(57)【要約】【課題】プラスチック等の圧痕の輪郭が認識しにくいか、あるいは正確な輪郭の認識が不可能な材料でも、正確に硬度を計測することのできる押し込み型硬度計を提供する。【解決手段】試料表面に形成された圧痕を撮像する撮像手段１７と、その撮像手段１７からの出力を用いて、圧痕内部で互いに交差するように現れる２本の稜線痕Ｒ１，Ｒ２を抽出し、その各端点の位置情報を求める画像処理手段２ｂを設け、各端点間の距離から対角線長さを算出することにより、圧痕輪郭が不明瞭な材料でも圧子１５ａの稜線の痕跡が明瞭に残ることを利用し、正確に対角線長さを計測することを可能とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
四角錐形状の圧子を所定の荷重のもとに試料表面に押し込み、得られた圧痕の大きさと押し込み荷重から試料の硬度を求める押し込み型硬度計において、
試料表面に形成された圧痕を撮像する撮像手段と、その撮像手段からの出力を用いて、圧痕内部で互いに交差するように現れる２本の稜線痕を抽出し、その各稜線痕の端点の位置情報を求める画像処理手段と、その求められた各位置情報から圧痕の対角線長さを算出し、圧子の押し込み荷重とから試料の硬度を算出する演算手段を備えていることを特徴とする押し込み型硬度計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、四角錐形状の圧子を所定の荷重のもとに材料表面に押し込み、その圧痕の大きさと押し込み荷重とか等材料の硬さを計測する、ビッカース硬度計やヌープ硬度計等の押し込み型硬度計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ビッカース硬度計やヌープ硬度計においては、一般に、四角錐形状の圧子を試料表面に所定荷重のもとに押圧し、試料表面に形成された圧痕の対角線長さと押圧荷重とから、その試料の硬さを求める。
【０００３】
従来のこの種硬度計は、圧子の負荷機構と、その圧子による試料表面の圧痕を観察するための観察装置を備えたものが一般的であり、観察装置としては、光学顕微鏡のほか、ＣＣＤカメラ等の撮像装置とその出力に基づく画像を表示する表示器などが採用されている。
【０００４】
ＣＣＤカメラ等の撮像装置を備えたものにおいては、撮像した画像データを用いた画像処理により圧痕の対角線長さを自動的に求めて硬度を算出するものが実用化されている。
【０００５】
画像処理により圧痕の対角線長さを自動的に求める従来の硬度計では、圧痕の画像データから圧痕の４辺の境界（輪郭）を抽出し、その各辺の境界を直線近似変換し、これにより得られる圧痕の各辺に相当する直線の交点を圧痕の角隅部としてその座標を求め、その各座標から圧痕の対角線長さを算出する方法が採用されている（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
また、他の従来の硬度計では、画像処理時間をより短縮化するために、圧痕の画像データを縮小処理し、その縮小された画像から圧痕の４つの角隅部の近傍領域を抽出し、その各角隅部近傍の小領域ごとに２値化などを行い、圧痕の境界（輪郭）を直線近似して角隅部の点の座標を求め、対角線長さを求めている（例えば特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１−３１２４４１号公報（第２−４頁，第４図，第５図）
【特許文献２】
特開平７−２１８４１０号公報（第３−４頁，図３，図４）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、以上のような画像処理により対角線長さを求める従来の硬度計では、いずれも、基本的には圧痕の境界（輪郭）からその周囲の４辺の全部もしくは一部を抽出し、その各辺から４つの角隅部の座標を求めている。この方式は、被測定試料が金属などの表面の反射率の高い材料の場合においては、図５に例示するように、圧痕Ｐの全体が被測定試料の表面Ｓに対して明確に黒くなり、圧痕Ｐの輪郭形状を容易に認識できるが故に有効であるが、例えばプラスチックなどにおいては、圧痕の輪郭を認識することが極めて困難もしくは不可能であり、このような材料では、上記した従来の技術では圧痕の対角線長さを求めることができず、ひいては硬度を算出できないという問題がある。
【０００９】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、プラスチック等の圧痕の輪郭が認識しにくい、もしくは正確な輪郭の認識が不可能な材料でも、正確に硬度を計測することのできる押し込み型硬度計の提供を目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の押し込み型硬度計は、四角錐形状の圧子を所定の荷重のもとに試料表面に押し込み、得られた圧痕の大きさと押し込み荷重から試料の硬度を求める押し込み型硬度計において、試料表面に形成された圧痕を撮像する撮像手段と、その撮像手段からの出力を用いて、圧痕内部で互いに交差するように現れる２本の稜線痕を抽出し、その各稜線痕の端点の位置情報を求める画像処理手段と、その求められた各位置情報から圧痕の対角線長さを算出し、圧子の押し込み荷重とから試料の硬度を算出する演算手段を備えていることによって特徴づけられる。
【００１１】
本発明は、プラスチック等の圧痕が残りにくく、認識しにくい材料であっても、圧子の稜線部に対応する痕跡は比較的明瞭に残ることを利用したものである。すなわち、ビーカース硬さやヌープ硬さの測定に用いられる四角錐形状の圧子は、その稜線部分が鋭利であり、プラスチックなどの表面の反射率が小さく圧痕と表面との識別が困難な材料にあっても、圧痕内の稜線痕は比較的明確に白く残る。そこで、本発明においては、画像処理により圧痕内で交差する２本の稜線痕を抽出して、その各端点の位置情報を求める。これにより、圧痕の対角線長さを算出することが可能となり、硬度を算出することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の全体構成図であり、図２はその試験機本体１の右側面図である。
【００１３】
試験機本体１は、ベース部１１の奥側からコラム部１２が立ち上がった構造を持ち、ベース部１１にはｘ，ｙ，ｚ軸方向に移動可能でその上面に被測定試料Ｗを載せるための試料ステージ１３が設けられている。コラム部１２はその上端部が試料ステージ１３の上方に突出し、その突出部分の下面にｚ軸の回りに回動可能なレボルバ１４が設けられ、そのレボルバ１４に圧子１５ａの装着部１５と、光学顕微鏡の対物レンズ１６ａが設けられている。
【００１４】
また、コラム部１４には光学顕微鏡の接眼レンズ１６ｂと、対物レンズ１６ａを介して被測定試料の表面を撮像するＣＣＤカメラ１７が配置されている。更に、このコラム部１４の内部に圧子１５ａをｚ軸方向に移動させる負荷機構が設けられおり、この負荷機構の駆動により被測定試料Ｗの表面に圧子１５ａを所要の荷重のもとに押し込むことができる。
【００１５】
そして、圧子１５ａの押し込みにより被測定試料Ｗの表面に生じた圧痕は、レボルバ１４を回動させてその直上に対物レンズ１６ａを位置させることにより、光学顕微鏡で観察し、また、ＣＣＤカメラ１７によって撮像することができる。なお、ベース部１１の内部には、負荷機構などを制御する制御回路が収容されている。
【００１６】
ＣＣＤカメラ１７の出力はパーソナルコンピュータ２に取り込まれ、このパーソナルコンピュータ２に接続されている表示器３に表示されるとともに、以下に示す処理に供され、圧子１５ａの押し込みにより生じた圧痕の撮像データに基づいて求められる対角線長さと、圧子１５ａの押し込み荷重から、被測定試料の硬度が算出される。なお、パーソナルコンピュータ２はキャプチャーボードなどのハードウエアとそのドライバ、およびそれぞれに対応するプログラムに従って動作するのであるが、図１においては、それぞれの機能後とのブロック図で示している。
【００１７】
さて、ＣＣＤカメラ１７により撮像された圧痕の画像は、被測定試料Ｗが金属である場合には前記した図５に示すようにその輪郭が明確となるのであるが、プラスチックなどの反射率の低い材料の場合には、図３に示すように輪郭を殆ど認識することができず、圧痕Ｐの内側において圧子１５ａの稜線部分に対応する、互いに交差する２本の稜線痕Ｒ１，Ｒ２が現れた状態となる。以下に示す処理では、この稜線痕Ｒを抽出してその端点の位置情報を得る。
【００１８】
画像取り込み部２ａにより取り込んだＣＣＤカメラ１７からの画像データは、画像処理部２ｂにおいて、まず、フレームデータ全体を圧縮した後、例えば画像の４隅部分における輝度から、平面の明るさの傾きを計算し、その差から黒点を除去する。これは、以下に示す稜線痕Ｒの抽出のための微分処理に影響を及ぼさないようにするためである。
【００１９】
次に、各画素の濃淡データについてｘ方向に微分する。これにより、図４に示すように、白（稜線痕Ｒ１の部分）と黒（他の部分）の部分の境界部分に立ち上がり部が生じ、他の部分よりも白い稜線痕Ｒ１をある程度の幅をもって抽出することができる。この抽出された領域以外から、後で用いる稜線痕Ｒ１の端点検索のためのしきい値を求める。次いで同様にｙ方向に微分し、稜線痕Ｒ２を抽出し、同様にしてその領域以外から稜線痕Ｒ２の端点検索のためのしきい値を求める。そして、これらの稜線痕Ｒ１とＲ２の抽出領域の交差部分から中心を求める。
【００２０】
次に、中心からｘ方向左右に検索し、しきい値との比較から稜線痕Ｒ１の端点の概略位置を求め、同様にしてｙ方向上下に検索し稜線痕Ｒ２の端点の概略位置を求める。
【００２１】
その後、各端点付近の領域のみを抽出し、抽出した領域のそれぞれにおいて前記した手順と同様にして、平面の明るさの傾きを計算し、黒点を除去したうえで、各抽出領域ごとにｘ，ｙ方向への微分により、より精細に稜線痕Ｒ１，Ｒ２を抽出し、それぞれの端点の位置情報を正確に求める。
【００２２】
以上のような画像処理により求められた稜線痕Ｒ１，Ｒ２の各端点の位置情報は、演算部２ｃに取り込まれて対角線長さの算出に供され、その対角線長さと圧子１５ａの押し込み荷重とから被測定試料の硬度が算出される。
【００２３】
以上の実施の形態によれば、プラスチックなどの表面の反射率の低い材料のように圧痕の輪郭が不明な場合でも、正確にその硬度を求めることができる。
【００２４】
なお、本発明においはて、以上の稜線痕Ｒ１，Ｒ２の抽出並びにその端点の検索のための画像処理の細部については、以上の方法に限定されることなく、他の公知の手法を用いえることは勿論である。
【００２５】
また、本発明は、圧痕の対角線長さを求める画像処理のプログラムとして、以上のような稜線痕から対角線長さを求めるプログラムと、従来通り圧痕の輪郭から対角線長さを求めるプログラムを選択的に実行できるように構成することが望ましい。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、プラスチックなどの圧痕の輪郭を認識できないような材料でも、稜線痕を抽出してその各端点の位置情報を求める画像処理により、圧痕の対角線長さを正確に求めることができ、ひいては正確に硬度を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の全体構成図である。
【図２】図１における試験機本体の右側面図である。
【図３】プラスチックなどの表面の反射率の低い材料の圧痕の撮像結果の例を示す模式図である。
【図４】本発明の実施の形態において稜線痕を抽出するための微分処理結果の例の説明図である。
【図５】金属等の表面の反射率の高い材料の圧痕の撮像結果の例を示す模式図である。
【符号の説明】
１  試験機本体
１３  試料ステージ
１４  レボルバ
１５  圧子装着部
１５ａ  圧子
１６ａ  対物レンズ
１６ｂ  接眼レンズ
１７  ＣＣＤカメラ
２  パーソナルコンピュータ
２ａ  画像取り込み部
２ｂ  画像処理部
２ｃ  演算部
３  表示器
Ｐ  圧痕
Ｒ１，Ｒ２  稜線痕
Ｗ  被測定試料
【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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