JP2016138804A - 品質評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で農作物等の高精度な品質評価ができる品質評価装置を実現する。【解決手段】共振周波数に基づいて対象物Ｓの品質を評価する品質評価装置１である。加振部１０によって振動が加えられている対象物Ｓに向けて超音波を連続的に発信する発信部２０と、対象物Ｓによって反射される超音波を連続的に受信する受信部３０と、受信部３０が受信する超音波に基づいて、対象物Ｓの振動を計測する振動計測部４０とを備える。振動計測部４０が、受信部３０が受信する超音波を検波し、その超音波の位相変化に基づいて対象物Ｓの振動を計測する。【選択図】図３

Description

本発明は、果物や樹木の品質評価などに好適な品質評価装置に関する。

果物や樹木等のサンプルに所定の周波数帯の振動を加え、その時のサンプルの振動を測定することによって、サンプル固有の共振周波数を求め、その共振周波数からサンプルの硬度や熟度、腐朽などを評価する様々な品質評価装置が提案されている（例えば、特許文献１〜３）。

このような品質評価装置には、サンプルに接触してその振動を測定する接触型の装置と、サンプルに接触せずにその振動を測定する非接触型の装置とがある。前者の装置は、測定精度や測定効率などの面で難があるため、後者の装置の方がこの種の振動測定に適している。

後者の装置としては、レーザー光を用いるタイプ（特許文献１）や、電波（マイクロ波）を用いるタイプ（特許文献２）などが提案されている。特許文献１の装置では、いわゆるレーザードップラー法を用いて振動を測定しており、特許文献２の装置では、発信電波及び反射電波をアンテナで受信し、これら電波を検波して得られる位相情報から振動を測定している。

品質評価装置ではないが、超音波を用いる振動測定方法も存在する（特許文献４）。特許文献４には、超音波パルスを用いて、原子炉の圧力容器内の構造物の振動を測定する技術が開示されている。

具体的には、圧力容器内に向けて散発的に超音波パルス信号を出力し、構造物で反射されるこれら超音波パルス信号を検出する。構造物が振動している場合、超音波パルス信号の検出時間は、その振動の振幅に比例して変動することから、超音波パルス信号の伝播時間の変化分を一定の間隔で測定し、これら振幅の変化から振動を測定している。

特開平９−２３６５８７号公報 特開２００９−２１６６２５号公報 特開２００９−２７６０６３号公報 特開平１１−１２５６８８号公報

特許文献１のレーザー光による振動測定は、信号の演算処理などが複雑で、装置コストが高くつくうえに、対象物の不規則な動きによって誤差が生じ易い。また、対象物の表面に反射テープを貼り、その反射テープにレーザー光の焦点を合わせなければならないなど、測定操作が煩わしい不利もある。

特許文献２の電波による振動測定は、電波が横波なうえに波長が数ｃｍと長いため、小さなサンプルは測定できないという欠点がある。

それに対し、特許文献４のような超音波による振動測定は、超音波が縦波であるため、サンプルの大きさの影響を受けない点で有利である。

しかし、特許文献４の方法は、数μ秒レベルの間隔で超音波パルス信号の出力と検出とを繰り返し、これら信号をそれぞれ演算処理する必要があるため、処理負担が大きく、装置コストが高くつく。

そこで本発明の目的は、簡素な構成で高精度な品質評価ができる品質評価装置を提供することにある。

本発明は、共振周波数に基づいて対象物の品質を評価する品質評価装置に係わる。

前記品質評価装置は、周波数を次第に増加させながら前記対象物に振動を加える加振部と、前記加振部によって振動が加えられている前記対象物に向けて、当該対象物から離れた位置で超音波を連続的に発信する発信部と、前記対象物によって反射される超音波を、当該対象物から離れた位置で連続的に受信する受信部と、前記受信部が受信する超音波に基づいて、前記対象物の振動を計測する振動計測部と、を備える。

そして、前記振動計測部が、前記受信部が受信する超音波を検波し、当該超音波の位相変化に基づいて前記対象物の振動を計測する。

すなわち、この品質評価装置によれば、非接触で振動測定ができるので、対象物の振動そのものを測定することができ、高精度な振動測定ができる。超音波を連続的に受発信し、振動計測部で、連続的に発信される超音波をそのままの状態で検波し、その超音波の位相変化に基づいて対象物の振動を計測するので、簡素な構成で実現でき、部材コストを抑制できる。

前記発信部によって発信される超音波の周波数は、２０〜４００ＫＨｚにするのが好ましい。

発信される超音波の周波数が２０ＫＨｚ以上であれば、測定される振動の周波数から離れているため、測定精度の低下が抑制できる。そして、発信される超音波の周波数が４００ＫＨｚ以下であれば、空気中を伝播する超音波の減衰を抑制できるため、低出力で高精度な測定ができる。

例えば、前記振動計測部が、位相弁別器を有するようにし、発信された超音波の信号を前記発信部から取得して、当該信号と前記受信部が受信する超音波の信号とを比較することにより、前記位相変化を導出するようにすることができる。

そうすれば、電波の分野で一般に用いられている位相弁別器を用いて位相変化を導出できるので、簡素な構成で振動計測が行え、部材コストを抑制できる。

また、前記振動計測部が、周波数弁別器を有するようにし、前記受信部が受信する超音波の信号を演算処理することにより、前記位相変化を導出するようにしてもよい。

この場合でも、電波の分野で一般に用いられている周波数弁別器を用いて位相変化を導出できるので、簡素な構成で振動計測が行え、部材コストを抑制できる。

特にこの場合、前記周波数弁別器が、周波数を弁別する特定のアナログ回路を有するようにするのが好ましい。

具体的には、前記アナログ回路が、入力端子と出力端子との間に並列に接続されている第１線路及び第２線路と、前記第１線路に、前記入力端子側から順に配置されている第１コンデンサ、第２コンデンサ、第１ダイオード、及び第１抵抗と、前記第２線路に、前記入力端子側から順に配置されている第１コイル、第３コンデンサ、第２ダイオード、及び第２抵抗と、前記第１線路における前記第２コンデンサと前記第１ダイオードとの間の部位と、前記第２線路における前記第３コンデンサと前記第２ダイオードとの間の部位とに架設され、第２コイルが配置されている第３線路と、前記第１線路における前記第１ダイオードと前記第１抵抗との間の部位と、前記第２線路における前記第２ダイオードと前記第２抵抗との間の部位とに架設されるとともに、第４コンデンサ及び第５コンデンサが直列に配置され、これらの間の部位が接地されている第４線路と、前記第１線路における前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの間の部位に一端が接続され、他端が接地されている第３コイルと、前記第２線路における前記第１コイルと前記第３コンデンサとの間の部位に一端が接続され、他端が接地されている第６コンデンサと、を有しているようにする。

検波対象が低周波数の超音波であるため、電波用の既存回路では様々な不具合があるが、このアナログ回路を用いれば、汎用の電子部品を用いた簡素な構成で、周波数の弁別が問題無くできるようになる。

本発明の品質評価装置によれば、簡素な構成で高精度な品質評価ができる品質評価装置を実現できる。

第１実施形態の品質評価装置を示す概略図である。 （ａ），（ｂ）は、振動測定の原理を説明ための図である。 振動計測部を簡略化して表したブロック図である。 第２実施形態の品質評価装置での図３に相当する図である。 アナログ回路の回路図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物あるいはその用途を制限するものではない。

（第１実施形態）
図１に、本実施形態の品質評価装置１を示す。この品質評価装置１は、キウイやアボガド、メロン、スイカ等の農作物や、樹木などを主な対象物Ｓとしており、硬度や熟度、腐朽などの品質を、破壊しないで評価できるようになっている。従って、この品質評価装置１によれば、例えば、農作物の出荷時期の適切な判断が可能になり、食べ頃の判定などが可能になる。

品質評価装置１では、対象物Ｓに所定の周波数帯で振動を加えて、その対象物Ｓの振動を測定する。具体的には、振動を加えた周波数帯での対象物Ｓの振動波形を測定する。その測定結果から対象物Ｓの共振周波数が求められ、その共振周波数に基づいて対象物Ｓの硬度や熟度、腐朽などの客観的な品質評価が行われる。

品質評価装置１には、加振部１０、発信部２０、受信部３０、振動計測部４０、品質評価部５０などが設けられている。

加振部１０には、対象物Ｓを載置するサンプル台１１が設置されている。加振部１０は、０Ｈｚ〜１０ｋＨｚなど、少なくとも１００Ｈｚを含む範囲で、連続的に周波数を増加させながら、サンプル台１１に載置した対象物Ｓを振動させる機能を有している（スイープ加振機能）。

発信部２０は、セラミック振動子や超音波スピーカーなどからなり、例えば、４０ＫＨｚなど、２０ＫＨｚ〜４００ＫＨｚの低周波数帯に含まれる所定の周波数の超音波を発信する。

受信部３０は、超音波を受信するセラミック振動子や超音波マイクなどからなる。発信部２０及び受信部３０は、昇降可能な状態で、サンプル台１１の上方に配置されており、測定時には、サンプル台１１に載置された対象物Ｓから離れた位置に固定される。

測定時には、発信部２０は、加振部１０によって振動が加えられている対象物Ｓに向けて超音波（発信波）を連続的に発信し、受信部３０は、対象物Ｓに当たって反射される超音波（受信波）を連続的に受信する。

振動計測部４０は、受信波に基づいて対象物Ｓの振動を計測し、その振動を電圧値として出力する（詳細は後述）。

品質評価部５０は、振動計測部４０が出力する電圧値に基づいて、対象物Ｓの振動波形をモニターに表示する。その振動波形のピークから共振周波数が特定され、これら共振周波数から対象物Ｓの品質評価が行われる。

例えば、第２共振周波数（周波数の低い側から２番目に生じる共振周波数）を特定すれば、対象物Ｓの硬度と相関のある指標（硬度指標）が得られる。

詳しくは、対象物Ｓに振動を加えて、その周波数を徐々に大きくしていくと、対象物Ｓが共振して特定の周波数で振幅のピークが生じる。そのようなピークは異なった周波数で複数発生し、そのうち、周波数の低い側から２番目のピークの周波数が第２共振周波数である。

硬度指標は、次の式（１）によって算出される。

式（１）：ｍ^2/3×ｆ₂ ²（ｍ：対象物Ｓの重量、ｆ₂：第２共振周波数）
この硬度指標を比較することで、対象物Ｓの硬度を評価することができる。

（超音波による振動測定の原理）
この品質評価装置１では、低周波数の超音波を用いることにより、非接触で振動測定が行われる。そして、その振動測定が、汎用の電子部品を用いた簡素な構成で行えるように、構成が工夫されている。

図２を用いて、その振動測定の原理を説明する。図２の（ａ）に示すように、発信部２０から対象物Ｓまでの距離をＬｓとし、対象物Ｓから受信部３０までの距離をＬｒとする。発信部２０からは、ｃｏｓ（ω・ｔ）に比例した振幅の超音波が連続して発信されるものとする（ω：超音波の角速度）。

発信部２０で発信された超音波（発信波）は、途中で対象物Ｓに当たって反射され、往復距離Ｌ（Ｌｓ＋Ｌｒ）を経由して受信部３０で受信される。超音波の音速をσとすると、超音波が発信部２０で発信されてから受信部３０に達するまでの時間はＬ／σとなり、位相はω・Ｌ／σ遅れた状態となる。そして、受信部３０で受信される超音波（受信波）の強度は、ｃｏｓ（ω・ｔ＋θ−ω・Ｌ／σ）に比例する（θ：初期位相を示す定数）。

従って、発信波を標準にして、受信波を位相検波すると、受信波と発信波との間の位相差｛（ω・ｔ＋θ）−（ω・ｔ＋θ−ω・Ｌ／σ）｝、すなわちω・Ｌ／σに比例した信号を得ることができる。

図２の（ｂ）に示すように、対象物Ｓが振動すると、それに伴って超音波の往復距離が増減する。この増減は、位相差の変化（位相変化）として検出される。

振動により、対象物Ｓの位置がｃｏｓ（α・ｔ）に比例して変化し（α：対象物Ｓの振動の角速度）、対象物Ｓが振動していない時の超音波の往復距離をＬ_０とすると、超音波の往復距離は、Ｌ_０＋Ｃ・ｃｏｓ（α・ｔ）のように変化する（Ｃ：対象物Ｓの振動の振幅）。

このとき、超音波の往復による位相変化は、ω・｛Ｌ_０＋Ｃ・ｃｏｓ（α・ｔ）｝／σとなる。この位相変化の値のうち、ω、σ、及びＬ_０は定数であることから、位相が変化する部分は、ω・Ｃ・ｃｏｓ（α・ｔ）／σとなり、対象物Ｓの振動Ｃ・ｃｏｓ（α・ｔ）に比例した値となる。従って、位相変化を検出すれば、対象物Ｓの振動を計測することができる。

そこで、この品質評価装置１では、振動計測部４０が、受信波を検波し、その受信波の位相変化に基づいて対象物Ｓの振動を計測するように構成されている。

（振動計測部）
図３に、振動計測部４０に関するブロック図を示す。本実施形態の振動計測部４０は、増幅器４１、振幅制限器４２、位相弁別器４３、ローパスフィルタ４４などで構成されている。

増幅器４１は、受信波の信号を増幅する装置である。受信波の信号の強度が充分であれば、増幅器４１は省略してもよい。

振幅制限器４２は、受信波の信号の振幅を一定に制限する装置である。振幅制限器４２も必須ではなく、仕様に応じて省略できる。

位相弁別器４３は、電波の分野では一般に用いられている検波器であり、公知の位相弁別回路を有している。位相弁別器４３は、発信部２０に備えられている発信器２１から発信波の信号（位相標準ＰＳ）を取得し、増幅器４１及び振幅制限器４２で調整された受信波の信号を、その位相標準ＰＳと比較することにより、対象物Ｓの振動に相当する位相変化を導出する。

振動計測部４０は、その位相変化を電圧値（位相電圧）として、品質評価部５０に出力する。

ローパスフィルタ４４は、位相電圧から不要な高周波数帯の信号を除去する装置である。ローパスフィルタ４４は必須ではなく、仕様に応じて省略できる。

（第２実施形態）
位相変化は、周波数弁別器４６を用いても導出できる。本実施形態の品質評価装置１では、位相弁別器４３に代えて周波数弁別器４６及び積分回路４７が用いられている。なお、その他の構成は、第１実施形態と同じである。

図４に、本実施形態の振動計測部４０の構成を示す。本実施形態の振動計測部４０は、増幅器４１、振幅制限器４２、周波数弁別器４６、積分回路４７、ローパスフィルタ４４などで構成されている。

周波数弁別器４６は、位相弁別器４３と同様に、電波の分野で一般に用いられている検波器であり、公知の周波数弁別回路を有している。積分回路４７は、周波数弁別器４６で得られる信号を積分して位相変化を導出する装置である。

周波数は位相が進行する速度であることから、位相が変化している場合、周波数は、その値の微分に比例して変化する。従って、位相標準ＰＳを取得しなくても、周波数弁別器４６で得られる信号を積分回路４７で積分処理することにより、位相変化を導出することができる。

これについて具体的に説明する。発信波がｃｏｓ（ω・ｔ＋θ）に比例した振幅の超音波とする（ω：超音波の角速度、θ：初期位相を示す定数）。超音波の角速度ω（周波数の２π倍）は、ｄ（ω・ｔ＋θ）／ｄｔである。

受信波は、Ａ・ｃｏｓ｛ω・ｔ＋θ＋Ｂ・φ（ｔ）｝と表され（Ａ：受信波の振幅、Ｂ：振動による位相の振幅、φ：位相変化を表す関数）、受信波の位相変化は、Ｂ・φ（ｔ）となる。

このとき、位相変化が受信波の角速度に及ぼす効果は、ω・ｔ＋θ＋Ｂ・φ（ｔ）を時間で微分して得ることができる（角速度は位相の微分）。

その効果含んだ受信波を周波数弁別器４６で検波すると、角速度の遷移分であるＢ・ｄφ（ｔ）／ｄｔに比例したβ・ｄφ（ｔ）／ｄｔ（β：比例定数）が得られる。その信号（β・ｄφ（ｔ）／ｄｔ）を積分回路４７で積分することで、β・φ（ｔ）＋Ｄ（Ｄ：積分定数）が得られる。この値からＤを除くことで、位相変化に比例した値β・φ（ｔ）を導出することができる。

振動計測部４０は、このような演算処理を経て導出される位相変化を電圧値（位相電圧）として、品質評価部５０に出力する。

（アナログ回路）
周波数弁別器４６には、周波数を弁別するアナログ回路が備えられている。一般的な回路としては、フォスターシーリー回路や比検波回路などがある。

これら回路には、中間に端子をもつコイルで構成されている複同調回路が備えられている。電波の分野では、ＭＨｚレベルの周波数が一般的であるため、通常の巻数のコイルを用いることができるが、この品質評価装置１では、ＫＨｚレベルの低周波数の超音波を検波対象としている。そのため、膨大な巻数のコイルが必要になり、特注しなければ入手できないという不利がある。

しかも、ＫＨｚレベルでは、同調回路の調整に大容量の可変コンデンサが必要となる難点がある。

そこで、この品質評価装置１では、回路構成を工夫することにより、既存の回路と代替可能な新たなアナログ回路６０を作製した。このアナログ回路６０によれば、汎用されている可変コイルが使用でき、同調回路の調整も容易であり、汎用の電子部品だけを用いて構成できる。

図５に、そのアナログ回路６０を示す。

アナログ回路６０は、第１〜第４の線路６１〜６４、第１〜第６のコンデンサＣ１〜Ｃ６、第１及び第２のダイオードＤ１，Ｄ２、第１及び第２の抵抗Ｒ１，Ｒ２、第１〜第３のコイルＬ１〜Ｌ３などで構成されている。第１〜第３のコイルＬ１〜Ｌ３は、通常の簡単な構成であり、これら電子部品には汎用品が利用できる。

第１線路６１及び第２線路６２は、入力端子６６と出力端子６７との間に並列に接続されている。

第１線路６１には、入力端子６６の側から順に第１コンデンサＣ１、第２コンデンサＣ２、第１ダイオードＤ１、及び第１抵抗Ｒ１が直列に配置されている。第２線路６２には、入力端子６６の側から順に第１コイルＬ１、第３コンデンサＣ３、第２ダイオードＤ２、及び第２抵抗Ｒ２が直列に配置されている。

そして、第１線路６１における第２コンデンサＣ２と第１ダイオードＤ１との間の部位と、第２線路６２における第３コンデンサＣ３と第２ダイオードＤ２との間の部位とには、第３線路６３が架設されていて、その第３線路６３に第２コイルＬ２が配置されている。

また、第１線路６１における第１ダイオードＤ１と第１抵抗Ｒ１との間の部位と、第２線路６２における第２ダイオードＤ２と第２抵抗Ｒ２との間の部位とには、第４線路６４が架設されている。第４線路６４には、第４コンデンサＣ４及び第５コンデンサＣ５が直列に配置されていて、これらＣ４，Ｃ５の間の部位が接地されている。

第３コイルＬ３は、第１線路６１における第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２との間の部位に一端が接続されていて、他端が接地されている。第６コンデンサＣ６は、第２線路６２における第１コイルＬ１と第３コンデンサＣ３との間の部位に一端が接続されていて、他端が接地されている。

第１コンデンサＣ１及び第１コイルＬ１は、発信波の周波数にほぼ同調されており、インピーダンスが小さく、同調回路としてはその値は無視できる。

第２コンデンサＣ２、第３コンデンサＣ３、及び第２コイルＬ２の部分は、第３コイルＬ３及び第６コンデンサＣ６が無ければ、同調回路とみなすことができる。

このアナログ回路６０では、その部分に、第３コイルＬ３及び第６コンデンサＣ６を配置することで、周波数の変動により、位相の進んだ成分（進角成分）及び遅れた成分（遅角成分）を作り出す。これら進角成分及び遅角成分は、第１コンデンサＣ１及び第３コイルＬ３、第１コイルＬ１及び第６コンデンサＣ６で得ることができる。

周波数の変化に伴って位相が変化するので、入力信号にこれら進角成分及び遅角成分が加わった信号は、周波数の変化の差に応じて振幅が変化する。従って、その信号を整流し、周波数の変化を振幅の変化として取得する。

周波数弁別器４６に、このアナログ回路６０を用いることにより、検波対象が低周波数の超音波であっても、汎用の電子部品を用いた簡素な構成で周波数の弁別ができるようになる。

１ 品質評価装置
１０ 加振部
２０ 発信部
３０ 受信部
４０ 振動計測部
４１ 増幅器
４２ 振幅制限器
４３ 位相弁別器
４４ ローパスフィルタ
４６ 周波数弁別器
４７ 積分回路
５０ 品質評価部
６０ アナログ回路
ＰＳ 位相標準
Ｓ 対象物

Claims (6)

1. 共振周波数に基づいて対象物の品質を評価する品質評価装置であって、
   周波数を次第に増加させながら前記対象物に振動を加える加振部と、
   前記加振部によって振動が加えられている前記対象物に向けて、当該対象物から離れた位置で超音波を連続的に発信する発信部と、
   前記対象物によって反射される超音波を、当該対象物から離れた位置で連続的に受信する受信部と、
   前記受信部が受信する超音波に基づいて、前記対象物の振動を計測する振動計測部と、
   を備え、
   前記振動計測部が、前記受信部が受信する超音波を検波し、当該超音波の位相変化に基づいて前記対象物の振動を計測する品質評価装置。
2. 請求項１に記載の品質評価装置において、
   前記発信部によって発信される超音波の周波数が、２０〜４００ＫＨｚである品質評価装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の品質評価装置において、
   前記振動計測部が、
   位相弁別器を有し、
   発信された超音波の信号を前記発信部から取得して、当該信号と前記受信部が受信する超音波の信号とを比較することにより、前記位相変化を導出する品質評価装置。
4. 請求項１又は請求項２に記載の品質評価装置において、
   前記振動計測部が、
   周波数弁別器を有し、
   前記受信部が受信する超音波の信号を演算処理することにより、前記位相変化を導出する品質評価装置。
5. 請求項４に記載の品質評価装置において、
   前記周波数弁別器は、周波数を弁別するアナログ回路を有し、
   前記アナログ回路が、
   入力端子と出力端子との間に並列に接続されている第１線路及び第２線路と、
   前記第１線路に、前記入力端子側から順に配置されている第１コンデンサ、第２コンデンサ、第１ダイオード、及び第１抵抗と、
   前記第２線路に、前記入力端子側から順に配置されている第１コイル、第３コンデンサ、第２ダイオード、及び第２抵抗と、
   前記第１線路における前記第２コンデンサと前記第１ダイオードとの間の部位と、前記第２線路における前記第３コンデンサと前記第２ダイオードとの間の部位とに架設され、第２コイルが配置されている第３線路と、
   前記第１線路における前記第１ダイオードと前記第１抵抗との間の部位と、前記第２線路における前記第２ダイオードと前記第２抵抗との間の部位とに架設されるとともに、第４コンデンサ及び第５コンデンサが直列に配置され、これらの間の部位が接地されている第４線路と、
   前記第１線路における前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの間の部位に一端が接続され、他端が接地されている第３コイルと、
   前記第２線路における前記第１コイルと前記第３コンデンサとの間の部位に一端が接続され、他端が接地されている第６コンデンサと、
   を有している品質評価装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか一つに記載の品質評価装置において、
   前記対象物が農作物又は樹木である品質評価装置。

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