(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光の照射に対し拡散反射成分をもつ粗い表面を有し、かつ局部的に急傾斜面により形成される小凸部分又は小凹部分を有するタイヤ用ゴム部材の該表面に対し、タイヤ用ゴム部材の測定断面上にて幅方向と直交する向きで測定範囲の最大光スポット径が１．０ｍｍ以上のレーザー光を照射する手段及び上記表面からのレーザー反射光を受光して電気信号に変換する光電変換素子を備えるレーザー測距センサと、
レーザー測距センサとタイヤ用ゴム部材との相互間隔を一定に保持して、レーザー光をタイヤ用ゴム部材の測定断面の全幅にわたり走査させる走査手段と、
上記タイヤ用ゴム部材の急傾斜面にレーザー光を照射する場合に生じる反射光の受光検出限界時に即応して、レーザー光の光量を増加させるレーザーパワーコントロール機能と、
レーザー光がタイヤ用ゴム部材を走査する間にわたり、上記光電変換素子からの信号出力を、上記センサの測定範囲における走査方向に沿う最小光スポット径（ＬMIN ）に満たない小ピッチ（ｐ）毎に順次サンプリングすると共に、互いに隣合うサンプリング信号出力の差からレーザー光中心軸線に沿う初期基準値からの変位成分量を演算し、この演算結果に基づき各小ピッチ毎の測距値を電気信号として出力する演算回路とを有することを特徴とする、急傾斜面をもつタイヤ用ゴム部材の断面形状測定装置。
【請求項２】
上記タイヤ用ゴム部材の他方側の表面が平面であり、このタイヤ用ゴム部材を測定位置にて平面側で支持する平板状保持台と、
上記レーザー測距センサと対向する向きに配置した別のレーザー測距センサと、
これら一対のレーザー測距センサをそれぞれのレーザー光のスポット中心軸線を揃えて取付け固定する担持体とを有し、
上記走査手段が、上記保持台の静止下で上記担持体をタイヤ用ゴム部材の測定断面幅方向に移動させる移動手段からなる請求項１に記載した測定装置。
【請求項３】
上記タイヤ用ゴム部材の他方側の表面が平面であり、このタイヤ用ゴム部材を測定位置にて平面側で支持する平板状保持台と、
上記レーザー測距センサと対向する向きに配置した別のレーザー測距センサと、
これら一対のレーザー測距センサをそれぞれのレーザー光のスポット中心軸線を揃えて取付け固定する担持体とを有し、
上記走査手段が、上記担持体の静止下で上記保持台をタイヤ用ゴム部材の測定断面幅方向に移動させる駆動手段からなる請求項１に記載した測定装置。
【請求項４】
上記最小光スポット径（ＬMIN ）と小ピッチ（ｐ）との比（ＬMIN ／ｐ）が５以上である請求項１〜３に記載した測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、極く微細な凹凸の粗面を有し、かつ断面の幅方向における厚み変化量が大きく、しかも局部的に急傾斜面により形成される小凸部分又は小凹部分を有するタイヤ用ゴム部材の断面輪郭を高精度で測定し得る断面形状測定装置、特にタイヤ用未加硫トレッドゴムを典型例とするタイヤ用ゴム部材（ゴム製品を含む）の断面輪郭形状の全体又は一部の高精度測定に好適に適合する断面形状測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、部材及び製品などの断面形状又は外輪郭形状を精密測定するにあたり種々の手段が用いられているなかで、非接触式の利点を有するレーザー光による距離測定センサ（以降レーザー測距センサという）を用いた形状測定装置が知られている。このセンサはレーザー光を照射する手段と、レーザー光の反射光を受光して電気信号に変換する光電変換素子とを有するものであり、以下、上記測定装置をタイヤ製造の工程管理に適用するにあたり、その代表として未加硫トレッドゴム部材（以降トレッドゴムと略記する）を採り上げ、その断面形状を測定する場合につき述べる。
【０００３】
図８はトレッドゴムＴの断面を示し、図から明らかなようにトレッドゴム断面は全般にその一方側（図の上側）が起伏にとみ、特に断面両側Ａ、Ｂ部分の傾斜勾配が大きく、さらにタイヤ各部材の組立て成形に際し重要な役を果たす断面幅Ｗの中央位置（直線Ｅにて示す位置）を指し示すための、相互間隔が狭い二箇所の小突起部Ｃ（二点鎖線で囲んだ部分）を有し、特にこの小突起部Ｃの輪郭形状を正確に検出することが重要である。
【０００４】
ここにレーザー測距センサの仕様を決定するにあたり、被測定物、この場合トレッドゴムＴの表面に存在する凹凸部の大小を勘案して、まず必要な検出能力又は解像能力に直接関与するレーザー光のスポット径を選定するのは当然であり、トレッドゴムＴの小突起Ｃの最大幅が僅か０．２〜１．０ｍｍのような場合、最大光スポット径が、例えば０．１ｍｍ以下の小さい測距センサを用いざるを得ない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが上記のように小スポット径の測距センサによるトレッドゴム断面形状測定装置では（図８参照）、
（１）押出し部材であるトレッドゴムＴはその全表面に極く微細な凹凸をもつとはいえ、不可避的に光量が小さいレーザー光の傾斜面Ａ、Ｂに対する照射では光の拡散反射成分のうちレーザー測距センサで受光し得る光量が大幅に減少するため傾斜面Ａ、Ｂでの測定デ−タは自ずと粗精度となるか、又は傾斜勾配が急峻であるときは実際上計測不可能となる、
（２）上記小スポット径の測距センサによる厚さｔの測定可能範囲（測定範囲）は必然的に小さく、上記の場合１０ｍｍ以下に止まり、厚さｔが極めて薄い特殊なトレッドゴムの場合に限られる、
（３）最大厚さｔが１０〜５０ｍｍに及ぶ厚肉体である一般のトレッドゴムＴの場合は、断面形状測定の間に、トレッドゴムＴ又は測距センサのいずれか一方を測定方向に移動させる手段と、同じくいずれか一方をトレッドゴムＴの厚さｔ方向に移動させる手段とを組合せた複雑な機構と制御とが必要となり、その結果装置が大掛りとなる上測定精度が十分とはいえず、さらに生産工程の管理用測定装置にしては著しく高価になる、
など多くの不利な点を有していた。
【０００６】
従ってこの発明は、一方側の粗な表面に小凸部分及び小凹部分のうち少なくとも何れか一方が形成され、かつ急傾斜面部分を有するタイヤ用ゴム部材、それも特にトレッドゴムの断面形状を、なるべく小型で簡略な低コスト装置により高精度で測定できる、急傾斜面をもつ断面形状測定装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の急傾斜面をもつタイヤ用ゴム部材の断面形状測定装置は、レーザー光の照射に対し拡散反射成分をもつ粗い表面を有し、かつ局部的に急傾斜面により形成される小凸部分又は小凹部分を有するタイヤ用ゴム部材の該表面に対し、タイヤ用ゴム部材の測定断面上にて幅方向と直交する向きで測定範囲の最大光スポット径が１．０ｍｍ以上のレーザー光を照射する手段及び上記表面からのレーザー反射光を受光して電気信号に変換する光電変換素子を備えるレーザー測距センサと、
レーザー測距センサとタイヤ用ゴム部材との相互間隔を一定に保持して、レーザー光をタイヤ用ゴム部材の測定断面の全幅にわたり走査させる走査手段と、
上記タイヤ用ゴム部材の急傾斜面にレーザー光を照射する場合に生じる反射光の受光検出限界時に即応して、レーザー光の光量を増加させるレーザーパワーコントロール機能と、
レーザー光がタイヤ用ゴム部材を走査する間にわたり、上記光電変換素子からの信号出力を、上記センサの測定範囲における走査方向に沿う最小光スポット径（ＬMIN ）に満たない小ピッチ（ｐ）毎に順次サンプリングすると共に、互いに隣合うサンプリング信号出力の差からレーザー光中心軸線に沿う初期基準値からの変位成分量を演算し、この演算結果に基づき各小ピッチ毎の測距値を電気信号として出力する演算回路とを有することを特徴とする。
【０００８】
この発明を実施するにあたり、上記タイヤ用ゴム部材の他方側の表面が平面であり、このタイヤ用ゴム部材を測定位置にて平面側で支持する平板状保持台と、
上記レーザー測距センサと対向する向きに配置した別のレーザー測距センサと、
これら一対のレーザー測距センサをそれぞれのレーザー光のスポット中心軸線を揃えて取付け固定する担持体とを有し、
上記走査手段が、上記保持台の静止下で上記担持体をタイヤ用ゴム部材の測定断面幅方向に移動させる移動手段からなること、
上記タイヤ用ゴム部材の他方側の表面が平面であり、このタイヤ用ゴム部材を測定位置にて平面側で支持する平板状保持台と、
上記レーザー測距センサと対向する向きに配置した別のレーザー測距センサと、
これら一対のレーザー測距センサをそれぞれのレーザー光のスポット中心軸線を揃えて取付け固定する担持体とを有し、
上記走査手段が、上記担持体の静止下で上記保持台をタイヤ用ゴム部材の測定断面幅方向に移動させる移動手段からなること、そして
上記最小光スポット径（ＬMIN ）と小ピッチ（ｐ）との比（ＬMIN ／ｐ）が５以上であることが望ましい。
【０００９】
【作用】
最大光スポット径が１．０ｍｍ以上、望ましくは１．５ｍｍ以上のレーザー光を照射する測距センサを使用すること、これはすなわち長距離測定タイプの測距センサを使用することに外ならず、これにより先に述べたタイヤ用ゴム部材の断面形状測定に際し、タイヤ用ゴム部材の厚さ方向に測距センサ又はタイヤ用ゴム部材をその厚さ方向に移動させる複雑な機構及び制御が共に不要となり、従ってレーザー測距センサとタイヤ用ゴム部材との相互間隔を一定に保持して、レーザー光をタイヤ用ゴム部材測定断面の全幅にわたり走査させる走査手段を設けるだけで済み、このことが装置の簡素化及び低コスト化に大きく貢献するばかりでなく、上記機構がもたらす不可避的な測定精度の劣化、特に走査用駆動部が装置に及ぼす機械構造上の振動に伴う測定精度の劣化傾向を阻止して高精度確保を可能とする。
【００１０】
また図３（ａ）に示すように、レーザー光がタイヤ用ゴム部材、例えばトレッドゴム１の表面Ｓｈに対し法線方向乃至これに近い方向に照射されるとき、レーザー光の拡散反射成分の分布Ｄはレーザー照射光の両側にほぼ均等に分布するので、測距センサの受光量は光電変換素子の作動に十分なものとなる反面、図３（ｂ）に示す厚肉体１の急傾斜面Ｓｉに照射する場合、レーザー光の拡散反射成分は図の右側に偏った分布Ｄとなるため光電変換素子を作動させるに足る受光量が得られなくなる、すなわち受光検出限界を下回るところ、反射光の受光検出限界時に即応してレーザー光の光量を増加させるレーザーパワーコントロール機能を設けることにより、図３（ｂ）に示すように拡散反射成分の分布Ｄを分布Ｄａまで拡張して必要な受光量を確保し、その結果光電変換素子の作動を確実なものとすることができる。
【００１１】
さらに最大光スポット径を１．０ｍｍ以上、望ましくは１．５ｍｍ以上とすることによる小突起部Ｃ（図８参照）又は小凹部の検出解像能力の劣化は下記の通り有利に解決することができる。
図４及び図５に、レーザー光の照射方向と直交する向きに見た走査方向スポット径ＬをもつスポットＳの図と、図８におけるトレッドゴムＴの小突起部Ｃを拡大した図とを合せ示す。
【００１２】
まず図４に従い説明すれば、レーザー光がトレッドゴムＴを走査する間にわたり、測距センサの測定範囲における走査方向（矢印にて示す方向）に沿う最小光スポット径ＬMIN に満たない小ピッチｐ毎に、望ましくはこれらの比ＬMIN ／ｐが５倍以上の小ピッチｐ毎に、光電変換素子からの信号出力を順次サンプリングすると共に、互いに隣合う信号出力の差からレーザー光中心軸線に沿う初期基準値からの変位成分量を演算し、この演算結果に基づき各小ピッチ毎の測定距離を電気信号として出力する演算回路を設けることにより、図の黒丸印で示すように各小ピッチＰ毎に距離の測定値を算出し、出力することができる。これにより小突起部Ｃ又は小凹部の検出解像能力を高度に高めることが可能となり、高精度な断面形状を得ることができる。なお上記の初期基準値は適宜設定することができる定数で、例えばトレッドゴムを保持する保持台の平面を基準とするトレッドゴムの厚さ方向の一定距離ａとするものである。
【００１３】
これに対し従来の測定装置では、図５に示すようにほぼスポット径Ｌ′に見合う粗いピッチｐ′で光電変換素子からの信号出力をサンプリングしているため、小突起部Ｃの測定断面形状の精度が著しく劣るのは止むを得ないところであり、また光量を増すため大きめのスポット径を選定すれば、図５に破線で示す形状すら得ることができず、一様に平坦な測定形状となることは不可避である。
【００１４】
ここに図７に示すレーザー測距センサ２におけるレーザー光スポットＳ１  、Ｓ２  、Ｓ３  及びＳ１  ′Ｓ２  ′Ｓ３  ′と測定範囲との関係を説明する線図から明らかなようにレーザー光は先細りをなし、最小光スポット径ＬＭＩＮ  と、図４で示したレーザー光スポットＳのスポット径Ｌとの関係は常にＬ＞ＬＭＩＮ  である。
【００１５】
さらに一般的な小突起部の断面形状の測定につき図６に基づき以下詳細に説明する。
図６は図４、５と同様に、トレッドゴム１の断面矩形状小突起部の幅がレーザー光のスポット径Ｌより狭く、かつ小突起部の高さｈがｈ＜Ｌの場合に、測定装置から得られる測定結果の一例を黒丸印で示す図である。図においてＳn-1 、Ｓn はそれぞれ（ｎ−１）番目、ｎ番目のレーザー光スポットＳを示し、ＣＸn-1 、ＣＸn はそれぞれレーザー光スポットＳn-1 、Ｓnの中心軸線であり、これらの軸線のｘ座標をそれぞれｘn-1 、ｘn で示した。なお符号Ｂｐは基準面をあらわすものとする。
【００１６】
図６において、１ピッチｐ間のレーザー光中心軸線ＣＸｎ−１  、ＣＸｎ  に沿う初期基準値からの変位成分量ΔＺｎ−１  、ΔＺｎ  は以下のようにして求めることができる。
まず１ピッチｐはｐ＜ＬＭＩＮ  ＜Ｌの関係を常に満たすので、測距センサはＬ／ｐの整数値（小数点以下は切り捨て）に相当する箇所の複数又は多数の測距デ−タを同時にピックアップし、これらのデ−タの総和にｐ／Ｌを掛け合せて平均化した測距デ−タｚを得る。
【００１７】
次にレーザー光スポットＳｎ−１  、Ｓｎ  における測距デ−タｚｎ−１  、ｚｎ  の差により座標ｘｎ  から座標ｘｎ−１  に至る間の平均化された初期基準値からの変位成分量が求まる筈であるところ、実際上は１ピッチｐ送り直前の測距デ−タｚｎ−１  から１ピッチｐ送りすることでスポットＳｎ  から失われる測距デ−タｚｎ−１  中の平均化する以前の最後尾の測距デ−タを差し引いた平均化デ−タｚ′ｎ−１  を用いなければならない。
【００１８】
よって座標ｘｎ−１  から座標ｘｎ  に至る間の平均化された初期基準値からの変位成分量を正しく求めるには、１ピッチｐ送り直後の測距デ−タｚｎ  と１ピッチｐ送り直前の修正測距デ−タｚ′ｎ−１  との差（ｚｎ  −ｚ′ｎ−１  ）を用いる。しかしこの差の値はｐ／Ｌにより平均化されているので、そのまま出力するのは不適切であるため平均化変数ｐ／Ｌの逆数Ｌ／ｐ（小数点以下は切り捨て）を上記差の値に掛け合わせて、
ΔＺｎ  ＝（ｚｎ  −ｚ′ｎ−１  ）×（Ｌ／ｐ）、・・・・・・・・（１）
同様にΔＺｎ−１  ＝（ｚｎ−１  −ｚ′ｎ−２  ）×（Ｌ／ｐ）、・・・・（２）
とするものであり、これにより一層正確な初期基準値からの変位成分量を各小ピッチ毎に出力することが可能となる。
【００１９】
従って測定装置で電気信号として出力する座標ｘｎ  における測距デ−タｚｎ  は、上記初期基準値からの変位成分量ΔＺｎ  と座標ｘ０  における初期基準値ｚ０  との和であるから、
ｚｎ  ＝（ｚｎ  −ｚ′ｎ−１  ）×（Ｌ／ｐ）＋ｚ０  ・・・・・・・（３）
となる。
【００２０】
上式（１）〜（３）から明らかなようにＬ／ｐの値が大なるほど検出能力、すなわち断面形状の解像能力が高まり、図に示す黒丸印を結ぶなだらかな曲線ではなく実際のｈｎ  （  ｘｎ  ）を正確に計測することができ、ここに比Ｌ／ｐをなるべく大きな値とするため、定数ＬＭＩＮ  ／ｐを用いてＬ／ｐに代わるものとし、ＬＭＩＮ  ／ｐが５以上であれば望ましい計測結果が得られる。
【００２１】
またレーザー光の中心軸線ＣＸ位置と１ピッチｐ送りでのデ−タ処理位置とでは走査方向に１／２（Ｌ−ｐ）だけ「ずれ」を生じるが、この値は機械的に定まる値であるから断面形状を出力する際に予め補正定数として処理すれば済む。
【００２２】
【実施例】
図１は、この発明による測定装置の一実施例における機械系の要部側面図及び制御、演算を主とする系の作動を説明するブロック図を一体として示す図である。
まず機械系について説明すれば図１において、１は被測定物で、この例では図８で示したトレッドゴムＴと同様なゴム部材であり、２−１、２−２はレーザー測距センサであり、この例では該センサを一対設けるものとする。各測距センサ２−１、２−２は内部に半導体レーザーとその駆動回路及び投光レンズ、並びにレーザー反射光の受光レンズ及び光電変換素子を有する。これらセンサのレーザー光による測定範囲の最大光スポット径ＬＭＡＸ  （図６に示すスポットＳ１  、Ｓ１  ′における径）は１．０ｍｍ以上、望ましくは１．５ｍｍ以上で、この例では１．２ｍｍであり、最小光スポット径ＬＭＩＮ  （図６に示すスポットＳ３  、Ｓ３  ′における径）は０．８ｍｍ以上、望ましくは１．２ｍｍ以上で、この例では１．０ｍｍである。
【００２３】
測定装置は図示を省略したレーザーパワーコントローラを有し、このコントローラはオートゲイン回路を備え、この回路は各測距センサ２−１、２−２の受光量の過不足に応じてレーザー光量を加減調整する役を果たし、レーザーパワーコントローラは各測距センサ２−１、２−２と被測定物１との間の相互距離によるレーザー光量の減衰及び被測定物１におけるレーザー光拡散反射成分の減衰又は不足により生じる受光検出限界時に即応してレーザー光量を増加させる機能を有する。
【００２４】
トレッドゴム１は測定断面側を図示していて、平板状保持台３によりトレッドゴム１を保持する。一対の測距センサ２−１、２−２は各レーザー光のスポット中心軸線ＣＸを揃えて対向する位置で図示しない手段により固定支持する。その際スポット中心軸線ＣＸがトレッドゴム１の測定断面上で幅方向と直交する向き、この例では平板状保持台の平面と直交する向きに取付ける。
【００２５】
パルスモータ４の回転軸と連結する送りねじ５とねじ嵌合するボールねじ部６ａを有する支持部材６により保持台３を支持し、パルスモータ４の回転により、送りねじ５及びボールねじ部６ａをもつ支持部材６を介し、保持台３はトレッドゴム１の測定断面幅方向に移動自在であり、これにより測距センサ２−１、２−２とトレッドゴム１との相互間隔を一定に保持して、レーザー光をトレッドゴム１の測定断面全幅にわたり走査させる。
【００２６】
別の実施例では図２（ａ）に示すように、保持台３を固定して取付ける一方、測距センサ２−１、２−２は取付け部材７を介し、パルスモータ４の回転軸に連結した送りねじ５と嵌合するボールねじ部６′ａを有する支持部材６′により支持するように構成した測定装置であり、この装置では静止しているトレッドゴム１に対しレーザー測距センサ２−１、２−２を両端矢印で示す方向のうち何れか一方向に移動させながらレーザー光照射を行う。この種のタイプは先に述べたタイプに比しより少ないスペース幅で済む利点を有する。
【００２７】
次に制御、演算系につき説明すれば図１において、１０はパーソナルコンピュータ、１１はグラフィックＣＲＴ、１２はハードディスク（１２０ＨＢ）、１２−１はフロッピーディスクドライブ（３．５インチ）１３はキーボード、１４はプリンタ、１５はペンプロッタであり、パーソナルコンピュータ１０はＡ／Ｄ変換及び演算回路１０−１、モータコントローラ１０−２、ｉｏ（入出力端子）１０−３それぞれを有する。
【００２８】
モータコントローラ１０−２は所定周波数のパルス電圧を出力してパルスモータ４を駆動し、併せて測距センサ２−１、２−２の走査移動１ピッチｐ＝０．２ｍｍに相当するパルス数をカウントしてその信号をＡ／Ｄ変換及び演算回路１０−１に出力する。この信号を受けて演算回路１０−１は１ピッチｐ０．２ｍｍ毎に光電変換素子からの信号出力を順次サンプリングして、互いに隣合う信号出力の差から、作用の項で説明したようにレーザー光の中心軸線に沿う初期基準値からの変位成分量を演算して各ピッチｐ毎の測定距離を電気信号として出力する。
【００２９】
この電気信号は必要に応じハードディスク１２に記録すると共に、プリンタ１４、ペンプロッタ１５を作動させてトレッドゴム１の断面形状を描かせる。なおｉｏ１０−３は操作パネルを備え、測定スタート／ストップ、原点復帰、非常停止、リセットなどの入力信号、レーザー光点灯中、測定中などの出力信号による表示を実行する。
【００３０】
実施例とｘ軸−ｚ軸２方向移動手段を必要とする小スポット径の従来例とを対比したところ、実施例では装置の調整工数が２／３に減少させることができる他、調整自体が大幅に簡易化される結果、測定精度が６００％以上向上した。さらに実施例ではレーザー光の発光体寿命が５倍以上となる他、装置コストも１／２以下で済み、さらに装置スペースの大幅減少が達成できることが判った。
【００３１】
以上はトレッドゴム１の断面形状測定測定装置につき述べたが、他の実施例として図２（ｂ）に示すように製品タイヤ２０の踏面形状、それも図示を省略したが踏面に形成した各種溝位置及び溝形状を精密に測定する装置及び図２（ｃ）に示すようにやはり製品タイヤ２０のサイドウォール形状を凹凸部も含めて測定する装置を提供することができる。
【００３２】
【発明の効果】
この発明によれば、レーザー光の照射に対し拡散反射成分をもつ粗表面を有し、かつ該表面に小凹凸を形成する急傾斜面を有するタイヤ用ゴム部材の断面形状を高精度で測定できる小型で低コストの、急傾斜面をもつタイヤ用ゴム部材の測定装置を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による一実施例装置の要部側面図及びブロック図を合せ示す図である。
【図２】この発明による別の実施例装置の要部側面図である。
【図３】この発明によるレーザー光の拡散反射成分分布の説明図である。
【図４】この発明によるレーザー光の走査作用の説明図である。
【図５】従来のレーザー光の走査作用の説明図である。
【図６】この発明によるレーザー光の走査作用の説明図である。
【図７】測距センサのレーザー光の測定範囲の説明図である。
【図８】トレッドゴムの断面図である。
【符号の説明】
１  トレッドゴム
２、２−１、２−２  レーザー測距センサ
３  保持台
４  パルスモータ
５  送りねじ
６ａ、６ａ′、６ａ″  ボールねじ部
６、６′  支持体
７  取付け部材
１０  パーソナルコンピュータ
１１  グラフィックＣＲＴ
１２  ハードディスク
１３  キーボード
１４  プリンタ
１５  ペンプロッタ
２０  製品タイヤ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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