JP6519270B2 - ゴムの接触面の観察装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、ゴムの接触面の観察装置および方法に関し、さらに詳しくは、路面等の対象体とゴムとの接触状態の挙動をより正確に把握できるゴムの接触面の観察装置および方法に関するものである。

タイヤにおいては、路面とタイヤ表面との間に介在する水膜が、路面とタイヤとの間の摩擦力を低下させる要因になっている。スタッドレスタイヤでは、路面上に存在する氷の表面とタイヤとの間に水膜が介在する。これら水膜を排除してタイヤの実接地面積を増大させることがタイヤの耐スリップ性能や氷上走行性能等の向上につながる。水膜を排除して実接地面積をより大きく確保できるタイヤを開発するには、走行するタイヤと路面との接触状態の挙動（走行するタイヤと路面との間の摩擦力や水膜の動きなどを含む）を正確に把握できれば非常に有益である。また、タイヤに限らず、対象体と接触して使用されるゴム製品においても、対象体とゴム製品との接触状態の挙動を正確に把握できれば、そのゴム製品の改良、開発には有益である。

従来、タイヤの接地状態を測定する装置は種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載に測定装置では、試験タイヤから受けた力を検出する小さな受圧部（力検出器）が試験路面にピンポイントに配置されている。それ故、極めて狭い面積の受圧部に接触した際に試験タイヤから受けた力しか把握することができない。試験タイヤと試験路面との接触状態の挙動は、ある程度の移動長さ（接触長さ）でタイヤの接地面積や摩擦力の変化を観察した方が正確に把握し易いので、両者の接触状態の挙動はこの測定装置では正確に把握し難い。そこで、この測定装置を用いて試験タイヤと試験路面との接触状態の挙動をより正確に把握しようとすると、多数の力検出器を試験タイヤの走行方向に連続して配置する必要がある。このような構成にすれば装置が複雑になるという問題が生じる。

この測定装置には、試験路面に接触する試験タイヤの踏面を撮影する撮影手段が設けられている。ところが、撮影手段と試験タイヤの踏面との間に受圧部が存在するので、受圧部に接触している試験タイヤの踏面の状態を撮影手段によって撮影することができない。したがって、特許文献１に記載の測定装置は、試験タイヤと試験路面との接触状態の挙動を正確に把握するには不利な構造になっている。

特開２０１３−２３８５６５号公報

本発明の目的は、路面等の対象体とゴムとの接触状態の挙動をより正確に把握できるゴムの接触面の観察装置および方法を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明のゴムの接触面の観察装置は、ゴムサンプルと接触する透明な対象体と、前記ゴムサンプルを前記対象体に接触させつつ、この対象体に対して相対的に移動させる移動手段と、前記対象体に外部に配置され、相対的に移動させている前記ゴムサンプルの前記対象体との接触面の状態を前記対象体を透過して逐次撮影する撮影手段と、このゴムサンプルと前記対象体との間の摩擦力を逐次検知する摩擦力センサとを備え、前記対象体が前記ゴムサンプルの相対的な移動方向に延在し、前記撮影手段により前記接触面の状態を撮影する際の撮影範囲外に前記摩擦力センサが配置されている構成にして、前記対象体の外部に配置される光源を設け、この光源から前記対象体の前記ゴムサンプルが接触する面とは異なる一方側面から光を照射した際に、この照射した光が前記対象体の前記ゴムサンプルが接触する面で全反射するように照射方向が予め設定され、前記対象体が、周面を底面から上方に向かって拡径させた縦断面形状が台形の円柱体であり、この台形の上辺に相当する前記対象体の面が前記接触面となり、この円柱体の平面視の中心を中心にして前記対象体を前記ゴムサンプルに対して相対的に回転移動させる構成にしたことを特徴とする。

本発明のゴムの接触面の観察方法は、ゴムサンプルを透明な対象体に接触させつつ、この対象体に対して相対的に移動させ、このゴムサンプルの相対的な移動方向に延在する前記対象体に対するこのゴムサンプルの接触面の状態を前記対象体を透過して撮影手段により逐次撮影し、かつ、このゴムサンプルと前記対象体との間の摩擦力を摩擦力センサにより逐次検知し、前記摩擦力センサは、前記撮影手段により前記接触面の状態を撮影する際の撮影範囲外に配置し、前記対象体の外部に配置される光源から前記対象体の前記ゴムサンプルが接触する面とは異なる一方側面から光を照射した際に、この照射した光が前記対象体の前記ゴムサンプルが接触する面で全反射するように照射方向を予め設定しておき、前記対象体を周面を底面から上方に向かって拡径させた縦断面形状が台形の円柱体にして、この台形の上辺に相当する前記対象体の面を前記接触面として、この円柱体の平面視の中心を中心にして前記対象体を前記ゴムサンプルに対して相対的に回転移動させることを特徴とする。

本発明によれば、対象体がゴムサンプルの相対的な移動方向に延在するので、ゴムサンプルをある程度の移動させた過程におけるゴムサンプルの接触面積の変化やゴムサンプルと対象体との間の摩擦力の変化を把握することができる。また、撮影手段によりゴムサンプルの接触面を撮影する際の撮影範囲外に摩擦力センサが配置されているので、摩擦力センサによって遮られることなく接触面を逐次撮影することができる。これにより、路面等の対象体とゴムとの接触状態の挙動をより正確に把握することが可能になる。

ここで、前記ゴムサンプルを前記対象体に接触させて転動させつつ、前記対象体に対して相対的に移動させることもできる。この場合は、ゴムサンプルの動きがタイヤの動きと同様になるので、タイヤの開発には有益である。

前記対象体の外部に配置される光源から前記対象体の前記ゴムサンプルが接触する面とは異なる一方側面から光を照射した際に、この照射した光が前記対象体の前記ゴムサンプルが接触する面で全反射するように照射方向を予め設定しておき、前記ゴムサンプルが接触している前記対象体の範囲に前記光源から光を照射して反射した光を前記対象体の一方側面と対向する他方側面側に配置された前記撮影手段で撮影することにより、前記接触面の状態を逐次撮影することもできる。この場合は、接触面の状態をより鮮明に把握できるという利点がある。

前記対象体として例えば、氷を用いることもできる。この場合は、タイヤ等のゴム製品の氷上での挙動を把握するには有益である。

前記対象体を、前記ゴムサンプルと接触する面を露出させて樹脂製またはガラス製の容器に収容し、前記撮影手段により前記接触面を撮影する際の前記容器の少なくとも撮影範囲を透明にすることもできる。この場合は、容器に収容する対象体を変えるだけで様々な対象体に対するゴムサンプルの挙動を把握することができる。また、容器によって対象体が保護されるので対象体の損傷を防止することもできる。

本発明のゴムの接触面の観察装置を平面視で例示する説明図である。 図１のＡ矢視図である。 図１のＢ矢視図である。 ゴムの接触面の観察装置の別の実施形態を平面視で例示する説明図である。 図４のＣ矢視図である。

以下、本発明のゴムの接触面の観察装置および方法を、図に示した実施形態に基づいて説明する。

図１〜図３に例示する本発明のゴムの接触面の観察装置１（以下、観察装置１という）は、対象体２ｂとゴム（ゴムサンプルＲ）との接触状態の挙動、即ち、動的な接触状態を把握するための装置である。タイヤのトレッドゴムをゴムサンプルＲにする場合は、例えばタイヤが接触して走行する路面等と同等の摩擦係数の材料などを対象体２ｂにする。スタッドレスタイヤのトレッドゴムをゴムサンプルＲにする場合は、例えば氷を対象体２ｂにする。

この観察装置１は、透明な対象体２ｂと、ゴムサンプルＲを対象体２ｂに接触させつつ、対象体２ｂに対して相対的に移動させる移動手段２ｃと、対象体２ｂの外部に配置される撮影手段８と、ゴムサンプルＲと対象体２ｂとの間の摩擦力を逐次検知する摩擦力センサ６とを備えている。この実施形態では、さらに光源７が設けられている。

対象体２ｂは上述したようにゴムサンプルＲの種類に応じて、種々の材料を用いることができるが、ある程度の透明性が必要になる。詳述すると、ゴムサンプルＲの対象体２ｂとの接触面Ｓを、対象体２ｂを透過して撮影手段８により撮影するので、接触面Ｓの状態が把握できる透明性が必要である。対象体２ｂには例えば、全光線透過率９０％以上の透明性が要求される。

この実施形態では、円形皿状の容器２ａに上面を露出して対象体２ｂが収容されている。容器２ａと容器２ａに収容された対象体２ｂによりベース台２が構成されている。この容器２ａの周面は底面から上方に向かって拡径していて、容器２ａの縦断面形状は台形になっている。容器２ａの上縁の外径は例えば１００ｍｍ〜３０００ｍｍである。

容器２ａは種々の仕様（形状や材質等）を採用することができるが、対象体２ｂと同様の透明性が要求される。容器２ａの材質としては例えば、アクリル等の樹脂やガラスを用いる。光源７は、ベース台２の周面外側に配置されている。

ゴムサンプルＲは所望の形状を採用することができる。この実施形態では、回転円筒体５の外周面に固定された円筒状のゴムサンプルＲが用いられているが、例えばブロック形状やタイヤ形状のゴムサンプルＲを用いることもできる。

回転円筒体５は、アーム４から吊設されていて、ゴムサンプルＲと一体的に回転自在に軸支されている。アーム４は、ベース台２の平面中心を上下に貫通する支柱３から水平に張り出されている。ゴムサンプルＲは、対象体２ｂの上面に接触するようにセットされる。ゴムサンプルＲの対象体２ｂに対する接地圧は、所望の値に設定することができる。

ベース台２の下方には駆動モータ等の移動手段２ｃが配置されている。移動手段２ｃは、ベース台２を支柱３を中心にして回転させる。これに伴い、ゴムサンプルＲは対象体２ｂの上面に接触して転動する。したがって、この移動手段２ｃによって、ゴムサンプルＲが対象体２ｃに対して相対的に移動する。そして、対象体２ｂはゴムサンプルＲの相対的な移動方向に延在する状態になっている。

この実施形態では、ゴムサンプルＲを一定位置に固定して対象体２ｂを移動させているが、対象体２ｂを一定位置に固定して、ゴムサンプルＲを移動させる構成にすることもできる。即ち、ゴムサンプルＲを対象体２ｂに対して相対的に移動させることができればよく、この相対的な移動を可能にする種々の移動手段２ｃを用いることができる。

撮影手段８は、光源７に対向してベース台２の周面外側に配置されている。撮影手段８は、相対的に移動させているゴムサンプルＲの対象体２ｂとの接触面Ｓを、対象体２ｂを透過して逐次撮影する。撮影手段８としては、ＣＣＤカメラなど種々のビデオカメラを用いることができる。接触面Ｓの状態をより詳細に撮影するには、超高速度のビデオカメラを用いる。例えば、撮影手段８のシャッタースピードは、ゴムサンプルＲの相対的な移動速度が１０ｋｍ／ｈの場合に１／１０００００（＝１０^―５秒）程度にする。或いは、ゴムサンプルＲの相対的な移動距離が２０μｍ〜１００μｍ当たりに１コマの画像を撮影できるシャッタースピードに設定する。

この実施形態では、光源７により対象体２ｂのゴムサンプルＲが接触する面とは異なる一方側面から光を照射した際に、この照射した光が対象体２ｂのゴムサンプルＲが接触する面で全反射するように設定されている。即ち、対象体２ｂの上面に何も接触していない状態で光源７から対象体２ｂを透過させて光を入射させると、その全ての光は対象体２ｂの上面を通過せず、上面で反射される設定になっている。そして、全反射した光は、ベース台２を透過して撮影手段８に入射する設定になっている。

このように対象体２ｂの上面において全反射が生じる入射角Ａおよび反射角Ａになるように、ベース台２の形状（周面の拡径角度）や光源７および撮影手段８の配置が予め適切に設定される。図２の一点鎖線Ｎは対象体２ｂの表面に対する法線を示している。詳述すると、光源７から照射した光は、容器２ａや対象体２ｂに入射する際に屈折するので、この屈折率を考慮して、ベース台２の形状、光源７による光の照射方向および撮影手段８への光の入射方向が設定される。

撮影手段８への光の入射方向が不適切であると対象体２ｂの上面で反射した光を捉えることができなくなる。そこで、対象体２ｂの屈折率などの撮影条件に応じて撮影手段８を所望の向きに調整できる構成にして、撮影方向（撮影カメラの光軸方向）が撮影手段８への光の入射方向と同じなるように撮影手段８の向きを設定するとよい。

摩擦力センサ６はアーム４の上に設置されている。したがって、摩擦力センサ６は、撮影手段８により接触面Ｓを撮影する際の撮影範囲外に配置されている。摩擦力センサ６は周知のセンサを用いることができる。例えば、回転円筒体５の回転抵抗力、回転円筒体５の筒軸方向に作用する力、ベース台２の回転抵抗力等に基づいて、相対的に移動するゴムサンプルＲと対象体２ｂとの間に生じる摩擦力を検知する。この摩擦力は、ゴムサンプルＲの相対的な移動方向成分だけでなく、この移動方向に直交する平面方向成分についても検知されることが好ましい。

撮影手段８により撮影された撮影データおよび摩擦力センサ６による検知データは制御部９に入力される。それぞれのデータを別の制御部９に入力することもできる。

この観察装置１を用いて、対象体２ｂとゴムとの接触状態の挙動を把握する観察方法を以下に例示する。

ゴムサンプルＲを所定の接地圧で対象体２ｂの上面に接触させる。この状態で支柱３を中心にしてベース台２を回転させる。これにより、ゴムサンプルＲを対象体２ｂに接触させて転動させつつ、対象体２ｂに対して相対的に移動させる。

光源７からは、ゴムサンプルＲが接触している対象体２ｂの範囲（接触面Ｓ）に光を照射する。そして、対象体２ｂの上面で反射した光を、光源７と対向する位置に配置された撮影手段８で逐次撮影する。

ここで、対象体２ｂの上面においてゴムサンプルＲが接触していない部分では照射した光が全反射する。そのため、ゴムサンプルＲが接触していない部分は明るい色（淡い色）で撮影される。一方、対象体２ｂの上面においてゴムサンプルＲが接触している部分では光が全反射しない。そのため、ゴムサンプルＲが接触している部分は暗い色（濃い色）で撮影される。したがって、対象体２ｂの上面で反射した光を逐次撮影することにより、ゴムサンプルＲの対象体２ｂとの接触状態（接地面積）の変化を詳細に把握することができる。

また、摩擦力センサ６によって転動するゴムサンプルＲと対象体２ｂとの間の摩擦力を逐次検知する。撮影手段８による撮影データは撮影時刻とともに制御部９に記憶され、摩擦力センサ６による検知データは検知時刻とともに制御部９に記憶される。そのため、接触面Ｓの状態が撮影された時点のおける摩擦力が判明する。これにより、対象体２ｂとゴムサンプルＲとの接触状態の挙動をより正確に把握することが可能になる。

本発明では、対象体２ｂがゴムサンプルＲの相対的な移動方向に延在しているので、ゴムサンプルＲをある程度の移動させた過程におけるゴムサンプルＲの接触面積の変化や摩擦力の変化を把握することができる。また、撮影手段８によりゴムサンプルＲの接触面Ｓを撮影する際の撮影範囲外に摩擦力センサ６が配置されている。撮影範囲外とは、この実施形態では照射した光が透過（通過）する部分を意味する。そのため、接触面Ｓを摩擦力センサ６によって遮られることなく、逐次撮影することができる。それ故、対象体２ｂとゴムサンプルＲとの接触状態の挙動をより正確に把握するには有利になっている。

対象体２ｂとして氷を使用すると、ゴムサンプルＲの転動に伴って氷が溶けてゴムサンプルＲと対象体２ｂの上面との間に水膜が形成される。即ち、スタッドレスタイヤが氷上を走行している状態を模擬することができる。本発明によれば、水膜の水の動きも撮影手段８により逐次撮影できるので、スタッドレスタイヤの開発には非常に有益である。この際に、ゴムサンプルＲの接触面Ｓに溝、サイプやディンプル等を形成しておくと、これらの水の動きや接地面積の変化に対する影響を把握することができる。

対象体２ｂとして氷を用いる場合、光源７の熱によって氷が溶け易くなる。そのため、ＬＥＤ電球などの発熱の少ない光源７を用いることが好ましい。

対象体２ｂとして路面と同等の摩擦係数の材質などを用いて、対象体２ｂの上面に水膜を形成してゴムサンプルＲを転動させれば、タイヤがウエット路面を走行している状態を模擬することができる。本発明によれば、この水膜の水の動きも撮影手段により逐次撮影できるので、タイヤのウエット性能を向上させる開発にも非常に有益である。乾いた対象体２ｂの上面にゴムサンプルＲを転動させて、ドライ路面を走行している状態を模擬することもできる。

対象体２ｂは、容器２ａに収容しないで用いることもできるが、この実施形態のように容器２ａを採用すると、容器２ａに収容する対象体２ｂを変えるだけで様々な対象体２ｂに対するゴムサンプルＲの挙動を把握することができる。また、容器２ａによって対象体２ｂが保護されるので対象体２ｂの損傷を防止することもできる。対象物２ｂが氷の場合は、損傷し易いので容器２ａに収容して用いることが好ましい。

容器２ａは、全体が透明なものだけでなく、撮影手段８により接触面Ｓの状態を撮影する際に少なくとも撮影範囲となる部分が透明なものであればよい。例えば、この実施形態の場合では、底面が非透明であり、その他の部分が透明な容器２ａを用いることもできる。

ベース台２の下方に配置した撮影手段８により、接触面Ｓの状態をベース台２を透過して逐次撮影することもできる。ただし、この場合は、この実施形態に比して接触面Ｓの濃淡を明確に撮影し難くなる。

図４〜図５に例示する観察装置１の別の実施形態は、先の実施形態に対してベース台２の仕様が異なっている。その他の構成は先の実施形態と同じである。このベース台２は、平面視で長方形状であり、幅方向断面形状が台形になっている。容器２ａは、平面視で長方形状の皿状になっていて、対象体２ｂは上面を露出して容器２ａに収容されている。

この実施形態では、平面視が長方形状の皿状の容器２ａに上面を露出して対象体２ｂが収容されている。この容器２ａの四方側面は底面から上方に向かって外側に傾斜していて、容器２ａの縦断面形状は台形になっている。ゴムサンプルＲの転動方向に対象体２ｂが延在している。図５には、光源７からベース台２に入射した光が対象体２ｂの上面で全反射する入射角Ｂおよび反射角Ｂが示されている。

この実施形態では、ベース台２を長手方向（延在方向）に移動させることにより、ゴムサンプルＲを対象体２ｂに接触させて転動させつつ、対象体２ｂに対して相対的に移動させる。この実施形態では、ゴムサンプルＲにスラスト荷重を負荷せずに相対移動させることが可能になる。それ故、スラスト荷重が負荷しない条件下における接触面Ｓの状態を把握することができる。

上述したそれぞれの実施形態では、ゴムサンプルＲを対象体２ｂに接触させて転動させつつ相対移動させているが、ゴムサンプルＲは転動させずに相対移動させることもできる。即ち、ゴムサンプルＲを対象体２ｂに摺動させつつ相対移動させることもできる。

１ ゴムの接触面の観察装置
２ ベース台
２ａ 容器
２ｂ 対象体
２ｃ 移動手段
３ 支柱
４ アーム
５ 回転円筒体
６ 摩擦力センサ
７ 光源
８ 撮影手段
９ 制御部
Ｒ ゴムサンプル

Claims (10)

1. ゴムサンプルと接触する透明な対象体と、前記ゴムサンプルを前記対象体に接触させつつ、この対象体に対して相対的に移動させる移動手段と、前記対象体に外部に配置され、相対的に移動させている前記ゴムサンプルの前記対象体との接触面の状態を前記対象体を透過して逐次撮影する撮影手段と、このゴムサンプルと前記対象体との間の摩擦力を逐次検知する摩擦力センサとを備え、前記対象体が前記ゴムサンプルの相対的な移動方向に延在し、前記撮影手段により前記接触面の状態を撮影する際の撮影範囲外に前記摩擦力センサが配置されている構成にして、前記対象体の外部に配置される光源を設け、この光源から前記対象体の前記ゴムサンプルが接触する面とは異なる一方側面から光を照射した際に、この照射した光が前記対象体の前記ゴムサンプルが接触する面で全反射するように照射方向が予め設定され、前記対象体が、周面を底面から上方に向かって拡径させた縦断面形状が台形の円柱体であり、この台形の上辺に相当する前記対象体の面が前記接触面となり、この円柱体の平面視の中心を中心にして前記対象体を前記ゴムサンプルに対して相対的に回転移動させる構成にしたことを特徴とするゴムの接触面の観察装置。
2. 前記ゴムサンプルを前記対象体に接触させて転動させつつ、前記対象体に対して相対的に移動させる構成にした請求項１に記載のゴムの接触面の観察装置。
3. 前記ゴムサンプルが接触している前記対象体の範囲に前記光源から光を照射して反射した光を前記対象体の前記一方側面と対向する他方側面側に配置された前記撮影手段で撮影することにより、前記接触面の状態を逐次撮影する構成にし、前記台形の一方の斜面が前記一方側面であり、前記台形の他方の斜面が前記他方側面であり、前記台形の一方の斜面に対して非直交の向きで前記光源から前記光が入射され、前記台形の他方の斜面に対して非直交の向きで前記反射した光が出射されて、この入射および出射される光の方向が一直線上に設定される請求項１または２に記載のゴムの接触面の観察装置。
4. 前記対象体が氷である請求項１〜３のいずれかに記載のゴムの接触面の観察装置。
5. 前記対象体が、前記ゴムサンプルと接触する面を露出させて樹脂製またはガラス製の容器に収容され、前記撮影手段により前記接触面の状態を撮影する際の前記容器の少なくとも撮影範囲が透明である請求項１〜４のいずれかに記載のゴムの接触面の観察装置。
6. ゴムサンプルを透明な対象体に接触させつつ、この対象体に対して相対的に移動させ、このゴムサンプルの相対的な移動方向に延在する前記対象体に対するこのゴムサンプルの接触面の状態を前記対象体を透過して撮影手段により逐次撮影し、かつ、このゴムサンプルと前記対象体との間の摩擦力を摩擦力センサにより逐次検知し、前記摩擦力センサは、前記撮影手段により前記接触面の状態を撮影する際の撮影範囲外に配置し、前記対象体の外部に配置される光源から前記対象体の前記ゴムサンプルが接触する面とは異なる一方側面から光を照射した際に、この照射した光が前記対象体の前記ゴムサンプルが接触する面で全反射するように照射方向を予め設定しておき、前記対象体を周面を底面から上方に向かって拡径させた縦断面形状が台形の円柱体にして、この台形の上辺に相当する前記対象体の面を前記接触面として、この円柱体の平面視の中心を中心にして前記対象体を前記ゴムサンプルに対して相対的に回転移動させることを特徴とするゴムの接触面の観察方法。
7. 前記ゴムサンプルを前記対象体に接触させて転動させつつ、前記対象体に対して相対的に移動させる請求項６に記載のゴムの接触面の観察方法。
8. 前記ゴムサンプルが接触している前記対象体の範囲に前記光源から光を照射して反射した光を前記対象体の前記一方側面と対向する他方側面側に配置された前記撮影手段で撮影することにより、前記接触面の状態を逐次撮影し、前記台形の一方の斜面が前記一方側面であり、前記台形の他方の斜面が前記他方側面であり、前記台形の一方の斜面に対して非直交の向きで前記光源から前記光を入射し、前記台形の他方の斜面に対して非直交の向きで前記反射した光を出射させて、この入射および出射させる光の方向を一直線上に設定した請求項６または７に記載のゴムの接触面の観察方法。
9. 前記対象体として氷を用いる請求項６〜８のいずれかに記載のゴムの接触面の観察方法。
10. 前記対象体を、前記ゴムサンプルと接触する面を露出させて樹脂製またはガラス製の容器に収容し、前記撮影手段により前記接触面の状態を撮影する際の前記容器の少なくとも撮影範囲を透明にした請求項６〜９のいずれかに記載のゴムの接触面の観察方法。

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