希土類蛍光粉回収のための廃蛍光管選別装置の開発 に関する研究

九州大学学術情報リポジトリ

Kyushu University Institutional Repository

希土類蛍光粉回収のための廃蛍光管選別装置の開発 に関する研究

太屋岡, 篤憲

https://doi.org/10.15017/1866288

出版情報：九州大学, 2017, 博士（工学）, 課程博士 バージョン：

権利関係：

希土類蛍光粉回収のための

廃蛍光管選別装置の開発に関する研究

2017 年

太屋岡 篤憲

目 次

第

章 序 論

1 . 1

緒 言

1 . 2

廃 蛍 光 管 リ サ イ ク ル に 関 す る 現 在 ま で の 研 究

1 . 3

本 研 究 の 目 的

1 . 4

本 論 文 の 構 成

参 照 文 献

第

章 紫 外 線 照 射 に よ る 三 波 長 蛍 光 管 の 識 別

2 . 1

諸 言

2 . 2

実 験 方 法

2 . 2 . 1

蛍 光 粉 の 分 光 蛍 光 光 度 測 定

2 . 2 . 2

廃 蛍 光 管 へ の

照 射 に よ る 発 光

2 . 2 . 3 R G B

表 色 系 か ら

表 色 系 へ の 変 換

2 . 2 . 4

分 離 度

2 . 2 . 5

分 離 度 を 最 大 に す る 二 値 化

2 . 3

結 果 お よ び 考 察

2 . 3 . 1

蛍 光 粉 の 分 光 蛍 光 光 度 測 定

2 . 3 . 2 R G B / H S V

表 色 系 の 特 徴 量 に よ る 蛍 光 管 の 分 離 度

2 . 3 . 3

明 度 画 像 を 用 い た 蛍 光 管 直 径 の 算 出

2 . 4

結 言

参 考 文 献

第

章

セ ン サ 信 号 を 用 い た 蛍 光 管 の フ ィ ル ム 有 無 の 識 別

3 . 1

諸 言

3 . 2

実 験 方 法

3 . 2 . 1 A E

信 号 の 測 定 実 験

3 . 2 . 2

判 別 分 析

3 . 3

結 果 お よ び 考 察

3 . 3 . 1

時 間 領 域 の 特 徴 量 を 閾 値 と し た 判 別

3 . 3 . 2

周 波 数 領 域 の 特 徴 量 を 閾 値 と し た 判 別

3 . 3 . 3

時 間 ・ 周 波 数 領 域 の 特 徴 量 を 閾 値 と し た 判 別

3 . 3 . 4

判 別 分 析 の 適 用

3 . 3 . 5

特 徴 量 の 組 み 合 わ せ の 検 討

3 . 4

結 言

参 考 文 献

第

章 電 界 に よ る 導 電 性 を 有 す る 蛍 光 管 の 識 別

4 . 1

諸 言

4 . 2

実 験 方 法

4 . 3

結 果 お よ び 考 察

4 . 3 . 1

電 界 に よ る 蛍 光 管 発 光 実 験

4 . 3 . 2

蛍 光 管 端 面 か ら の 電 界 の 侵 入

4 . 3 . 3

電 界 分 布 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン

4 . 3 . 4

判 別 分 析 を 用 い た 導 電 性 有 無 の 識 別

4 . 4

結 言

参 考 文 献

第

章 廃 蛍 光 管 自 動 選 別 装 置 の 開 発

5 . 1

諸 言

5 . 2

廃 蛍 光 管 自 動 選 別 装 置

5 . 2 . 1

廃 蛍 光 管 自 動 選 別 装 置 の 概 要

5 . 2 . 2

選 別 シ ス テ ム の ハ ー ド ウ ェ ア の 概 要

5 . 2 . 3

選 別 シ ス テ ム の ソ フ ト ウ ェ ア の 概 要

5 . 3

実 験 方 法

5 . 3 . 1

使 用 し た 廃 蛍 光 管

5 . 4

結 果 お よ び 考 察

5 . 4 . 1

蛍 光 管 選 別 実 験

5 . 5

結 言

第

章 そ の 他 の リ サ イ ク ル 分 野 へ の 応 用

－ 風 力 選 別 の た め の 画 像 処 理 シ ス テ ム －

6 . 1

諸 言

6 . 2

実 験 方 法

6 . 3

結 果 お よ び 考 察

6 . 3 . 1

二 種 類 の 背 景 を 用 い た 物 体 抽 出

6 . 3 . 2

判 別 関 数 の 学 習

6 . 3 . 3 C u / P V C

混 合 画 像 か ら

画 素 の 判 別

6 . 4

結 言

参 考 文 献

第

章 結 論

謝 辞

1

第

章 序 論

1.1

緒 言

レ ア ア ー ス

年 に ス ウ ェ ー デ ン で 見 つ け ら れ ， 新 し い 鉱 物 中 に 未 知 元 素 の 酸 化 物 の“ 新 し い 土 ”が 発 見 さ れ た た め ， “ レ ア ア ー

ス

番 の

ジ ウ ム

，

番の

イ ッ ト リ ウ ム

，

番 の

ラ ン タ ン

か ら

番 の

ル テ ニ ウ ム

種 類 の 元 素 の グ ル ー プ で ，20 世 紀 初 頭 に，ラ イ タ ー の 発 火 石 の 原 料 と し て 使 わ れ は じ め た が ， 当 時 は レ ア ア ー ス の 精 製 ・ 分 離 技 術が 確 立 さ れ て お ら ず ， 原 鉱 の 状 態 の ま ま か 合 金 の 状 態 で 利 用 さ れ る ケ ー スが ほ と ん ど で あ っ た 。 そ の 後 ， 精 製 ・ 分 離 技 術 が 発 達 し ， ま た ， レ ア ア ース の 特 性 が 明 ら か に さ れ ， 現 在 は ， 永 久 磁 石 ・ ガ ラ ス 研 磨 剤 ・ 触 媒 ・ 蛍 光体 等 幅 広 く 使 用 さ れ ， 日 本 の ハ イ テ ク 産 業 に は 不 可 欠 な 金 属 資 源 と な っ てい る[1][2] 。

レ ア ア ー ス は ， 発 見 さ れ た 経 緯 や 元 素 ご と に 分 離 す る 際 の 状 況 に よ り 大 別 さ れ ，

は 「 軽 希 土 類 元 素」，Sc, Y, Gd, Tb, Dy,

は「 重 希 土 類 元 素 」と 呼 ば れ る。 「 軽 希 土 類 」は ，比 較 的 世 界 の 広 い 地 域 に 分 布 し て い る た め ， 今 後 各 地 で の 開 発 が 進 む と 考 え られ て い る が， 「 重 希 土 類」は 偏 在 性 が 高 く ，現 状 は 中 国 の 特 定 の 鉱 床 で し か 十 分 に 生 産 で き る 量 が 確 認 で き て い な い 。レ ア ア ー ス は， 「 マ グ マ 由 来 」と「 イ オ ン 吸 着 型 」の

種 類 の 鉱 床 を 持 ち， 「 マ グ マ 由 来 」の 鉱 床 は ，地 下 深 く の マ グ マ に 含 ま れ て い た レ ア ア ー ス が 数 億 年 を か け て 地 表 に 移 動 し た も の で，

世 界 の 様 々 な 地 域 に 存 在 す る が ， ウ ラ ン な ど の 放 射 性 物 質 を 含 み ， 処 理工

程 に コ ス ト が か か る 。こ れ に 対 し ， 「 イ オ ン 吸 着 型 」の 鉱 床 は ，レ ア ア ー ス

を 比 較 的 多 く 含 む 花 崗 岩 が 数 百 万 年 か け て 粘 土 層 に な っ た も の で ， 中 国南

部 な ど 一 部 の 地 域 に し か 存 在 せ ず ， レ ア ア ー ス 生 産 の 課 題 と な る 放 射 性 元

素 を 含 ま な い た め ， 製 錬 ・ 処 理 が 容 易 で あ る 。 中 国 は 重 希 土 類 や イ オ ン吸

着 型 鉱 床 が 偏 在 し て い る た め ， レ ア ア ー ス 生 産 大 国 と な っ て い る 。

2

1990

年 代半 ば ま で ，米 国 が 主 な レ ア ア ー ス 生 産 国 で あ っ た が ，米 国 を 含 む レ ア ア ー ス 資 源 保 有 国 の 多 く は ， 環 境 に 良 く な い う え に 生 産 コ ス ト が か か る レ ア ア ー ス の 生 産 か ら 手 を 引 き ，

年 以 降 ，中 国 は逆 に 生 産 に 力 を 入 れ ， 安 い 人 件 費 で ， レ ア ア ー ス を 最 も 安 く 生 産 し た 。 そ の 結 果 ， 中 国以 外 の 生 産 国 の レ ア ア ー ス 鉱 山 の 多 く が 閉 山 に 追 い 込 ま れ ， 市 場 か ら 次 々と 撤 退 し た 結 果 ，

年 以 降 は 中 国 が 世 界 の

割 以 上 の レ ア ア ー ス を 供 給す る ，一 国 独 占 生 産 の 状 態 に な っ た

。こ う し た 中，

年，中 国 政 府 は 国 内 産 業 の 高 度 化 を 目 指 す 目 的 で ， レ ア ア ー ス を 含 む 各 種 非 鉄 金 属 の 生 産 お よ び 輸 出 管 理 を 強 化 し て お り ， 我 が 国 を は じ め と す る 世 界 各 国 で レ ア ア ー ス 供 給 の 不 安 定 化 が 懸 念 さ れ た 。 こ の 供 給 問 題 に 対 し て ， 米 国 ， オ ー スト ラ リ ア ， ベ ト ナ ム ， カ ザ フ ス タ ン 等 で レ ア ア ー ス の 新 規 鉱 山 の 開 発 が 進ん で い る が，「 重 希 土 類 」 は 偏 在 性 が 高 い た め ，「 軽 希 土 類 」 に 比 べ て よ り 調 達 リ ス ク が 高 く ， 安 定 な 供 給 が 危 ぶ ま れ て い る 。

世 界 の レ ア ア ー ス の 生 産 量 は ，

年 以 降 ，右 肩 上が り で 伸 び た が ，

年 の 中 国 の レ ア ア ー ス 輸 出 問 題 発 生 以 降 ，

年 に 前 年 比 で

減 少 し ， レ ア ア ー ス 単 価も

年

月 に 最 高 値 と な っ た 。 こ の 事 態 を前 に ，世 界 各地 で ，レ ア ア ー ス 生 産 の 再 開 の 努 力 が な さ れ，2012 年 度 以 降 中 国 で の 増 産 が 進 行 し ，

年 に は 前 年 比

の

千 ま で 回 復 し た 。

年 に お け る 世 界 の レ ア ア ー ス の 生 産 量 は，中 国 が

位

千

豪 州 が

位

千

， 米国 が

位

千

とな っ て お り ， 依 然 と し て 中 国 が 多 く ， 世 界 の 生 産 量の

2010

年 の中 国 の レ ア ア ー ス 輸 出 問 題 発 生 以 降 ，レ ア ア ー ス に 関 す る 日 本 国 内 の 関 心 と 意 識 が 高 ま り ， レ ア ア ー ス の 安 定 供 給 は

位 置 づ け ら れ て い る 。 日 本 の エ ネ ル ギ ー 政 策 の 基 本 的 な 方 向 性 を 示 す ため に 政 府 が 策 定 し た「 エ ネ ル ギ ー 基 本 計 画 」に お い て も ，レ ア ア ー ス は

リ チ ウ ム

“ 需 要 拡 大 の 見 込 み や 特 定 国 へ の 偏 在 性 や 依 存 度 ， 供 給 障 害 リ ス ク 等 の観 点 か ら 安 定 供 給 の た め に 政 策 資 源 の 集 中 投 入 が 必 要 ”と 考 え ，政 府 は

年 ま で に 自 給 率を

％ 以 上 と す る こ と を 目 標 に 掲 げ て い る 。

JOGMEC(

石 油 天 然 ガ ス・金 属鉱 物 資 源 機 構

3

わ れ る レ ア ア ー ス 開 発 プ ロ ジ ェ ク ト に 対 す る 投 資 や 技 術 提 供 を 行 い ， レア ア ー ス 供 給 源 の 確 保 に 努 め て い る ほ か ， レ ア ア ー ス の リ サ イ ク ル フ ロ ーの 構 築 に 向 け た 取 り 組 み を 実 施 し ， 目 標 達 成 の 一 翼 を 担 っ て い る 。

レ ア ア ー ス の う ち ，

テ ル ビ ウ ム) ，

ム

る が， 「 重 希 土 類 」の

「 軽 希 土 類 」の

は ，中 国 以 外 で の 採 掘 は 難 し く ， こ れ ら の 元 素 が 含 有 さ れ て い る 廃 蛍 光 管 は 重 要 な リ サ イ ク ル 資 源と 考 え ら れ ， 近 年 の 世 界 的 な レ ア ア ー ス 危 機 の 状 況 下 で ， 蛍 光 管 か ら の レ ア ア ー ス 回 収 も 期 待 さ れ る よ う に な っ て き て い る 。

蛍 光 管 の ガ ラ ス 内 面 に 塗 布 さ れ る 蛍 光 体 に は ， 白 色 蛍 光 体 と 三 波 長 蛍光 体 が あ り ，白 色蛍 光 体 は ，

の ハ ロ リ ン 酸 カ ル シ ウ ム で 構 成 さ れ，三 波 長 蛍 光 体 は，

な ど 赤 色 蛍 光 体 ，

な ど 緑 色 蛍 光 体

な ど 青 色 蛍 光 体 の 混 合 物 で 構 成 さ れ る

。以 下 ，本 研 究 で は ，白 色 蛍 光 体 を 用 い た 蛍 光 管 を“ 白 色 蛍 光 管 ”，三波 長 蛍 光 体 を 用 い た 蛍 光 管 を“ 三 波 長 蛍 光 管 ”と 呼 ぶ 。 両 蛍 光 体 の 出 す 光 は 同 じ 可 視 光 で も 異 な り ， 三 波 長 蛍 光 体 の 方 がよ り 自 然 光 に 近 く ， 明 る く ， ま た ， 白 熱 灯 と 比 べ ， 同 じ 明 る さ で も 消 費 電力 を 低 く 抑 え ら れ る 。 現 在 ， 普 及 が 進 め ら れ て い る 白 色

は ， 青 色

チ ッ プ と 黄 色 蛍 光 体

蛍 光 体

が 低 く ， 高 温 で 効 率 が 下 が る た め ， デ バ イ ス や ヒ ー ト シ ン ク の 形 状 の 改 良 が 必 要 で あ る 。ま た ，

ラ ン プ は 発 光 部 が 狭 く 点 光 源 状 に 発 光 す る た め ， 不 快 な 眩 し さ を 生 じ 易 く ， 照 射 範 囲 も 狭 く ， 室 内 用 蛍 光 灯 と し て は ， 解決 す べ き 課 題 が あ る 。日 本 で は ，省 エネ の 観 点 か ら

照 明 が 注 目 さ れ て い る が ， 蛍 光 粉 使 用 製 品 の 動 向 に お け る 一 般 照 明 分 野 の 市 場 予 測 に よ る と，

LED

ラ ン プ の 需 要 が 増 え る も の の ，世 界 的 に は ，絶 対 量 と し て 今 後 も 蛍 光 管 が 主 流 と 予 測 さ れ て い る[7]。ま た ，蛍 光 粉 向 け レ ア ア ー ス 需 要 量 予 測に よ る と ， 白 色 蛍 光 管 か ら 三 波 長 蛍 光 管 へ の 切 り 替 え 需 要 は 今 後 も 継 続 し ， 蛍 光 粉 向 け の レ ア ア ー ス の 需 要 は 今 後 も 増 加 す る と 予 測 さ れ て い る

蛍 光 管 で 使 わ れ て い る レ ア ア ー ス の リ サ イ ク ル に は ， 廃 蛍 光 管 の 回 収が

重 要 で あ る が ， 現 在 ， 一 般 家 庭 か ら 廃 棄 さ れ る 蛍 光 管 は ， 一 部 の 自 治 体が

4

回 収 を 行 っ て い る も の の ， 多 く の 自 治 体 が 燃 え な い ご み に 定 め て お り ，現 状 の 蛍 光 管 の 回 収 率 も

管 の リ サ イ ク ル が 行 わ れ て い る が ， リ サ イ ク ル の 主 な 対 象 は 水 銀 ・ ガ ラ ス で あ り ， 蛍 光 体 の 再 資 源 化 や 有 効 利 用 に つ い て は ほ と ん ど 行 わ れ ず ， 埋め 立 て ・ 廃 棄 処 分 さ れ て い る 。 蛍 光 管 に 含 ま れ る レ ア ア ー ス の 量 は ， 蛍 光管 の メ ー カ ー ， 種 類 ， 大 き さ に も よ る が ， １ 本 当 た り

の 蛍 光 粉 が 使用 さ れ，そ の 内 約

％ が レ ア ア ー ス で あ る の で，蛍 光 管 １ 本 当 た り

～

も の レ ア ア ー ス が 含 ま れ て い る 。

福 岡 県 ， 九 州 大 学 お よ び 企 業 か ら な る 共 同 研 究 の 報 告 に よ る と ， 仮 に ， 九 州 で

年 間 に 出 る 使 用 済 み 蛍 光 管 の 全 て が 回 収 さ れ れ ば ， レ ア ア ー スの 回 収 量 は 約

ト ン ， 金 額 に す る と約

億 円 に な る と 推 定 さ れ ， 適 正 に 回 収 処 理 さ れ れ ば ， 輸 入 に 大 き く 依 存 し て い る レ ア ア ー ス 資 源 の 安 定 確 保 に 貢 献 で き る も の と 予 想 さ れ る[7]。ま た ，環 境 問 題 の 観 点 か ら も 水 銀 を 含ん だ 蛍 光 管 の 回 収 は 非 常 に 重 要 で あ る 。

現 在 ，廃 蛍 光 管 か ら 回 収 さ れ た レ ア ア ー ス の 単 価 は ，

年 の ピ ー ク 後，

2013

年 辺 りか ら 低 迷 し 続 け て い る が ，回 収 後 の レ ア ア ー ス を 高 品 位 に で き れ ば ， レ ア ア ー ス リ サ イ ク ル の 事 業 化 の 可 能 性 も 見 え て く る 。 そ の た め に は ， 効 率 的 な 分 離 ・ 濃 縮 方 法 の 確 立 が 重 要 と な る 。

1.2

廃 蛍 光 管 リ サ イ ク ル に 関 す る 現 在 ま で の 研 究

こ れ ま で ， レ ア ア ー ス の 分 離 ・ 濃 縮 に 関 し て ， 以 下 の よ う な 研 究 が なさ れ て き た 。 高 橋 ら は ， 廃 蛍 光 管 か ら レ ア ア ー ス を 分 離 回 収 し ， 高 純 度 レア ア ー ス 酸 化 物 を 得 て ，さ ら に ，硫 酸 浸 出 液 か ら

，

，

の レ ア ア ー ス 蛍 光 体 の 再 生 に 成 功 し た と 報 告 し て い る[8]。そ の 後 ，溶 媒抽 出 法 に よ る レ ア ア ー ス の 分 離 回 収 ， 廃 蛍 光 管 処 理 事 業 所 か ら 排 出 さ れ る 廃 蛍 光 管 の 物 理 選 別 お よ び 再 合 成 し た レ ア ア ー ス 蛍 光 体 の 実 用 化 な ど に つ い て 検 討 し，野 村 興 産

し て い る

。

ま た ， 平 島 ら は ， 希 土 類 蛍 光 体 の 溶 媒 抽 出 等 に よ る 分 離 精 製 コ ス ト は ，

5

廃 蛍 光 体 中 の 希 土 類 元 素 の 品 位 に 大 き く 依 存 す る た め ， 廃 蛍 光 体 の 基 礎 性 状 の 把 握 ， 希 土 類 元 素 を 安 価 に 分 離 ・ 濃 縮 す る 方 法 を 検 討 し た 。 表 面 ぬれ 性 の 差 を 利 用 し た 浮 選 ， 粒 径 及 び 沈 降 速 度 差 を 利 用 し た ふ る い 分 け ， 乾 式 分 級（ ター ボ プ レ ッ ク ス），湿 式 分 級（ 湿 式 サ イ ク ロ ン），薄 流 選 別（

蛍 光 体 か ら 希 土 類 蛍 光 体 を 分 離 ・ 濃 縮 す る に は ， 疎 水 化 処 理 後 に 重 液 選 別 を 行 う 場 合 が 最 も 選 別 成 績 が 良 く ， 排 水 処 理 な ど を 行 わ な い で 安 価 に 濃 縮 す る た め に は 風 力 分 級 機 に よ る 選 別 が 良 い こ と を 報 告 し て い る

藤 田 ら は ， 蛍 光 管 の 水 銀 を 除 去 し た 後 の 赤 ， 緑 ， 青 の 蛍 光 粉 を ， 液 液 分 離 法 に よ り

％ 以 上 で 分 離 し ，従 来 は ，蛍 光 粉 を 粉 体 の ま ま で 回 収 が で き ず ， リ サ イ ク ル が 経 済 的 で な か っ た が ， 新 技 術 の 開 発 は リ サ イ ク ル 手 法 を 変 え る こ と も 可 能 と 報 告 し て い る

。

蛍 光 体 に 含 ま れ る レ ア ア ー ス に は 難 溶 性 の も の が あ り ， 溶 解 さ せ る のに 高 温 ， 高 濃 度 の 酸 ま た は ア ル カ リ が 必 要 で あ る 。 柴 田 ら は ， メ カ ノ ケ ミカ ル 処 理 法 や 晶 析 剥 離 法 を 含 む 湿 式 分 離 技 術 を 検 討 し ， 穏 や か な 条 件 で 蛍 光 体 か ら レ ア ア ー ス を 浸 出 さ せ る 方 法 を 検 討 し ， そ の 有 効 性 を 示 し て い る

こ れ ら の 研 究 は，回 収 さ れ た 廃 蛍 光 管 を 粉 砕 し 取 り 出 し た 蛍 光 体 の 分 離・

濃 縮 方 法 に 関 す る も の で あ る が ， ガ ラ ス 管 を 粉 砕 す る 前 に ， 廃 蛍 光 管 に含 ま れ る 蛍 光 体 の 種 類 を 知 る こ と が で き れ ば ， さ ら に 高 品 位 の レ ア ア ー ス を 得 る こ と が で き る と 予 想 さ れ る 。

図

に ， 現 在 ， 廃 蛍 光 管 か ら 蛍 光 体 の リ サ イ ク ル を 行 っ て い る 株 式会

社 ジ ェ イ ・ リ ラ イ ツ の 廃 蛍 光 管 リ サ イ ク ル プ ロ セ ス を 示 す 。 図

の プロ

セ ス は ，

製

と呼 ば れ る 装 置 を 用 い て ，

蛍 光 体 の 種 類 を 識 別 し ， 蛍 光 管 の 両 端 を 切 断 後 ， ガ ラ ス 管 内 部 の 蛍 光 体 を

吸 い 取 り ， レ ア ア ー ス を 分 離 ・ 回 収 す る と 共 に ， ガ ラ ス ， 水 銀 ， 金 属 等 の

有 価 物 質 を 回 収 し て い る 。

6

し か し ，蛍 光 管 に は ，蛍 光 体 の 違 い

白 色 ま た は 三 波 長

，落 下 時 の 飛 散防 止 や 昆 虫 の 飛 来 防 止 紫 外 線 吸 収 フ ィ ル ム の 有 無 ， 点 灯 方 式 の 違 い に よ る蛍 光 管 自 身 の 導 電 性 の 有 無 ，お よ び ，長 さ や 直 径 等 ，形 状 の 違 い に よ り ，様 々 な 種 類 が あ る た め，

を 用 い て こ れ ら の 蛍 光 管 を 処 理 す る に は，現 状 で は 作 業 員 の 手 作 業 に よ る 前 処 理 が 必 要 に な る 。

ECM

は フ ィ ル ム の 有 無 を 識 別 す る 機 能 が な く ，フ ィ ル ム を 有 す る 蛍 光管 を そ の ま ま

に 投 入 す る と ， フ ィ ル ム が ガ ラ ス 回 収 の 際 の 不 純 物 と な っ て し ま う 。 そ の た め 現 状 で は ， 作 業 員 が フ ィ ル ム を 目 視 で 識 別 し ， カッ タ ー 等 を 用 い て フ ィ ル ム を 剥 ぎ 取 っ た 蛍 光 管 を

に 投 入 し て い る 。ま た ， 蛍 光 管 に は ， 蛍 光 管 自 身 に 導 電 性 を 持 た せ る た め に ガ ラ ス 管 内 面 に 導 電 性 被 膜 が 塗 布 さ れ た も の が あ る が ，

に は ガ ラ ス 管 内 部 の 導 電 性 被 膜 の 有 無 を 識 別 す る 機 能 も な く ， ま た ， 蛍 光 管 の ガ ラ ス 管 内 面 に 塗 布 さ れた 導 電 性 被 膜 は ， 作 業 員 の 目 視 で も 識 別 が 困 難 で あ る た め ， 現 状 で は ， 導電 性 皮 膜 の 有 無 を 区 別 せ ず ， そ の ま ま

に 投 入 さ れ ， 導 電 性 被 膜 は ガ ラ ス 回 収 の 際 の 不 純 物 と な っ て い る 。 こ の よ う に ， 現 状 の

で 処 理 し た 蛍 光 体 に は ， 導 電 性 被 膜 な ど の 不 純 物 を 含 む 場 合 も あ り ， 分 離 ・ 濃 縮 後の 品 位 は そ れ ほ ど 高 く で き な い 。 ま た ，ECM は

千 万 円 以 上 と 高 価 な た め，

図 1-1 廃 蛍 光 管 リ サ イ ク ル プ ロ セ ス

水 銀

鉄 アルミニウム

ガラス 蛍光体

リサイクル原 料 蛍 光 体 ・水 銀 の回 収

口 金 の選 別 (鉄 ，アルミニウム)

ガラスの粉 砕 洗 浄 乾 燥

用 途・点 灯 方 式により 数 種 類 の蛍 光 管

手 作 業 で剥 離

選 別 せず 三 波 長 or 白 色

フィルム 有無

導 電 性 有無

洗 浄 乾 燥 ECM (End Cut Machine)

・蛍 光 体 の識 別 ，口 金 カット

・蛍 光 体 ，水 銀 の吸 い取 り

7

ほ と ん ど の 廃 蛍 光 管 リ サ イ ク ル 企 業 が

を 持 た ず ， 粉 砕 機 を 利 用 し て い る 。 使 用 済 み 蛍 光 管 か ら 回 収 さ れ た 廃 蛍 光 管 中 の レ ア ア ー ス 品 位 は ，

を 有 す る 企 業 の 場 合 で も 高 々 約

， そ の 他 の 企 業 で は 約

～

程 度 と な っ て い る[7]。逆 に ，フ ィ ル ム も 導 電 性 皮 膜 も 無 い 三 波 長 蛍 光 管 を 自 動 で 識 別 し ，不 純 物 を 含 ま な い 状 態 で ，

や 従 来 の 粉 砕 機 に 投 入 で き れ ば ， 回 収 後 の レ ア ア ー ス も 高 品 位 と な り ， 蛍 光 管 の レ ア ア ー ス リ サ イク ル の 実 現 の 可 能 性 も 見 え て く る 。 従 っ て ， 蛍 光 管 の 粉 砕 前 の 選 別 の 自 動化 は 重 要 な 課 題 と 言 え る 。

近 年 ， こ の よ う な 自 動 化 の 要 求 に 応 え る 技 術 と し て ， セ ン サ 選 別 技 術 が 注 目 さ れ て い る

。こ れ ま で ，蛍 光 管 の 種 類 を 識 別 す る 方 法 と し て ，蛍 光 管 に 印 字 さ れ た 型 番 を 読 み 取 る 方 法 や ， 蛍 光 管 を 切 断 し ， 紫 外 線 光 源 を挿 入 し ， そ の 際 の 発 光 の 様 子 か ら 判 断 す る 方 法 が 提 案 さ れ て き た

。 し か し ， 前 者 は 汚 れ や 劣 化 に よ る 印 字 の 消 失 ， 後 者 は ガ ラ ス 管 破 断 に 伴 う 水 銀 の 放 出 等 の 問 題 が あ っ た 。ま た ，現 場 に お い て ，

ラ ン プ を 用 い て ，蛍光 管 に 特 定 の 波 長 の 紫 外 線 を 照 射 す る と，青 く 発 光 す る こ と が 知 ら れ て い た。

西 須 ら は ， 特 定 波 長 の

光 を 蛍 光 管 に 照 射 し た 際 の 蛍 光 管 の 色 度 測 定の 結 果 か ら 三 波 長 と 白 色 蛍 光 管 を 識 別 す る 方 法 を 提 案 し て い る 。 ま た ， 色度 測 定 に よ り ， 落 下 防 止 用 等 の 蛍 光 管 を 覆 う フ ィ ル ム の 有 無 の 判 別 の 可 能性 も 示 し て い る[16]-[18]。ま た ，平 島 ら は ，

個 の 微 粒 子 を

セ ン サ に 落 下 さ せ た 際 の 衝 突 音 波 形 の 計 測 及 び 解 析を 精 度 良 く 行 い ，衝 突 音 を 利 用 し て 粒 子 を 識 別 し[19]，さ ら に ，風 力 選 別 機 の 内 部 で ， 選 別 粒 子 が 選 別 機 内 壁 と 衝 突 し た 際 に 発 生 す る 衝 突 音 を オ ン ラ イ ン モ ニ タ リ ン グ す る シ ス テ ム を 開 発 し ，実 際 の

フレ ー ク 樹 脂 回 収 工 場 で モ ニ タ リ ン グ シ ス テ ム 適 用 の 可 能 性 を 示 し て い る

。

1.3

本 研 究 の 目 的

本 研 究 で は ，図

に 示 す よ う に ，

種 類 の セ ン サ 選 別 技 術 を 用 い て ，三

波 長 蛍 光 管 の 識 別 を 簡 易 な 装 置 に 置 き 換 え ， ま た ， 現 在 ， 手 動 で 行 わ れて

い る 前 処 理 を 自 動 化 し ， 高 品 位 の レ ア ア ー ス 回 収 の た め の 廃 蛍 光 管 自 動 選

8

別 装 置 を 開 発 す る こ と を 目 的 と し た 。

具 体 的 に は ，ま ず ，

光 を 蛍 光 管 に 照 射 し た 際 の 画 像 を

カ メ ラ で 撮 影 し ， 画 像 処 理 を 用 い て ， 数 種 類 あ る 蛍 光 管 の 中 か ら フ ィ ル ム に 覆 われ て い な い 三 波 長 蛍 光 管 を 識 別 す る 。 次 に ， 蛍 光 管 を

セ ン サ に 落 下 させ た 際 の 衝 突 音 を 測 定 し ， 信 号 処 理 と パ タ ー ン 認 識 の 一 手 法 で あ る 判 別 分 析 を 用 い て ， フ ィ ル ム の 有 無 を 識 別 す る 。 さ ら に ， 電 界 中 に 蛍 光 管 を 置 き，

そ の 際 の 発 光 特 性 の 違 い か ら 導 電 性 を 有 す る 蛍 光 管 を 識 別 す る 。 さ ら に，

そ れ ら の 機 能 に ， 蛍 光 管 の 搬 送 ・ 回 収 の 機 能 を 加 え ， 廃 蛍 光 管 自 動 選 別装 置 を 作 製 す る 。

1.4

本 論 文 の 構 成

本 論 文 は ，

章 か ら な る 。 第

章 で は ， 本 研 究 の 背 景 ， 目 的 お よ び 構 成 を 記 し た 。

第

章 で は ，

光 照 射 と 画 像 処 理 を 用 い た 三 波 長 蛍 光 管 の 識 別 に つい て 検 討 し た 。 ま ず ， 白 色 ， 赤 色 ， 緑 色 及 び 青 色 の 蛍 光 体 の 粉 末 に つ い て ，

図

前 処 理 の 自 動 化

蛍 光 管 粉 砕 前 の 選 別 の 自 動 化

用 途・点 灯 方 式に よ り 数 種 類 の 蛍 光 管

レ ア ア ー ス の 分 離

・ 濃 縮 蛍

光 管 の 粉 砕

ECM 高 価 な 装 置

既 存 の 装 置 高 品 位

高 品 位 UV照 射

＋ 画 像 処 理 三 波 長 or 白 色

三 波 長

白 色

AEセ ン サ

＋ 信 号 処 理 フィルム 有無

フ ィ ル ムあ り

フ ィ ル ム な し

電 界

＋ 画 像 処 理 導 電 性 有無

導 電 性あ り

導 電 性 な し

9

分 光 蛍 光 光 度 測 定 を 行 い ， 三 波 長 蛍 光 管 の み が 青 く 発 光 す る 理 由 を 明 ら か に し た 。

吸 収 フ ィ ル ム で 覆 わ れ た 蛍 光 管 ，フ ィ ル ム が な い 白 色 蛍 光 ，フ ィ ル ム が な い 三 波 長 蛍 光 管 に つ い て ，

光 を 照 射 し た 際 の 発 光 の 様 子 を

カ メ ラ で撮 影 し ，そ れ ら の 画 像 の 明 度 に つ い て の ヒ ス ト グ ラ ム を 描 き，

三 波 長 蛍 光 管 を 識 別 す る 条 件 を 求 め ， 誤 判 別 の 無 い 三 波 長 蛍 光 管 の 識 別を 可 能 と し た 。 さ ら に ， 画 像 処 理 を 用 い て ， 蛍 光 管 を 回 収 箱 に 格 納 す る 際に 必 要 な 情 報 で あ る 蛍 光 管 の 直 径 を 算 出 し た 。

第

章 で は ，AE 信 号 と 信 号 処 理 を 用 い た フ ィ ル ム の 有 無 の 識 別 に つい て 検 討 し た。ま ず ，

信 号 の 波 形 解 析 に よ り 得 ら れ た 時 間 領 域 に お け る 特 徴 量 ， 離 散 フ ー リ エ 変 換 を 行 っ て 得 ら れ た 周 波 数 領 域 に お け る 特 徴 量 ， ウ ェ ー ブ レ ッ ト 変 換 の 展 開 係 数 を フ ラ ク タ ル 次 元 解 析 し て 得 ら れ た 時 間 ・周 波 数 領 域 の 特 徴 量 を 領 域 毎 に

個 求 め ， そ れ ら の 特 徴 量 の 特 定 な 値 を 閾値 と し て ， フ ィ ル ム の 有 無 を 判 別 し た 。 さ ら に ，3 つ の 領 域 に 対 し て ， パタ ー ン 認 識 の 分 野 で 良 く 用 い ら れ る 複 数 の 特 徴 量 を 変 数 と す る 一 次 関 数 ，二 次 関 数 を 用 い て 判 別 を 行 う 判 別 分 析 を 適 用 し ， 閾 値 に よ る 判 別 の 誤 判 別を 改 善 し た 。 さ ら に ， 判 別 結 果 を ベ ン 図 に よ っ て 整 理 し ， 誤 判 別 の 生 じ にく い 特 徴 量 を 組 み 合 わ せ て ， 二 次 関 数 を 用 い た 判 別 分 析 を 行 っ た 結 果 ， 誤判 別 の 無 い フ ィ ル ム 有 無 の 識 別 を 可 能 と し た 。

第

章 で は ， 電 界 と 画 像 処 理 を 用 い た 導 電 性 の 有 無 の 識 別 に つ い て 検討 し た 。 ま ず ， 電 界 を 放 射 す る テ ス ラ コ イ ル の 放 電 電 極 と 蛍 光 管 の 位 置 関係 に よ る 発 光 の 違 い を 明 ら か に し た 。 次 に ， フ ィ ル ム の 有 無 に よ る 発 光 の違 い が ， 静 電 遮 蔽 に よ る も の と 予 想 し ， 基 礎 実 験 と 蛍 光 管 内 外 の 電 界 シ ミュ レ ー シ ョ ン を 行 い ， 静 電 遮 蔽 が 原 因 で あ る こ と を 明 ら か に し た 。 さ ら に，

電 界 中 に 置 か れ た 蛍 光 管 を 撮 影 し た 画 像 の 明 度 の 平 均 と 分 散 を 特 徴 量 と し ， そ れ ら の 特 徴 量 の 特 定 な 値 を 閾 値 と し て ， 導 電 性 の 有 無 を 判 別 し た 。 さら に ， 二 つ の 特 徴 量 を 変 数 と す る 二 次 関 数 を 用 い て 判 別 分 析 を 行 っ た 結 果，

誤 判 別 の 無 い 導 電 性 有 無 の 識 別 を 可 能 と し た 。

第

章 で は ， 第

章 か ら 第

章 ま で に 得 ら れ た

つ の セ ン サ 技 術 を もと

に，紫 外 線 照 射 と 画 像 処 理 に よ る 三 波 長 蛍 光 管 の 識 別，

セ ン サ と 信 号 処

理 に よ る フ ィ ル ム 有 無 の 識 別 ， 電 界 と 画 像 処 理 に よ る 導 電 性 有 無 の 識 別 に

10

よ り ，高 価 な 装 置 を 簡 易 な 装 置

ラ ン プ と カ メ ラ

に置 き 換 え て 三 波 長 蛍 光 管 を 識 別 し ， 現 状 の 問 題 点 で あ っ た 作 業 員 が 目 視 で 行 っ て い た フ ィ ルム 有 無 の 識 別 ， 現 状 で 対 応 で き て い な い 導 電 性 有 無 の 識 別 を 自 動 化 し た 。さ ら に ，

つ の 識 別 方 法 に ， 蛍 光 管 の 搬 送 ・ 回 収 を 行 う 機 能 を 追 加 し た 専用 の ハ ー ド ウ ェ ア / ソ フ ト ウ ェ ア を 作 成 し ，誤 判 別 無く 蛍 光 管 を 選 別 す る 廃 蛍 光 管 自 動 選 別 装 置 を 開 発 し た 。

第

章 で は，本 研 究 で 得 ら れ た カ メ ラ と 画 像 処 理 を 用 い た セ ン サ 技 術 を，

廃 被 覆 電 線 の リ サ イ ク ル[21] 工 場 で 作 業 員 が 目 視 で 行 っ て い る 選 別 結 果 の 評 価 の 自 動 化 に 応 用 し た 例[22]に つ い て 述 べ た 。回 収 箱 内 の 銅

種 類 の 色 の ポ リ 塩 化 ビ ニ ル

の 粒 子 が 混 ざ っ た 画 像 を カ メ ラ で 撮 影 し ， 画 像 処 理 で 良 く 用 い ら れ る 二 値 化 に よ り ，背 景 か ら 粒 子 を 抽 出 し た。次 に ， 判 別 分 析 に よ り ，

と

粒子 の 混 合 画 像 か ら

と

の 画 素 の 比 を 計 算 し た 。 さ ら に ， 粒 子 が 完 全 分 離 し て い る と 仮 定 し ， 粒 子 の 輪 郭 情 報 を 利 用 し て ， 判 別 分 析 後 の 輪 郭 内 の

お よ び

の 識 別 画 素 数 を 比 較 し，

画 素 数 が 少 数 派 で あ る 画 素 を 多 数 派 の 識 別 結 果 に 変 更 す る こ と に よ り ， 判 別 分 析 の 際 生 じ た 誤 り を 改 善 し た 。

第

章 は 結 論 で あ り ， 各 章 で 得 ら れ た 結 果 を ま と め た 。

11

参 照 文 献

[1] Shinzo OSHIMA: “The Application of Rare Earth”, Shigen-to-Sozai, 109 (1993), pp.478-481.

[2] Japan Oil, Gas and Metals National Corporation (JOGMEC) (2011):

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[3] Kazunori FUKUDA: Japan, “the U.S. and the EU's Response until 2007 to China's Export Restrictions on Raw Materials”, Journal of MMIJ, 124 (2008), pp 562-569.

[4] Japan Oil, Gas and Metals National Corporation (JOGMEC) (2017):

“Material flow of mineral resources, Fiscal Year 2016, 6 Rare Earth (REE)”, Retrieved June 16, 2017 from

http://mric.jogmec.go.jp/public/report/2017-01/06_201701_REE.pdf.

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[6] J. Tsukahara: “Kougen”, Journal of the Illuminating Engineering Institute of Japan, 77 (1993), pp. 444-449.

[7] Fukuoka Research Commercialization Center for Recycling Systems:

Shiyozumi haikeikokan karano reaasu risaikuru jigyoka kanosei chosa [Commercialization feasibility study for rare earth recycling from waste fluorescent lamps], (Mitsubishi UFJ Research and Consulting, Tokyo, 2011), pp.20-92.

[8] T. Takahashi, A. Takano, T. Saitoh, and N. Nagano: “Refining and

Utilization of Rare Earth Elements from Phosphors in Waste Fl uorescent Lamp”, Resources Processing, 45 (1998), pp. 288-294.

[9] T. Takahashi, A. Takano, T. Saitoh, N. Nagano, S. Hirai, and K. Shimakage,

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12

[10] T. Hirajima, A. Bissombolo, K. SASAKI, K. Nakayama, H. Hirai and M.

Tsunekawa: “Floatability of Rare Earth Phosphors from Waste Fluorescent Lamps”, Int. J. Miner. Process, 77 (2005), pp. 187-198.

[11] T. Hirajima, K. Sasaki, A. Bissombolo, H. Hirai, M. Hamada, M.

Tsunekawa: “Feasibility of an efficient recovery of rare earth activated phosphors from waste fluorescent lamps through dense -medium

centrifugation”, Separation and Purification Technology, 44 (2005), pp.

197-205.

[12] T. Fujita, G. Dodbiba, and A. Otsuki: “Liquid-liquid Separation of Rare Earth Fluorescent powders for Recycling”, Rare earths, 54 (2009), pp.28- 29.

[13] S. Hattori1, N. Murayama, and J. Shibata, “Leaching and Separation of Rare Earth Elements from Waste Fluorescent Powder”, KAGAKU KOGAKU RONBUNSHU, 39 (2013), pp.472-478.

[14] S. Koyanaka: “Recent Trends of Sensor Based Sorting Technology in Resources Recycling”, Journal of MMIJ, 129 (2013), pp. 615-625.

[15] N. Hashimoto and Y. Inokai: Toku Kai 2005-203214.

[16] Y. Nishisu, and N. Akimoto: “Nondestructive Identification Method of Fluorescent Lamps using Chromaticity Values” [Translated from Japanese], Proceeding of MMIJ Fall Meeting (2011), CD, pp.193-194.

[17] Y. Nishisu. Toku Kai 2013-56294.

[18] Yoshihiro NISHISU, “Performance of Used Rare-Earth Fluorescent Lamps and Their Employed Phosphors”, Journal of MMIJ, 130 (2014), pp. 527- 533.

[19] T. Hirajima, K. Kataoka, R. Toyoshima and M. Tsunekawa: “Particle

Identification by the Measurement of Acoustic Emission Due to the Impact of a Particle on a Circular Plate”, Journal of MMIJ, 117 (2001), 573-578.

[20] T. Hirajima, K. Kataoka, T. Nishida, R. Toyoshima and M. Tsunekawa:

“On-line Monitoring for Air Classification”, Journal of MMIJ, 118 (2002), 681-686.

13

[21] C. Park, N. Subasinghe, and H. Jeon: “Separation of Covering Plastics from Particulate Copper in Cable Wastes by Induction Electrostatic Separation”, Materials Transactions, 56 (2015), pp. 1140-1143.

[22] A. Tayaoka, S. Nagao, T. Hirajima, and K. Sasaki: “Recovery of Cu and PVC from the Tailings of Covered Electric Wire Using the Air

Classification”, Proceedings of International Symposium on Earth Science and Technology, December (2009), pp. 555-558.

14

第

章 紫 外 線 照 射 に よ る 三 波 長 蛍 光 管 の 識 別

2.1

諸 言

蛍 光 管 に は ， 蛍 光 体 と し て 白 色 蛍 光 体 を 用 い た 白 色 蛍 光 管 ， 希 土 類 を 含 む 蛍 光 体 を 用 い た 三 波 長 蛍 光 管 が あ る 。

吸 収 フ ィ ル ム で 覆 わ れ て い な い 蛍 光 管 に ， 特 定 の 波 長 の

光 を 照 射 す る と ， 三 波 長 蛍 光 管 の み が 青 色 に 発 光 す る こ と が 知 ら れ て い る 。 こ の 特 性 を 利 用 す れ ば ， 数 種 類 の 蛍 光 管 の 中 か ら 三 波 長 蛍 光 管 を 識 別 す る こ と が 可 能 と 考 え ら れ る

本 研 究 で は ， ま ず ， こ の 現 象 の 原 因 を 調 べ る た め ， 白 色 ， 赤 色 ， 緑 色 及 び 青 色 の 蛍 光 体 の 粉 末 に つ い て ， 分 光 蛍 光 光 度 測 定

通 常 ，

カ メ ラ で 撮 影 し た 画 像 は ， 赤

， 緑

， 青

の 混 合 比 で 色 を 表 現 す る

表 色 系 が 用 い ら れ る が ，

表 色 系 は 撮 影 し た 環 境 の 明 る さ の 変 化 に 影 響 さ れ や す い 。本 研 究 で は ，撮 影 し た

表 色 系 の 画 像 を ， 画 像 処 理 の 分 野 で 広 く 用 い ら れ ， 撮 影 環 境 の 変 化 に 影 響 さ れ に く い 色 相

， 彩 度

， 明 度

で 色 を 表 現 す る

表 色 系

円 柱 モ デ ル

UV

吸 収 フ ィ ル ム で 覆 わ れ た 蛍 光 管 ， フ ィ ル ム が な い 白 色 蛍 光 ， フ ィ ル ム が な い 三 波 長 蛍 光 管 に つ い て ，

光 を 照 射 し た 際 の 発 光 の 様 子 を

カ メ ラ で 撮 影 し ，そ れ ら の 画 像 の 明 度 に つ い て の ヒ ス ト グ ラ ム を 描 き ， 三 波 長 蛍 光 管 を 識 別 す る 条 件 を 調 べ た 。

本 研 究 で は ，

章 で 述 べ る よ う に ， 廃 蛍 光 管 自 動 選 別 装 置 を 作 製 し た

が ， こ の 装 置 で は ， 蛍 光 管 を 選 別 後 ， 回 収 箱 に 格 納 す る 際 ， 各 蛍 光 管 の

直 径 に 関 す る 情 報 が 必 要 に な る 。 そ こ で ， 画 像 処 理 の 分 野 で ， 画 像 中 の

物 体 と 背 景 を 分 離 す る の に 広 く 用 い ら れ る 分 離 度 が 最 大 と な る 二 値 化

方 法 を 検 討 し た 。

15 2.2

実 験 方 法

2.2.1

蛍 光 粉 の 分 光 蛍 光 光 度 測 定

本 研 究 で は ， ま ず ， 日 亜 化 学 株 式 会 社 製 の 白 色 ， 赤 色 ， 緑 色 及 び 青 色 の 蛍 光 体 の 粉 末 を 用 い て ， 分 光 蛍 光 光 度 測 定 を 行 っ た 。 ま た ， 分 光 蛍 光 光 度 測 定 に は ，日 本 分 光 株 式 会 社 製 の 分 光 蛍 光 光 度 計

を 用 い て ， 励 起 光 の 波 長 を

か ら

ま で 走 査 し ， そ の 際 ， 発 生 す る 光 の 波 長 と 強 度 を 測 定 し た 。 な お ， 最 も 強 い 蛍 光 強 度 を 与 え る 励 起 波 長 を そ の 蛍 光 体 の “ 最 適 励 起 波 長 ” と 呼 ぶ 。 実 際 の 蛍 光 管 は ， ガ ラ ス 管 の 内 面 に 蛍 光 体 が 塗 布 さ れ て い る 。 そ こ で ， 励 起 光 光 源 と 蛍 光 粉 の 間 に ガ ラ ス を 挿 入 し た 場 合 に つ い て も 分 光 蛍 光 光 度 測 定 を 行 っ た 。

2.2.2

廃 蛍 光 管 へ の

照 射 に よ る 発 光

次 に ，リ サ イ ク ル 工 場 よ り 借 用 し た 廃 蛍 光 管 に

ラ ン プ

ア ズ ワ ン 製 ハ ン デ ィ

ラ ン プ ， 長 波 長

の 紫 外 線 を 照 射 し た 際 の 発 光 の 様 子 を

カ メ ラ で 撮 影 し ，白 色 蛍 光 管 と 三 波 長 蛍 光 管 の 発 光 の 違 い を 観 察 し た 。

表

に ， 使 用 し た 廃 蛍 光 管 を 示 す 。 表

の よ う に ， 使 用 し た 蛍 光 管 は ，蛍 光 体 の 種 類

吸 収 被 膜

導 電 性 の 有 無 に よ り ，

つ の グ ル ー プ

～

に 分 け ら れ た 。

～

の 蛍 光 管 の 型 式 は そ れ ぞ れ ，

，

N/M/36·P

，

，

，及 び ，

で あ っ た 。

ま た ，蛍 光 管 の 本 数 は ，G

は 各

本 ，G

は

本 で ，蛍 光 管 の 長 さ は

1200 mm

と 共 通 で あ る が ， 直 径 は

種 類

サ イ ズ ： 約

サ イ

ズ ： 約

で あ っ た 。

16

表

使 用 し た 廃 蛍 光 管

グ ル ー プ 蛍 光 体 フ ィ ル ム 導 電 性 直 径

本 数

三 波 長 あ り

あ り

32.5 13

G₂

三 波 長

な し

32.2 13

G₃

白 色

G₄

な し

G₅

三 波 長

2.2.3 RGB

表 色 系 か ら

表 色 系 へ の 変 換

図

に ，

カ メ ラ に よ り 撮 影 し た 画 像 の 概 要 と 本 研 究 で 採 用 し た

表 色 系 の 円 柱 モ デ ル を 示 す 。 撮 影 さ れ た 画 像 は ， 横 方 向

画 素 ， 縦 方 向

画 素 ， 合 計

画 素 を 持 つ 。 通 常 ， 一 つ の 画 素 の 色 は ， 赤

，緑

，青

の

種 の 原 色 を 合 成 し 表 現 す る

表 色 系 が 用 い ら れ ，そ れ ぞ れ の 色 の 範 囲 は

で ，256×256×

で

色 を 表 現 す る こ と が で き る が ，RGB 表 色 系 で は ， 「 明 る い 赤 」や「 薄 い 緑 」と い う よ う な 表 現 が し に く く ， 光 源 の 変 動 の 影 響 も 受 け や す い 。 こ れ に 対 し て ， 画 像 処 理 の 分 野 で 広 く 用 い ら れ る

表 色 系 で は ， 色 相

は 円 柱 の 外 周 に 沿 っ て

し ， 図

の よ う に ，「 赤 ， オ レ ン ジ ， 黄 色 ， 緑 ， 水 色 ， 青 ， 紫 色 ， 一 周 回 っ て 再 び ， 赤 」と 色 を 表 す 。彩 度

か を 示 し ，中 心 か ら の 距 離 に よ っ て

～

の 範 囲 で 変 化 し ，

で 純 色

(図 中 で は 緑)と な る 。明 度(V)は ，

「 明 る さ 」を 表 し ，底 面 か ら 上 面 に 向 か

て

～

の 範 囲 で 変 化 し ，

黒

か ら 上 げ て い く と

で 純 色

緑

に な

る 。

表 色 系 の 場 合 ，周 囲 が 暗 く な る と ，

の 値 が 小 さ く な り ，

周 辺 の 影 響 を 受 け や す い 。 こ れ に 対 し て ，

表 色 系 の 場 合 ， 図

の

よ う に ， 周 囲 が 暗 く な る と ，

は 変 化 せ ず ， 周 辺

の 影 響 を 受 け に く い 。

17

本 研 究 で は ，カ メ ラ で 撮 影 さ れ た

表 色 系 の 画 像 を

表 色 系 に 変 換 し ，画 像 の 特 徴 を 示 す 赤

，彩 度

，明 度

𝑅, 𝐺, 𝐵の 三 つ の 値 の う ち ，最 大 の も の を𝑚𝑎𝑥，最 小 の も の を𝑚𝑖𝑛と す る

と ，

表 色 系 か ら

表 色 系 へ の 変 換 は ， 以 下 の 式

，

，

ま ず ， 明 る さ を 表 す 明 度

𝑉 = 𝑚𝑎𝑥 (2-1)

と 表 さ れ る 。こ こ で ，𝑚𝑎𝑥が ゼ ロ な ら ば ， そ の 色 は 黒 な の で ，

共 に ゼ ロ と お く 。

ま た ， 鮮 や か さ を 表 す 彩 度

𝑆 = 𝑚𝑎𝑥 − 𝑚𝑖𝑛

𝑚𝑎𝑥 (2-2)

1 画 素

赤(𝑅)

青 ： 𝐻 = 240^° 赤 ： 𝐻 = 0^°

(= 360^°)

0 255 255

0

RGB 表 色 系 赤(R) : 0～255 緑(G) : 0～255 青(B) : 0～255 の 256 階 調 で表 現

HSV表 色 系

色 相(H)：0～360°

彩 度(S)：0～255 明 度(V)：0～255 で表 現

出 典: F i l e : H S V c y l i n d e r . j p g C r e a t e d b y W a p c a p l e t C C

表 示-継 承 3 . 0 赤 ・ 青 ・ 緑 の 説 明 等 追 加

横 ：480 画 素

縦：360画素

172,800 画 素

緑 ： 𝐻 = 120^° 青(𝐵) 緑(𝐺)

図

カ メ ラ で 撮 影 し た 画 像 と

表 色 系 の 概 要

18

色 合 い を 表 す 色 相

は ，

𝐻 =

{

60 × 𝐺 − 𝐵

𝑚𝑎𝑥 − 𝑚𝑖𝑛 (𝑖𝑓 𝑚𝑎𝑥 = 𝑅) 60 × 𝐺 − 𝐵

𝑚𝑎𝑥 − 𝑚𝑖𝑛+ 120 (𝑖𝑓 𝑚𝑎𝑥 = 𝐺) 60 × 𝐺 − 𝐵

𝑚𝑎𝑥 − 𝑚𝑖𝑛+ 240 (𝑖𝑓 𝑚𝑎𝑥 = 𝐵)

(2-3)

と 表 さ れ る 。

2.2.4

分 離 度

画 像 に 関 す る ヒ ス ト グ ラ ム は ，横 軸 に 画 像 の 特 徴 を 表 す 彩 度

や 明 度

等 の “ 特 徴 量 ”， 縦 軸 に 画 素 数 な ど の 特 徴 量 の 度 数 を プ ロ ッ ト し た も の で あ り ， ヒ ス ト グ ラ ム を 用 い る こ と で ， 画 像 全 体 の 特 徴 を 知 る こ と が で き る 。 図

は ， あ る 特 徴 量 に つ い て の ヒ ス ト グ ラ ム の 例 で ，

の よ う な 理 想 的 な 画 像 で は ， 図 中 の グ ル ー プ

と グ ル ー プ

を 表 す

つ の ピ ー ク の 間 に ， は っ き り と し た 谷 を 有 し ， こ の 谷 の 底 部 で 両 者 を 分 離 す る 閾 値 を 設 定 す る こ と が で き る 。

を 境 界 と し て ，各 画 素 を 二 つ の グ ル ー プ に 分 け ，

よ り も 小 さ い 側（ グ ル ー プ

）の デ ー タ 数 が

， 平 均 が

， 分 散 が

，

よ り も 大 き い 側 （ グ ル ー プ

タ 数 が

，平 均 が

，分 散 が

，と な っ た 場 合 ，グ ル ー プ の 広 が り を 示 す グ ル ー プ 内 分 散

， グ ル ー プ 間 の 距 離 を 示 す グ ル ー

図

画 像 の ヒ ス ト グ ラ ム

(b)

現 実 の 画 像

理 想 的 な 画 像

グ ル ー プ 2 グ ル ー プ

1

度数f

特 徴 量

0 閾 値 Th_a 255

度数f

特 徴 量

0 255

グ ル ー プ 2 グ ル ー プ

1

19

プ 間 分 散

は ， 以 下 の 式

で 表 さ れ る 。

𝜎_𝑤² = 𝑛₁𝜎₁²+ 𝑛₂𝜎₂²

𝑛₁+ 𝑛₂ (2-4)

𝜎_𝑏² = 𝑛₁𝑛₂(𝑚₁− 𝑚₂)²

(𝑛₁+ 𝑛₂)² (2-5)

こ こ で ， グ ル ー プ 内 分 散

が 小 さ い ほ ど ， グ ル ー プ が 尖 り ， グ ル ー プ 間 分 散

が 大 き い ほ ど ，

つ の グ ル ー プ が 離 れ て い る こ と を 意 味 す る 。従 っ て ，以 下 の 式

と

の 比 で あ る 分 離 度

が 大 き い ほ ど ，閾 値

に よ っ て ，二 つ の グ ル ー プ が 良 く 分 離 さ れ て い る こ と に な る 。

𝜂 = 𝜎_𝑏²

𝜎_𝑤² (2-6)

2.2.5

分 離 度 を 最 大 に す る 二 値 化

画 像 処 理 で は ， 背 景 と 物 体 を 分 離 し ， 物 体 を 抽 出 す る こ と が 良 く 行 わ れ る が ， そ の 際 ， ヒ ス ト グ ラ ム は 背 景 と 物 体 の 境 界 を 示 す 閾 値 の 決 定 に 用 い ら れ る 。 し か し ， 実 際 の 画 像 は 図

が は っ き り せ ず ， 閾 値 を 決 定 す る こ と が 困 難 な 場 合 が 多 い 。

こ の よ う な 問 題 に 対 し て ， 分 離 度 を 最 大 に す る 二 値 化 が 広 く 用 い ら れ て い る

。 こ の 二 値 化 は ， 閾 値 の 候 補 を 特 徴 量 の 最 小 値

か ら 最 大

値

ま で シ フ ト し ，式

と な っ た 特 徴 量 の 値 を 閾 値 と し て 採 用 す る 。

表

の よ う に ， 蛍 光 管 に は い く つ か の 直 径 が あ る 。 本 研 究 で は ， 選

別 し た 蛍 光 管 を 回 収 用 の テ ー ブ ル に 一 つ ず つ 並 べ て い き ， 一 つ の 層 が 詰

ま っ た ら ， 回 収 テ ー ブ ル を 蛍 光 管 一 層 分 下 げ る が ， そ の 際 ， 各 蛍 光 管 の

直 径 の 情 報 が 必 要 に な る 。

20

本 研 究 で は ， 蛍 光 管 の 直 径 を 求 め る の に ， 撮 影 さ れ た 画 像 か ら 蛍 光 管 と 背 景 の 境 界 を 検 出 す る た め に 分 離 度 が 最 大 と な る 二 値 化 を 用 い た 。 な お ，本 研 究 で は ， フ リ ー の

で あ る

上 で ，フ リ ー の 画 像 処 理 ラ イ ブ ラ リ で あ る

を 用 い て ，

言 語 で 画 像 処 理 プ ロ グ ラ ム 等 を 作 成 し た 。

2.3

結 果 お よ び 考 察

2.3.1

蛍 光 粉 の 分 光 蛍 光 光 度 測 定

本 研 究 で は ， ま ず ， 白 色 ， 赤 色 ， 緑 色 及 び 青 色 の 蛍 光 体 の 粉 末 を 用 い て ，分 光 蛍 光 光 度 測 定 を 行 っ た 。図

～ 図

て ， 励 起 光 光 源 と 蛍 光 粉 の 間 に ガ ラ ス を 挿 入 せ ず に 行 っ た 分 光 蛍 光 光 度 測 定 の 結 果 を 示 す 。

が 青 色 蛍 光 粉 の 結 果 で あ る 。 各 図 共 に ， 横 軸 は 蛍 光 粉 に 照 射 し た 励 起 光 の 波 長

縦 軸 は 蛍 光 粉 か ら 発 生 さ れ た 蛍 光 の 波 長

強 度 を 等 高 線 で 表 し ， 右 端 に 等 高 線 の 高 さ を 緑 か ら 赤 色 で 示 す 。 ま た ， 左 端 に 可 視 光 線 の ス ペ ク ト ル を 示 す 。 な お ， 図 に 見 ら れ る 斜 め の ラ イ ン は ， 励 起 光 の

次 の レ イ リ ー 散 乱 に よ る も の で ， 無 視 し て 構 わ な い 。

図

に 対 し て ，

発 光 波 長 は

で ，図 中 の 左 端 に 示 し た 可 視 光 線 の ス ペ ク ト ル で は ，

黄 色 に 近 い 色 と な っ た 。同 様 に ，図

粉 の 場 合 ，最 適 励 起 波 長

赤 色

，

緑 色

，

青 色

に 対 し て 発 光 波 長 は ，(b)赤 色

と

な り ， 各 蛍 光 粉 の 色 の 可 視 光 線 の ス ペ ク ト ル と ほ ぼ 一 致 し た 。

21

図

分 光 蛍 光 光 度 測 定 の 結 果

励 起 波 長 λ_{E x} (nm) 300

220 350 400

255 500

550 600 650

450 576

100 650

0

等 高 線 強 度 2 次 レイリー散 乱

450

発光波長λ Em (nm)

励 起 波 長 λ_{E x} (nm) 300

220 350 400

255 550

650 700

500 612

100 700

0

等 高 線 強 度 2 次 レイリー散 乱

500

図

分 光 蛍 光 光 度 測 定 の 結 果

赤