JP3927996B2 - 硬度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、果実等の対象物の硬度を測定する携帯可能な装置に関するものである。

従来より、果実の収穫の時期の判断は、果実の熟れ具合を色の変化、大きさの変化又は食味を、人間が確認し、経験に基づいた間隔によって判断することが行われている。そして、収穫後の果実の選別は、味、傷の有無、大きさ、および色の４項目により判断されている。
そして、大きさ、傷の有無、糖度、および色の４項目は、選果機により自動的に仕分することが可能である。しかし、糖度が高くても熟し過ぎているため食感が悪い場合や、外観だけでは判断できない病気（芯腐れ、内部褐変等）による欠陥を持っている場合があるので、上記４項目だけでは果実の欠陥の判断は困難であった。
外観だけでは分からない欠陥を、人間の感覚で判断するには、多年の経験を必要とするとともに、人間の感覚で判断することは選果ミスが発生する危険性もあった。
また、精確な選果ができる人材を育成することは、人件費等の経費がかかるという問題や、育成までに時間を要するという問題があった。

そこで、果実の選別や検査のための装置が、特開平09-236587号公報（特許文献１）、特開昭62-044660号公報（特許文献２）、特開平09-274022号公報（特許文献３）、特開2002-296245号公報（特許文献４）等において提案されている。

特開平09-236587号公報 特開昭62-044660号公報 特開平09-274022号公報 特開2002-296245号公報

特許文献１に記載の発明は、測定すべき果物に振動を与え、その果実の振動状態を測定することによって、果実の熟度を判定する手法であり、また、果実表面に照射されたレーザ光がその振動によってドップラー効果を受けることを利用して熟度を測定する装置に関するものである。
特許文献２に記載の発明は、例えば、西瓜の測定において、西瓜を振動させることによって得られた高周波に基づいて、前記西瓜のスの有無を判定する技術である。
特許文献３に記載の発明は、衝撃用ハンマーを用いて果物に振動を与え、果物にて発生する振動音をマイクロフォンでとらえ、その信号をデジタル信号に変換するとともに、果物の大きさを超音波を用いて測定し、これらのデータに基づいて果物の熟度を判定するように構成された判定装置である。
特許文献４に記載の発明は、判別対象の物体に吸収されやすい波長を含むレーザ光を照射し、発生する振動を用いて材質を判別する方法であって、加振機によって振動を与えた前記物体の固有振動数を測定するとともに、この固有振動数で検査光に変調をかけ、物体の振動状態を検出することによって材質を判定するものである。

上述した特許文献１に記載の発明は、果物の振動に基づいたドップラー効果を利用した画期的な測定手法を提案したものであるが、持ち運びが容易な小型の装置を具体的には提案するに至っていない。
また、上述した特許文献２に記載の発明では高周波を使用しているが、果物は高周波を伝えにくいため精確な測定が困難であった。また、振動の幅を数値化して客観的に解析することが困難であった。
また、上述した特許文献３に記載の発明では、果物を振動させるために衝撃用ハンマーを用いているため、果物に損傷を与えるおそれがあるので、好ましくないという問題があった。
また、上述した特許文献４に記載の発明では、加振機やレーザ光源等の小型化が困難であった。
このように、何れの発明であっても、果物に損傷を与えることなく精確な測定が可能であって、しかも、樹上の果物を測定できる小型装置の実現は困難であった。

そこで、本発明は、樹上の果物や卓上の果物の硬度を、直接測定可能な小型装置の提案を目的としてなされたものである。

本発明にかかる請求項１の果物の硬度測定装置は、
果物に振動を与える振動源、この振動源に低周波信号を供給する低周波出力部、振動を与えられた前記果物の振動を検出する振動センサ、前記低周波出力部を制御するとともに前記振動センサからの振動信号から得られる共鳴周波数と果物の重量情報に基づいて前記果物の硬度を演算する解析装置とを備え、
前記振動源と前記振動センサとが一体に配設されて測定器が構成され、
前記測定器は、先端側が閉じ方向に付勢され、後端側のグリップを握りしめることによって先端側が開くように構成された開閉可能な一対の腕を備え、前記一対の腕の内の一方の腕の先には振動源が配設され、他方の腕の先には振動センサが配設され、一対の腕の開閉軸には、開度に応じた電気信号を出力するボリュームを備えた開度センサが配設されており、
前記解析装置は、前記電気信号に基づいて果物の重量情報を演算して出力するように構成されている。
請求項２では、
果物に振動を与える振動源、この振動源に低周波信号を供給する低周波出力部、振動を与えられた前記果物の振動を検出する振動センサ、前記低周波出力部を制御するとともに前記振動センサからの振動信号から得られる共鳴周波数と果物の重量情報に基づいて前記果物の硬度を演算する解析装置とを備え、
前記振動源と前記振動センサとが一体に配設されて測定器が構成され、
前記測定器は、果物を支持する３つの支点が配設され、
前記支点の１つには振動源が配設され、
残りの２つの支点にはそれぞれ振動センサが配設されている。
請求項３では、
前記測定器には、前記３つの支点で支持された果物の重量情報を出力する重量センサが配設されている。
請求項４では、
前記解析装置は、前記振動センサからの振動信号に基づいて得られる共鳴周波数を求め、第２共鳴周波数の振幅に対する第３共鳴周波数の振幅の相対的な低下量を求め、
この相対的な低下量を判定基準と比較して、前記果物の欠陥の有無を判定するように構成されている。

本発明によれば、ハサミ状の測定器で対象物の果物を挟むだけで果物の硬度および欠陥の有無を客観的に判定、および表示させることができる。また、樹上の果物を挟んで測定できるので、経験の浅深によらず妥当な収穫時期を簡単に知ることができる。
また、卓上型の測定装置で果物の硬度および欠陥の有無を客観的に判定、および表示させることができる。

以下に、本発明にかかる硬度測定装置を、その実施の形態を示した図面に基づいて詳細に説明する。
本発明にかかる硬度測定装置は、対象物に振動を与える振動源及び対象物の振動を検出する振動センサとが一体に配設された測定器と、前記振動源を制御するとともに前記振動センサからの振動信号と対象物の重量情報に基づいて前記対象物の硬度を演算する解析装置とから構成されており、前記測定器は、図１に示したようなハサミ型の測定器１でもよく、図５に示したような卓上型の硬度測定装置のトレー部91に設けてもよい。

まず、ハサミ型の測定器１を図１に基づいて説明する。
図１に示したハサミ型の測定器１は、「く」字型に屈曲した２つの部材11、12を軸13で軸支したものである。前記各部材11、12の分解図は図２に示した通りである。
一方の前記部材11の先端側には振動源２が配設され、他方の部材12には振動センサ３が配設されている。両部材11、12の基部側（後端側）にはグリップ14、15が形成されている。前記振動源２から前記軸13までの距離は、前記振動センサ３から前記軸13までの距離とほぼ同じに設定されている。

４は一部が切欠かれた環状のバネであり、切欠き両端部で前記２つの部材11、12の軸13近傍を押さえることによって、前記振動源２と振動センサ３を近づける方向に付勢するように配設されている。このバネ４の付勢力と前記振動源２による振動によって、対象物の果物が損傷を受けることのないように設定されている。
以上の構成によって、測定器１のグリップ14、15を片手で握りしめることによって、２つの部材11、12の先端側が開き、前記振動源２と振動センサ３とを対象物Ｔの大きさ以上の距離に離間させることができる。

そして、対象物の果物Ｔを前記振動源２と振動センサ３との間に位置させて、グリップ14、15を緩めると、前記バネ４の付勢力によって対象物の果物Ｔは前記振動源２と振動センサ３によって適度の圧力で挟持されるように構成されている。
また、前記測定器１の軸13には、２つの部材11、12の開度を電気信号に変換するためのボリューム５が配設されている。このボリューム５の回転軸は一方の部材に固定され、前記ボリューム５の固定側は他方の部材に固定されている。
６は前記測定器１と協同して対象物Ｔの果物の硬度を解析する解析装置であり、前記測定器１と解析装置６とはケーブル61で接続されている。

図３は前記解析装置６を中心とした回路構成を示したブロック図である。
前記解析装置６は、解析プログラムがインストールされたコンピュータ62と、アンプ63とから構成されている。
前記コンピュータ62は、演算処理手段としてのＣＰＵと、記憶手段としてのハードディスクやメモリと、データ標示手段としてのディスプレイ装置と、操作情報入力手段としてのキーボードと、信号入出力手段としてのインターフェース部621とを備えている。
前記インターフェース部621は、前記振動センサ３からの振動信号が入力される振動信号入力部622と、前記ボリューム５からの電気信号が入力される開度信号入力部623と、前記アンプ63への低周波信号が出力される低周波信号出力部624とを備えている。
なお、前記振動信号入力部622と前記開度信号入力部623にはＡ／Ｄ変換機能が備えられて、前記振動信号と前記開度信号とを前記コンピュータ62で処理しやすいようにデジタル信号に変換する。前記低周波信号出力部624からは前記コンピュータ62においてソフト的に生成された低周波信号が、必要に応じてアナログ信号に変換されて出力される。

前記アンプ63は、コンピュータ62の低周波信号出力部624から出力される低周波信号を所定のレベルまで増幅して出力端子631から前記振動源２に供給する。
前記低周波信号出力部624から出力される信号は、例えば、1000Hz、2000Hz、4000Hz、あるいは8000Hzのパルス波や、10Hzから1500Hzまでスイープする低周波信号、もしくはホワイトノイズやピンクノイズ等の広帯域信号の何れかである。
そして、出力される低周波信号は、一定のレベルになるように制御されていることはいうまでもない。ここで、前記振動源２において発生させている振動が正常であるか否かを監視するためのモニターセンサ21を、前記振動源２に付設しておく。そして、前記モニターセンサ21からの信号に基づいて、前記振動源２から発せられる振動が一定のレベルになるように制御するとよい。

次に、前述した解析プログラムの概要を図４を参照して説明する。
まず、ステップＳ１においては、測定開始に当たって、前記振動源、振動センサ、ボリューム等の状態が正常であるか否かをチェックするとともに、各部及び各変数等を初期化する。
次に、ステップＳ２において、測定開始スイッチの状態をチェックして、押されるとステップＳ３に進み、前記低周波信号出力部624から低周波信号を出力する。
ステップＳ４においては、振動センサ３からの振動信号の入力を監視し、振動源２から対象物Ｔに加えられる低周波信号が、対象物Ｔを介して検出されるのを待つ。振動信号が入力されるとステップＳ５へ進む。
ステップＳ５においては、入力される振動信号をデジタル信号に変換しながらフーリエ変換し、周波数に応じた振幅（ｄＢ）の変化特性を、周波数特性として演算して求める。
このような周波数特性の例を図６に示した。
ステップＳ６においては、前記周波数特性を微分等して第２共鳴周波数（第２ピーク）ｆ₂と第３共鳴周波数（第３ピーク）ｆ₃を演算して求め、それらのピークの振幅ｖ₂，ｖ₃を求める。

ステップＳ７においては、対象物Ｔとしての果物の弾性率・硬度を算出する。
ここで、弾性率・硬度は、ｍ^2/3ｆ₂ ²（但し、ｍ：重量、ｆ₂：第２共鳴周波数）と表せ、前記重量ｍは対象物Ｔの直径ｄを３乗した値に比例する。従って、対象物Ｔの直径ｄを２乗した値は、ｍ^2/3に比例することになるので、弾性率・硬度の相対値はｄ²ｆ₂ ²で算出される。
具体的には、前記ボリューム５からの開度信号に基づいて対象物Ｔの直径ｄの相対値を求め、この相対値と、ステップＳ６において求めた第２共鳴周波数ｆ₂とに基づいて弾性率の相対値を算出し、その指標を硬度として得るのである。
このようにして得られた硬度は、欠陥がないかぎり、熟度との相関が強いので、熟度の代わりに硬度をディスプレイ装置に数値表示する。

次に、ステップＳ８においては、対象物Ｔの欠陥の有無をチェックする。
ここでは、ステップＳ６において求めた第２共鳴周波数（第２ピーク）の振幅ｖ₂に対する第３共鳴周波数（第３ピーク）の振幅ｖ₃の相対的な低下量（ｖ₂−ｖ₃、図４においては7.1）を算出する。ここで、振幅をｄＢ値で表示しているので、２つの振幅の比はｄＢ値の差で表される。
このようにして算出した振幅の相対的な低下量を、正常な（欠陥の無い）対象物の果物の場合での低下量に基づいた判定基準範囲（例えば10.0）と比較する。
図６において実線で示したように相対的な低下量が7.1であれば、判定基準範囲内であるので、欠陥の無い正常な果物であると判定できるが、図４において破線で示したように相対的な低下量が19.3であれば、判定基準範囲を越えているので、当該対象物の果物に欠陥があると判定できる。
このような判定結果をディスプレイ装置に「欠陥有り」もしくは「欠陥無し」と表示する。

このように、ハサミ状の測定器１で対象物の果物を挟むだけで果物の熟度および欠陥の有無を客観的に判定、および表示させることができる。また、樹上の果物を挟んで測定できるので、経験の浅深によらず妥当な収穫時期を簡単に知ることができる。

次に、ハサミ状の測定器１と解析装置６に変えて、図５に示したように卓上型の硬度測定装置９としてもよい。
前記卓上型の硬度測定装置９は、対象物Ｔとしての果物を載せるトレー部91と基台部92とから構成されている。前記トレー部91の上面には平面視で略正三角形の頂点に位置する部分に、１つの振動源93と、２つの振動センサ94、94とがそれぞれ凸状に露出して配設されている。前記基台部92には、前記３つの凸状部によって支持される対象物Ｔの重量を計測するためのロードセル等の重量センサ95と、図１に示した解析装置６と同様の機能を備えた解析装置96と、ディスプレイ装置97ととが備えられている。基本的な動作は図１、３に示したものを同様であるのでその説明は省略した。

この場合には、前記振動源93は解析装置96からの信号に基づいて所定の低周波振動を発生して対象物に振動を与える。そして、２つの振動センサ94、94から解析装置96に入力される２系統の振動信号は、それぞれデジタル信号に変換されて、フーリエ変換されて周波数特性が求められて、第２共鳴周波数と第３共鳴周波数が求められる。これらの２系統から得られた第２共鳴周波数及び第３共鳴周波数をそれぞれ平均する。
第２共鳴周波数の平均値と、前記重量センサ95から得られる重量情報に基づいて弾性率が演算されて硬度が前記ディスプレイ装置97に数値表示される。
また、平均された第２共鳴周波数と第３共鳴周波数とに基づいて前記同様にして欠陥の有無が判定されて、その判定結果が前記ディスプレイ装置97に表示される。
このようにして、図５の硬度測定装置９によれば、卓上の装置に果物等の対象物を載せるだけで、その硬度と欠陥の有無とが客観的に判定されて表示されるので、経験の浅深に関わらず適切な硬度の判断と、欠陥の有無の判断ができる。

図６に前記ハサミ状の測定器１による周波数特性の測定例を示した。
また、図７に、前記ハサミ状の測定器１による熟度の測定結果と、特開平06-236587号において提案したレーザードップラー測定装置による測定結果との相関関係を示した。この場合には0.916という高い相関係数が得られ、本発明の装置がレーザードップラー測定装置と同等の精度を持っていることが示された。
従って、本発明による前記測定器１と解析装置６とによって精確な熟度の測定と欠陥の有無の判定をすることができる。

本発明は、果物に限らず、塊状の食品や成型物等のような種々の対象物の硬度を測定することができる。

本発明にかかる硬度測定装置の実施の形態の構成を示した構成図である。 前記硬度測定装置の測定器の要部の分解図である。 前記硬度測定装置の回路構成図である。 前記硬度測定装置の動作を説明するフローチャート図である。 本発明にかかる硬度測定装置の別の実施の形態の構成を示した構成図である。 実施例１における周波数特性を示す図である。 実施例１における相関関係を示す図である。

符号の説明

１ ハサミ型の測定器
11、12 部材
13 軸
２ 振動源
３ 振動センサ
４ バネ
５ ボリューム
６ 解析装置
63 アンプ
Ｔ 対象物、果物

Claims (4)

1. 果物に振動を与える振動源、この振動源に低周波信号を供給する低周波出力部、振動を与えられた前記果物の振動を検出する振動センサ、前記低周波出力部を制御するとともに前記振動センサからの振動信号から得られる共鳴周波数と果物の重量情報に基づいて前記果物の硬度を演算する解析装置とを備え、
   前記振動源と前記振動センサとが一体に配設されて測定器が構成され、
   前記測定器は、先端側が閉じ方向に付勢され、後端側のグリップを握りしめることによって先端側が開くように構成された開閉可能な一対の腕を備え、前記一対の腕の内の一方の腕の先には振動源が配設され、他方の腕の先には振動センサが配設され、一対の腕の開閉軸には、開度に応じた電気信号を出力するボリュームを備えた開度センサが配設されており、
   前記解析装置は、前記電気信号に基づいて果物の重量情報を演算して出力するように構成されていることを特徴とする果物の硬度測定装置。
2. 果物に振動を与える振動源、この振動源に低周波信号を供給する低周波出力部、振動を与えられた前記果物の振動を検出する振動センサ、前記低周波出力部を制御するとともに前記振動センサからの振動信号から得られる共鳴周波数と果物の重量情報に基づいて前記果物の硬度を演算する解析装置とを備え、
   前記振動源と前記振動センサとが一体に配設されて測定器が構成され、
   前記測定器は、果物を支持する３つの支点が配設され、
   前記支点の１つには振動源が配設され、
   残りの２つの支点にはそれぞれ振動センサが配設され
   ていることを特徴とする果物の硬度測定装置。
3. 前記測定器には、前記３つの支点で支持された果物の重量情報を出力する重量センサが配設されていることを特徴とする請求項２に記載の果物の硬度測定装置。
4. 前記解析装置は、前記振動センサからの振動信号に基づいて得られる共鳴周波数を求め、第２共鳴周波数の振幅に対する第３共鳴周波数の振幅の相対的な低下量を求め、
   この相対的な低下量を判定基準と比較して、前記果物の欠陥の有無を判定するように構成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の果物の硬度測定装置。