(57)【要約】【課題】一つの木材と他の木材とを突き当てた状態で、突き当てた部分を、接着剤を用いずに、数秒程度の短時間で接合する木材の超音波接合方法と木材の超音波接合装置を提供することを第一の目的としている。少なくとも木製の額縁として利用できる程度の接合強度を付与する木材の超音波接合方法と木材の超音波接合装置を提供することを第二の目的としている。【解決手段】重ねた一対の木材（１、５）の下面の周囲を載置台（７）に載せ、前記重ねた一対の木材（１、５）の上面を超音波振動する工具ホーン（６）の加工面で押圧して、前記重ねた一対の木材（１、５）に超音波振動エネルギーを付与し、前記重ねた一対の木材（１、５）を超音波振動させることにより、主として前記重ねた一対の木材（１、５）の成分であるリグニンを加熱して溶融させ、前記重ねた一対の木材（１、５）の接合面を接合するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の木材を超音波振動により接合する超音波接合方法であって、
前記複数の木材を重ね、
前記重ねた複数の木材の前記超音波振動方向における一端面の周縁部分を載置台で支持し、
前記重ねた複数の木材の前記超音波振動方向における他端面を工具ホーンの加工面で押圧し、
前記工具ホーンを超音波振動させて、前記工具ホーンの加工面から前記複数の木材に超音波振動エネルギーを付与し、
前記複数の木材を超音波振動させて、少なくとも前記複数の木材の成分であるリグニンを加熱して溶融し、
前記複数の木材の当接面を接合するようにしたことを特徴とする木材の超音波接合方法。
【請求項２】
複数の木材に超音波振動を与えて接合する超音波接合方法であって、
前記複数の木材の木口を重ね、
前記重ねた複数の木材の前記超音波振動方向における一端面の周縁部分を載置台で支持し、
前記重ねた複数の木材の前記超音波振動方向における他端面を工具ホーンの加工面で押圧し、
前記工具ホーンを超音波振動させて、前記工具ホーンの加工面から前記複数の木材に超音波振動エネルギーを付与し、
前記複数の木材を超音波振動させて、少なくとも前記複数の木材の成分であるリグニンを加熱して溶融し、
前記複数の木材の当接面を接合するようにしたことを特徴とする木材の超音波接合方法。
【請求項３】
複数の木材に超音波振動を与えて接合する超音波接合装置であって、
重ねた前記複数の木材の前記超音波振動方向における一端面の周縁部分を支持する載置台と、
前記重ねた複数の木材の前記超音波振動方向における他端面を押圧する加工面を有する工具ホーンと、
前記工具ホーンを支持し前記複数の木材を押圧させる押圧手段と、
前記工具ホーンを超音波振動させる超音波振動手段と、を有し、
前記重ねた複数の木材の前記超音波振動方向における一端面の周縁部分を載置台で支持し、前記重ねた複数の木材の前記超音波振動方向における他端面を前記押圧手段を用いて前記工具ホーンの加工面で押圧し、前記工具ホーンを前記超音波振動手段により超音波振動させて、前記工具ホーンの加工面から前記複数の木材に超音波振動エネルギーを付与し、前記複数の木材を超音波振動させて、少なくとも前記複数の木材の成分であるリグニンを加熱して溶融し、前記複数の木材の当接面を接合するようにしたことを特徴とする木材の超音波接合装置。
【請求項４】
複数の木材に超音波振動を与えて接合する超音波接合装置であって、
それぞれの木口を重ねた前記複数の木材の前記超音波振動方向における一端面の周縁部分を支持する載置台と、
前記重ねた複数の木材の前記超音波振動方向における他端面をで押圧する加工面を有する工具ホーンと、
前記工具ホーンを支持し前記複数の木材を押圧させる押圧手段と、
前記工具ホーンを超音波振動させる超音波振動手段と、を有し、
前記重ねた複数の木材の前記超音波振動方向における一端面の周縁部分を載置台で支持し、前記重ねた複数の木材の前記超音波振動方向における他端面を前記押圧手段を用いて前記工具ホーンの加工面で押圧し、前記工具ホーンを前記超音波振動手段により超音波振動させて、前記工具ホーンの加工面から前記複数の木材に超音波振動エネルギーを付与し、前記複数の木材を超音波振動させて、少なくとも前記複数の木材の成分であるリグニンを加熱して溶融し、前記複数の木材の当接面を接合するようにしたことを特徴とする木材の超音波接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、木材の超音波接合方法と木材の超音波接合装置に関し、特に一つの木材を他の木材に当接した状態で接合する木材の超音波接合方法と木材の超音波接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
木材の加工に超音波振動を用いる取り組みとして、木材の表面処理に超音波振動を用いて表面硬化やエンボス加工など表面を加飾することが検討され、一定の効果が確認されている。一方、超音波振動を木材接合に用いる取り組みも行われているが、対象がベニヤ板などの薄板であり、また、十分な強度は得られていない（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、比較的小さい接合強度でも、ある程度厚みのある木材を接合できれば、例えば、小さな写真や絵画を飾る木製額縁の木片の接合に適用できる。木製額縁は、机上に置いたとき、あるいは壁に掛けたときに枠型形状を保持する接合強度があればよい。現在、木製額縁の接合方法としては、端部を斜めにカットした横枠と縦枠、あるいは図１３に示したように、端部を直角にカットした縦枠１１０と横枠１２０を嵌め合わせたり、接着剤を塗布したり、縁金を止着したりして連結する方法が行われている（例えば、特許文献１、文献２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｇ．Ｔｏｎｄｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ａｄｈｅｓｉｏｎ  Ｓｅｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．２１（１６），１６３３−１６３４，２００７
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−６８２０６号公報
【特許文献２】実開平２−１０３３５４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、ある程度厚みのある木材を接合する場合において、一つの木材と他の木材を凹凸嵌合させて組み立てた後、接合部分に接着剤を塗布して接合するのでは、凹凸嵌合部分の形状を精度よく加工しなければならない、接着剤が乾燥するのに時間がかかる、また、縁金を止着するのでは接続金具とネジという別部品がいる、という問題がある。そのため、精度よく加工した凹凸嵌合部分が要らず、接着剤や縁金も不要な、木材の超音波接合方法と木材の超音波接合装置が望まれている。例えば、超音波振動で瞬時に木材を接合できれば、実用的価値が認められる。
【０００７】
そこで本発明は、一つの木材を他の木材に当接した状態で超音波振動を数秒程度付与することにより、一定程度の接合強度を得る木材の超音波接合方法と木材の超音波接合装置を提供することを課題としている。
より具体的には、一つの木材を他の木材に当接した状態で超音波振動を数秒程度付与することにより、少なくとも木製額縁として利用できる程度の接合強度を付与する木材の超音波接合方法と木材の超音波接合装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の木材の超音波接合方法と木材の超音波接合装置は、複数の木材を重ね、重ねた複数の木材の超音波振動方向における一端面の周縁部分を支持し、複数の木材の超音波振動方向における他端面を工具ホーンの加工面で押圧し、工具ホーンを超音波振動させて、工具ホーンの加工面から複数の木材に超音波振動エネルギーを付与し、複数の木材を超音波振動させて、少なくとも一対の木材の成分であるリグニンを加熱して溶融し、複数の木材の当接面を接合している。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の木材の超音波接合方法と木材の超音波接合装置によれば、一つの木材を他の木材を当接した状態で超音波振動を数秒程度付与することにより、当接面を、接着剤や縁金を用いずに、短時間で接合することができる。
また、本発明の木材の超音波接合方法と木材の超音波接合装置によれば、少なくとも木製額縁として利用できる程度の接合強度を付与することができるので、木製額縁や美術工芸品などの木工品の木材接合を、接着剤や接続金具を用いずに行えるという効果がある。
【００１０】
また、本発明の木材の超音波接合方法と木材の超音波接合装置を用いて、比較的高級な木製割箸を再接合してリサイクルすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第一の実施の形態にかかる木材の超音波接合装置の一部を断面とした側面図。
【図２】本発明の第一の実施の形態にかかる一対の木材と工具ホーンと載置台の位置関係を示した写真。
【図３】本発明の第一の実施の形態にかかる一対の木材の木口を近づけたときの木材の内部を概念的に示した図。
【図４】本発明の第一の実施の形態にかかる一対の木材の木口を当接したときの木材の内部を概念的に示した図。
【図５】本発明の第一の実施の形態にかかる一対の木材と工具ホーンと載置台の位置関係を示した図。
【図６】（ａ）本発明の第一の実施の形態にかかる超音波接合装置の工具ホーンの押圧面が下向きに超音波振動している状態を示した概念図（ｂ）本発明の第一の実施の形態にかかる超音波接合装置の工具ホーンの押圧面が上向きに超音波振動している状態を示した概念図。
【図７】本発明の第一の実施の形態にかかる超音波接合装置で一対の木材を超音波振動溶着したときの温度上昇の状況を示したグラフの写真。
【図８】一対の木材を、本発明の第一の実施の形態にかかる超音波接合装置で超音波振動溶着して三点曲げ試験した後、試験片を複数並べて写した写真。
【図９】本発明の第二の実施の形態にかかる木材と工具ホーンと載置台の位置関係を示した図。
【図１０】本発明の第二の実施の形態にかかる超音波接合装置で接合した木材を示した図。
【図１１】本発明の第三の実施の形態にかかる木材と工具ホーンと載置台の位置関係を示した図。
【図１２】本発明の第三の実施の形態にかかる超音波接合装置で接合した割箸を示した図。
【図１３】従来の木製の額縁の横枠と縦枠を分離して示した斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第一の実施の形態）
図１に、本発明の第一の実施の形態にかかる木材の超音波接合装置の一部を断面とした側面図を示した。図１において、本発明の超音波接合装置は、図示しない発振器により駆動される振動子８（超音波振動手段）と、振動子８を組み込んだ固定ホーン９と、工具ホーン６とを一体に連結して可動枠１０に組付け、可動枠１０ごと固定枠１１に沿ってエアーシリンダ１２（押圧手段）を駆動して昇降させ、工具ホーン６の先端の加工面で載置台７上に載置した第一の木材１と第二の木材５とを押圧して両者の当接面を接合する。
【００１３】
より具体的には、振動子８に１９ｋＨｚの縦振動子を用い、固定ホーン９に変成比４倍の段付きホーンを用い、工具ホーン６として直径５０ｍｍのジュラルミン一様棒を用いた。また、載置台７は、厚さ１５ｍｍのジュラルミン板の中央に直径２０ｍｍの穴（空洞）７ａを設けたものを用いた。載置台７の直径２０ｍｍの穴７ａの意味については、載置台７が平らな板だと第一の木材１と第二の木材５が弾んでしまい、十分接合できなかったのが、穴７ａを、木材の下面を自由端に近い状態にするクッション的意味合いの穴として設けたところ、第一の木材１と第二の木材５が弾むことなく、互いに当接面で接合したという事実がある。木材の下面を自由端に近い状態にするクッション的意味合いの穴であれば、丸穴でも角穴でも穴の形は他の形でもよい。
【００１４】
第一の木材１と第二の木材５については、図２に示したように、日本産のスギ材から幅３０ｍｍ、縦１８ｍｍ、高さ５０ｍｍの大きさにそれぞれ切り出した辺材を試料として用いた。特に、第一の木材１と第二の木材５の当接面となる木口の表面は、丸鋸盤で切断した切断面のままの粗面とした。第一の木材１と第二の木材５の試料は、乾燥炉によりいったん全乾状態とし、その後、温度約２０℃、湿度約５０％の室内で一週間程度放置したものを用いた。
【００１５】
発明理解のため、図３に、一対の木材１、５を離したときの木材内部を概念的に示した図を示す。木材は、セルロース分子が作るミクロフィブリル（セルロース２）（約５０％）やヘミセルロース３（約２０％）、リグニン４（広葉樹約２０％、針葉樹約３０％）を主成分とし、副成分としてテルペン、タンニン、リグナン等を含む細胞組織からなるといわれている。長鎖状のセルロース２は木材に強さやしなやかさをもたらし、網目状のリグニン４は細胞を接着させながら硬さ・曲げ強さを与える。分岐状のヘミセルロース３はセルロース２とリグニン４を結びつける機能を受け持っているといわれている。また、リグニン４は接着剤の原料として用いられている。
【００１６】
本発明では、第一の木材１と第二の木材５の対向する面を当接面とし、当該当接面はそれぞれ丸鋸盤で切断した粗い切断面のままの木口１ａ、５ａとしている。そのため、丸鋸盤で切断したままの粗い表面状態の木口１ａ、５ａでは、これらセルロース２、ヘミセルロース３、リグニン４がそれぞれ露出した状態で混在している。
【００１７】
第一の木材１と第二の木材５の木口１ａ、５ａを図４のように当接して押圧すると、木口１ａ、５ａでそれぞれ露出した状態で混在しているセルロース２、ヘミセルロース３、リグニン４が、一方のセルロース２と他方のセルロース２と、一方のセルロース２と他方のヘミセルロース３あるいは他方のリグニン４と接触した状態で押圧される。リグニン４について言うと、一方のリグニン４が他方のリグニン４と、一方のリグニン４が他方のセルロース２あるいはヘミセルロース３と接触した状態で押圧される。
【００１８】
本発明は、この図４の状態で載置台７に置いた第一の木材１と第二の木材５に、エアーシリンダ１２で４．１ＭＰａの静加圧を加え、振動子８から工具ホーン６を介して１９ｋＨｚの超音波振動を加える。すると、第一の木材１と第二の木材５の当接面から発煙があり、第一の木材１と第二の木材５を重ねた高さは、全体で１〜２ｍｍ程度沈み込み、この現象が現れた瞬間に超音波振動を止める。その結果、第一の木材１と第二の木材５を接合することができる。
【００１９】
第一の木材１と第二の木材５の超音波振動による接合のメカニズムについては、第一の木材１と第二の木材５は、超音波エネルギーを与えられて加熱され、主として木材の２０％から３０％を占めるリグニン４が溶融して、互いに接触して押圧されていたセルロース２、ヘミセルロース３、あるいは他方のリグニン４に溶け込んだあと、塊となった状態で冷える。そして、第一の木材１と第二の木材５のセルロース２及びヘミセルロース３が結び付きリグニン４とも一体になる。このことにより、リグニン４は新しい状態で、細胞を接着させながら硬さ・曲げ強さを与える機能を発揮し、第一の木材１と第二の木材５とが接合されると考えられる。
【００２０】
図５に、本発明の第一の実施の形態にかかる一対の木材と工具ホーンと載置台の位置関係を示した。なお、固定ホーン９や工具ホーン６は金属の振動体であるため、固定ホーン９や工具ホーン６の長さと振幅の腹と節が問題になるが、木材は、金属と違い、単に超音波振動がそのまま通過するにすぎないので、第一の木材１及び第二の木材５の中に超音波振動エネルギーが注入されると第一の木材１及び第二の木材５が全体的に発熱し、特に木口１ａ、５ａの当接している当接面では、噛み合っているセルロース２等が摩擦して高温に発熱すると考えられる。
【００２１】
図６（ａ）には、本発明の第一の実施の形態にかかる超音波接合装置の工具ホーンの加工面（押圧面Ａ）が下向きに超音波振動している状態を概念図で示した。図６（ｂ）には、本発明の第一の実施の形態にかかる超音波接合装置の工具ホーンの加工面が上向きに超音波振動している状態を概念図で示した。
【００２２】
図５及び図６（ａ）（ｂ）に示すように、本発明では、重ねた一対の木材１、５の一端面、即ち第二の木材５の下面の両端部分５ｂ、５ｃだけを載置台７で支え、第二の木材５の下面の中央部５ｄを宙に浮かせている。このことにより、第一の木材１と第二の木材５は、工具ホーン６の押圧面Ａに接する第一の木材の上面１ａから第二の木材の下面５ｄに至る領域、図５及び図６（ａ）（ｂ）の二点鎖線で挟まれたれた領域では、工具ホーン６の超音波振動エネルギーが流れて発熱する。
【００２３】
図７に、第一の木材１と第二の木材５の当接面に熱電対を置き、第一の木材１と第二の木材５に超音波振動を加えたときの温度上昇の状況をグラフで示した。図７に示した通り、第一の木材１と第二の木材５の当接面では、超音波振動を加えて１．８秒（１８００ｍｓ）で５００℃を超えている。第一の木材１と第二の木材５の当接面が５００℃を超えるまで加熱すると、第一の木材１と第二の木材５の当接面が接合した。
【００２４】
接合結果を評価するために、接合した試料から長さ８０ｍｍ、幅１５ｍｍ、厚さ７ｍｍの大きさで試験片を切り出し、三点曲げ試験を行った。三点曲げ試験結果を表１に示す。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
表１では、振動変位振幅を２６μｍ、３４μｍ、４１μｍ、４７μｍの４段階に変化させて、各振幅で試料３点ずつ実験した結果を示した。溶着時間（接合時間）は、超音波振動開始から、第一の木材１と第二の木材５との接合面で発煙し、沈み込んだ現象が現れた瞬間までの時間を測定した。表１に示した、三点曲げ試験の最大荷重（破断を生じたときの最大荷重）は、最大で１３１．４Ｎ（ニュートン）、平均で最大値５６．３Ｎ（ニュートン）耐えることが確認できた。
【００２７】
なお、接合できなかった試料の界面を観察すると、木目部分が炭化しているだけであった。表１の結果と、このことから、木目の噛み合わせは一つの重要な要素であると考えられる。
参考までに、表１の三点曲げ試験に供した試験片の写真を図８に示した。図８の写真中のローマ数字、I、II、III、IVは、それぞれ振動変位振幅を２６μｍ、３４μｍ、４１μｍ、４７μｍの４段階に変えた時のサンプル集団の番号を示し、アラビア数字１、２、３は、各サンプル集団の中のサンプル番号を示している。
【００２８】
（第二の実施の形態）
本発明の第二の実施の形態として、第一と第二の木材の他に第三の木材を用いて、これらをコの字型に接合する場合を説明する。図９では、載置台１７の上に横長に設置された第二の木材１３の長手方向一端側に第一の木材が、長手方向他端側に第三の木材が重ねられてコの字型を形成している。詳しくは、第一の木材１の下面の木口１ａを第二の木材１３上面の木口１３ａの長手方向一端側に配置し、第二の木材１３の木口１３ａの長手方向他端側に第三の木材１４の木口１４ａを配置している。そして、第一の木材１と第三の木材１４の上面には、それぞれ工具ホーン６、６の押圧面Ａを押し当てている。工具ホーン６、６は図示していないが、第一の実施の形態と同様に、振動子、固定ホーンと一体に結合され、縦の超音波振動をするようにしている。また、載置台１７には、第二の木材１３との接触部分を少なくするための切欠き部分１７ａ、１７ａ、１７ｂを設けている。なお、切欠き部分１７ａ、１７ａについては、第一の実施の形態と同様に、工具ホーン６、６の直下に空洞穴として形成している。なお、切欠き部分１７ｂは、第二の木材１３の中央部分と載置台１７が不必要に当接しないよう切欠いたものである。
【００２９】
このように配置した第一、第二、第三の木材１、１３、１４に工具ホーン６、６により静圧力と超音波振動を加えれば、図１０に示したような、コの字型の枠が接合できる。この後、第四の木材１５を従来の方法で接合すれば、木製額縁を作ることができる。木製額縁を壁掛けにする場合、第四の木材１５を壁掛けすれば、他の第一、第二、第三の木材は自重を支える程度の接合強度があればよいので、使用上の問題はない。
【００３０】
（第三の実施の形態）
本発明の用途として、次のような適用例が考えられるので、第三の実施の形態として説明する。なお、第三の実施の形態の第一の木材と第二の木材の接合面には木端（木口でない面であり繊維方向に平行な端面部）が用いられることが多く、既に説明した第一、第二の実施の形態よりも接合強度は低くなる。第三の実施の形態では、上下に重ねた第一の木材と第二の木材の接合面を超音波振動で接合したときに、接合して一体になった姿は維持するが、接合強度が低く、例えば、指の力で簡単に切り離せることができるという点が重要である。
【００３１】
図１１に、本発明の第三の実施の形態にかかる木材と工具ホーンと載置台の位置関係を示した図を示している。
そして、このように第一の木材２１と第二の木材２５を上下に重ね、超音波振動方向の一端面を工具ホーン６で押圧し、超音波振動方向の他端面の周縁部分を載置台２７に載せ、第一の木材２１と第二の木材２５に超音波振動エネルギーを加え、第一の木材２１と第二の木材２５の主としてリグニンを加熱して溶融させて当接面Ｃを接合する。
【００３２】
ここで、第一の木材２１と第二の木材２５は、それぞれ木製割り箸の一片である。第一の木材２１及び第二の木材２５はそれぞれ長手方向を繊維方向とする棒状をなしている。そして、長手方向一端側の太い部分がほぼ直方体をなしていて、対向する両者の側面（木端）を当接させて上下に重なっている。長手方向他端側の細い部分は、先端に向かって、少しずつ細くなっている。重なっている第一の木材２１と第二の木材２５の超音波振動方向の一端面、即ち第二の木材２５の下側側面の周縁部分を中央に切欠部を有する載置台２７で支えている。重なっている第一の木材２１と第二の木材２５の超音波振動方向の他端面、即ち第一の木材２１の上側側面を工具ホーン６の押圧面Ａで押圧する。この状態で、工具ホーン６を超音波振動させ、第一の木材２１と第二の木材２５に超音波エネルギーを加え、第一の木材２１と第二の木材２５の主としてリグニンを溶融して当接面を接合する。このとき、第一の木材２１と第二の木材２５の接合面に、繊維方向に平行な端面部である木端を用いれば、第一の木材２１と第二の木材２５の接合面は、指の力で簡単に割れる程度の接合力で接合する。図１２に、接合した後の第一の木材２１と第二の木材２５からなる木製割箸を示した。接合した後に、紙製の箸袋に入れて束にして包装すれば、接合した木製割箸が運送途中の振動等で簡単に分離することはない。
【００３３】
近年、環境問題の議論が高まる中、木製割り箸は使用すると捨ててしまうので、木製割り箸に代わるものとしてプラスチック製の割り箸が提案されている（例えば、特開平６−１６９８３５）。
上記、本発明の第三の実施の形態のように、比較的高級感のある日本産のスギ材などの木製割り箸のリサイクルに適用すれば、高級感のある木製割り箸の太い部分を指の力で簡単に切り離しできる程度に接合することができる。使用後、洗浄・殺菌、乾燥して、超音波振動で再接合したリサイクル品であることを予め断って利用に供しても、接合部分を指で割ると、新品の割箸と同じ感覚が得られるという効果がある。比較的高級な木製割り箸のリサイクル品がプラスチック製の割り箸より好まれる可能性もある。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、分離している一つの木材を他の木材に接合する木材の超音波接合方法と木材の超音波接合装置に適用することができる。本発明は、少なくとも日本産のスギ材を丸鋸盤で切断したままの粗い表面である木口を当接させた当接面を、ある程度の接合強度を持った状態で接合することができる。そのため、例えば、木製の額縁や美術工芸品の置物などのように、比較的接合強度を要しない木材接合に適用することができる。また、他の応用例として、比較的高級な木製割箸を再接合してリサイクルすることも可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１、２１  第一の木材
２  セルロース
３  ヘミセルロース
４  リグニン
５、１３、２５  第二の木材
６  工具ホーン
７、１７、２７  載置台
８  振動子
９  固定ホーン
１０  可動枠
１１  固定枠
１２  エアーシリンダ
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図２】
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【図７】
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【図８】
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