JP4203916B2 - プラスチックの識別方法および識別装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラスチックの材質を非破壊的に識別する技術に関し、より詳しくは、高速にプラスチックの材質を識別するためのラマン散乱に基づくプラスチックの識別方法および識別装置に関する。

家庭ごみや産業廃棄物として廃棄されるプラスチックの処理に際して、廃棄プラスチックの材質が不明の場合がある。このような廃棄プラスチックの大部分は、粉砕後、焼却処理するしかない。しかしながら、プラスチックは、廃棄プラスチックの材質（原料の種類）が何であるかを識別することで、融解、再成形することが可能であるという特質を有するので、付加価値の高い製品に再利用することが可能である。また、焼却する場合でも、例えばポリ塩化ビニルが存在していれば有毒ガス発生の恐れがあるので事前にその存在を検出する必要がある。

このような廃棄プラスチックの材質を識別する方法の一つとして、ラマン散乱スペクトルを利用した方法が提案されている。例えば、特許文献１には、レーザ光源から発した単色のレーザ光を、光ファイバを介してファイバヘッドに導き、このファイバヘッドを介してプラスチック素材にレーザ光を照射し、ファイバヘッドに備えられるファイバヘッド対物レンズを介してプラスチック素材から散乱された光を集め、この集められた光を、光ファイバを介して分光器に導き、分光分析することによりラマン散乱スペクトルを決定し、データベースに格納された既知のバンドパターンと照合することによりプラスチック素材の種類を識別することが記載されている。

また、例えば、特許文献２には、素材が未知の被識別プラスチックのラマン散乱スペクトルを測定し、このラマン散乱スペクトルから複数のラマンピークの波数およびその波数での相対強度値を抽出し、素材が既知のプラスチックのラマンピークの波数およびその波数での相対強度値と測定されたラマン散乱スペクトルのラマンピークの波数およびその波数での相対強度値とを比較し、この比較結果から被識別プラスチックの素材を識別することが記載されている。

特開２０００−３５６５９５号公報 特開平１０−３８８０７号公報

上記従来の方法は、いずれも未知の被識別プラスチックから得たラマン散乱スペクトルと、既知のラマン散乱スペクトルとを直接比較することにより被識別プラスチックの種類を識別するものである。従来の方法では、ラマン散乱スペクトル同士を直接比較するため、ラマン散乱スペクトルをＳＮ比が大きくなるように測定する必要がある。そのため、通常の分光装置によるラマン散乱スペクトルの測定では、レーザ光を数秒照射し続けて行う必要があるため、従来の方法では１個のプラスチックを識別するのに長い時間が必要となる。

また、測定されたラマン散乱スペクトルからピークを抽出する数学的処理は、複雑で計算量の多いものであり、この操作にも長い時間を必要とする。上記特許文献１，２には測定時間についての記述はないが、最も良い条件で測定したとしても１秒間に数個程度の識別しか行うことができず、実用的ではない。多くの廃棄プラスチックが、粉砕して処理されていることを考えると、実用的なプラスチックの選別には、１秒間に数十個以上の識別を行うことが必要である。

そこで、本発明においては、高速でプラスチックの材質を識別することが可能なラマン散乱に基づくプラスチックの識別方法および識別装置を提供することを目的とする。

本発明のプラスチックの識別方法は、レーザ光を識別対象物である被識別プラスチックに照射し、この被識別プラスチックから散乱されたラマン散乱光からラマン散乱信号を得るラマン散乱信号取得ステップと、予め既知のプラスチックのラマン散乱スペクトルを測定することにより設定した１点以上のピーク位置（以下、「既知ピーク位置」と称す。）のラマン散乱強度およびベースライン位置（以下、「既知ベースライン位置」と称す。）のラマン散乱強度と、被識別プラスチックのラマン散乱信号から得た識別したいプラスチックの材質ごとの既知ピーク位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度および既知ベースライン位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度とに基づいて被識別プラスチックの材質を識別する識別ステップとを含む。

また、本発明のプラスチックの識別装置は、レーザ光を識別対象物である被識別プラスチックに照射するレーザ照射系と、被識別プラスチックから散乱されたラマン散乱光からラマン散乱信号を得るラマン散乱信号取得手段と、予め既知のプラスチックのラマン散乱スペクトルを測定することにより設定した１点以上のピーク位置（既知ピーク位置）のラマン散乱強度およびベースライン位置（既知ベースライン位置）のラマン散乱強度を記憶する記憶手段と、被識別プラスチックのラマン散乱信号から得た識別したいプラスチックの材質ごとの既知ピーク位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度および既知ベースライン位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度と、記憶手段に記憶された既知ピーク位置のラマン散乱強度および既知ベースライン位置のラマン散乱強度とに基づいて被識別プラスチックの材質を識別する識別手段とを有するものである。

これらの発明によれば、予め既知のプラスチックのラマン散乱スペクトルを測定することにより１点以上の既知ピーク位置のラマン散乱強度および既知ベースライン位置のラマン散乱強度を設定しておき、これらの既知ピーク位置のラマン散乱強度および既知ベースライン位置のラマン散乱強度と、レーザ光を識別対象物である被識別プラスチックに照射して得られたラマン散乱信号から得た識別したいプラスチックの材質ごとの既知ピーク位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度および既知ベースライン位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度とに基づいて被識別プラスチックの材質を識別することができる。すなわち、本発明では、被測定プラスチックのラマン散乱スペクトルを正確に測定してピーク位置を求めることなく、予めプラスチックの材質ごとに設定した既知ピーク位置と既知ベースライン位置にそれぞれ対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度のみをラマン散乱信号から求めるだけ良いため、高速でプラスチックの材質を識別することが可能である。

ここで、レーザ照射系は、焦点距離１５０ｍｍ以下の１枚の凸レンズによりレーザ光を集光して被識別プラスチックに照射するものであることが望ましい。レーザ光を対物レンズではなく、通常の凸レンズ１枚で集光して被識別プラスチックに照射することにより、レンズ先から被識別プラスチックまでの作動距離をその焦点距離１５０ｍｍ以下と同程度に確保することができる。また、焦点深度（焦点が合う範囲）も、対物レンズを使用した場合に比べて広くなり、様々な大きさや厚さの被識別プラスチックに対して、加熱しすぎることなく適度な強さでレーザ光を集光できるとともに、効率よくラマン散乱光を集めることができる。

凸レンズは、さらに被識別プラスチックから散乱されたラマン散乱光を集光する集光系の一部を構成するものであることが望ましい。被識別プラスチックにレーザ光を照射する照射用レンズと散乱光を集光する集光用レンズを同じ凸レンズにより構成することで、被識別プラスチックにどの方向からレーザ光を照射してもラマン散乱光を集光することができ、光の照射と集光を効率良く行うことができる。

また、レーザ照射系は、レーザ発生装置により発生したレーザ光をミラーの反射のみによって凸レンズまで導くものであることが望ましい。レーザ発生装置により発生したレーザ光を光ファイバを用いずにミラーの反射のみによって凸レンズまで導くことで、レーザ光の出力を落とさずに凸レンズで集光して被識別プラスチックに照射することができる。

また、ラマン散乱信号取得手段は、分光器と、凸レンズにより集光した光を分光器へ導く光ファイバと、分光器により分光した光を検出して電気信号へ変換するマルチチャンネル光検出器とを有し、マルチチャンネル光検出器により変換した電気信号からラマン散乱信号を得るものであることが望ましい。これにより、精密機器である分光器およびマルチチャンネル光検出器を、レーザ照射系と離して作業環境の良い場所に配置することができる。

（１）予め既知のプラスチックのラマン散乱スペクトルを測定することにより１点以上の既知ピーク位置のラマン散乱強度および既知ベースライン位置のラマン散乱強度を設定しておき、これらの既知ピーク位置のラマン散乱強度および既知ベースライン位置のラマン散乱強度と、レーザ光を識別対象物である被識別プラスチックに照射して得られたラマン散乱信号から得た識別したいプラスチックの材質ごとの既知ピーク位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度および既知ベースライン位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度とに基づいて被識別プラスチックの材質を識別する構成により、予め識別したいプラスチックごとに設定したラマン散乱スペクトル上の１点以上の既知ピーク位置および既知ベースライン位置にそれぞれ対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度のみをラマン散乱信号から求めるだけで被識別プラスチックの材質を識別することができるので、従来のようにラマン散乱スペクトル全体を測定する必要はなく、高速でプラスチックの材質を識別することが可能となる。

（２）レーザ照射系が、焦点距離１５０ｍｍ以下の１枚の凸レンズによりレーザ光を集光して被識別プラスチックに照射するものであることにより、レンズ先から被識別プラスチックまでの作動距離をその焦点距離１５０ｍｍ以下と同程度に確保することができ、ベルトコンベア等によって搬送されている様々な大きさのプラスチック片の材質を識別することが可能となる。また、焦点深度も、対物レンズを使用した場合に比べて広くなり、様々な大きさや厚さの被識別プラスチックに対して、加熱しすぎることなく適度な強さでレーザ光を集光できるとともに、効率よくラマン散乱光を集めることができる。

（３）凸レンズが、さらに被識別プラスチックから散乱されたラマン散乱光を集光する集光系の一部を構成するものであることにより、被識別プラスチックにどの方向からレーザ光を照射してもラマン散乱光を集光することができ、光の照射と集光を効率良く行うことができる。これにより、レーザ光の照射方向の制限がなくなり、専門家だけでなく一般の利用者であっても容易に使用することが可能となる。また、ベルトコンベア等によって搬送されている様々な形状のプラスチック片に対してどの方向からレーザ光が照射された場合であっても、そのラマン散乱光を集光して材質を識別することができる。

（４）レーザ照射系が、レーザ発生装置により発生したレーザ光をミラーの反射のみによって凸レンズまで導くものであることにより、レーザ光の出力を落とさずに凸レンズで集光して被識別プラスチックに照射することができる。

（５）ラマン散乱信号取得手段が、分光器と、凸レンズにより集光した光を分光器へ導く光ファイバと、分光器により分光した光を検出して電気信号へ変換するマルチチャンネル光検出器とを有し、マルチチャンネル光検出器により変換した電気信号からラマン散乱信号を得るものであることにより、精密機器である分光器およびマルチチャンネル光検出器を、レーザ照射系と離して作業環境の良い場所に配置することができる。

図１は本発明の実施の形態におけるプラスチック識別装置、図２は図１のプラスチック識別装置のブロック図である。

図１において、本発明の実施の形態におけるプラスチック識別装置１は、レーザ光を識別対象物である被識別プラスチックに照射するとともにこの被識別プラスチックから散乱されたラマン散乱光を集光する検出部ヘッド２と、検出部ヘッド２と光ファイバ３により接続されるマルチチャンネル分光器４と、マルチチャンネル分光器４から出力される電気信号を入力して処理するデータ処理装置５と、後述の半導体レーザ発生装置２０を駆動するための半導体レーザ駆動電源６とを有する。

検出部ヘッド２は、レーザ光を識別対象物である被識別プラスチックＰに照射するレーザ照射系１０（図２参照。）を構成する半導体レーザ発生装置２０と、焦点距離４０〜１５０ｍｍの１枚の凸レンズ２１と、半導体レーザ発生装置２０により発生したレーザ光Ｌを反射して凸レンズ２１まで導くミラー２２ａおよびダイクロイックミラー２２ｂとを備える。ダイクロイックミラー２２ｂは、レーザ光Ｌを反射し、かつラマン散乱光Ｒを透過するものである。なお、ミラー２２ａは、半導体レーザ発生装置２０の向きを調整することで省略することも可能である。また、ダイクロイックミラー２２ｂは、レーザ光Ｌを反射し、かつラマン散乱光Ｒを透過するハーフミラーに代えることも可能である。

半導体レーザ発生装置２０は、例えば、波長６００〜９００ｎｍの範囲で１００ｍＷ以上の出力が得られる高出力のものを用いる。半導体レーザ発生装置２０により発生したレーザ光Ｌは、ミラー２２ａにより反射され、さらにダイクロイックミラー２２ｂにより反射されて凸レンズ２１へ導かれ、凸レンズ２１により集光されて被識別プラスチックＰへと照射される。また、この検出部ヘッド２は、被識別プラスチックＰから散乱されたラマン散乱光Ｒを凸レンズ２１により集光して光ファイバ３へ導く集光系を兼ねている。ラマン散乱光Ｒは、ダイクロイックミラー２２ｂを透過して光ファイバ３の入射口へ集光される。

光ファイバ３は、検出部ヘッド２の凸レンズ２１により集光した光をマルチチャンネル分光器４へ導くものである。マルチチャンネル分光器４は、分光器と、分光器により分光した光を検出して電気信号へ変換するＣＣＤ（Charge Coupled Device）やリニアアレイフォトダイオード等の１０２４画素以下の２次元の光検出器とから構成される小型分光器である。このマルチチャンネル分光器４の入光側には励起光除去フィルタ７が設けられている。これらの光ファイバ３、マルチチャンネル分光器４および励起光除去フィルタ７は、被識別プラスチックＰから散乱されたラマン散乱光Ｒをマルチチャンネル分光して電気信号へ変換することによりラマン散乱信号を得るラマン散乱信号取得手段１１（図２参照。）を構成する。マルチチャンネル分光器４は、高分解能のものでなくて良く、内部に組み込む回折格子や光検出器の性能により選択可能であり、例えば、ラマンシフト波数４００〜１６００ｃｍ^-1の範囲で２ｃｍ^-1のラマン散乱信号を得られるものであれば良い。

データ処理装置５は、パーソナルコンピュータやＣＰＵボード等であり、マルチチャンネル分光器４は、例えばＰＣＩ（Peripheral Component Interconnect）インターフェースにより接続される。データ処理装置５は、図２に示すように、予め設定された基準値等を記憶する記憶手段１２と、ラマン散乱信号取得手段１１により取得したラマン散乱信号に基づいて被識別プラスチックＰの材質を識別する識別手段１３と、識別手段により識別した結果（識別信号）を出力する出力手段１４とを有する。

記憶手段１２に記憶される基準値は、識別したいプラスチック、例えばＰＳ（ポリスチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＬＤＰＥ（低密度ポリエチレン）やＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）等の既知のプラスチックの材質ごとに予め設定した１点以上の既知ピーク位置および既知ベースライン位置のそれぞれラマン散乱強度である。

図３は本実施形態におけるプラスチック識別装置により参照試料としての既知のプラスチック（ＰＳ、ＰＰ、ＰＥＴ、ＬＤＰＥ、ＨＤＰＥ）のそれぞれのラマン散乱スペクトルを取得した結果を示している。図３の横軸はラマンシフト波数（ｃｍ^-1）、縦軸はラマン散乱強度（任意強度）である。図３において、ＰＳを例に説明すると、ＰＳでは点Ａ₁と点Ａ₂の位置にピークがあるので、これら２点Ａ₁，Ａ₂またはその近傍をＰＳ識別のためのピーク位置とする。また、これらのピーク位置Ａ₁，Ａ₂間にベースライン上の点Ｂがあるので、この点ＢをＰＳ識別のためのベースライン位置とする。なお、ベースラインの位置と強度には、ピーク位置からあまり離れていないラマン散乱強度が弱く、底になった部分の値を用いることが望ましい。また、強度の算出には、ピーク位置やベースライン位置を含む近傍の測定点の平均値を算出して、これを用いることでＳＮ比の向上を図ることができる。

識別手段１３は、ラマン散乱信号取得手段１１により取得したラマン散乱信号から識別したいプラスチックの材質ごとの既知ピーク位置（ＰＳの例では２点Ａ₁，Ａ₂）に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度および既知ベースライン位置（ＰＳの例では点Ｂ）に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度を得るとともに、これらの得られたラマン散乱強度と記憶手段１２に記憶された基準値とに基づいて被識別プラスチックの材質を識別するものである。

例えば、識別手段１３は、識別したいプラスチックの材質ごとの既知ピーク位置（２点Ａ₁，Ａ₂）に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度Ｒ_A1，Ｒ_A2と既知ベースライン位置（点Ｂ）に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度Ｒ_Bとのそれぞれの差（Ｒ_A1−Ｒ_B），（Ｒ_A2−Ｒ_B）と、基準値としての既知のプラスチックの既知ピーク位置のラマン散乱強度Ｒ_A10，Ｒ_A20と既知ベースライン位置のラマン散乱強度Ｒ_B0との差（Ｒ_A10−Ｒ_B0），（Ｒ_A20−Ｒ_B0）とを、直接またはそれぞれの比（Ｒ_A1−Ｒ_B）／（Ｒ_A2−Ｒ_B），（Ｒ_A10−Ｒ_B0）／（Ｒ_A20−Ｒ_B0）によって比較することにより被識別プラスチックの材質を識別する。なお、直接比較する際の基準値（Ｒ_A10−Ｒ_B0），（Ｒ_A20−Ｒ_B0）、または、比によって比較する際の基準値（Ｒ_A10−Ｒ_B0）／（Ｒ_A20−Ｒ_B0）は、予め記憶手段１２に記憶しておく。

図４はこの識別手段１３によるＰＳの識別例を示している。図４に示すように、ＰＳの２点Ａ₁，Ａ₂の既知ピーク位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度Ｒ_A1，Ｒ_A2と点Ｂの既知ベースライン位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度Ｒ_Bとのそれぞれの差（Ｒ_A1−Ｒ_B），（Ｒ_A2−Ｒ_B）の比（Ｒ_A1−Ｒ_B）／（Ｒ_A2−Ｒ_B）は、他の材質のものとは大きく相違している。したがって、ＰＳの既知ピーク位置のラマン散乱強度Ｒ_A10，Ｒ_A20と既知ベースライン位置のラマン散乱強度Ｒ_B0との差（Ｒ_A10−Ｒ_B0），（Ｒ_A20−Ｒ_B0）の比（Ｒ_A10−Ｒ_B0）／（Ｒ_A20−Ｒ_B0）から設定した基準値としての閾値Ｓ_PSによってフィルタリング（図示例では（Ｒ_A10−Ｒ_B0）／（Ｒ_A20−Ｒ_B0）＞Ｓ_PS＝２．５のみ抽出）することにより、ＰＳ、ＰＰ、ＰＥＴ、ＬＤＰＥ、ＨＤＰＥが混在した試料からＰＳのみを識別して抽出することが可能である。

同様に、図５はこの識別手段１３によるＰＰの識別例を示している。図５に示すように、ＰＰの２点の既知ピーク位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度と既知ベースライン位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度とのそれぞれの差の比Ｘは、他の材質のものとは正負が異なっている。したがって、ＰＰの既知ピーク位置のラマン散乱強度と既知ベースライン位置のラマン散乱強度との差の比から設定した基準値としての閾値Ｓ_PPによってフィルタリング（図示例ではＸ＞０のみ抽出）することにより、ＰＳ、ＰＰ、ＰＥＴ、ＬＤＰＥ、ＨＤＰＥが混在した試料からＰＰのみを識別して抽出することが可能である。なお、図５に示すように上記の条件ではすべてのＰＰを抽出できていないが、この識別手段１３によって抽出したものの中にはＰＰ以外のものは含まれないので、廃棄プラスチックの再利用には問題なく使用することができる。

また、識別手段１３は、識別したいプラスチックの材質ごとの既知ピーク位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度Ｒ_A1，Ｒ_A2と既知ベースライン位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度Ｒ_Bとの比Ｒ_A1／Ｒ_B，Ｒ_A2／Ｒ_Bを算出し、既知のプラスチックの既知ピーク位置のラマン散乱強度Ｒ_A10，Ｒ_A20と既知ベースライン位置のラマン散乱強度Ｒ_B0との比Ｒ_A10／Ｒ_B0，Ｒ_A20／Ｒ_B0から設定した基準値としての閾値と比較することにより被識別プラスチックの材質を識別する構成とすることも可能である。

図６はこの識別手段１３によるＰＳの識別例を示している。図６に示すように、ＰＳの１点Ａ₁の既知ピーク位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度Ｒ_A1と既知ベースライン位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度Ｒ_Bとの比Ｒ_A1／Ｒ_Bは、他の材質のものとは相違している。したがって、この例では、ＰＳの既知ピーク位置のラマン散乱強度Ｒ_A10と既知ベースライン位置のラマン散乱強度Ｒ_B0との比Ｒ_A10／Ｒ_B0からそれぞれ設定した基準値としての閾値Ｓ_PS1によってフィルタリングし、この閾値Ｓ_PS1を満たすことを条件とすることにより、ＰＳ、ＰＰ、ＰＥＴ、ＬＤＰＥ、ＨＤＰＥが混在した試料からＰＳのみを識別して抽出することが可能である。

同様に、図７はこの識別手段１３によるＰＰの識別例を示している。図７の（ａ），（ｂ）に示すように、ＰＰの２点の既知ピーク位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度と既知ベースライン位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度との比Ｘは、他の材質のものとは相違している。したがって、この例では、ＰＰの既知ピーク位置のラマン散乱強度と既知ベースライン位置のラマン散乱強度との比からそれぞれ設定した基準値としての閾値Ｓ_PP1，Ｓ_PP2によってフィルタリングし、両閾値を満たすことを条件とすることにより、ＰＳ、ＰＰ、ＰＥＴ、ＬＤＰＥ、ＨＤＰＥが混在した試料からＰＰのみを識別して抽出することが可能である。

あるいは、識別手段１３は、識別したいプラスチックの材質ごとの２点の既知ピーク位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度Ｒ_A1，Ｒ_A2の差（Ｒ_A1−Ｒ_A2）と既知ベースライン位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度Ｒ_Bとの比（Ｒ_A1−Ｒ_A2）／Ｒ_Bを算出し、既知のプラスチックの２点の既知ピーク位置のラマン散乱強度Ｒ_A10，Ｒ_A20の差（Ｒ_A10−Ｒ_A20）と既知ベースライン位置のラマン散乱強度Ｒ_B0との比（Ｒ_A10−Ｒ_A20）／Ｒ_B0から設定した基準値としての閾値と比較することにより被識別プラスチックの材質を識別する構成とすることができる。

図８はこの識別手段１３によるＰＳの識別例を示している。図８に示すように、ＰＳの２点Ａ₁，Ａ₂の既知ピーク位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度Ｒ_A1，Ｒ_A2の差（Ｒ_A1−Ｒ_A2）と既知ベースライン位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度Ｒ_Bとの比（Ｒ_A1−Ｒ_A2）／Ｒ_Bは、他の材質のものとは大きく相違している。したがって、ＰＳの２点の既知ピーク位置のラマン散乱強度Ｒ_A10，Ｒ_A20の差（Ｒ_A10−Ｒ_A20）と既知ベースライン位置のラマン散乱強度Ｒ_B0との比（Ｒ_A10−Ｒ_A20）／Ｒ_B0から設定した基準値としての閾値Ｓ_PSによってフィルタリングすることにより、ＰＳ、ＰＰ、ＰＥＴ、ＬＤＰＥ、ＨＤＰＥが混在した試料からＰＳのみを識別して抽出することが可能である。

このように、ＰＳの２点Ａ₁，Ａ₂の既知ピーク位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度Ｒ_A1，Ｒ_A2の差（Ｒ_A1−Ｒ_A2）と既知ベースライン位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度Ｒ_Bとの比（Ｒ_A1−Ｒ_A2）／Ｒ_Bを採ることで、より識別精度を向上させることが可能である。また、ラマン散乱強度Ｒ_A1，Ｒ_A2，Ｒ_Bの３つの数値のみから十分な識別精度が得られるので、演算処理に要する時間は極わずかであり、短時間で大量の廃棄プラスチックを識別することができる。

同様に、図９はこの識別手段１３によるＰＰの識別例を示している。図９に示すように、ＰＰの２点の既知ピーク位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度の差と既知ベースライン位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度との比Ｘは、他の材質のものとはその範囲が相違している。したがって、ＰＰの２点の既知ピーク位置のラマン散乱強度の差と既知ベースライン位置のラマン散乱強度との比から設定した基準値としての閾値Ｓ_PPH，Ｓ_PPLによってフィルタリング（図示例ではＳ_PPH＞Ｘ＞Ｓ_PPLの範囲内にあるもののみを抽出）することにより、ＰＳ、ＰＰ、ＰＥＴ、ＬＤＰＥ、ＨＤＰＥが混在した試料からＰＰのみを識別して抽出することが可能である。

以上のように、識別手段１３は、ラマン散乱信号取得手段１１により取得したラマン散乱信号から得た識別したいプラスチックの材質ごとの既知ピーク位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度および既知ベースライン位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度と、記憶手段１２に記憶された基準値とに基づいてプラスチックを識別するものであり、従来のようにラマン散乱スペクトル全体を測定し、この測定されたラマン散乱スペクトルからピークを抽出するような複雑な演算処理を行うことなく、簡単な演算処理によりプラスチックを識別するものである。なお、本発明に係る識別手段１３は、上述した具体的演算例に限らず、特定のプラスチックのみが際立つような簡単な演算処理であれば採用することが可能である。

上記構成のプラスチック識別装置１では、強力なレーザ光を発生する半導体レーザ発生装置２０を光源とし、このレーザ光を試料である被識別プラスチックＰの表面に凸レンズ２１により集光照射し、その散乱光に含まれるラマン散乱光を、レーザ光の集光に使用した同じ凸レンズ２１により同軸で集光し、光ファイバ３でマルチチャンネル分光器４に導き、マルチチャンネル分光してラマン散乱信号を得る。ここで得るラマン散乱信号は、予め設定したピーク位置とベースライン位置のみを得るだけで良いため、従来のようにラマン散乱スペクトル全体を正確に測定する必要はない。また、できるだけ少ない画素数で測定すれば、１画素当たりの光強度が大きくなるので、大きな電気信号を取り出すことが可能となる。したがって、例えば５１２画素のマルチチャンネル分光器４により得たラマン散乱信号であっても十分なＳＮ比で高速に測定することが可能である。図１０はＰＰのラマン散乱信号を５０ｍｓおよび１０ｍｓでそれぞれ測定した例を示しており、図１０に示されるように、１回の測定に１０ｍｓ程度の高速処理を行っても識別に十分なＳＮ比（低ノイズ）で必要なラマン散乱信号が得られている。

また、本実施形態におけるプラスチック識別装置１では、こうして得られたラマン散乱信号から、識別したいプラスチックごとに予め決められたピーク位置（例えば、ＰＳの場合のＡ₁，Ａ₂）に対応するラマンシフト波数の１点または２点のラマン散乱強度と、ベースライン位置（例えば、ＰＳの場合のＢ）に対応するラマンシフト波数のラマン散乱強度とを求め、その比を計算するなど簡単な演算処理を行い、その値と参照試料のプラスチックで求めた基準値とを比較するという簡便な方法によって毎秒５０個以上のプラスチックを識別することが可能である。なお、本実施形態においては、ピーク位置に対応するラマンシフト波数を１点または２点使用しているが、３点以上とすることも可能である。

従来のラマン散乱に基づくプラスチックの識別方法は、ラマン散乱スペクトルを正確に測定することが必要であるため、測定時間が長く、解析法も複雑であるが、本実施形態におけるプラスチック識別装置１では、ラマン散乱スペクトルを正確に測定してピーク位置を求めることなく、予め設定したピーク位置とベースライン位置のラマン散乱強度のみを測定したラマン散乱信号から求めるだけ良いため、１秒間に５０個以上の高速でプラスチックの材質を識別することが可能である。したがって、現実に排出されている大量の廃棄プラスチックを、ベルトコンベア等によって搬送しながら材質を識別して分別し、プラスチックリサイクルのための純度の高い再生原料を得ることが可能である。

また、本実施形態におけるプラスチック識別装置１では、焦点距離１５０ｍｍ以下の１枚の凸レンズ２１によりレーザ光Ｌを集光して被識別プラスチックＰに照射するので、レンズ先から被識別プラスチックＰまでの作動距離をその焦点距離１５０ｍｍ以下と同程度に確保することができ、ベルトコンベア等によって搬送されている様々な大きさのプラスチック片の材質を識別することが可能である。

さらに、この凸レンズ２１が、被識別プラスチックＰから散乱されたラマン散乱光を集光する集光系の一部を構成するので、被識別プラスチックＰにどの方向からレーザ光Ｌを照射してもラマン散乱光Ｒを集光することができ、光の照射と集光を効率良く行うことができる。これにより、レーザ光Ｌの照射方向の制限がなくなり、専門家だけでなく一般の利用者であっても容易に使用することが可能となる。また、ベルトコンベア等によって搬送されている様々な形状のプラスチック片に対してどの方向からレーザ光Ｌが照射された場合であっても、そのラマン散乱光Ｒを集光して材質を識別することができる。

また、本実施形態におけるプラスチック識別装置１では、レーザ照射系１０が、半導体レーザ発生装置２０により発生したレーザ光Ｌをミラー２２ａおよびダイクロイックミラー２２ｂの反射のみによって凸レンズ２１まで導くものであることにより、レーザ光Ｌの出力を落とさずに凸レンズ２１で集光して被識別プラスチックに照射することができる。

また、本実施形態におけるプラスチック識別装置１では、高速に被識別プラスチックの識別を行うことが可能であるため、試料をベルトコンベア等の上で常時移動している状態で識別することが可能である。そのため、レーザ光Ｌも連続発振させていれば良く、レーザの同期パルス発振が不要であるため、構造が簡単である。

半導体レーザ発生装置２０を内蔵する検出部ヘッド２とマルチチャンネル分光器４とが汎用的な光ファイバ３のみで接続しているため、マルチチャンネル分光器４やデータ処理装置５といった精密な部分を作業環境の良い離れた場所に設置することが可能である。

本発明のプラスチック識別装置は、ラマン散乱という散乱現象を測定することによりプラスチックの材質を識別する装置であり、リサイクルのために家庭ごみや産業廃棄物として廃棄される様々なプラスチックを識別する装置として有用である。

本発明の実施の形態におけるプラスチック識別装置である。 図１のプラスチック識別装置のブロック図である。 本実施形態におけるプラスチック識別装置により参照試料としての既知のプラスチックのそれぞれのラマン散乱信号を取得した結果を示す図である。 識別手段によるＰＳの識別例を示す図である。 識別手段によるＰＰの識別例を示す図である。 識別手段によるＰＳの識別例を示す図である。 識別手段によるＰＰの識別例を示す図である。 識別手段によるＰＳの識別例を示す図である。 識別手段によるＰＰの識別例を示す図である。 ＰＰのラマン散乱信号を５０ｍｓおよび１０ｍｓでそれぞれ測定した例を示す図である。

符号の説明

１ プラスチック識別装置
２ 検出部ヘッド
３ 光ファイバ
４ マルチチャンネル分光器
５ データ処理装置
６ 半導体レーザ駆動電源
７ 励起光除去フィルタ
１０ レーザ照射系
１１ ラマン散乱信号取得手段
１２ 記憶手段
１３ 識別手段
１４ 出力手段
２０ 半導体レーザ発生装置
２１ 凸レンズ
２２ａ ミラー
２２ｂ ダイクロイックミラー

Claims (9)

1. 予め既知のプラスチックのラマン散乱スペクトルを測定することにより設定した１点以上の数点のピーク位置（以下、「既知ピーク位置」と称す。）のラマン散乱強度およびベースライン位置（以下、「既知ベースライン位置」と称す。）のラマン散乱強度を記憶手段に記憶するステップと、
   レーザ光を識別対象物である被識別プラスチックに照射し、この被識別プラスチックから散乱されたラマン散乱光からラマン散乱信号を得るラマン散乱信号取得ステップにおいて、前記被識別プラスチックのラマン散乱信号から識別したいプラスチックの材質ごとの前記１点以上の数点の既知ピーク位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度および既知ベースライン位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度のみを得て、この得られた１点以上の数点の既知ピーク位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度および既知ベースライン位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度のみと、前記記憶手段に予め記憶された１点以上の数点の既知ピーク位置のラマン散乱強度および既知ベースライン位置のラマン散乱強度とに基づいて前記被識別プラスチックの材質を識別する識別ステップと
   を含むプラスチックの識別方法。
2. 前記識別ステップは、前記識別したいプラスチックの材質ごとの既知ピーク位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度と既知ベースライン位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度との差と、前記既知のプラスチックの既知ピーク位置のラマン散乱強度と既知ベースライン位置のラマン散乱強度との差とを、比較することにより前記被識別プラスチックの材質を識別することを特徴とする請求項１記載のプラスチックの識別方法。
3. 前記識別ステップは、前記識別したいプラスチックの材質ごとの既知ピーク位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度と既知ベースライン位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度との比を算出し、前記既知のプラスチックの既知ピーク位置のラマン散乱強度と既知ベースライン位置のラマン散乱強度との比から設定した閾値と比較することにより前記被識別プラスチックの材質を識別することを特徴とする請求項１記載のプラスチックの識別方法。
4. 前記識別ステップは、前記識別したいプラスチックの材質ごとの２点の既知ピーク位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度の差と既知ベースライン位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度との比を算出し、前記既知のプラスチックの２点の既知ピーク位置のラマン散乱強度の差と既知ベースライン位置のラマン散乱強度との比から設定した閾値と比較することにより前記被識別プラスチックの材質を識別することを特徴とする請求項１記載のプラスチックの識別方法。
5. レーザ光を識別対象物である被識別プラスチックに照射するレーザ照射系と、
   前記被識別プラスチックから散乱されたラマン散乱光からラマン散乱信号を得るラマン散乱信号取得手段と、
   予め既知のプラスチックのラマン散乱スペクトルを測定することにより設定した１点以上の数点のピーク位置（以下、「既知ピーク位置」と称す。）のラマン散乱強度およびベースライン位置（以下、「既知ベースライン位置」と称す。）のラマン散乱強度を記憶する記憶手段と、
   前記被識別プラスチックのラマン散乱信号から識別したいプラスチックの材質ごとの前記１点以上の数点の既知ピーク位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度および既知ベースライン位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度のみを得て、この得られた１点以上の数点の既知ピーク位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度および既知ベースライン位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度のみと、前記記憶手段に予め記憶された１点以上の数点の既知ピーク位置のラマン散乱強度および既知ベースライン位置のラマン散乱強度とに基づいて前記被識別プラスチックの材質を識別する識別手段と
   を有するプラスチックの識別装置。
6. 前記レーザ照射系は、焦点距離１５０ｍｍ以下の１枚の凸レンズによりレーザ光を集光して前記被識別プラスチックに照射するものである請求項５記載のプラスチックの識別装置。
7. 前記凸レンズは、さらに前記被識別プラスチックから散乱されたラマン散乱光を集光する集光系の一部を構成するものである請求項６記載のプラスチックの識別装置。
8. 前記レーザ照射系は、レーザ発生装置により発生したレーザ光をミラーの反射のみによって前記凸レンズまで導くものである請求項６または７に記載のプラスチックの識別装置。
9. 前記ラマン散乱信号取得手段は、分光器と、前記凸レンズにより集光した光を前記分光器へ導く光ファイバと、前記分光器により分光した光を検出して電気信号へ変換するマルチチャンネル光検出器とを有し、前記マルチチャンネル光検出器により変換した電気信号からラマン散乱信号を得るものである請求項６から８のいずれかに記載のプラスチックの識別装置。

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