JP7315346B2

JP7315346B2 - シート状電極および衣料

Info

Publication number: JP7315346B2
Application number: JP2019048042A
Authority: JP
Inventors: 聡安井
Original assignee: Teijin Frontier Co Ltd
Current assignee: Teijin Frontier Co Ltd
Priority date: 2019-03-15
Filing date: 2019-03-15
Publication date: 2023-07-26
Anticipated expiration: 2039-03-15
Also published as: JP2020146336A

Description

本発明は、激しい動作時も安定的に所望とする生体の電気信号、特に心電信号が明瞭に得られるシート状電極およびそれを用いた衣料に関する。

従来から、心電図や筋電図等のデータ採取を対象者に対して行う場合に使用する電極付き着衣が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような着衣は、布生地に導電性糸を編み込むことにより電極を形成し、当該電極を介して心電信号や筋電信号を外部装置が検出できるように、付与できるように構成されている。

特開２００５－３４９０２１号公報

本発明者らは、従来提案されている生体の電気信号を導電性の生地やゴムやフィルムのシート状の電極で検出する方法では、着用者が静止した状態では精度よく生体信号が採取できるが、特にスポーツなどの激しい動作時には、肌と電極との接触状態が変化することで電気的ノイズが発生し明瞭な生体信号が得られないこと、また、心電信号のみを得たい場合は、動作時の筋電信号の混入により、明瞭な心電信号が得られないことを見出した。

本発明は、かかる問題を解決するためになされたものであって、激しい動作時も安定的に所望とする生体の電気信号、特に心電信号が明瞭に得られるシート状電極およびそれを用いたおよびそれを用いた衣料を提供することを目的とする。

本発明者らは上記の課題を達成するため鋭意検討した結果、シート状電極の肌と接触する面（すなわち露出部）において導電部の配置を工夫することにより、激しい動作時も安定的に所望とする生体電気信号が明瞭に得られることを見出し、さらに鋭意検討を重ねることにより本発明を完成するに至った。

かくして、本発明によれば「導電部と非導電部とを含むシート状電極であって、肌に直接接触する表面であり被覆されていない、電極の露出部において、露出部の面積が４～４０ｃｍ^２であり、かつ導電部の面積比率が５～２５％であり、前記露出部の外周線の長さに対する、導電部が前記外周線上に露出している長さの割合が２０％以下であり、前記導電部が銀メッキしたナイロン糸を含み、前記非導電部が単繊維径１μｍ以下の繊維を３０％以上含み、かつ電極が編地で構成されることを特徴とするシート状電極を含み、シート状電極と衣料を構成する生地との間に、厚み５～２０ｍｍの低反発ウレタンスポンジからなるクッション材が介在しており、前記クッション材が、前記シート状電極と前記生地の何れにも固定されていない衣料。」が提供される。

その際、前記露出部において、導電部が中央部に位置することが好ましい。また、シート状電極の厚みが１．０ｍｍ以下であることが好ましい。

また、衣料がシート状電極を２個以上含むことが好ましい。また、シート状電極の外周部のみ、衣料を構成する生地（以下、「衣料生地」ということもある。）に接着していることが好ましい。

本発明によれば、激しい動作時も安定的に所望とする生体の電気信号、特に心電信号が明瞭に得られるシート状電極およびそれを用いた衣料が得られる。

本発明のシート状電極の一例である。本発明において、採用することのできる導電部と非導電部のパターンの例である。シート状電極を衣服生地に固定する方法の一例である（平面図、断面図）。本発明の衣服の一例である。実施例１で得られた衣服を示す図である。実施例１においてシート状電極を衣服生地に固定した状態を示す図である。図６の断面図である。実施例１で用いた、バインダーテープの片面に銀メッキナイロン糸を縫い付けた導線を示す図である。

以下、本発明の実施形態にかかるシート状電極およびそれを用いた衣料について、添付図面を参照して説明する。なお、各図は、構成の理解を容易ならしめるために部分的に拡大・縮小している。

本発明のシート状電極は、例えば図１に示すような、長方形の形状が好ましく例示される。もちろん、正方形、円形、三角形など任意の形状でよい。

本発明のシート状電極は導電部と非導電部とを含み、露出部（すなわち肌と直接接触する表面）を有する。シート状電極に何も被覆されない場合は、シート状電極の表裏どちらか一方面が露出部となり、後記のように周辺部が被覆されている場合は被覆されてない箇所が露出部となる。

ここで、該露出部において、露出部外周の周長に対する導電部長さの割合が２０％以下であることが重要である。例えば、前記露出部が、図１に示すような長方形を有する場合、長方形の外周線の長さ（ａ＋ｂ＋ａ＋ｂ）において、導電部が外周線上に露出している長さ（ｃ＋ｃ）の割合（（ｃ＋ｃ）／（ａ＋ｂ＋ａ＋ｂ）×１００）が２０％以下であることが必要である。外周線の近くは肌との接触状態が不安定になり易く（肌から浮いたりズレたりする）、接触状態が不安定な部分に導電部が存在すると電気信号にノイズが入り易くなるため、上記の割合が２０％より大きくなるとノイズが生体の電気信号より大きくなり好ましくない。上記の割合は小さいほどよく、１０％以下が更に好ましい。もちろん０％でもよい。

また、前記露出部において、露出部の面積が４～４０ｃｍ^２の範囲内であることが好ましい。露出部の面積が該範囲より小さいと、最適な位置から外れた場合、生体の電気信号が取れなくなるおそれがある。逆に、露出部の面積が該範囲より大きいと、ノイズや目的外の電気信号を拾い易くなるおそれがある。

また、前記露出部において、タテ方向とヨコ方向の長さの比が１：２～１：１０であることが好ましい。タテ方向とヨコ方向の長さは、ヨコに長い方が良く、タテに長いと胸筋や腹筋などの大きい筋肉の上に電極が位置してしまい、心電信号のみを得たい場合に筋電信号が混入するおそれがある。なお、タテ方向とは衣料の身丈方向を示し、ヨコ方向とは衣料の身幅方向を示す。

また、前記露出部において、導電部の面積比率（（導電部面積）／（導電部面積＋非導電部面積）×１００）が５０％以下（より好ましくは５～５０％）であることが好ましい。導電部の面積が５０％より大きい場合は、導電部がノイズを拾い易くなるおそれがある。

また、前記露出部において、導電部の位置は露出部全体の中央部寄り（左右対称軸または上下対称軸近辺）に位置することが好ましい。この理由も先に述べたノイズを避けるためであり、かつ導電部が上下左右に偏っていると、外周線に近づくため、肌との接触が不安定になり、ノイズを拾いやすくなるおそれがある。

本発明のシート状電極の厚みとしては１．０ｍｍ以下（より好ましくは０．１～０．５ｍｍ）であることが好ましい。これは、厚みが薄いほど肌の凹凸や湾曲に追従して密着し易いためである。

本発明のシート状電極において、導電部と非導電部を構成する方法としては、導電繊維と非導電繊維を交編・交織する方法、非導電繊維からなる織編物に導電剤を部分的に含浸またはプリントにより塗布することで導電部を形成する方法、非導電性のフィルムに導電材を部分的にプリントすることで導電部を形成する方法、などが例示される。

その際、非導電部が単繊維径１μｍ以下（好ましくは１０～８００ｎｍ）の繊維を含むと、シート状電極の表面がフラットになり肌との接触面積が高まり肌との密着性が高くなり好ましい。特に、非導電部が該繊維を３０％以上（より好ましくは５０％以上）含むことが好ましい。なお、前記繊維としては、単繊維径が７００ｎｍの帝人フロンティア社製ナノフロント（登録商標）が好ましい。

本発明のシート状電極は前記構成を有するので、激しい動作時も安定的に所望とする生体の電気信号、特に心電信号が明瞭に得られる。

次に、本発明の衣料は前記シート状電極を含む。その際、生体が発する電気信号を読み取るためには、電極として陽極と陰極の２極が必要であり、衣料は２個以上（より好ましくは２～１０個）の電極を備えることが好ましい。

また、シート状電極と衣料生地の固定方法として、シート状電極の外周部のみで衣料生地と固定されていることが好ましい。シート状電極と衣料生地とが全面的に固定されていると、シート状電極が衣料生地に独立して肌に密着することができなくなり、シート状電極と肌との密着性が低下する（電極と衣料生地が一体化することで、肌の凹凸や湾曲に対して追従し難くなる。）おそれがある。すなわち、シート状電極と衣料生地が全面的に接着または縫着されているものは、肌との密着性が低下するおそれがある。

シート状電極と衣料生地の固定方法は特に限定されないが、図３に示すように、片面タイプの熱転写シートを電極外周部に外枠状に貼り付ける方法、枠形状に切り抜いた両面タイプの熱転写シートをシート状電極と衣料生地の間に挟み込んで接着する方法、シート状電極の外周部と衣料生地を縫い糸で縫い合わせる方法、などが例示される。

また、図３に例示するように、シート状電極と衣料生地との間に厚み５ｍｍ以上（より好ましくは５～２０ｍｍ）のクッション材が介在していることが好ましい。このクッション材の厚みにより、シート状電極が肌側へ押し付けられる効果があり、かつ肌の凹凸や湾曲に対して電極シートの形状が追従して変形し易くなる効果がある。更に、このクッション材はシート状電極、衣料用生地の何れにも固定されていない方が上記の追従性の点から好ましい。

また、衣料生地に対するシート状電極の位置についは、図４に示すように、前身頃の袖ぐりの最下点から裾ラインを結ぶ直線に対して、中央より上部に位置し、かつ前身頃を左右均等に分割する中央線と左右両端の脇線の中点に対して脇線側に位置することが好ましい。上記以外の位置では、心電信号が弱くなり過ぎたり、胸筋や腹筋など大きい筋肉の上に位置することで筋電信号を拾い易くなるおそれがある。

本発明の衣料は前記構成を有するので、激しい動作時も安定的に所望とする生体の電気信号、特に心電信号が明瞭に得られる。

なお、前記衣料の衣料生地としては、特に限定されず、ポリエステル繊維、ナイロン繊維、木綿などを用いた織編物でよい。特に、ポリトリメチレンテレフタレート繊維、ポリトリメチレンテレフタレートを一成分として含む複合繊維、弾性繊維（例えば、ポリウレタン弾性糸など）などを含むストレッチ性織編物が好ましい。

次に本発明の実施例および比較例を詳述するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。なお、実施例中の各測定項目は下記の方法で測定した。
（１）心拍計測性
（株）スポーツセンシング社のＤＳＰワイヤレスＥＣＧ／ＨＲロガー（加速度／角速度）ＳＳ－ＥＣＧＨＲＡＧを衣料に取り付けたスナップボタンを介して衣料に接続し、安静時、運動時の心電波形および心拍数を計測し、以下の基準にて心拍計測性を評価した。計測の周波数は１ｋＨｚに設定。
◎ ⇒ 運動時すべてのデータで正確に心拍数を算出できた。
○ ⇒ 運動時８０％以上のデータで正確に心拍数が算出できた。
△ ⇒ 運動時５０～８０％のデータで正確に心拍数が算出できた。
× ⇒ 運動時５０％未満のデータで正確に心拍数が算出できた。
計測の一連の工程は、安静１分間⇒体をねじる運動１分⇒全速力腕振り１分、の３分間で実施した。
（２）厚み
ＪＩＳＬ１０９６８．４：２０１０Ａ法で規定される方法で測定した。

［実施例１］
２８Ｇのラッセル編機（細幅編機）にて、中央部（巾０．５ｃｍ）に７８デシテックス３４フィラメントの銀メッキしたナイロン糸を配し、それ以外の部分には単繊維の直径が約７００ｎｍである７８デシテックス１６７２０フィラメントの超極細ポリエステル繊維（帝人フロンティア社製ナノフロント（登録商標））と３３デシテックス１２フィラメントの通常のポリエステル繊維とのインターレース混繊糸を用いて、バック筬の組織を１０／０１、フロント筬の組織を１２／１０にて編地（全巾６ｃｍ）を作製した後、長さ１０ｃｍにカットしてシート状電極とした。
この編地の中央部の銀メッキナイロン糸部分は良好な導電性を示し、電気抵抗値は０．５Ω／ｃｍであり、それ以外のポリエステル糸部分は非導電性を示した。

一方、２８Ｇのシングル丸編み機にて、８４デシテックス７２フィラメントのポリエステル加工糸と４４デシテックス１フィラメントのポリウレタン弾性糸をポリウレタン弾性糸のドラフト率２．５倍にてベア天竺組織の編地を編成し、この編地を身生地（衣料生地）として、図５に示すデザインのＭサイズの衣料を作製した。

次いで、図５に示す位置のウェアの内側（人体側）に電極シートを図６、図７に示す方法で取り付け、衣料生地とシート状電極との間にはクッション材として、厚み１０ｍｍの低反発ウレタンスポンジを挿入した。なお、熱転写シートは接着剤が塗布されたウレタンシートであり、１６０℃の熱プレスにより衣料生地とシート状電極とを熱接着させた。かかるシート状電極において、シート状電極の露出部は８ｃｍ×４ｃｍのサイズであった。

次いで、図８に示すようなバインダーテープの片面に銀メッキナイロン糸を縫い付けた導線により図５に示すようにシート状電極から背中上部のスナップボタンを連結し、スナップボタンを介して心電計測機に接続した。
この衣料をシート状電極が直接肌に触れるように着用し、安静時と運動時の心電図を計測した結果を表１に示す。

［実施例２］
シート状電極として、全巾６ｃｍで中央部の導電部の巾１ｃｍのラッセル編地を用いる以外は、実施例１と同じ方法で衣料を得た。この編地の中央部の銀メッキナイロン糸部分は良好な導電性を示し、電気抵抗値は０．５Ω／ｃｍであり、それ以外のポリエステル糸部分は非導電性を示した。得られた衣料の評価結果を表１に示す。

［実施例３］
シート状電極として、全巾６ｃｍで中央部の導電部の巾２ｃｍのラッセル編地を用いる以外は、実施例１と同じ方法で衣料を得た。この編地の中央部の銀メッキナイロン糸部分は良好な導電性を示し、電気抵抗値は０．５Ω／ｃｍであり、それ以外のポリエステル糸部分は非導電性を示した。得られた衣料の評価結果を表１に示す。

［比較例１］
シート状電極として、全巾６ｃｍで中央部の導電部の巾３ｃｍのラッセル編地を用いる以外は、実施例１と同じ方法で衣料を得た。この編地の中央部の銀メッキナイロン糸部分は良好な導電性を示し、電気抵抗値は０．５Ω／ｃｍであり、それ以外のポリエステル糸部分は非導電性を示した。得られた衣料の評価結果を表１に示す。

［実施例４］
１８Ｇのラッセル編機にて、中央部に巾２ｃｍに１５６デシテックス６８フィラメントの銀メッキしたナイロン糸を、それ以外の部分には１６７デシテックス４８フィラメントのポリエステル仮撚り加工糸を用いて、バック筬の組織を１０／０１、フロント筬の組織を１２／１０にて編地（全巾６ｃｍ）を編成した。

この編地の中央部の銀メッキナイロン糸部分は良好な導電性を示し、電気抵抗値は０．５Ω／ｃｍであり、それ以外のポリエステル糸部分は非導電性を示した。
この編地を長さ方向で１０ｃｍにカットし、シート状電極とした。その他は、実施例１と同じ方法で衣料を得た。得られた衣料の評価結果を表１に示す。

［実施例５］
実施例３において、シート状電極と衣料生地との間のクッションを無くし、さらにシート状電極と衣料生地との間に両面接着タイプの熱転写シートを挿入しシート状電極と衣料生地とを全面的に接着する以外は、実施例３と同じ方法で衣料を得た。得られた衣料の評価結果を表１に示す。

本発明によれば、激しい動作時も安定的に所望とする生体の電気信号、特に心電信号が明瞭に得られるシート状電極およびそれを用いた衣料が提供され、その工業的価値は極めて大である。

Claims

導電部と非導電部とを含むシート状電極であって、
肌に直接接触する表面であり被覆されていない、電極の露出部において、露出部の面積が４～４０ｃｍ^２であり、かつ導電部の面積比率が５～２５％であり、
前記露出部の外周線の長さに対する、導電部が前記外周線上に露出している長さの割合が２０％以下であり、
前記導電部が銀メッキしたナイロン糸を含み、
前記非導電部が単繊維径１μｍ以下の繊維を３０％以上含み、
かつ電極が編地で構成されることを特徴とするシート状電極を含み、
シート状電極と衣料を構成する生地との間に、厚み５～２０ｍｍの低反発ウレタンスポンジからなるクッション材が介在しており、前記クッション材が、前記シート状電極と前記生地の何れにも固定されていない衣料。
前記露出部において、導電部が中央部に位置する、請求項１に記載の衣料。
シート状電極の厚みが１．０ｍｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の衣料。
シート状電極を２個以上含む、請求項１～３のいずれかに記載の衣料。
シート状電極の外周部のみ、衣料を構成する生地に接着している、請求項１～４のいずれかに記載の衣料。