JP4696218B2

JP4696218B2 - 青果物の内部品質評価方法、およびその装置

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Publication number: JP4696218B2
Application number: JP2005280023A
Authority: JP
Inventors: 直樹桜井; 秀美秋元
Original assignee: Hiroshima University NUC
Current assignee: Hiroshima University NUC
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2025-09-27
Also published as: JP2007093278A

Description

本発明は、青果物の内部の品質を非破壊評価する技術に関するものである。

従来より、青果物の内部品質を評価する方法としては、対象青果物を手などで叩き、その音を耳で聴いて、経験に基づいて評価することが行なわれていた。
例えば、青果物としてのスイカの場合、内部に鬆や割れが発生していないか否か等の内部品質を評価するとき、前記スイカを手で叩き、ボコボコというような音の場合には、内部に鬆や割れが発生していると評価することが行なわれていた。
しかし、このような評価方法は、評価を行なう人の経験に負うところが多く、その評価基準は言葉で表現するものであり、主観的で曖昧であるので客観的なものではない。従って、そのような特定の人の経験に基づく評価基準を、一般的な評価基準として普及させることが困難であり、適正な評価技術を持った後継者を育成することが困難であった。

そこで、客観的な評価方法を提供することを目的として種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１（特開2004-69506）には、スイカを叩き、その震動の減衰時間から内部品質を評価しようとするものであるが、これは、単にスイカ内部の粘性を評価しているものであり、スイカ内部の鬆や割れの有無や程度を直接評価するものではない。
また、特許文献２（特開平10-19813）には、スイカ内部の品質を核磁気共鳴法によって評価しようとしたものであるが、そのための装置が大型になり、装置の価格が高価であるので、広く普及させることは困難である。
また、本発明者は、特許文献３（特許第3062071号）において、レーザードップラー装置を用いることにより、果実などの内部の弾性率を、第２共鳴周波数の値により評価する技術を提案した。
特開2004-69506 特開平10-19813 特許第3062071号

そこで、本発明は、青果物の第２、第３、第４共鳴周波数の信号強度の相対的な変化に基づいて、当該青果物の内部の品質を評価する技術を提案し、従来に比較して簡単で安価な装置を用いて、青果物の内部の品質を客観的に評価することを目的としてなされたものである。

本発明にかかる評価方法の請求項１においては、
評価対象の青果物の一部に振動を与えて、当該青果物の他の一部に伝わる振動を検出して、検出した振動に基づいて前記青果物の第２共鳴周波数、第３共鳴周波数、および第４共鳴周波数の信号強度を得て、前記第２共鳴周波数の信号強度と前記第３共鳴周波数の信号強度との比率と、前記第２共鳴周波数の信号強度と前記第４共鳴周波数の信号強度との比率とを求め、
前記２つの比率に基づいて、予め設定された評価基準を参照することによって、前記青果物の内部品質を評価することを特徴としている。
請求項２では、
前記２つの比率の差に基づいて、予め設定された評価基準を参照する。
請求項３では、
評価対象の青果物の一部に与える振動は、
少なくとも10Ｈｚから2,000Ｈｚまでスイープする低周波信号、
少なくとも10Ｈｚから2,000Ｈｚまでの低周波信号を含んだピンクノイズ信号、
少なくとも10Ｈｚから2,000Ｈｚまでの低周波信号を含んだホワイトノイズ信号、あるいは、
少なくとも10Ｈｚから2,000Ｈｚまでの低周波信号を含んだ矩形波信号
のうちの少なくとも何れかひとつの信号に基づいた振動である。
請求項４では、
評価対象の青果物の一部に与える振動は、
前記青果物に物理的な衝撃を与えて発生させる。
請求項５では、
第２共鳴周波数、第３共鳴周波数、および、第４共鳴周波数は、高速フーリエ変換によって決定する。
請求項６では、
第３共鳴周波数は、第２共鳴周波数の1.3倍〜1.5倍の何れかの周波数に決定する。
請求項７では、
第４共鳴周波数は、第２共鳴周波数の1.8倍〜2.0倍の何れかの周波数に決定する。
請求項８の評価装置は、
評価対象の青果物の一部に振動を与える振動手段と、
前記青果物の他の一部に伝わる振動を検出する検出手段と、
検出した振動に基づいて前記青果物の第２共鳴周波数、第３共鳴周波数、および第４共鳴周波数の信号強度を得て、前記第２共鳴周波数の信号強度と前記第３共鳴周波数の信号強度との比率と、前記第２共鳴周波数の信号強度と前記第４共鳴周波数の信号強度との比率とを求め、前記２つの比率に基づいて、予め設定された評価基準を参照することによって、前記青果物の内部品質を評価する評価手段と、
を備えている。

本発明にかかる評価方法と装置によれば、評価対象の青果物の内部品質を非破壊、且つ経験に左右されずに客観的に評価することができる。さらに、本発明によれば、小型で低価格の装置で上記効果を得ることができる。

以下に、本発明にかかる評価方法に用いる装置を実施するための最良の形態を示した図面を参照しながら詳細に説明する。
図１において、
１０は本発明にかかる青果物の内部品質評価装置であり、
評価対象の青果物（例えばスイカ）Ｔを載せて、その一部（下部）に所定範囲の周波数成分を含んだ振動を与える振動手段１と、
前記青果物の表面の他の一部（上部）に伝わる振動を検出して、振動信号として出力する検出手段２と、
前記検出された振動信号を高速フーリエ変換して、第２、第３、第４共鳴周波数の信号強度を得て、所定の評価基準に照らして、前記青果物Ｔの内部品質を評価して、その評価結果を画面表示等の情報として出力する解析装置３と
を基本的構成として備えている。

前記振動手段１は、
信号強度がほぼ一定で所定範囲の周波数成分を含んだ低周波信号を出力する発振部１１と、前記低周波信号を増幅するアンプ１２と、増幅された低周波信号が供給されて、その低周波信号に応じた振動を発生して、載せられた評価対象の青果物Ｔに、前記低周波信号に基づいた振動を与える振動子１３とを備えている。即ち、前記振動子１３は載せられた青果物の一部（下部）に接触して振動を与えるように載置台に内蔵されている。

前記検出手段２は、
前記青果物Ｔの表面（上部）に伝達された振動をレーザードップラー法で検出するためのレーザー送受信部２１と、前記レーザー送受信部２１を駆動するとともに、青果物Ｔの表面からの反射波を受信して受信信号を出力する駆動部２２と、前記受信信号をＡ／Ｄ変換してデジタル信号として出力するＡ／Ｄ変換部２３とを備えている。
前記レーザー送受信部２１は、例えば評価対象の青果物Ｔの上部の振動を検出しうる位置に配置されている。

前記解析装置３は、
前記検出手段２から入力された受信信号を高速フーリエ変換して周波数スペクトル分布データを演算出力するＦＦＴ演算部３１と、前記周波数スペクトル分布データを解析して、第２共鳴周波数の信号強度Ｌ２、第３共鳴周波数の信号強度Ｌ３、および第４共鳴周波数の信号強度Ｌ４を演算出力する解析部３２と、前記第２共鳴周波数の信号強度Ｌ２、第３共鳴周波数の信号強度Ｌ３、および第４共鳴周波数の信号強度Ｌ４を、所定の評価基準データと対照して、前記青果物Ｔの評価データを出力する評価部３３と、前記評価データを画面表示する表示部３４と、上記各手段、各部を統合的に制御して評価処理を管理する制御部３５とを備えている。
なお、前記評価部３３には、評価対象の青果物ごとに予め設定した評価基準データがデータベースＤＢとして登録されている。これらの青果物ごとの評価基準データは、青果物の種類別、銘柄別、大きさの区分別、および評価する時期別などの実験データ（実際に割って検査する。）に基づいて求めておく。

次に、図１に示した上記構成の評価装置１０を用いて、本発明の評価方法に基づいた処理手順を、図２のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、ステップＳ１において、評価対象としての青果物Ｔを載置台に載せて、青果物の下部が載置台に備えられた振動子１３に接触するようにセットする。

ステップＳ２では、前記制御部３５からの測定開始指令に基づいて前記発振部１１が所定の周波数範囲、例えば10Ｈｚから2,000Ｈｚまでスイープ（走査）する低周波信号を出力する。この低周波信号は前記アンプ１２で、ほぼ一定の信号強度に増幅されて前記振動子１３に供給されるので、前記振動子１３が振動して、その振動が前記青果物Ｔに与えられる。
前記振動によって前記青果物Ｔは振動するので、ステップＳ３において、前記青果物Ｔの上部に伝わった振動が、前記検出手段２によるレーザードップラー法によって検出され、レーザー送受信部２１で検出した青果物Ｔの表面からの反射波に基づいた受信信号が駆動部２２から出力されて、Ａ／Ｄ変換部２３でデジタル信号に変換されて出力される。

ステップＳ４では、受信信号を高速フーリエ変換して、受信信号の周波数スペクトル分布データを演算して求める。このようにして得られた周波数スペクトル分布の一例を図３に示す。
図３において、Ｐ１は第１共鳴周波数、Ｐ２は第２共鳴周波数、Ｐ３は第３共鳴周波数、Ｐ４は第４共鳴周波数、Ｐ５は第５共鳴周波数である。また、前記第２共鳴周波数Ｐ２の信号強度はＬ２、前記第３共鳴周波数Ｐ３の信号強度はＬ３、前記第４共鳴周波数Ｐ４の信号強度はＬ４である。
また、例えば、前記周波数スペクトル分布データを移動平均処理などによって平滑化処理した後に、微分処理などによってピークを検出し、検出されたピークの周波数データと信号強度データを演算出力することによって、前記第２共鳴周波数Ｐ２とその信号強度Ｌ２、前記第３共鳴周波数Ｐ３とその信号強度Ｌ３、前記第４共鳴周波数Ｐ４とその信号強度Ｌ４を、それぞれ演算して求める。
さらに、前記第２共鳴周波数Ｐ２の信号強度Ｌ２と前記第３共鳴周波数Ｐ３の信号強度Ｌ３との比率Ｒ２３（＝Ｌ２／Ｌ３）、および、前記第２共鳴周波数Ｐ２の信号強度Ｌ２と前記第４共鳴周波数Ｐ４の信号強度Ｌ４との比率Ｒ２４（＝Ｌ２／Ｌ４）を演算して求める。なお、これらの比率の演算は、それぞれのｄＢ値の減算に置き換えることが可能であることは当然である。
そして、前記２つの比Ｒ２３とＲ２４との差Ｄ（＝Ｒ２３−Ｒ２４）を演算して求める。

なお、以下においては、図３に示したような共鳴周波数が発生する理由を検討してみる。
図３に示したような共鳴周波数は、振動による力が青果物の内部に伝播され、内部の物理的性質により発生するものである。
青果物を球体と仮定すると、球体の内部の力は以下のような式で表現できる。
球体内の力＝ズレ弾性定数×ズレ変位＋圧縮弾性定数×圧縮変位
この式をもとに、球体内部の弾性エネルギーを導くと、次の式が得られる。
球体内の弾性エネルギー＝
１／２（ズレ弾性定数×ズレ変位²＋圧縮弾性定数×圧縮変位²）
この式に実際の青果物としてのスイカの標準的な定数を当てはめて、内部の弾性エネルギー密度を求めると図６が得られる。
この図に示されるように、スイカの内部の弾性エネルギー密度は共鳴周波数により分布が異なる。即ち、第２共鳴周波数の内部弾性エネルギー密度は中心部が最も高く、第３共鳴周波数の内部弾性エネルギー密度は中心部より若干表面に近い部分が最も高く、第４共鳴周波数の内部弾性エネルギー密度は更に表面に近い部分が最も高くなっている。
一般にスイカの棚落ちの原因は次の２点に集約される。
１）割れの発生
割れは、スイカを縦に４等分あるいは６等分に切った時に中心部から若干表面（皮）に近い部分で、且つ、タネのある位置より少し中心側に生じる。
２）鬆の発生
鬆はタネの周囲に生じる隙間であり、これが生じ始めるとスイカ特有のシャキシャキした食感が失われる。
さて、図６の弾性エネルギー密度の分布を観察すると、第２共振周波数のエネルギーは中心部近傍に集中しているため、この部分に変化が起こらなければ、そのエネルギーは加振された反対側に正常に伝播されるので、第２共振周波数の信号強度に変化は生じない。ところが、タネの周辺に亀裂や鬆が生じると、その空間でエネルギーは摩擦などのために熱として散逸され、エネルギーが減少する。従って、加振されたエネルギーは反対側に正常に伝播しない。このため、第３共鳴周波数および第４共鳴周波数の信号強度は低下する。
実際に鬆が発生しているスイカと、正常なスイカのスペクトル分布を図４に示した、図４における実線は正常なスイカのスペクトル分布であり、鎖線は鬆が発生しているスイカのスペクトル分布である。
正常なスイカの場合には、第３共鳴周波数と第４共鳴周波数の信号強度は、第２共鳴周波数の信号強度よりわずかに低いものとして現れている。しかし、鬆の入ったスイカの場合には、第３共鳴周波数と第４共鳴周波数の信号強度は、第２共鳴周波数の信号強度より著しく低いものとして現れている。また、各共鳴周波数が正常なスイカの場合に比べて低い周波数側にシフトしているのは、鬆の入ったスイカの方が日数が経過し内部の弾性率が低下しているからである。
この図に示されているように、内部品質は、第２共鳴周波数に対する第３、第４共鳴周波数の信号強度の相対的な低下の程度を算出することにより、数値的に表現することが可能であることが理解される。

以上の検討に基づいて、本発明の評価方法の手順を、図２のフローチャートを参照して、更に説明する。
ステップＳ５において、前記前記２つの比Ｒ２３とＲ２４との差Ｄ（＝Ｒ２３−Ｒ２４）を、予めデータベースＤＢに登録しておいた評価基準Ｄ_refと比較して、所定の関係、例えばＤ＜Ｄ_refが成立したときには、その青果物は、図４に鎖線で示したように、第３共鳴周波数の信号強度に比して第４共鳴周波数の信号強度が大きく小さくなっており、内部に割れもしくは鬆が発生していることが想定されるので、内部品質が「不合格」であると評価し、その旨を、例えば表示部３４に表示する。
そして、Ｄ≧Ｄ_refが成立したときには、その青果物は、第３共鳴周波数の信号強度に比して第４共鳴周波数の信号強度がそれほど小さくはなく、内部に割れもしくは鬆が発生していないと想定されるので、内部品質が「合格」であると評価し、その旨を、例えば表示部３４に表示する。

次に、鬆や割れの発生の程度によっては、第３共鳴周波数が明瞭に検出できない場合がある。このような場合には、第３共鳴周波数を第２共鳴周波数の1.3倍〜1.5倍の周波数に設定し、その周波数領域の中央の周波数の信号強度、もしくはその周波数領域の平均の信号強度を、第３共鳴周波数の信号強度Ｌ３として評価に用いるものとする。
なお、評価対象の青果物のポアソン比は実験によって０〜0.5の範囲であることが確認されているので、その場合の第３共鳴周波数と第２共鳴周波数との比率は1.3〜1.5であり、第４共鳴周波数と第２共鳴周波数との比率は1.8〜2.0であることが、図５に示したように数値解析によって得られた。
従って、第４共鳴周波数が明瞭に検出できない場合には、第４共鳴周波数を第２共鳴周波数の1.8倍〜2.0倍の周波数に設定し、その周波数領域の中央の周波数の信号強度、もしくはその周波数領域の平均の信号強度を、第４共鳴周波数の信号強度Ｌ４として評価に用いるものとする。

なお、前記データベースＤＢには、評価対象の青果物の種類や品種や大きさ等に応じた評価基準を予め実験等によって求めて設定登録しておき。評価対象に応じて前記設定登録していた評価基準を呼び出して使用する。

本発明は、以上の説明に限らず、種々の実施形態が可能である。
例えば、前記発振部１１で発振出力する低周波信号は、前述したようなスイープ信号に限らず、ピンクノイズやホワイトノイズのように広帯域の周波数成分の含んだ信号や、矩形波のように単発振動波形ではあるが、低周波から高周波までの広帯域の周波数成分の含んだ信号としてもよい。そして、振動を与えるために用いる低周波信号の周波数成分は、10Ｈｚから2,000Ｈｚまでの範囲に限定されるものではなく、評価対象の青果物の大きさなどによって適宜選定することが好ましい。一般的には、同じ種類の青果物の場合には、評価対象の径が小さな場合には、第3共鳴周波数や第4共鳴周波数がより高くなるので、振動を与えるために用いる低周波信号としても、より高い周波数の信号を与えるものとする。
また、青果物の他の一部に伝わる振動を検出する手段としては、レーザードップラー法による非接触式の検出手段に限らず、圧電素子等の接触式の検出手段を用いても良い。
また、第４共鳴周波数の情報は利用せずに、より簡便には、前記第２共鳴周波数Ｐ２の信号強度Ｌ２と前記第３共鳴周波数Ｐ３の信号強度Ｌ３との比率Ｒ２３（＝Ｌ２／Ｌ３）だけを利用してもある程度の評価が可能である。また、第３共鳴周波数の情報は利用せずに、より簡便には、前記第２共鳴周波数Ｐ２の信号強度Ｌ２と前記第４共鳴周波数Ｐ４の信号強度Ｌ４との比率Ｒ２４（＝Ｌ２／Ｌ４）だけを利用してもある程度の評価が可能である。

本発明は、種々の青果物の内部の品質の評価に応用することができる。

本発明にかかる評価方法に用いる装置の実施形態の構成図である。前記装置を用いた評価方法の手順を説明するフローチャートである。スイカの共鳴周波数のスペクトル分布の例である。正常なスイカと鬆が入ったスイカのスペクトル分布の対比例である。第２共鳴周波数に対する第３および第４共鳴周波数の比率を示すグラフである。球体の内部の弾性エネルギー分布を示す図である。

符号の説明

１０青果物の内部品質評価装置
１振動手段
１１発振部
１２アンプ
１３振動子
２検出手段
２１レーザー送受信部
２２駆動部
２３Ａ／Ｄ変換部
３解析装置
３１ＦＦＴ演算部
３２解析部
３３評価部
３４表示部
３５制御部
ＤＢデータベース
Ｔ青果物、スイカ

Claims

評価対象の青果物の一部に振動を与えて、当該青果物の他の一部に伝わる振動を検出して、検出した振動に基づいて前記青果物の第２共鳴周波数、第３共鳴周波数、および第４共鳴周波数の信号強度を得て、前記第２共鳴周波数の信号強度と前記第３共鳴周波数の信号強度との比率と、前記第２共鳴周波数の信号強度と前記第４共鳴周波数の信号強度との比率とを求め、
前記２つの比率に基づいて、予め設定された評価基準を参照することによって、前記青果物の内部品質を評価することを特徴とする青果物の内部品質の評価方法。
前記２つの比率の差に基づいて、予め設定された評価基準を参照することを特徴とする請求項１に記載の青果物の内部品質の評価方法。
評価対象の青果物の一部に与える振動は、
少なくとも10Ｈｚから2,000Ｈｚまでスイープする低周波信号、
少なくとも10Ｈｚから2,000Ｈｚまでの低周波信号を含んだピンクノイズ信号、
少なくとも10Ｈｚから2,000Ｈｚまでの低周波信号を含んだホワイトノイズ信号、あるいは、
少なくとも10Ｈｚから2,000Ｈｚまでの低周波信号を含んだ矩形波信号
のうちの少なくとも何れかひとつの信号に基づいた振動であることを特徴とする請求項１、２の何れか１項に記載の青果物の内部品質の評価方法。
評価対象の青果物の一部に与える振動は、
前記青果物に物理的な衝撃を与えて発生させることを特徴とする請求項１、２の何れか１項に記載の青果物の内部品質の評価方法。
第２共鳴周波数、第３共鳴周波数、および、第４共鳴周波数は、高速フーリエ変換によって決定することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の青果物の内部品質の評価方法。
第３共鳴周波数は、第２共鳴周波数の1.3倍〜1.5倍の何れかの周波数に決定することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の青果物の内部品質の評価方法。
第４共鳴周波数は、第２共鳴周波数の1.8倍〜2.0倍の何れかの周波数に決定することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の青果物の内部品質の評価方法。
評価対象の青果物の一部に振動を与える振動手段と、
前記青果物の他の一部に伝わる振動を検出する検出手段と、
検出した振動に基づいて前記青果物の第２共鳴周波数、第３共鳴周波数、および第４共鳴周波数の信号強度を得て、前記第２共鳴周波数の信号強度と前記第３共鳴周波数の信号強度との比率と、前記第２共鳴周波数の信号強度と前記第４共鳴周波数の信号強度との比率とを求め、前記２つの比率に基づいて、予め設定された評価基準を参照することによって、前記青果物の内部品質を評価する評価手段と、
を備えていることを特徴とする青果物の内部品質の評価装置。