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これだけは知っておきたい!無垢材の木工作品作り 9つのポイント。

 2016/08/18 木工
この記事は約 19 分で読めます。 1,471 Views

DIYで無垢材を使って木工品を製作するのは大変楽しいですね。

木工作品の材料に使用する無垢(ムク)材は、元々は山に生えていた樹木を伐採して

製材された材料ですが、木材は植物ですので、人工的に作られた材料とは違い、

特有の性質を持っています。

 

無垢材を使って木製品を製作するにあたっては、無垢材が持っている特質をよく

理解して使用する必要があります。

無垢材を使って木工製品を作るにあたってぜひ知っておいていただきたいことを

まとめてみました。

 

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無垢材の種類

無垢材には大きく分けて、針葉樹と広葉樹があります。

針葉樹

針葉樹の木の葉っぱは、字のごとく松の葉に見られるように、針のように細く尖った

葉をしたものや、幅が細くて長い葉をしています。

幹は真っすぐに伸びるものが多いので、主に建築用材の構造材や仕上げ材として

利用されています。

 

針葉樹は「軟木」ともいわれ、材質は比較的柔らかく加工がしやすい性質を持っています。

主な国産の針葉樹は、ヒノキ、スギ、マツ、ツガ、ヒバ、モミなどになり

輸入材では、米松、米栂、スプルース、パインなどとなります。

 

広葉樹

広葉樹の葉は、幅の広いものが多く、幹は複雑に伸びるものが多く見られます。

広葉樹は「硬木」ともいわれ、材質は硬く手加工では難儀をしますが、仕上がりは

光沢があり大変美しい仕上がりとなります。

 

主に家具や建具の仕上げ材として利用されたり、建築内装材や造作材としても

利用されています。

主な国産広葉樹は、ナラ、タモ、サクラ、ケヤキ、カバ、クリ、ブナなどとなり

輸入材では、オーク、ホワイトアッシュ、ウォールナット、ラワン、チーク、黒檀

ローズウッドなどとなります。

 

柾目と板目

私達が木工作業に使う無垢の板材は、元は山に生えていた樹から伐採された

大きな丸太から製材所で製材されてきたものです。

丸太から製材された板材は、その板材が丸太のどの部分からどのような方法で

製材されたかによって、板材の性質、特性が変わってきます。

 

したがって、無垢の板材で木工製品を製作するときは、使用する板材が

どのような性質を持っているのかをよく理解して使用する必要があります。

 

私達が板材を購入する場合は、板材がどのような性質を持っているかを

よく理解して購入しましょう。

そのため購入にあたって、板材を見たときに、その板材が丸太のどの部分から

どのように製材されたものなのかを理解出来ることが必要となります。

 

それは板材の木目を見ることによって分かります。

なので、最初に丸太からの製材方法についてご紹介したいと思います。

丸太からの板材の製材の方法には大きく分けて、柾目取りと板目取りの

2種類あります。

 

木取り

 

板の巾の方向が丸太の中心に向かうような木取りの方法を柾目取り、

板の巾の方向が丸太の中心に対して直角方向(丸太の年輪に対して接線方向)

になるような木取りの方法を板目取りといいます。

 

製材された板の表面の木目は柾目取りの場合と板目取りの場合とで

以下の図のようになります。

 

板

 

柾目取りによって製材された板を柾目板、

板目取りによって製材された板を板目板といいます。

両方の中間に位置する板もあります。

 

柾目取りの場合の板の表面の木目は、平行な直線的な木目が現れます。

それに対して板目取りの場合の板の表面の木目は、山の形をした木目が現れます。

 

板の部分の名称については、板の長さ方向の両端を木口(こぐち)、

巾方向の両端を木端(こば)といいます。

板目の場合は、木口から見て丸太の中心に近い方を木裏、遠い方を木表といいます。

 

このよな製材方法による違いによって、木目の現れ方が異なる柾目板と板目板の

性質の違いは以下のようになります。

 

柾目材 板目材
幅広材 取れない 取れる
反り 小さい 大きい
収縮 小さい 大きい

 

また下の図のように、柾目板は木目の軟らかい部分が水分を通しやすく、

板目板は木目の硬い部分があるため、水分を通しにくい性質を持っています。

 

桶と樽

 

上記の性質を利用して、昔からご飯を入れるおひつや寿し桶などは柾目板が使われ、

酒樽のように長期間水分を蓄えておく容器には板目板が使われています。

 

このように板材の木口や表面の木目を見ることによって、

丸太からどのように製材されたものかが分かりますので、

柾目材と板目材の性質を理解し、板材の購入や木工に役立ててください。

 

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木表と木裏

板目の板材には、木表(きおもて)と木裏(きうら)と呼ばれる面があります。

 

 

板目材の場合、丸太の外側の樹皮に近い方の面を「木表(きおもて)」といい

丸太の芯に近い方を「木裏(きうら)」と言います。

 

一般的には、木裏の方が節が出やすいので、木表側を化粧面として使用する場合が

多いのですが、無垢材の性質として、木表側の収縮率が木裏側より大きいため

木表側が収縮により、割れや反りが生じやすくなります。

 

したがって、無垢板でテーブルなどの天板を製作する場合は、反りや割れの影響を

受けにくい木裏を天板の上側にします。

 

年輪

輪切りにされた丸太の木口を見るとほぼ丸太の芯を中心にして同心円状に

縞模様が見えます。

これはご存知の方も多いと思いますが、年輪(ねんりん)と呼ばれています。

 

通常年輪は丸太の芯を中心にして同心円状に同じ年輪幅で広がっていきますが、

たまに年輪の芯が中心から極端にずれている場合があります。

芯が中心からずれると、当然ながら年輪幅の狭い部分と広い部分が形成されます。

 

このように年輪の芯が偏って成長したものを偏心成長といいますが、偏心成長によって

通常よりも広い幅で形成された年輪の部分には、「あて材」と呼ばれる欠点が

形成される場合があり、この「あて材」の部分は、硬く変形の原因となるため、

木製品の材料としては不適当となります。

 

年輪の縞模様は、春から夏にかけての成長の早い時期と秋から冬にかけての

成長の遅い時期によって作られる細胞の壁の厚さの違いによって形成されています。

成長の早い時期の細胞壁は薄く、成長が遅い時期は厚くなります。

そのため細胞壁が厚い時期の年輪は濃く見え、薄い時期の年輪はは薄く見えます。

 

日本の場合は、この周期が1年単位で繰り返されますので、年輪の数がその木材の

年齢(樹齢)となります。

またこの1年間に成長する量を年輪幅といいます。

 

成長が早く細胞壁が薄く、色的にも薄く見える部分を「早材(そうざい)」、

成長が遅く細胞壁が厚く、色的に濃く見える部分を「晩材(ばんざい)」と呼んでいます。

早材部分の細胞は大きく、細胞壁が薄いので材質は軽く柔らかくなりますが、

晩材部分の細胞は小さく、細胞壁が厚いので重たく硬い材質となります。

 

したがって針葉樹の場合は、一般的に年輪幅が広くなると早材部分の割合が多く

なりますので、木部の密度は低くなり、軽くて柔らかい材質となります。

逆に年輪幅が狭くなると木部の密度は高くなり、重たく硬い材質となります。

広葉樹の場合は、環孔材と散孔材とで密度の性質が変わってきます。

 

あて材

あて材(あてざい)とは、何らかの原因で幹が曲がったり傾いた部分に発生するもので

平常な幹と比べて特異な性質を持っています。

木材は横方向と高さ方向の両方に成長しながら大きくなっていきますが、高さ方向に

ついては、重力とは反対方向に成長します。

 

したがって、何らこの原因で幹が曲がったり傾いたりすると、重力に逆らって真っすぐ

上に成長しようとします。

その場合に、一部分だけは通常とは異なった成長をするため「あて材」が発生します。

 

このあて材が発生する部分は、針葉樹と広葉樹では異なっています。

 

 

 

針葉樹の場合は、幹が曲がると下側(地面側)に通常とは異なる成長が起こり、

幹を上へ押し上げようとして「あて材」が形成されます。

したがって針葉樹の場合の「あて材」は「圧縮あて材」と呼ばれています。

 

これに対して広葉樹の場合は、上側(地面と反対側)に通常とは異なる成長が起こり、

幹を上へ引き上げようとして「あて材」が形成されます。

したがって広葉樹の場合の「あて材」は「引張あて材」と呼ばれています。

 

あて材が形成された部分は、幹の芯が中心からずれており「あて材」の部分の年輪幅が

広くなっています。

 

 

あて材部分は、成長過程において周囲とは特異な成長の仕方をしていますので

細胞の大きさや形、物理的性質、強度性能などあらゆる面で正常な部分と

異なっており、使用するにあたって障害となるケースが多く見られます。

 

木材は一般的には、板材や角材に製材して使用しますが、正常な部分に異常なあて材が

部分的に混在する形となります。

したがって1枚の板材の中で、収縮率が異なる所が部分的に存在することになります。

その結果、膨張収縮によって狂い、割れが発生しやすくなります。

 

無垢材を選ぶにあたっては、丸太の場合は、形はなるべく円に近い形で、

芯がなるべく円の中心にあるもの、年輪が等間隔なものを選んでください。

板材の場合も、年輪が出来るだけ規則正しく等間隔になっているものが良いです。

 

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木取り

無垢板からいろいろなサイズの板をカットすることを木取り(きどり)といいます。

ここからは、木取りをするときの注意点についてご紹介します。

 

その前に、木材について少し書いてみます。

無垢板は、元々は山に生えている木材を伐採して製材されたものですが、

木材は植物ですので木材は動物と同じく細かな無数の細胞から構成されています。

 

この細胞の構成要素というのは、専門的に言いますといろいろありますが、

大きく分けますと、セルロースとそれ以外の物質とから成ります。

 

このセルロースは繊維素とも呼ばれ、細長い繊維状のもので、

綿や紙の原料となっているパルプの元となっているもので、大きな樹木を支える

役割をしています。

 

また草やイネ科の植物なども同じです。

たとえば、稲やススキなどは、茎の直径は数mmしかありませんが、

背丈は私達の背丈ほどあります。

 

この数mmしかない細い茎を支えているのは、上下に細長く存在するセルロースなのです。

セルロースの1本1本は大変短いものですが、それが沢山集まって上下に伸びています。

 

私達がいつも使っている紙もそうですね。

紙は木材からセルロースを取り出し、そのセルロースから作られたパルプ(植物繊維)を

複雑に絡ませることによって丈夫な紙が出来上がっています。

 

木材は繊維素を上下方向に作りながら高く成長しますが、同時に横方向にも

細胞分裂をしながら成長し、大きな直径の大木に成長していきます。

この成長を司っているのが、形成層と呼ばれる部分です。

 

この形成層が細胞分裂を行い、内部方向に木部(私たちが利用する木材)を作り、

外側へは樹皮を作りながらながら上、横へと成長していきます。

 

この形成層の細胞分裂は常に同じスピードではなく、季節によって成長の度合いが異なり、

春から夏にかけては成長は早く、夏から冬にかけては遅くなります。

 

これによって作られる細胞の大きさが異なり、成長が早いと薄い色となり、

成長が遅いと濃い色になります。

これが私達がよく目にする年輪となって見えます。

 

形成層は木材の樹皮のすぐ内側にあり、細胞分裂しながら成長しますが、

生きているのはこの形成層と養分を蓄えている部分のみで、この養分を蓄えている部分は

数年から数十年すると死んでしまいます。

 

この死ぬときに、蓄えてあった成分をフェノールなどの別の成分に変化させます。

このとき当初白っぽかった部分が濃い色に変化しますが、これを「心材化」といいます。

 

心材化によって作られた丸太の中心の濃い部分が「心材」、周辺の白っぽい部分が

「辺材」になります。

心材のことを赤身(あかみ)、辺材のことを白太(しらた)とも言います。

 

形成層

 

上の図は丸太を輪切りにして見たところを模式的に書いたものですが、

一番外側にあるのが樹皮で、樹皮のすぐ内側の周囲に形成層があります。

中心部の色の濃い部分が心材となり周辺部の薄い部分が辺材となります。

 

樹木が山に生えている段階では当然樹木は生きていますが、細かく内部的に見てみると、

色の濃い部分というのは実際には死んだ細胞からなっています。

生きているのは辺材の部分のみとなります。

 

心材化による化学成分の変化によって中心部の心材の部分は防腐効果を持つようになり、

同時に硬く、丈夫な木部に変化します。

心材は死んではいますが、大きな大木を支えるための重要な役割を果たしています。

 

したがって、辺材の白っぽい部分というのは水分も多くて軟らかく、

防腐効果を持たないため、私達が利用している木材も、主に心材の部分を使っています。

ただ、辺材の部分もよく乾燥させて使うようにすれば問題はありません。

 

私達が木取りをするケースというのは、板材からの木取りの場合ですが、

巾の広い板材から木取りをする場合に注意しておかなくてはいけない事があります。

 

木取り

 

巾の広い板材から、細長い板材を木取りする場合、上の図の右のような木取りはダメです。

左の図のように、

木取りをする細長い材料の長さ方向と元の板材の長さ方向が一致するように

木取りをしてください。

理由はお分かりですよね。

 

最初にお話をした「セルロース」でご説明したように、板材の強度は

この長さ方向に細長く存在するセルロースによって保たれています。

細長い板材を木取りする場合は、細長い板材の長さ方向が、元の板材のセルロースの方向と

平行になるようにしないと、強度が保たれません。

 

元の板材のセルロースの方向というのは、全て長さ方向に存在しています。

図の右のような木取りをしますと、強度が保たれないため簡単に折れてしまいますし、

反りも生じやすくなりますので気おつけてください。

 

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含有水分

無垢の木を使って何か木工品を製作する時、やはり一番気をつけておかないといけないのが、

木材には水分が含まれているという事です。

 

乾燥材と言われている木材でも、含水率は0ではなく、いくらかの水分が含まれており、

また、含水率を一定にしておくことは難しく、木材の周囲の湿度の変化によって、

木材自身が水分を吸ったり、吐いたりします。

 

それによって、木材は常に膨張、収縮を繰り返しています。

特に巾の広い天板はこの影響を受けやすく、製作のときはそれなりの工夫が必要になります。

 

木材中に含まれる水分は、その状態によって、自由水と結合水とに分けられます。

自由水は細胞間隙などに含まれる水で移動が自由な水分です。

結合水は細胞壁内に含まれている水分で、ミセルの間隙に吸着しています。

 

伐採された直後や製材された直後の段階では木材の中には大量の水分が含まれていますが、

乾燥するにつれて、まず自由水が移動して蒸発し、自由水がなくなると細胞壁中の結合水が

蒸発をはじめます。

 

自由水がなくなり結合水が蒸発し始めるこの移り変わりのところを繊維飽和点とよび、

この時の木材内の含水率は約30%前後ぐらいとなります。

 

含水率が30%以下になると、木材の物理的、機械的性質に大きな影響を及ぼします。

木材は繊維飽和点以下の含水率(約30%)になると、木材の細胞壁のミセルの間隙に

水分が入ったり出たりすることによって、木材全体が膨張、収縮の現象を起します。

 

それからさらに乾燥が進むとやがては水分の出入りがなくなり含水率は一定になりますが、

このときの含水率は大気中の湿度や温度、季節によって変わってきますが、

約15%前後となります。

 

このときの木材を気乾材といい、含水率を平衡含水率といいます。

木材は平衡含水率に達しても、大気中の湿度は、季節や1日の内の時間帯によっても

変化しますので、それに伴って木材は常に膨張、収縮を繰り返します。

 

したがって木工品を作成する場合は、このことを十分理解し、

木材は常に動くものであることを認識し、それに即した製作方法を考える必要があります。

 

動くといっても僅かの量ですので、小さい木製品でしたらそれ程神経質になる必要は

ありませんが、たとえばダイニングテーブルの天板などで巾が1m前後になるものの場合は、

それなりの対策が必要になります。

 

無垢板を購入される場合は、少なくとも平衡含水率まで達した気乾材であるかどうかを

確認して購入しましょう。

 

平衡含水率まで達していない場合は、乾燥させてから製作に着手しましょう。

一番良いのは、人工的に乾燥させた人工乾燥材(人乾材)を使用することです。

製作前に一度、含水率を計ってみるのも良いかと思います。

 

反り

含水率が約30%以下になると膨張、収縮を起すことを書きましたが、

ではどの様な変化が起きるのでしょうか。

 

木材は、「柾目と板目」の項目のところで書いておりますが、木材の内部は、

ガラスやプラスティックのような均一ではなく、性質の異なる物質が不均一に

存在しています。

 

木材のように、方向によって性質が異なっていることを「異方性」といいます。

ガラスやプラスティックのような、どの方向も同じ性質をしていることを

「等方性」といいます。

 

したがって、木材が膨張、収縮をおこした場合、単純に膨れたり、縮んだりしないで、

いろいろな変形を伴うのが通常です。

この変形の代表的なものが「反り」です。

 

その他の変形としては、曲がり、ねじれ、割れ などがあります。

板材や角材の変形は、その材料が丸太のどの部分からどのように製材されたかによって

変わってきます。

下の図は丸太の場所による変形の違いを書いたものです。

 

変形

 

このような変形を極力さける為に、木材は乾燥させて使用しますが、

また乾燥させることによって強度を増し、加工性も良くなります。

十分乾燥させても、上記の「含有水分」で書いていますように、

変形は常に起きますのでそれなりの対策が必要になります。

 

特に巾の広い板材の場合は、反りが生じますので、木製品を製作される場合は

反り防止の措置が必要になります。

 

詳しい反りのメカニズムについてや具体的な反り防止の方法等については、

下記にまとめてありますのでご覧ください。
http://kagu-diy.com/diy/mokkou/sori

 

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内部応力

内部応力とは、

実用の固体材料では外力が作用しなくても応力が発生していることがある。
この応力を内部応力という。

と書かれてあります。

つまり物体の内部には外力に関わらず力が作用しているということです。

 

木材も同様で、ある大きさ、形状の木材が有る場合、現状の大きさ、形状のままで

安定している場合、内部に存在する力関係のバランスは保たれていると考えられます。

 

上記の現状の木材をカットして、大きさ、形状を変化させると、

内部応力のバランスが崩れ、それぞれカットされた材料が大きく変形する

場合があります。

特に木材のような異方性の物質の場合は、変形が起こりやすいと考えられます。

 

したがって、大きな1枚の板からカットして細かな板を取る場合などは

注意が必要ですが、残念ながら内部応力の関係を外部からは見えませんので、

カットするまでは、変形を起こすか否かを知ることは出来ません。

 

ただし無垢板の場合は木目を見ることによってある程度推察することが出来ます。

板目材より柾目材のほうが等方性に近いので、変形は起こりにくいと考えられます。

 

また、板目材の場合は、なるべく年輪の巾が等間隔で均一であるもの、

それぞれの年輪が新円に近く、なお且つ同心円に近いものを選ぶことによって

ある程度避けることが出来ます。

 

また、広い板材から木取りをする場合、次の段階でプレーナー加工しますので、

その分の加工代を含んだ寸法で木取りをしますので、通常でしたら5mm前後

加工代をみますが、もっと大きく加工代をみて木取りをしておけばプレーナー加工で

変形を取り除くことが出来ます。

 

まとめ

今まで木製品を数多く製作してきた中で、これだけは知っておいていただきたい事を

書いてみました。

まだまだ書き足りないこともありますが、別の機会に書かせていただきます。

 

上記に書かせていただいた9つのポイントは木製品を製作する上で

大変重要なことなのですが、あまり気にしすぎると作品作りが楽しくありませんので、

まずは頭の片隅にでも置いていただいて、自由な発想でDIYを楽しんでください。

 

木工DIYに必要な木質材料につきましては、良質な材料をインターネットで

購入することが出来ます。

下記にまとめてありますのでこちらもチェックしてみてください。

 

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