JPH0643080A - ビッカース硬度自動測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 ビッカース硬度測定器において、表面積の測
定を自動的に行い、その測定値にもとづいて硬度を自動
的に測定できるようにした。 【構成】 所定荷重で試験片の表面に圧子を押し込む試
験機１と、試験機１の接眼部に取り付けたＴＶカメラ13
と、ＴＶカメラからのくぼみの映像を濃淡画像として記
録するデジタル画像記録部20と、画像記録部に記録され
たくぼみ画像の２次元平滑化処理を行なって、傷を選択
的に除去するノイズ処理部21と、ノイズ処理部により加
工された画像信号について、輝度の変化率が極大となる
点の中からくぼみの境界点を抽出するくぼみ境界検出部
22と、くぼみ境界検出部で得られたくぼみ境界からくぼ
みの４頂点の位置を求めるくぼみ頂点検出部23と、くぼ
み頂点検出部で得られた頂点の位置から対角線長を測定
し、その測定値と圧子の押し込み荷重とから硬度演算部
24で硬度を演算しその結果をプリンター25に印字するよ
うにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ビッカース硬度の自動
測定装置に関し、特に試験片の表面に圧子を押し付けて
くぼみを形成し、このくぼみの表面積と圧子の押し付け
荷重とから硬度を計測するビッカース硬度測定器におい
て、上記表面積の測定を自動的に行なって、その測定値
にもとづいてビッカース硬度を自動的に測定できるよう
にした装置に関する。

【０００２】

【従来の技術とその問題点】ビッカース硬度の測定で
は、材料に対し一定の荷重のもとで圧子を押し込み、そ
のくぼみの大きさから硬度をもとめているが、これは材
料の機械的性質を知るうえで非常に便利な方法であるた
め、工業的に広く行なわれてきている。しかし、従来
は、くぼみの大きさの測定に計測顕微鏡を用いて肉眼に
より測定している。これでは測定精度に問題があり、か
つ測定時間も長いという欠点がある。

【０００３】この欠点を解決すべく、硬度計にＴＶカメ
ラを取り付け、このＴＶカメラでくぼみを撮影し、その
画像を適当なデジタル画像処理を行なって自動的にくぼ
みの大きさを測定する装置が提案されている（特公昭63
-10379号）。しかしビッカースくぼみの自動測定を行な
ううえで、試料表面に存在する傷や汚れがしばしば障害
となるため、この特公昭63-10379号公報に記載のもので
は、試料表面の傷が多い場合に十分対応できていない。
すなわち、上記公報に記載の自動測定装置によれば、傷
の処理が１次元の平滑化処理によってなされており、通
常見られる傷の除去には不十分であり、また単に測定軸
上の明るさの平均変化率が所定のしきい値を超えること
によって境界点を検出しているので、傷などがあると境
界点を誤認しやすいなどの問題点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術の
このような問題点の解決をはかろうとするものである。
すなわち、本発明は、くぼみのデジタル画像に対し２次
元の平滑化処理を行なって傷の度合いを選択的に低下せ
しめることと、境界点の判別に濃淡画像処理により輝度
の急変点から境界を求めることで識別能力を高めること
により、上述の従来のビッカース硬度の自動測定装置に
おける試料表面の傷などにより正しい読み取りがなされ
ないという問題点を解決し、これによりビッカースくぼ
みの自動読み取りの信頼性を格段に向上させた、ビッカ
ース硬度自動測定装置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】上述の目的を達成するた
め、本発明のビッカース硬度自動測定装置は、所定の荷
重で試験片の表面に圧子を押し込み、ビッカースくぼみ
を形成する試験機と、同試験機の接眼部に取り付けたＴ
Ｖカメラと、同ＴＶカメラからのくぼみの映像を濃淡画
像として記録するデジタル画像記録部と、同画像記録部
に記録されたくぼみ画像の２次元平滑化処理を行なっ
て、傷を選択的に除去するノイズ処理部と、同ノイズ処
理部により加工された画像信号について、輝度の変化率
が極大となる点の中からくぼみの境界点を抽出するくぼ
み境界検出部と、同くぼみ境界検出部で得られたくぼみ
境界からくぼみの４頂点の位置を求めるくぼみ頂点検出
部と、同くぼみ頂点検出部で得られた頂点の位置から対
角線長を測定し、その測定値と圧子の押し込み荷重とに
より、硬度を演算し、結果の出力を行なう硬度演算部と
をそなえたことを特徴としている。

【０００６】

【作用】上述の本発明のビッカース硬度自動測定装置で
は、ＴＶカメラで撮影されたくぼみの画像を２次元平滑
化処理することにより、くぼみの境界が鮮明さを保ちつ
つ傷の部分が選択的に低減化されて、くぼみ境界の識別
が容易となる。

【０００７】また、輝度の変化率が極大となる点の中か
らくぼみの境界点を抽出することにより、傷による境界
の誤認をおきにくくしている。

【０００８】

【実施例】以下、図面により本発明の一実施例としての
ビッカース硬度自動測定装置について説明すると、図１
は硬度演算機をブロック線図として示した模式平面図、
図２はノイズ処理部で使用する２次元平滑化処理におけ
る種々の大きさからなる測定窓の配列図、図３はアルミ
ニウム合金試験片に対し＃１５００エメリーペーパーで
研磨した後、その表面に形成したビッカースくぼみを撮
影した画像、図４は図３の試験片について２次元平滑化
処理を行なったときのくぼみ画像、図５は図４の画像に
ついて境界検出部を連続的に作用させることにより得ら
れた境界点を連結・表示させた画像図、図６は図４の試
験片についてくぼみ頂点検出部より求めたくぼみの頂点
を図３のくぼみ画像に重ねて表示した画像、図７は実験
に使用した測定窓の配列図、図８は輝度変化についての
模式図を示すグラフ、図９は(A)が図３に示す画像に対
する輝度変化、(B)が図４に示す画像に対する輝度変化
の輝度曲線を示すグラフ、図10は図９の計測説明図であ
る。図１に示すように、この実施例のビッカース硬度自
動測定装置は、ビッカース式硬度試験機１と画像処理部
を内蔵した硬度演算機２とで構成されている。

【０００９】試験機１は、自動焦点合わせ機構15と、こ
の自動焦点合わせ機構15上に装着されたＸＹ自動ステー
ジ12と、圧子11とをそなえ、この圧子11によりＸＹ自動
ステージ12上に載置された試験片10の表面にくぼみを形
成するように構成されており、さらに、接眼部にＴＶカ
メラ13が取り付けられている。

【００１０】ＴＶカメラ13で撮影されたくぼみの画像が
ケーブル16を介して硬度演算機２に送信される。

【００１１】硬度演算機２は、ＴＶカメラ13からのくぼ
みの映像を、たとえば512×512の画素に分解しかつ各画
素の明るさを256の階調のレベルに変換して記録するデ
ジタル画像記録部20と、同デジタル画像記録部20に記録
されたくぼみ画像の２次元平滑化処理を行なって、傷を
選択的に除去するノイズ処理部21と、同ノイズ処理部21
により加工された画像信号について、輝度の変化率が極
大となる点の中からくぼみの境界点を抽出するくぼみ境
界検出部22と、同くぼみ境界検出部22で得られたくぼみ
境界から境界の４頂点の位置を求めるくぼみ頂点検出部
23と、同くぼみ頂点検出部23で得られた頂点の位置から
対角線長を測定し、この測定値と圧子の押し込み荷重と
により、硬度を演算し、結果の出力を行なう硬度演算部
24と、プリンター25とから構成されている。

【００１２】試験機１は、所定のビッカース硬度測定用
圧子11をそなえ、所定の荷重で試験片10の表面にくぼみ
（圧痕、図５、図10に符号３で示す）を形成できるもの
であって、従来のビッカース硬度試験機とほぼ同一の構
成である。ＴＶカメラ13は、試験機１の接眼部に取り付
けられて、150〜2500倍に拡大したくぼみ画像を撮像す
るもので、撮像管や固体撮像素子を用いた計測用ＴＶカ
メラなどが用いられる。図３は、＃１５００のエメリー
ペーパーで研磨したままのアルミニウム合金試料に、ビ
ッカース試験機で荷重500gfのもとで形成したくぼみの
画像である。

【００１３】また、デジタル画像記録部20は、ＴＶカメ
ラ13から得られるくぼみ画像を512×512の画素に分解
し、かつそれらの明るさに応じて256レベルに変換して
記録できるもので、この程度の空間分解能があれば自動
測定には十分である。

【００１４】ノイズ処理部21では、図２に一例を示すよ
うに、くぼみの各辺の方向にそって交差した所定の測定
窓をもち、測定窓のなかに位置する各画素の明るさの平
均値を中央の画素の明るさとする２次元の平滑化処理を
行なう。またこの場合、各画素の明るさの中央値を求め
てそれを中央の画素の明るさとする処理を行なってもよ
い。

【００１５】上記の２次元の平滑化処理を原画像に対し
て行なった後の画像を図４に示す。これからもわかるよ
うに、くぼみの輪郭は鮮明に保たれつつ、傷の部分のみ
が選択的に平滑化される。

【００１６】この実施例のように、ビッカースくぼみの
形状の特殊性に着目した２次元の平滑化処理によって、
傷のみを選択的に平滑化することが可能になる。本発明
者が行なった２次元平滑化処理では、２次元平滑化処理
の測定窓（ウインドウ）形状として、図７に示すもの、
すなわち１画素おきに直線に並んだ７画素をＸ字型に交
差させた合計14画素からなるものを用いた。これにより
耐ノイズ性能と処理速度を向上させることができる。な
おウインドウの形は基本的にはＸ字型とするが、その大
きさや、中の画素の配置の仕方には様々の変形例が考え
られる。なおこの平滑化処理は画面全体に行なってもよ
く、また必要に応じて部分的に実行してもよい。さらに
原画像はそのままに保存して、ノイズ処理部内部で前記
の平滑化処理を行なってもよい。

【００１７】くぼみ境界検出部22では、上記の２次元の
平滑化処理を経たものについて、くぼみの対角線にそう
方向にとった任意の測定軸31とくぼみ３の境界との交点
Ｐ₁、Ｐ₂の位置を境界点として自動的に検出する（図５
参照）。ここで境界点では明るさ（輝度）の変化率が極
大になるという原理にもとずいて、境界点を探索する。
平滑化されてはいてもまだ傷の影響が残ることがあるの
で、境界点を確実に得るためには、変化率が極大となる
点をただちに境界点とするわけにはいかない。前記の特
公昭63-10379号公報のものでは、単に平均変化率が所定
のしきい値を超える点を境界点としているので傷の影響
を受けやすい。そこでこの実施例の場合、確実に境界点
を得るために、ひとつの方法として、測定軸上で輝度の
変化率の大きい順に境界点候補を並べ、その上位から順
次境界点であるかどうかの判定を行なっている。この判
定にはたとえば、その点から測定軸にそって反対方向に
等距離にあり、かつ所定の画素数からなる２つの領域の
明るさの平均をそれぞれ求め、それらの平均値の差ある
いは比が所定のしきい値を超える場合に境界点であると
してもよい。

【００１８】すなわち図８に示すように、境界候補点を
中心にして左右に等距離のところに所定の測定領域を設
け、その平均輝度をＢ₁,Ｂ₂とするとき、平均輝度比Ｂ₂
／Ｂ₁が次の条件を満足すれば境界と判定する。 Ｂ₂／Ｂ₁≦Ｔ（しきい値） または Ｂ₂／Ｂ₁≧１／Ｔ ただし、０＜Ｔ＜１とする。

【００１９】このように平均輝度比を用いると、カメラ
のゲインが異なってもある程度対応できる利点がある。
本発明者はＴ＝０.６として実験を行なった。

【００２０】なお、これとは逆に、測定軸上のすべての
点を境界候補点としてまず前記の判定を行ない、それを
満たす点のうちで変化率が最大となる点を境界点である
としてもよい。

【００２１】くぼみ頂点検出部23では上記の境界検出部
22で得られた境界点の位置から４頂点を求める。すなわ
ち測定軸31を垂直にとり少しずつずらしながら境界検出
を行ない、得られた境界点のなかで最も上または下に位
置する点から上下の２頂点位置を求める。同様に水平方
向に測定軸をとり少しずつずらしながら境界検出を行な
って左右の２頂点位置を求める。この時検出された境界
点を多項式に近似させてその交点から頂点を求めてもよ
い。なお得られた４頂点に対し図６に示すように頂点を
通るカーソル線を表示するようにすると頂点検出が正し
く行なわれたかどうかの確認ができる。

【００２２】硬度演算部24では、前記のくぼみ頂点検出
部23で得られた頂点の位置から、２本の交差する対角線
の長さを求め、［数１］式によりビッカース硬度Ｈｖを
算出する。

【数１】Ｈｖ＝１．８５４Ｐ／ｄ²（ｋｇｆ／ｍｍ²） ただし、Ｐは押し込み荷重、ｄは２本の対角線の平均長
である。さらに、得られた硬度について必要な統計処理
をすることもでき、またＸＹ自動ステージ12の座標から
硬度の平面分布を立体的に表示することも可能である。
図９の曲線Ｂは２次元平滑化処理を行なった画像（図４
のもの）について図10に示すように、測定軸31をくぼみ
３の左右頂点Ｐ₃，Ｐ₅を通って水平にとったときの輝度
の変化の状態を、縦軸を輝度、横軸を位置として示した
輝度曲線であり、図９中の縦軸（破線）は自動検出した
頂点Ｐ₃，Ｐ₅の位置を示している。また図９の曲線Ａは
原画像（２次元平滑化処理を行なわない画像、図３）に
ついての同様の輝度曲線であって、両曲線Ａ,Ｂを比べ
てみるとき、２次元平滑化処理を行なうことが頂点（境
界点）の位置を明瞭にしていることが理解できる。特に
頂点Ｐ₅の位置が、原画像の場合傷４の影響を受けて不
明瞭であるのに対し、２次元平滑化処理を行なことによ
り、頂点Ｐ₅の境界が明瞭になっていることが理解でき
る。なお、曲線Ａを単に平滑化しただけでは曲線Ｂを得
ることはできず、また２次元平滑化処理によって輝度の
最大変化点が本来あるべき位置から移動しないことも、
両曲線Ａ,Ｂを比較するとき理解できる。上述のよう
に、この実施例のビッカース硬度自動測定装置では、表
面に傷のある試験片のビッカース硬度試験において、試
験片の表面につけられたくぼみの測定を行なうにあた
り、はじめに行なわれる２次元平滑化処理により、撮影
画像上のくぼみの境界が鮮明さを保ちつつ傷の部分が選
択的に低減化され、くぼみ境界の識別が容易となる。さ
らに輝度の変化率が極大となる点の中からくぼみ境界を
判別する方法に改良を加えているので、傷による境界の
誤認がおきにくくなり、ビッカースくぼみの自動読み取
りの信頼性が向上する。

【発明の効果】以上詳述したように、本発明のビッカー
ス硬度自動測定装置によれば、傷の処理に２次元の平滑
化処理を行なうことと、さらに境界の判別においても傷
の影響を効果的に排除したことにより、傷の多い試験片
においてもビッカース硬度の自動測定が安定して実行で
きるようになる。ちなみに従来技術では、１次元の平滑
化処理を行なっていたため、傷の排除が十分でなく傷を
境界と誤認する場合があり、また境界の判定において
も、単に輝度の平均変化率が所定のしきい値より大きい
ことを条件としていたため、境界の状態により判定に不
安定さがのこっていたが、本発明はこれらの欠点を排除
できる。また、従来の肉眼による測定を自動測定に置き
換えることにより、省力化がはかれるとともに、測定の
迅速化、信頼度の向上を図ることができる。さらにくぼ
み付け、焦点合わせの自動化システムと組み合わせれ
ば、信頼性の高い安定した自動測定システムを確立する
ことができる。なお、ビッカース硬さ試験機のほか、微
小硬さ試験機およびこれらに類する硬さ試験機に適用で
きることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例としてのビッカース硬度自動
測定装置を、硬度演算機をブロック線図として示した模
式正面図である。

【図２】ノイズ処理部で使用する２次元平滑化処理にお
ける種々の大きさからなる測定窓の配列図である。

【図３】アルミニウム合金試験片に対し＃１５００のエ
メリーペーパーで研磨した後、その表面に形成したビッ
カースくぼみを撮影した画像である。

【図４】図３の試験片について２次元平滑化処理を行な
ったときのくぼみ画像である。

【図５】図４の画像について境界検出部を連続的に作用
させることにより得られた境界点を連結・表示させた画
像図である。

【図６】図４の試験片についてくぼみ頂点検出部より求
めたくぼみの頂点を、図３のくぼみ画像に重ねて表示し
た画像である。

【図７】実験に使用した測定窓の配列図である。

【図８】輝度変化についての模式図を示すグラフであ
る。

【図９】輝度曲線の一例を示すグラフで曲線(A)は図３
に示す画像に対する輝度変化、曲線(B)が図４に示す画
像に対する輝度変化をそれぞれ示している。

【図10】図９の輝度曲線をうるための計測説明図であ
る。

【符号の説明】

１ 試験機 ２ 硬度演算機 ３ くぼみ ４ 頂点Ｐsより伸びた傷 10 試験片 11 圧子 12 ＸＹ自動ステージ 13 ＴＶカメラ 20 デジタル画像記録部 21 ノイズ処理部 22 くぼみ境界検出部 23 くぼみ頂点検出部 24 硬度演算部 25 プリンター 26 接続コード Ｐ₁,Ｐ₂ 測定軸31とくぼみ境界との交点 Ｐ₃,Ｐ₄,Ｐ₅,Ｐ₆ 頂点

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【手続補正書】

【提出日】平成４年２月１９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】符号の説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【符号の説明】 １ 試験機 ２ 硬度演算機 ３ くぼみ４ 頂点Ｐ_５より伸びた傷 １０ 試験片 １１ 圧子 １２ ＸＹ自動ステージ １３ ＴＶカメラ ２０ デジタル画像記録部 ２１ ノイズ処理部 ２２ くぼみ境界検出部 ２３ くぼみ頂点検出部 ２４ 硬度演算部 ２５ プリンター ２６ 接続コード Ｐ_１，Ｐ_２ 測定軸３１とくぼみ境界との交点 Ｐ_３，Ｐ_４，Ｐ_５，Ｐ_６ 頂点

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図８

【補正方法】変更

【補正内容】

【図８】

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図９

【補正方法】変更

【補正内容】

【図９】

【手続補正書】

【提出日】平成４年６月５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図８

【補正方法】変更

【補正内容】

【図８】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の荷重で試験片の表面に圧子を押し
   込み、ビッカースくぼみを形成する試験機と、同試験機
   の接眼部に取り付けたＴＶカメラと、同ＴＶカメラから
   のくぼみの映像を濃淡画像として記録するデジタル画像
   記録部と、同画像記録部に記録されたくぼみ画像の２次
   元平滑化処理を行なって、傷を選択的に除去するノイズ
   処理部と、同ノイズ処理部により加工された画像信号に
   ついて、輝度の変化率が極大となる点の中からくぼみの
   境界点を抽出するくぼみ境界検出部と、同くぼみ境界検
   出部で得られたくぼみ境界からくぼみの４頂点の位置を
   求めるくぼみ頂点検出部と、同くぼみ頂点検出部で得ら
   れた頂点の位置から対角線長を測定し、その測定値と圧
   子の押し込み荷重とにより、硬度を演算し、結果の出力
   を行なう硬度演算部とをそなえたことを特徴とする、ビ
   ッカース硬度自動測定装置。