JP2019218676A - Conductive material and electrical element and sensor having the same - Google Patents

Conductive material and electrical element and sensor having the same Download PDF

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Abstract

To provide a conductive material having excellent safety and conductivity and being inexpensive.SOLUTION: The problem can be solved by providing a conductive material having PEDOT-pTS or PEDOT-PSS attached to the surface of a base material containing paper. The conductive material can be used as a force sensing element, a separation operation discriminating element, and the like, and can be further used as a sensor using these elements.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、導電性材とこれを備える電気的素子、さらに当該素子を備えるセンサに関する発明である。本発明はさらに詳細には、基材として紙を用いる導電性材と、上記電気的素子とセンサに関する。当該電気的素子とセンサは、特に、外力により通電時の電気特性値が変動する力覚素子と力覚センサ、並びに、非接触状態の動きを電気特性値の変動により識別する素子である離隔動作識別素子と離隔動作識別センサとして用いることができる。   The present invention relates to a conductive material, an electric element including the same, and a sensor including the element. More specifically, the present invention relates to a conductive material using paper as a base material, and to the electric element and the sensor. The electrical element and the sensor are, in particular, a haptic element and a haptic sensor whose electric characteristic values fluctuate when energized due to an external force, and a separation operation that is an element that identifies movement in a non-contact state based on the fluctuation of the electric characteristic value. It can be used as an identification element and a separation operation identification sensor.

PEDOT−pTS(poly(3,4-ethylene-dioxythiophene)-p-toluenesulfonate)は、導電性高分子の中でも、導電性能が高いことが知られている。そしてその一方で、PEDOT−pTSを付着させることができる基材の種類は限定されている。本発明者らは、PEDOT−pTSを付着させる基材として絹を用いる発明を行い、既に特許出願を行った(特許文献1、特許文献2)。   It is known that PEDOT-pTS (poly (3,4-ethylene-dioxythiophene) -p-toluenesulfonate) has high conductive performance among conductive polymers. On the other hand, the types of base materials to which PEDOT-pTS can be attached are limited. The present inventors have made an invention using silk as a substrate to which PEDOT-pTS is adhered, and have already applied for patents (Patent Documents 1 and 2).

また、PEDOT−PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-polystyrenesulfonate)も、所定の性能を有する導電性高分子として知られている(特許文献3、特許文献4)。   PEDOT-PSS (Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) -polystyrenesulfonate) is also known as a conductive polymer having predetermined performance (Patent Documents 3 and 4).

WO2016/148249号 国際公開パンフレットWO2016 / 148249 International publication pamphlet WO2016/031872号 国際公開パンフレットWO2016 / 031872 International publication pamphlet WO2013/073673号 国際公開パンフレットWO2013 / 073693 International Publication Pamphlet 特開2014−108134号公報JP 2014-108134 A

上記の絹を基材として用いたPEDOT−pTSを付着させた導電性材、及び、所定の基材を用いたPEDOT−PSSを付着させた導電性材は、これらの導電性高分子の付着容易性と優れた導電性能と共に、生体に対する親和性に優れており、非常に有望な導電性材である。しかしながら、絹が基材として比較的高価であること、絹自体の電気抵抗値がそれほど高くなく、具体的な用途によっては最適ではない場合もあること、等が課題となっている。   The conductive material to which PEDOT-pTS using silk as a base material is adhered and the conductive material to which PEDOT-PSS using a predetermined base material is attached are easy to attach these conductive polymers. It is a very promising conductive material because it has excellent compatibility with living organisms as well as excellent conductivity and excellent conductive performance. However, there are problems such as the fact that silk is relatively expensive as a base material, the electric resistance value of silk itself is not so high, and it may not be optimal depending on the specific application.

本発明者は、上記の課題の解決に向けて検討を行った結果、紙がPEDOT−pTS又はPEDOT−PSSを付着させる対象として適していることを見出した。紙は、より安価な生体安全性に優れた素材である。また、紙の電気抵抗値は、一般的に絹に比べると高いために、例えば、外力により電気特性値が変動する力覚素子又はセンサ、あるいは、非接触状態の動きを当該素子における電気特性値の変動により識別する、離隔動作識別素子又はセンサ、として用いた場合の、外力や動作の変動に対する電気特性値の変化幅が大きく、当該用途において適している。   The present inventor has conducted studies for solving the above-described problems, and as a result, has found that paper is suitable as a target to which PEDOT-pTS or PEDOT-PSS is adhered. Paper is a cheaper biosafety material. In addition, since the electric resistance value of paper is generally higher than that of silk, for example, a haptic element or a sensor whose electric characteristic value fluctuates due to an external force, or a movement in a non-contact state, the electric characteristic value of the element. When used as a separation operation identification element or sensor, which is identified by the variation of the electrical characteristics, the variation width of the electrical characteristic value with respect to the external force and the variation of the operation is large, and is suitable for the application.

すなわち、本発明は、第1に、紙を含有する基材の表面に、PEDOT−pTS(poly(3,4-ethylene-dioxythiophene)-p-toluenesulfonate)、又は、PEDOT−PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-polystyrenesulfonate)が付着している導電性材(以下、本発明の導電性材ともいう)を提供し、
第2に、本発明の導電性材が備えられている電気的素子(以下、本発明の電気的素子ともいう)を提供し、好適には、非接触状態の動きを当該素子における電気特性値の変動により識別する、離隔動作識別素子(以下、本発明の離隔動作識別素子ともいう)、あるいは、外力により電気特性値が変動する力覚素子(以下、本発明の力覚素子ともいう)、を提供し、
第3に、これらの電気的素子と、当該電気的素子と電気的に接続された検知部を備え、当該検知部が、当該電気的素子における電気特性値又はその変動を検知する、力覚センサ、離隔動作識別センサ等のセンサ(以下、本発明のセンサともいう)を提供する。
That is, the present invention firstly provides PEDOT-pTS (poly (3,4-ethylene-dioxythiophene) -p-toluenesulfonate) or PEDOT-PSS (Poly (3, Provide a conductive material to which 4-ethylenedioxythiophene) -polystyrenesulfonate) is attached (hereinafter, also referred to as a conductive material of the present invention),
Secondly, an electric element provided with the conductive material of the present invention (hereinafter, also referred to as an electric element of the present invention) is provided. A separation operation identification element (hereinafter also referred to as a separation operation identification element of the present invention), or a haptic element whose electric characteristic value fluctuates due to an external force (hereinafter also referred to as a haptic element of the present invention); To provide
Third, a force sensor including these electric elements and a detection unit electrically connected to the electric elements, wherein the detection unit detects an electric characteristic value or a change in the electric elements. And a sensor such as a separation operation identification sensor (hereinafter, also referred to as a sensor of the present invention).

本発明により、安全性と導電性に優れ、かつ、安価な導電性材が提供される。特に、本発明の電気的センサ素子は、基材として用いる紙の電気抵抗値が比較的高いために、例えば、外力により通電時の電気特性値が変動する力覚素子や力覚センサとして用いた場合、あるいは、非接触状態の動きを当該素子における電気特性値の変動により識別する、離隔動作識別素子や離隔動作識別センサとして用いた場合の、外力の変動に対する電気抵抗値の変化幅が大きく、当該用途において適している。   According to the present invention, an inexpensive conductive material having excellent safety and conductivity is provided. In particular, the electric sensor element of the present invention is used as a force sensor or a force sensor whose electric characteristic value fluctuates when energized due to external force, for example, because the electric resistance value of paper used as a base material is relatively high. In the case, or the movement of the non-contact state is identified by the variation of the electrical characteristic value in the element, when used as a separation operation identification element or a separation operation identification sensor, the change width of the electric resistance value with respect to the change of the external force is large, Suitable for such applications.

実施例1の試験系を示した図面であり、(1)は実写ベース、(2)は模式図である。It is a drawing showing a test system of Example 1, (1) is an actual photographing base, and (2) is a schematic diagram. 荷重による編み目の伸縮を模式化して示した図面である。It is the drawing which showed expansion and contraction of the stitch by load typically. 実施例2(II)の試験系を示した実写ベースの図面である。6 is a drawing based on a real photograph showing a test system of Example 2 (II). 実施例2(II)の試験結果を用いた、加重(対数スケール)と電気抵抗値の低減割合の関係を示した図面である。6 is a diagram showing the relationship between the weight (logarithmic scale) and the reduction ratio of the electric resistance value using the test result of Example 2 (II). 実施例3の体重移動試験で用いた、4チャンネルの力覚素子の模式図である。FIG. 8 is a schematic diagram of a 4-channel force sensor used in a weight shift test of Example 3. 実施例3の体重移動試験のあらましを示した図面であり、(1)は椅子の上に置いた力覚素子の存在を示し、(2)はパネルの椅子の上での様々な動きを模式化して示している。It is the figure which showed the outline of the weight transfer test of Example 3, (1) shows the presence of the haptic element put on the chair, (2) schematically shows various movements of the panel on the chair. Is shown. 実施例3の体重移動試験の結果を示す図面である。6 is a drawing showing the results of a weight shift test in Example 3. 実施例4の胸部体動に関する測定試験における、素子の装着の様子を示した図面である。13 is a view showing a state of mounting elements in a measurement test on chest movement in Example 4. 実施例4の胸部体動に関する測定試験における呼吸波形の抽出を行ったことを示した図面であり、(1)は、体動のノイズを含んだ波形であり、(2)は、当該体動ノイズを除去して抽出した呼吸波形であり、(3)は、当該呼吸波形の機器における検出画面を示している。It is the figure which showed that the respiratory waveform was extracted in the measurement test regarding the chest body movement of Example 4, (1) is a waveform including noise of body movement, and (2) is the body movement concerned This is a respiratory waveform extracted by removing noise, and (3) shows a detection screen of the respiratory waveform in the device. 実施例5の離隔動作識別素子に関する手指を用いた試験系の略図である。19 is a schematic diagram of a test system using a finger related to the separation operation identification element of the fifth embodiment.

1.本発明の導電性材
本発明の導電性材は、上記の通りに、紙を含有する基材の表面に、PEDOT−pTS、又は、PEDOT−PSSが付着している導電性材である。下記(1)−(2)により、本発明の導電性材が提供される。
1. Conductive material of the present invention As described above, the conductive material of the present invention is a conductive material in which PEDOT-pTS or PEDOT-PSS is adhered to the surface of a base material containing paper. The following (1)-(2) provides the conductive material of the present invention.

(1)導電性材の基材
「紙を含有する基材」とは、「紙からなる基材」であってもよいし、「紙と紙以外の素材が混じり合っているもの」であってもよい。「紙と紙以外の素材が混じり合っているもの」とは、例えば、紙糸において撚糸によって組み合わされた構成繊維の中に、紙以外の繊維が存在する場合が挙げられ、例えば、巻き付け糸の素材が紙のカバーリング糸において、芯糸の素材が紙以外(例えば、ポリウレタンのフィラメント等)である場合も含まれる。また、基材が布地の場合において、前記紙糸のみで、又は、紙糸と他の種類の糸が組み合わさって、布地、すなわち、編物、織物等を構成する場合も「紙を含有する基材」として挙げられる。「紙を含有する基材」における紙の含有比率は、当該基材全体に対して紙が10質量%以上であり、100質量%であってもよい。特に、紙の存在を強調する場合には、同20質量%以上が好適である。
(1) Substrate of conductive material The “substrate containing paper” may be a “substrate made of paper” or “a mixture of paper and a material other than paper”. You may. "A material in which paper and a material other than paper are mixed" refers to, for example, a case where fibers other than paper are present in the constituent fibers combined by twisting in a paper yarn. The case where the material is a paper covering yarn and the material of the core yarn is other than paper (for example, a polyurethane filament or the like) is also included. Further, in the case where the base material is a fabric, a case where a fabric, that is, a knitted fabric, a woven fabric, or the like is constituted by the paper yarn alone or a combination of the paper yarn and another type of yarn is also referred to as a “paper-containing base material”. Material ". The content ratio of the paper in the “base material containing paper” is 10% by mass or more, and may be 100% by mass, based on the entire base material. In particular, when the presence of paper is emphasized, the content is preferably 20% by mass or more.

このように本発明の導電性材の基材の主要な素材となる「紙」は、植物繊維、さらに必要に応じてその他の繊維を膠着させて製造したものであり、その製造方法は公知であり、植物繊維を叩解等により得て水等に分散させてすき上げ、乾燥させて製造することが基本である。植物繊維としては、綿等の種毛繊維;亜麻、大麻、黄麻、コウゾ、ミツマタ、ガンピ等の靱皮繊維;トウヒ、モミ、マツ、カラマツ等の針葉樹繊維;ポプラ、カバ、ブナ、ヤナギ、ユーカリ、ニレ等の広葉樹繊維;アバカ(マニラ麻)等の葉繊維;稲わら、麦わら等の稲科繊維;その他、エスパルト、アシ、竹、笹、クマザサ等が挙げられる。その他の繊維としては、ナイロン等のポリアミド繊維、PET等のポリエステル繊維、アクリル繊維、アラミド繊維、ポリウレタン繊維、炭素繊維等が挙げられ、その繊維の性質に応じて紙の構成成分として加えられる。また、繊維以外の紙において通常含有されている成分、例えば、タルク、クレー、炭酸カルシウム、二酸化チタン等の填料、糊等も、一体として紙の成分として、本発明では定義する。上記の「紙とは別個に『紙を含有する基材』において質量計算される『紙以外の素材』」は、「一体として構成されている紙」に対して「外的に組み合わされている素材」であり、この「一体として構成されている紙の内部に含有される成分」とは異なる。このように、植物繊維を主体とする紙の構成が、PEDOT−pTS、又は、PEDOT−PSSの付着に適しているものである。   As described above, the `` paper '' which is a main material of the base material of the conductive material of the present invention is produced by agglutinating plant fibers and, if necessary, other fibers, and its production method is known. In principle, plant fibers are obtained by beating or the like, dispersed in water or the like, scooped up, and dried to manufacture the fibers. As plant fibers, seed hair fibers such as cotton; bast fibers such as flax, hemp, jute, jujube, mitsumata, ganpi; conifer fibers such as spruce, fir, pine, larch; poplar, hippopotamus, beech, willow, eucalyptus, Hardwood fibers such as elm; leaf fibers such as abaca (manila hemp); rice fibers such as rice straw and wheat straw; and others, espart, reed, bamboo, bamboo grass, kumazasa and the like. Other fibers include polyamide fibers such as nylon, polyester fibers such as PET, acrylic fiber, aramid fiber, polyurethane fiber, carbon fiber, and the like, and are added as components of paper according to the properties of the fiber. In addition, components normally contained in paper other than fibers, for example, fillers such as talc, clay, calcium carbonate, and titanium dioxide, and glue are defined as components of the paper in the present invention. The above-mentioned "material other than paper", which is calculated separately from "paper-containing base material" separately from paper, is "externally combined" with "paper integrally configured". "Material", which is different from the "component contained in the integrally formed paper". As described above, the configuration of paper mainly composed of vegetable fibers is suitable for attaching PEDOT-pTS or PEDOT-PSS.

本発明の導電性材の基材の主要な素材となる「紙」の中でも、和紙は、使用素材として優れた吸湿性を有しており、さらに構成繊維が長く繊維同士の絡まり状態が適度であるゆえ、PEDOT−pTS、又は、PEDOT−PSSの定着性に優れているという点において好ましい。本発明における和紙とは、実質的に靭皮繊維を構成繊維とする紙である。和紙は、本来、靱皮繊維(上記)を原料とし、ねり(植物粘液)を用いて手すき法によって作られた紙であるが、本発明においては機械すき法によって作られたものも、本発明の「和紙」に含める。また、靭皮繊維と植物性のねり以外の成分、例えば、ねりに代わる化学物質や、他の植物性成分、例えば、クマザサの繊維等が混合しているものも本発明の「和紙」に含める。   Among the `` paper '' which is a main material of the base material of the conductive material of the present invention, Japanese paper has excellent hygroscopicity as a used material, and furthermore, the constituent fibers are long and the entangled state of the fibers is moderate. Therefore, it is preferable in that PEDOT-pTS or PEDOT-PSS is excellent in fixing property. The Japanese paper in the present invention is a paper substantially comprising bast fiber as a constituent fiber. Originally, Japanese paper is a paper made from the bast fiber (described above) as a raw material and made by the hand piling method using torsion (vegetable mucus). In the present invention, paper made by the mechanical plowing method is also used in the present invention. Include in "Washi". In addition, bast fibers and components other than vegetable batters, for example, chemical substances that substitute for batter, and other vegetable components, for example, those containing a mixture of kumazasa fibers and the like are also included in the “Japanese paper” of the present invention. .

PEDOT−pTS、又は、PEDOT−PSSを付着させる対象となる基材は、通常認められる、薄く平らな形態(シート状)の紙であってもよいが、糸(紙糸)であってもよい。また、PEDOT−pTS、又は、PEDOT−PSSを付着させた紙糸を基とする布地であってもよい。紙糸を基とする布地(PEDOT−pTS、又は、PEDOT−PSSは付着していない)に、PEDOT−pTS、又は、PEDOT−PSSを付着させることも可能である。   The substrate on which PEDOT-pTS or PEDOT-PSS is to be adhered may be paper in a thin and flat form (sheet shape) which is generally recognized, or may be yarn (paper yarn). . Further, a cloth based on a paper thread to which PEDOT-pTS or PEDOT-PSS is adhered may be used. It is also possible to attach PEDOT-pTS or PEDOT-PSS to a paper thread-based fabric (PEDOT-pTS or PEDOT-PSS is not attached).

紙糸は、既に製造されたシート状の紙を細断してスリット化を行い、スリット化された紙の撚糸を行うことによって製造することができる。撚糸の際に、紙以外の繊維又は糸、例えば、絹、レーヨン、綿糸等と交撚することも可能であり、心材として他の種類の糸を用いることも可能であるが、少なくとも糸表面の全面又は一部に紙が露出していることが必要である。力覚素子として用いる上撚糸については後述する。
紙糸の太さは特に限定されず、0.1μm−3mm程度の範囲で必要に応じて選択することができるが、通常は1μm−1mm程度である。
The paper thread can be produced by chopping a sheet of paper that has already been produced, slitting the sheet, and twisting the slit paper. At the time of twisting, fibers or yarns other than paper, for example, silk, rayon, it is also possible to cross-twist with cotton yarn, it is also possible to use other types of yarn as a core material, at least the yarn surface It is necessary that the paper is exposed on the entire surface or a part thereof. The upper twist yarn used as the haptic element will be described later.
The thickness of the paper thread is not particularly limited and can be selected as needed within a range of about 0.1 μm to 3 mm, but is usually about 1 μm to 1 mm.

本発明の導電性材の一態様である、布地は、PEDOT−pTS、又は、PEDOT−PSSが付着した上記の紙糸を基にする布地であり、具体的には、編物又は織物である。   The fabric, which is one embodiment of the conductive material of the present invention, is a fabric based on the above-described paper thread to which PEDOT-pTS or PEDOT-PSS is adhered, and specifically, a knit or a woven fabric.

本発明の導電性材として布地を用いる態様は、主に力覚素子としての使用であり、その詳しい態様については後述する。   The mode of using the fabric as the conductive material according to the present invention is mainly used as a force sense element, and the detailed mode will be described later.

(2)基材へのPEDOT−pTSの付着
PEDOT−pTS(poly(3,4-ethylene-dioxythiophene)-p-toluenesulfonate)は、pTS(p-toluenesulfonate)とEDOT(3,4-ethylenedioxythiophene)を重合反応させて形成される導電性高分子であり、例えば、第1の付着方法として、酸化成分とpTSを含有する有機溶媒性溶液と、EDOTの混合液の、紙を含有する基材(主にはシート状の紙又は紙糸)への接触による付着を浸漬又は印刷等にて行い、その後に重合促進処理を当該接触箇所に施すことにより、PEDOT−pTSの付着を行うことができる(特許文献1に開示された方法又はその変法)。第2の付着方法として、(a)酸化成分とpTSとを含むpTS溶液を、紙を含有する基材(主にはシート状の紙又は紙糸)に付着させる付着工程、(b)付着工程(a)において酸化成分とpTSを付着させた前記基材に、さらにEDOTを付着させて、これらにおいてPEDOT−pTSを生成する重合反応を進行させることにより、PEDOT−pTSの付着を行うことができる(第2の付着方法:特許文献2に開示された方法)。
(2) Attachment of PEDOT-pTS to base material PEDOT-pTS (poly (3,4-ethylene-dioxythiophene) -p-toluenesulfonate) polymerizes pTS (p-toluenesulfonate) and EDOT (3,4-ethylenedioxythiophene) A conductive polymer formed by the reaction. For example, as a first attachment method, a paper-containing base material (mainly, a paper-mixed solution of an organic solvent solution containing an oxidizing component and pTS and EDOT) PEDOT-pTS can be adhered by performing contact adhesion to a sheet of paper or paper thread) by dipping or printing, and then performing a polymerization promotion treatment on the contact point. 1 or a variant thereof). As a second attachment method, (a) an attachment step of attaching a pTS solution containing an oxidized component and pTS to a paper-containing base material (mainly, sheet-like paper or paper thread); In (a), EDOT is further adhered to the substrate on which the oxidized component and pTS are adhered, and a polymerization reaction for generating PEDOT-pTS proceeds in these, whereby PEDOT-pTS can be adhered. (Second attachment method: a method disclosed in Patent Document 2).

<PEDOT−pTSの第1の付着方法>
第1の付着方法において、pTS溶液とEDOTを混合することにより、EDOTの重合反応がpTS−EDOT混合液中において進行し、高分子ポリマーであるPEDOT−pTSが形成される。この重合反応は、下記式に従い、温度上昇に従って重合速度は大きくなり、冷蔵庫レベルの低温で保存すれば重合速度を低下させて、付着工程の時間確保に資することができる。酸化成分としてFe3+が例示されているが、これに限定されるものではない。
<First attachment method of PEDOT-pTS>
In the first attachment method, by mixing the pTS solution and EDOT, the polymerization reaction of EDOT proceeds in the pTS-EDOT mixed solution, and PEDOT-pTS which is a high molecular polymer is formed. According to the following formula, the polymerization rate increases as the temperature rises, and if stored at a low temperature of the refrigerator level, the polymerization rate can be reduced and the time for the adhesion step can be secured. Although the oxidizing component is exemplified by Fe 3+, it is not limited to this.

Figure 2019218676
Figure 2019218676

第1の付着方法において「その後に」とは、pTS−EDOT混合液が基材に接触するタイミングに関連させた「同時以後」のタイミングで重合促進処理を行うことを意味する。具体的には、両タイミングは事実上同時であっても良く、pTS−EDOT混合液が基材に接触するタイミングからタイムラグを設けて、重合促進処理を行っても良い。また、例えば基材表面上において重合促進処理を行う状態を継続的に保ちつつ、その上にpTS−EDOT混合液の接触を行い、当該タイムラグを実質的に設けない態様も、第1の付着方法における「その後」に含まれる。第1の付着方法におけるpTS溶液とEDOTの混合比は、容積比でpTS溶液:EDOT=10:1−100:1、好適には20:1−40:1である。   In the first deposition method, "afterwards" means that the polymerization promotion treatment is performed at "simultaneous and subsequent" timings related to the timing at which the pTS-EDOT mixed solution contacts the substrate. Specifically, both timings may be substantially simultaneous, and a polymerization lag treatment may be performed by providing a time lag from the timing at which the pTS-EDOT mixed solution contacts the substrate. Further, for example, while maintaining the state in which the polymerization promoting treatment is performed on the surface of the base material, the pTS-EDOT mixed solution is contacted thereon, and the time lag is not substantially provided. In “afterwards”. The mixing ratio of the pTS solution and EDOT in the first deposition method is pTS solution: EDOT = 10: 1-100: 1, preferably 20: 1-40: 1 in volume ratio.

pTSは、パラトルエンスルホン酸化合物(パラトルエンスルホン酸(トシル酸)との塩やエステル)として知られており、市販もなされている。pTS溶液の溶媒となり得る有機溶媒は、pTSと酸化成分等を溶解することが可能であり、かつ、好適には水性溶媒との相溶性が良好であるものである。具体的には、炭素原子数が1−6の1価の低級アルコール、具体的には、メタノール、エタノール、プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ブタノール、ペンタノール、又は、ヘキサノールが挙げられる。これらの1価の低級アルコールを構成する炭素原子の骨格は、直鎖状、分枝状、環状のいずれであってもよく、1種のみならず2種以上を組み合わせて用いてもよい。また、適宜水で希釈して用いてもよい。これらの中で、炭素原子数が1−4の1価の低級アルコール、具体的には、メタノール、エタノール、プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、又は、ブタノール、がpTS溶液の有機溶媒として好適である。   pTS is known as a p-toluenesulfonic acid compound (salt or ester with p-toluenesulfonic acid (tosylic acid)) and is commercially available. The organic solvent that can be used as the solvent of the pTS solution is one that can dissolve pTS and oxidized components and the like, and preferably has good compatibility with the aqueous solvent. Specifically, a monohydric lower alcohol having 1 to 6 carbon atoms, specifically, methanol, ethanol, propyl alcohol, isopropyl alcohol, butanol, pentanol, or hexanol is used. The skeleton of carbon atoms constituting these monohydric lower alcohols may be linear, branched or cyclic, and may be used alone or in combination of two or more. It may be appropriately diluted with water before use. Among these, a monohydric lower alcohol having 1 to 4 carbon atoms, specifically, methanol, ethanol, propyl alcohol, isopropyl alcohol, or butanol is suitable as the organic solvent of the pTS solution.

pTS溶液中に含有させる酸化成分は、pTS−EDOT混合液におけるPEDOT−pTSへの重合反応を活性化することが可能である限り特に限定されず、遷移元素、ハロゲン等が例示される。   The oxidizing component contained in the pTS solution is not particularly limited as long as it can activate the polymerization reaction into PEDOT-pTS in the pTS-EDOT mixed solution, and examples thereof include transition elements and halogens.

遷移元素としては、鉄、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、亜鉛等の第一遷移元素;モリブデン、銀、ジルコニウム、カドミウム等の第二遷移元素;セリウム、白金、金等の第三遷移元素が例示される。これらの遷移元素は、金属単体としても、金属塩として用いてもよい。これらの中でも、鉄、亜鉛等の第一遷移元素を用いることが好適である。   As the transition element, a first transition element such as iron, titanium, chromium, manganese, cobalt, nickel, and zinc; a second transition element such as molybdenum, silver, zirconium, and cadmium; a third transition element such as cerium, platinum, and gold Is exemplified. These transition elements may be used as a simple metal or a metal salt. Among these, it is preferable to use a first transition element such as iron and zinc.

pTS溶液中の酸化成分の含有量は、用いる酸化成分の種類によっても異なり、上記の重合反応を活性化できる量であれば特に限定されない。例えば、第二鉄イオン(Fe3+)であれば、塩化第二鉄として、当該溶液に対して1−10質量%であることが好適であり、特に好適には3−7質量%である。この含有量が多すぎると重合反応の進行は速いが、後工程での鉄の除去が困難になり、少ないと重合反応の進行が遅くなる。 The content of the oxidizing component in the pTS solution differs depending on the type of the oxidizing component used, and is not particularly limited as long as the above-mentioned polymerization reaction can be activated. For example, in the case of ferric ion (Fe 3+ ), the amount of ferric chloride is preferably 1 to 10% by mass, more preferably 3 to 7% by mass, based on the solution. . If this content is too large, the progress of the polymerization reaction will be fast, but it will be difficult to remove iron in the subsequent steps, and if it is small, the progress of the polymerization reaction will be slow.

pTS溶液中のドーパントとして働くpTSの含有量は、当該溶液に対して0.1−10質量%が好適であり、さらに好適には0.15−7質量%、特に好適には1−6質量%、最も好適には2−5質量%である。   The content of pTS serving as a dopant in the pTS solution is preferably 0.1 to 10% by mass, more preferably 0.15 to 7% by mass, and particularly preferably 1 to 6% by mass with respect to the solution. %, Most preferably 2-5% by weight.

EDOTは、3,4−エチレンジオキシチオフェンとして公知であり、市販もなされている。EDOTは、常温で液体で、かつ、水溶性であり、適宜水等の水性溶媒に希釈して用いることも可能である。   EDOT is known as 3,4-ethylenedioxythiophene and is commercially available. EDOT is liquid at room temperature and water-soluble, and can be appropriately diluted with an aqueous solvent such as water.

pTS溶液に、pTS−EDOT混合液の紙を含有する基材への付着性と、出来上がった導電性材における導電性能を実質的に損なわない等、本発明の効果を量的又は質的に損なわない限り、他の成分を必要に応じて配合することができる。   In the pTS solution, the effect of the present invention is impaired quantitatively or qualitatively, for example, the adhesion of the pTS-EDOT mixed solution to the base material containing paper and the conductive performance of the completed conductive material are not substantially impaired. As long as there is no other component, other components can be blended as needed.

当該他の成分としては、例えば、グリセロール、ポリエチレングリコール−ポリプレングリコールポリマー、エチレングリコール、ソルビトール、スフィンゴシン、及び、フォスファチジルコリン、好ましくはグリセロール、ポリエチレングリコール−ポリプレングリコールポリマー、及び、ソルビトール、からなる1種又は2種以上が挙げられる。   Such other components include, for example, glycerol, polyethylene glycol-polypropylene glycol polymer, ethylene glycol, sorbitol, sphingosine, and phosphatidylcholine, preferably glycerol, polyethylene glycol-polypropylene glycol polymer, and sorbitol. Or two or more of these.

その他、第4級アルキルアンモニウム塩、ハロゲン化アルキルピリジニウム等のカチオン性界面活性剤;アルキル硫酸塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩、アルキルスルホコハク酸塩、脂肪酸塩等のアニオン性界面活性剤;ポリオキシエチレン、ポリオキシエチレンアルキルエーテル等の非イオン性界面活性剤;キトサン、キチン、グルコース、アミノグリカン等の天然多糖類;糖アルコール、ジメチルスルホキシド等が挙げられる。   In addition, cationic surfactants such as quaternary alkyl ammonium salts and alkyl pyridinium halides; anionic surfactants such as alkyl sulfates, alkyl benzene sulfonates, alkyl sulfosuccinates, and fatty acid salts; polyoxyethylene, polyoxyethylene Nonionic surfactants such as oxyethylene alkyl ether; natural polysaccharides such as chitosan, chitin, glucose and aminoglycan; sugar alcohols and dimethyl sulfoxide.

室温において、pTS−EDOT混合液では上記重合反応による液のゲル化が進行する。そのために、基材に付着した余分なゲル化ポリマーを除去する工程を、当該混合液との接触後に行うことが好ましい。例えば、当該混合液から分離した基材を、振動、送風、ローラーとの接触等の物理的な手段により除くことができる。重合反応を行った後に、この余分なゲル化ポリマーの除去工程を行わない場合は、当該混合液の調製後、基材と混合液との接触を短時間で行うこと、及び、混合液の調製後短時間で当該接触を行うべきとの制約が生じる。具体的には、pTS−EDOT混合液の調製後5分以内、さらに好ましくは1分以内に上記接触による付着を完了すべきである。上記の余分なゲル化ポリマーの除去工程を行う場合には、室温下であってもこの接触による付着工程の時間的な制約は事実上認められず、pTS−EDOT混合液の調製後、好適には10分以上、さらに好適には15分以上の付着工程時間を取って、基材に対するPEDOT−pTSの付着を十分なものとすることが可能である。40分以上の付着工程の時間を取っても、ゲル化の進行により、長時間の工程に見合った付着促進効果は認められない。   At room temperature, in the pTS-EDOT mixed solution, gelation of the solution due to the above polymerization reaction proceeds. For this purpose, it is preferable that the step of removing excess gelling polymer attached to the substrate is performed after the contact with the mixed solution. For example, the base material separated from the liquid mixture can be removed by physical means such as vibration, air blowing, and contact with a roller. When the step of removing the excess gelling polymer is not performed after the polymerization reaction is performed, after the mixed solution is prepared, the contact between the base material and the mixed solution is performed in a short time, and the preparation of the mixed solution is performed. There is a restriction that the contact should be made in a short time afterwards. Specifically, the contact by the contact should be completed within 5 minutes, more preferably within 1 minute after the preparation of the pTS-EDOT mixed solution. In the case of performing the above-mentioned step of removing the excess gelling polymer, even at room temperature, there is practically no time restriction of the adhesion step due to this contact, and after the preparation of the pTS-EDOT mixed solution, Can take a deposition time of 10 minutes or more, more preferably 15 minutes or more, to sufficiently attach PEDOT-pTS to the substrate. Even if the time of the adhering step is 40 minutes or more, the effect of accelerating the adhering to the prolonged step is not recognized due to the progress of gelation.

第1の付着方法における接触による付着は、滴下、噴霧、浸漬、転写、又は、塗布により行われることが好適である。   The adhesion by contact in the first adhesion method is preferably performed by dropping, spraying, dipping, transferring, or applying.

第1の付着方法における重合促進処理としては加熱処理が挙げられる。当該加熱処理としては、(α)重合促進部分における50−90℃の放熱体との接触、(β)重合促進部分が50−90℃になるように設定された熱風との接触、(γ)恒温槽等における50−90℃の加熱雰囲気との接触等が挙げられる。   As the polymerization accelerating treatment in the first attachment method, a heat treatment can be mentioned. As the heat treatment, (α) contact with a heat radiator at 50-90 ° C. in the polymerization promoting portion, (β) contact with hot air set so that the polymerization promoting portion is at 50-90 ° C., (γ) For example, contact with a heating atmosphere of 50 to 90 ° C. in a constant temperature bath or the like may be used.

上記(α)の50−90℃の放熱体の接触は、3−10分間の加熱時間が好適であり、特に好適には3−6分間であり、最も好適には4−6分間である。   The contact of the heat radiator at 50 to 90 ° C. in the above (α) is preferably performed for a heating time of 3 to 10 minutes, particularly preferably for 3 to 6 minutes, and most preferably for 4 to 6 minutes.

上記(β)の重合促進部分が50−90℃になるように設定された熱風との接触である場合は、3−10分が好適であり、特に好適には4−6分である。   When the polymerization promoting portion (β) is in contact with hot air set at 50 to 90 ° C., the time is preferably 3 to 10 minutes, particularly preferably 4 to 6 minutes.

上記(γ)の50−90℃になるように設定された加熱雰囲気である場合は、3−10分が好適であり、特に好適には4−6分である。   In the case of the heating atmosphere set to be 50 to 90 ° C. in the above (γ), 3 to 10 minutes is preferable, and 4 to 6 minutes is particularly preferable.

上記加熱処理の後、溶液から基材を取り出し、好ましくは水、さらに好適には蒸留水または脱イオン水で洗浄した後、恒温槽、熱風若しくは温風、天日等により乾燥させる。   After the heat treatment, the substrate is taken out of the solution, washed with water, more preferably distilled water or deionized water, and then dried in a thermostatic oven, hot air or warm air, sunlight, or the like.

さらに例えば第1の付着方法において、pTS−EDOT混合液の、基材への接触による付着部分を、基材平面上の一部における描画デザインとすることにより、「付着部分が滲みにくい」という第1の付着方法の特徴を活かすことができる。描画デザインとは、単純な一面付着とは異なるものであり、丸、三角等の単純な図形から、動植物画、人物画等の各種描写図、文字、模様等を包含するものである。   Further, for example, in the first attaching method, the attached portion of the pTS-EDOT mixed solution due to contact with the base material is formed as a drawing design on a part of the base material plane, so that the "attached portion is less likely to bleed". The characteristics of the first method can be utilized. The drawing design is different from simple one-sided attachment, and encompasses simple figures such as circles and triangles, various depictions such as animal and plant pictures, and portraits, characters, and patterns.

第1の付着方法を行うに際して、マスク処理又はスプレー噴霧を行って、基材上の特に描画デザインの作成をより緻密に行うことができる。マスク処理とは、予め、導電性高分子の付着を行わない部分をマスクで覆う処理を行うことある。このマスク処理態様は、第1の付着方法において、pTS−EDOT混合液の、基材への接触による付着を行う前に、当該付着予定箇所を除く部分にマスク処理を行った後、少なくとも当該付着予定箇所において当該混合液との接触を行い、さらに重合促進処理を行った後に、上記マスクを除去するものである。   In performing the first attachment method, masking or spraying can be performed to more precisely create a drawing design on the base material. The masking process is a process in which a portion where the conductive polymer is not attached is covered with a mask in advance. In this mask processing mode, in the first deposition method, before the pTS-EDOT mixed solution is deposited by contact with the base material, a mask process is performed on a portion except for the portion to be deposited, and then at least the deposition process is performed. The mask is removed after the contact with the mixed solution at a predetermined place and the polymerization promotion treatment is further performed.

マスク処理の具体例としては、例えば、マスク剤として防染糊又はミツロウの塗布が挙げられる。防染糊としては、正麩糊、コーンスターチ糊、さつまいもデンプン糊等のデンプン糊;ゴム糊;ふのり等の海藻糊;その他各種の型糊が挙げられる。防染糊としては、デンプン糊が好適である。使用時の防染糊の濃度(糊粉末質量/水質量)は、特に限定されないが、概ね3−5質量%ある。防染糊の除去は水洗により行うことができる。ミツバチの巣由来の蝋であるミツロウも好適である。使用時は通常、直接加温して融解させて用いる。またミツロウの除去は加温により再び融解させて行う。   As a specific example of the mask treatment, for example, application of an anti-staining paste or beeswax as a masking agent can be mentioned. Examples of the paste-resistant paste include starch paste such as regular glue paste, corn starch paste and sweet potato starch paste; rubber paste; seaweed paste such as seaweed paste; and other various pastes. Starch paste is suitable as the anti-staining paste. The concentration of the anti-dyeing paste (mass powder mass / water mass) at the time of use is not particularly limited, but is generally 3 to 5 mass%. Removal of the paste paste can be performed by washing with water. Also suitable are beeswax, which is wax from beehives. When used, it is usually used by directly heating and melting. The beeswax is removed by melting again by heating.

<PEDOT−pTSの第2の付着方法>
第2の付着方法では、まず、有機溶媒性溶液に、酸化成分と、ドーパントとしてのpTSとを溶かし、その有機溶媒性溶液(pTS溶液)に紙を含有する基材を浸漬する。
<Second method of attaching PEDOT-pTS>
In the second attachment method, first, an oxidizing component and pTS as a dopant are dissolved in an organic solvent solution, and a base material containing paper is immersed in the organic solvent solution (pTS solution).

pTSの溶媒となり得る有機溶媒と、これに含有させる酸化成分は、上述した「第1の付着方法のpTS溶液の有機溶媒と酸化成分」と同一である。また、当該pTS溶液に含有させることができる「他の成分」も、上述した「第1の付着方法のpTS溶液における他の成分」と同一である。   The organic solvent that can be a solvent of pTS and the oxidizing component contained therein are the same as the above-mentioned “organic solvent and oxidizing component of pTS solution in the first attachment method”. The “other components” that can be contained in the pTS solution are the same as the “other components in the pTS solution of the first attachment method” described above.

pTS溶液中の酸化成分の含有量は、用いる酸化成分の種類によっても異なり、上記の重合反応を活性化できる量であれば、特に限定されない。例えば、第二鉄イオン(Fe3+)であれば、塩化第二鉄として、pTS溶液に対して1−10質量%が好適であり、さらに好適には3−7質量%である。この含有量が多すぎると重合反応の進行は速いが、後工程での鉄の除去が困難になり、少なすぎると重合反応の進行が遅くなる。 The content of the oxidizing component in the pTS solution differs depending on the type of the oxidizing component used, and is not particularly limited as long as the above-mentioned polymerization reaction can be activated. For example, in the case of ferric ion (Fe 3+ ), the ferric chloride is preferably 1 to 10% by mass, more preferably 3 to 7% by mass, based on the pTS solution. If this content is too large, the progress of the polymerization reaction is fast, but it is difficult to remove iron in the subsequent step, and if it is too small, the progress of the polymerization reaction is slow.

pTS溶液中のドーパントとして働くpTSの含有量は、当該溶液に対して0.1−10質量%が好適であり、さらに好適には0.15−7質量%、特に好適には1−6質量%、最も好適には2−5質量%である。   The content of pTS serving as a dopant in the pTS solution is preferably 0.1 to 10% by mass, more preferably 0.15 to 7% by mass, and particularly preferably 1 to 6% by mass with respect to the solution. %, Most preferably 2-5% by weight.

第2の付着方法では、次に、上記の基材が浸漬されているPTS溶液に、モノマーのEDOTを添加した後、50−100℃で、好ましくは10分−60分間、さらに好ましくは50−80℃、10−40分間、極めて好ましくは60−80℃、10−30分間の加熱を行う。加熱後、溶液から基材を取り出し、好ましくは水、さらに好適には蒸留水または脱イオン水で洗浄した後、恒温槽、熱風若しくは温風、天日等により乾燥させる。   In the second attachment method, next, EDOT as a monomer is added to the PTS solution in which the above-described base material is immersed, and then at 50-100 ° C., preferably for 10 minutes to 60 minutes, and more preferably for 50 minutes. Heating is carried out at 80 ° C. for 10-40 minutes, very preferably at 60-80 ° C. for 10-30 minutes. After heating, the substrate is taken out of the solution, washed with water, more preferably distilled water or deionized water, and then dried in a thermostatic oven, hot air or warm air, sunlight, or the like.

この工程におけるpTS溶液とEDOTの使用量比は、容積比でpTS溶液:EDOT=10:1−100:1、好適には20:1−40:1である。   The used amount ratio of the pTS solution and EDOT in this step is pTS solution: EDOT = 10: 1-100: 1, preferably 20: 1-40: 1 in volume ratio.

(3)基材へのPEDOT−PSSの付着
PEDOT−PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-polystyrenesulfonate)は、PEDOT−PSSを含む導電性の溶液に、紙を含有する基材を浸漬し、当該基材を導電性の溶液から垂直に引き上げながら電極間で走行させて通電することにより、当該基材に付着したPEDOT−PSSを電気化学的に重合固定する、いわゆる電解重合法により付着させることができる(特許文献3)。また、PEDOT−PSSとバインダー樹脂とを混合した樹脂組成物をストレッチ性が付与された糸に付着させ、乾燥、加温、加熱等により固化又は重合させることにより付着させることができる(特許文献4)。あるいは、微粒子化(平均粒径は10ミクロン程度)したPEDOT−PSSを溶液/溶媒中に分散させた水溶性/溶媒分散液を基材に吸着させることで、当該基材を導電性化することが可能である(実施例5の手法)。
(3) Attachment of PEDOT-PSS to a substrate PEDOT-PSS (Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) -polystyrenesulfonate) is obtained by immersing a substrate containing paper in a conductive solution containing PEDOT-PSS. The PEDOT-PSS adhered to the substrate is electrochemically polymerized and fixed by applying the current by moving the substrate between the electrodes while vertically lifting the substrate from the conductive solution. (Patent Document 3). Further, a resin composition in which PEDOT-PSS and a binder resin are mixed is attached to a yarn to which stretchability has been imparted, and can be attached by solidifying or polymerizing by drying, heating, heating, or the like (Patent Document 4). ). Alternatively, the substrate is made conductive by adsorbing the water-soluble / solvent dispersion obtained by dispersing PEDOT-PSS finely divided (average particle size is about 10 microns) in a solution / solvent on the substrate. Is possible (the method of the fifth embodiment).

(4)導電性材の性質
このようにして製造される本発明の導電性材は、生体適合性が高く、しかも比較的安価に製造可能であり、かつ、本質的な基材である紙の本来の電気抵抗値(インピーダンスを含む)が高く、導電性材として通電した際の、電流値、抵抗値、電気容量値の変動幅が大きいという特徴を有している。この特徴から、後述する力覚素子としての用途や、離隔動作識別素子としての用途に適している。また、上記のPEDOT−PSSの微粒子態様の高濃度分散液を選択し、基材への付着密度を高めることにより、電気抵抗値をより低くすることで、筋肉の内部や皮膚表面からの電位測定用の電極素子としての用途に用いることも可能である。
(4) Properties of Conductive Material The conductive material of the present invention produced in this manner has high biocompatibility, can be produced relatively inexpensively, and has an essential base material of paper. It has the characteristic that the original electric resistance value (including impedance) is high, and the fluctuation range of the current value, the resistance value, and the electric capacitance value when energized as a conductive material is large. From this feature, it is suitable for use as a force sense element to be described later and use as a separation operation identification element. In addition, by selecting a high-concentration dispersion in the form of fine particles of PEDOT-PSS described above and increasing the adhesion density to the substrate, thereby lowering the electrical resistance value, the potential measurement from inside the muscle or from the skin surface It is also possible to use it for the use as an electrode element for use.

2.本発明の電気的素子
電気的素子とは、何らかの電気的な役割を行うための単位であり、例えば、生体電極等として働く電極素子、外力を電気的な信号により検知する媒体としての力覚素子、及び、後述する離隔動作識別素子を含有するものである。
2. Electric element of the present invention The electric element is a unit for performing some electric role, for example, an electrode element acting as a biological electrode or the like, a haptic element as a medium for detecting external force by an electric signal , And a separation operation identification element described later.

(1)生体電極素子
本発明の電気的素子が「生体電極」としての態様である場合には、(a)表面用電極素子、又は、(b)穿刺用電極素子、に大別される。
(1) Biological electrode element When the electric element of the present invention is in the form of a "biological electrode", it is roughly classified into (a) a surface electrode element or (b) a puncture electrode element.

(a)表面用電極素子の場合は、電極素子の皮膚との接触可能面積が、0.25−100cm2であることが好適であり、特に当該電極素子の形状が「糸状」又は「シート状」であることが好適である。 (A) In the case of a surface electrode element, the area of the electrode element that can be in contact with the skin is preferably 0.25 to 100 cm 2 , and in particular, the shape of the electrode element is “thread-like” or “sheet-like”. Is preferable.

(b)穿刺用電極素子の場合は、電極素子を直接的に生体組織に差し入れる構造を有している態様が挙げられる。この場合の電極素子の形状は、典型的には、線状又は針状であり、これらの形状の先端部から生体内への刺し入れを行うことができる。穿刺用電極素子の生体組織との接触可能表面積は、0.0004−0.02cm2が好適である。 (B) In the case of a puncture electrode element, an embodiment having a structure in which the electrode element is directly inserted into a living tissue may be mentioned. In this case, the shape of the electrode element is typically a linear shape or a needle shape, and the tip of the shape can be inserted into a living body. The contactable surface area of the puncture electrode element with the living tissue is preferably 0.0004 to 0.02 cm 2 .

これらの生体電極素子は、筋電センサシステム又は脳波センサシステムに好適に用いることができる。   These bioelectrode elements can be suitably used for a myoelectric sensor system or an electroencephalogram sensor system.

生体電極素子の非実質部分、例えば、導電材、絶縁材、導電コネクタ、素子を覆うためのカバー材、素子を別の対象に付着させるための接着材、素子を保護するためのクッション材や充填材等も、本発明の電気的素子に含まれる。   Non-substantial portions of the bioelectrode element, for example, conductive material, insulating material, conductive connector, cover material for covering the element, adhesive material for attaching the element to another object, cushion material or filling for protecting the element Materials and the like are also included in the electric element of the present invention.

(2)力覚素子
「力覚素子」とは、感圧素子の上位概念の素子であり、素子にかかった外力の大きさと変動を、電気特性値として検知する素子である。
(2) Haptic element The “haptic element” is an element of a higher concept of the pressure-sensitive element, and detects the magnitude and fluctuation of an external force applied to the element as an electrical characteristic value.

「外力」は、押圧力又は引っ張り力であることが典型的である。「電気特性値」は、電圧値、電流値(直流、交流のいずれも含む)、電気抵抗値(インピーダンス値を含む)、あるいは静電容量値であり、本発明では電気抵抗値又は静電容量値を用いることが好適である。   “External force” is typically a pressing force or a pulling force. The “electric characteristic value” is a voltage value, a current value (including both direct current and alternating current), an electric resistance value (including an impedance value), or a capacitance value. In the present invention, the electric resistance value or the capacitance value Preferably, a value is used.

本発明の力覚素子においては、これに用いられる素子の基材である布地(編物又は織物)を構成する糸は、「上撚りした糸」(上撚糸)が好ましい。   In the haptic element of the present invention, the yarn constituting the fabric (knitted or woven fabric) which is the base material of the element used for the haptic device is preferably a “twisted yarn” (uptwist yarn).

「上撚り」とは、撚糸における「下撚り」(単糸にかかっている撚り)に対応する概念であり、2本以上の単糸を撚り合わせて1本の糸にする場合の撚りのことをいう。本発明の上撚りの対象となる単糸の本数は特に限定されないが、2本(双糸)、3本(三子糸)、又は、4本(四子糸))、さらにそれ以上の本数の単糸を用いることができる。単糸における下撚りの有無は、特に限定されない。また、上撚糸として、片撚糸、諸撚糸、駒撚糸、壁撚糸等を選択可能であり、特に限定されない。また、上撚りの撚り数は、撚り数10以上500T/m未満の甘撚であっても、500以上1000T/m未満の中撚であっても、1000以上2500T/m未満の強撚であっても、2500T/m以上の極強撚であってもよい。また、本発明においては、ポリウレタン等のフィラメント糸を芯糸として、他の単糸を一重又は二重以上に巻き付ける「カバーリング」を上撚りとして含め、これが行われた糸を「上撚糸」として含める。   The term “twisting” is a concept corresponding to “primary twisting” (twisting applied to a single yarn) in a twisted yarn. Twisting when two or more single yarns are twisted into one yarn. Say. The number of single yarns to be twisted in the present invention is not particularly limited, but is two (double yarn), three (three yarns), or four (four yarns)), and more. Can be used. The presence or absence of the primary twist in the single yarn is not particularly limited. Further, as the upper twisted yarn, single twisted yarn, various twisted yarn, piece twisted yarn, wall twisted yarn, and the like can be selected, and there is no particular limitation. In addition, the number of twists of the upper twist is a strong twist of 1000 or more and less than 2500 T / m, even if the number of twists is a sweet twist of 10 or more and less than 500 T / m, a middle twist of 500 or more and less than 1000 T / m. Alternatively, an extremely strong twist of 2500 T / m or more may be used. In the present invention, a filament yarn such as polyurethane is used as a core yarn, and a `` covering '' in which another single yarn is wound single or double or more is included as a ply twist. include.

例えば、電気抵抗値に着目すれば、布地垂直面(厚さ方向)への押圧力や平面における引っ張り力がかかることにより、布地の押圧部分を構成するPEDOT−pTS、又は、PEDOT−PSSが付着した上撚糸において、上述した実質的な断面積の増大が起こる。また、PEDOT−pTS、又は、PEDOT−PSSが付着した糸同士が、当該押圧力又は引っ張り力により合わさることによる見かけ上の断面積の増大が起こる場合もある。   For example, if attention is paid to the electric resistance value, PEDOT-pTS or PEDOT-PSS constituting the pressed portion of the fabric adheres due to the pressing force applied to the vertical surface (thickness direction) or the tensile force in the plane. In the twisted upper yarn, the substantial increase in the cross-sectional area described above occurs. In addition, the apparent cross-sectional area may increase due to the yarns to which PEDOT-pTS or PEDOT-PSS adheres to each other due to the pressing force or the pulling force.

さらに静電容量値に着目すれば、厚さ方向への押圧力や平面における引っ張り力がかかることにより、布地の押圧部分を構成するPEDOT−pTS、又は、PEDOT−PSSが付着した上撚糸間の空間容積が変動することにより、当該部分の静電容量も変動する。   Further focusing on the capacitance value, by applying a pressing force in the thickness direction or a tensile force in a plane, the PEDOT-pTS or the PEDOT-PSS forming the pressed portion of the fabric between the twisted yarns to which the PEDOT-PSS is attached. When the space volume fluctuates, the capacitance of the portion also fluctuates.

なお、この場合の断面積が増減する糸や、糸同士の空間容積が変動に係わる糸は、布地レベルで上記の仕組みによる動きの変化の検知を行うことができる限り、全てが上撚糸である必要はない。   In addition, in this case, all the yarns whose cross-sectional area increases or decreases or the yarns related to the fluctuation of the space volume between the yarns are top-twisted yarns as long as the change in the movement by the above mechanism can be detected at the fabric level. No need.

上述のように、上撚糸としては、例えば、片撚糸、諸撚糸、駒撚糸、壁撚糸等を選択可能であるが、片撚糸、諸撚糸、又は、駒撚糸が好ましい。片撚糸は、1本又は2本以上の単糸を引き揃えて右撚か左撚をかけてなる上撚糸である。諸撚糸は、片撚り(原則として甘撚糸又は中撚糸)のかかった単糸を2本以上引き揃えて、さらに片撚りと反対方向の撚りをかけてなる上撚糸である。駒撚糸は、片撚り(強撚糸)のかかった単糸を2本以上引き揃えて、さらに片撚りと反対方向の撚りをかけてなる上撚糸である。これらの3種類の上撚糸は、互いの構成単糸同士が、引っ張り力により側面が接近して、所望する見かけ上の糸断面積を増大させることができる。   As described above, as the upper twisted yarn, for example, a single twisted yarn, a multiple twisted yarn, a piece twisted yarn, a wall twisted yarn, or the like can be selected, but a single twisted yarn, a multiple twisted yarn, or a piece twisted yarn is preferable. The single twisted yarn is an upper twisted yarn obtained by aligning one or two or more single yarns and twisting them with a right twist or a left twist. The ply-twisted yarn is an upper-twisted yarn obtained by aligning two or more single-twisted yarns (in principle, a sweet-twisted yarn or a medium-twisted yarn) and twisting the yarn in the opposite direction to the single-twisted yarn. The piece twisted yarn is an upper twisted yarn obtained by drawing two or more single twisted (strong twisted) yarns and twisting them in the direction opposite to the single twist. In these three types of upper twisted yarns, the side surfaces of the constituent single yarns approach each other due to the tensile force, and the desired apparent yarn cross-sectional area can be increased.

この上撚糸自体のみかけの断面積の形状弾性回復性を伴う変動の他に、力覚素子に所定方向の外力が加えられることにより、外力の大きさに応じて編物又は織物の形状が変化し、その中のPEDOT−pTS、又は、PEDOT−PSSが付着している糸同士が新たに接触し、かつ、力を加えることを止めると、外力によって変化した場の形状が元に戻る形状弾性回復性を有することが、電気抵抗値を指標にする場合にも、静電容量値を指標にする場合にも好ましい。すなわち、編物又は織物の平面に対して厚さ方向の押圧力がかかることにより、当該平面が厚さ方向へと引っ張られて、その際に編物又は織物を構成する糸における互いに新たな接触状態が作出され、押圧力が解除されると当該接触状態は解除されて元の状態に戻る態様の形状弾性回復性を伴うことが好ましい。また、編物又は織物の縁に対して引っ張り力が働くと、その力により、当該平面が横方向に引っ張られて、その際に編物又は織物を構成する糸において互いに新たな接触状態が作出され、引っ張り力が解除されると当該接触状態は解除されて元の状態に戻る形状弾性回復性を有することが好ましい。編物又は織物の形状弾性回復性に優れていれば、本発明の力覚素子におけるヒステリシスを小さくすることが可能であり、好適である。   In addition to the change involving the shape elastic recovery of the apparent cross-sectional area of the apparent twisted yarn itself, the external force in a predetermined direction is applied to the haptic element, so that the shape of the knitted or woven fabric changes according to the magnitude of the external force. When the yarns to which the PEDOT-pTS or PEDOT-PSS adheres newly contact each other and stop applying the force, the shape of the field changed by the external force returns to the original shape elasticity recovery. It is preferable to have the property both when the electric resistance value is used as an index and when the capacitance value is used as an index. That is, when a pressing force in the thickness direction is applied to the plane of the knitted or woven fabric, the plane is pulled in the thickness direction, and at this time, a new contact state between the yarns constituting the knitted or woven fabric is generated. It is preferable that the contact state is released when the pressing force is released when the pressure is released, and that the contact state returns to the original state. Further, when a pulling force acts on the edge of the knitted or woven fabric, the force pulls the plane in the lateral direction, and at that time, a new contact state is created between the yarns constituting the knitted or woven fabric, When the pulling force is released, the contact state is preferably released, and the elastic member has a shape elastic recovery property that returns to the original state. If the knit or woven fabric is excellent in shape elasticity recovery, the hysteresis in the force sense element of the present invention can be reduced, which is preferable.

編物又は織物は、単層であっても、複層であってもよい。単層であっても、編み方や織り方により、厚さ方向における糸同士の重なり合いを設けることが可能であり、この厚さ方向の重なり合いに対して外力をかけることにより、当該糸同士における見かけ上の断面積を増加させることや、糸同士の間の空間容積を変動させることができる。   The knitted or woven fabric may be a single layer or a multilayer. Even if it is a single layer, it is possible to provide an overlap between the yarns in the thickness direction by knitting and weaving, and by applying an external force to the overlap in the thickness direction, the apparent appearance of the yarns is obtained. The upper cross-sectional area can be increased, and the volume of space between the yarns can be varied.

編物(ニット)は、基本的には一本の糸からなる布地であり、糸のループに、糸を次々と引っかけて、連続して形成された糸のループ(編み目)からなる布地である。織物のように、縦糸と横糸は用いない。一般的に、編物は織物よりも、上撚糸における「糸の内部における見かけ上の断面積の増加」と糸同士における「糸同士の側面の重なり合いによる見かけ上の断面積の増加」、あるいは、「糸同士の空間容積の変動」を、同一の外力に対してより容易に起こすことが可能である。   A knitted fabric (knit) is basically a fabric made of a single thread, and is a fabric made of a loop (a stitch) of a thread formed by successively hooking a thread on a thread loop. Warp and weft are not used, as in woven fabrics. In general, knitted fabrics are more woven than woven fabrics because of the "increase in apparent cross-sectional area inside the yarn" and the "increase in apparent cross-sectional area due to the overlapping of the side surfaces of the yarns" between the yarns, or " It is possible to more easily cause the "fluctuation in the space volume between the yarns" for the same external force.

本発明において用いられる編物は、特に限定されず、機械編み(横編機、経編機、丸編機、トリコット編機、ラッシェル編機、ミラニーズ編機、ゴム編機、インタロック編機等による)、棒針編み、鉤針編み、アフガン編み等のいずれの編み方で作成されたものであってもよい。編みの組織も限定されず、例えば、平編、鹿の子編、ゴム編、パール編、タック編、移し編、方あぜ編、両あぜ編、両面編、振り編、ペレリン編、浮き編、パイル編、添え糸編、縄編、インターシア、ラップ編、ノンラン組織、鎖編、シングルトリコット編、シングルコード編、シングルアトラス編、二目編、シングルサテン編、シングルベルベット編、プレーントリコット編、ダブルアトラス編、ダブルコード編、ハーフトリコット編、逆ハーフ、クインズコード編、サテントリコット編、ダブルトリコット編、ベルベット編、シェル編、ノップ編、つづれ編、たて糸挿入編、マーキーゼット、落下板組織、ネット編、ミラニーズ編、たてよこ糸挿入編、よこ糸挿入編等が挙げられる。   The knitted fabric used in the present invention is not particularly limited, and may be a machine knitting machine (a flat knitting machine, a warp knitting machine, a circular knitting machine, a tricot knitting machine, a Raschel knitting machine, a Miranese knitting machine, a rubber knitting machine, an interlock knitting machine, or the like). ), Bar needle knitting, hook needle knitting, Afghan knitting and the like. The organization of the knitting is not limited, for example, flat knitting, kanoko knitting, rubber knitting, pearl knitting, tack knitting, transfer knitting, knitting, double knitting, double-sided knitting, swing knitting, perelin knitting, floating knitting, pile knitting , Attached thread knitting, Rope knitting, Intersia, Wrap knitting, Non-run organization, Chain knitting, Single tricot knitting, Single cord knitting, Single atlas knitting, Second stitch knitting, Single satin knitting, Single velvet knitting, Plain tricot knitting, Double atlas Knitting, double cord knitting, half tricot knitting, reverse half, Queen's cord knitting, satin tricot knitting, double tricot knitting, velvet knitting, shell knitting, knot knitting, sword knitting, warp thread insertion knitting, marqueet, dropping plate structure, net knitting , Miranese knitting, warp weft inserting knitting, weft inserting knitting and the like.

織物は、縦糸に横糸を組み合わせて作られる布地である。本発明において用いられる織物の組織は特に限定されない。例えば、平織り、綾織り、朱子織り、の三原組織として用いることができる。さらに、三原組織を変化させ、又は、組み合わせた変化組織であってもよく、一重特別組織や紋織り組織であってもよい。さらに、経二重織物、緯二重織物、経緯二重織物、パイル織物、タオル織物、搦み織物等の多重の織物であってもよい。上記のように多重の織物は、厚さ方向における糸同士の重なり合いを設けることが可能であり、この厚さ方向の重なり合いに対して外力をかけることにより、当該糸同士における見かけ上の断面積を増加させることができ、糸間で形成される空間容積の変動量を大きくすることも可能である。   Woven fabric is a fabric made by combining warp and weft. The structure of the woven fabric used in the present invention is not particularly limited. For example, it can be used as a three-layer structure of plain weave, twill weave, and satin weave. Further, a three-dimensional structure may be changed or a combined structure obtained by changing or combining the three structures, or a single special structure or a woven structure. Furthermore, multiple woven fabrics such as a double woven fabric, a double woven fabric, a double woven fabric, a pile woven fabric, a towel woven fabric, and a tangled woven fabric may be used. As described above, the multiple woven fabrics can provide an overlap between the yarns in the thickness direction, and by applying an external force to the overlap in the thickness direction, the apparent cross-sectional area between the yarns can be reduced. It is possible to increase the amount of variation in the space volume formed between the yarns.

編み目ないし織り目は、力覚素子として用いる部分は、均等であることが、外力に対して全面等しい感受性を得るために好ましいが、例えば、糸のほつれを防ぐために、必要に応じて閉じ編み部分ないし閉じ織り部分を、編物ないし織物において、外縁等に設けることも可能である。また、編み目ないし織り目は、外力に対して適切な感受性を得るために、頻度ないし大きさを調節することができる。編み目ないし織り目を大きくすると、構成糸同士の重なり合いによる見かけ上の断面積の増加、あるいは、糸間の空間容積の変動量は抑制される傾向になるが、力覚素子として出力する単位面積当たりの電気特性値についての情報量を減ずることが可能であり、データ圧縮につなげることができる。逆に編み目を小さくすると、構成糸同士の重なり合いによる見かけ上の断面積の増加や糸間の空間容積の変動量が増加する傾向になり、鋭敏性は得られるが電気特性値についての情報量が過多になり、多くのノイズが取り込まれてしまう可能性も生ずる。   The stitches or weaves are preferably uniform in the portions used as the haptic element in order to obtain the same overall sensitivity to external force.For example, in order to prevent the yarn from fraying, the closed stitch portions or It is also possible to provide the closed woven portion on the outer edge or the like of the knitted or woven fabric. Further, the stitches or the stitches can be adjusted in frequency or size in order to obtain appropriate sensitivity to external force. Increasing the stitch or texture increases the apparent cross-sectional area due to the overlapping of the constituent yarns, or the amount of variation in the space volume between the yarns tends to be suppressed, but the output per unit area as a force-sensing element It is possible to reduce the amount of information on the electric characteristic value, which can lead to data compression. Conversely, when the stitches are reduced, the apparent cross-sectional area due to the overlapping of the constituent yarns and the variation in the space volume between the yarns tend to increase. There is a possibility that the noise becomes excessive and a lot of noise is taken in.

本発明の力覚素子の実質部分、すなわち、外力を検知する部分である編物又は織物の平面サイズは、狭すぎるとノイズとの区別が付きにくくなるので、外力の全方向を検知する素子の場合は1cm2以上であることが好ましい。外力の所定方向のみを検知する素子の場合は、所定方向の長さが1cm以上あれば、他の方向の長さはそれよりも狭くてもよい。極端に広くすると、局所的な動きの変化が小さい場合には、ノイズでマスキングされてしまい検知が困難になる。ただし、個々の素子の大きさを小さくしつつ、これらを対象物の動きを検知する範囲の全面に分布配置する「素子の多チャンネル化」を行い、個々の素子から得られる動きの変化を、時間軸上に当て嵌めてプロットすることにより、対象物全体の動きの経時的変化を検知することが可能である。この場合の個々の素子の大きさ(平面サイズ)は、上述と同じく1cm2以上であることが好ましい。多チャンネルとした場合の素子の数は、特に限定されず、対象の大きさ等に応じて選択することができる。 The substantial part of the force-sensing element of the present invention, that is, the plane size of the knitted or woven fabric that is the part for detecting external force is difficult to distinguish from noise if it is too small, so in the case of an element that detects all directions of external force. Is preferably 1 cm 2 or more. In the case of an element that detects only a predetermined direction of the external force, the length in the other direction may be narrower as long as the length in the predetermined direction is 1 cm or more. If the width is extremely wide, if the change in the local motion is small, the motion is masked by noise and detection becomes difficult. However, while reducing the size of the individual elements, they perform `` multi-channelization of the elements '' to distribute and arrange them over the entire range of detecting the movement of the object, and change the movement obtained from the individual elements, By fitting and plotting on the time axis, it is possible to detect a temporal change in the movement of the entire object. In this case, the size (planar size) of each element is preferably 1 cm 2 or more as described above. The number of elements in the case of multi-channel is not particularly limited, and can be selected according to the size of the target and the like.

このように本発明の力覚素子は、後述する力覚センサの検知部に対して1個の素子が電気的に接続する1チャンネルタイプであっても、2個以上の素子が電気的に接続する多チャンネルタイプであってもよい。本発明の素子においては、従来、過度の多チャンネル化が必要であった広い面積の重量変動等に対しても、例えば布地の面積をある程度まで大きくすることで、単チャンネルとする、又は、チャンネル数を少なくすることが容易になった。   As described above, even if the force sensor of the present invention is a one-channel type in which one device is electrically connected to a detection unit of a force sensor described later, two or more devices are electrically connected. Multi-channel type. In the device of the present invention, conventionally, even with respect to a large area weight fluctuation or the like that required excessive multi-channeling, for example, by increasing the area of the fabric to a certain extent, a single channel, or It became easy to reduce the number.

離隔動作識別素子の非実質部分、例えば、導電材、絶縁材、導電コネクタ、素子を覆うためのカバー材、素子を別の対象に付着させるための接着材、素子を保護するためのクッション材や充填材等も、本発明の力覚素子に含まれる。   Non-substantial part of the separation operation identification element, for example, conductive material, insulating material, conductive connector, cover material for covering the element, adhesive material for attaching the element to another object, cushion material for protecting the element, Fillers and the like are also included in the haptic element of the present invention.

(3)離隔動作識別素子
「離隔動作識別素子」とは、非接触状態の動きを当該素子における電気特性値の変動により識別する素子である。電気特性値としては、電気抵抗値又は静電容量値が好適であり、静電容量値が最も好適である。
(3) Separation operation identification element The “separation operation identification element” is an element that identifies a movement in a non-contact state by a change in an electrical characteristic value of the element. As the electric characteristic value, an electric resistance value or a capacitance value is preferable, and a capacitance value is most preferable.

「非接触状態」とは、素子と動きの主体の間に何らかの隔たりがある、という意味である。本発明に係わる他の素子は、素子を生体に接触させて、その生体反応や動きを、電気特性値を媒介にして検出するものであるのに対して、離隔動作識別素子は、逆に、動きの主体(対象物)から離れたところに、1個の素子を置いて、例えば、隔たりが空間の場合には対象物の接近により、素子と当該対象物の間に新たな電界が生じ、これが対象物の動きに応じて変化することにより、素子の静電容量値が変動する。また、隔たりがヒトの皮膚と筋肉の場合(例えば、皮膚上に当該素子を載置して、血流の変化を検出対象とする場合)には、当該素子と皮膚との間に絶縁体を介在させることにより、血流の拍動による変化に応じた、当該素子における静電容量の変化を検出することにより、血流の変化を把握することが可能である。   “Non-contact state” means that there is some gap between the element and the subject of the movement. Other elements according to the present invention, the element is brought into contact with the living body, the biological reaction and movement is to detect through the electrical characteristic value, while the separation operation identification element, on the contrary, When one element is placed away from the subject of movement (object), for example, when the distance is a space, the approach of the object causes a new electric field between the element and the object, This changes in accordance with the movement of the object, so that the capacitance value of the element changes. When the gap is between human skin and muscle (for example, when the element is placed on the skin and a change in blood flow is to be detected), an insulator is placed between the element and the skin. By intervening, it is possible to detect a change in the blood flow by detecting a change in the capacitance of the element according to the change due to the pulsation of the blood flow.

離隔動作識別素子として、本発明の導電性材は、上記力覚素子と同様に素材が布地(編物又は織物)であることが好適であり、さらに、単層よりも多層の布地であることが好適である。当該布地を構成する糸には、前記の上撚糸が含まれる。   As the separation operation identification element, the conductive material of the present invention is preferably made of a fabric (knitted or woven fabric) as in the case of the haptic element, and may be a multilayer fabric rather than a single layer. It is suitable. The yarn constituting the fabric includes the above-mentioned twisted yarn.

離隔動作識別素子の非実質部分、例えば、導電材、絶縁材、導電コネクタ、素子を覆うためのカバー材、素子を別の対象に付着させるための接着材、素子を保護するためのクッション材や充填材等も、本発明の離隔動作識別素子に含まれる。   Non-substantial part of the separation operation identification element, for example, conductive material, insulating material, conductive connector, cover material for covering the element, adhesive material for attaching the element to another object, cushion material for protecting the element, Fillers and the like are also included in the separating operation identification element of the present invention.

3.本発明のセンサ
本発明のセンサは、本発明の電気的素子(力覚素子又は離隔動作識別素子を含む)と、当該電気的素子と電気的に接続された検知部を備え、当該検知部が、当該電気的素子における電気特性値を検知することを特徴とするセンサである。
3. Sensor of the Present Invention The sensor of the present invention includes the electric element of the present invention (including a haptic element or a separation motion identification element) and a detecting unit electrically connected to the electric element. A sensor for detecting an electric characteristic value of the electric element.

(1)力覚センサ又は離隔動作識別センサ
本発明のセンサが力覚センサ又は離隔動作識別センサである場合は、電気特性値、好ましくは電気抵抗値又は静電容量値(離隔動作識別センサの場合は静電容量値が好適である)の変動を検知するものであるため、電圧印加部を備えるか、これに接続可能になっている。電圧印加部は、電池等の直流電源や、商用電源や家庭用電源等の交流電源等である。また、必要に応じて、整流器、コンデンサ、抵抗端子、コイル、トランジスタ、ダイオード等の電気回路、電子回路、デジタル回路等に通常用いられる設備が設けられていても良い。
(1) Force sensor or separation operation identification sensor When the sensor of the present invention is a force sensor or separation operation identification sensor, an electric characteristic value, preferably an electric resistance value or a capacitance value (in the case of a separation operation identification sensor) Is suitable for detecting fluctuations in the capacitance value, the voltage application unit is provided or can be connected to the voltage application unit. The voltage applying unit is a DC power supply such as a battery or an AC power supply such as a commercial power supply or a household power supply. If necessary, equipment generally used for an electric circuit such as a rectifier, a capacitor, a resistor terminal, a coil, a transistor, and a diode, an electronic circuit, a digital circuit, and the like may be provided.

本発明の力覚素子又は離隔動作識別素子における電気抵抗値や静電容量値等の変動は、素子に加えられる力(力覚素子)や対象物の動き(離隔動作識別素子)に相関して生ずるものであり、上記検知部は、これらの本発明の素子における電気抵抗値や静電容量値等の変動を定量的に検知することで、外部から本発明の素子に対して与えられた力や対象物の動きを定量化することができる。検知部には、この定量値を算出処理するための算出処理部が適宜含まれていてもよい。また、さらに学習部を設けて機械学習を行うことにより、当該検出対象の動きと電気抵抗値や静電容量等の変動についての学習済みデータを作出して、新たな検出対象の動きを、当該学習済みデータを基に割り出すことが可能である。さらに、この学習済みデータを適宜更新してもよい。   Fluctuations in the electric resistance value, the capacitance value, and the like in the haptic element or the separation operation identification element of the present invention are correlated with the force (force sensor element) applied to the element and the movement of the object (separation operation identification element). The detection unit quantitatively detects a change in an electric resistance value, a capacitance value, or the like in the device of the present invention, and thereby a force externally applied to the device of the present invention. And the movement of the object can be quantified. The detection unit may appropriately include a calculation processing unit for calculating this quantitative value. Further, by further providing a learning unit and performing machine learning, learned data on the movement of the detection target and fluctuations of the electric resistance value, the capacitance, and the like is created, and the movement of the new detection target is generated by the learning unit. It is possible to determine based on the learned data. Further, the learned data may be updated as appropriate.

本発明の力覚素子と上記検知部、学習部は、有線又は無線により電気的に接続されている。   The haptic element of the present invention, the detection unit, and the learning unit are electrically connected by wire or wirelessly.

なお、ヒステリシスは、計測毎にリセットをかける、すなわち、ゼロ点補正を計測毎にかけることで、その分を補正することができる。   Note that the hysteresis can be corrected by resetting each measurement, that is, by applying a zero point correction for each measurement.

(2)他の形態のセンサ
本発明の電気的素子の一部に、体内に薬液を注入するための注入機構を設けて、筋肉の活動電位や脳波に応じた薬液を体内に供給することが可能である。例えば、薬物輸送のための管を注入機構として設けることが挙げられる。また、薬物輸送手段を電気的素子の基材である紙における浸透圧移動とすることにより、電極素子と薬物輸送路を一体化することも可能である。薬物としては、例えば、脳電極として本発明の電気的素子を用いる場合は、中枢神経活動を調節する薬物、例えばグルタミン酸、GABA、アセチルコリン、セロトニン等の神経伝達物質や、神経障害を緩和するNGF等の神経成長因子や、BDNF等の神経栄養因子や、GSNO(S-Nitrosoglutathione)や、各種のホルモン等が挙げられる。
(2) Another form of sensor A part of the electric element of the present invention is provided with an injection mechanism for injecting a drug solution into the body, and can supply a drug solution corresponding to the action potential of the muscle or brain wave to the body. It is possible. For example, a tube for drug transport may be provided as an injection mechanism. Further, by making the drug transport means an osmotic pressure transfer in paper which is a base material of the electric element, the electrode element and the drug transport path can be integrated. As the drug, for example, when the electrical element of the present invention is used as a brain electrode, a drug that regulates central nervous activity, for example, a neurotransmitter such as glutamate, GABA, acetylcholine, or serotonin, or an NGF that relieves neuropathy Nerve growth factors, neurotrophic factors such as BDNF, GSNO (S-Nitrosoglutathione), and various hormones.

本発明の電気的素子を、筋電センサシステムと脳波センサシステムに用いることが可能である。この場合は、電気的素子として生体電極素子(表面用電極又は穿刺用電極)、あるいは、離隔動作識別センサを用いるが、これらのセンサシステムとして必要な他の機構を備えている。例えば、電気的素子の他に、増幅部、誘発電位を得るための各種刺激部、解析・記録・加算・校正等を行う解析部、音声や動画等により筋電や脳波の動きを表示する表示部等が必要に応じて備わっている。電気信号の伝達手段は、有線であっても無線であってもよい。   The electric element of the present invention can be used for a myoelectric sensor system and an electroencephalogram sensor system. In this case, a living body electrode element (surface electrode or puncture electrode) or a separation operation identification sensor is used as an electrical element, but other mechanisms necessary for these sensor systems are provided. For example, in addition to electrical elements, amplifying unit, various stimulating units for obtaining evoked potentials, analyzing unit for analyzing, recording, adding, calibrating, etc., display for displaying the movement of myoelectricity and EEG by voice and video etc. Departments are provided as needed. Means for transmitting the electric signal may be wired or wireless.

筋電センサシステムと脳波センサシステムは、それぞれ他の種類の生体シグナルと同期させることによって、筋肉や脳の状態把握をより突っ込んで行うことが可能であり、筋電センサシステムであれば、例えば、血圧、心電信号、パルスオキシ信号、筋力、関節角度等を組み合わせて同期させることができる。   The myoelectric sensor system and the electroencephalogram sensor system can perform more detailed grasping of the muscle and brain states by synchronizing with other types of biological signals, respectively. Blood pressure, electrocardiogram signal, pulse oxy signal, muscle strength, joint angle, etc. can be combined and synchronized.

脳波センサシステムであれば、脳波と眼球運動を示す筋電信号を同期させることも可能である。この脳波と筋電信号の組み合わせの場合の生体電極として、本発明の電気的素子は有用である。   With an electroencephalogram sensor system, it is also possible to synchronize electroencephalograms and myoelectric signals indicating eye movements. The electric element of the present invention is useful as a biological electrode in the case of the combination of the brain wave and the myoelectric signal.

以下、本発明の実施例を記載する。   Hereinafter, examples of the present invention will be described.

[材料]
本発明の導電性材の基材として、太さ240デニール(22番手)の和紙糸(上撚りが甘撚の双糸:温度22℃・湿度50%で伸縮率16%)を用いて鹿の子編み(10cm幅で50目、50段)にした伸縮性を有する布地(30cm×30cm)を入手した。
[material]
Kanoko knitting using 240 denier (22th count) Japanese paper yarn (twisted with a twisted sweet twist: a temperature of 22 ° C., a humidity of 50%, and an expansion rate of 16%) as the base material of the conductive material of the present invention. (10 cm width, 50 stitches, 50 steps) An elastic fabric (30 cm × 30 cm) was obtained.

pTS溶液としては、遷移金属の鉄(III)イオンとpTSとを含むブタノール溶液(Heraeus社製 CLEVIOS C-B 40 V2:p−トルエンスルホン酸鉄(III)として、約4質量%である:「CLEVIOS」は登録商標)を用いた。EDOTとしては、EDOTの水溶液(Heraeus社製CLEVIOS MV2、EDOT約98.5質量%である:「CLEVIOS」は登録商標)を用いた。   As a pTS solution, a butanol solution containing iron (III) ions of a transition metal and pTS (CLEVIOS CB 40 V2 manufactured by Heraeus, about 4% by mass as iron (III) p-toluenesulfonate: “CLEVIOS”) Is a registered trademark). As EDOT, an aqueous solution of EDOT (CLEVIOS MV2 manufactured by Heraeus, EDOT: about 98.5% by mass: “CLEVIOS” is a registered trademark) was used.

上記のpTS溶液にEDOTを混合した混合液を調製して4℃程度に冷やし、上記基材を当該混合液に室温下で20分間浸漬した。その後、浸漬基材を当該混合液から取り出し、その一辺の2点をクリップで挟んで懸垂し、扇風機の風(強風)に5−10分間晒して基材を風で振動させつつ、乾燥を行い、さらにローラーでこすって、これらの工程により基材に付着した余分なゲル化ポリマーを除去した。   A mixed solution prepared by mixing EDOT with the above pTS solution was prepared, cooled to about 4 ° C., and the base material was immersed in the mixed solution at room temperature for 20 minutes. Thereafter, the immersed base material is taken out of the mixed solution, and two points on one side thereof are hung with a clip and suspended. The base material is exposed to the wind of a fan (strong wind) for 5 to 10 minutes, and dried while vibrating the base material with the wind. And further rubbing with a roller to remove excess gelling polymer adhered to the substrate by these steps.

次に、70℃の恒温槽に、このゲル化ポリマーの除去を行った基材を入れて、5分間加熱を行い、PEDOT−pTSへの重合を行なった。次いで、当該重合基材に対して2回水洗いを繰り返し、次いで90℃で乾燥を行い、「PEDOT−pTSが付着した紙製の編物」(この実施例で付着基材ともいう)を得た。   Next, the base material from which the gelled polymer had been removed was placed in a constant temperature bath at 70 ° C., heated for 5 minutes, and polymerized into PEDOT-pTS. Next, the polymer substrate was repeatedly washed with water twice, and then dried at 90 ° C. to obtain “a knitted paper made of PEDOT-pTS” (also referred to as a substrate in this example).

[実施例1] 力覚素子に対する荷重試験
(I)上記[材料]で作成した付着基材を、力覚素子として用いて、下記の荷重試験を行った。
[Example 1] Load test for haptic element (I) The following load test was performed using the adhered substrate prepared in the above [Material] as a haptic element.

荷重300gの円筒形プラスティック(直径3cm)を、図1(図1(1)は、試験系の写真、(2)は、その略図)に示すように、付着基材平面上に3ヶ所(X,Y,Z)のいずれか1カ所に置いた。また、A−Hは、端子を設置する場所を示している。本実施例で使用した布地の編み目には方向性が有り、図1(1)(2)の横方向(図1(2)中、左右の矢印)の方が、上下方向(図1(2)中、上下の矢印)よりも、伸展性が大きい。荷重を置かない状態での、伸展性の大きな左右方向(左端から右端)の電気抵抗値は11kΩ程度であり、伸展性の小さな上下方向(上端から下端)の電気抵抗値は8kΩであった。電気抵抗値を計測するための端子間の距離が同じであっても、編み目の方向性によって電気抵抗値が異なることが分かった。編み目は、伸展の方向により変形する(図2)。図2では、図1の付着基材が置かれた方向に合わせた編み目の拡大略図であり、図2の下は、図1(2)の左右の矢印方向に伸展させた場合の編み目の変形を示している。   As shown in FIG. 1 (FIG. 1 (1) is a photograph of the test system, (2) is a schematic diagram thereof), a cylindrical plastic (diameter 3 cm) with a load of 300 g is placed at three places (X , Y, Z). AH indicates a place where the terminal is installed. The stitches of the fabric used in this example have directionality, and the horizontal direction in FIGS. 1 (1) and (2) (left and right arrows in FIG. 1 (2)) is the vertical direction (FIG. 1 (2)). ), The extensibility is larger than that of the upper and lower arrows). When no load was applied, the electrical resistance in the left-right direction (left end to right end) with large extensibility was about 11 kΩ, and the electrical resistance value in the vertical direction (top to bottom) with small extensibility was 8 kΩ. It has been found that even when the distance between the terminals for measuring the electric resistance value is the same, the electric resistance value differs depending on the direction of the stitch. The stitches are deformed depending on the direction of extension (FIG. 2). FIG. 2 is an enlarged schematic view of a stitch corresponding to the direction in which the adhered base material of FIG. 1 is placed, and the lower part of FIG. 2 shows the deformation of the stitch when extended in the left and right arrow directions of FIG. Is shown.

表1は、A−B、E−G、A−C、F−H、A−Dの組で、端子を設置し、X、Y、Zのいずれかに上記加重を置いた場合における抵抗値測定の結果を示す。   Table 1 is a set of AB, EG, AC, FH, and AD, and a resistance value when a terminal is installed and the above-mentioned weight is applied to any of X, Y, and Z. The results of the measurement are shown.

Figure 2019218676
Figure 2019218676

表1の結果により、計測する電極の位置の組合せと、加重の位置の組合せによって、電気抵抗値の変化率(減少率)がいくつかの傾向を示すことが分かった。例えば、A−B間の抵抗値の変化率の違いから、加重が、X、Y、Zのどの位置にあるかを検知することが可能であることが明らかになった。   From the results of Table 1, it was found that the change rate (decrease rate) of the electric resistance value shows some trends depending on the combination of the positions of the electrodes to be measured and the combination of the positions of the weights. For example, it is clear from the difference in the rate of change of the resistance value between A and B that it is possible to detect which position of the weight is in X, Y, or Z.

(II)上記付着基材を、力覚素子として、鉛直方向(Z方向)荷重の変化に対する電気抵抗値の減少変化量を検討した。 (II) Using the adhered substrate as a haptic element, the amount of decrease in the electrical resistance with respect to the change in the load in the vertical direction (Z direction) was examined.

7cm×7cmに裁断した上記付着基材を水平方向に設置した後、クリップにて生地の両端を挟んだ。生地を水平方向(X−Y方向)へ張った状態で、その中央(上記(I)の「Y」の位置)に、10g、20g、50gの分銅おもりを、それぞれ負荷することで、鉛直方向(Z方向)の変位を与える分銅による荷重負荷量に対する両端クリップ間(上記(I)の「A−B間」)の抵抗値を、0g負荷の場合を含め計測した(図3−1)。その結果、0g荷重は32.7kΩ、10g荷重は20.0kΩ、20g荷重は18.5kΩ、30g加重は16.1kΩであった。   After the above attached base material cut into 7 cm × 7 cm was placed in the horizontal direction, both ends of the dough were sandwiched by clips. In a state where the cloth is stretched in the horizontal direction (X-Y direction), weights of 10 g, 20 g, and 50 g are respectively applied to the center (the position of “Y” in the above (I)), so that the cloth is placed in the vertical direction. The resistance value between the clips at both ends ("between AB" in (I) above) with respect to the load applied by the weight giving the displacement in the (Z direction) was measured including the case of 0 g load (FIG. 3-1). As a result, the 0 g load was 32.7 kΩ, the 10 g load was 20.0 kΩ, the 20 g load was 18.5 kΩ, and the 30 g load was 16.1 kΩ.

これら4点の電気抵抗値において、0g加重の電気抵抗値である「32.7kΩ」から、それぞれの加重の電気抵抗値を減じた差分の絶対値を、前記「32.7kΩ」で除して電気抵抗値の低減割合を百分率(%)とした値(縦軸)と、加重負荷量の対数値(log10)(横軸)の関係を示したグラフが図3−2である。   Of these four electrical resistance values, the absolute value of the difference obtained by subtracting the electrical resistance value of each weight from the electrical resistance value of 0g weight “32.7 kΩ” is divided by the above “32.7 kΩ”. FIG. 3B is a graph showing a relationship between a value (vertical axis) in which the reduction ratio of the electric resistance value is defined as a percentage (%) and a logarithmic value (log10) (horizontal axis) of the weighted load.

図3−2により、両者の値は正の相関の関係にあることが明らかになった。   From FIG. 3-2, it was clarified that both values are in a positive correlation.

[実施例2] 力覚素子を用いた座位における体重移動試験
実施例1で示した荷重と変異に関する相関性を利用することで、4つの力覚素子(付着基材を10cm×10cmに裁断したもの)が配置された、厚さ方向の荷重の相違を個別に計測し、その変化をリアルタイムで計測することが可能な力覚センサを作製した(図4の濃い四角形の部分がチャンネル(素子)で、各々の素子から派生する2本の線は、素子と同じ素材の導電線である。)。これにより、各チャンネル(素子)にかかる荷重計測値から、荷重分布およびその荷重変化を計測することが可能である。
[Example 2] Body weight transfer test in sitting position using haptic element Four haptic elements (adhesive substrate was cut into 10 cm x 10 cm) by utilizing the correlation between load and variation shown in Example 1. The force sensor which can measure the difference of the load in the thickness direction individually and the change was measured in real time was fabricated (the dark square part in FIG. 4 is a channel (element)). , And the two lines derived from each element are conductive lines of the same material as the element.) This makes it possible to measure a load distribution and a change in the load from a measured load value applied to each channel (element).

これらの4つの素子は、絹又は和紙繊維等にPEDOT−pTSを付着させた、リボン状の導電性繊維電極で、電気抵抗値の計測器まで配線されている。当該計測器は、電気抵抗値の経時的な変化を波形として表し、これを記録することが可能である。   These four elements are ribbon-shaped conductive fiber electrodes obtained by attaching PEDOT-pTS to silk or Japanese paper fiber or the like, and are wired to an electric resistance value measuring instrument. The measuring instrument can represent a change over time of the electric resistance value as a waveform and record the waveform.

4つの電極は、絹又は、和紙繊維などの導電性繊維電極で計測器まで配線されている。図5(1)に示すように、座布団を敷いた椅子の上に、上記力覚センサを置いて、その上にパネルに座ってもらって、図5(2)に示すように、様々姿勢を取ってもらった。   The four electrodes are wired to the measuring instrument with conductive fiber electrodes such as silk or Japanese paper fiber. As shown in FIG. 5 (1), the force sensor is placed on a chair on which a cushion is laid, and a panel is seated thereon, and various postures are taken as shown in FIG. 5 (2). I got it.

図6に、その際の体重移動に伴う電気抵抗値の経時的な変動を示した。図6の縦軸の上方が、加重が小さいことを示している。大きな体重移動を伴う時点を矢印で示したが、その直後に大きな加重がかかっていることが分かる。   FIG. 6 shows a change over time of the electric resistance value with the weight shift at that time. The upper part of the vertical axis in FIG. 6 indicates that the weight is small. The point of time accompanied by a large weight shift is indicated by an arrow, but immediately after that, a large weight is applied.

[実施例3] 力覚素子を用いた胸部体動測定からの呼吸波形の検出
この実施例では、呼吸検出を試みている。胸部を巻くことが可能なゴム帯の上に、上記の付着基材を固定配置し、2カ所の端子を介して電気抵抗値の変化を波形として提示・保存可能な機器で、胸部体動による電気抵抗値の変化を計測した(図7)。その結果、図8(1)に示すように、体動等によるノイズが認められるものの、楕円で囲った部分には、装着者の呼吸の動きと認められる波形が顕れていた(図8(2)(3))。フィルタリング等で、ノイズを除去することにより、クリアな呼吸波形を得ることも可能である。
[Example 3] Detection of respiratory waveform from chest motion measurement using a haptic element In this example, respiration detection is attempted. A device capable of presenting and storing changes in electrical resistance as waveforms via two terminals, with the above-mentioned adhesive base material fixed and arranged on a rubber band that can wind the chest. The change in the electric resistance value was measured (FIG. 7). As a result, as shown in FIG. 8 (1), although noise due to body movement and the like was recognized, a waveform recognized as a respiratory movement of the wearer appeared in a portion surrounded by an ellipse (FIG. 8 (2) ) (3)). It is also possible to obtain a clear respiratory waveform by removing noise by filtering or the like.

[実施例4] 離隔動作識別素子としての検討
上記の付着基材(30cm×30cm)を四つ折りにして、これにLED(20mAの場合に6000ミリカンデラ(mcd))を、端子と導電線を介して、電気的に接続した。このような状態で、手指を当該付着基材に接近させたところ、15cm程度の距離で豆ランプが点灯し、近づくにつれて光が強くなり、系の静電容量も増加した。この結果は、当該付着基材が、離隔動作識別素子として用いることができることを示している。この試験系の略図を図9に示す。
[Example 4] Examination as a separation operation discrimination element The above-mentioned attached base material (30 cm x 30 cm) was folded into four parts, and an LED (6000 millicandela (mcd) in the case of 20 mA), a terminal and a conductive wire were used. Electrically connected via In such a state, when the finger was brought close to the adhesion base material, the miniature lamp was turned on at a distance of about 15 cm, and the light became stronger and the capacitance of the system increased as the distance from the miniature lamp approached. This result indicates that the attached base material can be used as a separation operation identification element. A schematic diagram of this test system is shown in FIG.

[実施例5] PEDOT−PSSにおける検討
上記の[材料]の冒頭に示した、和紙糸の鹿の子編みで作成された布地(大きさ10cm×10cm)に、50mlのPEDOT−PSSの水溶性分散液[セプルジーダ(登録商標:信越ポリマー株式会社)の低抵抗性塗料であるOCシリーズ]をおよそ2時間含浸させ、自然乾燥させた後、このPEDOT−PSS付着基材(下記表2、3において「PSS」として示した)における抵抗値および伸縮度合いに対する抵抗値変化を計測した。比較として、実施例1で用いたPEDOT−pTSを付着させた付着基材(大きさ10cm×10cm)を用いた(下記表2、3において「pTS」として示した)。基材の伸展は、各基材を水平方向に設置した後、クリップにて生地の両端を挟み、クリップの一方を固定し、固定されていない側のクリップに対し、分銅おもりを負荷することで水平方向(X方向)の変位をノギスで測定した。電気抵抗値の測定は、実施例1(I)のA−Bに相当する位置において行った。
[Example 5] Examination in PEDOT-PSS 50 ml of an aqueous dispersion of PEDOT-PSS was added to a cloth (size: 10 cm x 10 cm) made of Japanese paper yarn and shown in the beginning of [Material] above. After impregnating [OC series which is a low-resistance paint of Sepulzida (registered trademark: Shin-Etsu Polymer Co., Ltd.)] for about 2 hours and air-drying, the PEDOT-PSS-attached substrate ("PSS" in Tables 2 and 3 below) ) Was measured for the resistance value and the degree of expansion and contraction. As a comparison, an attachment substrate (size: 10 cm × 10 cm) to which PEDOT-pTS used in Example 1 was attached was used (shown as “pTS” in Tables 2 and 3 below). The extension of the base material is performed by placing each base material in the horizontal direction, sandwiching both ends of the fabric with clips, fixing one of the clips, and applying a weight to the clip on the side that is not fixed. The displacement in the horizontal direction (X direction) was measured with a caliper. The measurement of the electric resistance was performed at a position corresponding to AB in Example 1 (I).

抵抗値については表2に、及び、抵抗変化率については表3に示す。   Table 2 shows the resistance value, and Table 3 shows the resistance change rate.

Figure 2019218676
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Figure 2019218676
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この結果により、PEDOT−PSSも、PEDOT−pTSと同様に、紙素材に付着させて、本発明の導電性材として用いることができることが明らかになった。また、高濃度のPEDOT−PSS微粒子の分散液を用いることで、PEDOT−PSS粒子の基材への付着密度を高め、電気抵抗値をより低くすることも可能である。   From the results, it became clear that PEDOT-PSS can also be used as the conductive material of the present invention by attaching it to a paper material in the same manner as PEDOT-pTS. In addition, by using a dispersion of high-concentration PEDOT-PSS fine particles, it is possible to increase the adhesion density of PEDOT-PSS particles to a base material and lower the electric resistance value.

Claims (12)

紙を含有する基材の表面に、PEDOT−pTS(poly(3,4-ethylene-dioxythiophene)-p-toluenesulfonate)、又は、PEDOT−PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-polystyrenesulfonate)が付着している導電性材。   PEDOT-pTS (poly (3,4-ethylene-dioxythiophene) -p-toluenesulfonate) or PEDOT-PSS (Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) -polystyrenesulfonate) adheres to the surface of the base material containing paper. Conductive material. 前記紙は、和紙である、請求項1に記載の導電性材。   The conductive material according to claim 1, wherein the paper is Japanese paper. 前記基材は、紙糸又はそれを基とする布地である、請求項1又は2に記載の導電性材。   The conductive material according to claim 1, wherein the base material is a paper thread or a fabric based on the paper thread. 前記布地は、紙糸を含む編物又は織物である、請求項4に記載の導電性材。   The conductive material according to claim 4, wherein the fabric is a knit or a woven fabric including a paper thread. 前記紙糸を含む編物又は織物は、それを構成する糸の全部又は一部が上撚りされた糸である、請求項4に記載の導電性材。   The conductive material according to claim 4, wherein the knitted or woven fabric including the paper yarn is a yarn in which all or a part of the yarn constituting the knitted or woven fabric is twisted. 請求項1−5のいずれか1項記載の導電性材が備えられている、電気的素子。   An electrical element comprising the conductive material according to claim 1. 前記電気的素子は、非接触状態の動きを当該素子における電気特性値の変動により識別する、離隔動作識別素子である、請求項6に記載の電気的素子。   The electric element according to claim 6, wherein the electric element is a separation operation identification element that identifies a movement in a non-contact state by a change in an electric characteristic value of the element. 前記電気特性値は、電気容量値又は電気抵抗値である、請求項7に記載の電気的素子。   The electric element according to claim 7, wherein the electric characteristic value is an electric capacitance value or an electric resistance value. 前記電気的素子は、外力により通電時の電気特性値が変動する力覚素子である、請求項6に記載の電気的素子。   The electric element according to claim 6, wherein the electric element is a haptic element whose electric characteristic value varies when energized by an external force. 請求項6に記載の電気的素子と、当該電気的素子と電気的に接続された検知部を備え、当該検知部が、当該電気的素子における電気特性値を検知する、センサ。   A sensor, comprising: the electric element according to claim 6; and a detection unit electrically connected to the electric element, wherein the detection unit detects an electric characteristic value of the electric element. 前記電気的素子が離隔操作識別素子である、請求項10に記載のセンサ。   The sensor according to claim 10, wherein the electric element is a separation operation identification element. 前記電気的素子が力覚素子である、請求項10に記載のセンサ。   The sensor according to claim 10, wherein the electrical element is a haptic element.
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