(57)【要約】      （修正有）【課題】電界紡糸法により生成された繊維を、ターゲット上の所望の位置に選択的に堆積させる電界紡糸装置の提供。【解決手段】第１の面および前記第１の面とは反対側の第２の面を備える基材２０に、繊維を堆積させるための電界紡糸装置１０であって、繊維の原料液を吐出する吐出部１と、吐出部１に対向して配置されるコレクタ電極２と、基材２０を、吐出部１とコレクタ電極２との間であって、第１の面が吐出部１に対向するように、保持する保持部材３と、吐出部１とコレクタ電極２との間に電圧を印加する電圧印加手段と、保持部材３を、第１の面の面方向に移動させる移動手段と、頂部２Tと保持部材３に保持された基材２０の第２の面との距離Ａを変更して、繊維の第１の面における堆積状態を制御する距離変更手段と、を備え、コレクタ電極２は、柱状の基部２Ｂと、基部２Ｂの吐出部１に対向する端部に配置される頂部２Ｔと、を備える、電界紡糸装置。【選択図】図１
2019167641.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面および前記第１の面とは反対側の第２の面を備える基材に、繊維を堆積させるための電界紡糸装置であって、
前記繊維の原料液を吐出する吐出部と、
前記吐出部に対向して配置されるコレクタ電極と、
前記基材を、前記吐出部と前記コレクタ電極との間であって、前記第１の面が前記吐出部に対向するように、保持する保持部材と、
前記吐出部と前記コレクタ電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記保持部材を、前記第１の面の面方向に移動させる移動手段と、
前記頂部と前記保持部材に保持された前記基材の前記第２の面との距離Ａを変更して、前記繊維の前記第１の面における堆積状態を制御する距離変更手段と、を備え、
前記コレクタ電極は、柱状の基部と、前記基部の前記吐出部に対向する端部に配置される頂部と、を備える、電界紡糸装置。
【請求項２】
前記距離変更手段は、前記保持部材を移動させることにより、前記距離Ａを変更する、請求項１に記載の電界紡糸装置。
【請求項３】
前記距離変更手段は、前記コレクタ電極を移動させることにより、前記距離Ａを変更する、請求項１に記載の電界紡糸装置。
【請求項４】
前記吐出部から前記原料液が吐出される間、前記吐出部と前記頂部とを結ぶ第１の方向が一定に保たれる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電界紡糸装置。
【請求項５】
前記第１の方向と前記第１の面の法線とが成す小さい方の角度は、２０度以下である、請求項４に記載の電界紡糸装置。
【請求項６】
前記移動手段は、前記距離Ａを一定に保ちながら前記保持部材を移動させる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電界紡糸装置。
【請求項７】
前記基材の前記第１の面は、前記繊維を堆積させる堆積予定領域と、前記堆積予定領域を取り囲む非堆積領域と、を有し、
前記保持部材は、前記非堆積領域、および、前記第２の面の前記非堆積領域に対応する領域の少なくとも一部を保持する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の電界紡糸装置。
【請求項８】
前記吐出部は、内部に前記原料液を輸送する第１流路と、前記第１流路とは独立してガスを輸送する第２流路と、を備え、
前記第１流路の前記基材に対向する端部には、前記原料液を吐出する第１吐出口が形成されており、
前記第２流路の前記基材に対向する端部には、前記ガスを吐出する第２吐出口が形成されており、
前記第２吐出口は、前記第１吐出口または前記第１流路の周囲を取り囲むように配置されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の電界紡糸装置。
【請求項９】
繊維の原料を含む原料液と、第１の面および前記第１の面とは反対側の第２の面を備える基材と、を準備する準備工程と、
前記原料液を吐出する吐出部と、前記吐出部に対向して配置されるコレクタ電極との間に、前記基材を前記第１の面を前記吐出部に向けて配置する配置工程と、
前記吐出部と前記コレクタ電極との間に電圧を印加しながら前記吐出部から前記原料液を吐出する電界紡糸工程と、を備え、
前記コレクタ電極は、柱状の基部と、前記基部の前記吐出部に対向する端部に配置される頂部と、を備えており、
前記電界紡糸工程は、
前記基材を前記第１の面の面方向に移動させる移動工程と、
前記基材の前記第２の面と前記頂部との距離Ａを変更して、前記繊維の前記第１の面における堆積状態を制御する距離変更工程と、を備える、繊維集合体の製造方法。
【請求項１０】
前記距離変更工程において、前記基材を移動させることにより、前記距離Ａが変更される、請求項９に記載の繊維集合体の製造方法。
【請求項１１】
前記距離変更工程において、前記コレクタ電極を移動させることにより、前記距離Ａが変更される、請求項９に記載の繊維集合体の製造方法。
【請求項１２】
前記電界紡糸工程において、前記吐出部と前記頂部とを結ぶ第１の方向を一定に保ちながら、前記吐出部から前記原料液が吐出される、請求項９〜１１のいずれか一項に記載の繊維集合体の製造方法。
【請求項１３】
前記第１の方向と前記第１の面の法線とが成す小さい方の角度は、２０度以下である、請求項１２に記載の繊維集合体の製造方法。
【請求項１４】
前記移動工程において、前記距離Ａを一定に保ちながら前記基材が移動される、請求項９〜１３のいずれか一項に記載の繊維集合体の製造方法。
【請求項１５】
前記配置工程において、前記基材は保持部材により保持されており、
前記基材の前記第１の面は、前記繊維を堆積させる堆積予定領域と、前記堆積予定領域を取り囲む非堆積領域と、を有し、
前記保持部材は、前記非堆積領域、および、前記第２の面の前記非堆積領域に対応する領域の少なくとも一部を保持する、請求項９〜１４のいずれか一項に記載の繊維集合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界紡糸装置および繊維集合体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電界紡糸装置を用いる電界紡糸法では、通常、繊維の原料を溶解させた溶液（原料液）を吐出するノズルと、ターゲットを載置するコレクタ電極との間に電圧を印加して、原料液およびターゲットをそれぞれ異なる極性に帯電させる。ターゲットに向かってノズルから原料液を吐出させると、静電爆発して、原料液から繊維の原料が分離する。分離した原料は静電延伸されて、ターゲット上に繊維として堆積する。
【０００３】
特許文献１では、繊維をターゲット上に均一に堆積させるために、コレクタ電極をターゲットの面方向に移動させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１９０７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電界紡糸法によれば、ナノレベルの細い繊維（ナノファイバー）が生成する。ナノファイバーの用途拡大に伴い、これをターゲット上の所望の領域に部分的に堆積させる技術が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一局面は、第１の面および前記第１の面とは反対側の第２の面を備える基材に、繊維を堆積させるための電界紡糸装置であって、前記繊維の原料液を吐出する吐出部と、前記吐出部に対向して配置されるコレクタ電極と、前記基材を、前記吐出部と前記コレクタ電極との間であって、前記第１の面が前記吐出部に対向するように、保持する保持部材と、前記吐出部と前記コレクタ電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、前記保持部材を、前記第１の面の面方向に移動させる移動手段と、前記頂部と前記保持部材に保持された前記基材の前記第２の面との距離Ａを変更して、前記繊維の前記第１の面における堆積状態を制御する距離変更手段と、を備え、前記コレクタ電極は、柱状の基部と、前記基部の前記吐出部に対向する端部に配置される頂部と、を備える、電界紡糸装置に関する。
【０００７】
本発明の他の局面は、繊維の原料を含む原料液と、第１の面および前記第１の面とは反対側の第２の面を備える基材と、を準備する準備工程と、前記原料液を吐出する吐出部と、前記吐出部に対向して配置されるコレクタ電極との間に、前記基材を前記第１の面を前記吐出部に向けて配置する配置工程と、前記吐出部と前記コレクタ電極との間に電圧を印加しながら前記吐出部から前記原料液を吐出する電界紡糸工程と、を備え、前記コレクタ電極は、柱状の基部と、前記基部の前記吐出部に対向する端部に配置される頂部と、を備えており、前記電界紡糸工程は、前記基材を前記第１の面の面方向に移動させる移動工程と、前記基材の前記第２の面と前記頂部との距離Ａを変更して、前記繊維の前記第１の面における堆積状態を制御する距離変更工程と、を備える、繊維集合体の製造方法に関する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電界紡糸法により生成された繊維を、ターゲット上の所望の位置に選択的に堆積させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る電界紡糸装置の構成例を示す側面図である。
【図２】図１に示す電界紡糸装置の斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るコレクタ電極の頂部の一例を基材の法線方向から見た上面図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態に係るコレクタ電極の一部を示す側面図である。
【図４Ｂ】本発明の他の一実施形態に係るコレクタ電極の一部を示す斜視図である。
【図４Ｃ】本発明のさらに他の一実施形態に係るコレクタ電極の一部を示す斜視図である。
【図４Ｄ】本発明のさらに他の一実施形態に係るコレクタ電極の一部を示す斜視図である。
【図４Ｅ】本発明のさらに他の一実施形態に係るコレクタ電極の一部を示す斜視図である。
【図４Ｆ】本発明のさらに他の一実施形態に係るコレクタ電極の一部を示す斜視図である。
【図４Ｇ】本発明のさらに他の一実施形態に係るコレクタ電極の一部を示す斜視図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る吐出部の一例を示す断面図である。
【図６】本発明の電界紡糸装置および製造方法により得られた繊維集合体の写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
電界紡糸の際、原料液は静電爆発するため、繊維は、例えば吐出したノズルを中心とする半球状に広がる領域に生成する。そのため、繊維をターゲットに部分的に堆積させることは困難である。また、ターゲットが非導電性である場合、電界紡糸の進行に伴って、ターゲット自身が原料液と同じ極性に帯電する。これにより、生成空間における電界が変形して、新たな繊維は意図しない領域で生成する場合がある。そのため、ターゲットの繊維が堆積する位置を制御することは困難である。
【００１１】
本実施形態では、柱状部分およびその末端に配置された頂部を備えるコレクタ電極を用いる。生成空間に生成した繊維は、コレクタ電極の頂部のターゲット（基材）に近い部分に引き寄せられる。そのため、繊維は、基材の限られた領域に選択的に堆積する。基材をその面方向に移動させることにより、繊維は、頂部の相対的な移動軌跡に対応するように、基材上に堆積していく。本実施形態では、さらに、頂部と基材との距離を変化させて、繊維の堆積状態を制御する。繊維の堆積状態とは、例えば、繊維の堆積量および堆積領域である。これらにより、繊維集合体からなる所望の堆積パターンを、基材上に形成することができる。
【００１２】
以下、本実施形態に係る電界紡糸装置を、図面を参照しながら説明する。図１は、電界紡糸装置の構成例を示す側面図である。図２は、図１に示す電界紡糸装置の斜視図である。図３は、コレクタ電極の頂部を基材の法線方向から見た上面図である。図４Ａは、コレクタ電極の一部を示す側面図であり、図４Ｂ〜図４Ｇは、コレクタ電極の一部を示す斜視図である。本実施形態の説明において、理解を容易にするために方向を表す用語（たとえば「Ｘ，Ｙ，Ｚ」）を適宜用いるが、これは説明のためのものであって、これらの用語は本発明を限定するものでない。また、図示例では、基材が矩形である場合を示しているが、基材の形状はこれに限定されない。図２では、便宜的に、堆積した繊維（繊維集合体）にハッチングを付している。
【００１３】
電界紡糸装置１０は、繊維の原料液を吐出する吐出部１と、吐出部１に対向して配置され、基部２Ｂおよび頂部２Ｔを備えるコレクタ電極２と、ターゲットである基材２０を保持する保持部材３と、を備える。基部２Ｂは、柱状である。頂部２Ｔは、基部２Ｂの吐出部１に対向する端部に配置されている。保持部材３は、基材２０を、吐出部１と頂部２Ｔとの間に、第１の面２０Ｘを吐出部１に向けて保持する。電界紡糸装置１０は、さらに、吐出部１とコレクタ電極２との間に電圧を印加する電圧印加手段と、保持部材３を第１の面２０Ｘの面方向に移動させる移動手段と、頂部２Ｔと保持部材３に保持された基材２０の第２の面２０Ｙとの距離Ａを変更して、繊維の第１の面２０Ｘにおける堆積状態を制御する距離変更手段（いずれも図示せず）と、を備える。コレクタ電極２は接地（グランド）されていてもよいが、吐出部１とは反対の電圧が印加されることが好ましい。堆積パターンの精度がより向上するためである。
【００１４】
帯電する吐出部から吐出された原料液は、吐出部とは異なる極性に帯電されたコレクタ電極に引き寄せられる。電界紡糸装置において、静電爆発および静電延伸のための空間（生成空間）を確保するため、さらには、ターゲットである基材に効率よく繊維を堆積させるため、通常、基材はコレクタ電極の近傍に配置される。基材とコレクタ電極との距離は、繊維の基材への堆積効率に大きな影響を与える。
【００１５】
本実施形態では、繊維を基材の限られた領域に選択的に堆積させるため、コレクタ電極２に柱状の基部２Ｂおよび頂部２Ｔを設けるとともに、この頂部２Ｔと、保持部材３に保持された基材２０の第２の面２０Ｙとの距離Ａを変化させる。
【００１６】
距離Ａに応じて、基材２０の第１の面２０Ｘに堆積される繊維の量（単位面積当たりの質量）および／または領域が変化する。距離Ａが閾値Ａ０を超えると、繊維は基材２０上に堆積することなく、例えば、生成空間を浮遊した後、電界紡糸装置の他の部材に付着する。距離Ａが閾値Ａ０以下であると、繊維は、コレクタ電極２の頂部２Ｔの少なくとも一部に引き寄せられ、基材２０の限られた領域に堆積する。さらに、距離Ａが閾値Ａ０以下である場合、距離Ａが小さくなるにつれ、繊維の堆積する領域が小さくなる。つまり、原料液の吐出を継続したままであっても、堆積させる繊維の量および／または領域を制御することができる。そして、基材２０をその面方向（ＸＹ平面方向）に移動させることにより、図２に示すように、繊維を、頂部２Ｔの基材２０上における相対的な移動軌跡に対応する部分に堆積させることができる。つまり、基材２０上に、所望の堆積パターンを形成することができる。
【００１７】
電界紡糸法においては、原料液の吐出が開始される当初は、生成空間の電界が安定しないため、生成する繊維が不均一になり易い。本実施形態では、原料液の吐出を継続したまま所望の堆積パターンを形成できるため、高品質の繊維集合体が形成される。
【００１８】
閾値Ａ０は、頂部２Ｔと基材２０の第２の面２０Ｙとの距離であって、生成した繊維が基材２０上に堆積することができる最大の距離である。閾値Ａ０は、吐出部１と頂部２Ｔとの距離、吐出部１とコレクタ電極２との間に印加される電圧、基材２０の材質、保持部材３の材質、コレクタ電極２の電位等に応じて設定される。閾値Ａ０は、例えば、０．５ｍｍ〜２ｍｍである。
【００１９】
距離Ａは、頂部２Ｔと基材２０の第２の面２０Ｙとの最短距離である。距離Ａは、閾値Ａ０を越える場合もあるし、閾値Ａ０以下の場合もある。距離Ａは、０であってもよい。言い換えれば、頂部２Ｔと基材２０の第２の面２０Ｙとは接触していてもよい。距離Ａは、例えば、０ｍｍ〜３ｍｍである。
【００２０】
基材２０は、頂部２Ｔによってわずかに突き上げられてもよい。基材２０の頂部２Ｔによって突き上げられた部分と、その他の部分とのＺ方向における最大の距離は、例えば、０ｍｍ〜２ｍｍである。Ｚ方向は、基材２０の第１の面２０Ｘの法線方向である。
【００２１】
保持部材３の形状は、基材２０を弛みなく保持できる限り、特に限定されない。特に、保持部材３により、基材の第１の面２０Ｘにおける繊維を堆積させる予定の領域（堆積予定領域２０ａ）が弛みなく保持されればよい。堆積予定領域２０ａが、繊維を堆積させない非堆積領域２０ｂによって取り囲まれている場合、保持部材３は、非堆積領域２０ｂ、および、第２の面２０Ｙの非堆積領域２０ｂに対応する領域の少なくとも一部を保持することが好ましい。この場合、第２の面２０Ｙと頂部２Ｔとの距離Ａを、より小さくすることができ、例えば、頂部２Ｔと基材２０の第２の面２０Ｙとを接触させることができる。
【００２２】
基材２０の外周が画定されている場合、保持部材３は、例えば、図２に示すように、基材２０の周囲を保持する枠体であり得る。ハンドリング性および収納性の観点から、保持部材３は、図２に示すように矩形の環状体であってもよいし、電界紡糸工程において電界の分布が一様になり易く、安定した電界紡糸が行われ易い点から、保持部材３は、円形の環状体であってもよい。保持部材３は、全体が同一平面上にない立体構造であってもよい。また、基材２０に接触しない位置にハンドルを備えていてもよいし、基材２０に対向しない非対向部を備えていてもよい。
【００２３】
保持部材３の材質は特に限定されず、電界紡糸工程に用いられること、電界紡糸工程で印加される電圧に対する耐性、原料液に含まれる溶媒に対する耐性、機械的強度、帯電性等を考慮して適宜選択すればよい。特に、電界紡糸工程に用いられることを考慮すると、保持部材３は、絶縁体であることが好ましい。
【００２４】
保持部材３と基材２０とは、例えば粘着剤を介して接着される。保持部材３は、第１の面２０Ｘで基材２０を保持してもよいし、第２の面２０Ｙで基材２０を保持してもよいし、第１の面２０Ｘおよび第２の面２０Ｙの両面で基材２０を保持してもよい。
【００２５】
基材２０が十分な強度を有さない場合、第２の面２０Ｙと頂部２Ｔとの間に、基材２０を外的負荷から保護する保護材を配置してもよい。保護材は薄いことが望ましく、その厚みは、例えば０．０１ｍｍ以上、０．２ｍｍ以下である。保護材の厚みがこの範囲であれば、所望の位置への繊維の堆積を妨げることなく、基材２０の損傷を抑制することができる。保護材は特に限定されず、後述する基材と同じ形態および材質であってよい。保護材は、例えば、絶縁性のフィルム、不織布等である。
【００２６】
コレクタ電極２は、基部２Ｂおよび頂部２Ｔを備えていればよく、基部２Ｂおよび頂部２Ｔのみにより形成されてもよい。あるいは、コレクタ電極２は、平板電極（図示せず）と、平板電極上に配置された基部２Ｂおよび頂部２Ｔを備えていてもよい。基部２Ｂと頂部２Ｔとは一体物であってもよいし、別体であってもよい。
【００２７】
基部２Ｂは柱状である。柱状とは、例えば、棒状、ピン型、ペン型等である。基部２Ｂを第１の面２０Ｘの法線方向から見た形状は特に限定されず、円形、楕円形、矩形、その他の多角形であってもよい。基部２Ｂは、その内部に回転軸を有しており、当該回転軸を中心に回転可能であってもよい。
【００２８】
頂部２Ｔは、基部２Ｂの第２の面２０Ｙ側の端部に配置されている。
頂部２Ｔを第１の面２０Ｘの法線方向から見た形状（投影図形）は特に限定されず、例えば、図３に示すような円形であってもよいし、楕円形、矩形、その他の多角形であってもよいし、不定形であってもよい。投影図形の面積は特に限定されず、堆積パターン等に応じて設定される。投影図形の面積は、例えば、第１の面２０Ｘの面積の１／５０〜１／２００であってもよい。
【００２９】
頂部２Ｔの全体の形状も特に限定されず、半球であってもよいし、錘型、円柱、角柱、アーク柱またはスキージ状であってもよいし、堆積領域に対応する形状であってもよいし、これらの組み合わせであってもよい（図４Ａ〜図４Ｇ参照）。図４Ａ〜４Ｇでは、一例として、基部２Ｂが円柱である場合を示している。
【００３０】
図４Ａに示すコレクタ電極２ａの頂部２Ｔａは、半球状である。半球状の頂部２Ｔａは、鋭利なエッジを備えない点で好ましい。頂部２Ｔがエッジを備える場合、当該エッジに電界が集中し易くなるため、堆積パターンの精度が低下し易くなる。また、頂部２Ｔと基材２０の第２の面２０Ｙとが接触する場合、頂部２Ｔが鋭利なエッジを備えると、基材２０が損傷し易くなったり、基材２０の滑らかな移動が妨げられ易くなる。
【００３１】
図４Ａにおいて、頂部２Ｔａの曲率半径は基部２Ｂａの半径と同じであるが、これに限定されない。頂部２Ｔａの曲率半径は、基部２Ｂａの半径より小さくてもよいし、大きくてもよい。
【００３２】
図４Ｂに示すコレクタ電極２ｂの頂部２Ｔｂは、円柱状である。円柱状の頂部２Ｔｂによれば、比較的太い線を有する堆積パターンを容易に形成できる。図４Ｂにおいて、頂部２Ｔｂの直径は基部２Ｂｂの直径より大きいが、これに限定されない。頂部２Ｔｂの直径は、基部２Ｂａの直径と同じであってもよいし、小さくてもよい。円柱の中心付近に、半球状あるいは円錐状の突起を設けてもよい。円柱に替えて、角柱であってもよい。角柱の最長の辺は、基部２Ｂｂの直径より長くてもよいし、短くてもよい。角柱の最短の辺は、基部２Ｂｂの直径より長くてもよいし、短くてもよい。
【００３３】
図４Ｃに示すコレクタ電極２ｃの頂部２Ｔｃは、円錐状である。円錐状の頂部２Ｔｃによれば、細線を有する堆積パターンを容易に形成できる。図４Ｃにおいて、頂部２Ｔｃの底面の直径は基部２Ｂｃの直径と同じであるが、これに限定されない。頂部２Ｔｃの底面の直径は、基部２Ｂｃの直径より小さくてもよいし、大きくてもよい。また、頂部２Ｔｃの先端にはボール状あるいはリング状の部材が装着されていてもよい。基材２０が滑らかに移動できるようにするためである。
【００３４】
図４Ｄに示すコレクタ電極２ｄの頂部２Ｔｄは、堆積領域に対応する形状である。図４Ｄでは、一例として、リング状の頂部２Ｔｄを示している。堆積領域に対応する形状を有する頂部２Ｔｄによれば、所望の堆積パターンを容易に形成できる。
【００３５】
図４Ｅに示すコレクタ電極２ｅの頂部２Ｔｅは、内角が９０°の円弧を備えるアーク柱状である。ただし、アーク柱の厚みは一様ではなく、円弧の一方の端部から他方の端部に向かって徐々に薄くなっている。つまり、頂部２Ｔｅはスキージ部分を備える。スキージ部分は基材２０に対向するように配置されており、最も薄い部分が基材２０により近い。これにより、頂部２Ｔｅと基材２０との距離および対向面積が徐々に変化する。よって、グラデーションを有する堆積パターンを容易に形成できる。アーク柱状である頂部２Ｔｅの内角は特にこれに限定されず、例えば、４５°〜１８０°であってもよい。
【００３６】
図４Ｆに示すコレクタ電極２ｆの頂部２Ｔｆは、２つの円錐２１Ｔｆおよび角柱２２Ｔｆを備える。角柱２２Ｔｆは２つの円錐２１Ｔｆを支持する台座であって、角柱２２Ｔｆと各円錐２１Ｔｆとは接合されている。これにより、複数の細線を有する堆積パターンを容易に形成できる。円錐２１Ｔｆの数は３以上であってもよい。
【００３７】
基部２Ｂｆが回転可能である場合、２つの円錐２１Ｔｆは、基部２Ｂの回転軸に重ならないように配置されてもよい。これにより、同心円状にある複数の円弧を有する堆積パターンを容易に形成できる。円錐２１Ｔｆは、基部２Ｂの回転軸に重ならないように１つだけ配置されてもよい。この場合も、円弧を有する堆積パターンを容易に形成できる。
【００３８】
図４Ｇに示すコレクタ電極２ｇの頂部２Ｔｇは、円錐２１Ｔｇおよび円錐２１Ｔｇを取り囲む絶縁性のリング２３Ｔｇを備える。リング２３Ｔｇは、第２の面２０Ｙと円錐２１Ｔｇの先端との間の距離を規定するガイドである。これにより、一様な堆積パターンを容易に形成できる。円錐２１Ｔｇおよびリング２３Ｔｇは、それぞれ基部２Ｂｇに固定される。リング２３Ｔｇは、Ｚ方向に摺動可能に固定されてもよい。さらに、リング２３Ｔｇより大きな導電性のリングを、リング２３Ｔｇと同心円状に配置してもよい。この場合、導電性のリングを接地して、それぞれのリングの電位を変えることにより、繊維は円錐２１Ｔｇに集まりやすくなって、所望の堆積パターンをより容易に形成できる。
【００３９】
その他、頂部２Ｔは、基部２Ｂの直径よりも十分大きな（例えば、３倍以上の）直径を有するパラボラアンテナ型の部材と、その中央に配置される円錐とを備えてもよい。パラボラアンテナ型の部材は、その開口が基材２０に対向するように設けられる。これにより、吐出部１との間に安定した電界を形成しながら、繊維の堆積領域を制御することができる。パラボラアンテナ型の部材に替えて、基部２Ｂの直径よりも十分大きな直径を有する円柱を用いてもよい。パラボラアンテナ型の部材あるいは上記円柱の中央には、円錐に替えて、半球を配置してもよい。
【００４０】
繊維は、第１の面２０Ｘ上であって、おおよそ上記投影図形に対応する領域（以下、堆積領域）に堆積する。頂部２Ｔが、例えば、曲率半径５ｍｍの半球状であって、頂部２Ｔと第２の面２０Ｙとが接触する（Ａ＝０）場合、堆積領域は、直径約２．５ｍｍ〜３ｍｍの円形になる。第２の面２０Ｙと頂部２Ｔとの間に保護材が配置される場合、あるいは、頂部２Ｔと第２の面２０Ｙとが接触していない（０＜Ａ≦Ａ０）場合、堆積領域の直径は、３ｍｍよりも若干大きくなり得る。
【００４１】
コレクタ電極全体、基部２Ｂあるいは頂部２Ｔは、取り換え可能であってもよい。形状および面積の異なる投影図形を有する複数の頂部２Ｔを用いることにより、基材２０に様々な堆積パターンを形成することができる。
【００４２】
好ましい態様では、距離Ａは、吐出部１ではなく、コレクタ電極２を移動させることにより変更される。吐出部１と基材２０との間の距離が変わらないため、生成空間の電界の変化が少なく、安定した紡糸が行われ易い。この場合、コレクタ電極２の位置を精密に制御する観点から、コレクタ電極２の移動を制御する機構と、コレクタ電極２とは絶縁させる。
【００４３】
距離Ａは、保持部材３を移動させることにより変更されてもよい。保持部材３が絶縁性である場合、保持部材３の移動を制御する機構と保持部材３とを絶縁することを要しないため、装置を簡略化することができる。
【００４４】
吐出部１から原料液が吐出されている間、特に、繊維が基材２０に堆積する条件（Ａ＜Ａ０）を満たしている間、吐出部１と頂部２Ｔの第２の面２０Ｙに最も近い部分とを結ぶ方向（第１の方向）は一定に保たれることが好ましい。例えば、距離変更手段は、コレクタ電極２を、第１の方向を維持するように移動することが好ましい。吐出部１およびコレクタ電極２をともに移動させる場合には、両者のＸ方向およびＹ方向における位置関係が変化しないように移動させる。繊維が引き寄せられる方向（第１の方向）を変化させないことにより、紡糸が安定し、所望の位置に繊維を堆積させ易くなる。
【００４５】
特に、Ａ＜Ａ０を満たしている間、吐出部１およびコレクタ電極を移動させず、基材２０のみをＸＹ方向に移動させることが好ましい。言い換えれば、移動手段は、保持部材３を、Ｚ方向の位置を変えずにＸＹ方向に移動させることが好ましい。この場合、第１の方向とともに距離Ａも一定に保たれるため、紡糸の安定性が向上し、堆積パターンの精度がより向上する。
【００４６】
基材２０のＸＹ方向における移動の回数、方向および速度によって、繊維が堆積する領域の面積および／または形状、さらには堆積する繊維の量が変化する。例えば、基材２０を少しずつずらしながら同じ方向に移動させると、投影図形の移動方向に垂直な幅より広い幅のパターンあるいはグラデーションを有するパターンを形成することができる。また、基材２０を同じ領域で繰り返し移動させると、堆積する繊維の単位面積当たりの質量を増やすことができる。
【００４７】
堆積する繊維の量は、保持部材３あるいはコレクタ電極２を移動させて距離Ａを変更することによっても変化し得る。堆積する繊維の量は、例えば、吐出部１とコレクタ電極２との間の印加電圧、吐出部１からの原料液の吐出量、基材２０あるいは保持部材３の電位を変えることによっても、変化しうる。なかでも、電界紡糸の安定性の点で、基材２０のＸＹ方向における移動の速度あるいは距離Ａを変えて、堆積する繊維の量を変化させることが好ましい。
【００４８】
第１の方向は特に限定されない。紡糸の安定性および堆積パターンの精度を考慮すると、第１の方向と第１の面２０Ｘの法線方向（Ｚ方向）とが成す小さい方の角度は、２０度以下であることが好ましい。第１の方向が一定であるとは、例えば、第１の方向の変化が１０度以下であることをいう。距離Ａが一定であるとは、例えば、距離Ａの変化が、距離Ａの１／１０以下であることをいう。
【００４９】
電界紡糸装置１０は、さらに、第１の面２０Ｘ上における堆積領域の位置および堆積量を検出する第１の検出手段を備えてもよい。この場合、第１の検出手段によって検出された堆積領域の位置および堆積量を、例えば、吐出部１、移動手段および距離変更手段を制御する各制御部にフィードバックして、吐出部１からの原料液の吐出量、保持部材およびコレクタ電極２の移動量および移動方向等を決定する。あるいは、堆積パターンおよび堆積量を、上記各制御部に予め設定してもよい。これにより、所望の堆積パターンを、基材２０上に容易に形成することができる。
【００５０】
基材２０への繊維の堆積が進行すると、基材２０は繊維（原料液）と同じ電荷を帯びてくる。そのため、基材２０は、原料液と反対の極性を有する頂部２Ｔに引き付けられ易くなって、距離Ａの制御が困難になる場合がある。電界紡糸装置１０は、さらに、第２の面２０Ｙと頂部２Ｔとの距離を検出する第２の検出手段を備えてもよい。この場合、第２の検出手段によって検出された距離Ａを、距離変更手段を制御する制御部にフィードバックして、コレクタ電極２の移動量を決定する。あるいは、電界紡糸装置１０は、基材２０を除電する除電手段を備えてもよい。除電方法は特に限定されず、除電ブラシを用いてもよいし、コロナ放電等によって発生したイオン風を基材２０に照射してもよいし、電離放射線（紫外線等）を基材２０に照射してもよい。なかでも、基材および堆積する複数の繊維（以下、繊維集合体と称する場合がある。）の損傷が抑制され易い点で、除電は、イオン風を照射することにより行われることが好ましい。
【００５１】
吐出部１は、導体で構成されており、その内部は中空になっている。中空部には原料液が収容される。吐出部１の基材２０と対向する側には、原料液の吐出口が１以上設けられている。吐出部１の吐出口と基材２０との距離は、電界紡糸装置１０の規模、生成させる繊維の繊維径にもよるが、例えば、１００〜６００ｍｍであればよい。原料液は、吐出部１の中空部と連通するポンプ（図示せず）の圧力により、中空部に供給された後、吐出口から基材２０に向かって吐出される。なお、吐出部１の構成は上記に限定されない。
【００５２】
吐出部１の内部（中空部）は、図５に示すように、原料液を輸送する第１流路１Ａと、ガスを輸送する第２流路１Ｂと、を備えてもよい。第１流路１Ａと第２流路１Ｂとは独立している。第１流路１Ａの基材２０に対向する端部には、原料液３０の吐出口（第１吐出口１ａ）が形成されている。第２流路１Ｂの基材２０に対向する端部には、ガスの吐出口（第２吐出口１ｂ）が形成されている。第２吐出口１ｂは、第１流路１Ａあるいは第１吐出口１ａの周囲を取り囲むように配置されている。第１吐出口１ａから原料液を吐出する際、第２吐出口１ｂからガスを吐出することにより、原料液３０は、周囲をガスで包囲された状態で生成空間に吐出される。よって、静電爆発の拡がりが抑制されて、繊維を堆積させる位置の精度が高まる。
【００５３】
電圧の印加によって、生成空間を満たす大気中の酸素および／または窒素から、活性酸素種（ＲＯＳ）および／または活性窒素種（ＲＮＳ）が生成する場合がある。第２吐出口１ｂからガスを吐出することによって、生成空間に吐出される原料液３０を、ＲＯＳおよびＲＮＳから保護することができる。さらに、原料液３０の周囲の帯電性が低下するため、安定した電界紡糸が行われ易くなる。
【００５４】
第１流路１Ａの第１吐出口１ａを備える端部は、図５に示すように、第２吐出口１ｂよりも基材２０に近い位置にあることが好ましい。原料液３０は、ガスによって基材２０に向かう方向の気流が形成された状態で生成空間に吐出されるため、静電爆発の拡がりはさらに抑制され易くなる。加えて、原料液３０の静電爆発の開始点が基材２０に近くなるため、堆積の位置精度がさらに高まる。
【００５５】
ガスの流量は特に限定されず、例えば、１リットル／分〜１５リットル／分であってもよく、５リットル／分〜１０リットル／分であってもよい。ガスの流量がこの範囲であると、静電爆発の拡がりが抑制され易い。ガスの種類も特に限定されないが、生成する繊維に影響を与えない点で、ドライエア、窒素ガス等であればよい。
【００５６】
電界紡糸装置１０は、複数の吐出部１を備えてもよい。この場合、必要に応じて、原料液３０を吐出させる吐出部１を切り替える。
【００５７】
電界紡糸装置１０は、さらに、不要な繊維を生成空間内から除去するための吸着機構あるいは吸引機構を備えてもよい。不要な繊維とは、基材２０に到達せずに、生成空間内を浮遊する可能性のある繊維である。電界紡糸装置１０は、吐出部１のクリーニング機構を備えてもよい。
【００５８】
次に、本実施形態に係る繊維集合体の製造方法について説明する。
繊維集合体の製造方法は、繊維の原料を含む原料液と、第１の面および第１の面とは反対側の第２の面を備える基材と、を準備する準備工程と、原料液を吐出する吐出部と、吐出部に対向して配置されるコレクタ電極との間に、基材を第１の面を吐出部に向けて配置する配置工程と、吐出部とコレクタ電極との間に電圧を印加しながら吐出部から原料液を吐出する電界紡糸工程と、を備える。コレクタ電極は、柱状の基部と、基部の吐出部に対向する端部に配置される頂部と、を備える。電界紡糸工程は、基材を第１の面の面方向に移動させる移動工程と、基材の第２の面と頂部との距離Ａを変更して、繊維の第１の面における堆積状態を制御する距離変更工程と、を備える。製造される繊維集合体によって、基材上にパターン（堆積パターン）が形成される。
【００５９】
（準備工程）
繊維の原料を含む原料液および基材を準備する。
原料液は、繊維の原料とこれを溶解させる溶媒を含む。
【００６０】
繊維の原料は特に限定されず、用途に応じて適宜選択すればよい。繊維の原料としては、例えば、コラーゲン、コラーゲンペプチド、ゼラチン、ケラチンおよびシルクプロテイン等のタンパク質、プルラン、セルロース、セロファン、デンプン、キチン、キトサン、アルギン酸、コーンスターチおよびこれらの塩等の多糖類、ポリアミド（ＰＡ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリサルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリ酢酸ビニル（ＰＶＡｃ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリスチレン（ＰＳ）等のポリマーが挙げられる。これらは、単独あるいは２種以上を組み合わせて用いてもよい。また、これらポリマーを構成するモノマーを複数種用いた共重合体であってもよい。
【００６１】
溶媒も特に限定されず、繊維の原料に応じ適宜選択すればよい。溶媒としては、例えば、水、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、イソブチルアルコール、ヘキサフルオロイソプロパノール、テトラエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジベンジルアルコール等のアルコール、１，３−ジオキソラン、１，４−ジオキサン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチル−ｎ−ヘキシルケトン、メチル−ｎ−プロピルケトン、ジイソプロピルケトン、ジイソブチルケトン、アセトン、ヘキサフルオロアセトン、フェノール、ギ酸、ギ酸メチル、ギ酸エチル、ギ酸プロピル、安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸プロピル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、フタル酸ジメチル、フタル酸ジエチル、フタル酸ジプロピル、塩化メチル、塩化エチル、塩化メチレン、クロロホルム、ｏ−クロロトルエン、ｐ−クロロトルエン、四塩化炭素、１，１−ジクロロエタン、１，２−ジクロロエタン、トリクロロエタン、ジクロロプロパン、ジブロモエタン、ジブロモプロパン、臭化メチル、臭化エチル、臭化プロピル、酢酸、ベンゼン、トルエン、ヘキサン、シクロヘキサン、シクロヘキサノン、シクロペンタン、ｏ−キシレン、ｐ−キシレン、ｍ−キシレン、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ピリジン等が挙げられる。これらは単独で用いてもよく、複数種を組み合わせて用いてもよい。
【００６２】
原料液における溶媒と原料との混合比率は、選定される溶媒の種類と原料の種類により異なる。原料液における溶媒の割合は、例えば、６０質量％から９８質量％である。
【００６３】
原料液の粘度は、電界における原料液の吐出に適するように適宜設定すればよい。なかでも、２５℃の条件下、せん断速度１（１／ｓ）で回転粘度計によって測定される原料液の粘度は、例えば、０．１〜３０Ｐａ・ｓであり、０．５〜３０Ｐａ・ｓであってもよい。原料液の粘度がこの範囲であると、安定した電界紡糸が可能になる。
【００６４】
基材の大きさ、形状、形態および材質は特に限定されず、用途に応じて適宜選択すればよい。
基材の周囲が保持部材により保持される場合、基材は無端ではなく、外周が画定されていることが好ましい。一方、基材の大きさおよび形状は限定されない。基材は、例えば、一辺が３ｃｍ〜５０ｃｍの矩形であってもよいし、直径３ｃｍ〜５０ｃｍの円形であってもよいし、最大径が３ｃｍ〜５０ｃｍの不定形であってもよい。
【００６５】
基材の形態および材質は特に限定されず、用途に応じて適宜選択すればよい。基材の形態としては、例えば、繊維構造体（織物、編物および不織布等）、フィルム、シート状の多孔質体（スポンジ等）等が例示できる。
【００６６】
繊維構造体である基材（繊維基材）の材質としては、例えば、ガラス繊維、セルロース、アクリル樹脂、ＰＰ、ポリエチレン（ＰＥ）、ＰＥＴ、ポリブチレンテレフタレート、ＰＡ、あるいはこれらの混合物等が挙げられる。
【００６７】
繊維基材の厚みは、例えば、５０μｍ以上、５００μｍ以下であってもよく、１５０μｍ以上、４００μｍ以下であってもよい。
【００６８】
フィルムである基材（フィルム基材）またはシート状の多孔質体の材質としては、例えば、生体適合性を有するポリマーが挙げられる。生体適合性を有するフィルム基材は、皮膚に接触して使用する用途に適している。フィルム基材は、生体適合性に加えて、ガス透過性、生分解性を有していてもよい。生体適合性を有するフィルム基材上に、タンパク質を含む繊維を堆積させて得られるシートは、美容効果の期待できる皮膚貼付用シートとして適している。この場合、フィルム基材の目元や口元に対応する部分に、繊維を選択的に堆積させてもよい。
【００６９】
生体適合性を有するポリマーとしては、例えば、タンパク質、多糖類、ポリグリコール酸、ポリ乳酸、ポリカプロラクトン、ＰＥ、ポリエチレンサクシネート、ＰＥＴ、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリグルタミン酸またはこれらの塩、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ＰＵ、ポリ酸無水物、あるいはこれらの混合物等が挙げられる。また、これらポリマーを構成するモノマーを複数種用いた共重合体であってもよい。
【００７０】
フィルム基材またはシート状の多孔質体の厚みは、ハンドリング性の観点から、５０ｎｍ以上であってもよく、１００ｎｍ以上であってもよい。一方、皮膚への密着性を考慮すると、フィルム基材またはシート状の多孔質体の厚みは、５００μｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以下であることがより好ましい。特に、ガス透過性を考慮すると、フィルム基材の厚みは、１０μｍ以下であることが好ましく、１０００ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００７１】
（配置工程）
原料液を吐出する吐出部と、吐出部に対向して配置されるコレクタ電極との間に、基材を第１の面を吐出部に向けて配置する。基材は、例えば枠状の保持部材により周囲を保持された状態で配置される。これにより、基材は、弛みなく、好ましくはテンションをかけられた状態で、所定の位置に配置される。保持部材と基材とは、例えば粘着剤を介して接着される。
【００７２】
（電界紡糸工程）
吐出部とコレクタ電極との間に電圧を印加しながら吐出部から原料液を吐出して、基材の第１の面に繊維を堆積させる。コレクタ電極は上記のような基部および頂部を備えている。
【００７３】
電界紡糸工程では、基材を、第１の面の面方向に移動させる移動工程、および、基材の第２の面と柱状部分の頂部との距離Ａを変更して、繊維の第１の面における堆積状態を制御する距離変更工程が行われる。
【００７４】
移動工程および距離変更工程は、同時に実行されてもよい。堆積パターンの精度が高まる点で、移動工程および距離変更工程はそれぞれ個別に実行されることが好ましい。移動工程および距離変更工程は、吐出部から原料液を吐出しながら行われてもよい。繊維が基材上に堆積するか否かは、距離Ａによって制御できるためである。
【００７５】
距離変更工程において、距離Ａはコレクタ電極を移動させることにより変更される。このとき、吐出部と頂部とを結ぶ第１の方向が一定に保たれるように、コレクタ電極を移動させることが好ましい。あるいは、距離変更工程において、距離Ａは基材を移動させることにより変更される。移動工程においては、距離Ａを一定に保ちながら基材が移動されることが好ましい。
【００７６】
堆積する繊維の平均繊維径は特に限定されず、用途に応じて適宜設定すればよい。平均繊維径は、例えば、５０ｎｍ以上、３μｍ以下であってもよい。なかでも、皮膚貼付用シートとして用いられる場合、平均繊維径は、６００ｎｍ以下であることが好ましく、２００ｎｍ以下であることがより好ましく、１００ｎｍ以下であることが特に好ましい。皮膚貼付用シートの皮膚への密着性が高まるためである。
【００７７】
平均繊維径とは、繊維の直径の平均値である。繊維の直径とは、繊維の長さ方向に対して垂直な断面の直径である。そのような断面が円形でない場合には、最大径を直径と見なしてよい。また、基材の第１の面の法線方向から見たときの、繊維の長さ方向に対して垂直な方向の幅を、繊維の直径と見なしてもよい。平均繊維径は、例えば、繊維集合体に含まれる任意の１０本の繊維の任意の箇所の直径の平均値である。
【００７８】
必要に応じて、頂部および／または原料液の種類を変えながら、電界紡糸工程を複数回繰り返してもよい。電界紡糸工程の後、風乾、減圧、あるいは繊維集合体にダメージを与えない条件での加熱等により、繊維に含まれる溶媒の除去を行ってもよい。
【００７９】
図６は、本実施形態に係る電界紡糸装置および製造方法により得られた繊維集合体の写真である。図４Ａに示された半球状（曲率半径５ｍｍ）の頂部を備えるコレクタ電極を用いて、フィルム基材上に、繊維集合体を文字状に堆積させた。距離Ａは０ｍｍとした。繊維の原料はＰＶＤＦである。文字の太さは３ｍｍであった。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明の電界紡糸装置および製造方法によれば、繊維を、基材の任意の位置に堆積させることができるため、種々の用途に使用できる。
【符号の説明】
【００８１】
１０：電界紡糸装置
１：吐出部
１Ａ：第１流路
１ａ：第１吐出口
１Ｂ：第２流路
１ｂ：第２吐出口
２、２ａ〜２ｇ：コレクタ電極
２Ｂ、２Ｂａ〜２Ｂｇ：基部
２Ｔ、２Ｔａ〜２Ｔｇ：頂部
２１Ｔｆ、２１Ｔｇ：円錐
２２Ｔｆ：角柱
２３Ｔｇ：リング
３：保持部材
２０：基材
２０Ｘ：第１の面
２０ａ：堆積予定領域
２０ｂ：非堆積領域
２０Ｙ：第２の面
３０：原料液
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図４Ｇ】
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【図５】
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【図６】
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