JPWO2018008688A1 - 生体電極及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
さらに、ゲル、クリーム及びペーストなどを塗布した上で金属製の生体電極を用いると、電気信号の検知の面では改善されるものの、金属は硬質であるため、長時間密着するには不適である。
しかし、特許文献1は、皮膚との接触の不安定性に起因するノイズが大きいという問題がある。
しかし、特許文献2では、導電性高分子の製造コストが高く、耐久性にも課題を有する。
しかし、炭素系の粒子を配合した導電性ゴムでは人体表面に含まれる塩分と水分から成る電解液のために皮膚との接触インピーダンスが高く、測定が不安定になる(特許文献3)。
しかし、特許文献4では、生体電極は、皮膚に密着させるため、繰返し使用に際しては水や洗剤が欠かせない。帯電防止剤は水への溶解性が高いため、繰返し使用するに従い電極表面の帯電防止剤が失われ、徐々に測定が不安定化する課題を有する。
シリコーンゴムに導電性炭素粒子を配合してなる導電性シリコーンゴム電極上に、
凝集状の銀粉又はフレーク状の銀粉のうちの少なくとも一種とシリコーンゴムからなる銀コーティング層を有し、
前記銀コーティング層の膜厚が18〜80μmであることを特徴とする生体電極。
(請求項2)
シリコーンゴムに導電性炭素粒子を配合してなる導電性シリコーンゴム電極上に、
凝集状の銀粉又はフレーク状の銀粉のうちの少なくとも一種とシリコーンゴムからなる銀コーティング層を有し、
前記銀コーティング層が、電気伝導性及びイオン伝導性を有することを特徴とする生体電極。
(請求項3)
前記銀コーティング層が、前記銀粉の粒子間に、イオンを存在させることにより前記イオン伝導性を有することを特徴とする請求項2記載の生体電極。
(請求項4)
前記銀コーティング層の膜厚が18〜80μmであることを特徴とする請求項2又は3記載の生体電極。
(請求項5)
前記銀粉が、凝集状の銀粉とフレーク状の銀粉の両方を含むことを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の生体電極。
(請求項6)
前記導電性シリコーンゴム電極の前記銀コーティング層が設けられた面と反対側の面に、信号伝送部材としてフレキシブルプリント基板が設けられていることを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の生体電極。
(請求項7)
シリコーンゴムに導電性炭素粒子を配合してなる導電性シリコーンゴム電極を用意し、
次いで、前記導電性シリコーンゴム電極上に、凝集状の銀粉又はフレーク状の銀粉のうちの少なくとも一種とシリコーンゴムを含有する銀ペーストを塗布し、
次いで、前記銀ペーストを硬化させて、膜厚が18〜80μmとなるように銀コーティング層を形成することを特徴とする生体電極の製造方法。
(請求項8)
シリコーンゴムに導電性炭素粒子を配合してなる導電性シリコーンゴム電極を用意し、
次いで、前記導電性シリコーンゴム電極上に、凝集状の銀粉又はフレーク状の銀粉のうちの少なくとも一種とシリコーンゴムを含有する銀ペーストを塗布、硬化して電気伝導性を有する銀コーティング層を形成し、
次いで、前記銀コーティング層の前記銀粉の粒子間に、イオンを存在させてイオン伝導性を付与することを特徴とする生体電極の製造方法。
(請求項9)
前記イオン伝導性は、塩化物塩、硫酸塩または炭酸塩から選ばれる少なくとも1つの無機塩を溶解させた溶液に、前記銀コーティング層を浸漬することによって付与することを特徴とする請求項8記載の生体電極の製造方法。
(請求項10)
前記無機塩が、アルカリ金属の塩化物塩であることを特徴とする請求項9記載の生体電極の製造方法。
(請求項11)
前記銀コーティング層の膜厚を18〜80μmとなるように塗布、硬化することを特徴とする請求項8〜10の何れかに記載の生体電極。
(請求項12)
前記銀粉が、凝集状の銀粉とフレーク状の銀粉の両方を含むことを特徴とする請求項7〜11の何れかに記載の生体電極の製造方法。
(請求項13)
前記導電性シリコーンゴム電極をフレキシブルプリント基板上に直接成形することにより、前記導電性シリコーンゴム電極の前記銀コーティング層が設けられる面と反対側の面に、信号伝送部材として前記フレキシブルプリント基板を設けることを特徴とする請求項7〜12の何れかに記載の生体電極の製造方法。
<生体電極>
図1に示すように、本発明の第1の実施形態に係る生体電極は、シリコーンゴムに導電性炭素粒子を配合してなる導電性シリコーンゴム電極1上に、凝集状の銀粉又はフレーク状の銀粉のうちの少なくとも一種とシリコーンゴムからなる銀コーティング層2を有し、前記銀コーティング層の膜厚が18〜80μmであることを特徴とする。
平均粒子径は、電子顕微鏡写真により測定し、算術平均により算出した平均直径である。
次に、本発明の第1の実施形態に係る生体電極の製造方法について説明する。
<生体電極>
第2の実施形態に係る生体電極は、シリコーンゴムに導電性炭素粒子を配合してなる導電性シリコーンゴム電極1上に、凝集状の銀粉又はフレーク状の銀粉のうちの少なくとも一種とシリコーンゴムからなる銀コーティング層2を有し、前記銀コーティング層2が、電気伝導性及びイオン伝導性を有することを特徴とする。
銀コーティング層2の電気伝導性は、銀コーティング層2が銀粉を含有することによって付与される。
銀コーティング層2のイオン伝導性は、銀粉の粒子間に、イオンを存在させることによって付与することができる。
塩化物塩としては、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化リチウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム等が挙げられる。
硫酸塩としては、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸リチウム、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム等が挙げられる。
炭酸塩としては、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸リチウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等が挙げられる。
上記無機塩の中でも、特に、溶媒への溶解性やイオン移動度などの観点から、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化リチウム等のアルカリ金属の塩化物塩が好ましい。
通常、洗濯などの行為によって生体電極に外力が加わった場合、銀粉による電気伝導性のみ有する生体電極では、外力によって銀粉の粒子間に空間が形成されやすいため、導電性が低下しやすい。
しかし、銀コーティング層2が電気伝導性に加えてイオン伝導性を有する場合、導電性の低下を防止することができる。つまり、銀コーティング層2がイオン伝導性を有する生体電極は、洗濯などの行為に伴う外力が生体電極に加わった場合においても、銀粒子間の空間にイオンが存在することにより、導電性を維持することができるため、安定的に導電性を発揮することができる。この結果、使用に際して、測定信号にノイズが混入するために目的の信号が測定できなくなるといった問題を回避することができる。
次に、本発明の第2の実施形態に係る生体電極の製造方法について説明する。
該イオン伝導性は、銀コーティング層2の銀粉の粒子間に、イオンを存在させることによって付与することができる。イオンを存在させる手法は、限定されるものではないが、上述した無機塩を溶媒に溶解させた溶液に、銀コーティング層2を浸漬する手法を好ましく用いることができる。溶液の濃度は、格別限定されるものではない。また、浸漬時間も格別限定されず、例えば、溶液濃度に応じて10分〜5時間とすることができる。
(実施例1)
1.生体電極1の作製
(1)導電性シリコーンゴム電極の作製
下記配合成分をニーダーで10分間混練した後、さらに3分間ロールで混練した生地(カーボンブラック含有量6体積%)を、180℃で4分間プレス架橋(一次架橋)し、次いで230℃で5時間二次架橋し、導電性シリコーンゴムからなる厚さ0.5mmのシートを得た。
・導電性シリコーンゴム(信越化学工業社製「KE−3801M−U」;カーボンブラック含有)
100重量部
・架橋剤(信越化学工業社製「C−8A」;2,5−ジメチル−2,5−ビス(t−ブチルパーオキシ)ヘキサン含有量80重量%)
1.0重量部
シリコーンゴム(信越化学工業社製「KE−1031」)100重量部に、下記銀粉A−1を100重量部と、下記銀粉B−1を100重量部とを混合して撹拌し、銀ペーストを調製した。
・銀粉B−1(SigmaAldrich社製「327077」、フレーク状、平均粒径10μm)
シート状の導電性シリコーンゴム電極の片側表面に、調製した銀ペーストを厚さ50μmで均一に塗布し、120℃に設定したオーブンに2時間投入して銀ペーストを硬化させ、導電性シリコーンゴム電極上に銀コーティング層を形成した。
上記のようにして、銀コーティング層を形成したシート状の導電性シリコーンゴム電極からなる生体電極1を得た。
生体電極1において、銀粉A−1を下記銀粉C−1に、銀粉B−1を下記銀粉B−2に代えた以外は、生体電極1と同様にして生体電極2を作製した。
・銀粉B−2(DOWA社製「FA−D−3」、フレーク状、平均粒径6.9μm)
生体電極1において、「(2)銀コーティング層の形成」を省略した以外は、生体電極1と同様にして生体電極3を作製した。
生体電極2において、「(1)導電性シリコーンゴム電極の作製」を省略し、フッ素樹脂フィルム上に、銀ペーストを厚さ50μmで均一に塗布したこと以外は、生体電極2と同様にして生体電極4を作製した。
生体電極1において、銀粉を下記銀粉A−2のみ200重量部に代えたこと以外は、生体電極1と同様にして生体電極5を作製した。
上記のようにして作製された各生体電極を、100mm×100mmのサイズに打ち抜いて、表面抵抗測定用の生体電極を作製し、その表面抵抗を、四端子法(三菱化学アナリテック社製「ロレスター」)にて測定した。
また、生体電極の断面の顕微鏡像から、銀コーティング層の膜厚を測定した。
各測定結果は、表1に示す。
生体電極1及び生体電極5を、φ19mm、厚さ0.5mmに打ち抜いて、ノイズ評価用の生体電極1及び5を作製し、これらを、人体及び心電図測定機に接続する回路を形成した。その後、成人男性の心電図を測定して、心電図計に示される波形を記録した。結果をそれぞれ図5(A)、(B)に示す。
また、参考として、人体上に導電性ペーストを塗布し、市販品の銀からなる金属生体電極を用いて、生体電極1及び生体電極5と同様にして心電図計に示される波形を記録した。結果を図5(A)、(B)に示す。
図5(A)において、上方の心電図波形aは、生体電極5を用いて測定した心電図波形であり、下方の心電図波形bは、市販品(銀からなる金属生体電極)を用いて測定した心電図波形である。
また、図5(B)において、上方の心電図波形cは、生体電極1を用いて測定した心電図波形であり、下方の心電図波形dは、市販品(銀からなる金属生体電極)を用いて測定した心電図波形である。
図5(A)の波形aに示すように、生体電極5は、表面抵抗が1Ωを超えるため、測定した心電図波形にノイズが非常に多い。
これに対し、図5(B)の波形cに示すように、生体電極1は、表面抵抗が1Ω以下であるため、ノイズが非常に少ない。この結果から、参考として用いた市販品(銀からなる金属生体電極)に比べても、遜色のない安定した心電図波形が測定されていることがわかる。
生体電極2及び生体電極3についても、生体電極1及び生体電極5と同様に心電図波形の記録によるノイズ評価を行った。その結果の心電図波形は省略するが、生体電極2は生体電極1と同様、ノイズが非常に少なく、生体電極3は生体電極5と同様、ノイズが非常に多かった。
以上の結果より、本発明の生体電極は、表面抵抗が1Ω以下であれば、生体電極として十分な性能を満たすと評価する。即ち、接触インピーダンスが低いことが立証されている。
上述したように、本発明者の実験によって、生体電極としては、表面抵抗が1Ωを超えると、心電図測定に用いた際にノイズが多くなることが確認されているため、本実験では、各生体電極を次のような評価基準で評価し、その結果を表1に示す。
○:表面抵抗が1Ω以下である
×:表面抵抗が1Ωを超える
表1より、生体電極を導電性シリコーンゴム電極のみで構成した場合(生体電極3)、表面抵抗が6〜8Ωと高いため、電極として性能が不十分である。
また、銀コーティング層のみで構成した場合(生体電極4)、導電性が発現せず表面抵抗が測定不可であったため、電極として機能しない。
さらに、導電性シリコーンゴム電極と、その片側表面に設けられた銀コーティング層とからなる生体電極は、銀コーティング層に配合する銀粉として、凝集状(C−1)又はフレーク状(B−1、B−2)を少なくとも用いたものは、表面抵抗が0.06Ω、0.01Ωであった(生体電極1、生体電極2)。
これに対し、銀粉として、粒子状のみを用いた場合(生体電極5)は、表面抵抗が6〜8Ωと高く、電極としての性能が不十分である。
従って、本発明の生体電極としては、導電性シリコーンゴム電極と、銀コーティング層とからなり、銀コーティング層の銀粉として、凝集状の銀粉又はフレーク状の銀粉を少なくとも含むものでなければならないことがわかる。
生体電極2において、銀粉C−1及び銀粉B−2の配合量を、表2に示す生体電極6〜15に示すように代えたこと以外は、生体電極2と同様にして生体電極を作製し、生体電極2と同様に評価した。その結果を表2に示す。
表2より、凝集状(C−1)の銀粉又はフレーク状(B−2)の銀粉を含有する場合は、銀粉が一種でもよいことがわかる。
生体電極2において、銀コーティング層の膜厚が、表3に示すものになるように、銀ペーストをそれぞれ異なる厚さで均一に塗布して、生体電極16〜25を作製したこと以外は、生体電極2と同様に生体電極を作製し、生体電極2と同様に評価した。その結果を表3に示す。
表3より、銀コーティング層の膜厚が、18μm以下では表面抵抗が大きく、電極として性能が不十分である。このような電極を心電図測定等に使用すると、ノイズが多く測定が不安定となる。
また、銀コーティング層の膜厚が、120μm以上になると表面抵抗が測定不可であった。よって、膜厚が厚すぎても電極として機能しないため不適である。
生体電極1において、導電性シリコーンゴム電極における<電極本体:配合成分>を下記組成に代え、架橋条件を以下のように代えたこと以外は、生体電極1と同様にして生体電極を作製することを試みた。
・EPDM(三井化学社製「EPT3070」) 100重量部
・ケッチェンブラック(ライオン社製「EC600JD」) 30重量部
・ステアリン酸 1重量部
・可塑剤(出光興産社製「ダイアナプロセスオイルPW−380」)
120重量部
・酸化亜鉛 5重量部
・老化防止剤(大内新興化学社製「ノクラックWhite」) 2重量部
・イオウ 2重量部
・架橋促進剤(大内新興化学社製「ノクセラーCZ」) 2重量部
一次架橋:180℃で10分間プレス架橋
二次架橋:150℃で15時間
導電性EPDMゴムからなる電極本体上に塗布した銀ペーストが硬化せず、銀コーティング層が形成できなかった。
生体電極1において、導電性シリコーンゴム電極における<電極本体:配合成分>を下記組成に代え、架橋条件を以下のように代えたこと以外は、生体電極1と同様にして生体電極を作製することを試みた。
・中高ニトリルNBR(日本合成ゴム社製「N−237」)100重量部
・アセチレンブラック 40重量部
・SRFカーボン 5重量部
・グラファイトAO 35重量部
・亜鉛華 5重量部
・ステアリン酸 1.5重量部
・老化防止剤(RD) 2重量部
・ジオクチルセバケート 7重量部
・イオウ 0.8重量部
・加硫促進剤(TT) 2.5重量部
・加硫促進剤(CZ) 3重量部
155℃で20分間プレス架橋
導電性NBRゴムからなる電極本体上に塗布した銀ペーストが硬化せず、銀コーティング層が形成できなかった。
生体電極1において、導電性シリコーンゴム電極における<電極本体:配合成分>を下記組成に代え、架橋条件を以下のように代えたこと以外は、生体電極1と同様にして生体電極を作製することを試みた。
・ミラブルウレタンゴム(デュポン社製「アジプレンCM」);ポリエーテル型ポリウレタン) 100重量部
・ケッチェンブラックEC(ライオン社製;表面積800m2/g)
8重量部
・ファーネスブラック(三菱化成社製「ダイヤブラックH」;表面積85m2/g)
15重量部
・有機過酸化物(日本油脂社製「パークミルD40」) 2重量部
・ステアリン酸(花王社製「ルナックS30」) 0.25重量部
一次架橋:160〜180℃で7〜10分間プレス架橋
二次架橋:100〜120℃で15〜24時間
導電性ウレタンゴムからなる電極本体上に塗布した銀ペーストが硬化せず、銀コーティング層が形成できなかった。
1.生体電極26の作製
(1)導電性シリコーンゴム電極の作製
下記配合成分をニーダーで10分間混練した後、さらに3分間ロールで混練した生地(カーボンブラック含有量6体積%)を、180℃で4分間プレス架橋(一次架橋)し、次いで230℃で5時間二次架橋し、導電性シリコーンゴムからなるシートを得た。
・導電性シリコーンゴム(信越化学工業社製「KE−3801M−U」;カーボンブラック含有)
100重量部
・架橋剤(信越化学工業社製「C−8A」;2,5−ジメチル−2,5−ビス(t−ブチルパーオキシ)ヘキサン含有量80重量%)
1.0重量部
シリコーンゴム(信越化学工業社製「KE−106」)100重量部に、下記銀粉B−2を150重量部と、下記銀粉C−1を150重量部とを遠心攪拌し、銀ペーストを調製した。
・銀粉C−1(DOWA社製「G−35」、凝集状、平均粒径5.9μm)
シート状の導電性シリコーンゴム電極の片側表面に、調製した銀ペーストをスクリーン印刷によって塗布し、150℃で30分かけて硬化させ、導電性シリコーンゴム電極上に銀コーティング層を形成した電極シートを得た。
銀コーティング層が硬化した後、電極シートを、濃度1重量%の塩化ナトリウム水溶液に1時間浸漬させ、取り出して乾燥させた。このようにして生体電極26を得た。
生体電極26において、「(4)塩化処理」を省略した以外は、生体電極26と同様にして生体電極27を作製した。
上記のようにして作製した生体電極26、27を、100mm×100mmのサイズに打ち抜いて、その表面抵抗を四端子法(三菱化学アナリテック社製「ロレスター」、PSP端子使用)にて測定した。結果は、表4に示す。
生体電極26及び生体電極27を、φ19mm、厚さ0.5mmに打ち抜いて、ノイズ評価用の生体電極26及び27を作製し、これらを、人体及び心電図測定機に接続する回路を形成した。その後、成人男性の心電図を測定して、心電図計に示される波形を記録した。結果をそれぞれ図6に示す。
また、参考として、市販品のウェット電極であるゲル電極を用いて、生体電極26及び生体電極27と同様にして心電図計に示される波形を記録した。結果を図6に示す。
図6において、上方の心電図波形aは、生体電極27を用いて測定した心電図波形であり、中間の心電図波形bは、生体電極26を用いて測定した心電図波形であり、下方の心電図波形cは、市販品(ゲル電極)を用いて測定した心電図波形である。
図6の波形a〜cに示すように、生体電極26及び生体電極27は、ノイズが非常に少なく、参考として用いた市販品(ゲル電極)と同等の心電図波形が得られていることがわかる。
よって、本発明の生体電極は、塩化処理をしたものと、塩化処理を省略したものとで、心電図波形の測定上格別差異がなく、双方共に生体電極として十分な性能を満すことがわかる。
上記のようにして作製した生体電極26、27を、20mm×60mmのサイズに打ち抜いた。図7に示されるコンベアベルト上に、各生体電極の導電性シリコーンゴム電極の面を貼り付け、回転させることにより、繰り返し変形(外力)を加える曲げ試験を行った。規定回数ごとに表面抵抗を測定し、耐ひずみ性を評価した。また、試験前後での表面抵抗値に基づき、表面抵抗変化率を求めた。結果は、表4及び図8に示す。
表4に示される物性評価の結果によると、塩化処理を施した生体電極26は、塩化処理を省略した生体電極27よりも、表面抵抗が低くなることがわかる。
また、図8のグラフより、塩化処理を施した生体電極26は、曲げ試験に供しても表面抵抗が1Ωを超えないことが示された。表4に示される通り、1万回の曲げ試験後であっても、その表面抵抗は0.581Ωである。実施例1でも評価されたとおり、生体電極は表面抵抗が1Ω以下であるとノイズが非常に少ない。生体電極26は、1万回の曲げ試験後においても、ノイズが少ない生体電極として使用できると言える。
生体電極27の表面抵抗変化率が22倍であるところ、生体電極26の表面抵抗変化率は7.5倍であるため、塩化処理によって耐ひずみ性が向上することが示されている。
2:銀コーティング層
3:生体
4:信号伝送部材
5:被覆線
6:FPC
7:絶縁層
Claims (13)
- シリコーンゴムに導電性炭素粒子を配合してなる導電性シリコーンゴム電極上に、
凝集状の銀粉又はフレーク状の銀粉のうちの少なくとも一種とシリコーンゴムからなる銀コーティング層を有し、
前記銀コーティング層の膜厚が18〜80μmであることを特徴とする生体電極。 - シリコーンゴムに導電性炭素粒子を配合してなる導電性シリコーンゴム電極上に、
凝集状の銀粉又はフレーク状の銀粉のうちの少なくとも一種とシリコーンゴムからなる銀コーティング層を有し、
前記銀コーティング層が、電気伝導性及びイオン伝導性を有することを特徴とする生体電極。 - 前記銀コーティング層が、前記銀粉の粒子間に、イオンを存在させることにより前記イオン伝導性を有することを特徴とする請求項2記載の生体電極。
- 前記銀コーティング層の膜厚が18〜80μmであることを特徴とする請求項2又は3記載の生体電極。
- 前記銀粉が、凝集状の銀粉とフレーク状の銀粉の両方を含むことを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の生体電極。
- 前記導電性シリコーンゴム電極の前記銀コーティング層が設けられた面と反対側の面に、信号伝送部材としてフレキシブルプリント基板が設けられていることを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の生体電極。
- シリコーンゴムに導電性炭素粒子を配合してなる導電性シリコーンゴム電極を用意し、
次いで、前記導電性シリコーンゴム電極上に、凝集状の銀粉又はフレーク状の銀粉のうちの少なくとも一種とシリコーンゴムを含有する銀ペーストを塗布し、
次いで、前記銀ペーストを硬化させて、膜厚が18〜80μmとなるように銀コーティング層を形成することを特徴とする生体電極の製造方法。 - シリコーンゴムに導電性炭素粒子を配合してなる導電性シリコーンゴム電極を用意し、
次いで、前記導電性シリコーンゴム電極上に、凝集状の銀粉又はフレーク状の銀粉のうちの少なくとも一種とシリコーンゴムを含有する銀ペーストを塗布、硬化して電気伝導性を有する銀コーティング層を形成し、
次いで、前記銀コーティング層の前記銀粉の粒子間に、イオンを存在させてイオン伝導性を付与することを特徴とする生体電極の製造方法。 - 前記イオン伝導性は、塩化物塩、硫酸塩または炭酸塩から選ばれる少なくとも1つの無機塩を溶解させた溶液に、前記銀コーティング層を浸漬することによって付与することを特徴とする請求項8記載の生体電極の製造方法。
- 前記無機塩が、アルカリ金属の塩化物塩であることを特徴とする請求項9記載の生体電極の製造方法。
- 前記銀コーティング層の膜厚を18〜80μmとなるように塗布、硬化することを特徴とする請求項8〜10の何れかに記載の生体電極。
- 前記銀粉が、凝集状の銀粉とフレーク状の銀粉の両方を含むことを特徴とする請求項7〜11の何れかに記載の生体電極の製造方法。
- 前記導電性シリコーンゴム電極をフレキシブルプリント基板上に直接成形することにより、前記導電性シリコーンゴム電極の前記銀コーティング層が設けられる面と反対側の面に、信号伝送部材として前記フレキシブルプリント基板を設けることを特徴とする請求項7〜12の何れかに記載の生体電極の製造方法。
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