JPH0392745A - 押込型硬度計 - Google Patents

押込型硬度計

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JPH0392745A
JPH0392745A JP1230053A JP23005389A JPH0392745A JP H0392745 A JPH0392745 A JP H0392745A JP 1230053 A JP1230053 A JP 1230053A JP 23005389 A JP23005389 A JP 23005389A JP H0392745 A JPH0392745 A JP H0392745A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はビッカース硬度、ブリネル硬度等の硬度を測定
するための押込型硬度計に関するものである。
〔従来の技術〕
金属材料の機械的性質の判定にビッカース硬度やプリネ
ル硬度が用いられる。ビッカース硬度は、対面角136
゜のダイヤモンド製四角錐の圧子を試験片の表面に押し
付け、そのときの押付荷重を、押し付けてできたビラく
ツド形の圧痕の表面積で割った値とされている。またブ
リネル硬度は、鋼球圧子を用い、やはり押付荷重を、押
し付けてできた球面状の圧痕の表面積で割った値とされ
ている。
ビッカース硬度を測定するための従来の押込型硬度計と
して、例えば特公昭63−10379号公報に開示され
ているものがある。この従来技術の押込型硬度計は、第
8図に示すように、試験片1の表面に圧痕2を形成する
ダイヤモンド圧子3と、圧痕2の形成された試験片1の
表面を観察する光学顕微鏡4とを備えている。そして顕
微鏡4で観察された像は撮像装置5で電気信号に変換さ
れ、この信号はA/D変換器6で例えば256階調のデ
ジタル画像信号に変換される。このデジタル画像信号は
画像処理部7に送られ、ここで、上記デジタル画像信号
が急激に変化する点から圧痕2の端部位置が決定される
例えば、第9図(a)に示すような画像が得られた場合
、第9図(b)に示すように、まずこの画像の横軸に平
行な測定軸Aに沿って各画素が検索され、その濃淡レベ
ルの変化曲線26が急激に変化ずる点P+及びP2が圧
痕2の端部として抽出される。同様にして画像の縦軸に
沿った検索が行われ、圧痕2の4つの頂点の位置が決定
される。
3 この画像処理部7で決定された4つの頂点の位置から、
圧痕サイズ測定部8において圧痕2の大きさが決定され
、この圧痕サイズ測定部8において決定された圧痕2の
大きさと圧子3の押付荷重とから、硬度演算部9におい
て硬度が演算され、プリンタ10等に出力される。
〔発明が解決しようとする課題〕
上述した従来技術の押込型硬度計には次のような問題点
があった。
例えば第10図に示すように、圧痕2の対向する頂点を
結ぶ直線Bが測定軸Aとずれている場合、真値l,とは
異なった測定値Llを得てしまい、結果として誤った硬
度値を得てしまう。このような位置ずれは、圧痕形成後
の試料を測定部に移動する際の微小な機械的ガタ等に起
因して生しる。
また、第11図に示すように、形成された圧痕の像が鮮
明でなく、特に角部が不鮮明な場合、真値l2とは異な
った値l2′が得られてしまう。
これは、試験片を腐食させた場合に見られる金属組織上
、特に熔接部において硬さが均一でない場4 合或いは腐食のむら等が存在する場合に生しる。
更に、従来の押込型硬度計では、第12図に示すように
、試験片1の被測定面1aにほぼ垂直な法線方向から光
を照射し、その反射光を法線方向から観察するようにし
ていた。従って、第12図(b)に示すように、被測定
面1aに傷や圧痕が存在すると、その部分では光が垂直
方向に反射しないので顕@鏡4には反射光が入射せず、
結果として、第9図(a)に示すように、傷や圧痕の部
分が暗く、傷や圧痕のない部分が明るい画像が得られる
(以下、「明視野型」と言う。)。
しかしながら、この方式では、被測定面1aに存在する
傷や凹凸が画像に現れるため、それらを圧痕と識別する
のが比較的困難である。上述した公報記載の押込型硬度
計では画像信号をデジタル処理することによって或る程
度の傷や凹凸の影響は排除できるようになっている。し
かしながら、例えば結晶粒度を測定するために表面をエ
ッチングした場合のような平滑度の著しく悪い試料では
、圧痕を正確に自動検出することは事実上不可能でー5
− あった。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたも
のであって、例えば第1図及び第3図に示すように、本
発明の押込型硬度計は、試験片Iの実質的に平面状をな
す被測定面1aに所定形状の圧子3を押し付けて圧痕2
を形成する圧痕形成手段と、 被測定面1aに形成された圧痕2の内部の所定の反射面
において所定の方向に光を反射させるように設けられた
光照射手段と、 圧痕2の内部の上記所定の反射面において所定の方向に
反射した光を採光するように設けられた採光手段と、 この採光手段から入射した光の像を平面的な画像として
撮像する撮像手段5と、 この撮像手段5により撮像した画像の画素を所定のレベ
ルを基準として2値化する2値化手段24と、 この2値化手段24により2値化された画素群6 から境界部分の画素を抽出し、その境界部分の画素の座
標から得られる圧痕2の平面形状及びその大きさに最も
近い所定パターンの圧痕形状を決定する画像処理手段2
5、27と、 この画像処理千段25、27で得られた上記所定パター
ンの圧痕形状に基づいて硬度を算出する硬度演算手段2
日とを有するものである。
〔作用〕
本発明の押込型硬度計によれば、第2図に示すように、
試験片1の被測定面1aに形成される所定形状の圧痕2
の内部の所定の反射面部分で所定の方向に反射した光を
採光手段で採光し、上記反射面部分以外の部分で上記所
定の方向以外の方向に反射した光は実質上殆ど採光手段
には入射しないように傾斜させた光を試験片Iの被測定
面1aに照射して測定を行う。
従って、従来の明視野型の押込型硬度計の場合に得られ
る画像に対し、白黒が反転した画像(以下、「暗視野型
」と言う。)が得られ、しかも、この画像には、被測定
面1aに存在する所定形状=7 の圧痕以外の傷や凹凸は殆ど現れない。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
第3図に、本発明の一実施例による押込型硬度計の全体
の構威を概略的に示す。この押込型硬度計はビッカース
硬度を測定するためのものであって、鋼板等の試験片1
の被測定面1aに圧痕2を形!するためのダイヤモンド
製圧子3を備えている。押込型硬度計は、このダイヤモ
ンド製圧子3の近傍に光学顕微鏡4を有しており、ダイ
ヤモンド製圧子3によって所定形状の圧痕2が形成され
た試験片1は、図示省略した移送手段により顕微鏡4直
下の測定位置に移送される。
本実施例の押込型硬度計に使用する顕微鏡4は、第1図
に示すように、明視野型の画像と暗視野型の画像とを切
り換え得るように構威されている。
即ち、顕微鏡4は、対物レンズ15の外周囲にリング状
の光照射レンズ16を有しており、顕微鏡本体の側面に
配された光源17から導入された光8 は、顕微鏡4の主光軸の周囲に傾斜して配された環状の
ミラー18で反射して光照射レンズ■6に導かれ、この
光照射レンズ16で屈折して所定角度範囲に傾斜した状
態で試験片lの被測定面1aに照射される。
このときの照射光の傾斜角度αは、本例のような対面角
136゜のビッカース硬度測定の場合、第2図に示すよ
うに、試験片lの被測定面1aが実質的に形成する平面
の法線nに対し44゜であるのが理想的であるが、44
゜±8″′の範囲であれば実際上問題なく測定を行うこ
とができる。即ち、照射光の傾斜角度αが上記範囲内に
あれば、照射光の大部分は圧痕2内の所定の傾斜面部分
でほぼ上記法線nの方向に反射して顕微鏡4の対物レン
ズ15に入射し、それ以外の部分で反射した光は、例え
ば同図(b)に示すように、対物レンズ15には殆ど入
射しない。傾斜角度αのより好ましい範囲は44゜±6
6である。
本例の顕微鏡4では、従来と同様の明視野型の画像を得
ることもでき、顕微鏡本体内部には、そ=9 の目的のためにハーフミラー19が設けられている。こ
のハーフミラー19は、第3図に示す明視野/暗視野切
換手段20を操作することにより顕微鏡4の主光軸上の
動作位置と主光軸から外れた非動作位置との間を図外の
駆動手段によって変位するように構威されている。そし
て、このハーフ旦ラー19が、第1図に一点鎖線で示す
動作位置にあるときには、上述した環状貴ラー18を通
る光路は、図示省略した遮蔽手段により遮蔽され、光源
17からハーフくラー19で反射した光のみが対物レン
ズ15を通して試験片1の被測定面1aにほぼその法線
nの方向から照射される。そして、第12図に示すよう
に、被測定面1aの平面部分でほぼ垂直に反射した光の
みが対物レンズ15を通して顕微鏡4内に入射する。
第1図及び第3図に示すように、対物レンズ15を通し
て得られた被測定而1aの光学像は顕微鏡4の接眼レン
ズ側に配されたCCD等の撮像素子5により電気信号に
変換され、この信号は更にA/D変換器6により、例え
ば256階調のデジ1 〇一 タル画像信号に変換されて画像処理される。
本実施例の押込型硬度計においては、画像の位置合わせ
及び焦点合わせを明視野型の画像を用いて行っている。
即ち、第3図に示す明視野/暗視野切換千段20を、最
初、明視野側に切り換える。
すると、既述した顕微鏡4内のハーフミラー19が、第
1図に一点鎖線で示すように、その動作位置に移動し、
同時に環状ミラー18の光路が、図示省略した遮蔽手段
により遮蔽されて顕微鏡4からは、試験片1の被測定面
1aにほぼ垂直な光のみが照射される。そして、この時
に得られる画像は、例えば第9図(a)に示すように、
傷や圧痕2のような凹凸の部分が暗く、平滑な部分が明
るい明視野型の画像である。モして撮像素子5で撮像さ
れたこの画像がマトリックス状の画素単位でデジタル画
像信号に変換される。このデジタル画像信号は、第3図
に示すように、画像合わせ制御部21に送られ、ここで
画像の位置合わせ及び焦点合わせのための画像処理が行
われる。
まず第4図を参照して、画像の位置合わせ処理1 1 ?手順を説明する。
この手順は、圧H.2が撮像素子5の視野のほぼ中央に
位置するように試料テーブル22を移動させるものであ
る。試料テーブル22は、駆動部23の駆動により、顕
微鏡4の主光軸にほぼ垂直なX−Y平面内で移動可能に
構威されている。なお、圧痕2は、必ずしも撮像素子5
の視野の中央になくてもよいが、万一圧痕2の一部が撮
像素子5の視野から外れることがあると誤測定につなが
るので、この手順を実施する。
まず、第4図に示すように、X軸方向及びY軸方向にお
いて、圧痕に相当するスレツシュホールドレベルSx,
Syを予め設定しておく。そして、撮像素子5から得ら
れる画像のY軸方向及びX軸方向の夫々中心線上の画素
の濃淡レベルを検索し、図示の如く、上記スレッシュホ
ールドレベルS,I、Syよりも低いレベルの領域をL
X、Lyとし、その領域の両側の領域を夫々Lエ,、L
X■、I−y+、Ly2、とする。そして、L−+>L
x■の場合、試料テーブル22をLXI側に移動し、L
XI<Lウ2の場12 合にLyz側に移動する。Y軸方向についても同様であ
る。この場合、X軸方向、Y軸方向について、許容長さ
ΔLX、ΔLyを予め設定しておき、LxlLxz  
<ΔL. Lyl−L11〈ΔLy のときに、圧痕2が撮像素子5の視野のほぼ中央に位置
したものと判断して、この画像の位置合わせ処理を完了
する。
次に、第5図を参照して、焦点合わせ処理の手順を説明
する。
圧痕2について、高い方のスレツシュホールドレベルS
Niと低い方のスレッシュホールドレベルSLoとを予
め設定しておく。そして、例えばX軸方向において、夫
々のレベルに相当する画素の位置をXI、X2とする。
そして、このX,とX2との差の絶対値(l x1−x
−  1)が、予め設定しておいた値δよりも小さくな
るか又は最小値となるように、駆動部23の駆動により
試料テーブル22を上下に移動させる。なお、第5図(
b)は焦点合わせ前、第5図(C)は焦点合わせ後の1
 3一 状態を夫々示している。
以上のようにして、明視野画像で位置合わせ及び焦点合
わせを行った後、第3図の明視野/暗視野切換手段20
を暗視野側に切り換える。すると、第1図のハーフ案ラ
ーl9は図外の非動作位置に移動し、同時に環状ミラー
18の遮蔽が解除されて、光源17からの光は光照射レ
ンズ16に導かれ、この光照射レンズ16で屈折して傾
斜した光が試験片1の被測定面1aに照射される。
従って、第2図(a)に示すように、所定の角度に傾斜
した圧痕2の反射面部分でほぼ法線nの方向に反射した
光のみが対物レンズ15から顕微鏡4内に入射し、それ
以外の部分で反射した光は、例えば同図(b)に示すよ
うに、殆ど顕微鏡4内には入射しない。その結果、第7
図(a)に示すように、圧痕2の部分のみが明るく、他
の部分は暗い画像が得られる。そして、特に注目すべき
ことは、この暗視野型の画像においては、例えば第9図
(a)に示す明視野型の画像には現われていた被測定面
1a内の傷や他の凹凸が全く消失して1l いることである。これは、本実施例のように傾斜した光
を照射することにより、所定角度に傾斜した圧痕2の反
射面部分のみが法線nの方向に光を反射し、他の傷や凹
凸部分は、その傾斜が全く不規則なために法線nの方向
には殆ど光を反射しないからである。従って、後の画像
処理において、被測定面1aの傷や他の凹凸の影響を大
幅に軽減することができ、その画像処理のアルゴリズム
をかなり簡略化することができる。
以下、本実施例における硬度計算のための画像処理を説
明する。
第3図において、撮像素子5から得られる暗視野画像の
画像信号はA/D変換器6でやはりデジタル画像信号に
変換された後、2値化処理部24に送られる。そしてこ
の2値化処理部24で、所定のレベルを基準として2値
化された2値画像信号は2値画像処理部25に送られる
。この2値画像処理部25では、第7図(a)の下側及
び右側のグラフに夫々示すように、Y軸方向及びX軸方
向の各ライン毎に画素の2値信号を積算し、その15 変化曲線SGX及びSGyを得る。そして、これらの変
化曲線SGX及びSGyから、ノイズを除去するために
予め設定しておいたスレンシュホールドレベルTX及び
Ty (従来のものと比較してかなり低いものでよい。
)よりもレヘルの高い部分DX及びDyを圧痕2の領域
であると認識する。
次いで、このDX及びDyの夫々の中点に対応ずるY軸
方向及びX軸方向の線分でDy及びDXの長さよりも少
し長いものを夫々線分C8及びCyとする。そして、第
7図(b)に示すように、例えば線分CX上の各画素を
出発点として左右に検索し、最初に1からOに変化した
画素若しくはその1つ手前の画素を圧痕2の境界を表す
画素として抽出する。これを結ぶと、例えば第6図に太
線で示すような圧痕2の形状が得られる。勿論、線分C
yの各画素から検索してもよい。
この2値画像処理部25で得られた境界部分の画素の座
標は、圧痕サイズ決定部27に送られる。
この圧痕サイズ決定部27では、第6図に示すように、
圧痕2の4つの角を除く4辺の領域a16 a’ 、b−b’ 、c−c’ 、d−d’に対応する
画素の座標からその直線近似式を算出する。これらの領
域a−a’ 、b−b’ 、c−c’ 、d−d’は、
既述した領域DX,Dyを基準とし、例えばその各領域
DX,Dyを2分割して、その約80〜95%の範囲と
して決められる。これは、圧痕2の境界線がX軸、Y軸
に対してほぼ45°傾いている場合であるが、そうでな
い場合は、予め他の分割方法を設定し、上記と同様に、
圧痕2の角部を外すようにして各領域a−a’、b−b
’c−c’、d−d’を決めればよい。
直線近似式の計算は、最小二乗法によるのが最も好まし
いが、勿論、他の近似法でもよい。最小二乗法による場
合には、各辺の直線近似式を求めた後、相関関数が或る
一定値以上になるまで、又は、各画素の座標との偏差が
或る一定値以下となるように、各領域a−a’ 、b−
b’ 、c−c’d−d’を狭めて、直線近似式を再計
算する。但し、各領域a−a’ 、b−b’ 、c−c
’ 、dd′があまり小さくなりすぎると、逆に誤差が
増17 大するので、上記のように相関関数が或る一定値以上に
なるか又は各画素の座標との偏差が或る一定値以下とな
らなくても、各領域の幅が或る値に達した時点で、上記
の近似計算を終了する。そして、このようにして最終的
に求められた近似直線A,B..C,Dからその4つの
交点H. 、H.、Hc、Haを求める。
この圧痕サイズ決定部27は、上記のようにして求めた
4つの交点H− 、Hb ,Hc 、Haからその対角
線H.−HC及びH,−H.の長さを求め、それらの平
均値を、実際の圧痕2の大きさに最も合致する正方形の
対角線の長さとして認識する。このように、本実施例の
圧痕サイズ決定部27は、実際の測定値から圧痕2の理
想形状を推測し、その理想形状の値を測定値として用い
るので、実際の圧痕2の形状が不鮮明であっても、かな
り正確な圧痕の大きさを硬度計算に用いることができる
。また、直線近似式を、上述したように繰り返し計算し
ているので、圧痕2が多少位置ずれしている場合でも、
かなり正確な測定値を得ること18 ができる。更に、本実施例においては、圧痕サイズを求
めるための画像として、従来のものとは白黒が逆転した
暗視野型の画像を用いているので、そのコントラストが
よくなる上に、被測定面La」二に存在する圧痕2以外
の傷や凹凸部分が画像に殆ど現れない。このため、圧痕
2の測定を極めて正確に且つ特別のノイズ除去手段を用
いることなく行うことができる。
以上のようにして、圧宸サイズ決定部27で決定された
圧痕2の対角線の長さlは、硬度演算部28に送られ、
そこで、ダイヤモンド製圧子3の押付荷重Pとから、次
式 Hv一P/S 一2 Psjn 68’ / (!.”一1.854P
/f2(kg /mm” )により、ビッカース硬度H
vが算出され、例えばプリンタ10等に出力される。
以上、ビッカース硬度を測定するための押込型硬度計に
本発明を適用した実施例を説明したが、本発明は、ブリ
ネル硬度を測定するための押込型1 9一 硬度計番こも通用が可能である。その場合乙こは、試験
片の被測定面に形成される圧痕は球面状であり、照射光
の反射方向は、その光が当たる球面部分によって変わっ
てしまうが、例えば、圧痕の周縁部での曲率にほぼ対応
ずる角度で光を照躬ずれば圧痕のリング状の像を得るこ
とは可能であり、これを画像処理することによって、ブ
リネル硬度を自動測定することは可能である。
また、上記実施例番こおいては、明視野型の画像を用い
て画像の位置合わせ及び焦点合わせを行ったが、これら
の処理は必ずしも必要なものではない。
また、本発明の光照射手段は、上記実施例の顕微鏡4の
ように採光手段と一体のものである必要はなく、別体に
構威されたものであってもよい。
特に、光照劃手段の配置及び構成が採光手段とは独立的
に制御できる場合、得られる画像信号の明暗信号レベル
比が1.5以上となるようにこの光照射手段の配置及び
構戒を制御するのがよい。この場合、試料の被測定面の
平面の法線に対する入光20 角度、採光手段のレンズ作動距離、レンズ径、入光位置
等に応じて、得られる画像信号の明暗信号レベル比が上
記値以上となるように光照射手段の配置及び構戒を調整
する。この場合、「明暗信号レベル比Jとは、暗視野型
の画像において、例えば適当なスレッシュホールドレベ
ノレを基準として区分される圧痕部での平均的な画像信
号レベルと、この圧痕部を除いた部分での平均的な画像
信号レベルとの比を言い、例えば第3図に示ずA/D変
換器6の前又は後に適当なレベル検出手段を設けて検出
する。
〔発明の効果〕
本発明においては、試験片の被測定面の平面の法線に対
し所定角度範囲内で傾斜した光をその被測定面に照射し
、その照射された光のうち圧痕部分で反射した光を採光
して、いわゆる暗視野型の画像を得ているので、圧痕の
像のコントラストがよくなり、特に、被測定面内に存在
する圧痕以外の傷や他の腐食部分の模様が画像に現れな
い。従って、圧痕測定のための画像処理を、特別のノイ
2I ズ除去処理を行うことなく、比較的簡単なアルゴリズム
で正確に行うことができる。
そして、本発明の押込型硬度計によれば、従来のもので
は事実上全く不可能であった腐食面等の平滑度のかなり
悪い被測定面でも硬度測定が可能であり、このため、例
えば結晶粒度測定用サンプルを用いて硬度測定も行える
ようになり、経済的にも有利である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例による押込型硬度計の顕微鏡
部分の概略構或図、第2図(a)及び(b)は本発明に
よる採光の原理を説明するための概略図、第3図は上記
実施例による押込型硬度計の全体の#I或を示す概略図
、第4図は上記押込型硬度計の画像位置合わせ処理を説
明するための説明図、第5図(a)、(b)及び(C)
は上記押込型硬度計の焦点合わせ処理を説明するための
説明図、第6図は上記押込型硬度計によって得られた圧
痕形状を示す説明図、第7図(a)及び(b)は上記押
込型硬度f,3番こよって得られた画像22 から境界部分の画素を抽出する手順を説明するための説
明図、第8図は従来の押込型硬度計の構威を示す概略図
、第9図(a)及び(b)は従来の押込型硬度計で得ら
れる画像及びその処理を示す説明図、第10図(a)及
び(b)は圧痕が位置ずれを起こした状態を示す第9図
(a)及び(b)と同様の説明図、第11図(a)及び
(b)は圧痕の形状が不鮮明な状態を示す第9図(a)
及び(b)と同様の説明図、第l2図(a)及び(b)
は従来の押込型硬度計の採光の原理を説明するための説
明図である。 なお、図面6こ用いた符号において、 1  ・・・・・・ 試験片 1a ・・・・・・ 被測定面 2  ・・・・・・ 圧痕 3  ・・・・・・ 圧子 4  ・・・・・・ 顕微鏡 5  ・・・・・・ 撮像素子 16 ・・・・・・ 光照射レンズ 17 ・・・・・・ 光源 2値化処理部 2値画像処理部 圧痕サイズ決定部 硬度演算部

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 試験片の実質的に平面状をなす被測定面に所定形状の圧
    子を押し付けて圧痕を形成する圧痕形成手段と、 前記被測定面に形成された前記圧痕内部の所定の反射面
    において所定の方向に光を反射させるように設けられた
    光照射手段と、 前記圧痕内部の前記所定の反射面において前記所定の方
    向に反射した光を採光するように設けられた採光手段と
    、 前記採光手段から入射した光の像を平面的な画像として
    撮像する撮像手段と、 前記撮像手段により撮像した画像の画素を所定のレベル
    を基準として2値化する2値化手段と、前記2値化手段
    により2値化された画素群から境界部分の画素を抽出し
    、その境界部分の画素の座標から得られる前記圧痕の平
    面形状及びその大きさに最も近い所定パターンの圧痕形
    状を決定する画像処理手段と、 前記画像処理手段で得られた前記所定パターンの圧痕形
    状に基づいて硬度を算出する硬度演算手段とを有するこ
    とを特徴とする押込型硬度計。
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