JP3367297B2 - 押込型硬度計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】この発明は、ビッカース硬度
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と圧子の押し込
み荷重とに基づいて試料の硬度算定を行う押込型硬度計
に関し、特に最終的な試料硬度算定に用いる窪み対角線
寸法（窪みの対角線長さ）の精度を向上させるための技
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
から窪み対角線寸法を求めた後、圧子の押し込み荷重と
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
の表面より四角形の窪み光学画像を検出する一方、ＣＣ
Ｄカメラからの映像信号を利用して四角形の窪みの各辺
についての近似線をおのおの求め、さらに近似線の交点
を窪み頂点の位置として算出決定した後、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。このようにして、押込型硬度計では試料の硬度
が自動的に計れるため有用性が高い。 【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
磨傷があったり、あるいは、試料の材質によっては生成
粒界の粒径等に起因して試料の表面に局所的な性状変化
が生じたりして、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、従来の技術では、ＣＣＤカメラで検出さ
れた光学画像上で、窪みが窪み以外の試料の表面（背
景）に比べて暗くなると言う特性を利用して、窪みと背
景の境界を検出して、この検出された境界をもとに、窪
みの各辺毎に近似線を求めている。このために、図９に
示すように、試料の表面に窪みＫの縁に達する、窪みと
同じ程度の明るさを示す傷Ｇがある場合には、従来の技
術では、傷Ｇも窪みの一部として捉えてしまうことか
ら、実際の辺ＬＡ１，ＬＡ２とその近似直線ＬＢ１，Ｌ
Ｂ２の間の差が大きくなり、近似直線ＬＢ１，ＬＢ２の
交点ｍが窪みの頂点Ｍの位置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る。また、試料の材質に
よってはミクロな性状変化が表面に生じたりして試料の
表面の窪み形状に歪みが生じる。通常、窪みの大きさは
一辺が数１０μｍ前後の小さなものであり、窪みの形状
は試料表面のミクロな性状変化に左右され易く常に一定
というわけではないのである。図１０に示すように、窪
みＫの形状に歪みが生じると、窪みＫの実際の辺ＬＡ
１，ＬＡ２それぞれの近似直線ＬＢ１，ＬＢ２の交点ｍ
と実際の窪みの頂点Ｍの間に大きな位置ズレが生じるた
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る。 【０００４】この発明は、上記の事情に鑑み、試料の表
面の傷やミクロな性状変化など表面状況に起因する測定
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、この発明に係る押込型硬度計は、試料の表面に四角
錐の圧子を押し込んで窪みをつけるための窪み付与手段
と、前記試料の表面から四角形の窪み光学画像を検出す
るための画像検出手段、および、前記画像検出手段から
の画像信号に基づいて決定された窪み頂点の位置から窪
み対角線寸法を算出する寸法算出手段を備えるととも
に、前記圧子の押し込み荷重と前記窪み対角線寸法とよ
り試料の硬度を算定するように構成された押込型硬度計
において、窪み頂点箇所の異なる形状おのおのに対応す
る複数の仮想形状パターンを予め記憶するパターン記憶
部と、窪み光学画像の頂点箇所に対する仮想形状パター
ンの一致度を評価する一致度評価手段と、この一致度評
価手段の評価結果に従って窪み対角線寸法算出のための
窪み頂点の位置決定を行う頂点位置決定手段を備えてい
る構成をとっている。 【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
み光学画像を検出する。一方、パターン記憶部は、窪み
頂点箇所の異なる形状おのおのに対応する複数の仮想形
状パターンを予め記憶している。そして、一致度評価手
段が、窪み光学画像の頂点箇所に対する仮想形状パター
ンの一致度を評価する。つまり窪み光学画像の頂点箇所
に仮想形状パターンを当ててみて合うかどうかチェック
する。この一致度の評価に続いて、頂点決定手段が、一
致度評価手段の評価結果に従って、つまり当ててみてよ
く合った仮想形状パターンが窪み光学画像の頂点箇所を
形成するものと見なして、窪み対角線寸法算出のための
窪み頂点の位置決定を行う。 【０００７】したがって、この発明の押込型硬度計の場
合、窪み光学画像の広範な範囲の部分に着目して窪み頂
点の位置決定を行う従来の方式とは異なり、窪み光学画
像の頂点箇所という狭い限られた部分だけに着目して窪
み頂点の位置決定を行う方式であることになる。又、こ
の発明の押込型硬度計の場合、窪み光学画像の形状を近
似線を用いて間接的に調べて窪み頂点の位置決定を行う
従来の方式とは異なり、窪み光学画像の頂点箇所の形状
そのものを直接的に調べて窪み頂点の位置決定を行う方
式でもある。 【０００８】 【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。図２は仮想形状パターン
を模式的にあらわす説明図である。実施例の硬度計で
は、試料台１に載せられた試料Ｓの表面にダンヤモンド
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・左右および上下の動きが可能で
ある。圧子２の試料Ｓの表面への押し込みは、荷重制御
部３の制御に伴い、圧子２に加える荷重を切り換えて、
所望の荷重を圧子２に加えた後に、圧子２を試料２の表
面に降下させることでなされる。 【０００９】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
より四角形の窪み光学画像（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、窪み光学画像は正方形となる。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として説明する。ＣＰＵ８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。 【００１０】ＣＣＤカメラ６の検出信号は、Ａ／Ｄ変換
器１０でディジタル信号に変換されてから、濃淡階調段
数が２５６ある多値式画像メモリ１１に格納される。つ
まり、多値式画像メモリ１１は多値でもって窪み光学画
像（多値画像）を記憶するものである。一方、２値式画
像メモリ１２は、一定のスレッシュレベルを越える画像
信号（窪み外）は「１」、スレッシュレベル以下の画像
信号（窪み内）は「０」として、２値で窪み光学画像
（２値画像）を記録するものである。多値式画像メモリ
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。 【００１１】仮想パターンメモリ（パターン記憶部）１
３は、窪み頂点箇所の異なる形状おのおのに対応する複
数の仮想形状パターンを予め記憶するものである。実施
例の場合、図２に示すように、９種類の仮想形状パター
ン（ａ）〜（ｉ）が記憶されている。パターン（ａ）：
左右に押し広げられた形状，パターン（ｂ）：左は押し
広げられ右は正規のままの形状，パターン（ｃ）：左は
押し広げられ右は押し縮められた形状，パターン
（ｄ）：左は正規のままで右は押し広げられた形状，パ
ターン（ｅ）：左右とも正規のままの形状，パターン
（ｆ）：左は正規のままで右は押し縮められた形状，パ
ターン（ｇ）：左は押し縮められ右は押し広げられた形
状，パターン（ｈ）：左は押し縮められ右は正規のまま
の形状，パターン（ｉ）：左右ともに押し縮められた形
状になっており、真ん中の一番突出したところが各仮想
形状パターンにおける頂点ｍａである。 【００１２】また、ＴＶモニタ１４は各メモリ１１〜１
３に記憶されている画像やパターンを画面上に表示した
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。 【００１３】続いて、この発明で特徴的な構成である一
致度評価手段、頂点位置決定手段、および、寸法算出手
段を説明する。一致度評価手段は窪み光学画像の頂点箇
所に対する仮想形状パターンの一致度を評価するもので
あり、頂点位置決定手段は、窪み対角線寸法算出のため
の窪み頂点の位置決定を行うものであり、寸法算出手段
は窪み対角線寸法を算出するものであり、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。まず、図３に示すように、２値式画像メモ
リ１２に記憶された四角形の２値画像の各辺ＬＡ１〜Ｌ
Ａ４についての近似直線ＬＢ１〜ＬＢ４を窪みＫの境界
に位置する「０」信号の座標に最小２乗法を適用して求
めた後、各近似直線ＬＢ１〜ＬＢ４の４つの交点（座
標）Ｍａ〜Ｍｄを求める。 【００１４】次に、図４に示すように、多値式画像メモ
リ１１において、上で求めた２値画像上の４つの交点Ｍ
ａ〜Ｍｄと対応する点（座標）ｍ１〜ｍ４を求める。点
ｍ１〜ｍ４は四角形の多値画像の頂点付近にはあるか
ら、これを仮頂点とする。そして、仮頂点である点ｍ１
〜ｍ４を中心として窪み頂点箇所を囲む４つの頂点区画
Ｐ１〜Ｐ４を設定する。なお、図４では多値画像の境界
を明瞭にあらわして示してあるが、実際の多値画像は２
値画像ほど境界は明瞭でなく幾分ぼやけた感じとなるの
が普通である。４つの頂点区画Ｐ１〜Ｐ４のうちのひと
つ頂点区画Ｐ１を選んで、図５に示すように、頂点区画
Ｐ１に対し、仮想形状パターンのうちのひとつ仮想形状
パターンｅを画素同士対応で当てはめる。詳細には、図
６に示すように、細線が頂点区画Ｐ１での画素を、太線
が仮想形状パターンｅの画素を示し、太線のところでは
両画素が重なっていることになる。そして、窪み光学画
像の頂点箇所に対する仮想形状パターンｅの一致度を次
のようにして評価する。仮想形状パターンｅの各画素の
外側（図６では上側）に位置する多値画像の画素の信号
強度Ａ１〜Ａ９と、仮想形状パターンの各画素の内側
（図６では下側）に位置する多値画像の画素の信号強度
ａ１〜ａ９の差（画面で言うと明るさの差）を算出し
て、これらを加算したものを評価値Ｅ１とする。すなわ
ち、ｉは１〜９として、Ｅ１＝Σ（Ａｉ−ａｉ）という
計算を行うのである。評価値Ｅ１を求めたら、仮想形状
パターンを例えば１画素分ずらして同様にして評価値Ｅ
２、評価値Ｅ３…と順に求めてゆく。 【００１５】試料Ｓの表面の窪みのところはそれ以外よ
りも信号強度が低い（暗い）。したがって、仮想形状パ
ターンｅが丁度、多値画像の頂点箇所と完全に一致した
場合に、仮想形状パターンｅの外側と内側の画素の信号
強度差（明るさの差）が最も大きく、評価値は最大とな
る。完全に一致しなくても、一致度が高いほど評価値は
大きくなる。つまり、評価値Ｅ１，Ｅ２，…のうち最大
のものが最もよく一致しているのであり、その評価値
と、仮想形状パターンの頂点ｍａの多値画像上での位置
（座標）を記憶する。そして、仮想形状パターンを変更
して同じことを繰り返し、図２に示す９個の仮想形状パ
ターンのそれぞれの最も高い評価値を求め、さらにその
うちの最大の値の評価値を最高の一致を示すものとして
選定する。次に、最高の一致を示す評価値となった仮想
形状パターンの頂点ｍａの多値画像上での位置（座標）
を頂点区画Ｐ１の真の頂点Ｍ１の位置（座標）として決
定する。頂点Ｍ１の位置が決まると、頂点区画を変えて
同じことを行う。勿論、頂点箇所の向き（角の向き）が
９０°，１８０°，２７０°と順次回転するかたちとな
るため、仮想形状パターンの向きないし頂点区画の向き
を信号処理で回転させて角度あわせをしておいてから、
残りの頂点区画Ｐ２〜Ｐ４の真の頂点Ｍ２〜Ｍ４の位置
（座標）を決定してゆく。 【００１６】こうして、四角形の窪み光学画像の４個の
頂点Ｍ１〜Ｍ４の座標が決定すると、寸法算出手段が、
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。向かい合う頂点は２組（Ｍ１−Ｍ３，Ｍ２−Ｍ
４）あって、頂点間距離はふたつ求まるから、距離の平
均値を算出して、これを窪み対角線寸法ｄとする。 【００１７】最後に、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、下記式に当てはめて試料Ｓの硬度ＨＶを算
定する。 硬度ＨＶ＝０．１８９１Ｆ
／ｄ² 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。 【００１８】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８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の表面より窪み光学画
像を検出する。 【００１９】〔ステップＳ２〕 （ディジタル）多値画
像信号を多値式画像メモリ１１に格納し多値画像を記憶
した後、続いて、（ディジタル）２値画像信号を２値式
画像メモリ１２に格納し２値画像を記憶する。 【００２０】〔ステップＳ３〕 ２値画像信号を用いて
近似直線を求めたあと、２値画像での頂点である近似直
線の交点Ｍａ〜Ｍｄを求める。 【００２１】〔ステップＳ４〕 多値画像において、２
値画像での交点Ｍａ〜Ｍｄに対応する点ｍ１〜ｍ４を求
めて仮頂点とするとともに、仮頂点を中心とする４つの
頂点区画Ｐ１〜Ｐ４を設定する。 【００２２】〔ステップＳ５〕 頂点区画Ｐ１の窪み頂
点箇所に対する仮想形状パターンの一致度を評価する。
一番高い評価値となる時の仮想形状パターンの頂点ｍａ
を多値画像の頂点Ｍ１の位置（座標）と決定する。同様
にして、他の３つの多値画像の頂点Ｍ２〜Ｍ４の位置
（座標）を決定する。 【００２３】〔ステップＳ６〕 頂点Ｍ１，Ｍ３間距離
および頂点Ｍ２，Ｍ４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。 【００２４】〔ステップＳ７〕 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。 【００２５】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） 実施例では、多値画像を用いて窪み光学画像の
頂点箇所に対する仮想形状パターンの一致度を評価する
構成であったが、２値画像を用いて窪み光学画像の頂点
箇所に対する仮想形状パターンの一致度を評価する構成
でもよい。ただ、多値画像から２値画像に変換した場
合、画像の状態によっては、画像の大きさや頂点箇所の
形状変化が生じることがあるため、多値画像を用いる構
成の方が優れる。 【００２６】（２）実施例で窪みの４つの仮想頂点にそ
れぞれ区画を設定したのは、仮想形状パターンの一致度
を評価する領域を限定して処理効率を上げるためであ
る。したがって、処理効率が特に問題とならない場合
は、上記のような区画を設定することなく多値画像の全
領域について一致度を評価してもよい。 【００２７】（３） 窪み頂点箇所の異なる形状おのお
のに対応する複数の仮想形状パターンとして、図２に示
すものではなく、図７に示す３種類のものを用いてもよ
い。図２の９個の各パターンも図７に示すパターン（お
よび左右転写パターン）の組み合わせである。図７に示
す３種類のパターンそれぞれの左右転写パターンは、予
め記憶しておかなくても、図７に示す３種類のパターン
に対する信号処理で得ることも可能である。図７に示す
パターンからひとつの頂点区画の各頂点箇所の左辺側に
よく一致するパターンを見つけるとともに、図７に示す
パターンの左右反転パターンからひとつの頂点区画の各
頂点箇所の右辺側によく一致するパターンを同じように
して見つけたあと、両者を組み合わせたパターン（図２
に示すパターンの一つとなる）とし、これのみについて
頂点箇所の対応を評価して一致する位置を見つける構成
としてもよい。同様の結果で処理時間の短縮が望める。 【００２８】（４） 実施例では、２値画像を用いて窪
みの境界の位置を求めているが、窪みの境界では、窪み
の内側と外側の明るさが大きく変化するので、多値画像
に例えば微分（差分）処理を施して、微分（差分）値の
絶対値が大きくなる位置を、２値画像を用いずに窪みの
境界として求めて、窪みの各辺の近似直線を求めること
も可能である。 【００２９】（５） 実施例では、ビッカース硬度計と
して説明したが、ヌープ硬度計の場合、２本の対角線の
内、長い方の対角線寸法と圧子に加えた荷重からヌープ
硬さを算出することが可能である。従って、ヌープ硬度
計の場合には、仮想形状パターンをヌープ圧子によって
つけられる菱形の窪みの鋭角となる頂点の形状に合わせ
たものに変更して、実施例と同様な手段を用いて窪みの
鋭角な頂点のみを検出して、長い方の対角線寸法を求め
て、ヌープ硬さの算出を下記の式によって求めるように
変形実施することが可能である。 ＨＫ＝１．４５１Ｆ／ｄ² ＨＫ：ヌープ硬さ Ｆ：荷重（Ｎ） ｄ：長い方の対角線寸法（ｍｍ） 【００３０】 【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、窪み光学画像の頂点箇所と
いう狭い限られた部分だけに着目して窪み頂点の位置決
定を行う方式であり、試料の表面の傷が窪み頂点の位置
決定に関与する余地が事実上なくなる上、窪み光学画像
の頂点箇所の形状そのものを直に調べて窪み頂点の位置
決定を行う方式でもあって、窪みの歪みもそのまま正確
に窪み頂点の位置決定に反映されるため、窪み対角線寸
法が正確に求まるようになることから、試料の表面の傷
やミクロな性状変化など表面状況に起因する測定精度の
低下が解消される。

【図面の簡単な説明】 【図１】実施例の押込型硬度計の全体構成を示すブロッ
ク図である。 【図２】実施例における仮想形状パターンを模式的に示
す説明図である。 【図３】実施例における２値画像を模式的に示す説明図
である。 【図４】実施例における多値画像を模式的に示す説明図
である。 【図５】実施例における多値画像での頂点区画を示す模
式図である。 【図６】頂点区画に仮想形状パターンを当てはめた状態
を模式的に示す説明図である。 【図７】他の実施例における仮想形状パターンを模式的
に示す説明図である。 【図８】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９】試料の表面に付与された窪み例を示す部分平面
図である。 【図１０】試料の表面に付与された他の窪み例を示す部
分平面図である。 【符号の説明】 １…試料台 ２…圧子 ６…ＣＣＤカメラ ８…ＣＰＵ １３…仮想パターンメモリ Ｋ…窪み Ｍ１〜Ｍ４…頂点 Ｓ…試料

Claims (1)

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
   窪みをつけるための窪み付与手段と、前記試料の表面か
   ら四角形の窪み光学画像を検出するための画像検出手
   段、および、前記画像検出手段からの画像信号に基づい
   て決定された窪み頂点の位置から窪み対角線寸法を算出
   する寸法算出手段を備えるとともに、前記圧子の押し込
   み荷重と前記窪み対角線寸法とより試料の硬度を算定す
   るように構成された押込型硬度計において、窪み頂点箇
   所の異なる形状おのおのに対応する複数の仮想形状パタ
   ーンを予め記憶するパターン記憶部と、窪み光学画像の
   頂点箇所に対する仮想形状パターンの一致度を評価する
   一致度評価手段と、この一致度評価手段の評価結果に従
   って窪み対角線寸法算出のための窪み頂点の位置決定を
   行う頂点位置決定手段を備えていることを特徴とする押
   込型硬度計。