(57)【要約】【課題】電源系統を簡単な構成としたナノファイバ製造装置の提供。【解決手段】ナノファイバ３０１の原料となる原料液３００を空間中に流出させる流出手段１０１と、原料液３００に電荷を付与して帯電させる帯電電極１０２と、帯電電極１０２を介して原料液３００に電荷を付与する静電起電機１０３と、原料液３００が静電爆発することにより製造されるナノファイバ３０１を収集する収集電極１０４と、収集電極１０４を所定の電位とする収集電位設定手段１０５とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノファイバの原料となる原料液を空間中に流出させる流出手段と、
前記原料液に電荷を付与して帯電させる静電起電機と
を備えるナノファイバ製造装置。
【請求項２】
前記流出手段は、
内部に原料液を保持可能で小孔から空間中に原料液を流出させる流出体を備え、
前記静電起電機は、前記流出体を介して原料液に電荷を付与する
請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項３】
前記静電起電機は、
電荷を蓄積する蓄積電極と、
前記蓄積電極と電気的に接続される第一回転体と、
前記第一回転体と所定の距離を隔てて配置される第二回転体と、
前記第一回転体の材質とは異なる材質からなり、前記第一回転体と前記第二回転体とに掛け渡される無端ベルトと、
第二回転体に電荷を供給する電荷供給手段と、
前記第二回転体を回転させる駆動源と
を備える請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項４】
さらに、
前記静電起電機の起電状態を検出する起電状態検出手段と、
前記起電状態検出手段の検出結果に基づき駆動源を制御する制御手段と
を備える請求項３に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項５】
前記起電状態検出手段は、前記蓄積電極と非接触で静電電位を測定する静電電位測定器である請求項４に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項６】
前記起電状態検出手段は、電気的に接続される帯電電極と前記蓄積電極との間に電気的に介在接続される電流計である請求項４に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項７】
前記起電状態検出手段は、
前記蓄積電極とアースとを電気的に接続する分岐線と、
前記蓄積電極と前記アースとの間に電気的に介在接続される第一抵抗と、
前記蓄積電極と前記アースとの間に電気的に介在接続され、前記第一抵抗よりもアース側に配置される第二抵抗と、
前記第二抵抗の両端に発生する電圧を測定する電圧計と
を備える請求項４に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項８】
さらに、前記静電起電機の電圧が所定値以上になると、ダイオードを介して前記静電起電機から電流を逃がす帯電電位設定手段を備える請求項１又は２に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項９】
前記原料液が静電爆発することにより製造されるナノファイバを誘引する誘引手段を備える請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項１０】
前記流出手段は、遠心力により原料液を流出させるものであって、
内部に原料液を貯留し、周壁に流出口を有する容器状の流出体と、
前記流出体を回転させるモータとを備え、
前記静電起電機は、
前記モータにより前記流出体と共に回転する第一部材と、
前記第一部材に押し付けられる第二部材と、
前記第二部材を前記第一部材に押し付ける付勢手段とを備える
請求項１に記載のナノファイバ製造装置。
【請求項１１】
ナノファイバの原料となる原料液に電荷を付与して帯電させる帯電ステップと、帯電した前記原料液を空間中に流出させる流出ステップと、前記原料液が静電爆発することにより製造されるナノファイバを収集する収集ステップとを含むナノファイバ製造方法であって、
前記帯電ステップは、
種類の異なる材質を互いに摩擦、または、剥離することにより電荷を発生させ、当該電荷を原料液に付与して、または、当該電荷に基づいて誘導した電荷を原料液に付与して帯電させることを特徴とする
ナノファイバ製造方法。
【請求項１２】
前記帯電ステップは、
電荷を蓄積する蓄積電極と、前記蓄積電極と電気的に接続される第一回転体と、前記第一回転体と所定の距離を隔てて配置される第二回転体と、前記第一回転体の材質とは異なる材質からなり、前記第一回転体と前記第二回転体とに掛け渡される無端ベルトと、第二回転体に電荷を供給する電荷供給手段と、前記第二回転体を回転させる駆動源とを備える静電起電機により実現され、
さらに、前記蓄積電極の電位が所定値になるように前記第二回転体を回転させる駆動源を制御する制御ステップを含む
請求項１１に記載のナノファイバ製造方法。
【請求項１３】
前記帯電ステップにおいてさらに、前記発生した電荷が蓄積し、当該蓄積部分の電圧が所定値以上になると、ダイオードを介して前記電荷を逃がす帯電電位設定ステップを含む請求項１１に記載のナノファイバ製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はナノファイバの製造装置、及び、製造方法に関し、特に、静電爆発を起こさせるために原料液に電荷を付与する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子物質などから成り、サブミクロンスケールの直径を有する糸状（繊維状）物質（ナノファイバ）を製造する方法として、エレクトロスピニング（電荷誘導紡糸）法が知られている。
【０００３】
このエレクトロスピニング法とは、溶媒中に高分子物質などを分散または溶解させた原料液を空間中に流出（吐出）させるとともに、原料液に電荷を付与して帯電させ、空間を飛行中の原料液を静電爆発させることにより、ナノファイバを得る方法である。
【０００４】
より具体的には、空間を飛行中の原料液の粒から溶媒が蒸発するに伴い原料液の体積は減少していくが、原料液に付与された電荷は維持されるため、結果として原料液の粒の電荷密度が上昇する。そして、溶媒は、継続して蒸発するため、原料液の粒の電荷密度がさらに高まり、原料液の粒の中に発生する反発方向のクーロン力が原料液の表面張力より勝った時点で高分子溶液が爆発的に線状に延伸される現象（以下、静電爆発と述べる。）が生じる。この静電爆発が、空間において次々と幾何級数的に発生することで、直径がサブミクロンの高分子から成るナノファイバが製造される。
【０００５】
以上のようにして製造されるナノファイバは、静電爆発により製造される。従って、ナノファイバの原料となる原料液に電荷を付与し帯電させるための電源が必要となる。
【０００６】
従来、電荷を付与する電源としては、高電圧を発生させることのできる直流電源が用いられている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−３３０６２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、ナノファイバ製造装置としては、原料液に電荷を付与し静電爆発を発生させるためや、製造されるナノファイバを所望の位置に収集するためには、１０ＫＶから２００ＫＶ程度の範囲の高電圧を発生させることのできる高電圧電源が必要となる。当該高電圧電源は、ノイズが発生し熱が発生するため、周囲に存在する機器などへの影響を考慮して、これらの対策が別途必要となる。
【０００８】
また、高電圧を維持するためには高電圧電源自身の耐圧性能などを堅牢にする必要があり、高電圧電源に使用されるパーツのそれぞれに要求されるスペックが高く、ナノファイバの製造に用いられる高電圧電源は汎用的なものではなく、コストに悪影響を及ぼす。
【０００９】
本願発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、簡単な構成の電源を備えているにもかかわらずナノファイバを製造することのできるナノファイバ製造装置、及び、ナノファイバ製造方法の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本願発明に係るナノファイバ製造装置は、ナノファイバの原料となる原料液を空間中に流出させる流出手段と、前記原料液に電荷を付与して帯電させる静電起電機とを備えることを特徴としている。
【００１１】
これにより、直流高電圧電源を用いることなくナノファイバを製造することが可能となる。
【００１２】
また、前記流出手段は、内部に原料液を保持可能で小孔から空間中に原料液を流出させる流出体を備え、前記静電起電機は、前記流出体を介して原料液に電荷を付与することが好ましい。
【００１３】
これにより、簡易な構造で静電起電機により原料液を帯電させることが可能となる。
【００１４】
また、前記静電起電機は、電荷を蓄積する蓄積電極と、前記蓄積電極と電気的に接続される第一回転体と、前記第一回転体と所定の距離を隔てて配置される第二回転体と、前記第一回転体の材質とは異なる材質からなり、前記第一回転体と前記第二回転体とに掛け渡される無端ベルトと、第二回転体に電荷を供給する電荷供給手段と、前記第二回転体を回転させる駆動源とを備えることが好ましい。
【００１５】
これによれば、簡単な構造からなる装置を用いて原料液に電荷を供給することができ、また、原料液に静電爆発を生じさせることが可能となる。従って、簡単な構造のナノファイバ製造装置を提供することができる。
【００１６】
さらに、前記静電起電機の起電状態を検出する起電状態検出手段と、前記起電状態検出手段の検出結果に基づき駆動源を制御する制御手段とを備えることが好ましい。
【００１７】
これにより、帯電電極に対し過剰に電荷を供給してしまう状況を回避することができ、過剰な電荷の供給による異常放電などを防止することが可能となる。
【００１８】
さらに、前記静電起電機の電圧が所定値以上になると、ダイオードを介して前記静電起電機から電流を逃がす帯電電位設定手段を備える事が好ましい。
【００１９】
これにより、静電起電機が発生させる電圧を安定化することができ、安定してナノファイバを製造することが可能となる。
【００２０】
また、上記目的を達成するために、本願発明に係るナノファイバ製造方法は、ナノファイバの原料となる原料液に電荷を付与して帯電させる帯電ステップと、帯電した前記原料液を空間中に流出させる流出ステップと、前記原料液が静電爆発することにより製造されるナノファイバを収集する収集ステップとを含むナノファイバ製造方法であって、前記帯電ステップは、種類の異なる材質を互いに摩擦、または、剥離することにより電荷を発生させ、当該電荷を原料液に付与して、または、当該電荷に基づいて誘導した電荷を原料液に付与して帯電させることを特徴とする。
【００２１】
これにより、直流高電圧電源を用いることなくナノファイバを製造することが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
この発明によれば、簡単な装置構成でナノファイバを製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
次に、本発明にかかるナノファイバ製造装置の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２４】
図１は、本発明にかかるナノファイバ製造装置を概略的に示す斜視図である。
【００２５】
図２は、ナノファイバ製造装置を模式的に示す側面図である。
【００２６】
これらの図に示すように、ナノファイバ製造装置１００は、流出手段１０１と、帯電電極１０２（図示せず）と、静電起電機１０３と、収集電極１０４と、収集電位設定手段１０５とを備えている。さらに、流出手段１０１は、収集手段１０６と、隔壁１０７と、移動手段１０８と、ガス供給源１０９と、排気装置２０１とを備えている。なお、ナノファイバを製造するための原料液については原料液３００と記し、製造されたナノファイバについてはナノファイバ３０１と記すことがあるが、製造に際しては原料液３００とナノファイバ３０１との境界は曖昧である。
【００２７】
図３は、流出手段の具体例を示す図である。
【００２８】
図４は、流出手段の具体例を示す断面図である。
【００２９】
これらの図に示すように、流出手段１０１は、原料液３００をナノファイバ製造空間に流出させるための装置であり、流出体１１１と、整流フィン１１２と、ファン１１３と、スライド取付部１１４とを備えている。なお、これらの図では、流出する原料液３００を示す矢印は１本しか記載されていないが、実際には流出体１１１の周壁全体に設けられる流出口１１５から多数の原料液３００が流出している。
【００３０】
流出体１１１は、周壁に多数個の流出口１１５が設けられ、先端が封鎖された円筒形の容器であり、モータ１１６とベルト１１７とにより回転可能である。なお、スライド取付部１１４に対し、整流フィン１１２、モータ１１６は固定されている。なお、モータ１１６は、前記流出体１１１の軸心上に設けてベルト１１７を介さずに、直接動作させてもよい。
【００３１】
また、流出体１１１は、基端部が開口しており、当該開口部を通過してパイプ１１８が挿通された状態で配置されている。パイプ１１８は、原料液３００を貯蔵するタンク（図示せず）と接続されており、所定の圧力で原料液３００を流出体１１１内に供給することができるものとなっている。さらに、流出体１１１の内部には、静電起電機１０３と電気的に接続される帯電電極１０２が取り付けられている。本実施の形態の場合、帯電電極１０２は、流出体１１１の内部に貯留される原料液３００と直接接触し、原料液に電荷を付与して帯電させるものとなっている。なお、流出体１１１を導体で形成し、流出体１１１を帯電電極１０２とするものでもかまわない。
【００３２】
整流フィン１１２は、流出体１１１から遠心力により径方向外向きに流出した原料液３００の飛行方向を軸方向に変更できるように（図４中矢印参照）、ファン１１３から送られる風の流れ（図４中白抜き矢印）を、整流するフィンであり、流出体１１１の基端部近傍に流出体１１１を取り囲むように配置されている。
【００３３】
ファン１１３は、流出体１１１から流出する原料液３００の飛行方向を変更するための風を発生させる軸流ファンであり、整流フィン１１２の基端部に取り付けられている。
【００３４】
スライド取付部１１４は、移動手段１０８と係合して流出手段１０１を所定の位置に配置するための部材である。
【００３５】
図１、図２に示す、収集電極１０４は、誘引手段の一つであって、流出手段１０１と所定の電位差が生じるように収集電位設定手段１０５により電位が付与される金属製の電極である。この収集電極１０４は、シート状の収集手段１０６に対し流出手段１０１の反対側に、流出手段１０１と対向して配置されている。また、収集電極１０４は、流出手段１０１から流出し生成した帯電状態のナノファイバ３０１を電気的に吸引し、収集手段１０６上にナノファイバ３０１を堆積させる機能を担っている。本実施の形態の場合、収集電極１０４は、直径が５０ｃｍ〜数ｍの円筒形状となっており、収集電極１０４の外周面に沿って配置される収集手段１０６の移動と同期して回転することができるものとなっている。
【００３６】
収集手段１０６は、空間中で製造されたナノファイバ３０１が堆積する対象となる部材であり、堆積したナノファイバ３０１と容易に分離可能な材質で構成された薄く柔軟性のある長尺のシートである。収集手段１０６は、ロール状に巻き付けられた状態で供給ロール１６１から供給され、ナノファイバ３０１が堆積する部分をゆっくりと移動するものとなっている。そして、不織布のような状態で収集手段１０６上に堆積したナノファイバ３０１とともに再び巻き取りロール１６２にロール状に巻き付けられるようになっている。
【００３７】
隔壁１０７は、通気性のない部材であり、ナノファイバ製造装置１００のほぼ全体を覆いチャンバを形成する部材である。隔壁１０７は、例えば樹脂製のパネルを組み立てて箱状としたものや、柔軟性があり通気性のほぼないシートを金属製の枠体に張り渡したものが挙示できる。なお、ナノファイバ製造装置１００が載置される床を隔壁１０７として用いてもよい。また、図１は、内部構造を示すために、一部の隔壁１０７を取り去り、フレームだけを残した状態で示している。
【００３８】
収集電位設定手段１０５は、収集電極１０４を所定の電位とするための電源などである。前記収集電極１０４の電位は、ナノファイバ３０１の帯電の極性と逆極性にすることが望ましい。しかしながら、収集電極１０４の電位は接地電位としているため、収集電位設定手段１０５は積極的に電圧を発生させない、単なる接地手段のように構成しても、収集電極１０４に向けて、ナノファイバ３０１は、収集できる。
【００３９】
なお、隔壁１０７に囲われて形成されチャンバは、室外と室内とを異なる雰囲気で維持できるものとなっている。従って、チャンバは、ガス供給源１０９から安全ガスが導入されることにより、外部空間よりも低酸素状態が維持できる。
【００４０】
移動手段１０８は、流出手段１０１を移動させることにより流出手段１０１と収集電極１０４との距離を変更することができる装置であり、スライド取付部１１４と係合するレールと、流出手段１０１を移動させる駆動装置とを備えている。
【００４１】
ガス供給源１０９は、チャンバに安全ガスを供給する装置である。ガス供給源１０９が供給する安全ガスとしては、空気から酸素を樹脂膜（中空糸膜）によりある程度除去した低酸素濃度ガスや、過熱水蒸気を挙示することができる。チャンバ内を安全ガスで満たし、低酸素状態とすれば、原料液３００から蒸発する溶剤に引火性があっても、爆発を回避することが可能となる。ここで、低酸素濃度とは、空気の酸素濃度よりも低い濃度を意味する。より具体的には蒸発した溶剤が爆発することのない臨界酸素濃度以下である。なお、本記載は酸素の含有がほとんどない高純度なガスなどの使用を除外するものではなく、液体や気体等の状態でボンベに封印された高純度な窒素やドライアイスから供給される二酸化炭素なども利用可能である。
【００４２】
排気装置２０１は、チャンバ内に存在する雰囲気（低酸素濃度ガスや蒸発した溶剤）を排気することができる装置である。また、排気装置２０１は、排気される雰囲気中に含まれる溶剤などを回収することができる回収装置を備えている。
【００４３】
上記のガス供給源１０９のガス供給量と排気装置２０１のガス排気量とのバランスによりチャンバ内を陽圧に維持することが可能となっている。なお、陽圧とは隔壁の外空間の圧力より内空間の圧力が高い状態を意味する。
【００４４】
ここで、ナノファイバ３０１を構成する高分子物質としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリ−ｍ−フェニレンテレフタレート、ポリ−ｐ−フェニレンイソフタレート、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン−アクリレート共重合体、ポリアクリロニトリル、ポリアクリロニトリル−メタクリレート共重合体、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエステルカーボネート、ポリアミド、アラミド、ポリイミド、ポリカプロラクトン、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、コラーゲン、ポリヒドロキシ酪酸、ポリ酢酸ビニル、ポリペプチド等およびこれらの共重合体を例示できる。また、上記より選ばれる一種でもよく、また、複数種類が混在してもかまわない。なお、上記は例示であり、本願発明は上記高分子物質に限定されるものではない。
【００４５】
原料液３００に使用される溶媒としては、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、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、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、クロロホルム、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、ジメチルスルホオキシド、ピリジン、水等を例示することができる。また、上記より選ばれる一種でもよく、また、複数種類が混在してもかまわない。なお、上記は例示であり、本願発明は上記溶媒に限定されるものではない。
【００４６】
さらに、原料液３００に骨材や可塑剤などの添加剤を添加してもよい。当該添加剤としては、酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物、珪化物、弗化物、硫化物等を挙げることができるが、耐熱性、加工性などの観点から酸化物を用いることが好ましい。当該酸化物としては、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ｌｉ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｂ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5、ＳｎＯ2、ＺｒＯ2、Ｋ2Ｏ、Ｃｓ2Ｏ、ＺｎＯ、Ｓｂ2Ｏ3、Ａｓ2Ｏ3、ＣｅＯ2、Ｖ2Ｏ5、Ｃｒ2Ｏ3、ＭｎＯ、Ｆｅ2Ｏ3、ＣｏＯ、ＮｉＯ、Ｙ2Ｏ3、Ｌｕ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、ＨｆＯ2、Ｎｂ2Ｏ5等を例示することができる。また、上記より選ばれる一種でもよく、また、複数種類が混在してもかまわない。なお、上記は例示であり、本願発明は上記添加剤に限定されるものではない。
【００４７】
溶媒と高分子物質との混合比率は、溶媒と高分子物質により異なるが、溶媒量は、約６０重量％から９８重量％の間が望ましい。
【００４８】
図５は、静電起電機を一部透視状態で示す斜視図である。
【００４９】
静電起電機１０３は、種類の異なる材質からなる部材を互いに摩擦したり、接触していた種類の異なる材質を剥離する状態を継続的に維持し、静電気を発生させ続けることのできる装置である。同図に示す、静電起電機１０３は、主として剥離により静電気を発生させるバンデグラフ型の起電機であり、蓄積電極１３１と、第一回転体１３２と、第二回転体１３３と、無端ベルト１３４と、電荷供給手段１３５と、駆動源１３６とを備えている。なお、静電起電機１０３は、第一回転体１３２や第二回転体１３３を所定の位置で回転させるための回転軸や、第一回転体１３２や第二回転体１３３、無端ベルト１３４を覆い、自然放電を抑制するケーシングなどを備えるが、これらの部材の図示は省略する。
【００５０】
蓄積電極１３１は、第一回転体１３２に発生する電荷を受領し蓄積する金属製の球殻体であり、下部の一部が開口した形状となっている。また、蓄積電極１３１は、表面に凹凸が発生しないよう鏡面状態となるように表面が磨き上げられている。これは、表面に特異な突起があると、当該突起から放電し、電荷の蓄積が妨げられるからである。また、蓄積電極１３１の上部には、帯電電極１０２と電気的に接続するための導線１３７が接続されている。また、第一回転体１３２との電気的な接続はブラシが用いられている。
【００５１】
第一回転体１３２は、無端ベルト１３４が剥離することにより発生する電荷を蓄積電極１３１に供給する部材であり、無端ベルト１３４とは異なる種類の材質で構成されている。また、第一回転体１３２は、一定の位置で回転できるよう、所定の回転軸に回転可能に取り付けられている。
【００５２】
第二回転体１３３は、無端ベルト１３４が剥離することにより第一回転体１３２で発生する電荷とは逆極性の電荷が発生する部材であり、第一回転体１３２と所定の距離を隔てて配置されるように所定の回転軸に回転可能に取り付けられている。
【００５３】
無端ベルト１３４は、第一回転体１３２の材質とは異なる材質からなり、第一回転体１３２と第二回転体１３３とに掛け渡される部材である。また、無端ベルト１３４は、柔軟性を有し、第一回転体１３２と第二回転体１３３とに掛け渡された状態で第二回転体１３３の回転に追随して動き、第二回転体１３３の回転を第一回転体１３２に伝達することが可能となっている。
【００５４】
電荷供給手段１３５は、第二回転体１３３とブラシを介して接続され、第二回転体１３３に電荷を供給することのできるものであり、本実施の形態の場合、接地手段が採用されている。これにより、第二回転体１３３から無端ベルト１３４が剥離する際に第二回転体１３３から分離されることにより不足する電荷を供給しつづけることが可能となる。
【００５５】
駆動源１３６は、第二回転体１３３を回転させるモータである。
【００５６】
図６は、静電起電機の起電状態を制御するシステム構成を示す図である。
【００５７】
同図に示すように、ナノファイバ製造装置１００は、起電状態検出手段２０２と、制御手段２０３とを備えている。
【００５８】
起電状態検出手段２０２は、静電起電機１０３の起電状態、すなわち、供給可能な電荷量を間接的に検出する装置である。同図に示される起電状態検出手段２０２は、蓄積電極１３１と非接触状態で蓄積電極１３１の静電電位を測定する静電電位測定器（表面電位計）である。
【００５９】
制御手段は２０３、起電状態検出手段２０２の検出結果に基づき駆動源１３６を制御するコンピュータであり、静電電位測定器から送信される蓄積電極１３１表面の電位が所定の閾値を越えれば駆動源１３６であるモータの回転速度を抑制し、蓄積電極１３１表面の電位が所定の閾値を下回れば駆動源１３６であるモータの回転速度を増加させる制御を行う。すなわち、静電起電機１０３は、第二回転体１３３（第一回転体１３２も含む）の回転速度を上げると、発生する電荷は増加し、回転速度を下げると、発生する電荷は減少する。
【００６０】
ここで、静電起電機１０３の起電方法を具体的に説明する。
【００６１】
具体的に第一回転体１３２を塩化ビニルで構成し、第二回転体１３３を材木で構成し、無端ベルト１３４をゴムで構成する。なお、帯電列において塩化ビニルはマイナス側に位置し、ゴムは中間に位置し、木材はプラス側に位置する。
【００６２】
ここで帯電列とは、プラスに帯電しやすい材質からマイナスに帯電しやすい材質（またはその逆）を序列をつけて並べたもので、実験的に定められたものである。具体的には、プラスに帯電しやすいものから順に列挙すると、アスベスト、ガラス、人毛、雲母、ナイロン、羊毛、レーヨン、鉛、木綿、絹、ビスコース、人の皮膚、カゼイン、アセテート、アクリル、アルミニウム、亜鉛、カドミウム、クロム、紙、エボナイト、麻、鉄、銅、ニッケル、黄銅、銀、硫黄、ゴム、白金、ビニロン、ポリスチレン、オーロン、サラン、ダクロン、ダイネル、ベロン、カーバイト、ポリエチレン、カネカロン、セルロイド、セロファン、塩化ビニール、テフロン（登録商標）、硝酸セルロース、となる。これらの内、先に記載されたものとその後に記載されたものを摩擦したり、剥離したりすると、先に記載されたものがプラスに帯電し、後に記載されたものがマイナスに帯電する。
【００６３】
以上のように材質を選定することで、第一回転体１３２と無端ベルト１３４とが剥離する部分（同図中＜１＞）では、第一回転体１３２側にはマイナスの電荷が発生し、無端ベルト１３４側にはプラスの電荷が発生する。
【００６４】
次に、無端ベルト１３４に発生したプラスの電荷は無端ベルト１３４に従って第二回転体１３３に向かって移動し、第二回転体１３３と接触する部分（同図中＜２＞）では、プラスの電荷が第二回転体に供給される。
【００６５】
次に、第二回転体１３３は、プラスの電荷が過剰になるが電荷供給手段１３５からマイナスの電荷が供給され中性になる（同図中＜３＞）。その後、第二回転体１３３と無端ベルト１３４とが剥離するため、無端ベルト１３４にはマイナスの電荷が発生し、第二回転体１３３にはプラスの電荷が発生する。
【００６６】
次に、無端ベルト１３４に発生したマイナスの電荷は、無端ベルト１３４に従って第一回転体１３２に向かって移動し、第一回転体１３２と接触する部分（同図中＜４＞）では、マイナスの電荷が第一回転体１３２に供給される。
【００６７】
駆動源１３６により第二回転体１３３を回転させれば、＜１＞〜＜４＞の場所において上記説明した現象が常に発生する。
【００６８】
これによれば、第一回転体１３２には過剰にマイナスの電荷が発生し、第一回転体１３２にブラシを介して電気的に接続される蓄積電極１３１には、マイナスの電荷が蓄積される。以上が静電起電機１０３の起電方法である。
【００６９】
次に、ナノファイバ３０１の製造方法の概略を説明する。
【００７０】
まず、チャンバ内に安全ガスを供給する。一方、排気装置２０１により、チャンバ内の雰囲気を吸引する。以上不活性ガスが供給されつつ、雰囲気が吸引され、チャンバ内は、所定の圧力、所定の酸素濃度で平衡状態となり、防爆状態となる。
【００７１】
次に、静電起電機１０３を起動させる、これにより蓄積電極１３１に電荷が蓄積されると共に、導線１３７を通じて帯電電極１０２に電荷が供給され、流出体１１１内の原料液３００にも電荷が供給される。これにより、蓄積電極１３１から原料液３００に至るまで同電位となる。一方、収集電極１０４は接地電位に設定される。
【００７２】
次に、流出手段１０１から原料液３００を流出させる。流出した原料液３００は、飛行中に溶媒が蒸発するが供給された電荷は残存するため、静電爆発が繰り返されナノファイバ３０１が製造される。そして、製造されたナノファイバ３０１は、収集電極１０４に吸引され、収集手段１０６上にナノファイバ３０１が堆積する。
【００７３】
ここで、帯電した原料液３００が流出するとともに、帯電していない原料液３００が新たに供給されるため、新たな原料液３００を帯電させるために静電起電機１０３から電荷が供給される。従って、静電起電機１０３の電荷供給量と流出手段１０１における電荷消費量がバランスされているときは蓄積電極１３１の電位は一定となる。一方、静電起電機１０３の電荷供給量が過剰になると、蓄積電極１３１の電位が高く（または低く）なるため、起電状態検出手段２０２が当該状態を検出し、制御手段２０３は駆動源１３６を制御して第二回転体１３３の回転速度を抑制する。逆に蓄積電極１３１の電位が低く（または高く）なると電荷供給量が不足しているため、制御手段２０３は駆動源１３６を制御して第二回転体１３３の回転速度を増加させる。
【００７４】
以上の制御により、常に安定した状態でナノファイバが製造される。
【００７５】
ナノファイバ３０１が堆積する収集手段１０６は、一定の移動速度で移動しており、これに伴い円筒形の収集電極１０４も回転している。以上のようにして収集手段１０６の上に堆積した不織布状のナノファイバ３０１は、収集手段１０６と共に移動し、巻き取りロール１６２に巻き取られる。
【００７６】
以上のように、本実施の形態に係るナノファイバ製造装置１００は、原料液３００を帯電させる装置として静電起電機１０３を採用しているため、簡単な構成でナノファイバを製造することが可能となる。
【００７７】
次に、静電起電機１０３の他の制御方法を説明する。
【００７８】
図７は、静電起電機の起電状態を制御する他のシステム構成を示す図である。
【００７９】
同図に示される起電状態検出手段２０２は、静電起電機１０３の蓄積電極１３１から帯電電極１０２に至る導線１３７に介在接続され単位時間の電荷の流れを検出する電流計である。
【００８０】
この場合、制御手段２０３は、起電状態検出手段２０２が検出する電流が一定の範囲に収まるように駆動源１３６を制御する。つまり、流出手段１０１における電荷の消費量と静電起電機１０３における電荷の発生量がバランスしている場合は、導線１３７に流れる電流は一定になる。
【００８１】
図８は、静電起電機の起電状態を制御する他のシステム構成を示す図である。
【００８２】
起電状態検出手段２０２は、蓄積電極１３１とアースとを電気的に接続する分岐線１３８と、蓄積電極１３１と前記アースとの間に電気的に介在接続される第一抵抗２０４と、蓄積電極１３１と前記アースとの間に電気的に介在接続され、第一抵抗２０４よりもアース側に配置される第二抵抗２０５と、第二抵抗２０５の両端に発生する電圧を測定する電圧計２０６とを備えている。
【００８３】
この場合、蓄積電極１３１の電位を接触状態で測定するが、蓄積電極１３１に発生している電圧は非常に高いため、第一抵抗２０４と第二抵抗２０５とを用いて分圧し、低い電圧となる第二抵抗２０５の端子間の電圧をモニタすることにより、蓄積電極１３１の電圧を類推する。
【００８４】
以上、本願発明に係る実施の形態を説明したが、本願発明は上記実施の形態に限定されるわけではない。また、上記の実施の形態を自由に組み合わせることも可能である。
【００８５】
例えば、第一回転体１３２を木材、第二回転体１３３を塩化ビニルとしてもかまわない。この場合、極性が変わるだけであり、原料液３００に静電爆発を発生させてナノファイバを製造することが可能となる。
【００８６】
また、第一回転体１３２、第二回転体１３３、無端ベルト１３４に採用する材質を変更することで、静電起電機１０３の起電力が変わるため、製造するナノファイバの材質に応じて、各部材の材質を適宜選定してもかまわない。
【００８７】
また、静電起電機１０３も、バンデグラフ型に限定されることはなく、誘導型静電発電機、ウィムズハースト式誘導起電機やケルビン発電機、摩擦を利用した発電機など他の構造の起電機を用いることもできる。
【００８８】
また、原料液３００に電荷を付与する態様としては、静電起電機１０３から電荷を直接原料液３００に付与する場合に限定されるものではない。例えば、電荷の付与方法として以下の方法を例示できる。
【００８９】
図９は、流出手段の別態様の具体例を示す図である。
【００９０】
図１０は、流出手段の別態様の具体例を示す断面図である。
【００９１】
これらの図に示すように、静電起電機１０３と接続される帯電電極１０２は、流出体１１１を取り囲むように配置される円環状の部材であり、流出体１１１や、原料液３００とは直接接触していない。そして、流出体１１１は、接地されている。この場合、静電起電機１０３により帯電電極１０２は接地電位に対し高電圧となるため、流出体１１１には誘導電荷が発生する。従って、原料液３００は、前記発生した誘導電荷により帯電することとなり、流出体１１１は、流出手段と帯電電極との二つの機能を併有することになる。
【００９２】
なお、モータ１１６は、流出体１１１の軸心上に設けてベルト１１７を介さずに、直接動作させてもよい。
【００９３】
次に、本発明にかかるナノファイバ製造装置の他の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００９４】
図１１は、ナノファイバ製造装置の他の実施の形態を一部切り欠いて示す平面図であり、上段が側面図、下段が上面図である。
【００９５】
同図に示すように、ナノファイバ製造装置１００は、流出手段１０１と、静電起電機１０３と、案内体２１６と、拡散手段２４０と、誘引手段１９０の一つである収集電極１０４と、誘引手段１９０の一つである吸引手段１２０と、帯電電位設定手段１５０とを備えている。
【００９６】
図１２は、流出手段の具体例を示す断面図である。
【００９７】
同図に示すように、流出手段１０１は、原料液３００をナノファイバ製造空間に流出させるための装置であり、流出体１１１と、ファン１１３と、加熱手段１１９と、を備えている。なお、これらの図では、流出する原料液３００を示す矢印は１本しか記載されていないが、実際には流出体１１１の周壁全体に設けられる流出口１１５から多数の原料液３００が流出している。
【００９８】
流出体１１１は、原料液３００を空間中に流出させるための部材であり、一時的に原料液３００を貯留できる容器である。流出体１１１は、原料液３００が内方から外方に向けて通過する流出口１１５が周方向に並んで多数設けられる部材である。
【００９９】
また、流出体１１１は、貯留する原料液３００に電荷を付与するため、導電体で形成されており、流出体１１１も帯電電極１０２の一部として機能している。
【０１００】
具体的には、流出体１１１の流出口１１５が配置される部分の直径は、１０ｍｍ以上、３００ｍｍ以下の範囲から採用されることが好適である。あまり大きすぎると気体流により原料液３００やナノファイバ３０１を集中させることが困難になるからであり、また、流出体１１１の回転軸が偏心するなど、重量バランスが少しでも偏ると大きな振動が発生してしまい、当該振動を抑制するために流出体１１１を強固に支持する構造が必要となるからである。一方、小さすぎると遠心力により原料液３００を流出させるための回転を高めなければならず、駆動源の負荷や振動など問題が発生するためである。さらに流出体１１１の流出口１１５が配置される部分の直径は、２０ｍｍ以上、１００ｍｍ以下の範囲から採用することが好ましい。
【０１０１】
また、流出口１１５の形状は円形が好ましく、その直径は、流出体１１１の肉厚にもよるが、おおよそ０．０１ｍｍ以上、３ｍｍ以下の範囲から採用することが好適である。これは、流出口１１５があまりに小さすぎると原料液３００を流出体１１１の外方に流出させることが困難となるからであり、あまりに大きすぎると一つの流出口１１５から流出する原料液３００の単位時間当たりの量が多くなりすぎ（つまり、流出する原料液３００が形成する線の太さが太くなりすぎ）て所望の径のナノファイバ３０１を製造することが困難となるからである。
【０１０２】
回転軸体２１２は、流出体１１１を回転させ遠心力により原料液３００を流出させるための駆動力を伝達するための軸体であり、流出体１１１の他端から流出体１１１の内部に挿通され、流出体１１１の閉塞部と一端部が接合される棒状体である。また、他端はモータ１１６の回転軸と接合されている。
【０１０３】
モータ１１６は、遠心力により原料液３００を流出口１１５から流出させるために、回転軸体２１２を介して流出体１１１に回転駆動力を付与する装置である。なお、流出体１１１の回転数は、流出口１１５の口径や使用する原料液３００の粘度や原料液内の高分子物質の種類などとの関係により、数ｒｐｍ以上、１００００ｒｐｍ以下の範囲から採用することが好ましく、本実施の形態のようにモータ１１６と流出体１１１とが直動の時はモータ１１６の回転数は、流出体１１１の回転数と一致する。
【０１０４】
また、モータ１１６と回転軸体２１２とは絶縁体２１３を介して接続されている。
【０１０５】
図１３は、静電起電機の別例を示す斜視図である。
【０１０６】
本実施の形態に係る静電起電機１０３は、摩擦により静電気を発生させる起電機であり、流出手段１０１に内包されている。静電起電機１０３は、第一回転体１３２と、第二回転体１３３と、無端ベルト１３４と、電荷供給手段１３５と、駆動源１３６と、ドライブベルト１３９と、集電ブラシ１４０とを備えている。なお、流出体１１１が蓄積電極１３１としても機能している。
【０１０７】
第一回転体１３２は、アクリルで構成される筒体であり、一定の位置で回転できるよう、所定の回転軸に回転可能に取り付けられている。第一回転体１３２は、ポリウレタン製のドライブベルト１３９を介して駆動源１３６により回転する。
【０１０８】
第二回転体１３３は、ＡＢＳ樹脂で構成される筒体であり、第一回転体１３２と所定の距離を隔てて配置されるように所定の回転軸に回転可能に取り付けられている。
【０１０９】
無端ベルト１３４は、生ゴムで構成されるベルトであり、第一回転体１３２と第二回転体１３３とに掛け渡されて配置される。
【０１１０】
集電ブラシ１４０は、無端ベルト１３４に発生した電荷を蓄積電極１３１として機能する流出体１１１に供給するための部材であり、銅製の細い針金が無端ベルト１３４に接触するものである。
【０１１１】
帯電電位設定手段１５０は、蓄積電極１３１として機能する流出体１１１の電圧が所定値以上になると、ダイオードを介して静電起電機１０３から電流をアースへ逃がす装置である。本実施の形態の場合、帯電電位設定手段１５０の一方は、流出体１１１と導通している回転軸体２１２に接続され、他方はアースに接続されている。そして、回転軸体２１２からアースの方向に電流が流れるように、ツェナーダイオードが複数個直列に接続されている。具体的には、ＯＮ電圧がＸＶのダイオードを使用し、当該ダイオードをｎ個直列に接続することで全体のＯＮ電圧をＸ×ｎＶとすることができる。従って、流出体１１１がＸ×ｎＶよりも高い電圧になると、流出体１１１の電圧がＸ×ｎＶになるまでダイオードに電流が流れる。
【０１１２】
なお、帯電電極１０２には、流出体１１１と逆極性の電位を印加してもかまわない。また、帯電電位設定手段１５０の図中に示すダイオードの向きは、これに限定されるわけではなく、流出体１１１に供給される電荷の極性に応じてダイオードの向きは設定される。
【０１１３】
図１１の参照に戻る。
【０１１４】
案内体２１６は、流出手段１０１から放出されるナノファイバ３０１を所定の場所に案内する風洞である。本実施の形態における案内体２１６は、円筒体であり、流出手段１０１のナノファイバ３０１が放出される側の開口形状と同じ開口形状を備え、流出手段１０１と一連に配置されている。
【０１１５】
拡散手段２４０は、案内体２１６に接続され、高密度状態のナノファイバ３０１を広く均等に拡散させ低密度状態とする導管であり、ナノファイバ３０１が案内される空間を滑らか、かつ、連続的に拡大することで、ナノファイバ３０１を搬送する気体流の速度とナノファイバ３０１の速度とを徐々に減速させるフード状の部材である。
【０１１６】
誘引手段の一つである収集電極１０４は、本実施の形態の場合、流出手段１０１とは別個独立に収集電位設定手段１０５により電位が付与される金属製板状の電極である。この収集電極１０４は、シート状の収集手段１０６に対し流出手段１０１の反対側に配置されている。また、収集電極１０４は、流出手段１０１から流出し生成した帯電状態のナノファイバ３０１を電気的に誘引する。収集電極１０４は、気体流が通過可能な網状となっている。
【０１１７】
吸引手段１２０は、収集手段１０６を通過する気体流を強制的に吸引する装置である。本実施の形態では、吸引手段１２０は、漏斗状のフード１２３と送風機１２１とを備えている。送風機１２１は、シロッコファンや軸流ファンなどの送風機であって、収集手段１０６から送風機１２１に向かう気体流を発生させることができる装置である。
【０１１８】
また、吸引手段１２０は、原料液３００から蒸発した溶媒が混ざったほとんどの気体流を吸引し、吸引手段１２０に接続される溶剤回収装置１２２まで前記気体流を搬送することができるものとなっている。
【０１１９】
以上の構成のナノファイバ製造装置１００によれば、静電起電機１０３を使用した状態で、流出体１１１に安定した状態で電荷を供給し続けることができる。また、静電起電機１０３は、一定の回転動作により電荷を供給しつづけるだけでよく、電荷の蓄積量に応じてモータ１１６の回転数の制御等を行わなくてよい。従って、装置を簡略化し、長寿命化を図ることが可能となる。
【０１２０】
図１４は、ナノファイバ製造装置の他の実施の形態を概略的に示す側面図である。
【０１２１】
同図に示す、ナノファイバ製造装置１００は、原料液３００に圧力を加えることにより、圧力で原料液３００を空間中に流出させてナノファイバ３０１を製造する装置である。
【０１２２】
流出手段１０１は、原料液３００を貯留するタンク１６３と、原料液３００を所定の圧力で圧送するポンプ１６４と備え、マトリクス状に設けられた小孔から原料液を流出させることができるものとなっている。なお、ポンプ１６４と流出体１１１とを電気的に絶縁するため、流出体１１１とポンプ１６４とは絶縁性のある絶縁管２１４を介して接続されている。
【０１２３】
流出体１１１には静電起電機１０３が接続され、帯電電位設定手段１５０が接続されている。従って、流出体１１１は、帯電電位設定手段１５０が備えるダイオードによって定められる電圧以上になれば、帯電電位設定手段１５０から供給される電荷がアースに逃がされるようになっている。
【０１２４】
収集手段１０６は、供給ロール１６１から巻き取りロール１６２に向かってゆっくりと移相され、製造されたナノファイバ３０１が堆積するものとなっている。
【０１２５】
収集電極１０４は、収集手段１０６に対し流出手段１０１の反対側に接触状態で配置されている。収集電極１０４は、収集電位設定手段１０５により、製造されるナノファイバ３０１の帯電極性と逆の極性で、空間を飛行中のナノファイバ３０１を収集手段１０６に誘引できる電圧が印加されている。
【０１２６】
図１５は、流出手段の別態様を一部切り欠いて示す平面図である。
【０１２７】
同図に示す静電起電機１０３は、流出手段１０１の内部に配置されており、流出体１１１の回転を利用して、すなわち、モータ１１６を駆動源１３６としても機能させて、摩擦により電荷を発生させる装置である。本実施の形態の場合、静電起電機１０３は、流出体１１１に巻き付けられ、流出体１１１と共に回転する円環状の第一部材１５１と、付勢手段１５３により第一部材１５１に押し付けられる第二部材１５２と、第一部材１５１で発生した電荷を流出体１１１に供給するためのブリッジ１５４とを備えている。
【０１２８】
例えば第一部材１５１をガラスで形成し、第二部材１５２をナイロンで形成した場合、ガラスからなる第一部材１５１には、正の電荷が発生する。
【０１２９】
この装置構成によれば、原料液３００を流出させるために流出体１１１を回転させる駆動力と電荷を発生させる駆動力とを一つのモータ１１６で実現することが可能となり、装置全体をコンパクトにすることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１３０】
本発明は、ナノファイバ製造装置や、製造されたナノファイバを用いて紡糸する装置、製造されたナノファイバを用いて不織布を製造する装置などに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】本発明にかかるナノファイバ製造装置を概略的に示す斜視図である。
【図２】ナノファイバ製造装置を模式的に示す側面図である。
【図３】流出手段の具体例を示す図である。
【図４】流出手段の具体例を示す断面図である。
【図５】静電起電機を一部透視状態で示す斜視図である。
【図６】静電起電機の起電状態を制御するシステム構成を示す図である。
【図７】静電起電機の起電状態を制御する他のシステム構成を示す図である。
【図８】静電起電機の起電状態を制御する他のシステム構成を示す図である。
【図９】流出手段の別態様の具体例を示す図である。
【図１０】流出手段の別態様の具体例を示す断面図である。
【図１１】ナノファイバ製造装置の他の実施の形態を一部切り欠いて示す平面図であり、上段が側面図、下段が上面図である。
【図１２】流出手段の具体例を示す断面図である。
【図１３】静電起電機の別例を示す斜視図である。
【図１４】ナノファイバ製造装置の他の実施の形態を概略的に示す側面図である。
【図１５】流出手段の別態様を一部切り欠いて示す平面図である。
【符号の説明】
【０１３２】
１００  ナノファイバ製造装置
１０１  流出手段
１０２  帯電電極
１０３  静電起電機
１０４  収集電極
１０５  収集電位設定手段
１０６  収集手段
１０７  隔壁
１０８  移動手段
１０９  ガス供給源
１１１  流出体
１１２  整流フィン
１１３  ファン
１１４  スライド取付部
１１５  流出口
１１６  モータ
１１７  ベルト
１１８  パイプ
１１９  加熱手段
１２０  吸引手段
１２１  送風機
１２２  溶剤回収装置
１２３  フード
１３１  蓄積電極
１３２  第一回転体
１３３  第二回転体
１３４  無端ベルト
１３５  電荷供給手段
１３６  駆動源
１３７  導線
１３８  分岐線
１３９  ドライブベルト
１４０  集電ブラシ
１５０  帯電電位設定手段
１５１  第一部材
１５２  第二部材
１５３  付勢手段
１５４  ブリッジ
１６１  供給ロール
１６２  巻き取りロール
１６３  タンク
１６４  ポンプ
１９０  誘引手段
２０１  排気装置
２０２  起電状態検出手段
２０３  制御手段
２０４  第一抵抗
２０５  第二抵抗
２０６  電圧計
２１２  回転軸体
２１３  絶縁体
２１４  絶縁管
２１６  案内体
２４０  拡散手段
３００  原料液
３０１  ナノファイバ
【図１】
2009155790.tif 000003
【図２】
2009155790.tif 000004
【図３】
2009155790.tif 000005
【図４】
2009155790.tif 000006
【図５】
2009155790.tif 000007
【図６】
2009155790.tif 000008
【図７】
2009155790.tif 000009
【図８】
2009155790.tif 000010
【図９】
2009155790.tif 000011
【図１０】
2009155790.tif 000012
【図１１】
2009155790.tif 000013
【図１２】
2009155790.tif 000014
【図１３】
2009155790.tif 000015
【図１４】
2009155790.tif 000016
【図１５】
2009155790.tif 000017