JP2009092458A - ラマン散乱信号取得方法ならびにラマン散乱信号取得装置、および、プラスチックの識別方法ならびに識別装置 - Google Patents

Abstract

【課題】透明または半透明なプラスチックであっても正確にその材質を識別する。
【解決手段】被識別プラスチックＰをステンレス鋼製の板により形成されたベルト４ａ上に載置して搬送するベルトコンベア４と、ベルトコンベア４上の被識別プラスチックＰにレーザ光Ｌを照射し、この被識別プラスチックＰから散乱されたラマン散乱光Ｒを得て被識別プラスチックＰの材質を識別するラマン散乱識別機５とを備える。被識別プラスチックＰが透明または半透明であっても、被識別プラスチックＰを透過したレーザ光がベルト４ａの表面で反射され、ベルト４ａによるラマン効果の影響が少なくなるため、このベルト４ａの影響の少ない被識別プラスチックＰの際立ったラマン散乱信号が得られ、より正確な識別が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、透明または半透明の対象物から散乱されたラマン散乱信号を取得するラマン散乱信号取得方法ならびにラマン散乱信号取得装置、および、取得したラマン散乱信号に基づいてプラスチックの材質を非破壊的に識別するプラスチックの識別方法ならびに識別装置に関する。

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、ベルトコンベア上に載って運ばれてくる素材が未知の被識別プラスチックに、レーザ装置からレーザ光を照射して、分光器で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

ところで、被識別プラスチックを連続的に識別するような場合、特許文献２に記載のように被識別プラスチックをベルトコンベアによって所定の位置まで運びながらレーザ光を照射してラマン散乱スペクトルを測定することになる。ところが、実際にベルトコンベア上に載置された被識別プラスチックにレーザ光を照射してラマン散乱スペクトルを測定してみると、被識別プラスチックが透明または半透明のプラスチックの場合、ラマン散乱スペクトルのピークが明確に現れず、正確に識別することができないことがある。

そこで、本発明においては、透明または半透明の対象物であっても明確なラマン散乱信号を得ることが可能なラマン散乱信号取得方法およびラマン散乱信号取得装置を提供するとともに、透明または半透明なプラスチックであっても正確にそ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。

本発明のラマン散乱信号取得方法は、金属表面または鏡面を有する載置台上に載置された対象物にレーザ光を照射し、この対象物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ことを特徴とする。また、本発明のラマン散乱信号取得装置は、金属表面または鏡面を有し、対象物が載置される載置台と、載置台上に載置された対象物にレーザ光を照射するレーザ照射系と、対象物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を有するものである。

これらの発明では、対象物が載置された載置台の金属表面または鏡面がレーザ光を反射することで、対象物から散乱されたラマン散乱光への載置台によるラマン効果の影響を少なくすることができるため、対象物が透明または半透明であっても、載置台の影響の少ない明確なラマン散乱信号が得られる。

本発明のプラスチックの識別方法は、金属表面または鏡面を有する載置台上に載置された識別対象物である被識別プラスチックにレーザ光を照射し、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の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の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、金属表面または鏡面を有し、識別対象物である被識別プラスチックが載置される載置台と、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の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の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の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の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の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。

特に、本発明では、被識別プラスチックが載置された載置台の金属表面または鏡面がレーザ光を反射することで、被識別プラスチックから散乱されたラマン散乱光への載置台によるラマン効果の影響を少なくすることができるため、この載置台の影響の少ない被識別プラスチックの際立ったラマン散乱信号が得られ、より正確にプラスチックの材質を識別することが可能となる。そのため、被識別プラスチックが、透明または半透明のプラスチックの場合に、この透明または半透明の被識別プラスチックを透過したレーザ光が載置台に到達しても、載置台によるラマン効果の影響が少なく、正確にプラスチックの材質を識別することが可能となる。

ここで、載置台の金属表面は、光沢を有するものであることが望ましい。光沢を有する金属表面であれば、載置台の表面からほとんどラマン散乱光は発生しないので、より正確なプラスチックの識別が可能となる。また、載置台の金属表面を構成する金属は、例えば、ステンレス鋼、アルミニウムまたは銅とすることができ、これらの金属であれば安価で加工性が良いため、金属表面を有する載置台を容易に得ることができる。

また、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）金属表面または鏡面を有する載置台上に載置された対象物にレーザ光を照射し、この対象物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ことにより、対象物から散乱されたラマン散乱光への載置台によるラマン効果の影響を少なくすることができるため、対象物が透明または半透明であっても、載置台の影響の少ない明確なラマン散乱信号を得ることが可能となる。

（２）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、金属表面または鏡面を有する載置台上に載置された識別対象物である被識別プラスチックにレーザ光を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の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の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の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。特に、本発明では、被識別プラスチックが載置された載置台の金属表面または鏡面がレーザ光を反射することで、被識別プラスチックから散乱されたラマン散乱光への載置台によるラマン効果の影響を少なくすることができるため、この載置台の影響の少ない被識別プラスチックの際立ったラマン散乱信号が得られ、より正確にプラスチックの材質を識別することが可能となる。そのため、被識別プラスチックが、透明または半透明のプラスチックの場合であっても、正確にプラスチックの材質を識別することが可能となる。

（３）載置台の金属表面が、光沢を有するものであることにより、載置台の表面からほとんどラマン散乱光は発生しないため、より正確なプラスチックの識別が可能となる。

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の概略構成図、図２は図１のラマン散乱識別機の構成図、図３は図１のラマン散乱識別機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、搬入された粉砕プラスチックを異物とプラスチック片とに選別する前処理風選機２と、前処理風選機２により選別されたプラスチック片を振動させて整列させる振動整列フィーダ３と、振動整列フィーダ３により整列させたプラスチック片を載置台としてのベルト４ａ上に載置して搬送する搬送装置としてのベルトコンベア４と、ベルトコンベア４上のプラスチック片、すなわち識別対象物である被識別プラスチックにレーザ光を照射し、この被識別プラスチックから散乱されたラマン散乱光を得て被識別プラスチックの材質を識別するラマン散乱識別機５とを備える。なお、本実施形態におけるプラスチック識別装置１では、ベルト４ａがステンレス鋼製の板により形成されており、その表面は光沢を有している。

また、このプラスチック識別装置１は、ラマン散乱識別機５による識別の結果に応じてエアを噴出することにより被識別プラスチックを材質ごとに選別する選別用エアガン６と、選別用エアガン６を駆動するエアガン駆動装置７と、ラマン散乱識別機５とエアガン駆動装置７との動作を同期させて制御する同期制御装置８とを備える。また、このプラスチック識別装置１は、ベルトコンベア４の搬送速度を調整するコンベア速度調整装置９を備えており、同期制御装置８は、前述のラマン散乱識別機５とエアガン駆動装置７とともにコンベア速度調整装置９の動作を同期させて制御する。

ラマン散乱識別機５は、図２に示すように、レーザ光をベルト４ａ上に載置された被識別プラスチックＰに照射するとともにこの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検出部ヘッド１１と、検出部ヘッド１１と光ファイバ２１により接続されるマルチチャンネル分光器２２と、マルチチャンネル分光器２２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３０と、後述の半導体レーザ発生装置１２を駆動するための半導体レーザ駆動電源４０とを有する。

検出部ヘッド１１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３参照。）を構成する半導体レーザ発生装置１２、焦点距離４０〜１５０ｍｍの１枚の凸レンズ１３と、半導体レーザ発生装置１２により発生したレーザ光Ｌを反射して凸レンズ１３まで導くミラー１４ａおよびダイクロイックミラー１４ｂとを備える。ダイクロイックミラー１４ｂ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１４ａは、半導体レーザ発生装置１２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１４ｂ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１２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１２により発生したレーザ光Ｌは、ミラー１４ａにより反射され、さらにダイクロイックミラー１４ｂにより反射されて凸レンズ１３へ導かれ、凸レンズ１３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１１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１３により集光して光ファイバ２１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１４ｂを透過して光ファイバ２１の入射口へ集光される。

光ファイバ２１は、検出部ヘッド１１の凸レンズ１３により集光した光をマルチチャンネル分光器２２へ導くものである。マルチチャンネル分光器２２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２２の入光側には励起光除去フィルタ２３が設けられている。これらの光ファイバ２１、マルチチャンネル分光器２２および励起光除去フィルタ２３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２０（図３参照。）を構成する。マルチチャンネル分光器２２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、ラマンシフトの波数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３０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２２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３０は、図３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３１と、ラマン散乱信号取得手段２０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３２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３３とを有する。

記憶手段３１に記憶される基準値は、識別したいプラスチック、例えば、ＰＣ（ポリカーボネート）、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）、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合合成樹脂）、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４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（アクリル（クリア色）、ＰＣ（白色）、ＡＢＳ（白色）、ＰＳ（クリア色）、ＰＶＣ（クリア色））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４の横軸はラマンシフトの波数（ｃｍ^-1）、縦軸はラマン散乱強度（任意強度）である。

図４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３２は、ラマン散乱信号取得手段２０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の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の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３１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３２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の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の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３１に記憶しておく。

図５はこの識別手段３２によるＰＳの識別例を示している。図５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の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の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６はこの識別手段３２によるＰＰの識別例を示している。図６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の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の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６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３２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３２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の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の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７はこの識別手段３２によるＰＳの識別例を示している。図７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の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の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８はこの識別手段３２によるＰＰの識別例を示している。図８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の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の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３２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の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の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９はこの識別手段３２によるＰＳの識別例を示している。図９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の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の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の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の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１０はこの識別手段３２によるＰＰの識別例を示している。図１０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の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の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３２は、ラマン散乱信号取得手段２０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の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の波数におけるラマン散乱強度と、記憶手段３１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３２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、搬入された粉砕プラスチック（異物が含まれている場合もある。）を前処理風選機２により異物とプラスチック片とに選別し、この選別されたプラスチック片を振動整列フィーダ３により振動させて整列させ、ベルトコンベア４により搬送する。そして、ラマン散乱識別機５によりベルトコンベア４のベルト４ａ上の被識別プラスチックＰにレーザ光を照射してプラスチックの材質を識別し、識別結果に応じて選別用エアガン６により選別して材質ごとに回収する。

このとき、ラマン散乱識別機５では、強力なレーザ光を発生する半導体レーザ発生装置１２を光源として、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１３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１３により同軸で集光し、光ファイバ２１でマルチチャンネル分光器２２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２２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１１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１１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の波数の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の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の波数を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。

特に、本実施形態におけるプラスチック識別装置１では、ベルトコンベア４のベルト４ａがステンレス鋼により形成されているため、識別したいプラスチックがクリア色のような透明または半透明であっても、このプラスチックを透過したレーザ光がベルト４ａの表面で反射されるので、ベルト４ａのラマン散乱光を発生しない。これにより、ベルト４ａ上の識別したいプラスチックから散乱されたラマン散乱光へのベルト４ａによるラマン効果の影響が少なくなるため、このベルト４ａの影響の少ない際立ったラマン散乱信号が得られ、より正確なプラスチックの識別が可能となっている。

ここで、図１２を参照してラマン散乱光の発生プロセスについて詳述する。図１２に示すように、ステンレス鋼製のベルト４ａ等の金属表面を有する載置台１００上に被識別プラスチックＰ等の透明または半透明の対象物Ｑを載置し、この対象物Ｑにレーザ光をレーザ照射系１０の凸レンズ１３から照射した場合、凸レンズ１３から対象物Ｑへ向かうレーザ光Ｌ₁により発生するラマン散乱光Ｒ₁と、透明または半透明の対象物Ｑを透過して載置台１００の金属表面により反射したレーザ光Ｌ₂により発生するラマン散乱光Ｒ₂とが凸レンズ１３により集光される。すなわち、レーザ光が透明または半透明の対象物Ｑを透過して載置台１００の金属表面で反射することによって２倍のラマン散乱光Ｒ₁，Ｒ₂が集光されることになるので、これらの集光されたラマン散乱光Ｒ₁，Ｒ₂からラマン散乱信号取得手段２０により明確なラマン散乱信号を得ることができる。

なお、本実施形態においては、ベルト４ａをステンレス鋼製の板としているが、ゴムベルトの表面をアルミニウム箔により覆った構成とすることも可能である。あるいは、ステンレス鋼以外の金属である銅やアルミニウムにより形成することも可能である。要するに、ベルト４ａは、金属表面を有するものとすれば良く、さらに光沢を有するものであればなおさら良い。あるいは、ベルト４ａの表面を鏡面としても良く、同様に透明または半透明の対象物を透過したレーザ光が載置台の鏡面で反射することによって、明確なラマン散乱信号が得られる。なお、ベルト４ａの材質の違いによるラマン散乱スペクトルへの影響については後述する。

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４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１３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４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１３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４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１２により発生したレーザ光Ｌをミラー１４ａおよびダイクロイックミラー１４ｂの反射のみによって凸レンズ１３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１３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４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１２を内蔵する検出部ヘッド１１とマルチチャンネル分光器２２とが汎用的な光ファイバ２１のみで接続しているため、マルチチャンネル分光器２２やデータ処理装置３０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。

なお、図１２で説明したように、本実施形態におけるステンレス鋼製のベルト４ａ等の金属表面を有する載置台１００と、レーザ照射系１０およびラマン散乱信号取得手段２０とをラマン散乱信号取得装置として特許文献１，２に適用すれば、透明または半透明の対象物Ｑであっても明確なラマン散乱信号を得ることができるので、より明確なラマン散乱スペクトルを得て、被識別プラスチックの識別をより正確に行うことが可能となる。

プラスチック識別装置１のベルト４ａの材質の違いによるラマン散乱スペクトルへの影響について実験を行った。図１３は各種金属板およびゴムベルト上に配置したアクリル（クリア色）のラマン散乱スペクトルを取得した結果を示している。実験対象とした各種金属は表１のとおりである。

図１３から明らかなようにゴムベルトと比較して、各種金属板ではラマン散乱スペクトルのピーク位置が際立っており、これに基づいてクリア色のプラスチックをより正確に識別することが可能である。一方、ゴムベルトでは、ラマン散乱スペクトルのピーク位置が不明確であるため、クリア色のプラスチックを識別することが不可能である。これは、ゴムのラマン散乱光が影響していると推定される。

また、クリア色および白色のアクリルのレーザ光の透過率を表２に示す。レーザ光の透過率の測定は、クリア色および白色のアクリル板（２ｍｍ厚）を挟んだ両側にレーザ照射系１０とスペクトラフィジクス（Spectra-Physics）製レーザパワーメータ（Model 407A）を配置して行い、それぞれのアクリル板を透過したときのレーザパワーメータの強度値（Ｗ）と、アクリル板を除去したときのレーザパワーメータの強度値（Ｗ）との比を求めた。結果を、表２に示す。

表２から白色のアクリル板はほとんどレーザ光を透過していないことが分かる。一方、クリア色のアクリル板はレーザ光を透過しており、半透明あるいは透明であることが分かる。すなわち、図５で示したアクリル（クリア色）、ＰＳ（クリア色）、ＰＶＣ（クリア色）の各プラスチックのラマン散乱スペクトルは、半透明あるいは透明であるに関わらず、レーザ光をほとんど透過しないＰＣ（白色）、ＡＢＳ（白色）と遜色ない際立ったラマン散乱信号が得られていることが分かる。

本発明のラマン散乱信号取得方法およびラマン散乱信号取得装置は、透明または半透明の対象物から散乱されたラマン散乱信号を取得し、取得したラマン散乱信号に基づいてプラスチックの材質を非破壊的に識別するプラスチックの識別方法および識別装置に有用である。また、本発明のプラスチック識別装置および識別装置は、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方法および装置であり、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方法および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の概略構成図である。 図１のラマン散乱識別機の構成図である。 図１のラマン散乱識別機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。 ラマン散乱光の発生プロセスを説明する断面図である。 各種金属板およびゴムベルト上に配置したアクリル（クリア色）のラマン散乱スペクトルを取得した結果を示す図である。

符号の説明

１ プラスチック識別装置
２ 前処理風選機
３ 振動整列フィーダ
４ ベルトコンベア
４ａ ベルト
５ ラマン散乱識別機
６ 選別用エアガン
７ エアガン駆動装置
８ 同期制御装置
９ コンベア速度調整装置
１０ レーザ照射系
１１ 検出部ヘッド
１２ 半導体レーザ発生装置
１３ 凸レンズ
１４ａ ミラー
１４ｂ ダイクロイックミラー
２０ ラマン散乱信号取得手段
２１ 光ファイバ
２２ マルチチャンネル分光器
２３ 励起光除去フィルタ
３０ データ処理装置
３１ 記憶手段
３２ 識別手段
３３ 出力手段
４０ 半導体レーザ駆動電源

Claims (7)

1. 金属表面または鏡面を有する載置台上に載置された対象物にレーザ光を照射し、この対象物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ことを特徴とするラマン散乱信号取得方法。
2. 金属表面または鏡面を有する載置台上に載置された識別対象物である被識別プラスチックにレーザ光を照射し、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、前記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の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の波数における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。
3. 前記被識別プラスチックは、透明または半透明のプラスチックである請求項２記載のプラスチックの識別方法。
4. 金属表面または鏡面を有し、対象物が載置される載置台と、
   前記載置台上に載置された対象物にレーザを照射するレーザ照射系と、
   前記対象物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
   を有するラマン散乱信号取得装置。
5. 金属表面または鏡面を有し、識別対象物である被識別プラスチックが載置される載置台と、
   前記載置台上に載置された被識別プラスチックにレーザを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の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の波数におけるラマン散乱強度と、前記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. 前記載置台の金属表面は、光沢を有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. 前記載置台の金属表面を構成する金属は、ステンレス鋼、アルミニウムまたは銅である請求項５または６に記載のプラスチックの識別装置。