JP3849781B2 - 押し込み型硬度計 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、四角錐形状の圧子を所定の荷重のもとに材料表面に押し込み、その圧痕の大きさと押し込み荷重とか等材料の硬さを計測する、ビッカース硬度計やヌープ硬度計等の押し込み型硬度計に関する。
【0002】
【従来の技術】
ビッカース硬度計やヌープ硬度計においては、一般に、四角錐形状の圧子を試料表面に所定荷重のもとに押圧し、試料表面に形成された圧痕の対角線長さと押圧荷重とから、その試料の硬さを求める。
【0003】
従来のこの種硬度計は、圧子の負荷機構と、その圧子による試料表面の圧痕を観察するための観察装置を備えたものが一般的であり、観察装置としては、光学顕微鏡のほか、CCDカメラ等の撮像装置とその出力に基づく画像を表示する表示器などが採用されている。
【0004】
CCDカメラ等の撮像装置を備えたものにおいては、撮像した画像データを用いた画像処理により圧痕の対角線長さを自動的に求めて硬度を算出するものが実用化されている。
【0005】
画像処理により圧痕の対角線長さを自動的に求める従来の硬度計では、圧痕の画像データから圧痕の4辺の境界(輪郭)を抽出し、その各辺の境界を直線近似変換し、これにより得られる圧痕の各辺に相当する直線の交点を圧痕の角隅部としてその座標を求め、その各座標から圧痕の対角線長さを算出する方法が採用されている(例えば特許文献1参照)。
【0006】
また、他の従来の硬度計では、画像処理時間をより短縮化するために、圧痕の画像データを縮小処理し、その縮小された画像から圧痕の4つの角隅部の近傍領域を抽出し、その各角隅部近傍の小領域ごとに2値化などを行い、圧痕の境界(輪郭)を直線近似して角隅部の点の座標を求め、対角線長さを求めている(例えば特許文献2参照)。
【0007】
【特許文献1】
特開平1−312441号公報(第2−4頁,第4図,第5図)
【特許文献2】
特開平7−218410号公報(第3−4頁,図3,図4)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、以上のような画像処理により対角線長さを求める従来の硬度計では、いずれも、基本的には圧痕の境界(輪郭)からその周囲の4辺の全部もしくは一部を抽出し、その各辺から4つの角隅部の座標を求めている。この方式は、被測定試料が金属などの表面の反射率の高い材料の場合においては、図5に例示するように、圧痕Pの全体が被測定試料の表面Sに対して明確に黒くなり、圧痕Pの輪郭形状を容易に認識できるが故に有効であるが、例えばプラスチックなどにおいては、圧痕の輪郭を認識することが極めて困難もしくは不可能であり、このような材料では、上記した従来の技術では圧痕の対角線長さを求めることができず、ひいては硬度を算出できないという問題がある。
【0009】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、プラスチック等の圧痕の輪郭が認識しにくい、もしくは正確な輪郭の認識が不可能な材料でも、正確に硬度を計測することのできる押し込み型硬度計の提供を目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の押し込み型硬度計は、四角錐形状の圧子を所定の荷重のもとに試料表面に押し込み、得られた圧痕の大きさと押し込み荷重から試料の硬度を求める押し込み型硬度計において、試料表面に形成された圧痕を撮像する撮像手段と、その撮像手段からの出力を用いて、圧痕内部で互いに交差するように現れる2本の稜線痕を抽出し、その各稜線痕の端点の位置情報を求める画像処理手段と、その求められた各位置情報から圧痕の対角線長さを算出し、圧子の押し込み荷重とから試料の硬度を算出する演算手段を備えていることによって特徴づけられる。
【0011】
本発明は、プラスチック等の圧痕が残りにくく、認識しにくい材料であっても、圧子の稜線部に対応する痕跡は比較的明瞭に残ることを利用したものである。すなわち、ビーカース硬さやヌープ硬さの測定に用いられる四角錐形状の圧子は、その稜線部分が鋭利であり、プラスチックなどの表面の反射率が小さく圧痕と表面との識別が困難な材料にあっても、圧痕内の稜線痕は比較的明確に白く残る。そこで、本発明においては、画像処理により圧痕内で交差する2本の稜線痕を抽出して、その各端点の位置情報を求める。これにより、圧痕の対角線長さを算出することが可能となり、硬度を算出することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図1は本発明の実施の形態の全体構成図であり、図2はその試験機本体1の右側面図である。
【0013】
試験機本体1は、ベース部11の奥側からコラム部12が立ち上がった構造を持ち、ベース部11にはx,y,z軸方向に移動可能でその上面に被測定試料Wを載せるための試料ステージ13が設けられている。コラム部12はその上端部が試料ステージ13の上方に突出し、その突出部分の下面にz軸の回りに回動可能なレボルバ14が設けられ、そのレボルバ14に圧子15aの装着部15と、光学顕微鏡の対物レンズ16aが設けられている。
【0014】
また、コラム部14には光学顕微鏡の接眼レンズ16bと、対物レンズ16aを介して被測定試料の表面を撮像するCCDカメラ17が配置されている。更に、このコラム部14の内部に圧子15aをz軸方向に移動させる負荷機構が設けられおり、この負荷機構の駆動により被測定試料Wの表面に圧子15aを所要の荷重のもとに押し込むことができる。
【0015】
そして、圧子15aの押し込みにより被測定試料Wの表面に生じた圧痕は、レボルバ14を回動させてその直上に対物レンズ16aを位置させることにより、光学顕微鏡で観察し、また、CCDカメラ17によって撮像することができる。なお、ベース部11の内部には、負荷機構などを制御する制御回路が収容されている。
【0016】
CCDカメラ17の出力はパーソナルコンピュータ2に取り込まれ、このパーソナルコンピュータ2に接続されている表示器3に表示されるとともに、以下に示す処理に供され、圧子15aの押し込みにより生じた圧痕の撮像データに基づいて求められる対角線長さと、圧子15aの押し込み荷重から、被測定試料の硬度が算出される。なお、パーソナルコンピュータ2はキャプチャーボードなどのハードウエアとそのドライバ、およびそれぞれに対応するプログラムに従って動作するのであるが、図1においては、それぞれの機能後とのブロック図で示している。
【0017】
さて、CCDカメラ17により撮像された圧痕の画像は、被測定試料Wが金属である場合には前記した図5に示すようにその輪郭が明確となるのであるが、プラスチックなどの反射率の低い材料の場合には、図3に示すように輪郭を殆ど認識することができず、圧痕Pの内側において圧子15aの稜線部分に対応する、互いに交差する2本の稜線痕R1,R2が現れた状態となる。以下に示す処理では、この稜線痕Rを抽出してその端点の位置情報を得る。
【0018】
画像取り込み部2aにより取り込んだCCDカメラ17からの画像データは、画像処理部2bにおいて、まず、フレームデータ全体を圧縮した後、例えば画像の4隅部分における輝度から、平面の明るさの傾きを計算し、その差から黒点を除去する。これは、以下に示す稜線痕Rの抽出のための微分処理に影響を及ぼさないようにするためである。
【0019】
次に、各画素の濃淡データについてx方向に微分する。これにより、図4に示すように、白(稜線痕R1の部分)と黒(他の部分)の部分の境界部分に立ち上がり部が生じ、他の部分よりも白い稜線痕R1をある程度の幅をもって抽出することができる。この抽出された領域以外から、後で用いる稜線痕R1の端点検索のためのしきい値を求める。次いで同様にy方向に微分し、稜線痕R2を抽出し、同様にしてその領域以外から稜線痕R2の端点検索のためのしきい値を求める。そして、これらの稜線痕R1とR2の抽出領域の交差部分から中心を求める。
【0020】
次に、中心からx方向左右に検索し、しきい値との比較から稜線痕R1の端点の概略位置を求め、同様にしてy方向上下に検索し稜線痕R2の端点の概略位置を求める。
【0021】
その後、各端点付近の領域のみを抽出し、抽出した領域のそれぞれにおいて前記した手順と同様にして、平面の明るさの傾きを計算し、黒点を除去したうえで、各抽出領域ごとにx,y方向への微分により、より精細に稜線痕R1,R2を抽出し、それぞれの端点の位置情報を正確に求める。
【0022】
以上のような画像処理により求められた稜線痕R1,R2の各端点の位置情報は、演算部2cに取り込まれて対角線長さの算出に供され、その対角線長さと圧子15aの押し込み荷重とから被測定試料の硬度が算出される。
【0023】
以上の実施の形態によれば、プラスチックなどの表面の反射率の低い材料のように圧痕の輪郭が不明な場合でも、正確にその硬度を求めることができる。
【0024】
なお、本発明においはて、以上の稜線痕R1,R2の抽出並びにその端点の検索のための画像処理の細部については、以上の方法に限定されることなく、他の公知の手法を用いえることは勿論である。
【0025】
また、本発明は、圧痕の対角線長さを求める画像処理のプログラムとして、以上のような稜線痕から対角線長さを求めるプログラムと、従来通り圧痕の輪郭から対角線長さを求めるプログラムを選択的に実行できるように構成することが望ましい。
【0026】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、プラスチックなどの圧痕の輪郭を認識できないような材料でも、稜線痕を抽出してその各端点の位置情報を求める画像処理により、圧痕の対角線長さを正確に求めることができ、ひいては正確に硬度を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の全体構成図である。
【図2】図1における試験機本体の右側面図である。
【図3】プラスチックなどの表面の反射率の低い材料の圧痕の撮像結果の例を示す模式図である。
【図4】本発明の実施の形態において稜線痕を抽出するための微分処理結果の例の説明図である。
【図5】金属等の表面の反射率の高い材料の圧痕の撮像結果の例を示す模式図である。
【符号の説明】
1 試験機本体
13 試料ステージ
14 レボルバ
15 圧子装着部
15a 圧子
16a 対物レンズ
16b 接眼レンズ
17 CCDカメラ
2 パーソナルコンピュータ
2a 画像取り込み部
2b 画像処理部
2c 演算部
3 表示器
P 圧痕
R1,R2 稜線痕
W 被測定試料

Claims (1)

  1. 四角錐形状の圧子を所定の荷重のもとに試料表面に押し込み、得られた圧痕の大きさと押し込み荷重から試料の硬度を求める押し込み型硬度計において、
    試料表面に形成された圧痕を撮像する撮像手段と、その撮像手段からの出力を用いて、圧痕内部で互いに交差するように現れる2本の稜線痕を抽出し、その各稜線痕の端点の位置情報を求める画像処理手段と、その求められた各位置情報から圧痕の対角線長さを算出し、圧子の押し込み荷重とから試料の硬度を算出する演算手段を備えていることを特徴とする押し込み型硬度計。
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