JP2021147714A - 電界紡糸装置および電界紡糸方法 - Google Patents

Abstract

【課題】形成される繊維膜の品質を向上させることができる電界紡糸装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、電界紡糸装置は、ヘッドユニットと、一対の導電体７０Ａ、７０Ｂとを備える。ヘッドユニットでは、ヘッド本体３１１とヘッド本体の外周面から外側へ突出するノズルとを備えるとともに、電圧が印加されることにより原料液が前記ノズルから吐出されるヘッド３１Ａ〜３１Ｅが複数配列されている。導電体は、ヘッドの配列方向についてヘッドユニットの両外側に配置され、ヘッドに印加される電圧と同極性の電圧が印加されることにより電場を発生させる。ヘッドの配列方向に沿う断面での導電体のそれぞれの断面積は、ヘッドの配列方向に沿う断面でのヘッド本体のそれぞれの断面積よりも小さい。【選択図】図５

Description

本発明の実施形態は、電界紡糸装置および電界紡糸方法に関する。

エレクトロスピニング法（電界紡糸法及び電荷誘導紡糸法等とも称されることもある）により、微細なファイバーを搬送される基材の表面に堆積させ、ファイバーの膜（繊維膜）を形成する電界紡糸装置がある。このような電界紡糸装置では、複数のヘッドが基材の搬送方向に沿って併設される。ヘッドのそれぞれは、ヘッド本体と、ヘッド本体の外周面から突出する複数のノズルと、を備える。ノズルのそれぞれには、ヘッド本体からの突出端に原料液の噴出口が形成される。ノズルと収集体又は基材との間に電圧を印加することにより、ノズルの噴出口から原料液を収集体又は基材の表面に向かって噴出させ、ファイバーを収集体又は基材の表面に堆積させる。

前述のような電界紡糸装置では、繊維膜の品質向上のため、発生する電界強度を基材の搬送方向に沿って併設されたヘッド間において均一にすることが求められている。

特表２００５−５３４８２８号公報

本発明が解決しようとする課題は、形成される繊維膜の品質を向上させる電界紡糸装置および電界紡糸方法を提供することにある。

実施形態によれば、電界紡糸装置は、ヘッドユニットと、一対の導電体とを備える。ヘッドユニットでは、原料液を収納可能な収納空洞が内部に形成されたヘッド本体と、導電性を有する材料から形成され、ヘッド本体の外周面から外側へ突出するノズルとを備えるとともに、ノズルに電圧が印加されることにより原料液が前記ノズルから吐出されるヘッドが複数配列されている。導電体は、ヘッドの配列方向についてヘッドユニットの両外側に配置され、導電性を有する材料から形成され、ヘッドに印加される電圧と同極性の電圧が印加されることにより電場を発生させる。ヘッドの配列方向に沿う断面での前記導電体のそれぞれの断面積は、ヘッドの配列方向に沿う断面でのヘッド本体のそれぞれの断面積よりも小さい。また、実施形態によれば、電解紡糸方法は、原料液が収納される収納空洞が内部に形成されたヘッド本体とヘッド本体の外周面から外側へ突出し導電性を有するノズルとを備えるヘッドが複数配列されたヘッドユニットを準備することと、収納空洞に収納された原料液に電圧を印加することにより、原料液をノズルのそれぞれから吐出することと、ヘッドの配列方向についてヘッドユニットの両外側に配置され、ヘッド本体のそれぞれのヘッドの配列方向の断面積よりも小さな断面積を有する導電体に原料液に印加される電圧と同極性の電圧を印加することと、を有する。

図１は、実施形態に係る電界紡糸装置の一例を示す概略図である。 図２は、実施形態に係る電界紡糸装置の制御構成の一例を示すブロック図である。 図３は、実施形態に係る複数のヘッドのうちの１つを概略的に示す斜視図である。 図４は、実施形態に係る複数のヘッドのうちの１つを、基材の搬送方向に対して平行又は略平行で、基材の幅方向に対して平行又は略平行な断面で概略的に示す断面図である。 図５は、実施形態に係るヘッドユニットと導電体を、基材の搬送方向に対して平行又は略平行で、基材の幅方向に対して垂直又は略垂直な断面で概略的に示す断面図である。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。

（実施形態）
図１は、実施形態に係る電界紡糸装置１０の構成を示す図である。図２は、電界紡糸装置１０の制御構成を示すブロック図である。電界紡糸装置１０は、エレクトロスピニング法（電界紡糸法及び電荷誘導紡糸法等とも称されることもある）により、基材４０に繊維膜を形成する装置である。基材４０は、例えばシート状の電極である。基材４０は、原料液に対して耐性を有する材料から形成される。基材４０は、例えば、アルミニウムにより形成される。

図１及び図２に示すように、電界紡糸装置１０は、筐体１３と、電源２０と、ヘッドユニット３０と、巻出しリール４１と、巻取りリール４２と、支持体５０と、搬送デバイス６０と、制御デバイス８０と、を備える。電源２０は、ヘッドユニット３０に電気的に接続されている。電源２０は、ヘッドユニット３０に供給される原料液を帯電させるために、ヘッドユニット３０に電力を供給する。

筐体１３の内部には、ヘッドユニット３０と、支持体５０と、搬送デバイス６０とが配置されている。支持体５０は、筐体１３の内部に設置され、ヘッドユニット３０を支持する。

巻出しリール４１及び巻取りリール４２は、筐体１３の外部に設けられ、不図示の駆動源により回転する。また、筐体１３は、入口１１及び出口１２を備える。入口１１及び出口１２のそれぞれは、筐体１３の内部と外部とを連通させる。巻出しリール４１は、入口１１を介して、基材４０を筐体１３内の搬送デバイス６０へ供給する。搬送デバイス６０は、巻出しリール４１から供給された基材４０を搬送する。ヘッドユニット３０は、搬送デバイス６０により搬送される基材４０に向けて帯電された原料液を吐出することにより、基材４０に繊維膜を形成する。繊維膜が形成された基材４０は、出口１２から筐体１３の外部へ搬出され、巻取りリール４２により回収される。

搬送デバイス６０は、４つのローラ６１と、水平搬送路６３と、２つの垂直搬送路６４と、を備える。垂直搬送路６４のそれぞれは、鉛直方向（図１のＹ１方向又はＹ２方向）に沿って延設されている。水平搬送路６３は、水平方向（図１のＸ方向）に沿って延設されている。ローラ６１は、垂直搬送路６４のそれぞれの上端部、及び、垂直搬送路６４のそれぞれと水平搬送路６３との境界部に配置されている。ローラ６１のそれぞれにおいて基材４０が支持されることにより、水平搬送路６３と、垂直搬送路６４が形成される。ローラ６１は、モータを有する駆動源６２により回転する。ローラ６１が回転することにより、水平搬送路６３及び垂直搬送路６４を含む基材４０の搬送路において基材４０が搬送される。ここで、搬送デバイス６０が基材４０を搬送している状態では、水平搬送路６３の延設方向（図１のＸ方向）に垂直で、かつ、鉛直方向（図１のＹ１、Ｙ２方向）に垂直な方向が、基材４０の幅方向と一致又は略一致する。なお垂直搬送路の本数、水平搬送路の本数及びローラの個数は、本実施形態の数に限定されるものではない。

垂直搬送路６４のそれぞれに対向する位置には、２つのヘッドユニット３０のうち対応する一方が配置されている。ヘッドユニット３０のそれぞれは、不図示の送液機構を介して不図示の原料液貯蔵タンク（原料液の供給源）に接続されている。ヘッドユニット３０のそれぞれには、原料液貯蔵タンクから、原料液が供給される。また、ヘッドユニット３０のそれぞれは、電源２０と電気的に接続されている。ヘッドユニット３０のそれぞれには、電源２０から電圧が印加される。ヘッドユニット３０のそれぞれは、対向する垂直搬送路６４において搬送される基材４０の片面に向けて、帯電された原料液を吐出する。ヘッドユニット３０から吐出された原料液中の溶媒は、電界紡糸装置１０内の雰囲気中で揮発する。また、ヘッドユニット３０から吐出された原料液中の原材料は、飛翔し、垂直搬送路６４を搬送される基材４０の片面に到達する。基材４０に到達した原材料が堆積することにより、基材４０に繊維膜が形成される。

繊維の原料液は、繊維の原材料が、所定の濃度で溶媒に溶かされた溶液である。

繊維の原材料は、形成したい繊維膜の材質に応じて適宜変更することができる。繊維の原材料としては、例えばポリオレフィン系樹脂、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等が挙げられる。具体的に、繊維の原材料となる熱可塑性樹脂としては、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリプロピレン、ポリエチレン、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、ポリアミド、ポリオキシメチレン、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリサルファン、ポリエーテルサルファン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、変性ポリフェニレンエーテル、シンジオタクチックポリスチレン及び液晶ポリマーが挙げられる。また、繊維の原材料となる熱硬化性樹脂としては、ユリア樹脂、不飽和ポリエステル、フェノール樹脂、メラミン樹脂及びエポキシ樹脂が挙げられる。また、繊維の原材料として、前述した樹脂を含む共重合体などを用いてもよい。繊維の原材料は前述した樹脂及び共重合体などから選択される１種類、または２種類以上のポリマーの混紡によって形成することができる。なお、本実施形態に適用可能な繊維の原材料は、列記した原材料に限定されるものではない。列記した繊維の原材料は、あくまでも例示である。

溶媒は、繊維の原材料を溶解することができるものであればよい。溶媒は、溶解させる繊維の原材料に応じて適宜変更することができる。溶媒としては、例えば、アルコール系、芳香族系等の揮発性の有機溶媒あるいは、水を用いることができる。有機溶媒としては、具体的には、例えば、イソプロパノール、エチレングリコール、シクロヘキサノン、ジメチルホルムアミド、アセトン、酢酸エチル、ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ヘキサン、トルエン、キシレン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、酢酸ブチル、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ピリジン等が挙げられる。また、溶媒は、例記した溶媒より選ばれる一種類でもよく、また、複数種類が混在してもよい。なお、本実施形態に適用可能な溶媒は、列記した溶媒に限定されるものではない。列記した溶媒は、あくまでも例示である。

ヘッドユニット３０と垂直搬送路６４との間隔は、例えば、ヘッドユニット３０に印加される電圧、原料液中のポリマーの種類、原料液中の繊維の原材料の濃度等を含む吐出条件により決められる。

垂直搬送路６４の上端に配置されたローラ６１とヘッドユニット３０との間には、基材４０が存在する。一方、垂直搬送路６４と水平搬送路６３との接続部に配置されたローラ６１とヘッドユニット３０との間には、基材４０が存在しない。このため、垂直搬送路６４と水平搬送路６３との接続部に配置されたローラ６１は、基材４０を介することなく、ヘッドユニット３０と対向する。

なお、繊維膜の形成速度を向上させるために、垂直搬送路６４のそれぞれの両側にヘッドユニットが配置され、基材４０の両面に繊維膜を形成してもよい。

ヘッドユニット３０の構成について説明する。ヘッドユニット３０のそれぞれは、５つのヘッド３１Ａ−３１Ｅを備える。ヘッド３１Ａ−３１Ｅは、同一の構造を有する。ヘッドユニット３０は、ヘッド群と呼ばれてもよい。

ヘッド３１Ａ−３１Ｅは、垂直搬送路６４に対向した状態で、支持体５０に支持されている。ヘッド３１Ａ−３１Ｅは、鉛直方向に沿って配列されている。すなわち、ヘッド３１Ａ−３１Ｅは、対向する垂直搬送路６４における基材４０の搬送方向に沿って配列されている。ヘッド３１Ａ−３１Ｅのそれぞれは、基材４０の幅方向に沿って延設されている。ヘッド３１Ａは、ヘッド３１Ａ−３１Ｅのうち最も上方に位置する。ヘッド３１Ｅは、ヘッド３１Ａ−３１Ｅのうち最も下方に位置する。ヘッド３１Ｂ−３１Ｄは、鉛直方向についてヘッド３１Ａとヘッド３１Ｅの間に位置する。ヘッド３１Ａ−３１Ｅは、鉛直方向について等間隔で配置されている。

次に、ヘッド３１Ａ−３１Ｅの構成について説明する。図３乃至図５では、一例として、ヘッド３１Ａの構成について説明する。ヘッド３１Ｂ−３１Ｅについては、ヘッド３１Ａと同様の構成を有するため説明を省略する。図３は、ヘッド３１Ａを概略的に示す斜視図である。図４は、ヘッド３１Ａを基材４０の搬送方向に対して平行又は略平行で、基材４０の幅方向に対して平行又は略平行なある断面で概略的に示す断面図である。図４では、ヘッド３１Ａを、後述する中心軸Ｃに平行又は略平行なある断面で示す。図５は、ヘッドユニット３０等を基材４０の搬送方向に対して平行又は略平行で、基材４０の幅方向に対して垂直又は略垂直な断面で概略的に示す断面図である。図５では、ヘッド３１Ａ−３１Ｅのそれぞれを、後述する中心軸Ｃに垂直又は略垂直な断面で示す。

図３乃至図５に示すように、ヘッド３１Ａは、ヘッド本体３１１と、８つのノズル３１２Ａ−３１２Ｈと、を備える。ヘッド本体３１１及びノズル３１２Ａ−３１２Ｈのそれぞれは、導電性を有する材料（導電材料）から形成される。ヘッド本体３１１及びノズル３１２Ａ−３１２Ｈのそれぞれは、原料液に対して耐性を有する材料から形成されることが好ましく、例えば、ステンレスから形成される。

ヘッド本体３１１は、中心軸Ｃを有し、中心軸Ｃに沿って延設される。中心軸Ｃは、基材４０の幅方向と平行又は略平行な軸である。本実施形態では、中心軸Ｃに対して垂直又は略垂直な断面におけるヘッド本体３１１の外形は、略正六角形に形成されている。ヘッド本体３１１の外周面は、中心軸Ｃの軸回りに沿って延設され、ヘッド本体３１１の外表面の一部を形成する。そして、ヘッド本体３１１の外周面は、中心軸Ｃに対して交差する（垂直又は略垂直な）方向について中心軸Ｃから離れる側を向く。

ヘッド本体３１１の内部には、中心軸Ｃに沿って収納空洞３１５が形成されている。収納空洞３１５には、不図示の送液機構から供給された原料液が溜められる。ヘッド本体３１１は、収納空洞３１５を内部空洞とする筒状に形成される。収納空洞３１５は、中心軸Ｃに沿う方向について、ヘッド本体３１１の全体又は大部分に渡って形成される。本実施形態では、中心軸Ｃに対して垂直又は略垂直な断面において、収納空洞３１５は略円形に形成されている。

ノズル３１２Ａ−３１２Ｈのそれぞれは、ヘッド本体３１１の外周面に設けられる。ノズル３１２Ａ−３１２Ｈは、いずれも、中心軸Ｃに対して、垂直搬送路６４が位置する側に配置される。ノズル３１２Ａ−３１２Ｈのそれぞれは、対向する垂直搬送路６４に向かってヘッド本体３１１の外周面から外側へ突出している。ノズル３１２Ａ−３１２Ｈは、中心軸Ｃに沿う方向について互いに対して離れた状態で配置され、ジグザグ状に配置されている。ノズル３１２Ａ、３１２Ｈは、ノズル３１２Ａ−３１２Ｈのうち、中心軸Ｃに沿う方向において両端に位置する。

ノズル３１２Ａ−３１２Ｈのそれぞれの内部には、収納空洞３１５と連通する流路が形成されている。また、ノズル３１２Ａ−３１２Ｈのそれぞれには、外周側の端部に噴出口が形成されている。ノズル３１２Ａ−３１２Ｈのそれぞれの流路は、一端で収納空洞３１５に連通し、収納空洞３１５からヘッド本体３１１の外周側に向かって延設される。そして、流路の他端は、噴出口において外部に対して開口している。すなわち、ノズル３１２Ａ−３１２Ｈのそれぞれでは、ヘッド本体３１１の外周面からの突出端に、流路の噴出口が形成されている。

ノズル３１２Ａ−３１２Ｈは、ヘッド本体３１１の中心軸Ｃの軸回り（ヘッド本体３１１の外周面の周方向）について異なる位置に配列された２つのノズル列３１３Ａ、３１３Ｂを形成する。ノズル列３１３Ａは、ノズル３１２Ａ−３１２Ｄによって形成される。ノズル３１２Ａ−３１２Ｄは、中心軸Ｃの軸回りについて、同一又は略同一の角度位置に配置される。ノズル３１２Ａ、３１２Ｄは、ノズル列３１３Ａのうち、中心軸Ｃに沿う方向について両端に位置する。ノズル列３１３Ｂは、ノズル３１２Ｅ−３１２Ｈによって形成される。ノズル３１２Ｅ−３１２Ｈは、中心軸Ｃの軸回りについて、ノズル３１２Ａ−３１２Ｄとは異なる角度位置において、同一又は略同一の角度位置に配置される。例えば、ノズル３１２Ａ−３１２Ｄは、中心軸Ｃの軸回りについて、ノズル３１２Ｅ−３１２Ｈに対して６０°程度離れた位置に配置される。ノズル３１２Ｅ、３１２Ｈは、ノズル列３１３Ｂのうち、中心軸Ｃに沿う方向について両端に位置する。ノズル列３１３Ａは、第１のノズル列に相当する。ノズル列３１３Ｂは、第２のノズル列に相当する。ノズル列３１３Ａ、３１３Ｂのそれぞれは、ノズル群と呼ばれてもよい。

このように、ヘッド本体３１１の外周面では、中心軸Ｃに沿う方向について、ノズル列３１３Ａを形成するノズルとノズル列３１３Ｂを形成するノズルが交互に配置される。例えば、ノズル列３１３Ａを形成するノズル３１２Ａとノズル３１２Ｂの間には、ノズル列３１３Ｂを形成するノズル３１２Ｅが配置されている。ノズル列３１３Ａとノズル列３１３Ｂは、中心軸Ｃの軸回りについて異なる位置に配列されているため、ノズル３１２Ａ−３１２Ｈは、ヘッド本体３１１の外周面においてジグザグ状に配置されている。この構成により、基材４０に吐出された原料液が局所的に堆積することが防止される。

電源２０は、ヘッド３１Ａと基材４０との間に電圧を印加する。ノズル３１２Ａ−３１２Ｈのそれぞれには、ヘッド本体３１１を介して、所定の極性の電圧が電源２０により印加される。また、ノズル３１２Ａ−３１２Ｈは、互いに対して電気的に接続されている。このため、ノズル３１２Ａ−３１２Ｈのそれぞれに電圧が印加された状態では、ノズル３１２Ａ−３１２Ｈは、互いに対して同一又は略同一の電位になる。ノズル３１２Ａ−３１２Ｈのそれぞれに印加される電圧の極性は、プラスであってもよく、マイナスであってもよい。電源２０は、例えば、直流電源であり、ノズル３１２Ａ−３１２Ｈのそれぞれにプラスの電圧を印加する。

基材４０は、接地されている。ノズル３１２Ａ−３１２Ｈのそれぞれにプラスの電圧が印加された状態において、基材４０の対地電圧は、０Ｖ又は略０Ｖになる。基材４０は、接地されていなくてもよい。この場合、電源２０は、ノズル３１２Ａ−３１２Ｈとは反対の極性の電圧を基材４０に印加する。

ヘッド３１Ａに原料液が供給された状態では、電源２０によってノズル３１２Ａ−３１２Ｈのそれぞれと基材４０との間に電圧を印加することにより原料液にも電圧が印加され、ノズル３１２Ａ−３１２Ｈのそれぞれの噴出口から基材４０に向かって原料液が噴出される。すなわち、ノズル３１２Ａ−３１２Ｈのそれぞれと基材４０との間の電位差によって、電圧が印加された原料液が基材４０に向かって噴出される。ノズル３１２Ａ−３１２Ｈのそれぞれの噴出口から原料液が基材４０に向かって噴出されることにより、原料液の一部が基材４０の表面に堆積し、堆積した原料液により繊維の膜（ファイバー）が形成される。このようにして、エレクトロスピニング法（電界紡糸法及び電荷誘導紡糸法等とも称されることもある）によって、繊維の膜が形成される。

なお、ヘッド３１Ａと基材４０との間に印加される電圧、すなわち、ノズル３１２Ａ−３１２Ｈのそれぞれと基材４０との間の電位差は、原料液に含まれる高分子の種類及びノズル３１２Ａ−３１２Ｈのそれぞれの基材４０に対する距離等に対応させて、適宜の大きさに調整される。ある一例では、ノズル３１２Ａ−３１２Ｈのそれぞれと基材４０との間に、１０ｋＶ以上１００ｋＶ以下のいずれかの大きさの直流電圧が印加される。

電源２０は、ノズル３１２Ａ−３１２Ｈのそれぞれに電圧を印加する構成であればよい。例えば、ヘッド本体３１１を介さずに、ノズル３１２Ａ−３１２Ｈのそれぞれに電圧が印加されてもよい。この場合、電源２０と電気的に接続される端子がノズル３１２Ａ−３１２Ｈのそれぞれに設けられる。そして、この端子を介して、ノズル３１２Ａ−３１２Ｈのそれぞれに電圧が印加される。この構成では、ヘッド本体３１１は導電材料ではない材料から形成されてもよい。

また、ヘッドユニット３０が備えるヘッドの数は、５つに限るものではない。例えば、ヘッドユニット３０に設けられるヘッドの数は、２−４個のいずれかであってもよく、６個以上であってもよい。また、１つのヘッドに設けられるノズルの数は、特に限定されるものではない。ノズルは、１つのヘッドに１つ以上設けられていればよい。

また、基材４０の表面上に繊維の膜を形成する例としては、例えば、電池のセパレータ一体型電極の製造が挙げられる。この例では、電極群の負極及び正極の一方が基材として用いられる。そして、基材４０の表面に形成される繊維の膜が、負極又は正極と一体のセパレータとなる。

制御デバイス（コントローラ）８０は、例えば、コンピュータ等である。制御デバイス８０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）又はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等を含むプロセッサ又は集積回路（制御回路）、及び、メモリ等の記憶媒体を備える。制御デバイス８０は、集積回路等を１つのみ備えてもよく、集積回路等を複数備えてもよい。制御デバイス８０は、記憶媒体等に記憶されるプログラム等を実行することにより、処理を行う。制御デバイス８０は、上述の各種駆動源（例えば駆動源６２）の駆動、送液機構の作動、電源２０の出力等を制御する。

図１に示すように、ヘッドユニット３０には、一対の導電体７０Ａ、７０Ｂが取り付けられている。導電体７０Ａ、７０Ｂは、支持体５０に取り付けられることにより支持されている。導電体７０Ａ、７０Ｂは、制御体又は電場制御棒と呼ばれてもよい。

導電体７０Ａは、ヘッドユニット３０のヘッド３１Ａ−３１Ｅよりも上方に配置されている。導電体７０Ｂは、ヘッドユニット３０のヘッド３１Ａ−３１Ｅよりも下方に配置されている。したがって、導電体７０Ａ、７０Ｂは、鉛直方向についてヘッドユニット３０の両外側に配置される。すなわち、導電体７０Ａ、７０Ｂの一方は、ヘッドユニット３０において基材４０が搬送される側の端に配置され、導電体７０Ａ、７０Ｂの他方は、ヘッドユニット３０において基材４０が搬送される側とは反対側の端に配置される。

導電体７０Ａ、７０Ｂは、金属等の導電性を有する材料（導電材料）から形成されている。導電体７０Ａ、７０Ｂは、ヘッドユニット３０のノズル３１２Ａ−３１２Ｈと同じ材料から形成されることが好ましい。

導電体７０Ａ、７０Ｂは、ヘッドユニット３０のヘッド３１Ａ−３１Ｅの延設方向（例えば中心軸Ｃ）に対して平行又は略平行な方向に沿って延設される。すなわち、導電体７０Ａ、７０Ｂは、基材４０の幅方向に沿って延設される。本実施形態では、導電体７０Ａ、７０Ｂは、基材４０の幅方向に沿って延びる棒状部材である。導電体７０Ａ、７０Ｂは、例えば、基材４０の幅方向に沿って延設される板状部材であってもよい。

延設方向における導電体７０Ａ、７０Ｂの長さは、例えば、延設方向（基材４０の幅方向）におけるヘッド本体３１１の長さ同じであってもよく、延設方向（基材４０の幅方向）におけるヘッド本体３１１の長さより短くてもよい。また、延設方向（基材４０の幅方向）における導電体７０Ａ、７０Ｂの長さは、原料液の飛翔経路を制御するために、延設方向（基材４０の幅方向）におけるヘッド本体３１１の長さより長くてもよい。

導電体７０Ａ、７０Ｂのそれぞれは、電源２０に電気的に接続している。電源２０は、導電体７０Ａ、７０Ｂのそれぞれに電圧を印加する。導電体７０Ａ、７０Ｂのそれぞれには、電源２０により、ヘッドユニット３０の各ノズルに印加される電圧と同極性の電圧が印加される。例えば、導電体７０Ａ、７０Ｂのそれぞれには、ヘッドユニット３０に印加される電圧と同じ値の電圧が印加される。導電体７０Ａ、７０Ｂに印加される電圧は、ヘッドユニット３０に印加される電圧よりも小さくてもよく、繊維の飛翔経路を制御するために、ヘッドユニット３０に印加される電圧よりも大きくしてもよい。

本実施形態では、電源２０は、ヘッドユニット３０と導電体７０Ａ、７０Ｂの両方に電力を供給する。導電体７０Ａ、７０Ｂにヘッドユニット３０とは異なる電圧を印加する場合、ヘッドユニット３０に電力を供給する電源と導電体７０Ａ、７０Ｂに電力を供給する電源を別に設けてもよい。

図５では、導電体７０Ａ、７０Ｂとヘッドユニット３０の位置関係が示される。そして、図５では、基材４０の搬送方向に対して平行又は略平行で、かつ、基材４０の幅方向（ヘッド本体３１１の中心軸Ｃ及び導電体７０Ａ，７０Ｂの中心軸）に対して垂直又は略垂直な断面を示す図である。

図５に示すように、ヘッド３１Ａ−３１Ｅのヘッド間ピッチｄ１は、例えば、１５０〜３５０ｍｍの範囲の中の値である。ヘッド間ピッチｄ１は、ヘッド３１Ａ−３１Ｅのうち隣り合うヘッド間のヘッド３１Ａ−３１Ｅの配列方向の距離であり、例えば、ヘッド３１Ａとヘッド３１Ｂとのヘッド３１Ａ−３１Ｅの配列方向の距離である。

ヘッド３１Ａ−３１Ｅの両端から導電体７０Ａ、７０Ｂまでのヘッド３１Ａ−３１Ｅの配列方向の距離ｄ２は、ヘッド間ピッチｄ１よりも小さい。すなわち、複数のヘッドのうち導電体との距離が最も近いヘッドと導電体とのヘッド３１Ａ−３１Ｅの配列方向の距離は、ヘッド間のヘッド３１Ａ−３１Ｅの配列方向の距離よりも小さい。例えば、導電体７０Ａとヘッド３１Ａとの距離ｄ２、及び、導電体７０Ｂとヘッド３１Ｅとの距離ｄ２は、ヘッド間ピッチｄ１よりも小さい。

ヘッド３１Ａ−３１Ｅの配列方向に沿う断面、すなわち中心軸Ｃに対して垂直又は略垂直な断面において、導電体７０Ａ、７０Ｂの直径ｄ５は、ヘッド本体３１１の対角線の長さｄ３よりも小さい。このため、中心軸Ｃに対して垂直又は略垂直な断面における導電体７０Ａ、７０Ｂの断面積は、中心軸Ｃに対して垂直又は略垂直な断面における収納空洞３１５を含むヘッド本体３１１の断面積よりも小さい。すなわち、導電体７０Ａ、７０Ｂのそれぞれにおける外周面に囲まれた部分の、ヘッド３１Ａ−３１Ｅの配列方向に沿う断面での断面積は、ヘッド本体３１１のそれぞれにおける外周面に囲まれた部分の、ヘッド３１Ａ−３１Ｅの配列方向に沿う断面での断面積よりも小さい。

また、中心軸Ｃに対して垂直又は略垂直な断面において、導電体７０Ａ、７０Ｂの直径ｄ５は、収納空洞３１５の直径ｄ４よりも大きい。

このように、本実施形態では、導電体７０Ａ、７０Ｂの径は、収納空洞３１５の径よりも大きく、ヘッド本体３１１の外径よりも小さい。なお、導電体７０Ａ、７０Ｂの径は、収納空洞３１５の径よりも小さくてもよい。

次に、本実施形態の電界紡糸装置１０の動作及び効果について説明する。

垂直搬送路６４を搬送される基材４０に繊維膜を形成する際には、まず、ヘッド３１Ａ−３１Ｅに原料液が供給された状態において、電源２０からヘッド３１Ａ−３１Ｅのそれぞれに電力が供給される。ヘッド３１Ａ−３１Ｅのそれぞれでは、ノズル３１２Ａ―３１２Ｈのそれぞれと基材４０との間に所定の電圧が印加される。ヘッド３１Ａ−３１Ｅのそれぞれでは、ノズル３１２Ａ―３１２Ｈに電圧が印加されることにより、ノズル３１２Ａ―３１２Ｈの噴出口の近傍に電場が発生する。このとき、ヘッド３１Ａ−３１Ｅの近傍の電場は、周辺に配置されたノズルで発生する電場の影響を受ける。

例えば、ヘッド３１Ａ−３１Ｅの配列方向（鉛直方向）において両端のヘッド３１Ａ、３１Ｅの間に位置するヘッド３１Ｂ−３１Ｄの近傍における電場は、ヘッド３１Ａ−３１Ｅの配列方向について両側に隣り合う２つのヘッド（ヘッド３１Ａ−３１Ｅのうちいずれか２つ）で発生する電場の影響を受ける。例えば、ヘッド３１Ｂのノズル３１２Ａは、延設方向（中心軸Ｃに沿う方向）について、ヘッド３１Ａのノズル３１２Ａ及びヘッド３１Ｃのノズル３１２Ａに対してずれていない。そして、ヘッド３１Ｂのノズル３１２Ａは、ヘッド３１Ａ−３１Ｅの配列方向について、ヘッド３１Ａのノズル３１２Ａ及びヘッド３１Ｃのノズル３１２Ａのそれぞれと隣り合っている。このため、ヘッド３１Ｂのノズル３１２Ａの近傍における電場は、ヘッド３１Ａのノズル３１２Ａで発生する電場と、ヘッド３１Ｃのノズル３１２Ａで発生する電場の影響を受ける。

一方、ヘッド３１Ａ−３１Ｅの配列方向において端に位置するヘッド３１Ａ、３１Ｅの近傍における電場は、ヘッド３１Ａ−３１Ｅの配列方向について片側に隣り合う１つのヘッド（ヘッド３１Ｂ又はヘッド３１Ｄ）で発生する電場の影響を受ける。例えば、ヘッド３１Ｅのノズル３１２Ｆは、延設方向（中心軸Ｃに沿う方向）について、ヘッド３１Ｄのノズル３１２Ｆに対してずれていない。そして、ヘッド３１Ｅのノズル３１２Ｆは、ヘッド３１Ａ−３１Ｅの配列方向について、ヘッド３１Ｄのノズル３１２Ｆと隣り合っている。このため、ヘッド３１Ｅのノズル３１２Ｆの近傍における電場は、ヘッド３１Ｄのノズル３１２Ｆで発生する電場の影響を受ける。

このため、隣り合うヘッドの数の違いに起因して、ヘッドユニット３０の両端に配置されるヘッド（例えばヘッド３１Ａ、３１Ｅ）と、ヘッドユニット３０の中央に配置されるヘッド（例えばヘッド３１Ｂ−３１Ｄ）との間において、電界強度のバラツキが生じる可能性がある。

本実施形態では、ヘッド３１Ａ−３１Ｅの配列方向についてヘッド３１Ａ−３１Ｅの両外側には、導電体７０Ａ、７０Ｂが配置され、導電体７０Ａ、７０Ｂには、各ヘッド３１Ａ−３１Ｅに印加される電圧と同極の電圧が印加される。導電体７０Ａ、７０Ｂのそれぞれの近傍では、電圧が印加されることにより、電場が発生する。このため、ヘッドユニット３０の両端に配置されるヘッド（例えばヘッド３１Ａ、３１Ｅ）の近傍における電場は、ヘッド３１Ａ−３１Ｅの配列方向について片側に隣り合う１つのヘッド（ヘッド３１Ｂ又はヘッド３１Ｄ）で発生する電場の影響に加えて、隣り合う導電体（導電体７０Ａ又は導電体７０Ｂ）で発生する電場の影響を受ける。このため、ヘッドユニット３０の両端に配置されるヘッド（例えばヘッド３１Ａ、３１Ｅ）と、ヘッドユニット３０の中央に配置されるヘッド（例えばヘッド３１Ｂ−３１Ｄ）との間において、電界強度の差が抑制される。ヘッドユニット３０においてヘッド３１Ａ−３１Ｅ間の電界強度のバラツキが抑制されることにより、ヘッドユニット３０と基材４０との間の電位差による原料液の飛翔が均一になり、基材４０に形成される繊維膜を均一に成膜することができる。この効果は、特に、ヘッドユニット３０に３つ以上のヘッドが配列される構成に対して有効に作用する。

また、ヘッドユニット３０から吐出される繊維は、垂直搬送路６４を搬送される基材４０方向へ飛翔するとともに、鉛直方向について基材４０に向かう方向以外の方向へも飛翔しようとする。本実施形態では、導電体７０Ａ、７０Ｂの周辺で電場が発生することにより、各ヘッド３１Ａ−３１Ｅの各ノズル３１２Ａ−３１２Ｈから吐出される繊維の飛翔経路の鉛直方向の広がりが抑制される。例えば、垂直搬送路６４よりも下方に設けられるローラ６１への繊維の飛翔が抑制されるとともに、垂直搬送路６４よりも上方に設けられる壁面（例えば天井）への繊維の飛翔が抑制される。したがって、導電体７０Ａ、７０Ｂが設けられることにより、ローラ６１への繊維の付着と、壁面への繊維の付着が抑制されることにより、原料液の吐出量を正確に制御できる。このため、基材４０に形成される繊維の膜厚のムラが抑制されるとともに、原料液の損失を少なくすることができる。

また、導電体７０Ａ、７０Ｂの直径ｄ５は、中心軸Ｃに対して垂直又は略垂直な断面におけるヘッド本体３１１の対角線の長さｄ３よりも小さい。すなわち、導電体７０Ａ、７０Ｂの外径は、ヘッド本体３１１の外径よりも小さい。このため、各ヘッド３１Ａ−３１Ｅと導電体７０Ａ、７０Ｂとに同じ電圧を印加する場合、ヘッドユニット３０の両端のヘッド３１Ａ、３１Ｅから導電体７０Ａ、７０Ｂまでの距離ｄ２を、ヘッド間ピッチｄ１よりも小さくすることができる。ヘッドユニット３０の両端のヘッド３１Ａ、３１Ｅから導電体７０Ａ、７０Ｂまでの距離ｄ２が小さくなることにより、基材４０の搬送方向における、導電体７０Ａ、７０Ｂとヘッドユニット３０とを含む部分の長さを小さくすることができる。これにより、ヘッドユニット３０におけるヘッド３１Ａ−３１Ｅ間の電界強度のバラツキを抑制し、かつ、装置の小型化を実現することができる。

また、本実施形態では、ヘッドユニット３０の各ヘッド３１Ａ−３１Ｅには、中心軸Ｃに沿う方向について、２つのノズル列３１３Ａ、３１３Ｂを形成するノズルが交互に配置されている。この場合、ノズル列３１３Ａの一方側の端部に配置されるノズルとノズル列３１３Ｂにおいて同じ側の端部に配置されるノズルとの間において、周囲に生じる電場の違いにより、ノズル周辺の電界強度のバラツキが生じる可能性がある。例えば、ノズル列３１３Ｂの一端に配置されるノズル３１２Ｅの周辺には、ノズル３１２Ｄと、ノズル３１２Ａと、ノズル３１２Ｂとの３つのノズルが配置されている。一方、ノズル列３１３Ａの一端に配置されるノズル３１２Ａの周辺には、ノズル３１２Ｂとノズル３１２Ｅとの２つのノズルが配置されている。このため、周辺に配置されるノズルの数の違いに起因して、ノズル列３１３Ａとノズル列３１３Ｂとの間において、同一側の端部に配置されるノズルの周辺の電場強度のバラツキが生じる可能性がある。前述のように、本実施形態では、導電体７０Ａ、７０Ｂが設けられることにより、ヘッド３１Ａ−３１Ｅ間の電界強度のバラツキが抑制される。ヘッド３１Ａ−３１Ｅ間の電界強度のバラツキが抑制されることにより、同一のヘッド（例えば３１Ａ）において同一側の端部に配置されるノズル（例えば３１２Ａ及び３１２Ｅ）の周辺の電場強度のバラツキも抑制することができる。

なお、本実施形態では、基材４０の搬送方向についてヘッドユニット３０の両外側のそれぞれに導電体が配置されているが、導電体は、ヘッドユニット３０の基材４０の搬送方向についてヘッドユニット３０の一方側のみに設けられてもよい。

これらの少なくとも一つの実施形態又は実施例によれば、電界紡糸装置は、ヘッドユニットの両外側に配置され電圧が印加されることにより電場を発生させる一対の導電体を備える。これにより、形成される繊維膜の品質を向上させる電界紡糸装置を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…電界紡糸装置、１１…入口、１２…出口、１３…筐体、２０…電源、３０…ヘッドユニット、３１Ａ−３１Ｅヘッド、３１１…ヘッド本体、３１２Ａ−３１２Ｈ…ノズル、３１３Ａ、３１３Ｂ…ノズル列、３１５…収納空洞、４０…基材、４１…巻出しリール、４２…巻取りリール、５０…支持体、６０…搬送デバイス、６１…ローラ、６２…駆動源、６３…水平搬送路、６４…垂直搬送路、７０Ａ、７０Ｂ…導電体、８０…制御デバイス。

Claims (6)

1. 原料液を収納可能な収納空洞が内部に形成されたヘッド本体と、導電性を有する材料から形成され、前記ヘッド本体の外周面から外側へ突出するノズルとを備えるとともに、前記ノズルに電圧が印加されることにより前記原料液が前記ノズルから吐出されるヘッドが複数配列されたヘッドユニットと、
   前記ヘッドの配列方向について前記ヘッドユニットの両外側に配置され、導電性を有する材料から形成され、前記ヘッドに印加される電圧と同極性の電圧が印加されることにより電場を発生させる一対の導電体と、を備え、
   前記ヘッドの配列方向に沿う断面での前記導電体のそれぞれの断面積は、前記ヘッドの配列方向に沿う断面での前記ヘッド本体のそれぞれの断面積よりも小さい、
   電界紡糸装置。
2. 前記複数のヘッドのうち前記導電体との距離が最も近いヘッドと前記導電体との前記ヘッドの配列方向の距離は、前記複数のヘッド間の前記ヘッドの配列方向の距離よりも小さい、
   請求項１の電界紡糸装置。
3. 前記ヘッドのそれぞれは、前記ヘッド本体の中心軸に沿って配列された複数の前記ノズルを含む第１のノズル列と、前記ヘッド本体の前記中心軸の軸回りについて前記第１のノズル列とは異なる位置において、前記ヘッド本体の前記中心軸に沿って配列された複数の前記ノズルを含む第２のノズル列とを備え、
   前記第１のノズル列を形成する前記ノズルと前記第２のノズル列を形成する前記ノズルとは、前記ヘッド本体の前記中心軸に沿う方向について交互に配置されている、
   請求項１又は２の電界紡糸装置。
4. 前記ヘッドのそれぞれでは、前記ノズルは、基材に向かって前記ヘッド本体から突出するとともに、前記基材に向かって前記原料液を吐出し、
   前記ヘッド本体の中心軸は、前記基材の搬送方向に交差する方向に沿い、
   前記複数のヘッドは、前記基材の搬送方向に沿って配列されている、
   請求項１乃至３のいずれかの電界紡糸装置。
5. 前記ヘッドユニットは、前記基材を鉛直方向に沿って搬送する搬送路に対向して設けられ、
   前記複数のヘッドは、鉛直方向に沿って配列されている、
   請求項４の電界紡糸装置。
6. 原料液が収納される収納空洞が内部に形成されたヘッド本体と前記ヘッド本体の外周面から外側へ突出し導電性を有するノズルとを備えるヘッドが複数配列されたヘッドユニットを準備することと、
   前記収納空洞に収納された前記原料液に電圧を印加することにより、前記原料液を前記ノズルのそれぞれから吐出することと、
   前記ヘッドの配列方向について前記ヘッドユニットの両外側に配置され、それぞれが前記ヘッド本体のそれぞれの前記ヘッドの配列方向の断面積よりも小さな断面積を有する一対の導電体に前記原料液に印加される電圧と同極性の電圧を印加することと、
   を有する電界紡糸方法。

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