JP2695338B2 - 硬度測定方法 - Google Patents
硬度測定方法Info
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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- G01N3/40—Investigating hardness or rebound hardness
- G01N3/42—Investigating hardness or rebound hardness by performing impressions under a steady load by indentors, e.g. sphere, pyramid
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
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- Microscoopes, Condenser (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Description
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は硬度測定方法に関す
る。
る。
【0002】
【従来の技術】測定試料に所定の圧力で正方四辺形形状
の圧痕を印し、この圧痕の対角線長を測定することによ
り測定試料の硬度を特定する方法は、従来からビッカー
ス硬度計に関連して広く知られ、このような測定方法を
実施する装置として、特公平3−34819号公報開示
の装置が知られている。
の圧痕を印し、この圧痕の対角線長を測定することによ
り測定試料の硬度を特定する方法は、従来からビッカー
ス硬度計に関連して広く知られ、このような測定方法を
実施する装置として、特公平3−34819号公報開示
の装置が知られている。
【0003】この従来装置では圧痕の読み取りを1次元
の撮像素子を用いて行なっているため、圧痕像の読み取
りに時間がかかるほか、対角線長の測定にも目視による
測定と差が生じ易いという問題がある。
の撮像素子を用いて行なっているため、圧痕像の読み取
りに時間がかかるほか、対角線長の測定にも目視による
測定と差が生じ易いという問題がある。
【0004】このような問題を解決するために、発明者
らは「互いに直交するX,Y,Z方向へ移動可能で、Z
方向に平行な回動軸の回りに回動可能な移動ステージと
2次元の撮像素子とをZ方向に於いて対向せしめ、結像
倍率の異なる複数の対物レンズと圧子とを回転軸から等
距離の位置に備えたレボルバーを、移動ステージと撮像
素子との間に、Z方向に平行な上記回転軸の回りに回転
可能且つZ方向へ移動可能に配備し、移動ステージ上に
設置された測定試料に圧子により圧痕を形成したのち、
レボルバーを回転して適正倍率の対物レンズを選択し、
選択された対物レンズにより圧痕の拡大像を撮像素子の
受光面上に結像させて圧痕像を読み取り、圧痕像の対角
線長を測定し、測定試料の硬度を算出する」全自動の硬
度測定方式の実用化を意図している。
らは「互いに直交するX,Y,Z方向へ移動可能で、Z
方向に平行な回動軸の回りに回動可能な移動ステージと
2次元の撮像素子とをZ方向に於いて対向せしめ、結像
倍率の異なる複数の対物レンズと圧子とを回転軸から等
距離の位置に備えたレボルバーを、移動ステージと撮像
素子との間に、Z方向に平行な上記回転軸の回りに回転
可能且つZ方向へ移動可能に配備し、移動ステージ上に
設置された測定試料に圧子により圧痕を形成したのち、
レボルバーを回転して適正倍率の対物レンズを選択し、
選択された対物レンズにより圧痕の拡大像を撮像素子の
受光面上に結像させて圧痕像を読み取り、圧痕像の対角
線長を測定し、測定試料の硬度を算出する」全自動の硬
度測定方式の実用化を意図している。
【0005】この測定方式では、測定試料を移動ステー
ジ上にセットしたのちは硬度の算出までのプロセスが自
動的に行なわれる。圧痕像の読み取りに2次元の撮像素
子を用いるため、目視による測定と良く一致する測定値
が得られるが、取り扱う情報量も多いため、高速の自動
測定を行なうには工夫を要する。
ジ上にセットしたのちは硬度の算出までのプロセスが自
動的に行なわれる。圧痕像の読み取りに2次元の撮像素
子を用いるため、目視による測定と良く一致する測定値
が得られるが、取り扱う情報量も多いため、高速の自動
測定を行なうには工夫を要する。
【0006】高速の自動測定を実現する上で重要となる
要因として「2次元の撮像素子の受光面の適正な位置に
迅速に、適正な大きさの圧痕像を結像させる」ことがあ
る。上記測定方式では「対物レンズと圧子とがレボルバ
ーの回転軸から等距離の位置にある」から、レボルバー
を回転することにより、原理的には対物レンズを圧痕の
真上の位置に設定することが可能であるが、現実には圧
子と対物レンズとの間の機械的な位置誤差やレボルバー
回転角誤差等のため、圧痕と対物レンズとの位置関係に
狂いが生じることは、ある程度避けがたい。
要因として「2次元の撮像素子の受光面の適正な位置に
迅速に、適正な大きさの圧痕像を結像させる」ことがあ
る。上記測定方式では「対物レンズと圧子とがレボルバ
ーの回転軸から等距離の位置にある」から、レボルバー
を回転することにより、原理的には対物レンズを圧痕の
真上の位置に設定することが可能であるが、現実には圧
子と対物レンズとの間の機械的な位置誤差やレボルバー
回転角誤差等のため、圧痕と対物レンズとの位置関係に
狂いが生じることは、ある程度避けがたい。
【0007】この位置関係のずれは実際には小さくて
も、対物レンズによる拡大像を受光面に結像させると受
光面上では拡大される。測定試料の硬度が大きくなる
と、形成される圧痕の大きさは小さくなるから、このよ
うな小さい圧痕に対して、適正な大きさの圧痕像を形成
するためには対物レンズの倍率を高くする必要があり、
受光面上における圧痕像結像位置の不確定さは高速測定
上大きな支障となる。
も、対物レンズによる拡大像を受光面に結像させると受
光面上では拡大される。測定試料の硬度が大きくなる
と、形成される圧痕の大きさは小さくなるから、このよ
うな小さい圧痕に対して、適正な大きさの圧痕像を形成
するためには対物レンズの倍率を高くする必要があり、
受光面上における圧痕像結像位置の不確定さは高速測定
上大きな支障となる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】この発明は上述した事
情に鑑みてなされたものであって、高速の自動測定を可
能成らしめる新規な硬度測定方法の提供を目的とする。
情に鑑みてなされたものであって、高速の自動測定を可
能成らしめる新規な硬度測定方法の提供を目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】この発明の硬度測定方法
は「互いに直交するX,Y,Z方向へ移動可能で、Z方
向に平行な回動軸の回りに回動可能な移動ステージと2
次元の撮像素子とを上記Z方向に於いて対向せしめ、結
像倍率の異なる複数の対物レンズと圧子とを回転軸から
等距離の位置に備えたレボルバーを、上記移動ステージ
と撮像素子との間に、Z方向に平行な上記回転軸の回り
に回転可能且つZ方向へ移動可能に配備し、移動ステー
ジ上に設置された測定試料に上記圧子により圧痕を形成
したのち上記レボルバーを回転して適正倍率の対物レン
ズを選択し、選択された対物レンズにより圧痕の拡大像
を上記撮像素子の受光面上に結像させて圧痕像を読み取
り、圧痕像の対角線長を測定し、測定試料の硬度を算出
する」全自動硬度測定方式の硬度測定方法である。移動
ステージの「回動軸」と、レボルバーの「回転軸」とは
互いに合致させても良いし、互いにずらしても良い。
は「互いに直交するX,Y,Z方向へ移動可能で、Z方
向に平行な回動軸の回りに回動可能な移動ステージと2
次元の撮像素子とを上記Z方向に於いて対向せしめ、結
像倍率の異なる複数の対物レンズと圧子とを回転軸から
等距離の位置に備えたレボルバーを、上記移動ステージ
と撮像素子との間に、Z方向に平行な上記回転軸の回り
に回転可能且つZ方向へ移動可能に配備し、移動ステー
ジ上に設置された測定試料に上記圧子により圧痕を形成
したのち上記レボルバーを回転して適正倍率の対物レン
ズを選択し、選択された対物レンズにより圧痕の拡大像
を上記撮像素子の受光面上に結像させて圧痕像を読み取
り、圧痕像の対角線長を測定し、測定試料の硬度を算出
する」全自動硬度測定方式の硬度測定方法である。移動
ステージの「回動軸」と、レボルバーの「回転軸」とは
互いに合致させても良いし、互いにずらしても良い。
【0010】請求項1記載の方法は、「適正倍率の対物
レンズを選択したのち、撮像素子の全受光面をAFエリ
ア(オートフォーカスエリア:オートフォーカスを行な
うためのデータを取り込むための領域)として大まかに
オートフォーカスを行ない、大まかな合焦状態において
撮像素子出力を2値化し、そのデータにより圧痕位置を
検索し、検索された圧痕の回りに圧痕よりもやや大きい
AFエリアを再設定して精細なオートフォーカスを行
い、精細な合焦状態において、拡大圧痕像よりもやや大
きい領域に測定エリアを設定し、この測定エリア内のデ
ータに基づき圧痕像の対角線長を測定して硬度算出を行
なう」ことを特徴とする。
レンズを選択したのち、撮像素子の全受光面をAFエリ
ア(オートフォーカスエリア:オートフォーカスを行な
うためのデータを取り込むための領域)として大まかに
オートフォーカスを行ない、大まかな合焦状態において
撮像素子出力を2値化し、そのデータにより圧痕位置を
検索し、検索された圧痕の回りに圧痕よりもやや大きい
AFエリアを再設定して精細なオートフォーカスを行
い、精細な合焦状態において、拡大圧痕像よりもやや大
きい領域に測定エリアを設定し、この測定エリア内のデ
ータに基づき圧痕像の対角線長を測定して硬度算出を行
なう」ことを特徴とする。
【0011】上の説明において「対物レンズを選択す
る」とは、「レボルバーを回転して、圧痕形成時に圧子
が占めていた位置を対物レンズが占めるようにする」こ
とを意味する。勿論、この対物レンズ選択は機械的な誤
差範囲で行なわれる。また選択された対物レンズが「適
正倍率である」とは、選択された対物レンズにより撮像
素子の受光面上に結像する圧痕像の大きさが、測定精度
上必要な大きさ(面積比で撮像素子受光面全域の1/1
5〜1/100程度)を持つことを意味する。
る」とは、「レボルバーを回転して、圧痕形成時に圧子
が占めていた位置を対物レンズが占めるようにする」こ
とを意味する。勿論、この対物レンズ選択は機械的な誤
差範囲で行なわれる。また選択された対物レンズが「適
正倍率である」とは、選択された対物レンズにより撮像
素子の受光面上に結像する圧痕像の大きさが、測定精度
上必要な大きさ(面積比で撮像素子受光面全域の1/1
5〜1/100程度)を持つことを意味する。
【0012】また「大まかなオートフォーカス」とは、
選択された対物レンズの焦点深度幅程度をステップとす
るオートフォーカスであり、「精細なオートフォーカ
ス」とは上記焦点深度幅の数分の1程度をステップとす
るオートフォーカスである。
選択された対物レンズの焦点深度幅程度をステップとす
るオートフォーカスであり、「精細なオートフォーカ
ス」とは上記焦点深度幅の数分の1程度をステップとす
るオートフォーカスである。
【0013】上記請求項1記載の方法において、大まか
な合焦状態で圧痕位置を検索する具体的な方法は、「大
まかな合焦状態において撮像素子出力を2値化し、走査
方向において最も長く黒領域の続くラスターを選択し、
このラスターにおける黒領域の中心部を圧痕の中心部と
する」方法(請求項2)でもよいし、「大まかな合焦状
態で撮像素子の全受光面の受光内容を2値化し、黒領域
が圧痕の予想面積±50%の領域を選択し、選択された
領域の面積の平方根と周囲長の比を識別用のパラメータ
ーとして正方形に近いパターンを圧痕として特定し、特
定された圧痕の中心座標を求める」方法(請求項3)で
もよい。
な合焦状態で圧痕位置を検索する具体的な方法は、「大
まかな合焦状態において撮像素子出力を2値化し、走査
方向において最も長く黒領域の続くラスターを選択し、
このラスターにおける黒領域の中心部を圧痕の中心部と
する」方法(請求項2)でもよいし、「大まかな合焦状
態で撮像素子の全受光面の受光内容を2値化し、黒領域
が圧痕の予想面積±50%の領域を選択し、選択された
領域の面積の平方根と周囲長の比を識別用のパラメータ
ーとして正方形に近いパターンを圧痕として特定し、特
定された圧痕の中心座標を求める」方法(請求項3)で
もよい。
【0014】また請求項1記載の方法において、適正倍
率の対物レンズを自動的に選択するには基本的に2つの
方法がある。第1の方法は演算を利用する方法である。
硬度測定を行なう測定試料の硬度は、一般に全く未知で
あることはなく、正確な硬度は未知であっても硬度の凡
その大きさは予め知れている場合が多い。このような場
合だと、測定試料に形成される圧痕の大きさも予め、お
よその予想が可能である。そこで圧痕の予想上の大きさ
に応じて、受光面に適切な大きさの圧痕像を結像させる
ための結像倍率を演算により算出し、この算出結果に近
い結像倍率を持つ対物レンズを選択するのである。
率の対物レンズを自動的に選択するには基本的に2つの
方法がある。第1の方法は演算を利用する方法である。
硬度測定を行なう測定試料の硬度は、一般に全く未知で
あることはなく、正確な硬度は未知であっても硬度の凡
その大きさは予め知れている場合が多い。このような場
合だと、測定試料に形成される圧痕の大きさも予め、お
よその予想が可能である。そこで圧痕の予想上の大きさ
に応じて、受光面に適切な大きさの圧痕像を結像させる
ための結像倍率を演算により算出し、この算出結果に近
い結像倍率を持つ対物レンズを選択するのである。
【0015】第2の方法は、このような演算によらない
方法である。この方法は請求項4記載の方法であり、
「測定試料に圧痕を形成したのち、先ず低倍率の対物レ
ンズを選択し、大まかなオートフォーカスと精細なオー
トフォーカスを行なって圧痕像の対角線長を測定する。
測定された対角線長が、所定の大きさを有するか否かを
判定し、上記対角線長が上記所定の大きさを持たないと
き、上記選択された対物レンズより高倍率の対物レンズ
を選択し、大まかなオートフォーカスから対角線長の長
さ判定に到るプロセスを繰り返して、適正倍率の対物レ
ンズを選択する」方法である。
方法である。この方法は請求項4記載の方法であり、
「測定試料に圧痕を形成したのち、先ず低倍率の対物レ
ンズを選択し、大まかなオートフォーカスと精細なオー
トフォーカスを行なって圧痕像の対角線長を測定する。
測定された対角線長が、所定の大きさを有するか否かを
判定し、上記対角線長が上記所定の大きさを持たないと
き、上記選択された対物レンズより高倍率の対物レンズ
を選択し、大まかなオートフォーカスから対角線長の長
さ判定に到るプロセスを繰り返して、適正倍率の対物レ
ンズを選択する」方法である。
【0016】この請求項4記載の方法を実施するに当っ
て、高倍率の対物レンズの選択が行なわれるとき、測定
試料の位置を調整するようにしても良い(請求項5)。
測定試料の位置調整は、オートフォーカスの工程におい
て「大まかなオートフォーカスを行なった後、精細なオ
ートフォーカス用のAFエリアを設定するに先だって行
なう」ようにしてもよい(請求項6)。
て、高倍率の対物レンズの選択が行なわれるとき、測定
試料の位置を調整するようにしても良い(請求項5)。
測定試料の位置調整は、オートフォーカスの工程におい
て「大まかなオートフォーカスを行なった後、精細なオ
ートフォーカス用のAFエリアを設定するに先だって行
なう」ようにしてもよい(請求項6)。
【0017】
【作用】以下に先ず、この発明の前提となっている硬度
測定のあらましを、具体的な装置例に即して説明する。
測定のあらましを、具体的な装置例に即して説明する。
【0018】図4(a)は、この発明を実施するための
硬度測定装置の1例を用部のみ略示している。図中、符
号10は移動ステージ、符号20はレボルバー、符号3
0は照明系、符号40は2次元の撮像素子としてのCC
Dカメラ、符号50は画像処理部を示す。また、符号6
0はディスプレイ、符号70はレボルバー・圧子駆動装
置、符号80はステージコントローラー、符号90はコ
ンピューターを示している。これらは図示されない支持
手段により全体が適宜に支持されている。
硬度測定装置の1例を用部のみ略示している。図中、符
号10は移動ステージ、符号20はレボルバー、符号3
0は照明系、符号40は2次元の撮像素子としてのCC
Dカメラ、符号50は画像処理部を示す。また、符号6
0はディスプレイ、符号70はレボルバー・圧子駆動装
置、符号80はステージコントローラー、符号90はコ
ンピューターを示している。これらは図示されない支持
手段により全体が適宜に支持されている。
【0019】移動ステージ10は、図4(a)の図面に
直交する方向に対応するX方向に変位するX方向ステー
ジ10X、同図左右方向に対応するY方向に変位するY
方向ステージ10Yおよび、同図上下方向に対応するZ
方向に変位するZ方向ステージ10Zを組み合わせて構
成され、全体がZ方向に平行な所定のZ軸(回動軸)の
周りに回動可能となっている。X方向ステージ10Xを
X方向に移動させるにはステップモーターMXを動作さ
せ、Y,Z方向ステージ10Y,10Zを各々Y,Z方
向へ変位させるにはステップモーターMY,MZを動作
させる。また、移動ステージ10全体をZ軸の周りに回
転させるには、ステップモーターMθを動作させる。測
定試料0は、移動ステージ10のX方向ステージ10X
上に載置される。
直交する方向に対応するX方向に変位するX方向ステー
ジ10X、同図左右方向に対応するY方向に変位するY
方向ステージ10Yおよび、同図上下方向に対応するZ
方向に変位するZ方向ステージ10Zを組み合わせて構
成され、全体がZ方向に平行な所定のZ軸(回動軸)の
周りに回動可能となっている。X方向ステージ10Xを
X方向に移動させるにはステップモーターMXを動作さ
せ、Y,Z方向ステージ10Y,10Zを各々Y,Z方
向へ変位させるにはステップモーターMY,MZを動作
させる。また、移動ステージ10全体をZ軸の周りに回
転させるには、ステップモーターMθを動作させる。測
定試料0は、移動ステージ10のX方向ステージ10X
上に載置される。
【0020】図4(a)に符号Sで示す鎖線は硬度測定
装置における「基準軸」を示している。基準軸Sは、移
動ステージ10に置けるZ方向ステージ10Zの移動方
向であるZ方向に平行に測定装置空間に固定的に設定さ
れ、この装置例では上述のZ軸に合致している。
装置における「基準軸」を示している。基準軸Sは、移
動ステージ10に置けるZ方向ステージ10Zの移動方
向であるZ方向に平行に測定装置空間に固定的に設定さ
れ、この装置例では上述のZ軸に合致している。
【0021】レボルバー20は、基準軸Sに平行な回転
軸25を有する本体21に圧子23と複数の対物レンズ
22とを固定的に設けたものであり、回転軸25の周り
に回転可能であり、回転軸25の方向(基準軸Sに平行
な方向)にも移動可能である。回転軸25は基準軸Sか
ら所定の距離:Hだけ離れて設定されている。
軸25を有する本体21に圧子23と複数の対物レンズ
22とを固定的に設けたものであり、回転軸25の周り
に回転可能であり、回転軸25の方向(基準軸Sに平行
な方向)にも移動可能である。回転軸25は基準軸Sか
ら所定の距離:Hだけ離れて設定されている。
【0022】レボルバー20の回転・移動はレボルバー
・圧子駆動装置70により行なう。レボルバー・圧子駆
動装置70は、レボルバー20を回転軸25の周りに回
転させるためのステップモーターと、レボルバー20を
回転軸25の方向に変位させるためのモーターと、圧痕
形成時に圧子23を駆動するための圧子駆動装置23A
とを有する。
・圧子駆動装置70により行なう。レボルバー・圧子駆
動装置70は、レボルバー20を回転軸25の周りに回
転させるためのステップモーターと、レボルバー20を
回転軸25の方向に変位させるためのモーターと、圧痕
形成時に圧子23を駆動するための圧子駆動装置23A
とを有する。
【0023】この例では、レボルバー20の本体21に
は1個の圧子23と2個の対物レンズ22とが設けられ
ている。これら対物レンズ22と圧子23とは図5
(a)に示すように、回転軸25に対して軸対称に設け
られ、圧子23の尖端部および対物レンズ22A,22
Bの光軸の、回転軸25からの距離は何れも上記距離:
Hに設定されている。レボルバーにおける圧子,対物レ
ンズの配置はこの例に限らず、図5(b)に示すよう
に、圧子23の他に複数の対物レンズ22A,22B,
22C等を設けることもできる。また必要に応じて、レ
ボルバー本体に2種以上の圧子を設けても良い。圧子2
3の先端は頂角:90度の正4角錐状の尖端部を形成し
ている。
は1個の圧子23と2個の対物レンズ22とが設けられ
ている。これら対物レンズ22と圧子23とは図5
(a)に示すように、回転軸25に対して軸対称に設け
られ、圧子23の尖端部および対物レンズ22A,22
Bの光軸の、回転軸25からの距離は何れも上記距離:
Hに設定されている。レボルバーにおける圧子,対物レ
ンズの配置はこの例に限らず、図5(b)に示すよう
に、圧子23の他に複数の対物レンズ22A,22B,
22C等を設けることもできる。また必要に応じて、レ
ボルバー本体に2種以上の圧子を設けても良い。圧子2
3の先端は頂角:90度の正4角錐状の尖端部を形成し
ている。
【0024】対物レンズ22の各レンズ22A,22B
は互いに結像倍率が異なり、一方は低倍率で他方は高倍
率である。
は互いに結像倍率が異なり、一方は低倍率で他方は高倍
率である。
【0025】図4(a)に戻ると、基準軸S上にはCC
Dカメラ40が設けられており、レボルバー20とCC
Dカメラ40との間には照明系30が配備されている。
照明系30は、ケーシング31内に光源ランプ32とコ
リメートレンズ33と半透鏡34とを配してなる。半透
鏡34は基準軸S上に位置し、基準軸Sに対して45度
傾けられている。基準軸Sが通る部分のケーシング部は
窓に形成されている。図示のように、対物レンズ22が
選択されて基準軸S位置にあるとき光源ランプ32を発
光させると、光はコリメートレンズ33により平行光束
化され、半透鏡34に反射され、対物レンズ22を介し
て測定試料0を照明する。測定試料0からの反射光は対
物レンズ22と半透鏡34とを介してCCDカメラ40
の受光面に入射する。対物レンズによっては、照明系か
らの照明光束が平行光束にならない場合もある。
Dカメラ40が設けられており、レボルバー20とCC
Dカメラ40との間には照明系30が配備されている。
照明系30は、ケーシング31内に光源ランプ32とコ
リメートレンズ33と半透鏡34とを配してなる。半透
鏡34は基準軸S上に位置し、基準軸Sに対して45度
傾けられている。基準軸Sが通る部分のケーシング部は
窓に形成されている。図示のように、対物レンズ22が
選択されて基準軸S位置にあるとき光源ランプ32を発
光させると、光はコリメートレンズ33により平行光束
化され、半透鏡34に反射され、対物レンズ22を介し
て測定試料0を照明する。測定試料0からの反射光は対
物レンズ22と半透鏡34とを介してCCDカメラ40
の受光面に入射する。対物レンズによっては、照明系か
らの照明光束が平行光束にならない場合もある。
【0026】硬度測定は図4(b)に示すように、「試
料セット」後、「圧痕形成」を行ない、それに続いて
「対物レンズ選択」を行ない、「撮像・演算」により硬
度を算出するという手順で行なわれる。
料セット」後、「圧痕形成」を行ない、それに続いて
「対物レンズ選択」を行ない、「撮像・演算」により硬
度を算出するという手順で行なわれる。
【0027】「圧痕形成」は、レボルバー・圧子駆動装
置70により圧子駆動装置23Aを駆動して、圧子23
を測定試料0に向けて移動させ、所定の圧力で圧子23
の尖端部を測定試料0の表面に押し込むことにより行な
われ、測定試料表面には図6(a)に示すような正方4
辺形形状の圧痕AKが形成される。図6(b)は圧痕A
Kの断面形状である。圧子23の尖端形状に応じて、圧
痕AKにおける図の角γは90度である。
置70により圧子駆動装置23Aを駆動して、圧子23
を測定試料0に向けて移動させ、所定の圧力で圧子23
の尖端部を測定試料0の表面に押し込むことにより行な
われ、測定試料表面には図6(a)に示すような正方4
辺形形状の圧痕AKが形成される。図6(b)は圧痕A
Kの断面形状である。圧子23の尖端形状に応じて、圧
痕AKにおける図の角γは90度である。
【0028】圧子23の尖端部を押し込む圧力は「所定
の圧力」で一定であるから、測定試料0の硬度が大きい
ほど形成される圧AKの大きさは小さくなる。従って、
圧痕AKの大きさを対角線L1,L2により測定すれ
ば、対角線L1,L2の大きさと測定試料の硬度とは反
比例的な対応関係にあり、この対応関係に応じて硬度を
算出することができる。
の圧力」で一定であるから、測定試料0の硬度が大きい
ほど形成される圧AKの大きさは小さくなる。従って、
圧痕AKの大きさを対角線L1,L2により測定すれ
ば、対角線L1,L2の大きさと測定試料の硬度とは反
比例的な対応関係にあり、この対応関係に応じて硬度を
算出することができる。
【0029】なお圧子に加える圧力・押圧時間は、予め
測定試料に応じて適当に設定する。即ち、前述のように
一般に測定試料の硬度はどの程度の硬度であるかは予め
見当がつくから、それに応じて適当な圧子圧力と押圧時
間を設定する。
測定試料に応じて適当に設定する。即ち、前述のように
一般に測定試料の硬度はどの程度の硬度であるかは予め
見当がつくから、それに応じて適当な圧子圧力と押圧時
間を設定する。
【0030】圧痕が形成されると、圧子23はレボルバ
ー20側へ戻され、続いてレボルバー20が回転して対
物レンズ22の選択が行なわれる。この選択により、2
つの対物レンズ22のうち適正な結像倍率を持った方の
レンズが光軸が基準軸Sに合致させられる。
ー20側へ戻され、続いてレボルバー20が回転して対
物レンズ22の選択が行なわれる。この選択により、2
つの対物レンズ22のうち適正な結像倍率を持った方の
レンズが光軸が基準軸Sに合致させられる。
【0031】続いて、照明系30が測定試料0を照明
し、圧痕像をCCDカメラ40で読み取り、CCDカメ
ラ40の出力により圧痕の対角線長を算出し、それに基
づき測定試料10の硬度を演算算出する。対角線長から
硬度を算出する算出演算は従来から知られた演算アルゴ
リズムを適宜用いることができる。かくして演算された
硬度を測定試料の硬度として出力する。
し、圧痕像をCCDカメラ40で読み取り、CCDカメ
ラ40の出力により圧痕の対角線長を算出し、それに基
づき測定試料10の硬度を演算算出する。対角線長から
硬度を算出する算出演算は従来から知られた演算アルゴ
リズムを適宜用いることができる。かくして演算された
硬度を測定試料の硬度として出力する。
【0032】この発明の特徴とするところは主として、
図4(b)における撮像・演算の工程における、圧痕デ
ータの取り込みにある。即ち、圧痕像から対角線長を測
定するに当っては、圧痕像よりやや大きい測定エリアを
設定し、この測定エリア内のデータのみで測定を行な
う。このようにすると対角線長の測定に、撮像素子の受
光面全域のデータを用いる場合に比して、はるかに少な
いデータで対角線長を決定できる。
図4(b)における撮像・演算の工程における、圧痕デ
ータの取り込みにある。即ち、圧痕像から対角線長を測
定するに当っては、圧痕像よりやや大きい測定エリアを
設定し、この測定エリア内のデータのみで測定を行な
う。このようにすると対角線長の測定に、撮像素子の受
光面全域のデータを用いる場合に比して、はるかに少な
いデータで対角線長を決定できる。
【0033】また、圧痕像を撮像素子の受光面上に結像
させるためのオートフォーカスは大まかなオートフォー
カスと精細なオートフォーカスとで行なわれ、精細なオ
ートフォーカスではAFエリアを圧痕像よりやや大きく
設定するのでオートフォーカスに必要なデータ量が少な
い。
させるためのオートフォーカスは大まかなオートフォー
カスと精細なオートフォーカスとで行なわれ、精細なオ
ートフォーカスではAFエリアを圧痕像よりやや大きく
設定するのでオートフォーカスに必要なデータ量が少な
い。
【0034】
【実施例】以下、具体的な実施例を説明する。
【0035】図1は請求項1の方法の実施例の手順を示
すフロー図である。硬度測定の手順は、先ず測定試料を
移動ステージ上に設置する「測定試料セット工程」によ
り始まる。勿論、測定試料の設置は手動で行なう。移動
ステージ上には、測定試料を設置する位置がマークされ
ており、このマークに従って測定試料を設置して測定開
始のボタンを押すと、移動ステージが作動して測定試料
は自動的に図4(a)の基準軸Sの位置に移動させられ
る。
すフロー図である。硬度測定の手順は、先ず測定試料を
移動ステージ上に設置する「測定試料セット工程」によ
り始まる。勿論、測定試料の設置は手動で行なう。移動
ステージ上には、測定試料を設置する位置がマークされ
ており、このマークに従って測定試料を設置して測定開
始のボタンを押すと、移動ステージが作動して測定試料
は自動的に図4(a)の基準軸Sの位置に移動させられ
る。
【0036】続いて、「圧痕形成工程」ではレボルバー
における圧子のみ駆動して圧痕形成が行なわれる。測定
試料に応じて圧子の押圧力と押し込み時間が調整され
る。ここでは説明の簡単のために、形成される圧痕は1
個であるとする。
における圧子のみ駆動して圧痕形成が行なわれる。測定
試料に応じて圧子の押圧力と押し込み時間が調整され
る。ここでは説明の簡単のために、形成される圧痕は1
個であるとする。
【0037】次いで、「対物レンズ選択工程」では、適
正倍率の対物レンズの選択がレボルバーの回転により行
なわれる。この実施例では、形成された圧痕の大きさを
大まかに予想して適正倍率を算出し(図4(a)の装置
のコンピューター90が行なう)、その結果に基づいて
対物レンズの選択が行なわれる。
正倍率の対物レンズの選択がレボルバーの回転により行
なわれる。この実施例では、形成された圧痕の大きさを
大まかに予想して適正倍率を算出し(図4(a)の装置
のコンピューター90が行なう)、その結果に基づいて
対物レンズの選択が行なわれる。
【0038】次の、「AF工程」では、2次元の撮像素
子であるCCDカメラの受光面全域からのデータに基づ
き、大まかなオートフォーカスを行なう。そして、その
結果の大まかな合焦状態で、「圧痕検索工程」を行な
う。この実施例では、検索工程は図2(a)の手順で行
なわれる。即ち、上記のように大まかなオートフォーカ
スを行なったら圧痕の位置を大まかに検索する。即ち、
大まかな合焦状態でCCDカメラの受光面全体の出力を
2値化する。
子であるCCDカメラの受光面全域からのデータに基づ
き、大まかなオートフォーカスを行なう。そして、その
結果の大まかな合焦状態で、「圧痕検索工程」を行な
う。この実施例では、検索工程は図2(a)の手順で行
なわれる。即ち、上記のように大まかなオートフォーカ
スを行なったら圧痕の位置を大まかに検索する。即ち、
大まかな合焦状態でCCDカメラの受光面全体の出力を
2値化する。
【0039】大まかに合焦した状態では、測定試料表面
の「凹部」は高濃度部となるから、この状態で各画素の
出力を2値化すると上記凹部は「黒」領域となる。また
この状態で、測定試料表面における最も大きな凹部は圧
痕である。そこでCCDカメラの走査方向において、最
も長く「黒」領域の続くラスターを選択すると、このラ
スターは近似的に圧痕中央部を通るものと考えられる。
従って、このラスターにおける最大の「黒」領域の中心
部は、圧痕の中心部を近似的に与えるものである。また
上記「黒」領域の長さは圧痕のおよその大きさを与える
ことになる。
の「凹部」は高濃度部となるから、この状態で各画素の
出力を2値化すると上記凹部は「黒」領域となる。また
この状態で、測定試料表面における最も大きな凹部は圧
痕である。そこでCCDカメラの走査方向において、最
も長く「黒」領域の続くラスターを選択すると、このラ
スターは近似的に圧痕中央部を通るものと考えられる。
従って、このラスターにおける最大の「黒」領域の中心
部は、圧痕の中心部を近似的に与えるものである。また
上記「黒」領域の長さは圧痕のおよその大きさを与える
ことになる。
【0040】このようにして、かなりの精度で圧痕の位
置と大きさを特定できるので、このように特定された圧
痕位置・大きさに基づきAFエリアを設定する(図1に
おける「AFエリア設定工程」)。このとき、測定試料
の表面がラフな合焦状態にあるので、以後、精細なオー
トフォーカスを行なっても圧痕像の大きさは大きく変化
しない。従って上記のように決定される圧痕のおよその
大きさをもとにして、圧痕の大きさに応じた適当なAF
エリアを設定することができるのである。
置と大きさを特定できるので、このように特定された圧
痕位置・大きさに基づきAFエリアを設定する(図1に
おける「AFエリア設定工程」)。このとき、測定試料
の表面がラフな合焦状態にあるので、以後、精細なオー
トフォーカスを行なっても圧痕像の大きさは大きく変化
しない。従って上記のように決定される圧痕のおよその
大きさをもとにして、圧痕の大きさに応じた適当なAF
エリアを設定することができるのである。
【0041】このようにして設定されたAFエリア内の
データを用いて精細なオートフォーカスを行なう。そし
て、この精細なオートフォーカスの結果の精細な合焦状
態において、圧痕像の回りに、圧痕像よりもやや大きい
測定エリアを設定する(「測定エリア設定工程」)。こ
の測定エリアとして、詳細なオートフォーカスのための
AFエリアをそのまま使用しても良い。
データを用いて精細なオートフォーカスを行なう。そし
て、この精細なオートフォーカスの結果の精細な合焦状
態において、圧痕像の回りに、圧痕像よりもやや大きい
測定エリアを設定する(「測定エリア設定工程」)。こ
の測定エリアとして、詳細なオートフォーカスのための
AFエリアをそのまま使用しても良い。
【0042】以下、測定エリア内のデータに基づき圧痕
像の対角線長を測定し、測定試料の硬度を算出する。こ
の工程の演算は従来から知られたものを適宜利用して行
なえば良い。
像の対角線長を測定し、測定試料の硬度を算出する。こ
の工程の演算は従来から知られたものを適宜利用して行
なえば良い。
【0043】図2(b)には、「圧痕像検索工程」の別
の例の手順を示す。大まかなオートフォーカスによる大
まかな合焦状態では、受光面内に測定試料表面の傷や、
同表面に付着した埃等の像も結像している可能性があ
る。そこで、この手順では、上記大まかな合焦状態でC
CDカメラの各画素の出力を2値化し(図2(b))、
圧痕像の予想面積に比して面積の小さい像を圧痕以外の
像として消去することによりノイズ成分を除去する。
の例の手順を示す。大まかなオートフォーカスによる大
まかな合焦状態では、受光面内に測定試料表面の傷や、
同表面に付着した埃等の像も結像している可能性があ
る。そこで、この手順では、上記大まかな合焦状態でC
CDカメラの各画素の出力を2値化し(図2(b))、
圧痕像の予想面積に比して面積の小さい像を圧痕以外の
像として消去することによりノイズ成分を除去する。
【0044】次に、ノイズ除去された画像情報で「黒」
領域のパターンに順次に番号を付けるラベリングを行な
う。ラベリングされたパターンには「圧痕像以外のも
の」も含まれている可能性がある。そこでラベリングさ
れたパターンの個々に就いて、その面積が圧痕像の予想
面積±50%の領域に含まれるものを選択する。選択さ
れた各パターンに対して、その面積の平方根と周長の比
を識別用のパラメーターとし、このパラメーターが1/
4に近いものを選択する。図6(a)に示したように圧
痕の形状は正方形に近い。正方形の1辺の長さをaとす
ると面積の平方根はa、周長は4aであるから、正方形
では上記パラメーター:a/4aは1/4となる。そこ
で上記のように選択された各パターンに就いて上記パラ
メーターを算出し、その値が1/4に近いものを圧痕像
として特定する。そして特定された各圧痕像に就き、そ
の中心座標を演算により求める。
領域のパターンに順次に番号を付けるラベリングを行な
う。ラベリングされたパターンには「圧痕像以外のも
の」も含まれている可能性がある。そこでラベリングさ
れたパターンの個々に就いて、その面積が圧痕像の予想
面積±50%の領域に含まれるものを選択する。選択さ
れた各パターンに対して、その面積の平方根と周長の比
を識別用のパラメーターとし、このパラメーターが1/
4に近いものを選択する。図6(a)に示したように圧
痕の形状は正方形に近い。正方形の1辺の長さをaとす
ると面積の平方根はa、周長は4aであるから、正方形
では上記パラメーター:a/4aは1/4となる。そこ
で上記のように選択された各パターンに就いて上記パラ
メーターを算出し、その値が1/4に近いものを圧痕像
として特定する。そして特定された各圧痕像に就き、そ
の中心座標を演算により求める。
【0045】これらの処理に必要な情報の選択は図1
(a)の画像処理部で行ない、必要な演算は画像処理部
50からの情報をコンピューター90内に取り込んで行
なう。
(a)の画像処理部で行ない、必要な演算は画像処理部
50からの情報をコンピューター90内に取り込んで行
なう。
【0046】図3は、請求項4の方法の実施例の手順を
示すフロー図である。説明の簡単のために、図4(a)
に即して説明したように、レボルバーには高・低結像倍
率の対物レンズ2個が設けられているものとする。圧痕
の形成後、先ず、低結像倍率の対物レンズを選択する。
そして、上に説明した大まかなオートフォーカスと精細
なオートフォーカスとを行なって精細な合焦状態を実現
し、測定エリア内のデータから圧痕の対角線長を測定
し、測定された対角線長が所定の大きさ、即ち、測定精
度を確保できる大きさを持つか否かをコンピューター
(図1(a)のコンピューター90)で判断する。測定
された対角線長が十分な大きさを有するときは、当該測
定値に基づき硬度の算出を行なう。
示すフロー図である。説明の簡単のために、図4(a)
に即して説明したように、レボルバーには高・低結像倍
率の対物レンズ2個が設けられているものとする。圧痕
の形成後、先ず、低結像倍率の対物レンズを選択する。
そして、上に説明した大まかなオートフォーカスと精細
なオートフォーカスとを行なって精細な合焦状態を実現
し、測定エリア内のデータから圧痕の対角線長を測定
し、測定された対角線長が所定の大きさ、即ち、測定精
度を確保できる大きさを持つか否かをコンピューター
(図1(a)のコンピューター90)で判断する。測定
された対角線長が十分な大きさを有するときは、当該測
定値に基づき硬度の算出を行なう。
【0047】測定された対角線長が所定の大きさに満た
ない場合は、対物レンズの結像倍率が不足しているの
で、高結像倍率の対物レンズを選択し直し、大まかなオ
ートフォーカスと精査なオートフォーカスを繰返し、対
角線長を測定して硬度を算出する。対物レンズが3個以
上、レボルバーに装備されている場合にも、上記と同様
のプロセスにより、適正な対物レンズを自動選択でき
る。
ない場合は、対物レンズの結像倍率が不足しているの
で、高結像倍率の対物レンズを選択し直し、大まかなオ
ートフォーカスと精査なオートフォーカスを繰返し、対
角線長を測定して硬度を算出する。対物レンズが3個以
上、レボルバーに装備されている場合にも、上記と同様
のプロセスにより、適正な対物レンズを自動選択でき
る。
【0048】なお、上に説明した、大まかなオートフォ
ーカスと精細なオートフォーカスとの間、および対物レ
ンズ選択における対物レンズの再選択の際に、圧痕の位
置をより基準軸Sに近づけるように位置補正を行なって
もよい。このようにすると移動ステージやレボルバーに
おける位置合わせ機能の精度を緩く設定できる。
ーカスと精細なオートフォーカスとの間、および対物レ
ンズ選択における対物レンズの再選択の際に、圧痕の位
置をより基準軸Sに近づけるように位置補正を行なって
もよい。このようにすると移動ステージやレボルバーに
おける位置合わせ機能の精度を緩く設定できる。
【0049】また上に説明した例では測定試料に形成す
る圧痕数を1として説明したが、この発明は、同一の測
定試料に形成される圧痕の数が2以上の場合にも勿論適
用できる。この場合には一つの圧痕について、適正な対
物レンズを選択し、以後、上に説明した硬度算出までの
プロセスを、各圧痕について繰返し行なえば良い。その
際、各圧痕は移動ステージにより順次に基準軸Sの位置
に持ち来される。
る圧痕数を1として説明したが、この発明は、同一の測
定試料に形成される圧痕の数が2以上の場合にも勿論適
用できる。この場合には一つの圧痕について、適正な対
物レンズを選択し、以後、上に説明した硬度算出までの
プロセスを、各圧痕について繰返し行なえば良い。その
際、各圧痕は移動ステージにより順次に基準軸Sの位置
に持ち来される。
【0050】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば新規な
硬度測定方法を提供できる。この方法は上記の如き構成
と成っているから、測定試料設置後硬度算出までを全自
動で行なう硬度測定方式において、精細なオートフォー
カスおよび圧痕像の対角線長測定のためのデータが少な
いから、高速の演算処理が可能であり、高速で正確な硬
度測定が可能である。
硬度測定方法を提供できる。この方法は上記の如き構成
と成っているから、測定試料設置後硬度算出までを全自
動で行なう硬度測定方式において、精細なオートフォー
カスおよび圧痕像の対角線長測定のためのデータが少な
いから、高速の演算処理が可能であり、高速で正確な硬
度測定が可能である。
【図1】この発明の硬度測定方法を説明するための図で
ある。
ある。
【図2】請求項2および3の方法の実施例を説明するフ
ロー図である。
ロー図である。
【図3】請求項4の方法の実施例を説明するフロー図で
ある。
ある。
【図4】この発明を実施するための硬度測定装置の1例
を概念的に示す図である。
を概念的に示す図である。
【図5】レボルバーを説明するための図である。
【図6】測定試料の表面に形成される圧痕を説明するた
めの図である。
めの図である。
Claims (6)
- 【請求項1】互いに直交するX,Y,Z方向へ移動可能
で、Z方向に平行な回動軸の回りに回動可能な移動ステ
ージと2次元の撮像素子を上記Z方向に於いて対向せし
め、結像倍率の異なる複数の対物レンズと圧子とを回転
軸から等距離の位置に備えたレボルバーを、上記移動ス
テージと撮像素子との間に、Z方向に平行な上記回転軸
の回りに回転可能且つZ方向へ移動可能に配備し、移動
ステージ上に設置された測定試料に上記圧子により圧痕
を形成したのち上記レボルバーを回転して適正倍率の対
物レンズを選択し、選択された対物レンズにより圧痕の
拡大像を上記撮像素子の受光面上に結像させて圧痕像を
読み取り、圧痕像の対角線長を測定し、測定試料の硬度
を算出する全自動硬度測定方式において、 適正倍率の対物レンズを選択したのち、撮像素子の全受
光面をAFエリアとして大まかにオートフォーカスを行
ない、大まかな合焦状態において撮像素子出力を2値化
し、そのデータにより圧痕位置を検索し、検索された圧
痕の回りに圧痕よりもやや大きいAFエリアを再設定し
て精細なオートフォーカスを行い、 精細な合焦状態において、拡大圧痕像よりもやや大きい
領域を測定エリアとして設定し、この測定エリア内のデ
ータに基づき圧痕像の対角線長を測定して、硬度算出を
行なうことを特徴とする硬度測定方法。 - 【請求項2】請求項1記載の硬度測定方法において、 大まかな合焦状態において撮像素子出力を2値化し、走
査方向において最も長く黒領域の続くラスターを選択
し、このラスターにおける黒領域の中心部を圧痕の中心
部とし、この中心部に基づき精細なオートフォーカス用
のAFエリアを圧痕の大きさに応じて設定することを特
徴とする硬度測定方法。 - 【請求項3】請求項1記載の硬度測定方法において、 大まかな合焦状態で撮像素子の全受光面の受光内容を2
値化し、黒領域が圧痕の予想面積±50%の領域を選択
し、 選択された領域の面積の平方根と周囲長の比を識別用の
パラメーターとして正方形に近いパターンを圧痕として
特定し、 特定された圧痕の中心座標を求め、この中心座標の回り
に精細なオートフォーカス用のAFエリアを設定するこ
とを特徴とする硬度測定方法。 - 【請求項4】請求項1または2または3記載の硬度測定
方法において、 測定試料に圧痕を形成したのち、先ず低倍率の対物レン
ズを選択し、大まかなオートフォーカスと精細なオート
フォーカスを行なって、圧痕像の対角線長を測定し、 測定された対角線長が、所定の大きさを有するか否かを
判定し、上記対角線長が上記所定の大きさを持たないと
き、上記選択された対物レンズより高倍率の対物レンズ
を選択し、上記大まかなオートフォーカスから対角線長
の長さ判定に到るプロセスを繰り返して、適正倍率の対
物レンズを選択することを特徴とする硬度測定方法。 - 【請求項5】請求項4記載の硬度測定方法において、 高倍率の対物レンズの選択が行なわれるとき、測定試料
の位置を調整することを特徴とする、硬度測定方法。 - 【請求項6】請求項1または2または3または4または
5記載の硬度測定方法において、 大まかなオートフォーカスを行なった後、測定試料位置
を調整してから、精細なオートフォーカス用のAFエリ
アを設定することを特徴とする硬度測定方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4007658A JP2695338B2 (ja) | 1992-01-20 | 1992-01-20 | 硬度測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4007658A JP2695338B2 (ja) | 1992-01-20 | 1992-01-20 | 硬度測定方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05196563A JPH05196563A (ja) | 1993-08-06 |
JP2695338B2 true JP2695338B2 (ja) | 1997-12-24 |
Family
ID=11671921
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4007658A Expired - Fee Related JP2695338B2 (ja) | 1992-01-20 | 1992-01-20 | 硬度測定方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2695338B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5777957B2 (ja) * | 2011-07-05 | 2015-09-16 | 株式会社ミツトヨ | 硬さ試験機、及び硬さ試験方法 |
JP2017223444A (ja) * | 2016-06-13 | 2017-12-21 | 株式会社ミツトヨ | 硬さ試験機及び硬さ試験方法 |
JP2018165643A (ja) * | 2017-03-28 | 2018-10-25 | 株式会社ミツトヨ | 硬さ試験機及びプログラム |
-
1992
- 1992-01-20 JP JP4007658A patent/JP2695338B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH05196563A (ja) | 1993-08-06 |
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---|---|---|---|
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