JP2018202807A

JP2018202807A - 木材の加工方法、木材の乾燥方法及び木材の薬液含浸方法

Info

Publication number: JP2018202807A
Application number: JP2017113585A
Authority: JP
Inventors: 酒井　浩一; Koichi Sakai; 浩一酒井
Original assignee: Graduate School for the Creation of New Photonics Industries
Current assignee: Graduate School for the Creation of New Photonics Industries
Priority date: 2017-06-08
Filing date: 2017-06-08
Publication date: 2018-12-27

Abstract

【課題】赤外線レーザによる木材加工において、焦げの発生を抑制しつつ、木材の表面に達する赤外線レーザの強度を安定させる。
【解決手段】少なくとも表層の重量基準含水率が７０％以上２３５％以下の木材に、赤外線レーザを照射してインサイジング加工を施し、穴状又は溝状の繊維切断部を少なくとも一つ形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、木材の加工方法、木材の乾燥方法及び木材の薬液含浸方法に関するものである。

森林から伐木した原木を自然乾燥（天然乾燥）させ、家屋等に使用される木材にしようとすると、伐木から出荷までに少なくとも一年程度の乾燥期間を要する。このため、従来から乾燥期間を短縮するために、木材にインサイジング加工（刺傷加工）を施して乾燥させる乾燥方法が使用されている。この乾燥方法によれば、インサイジング加工によって木材に形成される穴状又は溝状の繊維切断部から、芯側の水分が効率良く抜けるようになり、前記乾燥期間を二か月から半年程度にまで短縮することができる。

ところで、前記インサイジング加工によって木材に形成される繊維切断部は、木材の意匠に影響を与えるため、なるべく目立たないように形成する必要があり、微細な穴や溝を形成できる赤外線レーザが使用されることがある。しかし、赤外線レーザによって木材を加工しようとすると、赤外線レーザの熱によって木材が焦げ、逆に木材の意匠を悪化させるという問題があった。特に、赤外線レーザによって木材の表面に穴を形成すると、その穴を囲むように焦げが生じて黒点となり、この黒点がキクイムシによる食害のように見え、木材の商品価値が下がる。

そこで、赤外線レーザによる木材加工特有の問題を解消するため、例えば、特許文献１には、木材の表面に水を噴霧しながら赤外線レーザを照射する加工方法が開示されている。この加工方法によれば、赤外線レーザが照射される木材の表面が常に水の膜で覆われた状態となり、水の膜が赤外線レーザによる木材の加熱を抑制し、木材の表面が焦げ難くなる。

しかし、前記加工方法では、木材の表面を覆う水の膜を均一の厚さに保つことができず、水の膜が厚い箇所では、赤外線レーザが大きく減衰される一方、水の膜が薄い箇所では、赤外線レーザがあまり減衰されず、これにより、木材の表面に達する赤外線レーザの強度が不安定になり、加工精度が低下するという問題があった。

そして、前記問題が原因となって、例えば、木材に複数の穴を形成しようとすると、各穴の径や深さが一致せず、木材を乾燥させる際に、穴毎に水分の抜け度合いに違いが生じ、木材全体が均一に乾燥されずに曲がってしまうという問題が生じる。

米国特許第３６７９８６３号公報

そこで、本発明は、赤外線レーザによる木材加工において、焦げの発生を抑制しつつ、木材の表面に達する赤外線レーザの強度を安定させることを主たる課題とするものである。

すなわち、本発明に係る木材の加工方法は、少なくとも表層の重量基準含水率が７０％以上２３５％以下の木材に、赤外線レーザを照射することを特徴とするものである。

このようなものであれば、木材に含浸された水分によって赤外線レーザによる木材の焦げが抑制され、また、木材の表面に水の膜が形成されないため、木材の表面に達する赤外線レーザの強度を安定させることができ、加工精度が向上する。具体的には、赤外線レーザ発振器から所定出力で射出された赤外線レーザが減衰されることなく木材の表面に達するため、木材の表面に達する赤外線レーザが変化せず、安定させることができる。

また、前記木材の加工方法において、前記赤外線レーザを照射してインサイジング加工を施し、穴状又は溝状の繊維切断部を少なくとも一つ形成するものであってもよく、また、前記繊維切断部を複数形成するものであってもよい。

なお、本発明のインサイジング加工は、木材の表面に少なくとも一つの繊維切断部を形成するものが含まれ、複数の繊維切断部を形成するものに限定されない。なお、繊維切断部は、具体的には、木材の加工面に対して赤外線レーザを照射して繊維を切断した部分を示し、例えば、木材の加工面に対して赤外線レーザを点状に照射して繊維を切断した部分や、木材の加工面に対して赤外線レーザを線状に照射して繊維を切断した部分が含まれる。

このようなものであれば、インサイジング加工によって形成される穴状又は溝状の繊維切断部が目立たなくなり、木材の商品価値を維持できる。また、インサイジング加工によって複数の繊維切断部を形成する場合に、予め赤外線レーザ発振器を所定出力に設定し、その所定出力で射出した赤外線レーザによって各繊維切断部を形成すれば、赤外線レーザが木材の表面に達する前に減衰されることがないため、各繊維切断部を所定強度の赤外線レーザによって形成できる。これにより、各繊維切断部の形状（例えば、穴状の繊維切断部を形成する場合には、その径や深さ、溝状の繊維切断部を形成する場合には、その幅や深さ）が大きくずれなくなり、略同一形状に統一でき、各繊維切断部から略均一に水分が抜けるようになり、乾燥に伴う木材の曲がりや歪みを抑制できる。なお、インサイジング加工によって長溝状の繊維切断部を形成する場合にも、同様にその繊維切断部全体を所定強度の赤外線レーザによって形成できるため、繊維切断部全体に亘って幅や深さを略同一に統一でき、長溝状の繊維切断部のどの部分からも略均一に水分が抜けるようになり、乾燥に伴う木材の曲がりや歪みを抑制できる。

また、前記繊維切断部を複数形成する木材の加工方法において、前記複数の繊維切断部を前記木材の長手方向に沿って等間隔に並べて形成するものであってもよい。

このようなものであれば、木材の長手方向に対して略均一に水分が抜けるようになり、乾燥に伴う木材の曲がりや歪みをより抑制できる。

また、前記いずれかの木材の加工方法において、前記赤外線レーザが炭酸ガスレーザのものであってもよい。

また、本発明に係る木材の乾燥方法は、少なくとも表層の重量基準含水率が７０％以上２３５％以下の木材に、赤外線レーザを照射してインサイジング加工を施し、穴状又は溝状の繊維切断部を少なくとも一つ形成し、その木材を乾燥させることを特徴とするものである。

このようなものであれば、木材の芯側の水分が繊維切断部から効率良く抜け、これにより、木材の乾燥が促進し、乾燥期間を短縮することができる。また、従来においては、木材の乾燥を促進させるために、木材の長手方向に沿って鋸による切込みを入れる「背割り」という方法が使用されていたが、この場合には、背割りを施した面を表面として使用できなかったが、本発明によれば、繊維切断部が目立たないため、インサイジング加工が施された面も表面として使用することが可能となる。

また、本発明に係る木材の薬液含浸方法は、少なくとも表層の重量基準含水率が７０％以上２３５％以下の木材に、赤外線レーザを照射してインサイジング加工を施し、穴状又は溝状の繊維切断部を少なくとも一つ形成し、その木材に薬液を含浸させるものである。

このようなものであれば、例えば、防腐剤等の薬剤を木材に含浸させる場合に、繊維切断部から薬液が効率良く浸透し、これにより、木材に対する薬液の浸透時間を短縮される。また、繊維切断部から木材の芯まで薬液が浸透するため、木材全体に略均一に薬液が含浸され、薬液の効果を長期間維持することができる。

このような本発明によれば、赤外線レーザによる木材加工において、焦げの発生を抑制しつつ、木材の表面に達する赤外線レーザの強度を安定させることができる。

実施形態に係る木材の加工方法によって加工した木材を示す斜視図及び断面図である。木材の加工方法が異なる二つの木材の加工面を比較する写真である。その他の実施形態に係る木材の加工方法によって加工した木材を示す斜視図である。

以下に、本発明に係る木材の加工方法を図面に基づき説明する。

本発明に係る木材の加工方法は、特に、木材に対し、意匠性を損なうことなく、微細な加工を行う必要がある場合に使用される。具体的には、木材の乾燥を促進させるためや、木材に薬液を含浸させるために、その木材に対してインサイジング加工（刺傷加工）を施す場合に使用される。なお、木材としては、家屋等の建材として使用される木材を挙げることができるが、これに限定されるものではない。また、木材の種類としては、例えば、杉材や檜材などが挙げられるが、特に限定されない。

＜実施形態＞
家屋等の建材として使用される木材は、森林から伐木された原木を葉枯らしのために三か月程度野外に放置し、その後製材して乾燥させるが、本実施形態に係る木材の加工方法は、その乾燥の前工程として、製材された木材Ｗに対して乾燥を促進させるためのインサイジング加工を施す場合に使用される。

詳述すると、本実施形態に係る木材の加工方法は、製材された四角柱状の木材Ｗに、少なくとも表層の重量基準含水率が７０％以上２３５％以下になるように水を含浸した後、その水を含浸した木材Ｗに対して赤外線レーザを照射してインサイジング加工を施すものである。

木材Ｗに水を含浸させる場合には、加圧炉内で加圧しながら木材Ｗに対して水を含浸させればよい。これにより、木材Ｗに対して効率良く水が含浸し、含浸時間を短縮できる。なお、含浸時間は長くなるが、木材Ｗを水に沈めて自然に水を含浸させてもよい。

そして、木材Ｗに対し、少なくとも表層の重量基準含水率が７０％以上２３５％以下、好ましくは１４０％以上２３５％以下になるように水を含浸させる。重量基準含水率とは、所謂、全乾燥法によって測定される含水率であり、木材Ｗの乾燥前後の重量に基づき算出される。具体的には、次の式（１）によって算出される。

（（乾燥前の重量−乾燥後の重量）×１００）／乾燥後の重量・・・（１）

なお、前記重量基準含水率が、７０％未満になると、赤外線レーザによる木材Ｗの焦げが鮮明に現れて目立つようになり、２３５％を越えると、木材Ｗを拭っても表面から水が染み出すようになる。因みに、木材Ｗ全体の重量基準含水率が前記割合に保持されていてもよい。

木材Ｗにインサイジング加工を施す場合には、図１（ａ）に示すように、レーザ発振器を所定出力に維持した状態で、そのレーザ発振器から射出される所定強度の赤外線レーザを、四角柱状の木材Ｗの長手方向へ伸びる一側面である加工面１０に対して垂直に入射するように照射する。そして、加工面１０に対する位置を変えながら赤外線レーザの照射を繰り返すことにより、木材Ｗの加工面１０に対し、穴状の繊維切断部２０を複数等間隔に並べて形成する。よって、木材Ｗの加工面１０に対し、穴状の繊維切断部２０が長手方向に沿って同密度で形成される。

穴状の繊維切断部２０は、６００μｍ以下、好ましくは１００μｍ以下、より好ましくは５０μｍ以下の径に形成されたピンホール状のものである。なお、穴の径は、小さいほど目立たなくなるため、赤外線レーザによって加工できる範囲で可能な限り小さい方が好ましく、現状のレーザ発振器によって加工できる穴の径は１０μｍ〜２０μｍ程度である。また、穴の径が６００μｍを越えると、穴が目立つようになり、木材Ｗの意匠性を損なうという不具合が生じる。また、穴状の繊維切断部２０は、木材Ｗを貫通しない深さに形成された有底状のものである。

また、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である図１（ｂ）に示すように、各繊維切断部２０は、いずれも赤外線レーザを木材Ｗの加工面１０に対して垂直に入射させて形成しているため、木材Ｗの表面から内方へ向かって互いに平行に伸びる。また、各繊維切断部２０は、いずれもレーザ発振器を所定出力に維持した状態で射出される同一強度の赤外線レーザによって形成しているため、穴の径及び深さが略一致している。

赤外線レーザとしては、例えば、炭酸ガスレーザを使用することができる。なお、赤外線レーザは、超短パルスレーザであってもよい。

また、木材Ｗに対して赤外線レーザを照射する場合に、木材Ｗの年輪に対して交差する方向、言い換えれば、木材Ｗの繊維方向に対して交差する方向に入射させることが好ましい。このようすれば、木材Ｗの繊維が効率良く切断され、繊維切断部２０に対して水や薬液などの液体がより通過し易くなる。さらに、木材Ｗに対して赤外線レーザを照射する前に、木材Ｗの表面から水を除去するために、その表面の水が蒸発する程度に乾燥炉によって強制乾燥したり、自然乾燥すればよい。なお、木材Ｗの表面の水を布等によって拭ってもよい。

本実施形態に係る木材の加工方法によれば、木材Ｗに含浸された水分によって赤外線レーザによる焦げが抑制され、加工面１０に殆ど焦げが現れず、各繊維切断部が目立たなくなる。なお、図２に、重量基準含有率が１６９％の木材の加工面と重量基準含有率が１５％の木材の加工面とに同条件で赤外線レーザを照射してインサイジング加工を施した状態を撮影した写真を示す。これらの写真から、本実施形態に係る木材の加工方法を採用した図２（ａ）に示す木材の加工面の方が、本実施形態に係る木材の加工方法を採用していない図２（ｂ）に示す木材の加工面よりも、焦げが抑制されており、繊維切断部が目立たなくなっていることが分かる。

前記のように加工した木材Ｗを従来と同様に自然乾燥させると、各繊維切断部２０から芯側の水分が効率良く抜け、乾燥期間を大幅に短縮できる。また、この木材Ｗを乾燥機に投入して人工乾燥させる場合にも、同様に乾燥期間を大幅に短縮できる。

また、前記のように加工した木材に薬剤を塗布すると、各繊維切断部から芯側に薬剤が効率良く含浸し、木材の芯まで均一に薬剤を浸透させることができる。これにより、木材に対する薬剤の効果が長期間持続し、例えば、薬剤として防腐剤を使用した場合には、防腐剤の塗り替え回数を減らすことができる。

＜その他の実施形態＞
前記実施形態においては、インサイジング加工によって木材に対して穴状の繊維切断部を形成したが、溝状の繊維切断部を形成してもよい。例えば、図３（ａ）において斜線で示すように、溝状の繊維切断部２１は、従来の背割りの如く、前記木材の加工面１０に対して幅方向中央を通って長手方向に伸び、木材Ｗの芯に達する深さに形成してもよい。なお、溝状の繊維切断部２１は、木材Ｗの加工面に対して赤外線レーザを所定強度で照射しながら、その照射する位置を線状に移動させて形成するため、一端側から他端側まで幅及び深さが略一定に形成されている。また、図３（ｂ）に示すように、短い溝状の繊維切断部２２を前記実施形態と同様に複数形成してもよい。

なお、溝状の繊維切断部は、６００μｍ以下、好ましくは１００μｍ以下、より好ましくは５０μｍ以下の幅に形成されたスリット状のものである。なお、溝の幅は、狭いほど目立たなくなるため、赤外線レーザによって加工できる範囲で可能な限り狭い方が好ましく、現状のレーザ発振器によって加工できる溝の幅は１０μｍ〜２０μｍ程度である。また、溝の幅が６００μｍを越えると、溝が目立つようになり、木材の意匠性を損なうという不具合が生じる。

また、前記各実施形態においては、四角柱状の木材Ｗの一側面に対してインサイジング加工を施しているが、二側面以上にインサイジング加工を施してもよい。

また、前記各実施形態においては、各繊維切断部を木材Ｗに対して貫通しないような深さで形成しているが、貫通するように形成してもよい。

また、前記各実施形態においては、本発明に係る木材の加工方法の使用例として、木材Ｗにインサイジング加工を施す場合を示しているが、これに限定されず、本発明に係る木材の加工方法は、木材Ｗをレーザ加工する場合に使用でき、例えば、切断加工においても使用しても同様の効果を得ることができる。

また、前記各実施形態においては、木材に対して水を含浸させる含水処理を施しているが、伐木した直後の原木を製材した木材の重量基準含水率が７０％以上２３５％以下を満たしている場合には、含水処理を施すことなく、赤外線レーザを照射してレーザ加工してもよい。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

Ｗ木材
１０加工面
２０，２１，２２繊維切断部

Claims

少なくとも表層の重量基準含水率が７０％以上２３５％以下の木材に、赤外線レーザを照射することを特徴とする木材の加工方法。
前記木材に、前記赤外線レーザを照射してインサイジング加工を施し、穴状又は溝状の繊維切断部を少なくとも一つ形成する請求項１記載の木材の加工方法。
前記繊維切断部を複数形成する請求項２記載の木材の加工方法。
前記複数の繊維切断部を前記木材の長手方向に沿って等間隔に並べて形成する請求項３記載の木材の加工方法。
前記赤外線レーザが炭酸ガスレーザである請求項１乃至４のいずれかに記載の木材の加工方法。
少なくとも表層の重量基準含水率が７０％以上２３５％以下の木材に、赤外線レーザを照射してインサイジング加工を施し、穴状又は溝状の繊維切断部を少なくとも一つ形成し、その木材を乾燥させることを特徴とする木材の乾燥方法。
少なくとも表層の重量基準含水率が７０％以上２３５％以下の木材に、赤外線レーザを照射してインサイジング加工を施し、穴状又は溝状の繊維切断部を少なくとも一つ形成し、その木材に薬液を含浸させることを特徴とする木材の薬液含浸方法。