(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を被測定木材へ照射し、当該被測定木材を透過した電磁波を受信して当該被測定木材の内部構造を撮像する木材検査装置であって、
電磁波を放射する送信アンテナと、
前記送信アンテナが放射した前記電磁波を平面波に変換して前記被測定木材へ照射するレンズと、
前記被測定木材を透過した前記電磁波による干渉縞が観察できる位置に配置され、前記被測定木材を原点とする円周上で前記電磁波を受信して放射パターンを測定する検出手段と、
を有することを特徴とする木材検査装置。
【請求項２】
前記検出手段は、前記被測定木材を原点とする円周上に複数配置されたことを特徴とする請求項１記載の木材検査装置。
【請求項３】
前記原点は、前記被測定木材の中心であることを特徴とする請求項１又は２記載の木材検査装置。
【請求項４】
前記電磁波の波長は、対象とする前記被測定木材の内部の欠陥の相当径よりも大きな波長であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の木材検査装置。
【請求項５】
電磁波を被測定木材へ照射し、当該被測定木材から出射された電磁波を受信して当該被測定木材の内部構造を撮像する木材検査方法であって、
送信アンテナから電磁波を放射するステップと、
レンズを用いて前記送信アンテナが放射した前記電磁波を平面波に変換し、前記被測定木材へ照射するステップと、
前記被測定木材から出射する前記電磁波の干渉縞が観察できる位置に配置された検出手段により前記被測定木材を原点とする円周上で前記電磁波を受信して放射パターンを測定するステップと、
前記放射パターンから前記被測定木材の品質を判定するステップと、
を有することを特徴とする木材検査方法。
【請求項６】
前記判定するステップは、前記放射パターンを理想的な放射パターンと比較することを特徴とする請求項５記載の木材検査方法。
【請求項７】
電磁波を被測定木材へ照射し、当該被測定木材から出射された電磁波を受信して当該被測定木材の内部構造を撮像する木材検査方法であって、
送信アンテナから電磁波を放射するステップと、
レンズを用いて前記送信アンテナが放射した前記電磁波を平面波に変換し、前記被測定木材へ照射するステップと、
前記被測定木材から出射する前記電磁波の干渉縞が観察できる位置に配置された検出手段により当該電磁波を受信して放射パターンを測定するステップと、
前記放射パターンの周波数解析に基づき、高い空間周波数のスペクトル強度が強い場合に前記被測定木材の内部に欠陥があると判定するステップと、
を有することを特徴とする木材検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、木材の内部構造を調べ、木材の品質を検査する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
木材や木質構造物の品質は繊維（木理）の走行方向や節の有無、虫食いなどによる欠陥の有無などのパラメータにより規定されている。品質は木材加工現場、工場、卸売業者などすべての現場において管理されるべきであるが、現実的には点検コストを理由にすべての現場で実施されていない。そのような背景の中で、より簡便に低コストで品質検査を行う方法が開発されている。
【０００３】
例えば、特許文献１は、超音波を用いて木材の内部構造を検査する。ＣＴ技術により優れた空間分解能を有するが、被測定対象に反射防止液剤を塗布してセンサを密着させる必要があるため、非侵襲性や作業コストの点に課題がある。
【０００４】
特許文献２のＸ線ＣＴを用いた検査方法は超音波による検査方法の課題を克服しているが、安全管理や作業者に免許や特殊な技能が必要なため汎用性に課題を残している。
【０００５】
特許文献３のマイクロ波からテラヘルツ波の電磁波を用いる方法は、上記の超音波による検査方法およびＸ線ＣＴによる検査方法の上記の課題を克服している。図５に従来の木材イメージング装置の構成を示す。従来の木材イメージング装置は、信号源５１で発生したマイクロ波からテラヘルツ波の電磁波を送信アンテナ５２から放射し、その電磁波をレンズ５３で集束させて被測定木材１００に照射し、被測定木材１００を透過した電磁波を受信アンテナ５４で受信して検出器５５で検出する。送受信アンテナもしくは被測定木材１００を２次元に走査することにより電磁波の透過強度の２次元マップを得て、内部構造や欠陥を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−０５３０４５号公報
【特許文献２】特開２００６−０７８２５１号公報
【特許文献３】特開２００５−０４３２３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の電磁波による木材イメージング装置には、以下に示す問題があった。
【０００８】
従来の木材イメージング装置においては被測定木材を２次元に走査しながら、被測定木材を透過する電磁波を検出する。内部構造や欠陥を検出するために検出信号を被測定木材の各点に２次元マッピングした画像を作成するので、走査時間がかかり点検コストが高いという問題があった。
【０００９】
また、被測定木材内を伝搬する電磁波は被測定木材の厚さ方向の構造の影響で回折されるため、走査した各点の検出信号は回折した電磁波が加算されたものとなり、画像が不鮮明で内部構造や欠陥を判別することが困難であるという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、木材の品質の測定時間を短縮し、点検コストを低減すること、および、より正確に内部構造や欠陥を判別することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の本発明に係る木材検査装置は、電磁波を被測定木材へ照射し、当該被測定木材を透過した電磁波を受信して当該被測定木材の内部構造を撮像する木材検査装置であって、電磁波を放射する送信アンテナと、前記送信アンテナが放射した前記電磁波を平面波に変換して前記被測定木材へ照射するレンズと、前記被測定木材を透過した前記電磁波による干渉縞が観察できる位置に配置され、前記被測定木材を原点とする円周上で前記電磁波を受信して放射パターンを測定する検出手段と、を有することを特徴とする。
【００１３】
上記木材イメージング装置において、前記検出手段は、前記被測定木材を原点とする円周上に複数配置されたことを特徴とする。
【００１４】
上記木材イメージング装置において、前記原点は、前記被測定木材の中心であることを特徴とする。
【００１５】
上記木材イメージング装置において、前記電磁波の波長は、対象とする前記被測定木材の内部の欠陥の相当径よりも大きな波長であることを特徴とする。
【００１６】
第２の本発明に係る木材検査方法は、電磁波を被測定木材へ照射し、当該被測定木材から出射された電磁波を受信して当該被測定木材の内部構造を撮像する木材検査方法であって、送信アンテナから電磁波を放射するステップと、レンズを用いて前記送信アンテナが放射した前記電磁波を平面波に変換し、前記被測定木材へ照射するステップと、前記被測定木材から出射する前記電磁波の干渉縞が観察できる位置に配置された検出手段により前記被測定木材を原点とする円周上で前記電磁波を受信して放射パターンを測定するステップと、前記放射パターンから前記被測定木材の品質を判定するステップと、を有することを特徴とする。
【００１７】
第３の本発明に係る木材検査方法は、電磁波を被測定木材へ照射し、当該被測定木材から出射された電磁波を受信して当該被測定木材の内部構造を撮像する木材検査方法であって、送信アンテナから電磁波を放射するステップと、レンズを用いて前記送信アンテナが放射した前記電磁波を平面波に変換し、前記被測定木材へ照射するステップと、前記被測定木材から出射する前記電磁波の干渉縞が観察できる位置に配置された検出手段により当該電磁波を受信して放射パターンを測定するステップと、前記放射パターンの周波数解析に基づき、高い空間周波数のスペクトル強度が強い場合に前記被測定木材の内部に欠陥があると判定するステップと、を有することを特徴とする。
【００１８】
上記第２の本発明に係る木材検査方法において、前記判定するステップは、前記放射パターンを理想的な放射パターンと比較することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、木材の品質の測定時間を短縮し、点検コストを低減すること、および、より正確に内部構造や欠陥を判別することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施の形態における木材イメージング装置の構成を示す図である。
【図２】本実施の形態における別の木材イメージング装置の構成を示す図である。
【図３】本実施の形態における木材イメージング装置で検出される放射パターンの例を示す図である。
【図４】木材に欠陥があるときの放射パターンの例を示す図である。
【図５】従来の木材イメージング装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００２２】
図１は、本実施の形態における木材イメージング装置の構成を示す図である。同図に示す木材イメージング装置は、信号源１１、送信アンテナ１２、レンズ１３、受信アンテナ１４、および検出器１５を備える。本実施の形態における木材イメージング装置は、被測定木材１００の繊維（木理）走行構造をスリットもしくはスラブ導波管としてみなし、電磁波を被測定木材１００へ入射して被測定木材１００の繊維（木理）走行構造内を分離伝搬させて、各走行構造から出射される電磁波が干渉することにより生成される干渉縞を観察することで、繊維（木理）の走行間隔や方向などの構造、内部欠陥（虫穴や腐朽による空洞部や密度低下部）を検出する。以下、各部について説明する。
【００２３】
信号源１１は、数Ｈｚから数ＴＨｚまでの周波数の電磁波を出力する。本実施の形態では、被測定木材１００の内部欠陥の相当径よりも大きな波長となる周波数の電磁波を用いる。
【００２４】
送信アンテナ１２は、信号源１１の出力した電磁波をレンズ１３を介して被測定木材１００に対して放射する。送信アンテナ１２から放射された電磁波はレンズ１３により平面波に変換され、被測定木材１００へ照射される。電磁波が照射される範囲は、被測定木材１００の繊維（木理）が複数本含まれる必要がある。
【００２５】
受信アンテナ１４が取り付けられた検出器１５は、被測定木材１００の内部を伝搬して被測定木材１００の側面もしくは電磁波の入射面に対向する反対側の面から出射された電磁波を受信して放射パターンを測定する。検出器１５は、走査ステージ（図示せず）上に配置され、制御部（図示せず）により、被測定木材１００を原点として被測定木材１００から一定距離離れた円周上を移動するように制御されて電磁波を検出する。例えば、図１に示すように、検出器１５を被測定木材１００の中心を円周の原点とした円周上で移動させて走査する。被測定木材１００の中心を原点として信号源１１の正対称の位置が零次回折点となる。図１では、零次回折点の方向を円周の９０度と表示している。円周の原点を被測定木材１００の中心にとり、観察面を円周上にとることが干渉縞の観測に適している。被測定木材１００から一定距離離れた直線上を観察面としても電磁波の干渉は観測できるが、円周上で観測することによって、被測定木材１００からの遠方界を過不足なく最小の労力で観察することができる。検出器１５が測定した放射パターンに基づく被測定木材１００の品質の判定については後述する。
【００２６】
図２は、本実施の形態における別の木材イメージング装置の構成を示す図である。同図に示す木材イメージング装置は、検出器１５を円周上で走査する代わりに、複数の検出器１５を円周上に配置したものである。繊維（木理）走行方向は木種や年齢によってある程度の範囲に収まっているため、電磁波の波長および被測定木材１００と検出器１５との距離によって検出器１５の配置数や配置間隔を設計することができる。
【００２７】
また、図２に示す木材イメージング装置は、遮蔽板１６を備えて、送信アンテナ１２から放射される電磁波の主ローブのみをレンズ１３に伝搬させている。遮蔽板１６の代わりに、送信アンテナ１２のホーン部分を緩やかに広げてレンズ１３に直結することにより放射効率を向上することもできる。
【００２８】
次に、観測される干渉縞について説明する。
【００２９】
被測定木材１００の組織構造は、入射された電磁波の波長が年輪などの組織構造の周期よりも大きいときはスリット、小さいときはスラブ導波管として機能する。被測定木材１００内を伝搬した電磁波は組織構造の周期間を波源として被測定木材１００の表面から出射される。組織構造の周期間から出射された電磁波は互いに干渉するため、検出器１５で測定した放射パターンは図３に示すような干渉縞を形成し、零次回折を中心として一次回折、二次回折、・・・の干渉縞が観察される。図３は、横軸に検出した電磁波の強度、縦軸に検出器１５の位置を示している。零次回折縞は必ずしも被測定木材１００の中央の位置（信号源の正対称の位置）に出現するわけではなく、組織構造の走行方向によって変化する。例えば、図３のように、図上で上向きに組織構造が走行しているときは、干渉縞は０度に近い位置に偏る。このことから、干渉縞の位置から組織構造の走行方向を判別することができる。
【００３０】
続いて、組織構造の周期の算出について説明する。
【００３１】
組織構造の周期ｄは、干渉縞の間隔Ｄ、電磁波の波長λ、被測定木材１００の電磁波の出射面と検出器１５の距離Ｌを用いて次式（１）により求めることができる。
【００３２】
【数１】
0005682952.tif 000002
【００３３】
上記の式を変形して干渉縞の間隔Ｄは次式（２）で表される。
【００３４】
【数２】
0005682952.tif 000003
【００３５】
続いて、被測定木材１００の電磁波の出射面と検出器１５との距離について説明する。
【００３６】
アンテナをコニカルホーンアンテナなどの単純な円形開口を有する開口アンテナとすると、アンテナの実効長ｌｅはアンテナ利得Ｇを用いて次式（３）で表される。
【００３７】
【数３】
0005682952.tif 000004
【００３８】
電磁波の放射パターンを正確に測定するためには標本化定理から干渉縞の間隔Ｄがアンテナの実効長ｌｅの半分よりも大きくなるように検出器１５を配置する必要がある。したがって、被測定木材１００の電磁波の出射面と検出器１５の距離Ｌは以下の条件を満たす必要がある。
【００３９】
【数４】
0005682952.tif 000005
【００４０】
また、干渉縞を形成するためにはフラウンフォーファー回折領域での測定が必要であるため距離Ｌは波長λの１０倍以上となる。
【００４１】
次に、木材の品質の判定について説明する。
【００４２】
放射パターン上の干渉縞の次数は組織構造の周期性を、縞間隔は周期を表しており、木材内部に虫害による孔や節が存在するときは図４のように複雑なパターンとなる。これは、対象とする内部欠陥の相当径よりも大きな波長の電磁波を用いることにより、欠陥を回折した電磁波が繊維（木理）走行構造から出射される電磁波と干渉するためである。品質の良い木材は繊維（木理）の周期性が高いため干渉縞は単純であり、放射パターンを観察することにより品質を判別することができる。すなわち、放射パターンに一次や二次などの低い次数の回折による干渉縞のみが観察されるときは木材の内部に欠陥が存在しない。これに対して、低い次数の回折による干渉縞だけでなく高い次数の回折による干渉縞が観察されるときは木材内部に欠陥が存在している。したがって、高次の回折パターンを抽出するために、例えば、周波数解析を行い、高い空間周波数のスペクトル強度が強い場合には木材内部に欠陥が存在していると判定する。または、予め周期構造が分かる場合は、理想的な干渉縞パターンを計算によって生成するか、もしくはメモリに記憶しておき、そのパターンと観測した干渉パターンとを比較することで、品質を判定しても良い。
【００４３】
なお、一般に使用される木材の組織構造の周期は木種や樹齢にもよるがほぼ一定であり、数ｍｍから十数ｍｍである。使用する木種などがあらかじめ分かっていれば、式（２）から干渉縞間隔は推定できる。すなわち、検出器１５は全領域を走査したり、配置する必要はなく、被測定木材１００の組織構造に応じて推定される干渉縞の位置にのみ配置すればよい。その結果、測定時間を短縮し、点検コストの低減を図ることができる。
【００４４】
以上説明したように、本実施の形態によれば、送信アンテナ１２が放射する電磁波をレンズ１３で平面波に変換して被測定木材１００に照射し、検出器１５により、被測定木材１００の表面から出射する電磁波を検出し、被測定木材１００の繊維（木理）走行構造それぞれから出射する電磁波が干渉することで生成される干渉縞を観察することにより、被測定木材１００を２次元に走査することなく、被測定木材１００の繊維（木理）の走行間隔や方向、内部の欠陥を検出することができ、点検コストの低減を図ることができる。
【００４５】
本実施の形態によれば、電磁波を円周上で検出することによって、被測定木材１００からの遠方界を過不足なく最小の労力で観察することができる。このとき、円周の原点を被測定木材１００の中心にとることが干渉縞の観測に適している。また、繊維（木理）走行構造は木種や樹齢によってある程度の範囲に収まっているため、電磁波の波長、観察面と検出器１５との距離によって検出器１５の配置数や配置間隔を想定することができ、測定時間を短縮し、点検コストの低減を図ることができる。
【００４６】
さらに、対象とする内部欠陥の相当径よりも大きな波長の電磁波を用いることにより、欠陥を回折した電磁波が繊維（木理）走行構造から出射する電磁波と干渉するため、観察される干渉縞が変化し、容易に内部の欠陥を判別することができ、被測定木材１００の内部の欠陥の検査精度の向上を図ることができる。
【符号の説明】
【００４７】
１１…信号源
１２…送信アンテナ
１３…レンズ
１４…受信アンテナ
１５…検出器
１６…遮蔽板
１００…被測定木材
【図１】
0005682952.tif 000006
【図２】
0005682952.tif 000007
【図３】
0005682952.tif 000008
【図４】
0005682952.tif 000009
【図５】
0005682952.tif 000010