JP2011237444A

JP2011237444A - 果菜類の非破壊品質評価装置及び非破壊品質評価方法

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Publication number: JP2011237444A
Application number: JP2011157085A
Authority: JP
Inventors: Kazuyasu Tamano; 和保玉野
Original assignee: TAKARA SCALE CO Ltd; Tsuru Gakuen
Current assignee: TAKARA SCALE CO Ltd; Tsuru Gakuen
Priority date: 2011-07-15
Filing date: 2011-07-15
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2026-07-28
Also published as: JP5298168B2

Abstract

【課題】果菜類の糖度と酸度を同時に非接触かつ非破壊で高精度に測定できるとともに、持ち運びが容易な果菜類の非破壊品質評価装置及びそれを用いた非破壊品質評価方法を提供する。
【解決手段】果菜類の非破壊品質評価装置１は、ミカン２などの果菜類に近赤外光を照射する発光部１２と、透過近赤外光による投影画像を取り込んでその輝度分布を求める撮像部１３及び画像処理部１４と、交流磁界を発生してミカン２の内部に渦電流を生じさせる磁界発生部１６と、この渦電流によって生じる誘導起電力又は誘導電流を検出する検出部１７と、投影画像の最大輝度及び最小輝度を算出する演算部１５とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ミカン、桃、イチゴなどの果実あるいはトマトなどの野菜の品質を評価する装置に係り、特に糖度と酸度を同時に非接触かつ非破壊で計測し、等級類別することができるとともに、持ち運びが容易な果菜類の非破壊品質評価装置とそれを用いた非破壊品質評価方法に関する。

従来、果実や野菜（以下、果菜類という。）の品質を評価するために、その一部を切り取って糖度や酸度を測定する方法が行われていた。しかし、この方法では測定に手間がかかることに加え、果菜類の一部を切り取るとその商品価値がなくなってしまう。従って、全数検査を行うことができず、果菜類の糖度や酸度について信頼性の高い測定を行うことができないという課題があった。そこで、近年、果菜類の糖度や酸度を非破壊的に測定する技術について盛んに研究が進められており、既にいくつかの発明や考案が開示されている。

例えば、特許文献１には、「果実の糖酸度非破壊計測法および装置」という名称で、近赤外光の透過・散乱を利用してミカンの糖度と酸度を簡便、かつ正確に計測する方法に関する発明が本願の出願人らによって開示されている。
特許文献１に開示された発明は、４つの波長の近赤外光をミカンに照射して各波長について光強度を測定した後、任意の２波長を選んで組にして２種類の光強度比をそれぞれ求めることを特徴としている。そして、この光強度比を、予め得られた糖度及び酸度が既知のミカンについての光強度比を示すデータと対比することにより、糖度及び酸度を算出することを特徴とする。
このような方法によれば、複雑な計算をする必要がない上に、果実を破壊することなく、その糖度と酸度を迅速に一括計測することが可能である。

次に、特許文献２には、「非破壊糖度測定方法」という名称で、バックグランド光の影響を低減することにより露天程度の環境下でも青果物の糖度を高精度に測定することが可能な方法に関する発明が開示されている。
特許文献２に開示された発明は、波長の異なる少なくとも３種類のレーザ光を青果物に照射し、そのレーザ光の吸光度に基づいて青果物の糖度を測定する方法であって、バックグランド光を含んだ検出光量が互いに等しくなるように各レーザ光の入射光量を調整することを特徴としている。
このような測定方法によれば、実際の測定で得られる吸光度が見かけの吸光度である場合にも、バックグランド光の影響を除いて真の糖度を求めることが可能である。

さらに、特許文献３には、「非破壊糖度測定装置」という名称で、メロンなどの大型の青果物に対しても非破壊で高精度に糖度を測定することができる装置に関する発明が開示されている。
特許文献３に開示された発明は、波長が８６０ｎｍから９６０ｎｍの範囲にある３種類の光を青果物に照射するとともに、入射光の青果物表面における照射領域の中心点と青果物の中心とを結ぶ直線の延長線上以外の箇所であって、かつ、入射光の青果物表面における照射領域と検出器が受光する青果物からの出射光の青果物表面における検出領域とが重ならない箇所にこの光の吸収を検出する検出器を設置することを特徴とするものである。
このような構造の装置においては、青果物表面で反射される光や青果物の中に入りながらも皮部で反射される光のように果肉中の糖の情報を含まない不要な光が検出器に入射しないようにすることができる。これにより、検出精度が高まるため、大型の青果物についても高い精度で糖度の測定を行うことが可能となる。

特開２００２−２２６５７号公報特開平８−３２７５３６号公報特開平９−５２３４号公報

しかしながら、上述の従来技術である特許文献１に開示された発明は、糖度や酸度の違いによって近赤外光が果実に吸収される比率が変化するという原理を利用しているため、その測定精度は糖度や酸度の影響を受けて近赤外光の吸収比率が変化する割合（１万分の１乃至１０万分の１以下のオーダー）に依存する。そのため、近赤外光の強度を高精度で検出できる分光器や測定電子回路を装置に組み込む必要があった。

また、特許文献２に開示された発明は、バックグランド光の影響を低減して測定精度を高めることができるものの、レーザ光の吸光度に基づいて糖度を測定する構成となっているため、装置の測定精度は糖度の違いによってレーザ光の吸光度が変化する割合（１万分の１乃至１０万分の１以下のオーダー）に依存する。従って、測定精度を高めるにはレーザ光の強度を高い精度で検出しなければならず、装置の構造が複雑になるとともに製造コストが高くなるという課題があった。また、果実の酸度については測定できないという課題があった。

特許文献３に開示された発明は、不要な反射光を除外して必要な反射光のみを検出することにより測定精度を高めることができるものの、その測定原理は近赤外光の透過率（検出光光量／入射光光量）に基づくものであるため、特許文献１又は特許文献２の発明と同様の課題を有している。すなわち、測定精度を高めるためには検出光を高い精度で検出できる回路等を装置に組み込まなければならず、装置が複雑化するおそれがある。

本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、果菜類の糖度と酸度を同時に非接触かつ非破壊で高精度に測定できるとともに、持ち運びが容易な果菜類の非破壊品質評価装置及びそれを用いた非破壊品質評価方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明である果菜類の非破壊品質評価装置は、交流磁界を発生する磁界発生部と、この交流磁界によって果菜類中に生じる渦電流による誘導起電力又は誘導電流を検出する検出部とを備えることを特徴とするものである。
交流磁界によって果菜類の内部に発生する渦電流は果菜類に含まれる酸の濃度に比例する。従って、このような構造の果菜類の非破壊品質評価装置においては、果菜類の渦電流の影響を受けて発生する誘導起電力又は誘導電流を検出することにより酸の濃度が間接的に算出される。従って、酸度を直接的に測定する場合と異なり、装置が簡単な構造となる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の果菜類の非破壊品質評価装置において、磁界発生部は果菜類の近傍に設置される励磁用コイルを備え、検出部はこの励磁用コイルを挟んで略対称に配置される２つの検出用コイルを備え、この２つの検出用コイルはコイルの巻き方向が互いに逆であることを特徴とするものである。
このような構造の果菜類の非破壊品質評価装置においては、励磁用コイルによって発生する交流磁界により果菜類の内部に渦電流が発生し、この渦電流によって２つの検出用コイルには大きさの異なる誘導起電力又は誘導電流がそれぞれ逆向きに発生する。また、励磁用コイルが発生した交流磁界によって２つの検出用コイルには同じ大きさの誘導起電力又は誘導電流がそれぞれ逆向きに発生する。従って、２つの検出用コイルの発生する誘導起電力又は誘導電流をそれぞれ足し合わせることによれば、励磁用コイルの発生する交流磁界の影響が排除され、果菜類に発生する渦電流のみに起因する誘導起電力又は誘導電流が検出される。

請求項３記載の発明である果菜類の非破壊品質評価方法は、交流磁界を発生する工程と、この交流磁界によって果菜類中に生じる渦電流による誘導起電力又は誘導電流を検出する工程とを備えることを特徴とするものである。
内部を透過する磁界が変化すると果菜類の内部には酸度に比例する渦電流が発生するため、このような果菜類の非破壊品質評価方法によれば、果菜類の渦電流の影響を受けて発生する誘導起電力又は誘導電流を検出することで酸の濃度が間接的に算出される。

以上説明したように、本発明の請求項１記載の果菜類の非破壊品質評価装置においては、小型化及び軽量化を行って持ち運びの容易な構造とすることができる。また、安価に製造することが可能である。

本発明の請求項２記載の果菜類の非破壊品質評価装置においては、果菜類の酸の濃度を高い精度で算出することができる。

本発明の請求項３記載の果菜類の非破壊品質評価方法は、請求項１記載の装置の発明を方法の発明として捉えたものであるため、請求項１記載の発明と同様の効果を有する。

本発明の実施の形態に係る果菜類の非破壊品質評価装置の実施例の外観図である。本実施例の非破壊品質評価装置のシステム構成図である。（ａ）は近赤外カメラによってミカンを撮像する様子を示す模式図であり、（ｂ）はミカンの投影画像の一例である。（ａ）及び（ｂ）は近赤外光がミカンを透過する様子を示した模式図である。（ａ）及び（ｂ）は投影画像の輝度分布を説明するための概念図である。（ａ）乃至（ｃ）は投影画像の輝度分布から求められる谷幅及び谷深さと測定対象物の条件との関係を説明するための概念図である。（ａ）及び（ｂ）はそれぞれミカンについての投影画像の輝度分布及びＬ_２／ｄの実測結果である。（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ本実施例の非破壊品質評価装置による酸度測定方法の概念図及び回路構成図である。励磁用コイルによって発生する磁界を説明するための概念図である。酸度既知のクエン酸について検出用コイルの誘導電流を測定した結果である。

本発明の実施の形態に係る果菜類の非破壊品質評価装置とそれを用いた非破壊品質評価方法の実施例について説明する。

果菜類の非破壊品質評価装置の実施例について図１及び図２を用いて説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る果菜類の非破壊品質評価装置の実施例の外観図である。また、図２は本実施例の非破壊品質評価装置のシステム構成図である。
図１及び図２に示すように、本実施例の果菜類の非破壊品質評価装置１は、ミカン２などの果実に近赤外光ａ１を照射する発光部１２と、ミカン２を透過した近赤外光（以下、透過近赤外光ａ２という。）によって投影される画像を取り込んで処理する撮像部１３及び画像処理部１４と、磁界ｂ１を発生してミカン２の内部に渦電流を発生させる磁界発生部１６と、この渦電流によって生じる磁界ｂ２の影響を受けて発生する誘導起電力又は誘導電流を検出する検出部１７と、画像処理部１４及び検出部１７からのデータを演算する演算部１５とを備えるものである。
発光部１２は、発光ダイオードアレイ光源３とその電源１１とからなる。そして、平面状に並列配置された複数の発光ダイオードから構成される発光ダイオードアレイ光源３はミカン２の側面近傍に設置されており、９００ｎｍ〜１．３μｍの波長の近赤外光ａ１をミカン２に対して照射可能な構造となっている。
近赤外カメラ４からなる撮像部１３はミカン２を挟んで発光ダイオードアレイ光源３と略対称に設置され、透過近赤外光ａ２によるミカン２の投影画像を取り込んで画像データａ３を画像処理部１４に送るように構成されている。
画像処理部１４は近赤外カメラ４に接続される画像処理ボード５からなり、撮像部１３から送られた画像データａ３はこの画像処理ボード５によって処理され、ミカン２の投影画像について輝度分布が求められる。そして、ミカン２の投影画像の輝度データａ４がコンピュータ６からなる演算部１５に送られる。
ミカン２の下方近傍には円形の励磁用コイル８及び検出用コイル９ａ，９ｂが設置されている。励磁用コイル８は発振器７とともに磁界発生部１６を構成し、発振器７は励磁用コイル８の内部に数ＭＨｚの交流電流を流すことにより、ミカン２の内部に透過するような磁界ｂ１を発生させる。この磁界ｂ１によってミカン２の内部には図９を用いて後述する渦電流（誘導電流ｉ_２）が発生し、この渦電流（誘導電流ｉ_２）によって磁界ｂ２が発生する。磁界ｂ２によって検出用コイル９ａ，９ｂに生じる誘導起電力又は誘導電流は検出回路１０によって検出される。すなわち、検出用コイル９ａ，９ｂ及び検出回路１０は検出部１７を構成しており、検出部１７で検出された誘導起電力又は誘導電流は検出データｂ３としてコンピュータ６からなる演算部１５に送られる。

ここで、ミカンの投影画像の輝度分布について図３及び図４を用いて説明する。
図３（ａ）は近赤外カメラ４によってミカン２を撮像する様子を示す模式図であり、（ｂ）はミカン２の投影画像の一例である。
図３（ａ）に示すように、近赤外カメラ４はミカン２に対して近赤外光ａ１が照射される側と反対の側面近傍に設置されており、近赤外光ａ１の照射方向に対して垂直なＸＹ平面へ投影されるミカン２の画像を取り込むことができる。この画像を画像処理ボード５で処理すると、例えば、図３（ｂ）に示すように輝度が黒と白の２値で表された画像が得られる。図３（ｂ）において、略円形の内側の領域がミカンを表している。また、黒は暗い部分を示し、白は明るい部分を示し、灰色は白及び黒でそれぞれ表される明るさの中間の明るさを示している。なお、ミカンの周囲については、輝度分布を計算する必要がないことやミカンの部分とのコントラストを強調するなどの理由から実際の輝度とは無関係に黒く表示されている。
図３（ｂ）を見ると、周辺部に比べて中央部が黒くなっており、中央部が周辺部に比べて暗いことが分かる。ミカンに限らず、球形状の果菜類においては、中央部が周辺部より肉厚になっているため、中央部を透過する近赤外光ａ１は散乱したり、あるいは果菜類に吸収されたりし易い。その結果、中央部を透過する近赤外光ａ１の量は周辺部を透過する近赤外光ａ１の量よりも少なくなるのである。このように、測定対象物の形状は、その投影画像の輝度分布に大きな影響を与える。なお、ミカンなどの果菜類の投影画像の輝度分布は、形状だけでなく、糖度にも影響される。以下、その投影画像の輝度分布と糖度の関係について説明する。

図４（ａ）及び（ｂ）は近赤外光ａ１がミカン２を透過する様子を示した模式図である。なお、図２で説明した構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、ミカン２は照射された近赤外光ａ１に対して球形レンズとして作用する。従って、近赤外カメラ４に向かう透過近赤外光ａ２は屈折して中央部に集まる。このとき、糖度の違いにより、近赤外光ａ１の屈折率が異なる。すなわち、糖度が高い場合（図４（ｂ））には、糖度が低い場合（図４（ａ））に比べて、近赤外光ａ１の屈折率が大きくなるのである。従って、測定対象物の寸法と形状が同じなら、その投影画像は、糖度が高いものの方が糖度の低いものに比べて中央部の輝度が高くなる。なお、本来、糖度とはショ糖液１００グラム中に含まれるショ糖のグラム数を意味するものであるが、本願明細書においては糖度を屈折式糖度計の読み取り値の意味で用いるものとする。また、一般に、ミカンなどの果菜類においては糖度が高いほど近赤外光の吸光度（出射光の強度／入射光の強度）が高くなることが知られている。しかしながら、その吸光度は１万分の１乃至１０万分の１程度のオーダーであり、本願で着目する投影画像の輝度分布に対しては、ほとんど影響しない。すなわち、投影画像の輝度分布に着目する本願発明は、近赤外光の吸光度に着目する従来技術に比べて格段に高い精度で果菜類の糖度評価を行うことが可能なのである。

次に、投影画像の輝度分布について図５を用いて詳しく説明する。
図５（ａ）及び（ｂ）は投影画像の輝度分布を説明するための概念図である。
図３で説明したように、近赤外カメラ４によって取り込んだミカン２の投影画像を画像処理ボード５によって処理すると、図５（ａ）に示す２値化された投影画像１９が得られる。さらに、投影画像１９についてＸＹ座標で表される各ポイントに対応する輝度をＺ軸方向にとると、輝度分布２０ａが得られる。そして、投影画像１９の中心２１を通る直線２２をＸ軸にとり、直線２２上の各ポイントに対応する輝度をＺ軸にとると、図５（ｂ）に示すような略Ｖ字形の輝度分布２０ｂが得られる。
図５（ｂ）において、輝度Ｚ_０は最小値であり、これに対応する位置Ｘ_０はミカン２の中心に略一致している。ここで、位置Ｘ_０を挟んでその両側に存在する輝度の最大値をそれぞれ輝度Ｚ_１及び輝度Ｚ_２として、これらに対応する箇所をそれぞれ位置Ｘ_１及び位置Ｘ_２とし、位置Ｘ_１と位置Ｘ_２の距離を谷幅Ｌ_１とする。なお、図５（ｂ）では、輝度Ｚ_１及び輝度Ｚ_２が同一となっているが、通常、両者の大きさは異なっている。従って、輝度Ｚ_１と輝度Ｚ_２の平均値と輝度Ｚ_０との差を谷深さｄとする。また、輝度Ｚ_１と輝度Ｚ_２の平均値で示される最大輝度と、輝度Ｚ_０>で示される最小輝度のちょうど中間の輝度Ｚ_３及び輝度Ｚ_４を示す位置をそれぞれ位置Ｘ_３及び位置Ｘ_４とする。そして、位置Ｘ_３と位置Ｘ_４の距離、いわゆる半値幅を谷幅Ｌ_２とする。なお、位置Ｘ_１及び位置Ｘ_２はミカンの端縁部を示している。従って、図５（ｂ）において位置Ｘ_１の左側及び位置Ｘ_２の右側の領域の輝度分布は考慮しないものとする。
既に説明したとおり、投影画像の輝度は、周辺部に比べて中央部が暗くなるように分布するが、測定対象物の糖度が高い場合には糖度が低い場合に比べて中央部の輝度が高くなる。このように測定対象物の糖度が高い場合、図５（ｂ）に示す輝度分布２０ｂは平坦なＶ字形状をなす。すなわち、谷深さｄの値は小さくなり、谷幅Ｌ_２の値は大きくなる。従って、輝度分布２０ｂにおける谷深さｄや谷幅Ｌ_２に着目することにより、測定対象物の糖度評価が可能となる。

投影画像の輝度分布から求められる谷幅Ｌ_１，Ｌ_２及び谷深さｄと測定対象物の条件との関係について図６を用いて説明する。
図６（ａ）乃至（ｃ）は投影画像の輝度分布から求められる谷幅Ｌ_１，Ｌ_２及び谷深さｄと測定対象物の条件との関係を説明するための概念図である。
図６（ａ）に示すように、２つの測定対象物について寸法が同じ場合には谷幅Ｌ_１の値は略同一となる。このとき、糖度が高いものは谷深さｄの値が小さくなり、谷幅Ｌ_２の値が大きくなる。従って、谷深さｄ又は谷幅Ｌ_２に着目することにより、測定対象物の糖度を評価することができる。これに対して、測定対象物の寸法が異なる場合には谷幅Ｌ_１の値が異なる。この場合、図６（ｂ）に示すように、谷深さｄの値が同じ、すなわち、２つの測定対象物の糖度に差がなくとも、谷幅Ｌ_２の値は異なるものとなる。従って、測定対象物の寸法が異なる場合に、谷幅Ｌ_２の値のみに着目して糖度を評価すると、判断を誤るおそれがある。また、図６（ｃ）に示すように、近赤外カメラの絞りや照明などの撮像条件あるいは画像処理の条件の違いにより、グラフ全体の縮尺が異なることがある。このとき、測定対象物の糖度に関係なく、谷深さｄ及び谷幅Ｌ_１，Ｌ_２の値は全て小さくなるか、あるいは全て大きくなる。この場合、谷深さｄ及び谷幅Ｌ_２のいずれか一方に着目すると糖度評価の判断を誤ってしまう。この結果をまとめて、表１に示す。

このように、谷深さｄ及び谷幅Ｌ_２の一方のみに着目して糖度を評価すると、判断を誤る可能性がある。そこで、本願発明では谷深さｄ及び谷幅Ｌ_２の両方に着目し、特にＬ_２／ｄの値に基づいて糖度を算出している。これにより、測定対象物の寸法あるいは撮像条件や画像処理条件に起因する誤差の影響が排除される。なお、測定対象物の寸法が略同一の場合や撮像条件等に変更がない場合には、谷深さｄ及び谷幅Ｌ_２のいずれか一方のみに着目して糖度を評価しても良い。

糖度の算出方法について図７を用いて説明する。
図７（ａ）及び（ｂ）はそれぞれミカンについての投影画像の輝度分布及びＬ_２／ｄの実測結果である。
図７（ａ）は図５（ｂ）の輝度分布２０ｂの実測データに相当する。図７（ｂ）は、糖度既知の４種類のミカンに対して図７（ａ）のデータを投影画像の中心を通る４５°等配の８方位の直線についてそれぞれ求めて平均化した後に、Ｌ_２／ｄを求め、対応する糖度ごとにグラフにプロットしたものである。図７（ｂ）を見ると、糖度が高くなるにつれてＬ_２／ｄが高くなる傾向があることがわかる。なお、図７（ｂ）では、糖度とＬ_２／ｄの関係が１次式で近似されているが、糖度が１０や１５に近い場合にはＬ_２／ｄの変化がゆるやかになるため、より詳細にデータをとると、実際には略Ｓ字カーブに近づくものと予想される。ただし、いずれにしても、糖度の変化に対してＬ_２／ｄは単調増加するので、図７（ｂ）に示すデータを予めとっておけば、糖度不明のミカンについてもＬ_２／ｄの値から糖度を正確に算出することが可能である。

本実施例では、谷深さｄの１／２の輝度に対応する２点の間の距離（半値幅）を谷幅Ｌ_２としているが、これに限定されるものではなく、適宜変更可能である。すなわち、Ｌ_２／ｄに与える測定誤差の影響が小さくなるようなデータを選択しても良い。なお、図５（ｂ）に示す位置Ｘ_３，Ｘ_４の代わりに位置Ｘ_０の近くの２点、例えば、位置Ｘ_５，Ｘ_６を選んで、それらの差を谷幅Ｌ_２とすると、位置Ｘ_５，Ｘ_６の間の距離が短いため、谷幅Ｌ_２に対する測定誤差の影響は大きくなる。また、位置Ｘ_３，Ｘ_４の代わりに位置Ｘ_１，Ｘ_２の２点を選んで、それらの差を谷幅Ｌ_２とすると、糖度の異なる測定対象物を測定した場合であっても測定対象物の寸法が同じ場合には位置Ｘ_１，Ｘ_２の間の距離に差が生じ難いため、糖度の差が谷幅Ｌ_２の差として表れないことになる。従って、測定データが読み取り難いなどの特別な事情がない場合には、本実施例に示すように、半値幅を谷幅Ｌ_２とすることが最も望ましい。さらに、本実施例では投影画像の中心を通る４５°等配の８方位の直線についてそれぞれ輝度分布を求めて平均化しているが、直線の数は８本に限定されるものではない。すなわち、この直線の数を限りなく増やしていくとともに、それぞれについて輝度分布を求めて平均化しても良い。なお、これは、画像の中心を円の中心として円周上の各ポイントの輝度を足し合わせて円周の長さで割って平均化する演算を、円周の半径の値を画像の中心から画像端縁までの距離を超えない範囲で順次変化させながら実施することに相当する。

以上説明したように、本実施例の非破壊品質評価装置１においては、糖度の測定系を小型化及び軽量化して持ち運びが容易な構造とすることができる。また、安価に製造することが可能である。さらに、測定対象物である果菜類の商品価値を低下させることなく、糖度に関して全数検査を行うことが可能である。従って、商品の信頼性が高まる。加えて、糖度を算出する際に測定誤差の影響を排除してその精度を高めることができる。

次に、非破壊品質評価装置１を用いて酸度を測定する方法について説明する。なお、以下の説明では、酸度をクエン酸の濃度の意味で使用している。
図８（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ本実施例の非破壊品質評価装置１による酸度測定方法の概念図及び回路構成図である。なお、図１及び図２で説明した構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
図８（ａ）に示すように、非破壊品質評価装置１は上部にミカン２を載置可能な受け皿（図示せず）が設けられた絶縁性のコイルボビン１８と、その外周に巻かれた励磁用コイル８と検出用コイル９ａ，９ｂとを備えている。なお、検出用コイル９ａ，９ｂは励磁用コイル８の上下にそれぞれ等間隔で配置され、検出用コイル９ａは励磁用コイル８と同一方向に巻かれ、検出用コイル９ｂは励磁用コイル８に対して逆方向に巻かれている。また、励磁用コイル８には発振器７が接続されている。さらに、検出用コイル９ａ，９ｂの一端は互いに接続されており、端子Ａ，Ｂには整流増幅器２３と指示計器２４からなる検出回路１０が接続されている。

このような構造の非破壊品質評価装置１において、励磁用コイル８に交流電流を流した場合に発生する交流磁界について図９を用いて説明する。
図９は励磁用コイル８によって発生する磁界を説明するための概念図である。
図９に矢印で示すように、起電力ｅ_０によって励磁用コイル８に交流電流ｉ_０が流れ始めると、上向きの磁界ｂ１が発生して検出用コイル９ａ，９ｂ及びミカン２を透過する。このとき、検出用コイル９ａ，９ｂには磁界ｂ１の変化を妨げるような誘導起電力ｅ_１が生じる。なお、起電力ｅ_０及び誘導起電力ｅ_１は自己インダクタンスＬ_０，Ｌを用いてそれぞれ次のように表される。

一方、誘導起電力ｅ_１は相互インダクタンスＭ_１を用いて次のように表される。

そして、交流電流ｉ_０及び誘導電流ｉ_１は最大値I_０，I_１及び角周波数ωを用いて次のように表される。

また、起電力ｅ_０及び誘導起電力ｅ_１は最大値Ｅ_０，Ｅ_１及び角周波数ωを用いて次のように表される。

式（１）と式（２）及び式（４）乃至式（７）から次式が得られる。

すなわち、交流電流ｉ_０及び誘導電流ｉ_１は起電力ｅ_０及び誘導起電力ｅ_１に対してそれぞれ位相がπ／２ずれるとともに、次式に示すように起電力ｅ_０の最大値Ｅ_０は交流電流ｉ_０の最大値Ｉ_０に比例し、誘導起電力ｅ_１の最大値Ｅ_１は誘導電流ｉ_１の最大値Ｉ_１に比例する。

式（３）に式（４）及び式（７）を代入し、さらに式（９）を用いると次式が得られる。

すなわち、誘導電流ｉ_１は交流電流ｉ_０に対して逆向きとなり、誘導電流ｉ_１の最大値Ｉ_１は交流電流ｉ_０の最大値Ｉ_０に比例する。従って、励磁用コイル８と同じ向きに巻かれた検出用コイル９ａには、交流電流ｉ_０に対して逆向きの誘導電流ｉ_１が発生し、検出用コイル９ａと逆の向きに巻かれた検出用コイル９ｂには、交流電流ｉ_０と同じ向きに誘導電流ｉ_１が発生する。
一方、ミカン２の内部には磁界ｂ１の変化を妨げるような誘導起電力ｅ_２が生じる。そして、図９に矢印で示すようにこの誘導起電力ｅ_２によって交流電流ｉ_０と逆向きに微弱な渦電流（誘導電流ｉ_２）が発生する。なお、誘導電流ｉ_２の大きさはミカン２の電気伝導度ｓと交流電流ｉ_０の大きさに比例する。

ここで、ミカン２の酸度が低い場合（例えば、１０％以下の場合）には、電気伝導度ｓは酸度αに比例することが知られている。なお、電気伝導度ｓは糖度の影響をほとんど受けない。また、市販のレモン水の酸度は６％程度であることから、本願発明では酸度の測定範囲を１０％以下としている。従って、この範囲内の酸度αについては、電気伝導度ｓとの間に次の関係が成り立つ。

また、誘導電流ｉ_２により磁界ｂ２が発生する。このとき、検出用コイル９ａ，９ｂには磁界ｂ２の変化を妨げるような誘導起電力ｅ_ａ，ｅ_ｂがそれぞれ生じる。なお、誘導起電力ｅ_ａ，ｅ_ｂは相互インダクタンスＭ_ａ，Ｍ_ｂを用いて次のように表される。

また、誘導起電力ｅ_ａ，ｅ_ｂは最大値Ｅ_ａ，Ｅ_ｂ及び角周波数ωを用いて次のように表される。

そして、式（１３）乃至式（１８）と式（４）及び式（８）から次式を得る。

すなわち、誘導起電力ｅ_ａ，ｅ_ｂは起電力ｅ_０と同じ向きに発生し、その最大値Ｅ_ａ，Ｅ_ｂはともに起電力ｅ_０の最大値Ｅ_０及び酸度αに比例する。なお、検出用コイル９ａは検出用コイル９ｂよりもミカン２に近く、磁界ｂ２の影響を検出用コイル９ｂよりも強く受けるため、相互インダクタンスＭ_ａは相互インダクタンスＭ_ｂよりも大きい。
一方、検出用コイル９ａ，９ｂにおける誘導起電力ｅ_ａ，ｅ_ｂと誘導電流ｉ_ａ，ｉ_ｂの関係は自己インダクタンスＬを用いて次のように表される。

さらに、誘導電流ｉ_ａ，ｉ_ｂは最大値Ｉ_ａ，Ｉ_ｂ及び角周波数ωを用いて次のように表される。

そして、式（１７）と式（１８）及び式（２１）乃至式（２４）から次式が得られる。

すなわち、誘導電流ｉ_ａ，ｉ_ｂは誘導起電力ｅ_ａ，ｅ_ｂに対してそれぞれ位相がπ／２ずれるとともに、次式に示すように誘導起電力ｅ_ａの最大値Ｅ_aは誘導電流ｉ_ａの最大値Ｉ_ａに比例し、誘導起電力ｅ_ｂの最大値Ｅ_ｂは誘導電流ｉ_ｂの最大値Ｉ_ｂに比例する。

式（１９）に式（２７）を代入し、式（２０）に式（２８）を代入し、さらに、式（１０）を用いると次式が得られる。

すなわち、図９に矢印で示すように、検出用コイル９ａ，９ｂには交流電流ｉ_０の起電力ｅ_０と同じ向きにそれぞれ誘導起電力ｅ_ａ，ｅ_ｂが発生する。ただし、検出用コイル９ａ，９ｂはコイルの巻き線の方向が互いに逆であるため、誘導起電力ｅ_ａ，ｅ_ｂの向きが同じでも検出用コイル９ａ，９ｂを直列に接続すると端子Ａ，Ｂ間に発生する電圧は誘導起電力ｅ_ａと誘導起電力ｅ_ｂの差となって表れる。同様に、端子Ａ，Ｂ間に発生する電流は誘導電流ｉ_ａと誘導電流ｉ_ｂの差となって表れる。そして、誘導電流ｉ_ａ，ｉ_ｂの最大値Ｉ_ａ，Ｉ_ｂは交流電流ｉ_０の最大値Ｉ_０と酸度αに比例する。
図９に示すように、交流電流ｉ_０の向きを正にとると、検出用コイル９ａ，９ｂを流れる電流ｉ_９ａ，ｉ_９ｂはそれぞれ次式で表される。

従って、端子Ａ，Ｂより検出される差動電流ｉ_ＡＢは次式で表される。

ここで、差動電流ｉ_ＡＢは角周波数をωとし、最大値をＩ_ＡＢとすると次のように表される。

式（３３）に式（２３）と式（２４）及び式（３４）を代入すると次式が得られる。

従って、式（３５）は式（２９）及び式（３０）から次のように表される。

すなわち、差動電流ｉ_ＡＢの最大値Ｉ_ＡＢは酸度α及び交流電流ｉ_０の最大値Ｉ_０に比例する。従って、酸度αが既知のミカン２に対して交流電流ｉ_０の最大値Ｉ_０に対する差動電流ｉ_ＡＢの最大値Ｉ_ＡＢの比率、すなわち、（Ｉ_ＡＢ／Ｉ_０）を予め求めておけば、酸度不明のミカン２に対しても（Ｉ_ＡＢ／Ｉ_０）を測定することにより、酸度αが間接的に求められることになる。

このような構造の非破壊品質評価装置１においては、（Ｉ_ＡＢ／Ｉ_０）の値が交流電流ｉ_０の最大値Ｉ_０の設定値に依存しないため、例えば、測定対象物の酸度αが低く、差動電流ｉ_ＡＢの最大値Ｉ_ＡＢの値が小さくなって検出が困難になることが予想される場合には、交流電流ｉ_０の最大値Ｉ_０の設定値を大きくすることにより差動電流ｉ_ＡＢの最大値Ｉ_ＡＢの値を大きくして検出を容易にすることができる。すなわち、交流電流ｉ_０の最大値Ｉ_０の設定を測定対象物に応じて適宜変更して、差動電流ｉ_ＡＢの検出を容易にすることが可能である。これにより、測定誤差を小さくすることができる。また、測定対象物の寸法の違いによって測定対象物と励磁用コイル８との間の距離が変化したとしても、その変化量は検出用コイル９ａと検出用コイル９ｂとの間の距離に比べて格段に小さい。従って、測定対象物から異なる距離に設置された検出用コイル９ａ，９ｂによる２つの検出値に基づいて酸度の演算を行う本実施例の非破壊品質評価装置１においては、測定対象物の寸法の違いに起因する誤差の影響が小さくなる。さらに、検出用コイル９ａ，９ｂが励磁用コイル８を挟んで略対称に設置されるとともに、コイルが互いに逆向きに巻かれているため、検出データに対する励磁用コイル８により発生する磁界ｂ１の影響が排除される。

なお、検出用コイル９ａ，９ｂのコイルの向きは本実施例に示す場合に限定されない。すなわち、検出用コイル９ｂを励磁用コイル８と同じ向きに巻くとともに、検出用コイル９ａを励磁用コイル８と逆向きに巻いても良い。また、検出用コイル９ａ，９ｂは励磁用コイル８からそれぞれ等距離で、かつ励磁用コイル８の両側に設置されていれば良く、検出用コイル９ａ，９ｂをともにミカン２の片側に設置する必要はない。すなわち、検出用コイル９ａ，９ｂのいずれか一方と励磁用コイル８の間にミカン２を配置するような構成としても良い。さらに、非破壊品質評価装置１を用いて果菜類の酸度を測定する場合に、画像処理部１４において測定対象物の投影画像の面積Ｓ_０を求めるとともに、（Ｉ_ＡＢ／Ｉ_０）を面積Ｓ_０で割って、その値に基づいて酸度を算出する構成とすることもできる。この場合、測定対象物の寸法に基づく誤差の影響を小さくして、酸度の測定精度をさらに高めることが可能である。

また、式（３６）に式（３５）を代入し、さらに、式（１０）と式（２７）と式（２８）を代入すると、次式が得られる。

すなわち、誘導起電力ｅ_ａ，ｅ_ｂの最大値Ｅ_ａ，Ｅ_ｂの差は交流電流ｉ_０の起電力Ｅ_０と酸度αに比例する。従って、差動電流ｉ_ＡＢの代わりに誘導起電力ｅ_ａ，ｅ_ｂの最大値Ｅ_ａ，Ｅ_ｂの差を検出する構成とすることもできる。また、（Ｉ_ＡＢ／Ｉ_０）を求める代わりに（Ｅ_ａ−Ｅ_ｂ）／Ｅ_０の値を求めることによっても酸度を算出することが可能である。

次に、酸度の異なるクエン酸について本実施例の非破壊品質評価装置１を用いて検出用コイル９ａに発生する起電力ｅ_９ａを測定した結果について説明する。
まず、検出用コイル９ａに発生する誘導起電力ｅ_９ａの最大値Ｅ_９ａは式（２７）より角周波数ω及び自己インダクタンスＬを用いて次のように表される。

式（３８）、式（１１）、式（２７）及び式（３１）から次式が得られる。

また、式（２９）に式（１０）及び式（２７）を代入すると、次式が得られる。

式（３９）に式（４０）を代入することにより、誘導起電力ｅ_９ａの最大値Ｅ_９ａは次のように表される。

いま、クエン酸及び水（酸度α＝０）を測定した場合の誘導起電力ｅ_９ａの最大値Ｅ_９ａを特にそれぞれＥ_ｃ及びＥ_ｗとおくことにすると、それぞれ次式で表される。

そして、式（４２）に式（４３）を代入し、さらに、式（１０）乃至式（１２）を用いて変形すると次式が成り立つ。

すなわち、（Ｅ_ｗ−Ｅ_ｃ）／Ｅ_ｗは酸度αに比例する。

図１０は酸度既知のクエン酸について検出用コイル９ａの誘導電流を測定した結果である。なお、横軸はクエン酸の濃度を重量％で示した酸度αであり、縦軸は式（４４）に示す（Ｅ_ｗ−Ｅ_ｃ）／Ｅ_ｗである。
図１０に示すように、酸度αは（Ｅ_ｗ−Ｅ_ｃ）／Ｅ_ｗと比例関係にある。従って、酸度αが既知のミカン２に対して（Ｅ_ｗ−Ｅ_ｃ）／Ｅ_ｗを予め求めておけば、酸度不明のミカン２に対しても（Ｅ_ｗ−Ｅ_ｃ）／Ｅ_ｗを測定することで、酸度αを間接的に求めることができるのである。すなわち、上記方法によれば、検出用コイル９ａ，９ｂのいずれか一方を省略することもできる。従って、酸度の測定系が簡素化される。

以上説明したように、本実施例の非破壊品質評価装置１を用いて酸度を算出する方法においては、検出用コイル９ａ，９ｂに発生する誘導起電力ｅ_ａ，ｅ_ｂ又は誘導電流ｉ_ａ，ｉ_ｂを検出することにより酸度を間接的に求めることが可能である。従って、酸度を直接的に測定する場合に比べて装置の構成が簡略化される。これにより、装置の小型化及び軽量化が可能であるとともに、製造コストを安くすることができる。

また、本願発明の非破壊品質評価装置及びそれを用いた非破壊品質評価方法によれば、糖度と酸度を同時に、かつ、高精度に測定することが可能である。そして、糖度と酸度の測定原理はそれぞれ異なっており、測定系に相互干渉が発生するおそれがない。従って、誤差の少ない信頼性の高い測定データを得ることが可能である。また、故障し難いため、修理等に要する費用を少なくすることができる。さらに、測定系が簡単な構成となっているため、装置の小型化及び軽量化を図って持ち運びの容易な構造とすることが可能である。

なお、糖度と酸度の測定系の配置は本実施例に示す場合に限定されない。すなわち、発光ダイオードアレイ光源３及び近赤外カメラ４をミカン２の側面近傍に配置し、励磁用コイル８及び検出用コイル９ａ，９ｂをミカン２の下方近傍に配置する代わりに、例えば、発光ダイオードアレイ光源３及び近赤外カメラ４をミカン２の上下近傍に配置するとともに、励磁用コイル８及び検出用コイル９ａ，９ｂをミカン２の側面近傍に配置しても良い。すなわち、発光ダイオードアレイ光源３及び近赤外カメラ４と、励磁用コイル８及び検出用コイル９ａ，９ｂとは互いに干渉し合わない範囲でその設置箇所を適宜変更することができる。

以上説明したように、請求項１乃至請求項３に記載された発明は、ミカン以外の果菜類についても酸度を測定することが可能である。

１…非破壊品質評価装置２…ミカン３…発光ダイオードアレイ光源４…近赤外カメラ５…画像処理ボード６…コンピュータ７…発振器８…励磁用コイル９ａ，９ｂ…検出用コイル１０…検出回路１１…電源１２…発光部１３…撮像部１４…画像処理部１５…演算部１６…磁界発生部１７…検出部１８…コイルボビン１９…投影画像２０ａ，２０ｂ…輝度分布２１…中心２２…直線２３…整流増幅器２４…指示計器ａ１…近赤外光ａ２…透過近赤外光ａ３…画像データａ４…輝度データｂ１，ｂ２…磁界ｂ３…検出データｃ，ｋ…比例定数ｄ…谷深さｓ…電気伝導度ｅ_０…起電力ｅ_１，ｅ_２，ｅ_ａ，ｅ_ｂ，ｅ_９ａ，ｅ_９ｂ…誘導起電力ｉ_０…交流電流ｉ_１，ｉ_２，ｉ_ａ，ｉ_ｂ，ｉ_９ａ，ｉ_９ｂ…誘導電流ｉ_ＡＢ…差動電流Ａ，Ｂ…端子Ｅ_０，Ｅ_１，Ｅ_ａ，Ｅ_ｂ，Ｅ_ｃ，Ｅ_９ａ，Ｅ_９ｂ，Ｅ_ｗ…起電力の最大値Ｉ_０，Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_ａ，Ｉ_ｂ，Ｉ_ＡＢ…電流の最大値Ｌ，Ｌ_０…自己インダクタンスＬ_１，Ｌ_２…谷幅Ｍ_１，Ｍ_ａ，Ｍ_ｂ…相互インダクタンスＳ_０…面積Ｘ_０〜Ｘ_６…位置Ｚ_０〜Ｚ_４…輝度 α…酸度 ω…角周波数

Claims

交流磁界を発生する磁界発生部と、この交流磁界によって果菜類中に生じる渦電流による誘導起電力又は誘導電流を検出する検出部とを備えることを特徴とする果菜類の非破壊品質評価装置。
前記磁界発生部は果菜類の近傍に設置される励磁用コイルを備え、前記検出部はこの励磁用コイルを挟んで略対称に配置される２つの検出用コイルを備え、この２つの検出用コイルはコイルの巻き方向が互いに逆であることを特徴とする請求項１記載の果菜類の非破壊品質評価装置。
交流磁界を発生する工程と、この交流磁界によって果菜類中に生じる渦電流による誘導起電力又は誘導電流を検出する工程とを備えることを特徴とする果菜類の非破壊品質評価方法。