JP5875509B2 - 揺動機構付き超音波カッター - Google Patents

Description

本発明は、ケーキ，パン類、肉や魚、野菜など様々な食品を切断するための超音波振動を利用した超音波カッターに関し、詳しくは前記刃物に揺動運動を付加する超音波カッターに関する。

食品加工業界では、食品の切断に様々な形態の刃物が使用されている。使用される刃物の形式としては、ナイフ形やギロチン形、ノコギリやピアノ線又は回転式の丸刃等があり、夫々の形式の刃物を用いたカット方法による自動機械化が進んでいる。
しかし、今日の食品の多様化や冷凍技術の発達によって単純なカット方法では自動機械による切断が困難になってきた。すなわち、切断に際して「切りクズが出る」、「刃物に食品が貼り付く」、「切断面がきたない」など多くの問題が生じるからである。

自動機械による食品を切る動作としては、「機械力で刃物を引きずるように動作させることによって対象（食品）を切る揺動力を利用した切断法」と「機械力で刃物を振り下して対象（食品）を叩くように動作させて切断に衝撃力を利用する押し切り切断法」の２通りの方法に加え、固定した刃物に対して対象（食品）をベルト搬送して切断する方法の３通りの動作があり、現状では前記動作を基本とした動作をする刃物を備えた自動機械装置で食品の切断が行われている。

上記の刃物が基本的な切断動作をする自動機械に対し、刃物に超音波振動を付与するようにした自動切断機械では、超音波振動によって刃物に高速で微少な伸縮作用が働くことによって切断のための衝撃力を増したり、超音波振動によって切断時の食品と刃物との接触抵抗を下げる等の効果があるため、従来は切り難くノコギリでしか切れないといわれた冷凍食品や、ベタ付いて切りづらいクリームやキャラメル等も切断が容易になり、切りクズ等も少ないという食品切断を実現している。

超音波振動を利用する切断装置の一般的な形態としては、ノミ形の刃物を上方から落下させて切断するギロチン方式と、ノミ形の刃物を斜めに固定しておき食品をベルト上に置いて搬送しながら切断するようにした超音波切断装置が主流である。
しかし、近時では食品の多様化がますます進み、嗜好の多様化と相俟って様々な形態と内容の食品が次々に考案される一方、食品流通の発展や冷凍や乾燥等の保存技術の発達によって切断技術そのものも大きな変化を余儀なくされ、上記の公知超音波切断装置でも対応できない問題が生じている。

ここで、既存の一般的な機械切断装置による食品の切断における問題点の例を以下に列挙する。
イ）魚や肉の筋が切れない
ロ）押し寿司や巻き寿司等はつぶれたり変形したりするほか、刃物にご飯が貼り付
いて切断動作１回毎に掃除をしないと切れない
ハ）冷凍食品ではノコギリ方式で切断するために切りクズが出る
ニ）加熱調理済みの野菜の場合には芯が残っていて切りずらい
ホ）乾燥した食品等は割れ易い
等々の問題である。

そこで、本発明では、上記のような機械装置による食品の切断における問題に対して、超音波振動を利用した新たな切断装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決することを目的としてなされた本発明超音波カッターの構成は、下辺に切刃を有し切断動作時に前記切刃が切断作用をする刃物の上辺に、当該刃物に超音波振動を付与する超音波振動子を取付けると共に、この刃物に切刃の長さ方向に沿った往復運動を、機械的駆動源によって付与するようにしたことを特徴とするものである。

上記構成において、刃物はギロチン型（以下、「ギロチン刃」ともいうことがある）であって、その刃物の上辺に付与される超音波振動は縦振動であることが好ましい。また、刃物に加える切刃の長さ方向（刃物の左右幅）に沿った往復運動は、その刃物の左右側部に、その刃物の左右幅方向に沿った往復運動をする一又は二以上のシリンダによって付与するようにするとよい。本発明では、前記シリンダに代えてモータの回転をカムやクランクピンと連結ロッドで直線復動に変換する往復運動を前記刃物に伝達するようにしてもよい。

本発明は、一例として切刃に対して縦方向の超音波振動が付与されるギロチン刃に、その刃を幅方向で微少ストロークで往復動させる動作を付与して、当該ギロチン刃で食品を切るようにしたから、食品と刃物の切断抵抗を減少させると同時にその刃物の切れ味を高めることができ、従って、単に超音波振動の付与だけでは切れなかった様々な食品を切断問題を解決することができる。

本発明超音波カッターの第一例の正面図。 本発明超音波カッターの第二例の正面図。 本発明超音波カッターの第三例の正面図。 本発明超音波カッターの実装例の斜視図。 従来の超音波カッターの一例の正面図。

本発明の実施の形態の説明に先立って、従来の食品切断と図５に例示した従来の超音波カッターについて説明する。

図５に示した超音波を利用したギロチン方式の切断は、基本的にはギロチン型刃物を下降させるだけなので、切断対象が焼きたてのパンやスポンジケーキ等の内・外面ともに柔かい食品等の場合には、超音波切断といえども対象（食品）が刃物で押しつぶされてしまい、内部が押しつぶされた断層のような切断面になってしまう。

また、肉類（豚肉，牛肉，鳥肉等）の場合は、筋が有るため、この筋が切断の邪魔して押し切りだけでは切り離しが不可能であった。

更には、ニラ，ネギ等のように軸方向の繊維の強い野菜等は、超音波の高速振動が刃物に付与されていても切れ難いため、切断対象を硬いまな板の上に乗せてそのまな板に刃物が喰い込む位に当該刃物を押し下げたり、更には超音波振動をかけたまま下降点で何秒間か置き止めてから刃物を上昇させる等のように、切断態様に工夫が必要であった。このためまた板が傷つき易く、頻繁にまな板の交換が必要になるという別の問題も派生していた。

元々食品を切断するに当っては、切り分け易い素材に対しては刃物を振り下して切断する方法と、繊維質の食品の場合には、その繊維質の状態によって切断状況を判断しつつ、ナイフ（刃物）を振り下したり引きずったりする切断方法とがあり、食品の切断にはこれらの切断方法を特に意識する訳ではなく自然かつ必然的に実行していた。

そして、上記切断方法に用いる刃物に超音波振動を付与するようにした図５のものを一例とする超音波カッターが考案されて現在に至っているが、超音波カッターにも次のような問題のあることが判った。すなわち、ナイフ形の刃物にたわみ振動を付与するようにした超音波カッターの場合、例えばホールケーキ（丸ケーキ）の切断では、ナイフ形の刃物に付与される超音波がその刃物の長さ方向に沿ったたわみ振動であるため、刃物が超音波で振動する部分と振動しない部分が発生して刃物の切れ味が切刃の長さ方向において一様でなかった。実際にこの超音波カッターを使用するとき、作業者は刃物を軸方向（長さ方向）で前後に手で動かし乍ら切断している。

一方、図５に例示したギロチン形の刃物の超音波カッターは、スポンジケーキやロールケーキ等の切り分け易い洋菓子が切断対象であれば、刃物を上，下に運動させるときの振り下し動作だけで容易に切断が可能であった。

しかし、食品の多様化や食材用途の拡大，品質の向上など、例えば柔かい食材と硬い食材を併用した新たな食品の開発がなされた場合、そのような新規な食材による食品でも切断面は美しく仕上がること等の要請があって、切断困難な対象（食品）が増えているため、従来の単純な切断方法では食品の切断に関する問題の解決が出来なくなっている。

そこで本発明では、ギロチン形の刃物に、超音波振動を付与すると同時に、その刃物に切刃に沿った往復揺動を付与することによって全面略均一な高振幅振動が得られるギロチン方式の超音波カッターを構成したのである。
すなわち、本発明は、ギロチン形の刃物に超音波振動を与えるようにした上・下機構と、その刃物の降下時に刃面を左・右方向に往復動させる揺動機構を具備した超音波カッターである。刃面の左右方向での揺動幅は１５ｍｍ前後あれば充分であるが、この幅を幾つ程度にするかは任意である。切断する食品の硬さ、粘り、軟かさなどの特性を見て５ｍｍ〜１５ｍｍの間で選択すればよい。

以下、図１〜図４を参照して本発明超音波カッターの実施の形態例について説明する。
図１〜図４において、１はギロチン形の刃物（いわゆるギロチン刃）で、下辺が切刃１ａ、上辺が後述する超音波振動子２の取付部１ｂである。
超音波振動子２は、公知のＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）振動子２ａによる超音波振動をホーン形の振動（伝達）体に伝え、この振動体の先端（ホーンの先端）２ｂが上記刃物１の取付部１ｂに密着固定されることにより、刃物１に縦振動を付与できるようになっている。因みに、超音波振動としては、駆動周波数２０ｋＨｚ，振幅５０μｍが一例である。振動数，振幅は一例であってこの数値以外であってもよい。

上記振動体２は、中間部の振動ノード部にフランジ部２ｃを有しており、このフランジ部２ｃにおいて、水平姿勢の単動シリンダ３のロッド３ａに結合されている。４は、前面側にシリンダ３を固定すると共に、前記振動体２をそのフランジ部２ｃにおいて水平方向にスライド可能に支持したサポートボードで、このボード４は、その背面側において、上下スライド機構５のスライダ（図に表われず）に支持されている。

図１における刃物１から上下スライド機構５までの構成によって、刃物１の切刃１ａには、その全幅に亘って超音波振動子２の縦振動が付与されると共に、前記振動子２のフランジ部２ｃが単動シリンダ３によって水平方向で往復運動させられることになる。

上記の超音波振動（縦振動）と単動シリンダ３による水平方向での往復動が同時に付与される刃物１は、全体が上下スライド機構５によって切断対象（図１に示さないが切刃１ａの下方にある）に対して降下・上昇を随意に行うことができることになる。

上記刃物１に付与される縦振動と往復運動が複合した切断動作によって刃物１の切刃１ａの下に置かれた対象を円滑かつ迅速で切りくずが出なくて切断面も美しい切断をすることができることになる。

図２の本発明超音波カッターは、３枚の刃物１を各切刃１ａが直列するように並べて縦列して配置した大形カッターで、大形の食品を切断できるようにした例である。この例では夫々の刃物１に超音波振動子２が取付けられているが、各振動子２のフランジ部２Ｃは、３つのフランジ部を一体化した一つのフランジ部２０Ｃに形成されている。

一体化されたフランジ部２０Ｃは、その左右両端に、シリンダ３，３を取付けて一体になった３つの切刃１ａに安定した往復運動をさせることができるように形成されている。なお、図２の例では上下スライド機構５の図示は省略されている。

図３の本発明超音波カッターの例は、図１の超音波カッターにおける切刃１ａの水平方向での往復動を、円板カム３１ａを出力軸に取付けたモータ３１と、前記カム３１ａに連結されたコンロッド３１ｂの先端部をスライドボード４１に連結した構成により、振動子２をフランジ部２Ｃにおいて取付けたスライドボード４１に、モータ３１の回転を往復運動に変換して伝達するようにしたものである。
図３において６は、前記モータ３１を固定すると共にスライドボード４１を水平方向でスライド自在に支持・架装した固定ベースである。

図３の超音波カッターでは、モータ３１の回転数を任意に制御可能にしておくことにより、自由に刃物１の往復ストローク数を選択し、設定することが可能になる。また、コンロッド３１ｂとカム３１ａの連結位置（カム３１ａの半径）を変更できるようにして、往復動のストローク量（距離）も任意に制御することが可能になる。本発明では上記カム３１ａに代えてクランクピンを用いてもよい。

図１〜図３により説明した本発明超音波カッターは、実際に食品切断機構として自動機械に実装される場合、一例として図４に例示するような形態を採ることができる。図４において、図１〜図３の超音波カッターと同一部材，同一部位には同一符号を使用し説明は省略する。

図４において、刃物１に取付けられた超音波振動子２は、そのフランジ部２Ｃにおいて、上下スライド機構５の前面部に、刃物１の正面から見て図４のＹ軸回りに首振り自在機構７を介して取付けられている。ここで、上下スライドは図４のＺ軸に沿った動きである。

上下スライド機構５は、その背面部において、図４のＸ軸に沿った水平な左右方向でスライドできるように、左右スライド機構４Ａの前面部に架装されている。

左右スライド機構４Ａは、その側端部（図４の左側）において、Ｙ軸に沿って、つまり、刃物１の正面から見て刃物１の前後方向にスライドするように前後スライド機構８に架装されている。
なお、図４の各スライド機構４Ａ，５，８における送り機構は、例えばシリンダを駆動起源とするロッドに結合されたスライダ、或は、モータを駆動源とする送りネジにナットを介して結合されたスライダに、スライド対象物が結合された送り機構が用いられている。

本発明は以上の通りであって、超音波振動が付与されるギロチン型の刃物に、上，下方向の降下動作による切断作用とその刃物を左右方向で往復動させて当該刃物に揺動運動をさせることにより、人が刃物を手で握ってその切刃に様々な操作加減を加えながら食品を切断するという人手の切断動作により近付いた切断作用を当該刃物にさせて食品を切断することができるようになった。

因みに、サンドイッチのように柔らかいパンに、豚かつのような肉類とトマトやレタス等の繊維質野菜とが何層にも重ねられて挟まれた形態の食品の場合、単に刃物を上から押付けるだけではきれいな切断は不能であった。また、このようなサンドイッチは、ナイフ形の刃物にその刃物の長手方向から超音波を付与したカッターであっても、当該刃物の引きずり操作では挟まれた具材が動いてしまいきれいに切断できなかった。

しかるに、本発明超音波カッターでは、ギロチン型の刃物に、縦振動の超音波振動を付与してその刃物を上から降下させて切断作用をさせつつ、その切刃に沿った微少な往復動を加えることにより当該刃物に揺動運動をさせながら切断するようにしたから、前記サンドイッチであっても具材は動かず、硬さの異なるパンや具材も問題なくきれいに切断することができる。

本発明は以上の通りであるから、例えば筋の有無や硬さに違いがある魚や肉、巻き寿司のような柔らかい食品、或は、粘りのある食品など、従来の超音波切断装置では切断に問題のあった食品の切断にきわめて好適である。

１ 刃物
２ 超音波振動子
３ シリンダ
４ スライドボード
５ 上下スライド機構

Claims (4)

1. 下辺に切刃を有し刃物が上下動するとき前記切刃が切断作用をする当該刃物の上辺に、その刃物に超音波の縦振動を付与する超音波振動子を取付けると共に、この刃物に、前記切刃の長さ方向に沿った往復動作を、機械的駆動源によって付与するようにした超音波カッターにおいて、 前記往復運動を、その刃物の左右側の側部に当該刃物の左右幅方向に沿った往復運動をする一又は二以上のシリンダによって付与するようにしたことを特徴とする揺動機構付き超音波カッター。
2. 刃物はギロチン形の刃物である請求項１に記載の超音波カッター。
3. シリンダに代えてモータの回転をカム又はクランクピンとコネクトロッドで変換した往復運動を刃物に伝達するようにした請求項１又は２に記載の超音波カッター。
4. 刃物の往復運動は、５〜１５ｍｍのストロークである請求項１〜３に記載のいずれかの超音波カッター。
   

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