(57)【要約】【課題】旋回気流を安定的に生成して微細繊維を気流紡績できる安価な気流紡績ノズルを提供する。【解決手段】空気紡績ノズル２０は、微細繊維５に旋回空気流を作用させるためのものであって、ＭＥＭＳ技術によって製造されている。この空気紡績ノズル２０は、旋回空気流を噴出させるためのガス流路４が形成された基板１を有する。ガス流路４は、基板１の厚み方向一側の面の凹部と、他側の面の凹部とからなり、全体として基板１の厚み方向から流路が傾斜する段付き孔として形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細繊維に旋回気流を作用させるための気流紡績ノズルであって、ＭＥＭＳ技術によって製造されていることを特徴とする気流紡績ノズル。
【請求項２】
請求項１に記載の気流紡績ノズルであって、
前記旋回気流を噴出させるためのガス流路が形成された基板を有し、
前記ガス流路は、前記基板の厚み方向一側の面の第１穴と、他側の面の第２穴とからなり、全体として前記基板の厚み方向から流路が傾斜する段付き孔として形成されていることを特徴とする気流紡績ノズル。
【請求項３】
請求項２に記載の気流紡績ノズルであって、
前記第１穴の深さと、前記第２穴の深さと、を加算した値が、前記基板の厚みを上回っていることを特徴とする気流紡績ノズル。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の気流紡績ノズルであって、
前記基板の厚み方向で少なくとも一側の面に接合される第２基板を備え、
前記第２基板には貫通孔が形成され、前記貫通孔は、段差を形成しながら前記ガス流路に対して接続していることを特徴とする気流紡績ノズル。
【請求項５】
微細繊維用気流紡績ノズルの製造方法であって、ＭＥＭＳ技術を用いる工程を含むことを特徴とする微細繊維用気流紡績ノズルの製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の微細繊維用気流紡績ノズルの製造方法であって、
基板の厚み方向両側からハーフエッチングを行って、全体として前記基板の厚み方向から傾斜している段付き孔からなるガス流路を形成する工程を含むことを特徴とする微細繊維用気流紡績ノズルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主要には、微細繊維を旋回気流で紡績するための気流紡績ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ドラフト装置によりドラフトされた繊維束に、旋回空気流を作用させて加撚することにより紡績糸を製造する空気紡績装置が知られている。このような紡績装置においては、例えば特許文献１及び２に示すように、旋回気流を発生させるための空気紡績ノズルが使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３５５１８７２号公報
【特許文献２】特許第３５４６７６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、微細な繊維であるマイクロファイバー及びナノファイバーがその機能性等の点で注目されており、従来よりも連続生産性が高く、高品質かつ高付加価値な微細繊維を生成するニーズが高まっている。しかしながら、このような微細繊維の紡績糸径は１０μｍ以下であるので、例えば綿（紡績糸径が０．１ｍｍ程度以上）を対象とする特許文献１及び２のような空気紡績ノズルをそのまま使用することはできなかった。
【０００５】
また、特許文献１及び２の空気紡績ノズルを寸法的に縮小したノズルを設計する場合、従来の機械加工技術では精度、コスト及び量産性の点で課題が多かった。特に、斜め方向に空気を噴出して旋回気流を形成するためのノズル孔を高精度に加工することが困難であり、安定した旋回気流で微細繊維を紡績する観点から改善の余地が残されていた。
【０００６】
本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、旋回気流を安定的に生成して微細繊維を気流紡績できる安価な気流紡績ノズルを提供することにある。
【課題を解決するための手段及び効果】
【０００７】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。
【０００８】
本発明の第１の観点によれば、微細繊維に旋回気流を作用させるための気流紡績ノズルであって、ＭＥＭＳ技術によって製造される気流紡績ノズルが提供される。
【０００９】
これにより、ＭＥＭＳによる高精度の微細加工を利用することで、旋回気流を安定的に生成して微細繊維を気流紡績できる気流紡績ノズルを提供することができる。
【００１０】
前記の気流紡績ノズルにおいては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、この気流紡績ノズルは、前記旋回気流を噴出させるためのガス流路が形成された基板を有する。前記ガス流路は、前記基板の厚み方向一側の面の第１穴と、他側の面の第２穴とからなり、全体として前記基板の厚み方向から流路が傾斜する段付き孔として形成されている。
【００１１】
これにより、直線的な斜め方向のガス流路を形成せずとも、基板の厚み方向のエッチング加工を組み合わせて、当該基板の厚み方向から傾斜したガス流路を高い寸法精度で形成することができる。従って、簡単な加工で、紡績室内に旋回気流を適切に生成することができる。
【００１２】
前記の気流紡績ノズルにおいては、前記第１穴の深さと、前記第２穴の深さと、を加算した値が、前記基板の厚みを上回っていることが好ましい。
【００１３】
これにより、ガス流路の流路断面積を確保し、旋回気流を紡績室側へ円滑に噴出させることができる。
【００１４】
前記の気流紡績ノズルにおいては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、この気流紡績ノズルは、前記基板の厚み方向で少なくとも一側の面に接合される第２基板を備える。前記第２基板には貫通孔が形成され、前記貫通孔は、段差を形成しながら前記ガス流路に対して接続している。
【００１５】
これにより、ガス流路から紡績室へ噴出される気流の向きを基板の厚み方向から一層傾斜させることができる。従って、強い旋回気流を形成して微細繊維に撚りを効率的に掛けることができる。
【００１６】
本発明の第２の観点によれば、微細繊維用気流紡績ノズルの製造方法であって、ＭＥＭＳ技術を用いる工程を含む微細繊維用気流紡績ノズルの製造方法が提供される。
【００１７】
これにより、ＭＥＭＳによる高精度の微細加工を利用することで、旋回気流を安定的に生成して微細繊維を気流紡績できる気流紡績ノズルを提供できる。
【００１８】
前記の微細繊維用気流紡績ノズルの製造方法においては、基板の厚み方向両側からハーフエッチングを行って、全体として前記基板の厚み方向から傾斜している段付き孔からなるガス流路を形成する工程を含むことが好ましい。
【００１９】
これにより、基板の厚み方向のエッチング加工を組み合わせて、当該基板の厚み方向から傾斜したガス流路を高い寸法精度で形成し、紡績室内に旋回気流を適切に生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る空気紡績ノズルの全体的な構成を模式的に示す斜視図。
【図２】基板に形成されたガス流路を詳細に示す拡大斜視図。
【図３】（ａ）図２のＡ−Ａ断面矢視図。（ｂ）ガス流路の形状の変形例を示す断面図。
【図４】基板に第２基板を接合する変形例を示す断面図。
【図５】ガス流路を構成する凹部の変形例を示す拡大斜視図。
【図６】ガス流路を構成する凹部について別の変形例を示す拡大斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る空気紡績ノズル（気流紡績ノズル）２０の全体的な構成を模式的に示す斜視図である。図２は、基板１に形成されたガス流路４を詳細に示す拡大斜視図である。図３（ａ）は図２のＡ−Ａ断面矢視図であり、図３（ｂ）はガス流路４の形状の変形例を示す断面図である。
【００２２】
図１に示す空気紡績ノズル２０は微細繊維５を紡績するためのものであり、基板１と、筒体１０と、を備えている。基板１はシリコンを素材として平板状に形成されており、この基板１には、微細繊維５を通過させるための貫通状の通過孔３と、旋回空気流を噴出させるための複数（４つ）のガス流路４と、が形成されている。
【００２３】
筒体１０は円筒状に形成されており、その一端が基板１に接合されている。筒体１０の内部には断面円形の紡績室１１が形成されており、前記ガス流路４は、この紡績室１１の接線方向に沿って空気を噴出し、紡績室１１の内部に旋回空気流を形成することができる。ただし、ガス流路４を通過して紡績室１１に噴出される空気流は紡績室１１の軸線方向（基板１の厚み方向）に対して傾斜しているので、紡績室１１内の旋回空気流は螺旋状となる。この構成で、微細繊維５は、通過孔３から紡績室１１に繊維束状態で導入され、旋回空気流の作用を受けることで撚られて紡績糸とされる。
【００２４】
図２には、４つのガス流路４のうち１つが拡大して示されている。このガス流路４は、基板１の厚み方向両側の面から矩形状の凹部（第１穴及び第２穴）を互いに位置を異ならせてそれぞれ形成し、両方の凹部を相互に連絡したような形状に構成されている。この段付き孔状のガス流路４により、空気は図２の矢印で示すように、基板１の厚み方向から若干傾斜するように曲げられながら紡績室１１へ噴射される。この結果、前述のように螺旋状の旋回空気流を紡績室１１内に形成することができる。
【００２５】
図３（ａ）及び図３（ｂ）には、ガス流路４の形状の加工例が図２のＡ−Ａ断面矢視図として示されている。図３（ａ）の例では、基板１の一側の面に形成した凹部の深さｄ１と、他側の面に形成した凹部の深さｄ２と、を加算した値が、基板１の厚みｔ１より大きくなっている（ｄ１＋ｄ２＞ｔ１）。このように両側の凹部が基板の厚み方向にオーバーラップするように形成されることで、ガス流路４内に形成される段差の位置を基板の厚み方向で異ならせることができる。この結果、ガス流路４の流路断面積を確保できるので、空気はガス流路４を円滑に通過して紡績室１１側に噴射される。
【００２６】
本実施形態において前記ガス流路４は、ＭＥＭＳ技術の手法の１つである半導体加工技術によるシリコンプロセスで形成されており、具体的には、誘導結合プラズマ処理装置（ＩＣＰ装置）による反応性イオンエッチングが利用されている。
【００２７】
この方法は公知のものであるので詳細は省略するが、概略を以下に示すと、最初に、シリコンからなる基板１の表面に例えばクロムからなる金属マスクを被覆し、この金属マスクをフォトレジスト等でマスクしながら選択的にエッチングすることで、前記ガス流路４の開口輪郭に相当する開口を当該金属マスクに形成する。そして、この基板１をＩＣＰ装置にセットし、Ｆ原子を含むガスを流すドライエッチング工程と、フルオロカーボン系のガスを流す保護膜堆積工程と、を交互に繰り返すことで、前記金属マスクの開口に対応する輪郭を有する所定の深さの凹部をハーフエッチング加工することができる。
【００２８】
なお、上記の基板１の表裏面からのハーフエッチングでは、表裏の凹部の位置を異ならせることで、図３（ａ）又は図３（ｂ）のように１段の位置ズレを実現できるにとどまる。一方、図４に示すように、貫通孔７を形成した第２基板２を基板１に対し密着させて固定し、前記貫通孔７をガス流路４の開口からオフセットして配置すると、位置ズレが２段となり、噴射時における噴流角度θを小さくするような流路レイアウトも可能になる。噴流角度θを小さくすると紡績室１１内に強い旋回気流を発生させることができるので、微細繊維５に撚りを効率的に掛けることができる。この第２基板２は、例えば珪ホウ酸ガラスからなる基板とすることができる。また、この第２基板２をシリコンの基板１に結合させる手法としては、例えば公知の陽極接合を採用することができる。
【００２９】
次に、本実施形態の方法で製造した空気紡績ノズル２０を用いた検証実験について説明する。先ず、シリコンからなる基板１に、図１に示すように４つの段差孔状のガス流路４を形成し、空気紡績ノズル２０を作製した。それぞれのガス流路４は、図３（ａ）に示すような構成とした。それぞれのガス流路４の具体的な寸法としては、基板１の表面及び裏面の開口形状は何れも１ｍｍの正方形とし、表面及び裏面の開口部の位置ズレ量は５００μｍ、位置ズレの方向は後述の紡績室１１の接線方向とした。
【００３０】
そして、基板１の一側の面（図１において上側の面）に図略の配管を取り付け、圧縮ガス源を接続した。今回の実験では、圧縮ガス源として、簡便な圧縮窒素ガスを採用した。また、図１に示す筒体１０は内径６ｍｍのアクリルパイプとし、ガス流路４の下流側の開口を、アクリルパイプの内側に形成された紡績室１１に臨ませるように配置した。
【００３１】
そして、紡績室１１にネジレの無い繊維束を挿入し、４つのガス流路４に均等に窒素ガスを供給して、旋回気流によって繊維を捻る実験を行った。繊維としては、太さが１束約３５０μｍの綿繊維と、約３０μｍの化学繊維の２種類を実験に用いた。圧縮窒素ガスをガス流路４から噴射させて目視で観察したところ、２種類の繊維は何れも、空気紡績ノズル２０によってネジリが生じていることが確認された。
【００３２】
次に、図４の構成に示すような流路構造を有する空気紡績ノズルについて検証した。第２基板２は珪ホウ酸ガラスで形成するとともに、基板１に対して陽極接合によって接合した。また、第２基板２に形成された貫通孔は直径１ｍｍとした。その他の条件については上記と同様として再び実験したところ、図３（ａ）よりも図４の構成の方がより強い旋回気流が得られ、繊維のネジリが一層強くなっていることが確かめられた。
【００３３】
以上のように、ＭＥＭＳ技術（具体的には、ＩＣＰ装置による反応性イオンエッチング）を用いてガス流路４を形成した空気紡績ノズル２０は、紡績室１１に旋回空気流を発生させて微細繊維５を空気紡績するデバイスとして有効に機能するとの知見が得られた。
【００３４】
以上に説明したように、本実施形態の空気紡績ノズル２０は、微細繊維５に旋回空気流を作用させることができるように構成されている。また、この空気紡績ノズル２０は、ＭＥＭＳ技術によって製造されている。
【００３５】
これにより、ＭＥＭＳによる高精度の微細加工を利用することで、旋回気流を安定的に生成して微細繊維５を空気紡績できる空気紡績ノズル２０を提供することができる。
【００３６】
また、本実施形態の空気紡績ノズル２０は、旋回空気流を噴出させるためのガス流路４が形成された基板１を有する。ガス流路４は、基板１の厚み方向一側の面の凹部と、他側の面の凹部とからなり、全体として基板１の厚み方向から流路が傾斜するような段付き孔として形成されている。
【００３７】
これにより、基板１の厚み方向のエッチング加工を組み合わせて、当該基板１の厚み方向から傾斜したガス流路を形成し、紡績室１１内に旋回空気流を適切に生成することができる。
【００３８】
また、本実施形態の空気紡績ノズル２０においては、図３（ａ）に示すように、基板１の厚み方向一側の面からのハーフエッチングの深さ（凹部の深さ）ｄ１と、他側の面からのハーフエッチングの深さ（凹部の深さ）ｄ２と、を加算した値が、基板１の厚みｔ１を上回っている。
【００３９】
これにより、ガス流路４の流路断面積を確保し、旋回空気流を紡績室１１側へ円滑に噴出させることができる。
【００４０】
また、図４に示す構成の空気紡績ノズル２０は、基板１の厚み方向一側の面に接合される第２基板２を備える。第２基板２には貫通孔７が形成され、この貫通孔７は、段差を形成しながらガス流路４に対して接続している。
【００４１】
これにより、２段の段付き孔状のガス流路が全体として形成されるので、ガス流路４から紡績室１１へ噴出される気流の角度である噴流角度θを一層小さくすることができ、強い旋回空気流を形成して微細繊維５に撚りを効率的に掛けることができる。
【００４２】
以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。
【００４３】
ガス流路４は、図１の実施形態では４つ形成されているが、２つ、３つ、又は５つ以上のガス流路を有する構成に変更することができる。なお、ガス流路４は、旋回空気流の中心に関して対称となる位置に設けるのが良い。
【００４４】
図２に示すガス流路４は、凹部の輪郭である矩形の１辺に沿う方向にのみ位置を異ならせるようにして、基板１の表面と裏面の凹部が形成されている。しかしながら、これに代えて、例えば図５のガス流路４ａのように、凹部の矩形の２辺の方向に何れも位置を異ならせて、基板１の表面と裏面に凹部を形成するように変更することができる。この２次元的なズレを有する配置により、気流の供給側に対する噴出方向を高い自由度で設定することが可能になる。また、表面と裏面で凹部の輪郭形状が一致している必要はなく、例えば図６のガス流路４ｂのように、流路の下流側に位置する凹部を三角形に形成することができる。この例では、気流の向きが三角形の先細部に向かって収束することが期待できる。以上に例示するように、基板１に形成するガス流路４の形状は様々に変更することができる。
【００４５】
第２基板２は、基板１の一側の面にのみ接合する構成とせず、両側の面に接合するように変更することができる。この場合、いわゆる３段の段付き孔状のガス流路が形成され、旋回気流の向きをより安定化させることができる。
【００４６】
前記空気紡績ノズル２０のガス流路４は、ＩＣＰ装置による反応性イオンエッチングによって形成する場合に限定されない。例えば、厚膜レジストを用いた公知の紫外線リソグラフィによっても、前記実施形態と同様の構成のガス流路を形成することができる。あるいは、エッチングプロセスによらず、選択成長プロセスによって空気紡績ノズル２０を形成するように変更することができる。
【００４７】
ガス流路４に圧縮空気が供給される構成の前記空気紡績ノズル２０に代えて、例えば上記の窒素のような適宜のガスをガス流路４に供給して気流紡績する構成に変更することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１  基板
２  第２基板
３  通過孔
４  ガス流路
５  微細繊維
７  貫通孔
１０  筒体
１１  紡績室
２０  空気紡績ノズル
【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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