JPH0972840A - 押込型硬度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 硬度測定のために試料の表面に付与された窪
みの形状の適否判定をバラツキなく行えるようにする。 【解決手段】 この発明の押込型硬度計では、圧子２に
より試料Ｓの表面に付与された四角形の窪みの光学画像
をＣＣＤカメラ６で取り込み、この窪みの光学画像にお
ける２本の対角線相互の幾何学的情報を窪み形状情報と
してＣＰＵ８により算出する一方、適切な窪み形状範囲
と対応する２本の対角線相互の幾何学的情報を窪み形状
基準情報として形状基準情報メモリ１３が予め記憶して
おり、かつ、ＣＰＵ８が、先に算出した窪み形状情報を
窪み形状基準情報と照らし合わせて窪み形状の適否を客
観的に判定する。

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対角線寸法
（対角線長さ）と圧子の押し込み荷重とから試料の硬度
算定が行われる押込型硬度計に関し、特に圧子により試
料の表面に付与された窪みの形状が適切であるか否かを
客観的に判定す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窪み（圧痕）を付与しておい
て、ＣＣＤカメラ（画像検出手段）により試料の表面か
ら四角形の窪みの光学画像を検出した後、ＣＣＤカメラ
が検出した窪みの光学画像に基づいて求めた窪みの対角
線寸法と圧子の押し込み荷重とから試料の硬度を算定す
るように構成されている。光学画像からの窪みの対角線
寸法の算出は次のとおりである。ＣＣＤカメラで検出さ
れた窪みの光学画像をＴＶモニタに表示しておいて、四
角形の光学画像の頂点の位置へカーソル（マーカ）を移
動させてから、キー操作（クリック操作）等により頂点
の位置情報（座標）の取り込みを４つの各頂点それぞれ
について行った後、対面する頂点同士の距離を算出す
る。算出した頂点間の距離が窪みの対角線寸法である。

【０００３】そして、押込型硬度計の場合、正確な測定
結果を得るためには、試料の表面に付与した窪みは、対
称性がよく保たれた歪みのない形状でなければならな
い。なぜなら、対称性が大きく損なわれた歪みの大きな
形状の場合、硬度測定の前提となる窪みの対角線寸法と
試料の硬度との対応が崩れて、正確な試料硬度が求まら
なくなるからである。試料の表面の状況によっては付与
された窪みが大きく歪んでしまうことがあるため、通
常、試料の表面に窪みを付与したあと、窪み形状の善し
悪しを観察して、窪みの形状が不適切と思われるような
場合は、窪みを付け直すようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
押込型硬度計の場合、窪みの形状の適否判定の結果が安
定しない（バラツキがある）という問題がある。すなわ
ち、窪みを目視で観察して、経験と感により（経験的・
感覚的に）窪みの形状の善し悪しを判定しており、観察
結果や善し悪しの判定基準が主観的であることから、判
定結果に個人差があらわれたりして安定しないのであ
る。この窪みの形状に対する適否判定の結果のバラツキ
は、最終的に得られる試料硬度の測定結果のバラツキを
引き起こす原因となる。

【０００５】この発明は、上記の事情に鑑み、硬度測定
のため試料の表面に付与された窪みの形状の適否判定の
際、安定した結果が得られる押込型硬度計を提供するこ
とを課題とする。

【０００６】

【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
像検出手段とを備え、前記画像検出手段が検出した光学
画像に基づいて求めた窪みの対角線寸法と前記圧子の押
し込み荷重とに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、前記画像検出手段により検
出した光学画像における２本の対角線相互の幾何学的情
報を窪み形状情報として算出する情報算定手段と、適切
な窪み形状範囲と対応する２本の対角線相互の幾何学的
情報を窪み形状基準情報として予め記憶する基準情報記
憶手段と、前記情報算定手段により算出された窪み形状
情報を窪み形状基準情報と照らし合わせて窪み形状の適
否を判定する窪み形状判定手段とを備えている構成をと
るものである。

【０００７】

【作用】この発明の押込型硬度計の作用は次のとおりで
ある。先ず、窪み付与手段により試料の表面に窪みが付
与された後、画像検出手段により試料の表面の四角形の
窪みの光学画像が検出されるのに続いて、情報算定手段
により検出した四角形の光学画像における２本の対角線
相互の幾何学的情報が窪み形状情報として算出される。
２本の対角線相互の幾何学的情報は、四角形の窪みの歪
みの程度と良く対応していて、窪み形状情報としての適
性が高い。一方、基準情報記憶手段には適切な窪み形状
範囲と対応する２本の対角線相互の幾何学的情報が、窪
み形状基準情報として予め記憶されており、窪み形状判
定手段は、情報算定手段が算出した窪み形状情報を窪み
形状基準情報と照らし合わせて、窪み形状の適否を判定
する。このように、この発明では、窪みの形状に対する
適否は、機械的な画像検出手段による窪みの客観的な観
察結果である光学画像と、予め記憶されている窪み形状
基準情報という客観的な判定基準とに基づいてなされる
ことになる。

【０００８】窪みの形状が必要な基準に達していれば適
当と判定されて、続いて窪みの対角線寸法と圧子の押し
込み荷重とにより試料の硬度が算定される。しかし、窪
みの形状が必要な基準に達してはおらず不適当と判定さ
れた場合は、試料の表面への窪み付与を改めて行い、再
び窪みの形状の適否の判定が繰り返される。

【０００９】

【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Ｘ（横）−Ｙ（縦）方向の動きが可能であ
る。圧子２の試料Ｓの表面への押し込みは、荷重制御部
３の指令に従って設定荷重が付加された圧子２が下降す
ることによりなされる。そして、窪みを付与する位置の
調整は、試料台１をＸ−Ｙ方向に移動させて、圧子２に
対面する試料Ｓの表面の位置を変えることによりなされ
る。なお、圧子の荷重付加は自動ではなく手動で行う構
成であってもよい。

【００１０】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、窪みの光学画像は細長の略菱形となる。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。

【００１１】ＣＣＤカメラ６の検出信号は、Ａ／Ｄ変換
器１０によって濃淡階調段数が２５６段（８ビット）の
ディジタル信号に変換されてから、画像メモリ１１に格
納される。形状基準情報メモリ（基準情報記憶手段）１
３は、窪み形状の適否の基準となる窪み形状基準情報が
予め格納されている。また、操作部１２は、いわゆるマ
ウス（又はジョイスティック）や操作キー等を具備して
おり、硬度測定に必要な設定・入力操作を行うためのも
のであり、ＴＶモニタ１４は、図２に示すように、画像
メモリ１１に記憶されている窪みＫの画像を表示した
り、設定・入力画面を表示したりするものである。そし
て、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。以下、より具体的に説明する。

【００１２】この発明では、ＣＣＤカメラ６が検出した
四角形の光学画像における２本の対角線相互の幾何学的
情報が窪み形状情報として求められ、これを用いて窪み
形状の適否判定がなされるのであるが、実施例の場合、
窪み形状情報は次の３つである。図３に示すように、第
１の窪み形状情報は、窪みＫの２本の対角線ＬＨ，ＬＶ
の交差角度θであり、第２の窪み形状情報は、窪みＫの
２本の対角線ＬＨ，ＬＶの寸法比率（全長比率）ＬＶ１
／ＬＨ１であり、第３の窪み形状情報は、各対角線Ｌ
Ｈ，ＬＶそれぞれの分割比率ＬＨ２／ＬＨ３，ＬＶ２／
ＬＶ３である。この３つの窪み形状情報が、それぞれ、
形状基準情報メモリ１３に格納されている窪み形状基準
情報と照らし合わされる。したがって、窪み形状基準情
報は、適切な窪み形状範囲の限界に対応する窪み形状情
報を示す値に設定される。

【００１３】窪み形状基準情報の方も、第１〜第３の３
つの窪み形状情報それぞれに対応して３つ設定・記憶さ
れることになる。具体的には、交差角度θについての窪
み形状基準情報は、例えば広い目だと８０°〜１００°
と設定され、通常では８７°〜９３°に設定される。寸
法比率ＬＶ１／ＬＨ１についての窪み形状基準情報は、
例えば広い目だと０．８〜１．２と設定され、通常では
０．９〜１．１に設定される。分割比率ＬＨ２／ＬＨ
３，ＬＶ２／ＬＶ３についての窪み形状基準情報は、そ
れぞれ、例えば広い目だと０．８〜１．２と設定され、
通常では０．９〜１．１に設定される。勿論、この発明
は、上記の設定に限られるものではなく、試料の表面状
態などに応じて適当な範囲が設定される。なお、上記の
３つの窪み形状情報および３つの窪み形状基準情報は、
窪みの大きさが因子として入らないため、窪みの大小に
関係なく適用することができる。

【００１４】３つの窪み形状基準情報の設定・記憶は、
次のようにして行われる。図４に示すように、モニタ１
４に設定画面を呼び出しておいて、試料Ｓの種類や表面
状態等を勘案してキー操作等によりボックスＱの中へ適
当な数値をはめ込む程度である。窪み形状基準情報の設
定操作は測定のたびに必ず行われるわけではなく、必要
がなければ設定操作は行われず、前回設定した窪み形状
基準情報がそのまま使われることもある。

【００１５】続いて、この発明で特徴的な構成のひとつ
である情報算定手段、すなわちＣＣＤカメラ６により検
出した光学画像についての窪み形状情報を算出する手段
について説明する。この情報算出手段は、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。図２に示すように、モニタ１４の画面に窪
みＫの光学画像を映し出しておいて、四角形の光学画像
の頂点Ｍ１の位置へカーソル（例えば十字マーカ）Ｐを
手動操作で移動させてからキー操作（クリック操作）に
より頂点Ｍ１の位置情報（座標）をＣＰＵ８に取り込
む。他の頂点Ｍ２〜Ｍ４それぞれについても順次、同様
にして、頂点の位置情報（座標）をＣＰＵ８に取り込
む。次に取り込んだ４つの頂点Ｍ１〜Ｍ４の座標に基づ
いて、２本の対角線の交差角度θ（第１の窪み形状情
報）、窪みＫの２本の対角線ＬＨ，ＬＶの寸法比率ＬＶ
１／ＬＨ１（第２の窪み形状情報）、および、各対角線
ＬＨ，ＬＶそれぞれの分割比率ＬＨ２／ＬＨ３，ＬＶ２
／ＬＶ３（第１の窪み形状情報）をＣＰＵ８が算出す
る。

【００１６】次に、この発明で特徴的な構成のひとつで
ある窪み形状判定手段が、上で算出した３つの窪み形状
情報を各窪み形状基準情報と照らし合わせて窪み形状の
適否を判定することになる。この窪み形状判定手段も、
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。すなわち、窪み形状判定手段
により、交差角度θが設定範囲内にあるか否か、、寸法
比率ＬＶ１／ＬＨ１が設定範囲内にあるか否か、分割比
率ＬＨ２／ＬＨ３，ＬＶ２／ＬＶ３が設定範囲内にある
か否か、がそれぞれチェックされるのである。そして、
３つの窪み形状情報の全てが設定範囲内にある場合の
み、窪みの形状が適当と判定される。しかし、ひとつで
も、設定範囲内に入らない窪み形状情報があれば、窪み
の形状は不適と判定される。

【００１７】図５は、３つの窪み形状情報のひとつだけ
が、設定範囲内に入らない形状不適と判定されるべき窪
み例を示すものである。図５（ａ）に示す窪みＫａは、
交差角度θが９０°、分割比率ＬＨ２／ＬＨ３，ＬＶ２
／ＬＶ３が１．０と正常値の範囲であるが、寸法比率Ｌ
Ｖ１／ＬＨ１が基準情報（例えば０．８）を下回り、正
常な窪みＫから大きく歪んだ不適当な形状となってい
る。図５（ｂ）に示す窪みＫｂは、交差角度θが９０
°、寸法比率ＬＶ１／ＬＨ１が１．０と正常値の範囲で
あるが、分割比率ＬＨ２／ＬＨ３，ＬＶ２／ＬＶ３が基
準情報（例えば０．８）を下回り、正常な窪みＫから大
きく歪んだ不適当な形状となっている。図５（ｃ）に示
す窪みＫｃは、寸法比率ＬＶ１／ＬＨ１が１．０、分割
比率ＬＨ２／ＬＨ３，ＬＶ２／ＬＶ３が１．０と正常値
の範囲であるが、交差角度θが基準情報（例えば８０
°）を下回り、正常な窪みＫから大きく歪んだ不適当な
形状となっている。上にみたように、３つの窪み形状情
報の全てが設定範囲内にあって、始めて適切な窪みの形
状と判定できるのである。

【００１８】窪みの形状が不適当と判定された場合は、
モニタ１４の画面に窪みの形状が不適当という表示が出
るので、試料の表面への窪み付与を手動で改めて行い、
再び窪みの形状の適否の判定を繰り返すことになるが、
窪みの形状が適当と判定された場合、ＣＰＵ８が窪みの
対角線寸法と圧子の押し込み荷重とにより試料の硬度を
算定することになる。２本の窪みの対角線ＬＨ，ＬＶの
平均寸法ｄを求め、平均寸法ｄと荷重制御部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の平均寸法
ｄや荷重Ｆ等と共に）、プリンタ１５から印刷出力され
る。

【００１９】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６を参照しながら説明する。 〔ステップＳ１〕 モニタ１４に窪み形状基準設定用画
面を選択して呼び出しておいて、３つの窪み形状基準情
報を設定し、それらを形状基準情報メモリ１３に格納す
る。

【００２０】〔ステップＳ２〕 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Ｋの光学画像を検出する。

【００２１】〔ステップＳ３〕 窪みＫの光学画像にお
ける４つの頂点Ｍ１〜Ｍ４の位置情報（座標）を取り込
む。

【００２２】〔ステップＳ４〕 窪みＫの光学画像にお
ける４つの頂点Ｍ１〜Ｍ４の座標に基づいて、情報算出
手段が、２本の対角線の交差角度θ（第１の窪み形状情
報）、窪みＫの２本の対角線ＬＨ，ＬＶの寸法比率ＬＶ
１／ＬＨ１（第２の窪み形状情報）、および、各対角線
ＬＨ，ＬＶそれぞれの分割比率ＬＨ２／ＬＨ３，ＬＶ２
／ＬＶ３（第１の窪み形状情報）の３つの窪み形状情報
を算出する。

【００２３】〔ステップＳ５〕 算出した３つの窪み形
状情報を対応する各窪み基準情報と照らし合わせる。第
１〜第３の３つの窪み形状情報が、それぞれ、窪み形状
基準情報での設定範囲内にある（基準に達する）か否
（基準に達しない）かをチェックする。第１〜第３の窪
み形状情報が３つとも基準に達していれば、硬度を算定
するステップＳ６へ進む。第１〜第３の窪み形状情報の
うちのひとつでも基準に達していなければ、ステップＳ
２へ戻り、対物レンズ５を圧子２に切替え、試料Ｓの表
面に圧子２を押し込み窪みＫを付与し直してステップＳ
３〜Ｓ５を繰り返す。

【００２４】〔ステップＳ６〕 ２本の窪みの対角線寸
法の平均寸法ｄを出し、この平均寸法ｄと押し込み荷重
Ｆとより、試料Ｓの硬度ＨＶを算定して結果をプリンタ
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、窪みの光学画像の頂点の位置情報
（座標）を手動操作を伴って取り込む構成であったが、
窪みの光学画像の頂点の位置情報（座標）を完全自動で
取り込む構成のものが他の実施例としてあげられる。具
体的には、以下のような構成が挙げられる。 窪みの頂点近傍の形状パターン（仮想頂部パター
ン）を予め何種類か用意しておき、各仮想頂部パターン
と、検出した窪みの光学画像とのパターンマッチング処
理を行い、窪みの光学画像の頂点箇所と一致する仮想頂
部パターンを抽出し、その仮想頂部パターンに基づいて
頂点の位置情報（座標）を自動的に取り込む。 あるいは、窪みの光学画像を２値画像化して輪郭に
位置する画素の位置情報に基づいて４つの各辺の近似線
を算出し、その交点を頂点の位置情報（座標）として自
動的に取り込む。 さらには、光学画像を水平および垂直に走査し、最
初に信号レベルが変化することになるエッジ位置の画素
の位置情報（座標）を窪みの頂点の座標として自動的に
取り込む。

【００２６】（２） 実施例では、試料の表面への窪み
の再付与は手動であったが、窪みの再付与が自動でなさ
れる構成のものが他の実施例として挙げられる。具体的
には、試料台のＸ−Ｙ方向の移動と、圧子と対物レンズ
を交換するレボルバーの切替えとが電動で自動的に行わ
れるようにしておき、窪みの再付与の制御指令があれ
ば、対物レンズを圧子と自動的に交換する一方、試料台
がＸ−Ｙ方向に自動的に適当距離移動して試料の位置を
変更してから、窪みの再付与が自動的になされるように
することになる。

【００２７】

【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、画像検出手段による窪みの
客観的な観察と、予め記憶する客観的な判定基準とに基
づいて窪みの形状に対する適否判定がなされており、目
による主観的な窪み観察や、経験や感という主観的な判
定基準が排除されるので、硬度測定のために試料の表面
に付与された窪みの形状の適否をバラツキなく行うこと
ができ、その結果として、硬度測定の精度を向上するこ
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】実施例の押込型硬度計のモニタ画面を示す平面
図である。

【図３】実施例における窪み形状情報の説明用としての
窪みの模式図である。

【図４】実施例での窪み形状基準設定用モニタ画面を示
す模式的平面図である。

【図５】実施例で形状が不適と判定される窪みの形状例
を示す模式図である。

【図６】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。

【符号の説明】

１…試料台 ２…圧子 ６…ＣＣＤカメラ ８…ＣＰＵ １３…形状基準情報メモリ Ｋ…窪み Ｓ…試料 ＬＨ…窪みの対角線 ＬＶ…窪みの対角線

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を備え、
   前記画像検出手段が検出した光学画像に基づいて求めた
   窪みの対角線寸法と前記圧子の押し込み荷重とにより試
   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、前記画像検出手段により検出した光学画像におけ
   る２本の対角線相互の幾何学的情報を窪み形状情報とし
   て算出する情報算定手段と、適切な窪み形状範囲と対応
   する２本の対角線相互の幾何学的情報を窪み形状基準情
   報として予め記憶する基準情報記憶手段と、前記情報算
   定手段により算出された窪み形状情報を窪み形状基準情
   報と照らし合わせて窪み形状の適否を判定する窪み形状
   判定手段とを備えていることを特徴とする押込型硬度
   計。