(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面形状が多角形の圧子を試験片の表面に押し付け、該試験片表面に生じる多角形の圧痕から硬度を測定する硬度測定装置において、圧痕を付ける前および圧痕を付けた後の試験片表面を撮像する撮像手段と、前記撮像手段により撮像された試験片表面に圧痕を付ける前の試験前画像データに基づいて試験片表面が鏡面であるか否かを判断する判断手段と、前記判断手段により鏡面であると判断されると、前記撮像手段により撮像された試験片表面に圧痕を付けた後の試験後画像データに基づいて前記圧痕の輪郭を抽出し、この輪郭抽出データと圧子押し付け荷重値などに基づいて前記試験片の硬度を演算し、前記判断手段により鏡面でないと判断されると、前記撮像手段により撮像された試験片表面に圧痕を付ける前の試験前画像データと圧痕を付けた後の試験後画像データとの差分画像データを算出し、該差分画像データに基づいて前記圧痕の輪郭を抽出し、この輪郭抽出データと圧子押し付け荷重値などに基づいて前記試験片の硬度を演算する硬度演算手段とを具備することを特徴とする硬度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、硬度測定装置に関し、特にビッカース硬さ試験法、ヌープ硬さ試験法などの押し込み式の硬さ試験法に準じた硬度測定をコンピュータによる画像処理によって行う硬度測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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験片の表面に押し付け、試験片表面に生じる多角形の圧痕の対角線長さより硬度を測定する押し込み式の硬さ試験法はよく知られており、これは金属材料の機械的性質の評価に多く用いられている。
【０００３】
周知のようにビッカース硬さ試験法は、ダイヤモンド正四角錘による圧子を使用し、試験片表面に生じる正四角錘形状の圧痕の二つの対角線長さの平均値と圧子の試験片に対する押し付け荷重との関係において硬度を示し、ヌープ硬さ試験法は、ダイヤモンド長四角錘による圧子を使用し、試験片表面に生じる長四角錘形状の圧痕の長い方の対角線長さと圧子の試験片に対する押し付け荷重との関係において硬度を示す。
【０００４】
このような試験法による硬度測定をコンピュータによる画像処理によって行う押し込み型硬度測定装置が既に提案されている。この押し込み型硬度測定装置は、例えば特開平１−３１２４４１号公報、特開平７−２１８４１０号公報などに示されているように、圧子の押し付けにより試験片表面に生じた圧痕を顕微鏡に接続されたＣＣＤカメラなどの撮像手段により撮像し、この撮像画像データに対して二値化などの前処理を行って圧痕の各辺を示す境界（点列データ）あるいは圧痕の角部を抽出し、抽出された境界あるいは角部の座標値から試験片の硬度を算出する。
【０００５】
【発明が解決しようする課題】
しかしながら、研磨処理に時間をかけないことにより試験片表面に無数の傷があったり、また硬度測定部（溶接部など）を特定し易くするために試験片表面にエッジング処理を施して試験を行う場合などにおいては、圧痕が認識しにくく、圧痕のデータを正確に読み取ることができなかった。このような場合、試験片表面を研磨して傷などを除去することが考えられるが、研磨を行うことは非常に面倒であった。
【０００６】
本発明の目的は試験片に傷があったり、エッジング処理を施してある場合であっても、圧痕のデータを正確に読み取ることができる硬度測定装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
一実施の形態を示す図１および図２を参照して説明すると、本発明による硬度測定装置は、平面形状が多角形の圧子１を試験片Ｔの表面に押し付け、試験片表面に生じる多角形の圧痕から硬度を測定する硬度測定装置において、圧痕を付ける前および圧痕を付けた後の試験片表面を撮像する撮像手段５と、撮像手段５により撮像された試験片表面に圧痕を付ける前の試験前画像データＤ０に基づいて試験片表面が鏡面であるか否かを判断する判断手段６と、判断手段６により鏡面であると判断されると、撮像手段により撮像された試験片表面に圧痕を付けた後の試験後画像データＤ１に基づいて圧痕の輪郭を抽出し、この輪郭抽出データと圧子押し付け荷重値などに基づいて試験片Ｔの硬度を演算し、判断手段６により鏡面でないと判断されると、撮像手段５により撮像された試験片表面に圧痕を付ける前の試験前画像データＤ０と圧痕を付けた後の試験後画像データＤ１との差分画像データＤ２を算出し、差分画像データＤ２に基づいて圧痕の輪郭を抽出し、この輪郭抽出データと圧子押し付け荷重値などに基づいて試験片Ｔの硬度を演算する硬度演算手段６とを具備することにより、上述した目的を達成する。
【０００８】
平面形状が多角形の圧子１を試験片Ｔの表面に押し付けることにより試験片表面には多角形の圧痕が形成される。圧痕が形成される前の試験前画像データＤ０と圧痕が形成された後の試験後画像データＤ１とが撮像手段５により撮像され、得られた各画像データの差分を求めて差分画像データを得、この差分画像データに基づいて、圧痕の輪郭を抽出して例えば対角長さを算出し、この対角長さと押し付け荷重値との関係から試験片Ｔの硬度を演算する。
【０００９】
なお、本発明の構成を説明する上記課題を解決するための手段の項では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が実施の形態に限定されるものではない。
【発明の実施の形態】
【００１０】
以下図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明による硬度測定装置の一実施の形態を示す図である。硬度測定装置は、所定荷重をもって正四角錘の圧子１をステージ２上の試験片Ｔの表面に押し付けるビッカース試験機３と、ビッカース試験機３の圧子１が試験片Ｔの表面に押し付られたことにより試験片表面に生じる正四角輪郭の圧痕を顕微鏡４によって拡大撮像するＣＣＤカメラ（撮像手段）５と、ＣＣＤカメラ５により撮像された試験片表面の画像データを取り込んで画像処理により硬度（ビッカース硬さ）を検出するコンピュータによる画像処理装置６とを有している。
【００１１】
図２に示されているように画像処理装置６は、ＣＣＤカメラ５が出力するアナログ画像信号をディジタル画像信号に変換するＡ／Ｄ変換部１１と、Ａ／Ｄ変換部１１からのディジタル画像信号、即ち撮像画像データを格納する第１および第２の画像メモリ１２Ａ，１２Ｂと、後述するような処理を行って試験片の硬度を算出するＣＰＵ１３と、ＣＰＵ１３に種々のデータを入力するキーボード１４と、撮影画像データを表示するためのＣＲＴ１５とからなる。
【００１２】
次いで、図３に示すフローチャートを参照して本発明の動作について説明する。まず、ステップＳ１において初期画像データＤ０の読込みを行う。これは試験片Ｔを試験機３のステージ２上に載置し、載置された試験片Ｔの表面を顕微鏡４によって拡大し、それをＣＣＤカメラ５により撮像することにより行われる。そしてＣＣＤカメラ５が出力するアナログ画像信号をＡ／Ｄ変換部１１によりディジタルの初期画像データＤ０に変換し、これを第１の画像メモリ１２Ａに取り込む。
【００１３】
初期画像データＤ０の取り込みが終了すると、ステップＳ２において、試験片Ｔに圧痕が形成される。これは試験機３のステージ２上に載置した試験片Ｔに圧子１を所定の荷重をもって押し付けることにより行う。これにより試験片Ｔの表面に圧子１による正四角形の輪郭による圧痕が付く。試験片Ｔの表面に付いた圧痕を顕微鏡４によって拡大し、それをＣＣＤカメラ５により撮像する。ＣＣＤカメラ５が出力するアナログ画像信号をＡ／Ｄ変換部１１によりディジタルの圧痕画像データＤ１に変換し、これを第２の画像メモリ１２Ｂに取り込む。
【００１４】
次いで、ステップＳ４において、試験片Ｔの表面が鏡面であるか否かの判断がなされる。ここで、鏡面であるか否かの判断は以下のようにして行う。まず、図４に示すような初期画像データＤ０のヒストグラムを求める。例えば横軸は画素の輝度値を、縦軸はその個数である頻度を示す。試験片Ｔの表面が鏡面である場合は、ヒストグラム２０のようにある一定の輝度値を有する部分の頻度が大きくなるが、鏡面でない場合は試験片Ｔの表面の傷などによりヒストグラム２１のように広い範囲の輝度値に亘って頻度を有するものとなる。したがって、作成されたヒストグラムの輝度値の分布から、試験片Ｔの表面が鏡面であるか否かを判断する。
【００１５】
そしてステップＳ４において、試験片Ｔの表面が鏡面でないと判断された場合は、ステップＳ５において、圧痕画像データＤ１から初期画像データＤ０を減算して差分画像データＤ２を得る。図５（ａ）は圧痕画像データＤ１により表される画像を示す図、図５（ｂ）は初期画像データＤ０により表される画像を示す図、図５（ｃ）は差分画像データＤ２により表される画像を示す図である。図５（ａ）に示すように、試験片Ｔの表面が鏡面でない場合には、試験片Ｔの表面には圧痕とは関係のない多数の傷が付いている。また、図５（ｂ）に示すように圧痕を形成する前にもこれと同一の傷が試験片Ｔの表面に付いている。したがって、圧痕画像データＤ１から初期画像データＤ０を減算することにより、圧痕画像データＤ１からは傷などのデータが除去されるため、差分画像データＤ２により表される画像は、図５（ｃ）に示すように、傷などが除去された圧痕のみが現れるものとなる。
【００１６】
このようにして差分画像データＤ２が得られると、ステップＳ６において、圧痕サイズの演算処理がなされる。
【００１７】
次いで、図６（ａ），（ｂ）により圧痕サイズ演算処理について説明する。試験片表面の圧痕の輪郭形状は正四角形であり、圧痕の対角線がＣＰＵ１３における画像処理座標系（直角座標）の座標軸に整合するよう、ＣＣＤカメラ５による試験片表面の撮像姿勢が定められており、図６（ａ）に示す通り、ＣＰＵ１３に取り込まれる圧痕画像データは圧痕の対角線が画像処理座標系の座標軸に整合したものになる。
【００１８】
ＣＰＵ１３において、差分画像データは縮小処理がなされるとともに、平滑化処理がなされてデータ中のノイズが除去され、さらに二値化処理がなされる。この二値化により図６（ｂ）に示すように、撮像対象物である圧痕Ａとその他の部分（背景）Ｂとが分離され、圧痕Ａの各片がなす境界Ｃが明確になる。
【００１９】
次に二値化された差分画像データＤ２に基づいて圧痕Ａの角部小領域を特定する。この圧痕Ａの角部小領域の特定は、図７（ａ）に示すように、圧痕Ａの領域内の任意の一点ｐから圧痕境界に属する点であって画像処理座標系の各座標軸方向、即ち＋Ｘ軸方向と−Ｘ軸方向と＋Ｙ軸方向と−Ｙ軸方向の各々において最も離れた位置にある点Ｐｘ１、Ｐｘ２、Ｐｙ１、Ｐｙ２を抽出し、図６（ａ）に示すようにこれら各点を中心した正方形状の角部小領域Ｅｘ１、Ｅｘ２、Ｅｙ１、Ｅｙ２をＣＰＵ１３上の座標値として設定することにより行う。
【００２０】
次に差分画像データＤ２のうち、角部小領域Ｅｘ１、Ｅｘ２、Ｅｙ１、Ｅｙ２のデータについて画像処理を行い、圧痕の角部の座標値を算出する。この圧痕角部の座標値算出は、まず各角部小領域Ｅｘ１、Ｅｘ２、Ｅｙ１、Ｅｙ２の差分画像データＤ２を二値化し、二値化した差分画像データＤ２より各角部小領域Ｅｘ１、Ｅｘ２、Ｅｙ１、Ｅｙ２について二つの圧痕境界の点列を抽出する。次に抽出した各圧痕境界の点列を最小二乗法、ハフ変換などにより直線近似変換し、この直線近似変換により図７（ｂ）〜（ｅ）に示されているように、各角部小領域Ｅｘ１、Ｅｘ２、Ｅｙ１、Ｅｙ２について二つの直線Ｌ１−Ｌ２、Ｌ３−Ｌ４、Ｌ５−Ｌ６、Ｌ７−Ｌ８を算出し、その各組の二つの直線の交点Ｐ１〜Ｐ４の各々の座標値（ｘ，ｙ）を算出し、これを圧痕Ａの各角部の座標値とする。
【００２１】
この各角部の座標値（ｘ，ｙ）より圧痕Ａの対角線長さを算出し、さらにその対角線長さに基づいて硬度を演算し、ステップＳ７において演算結果を出力する。
【００２２】
一方、ステップＳ４において試験片表面が鏡面であると判断された場合は、試験片表面には傷などは付いていないため、上述した差分画像データＤ２と同様に、ステップＳ６において圧痕画像データＤ１に基づいて圧痕サイズの演算処理がなされ、ステップＳ７において演算結果が出力される。
【００２３】
なお、上述の実施の形態はビッカース硬さ試験法によるものであるが、本発明による硬度測定装置はこれに限定されることはなく、ヌープ硬さ試験法、その他、これら硬さ試験法と等価の圧子押し込み方式の硬さ試験法に同様に適用されるものである。
【００２４】
さらに、本発明による硬度測定装置は、エッジング処理が施された試験片表面の硬度の測定を行う場合にも適用することができる。すなわち、エッジング処理により試験片表面に被測定部を周囲と識別するエッジング部を形成して溶接部などを特定し易くする場合、このエッジング部により圧痕が認識しにくくなる。本発明の硬度測定装置によれば、上述したように圧痕画像データから初期画像データを減算することによりエッジング部のデータが除去されるため、エッジング部により圧痕が認識しずらくなることがなくなり、圧痕のデータを正確に読み取ることができる。
【００２５】
以上の実施の形態と請求項との対応において、ＣＣＤカメラ５が撮像手段を、画像処理装置６が硬度演算手段および判断手段をそれぞれ構成する。
【００２６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明による硬度測定装置によれば、圧痕形成前の画像データと圧痕形成後の画像データとの差分を求めるようにしたため、試験片表面に傷があったり、エッジング処理が施されていても、その傷やエッジング部のデータは除去される。したがって、傷やエッジングに影響されない正確なデータを読み込むことができ、これにより測定精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による硬度測定装置の一実施の形態を示す全体構成図
【図２】本発明による押し込み型硬度測定装置の画像処理装置の一実施の形態を示すブロック線図
【図３】ＣＰＵにおける処理を示すフローチャート
【図４】初期画像データのヒストグラム
【図５】初期画像データ、圧痕画像データおよび差分画像データにより表される画像を示す図
【図６】（ａ）は差分画像データの原寸画像データを示す図、（ｂ）は縮小画像データを示す図
【図７】本発明による硬度測定装置における画像処理手順を示す説明図
【符号の説明】
３    ビッカース試験機
５    ＣＣＤカメラ
６    画像処理装置
１２Ａ，１２Ｂ    画像メモリ
１３    ＣＰＵ
【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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