(57)【要約】【課題】繊維飽和点以上の含水率を、はい積みのまま測定することにより、高含水率木材の含水率管理の実用化に資する技術を提供すること【解決手段】下記の工程を含む、木材の含水率を特定する方法：  Ａ．ある時刻（時刻0）における、木材の含水率（MC0）、縦振動固有振動数（F0）及び丸太の温度（T0）を特定する工程；  Ｂ．T0の後の任意の時刻（時刻ｔ）において、前記木材の縦振動固有振動数（Ft）及び木材の温度（Tt）を測定する工程；及び  Ｃ． 下記（式４’）にF0、T0、Ft及びTtを代入してMCt（％）を計算し、MCtを時刻ｔにおける前記木材の含水率とする工程。2019066391.tif 000031（式中、MC0は時刻0における前記木材の含水率の測定値又は推定値である）。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記の工程を含む、木材の含水率を測定する方法：
Ａ．ある時刻（時刻0）における、木材の湿量基準含水率MC0を特定し、木材の温度T0（℃）、及び縦振動固有振動数F0（Hz）を測定する工程；
Ｂ．T0の後の任意の時刻（時刻ｔ）において、前記木材の縦振動固有振動数Ft（Hz）及び木材の温度Tt（℃）を測定する工程；及び
Ｃ． 下記（式４’）にF0、T0、Ft及びTtを代入してMCt（％）を計算し、MCtを時刻ｔにおける前記木材の含水率とする工程：
【数１】
2019066391.tif 000028
（式中、MC0は時刻0における前記木材の含水率の測定値又は推定値である）。
【請求項２】
工程Ｃが、
Ｃ’．下記（式７）にF0、T0、Ft及びTt、ならびにαを代入してMCt（％）を計算し、MCtを時刻ｔにおける前記木材の含水率とする工程：
【数２】
2019066391.tif 000029
（式中、expαは、前記木材と同一の樹種の木材の、温度1℃の変化に対するヤング率の変化率である）
である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
木材が丸太であり、はい積みされた３本以上の丸太により構成される丸太の集合体について、前記丸太の集合体を形成する丸太の一部についての含水率を測定し、該測定値を前記丸太の集合体を形成する丸太の含水率とすることを含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
αの特定が、木材についての含水率の実測値を用いてなされる、請求項２又は３に記載の方法。
【請求項５】
MC0の特定が、時刻0における木材の含水率の実測により行われる、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
以下を備える、木材の含水率を測定する含水率測定システム：
（１）木材の縦振動固有振動数を測定する縦振動固有振動数測定部；及び
（２）時刻ｔにおける前記木材の含水率（MCt［％］）を計算し、MCtを測定値として与える含水率計算部、
ただしMCtの計算は下記式により行われる：
【数３】
2019066391.tif 000030
（式中、MC0は時刻ｔより前の時刻0における前記木材の含水率の測定値又は推定値であり、expαは、前記木材と同一の樹種の木材の、温度1℃の変化に対するヤング率の変化率である。F0及びFtはそれぞれ時刻0及び時刻ｔにおける前記木材の縦振動固有振動数であり、T0及びTtはそれぞれ時刻0及び時刻ｔにおける前記木材の温度である）。
【請求項７】
縦振動固有振動数測定部が、木材に与えられた縦振動を感知する振動センサ部、及び前記縦振動を音声ファイルにして収録するレコーダー部をさらに備える、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
含水率計算部が、レコーダー部に音声ファイルとして収録された縦振動を周波数スペクトルに変換し、F0又はFtを特定する固有振動数特定手段をさらに具備する、請求項６又は７に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固有振動数により丸太等の木材の含水率を測定する方法に関する。より詳細には本発明は、繊維飽和点以上の高含水率にある含水率の測定が物理的な障害のために測定し難い状況にある木材について、任意の時刻の木材の縦振動固有振動数と材温及びある１つの時刻の含水率から、任意の時刻の含水率を簡便に測定する技術に関する。
【０００２】
近年、バイオマス発電による発電が増加している。バイオマス発電とは、廃材、穀物、生活ごみなど生物由来の有機物資源（バイオマス：biomass）を発電用燃料とする発電の方式であり、バイオマス発電においてはバイオマスを直接あるいはガス化して燃焼させ、生み出した水蒸気やガスでタービンを回して発電する。
木材などの木質系バイオマスは成長過程で二酸化炭素を吸収するため、バイオマスを発電用燃料に使って二酸化炭素を排出しても、吸収と排出が相殺されるカーボンニュートラルなものであるため、バイオマス発電は地球環境に優しい発電とされる。また化石燃料と違ってバイオマスは枯渇することがなく、風力発電や太陽光発電と同様にバイオマス発電は再生可能エネルギーの一つである。
日本では、バイオマス発電は2012年（平成24）7月に始まった再生可能エネルギーの固定価格買取制度（FIT）の対象となり、増加傾向にある。バイオマス発電が増加傾向にあるのは、欧州のような諸外国においても増加している。
【０００３】
木質系バイオマスを用いるバイオマス発電（木質バイオマス発電）では、発電用燃料として、間伐材などの原木（丸太）から生産された木屑のようなペレットやチップが提供される。原木は、伐採後特定の場所に集積された後に発電に供される。また、原木が伐採されてから発電に供されるまで一定の時間をかけて天然乾燥をすることもある。天然乾燥の目的は、燃料用原木あたりの発熱量が増大し発電効率が高められること、もって現状では割高であるといわざるを得ない木質バイオマス発電のコスト減に資するからである。
【０００４】
原木の含水率は、天然乾燥後には、w.b.50〜60%からw.b.約30%まで低下する。
これらの含水率は、原木の乾燥前と乾燥後の重量の差を用いて含水率を求める絶乾法により求めなければならない。いずれの含水率も原木の繊維飽和点（d.b.22%）以上での含水率であり、既存の測定方法や含水率計では正確な計測ができないためである（図１）。
【０００５】
木材中の水は、液状の自由水と木繊維に結合した結合水の2種類がある。結合水はおおむねw.b.22%の含水率で木繊維中に結晶水として飽和し（繊維飽和点）、以降は自由水が木材中の空隙を満たすことで含水率が増加する。w.b.は湿量基準含水率であることを表す表記である。
既存の含水率計（電気抵抗式、高周波式）では、測定に用いられる電気抵抗や高周波誘電率が木繊維中の結合水量と相関するものの、自由水量とは相関しないため、繊維飽和点以上の高含水率を測定することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２７１２３２号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】東北森林学会誌 第3巻第2号 17〜20頁 1998  縦振動法による丸太重量の測定
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
原木（丸太）の含水率（重量）の測定に関する技術として、丸太のヤング率および絶乾密度が一定とする条件下において、固有振動数の測定のみにより丸太の重量を測定する技術がある（非特許文献１）。
また、固有振動数を基に主として木材の含水率を測定する方法や装置についての報告もある（特許文献１）。
【０００９】
これらの方法は原木（丸太）の重量や木材の含水率の測定を、絶乾法ではなく固有振動数を用いて行う方法である。しかしながら、これらの方法を用いて測定した丸太の含水率の測定値の精度は必ずしも高いものではない。そのためバイオマス発電用にはい積みされているような大量の丸太の集合体全体について含水率を高い精度で特定することは、不可能である。すなわち、繊維飽和点以上の高含水率域について木材の平均的な含水率を測定する場合、絶乾法以外の測定技術では測定精度が低いといわざるを得ないのが現状である。
原木の保管現場において原木の含水率を測定し、天然乾燥の実態把握や乾燥期間の管理を行おうとしても、原木は高くはい積みされており、重量等の測定が難しいといった問題もある（図２Ａ及び図２Ｂ）。また、絶乾法は重量測定や乾燥に多大なコストがかかるため、実用的な方法ではない。
【００１０】
非特許文献１における技術においては、１本ずつ積み重ねられることなく個別に静置された丸太が測定の対象とされ、ヤング率および絶乾密度が一定であるという前提の下、個々の丸太の固有振動数の測定のみにより丸太の重量が測定されている。しかしながら、はい積みの場合に考慮するべき固有振動数及びヤング率が受ける影響は、同文献においては考慮されていない。しかも実際には材温の変化もヤング率に影響するにもかかわらず、同文献における報告では材温変化によるかかる影響は無視されている。
特許文献１に記載の方法においては、固有振動数と含水率の検量線をあらかじめ参照データとして与えているため、必然的に木材のヤング率及び絶乾密度は全ての木材で一定との仮定されている。そのため、同文献に記載の技術を用いて木材の含水率を測定しても、実際の値を十分に反映するものとはならないことが明らかである。
【００１１】
ところで、バイオマス発電用の原木の乾燥が行われる場所や時期によっては、１年を経る前に、天然乾燥後の原木の含水率であるw.b.約30%の含水率程度に原木の含水率が低下している場合があると考えられる。含水率が十分に低下しているにもかかわらず原木を保管し続けることは、丸太の在庫管理の面において大きなコスト・労力の無駄を生じさせることになり避けるべきである。にもかかわらず、上記したような含水率を測定することの困難性のため、これまでは保管中の原木の含水率の測定は行われていないのが現状であった。換言すれば、とくにはい積みされた保管中の丸太の含水率を正確に測定し発電に供試する時期を見極める技術を用いることにより、丸太の在庫管理におけるコスト・労力を削減することが可能になり、多大なる経済的・物理的な効果が見込まれることに、本発明者らは他者に先駆けて着眼したのである。
【００１２】
上記のような背景の下、本発明者らは、保管中の木材の含水率を正確に測定するために有効な技術として、繊維飽和点以上の含水率を、例えばはい積みのまま測定することにより、高含水率木材の含水率管理の実用化に資する技術を提供することを課題とした。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題の解決を試みる中で本発明者らは、あるパラメータを考慮することにより丸太の含水率を簡便かつより正確に特定できる可能性があることを見出し、さらに鋭意研究を重ねて本発明を完成した。本発明は少なくとも以下の各発明に関する：
［１］
下記の工程を含む、木材の含水率を測定する方法：
Ａ．ある時刻（時刻0）における、木材の湿量基準含水率MC0、縦振動固有振動数F0（Hz）及び木材の温度T0（℃）を特定する工程；
Ｂ．T0の後の任意の時刻（時刻ｔ）において、前記木材の縦振動固有振動数Ft（Hz）及び木材の温度Tt（℃）を測定する工程；及び
Ｃ．下記（式４’）にF0、T0、Ft及びTtを代入してMCt（％）を計算し、MCtを時刻ｔにおける前記木材の含水率とする工程：
【数１】
2019066391.tif 000002
（式中、MC0は時刻0における前記木材の含水率の測定値又は推定値である）。
［２］
工程Ｃが、
Ｃ’．下記（式７）にF0、T0、Ft及びTtを代入してMCt（％）を計算し、MCtを時刻ｔにおける前記木材の含水率とする工程：
【数２】
2019066391.tif 000003
（式中、expαは、前記木材と同一の樹種の木材の、温度1℃の変化に対するヤング率の変化率である）
である［１］に記載の方法。
［３］
木材が丸太であり、はい積みされた３本以上の丸太により構成される丸太の集合体について、前記丸太の集合体を形成する丸太の一部についての含水率を測定し、該測定値を前記丸太の集合体を形成する丸太の含水率とすることを含む、［１］又は［２］に記載の方法。
［４］
αの特定が、木材についての含水率の実測値を用いてなされる、［２］又は［３］に記載の方法。
［５］
MC0の特定が、時刻0における木材の含水率の実測により行われる、［１］〜［４］のいずれかに記載の方法。
［６］
以下を備える、木材の含水率を測定する含水率測定システム：
（１）木材の縦振動固有振動数を測定する縦振動固有振動数測定部；及び
（２）時刻ｔにおける前記木材の含水率（MCt［％］）を計算し、MCtを測定値として与える含水率計算部、
ただしMCtの計算は下記式により行われる：
【数３】
2019066391.tif 000004
（式中、MC0は時刻ｔより前の時刻0における前記木材の含水率の測定値又は推定値であり、expαは、前記木材と同一の樹種の木材の、温度1℃の変化に対するヤング率の変化率である。F0及びFtはそれぞれ時刻0及び時刻ｔにおける前記木材の縦振動固有振動数であり、T0及びTtはそれぞれ時刻0及び時刻ｔにおける前記木材の温度である）。
［７］
縦振動固有振動数測定部が、木材に与えられた縦振動を感知する振動センサ部、及び前記縦振動を音声ファイルにして収録するレコーダー部をさらに備える、［６］に記載のシステム。
［８］
含水率計算部が、レコーダー部に音声ファイルとして収録された縦振動を周波数スペクトルに変換し、F0又はFtを特定する固有振動数特定手段をさらに具備する、［６］又は［７］に記載のシステム。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、材温（木材の温度）を実測し、材温に応じてヤング率変化を補正することによって、木材における含水率の測定精度を向上させたものである。したがって本発明によれば、バイオマス発電用に丸太又は原木といった木材をはい積み・桟積み（木材の乾燥方法の一種。風の通るよう、間隔を空けて桟木を置いた上に木材を並べ、何段にも重ねるもの）で自然乾燥する場合にも、含水率を経時的に精度よく測定でき、バイオマス燃料用として供される原木（丸太）の出荷時期が簡便に管理できる。
また本発明によれば、任意の時刻に固有振動数および材温を測定することで、当該任意の時刻に繊維飽和点以上の高含水率な木材の平均的な含水率を簡便に測定することが可能になる。かかる効果を奏するため、本発明はパーティクルボードやMDF等の丸太の原材料管理にも応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】原木の繊維飽和点以上での含水率が、既存の測定方法や含水率計では正確な計測ができないことを模式的に示す図である。
【図２Ａ】原木がはい積みされている場所の状況の例を示す写真図である（北海道紋別市）。はい積みされた丸太の集合体（山）の高さは約３ｍ以上である。
【図２Ｂ】原木がはい積みされている場所の状況のさらに別の例を示す俯瞰写真図である。はい積みされた丸太の集合体は、短辺が約２０ｍ〜約３０ｍであり、長辺が約２００ｍ〜約３００ｍである（北海道紋別市）。
【図３】弾性率（＝縦振動ヤング率）と温度の関係を示すグラフの例である（出展：「ティンバーメカニクス: 木材の力学理論と応用」（2015））。温度上昇に伴いヤング率Eがわずかに低下することが示されている。
【図４】実施例１において示した試験におけるはい積みされた丸太の一部を示す写真図である。
【図５】実施例１において示した試験において、丸太を叩く様子の例を示す写真図である。加速度ピックアップ（振動センサ）につながっているケーブルの端部が丸太の木口面に固定されている。
【図６】収録された振動の様子の例を、収録した音声ファイルの生データにより示すグラフである。
【図７】振動を周波数（音の高さ）スペクトルに変換し周波数を読み取る例を示すグラフである。
【図８】気温に対する縦振動ヤング率Ｅの変動の例を示すグラフである。
【図９】実施例１に示した試験の結果を示すグラフである。左のグラフは本発明の方法により測定した含水率を示し、右のグラフはヤング率変化を考慮しない従来の方法により測定した含水率を示すグラフである。いずれのグラフにおいても、プロットされた値は左から順に１１月１４日、６月３０日、５月２０日、４月２２日及び３月１０日に測定された値である。本発明の方法により測定した場合のグラフは直線の傾きが１により近く、測定値が実測値により近いことが示されている。
【図１０Ａ】各測定日におけるデータの分散の度合いを示す散布図の例である。各グラフは、初期含水率MC0として原木ごとに測定して特定した３月１０日（T0）における含水率実測値を各原木にそのまま適用して、上記（式７）により算出した各原木の含水率についてのグラフである。
【図１０Ｂ】各測定日におけるデータの分散の度合いを示す散布図の別の例である。各グラフは、初期含水率MC0として３月１０日における各原木の含水率実測値から平均値を求め、当該平均値を各原木に適用して、上記（式７）により算出した含水率についてのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に本発明をさらに詳細に説明する。
本明細書においては他の定義や断りがない限り、「原木」の語を伐採後とくに加工されていない木材、すなわち製材される前の伐採された状態の木材を意味する語として用いる。「丸太」の語は山から伐り出した原木について、その形状を端的に表すために用いられる語であり、「原木」と実質的な相違はない。これら「丸太」及び「原木」、ならびに角状に製材された木質材（角材・ラミナ）等を総称して、本明細書においては「木材」ということがある。しかしながら、「木材」も「丸太」及び「原木」と、本発明の適用対象としての実質的な相違はない。
また本明細書においては他の定義や断りがない限り、「含水率」は湿量基準含水率（％）を意味する。湿量基準含水率（％）は、以下の式で算出される。
【数４】
2019066391.tif 000005
（ρ：みかけ密度（kg/m3）、dry_ρ：絶乾密度（kg/m3））
【００１７】
本発明が基礎を置くのは、下記の工程を含む、木材の含水率を測定する方法である：
Ａ．ある時刻（時刻0）における、木材の含水率、縦振動固有振動数（F0）及び丸太の温度（T0）を特定する工程；
Ｂ．T0の後の任意の時刻（時刻ｔ）において、前記木材の縦振動固有振動数（Ft）及び丸太の温度（Tt）を測定する工程；
Ｃ．下記（式４’）にF0、T0、Ft及びTtを代入してMCt（％）を計算し、MCtを時刻ｔにおける前記木材の含水率とする工程：
【数５】
2019066391.tif 000006
（式中、MC0は時刻0における前記木材の含水率の測定値又は推定値である）。
。
本発明の方法のうち、工程Ｃが、
Ｃ’．下記式にF0、T0、Ft及びTtを代入してMCt［％］を計算し、MCtを時刻ｔにおける前記木材の含水率とする工程：
【数６】
2019066391.tif 000007
（式中、expαは、前記丸太と同一の樹種の木材の、温度1℃の変化に対するヤング率の変化率である。）
である本発明の方法は好ましい。（式７）においても、MC0は時刻0における前記木材の含水率の測定値又は推定値である。
【００１８】
式の導出
上記（式４’）及び（式７）は、以下のように導出することができる。
固体の固有振動数、密度及びヤング率の物理的な関係式として、下記の式が知られている：
【数７】
2019066391.tif 000008
（E：縦振動ヤング率(Pa)、ρ：原木（木材）のみかけ密度（実重量／材積）(kg/m3)、L：原木（木材）の長さ(m)、F：固有振動数(Hz)）。
上記式１により求められるヤング率は、個々の原木においてほぼ一定である。すなわち、原木の長さ（L）は実質的に一定であるから、原木のみかけ密度（ρ）は固有振動数（F）の２乗に反比例する。
【００１９】
また、湿量基準含水率（含水率：MC（％））は、下記式により定義されることは公知である。
【数８】
2019066391.tif 000009
（MC：湿量基準含水率（％）、dry_ρ：原木の絶乾密度（kg/m3））
上記式１と２からρを消去し、（式３）を得る。
【数９】
2019066391.tif 000010
【００２０】
ここで、乾燥期間を通じ、原木の絶乾密度dry_ρ、原木の長さLは一定と仮定し、
●時刻0におけるMC、F及びEをそれぞれMC0、F0及びE0とし、
●時刻tにおけるMC、F及びEをそれぞれMCt、Ft及びEtとして、下記（式３−１）及び（式３−２）を得る：
【数１０】
2019066391.tif 000011
（MC0：時刻0における湿量基準含水率（％）、MCt：時刻tにおける湿量基準含水率（％）、F0：時刻0における固有振動数(Hz)、Ft：時刻tにおける固有振動数(Hz)
、E0：時刻0における縦振動ヤング率（Pa）、Et：時刻tにおける縦振動ヤング率（Pa））
【００２１】
（式３−１）と（式３−２）において、これら２式に共通するdry_ρ及びLを消去し、（式４）を得る。
【数１１】
2019066391.tif 000012
ここで、乾燥期間を通じ、原木のヤング率Eが一定、すなわちE0＝Etであると仮定すると、（式４）より（式４’）を得る。
【数１２】
2019066391.tif 000013
【００２２】
一方、木材のヤング率は繊維飽和点以上の含水率においては温度Tに応じて僅かながら変化することも公知である。すなわち、温度上昇に伴いヤング率Eはわずかに低下することが知られている（図３、「ティンバーメカニクス: 木材の力学理論と応用」（2015））。
前記変化の変化率の定数（α）は小さい（約−0.002〜-0.004）ため考慮せずに含水率を求める方法が考えられている。これに対し、含水率の特定に際してαの影響を、その影響の大きさを考慮しながら勘案して、ヤング率と材温との関係を下記式により定義することにより、含水率をより高い精度で測定し特定できることを本発明者らは見出したのである。
ヤング率Eと材温Tの関係を（式５）のように表すことができる：
【数１３】
2019066391.tif 000014
（expα：気温1℃あたりの縦振動ヤング率Eの変化率に相当する定数（Pa/℃）、expβ：気温0℃における縦振動ヤング率Eに相当する定数（Pa）、T：材温 (℃)）。
【００２３】
（式３）〜（式４）の操作と同様に、時刻0におけるE及びTをそれぞれE0及びT0とし（（式５−１））、時刻tにおけるE及びTをそれぞれEt及びTtとし（（式５−２））、
【数１４】
2019066391.tif 000015
（E0：時刻0における縦振動ヤング率（Pa）、Et：時刻tにおける縦振動ヤング率（Pa）、T0：時刻0における材温 (℃)、Tt：時刻tにおける材温（℃））、（式５−１）及び（式５−２）から下記式６を得る：
【数１５】
2019066391.tif 000016
【００２４】
（式６）を（式４）に代入し、下記（式７）を得る：
【数１６】
2019066391.tif 000017
（MCt：時刻tにおける湿量基準含水率（％）、MC0：初期（時刻0における）含水率（％）、Ft：時刻tにおける固有振動数(Hz)、F0：初期の（時刻0における）固有振動数(Hz)、Tt:時刻tにおける材温（℃）、T0:初期の（時刻0における）材温（℃）、α：定数（expαが材温1℃あたりの縦振動ヤング率Eの変化率（Pa/℃）に相当））。
上記（式７）が、時刻ｔにおける前記丸太の含水率を得るための、本発明の方法における最も好ましい式である。すなわち本発明の方法により丸太の含水率を最も好ましく求めるためには、
・時刻tにおける湿量基準含水率（MCt）
・初期（時刻0における）含水率（MC0）
・時刻tにおける固有振動数(Ft)
・初期の（時刻0における）固有振動数(F0)
・時刻tにおける材温（Tt）
・初期の（時刻0における）材温（T0）、及び
・定数α
を測定又は特定し、（式７）に測定又は特定された各値を代入して計算を行えばよい。
なお、ヤング率EとTの関係を、指数関数を用いず簡便に（式５’）のように表し、
【数１７】
2019066391.tif 000018
（α’：気温1℃あたりの縦振動ヤング率Eの変化率に相当する定数（Pa/℃）
β’：気温0℃における縦振動ヤング率Eに相当する定数（Pa））、
（式５）〜（式７）と同様の操作により、（式６’）及び（式７’）を得ることができ、（式７’）も時刻tにおける湿量基準含水率MCtの算出に用いることができる：
【数１８】
2019066391.tif 000019
（式７’）を用いる本発明の方法は、（式４’）を用いる方法より高い精度で湿量基準含水率MCtを求めることを可能にするため、好ましい。
一方、（式７’）においては、時刻tの湿量基準含水率MCtを算出するために、MC0、α’、β’の３つを測定又は参照により特定する必要がある。これに対し（式７）を用いた場合の湿量基準含水率と（式７’） を用いた場合の湿量基準含水率の値は、ほぼ同等である。そのため、ヤング率Eと材温Tの関係は、（式５’）によって表すより（式５）により表すほうが、より好ましい。
【００２５】
上記（式７）におけるαは、樹種ごとに特定することができ、実測により決定するか、又は当該樹種についての標準的な値がある場合には当該標準的な値を採用して決定する。含水率の測定の精度をより高くするためには、測定対象の丸太等の木材と同じ集積場所に存在する他の木材を用いて、実測により決定することは好ましい。αの値を実測により決定する方法については、別途説明する。
【００２６】
含水率管理時に1本の木材について痩躯低を2回以上行うことを想定し、時刻0と時刻tにおけるMC、F、TをそれぞれMC0及びMCt、F0及びFt、T0及びTtとし（原木の長さLと絶乾密度dry_ρは変化しないものとする）、上記（式１）〜（式６）からMCtを求める式（（式７））が得られるのである。
【００２７】
本発明の測定方法
はい積みされた丸太（又は原木）の集合体における含水率を測定する場合について例示する。個別の木材の含水率については、以下に示す方法において示されている個々の丸太についての測定方法を適用することにより求めることができる。
はい積み後間もなく（例えば同日〜約１週間の間）に、含水率の測定対象として選択した丸太の振動（縦振動）を加速度ピックアップ（振動センサ）を用いて検知し、該振動をレコーダーに固有振動数F0として記録する。また、同じ原木について、含水率を実測するか又は含水率の推定値を設定し、初期（時刻0における）含水率MC0を特定する。含水率を実測してMC0とする本発明の方法は、含水率の測定（推定）がより正確に行えるため好ましい。初期含水率MC0として、時刻0における原木ごとの含水率実測値を個別に適用してもよいし、各原木の含水率実測値の平均値を各原木に適用してもよい。含水率実測値を個別に適用することにより、含水率をより高い精度で推定することができる。原木ごとの含水率実測値の平均値を各原木について用いる場合には、実用上十分に高い精度でかつ一層簡便に各測定対象の含水率を推定することができる。
含水率の実測は絶乾法により行うことができる。含水率の推定値を用いる場合には、例えば前年度以前の同時期に測定された含水率の値を含水率として用いてよい。
任意の日数経過後（時刻ｔ）に前記丸太の振動（縦振動）を加速度ピックアップ（振動センサ）を用いて検知し、該振動をレコーダーに固有振動数Ftとして記録する。
また、各記録時における気温を記録し、固有振動数F0を記録した際の気温及び固有振動数Ftを記録した際の気温をそれぞれT0及びTtとして記録する。
【００２８】
振動の記録は、加速度ピックアップを木口面に付け、ハンマーのような打撃用器具で各試験体の木口面を叩いて振動させ、加速度ピックアップで前記振動を前記レコーダーに記録して行ってよい。なお、叩く強さによって固有振動数の値は変わらない。丸太を叩く際には、「素材の日本農林規格」に記載の方法に従って行うことは好ましい。
【００２９】
αは−0.002〜−0.004の間で設定してよく、樹種について予め求めるか入手した特定の値を用いてよい。例えばスギにおいては−0.0028を用いてよい。
本発明の方法により推定される含水率が実際の含水率より高くなるようにαを選択することにより、丸太の乾燥度が高くなったことをより確実に判断することが可能になる。一方本発明の方法により推定される含水率が実際の含水率より低くなるようにαを選択することにより、丸太の出荷時期をより早めることが可能になる。
本発明の方法により含水率の測定を行う場合、αの値を別途測定及び管理することにより、含水率推定精度を向上させることができる。
【００３０】
αの値の測定は、例えば以下のようにして行うことができる。
上記（式１）：
【数１９】
2019066391.tif 000020
を用い、みかけ密度ρ（kg/m3）、固有振動数F（Hz）、材長L（m）のｎ本の原木についての実測値から、各測定日の縦振動ヤング率E(Pa)を算出する（ｎは２以上の任意の整数）。
次に、前記縦振動ヤング率Eと気温Tのデータを（式５）：
【数２０】
2019066391.tif 000021
により指数回帰し、各原木ごとに定数α（k番目の試験体について求めたものを「αk」と表記することがある）（及びβ（k番目の試験体について求めたものを「βk」と表記することがある）を算出する。
原木No.1〜ｎについて1本ごとに定数αkを算出し、原木ｎ本分の定数α1、α2、α3、・・・αｎを得て、α1、α2、α3、・・・αｎの平均値をαとする。
【００３１】
時刻ｔにおけるF0、T0、MC0ならびにFt、Ttを下記含水率算出式（上記（式７））の右辺、すなわち
【数２１】
2019066391.tif 000022
に代入して、当該丸太の時刻ｔにおける含水率を求めることができる。
【００３２】
はい積みされた丸太の集合体の一部（例えば約２０本〜３０本）の含水率を測定して、はい積みされた丸太の集合体を形成する丸太の含水率を推定してよい。この場合において、測定対象とする丸太の本数はとくに限定されず、測定の精度と労力とを勘案して決定してよく、例えば丸太の集合体約１０％〜２０％の本数の丸太を任意に選択して含水率測定の対象としてよい。F0又はT0を測定するか又は求める際に、任意に選択された丸太を色付きのスプレーや札、ラベル等によりマーキングするとともに、F0又はT0を測定するか又は求めた日の日付を当該丸太の１本又は２本以上に直接記録しておくことを含む本発明の方法は好ましい。
本発明の方法によりすべての丸太について含水率を測定する場合には、丸太の本数として約１０本〜約５０本が好ましく、約２０本程度がより好ましい。特定の丸太の含水率から他の丸太を含むはい積みされた丸太の集合体についての含水率を推定する場合には、前記はい積みされた丸太の集合体が包含する丸太の本数は限定されず、３本以上の丸太が例示され、約５０本より多く約５００本の本数であってよい。
丸太がはい積みされた３本以上の丸太である場合、はい積みされた３本以上の丸太により構成される丸太の集合体について、前記丸太の集合体を形成する丸太の一部についての含水率を本発明の方法を用いて測定し、該測定値を前記丸太の集合体を形成する丸太の含水率としてよい。
【００３３】
時刻0における丸太の含水率の測定値又は推定値であるMC0は、丸太が集積されている場所、地域や時期の影響を受ける。したがってMC0として丸太の含水率の測定値を用いる本発明の方法は好ましい。
【００３４】
本発明の方法が適用される樹種は限定されず、スギ、ヒノキ、サワラ、アスナロ、ヒバ、モミ、カラマツ、アカマツ、トドマツ、エゾマツ、アカエゾマツ、ナラ、カシ、カバ、ケヤキ、クルミ、センダン、カエデ、ポプラ、ヤナギ、アカシア、及びユーカリが例示される。
樹種に応じてαを個別に設定することは好ましい。樹種によりαが変わるため、αを個別に設定することにより含水率の測定を一層正確に行うことができるからである。
【００３５】
本発明の方法において、コンピュータやコンピュータ上に示される管理シートを用いることは好ましい。コンピュータや前記管理シートを用いることにより、含水率の計算を簡便かつ正確に行うことが可能になるからである。
コンピュータや前記管理シートを用いて本発明の方法を実施する場合、工程の手順をフローチャート化してより把握しやすくすることは、作業の正確性に資するため好ましい。チャートとして、例えば下記のようなチャートが例示される：
【表１】
2019066391.tif 000023
【００３６】
測定された含水率の利用方法
求められた含水率は、経時的に減少し、例えば３月に青森県八戸市内又はその周辺に集積したバイオマス発電用のスギの丸太の場合、管理開始初期の含水率が約５５％であり、８ヵ月後の１１月には原木の繊維飽和点であるw.b.22%程度にまで乾燥する。しかしながら、ある特定の時期における特定の丸太（丸太の集合体の各丸太）の含水率は、管理開始初期の含水率や集積される場所、当該年度の気候により変動する。そのため、ある時期における特定の丸太の含水率を特定するためには、含水率の測定が不可欠である。
本発明の方法を用いて求められた含水率を用いることにより、ある時期における特定の丸太の含水率を特定するために、含水率の測定を、簡便に行うことができる。
【００３７】
本発明の方法を用いて求められた含水率を予め設定した含水率の基準値と比較することにより、丸太の出荷時期を正確に判断することができる。すなわち、本発明の方法を用いて求められた含水率が予め設定した含水率の基準値を下回った時点を丸太の出荷時期とすることにより、丸太の出荷時期を正確に判断することができる。
あるいは、予め設定した、初期（時刻0における）の含水率に対する含水率の割合の基準値と、本発明の方法を用いて求められた含水率の、初期の（時刻0における）含水率に対する割合とを用いて、丸太の出荷時期を正確に判断してもよい。すなわち、本発明の方法を用いて求められた含水率（MCt）の、初期の（時刻0における）含水率（MC0）に対する割合（MCt/ MC0）が、予め設定した基準値を下回った時点を丸太の出荷時期としてよい。かかる基準値として、例えば約７０％、約６０％又は約５０％といった割合が例示される。
【００３８】
本発明の方法を用いて含水率をある時期に１回測定し、特定された含水率の値や当該含水率の初期の含水率に対する割合を、丸太の規格として用いることもできる。
本発明の方法において時刻Ttにおける含水率を測定するのは少なくとも１回であり、２回又は３回以上であってもよい。含水率の測定を１回とすることによりより簡易に含水率を把握することが可能であり、含水率の測定を２回又は３回以上とすることにより、より厳密に含水率及びその推移を把握することが可能である。ある地域において初めて本発明の方法を実施する際には、含水率の測定を２回又は３回以上として、当該地域における含水率の推移を把握することは好ましい。また、過去に本発明の方法を実施した場所においても、新たな樹種や従来とは異なる場所から伐採された丸太について含水率を測定する場合や、例年とは気象条件が異なるといった場合には、含水率の測定を２回又は３回以上として含水率の推移を把握することは好ましい。
【００３９】
測定システム
本発明により、以下を備える木材の含水率を測定する含水率測定システムも提供される：
（１）丸太木材の縦振動固有振動数を測定する縦振動固有振動数測定部；及び
（２）時刻ｔにおける前記丸太木材の含水率（MCt［％］）を計算し、MCtを測定値として与える含水率計算部、
ただしMCtの計算は下記式により行われる：
【数２２】
2019066391.tif 000024
（式中、MC0は時刻ｔより前の時刻0における前記丸太木材の含水率の測定値又は推定値であり、expαは、前記丸太木材と同一の樹種の丸太木材の、温度1℃の変化に対するヤング率の変化率である。F0及びFtはそれぞれ時刻0及び時刻ｔにおける前記丸太木材の縦振動固有振動数であり、T0及びTtはそれぞれ時刻0及び時刻ｔにおける前記木材の温度である）。
上記測定システムは、丸太、原木及び他の木質材（角材・ラミナ）等に適用される。
【００４０】
本発明のシステムのうち、縦振動固有振動数測定部が、木材に与えられた縦振動を感知する振動センサ部、及び前記縦振動を音声ファイルにして収録するレコーダー部をさらに備える上記システムは、木材の含水率の測定を簡便かつ効率的に行うことに寄与するため好ましい。
また本発明のシステムのうち、含水率計算部が、レコーダー部に音声ファイルとして収録された縦振動を周波数スペクトルに変換し、F0又はFtを特定する固有振動数特定手段をさらに具備する上記システムは、木材の含水率の測定を一層簡便かつ効率的になものにするため好ましい。
【実施例】
【００４１】
本発明を、以下の実施例によりさらに詳細に説明する。これらの実施例は、いかなる意味においても本発明を限定するものではない。
【００４２】
本発明の方法による含水率測定
＜試験概要＞
場所：青森県八戸市内
期間：2016年3月11日〜2016年11月14日
測定日：3/11、4/22、5/20、6/30、11/14（計5回）
樹種：スギ(4m原木)
試験体数：60本（1山10本にはい積みされた山の6山分）（図４）
【００４３】
＜含水率（実測値）の測定（重量法）＞
各試験体ごとの寸法、重量を上記計5回の各測定日に測定し、みかけ密度を算出した。
11/14にみかけ密度を測定後、原木のサンプルを切り出して絶乾法により各試験体の含水率を実測した。
11/14の含水率及び各測定日のみかけ密度から、計５回の各測定日の含水率実測値を、各試験体ごとに算出した。
【００４４】
＜含水率（推定値）の測定＞
各測定日における各試験体の固有振動数を測定した。固有振動数の測定には加速度ピックアップ市販品を組み合わせ作成した。
加速度ピックアップ（振動センサ：株式会社アコー販売製 プリアンプ内蔵型加速度ピックアップ ＴＹＰＥ7820A）を木口面に付け、市販のハンマーで各試験体の木口面を叩いて振動させ（図５）、加速度ピックアップで前記振動をレコーダー（ティアック株式会社製 TASCAM DR-40 ）で音声ファイル(WAV形式)として収録した（図６）。なお、叩く強さによって固有振動数の値は変わらない。
音声ファイルとして収録された縦振動を、FFTアナライザと同等の機能を有するコンピュータープログラム（フリー統計ソフトウェア「R」https://cran.r-project.org/の「tuneR」パッケージ）用いて周波数スペクトルに変換し（図７）、分析した。
【００４５】
気象庁HP（http://www.data.jma.go.jp/gmd/risk/obsdl/index.php）より、各測定日の気温データを取得し、測定時刻における気温を測定日の材温とした。
3/11における固有振動数、材温、含水率（実測値）をそれぞれF0、T0、MC0とし、各測定日における固有振動数、材温をそれぞれFt、Ttとし、これらの数値を下記含水率算出式（上記（式７））の右辺、すなわち
【数２３】
2019066391.tif 000025
に代入した値を、5回の各測定日における含水率推定値として各試験体ごとに算出した。
【００４６】
なお、定数αは以下のようにして求めた。
上記（式１）：
【数２４】
2019066391.tif 000026
を用い、みかけ密度ρ（kg/m3）、固有振動数F（Hz）、材長L（m）の各原木（各試験体）についての実測値から、各測定日の縦振動ヤング率E(Pa)を算出した。次に、前記縦振動ヤング率Eと気温Tのデータを（式５）：
【数２５】
2019066391.tif 000027
により指数回帰し、各原木ごとに定数α（k番目の試験体について求めたものを「αk」と表記することがある）（及びβ（k番目の試験体について求めたものを「βk」と表記することがある）を算出した（図８）。
原木No.1〜60まで、図８と同様にして1本ごとに定数αkを算出し、原木60本分の定数α1、α2、α3、・・・α60を得た。
α1、α2、α3、・・・α60の平均値と、該平均値の95%信頼区間はそれぞれ、-0.00284及び±0.00096であった。
【００４７】
＜試験結果の分析（20本平均含水率の推定精度評価）＞
含水率推定値についての推定精度の評価を、統計手法として下記交差検証法とbootstrap法とを組み合わせて分析した。
●交差検証法：データを学習データと検証データに分け、学習データで作成した推定モデル（本実施例においてはαとMC0平均値の数値）の推定精度を、検証データに当てはめて検証する評価方法である。
●bootstrap法：データ全体から少数データを繰り返し抽出して当該少数データから平均、分散及び／又は回帰などを繰り返し行い、繰り返しの結果から得られたデータについての平均、分散及び／又は回帰などの結果の精度を評価する評価方法である。
【００４８】
本実施例における具体的な検証手順は以下のとおりであった。
１．得られた60本分のデータを、40本（学習データ）と20本（検証データ）にランダムに分ける。
２．学習データに基づき算出されたMC0の平均値とαの平均値を、それぞれMC0とαの参照値とする。
３．各検証データについてのF0、T0、Ft、Ttと上記MC0とαの参照値を上記（式７）の右辺に代入し、含水率推定値を算出する（手順１〜３：「交差検証法」）。
４．手順１〜３を1000回繰り返すことで、1000点の測定データを擬似的に作製する（bootstrap法）。
５．各測定時点における平均含水率と95%予測区間を算出する。
【００４９】
上記検証手順を、気温によるヤング率変化（すなわち温度変化）を考慮しない場合についても行った。この場合には、T0＝Ttとし、上記（式７）の右辺におけるexp（α（T0-Tt））＝１として、対応する計算を行った。
結果を図９に示す。
ヤング率を考慮しない場合には含水率推定値は1.0638×実測値（R2＝0.93）であったのに対し、ヤング率を考慮した場合（本発明）における含水率推定値は1.0025×実測値（R2＝0.99）となった。気温変化の影響で、低含水率域では推定値が実測値より高くなった。すなわち、本発明の方法においては、推定値と実測値の傾きが一層1に近づいており、実測値により近い値がの測定が求められ、測定値のばらつき（グラフにおける水平方向のエラーバーの長さにより表されている）もより小さかった。
【００５０】
また、含水率推定値を、含水率の実測値と対応させて測定日ごとにプロットして回帰直線を特定したところ、いずれの測定日においても本発明の方法により含水率を高い精度で求めることができた（図１０Ａ及び図１０Ｂ）。
図１０Ａの４つのグラフは、初期含水率MC0として原木ごとに測定して特定した３月１０日（時刻0）における含水率実測値を各原木にそのまま適用して、上記（式７）により算出した各原木の含水率についてのグラフである。初期含水率MC0として各測定対象である丸太について求めた数値をそのまま個々に用いることにより、高い精度でかつ簡便に各測定対象の含水率を推定することができる。
図１０Ｂの４つのグラフは、各測定日におけるデータの分散の度合いを示す散布図の別の例である。各グラフは、初期含水率MC0として３月１０日における各原木の含水率実測値から平均値を求め、当該平均値を各原木に適用して、上記（式７）により算出した含水率についてのグラフである。初期含水率MC0として各測定対象である丸太について求めた数値の平均値を用いることにより、実用上十分に高い精度でかつ一層簡便に各測定対象の含水率を推定することができる。
【００５１】
これらの結果から、ヤング率変化を考慮しない場合では、気温変化のパターンによりこの傾向は変化する（例えば試験開始が秋なら推定値は実測値より低くなる）と考えられた。そのため逆にヤング率変化を考慮することにより、含水率推定精度が高まることが明らかになった。
【００５２】
以上の結果から、本発明の方法によれば、丸太等の木材の含水率を従来の方法より高い精度で求めることができることが明らかになった。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明によれば、繊維飽和点以上の含水率を、例えばはい積みのまま測定することにより、高含水率木材の含水率管理の実用化に資する技術が提供される。したがって本発明は、バイオマス発電や関連する産業の発展に寄与するところ大である。
【図１】
2019066391.tif 000032
【図２Ａ】
2019066391.tif 000033
【図２Ｂ】
2019066391.tif 000034
【図３】
2019066391.tif 000035
【図４】
2019066391.tif 000036
【図５】
2019066391.tif 000037
【図６】
2019066391.tif 000038
【図７】
2019066391.tif 000039
【図８】
2019066391.tif 000040
【図９】
2019066391.tif 000041
【図１０Ａ】
2019066391.tif 000042
【図１０Ｂ】
2019066391.tif 000043
【手続補正書】
【提出日】平成30年9月11日(2018.9.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記の工程を含む、木材の含水率を測定する方法：
Ａ．ある時刻（時刻0）における、木材の湿量基準含水率MC0を特定し、木材の温度T0（℃）、及び縦振動固有振動数F0（Hz）を測定する工程；
Ｂ．T0の後の任意の時刻（時刻ｔ）において、前記木材の縦振動固有振動数Ft（Hz）及び木材の温度Tt（℃）を測定する工程；及び
Ｃ’．下記（式７）にF0、T0、Ft及びTt、ならびにαを代入してMCt（％）を計算し、MCtを時刻ｔにおける前記木材の含水率とする工程：
【数１】
2019066391.tif 000044
（式中、expαは、前記木材と同一の樹種の木材の、温度1℃の変化に対するヤング率の変化率である）。
【請求項２】
木材が丸太であり、はい積みされた３本以上の丸太により構成される丸太の集合体について、前記丸太の集合体を形成する丸太の一部についての含水率を測定し、該測定値を前記丸太の集合体を形成する丸太の含水率とすることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
αの特定が、木材についての含水率の実測値を用いてなされる、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
MC0の特定が、時刻0における木材の含水率の実測により行われる、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
以下を備える、木材の含水率を測定する含水率測定システム：
（１）木材の縦振動固有振動数を測定する縦振動固有振動数測定部；及び
（２）時刻ｔにおける前記木材の含水率（MCt［％］）を計算し、MCtを測定値として与える含水率計算部、
ただしMCtの計算は下記式により行われる：
【数２】
2019066391.tif 000045
（式中、MC0は時刻ｔより前の時刻0における前記木材の含水率の測定値又は推定値であり、expαは、前記木材と同一の樹種の木材の、温度1℃の変化に対するヤング率の変化率である。F0及びFtはそれぞれ時刻0及び時刻ｔにおける前記木材の縦振動固有振動数であり、T0及びTtはそれぞれ時刻0及び時刻ｔにおける前記木材の温度である）。
【請求項６】
縦振動固有振動数測定部が、木材に与えられた縦振動を感知する振動センサ部、及び前記縦振動を音声ファイルにして収録するレコーダー部をさらに備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
含水率計算部が、レコーダー部に音声ファイルとして収録された縦振動を周波数スペクトルに変換し、F0又はFtを特定する固有振動数特定手段をさらに具備する、請求項５又は６に記載のシステム。
【手続補正書】
【提出日】平成30年9月14日(2018.9.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記の工程を含む、木材の含水率を測定する方法：
Ａ．ある時刻（時刻0）における、木材の湿量基準含水率MC0を特定し、木材の温度T0（℃）、及び縦振動固有振動数F0（Hz）を測定する工程；
Ｂ．T0の後の任意の時刻（時刻ｔ）において、前記木材の縦振動固有振動数Ft（Hz）及び木材の温度Tt（℃）を測定する工程；及び
Ｃ’．下記（式７）にF0、T0、Ft及びTt、ならびにαを代入してMCt（％）を計算し、MCtを時刻ｔにおける前記木材の含水率とする工程：
【数１】
2019066391.tif 000046
（式中、expαは、前記木材と同一の樹種の木材の、温度1℃の変化に対するヤング率の変化率である）。
【請求項２】
木材が丸太であり、はい積みされた３本以上の丸太により構成される丸太の集合体について、前記丸太の集合体を形成する丸太の一部についての含水率を測定し、該測定値を前記丸太の集合体を形成する丸太の含水率とすることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
αの特定が、木材についての含水率の実測値を用いてなされる、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
MC0の特定が、時刻0における木材の含水率の実測により行われる、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
以下を備える、木材の含水率を測定する含水率測定システム：
（１）木材の縦振動固有振動数を測定する縦振動固有振動数測定部；及び
（２）時刻ｔにおける前記木材の含水率（MCt［％］）を計算し、MCtを測定値として与える含水率計算部、
ただしMCtの計算は下記式により行われる：
【数２】
2019066391.tif 000047
（式中、MC0は時刻ｔより前の時刻0における前記木材の含水率の測定値又は推定値であり、expαは、前記木材と同一の樹種の木材の、温度1℃の変化に対するヤング率の変化率である。F0及びFtはそれぞれ時刻0及び時刻ｔにおける前記木材の縦振動固有振動数であり、T0及びTtはそれぞれ時刻0及び時刻ｔにおける前記木材の温度である）。
【請求項６】
縦振動固有振動数測定部が、木材に与えられた縦振動を感知する振動センサ部、及び前記縦振動を音声ファイルにして収録するレコーダー部をさらに備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
含水率計算部が、レコーダー部に音声ファイルとして収録された縦振動を周波数スペクトルに変換し、F0又はFtを特定する固有振動数特定手段をさらに具備する、請求項５又は６に記載のシステム。