JP2008145397A

JP2008145397A - ガス検出装置

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Publication number: JP2008145397A
Application number: JP2006336165A
Authority: JP
Inventors: Hajime Sannomiya; 肇三宮; Shigeru Yamaguchi; 滋山口
Original assignee: Tokai University; Nippon Signal Co Ltd
Current assignee: Tokai University; Nippon Signal Co Ltd
Priority date: 2006-12-13
Filing date: 2006-12-13
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2026-12-13
Also published as: JP4948145B2

Abstract

【課題】ガスの充填された検査物の充填ガスを、分子の吸光現象を利用して非接触で簡易且つ効率良く検出可能とした。
【解決手段】赤外線を出射するレーザ光源１と、検査物からの赤外線反射光を受光する受光素子３と、受光素子３の受光出力に基づいて計測対象の充填ガスの特定吸光波長における光エネルギの吸収の有無を検出して充填ガスの有無を判定するデータ処理部８とを設け、レーザ光源１から出射する赤外線の波長が、充填ガスの１つの特定吸光波長のみを含む波長範囲となるようにレーザ制御部５でレーザ光源１の発光動作を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、検査物に充填されたガスを検出するためのガス検出装置に関し、特に、検査物内の充填ガスを非接触且つ遠隔で効率よく検出することができるガス検出装置に関する。

近年、生肉やハム・ソーセージ等、色々な食品の鮮度を長期間保持するために、二酸化炭素や窒素ガス等のガスを充填したガス充填包装が行われている。このようなガス充填包装では、包装（パック）内のガス濃度が品質に影響する。このため、従来では、注射器で包装内のガスを採取してガスの濃度を検査したり、減圧したチャンバー内でガス濃度を検出して包装のガス漏れを検査したりするようなことが行われている。しかし、前者の場合、破壊検査であるため全品検査ができず、１個でも不合格品があればロット単位での破棄となる。また、破壊検査のため検査対象商品は商品価値がなくなる。後者の場合は、全品検査ではあるが、包装のガス漏れを検査するもので充填ガスの濃度を検査するものではない。

ところで、従来のガス検出装置として、光（例えば赤外線）をガスに照射し、ガス分子による光のエネルギの吸収量を計測することによりガス濃度を検出する分子の吸光現象を利用したものがある（例えば、特許文献１、２参照）。そして、かかるガス検出装置をガス充填包装の充填ガス検査に用いることが考えられる。
特開平５−５２７４５号公報特開平７−１６７７８４号公報

しかしながら、分子の吸光現象を利用する従来のガス検出装置では、ガスのサンプルを採取して計測する方法が一般的であり、ガス検査を必要とする例えばガス充填包装した包装体のような検査対象物に対して直接光を照射し、遠隔でガスの検査を可能としたようなものは従来なかった。
本発明は上記問題点に着目してなされたもので、ガスの充填された検査物の充填ガスを、非接触で簡易且つ効率良く検出可能なガス検出装置を提供することを目的とする。

このため、請求項１の発明は、ガスの充填された検査物の前記充填ガスを検出するガス検出装置であって、光を出射する光源と、前記出射光の前記検査物からの反射光を受光する受光手段と、前記光源の出射光の波長を、前記充填ガスの１つの特定吸光波長のみを含む波長範囲となるよう前記光源を発光制御する制御手段と、前記受光手段の受光出力に基づいて前記特定吸光波長における光エネルギの吸収の有無を検出して前記充填ガスの有無を判定する判定手段と、を備えて構成したことを特徴とする。

かかる構成では、制御手段は、光源の出射光の波長を検査物に充填された充填ガスの１つの特定吸光波長のみを含む波長範囲となるよう光源を発光制御する。光源は、前記波長範囲の光を出射し、この出射光の検査物からの反射光を受光手段で受光する。判定手段は、受光手段の受光出力に基づいて特定吸光波長における光エネルギの吸収の有無を検出して充填ガスの有無を判定する。受光出力に、光エネルギの吸収による出力低下部分が存在すれば、充填ガスが存在していることになる。

請求項２のように、前記判定手段は、前記光エネルギの吸収がある時、前記吸収の無い本来の受光出力値に対する前記吸収で低下した受光出力値の比率を吸収率として算出し、前記吸収率に基づいて前記充填ガスの濃度を求める構成とするとよい。
かかる構成では、検査物に充填された充填ガスの濃度を知ることができるようになる。

請求項３のように、前記制御手段は、略矩形状で波形頭部が漸増する波形形状を有する駆動電流を間欠的に前記光源に供給して光源を発光制御する構成とするとよい。
かかる構成では、１つの受光出力で吸収率を算出することができるようになる。

請求項４のように、前記検査物に対して前記光源の出射光を走査する光走査手段を備える構成とするとよい。
かかる構成では、検査物の充填ガスの有無を２次元（平面）で検出できるようになる。

請求項５のように、前記検査物内の充填ガスの濃度分布を求める構成とするとよい。この場合、請求項６のように、前記濃度分布を可視化処理して表示手段で表示する構成とするとよい。

請求項７のように、前記検査物が、ガス充填包装の食品包装体であり、搬送手段で搬送中の前記食品包装体に前記光源の出射光を照射可能な構成とするとよい。
かかる構成では、ガス充填包装の食品包装体内の充填ガスを非接触且つ容易に効率良く全品を検査することができるようになる。

本発明のガス検出装置によれば、ガスの充填された検査物の充填ガス検査を、非接触で簡単且つ効率良く行うことができる。従って、ガス充填包装の商品等を直接、非破壊の全品検査が可能となり商品の無駄をなくすことができると共に、商品の安全性を向上できる。
また、充填ガス濃度分布を可視化して表示する構成とすれば、充填ガスのリーク状態等も容易に知ることができる利点がある。更に、出射光を走査することで、検査物が搬送手段で搬送されているような場合に検査物の位置がずれても確実に出射光を照射することができ、充填ガス検査されずに検査物が通過してしまうようなエラーを防止することができ、検査の信頼性を向上できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係るガス検出装置の一実施形態を示す構成図である。
図１において、本実施形態のガス検出装置は、レーザ光源１と、光走査系２と、受光素子３と、信号処理部４と、レーザ制御部５と、走査ミラー制御部６と、受光素子制御部７と、データ処理部８と、表示部９と、を備えて構成される。
前記レーザ光源１は、光を出射する光源となるもので、例えば赤外線半導体レーザダイオードである。レーザ光源１は、ペルチェ素子（図示せず）により温度制御可能な構成である。

前記光走査系２は、レーザ光源１の出射光（赤外線）を走査するもので、例えば図２に示すように、ガス充填包装の食品包装体等の検査物２１を搬送する搬送手段である例えばベルトコンベア２２を跨ぐように設置された支持台２３に設ける。光走査系２は、図３に示すように、中心に穴を有する穴あきミラー２Ａと、図中の矢印で示すように揺動可能な光走査手段として例えば半導体ガルバノミラー等からなる走査ミラー２Ｂと、反射ミラー２Ｃと、凹面鏡２Ｄと、集光レンズ２Ｅと、反射光に含まれるノイズをカットするためのバンドパスフィルタ２Ｆとを備える。かかる構成の光走査系２は、図示しないコリメートレンズを介したレーザ光源１からの例えば赤外線を穴あきミラー２Ａの穴を介して走査ミラー２Ｂに導き、走査ミラー２Ｂの揺動動作で赤外線を走査し、この走査光を反射ミラー２Ｃ及び凹面鏡２Ｄを介して平行光とし、ベルトコンベア２２上の検査物２１に赤外線が略垂直に照射するようにし、その反射光を穴あきミラー２Ａにより集光レンズ２Ｅ及びバンドパスフィルタ２Ｆを介して受光素子３に導くよう構成される。
尚、反射ミラー２Ｃ及び凹面鏡２Ｄを省略して走査ミラー２Ｂの走査光を直接検査物２１に照射する構成でもよい。

前記受光素子３は、レーザ光源１の赤外線の反射光を受光する受光手段であり、例えばフォトダイオード等を用いる。受光素子３は、レーザ光源１と同様にペルチェ素子（図示せず）により温度制御可能な構成である。信号処理部４は、受光素子３の受光出力を増幅しノイズをカットするもので、増幅器とフィルタを備えて構成される。

前記レーザ制御部５は、レーザ光源１の出射光の波長を、検査物２１に充填された計測対象の充填ガス（例えばＣＯ₂、Ｎ₂等）の１つの特定吸光波長のみを含む波長範囲となるようレーザ光源１の発光を制御するもので、制御手段として機能する。具体的には、レーザ光源１は温度と供給電流に比例して出射光の波長が変化する特性を有するので、本実施形態では、温度センサ１０で検出したレーザ光源温度に基づいてペルチェ素子を制御してレーザ光源１を一定温度に保持した状態で、レーザ光源１に供給する制御電流を可変させる。そして、制御電流の可変範囲を、レーザ光源１から出射する赤外線の波長範囲が充填ガスの１つの特定吸光波長のみを含む波長範囲となるよう規制している。

前記走査ミラー制御部６は、走査ミラー２Ｂに交流の駆動信号を供給して走査ミラー２Ｂの走査角度を制御する。
受光素子制御部７は、温度センサ１１で検出した受光素子温度に基づいてペルチェ素子を制御して受光素子３を一定温度に保持して受光素子３の感度を一定に保持する。

データ処理部８は、受光素子３の受光出力に基づいて充填ガスの１つの特定吸光波長における光エネルギの吸収の有無を検出して充填ガスの有無を判定するもので、判定手段としての機能を備える。具体的には、受光出力を所定間隔でサンプリングし、出力低下部分があれば充填ガスによる光エネルギの吸収があったと判定して充填ガス有りと判定する。また、光エネルギの吸収があった時は、吸収の無い本来の受光出力値に対する吸収で低下した受光出力値の比率を吸収率として算出し、データベースに予め記憶させた吸収率とガス濃度との関係から、算出した吸収率に該当する濃度値を検索して充填ガスの濃度を求める。更に、レーザ制御部５の制御電流信号、走査ミラー制御部６の駆動信号及び検査物２１の移動速度に基づいて走査領域を画素分割し、得られた濃度を走査ミラー２Ｂの位置から各画素位置と関連付けて濃度分布を求め、求めた濃度分布データを表示手段である表示部９に送信し、前記表示部９は、入力した濃度分布データを可視化処理してその可視化データを表示する。

ここで、前述した濃度分布データの作成について図４を参照して簡単に説明する。
走査ミラー２Ｂの駆動信号の周波数をｆ_Gとし、レーザ光源１の制御電流信号の周波数をｆ_LDとすると、図４（Ａ）のようにベルトコンベア２２で移動する検査物２１をレーザ光（赤外線）で走査したときの走査方向の画素数は、
画素数＝ｆ_G／（２×ｆ_LD）
である。
そして、１画素の大きさは、走査方向についてはレーザ光の走査幅をＬとすると、
Ｘ＝Ｌ／画素数
となり、走査方向に対して垂直な方向についてはベルトコンベア２２の速度をＶとすると、
Ｙ＝Ｖ／（２×ｆ_G）
となる。
尚、図４（Ａ）で、黒丸はレーザ光の照射点を示し、四角は１つの画素を示す。
そして、図４（Ｂ）のように検査物２１上を例えばジグザグ状にレーザ光を走査し、検査物２１の端から端までの走査を１ラインとしてその濃度分布データを可視化処理して図４（Ｃ）のように可視化する。この際、１ラインで表した時の画素の走査方向に対して垂直な方向の大きさは図４（Ｂ）の長方形状として可視化する。更に、図４（Ｃ）のように各ラインの可視化データを結合して２次元の可視化データを作成して表示部９に表示する。

次に、本実施形態によるデータ処理部８による充填ガス検出動作について図５のタイムチャート及び図６のフローチャートを参照して説明する。
まず、図５のタイムチャートで本実施形態の充填ガス検出原理を説明する。
レーザ制御部５は、図５（ａ）に示すような略矩形状で波形頭部が漸増する波形形状を有する制御電流信号を間欠的にレーザ光源１に供給する。即ち、充填ガスの１つの特定吸光波長のみを含む波長範囲となるよう波形の最初と最後の制御電流値を設定し、その制御電流範囲で連続的に制御電流を増大させるよう制御する。そして、レーザ光源１はある電流値までは発光せず前記電流値（発光閾値電流）以上で発光するので、波形の最初で前記発光閾値電流以上の電流を供給して発光させ、その後、制御電流を連続的に増加させる。これにより、レーザ光源１は、制御電流信号に合わせて間欠的に点滅して赤外線を出射すると共に、点灯時の赤外線の発光出力値は図５（ｂ）のように連続的に増大する。この時、出射される赤外線の波長は、図５（ｃ）のように制御電流値に応じて変化し、この変化幅は、充填ガスの１つの特定吸光波長のみを含む波長範囲である。また、受光出力も図５（ｂ）の発光出力に比例して図５（ｄ）のように増大する。そして、検査物２１に充填ガスが存在すると、赤外線の波長が充填ガスの吸光波長一致した時に吸光現象により赤外線の光エネルギの吸収が起こり、受光出力が図５（ｄ）に示すように低下して充填ガスが存在することが判る。

次に、図６のフローチャートに基づいてデータ処理部８の動作を説明する。
ステップ１（図中Ｓ１で示し、以下同様とする）では、走査ミラー制御部６の駆動信号に基づいて走査ミラー２Ｂの基準位置を検出したか否かを判定し、検出したらステップ２に進む。
ステップ２では、レーザ制御部５の制御電流信号に基づいて制御電流信号の基準位置を検出したか否かを判定する。ここでは、ステップ１で走査ミラー２Ｂの基準位置を検出した後、図５（ａ）の制御電流信号の最初の波形の立上りを検出すると制御電流信号の基準位置検出と判定してステップ３に進む。
ステップ３では、画素位置を特定する。具体的には、例えば「１」等の番号を付ける。
ステップ４では、制御電流信号の１つの波形を１画素分として、図５（ｄ）の１つの波形の受光出力を所定のサンプリング間隔で読取る。
ステップ５で、受光出力を１画素分入力するまで受光出力の読取りを行い、入力したと判定するとステップ６に進む。

ステップ６では、充填ガスが有ったか否かを判定し、入力した１画素分の受光出力に出力低下があれば、光エネルギが吸収されたと判断して充填ガス有りと判定し、ステップ７に進む。
ステップ７では、ガス濃度を検出する。吸収の無い本来の受光出力値ｂ（図５（ｄ）参照）に対する吸収で低下した受光出力値ａ（図５（ｄ）参照）の比率（ａ／ｂ）を吸収率として算出し、データベースに予め記憶させた吸収率と充填ガスの濃度値との関係から、算出した吸収率（ａ／ｂ）の値に該当する濃度値を検索して１番目の画素の充填ガス濃度とする。
ステップ８では、計測終了したか否かを判定し、計測が終了するまでステップ３〜７の動作を繰返して各画素のガス濃度を計測する。検査物２１が光走査系２の位置を通過し、予め設定したライン数の計測が終了すると計測終了と判定してステップ９に進む。
ステップ９では、検出結果（濃度分布データ）を表示部９に出力する。これにより、表示部９は、入力した濃度分布データを可視化処理して２次元の可視化データを作成して表示する。

尚、図５（ａ）のように、制御電流信号の波形の最初の電流値を、レーザ光源１の発光閾値電流値以上とするのは、吸収率（ａ／ｂ）を算出するために必要な受光出力の基準値（受光出力零の点）を得るためである。

かかる構成によれば、ガス充填包装等の包装物内の充填ガス検査を、非接触で簡単且つ効率良く行うことができる。従って、ガス充填包装の商品を直接、非破壊の全品検査が可能となり商品の無駄をなくすことができると共に、商品の安全性を向上できる。また、充填ガス濃度分布を可視化して表示するので、充填ガスのリーク状態等も容易に知ることができる。また、レーザ光を走査するので、ベルトコンベア２２上の検査物２１の位置がずれても、確実にレーザ光を照射することができるので、検査物２１が充填ガス検査無しで通過してしまうエラーを防止することができ、検査の信頼性を向上できる。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。
第２実施形態は、レーザ光を走査せずに検査物２１の１点に照射する例である。この場合、レーザ光は穴あきミラー２Ａを介して直接検査物２１に照射すればよいので、光走査系２の走査ミラー２Ｂ〜凹面鏡２Ｄまでと走査ミラー制御部６が不要となる。
次に、図７のフローチャートに基づいて第２実施形態のデータ処理動作を説明する。
ステップ１１では、図６のステップ２と同様に、レーザ制御部５の制御電流信号に基づいて制御電流信号の基準位置を検出したか否かを判定し、検出したらステップ１２に進む。
ステップ１２では、図６のステップ４と同様にして図５（ｄ）の１つの波形の受光出力を所定のサンプリング間隔で読取る。

ステップ１３で、図５（ｄ）の１つの波形の受光出力データについてサンプリングが終了したか否かを判定し、終了したらステップ１４に進む。
ステップ１４では、充填ガスが有ったか否かを判定し、受光出力に出力低下があれば、光エネルギが吸収されたと判断して充填ガス有りと判定し、ステップ１５に進む。
ステップ１５では、図６のステップ７と同様にして吸収率（ａ／ｂ）を算出し、データベースに予め記憶させた吸収率と充填ガスの濃度値との関係から充填ガスの濃度を検索する。
ステップ１６では、検出結果を表示部９に出力する。これにより、表示部９で、ガス濃度や合格、不合格等の表示を行うようにすればよい。

第１及び第２実施形態では、検出結果を表示部９で表示する構成としたが、これに限らず、例えば、警報装置を設け、検出結果に基づいて充填ガス無しや不十分な不合格品の場合には警報を発生させて通報したり、各検査物２１に取付けたタグに検出結果を書込んだり、検査物を集中管理する中央管理装置にデータを登録したりするような構成が考えられる。
本発明のガス検出装置は、ガス充填包装の包装体の充填ガス検出に限らないことは言うまでもなく、あらゆる容器内の充填ガス検出に適用できるものである。

また、上記実施形態では、検査物２１が同一形状で充填ガス空間厚さが同一であるものとして説明したが、例えば、容器にガスのみ充填されている検査物を検査する場合であって、容器形状が不定で高さが異なるような場合、ガスの吸収率が濃度とガス内の光路長の関数で検査物の高さによって吸収率が変化するため、例えば図１に破線で示すように検査物２１の高さ検出用に測距センサ１２を設け、測距センサ１２の検出値に基づいて吸収率から求めた濃度値を補正する構成とするとよい。

尚、上記実施形態では、レーザ光源１を発光制御するためのレーザ制御部５の制御電流信号を図５（ａ）のような波形信号としたが、矩形波のパルス信号でもよい。この場合は、図８（ａ）のようにレーザ光源１から出射するレーザ光の波長が充填ガスの１つの特定吸光波長と同じ波長となる制御電流値（波高値）の矩形波パルス信号とする。そして、充填ガスが存在すると吸光現象により赤外線の光エネルギの吸収が起こり、受光出力値は図８（ｂ）に示すように低下して充填ガスが存在することが判る。ただし、矩形波のパルス信号とした場合は、吸収率（ａ／ｂ）を算出するために必要な吸収の無い本来の受光出力値ｂを得るために、吸光現象の生じない波長の制御電流値のパルス信号（基準信号）が別途必要になる。これに対して、図５（ａ）に示すような上述した実施形態の制御電流信号波形を用いれば、基準信号が不要で１つの制御電流信号で済む利点がある。尚、図８（ａ）の１パルスは図５（ａ）の１パルスに対応しており、濃度分布データを可視化処理するとき、１パルスが１画素に対応することになる。

本発明のガス検出装置の第１実施形態の構成図同上実施形態の検査物へのレーザ光の照射形態を示す図同上実施形態の光走査系の構成図同上実施形態の濃度分布データ可視化処理の説明図同上実施形態のガス検出原理の説明図同上実施形態のデータ処理動作を説明するフローチャート本発明の第２実施形態のデータ処理動作を説明するフローチャートレーザ光源制御用の制御電流信号の別の例を示す図

符号の説明

１レーザ光源
２光走査系
２Ｂ走査ミラー
３受光素子
５レーザ制御部
６走査ミラー制御部
８データ処理部
９表示部
２１検査物
２２ベルトコンベア

Claims

ガスの充填された検査物の前記充填ガスを検出するガス検出装置であって、
光を出射する光源と、
前記出射光の前記検査物からの反射光を受光する受光手段と、
前記光源の出射光の波長を、前記充填ガスの１つの特定吸光波長のみを含む波長範囲となるよう前記光源を発光制御する制御手段と、
前記受光手段の受光出力に基づいて前記特定吸光波長における光エネルギの吸収の有無を検出して前記充填ガスの有無を判定する判定手段と、
を備えて構成したことを特徴とするガス検出装置。
前記判定手段は、前記光エネルギの吸収がある時、前記吸収の無い本来の受光出力値に対する前記吸収で低下した受光出力値の比率を吸収率として算出し、前記吸収率に基づいて前記充填ガスの濃度を求める構成とした請求項１に記載のガス検出装置。
前記制御手段は、略矩形状で波形頭部が漸増する波形形状を有する駆動電流を間欠的に前記光源に供給して光源を発光制御する構成とした請求項１又は２に記載のガス検出装置。
前記検査物に対して前記光源の出射光を走査する光走査手段を備える構成とした請求項１〜３のいずれか１つに記載のガス検出装置。
前記検査物内の充填ガスの濃度分布を求める構成とした請求項４に記載のガス検出装置。
前記濃度分布を可視化処理して表示手段で表示する構成とした請求項５に記載のガス検出装置。
前記検査物が、ガス充填包装の食品包装体であり、搬送手段で搬送中の前記食品包装体に前記光源の出射光を照射可能な構成とした請求項１〜６のいずれか１つに記載のガス検出装置。