JP5986008B2 - 導電性布帛の製造方法、及び生体信号測定装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、生体電極として使用可能な導電性布帛、前記導電性布帛の製造方法、前記導電性布帛を用いた生体信号の測定方法、及び前記導電性布帛を備えた生体信号測定装置に関する。

ウェアラブル型電極を用いることにより、ヒトや動物等の生体信号や動作を計測する技術が急速に進展しており、医療分野やヘルスモニタリング分野で広く使用されるようになっている（非特許文献１）。これらの分野で利用されているウェアラブル電極として、衣服に電極を設置するだけでなく、衣服と電極を融合して、衣服そのものを電極化する試みがなされている。このように電極化された衣服は従来の衣服と同様に装着性が良いため、今後のウェアラブル型電極の主流になると目されている。

「ウェアラブルな生体センサーの研究(EU)」ＮＥＤＯ海外レポート ＮＯ.１０２５，２００８．７．２

衣服を電極化する方法として、絶縁性の布地に導電性材料を含む塗料を塗布して、当該塗料を固化する方法が挙げられる。前記塗料を電極又は配線の形状で塗布することにより、任意の衣服の任意の位置に任意の形状の電極又は配線を任意の数で設置することが、原理的には可能である。しかしながら、実際にこのようなウェアラブル型電極（導電性布帛）を製造する場合、任意の形状で任意の数の電極又は配線を、任意の電極密度又は配線密度で衣服上に形成することは困難であった。例えば、基材となる衣服の布地は吸水性を有するため、前記塗料を吸収する。吸収された前記塗料は当該布地上で拡散してしまい、任意の形状で塗布した前記塗料が滲んでしまう。この結果、最終的に形成される電極又は配線の形状・サイズ・数・密度を制御して、電極間又は配線間の絶縁性を確保することが難しかった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、任意形状の電極又は配線を高精度に形成することが可能な導電性布帛の製造方法、その製造方法によって製造された導電性布帛、その導電性布帛を用いた生体信号の測定方法、及びその導電性布帛を備えた生体信号測定装置の提供を目的とする。

［１］ 絶縁性の布地に電極又は配線が配置された導電性布帛の製造方法であって、前記布地における前記電極又は配線を配置しない領域をマスキングし、前記布地に導電性材料を含む塗料を塗布し、前記マスキングを除去することにより前記布地上に前記電極又は配線を形成することを特徴とする導電性布帛の製造方法。
前記製造方法によれば、基材である絶縁性の布地の任意の箇所に、前記導電性材料を含む電極又は配線を任意の形状で高精度に形成することができる。

［２］ 前記導電性材料が導電性高分子であることを特徴とする前記［１］に記載の導電性布帛の製造方法。
前記導電性材料として導電性高分子を用いることにより、前記塗料に含まれる導電性材料が均一に分散される結果、形成する電極及び／又は配線の導電性をより均一化することができる。また、前記塗料の塗工性を向上させることができる。

［３］ 前記領域に疎水性材料を塗布することにより、前記領域をマスキングすることを特徴とする前記［１］又は［２］に記載の導電性布帛の製造方法。
疎水性材料でマスキングすることにより、マスキングした領域に前記導電性材料を含む塗料が染み込むことをより確実に抑制することができる。この結果、形成する電極又は配線の形状をより高精度に制御することができる。

［４］ 前記布地上に前記電極を複数形成することを特徴とする前記［１］〜［３］の何れか一項に記載の導電性布帛の製造方法。
本発明にかかる製造方法によれば、電極の形状を高精度に制御できるため、複数の電極を高密度に形成することが可能である。

［５］ 前記疎水性材料が２０〜７０℃で融解する材料であることを特徴とする前記［３］に記載の導電性布帛の製造方法。
２０〜７０℃という比較的低温で融解する材料を用いることにより、前記マスキングを容易に行うことができる。

［６］ 前記［１］〜［５］の何れか一項に記載の製造方法によって製造された導電性布帛。
本発明によって製造された導電性布帛は、衣服に仕立てることが可能である。当該衣服は、通常の衣服と同じように装着可能であり、軽量で薄く装着性に優れたウェアラブル型の生体電極として有用である。

［７］ 前記［６］に記載の導電性布帛の電極を生体表面に設置し、生体の電気信号を測定することを特徴とする生体信号の測定方法。
本発明によって製造された導電性布帛を使用した生体信号の測定方法によれば、軽量で薄く装着性に優れた前記導電性布帛を生体電極として体表面に設置しているため、装着者の負担を軽減することができる。このため、長期間に亘るセンサリング又はモニタリングを容易に行うことができる。

［８］ 本発明の導電性布帛の製造方法により導電性布帛を得る工程と、前記導電性布帛を用いて生体信号測定装置を製造する工程と、を有することを特徴とする生体信号測定装置の製造方法。
本発明によって製造された生体信号測定装置は、前記導電性布帛を生体電極として使用し、生体の電気信号を測定する用途に好適である。当該生体電極の装着性が優れるため、装着時における装着者の負担を軽減し、当該測定を長期間に亘り継続することができる。

本発明によれば、任意形状の電極又は配線を高精度に形成することが可能な導電性布帛の製造方法、その製造方法によって製造された導電性布帛、その導電性布帛を用いた生体信号の測定方法、及びその導電性布帛を備えた生体信号測定装置を提供することができる。

前記製造方法によれば、電極の形状となるように塗布した塗料の辺縁部の滲みを抑制できるため、布地の任意の箇所に、導電性材料を含む電極又は配線を、任意の形状・サイズ・数・密度で高精度に形成することができる。また、個々の電極又は配線の形状・サイズを均一に揃えることも容易である。さらに、個々の電極間又は配線間の絶縁性を確実に確保することができる。

本発明にかかる導電性布帛は、衣服に仕立てることができる。当該衣服は、通常の衣服と同じように装着可能であり、軽量で薄く装着性に優れたウェアラブル型の生体電極として有用である。
また、前記電極を形成する布地として通常の衣服（被服）を用いれば、電極と衣服の繋ぎ目の段差を無くして一体化した、装着感（着心地）に優れる生体電極として使用できる。

本発明にかかる生体信号の測定方法によれば、軽量で薄く装着性に優れた前記導電性布帛を生体電極として体表面に設置しているため、装着者の負担を軽減することができる。このため、長期間に亘るセンサリング又はモニタリングを容易に行うことができる。

本発明にかかる生体信号測定装置は、前記導電性布帛を生体電極として使用し、生体の電気信号を測定する用途に好適である。当該生体電極の装着性が優れるため、装着時における装着者の負担を軽減し、当該測定を長期間に亘り継続することができる。

本発明の第一実施形態の製造方法で使用する布地の上面図である。 布地の表面に、格子状にワックスを配置した様子を示す布地の上面図である。 格子状のワックスによってマスキングした布地表面に、導電性材料を含む塗料を塗布する様子を示した上面図である。 ワックスによってマスキングした布地表面に前記塗料を塗布し終えた様子を示す布地の上面図である。 格子状の布地表面と、矩形の電極が複数配列された導電性布帛の上面図である。 （ａ）基材である布地の両面に、シリコーンラバー製の格子状フレームと、貫通孔を有する金属板とを配置して、布地を挟む様子を示す断面模式図である。（ｂ）貫通孔を通して導電性材料を含む塗料を注入する様子を示す断面模式図である。（ｃ）電極形成後に前記格子状フレームと前記金属板を外した様子を示す断面模式図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明するが、本発明はかかる実施形態に限定されない。

《導電性布帛の製造方法》
本発明の第一実施形態の導電性布帛の製造方法は、基材である絶縁性の布地の表面の、電極及び／又は配線を配置しない領域をマスキングする工程（マスキング工程）と、前記マスキングを施した布地に導電性材料を含む塗料を塗布する工程（塗布工程）と、前記マスキングを除去することにより前記布地上に電極及び／又は配線を形成する工程（除去工程）と、を含む。
これらの工程を経ることにより、布地に導電性材料を含有する電極及び／又は配線が配置された導電性布帛を製造することができる。

（マスキング工程）
前記マスキング工程において、前記領域の布地表面をマスキングする方法は、後工程で塗布する塗料がマスキングを施した領域に染み込むことを抑制できる方法であり、且つ後工程において当該マスキングを除去できる方法であれば特に制限されない。例えば、前記領域にテープを貼付する方法、前記領域に樹脂製又は金属製の板を押し付ける（圧着する）方法、前記領域に前記塗料に馴染まない（前記塗料を弾く）性質を有する材料を配置する方法等が挙げられる。

前記塗料に馴染まない性質を有する材料として、例えば疎水性材料が挙げられる。この場合、前記塗料が親水性であることが好ましい。親水性の塗料は疎水性材料に弾かれるため、疎水性材料によってマスキングされた領域に親水性の塗料が染み込むことを抑制することができる。

前記疎水性材料は、２０〜７０℃で融解する低温融解性材料であることが好ましい。このような材料であると、当該材料を低温で加熱して溶融した状態で前記布地の所定領域に所定の形状で塗布し、その後冷却して固化させることにより、形成する電極及び／又は配線の形状を反映させたマスキングを容易に施すことができる。

前記疎水性材料としては、低温融解性のワックス（油脂）が好適である。
ワックスを用いてマスキングする方法としては、前記ワックスを溶融した状態で前記布地の所定領域に塗布して染み込ませてもよいし、予め所定の形状（電極又は配線を形成しない領域に対応する形状）に成形されたワックスを前記布地の所定領域に配置した後で、当該ワックスを溶融させて、布地にワックスを染み込ませてもよい。ワックスを冷却して固化することにより、所望の形状でマスキングすることができる。
また、所定の形状（電極又は配線を形成する領域に対応する形状）のフレームを布地に配置して、前記フレームで覆われていない領域に溶融したワックスを塗布し、ワックスの固化後、前記フレームを除くことにより、前記フレームの形状を反映させたマスキングしてもよい。

マスキングする方法は疎水性材料を塗布する方法に限られず、例えば、疎水性材料からなるフレーム（枠）、圧着テープ、圧着式治具を布地に密着させてマスキングしてもよい。これらの方法でマスキングした場合にも、マスキングした領域に前記塗料が染み込むことを抑制することができる。

前記基材として使用する絶縁性の布地は特に制限されず、前記マスキングが可能であり、且つ前記塗料に対して親和性を有する（前記塗料を吸収可能な）絶縁性の布地であればよい。このような布地として、例えば、綿、絹、麻、レーヨン、天然繊維、化学繊維等の従来公知の繊維で構成された織物又は不織布が挙げられる。前記布地の形状や厚みは特に制限されない。前記布地は、シャツ、下着、手袋、靴下等の衣服（衣料品）に仕立てられていてもよいし、ベッドカバー、シーツ、枕カバー、タオル等の生活用品に加工されていてもよい。

（塗布工程）
前記塗布工程において、前記マスキングを施した布地に塗布する塗料は、導電性材料を含む。前記導電性材料の種類は特に制限されず、例えば、従来公知の導電性高分子、カーボン粒子、カーボン繊維等の炭素系材料、金属粒子が適用可能である。前記導電性高分子としては、例えば、導電性及び親水性に優れるPEDOT-PSS又はPEDOT-Sが好適である。また、ポリアニリンスルフォン酸やポリピロール等も例示できる。

PEDOT-PSSは、モノマーである３，４−エチレンジオキシチオフェンが、ポリ（４−スチレンスルホン酸）の存在下で重合して得られる導電性ポリマーである。PSSはPEDOTに負電荷を付与するドーパントとして機能する。市販のPEDOT-PSSとしては、例えばClevios P（ドイツ国ヘレウス社製）が挙げられる。導電性布帛の電極又は配線の導電性を高める観点から、導電性高分子にはドーパントが含有されていることが好ましい。

前記塗料に含まれる導電性材料は１種であってもよいし、２種以上を併用してもよい。
前記塗料に含まれる導電性高分子は１種であってもよいし、２種以上を併用してもよい。
前記導電性高分子の分子量は特に制限されず、例えば数千〜数十万の範囲のものが使用できる。

ここで例示した導電性高分子は水溶性であるため、前記塗料の溶媒として水を用いることができる。導電性高分子の水溶液には、添加剤としてグリセロールを添加してもよい。グリセロールを添加することにより、前記水溶液の粘性を調整して、前記布地に当該水溶液を塗布することがより容易になる。また、形成する電極又は配線にグリセロールが含有されていると、当該電極又は配線の生体表面に対する親和性が良好となり、生体信号をより高感度・高精度で測定することができる。

前記塗料には、前記導電性高分子以外の導電性物質が含まれていてもよい。
前記導電性物質として、例えば、カーボン粒子、カーボン繊維等の炭素系材料、金属粒子、従来公知の電池等に使用される電解質等が挙げられる。

前記塗料を前記マスキングを施した布地に塗布する方法は特に制限されず、例えばスクリーン印刷法、スプレーで前記塗料を吹き付ける方法、刷毛で前記塗料を塗布する方法などが適用可能である。この際、前記塗料は当該布地の全面に塗布しても構わない。当該布地のマスキングした領域には前記塗料は染み込まないので、マスキングした領域を避けて前記塗料を塗布する手間は必要ない。この結果、本発明にかかる導電性布帛を効率的に製造することができる。

前記塗料の塗布後、室温で放置するか又は温風等を吹き付けて乾燥させることにより、前記導電性材料を前記布地上に乾燥固定し、前記導電性材料含む電極又は配線を形成することができる。
ここで、前記電極及び配線の形状、サイズ、数及び密度は、前記マスキングの形状等が反映されたものとなる。すなわち、前記マスキングが施されていない領域の、形状、サイズ、数及び密度を反映した電極及び配線を形成することができる。

例えば、前記布地上に前記電極を複数形成することにより、生体表面の複数の箇所から生体信号を同時にセンサリングすることが可能な多点電極が得られる。

なお、本実施形態において、電極と配線とは、その形状で区別されるだけであり、前記導電性材料によって導電性が付与された導電体であるという点においては同じである。
前記電極の形状は特に制限されないが、例えば、円形、楕円形、矩形、多角形等の比較的広い面積を有する電極パッドを構成可能な形状であることが好ましい。
前記配線の形状は特に制限されないが、通常、線状（線形）が好ましい。前記電極間を前記配線が電気的に接続していてもよい。また、前記配線が前記電極を外部装置に接続していてもよい。

前記塗料を塗布した後で、当該塗料に含まれる導電性材料を前記布地上に固定する方法は、前述した乾燥固定に限られない。前記導電性材料が導電性高分子である場合、他に適用可能な固定方法として、導電性高分子を構成するモノマーを前記塗料に含有させて当該モノマーを介して導電性高分子同士を電気化学的に架橋する電気化学固定、有機溶媒やマグネシウムを前記塗料に接触させて固定する化学固定、前記塗料に接着剤（アクリル系樹脂など）を予め含ませて、接着剤を固化するとともに導電性高分子を当該接着剤中に包埋させて固定する方法などが例示できる。

（除去工程）
前記除去工程において、前記布地から前記マスキング（マスク）を除去する方法は、形成した電極及び配線を残してマスクのみを除去できる方法であれば、特に制限されない。

前記ワックスを用いた場合は、当該ワックスを加熱して溶かし出す方法が好ましい。
前記加熱する方法としては、例えば、前記電極又は配線を配置した布地をオーブンで１２０℃３０分間加熱する方法、８０℃の温水に当該布地を１０分程度浸漬して加熱する方法等が挙げられる。

以上で説明した本実施形態の製造方法を図１〜６を参照して説明する。
基材である布地１をワックス２で格子状にマスキングする（図１，２）。次に、前記布地の全面に塗料３を塗布部材（例えば刷毛）を用いて塗布する（図３）。塗布した塗料３を乾燥固化させて電極４を形成し（図４）、ワックス２を前記加熱処理によって除去することにより、本発明にかかる導電性布帛１０が得られる（図５）。

また、ワックスを使用せずに布地をマスキングする方法として、図６に示す方法が例示できる。
まず、布地１の両面にシリコーンラバー製の格子状のフレーム６を密着させる。この際、電極及び配線を形成しない領域をフレーム６によって覆う。その上に金属板７（パンチングメタル）を重ねて、フレーム６及び金属板７によって布地１の両面を圧迫しながら挟む（図６（ａ））。次に、金属板７に予め設けられている複数の貫通孔７ａを通して塗料３を注入する（図６（ｂ））。格子状フレーム６でマスキングされた以外の領域に吸収された塗料３を前記方法によって固定した後、格子状フレーム６及び金属板７を外すことにより電極４が布地１の両面に形成された導電性布帛を製造することができる。

本実施形態の製造方法によれば、高密度に電極や配線を配置し、更には微細な電気回路を布地上に形成することも可能である。前述したPEDOT-PSS等の導電性高分子を含む塗料は流動性が高く、従来の方法では目的の領域だけに塗布及び含浸（浸透）させることが困難であったが、本実施形態においては布地にマスキングを施しているため、所定領域に限定して高精度に前記塗料を塗布及び含浸させることができる。

《導電性布帛》
本発明の第二実施形態の導電性布帛は、第一実施形態の製造方法によって製造された導電性布帛である。当該導電性布帛は、例えば生体電極として有用である。当該導電性布帛の基材である布地が衣服である場合には、ウェアラブル電極及び／又は配線として使用することもできる。通常の衣服と同様の優れた装着性を有するため、装着者に負担をかけずに装着者の皮膚表面に電極を設置することができる。

導電性布帛に形成した電極及び配線は布地表面に露出していなくても構わない。導電性布帛の用途に応じて、導電性布帛に形成した電極又は配線を絶縁被覆してもよい。絶縁被覆する方法は特に制限されず、例えば当該配線上にゴム糊等の絶縁性接着材を塗布して乾燥することにより絶縁被覆する方法、接着剤を介して当該配線上に絶縁性の布を貼り付ける方法等が挙げられる。

《生体信号の測定方法》
本発明の第三実施形態の生体信号の測定方法は、第二実施形態の導電性布帛を生体表面に設置し、測定対象である生体の電気信号を測定する方法である。前記導電性布帛に形成された電極又は配線を外部装置に接続することにより、当該電気信号を検出および解析することができる。前記導電性布帛に前記電極を形成した場合には、当該電極を生体表面に設置して信号を検出することができる。また、前記導電性布帛に配線のみを形成した場合は、当該配線に別の公知の電極を接続して、当該電極を生体表面に設置し、前記配線を介して外部装置に信号を伝送する測定方法も例示できる。ノイズを防止して高精度・高感度で生体信号を測定するためには、前記導電性布帛に形成された配線は絶縁被覆されていることが好ましい。前記外部装置としては、電極から伝送された生体信号を解析又は記録する機能を有するものであれば特に制限されず、例えば、公知の心拍計、心電計、脳波計、筋電計等が挙げられる。

《生体信号測定装置》
本発明の第四実施形態の生体信号測定装置は、第二実施形態の導電性布帛が備えられた装置である。前記生体信号測定装置は、前記導電性布帛以外に、前記導電性布帛から伝送された生体信号を解析又は記録する機能を有する外部装置を備えていることが好ましい。前記外部装置としては、例えば、公知の心拍計、心電計、脳波計、筋電計等が挙げられる。

以上で説明した各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は各実施形態によって限定されることはなく、請求項（クレーム）の範囲によってのみ限定される。

本発明にかかる導電性布帛は、医療をはじめ、ヘルスプロモーションやインフォメーションテクノロジー、ウエアラブルコンピューターなどの幅広い分野において、長時間の連続使用が可能な体表面装着型の生体電極として広く利用可能である。

１…絶縁性の布地、２…ワックス（マスクキング）、３…塗料（塗料を塗る刷毛）、４…電極、６…シリコーンラバー製の格子状フレーム、７…金属板（パンチングメタル）、７ａ…貫通孔、１０…導電性布帛（生体電極）

Claims (4)

1. 絶縁性の布地に電極又は配線が配置された導電性布帛の製造方法であって、
   前記布地における前記電極又は配線を配置しない領域に、２０〜７０℃で融解する疎水性材料を塗布することにより、前記領域をマスキングし、
   前記布地に導電性材料を含む塗料を塗布し、
   前記マスキングを除去することにより前記布地上に前記電極又は配線を形成することを特徴とする導電性布帛の製造方法。
2. 前記導電性材料が導電性高分子であることを特徴とする請求項１に記載の導電性布帛の製造方法。
3. 前記布地上に前記電極を複数形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の導電性布帛の製造方法。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の導電性布帛の製造方法により導電性布帛を得る工程と、前記導電性布帛を用いて生体信号測定装置を製造する工程と、を有することを特徴とする生体信号測定装置の製造方法。