JP7377012B2 - 導電性材とこれを備える電気的素子、センサ - Google Patents
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Description
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。
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。
「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。
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。
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)。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
「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。
「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、静電容量値が好適である。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
Claims (12)
- 紙を含有する基材の表面に、PEDOT-pTS(poly(3,4-ethylene-dioxythiophene)-p-toluenesulfonate)が付着している導電性材。
- 前記紙は、和紙である、請求項1に記載の導電性材。
- 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。
- 前記布地は、紙糸を含む編物又は織物である、請求項3に記載の導電性材。
- 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。
- 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。
- 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。
- 前記電気特性値は、静電容量値である、請求項7に記載の電気的素子。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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