JP4207200B2 - 電磁波を用いた作物の品質測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、野菜や果物等作物の成熟度や腐敗などの品質を非破壊で測定する方法に関する。

作物の商品価値は、その成熟度によって変動するため、一定の品質を維持し、価格を安定化する上で個々の作物の品質を把握することは非常に重要である。

古くは、熟練者の経験に頼った目視等の測定方法であったが、測定しうる量に限界があり、また、測定者によって結果が異なる。そのため、現在では、作物の果汁を絞って糖度を測定したり、切断して内部の様子を目視で観察するなどの、客観的な測定方法が一般的である。しかしながら、当該測定方法は破壊測定方法であるため、全数測定することができず、正確性に欠けると同時に、測定に用いた作物は廃棄せざるを得ず、無駄を生じてしまう。

そのため、作物を傷めずに全数測定が可能な非破壊測定方法が望まれており、例えば、特許文献１にはマンゴスチンに赤外線を照射し、透過率または反射率を測定してパラメーターとする糖度の測定方法が開示され、特許文献２には近赤外光を照射し、透過光を分光したスペクトルを解析して腐敗や虫食いの検査を行う方法が開示されている。

特開２０００−２８５２４号公報 特開２０００−１１１４７３号公報

赤外線等を用いた測定方法は、全数測定が可能で客観的に品質を評価することができるものの、発光装置が必要であることから装置が大きくなり、装置の移動・設置が容易ではない。また、被測定物との距離の変化によって誤差を生じるため、精度上の問題があった。

本発明の課題は、作物の品質を高精度に測定しうる非破壊測定方法を提供することにあり、さらには、装置が小型で移動・設置が容易な品質測定方法を提供することにある。

本発明は、作物の品質を測定する品質測定方法であって、
測定される品質の項目が、糖度、クエン酸濃度、水分含有率のいずれかであり、
作物から放射されているミリ波をアンテナで受信し、増幅、検波して低周波信号に変換し、演算処理により電磁波の強度成分のみを取り出してミリ波強度とするミリ波強度の測定方法を用い、
予め、所定の測定項目について従来の測定方法により測定した値と上記ミリ波強度の測定方法によって測定されたミリ波強度との関係式を求め、
次いで、被測定作物から放射されているミリ波強度を上記ミリ波強度の測定方法によって測定し、
測定されたミリ波強度より上記関係式に基づいて被測定作物の糖度、クエン酸濃度、水分含有率のいずれかの値を算出することを特徴とする電磁波を用いた作物の品質測定方法である。

また本発明は、作物の品質を測定する品質測定方法であって、
測定される品質の項目が、腐敗程度、鬆の有無、種子の有無のいずれかであり、
作物から放射されているミリ波をアンテナで受信し、増幅、検波して低周波信号に変換し、演算処理により電磁波の強度成分のみを取り出してミリ波強度とするミリ波強度の測定方法を用い、
予め、糖度、クエン酸濃度、水分含有率のいずれかの項目について従来の測定方法により測定した値と上記ミリ波強度の測定方法により測定されたミリ波強度との関係式を求め、
次いで、被測定作物から放射されているミリ波強度を上記ミリ波強度の測定方法によって複数箇所で測定し、
測定されたミリ波強度より上記関係式に基づいて、糖度、クエン酸濃度、水分含有率のいずれかの値を算出し、その値の変動により被測定作物の腐敗程度、鬆の有無、種子の有無のいずれかについて評価することを特徴とする電磁波を用いた作物の品質測定方法である。

さらに、本発明においては、下記の構成を好ましい形態として含む。

上記本発明において、被測定作物から放射されているミリ波強度を二次元的に測定し、画像化して目視により所定の測定項目について評価する。

本発明の品質測定方法は、作物から放射されるミリ波強度を測定して作物の品質を測定するため、作物とミリ波強度測定のためのアンテナとの距離の変動による誤差が小さく、高精度に測定することができる。

また、本発明の品質測定方法では、ミリ波を受信して増幅、検波、演算処理するだけで良いため、測定装置の小型軽量化、低消費電力化が容易であり、装置の移動・設置が容易である。よって、収穫した作物のみならず、収穫前の成育中の作物について品質測定を行い、収穫に適した作物のみを選択することができるため、収穫作業の効率化を図ることができる。

本発明によれば、１台の測定装置で、糖度、クエン酸濃度（酸味）、水分含有率、腐敗程度、鬆の有無、種子の有無といった多種類について測定を行うことができるため、測定場における経済的負担が軽い。

本発明によれば、全数測定が可能なため、所定のミリ波強度或いは該ミリ波強度を所定の測定項目の値に換算した値を選別基準として、作物の選別工程において、正確な選別を自動化することが可能である。

本発明の品質測定方法は、作物がその糖度やクエン酸濃度、水分含有率に応じた強度のミリ波を放射していることを見出し、達成した非破壊測定方法である。

本発明により品質測定しうる作物は、主として苺や蜜柑といった果実類、及び、トマトやニガウリといった野菜類等、青果物である。また、本発明において品質を測定するとは、後述するように、糖度やクエン酸濃度、水分含有率などの具体的な数値を求めるのみならず、作物中の分布状況や、腐敗の有無及び程度、鬆や種子の有無について評価することまでを含むものとする。

本発明の品質測定方法によれば、予め従来の測定方法で糖度やクエン酸濃度、水分含有率を測定し、ミリ波強度との関係式を求めておくことにより、作物の糖度やクエン酸濃度、水分含有率を具体的な数値で得ることができる。

さらに、腐敗は作物の細胞組織が破壊されて液化するため、単位容積当たりの水分が多くなる。また、鬆は作物中に生じた空洞であり、糖度やクエン酸濃度、水分含有率の分布が、鬆の領域で不連続に低くなる。さらに、種子の場合、各項目は種子の内外で濃度が異なるため、鬆と同様に、種子とその外側との境界で分布が不連続となる。即ち、作物内に腐敗や鬆、種子がある場合には、作物内において水分含有率や糖度、クエン酸濃度が大きく変動するため、当該変動をミリ波強度で測定することにより、腐敗の有無や程度、鬆や種子の有無を評価することができる。

先ず、本発明におけるミリ波強度の測定方法について説明する。

図１に、ミリ波強度の測定方法の基本構成を模式的に示す。図１（ａ）は測定箇所が１点の場合、図１（ｂ）は二次元的に測定を行って画像化する場合を示す。図中、１は被測定作物、２はアンテナ、３は増幅器、３は検波器、５は演算処理器、６は画像表示器である。

本発明において測定するミリ波は、波長が１ｍｍ〜１ｃｍ（周波数が３０〜３００ＧＨｚ）の電磁波であり、作物は含有する糖度やクエン酸濃度、水分含有率の程度に応じた強度のミリ波を放射している。

本発明においては、被測定作物１の放射するミリ波をアンテナ２にて受信する。アンテナとしては、ホーン型、誘電体型、テーパースロット型等、電磁波受信用アンテナが用いられ、被測定作物１から放射されているあらゆる周波数成分を有する電磁波を有効に受信する。受信周波数としては、高周波数の方が測定しうる被測定作物１の大きさが小さくなる（波長が短くなると分解能が良くなる）ため好ましいが、装置のコスト（特に増幅器３）が大となるため、現状では４０ＧＨｚ程度が上限である。

尚、アンテナ２は直径が１ｃｍ程度であり、その中心部が最大感度となる。アンテナ２と被測定作物１との距離は、２〜３ｃｍ程度が好ましい。また、被測定作物１の背後に電磁波吸収体を配置して、可能な限り外部の影響を排除することが好ましい。

次に、受信したミリ波を低ＮＦの広帯域増幅器３で増幅し、検波器４で二乗検波して高周波のミリ波を低周波信号に変換する。検波器４からの出力は、ミリ波の強度を示す直流成分とノイズが起因する交流成分からなる。そこで、検波器４から出力された低周波信号に、演算表示器５において演算処理を施し、直流成分のみをミリ波強度として取り出す。ミリ波強度は電圧値として示される。尚、演算表示器５としては、直流成分と交流成分からなる信号から交流成分のみを取り除くロックインアンプやローパスフィルタが用いられる。

上記のようにして、作物から放射されるミリ波強度が高精度に測定される。

図１（ａ）に示した測定方法は、１点でミリ波強度を測定する方法であるが、被測定作物１に対して複数箇所で測定を行うことにより、被測定作物１内のミリ波強度の変動を測定することができる。

また、図１（ｂ）に示すように、演算表示器５の後段に画像表示器６を備え、アンテナ１を二次元的に移動させながら被測定作物１に対して二次元的にミリ波強度を測定し、画像化することにより、ミリ波強度の分布を目視で評価することができる。アンテナ２を二次元的に動かす方法としては、アンテナ２自体を移動させる方法、アンテナ２の角度を変える方法、電気的に指向性を変化させる方法などが挙げられる。

測定されたミリ波強度から、具体的に糖度、クエン酸、水分含有率を算出するためには、予め熟成度の異なる複数の作物について、従来の測定方法による測定を行い、該測定値とミリ波強度との関係式を求めておく。測定者は、被測定作物を測定して得られたミリ波強度より、上記関係式に基づいて具体的な数値を算出すればよい。また、演算表示器５に当該関係式に基づく算出機能を持たせておけば、測定とほぼ同時に各項目の数値を得ることができる。

尚、作物における糖度とクエン酸濃度は、一般的には作物の熟成に従って上昇し、水分含有率は低下する。よって、それぞれの項目について予め従来の測定方法で測定した値と、本発明により測定したミリ波強度との関係式を求めておくことにより、被測定作物のミリ波強度から、いずれの項目の値も正確に算出することができる。

関係式を求めるための従来の測定方法としては、具体的には、糖度は屈折式糖度計を用いた方法、クエン酸は導電率法、水分含有率は減圧乾燥法がそれぞれ好ましく採用されるが、特にこれらの方法に限定されるものではなく、各数値を正確に測定しうる方法であれば用いることができる。

さらに、ミリ波強度は、分子の熱運動の影響を受け、被測定作物１の温度が高いほど放射されるミリ波強度も高くなる。また、被測定作物１の熟成度によって、わずかではあるが温度差を生じ、例えば糖度が高いほど低温となり、その分、ミリ波強度もさらに低くなる。従って、本発明においては、ミリ波強度の測定に際して、被測定作物１の温度を一定とするか、或いは、予め熟成度の異なる複数の作物に対して、温度を一定に保った場合と、そうでない場合とでミリ波強度を測定し、温度の影響を求めておき、その結果に基づいて、測定した被測定作物１のミリ波強度に温度補正を加えればよい。

また、前記したように、腐敗程度、鬆の有無、種子の有無は、糖度やクエン酸濃度、水分含有率などの作物中での変動により評価するため、被測定作物１に対して複数箇所でミリ波強度を測定し、その測定値の変動を評価すればよい。また、被測定作物１に対してミリ波強度を二次元的に測定して画像化することにより、目視によって評価することもできる。いずれも、ミリ波強度で評価することができるが、予め、糖度やクエン酸濃度、水分含有率とミリ波強度との関係式を求めておき、測定したミリ波強度を当該関係式に基づいて糖度やクエン酸濃度、水分含有率に換算して評価しても良い。この場合、糖度やクエン酸濃度、水分含有率と、腐敗程度、鬆の有無、種子の有無を同時に評価することができる。

尚、腐敗、鬆、種子が同じ作物内に存在していても、ミリ波強度の分布の程度や変動の大きさにより、いずれであるかは容易に判断することができる。

通常、作物の品質は特定の項目について評価されており、例えば、苺やマンゴー、トマト、西瓜などの果実類は糖度で、蜜柑はクエン酸濃度で、一般的な野菜類は水分含有率で品質が評価される。また、ニガウリについては腐敗の有無、西瓜は鬆の有無が品質には大きく影響する。さらに、ブドウや西瓜、蜜柑などで品種改良により種を無くした果実類については、種子の有無も品質維持の上で重要である。

上記したように、被測定作物によって、品質評価の基準となる項目が異なるため、必要な項目についてのみ本発明の測定方法を適用すればよい。また、苺などの比較的内部が均一な作物については、糖度やクエン酸濃度、水分含有率について、測定箇所を中央部の１点として測定を行えばよく、内部が不均一で糖度などの分布も大きい作物の場合には、複数箇所について測定を行って平均値で評価する、或いは、測定値の変動で評価すれば良い。特に、西瓜やメロンなどは、糖度分布を画像化することで、種子の形成状態と糖度分布とを同時に評価することができ、好ましい。

苺、トマト、夏蜜柑の３種について、室温２０℃、受信周波数４０ＧＨｚでミリ波強度を測定し、次いで、測定した作物の果汁を絞って屈折式糖度計にて糖度を測定した。測定に際して用いた機器は以下の通りである。

〔アンテナ〕
東北大学製（自作）、円形電磁ホーンアンテナ
開口直径：１０ｍｍ
受信周波数：３０〜４０ＧＨｚ
〔増幅器〕
プリアンプ
富士通社製、ＦＭＭ５７４０Ｘ
周波数範囲：２６〜４０ＧＨｚ
雑音指数：２．０ｄＢ（４０ＧＨｚ）
メインアンプ
Ｎａｒｄａ社製、ＤＢＳ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ；ＤＢ９９−０４８２
周波数帯域：３０〜４０ＧＨｚ
利得：２６ｄＢ以上
ＮＦ：８ｄＢ
出力：０ｄＢｍ以上
〔検波器〕
Ａｇｉｌｅｎｔ社製、ＤＥＴＥＣＴＯＲ ＮＥＧＴＩＶＥ；ＨＰ ８４７４Ｅ
〔演算表示器〕
エヌエフ回路設計ブロック社製、ロックインアンプＬｉ−５７０Ａ
日本電気社製、パーソナルコンピュータ ＶｅｒｓａＰｒｏ

図２〜図４に測定したミリ波強度（電圧値）と糖度との関係を示す。図２は苺、図３はトマト、図４は夏蜜柑である。図２〜図４より明らかなように、これら作物の糖度とミリ波強度とは直線関係にあり、当該直線の関係式を求めることにより、新たにミリ波強度を測定した各作物の糖度を算出することができる。

本発明におけるミリ波強度の測定方法の基本構成を示す模式図である。 本発明の実施例における、苺の糖度とミリ波強度との関係を示す図である。 本発明の実施例における、トマトの糖度とミリ波強度との関係を示す図である。 本発明の実施例における、夏蜜柑の糖度とミリ波強度との関係を示す図である。

符号の説明

１ 被測定作物
２ アンテナ
３ 増幅器
４ 検波器
５ 演算表示器
６ 画像表示器

Claims (3)

1. 作物の品質を測定する品質測定方法であって、
   測定される品質の項目が、糖度、クエン酸濃度、水分含有率のいずれかであり、
   作物から放射されているミリ波をアンテナで受信し、増幅、検波して低周波信号に変換し、演算処理により電磁波の強度成分のみを取り出してミリ波強度とするミリ波強度の測定方法を用い、
   予め、所定の測定項目について従来の測定方法により測定した値と上記ミリ波強度の測定方法によって測定されたミリ波強度との関係式を求め、
   次いで、被測定作物から放射されているミリ波強度を上記ミリ波強度の測定方法によって測定し、
   測定されたミリ波強度より上記関係式に基づいて被測定作物の糖度、クエン酸濃度、水分含有率のいずれかの値を算出することを特徴とする電磁波を用いた作物の品質測定方法。
2. 作物の品質を測定する品質測定方法であって、
   測定される品質の項目が、腐敗程度、鬆の有無、種子の有無のいずれかであり、
   作物から放射されているミリ波をアンテナで受信し、増幅、検波して低周波信号に変換し、演算処理により電磁波の強度成分のみを取り出してミリ波強度とするミリ波強度の測定方法を用い、
   予め、糖度、クエン酸濃度、水分含有率のいずれかの項目について従来の測定方法により測定した値と上記ミリ波強度の測定方法により測定されたミリ波強度との関係式を求め、
   次いで、被測定作物から放射されているミリ波強度を上記ミリ波強度の測定方法によって複数箇所で測定し、
   測定されたミリ波強度より上記関係式に基づいて、糖度、クエン酸濃度、水分含有率のいずれかの値を算出し、その値の変動により被測定作物の腐敗程度、鬆の有無、種子の有無のいずれかについて評価することを特徴とする電磁波を用いた作物の品質測定方法。
3. 被測定作物から放射されているミリ波強度を二次元的に測定し、画像化して目視により所定の測定項目について評価する請求項１又は２に記載の電磁波を用いた作物の品質測定方法。

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