(57)【要約】【課題】簡単な方法で木材の含水率を得る。【解決手段】本発明は上記従来の事情に鑑みて提案されたものであって、簡単な装置で、かつ非破壊で試料全体の含水率を推定できる方法と装置を提供することを目的とするものである。【課題を解決するための手段】木材の含水率と応力波の伝播速度（以下単に伝播速度という場合がある）のデータベースより、「含水率-伝播速度の関数」の座標面上の、２変量のマイナス側の確率がゼロとなる確率密度を縦軸とする確率分布曲面を表す式をそのパラメータとともに求めておく。上記の状態で、測定対象の木材の伝播速度Ｃ0を求め、当該伝播速度Ｃ0より、前記座標面上の前記伝播速度Ｃ0に対応する直線の前記座標面に垂直な面と前記確率分布曲面の交曲線の、前記パラメータより得られるピーク点より含水率の推定値を得る。あわせて、含水率の信用区間も算出することができる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
木材の含水率と応力波伝播速度のデータベースより、「含水率-伝播速度の関数」の座標面上の、２変量のマイナス側の確率がゼロとなる確率密度をその平面に垂直な軸とする確率分布曲面を表す式をそのパラメータとともに求めるステップと、
測定対象の木材の伝播速度Ｃ0を求めるステップと、
前記伝播速度Ｃ0より、前記座標面上の前記伝播速度Ｃ0に対応する直線の前記座標平面に垂直な面と前記確率分布曲面の交曲線の、前記パラメータより得られるピーク点より含水率の推定値を求めるステップと、
を備えたことを特徴とする木材の含水率推定方法。
【請求項２】
前記含水率の推定値に加えて、その値の信用区間を求める請求項１に記載の木材の含水率推定方法。
【請求項３】
前記応力波伝播速度の関数として応力波伝播速度の逆数の２乗を用いた、請求項１に記載の木材の含水率推定方法。
【請求項４】
前記２変量のマイナス側の確率がゼロとなる確率分布として２変量対数正規分布を表す式を用いた請求項１に記載の木材の含水率推定方法。
【請求項５】
前記２変量対数正規分布の各パラメータはハミルトニアン・モンテカルロ法で求める請求項４に記載の木材の含水率推定方法。
【請求項６】
木材の含水率と伝播速度のデータベースより、「含水率-伝播速度の関数」の座標面上に、２変量のマイナス側の確率がゼロとなる確率密度をその平面に垂直な軸とする確率分布曲面を表す式をそのパラメータとともに記憶した記憶手段と、
測定対象の木材の応力波伝播速度Ｃ0を求める伝播速度測定手段と、
前記伝播速度Ｃ0と、前記パラメータより得られる前記確率分布曲面上のピーク点より含水率の推定値を求める推定値演算手段と、
を備えたことを特徴とする木材の含水率推定装置。
【請求項７】
前記含水率の推定値に加えて、その値の信用区間を求める請求項６に記載の木材の含水率推定装置。
【請求項８】
前記応力波伝播速度の関数として応力波伝播速度の逆数の２乗を用いた、請求項６に記載の木材の含水率推定装置。
【請求項９】
前記２変量のマイナス側の確率がゼロとなる確率分布として２変量対数正規分布を表す式を用いた請求項６に記載の木材の含水率推定装置。
【請求項１０】
前記２変量対数正規分布の各パラメータはハミルトニアン・モンテカルロ法で求める請求項９に記載の木材の含水率推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、木材の含水率を推定するための含水率推定方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
森林資源の保全の面から、国産材の構造部材として木造家屋への有効利用の促進が望まれている。新しい木材を新築家屋に使用する場合には、当該木材が完全に、あるいは一定程度にまで乾燥していないと、建築後の建物のひずみの発生の原因になるところから、建築基準法では用途に応じた木材の含水率が決められている。従って、伐採、製材あるいは最終製品の種々の段階で、木材の含水率を評価できるようにしておくのが望ましいことになる。
【０００３】
木材の含水率を測定する方法は種々あり、当該方法に応じた装置、器具が市販されている。
【０００４】
電気抵抗法は、針状のプローブ間に高電圧を印加したとき、木材が含水率に応じた抵抗値を示すことを利用したものである。プローブは針状で４本の構成になっておりこれを試料にハンマーで打ち込み通電することによって、表層部の抵抗値を測定することになる。この方法による測定値は樹種の影響を受けるので、予め樹種が分かっていることが前提である（例えば、特開平１１−３０４７４１参照）。
【０００５】
高周波法は、木材の含水率によって高周波の減衰率が異なることを利用するものであるが、材質の厚みや密度の影響を受け、これらの測定も合わせて行っておく必要がある（例えば、特開２０１０−２３７１３５参照）。
【０００６】
赤外法は、赤外線が水分で吸収されるところから、試料に赤外線を照射してその反射率を測るものであり、当然含水率が高い程、反射強度は小さくなる。
【０００７】
乾燥法は原材料から試料となる部分を切り出して（ＪＡＳでは２０ｇ以上）乾燥させ、乾燥前と乾燥後の重量から含水率を求めようとするものである（例えば、特開平１１−１４８８９２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−３０４７４１号公報
【特許文献２】特開平１１−１４８８９２号公報
【特許文献３】特開２０１０−２３７１３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前記電気抵抗法は、試料に針状のプローブを刺すことから、試料を傷める欠点があり、また、プローブが当接された部分の周辺（約３ｃｍ2）のみの測定が可能であり、木材全体の含水率が測定できる訳ではない。また、測定結果は樹種に依存するので、樹種が分からない試料では測定できないことになる。
【００１０】
高周波法は装置が大きくなりまた厚みや密度に依存するところから、それ等の値を別途求める必要がある。高周波の反射で測定する場合と透過で測定する場合があるが、いずれの場合も、高周波を当てるプローブ周辺部のみ、あるいは高周波が透過する試料の厚み方向の部分的な測定になる。
【００１１】
上記の２つの方法はいずれもハンディタイプのプローブが使用されており、測定作業が比較的簡単であるので、木材加工工場等の多くの現場で、大雑把な含水率を得るために使用されているが、使用機器に依存する誤差もあり、また、測定方法間の測定値も大幅に異なることがあり、信頼性には劣る欠点がある。
【００１２】
赤外線法は、上記したように薄い試料、あるいは試料の表面の含水率を測定するには有効であるが、厚みのある試料の内部の含水率まで測定できない欠点がある。
【００１３】
更に、乾燥法は、精度が高いが、試料片を材料から切り取る破壊検査であり、乾燥に時間がかかるとともに、当然のことながら、乾燥前後の重量の測定の必要がある。また、製材の現場や使用の現場で連続的に測定することができない欠点がある。
【００１４】
本発明は上記従来の事情に鑑みて提案されたものであって、簡単な装置で、かつ非破壊で試料全体の含水率を推定できる方法と装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、上記目的を達成するために、以下の手段を採用している。
【００１６】
まず、木材の含水率と応力波の伝播速度（以下単に伝播速度という場合がある）のデータベースより、「含水率-伝播速度の関数」の座標面上の、２変量のマイナス側の確率がゼロとなる確率密度を縦軸とする確率分布曲面を表す式をそのパラメータとともに求めておく。上記の状態で、測定対象の木材の伝播速度Ｃ0を求め、当該伝播速度Ｃ0より、前記座標面上の前記伝播速度Ｃ0に対応する直線の前記座標面に垂直な面と前記確率分布曲面の交曲線の、前記パラメータより得られるピーク点より含水率の推定値を求める。
【００１７】
上記の方法は以下の、伝播速度測定手段と、記憶手段と、推定値演算手段とを備えた装置を使用することによって実現できる。
【００１８】
前記記憶手段に木材の含水率と伝播速度のデータベースより、「含水率-伝播速度の関数」の座標面上に、２変量のマイナス側の確率がゼロとなる確率密度を縦軸とする確率分布曲面を表す式をそのパラメータとともに記憶しておく。
【００１９】
前記伝播速度測定手段は、測定対象の木材の応力波伝播速度Ｃ0を求める。また、推定値演算手段は、当該伝播速度Ｃ0より、前記座標面上の前記伝播速度Ｃ0に対応する直線の前記座標面に垂直な面と前記確率分布曲面の交曲線の、前記パラメータより得られるピーク点より含水率の推定値ｙ0を求める。
【００２０】
前記確率分布曲面はマイナス側の確率がゼロとなる曲面である。この種の確率分布として２変量対数正規分布、ガンマ分布、ポアソン分布等を用いることができる。前記２変量対数正規分布を表す式の各パラメータはハミルトニアン・モンテカルロ法で求める。また、伝播速度の関数としては以下の例では伝播速度の逆数の２乗を採用している。
【発明の効果】
【００２１】
上記の方法により測定対象の木材の応力波伝播速度を求めるだけで、非破壊で簡単に木材の含水率を推定することができ、しかも確率分布を利用しているので、含水率の信用区間も算出することができる。さらに、測定に連続性を持たせることができ、木材製品の生産現場、使用現場で用いることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に使用する含水率測定装置。
【図２】木材の含水率ＭＣと伝播速度Ｃの確率分布曲線。
【図３】２変量正規分布関数による確率分布曲線。
【図４】２変量対数正規分布関数による確率分布曲線。
【図５】本発明による推定と真値との誤差を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
＜原理＞
木材の含水率は、繊維組織と結合した水分（結合水）が影響する領域と、それに加えて細胞組織にまで水分が自由水として残存している領域とがある。前者は含水率が低い領域での現象であり、含水率が低くなるに従ってヤング率が大きく（強度が増す）なるが、自由水の増減はヤング率に影響を与えない。このように木材に含まれる水分の形態の分岐点をFSPといい、概ね含水率２８％である。この含水の水分形態とヤング率の含水率依存性の簡単なモデルより、FSP以上では含水率が伝播速度の逆数の二乗に比例することが分かる。この事実を以下に利用する。
【００２４】
本出願人はヤング率Ｅと密度ρの間に、Ｅ＝ｖ2ρ（ｖ：応力波の伝播速度）の関係が成り立つことを利用して、多数の木材試料のヤング率Ｅ‐密度ρ平面上での存在確率（密度）の密度分布曲面を採り、当該曲面と前記式に相当する直線の前記座標平面に直角な面との交曲線から試料のヤング率と密度を同時に決定する方法を特願２０１６−１９３５８８で提案している。
【００２５】
前記したように含水率とヤング率とが相関関係を持っているということは、木材の含水率が応力波伝播速度となんらかの関係を持っていると推測される。
【００２６】
そこで、２変量対数正規分布を利用して、木材試料の「含水率‐伝播速度の関数」の座標面上での多数データの確率密度の曲面を作成しておき、特定の木材試料の伝播速度Ｃ0から含水率を推定することを以下に試みる。
【００２７】
ここで、伝播速度の関数としては以下の説明では伝播速度Ｃの逆数の２乗を採るが、その理由は前述による。また２変量対数正規分布を採る理由については後述する。
【００２８】
＜確率曲面＞
図２（ａ）は、木材の含水率ＭＣ（％）と応力波の伝播速度Ｃ（ｍ／ｓ）の明らかなデータベースを基にした、含水率と伝播速度の散布図を示すものである。
【００２９】
本発明では、ハミルトニアン・モンテカルロ法を用いて、確率分布のパラメータを決定することを前提としている。この方法で、良く知られた確率分布の関数形として２変量正規分布を採用するためには、散布状態が線形近似できる状態であることが望ましい。
【００３０】
図２（ａ）の散布図から、線形近似できる散布状態が得られる変換を試みると、前述したように含水率-伝播速度の逆数の２乗（Ｃ-2）（単位はｓ2／ｍ2）を採ることで、図２（ｂ）に示すように略線形の散布図が得られることになる。但し、伝播速度の逆数の２乗（Ｃ-2）をそのまま表すと非常に小さい値となるので１０-8を掛け合わせている。
【００３１】
更に、図３は図２（ｂ）に示す散布図から、「含水率-伝播速度の関数」の座標平面に垂直な軸を確率軸として２変量正規分布による確率分布図を描いたものである。当該図３の状態では含水率ＭＣが負の領域でも存在することになるので（図３矢印参照）、分布関数として２変量正規分布関数を用いることは不都合となる。そこで、分布関数として下記（１）式に示す２変量対数正規分布関数を採用する。これによって図４に示す確率分布図を得ることができる。尚、上記２つの確率分布関数の具体的な形を決めるパラメータは、ベイズ統計のハミルトニアン・モンテカルロ法を適用することにより求められる。
【００３２】
【数１】
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【００３３】
【数２】
2019060692.tif 000004
【００３４】
ここで、μは平均、σは標準偏差、Ｒは相関係数である。またそれぞれの添え字ｘとｙはその属性（すなわち、ｘは伝播速度、ｙは含水率）を示す。
【００３５】
上記（１）式の５つのパラメータμx、μy、σx、σy、Ｒはベイズ統計のハミルトニアン・モンテカルロ法（ＨＭＣ法）で求めることができ、具体的な確率分布関数（１）式、(2)式を適用して得られた結果を表１に示す。
【００３６】
【表１】
2019060692.tif 000005
【００３７】
上記のようにしてパラメータが決定された（１）式に基づいて含水率‐伝播速度Ｃの逆数の２乗の確率分布曲面を描くと図４と同様、図５（ａ）のようになる。ここで特定の試料についての伝播速度Ｃ0を測定してその逆数の２乗Ｃ0-2＝一定の直線から含水率‐伝播速度の逆数の２乗座標面に垂直に立ち上げられた平面（ｂ）と前記確率曲面との交曲線（ｃ）のピーク（ｄ）の位置が前記特定の試料について求める推定含水率ｙ0ということになる。
【００３８】
ここでピークの位置は下記式（３）で与えられる。
【００３９】
【数３】
2019060692.tif 000006
【００４０】
ｙ：求める含水率、ｘ：伝播速度の逆数の２乗×１０-8
表２は複数の試料について測定した伝播速度に基づいて上記の方法で算出した含水率の推定値を示すものである。比較として、乾燥法で得た含水率を併記している。
【００４１】
また、確率分布を用いているので、前記のようにして得られた含水率についての信用区間も計算できることになり、表２では７０％信用区間を示している。ここで、サンプルＮｏ１５３を例にすると、「８５％の確率で含水率が３４．９％以下である。」ということができることを意味している。
すなわち、信用区間の上限を用いて含水率を別の表現で表すことができることになる。
【００４２】
【表２】
2019060692.tif 000007
【００４３】
図１は本発明に係る含水率推定装置一例を示すものである。基本的には伝播速度測定手段１０と、記憶手段２０および推定値演算手段３０より構成される。
【００４４】
伝播速度測定手段１０は、１対の針状のプローブ１１，１１を備え、当該２つのプローブ１１、１１を特定の試料上に所定距離を保って打ち込んで、一方のプローブ１１を図示しないハンマー等で打撃すると、当該一方のプローブ１１での衝撃音が検知されてから他方のプローブ１１で衝撃音が検知されるまでの時間が測定されるようになっている。これによって、伝播速度測定手段１０で木材を伝播する応力波伝播速度Ｃ0が得られることになる。
【００４５】
このようにして得られた前記特定の試料の伝播速度Ｃ0は推定値演算手段３０に入力される。一方、記憶手段２０には、前記した確率曲面が予め、前記(１)式と５つのパラメータとして記憶され、さらにピークの位置（含水率）を得るための（３）式も記憶されている。
【００４６】
この状態で、前記伝播速度測定手段１０より応力波伝播速度Ｃ0が得られると、推定値演算手段３０は記憶手段２０より、前記(３)式と５つのパラメータを読み出して、ピークの位置に対応する含水率ｙ0を得ることになる。このようにして得られた含水率ｙ0は表示部４０で表示されることになる。
【００４７】
尚、伝播速度測定手段としては、上記以外に打音法がある。
【００４８】
すなわち、試料である木材の一方の端をハンマーで叩くと試料はその試料の固有振動数ｆで縦振動することになる。当該固有振動数ｆと、応力波伝播速度Ｃとの関係は、試料の長さをＬとするとＣ＝２Ｌｆであるので、固有振動数を得ることによって応力波伝播速度を得ることができる。
【００４９】
上記において、確立分布曲線の一方の軸として、応力波伝播速度の逆数の２乗を用いているが、他方の軸の含水率との間で直線近似が得られる関数であれば、これにこだわるものではない。また、確率分布として２変量対数正規分布を採用しているが、これに限定されるものではなく、２つの変量のいずれの要素であってもマイナス側での確率がゼロとなる、例えばガンマ分布、ポアソン分布等を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
以上説明したように、本発明は伝播速度を求めるだけで、実用レベルの木材の含水率を得ることができ、また、確率分布曲線を用いているので、得られた含水率についての信用区間も計算できることになる。従って、木材資源を利用する生産現場、流通現場での利用価値は大きいものと考えられる。
【符号の説明】
【００５１】
１１・・プローブ
１０・・伝播速度測定手段
２０・・記憶手段
３０・・推定値演算手段
４０・・表示部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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