(57)【要約】【課題】レーザー光を木質材料照射して木質材料の表面に黒色の焼き絵を形成する方法を提供することを目的とする。【解決手段】レーザー光による昇華加工限界距離以上にレーザー光の焦点位置と木質系材料表面との距離を遠ざけて配置して、焦点をぼかしたレーザー光を木質系材料に照射して炭化せしめて表面に黒色画像を形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
焦点をぼかしたレーザー光を木質系材料表面に照射して炭化せしめて画像を形成することを特徴とする焼き絵形成方法および前記方法で形成された焼き絵
【請求項２】
レーザー光の焦点位置より木質系材料表面をずらして配置して焦点をぼかしたことを特徴とする請求項１記載の焼き絵形成方法および前記方法で形成された焼き絵
【請求項３】
レーザー光による昇華加工領域以上に、レーザー光の焦点位置と木質系材料表面との距離を遠ざけて配置したことを特徴とする請求項２記載の焼き絵形成方法および前記方法で形成された焼き絵
【請求項４】
レーザー光を走査して焼き絵を形成するレーザー加工機において、レーザー光学系と加工材料との距離を段階的に変化させて加工材料を配置する加工材料保持装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は木材等の木質材料の表面を炭化させて黒色の文字、模様からなる画像を形成する焼き絵形成方法および焼き絵に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  従来、高温に加熱した電熱ペン等を木材等の木質材料に押圧し、表面に炭化した黒色画像を形成する焼き絵が広く行われている。このようにして形成された焼き絵は、黒色の画像で素朴な風合いがあり、自然素材の手作り作品として優れたものである。（例えば、非特許文献１参照。）また、絵具や塗料等の化学薬品を使用しないためエコロジー的観点からも優れたものである。【０００３】  一方、近年いわゆるコンピューターグラフィックス的な手法でレーザー光を利用して木材に画像を形成することが行われている。コンピューター等に記憶された画像データに基づいてレーザー加工機を制御し、光学系の焦点位置に配置された木材等の木質材料表面にレーザー光を集光照射して走査して、その高エネルギーによる急激な温度上昇により木材を昇華せしめて表面を切削し画像を形成するものである。レーザー光による昇華による彫刻とともに加熱による変色により焼き絵風の画像や文字が形成される。レーザー光を利用する焼き絵形成に関しては、例えば後述の特許文献１ないし非特許文献２が知られている。【０００４】  図１は、一般的なレーザー加工機の基本的な構成の図である。図中レーザー発振器１から出力されたレーザービーム２は、ほぼ平行な光束として、光学系３に入射する。レーザービーム２は、光学系３で焦点に集光されて、焦点位置４で最少面積のビームに絞られる。光学系３から焦点４までの距離が焦点距離Ｆである。レーザービームのエネルギー密度が最大となるので、通常は焦点４の位置に加工物を配置する。画像データに基づいて、光学系３あるいは加工物を機械的駆動装置等でＸＹ方向に移動させることで加工物表面がレーザー加工される。【０００５】  ソフトウェア的に作成されたあるいはスキャナ等で入力した画像データをコンピューターに記憶し、制御ソフトでレーザー加工機を動作させ画像データに基づいて、材料表面に画像が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】  特開平２００６−２５７３４４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】  陸名文男編集、「手軽にできるウッドバーニング」、日本ヴォーグ社、１９９８年５月１５日、ｐ．４−８
【非特許文献２】  Ｆａｂの本制作委員会他著、「実践Ｆａ・プロジェクトノート」、株式会社グラフィックス、２０１３年８月２５日、ｐ．２４−２５、２８−２９
【非特許文献３】  柳田治美、五月女英平：栃木県産業技術センター研究報告，（７），７０−７４，２００９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  高温に加熱した電熱ペン等の先端を木材等の木質材料に接触させて焼き絵を形成する方法は熟練を要す。また、手作業であるため複雑で高精細な焼き絵を制作するには多大な時間と手間が必要であった。さらに、同一デザインの焼き絵を多数制作することも困難であった。【０００９】  一方、コンピューター等でレーザー加工機を制御することにより自動的に焼き絵風な画像を形成できるが、その画像は褐色であり、電気ペンで形成したような真っ黒な炭化画像が得られない。画像部分の色をより濃くするには、レーザー強度を上げるか走査速度を遅くし、加工材料表面に照射されるレーザー光の単位時間当たりのエネルギー密度を増大させる。このようにすると加工画像はより濃い褐色へと変化するが、真っ黒にはならない。また画像の端部は垂直に切り込まれたようなシャープなエッジであり、電熱ペンにより焼き絵のような柔らかなラインとはならず、自然素材の作品の風合いを得ることができないという問題があった。
また、特許文献１のごとく木材等の木質材料の表面にレーザー光で黒色化する材料を塗布することも提案されているが、塗布する工程を追加することによりコスト高となること、また塗布することにより木材の自然な風合いが低減するという問題があった。【００１０】  本発明は従来の問題点を解決しようとするものであり、レーザー光を木質材料に照射するだけで、木質材料の表面に黒色の焼き絵を形成する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】  前記目的を達成するための本発明に係る第１の課題解決手段は、焦点をぼかしたレーザー光を木質系材料表面に照射して炭化せしめて黒色画像を形成することを特徴とする焼き絵形成方法および前記方法で形成された焼き絵である。【００１２】  本発明に係る第２の課題解決手段は、レーザー光の焦点位置より木質系材料表面をずらして配置して焦点をぼかしたことを特徴とする第１の課題解決手段における焼き絵形成方法および前記方法で形成された焼き絵である。【００１３】  本発明に係る第３の課題解決手段は、レーザー光による昇華加工限界距離以上に、レーザー光の焦点位置と木質系材料表面との距離を遠ざけて配置したことを特徴とする第２の課題解決手段における焼き絵形成方法および前記方法で形成された焼き絵である。【００１４】  本発明に係る第４の課題解決手段は、レーザー光を走査して焼き絵を形成するレーザー加工機において、レーザー光学系と加工材料との距離を段階的に変化させて加工材料を配置する加工材料保持装置である。
【発明の効果】
【００１５】  上記本発明に係る第１の課題解決手段において、焦点をぼかしたレーザー光を木質系材料に照射することにより、木質系材料の表面近傍のみを炭化せしめて表面に黒色画像を形成することが可能となり、黒色で手書き風の素朴な風合いの焼き絵画像を形成することができる。【００１６】  上記本発明に係る第２の課題解決手段において、レーザー光の焦点位置より木質系材料表面をずらして配置することにより、レーザー光をぼかすために特殊な光学系を追加することなく、レーザー光学系と木質系材料表面の光路長を増減するだけの簡単な構成で焦点をぼかしたレーザー光を木質系材料に照射することができ、容易に木質系材料の表面近傍に黒色で手書き風の素朴風合いの焼き絵画像を形成することができる。【００１７】  上記本発明に係る第３の課題解決手段において、レーザー光による昇華加工限界距離以上にレーザー光の焦点位置と木質系材料表面との距離を遠ざけて配置することにより、最適な条件でぼけたレーザー光を木質系材料に照射することができ、容易に木質系材料の表面近傍に黒色で手書き風の素朴風合いの良好な焼き絵画像を形成することができる。【００１８】  上記本発明に係る第４の課題解決手段において、レーザー光学系と加工材料との距離を段階的に変化させて加工材料を配置する加工材料保持装置を用いることにより、レーザー光学系と加工材料との最適な距離を簡単に見出すことができ、容易に木質系材料の表面近傍に黒色で手書き風の素朴風合いの良好な焼き絵画像を形成することができる。【００１９】  上述したように、本発明者は焦点をぼかしたレーザー光を木質系材料表面に照射することにより、焼き絵と同等の真っ黒な黒色画像を加工物の表面に形成することを発明した。また本発明者は、前述した焦点をぼかしたレーザー光の最適な条件を見出すための加工材料保持装置を発明した。【００２０】  従来このように木質系材料を焦点位置よりずらすことによりレーザー加工機による焼き絵画像を形成する適正な条件についての報告は見当たらない。これはレーザー加工は切断や切削が主目的であるため、炭化による画像形成について検討がなされていないためと考えられる。
例えば非特許文献３「木材のレーザ切断における最適加工条件の検討（第２報）」においては、木材の表面を焦点位置から上下させることで焦げが発生することに言及しているが、「木材のレーザ切断においては，焦点位置は０ｍｍ（板の表面）が最適である」と結論付けただけで、その画像形成について何ら言及されていない。【００２１】  また、非特許文献３において木材の表面を焦点位置から上下させることで焦げが発生する理由についても言及はされていない。このため、科学的なメカニズムについては明らかではないが、本発明者は以下のように推測する。
焦点に収束されたレーザー光は非常に大きいエネルギー密度になるため、木質材料は急激な温度上昇により、昇華するがごとく瞬時に分解気化する。気化すると気化熱で急激に温度が低下するので、それ以上の木質材料の変化は停止する。一方、焦点を外れてぼけたレーザー光はエネルギー密度が低いので温度上昇が十分でなく、木質材料が昇華することはない。当然、エネルギー密度が低すぎれば何の反応も生じず画像は形成されないが、木質材料が炭化する温度よりも高い温度になるようなエネルギー密度であれば、木質材料表面は炭化し黒色を呈する。
さらに、炭化層は黒色のためレーザー光を吸収し、その下にレーザー光が透過するのを阻止する。このため表面近傍のみが炭化し黒色となると考えられる。【００２２】  さらに、ぼけるにしたがってレーザービーム径は大きくなる。印刷での網点は、網点のドット径を大きくすることにより画像濃度を濃くするものである。木質材料を炭化せしめるエネルギー密度のぼけたレーザービームでは、その黒色という色調とともにドットの大径化という二重の効果で、より黒色の画像を形成すると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】レーザー加工機の基本的な構成の図である。
【図２】本発明に係るレーザー加工機と加工材料の基本的な構成を表した図である。
【図３】本発明に係る木質系材料表面に形成される画像の説明の図である。
【図４】図３の要部の断面拡大図である。
【図５】本発明における加工材料保持装置の説明の図である。
【図６】図５における４つの領域で形成される画像の説明の図である。
【図７】本実施例により形成した焼き絵画像の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】  図２は、本発明に係るレーザー加工機と加工材料の基本的な構成を表した図である。図２において１〜４は、図１と同じものを示す。レーザー発振器１から出力されたレーザービーム２は、ほぼ平行な光束として、光学系３に入射する。レーザービーム２は、光学系３で集光されて、焦点位置４で最少面積のビームに絞られる。
【００２５】  図２中、Ａは焦点位置に配置した加工材料を示す。レーザービーム２は焦点位置でいわゆるピントが合った状態でビーム径は最少となるため、Ａの加工材料表面でのレーザービーム２のエネルギー密度は最大となる。Ｂは焦点位置からずらして配置した加工材料である。レーザービーム２はいわゆるぼけた状態でＢの表面ではビーム径は広がり、Ｂの加工材料表面でのレーザービーム２のエネルギー密度はＡの加工材料表面よりも低くなる。
【００２６】  図３は、本発明に係る木質系材料表面に形成される画像の説明の図である。図３は木質材料の一つの中密度繊維版いわゆるＭＤＦ（ｍｅｄｉｕｍ  ｄｅｎｓｉｔｙ  ｆｉｂｅｒｂｏａｒｄ）に形成されたテストパターン画像を拡大した写真像である。
【００２７】  図３中のａは、図２のＡの焦点位置に配置した加工材料の形成された典型的な画像である。画像部分は褐色であり、底部にはレーザーの走査に対応するとみられる微細な縞模様まで形成されているが如くシャープに彫り込まれた凹部形状をなしており、電熱ペンによる焼き絵のように黒色で柔らかなラインの形状とは異なった画像である。
【００２８】  図３中のｂは、図２のＢを後述する炭化加工領域に配置することにより得られた加工材料の形成された画像である。色は黒色であり、エッジが丸く加工材料の表面近傍に形成されている。電熱ペンによる焼き絵のように黒色で柔らかなラインの形状である。
【００２９】  図４は、図３の要部の断面の拡大図である。図中のｃは、図３中のａの断面の図である。画像のエッジ部分は垂直に近い壁面が形成され、シャープで深い凹部が形成されている。画像の底部および壁面は褐色を呈している。
図４中のｄは、図３中のｂの断面の図である。画像のエッジ部分はなだらかな形状で、表面近傍に浅い凹部を形成している。凹部全体が黒色であり、加工部分のエッジはなだらかな形状で表面の近傍に浅い凹部を形成している。電熱ペンで炭化せしめた木材表面の画像と同様な形態である。
【００３０】  図５は、本発明における加工材料保持装置の構成の図である。図５において１〜４は、図１と同じものを示す。５は加工材料保持装置、６は加工材料である。レーザー発振器１と光学系３は、一体となって図示しないレーザーユニットとして移動する。コンピューター制御装置により画像データに基づいて、レーザーユニットは矢印の水平方向に往復移動し、この移動位置に対応してレーザービーム２が照射される。
通常、加工材料６は加工動作中はその表面にレーザービーム２が常に焦点を結ぶように、光学系３との距離を一定に保つように担持される。すなわち、平面状の加工材料は光学系３の移動平面に対して水平に担持される。
【００３１】  一方、加工材料保持装置５は、レーザーユニットの移動により光学系３と加工材料６の距離が段階的に変化するように加工材料６を担持するようになっている。図５における加工材料保持装置５は、本発明における加工材料保持装置４の形状の一つの事例であり、傾斜して加工材料を保持する。
【００３２】  加工材料保持装置５の上面に加工材料６を担持し、レーザーユニットが左端から右方向に走査移動するに従い、光学系３と加工材料６の距離が増大する。
図５においては、加工材料６の表面にレーザービーム２がちょうど焦点を結ぶ距離にレーザーユニットが移動した状態を表している。レーザービーム２の径は最少となり、加工材料６表面におけるレーザービーム２のエネルギー密度が最大になる。
【００３３】  レーザーユニットが右方向に移動して、加工材料６の表面とレーザービーム２が焦点を結ぶ距離より離れるに従い、よりぼけたレーザー光となってレーザービーム２は径は大きくなり、加工材料６表面におけるレーザービーム２のエネルギー密度は低下する。レーザーユニットの走査移動方向に延びる均一な長方形の画像をレーザー加工機で形成すれば、ぼけ量に対応して変化する画像が形成される。これにより、光学系３と加工材料６の表面の距離に対応した画像が求められる。
【００３４】  レーザーユニットはレーザービーム２を照射しながら走査され、加工材料５の上方を往復移動する。この間、加工材料６の上面にはレーザー加工画像７が形成される。加工材料６の左端からの距離に応じて、すなわちレーザー光の焦点からのぼけ状態の程度に応じたレーザー加工画像７が形成される。左から順にレーザー光のぼけが大きくなるに従って、加工材料６表面に形成される画像は下記にように変化する。
【００３５】  この画像変化の相対的位置関係を分類したのが図５のｅ、ｆ、ｇ、ｈの４領域である。本発明者は、各領域を、ｅは昇華加工領域、ｆは遷移加工領域、ｇは炭化加工領域、ｈは加工収束領域と名付けた。
【００３６】  図６は、図５における４つの領域で形成される画像の説明の図である。６図中のｅ、ｆ、ｇ、ｈは、各々図５におけるｅ：昇華加工領域、ｆ：遷移加工領域、ｇ：炭化加工領域、ｈ：加工収束領域において形成された画像の拡大写真画像である。
【００３７】  ｅの昇華加工領域における加工画像は褐色でシャープな形状である。この領域では、木質系材料はレーザービームにより昇華し、彫刻された加工部分が褐色を呈する。焦点位置の近傍に位置する領域であり、電熱ペンでの加工のような焼き絵の風合いのある黒色の画像は形成されない。
【００３８】  ｇの炭化加工領域における加工画像は、黒色でエッジが丸みをおびた形状であり、木質材料の表面近傍に形成される。この領域では、木質系材料はレーザービームにより表面近傍で炭化して黒色に変化する。本発明で提案する加工領域であり、焼き絵を形成するに最も好的な加工領域である。
【００３９】  ｆの遷移加工領域における加工画像は、加工画像がやや黒色を帯びては来るが、画像のエッジがシャープな形状をなしている。ｅ：昇華加工領域とｇ：炭化加工領域の中間の領域であり、電熱ペンでの加工のような焼き絵の風合いのある黒色の画像は形成されない。
【００４０】  ｈの加工収束領域における加工画像は、レーザー光による加工が低下し、画像は木質系材料の表面だけに形成され、色が薄く部分的な画像しか形成されない。レーザーユニットが右端に近づくと最終的には何も画像が形成されなくなってしまう領域である。明瞭な画像が形成されず、焼き絵として不適である。
【００４１】  加工材料保持装置上での加工材料の炭化加工領域の位置を選定すれば、好的な黒色の焼き絵画像を得られる光学系と加工材料の表面の距離を求めることができる。炭化加工領域の光学系と加工材料の表面の距離には巾があるので、その中央部分の位置の距離を選定し、この距離に加工材料を配置すれば良い。
【００４２】  なお、上述した説明においては、焦点をぼかしたレーザー光を木質系材料表面に照射する方法として、木質系材料表面の配置位置を焦点の距離よりも遠ざけた位置に配置するようにしたが、焦点の位置よりも近づけた位置に配置しても焦点をぼかしたレーザー光が得られる。この場合においても、同様に焦点位置より近づくに従って、昇華加工領域、遷移加工領域、炭化加工領域、加工収束領域の画像が形成される。
炭化加工領域で木質材料表面近傍に炭化黒色の画像を得るには、木質材料を焦点位置より遠ざけるあるいは近づけるの、いずれの配置も選択することができる。しかしながら、レーザー光での加工により、木質材料表面からは昇華による発煙が生じる。この発煙物質がレンズ等の光学系に付着するとレーザー光の強度が低下する。これを低減するためには、木質材料を焦点位置より遠ざけて配置する方が望ましい。
【００４３】  上述したように、本発明における加工材料保持装置を用いることにより、レーザー光による炭化加工領域が容易に把握でき、この領域の中で最も好的な焼き絵が形成される部分を見出すことができる。加工材料保持装置の傾きから、この部分における加工材料表面と光学系との距離を求めることができる。実際に、焼き絵を作成する際には、この最適な距離に保たれるように木質材料を担持すれば良い。
【実施例】
【００４４】  オーレーザー株式会社（埼玉県川越市）製の炭酸ガスレーザー加工機「ＨＡＪＩＭＥ」（最大出力３０Ｗ）を使用し、加工材料としてシナベニヤ板を用い、その表面へのレーザー加工を行った。このレーザーでは、光学ユニットから２０ｍｍの焦点位置に加工材料を配置することが推奨されている。
レーザーのパワーを３０％スピードを２５ｍｍ／ｓｅｃに設定し、光学ユニットから段階的に距離が配置されるようにシナベニヤ板を加工材料保持装置に担持して、テストパターンの画像を加工した。これにより、シナベニヤ板の表面に黒色の焼き絵を形成するには、焦点位置より約４ｍｍ遠ざけた付近が黒色の画像が得られる最適な炭化加工領域であることが分かった。【００４５】  図７は、本実施例により形成した焼き絵画像の写真像である。図中ｉは、炭化加工領域に配置して焼き絵画像を形成したものである。図中ｊ、ｋ、ｌは、比較のための画像であり、ｊは昇華加工領域、ｋは遷移加工領域、ｌは加工収束領域にシナベニヤ板表面を配置して加工したものである。【００４６】  図７のｉはシナベニヤ板表面を焦点位置より４ｍｍ遠ざけて炭化加工領域に配置して、レーザー加工により得られた画像である。真っ黒な黒色の手書き風の素朴風合いの良好な焼き絵が形成された。
ｊは、ちょうど焦点位置すなわち昇華加工領域にシナベニヤ板表面を配置して得られた画像である。褐色でエッジがシャープなおける画像であるが、黒色の手書き風の焼き絵は得られなかった。ｋは、焦点位置より２．５ｍｍ遠ざけた遷移加工領域の加工画像で、薄く黒色を呈するがエッジがシャープでありｊとｉとの中間的な画像であり、黒色の手書き風の焼き絵は得られなかった。ｌは、焦点位置より１０ｍｍ遠ざけた加工収束領域の加工画像であり、不明瞭な薄い画像しか得られなかった。
【産業上の利用可能性】  本発明に係る焼き絵形成方法および焼き絵は、例えばお盆、お椀、箸、トレー、まな板等の食器や看板、額、表札、人形、バッグ等の工芸品や椅子、タンス、テーブル等の家具等に好ましく用いられる。
【符号の説明】
【００４７】１・・・レーザー発振器
２・・・レーザービーム
３・・・光学系
４・・・焦点位置
５・・・加工材料保持装置
【図１】
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【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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