(57)【要約】【課題】ホイップクリームなどのデリケートな撹拌・混練処理が必要とされる食材のミキシングを自動的に行う食品用ミキサー、及び最適なミキシング制御方式を提供する。【解決手段】撹拌子で食材を撹拌するミキサーにおいて、駆動用の電動機から撹拌子に加わる回転トルクを測定し、トルク信号を出力するトルクセンサーと、トルク信号に所定の演算処理を施し、その演算結果に基づいて電動機への制御信号を出力する演算制御ユニットとを含み、同ユニットは、トルク信号についての微小時間変化成分を除去し、トルク信号を平滑化するフィルタ部と、フィルタ部からの出力信号を微分して回転トルク増加の速度及び加速度を算定する微分演算部と、微分演算部の演算結果に基づいて、回転トルクの増加特性曲線の変曲点を検出する変曲点検出部と、変曲点が検出された際に電動機への回転停止信号を出力する回転制御部と、を含むことを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
撹拌子を用いて各種の食材を撹拌・混練する食品用ミキサーであって、
回転駆動用の電動機から撹拌子に加わる回転トルクを測定してトルク計測信号を出力するトルク測定ユニットと、
前記トルク計測信号に所定の演算処理を施し、その演算結果に基づいて前記電動機への制御信号を出力する演算制御ユニットと、を含むことを特徴とする食品用ミキサー。
【請求項２】
前記演算制御ユニットは、
前記トルク計測信号についての微小時間変化成分を除去して、前記トルク計測信号の平滑化を行うフィルタ部と、
前記フィルタ部からの出力信号を微分して前記回転トルクの増加する速度及び加速度を算定する微分演算部と、
前記微分演算部の演算結果に基づいて、前記回転トルクの増加特性曲線の変曲点を検出する変曲点検出部と、
前記変曲点検出部によって前記変曲点が検出された際に、前記電動機への回転停止信号を出力する回転制御部と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の食品用ミキサー。
【請求項３】
撹拌子を用いて各種の食材を撹拌・混練する食品用ミキサーの制御方式であって、
回転駆動用の電動機から撹拌子に加わる回転トルクを測定するトルクセンサーからトルク計測信号を取り込むトルク計測信号取り込みステップと、
前記トルク計測信号についての微小時間変化成分を除いて、前記トルク計測信号の平滑化を図りフィルタ処理後出力信号を生成するフィルタ処理ステップと、
前記フィルタ処理後出力信号を微分して当該信号の増加速度、及び増加加速度を算定する微分演算処理ステップと、
前記微分演算処理ステップの演算結果に基づいて前記回転トルクの特性曲線の変曲点を検出する変曲点検出ステップと、
前記変曲点が検出された際に、前記電動機への回転停止信号を出力する回転制御ステップと、を含むことを特徴とする食品用ミキサーの制御方式。
【請求項４】
前記各種の食材は、主にホイップクリームなどの乳製品、或いはメレンゲなどの卵白・卵黄製品であることを特長とする請求項１又は２に記載の食品用ミキサー。
【請求項５】
前記各種の食材は、主にホイップクリームなどの乳製品、或いはメレンゲなどの卵白・卵黄製品であることを特長とする請求項３に記載の食品用ミキサーの制御方式。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に、ホイップクリームなどの乳製品、或いはメレンゲなどの卵食品を撹拌・混練する食品用ミキサー、及びその制御方式に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
食品製造業界において、ホイップクリームなどの乳製品、或いはメレンゲなどの卵白食品を撹拌・混練する際には、従来から極めてデリケートな撹拌処理が要求されていた。何故なら、撹拌・混練が不十分な場合には、これらの商品独特の味と風味を醸し出すことができず、一方、撹拌・混練が進み過ぎた場合は、被撹拌食品が過度に泡立ってしまい、食材の構成粒子が分離し商品としての体を為さなくなるためである。それ故、このような操作を行うミキサーのオペレーターには、長年に亘る経験と、極めて高度な職人的技量が要求されていた。
【０００３】
近年、このようなオペレーターの勘と技量に頼った製造上の隘路を打開し、係る食品製造の自動化を促進すべく、例えば、特許文献１に示されるような食材の撹拌制御技術が開示されている。因みに、係る開示技術に係る発明の骨子は、ミキサーによる撹拌を行う際の回転トルクの変化に着目したものである。
【０００４】
すなわち、ミキサーの回転トルクに一定の閾値を設定し、実際の回転トルクが所定閾値Ａと所定閾値Ｂの間に収まったときに、ミキサーにおける駆動電動機の回転を停止するようにしたものである。ここで、閾値Ａ，Ｂは、ミキサーの回転トルクがこの範囲内に収まれば、最良の状態で食材のミキシングが終了するように、予め研究・検討され選定された値である。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２７５５４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に示された従来技術では、食材の撹拌に用いる撹拌子の回転トルクを実際に測定するのではなく、ミキサーの駆動電動機の消費電力からトルクを推定する方法を用いており、制御に用いるトルク推定値と、実際の撹拌子の回転トルクとは乖離した値となるきらいがあった。
【０００７】
また、ミキシングを行う食材の種類や、その撹拌を行う量によっても、前述の所定閾値Ａ，Ｂの値は変化することは言うまでもない。それ故、開示された発明による技術によって、被撹拌対象物の種類やその量に影響されることなく、普遍的なミキシングの自動化を図ることは困難とされていた。特に、被撹拌対象物がホイップクリームなどの乳製品、或いはメレンゲなどの卵白食品の場合、ミキシング処理の実施がデリケートであり、特に難しいものとされていた。
【０００８】
本発明は、このような課題を解決することを目的としたものであって、ホイップクリームやメレンゲなどのデリケートな撹拌処理が要求される食材のミキシングを、自動的に行う食品用ミキサー、及び最適なミキシング状態を実現可能な食品用ミキサーの制御方式を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の観点による食品用ミキサーは、撹拌子を用いて各種の食材を撹拌・混練する食品用ミキサーであって、
回転駆動用の電動機から撹拌子に加わる回転トルクを測定してトルク計測信号を出力するトルク測定ユニットと、
前記トルク計測信号に所定の演算処理を施し、その演算結果に基づいて前記電動機への制御信号を出力する演算制御ユニットと、を含むことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の第２の観点による食品用ミキサーは、前記第１の観点において、
前記演算制御ユニットは、
前記トルク計測信号についての微小時間変化成分を除去して、前記トルク計測信号の平滑化を行うフィルタ部と、
前記フィルタ部からの出力信号を微分して前記回転トルクの増加する速度及び加速度を算定する微分演算部と、
前記微分演算部の演算結果に基づいて、前記回転トルクの増加特性曲線の変曲点を検出する変曲点検出部と、
前記変曲点検出部によって前記変曲点が検出された際に、前記電動機への回転停止信号を出力する回転制御部と、を含むことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の第３の観点による食品用ミキサーの回転駆動用電動機の制御方式は、
撹拌子を用いて各種の食材を撹拌・混練する食品用ミキサーの制御方式であって、
回転駆動用の電動機から撹拌子に加わる回転トルクを測定するトルクセンサーからトルク計測信号を取り込むトルク計測信号取り込みステップと、
前記トルク計測信号についての微小時間変化成分を除いて、前記トルク計測信号の平滑化を図りフィルタ処理後出力信号を生成するフィルタ処理ステップと、
前記フィルタ処理後出力信号を微分して当該信号の増加速度、及び増加加速度を算定する微分演算処理ステップと、
前記微分演算処理ステップの演算結果に基づいて前記回転トルクの特性曲線の変曲点を検出する変曲点検出ステップと、
前記変曲点が検出された際に、前記電動機への回転停止信号を出力する回転制御ステップと、を含むことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の第４の観点による食品用ミキサーは、前記第１又は第２の観点において、前記各種の食材は、主にホイップクリームなどの乳製品、或いはメレンゲなどの卵白・卵黄製品であることを特長とする。
【００１３】
また、本発明の第５の観点による食品用ミキサーの回転駆動用電動機の制御方式は、前記第３の観点において、前記各種の食材は、主にホイップクリームなどの乳製品、或いはメレンゲなどの卵白・卵黄製品であることを特長とする。
【発明の効果】
【００１４】
以上の解決手段を備えた本発明によれば、乳製品や卵白・卵黄食品等のデリケートな撹拌・混練処理が必要とされる食材についても、最適なミキシングをオペレーターの勘と技量に頼ることなく自動的に行うことが可能となる。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（１）本発明による食品用ミキサーの構成
本発明による食品用ミキサーを実現するための最良の形態である実施例について、本発明の明細書に添付した各図面を参照しつつ以下に説明を行う。
【００１６】
先ず、本発明に基づく食品用ミキサー１０（以下、単に「本ミキサー１０」という）の外観・構造の概略を図１に示す。因みに、図１は本ミキサー１０の正面と側面の概略図を示したものであり、側面概略図に関してはその内部の一部を透視したものとなっている。なお、本ミキサー１０の外観や構造は、図１に示された形状に限定されるものではなく、実際の使用形態に即して、任意に変更されるものであることは言うまでもない。
【００１７】
図１に示すとおり、本ミキサー１０は、主に、回転駆動用の電動機１１、トルクセンサー１２、演算制御ユニット１３、及びトルクセンサー１２を介して回転軸が延伸された先に装着された撹拌子１４（撹拌用ボウル１５の内部に位置するため図示せず。）から構成されている。
【００１８】
電動機１１は、通常の業務用の食品用ミキサーに用いられる３相２００Ｖで出力が１〜２ｋＷ程度のモーターであれば、どのような物でも使用することが可能である。また、本実施例では電動機１１は、汎用的なインバーター制御により駆動制御されるが、他の制御方法によって駆動されるものであっても良い。なお、電動機１１の回転出力は、減速歯車機構（図示せず）によって適切な回転数に減速されトルクセンサー１２に伝達される。
【００１９】
トルクセンサー１２は、強磁性体などの磁歪材料に加わる応力による磁歪効果を利用して、回転軸の回転トルクを測定するセンサーである。本実施例では、その測定レンジが２００Ｎ・ｍのものを使用しているが、実際の使用態様に応じて種々の計測レンジのものを使用することが可能であることは言うまでもない。また、本実施例では、前述のように磁歪効果を応用した非接触式のトルクセンサーを用いているが、スリップリングを応用した接触式のトルクセンサーも用いても良い。
【００２０】
電動機の回転軸は、トルクセンサー１２を介して更に鉛直下方に延伸され、ボウル１５内部に位置する撹拌子１４（図示せず）に接続される。撹拌子１４は、被撹拌食材の種類に応じて、フック状やその他様々な形状の物が使用可能である。本実施例の場合は、乳製品などの混練・撹拌と泡立てを目的とするので、係る目的に特化したφ３．５ｍｍのステンレス鋼材２０本から成るホイッパ―を撹拌子として用いている。
【００２１】
ボウル１５は、被撹拌食材を収容するステンレス製のボウル形状容器であり、実際の実施態様に応じて種々の容量のものを用いることができる。なお、ボウル１５は、被撹拌食材の出し入れを行うため、前述の回転用の電動機１１とは別の補助電動機により鉛直方向に所定の長さに亘って昇降可能な構造となっているが、係る昇降機構（図示せず）については、本発明の骨子とは直接に関係しないためその説明を省略する。
【００２２】
演算制御ユニット１３は、本発明の要となる部位であり、その構成概略を図２のブロック図に示す。同図に示すように演算制御ユニット１３は、主にフィルタ部１３１、微分演算部１３２、変曲点検出部１３３、回転制御部１３４、及び監視・制御操作パネル１３５を含んでいる。なお、演算制御ユニット１３には、この他にも、例えば、電源部や補助電動機制御部などの部位（何れも図示せず。）も含まれるが、本発明の骨子とは直接に関係しないためその説明を省略する。
【００２３】
フィルタ部１３１は、トルクセンサー１２からのトルク出力信号に含まれる微小時間変化成分を除去する、つまり出力信号を滑らかにする働きを司る部位である。これによって、トルク出力信号に含まれるノイズ成分や、正・負のピーク成分を取り除くことができるので、トルク出力信号Ｔ（ｔ）を時間ｔの経過に伴って滑らかに変化する時間特性曲線として捉えることが可能となる。
【００２４】
フィルタ部１３１は、例えば、図３（ａ）に示すような抵抗ＲとキャパシタＣで構成された低域フィルタ回路（平滑化回路）によって実現することができる。同図に示す低域フィルタ回路では信号に含まれる高周波成分が減衰されるため、その入力信号Ｖｉと出力信号Ｖｏとの比は、図３（ｂ）に示されるような周波数特性となる。すなわち、入力に含まれる高周波のノイズ成分が除去され、トルク出力信号の平滑化（フィルタリング）が為されることになる。
【００２５】
微分演算部１３２は、トルク出力信号Ｔ（ｔ）に対して、その一次微分函数Ｔ‘（ｔ）
Ｔ‘（ｔ）＝ｄＴ（ｔ）／ｄｔ
及び、Ｔ（ｔ）の二次微分函数Ｔ“（ｔ）
Ｔ“（ｔ）＝ｄ２Ｔ（ｔ）／ｄｔ２ 
を求めるための微分演算を行う部位である。因みに、トルク出力信号Ｔ（ｔ）に対し係る微分演算処理を行うことによって、その特性曲線の増加変化傾向を解析できる。
【００２６】
微分演算部１３２は、例えば、図３（ｃ）に示すような、オペアンプ（演算増幅器）Ａ、抵抗Ｒ、及びキャパシタＣによって構成された微分回路によって実現することができる。
同図に示された微分回路では、その入力信号Ｖｉと出力信号Ｖｏとの関係は、
Ｖｏ＝−ＲＣ・（ｄＶｉ／ｄｔ）
となるため入力信号の微分値が出力として得られることになる。なお、係る微分回路を複数段に亘って縦続接続することにより高次の微分演算を実現することができる。
【００２７】
変曲点検出部１３３は、トルク出力信号Ｔ（ｔ）の特性曲線がプラス増加傾向から、マイナス増加傾向に変化する変曲点を検出する部位である。係る変曲点は、前述の一次微分函数Ｔ‘（ｔ）、及び二次微分函数Ｔ“（ｔ）のそれぞれの極性（プラス、マイナスの極性）を判定することによって検出することができる。なお、プラス増加傾向とは、Ｔ（ｔ）の増加率が逐次増加している状態を表すものであり、マイナス増加傾向とは、Ｔ（ｔ）のの増加率が逐次減少している状態を表すものである。
【００２８】
因みに、トルク出力信号Ｔ（ｔ）の特性曲線がプラス増加傾向を示すときは、前記２つの微分函数の極性は下記のようになり、
一次微分函数：Ｔ‘（ｔ）＞０
二次微分函数：Ｔ“（ｔ）＞０
【００２９】
Ｔ（ｔ）の特性曲線がマイナス増加傾向を示すときは、前記２つの微分函数の極性は下記のようになる。
一次微分函数：Ｔ‘（ｔ）＞０
二次微分函数：Ｔ“（ｔ）＜０
【００３０】
変曲点検出部１３３は、例えば、図３（ｄ）に示すような論理演算回路によって構成することができる。すなわち、一次微分函数Ｔ‘をコンパレータ（比較器）１のプラス入力に接続し、二次微分函数Ｔ“の出力を、同じくコンパレータ（比較器）２のマイナス入力に接続する（各コンパレータの比較入力は零（０）電位に接続する）。そして、両コンパレータの論理積（ＡＮＤ）出力を求めることによって、特性曲線が変曲点、すなわち、Ｔ‘（ｔ）＞０、Ｔ“（ｔ）＜０の条件に到達したことが検出できる。
【００３１】
回転制御部１３４は、変曲点検出部１３３がトルク出力信号Ｔ（ｔ）の特性曲線の変曲点を検出した際に、係る検出信号に基づいて電動機１１の制御インバーターへの停止制御信号を出力する部位である。
【００３２】
監視・制御操作パネル１３５は、本ミキサー１０動作状態を表示すると共に、その動きを制御する部位であり、パネル上には、各種の制御スイッチやモニターランプ（何れも図示せず。）などが備えられている。また、監視・制御操作パネル１３５には、前述のトルク出力信号の値がリアルタイムで表示され、オペレーターが係る表示値をモニターしながら、監視・制御操作パネル１３５から直接に、マニュアル操作によって電動機１１を制御することも可能である。
【００３３】
なお、以上の説明では、演算制御ユニット１３内部の、フィルタ部１３１、微分演算部１３２、変曲点検出部１３３、回転制御部１３４、の各部位をハードウェアによる構成ブロックとして例示したが、本発明の実施は以上示した構成に限定されるものではない。
【００３４】
例えば、演算制御ユニット１３内に、その全体を制御するマイクロプロセッサ（図示せず）を設け、係るマイクロプロセッサを用いてソフトウェア処理により、前述した各部位の動作処理を行うようにしても良い。すなわち、各部位による処理過程を一連の処理プログラムとして構成し、同じく演算制御ユニット１３内に設けたメモリー回路（図示せず）に当該プログラムを予め格納し、係るプログラムに応じて時系列的に制御処理を進めても良い。
【００３５】
（２）食材のミキシング時における回転トルクの時間的特性変化
次に、食材のミキシング時における撹拌用電動機の回転軸ルクの時間的な特性変化について説明を行う。図４に、一般的な食材を撹拌した場合の、時間経過に伴う回転トルクの特性曲線を示す。因みに、図４において、その縦軸は回転トルクの大きさＴ（ｔ）（Ｎ・ｍ）を表し、その横軸は時間ｔ（秒）を表したものである。
【００３６】
攪拌が開始されると、図４に示す通り時間ｔの経過に伴いトルクＴ（ｔ）は増加する。因みに、トルクＴ（ｔ）の増加の様子は単調ではなく、時間領域Ａでは右肩上がりに増加（つまり、プラス増加傾向を示す。）して行くが、時間ｔ１を経過して時間領域Ｂに達するとその増加率が鈍化する（つまり、マイナス増加傾向に転じる。）。さらに、時間ｔ２が経過するとトルクＴ（ｔ）は最大値を示し、その後、時間領域Ｃに入って減少に転ずる。
【００３７】
これは、撹拌処理が進み過ぎたため、被撹拌対象物を構成する粒子が分離してしまい、被撹拌対象物の粘性抵抗が低下し始めたためである。この状態に至っては、撹拌の対象となっている食材の食感と風味が著しく損なわれてしまい、もはや商品としては流通し得ないものとなってしまう。
【００３８】
特に、被撹拌対象物がホイップクリームなどの乳製品の場合は、撹拌処理の進め方を注意深く行う必要があり、図４におけるトルクが最大となる時間ｔ２では撹拌が進み過ぎて余分な泡立ち等が生じてしまう。このような食材では、むしろ時間領域ＡとＢとの境界である時間ｔ１付近において理想的なミキシング状態が得られるとされている。すなわち、本発明の骨子は、トルクの特性曲線に所定の演算処理を行うことにより、係る理想的なミキシング時間を求めることにある。
【００３９】
（３）本発明に基づく食品用ミキサーの制御方式
次に、図５（ａ）に示すフローチャートを参照しつつ、本発明に基づくミキサーの制御方式（以下、単に「本方式」という。）を、ソフトウェア処理によって実行した場合の説明を行う。
【００４０】
本方式では、先ずステップＳ０１において、トルクセンサー１２からのトルク出力信号の取り込みが行われる。なお、係る信号取り込みの際のサンプリング時間設定や、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換時における量子化条件の設定に関しては、本発明の骨子とは直接に関係しないためその説明を省略する。
【００４１】
本方式による制御処理は、所定時間毎（例えば、数百ｍ秒毎）の割り込みタイマーにより、ミキサーにおける撹拌処理の開始時からサイクリックに起動されるものとする。但し、
電動機１１の起動時において、一時的に回転トルクがスパイク状に急上昇する場合があるため、電動機１１の起動から所定時間（例えば、１０秒程度）は、トルクセンサー１２からのトルク出力信号の取り込みを禁止することが好ましい。
【００４２】
続くステップＳ０２において、取り込んだトルク出力信号についてのフィルタ（平滑化）処理が行われる。係る平滑化処理は、複数の処理サイクルに亘って取り込んだトルク出力信号の値をメモリ（図示せず）などにストアして置き、その平均値を取ってフィルタ処理後出力としても良いし、或いは、取り込んだトルク出力信号の移動平均値を取りつつ、その値をフィルタ処理後出力としても良い。
【００４３】
次のステップＳ０３において、フィルタ処理後出力の時系列Ｔ（ｔ）について微分演算処理を行い、前述した一次微分函数Ｔ‘、及び二次微分函数Ｔ“を算出する。
【００４４】
さらに、続くステップＳ０４において、前ステップで算出した一次微分函数Ｔ‘、及び二次微分函数Ｔ“それぞれの極性をチェックしてトルク特性曲線の変曲点を検出する。なお、前述の図４に示したトルク特性曲線を例に取って、一次微分函数Ｔ‘、及び二次微分函数Ｔ“それぞれの極性変化の様子、ならびに特性曲線の変化の様子を図５（ｂ）の表に示す。
【００４５】
そして、次のステップＳ０５において、変曲点に到ったと判定された場合（ＹＥＳの場合、すなわち、Ｔ‘＞０，Ｔ“＜０のとき）は、ステップＳ０６に移行して、電動機１１への停止信号を出力して処理を終了させる。一方、ステップＳ０５において、変曲点に到達していないと判定された場合（ＮＯの場合、すなわち、Ｔ‘＞０，Ｔ“＞０のとき）は、本方式の処理を休止させ次の割り込み信号によって処理サイクルが起動されるまで、一旦、マイクロプロセッサの状態をＷＡＩＴ（待ち）状態に移行させる。
【００４６】
以上に説明したように、本発明による食品用ミキサー、或いは食品用ミキサーの制御方式を用いれば、ホイップクリームやメレンゲなどのソフトでデリケートなミキシングが要求される食材の撹拌・混練或いは泡立てを、ミキサーのオペレーターの勘と技量に左右されることなく自動的に行うことが可能となる。それ故、撹拌不足或いは撹拌過多などによる不良品の発生を効果的に低減させることができる。
【００４７】
なお、本発明の実施形態は、以上に説明した実施例に限定されるものではなく、例えば、各々の実施例を構成する各部位の形状や配置或いはその素材等は、本発明の趣旨を逸脱することなく、現実の実施態様に即して適宜変更ができるものであることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
以上に説明した本発明の構成は、乳製品業界や製菓業界をはじめとして、食材の撹拌・混練、或いは泡立てを必要とする各種の食品業界においてもその利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明による食品用ミキサーの外観概略図である。
【図２】本発明による食品用ミキサーの演算制御ユニットの構成ブロック図である。
【図３】演算制御ユニット内における各部回路の構成等を説明する図である。
【図４】食品のミキシング時におけるトルクの時間経過に伴う変化を説明するである。
【図５】本発明による食品用ミキサーの制御方式を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００５０】
１０  …  本発明による食品用ミキサー
１１  …  回転駆動用電動機
１２  …  トルクセンサー
１３  …  演算制御ユニット
１３１…  フィルタ部
１３２…  微分演算部
１３３…  変曲点検出部
１３４…  回転制御部
１３５…  監視・制御操作パネル
１５  …  食材収容ボウル
Ｒ    …  抵抗
Ｃ    …  キャパシタ
Ａ    …  オペアンプ（演算増幅器）
ＣＭＰ…  コンパレータ（比較器）
ＡＮＤ…  論理積ゲート回路
【図１】
2020020760.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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