(57)【要約】【課題】シャルピー試験片の破面が脆性破面であるか又は延性破面であるかを精度良く判定するのに使用可能なシャルピー試験片の破面評価装置を提供する。【解決手段】本発明に係る破面評価装置１００は、シャルピー試験片Ｓの破面Ｓ１に対向して配置され、破面を破面に対して略垂直な方向（Ｚ方向）から撮像する撮像手段１と、破面に対して略垂直な方向から見た場合に、少なくともシャルピー試験片に予め加工された切欠きが延びる方向（Ｘ方向）と直交する方向（Ｙ方向）から破面に対して光Ｌを照射する光照射手段２と、光照射手段を破面に対して略垂直な方向に移動させる移動手段３と、移動手段によって移動する光照射手段の所定の移動位置毎に、撮像手段で撮像した破面の撮像画像を取得し、撮像画像における所定の画素領域の濃度値を算出し、光照射手段の移動位置に応じた画素領域の濃度値の変化を算出する演算手段４と、を備える。【選択図】 図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャルピー試験片の破面に対向して配置され、前記破面を前記破面に対して略垂直な方向から撮像する撮像手段と、
前記破面に対して略垂直な方向から見た場合に、少なくとも前記シャルピー試験片に予め加工された切欠きが延びる方向と直交する方向から前記破面に対して光を照射する光照射手段と、
前記光照射手段を前記破面に対して略垂直な方向に移動させる移動手段と、
前記移動手段によって移動する前記光照射手段の所定の移動位置毎に、前記撮像手段で撮像した前記破面の撮像画像を取得し、該撮像画像における所定の画素領域の濃度値を算出し、前記光照射手段の移動位置に応じた前記画素領域の濃度値の変化を算出する演算手段と、
を備えることを特徴とするシャルピー試験片の破面評価装置。
【請求項２】
前記演算手段は、前記光照射手段の移動位置に応じた前記画素領域の濃度値の変化に基づき、前記濃度値の最大値及び該最大値が得られた前記光照射手段の移動位置を検出し、前記最大値又は前記最大値が得られた前記光照射手段の移動位置に基づき、前記画素領域が脆性破面に相当するか又は延性破面に相当するかを判定する、
ことを特徴とする請求項１に記載のシャルピー試験片の破面評価装置。
【請求項３】
前記演算手段は、前記光照射手段の移動位置に応じた前記画素領域の濃度値の変化を１階微分し、前記光照射手段の移動位置に応じた前記画素領域の濃度値の１階微分値の変化を算出する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のシャルピー試験片の破面評価装置。
【請求項４】
前記演算手段は、前記光照射手段の移動位置に応じた前記画素領域の濃度値の１階微分値の変化に基づき、前記１階微分値の最小値と、該最小値が得られた前記光照射手段の移動位置から所定距離だけ離れた前記光照射手段の移動位置での前記１階微分値との比である濃度比を算出し、該濃度比に基づき、前記画素領域が脆性破面に相当するか又は延性破面に相当するかを判定する、
ことを特徴とする請求項３に記載のシャルピー試験片の破面評価装置。
【請求項５】
前記演算手段は、前記光照射手段の移動位置に応じた前記画素領域の濃度値の変化を２階微分し、前記光照射手段の移動位置に応じた前記画素領域の濃度値の２階微分値の変化を算出する、
ことを特徴とする請求項１から４の何れかに記載のシャルピー試験片の破面評価装置。
【請求項６】
前記演算手段は、前記２階微分値の絶対値に基づき、前記画素領域が脆性破面に相当するか又は延性破面に相当するかを判定する、
ことを特徴とする請求項５に記載のシャルピー試験片の破面評価装置。
【請求項７】
前記演算手段は、前記撮像画像に対して互いに同一面積の前記画素領域を複数設定し、該複数の画素領域のうち、脆性破面に相当すると判定した画素領域の数、又は、延性破面に相当すると判定した画素領域の数に基づき、前記破面の脆性破面率又は延性破面率を算出する、
ことを特徴とする請求項２、４又は６に記載のシャルピー試験片の破面評価装置。
【請求項８】
前記光照射手段は、前記破面に対して略垂直な方向から見た場合に、３６０°全方向から前記破面に対して光を照射する環状照明を具備する、
ことを特徴とする請求項１から７の何れかに記載のシャルピー試験片の破面評価装置。
【請求項９】
前記光照射手段は、前記破面に対して略垂直な方向と７０°〜９０°の角度を成す方向から光を照射する、
ことを特徴とする請求項１から８の何れかに記載のシャルピー試験片の破面評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シャルピー試験片の破面が脆性破面であるか又は延性破面であるかを精度良く判定するのに使用可能なシャルピー試験片の破面評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鋼材等の金属材料の破壊靭性を評価する試験として、シャルピー衝撃試験が知られている。
シャルピー衝撃試験は、切欠きが予め加工された試験片（シャルピー試験片）にハンマーで衝撃を加えて破断させ、その衝撃吸収エネルギーを測定することで、金属材料の破壊靭性を評価する試験である。
【０００３】
破断したシャルピー試験片の破面には、脆性破面及び延性破面が存在する。脆性破面は、多くの結晶粒が劈開破壊又は粒界破壊して、輝いて見える破面である。延性破面は、繊維状にせん断破壊して、鈍く輝きのない破面である。
シャルピー衝撃試験においては、ＪＩＳ規格Ｚ２２４２にも規定されているように、衝撃吸収エネルギーを測定するだけでなく、シャルピー試験片の破面を目視で観察することで、破面が脆性破面であるか又は延性破面であるかを判断し、破面の全面積に対する脆性破面の面積の割合を示す脆性破面率や、破面の全面積に対する延性破面の面積の割合を示す延性破面率を求めることがある。
そして、シャルピー試験片の温度を変えてシャルピー衝撃試験を繰り返し実行し、各温度での脆性破面率又は延性破面率を測定し、これらの値が５０％となる温度を破面遷移温度として求めることがある。
【０００４】
しかしながら、従来、脆性破面と延性破面とは、人間が破面を目視で観察し、その輝きを評価することで識別判定しているため、その判定結果には個人差が不可避的に生じる。このため、十分な精度で破面率（脆性破面率又は延性破面率）を測定できない場合がある。
【０００５】
上記のような目視観察の問題点に鑑みて、例えば、特許文献１や特許文献２に記載のシャルピー試験片の破面率測定装置が提案されている。
【０００６】
特許文献１に記載の装置は、シャルピー試験片の破面を撮像するテレビカメラと、上記テレビカメラから映像信号を受けて上記破面を拡大して表示する陰極線管と、上記陰極線管の画面上の座標を検出するための座標検出手段と、上記座標検出手段によって入力された座標信号によって上記破面の面積およびその破面のうちのぜい性破面や延性破面の面積を算出し、上記破面の全面積に対する上記ぜい性破面や延性破面の面積の百分率を算出する計算機を備えたことを特徴とするシャルピー試験片の破面率測定装置である（特許文献１の特許請求の範囲）。
【０００７】
特許文献１に記載の装置では、人間が破面を直接目視するのではなく、陰極線管に拡大表示された破面を目視することになるものの、人間が目視で脆性破面と延性破面とを識別判定することには変わりがないため、判定結果に個人差が生じるという問題は残ったままである。
【０００８】
特許文献２に記載の装置は、シャルピー試験片の破面上に微小スポット光を投光するための光源と、この光源からの微小スポット光を前記破面上で自動的に走査させるスポット光走査手段と、前記微小スポット光照射による破面上からの反射光パターンを取込むパターン取込み手段と、この取込み手段により取込んだ反射光パターンを電気信号に変換する光電変換手段と、この光電変換手段からの電気信号に基いて脆性破面と延性破面とを識別することにより前記シャルピー試験片の脆性破面率または延性破面率の少なくとも一方を求める信号処理手段とを具備したことを特徴とするシャルピー試験片の破面率測定装置である（特許文献２の特許請求の範囲第１項）。また、特許文献２に記載の装置において、前記光電変換手段は、前記破面上からの正反射に近い部分ほど減衰率の大きくなる光学的フィルタを介して取り込むことを特徴としている（特許文献２の特許請求の範囲第２項）。
【０００９】
特許文献２に記載の装置では、特許文献１に記載の装置と異なり、人間が目視で脆性破面と延性破面とを識別判定するのではなく、信号処理手段が光電変換手段からの電気信号に基づいて自動的に識別判定することになるため、判定結果に個人差が生じるという問題は生じない。
しかしながら、特許文献２に記載の装置の微小スポット光照射によって得られる反射光パターン（スペックルパターン）は、微小スポット光の波長と同程度の照射面の粗さの影響を最も強く受けて変化する。シャルピー試験片の破面は、脆性破面又は延性破面の何れであっても、平均粗さＲａ＝１０〜１００μｍ程度である。このため、例えば、微小スポット光を投光するための光源として、一般的な半導体レーザ（波長１μｍ）を用いる場合には、脆性破面と延性破面とによって反射光パターンに大きな差異が生じず、脆性破面と延性破面との識別判定精度を高めることが困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開昭６１−１５５７２４号公報
【特許文献２】特開昭６３−９６５３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、シャルピー試験片の破面が脆性破面であるか又は延性破面であるかを精度良く判定するのに使用可能なシャルピー試験片の破面評価装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決するため、本発明者らは鋭意検討を行った結果、以下の知見を得た。
（１）シャルピー試験片の破面に対して光照射手段から光を照射し、破面を破面に対して略垂直な方向から撮像手段で撮像する構成において、光照射手段を破面に対して略垂直な方向（撮像手段の視線方向）に移動させ、その移動位置毎に撮像した撮像画像における濃度値を算出する（すなわち、光照射手段の移動位置に応じた濃度値の変化を算出する）と、破面が脆性破面であるか延性破面であるかに応じて濃度値の変化の様子が異なる。
（２）上記（１）で述べた濃度値の変化の様子が脆性破面と延性破面とで異なるのは、破面に対して略垂直な方向から見た場合に、シャルピー試験片に予め加工された切欠きが延びる方向と直交する方向から破面に対して光を照射した場合に最も顕著となる。具体的には、上記のように光を照射した場合、脆性破面における濃度値の変化のばらつきが小さくなると共に、延性破面における濃度値の変化のばらつきが小さくなる結果、脆性破面であるか延性破面であるかに応じて濃度値の変化の様子が顕著に異なることになる。
本発明は、上記本発明者らの知見に基づき完成したものである。
【００１３】
すなわち、前記課題を解決するため、本発明は、シャルピー試験片の破面に対向して配置され、前記破面を前記破面に対して略垂直な方向から撮像する撮像手段と、前記破面に対して略垂直な方向から見た場合に、少なくとも前記シャルピー試験片に予め加工された切欠きが延びる方向と直交する方向から前記破面に対して光を照射する光照射手段と、前記光照射手段を前記破面に対して略垂直な方向に移動させる移動手段と、前記移動手段によって移動する前記光照射手段の所定の移動位置毎に、前記撮像手段で撮像した前記破面の撮像画像を取得し、該撮像画像における所定の画素領域の濃度値を算出し、前記光照射手段の移動位置に応じた前記画素領域の濃度値の変化を算出する演算手段と、を備えることを特徴とするシャルピー試験片の破面評価装置を提供する。
【００１４】
本発明によれば、光照射手段によって、シャルピー試験片の破面に対して略垂直な方向から見た場合に、少なくともシャルピー試験片に予め加工された切欠きが延びる方向と直交する方向から破面に対して光が照射され、撮像手段によって、光照射手段の所定の移動位置毎に破面の撮像画像が撮像される。そして、演算手段によって、光照射手段の移動位置に応じた撮像画像における所定の画素領域の濃度値の変化が算出される。
したがい、前述の本発明者らの知見の通り、演算手段が算出した濃度値の変化の様子の差異に基づき、当該画素領域が脆性破面に相当するか又は延性破面に相当するかを精度良く判定可能である。
【００１５】
なお、本発明における「画素領域の濃度値」は、画素領域を代表する濃度値であり、典型的には、画素領域を構成する各画素の濃度値の平均値を意味する。ただし、本発明はこれに限るものではなく、画素領域を構成する各画素の濃度値の最大値や最小値を「画素領域の濃度値」とすることも可能である。
また、本発明において、演算手段は、算出した濃度値の変化に基づき、当該画素領域が脆性破面に相当するか又は延性破面に相当するかを自動的に判定しても良いし、演算手段自体は算出した濃度値の変化を表示するに留め、この表示を人間が目視することで判定してもよい。人間が目視で判定する場合であっても、単に撮像画像を目視して判定する場合に比べて、濃度値の変化という数値化された指標が得られるため、判定結果に個人差が生じ難い。
【００１６】
本発明者らの知見によれば、画素領域が脆性破面に相当するか又は延性破面に相当するかに応じた濃度値の変化の様子の差異は、特に、濃度値の最大値や、最大値が得られた光照射手段の移動位置について生じ易い。
したがい、好ましくは、前記演算手段は、前記光照射手段の移動位置に応じた前記画素領域の濃度値の変化に基づき、前記濃度値の最大値及び該最大値が得られた前記光照射手段の移動位置を検出し、前記最大値又は前記最大値が得られた前記光照射手段の移動位置に基づき、前記画素領域が脆性破面に相当するか又は延性破面に相当するかを判定する。
【００１７】
上記の好ましい構成によれば、画素領域が脆性破面に相当するか又は延性破面に相当するかを演算手段が自動的に判定するため、人間が目視で判定する場合に比べて、判定結果に個人差が生じ難い。
【００１８】
本発明者らの知見によれば、画素領域が脆性破面に相当するか又は延性破面に相当するかに応じた濃度値の変化の様子の差異は、濃度値の変化を１階微分することによって顕在化され易い。
したがい、好ましくは、前記演算手段は、前記光照射手段の移動位置に応じた前記画素領域の濃度値の変化を１階微分（光照射手段の移動位置で１階微分）し、前記光照射手段の移動位置に応じた前記画素領域の濃度値の１階微分値の変化を算出する。
【００１９】
上記の好ましい構成によれば、例えば、演算手段が、算出した濃度値の１階微分値の変化を表示し、この表示を人間が目視することで、画素領域が脆性破面に相当するか又は延性破面に相当するかを精度良く判定可能である。
【００２０】
更に好ましくは、前記演算手段は、前記光照射手段の移動位置に応じた前記画素領域の濃度値の１階微分値の変化に基づき、前記１階微分値の最小値と、該最小値が得られた前記光照射手段の移動位置から所定距離だけ離れた前記光照射手段の移動位置での前記１階微分値との比である濃度比を算出し、該濃度比に基づき、前記画素領域が脆性破面に相当するか又は延性破面に相当するかを判定する。
【００２１】
上記の好ましい構成によれば、画素領域が脆性破面に相当するか又は延性破面に相当するかを演算手段が自動的に判定するため、人間が目視で判定する場合に比べて、判定結果に個人差が生じ難い。
【００２２】
本発明者らの知見によれば、画素領域が脆性破面に相当するか又は延性破面に相当するかに応じた濃度値の変化の様子の差異は、濃度値の変化を２階微分することによって更に顕在化され易い。
したがい、好ましくは、前記演算手段は、前記光照射手段の移動位置に応じた前記画素領域の濃度値の変化を２階微分（光照射手段の移動位置で２階微分）し、前記光照射手段の移動位置に応じた前記画素領域の濃度値の２階微分値の変化を算出する。
【００２３】
上記の好ましい構成によれば、画素領域が脆性破面に相当するか又は延性破面に相当するかをより一層精度良く判定可能である。
【００２４】
更に好ましくは、前記演算手段は、前記２階微分値の絶対値に基づき、前記画素領域が脆性破面に相当するか又は延性破面に相当するかを判定する。
【００２５】
上記の好ましい構成によれば、画素領域が脆性破面に相当するか又は延性破面に相当するかを演算手段が自動的に判定するため、人間が目視で判定する場合に比べて、判定結果に個人差が生じ難い。
【００２６】
好ましくは、前記演算手段は、前記撮像画像に対して互いに同一面積の前記画素領域を複数設定し、該複数の画素領域のうち、脆性破面に相当すると判定した画素領域の数、又は、延性破面に相当すると判定した画素領域の数に基づき、前記破面の脆性破面率又は延性破面率を算出する。
【００２７】
上記の好ましい構成によれば、演算手段が破面の脆性破面率又は延性破面率を自動的に算出するため、人間が手動で算出する場合に比べて、労力が軽減される。
なお、脆性破面率は、例えば、複数の画素領域の数をＮ、脆性破面に相当すると判定した画素領域の数をＡとすると、脆性破面率＝Ａ／Ｎ×１００［％］で算出可能である。また、延性破面率は、延性破面率＝（Ｎ−Ａ）／Ｎ×１００［％］で算出可能である。
【００２８】
本発明の光照射手段は、前述のように、少なくともシャルピー試験片に予め加工された切欠きが延びる方向と直交する方向から破面に対して光を照射する構成である。
具体的には、前記光照射手段として、前記破面に対して略垂直な方向から見た場合に、３６０°全方向から前記破面に対して光を照射する環状照明を具備する構成を用いることが可能である。
【００２９】
光照射手段が環状照明を具備することにより、シャルピー試験片に予め加工された切欠きが延びる方向が何れの方向であっても、切欠きが延びる方向と直交する方向から破面に対して照射される光が必ず存在することになり、シャルピー試験片の設置の自由度が高まる利点が得られる。
【００３０】
本発明者らの知見によれば、光照射手段から照射する光は、シャルピー試験片の破面に対して浅い角度で照射する方が、脆性破面であるか延性破面であるかに応じて濃度値の変化の様子が顕著に異なることになる。
したがい、前記光照射手段は、前記破面に対して略垂直な方向と７０°〜９０°の角度を成す方向から光を照射することが好ましい。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、シャルピー試験片の破面が脆性破面であるか又は延性破面であるかを精度良く判定可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態に係るシャルピー試験片の破面評価装置の概要を示す図である。
【図２】図１に示す演算手段が濃度値の変化を算出する画素領域を説明する説明図である。
【図３】延性破面及び脆性破面について、図１に示す光照射手段の移動位置に応じた撮像画像における所定の画素領域の濃度値の変化を算出した結果の一例を示す図である。
【図４】延性破面及び脆性破面について、図１に示す光照射手段の移動位置に応じた撮像画像における所定の画素領域の濃度値の変化を１階微分し、光照射手段の移動位置に応じた画素領域の濃度値の１階微分値の変化を算出した結果の一例を示す図である。
【図５】延性破面及び脆性破面について、図１に示す光照射手段の移動位置に応じた撮像画像における所定の画素領域の濃度値の変化を２階微分し、光照射手段の移動位置に応じた画素領域の濃度値の２階微分値の変化を算出した結果の一例を示す図である。
【図６】光照射手段による光の照射方向の影響を調査する試験の概要を説明する説明図である。
【図７】２つの破面における脆性破面について、光照射手段の移動位置に応じた撮像画像における所定の画素領域の濃度値の変化を算出した結果の一例を示す図である。
【図８】３つの破面における延性破面について、光照射手段の移動位置に応じた撮像画像における所定の画素領域の濃度値の変化を算出した結果の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の一実施形態に係るシャルピー試験片の破面評価装置（以下、適宜、単に「破面評価装置」という）について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る破面評価装置の概要を示す図である。図１（ａ）は破面評価装置の概略構成を、図１（ｂ）は破面評価装置の撮像手段で撮像した撮像画像の一例を示す。図１（ａ）において、光照射手段が具備する環状照明は、断面図で示されている。
図１に示すように、本実施形態に係る破面評価装置１００は、シャルピー試験片Ｓの破面Ｓ１を評価する装置であり、撮像手段１と、光照射手段２と、移動手段３と、演算手段４と、を備えている。
【００３４】
本実施形態において、シャルピー試験片Ｓは、破面Ｓ１が鉛直方向（図１に示すＺ方向）上方に位置するように、取付治具６によって光学定盤５上に設置されている。シャルピー試験片Ｓの破面Ｓ１は、約１０ｍｍ□の大きさを有する。
【００３５】
撮像手段１は、シャルピー試験片Ｓの破面Ｓ１に対向して配置され、破面Ｓ１を破面Ｓ１に対して略垂直な方向から撮像する。前述のように、本実施形態では、破面Ｓ１が鉛直方向（Ｚ方向）上方に位置するようにシャルピー試験片Ｓが設置されているため、本実施形態の撮像手段１は、シャルピー試験片Ｓの破面Ｓ１の鉛直方向（Ｚ方向）上方に配置され、破面Ｓ１を破面Ｓ１に対して略垂直な鉛直方向上方から撮像する。撮像手段１は、所定の取付治具（図示せず）によって光学定盤５上に設置されている。
ただし、本発明はこれに限るものではなく、例えば、破面Ｓ１が水平方向（例えば、Ｘ方向）を向くようにシャルピー試験片Ｓが設置される場合には、撮像手段１は、水平方向から破面Ｓ１を撮像することになる。
【００３６】
本実施形態の撮像手段１は、撮像手段本体１１と、接写リング１２と、レンズ１３と、を具備する。本実施形態では、撮像手段本体１１として、ＪＡＩ製のモノクロＣＭＯＳエリアスキャンカメラ（１９３６画素×１２１６画素）を用い、接写リング１２として、１０ｍｍの接写リングを用い、レンズ１３として、焦点距離５０ｍｍのレンズを用いている。そして、レンズ１３の下端と、シャルピー試験片Ｓの破面Ｓ１との鉛直方向（Ｚ方向）の距離が１４０ｍｍに設定されていることで、破面Ｓ１上における撮像視野が約３０ｍｍ（図１に示すＸ方向）×約２０ｍｍ（図１に示すＹ方向）に設定されている。
【００３７】
光照射手段２は、破面Ｓ１に対して略垂直な方向（Ｚ方向）から見た場合に、少なくともシャルピー試験片Ｓに予め加工された切欠きが延びる方向（本実施形態ではＸ方向）と直交する方向（本実施形態ではＹ方向）から破面Ｓ１に対して光Ｌを照射する。本実施形態の光照射手段２は、環状照明２１を具備し、環状照明２１によって、破面Ｓ１に対して略垂直な方向（Ｚ方向）から見た場合に、３６０°全方向から破面Ｓ１に対して光Ｌを照射するように構成されている。
【００３８】
具体的には、本実施形態の光照射手段２は、環状照明２１と、光源２２と、ライトガイド２３と、を具備する。光源２２は、光学定盤５上に載置されている。光源２２としては、例えば、ハロゲン光源を用いることができる。本実施形態では、光源２２として、ＨＯＹＡ−ＳＣＨＯＴＴ製のハロゲン光源「ＭＬ６０」を用いている。ライトガイド２３は、束ねられた多数の光ファイバ（図示せず）が内蔵されており、光ファイバの一端側が光源２２に接続され、他端側が環状照明２１に接続されている。光源２２から出射した光は、ライトガイド２３内の光ファイバを介して、環状照明２１に導かれる。光ファイバの他端側は、環状照明２１内に形成された環状の中空部２１ａ内に環状に配置されている。光ファイバの他端側に導かれた光は、中空部２１ａの内側下端に形成された環状の出射口２１ｂから出射し、破面Ｓ１に対して照射される。出射口２１ｂは、出射口２１ｂから照射される光Ｌが破面Ｓ１に対して略垂直な方向（Ｚ方向）と７０°〜９０°の角度を成すように形成されている。換言すれば、図１（ａ）に示すように、光Ｌの照射方向と鉛直方向（Ｚ方向）下方との成す角度θが７０°〜９０°となるように、出射口２１ｂの形状が設定されている。破面Ｓ１のうねりの影響で、光Ｌの一部が破面Ｓ１に照射されない状況が生じないようにするには、破面Ｓ１に対して照射される光Ｌの方向（角度θ）は、７０°〜９０°の範囲全体に拡散していることが好ましい。特に、光Ｌの強度が７０°〜９０°の範囲で略均等になるように、光Ｌの方向が拡散していることが好ましい。本実施形態では、上記のような構成を有する環状照明２１及びライトガイド２３として、モリテックス製のリングライトガイド「ＭＲＧ５３−１０００Ｓ」を用いている。
【００３９】
本実施形態では、光照射手段２として、環状照明２１と、光源２２と、ライトガイド２３と、を具備する構成を用いているが、本発明はこれに限るものではなく、例えば、環状照明自体に光源としてのＬＥＤを具備するＬＥＤリング照明を用いることも可能である。また、本実施形態の環状照明２１は、破面Ｓ１に対して略垂直な方向（Ｚ方向）から見た場合に、円環状の形状を有するが、本発明はこれに限るものではなく、矩形環状の形状を有する環状照明を用いることも可能である。さらに、本実施形態では、光照射手段２として、環状照明２１を具備する構成を用いているが、本発明はこれに限るものではなく、少なくともＹ方向から破面Ｓ１に対して光Ｌを照射する構成であればよい。具体的には、本発明の光照射手段として、例えば、Ｙ方向から破面Ｓ１に対してＸ方向に延びる線状の光を照射する構成を採用することも可能である。
【００４０】
移動手段３は、光照射手段２（具体的には、環状照明２１）を破面Ｓ１に対して略垂直な方向（Ｚ方向）に移動させる。
本実施形態の移動手段３は、光学定盤５に設置され鉛直方向（Ｚ方向）に延びる固定部３１及び固定部３１に対して鉛直方向（Ｚ方向）に移動可能な可動部３２を有する一軸ステージ３０と、可動部３２に取り付けられた治具３３と、を具備する。光照射手段２の環状照明２１は、治具３３によって可動部３２に取り付けられている。以上の構成を有する移動手段３において、可動部３２が固定部３１に対して鉛直方向（Ｚ方向）に移動することで、治具３３を介して可動部３２に取り付けられた環状照明２１も可動部３２と共に鉛直方向（Ｚ方向）に移動することになる。
【００４１】
演算手段４は、撮像手段１（撮像手段本体１１）及び移動手段３（一軸ステージ３０）に接続されており、後述する所定の演算を実行するためのプログラムがインストールされたコンピュータから構成されている。演算手段４には、撮像手段１で撮像した破面Ｓ１の撮像画像（画像信号）が入力されると共に、移動手段３の可動部３２の移動位置（環状照明２１の移動位置に相当）が入力される。
【００４２】
演算手段４は、移動手段３によって移動する光照射手段２（環状照明２１）の所定の移動位置毎に、撮像手段１で撮像した破面Ｓ１の撮像画像を取得する。換言すれば、演算手段４は、撮像手段１から順次入力される撮像画像のうち、移動手段３から入力される移動位置が所定値になったタイミングで入力された撮像画像を後述の演算処理に供する。本実施形態では、演算手段４は、環状照明２１が鉛直方向（Ｚ方向）に０．５ｍｍ移動する毎に、破面Ｓ１の撮像画像を取得する。そして、演算手段４は、撮像画像における所定の画素領域の濃度値（画素領域を構成する各画素の濃度値の平均値）を算出し、光照射手段２（環状照明２１）の移動位置に応じた画素領域の濃度値の変化を算出する。
【００４３】
図２は、本実施形態の演算手段４が濃度値の変化を算出する画素領域を説明する説明図である。
図２に示すように、本実施形態の演算手段４は、破面Ｓ１の撮像画像に対して互いに同一面積の画素領域ＳＡ（本実施形態では矩形の画素領域）を複数設定する。図２に示す例では、Ｘ方向及びＹ方向にそれぞれｎ個（例えば、ｎ＝１０）の画素領域ＳＡを設定している。複数の画素領域ＳＡを設定する設定範囲（図２に示す座標（ｘ０，ｙ０）、座標（ｘ０，ｙｎ）、座標（ｘｎ，ｙｎ）及び座標（ｘｎ，ｙ０）の４点を頂点とする矩形の範囲）は、例えば、最初に評価を行うシャルピー試験片Ｓの破面Ｓ１について演算手段４が具備するモニタに表示された撮像画像を人間が目視して予め決定し、演算手段４に記憶させておけばよい。そして、この後に評価を行うシャルピー試験片Ｓの破面Ｓ１に対しては、シャルピー試験片Ｓの設置位置を変更しない限り、この記憶した設定範囲をそのまま使用すればよい。
本実施形態の演算手段４は、設定した複数の画素領域ＳＡ毎に、光照射手段２（環状照明２１）の移動位置に応じた濃度値の変化を算出する。そして、本実施形態の演算手段４は、算出した各画素領域ＳＡの濃度値の変化に基づき、各画素領域ＳＡが脆性破面に相当するか又は延性破面に相当するかを判定する。判定内容の詳細については後述する。
【００４４】
更に、本実施形態の演算手段４は、複数の画素領域ＳＡのうち、脆性破面に相当すると判定した画素領域ＳＡの数、又は、延性破面に相当すると判定した画素領域ＳＡの数に基づき、破面Ｓ１の脆性破面率又は延性破面率を算出する。脆性破面率は、複数の画素領域ＳＡの数をＮ（図２に示す例では、Ｎ＝ｎ×ｎ）、脆性破面に相当すると判定した画素領域ＳＡの数をＡとすると、脆性破面率＝Ａ／Ｎ×１００［％］で算出される。また、延性破面率は、延性破面率＝（Ｎ−Ａ）／Ｎ×１００［％］で算出される。
【００４５】
図３は、延性破面及び脆性破面について、光照射手段２（環状照明２１）の移動位置に応じた撮像画像における所定の画素領域の濃度値の変化を算出した結果の一例を示す図である。図３（ａ）は７つの破面Ｓ１における延性破面についての濃度値の変化を、図３（ｂ）は６つの破面Ｓ１における脆性破面についての濃度値の変化を示す。
図３（ａ）の縦軸には、前述の画素領域ＳＡと異なり、破面Ｓ１の撮像画像を人間が目視で確認し、明らかに延性破面と判定できる領域に対応する画素領域を手動で設定し、その画素領域を構成する各画素の濃度値の平均値をプロットした。図３（ｂ）の縦軸には、破面Ｓ１の撮像画像を人間が目視で確認し、明らかに脆性破面と判定できる領域に対応する画素領域を手動で設定し、その画素領域を構成する各画素の濃度値の平均値をプロットした。図３（ａ）及び図３（ｂ）の横軸は、鉛直方向（Ｚ方向）について環状照明２１の出射口２１ｂが破面Ｓ１と同一の位置（高さ）にある位置を原点とする、鉛直方向（Ｚ方向）上方への光照射手段２（環状照明２１）の移動位置を示す。
【００４６】
図３（ａ）と図３（ｂ）とを比較すれば分かるように、画素領域が延性破面に相当するか又は脆性破面に相当するかによって、濃度値の変化の様子が異なる。具体的には、図３（ａ）に示す延性破面の場合、濃度値の最大値（７つの破面Ｓ１における濃度値の最大値の平均値）は２５６階調で表わした場合に１５７．９であり、図３（ｂ）に示す脆性破面の場合、濃度値の最大値（６つの破面Ｓ１における濃度値の最大値の平均値）は１８２．１であり、両者を判別可能であるといえる。
また、図３（ａ）に示す延性破面の場合、濃度値の最大値が得られた光照射手段２の移動位置（７つの破面Ｓ１における濃度値の最大値が得られた光照射手段２の移動位置の平均値）は８．２ｍｍであり、図３（ｂ）に示す脆性破面の場合、濃度値の最大値が得られた光照射手段２の移動位置（６つの破面Ｓ１における濃度値の最大値が得られた光照射手段２の移動位置の平均値）は７．５ｍｍであり、両者を判別可能であるといえる。
【００４７】
以上の結果に基づき、本実施形態の演算手段４は、光照射手段２の移動位置に応じた各画素領域ＳＡの濃度値の変化に基づき、濃度値の最大値及び該最大値が得られた光照射手段２の移動位置を検出し、最大値又は最大値が得られた光照射手段２の移動位置に基づき、各画素領域ＳＡが脆性破面に相当するか又は延性破面に相当するかを判定可能に構成されている。具体的には、ある画素領域ＳＡの濃度値の最大値が予め設定したしきい値以下であれば、当該画素領域ＳＡは延性破面に相当し、しきい値よりも大きければ、当該画素領域ＳＡは脆性破面に相当すると判定することが考えられる。同様に、ある画素領域ＳＡの濃度値の最大値が得られた光照射手段２の移動位置が予め設定したしきい値以下であれば、当該画素領域ＳＡは脆性破面に相当し、しきい値よりも大きければ、当該画素領域ＳＡは延性破面に相当すると判定することが考えられる。
【００４８】
図４は、延性破面及び脆性破面について、光照射手段２（環状照明２１）の移動位置に応じた撮像画像における所定の画素領域の濃度値の変化を１階微分し、光照射手段２の移動位置に応じた前記画素領域の濃度値の１階微分値の変化を算出した結果の一例を示す図である。図４（ａ）は図３（ａ）に示す濃度値の変化を１階微分することで算出した延性破面についての濃度値の１階微分値の変化を、図４（ｂ）は図３（ｂ）に示す濃度値の変化を１階微分することで算出した脆性破面についての濃度値の１階微分値の変化を示す。なお、濃度値の変化の１階微分は、濃度値の最大値が一定の値となるように濃度値の変化を正規化した後に行った。
図４に示すように、画素領域が脆性破面に相当するか又は延性破面に相当するかに応じた濃度値の変化の様子の差異は、濃度値の変化を１階微分することによって顕在化され易いと考えられる。具体的には、図４（ａ）に示す延性破面の場合に、１階微分値の最小値と、該最小値が得られた光照射手段２の移動位置から所定距離（ここではＺ方向上方に４ｍｍ）だけ離れた光照射手段２の移動位置での１階微分値（以下、これを適宜、「対比１階微分値」という）との比（＝１階微分値の最小値／対比１階微分値）である濃度比（７つの破面Ｓ１における濃度比の平均値）を算出したところ、２．１７であった。一方、図４（ｂ）に示す脆性破面の場合にも、同様にして、濃度比（６つの破面Ｓ１における濃度比の平均値）を算出したところ、７．６０であり、両者を判別可能であるといえる。
【００４９】
以上の結果に基づき、本実施形態の演算手段４は、光照射手段２の移動位置に応じた各画素領域ＳＡの濃度値の１階微分値の変化に基づき、１階微分値の最小値と、最小値が得られた光照射手段２の移動位置から所定距離だけ離れた光照射手段２の移動位置での１階微分値（対比１階微分値）との比である濃度比を算出し、この濃度比に基づき、各画素領域ＳＡが脆性破面に相当するか又は延性破面に相当するかを判定可能に構成されている。具体的には、ある画素領域ＳＡの濃度比が予め設定したしきい値以下であれば、当該画素領域ＳＡは延性破面に相当し、しきい値よりも大きければ、当該画素領域ＳＡは脆性破面に相当すると判定することが考えられる。対比１階微分値を検出するのに用いる所定距離（１階微分値の最小値が得られた光照射手段２の移動位置と、対比１階微分値が得られた光照射手段２の移動位置との距離）は、上記の例では４ｍｍとしたが、これに限るものではなく、例えば、脆性破面の場合と延性破面の場合とで有意差が生じ易いように、予め実験的に決定すればよい。
【００５０】
図５は、延性破面及び脆性破面について、光照射手段２（環状照明２１）の移動位置に応じた撮像画像における所定の画素領域の濃度値の変化を２階微分し、光照射手段２の移動位置に応じた前記画素領域の濃度値の２階微分値の変化を算出した結果の一例を示す図である。図５（ａ）は図３（ａ）に示す濃度値の変化を２階微分することで算出した延性破面についての濃度値の２階微分値の変化を、図５（ｂ）は図３（ｂ）に示す濃度値の変化を２階微分することで算出した脆性破面についての濃度値の２階微分値の変化を示す。なお、濃度値の変化の２階微分は、濃度値の最大値が一定の値となるように濃度値の変化を正規化した後に行った。
図５に示すように、画素領域が脆性破面に相当するか又は延性破面に相当するかに応じた濃度値の変化の様子の差異は、濃度値の変化を２階微分することによってより一層顕在化され易いと考えられる。具体的には、図５（ａ）に示す延性破面の場合、光照射手段２の移動位置が１２ｍｍ〜２０ｍｍの範囲（図５（ａ）において破線で囲った範囲）における２階微分値の絶対値の最大値（７つの破面Ｓ１における２階微分値の絶対値の最大値の平均値）は１．４４であり、図５（ｂ）に示す脆性破面の場合、光照射手段２の移動位置が１２ｍｍ〜２０ｍｍの範囲（図５（ｂ）において破線で囲った範囲）における２階微分値の絶対値の最大値（６つの破面Ｓ１における２階微分値の絶対値の最大値の平均値）は２．７７であり、両者を判別可能であるといえる。
【００５１】
以上の結果に基づき、本実施形態の演算手段４は、各画素領域ＳＡの濃度値の２階微分値の絶対値に基づき、各画素領域ＳＡが脆性破面に相当するか又は延性破面に相当するかを判定可能に構成されている。具体的には、ある画素領域ＳＡの濃度値の２階微分値の絶対値が、予め定めた光照射手段２の移動位置の範囲（図５に示す例では、１２ｍｍ〜２０ｍｍの範囲）において、予め設定したしきい値以下であれば、当該画素領域ＳＡは延性破面に相当し、しきい値よりも大きければ、当該画素領域ＳＡは脆性破面に相当すると判定することが考えられる。２階微分値の絶対値を評価する光照射手段２の移動位置の範囲は、例えば、脆性破面の場合と延性破面の場合とで有意差が生じ易いように、予め実験的に決定すればよい。
【００５２】
以上に説明したように、本実施形態の演算手段４は、各画素領域ＳＡの濃度値の変化に基づく判定方法（図３参照）、各画素領域ＳＡの濃度値の１階微分値の変化に基づく判定方法（図４参照）、及び各画素領域ＳＡの濃度値の２階微分値の変化に基づく判定方法（図５参照）の何れも実行可能に構成されている。各画素領域ＳＡが脆性破面に相当するか又は延性破面に相当するかを実際に判定する場合には、上記３つの判定方法の何れか１つを予め選択しておけばよい。なお、本実施形態の演算手段４は、上記３つの判定方法の何れも実行可能に構成されているが、本発明はこれに限るものではなく、何れか１つ又は２つの判定方法のみを実行可能に構成することも可能である。
【００５３】
図６は、光照射手段による光Ｌの照射方向の影響を調査する試験の概要を説明する説明図である。前述のように、本実施形態の光照射手段２は、破面Ｓ１に対して略垂直な方向（Ｚ方向）から見た場合に、３６０°全方向から破面Ｓ１に対して光Ｌを照射するように構成されている。これに対し、図６（ａ）に示すように、破面Ｓ１に対して略垂直な方向（Ｚ方向）から見た場合に、シャルピー試験片Ｓに予め加工された切欠きが延びる方向（Ｘ方向）と直交する方向（Ｙ方向）から破面Ｓ１に対して光Ｌを照射する場合（以下、この場合の光照射手段を「Ｙ方向光照射手段」という）と、図６（ｂ）に示すように、破面Ｓ１に対して略垂直な方向（Ｚ方向）から見た場合に、シャルピー試験片Ｓに予め加工された切欠きが延びる方向（Ｘ方向）から破面Ｓ１に対して光Ｌを照射する場合（以下、この場合の光照射手段を「Ｘ方向光照射手段」という）とで、撮像手段１で撮像した撮像画像における所定の画素領域の濃度値の変化がどのようになるかを調査する試験を行った。
なお、図６に示す破面Ｓ１の撮像画像は、便宜上、いずれも本実施形態の光照射手段２を用いて撮像した撮像画像であり、Ｙ方向光照射手段やＸ方向光照射手段を用いて撮像したものではない。
【００５４】
図７は、２つの破面Ｓ１における脆性破面について、光照射手段の移動位置に応じた撮像画像における所定の画素領域の濃度値の変化を算出した結果の一例を示す図である。図７（ａ）は本実施形態の光照射手段２を用いた場合の結果を、図７（ｂ）はＸ方向光照射手段を用いた場合の結果を、図７（ｃ）はＹ方向光照射手段を用いた場合の結果を示す。図７の縦軸には、前述の画素領域ＳＡと異なり、破面Ｓ１の撮像画像を人間が目視で確認し、明らかに脆性破面と判定できる領域に対応する画素領域を手動で設定し、その画素領域を構成する各画素の濃度値の平均値をプロットした。図７の横軸は、図３の横軸と同義である。
図７（ｂ）に示すように、Ｘ方向光照射手段を用いた場合には、光照射手段２を用いた場合（図７（ａ））やＹ方向光照射手段を用いた場合（図７（ｃ））に比べて、脆性破面における濃度値の変化のばらつきが大きくなる（２つの破面Ｓ１の脆性破面における濃度値の変化の様子が大きく異なるものとなる）ことがわかった。濃度値の変化のばらつきが大きくなるのは、破面Ｓ１に形成されたシアリップ（Ｙ方向に延びる凸部、図６（ｂ）参照））によって、Ｘ方向光照射手段から照射した光Ｌの一部が遮られ、破面Ｓ１に照射されないことが原因であると考えられる。
【００５５】
図８は、３つの破面Ｓ１における延性破面について、光照射手段の移動位置に応じた撮像画像における所定の画素領域の濃度値の変化を算出した結果の一例を示す図である。図８（ａ）は本実施形態の光照射手段２を用いた場合の結果を、図８（ｂ）はＸ方向光照射手段を用いた場合の結果を、図８（ｃ）はＹ方向光照射手段を用いた場合の結果を示す。図８の縦軸には、前述の画素領域ＳＡと異なり、破面Ｓ１の撮像画像を人間が目視で確認し、明らかに脆性破面と判定できる領域に対応する画素領域を手動で設定し、その画素領域を構成する各画素の濃度値の平均値をプロットした。図８の横軸は、図３の横軸と同義である。
図８（ｂ）に示すように、Ｘ方向光照射手段を用いた場合には、光照射手段２を用いた場合（図８（ａ））やＹ方向光照射手段を用いた場合（図８（ｃ））に比べて、延性破面における濃度値の変化のばらつきが大きくなる（２つの破面Ｓ１の延性破面における濃度値の変化の様子が大きく異なるものとなる）ことがわかった。前述の脆性破面の場合と同様に、濃度値の変化のばらつきが大きくなるのは、破面Ｓ１に形成されたシアリップ（Ｙ方向に延びる凸部、図６（ｂ）参照）によって、Ｘ方向光照射手段から照射した光Ｌの一部が遮られ、破面Ｓ１に照射されないことが原因であると考えられる。
【００５６】
図７（ｂ）に示すように、同じ脆性破面であっても濃度値の変化のばらつきが大きくなったり、図８（ｂ）に示すように、同じ延性破面であっても濃度値の変化のばらつきが大きくなれば、脆性破面と延性破面とを識別判定し難くなる。したがい、光照射手段としては、本実施形態の光照射手段２やＹ方向光照射手段のように、破面Ｓ１に対して略垂直な方向（Ｚ方向）から見た場合に、少なくともシャルピー試験片Ｓに予め加工された切欠きが延びる方向（Ｘ方向）と直交する方向（Ｙ方向）から破面Ｓ１に対して光Ｌを照射する手段を用いる必要がある。
【００５７】
以上に説明したように、本実施形態に係る破面評価装置１００によれば、シャルピー試験片Ｓの破面Ｓ１が脆性破面であるか又は延性破面であるかを精度良く判定可能であり、その結果、脆性破面率や延性破面率も精度良く算出可能である。
【００５８】
なお、本実施形態では、脆性破面であるか又は延性破面であるかを破面評価装置１００（演算手段４）が自動的に判定する構成について説明したが、本発明はこれに限るものではない。破面評価装置１００（演算手段４）自体は、算出した濃度値の変化（図３参照）や、算出した濃度値の１階微分値の変化（図４参照）や、算出した濃度値の２階微分値の変化（図５参照）をモニタに表示するに留め、この表示を人間が目視することで判定してもよい。また、破面評価装置１００で自動判定した結果を、上記の表示を人間が目視することで再判定した結果に応じて、適宜修正可能な構成を採用することも可能である。
また、本実施形態では、脆性破面率や延性破面率を破面評価装置１００（演算手段４）が自動的に算出する構成について説明したが、本発明はこれに限るものではない。破面評価装置１００（演算手段４）自体は、脆性破面であるか又は延性破面であるかを自動的に判定するまでに留め、脆性破面率や延性破面率は人間が手動で計算する構成を採用することも可能である。  
【符号の説明】
【００５９】
１・・・撮像手段
２・・・光照射手段
３・・・移動手段
４・・・演算手段
２１・・・環状照明
Ｌ・・・光
Ｓ・・・シャルピー試験片
Ｓ１・・・破面
１００・・・シャルピー試験片の破面評価装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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