JP6858038B2 - 硬さ試験機及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、硬さ試験機及びプログラムに関する。

従来、ビッカース硬さ試験法、ヌープ硬さ試験法など、平面形状が多角形の圧子を試料の表面に押し付け、試料表面に生じるくぼみの対角線の長さから硬さを測定する押し込み式の硬さ試験法がよく知られており、金属材料の機械的性質の評価に多く用いられている
（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

特開平８−１２２２３８号公報 特開平１０−１２３０３８号公報

硬さ試験機による硬さ試験の際には、撮像手段によって撮像されたくぼみを作業者が読み取ることとなるが、この際には、例えば、モニタ上に、平行関係を保ちつつ近接離間可能な一対の計測ラインを、直交する２方向に沿って夫々表示し、当該計測ラインを動かして対角線の長さを計測する。
この際には、くぼみの対角線長さの計測は、例えば、図６（ｂ）に示したように、計測ラインの各々をくぼみの頂点の各々に重なるように配置した上で、平行に引かれた計測ラインの間隔を計測することによって行われる。

したがって、試験用の圧子は、当該圧子によって形成されるくぼみの対角線が、モニタ上において、当該モニタの縦方向又は横方向と平行となり、当該対角線の長さを計測する計測ラインと直交するように取り付けられる必要があるが、硬さ試験機に圧子を取り付ける際に、一度でこのように圧子を取り付けることは困難であり、回転方向の傾きが発生してしまう可能性が高い。そして、このような傾きが発生した場合、傾きを矯正するためには、一度くぼみづけ作業を行った上で、撮像された画像のくぼみ形状を確認しながら、圧子を回転させて調整する必要がある。

しかし、圧子の交換の度に調整作業を行うことは非常に手間が掛かる。また、手作業による完全な調整は困難であり、完全に調整しきれずに僅かでも傾きが残った場合には、実際の対角線長さよりも対角線長さを短く読み取ってしまうこととなり、この場合、硬さ値は本来の値よりも大きく算出されてしまう。

本発明は、圧子交換時の調整作業の手間を省きつつ、くぼみの傾きによる計測誤差を生じさせない正確な測定を行うことを可能とした硬さ試験機及びプログラムを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、
試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷してくぼみを形成させ、当該くぼみの寸法を計測することにより前記試料の硬さを測定する硬さ試験機において、
撮像手段を制御してくぼみが形成された試料の表面を撮像させ、当該試料の表面の画像データを取得する撮像制御手段と、
前記撮像制御手段により取得された前記画像データに基づいて、前記試料の表面に形成されたくぼみの頂点座標を抽出する抽出手段と、
前記抽出手段によって抽出された前記頂点座標に基づいて、基準線に対する前記くぼみの傾き角及び前記くぼみの中心座標を算出する算出手段と、
前記算出手段よって算出された前記傾き角に基づいて、前記画像データによる画像と共に表示される計測ラインと、当該計測ラインが長さを計測する線分と、が直交するように前記画像データ又は前記計測ラインのデータを補正して前記画像データによる画像と前記計測ラインとを表示手段に表示する表示制御手段と、
を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の硬さ試験機において、
前記表示制御手段は、前記算出手段によって算出された前記傾き角に基づいて、前記中心座標を中心として画像データによる画像を回転させることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の硬さ試験機において、
前記表示制御手段は、前記算出手段によって算出された前記傾き角に基づいて、前記中心座標を中心として前記計測ラインを回転させることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、
試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷してくぼみを形成させ、当該くぼみの寸法を計測することにより前記試料の硬さを測定する硬さ試験機のコンピュータを、
撮像手段を制御してくぼみが形成された試料の表面を撮像させ、当該試料の表面の画像データを取得する撮像制御手段、
前記撮像制御手段により取得された前記画像データに基づいて、前記試料の表面に形成されたくぼみの頂点座標を抽出する抽出手段、
前記抽出手段によって抽出された前記頂点座標に基づいて、基準線に対する前記くぼみの傾き角及び前記くぼみの中心座標を算出する算出手段、
前記算出手段よって算出された前記傾き角に基づいて、前記画像データによる画像と共に表示される計測ラインと、当該計測ラインが長さを計測する線分と、が直交するように前記画像データ又は前記計測ラインのデータを補正して前記画像データによる画像と前記計測ラインとを表示手段に表示する表示制御手段、
として機能させるプログラムである。

本発明によれば、圧子交換時の調整作業の手間を省きつつ、くぼみの傾きによる計測誤差を生じさせない正確な測定を行うことを可能とした硬さ試験機及びプログラムを提供することができる。

実施形態に係る硬さ試験機の全体構成を示す斜視図である。 実施形態に係る硬さ試験機の試験機本体を示す模式図である。 実施形態に係る硬さ試験機の硬さ測定部を示す模式図である。 実施形態に係る硬さ試験機の制御構造を示すブロック図である。 実施形態に係る硬さ試験機のくぼみ形成後の動作を示すフローチャートである。 （ａ）は、実施形態に係る硬さ試験機がビッカース硬さ試験機である場合の傾き角等の一例を示す図である。（ｂ）は、実施形態に係る硬さ試験機がビッカース硬さ試験機である場合のモニタ上における対角線長さの測定の一例を示す図である。 （ａ）は、実施形態に係る硬さ試験機がヌープ硬さ試験機である場合の傾き角等の一例を示す図である。（ｂ）は、実施形態に係る硬さ試験機がヌープ硬さ試験機である場合のモニタ上における対角線長さの測定の一例を示す図である。 （ａ）は、実施形態に係る硬さ試験機がマルテンス硬さ試験機である場合の傾き角等の一例を示す図である。（ｂ）は、実施形態に係る硬さ試験機がマルテンス硬さ試験機である場合のモニタ上における正三角形の一辺の長さの測定の一例を示す図である。 変形例に係る硬さ試験機における、計測ラインの表示角度等の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明においては、図１におけるＸ方向を左右方向とし、Ｙ方向を前後方向とし、Ｚ方向を上下方向とする。また、Ｘ−Ｙ面を水平面とする。

（構成の説明）
硬さ試験機１００は、例えば、圧子１４ａの平面形状が矩形状に形成されたビッカース硬さ試験機であり、図１及び図２に示すように、試験機本体１０と、制御部６と、操作部７と、モニタ８と、を備えている。

試験機本体１０は、試料Ｓの硬さ測定を行う硬さ測定部１と、試料Ｓを載置する試料台２と、試料台２を移動させるＸＹステージ３と、試料Ｓの表面に焦点を合わせるためのＡＦステージ４と、試料台２（ＸＹステージ３、ＡＦステージ４）を昇降する昇降機構部５と、を備えている。

硬さ測定部１は、図３に示すように、試料Ｓの表面を照明する照明装置１１と、試料Ｓの表面を撮像するＣＣＤカメラ１２と、圧子１４ａを備える圧子軸１４と、対物レンズ１５と、回転することにより圧子軸１４と対物レンズ１５との切り替えが可能なターレット１６と、を備えている。

照明装置１１は、光を照射することにより試料Ｓの表面を照明するものであり、照明装置１１から照射される光は、レンズ１ａ、ハーフミラー１ｄ、ミラー１ｅ、対物レンズ１５を介して試料Ｓの表面に到達する。

ＣＣＤカメラ１２は、試料Ｓの表面から対物レンズ１５、ミラー１ｅ、ハーフミラー１ｄ、ミラー１ｇ、及びレンズ１ｈを介して入力された反射光に基づき、当該試料Ｓの表面や圧子１４ａにより試料Ｓの表面に形成されるくぼみを撮像して画像データを取得し、複数フレームの画像データを同時に蓄積、格納可能なフレームグラバ１７を介して、制御部６に出力する。
これにより、ＣＣＤカメラ１２は、撮像手段として機能する。

圧子軸１４は、制御部６が出力する制御信号に応じて駆動される負荷機構部（図示省略）により、試料台２に載置された試料Ｓに向け移動され、先端部に備えた圧子１４ａを試料Ｓの表面に所定の試験力で押し付ける。

対物レンズ１５は、それぞれ異なる倍率からなる集光レンズであり、ターレット１６の下面に複数保持されており、ターレット１６の回転により試料Ｓの上方に配置されることで、照明装置１１から照射される光を一様に試料Ｓの表面に照射させる。

ターレット１６は、下面に圧子軸１４と複数の対物レンズ１５を取り付け、Ｚ軸方向を中心に回転することにより、当該圧子軸１４と複数の対物レンズ１５の中の何れか一つを切り替えて試料Ｓの上方に配置可能なように構成されている。つまり、圧子軸１４を試料Ｓの上方に配置することで試料Ｓの表面にくぼみを形成し、対物レンズ１５を試料Ｓの上方に配置することで、当該形成されたくぼみを観察することが可能となる。

試料台２は、上面に載置される試料Ｓを試料固定部２ａで固定する。
ＸＹステージ３は、制御部６が出力する制御信号に応じて駆動する駆動機構部（図示省略）により駆動され、試料台２を圧子１４ａの移動方向（Ｚ軸方向）に垂直な方向（Ｘ軸，Ｙ軸方向）に移動させる。
ＡＦステージ４は、制御部６が出力する制御信号に応じて駆動され、ＣＣＤカメラ１２が撮像した画像データに基づき試料台２を微細に昇降させ、試料Ｓの表面に焦点を合わせる。
昇降機構部５は、制御部６が出力する制御信号に応じて駆動され、試料台２（ＸＹステージ３、ＡＦステージ４）を上下方向に移動させることで、試料台２と対物レンズ１５との間の相対距離を変化させる。

操作部７は、キーボード７１、マウス７２等により構成されており、硬さ試験を行う際のユーザによる入力操作を実行させる。そして、操作部７により所定の入力操作がなされると、その入力操作に応じた所定の操作信号が制御部６に出力される。

モニタ８は、例えば、ＬＣＤなどの表示装置により構成されており、操作部７において入力された硬さ試験の設定条件、硬さ試験の結果、ＣＣＤカメラ１２が撮像した試料Ｓの表面や試料Ｓの表面に形成されるくぼみの画像等を表示する。
これにより、モニタ８は、表示手段として機能する。

制御部６は、図４に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）６１、ＲＡＭ（Random Access Memory）６２、記憶部６３等を備えて構成され、記憶部６３に記憶された所定のプログラムが実行されることにより、所定の硬さ試験を行うための動作制御等を行う機能を有する。

ＣＰＵ６１は、記憶部６３に格納された処理プログラム等を読み出して、ＲＡＭ６２に展開して実行することにより、硬さ試験機１００全体の制御を行う。

ＲＡＭ６２は、ＣＰＵ６１により実行された処理プログラム等を、ＲＡＭ６２内のプログラム格納領域に展開するとともに、入力データや上記処理プログラムが実行される際に生じる処理結果等をデータ格納領域に格納する。

記憶部６３は、例えば、プログラムやデータ等を記憶する記録媒体（図示省略）を有しており、この記録媒体は、半導体メモリ等で構成されている。また、記憶部６３は、ＣＰＵ６１が硬さ試験機１００全体を制御する機能を実現させるための各種データ、各種処理プログラム、これらプログラムの実行により処理されたデータ等を記憶する。より具体的には、記憶部６３は、例えば、ＸＹステージ制御プログラム、自動合焦プログラム、くぼみ形成プログラム、撮像制御プログラム、抽出プログラム、算出プログラム、表示制御プログラムを格納している。

（動作の説明）
次に、本実施形態に係る硬さ試験機１００の動作について説明する。
まず、ＣＰＵ６１は、記憶部６３内に格納されたＸＹステージ制御プログラムを実行することにより、試料Ｓの表面の所定領域がＣＣＤカメラ１２の真下に位置するようにＸＹステージ３を移動させる。
次に、ＣＰＵ６１は、記憶部６３内に格納された自動合焦プログラムを実行することにより、硬さ測定部１のＣＣＤカメラ１２によって得られる画像データに基づいて、ＡＦステージ４を昇降させ、試料Ｓの表面に対する自動合焦を行う。
そして、ＣＰＵ６１は、記憶部６３内に格納されたくぼみ形成プログラムを実行することにより、圧子１４ａを所定の試験力で試料Ｓの表面に押し付けてくぼみを形成する。

次に、本実施形態に係る硬さ試験機１００のくぼみ形成後の動作について、図５のフローチャートを参照して説明する。この処理は、ＣＰＵ６１が記憶部６３に格納されている各種プログラムを実行することにより実現される。

まず、ＣＰＵ６１は、記憶部６３内に格納された撮像制御プログラムを実行することにより、ＣＣＤカメラ１２を制御して試料Ｓの表面を撮像させ、試料Ｓの表面の画像データを取得する（ステップＳ１：撮像制御工程）。すなわち、ＣＰＵ６１は、本発明における撮像制御手段として機能する。

続いて、ＣＰＵ６１は、記憶部６３内に格納された抽出プログラムを実行することにより、ステップＳ１で取得された試料Ｓの表面の画像データに基づいて、試料Ｓの表面に形成されたくぼみの領域を抽出の上、抽出された領域の輪郭に基づいて、くぼみの頂点座標を抽出する処理を行う（ステップＳ２：抽出工程）。すなわち、ＣＰＵ６１は、本発明における抽出手段として機能する。

続いて、ＣＰＵ６１は、記憶部６３内に格納された算出プログラムを実行することにより、ステップＳ２で抽出された頂点座標に基づいて、矩形のくぼみの対角線の交点であるくぼみの中心座標、及び画像データをモニタ８に表示した際のモニタの縦方向又は横方向に沿う基準線ＢＬからの対角線の傾き角を求める（ステップＳ３：算出工程）。すなわち、ＣＰＵ６１は、本発明における算出手段として機能する。

具体的には、例えば、図６（ａ）に示すように中心座標Ｏ_ｖ及び基準線ＢＬからの対角線の傾き角θ_ｖが求められることとなる。

続いて、ＣＰＵ６１は、記憶部６３内に格納された表示制御プログラムを実行することにより、ステップＳ３で算出されたくぼみの中心座標を中心として、ステップＳ３で算出された傾き角の分だけ、傾きを是正する方向に画像データを回転させた上で、当該画像データによる画像を、計測ラインＬ……と共にモニタ８に表示する（ステップＳ４：表示制御工程）。
計測ラインＬ……は、モニタ８の縦方向又は横方向に沿う基準線と平行となるように、各方向２本ずつ、操作部７による操作に応じて平行関係を保ちつつ近接離間可能に表示される。

具体的には、例えば図６（ａ）に示すようにくぼみが基準線ＢＬから反時計回りにθ_ｖ傾いている場合においては、画像データを、時計回りにθ_ｖ回転させた上で、図６（ｂ）に示すように、モニタ８に表示することとなる。

その後、作業者は、操作部７を用いて、モニタ８に表示された計測ラインＬ……を動かし、図６（ｂ）に示した計測ラインＬ……の各々がくぼみの頂点の各々と重なる状態とした上で、平行に引かれた計測線の間隔を計測することで、対角線長さｄ_ｖ１及びｄ_ｖ２を計測する（ステップＳ５：計測工程）。

（効果の説明）
以上のように、実施形態に係る硬さ試験機１００によれば、撮像された画像データを、くぼみの中心座標及びくぼみの対角線の基準線からの傾き角に応じて回転させることによって、圧子を調整せずとも、圧子によって形成されたくぼみの対角線と、計測ラインとの傾きを調整することができる。
これによって、圧子交換時の調整作業を廃止することができ、かつ、くぼみの傾きによる計測誤差を生じさせない正確な計測を行うことが可能となる。

（変形例）
上記実施形態では、硬さ試験機１００として、圧子１４ａの平面形状が矩形状に形成されたビッカース硬さ試験機を例示して説明したが、硬さ試験機１００は、ビッカース硬さ試験機には限られず、例えば、ヌープ硬さ試験機や、マルテンス硬さ試験機であってもよい。

ヌープ硬さ試験機においては、ＣＰＵ６１は、例えば、図７（ａ）に示したように菱形のくぼみの中心座標Ｏ_ｋ及び基準線ＢＬからの傾き角θ_ｋを求めた後、画像データを、時計回りにθ_ｋ回転させる。

続いてＣＰＵ６１は、画像データを、モニタの縦方向に沿う基準線と平行となる２本の計測ラインＬ、Ｌと共にモニタ８に表示し、作業者は、操作部７を用いて、計測ラインＬ、Ｌを動かし、図７（ｂ）に示した計測ラインの各々がくぼみの左右の頂点の各々と重なる状態とした上で、計測ラインＬ、Ｌの間隔を計測することで、対角線長さｄ_ｋを計測する。

また、マルテンス硬さ試験機においては、ＣＰＵ６１は、例えば、図８（ａ）に示したように正三角形のくぼみの中心座標Ｏ_ｍ及び基準線ＢＬからの傾き角θ_ｍを求めた後、画像データを、時計回りにθ_ｍ回転させる。

続いてＣＰＵ６１は、画像データを、モニタの縦方向に沿う基準線と平行となる２本の計測ラインＬ、Ｌと共にモニタ８に表示し、作業者は、操作部７を用いて、計測ラインＬ、Ｌを動かし、図８（ｂ）に示した計測ラインＬ、Ｌの各々がくぼみの左右の頂点の各々と重なる状態とした上で、計測ラインＬ、Ｌの間隔を計測することで、正三角形の一辺の長さｄ_ｍを計測する。

また、ステップＳ４：表示制御工程においては、画像データに表示する計測ラインＬ……を、ステップＳ３で算出された傾き角に応じて、モニタの縦方向又は横方向に沿う基準線と平行な方向からくぼみの中心座標を中心として回転させることで、計測ラインＬ……と当該計測ラインＬ……が長さを計測する線分とが直交するようにしてもよい。例えば、図６（ａ）に示したように、くぼみの対角線が、画像データをモニタ８に表示した場合に、モニタ８の縦方向又は横方向に沿う基準線からθ_ｖ反時計回り方向に傾いている場合には、図９に示したように、計測ラインＬ……を、くぼみの中心座標Ｏ_ｖを中心として反時計回りにθ_ｖ回転させて表示することとなる。

その他、硬さ試験機１００を構成する各装置の細部構成及び細部動作に関しても、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。

１００ 硬さ試験機
１２ ＣＣＤカメラ（撮像手段）
１４ａ 圧子
６１ ＣＰＵ（撮像制御手段、抽出手段、算出手段、表示制御手段）
８ モニタ（表示手段）
Ｓ 試料
Ｌ 計測ライン
ＢＬ 基準線
θ_ｖ、θ_ｋ、θ_ｍ 傾き角
Ｏ_ｖ、Ｏ_ｋ、Ｏ_ｍ 中心座標

Claims (4)

1. 試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷してくぼみを形成させ、当該くぼみの寸法を計測することにより前記試料の硬さを測定する硬さ試験機において、
   撮像手段を制御してくぼみが形成された試料の表面を撮像させ、当該試料の表面の画像データを取得する撮像制御手段と、
   前記撮像制御手段により取得された前記画像データに基づいて、前記試料の表面に形成されたくぼみの頂点座標を抽出する抽出手段と、
   前記抽出手段によって抽出された前記頂点座標に基づいて、基準線に対する前記くぼみの傾き角及び前記くぼみの中心座標を算出する算出手段と、
   前記算出手段よって算出された前記傾き角に基づいて、前記画像データによる画像と共に表示される計測ラインと、当該計測ラインが長さを計測する線分と、が直交するように前記画像データ又は前記計測ラインのデータを補正して前記画像データによる画像と前記計測ラインとを表示手段に表示する表示制御手段と、
   を備えることを特徴とする硬さ試験機。
2. 前記表示制御手段は、前記算出手段によって算出された前記傾き角に基づいて、前記中心座標を中心として画像データによる画像を回転させることを特徴とする請求項１に記載の硬さ試験機。
3. 前記表示制御手段は、前記算出手段によって算出された前記傾き角に基づいて、前記中心座標を中心として前記計測ラインを回転させることを特徴とする請求項１に記載の硬さ試験機。
4. 試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷してくぼみを形成させ、当該くぼみの寸法を計測することにより前記試料の硬さを測定する硬さ試験機のコンピュータを、
   撮像手段を制御してくぼみが形成された試料の表面を撮像させ、当該試料の表面の画像データを取得する撮像制御手段、
   前記撮像制御手段により取得された前記画像データに基づいて、前記試料の表面に形成されたくぼみの頂点座標を抽出する抽出手段、
   前記抽出手段によって抽出された前記頂点座標に基づいて、基準線に対する前記くぼみの傾き角及び前記くぼみの中心座標を算出する算出手段、
   前記算出手段よって算出された前記傾き角に基づいて、前記画像データによる画像と共に表示される計測ラインと、当該計測ラインが長さを計測する線分と、が直交するように前記画像データ又は前記計測ラインのデータを補正して前記画像データによる画像と前記計測ラインとを表示手段に表示する表示制御手段、
   として機能させるプログラム。

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