前後方向に移動させながら、強化ガラス板ＧのタイヤＴが接地する側とは反対側に設けられたＣＣＤカメラ１４により液体Ｌ中を走行するタイヤＴの形状を撮影し、この撮影された画像からタイヤＴの形状を計測するようにしたので、タイヤＴが回転しながら走行しているときの接地面の状態や接地面近傍のタイヤの変形状態を精度良く計測することができる。また、タイヤ接地面内における液体の浸入量や液体に漬かっているタイヤ部分の形状も精度よく計測することができるので、ＷＥＴ路におけるタイヤの走行状態についても精度よく把握することができる。

なお、前記実施の形態では、タイヤＴとして、トレッドパターンのないスムースタイヤを用いたが、トレッド表面にトレッドパターンが形成されているタイヤを用いれば、溝に対応する部分及び水に浸っている部分は反射光の輝度が低下するので、図６（ａ）〜（ｃ）の中央の白い領域Ｐはトレッドパターンに対応する濃淡の画像になる。また、水に浸っている部分も入り込んだ液体の深さ（液体深度）に対応した濃淡として画像上に現れるので、接地面内におけるトレッドパターンの変形状態や流体の浸入量などについても精度良く計測することができる。
また、前記例では、路面プールに白色の液体Ｌを投入してタイヤ接地面の形状を計測したが、ＤＲＹ路走行時おける接地面のみの形状を計測するのであれば、路面プール及び液体Ｌを省略してもよい。これにより、従来は計測できなかった、タイヤＴを回転させながらＤＲＹ路を走行させたときのタイヤ接地面の形状を計測することができる。
また、前記例では、走行部１１ａを全て透明な強化ガラスで構成したが、路面幅を広くとれる場合には、幅方向中央のみを透明な強化ガラスで構成し、幅方向外側を金属板等で構成してもよい。但し、強化ガラス部分の幅としては、試験するタイヤＴのタイヤ幅の２〜５倍とすることが好ましい。
また、路面１１を長くする場合などには、前後方向に強化ガラスと金属板とを交互に接合した構成にしてもよい。この場合、金属板の役割は隣接する強化ガラスを連結することなので、前後方向の長さはできるだけ短い方が好ましい。

また、前記構成のタイヤ形状計測装置１０にタイヤＴにスリップ角やキャンバー角を付与する機構を追加すれば、横力が入力したときのタイヤ形状についても計測することができる。スリップ角を付与するには、例えば、取付フレーム２２の水平方向に突出する横フレーム２２ｂの延長方向をタイヤ幅方向に対して傾けるか、基台２１を水平面内で回転させて路面１１の延長方向をタイヤの前後方向に対して傾けるなどすればよい。一方、キャンバー角を付与するには、例えば、タイヤ軸Ｊをタイヤ支持部材１２１に取付ける角度を変更するなどすればよい。
実用的には、スリップ角としては±１０°程度まで付与できれば十分であり、キャンバー角としては±５°程度まで付与できれば十分である。

また、前記例では、移動機構１６３としてボールねじ１６３ａを用いたが、リニア・アクチュエータやラックピニオン機構など、他の移動機構を用いてもよい。
また、前記例では、路面１１を移動させたが、路面を固定してタイヤＴとＣＣＤカメラ１４とを移動させるような構成としてもよい。
また、図９（ａ）に示すように、投光手段であるＬＥＤライン光源１５ｓを、光源固定部材１５ｎを介して基台２１に固定した構成としてもよい。この場合はＬＥＤライン光源１５ｓの長さは、図９（ｂ），（ｃ）に示すように、ＣＣＤカメラ１４の撮影範囲をカバーする長さがあれば十分である。

本発明によるタイヤ形状計測装置を用いてタイヤ形状を測定した。
走行路は、長さ２０００ｍｍ×幅８００ｍｍ×厚さ５０ｍｍの透明な強化ガラス板を用い、この強化ガラス板を、ゴム層を介して、樹脂製の枠に固定した。また、樹脂とガラス板との界面は接着剤で接着するとともに、水漏れ防止のためコーキング処理を行った。樹脂製の枠は、実施の形態の枠体１９と路面保持部材２３とを一体化したものである。
助走路の幅は走行路の幅と同じく８００ｍｍとし、長さを１ｍとした。
そして、走行路と助走路とを、長さ８ｍのガイドレール上に設置される金属製のガイド部材に固定した。
ガイド部材には長さ８ｍのボールねじが設置されており、ボールねじのネジ軸はモーターに回転する。本実施例では、路面を０〜１０m/min.の範囲で走行させるようにした。
ＣＣＤカメラはタイヤ軸の中心軸直下で、強化ガラス板の１ｍ下方に設置した。撮影は、１秒に３０枚（３０fps）実施した。
樹脂製の枠と強化ガラスで囲まれた路面プール内には、蒸留水に顔料を加えて白く着色した水を水深が１ｍｍになるよう入れ、試験前に校正用のデータを取得した。校正用のデータの取得方法は、実施の形態に記載した通りである。
試験タイヤは、195/65R15のパターンのないスムースタイヤを用いた。
試験タイヤの空気圧は200kPaで、荷重は４kNに設定し、スリップ角とキャンバー角とをともに０°とした。
路面速度は5m/min.の一定条件とし、スリップ率を０、±２０％と振った状態でタイヤ形状計測試験を実施した。
また、撮影と同時に、タイヤ軸力を分圧計で計測した。
計測の結果、荷重４kNに対して、発生した前後力は１kNであった。また、路面μは約０．２５であった。
このときのタイヤ形状は図６（ａ）〜（ｃ）に示した通りである。
タイヤ形状は任意の部分け切り出し可能であり、その一部は図７に示した通りである。
図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、タイヤに制動力が付与されるとタイヤには進行方向に対して後ろ向きの力が働き、接地面が後方に移動し、駆動力が付与されると逆に接地面が前方に移動することがわかる。
このように、本発明によるタイヤ形状計測装置を用いることにより、タイヤ形状と接地状態とを精度よく計測することができることが確認された。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に記載の範囲には限定されない。前記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者にも明らかである。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲から明らかである。

本発明によれば、タイヤが走行しているときの接地面形状及び接地面近傍を含むタイヤの表面形状を精度よく計測することができるので、タイヤの運動性能を含むタイヤ性能を向上するために有効な設計資料を提供することができる。

１０タイヤ形状計測装置、１１路面、１１ａ走行部、１１ｂ助走部、
１２タイヤ保持手段、１２１タイヤ支持部材、１２２シリンダー装置、
１２３分力計、１３制駆動手段、１３ａモーター、１３ｂスリップ率制御手段、
１４ＣＣＤカメラ、１５ＬＥＤライン光源、１５ｍ光源取付部材、
１６移動手段、１６１ガイドレール、１６２ガイド部材、１６３移動機構、
１６３ａボールねじ、１６３ｂモーター、１７画像処理手段、
１８形状計測手段、１９枠体、１９ａ〜１９ｄ壁、１９ｋスロープ、
２１基台、２２取付フレーム、２３路面保持部材、２３ａフレーム、
２３ｂ支持片、２４レール保持台、２５モーター取付台、
Ｔタイヤ、Ｊタイヤ軸、Ｇ強化ガラス板、Ｌ液体。

Claims

タイヤを回転可能に保持するタイヤ保持手段と、
少なくとも前記タイヤが接地する部分が光を透過させる材料で構成された透過部を備え前記タイヤの前後方向に延長する路面と、
前記路面のタイヤ側に設けられた枠体と、
前記路面と前記枠体とにより形成された空間に収納されて前記透過部の上面に液体層を形成する、白色、もしくは、白色に着色された液体と、
前記透過部の前記タイヤが接地する側とは反対側に設置されて前記タイヤの接地面と接地面近傍とを撮影する撮像手段と、
前記撮像手段と同じ側に設置されて前記タイヤに光を照射する投光手段と、
前記撮像手段で撮影したタイヤの画像を画像処理して各画素の輝度データを算出するとともに、前記撮影した画像の濃淡分布に対応する各画素の輝度分布を求める画像処理手段と、
前記輝度分布から前記タイヤと前記透過部との間にある前記液体の厚さである深度分布を算出して、前記タイヤの３次元形状を計測する形状計測手段と、
前記路面を、前記タイヤと前記撮像手段とに対して、前記タイヤの前後方向に相対的に移動させる移動手段とを備え、
前記タイヤの３次元形状が、前記タイヤのタイヤ幅方向の深度分布をタイヤ前後方向に繋げて得られた、前記タイヤの接地面と接地面近傍の３次元形状であり、
前記形状計測手段では、
前記算出された輝度データと、予め求めておいた、前記路面上に前記タイヤと同質のゴムシートを載せて走行させた画像を撮影して得られた画像の輝度データとの差分を求める差分処理を行って、前記輝度データの光量ムラ成分を除去した後、前記液体層の深さごとに予め求めておいた前記路面と前記タイヤと同じ色の板との間の液体層の厚さと画像の濃淡との関係を示す校正用のデータと前記光量ムラ成分が除去された輝度データとから、前記タイヤの３次元形状を計測する、
ことを特徴とするタイヤ形状計測装置。
前記路面は、前記透過部を有する走行部と、前記走行部の前記タイヤの移動方向とは反対側に設けられる、前記タイヤ側の面である上面の位置が前記走行部の上面よりも高い助走部とを備えるとともに、
前記走行部と前記助走部との間に、前記走行部の上面と前記助走部の上面とを連結する斜面部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のタイヤ形状計測装置。
前記タイヤに制動力及び駆動力のいずれか一方もしくは両方を付与する機構を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のタイヤ形状計測装置。
タイヤを透明板上に接地させ、前記透明板の前記タイヤが接地する側とは反対側から前記タイヤに光を照射して前記タイヤの形状を撮影し、この撮影された画像から前記タイヤの形状を計測するタイヤ形状計測方法において、
前記タイヤを回転可能に保持するとともに、前記透明板の表面に、白色の液体、もしくは、白色に着色された液体から成る液体層を設けて、前記透明板を前記タイヤの前後方向に移動させながら前記タイヤの接地面と接地面近傍とを撮影した後、
前記透明板を前記タイヤの前後方向に移動させながら撮影した画像の輝度データを用いて、前記タイヤのタイヤ幅方向における前記液体層の厚さの分布をタイヤ前後方向に繋げた前記タイヤの深度分布を求めるとともに、前記液体層の深さごとに予め求めておいた前記路面と前記タイヤと同じ色の板との間の液体層の厚さと画像の濃淡との関係を示す校正用のデータと前記タイヤの深度分布とを用いて、前記タイヤの接地面と接地面近傍の３次元形状を求めることを特徴とするタイヤ形状計測方法。