JP4974686B2 - ナノファイバー製造方法およびナノファイバー製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、高分子物質からなるナノファイバーおよびこのナノファイバーを堆積した高多孔性の高分子ウェブの製造方法と装置に関するものである。

特許文献１には、コレクタに対して高電圧を印加したノズルから高分子溶液を前記コレクタに向けて吐出させ、静電爆発にて延伸させて、前記コレクタの上にナノファイバーを堆積させるナノファイバー製造装置が示されている。

また、ナノファイバー製造装置ではないが、特許文献２には高電圧を印加して処理している点では同様の塗装装置が記載されている。
特開２００２−２０１５５９号公報 特開２００２−３６１１２０号公報

ナノファイバー製造装置は、静電爆発で延伸させたナノファイバーが周囲に飛散しないようにハウジングの内部で実行するように構成される。ハウジングで取り囲んで運転していても、メンテナンス時などには係員が前記ハウジングに設けられた扉を開いて内部装置に接近または接触して感電するおそれがある。そのため、厳重な安全装置を備えることが必要である。

特許文献２の塗装装置の場合には、１０ＫＶ前後の直流高電圧を取り扱っており、ハウジングに設けられた扉の開放の実行に際しては、直流高電圧の印加を切換器でオフして接地し、接地された後に電圧が所定値以下に低下していることを検出してからでないと、前記扉をロックするインターロックを解除しないように構成されている。

そこで、ナノファイバー製造装置の安全装置として、特許文献２の安全装置の技術を利用することが考えられるが、ナノファイバー製造装置の直流高電圧が２０ＫＶ〜２００ＫＶと塗装装置の場合の１０ＫＶ前後に比べてさらに高電圧であるため、直流高電圧の印加を切換器でオフして接地に切り替えても、前記コレクタの側の電荷が高くなることが多いため、危険な状態が発生する問題がある。

本発明は２０ＫＶ〜２００ＫＶの直流高電圧を扱っているナノファイバー製造装置において十分な安全を確保できるナノファイバー製造方法を提供することを目的とする。

本発明のナノファイバー製造方法は、コレクタに対して直流高電圧を印加したノズルから高分子溶液を吐出させ、静電爆発にて延伸させて、コレクタの上にナノファイバーを堆積させるに際し、前記直流高電圧の印加停止またはナノファイバー製造装置を納めたハウジングに設けられた扉の開放を検出または漏電発生を検出して、前記直流高電圧の発生装置をオフするとともに特定の帯電個所を接地して電荷を放電させることを特徴とする。
また、本発明のナノファイバー製造方法は、コレクタに対して直流高電圧を印加したノズルから高分子溶液を吐出させ、静電爆発にて延伸させて、コレクタの上にナノファイバーを堆積させるに際し、ナノファイバーが付着してほしくない特定部位に交流電圧を印加して運転し、前記直流高電圧の印加停止または運転停止または漏電発生を検出して、前記交流電圧をオフし、かつ前記直流高電圧の発生装置をオフするとともに前記特定部位を接地することを特徴とする。

本発明のナノファイバー製造装置は、コレクタに対して直流高電圧を印加したノズルから高分子溶液を吐出させ、静電爆発にて延伸させて、コレクタの上にナノファイバーを堆積させるナノファイバー製造装置であって、前記直流高電圧の印加停止または運転停止または漏電発生を検出する検知手段と、基準電位に接続され特定の帯電個所の電荷を放電させる位置に移動する移動子と、前記検知手段の検出に基づいて前記直流高電圧の印加停止または運転停止または漏電発生を検出した場合に前記直流高電圧の発生装置をオフするとともに前記移動子を運転する制御部とを設け、前記検知手段は、ナノファイバー製造装置を納めたハウジングに設けられた扉の開放状態を検出することを特徴とする。
また、本発明のナノファイバー製造装置は、コレクタに対して直流高電圧を印加したノズルから高分子溶液を吐出させ、静電爆発にて延伸させて、コレクタの上にナノファイバーを堆積させるナノファイバー製造装置であって、前記直流高電圧の印加停止または運転停止または漏電発生を検出する検知手段と、基準電位に接続され特定の帯電個所の電荷を放電させる位置に移動する移動子と、前記検知手段の検出に基づいて前記直流高電圧の印加停止または運転停止または漏電発生を検出した場合に前記直流高電圧の発生装置をオフするとともに前記移動子を運転する制御部と、ナノファイバーが付着してほしくない特定部位に交流電圧を印加する交流電源を設け、前記直流高電圧の印加停止または運転停止または漏電発生を検出して、前記交流電圧をオフするとともに前記特定部位を接地するよう構成したことを特徴とする。

この構成によれば、直流高電圧の印加停止または運転停止または漏電発生を検出して、ノズルに直流高電圧を印加する発生装置をオフするとともに、コレクタを接地して電荷を放電させるので、コレクタに対してノズルに２０ＫＶ〜２００ＫＶの直流高電圧を印加して運転していても、直流高電圧の印加停止または運転停止または漏電発生を検出して前記交流電圧をオフするとともに、高い電位に帯電している前記コレクタの電荷を放電させるので、十分な安全を確保できる。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図５に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１〜図３は本発明の実施の形態１を示す。

図１は本発明のナノファイバー製造方法を実施しているナノファイバー製造装置を示す。高分子溶液１を吐出するノズル２の先端は、この例ではハウジング３の天井に形成された窓４からハウジング３の内部に差し込まれている。ノズル２は複数のモータ５で駆動されているロボット６を介してハウジング３に取り付けられている。図２にノズル２とロボット６の具体例を示す。

ロボット６は、Ｘ軸送り装置７とＹ軸送り装置８およびＺ軸送り装置９とで構成されている。Ｘ軸送り装置７にＹ軸送り装置８が電気的に絶縁して取り付けられており、Ｚ軸送り装置９は電気的に絶縁してＹ軸送り装置８に取り付けられている。ノズル２はＺ軸送り装置９に取り付けられている。ノズル２の吐出口２ａの付近には第１の電源１０から直流電圧Ｖ１が印加されている。

図１に示すように、ハウジング３の内部には、ノズル２に対向してコレクタ１１が配置されている。コレクタ１１には第２の電源１２から負の直流電圧Ｖ２が印加されており、コレクタ１１に対してノズル２の先端には、“Ｖ１＋Ｖ２”の直流高電圧が印加されていることになる。１３は第１の検知手段としての扉開閉検知部で、作業者がハウジング３の内部にアクセスするときに解放される扉１４の開閉を検出する。１５は第２の検知手段としての漏電検出部で、第１の電源１０または第２の電源１２において漏電が発生したことを検出する。

１６は第１の移動子で、直線駆動型の第１のアクチュエータ１７ａによって駆動されて、特定の帯電個所であるノズル２の取り付け付近としてＺ軸送り装置９に接触する仮想線位置と、Ｚ軸送り装置９から離間した実線位置とに駆動される。１８は第２の移動子で、直線駆動型の第２のアクチュエータ１７ｂによって駆動されて、特定の帯電個所であるコレクタ１１から離間した実線位置と、コレクタ１１に接触した仮想線位置とに駆動される。

１９は制御部で、運転／停止信号２０，扉開閉検知部１３，漏電検出部１５の検出信号を入力信号として、ロボット６の運転制御、第１，第２の電源１０，１２の一次側のオン／オフ，第１，第２のアクチュエータ１７ａ，１７ｂのオン／オフなどを実施する。

制御部１９の構成を図３に基づいて説明する。
図３（ｆ）に示すようにタイミングＴ１に運転開始の指示を検出した制御部１９は、扉開閉検知部１３，漏電検出部１５の検出信号から図３（ｅ）に示すように扉１４が閉状態、漏電も発生せずに絶縁状態が正常であることを確認すると、ロボット６の運転制御を実施するとともに、第１，第２の移動子１６，１８を実線位置にして図３（ｄ）に示すようにロボット６の接地状態の解除とコレクタ１１の接地状態の解除を行う。さらに、制御部１９は、第１，第２の電源１０，１２の一次側をオン状態に切り換えて図３（ａ）（ｂ）に示すようにノズル２に正の電圧Ｖ１，コレクタ１１に負の電圧Ｖ２を印加する。

これによって、ノズル２から吐出した高分子溶液１は、“Ｖ１＋Ｖ２”の直流高電圧によって静電爆発してナノファイバー２１となってコレクタ１１に堆積する。“Ｖ１＋Ｖ２”は２０ＫＶ〜２００ＫＶの直流高電圧である。

また、ナノファイバー２１が付着してほしくない特定部位としての前記ハウジング３の内壁２２には、第１の切換回路２３を介して第１の交流電源２４から図３（ｃ）に示すように交流電圧Ｖ３が印加されている。ナノファイバー２１が付着してほしくない特定部位としてのロボット６にも、第２の切換回路２５を介して第２の交流電源２６から図３（ｃ）に示すように交流電圧Ｖ４が印加されている。交流電圧Ｖ３，Ｖ４は周波数が数Ｈｚ〜数十Ｈｚ、電圧値が１０Ｖ〜５００Ｖ程度で、この交流電圧Ｖ３，Ｖ４印加しておくことによって、ハウジング３の内壁２２，ロボット６へのナノファイバー２１の付着を防止できる。

タイミングＴ２に運転停止の指示を検出した制御部１９は、第１，第２の電源１０，１２をオフするとともに、第１，第２の切換回路２３，２５をそれぞれ接地側に切り換える。さらに、第１のアクチュエータ１７ａを駆動して第１の移動子１６をロボット６に接触させて、ロボット６に帯電している電荷を第１の移動子１６から抵抗２７を介して放電させ、また、第２のアクチュエータ１７ｂを駆動して第２の移動子１８をコレクタ１１に接触させて、コレクタ１１に帯電している電荷を第２の移動子１８から抵抗２８を介して放電させる。抵抗２７，２８の抵抗値は、例えば数オームから数キロオーム程度である。

また、運転中のタイミングＴ３に扉１４が開放されたことを検出した制御部１９は、タイミングＴ３の直後のタイミングＴ４に第１，第２の電源１０，１２をオフするとともに、第１のアクチュエータ１７ａを駆動して第１の移動子１６をロボット６に接触させて、ロボット６に帯電している電荷を第１の移動子１６から抵抗２７を介して放電させ、また、第２のアクチュエータ１７ｂを駆動して第２の移動子１８をコレクタ１１に接触させて、コレクタ１１に帯電している電荷を第２の移動子１８から抵抗２８を介して放電させる。

このようにハウジング３の扉１４が開放されたことを検出して、第１，第２の移動子１６，１８をロボット６とコレクタ１１に接触させて、運転中に帯電した電荷を確実に放電させることができ、運転中に２０ＫＶ〜２００ＫＶの直流高電圧を扱うナノファイバー製造装置であっても十分な安全を確保できる。

なお、ここでは運転／停止信号２０の切り換えの場合と、運転中に扉１４が開放されて前記直流高電圧の印加を停止した場合を例に挙げて説明したが、漏電検出部１５が漏電の発生を検出した場合、直流高電圧の印加停止を検出した場合にも、同様に制御部１９が第１，第２の電源１０，１２の一次側をオフするとともに、第１，第２のアクチュエータ１７ａ，１７ｂを駆動して第１の移動子１６をロボット６に接触させて、第２の移動子１８をコレクタ１１に接触させる。

（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２を示す。
実施の形態１では、第２の移動子１８が直線駆動型のアクチュエータ１７ｂによってコレクタ１１に接触するように直線駆動されて、第２の移動子１８がコレクタ１１に接触してコレクタ１１の電荷を抵抗２８を介して放電したが、図４（ａ）の第２の移動子１８は、回転駆動型のアクチュエータ３０ｂによって回動自在に自在に支持されており、ナノファイバー製造装置が運転中は実線で示すように第２の移動子１８がコレクタ１１から離れた位置に保持されており、直流高電圧の印加停止または運転停止または漏電発生を検出すると、仮想線で示すように第２の移動子１８がコレクタ１１に接触するようにアクチュエータ３０ｂによって回転駆動されて、第２の移動子１８がコレクタ１１に接触してコレクタ１１の電荷を抵抗２８を介して放電する点だけが異なっている。

また、図４（ｂ）の第２の移動子１８は、実施の形態１と同じように第２の移動子１８が直線駆動型のアクチュエータ１７ｂによって駆動される点は同じであるが、この場合の第２の移動子１８はアクチュエータ１７ｂによって駆動されてコレクタ１１に接近はするが接触はしていない。このように第２の移動子１８をコレクタ１１に近接させることによって、空気の絶縁破壊が発生した時点で抵抗２８を介してコレクタ１１の電荷を放電させることができる。なお、これは第２の移動子１８をアクチュエータ３０ｂによって回転駆動する場合も同様である。

（実施の形態３）
上記の各実施の形態では、ノズル２に充填された高分子溶液１を加圧して吐出させたが、図５に示すようにロータリーシリンダ方式であっても同様に実施可能である。

これは、固定側３１に固定され高分子溶液１を孔３２から外部に流出させる供給手段３３と、ベアリング３４ａ，３４ｂを介して供給手段３３の外側に回転自在に取り付けられた導電性の回転容器３５と、回転容器３５を歯車３６とチェーン３７と歯車３８を介して回転させるモータ３９とで構成されている。

回転容器３５の外周面には、間隔を空けて複数の孔４０が形成されている。供給手段３３から回転容器３５の内側に供給された高分子溶液１は、回転容器３５がモータ３９によって回転駆動されることによって、複数の孔４０から回転容器３５の外側に放出される。

コレクタ１１に対して直流高電圧が回転容器３５に印加されており、回転容器３５の外側に放出された高分子溶液１は、静電爆発にて延伸して、コレクタ１１の上にナノファイバーとなって堆積する。なお、回転容器３５から見てコレクタ１１とは反対側の位置には、回転容器３５と同極に帯電させた反射電極４１が設けられており、回転容器３５から放出されて反射電極４１に近接した高分子溶液１は、反射電極４１の電荷と反発してコレクタ１１の側に向かうように設計されている。

この場合には、ハウジング３の扉１４が開放されたことを検出して、または運転／停止信号２０の切り換えの場合または、漏電検出部１５が漏電の発生を検出した場合に、第２の移動子１８をコレクタ１１に接触させて、運転中に帯電した電荷を確実に放電させることができ、運転中に２０ＫＶ〜２００ＫＶの直流高電圧を扱うナノファイバー製造装置であっても十分な安全を確保できる。また、ナノファイバーが付着してほしくない特定部位としてのハウジング３の内側２２，固定側３１と供給手段３３などには、運転中に交流第１，第２の切換回路２３，２５を介して第１，第２の交流電源２４，２６から図３（ｃ）に示すように交流電圧が印加されるように制御部１９によって制御される。

本発明は、ナノファイバー製造装置の安全性の向上に寄与できる。

本発明の実施の形態１のナノファイバー製造装置の構成図 同実施の形態の要部の斜視図 同実施の形態の制御部のタイミング図 本発明の実施の形態２におけるナノファイバー製造装置の説明図 本発明の実施の形態３におけるナノファイバー製造装置の構成図

符号の説明

１ 高分子溶液
２ ノズル
２ａ ノズル２の吐出口
３ ハウジング
４ 窓
５ モータ
６ ロボット
７ Ｘ軸送り装置
８ Ｙ軸送り装置
９ Ｚ軸送り装置
１０ 第１の電源
１１ コレクタ
１２ 第２の電源
１３ 扉開閉検知部（第１の検知手段）
１４ 扉
１５ 漏電検出部（第２の検知手段）
１６ 第１の移動子
１７ａ，１７ｂ 第１，第２のアクチュエータ
１８ 第２の移動子
１９ 制御部
２０ 運転／停止信号
２１ ナノファイバー
２２ ハウジング３の内壁（特定部位）
２３，２５ 第１，第２の切換回路
２４ 第１の交流電源
２６ 第２の交流電源
２７，２８ 抵抗
３０ｂ アクチュエータ
３１ 固定側
３２ 孔
３３ 供給手段
３４ａ，３４ｂ ベアリング
３５ 回転容器
３６，３８ 歯車
３７ チェーン
３９ モータ
４０ 孔
４１ 反射電極
Ｖ１ 直流電圧
Ｖ２ 負の直流電圧
Ｖ３ 交流電圧
Ｖ４ 交流電圧

Claims (4)

1. コレクタに対して直流高電圧を印加したノズルから高分子溶液を吐出させ、静電爆発にて延伸させて、コレクタの上にナノファイバーを堆積させるに際し、
   前記直流高電圧の印加停止またはナノファイバー製造装置を納めたハウジングに設けられた扉の開放を検出または漏電発生を検出して、前記直流高電圧の発生装置をオフするとともに特定の帯電個所を接地して電荷を放電させる
   ナノファイバー製造方法。
2. コレクタに対して直流高電圧を印加したノズルから高分子溶液を吐出させ、静電爆発にて延伸させて、コレクタの上にナノファイバーを堆積させるに際し、
   ナノファイバーが付着してほしくない特定部位に交流電圧を印加して運転し、
   前記直流高電圧の印加停止または運転停止または漏電発生を検出して、前記交流電圧をオフし、かつ前記直流高電圧の発生装置をオフするとともに前記特定部位を接地する
   ナノファイバー製造方法。
3. コレクタに対して直流高電圧を印加したノズルから高分子溶液を吐出させ、静電爆発にて延伸させて、コレクタの上にナノファイバーを堆積させるナノファイバー製造装置であって、
   前記直流高電圧の印加停止または運転停止または漏電発生を検出する検知手段と、
   基準電位に接続され特定の帯電個所の電荷を放電させる位置に移動する移動子と、
   前記検知手段の検出に基づいて前記直流高電圧の印加停止または運転停止または漏電発生を検出した場合に前記直流高電圧の発生装置をオフするとともに前記移動子を運転する制御部とを設け、前記検知手段は、
   ナノファイバー製造装置を納めたハウジングに設けられた扉の開放状態を検出する
   ナノファイバー製造装置。
4. コレクタに対して直流高電圧を印加したノズルから高分子溶液を吐出させ、静電爆発にて延伸させて、コレクタの上にナノファイバーを堆積させるナノファイバー製造装置であって、
   前記直流高電圧の印加停止または運転停止または漏電発生を検出する検知手段と、
   基準電位に接続され特定の帯電個所の電荷を放電させる位置に移動する移動子と、
   前記検知手段の検出に基づいて前記直流高電圧の印加停止または運転停止または漏電発生を検出した場合に前記直流高電圧の発生装置をオフするとともに前記移動子を運転する制御部と、
   ナノファイバーが付着してほしくない特定部位に交流電圧を印加する交流電源を設け、前記直流高電圧の印加停止または運転停止または漏電発生を検出して、前記交流電圧をオフするとともに前記特定部位を接地するよう構成した
   ナノファイバー製造装置。

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