JP4860155B2 - 電極構成 - Google Patents

Description

本発明は、略布地ベースの電極における性能向上に関する。

国際特許出願公開WO-A-01/02052は、少なくとも２つの領域を有する衣服に関する。一方の領域は電気的に絶縁性の織り糸から形成され、他方の領域は１以上の導電性の織り糸から形成される。前記導電性の織り糸を有する領域は、体に接触するための電極面として機能するように意図されている。それ故前記導電性の織り糸を有する領域は、体の皮膚に接触する前記衣服の内側に存在する。国際特許出願公開WO-A-01/02052は、前記導電性の織り糸を含む領域と皮膚との間に、織り糸と皮膚との間の電気的な接触を支援するために導電性のゲルが利用され得ることを述べている。幾つかの理由のため、電極と皮膚との間にかようなゲルを導入することは常に望ましいわけではないが、いずれにしても、布地（fabric）ベースの物品（article）に対して液体又はゲルは常に好んで適用されるものではない。

着用者に装着させられたテキスタイル（textile）ベースの電極（国際特許出願公開WO-A-01/02052の電極はその一例である）を用いて実行された試行は、前記テキスタイルベースの電極の導電部分と、前記電極が当てられる着用者の皮膚との間の電気抵抗が、該着用者の心拍に対応する電機信号の検出を非常に困難にするに足るほど高いことを示した。これらの信号は、心電図を生成するために利用されることができるタイプのものである。製造工程により課される制限の理由により、又は導電性部分の感触又は他の物理的特性が悪影響を及ぼされるために、電極の導電性部分に存在し得る導電性の素材の割合に上限がある場合には、これらの電気信号を検出することの困難さは避けられない。

本発明の目的は、本発明の恩恵を受けない布地ベースの電極に比べて改善された性能を持つ、略布地ベースの電極構成を提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、哺乳動物の皮膚に当てるための第１の面を呈する布地の電極構成であって、前記布地の電極構成は、水分に対して略不浸透性である素材の少なくとも１つの部分を有し、前記素材は、前記第１の面に配置される電極構成が提供される。

前記素材の少なくとも１つの部分が水分に対して略不浸透性であるため、着用者の皮膚に前記素材を配置することが、その下の皮膚が呼吸することが可能な量を制限する。前記電極構成の利用の間、前記素材の少なくとも１つの部分が着用者の皮膚に配置され、当該皮膚が呼吸することが可能な程度を制限することにより、前記皮膚と前記素材の部分との間の汗の採集を促進させる。人間は皮膚から水分を自然に分泌するが、運動をしているときには更に、その活動が発汗を引き起こし、前記素材の少なくとも１つの部分が、該部分自体と皮膚との間に汗を閉じ込める。水分又は汗の存在は、皮膚と前記素材の部分との間に存在する電気抵抗を減少させ、従って皮膚と前記電極構成との間に存在する電気抵抗を減少させる。電気抵抗の低下は、心電図を生成するために利用され得る着用者の心拍に対応する電気信号のような、着用者の身体と関連し得る電気信号のより効率的な検出を可能とする。増大させられた検出の効率は、より多くの種類の条件の下での電気信号のより信頼性高い測定を可能とする可能性を持つ。それ故測定の信頼性を改善し、効率が増大させられなければ正常な測定を実行することが不可能であろうような状況における信号の測定を容易化し、又はより感度が低くコストのかからない測定機器の利用を可能とする。

前記電極構成が、健康測定機器、スポーツトレーニング器具、運動用機器又はユーザが物理的な活動を経験する他の機器において、又はこれらと共に利用される場合には、本発明の電極は、特に活動の初期段階の間に、ユーザ信号のより効率的な検出に寄与するであろう。試験によって、国際特許出願公開WO-A-01/02052によって一般に記載されたタイプの基本的な編み込まれた電極は、ユーザの動作の初期段階の間は適切に動作しないが、ユーザがかなり発汗を始め、それにより前記基本的な電極を湿らせ前記基本的な電極と着用者の皮膚との間の電気抵抗を減少させるとより適切に動作することが明らかとなっている。それ故、前記電極構成が運動をしていない患者を監視するために利用されるべき場合には、本発明の電極構成は、国際特許出願公開WO-A-01/02052によって一般に記載されたタイプの基本的な編み込まれた電極がユーザ信号の検出を提供しない場合においても、ユーザ信号の検出を提供する。

更に、本出願人は、布地の電極の伸張又は屈曲の間に起こり得るように、布地ベースの電極が歪まされた場合に、該布地ベースの電極が電気ノイズを呈し得ることを見出した。本発明の電極の場合においては、皮膚と電極構成との間の抵抗の減少を促進させることにより実現された電気信号の検出の増大させられた効率が、ユーザの電気信号の望ましくないマスキングを引き起こす、かようなノイズの影響を回避又は低減することを支援する。さもなければ、かような信号の影響と干渉し、このような場合には信号処理装置を混乱させ得る。

前記素材の少なくとも１つの部分は任意に、前記第１の面に直接配置されても良い。そうでなければ、前記１つの部分と前記第１の面との間に、更なる素材の１以上の中間層が存在しても良い。

前記素材の少なくとも１つの部分は任意に、前記第１の面と接合させられても良い。接合は、更なる接合素材の付加を伴って実行されても良いし、該付加を伴わずに実行されても良い。

好ましくは、前記素材は力学的に可撓性である。従って前記素材の少なくとも１つ部分は、前記電極構成の前記第１の面と同調して曲がることが可能である。

前記素材は、５００オーム・パー・スクエア（ohms per square）よりも小さな抵抗率を示しても良い。

しかしながら重要な特性は、前記素材の厚さ、即ちユーザの皮膚に接触する面と、前記布地の電極の第１の面に接触する面との間の長さの両端の電気抵抗である。この抵抗は可能な限り低いことが理想的だが、数十オーム乃至数百オームの値は許容可能である。典型的には前記厚さは数ｍｍのオーダーである。

任意の実装においては、前記素材は導電性物質を加えられたシリコンラバーである。該導電性物質は、カーボンブラック又は銀の粉末であっても良い。

好適な構成においては、前記素材の少なくとも１つの部分又は複数のかような部分は、合わせて、当該部分を含めた、皮膚に当てられることを意図された前記第１の面の面積の、５分の１乃至２分の１の割合を占有する。

一般に、前記素材の少なくとも１つの部分又は複数のかような部分の存在が、布地の電極の本来の利点を損なわないことが望ましい。これらの利点は、可撓性で力学的に伸縮自在であり着用者の皮膚が呼吸することを可能とし、これらによりユーザの快適さに寄与する電極を含む。当該最後の利点に関して、前記素材の少なくとも１つの部分は皮膚が呼吸する能力を減少させる。そのため前記素材の部分によって占有される前記第１の面のエリアは、概して皮膚が呼吸することを可能とするが、特定の領域においては、皮膚と電極との間の電気的な定抵抗を減少させるために汗の収集を促進する電極構成を提供するというような、優れた均衡をとるように選択される必要がある。

前記電極は、編み込まれた構成のものであっても、又は織り込まれた構成のものであっても良い。かくして、適切な素材の選択により、前記電極はユーザにとって着用が快適なものとされ、且つ前記電極によりカバーされる皮膚のかなりの程度の呼吸をも可能とする。

前記電極は、衣服と一体化され、該衣服と該電極とが経済的な方法で大量生産されることを可能とするものであっても良い。更に、衣服と一体化された電極は、目立たない又はより優雅な構造が実現されることを可能とする。

本発明の第２の態様によれば、前記布地の電極構成を有する略テキスタイルの物品が提供される。

本発明の第３の態様によれば、前記布地の電極構成を有する着用可能な物品が提供される。

本発明の第４の態様によれば、哺乳動物の皮膚に当てるための第１の面を呈する布地の電極構成を有する衣服であって、前記布地の電極構成は、水分に対して略不浸透性である素材の少なくとも１つの部分を有し、前記素材は前記第１の面に配置される衣服が提供される。

本発明のこれらの及び他の態様は添付する請求項において見出され、これら請求項は参照によりここで組み込まれたものとする。

本発明は、添付する図を参照しながら以下に説明される。

図は模式的なものであり、定縮尺で描かれてはいないことは留意されるべきである。図における明確さのため及び便宜上、図の部分の相対的な大きさ及び比率はサイズが誇張され又は縮小されて示されている。同一の参照記号は概して、別の実施例における対応する又は同様の特徴を示すために利用される。

布地の電極構成１０の図示された第１の実施例は、テキスタイルの物品１１（一部が示されている）上に配置されて示されている。前記電極構成は、第１の面１３を呈する導電性の電極部分１２と第１の面１３上に配置された素材の一部１４とを含む。第１の面１３及び素材１４は、電極の利用の間に着用者の皮膚に接触するように意図される。素材の部分１４は、水分に対して略不浸透性であり且つ導電性である。本例においては、物質の部分１４は、カーボンブラックを加えられたシリコンラバーのものである。物質の部分１４は１．２ｍｍの厚さのものであり、電極の利用の間に着用者の皮膚に呈される０．０３５ｍ^２の表面積を持ち、１２０オーム・パー・スクエアの電気抵抗を示す。

理想的には、物質の部分１４の厚さに渡って測定される抵抗は可能な限り低いべきであるが、２桁台のオーダー以下であっても良く、理想的には約２００オームより低い。当該厚さは、着用者の皮膚と接触する部分１４の表面と、導電性の電極部分１２の第１の面１３に接触する部分１４の表面との間の長さを表す。

導電性の電極部分１２は、編み込まれた構造のものである。より具体的には本第１の実施例は、電気的に絶縁体であるタクテル（登録商標）（ナイロンの一種）と導体であるステンレス鋼とを有する編み糸を利用した平編み構造である。前記編み糸は繊維の編み糸であり、２０乃至３０％のステンレス鋼を有する。図１に示されるように、前記編み糸は、ｘで示された方向に延在するように編み込まれる。

図１においてｄ_１で示された距離に渡る長方向で測定された場合の、導電性の電極部分１２の電気抵抗は、２０乃至４０オームの範囲内であるが、いずれにしても２桁のオーダーのオーム数である。距離ｄ_１は０．０６５ｍである。

ユーザの皮膚と導電性の電極部分１２との間の電気抵抗を低減する必要性は、電極部分１２中の導電性物質の割合を増大させることにより、或る程度満たされる。このことは、前記電極を編み込むために利用される前記編み糸中のステンレス鋼の割合を増大させることにより、又は導電性の特性を持つ更なる編み糸を導入することにより為される。しかしながら、製造上の制約が、該編物に含まれ得る導電性物質の量に対して制限を課し得る。更に、導電性の物質の量が増大させられるにつれて、ユーザの皮膚に接して着用されるときに、次第に当該電極部分が組み込まれたテキスタイルの物品１１と異なった感触を電極部分１２が呈するようになり、より可撓性でなく、より快適でないものとなる。

導電性の電極部分１２は、テキスタイルの物品１１に縫い込まれても良いし、接着されても良いし、又は取り付けられても良い。代替として導電性の電極部分１２は、テキスタイルの物品１１の一体化された部分であっても良い。後者の場合においては、テキスタイルの物品１１が編み込まれた構造のものである場合、電極部分１２も編み込まれた構造のものであり、単に前記電極部分を規定するための前記物品の編み込みの間の導電性の編み糸の適切な選択によって、同一の製造工程の間に形成されても良い。インタルジア及びジャカード手法が利用されても良く、又は前記導電性の編み糸が「レイイン（laid in）」されても良い。

導電性の水分不浸透性素材の部分１４は、適切な導電性の接着剤によって電極部分１２に取り付けられても良いが、熱接合（前記不浸透性素材を電極部分１２に一部溶解させる）、超音波溶接、縫い込み又はその他の当業者に認識されるであろう手段のような、他の手段によって取り付けられても良い。特定の場合においては、素材１４の導電特性が、誘導溶接による取り付けを可能とし得る。

前記電極−皮膚間の電気接触インピーダンスの測定が、図２に模式的に示されるような構成を利用して実行された。布地のバンド１１の形をとる衣服が胴体の胸部の周りに装着され、２つの導電性の電極部分１２を持つ電極構成が備えられる。これにより、前記バンドが正しく装着された場合には、一方の電極部分１２が着用者の胸部の前面の一方の側に配置され、他方の電極部分１２が該着用者の胸部の前面の他方の側に配置される。各電極部分１２は、図１を参照しながら既に説明されたような、水分に対して不浸透性であり且つ導電性である素材の部分１４（図示されていない）を備える。電極１２は、例えば図２において示されるように、衣服１１が適切に装着された場合に見ると、それぞれ高さ０．０２ｍ及び幅０．０６５ｍを持つ長方形の形状をとる。前記電極間の最短の間隔は０．０１ｍであり、図２においてｄ_２として示される。各電極部分１２及び水分不浸透性部分１４は、測定の間、バンド１１によって前記着用者の皮膚に接触された状態で保持される。

第１の電極部分１２は、インダクタンス、抵抗及びキャパシタンス（ＬＲＣ）メータの測定導線に接続された。一方第２の電極部分１２は、前記メータの他方の測定導線に接続された。１２０Ｈｚの測定信号が前記電極部分に供給され、前記２つの電極部分間のインピーダンスが測定された。不確かさの回避のため、各前記電極が互いから物理的に離隔されたが、双方とも前記着用者の皮膚の別の部分に接触して配置された。

測定されたインピーダンスの抵抗成分は、図３に示される。当該測定値は、ユーザの皮膚に接触した第１の電極部分１２と、ユーザの皮膚の他の部分に接触した第２の電極部分１２との全体の直列抵抗である。当該インピーダンスの主要成分が電極−皮膚間の界面にあると仮定し、比較的体内のインピーダンスは低いと仮定すると、一方の電極の電極−皮膚間のインピーダンスのおおよその示唆が、測定された値を２のファクタで除算することにより得られる。

図３に示されたグラフ３０は、分で表現された線形の時間のｘ軸と、キロオームで表現された対数の抵抗のｙ軸とを持つ。前記電極が着用者に取り付けられるとすぐに前記測定が開始され、測定されたインピーダンスの電気抵抗成分が、プロット線３１によって示される。図から分かるように、最初に測定された抵抗は８０ｋオームのオーダーであり、５分の連続着用の後に約２５ｋオームにまで低下し、１０分の着用の後に約１５ｋオームにまで低下し、２０分の着用の後に約１２ｋオームで横ばいになった。これらの測定は腰掛けた着用者に対して実行され、時間が経つにつれての抵抗の減少は、素材の部分１４と着用者の皮膚との間に生じ構成要素１４と皮膚との界面における電気抵抗を低下させた水分による。

比較のため、同一のタイプの編み込まれた電極と寸法とを持つが水分不浸透性の導電性のラバーでできた構成要素１４を持たない、図２と同様の設定が利用された。測定されたインピーダンスの電気抵抗成分は、プロット線３２によって示される。本例においては、前記測定された抵抗はかなり高く、測定が有効であった最初の１５分間、７５０乃至８５０ｋオームのオーダーである。

電極構成１０の減少させられた電気抵抗又はインピーダンスは、着用者の身体からの電気信号の検出の処理を改善する。当該改善は、前記電極構成の着用の初期段階の間、皮膚と水分不浸透性素材１４との間の汗の形成が、前記皮膚と素材１４との間の電気抵抗を低下させるため実現される。素材１４と編み込まれた導電性の電極１２との間の電気抵抗は、前記電極構成の設計によって既に小さく、従って素材１４を介して前記皮膚と導電性の電極１２との間に比較的低い電気抵抗の経路が確立される。前記経路は確実に、特に着用者の皮膚が乾燥している場合には、同等の直接の皮膚−導電性テキスタイル部分１２間の界面の電気抵抗に比べて、低い電気抵抗を持つ。実際には、編み込まれた導電性の電極部分１２の性質は、ユーザの汗を吸収及び放散し、一方でユーザの皮膚に呼吸させるのに役立つようなものである。テキスタイルの導電性電極部分１２を持つ電極を着用した場合にこれらの効果がユーザの快適さに寄与するが、これら効果はまた、少なくともかなりの汗を発生させ電極部分１２を湿らせるのに十分な運動を着用者が実行するまでは、皮膚−電極間の接触抵抗を増大させる。かくして、水分に対して不浸透性である導電性の素材の部分１４は、比較的少ない量の汗が、電極−皮膚間の電気抵抗を低下させるように働く前記電極構成の領域を規定する。

ユーザの皮膚と布地部分１２との間の電気抵抗は非常に高いが、導電性部分１２内の電気抵抗は比較的低く、ｄ_１で示される長さに沿って測定された場合に２０乃至４０オームの範囲内である。それ故、２桁のオーム数の抵抗を持つ導電性部分１２と、厚さに渡って数十オームの抵抗を持つ不浸透性の導電部分１４との組み合わせられた効果は、ユーザの電気信号を検出するための効率的な構成を提供する。水分不浸透性部分１４を薄くすることにより効率が改善され、及び／又はより高いバルク抵抗を持つ素材が部分１４を形成するために利用されても良い。

導電性の水分不浸透性素材の部分１４が導電性の電極部分１２に付着させられた第１の実施例の構成が説明されたが、当該付着は直接のものである必要はなく、素材１４と部分１２との間に１以上の導電性素材の層があっても良い。更に、水分不浸透性素材１４の部分１２への付着は必須のものではない、なぜなら、本発明による動作を可能とするためには単に、利用の間直接に又は間接的に素材１４が部分１２に接触するような素材１４の適切な配置で十分であるからである。

図４ａ乃至４ｃは、本発明の更なる実施例を示す。ここでは、単一の導電性の水分不浸透性素材の円形部分１４が、かような素材の他の構成によって置き換えられている。図４ａにおいては、電極部分１２は、導電性の水分不浸透性素材の１以上の略長方形の部分１４ａを備える。図４ｂにおいては、電極部分１２は、導電性の水分不浸透性素材の２以上の略円形の部分１４ｂを備える。図４ｃにおいては、電極部分１２は、導電性の水分不浸透性素材の複数の円形部分１４ｃを備える。部分１４ｃのそれぞれは、利用の間にユーザの皮膚に呈される表面積の点で、図１に示された第１の実施例の部分１４によって呈される面積よりもかなり小さい。しかしながら、導電性の水分不浸透性素材の前記又はそれぞれの部分１４は、該部分がカバーする皮膚が発汗することを促進するために十分な形状及びサイズのものである必要がある。面積が小さすぎたり、又は前記部分が細すぎたりすると、上述したように電極−皮膚間の抵抗を低下させるために必要なように発汗が促進されず、汗が閉じ込められない。

本発明は編み込まれた電極構造を参照しながら議論されてきたが、これは本発明の限定的な特徴ではなく、本発明は前記電極が編み込まれた構造、織り込まれた構造、刺繍された構造、又は織られたものでない構造であっても、一般に布地ベースの電極において用途を持つ。更に、本発明は着用者の身体から信号を検出することに関連して説明されてきたが、前記電極は、哺乳動物に電流を供給するために利用されることもできる。

殆どの場合において、本構成は、正常な動作のためにユーザが電極構成要素を積極的に湿らせる必要性を不要にする。しかしながら、幾つかの場合においては、ユーザに依存して、例えば水分不浸透性の導電性部分１４を湿らせることにより、何らかの補足的な水分を供給することが必要となり得る。かような補足的な湿らせが必要な場合であっても、布地部分１２を湿らせる場合に必要となるであろうよりも少ない水分が必要とされる。前記水分不浸透性部分は、布地の導電性部分１２よりも乾燥しずらい。従って、不浸透性の導電性部分１４を備えない構成よりも長い時間、正常な動作が期待される。

本発明を読むことにより、他の変更例が当業者には明らかであろう。かような変更例は、布地ベースの電極、信号処理回路、衣服構成及び素材並びにこれらの応用の設計、製造及び利用を含み、ここで説明された特徴の代わりに又は該特徴に加えて利用される、他の特徴を含んでも良い。

本発明により作成された電極構成の第１の実施例を示す。 着用者に配置された本発明の電極構成の模式的な構成と電気抵抗測定機器とを示す。 着用者の皮膚に接触して配置された電極構成の２つの電極間で測定された電気抵抗のグラフを示す。 本発明により作成された電極構成の更なる実施例を示す。 本発明により作成された電極構成の更なる実施例を示す。 本発明により作成された電極構成の更なる実施例を示す。

Claims (16)

1. 哺乳動物の皮膚に当てるための第１の面を呈する布地電極と、
   前記布地電極の第１の面に配置され、水分に対して不浸透性である導電性素材の少なくとも１つの部分と、
   を有し、前記導電性素材の少なくとも１つの部分は、１００００オーム・パー・スクエアよりも小さい抵抗率を示す、電極構成。
2. 前記導電性素材の少なくとも１つの部分は前記第１の面に直接配置される、請求項１に記載の電極構成。
3. 前記導電性素材の少なくとも１つの部分は前記第１の面に接合される、請求項１又は２に記載の電極構成。
4. 前記導電性素材の少なくとも１つの部分は力学的に可撓性である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電極構成。
5. 前記導電性素材の少なくとも１つの部分は導電性物質を加えられたシリコンラバーである、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電極構成。
6. 前記導電性物質はカーボンブラックである、請求項５に記載の電極構成。
7. 前記導電性素材の少なくとも１つの部分又は複数のかような部分は合わせて、当該部分を含めた、皮膚に当てられることを意図された前記第１の面の面積の、５分の１乃至２分の１の割合を占有する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電極構成。
8. 前記布地電極が編み込まれた構造又は織り込まれた構造である、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電極構成。
9. 前記電極構成は衣服と一体化されたものである、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電極構成。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の電極構成を有するテキスタイルの物品。
11. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の電極構成を有する着用可能な物品。
12. 哺乳動物の皮膚に当てるための第１の面を呈する布地電極と、前記布地電極の第１の面に配置され、水分に対して不浸透性である導電性素材の少なくとも１つの部分と、を有し、前記導電性素材の少なくとも１つの部分は、１００００オーム・パー・スクエアよりも小さい抵抗率を示す、衣服。
13. 着用者の皮膚に当てるための第１の面を呈する布地電極と、
    前記布地電極の第１の面に配置され、前記布地電極よりも水分が浸透しにくい導電性素材と、
    を有し、前記導電性素材の少なくとも１つの部分は、１００００オーム・パー・スクエアよりも小さい抵抗率を示す、電極構造。
14. 前記導電性素材は導電性物質を加えられたシリコンラバーである請求項１３に記載の電極構造。
15. 前記導電性物質はカーボンブラックである請求項１４に記載の電極構造。
16. 請求項１３乃至１５のいずれか一項に記載の電極構造を有する衣服。

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