JP2023167533A - 識別装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高Ｓ／Ｎと高スループットを両立した識別装置を提供する。【解決手段】 物体の種類を識別する識別装置であって、物体を照明する照明部と、照明された物体からの反射光を測定するセンサと、センサによる測定結果に基づいて物体の種類を識別する処理部と、を有し、照明部は、物体を照明する照明光を走査する走査部と、走査部を制御する制御部と、を有し、制御部は、移動する物体を照明光が追従し、かつ、物体の表面上における照明光の位置を変化させるように、物体の位置に基づいて走査部を制御する。【選択図】 図１

Description

本発明は、物体の種類を識別する識別装置に関する。

従来から自動車や電化製品などの構造部品や外装部品には量産性や部品コストの観点から樹脂成型部品が多用されている。近年の産業界では環境に配慮する必要に迫られ、これらの樹脂成型部品もリサイクルされ再利用されている。従来のリサイクルにおいては廃自動車や廃家電は様々なリサイクル工程で鉄やアルミなどを回収した後、１０～１００ｍｍ程度の大きさまで破砕され、様々な種類のプラスチックを含む残渣物として回収される。最終的には燃料として燃やされるサーマルリサイクルとして再利用されることが多い。

これらの残渣物としてのプラスチックを再び樹脂成型部品の材料として利用する水平リサイクルをする試みも進められ、様々なプラスチックを含む残渣物から特定の種類のプラスチックを識別し選別する樹脂識別装置が開発されている。

光を照射して非接触で樹脂種を特定する測定方法として、ラマン散乱を利用して樹脂種を特定する以下のような技術が開示されている。

特許文献１には、ベルトコンベア上を流れる樹脂をラマン分光法で計測する際に照明光を平行移動させることで、樹脂を破損または変性させることなく強いラマン散乱信号を得ることが可能な樹脂識別装置が開示されている。励起用レーザ光の照射中に、励起用のレーザ光の対象物上のスポット径以上の範囲、好ましくはスポット径の２倍～３倍以上の範囲で、採光光学系を載置台の上面に対して平行移動させる。そうすることで、対象物の１か所に励起用レーザ光が集中して照射されることが無く、対象物が破損または変質することのない樹脂識別装置となっている。

特開２０１３‐３６９７１号公報

特許文献１では、高出力のレーザを照射しても樹脂を変性させることなくラマン計測による樹脂種別の識別が可能である。一般的にはラマン計測では非常に微弱な信号を計測する必要が有り、識別装置として構成するには高出力のレーザ光源を必要とする。しかし、装置搭載可能な安価なＬＤを光源として考えると、ＬＤ出力には限りが有る為、Ｓ／Ｎを向上させる必要がある。Ｓ／Ｎの高いラマン信号を得る為に、例えば、ベルト速度を落として、センサでの露光時間をより長くして信号強度を上げる、繰り返し平均でノイズを低減して計測する。

一方、リサイクル工程において樹脂の残渣物は１ｔ／ｈや２ｔ／ｈと大量に発生することから、識別処理のスループットを上げることが要求され、ベルトコンベアの速度を大きくすることが望ましい。スループットの要求からベルトコンベアの速度を上げると、照明光直下をサンプルが存在する時間は短くなるのでラマン計測のための分光器の露光時間を確保することが出来ない、あるいは、繰り返し平均の回数が確保できない為、Ｓ／Ｎの確保は難しい。

以上のように高Ｓ／Ｎと高スループットを両立して樹脂の選別をすることは難しいという問題が有った。

そこで、本発明は、高Ｓ／Ｎと高スループットを両立した識別装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の一側面としての識別装置は、物体の種類を識別する識別装置であって、前記物体を照明する照明部と、照明された前記物体からの反射光を測定するセンサと、前記センサによる測定結果に基づいて前記物体の種類を識別する処理部と、を有し、前記照明部は、前記物体を照明する照明光を走査する走査部と、前記走査部を制御する制御部と、を有し、前記制御部は、移動する前記物体を前記照明光が追従し、かつ、前記物体の表面上における前記照明光の位置を変化させるように、物体の位置に基づいて前記走査部を制御する。

本発明によれば、高Ｓ／Ｎと高スループットを両立した識別装置を提供することができる。

選別システムを示す図である。 測定部３０の詳細を示す図である。 ガルバノスキャナで照明光を走査する様子を示す図である。 走査領域４００中で照明光を走査する様子を示す図である。 複数のサンプルを走査領域内で測定するときの走査軌跡を示す図である。 走査領域外の試料を測定する様子を示す図である。

本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、選別システムの構成を示す図である。本実施形態の選別システムは、サンプル（物体）を移動するベルトコンベア１（移動部）を有し、ベルトコンベア１によって搬送されるサンプルの種類を識別する識別処理を行い、その識別結果に応じてサンプルを選別するシステムである。

サンプル１０、１１は、金属を主に含む金属片、金属酸化物の結晶を主に含むセラミック片、金属酸化物の非晶質を含むガラス片、樹脂を主に含む樹脂片等である。多くの場合、サンプル１０、１１は家電ゴミや自動車などの産業廃棄物等がリサイクルにおける前工程としての破砕行程を経て、大きさが１０～１００ｍｍ程度平の大きさに破砕されている。

ここで、本明細書における樹脂は、熱可塑性樹脂（プラスチック）や熱硬化性樹脂、ゴム、エラストマー、セルロース、紙、等を含む、有機物の重合体全般を意味する。

なお、サンプル１０、１１はガラスや繊維等のフィラーや、難燃剤、可塑剤などの各種添加物を含む場合がある。

本実施形態に係る選別システムは、樹脂片を構成する樹脂の種類、すなわち樹脂片の材種（材質、色など）を識別することに加えて、これらの添加物の有無や種類を識別することを含む。

本実施形態の選別装置において、選別されるべきサンプルは不図示の定量切り出し装置や振動フィーダーなどでベルトコンベア１に投入され、ベルトコンベア１上をサンプルが流れてくる。ベルトコンベア１上にはベルトコンベアの流れの上流側から認識部２（測定部）、測定部３、選別部１６２が配置され、サンプル１０は認識部２の下部、測定部３の下部を通過した後、ベルトコンベア１から投射され、選別部１６２の前面を通過する。

認識部２は、例えば２次元の画像を一括で取得可能なエリアカメラや、２次元画像を再構成可能なラインカメラで取得したサンプルを含む２次元画像の画像処理を行う。例えば、認識部２は、画像処理の結果、サンプルの形状や大きさの情報から、時刻ｔ０におけるサンプル１０が存在する位置の座標をｐ１（ｘ１，ｙ１）として算出する。

測定部３は図３に示すように、照明光５０を走査するガルバノスキャナ４１とガルバノスキャナ４２（走査部）と、サンプルからのラマン散乱光（反射光）を測定する光学分光部３０と、を有する。上記走査部を制御して照明光５０の主光線を傾けることで、測定部３を基準にして照明光を５０ａや５０ｂのように傾斜させ、照明光（計測点）を移動可能にしている。

光学分光部３０は図２に示すように、光源３０１とレンズ３０２（照明部）を有する。光学分光部３０は、光源３０１からのレーザ光をレンズ３０２、レンズ３０４を介して照明光５０としてガルバノスキャナに構成されたミラーに照射する。レンズ３０２、レンズ３０４間にはダイクロイックミラー３０３が配置され、光源３０１の波長λを透過するようになっている。

処理部１４０は、ガルバノスキャナを制御する制御部を有する。処理部１４０は予め調整、あるいは計測されたベルトコンベア１の速度Ｖと認識部２でサンプルを認識した時刻ｔ０から、移動するサンプルの時刻ｔ１における位置座標ｐ１（ｘ１，ｙ１＋Ｖ（ｔ１－ｔ０））を計算する。そして、処理部１４０は、ガルバノスキャナ４１とガルバノスキャナ４２が照明光５０を走査可能な走査領域４００にサンプル１０が到達した時刻に、照明光５０がサンプル１０を照明するようにガルバノスキャナに制御指令を出力して制御する。そして、移動するサンプル１０を照明光５０が追従するようにガルバノスキャナを制御する。ガルバノスキャナ４１とガルバノスキャナ４２の２つを用いることで、照明光をベルトコンベア１（サンプル）の移動方向であるｙ軸方向と、ｙ軸に対して垂直な方向のｘ軸方向に、走査することができる。

具体的には図４に示すように、サンプル１０が走査領域４００のベルトコンベア１の移動の上流側の境界に到達した時点（１０ａ）で照明光５０ａの位置に照明光を走査し、測定を開始する。ベルトコンベア１の移動に応じて速度Ｖで移動していく過程にサンプル上で軌跡６０を描くようにサンプル１０を照明してラマン計測をする。そして、サンプル１０が走査領域４００のベルトコンベア１の下流側境界に来た時（１０ｂ）に計測を完了する。ここで、照明光５０ａから５０ｂまでの軌跡は、走査する照明光５０の平均位置を示している。

走査領域４００のベルト移動方向の大きさをＢとする。照明光５０の位置はベルト移動方向と同一方向に変化し、照明光がサンプル１０を追従するようＴ＝Ｂ／Ｖの時間だけ照明し、かつ照明中はサンプル１０表面上の１点にとどまることなく照明する。

よって、照明光のエネルギーがサンプルの１点に集中せず、樹脂を変性させずラマン計測ができる。しかもベルトコンベアの速度を高速にすることが出来るので、識別のスループットを上げる為にサンプルを大量にベルトコンベア上に流しても、空間的に分離した状態で配置することが出来る。

照明光５０を走査しない従来の方式の場合であれば、サンプル１０のベルト移動方向の大きさをａとして、ｔ＝ａ／Ｖの時間だけ照射することになる。

一例としてベルトコンベアの速度を１ｍ／ｓ、サンプル１０の大きさをリサイクル工程におけるサンプルの最小と想定される大きさ１０ｍｍとして、Ｂのスキャン領域を２００ｍｍと設定した場合について述べる。

従来の照明光を固定した方式では、照明光を照明可能な時間ｔは１０ｍｓであるのに対し、照明光５０を走査してサンプルを追従しながら計測した場合には約２００ｍｓ計測する時間が有る。よって、黒い反射光量の少ない樹脂については露光時間を延ばす、あるいは１０ｍｓの露光時間で取得したデータを２０回分平均化処理するなどで微弱なラマン信号のＳ／Ｎを向上させることが出来る。

一方、本実施形態において照明光はサンプル１０を測定している間、照明光５０が一か所にとどまることが無いよう軌跡６０のようなジグザグな軌跡を描く。そのため、照明光のエネルギーがサンプル１０の広い領域に分散することで樹脂が測定中に変性することはない。

光学分光部３０においては、前述したように、照明光５０はガルバノスキャナ４１、ガルバノスキャナ４２のミラー部４１ｍ、４２ｍで反射された後、サンプルに照射される。サンプルで反射された後、ラマン散乱は等方的に反射され、再びガルバノスキャナのミラー部４１ｍと４２ｍで反射され光学分光部３０にラマン散乱光は戻ってくる。ラマン散乱光はサンプルの材料の物質に応じたラマンシフトを受ける。そのため、今度はダイクロイックミラー３０３で反射され、励起光カットフィルターとしてのバンドパスフィルター３０５でラマン散乱を受けた成分だけ透過し、分光素子３０６（分光部）で分光される。分光素子３０６で分光された波長毎に異なる回折角で回折された光束は、レンズ３０７で再び集光光となって、ラマンシフトを受けた波長毎の光がセンサアレイ３０８に構成される受光素子に受光される。受光素子から出力された信号はサンプルの物質に応じた特徴的な信号として処理部１４０に送られ、例えば、あらかじめ既知の材料のサンプルを測定して取得した材料特有の波形と比較され、材料が特定され、サンプルの種類が識別される。

センサアレイ３０８からの信号（測定結果）は、例えば３００ｆｐｓで処理部１４０に伝送される。計測はサンプル１０が走査領域４００のベルト移動の上流側の界面に到達した時点（１０ａ）で開始するが、処理部１４０では３００ｆｐｓでセンサアレイ３０８から伝送された信号群から測定に該当する信号を抽出して材料を特定する。該当する信号の抽出方法は、例えば、操作指令を出した時間を元に決定すればよい。

処理部１４０でサンプルの種類を識別した結果、サンプル１０が選別対象の材料だった場合には、サンプル１０が選別部１６２を通過する時刻ｔ２になった時点で、選別コントローラー１６１を経由して選別部１６２に開信号が送られる。そして、認識部２で計測したサンプル１０の座標ｘ１に相当する位置に有る選別部１６２の部分からエアが噴出され、サンプル１０がエアで飛ばされることで回収箱７２に回収される。サンプル１０が選別対象でない場合には、サンプル１０はベルトコンベア１から速度Ｖで投射され落下し、回収箱７１で回収される。

測定部３はサンプル１０の計測が完了したら、次はサンプル１１の計測を行い、その後は不図示の次々流れてくるサンプルを計測していくことになる。測定部３は、ガルバノスキャナ４１とガルバノスキャナ４２を回動させ照明光５０の傾斜角を変えることで、サンプル１１を測定するためのスタート地点に移動する。ガルバノスキャナは高速に照明光を走査することが出来るので、次の樹脂を測定するまでの移動時間が短時間で済み、次々に流れていくサンプルを測定できる。結果、計測時間が長く高Ｓ／Ｎのラマン計測でかつ、測定するサンプルの数が多くなることで高スループットに樹脂の選別が出来る。

本実施形態において、認識部２はエリアセンサやラインカメラによる２次元画像を得て、画像処理によりサンプルの座標を求める方式として記載した。しかし、これにこだわることは無く例えば、光切断センサのような高さ情報から物体を認識するような方式も採用することは可能である。また、サンプルの一点に照明光が滞在しないような樹脂上の照明光の軌跡として、本実施例においてはジグザグ軌跡としたが、円運動や螺旋運動、四角を描くなどでも、樹脂の同一点に照明光がとどまることが無ければ同様の効果が得られることは言うまでもない。

また、本実施形態の構成において、認識部２でサンプルを含む２次元画像を取得するが、２次元画像にはサンプルの明度、すなわち拡散反射率に関する情報が含まれる。当業者の検討によればラマン散乱の光強度は拡散反射率と相関が有り、明度の高い白系のサンプルからのラマン散乱光は、明度の低い黒系のサンプルからのラマン散乱光より優位に大きい。換言すると、同じＳ／Ｎを得る為に必要な計測時間は白系のサンプル方が黒系サンプルより少なくて良い。

以上の事実から、スループットの向上を目的として、より効率的にサンプルの識別を行う為に、白系の樹脂の計測時間を黒系の樹脂の測定時間より少なく設定することも効果的である。この場合、図５に示すように、黒系の樹脂１０については位置１０ａから位置１０ｂまで領域４００をすべて移動する軌跡６１に沿って計測をする走査条件で照明光を走査する。

一方、白い樹脂は黒い樹脂に比較して例えば１／３の計測時間とする走査条件で照明光を走査する。例えば、照明光５０の軌跡を階段状軌跡６２のように走査する。これにより、横並びで明度の高い複数のサンプル１２、１３、１４が位置１２ａから１２ｂ、位置１３ａから１３ｂ、位置１４ａから１４ｂに移動しながら、これら３つのサンプル全数計測することもできる。もちろん、この場合も軌跡６１と６２は走査する照明光５０の平均位置を示しており、照明光５０の平均位置がそれぞれの軌跡上を移動しながら同時に樹脂上に軌跡６０を描いて行くことは言うまでもない。このように、処理部は、物体の情報に基づいて照明光の走査条件を変更するように走査部を制御する制御部を有する。

ところで、流れてくるサンプルは大きさも色も様々である。既に述べたようにサンプルは明度が高いほどラマン散乱強度は強く、明度が低いほどラマン散乱光は弱い。つまり明度が高いほど樹脂種を特定する識別の信頼性が高く、明度が低いほど樹脂種を特定する識別の信頼性は低い。回収される所望の種別の樹脂は純度が高いほど利用価値が高いのは言うまでもないが、明度が高い樹脂を多く回収した方が、平均した識別の信頼性が上がるので結果として回収した所望の樹脂の純度も上がるので好ましい。

一方で領域４００上を流れてくるサンプルは、実際にはランダムな配置でベルトコンベア１上を流れてくるので、ある確率で存在密度が高い状態になり、照明光５０の走査が密度の高い樹脂群全てを順番に計測する時間が無いことも想定される。この場合はいずれかのサンプルの計測をスキップするよう処理部１４０からガルバノスキャナ４１、４２に指令を出せばよい。つまり、処理部１４０は、照明光の走査可能範囲において物体が複数存在した場合に、物体の情報に基づいて測定対象の物体を決定する。

この時、認識部２で得た画像のそれぞれのサンプルの明度情報を元にして明度の高いサンプルを優先的に計測することで最終的に回収されたサンプルの純度を向上させることが出来る。さらに、認識部２で得たサンプルの形状情報を元に、大きさの大きいサンプルを優先的に計測することで最終的に得られる樹脂の回収量を上げることも効果的である。

本実施形態においてはベルトコンベア１の速度は予め計測されたあるいは調整された速度Ｖであるとして、測定部３での照明光を追従する動作、選別部１６２での選別動作は時間を元にして指令を出す構成であった。しかし、例えば認識部２や測定部３の周辺にベルトの速度を直接測定するレーザドップラ速度計や画像相関型の変位計等を配置し、これらの測定器からのベルト移動量に関する測定値を処理部１４０に入力することもできる。これにより、計測したベルトの移動量をもとにガルバノスキャナ４１、４２に動作指令を出すことも出来、より正確な照明光の追従動作や選別部１６２での選別動作をすることも回収量を上げる為に効果的である。この場合、センサアレイ３０８から伝送された信号群から、サンプル上を照明している時の信号を抽出する方法として、それぞれの信号が生成された時刻のベルトの移動量に関する測定値を使用して決定することができる。これにより、より正確に、樹脂上に照明光５０が滞在している時の信号を抽出することが出来る。

信号の抽出に関しては、測定開始点に移動する直前や、指定時刻前に、例えば反射率の高く測定がサチレーションするサンプルなど、通常の計測時には想定されない既知の特定の特徴（特長）を示すサンプル（試料）を事前計測することも効果がある。例えば、図６に示すように、走査領域４００の外でかつ測定部３で計測可能な位置に、蛍光が大きくセンサアレイ３０８で測定値がサチレーションする蛍光サンプル２０を配置する。そして、照明光５０を、サンプル１０が走査領域４００のベルト移動の上流側の界面に到達した位置１０ａに走査する直前や指定時刻前に、蛍光サンプル２０を測定するよう５０ｃに角度を変えて照明する動作を入れる。そうすれば後段の処理部１４０で計測データの抽出が簡易になる。処理部１４０ではセンサアレイ３０８から連続して転送されてくるデータから、各素子のレベルが最大値になっているデータが出現した直後データ、あるいは指定データ数後のデータをサンプルの材質判定に使用するべきデータとして抽出して処理すればよい。

特徴的なデータを示すサンプルはこれに限らず、反射光が極めて少ないライトトラップや、複数の樹脂の特徴を同時に示すアロイ樹脂などでもよく、通常の測定で想定されない既知の特徴を示すサンプルであれば良い。

以上説明したように、認識部２で認識した樹脂情報をもとに、ガルバノスキャナを例とした走査部で照明光の主光線角度を変えて平均位置がベルト移動方向に追従するように照明光を照明する。さらに、測定中は樹脂上の同一位置にとどまらないよう照明光を走査することで、速いベルト速度でもサンプルを追従しながら点計測のラマン分光をするので、ラマン分光による樹脂識別を高Ｓ／Ｎかつ高スループットに行うことが出来る。

そこで、本発明は、樹脂などの物体の選別に有利な装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の一側面としての測定装置は、物体を選別する選別装置に用いられる測定装置であって、前記物体を照明する照明光を走査する走査部と、前記走査部を制御する制御部と、照明された前記物体からの反射光を測定するセンサと、を有し、前記制御部は、前記物体の移動方向及び前記移動方向に対して垂直な方向における前記照明光の位置を変更して前記照明光が前記物体を追従するように前記走査部を制御する。

本発明によれば、樹脂などの物体の選別に有利な装置を提供することができる。

Claims (12)

1. 物体の種類を識別する識別装置であって、
   前記物体を照明する照明部と、
   照明された前記物体からの反射光を測定するセンサと、
   前記センサによる測定結果に基づいて前記物体の種類を識別する処理部と、を有し、
   前記照明部は、前記物体を照明する照明光を走査する走査部と、前記走査部を制御する制御部と、を有し、
   前記制御部は、移動する前記物体を前記照明光が追従し、かつ、前記物体の表面上における前記照明光の位置を変化させるように、前記物体の位置に基づいて前記走査部を制御することを特徴とする識別装置。
2. 移動している前記物体を測定している間、前記照明光が前記物体の表面上において１点に留まらないように前記走査部を制御することを特徴とする請求項１に記載の識別装置。
3. 前記走査部は、前記物体の移動方向に前記照明光を走査しながら、前記移動方向に対して垂直な方向に前記照明光を走査することを特徴とする請求項１に記載の識別装置。
4. 前記制御部は、前記物体の情報に基づいて前記照明光の走査条件を変更するように前記走査部を制御することを特徴とする請求項１に記載の識別装置。
5. 前記制御部は、前記照明光の走査可能範囲において物体が複数存在した場合に、物体の情報に基づいて、測定対象の物体を決定することを特徴とする請求項１に記載の識別装置。
6. 前記物体の情報は、測定された前記物体の明度又は大きさを含むことを特徴とする請求項５に記載の識別装置。
7. 前記処理部は、事前に前記センサによって試料を測定して得られるデータを用いて前記物体の種類を識別することを特徴とする請求項１に記載の識別装置。
8. 移動する前記物体の位置又は速度を測定する測定部を有し、
   前記制御部は、前記照明部が前記物体を照明している間に前記測定部によって測定された前記物体の位置又は速度に基づいて前記走査部を制御することを特徴とする請求項１に記載の識別装置。
9. 前記センサは、前記照明部により照明された前記物体からの散乱光を分光する分光部を有することを特徴とする請求項１に記載の識別装置。
10. 前記識別装置は、前記物体として樹脂の種類を識別することを特徴とする請求項１に記載の識別装置。
11. 前記走査部はガルバノスキャナを含むことを特徴とする請求項１に記載の識別装置。
12. 前記物体を移動させる移動部を有することを特徴とする請求項１に記載の識別装置。

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