JP6829524B2

JP6829524B2 - 布帛電極

Info

Publication number: JP6829524B2
Application number: JP2016113565A
Authority: JP
Inventors: 修一源中; 佳成宮村; 岸　達也; 達也岸
Original assignee: Suminoe Textile Co Ltd
Current assignee: Suminoe Textile Co Ltd
Priority date: 2016-06-07
Filing date: 2016-06-07
Publication date: 2021-02-10
Anticipated expiration: 2036-06-07
Also published as: JP2017218690A

Description

本発明は、例えば、生体用センサーの電極として使用するものであって、非導電性布帛と導電性布帛との接着性に優れた布帛電極に関する。

生体センサーの例として、心電図用電極を手首、足首に金属スナップ付き電極を固定し、胸には粘着剤を介して皮膚に密着させている。このようなものとして電気的に独立した複数の電極が、非導電性シート状物を介して一体化された生体医学用電極が知られている。より具体的には、例えば食塩などの電解質を溶解した含水ゲルを導電性接着剤とすることや、シート状の導電性接着剤でよいこと、電子電導層としては金属箔や導電性金属を蒸着したりすることや、導電性インクをコーティングすることで形成すること、また、非導電性シート状物としてはポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのフィルムが使用できることが開示されている（特許文献１）。このような生体医学用電極によれば、複数の電極が非導電性シート状物を介して一体化していることにより皮膚への密着面積が大きく、皮膚への追従性もよい。

実開平５−７０５５２号公報

しかしながら、従来の心電図用電極はゲル状やシート状の導電性接着剤で、フィルムである非導電性シート状物を積層していることから、肌に触れた際に肌との馴染が劣ることから違和感を覚え、通気性もないことから汗や痒みが生じるおそれがあった。さらに、心電図用電極の装着時には、肌からの脱落のおそれがあった。

本発明は、かかる技術的背景に鑑みてなされたものであって、通気性があって肌に触れた際の違和感を抑制でき、布帛電極の装着時には肌との密着性にも優れ、生体への追従時の布帛電極の剥離や脱落が生じ難い布帛電極を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。

［１］非導電性繊維層を肌に当てて用いる布帛電極において、少なくとも親水性高分子を含む紡糸溶液を紡糸してなる繊維を含む非導電性繊維層が、導電性布帛層に積層されてなることを特徴とする布帛電極。

［２］前記導電性布帛層は、少なくとも親水性高分子を含む樹脂が少なくとも一部に付着してなる前項１に記載の布帛電極。

［３］前記親水性高分子が、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸塩、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルピロリドン等の水溶性ポリマー、リン脂質ポリマーからなる群から選ばれる１つまたは複数である前項１又は２に記載の布帛電極。

［４］前記非導電性繊維層は、エレクトロスピニング法により積層された層である前項１〜３のいずれか１項に記載の布帛電極。

［５］前記非導電性繊維層を構成する繊維の太さが、１０ｎｍ〜１００００ｎｍの繊維で形成された不織布層である前項１〜４のいずれか１項に記載の布帛電極。

［６］前記導電性布帛層は、体積固有抵抗値が１０^４Ω・ｃｍ以下である前項１〜５のいずれか１項に記載の布帛電極。

［１］の発明では、布帛電極の非導電性繊維層を肌に当てて用いることから、通気性があって肌に触れた際の違和感を抑制できる。しかも、布帛電極の装着時には肌との密着性にも優れ、生体への追従時の布帛電極の剥離や脱落が生じ難い布帛電極とすることができる。

［２］の発明では、［１］の効果に加え、導電性布帛層には、少なくとも親水性高分子を含む樹脂が少なくとも一部に付着してなるので少なくとも親水性高分子を含む樹脂が非導電性繊維層の足場になるので、非導電性繊維層と導電性布帛層を、さらに強固に一体化することができる。

［３］の発明では、前記親水性高分子が、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸塩、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルピロリドン等の水溶性ポリマー、リン脂質ポリマーからなる群から選ばれる１つまたは複数であるので、肌に触れた際の違和感をさらに抑制できるとともに肌との密着性を向上させることができる。

［４］の発明では、前記非導電性繊維層は、エレクトロスピニング法により積層された層なので、導電性布帛層との一体化を十分に向上させることができるとともに通気性に優れる。

［５］の発明では、前記非導電性繊維層を構成する繊維の太さが、１０ｎｍ〜１００００ｎｍの繊維で形成された不織布層であるから、肌への密着性を一層向上させることができて、生体への追従時の布帛電極の剥離や脱落が格段に生じ難いとともに、優れた通気性を有する。

［６］の発明では、前記導電性布帛層は、体積固有抵抗値が１０^４Ω・ｃｍ以下なので、すなわち低い抵抗値を有しているので、心電図用等の電極において、感度の高い計測が可能となる。

本発明に係る布帛電極の一実施形態を示す模式的断面図である。本発明に係る布帛電極の製造方法の一例を示す模式図である。

次に、本発明に係る布帛電極の一実施形態について図にもとづいて説明する。図１において、本発明の布帛電極１は、非導電性繊維層を肌に当てて用いる布帛電極において、少なくとも親水性高分子を含む紡糸溶液を紡糸してなる繊維を含む非導電性繊維層２が導電性布帛層３に積層されてなる。すなわち、紡糸溶液に溶かす樹脂は、溶媒に溶解できる樹脂であれば特に限定されず、親水性高分子を含む。

また、本発明の布帛電極１は、少なくとも親水性高分子を含む樹脂（図示せず）が少なくとも一部に付着してなる導電性布帛層３に、前記非導電性繊維層２が積層されてなることが好ましい。少なくとも親水性高分子を含む樹脂を導電性布帛層３に付着させるには、例えば少なくとも親水性高分子を含む樹脂液中に導電性布帛層３を浸す浸漬法、導電性布帛層３にロールコーターやナイフコーターを用いて塗布するコーティング法、版を用いて印捺するプリント法等の方法を挙げることができる。

前記樹脂の付着量（乾燥状態）は、０．５ｇ／ｍ^２〜２０．０ｇ／ｍ^２に設定されるのが好ましい。０．５ｇ／ｍ^２以上とすることで、非導電性繊維層２の足場となるともに、２０．０ｇ／ｍ^２以下とすることで、通気性を保持することができる。

また、非導電性繊維層２は、少なくとも親水性高分子を含む紡糸溶液を紡糸してなる繊維を含む層であるのが好ましい。

非導電性繊維層２は、エレクトロスピニング法（図２参照）により積層された層であるのが好ましい。アース９された導電性布帛層３と、紡糸溶液５のシリンジ（またはタンク）４との間に高電圧電源８によって高電圧を印加することで、紡糸溶液５が紡糸口６から導電性布帛層３の表面に向かって噴出する。そして、紡糸溶液５は、導電性布帛層３の表面に到達するまでの間に、紡糸溶液５中の溶媒が揮発しながら樹脂噴出７となり、紡糸溶液５中の樹脂の繊維が形成されて導電性布帛層３の表面に積層される。

なお、印加する高電圧８は、特に限定されないが、０ｋＶ〜４０ｋＶに設定するのが好ましい。また、前記紡糸口６の内径は０．４ｍｍ〜１．２０ｍｍに設定するのが好ましい。紡糸溶液５の噴出速度は、０．０１ｍｌ／分〜１．２ｍｌ／分に設定するのが好ましい。

また、エレクトロスピニング法による繊維の太さは、紡糸溶液５中の樹脂濃度、印加する高電圧８、紡糸口６の内径や紡糸溶液５の噴出量、さらに紡糸口６と導電性布帛層３との距離などの条件を調整することで制御することができる。

前記紡糸溶液に溶かす樹脂としては、ポリアミド、ポリウレタン、ポリ乳酸、ナイロン、ポリアクリルニトリル、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、酢酸セルロース、コラーゲン等を例示できる。

なお、前記親水性高分子としては、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸塩、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルピロリドン等の水溶性ポリマー、リン脂質ポリマー等を挙げることができる。これらからなる群から選ばれる１つまたは複数であるのが好ましい。

前記溶媒としては、クロロホルム、ジメチルホルムアミド、ジクロロメタン、テトラヒドロフラン等の有機溶媒、アルコール、緩衝液、水等を挙げることができる。前記溶媒は、前記樹脂を溶かすことができれば特に限定されず、前記樹脂に応じて定まるものである。なかでも取扱い易い水に溶ける樹脂を用いるのが好ましい。

前記非導電性繊維層２を構成する繊維の太さ（直径）は、１０ｎｍ〜１００００ｎｍ（１０μｍ）の繊維で形成された層であるのが好ましい。１０ｎｍ以上であることで安定した連続繊維となるし、１００００ｎｍ（１０μｍ）以下であることで、繊維の表面積効果が顕著になり、非導電性繊維層２の面を肌に当てた際の違和感をさらに抑制できるうえに通気性に優れる。なかでも、非導電性繊維層２を構成する繊維の太さは２００ｎｍ〜５，０００ｎｍであるのがより好ましい。さらに２００ｎｍ〜１０００ｎｍであるのが最も好ましい。

また、前記非導電性繊維層２の積層量（乾燥状態）は、０．１ｇ／ｍ^２〜３．０ｇ／ｍ^２に設定されるのが好ましい。０．５ｇ／ｍ^２以上とすることで肌への密着性を確保することができるとともに、３．０ｇ／ｍ^２以下とすることで通気性を保有した構造とすることができる。

前記非導電性繊維層２を構成する繊維の太さ（直径）は、走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、原子間力顕微鏡、走査型トンネル顕微鏡にいずれかの顕微鏡を用いて繊維をナノスケールで撮影した画像（写真を含む）を形態観察することによって測定されるものである。

前記導電性布帛層３としては、特に限定されないが、例えば、金属メッキ繊維で構成された布帛、導電性繊維が含侵された又は表面に付着された布帛、金属糸で構成された布帛、炭素繊維で構成された布帛などが挙げられる。布帛の形態としては、編地、織布、布帛等を挙げることができる。なかでも、前記導電性布帛層３は、金属メッキ繊維で編成された編地で構成されるのが好ましい。

前記金属メッキ繊維を構成する金属（メッキ材）としては、特に限定されないが、例えば銀、金、銅、ニッケル、アルミニウム等を挙げることができる。また、前記金属メッキ繊維を構成する繊維（メッキされる芯繊維）としては、特に限定されないが、例えば、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、アクリル繊維、炭素繊維等を挙げることができる。

前記金属メッキ繊維としては、特に限定されないが、例えば、表面が銀メッキされたナイロン繊維、表面が銀メッキされたポリエステル繊維、表面が銅メッキされたナイロン繊維等を挙げることできる。

前記金属メッキ繊維の太さは、特に限定されないが、５ｄｔｅｘ〜３００ｄｔｅｘに設定されるのが好ましい。

前記導電性布帛層は、体積固有抵抗値が１０^４Ω・ｃｍ以下なので、すなわち低い抵抗値を有しているので、心電図用等の電極において、感度の高い計測が可能となる。

次に、本発明の具体的な実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例のものに特に限定されるものではない。

＜使用材料＞
導電性布帛・・・編地（表面が銀メッキされたナイロン繊維からなる編地）、大きさたて５ｃｍ×よこ５ｃｍ、厚さ０．１ｍｍ
親水性高分子・・・ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）（重量平均分子量５００，０００）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）（重合度１，７００、重量平均分子量７５，０００）
高分子溶液Ａ・・・ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）２質量％水溶液
高分子溶液Ｂ・・・ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）２質量％水溶液
紡糸溶液Ａ・・・ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）２質量％水溶液
紡糸溶液Ｂ・・・ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）３質量％水溶液
紡糸溶液Ｃ・・・ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）１０質量％水溶液

＜実施例１＞
室内（温度２０℃、湿度４０％）において、図２に示すように紡糸溶液Ａをシリンジ（またはタンク）４の中に投入して、アースされた編地（導電性布帛３）とシリンジ（またはタンク）４との間に高電圧電源８によって２０ｋＶの電圧を印加することで、紡糸溶液Ａを紡糸口６（内径：０．４０ｍｍ）から噴出（噴出速度：０．０８ｍｌ／分）させて、噴出した紡糸溶液Ａが樹脂噴出７を経てポリエチレンオキサイド繊維となって、編地（導電性布帛３）の表面に積層された。
こうして得られた布帛電極１の非導電性繊維層を構成する繊維、すなわちポリエチレンオキサイド繊維の太さ（直径）は、５００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲であり、ポリエチレンオキサイド繊維の積層量（乾燥状態）は１．１ｇ／ｍ^２であった。
繊維の太さ（直径）は布帛電極の非導電性繊維層２の側表面を走査型電子顕微鏡を用いてナノスケールで撮影した写真を観察することによって求めた。密着性評価は、「４」で合格であった。

＜実施例２＞
編地（導電性布帛３）を高分子溶液Ａに浸漬し、温度４５℃の温風乾燥機内に１時間静置し乾燥させた。なお、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）の付着量（乾燥状態）は１４ｇ／ｍ^２であった。その後、実施例１において、エレクトロスピニング用紡糸溶液として、紡糸溶液Ａに替えて紡糸溶液Ｃを用いた以外は実施例１同様にして、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）が付着した編地（導電性布帛３）の表面に紡糸溶液Ｃが樹脂噴出７を経てポリビニルアルコール繊維となって積層された。
こうして得られた布帛電極１の非導電性繊維層を構成する繊維、すなわちポリビニルアルコール繊維の太さ（直径）は、３００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲であり、ポリビニルアルコール繊維の積層量（乾燥状態）は１．３ｇ／ｍ^２であった。密着性評価は、「５」で合格であった。

＜実施例３＞
実施例２において、エレクトロスピニング用紡糸溶液として、紡糸溶液Ｃに替えて紡糸溶液Ｂを用いた以外は実施例２同様にして、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）が付着した編地（導電性布帛３）の表面に紡糸溶液Ｂが樹脂噴出７を経てポリエチレンオキサイド繊維となって積層された。
こうして得られた布帛電極１の非導電性繊維層を構成する繊維、すなわちポリエチレンオキサイド繊維の太さ（直径）は、６００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲であり、ポリエチレンオキサイド繊維の積層量（乾燥状態）は１．１ｇ／ｍ^２であった。密着性評価は、「３」で合格であった。

＜実施例４＞
実施例２において、編地（導電性布帛３）を浸漬する溶液として、高分子溶液Ａに替えて高分子溶液Ｂを用いた以外は実施例２と同様にして、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）が付着した編地（導電性布帛３）の表面に紡糸溶液Ｃが樹脂噴出７を経てポリビニルアルコール繊維となって積層された。
こうして得られた布帛電極１の非導電性繊維層を構成する繊維、すなわちポリビニルアルコール繊維の太さ（直径）は、３００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲であり、ポリビニルアルコール繊維の積層量（乾燥状態）は１．５ｇ／ｍ^２であった。
密着性評価は、「５」で合格であった。

＜実施例５＞
実施例４において、エレクトロスピニング用紡糸溶液として、紡糸溶液Ｃに替えて紡糸溶液Ｂを用いた以外は実施例４同様にして、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）が付着した編地（導電性布帛３）の表面に紡糸溶液Ｂが樹脂噴出７を経てポリエチレンオキサイド繊維となって積層された。
こうして得られた布帛電極１の非導電性繊維層を構成する繊維、すなわちポリエチレンオキサイド繊維の太さ（直径）は、３００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲であり、ポリエチレンオキサイド繊維の積層量（乾燥状態）は１．３ｇ／ｍ^２であった。密着性評価は、「５」で合格であった。

＜比較例１＞
実施例１において、導電性布帛として用いたのと同じ編地を布帛電極とした。密着性評価は、「１」で不合格であった。

＜密着性評価試験＞
布帛電極の非導電性繊維層の面を手の甲に載せた後、もう一方の手で布帛電極を５秒間押し当てたのち、手の甲を下側にして、布帛電極が手の甲から剥がれ落ちるまでの時間をストップウオッチで計測した。この落下するまでの時間を、下記の５段階で評価し、「３」の評価以上を合格とした。
「５」・・・４５秒以上保持したもの。
「４」・・・３０秒以上４５秒未満保持したもの。
「３」・・・１５秒以上３０秒未満保持したもの。
「２」・・・１５秒未満で落下したもの。
「１」・・・肌に密着せずに落下したもの。

実施例１〜５の布帛電極は、いずれも布帛電極の装着時には肌との密着性にも優れるとともに通気性のあるものであった。一方、比較例の電極は、肌に密着できずに落下してしまった。しかも、銀メッキされた糸が直接肌に触れ、著しい違和感を感じるものであった。

本発明に係る布帛電極は、通気性があって肌に触れた際の違和感を抑制でき、布帛電極の装着時には肌との密着性にも優れ、生体への追従時の布帛電極の剥離や脱落が生じ難いので生体センサーの電極として好適に使用できる。生体センサーとしては、心電図測定用などがある。

１・・・布帛電極
２・・・非導電性繊維層（親水性高分子繊維を含む）
３・・・導電性布帛層
４・・・シリンジ（またはタンク）
５・・・紡糸溶液
６・・・紡糸口
７・・・樹脂噴出
８・・・高電圧電源
９・・・アース

Claims

非導電性繊維層を肌に当てて用いる布帛電極において、少なくとも親水性高分子を含む紡糸溶液を紡糸してなる繊維を含む非導電性繊維層が、導電性布帛層に積層されてなることを特徴とする布帛電極。
前記導電性布帛層は、少なくとも親水性高分子を含む樹脂が少なくとも一部に付着してなる請求項１に記載の布帛電極。
前記親水性高分子が、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸塩、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルピロリドン等の水溶性ポリマー、リン脂質ポリマーからなる群から選ばれる１つまたは複数である請求項１又は２に記載の布帛電極。
前記非導電性繊維層は、エレクトロスピニング法により積層された層である請求項１〜３のいずれか１項に記載の布帛電極。
前記非導電性繊維層を構成する繊維の太さが、１０ｎｍ〜１００００ｎｍの繊維で形成された不織布層である請求項１〜４のいずれか１項に記載の布帛電極。
前記導電性布帛層は、体積固有抵抗値が１０^４Ω・ｃｍ以下である請求項１〜５のいずれか１項に記載の布帛電極。