JP2012021880A - テラヘルツ光による包装物検査方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】合成樹脂等の包装材で包装された食品等の被包装内容物を、非接触非破壊で有効に検査する方法
【解決手段】テラヘルツ光を包装物に照射する照射ステップと、包装材の外面からの反射光を受光する包装材外面反射受光ステップと、その包装材外面からの反射光と同一光路であり、被包装内容物からの反射光を受光する被包装内容物反射受光ステップと、包装材外面からの反射光と被包装内容物からの反射光を比較し、被包装内容物の状態を評価する評価ステップとを設ける。包装材外面からの反射光と被包装内容物からの反射光とを、時間的に分離可能な時間幅を備えるパルス波を用い、包装材外面からの反射光の特性値を基準として、被包装内容物からの反射光の特性値を規格化し、その規格化値が予め設定された正常範囲に含まれるか否かによって、被包装内容物の正常異常を評価する。
【選択図】図４

Description

本発明は、テラヘルツ光を透過する包装材で包装された被包装内容物を非接触非破壊で検査する方法と、その方法を実施する装置に関する。

テラヘルツ光は、水には吸収され、合成樹脂や紙や木材は透過する性質がある。
近赤外や中赤外領域の電磁波とは異なる性質を有することから、テラヘルツ帯の分光スペクトルを利用した分析装置や検査装置などの開発が行われている。

テラヘルツ光を利用した測定装置の開発においては、テラヘルツ光の発生素子及び受光素子が必要となる。近年、フェムト秒レーザーと光伝導アンテナの組み合わせによるテラヘルツ光の発生及び検出の技術開発が進んでいる。それによると、パルス状のテラヘルツ光を発生及び検出できるので、試料にパルス波を照射し、反射または透過するパルス波の形状等の特性を検出することで、試料のテラヘルツ光に対する固有の応答が測定できる。また、パルス波の時間的な電界変化を時間分解して測定できるため、超音波エコーのような断層情報を非接触非破壊で測定できる。

他方、合成樹脂等の包装材で包装された食品等の被包装内容物を、非接触非破壊で検査する手段の需要が高まりつつある。
電磁波を用いた従来の非接触非破壊の検査手段では、参照試料による反射率の校正が必要であったり、被検査物毎の表面形状のばらつきなどによる精度低下の問題点があった。

テラヘルツ光を利用した検査手段に関しては、特許文献１〜６などの従来技術があるが、包装物の検査に適した手段は無かった。

特開２０１０−５６１９８ 「光伝導素子」 特開２０１０−８１３９ 「テラヘルツ測定装置、時間波形取得法、テラヘルツ測定法及び検査装置」 特開２００９−３００２７９ 「テラヘルツ光を用いた紙葉類の検査方法および検査装置」 特開２００９−２０４６０５ 「テラヘルツ光を用いた検査装置及び検査方法」 特開２００９−７５０７１ 「検査物に関する距離調整装置及び方法、検査装置及び方法」 特開２００８−２１５９１４ 「テラヘルツ分光による文化財の検査方法」

そこで、本発明は、合成樹脂等の包装材で包装された食品等の被包装内容物を、非接触非破壊で有効に検査する方法と、その方法を実施する装置を提供することを課題とする。特に、反射率を規格化するための参照体を必要とすることなく、また、被検査物毎の表面形状のばらつきなどによる精度低下を防止できる手段を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明のテラヘルツ光による包装物検査方法は、次の構成を備える。すなわち、テラヘルツ光を透過する包装材で包装された被包装内容物を、非接触非破壊で検査する方法であって、テラヘルツ光を包装物に照射する照射ステップと、包装材の外面からの反射光を受光する包装材外面反射受光ステップと、その包装材外面からの反射光と同一光路であり、被包装内容物からの反射光を受光する被包装内容物反射受光ステップと、包装材外面からの反射光と被包装内容物からの反射光を比較し、被包装内容物の状態を評価する評価ステップと、を有することを特徴とする。

ここで、照射ステップにおいて、包装物に照射するテラヘルツ光に、包装材外面からの反射光と被包装内容物からの反射光とを、時間的に分離可能な時間幅を備えるパルス波を用いてもよい。

また、評価ステップにおいて、比較する包装材外面からの反射光と被包装内容物からの反射光の特性に、ピーク強度、周波数特性、位相差、反射パルス数、パルス幅のいずれかを用いてもよい。

評価ステップにおいて、評価方法に、包装材外面からの反射光の特性値を基準として、被包装内容物からの反射光の特性値を規格化し、その規格化値が、予め設定された正常範囲に含まれるか否かによって、被包装内容物の正常異常を評価するステップを設けてもよい。

評価ステップにおいて、評価する被包装内容物の状態に、異物の有無、ガスの存否、特定成分の濃度、腐敗の度合い、品質の均一度のいずれかを用いてもよい。

被包装内容物として、液体を含有する食品を対象とし、反射光のピーク強度の規格化値が、１以上なら正常、１未満なら異常と評価してもよい。

本発明のテラヘルツ光による包装物検査装置は、次の構成を備える。すなわち、テラヘルツ光を透過する包装材で包装された被包装内容物を、非接触非破壊で検査する装置であって、テラヘルツ光を包装物に照射する照射手段と、包装材の外面からの反射光を受光する包装材外面反射受光手段と、その包装材外面からの反射光と同一光路であり、被包装内容物からの反射光を受光する被包装内容物反射受光手段と、包装材外面からの反射光と被包装内容物からの反射光を比較し、被包装内容物の状態を評価する演算手段と、を備えることを特徴とする。

ここで、包装物を保持すると共に、照射手段、包装材外面反射受光手段、被包装内容物反射受光手段の位置に合わせて搬送する搬送保持手段を設けてもよい。

また、照射手段によるテラヘルツ光の照射から、包装材外面或いは被包装内容物からの反射光が、包装材外面反射受光手段或いは被包装内容物反射受光手段によって検出されるまでの時間によって、照射手段或いは受光手段と包装物との距離を求め、照射手段、包装材外面反射受光手段、被包装内容物反射受光手段、搬送保持手段のいずれかの位置を調整する距離調整手段を設けてもよい。

本発明によると、テラヘルツ光を透過する包装材で包装された被包装内容物を検査対象とし、その包装材外面からの反射光と被包装内容物からの反射光を比較するので、合成樹脂等の包装材で包装された食品等の被包装内容物を、非接触非破壊で有効に検査することができる。
特に、包装材外面からの反射光の特性値を基準として、被包装内容物からの反射光の特性値を規格化して評価するので、参照試料による反射率の校正が不要であり、また、被検査物毎の表面形状のばらつきなどによる精度低下を防止できる。

液体を含有する被包装内容物を、合成樹脂製包装材に封入した包装物に、テラヘルツ光を照射した場合を示す説明図 第１反射パルス及び第２反射パルスのプロファイルを示すグラフ 包装物の表面に凹凸が無い場合（ａ）とある場合（ｂ）におけるテラヘルツ光の反射の様態を示す説明図 被包装内容物に正常の乳製品と腐敗した乳製品を用いた場合における第１反射パルス及び第２反射パルスの差異を示すグラフ テラヘルツ光による包装物検査装置の基本構成を示す説明図 多数の検査対象物を連続的に搬送しながら検査する包装物検査装置の要部を示す説明図

以下に、本発明の実施形態を、図面に示す実施例を基に説明する。なお、実施形態は下記の例示に限らず、本発明の趣旨から逸脱しない範囲で、前記特許文献など従来公知の技術を用いて適宜設計変更可能である。
ここでは、被包装内容物として、液体を含有する食品を例示し、包装材として、合成樹脂を例示し、評価内容として、食品の腐敗の度合いを例示して説明するが、被包装内容物には、例えば水分を含む化学製品など、テラヘルツ光を反射する物品一般を対象とでき、包装材には、例えば紙や木材など、テラヘルツ光を透過する素材一般を対象とでき、評価内容には、例えばガスの存否や、異物の有無、特定成分の濃度、品質の均一度など、被包装内容物の様々な特性を対象とできる。

また、使用するテラヘルツ光の波長については特に言及しないが、包装材を透過する波長のプローブが利用可能であり、被包装内容物や包装材や評価内容や、用いる装置の仕様に応じて、適宜選定してもよい。更に、テラヘルツ光として、一つのパルス波を例示するが、連続した複数のパルス波や、連続波なども使用可能である。

図１は、液体を含有する被包装内容物を、合成樹脂製包装材に封入した包装物に、テラヘルツ光を照射した場合を示す説明図である。
液体を含有する被包装内容物（１０）を、合成樹脂製包装材（１１）に封入した包装物（１２）に、テラヘルツ帯のパルス波を照射（２０）すると、包装材の外面での反射光（第１反射パルス）（２１）と、被包装内容物からの反射光（第２反射パルス）（２２）とが発生する。包装材（１１）がテラヘルツ光を透過する素材であるので、照射波（２０）は包装材（１１）の内面まで到達し、被包装内容物（１０）の表面からの反射が観測される。第２反射パルス（２１）は、第１反射パルス（２１）と等しい光路で反射される。

各反射パルス（２１）（２２）の反射率は、境界を構成している２層の光学定数に依存する。第１反射パルス（２１）の強度は、大気等の雰囲気（１３）と包装材（１１）の光学定数や、包装材（１１）の外面の凹凸などの形状で決定される。第２反射パルス（２２）の反射強度は、包装材（１１）と被包装内容物（１０）の光学定数や、包装材（１１）の内面の凹凸などの形状により決定される。

包装材（１１）の層の厚さ(ｄ)が、ｄ＞τ・ｃ／２ｎの条件を満たすとき、第１反射パルス（２１）と第２反射パルス（２２）は分離して観測される。ここで、τはパルス幅、ｃは光速、ｎは包装材の屈折率である。
そのため、この条件を満たし、時間的に分離可能な時間幅を備える照射波（２０）を用いて、第１反射パルス（２１）と第２反射パルス（２２）を分離して得て、両パルス波（２１）（２２）を比較することによって、被包装内容物（１０）の状態を評価することが可能となる。

図２は、第１反射パルス及び第２反射パルスのプロファイルを示すグラフである。
テラヘルツ帯のパルス波を、合成樹脂製包装材（１１）に封入された乳製品（１０）に照射した。
合成樹脂製包装材（１１）からの第１反射パルス（２１）に遅れて、乳製品（１０）からの第２反射パルス（２２）が観測されている。

一般に、反射測定において品質検査を行う場合は、反射強度や、反射スペクトル、位相差などを厳密に測定する必要がある。しかし、測定しようとする試料の表面に凹凸がある場合、照射波の試料に対する入射角が、試料毎に一定にならない。そのため、反射強度やスペクトルが表面状態の影響を受けるので、検査を行う行程で補正するか、試料の設置状態を厳密に調整する必要が生じる。その一方で、単位時間に多くの検査が要求される現場においては、試料毎に設置状態を逐一調整することは困難である。

図３は、包装物の表面に凹凸が無い場合（ａ）とある場合（ｂ）において、テラヘルツ光の反射の様態の差異を示す説明図である。
図３（ａ）のように、包装物（１２）の表面に凹凸が無くても、図３（ｂ）のように、包装物（１２）の表面に凹凸があっても、包装材（１１）の外面と内面が平行であり、かつ、包装材（１１）が薄ければ、第１反射パルス（２１）と第２反射パルス（２２）の反射角は等しくなる。そのため、強度の減少の割合も等しいとみなせる。
従って、第１反射パルス（２１）と第２反射パルス（２２）の強度の比は保たれるので、第１反射パルス（２１）の強度を基準とし、第２反射パルス（２２）の強度を比較することで、包装物（１２）の形状に影響されない検査が可能となる。

すなわち、包装材（１１）の外面からの反射光の特性値を基準として、被包装内容物（１０）からの反射光の特性値を規格化し、その規格化値が、予め設定された正常範囲に含まれるか否かによって、被包装内容物（１０）の正常異常を評価する。
これによって、包装物（１２）の形状が原因となる反射強度の変動や、照射波の時間的な変動による検出誤差を低減し、精度の高い検査が実現される。
比較する反射光の特性値としては、ピーク強度を用いることが容易であるが、周波数特性や、位相差、反射パルス数、パルス幅などを用いることも可能である。

図４は、被包装内容物に正常の乳製品と腐敗した乳製品を用いた場合において、第１反射パルス及び第２反射パルスの差異を示すグラフである。
正常の乳製品の場合には、第１反射パルス（２１ａ）より第２反射パルス（２２ａ）のピーク強度が大きく、腐敗した乳製品の場合には、逆に、第１反射パルス（２１ｂ）より第２反射パルス（２２ｂ）のピーク強度が小さかった。
この差異は、複数の部位で再現性高く現れ、腐敗が進行するほど反射強度が低下するのは、腐敗によりガスが発生したためと考えられる。一般的にガスの屈折率は液体に比べ小さいので、ガスと液体が混在すると、液体のみの状態に比べ食品の屈折率が小さくなり、包装材との屈折率差が小さくなった結果、反射率が低下したものと考えられる。

このような特徴は、乳製品に限らず、液体を含有する食品一般に共通し、食品以外でも、老化に従い原料成分の分離等によって同様の変化が生じる。そのため、検査評価内容も、腐敗の度合いに限らず、異物の有無、ガスの存否、特定成分の濃度、腐敗の度合い、品質の均一度などにも同様に適用可能である。

図示の例では、第１反射パルス（２１）の強度を基準として表示している。
第１反射パルス（２１ａ）（２１ｂ）の強度によって、第２反射パルス（２２ａ）（２２ｂ）の強度を規格化すると、その規格化値が、１以上（或いは、１より大）なら正常、１未満（或いは、１以下）なら異常と明確に評価可能である。なお、この閾値は、検査対象に応じて適宜設定可能である。

また、ピーク強度を比較評価するには、「（第１反射パルス（２１）の強度−第２反射パルス（２１））／第１反射パルス（２１）の強度」など、従来公知の評価式を利用してもよい。

図５は、テラヘルツ光による包装物検査装置の基本構成、図６は、多数の検査対象物を連続的に搬送しながら検査する包装物検査装置の要部を示す説明図である。
上述の包装物検査方法を実施する装置は、テラヘルツ光を包装物（１２）に照射する照射手段（３０）と、包装材（１１）の外面からの反射光（２１）を受光する包装材外面反射受光手段（３１）と、その包装材（１１）外面からの反射光（２１）と同一光路であり、被包装内容物（１０）からの反射光（２２）を受光する被包装内容物反射受光手段（３２）と、その両反射光（２１）（２２）を比較し、被包装内容物（１０）の状態を評価する演算手段（３３）とを備える。照射手段（３０）や受光手段（３１）（３２）には、従来公知の素子が利用でき、集光素子（３４）などの光学素子を適宜設けられ、演算手段（３３）には、ＰＣ等の従来公知の装置が利用できる。

多数の包装物（１２）を連続的に検査するには、包装物（１２）を保持すると共に、照射手段（３０）、包装材外面反射受光手段（３１）、被包装内容物反射受光手段（３２）の位置に合わせて連続的に搬送する搬送保持手段（３５）を設ける。

その連続搬送時に、集光素子（３４）による焦点深度（３６）内に、包装材（１１）の内外面を収めるように、集光素子（３４）の焦点距離（３７）及び焦点深度（３６）を、集光素子（３４）と包装物（１２）との距離に応じて調整する。
集光素子（３４）と包装物（１２）との距離（３８）を求めるには、図示のように、従来公知の測距手段（３８）を付設してもよいし、照射手段（３０）による照射から受光手段（３１）（３２）による受光までの所要時間から算出してもよい。距離調整手段（３９）は、従来公知の装置が利用できる。

本発明によると、簡素な構成でありながらも精度良く、テラヘルツ光を透過する包装材で包装された多種多様な被包装内容物を検査することができ、産業上利用価値が高い。

１０ 被包装内容物
１１ 包装材
１２ 包装物
１３ 雰囲気
２０ 照射波
２１ 包装材の外面での反射光（第１反射パルス）
２２ 被包装内容物からの反射光（第２反射パルス）
２３ 透過光
３０ 照射手段
３１ 包装材外面反射受光手段
３２ 被包装内容物反射受光手段
３３ 演算手段
３４ 集光素子
３５ 搬送保持手段
３６ 焦点深度
３７ 焦点距離
３８ 測距手段
３９ 距離調整手段

Claims (9)

1. テラヘルツ光を透過する包装材で包装された被包装内容物を、非接触非破壊で検査する方法であって、
   テラヘルツ光を包装物に照射する照射ステップと、
   包装材の外面からの反射光を受光する包装材外面反射受光ステップと、
   その包装材外面からの反射光と同一光路であり、被包装内容物からの反射光を受光する被包装内容物反射受光ステップと、
   包装材外面からの反射光と被包装内容物からの反射光を比較し、被包装内容物の状態を評価する評価ステップと、を有する
   ことを特徴とするテラヘルツ光による包装物検査方法。
2. 照射ステップにおいて、包装物に照射するテラヘルツ光が、
   包装材外面からの反射光と被包装内容物からの反射光とを、時間的に分離可能な時間幅を備えるパルス波である
   請求項１に記載のテラヘルツ光による包装物検査方法。
3. 評価ステップにおいて、比較する包装材外面からの反射光と被包装内容物からの反射光の特性が、
   ピーク強度、周波数特性、位相差、反射パルス数、パルス幅のいずれかである
   請求項１または２に記載のテラヘルツ光による包装物検査方法。
4. 評価ステップにおいて、評価方法が、
   包装材外面からの反射光の特性値を基準として、被包装内容物からの反射光の特性値を規格化し、その規格化値が、予め設定された正常範囲に含まれるか否かによって、被包装内容物の正常異常を評価するステップを有する
   請求項１ないし３のいずれかに記載のテラヘルツ光による包装物検査方法。
5. 評価ステップにおいて、評価する被包装内容物の状態が、
   異物の有無、ガスの存否、特定成分の濃度、腐敗の度合い、品質の均一度のいずれかである
   請求項１ないし４のいずれかに記載のテラヘルツ光による包装物検査方法。
6. 被包装内容物が、液体を含有する食品であり、
   反射光のピーク強度の規格化値が、１以上なら正常、１未満なら異常と評価する
   請求項４または５のいずれかに記載のテラヘルツ光による包装物検査方法。
7. テラヘルツ光を透過する包装材で包装された被包装内容物を、非接触非破壊で検査する装置であって、
   テラヘルツ光を包装物に照射する照射手段と、
   包装材の外面からの反射光を受光する包装材外面反射受光手段と、
   その包装材外面からの反射光と同一光路であり、被包装内容物からの反射光を受光する被包装内容物反射受光手段と、
   包装材外面からの反射光と被包装内容物からの反射光を比較し、被包装内容物の状態を評価する演算手段と、を備える
   ことを特徴とするテラヘルツ光による包装物検査装置。
8. 包装物を保持すると共に、照射手段、包装材外面反射受光手段、被包装内容物反射受光手段の位置に合わせて搬送する搬送保持手段を備える
   請求項７に記載のテラヘルツ光による包装物検査装置。
9. 照射手段によるテラヘルツ光の照射から、包装材外面或いは被包装内容物からの反射光が、包装材外面反射受光手段或いは被包装内容物反射受光手段によって検出されるまでの時間によって、照射手段或いは受光手段と包装物との距離を求め、
   照射手段、包装材外面反射受光手段、被包装内容物反射受光手段、搬送保持手段のいずれかの位置を調整する距離調整手段を備える
   請求項８に記載のテラヘルツ光による包装物検査装置。

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