JPH0968488A - 押込型硬度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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を解消することができる
押込型硬度計を提供する。 【解決手段】この発明の押込型硬度計は、圧子２を試料
Ｓへ押し込むことにより試料Ｓの表面につけた窪みの光
学画像における窪み輪郭に沿って並び連なる画素を候補
点として選択して候補点メモリ１３に記憶し、ＣＰＵ８
が窪み辺に沿った並びを各候補点について評価し、並び
から外れている候補点を除外して本来の窪みの辺を正確
に示す近似線を求め、各近似線の交点を求めることに基
づき試料の硬度を算定するように構成されており、高精
度で試料の硬度が算定されるようになっている。

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
記近似線作成手段が、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。

【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】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)

【特許請求の範囲】
1. 【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
   近似線作成手段が、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。