JP4247310B2

JP4247310B2 - 硬度測定装置

Info

Publication number: JP4247310B2
Application number: JP2004135986A
Authority: JP
Inventors: 直樹桜井; 良一山本
Original assignee: Hiroshima University NUC
Current assignee: Hiroshima University NUC
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2024-04-30
Also published as: JP2005315793A

Description

本発明は、果実等の対象物の硬度を測定する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、振動を加える手段を対象物に接触させる必要があるために、対象物の果物等を傷つけたりする心配があるという問題があった。
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。
また、果物に直接触れることなく間接的に振動を与える方法としては、空気の疎密波を介在させることが考えられるが、振動素子等を用いて発生させた空気の疎密波は同心円状に拡散するので、エネルギーの密度が低下して、果物に到達するエネルギーは低いものになり、到底十分な振動を発生させることはできなかった。
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振動を与えて精確な測定をすることは困難であった。

そこで、本発明は、果物等の対象物の硬度を、非接触で測定可能な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の硬度測定装置は、
気体を媒体とする疎密波を発生させる音響発信源と、
一方の焦点の位置に配設された前記音響発信源にて発生させた疎密波を反射させて、他方の焦点に配設された測定位置の対象物へ集めることによって、対象物に直接接触させることなく、対象物に振動を与える回転楕円体による反射手段と、
前記疎密波が照射されることによって発生する対象物の振動を、レーザードップラー法によって検出するように構成された振動センサと、
前記音響発信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手段と、
から構成した。
請求項２では、
対象物を、前記測定位置に順次搬送し、測定後には前記測定位置から搬出する搬送手段を備えている。
請求項３では、
対象物を載せる載置部と基台部とから構成され、
前記載置部の上面には、平面視で略放射状の３本の凸条が形成され、
前記基台部には、前記３つの凸条によって支持される対象物の重量を計測するための計測部と、データ出力部と、ディスプレイ装置とが備えられている重量計測手段を備えている。
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前記対象物の欠陥の有無を判定するように構成されている。
請求項５の硬度測定装置は、
回転楕円体の一部からなり少なくとも一部分が透明な反射体を支持棒に対して首振り可能に連結し、
前記反射体には開口が形成され、
前記反射体の外側にはレーザー装置が設けられ、
前記反射体の内側の一方の焦点に配設された音響発信源は駆動手段に接続され、
樹上の果実に前記反射体をかざして、前記音響発信源からの音波を前記果実に照射し、前記音波が照射されることによって発生する果実の振動を、前記レーザー装置を用いたレーザードップラー法によって検出して、解析装置によって解析し、前記果実の硬度、即ち熟度と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、気体を媒体とする疎密波を発生させて、その疎密波を反射手段で対象物へ集めるように構成したので、通常は拡散してしまって十分なエネルギー密度が得られないものであるが、反射手段で対象物に集中させることによって、対象物に十分なエネルギーを与えることができる。従って、対象物においては、硬度を測定するに十分な振動が発生するので、その振動を測定することによって、対象物に直接接触させることなく対象物に振動を与えて硬度を測定することができる。また、レーザードップラー法によって対象物の振動を非接触で検出すれば、振動の検出も非接触で可能となる。
このようにして、対象物に傷を付ける心配も無く非接触で対象物の硬度や欠陥の有無を測定できる。また、搬送しながらでも、また、樹上の果物等をそのままの状態でも測定することが可能となった。
特に、前記反射手段を回転楕円体とすれば、一方の焦点で疎密波を発生させ、反射波が集中する他方の焦点に対象物を置くことによって、より効果的な測定が可能となる。

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。
図１、２において、
１は本発明にかかる硬度測定装置である。２は内面が回転楕円体の凹面の一部で形成された反射体であり、２つの反射体２Ａ、２Ｂに分割構成されている。３は前記２つの反射体２Ａ、２Ｂの間を通って果物等の対象物４を搬送するように配設された搬送用のコンベアである。

前記２つの反射体２Ａ、２Ｂは同じ大きさではなく、例えば、一方の反射体２Ａが他方の反射体２Ｂより大きいように構成されている。
そして、大きい方の反射体２Ａの内部に位置する一方の焦点Ｐの位置に、音響発信源５が配設されている。他方の焦点Ｑには、前記コンベア３の上の対象物４の表面もしくは表面近くが位置するように配設されている。

前記コンベア３は、図示したように、前記２つの反射体２Ａ、２Ｂの間を走行するように設定されており、後述するような重量計測手段によって、対象物４の重量は１個づつ計測されて、その重量データは個々の対象物と対応付けられて一時的保持されている。
また、前記コンベア３の載置面には例えば中心から放射状に延びた３本以上の凸条を形成し、対象物との接触面積がなるだけ小さくなるように構成するとよい。

対象物の重量を１個づつ計測する重量計測手段としては、ロードセル等の重量センサを内蔵したトレー９を用いるとよい。前記トレー９に対象物を乗せて、そのトレー９をコンベア３上に乗せる。
前記トレー９は、図３に示したように、対象物４としての果物を載せる載置部91と基台部92とから構成されている。前記載置部91の上面には平面視で略放射状の３本の凸条が形成されている。前記基台部92には、前記３つの凸条によって支持される対象物Ｔの重量を計測するための計測部95と、データ出力部96と、ディスプレイ装置97とが備えられている。

以上においては、コンベア３上に重量計測手段としてのトレー９を乗せた形態を説明したが、前記搬送路の上流側もしくは下流側に独立した重量計測手段を配設してもよい。この場合の重量計測手段としては、コンベアの裏面を荷重センサで支持して、搬送される対象物による荷重増加量に基づいて対象物の重量を換算して得るようにしてもよく、画像処理手段によって撮像した対象物の画像から大きさを算出して、標準的な比重に基づいて対象物の重量を換算して得るようにしてもよい。
このように構成した場合には、対象物は順次、重量計測手段を通過して搬送されるため、重量計測手段にて計測した対象物と、前記反射体２を通過する対象物とが１対１に対応するように計測データを一次的に保持する保持手段を備える。

前記音響発信源５はスピーカ等の低周波振動発信体によって構成されており、この音響発信源５は、低周波発振器51と低周波増幅器52等を備えた駆動手段53によって駆動される。一方の焦点に配置された前記音響発信源５から反射体２の内部に放射される低周波振動波は、反射体２の内面で反射して、他方の焦点に配置される対象物４に効率よく集められて、対象物４を振動させる。この振動は、対象物の硬度に応じた特長ある共鳴振動を含んでおり、その周波数スペクトル分布特性を観察すると、図４に示したように、いくつかの共鳴周波数のピークが観察される。
特に、測定する対象物が、果物等のように水分を多く含み柔らかい場合には、対象物の振動の共鳴周波数が低くなり、第二共鳴周波数は人間の耳に聴こえる音響周波数帯域（可聴域）の数百〜数千ヘルツとなる。
この場合、回転楕円体の長軸を１ｍとすると、楕円の性質から、一方の焦点から出た音波が他方の焦点まで到達するまでの距離も１ｍとなる。従って、音速を秒速330ｍとすると、長軸が１ｍの回転楕円体からなる反射体２の内部では330ヘルツの固有共鳴を生じることになる。従って、対象物の第二共鳴周波数がこの付近にある場合は、回転楕円体の長軸で規定される固有共鳴の周波数と、対象物の第二共鳴周波数とが離れるように設計する必要がある。この場合の避けるべき長軸の長さは次式で計算される。
避けるべき長軸長（ｍ）＝330／第二共鳴周波数（ヘルツ）

６はレーザー装置であり、レーザー光の発光素子と、反射光の受光素子とを内蔵し、対象物の振動によって変調された反射光を検出して、対象物の振動をレーザードップラー法によって検出するように構成されている。なお、振動センサーは圧電素子のような機械電気信号変換素子を直接果実表面に接触させて振動を検出しても良い。
61は解析装置であり、前記レーザー装置６で検出した対象物の振動を高速フーリエ変換処理して振動数の特性を解析するとともに、前記重量計測手段によって得られた重量に基づいて、対象物の硬度を測定するように構成されている。

前記解析装置61を構成するコンピュータには、解析プログラムがインストールされている。
前記コンピュータは、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、前記レーザー装置６を制御して受信した反射波の信号が入力されるように反射波信号入力部622と、前記重量計測手段にて得られた重量情報が入力される重量入力部623と、前記音響発信源の駆動手段53を制御するための制御手段624とを備えている。
なお、前記反射波信号入力部622にはＡ／Ｄ変換機能が備えられて、前記反射波信号を重量情報とともに前記コンピュータ62で処理しやすいようにデジタル信号に変換する。前記制御手段624からは所定の周波数の音響信号が所定のパターンで出力されるように前記駆動手段53を制御するための制御信号が出力される。

前記駆動手段53を構成する低周波発振器51から出力される低周波信号は、前記低周波増幅器52によって所定のレベルまで増幅されて前記音響発信源５へ供給される。
前記低周波発信器51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の信号、もしくはそれらの混合信号である。
そして、出力される低周波信号は、所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、前記音響発信源５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（図示せず。）を、前記音響発信源５に付設してもよい。そして、前記モニターセンサからの信号に基づいて、前記音響発信源５から発せられる音響信号が一定のレベルになるように制御してもよい。

以上の構成の硬度測定装置１を用いて対象物の硬度を測定する場合には、図２に示したように、コンベアに空のトレー９を乗せて、そのトレー９に対象物としての果物４を乗せる。そして、対象物を乗せたトレー９が搬送されて、対象物が反射体２の他方の焦点に位置すると、音響発生源５から照射される音響振動によって対象物は振動するので、その振動をレーザー装置６によるレーザードップラー法によって検出する。
図１の解析装置61は、レーザードップラー法によって検出した振動と、対象物の重量情報とに基づいて対象物の硬度即ち熟度を計算するとともに、欠陥の有無を判定して、結果をディスプレイ装置に表示する。
なお、多数の対象物を測定する場合でも、少数のトレーを循環させて利用するとよい。

次に、前述した解析プログラムの概要を図５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、前記音響発信源５、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、前記低周波発信器51から低周波信号を出力するとともに、前記レーザー装置６によるレーザードップラー法による対象物の振動の検出を開始する。
ステップＳ４においては、前記レーザー装置６からの反射波信号の入力を監視し、対象物４が反射体２の所定Ｑに到達して音響信号を受け振動が発生し、その振動による反射波が検出されるのを待つ。振動による反射波信号が検出されるとステップＳ５へ進む。

ステップＳ５においては、入力される反射波信号をデジタル信号に変換しながら高速フーリエ変換し、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４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で算出されることになる。
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前記解析装置61の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４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４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前記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、対象物を反射体２の間を通過させることと、重量情報を与えるだけで、対象物の硬度、熟度および欠陥の有無を、非接触で判定、および表示させることができる。このようにして得られた測定結果および判定結果は、作業者の経験差や能力等の個人差によらない客観的な結果である。
なお、振動センサーとして、レーザー装置のような非接触式の振動センサーに代えて、圧電素子や電磁ピックアップ等の機械電気信号変換素子を直接果実表面に接触させて振動を検出するように構成した接触式の振動センサーを用いることにより、レーザー装置より簡略化された装置で対象物の硬度、熟度および欠陥の有無を、判定、および表示させることができる。

次に、樹上の果物の熟度もしくは硬度を、もぎ取らずに直接測定するための装置を説明する。
図６に示した硬度測定装置１Ｂは、回転楕円体の一部からなる反射体２Ｃを備えたものであり、前記反射体２Ｃには開口21Ｃが形成されている。前記反射体２Ｃの外側にはレーザー装置６Ｂが設けられている。前記反射体２Ｃは支持棒８に対して首振り可能に連結されている。
前記反射体２Ｂの内側の一方の焦点に配設された音響発信源５Ｂは、図示しないが、図１の駆動手段53と同様の駆動手段に接続されており、前記レーザー装置６Ｂも、図示しないが、図１の解析装置61と同様の解析装置に接続されている。

さらに、対象物を他方の焦点に位置決めするための手段を備えるとよい。その手段としては、非接触のものが好ましいため、前記レーザー装置６Ｂにて検出する反射波を解析して所定の焦点位置にあるか否かを判断するような構成でも、別途光照射手段等を備えて、対象物を所定の焦点位置に誘導するような構成でもよい。なお、非接触式の振動センサーに代えて接触式の振動センサーを用いて、この振動センサーを位置決めするための手段と兼用してもよい。
そして、前記反射体２Ｃの少なくとも一部分は透明な素材を用いて、対象物を視認できるように構成すると位置決めしやすい。
このようにして、図６の硬度測定装置１Ｂによれば、樹上の果物等の対象物に前記反射体２Ｃをかざすだけで、その硬度即ち熟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、適切な収穫時期と欠陥の有無の判断ができる。

図１に示した実施例では、反射体として、回転楕円体を２分割して構成したものを用いた。
図４に本発明の硬度測定装置１による反射波の周波数特性の測定例を示した。
また、本発明による硬度の測定結果を、特開平09-236587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対比させたところ、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、本発明による前記硬度測定装置１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のである。
図６に示した実施例では、反射体として、回転楕円体の一部で構成して開口部を設けたものを用いた。
さらには、図示はしないが、回転楕円体の曲面に代えて、小面積の平板状の反射板を多数連結して、それぞれの反射板が、音響発信源からの疎密波を対象物へ反射するように配設したものを用いてもよい。

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。前記硬度測定装置による測定状態を説明する斜視図である。前記硬度測定装置に用いる重量測定手段の一例の斜視図である。実施例１における周波数特性を示す図である。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。

符号の説明

１硬度測定装置
２反射体
２Ａ、２Ｂ反射体
３コンベア
４対象物、果物
５音響発信源
51 低周波発振器
52 低周波増幅器
６レーザー装置
61 解析装置
１Ｂ硬度測定装置
２Ｂ反射体
２Ｃ反射体
５Ｂ音響発信源
８支持棒
９重量測定手段、トレー

Claims

気体を媒体とする疎密波を発生させる音響発信源と、
一方の焦点の位置に配設された前記音響発信源にて発生させた疎密波を反射させて、他方の焦点に配設された測定位置の対象物へ集めることによって、対象物に直接接触させることなく、対象物に振動を与える回転楕円体による反射手段と、
前記疎密波が照射されることによって発生する対象物の振動を、レーザードップラー法によって検出するように構成された振動センサと、
前記音響発信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手段と、
から構成されていることを特徴とする硬度測定装置。
対象物を、前記測定位置に順次搬送し、測定後には前記測定位置から搬出する搬送手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の硬度測定装置。
対象物を載せる載置部と基台部とから構成され、
前記載置部の上面には、平面視で略放射状の３本の凸条が形成され、
前記基台部には、前記３つの凸条によって支持される対象物の重量を計測するための計測部と、データ出力部と、ディスプレイ装置とが備えられている重量計測手段を備えたことを特徴とする請求項１〜２の何れか１項に記載の硬度測定装置。
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前記対象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項に記載の硬度測定装置。
回転楕円体の一部からなり少なくとも一部分が透明な反射体を支持棒に対して首振り可能に連結し、
前記反射体には開口が形成され、
前記反射体の外側にはレーザー装置が設けられ、
前記反射体の内側の一方の焦点に配設された音響発信源は駆動手段に接続され、
樹上の果実に前記反射体をかざして、前記音響発信源からの音波を前記果実に照射し、前記音波が照射されることによって発生する果実の振動を、前記レーザー装置を用いたレーザードップラー法によって検出して、解析装置によって解析し、前記果実の硬度、即ち熟度と欠陥の有無を判定するように構成したことを特徴とする硬度測定装置。