ガラス長繊維の製造装置及び方法並びにガラス長繊維
【課題】極細径のガラス長繊維を製造する製造装置及び方法並びに極細径のガラス繊維、特に、低誘電率、低損失な高周波回路基板を形成するために用いられる極細径の石英ガラス長繊維を提供する。
【解決手段】長尺状ガラス素材を供給するガラス素材供給手段と、供給されてきた該長尺状ガラス素材を所定速度で搬送する搬送手段と、搬送されてきたガラス素材を送り出す作用を行うとともに導電性材料から形成されかつ電極となるガイド電極手段と、送り出されてきた該長尺状ガラス素材を溶融軟化させる加熱手段と、該ガイド電極手段から所定間隔を介して対向して設置された導電性材料からなる回転ボビン手段と、該ガイド電極手段と該回転ボビン手段との間に直流電圧を印加する直流電源手段とを有する、エレクトロスピニング法の装置、該装置を用いる方法、該装置により得られる長繊維、とする。
【解決手段】長尺状ガラス素材を供給するガラス素材供給手段と、供給されてきた該長尺状ガラス素材を所定速度で搬送する搬送手段と、搬送されてきたガラス素材を送り出す作用を行うとともに導電性材料から形成されかつ電極となるガイド電極手段と、送り出されてきた該長尺状ガラス素材を溶融軟化させる加熱手段と、該ガイド電極手段から所定間隔を介して対向して設置された導電性材料からなる回転ボビン手段と、該ガイド電極手段と該回転ボビン手段との間に直流電圧を印加する直流電源手段とを有する、エレクトロスピニング法の装置、該装置を用いる方法、該装置により得られる長繊維、とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエレクトロスピニング法により極細径のガラス繊維を製造する製造装置及び方法並びに極細径のガラス長繊維に関し、特に、低誘電率、低損失な高周波回路基板を形成するために用いられる極細径の石英ガラス長繊維に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、プリント配線基板にはガラスクロスと樹脂の複合材料が使用されており、一般的にはＥガラスと称せられるアルミノホウケイ酸ガラスが用いられている。特に高周波回路基板として低誘電率、低損失が要求される場合にはＤガラスが用いられている。さらに周波数が１ＧＨｚを超える高周波回路基板として石英ガラスクロスが用いられてきている。
【０００３】
これらのガラスクロスの製造はガラス融液から複数本のフィラメントを引き出し、これを収束させたストランドを撚り合わせたヤーンを紡織することで製造されている。このようにして製造されたガラスクロスはフィラメントを巻き取るために極細径化が困難であり、極肉薄にすることが困難だった。最近では基板の多層化により集積度を高くする目的から極細径ガラス長繊維への要求が強くなってきている。とくに石英ガラスの場合は溶融粘度が高いために融液からの紡糸ができず、特許文献１に示されているように多数本の石英ガラスロッドを同時に溶融してフィラメントを引き出し、これを収束させて製造されており、多数本の石英ガラスロッドを均一に加熱する必要がある。特に、極細径のフィラメントを製造する場合には紡糸の途中で切断しやすくなり、中断せざるを得なくなるなどの問題があって、生産性も低く、精密な制御装置が必要となり、きわめて高価なものになっている。
【０００４】
そこで、特許文献２に示されているように、メルトブロー法により安価に石英ガラス不織布を製造する方法が提案されている。この方法は生産性も高く大量に製造することが可能であるが、溶融ガラスを吹き飛ばしてフィラメントを形成するために、短くちぎれて、長繊維を得ることができなかった。
【０００５】
このような石英ガラス繊維を得る別の方法として、特許文献３や特許文献４のようにアルコキシシランを加水分解して得られたゾル液に電界を作用させて、静電力によって紡糸して不織布を製造する方法が知られている。この方法ではゾル液の粘度によって繊維径が変動することから、安定したゾル液を調製しなければならず、安定した品質のフィラメントを得ることが困難であった。また、紡糸した後に焼結してガラス化する必要があり、焼結後の厚みを一定にすることが困難であった。そもそも、この方法で得られる焼結前のゲル状繊維は強度が弱く、ヤーンなどの長繊維として扱うことができないものであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−９９３７６号公報
【特許文献２】特開２００４−３５３１３２号公報
【特許文献３】特開２００３−７３９６４号公報
【特許文献４】特開２００７−６３６８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような従来の問題を解決するものであり、エレクトロスピニング法により極細径のガラス長繊維を製造する製造装置及び方法並びに極細径のガラス繊維、特に、低誘電率、低損失な高周波回路基板を形成するために用いられる極細径の石英ガラス長繊維を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明のガラス長繊維の製造装置の第１の態様は、長尺状ガラス素材を供給するガラス素材供給手段と、供給されてきた該長尺状ガラス素材を所定速度で搬送する搬送手段と、搬送されてきたガラス素材を送り出す作用を行うとともに導電性材料から形成されかつ電極となるガイド電極手段と、送り出されてきた該長尺状ガラス素材を溶融軟化させる加熱手段と、該ガイド電極手段から所定間隔を介して対向して設置された導電性材料からなる回転ボビン手段と、該ガイド電極手段と該回転ボビン手段との間に直流電圧を印加する直流電源手段とを有し、
前記長尺状ガラス素材の先端部を前記ガイド電極手段から送り出して前記加熱手段によって溶融軟化させて、前記ガイド電極手段と前記回転ボビン手段との間に直流電圧を印加して、該ガイド電極手段と該回転ボビン手段との間に発生した静電力により前記加熱手段によって溶融軟化させられた該長尺状ガラス素材の先端部からガラスフィラメントを引き出し該回転ボビン手段上に連続して紡糸させることができるようにしたことを特徴とする。
【０００９】
本発明のガラス長繊維の製造装置の第２の態様は、長尺状ガラス素材を供給するガラス素材供給手段と、供給されてきた該長尺状ガラス素材を所定速度で搬送する搬送手段と、搬送されてきたガラス素材を送り出す作用を行うガイド部を有するとともに導電性材料から形成されかつ電極となりかつ搬送されてきた該長尺状ガラス素材を溶融軟化させる加熱電極手段と、該加熱電極手段から所定間隔を介して対向して設置された導電性材料からなる回転ボビン手段と、該加熱電極手段と該回転ボビン手段との間に直流電圧を印加する直流電源手段とを有し、
前記長尺状ガラス素材の先端部を前記加熱電極手段のガイド部に搬送して溶融軟化させ、前記加熱電極手段と前記回転ボビン手段との間に直流電圧を印加して、該加熱電極手段と該回転ボビン手段との間に発生した静電力により前記加熱電極手段によって溶融軟化させられた該長尺状ガラス素材の先端部からガラスフィラメントを引き出し該回転ボビン手段上に連続して紡糸させることができるようにしたことを特徴とする。
【００１０】
前記長尺状ガラス素材がガラスロッドまたはガラス繊維であり、前記ガラスロッドの直径が０．１ｍｍ〜２ｍｍであり、前記ガラス繊維の直径が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍであるように設定するのが好適である。
【００１１】
前記ガラスフィラメントの直径が０．３μｍ〜５μｍであり、また前記直流電圧が５ｋＶ〜１００ｋＶであるのが好ましい。前記長尺状ガラス素材としては石英ガラスが好適に用いられる。前記ガラス長繊維の外径は５μｍ以下が好ましい。前記ガラス長繊維の外径の下限値については特別の限定はないが、０．３μｍ程度であればよい。
【００１２】
本発明のガラス長繊維の製造方法の第１の態様は、本発明の第１の態様の製造装置を用いるガラス長繊維の製造方法であって、前記ガラス素材供給手段から長尺状ガラス素材を供給するガラス素材供給工程と、供給されてきた該長尺状ガラス素材を前記搬送手段によって所定速度で搬送するガラス素材搬送工程と、搬送されてきた該長尺状ガラス素材を前記ガイド電極手段によって前記加熱手段に向かって送り出すガラス素材送り出し工程と、送り出されてきた該長尺状ガラス素材の先端部を前記加熱手段によって溶融軟化させるとともに前記直流電源手段によって該ガイド電極手段と該回転ボビン手段との間に直流電圧を印加して静電力を生じさせこの静電力により該長尺状ガラス素材の先端部からガラスフィラメントを引き出し該回転ボビン手段上に連続して紡糸させてガラス長繊維とするガラスフィラメント紡糸工程と、を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明のガラス長繊維の製造方法の第２の態様は、本発明の第２の態様の製造装置を用いるガラス長繊維の製造方法であって、前記ガラス素材供給手段から長尺状ガラス素材を供給するガラス素材供給工程と、供給されてきた該長尺状ガラス素材を前記搬送手段によって所定速度で搬送するガラス素材搬送工程と、前記加熱電極手段のガイド部に搬送されてきた該長尺状ガラス素材の先端部を前記加熱電極手段によって溶融軟化させるとともに前記直流電源手段によって該加熱電極手段と該回転ボビン手段との間に直流電圧を印加して静電力を生じさせこの静電力により該長尺状ガラス素材の先端部からガラスフィラメントを引き出し該回転ボビン手段上に連続して紡糸させてガラス長繊維とするガラスフィラメント紡糸工程と、を有することを特徴とする。
【００１４】
本発明のガラス長繊維は、本発明のガラス長繊維の製造方法により製造され、外径が５μｍ以下のガラス長繊維であることを特徴とする。本発明のガラス長繊維の外径の下限値については特別の限定はないが、０．３μｍ程度であればよい。前記ガラスフィラメントとして石英ガラスフィラメントを用いるのが好適である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のガラス長繊維の製造装置及び方法によれば、極細径のガラスフィラメントを静電力で安定して引き出すことができ、これを回転するボビン表面上に連続的に紡糸することで極細径ガラス長繊維を得ることができ、特に、紡糸の途中でフィラメントが切断しても、切断されたフィラメントが静電気でボビン表面に引き寄せられて紡糸を中断することなく、連続的におこなうことができる。また、ガラス材料として石英ガラスのように高融点であるために融液からの紡糸が困難な材料でも容易に長繊維を製造することができ、低誘電率、低損失な高周波回路基板を形成するための材料となる極細径のガラス長繊維を提供することができる。本発明のガラス長繊維は、極細径、例えばその外径が５μｍ以下であり、低誘電率、低損失な高周波回路基板を形成するための材料として有効に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のガラス長繊維の製造装置の一つの実施の形態を示す概略説明図である。
【図２】本発明のガラス長繊維の製造装置の他の実施の形態を示す概略説明図である。
【図３】本発明のガラス長繊維の製造装置の別の実施の形態を示す概略説明図である。
【図４】本発明のガラス長繊維の製造方法の工程順の一例を示すフローチャートである。
【図５】本発明のガラス長繊維の製造方法の工程順の他の例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明を実施するための好ましい形態を添付図面に基づいて説明するが、本発明は図示例に限定されるものではなく、本発明の技術思想から逸脱しない限り種々の変形が可能であることはいうまでもない。
【００１８】
図１は本発明のガラス長繊維の製造装置の一つの実施の形態を示す概略説明図である。図１において、符号１０は本発明のガラス長繊維の製造装置である。該ガラス長繊維の製造装置１０は、長尺状ガラス素材１２を供給するボビン等のガラス素材供給手段１４を有している。該長尺状ガラス素材１２の形状としてはガラスロッドやガラス繊維を例示することができる。該ガラスロッドとしては直径が０．１ｍｍ〜２ｍｍのものが、該ガラス繊維としては直径が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍのものが好適に使用される。上記ガラス素材としてはホウケイ酸ガラス等の一般的なガラス素材が使用できるが、石英ガラスが好適に使用される。
【００１９】
１６は搬送手段で、前記ガラス素材供給手段１４から供給されてきたガラス素材１２を所定速度で搬送する作用を行う。該搬送手段１６としては、例えば図１に示したように相対向して設置された一対のロールからなる送りロール手段を採用することができる。該搬送手段１６によって搬送されてきたガラス素材１２はガイド電極手段１８を介してさらに搬送方向に送り出される。該ガイド電極手段１８は黒鉛等の導電性材料から形成され電極として作用するように構成される。
【００２０】
２０は加熱手段で、該ガイド電極手段１８に近接して対向設置されている。２０は加熱手段で、該ガイド電極手段１８を介して送り出されてきたガラス素材１２はその先端部分が加熱手段２０によって溶融軟化せしめられる。該加熱手段２０としては、後述するように種々の加熱装置を適用することができるが、図１の図示例ではバーナー２０ａから酸水素バーナー火炎２０ｂを放射する構成を図示した。バーナー２０ａを適用する場合には、酸水素バーナー火炎２０ｂの中でガラス素材１２の先端部が溶融軟化せしめられる。
【００２１】
２２は回転ボビン手段で、導電性材料、例えばステンレス等の金属材料によって形成され、該ガイド電極手段１８及び加熱手段２０からそれぞれ所定間隔を介して対向して設置されている。２３は回転ボビン保持手段で、回転軸３２を介して回転ボビン手段２２を回転可能に保持する。該回転ボビン手段２２におけるボビンのサイズは、例えば直径２００ｍｍ〜１０００ｍｍ、巾３００ｍｍ〜２０００ｍｍ程度のものが好適に使用される。
【００２２】
２４は直流電源手段で、該ガイド電極手段１８と該回転ボビン手段２２とにそれぞれ配線２５を介して接続されており、該ガイド電極手段１８と該回転ボビン手段２２の間に高圧直流電圧を印加するように作用する。
【００２３】
上記の構成によりその作用を説明する。まず、前記長尺状ガラス素材１２の先端部を前記ガイド電極手段１８から送り出して前記加熱手段２０によって溶融軟化させる。該加熱手段２０が図１に示したようなバーナー２０ａの場合にはそのバーナー火炎２０ｂによって前記長尺状ガラス素材１２の先端部が溶融軟化される。
【００２４】
一方、前記ガイド電極手段１８と前記回転ボビン手段２２との間に５ｋＶ〜１００ｋＶ程度の高圧直流電圧を印加して、該ガイド電極手段１８と該回転ボビン手段２２との間に発生した静電力により前記加熱手段２０によって溶融軟化させられたガラス素材１２の先端部からガラスフィラメント２６を図１に示すように該回転ボビン手段２２に巻き取られ、ガラス長繊維２８に紡糸される。巻き取られるガラスフィラメント２６はその直径が５μｍ以下とすることができ、極細径のガラスフィラメントを巻き取ることが可能である。このとき回転ボビン手段２２は、２０〜１００ｍ・ｓｅｃ程度の回転周速で回転するとともに回転軸３２方向に往復移動させるなどして、上記ガラスフィラメント２６を該回転ボビン手段２２面に均一に巻き取られる。
【００２５】
前記ガラスフィラメント２６は紡糸中あるいはその後にサイジング材を塗布して強度を維持するようにするのがよい。該ガラスフィラメント２６を２０〜５０層ほど巻き取り、シート状に配列したガラスフィラメント２６は１００〜５００本程度に分割してストランドとして、これを撚り合わせたヤーンとして紡織することもできる。紡糸されるガラスフィラメント２６の外径はガラス素材１２の送り速度、火炎温度、印加電圧などを調整することで制御することができる。上記したサイジング材溶液を供給するノズル（図示せず）と回転ボビンとの間にも高電圧を印加することで紡糸中に効率良くサイジング材を塗布することもできる。複数本のガラスフィラメント２６を同時に紡糸するとともに収束させてストランドとして、これを撚り合わせたヤーンとして紡織することもできる。
【００２６】
前記ガラス素材１２としてはＥガラス、Ｄガラスなどのプリント配線基板に用いられるようなガラスでも良く、またホウケイ酸ガラスを用いることもできるが、とくに石英ガラスが好適に用いられる。石英ガラスは溶融粘度が高いために融液からの紡糸ができないという難点があるため、ガラス長繊維を製造する場合には本発明の装置及び方法を適用するのが有効である。ガイド電極手段１８を構成する導電性材料としては銅やステンレスなどの金属材料も使えるが金属不純物の混入を嫌う場合には黒鉛が好ましい。回転ボビン手段２２を構成する導電性材料については特に限定されないが、ステンレスなどの金属材料が用いられる。
【００２７】
加熱手段２０となるバーナー２０ａから放射される火炎２０ｂはガラス素材１２の供給方向に直交する方向から加熱する方法が安定しており制御性に優れるが、図２に示したように火炎２０ｂに平行に供給してガス流速を加えることで、紡糸速度を速めて生産性を高めることができるので、以下に説明する。この場合、ガス流速の乱れによって静電場が乱され、ガラスフィラメント２６の径のばらつきが大きくなる傾向になる。また、火炎２０ｂの電気導電性のために放電が生じやすくなることから、回転ボビン手段２２と火炎２０ｂとが接近しすぎないように距離間隔を設定する必要がある。なお、本発明における紡糸はガラス素材の先端部が溶融軟化され静電力によってガラスフィラメントとして浮遊する状態を指称する用語として用いている。
【００２８】
図２は本発明のガラス長繊維の製造装置の他の実施の形態を示す概略説明図である。図２の実施の形態と図１の実施の形態との相違点は次の通りである。図２のガラス長繊維の製造装置１０Ａにおいては、加熱手段２０を構成するバーナー２０ａがガラス素材１２の供給方向と一致乃至平行した状態で設置され、従って酸水素バーナー火炎２０ｂがガラス素材１２の供給方向と一致乃至平行した状態で放射される。
【００２９】
該バーナー２０ａの内部にガラス素材１２が挿通可能な貫通孔であるガイド部３０が開穿されており、酸水素バーナー火炎２０ｂによって溶融軟化されたガラス素材１２のガラスフィラメント２６は図２に示したように該バーナー２０ａの先端開口部から水平方向に火炎と共に放射されて静電力によって紡糸され、回転ボビン手段２２に巻き取られる。図２におけるその他の構成部材は図１と同様であり、同一の符号で示してあるので、それらの構成部材についての再度の説明は省略する。
【００３０】
図２に示した装置ではガイド電極手段１８及び加熱手段２０を別体として形成設置した構成を有しているが、図３に示したように加熱手段にガイド機能及び電極機能の両方の機能を持たせる構成を採用することもできる。図３は本発明のガラス長繊維の製造装置の別の実施の形態を示す概略説明図である。図３の実施の形態と図２の実施の形態の相違点は次の通りである。図３のガラス長繊維の製造装置１０Ｂにおいては、図２に示したガイド電極手段１８が省略されており、かつ図２に示した加熱手段２０の代わりに加熱作用と電極作用を兼ねることのできる加熱電極手段２１が設置されている。図３の例では、該加熱電極手段２１を構成するバーナー２１ａが長尺状ガラス素材１２の供給方向と一致乃至平行した状態で設置され、従って酸水素バーナー火炎２１ｂが長尺状ガラス素材１２の供給方向と一致乃至平行した状態で放射される。
【００３１】
該バーナー２１ａの内部に長尺状ガラス素材１２が挿通可能な貫通孔であるガイド部３０が開穿されており、酸水素バーナー火炎２１ｂによって溶融軟化された長尺状ガラス素材１２のガラスフィラメント２６は図３に示したように、該バーナー２１ａの先端開口部から水平方向に火炎と共に放射されて静電力によって紡糸され、回転ボビン手段２２に巻き取られる。また直流電源手段２４は、該加熱電極手段２１と該回転ボビン手段２２とにそれぞれ配線２５を介して接続されており、該加熱電極手段２１と該回転ボビン手段２２の間に高圧直流電圧を印加するように作用する。その他の構成は図２と同様であり、同一の符号によって示してあるので、それらの構成部材についての再度の説明は省略する。
【００３２】
図３の構成のガラス長繊維の製造装置１０Ｂの作用について説明する。まず、前記長尺状ガラス素材１２の先端部を前記搬送手段１６によって搬送し、加熱電極手段２１のガイド部３０内に挿通し前記加熱電極手段２１によって溶融軟化させる。一方、前記加熱電極手段２１と前記回転ボビン手段２２との間に高圧直流電圧を印加して、該加熱電極手段２１と該回転ボビン手段２２との間に発生した静電力により前記加熱電極手段２１によって溶融軟化させられた長尺状ガラス素材１２の先端部から水平方向に放射されたガラスフィラメント２６は、図３に示したように、該バーナー２１ａの先端開口部から水平方向に火炎と共に放射されて静電力によって紡糸され、回転ボビン手段２２に巻き取られ、ガラス長繊維２８が製造される。
【００３３】
この場合、ガス流速の乱れによって静電場が乱され、フィラメント径のばらつきは大きくなる傾向になる。また、火炎の電気導電性のために放電が生じやすくなることから、回転ボビン手段２２の位置と火炎が接近しすぎないような距離、角度を設定する必要がある。
【００３４】
図１〜図３に示したガラス長繊維の製造装置１０，１０Ａ及び１０Ｂの図示例においては、加熱手段２０及び加熱電極手段２１における加熱態様としてはバーナー２０ａ，２１ａによる酸水素バーナー火炎２０ｂ，２１ｂの例を示したが、レーザー光や電気炉による加熱であってもよい。レーザー光の場合には炭酸ガスレーザー、ＹＡＧレーザーなどが用いられる。溶融部分の粘度が高いため、溶融部分の周囲にガス噴射ノズルを設けてガラスフィラメントが吹き出し易くする必要がある。電気炉の場合には溶融部分が軟化して落下するために、下方に向けて紡糸する。電気炉内にはアルミナ製の炉心管を設けて、ヒーターとの絶縁を完全におこなう必要がある。電気炉はアースしてガラス溶融部分を負電極、回転ボビン手段を正電極にするなど、放電に対する処置が必要である。
【００３５】
続いて、本発明のガラス長繊維の製造方法について図４及び図５に基づいて説明する。図４は本発明のガラス長繊維の製造方法の工程順の一例を示すフローチャートである。本発明のガラス長繊維の製造方法は本発明のガラス長繊維の製造装置を利用するものである。以下の説明における各部材の符号は図１〜図３に示した符号を使用する。
【００３６】
まず、長尺状ガラス素材１２をボビン等のガラス素材供給手段１４に用意する（図４のステップ１００）。次に、長尺状ガラス素材１２の先端部を搬送手段１６によってガイド電極手段１８に搬送する（図４のステップ１０２）。さらに長尺状ガラス素材１２の先端部を搬送手段１６によって当該ガイド電極手段１８から送り出す（図４のステップ１０４）。このガイド電極手段から送り出されてきた長尺状ガラス素材１２の先端部を前記加熱手段２０によって溶融軟化させる（図４のステップ１０６）。一方、前記ガイド電極手段１８と前記回転ボビン手段２２との間に高圧直流電圧を印加して、該ガイド電極手段１８と該回転ボビン手段２２との間に静電力を発生させる（図４のステップ１０８）。この発生した静電力により前記加熱手段２０によって溶融軟化させられたガラス素材１２の先端部からガラスフィラメント２６を、図１に示したように、引き出し該回転ボビン手段２２上で連続紡糸する（図４のステップ１１０）。このようにしてガラス長繊維２８を製造する。
【００３７】
図２に示したガラス長繊維の製造装置１０Ａを用いてガラス長繊維２８を製造する場合も加熱手段２０が水平に設置され、ガイド電極手段１８から送られてきた長尺状ガラス素材１２が該加熱手段２０の貫通孔であるガイド部３０に誘導されて溶融軟化される点を除いては、図１の場合と同様にガラス長繊維２８が製造されるので、再度の説明は省略する。
【００３８】
図３に示したガラス長繊維の製造装置１０Ｂを用いてガラス長繊維２８を製造する場合について、図５によって説明する。図５は本発明のガラス長繊維の製造方法の工程順の一例を示すフローチャートである。以下の説明における各部材の符号は図３に示した符号を使用する。
【００３９】
まず、長尺状ガラス素材１２をボビン等のガラス素材供給手段１４に用意する（図５のステップ２００）。次に、長尺状ガラス素材１２の先端部を搬送手段１６によって加熱電極手段２１に搬送する（図５のステップ２０２）。搬送されてきた長尺状ガラス素材１２の先端部を加熱電極手段２１のガイド部３０内に挿通し前記加熱電極手段２１によって溶融軟化させる（図５のステップ２０４）。一方、前記加熱電極手段２１と前記回転ボビン手段２２との間に高圧直流電圧を印加して、該加熱電極手段２１と該回転ボビン手段２２との間に静電力を発生させる（図５のステップ２０６）。この発生した静電力により前記加熱電極手段２１によって溶融軟化させられた長尺状ガラス素材１２の先端部から水平方向に放射されたガラスフィラメント２６を、図３に示したように、引き出し該回転ボビン手段２２上で連続紡糸する（図５のステップ２０８）。このようにしてガラス長繊維２８を製造する。
【００４０】
なお、図１〜図３に示した実施の形態においては、長尺状ガラス素材１２を１本使用した場合について例示して示したが、本発明の実施にあたっては生産効率の点から複数本乃至多数本の長尺状ガラス素材１２を設置して同時に複数本乃至多数本のガラスフィラメントを引き出して同時に複数本乃至多数本のガラス長繊維を紡糸するのが好適であることは勿論である。また、図１〜図３に示した実施の形態においては、ガイド電極手段１８又は加熱電極手段２１と回転ボビン手段２２は水平方向に相対向して設置された例を示したが、垂直方向に相対向して設置することもできるし、また設置場所に応じてその他の角度で相対向位置を設定できることはいうまでもない。
【実施例】
【００４１】
以下に本発明の実施例を挙げて説明するが、本発明がこれらの実施例の記載に限定的に解釈されるものでないことは勿論である。
【００４２】
（実施例１）
図１に示した装置と同様の装置を用いて石英ガラス長繊維を製造する。長尺状ガラス素材として直径０．３ｍｍの長尺状石英ガラス繊維を用意し、この石英ガラス繊維を搬送手段（送りローラー）により黒鉛製のガイド電極手段に供給した。この送り方向と直交する方向から加熱手段であるバーナーからの酸水素バーナー火炎で前記石英ガラス繊維の先端部を約２０００℃に加熱して溶融軟化させた。上記ガイド電極手段に対向しかつ１５０ｍｍ離間した位置にステンレスよりなる直径２００ｍｍ巾５００ｍｍの回転ボビンを置き、周速６０ｍ／ｓｅｃで回転させた。このガイド電極手段を電極として回転ボビンとの間に２０ｋＶの高圧直流電圧を印加しガイド電極手段と回転ボビンとの間に静電力を発生させると、溶融した石英ガラス繊維の先端部から直径約３μｍのフィラメントが静電力により引き出され、これを回転ボビン表面上に巻き取りガラス長繊維（外径約３μｍ）とすることができた。これを１００本収束させてストランドとし、これを拠り合わせてヤーンとすることができた。
【００４３】
（実施例２）
図１に示した装置と同様の装置で加熱手段として炭酸ガスレーザーを使用して石英ガラス長繊維を製造する。長尺状ガラス素材として直径０．２ｍｍの長尺状石英ガラス繊維を用意し、この石英ガラス繊維を搬送手段（送りローラー）により黒鉛製のガイド電極手段に供給した。この送り方向と直交する方向から加熱手段である炭酸ガスレーザーで前記石英ガラス繊維の先端部を約２０００℃に加熱して溶融軟化させた。上記ガイド電極手段に対向しかつ１５０ｍｍ離間した位置にステンレスよりなる直径２００ｍｍ巾５００ｍｍの回転ボビンを置き、周速８０ｍｍ／ｓｅｃで回転させた。このガイド電極手段を電極として回転ボビンとの間に３０ｋＶの高圧直流電圧を印加しガイド電極手段と回転ボビンとの間に静電力を発生させると、溶融したガラス先端部から直径約０．５μｍのフィラメントが静電力により引き出され、これを回転ボビン表面上に巻き取りガラス長繊維（外径約０．５μｍ）とすることができた。
【００４４】
（実施例３）
実施例１と同様の装置を用いて、ホウケイ酸ガラス長繊維を製造する。実施例１の石英ガラス繊維の替わりにＳｉＯ２を８０％、Ｂ２Ｏ３を１２％含むホウケイ酸ガラスからなる直径０．３ｍｍのガラス繊維を用い、このガラス繊維の先端部をバーナーからの酸水素バーナー火炎で約１２００℃に加熱して溶融軟化させた。上記ガイド電極手段に対向しかつ１５０ｍｍ離間した位置にステンレスよりなる直径２００ｍｍ巾５００ｍｍの回転ボビンを置き、周速６０ｍｍ／ｓｅｃで回転させた。このガイド電極手段を電極として回転ボビンとの間に２０ｋＶの高圧直流電圧を印加しガイド電極手段と回転ボビンとの間に静電力を発生させると、溶融したガラス先端部から直径約５μｍのフィラメントが静電力により引き出され、これを回転ボビン表面上に巻き取りガラス長繊維（外径約５μｍ）とすることができた。
【００４５】
（実施例４）
図３に示した装置と同様の装置を用いて石英ガラス長繊維を製造する。長尺状ガラス素材として直径０．３ｍｍの長尺状石英ガラス繊維を用意し、この石英ガラス繊維を搬送手段（送りローラー）により、中心にガイド部である貫通孔を有する加熱電極手段である金属バーナーの貫通孔に供給した。金属バーナーに水素と酸素を供給して酸水素火炎で前記石英ガラス繊維の先端部を約２０００℃に加熱して溶融軟化させた。上記加熱電極手段に対向しかつ１５０ｍｍ離間した位置にステンレスよりなる直径２００ｍｍ巾５００ｍｍの回転ボビンを置き、周速６０ｍ／ｓｅｃで回転させた。この加熱電極手段を電極として回転ボビンとの間に２０ｋＶの高圧直流電圧を印加し加熱電極手段と回転ボビンとの間に静電力を発生させると、溶融した石英ガラス繊維の先端部から直径約０．３μｍのフィラメントが静電力により引き出され、これを回転ボビン表面上に巻き取りガラス長繊維（外径約０．３μｍ）とすることができた。
【符号の説明】
【００４６】
１０、１０Ａ、１０Ｂ：ガラス長繊維の製造装置、１２：長尺状ガラス素材、１４：ガラス素材供給手段、１６：搬送手段、１８：ガイド電極手段、２０：加熱手段、２０ａ：バーナー、２０ｂ：酸水素バーナー火炎、２１：加熱電極手段、２１ａ：バーナー、２１ｂ：酸水素バーナー火炎、２２：回転ボビン手段、２３：回転ボビン保持手段、２４：直流電源手段、２５：配線、２６：ガラスフィラメント、２８：ガラス長繊維、３０：ガイド部、３２：回転軸。
【技術分野】
【０００１】
本発明はエレクトロスピニング法により極細径のガラス繊維を製造する製造装置及び方法並びに極細径のガラス長繊維に関し、特に、低誘電率、低損失な高周波回路基板を形成するために用いられる極細径の石英ガラス長繊維に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、プリント配線基板にはガラスクロスと樹脂の複合材料が使用されており、一般的にはＥガラスと称せられるアルミノホウケイ酸ガラスが用いられている。特に高周波回路基板として低誘電率、低損失が要求される場合にはＤガラスが用いられている。さらに周波数が１ＧＨｚを超える高周波回路基板として石英ガラスクロスが用いられてきている。
【０００３】
これらのガラスクロスの製造はガラス融液から複数本のフィラメントを引き出し、これを収束させたストランドを撚り合わせたヤーンを紡織することで製造されている。このようにして製造されたガラスクロスはフィラメントを巻き取るために極細径化が困難であり、極肉薄にすることが困難だった。最近では基板の多層化により集積度を高くする目的から極細径ガラス長繊維への要求が強くなってきている。とくに石英ガラスの場合は溶融粘度が高いために融液からの紡糸ができず、特許文献１に示されているように多数本の石英ガラスロッドを同時に溶融してフィラメントを引き出し、これを収束させて製造されており、多数本の石英ガラスロッドを均一に加熱する必要がある。特に、極細径のフィラメントを製造する場合には紡糸の途中で切断しやすくなり、中断せざるを得なくなるなどの問題があって、生産性も低く、精密な制御装置が必要となり、きわめて高価なものになっている。
【０００４】
そこで、特許文献２に示されているように、メルトブロー法により安価に石英ガラス不織布を製造する方法が提案されている。この方法は生産性も高く大量に製造することが可能であるが、溶融ガラスを吹き飛ばしてフィラメントを形成するために、短くちぎれて、長繊維を得ることができなかった。
【０００５】
このような石英ガラス繊維を得る別の方法として、特許文献３や特許文献４のようにアルコキシシランを加水分解して得られたゾル液に電界を作用させて、静電力によって紡糸して不織布を製造する方法が知られている。この方法ではゾル液の粘度によって繊維径が変動することから、安定したゾル液を調製しなければならず、安定した品質のフィラメントを得ることが困難であった。また、紡糸した後に焼結してガラス化する必要があり、焼結後の厚みを一定にすることが困難であった。そもそも、この方法で得られる焼結前のゲル状繊維は強度が弱く、ヤーンなどの長繊維として扱うことができないものであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−９９３７６号公報
【特許文献２】特開２００４−３５３１３２号公報
【特許文献３】特開２００３−７３９６４号公報
【特許文献４】特開２００７−６３６８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような従来の問題を解決するものであり、エレクトロスピニング法により極細径のガラス長繊維を製造する製造装置及び方法並びに極細径のガラス繊維、特に、低誘電率、低損失な高周波回路基板を形成するために用いられる極細径の石英ガラス長繊維を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明のガラス長繊維の製造装置の第１の態様は、長尺状ガラス素材を供給するガラス素材供給手段と、供給されてきた該長尺状ガラス素材を所定速度で搬送する搬送手段と、搬送されてきたガラス素材を送り出す作用を行うとともに導電性材料から形成されかつ電極となるガイド電極手段と、送り出されてきた該長尺状ガラス素材を溶融軟化させる加熱手段と、該ガイド電極手段から所定間隔を介して対向して設置された導電性材料からなる回転ボビン手段と、該ガイド電極手段と該回転ボビン手段との間に直流電圧を印加する直流電源手段とを有し、
前記長尺状ガラス素材の先端部を前記ガイド電極手段から送り出して前記加熱手段によって溶融軟化させて、前記ガイド電極手段と前記回転ボビン手段との間に直流電圧を印加して、該ガイド電極手段と該回転ボビン手段との間に発生した静電力により前記加熱手段によって溶融軟化させられた該長尺状ガラス素材の先端部からガラスフィラメントを引き出し該回転ボビン手段上に連続して紡糸させることができるようにしたことを特徴とする。
【０００９】
本発明のガラス長繊維の製造装置の第２の態様は、長尺状ガラス素材を供給するガラス素材供給手段と、供給されてきた該長尺状ガラス素材を所定速度で搬送する搬送手段と、搬送されてきたガラス素材を送り出す作用を行うガイド部を有するとともに導電性材料から形成されかつ電極となりかつ搬送されてきた該長尺状ガラス素材を溶融軟化させる加熱電極手段と、該加熱電極手段から所定間隔を介して対向して設置された導電性材料からなる回転ボビン手段と、該加熱電極手段と該回転ボビン手段との間に直流電圧を印加する直流電源手段とを有し、
前記長尺状ガラス素材の先端部を前記加熱電極手段のガイド部に搬送して溶融軟化させ、前記加熱電極手段と前記回転ボビン手段との間に直流電圧を印加して、該加熱電極手段と該回転ボビン手段との間に発生した静電力により前記加熱電極手段によって溶融軟化させられた該長尺状ガラス素材の先端部からガラスフィラメントを引き出し該回転ボビン手段上に連続して紡糸させることができるようにしたことを特徴とする。
【００１０】
前記長尺状ガラス素材がガラスロッドまたはガラス繊維であり、前記ガラスロッドの直径が０．１ｍｍ〜２ｍｍであり、前記ガラス繊維の直径が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍであるように設定するのが好適である。
【００１１】
前記ガラスフィラメントの直径が０．３μｍ〜５μｍであり、また前記直流電圧が５ｋＶ〜１００ｋＶであるのが好ましい。前記長尺状ガラス素材としては石英ガラスが好適に用いられる。前記ガラス長繊維の外径は５μｍ以下が好ましい。前記ガラス長繊維の外径の下限値については特別の限定はないが、０．３μｍ程度であればよい。
【００１２】
本発明のガラス長繊維の製造方法の第１の態様は、本発明の第１の態様の製造装置を用いるガラス長繊維の製造方法であって、前記ガラス素材供給手段から長尺状ガラス素材を供給するガラス素材供給工程と、供給されてきた該長尺状ガラス素材を前記搬送手段によって所定速度で搬送するガラス素材搬送工程と、搬送されてきた該長尺状ガラス素材を前記ガイド電極手段によって前記加熱手段に向かって送り出すガラス素材送り出し工程と、送り出されてきた該長尺状ガラス素材の先端部を前記加熱手段によって溶融軟化させるとともに前記直流電源手段によって該ガイド電極手段と該回転ボビン手段との間に直流電圧を印加して静電力を生じさせこの静電力により該長尺状ガラス素材の先端部からガラスフィラメントを引き出し該回転ボビン手段上に連続して紡糸させてガラス長繊維とするガラスフィラメント紡糸工程と、を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明のガラス長繊維の製造方法の第２の態様は、本発明の第２の態様の製造装置を用いるガラス長繊維の製造方法であって、前記ガラス素材供給手段から長尺状ガラス素材を供給するガラス素材供給工程と、供給されてきた該長尺状ガラス素材を前記搬送手段によって所定速度で搬送するガラス素材搬送工程と、前記加熱電極手段のガイド部に搬送されてきた該長尺状ガラス素材の先端部を前記加熱電極手段によって溶融軟化させるとともに前記直流電源手段によって該加熱電極手段と該回転ボビン手段との間に直流電圧を印加して静電力を生じさせこの静電力により該長尺状ガラス素材の先端部からガラスフィラメントを引き出し該回転ボビン手段上に連続して紡糸させてガラス長繊維とするガラスフィラメント紡糸工程と、を有することを特徴とする。
【００１４】
本発明のガラス長繊維は、本発明のガラス長繊維の製造方法により製造され、外径が５μｍ以下のガラス長繊維であることを特徴とする。本発明のガラス長繊維の外径の下限値については特別の限定はないが、０．３μｍ程度であればよい。前記ガラスフィラメントとして石英ガラスフィラメントを用いるのが好適である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のガラス長繊維の製造装置及び方法によれば、極細径のガラスフィラメントを静電力で安定して引き出すことができ、これを回転するボビン表面上に連続的に紡糸することで極細径ガラス長繊維を得ることができ、特に、紡糸の途中でフィラメントが切断しても、切断されたフィラメントが静電気でボビン表面に引き寄せられて紡糸を中断することなく、連続的におこなうことができる。また、ガラス材料として石英ガラスのように高融点であるために融液からの紡糸が困難な材料でも容易に長繊維を製造することができ、低誘電率、低損失な高周波回路基板を形成するための材料となる極細径のガラス長繊維を提供することができる。本発明のガラス長繊維は、極細径、例えばその外径が５μｍ以下であり、低誘電率、低損失な高周波回路基板を形成するための材料として有効に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のガラス長繊維の製造装置の一つの実施の形態を示す概略説明図である。
【図２】本発明のガラス長繊維の製造装置の他の実施の形態を示す概略説明図である。
【図３】本発明のガラス長繊維の製造装置の別の実施の形態を示す概略説明図である。
【図４】本発明のガラス長繊維の製造方法の工程順の一例を示すフローチャートである。
【図５】本発明のガラス長繊維の製造方法の工程順の他の例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明を実施するための好ましい形態を添付図面に基づいて説明するが、本発明は図示例に限定されるものではなく、本発明の技術思想から逸脱しない限り種々の変形が可能であることはいうまでもない。
【００１８】
図１は本発明のガラス長繊維の製造装置の一つの実施の形態を示す概略説明図である。図１において、符号１０は本発明のガラス長繊維の製造装置である。該ガラス長繊維の製造装置１０は、長尺状ガラス素材１２を供給するボビン等のガラス素材供給手段１４を有している。該長尺状ガラス素材１２の形状としてはガラスロッドやガラス繊維を例示することができる。該ガラスロッドとしては直径が０．１ｍｍ〜２ｍｍのものが、該ガラス繊維としては直径が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍのものが好適に使用される。上記ガラス素材としてはホウケイ酸ガラス等の一般的なガラス素材が使用できるが、石英ガラスが好適に使用される。
【００１９】
１６は搬送手段で、前記ガラス素材供給手段１４から供給されてきたガラス素材１２を所定速度で搬送する作用を行う。該搬送手段１６としては、例えば図１に示したように相対向して設置された一対のロールからなる送りロール手段を採用することができる。該搬送手段１６によって搬送されてきたガラス素材１２はガイド電極手段１８を介してさらに搬送方向に送り出される。該ガイド電極手段１８は黒鉛等の導電性材料から形成され電極として作用するように構成される。
【００２０】
２０は加熱手段で、該ガイド電極手段１８に近接して対向設置されている。２０は加熱手段で、該ガイド電極手段１８を介して送り出されてきたガラス素材１２はその先端部分が加熱手段２０によって溶融軟化せしめられる。該加熱手段２０としては、後述するように種々の加熱装置を適用することができるが、図１の図示例ではバーナー２０ａから酸水素バーナー火炎２０ｂを放射する構成を図示した。バーナー２０ａを適用する場合には、酸水素バーナー火炎２０ｂの中でガラス素材１２の先端部が溶融軟化せしめられる。
【００２１】
２２は回転ボビン手段で、導電性材料、例えばステンレス等の金属材料によって形成され、該ガイド電極手段１８及び加熱手段２０からそれぞれ所定間隔を介して対向して設置されている。２３は回転ボビン保持手段で、回転軸３２を介して回転ボビン手段２２を回転可能に保持する。該回転ボビン手段２２におけるボビンのサイズは、例えば直径２００ｍｍ〜１０００ｍｍ、巾３００ｍｍ〜２０００ｍｍ程度のものが好適に使用される。
【００２２】
２４は直流電源手段で、該ガイド電極手段１８と該回転ボビン手段２２とにそれぞれ配線２５を介して接続されており、該ガイド電極手段１８と該回転ボビン手段２２の間に高圧直流電圧を印加するように作用する。
【００２３】
上記の構成によりその作用を説明する。まず、前記長尺状ガラス素材１２の先端部を前記ガイド電極手段１８から送り出して前記加熱手段２０によって溶融軟化させる。該加熱手段２０が図１に示したようなバーナー２０ａの場合にはそのバーナー火炎２０ｂによって前記長尺状ガラス素材１２の先端部が溶融軟化される。
【００２４】
一方、前記ガイド電極手段１８と前記回転ボビン手段２２との間に５ｋＶ〜１００ｋＶ程度の高圧直流電圧を印加して、該ガイド電極手段１８と該回転ボビン手段２２との間に発生した静電力により前記加熱手段２０によって溶融軟化させられたガラス素材１２の先端部からガラスフィラメント２６を図１に示すように該回転ボビン手段２２に巻き取られ、ガラス長繊維２８に紡糸される。巻き取られるガラスフィラメント２６はその直径が５μｍ以下とすることができ、極細径のガラスフィラメントを巻き取ることが可能である。このとき回転ボビン手段２２は、２０〜１００ｍ・ｓｅｃ程度の回転周速で回転するとともに回転軸３２方向に往復移動させるなどして、上記ガラスフィラメント２６を該回転ボビン手段２２面に均一に巻き取られる。
【００２５】
前記ガラスフィラメント２６は紡糸中あるいはその後にサイジング材を塗布して強度を維持するようにするのがよい。該ガラスフィラメント２６を２０〜５０層ほど巻き取り、シート状に配列したガラスフィラメント２６は１００〜５００本程度に分割してストランドとして、これを撚り合わせたヤーンとして紡織することもできる。紡糸されるガラスフィラメント２６の外径はガラス素材１２の送り速度、火炎温度、印加電圧などを調整することで制御することができる。上記したサイジング材溶液を供給するノズル（図示せず）と回転ボビンとの間にも高電圧を印加することで紡糸中に効率良くサイジング材を塗布することもできる。複数本のガラスフィラメント２６を同時に紡糸するとともに収束させてストランドとして、これを撚り合わせたヤーンとして紡織することもできる。
【００２６】
前記ガラス素材１２としてはＥガラス、Ｄガラスなどのプリント配線基板に用いられるようなガラスでも良く、またホウケイ酸ガラスを用いることもできるが、とくに石英ガラスが好適に用いられる。石英ガラスは溶融粘度が高いために融液からの紡糸ができないという難点があるため、ガラス長繊維を製造する場合には本発明の装置及び方法を適用するのが有効である。ガイド電極手段１８を構成する導電性材料としては銅やステンレスなどの金属材料も使えるが金属不純物の混入を嫌う場合には黒鉛が好ましい。回転ボビン手段２２を構成する導電性材料については特に限定されないが、ステンレスなどの金属材料が用いられる。
【００２７】
加熱手段２０となるバーナー２０ａから放射される火炎２０ｂはガラス素材１２の供給方向に直交する方向から加熱する方法が安定しており制御性に優れるが、図２に示したように火炎２０ｂに平行に供給してガス流速を加えることで、紡糸速度を速めて生産性を高めることができるので、以下に説明する。この場合、ガス流速の乱れによって静電場が乱され、ガラスフィラメント２６の径のばらつきが大きくなる傾向になる。また、火炎２０ｂの電気導電性のために放電が生じやすくなることから、回転ボビン手段２２と火炎２０ｂとが接近しすぎないように距離間隔を設定する必要がある。なお、本発明における紡糸はガラス素材の先端部が溶融軟化され静電力によってガラスフィラメントとして浮遊する状態を指称する用語として用いている。
【００２８】
図２は本発明のガラス長繊維の製造装置の他の実施の形態を示す概略説明図である。図２の実施の形態と図１の実施の形態との相違点は次の通りである。図２のガラス長繊維の製造装置１０Ａにおいては、加熱手段２０を構成するバーナー２０ａがガラス素材１２の供給方向と一致乃至平行した状態で設置され、従って酸水素バーナー火炎２０ｂがガラス素材１２の供給方向と一致乃至平行した状態で放射される。
【００２９】
該バーナー２０ａの内部にガラス素材１２が挿通可能な貫通孔であるガイド部３０が開穿されており、酸水素バーナー火炎２０ｂによって溶融軟化されたガラス素材１２のガラスフィラメント２６は図２に示したように該バーナー２０ａの先端開口部から水平方向に火炎と共に放射されて静電力によって紡糸され、回転ボビン手段２２に巻き取られる。図２におけるその他の構成部材は図１と同様であり、同一の符号で示してあるので、それらの構成部材についての再度の説明は省略する。
【００３０】
図２に示した装置ではガイド電極手段１８及び加熱手段２０を別体として形成設置した構成を有しているが、図３に示したように加熱手段にガイド機能及び電極機能の両方の機能を持たせる構成を採用することもできる。図３は本発明のガラス長繊維の製造装置の別の実施の形態を示す概略説明図である。図３の実施の形態と図２の実施の形態の相違点は次の通りである。図３のガラス長繊維の製造装置１０Ｂにおいては、図２に示したガイド電極手段１８が省略されており、かつ図２に示した加熱手段２０の代わりに加熱作用と電極作用を兼ねることのできる加熱電極手段２１が設置されている。図３の例では、該加熱電極手段２１を構成するバーナー２１ａが長尺状ガラス素材１２の供給方向と一致乃至平行した状態で設置され、従って酸水素バーナー火炎２１ｂが長尺状ガラス素材１２の供給方向と一致乃至平行した状態で放射される。
【００３１】
該バーナー２１ａの内部に長尺状ガラス素材１２が挿通可能な貫通孔であるガイド部３０が開穿されており、酸水素バーナー火炎２１ｂによって溶融軟化された長尺状ガラス素材１２のガラスフィラメント２６は図３に示したように、該バーナー２１ａの先端開口部から水平方向に火炎と共に放射されて静電力によって紡糸され、回転ボビン手段２２に巻き取られる。また直流電源手段２４は、該加熱電極手段２１と該回転ボビン手段２２とにそれぞれ配線２５を介して接続されており、該加熱電極手段２１と該回転ボビン手段２２の間に高圧直流電圧を印加するように作用する。その他の構成は図２と同様であり、同一の符号によって示してあるので、それらの構成部材についての再度の説明は省略する。
【００３２】
図３の構成のガラス長繊維の製造装置１０Ｂの作用について説明する。まず、前記長尺状ガラス素材１２の先端部を前記搬送手段１６によって搬送し、加熱電極手段２１のガイド部３０内に挿通し前記加熱電極手段２１によって溶融軟化させる。一方、前記加熱電極手段２１と前記回転ボビン手段２２との間に高圧直流電圧を印加して、該加熱電極手段２１と該回転ボビン手段２２との間に発生した静電力により前記加熱電極手段２１によって溶融軟化させられた長尺状ガラス素材１２の先端部から水平方向に放射されたガラスフィラメント２６は、図３に示したように、該バーナー２１ａの先端開口部から水平方向に火炎と共に放射されて静電力によって紡糸され、回転ボビン手段２２に巻き取られ、ガラス長繊維２８が製造される。
【００３３】
この場合、ガス流速の乱れによって静電場が乱され、フィラメント径のばらつきは大きくなる傾向になる。また、火炎の電気導電性のために放電が生じやすくなることから、回転ボビン手段２２の位置と火炎が接近しすぎないような距離、角度を設定する必要がある。
【００３４】
図１〜図３に示したガラス長繊維の製造装置１０，１０Ａ及び１０Ｂの図示例においては、加熱手段２０及び加熱電極手段２１における加熱態様としてはバーナー２０ａ，２１ａによる酸水素バーナー火炎２０ｂ，２１ｂの例を示したが、レーザー光や電気炉による加熱であってもよい。レーザー光の場合には炭酸ガスレーザー、ＹＡＧレーザーなどが用いられる。溶融部分の粘度が高いため、溶融部分の周囲にガス噴射ノズルを設けてガラスフィラメントが吹き出し易くする必要がある。電気炉の場合には溶融部分が軟化して落下するために、下方に向けて紡糸する。電気炉内にはアルミナ製の炉心管を設けて、ヒーターとの絶縁を完全におこなう必要がある。電気炉はアースしてガラス溶融部分を負電極、回転ボビン手段を正電極にするなど、放電に対する処置が必要である。
【００３５】
続いて、本発明のガラス長繊維の製造方法について図４及び図５に基づいて説明する。図４は本発明のガラス長繊維の製造方法の工程順の一例を示すフローチャートである。本発明のガラス長繊維の製造方法は本発明のガラス長繊維の製造装置を利用するものである。以下の説明における各部材の符号は図１〜図３に示した符号を使用する。
【００３６】
まず、長尺状ガラス素材１２をボビン等のガラス素材供給手段１４に用意する（図４のステップ１００）。次に、長尺状ガラス素材１２の先端部を搬送手段１６によってガイド電極手段１８に搬送する（図４のステップ１０２）。さらに長尺状ガラス素材１２の先端部を搬送手段１６によって当該ガイド電極手段１８から送り出す（図４のステップ１０４）。このガイド電極手段から送り出されてきた長尺状ガラス素材１２の先端部を前記加熱手段２０によって溶融軟化させる（図４のステップ１０６）。一方、前記ガイド電極手段１８と前記回転ボビン手段２２との間に高圧直流電圧を印加して、該ガイド電極手段１８と該回転ボビン手段２２との間に静電力を発生させる（図４のステップ１０８）。この発生した静電力により前記加熱手段２０によって溶融軟化させられたガラス素材１２の先端部からガラスフィラメント２６を、図１に示したように、引き出し該回転ボビン手段２２上で連続紡糸する（図４のステップ１１０）。このようにしてガラス長繊維２８を製造する。
【００３７】
図２に示したガラス長繊維の製造装置１０Ａを用いてガラス長繊維２８を製造する場合も加熱手段２０が水平に設置され、ガイド電極手段１８から送られてきた長尺状ガラス素材１２が該加熱手段２０の貫通孔であるガイド部３０に誘導されて溶融軟化される点を除いては、図１の場合と同様にガラス長繊維２８が製造されるので、再度の説明は省略する。
【００３８】
図３に示したガラス長繊維の製造装置１０Ｂを用いてガラス長繊維２８を製造する場合について、図５によって説明する。図５は本発明のガラス長繊維の製造方法の工程順の一例を示すフローチャートである。以下の説明における各部材の符号は図３に示した符号を使用する。
【００３９】
まず、長尺状ガラス素材１２をボビン等のガラス素材供給手段１４に用意する（図５のステップ２００）。次に、長尺状ガラス素材１２の先端部を搬送手段１６によって加熱電極手段２１に搬送する（図５のステップ２０２）。搬送されてきた長尺状ガラス素材１２の先端部を加熱電極手段２１のガイド部３０内に挿通し前記加熱電極手段２１によって溶融軟化させる（図５のステップ２０４）。一方、前記加熱電極手段２１と前記回転ボビン手段２２との間に高圧直流電圧を印加して、該加熱電極手段２１と該回転ボビン手段２２との間に静電力を発生させる（図５のステップ２０６）。この発生した静電力により前記加熱電極手段２１によって溶融軟化させられた長尺状ガラス素材１２の先端部から水平方向に放射されたガラスフィラメント２６を、図３に示したように、引き出し該回転ボビン手段２２上で連続紡糸する（図５のステップ２０８）。このようにしてガラス長繊維２８を製造する。
【００４０】
なお、図１〜図３に示した実施の形態においては、長尺状ガラス素材１２を１本使用した場合について例示して示したが、本発明の実施にあたっては生産効率の点から複数本乃至多数本の長尺状ガラス素材１２を設置して同時に複数本乃至多数本のガラスフィラメントを引き出して同時に複数本乃至多数本のガラス長繊維を紡糸するのが好適であることは勿論である。また、図１〜図３に示した実施の形態においては、ガイド電極手段１８又は加熱電極手段２１と回転ボビン手段２２は水平方向に相対向して設置された例を示したが、垂直方向に相対向して設置することもできるし、また設置場所に応じてその他の角度で相対向位置を設定できることはいうまでもない。
【実施例】
【００４１】
以下に本発明の実施例を挙げて説明するが、本発明がこれらの実施例の記載に限定的に解釈されるものでないことは勿論である。
【００４２】
（実施例１）
図１に示した装置と同様の装置を用いて石英ガラス長繊維を製造する。長尺状ガラス素材として直径０．３ｍｍの長尺状石英ガラス繊維を用意し、この石英ガラス繊維を搬送手段（送りローラー）により黒鉛製のガイド電極手段に供給した。この送り方向と直交する方向から加熱手段であるバーナーからの酸水素バーナー火炎で前記石英ガラス繊維の先端部を約２０００℃に加熱して溶融軟化させた。上記ガイド電極手段に対向しかつ１５０ｍｍ離間した位置にステンレスよりなる直径２００ｍｍ巾５００ｍｍの回転ボビンを置き、周速６０ｍ／ｓｅｃで回転させた。このガイド電極手段を電極として回転ボビンとの間に２０ｋＶの高圧直流電圧を印加しガイド電極手段と回転ボビンとの間に静電力を発生させると、溶融した石英ガラス繊維の先端部から直径約３μｍのフィラメントが静電力により引き出され、これを回転ボビン表面上に巻き取りガラス長繊維（外径約３μｍ）とすることができた。これを１００本収束させてストランドとし、これを拠り合わせてヤーンとすることができた。
【００４３】
（実施例２）
図１に示した装置と同様の装置で加熱手段として炭酸ガスレーザーを使用して石英ガラス長繊維を製造する。長尺状ガラス素材として直径０．２ｍｍの長尺状石英ガラス繊維を用意し、この石英ガラス繊維を搬送手段（送りローラー）により黒鉛製のガイド電極手段に供給した。この送り方向と直交する方向から加熱手段である炭酸ガスレーザーで前記石英ガラス繊維の先端部を約２０００℃に加熱して溶融軟化させた。上記ガイド電極手段に対向しかつ１５０ｍｍ離間した位置にステンレスよりなる直径２００ｍｍ巾５００ｍｍの回転ボビンを置き、周速８０ｍｍ／ｓｅｃで回転させた。このガイド電極手段を電極として回転ボビンとの間に３０ｋＶの高圧直流電圧を印加しガイド電極手段と回転ボビンとの間に静電力を発生させると、溶融したガラス先端部から直径約０．５μｍのフィラメントが静電力により引き出され、これを回転ボビン表面上に巻き取りガラス長繊維（外径約０．５μｍ）とすることができた。
【００４４】
（実施例３）
実施例１と同様の装置を用いて、ホウケイ酸ガラス長繊維を製造する。実施例１の石英ガラス繊維の替わりにＳｉＯ２を８０％、Ｂ２Ｏ３を１２％含むホウケイ酸ガラスからなる直径０．３ｍｍのガラス繊維を用い、このガラス繊維の先端部をバーナーからの酸水素バーナー火炎で約１２００℃に加熱して溶融軟化させた。上記ガイド電極手段に対向しかつ１５０ｍｍ離間した位置にステンレスよりなる直径２００ｍｍ巾５００ｍｍの回転ボビンを置き、周速６０ｍｍ／ｓｅｃで回転させた。このガイド電極手段を電極として回転ボビンとの間に２０ｋＶの高圧直流電圧を印加しガイド電極手段と回転ボビンとの間に静電力を発生させると、溶融したガラス先端部から直径約５μｍのフィラメントが静電力により引き出され、これを回転ボビン表面上に巻き取りガラス長繊維（外径約５μｍ）とすることができた。
【００４５】
（実施例４）
図３に示した装置と同様の装置を用いて石英ガラス長繊維を製造する。長尺状ガラス素材として直径０．３ｍｍの長尺状石英ガラス繊維を用意し、この石英ガラス繊維を搬送手段（送りローラー）により、中心にガイド部である貫通孔を有する加熱電極手段である金属バーナーの貫通孔に供給した。金属バーナーに水素と酸素を供給して酸水素火炎で前記石英ガラス繊維の先端部を約２０００℃に加熱して溶融軟化させた。上記加熱電極手段に対向しかつ１５０ｍｍ離間した位置にステンレスよりなる直径２００ｍｍ巾５００ｍｍの回転ボビンを置き、周速６０ｍ／ｓｅｃで回転させた。この加熱電極手段を電極として回転ボビンとの間に２０ｋＶの高圧直流電圧を印加し加熱電極手段と回転ボビンとの間に静電力を発生させると、溶融した石英ガラス繊維の先端部から直径約０．３μｍのフィラメントが静電力により引き出され、これを回転ボビン表面上に巻き取りガラス長繊維（外径約０．３μｍ）とすることができた。
【符号の説明】
【００４６】
１０、１０Ａ、１０Ｂ：ガラス長繊維の製造装置、１２：長尺状ガラス素材、１４：ガラス素材供給手段、１６：搬送手段、１８：ガイド電極手段、２０：加熱手段、２０ａ：バーナー、２０ｂ：酸水素バーナー火炎、２１：加熱電極手段、２１ａ：バーナー、２１ｂ：酸水素バーナー火炎、２２：回転ボビン手段、２３：回転ボビン保持手段、２４：直流電源手段、２５：配線、２６：ガラスフィラメント、２８：ガラス長繊維、３０：ガイド部、３２：回転軸。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長尺状ガラス素材を供給するガラス素材供給手段と、供給されてきた該長尺状ガラス素材を所定速度で搬送する搬送手段と、搬送されてきたガラス素材を送り出す作用を行うとともに導電性材料から形成されかつ電極となるガイド電極手段と、送り出されてきた該長尺状ガラス素材を溶融軟化させる加熱手段と、該ガイド電極手段から所定間隔を介して対向して設置された導電性材料からなる回転ボビン手段と、該ガイド電極手段と該回転ボビン手段との間に直流電圧を印加する直流電源手段とを有し、
前記長尺状ガラス素材の先端部を前記ガイド電極手段から送り出して前記加熱手段によって溶融軟化させて、前記ガイド電極手段と前記回転ボビン手段との間に直流電圧を印加して、該ガイド電極手段と該回転ボビン手段との間に発生した静電力により前記加熱手段によって溶融軟化させられた該長尺状ガラス素材の先端部からガラスフィラメントを引き出し該回転ボビン手段上に連続して紡糸させることができるようにしたことを特徴とするガラス長繊維の製造装置。
【請求項２】
長尺状ガラス素材を供給するガラス素材供給手段と、供給されてきた該長尺状ガラス素材を所定速度で搬送する搬送手段と、搬送されてきたガラス素材を送り出す作用を行うガイド部を有するとともに導電性材料から形成されかつ電極となりかつ搬送されてきた該長尺状ガラス素材を溶融軟化させる加熱電極手段と、該加熱電極手段から所定間隔を介して対向して設置された導電性材料からなる回転ボビン手段と、該加熱電極手段と該回転ボビン手段との間に直流電圧を印加する直流電源手段とを有し、
前記長尺状ガラス素材の先端部を前記加熱電極手段のガイド部に搬送して溶融軟化させ、前記加熱電極手段と前記回転ボビン手段との間に直流電圧を印加して、該加熱電極手段と該回転ボビン手段との間に発生した静電力により前記加熱電極手段によって溶融軟化させられた該長尺状ガラス素材の先端部からガラスフィラメントを引き出し該回転ボビン手段上に連続して紡糸させることができるようにしたことを特徴とするガラス長繊維の製造装置。
【請求項３】
前記長尺状ガラス素材がガラスロッドまたはガラス繊維であることを特徴とする請求項１又は２記載のガラス長繊維の製造装置。
【請求項４】
前記ガラスロッドの直径が０．１ｍｍ〜２ｍｍであり、前記ガラス繊維の直径が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍであることを特徴とする請求項３記載のガラス長繊維の製造装置。
【請求項５】
前記ガラスフィラメントの直径が０．３μｍ〜５μｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載のガラス長繊維の製造装置。
【請求項６】
前記直流電圧が５ｋＶ〜１００ｋＶであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載のガラス長繊維の製造装置。
【請求項７】
前記ガラス長繊維の外径が５μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載のガラス長繊維の製造装置。
【請求項８】
前記長尺状ガラス素材が石英ガラスであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載のガラス長繊維の製造装置。
【請求項９】
請求項１記載の製造装置を用いるガラス長繊維の製造方法であって、前記ガラス素材供給手段から長尺状ガラス素材を供給するガラス素材供給工程と、供給されてきた該長尺状ガラス素材を前記搬送手段によって所定速度で搬送するガラス素材搬送工程と、搬送されてきた該長尺状ガラス素材を前記ガイド電極手段によって前記加熱手段に向かって送り出すガラス素材送り出し工程と、送り出されてきた該長尺状ガラス素材の先端部を前記加熱手段によって溶融軟化させるとともに前記直流電源手段によって該ガイド電極手段と該回転ボビン手段との間に直流電圧を印加して静電力を生じさせこの静電力により該長尺状ガラス素材の先端部からガラスフィラメントを引き出し該回転ボビン手段上に連続して紡糸させてガラス長繊維とするガラスフィラメント紡糸工程と、を有することを特徴とするガラス長繊維の製造方法。
【請求項１０】
請求項２記載の製造装置を用いるガラス長繊維の製造方法であって、前記ガラス素材供給手段から長尺状ガラス素材を供給するガラス素材供給工程と、供給されてきた該長尺状ガラス素材を前記搬送手段によって所定速度で搬送するガラス素材搬送工程と、前記加熱電極手段のガイド部に搬送されてきた該長尺状ガラス素材の先端部を前記加熱電極手段によって溶融軟化させるとともに前記直流電源手段によって該加熱電極手段と該回転ボビン手段との間に直流電圧を印加して静電力を生じさせこの静電力により該長尺状ガラス素材の先端部からガラスフィラメントを引き出し該回転ボビン手段上に連続して紡糸させてガラス長繊維とするガラスフィラメント紡糸工程と、を有することを特徴とするガラス長繊維の製造方法。
【請求項１１】
請求項９又は１０記載の製造方法により製造され、外径が５μｍ以下のガラス長繊維であることを特徴とするガラス長繊維。
【請求項１２】
前記ガラスフィラメントが石英ガラスフィラメントであることを特徴とする請求項１１記載のガラス長繊維。
【請求項１】
長尺状ガラス素材を供給するガラス素材供給手段と、供給されてきた該長尺状ガラス素材を所定速度で搬送する搬送手段と、搬送されてきたガラス素材を送り出す作用を行うとともに導電性材料から形成されかつ電極となるガイド電極手段と、送り出されてきた該長尺状ガラス素材を溶融軟化させる加熱手段と、該ガイド電極手段から所定間隔を介して対向して設置された導電性材料からなる回転ボビン手段と、該ガイド電極手段と該回転ボビン手段との間に直流電圧を印加する直流電源手段とを有し、
前記長尺状ガラス素材の先端部を前記ガイド電極手段から送り出して前記加熱手段によって溶融軟化させて、前記ガイド電極手段と前記回転ボビン手段との間に直流電圧を印加して、該ガイド電極手段と該回転ボビン手段との間に発生した静電力により前記加熱手段によって溶融軟化させられた該長尺状ガラス素材の先端部からガラスフィラメントを引き出し該回転ボビン手段上に連続して紡糸させることができるようにしたことを特徴とするガラス長繊維の製造装置。
【請求項２】
長尺状ガラス素材を供給するガラス素材供給手段と、供給されてきた該長尺状ガラス素材を所定速度で搬送する搬送手段と、搬送されてきたガラス素材を送り出す作用を行うガイド部を有するとともに導電性材料から形成されかつ電極となりかつ搬送されてきた該長尺状ガラス素材を溶融軟化させる加熱電極手段と、該加熱電極手段から所定間隔を介して対向して設置された導電性材料からなる回転ボビン手段と、該加熱電極手段と該回転ボビン手段との間に直流電圧を印加する直流電源手段とを有し、
前記長尺状ガラス素材の先端部を前記加熱電極手段のガイド部に搬送して溶融軟化させ、前記加熱電極手段と前記回転ボビン手段との間に直流電圧を印加して、該加熱電極手段と該回転ボビン手段との間に発生した静電力により前記加熱電極手段によって溶融軟化させられた該長尺状ガラス素材の先端部からガラスフィラメントを引き出し該回転ボビン手段上に連続して紡糸させることができるようにしたことを特徴とするガラス長繊維の製造装置。
【請求項３】
前記長尺状ガラス素材がガラスロッドまたはガラス繊維であることを特徴とする請求項１又は２記載のガラス長繊維の製造装置。
【請求項４】
前記ガラスロッドの直径が０．１ｍｍ〜２ｍｍであり、前記ガラス繊維の直径が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍであることを特徴とする請求項３記載のガラス長繊維の製造装置。
【請求項５】
前記ガラスフィラメントの直径が０．３μｍ〜５μｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載のガラス長繊維の製造装置。
【請求項６】
前記直流電圧が５ｋＶ〜１００ｋＶであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載のガラス長繊維の製造装置。
【請求項７】
前記ガラス長繊維の外径が５μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載のガラス長繊維の製造装置。
【請求項８】
前記長尺状ガラス素材が石英ガラスであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載のガラス長繊維の製造装置。
【請求項９】
請求項１記載の製造装置を用いるガラス長繊維の製造方法であって、前記ガラス素材供給手段から長尺状ガラス素材を供給するガラス素材供給工程と、供給されてきた該長尺状ガラス素材を前記搬送手段によって所定速度で搬送するガラス素材搬送工程と、搬送されてきた該長尺状ガラス素材を前記ガイド電極手段によって前記加熱手段に向かって送り出すガラス素材送り出し工程と、送り出されてきた該長尺状ガラス素材の先端部を前記加熱手段によって溶融軟化させるとともに前記直流電源手段によって該ガイド電極手段と該回転ボビン手段との間に直流電圧を印加して静電力を生じさせこの静電力により該長尺状ガラス素材の先端部からガラスフィラメントを引き出し該回転ボビン手段上に連続して紡糸させてガラス長繊維とするガラスフィラメント紡糸工程と、を有することを特徴とするガラス長繊維の製造方法。
【請求項１０】
請求項２記載の製造装置を用いるガラス長繊維の製造方法であって、前記ガラス素材供給手段から長尺状ガラス素材を供給するガラス素材供給工程と、供給されてきた該長尺状ガラス素材を前記搬送手段によって所定速度で搬送するガラス素材搬送工程と、前記加熱電極手段のガイド部に搬送されてきた該長尺状ガラス素材の先端部を前記加熱電極手段によって溶融軟化させるとともに前記直流電源手段によって該加熱電極手段と該回転ボビン手段との間に直流電圧を印加して静電力を生じさせこの静電力により該長尺状ガラス素材の先端部からガラスフィラメントを引き出し該回転ボビン手段上に連続して紡糸させてガラス長繊維とするガラスフィラメント紡糸工程と、を有することを特徴とするガラス長繊維の製造方法。
【請求項１１】
請求項９又は１０記載の製造方法により製造され、外径が５μｍ以下のガラス長繊維であることを特徴とするガラス長繊維。
【請求項１２】
前記ガラスフィラメントが石英ガラスフィラメントであることを特徴とする請求項１１記載のガラス長繊維。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−４００８２（Ｐ２０１３−４００８２Ａ）
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７９０３６（Ｐ２０１１−１７９０３６）
【出願日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【出願人】（０００１９０１３８）信越石英株式会社 (183)
【出願人】（０００００２０６０）信越化学工業株式会社 (3,361)
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【出願人】（０００１９０１３８）信越石英株式会社 (183)
【出願人】（０００００２０６０）信越化学工業株式会社 (3,361)
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