(57)【要約】 【課題】磁性木材を電磁石又は永久磁石等と組み合わせることによって磁気吸着機能を得ることができる。しかし、現時点では、磁性木材の磁気吸着性能を決定するパラメータやその原理について十分解明されてはいない。【解決手段】磁性木材の磁気吸着力をＵ型コア形状の電磁石又は磁石を用いてその吸引力で吊り下げて決定する方法であって、該磁性木材からなる試験片を該電磁石又は磁石の投影面の形状に表面形状を合わせた直方体形状とし、該試験片を該電磁石又は磁石で吊り下げたときに、磁性木材の吸着に必要な最小限の吸引力Ｆ（ただし、｜Ｆ｜＝ｍWｇ[Ｎ]、ｍW；磁性木材の質量、ｇ；重力加速度、[Ｎ]；ニュートン単位）を磁性木材の寸法、質量、透磁率、吸着対象の物体表面と磁性木材表面との間のギャップをパラメータとする理論式に基づいて求める。【選択図】  図１  
2005062158.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性木材の磁気吸着力をＵ型コア形状の電磁石又は磁石を用いてその吸引力で吊り下げて決定する方法であって、該磁性木材からなる試験片を該電磁石又は磁石の投影面の形状に表面形状を合わせた直方体形状とし、該試験片を該電磁石又は磁石で吊り下げたときに、磁性木材の吸着に必要な最小限の吸引力Ｆ（ただし、｜Ｆ｜＝ｍWｇ[Ｎ]、ｍW；磁性木材の質量、ｇ；重力加速度、[Ｎ]；ニュートン単位）を下記の式に基づいて求めることを特徴とする磁性木材の磁気吸着力決定方法。
【数１】
2005062158.tif 000019
（ただし、式において、μU；Ｕ型コア又は磁石の透磁率、μ0；真空の透磁率、ｌU；Ｕ型コア又は磁石の磁路長、μW；磁性木材の透磁率、ｌW；磁性木材の磁路長、ＳU；Ｕ型コア又は磁石の片側脚部の水平断面積、ＳW；磁性木材の磁路長方向と直交する方向の磁性木材の断面積、ｍW；磁性木材の質量、δ；Ｕ型コア又は磁石の脚部の底面と磁性木材の吸着面との間のギャップ、β；磁性木材の吸着面の空隙変動に基づくギャップδの補正値、ａ及びｂ；漏洩係数αを決定する任意定数、ＮＩ；起磁力）
【請求項２】
請求項１記載の式を用いて求めた下記の式に基づいて水平方向の磁気吸着力を求めることを特徴とする磁性木材の磁気吸着力決定方法。
【数２】
2005062158.tif 000020
【請求項３】
請求項１記載の式を用いて求めた下記の式に基づいて傾斜方向の磁気吸着力を求めることを特徴とする磁性木材の磁気吸着力決定方法。
【数３】
2005062158.tif 000021
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、木材に磁性を付与した磁性木材の形状や質量と磁性材料の使用量などによって変化する磁気吸着力を磁性木材試験片を用いて電磁石又は磁石で吸着試験を行うことによって磁気吸着力を決定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
「磁性木材」とは、木材と磁性体を組み合わせた複合木材である（非特許文献１、２、特許文献１〜５）。現在、その磁気的機能として、磁気吸着機能、発熱機能、電波吸収機能などが考えられているが、その中でも磁気吸着機能に関しては、建築、家具、食器、伝統工芸、介護器具、玩具、文具などの分野へ実用化が進められている。例えば、磁性木材を用いたテーブル・トレーの上で、マグネットシートを埋め込んだ木製食器、漆器を使用すると、振動、角度変化の中で食器がずり落ちない機能を得ることができる。また、振動のある乗り物などの移動空間の中での使用、介護用品としての利用が可能となる。
【０００３】
磁性木材は低比重で壊れにくく、かつ木工用器具で容易に加工することも可能で、今までにない磁性材料として期待されている。磁性木材の種類には、その作製方法によって含浸型、粉体型、塗布型などがある。含浸型磁性木材は、磁性流体を木材に減圧加圧・含浸し作製したものである。
【０００４】
含浸型磁性木材の磁気特性は磁性流体で殆ど決定されるが、樹種及び木質構造により磁性流体の注入割合が異なり、磁気特性に違いが出てくる。粉体型磁性木材は、木粉と磁性粉体を混合するため、磁気特性と強度特性の双方を十分満足する作製法が必要不可欠である。この作製法は種々の磁性粉体を用いることから広範囲な磁気特性を選定できる。塗布型磁性木材は、磁性粉体と塗料を混合した磁性塗料を木材上に塗布、乾燥して作製する。磁性層と木材層が分離構成されているため、表面だけに磁気機能を持たせることができる。粉体型磁性木材と同様に種々の磁性粉体を選択することができる。
【０００５】
【非特許文献１】岡：「日本磁気応用学会」Vol.23,No.2,pp.757-763(1999)
【非特許文献２】H.Oka,「Basic Study of Magnetic wood and its application」,International Workshop on Wood and Magneto-electronics in Morioka,Japan,pp.13-18(1996)
【特許文献１】特開平5-285904(特許第3414767)号公報
【特許文献２】特開平9-129426(特許第3135829)号公報
【特許文献３】特開平9-129429号公報
【特許文献４】特開2001-118711号公報
【特許文献５】特開2002-239449号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
磁性木材を電磁石又は永久磁石等と組み合わせることによって磁気吸着機能を得ることができる。含浸型、粉体型、塗布型の各磁性木材のうち、塗布型磁性木材が磁気吸着機能に関して最も優れていることが分かっている。しかし、磁性木材の電気・磁気特性については、従来の磁性材料とは全く異なっており、また、永久磁石又は電磁石で磁性木材の磁気吸着機能を活用する場合には、磁性木材にかかる重力を考慮する必要がある。そのため、現時点では、磁性木材の磁気吸着性能を決定するパラメータやその原理について十分解明されてはいない。磁性木材の吸着力を利用する際に、必要とされる磁界の強さを予測する必要があるが、これまでは計算式がない、という問題があり磁性木材の設計に支障があ
った。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、磁性木材を磁気吸着材料として利用するための、水平・鉛直・傾斜方向に対する磁化現象と吸着特性を明らかにするとともに、磁気吸着性に関する磁性木材の設計指針を与える手段について研究開発を進めた結果、磁性木材の磁気吸着に関するパラメータはその寸法、質量、透磁率、吸着対象の物体表面と磁性木材表面との間のギャップであることを見出し、磁性木材の磁気吸着力と塗布材に含まれる磁性体粉の含有量の関係式を導き、実験値と比較してその有効性を確認した。
【０００８】
すなわち、本発明は、磁性木材の磁気吸着力をＵ型コア形状の電磁石又は磁石を用いてその吸引力で吊り下げて決定する方法であって、該磁性木材からなる試験片を該電磁石又は磁石の投影面の形状に表面形状を合わせた直方体形状とし、該試験片を該電磁石又は磁石で吊り下げたときに、磁性木材の吸着に必要な最小限の吸引力Ｆ（ただし、｜Ｆ｜＝ｍWｇ[Ｎ]、ｍW；磁性木材の質量、ｇ；重力加速度、[Ｎ]；ニュートン単位）を下記の式に基づいて求めることを特徴とする磁性木材の磁気吸着力決定方法、である。
【０００９】
【数１】
2005062158.tif 000003
（ただし、式において、μU；Ｕ型コア又は磁石の透磁率、μ0；真空の透磁率、ｌU；Ｕ型コア又は磁石の磁路長、μW；磁性木材の透磁率、ｌW；磁性木材の磁路長、ＳU；Ｕ型コア又は磁石の片側脚部の水平断面積、ＳW；磁性木材の磁路長方向と直交する方向の磁性木材の断面積、ｍW；磁性木材の質量、δ；Ｕ型コア又は磁石の脚部の底面と磁性木材の吸着面との間のギャップ、β；磁性木材の吸着面の空隙変動に基づくギャップδの補正値、ａ及びｂ；漏洩係数αを決定する任意定数、ＮＩ；起磁力）
【００１０】
図１は、本発明の方法において用いる上記の式を導き出すのに用いた電磁石を用いた磁性木材の磁気吸着モデルである。ここでは、Ｕ型コア形状を有する電磁石を用い、電磁石の脚部の下面で磁性木材の表面を吸着したが、同形状の永久磁石や鉄心と永久磁石を組み合わせた複合タイプの磁石を用いてもよい。磁性木材からなる試験片は磁石の投影面の形状に表面形状を合わせた直方体形状として磁石の脚部下面を試験片の表面に接触させて吸着する。
【００１１】
図１において、Ｕ型コア１の透磁率をμU、真空の透磁率をμ0、、Ｕ型コアの磁路長をｌUとする。また、磁性木材３の透磁率をμW、磁性木材３の磁路長をｌWとする。形状については、Ｕ型コア１の片側脚部２の水平断面積をＳU、磁性木材３の磁路長方向と直交する方向の磁性木材３の断面積をＳW、磁性木材３の質量をｍWとする。そして、Ｕ型コア１の脚部の底面と磁性木材３の吸着面とのギャップをδ、磁性木材３の吸着面の空隙に基づくギャップδの補正値をβ、漏洩係数αを決定する定数をａ及びｂ、電磁石による起磁力をＮＩとすると、複合磁気回路の磁束φは（式１）で示される。なお、ギャップδの補正値であるβは、温度・湿度・応力による木材の膨張、収縮などによる形状変化による磁性木材の吸着面の空隙変動に基づく値であり、木材であるがために補正が必要となる。漏洩係数αを決定する任意定数ａ及びｂは、ギャップδの値によって決定されるが、磁性木
材の透磁率μWとＵ型コアの透磁率を比較するとμW≪μUであり、著しく相違がある関係からａ，ｂは求まる。
【００１２】
【数２】
2005062158.tif 000004
【００１３】
また、（式１）より磁束密度Ｂは（式２）で表される。
【００１４】
【数３】
2005062158.tif 000005
【００１５】
よって、磁性木材３の吸着力Ｆは（式３）で示される。ただし、これは漏洩磁束がない場合である。
【００１６】
【数４】
2005062158.tif 000006
【００１７】
漏洩磁束は、Ｕ型コア１と磁性木材３の透磁率の差によって生じる。磁性木材３の透磁率は磁性木材の種類、磁性塗料の電気抵抗、磁性粉の形状及び粒径、磁性粉の粒子間距離、磁性粉の分散性、磁性粉の量などによって変動するが、磁気測定装置により測定することができる。ここで、Ｕ型コア１から発生する磁束のうち磁性木材３を通過する磁束の比率を漏洩係数αとし、漏洩磁束をφIとし、磁性木材３の吸着に有効な磁束をφWとすると、漏洩係数αは(式４)で示される。
【００１８】
【数５】
2005062158.tif 000007
【００１９】
さらに、漏洩係数αの決定要因は、Ｕ型コア１の透磁率μUと磁性木材３の透磁率μWと
の差によるものであるため、漏洩係数αは磁性木材３の透磁率μWの関数となっていると仮定する。また、漏洩磁束φIはギャップδによっても変化するため、任意定数ａ及びｂを用いて、このときの漏洩係数αの関数を（式５）で示す。なお、ギャップδはマイクロメータ又は表面粗さ計等によって求められる。
【００２０】
【数６】
2005062158.tif 000008
【００２１】
これを（式３）に代入すると（式６）となる。
【００２２】
【数７】
2005062158.tif 000009
【００２３】
また、Ｆが磁石による磁性木材３の吸着に必要な最小限の吸引力であるとき、（式７）の関係が成り立つ。式中、ｍWは磁性木材の質量、ｇは重力加速度、[Ｎ]はニュートン単位を示す。
【００２４】
【数８】
2005062158.tif 000010
【００２５】
よって、磁性木材３の磁気吸着の理論式は（式８）で表されることになる。なお、磁性木材の表面粗さや木材特有の温度や湿度による膨張・収縮による吸着部分の空隙の変動を補正する必要があり、その補正値をβとする。
【００２６】
【数９】
2005062158.tif 000011
【００２７】
以上により、磁性木材の透磁率、寸法形状、質量を予め測定した値とし、ＮＩを変動させて磁気吸着開始又は磁気吸着解除のときのＮＩ値を吸着力の指標にすることが可能となる。実際に電磁石又は永久磁石で磁性木材の磁気吸着機能を活用する場合には、鉛直方向、水平方向、傾斜方向の使用が考えられる。鉛直方向は、例えば、図８に示すように、建材として天井板、照明器材等を永久磁石又はゴム磁石７と磁性木材３とで構成する場合があるが、この場合は磁性木材の質量を考慮するだけでよい。水平方向は、例えば、タンス扉、壁板、ドア扉などを磁性木材で構成する場合があるが、この場合は、摩擦係数と磁性木材の質量を考慮する必要がある。さらに、傾斜方向は、例えば、木製食器を傾斜面で滑
らないようにする場合があるが、この場合は、摩擦係数と食器の自重を考慮する必要がある。
【００２８】
吸着磁石と磁性木材を水平方向に吸着させる場合、重力は直接関与せず、摩擦力として関係する。図９に、水平方向の磁気吸着の実施形態例を模式的に示す。実施形態としては戸棚の開閉部分の扉の一部又は全体に磁性木材３を用い対向する戸棚の本体部分の一部に永久磁石又はゴム磁石７を用いて吸着するなどのケースがあり、ちょうつがいの摩擦力及び戸棚を開く際の人間の力などに対応した吸着力が必要となる。図１０に、水平方向の磁気吸着の測定方法を模式的に示す。図１０に示すように、測定方法は実験台９上で磁性木材３の試験片を電磁石８に吸着させた状態で荷重Ｍで引っ張り、吸着が解除される力を測定する。ここで、式１を用い、さらに、ちょうつがいの摩擦力をρｍｇ、閉めた扉を固定する力をｆとおくと、扉を固定する力は式９のように示される。
【数１０】
2005062158.tif 000012
また、扉を開く力をＭｇとおくと、式１０で表される。
【数１１】
2005062158.tif 000013
よって、水平方向の磁気吸着の理論式は、式１１のように示される。
【数１２】
2005062158.tif 000014
このように、水平方向の磁気吸着の理論は、式１に摩擦力を加えたものと考えることができる。このように考えれば、鉛直方向の吸着と同じように測定することができ、測定結果も鉛直方向のものから摩擦力を差し引いたものと考えられる。
【００２９】
吸着磁石と磁性木材が吸着した状態で傾斜角度が変化する場合、吸着力の鉛直方向成分の変化に伴い、吸着力が変化する。図１１に、傾斜方向の磁気吸着の実施形態例を模式的に示す。実施形態としては磁性木材３からなるテーブル、トレーの上に、永久磁石又はゴム磁石７を埋め込んだ木製食器を載せることで、振動、角度変化の中で食器がずりおちない機能を得ることができる。よって、振動のある乗り物などの移動空間の中での使用、介護用品として利用する場合の適切な吸着力が必要となる。図１２に、傾斜方向の磁気吸着の測定方法を模式的に示す。図１２に示すように、測定方法は、電磁石８を使用し、電磁石８を固定しているクランプを回転させることによって吸着力方向を変化させる。傾斜方向は、０°≦θ＜９０°における吸着と、９０°≦θ＜１８０°の場合がある。ここで、式１を用い、傾斜角度をθとすると、式１２のように示される。
【数１３】
2005062158.tif 000015
また、式１２が磁性木材の重量を支える限界の吸引力である場合、式１３が成り立つ。
【数１４】
2005062158.tif 000016
よって、傾斜方向の磁気吸着の理論式は、式１４のように示される。
【数１５】
2005062158.tif 000017
このように、吸着力の鉛直方向成分と重力がつりあうときの傾斜角度を測定することになる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の方法によれば、磁性木材の吸着力を利用する際に、必要とされる磁界の強さを予測することができ磁性木材の設計が容易になる。
【実施例１】
【００３１】
質量と透磁率を考慮して磁気吸着特性の測定用の磁性木材試験片を作製した。図２に、塗布型磁性木材の作製方法を示す。これは、磁性粉体とラッカーを混合した磁性塗料４により木材５をコーティングすることによって作製される。試験片の質量ｍWと透磁率μWの違いによる磁気吸着力の変化を確認するために、含有磁性体量をパラメータとして５種類（木材重量に対する磁性粉体の重量割合がそれぞれ、20.0%,33.3%,42.9%,50.0%.55.6%、磁性層厚さ0.43〜1.04mm）の塗布型磁性木材６を作製した。
【００３２】
木材はファイバーボード（100mm×100mm×6mm）を用い、磁性体にはMn-ZnフェライトBE2粉体（粒径75μm〜106μm）を用いた。作製した磁性木材ボードから、電磁石の投影面の形状に表面形状を合わせた直方体形状の40mm×16mm×6mmの吸着力測定用試験片を切り出した。
【００３３】
図３に、作製した磁性木材試験片の比重を示す。また、図４に、振動試料型磁力計（VSM）を用いて測定した各磁性木材試験片の磁気特性を示す。磁性木材は磁気特性を有しながら、木材同様に低比重であることがわかる。
【００３４】
本発明の方法で磁気吸着力を理論的に求め、これを測定値と対比して検証した。磁気吸着力の測定は磁性木材を電磁石を用いて吸着するのに必要な電流値Ｉを測定して求めているため、（式8）を（式15）のように展開する。
【００３５】
【数１６】
2005062158.tif 000018
【００３６】
これにより吸着に必要な電流値Ｉの理論値を算出する。はじめに、漏れ磁束がないと仮定したとき（α＝１）の理論値を算出した。図６はその理論値を測定結果と比較したものである。
【００３７】
図１に示すように、測定方法は磁性木材試験片をギャップにアクリル板を挟み、電磁石に吸着させた状態で電流を下げていき、吸着が解除される瞬間の電流値を読み取る。すなわち、磁性木材試験片の質量による下向きの力と電磁石の吸引力による上向きの力がちょうどつり合うときの電流値を読み取ることとなる。なお、ギャップ長さを正確に定めるために、Ｕ型コア形状の電磁石と磁性木材との間に正確に厚さ、寸法を測定済みのアクリル板（非磁性材）を挟み込んで各ギャップ長に対する吸引力を測定した。
【００３８】
電磁石のコアにはMn-ZnフェライトBH2のＵ型コアを用い、コイルには直径0.35mmのエナメル被覆銅線を450turn巻いた。ここで、磁性木材が実用化される際にその表面に何らかの加工が施されることを想定して、ギャップδをパラメータとして測定した。図５に測定結果を示す。磁性木材は含有磁性体量に比例して吸着力は増すが、その分の重量増加によって吸着力は少し低下するため、二次曲線を描いているように思われる。
【００３９】
次に、測定によって得られた磁気吸着特性と、先に導いた理論式によって算出される理論値を比較する。なお、漏洩係数αを決定する定数ａ及びｂは実測値から求めた。図６は、理論値と、測定したギャップδ＝0mm、1.0mm、2.0mmの測定結果を比較したものである。測定値と理論値に漏洩磁束による大きな差があるが、その変化の傾向は一致している。よって、漏洩磁束による電流値の増加分を差し引けば測定値と理論値は一致すると考えられる。
【００４０】
次に、漏洩係数αは磁性木材の透磁率μwの関数であると仮定しているため、測定値と理論値（α＝１）からαの関数を算出した。
【００４１】
δ＝0のとき        α≒0.8            （式16）
δ＝1.0のとき      α＝0.010μw＋0.39 （式17）
δ＝2.0のとき      α＝0.017μw＋0.33  (式18）
図６に、このαを代入した理論値を線を引いて示す。測定値と理論値はほぼ一致していることがわかる。このことから、（式７）、（式８）を用いれば、磁性木材試験片をＵ型コア形状の磁石を用いてその吸引力で吊り下げたときに、磁性木材の吸着に必要な最小限の吸引力Ｆを磁性木材の寸法、質量と磁気特性から求めることができ磁性木材の磁気吸着性能を明らかにできることがわかった。
【００４２】
磁性木材の吸着に必要な電磁石の電流値Ｉは吸着に必要な吸引力Ｆに換算できる。図７は、その換算したグラフである。このように、本発明の方法により含有磁性体量をパラメータとして磁気吸着力を求めることができ、磁性木材の自重の増加を考慮すると、この実施例の場合、含有磁性体量は50wt％程度が磁気吸着力に関して効率が良いことが分かる。
【実施例２】
【００４３】
水平方向の磁気吸着力を実施例１と同様の手順で測定した。また、理論式による計算値を算出した。これらの結果を図１３に示す。鉛直方向の磁気吸着特性と比較すると、摩擦力によって吸着に必要な電流値は低くなっているが、その変化の傾向は一致しており、理論式による計算値ともほぼ一致していた。よって、この理論式によって磁気吸着特性を明らかにできることが分かった。
【実施例３】
【００４４】
傾斜方向の磁気吸着力を下記のとおり測定した。測定は鉛直上向きに試料を吸着させるときの状態を０°とし、θ方向に１５０°まで角度を変化させながら、鉛直方向の磁気吸着特性と同様の測定試料を用いて試料の吸着が解ける限界の電流地を測定し、電磁石の吸引力を求めた。また、吸着力が全くない状態で１８０°から−θ方向に回転させ、静止限界の角度も測定した。
【００４５】
図１４に磁気吸着の角度特性の測定結果を示す。試料の吸着に必要な吸引力は、角度θが０°から３０°、４５°、６０°と大きくなるにつれてより大きな吸引力を必要とし、最大でθ＝０°の約２倍程度の吸引力が必要であることがわかった。また、θ＝９０°を超えると試料の吸着に必要な吸引力は急に小さくなり、θ＝１２０°以上であれば、θ＝０°のときと同じ程度の吸引力で吸着できることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】図１は、電磁石を用いた磁性木材の磁気吸着モデルを示す斜視図である。
【図２】図２は、塗布型磁性木材の作製方法を示す概念図である。
【図３】図３は、実施例１において作製した磁性木材試験片の比重を示すグラフである。
【図４】図４は、実施例１において作製した磁性木材試験片を振動試料型磁力計（VSM）を用いて測定した磁気特性を示すグラフである。
【図５】図５は、実施例１において作製した磁性木材試験片の電磁石による吸着力の測定結果を示すグラフである。
【図６】図６は、実施例１において吸着に必要な電磁石の電流の理論値と測定値を比較したグラフである。
【図７】図７は、実施例１において吸着に必要な電磁石の電流値を必要な吸引力Ｆに換算したグラフである。
【図８】図８は、鉛直方向の磁気吸着の実施形態例を示す模式図である。
【図９】図９は、水平方向の磁気吸着の実施形態例を示す模式図である。
【図１０】図１０は、水平方向の磁気吸着の測定方法を示す模式図である。
【図１１】図１１は、傾斜方向の磁気吸着の実施形態例を示す模式図である。
【図１２】図１２は、傾斜方向の磁気吸着の測定方法を示す模式図である。
【図１３】図１３は、実施例２において作製した磁性木材試験片の電磁石による吸着力の測定結果を示すグラフである。
【図１４】図１４は、実施例３において作製した磁性木材試験片の電磁石による吸着力の測定結果を示すグラフである。
【図１】
2005062158.tif 000022
【図２】
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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７】
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【図８】
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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１４】
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