JP5670604B2 - 生体電極 - Google Patents

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Description

本発明は生体信号を取得する為、或いは各種治療を行う為に生体に設置される電極(以下、「生体電極」とする)に関し、特に心電、心拍、体の動き、体温などの生体情報を個人が簡便に測定する為の携帯用生体情報処理装置に適した生体電極に関する。

心電、心拍、体の動き、又は体温などの生体情報を、個人が簡便に測定する為の小型の装置として携帯用生体情報処理装置が利用されている。かかる携帯用生体情報処理装置は、生体電極を介して生体信号を取得し、取得した生体信号を、無線手段によりパソコンに送ったり、或いは装置に内蔵されたメモリーカードなどの半導体記憶装置に記憶させて、接続コードなどでパソコンに取り込んだりすることで、生体情報を活用している。

そして、かかる携帯用生体情報処理装置では、生体情報をパソコン等でモニターすることにより、使用者の体調管理、高齢者の在宅医療モニター、生活習慣病予防のヘルスケアを行うことができる。そして生体情報の中でも、特に心電図、心拍数を取得する際には専用の生体電極が使用されている。

従来、特許文献1(特表2007−525269号公報)では、生理学的データを検出および分析して状態データを送信する装置であって、装着者に接着態様で取り付けられるように構成されたウェアラブル無線装置(携帯用生体情報処理装置)が提案されている。

この特許文献1では、体の予め決められた身体状態を検出し、処理し、分析し、通知するためのウェアラブル装置であって、1対の感知用電極および1つの参照用電極を少なくとも含む複数の電極であって、それぞれ、体の表面に接着態様で取り付けられるように構成された複数の電極と、前記複数の電極の各々と電気的に連絡しており、電源を含み、前記複数の電極により供給される信号を処理および分析する電子回路モジュールとを含み、前記複数の電極および前記電子回路モジュールは、当該ウェアラブル装置が体の前記表面に接着することを可能とするように、単一の接着膜により覆われているウェアラブル装置が提案されている

また従来、生体からの電気信号を測定装置に伝えたり、或いは刺激装置からの電気刺激を生体に伝えたりする為に、生体皮膚表面に密着状態で貼着固定される生体電極用パッドも存在する。かかる生体電極用パッドとして、支持体に設けた電極と、当該電極と導通している金属製のスナップ(ホック)を具備し、このスナップを介して外部装置のコネクターと接続する方式のものも古くから利用されている。

例えば特許文献2(実開平5−70552号公報)では、導電性粘着剤、電子電導性の層、それを支持する非導電性のシート状物および外部への接続手段よりなり、互いに電気的に独立した複数の電極が、該シート状物を介して一体化されている生体医学用電極を開示している。

特表2007−525269号公報 実開平5−70552号公報

生体電極は、生体からの電気信号を測定装置に伝えたり、或いは刺激装置からの電気刺激を生体に伝えたりする為に使用されている。この生体電極は、通常、専門的な知識に基づいて、所定の場所に貼り付けて使用されるものである。

しかし、使用者の体調管理、高齢者の在宅医療モニター、又は生活習慣病予防のヘルスケアを行う場合には、当該生体電極を、測定する本人が自分の体(胸部等)に貼り付けて使用することもある。これは使用者個人の日常生活における体調の変化を、任意の時間、場所、行動の中で得られる生体情報により、直ちに知る事が出来るようにする為である。

この様に、使用者(被測定者)本人が、自ら自己の身体に生体電極を取り付ける場合であっても、やはり身体の定められた場所と位置に貼り付ける必要がある。従って、生体電極を取り付ける向きや場所が解りやすく、且つ貼りやすく剥がれにくいものでなければならない。
そこで本発明は、専門的な知識を要することなく、使用者本人が簡単に、且つ貼り付ける向きや場所を間違えずに貼り付けることができるようにした生体電極を提供する事を第一の課題とする。

また、一般的に心電図の測定には、標準的な12誘導、他四肢誘導、胸部誘導などの測定方法がある。しかし、このような測定方法は専門知識を必要とし、さらに専門の心電図測定機など病院に行かないと測定が出来ない。
そこで本発明は、1チャンネルの単一誘導測定が可能で、本人が一回で貼れるような、小型且つ高性能の生体電極を提供する事を第二の課題とする。

上記課題の少なくとも何れかを解決するべく、本発明では生体からの電気信号を測定装置に伝えたり、或いは刺激装置からの電気刺激を生体に伝えたりする為に使用される生体電極であり、特に携帯用(ウェアラブル)生体情報処理装置において心電、筋電、又は脳波等の生体信号を取得するのに適した小型且つ高性能の生体電極を提供する。

即ち本発明では、電気刺激を生体に伝えるか、生体からの電気信号を感知するか、または双方を行うために生体に接触して使用される生体用電極であって、シート状に形成された基材と、当該基材の何れかの面に設けられた電極部分と、当該電極部分を覆う電解質層と、前記基材に於いて電極部分が設けられた面の反対側の面に露出して前記電極部分と電気的に接続される端子部分とからなり、前記基材は、上方よりも下方を幅広くした裾広がり形状に形成されると共に、前記電極部分は、基材に於いて広く形成した裾部分寄りであって、且つ基材の幅方向に所定の間隔をおいて設けられた生体用電極を提供する。

かかる本発明の生体電極において、電極部分を設ける基材は、上方よりも下方を幅広くした裾広がり形状に形成している。そしてこの幅広く形成した基材の裾部分に電極部分を形成している。したがって、複数の電極を用いる場合、例えば1チャンネルの単一誘導測定を行うことのできる生体電極とする場合には、基材の幅広く形成された部分に、2つの電極を離して設置する事ができる。このため、例えば一方の電極部分を測定点、他方の電極部分を基準点とした場合に、測定点と基準点との間の距離を大きく取ることができる。これにより本発明の生体電極では、出力信号も大きく取る事ができる。特に、この測定点と基準点との間の距離(即ち電極部分同士の距離)を、各電極部分の中心間距離で50〜200mm、望ましくは70〜100mmとする事により、生体電極の小型化を実現しながらも出力信号を大きくとることが可能になる。更に、裾側を幅広く形成している事から、当該生体電極を生体に貼り付ける領域も広くする事ができる。したがって当該生体電極に後述する生体信号測定装置を取り付けて使用する場合であっても、当該生体信号測定装置を確実に保持する事ができる。

上記基材は、十分な柔軟性と一定の保形性を備え、且つ簡易に切断しない程度の引っ張り強度を有する絶縁材料で形成できる。より具体的には、例えばポリエチレンナフタレートフィルム、ポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリアミドイミドフィルム等の樹脂材料の他、合成材不織布等のような電気絶縁性を有する材料を使用することができる。但し、ウェアラブル生体情報処理装置で使用する場合には、当該生体電極は日常生活に於いても使用される事から、耐水性又は防水性を有する材料で形成される事が望ましい。

特に本発明に係る生体電極において、この基材は、装着状態における上方よりも下方を幅広くした形状(裾広がり形状)に形成される。かかる形状としては、台形の他、当該台形の任意又は全ての縁に窪みや突起を設けた形状にする事ができる。例えば、当該基材を、裾側を広げた「M」字形状とする事もでき、この場合には、幅広く形成された裾側(底辺側)に2つの窪みが存在し、上方(上辺側)には1つの窪みが存在する。その結果、基材の上下の縁に存在する窪みを繋ぐように折れ曲がることができる。

従って、実際に着用した場合において、使用者の動きに応じて曲折する部分は、上下縁の窪みを繋ぐ領域に特定される。よって電極部分は、この曲折する部分を除いた領域に形成する事ができる。即ち、前記基材が、上縁側に1つの窪み、下縁側に2つの窪みを具備して形成されており、少なくとも前記電極部分、望ましくは前記電極部分と端子部分は、それぞれ基材の上縁の窪みと下縁の窪みを結ぶ線が存在する領域を除いた領域に設けられている生体電極とすることができる。この様に基材に於いて体動に追従して曲折しやすい部分を除いた領域に電極部分などを設ける事により、体動に伴うノイズなどの影響を抑え、安定して生体信号を取得する事が考えられる。

また、上記の様に基材の縁部分に窪みや突起を形成する場合には、少なくとも尖った部分が存在しないように、湾曲形状の窪みや突起を形成する事が望ましい。このように形成すれば、仮に折れ曲がった部分が身体に触れても、身体を傷つけないようにする事ができる。

前記電極部分は、導電性材料を用いて、基材の何れか一方の面に形成される。この電極部分は導電性を有する各種材料で形成する事ができる。但し、望ましくは導電性を有する材料、例えばカーボン、金属、金属化合物、若しくはカーボンと金属又は金属化合物との混合物等を、印刷したり塗布することで形成する事ができる。各電極部分の面積を18mm2〜100mm2の範囲と小さく形成した場合には、心電波形の立ち上がり特性に優れた生体電極とする事ができる。

また基材の他方の面には、この電極部分と電気的に接続されている端子部分が存在する。電極部分と端子部分との電気的な接続は電気導線を使用してもよい。但し、製造容易性や生体に取り付けた時の違和感を無くし、軽量化を図る為には、導電性材料を印刷または塗布する事により形成した配線部分で電気的に接続する事が望ましい。また前記端子部分は、少なくとも何れかの一部が基材を貫通して電極部分が存在する面に露出する事が必要である。そしてこの露出した部分と前記電極部分を電気的に接続するように、前記導電性材料層を形成することができる。

上記端子部分は金属材料で形成する事ができる。この端子部分は、基材において電極部分が設けられた側の面に存在する平面部と、当該平面部から立ち上がって基材を貫通して存在する軸部とから成る形状で形成することができる。例えば、この端子部分は、縦断面形状を「凸」字状、「L」字状に形成する事ができる。この様に端子部分を形成した場合には、導電性材料を印刷または塗布して形成する配線部分は、前記電極部分と前記端子部分の平面部とを電気的に接続する線状又は帯状に形成する事ができる。また基材を貫通して存在する軸部に、当該基材を抜け出ない様に導電性のカバー等を設ける事により、当該端子部分の脱落を阻止する事ができる。

また、上記電極部分と、端子部分と、両者をつなぐ配線部分との組み合わせ単位は、1つの基材に1組又は2組以上形成する事もできる。但し、1チャンネルの単一誘導測定を行う生体電極の場合には、生体への取り付け容易性を考慮して2組設けることが望ましい。1つの生体電極を貼付する事により2つの電極(測定点と基準点)を同時に設置できる為である。

以上の様に、1つの基材に、電極部分を2つ設ける場合には、各電極部分は基材の幅方向の縁寄りに設けることが望ましい。測定点と基準点との間の距離を大きく取ることができ、これにより出力信号も大きく取る事ができる為である。そして端子部分は、各電極部分に対応させて2つ設ける。かかる端子部分は、それぞれ基材の幅方向の中央寄りに、基材の幅方向に並べて設けることが望ましい。端子部分間の距離を短くする事により、小型の携帯用(ウェアラブル)生体情報処理装置を設置できるようにする為である。

そして、以上の様に2つの電極部分と2つの端子部分を設けた生体電極では、前記基材の幅方向の一方側と他方側において、それぞれの領域に存在する端子部分と電極部分とが配線部分によって電気的に接続される。かかる配線部分は各種の電気導線を使用する事も可能であるが、製造容易性や生体着用時における違和感を解消する上では、印刷や塗布によって形成する事が望ましい。
特に本発明に係る生体電極では、前記の様に電極部分同士の間隔を大きくしたとしても、端子部分同士間の距離は比較的近接させて設けることができる。例えば、端子部分同士の間隔を10mm〜100mm程度、望ましくは15mm〜50mm程度にすることもできる。この様に端子部分同士の間隔を設定することにより、端子間距離が短い小型の携帯用(ウェアラブル)生体情報処理装置でも接続可能となる。本発明に於いて端子部分間の距離や電極部分間の距離を、それぞれの間隔を任意に設定できるのは、電極部分と端子部分とを別に設置し、両者を配線部分で電気的に接続している為である。

また、基材における電極部分が存在する側の面において、電極部分と、端子部分は、電解質層によって覆われている。当該電解質は、(1)配線部分で接続された電極部分と端子部分との組み合わせごとに覆うか、又は(2)それぞれの電極部分ごとに覆うことができる。

即ち、前記配線部分によって接続された電極部分と端子部分との組み合わせは、それぞれの組み合わせごとに電解質層で覆うことができる。例えば、基材の幅方向(左右方向)の何れか一方の電極部分と端子部分との組み合わせを覆う第一電解質層領域と、基材幅方向の他方の電極部分と端子部分との組み合わせを覆う第二電解質層領域とで形成することができる。そして第一電解質層領域と第二電解質層領域とは相互に電気的に接続しない様に形成する。電解質層で覆う事により、電極部分は、生体に接する電解質層を介して生体信号を取得する事ができる。よって各電極部分がショートすることのないように、各電解質層領域は、相互に電気的に接続されていない事が必要である。

また、配線部分で接続した電極部分と端子部分との組み合わせを、基材に2組以上設けた生体電極では、少なくともそれぞれの電極部分を、別個に覆うように電解質を設けることができる。即ち、何れか一方の電極部分を覆う第一電極電解質層領域と、他方の電極部分を覆う第二電極電解質層領域とを形成する。そして第一電極電解質層領域と、第二電極電解質層領域は、それぞれが相互に電気的に接続されていない様に形成する。

かかる電解質層は、生体に接して、生体信号を電極に伝える等の機能を有することから、少なくとも導電性を有する材料で形成される。また当該電解質層は、生体との密着性を高めるため、柔軟性又は塑性を有する材料で形成される事が望ましく、ゲル状又はジェル状など半流動性又は流動性を有する材料で形成することもできる。よって当該電解質層は、導電性が付与されたアクリル系樹脂、導電性が付与されたウレタン系樹脂等の導電性樹脂材料で構成でき、更に導電性が付与されたカラヤゴムで構成することもできる。またこの電解質層は生体に貼り付く程度の粘着性を有するのが望ましい。

更に本発明に係る生体電極では、導電性材料から成るシールド層を形成する事が望ましい。例えば、前記基材における端子部分が存在する側の面(即ち、電極部分が存在する面とは反対側の面)に、導電性材料から成るシールド層を形成する事ができる。生体からの心電、心拍信号等の生体信号は微小電圧の為、生体の内外からの電磁波や電気(静電気等)等のノイズの影響を大きく受ける。したがって当該ノイズによる悪影響対策としてシールド層を形成し、人体からのノイズ、外来ノイズを減少させることができる。かかるシールド層は、導電性材料を用いて形成することができ、例えばカーボン、金属又は金属化合物、若しくはカーボンと金属又は金属化合物との混合物等を使用することができる。

そして、上記シールド層は、その電位を安定させる為に接地しておくことが望ましく、シールド層を生体に接地させる構成とする事が望ましい。そこで本発明に係る生体電極では、前記シールド層は、前記電解質層に於いて、生体に接する第三電解質領域と電気的に接続する事が望ましい。この時、当該シールド層は、第一電解質領域及び第二電解質領域等、電極部分や端子部分と接続している電解質とは電気的に接続させない。その結果、当該シールド層と生体との間の電位差を最小にできることから、シールド層の電位は安定して、よりシールド効果を高めることができる。

このシールド層と第三電解質領域との電気的な接続構造は特に制限されるものではないが、例えば基材にスルーホール(貫通孔)を設け、このスルーホール内に入り込むように、前記シールド層を形成する導電性材料を印刷または塗布する。そして基材に於いて、シールド層が設けられる面とは反対側の面からも、スルーホール内に入り込むように導電性材料を印刷または塗布することにより、基材を挟んで双方の導電性材料は電気的に接続される。そして基材に於いて、シールド層が設けられる面とは反対側の面に設けられた導電性材料は、直接又は前記第三電解質領域を介して間接的に、生体に接することから、前記シールド層は生体に接地する事ができる。

以上の様に、シールド層を第三電解質領域と電気的に接続する為には、基材に於いてシールド層が設けられた側の面とは反対側の面(即ち、基材に於いて電極部分が設けられた側の面)であって、前記第三電解質領域が存在する範囲には、導電性材料を印刷又は塗布したアース接続部分が存在する事が望ましい。かかるアース接続部分を設ける事により、前記シールド層との電気的な接続を確実に行う事ができると共に、前記第三電解質領域との接触面積を大きくすることができ、シールド層の生体への接地を確実に行う事ができる。

そして本発明では、前記課題の少なくとも何れかを解決する為、前記生体電極を用いた生体信号測定装置を提供する。

即ち、シート状に形成された基材と、当該基材の何れかの面に設けられた電極部分と、当該電極部分を覆う電解質層と、前記基材に於いて電極部分が設けられた面とは反対側の面に露出して前記電極部分と電気的に接続する端子部分とを備える生体電極と、当該生体電極に設けられた端子に接合して、当該生体電極からの信号を取得する生体信号測定装置本体とからなる生体信号測定装置であって、当該生体電極が、上記本発明に係る生体電極である、生体信号測定装置である。

かかる生体信号測定装置に使用される生体信号測定装置本体は、心電、心拍、体の動き、又は体温などの生体情報を、個人が簡便に測定する為の携帯用(ウェアラブル)生体情報処理装置であってよい。かかる携帯用(ウェアラブル)生体情報処理装置は、生体電極を介して生体信号を取得し、取得した生体信号を、無線手段によりパソコンに送ったり、或いは装置に内蔵されたメモリーカードなどの半導体記憶装置に記憶させて、接続コードなどでパソコンに送るように構成されている。

そして前記生体電極と当該生体信号測定装置との接続は、ホックや端子などにより簡易に行う事ができる着脱手段を用いて構成するのが望ましい。

かかる生体信号測定装置では、上記した本発明の生体電極が使用されることから、より正確に生体信号を取得する事ができる。特に、シールド層を設けた生体電極を使用した場合には、体内及び体外からのノイズによる悪影響が低減された生体信号を取得する事ができる。

上記本発明に係る生体電極では、裾方向を幅広に形成している。その結果、専門的な知識を必要とせずに、使用者本人が簡単に、且つ間違えることなく貼り付けることができる生体電極となる。よって、使用者の体調管理、高齢者の在宅医療モニター、生活習慣病予防のヘルスケアを行う場合であっても、当該生体電極を、測定する本人が体に直接胸部に貼り付けて使用する事ができる。従って、携帯用(ウェアラブル)生体情報処理装置に於いても使用する事ができ、使用者個人の日常生活における体調の変化を、任意の時間、場所、行動の中で得られる生体情報により、直ちに知る事が出来るようになる。

また、基材に対して2つの電極部分を設ける事により、1チャンネルの単一誘導測定が可能で、本人が一回で貼れるような小型高性能な生体電極が実現する。よって、専門の心電図測定機など病院に行かなくとも、使用者本人が自らの生体に貼り付けることのできる生体電極を実現できる。

本実施の形態に係る生体電極の分解斜視図 本実施の形態に係る生体電極の(A)平面図、(B)正面図、(C)底面図、(D)背面図、(E)右側面図 図2におけるX−X矢視端面図 図2におけるY−Y矢視端面図 他の実施の形態に係る生体電極の分解斜視図 他の実施の形態に係る生体電極の(A)背面図、(B)Y'−Y'矢視断面図 他の実施の形態に係る生体電極の分解斜視図 他の実施の形態に係る生体電極の背面図

以下、本実施の形態に係る生体電極を、図面を参照しながら説明する。特に本実施の形態では、携帯用(ウェアラブル)生体情報処理装置で使用するのに適した生体電極の例を示している。この生体電極は、裾側が広がっている「M」字状に形成されている。なお、以下の説明においては、説明の便宜上、当該生体電極を装着した場合における生体に対向する側を体面側、外に向く面を外面側として説明する。

図1は本実施の形態に係る生体電極の分解斜視図であり、基材16の上方(図面に表わした方向を基準とする)として表している外面側には、シールド層14を積層させて、その上に樹脂材料からなるカバーフィルム12を設けている。

基材16は、非導電性材料で形成されたフィルム状又はシート状である。この基材16に対して後述する各層や構成要素を設けている。かかる基材16は、十分な柔軟性を有すると共に、一定の形態を保持でき、且つ簡易に切断しない程度の引っ張り強度を有する絶縁材料で形成する。当該基材16としてポリエチレンテレフタレートフィルム(又はシート)、又はポリエチレンテレフタレートフィルム(又はシート)を使用する事ができる。その他にも、例えばポリエチレンナフタレートフィルム(又はシート)、ポリアミドイミドフィルム(又はシート)等の樹脂材料からなるフィルムやシート、又は不織布や合成材不織布等のような電気絶縁性を有する材料からなるフィルムやシートを使用して、基材16を形成する事ができる。但し、携帯用(ウェアラブル)生体情報処理装置で使用される生体電極の場合には、日常生活に於いても着用されることから、更に耐水性又は防水性を有する樹脂フィルム又は樹脂シートである事が望ましい。

また本実施の形態に於いて、当該基材16は、その裾側を広げた「M」字状に形成している。この為、裾側に設置する電極部分20(後述する)は、各電極部分20(測定点と基準点)の中心間距離で50〜200mm、望ましくは70〜100mmとして、十分な間隔を確保して設けることができる。したがって、出力信号も大きく取る事が可能になっている。更に、裾側を広げた「M」字状とした基材16は、幅方向両側(左右両側)の辺が10°〜80°、望ましくは15°〜45°の交角で交差する様に裾側を広げることができる。この様な角度で幅方向両側の辺を交差させる事により、裾側の幅を十分に確保しながらも、小型の携帯用(ウェアラブル)生体情報処理装置を設置できる程度の高さを確保した基材とする事ができる。なお、以下に説明するシールド層14やカバーフィルム12等は、特に明示しない限り、この基材と同じ輪郭形状に形成される。

上記基材16に積層されるシールド層14は、例えば基材16に対してカーボンなどの導電性材料を印刷又は塗布する事により形成する事ができる。本実施の形態において、当該シールド層は、基材16の殆どの領域を覆う広さで形成されている事から、電極部分20や配線部分18に対する電磁波ノイズのシールド効果を高めることができる。但し、当該シールド層14を形成する材料を減じる場合等には、少なくとも電極部分20と配線部分18の外面側を覆うように形成しても良い。またカーボンの他にも、カーボンと金属又は金属化合物との混合物を印刷または塗布して形成しても良い。

そして上記シールド層14は、適宜樹脂シートからなるカバーフィルム12で覆っている。このカバーフィルム12は、シールド層14を覆って、当該シールド層14の剥離や脱落を阻止する為に使用することができる。その他にも、製品名や使用時の向きなど、各種の情報を印刷したり、当該生体電極に装飾を施したりする為に使用することもできる。かかるカバーフィルム12は、その周縁を基材16の周縁に接着又は融着して一体化する他、シールド層14に接着剤等で貼付して一体化する事ができる。

前記基材16の下方(体面側)には、導電性材料を印刷又は塗布して電極部分20、配線部分18及びアース接続部分26を形成する。これら電極部分20、配線部分18及びアース接続部分26は、何れも同じ導電性材料を用いて形成する他、少なくとも何れかを異なる導電性材料で形成する事もできる。本実施の形態では電極部分20は塩化銀を用いて形成し、配線部分18及びアース接続部分26は銀を用いて形成している。配線部分18を銀層として形成し、当該配線部分18と電気的に接続される電極部分20は、銀−塩化銀で形成している。電極部分20を銀−塩化銀で形成しているのは、電解質層34とのイオン交換のためである。かかる銀−塩化銀の層は、銀と塩化銀の配合比が重量比で銀:塩化銀が9:1〜6:4であることが望ましい。このような銀−塩化銀の層(電極部分20)を設けることにより、測定時に電極部分20における分極を阻止することができる。したがってホルタ心電計用の生体電極、携帯用(ウェアラブル)生体情報処理装置用の生体電極のように長時間装着する場合において特に望ましいものとなる。またイオントフォレスト療法のように電気を流して薬物を体内に導入する場合においても、円滑なイオン交換を実現する上で特に望ましいものとなる。但し、当該電極部分20、配線部分18及びアース接続部分26の少なくとも何れか又は全ては、その他にも銀−塩化銀、銀、金、銅、カーボン、アルミニウム、ニッケルなど、導電性を有する様々な金属を用いて形成することもできる。

本実施の形態では、基材16に配線部分18を印刷又は塗布し、これに電極部分20を印刷又は塗布して積層させているが、この積層構造は逆であっても良い。また印刷又は塗布して形成した電極部分20と配線部分18とは、基材16の幅方向のそれぞれに於いて電気的に接続されている。即ち、生体側から見て基材16の左側に存在する配線部分18と電極部分20との組み合わせ単位が電気的に接続されており、同じく基材16の右側に存在する配線部分18と電極部分20との組み合わせ単位が電気的に接続されている。そして両組み合わせ単位同士は、相互に電気的に接続されていない。

基材16に対して電極部分20、配線部分18及びアース接続部分26を形成した後は、これに電気非導電性(絶縁性)を有する材料からなる絶縁部24を形成する。この絶縁部24は電気的絶縁性を有するフォトレジスト材料を用いて形成する事ができる。本実施の形態では配線部分18をカバーするような帯状に形成している。この絶縁部24を形成する材料は、特に限定されるものではなく、ノボラック型エポキシアクリレート化合物や、ビスフェノールフルオレン型エポキシアクリレート化合物、あるいはこれらエポキシアクリレート化合物の酸変性物などの光硬化型樹脂組成物の他、熱硬化性樹脂組成物や熱可塑性樹脂組成物等で形成することができる。また、この絶縁部24は必ずしもフォトレジスト材料が使用される必要は無く、例えば塩化ビニールフィルム(又はシート)、PETフィルム(又はシート)、合成材不織布等のように電気絶縁性を有する材料を用いて、層状状に貼り合わせて形成する事もできる。

そして本実施の形態では、以上の様に絶縁部24を形成した後に、前記基材16と同じ輪郭形状に形成した電解質保持部28を設けている。この電解質保持部28は、基材に密着すると共に、粗面構造により、ゲル状に形成された電解質層を確実に保持できる様に機能する。かかる電解質保持部28は、前記レジスト材料の他、布帛、凹凸を有するか又はメッシュ状に形成された樹脂シート・樹脂フィルム等を使用する事ができる。特に本実施の形態では前記絶縁部24と同じようにレジスト材料を印刷又は塗布する事により層状に形成している。その結果、配線部分にはレジスト材料が二層に積層されることになるが、両者は機能上及び要求される精度(印刷精度)において異なる。即ち、前記絶縁部は配線部分を確実にカバーする為に、正確な大きさ及び位置に形成する必要があり、一方で電解質保持部28は、電解質を保持できれば良いことから、確実に配線部分をカバーする必要はない。但し、この電解質保持部28が前記配線部分を確実にカバーするように形成される場合には、当該電解質保持部が絶縁性を有することを条件として、前記絶縁部24を省略する事も考えられる。なお前記絶縁部28を形成する場合には、この電解質保持層28は電気的な絶縁性が無くとも良い。更に前記基材18において電解質層が設けられる側の面が粗面に形成されている場合には、当該電解質保持部28を省略する事も考えられる。

前記配線部分18と電気的に接続するように、端子部分30を設ける。本実施の形態に於いて、端子部分30は、円盤状の平面部30Aと、この平面部30Aから突出する軸部30Bとで形成されている。平面部30Aは電解質保持部28に形成された孔を通り抜けて、前記配線部分18に接する事ができる。これにより端子部分30と配線部分18とを電気的に接続する事ができる。そして平面部30Aから突出する軸部30Bは、前記基材16に形成された孔16H、シールド層14に形成された孔14H、及びカバーフィルム12に形成された孔12Hを、それぞれ貫通して外面側に露出している。外面側に露出している軸部30Bの先端は、スタッド36で保持され、当該端子部分30が基材16から抜け出るのを阻止している。また当該基材16、シールド層14及びカバーフィルム12は、端子部分30の平面部30Aとスタッド36により挟まれて、より確実に一体化されている。なお、当該配線部分18の軸部30Bが貫通する孔について、前記シールド層14に形成される孔14Hは、少なくとも当該軸部30Bと接する事の無いように、軸部30Bよりも大きな径で開口している。これは生体信号の伝送ライン(即ち電極部分20−配線部分18−端子部分30のライン)を、シールド層14から絶縁する為である。

またこの電解質保持部28には、電極部分20を露出させる為の孔28H3及びアース接続部分26を露出させる為の孔28H2も形成されている。これらの孔が存在する事により、電極部分20及びアース接続部分26のそれぞれが電解質層34に接する事ができ、各電解質層34との間でイオン交換を行う事ができる。

そしてこの電解質保持部28には、前記端子部分30を覆うように絶縁用フィルム32を貼付する。この絶縁用フィルム32は、端子部分30の円形部30A同士間における電気信号の短絡を防止し、また配線部分のリング部分同士間における電気信号の短絡を阻止する。更に本実施の形態では、柔軟性を有する基材16に対して、金属製の端子部分30を設けている。このため薄く形成されている絶縁部24は、当該金属製端子部分30の近傍に亀裂等が生じることも考えられる。そこで、仮に絶縁部24に亀裂が生じた場合でも、2つの電極部分20同士、及び2つの配線部分18同士を確実に絶縁する事ができるように、当該絶縁用フィルム32を設置する。また、係る絶縁用フィルムを設ける事により、金属製端子部分30の近傍に於いて、当該基材16を補強する事もできる。よって、当該端子部分30に携帯用(ウェアラブル)生体情報処理装置を設置した場合であっても、当該装置を安定して保持する事ができる。

そして本実施の形態では、上記絶縁用フィルムの一部を覆うように、電解質層34を積層させている。この電解質層34は、導電性を有する材料を用いて形成されている。即ち、この電解質層34は、例えばアクリル系樹脂、ウレタン系樹脂等で構成することができ、その他にもカラヤゴムで構成することもできる。かかる電解質層34はゲル状又はジェル状等の様に半流動性又は流動性を有するか、或いは十分に柔らかく形成されることが望ましい。

特に本実施の形態に於いて、当該電解質層34は、基材16の幅方向の何れか一方の電極部分20と配線部分18との組み合わせを覆う第一電解質層領域34Lと、基材16の幅方向の他方の電極部分20と配線部分18との組み合わせを覆う第二電解質層領域34Rと、前記導電性材料から成るシールド層14と電気的に接続された第三電解質領域とで構成されている。特に、本実施の形態に於いて、第一電解質層領域34L、第二電解質層領域34R及び第三電解質層領域34Eのそれぞれは、相互に電気的に接続されていない。

以上の様な構成により、基材16の幅方向のそれぞれに於いて、端子部分30、配線部分18、電極部分20、電解質層34の順で電気的に接続されており、当該生体電極を生体に貼り付けた時に、生体からの信号はこの逆の順で端子部分30に伝えられる事になる。

またシールド層14とアース接続部分26との電気的な接続は、シールド層14を形成する導電性材料を、基材16に設けられたスルーホール28H2の内壁面に回り込ませ、且つ基材16に於いて当該シールド層14が形成される側とは反対側の面に形成したアース接続部分26を形成する導電性材料を、当該スルーホール28H2の内壁面に回り込ませて両者を接することにより実現している。

この様なスルーホール28H2を用いた電気的な接続を実現する為には、シールド層14及びアース接続部分26を、スクリーン印刷等により形成する事が望ましい。そして印刷には十分な流動性を有する材料(導電性材料)を使用するのが望ましい。更に当該スルーホール28H2の孔径は2mmを超える大きさ、望ましくは3mm以上、特に望ましくは5mm以上に形成するのが望ましい。このような孔径に形成することにより、スルーホール28H2の内壁面に薄膜の接続回路を形成することができ、またスルーホール28H2部分に於いて膜厚が厚くならない為である。スルーホール28H2は、任意の加工方法で形成することができ、例えばドリル加工、レーザー加工、あるいは打ち抜き加工等により形成することができる。

そしてシールド層14と導通するアース接続部分26には、第三電解質領域を密着させて積層する。これによりシールド層14を生体に接地する事ができ、その電位を安定させることができる。その結果、空中を飛び交う電磁波等のノイズによる悪影響を減じ、より正確な生体信号を取得することができる。

図2は、上記図1に示した生体電極を示す(A)平面図、(B)正面図、(C)底面図、(D)背面図、(E)右側面図である。この図に示す生体電極において、携帯用(ウェアラブル)生体情報処理装置等に対して、取得した生体信号を出力する端子部分30は、一定の距離を保って横並びに近接配置されている((A)平面図、(B)正面図参照)。一方で、電極部分20は幅広く形成された裾部分に、離して設けられている。したがって、何れかの電極部分20を測定点、他の電極部分20を基準点とした場合において、測定点と基準点との間の距離を大きく取ることができ、その結果、出力信号を大きく取ることができる。

また本実施の形態に於いて、基材16の裾側は幅広く形成し、電解質層34を設置可能な領域も広く確保している。このため粘着性を有するゲルにより電解質層34を形成した場合には、生体との密着力を高めることができる。また、端子部分30は、基材16の上下高さの略中央に設け((B)正面図、(E)右側面図参照)ている。その結果、当該端子部分30に携帯用(ウェアラブル)生体情報処理装置を係合させたとしても、当該装置の取り付け位置を、大面積の粘着ゲルの重心位置近くにすることができ、これにより当該生体電極の浮き上がりを軽減し剥がれにくくすることができる。

なお図2には、各層の存在を分かりやすくするために、各層を厚く表示しているが、実際には、各層は印刷や塗布によって形成する事から薄く形成される。その結果当該生体電極の柔軟性を確保し、着用者の体動に追従しやすいものとなる。

そして、本実施の形態に於いては、基材16を裾広がりの「M」字状に形成している事から、体動に応じて生体電極が曲折する部分は、上下の縁部分に形成された窪みを繋ぐ領域に特定できる。そこでこの部分を積極的に曲折させるために、粘着性ゲルからなる電解質層34は、図2(D)に示すように、裾広がりの「M」字状に形成した基材16における幅方向両側の縁に沿うように設けられている。その結果、体動に追従して曲折する領域を特定し、意図しない部分の曲折を阻止することができる。また、電極部分20をこの電解質層34で覆う事により、装着者が動いた場合であっても、電極部分20は、生体に確実に接続しておくことができ、安定して生体信号を取得する事ができる。

更に、印刷や塗布によって形成した電極部分20には、電解質層34(第一電解質層領域34L、第二電解質層領域34R)が確実に接する事から、当該各電極部分20の面積を小さく、即ち18mm2〜100mm2の範囲にすることもできる。その結果、心電波形の立ち上がり特性に優れた生体電極となる。各電極部分は任意の形状に形成する事ができるが、例えば外径10mmの円形とすることもできる。

図3は、この図2(D)におけるX−X矢視端面図である。この図3は、当該生体電極を生体から見たときの左側に存在する電極部分20、配線部分18、及び端子部分30の接続構造を示している。この図3に示すように、基材16の生体側(体面側)の面には、配線部分18を層状に設け、その先端側に電極部分20を層状に形成している。そして配線部分18の起端側(リング部分が存在する側)には、電解質保持部28に形成された孔28H1を貫通した端子部分30の円形部30Aが、密着状態で設けられている。そして当該端子部分30の軸部30Bは基材16、シールド層14、カバーシートを貫通して反対側の面に突出してスタッド36に嵌め込まれている。一方で、電極部分20、端子部分30及びアース接続部分26以外の領域には、絶縁材料からなる電解質保持部28を積層し、更に電解質保持部28における端子部分30の周りには絶縁用シートを重ね、そして電解質層34を積層させている。なお、基材16の反対側(外面側)の面に設けられたシールド層14は、端子部分30の円形部30Aとスタッド36とにより、カバーシートと基材16とを密着させることで、端子部分30との絶縁を果たしている。

図4は、図2(D)におけるY−Y矢視断面図である。この図4は、第1に生体電極における電極部分20、配線部分18、端子部分30の接続構造、第2に基材16に形成したスルーホール28H2を介したシールド層14とアース接続部分26との接続構造、第3にアース接続部分26と電解質層34における第三電解質層領域34Eとの接続構造を示している。この図4において、電極部分20、配線部分18、端子部分30の接続構造については、前記図3と実質的に同じである為、同じ符号を付してその説明を省略する。

特にこの図4において、基材16の裾側には、厚さ方向に貫通するスルーホール28H2が形成されている。このスルーホール28H2の内壁面には、スクリーン印刷等によりシールド層14を形成する際、当該シールド層14を形成するカーボンが付着する。一方で、基材16における生体側(体面側)の面に、スクリーン印刷等によりアース接続部分26を形成する際、当該アース接続部分26を形成する導電性材料(例えば銀)もスルーホール28H2の内壁面に付着し、これがカーボンと接触する。これによりスルーホールを介して、シールド層14とアース接続部分26との電気的な接続を実現している。よって、この図4からも明らかなように、シールド層14は、アース接続部分26、第三電解質層領域34Eを介して生体に短絡されている。

但し、当該シールド層14は、特に生体に接地させておかなくとも、ある程度は生体外ノイズの影響を無くす事ができる。依って、シールド層14を生体に接地しない場合には、前記基材16にスルーホール28H2を設ける必要は無く、またアース接続部分26を形成する必要もない。

図5は、前記シールド層14を生体に接地させる構成として、別の構造を採用した生体電極を示す分解斜視図である。特にこの実施の形態では、シールド層14の裾部分を、基材16よりも長く形成しており、且つ基材16における電極部分20が設けられる面側の裾部分の縁には、導電性材料からなるアース接続部分26を形成している。このアース接続部分26も導電性材料を印刷又は塗布する事により形成する事ができる。そして、本実施の形態に於いて、電解質保持部28は絶縁性を有しており、これは当該アース接続部分26が存在する領域を除いて設けられている。その結果、当該アース接続部分26は、電解質層34における第三電解質層領域34Eと密接に接する事ができる。

以上の様に形成した生体電極では、図6(A)に示すように、生体電極における生体側の面の裾部分には、前記アース接続部分26が存在し、当該アース接続部分26は第三電解質層領域34Eにより覆われている。そして図6(B)に示すように、裾側を長く形成したシールド層14は、導電性材料の印刷又は塗布により、裾部の側面にも回り込んで存在する。一方で前記アース接続部分26も、それを構成する導電性材料が、基材16の裾部の側面に回り込むようにして印刷又は塗布することから、シールド層14とアース接続部分26とは、当該基材16における裾部の側面で電気的に接続される。これにより、シールド層14を生体に接地することができ、シールド層14の電位を安定させる事ができる。

次に、図7及び8を参照して、他の実施の形態にかかる生体電極を説明する。図7は他の実施の形態にかかる生体電極を示す分解斜視図であり、図8は当該生体電極の底面図である。この実施の形態に示す生体電極では、特に電解質層の構成が、前記図1及び2に示した生体電極と異なっている。そして当該電解質層の構成以外は、前記図1及び2に示した生体電極と同じであることから、共通の符号を付して、詳細な説明は省略する。

即ち、この実施の形態にかかる生体電極では、それぞれの電極部分ごとに、別個独立した電解質層で覆っており、即ちそれぞれの電極部分を覆う各電解質領域は、相互に電気的に接続されていないものとして形成されている。具体的には、基材16の幅方向の何れか一方に存在する電極部分20を覆う第一電極電解質層領域34R1と、基材16の幅方向の他方に存在する電極部分20を覆う第二電極電解質層領域32L1とを備える。そして、この第一電極電解質層領域34R1と第二電極電解質層領域32L1とは、相互に電気的に接続されていない。

また本実施の形態では、第一電極電解質層領域34R1の上方には、上部側第一電解質層領域34R2が設けられ、また第二電極電解質層領域32L1の上方には、上部側第二電解質層領域34R2が設けられている。この上部側第一電解質層領域34R2及び上部側第二電解質層領域34R2は、この生体電極を生体に貼り付ける為のものであり、少なくとも粘着性を有するものとして形成される。かかる上部側第一電解質層領域34R2及び上部側第二電解質層領域34R2は、生体信号を取得するものではないことから、導電性は無くとも良い。

更に、上部側第一電解質層領域34R2及び上部側第二電解質層領域34R2とは、両者が接続されるか、或いは一体状に形成されてもよい。但し、基材の上下の縁部分に形成された窪みを繋ぐ領域で曲折させて、体動に応じた基材の変形を吸収するためには、本実施の形態に示す様に、上側の縁部分の下方には、電解質が存在しないように形成することが望ましい。

本実施の形態に示す様に、電極部分を覆う電解質の面積を、電極部分の2倍以上15倍以下、特に7倍以上13倍以下にすることにより、目的とする生体信号を的確に取得することができる。例えば、心電信号を取得する際、筋電信号などによるノイズを減じることができる。

これは、各電極部分に接続する電解質層の面積が大きければ、心電の導出電圧を大きく取れるものの、同時に筋電も導出する事になってしまう。そして心電と筋電が一緒に導出される事で、結果として、打ち消される電圧があり、電極からの出力電圧が低下する事も考えられる。そこで、筋電の影響を切り離して、心電電圧を大きくとる為に、電極部分の周囲にだけ電解質層を残し、他の領域は、生体電極を生体に接合する粘着用として使用する。その結果、1チャンネルの生体電極でありながら、従来にない高出力となり、従来製品の約2倍近くの心電電圧を取得することができる。更に、さらにシールド層による効果も相まって圧倒的にS/N比を向上させることができる。

上記実施の形態では、2極の生体電極であって、かつ基材16の裾が広がった「M」字形状の例に基づいて説明したが、各層や各部分の材質や形状は、本発明の要旨を逸脱しない範囲に於いて適宜変更する事ができる。

上記本発明にかかる生体電極は、携帯用(ウェアラブル)生体情報処理装置や、その他の生体情報取得装置において使用する事ができ、使用者が自分で身体に貼り付けることのできる生体電極として使用する事ができる。

12:カバーフィルム, 14:シールド層, 16:基材, 18:配線部分, 20:電極部分, 24:絶縁部, 26:アース接続部分, 28:電解質保持部, 28H2:スルーホール, 30:端子部分, 34:電解質層, 34L:第一電解質層領域, 34R:第二電解質層領域, 34E:第三電解質層領域, 36:スタッド

Claims (8)

  1. 電気刺激を生体に伝えるか、生体からの電気信号を感知するか、または双方を行うために生体に接触して使用される生体電極であって、
    シート状に形成された基材と、当該基材の何れかの面に設けられた電極部分と、当該電極部分を覆う電解質層と、前記基材に於いて電極部分が設けられた面とは反対側の面に露出して前記電極部分と電気的に接続される端子部分とからなり、
    前記基材は、上方よりも下方を幅広くした裾広がり形状に形成されると共に、
    前記電極部分は、基材に於いて広く形成した裾部分寄りであって、且つ所定の間隔をおいて基材の幅方向に設けられており、
    前記電極部分は2つであって、各電極部分は基材の幅方向の縁に近い位置に設けられており、
    前記端子部分は2つであって、基材の幅方向の中央近傍に、基材の幅方向に並べて設けられており、
    前記基材の幅方向の一方側と他方側において、それぞれの領域に存在する端子部分と電極部分とが配線部分によって電気的に接続されており、
    各電極部分と配線部分との組み合わせは、それぞれが電解質層によって覆われており、基材幅方向の何れか一方の電極部分と配線部分との組み合わせを覆う第一電解質層領域と、基材幅方向の他方の電極部分と配線部分との組み合わせを覆う第二電解質層領域とは相互に電気的に接続されていない事を特徴とする、生体電極。

  2. 前記端子部分は、基材における電極部分が設けられた側の面に存在する平面部と当該平面部から突出し、基材を貫通して存在する軸部とから成り、
    前記端子部分と電極部分とが配線部分によって電気的に接続されており、
    当該配線部分は、導電性材料を印刷または塗布することにより形成されていて、前記電極部分と前記端子部分の平面部とを電気的に接続している、請求項1に記載の生体電極。
  3. 前記端子部分と電極部分とが配線部分によって電気的に接続されており、
    前記基材において、端子部分が存在する側の面には、導電性材料から成るシールド層が設けられており、
    前記電解質層には、前記第一電解質領域及び第二電解質領域とは電気的に接続されていない当該第三電解質領域が設けられており、
    前記シールド層は、当該第三電解質領域と電気的に接続されている、請求項1に記載の生体電極。
  4. 前記第一電解質領域と第二電解質領域とは、基材に於ける電極部分が設けられた側の面に、間隔をあけて設けられており、
    前記電解質層の第一電解質領域と第二電解質領域との間には、当該第一電解質領域及び第二電解質領域とは電気的に接続されていない当該第三電解質領域が設けられており、
    前記基材には、上縁側に1つの窪み、下縁側に2つの窪みが存在しており、
    少なくとも前記電極部分は、それぞれ基材の上縁の窪みと下縁の窪みを結ぶ線が存在する領域を除いた範囲に設けられている請求項1に記載の生体電極。
  5. 前記基材は、その裾側を広げた「M」字状であって、幅方向両側の辺が10°〜80°の交角で交差する形状であって、
    前記電極部分は、各電極部分の中心間距離で50〜200mmの間隔を確保して設けられている、請求項1に記載の生体電極。
  6. 前記電解質層には、前記第一電解質領域及び第二電解質領域とは電気的に接続されていない当該第三電解質領域が設けられており、
    前記基材において、端子部分が存在する側の面には、導電性材料から成るシールド層が設けられており、
    前記基材に於ける電極部分が設けられた側の面であって、前記第三電解質領域が存在する範囲には、導電性材料を印刷又は塗布したアース接続部分が存在しており、
    当該アース接続部分は前記シールド層と電気的に接続されると共に、前記第三電解質領域と接触している請求項1に記載の生体電極。
  7. 前記電極部分と前記端子部分は複数設けられると共に、何れかの電極部分は、何れかの端子部分と配線部分によって電気的に接続されており、
    前記電極部分は、それぞれが独立した電解質層によって覆われており、各電極部分を覆う電解質層領域同士は、相互に電気的に接続されていない請求項1に記載の生体電極。
  8. シート状に形成された基材と、当該基材の何れかの面に設けられた電極部分と、当該電極部分を覆う電解質層と、前記基材に於いて電極部分が設けられた面との反対側の面に露出して前記電極部分と電気的に接続した端子部分とを備える生体電極と、
    当該生体電極に設けられた端子に接合すると共に、当該生体電極からの信号を取得する生体信号測定装置本体とからなる生体信号測定装置であって、
    当該生体電極が請求項1〜7の何れか一項に記載の生体電極である、生体信号測定装置。
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