JP3424407B2 - 押込型硬度計 - Google Patents
押込型硬度計Info
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Description
計あるいはヌープ硬度計などの四角錐形の圧子を試料の
表面に押し込むことにより付与した窪みの大きさと圧子
の押し込み荷重とから試料の硬度算定を行う押込型硬度
計に関し、特に圧子で試料の表面に付けた窪みの辺おの
おのの近似線を正確に求めるための技術に関する。 【0002】 【従来の技術】押込型硬度計の場合、四角錐形の圧子を
試料の表面に押し込んで四角形の窪み(圧痕)をつけて
から窪みの対角線寸法を求めた後、圧子の押し込み荷重
と窪み対角線寸法とから試料の硬度を算定するという構
成である。従来の押込型硬度計では、最終的な試料硬度
算定に用いられる窪み対角線寸法は下記のようにして求
められる。押込型硬度計に設けられているCCDカメラ
が試料の表面から四角形の窪みの光学画像を検出する一
方、この光学画像の窪み輪郭に沿って並び連なる画素の
位置情報を利用して四角形の窪み辺おのおの(4つの
辺)についての近似線を求め、さらに近似線の交点を算
出し窪み頂点の位置として決定した後、対面する交点同
士の交点間距離を算出すれば、これが窪み対角線寸法と
なる。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
押込型硬度計には、試料の表面状況によっては十分な測
定精度が得られないという問題がある。試料の表面に研
磨傷や粒塊などがあったりすると、試料硬度算定用とし
ての窪み対角線寸法が正確に求まらず、測定精度の低下
が起こるのである。すなわち、CCDカメラで捉えた窪
み画像(窪みの画像)では、窪みの内側が暗く、それ以
外の試料の表面(背景)が明るい画像となっており、こ
のような明るさの差から、窪みの輪郭の検出が可能とな
り、通常、窪みの輪郭の各辺は概ね真っ直ぐな線とな
る。試料の表面に傷や粒界が存在すると、これらの影響
で窪みの輪郭部分に窪みの内側と同じ程度の明るさを持
つ影が現れることがあり、このような場合には、図8に
示すように、窪み画像の窪みKの輪郭に突出部Gが現れ
る。そして、図9に示すように、窪みKの輪郭に沿って
並び連なる幾つかの画素(小丸で示す)を選定し、各辺
ごとの選択画素群の位置情報(座標)それぞれに最小2
乗法を適用して4つの近似直線Lb1〜Lb4を作成す
るのであるが、突出部Gのあるとこでは、近似直線Lb
1が実際に圧子がつけた辺La1より大きく外側にずれ
る。その結果、近似直線Lb1,Lb2の交点m1は窪
み画像の本来の頂点M1から大きく外れる他、近似直線
Lb1,Lb3の交点m2も窪み画像の本来の頂点M2
から大きく外れることになるため、近似直線の交点間距
離を求めても、実際の窪み対角線寸法からは離れた値と
なってしまう。 【0004】この発明は、上記の事情に鑑み、試料の表
面の傷などの表面の不整状況に原因して起こる硬度測定
精度の低下が解消される押込型硬度計を提供することを
目的とする。 【0005】 【課題を解決するための手段】この発明は、このような
目的を達成するため、次のような構成をとる。すなわ
ち、この発明は、試料の表面に四角錐の圧子を押し込ん
で窪みをつける窪み付与手段と、前記試料の表面から四
角形の窪みの光学画像を検出する画像検出手段と、この
画像検出手段で検出された光学画像の窪み輪郭に沿って
並び連なる画素の位置情報を利用して窪み辺おのおのの
近似線を求める近似線作成手段と、この近似線作成手段
により求めた近似線の各交点を利用して試料の硬度を算
定する硬度算定手段を備えた押込型硬度計において、前
記近似線作成手段は、窪み辺についての複数個の画素か
ら1つの画素を除いた残りの複数個の画素についての相
関係数を、複数個の画素全てについて同様にそれぞれ求
め、それらの相関係数に基づいて、並びから最も外れて
いる画素から順に取り除いていくようにして、近似線の
作成に用いる各画素について並びからの外れ度合を評価
し、外れ度合の大きな画素を除いた各画素の位置情報に
基づき近似線の画定を行う構成となっている。 【0006】 【作用】この発明の押込型硬度計での試料の硬度測定の
際の作用は次のとおりである。試料の硬度測定にあたっ
ては、先ず、画像検出手段が試料の表面より四角形の窪
みの光学画像を検出する。そして、近似線作成手段が、
画像検出手段によって検出された光学画像の窪み輪郭に
沿って並び連なる画素群の内、並びからの外れ度合が一
定以上の画素を除外して残りの画素群の位置情報に基づ
いて近似線の画定を行う。つまり、この発明によれば、
並びからの外れ度合が小さくて窪み辺(輪郭)を正しく
示す可能性の高い画素の位置情報だけに基づいて近似線
が画定されるのである。近似線の画定に続いて、硬度算
定手段が、近似線の各交点を先ず求めてから、さらに求
めた交点を利用して、窪み対角線寸法を求めた後、圧子
の押し込み荷重と窪み対角線寸法とから試料の硬度を算
定することになる。 【0007】 【発明の実施の形態】続いて、図面を参照しながら、こ
の発明の一実施例を説明する。図1は、実施例に係る押
込型硬度計(以下、「硬度計」と略記する)の全体構成
をあらわすブロック図である。実施例の硬度計では、試
料台1に載せられた試料Sの表面にダイヤモンド製の四
角錐の圧子2が押し込まれることで窪みが付与される。
試料台1は前後・左右動可能なX−Yステージで構成さ
れている。試料Sの表面への圧子2の押し込みは、荷重
制御部3の制御により設定荷重が付加された圧子2が下
方へ移動して、試料Sの表面に押し当てられることでな
される。 【0008】試料Sの表面に窪みが付与された後、レボ
ルバー4の切替により圧子2が対物レンズ5と交換され
ると、CCDカメラ(画像検出手段)6が試料Sの表面
から四角形の窪みの光学画像(例えば、400倍くらい
の拡大像)を検出する。ビッカース硬度計の場合は、圧
子2が正四角錐であり、窪みの光学画像は略正方形とな
る。一方、ヌープ硬度計の場合は、圧子2がやや細長い
四角錐であり、窪み光学画像は細長い菱形となる。以
下、ビッカース硬度計の場合を例に採って説明する。C
PU8は、主記憶メモリ9に格納されている制御プログ
ラムに従って、硬度計全体の機械的・電気的動きをコン
トロールしたり、後ほど詳述するように硬度算定に必要
な信号処理や計算処理を行ったりするものである。 【0009】CCDカメラ6の検出信号は、A/D変換
器10で濃淡階調段数256段(8ビット)のディジタ
ル信号に変換されてから多値画像メモリ11に格納され
る。一方、2値画像メモリ12は、一定のスレッショル
ドレベル(閾値)を越える画像信号(窪みの外側)は
「1(明部)」、スレッショルドレベル(閾値)以下の
画像信号(窪みの内側)は「0(暗部)」として、TV
モニタ14上での明と暗に対応する2値で窪み光学画像
(2値画像)を記録するものであり、窪みを背景から抽
出するようなかたちとなる。多値画像メモリ11に記憶
された各画素信号の「1」、「0」の振り分け処理(2
値化処理)はCPU8で行われる。図2は、2値画像の
一例をあらわす模式図である。 【0010】2値画像が得られると、2値画像の窪みの
辺に対応した4つの近似線を作成するために、窪み輪郭
に沿って並び連なる画素を必要個数だけ選定して候補点
メモリ13に格納する。つまり、図3に示すように、2
値画像の輪郭にあたる画素を取り出して候補点メモリ1
3に納めることになる。なお、図3では、窪みの辺に沿
って全ての画素を選定した(勿論全てを選定するような
場合もあり得る)ように示されているが、通常は画素を
飛び飛びに選定することになる。選定個数は、例えば、
1辺あたり100〜200個程度である。多値画像や2
値画像の各画素には、画像上での位置に応じて2次元x
−y直交座標系での座標位置(位置情報)がそれぞれ付
随するかたち(例えばメモリの番地と座標が対応するか
たち)で記憶される。 【0011】また、TVモニタ14は各メモリ11,1
2に記憶されている画像などを画面上に表示したり、各
種の設定や操作用の画面を表示したりするものであり、
プリンタ15は、試料Sの硬度などを印刷出力するもの
である。 【0012】続いて、この発明で特徴的な構成である近
似線作成手段を始めとして、その後に続く硬度算定手段
を説明する。近似線作成手段は、近似直線を作成画定す
るものであり、硬度算定手段は、近似線の交点の算出や
窪み対角線寸法の算出に続いて試料の硬度を算定するも
のであり、CPU8と主記憶メモリ9に格納されている
制御プログラム等で構成されている。 【0013】以下、候補点メモリ13には、図8に示す
窪み光学画像に基づく2値画像から近似直線作成用の画
素が候補点として選定され、図4に示すように、候補点
P1〜P9,Q1〜Q9,R1〜R9,S1〜S9が2
次元x−y直交座標系と対応づけられて記憶されている
ものとする。ここでは、各辺につき9個(両端は重複す
る)づつの候補点が選定されている。 【0014】なお、候補点P1〜P9,Q1〜Q9,R
1〜R9,S1〜S9の選定は下記のようにしてなされ
る。図6に示すように、窪みKの2値画像(便宜上、図
6では輪郭のみを図示)上で、窪みKの中心に位置する
候補点の選定のための基準点16を中心に縦線V0およ
び横線H0が設定され、続いて、縦線V0の左右に複数
の縦線V1,…と、横線H0の上下に複数の横線H1,
…とが適当な間隔で設定される。縦線V0,V1,…お
よび横線H0,H1…と輪郭とが交差する(黒小丸で示
す)各候補点がCPU8で自動的に読み取られて候補点
P1〜P9,Q1〜Q9,R1〜R9,S1〜S9とし
て選定・記憶される。予め試料の表面に窪みを付けると
きの圧子2の中心とCCDカメラ6によって検出される
光学画像の中心が一致するように調整しておくことによ
って、2値画像メモリ上で固定された基準点16と窪み
Kの2値画像の中心とを一致させることができる。 【0015】近似線作成手段は、4つの窪み辺について
の近似直線を下記のようにして画定する。まず、候補点
P1〜P9を用いて1つの近似直線を求める。候補点P
1,P2,P4,P6,P8,P9は実際の窪みの縁に
沿って並び連なる候補点(画素)であり、試料表面の傷
などに起因した候補点P3,P5,P7は並びから大き
く外れており、外れ度合は候補点P7が最も大きくて、
候補点P5の外れ度合がその次に大きく、候補点P3の
外れ度合は比較的小さい。図5に示すように、候補点P
1〜P9は、2次元x−y直交座標系の座標を伴って記
憶されており、この座標に基づいて、各候補点P1〜P
9について並びからの外れ度合を以下のようにして評価
する。 【0016】候補点P1〜P9のうちのひとつの候補点
Pi(i=1〜9)を除外し、残りの8個の候補点につ
いての並びからの外れ度合を、次に示す相関係数の絶対
値で表す。相関係数γは、γ=Sxy/(Sxx・Syy)
1/2 で表される値である。 但し、Sxx=Σx2 −(Σx)2 /n :(今はn=
8) Syy=Σy2 −(Σy)2 /n :(今はn=8) Sxy=Σxy−Σx・Σy/n :(今はn=8) x,yは残り8個の候補点の2次元x−y直交座標系で
のx座標値,y座標値である。 【0017】一つの候補点Piを除いた8個の候補点に
ついての相関係数の示す意味は、候補点Piを除いた8
個の候補点についての一次元方程式への乗り具合、つま
り候補点Piを除いた時の8個の候補点がどれだけ真っ
直ぐ並んで連なっているかを示すものである。相関係数
γは−1以上、+1以下の間の値であり、相関係数γの
絶対値が1に近いほど並びがよくなる。ちなみに相関係
数の絶対値が1のときは、8個の候補点全部が1本の一
次元方程式(直線)に乗ることになる。候補点P1〜P
9を順に除いたときに得られる9個の相関係数γの絶対
値の中で、候補点P7を外した時の相関係数の絶対値が
最も大きいことになる。つまり候補点P7が連なりから
最も外れているため、これが抜けているときが他の候補
点が抜けている場合よりも真っ直ぐに並んでいる程度が
高いからである。したがって、この並びから最も外れて
いる候補点P7が最初に候補から外れることになる。 【0018】次に、候補点P1〜P9のうちより候補点
P7を除いた残り8個の候補点の場合について、上と同
じようにして順に一つの候補点を除いて8個の相関係数
を求める。候補点P5が並びから最も外れており、これ
が抜けているときが相関係数の絶対値が最大となるの
で、この場合は、候補点P5を候補から外す。 【0019】続いて、候補点P1〜P9のうちより候補
点P7,P5を除いた残り7個の候補点について、上と
同じようにして7個の相関係数を求める。候補点P3が
並びから最も外れており、これが抜けているときが相関
係数の絶対値が最大となるから、この場合は、候補点P
3を候補から外す。 【0020】さらに、候補点P1〜P9のうちより候補
点P7,P5,P3を除いた6個の候補点の場合につい
て、上と同じようにして相関係数を求めると、絶対値1
に近い値となる。残りの候補点は全て窪みの辺に位置し
ていて、一本の直線上に並び連なる状態であるからであ
る。したがって、除外すべき候補点はないので、この時
の候補点P1,P2,P4,P6,P8,P9に対して
最小2乗法を適用して求めた直線を、近似直線LB1と
して画定する。 【0021】上記のように、候補点Piの並びからの外
れ度合を相関係数を求めることで評価し、並びからの外
れ度合の最も大きな候補点を外して、再び同じことを繰
り返し、並びからの外れ度合の大きな候補点から順に候
補から除外してゆく処理を行うのである。通常、相関係
数の絶対値が1(1に極く近い値でもよい)となるか、
あるいは残りの候補点の個数が予め定められた個数(例
えば、当初の候補点の個数の半分の個数)に達するかの
いずれか一方が成立するまで処理を繰り返す。そうすれ
ば、並びからの外れ度合の大きな候補点は除かれ、並び
のよい残りの候補点だけに基づいて正確に近似直線を画
定することができる。ちなみに、図5に示すように、9
個の候補点P1〜P9の全てに最小2乗法を適用して求
めた近似直線LB0は、実際の窪みの辺から大きく外れ
してまうが、この発明による近似直線LB1は実際の窪
みの辺とよく一致したものとなるのである。 【0022】次に、候補点Q1〜Q9に対して同様に相
関係数を求めて並びからの外れ度合を評価する。図4に
示した例では候補点Q1〜Q9は全て窪みの辺に位置し
ており、一本の直線上に並び連なる状態であるから、各
評価値γの絶対値は1に近い値となり、直ちに、候補点
Q1〜Q9の全てが乗る近似直線LB2が画定する。以
下、同様にして、候補点R1〜R9に対しても、並びか
らの外れ度合が評価されて、近似直線LB3が画定す
る。最後に、候補点R1〜R9に対しても、並びからの
外れ度合が評価されて、近似直線LB4が画定し、4つ
の近似直線が全部求まることになる。 【0023】引き続いて、硬度算定手段が、求められた
4つの近似直線LB1〜LB4の交点を算出して各交点
座標を四角形の窪み光学画像の4個の頂点M1〜M4の
座標と決定するとともに、向かい合う頂点同士の頂点間
距離を算出する。ふたつの頂点の座標と画像倍率などを
勘案して、頂点間距離を算出することになる。向かい合
う頂点は2組(M1−M3,M2−M4)あって、ふた
つの頂点間距離d1,d2が求まるから、さらに平均値
を算出して、これを窪み対角線寸法dとする。 【0024】最後に、硬度算定手段は、以上のようにし
て求めた窪み対角線寸法dと押し込み制御部3から送ら
れてきた押し込み荷重Fとを、次の式(A)に当てはめ
て試料Sの硬度HVを算定する。 硬度HV=0.1891E/d2 …(A) 算定された硬度HVは(必要に応じて対角線寸法dや荷
重Fと共に)、プリンタ15から印刷出力されることに
なる。 【0025】続いて、実施例の硬度計による硬度測定動
作を、測定の流れを示す図7を参照しながら説明する。 〔ステップS1〕 試料Sの表面に圧子2を押し込み窪
みKを付与したあと、圧子2を対物レンズ5に変えてか
ら、CCDカメラ6により試料Sの表面から窪み光学画
像を検出する。 【0026】〔ステップS2〕 窪み光学画像の(ディ
ジタル)多値画像信号を多値画像メモリ11に格納した
後、続いて、(ディジタル)2値画像信号を2値画像メ
モリ12に格納する。 【0027】〔ステップS3〕 候補点メモリ13に候
補点P1〜P9,Q1〜Q9,R1〜R9,S1〜S9
を選定・記憶する。 【0028】〔ステップS4〕 候補点P1〜P9の並
びからの外れ度合の評価を行うために相関係数γを算出
し絶対値を出す。 【0029】〔ステップS5〕 相関係数γの絶対値が
1であるか否か、または、残りの候補点の数が半数とな
ったか否かをチェックする。 【0030】〔ステップS6〕 相関係数γの絶対値が
1でなく、かつ、残りの候補点の数が半数となっていな
ければ、外れ度合の最も大きい候補点を除いて、残りの
候補点についてスッテプS4以下を繰り返す。 【0031】〔ステップS7〕 相関係数γの絶対値が
1であるか、または、残りの候補点の数が半数となった
のであれば、残りの候補点に基づき、近似直線を画定す
るようにする。 【0032】〔ステップS8〕 候補点Q1〜Q9、候
補点R1〜R9および候補点S1〜S9についてステッ
プS4〜S7の過程を経て残る3つの近似直線を、同様
にして画定する。 【0033】〔ステップS9〕 4つの近似直線LB1
〜LB4の交点を算出し、交点の座標を窪みの4つの頂
点M1〜M4の位置と決定する。 【0034】〔ステップS10〕 頂点M1,M3の間
の距離(頂点間距離d1)および頂点M2,M4の間の
距離(頂点間距離d2)のふたつを求めて、さらに平均
値を算出し、これを窪み対角線寸法dとする。 【0035】〔ステップS11〕 押し込み荷重Fと窪
み対角線寸法dより試料Sの硬度HVを算定してプリン
タ15より出力する。 【0036】この発明は、上記実施例に限られるもので
はなく、例えば、以下のように変形実施することが可能
である。 (1) 実施例は、相関係数を利用して並びからの外れ
度合を評価する構成であったが、並び連なる全ての候補
点に対して最小2乗法を適用して仮近似直線を出し、各
候補点と仮近似直線の距離を算出し、距離の大小で外れ
度合を評価する構成であってもよい。最も距離の大きい
候補点を外れ度合最大として除き、残りの候補点に対し
て同じ処理を繰り返す。残りの候補点の数が所定個数以
下となったり、候補点と仮近似直線の最大距離が所定距
離以下となった時点で処理を終わり、その時点での仮近
似直線を本近似直線と画定する。 【0037】(2) 実施例では、4つの近似直線の交
点を窪みの4つの頂点としたが、4つの近似直線の交点
を窪みの4つの頂点に近い仮の頂点として用いる一方、
別途に窪みの頂点形状のパターンを何種類か予め記憶し
ておいて、前記各仮の頂点の近傍領域内で各頂点形状パ
ターンと前記近傍領域内の窪みの多値画像とのマターン
マッチング処理を行い、そのマッチングした位置に基づ
いて窪みの4つの頂点を確定するという構成のものでも
よい。つまり、4つの近似直線の交点をそのまま窪みの
4つの頂点とする構成に限らず、上記のようにして求め
た4つの近似直線を使って試料の硬度を算定する構成で
あれば、この発明の範囲である。 【0038】 【発明の効果】以上の説明から明らかなように、この発
明の押込型硬度計によれば、窪み辺を正しく示す可能性
の高い画素だけに基づいて正確な近似線が画定されるた
め、試料の表面の傷など表面状況に左右されずに、試料
の硬度が正確に求まるようになり、硬度測定精度を向上
させることができる。
ク図である。 【図2】2値画像を模式的に示す説明図である。 【図3】候補点メモリへ記憶した2値画像を説明するた
めの模式図である。 【図4】全候補点および全近似直線を示す模式図であ
る。 【図5】近似直線一本分の候補点とひとつの近似直線を
示す模式図である。 【図6】候補点の選定操作を説明するための模式的平面
図である。 【図7】実施例での硬度測定動作の流れを示すフローチ
ャートである。 【図8】試料の表面に付与された窪み例を示す平面図で
ある。 【図9】従来例における近似直線を示す模式図である。 【符号の説明】 1…試料台 2…圧子 6…CCDカメラ 8…CPU 13…候補点メモリ K…窪み LB1…近似直線 LB2…近似直線 LB3…近似直線 LB4…近似直線 S…試料
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 試料の表面に四角錐の圧子を押し込んで
窪みをつける窪み付与手段と、前記試料の表面から四角
形の窪みの光学画像を検出する画像検出手段と、この画
像検出手段で検出された光学画像の窪み輪郭に沿って並
び連なる画素の位置情報を利用して窪み辺おのおのの近
似線を求める近似線作成手段と、この近似線作成手段に
より求めた近似線の各交点を利用して試料の硬度を算定
する硬度算定手段を備えた押込型硬度計において、前記
近似線作成手段は、窪み辺についての複数個の画素から
1つの画素を除いた残りの複数個の画素についての相関
係数を、複数個の画素全てについて同様にそれぞれ求
め、それらの相関係数に基づいて、並びから最も外れて
いる画素から順に取り除いていくようにして、近似線の
作成に用いる各画素について並びからの外れ度合を評価
し、外れ度合の大きな画素を除いた各画素の位置情報に
基づき近似線の画定を行う構成となっていることを特徴
とする押込型硬度計。
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