木材表面性状測定装置及び木材表面性状測定方法
【課題】被測定木材の表面凹凸の分布のみではなく、密度や含水率に起因する誘電率を含む分布を測定することを第１の課題とし、その誘電率のみの分布を測定することを第２の課題とする。
【解決手段】被測定木材２０に対して導波管１１ａから電磁波を照射し、反射した電磁波を用いて反射強度分布を生成する。また、電磁波の振動方向（電界振動面）が異なる向きで走査して得られた２つの反射強度分布の差分を求める。
【解決手段】被測定木材２０に対して導波管１１ａから電磁波を照射し、反射した電磁波を用いて反射強度分布を生成する。また、電磁波の振動方向（電界振動面）が異なる向きで走査して得られた２つの反射強度分布の差分を求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、木材の表面性状を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、物質の品質管理を目的とするため、物質表面の凹凸や密度、含水率の分布を測定する技術が求められている。
【０００３】
特に、物質の凹凸を測定する場合には、被測定試料である木材の表面に触針子を接触させながら走査する技術が存在している。図１０は、従来の触針式の表面凹凸測定装置の構成を模式的に示した図である。この表面凹凸測定装置１００は、触針子１０１と、触針子１０１に接続されるロードセル１０２と、被測定木材を走査する２次元ステージ１０３と、信号を処理する信号処理部１０４とを備え、触針子１０１を被測定木材２００の表面に接触させながら２次元ステージ１０３で走査し、各点においてロードセル１０２から得られる信号を信号処理部１０４でマッピングすることにより、被測定木材２０の表面凹凸を測定している。触針子１０１は、先端直径が数μｍ以下であって、先端形状が鋭利であるため、非常に高い空間分解能で被測定木材２０の表面凹凸を測定することが可能となる。
【０００４】
また、レーザービームを用いて表面凹凸を測定する技術も存在している。マッハツェンダ干渉計を用いて表面凹凸に起因する光路差を高精度に測定するため、非接触で表面凹凸を測定することが可能となる。なお、このような物質の表面凹凸を測定する従来技術としては、引用文献１や引用文献２に記載される技術を挙げることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１４９７３４号公報
【特許文献２】特開平５−５２５４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、先端形状が鋭利な触針子を被測定木材の表面に接触させるため、品質管理対象である被測定木材の表面に傷をつけてしまうという問題があった。なお、被測定木材に与える触針子の負荷を極限まで小さくした技術も存在しているが、表面が軟らかい被測定試料について測定することは困難であった。また、前述したようなレーザービームを用いることにより非接触状態で測定することができるが、表面凹凸のみしか測定できない。
【０００７】
また、品質管理上、表面の凹凸を把握することは重要であるが、加工や後工程、搬出後の品質維持を考慮すれば、より本質的な表面性状を把握することが切望されている。しかしながら、上述したいずれの従来技術であっても、凹凸以外の表面性状分布を測定できないという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、被測定木材の表面凹凸の分布のみではなく、密度や含水率に起因する誘電率を含む分布を測定することを第１の課題とし、その誘電率のみの分布を測定することを第２の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の本発明は、開放端と被測定木材の表面との間の距離を照射する電磁波の波長よりも小さくし、且つ非接触の状態で、前記被測定木材に対して前記開放端から電磁波を照射する電磁波照射手段と、前記被測定木材の表面を走査して前記被測定木材で反射した電磁波の反射強度分布を生成する反射強度分布生成手段と、を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、被測定木材に対して電磁波を照射し、反射した電磁波を用いて反射強度分布を生成するため、被測定木材の表面凹凸の分布のみではなく、密度や含水率に起因する誘電率を含む分布を測定することができる。また、開放端と被測定木材の表面との間の距離を電磁波の波長よりも小さくしているため、十分な分解能の測定結果を得ることができる。更に、非接触の状態で近傍界を測定するため、被測定木材の表面に損傷を与えることなく測定でき、表面が軟らかい場合であっても測定することができる。
【００１１】
請求項２に記載の本発明は、前記反射強度分布生成手段が、電磁波の振動方向が異なる向きで走査することにより得られた２つの前記反射強度分布の差分を求めることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、電磁波の振動方向（電界振動面）が異なる向きで走査して得られた２つの反射強度分布の差分を求めるため、表面凹凸成分を除去し、密度や含水率に起因する誘電率のみ分布を測定することができる。
【００１３】
請求項３に記載の本発明は、開放端と被測定木材の表面との間の距離を照射する電磁波の波長よりも小さくし、且つ非接触の状態で、前記被測定木材に対して前記開放端から電磁波を照射するステップと、前記被測定木材の表面を走査して前記被測定木材で反射した電磁波の反射強度分布を生成するステップと、を有することを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の本発明は、電磁波の振動方向が異なる向きで走査することにより得られた２つの前記反射強度分布の差分を求めるステップを更に有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、主として、被測定木材の表面凹凸の分布のみではなく、密度や含水率に起因する誘電率を含む分布を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】木材表面性状測定装置の構成を示す図である。
【図２】送受信部の構成要素の一例を示す図である。
【図３】測定に用いた試料の一例を示す図である。
【図４】ナイフマークの付いたブナの表面性状分布を示す図である。
【図５】スギの目違いの表面性状分布を示す図である。
【図６】スギの生き節の表面性状分布を示す図である。
【図７】マツの集成材の表面性状分布を示す図である。
【図８】ブナ・ナイフマーク、スギ・生き節、マツ集成材の一ライン上における１次元の反射強度分布及び断面曲線を示す図である。
【図９】直交する電界振動面を有する導波管で撮像した２つの反射強度分布の差分により表面凹凸を除去した像を示す図である。
【図１０】従来の触針式の表面凹凸測定装置の構成を模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１８】
図１は、本実施の形態に係る木材表面性状測定装置の構成を示す図である。この木材表面性状測定装置１０は、送受信部１１と、送受信部１１を走査させる走査部１２と、送受信部１１からの出力信号を処理する処理部１３とを備えている。以下、これら各機能部について詳細に説明する。
【００１９】
送受信部１１は、電磁波を照射及び受信するセンサとして作用する切り離し導波管１１ａを一構成要素とし、その導波管１１ａの端面（開放端）から被測定木材２０に電磁波（例えば、ミリ波）を照射し、その被測定木材２０で反射した電磁波を導波管１１ａを通じて受信して、その反射した電磁波の強度に応じた信号を出力する機能を有している。
【００２０】
なお、このような送受信部１１としては、例えば、図２に示すサーキュレータを用いたモノスタティック系を利用することができる。Ｇｕｎｎ発振器１１ｂで生成した周波数１００ＧＨｚ，出力１０ｍＷの信号を、信号調整器１１ｄ及びＰＩＮスイッチ１１ｃにより１００ｋＨｚの低周波で振幅変調し、サーキュレータ１１ｅを介して導波管１１ａから被測定木材２０に照射する。導波管１１ａは、例えば、開口部内径３×２ｍｍ，長さ５０ｍｍのものを用いることができる。
【００２１】
その後、被測定木材２０の表面や表層で反射した電磁波（反射波）を同じ導波管１１ａで受信し、再びサーキュレータ１１ｅを介してショットキーダイオード１１ｆで二乗検波する。検波した信号をロックインアンプ（図示せず）へ入力し、低周波発生器（図示せず）からの参照信号と比較して、電磁波の反射強度を出力信号として出力する。
【００２２】
走査部１２は、送受信部１１をＸ軸−Ｙ軸方向の２次元（被測定木材２０の表面に対して略平行な平面方向）に走査させる機能を有している。
【００２３】
処理部１３は、走査部１２の走査により２次元走査された送受信部１１からの出力信号を受信し、その出力信号に含まれる測定結果（電磁波の反射強度）を各走査位置に対応付けてマッピングすることにより、電磁波の反射強度分布を生成する機能を有している。なお、このような処理部１３は、ＣＰＵ等の演算処理装置やメモリ等の記憶装置を備えたコンピュータにより構成可能なものであり、プログラムによって実行される。
【００２４】
すなわち、本実施の形態に係る木材表面性状測定装置１０は、走査部１２により、導波管１１ａの端面（開放端）を被測定木材２０の表面に接触しないよう近傍に位置決めし（Ｓ１０１）、送受信部１１により、導波管１１ａの端面から電磁波を被測定木材２０に対して照射し、その被測定木材２０の表面や表層で反射した電磁波を受信する処理を被測定木材２０の表面で連続的に繰り返し（Ｓ１０２）、処理部１３により、その連続処理により得られた電磁波を用いて被測定木材２０の反射強度分布を生成する（Ｓ１０３）。
【００２５】
また、Ｓ１０３の処理後、走査部１２により、図１に示すＺ軸を中心に導波管１１ａを９０度回転して、導波管１１ａの電界振動方向（偏波面）を回転前の導波管１１ａの電界振動方向に対して直交させた後に、Ｓ１０１〜Ｓ１０３と同様の処理を再び繰り返し（Ｓ１０４）、処理部１３により、電磁波の振動方向が異なる向きで走査することにより得られた２つの反射強度分布の差分を求め、差分後の反射強度分布を生成する（Ｓ１０５）。
【００２６】
ここで、Ｓ１０３やＳ１０５で生成された反射強度分布の空間分解能を向上するには、導波管１１ａの端面と被測定木材２０との間の距離を可能な限り近くすることが望ましく、本実施の形態では、被測定木材２０に対して照射される電磁波の波長よりも小さく、又は波長以下とすることにより、十分な空間分解能を得ることを可能としている。電磁波は、伝搬距離によってその振る舞いが異なり、波長未満や波長以下の距離では準近傍界と呼ばれる空間周波数で非常に高い周波数成分を有し、この高周波成分は集束された形で放射されるため、準近傍界領域で検出することにより、高い空間分解能を得ることが可能となる。なお、準近傍界領域での電磁波の広がり方は距離に略比例し、特に、波長の約６分の１までの距離の領域で、電磁波の拡がりは極端に集束し、波長の５０分の１程度の分解能を得ることができる。
【００２７】
このように、本実施の形態（特にＳ１０１〜Ｓ１０３の処理）によれば、電磁波を用いて被測定木材２０の表面性状を測定するので、被測定木材２０の表面凹凸の分布のみではなく、密度や含水率に起因する誘電率を含む分布を測定することが可能となる。すなわち、電磁波を用いることにより、被測定木材２０の表面や表層で反射した電磁波の反射強度を測定できるので、その反射強度の大小に基づいて表面性状の高さの高低が表現でき、結果として表面凹凸の分布を測定することが可能となる。また、電磁波には誘電率の異なる物質が存在すると反射する性質があり、それぞれの誘電率の違いによって反射強度が異なるので、物質の存在する場所によって反射強度の分布ができ、結果として誘電率を含む分布を測定することが可能となる。
【００２８】
また、本実施の形態（特にＳ１０１〜Ｓ１０５の処理）によれば、互いに直交した電界振動方向で測定した反射強度分布の差分を計算するので、表面凹凸に関する情報を除去した誘電率のみの分布を得ることが可能となる。すなわち、回転前の導波管、回転後の導波管のいずれの場合であっても表面凹凸及び誘電率を共に含む分布を検出できるが、表面凹凸に由来する反射強度分布は電界振動面によらず同じである一方、電磁波の振動方向によって誘電率が異なるため、差分を計算することにより共通成分を除去して、誘電率に由来する分布のみを抽出することが可能となる。この誘電率分布から、被測定木材２０の表面の構成材料の分布や、同一材料でも密度や含水率等の状態分布を把握することが可能となる。
【００２９】
さらに、本実施の形態によれば、導波管１１ａの端面と被測定木材２０との間の距離を、被測定木材２０に対して照射される電磁波の波長よりも小さく又は波長以下としているので、十分な空間分解能を得ることが可能となる。また、被測定木材２０の表面に接触することなく近傍界を測定するので、被測定木材２０の表面を損傷することなく測定が可能となり、表面が柔らかい場合であっても測定をすることが可能となる。
【００３０】
なお、本実施の形態では、導波管１１ａを一構成要素とする送受信部１１を走査させる場合について説明したが、その送受信部１１を固定した状態で、走査部１２により被測定木材２０を走査させた場合であっても同様の効果を得ることができる。また、２つの反射強度分布を測定する際に１つの導波管を回転させた場合について説明したが、互いの電界振動方向（偏波面）を直交させた２つの導波管を用いても同様の効果を得ることができる。さらに、偏波面が直交である場合について説明したが、互いの偏波面の交わり角度は必ずしも直角である必要はなく、電磁波の振動方向が異なる向きであれば同様の効果を得ることができる。
【００３１】
続いて、上述した機能構成・処理・作用効果を有する木材表面性状測定装置（以降、本装置という）の測定結果について、従来の触針式の表面凹凸測定装置の測定結果と比較しながら説明する。
【００３２】
以下の測定結果は、Ｘ軸−Ｙ軸方向の移動テーブルに設置した被測定試料を移動させながら行い、一定領域内の反射波の反射強度分布を２次元画像として記録したものである。また、Ｚ軸方向の移動テーブルを用いて、導波管の先端と被測定試料の表面との間の距離ｄｓを１．０ｍｍから１０ｍｍまで１ｍｍずつ変化させ、各距離での反射強度分布を測定している。測定領域は４０×４０ｍｍ（ラワンは３０×１０ｍｍ）とし、一つの画像は横方向（左右方向）の測定間隔０．０５ｍｍ，縦方向（上下方向）のライン間隔１ｍｍで、４１ライン分のデータから作成したものである。また、各被測定試料において常に同じ位置を測定したものである。
【００３３】
一方、従来の触針式の表面凹凸測定装置については、触針式表面粗さ測定器（Ｓｕｒｆｃｏｍ１４００Ａ−３ＤＦ，東京精密。以降、粗さ計という）を用いて表面の凹凸分布を測定している。測定条件は、触針先端が２μｍＲで頂角９０度の円錐（ブナ回転鉋切削面のみ、８００μｍＲ球状先端），触針の走査速度０．６ｍｍ／ｓ，サンプリング間隔０．０５ｍｍ，ライン間隔０．５ｍｍで、８１ラインとしている。
【００３４】
なお、いずれの装置、測定器を用いた測定についても、木材繊維に直交方向にスキャンしてデータを取得している。また、電磁波の一例としてミリ波を用い、そのミリ波の偏波は繊維と直交する方向としている。被測定試料については、図３に示すように、加工方法の異なる５種類の木材又は木質材料を用いている。
【００３５】
図４は、ナイフマークの付いたブナの表面性状分布を示す図である。同図（ａ）はデジタルカメラによる撮像画像、同図（ｂ）は本装置により測定された反射強度分布画像、同図（ｃ）は粗さ計により測定された凹凸分布画像である（後述する図５〜図７についても同様）。本装置により測定された反射強度分布の画像から、スキャン方向に直交する縦縞が認められた。この縞の間隔は、粗さ計で測定された凹凸分布やディジタルカメラの撮像画像に認められる縞の間隔と一致しており、ナイフマークに由来する反射強度分布であることがわかる。また、粗さの測定結果から、ナイフマークは、高さ約０．０４ｍｍ，幅約４ｍｍであった。ブナは広葉樹散孔材であり、測定領域内において場所による密度変化が小さいため、表面の凹凸による反射強度の変化が明確に現れたと考えられる。
【００３６】
図５は、スギの目違いの表面性状分布を示す図である。目違いは、晩材部（同図（ａ）に示されたディジタルカメラの撮像画像の色の濃い部分や、同図（ｃ）に示された粗さ計による凹凸分布の白い部分）が大きく盛り上がった形状となるが、同図（ｂ）に示す反射強度分布は、目違いによる凸部を明瞭に表していなかった。また、粗さ測定の結果で明らかな凹凸がない領域でも反射強度が変化していることから、表面の凹凸に加えて、誘電率の分布を示している。誘電率の分布は単なる光栄材料の分布だけでなく、ミリ波の透過する深さにある目違いの分布を検出している。
【００３７】
図６は、スギの生き節の表面性状分布を示す図である。同図（ｂ）に示す反射強度分布は、正確に節部を撮像している。また、粗さ計では測定されていない分布が存在し、表面の誘電率分布を示すことができている。
【００３８】
図７は、マツの集成材の表面性状分布を示す図である。同図（ｃ）に示された粗さ測定の結果から、試料表面には走査方向の中央付近が山頂となる高低差３０μｍ程度のなだらかな山状のうねりがあり、その他に明らかな凹凸は認められなかった。しかしながら、同図（ｂ）に示す本装置による反射強度分布画像は左半分に明らかな縞模様があり、誘電率に起因する分布を観察できている。
【００３９】
図８（ａ）はブナ・ナイフマーク、同図（ｂ）はスギ・生き節、同図（ｃ）はマツ集成材における測定結果画像（図４、図６、図７）のＡ−Ａ’ライン上における１次元の反射強度分布及び断面曲線（凹凸分布）を示す図である。ブナ・ナイフマークについては、反射強度分布の規則的な変動と断面曲線の凹凸はほぼ一致している。これらが完全に一致しないのは、導波管の開口部が３×２ｍｍであるのに対し、粗さ計の触針先端が８００μｍＲと小さく、測定範囲が異なるためであると考えられる。スギの生き節では、粗さ計と同じくクラック（割れ）の位置に大きな反射強度が見られる。逆に、それ以外の部分には、反射強度波形の振動が見られる。マツ集成材については、反射強度分布には、断面曲線に認められる緩やかな山状のうねりが認められる。また、山頂付近には誘電率分布に由来すると考えられる変動が認められる。以上のように、本装置によれば、表面凹凸だけでなく、含水率や密度分布に由来する誘電率分布を測定することができる。
【００４０】
図９は、スギ目違いにおいて、直交する電界振動面を有する導波管で撮像した２つの反射強度分布の差分により表面凹凸を除去した像を示す図である。前述したように、表面凹凸に由来する反射強度分布は電界振動面によらず同じであるため、差分によって共通成分を除去することにより誘電率に由来する分布のみが残る。この方法によって、木材表面の誘電率分布を正確に測定することができ、密度や含水率の分布に由来する表面性状を把握することができる。これによって、従来方法では不可能であった表面の材料分析を正確に行うことが可能となる。
【符号の説明】
【００４１】
１０…木材表面性状測定装置
１１…送受信部（電磁波照射手段）
１１ａ…導波管
１１ｂ…Ｇｕｎｎ発振器
１１ｃ…ＰＩＮスイッチ
１１ｄ…信号調整器
１１ｅ…サーキュレータ
１１ｆ…ショットキーダイオード
１２…走査部
１３…処理部（反射強度分布生成手段）
２０…被測定木材
１００…表面凹凸測定装置
１０１…触針子
１０２…ロードセル
１０３…２次元ステージ
１０４…信号処理部
Ｓ１０１〜Ｓ１０５…ステップ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、木材の表面性状を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、物質の品質管理を目的とするため、物質表面の凹凸や密度、含水率の分布を測定する技術が求められている。
【０００３】
特に、物質の凹凸を測定する場合には、被測定試料である木材の表面に触針子を接触させながら走査する技術が存在している。図１０は、従来の触針式の表面凹凸測定装置の構成を模式的に示した図である。この表面凹凸測定装置１００は、触針子１０１と、触針子１０１に接続されるロードセル１０２と、被測定木材を走査する２次元ステージ１０３と、信号を処理する信号処理部１０４とを備え、触針子１０１を被測定木材２００の表面に接触させながら２次元ステージ１０３で走査し、各点においてロードセル１０２から得られる信号を信号処理部１０４でマッピングすることにより、被測定木材２０の表面凹凸を測定している。触針子１０１は、先端直径が数μｍ以下であって、先端形状が鋭利であるため、非常に高い空間分解能で被測定木材２０の表面凹凸を測定することが可能となる。
【０００４】
また、レーザービームを用いて表面凹凸を測定する技術も存在している。マッハツェンダ干渉計を用いて表面凹凸に起因する光路差を高精度に測定するため、非接触で表面凹凸を測定することが可能となる。なお、このような物質の表面凹凸を測定する従来技術としては、引用文献１や引用文献２に記載される技術を挙げることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１４９７３４号公報
【特許文献２】特開平５−５２５４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、先端形状が鋭利な触針子を被測定木材の表面に接触させるため、品質管理対象である被測定木材の表面に傷をつけてしまうという問題があった。なお、被測定木材に与える触針子の負荷を極限まで小さくした技術も存在しているが、表面が軟らかい被測定試料について測定することは困難であった。また、前述したようなレーザービームを用いることにより非接触状態で測定することができるが、表面凹凸のみしか測定できない。
【０００７】
また、品質管理上、表面の凹凸を把握することは重要であるが、加工や後工程、搬出後の品質維持を考慮すれば、より本質的な表面性状を把握することが切望されている。しかしながら、上述したいずれの従来技術であっても、凹凸以外の表面性状分布を測定できないという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、被測定木材の表面凹凸の分布のみではなく、密度や含水率に起因する誘電率を含む分布を測定することを第１の課題とし、その誘電率のみの分布を測定することを第２の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の本発明は、開放端と被測定木材の表面との間の距離を照射する電磁波の波長よりも小さくし、且つ非接触の状態で、前記被測定木材に対して前記開放端から電磁波を照射する電磁波照射手段と、前記被測定木材の表面を走査して前記被測定木材で反射した電磁波の反射強度分布を生成する反射強度分布生成手段と、を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、被測定木材に対して電磁波を照射し、反射した電磁波を用いて反射強度分布を生成するため、被測定木材の表面凹凸の分布のみではなく、密度や含水率に起因する誘電率を含む分布を測定することができる。また、開放端と被測定木材の表面との間の距離を電磁波の波長よりも小さくしているため、十分な分解能の測定結果を得ることができる。更に、非接触の状態で近傍界を測定するため、被測定木材の表面に損傷を与えることなく測定でき、表面が軟らかい場合であっても測定することができる。
【００１１】
請求項２に記載の本発明は、前記反射強度分布生成手段が、電磁波の振動方向が異なる向きで走査することにより得られた２つの前記反射強度分布の差分を求めることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、電磁波の振動方向（電界振動面）が異なる向きで走査して得られた２つの反射強度分布の差分を求めるため、表面凹凸成分を除去し、密度や含水率に起因する誘電率のみ分布を測定することができる。
【００１３】
請求項３に記載の本発明は、開放端と被測定木材の表面との間の距離を照射する電磁波の波長よりも小さくし、且つ非接触の状態で、前記被測定木材に対して前記開放端から電磁波を照射するステップと、前記被測定木材の表面を走査して前記被測定木材で反射した電磁波の反射強度分布を生成するステップと、を有することを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の本発明は、電磁波の振動方向が異なる向きで走査することにより得られた２つの前記反射強度分布の差分を求めるステップを更に有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、主として、被測定木材の表面凹凸の分布のみではなく、密度や含水率に起因する誘電率を含む分布を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】木材表面性状測定装置の構成を示す図である。
【図２】送受信部の構成要素の一例を示す図である。
【図３】測定に用いた試料の一例を示す図である。
【図４】ナイフマークの付いたブナの表面性状分布を示す図である。
【図５】スギの目違いの表面性状分布を示す図である。
【図６】スギの生き節の表面性状分布を示す図である。
【図７】マツの集成材の表面性状分布を示す図である。
【図８】ブナ・ナイフマーク、スギ・生き節、マツ集成材の一ライン上における１次元の反射強度分布及び断面曲線を示す図である。
【図９】直交する電界振動面を有する導波管で撮像した２つの反射強度分布の差分により表面凹凸を除去した像を示す図である。
【図１０】従来の触針式の表面凹凸測定装置の構成を模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１８】
図１は、本実施の形態に係る木材表面性状測定装置の構成を示す図である。この木材表面性状測定装置１０は、送受信部１１と、送受信部１１を走査させる走査部１２と、送受信部１１からの出力信号を処理する処理部１３とを備えている。以下、これら各機能部について詳細に説明する。
【００１９】
送受信部１１は、電磁波を照射及び受信するセンサとして作用する切り離し導波管１１ａを一構成要素とし、その導波管１１ａの端面（開放端）から被測定木材２０に電磁波（例えば、ミリ波）を照射し、その被測定木材２０で反射した電磁波を導波管１１ａを通じて受信して、その反射した電磁波の強度に応じた信号を出力する機能を有している。
【００２０】
なお、このような送受信部１１としては、例えば、図２に示すサーキュレータを用いたモノスタティック系を利用することができる。Ｇｕｎｎ発振器１１ｂで生成した周波数１００ＧＨｚ，出力１０ｍＷの信号を、信号調整器１１ｄ及びＰＩＮスイッチ１１ｃにより１００ｋＨｚの低周波で振幅変調し、サーキュレータ１１ｅを介して導波管１１ａから被測定木材２０に照射する。導波管１１ａは、例えば、開口部内径３×２ｍｍ，長さ５０ｍｍのものを用いることができる。
【００２１】
その後、被測定木材２０の表面や表層で反射した電磁波（反射波）を同じ導波管１１ａで受信し、再びサーキュレータ１１ｅを介してショットキーダイオード１１ｆで二乗検波する。検波した信号をロックインアンプ（図示せず）へ入力し、低周波発生器（図示せず）からの参照信号と比較して、電磁波の反射強度を出力信号として出力する。
【００２２】
走査部１２は、送受信部１１をＸ軸−Ｙ軸方向の２次元（被測定木材２０の表面に対して略平行な平面方向）に走査させる機能を有している。
【００２３】
処理部１３は、走査部１２の走査により２次元走査された送受信部１１からの出力信号を受信し、その出力信号に含まれる測定結果（電磁波の反射強度）を各走査位置に対応付けてマッピングすることにより、電磁波の反射強度分布を生成する機能を有している。なお、このような処理部１３は、ＣＰＵ等の演算処理装置やメモリ等の記憶装置を備えたコンピュータにより構成可能なものであり、プログラムによって実行される。
【００２４】
すなわち、本実施の形態に係る木材表面性状測定装置１０は、走査部１２により、導波管１１ａの端面（開放端）を被測定木材２０の表面に接触しないよう近傍に位置決めし（Ｓ１０１）、送受信部１１により、導波管１１ａの端面から電磁波を被測定木材２０に対して照射し、その被測定木材２０の表面や表層で反射した電磁波を受信する処理を被測定木材２０の表面で連続的に繰り返し（Ｓ１０２）、処理部１３により、その連続処理により得られた電磁波を用いて被測定木材２０の反射強度分布を生成する（Ｓ１０３）。
【００２５】
また、Ｓ１０３の処理後、走査部１２により、図１に示すＺ軸を中心に導波管１１ａを９０度回転して、導波管１１ａの電界振動方向（偏波面）を回転前の導波管１１ａの電界振動方向に対して直交させた後に、Ｓ１０１〜Ｓ１０３と同様の処理を再び繰り返し（Ｓ１０４）、処理部１３により、電磁波の振動方向が異なる向きで走査することにより得られた２つの反射強度分布の差分を求め、差分後の反射強度分布を生成する（Ｓ１０５）。
【００２６】
ここで、Ｓ１０３やＳ１０５で生成された反射強度分布の空間分解能を向上するには、導波管１１ａの端面と被測定木材２０との間の距離を可能な限り近くすることが望ましく、本実施の形態では、被測定木材２０に対して照射される電磁波の波長よりも小さく、又は波長以下とすることにより、十分な空間分解能を得ることを可能としている。電磁波は、伝搬距離によってその振る舞いが異なり、波長未満や波長以下の距離では準近傍界と呼ばれる空間周波数で非常に高い周波数成分を有し、この高周波成分は集束された形で放射されるため、準近傍界領域で検出することにより、高い空間分解能を得ることが可能となる。なお、準近傍界領域での電磁波の広がり方は距離に略比例し、特に、波長の約６分の１までの距離の領域で、電磁波の拡がりは極端に集束し、波長の５０分の１程度の分解能を得ることができる。
【００２７】
このように、本実施の形態（特にＳ１０１〜Ｓ１０３の処理）によれば、電磁波を用いて被測定木材２０の表面性状を測定するので、被測定木材２０の表面凹凸の分布のみではなく、密度や含水率に起因する誘電率を含む分布を測定することが可能となる。すなわち、電磁波を用いることにより、被測定木材２０の表面や表層で反射した電磁波の反射強度を測定できるので、その反射強度の大小に基づいて表面性状の高さの高低が表現でき、結果として表面凹凸の分布を測定することが可能となる。また、電磁波には誘電率の異なる物質が存在すると反射する性質があり、それぞれの誘電率の違いによって反射強度が異なるので、物質の存在する場所によって反射強度の分布ができ、結果として誘電率を含む分布を測定することが可能となる。
【００２８】
また、本実施の形態（特にＳ１０１〜Ｓ１０５の処理）によれば、互いに直交した電界振動方向で測定した反射強度分布の差分を計算するので、表面凹凸に関する情報を除去した誘電率のみの分布を得ることが可能となる。すなわち、回転前の導波管、回転後の導波管のいずれの場合であっても表面凹凸及び誘電率を共に含む分布を検出できるが、表面凹凸に由来する反射強度分布は電界振動面によらず同じである一方、電磁波の振動方向によって誘電率が異なるため、差分を計算することにより共通成分を除去して、誘電率に由来する分布のみを抽出することが可能となる。この誘電率分布から、被測定木材２０の表面の構成材料の分布や、同一材料でも密度や含水率等の状態分布を把握することが可能となる。
【００２９】
さらに、本実施の形態によれば、導波管１１ａの端面と被測定木材２０との間の距離を、被測定木材２０に対して照射される電磁波の波長よりも小さく又は波長以下としているので、十分な空間分解能を得ることが可能となる。また、被測定木材２０の表面に接触することなく近傍界を測定するので、被測定木材２０の表面を損傷することなく測定が可能となり、表面が柔らかい場合であっても測定をすることが可能となる。
【００３０】
なお、本実施の形態では、導波管１１ａを一構成要素とする送受信部１１を走査させる場合について説明したが、その送受信部１１を固定した状態で、走査部１２により被測定木材２０を走査させた場合であっても同様の効果を得ることができる。また、２つの反射強度分布を測定する際に１つの導波管を回転させた場合について説明したが、互いの電界振動方向（偏波面）を直交させた２つの導波管を用いても同様の効果を得ることができる。さらに、偏波面が直交である場合について説明したが、互いの偏波面の交わり角度は必ずしも直角である必要はなく、電磁波の振動方向が異なる向きであれば同様の効果を得ることができる。
【００３１】
続いて、上述した機能構成・処理・作用効果を有する木材表面性状測定装置（以降、本装置という）の測定結果について、従来の触針式の表面凹凸測定装置の測定結果と比較しながら説明する。
【００３２】
以下の測定結果は、Ｘ軸−Ｙ軸方向の移動テーブルに設置した被測定試料を移動させながら行い、一定領域内の反射波の反射強度分布を２次元画像として記録したものである。また、Ｚ軸方向の移動テーブルを用いて、導波管の先端と被測定試料の表面との間の距離ｄｓを１．０ｍｍから１０ｍｍまで１ｍｍずつ変化させ、各距離での反射強度分布を測定している。測定領域は４０×４０ｍｍ（ラワンは３０×１０ｍｍ）とし、一つの画像は横方向（左右方向）の測定間隔０．０５ｍｍ，縦方向（上下方向）のライン間隔１ｍｍで、４１ライン分のデータから作成したものである。また、各被測定試料において常に同じ位置を測定したものである。
【００３３】
一方、従来の触針式の表面凹凸測定装置については、触針式表面粗さ測定器（Ｓｕｒｆｃｏｍ１４００Ａ−３ＤＦ，東京精密。以降、粗さ計という）を用いて表面の凹凸分布を測定している。測定条件は、触針先端が２μｍＲで頂角９０度の円錐（ブナ回転鉋切削面のみ、８００μｍＲ球状先端），触針の走査速度０．６ｍｍ／ｓ，サンプリング間隔０．０５ｍｍ，ライン間隔０．５ｍｍで、８１ラインとしている。
【００３４】
なお、いずれの装置、測定器を用いた測定についても、木材繊維に直交方向にスキャンしてデータを取得している。また、電磁波の一例としてミリ波を用い、そのミリ波の偏波は繊維と直交する方向としている。被測定試料については、図３に示すように、加工方法の異なる５種類の木材又は木質材料を用いている。
【００３５】
図４は、ナイフマークの付いたブナの表面性状分布を示す図である。同図（ａ）はデジタルカメラによる撮像画像、同図（ｂ）は本装置により測定された反射強度分布画像、同図（ｃ）は粗さ計により測定された凹凸分布画像である（後述する図５〜図７についても同様）。本装置により測定された反射強度分布の画像から、スキャン方向に直交する縦縞が認められた。この縞の間隔は、粗さ計で測定された凹凸分布やディジタルカメラの撮像画像に認められる縞の間隔と一致しており、ナイフマークに由来する反射強度分布であることがわかる。また、粗さの測定結果から、ナイフマークは、高さ約０．０４ｍｍ，幅約４ｍｍであった。ブナは広葉樹散孔材であり、測定領域内において場所による密度変化が小さいため、表面の凹凸による反射強度の変化が明確に現れたと考えられる。
【００３６】
図５は、スギの目違いの表面性状分布を示す図である。目違いは、晩材部（同図（ａ）に示されたディジタルカメラの撮像画像の色の濃い部分や、同図（ｃ）に示された粗さ計による凹凸分布の白い部分）が大きく盛り上がった形状となるが、同図（ｂ）に示す反射強度分布は、目違いによる凸部を明瞭に表していなかった。また、粗さ測定の結果で明らかな凹凸がない領域でも反射強度が変化していることから、表面の凹凸に加えて、誘電率の分布を示している。誘電率の分布は単なる光栄材料の分布だけでなく、ミリ波の透過する深さにある目違いの分布を検出している。
【００３７】
図６は、スギの生き節の表面性状分布を示す図である。同図（ｂ）に示す反射強度分布は、正確に節部を撮像している。また、粗さ計では測定されていない分布が存在し、表面の誘電率分布を示すことができている。
【００３８】
図７は、マツの集成材の表面性状分布を示す図である。同図（ｃ）に示された粗さ測定の結果から、試料表面には走査方向の中央付近が山頂となる高低差３０μｍ程度のなだらかな山状のうねりがあり、その他に明らかな凹凸は認められなかった。しかしながら、同図（ｂ）に示す本装置による反射強度分布画像は左半分に明らかな縞模様があり、誘電率に起因する分布を観察できている。
【００３９】
図８（ａ）はブナ・ナイフマーク、同図（ｂ）はスギ・生き節、同図（ｃ）はマツ集成材における測定結果画像（図４、図６、図７）のＡ−Ａ’ライン上における１次元の反射強度分布及び断面曲線（凹凸分布）を示す図である。ブナ・ナイフマークについては、反射強度分布の規則的な変動と断面曲線の凹凸はほぼ一致している。これらが完全に一致しないのは、導波管の開口部が３×２ｍｍであるのに対し、粗さ計の触針先端が８００μｍＲと小さく、測定範囲が異なるためであると考えられる。スギの生き節では、粗さ計と同じくクラック（割れ）の位置に大きな反射強度が見られる。逆に、それ以外の部分には、反射強度波形の振動が見られる。マツ集成材については、反射強度分布には、断面曲線に認められる緩やかな山状のうねりが認められる。また、山頂付近には誘電率分布に由来すると考えられる変動が認められる。以上のように、本装置によれば、表面凹凸だけでなく、含水率や密度分布に由来する誘電率分布を測定することができる。
【００４０】
図９は、スギ目違いにおいて、直交する電界振動面を有する導波管で撮像した２つの反射強度分布の差分により表面凹凸を除去した像を示す図である。前述したように、表面凹凸に由来する反射強度分布は電界振動面によらず同じであるため、差分によって共通成分を除去することにより誘電率に由来する分布のみが残る。この方法によって、木材表面の誘電率分布を正確に測定することができ、密度や含水率の分布に由来する表面性状を把握することができる。これによって、従来方法では不可能であった表面の材料分析を正確に行うことが可能となる。
【符号の説明】
【００４１】
１０…木材表面性状測定装置
１１…送受信部（電磁波照射手段）
１１ａ…導波管
１１ｂ…Ｇｕｎｎ発振器
１１ｃ…ＰＩＮスイッチ
１１ｄ…信号調整器
１１ｅ…サーキュレータ
１１ｆ…ショットキーダイオード
１２…走査部
１３…処理部（反射強度分布生成手段）
２０…被測定木材
１００…表面凹凸測定装置
１０１…触針子
１０２…ロードセル
１０３…２次元ステージ
１０４…信号処理部
Ｓ１０１〜Ｓ１０５…ステップ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開放端と被測定木材の表面との間の距離を照射する電磁波の波長よりも小さくし、且つ非接触の状態で、前記被測定木材に対して前記開放端から電磁波を照射する電磁波照射手段と、
前記被測定木材の表面を走査して前記被測定木材で反射した電磁波の反射強度分布を生成する反射強度分布生成手段と、
を有することを特徴とする木材表面性状測定装置。
【請求項２】
前記反射強度分布生成手段は、
電磁波の振動方向が異なる向きで走査することにより得られた２つの前記反射強度分布の差分を求めることを特徴とする請求項１に記載の木材表面性状測定装置。
【請求項３】
開放端と被測定木材の表面との間の距離を照射する電磁波の波長よりも小さくし、且つ非接触の状態で、前記被測定木材に対して前記開放端から電磁波を照射するステップと、
前記被測定木材の表面を走査して前記被測定木材で反射した電磁波の反射強度分布を生成するステップと、
を有することを特徴とする木材表面性状測定方法。
【請求項４】
電磁波の振動方向が異なる向きで走査することにより得られた２つの前記反射強度分布の差分を求めるステップを更に有することを特徴とする請求項３に記載の木材表面性状測定方法。
【請求項１】
開放端と被測定木材の表面との間の距離を照射する電磁波の波長よりも小さくし、且つ非接触の状態で、前記被測定木材に対して前記開放端から電磁波を照射する電磁波照射手段と、
前記被測定木材の表面を走査して前記被測定木材で反射した電磁波の反射強度分布を生成する反射強度分布生成手段と、
を有することを特徴とする木材表面性状測定装置。
【請求項２】
前記反射強度分布生成手段は、
電磁波の振動方向が異なる向きで走査することにより得られた２つの前記反射強度分布の差分を求めることを特徴とする請求項１に記載の木材表面性状測定装置。
【請求項３】
開放端と被測定木材の表面との間の距離を照射する電磁波の波長よりも小さくし、且つ非接触の状態で、前記被測定木材に対して前記開放端から電磁波を照射するステップと、
前記被測定木材の表面を走査して前記被測定木材で反射した電磁波の反射強度分布を生成するステップと、
を有することを特徴とする木材表面性状測定方法。
【請求項４】
電磁波の振動方向が異なる向きで走査することにより得られた２つの前記反射強度分布の差分を求めるステップを更に有することを特徴とする請求項３に記載の木材表面性状測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−５３０６４（Ｐ２０１１−５３０６４Ａ）
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０１７８９（Ｐ２００９−２０１７８９）
【出願日】平成２１年９月１日（２００９．９．１）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１日（２００９．９．１）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【Ｆターム（参考）】
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