JP2007118455A - 木材の加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】木材の圧縮前後における形状変化が大きい場合であっても、その木材に割れを生じさせることなく成形することを可能にする木材の加工方法を提供する。
【解決手段】木材を加工前の形状とは異なる３次元形状に圧縮加工する際、前記木材を１次元方向に圧縮する１次圧縮工程と、前記１次圧縮工程で圧縮した前記木材からブランク材を形取る形取工程と、前記形取工程で形取った前記ブランク材を、大気よりも高温高圧の水蒸気雰囲気中で一対の金型によって挟持して圧縮する２次圧縮工程と、を有し、前記１次元方向を、前記木材の繊維方向と略直交する方向であるとともに、前記２次圧縮工程で前記ブランク材を前記一対の金型によって挟持するとき、一方の金型が他方の金型に対して相対的に移動する移動方向と直交する方向とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、木材を圧縮することによって３次元形状に加工する木材の加工方法に関する。

近年、自然素材である木材が注目されている。木材はさまざまな木目を有するため、原木から形取る箇所に応じて個体差が生じ、その個体差が製品ごとの個性となる。また、長期の使用によって生じる傷や色合いの変化自体も、独特の風合いとなって使用者に親しみを生じさせることがある。これらの理由により、合成樹脂や軽金属を用いた製品にはない、個性的で味わい深い製品を生み出すことのできる素材として木材が注目されており、その加工技術も飛躍的に進歩しつつある。

従来、かかる木材の加工技術として、吸水軟化した一枚の木材を圧縮し、その木材を圧縮方向と略平行にスライスして板状の一次固定品を得た後、この一次固定品を加熱吸水させながら所定の３次元形状に成形する技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。また、軟化処理した状態で圧縮した一枚の木材を仮固定し、この木材を型に入れて回復させることによって型成形する技術も知られている（例えば、特許文献２を参照）。これらの技術では、木材の個体差や種類、加工後の木材の強度やその用途などを含むさまざまな点を考慮して、木材の肉厚や圧縮率が決められる。

特許第３０７８４５２号公報 特開平１１−７７６１９号公報

しかしながら、上述した従来の木材加工技術では、木材表面が所望の木目をなすように木目優先の形取りを行うと、その形状が型枠の形状から大きく逸脱してしまう場合があった。このような場合には、形取った木材の形状を大きく変形させなければならず、圧縮の際に木材に割れを生じやすかった。すなわち、圧縮による木材の形状変化が大きい場合には、その木材に割れを生じさせることなく成形することが困難であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、木材の圧縮前後における形状変化が大きい場合であっても、その木材に割れを生じさせることなく成形することが可能な木材の加工方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１記載の発明は、木材を加工前の形状とは異なる３次元形状に圧縮加工する木材の加工方法であって、前記木材を１次元方向に圧縮する１次圧縮工程と、前記１次圧縮工程で圧縮した前記木材からブランク材を形取る形取工程と、前記形取工程で形取った前記ブランク材を、大気よりも高温高圧の水蒸気雰囲気中で一対の金型によって挟持して圧縮する２次圧縮工程と、を有し、前記１次元方向は、前記木材の繊維方向と略直交する方向であるとともに、前記２次圧縮工程で前記ブランク材を前記一対の金型によって挟持するとき、一方の金型が他方の金型に対して相対的に移動する移動方向と直交する方向であることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記ブランク材は、前記２次圧縮工程の前後で異なる３次元形状をなすことを特徴とする。

この発明において「異なる３次元形状をなす」とは、ブランク材の形状が、２次圧縮工程の前後で金型の相対移動方向における厚さの単なる減少に伴って圧縮前の形状から相似的に変化することを超えて、本質的に２次圧縮前とは異なる形状に変化することを意味する。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記２次圧縮工程における圧縮率が前記１次圧縮工程における圧縮率よりも大きいことを特徴とする。

この発明における圧縮率とは、圧縮による木材の肉厚の減少分（Δｔ）とその木材の圧縮前の肉厚（ｔ₀）との比の値（Δｔ／ｔ₀）のことを意味する。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項記載の発明において、前記１次圧縮工程は、大気中で行われることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項記載の発明において、前記１次圧縮工程で圧縮する前記木材は、原木から製材した角材であることを特徴とする。

本発明に係る木材の加工方法によれば、木材を加工前の形状とは異なる３次元形状に圧縮加工する際、前記木材を１次元方向に圧縮する１次圧縮工程と、前記１次圧縮工程で圧縮した前記木材からブランク材を形取る形取工程と、前記形取工程で形取った前記ブランク材を、大気よりも高温高圧の水蒸気雰囲気中で一対の金型によって挟持して圧縮する２次圧縮工程と、を有し、前記１次元方向を、前記木材の繊維方向と略直交する方向であるとともに、前記２次圧縮工程で前記ブランク材を前記一対の金型によって挟持するとき、一方の金型が他方の金型に対して相対的に移動する移動方向と直交する方向とすることにより、木材の圧縮前後における形状変化が大きい場合であっても、その木材に割れを生じさせることなく成形することが可能となる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以後、実施の形態と称する）を説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る木材の加工方法の処理の概要を示すフローチャートである。同図に示すように、本実施の形態に係る木材の加工方法は、原木から木材を製材する製材工程（ステップＳ１）と、この製材工程で製材した木材を所定の１次元方向に圧縮する１次圧縮工程（ステップＳ２）と、この１次圧縮工程で圧縮した木材からブランク材を形取る形取工程（ステップＳ３）と、この形取工程で形取ったブランク材を、大気よりも高温高圧の水蒸気雰囲気中で一対の金型によって挟持して圧縮することによって圧縮前のブランク材の形状とは異なる３次元形状を形成する２次圧縮工程（ステップＳ４）と、を有する。

図２は、製材工程（ステップＳ１）の概要を模式的に示す図である。同図に示すように、原木１を製材して得られる木材２は、その長手方向が原木１の繊維方向Ｌと略平行な角材となるように切削等によって削り出される。このように木材２を角材とすることにより、後述する１次圧縮工程を容易にするとともに、１次圧縮工程における圧縮の精度を高め、本実施の形態に係る木材の加工方法によって形成される圧縮木製品の圧縮率（圧縮による木材の肉厚の減少分とその木材の圧縮前の肉厚との比の値）を場所によらず均一とすることができる。原木１は、ヒノキ、ヒバ、桐、杉、松、桜、欅、黒檀、竹、チーク、マホガニー、ローズウッドなどの無垢材の中から、加工後の用途などに応じて最適なものを選択すればよい。なお、この製材工程では、原木１を丸太（丸材）に製材してもよい。

次に、木材２の１次圧縮工程（ステップＳ２）について説明する。図３−１は、１次圧縮工程の木材圧縮前の状態を模式的に示す図であり、図３−２は、１次圧縮工程の木材圧縮後の状態を模式的に示す図である。以後、１次圧縮前後の木材を区別するために、１次圧縮後の木材を木材３と称する。図３−１および図３−２に示す１次圧縮工程では、木材２を二つの金型５１および６１によって保持し、木材２に圧縮力を加える。二つの金型のうち木材２の上方から木材２に圧縮力を加える金型５１は平板状をなし、その金型５１の上方に配置されるプレス機１００（図では下端部のみ記載）によって下方へと押圧される。他方、木材２の下方から木材２に圧縮力を加える金型６１は、木材２を収容保持可能な凹型形状をなしている。

木材２には、上述した構成を有する金型５１および６１により、図３−１の鉛直方向すなわち図３−１に示す座標系でｚ軸方向に圧縮力が加えられる。図３−１の木目Ｇの模様と図２の木目Ｇの模様とを比較すれば明らかなように、木材２の繊維方向Ｌは図３−１の座標系でｘ軸方向と略平行である。なお、図３−１の座標系のｙ軸方向は、上述したｚ軸方向およびｘ軸方向にそれぞれ直交する方向である。

圧縮前の木材２の鉛直方向の肉厚をＨとし（図３−１を参照）、圧縮後の木材３の鉛直方向の肉厚をｈとする（図３−２を参照）と、１次圧縮工程における圧縮率Ｃ₁＝（Ｈ−ｈ）／Ｈの値は、０.１〜０.２程度である。この１次圧縮工程は大気中で実施可能であるが、木材２の材質や角材の削り出し方によっては、２次圧縮工程と同様に大気よりも高温高圧の水蒸気雰囲気中で行ってもよい。

続いて、木材３から平板状ではない３次元形状をなすブランク材の形取りを行う（ステップＳ３）。図４は、この形取工程によって得られたブランク材の構成例を模式的に示す斜視図である。また、図５は、図４のＡ−Ａ線断面図である。これらの図に示すブランク材４は、略椀状をなしてほぼ均一な肉厚（Ｔとする）を有する主板部４１を備え、最終加工品である圧縮木製品の容積に対し、後述するステップＳ４の２次圧縮工程によって減少する分の容積を予め加えた容積を有する。主板部４１の外側面４１ａおよび内側面４１ｂは板目面をなす（内側面４１ｂは図示せず）。なお、図４のＢ−Ｂ線断面は、寸法が異なる点を除いて、図５に示すＡ−Ａ線断面と略同形をなす。

図６は、表面が板目面をなすブランク材４の木材３からの形取位置を説明するための模式図であり、具体的にはブランク材４の断面（図５に対応）と木材３の側面（図３−２の状態に対応）の年輪部分の木目Ｇとの関係を示す図である。この図６にも示すように、ブランク材４の表面が板目面をなすように形取る際には、木材３の木目Ｇがなす年輪部分の木目Ｇの曲率よりも主板部４１の曲面のなす曲率の方が概ね大きくなるように形取りを行う。なお、上記１次圧縮工程で木材３が圧縮力を受けた方向（図３−１および図３−２に示す座標系のｚ軸方向）は、図６の紙面内水平方向に対応している。

この後、ブランク材４を異なる３次元形状へと圧縮成形する２次圧縮工程を行う（ステップＳ４）。この２次圧縮工程を行うに際して、ブランク材４を大気よりも高温高圧の水蒸気雰囲気中で所定時間放置し、ブランク材４に水分を過剰に吸収させることによって軟化させる。ここでいう高温高圧とは、温度が１００〜２３０℃、より好ましくは１８０〜２３０℃、さらに好ましくは１８０〜２００℃程度であり、圧力が０.１〜３.０ＭＰａ（メガパスカル）、より好ましくは０.４５〜２.５ＭＰａ、さらに好ましくは１.０〜１.６ＭＰａ程度の状態を指す。なお、上述した水蒸気雰囲気中でブランク材４を放置して軟化させる代わりに、例えばブランク材４をマイクロウェーブの如き高周波の電磁波によって加熱して軟化させてもよい。

ブランク材４を軟化させた後、上記同様の水蒸気雰囲気中で一対の金型によってブランク材４を挟持し、所定の圧縮力を加える。図７は、２次圧縮工程の概要を示す図である。同図に示すように、圧縮時にブランク材４の上方から圧縮力を加える金型７１は、主板部４１の内側面４１ｂに当接する凸部７２を有する。凸部７２が有する曲面の曲率半径Ｒ_Aは、主板部４１の内側面４１ｂの曲率半径よりも小さい。金型７１は、上端面でプレス機２００（図では下端部のみ記載）に連結されており、プレス機２００の動作と連動して図の上下方向に移動可能である。これに対して、圧縮時にブランク材４の下方から圧縮力を加える金型８１は、主板部４１の外側面４１ａに当接する凹部８２を有する。凹部８２が有する曲面の曲率半径Ｒ_Bは、主板部４１の外側面４１ａの曲率半径よりも小さい。

金型７１および８１の間に配置されたブランク材４における１次圧縮方向Ｐ１は、図７における鉛直方向と直交している。換言すれば、一対の金型７１および８１によってブランク材４を挟持する際に一方の金型が他方の金型に対して相対的に移動する移動方向（図７の鉛直方向）は、ブランク材４が１次圧縮を受けた１次圧縮方向Ｐ１と直交する方向である。

図８は、２次圧縮工程でブランク材４を圧縮している状態を示す図であり、より具体的には、ブランク材４の変形がほぼ完了した状況で圧縮している状態を示す図である。図８に示すように、ブランク材４は一対の金型７１および８１によって挟持、圧縮されることにより、金型７１と金型８１との隙間に相当する３次元形状であって、ブランク材４の形状とは異なる３次元形状に変形する。

変形後のブランク材４の断面形状は、図７に示すブランク材４の断面形状とは大きく異なっている。これは、２次圧縮工程における圧縮前後の形状変化が大きいことを意味している。この際の形状変化によって最も大きい曲げを受ける部分は、図８に示すブランク材４の外側面４１ａの中央部分から湾曲して立ち上がっていく湾曲面４１ｃの付近である。この湾曲面４１ｃの付近では、図８に示す状態に到達するまで外側面４１ａが伸びて曲がっていく方向に引っ張られる力（以後、「引張力」と呼ぶ）が作用する。この引張力が湾曲面４１ｃ付近に作用する方向Ｐ２（以後、「引張方向Ｐ２」と呼ぶ）は、湾曲面４１ｃの頂点の接線方向に略平行である。

ところで、ブランク材４は既に一度圧縮（１次圧縮）されているため、この際の１次圧縮方向Ｐ１に沿って膨張して元の形状を回復しようとする力（以後、「復元力」と呼ぶ）も働いている。この復元力は、湾曲面４１ｃの付近で引張方向Ｐ２と交差するため、復元力に引張力と平行な方向の成分が存在する。このため、ブランク材４がその形状を変化させる際、最も大きい曲げを受ける部分に作用する引張力の一部を、１次圧縮後のブランク材４に作用する復元力が負担する。この結果、２次圧縮工程においてブランク材４に作用する引張力を実質的に低減することができる。換言すれば、１次圧縮後の復元力からの寄与を考慮してブランク材４の形状を定めることができるので、２次圧縮工程の際の曲げが容易となり、ブランク材４の形取の自由度を１次圧縮しない場合よりも大きくすることができる。したがって、木材表面の木目を優先した加工を行う場合のように、圧縮前後の形状変化が大きくなる箇所があっても、その圧縮によってブランク材４に割れが発生するのを防止することが可能となる。

図８に示す状態で所定時間（１〜数十分、より好ましくは５〜１０分程度）放置した後、上述した水蒸気雰囲気を解いてブランク材４を乾燥させる。その後、プレス機２００の動作によって金型７１を上昇させ、金型７１と金型８１を離間させる。

図９は、２次圧縮工程によって得られる圧縮木製品の構成を模式的に示す斜視図である。また、図１０は、図９のＣ−Ｃ線断面図である。これらの図に示す圧縮木製品５は、略長方形状の表面をなす主板部５ａと、この主板部５ａ表面の長手方向に略平行な２辺の各々から主板部５ａに対して所定の角度をなして延出する二つの側板部５ｂと、主板部５ａ表面の短手方向に略平行な２辺の各々から主板部５ａに対して所定の角度をなして延出する二つの側板部５ｃとを備える。この圧縮木製品５の肉厚（ｔとする）はほぼ均一であり、その主板部５ａの表面はブランク材４の表面と同じく板目面をなす。なお、図９のＤ−Ｄ線断面は、寸法が異なる点を除いて、図１０に示すＣ−Ｃ線断面と略同形である。

２次圧縮工程における主板部５ａの肉厚方向の圧縮率Ｃ₂＝（Ｔ−ｔ）／Ｔは、０.５〜０.７程度である。この圧縮率Ｃ₂は、１次圧縮工程の圧縮率Ｃ₁よりも大きい値であるが、これは、１次圧縮工程があくまでも２次圧縮工程における曲げ加工を容易にするための前準備に相当するものであり、最終的な形状は２次圧縮工程によって決められるからである。

以上説明した本発明の一実施の形態に係る木材の加工方法によれば、木材を加工前の形状とは異なる３次元形状に圧縮加工する際、前記木材を１次元方向に圧縮する１次圧縮工程と、前記１次圧縮工程で圧縮した前記木材からブランク材を形取る形取工程と、前記形取工程で形取った前記ブランク材を、大気よりも高温高圧の水蒸気雰囲気中で一対の金型によって挟持して圧縮する２次圧縮工程と、を有し、前記１次元方向を、前記木材の繊維方向と略直交する方向であるとともに、前記２次圧縮工程で前記ブランク材を前記一対の金型によって挟持するとき、一方の金型が他方の金型に対して相対的に移動する移動方向と直交する方向とすることにより、木材の圧縮前後における形状変化が大きい場合であっても、その木材に割れを生じさせることなく成形することが可能となる。

また、本実施の形態によれば、上記の如く木材の圧縮前後の形状変化が大きい場合であっても、圧縮後の木材が膨張によって元の形状を回復しようとする性質を利用することにより、圧縮による木材の割れ等の発生を防止することができるので、ブランク材の形状に対する制限が少なくなり、木目優先の形取を行っても歩留まりを悪化させずに済む。この結果、さまざまな木目模様を有する圧縮木製品を、資源を無駄にすることなく大量に製造することができるようになる。

なお、本実施の形態に係る木材の加工方法は、表面が板目面をなす木材に対してのみ適用されるわけではなく、木材の表面が柾目面、追柾面、または木口面など他の面をなす場合にも適用可能である。すなわち、ブランク材を木材からどのように形取るかは、その木材を用いて加工された結果物としての圧縮木製品の用途や、その圧縮木製品に要求される強度または美観など、各種条件を考慮して決定すればよい。

このように、本発明は、ここでは記載していないさまざまな実施の形態等を含みうるものであり、特許請求の範囲により特定される技術的思想を逸脱しない範囲内において種々の設計変更等を施すことが可能である。

本発明に係る木材の加工方法によって形成された圧縮木製品は、デジタルカメラ、携帯電話、ＰＨＳまたはＰＤＡ等の携帯型通信端末、携帯型オーディオ装置、ＩＣレコーダ、携帯型テレビ、携帯型ラジオ、各種家電製品のリモコン、デジタルビデオなどの小型携帯用電子機器の外装材として適用することが可能である。また、本発明に係る木材の加工方法によって形成された圧縮木製品は、めがねケースや食器などに適用することも可能である。

本発明の一実施の形態に係る木材の加工方法の処理の概要を示すフローチャートである。 本発明の一実施の形態に係る木材の加工方法における製材工程の概要を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る木材の加工方法における１次圧縮工程の概要（圧縮前）を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る木材の加工方法における１次圧縮工程の概要（圧縮後）を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る木材の加工方法における形取工程で形取られたブランク材の構成を示す斜視図である。 図４のＡ−Ａ線断面図である。 ブランク材の木材からの形取位置を説明するための模式図である。 本発明の一実施の形態に係る木材の加工方法における２次圧縮工程において木材を圧縮している状態を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係る木材の加工方法における２次圧縮工程でブランク材の変形がほぼ完了した状況で圧縮している状態を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る木材の加工方法によって形成された圧縮木製品の構成を示す斜視図である。 図９のＣ−Ｃ線断面図である。

符号の説明

１ 原木
２、３ 木材
４ ブランク材
５ 圧縮木製品
５ａ、４１ 主板部
５ｂ、５ｃ 側板部
４１ａ 外側面
４１ｂ 内側面
４１ｃ 湾曲面
５１、６１、７１、８１ 金型
７２ 凸部
８２ 凹部
１００、２００ プレス機
Ｇ 木目
Ｌ 繊維方向
Ｐ１ １次圧縮方向
Ｐ２ 引張方向

Claims (5)

1. 木材を加工前の形状とは異なる３次元形状に圧縮加工する木材の加工方法であって、
   前記木材を１次元方向に圧縮する１次圧縮工程と、
   前記１次圧縮工程で圧縮した前記木材からブランク材を形取る形取工程と、
   前記形取工程で形取った前記ブランク材を、大気よりも高温高圧の水蒸気雰囲気中で一対の金型によって挟持して圧縮する２次圧縮工程と、
   を有し、
   前記１次元方向は、前記木材の繊維方向と略直交する方向であるとともに、前記２次圧縮工程で前記ブランク材を前記一対の金型によって挟持するとき、一方の金型が他方の金型に対して相対的に移動する移動方向と直交する方向であることを特徴とする木材の加工方法。
2. 前記ブランク材は、前記２次圧縮工程の前後で異なる３次元形状をなすことを特徴とする請求項１記載の木材の加工方法。
3. 前記２次圧縮工程における圧縮率が前記１次圧縮工程における圧縮率よりも大きいことを特徴とする請求項１または２記載の木材の加工方法。
4. 前記１次圧縮工程は、大気中で行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の木材の加工方法。
5. 前記１次圧縮工程で圧縮する前記木材は、原木から製材した角材であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の木材の加工方法。

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