(57)【要約】　　　（修正有）【課題】本発明は、丸太及び大断面材であっても材内中の含水率を非破壊的に全乾法のような高精度で簡便かつ経済的に測定でき、また、含水の分布も測定できる方法を提供する。【解決手段】周波数の対数と印加した電圧に対する電流の位相角とが抵抗率が一定ならば一次的に比例するとして、可変掃印した周波数に対応する位相角を含水率へ換算する工程を備えたことを特徴とする木材の材内含水率を測定する方法であって、木材の断面における任意の位置での含水率も評価できるように、該木材に印加する電界の周波数を可変掃印する工程と、該可変掃印した電界の周波数に対応する位相角を測定する工程と、該可変掃印した電界の各周波数から該電界が到達した距離を特定する工程と、該可変掃印した周波数に対応する位相角を含水率へ換算する工程とを備えたことを特徴とする木材の材内含水分布を測定する方法である。【選択図】　図１
2004085504.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
木材の材内水分の含水率を測定する方法であって、
可変掃印した周波数に対応する位相角を含水率へ換算する工程を備えたことを特徴とする木材の材内含水率を測定する方法。
【請求項２】
木材の材内水分の含水分布を測定する方法であって、
該木材に印加する電界の周波数を可変掃印する工程と、
該可変掃印した電界の周波数に対応する位相角を測定する工程と、
該可変掃印した電界の各周波数から該電界が到達した距離を特定する工程と、請求項１記載の該可変掃印した周波数に対応する位相角を含水率へ換算する工程とを備えたことを特徴とする木材の材内含水分布を測定する方法。
【請求項３】
請求項２記載の可変掃印した電界の各周波数から該電界が到達した距離を特定する工程が印加した電界の周波数と該電界の到達距離とが一次的に相反すると仮定することにより特定することを特徴とする請求項２記載の木材の材内含水分布を測定する方法。
【請求項４】
木材の材内水分の含水率を測定する装置であって、
可変掃印した周波数に対応する位相角を含水率へ換算する手段を備えたことを特徴とする木材の材内含水率を測定する装置。
【請求項５】
木材の材内水分の含水分布を測定する装置であって、
該木材に印加する電界の周波数を可変掃印する手段と、
該可変掃印した電界の周波数に対応する位相角を測定する手段と、
該可変掃印した電界の各周波数から該電界が到達した距離を特定する手段と、
請求項４記載の該可変掃印した周波数に対応する位相角を含水率へ換算する手段とを備えたことを特徴とする木材の材内含水分布を測定する装置。
【請求項６】
請求項５記載の可変掃印した電界の各周波数から該電界が到達した距離を特定する工程が印加した電界の周波数と該電界の到達距離とが一次的に相反すると仮定することにより特定することを特徴とする請求項２記載の木材の材内含水分布を測定する装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、丸太及び大断面材のような木材における材内中の含水率を非破壊的に、全乾法のような高精度で簡便かつ経済的に測定でき、また、その含水の分布も測定できる方法並びにそれらの装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、木材を加工した製材のような材内中の含水率を測定する方法として、全乾法と呼ばれるものがある。
【０００３】
この全乾法は、木材の含水率を正確に測定することはできるが、破壊試験である。
【０００４】
一方、良品質の木材を生産するためには、木段階から立木のままで破壊することなく材内中における水分量を適切に管理することが必要である。また、住宅建築等の建築における製材の品質を維持する上でも、製材における材内中の含水率や含水分布の管理が重要となるが、その測定には破壊試験を適用し難い。
【０００５】
そこで、木材における材内中の含水率や含水分布を非破壊的に全乾法のような高精度で測定する方法及び装置の技術開発が盛んに行われてきた。
【０００６】
ここで、非破壊的に丸太や大断面材等の木材における材内中の含水率及び含水分布を測定する方法としては、中性子やＭＲＩを用いた測定方法がある。
【０００７】
中性子を利用した測定方法には、例えば、中性子の水素原子による減速作用を利用し、遅い中性子だけをシンチレーションカウンタで検出する方法があり、その方法を利用した測定装置としては中性子水分計と呼ばれるものがある。
【０００８】
ＭＲＩを利用した測定方法とは、核磁気共鳴を利用したもので、主に医学機器の分野で広く普及している。１Ｈ、又は１３Ｃを検出し、イメージングする技術である。
【０００９】
また、比較的薄い断面材の材内中における含水率や含水分布を非破壊的に測定する装置としては含水率計と呼ばれるものがあるが、これは直流抵抗式や静電容量式の方法等を採用した小型の計測機器である。
【００１０】
もっとも、この含水率計では木材表面付近、例えば木材表面２ないし３ｃｍ付近での平均含水率を求めてその木材の材内中における含水率と評価する。
【００１１】
その他、柱材のような大断面材における材内中の含水率を非破壊的に測定する方法としては、ローラー電極を利用した静電容量式、或いはマイクロ波を利用した透過型のものがある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、中性子やＭＲＩを用いた測定方法は、いずれも高価で、設備も大きく、取り扱いも複雑であるという問題がある。このため、該測定方法は一般的ではない。
【００１３】
また、含水率計は小型にできるため、簡易に木材の材内中における含水率を測定できるという利点はあるが、厚み、いわゆる断面の大きな丸太や大断面材のような木材の材内中における含水率の測定には適していないという問題がある。
【００１４】
これは、小型故に丸太や大断面材のように厚みが増すと電界が十分に伝わらず、材内中の密度や節等の影響により、大きな測定誤差を生じてしまうからである。
【００１５】
このため、含水率計による測定は、個体間での密度のばらつきが大きいスギやヒノキのような製材において特に大きな影響を与えてしまう。
【００１６】
ローラー電極を利用した静電容量式、或いはマイクロ波を利用した透過型の大断面材における材内中の含水率を測定する方法は、いずれもＦ．Ｓ．Ｐ（繊維飽和点）以上の高含水率測定に適しておらず、また、測定対象となる木材の形状も柱材として製材されたもののように一定のものに限られるという問題がある。
【００１７】
これらの方法がいずれもＦ．Ｓ．Ｐ（繊維飽和点）以上の高含水率測定に適していない理由としては、マイクロ波は水分に吸収され易いため、Ｆ．Ｓ．Ｐ以上で存在する自由水が多い程、その分減衰が大きくなり、信号が観測しにくくなること、また、ローラー電極で測定する場合も、ローラーの接触状態により、大きく値が変動することがあげられる。
【００１８】
このため、形状が一定ではない丸太や断面材のような木材の測定には適していない。
【００１９】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、丸太及び大断面材であっても材内中の含水率を非破壊的に全乾法のような高精度で簡便かつ経済的に測定でき、また、含水の分布も測定できる方法並びにそれらの装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的を達成するために、請求項１に係る木材の材内水分の含水率を測定する方法の発明では、周波数の対数と印加した電圧に対する電流の位相角とが抵抗率が一定ならば一次的に比例することを利用して、可変掃印した周波数に対応する位相角を含水率へ換算する工程を備えたことを特徴とする木材の材内含水率を測定する方法である。
【００２１】
また、請求項２に係る木材の材内水分の含水分布を測定する方法の発明では、木材の断面に対して任意の位置での含水率を評価することを目的として、該木材に印加する電界の周波数を可変掃印する工程と、該可変掃印した電界の周波数に対応する位相角を測定する工程と、該可変掃印した電界の各周波数から該電界が到達した距離を特定する工程と、該可変掃印した周波数に対応する位相角を含水率へ換算する工程とを備えたことを特徴とする木材の材内含水分布を測定する方法である。
【００２２】
請求項３に係る木材の材内水分の含水分布を測定する方法の発明では、可変掃印した電界の各周波数から該電界が到達した距離を特定する工程が、印加した電界の周波数と該電界の到達距離とが一次的に相反すると仮定することにより特定する工程であること、即ち、印加する電界の周波数を順次可変したときの可変した周波数の数で電極間距離を分割し、各可変周波数と分割ポイントを対応させる工程であることを特徴とする木材の材内含水分布を測定する方法である。
【００２３】
請求項４に係る木材の材内水分の含水率を測定する装置の発明では、周波数の対数と印加した電圧に対する電流の位相角とが抵抗率が一定ならば一次的に比例することを利用して、可変掃印した周波数に対応する位相角を含水率へ換算する手段を備えたことを特徴とする木材の材内含水率を測定する装置である。
【００２４】
請求項５に係る木材の材内水分の含水分布を測定する装置の発明では、木材の断面に対して任意の位置での含水率を算出することを目的として、該木材に印加する電界の周波数を可変掃印する手段と、該可変掃印した電界の周波数に対応する位相角を測定する手段と、該可変掃印した電界の各周波数から該電界が到達した距離を特定する工程と、該可変掃印した周波数に対応する位相角を含水率へ換算する手段とを備えたことを特徴とする木材の材内含水分布を測定する装置である。
【００２５】
請求項６に係る木材の材内水分の含水分布を測定する装置の発明では、可変掃印した電界の各周波数から該電界が到達した距離を特定する手段が、印加した電界の周波数と該電界の到達距離とが一次的に相反すると仮定することにより特定する手段であること、即ち、印加する電界の周波数を順次可変したときの可変した周波数の数で電極間距離を分割し、各可変周波数と分割ポイントを対応させる手段であることを特徴とする木材の材内含水分布を測定する装置である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。図１ないし３は本発明の実施形態の一例を示したものである。
【００２７】
図１によると、本発明に係る含水率及びその分布を測定する方法では測定対象となる丸太３のような木材の側面に電極１，２を該木材の直径方向に位置するようにベルト４で固定し、リード線９をインピーダンスアナライザー５につないで電界の周波数（ｆ）を１０Ｈｚないし１ＭＨｚの範囲で可変掃印した。
【００２８】
ここで、可変掃印する周波数（ｆ）は、周波数（ｆ）を１０Ｈｚないし１ＭＨｚの範囲で適宜分割して掃印するものであって、分割の数は通常、４０ないし５０程度である。但し、この数に限定するものではない。
【００２９】
このとき、周波数毎にインピーダンスと位相角をインピーダンスアナライザー５で測定した。
【００３０】
本発明において測定する位相角（θ）は複素誘電率の損失係数における損失角に相当し、インピーダンスは測定の正常性を確認するために用いる。
【００３１】
電界は周波数（ｆ）が高くなるにつれて減衰し易いため、電界強度を高電圧側の電極を基準として周波数（ｆ）の高いものから順に並べたものは、電界が到達した距離（ｒ）と周波数（ｆ）との関係を示す。このとき、電界は一次的に電界到達距離（ｒ）に従って減衰すると仮定する。
【００３２】
このため、印加する電界の周波数（ｆ）を順次可変し、その可変した数で電極間距離（ｒ）を分割すれば、高電圧側に一番近い分割ポイントでの周波数（ｆ）が一番高い周波数（ｆ）を示し、分割ポイントが遠ざかる、即ち、電界到達距離（ｒ）が大きくなるにつれて周波数（ｆ）も順次低下することになる。
【００３３】
従って、可変した各周波数での含水率を算出して高電圧側の電極から周波数（ｆ）の高いものを順に並べたものは、高電圧側の電極を基準としたときの各分割ポイントにおける含水率を示す。
【００３４】
この結果、各分割ポイントを高電圧側の電極からの距離（ｒ）として表すと、木材の材内含水率を木材の断面に対して直径方向を距離として設定したときの各位置における含水率として評価することができる。即ち、木材の材内中の含水分布を評価できる。
【００３５】
このように、木材の位置、即ち木材の断面に対して直径方向を距離として設定したときの各位置における含水率を評価することは、従来の単一周波数でのインピーダンス測定では木材全体の含水率しか評価できないため困難である。
【００３６】
そこで、本発明に係る木材の材内含水率及びその分布を測定する方法では、掃印する周波数を可変させることを一つの特徴とした。
【００３７】
可変掃印して周波数毎に測定した位相角（θ）を含水率に換算する工程について、以下に示す。
【００３８】
周波数の対数と印加電圧に対する電流の位相角（θ）とは、抵抗率が一定ならば一次的に比例する。
【００３９】
全乾状態（含水率０％）の木材に印加した電圧の周波数（ｆ）の対数に対して各周波数における位相角（θ）をプロットすると、直線関係が成立する。得られた直線は、測定した位相角を含水率に換算するために必要な基準線となるものである。この直線は基準とする全乾状態（含水率０％）の木材によって決まるものであり、通常、勾配は約−２０で切片は５ないし１０程度である。
【００４０】
ここで、基準線を作成するために必要な木材が丸太のような場合、全乾状態の丸太を作ることはできない。そこで、丸太から切り出した小試験体を全乾法により乾燥させ、全乾状態（含水率０％）にして基準線を作成した。
【００４１】
次に、実際に可変掃印した周波数毎に測定した位相角を周波数の対数との関係でプロットし、該位相角と該位相角に対応した周波数の対数における基準線に基づく位相角との差分（Δθｆ）を求めた。
【００４２】
差分（Δθｆ）については測定位相角が基準線より小さい場合には負となり、大きい場合には正となる。
【００４３】
木材は完全に飽水状態になると含水率が２５０％になることが知られている。また、含水率は乾量基準であることから下限は０％となる。
【００４４】
ここで、差分が正の場合には基準線で含水率２５０％、負の場合には基準線で０％とする変換関数Ｆ（θ）を仮定すると、測定した位相角（θ）は、基準線との差分（Δθｆ）を変数として、
ＭＣ（ｆ，ｒ）＝α・Ｆ（Δθｆ）＋β・・・（１）
ＭＣ（ｆ，ｒ）：高電圧側の電極からの距離（ｒ）における含水率、
α，β：定数
で表される式に代入することにより含水率ＭＣ（ｆ，ｒ）へ換算できる。
【００４５】
例えば、測定した位相角が基準線より下側で差分（Δθｆ）が負になる場合、便宜上、αには−２、βには１５０を設定し、差分（Δθｆ）が正になる場合、αには２、βには１５０を設定する。
【００４６】
このときのα及びβは、差分（Δθｆ）が正の場合には基準線が最大値２５０、負の場合には基準線が０となる関数を規定したときの係数である。従って、該係数は可変である。
【００４７】
この設定したαとβを（１）式に代入し、印加した電圧の各周波数に応じて測定した位相角（θ）を基準線との差分（Δθｆ）として換算することにより、高電圧側の電極からの距離（ｒ）における含水率ＭＣ（ｆ，ｒ）を算出した。
【００４８】
なお、本発明に係る含水率の測定方法により得られた結果は、全乾法により得た結果と概ね一致し、材内中の含水分布も同様な挙動を示すことを確認した（図３）。
【００４９】
図１によると、本発明に係る含水率及びその分布を測定する装置は、電極１，２と、印加する電界の周波数（ｆ）を可変掃印して各周波数に対するインピーダンスと位相角を測定するためのインピーダンスアナライザー５と、測定した位相角を可変掃印した周波数毎にデータとして蓄積するための記憶装置６と、該データに基づいて各位相角を含水率へ換算するための演算処理装置７と、その結果を出力するための表示装置８とから構成される。
【００５０】
本実施例においては、電極１，２は、厚さ１ｃｍ、５ｃｍ程度四方のゴムシートのような絶縁ゴムにステンレステープ等を張り付けて対向電極とし、これをリード線９でインピーダンスアナライザー５をつなげた。電極１，２としては、電気伝導性を示すものであればよいが、伝導性、経済性等の観点から、例えばステンレステープが好ましい。
【００５１】
また、絶縁ゴムはステンレスの保持やノイズの防止のために使用した。
【００５２】
インピーダンスアナライザー５は、印加する電界の周波数（ｆ）を可変掃印し、各周波数に対するインピーダンスと位相角を測定できるものであって、例えば、ＨＩＯＫＩ（株）製のＬＣＲハイテスタ３５３１又は３５２２がある。
【００５３】
測定した位相角は記憶装置６にデータとして蓄積するものとし、該記憶手段としては、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク等がある。
【００５４】
演算処理装置７では、可変掃印した各周波数に対応した位相角を記憶装置６から読み込んで、前述の可変掃印した周波数（ｆ）毎に測定した位相角（θ）を含水率に換算する方法に従って電界到達距離（ｒ）における含水率に換算した。
【００５５】
表示装置８は、演算処理装置７により算出された結果を表示する装置であって、例えば、演算処理装置７により算出された結果を表示した端末の画面等があり、ここでは、演算処理装置７により算出された結果を出力するための出力装置（プリンター等）も含む。
【００５６】
【実施例】
以下、実施例で、本発明に係る含水率及びその含水分布を測定する方法並びにそれらの装置について詳細に説明する。但し、本発明は本実施例に限るものではない。
【００５７】
図１ないし３は本発明に係る実施形態の一例を示したものである。
【００５８】
供試材料としては、長さ８０ｃｍ、直径平均４０ｃｍのスギ丸太材を使用した。
【００５９】
基準線作成に使用した供試材は、スギ小試験体で、厚さ約０．３ｃｍの板目材である。また、同時に計測値と比較するため、インピーダンスと位相角測定後、丸太の測定部付近から厚さ１ｃｍの円盤を切りだし、２ないし３ｃｍ角に分割した後、１０５℃の乾燥器内で全乾状態にして含水率を求め、面内の含水率分布を求めた。
【００６０】
測定に当たっては、図１によると、インピーダンスアナライザー５で開放、短絡の補正をかけ、上述の丸太に５ｃｍ四方のステンレステープを絶縁ゴムに貼りつけた電極１，２を丸太３の表皮にベルト４で固定し、電圧レベルを３ボルトに設定した。インピーダンス及び位相角の測定には、インピーダンスアナライザー５としてＨＩＯＫＩ（株）製のＬＣＲハイテスタ３５３１又は３５２２を使用した。遅れは０．２秒、掃印に要する時間は２ないし３分であった。
【００６１】
可変掃印する周波数（ｆ）の範囲は１０Ｈｚないし１ＭＨｚの範囲内とし、その範囲で４０に分割して各周波数（ｆ）で掃印を行い、各周波数（ｆ）でのインピーダンスと位相角（θ）を測定した。測定結果は記憶装置６に記憶した。
各周波数で測定した位相角（θ）は、周波数（ｆ）が高いときのものから順に高電圧の電極側１からプロットした。
【００６２】
このプロットは、電極間距離、即ち丸太の直径も４０に分割し、高電圧側の電極１に一番近い分割ポイントから順に測定した位相角（θ）を並べたものに相当する（図２及び表１，２）。
【００６３】
従って、本実施例によると、高電圧側の電極と丸太との接触部を基準として距離（ｒ）を図ると、最も高い周波数である１０００００Ｈｚを印加したときの位相角（θ）が分割ポイントａ、即ち０ｃｍのときの値であり、最も低い周波数である１０Ｈｚを印加したときの位相角（θ）が分割ポイントｆ、即ち４０ｃｍのときの値となる。
【００６４】
図２によると、分割ポイントａは周波数１０００００Ｈｚのときの０ｃｍにおける分割ポイントで、分割ポイントｂは周波数８００００Ｈｚのときの１ｃｍにおける分割ポイントで、分割ポイントｃは周波数６００００Ｈｚのときの２ｃｍにおける分割ポイントで、分割ポイントｄは周波数１５Ｈｚのときの３８ｃｍにおける分割ポイントで、分割ポイントｅは周波数１２Ｈｚのときの３９ｃｍにおける分割ポイントで、分割ポイントｆは周波数１０Ｈｚのときの４０ｃｍにおける分割ポイントである。
【００６５】
測定した位相角（θ）は、記憶装置６から読み込んだ後、演算処理装置７にて標準抵抗の場合の位相角（θ）と周波数（ｆ）との関係から得られた基準線（１）との差分（Δθｆ）として表し、これを変数として（１）式に代入し、位相角（θ）を含水率に換算した。
【００６６】
このとき（１）式における係数α、βには、差分（Δθｆ）が負となる場合（表２）にはそれぞれ−２（＝α）、１５０（＝β）を、差分が正になる場合（表１）にはそれぞれ２（＝α）、１５０（＝β）を適用した。
【００６７】
なお、図２のように分割ポイントは丸太の直径を等分割したときの各ポイントである。ここで、等分割したのは、電界が周波数の増加と共に直線的に減衰すると仮定したことやブロック毎の含水率を比較しやすいこと等の理由による。
【００６８】
中心部（図２，３における髄）の含水率が高い場合と低い場合の丸太に関して、各分割ポイントにおける含水率を計算した結果の一例を表示装置８で出力した。これをそれぞれ表１及び２に示す。
【００６９】
【表１】
2004085504.tif 000003
【００７０】
【表２】
2004085504.tif 000004
【００７１】
このときに得られた結果を丸太における含水分布として出力表示したものが図３である。
【００７２】
この結果は、全乾法により求めた含水率と概ね一致し、含水分布も同様な挙動を示した。
【００７３】
【発明の効果】
本発明に係る含水率及びその含水の分布を測定する方法並びにそれらの装置によれば、丸太や大断面材のような木材であっても、材内中の含水率を非破壊的に全乾法のような高精度で簡便かつ経済的に測定でき、また、その含水の分布も測定できるという効果を有する。
【００７４】
この結果、立木のままでも材内中の含水率やその含水の分布を知ることができるため、良品質の木材を生産できる。
【００７５】
また、破壊試験の適用が困難な住宅等の建築前後における製材等の品質管理も容易となる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】含水率及びその分布を測定する装置の側面図
【図２】木材の断面における分割ポイントと距離（ｒ）との関係を表した図
【図３】丸太における含水率と距離（ｒ）との関係（含水分布）を表した図
【符号の説明】
１　　電極（高電圧側）
２　　電極（低電圧側）
３　　丸太
４　　ベルト
５　　インピーダンスアナライザー
６　　記憶装置
７　　演算処理装置
８　　表示装置
９　　リード線
ａ　　分割ポイント（０ｃｍ）
ｂ　　分割ポイント（１ｃｍ）
ｃ　　分割ポイント（２ｃｍ）
ｄ　　分割ポイント（３８ｃｍ）
ｅ　　分割ポイント（３９ｃｍ）
ｆ　　分割ポイント（４０ｃｍ）
【図１】
2004085504.tif 000005
【図２】
2004085504.tif 000006
【図３】
2004085504.tif 000007