JP3669571B2 - 木材成形装置および木材成形方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、家具、建材、楽器等に用いられる表面に凹凸模様を有する成形木材を得るための木材成形装置および木材成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
表面に凹凸模様を有する板状の木材あるいは木粉末などの木質材料は、その装飾性の観点から各種用途への利用が期待される。
木材の表面に凹凸模様を形成する方法としては、彫刻刀などで木材の表面を彫る方法が古くから知られている。しかし、その彫刻による凹凸模様を形成する場合には、彫刻作業に時間を要する他、均一な凹凸模様を得難いなどという問題がある。
一方、木粉末をフェノール樹脂により接着することにより形成されているハードボードやＭＤＦなどに、彫刻などによる２次加工により凹凸模様を施す場合には、上記の木材での問題に加えて、生分解性のないフェノールを含んだ廃材が出ることから、環境への配慮の観点から好ましくない。また、フェノール樹脂などの接着剤を使用するため、工程数が増加してしまうという問題もある。
【０００３】
上記の事情から、近年高温高圧の水蒸気雰囲気下で木質材料を加熱軟化させてプレスすることにより、所望の形状を有する成形木材とする方法が、開発されている。
【０００４】
例えば、特開平５−８２０２号公報においては、木材を水蒸気雰囲気内に置いて加熱することにより軟化させ、木材をプレス状態のままで高温高圧の雰囲気内に置くことにより、木材を形状固定させ、曲げ木を形成することとしている。
【０００５】
また、例えば、特開平１０−２３５６１９号公報においては、木材の平坦部の厚さ、凸部模様の頂点の高さおよび平坦部表面に対する立ち上がり角度を適正な範囲内に設定することによって、凸部模様を形成し、かつ割れなどの欠陥がない加工木材を形成することとしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の水蒸気処理による木材成形方法は、特開平５−８２０２号公報のように、板状の木材から曲げ木を形成するために使用されており、木材の表面に装飾性の優れた模様を形成する方法としては適用されていない。
また、特開平１０−２３５６１９号公報では、模様の圧縮の深さ、曲率、圧縮率を大きく制限することにより加工を可能にしているが、デザイン的な制約が大きく装飾性に欠けることとなる。
【０００７】
上述したように、水蒸気処理による木材成形方法によって、木質材料に装飾性の優れた凹凸模様を量産レベルで形成することは実際には非常に難しい。
すなわち、装飾性を重視して、圧縮率が模様の凹部と凸部で大きく変わってしまうような凹凸模様を形成すると、成形木材の表面あるいは内部に、割れ、剥離、繊維方向の裂けなどが増大してしまう他、圧縮率の高い凹部では、そこだけ水蒸気処理が進み、材料表面に液状化物質が形成されて成形木材が黒ずんだりしてしまい、美観を損ねてしまうという問題がある。また、圧縮率が高いと水分の蒸発が妨げられるため、生産性が悪くなってしまうという問題もある。
反対に、量産レベルでの不良率を低減するために、形成する凸部模様の高さ、あるいは凹部模様の深さを調整して上記の問題を回避しようとすると、不完全な転写になってしまうため、装飾性に優れる成形木材を形成することができなくなってしまうという問題がある。
【０００８】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、従って、本発明は、模様の圧縮深さや曲率の制限を大きく改善でき、装飾性に優れ、かつ材料表面および内部の割れ、剥離、繊維方向の裂けを低減でき、量産レベルにおいて安定した品質を図ることが可能な成形木材を形成する木材成形装置および木材成形方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の木材成形装置は、一方のプレス金型の凹部と、他方のプレス金型の凸部とが略重なり合う互いに反転形状の凹凸模様を有する１対のプレス金型と、木質材料を挟んだ前記一対のプレス金型を収容する金枠と、前記金枠に収容されるスペーサとを有する被プレス部と、前記被プレス部を収容し、内部に所定の圧力を有する水蒸気が供給される圧力容器と、前記圧力容器内において、前記被プレス部の前記金枠および前記スペーサをプレスするプレス部とを有する。
【００１０】
さらに、上記の目的を達成するため、本発明の木材成形方法は、一方のプレス金型の凹部と、他方のプレス金型の凸部とが略重なり合う互いに反転形状の凹凸模様を有する１対のプレス金型により木質材料を挟み、当該木質材料を挟んだ一対のプレス金型と、スペーサとを金枠に収容して被プレス部を形成する工程と、前記被プレス部を所定の圧力を有する水蒸気雰囲気内に置いて、前記被プレス部内の前記木質材料を加熱軟化させる工程と、前記被プレス部の前記金枠および前記スペーサをプレスして、前記木質材料の両面に凹凸模様を形成する工程と、前記被プレス部の前記金枠および前記スペーサをプレスした状態で、所定の圧力を有する水蒸気雰囲気に置いて、前記被プレス部内の前記木質材料を硬化させて形状固定する工程とを有する。
【００１１】
前記凹凸模様を形成する工程の前に、前記木質材料を加熱状態として当該木質材料の前記凹凸模様を形成するための圧縮方向とは異なる方向に圧縮する予備圧縮工程をさらに有する。
【００１２】
好適には、前記加熱軟化させる工程において、前記木質材料が軟化する温度になる圧力を有する水蒸気雰囲気内に置いて前記木質材料を加熱軟化させる。
【００１３】
好適には、前記形状固定する工程において、前記木質材料が硬化する温度になる圧力を有する水蒸気雰囲気内に置いて前記木質材料を形状固定する。
【００１４】
上記の本発明によれば、板状の木材、あるいは木粉末などからなる木質材料が所定の圧力の水蒸気雰囲気内において加熱されることにより、水蒸気を吸収して内部温度が上昇し、加熱軟化されることになる。
この加熱軟化された状態で、プレス金型を動作させて木質材料を圧縮して、当該木質材料に凹凸模様を転写し、当該圧縮状態を維持したままで、所定の圧力を有する水蒸気雰囲気に置かれることにより、木質材料は水蒸気によって化学変化を起こして圧縮による成形が固定され、その後の加熱や吸水により、当該成形が戻ることのない安定した成形木材が形成される。
上記の作用において、木質材料に凹凸模様を転写するプレス金型として、一方のプレス金型の凹部と、他方のプレス金型の凸部とが略重なり合う互いに反転形状の凹凸模様を有するプレス金型を使用することで、転写後の成形木材の厚さが略均一になることから、圧縮率が略均一となり、形状固定の過程において、割れ、剥離、繊維方向の裂けなどの不利益を抑制することができることとなる。
また、圧縮工程の前に、木質材料を加熱状態として当該木質材料に凹凸模様を形成する方向とは異なる方向に圧縮する予備圧縮工程を設けることで、当該予備圧縮された木材は、極めて圧縮成形しやすい状態となり、その後の圧縮成形をスムーズに行うことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の木材成形装置および成形方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１６】
図１（ａ）は、本発明の木材成形装置により形成された成形木材の１例を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線における概略拡大断面図である。
【００１７】
図１に示すように、成形木材１０は、板状の木材、あるいは木粉末などの木質材料が圧縮成形されて、実質的に表面平滑とされた平板部１１の表面に所定形状に盛り上がって突出した凸部模様１２が明瞭かつ外観美麗に形成されている。
【００１８】
成形木材１０は、木質材料として板状の木材を使用した場合には、略繊維方向に対して略直角の方向（放射方向あるいは接線方向）に圧縮されている。
ここで、繊維（Textile ）方向Ｌとは木目に沿った方向であり、放射（Radial) 方向Ｒは、繊維方向Ｌに直交しており樹木の中心から外側あるいは外側から中心に向かう方向をいい、接線（Tangential) 方向Ｔとは年輪に対する接線の方向をいう。
【００１９】
成形木材１０の表面には、例えば凸部模様が形成されており、また、成形木材１０の裏面には表面の凸部模様に対して反転形状の凹部模様が形成されている。すなわち、図１（ｂ）に示すように、成形木材１０の表面には例えば高さａの凸部模様１２ａが形成されており、その直下の裏面には深さａの凹部模様１３ａが形成されている。従って、表面の凸部模様１２ａと裏面の凹部模様１３ａとは、互いに反転形状となっている。
【００２０】
このように、成形木材１０の一方の面に例えば凸部模様１２ａを形成し、当該凸部模様の反転形状の凹部模様１３ａを他方の面に形成することにより、成形木材１０内の厚さを略一定（ｔb1＝ｔb2＝ｔb3）にすることができる。
ここで、圧縮成形前の木質材料の厚さをｔa 、圧縮形成後の成形木材の厚さをｔb とすると、圧縮率ｃは、下記の式（１）によって表せられる。
【００２１】
【数１】
ｃ（％）＝（（ｔa −ｔb ）／ｔa ）×１００ （１）
【００２２】
従って、圧縮成形後の成形木材内の厚さが略一定（ｔb1＝ｔb2＝ｔb3）であることから、圧縮率が成形木材内で略均一となっている。
【００２３】
次に、上記の成形木材を形成する本実施形態の木材成形装置について説明する。
【００２４】
図２（ａ）は本実施形態の木材成形装置を示す概略構成図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線における概略拡大断面図である。
図２に示す木材成形装置は、圧力容器１と、成形プレス部２と、被成形プレス部３と、制御装置２０と、コンプレッサー３０と、ボイラー４０などから構成されている。
【００２５】
圧力容器１は、高温高圧の状態に耐えられるように例えば高強度の鋼またはステンレスで製作された有底筒体からなり、その開口部には、蓋１ａが開閉可能に取り付けられている。この圧力容器１には、配管２１を通して水蒸気が内部に供給され、かつ配管２２を通して圧力容器１の内部を除圧するための排気が行われ、かつ配管２３を通して圧力容器１内に残留した水等が外部に排出される。
【００２６】
成形プレス部２は、圧力容器１の上部外側に適当な手段にて取り付け固定されたプレスシリンダー２ａと、圧力容器１の周壁を気密に貫通するピストンロッド２ｂと、ピストンロッド２ｂの先端部に取り付け固定された可動プレス板２ｃにより構成されている。
【００２７】
制御装置２０は、各種の制御を行うものであり、コンプレッサー（compressor: 圧縮機）３０による空気圧により各々の弁（２１ａ、２２ａ、２３ａ）を制御することとしている。
具体的には、圧力容器１内の水蒸気圧の制御を、水蒸気用弁２１ａを調整することにより、ボイラー４０から供給される水蒸気の供給を調整して行う。
また、圧力容器１の排気制御を排気用弁２２ａを調整することにより行う。
また、圧力容器１内に残留した水の排出制御をドレン用弁２３ａを調整することにより行う。
また、蓋１ａやプレスシリンダー２ａとも接続されており、扉の開閉制御やプレス制御を行う。
なお、圧力容器１中に設けられた不図示の温度計や圧力計を介して、制御装置２０により、温度、圧力をモニタ可能としている。
【００２８】
被成形プレス部３は、架台４に取り付けられた固定プレス板５に載置されている。
図３に被成形プレス部３の構成を表す斜視図を示す。図３（ａ）に示すように、コの字型の溝を有する金枠６に、下型７、木質材料１０ａ、上型８、スペーサ９をセットすることにより、図３（ｂ）に示すような被成形プレス部３が構成されることになる。
上型８と下型７からなるプレス金型の対向面には、木質材料に転写するための不図示の凹凸模様が形成されている。この上型８と下型７の凹凸模様は、互いに反転形状の凹凸模様を有しており、従って上型８と下型７の対向面を合わせると上型の例えば凸模様が下型の例えば凹模様にはめ込まれるように形成されている。
スペーサ９は、成形木材１０の厚さを決定するためのもので、所望の成形木材１０の厚さに応じて適当に交換することができることとなっている。
【００２９】
次に、上記の本実施形態の木材成形装置を用いた木材成形方法について説明する。
ここで、本発明の木材成形方法には、気乾状態の木質材料を使用することが好ましい。ここで、気乾状態とは、空気中で乾燥した場合における含水状態をいい、内部には水分を含んだ状態である。気乾状態における含水率は、木材の乾燥方法や湿度により変化するが平均して８〜１５％程度である。
気乾状態の木質材料を使用するのは、一般的に材料の入手が容易だからである。
なお、気乾状態の木質材料は、例えば天然乾燥の他、温度や湿度を制御した乾燥機による人工乾燥など、適当な方法により形成される。
【００３０】
図４は、本発明に係る木材成形方法を説明するための各工程における時間−温度のグラフであり、図５は、図２（ａ）のＢ−Ｂ線における概略断面図の各工程における被成形プレス部の状態を表し、図５（ａ）は圧縮前の状態、図５（ｂ）は圧縮後の状態を示している。
【００３１】
まず、金枠６に、下型７、木質材料１０ａ、上型８、およびスペーサ９をセットして、被成形プレス部３を形成する。
【００３２】
次に、圧力容器１の開口部の蓋１ａを開いて、圧力容器１を開放し、上記の被成形プレス部３を圧力容器１の内部に搬入して、固定プレス板５の上に載置する。
【００３３】
次に、図５（ａ）に示すように、圧力容器１の蓋を閉じて、圧力容器１を密封した後、圧力容器１の内部に配管２１を通して、水蒸気を供給し、５分程度（ｔ1 ）で温度を木材の軟化温度として８０℃程度（Ｔ1 ）にまで上昇させ、この水蒸気雰囲気内で被成形プレス部３を加熱する。
そして、この軟化温度Ｔ1 の状態で木質材料１０ａを３０分程度（ｔ2 ）加熱すると、木質材料１０ａは水蒸気および水蒸気によって加熱された金型の熱を吸収して、軟化する。
上記の木質材料の水蒸気による軟化機構は、木材の主成分であるヘミセルロースおよびリグニンが軟化して低分子化し、かつ木材の主成分であるセルロースが高温高圧の水蒸気により非晶質領域において結合が切断され、結晶形態が変化するためと考えられている。
【００３４】
次に、図５（ｂ）に示すように、プレスシリンダー２ａにより可動プレス板２ｃを降下させて、固定プレス板５上に載置された被成形プレス部３のスペーサ９を押圧し、上型８および下型７により木質材料１０ａに所望の模様を転写する。なお、この時、木質材料１０ａを断面積比で４／５〜１／３程度に圧縮してもよい。
この木質材料１０ａの圧縮の程度は、スペーサ９の金枠６から突き出た高さにより、調整することができる。
【００３５】
次に、圧縮された木質材料１０ａをプレス状態のままで、圧力容器１内に水蒸気を供給することにより、２０分程度（ｔ3 ）で１８０℃程度の形状固定温度Ｔ2 にまで上昇させて、当該形状固定温度Ｔ2 で２０分程度（ｔ4 ）、水蒸気によって加熱することにより、木質材料１０ａは、高温の水蒸気によって化学変化を起こして、プレス成形による変形が固定化される。なお、圧力容器１内の蒸気圧を、１０ｋｇ／ｃｍ2 程度に調整することにより、１８０℃程度の温度を維持することができる。
上記の高温高圧の水蒸気処理によって圧縮成形された木質材料１０ａの形状固定化の機構は、主として木材中のセルロースの結晶構造変化に起因していると考えられている。
【００３６】
次に、圧縮成形による木質材料１０ａの変形が固定化されると、圧力容器１の内部を配管２２を通して１分程度（ｔ5 ）間欠的に排気させて除圧し、その後、圧力容器１の開口部の蓋１ａを開いて圧力容器１を開放して、１８０分程度（ｔ6 ）だけ放置して温度を４０℃程度（Ｔ3 ）にまで下げる。なお、冷却するための時間ｔ6 を短縮するために、強制冷却（空冷、水冷）などを行ってもよい。
【００３７】
次に、被成形プレス部３を圧力容器１から取り出して、成形木材を金型から離型することにより図１に示す成形木材１０に至る。
【００３８】
上記の本実施形態に係る木材成形装置および木材成形方法では、木質材料として、板状の木材を使用する場合と木粉末を使用する場合とで、それぞれ以下の効果を有する。
【００３９】
板状の木材を使用する場合
この場合には、圧縮率が比較的均一なことから、成形木材における表面あるいは内部の割れ、剥離、繊維方向の裂けなどの不利益を最小限に抑制しながら、上型８と下型７からの木材への模様の転写性を向上することができ、量産レベルにおいて、安定した品質を図ることが可能となる。
また、木材への圧縮率が比較的均一なことから、上型８と下型７の仕上げの面精度により、成形木材１０の表面の面精度が決まるため、後に研磨をすることなく品質の安定化を図ることができる。
また、圧縮成形時に割れが生じたとしても、上型８および下型７により拘束されているため、上型８および下型７の形状で固定することができ、後に研磨を少し行うことにより、良好な表面の面精度を保持することができる。
従って、木材へ転写する模様の圧縮の深さ、曲率、圧縮率の制限を大きく改善でき、デザイン的な自由度を増大させることができる。
また、圧縮率を比較的均一にできることから、成形木材の物性が均質となるため、軟化・形状固定の反応機構が安定し、量産レベルでの品質が確保されることから、合理化かつ省力化を図ることができる。
【００４０】
木粉末を使用する場合
この場合には、圧縮率が比較的均一なことから、成形木材の強度等の物性が均質となり、安定した品質を有する成形木材を形成することができる。
圧縮率が比較的均一なことから、圧縮によって濃色化した部分の色むらが少なく、後の着色塗装が容易となる。
また、木材に比してさらに割れなどが生じにくくなるため、凹凸模様を無理なく大きく形成できる。
【００４１】
第２実施形態
本実施形態では、実質的には第１実施形態と同様であるが、木質材料として板状の木材を使用した場合に、プレス時に横方向に広がることによる成形木材１０の上型８、下型７および金枠６からの離型が困難な場合もあるため、被成形プレス部を以下に示すような構造にする。
図６（ａ）は図３（ｂ）においてＡ方向から見た被成形プレス部３の圧縮後の正面図、図６（ｂ）は図３（ｂ）においてＢ方向からみた被成形プレス部３の圧縮後の側面図である。
図６（ａ）に示すように、圧縮後の成形木材１０の金型（上型８および下型７の他、金枠６を含む）からの離型の困難さを考慮して、金枠６の溝において、例えば角度ｘ（例えば２度）のテーパーを設けている。
また、金枠６の底面に開口部６ａを設け、上型８および下型７に挟まれた成形木材１０を、開口部６ａに挿入し、かつ下型７を押圧することが可能な高さの突起部１５ａを有する突き出し治具１５を使用して離型する。
上記の構造により、図７（ａ）に示すように、突き出し治具１５上に、突起部１５ａが開口部６ａに挿入されるようにして金枠６を設置し、突き出し治具１５に対して金枠６を降下させることで、突起部１５ａにより下型７が押され、上型８および下型７に挟まれた成形木材１０が金枠６から押し出されることになる。
その後、図７（ｂ）に示すように、上型８と下型７を離反させることにより、成形木材１０が金型から離型されることになる。
【００４２】
第３実施形態
本実施形態においても、実質的には第１実施形態と同様であるが、木質材料として板状の木材を使用した場合に、プレス時に横方向に広がることによる成形木材１０の上型８、下型７および金枠６からの離型が困難な場合もあるため、被成形プレス部を以下に示すような構造にする。
図８（ａ）は上型８および下型７に挟まれた成形木材１０の平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）の木材１０の平面図、図８（ｃ）は図８（ａ）においてＤ方向からみた側面図を示したものである。
図８（ａ）に示すように、あらかじめ下型７の例えば四隅にクランプ１６を設置して下型７を金枠６に固定しておき、成形対象の木質材料１０ａも図８（ｂ）に示すように、クランプ１６が形成された下型７の形状に合わせ、かつ金型（７，８）からはみ出るように加工したものを使用して、下型７上に設置して圧縮成形を行う。
圧縮成形後、成形木材１０の金型（７，８）からはみ出した部分に力を加えて上方へ引き上げて、金枠６に固定された下型７から離型させる。その後、上型８から離型させることにより、成形木材１０が金型から離型されることになる。
【００４３】
第４実施形態
本実施形態においても、実質的には第１実施形態と同様であるが、木質材料として板状の木材を使用した場合に、プレス時に横方向に広がることによる成形木材１０の上型８、下型７および金枠６からの離型が困難な場合もあるため、被成形プレス部を以下に示すような構造にする。
図９は、上型８および下型７に挟まれた成形木材１０の概略構成図を示したものである。図９に示す上型８と下型７では、それぞれ開口部（８ａ、７ａ）を設けてある。
そして、第２実施形態と同様にして金枠６から上型８および下型７に挟まれた成形木材１０を取り出した後、開口部（８ａ、７ａ）に挿入し、かつ成形木材１０を押圧することが可能な高さの突起部１５ａを有する突き出し治具１５を使用する。
すなわち、突き出し治具１５上に、突起部１５ａ部分が開口部（８ａ、７ａ）に挿入されるようにして上型８および下型７に挟まれた成形木材１０を設置し、突き出し治具１５に対して下型７を降下させることで、突起部１５ａにより成形木材１０が押され、上型８および下型７に挟まれた成形木材が下型７から離型されることになる。同様にして、成形木材１０を上型からも離型することにより、成形木材１０が金型から離型されることになる。
【００４４】
第５実施形態
本実施形態では、実質的には第１実施形態と同様であるが、木質材料として木粉末を使用した場合に、被成形プレス部の構造を以下に示すような構造にする。
図１０（ａ）は、木粉末に使用する金枠６の上面図を示したものであり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）においてＥ方向から見た側面図である。
図１０に示す金枠６では、金枠６の開放されている側面に、ボルトなどにより、側板１７を取り付けることとしたものである。
また、図１０（ｂ）に示すように、金枠６の底面に開口部６ａを設け、第２実施形態と同様に、上型８および下型７に挟まれた成形木材１０を、金枠６から取り出すこととしたものである。
上記の構造とするのは、木粉末を使用する場合には、金枠６の側面が開放されていると、当該開放されている側面から木粉末が溢れてしまい、その結果、成形木材の厚さの不均一による圧縮率の変動を防止するためである。
【００４５】
本発明の木材成形装置および成形方法の実施形態は、上記の説明に限定されない。
例えば、本発明の各工程における温度、時間、圧力などの製造条件は、木質材料１０ａの元となる樹木の種類、木質材料１０ａの大きさ、木質材料１０ａの物理的性質（比重、含水率等）等によって、種々の条件を採用することができる。
また、圧縮成形する方向は、本実施形態において説明した方向に限定されるものではなく、種々の方向に圧縮成形することができる。
また、木質材料１０ａに転写する凹凸模様の形状に特に限定はなく、例えば、直線状や曲線状、格子状などを組み合わせた模様の他、記号、数字、文字など、およびこれらを組み合わせたものであってもよい。
【００４６】
また、圧縮工程前に、予備圧縮工程を設けることも効果的である。
例えば、加熱状態で、圧縮成形を行う方向とは異なる方向に木材を予備圧縮した後に、本実施形態における圧縮工程を行う。
加熱状態で予備圧縮された木材は、極めて圧縮成形しやすい状態となる。
これにより、その後の圧縮成形をスムーズに行うことができ、すなわち、割れ、裂け、剥離を低減でき、安定した品質を確保することが可能となる。また、成形プレス前に予備圧縮を行うので、工程上も非常に効率的である。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【００４７】
【実施例】
以下に、本発明に係る木材成形装置を用いて、成形木材を形成した実施例について説明する。
【００４８】
まず、板状の木材として、ペルポック、ラミン、メランティ、アガチス、ポプラ、アルダー、アユース、雲杉、ラジアータパイン、米松、ゴム、セン、ブナ、ナラ、スギ、ヒノキ、カラマツ、カツラ、ナトーの１９種類を使用し、木粉末として大きさが３５５μｍのスギとヒノキを混合したものを使用して、従来の片面のみに凹凸模様を形成する圧縮成形を行った。
【００４９】
ここで、本実施例で使用した木材の物性として、全乾比重、気乾比重、含水率（％）について、算出した。
【００５０】
上記の物性値の算出方法としては、まず、各木材についての全乾状態のＴ方向長さ（ｍｍ）、Ｒ方向長さ（ｍｍ）、Ｌ方向長さ（ｍｍ）、全乾重量（ｇ）を測定し、全乾比重を算出した。
次に、各木材について気乾状態のＴ方向長さ（ｍｍ）、Ｒ方向長さ（ｍｍ）、Ｌ方向長さ（ｍｍ）、気乾重量（ｇ）を測定し、気乾比重を算出した。
ここで、Ｌ方向とは木材の繊維（Textile ）方向、Ｒ方向とは放射（Radial)方向、Ｔ方向とは接線（Tangential) 方向を意味する。
また、全乾状態とは、木材を１００〜１１０℃で重量変化がなくなるまで乾燥した状態で、木材中に吸収された水分がほとんどない状態をいう。
また、気乾状態とは、空気中で乾燥した状態で、内部には水分を含む状態をいう。
上記の全乾比重および気乾比重とは、全乾状態あるいは気乾状態時における重量を容積で割ったものを意味する。
【００５１】
含水率ｕ（％）は、全乾重量をＷ0 、気乾重量をＷu とすると、下記の式（２）によって算出される。
【００５２】
【数２】
ｕ（％）＝（（Ｗu −Ｗ0 ）／Ｗ0 ）×１００ （２）
【００５３】
図１１に、全乾比重、気乾比重、気乾状態の含水率の算出結果を示す。
なお、図１１には、各木材について３つのサンプルの気乾状態と全乾状態の重量、Ｔ方向、Ｒ方向、およびＬ方向の寸法を測定し、全乾比重、気乾比重、含水率を算出した平均値を掲載してある。
また、木粉末については、含水率のみを掲載した。
【００５４】
図１１に示す気乾状態の木材・木粉末を用いて、本実施形態に係る木材成形装置において上型８の凹凸模様のみを木材の片面に転写して、図１（ａ）に示すような凹凸模様を片面に有する成形木材を形成した。
ここで、圧縮成形に使用した木材は、Ｔ方向の長さが４９．０（ｍｍ）、Ｒ方向の長さが１２（ｍｍ）、Ｌ方向の長さが２８０（ｍｍ）ものを使用し、Ｒ方向に圧縮成形した（図１（ａ）参照）。
また、圧縮成形後の成形木材の長さは、Ｔ方向の長さが４９．０（ｍｍ）、Ｒ方向の長さが平坦部において６（ｍｍ）、Ｌ方向の長さが２８０（ｍｍ）であった。
また、上型８および下型７は、幅（Ｔ方向に対応）が５０（ｍｍ）、厚み（Ｒ方向に対応）が１２（ｍｍ）、長さ（Ｌ方向に対応）が３００（ｍｍ）のものを使用し、材質はアルミ製のものを使用した。
また、上型８は、木材へ転写する凹凸模様が形成されているものを使用し、下型７には、凹凸模様が形成されていない平坦なものを使用した。
【００５５】
つぎに、製造条件について図４を参照して説明する。
金枠６に、下型７、木質材料１０ａ、上型８、スペーサ９をセットして、被成形プレス部３を形成し、圧力容器１へ搬入後、圧力容器１の蓋１ａを閉じて、圧力容器１の内部に水蒸気を供給し、時間５分（ｔ1 ）で温度を木材の軟化温度として８０℃（Ｔ1 ）にまで上昇させた。
そして、軟化工程では、この軟化温度８０℃（Ｔ1 ）の状態で木質材料１０ａを３０分（ｔ2 ）だけ加熱して、木質材料１０ａを軟化させた。
次に、形状固定の工程では、３０〜２５０ｋｇ×２の力でプレスした。
そして、この後、木質材料１０ａをプレス状態のままで、圧力容器１内に水蒸気を供給することにより、２０分（ｔ3 ）で１７５℃（Ｔ2 ）にまで上昇させて、当該形状固定温度１７５℃（Ｔ2 ）を保ちながら、２０分（ｔ4 ）間加熱して形状固定を行った。なお、圧力容器１内の蒸気圧を、９．０ｋｇ／ｃｍ2 程度に調整することにより、１８０℃程度の温度を維持することができる。
【００５６】
次に、形状固定後、圧力容器１の内部を配管２２を通して１分間（ｔ5 ）間欠的に排気し、その後、圧力容器１の開口部の蓋１ａを開いて圧力容器１を開放して、１８０分（ｔ6 ）だけ放置して温度を４０℃（Ｔ3 ）にまで下げた後、成形木材１０を取り出した。
【００５７】
これにより、図１２に示す各木材についての結果が得られた。
図１２において、割れは、剥離、繊維方向の裂けなども含めた、片面のみに凹凸模様を形成した場合における圧縮成形後の成形木材の表面および内部状態の評価である。
また、色むらとは、圧縮成形後の濃色した成形木材の表面状態における、色むらの評価である。
また、転写性とは、上型８の凹凸模様が、成形木材にどれだけ美麗に転写されたかの評価である。
図１２に示すように、上型８に形成された凹凸模様のみを転写して、片面のみに凹凸模様を形成した場合には、割れがなく転写性も良好な木材は少なく、また水蒸気処理による圧縮成形の適用が、好適なものと不適なものとが存在した。
【００５８】
例えば、好適なものとして、割れ、転写性を中心に評価すると、アガチス、ポプラ、雲杉、ヒノキ、カツラなどであった。
それ以外は、不適なものであり、程度の差はあるが表面に割れが生じていた。
【００５９】
次に、上記の板状の木材のうちペルポックについて、およびスギ・ヒノキ混合の木粉末について、本発明の木材成形装置および成形方法を適用してみた。
なお、製造条件は、平坦な下型に代えて、上型８に形成された凹凸模様に対して反転形状の凹凸模様が形成された下型７を使用し、その他は上記と同様の条件で行った。
これにより、圧縮成形後、表面には割れなどがなく、転写性にも優れた良好なペルポックからなる成形木材が形成された。
また、木粉末についても、表面には割れや色むらなどがなく、転写性にも優れた良好な成形木材が形成された。
上記の実施例により、従来の水蒸気処理による圧縮成形において、適用が困難な木質材料においても、割れなどの不利益を最小限に抑制して、高品質な成形木材を形成できることがわかる。
【００６０】
【発明の効果】
本発明の木材成形装置によれば、木質材料へのプレス成形による圧縮率が比較的均一なことから、圧縮成形後の成形木材における表面あるいは内部の割れ、剥離、繊維方向の裂けなどの不利益を最小限に抑制しつつ、木質材料への模様の転写性を向上させることができる。
従って、木質材料へ転写する模様の圧縮の深さ、曲率などの制限を大きく改善でき、デザイン的な自由度を増大させることができる。
また、木質材料へのプレス成形による圧縮率が比較的均一なことから、成形木材の強度等の物性が均質となり、安定した品質を有する成形木材を形成することができる。
【００６１】
本発明の木材成形方法によれば、木質材料へのプレス成形による圧縮率が比較的均一なことから、圧縮成形後の成形木材における表面あるいは内部の割れ、剥離、繊維方向の裂けなどの不利益を最小限に抑制することができ、量産レベルにおいて、安定した品質を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は、本発明の成形木材の１例を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線における概略拡大断面図である。
【図２】図２（ａ）は本実施形態の木材成形装置を示す概略構成図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線における概略拡大断面図である。
【図３】図３（ａ）はセット前の被成形プレス部の構成を表す斜視図、図３（ｂ）はセット後の被成形プレス部の構成を表す斜視図である。
【図４】図４は、本発明に係る木材成形方法を説明するための各工程における時間−温度のグラフを示したものである。
【図５】図５は、図２（ａ）のＢ−Ｂ線における概略断面図の各工程における被成形プレス部の状態を表し、図５（ａ）は圧縮前の状態、図５（ｂ）は圧縮後の状態を示している。
【図６】図６は、第２実施形態を示したものであり、図６（ａ）は図３（ｂ）においてＡ方向から見た被成形プレス部の圧縮後の正面図、図６（ｂ）は図３（ｂ）においてＢ方向からみた被成形プレス部の圧縮後の側面図である。
【図７】図７は、第２実施形態における成形木材の離型方法の１例を示したものである。
【図８】図８は、第３実施形態を示したものであり、図８（ａ）は上型および下型に挟まれた成形木材の平面図、図８（ｂ）は使用する木材の平面図、図８（ｃ）は図８（ａ）においてＤ方向からみた側面図を示したものである。
【図９】図９は、第４実施形態を示したものであり、木材を使用する場合の被成形プレス部の１構成例を示したものである。
【図１０】図１０は、第５実施形態を示したものであり、木粉末試料を使用する場合の金枠の１構成例を示したものである。
【図１１】図１１は、本実施例で使用した各木質材料についての全乾比重、気乾比重、含水率（％）の算出結果を示したものである。
【図１２】図１２は、片面のみに凹凸模様を形成した場合の成形木材の評価結果を示したものである。
【符号の説明】
１…圧力容器、１ａ…蓋、２…成形プレス部、２ａ…プレスシリンダー、２ｂ…ピストンロッド、２ｃ…可動プレス板、３…被成形プレス部、４…架台、５…固定プレス板、６…金枠、７…下型、８…上型、９…スペーサ、１０…成形木材、１０ａ…木質材料（木材・木粉末）、１１…平坦部、１２…凸部模様、１５…突き出し治具、１５ａ…突起部、１６…クランプ、１７…側板、２０…制御装置、２１，２２，２３…配管、２１ａ，２２ａ，２３ａ…弁、３０…コンプレッサー、４０…ボイラー。
【発明の属する技術分野】
本発明は、家具、建材、楽器等に用いられる表面に凹凸模様を有する成形木材を得るための木材成形装置および木材成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
表面に凹凸模様を有する板状の木材あるいは木粉末などの木質材料は、その装飾性の観点から各種用途への利用が期待される。
木材の表面に凹凸模様を形成する方法としては、彫刻刀などで木材の表面を彫る方法が古くから知られている。しかし、その彫刻による凹凸模様を形成する場合には、彫刻作業に時間を要する他、均一な凹凸模様を得難いなどという問題がある。
一方、木粉末をフェノール樹脂により接着することにより形成されているハードボードやＭＤＦなどに、彫刻などによる２次加工により凹凸模様を施す場合には、上記の木材での問題に加えて、生分解性のないフェノールを含んだ廃材が出ることから、環境への配慮の観点から好ましくない。また、フェノール樹脂などの接着剤を使用するため、工程数が増加してしまうという問題もある。
【０００３】
上記の事情から、近年高温高圧の水蒸気雰囲気下で木質材料を加熱軟化させてプレスすることにより、所望の形状を有する成形木材とする方法が、開発されている。
【０００４】
例えば、特開平５−８２０２号公報においては、木材を水蒸気雰囲気内に置いて加熱することにより軟化させ、木材をプレス状態のままで高温高圧の雰囲気内に置くことにより、木材を形状固定させ、曲げ木を形成することとしている。
【０００５】
また、例えば、特開平１０−２３５６１９号公報においては、木材の平坦部の厚さ、凸部模様の頂点の高さおよび平坦部表面に対する立ち上がり角度を適正な範囲内に設定することによって、凸部模様を形成し、かつ割れなどの欠陥がない加工木材を形成することとしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の水蒸気処理による木材成形方法は、特開平５−８２０２号公報のように、板状の木材から曲げ木を形成するために使用されており、木材の表面に装飾性の優れた模様を形成する方法としては適用されていない。
また、特開平１０−２３５６１９号公報では、模様の圧縮の深さ、曲率、圧縮率を大きく制限することにより加工を可能にしているが、デザイン的な制約が大きく装飾性に欠けることとなる。
【０００７】
上述したように、水蒸気処理による木材成形方法によって、木質材料に装飾性の優れた凹凸模様を量産レベルで形成することは実際には非常に難しい。
すなわち、装飾性を重視して、圧縮率が模様の凹部と凸部で大きく変わってしまうような凹凸模様を形成すると、成形木材の表面あるいは内部に、割れ、剥離、繊維方向の裂けなどが増大してしまう他、圧縮率の高い凹部では、そこだけ水蒸気処理が進み、材料表面に液状化物質が形成されて成形木材が黒ずんだりしてしまい、美観を損ねてしまうという問題がある。また、圧縮率が高いと水分の蒸発が妨げられるため、生産性が悪くなってしまうという問題もある。
反対に、量産レベルでの不良率を低減するために、形成する凸部模様の高さ、あるいは凹部模様の深さを調整して上記の問題を回避しようとすると、不完全な転写になってしまうため、装飾性に優れる成形木材を形成することができなくなってしまうという問題がある。
【０００８】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、従って、本発明は、模様の圧縮深さや曲率の制限を大きく改善でき、装飾性に優れ、かつ材料表面および内部の割れ、剥離、繊維方向の裂けを低減でき、量産レベルにおいて安定した品質を図ることが可能な成形木材を形成する木材成形装置および木材成形方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の木材成形装置は、一方のプレス金型の凹部と、他方のプレス金型の凸部とが略重なり合う互いに反転形状の凹凸模様を有する１対のプレス金型と、木質材料を挟んだ前記一対のプレス金型を収容する金枠と、前記金枠に収容されるスペーサとを有する被プレス部と、前記被プレス部を収容し、内部に所定の圧力を有する水蒸気が供給される圧力容器と、前記圧力容器内において、前記被プレス部の前記金枠および前記スペーサをプレスするプレス部とを有する。
【００１０】
さらに、上記の目的を達成するため、本発明の木材成形方法は、一方のプレス金型の凹部と、他方のプレス金型の凸部とが略重なり合う互いに反転形状の凹凸模様を有する１対のプレス金型により木質材料を挟み、当該木質材料を挟んだ一対のプレス金型と、スペーサとを金枠に収容して被プレス部を形成する工程と、前記被プレス部を所定の圧力を有する水蒸気雰囲気内に置いて、前記被プレス部内の前記木質材料を加熱軟化させる工程と、前記被プレス部の前記金枠および前記スペーサをプレスして、前記木質材料の両面に凹凸模様を形成する工程と、前記被プレス部の前記金枠および前記スペーサをプレスした状態で、所定の圧力を有する水蒸気雰囲気に置いて、前記被プレス部内の前記木質材料を硬化させて形状固定する工程とを有する。
【００１１】
前記凹凸模様を形成する工程の前に、前記木質材料を加熱状態として当該木質材料の前記凹凸模様を形成するための圧縮方向とは異なる方向に圧縮する予備圧縮工程をさらに有する。
【００１２】
好適には、前記加熱軟化させる工程において、前記木質材料が軟化する温度になる圧力を有する水蒸気雰囲気内に置いて前記木質材料を加熱軟化させる。
【００１３】
好適には、前記形状固定する工程において、前記木質材料が硬化する温度になる圧力を有する水蒸気雰囲気内に置いて前記木質材料を形状固定する。
【００１４】
上記の本発明によれば、板状の木材、あるいは木粉末などからなる木質材料が所定の圧力の水蒸気雰囲気内において加熱されることにより、水蒸気を吸収して内部温度が上昇し、加熱軟化されることになる。
この加熱軟化された状態で、プレス金型を動作させて木質材料を圧縮して、当該木質材料に凹凸模様を転写し、当該圧縮状態を維持したままで、所定の圧力を有する水蒸気雰囲気に置かれることにより、木質材料は水蒸気によって化学変化を起こして圧縮による成形が固定され、その後の加熱や吸水により、当該成形が戻ることのない安定した成形木材が形成される。
上記の作用において、木質材料に凹凸模様を転写するプレス金型として、一方のプレス金型の凹部と、他方のプレス金型の凸部とが略重なり合う互いに反転形状の凹凸模様を有するプレス金型を使用することで、転写後の成形木材の厚さが略均一になることから、圧縮率が略均一となり、形状固定の過程において、割れ、剥離、繊維方向の裂けなどの不利益を抑制することができることとなる。
また、圧縮工程の前に、木質材料を加熱状態として当該木質材料に凹凸模様を形成する方向とは異なる方向に圧縮する予備圧縮工程を設けることで、当該予備圧縮された木材は、極めて圧縮成形しやすい状態となり、その後の圧縮成形をスムーズに行うことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の木材成形装置および成形方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１６】
図１（ａ）は、本発明の木材成形装置により形成された成形木材の１例を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線における概略拡大断面図である。
【００１７】
図１に示すように、成形木材１０は、板状の木材、あるいは木粉末などの木質材料が圧縮成形されて、実質的に表面平滑とされた平板部１１の表面に所定形状に盛り上がって突出した凸部模様１２が明瞭かつ外観美麗に形成されている。
【００１８】
成形木材１０は、木質材料として板状の木材を使用した場合には、略繊維方向に対して略直角の方向（放射方向あるいは接線方向）に圧縮されている。
ここで、繊維（Textile ）方向Ｌとは木目に沿った方向であり、放射（Radial) 方向Ｒは、繊維方向Ｌに直交しており樹木の中心から外側あるいは外側から中心に向かう方向をいい、接線（Tangential) 方向Ｔとは年輪に対する接線の方向をいう。
【００１９】
成形木材１０の表面には、例えば凸部模様が形成されており、また、成形木材１０の裏面には表面の凸部模様に対して反転形状の凹部模様が形成されている。すなわち、図１（ｂ）に示すように、成形木材１０の表面には例えば高さａの凸部模様１２ａが形成されており、その直下の裏面には深さａの凹部模様１３ａが形成されている。従って、表面の凸部模様１２ａと裏面の凹部模様１３ａとは、互いに反転形状となっている。
【００２０】
このように、成形木材１０の一方の面に例えば凸部模様１２ａを形成し、当該凸部模様の反転形状の凹部模様１３ａを他方の面に形成することにより、成形木材１０内の厚さを略一定（ｔb1＝ｔb2＝ｔb3）にすることができる。
ここで、圧縮成形前の木質材料の厚さをｔa 、圧縮形成後の成形木材の厚さをｔb とすると、圧縮率ｃは、下記の式（１）によって表せられる。
【００２１】
【数１】
ｃ（％）＝（（ｔa −ｔb ）／ｔa ）×１００ （１）
【００２２】
従って、圧縮成形後の成形木材内の厚さが略一定（ｔb1＝ｔb2＝ｔb3）であることから、圧縮率が成形木材内で略均一となっている。
【００２３】
次に、上記の成形木材を形成する本実施形態の木材成形装置について説明する。
【００２４】
図２（ａ）は本実施形態の木材成形装置を示す概略構成図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線における概略拡大断面図である。
図２に示す木材成形装置は、圧力容器１と、成形プレス部２と、被成形プレス部３と、制御装置２０と、コンプレッサー３０と、ボイラー４０などから構成されている。
【００２５】
圧力容器１は、高温高圧の状態に耐えられるように例えば高強度の鋼またはステンレスで製作された有底筒体からなり、その開口部には、蓋１ａが開閉可能に取り付けられている。この圧力容器１には、配管２１を通して水蒸気が内部に供給され、かつ配管２２を通して圧力容器１の内部を除圧するための排気が行われ、かつ配管２３を通して圧力容器１内に残留した水等が外部に排出される。
【００２６】
成形プレス部２は、圧力容器１の上部外側に適当な手段にて取り付け固定されたプレスシリンダー２ａと、圧力容器１の周壁を気密に貫通するピストンロッド２ｂと、ピストンロッド２ｂの先端部に取り付け固定された可動プレス板２ｃにより構成されている。
【００２７】
制御装置２０は、各種の制御を行うものであり、コンプレッサー（compressor: 圧縮機）３０による空気圧により各々の弁（２１ａ、２２ａ、２３ａ）を制御することとしている。
具体的には、圧力容器１内の水蒸気圧の制御を、水蒸気用弁２１ａを調整することにより、ボイラー４０から供給される水蒸気の供給を調整して行う。
また、圧力容器１の排気制御を排気用弁２２ａを調整することにより行う。
また、圧力容器１内に残留した水の排出制御をドレン用弁２３ａを調整することにより行う。
また、蓋１ａやプレスシリンダー２ａとも接続されており、扉の開閉制御やプレス制御を行う。
なお、圧力容器１中に設けられた不図示の温度計や圧力計を介して、制御装置２０により、温度、圧力をモニタ可能としている。
【００２８】
被成形プレス部３は、架台４に取り付けられた固定プレス板５に載置されている。
図３に被成形プレス部３の構成を表す斜視図を示す。図３（ａ）に示すように、コの字型の溝を有する金枠６に、下型７、木質材料１０ａ、上型８、スペーサ９をセットすることにより、図３（ｂ）に示すような被成形プレス部３が構成されることになる。
上型８と下型７からなるプレス金型の対向面には、木質材料に転写するための不図示の凹凸模様が形成されている。この上型８と下型７の凹凸模様は、互いに反転形状の凹凸模様を有しており、従って上型８と下型７の対向面を合わせると上型の例えば凸模様が下型の例えば凹模様にはめ込まれるように形成されている。
スペーサ９は、成形木材１０の厚さを決定するためのもので、所望の成形木材１０の厚さに応じて適当に交換することができることとなっている。
【００２９】
次に、上記の本実施形態の木材成形装置を用いた木材成形方法について説明する。
ここで、本発明の木材成形方法には、気乾状態の木質材料を使用することが好ましい。ここで、気乾状態とは、空気中で乾燥した場合における含水状態をいい、内部には水分を含んだ状態である。気乾状態における含水率は、木材の乾燥方法や湿度により変化するが平均して８〜１５％程度である。
気乾状態の木質材料を使用するのは、一般的に材料の入手が容易だからである。
なお、気乾状態の木質材料は、例えば天然乾燥の他、温度や湿度を制御した乾燥機による人工乾燥など、適当な方法により形成される。
【００３０】
図４は、本発明に係る木材成形方法を説明するための各工程における時間−温度のグラフであり、図５は、図２（ａ）のＢ−Ｂ線における概略断面図の各工程における被成形プレス部の状態を表し、図５（ａ）は圧縮前の状態、図５（ｂ）は圧縮後の状態を示している。
【００３１】
まず、金枠６に、下型７、木質材料１０ａ、上型８、およびスペーサ９をセットして、被成形プレス部３を形成する。
【００３２】
次に、圧力容器１の開口部の蓋１ａを開いて、圧力容器１を開放し、上記の被成形プレス部３を圧力容器１の内部に搬入して、固定プレス板５の上に載置する。
【００３３】
次に、図５（ａ）に示すように、圧力容器１の蓋を閉じて、圧力容器１を密封した後、圧力容器１の内部に配管２１を通して、水蒸気を供給し、５分程度（ｔ1 ）で温度を木材の軟化温度として８０℃程度（Ｔ1 ）にまで上昇させ、この水蒸気雰囲気内で被成形プレス部３を加熱する。
そして、この軟化温度Ｔ1 の状態で木質材料１０ａを３０分程度（ｔ2 ）加熱すると、木質材料１０ａは水蒸気および水蒸気によって加熱された金型の熱を吸収して、軟化する。
上記の木質材料の水蒸気による軟化機構は、木材の主成分であるヘミセルロースおよびリグニンが軟化して低分子化し、かつ木材の主成分であるセルロースが高温高圧の水蒸気により非晶質領域において結合が切断され、結晶形態が変化するためと考えられている。
【００３４】
次に、図５（ｂ）に示すように、プレスシリンダー２ａにより可動プレス板２ｃを降下させて、固定プレス板５上に載置された被成形プレス部３のスペーサ９を押圧し、上型８および下型７により木質材料１０ａに所望の模様を転写する。なお、この時、木質材料１０ａを断面積比で４／５〜１／３程度に圧縮してもよい。
この木質材料１０ａの圧縮の程度は、スペーサ９の金枠６から突き出た高さにより、調整することができる。
【００３５】
次に、圧縮された木質材料１０ａをプレス状態のままで、圧力容器１内に水蒸気を供給することにより、２０分程度（ｔ3 ）で１８０℃程度の形状固定温度Ｔ2 にまで上昇させて、当該形状固定温度Ｔ2 で２０分程度（ｔ4 ）、水蒸気によって加熱することにより、木質材料１０ａは、高温の水蒸気によって化学変化を起こして、プレス成形による変形が固定化される。なお、圧力容器１内の蒸気圧を、１０ｋｇ／ｃｍ2 程度に調整することにより、１８０℃程度の温度を維持することができる。
上記の高温高圧の水蒸気処理によって圧縮成形された木質材料１０ａの形状固定化の機構は、主として木材中のセルロースの結晶構造変化に起因していると考えられている。
【００３６】
次に、圧縮成形による木質材料１０ａの変形が固定化されると、圧力容器１の内部を配管２２を通して１分程度（ｔ5 ）間欠的に排気させて除圧し、その後、圧力容器１の開口部の蓋１ａを開いて圧力容器１を開放して、１８０分程度（ｔ6 ）だけ放置して温度を４０℃程度（Ｔ3 ）にまで下げる。なお、冷却するための時間ｔ6 を短縮するために、強制冷却（空冷、水冷）などを行ってもよい。
【００３７】
次に、被成形プレス部３を圧力容器１から取り出して、成形木材を金型から離型することにより図１に示す成形木材１０に至る。
【００３８】
上記の本実施形態に係る木材成形装置および木材成形方法では、木質材料として、板状の木材を使用する場合と木粉末を使用する場合とで、それぞれ以下の効果を有する。
【００３９】
板状の木材を使用する場合
この場合には、圧縮率が比較的均一なことから、成形木材における表面あるいは内部の割れ、剥離、繊維方向の裂けなどの不利益を最小限に抑制しながら、上型８と下型７からの木材への模様の転写性を向上することができ、量産レベルにおいて、安定した品質を図ることが可能となる。
また、木材への圧縮率が比較的均一なことから、上型８と下型７の仕上げの面精度により、成形木材１０の表面の面精度が決まるため、後に研磨をすることなく品質の安定化を図ることができる。
また、圧縮成形時に割れが生じたとしても、上型８および下型７により拘束されているため、上型８および下型７の形状で固定することができ、後に研磨を少し行うことにより、良好な表面の面精度を保持することができる。
従って、木材へ転写する模様の圧縮の深さ、曲率、圧縮率の制限を大きく改善でき、デザイン的な自由度を増大させることができる。
また、圧縮率を比較的均一にできることから、成形木材の物性が均質となるため、軟化・形状固定の反応機構が安定し、量産レベルでの品質が確保されることから、合理化かつ省力化を図ることができる。
【００４０】
木粉末を使用する場合
この場合には、圧縮率が比較的均一なことから、成形木材の強度等の物性が均質となり、安定した品質を有する成形木材を形成することができる。
圧縮率が比較的均一なことから、圧縮によって濃色化した部分の色むらが少なく、後の着色塗装が容易となる。
また、木材に比してさらに割れなどが生じにくくなるため、凹凸模様を無理なく大きく形成できる。
【００４１】
第２実施形態
本実施形態では、実質的には第１実施形態と同様であるが、木質材料として板状の木材を使用した場合に、プレス時に横方向に広がることによる成形木材１０の上型８、下型７および金枠６からの離型が困難な場合もあるため、被成形プレス部を以下に示すような構造にする。
図６（ａ）は図３（ｂ）においてＡ方向から見た被成形プレス部３の圧縮後の正面図、図６（ｂ）は図３（ｂ）においてＢ方向からみた被成形プレス部３の圧縮後の側面図である。
図６（ａ）に示すように、圧縮後の成形木材１０の金型（上型８および下型７の他、金枠６を含む）からの離型の困難さを考慮して、金枠６の溝において、例えば角度ｘ（例えば２度）のテーパーを設けている。
また、金枠６の底面に開口部６ａを設け、上型８および下型７に挟まれた成形木材１０を、開口部６ａに挿入し、かつ下型７を押圧することが可能な高さの突起部１５ａを有する突き出し治具１５を使用して離型する。
上記の構造により、図７（ａ）に示すように、突き出し治具１５上に、突起部１５ａが開口部６ａに挿入されるようにして金枠６を設置し、突き出し治具１５に対して金枠６を降下させることで、突起部１５ａにより下型７が押され、上型８および下型７に挟まれた成形木材１０が金枠６から押し出されることになる。
その後、図７（ｂ）に示すように、上型８と下型７を離反させることにより、成形木材１０が金型から離型されることになる。
【００４２】
第３実施形態
本実施形態においても、実質的には第１実施形態と同様であるが、木質材料として板状の木材を使用した場合に、プレス時に横方向に広がることによる成形木材１０の上型８、下型７および金枠６からの離型が困難な場合もあるため、被成形プレス部を以下に示すような構造にする。
図８（ａ）は上型８および下型７に挟まれた成形木材１０の平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）の木材１０の平面図、図８（ｃ）は図８（ａ）においてＤ方向からみた側面図を示したものである。
図８（ａ）に示すように、あらかじめ下型７の例えば四隅にクランプ１６を設置して下型７を金枠６に固定しておき、成形対象の木質材料１０ａも図８（ｂ）に示すように、クランプ１６が形成された下型７の形状に合わせ、かつ金型（７，８）からはみ出るように加工したものを使用して、下型７上に設置して圧縮成形を行う。
圧縮成形後、成形木材１０の金型（７，８）からはみ出した部分に力を加えて上方へ引き上げて、金枠６に固定された下型７から離型させる。その後、上型８から離型させることにより、成形木材１０が金型から離型されることになる。
【００４３】
第４実施形態
本実施形態においても、実質的には第１実施形態と同様であるが、木質材料として板状の木材を使用した場合に、プレス時に横方向に広がることによる成形木材１０の上型８、下型７および金枠６からの離型が困難な場合もあるため、被成形プレス部を以下に示すような構造にする。
図９は、上型８および下型７に挟まれた成形木材１０の概略構成図を示したものである。図９に示す上型８と下型７では、それぞれ開口部（８ａ、７ａ）を設けてある。
そして、第２実施形態と同様にして金枠６から上型８および下型７に挟まれた成形木材１０を取り出した後、開口部（８ａ、７ａ）に挿入し、かつ成形木材１０を押圧することが可能な高さの突起部１５ａを有する突き出し治具１５を使用する。
すなわち、突き出し治具１５上に、突起部１５ａ部分が開口部（８ａ、７ａ）に挿入されるようにして上型８および下型７に挟まれた成形木材１０を設置し、突き出し治具１５に対して下型７を降下させることで、突起部１５ａにより成形木材１０が押され、上型８および下型７に挟まれた成形木材が下型７から離型されることになる。同様にして、成形木材１０を上型からも離型することにより、成形木材１０が金型から離型されることになる。
【００４４】
第５実施形態
本実施形態では、実質的には第１実施形態と同様であるが、木質材料として木粉末を使用した場合に、被成形プレス部の構造を以下に示すような構造にする。
図１０（ａ）は、木粉末に使用する金枠６の上面図を示したものであり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）においてＥ方向から見た側面図である。
図１０に示す金枠６では、金枠６の開放されている側面に、ボルトなどにより、側板１７を取り付けることとしたものである。
また、図１０（ｂ）に示すように、金枠６の底面に開口部６ａを設け、第２実施形態と同様に、上型８および下型７に挟まれた成形木材１０を、金枠６から取り出すこととしたものである。
上記の構造とするのは、木粉末を使用する場合には、金枠６の側面が開放されていると、当該開放されている側面から木粉末が溢れてしまい、その結果、成形木材の厚さの不均一による圧縮率の変動を防止するためである。
【００４５】
本発明の木材成形装置および成形方法の実施形態は、上記の説明に限定されない。
例えば、本発明の各工程における温度、時間、圧力などの製造条件は、木質材料１０ａの元となる樹木の種類、木質材料１０ａの大きさ、木質材料１０ａの物理的性質（比重、含水率等）等によって、種々の条件を採用することができる。
また、圧縮成形する方向は、本実施形態において説明した方向に限定されるものではなく、種々の方向に圧縮成形することができる。
また、木質材料１０ａに転写する凹凸模様の形状に特に限定はなく、例えば、直線状や曲線状、格子状などを組み合わせた模様の他、記号、数字、文字など、およびこれらを組み合わせたものであってもよい。
【００４６】
また、圧縮工程前に、予備圧縮工程を設けることも効果的である。
例えば、加熱状態で、圧縮成形を行う方向とは異なる方向に木材を予備圧縮した後に、本実施形態における圧縮工程を行う。
加熱状態で予備圧縮された木材は、極めて圧縮成形しやすい状態となる。
これにより、その後の圧縮成形をスムーズに行うことができ、すなわち、割れ、裂け、剥離を低減でき、安定した品質を確保することが可能となる。また、成形プレス前に予備圧縮を行うので、工程上も非常に効率的である。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【００４７】
【実施例】
以下に、本発明に係る木材成形装置を用いて、成形木材を形成した実施例について説明する。
【００４８】
まず、板状の木材として、ペルポック、ラミン、メランティ、アガチス、ポプラ、アルダー、アユース、雲杉、ラジアータパイン、米松、ゴム、セン、ブナ、ナラ、スギ、ヒノキ、カラマツ、カツラ、ナトーの１９種類を使用し、木粉末として大きさが３５５μｍのスギとヒノキを混合したものを使用して、従来の片面のみに凹凸模様を形成する圧縮成形を行った。
【００４９】
ここで、本実施例で使用した木材の物性として、全乾比重、気乾比重、含水率（％）について、算出した。
【００５０】
上記の物性値の算出方法としては、まず、各木材についての全乾状態のＴ方向長さ（ｍｍ）、Ｒ方向長さ（ｍｍ）、Ｌ方向長さ（ｍｍ）、全乾重量（ｇ）を測定し、全乾比重を算出した。
次に、各木材について気乾状態のＴ方向長さ（ｍｍ）、Ｒ方向長さ（ｍｍ）、Ｌ方向長さ（ｍｍ）、気乾重量（ｇ）を測定し、気乾比重を算出した。
ここで、Ｌ方向とは木材の繊維（Textile ）方向、Ｒ方向とは放射（Radial)方向、Ｔ方向とは接線（Tangential) 方向を意味する。
また、全乾状態とは、木材を１００〜１１０℃で重量変化がなくなるまで乾燥した状態で、木材中に吸収された水分がほとんどない状態をいう。
また、気乾状態とは、空気中で乾燥した状態で、内部には水分を含む状態をいう。
上記の全乾比重および気乾比重とは、全乾状態あるいは気乾状態時における重量を容積で割ったものを意味する。
【００５１】
含水率ｕ（％）は、全乾重量をＷ0 、気乾重量をＷu とすると、下記の式（２）によって算出される。
【００５２】
【数２】
ｕ（％）＝（（Ｗu −Ｗ0 ）／Ｗ0 ）×１００ （２）
【００５３】
図１１に、全乾比重、気乾比重、気乾状態の含水率の算出結果を示す。
なお、図１１には、各木材について３つのサンプルの気乾状態と全乾状態の重量、Ｔ方向、Ｒ方向、およびＬ方向の寸法を測定し、全乾比重、気乾比重、含水率を算出した平均値を掲載してある。
また、木粉末については、含水率のみを掲載した。
【００５４】
図１１に示す気乾状態の木材・木粉末を用いて、本実施形態に係る木材成形装置において上型８の凹凸模様のみを木材の片面に転写して、図１（ａ）に示すような凹凸模様を片面に有する成形木材を形成した。
ここで、圧縮成形に使用した木材は、Ｔ方向の長さが４９．０（ｍｍ）、Ｒ方向の長さが１２（ｍｍ）、Ｌ方向の長さが２８０（ｍｍ）ものを使用し、Ｒ方向に圧縮成形した（図１（ａ）参照）。
また、圧縮成形後の成形木材の長さは、Ｔ方向の長さが４９．０（ｍｍ）、Ｒ方向の長さが平坦部において６（ｍｍ）、Ｌ方向の長さが２８０（ｍｍ）であった。
また、上型８および下型７は、幅（Ｔ方向に対応）が５０（ｍｍ）、厚み（Ｒ方向に対応）が１２（ｍｍ）、長さ（Ｌ方向に対応）が３００（ｍｍ）のものを使用し、材質はアルミ製のものを使用した。
また、上型８は、木材へ転写する凹凸模様が形成されているものを使用し、下型７には、凹凸模様が形成されていない平坦なものを使用した。
【００５５】
つぎに、製造条件について図４を参照して説明する。
金枠６に、下型７、木質材料１０ａ、上型８、スペーサ９をセットして、被成形プレス部３を形成し、圧力容器１へ搬入後、圧力容器１の蓋１ａを閉じて、圧力容器１の内部に水蒸気を供給し、時間５分（ｔ1 ）で温度を木材の軟化温度として８０℃（Ｔ1 ）にまで上昇させた。
そして、軟化工程では、この軟化温度８０℃（Ｔ1 ）の状態で木質材料１０ａを３０分（ｔ2 ）だけ加熱して、木質材料１０ａを軟化させた。
次に、形状固定の工程では、３０〜２５０ｋｇ×２の力でプレスした。
そして、この後、木質材料１０ａをプレス状態のままで、圧力容器１内に水蒸気を供給することにより、２０分（ｔ3 ）で１７５℃（Ｔ2 ）にまで上昇させて、当該形状固定温度１７５℃（Ｔ2 ）を保ちながら、２０分（ｔ4 ）間加熱して形状固定を行った。なお、圧力容器１内の蒸気圧を、９．０ｋｇ／ｃｍ2 程度に調整することにより、１８０℃程度の温度を維持することができる。
【００５６】
次に、形状固定後、圧力容器１の内部を配管２２を通して１分間（ｔ5 ）間欠的に排気し、その後、圧力容器１の開口部の蓋１ａを開いて圧力容器１を開放して、１８０分（ｔ6 ）だけ放置して温度を４０℃（Ｔ3 ）にまで下げた後、成形木材１０を取り出した。
【００５７】
これにより、図１２に示す各木材についての結果が得られた。
図１２において、割れは、剥離、繊維方向の裂けなども含めた、片面のみに凹凸模様を形成した場合における圧縮成形後の成形木材の表面および内部状態の評価である。
また、色むらとは、圧縮成形後の濃色した成形木材の表面状態における、色むらの評価である。
また、転写性とは、上型８の凹凸模様が、成形木材にどれだけ美麗に転写されたかの評価である。
図１２に示すように、上型８に形成された凹凸模様のみを転写して、片面のみに凹凸模様を形成した場合には、割れがなく転写性も良好な木材は少なく、また水蒸気処理による圧縮成形の適用が、好適なものと不適なものとが存在した。
【００５８】
例えば、好適なものとして、割れ、転写性を中心に評価すると、アガチス、ポプラ、雲杉、ヒノキ、カツラなどであった。
それ以外は、不適なものであり、程度の差はあるが表面に割れが生じていた。
【００５９】
次に、上記の板状の木材のうちペルポックについて、およびスギ・ヒノキ混合の木粉末について、本発明の木材成形装置および成形方法を適用してみた。
なお、製造条件は、平坦な下型に代えて、上型８に形成された凹凸模様に対して反転形状の凹凸模様が形成された下型７を使用し、その他は上記と同様の条件で行った。
これにより、圧縮成形後、表面には割れなどがなく、転写性にも優れた良好なペルポックからなる成形木材が形成された。
また、木粉末についても、表面には割れや色むらなどがなく、転写性にも優れた良好な成形木材が形成された。
上記の実施例により、従来の水蒸気処理による圧縮成形において、適用が困難な木質材料においても、割れなどの不利益を最小限に抑制して、高品質な成形木材を形成できることがわかる。
【００６０】
【発明の効果】
本発明の木材成形装置によれば、木質材料へのプレス成形による圧縮率が比較的均一なことから、圧縮成形後の成形木材における表面あるいは内部の割れ、剥離、繊維方向の裂けなどの不利益を最小限に抑制しつつ、木質材料への模様の転写性を向上させることができる。
従って、木質材料へ転写する模様の圧縮の深さ、曲率などの制限を大きく改善でき、デザイン的な自由度を増大させることができる。
また、木質材料へのプレス成形による圧縮率が比較的均一なことから、成形木材の強度等の物性が均質となり、安定した品質を有する成形木材を形成することができる。
【００６１】
本発明の木材成形方法によれば、木質材料へのプレス成形による圧縮率が比較的均一なことから、圧縮成形後の成形木材における表面あるいは内部の割れ、剥離、繊維方向の裂けなどの不利益を最小限に抑制することができ、量産レベルにおいて、安定した品質を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は、本発明の成形木材の１例を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線における概略拡大断面図である。
【図２】図２（ａ）は本実施形態の木材成形装置を示す概略構成図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線における概略拡大断面図である。
【図３】図３（ａ）はセット前の被成形プレス部の構成を表す斜視図、図３（ｂ）はセット後の被成形プレス部の構成を表す斜視図である。
【図４】図４は、本発明に係る木材成形方法を説明するための各工程における時間−温度のグラフを示したものである。
【図５】図５は、図２（ａ）のＢ−Ｂ線における概略断面図の各工程における被成形プレス部の状態を表し、図５（ａ）は圧縮前の状態、図５（ｂ）は圧縮後の状態を示している。
【図６】図６は、第２実施形態を示したものであり、図６（ａ）は図３（ｂ）においてＡ方向から見た被成形プレス部の圧縮後の正面図、図６（ｂ）は図３（ｂ）においてＢ方向からみた被成形プレス部の圧縮後の側面図である。
【図７】図７は、第２実施形態における成形木材の離型方法の１例を示したものである。
【図８】図８は、第３実施形態を示したものであり、図８（ａ）は上型および下型に挟まれた成形木材の平面図、図８（ｂ）は使用する木材の平面図、図８（ｃ）は図８（ａ）においてＤ方向からみた側面図を示したものである。
【図９】図９は、第４実施形態を示したものであり、木材を使用する場合の被成形プレス部の１構成例を示したものである。
【図１０】図１０は、第５実施形態を示したものであり、木粉末試料を使用する場合の金枠の１構成例を示したものである。
【図１１】図１１は、本実施例で使用した各木質材料についての全乾比重、気乾比重、含水率（％）の算出結果を示したものである。
【図１２】図１２は、片面のみに凹凸模様を形成した場合の成形木材の評価結果を示したものである。
【符号の説明】
１…圧力容器、１ａ…蓋、２…成形プレス部、２ａ…プレスシリンダー、２ｂ…ピストンロッド、２ｃ…可動プレス板、３…被成形プレス部、４…架台、５…固定プレス板、６…金枠、７…下型、８…上型、９…スペーサ、１０…成形木材、１０ａ…木質材料（木材・木粉末）、１１…平坦部、１２…凸部模様、１５…突き出し治具、１５ａ…突起部、１６…クランプ、１７…側板、２０…制御装置、２１，２２，２３…配管、２１ａ，２２ａ，２３ａ…弁、３０…コンプレッサー、４０…ボイラー。
Claims (5)
- 一方のプレス金型の凹部と、他方のプレス金型の凸部とが略重なり合う互いに反転形状の凹凸模様を有する１対のプレス金型と、
木質材料を挟んだ前記一対のプレス金型を収容する金枠と、
前記金枠に収容されるスペーサと
を有する被プレス部と、
前記被プレス部を収容し、内部に所定の圧力を有する水蒸気が供給される圧力容器と、
前記圧力容器内において、前記被プレス部の前記金枠および前記スペーサをプレスするプレス部と
を有する木材成形装置。 - 一方のプレス金型の凹部と、他方のプレス金型の凸部とが略重なり合う互いに反転形状の凹凸模様を有する１対のプレス金型により木質材料を挟み、当該木質材料を挟んだ一対のプレス金型と、スペーサとを金枠に収容して被プレス部を形成する工程と、
前記被プレス部を所定の圧力を有する水蒸気雰囲気内に置いて、前記被プレス部内の前記木質材料を加熱軟化させる工程と、
前記被プレス部の前記金枠および前記スペーサをプレスして、前記木質材料の両面に凹凸模様を形成する工程と、
前記被プレス部の前記金枠および前記スペーサをプレスした状態で、所定の圧力を有する水蒸気雰囲気に置いて、前記被プレス部内の前記木質材料を硬化させて形状固定する工程と
を有する木材成形方法。 - 前記凹凸模様を形成する工程の前に、
前記木質材料を加熱状態として当該木質材料の前記凹凸模様を形成するための圧縮方向とは異なる方向に圧縮する予備圧縮工程をさらに有する
請求項２記載の木材成形方法。 - 前記加熱軟化させる工程において、前記木質材料が軟化する温度になる圧力を有する水蒸気雰囲気内に置いて前記木質材料を加熱軟化させる
請求項２記載の木材成形方法。 - 前記形状固定する工程において、前記木質材料が硬化する温度になる圧力を有する水蒸気雰囲気内に置いて前記木質材料を形状固定する
請求項２記載の木材成形方法。
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