JP4712147B2 - Laser irradiation method, method for producing an article with the skin removed - Google Patents

Laser irradiation method, method for producing an article with the skin removed Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本願発明は表皮で覆われた物、例えばジャガイモ、リンゴ等の皮を自動で剥く方法、および装置に関する。あるいは、表面に汚れが付着したものの汚れを除去する方法、および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
食材の皮を剥く作業を自動化しようという試みが古くからなされてきたのは、歴史が物語るところである。ジャガイモ等の皮を自動で剥く装置、方法は一般に広く用いられており、これにより弁当の販売や、缶詰の製造、菓子類の製造といった食品業界のオートメーション化が進んだ。自動皮剥き器を利用している菓子類としては、ポテトチップスに代表されるのスナック菓子などがある。自動皮むき器を利用している缶詰としては、桃やブドウ、ミカンの缶詰等がある。これらの皮の剥き方として、代表的な方法を以下に挙げる。
【0003】
まず、ジャガイモの皮を剥く場合を例に挙げる。
ジャガイモを互いにふれあう状態とし、摩擦により皮を削り取る方法がある。回転する容器の中に大量のジャガイモを入れ、ジャガイモが互いにふれあう状態を作る。回転する容器を適当な速度で回転させることにより、ジャガイモが互いに擦れ合う。これにより、皮を摩耗させ、結果的に皮がジャガイモから取り除かれる。このとき、回転する容器の側面は、より効率よく皮が剥けるように細かい突起物で覆われたものとしてもよい。
【0004】
あるいは、スチームピーラーと呼ばれる皮むき器を使って皮を剥く方法がある。この方法では、スチームピーラーのなかに大量のジャガイモを入れて、ジャガイモ表面に高圧の蒸気を浴びせ、皮が柔らかくなったら高圧スプレーで皮を水洗除去する方法が採られる。あるいは、ヤスリピーラーと呼ばれる皮むき器により、ジャガイモ表面を摩擦により削り取る方法もある。
【0005】
次に、ミカンの皮を剥く例を挙げる。
ミカンの皮には、外側の固い皮と内側の半透明の皮があるが、ここでは、ミカンの内側の皮を剥く方法に関して述べる。ミカンの皮は、非常にうすく、又、皮の内側にある身の部分が非常に柔らかいものであることから、ジャガイモのように摩擦にて削り取るようなことは難しい。そこでこの場合、ミカンの皮だけを溶かす薬液にミカンを漬けることにより皮を取り除く方法を採用している。上記の薬液には、一般に水酸化ナトリウムが用いられている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
例えばジャガイモのように互いに摩擦しあうことにより、皮を除去しようとすると、どうしても皮の下にある身の部分まで削れてしまう。皮と身の間の部分というのは、栄養価の高いことで知られており、この部分が産業廃棄物として捨てられるのは好ましくない。
【0007】
また、ジャガイモの皮のような産業廃棄物は他に流用することが困難であり、できるだけ量を減らした方がよい。ジャガイモの皮は腐りにくいので、肥料として再利用するには適当でない。また、動物の餌としても不適当である場合が多い。
【0008】
上記で紹介したスチームピーラーを用いて皮を剥く方法においては、スチームピーラーを使って皮を剥かれたジャガイモの表面が加熱されてしまうので、味の変質が避けられない。また、本方法も皮むき後のジャガイモの容積が、必要以上に減ってしまう欠点を有している。本発明は、効率よく皮の極表面のみを取り除く装置、および方法を提供する。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本出願人は、強い光を効率よく食材の表皮に照射することにより前記食材の表面をアブレーションさせ皮を取り除く方法を考案した。
【0010】
例えば、ジャガイモの皮をYAGレーザ(波長1.06μm)を用いて剥くことを考える。ジャガイモは、その皮のすぐ下に水分を多く含む層がある。皮付きのジャガイモに向かってYAGレーザを照射すると、瞬間的にその水分を多く含んだ領域あたりまでレーザのエネルギーが吸収される。より多くのエネルギーを前記領域に吸収させるために、あらかじめジャガイモを水分で湿らせておいてもよい。
【0011】
このとき、適当なエネルギー密度でレーザビームをジャガイモに照射すると、ちょうどジャガイモの皮のみがアブレーションを起こし、皮がジャガイモから取り除かれる。除去された皮は、たとえば、空気を吹き付けることによりジャガイモの身の部分から完全に分離させる。本明細書中、被照射体に空気を吹き付ける装置を、空気噴射装置と呼ぶこととする。あるいは、水洗により両者を完全に分離してもよい。本明細書中、被照射体に水をかける装置を、水噴射装置と呼ぶこととする。レーザビームをジャガイモに照射しなからジャガイモを水洗する場合は、レーザビームが水により減衰されにくい波長を持った光をジャガイモに照射しなければならない。その点では、YAGレーザの基本波(波長1μm程度)を使うと、水に対する吸収が少ないので都合がよい。一方、波長2μm以上(例えばCO2レーザなど)のやや波長の長い光は、水に対する吸収が比較的高いので、水洗ではなく空気の流れを作って皮を飛ばす方法を採る方が適当である。あるいは、レーザの照射が行われた後、水洗する方法を採ってもよい。あるいは、レーザの照射されているジャガイモを、レーザビームをなるべく遮らないように水洗する方法、例えば、レーザビームをジャガイモの上方から照射している最中に、ジャガイモの下方から水をジャガイモにかけ水洗する方法を採ってもよい。
【0012】
ジャガイモの皮は、ジャガイモの身とは別の部分に回収され処理される。前記回収は、例えば、ジャガイモの皮が空気で吹き飛ばされてくる場所に回収のための容器を設置することにより行う。あるいは、ベルトコンベアを用意し、吹き飛ばされてきたジャガイモの皮を前記ベルトコンベアに乗せ、所望の回収場所に移動させてもよい。水洗により分離されたジャガイモの皮は、水路を形成することにより、回収場所まで運んでもよい。被照射体を水洗するのは、レーザを照射しながらでもよいし、レーザの照射が終了した後でもかまわない。
【0013】
ジャガイモは不定形の立体であることから、レーザビームをジャガイモの表面全体に照射するためには、ジャガイモをレーザビームに対し相対的に回転させる必要が生じる。回転の手段としては、例えば、回転対称の軸を中心に回転する円筒(本明細書中では、円筒状のころと呼ぶこととする。)を並列に並べた上にジャガイモを乗せて転がせばよい。円筒の半径を最適化することで、ジャガイモが効率よく回転するようにする。あるいは、各円筒状のころの回転速度をそれぞれ変えることで回転効率を上げることもできる。回転する円筒それぞれの回転方向を同一に揃えると、ジャガイモは一方向に進むので、回転する円筒の列がベルトコンベアと同等の役割を果たす。よって、ジャガイモの皮むきと運搬を同時に処理できるので、大量にジャガイモの皮むきを行うときに効率がよい。
【0014】
レーザビームは、ジャガイモの上方から、もしくは、回転する円筒の列の隙間から、もしくはそれら両方から照射するとよい。もしくは、その他の方向から照射してもよい。
【0015】
ジャガイモの回転手段としては、前述のもの以外に球状の回転するものをマトリクス状に配置し、その上にジャガイモを乗せてもよい。このとき、前記の手段と同様、回転する方向を揃えておけばジャガイモを1方向に運搬することが可能となる。これは、大量生産のラインを組むときに都合がよい。あるいは、ジャガイモを鋭利なフォークで刺した状態にしたまま、フォークを中心に回転させながらレーザビームを照射してもよい。
【0016】
あるいは、回転させる代わりにレーザビームを被照射体の表面全体に照射する手段を用いてもよい。具体的には、例えば、レーザビームの進行方向に垂直な面における断面形状が面状に加工されたレーザビームを被照射体の上下または左右またはその他の方向から前記被照射体に照射するとよい。あるいは、前記断面形状が線状に加工されたレーザビームを被照射体の上下または左右またはその他の方向から前記被照射体に照射し、その間前記被照射体をレーザビームに対して相対的に走査させるとよい。走査によりレーザビームが被照射体の表面全体に照射される。
【0017】
本工程において注意しなければならないことは、被照射体が立体であることにある。よって、断面形状が線状または面状に加工されたレーザビームが被照射体に与えるエネルギー密度が被照射体の表面においていたるところで一定である必要が生じる。このようなレーザビームを得るためには、レーザビームの進行に伴って断面形状がほとんどかわらない平行光に近いレーザビームを形成すればよい。実際にこのようなレーザビームを皮むきに使用する場合、被照射体の存在する領域を横切るレーザビームがほぼ平行光に近いものとなっていればよい。
【0018】
現在の技術水準で、産業に利用できる高出力のレーザ装置のエネルギーは、1J/P程度、非常に高価なものでも、20J/P程度である。ジャガイモの皮をむくために必要なエネルギー密度は、少なくとも数J/cm2必要であることから、面状に加工されたレーザビームをジャガイモ全体に一度に照射して皮を剥くことは現実的ではない。一方、線状に加工されたレーザビームを、被照射体に対し相対的に走査させながら照射すると、ジャガイモの皮を剥くのに十分なエネルギー密度が得られるので現実的である。
【0019】
例えば、1J/Pのレーザ装置を使って、幅0.05cm、長さ20cmの線状レーザビームを作ると10J/cm2のレーザビームが得られる。このエネルギーはジャガイモの皮を剥くのには十分なエネルギーである。ジャガイモの皮を剥くための最適なエネルギーはレーザ装置によって異なるので、エネルギーの決定は実施者が適宜行わねばならない。なぜならば、最適エネルギーはレーザ装置のパルス幅(パルス発振のレーザ装置における1パルスの発光時間)や、レーザの波長に依存するからである。
【0020】
図2に平行光に近い線状のレーザビームを被照射体に照射する場合(図2(A)参照)と、平行光でない線状のレーザビームを被照射体に照射する場合(図2(B)参照)との違いを示す。まず、図2(A)に沿って説明する。レーザ発振器201から出たレーザビームは、凹(凸でもよい。)シリンドリカルレンズ202により拡大される。凹シリンドリカルレンズ202により拡大されたレーザビームは、凸シリンドリカルレンズ203により、平行光線に加工され、断面形状が線状のレーザビームとなる。凹シリンドリカルレンズ202と凸シリンドリカルレンズ203の組み合わせ、ビーム幅を変化させる光学系は一般にビームエキスパンダーと呼ばれている。
【0021】
このままでは、レーザビームのエネルギー密度が十分でない場合があるので、凸シリンドリカルレンズ204と凹シリンドリカルレンズ205の組み合わせにより、線状のレーザビームをより細い平行光とし、立体の被照射体206に照射する。凸シリンドリカルレンズ204と凹シリンドリカルレンズ205の組み合わせは、ビーム幅を狭めるが、これもビームエキスパンダーの1つである。
【0022】
ビームエキスパンダーの組み合わせにより、レーザビームはほぼ平行光に加工されているので、被照射体206の表面の互いに異なる点 a と点 b に照射されるレーザビームのエネルギー密度はそれぞれオーダーで等しい。凹シリンドリカルレンズ205を出たレーザビームが被照射体206を配置するための床214に達するまでの範囲は本明細書中で照射領域213と呼んでいる部分である。次に、図2(B)に沿って説明する。
【0023】
レーザ発振器207から出たレーザビームは、凹(凸でもよい。)シリンドリカルレンズ208により拡大される。次に凸シリンドリカルレンズ209により平行光に加工される。凹シリンドリカルレンズ208と凸シリンドリカルレンズ209との組み合わせもビームエキスパンダーである。線状レーザビームのエネルギー密度を高めるために、凸シリンドリカルレンズ210をつかう。これにより、線状レーザビームはある直線211で焦点を結ぶので、前記直線211上では非常に高いエネルギー密度が得られる。
【0024】
前記直線211上にない被照射体212表面の点cと、直線211上にある点dにおけるレーザビームのエネルギー密度は、オーダーで異なる。被照射体は床215に配置される。被照射体212をジャガイモとすると、点cではジャガイモの皮が全く剥けないが、点dではジャガイモの皮が焦げてしまって火災が起きるようなことになりかねない。
【0025】
このように、本発明で使用するレーザビームは、平行光に近いほどよい。使用するレーザビームが平行光でなくても、極めて平行光に近いものであればよい。例えば図2(B)において、凸シリンドリカルレンズ210の焦点距離を非常に長いものとして、その焦点位置が照射領域にこないようにする。このような系でも、本発明の目的は達成できる。光学系の関係でレーザビームを集光し焦点を作らなければならないときは、その焦点の位置に物体を置いてはいけない。焦点の位置に物体があると火災の原因になる。
【0026】
上述した方法はレーザビームの光路を固定し、被照射体のみを動かす方法であるが、これでは加工効率が悪い。レーザビームを被照射体に照射できる領域が、非常に狭いからである。本明細書中では、被照射体にレーザビームが照射できる領域のことを照射領域と呼ぶこととする。図2(A)を例にとると照射領域はシリンドリカルレンズ205から下方の部分の領域213をさす。
【0027】
レーザビームの光路を被照射体に対して動かすことにより照射領域の体積を増やし、加工効率を飛躍的に向上させる方法を以下に述べる。被照射体とレーザビームの光路が同時に動いている状態を最適化すると非常に効率のよい皮むきが行える。ここでいう動作とは、地面に対する相対的な動作を指す。
【0028】
まず、レーザビームの光路を動かす方法を述べる。レーザビームは、一般に直進性をもち、光学系等を用いることによりその進路を曲げられる。よって、レーザビームの光路を動かす方法には、ミラーを振動させることにより、ミラーに照射されたレーザビームの進行方向を素早く変更させる方法や、レーザビームを光ファイバーに通し光ファイバーの柔軟性を利用して動かす方法等がある。ミラーを振り子のように振動させることができる装置には、ガルバノメータと呼ばれるものがある。
【0029】
本発明では、例えば光ファイバーを使ってジャガイモ表面に効率良くレーザビームを照射する方法、および装置を提供する。光ファイバーを使う利点は、レーザビームの光路を簡単に変更できることと、レーザビームの形状の変更の容易性などにある。
【0030】
光ファイバーに適応できるレーザには、例えばYAGレーザがある。YAGレーザのビームサイズは様々であるが、1J/Pの出力をもつものであればだいたい1cm2オーダーである。光ファイバーは、例えば直径1mm程度のものを使う。光ファイバーは細い繊維のようなものであり、その内部は大きくわけて3層構造になっている。光ファイバーの中心にはコアと呼ばれる部分があり、その周りにはコアよりも屈折率の小さいクラッドと呼ばれる部分がある。その外側には保護膜がある。レーザビームはコアと呼ばれている部分を通る。コアを伝搬中のレーザビームがクラッドに当たると全反射と呼ばれる現象が起こり、前記レーザビームはコア内にとどまる。全反射を繰り返すことにより、レーザビームはほとんど減衰されることなく伝搬される。直径1mmの光ファイバーを複数本集めて束にし、YAGレーザのビームサイズにあわせた形で、YAGレーザのレーザビームをファイバーの束に入射させる。これにより光ファイバーにYAGレーザを通すことができる。
【0031】
光ファイバーの束は柔軟性があるため、光を入射させる側と光を出す側の形を変更することが極めて容易である。本明細書で使用するYAGレーザの形状は円状であり、ジャガイモの表面全体にレーザを照射させるにはあまり効率のよい形状ではない。これに光ファイバーを用いることで、例えばレーザビームの形状を線状とすることができる。
【0032】
図3を使って、光ファイバーで線状のレーザビームを得る方法を説明する。直径1cmのビームサイズを持つYAGレーザ301を用いた場合、直径1mmの光ファイバー303を約100本集めて円状に束ね、YAGレーザを前記光ファイバーの束に入射させる。このとき、レーザのエネルギーを効率良く利用するために、細かい複数の凸レンズで構成されるマイクロレンズアレイ302を用いるのが効果的である。マイクロレンズアレイ302に含まれている個々の細かいレンズを光ファイバー1本1本に対応させることで光ファイバーのコア303bの部分のみにレーザビームを入射させることができる。(図3中に描かれた光ファイバーの1本を断面図とした。コア303bのまわりを覆っているものがクラッド303aである。)直径1mm程度の光ファイバーであれば、コアの直径は数百μmとなる。よって、前記光ファイバーのコア部分のみにレーザビームを入射させるためには、直径1mmの凸レンズを個々の光ファイバーに対応させて配置すればよい。前記レンズの焦点距離は、光ファイバーの光の伝搬効率が最も高くなるように選ぶ。すなわち、クラッド303aとコア303bの境界で全反射条件をみたす角度でレーザビームが光ファイバーに入るように前記焦点距離を設定する。
【0033】
レーザビームが出る側の光ファイバーの束304の形状は例えば線状とするとジャガイモに効率よくレーザビームを照射することができるので都合がよい。線状に加工されたレーザビームをジャガイモに照射するとき、光ファイバーの柔軟性を利用して線状に束にされた光ファイバーを線状レーザビームの線方向に対し直角方向305に振動させることにより、ジャガイモ309の表面にレーザビームを効率よく照射することが可能となる。このとき、レーザビームを照射させながらジャガイモが回転すれば、ジャガイモ表面全体にレーザビームを照射することができる。
【0034】
光ファイバーから出たレーザビーム306は拡がりながら進むため、個々の光ファイバーから出たレーザビームをそれぞれ適当な凸レンズ307に入射させ、平行光308を得ると本発明の加工効率が著しく向上する。簡単のため、前記凸レンズを複数設ける代わりに、1つのシリンドリカルレンズに光ファイバーから出てきたレーザビームをすべて入射させレーザ光の拡がりを抑えてもよい。
【0035】
上記の方法以外に線状のレーザビームをミラーの振動により、地面に対し相対的に動かす方法をとってもよい。この場合は、シリンドリカルレンズ等を使ってレーザビームを拡大した後、線状にするために適当なビームエキスパンダー(この場合はビーム幅を細くするものを使う。)にてレーザビームを絞り、振動するミラーはレーザビームの光路の適当な場所に入れればよい。この方法に関しては、実施例にて詳しく述べる。
【0036】
上述したレーザ以外には、ガラスレーザ、CO2レーザ、YAGレーザの第2高調波、第3高調波、等が本発明に適用できる。また、本発明はジャガイモの皮むきに限定されるものではなく同様の食材に利用できることは、当業者が容易に推測できる。たとえば、本発明は、里芋の皮、リンゴの皮や、柿の皮の除去等に利用できる。また、食材の表面についた土等の不要なものの除去にも利用できる。
【0037】
すなわち本発明は、照射領域においてレーザビームの進行方向に対し垂直な面での断面形状が線状であるレーザビームを被照射体に照射する手段と、
前記被照射体を回転させながら前記レーザビームを前記被照射体の表面に照射する手段と、
前記被照射体から除去された不要なものを処理する手段と、
を有することを特徴とするレーザ照射装置である。
【0038】
本発明の他の構成は、
照射領域においてレーザビームの進行方向に対し垂直な面での断面形状が線状であるレーザビームを被照射体に照射する手段と、
前記被照射体を回転させながら前記レーザビームを前記被照射体の表面に照射する手段と、
前記被照射体から除去された不要なものを処理する手段と、
を有し、
前記断面形状が線状であるレーザビームは光ファイバーを介し前記線状の形状が形成されることを特徴とするレーザ照射装置である。
【0039】
本発明の他の構成は、
照射領域においてレーザビームの進行方向に対し垂直な面での断面形状が線状であるレーザビームを表皮で覆われた食材の表面に照射する手段と、
前記食材を前記レーザビームに対し相対的に回転させる手段と、
前記表皮を処理する手段と、
を有することを特徴とするレーザ照射装置である。
【0040】
本発明の他の構成は、
表皮で覆われた食材の前記表皮に湿気を与える手段と、
照射領域においてレーザビームの進行方向に対し垂直な面での断面形状が線状であるレーザビームを前記表皮で覆われた食材の表面に照射し、前記表皮をアブレーションさせる手段と、
前記食材を前記レーザビームに対し相対的に回転させる手段と、
前記表皮を処理する手段と、
を有することを特徴とするレーザ照射装置である。
【0041】
本発明の他の構成は、
照射領域においてレーザビームの進行方向に対し垂直な面での断面形状が線状であるレーザビームを表皮で覆われた食材の表面に照射すると同時、または前記照射の後に、水を前記食材の表面に噴射する手段と、
前記食材を前記レーザビームに対し相対的に回転させる手段と、
前記表皮を処理する手段と、
を有することを特徴とするレーザ照射装置である。
【0042】
本発明の他の構成は、
表皮で覆われた食材の前記表皮に湿気を与える手段と、
照射領域においてレーザビームの進行方向に対し垂直な面での断面形状が線状であるレーザビームを前記表皮で覆われた食材の表面に照射し、前記表皮をアブレーションさせると同時、または前記照射の後に、水を前記食材の表面に噴射する手段と、
前記食材を前記レーザビームに対し相対的に回転させる手段と、
前記表皮を処理する手段と、
を有することを特徴とするレーザ照射装置である。
【0043】
上記何れの発明に関しても、前記レーザビームは、YAGレーザ、または、YVO4レーザ、または、ガラスレーザ、または、CO2レーザであると大出力が容易に得られるのでよい。大出力レーザを用いると、加工効率が上がるので大量生産に都合がよい。また、複数のレーザを用いてもよい。あるいは、複数の異なるレーザビームを用いても良い。
【0044】
上記何れの発明に関しても、前記処理する手段は、空気噴射装置を含むと処理効率が上がるのでよい。あるいは水洗により取り除く装置(水噴射装置)を含むと処理効率が上がるのでよい。
【0045】
上記何れの発明に関しても、前記断面形状が線状であるレーザビームは、前記レーザビームの進行方向を前記照射領域で変化させる手段を有すると、処理効率が上がるので好ましい。前記レーザビームの進行方向を変化させる手段としては、ガルバノメータなどが適当である。
【0046】
本発明の他の構成は、
照射領域においてレーザビームの進行方向に対し垂直な面での断面形状が線状であるレーザビームを形成する工程と、
被照射体を回転させながら前記レーザビームを前記被照射体の表面に照射する工程と、
前記被照射体から除去された不要なものを処理する工程と、
を有することを特徴とするレーザ照射方法である。
【0047】
本発明の他の構成は、
照射領域においてレーザビームの進行方向に対し垂直な面での断面形状が線状であるレーザビームを形成する工程と、
被照射体を回転させながら前記レーザビームを前記被照射体の表面に照射する工程と、
前記被照射体から除去された不要なものを処理する工程と、
を有し、
前記断面形状が線状であるレーザビームは光ファイバーを介し前記線状の形状が形成されることを特徴とするレーザ照射方法である。
【0048】
本発明の他の構成は、
照射領域においてレーザビームの進行方向に対し垂直な面での断面形状が線状であるレーザビームを形成する工程と、
表皮で覆われた食材を回転させながら前記レーザビームを前記食材の表面に照射する工程と、
前記表皮を処理する工程と、
を有することを特徴とするレーザ照射方法である。
【0049】
本発明の他の構成は、
表皮で覆われた食材の前記表皮に湿気を与える工程と、
照射領域においてレーザビームの進行方向に対し垂直な面での断面形状が線状であるレーザビームを形成する工程と、
前記表皮で覆われた食材を回転させながら前記レーザビームを前記食材の表面に照射し、前記表皮をアブレーションさせる工程と、
前記表皮を処理する工程と、
を有することを特徴とするレーザ照射方法である。
【0050】
本発明の他の構成は、
照射領域においてレーザビームの進行方向に対し垂直な面での断面形状が線状であるレーザビームを形成する工程と、
表皮で覆われた食材を回転させながら前記レーザビームを前記食材の表面に照射すると同時、または前記照射の後に、水を前記食材の表面に噴射する工程と、
前記表皮を処理する工程と、
を有することを特徴とするレーザ照射方法である。
【0051】
本発明の他の構成は、
表皮で覆われた食材の前記表皮に湿気を与える工程と、
照射領域においてレーザビームの進行方向に対し垂直な面での断面形状が線状であるレーザビームを形成する工程と、
前記表皮で覆われた食材を回転させながら前記レーザビームを前記食材の表面に照射し、前記表皮をアブレーションさせると同時、または前記照射の後に、水を前記食材の表面に噴射する工程と、
前記表皮を処理する工程と、
を有することを特徴とするレーザ照射方法である。
【0052】
上記いずれのレーザ照射方法においても、前記レーザビームは、YAGレーザ、または、YVO4レーザ、または、ガラスレーザ、または、CO2レーザであると処理効率が高く好ましい。
【0053】
上記いずれのレーザ照射方法においても、前記処理する工程は、空気を噴射させる工程を含むと、処理の効率が上がるので好ましい。あるいは、前記処理する工程は、水を噴射させる工程を含むと、処理の効率が上がるので好ましい。
【0054】
上記いずれのレーザ照射方法においても、前記断面形状が線状であるレーザビームの進行方向が、前記照射領域において変化する工程を有すると、前記除去の効率が上がるので好ましい。
【0055】
【発明の実施の形態】
まず、被照射体としてジャガイモを用い、レーザビームを照射することで前記ジャガイモの皮を除去する方法を述べる。
【0056】
図1にレーザ照射装置を図示する。レーザ発振器101には、光ファイバーの束103を通せるレーザビームを発生させることのできるものを用いる。たとえば、YAGレーザが使える。レーザ発振器から出たレーザビームはマイクロレンズアレイ102により、複数の焦点を結ぶ。これら複数の焦点の直前、または直後にそれぞれの焦点に対応させて光ファイバーの束103を配置し、前記光ファイバーのそれぞれにレーザビームを入射させる。
【0057】
通常レーザビームは円状もしくはアスペクト比が1桁である長方形状の形をしているので、マイクロレンズアレイ102もレーザビームの形状に合わせて作る。光ファイバーをマイクロレンズアレイのアレイの数と同じ本数だけ用意する。光ファイバーはレーザビームの形状(一般に円状もしくは長方形状)を変化させる目的で使用する。
【0058】
ジャガイモの皮をジャガイモの身から分離させるのに効率のよい形状は、例えば、線状のレーザビームである。線状のレーザビームを得るためには、光ファイバーの束のレーザビームが出る側を線状に並べればよい。このときエネルギーが偏らないように、比較的強いレーザビームが入射している光ファイバーと、比較的弱いレーザビームが入射している光ファイバーとを交互に配置し、エネルギーの均一化を図るとよい。
【0059】
レーザ発振器から線状のレーザビームが形成されるまでの装置の構成は、図3に示したものと同じものとする。すなわち、光ファイバーの束103に含まれる個々の光ファイバーから出るレーザビームの直後に凸レンズ104を配置し、レーザ光を平行光に加工する。
【0060】
洗浄器等で泥を落とされた皮付きのジャガイモ105aは、ジャガイモ入れ106からベルトコンベア107aに乗せられて照射領域108に運ばれる。照射領域108で、ベルトコンベア107aに乗って運ばれたジャガイモは、同一方向に回転する円柱状のころ109が並列にならんだ台にそのまま移動する。隣り合う円柱状のころ109は、ジャガイモ105bが落下しない程度の適当な隙間があいており、これらの隙間からレーザビームがジャガイモ105bに向かって照射される。
【0061】
円柱状のころ109の上をジャガイモ105bが通過するとき、円柱状のころ109の作用により、ジャガイモがよく回転する。これによりレーザビームがジャガイモ105bの表面全体に照射される。同時にジャガイモの進行方向がジグザグになる。このとき、ジャガイモ105bが円柱状のころ109から落下しないように図示しない落下防止壁を設けるとよい。
【0062】
円柱状のころ109によりジャガイモに回転を与えることで、ジャガイモ105bの表面全体にレーザビームを照射させることが可能となる。レーザビームがジャガイモの表面に効率よく照射されるためには、線状のレーザビームを線状のレーザビームの線方向と直角な方向に沿って振り子運動をさせれば、照射領域108が広がるのでよい。あるいは、線状のレーザビームを複数設けるとよい。たとえば、図3に示した装置の構成により、線状のレーザビームを複数形成し、円柱状のころ109の上下に数カ所設けるとよい。このとき、線状に配置された光ファイバーの束の線方向と円柱状のころ109の母線を平行に配置する。本明細書中では、円柱状のころ109の母線とは、円柱表面の曲面に含まれる直線部を指すとする。
【0063】
このようにしてジャガイモ105bの皮はジャガイモの身から分離される。分離されたジャガイモの皮110は、空気噴射装置111から出る空気で飛ばされ廃棄物の回収用容器112に集められる。ジャガイモの身105cは円柱状のころ109からベルトコンベア107bに移り、ジャガイモの回収用容器113に集められる。
【0064】
【実施例】
〔実施例1〕
本実施例では、図3で示した光ファイバーを使い線状のレーザビームを形成する装置、および、方法に関しより具体的に示す。本実施例は図4に沿って説明する。本実施例では、4kWの出力のYAGレーザ401を光源として利用する例を示す。4kW程度の高出力をもつYAGレーザのビームスポットは、一般に大きく直径1cm程度の円状のものが多い。本実施例で示すレーザ装置のレーザ出口でのレーザビームも直径1cmの円状のものとする。
【0065】
まず、直径1cmの円状のレーザビームを、レンズ1つの大きさが1mm四方のマイクロレンズアレイ402に通す。マイクロレンズアレイは、直径1cmのビームすべてが入射できる大きさのものを使う。マイクロレンズアレイの各レンズの焦点距離は、使用する光ファイバーのNAに合わせて設定する。光ファイバーには、マルチモード光ファイバーを使用する。マルチモード光ファイバーの特長は、光ファイバーにレーザを入射させることが比較的容易であることにある。シングルモード光ファイバー、グレーテッドインデックス形光ファイバー等を用いてもよい。シングルモード光ファイバーを使用する場合は、光ファイバーに光を入射させるとき高い精度を要する。
【0066】
光ファイバーの束403の入射側 (a) は、レーザビームの形状に合わせた形(本実施例の場合は円状)になる。一方、光ファイバーの束の出力側 (b) は、ジャガイモ表面に効率良くレーザビームを照射するために、例えば線状の形とする。本実施例で使用するYAGレーザのビームプロファイルはニアガウシアンであるため、円状のレーザビームの中央ほど出力が高くなっている。よって、光ファイバーの束の出力側(b)にある光ファイバーを線状に並べる際、中央付近のエネルギーの強いレーザビームの入射する光ファイバー405と、それ以外の比較的弱いレーザビームが入射する光ファイバー406とを交互に並べ、エネルギーを平均化させるとよい。最後に、線状のレーザビームを平行光とするために、光ファイバーの束403から出たレーザビームを凸レンズ404に入射させる。光ファイバー1本1本に、凸レンズ404を対応させる。凸レンズ404の焦点距離を、光ファイバーの束403から出たレーザビームの拡がりをうち消すようなものとすれば平行光が得られる。
【0067】
〔実施例2〕
本実施例では、振動するミラーを使って、線状レーザビームに振り子運動をさせる装置と方法について記す。
【0068】
ミラーをある軸を中心に素早く振動させ光を素早く移動させる装置として、ガルバノメータと呼ばれるものがある。図5に本実施例で使うガルバノメータを示す。
【0069】
ガルバノメータは、電磁気力を利用してミラーを高速で振動させる装置である。市販されているので容易に入手できる。本明細書で利用できるガルバノメータ501は、線状のレーザビーム502のサイズよりも大きなミラー503をもつ必要がある。ミラー503は、駆動装置505により回転軸504を中心に振動させる。線状のレーザビームを作る装置は、図2(A)に示したシリンドリカルレンズを利用したものでもよいし、図3に示した光ファイバーを利用したものでもよい。
【0070】
もしくは、ガルバノメータの駆動方式を使って、線状に形成された光ファイバーの束を振動させてもよい。この方法は発明実施の形態と組み合わせると光ファイバーから出るレーザビームの振動のスピードを上げられるので都合がよい。例えば、図1の中央に描かれた両端に矢印が付いている曲線に沿って、光ファイバーの束103と凸レンズ104とを振り子運動させる手段としてガルバノメータを使用してもよい。
【0071】
〔実施例3〕
本実施例では、表皮で覆われた食材の表面を水分で湿らせ、レーザの照射による表皮のアブレーションを促進させる例を示す。前述した通り、ある波長領域のレーザは水分に対する吸収が高い。例えば、波長が10μm程度である CO2レーザは、YAGレーザやYVO4レーザやガラスレーザ等と比較して、非常に水分に対する吸収が高いため、本実施例で示す装置、方法に用いると処理効率が高く好ましい。
【0072】
本実施例を図6に沿って説明する。図6は、図1に示したレーザ照射装置とほとんど同じ構成であるため、図1で示したものと同様のものには同一の符号を付けた。
【0073】
まず、ジャガイモ入れ106に入れられたジャガイモ105aに対し、水噴射装置601から出る水をかける。水をかける目的はジャガイモの皮に湿気を与えることなので、ジャガイモに水蒸気を吹き付けることで代用してもよい。この場合、水蒸気の温度はジャガイモを変質させない程度とする。
【0074】
湿気を与えられたジャガイモ105aは発明実施の形態に示した方法と同様の過程を経て、皮が剥かれる。レーザ発振器には、例えば、CO2レーザを用いる。このとき、空気噴射装置111の代わりに、図6に示した水噴射装置602により皮を洗い流がしてもよい。水噴射装置602によりジャガイモに水をかけるのは、ジャガイモにレーザを照射させながらでもよいし、レーザの照射の後でもよい。
【0075】
【発明の効果】
本発明のレーザ照射装置により、ジャガイモの皮を効率よく剥くことが可能になる。また、ジャガイモの皮を非常に薄く剥くことができるので、無駄の少ない食品加工が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 レーザ照射装置の例を示す図
【図2】 線状のレーザビームを形成し、被照射体にレーザビームを照射させる例を示す図。
【図3】 光ファイバーを使ってレーザビームを線状に加工する装置の例を示す図。
【図4】 光ファイバーを使ってレーザビームを線状に加工する装置の例を示す図。
【図5】 線状のレーザビームをガルバノメータを使って振動させる例を示す図。
【図6】 レーザ照射装置の例を示す図
【符号の説明】
101 レーザ発振器
102 マイクロレンズアレイ
103 光ファイバーの束
104 凸レンズ
105 ジャガイモ
106 ジャガイモ入れ
107 ベルトコンベア
108 照射領域
109 円柱状のころ
110 ジャガイモの皮
111 空気噴射装置
112 廃棄物の回収用容器
113 ジャガイモの回収用容器
201 レーザ発振器
202 凹シリンドリカルレンズ
203 凸シリンドリカルレンズ
204 凸シリンドリカルレンズ
205 凹シリンドリカルレンズ
206 被照射体
207 レーザ発振器
208 凹シリンドリカルレンズ
209 凸シリンドリカルレンズ
210 凸シリンドリカルレンズ
211 線状のレーザビームが集光する直線
212 被照射体
213 照射領域
214 床
215 床
301 レーザ発振器
302 マイクロレンズアレイ
303 光ファイバーの束
303a クラッド
303b コア
304 レーザビームが出る側の光ファイバーの束
305 線状のレーザビームの線方向に対し直角方向
306 光ファイバーから出たレーザビーム
307 凸レンズ
308 平行光
309 ジャガイモ
401 YAGレーザ
402 マイクロレンズアレイ
403 光ファイバーの束
404 凸レンズ
405 中央付近のエネルギーの強いレーザビームの入射する光ファイバー
406 比較的弱いレーザビームが入射する光ファイバー
501 ガルバノメータ
502 線状のレーザビーム
503 ミラー
504 回転軸
505 駆動装置
601 水噴射装置
602 水噴射装置
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and an apparatus for automatically peeling a skin covered with an epidermis, such as potatoes and apples. Alternatively, the present invention relates to a method and apparatus for removing dirt on a surface with dirt attached.
[0002]
[Prior art]
History tells us that attempts to automate the process of skinning food have long been made. Devices and methods for automatically peeling potato skins are widely used, and this has led to the automation of the food industry, such as sales of bento boxes, canned foods, and confectionery. Examples of confectionery that uses an automatic peeler include snacks typified by potato chips. Examples of canned foods that use an automatic peeler include peaches, grapes, and mandarin oranges. Typical methods for peeling these skins are listed below.
[0003]
First, take the case of peeling potato skin as an example.
There is a method in which potatoes are brought into contact with each other and the skin is scraped off by friction. Put a large amount of potatoes in a rotating container and make the potatoes touch each other. By rotating the rotating container at an appropriate speed, the potatoes rub against each other. This causes the skin to wear and consequently the skin is removed from the potato. At this time, the side surface of the rotating container may be covered with fine protrusions so that the skin can be peeled off more efficiently.
[0004]
Alternatively, there is a method of peeling using a peeler called a steam peeler. In this method, a large amount of potatoes is put in a steam peeler, high pressure steam is bathed on the surface of the potatoes, and when the skin becomes soft, the skin is washed and removed with a high pressure spray. Alternatively, there is a method of scraping the potato surface by friction with a peeler called a file peeler.
[0005]
Next, the example which peels a mandarin orange is given.
There are two types of citrus peels: an outer hard skin and an inner translucent skin. Here, we will describe how to peel the inner mandarin peel. The peel of mandarin orange is very light, and the body part inside the peel is very soft, so it is difficult to scrape it off like a potato. Therefore, in this case, a method of removing the skin by immersing the mandarin in a chemical solution that dissolves only the mandarin skin is adopted. In general, sodium hydroxide is used in the chemical solution.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
For example, if you try to remove the skin by rubbing each other like potatoes, you will shave even the body part under the skin. The part between the skin and the body is known for its high nutritional value, and it is not preferable that this part be discarded as industrial waste.
[0007]
Also, industrial waste such as potato skin is difficult to divert, and it is better to reduce the amount as much as possible. Potato skin is hard to rot and is not suitable for reuse as fertilizer. In many cases, it is also unsuitable as animal food.
[0008]
In the method of peeling using the steam peeler introduced above, the surface of the potato peeled using the steam peeler is heated, so that the quality change cannot be avoided. In addition, this method has a drawback that the volume of the potato after peeling is reduced more than necessary. The present invention provides an apparatus and method that efficiently removes only the extreme surface of the skin.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present applicant devised a method for removing the skin by ablating the surface of the food material by efficiently irradiating the skin of the food material with intense light.
[0010]
For example, consider peeling a potato skin using a YAG laser (wavelength 1.06 μm). Potatoes have a high moisture layer just below their skin. When a YAG laser is irradiated toward a potato with a skin, the laser energy is instantaneously absorbed up to the area containing much moisture. In order to absorb more energy in the region, the potato may be previously moistened with moisture.
[0011]
At this time, when the potato is irradiated with a laser beam at an appropriate energy density, only the potato skin is ablated, and the skin is removed from the potato. The removed skin is completely separated from the potato body, for example, by blowing air. In the present specification, a device that blows air onto an object to be irradiated is referred to as an air injection device. Alternatively, both may be completely separated by washing with water. In the present specification, a device for applying water to an irradiated object is referred to as a water jet device. When the potato is washed with water without irradiating the potato with the laser beam, the potato must be irradiated with light having a wavelength at which the laser beam is not easily attenuated by water. In this respect, it is convenient to use the fundamental wave of a YAG laser (wavelength of about 1 μm) because it absorbs less water. On the other hand, the wavelength is 2 μm or more (for example, CO 2 Since light with a relatively long wavelength (such as a laser) has a relatively high absorption to water, it is more appropriate to use a method in which the skin is blown off by creating a flow of air rather than washing with water. Alternatively, a method of washing with water after laser irradiation may be employed. Alternatively, a method of rinsing the potato being irradiated with laser so as not to block the laser beam as much as possible, for example, irradiating the potato with water from the bottom of the potato while irradiating the laser beam from above the potato. You may take a method.
[0012]
Potato skin is collected and processed in a separate part from the potato body. The collection is performed, for example, by installing a collection container in a place where the potato skin is blown away with air. Alternatively, a belt conveyor may be prepared, and the potato skin blown off may be placed on the belt conveyor and moved to a desired collection place. The potato skins separated by washing with water may be transported to a collection site by forming a water channel. The object to be irradiated may be washed while irradiating with a laser or after the irradiation of the laser is completed.
[0013]
Since the potato is an irregular solid, it is necessary to rotate the potato relative to the laser beam in order to irradiate the entire surface of the potato with the laser beam. As a means of rotation, for example, a cylinder (referred to as a cylindrical roller in the present specification) that rotates about a rotationally symmetric axis is arranged in parallel and then rolled with potatoes. . By optimizing the radius of the cylinder, the potatoes rotate efficiently. Or rotation efficiency can also be raised by changing the rotational speed of each cylindrical roller, respectively. If the rotation directions of the rotating cylinders are the same, the potatoes move in one direction, so the rotating cylinder row plays the same role as the belt conveyor. Therefore, since potato peeling and transportation can be processed simultaneously, it is efficient when potatoes are peeled in large quantities.
[0014]
The laser beam may be irradiated from above the potato, from the gap between the rotating rows of cylinders, or both. Or you may irradiate from another direction.
[0015]
As potato rotating means, in addition to the above, spherical rotating elements may be arranged in a matrix and potatoes may be placed thereon. At this time, like the above-mentioned means, if the rotating directions are aligned, the potato can be transported in one direction. This is convenient when building a mass production line. Alternatively, the laser beam may be irradiated while rotating around the fork with the potato stabbed with a sharp fork.
[0016]
Alternatively, means for irradiating the entire surface of the irradiated object with a laser beam may be used instead of rotating. Specifically, for example, the irradiated object may be irradiated with a laser beam whose cross-sectional shape in a plane perpendicular to the traveling direction of the laser beam is processed into a planar shape from above, below, right, left, or other directions. Alternatively, a laser beam whose cross-sectional shape is processed into a linear shape is irradiated on the irradiated object from the top, bottom, left, or right of the irradiated body or other directions, and the irradiated body is scanned relatively to the laser beam during that time. It is good to let them. A laser beam is irradiated on the entire surface of the irradiated object by scanning.
[0017]
What should be noted in this step is that the irradiated object is three-dimensional. Therefore, the energy density given to the irradiated object by the laser beam whose cross-sectional shape is processed into a linear or planar shape needs to be constant everywhere on the surface of the irradiated object. In order to obtain such a laser beam, it is only necessary to form a laser beam close to parallel light that has almost no cross-sectional shape as the laser beam advances. When such a laser beam is actually used for peeling, it is only necessary that the laser beam crossing the region where the irradiated object is present is substantially parallel light.
[0018]
At the current technical level, the energy of a high-power laser device that can be used in the industry is about 1 J / P, and even if it is very expensive, it is about 20 J / P. The energy density required to peel potatoes is at least a few J / cm 2 Since it is necessary, it is not realistic to irradiate the whole potato with a laser beam processed into a planar shape at once. On the other hand, when the laser beam processed into a linear shape is irradiated while being scanned relative to the irradiated object, it is practical because an energy density sufficient to peel the potato skin can be obtained.
[0019]
For example, if a linear laser beam having a width of 0.05 cm and a length of 20 cm is produced using a 1 J / P laser device, it is 10 J / cm. 2 The laser beam is obtained. This energy is sufficient to peel the potato. Since the optimum energy for skinning the potato varies depending on the laser device, the energy must be determined appropriately by the practitioner. This is because the optimum energy depends on the pulse width of the laser device (the emission time of one pulse in the pulsed laser device) and the wavelength of the laser.
[0020]
In the case of irradiating the irradiated body with a linear laser beam close to parallel light in FIG. 2 (see FIG. 2A) and in the case of irradiating the irradiated body with a linear laser beam that is not parallel light (FIG. 2 ( The difference from (B) is shown. First, it demonstrates along FIG. 2 (A). The laser beam emitted from the laser oscillator 201 is magnified by a concave (or convex) cylindrical lens 202. The laser beam expanded by the concave cylindrical lens 202 is processed into a parallel light beam by the convex cylindrical lens 203, so that the cross-sectional shape becomes a linear laser beam. An optical system that changes the beam width by combining the concave cylindrical lens 202 and the convex cylindrical lens 203 is generally called a beam expander.
[0021]
If this is the case, the energy density of the laser beam may not be sufficient. Therefore, by combining the convex cylindrical lens 204 and the concave cylindrical lens 205, the linear laser beam is made into a thin parallel light and irradiated to the three-dimensional irradiated object 206. . The combination of the convex cylindrical lens 204 and the concave cylindrical lens 205 narrows the beam width, which is also one of the beam expanders.
[0022]
Since the laser beam is processed into substantially parallel light by the combination of the beam expanders, the energy densities of the laser beams irradiated to the different points a and b on the surface of the irradiated object 206 are equal in order. The range until the laser beam exiting the concave cylindrical lens 205 reaches the floor 214 for arranging the irradiated object 206 is a portion called an irradiation region 213 in this specification. Next, description will be made with reference to FIG.
[0023]
The laser beam emitted from the laser oscillator 207 is magnified by a concave (or convex) cylindrical lens 208. Next, it is processed into parallel light by a convex cylindrical lens 209. The combination of the concave cylindrical lens 208 and the convex cylindrical lens 209 is also a beam expander. In order to increase the energy density of the linear laser beam, a convex cylindrical lens 210 is used. Thereby, since the linear laser beam is focused on a certain straight line 211, a very high energy density can be obtained on the straight line 211.
[0024]
The energy density of the laser beam at the point c on the surface of the irradiated object 212 not on the straight line 211 and the point d on the straight line 211 differs depending on the order. The irradiated object is placed on the floor 215. If the irradiated body 212 is a potato, the potato skin is not peeled off at the point c, but at the point d, the potato skin may be burnt and a fire may occur.
[0025]
Thus, the closer the laser beam used in the present invention is to parallel light, the better. Even if the laser beam to be used is not parallel light, it is sufficient if it is very close to parallel light. For example, in FIG. 2B, the focal length of the convex cylindrical lens 210 is made very long so that the focal position does not reach the irradiation region. Even in such a system, the object of the present invention can be achieved. When it is necessary to focus the laser beam due to the optical system, do not place an object at the focal point. If there is an object at the focal point, it may cause a fire.
[0026]
The method described above is a method in which the optical path of the laser beam is fixed and only the irradiated object is moved, but this is inferior in processing efficiency. This is because the region in which the irradiated object can be irradiated with the laser beam is very narrow. In this specification, a region where a laser beam can be irradiated onto an object to be irradiated is referred to as an irradiation region. Taking FIG. 2A as an example, the irradiation area indicates a lower area 213 from the cylindrical lens 205.
[0027]
A method for dramatically increasing the processing efficiency by increasing the volume of the irradiated region by moving the optical path of the laser beam relative to the irradiated object will be described below. By optimizing the state in which the irradiated object and the optical path of the laser beam are moving simultaneously, very efficient peeling can be performed. The movement here refers to a relative movement with respect to the ground.
[0028]
First, a method for moving the optical path of the laser beam will be described. The laser beam generally has straightness, and its path can be bent by using an optical system or the like. Therefore, there are two methods for moving the optical path of the laser beam: a method of quickly changing the traveling direction of the laser beam irradiated to the mirror by vibrating the mirror, and a method of using the flexibility of the optical fiber by passing the laser beam through the optical fiber. There are ways to move it. An apparatus that can vibrate a mirror like a pendulum is called a galvanometer.
[0029]
The present invention provides a method and apparatus for efficiently irradiating a potato surface with a laser beam using, for example, an optical fiber. The advantage of using an optical fiber is that the optical path of the laser beam can be easily changed and the shape of the laser beam can be easily changed.
[0030]
As a laser that can be applied to an optical fiber, for example, there is a YAG laser. The beam size of YAG laser varies, but if it has 1J / P output, it is about 1cm. 2 It is an order. For example, an optical fiber having a diameter of about 1 mm is used. An optical fiber is like a thin fiber, and its inside is roughly divided into a three-layer structure. There is a portion called a core at the center of the optical fiber, and there is a portion called a clad having a refractive index smaller than that of the core. There is a protective film on the outside. The laser beam passes through a portion called the core. When the laser beam propagating through the core hits the clad, a phenomenon called total reflection occurs, and the laser beam stays in the core. By repeating total reflection, the laser beam propagates with almost no attenuation. A plurality of optical fibers having a diameter of 1 mm are collected into a bundle, and a YAG laser beam is incident on the fiber bundle in a form that matches the beam size of the YAG laser. This allows the YAG laser to pass through the optical fiber.
[0031]
Since the bundle of optical fibers is flexible, it is very easy to change the shapes of the light incident side and the light emitting side. The shape of the YAG laser used in this specification is circular, and is not a very efficient shape for irradiating the entire surface of the potato with the laser. By using an optical fiber for this, for example, the shape of the laser beam can be made linear.
[0032]
A method of obtaining a linear laser beam with an optical fiber will be described with reference to FIG. When the YAG laser 301 having a beam size of 1 cm in diameter is used, about 100 optical fibers 303 having a diameter of 1 mm are collected and bundled in a circular shape, and the YAG laser is incident on the bundle of optical fibers. At this time, in order to efficiently use the energy of the laser, it is effective to use the microlens array 302 including a plurality of fine convex lenses. By making each fine lens included in the microlens array 302 correspond to each optical fiber, the laser beam can be incident only on the core 303b of the optical fiber. (One of the optical fibers depicted in FIG. 3 is a cross-sectional view. The one covering the periphery of the core 303b is the clad 303a.) If the optical fiber has a diameter of about 1 mm, the diameter of the core is several hundred μm. It becomes. Therefore, in order to make the laser beam incident only on the core portion of the optical fiber, a convex lens having a diameter of 1 mm may be arranged corresponding to each optical fiber. The focal length of the lens is selected so that the light propagation efficiency of the optical fiber is the highest. That is, the focal length is set so that the laser beam enters the optical fiber at an angle satisfying the total reflection condition at the boundary between the clad 303a and the core 303b.
[0033]
When the shape of the optical fiber bundle 304 on the side from which the laser beam exits is, for example, linear, it is convenient because the potato can be efficiently irradiated with the laser beam. When irradiating a potato with a laser beam processed into a linear shape, by vibrating the optical fiber bundled in a linear shape using the flexibility of the optical fiber in a direction 305 perpendicular to the linear direction of the linear laser beam, The surface of the potato 309 can be efficiently irradiated with a laser beam. At this time, if the potato rotates while irradiating the laser beam, the entire potato surface can be irradiated with the laser beam.
[0034]
Since the laser beam 306 emitted from the optical fiber travels while expanding, the processing efficiency of the present invention is remarkably improved if the parallel light 308 is obtained by making each laser beam emitted from each optical fiber enter an appropriate convex lens 307. For simplicity, instead of providing a plurality of convex lenses, the spread of the laser light may be suppressed by making all laser beams emitted from the optical fiber enter one cylindrical lens.
[0035]
In addition to the above method, a linear laser beam may be moved relative to the ground by mirror vibration. In this case, after expanding the laser beam using a cylindrical lens or the like, the laser beam is squeezed and oscillated with an appropriate beam expander (in this case, one that narrows the beam width) to make it linear. The mirror may be placed at an appropriate place in the optical path of the laser beam. This method will be described in detail in Examples.
[0036]
In addition to the lasers mentioned above, glass lasers, CO 2 Lasers, second harmonics, third harmonics, etc. of YAG lasers can be applied to the present invention. Moreover, it can be easily estimated by those skilled in the art that the present invention is not limited to potato peeling and can be used for similar foods. For example, the present invention can be used to remove taro skin, apple skin, cocoon skin, and the like. It can also be used to remove unnecessary things such as soil on the surface of food.
[0037]
That is, the present invention comprises means for irradiating an irradiated body with a laser beam having a linear cross-sectional shape in a plane perpendicular to the traveling direction of the laser beam in the irradiation region;
Means for irradiating the surface of the irradiated body with the laser beam while rotating the irradiated body;
Means for treating unwanted things removed from the irradiated body;
It is a laser irradiation apparatus characterized by having.
[0038]
Other configurations of the present invention include:
Means for irradiating the irradiated body with a laser beam whose cross-sectional shape in a plane perpendicular to the traveling direction of the laser beam in the irradiation region is linear;
Means for irradiating the surface of the irradiated body with the laser beam while rotating the irradiated body;
Means for treating unwanted things removed from the irradiated body;
Have
The laser irradiation apparatus is characterized in that the linear shape of the laser beam having a cross-sectional shape is formed through an optical fiber.
[0039]
Other configurations of the present invention include:
Means for irradiating the surface of the food covered with the skin with a laser beam whose cross-sectional shape in a plane perpendicular to the traveling direction of the laser beam in the irradiation region is linear;
Means for rotating the food material relative to the laser beam;
Means for treating the epidermis;
It is a laser irradiation apparatus characterized by having.
[0040]
Other configurations of the present invention include:
Means for applying moisture to the epidermis of food covered with the epidermis;
Means for irradiating the surface of the food material covered with the skin with a laser beam having a linear cross-sectional shape in a plane perpendicular to the traveling direction of the laser beam in the irradiated region, and ablating the skin;
Means for rotating the food material relative to the laser beam;
Means for treating the epidermis;
It is a laser irradiation apparatus characterized by having.
[0041]
Other configurations of the present invention include:
In the irradiation region, the surface of the food material covered with the skin is irradiated with a laser beam whose cross-sectional shape in a plane perpendicular to the traveling direction of the laser beam is linear, or at the same time after the irradiation, water is supplied to the surface of the food material. Means for injecting
Means for rotating the food material relative to the laser beam;
Means for treating the epidermis;
It is a laser irradiation apparatus characterized by having.
[0042]
Other configurations of the present invention include:
Means for applying moisture to the epidermis of food covered with the epidermis;
In the irradiation region, the surface of the food material covered with the epidermis is irradiated with a laser beam whose cross-sectional shape in a plane perpendicular to the traveling direction of the laser beam is linear, and the epidermis is ablated or simultaneously with the irradiation. Means for later spraying water onto the surface of the foodstuff;
Means for rotating the food material relative to the laser beam;
Means for treating the epidermis;
It is a laser irradiation apparatus characterized by having.
[0043]
In any of the above inventions, the laser beam is a YAG laser or YVO. Four Laser or glass laser or CO 2 If the laser is used, a large output can be easily obtained. Using a high-power laser is convenient for mass production because the processing efficiency increases. A plurality of lasers may be used. Alternatively, a plurality of different laser beams may be used.
[0044]
In any of the above-described inventions, the processing means may increase the processing efficiency if it includes an air injection device. Alternatively, if a device (water injection device) that is removed by washing with water is included, the processing efficiency may be improved.
[0045]
In any of the above-described inventions, it is preferable that the laser beam having a linear cross-sectional shape has a means for changing the traveling direction of the laser beam in the irradiation region because processing efficiency is increased. As a means for changing the traveling direction of the laser beam, a galvanometer or the like is appropriate.
[0046]
Other configurations of the present invention include:
Forming a laser beam having a linear cross-sectional shape in a plane perpendicular to the traveling direction of the laser beam in the irradiation region;
Irradiating the surface of the irradiated body with the laser beam while rotating the irradiated body;
A step of processing unnecessary things removed from the irradiated body;
It is a laser irradiation method characterized by having.
[0047]
Other configurations of the present invention include:
Forming a laser beam having a linear cross-sectional shape in a plane perpendicular to the traveling direction of the laser beam in the irradiation region;
Irradiating the surface of the irradiated body with the laser beam while rotating the irradiated body;
A step of processing unnecessary things removed from the irradiated body;
Have
The laser beam irradiation method is characterized in that the linear shape of the laser beam having a cross-sectional shape is formed through an optical fiber.
[0048]
Other configurations of the present invention include:
Forming a laser beam having a linear cross-sectional shape in a plane perpendicular to the traveling direction of the laser beam in the irradiation region;
Irradiating the surface of the food with the laser beam while rotating the food covered with an epidermis;
Treating the epidermis;
It is a laser irradiation method characterized by having.
[0049]
Other configurations of the present invention include:
Applying moisture to the skin of the food covered with the skin;
Forming a laser beam having a linear cross-sectional shape in a plane perpendicular to the traveling direction of the laser beam in the irradiation region;
Irradiating the surface of the food while rotating the food covered with the skin, and ablating the skin;
Treating the epidermis;
It is a laser irradiation method characterized by having.
[0050]
Other configurations of the present invention include:
Forming a laser beam having a linear cross-sectional shape in a plane perpendicular to the traveling direction of the laser beam in the irradiation region;
Irradiating the surface of the food material with the laser beam while rotating the food material covered with an epidermis, or after the irradiation, spraying water onto the surface of the food material;
Treating the epidermis;
It is a laser irradiation method characterized by having.
[0051]
Other configurations of the present invention include:
Applying moisture to the skin of the food covered with the skin;
Forming a laser beam having a linear cross-sectional shape in a plane perpendicular to the traveling direction of the laser beam in the irradiation region;
Irradiating the surface of the foodstuff with the laser beam while rotating the foodstuff covered with the epidermis, and spraying water onto the surface of the foodstuff at the same time as or after ablating the epidermis;
Treating the epidermis;
It is a laser irradiation method characterized by having.
[0052]
In any of the above laser irradiation methods, the laser beam is YAG laser or YVO. Four Laser or glass laser or CO 2 A laser is preferable because of high processing efficiency.
[0053]
In any of the above laser irradiation methods, it is preferable that the processing step includes a step of injecting air because the processing efficiency increases. Alternatively, it is preferable that the treatment step includes a step of injecting water because the treatment efficiency is increased.
[0054]
In any of the above laser irradiation methods, it is preferable to have a step in which the traveling direction of the laser beam whose cross-sectional shape is linear changes in the irradiation region, since the removal efficiency increases.
[0055]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First, a method for removing the potato skin by irradiating a laser beam using potato as an object to be irradiated will be described.
[0056]
FIG. 1 shows a laser irradiation apparatus. As the laser oscillator 101, a laser oscillator that can generate a laser beam that can pass through the bundle 103 of optical fibers is used. For example, a YAG laser can be used. The laser beam emitted from the laser oscillator forms a plurality of focal points by the microlens array 102. A bundle of optical fibers 103 is arranged corresponding to each focal point immediately before or after the plurality of focal points, and a laser beam is incident on each of the optical fibers.
[0057]
Since the laser beam is usually circular or rectangular with an aspect ratio of one digit, the microlens array 102 is also made according to the shape of the laser beam. Prepare as many optical fibers as there are microlens arrays. The optical fiber is used for the purpose of changing the shape (generally circular or rectangular) of the laser beam.
[0058]
An efficient shape for separating the potato skin from the potato body is, for example, a linear laser beam. In order to obtain a linear laser beam, the laser beam output side of the bundle of optical fibers may be arranged linearly. At this time, it is preferable to make the energy uniform by alternately arranging optical fibers on which a relatively strong laser beam is incident and optical fibers on which a relatively weak laser beam is incident so that energy is not biased.
[0059]
The configuration of the apparatus until the linear laser beam is formed from the laser oscillator is the same as that shown in FIG. That is, the convex lens 104 is disposed immediately after the laser beam emitted from each optical fiber included in the optical fiber bundle 103 to process the laser light into parallel light.
[0060]
The peeled potato 105a from which mud has been removed by a washing machine or the like is placed on the belt conveyor 107a from the potato holder 106 and carried to the irradiation area 108. In the irradiation area 108, the potato carried on the belt conveyor 107a moves as it is to a table in which cylindrical rollers 109 rotating in the same direction are arranged in parallel. Adjacent cylindrical rollers 109 have an appropriate gap so that the potato 105b does not fall, and a laser beam is irradiated toward the potato 105b from these gaps.
[0061]
When the potato 105b passes over the cylindrical roller 109, the potato rotates well due to the action of the cylindrical roller 109. This irradiates the entire surface of the potato 105b with the laser beam. At the same time, the direction of potato movement is zigzag. At this time, it is preferable to provide a fall prevention wall (not shown) so that the potato 105b does not fall from the cylindrical roller 109.
[0062]
By rotating the potato with the cylindrical roller 109, the entire surface of the potato 105b can be irradiated with the laser beam. In order to efficiently irradiate the surface of the potato with the laser beam, if the linear laser beam is subjected to a pendulum motion along a direction perpendicular to the linear direction of the linear laser beam, the irradiation region 108 is expanded. Good. Alternatively, a plurality of linear laser beams may be provided. For example, with the configuration of the apparatus shown in FIG. 3, a plurality of linear laser beams may be formed and provided at several places above and below the cylindrical roller 109. At this time, the linear direction of the bundle of optical fibers arranged linearly and the bus bar of the cylindrical roller 109 are arranged in parallel. In this specification, it is assumed that the generatrix of the cylindrical roller 109 indicates a straight portion included in the curved surface of the cylindrical surface.
[0063]
In this way, the potato 105b skin is separated from the potato body. The separated potato skin 110 is blown away with air from the air jetting device 111 and collected in a waste collection container 112. The potato body 105c moves from the cylindrical roller 109 to the belt conveyor 107b, and is collected in a potato collection container 113.
[0064]
【Example】
[Example 1]
In this embodiment, an apparatus and method for forming a linear laser beam using the optical fiber shown in FIG. 3 will be described more specifically. This embodiment will be described with reference to FIG. In this embodiment, an example is shown in which a YAG laser 401 having an output of 4 kW is used as a light source. The beam spot of a YAG laser having a high output of about 4 kW is generally large and has a circular shape with a diameter of about 1 cm. The laser beam at the laser exit of the laser apparatus shown in this embodiment is also circular with a diameter of 1 cm.
[0065]
First, a circular laser beam having a diameter of 1 cm is passed through a microlens array 402 having a size of 1 mm square. The microlens array is of a size that allows all of the 1 cm diameter beam to enter. The focal length of each lens in the microlens array is set according to the NA of the optical fiber to be used. A multimode optical fiber is used as the optical fiber. The feature of the multimode optical fiber is that it is relatively easy to make a laser incident on the optical fiber. A single mode optical fiber, a graded index optical fiber, or the like may be used. When a single mode optical fiber is used, high accuracy is required when light is incident on the optical fiber.
[0066]
The incident side (a) of the bundle 403 of optical fibers has a shape (in the case of this embodiment, a circle) that matches the shape of the laser beam. On the other hand, the output side (b) of the bundle of optical fibers has, for example, a linear shape in order to efficiently irradiate the potato surface with the laser beam. Since the beam profile of the YAG laser used in this embodiment is near Gaussian, the output is higher toward the center of the circular laser beam. Therefore, when the optical fibers on the output side (b) of the bundle of optical fibers are arranged in a line, the optical fiber 405 on which a laser beam with a strong energy near the center is incident and the optical fiber 406 on which a relatively weak laser beam is incident on the other It is good to arrange energy alternately and average energy. Finally, in order to make the linear laser beam parallel light, the laser beam emitted from the optical fiber bundle 403 is made incident on the convex lens 404. A convex lens 404 is associated with each optical fiber. If the focal length of the convex lens 404 is set so as to eliminate the spread of the laser beam emitted from the optical fiber bundle 403, parallel light can be obtained.
[0067]
[Example 2]
In this embodiment, an apparatus and method for causing a linear laser beam to perform pendulum motion using a vibrating mirror will be described.
[0068]
A device called a galvanometer is known as a device that quickly vibrates a mirror around a certain axis and moves light quickly. FIG. 5 shows a galvanometer used in this embodiment.
[0069]
A galvanometer is a device that vibrates a mirror at high speed using electromagnetic force. Since it is commercially available, it can be easily obtained. The galvanometer 501 that can be used in this specification needs to have a mirror 503 larger than the size of the linear laser beam 502. The mirror 503 is vibrated around the rotation shaft 504 by the driving device 505. The apparatus for producing a linear laser beam may be one that uses the cylindrical lens shown in FIG. 2A or one that uses the optical fiber shown in FIG.
[0070]
Alternatively, a bundle of optical fibers formed in a linear shape may be vibrated using a galvanometer driving method. When this method is combined with the embodiment of the invention, it is convenient because the speed of oscillation of the laser beam emitted from the optical fiber can be increased. For example, a galvanometer may be used as means for pendulum movement of the optical fiber bundle 103 and the convex lens 104 along a curved line with arrows at both ends depicted in the center of FIG.
[0071]
Example 3
In the present embodiment, an example is shown in which the surface of a food material covered with an epidermis is moistened with moisture to promote ablation of the epidermis by laser irradiation. As described above, a laser in a certain wavelength region is highly absorbed by moisture. For example, CO whose wavelength is about 10 μm 2 Laser is YAG laser or YVO Four Compared with a laser, a glass laser, or the like, the absorption to moisture is extremely high. Therefore, when used in the apparatus and method shown in this embodiment, the treatment efficiency is high and it is preferable.
[0072]
This embodiment will be described with reference to FIG. Since FIG. 6 has almost the same configuration as the laser irradiation apparatus shown in FIG. 1, the same components as those shown in FIG.
[0073]
First, water discharged from the water injection device 601 is applied to the potato 105 a placed in the potato case 106. Since the purpose of applying water is to give moisture to the potato skin, it may be substituted by spraying steam on the potato. In this case, the temperature of the water vapor is set so as not to alter the potato.
[0074]
Moisturized potato 105a is peeled through a process similar to the method shown in the embodiment of the invention. Laser oscillators, for example, CO 2 Use a laser. At this time, the skin may be washed away by the water injection device 602 shown in FIG. 6 instead of the air injection device 111. The water injection device 602 may apply water to the potato while irradiating the potato with a laser or after the laser irradiation.
[0075]
【The invention's effect】
The laser irradiation apparatus of the present invention makes it possible to efficiently peel the potato skin. Moreover, since the potato skin can be peeled off very thinly, food processing with less waste can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an example of a laser irradiation apparatus
FIG. 2 is a diagram showing an example of forming a linear laser beam and irradiating the irradiated object with the laser beam.
FIG. 3 is a diagram showing an example of an apparatus for processing a laser beam into a linear shape using an optical fiber.
FIG. 4 is a diagram showing an example of an apparatus for processing a laser beam into a linear shape using an optical fiber.
FIG. 5 is a diagram showing an example in which a linear laser beam is vibrated using a galvanometer.
FIG. 6 is a diagram showing an example of a laser irradiation apparatus.
[Explanation of symbols]
101 Laser oscillator
102 Micro lens array
103 bundles of optical fibers
104 Convex lens
105 Potato
106 Potato container
107 belt conveyor
108 Irradiation area
109 cylindrical roller
110 Potato skin
111 Air injection device
112 Waste collection container
113 Potato Recovery Container
201 Laser oscillator
202 Concave cylindrical lens
203 Convex Cylindrical Lens
204 Convex cylindrical lens
205 Concave cylindrical lens
206 Object to be irradiated
207 Laser oscillator
208 Concave Cylindrical Lens
209 Convex cylindrical lens
210 Convex cylindrical lens
211 A straight line focused by a linear laser beam
212 Subject to be irradiated
213 Irradiation area
214 floors
215 floors
301 Laser oscillator
302 Micro lens array
303 bundle of optical fibers
303a clad
303b core
304 A bundle of optical fibers on the laser beam exit side
305 Direction perpendicular to the linear direction of the linear laser beam
306 Laser beam emitted from the optical fiber
307 Convex lens
308 Parallel light
309 Potato
401 YAG laser
402 Microlens array
403 bundle of optical fibers
404 Convex lens
405 Optical fiber on which a high-energy laser beam near the center is incident
406 Optical fiber on which a relatively weak laser beam is incident
501 Galvanometer
502 Linear laser beam
503 mirror
504 Rotation axis
505 Drive device
601 Water injection device
602 Water injection device

Claims (6)

表皮で覆われた物を回転移動させながら1方向に運搬させ、且つ、線状レーザビームを線方向に対して垂直方向に沿って振り子運動させながら、前記線状レーザビームを前記物に照射することによって、前記表皮を除去し、
前記線状レーザビームは、光ファイバーを用いて線状に加工されており、
前記振り子運動は、前記光ファイバーの柔軟性を利用して前記光ファイバーを前記線方向に対して垂直方向に振動させることにより行われ
前記線状レーザビームの前記線方向は前記回転移動の方向と垂直方向であるとともに、前記振り子運動の方向は前記回転移動の方向と平行方向であることを特徴とするレーザ照射方法。
The object covered with the epidermis is transported in one direction while being rotated, and the object is irradiated with the linear laser beam while the linear laser beam is moved in a pendulum direction along the direction perpendicular to the line direction. Removing the epidermis,
The linear laser beam is processed into a linear shape using an optical fiber,
The pendulum motion is performed by vibrating the optical fiber in a direction perpendicular to the linear direction using the flexibility of the optical fiber ,
The laser irradiation method, wherein the linear direction of the linear laser beam is perpendicular to the direction of the rotational movement, and the direction of the pendulum movement is parallel to the direction of the rotational movement .
請求項1において、
前記線状レーザビームの照射は、前記物に水を噴射しながら行われており、
前記線状レーザビームに、YAGレーザの基本波を用いることを特徴とするレーザ照射方法。
Oite to claim 1,
The irradiation of the linear laser beam is performed while water is sprayed on the object,
A laser irradiation method using a fundamental wave of a YAG laser as the linear laser beam.
請求項1又は請求項2において、
前記物とは、ジャガイモ、里芋、リンゴ、柿のいずれかであることを特徴とするレーザ照射方法。
Oite to claim 1 or claim 2,
The laser irradiation method, wherein the object is any one of potato, taro, apple, and straw.
表皮で覆われた物を回転移動させながら1方向に運搬させ、且つ、線状レーザビームを線方向に対して垂直方向に沿って振り子運動させながら、前記線状レーザビームを前記物に照射することによって、前記表皮を除去し、
前記線状レーザビームは、光ファイバーを用いて線状に加工されており、
前記振り子運動は、前記光ファイバーの柔軟性を利用して前記光ファイバーを前記線方向に対して垂直方向に振動させることにより行われ
前記線状レーザビームの前記線方向は前記回転移動の方向と垂直方向であるとともに、前記振り子運動の方向は前記回転移動の方向と平行方向であることを特徴とする表皮が除去された物の作製方法。
The object covered with the epidermis is transported in one direction while being rotated, and the object is irradiated with the linear laser beam while the linear laser beam is moved in a pendulum direction along the direction perpendicular to the line direction. Removing the epidermis,
The linear laser beam is processed into a linear shape using an optical fiber,
The pendulum motion is performed by vibrating the optical fiber in a direction perpendicular to the linear direction using the flexibility of the optical fiber ,
The linear direction of the linear laser beam is perpendicular to the direction of the rotational movement, and the direction of the pendulum movement is parallel to the direction of the rotational movement . Manufacturing method.
請求項4において、
前記線状レーザビームの照射は、前記物に水を噴射しながら行われており、
前記線状レーザビームとして、YAGレーザの基本波を用いることを特徴とする表皮が除去された物の作製方法。
Oite to claim 4,
The irradiation of the linear laser beam is performed while water is sprayed on the object,
A method for manufacturing an article from which a skin has been removed, wherein a fundamental wave of a YAG laser is used as the linear laser beam.
請求項4又は請求項5において、
前記物とは、ジャガイモ、里芋、リンゴ、柿のいずれかであることを特徴とする表皮が除去された物の作製方法。
Oite to claim 4 or claim 5,
The said thing is any one of a potato, a taro, an apple, and a persimmon, The manufacturing method of the thing from which the epidermis was removed.
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