WO2004111619A1 - 不純物測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

　不純物測定装置は、サンプル（Ｓ）が破断面（ｈ）を上向きにして配置されるテーブル（Ｔ）と、複数の方向から光（Ｌ）を破断面（ｈ）に照射する照明手段（７）と、光（Ｌ）により照らされた破断面（ｈ）を撮像する撮像手段（１０）と、撮像された画像をカラー濃淡処理するカラー濃淡処理手段と、カラー濃淡処理の結果としきい値との比較により画像を２値化処理する２値化処理手段とを備える。 　複数の方向から光（Ｌ）を破断面（ｈ）に照射することにより、破断面（ｈ）を撮像した画像に、破断面（ｈ）の微細な凹凸による陰影や光ムラなどが生じない。このため、この画像をカラー濃淡処理および２値化処理することにより、破断面（ｈ）からサンプル（Ｓ）中の不純物の検出を正確に行うことができる。

Description

明 細 書

不純物測定方法および装置

技術分野

[0001] 本発明は、不純物測定方法および装置に関し、特に、铸造現場などにおいてリア ルタイムで且つ容易に不純物を測定できる方法および装置に関する。 背景技術

[0002] アルミニウム合金中には、不純物である非金属介在物、不必要な金属元素、あるい は特定の金属元素による偏析組織などが含まれている。例えば非金属介在物は、ァ ノレミニゥム合金の铸造材などにおける破壊の起点となり、強度や伸びを低下させる原 因となる。このため、铸造工程の前に、アルミニウムの溶湯に対してフラックスによる除 滓処理ゃ静置処理を施して、非金属介在物を除去してレ、る。

[0003] ところで、一般にアルミニウムなどの金属組織を観察する場合には、そのサンプノレ を鏡面研磨し且つ腐食処理して光学顕微鏡などにより観察している。この観察方法 では、サンプルが鏡面研磨されているため、観察すべき面に段差がなレ、。し力 なが ら、鏡面研磨および腐食処理をサンプルに施す観察方法には、事前の手間を要する と共に、例えば錡造工程で錡造すべきアルミニウムなどの金属組織を容易且つ迅速 に観察することができないという問題があった。

[0004] この問題を解決するため、アルミニウムの溶湯から非金属介在物の除去処理をした 後、溶湯中の非金属介在物の残留量を、铸造工程の現場で簡易且つ予備的に測定 する方法として、いわゆる Kモールド法が行われている。この Kモールド法は、アルミ 二ゥムの溶湯の一部を採取し、これを高さが低い直方体形のキヤビティを有する铸型 に錡込み、得られた板状で且つ直方体形の錡片からなるサンプノレをその幅方向に 沿って割り、得られた破断面を肉眼または光学顕微鏡で観察して、非金属介在物の 総数を測定する方法である (例えば、特許文献 1参照)。

[0005] 特許文献 1 :実公昭 52— 17449号公報 (第 1， 2頁、第 1 , 2図）

発明の開示

発明が解決しょうとする課題 [0006] しかしながら、 Kモールド法では、サンプルの破断面に凹凸があるため、この破断面 に光を直接照らすと陰影や光ムラが生じ、非金属介在物の測定が不安定になり易い という問題があった。し力も、このような測定を作業者が肉眼で行っているため、個人 差によるバラツキが生じ易ぐ信頼性を欠くという問題があった。

以上の問題は、非金属介在物の測定だけでなぐ不必要な金属元素、特定の金属 元素による偏析組織などの不純物の測定において、共通して発生する問題である。 課題を解決するための手段

[0007] 本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、破断 面からサンプル中の不純物を正確に検出できるようにすることにある。

このような目的を達成するために、本発明に係る不純物測定方法は、破断面を有 するサンプルをその破断面を上向きにしてテーブルの上に配置するステップと、テー ブルの上方の複数の方向から光を破断面に照射するステップと、光により照らされた 破断面を撮像するステップと、撮像された画像をカラー濃淡処理するステップと、カラ 一濃淡処理の結果としきい値との比較により画像を 2値化処理するステップとを備え ることを特 ί数とする。

[0008] また、本発明に係る不純物測定装置は、破断面を有するサンプルがその破断面を 上向きにして配置されるテーブルと、テーブルの上方の配置され且つ複数の方向か ら光を破断面に照射する照明手段と、光により照らされた破断面を撮像する撮像手 段と、撮像された画像をカラー濃淡処理するカラー濃淡処理手段と、カラー濃淡処理 の結果としきい値との比較により画像を 2値化処理する 2値化処理手段とを備えること を特徴とする。

発明の効果

[0009] 本発明では、複数の方向から光をサンプルの破断面に照射することにより、破断面 を撮像した画像に、破断面の微細な凹凸による陰影や光ムラなどが生じない。このた め、この画像をカラー濃淡処理および 2値化処理することにより、破断面からサンプル 中の不純物の検出を正確に行うことができる。

図面の簡単な説明

[0010] [図 1A]図 1Aは、本発明の一実施例に係る不純物測定装置の全体構成を示す正面 図である。

[図 IB]図 IBは、反射ドームの構成を示す垂直断面図である。

[図 2]図 2は、テーブル上のサンプルと反射ドームと CCDカメラとの関係を示す図であ る。

[図 3]図 3は、コンピュータの構成を示す図である。

[図 4]図 4は、 CPUにより実現される機能部を示すブロック図である。

[図 5]図 5は、本発明の一実施例に係る不純物測定方法の流れを示すフローチャート である。

発明を実施するための最良の形態

[0011] 以下、図面を参照し、本発明の一実施例について詳細に説明する。

図 1 Aに示すように、不純物測定装置 1は、サンプノレ S (図示せず）が配置されるテ 一ブル Tを備えている。このテーブル Tは、少なくとも平坦な表面を有するものであれ ば良い。

本実施例では、サンプノレ Sとして、アルミニウムのサンプル Sを例にして説明する。 以下、単に「アルミニウム」と記載する場合には、アルミニウム合金も含んでいるものと する。アルミニウムのサンプノレ Sは、例えば、半連続铸造する直前のアルミニウムの溶 湯を一部採取し、例えば κモールド法用の錡型で錡造し、得られた板状で直方体の 铸片をその幅方向に沿って複数の位置で割って分割したものである。サンプル Sは、 分割したときの破断面 hを上向きにして、テーブル Tの表面上に配置される。

[0012] テーブル Tの上方には、複数の方向から光をサンプル Sの破断面 hに照射する照 明装置 7が配置されている。この照明装置 7は、光を放出する発光ダイオード（光源） 4と、この発光ダイオード (光源) 4からの光を反射する反射ドーム (反射部材) Dとを備 えている。

反射ドーム Dは、図 1Bに示すように、断面ほぼ半円形の外周面 3およびこれと相似 形（すなわち断面ほぼ半円形）で下向きに開口する凹形反射面 2を有する。凹形反 射面 2は、所定の曲率でカーブした鏡面である。なお、凹形反射面 2に、光を散乱さ せるための微小な凹凸を形成してもよい。

[0013] 凹形反射面 2には、内周縁に沿ってリング 5が取り付けられている。このリング 5に、 上向き且つ内外 2列で突出する多数の発光ダイオード (LED) 4がリング状に配置さ れている。発光ダイオード 4としては、例えば、酸素と窒素とをドーブした Ga-Pによる 赤色光および緑色光、 Ga— Asによる赤外光、あるいは青色光を発光するものなどが 用いられる。発光ダイオード 4は、比較的小型であるため、反射ドーム Dの凹形反射 面 2の内周縁にコンパクトに取り付けられるば力 ではなぐ発光ダイオード 4から放出 される高輝度で指向性の強い光が凹形反射面 2で反射された際に、反射光が光源 により遮蔽される事態を防ぐことも容易である。

[0014] また、反射ドーム Dの頂部付近には、平面視が四角形 (正方形または長方形)ある いは円形の開口部 6が開設されている。図 2に示すように、反射ドーム Dの開口部 6 の上方には、 CCDカメラ（撮像手段） 10が配置されている。 CCDカメラ 10の光学レン ズを内蔵する入光筒 12は、開口部 6を介して、テーブル Tの表面上に配置されたサ ンプル Sの破断面 hに指向している。

なお、反射ドーム Dは、テーブル Tから立設する支柱 8に図示しない金具により昇降 自在に取り付けられ、反射ドーム Dの上方には CCDカメラ 10が、同じカメラ支柱 8に 昇降自在に取り付けられてレ、る。

[0015] 更に、図 1Aに示すように、 CCDカメラ 10力ら延びたケーブル Kは、パーソナルコン ピュータ（演算手段） 14に接続されている。このコンピュータ 14は、図 3に示すように、 画像入力部 (インターフェース） 20、中央演算素子（CPU) 22、記憶部 (ROM/RA M) 24、および画像出力部（インターフェース） 26を備えている。

画像入力部 20は、 CCDカメラ 10からケーブル Kを介して送信された画像信号を受 け入れる。

[0016] 中央演算素子 22は、プログラムにしたがって動作することにより、図 4に示すカラー 濃淡処理部 30、 2値化処理部 32、高輝度領域検出部 34、画素数測定部 36および 不純物領域認識部 38を実現する。カラー濃淡処理部 30は、画像入力部 20から入 力される画像をカラー濃淡処理する。 2値化処理部 32は、カラー濃淡処理部 30によ る処理結果と輝度のしきい値との比較により画像を 2値化処理する。高輝度領域検出 部 34は、 2値化処理部 32により処理された画像の中から、しきい値よりも輝度の高い 画像領域を検出する処理を行う。画素数測定部 36は、高輝度領域検出部 34により 検出された画像領域の画素数を測定する処理を行う。不純物領域認識部 38は、画 素数測定部 36により測定された画素数が所定の画素数よりも大きい場合に、高輝度 領域検出部 34により検出された画像領域を非金属介在物の領域として認識し、測定 された画素数が所定の画素数よりも小さい場合に、検出された画像領域を非金属介 在物の領域として認識しなレ、処理を行う。

[0017] 記憶部 24には、上述した輝度などのしきい値や所定の画素数などのデータが記録 されている。よって、中央演算素子 22の処理では、記憶部 24に記録されているデー タが、必要に応じて逐次読み出される。なお、中央演算素子 22の動作を制御するプ ログラムも、記憶部 24に記録されている。

中央演算素子 22による処理結果は、画像出力部 26を経て、図 1A，図 3に示すよう に、モニタ 16の表示画面 18に表示され、且つ必要に応じて図示しないプリンタにより 印刷される。

[0018] 次に、図 5を参照し、不純物測定装置 1を用いたアルミニウムの非金属介在物の測 定方法について説明する。

図 2に示すように、テーブル Tの表面の所定の位置に、測定すべきアルミニウムの サンプノレ Sを、その破断面 hを上向きにして配置する（ステップ Sl)。このサンプル S は、約 700°Cに保持されたアルミニウムの溶湯の一部を Kモールド法用の铸型により 得た板状の铸片を割ったものである。

[0019] 次いで、図 2中の実線の矢印で示すように、多数の発光ダイオード 4から発光された 光 Lを、反射ドーム Dの凹型反射面 2に反射させて、これらのランダムな複数の方向 に反射された光 Lを間接照明として、サンプル Sの破断面 hに照射する（ステップ S2) 。このとき、破断面 hには、ランダムな複数の方向から光 Lが当たるため、破断面 hの 微細な凹凸による陰影、光ムラ、ハレーションなどの発生を防止できる。

この状態で、図 2中の一点鎖線の矢印で示すように、サンプノレ Sの破断面 hを、反射 ドーム Dの開口部 6を介して、入光筒 12から CCDカメラ 10内の電荷素子に撮像する (ステップ S3)。得られた画像信号は、ケーブル Kを介してコンピュータ 14の画像入 力部 20から中央演算素子 22に送信される。

[0020] 中央演算素子 22では、破断面 hの画像に対して、まずカラー濃淡処理を施す (ステ ップ S4)。すなわち、破断面 hの画像における各画素の色調を、例えば白 =0—黒 = 255という 8ビットの濃度値で、白黒の濃淡化する処理を行う。

次いで、 2値化処理を施す (ステップ S5)。すなわち、予め記憶部 24から輝度のしき い値（閾値）を読み出し、カラー濃淡処理により得られた各画素の輝度をしきい値と比 較して、高輝度グノレープと低輝度グループとに区分する。なお、しきい値は、サンプ ル Sの材料 (本実施例ではアルミニウム）の種類に応じて、予め設定される値である。 次いで、画像の中力 輝度のしきい値よりも輝度の高い画像領域を検出し、この領 域を非金属介在物の領域と判定する（ステップ S6)。そして、検出された画像領域の 画素数を測定する (ステップ S7)。

[0021] 更に、サンプノレ Sのアルミニウム中に非金属介在物が存在する場合の最小限の画 素数とされる所定の最小画素数を、ステップ S7で測定された画素数と比較する。そ の結果、測定された画素数が所定の最小画素数よりも大きい場合には (ステップ S8, NO)、ステップ S6で検出された画像領域を非金属介在物の領域として認識する (ス テツプ S9)。これに対し、測定された画素数が所定の最小画素数よりも小さい場合に は (ステップ S8， YES) ,当該画像領域を非金属介在物の領域として認識しないよう に、ステップ S6の判定を訂正する（ステップ S10)。なお、上記所定の最小画素数は 、例えば画像全体の画素数が 24万画素である場合には、数 10画素のレベルである 。また、この最小画素数も、必要に応じて記憶部 24から読み出すようにしても良い。

[0022] このように、本実施例では、輝度により一旦非金属介在物と判定された画像領域で あっても、その画像領域の画素数がアルミニウム中に生成される非金属介在物の最 小画素数よりも小さい場合には、非金属介在物という判定を訂正し、非金属介在物と は認識しない。これにより、光学的分析方法における判定の誤差を確実に解消する こと力 Sできる。

以上の処理により、画像の元となった破断面 hにおける非金属介在物の有無およ びその総数を、正確且つ迅速に測定でき、し力も現場にても容易に操作できる。 なお、ステップ S6においては、画像の中力 輝度のしきい値よりも輝度の高い画像 領域を検出できればよいので、必ずしもその領域を非金属介在物の領域と判定しな くてもよい。 [0023] また、以上の各ステップ SI— S10は、サンプル Sにおける複数の破断面 hについて 順次連続して行うことが可能である。したがって、図 1 Aに示すように、各破断面 hごと に撮像した各画像（1一 n)ごとの非金属介在物の総数およびこれらの画像全体にお ける非金属介在物の平均値（av)を測定し、モニタ 16の表示画面 18に表示すること ができる。

測定された複数の破断面 hごとの非金属介在物の総数およびこれら全体の非金属 介在物の平均値が、アルミニウムにおける許容範囲内にある場合には、アルミニウム の溶湯をそのまま図示しない半連続錡造装置の铸型内に錡込むことにより、所要の 純度または合金成分であるアルミニウムのスラブゃビレットなどの铸造材をロスなく確 実に得ることができる。

[0024] これに対し、上記許容範囲を外れている場合には、アルミニウムの溶湯を半連続錡 造することなぐ公知のアルミニウム精製工程に送り、非金属介在物の除去処理をし た後、その一部を採取したサンプノレについて上述した測定方法を再度実行する。 したがって、不純物測定装置 1を用いたアルミニウムにおける非金属介在物の測定 方法によれば、アルミニウムの溶湯をロスなく安定して各種の铸造材にすることでき、 铸造工程のコストを低減することにも寄与し得る。

[0025] 本発明は、上述した実施例に限定されるものではない。

まず、サンプル Sとしては、アルミニウムに限らず、鋼、铸鉄ヽ铸鋼、各種の特殊鋼、 ステンレス鋼、チタンおよびチタン合金、銅および銅合金、亜鉛および亜鉛合金、 Ni および Ni合金、 Mgおよび Mg合金、 Suおよび Su合金、あるいは、鉛および鉛合金 などからなるサンプルについても測定可能である。

また、測定対象となる不純物には、非金属介在物に限らず、不必要な金属元素の 結晶、あるいは特定の金属元素の偏析組織なども含まれる。

[0026] また、テーブル T上に、等間隔に複数の凹部を有するスライド式ホルダを配置し、こ のホルダに複数の凹部のそれぞれに破断面 hを上向きにしてサンプル Sを個別に揷 入し、このホルダをマニュアル操作または図示しないガイドレール上に沿って自動送 りすることにより、各破断面 hを順次撮像することも可能である。

また、カラー濃淡処理した後に行う 2値化処理には、輝度のしきい値に限らず、明 度または濃度値のしきい値を用いることも可能である。

更に、しきい値よりも輝度などが高い画像領域または低い画像領域を、アルミニウム 合金などにおける偏析部分または不要な金属元素の結晶であると判定することも可 能である。

[0027] また、反射ドーム Dの開口部 6は、その頂部付近に限らず、反射ドーム Dの任意の 位置に開設しても良い。この場合には、 CCDカメラ 10は、開口部 6を通してサンプノレ Sの破断面 hが見える位置に配置される。したがって、開口部 6の上方だけでなぐ斜 め上方に CCDカメラ 10が配置される場合もある。

また、図 1 Aに示した不純物測定装置 1におけるテーブル T、反射ドーム Dおよび C CDカメラ 10などの位置は相対的なものであり、サンプル Sをクリップやホルダなどで 支持しつつテーブル T上に配置可能であれば、テーブル T、反射ドーム Dおよび CC Dカメラ 10などを任意の傾きにして用レ、ることも可能である。

また、撮像手段は、デジタルカメラを含む CCD (電荷結合素子)カメラのほか、例え ばビデオカメラなどを用いることも可能である。

[0028] また、コンピュータ 14やモニタ 16は、テーブル T上ではなぐ別の位置に配置しても 良い。

更に、演算手段は、コンピュータ 14に限らず、同様の機能を発揮するコントローラな どの制御機器を用いることも可能である。

なお、本発明に係る不純物測定方法および装置は、その趣旨を逸脱しない範囲に おいて適宜変更すること可能である。

産業上の利用可能性

[0029] 以上のように、本発明に係る不純物測定方法および装置は、金属などに含まれる 非金属介在物、不必要な金属元素の結晶、あるいは特定の金属元素の偏析組織な どの測定に有用である。

Claims

請求の範囲

[1] 破断面を有するサンプルをその破断面を上向きにしてテーブルの上に配置するス テツプと、

前記テーブルの上方の複数の方向から光を破断面に照射するステップと、 光により照らされた破断面を撮像するステップと、

撮像された画像をカラー濃淡処理するステップと、

カラー濃淡処理の結果としきい値との比較により画像を 2値化処理するステップと を備えることを特徴とする不純物測定方法。

[2] 請求項 1に記載の不純物測定方法にぉレ、て、

光を照射するステップは、間接照明を破断面に照射するステップを備えることを特 徴とする不純物測定方法。

[3] 請求項 1に記載の不純物測定方法にぉレ、て、

光を照射するステップは、光源からの光が断面ほぼ半円形の凹形反射面により反 射された間接照明を破断面に照射するステップを備えることを特徴とする不純物測 定方法。

[4] 請求項 1に記載の不純物測定方法にぉレ、て、

2値化処理された画像の中からしきい値よりも輝度の高い画像領域を検出するステ ップと、

検出された画像領域の画素数を測定するステップと

を更に備えることを特徴とする不純物測定方法。

[5] 請求項 4に記載の不純物測定方法にぉレ、て、

測定された画素数が所定の画素数よりも大きい場合に、検出された画像領域を不 純物の領域として認識するステップと、

測定された画素数が所定の画素数よりも小さい場合に、検出された画像領域を不 純物の領域として認識しなレ、ステップと

を更に備えることを特徴とする不純物測定方法。

[6] 請求項 1に記載の不純物測定方法にぉレ、て、

サンプルを配置するステップは、アルミニウムのサンプルをテーブルの上に配置す るステップを備えることを特徴とする不純物測定方法。

[7] 請求項 1に記載の不純物測定方法にぉレ、て、

撮像するステップは、 CCDカメラで破断面を撮像するステップを備えることを特徴と する不純物測定方法。

[8] 破断面を有するサンプルがその破断面を上向きにして配置されるテーブルと、 前記テーブルの上方の配置され且つ複数の方向から光を破断面に照射する照明 手段と、

光により照らされた破断面を撮像する撮像手段と、

撮像された画像をカラー濃淡処理するカラー濃淡処理手段と、

カラー濃淡処理の結果としきい値との比較により画像を 2値化処理する 2値化処理 手段と

を備えることを特徴とする不純物測定装置。

[9] 請求項 8に記載の不純物測定装置において、

前記照明手段は、

光を放出する光源と、

光源からの光を反射する反射部材と

を備えることを特徴とする不純物測定装置。

[10] 請求項 9に記載の不純物測定装置において、

前記反射部材は、断面ほぼ半円形で下向きの凹形反射面を有する反射ドームであ り、

前記光源は、前記反射ドームの凹形反射面の内側縁に沿って上向きに複数配置 されてレ、ることを特徴とする不純物測定装置。

[11] 請求項 10に記載の不純物測定装置において、

前記光源は、発光ダイオードであることを特徴とする不純物測定装置。

[12] 請求項 10に記載の不純物測定装置において、

前記反射ドームは、頂部付近に開口部を備え、

前記撮像手段は、前記開口部の上方に配置されていることを特徴とする不純物測 定装置。

[13] 請求項 8に記載の不純物測定装置において、

前記 2値化処理手段により 2値化処理された画像の中からしきい値よりも輝度の高 い画像領域を検出する高輝度領域検出手段と、

前記高輝度領域検出手段により検出された画像領域の画素数を測定する画素数 測定手段と

を更に備えることを特徴とする不純物測定装置。

[14] 請求項 13に記載の不純物測定装置において、

前記画素数測定手段により測定された画素数が所定の画素数よりも大きい場合に 、前記高輝度領域検出手段により検出された画像領域を不純物の領域として認識し 、測定された画素数が所定の画素数よりも小さい場合に、検出された画像領域を不 純物の領域として認識しない不純物領域認識手段を更に備えることを特徴とする不 純物測定装置。

[15] 請求項 8に記載の不純物測定装置において、

サンプルは、アルミニウムであることを特徴とする不純物測定装置。

[16] 請求項 8に記載の不純物測定装置において、

前記撮像手段は、 CCDカメラであることを特徴とする不純物測定装置。