(57)【要約】【課題】着色物を含む材質不明のプラスチックを、簡単な構成の装置により効率的に識別する方法および装置を提供する。【解決手段】廃棄プラスチックのような材質が不明のプラスチックに近赤外線領域のレーザ光をスポット的に照射し、このときの被照射部に発生する熱輻射の増減状態を赤外線検出器で測定し、得られた表面温度曲線の形状を主成分分析により解析することによりプラスチックの材質を識別する方法である。簡単な装置により、効率的にプラスチックの材質を識別することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
識別対象物であるプラスチックにレーザ光を照射したときの被照射部に発生する熱輻射を測定することによりプラスチックの材質を識別することを特徴とするプラスチックの識別方法。
【請求項２】
前記レーザ光が近赤外線領域のレーザ光であり、このレーザ光を直径１〜５ｍｍに集光し、照射する請求項１記載のプラスチックの識別方法。
【請求項３】
前記熱輻射の増減状態を赤外線検出器で測定し、熱輻射の増減曲線の形状を主成分分析により解析する請求項１または２記載のプラスチックの識別方法。
【請求項４】
半導体レーザ装置からのレーザ光を識別対象物であるプラスチックに照射する光学系と、プラスチックの被照射部に発生する熱輻射を測定する熱輻射測定装置と、熱輻射の測定結果を解析する解析装置を備えたプラスチックの識別装置。
【請求項５】
前記半導体レーザ装置が近赤外線領域のレーザ光を発生する半導体レーザ装置であり、前記光学系にはレーザ光を集光、照射するためのレンズを備えている請求項４記載のプラスチックの識別装置。
【請求項６】
前記熱輻射測定装置が赤外線検出器であり、前記解析装置が赤外線検出器の出力をＡ／Ｄ変換し、コンピュータで数値解析可能な機能を備えた装置である請求項４または５記載のプラスチックの識別装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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する。
【背景技術】
【０００２】
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。廃棄プラスチックをリサイクルする場合は、その原料となる廃棄プラスチックの材質が何であるかを識別する必要があり、焼却する場合でも、たと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。
【０００３】
このような廃棄プラスチックの材質を識別する方法として、従来各種の方法が提案されている。これらの提案のなかで比較的多く採用されていると思われる方法として、近赤外線の吸収、反射スペクトルの形状から識別する方法（たとえば特許文献１参照）、加熱時の温度特性の違いから識別する方法（たとえば特許文献２参照）、帯電時の帯電特性の違いから識別する方法（たとえば特許文献３、特許文献４参照）がある。
【０００４】
特許文献１に記載の識別方法は、材質が不明のプラスチックに近赤外線を含む光を照射し、プラスチックを透過もしくは反射した光を分光し、分光した光を多チャンネルの受光素子に同時受光させ、得られた波長スペクトルデータ情報と予め登録された材質が既知であるスペクトル情報とを比較し、また、プラスチックの表面温度情報を計測して予め登録された材質が既知である温度情報と比較することにより、プラスチックの判別を行う方法である。
【０００５】
特許文献２に記載の識別方法は、材質の異なるプラスチックが混在するプラスチックチップにマイクロ波を一定時間照射し、プラスチックの材質により異なるマイクロ波吸収特性の違いにより生じる温度差を、予め測定しておいたプラスチックの材質毎の温度データと比較することで、プラスチックチップの材質を特定する方法である。
【０００６】
特許文献３に記載の識別方法は、材質が不明のプラスチック片を帯電容器内で摩擦帯電させ、プラスチック片の極性と帯電量の差異を利用して選別する方法である。特許文献４に記載の識別方法は、材質が不明のプラスチックを遠赤外線加熱ヒータで加熱し、コロナ放電方式あるいは正通帯電方式で帯電させ、赤外線式サーモグラフィーで加熱後の温度を測定し、帯電測定装置で表面電位を測定し、事前に設定した温度、帯電極性および／または帯電量を満たしたプラスチックを識別対象のプラスチックと判定する方法である。
【特許文献１】特開２００３−１７２６９９号公報
【特許文献２】特開平０９−２６２５５６号公報
【特許文献３】特開平０９−２９９８２９号公報
【特許文献４】特開２００２−０３９９７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
赤外線をプラスチックに照射し、赤外線の吸収、反射スペクトルの形状からプラスチックの材質を識別する方法では、基本的に光を利用しているので、着色された対象物の材質を識別できないという問題がある。とく、廃棄プラスチックを対象とした場合、多種多様な材質のプラスチックが混在しているので、これらを識別することは非常に困難である。特許文献１に記載の識別方法では、対象物が黒色系である場合には、判別方法をスペクトル比較方法から温度比較方法に切り換えることにして、受光機構部とスペクトル判定部とは別に温度計測部と温度判定部を別に備えるようにしているが、これでは２系統の判別装置が必要になり、装置が複雑かつ高価なものとなる。また、明るい場所での計測ではスペクトルが外来光の影響を受けやすいという問題もある。このような問題に対処するものとして、レーザ光を照射したときのラマンスペクトルを測定する識別方法が提案されているが、ラマンスペクトルの測定は、非常に複雑で大型の装置でしか可能でなく、廃棄プラスチックの識別を必要とする現場で使用することは困難である。
【０００８】
プラスチックを加熱して、加熱時の温度特性の違いからプラスチックの材質を識別する方法では、加熱方式としてマイクロ波加熱と赤外線加熱とがある。しかし、特許文献２に記載のような、マイクロ波加熱による温度差を利用する方法では、加熱対象物中に金属が混入するとスパークが発生する可能性が極めて高く、プラスチックが着火する危険性がある。また、マイクロ波加熱装置は大型であり、しかも人体への影響を考慮してマイクロ波の遮蔽対策を施す必要がある、という難点がある。赤外線加熱による温度差を利用する方法では、プラスチックの材質によっては識別に必要な温度差が得られにくく、プラスチックの材質によっては識別できないことがある。また、赤外線加熱では通常ランプ光源が使用されるが、ランプ光源による加熱ではプラスチックの加熱部分の面積が大きくなり、加熱効率がよくなく、加熱量の制御も非常に困難である。
【０００９】
プラスチックを帯電させ、帯電時の帯電特性の違いから識別する方法としての特許文献３に記載の方法では、効率的な選別が困難である。たとえば、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）片とＰＥ（ポリエチレン）片の混合物が選別対象の場合、帯電容器内でＰＶＣ片とＰＥ片が接触すると、ＰＥ片は正に、ＰＶＣ片は負に帯電する傾向にある。また、ＰＥ片どうし、ＰＶＣ片どうしが接触すると、帯電極性、帯電量は摩擦状態によって大きく変化してしまう。したがって、特許文献３に記載の方法では、効率的に識別することは困難であり、またプラスチック片の種類が増えると、帯電量を制御することはより困難になる。特許文献４に記載の方法は、この点を改良したものであり、帯電装置と帯電測定装置と帯電測定結果表示装置に加えて、加熱装置と温度測定装置と温度測定結果表示装置とを備え、帯電特性と加熱特性の両方からプラスチックを識別する方法である。しかし、この方法では、２系統の判別装置が必要になり、装置が複雑かつ高価なものとなる。
【００１０】
本発明の目的は、着色物を含む材質不明のプラスチックを、簡単な構成の装置により効率的に識別する方法および装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のプラスチックの識別方法は、識別対象物であるプラスチックにレーザ光を照射したときの被照射部に発生する熱輻射を測定することによりプラスチックの材質を識別することを特徴とする。ここで、前記レーザ光の照射は、近赤外線領域のレーザ光を直径１〜５ｍｍに集光し、断続的に照射するのが好適である。また、前記熱輻射の測定は、熱輻射の増減状態を赤外線検出器で測定するのが望ましく、熱輻射の測定結果の解析は、増減曲線の形状を主成分分析により解析するのが望ましい。
【００１２】
本発明のプラスチックの識別装置は、上記の識別方法を実施するための装置であって、半導体レーザ装置からのレーザ光を識別対象物であるプラスチックに照射する光学系と、被照射部に発生する熱輻射を測定する熱輻射測定装置と、熱輻射の測定結果を解析する解析装置を備えた識別装置である。ここで、前記半導体レーザ装置は、近赤外線領域のレーザ光を発生する半導体レーザ装置が好適であり、前記光学系には、レーザ光を集光、照射するためのレンズを備えていることが望ましい。また、前記熱輻射測定装置は、赤外線検出器であることが望ましく、前記解析装置としては、赤外線検出器の出力をＡ／Ｄ変換し、コンピュータで数値解析可能な機能を備えた装置が適している。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のプラスチックの識別方法によれば、簡単な装置により、効率的にプラスチックの材質を識別することができる。すなわち、識別対象物であるプラスチックの加熱にレーザ光を使用することにより、プラスチックをスポット的に短時間で加熱することができ、加熱を必要最小限の範囲にとどめて被照射部以外の部分に熱的影響を及ぼさないようにすることができる。また、プラスチック自身がレーザ光を吸収し、発生する熱輻射増減の形状を識別に利用する方法であるので、光の強弱に影響する着色の有無に関係しない。この照射するレーザ光を近赤外線領域のレーザ光とすることにより、プラスチックの分子振動倍音に基づく吸収を効率よく励起でき、比較的出力の低いレーザ光源を使用でき、装置の小型化、低価格化に利することができる。また、レーザ光を一定時間断続的に照射することにより、プラスチックごとに異なる熱輻射の増減の形状を際立たせることができ、さらに、プラスチックに変形などの破損を与えにくくすることができる。レーザ光を照射したときのプラスチックの温度特性の測定は、従来の温度測定方式の場合のように上昇した温度を測定するだけではなく、熱輻射の上昇過程と降下過程を含む熱輻射の増減状態を測定し、熱輻射の増減曲線の形状を識別に利用すること、たとえば、プラスチックごとの増減曲線の形状の差異が大きい場合は、立ち上がりの傾斜、減衰の寿命、増減曲線の半値幅を識別に利用することにより、また、小さい異差の場合には増減曲線の全体を多変量解析の手法の一つである主成分分析によって解析することにより、プラスチックの識別を高精度に行うことができる。
【００１４】
また、本発明のプラスチックの識別装置は、レーザ光照射装置と熱輻射測定装置と解析装置を備えた簡単な構成の装置であるので、装置費用が高価になることもなく、装置の操作も比較的容易である。とくに、半導体レーザ装置や半導体赤外線検出器といった半導体素子により構成した機器を使用するため，小型で機械的に頑強な装置にすることができる。さらに解析装置を、赤外線検出器の出力をＡ／Ｄ変換し，コンピュータで数値解析可能な機能を備えた装置とすることにより、熱輻射の上昇過程と降下過程を含む熱輻射の増減状態を測定し、熱輻射の増減曲線の形状を主成分分析により解析することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明のプラスチックの識別方法は、プラスチックを加熱して、加熱時の温度特性の違いからプラスチックの材質を識別する方法の範疇に入るものではあるが、従来の方法にはない独自の手段を採用することにより、他の識別方法も含めた従来の識別方法の問題点をすべて解消したものである。
【００１６】
本発明に係るプラスチックの識別方法は、識別対象物であるプラスチックにレーザ光を照射したときの被照射部に発生する熱輻射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である。この照射するレーザ光は、装置を安価、小型にし、プラスチックの分子振動倍音を効率よく励起できるようにするために、近赤外線領域のレーザ光とすることが望ましい。また、短時間に熱輻射の増減を測定し解析するために、レーザ光を一定時間断続的に照射することが望ましい。
【００１７】
レーザ光発生装置としては、近赤外線領域のレーザ光を発生する半導体レーザ装置が好適であり、照射光学系としては、レーザ光を集光するためのレンズを備え、レーザ光を直径１〜５ｍｍ程度の範囲にスポット的に照射できる光学系が好適である。レーザ光を断続的に照射するには、半導体レーザの駆動回路の電気的な制御、またはチョッパーによる方法を使用することができる。
【００１８】
照射されたレーザ光を吸収して局部的に加熱されたプラスチックからの熱輻射を測定する装置としては、赤外線検出器を使用するのが望ましい。プラスチックからの熱輻射の主成分は赤外線であり、この赤外線を検出することにより、プラスチックからの熱輻射の上昇過程と降下過程を含む増減状態を測定することができる。ここで得られる熱輻射の増減曲線は、プラスチックの材質により異なるので、測定により得られた増減曲線を既知の材質の増減曲線と比較することにより、未知の材質を知ることができる。
【００１９】
さらに、この熱輻射の増減曲線の形状を、赤外線検出器の出力をＡ／Ｄ変換し、コンピュータで数値解析可能な機能を備えた解析装置を使用して、増減曲線の主成分分析による解析を行うことにより、材質をより正確に判別することができる。ここで、主成分分析による解析とは、数学的によく知られている多変量解析の手法を利用して、Ａ／Ｄ変換された増減曲線の全体にわたる数値、通常１秒ごとのＡ／Ｄ変換結果では２０個から３０個のデータの組から、新たに特徴的な主成分を抽出する手法であり、主成分１、主成分２といった二つの数値で、増減曲線全体の形状を特徴づけることができ、廃棄プラスチックの材質を正確に識別することができる。
【実施例】
【００２０】
図１は本発明のプラスチックの識別方法の原理を示す模式図である。同図において、ＳＬは半導体レーザ装置、Ｌはレーザ光、Ｐはプラスチック、Ｒは熱輻射、ＲＳは赤外線検出器、Ａは解析装置、ＣはＡ／Ｄ変換器である。半導体レーザ装置ＳＬは、波長１μｍ前後の近赤外線領域のレーザ光を発生する半導体レーザ装置であり、この半導体レーザ装置ＳＬからのレーザ光Ｌは、図示しない集光用レンズを通り直径１〜５ｍｍ程度のスポットとして測定対象物であるプラスチックＰに１〜２０秒間程度、プラスチックＰの表面に断続的に照射される。
【００２１】
レーザ光Ｌが照射されたプラスチックＰはレーザ光Ｌを吸収して、被照射部分は短時間で表面温度が６０〜９０℃程度に上昇し、レーザ光Ｌの照射が停止された後は当該部分の温度は降下する。この間におけるプラスチックＰからの熱輻射Ｒを赤外線検出器ＲＳで検出する。赤外線検出器ＲＳは、波長８〜１６μｍの赤外線の検出感度をもつサーモパイルを利用した赤外線検出器であり、この赤外線検出器ＲＳからの出力をＡ／Ｄ変換器ＣでＡ／Ｄ変換し、解析装置Ａで解析する。解析装置Ａとしては、多変量解析ソフトを組み込んだコンピュータを使用することができる。
【００２２】
図２は、レーザ光を３秒間照射したプラスチックの熱輻射を赤外線検出器で検出した実験結果から得られたプラスチックの表面温度の時間的推移の例を示す図である。実験では材質が既知のプラスチックとして高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）を対象物とした。同図からわかるように、レーザ光が照射されたプラスチックの表面温度の上昇曲線および降下曲線はプラスチックの材質によって異なる。すなわち、材質が不明のプラスチックにレーザ光を照射したときのプラスチックからの熱輻射の上昇過程と降下過程を含む増減状態を測定し、予めプラスチックの材質ごとに作成しておいた表面温度増減曲線または主成分分析の主成分値と比較することにより、廃棄プラスチックのような材質が不明のプラスチックを識別することができる。とくに、従来の方法では識別が困難であった高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）と低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）の識別も容易にできる。
【００２３】
図３（ａ）〜図３（ｄ）は、図２の結果が得られた実験の再現性を確認するために行った実験結果を示す図である。図３（ａ）は高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、図３（ｂ）は低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、図３（ｃ）はポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）、図３（ｄ）はポリプロピレン（ＰＰ）についてそれぞれ５回の測定を行った結果を示す表面温度曲線である。これらの図に示すように、良好な再現性が得られている。
【００２４】
ここで、材質が既知のプラスチックの表面温度曲線との比較において、ピーク高さ、半値幅などの曲線の形状で比較してもよいが、より定量的な識別を行うために、曲線の形状を主成分分析により解析することが望ましい。図４は図３（ａ）〜図３（ｄ）の実験結果から得られた表面温度曲線の形状を主成分分析により解析した主成分得点を示す図である。主成分１を縦軸に、主成分２を横軸に表したとき、それぞれのプラスチックの二次元プロットは同図に示すようになり、主成分１の値はプラスチックの材質により明確に区分される。このことから、表面温度曲線の形状を主成分分析により解析することにより、プラスチックの材質を精度良く識別できることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
以上のように、本発明に係る識別方法によれば、廃棄プラスチックのような材質が不明のプラスチックの材質を、複雑、高価な装置を必要とすることなく、効率的に行うことができる。なお、上記の実施例の説明においては４種類の材質のみの実験結果を説明したが、他の材質のプラスチックでも同様な方法により識別可能であることを確認している。この識別方法を採用することにより、廃棄プラスチックのリサイクルを促進させることができ、また焼却に際して有害ガスの発生の恐れのあるポリ塩化ビニリデンやポリ塩化ビニルなどを抽出排除することが容易にできる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明のプラスチックの識別方法の原理を示す模式図である。
【図２】実験結果から得られたプラスチックの表面温度の時間的推移の例を示す図である。
【図３（ａ）】図２の結果が得られた実験の再現性を確認するために高密度ポリエチレンについて行った実験結果を示す図である。
【図３（ｂ）】図２の結果が得られた実験の再現性を確認するために低密度ポリエチレンについて行った実験結果を示す図である。
【図３（ｃ）】図２の結果が得られた実験の再現性を確認するためにポリ塩化ビニリデンについて行った実験結果を示す図である。
【図３（ｄ）】図２の結果が得られた実験の再現性を確認するためにポリプロピレンについて行った実験結果を示す図である。
【図４】図３（ａ）〜図３（ｄ）の実験結果から得られた表面温度曲線の形状を主成分分析により解析した主成分得点を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
ＳＬ  半導体レーザ装置
Ｌ  レーザ光
Ｐ  プラスチック
Ｒ  熱輻射
ＲＳ  赤外線検出器
Ａ  解析装置
Ｃ  Ａ／Ｄ変換器
【図１】
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【図２】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
2005283497.tif 000006
【図３（ｃ）】
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【図３（ｄ）】
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【図４】
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