JP6240794B1 - カーボンブラック測定装置、カーボンブラック測定プログラムおよびカーボンブラック測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単かつ安価な構成でありながら、燃焼灰中のカーボンブラックを迅速かつ手軽に定量測定することができるカーボンブラック測定装置、カーボンブラック測定プログラムおよびカーボンブラック測定方法を提供する。【解決手段】 カルシウム化合物を主成分とする燃焼灰中のカーボンブラックを測定するためのカーボンブラック測定装置１であって、燃焼灰中に含まれるカーボンブラックの含有率と、燃焼灰の反射強度を規格化した相対反射率との関係を示す関係式を予め記憶する関係式記憶部５２と、受光手段３から取得した燃焼灰の反射強度を規格化することにより燃焼灰の相対反射率を取得する相対反射率取得部６２と、相対反射率取得部６２によって取得された相対反射率と関係式とに基づいて、燃焼灰中のカーボンブラックの含有率を算出する含有率算出部６４と、を有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、廃タイヤ等を燃焼させた後に残る燃焼灰中のカーボンブラックを測定するためのカーボンブラック測定装置、カーボンブラック測定プログラムおよびカーボンブラック測定方法に関するものである。

従来、炭素の微粉末であるカーボンブラックは、タイヤ等のゴム製品に添加され補強材として機能することが知られている。また、近年では、アスファルト舗装された道路の耐久性を向上する目的で、アスファルト原料にカーボンブラックを添加し、アスファルトが紫外線によって劣化するのを抑制する技術も実用化され始めている。

しかしながら、市販されているようなカーボンブラックは高価なため、上記技術はコスト面がネックとなって一般道路等には普及していない。このため、大量に廃棄されている廃タイヤ等を燃焼させ、その燃焼灰中に残留するカーボンブラックをリサイクルすることも検討されている。ただし、当該リサイクルに際しては燃焼灰中のカーボンブラックが定量的に測定されていることが前提となる。

なお、カーボンブラックを定量的に測定する技術として、例えば、特開平１１−２８１５５６号公報には、試料を窒素ガスの流入下に加熱して有機物を熱分解させ、一旦冷却した後、空気の流入下に加熱してカーボンブラックを燃焼させ、この間の重量減少からカーボンブラック量を求めるカーボンブラックの定量分析法が開示されている（特許文献１）。

特開平１１−２８１５５６号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された発明を含め、従来、カーボンブラックを定量的に測定しうる有効な方法は熱分析試験に限られるところ、当該熱分析試験用の装置は、非常に高価で大がかりなものであるという問題がある。また、熱分析試験によってカーボンブラックを測定するには多くの時間を要するため、いわゆるその場（in situ）測定には向いていないという問題もある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、簡単かつ安価な構成でありながら、燃焼灰中のカーボンブラックを迅速かつ手軽に定量測定することができるカーボンブラック測定装置、カーボンブラック測定プログラムおよびカーボンブラック測定方法を提供することを目的としている。

本発明に係るカーボンブラック測定装置は、簡単かつ安価な構成でありながら、燃焼灰中のカーボンブラックを迅速かつ手軽に定量測定するという課題を解決するために、カルシウム化合物を主成分とする燃焼灰中のカーボンブラックを測定するためのカーボンブラック測定装置であって、前記燃焼灰中に含まれるカーボンブラックの含有率と、前記燃焼灰の反射強度を規格化した相対反射率との関係を示す関係式を予め記憶する関係式記憶部と、受光手段から取得した前記燃焼灰の反射強度を規格化することにより前記燃焼灰の相対反射率を取得する相対反射率取得部と、前記相対反射率取得部によって取得された相対反射率と前記関係式とに基づいて、前記燃焼灰中のカーボンブラックの含有率を算出する含有率算出部と、を有する。

また、本発明の一態様として、カーボンブラックの含有率を高精度に算出しうる関係式を生成するという課題を解決するために、前記カーボンブラックの含有率が異なる複数の燃焼灰についての各含有率と、前記複数の燃焼灰の各相対反射率とのデータ対を回帰分析することにより、前記関係式を生成する関係式生成部を有してもよい。

さらに、本発明の一態様として、カーボンブラックの含有率を算出する関係式を簡単に特定するという課題を解決するために、前記関係式は下記式（１）により示されてもよい。
Ｎ＝−Ｃ_ａ・ｌｎＲ＋Ｃ_ｂ ・・・式（１）
ただし、各符号は以下を表す。
Ｎ：燃焼灰中のカーボンブラックの含有率
Ｒ：燃焼灰の相対反射率
Ｃ_ａ，Ｃ_ｂ：係数

また、本発明の一態様として、金属等をほとんど含有しない燃焼灰中のカーボンブラックを高精度に測定するという課題を解決するために、前記相対反射率取得部は、前記受光手段から異なる波長ごとの反射強度を取得した場合、各反射強度の平均値を規格化した相対反射率を前記燃焼灰の相対反射率として取得してもよい。

さらに、本発明の一態様として、カーボンブラック測定装置を携帯可能に小型化するという課題を解決するために、前記燃焼灰に対して異なる波長の光を照射する複数の発光手段と、前記燃焼灰からの反射光を受光し反射強度を出力する受光手段とを有し、前記発光手段のそれぞれは、前記受光手段を中心とする円周上に沿って等間隔で配置されていてもよい。

また、本発明の一態様として、金属等の不純物を含有する燃焼灰中のカーボンブラックを高精度に測定するという課題を解決するために、前記相対反射率取得部は、前記受光手段から反射スペクトルを取得した場合、カーボンブラックを含有しない燃焼灰の反射強度によって、前記反射スペクトル中の所定波長における反射強度を規格化した相対反射率を前記燃焼灰の相対反射率として取得してもよい。

本発明に係るカーボンブラック測定プログラムは、簡単かつ安価な構成でありながら、燃焼灰中のカーボンブラックを迅速かつ手軽に定量測定するという課題を解決するために、カルシウム化合物を主成分とする燃焼灰中のカーボンブラックを測定するためのカーボンブラック測定プログラムであって、前記燃焼灰中に含まれるカーボンブラックの含有率と、前記燃焼灰の反射強度を規格化した相対反射率との関係を示す関係式を予め記憶する関係式記憶部と、受光手段から取得した前記燃焼灰の反射強度を規格化することにより前記燃焼灰の相対反射率を取得する相対反射率取得部と、前記相対反射率取得部によって取得された相対反射率と前記関係式とに基づいて、前記燃焼灰中のカーボンブラックの含有率を算出する含有率算出部と、してコンピュータを機能させる。

本発明に係るカーボンブラック測定方法は、簡単かつ安価な構成でありながら、燃焼灰中のカーボンブラックを迅速かつ手軽に定量測定するという課題を解決するために、カルシウム化合物を主成分とする燃焼灰中のカーボンブラックを測定するためのカーボンブラック測定方法であって、前記燃焼灰中に含まれるカーボンブラックの含有率と、前記燃焼灰の反射強度を規格化した相対反射率との関係を示す関係式を予め関係式記憶部に記憶する関係式記憶ステップと、受光手段から取得した前記燃焼灰の反射強度を規格化することにより前記燃焼灰の相対反射率を取得する相対反射率取得ステップと、前記相対反射率取得部によって取得された相対反射率と前記関係式とに基づいて、前記燃焼灰中のカーボンブラックの含有率を算出する含有率算出ステップと、を有する。

本発明によれば、簡単かつ安価な構成でありながら、燃焼灰中のカーボンブラックを迅速かつ手軽に定量測定することができる。

本発明に係るカーボンブラック測定装置の第１実施形態を示すブロック図である。 本第１実施形態における、発光手段および受光手段の一例を示す（ａ）正面図、および（ｂ）断面図である。 本第１実施形態における、関係式生成処理を示すフローチャートである。 本第１実施形態における、含有率算出処理を示すフローチャートである。 本第２実施形態における、関係式生成処理を示すフローチャートである。 本第２実施形態における、含有率算出処理を示すフローチャートである。 実施例１において、カーボンブラックの含有率が異なる複数の燃焼灰を示す図である。 実施例１において、各燃焼灰の波長ごとの反射強度を示す図である。 実施例１において、生成した関係式を示すグラフである。

本発明に係るカーボンブラック測定装置、カーボンブラック測定プログラムおよびカーボンブラック測定方法は、本願発明者らが見出したカーボンブラックの測定原理に基づいて、燃焼灰中のカーボンブラックを迅速かつ手軽に定量測定するのに好適なものとして発明されたものである。したがって、まず、上記測定原理について詳細に説明する。

本願発明者らは、上述した課題に鑑み、蛍光Ｘ線元素分析法によって廃タイヤの燃焼灰を元素分析したところ、主として、酸化カルシウムに由来すると思われるカルシウム（Ｃａ）と、亜硫酸カルシウムに由来すると思われる硫黄（Ｓ）と、カーボンブラックに由来する炭素（Ｃ）とが検出され、その他の元素については無視できるほど微量であるか、分析用容器由来のものであった。すなわち、廃タイヤの燃焼灰は、カルシウム化合物とカーボンブラックとの混合物とみなせることがわかった。なお、蛍光Ｘ線元素分析法は、炭素に対する感度が低いため、カーボンブラックを定量的に測定しうるものではない。

つぎに、本願発明者らは、上記元素分析の結果より、スペクトル的に白色のカルシウム化合物と、スペクトル的に黒色のカーボンブラックとの混合物である燃焼灰は、色彩工学上のグレー（灰色）に近似できることを着想した。そして、鋭意研究の結果、燃焼灰の残留成分を把握しているという前提条件のもとでは、カーボンブラック以外の残留成分のスペクトルと、カーボンブラックを含む燃焼灰のスペクトルとの差分から、燃焼灰中のカーボンブラックを定量的に測定できることを見い出し、本発明を完成させるに至った。

具体的には、上記のとおり、本発明に係る燃焼灰は、カーボンブラック以外の残留成分としてカルシウム化合物を主成分としている。一方、カーボンブラックを構成する炭素原子は、可視領域および近赤外領域では光をほとんど反射しない黒体に相当するため、光で計測することは極めて困難である。よって、カーボンブラックの含有率が高くなるほど燃焼灰の反射強度が減衰するため、当該減衰量に基づいて燃焼灰中のカーボンブラックの含有率を推定することが可能となる。

以上より、燃焼灰の反射強度を何らかの基準値で規格化した相対反射率をＲ（Ｎ）、燃焼灰中のカルシウム化合物の含有率をＮ_０、燃焼灰中のカーボンブラックの含有率をＮとすると、下記式（ａ）が成り立つ。
Ｒ（Ｎ）∝Ｎ_０／（Ｎ_０＋Ｎ） …式（ａ）
上記式（ａ）は、定数Ｃ_１と、ｘ＝Ｎ／Ｎ_０を用いて、下記式（ｂ）で表される。
Ｒ（Ｎ）＝Ｃ_１・Ｎ_０／（Ｎ_０＋Ｎ）＝Ｃ_１・１／（１＋ｘ） …式（ｂ）
上記式（ｂ）より、Δｘ＝ｄＮ／Ｎ_０とすると、下記式（ｃ）が導かれる。
Ｒ（Ｎ＋ｄＮ）＝Ｃ_１・１／（１＋ｘ＋Δｘ）
＝Ｃ_１・１／（１＋ｘ）・１／［１＋Δｘ／（１＋ｘ）］
≒Ｃ_１・１／（１＋ｘ）・［１−Δｘ／（１＋ｘ）］＋Ｏ（｜Δｘ｜^２）
＝Ｒ（Ｎ）・［１−Δｘ／（１＋ｘ）］＋Ｏ（｜Δｘ｜^２） …式（ｃ）
なお、Ｏはランダウ記号であり、上記近似式の誤差が｜Δｘ｜^２のオーダーで抑えられる（管理できる）ことを意味する。上記式（ｃ）より、下記式（ｄ）が導かれる。
ｄＲ＝−Ｒ（Ｎ）・１／（１＋ｘ）・ｄＮ／Ｎ_０ …式（ｄ）
ここで、本発明において、Ｎ／Ｎ_０は０．１（１０％）前後を想定しているため、ｘ≪１と言えるから、下記式（ｅ）が導かれる。
ｄＲ／ｄＮ≒−１／Ｎ_０・Ｒ（Ｎ） …式（ｅ）
上記式（ｅ）は、定数Ｃ_２と、α＝−１／Ｎ_０を用いて、下記式（ｆ）で表される。
ｌｎＲ＝−１／Ｎ_０・Ｎ＋Ｃ_２＝−αＮ＋Ｃ_２ …式（ｆ）
上記式（ｆ）より、燃焼灰の相対反射率Ｒは、定数Ｃ_３を用いて下記式（ｇ）で表される。
Ｒ＝ｅｘｐ（Ｃ_２）・ｅｘｐ（−αＮ）＝Ｃ_３・ｅｘｐ（−αＮ） …式（ｇ）
または、上記式（ｆ）より、燃焼灰中のカーボンブラックの含有率Ｎは、定数Ｃ_４，Ｃ_５を用いて下記式（ｈ）で表される。
Ｎ∝Ｃ_４−Ｃ_５・ｌｎＲ …式（ｈ）

上記式（ｇ）により、燃焼灰の相対反射率は、燃焼灰中のカーボンブラックの含有率に対して指数関数的に減衰する特性を有することが示された。また、上記式（ｈ）により、燃焼灰中のカーボンブラックの含有率は、燃焼灰の相対反射率に対して対数依存性を有することが示された。なお、本発明において、相対反射率は、反射強度を示す指標値であり、当該反射強度を規格化する方法としては、所定の基準値で除算する等の他、様々な規格化方法を適用可能である。

そして、上記式（ｈ）に基づいて、本願発明者らは、燃焼灰中に含まれるカーボンブラックの含有率と、燃焼灰の反射強度を規格化した相対反射率との関係を示す関係式を下記式（１）によって定義した。
Ｎ＝−Ｃ_ａ・ｌｎＲ＋Ｃ_ｂ ・・・式（１）
ただし、各符号は以下を表す。
Ｎ：燃焼灰中のカーボンブラックの含有率
Ｒ：燃焼灰の相対反射率
Ｃ_ａ、Ｃ_ｂ：係数

なお、上記式（１）に係る係数Ｃ_ａ、Ｃ_ｂは、後述するとおり、カーボンブラックの含有率が既にわかっている複数の燃焼灰をサンプルとして用意し、各燃焼灰についての各含有率と、各燃焼灰についての各相対反射率とのデータ対を回帰分析することによって特定することが可能である。ただし、当該回帰分析に用いる燃焼灰の相対反射率は、燃焼灰中に金属等の不純物が混入していない場合と、混入している場合とで、定義を異ならせる必要がある。

具体的には、燃焼灰中に金属等の不純物が混入していない場合、上記のとおり、燃焼灰はグレー（灰色）に近似できる。そして、当該グレーのものは波長依存性がなく、可視領域ではほぼフラットな特性を有する。したがって、燃焼灰の相対反射率は、下記式（２）に示す、ｎ個の異なる波長ごとの各反射強度Ｉ_ｉの平均値Ｉを、何らかの基準値で規格化した値として定義することができる。
ただし、サンプル数ｎが少ない場合ほど、吸収が強い特異点の影響を受けて誤差が大きくなるため、当該特異点を避けて平均化することにより、高い測定精度が担保される。

一方で、燃焼灰中に金属等の不純物が混入している場合、当該金属等に固有の色（スペクトル）を呈するため、単純に上記式（２）を用いることはできない。また、混入した不純物によっては、特定の波長で強い吸収や蛍光発光を示すことがあるため、燃焼灰の反射スペクトルの形状に応じて評価する必要がある。

したがって、カーボンブラックの含有率がＮ（％）である燃焼灰の相対反射率Ｒは、下記式（３）に示すように、所定の波長λ_０における、カーボンブラックの含有率が０である燃焼灰の反射強度Ｉ（０，λ_０）に対する、カーボンブラックの含有率がＮである燃焼灰の反射強度Ｉ（Ｎ，λ_０）の割合として定義することができる。
Ｒ（Ｎ，λ_０）＝Ｉ（Ｎ，λ_０）／Ｉ（０，λ_０） ・・・式（３）
ただし、上記波長λ_０は、相対反射率の基準点を規定するものであるから、分子吸収が混在する波長領域を避け、反射強度が比較的フラットな波長領域から選択することにより、測定誤差が最小限に抑制される。

上記式（２）または上記式（３）によって算出された相対反射率を上記式（１）に代入して回帰分析を行い、上記式（１）に係る係数Ｃ_ａ、Ｃ_ｂを決定することで、燃焼灰中のカーボンブラックの含有率と、燃焼灰の相対反射率との関係を示す関係式が生成される。そして、本発明に係るカーボンブラックの測定原理は、当該関係式を用いて、燃焼灰の相対反射率から燃焼灰中のカーボンブラックの含有率を算出するというものである。

以下、本発明に係るカーボンブラック測定装置、カーボンブラック測定プログラムおよびカーボンブラック測定方法の第１実施形態について図面を用いて説明する。

本第１実施形態において、カーボンブラック測定装置１は、持ち運び可能なハンディタイプの筐体に内蔵されたコンピュータによって構成されており、図１に示すように、主として、燃焼灰に対して光を照射する発光手段２と、当該燃焼灰からの反射光を受光する受光手段３と、測定結果等を表示する表示手段４と、各種のデータを記憶する記憶手段５と、記憶手段５にインストールされたカーボンブラック測定プログラム１ａを実行することにより、各種の演算処理を実行する演算処理手段６とを有している。以下、各構成手段について詳細に説明する。

発光手段２は、燃焼灰に対して光を照射するものである。本第１実施形態において、発光手段２は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode；発光ダイオード）によって構成されており、燃焼灰に対して異なる波長の光を照射する複数の発光手段２を有している。そして、当該発光手段２のそれぞれは、図２（ａ），（ｂ）に示すように、受光手段３を中心とする円周上に沿って等間隔で配置されている。

なお、本第１実施形態において、発光手段２は、ＬＥＤによって構成されているが、可視光から近赤外までの所定波長の光を照射可能な発光源であれば、特に限定されるものではない。また、本第１実施形態では、８つの発光手段２を設けているが、この構成に限定されるものではなく、適宜増減してもよい。さらに、本第１実施形態において、発光手段２が照射する光の波長帯域は、４００ｎｍ（紫）から１０００ｎｍ（近赤外）であるが、特に限定されるものではない。

受光手段３は、燃焼灰からの反射光を受光し反射強度を出力するものである。本第１実施形態において、受光手段３は、フォトダイオードや分光放射計等の受光素子によって構成されており、図２（ａ），（ｂ）に示すように、円周上に沿って配置された各発光手段２の中心に配置されている。そして、発光手段２が燃焼灰に光を照射した場合に、当該燃焼灰から受光した反射光を電気信号に変換し、反射強度として後述する反射強度取得部６２に出力するようになっている。なお、各発光手段２の前方には拡散シート２１が設けられ、受光手段３の前方にはレンズ３１が設けられている。

表示手段４は、測定結果を含む各種の情報を表示するものである。本第１実施形態において、表示手段４は、液晶ディスプレイによって構成されており、燃焼灰中に含まれるカーボンブラックの含有率の他、バッテリの残量等を表示するようになっている。

記憶手段５は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、フラッシュメモリ等によって構成されており、各種データを記憶するとともに、演算処理手段６が各種処理を行う際のワーキングエリアとして機能するものである。本第１実施形態において、記憶手段５は、図１に示すように、プログラム記憶部５１と、関係式記憶部５２とを有している。

プログラム記憶部５１には、本第１実施形態のカーボンブラック測定装置１を制御するためのカーボンブラック測定プログラム１ａがインストールされている。そして、演算処理手段６が、当該カーボンブラック測定プログラム１ａを実行することにより、カーボンブラック測定装置１としてのコンピュータを後述する各構成部として機能させるようになっている。

なお、カーボンブラック測定プログラム１ａの利用形態は、上記構成に限られるものではない。例えば、ＣＤ−ＲＯＭやＵＳＢメモリ等のように、コンピュータで読み取り可能な非一時的な記録媒体にカーボンブラック測定プログラム１ａを記憶させておき、当該記録媒体から直接読み出して実行してもよい。また、外部サーバ等からクラウドコンピューティング方式やＡＳＰ（Application Service Provider）方式等で利用してもよい。

関係式記憶部５２は、燃焼灰中に含まれるカーボンブラックの含有率と、燃焼灰の反射強度を規格化した相対反射率との関係を示す関係式を予め記憶するものである。本第１実施形態において、相対反射率は、反射強度を所定の基準値で除算することにより規格化されている。また、本第１実施形態において、関係式記憶部５２は、後述する関係式生成部６４によって係数が決定された上記式（１）を予め記憶している。

なお、本第１実施形態では、カーボンブラック測定装置１をコンパクト化するために、演算能力に制限がある組込用のボードやＣＰＵを使用している。このため、上記式（１）を所定区間ごとに直線で近似した複数の多項式によってコーディングした上で記憶するようになっている。これにより、後述する含有率算出部６５は、四則演算のみでカーボンブラックの含有率を算出できるため、低スペックな装置にも適用可能となる。

演算処理手段６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等によって構成されており、記憶手段５にインストールされたカーボンブラック測定プログラム１ａを実行することにより、図１に示すように、発光手段２を制御する発光制御部６１と、反射強度を取得する反射強度取得部６２と、燃焼灰の相対反射率を取得する相対反射率取得部６３と、上述した関係式を生成する関係式生成部６４と、カーボンブラックの含有率を算出する含有率算出部６５として機能するようになっている。以下、各構成部について説明する。

発光制御部６１は、発光手段２の照射タイミングを制御するものである。本第１実施形態において、発光制御部６１は、全ての発光手段２に対応する反射強度を所定のサンプリング数だけ取得しうるように、各発光手段２を順次発光させて燃焼灰に照射し、その反射光を受光手段３に取得させるようになっている。

反射強度取得部６２は、受光手段３から反射強度を取得するものである。本第１実施形態では、上述したとおり、複数の発光手段２が異なる波長の光を照射するため、反射強度取得部６２は、受光手段３から異なる波長ごとに１または複数の反射強度を取得する。そして、反射強度取得部６２は、上記式（２）で示したとおり、各波長ごとに取得された各反射強度を平均化し、当該平均化した反射強度を各波長の反射強度として相対反射率取得部６３に提供するようになっている。

相対反射率取得部６３は、燃焼灰の相対反射率を取得するものである。本第１実施形態において、相対反射率取得部６３は、反射強度取得部６２によって取得された各波長ごとの反射強度を平均化し、当該平均値を所定の基準値によって規格化した値を燃焼灰の相対反射率として取得するようになっている。

具体的には、相対反射率取得部６３は、まず、異なる波長ごとの反射強度を取得し、各反射強度の平均値を取得する。この場合、相対的に弱い反射強度を除外して平均化することが好ましい。これにより、異物の混入等によって生じた不要なノイズの影響が除外されることとなる。そして、当該反射強度の平均値を所定の基準値（例えば、いずれかの波長における反射強度）で除算して規格化することにより、燃焼灰の相対反射率を取得するようになっている。

また、本第１実施形態において、相対反射率取得部６３は、後述する関係式生成処理においては、得られた燃焼灰の相対反射率を関係式生成部６４に提供し、後述する含有率算出処理においては、得られた燃焼灰の相対反射率を含有率算出部６５に提供するようになっている。

関係式生成部６４は、カーボンブラックの含有率が既知の燃焼灰に基づいて、燃焼灰中に含まれるカーボンブラックの含有率と、燃焼灰の相対反射率との関係を示す関係式を生成するものである。本第１実施形態において、関係式生成部６４は、カーボンブラックの含有率が異なる複数の燃焼灰についての各含有率と、複数の燃焼灰の各相対反射率とのデータ対を回帰分析することにより、関係式を生成するようになっている。

具体的には、関係式生成部６４は、カーボンブラックの含有率が既にわかっている複数の燃焼灰について、相対反射率取得部６３が相対反射率を取得すると、各燃焼灰についての含有率と相対反射率とからなる複数のデータ対を上記式（１）に代入し、回帰分析を行う。これにより、関係式生成部６４は、上記係数Ｃ_ａ、Ｃ_ｂが特定された上記式（１）を関係式として生成し、当該関係式を関係式記憶部５２に記憶するようになっている。

なお、本実施形態では、カーボンブラック測定装置１に関係式生成部６４を設け、カーボンブラック測定装置１によって関係式を生成しているが、この構成に限定されるものではない。例えば、カーボンブラック測定装置１からは、複数の燃焼灰について測定した相対反射率のみを出力させ、当該相対反射率と含有率とのデータ対を別途、パーソナルコンピュータ等に読み込ませて関係式を生成し、当該関係式を関係式記憶部５２に記憶させるようにしてもよい。

含有率算出部６５は、カーボブラックの含有率が未知の燃焼灰について、カーボンブラックの含有率を算出するものである。本第１実施形態において、含有率算出部６５は、相対反射率取得部６３によって取得された相対反射率と、関係式記憶部５２に予め記憶されている関係式とに基づいて、燃焼灰中のカーボンブラックの含有率を算出するようになっている。

具体的には、含有率算出部６５は、相対反射率取得部６３が、測定対象である燃焼灰の相対反射率を取得すると、当該相対反射率を関係式に代入することで、カーボンブラックの含有率を算出する。そして、算出した含有率を表示手段４等に出力し表示させるようになっている。

つぎに、本第１実施形態のカーボンブラック測定装置１、カーボンブラック測定プログラム１ａおよびカーボンブラック測定方法の作用について、上記関係式を生成する関係式生成処理と、カーボンブラックの含有率を算出する含有率算出処理とに分けて説明する。

関係式生成処理を実行するに際しては、まず、従来の熱分析試験等の定量測定方法によって、燃焼灰中に含まれるカーボンブラックの含有率を測定し、カーボンブラックの含有率が既知の燃焼灰を準備する。そして、当該燃焼灰にカーボンブラックを所定量混入することにより、カーボンブラックの含有率が異なる複数の燃焼灰を準備する。なお、前記燃焼灰は、蛍光Ｘ線元素分析法等の成分分析方法によって、主成分がカルシウム化合物で金属等の不純物がほとんど含まれていないこと、かつ、有害物質を含有しないことが予め確認されているものである。

つぎに、複数の発光手段２と燃焼灰との距離が一定となるように、カーボンブラック測定装置１を所定の位置にセットする。これにより、受光手段３が、各波長における反射強度を精度良く検出することが可能になる。

以上の準備が完了すると、図３に示すように、発光制御部６１が、いずれかの発光手段２を制御し、カーボンブラックの含有率が既知の燃焼灰に所定波長の光を照射する（ステップＳ１）。これにより、燃焼灰で反射された反射光が受光手段３によって受光され、反射強度として出力される。このとき、各発光手段２が、受光手段３を中心とする円周上に沿って等間隔で配置されているため、誤検知が発生しにくい上、カーボンブラック測定装置１の小型化に寄与する。

つぎに、反射強度取得部６２が、受光手段３から反射強度を取得する（ステップＳ２）。これにより、照射した光の波長に対応する反射強度が取得される。そして、全ての発光手段２に対応する波長について、所定回数のサンプリングが終了したか否かを判定し（ステップＳ３）、サンプリングが終了していない限り（ステップＳ３：ＮＯ）、発光制御部６１が、他の発光手段２を制御することにより燃焼灰に照射する波長を変更し（ステップＳ４）、再びステップＳ１からの処理を繰り返す。これにより、各発光手段２に対応する各波長について、所定のサンプリング数の反射強度が取得されることとなる。

一方、サンプリングが終了すると（ステップＳ３：ＹＥＳ）、相対反射率取得部６３が、波長ごとの反射強度の平均値を規格化することで当該燃焼灰の相対反射率を取得する（ステップＳ５）。これにより、各発光手段２の強度のばらつきや、異物の混入等による影響が排除され、相対反射率の算出精度が向上する。そして、準備した燃焼灰のうち、含有率が異なる燃焼灰があれば（ステップＳ６：ＹＥＳ）、再びステップＳ１からの処理を繰り返し、当該燃焼灰の相対反射率を取得する。これにより、カーボンブラックの含有率の異なる複数の燃焼灰のそれぞれについて、相対反射率が取得される。

一方、準備した全ての燃焼灰について相対反射率が取得されると（ステップＳ６：ＮＯ）、関係式生成部６４が、各燃焼灰についてのデータ対（含有率，相対反射率）を上記式（１）に代入して回帰分析することにより、関係式を生成する（ステップＳ７）。これにより、上記式（１）の係数が決定され、カーボンブラックの含有率を高精度に測定する関係式が特定される。そして、当該関係式が関係式記憶部５２に記憶されると（ステップＳ８）、本処理が終了する。

以上の関係式生成処理により、含有率の異なる燃焼灰から取得した反射強度の測定データから、燃焼灰中に含まれるカーボンブラックの含有率と相対反射率との関係を表す関係式を生成することが可能となる。この関係式は、燃焼灰の相対反射率から当該燃焼灰中のカーボンブラックの含有率を求めるための検量線として利用することが可能である。なお、発光手段２としてのＬＥＤは個体差によって出力が異なるため、カーボンブラック測定装置１ごとに上記式（１）の係数は異なる。このため、関係式生成処理は、カーボンブラック測定装置１ごとに予め実行することにより、再現性および測定精度の高い関係式を実装することができる。

つぎに、カーボンブラックの含有率を測定するための含有率算出処理について説明する。含有率算出処理を実行する前提として、関係式記憶部５２には、前述の関係式生成処理によって生成された関係式が予め記憶されている。

含有率算出処理では、図４に示すように、まず、カーボンブラックの含有率が未知の燃焼灰に、上述したステップＳ１〜Ｓ５に相当する処理を実行し、当該燃焼灰の相対反射率を取得する（ステップＳ１１〜ステップＳ１５）。これにより、取得した相対反射率を関係式生成処理に用いた燃焼灰の相対反射率と同じ基準で比較することが可能となる。そして、含有率算出部６５が、取得された相対反射率と関係式とに基づいて、燃焼灰中のカーボンブラックの含有率を算出し（ステップＳ１６）、当該含有率を表示手段４等に出力する（ステップＳ１７）。これにより、燃焼灰の反射強度を測定するだけで、燃焼灰中のカーボンブラックが測定される。

以上のような本第１実施形態によれば、以下のような効果を奏する。
１．簡単かつ安価な構成でありながら、燃焼灰中のカーボンブラックを迅速かつ手軽に定量測定することができる。
２．カーボンブラックの含有率を高精度に算出しうる関係式を簡単に特定し、生成することができる。
３．金属等の不純物をほとんど含有しない燃焼灰中に含まれるカーボンブラックの含有率を高精度に算出することができる。
４．カーボンブラック測定装置１が携帯可能に小型化されているため、燃焼灰の仕入れ先や製造現場等において、その場で簡便かつ迅速に測定することができる。
５．波長ごとに取得した各相対反射率を平均化することで、発光手段２の強度のばらつきや、異物の混入等による不要なノイズの影響が除去されて、測定精度を向上することができる。
６．カーボンブラック測定装置１ごとにキャリブレーションされた関係式を生成することで、測定精度を向上することができる。
７．燃焼灰中のカーボンブラックを定量的に測定できるため、廃タイヤ等に含まれるカーボンブラックのリサイクルを実用化することができる。
８．リサイクルによってカーボンブラックを大量かつ安価に供給できるため、アスファルト舗装の一般道路にも広く補強材として普及させることができる。

つづいて、本発明に係るカーボンブラック測定装置、カーボンブラック測定プログラムおよびカーボンブラック測定方法の第２実施形態について説明する。なお、第２実施形態における構成のうち、上述した第１実施形態と同一もしくは相当する構成については同一の符号を付し、再度の説明を省略する。

本第２実施形態のカーボンブラック測定装置１の特徴は、金属等の不純物を含む燃焼灰中のカーボンブラックを定量的に測定するのに好適な構成を有する点にある。

具体的には、上述した第１実施形態では、発光手段２が複数のＬＥＤによって構成されていたところ、本第２実施形態の発光手段２は、連続スペクトルを有する発光源によって構成されている。具体的には、可視光から近赤外領域でスペクトル的に連続的な光源であり、例えば、ハロゲン光源、キセノン光源、白色ＬＥＤ、人工太陽光源等である。

また、本第２実施形態において、受光手段３は、燃焼灰中に含まれる不純物の反射スペクトルを忠実に再現するために、２次元画像を構成する各ピクセルごとにハイパースペクトル情報（数十〜数百バンドに分光されたスペクトル）を対応付けてなるハイパースペクトルデータを取得可能なハイパースペクトルカメラによって構成されている。なお、本第２実施形態において、ハイパースペクトルカメラは、３５０ｎｍ（可視）〜１０５０ｎｍ（近赤外）の反射スペクトルを１４１バンド（色）単位で取得し、反射強度取得部６２に出力するようになっている。

さらに、本第２実施形態において、発光制御部６１は、一つの燃焼灰に対して一度だけ発光手段２を発光させるようになっている。また、相対反射率取得部６３は、受光手段３から反射スペクトルを取得すると、上記式（３）で示したとおり、カーボンブラックを含有しない燃焼灰の反射強度によって、反射スペクトル中の所定波長における反射強度を規格化した相対反射率を燃焼灰の相対反射率として取得するようになっている。

具体的には、反射強度取得部６２は、まず、受光手段３からカーボンブラックを含有しない燃焼灰の反射スペクトルを取得し、反射強度が比較的フラットな部分の波長を特定する。つぎに、反射強度取得部６２は、当該波長における、カーボンブラックを含有しない燃焼灰の反射強度（以下、「基準強度」と表記する場合がある）を取得する。そして、反射強度取得部６２は、受光手段３から測定対象となる燃焼灰の反射スペクトルを取得し、相対反射率取得部６３は、当該反射スペクトル中の前記波長における反射強度を前記基準強度で規格化した相対反射率を燃焼灰の相対反射率として取得するようになっている。

つぎに、本第２実施形態のカーボンブラック測定装置１、カーボンブラック測定プログラム１ａおよびカーボンブラック測定方法の作用について、関係式生成処理と含有率算出処理とに分けて説明する。

関係式生成処理を実行するに際しては、まず、金属等の不純物を含有する燃焼灰を、酸素雰囲気または空気中で完全燃焼させることで、カーボンブラックを含有しない燃焼灰を準備する。そして、当該燃焼灰に、カーボンブラックを所定量混入することにより、カーボンブラック以外の成分が同じであって、カーボンブラックの含有率の異なる複数の燃焼灰を準備する。

以上の準備が完了すると、図５に示すように、発光制御部６１が、発光手段２を制御し、カーボンブラックを含有しない燃焼灰に光を照射する（ステップＳ２１）。そして、反射強度取得部６２が、受光手段３から取得した反射スペクトル中の所定波長における反射強度を取得する（ステップＳ２２）。これにより、カーボンブラック以外の不純物に固有のスペクトル形状を示す、規格化のための反射強度（基準強度）が取得される。

つぎに、発光制御部６１が、発光手段２を制御し、カーボンブラックが既知の燃焼灰に光を照射すると（ステップＳ２３）、反射強度取得部６２が、受光手段３から反射スペクトルを取得して、相対反射率取得部６３が、当該反射スペクトル中の所定波長における反射強度をステップＳ２２で取得した基準強度によって規格化し、燃焼灰の相対反射率として取得する（ステップＳ２４）。これにより、金属等の不純物による影響が差し引かれるため、燃焼灰の相対反射率の算出精度が向上する。

そして、準備した燃焼灰のうち、含有率が異なる燃焼灰があれば（ステップＳ２５：ＹＥＳ）、再びステップＳ２３からの処理を繰り返し、当該燃焼灰の相対反射率を取得する。これにより、カーボンブラックの含有率の異なる複数の燃焼灰のそれぞれについて、相対反射率が取得される。

一方、準備した全ての燃焼灰について相対反射率を取得すると（ステップＳ２５：ＮＯ）、第１実施形態のステップＳ７およびステップＳ８と同様の処理を実行することにより（ステップＳ２６，Ｓ２７）、関係式を生成して記憶した後、本処理を終了する。これにより、燃焼灰中のカーボンブラック以外の不純物に固有の色（スペクトル）の影響が除去された関係式が実装される。

つづいて、図６に示す含有率算出処理について説明する。まず、前述の関係式生成処理に用いた燃焼灰とカーボンブラック以外の成分が略同一であって、カーボンブラックの含有率が未知の燃焼灰に、上述したステップＳ２３とステップＳ２４に相当する処理を実行し、当該燃焼灰の相対反射率を取得する（ステップＳ３１とステップＳ３２）。これにより、取得した相対反射率を関係式生成処理に用いた燃焼灰の相対反射率と同じ基準で比較することが可能となる。

そして、第１実施形態のステップＳ１６とステップＳ１７に相当する処理を実行することにより（ステップＳ３３とステップＳ３４）、燃焼灰中のカーボンブラックの含有率を算出し表示手段４等に出力する。これにより、燃焼灰の反射強度を測定するだけで、燃焼灰中のカーボンブラックが測定される。

以上のような本第２実施形態によれば、上述した第１実施形態の作用効果に加えて、以下のような効果を奏する。すなわち、燃焼灰中に金属等の不純物が含まれている等の理由で色味を帯びている場合であっても、カーボンブラックを含有しない燃焼灰の相対反射率からの減衰率を評価しうるように、測定対象となる燃焼灰の相対反射率を定義することで、当該燃焼灰中に含まれるカーボンブラックの含有率を高精度に算出することができる。

つぎに、本発明に係るカーボンブラック測定装置１、カーボンブラック測定プログラム１ａおよびカーボンブラック測定方法の具体的な実施例について説明する。なお、本発明の技術的範囲は、以下の実施例によって示される特徴に限定されるものではない。

本実施例１では、上述した第１実施形態のカーボンブラック測定装置１によって、本発明に係る関係式を生成する実験を行った。

具体的には、まず、カーボンブラックを含有する廃タイヤの燃焼灰を準備し、蛍光Ｘ線元素分析法によって元素分析することにより、有害物質や金属等の不純物を含有しておらず、カルシウム化合物を主成分とする燃焼灰であることを確認した。そして、当該燃焼灰中に含まれるカーボンブラックの含有率を熱分析試験によって測定したところ、４．９２％であった。

つぎに、上記燃焼灰にカーボンブラック（東海カーボン社製）を所定量混合することにより、図７に示すように、カーボンブラックの含有率がそれぞれ、４．９２％、９．９９％、２０．００％および３０．００％の燃焼灰をサンプルとして作製した。また、上記熱分析試験によってカーボンブラックが完全燃焼し、カーボンブラックの含有率が０％の燃焼灰もサンプルとして用意した。

つづいて、第１実施形態のカーボンブラック測定装置１によって各燃焼灰サンプルを測定したところ、図８に示すように、８つのＬＥＤ（Ｒ０〜Ｒ７）に対応する各波長（Ｒ０−Ｒ１：青、Ｒ２−Ｒ３：緑、Ｒ４−Ｒ５：赤、Ｒ７：赤外）について反射強度が測定された。

図８に示すように、カーボンブラックを含有しない燃焼灰（ＣＢ＝０％）のＲ１およびＲ２における反射強度は、ＬＥＤの性能上の問題で、他の波長（Ｒ０、Ｒ３〜Ｒ７）における反射強度と比較して弱かったため、各燃焼灰の相対反射率は、Ｒ４とＲ５における各反射強度の平均値を規格化して取得した。なお、燃焼灰の相対反射率は、含有率４．９２％の燃焼灰（ＣＢ＝５％）のＲ５における反射強度で除算することで規格化した。

そして、各燃焼灰サンプルについての相対反射率と、カーボンブラックの含有率とのデータ対を上記式（１）に代入して回帰分析したところ、上記式（１）の係数Ｃ_ａ、Ｃ_ｂは、それぞれ６．５８２および４．８４９５であった。したがって、燃焼灰中に含まれるカーボンブラックの含有率と、燃焼灰の相対反射率との関係を示す関係式は、下記式（４）および図９に示すグラフによって表された。

Ｎ＝−６．５８２ｌｎＲ＋４．８４９５ ・・・式（４）
ただし、各符号は以下を表す。
Ｎ：燃焼灰中のカーボンブラックの含有率
Ｒ：燃焼灰の相対反射率
なお、上記式の相関係数は０．９８３３である。

以上のような本実施例１によれば、第１実施形態のカーボンブラック測定装置１を用いて、本発明に係る関係式を生成できることが示された。

本実施例２では、上述した実施例１で生成した上記式（４）を関係式としてセットした第１実施形態のカーボンブラック測定装置１を用いて、燃焼灰中のカーボンブラックの含有率を測定する実験を行った。

具体的には、上述の実施例１で用いた燃焼灰のうち、カーボンブラックの含有率が０％の燃焼灰と、４．９２％の燃焼灰と、９．９９％の燃焼灰のそれぞれについて、第１実施形態のカーボンブラック測定装置１を用いて、カーボンブラックの含有率を測定した。その結果、各燃焼灰のカーボンブラックの含有率はそれぞれ０％、５％および１０％であり、実際のカーボンブラックの含有率とほぼ一致していることが確認された。

以上のような本実施例２によれば、第１実施形態のカーボンブラック測定装置１によって、燃焼灰中のカーボンブラックの含有率を高精度に算出できることが示された。

なお、本発明に係るカーボンブラック測定装置１、カーボンブラック測定プログラム１ａおよびカーボンブラック測定方法は、前述した各実施形態および各実施例に限定されるものではなく、適宜変更することができる。

例えば、上述した第１実施形態において、発光手段２は、複数の発光手段２を有して構成されているが、この構成に限定されるものではなく、特定の波長の光を照射する１つの発光手段２によって構成されていてもよい。この場合、関係式生成処理において、ステップＳ２の処理は、受光手段から取得した反射強度を規格化することにより燃焼灰の相対反射率を取得することとなり、ステップＳ３〜ステップＳ５の処理は不要となる。同様にして、含有率算出処理において、ステップＳ１２の処理は、受光手段から取得した反射強度を規格化することにより燃焼灰の相対反射率を取得することとなり、ステップＳ１３〜ステップＳ１５の処理は不要となる。

また、上述した第１実施形態において、発光手段２および受光手段３は、複数の発光手段２のそれぞれが、受光手段３を中心とする円周上に沿って配置されているが、発光手段２と受光手段３とが所定の間隔で配置されている構成であれば、この構成に限定されるものではない。例えば、１つの発光手段２と１つの受光手段３とが互いに対になって、複数配置されて構成されていてもよい。これにより、受光手段３から反射強度とその波長とを直接取得することが可能となる。

さらに、上述した第１実施形態において、相対反射率取得部６３は、受光手段３から異なる波長ごとの反射強度を取得した場合、各反射強度の平均値を規格化した値を燃焼灰の相対反射率として取得するようになっているが、この構成に限定されるものではない。すなわち、相対反射率取得部６３は、受光手段３から異なる波長ごとの反射強度を取得した場合、各反射強度を規格化した各相対反射率の平均値を燃焼灰の相対反射率として取得してもよい。

この場合、上述した関係式生成処理のステップＳ２において、受光手段３から取得した燃焼灰の反射強度を規格化して各波長の相対反射率を取得し、ステップＳ５において、各相対反射率の平均値を当該燃焼灰の相対反射率として取得することとなる。上述した含有率算出処理のステップＳ１２およびステップＳ１５についても同様である。

また、上述した第２実施形態では、金属等の不純物を含む燃焼灰を測定するのに好適なカーボンブラック測定装置１について説明したが、当該第２実施形態のカーボンブラック測定装置１を用いて、金属等の不純物をほとんど含まない燃焼灰を測定することも可能である。

この場合、相対反射率取得部６３は、受光手段３から連続的な反射スペクトルを取得するため、相対反射率を下記式（５）によって定義することが好ましい。したがって、関係式生成処理のステップＳ２１およびＳ２２は不要となる。

ただし、各符号は以下を表す。
Ｒ：燃焼灰の相対反射率
λ：波長
λ_ｍａｘ：発光手段２の最大波長
λ_ｍｉｎ：発光手段２の最小波長
Ｒ（λ）：波長λにおける反射強度

１ カーボンブラック測定装置
１ａ カーボンブラック測定プログラム
２ 発光手段
３ 受光手段
４ 表示手段
５ 記憶手段
６ 演算処理手段
２１ 拡散シート
３１ レンズ
５１ プログラム記憶部
５２ 関係式記憶部
６１ 発光制御部
６２ 反射強度取得部
６３ 相対反射率取得部
６４ 関係式生成部
６５ 含有率算出部

Claims (8)

1. カルシウム化合物を主成分とする燃焼灰中のカーボンブラックを測定するためのカーボンブラック測定装置であって、
   前記燃焼灰中に含まれるカーボンブラックの含有率と、前記燃焼灰の反射強度を規格化した相対反射率との関係を示す関係式を予め記憶する関係式記憶部と、
   受光手段から取得した前記燃焼灰の反射強度を規格化することにより前記燃焼灰の相対反射率を取得する相対反射率取得部と、
   前記相対反射率取得部によって取得された相対反射率と前記関係式とに基づいて、前記燃焼灰中のカーボンブラックの含有率を算出する含有率算出部と、
   を有する、カーボンブラック測定装置。
2. 前記カーボンブラックの含有率が異なる複数の燃焼灰についての各含有率と、前記複数の燃焼灰の各相対反射率とのデータ対を回帰分析することにより、前記関係式を生成する関係式生成部を有する、請求項１に記載のカーボンブラック測定装置。
3. 前記関係式は下記式（１）により示される、請求項１または請求項２に記載のカーボンブラック測定装置；
   Ｎ＝−Ｃ_ａ・ｌｎＲ＋Ｃ_ｂ ・・・式（１）
   ただし、各符号は以下を表す。
   Ｎ：燃焼灰中のカーボンブラックの含有率
   Ｒ：燃焼灰の相対反射率
   Ｃ_ａ，Ｃ_ｂ：係数
4. 前記相対反射率取得部は、前記受光手段から異なる波長ごとの反射強度を取得した場合、各反射強度の平均値を規格化した相対反射率を前記燃焼灰の相対反射率として取得する、請求項１から請求項３のいずれかに記載のカーボンブラック測定装置。
5. 前記燃焼灰に対して異なる波長の光を照射する複数の発光手段と、前記燃焼灰からの反射光を受光し反射強度を出力する受光手段とを有し、
   前記発光手段のそれぞれは、前記受光手段を中心とする円周上に沿って等間隔で配置されている、請求項１から請求項４のいずれかに記載のカーボンブラック測定装置。
6. 前記相対反射率取得部は、前記受光手段から反射スペクトルを取得した場合、カーボンブラックを含有しない燃焼灰の反射強度によって、前記反射スペクトル中の所定波長における反射強度を規格化した相対反射率を前記燃焼灰の相対反射率として取得する、請求項１から請求項３のいずれかに記載のカーボンブラック測定装置。
7. カルシウム化合物を主成分とする燃焼灰中のカーボンブラックを測定するためのカーボンブラック測定プログラムであって、
   前記燃焼灰中に含まれるカーボンブラックの含有率と、前記燃焼灰の反射強度を規格化した相対反射率との関係を示す関係式を予め記憶する関係式記憶部と、
   受光手段から取得した前記燃焼灰の反射強度を規格化することにより前記燃焼灰の相対反射率を取得する相対反射率取得部と、
   前記相対反射率取得部によって取得された相対反射率と前記関係式とに基づいて、前記燃焼灰中のカーボンブラックの含有率を算出する含有率算出部と、
   してコンピュータを機能させる、カーボンブラック測定プログラム。
8. カルシウム化合物を主成分とする燃焼灰中のカーボンブラックを測定するためのカーボンブラック測定方法であって、
   前記燃焼灰中に含まれるカーボンブラックの含有率と、前記燃焼灰の反射強度を規格化した相対反射率との関係を示す関係式を予め関係式記憶部に記憶する関係式記憶ステップと、
   受光手段から取得した前記燃焼灰の反射強度を規格化することにより前記燃焼灰の相対反射率を取得する相対反射率取得ステップと、
   前記相対反射率取得部によって取得された相対反射率と前記関係式とに基づいて、前記燃焼灰中のカーボンブラックの含有率を算出する含有率算出ステップと、
   を有する、カーボンブラック測定方法。