WO2018221375A1 - 生体情報測定用衣類 - Google Patents

Abstract

【課題】　電極と配線を備える衣類において、着用時乾燥した環境下でも、生体電気信号の読み取りでノイズの混入を抑え、違和感が少ない生体情報測定用衣類を提供する。 【解決手段】　伸長性があり伸長時においても高い導電性を示す電極と配線を用いて、着用時の違和感を減らすとともに、衣類を構成する複数の絶縁材料に摩擦帯電列の近い材料同士を選定することで、着用時に発生する静電気を抑えて生体電気信号の読み取りノイズを低減する。

Description

生体情報測定用衣類

　本発明は、生体の皮膚表面に接触させて生体が発する微弱な電気信号を計測することができる伸縮可能な電極を有する生体情報測定衣類に関するものである。

　従来から、脳波、心電図、筋電図等の生体内部の微弱な電気信号を測定するために、導電性を有する柔らかい導電性ソリッドゲルなどの導電性粘着材からなる粘着パッド電極（特許文献１）や、ゴム球と電極からなる吸着電極（特許文献２）等が用いられている。これらの電極は独立した電極を皮膚に貼り付けて被験者が安静な状態で測定することを前提としたものである。

　一方、日常生活の長期間に渡り電気信号を測定する要求があり、電極を取り付けた衣類が注目されており、ゲルのはみ出しや流出の恐れがある粘着パッド電極や、嵩張りやうっ血の恐れがある吸着電極にかわる新たな衣類取り付け用の電極が考案されている。例えば、ステンレス等金属導体繊維を編み込んだ布地電極とその一部を水分に対して不浸透性とした電極を組み合わせた電極があり、水分に対して不浸透性とすることで発汗により皮膚と電極の電気抵抗を下げて、布地ベースの電極に起因する電気ノイズの影響を回避している（特許文献3）。

　また、衣類とセンサ取り付け部を縫い付け糸で接合した構成において、センサ取り付け部に撥水性かつ電気絶縁性の部材を用いて特定の構成とした電極があり、衣類が電解液として作用する可能性がある雨や汗等で濡れた状態においても、電気的な短絡による電気信号の劣化を防いでいる（特許文献４）。

特開平０９-２１５６６８号公報 特開平１１-２２５９７７号公報 特許４８６０１５５号公報 特開２０１６-１０６８７７号公報

　このように、日常生活の長期間に渡り電気信号を測定することを目的とした電極を取り付けた衣類に関しては、衣類が乾燥した状態から雨や汗で濡れたりした状態であっても、着用者が日常の様々な姿勢や動作をとっても、電気ノイズや電気信号の劣化を防ぐことが必要である。また、常時着用することから衣類の快適性においてひきつれ感の低減、フィット感の維持を考慮すると、電極には衣類に追随可能な伸縮性があり柔軟なものが求められる。

　ところが従来の伸縮性電極を取り付けた衣類を常時着用したときに、特に乾燥した状態において電気信号にノイズが混入し劣化するといった現象が見られるという問題があった。本発明は、この様な現象に着目してなされたもので、ノイズは構成物同士が擦れ合うことで発生する摩擦帯電に起因すること、また、着用者が様々な姿勢や動作とったときに電極が伸縮することで変化する電気特性に起因することと推定し、衣類が乾燥した状態において着用者が姿勢や動作をとった場合においても、電気信号へのノイズ混入劣化を抑えることを目的とした。

　すなわち本発明は以下の構成を有する。
［１］　衣類を構成する第１の伸縮性電気絶縁性基材、第一の伸縮性電気絶縁性基材と近接して設けられる第２の伸縮性電気絶縁性基材、伸縮性導電性材料を少なくとも有する生体情報測定用衣類において、第１の伸縮性電気絶縁性基材と第２の伸縮性電気絶縁性基材とを擦り合わせることで発生する摩擦帯電圧の絶対値が１０ｋＶ以下であることを特徴とする生体情報測定用衣類。
［２］　前記伸縮性導電性材料の未伸長時におけるシート抵抗が３００Ω□以下であり、かつ、伸縮性導電性材料の伸長率１０％における伸長時の荷重が１００Ｎ以下であり、かつ、伸長時の電気抵抗増加比が１０倍未満であることを特徴とする［１］に記載の生体情報測定用衣類。
［３］　前記伸縮性導電性材料が、導電性粒子と絶縁性バインダー樹脂を少なくとも構成材料とする伸縮性の導電シートからなることを特徴とする［１］または［２］に記載の生体情報測定用衣類。
［４］　前記伸縮性導電性材料が、導電性繊維から少なくとも構成される伸縮性の導電布帛からなることを特徴とする［１］または［２］に記載の生体情報測定用衣類。
［５］　前記第1の伸縮性電気絶縁性基材が、綿、羊毛、麻、絹、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリアクリルアミド、レーヨン、芳香族ポリアミド、ポリベンゾオキサゾールから選択される１種または２種以上の繊維素材であることを特徴とする［１］から［４］のいずれかに記載の生体情報測定用衣類。　
［６］　前記第２の伸縮性電気絶縁性部材を構成する電気絶縁性材料が、フッ素系樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリウレタン、ポリアクリル酸、ポリスチレン、ポリエステル、ポリアミドイミド、ポリイミド、天然ゴム、合成ゴムからのいずれか１つまたは２つ以上の組合せからなる［１］から［５］のいずれかに記載の生体情報測定用衣類。
［７］　第１の伸縮性電気絶縁性基材が綿を５０％含む繊維素材であり、第２の伸縮性電気絶縁性部材を構成する電気絶縁性材料の種類が、ポリアミド、ポリウレタン、ポリエステル、窒素含有合成ゴムのいずれか１つまたは２つ以上の組合せからなる［１］から［４］のいずれかに記載の生体情報測定用衣類。
［８］　第１の伸縮性電気絶縁性基材がポリエステル繊維を５０％以上含む繊維素材であり、第２の伸縮性電気絶縁性部材を構成する電気絶縁性材料の種類が、ポリアクリルアミド、ポリアクリス酸エステル、ポリエステル、ポリビニルブチラール、天然ゴム、非窒素含有合成ゴムのいずれか１つまたは２つ以上の組合せからなる［１］から［４］のいずれかに記載の生体情報測定用衣類。

　さらに本発明では以下の構成を有する事が好ましい。
［９］　着用者の生体情報を計測する手段と計測した情報を外部に送信する機構を有する事を特徴とする［１］から［８］のいずれかに記載の生体情報測定用衣類。
［１０］　着用者の生体情報を計測する手段と、計測した情報を解析する機構を有する事を特徴とする［１］から［９］のいずれかに記載の生体情報測定用衣類。
［１１］　第１の伸縮性電気絶縁性基材と第２の伸縮性電気絶縁性部材を構成する電気絶縁性材料の種類が、フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリウレタン、アクリル、ポリスチレン、ポリエステル、ゴムのいずれか１つまたは２つ以上の組合せからなる［１］から［４］のいずれかに記載の生体情報測定用衣類。
［１２］　第１の伸縮性電気絶縁性基材と第２の伸縮性電気絶縁性部材を構成する電気絶縁性材料の種類が、ナイロン、レーヨン、ウール、絹、綿のいずれか１つまたは２つ以上の組合せからなる［１］から［４］のいずれかに記載の生体情報測定用衣類。

　本発明の構成によれば、衣類を構成する第1の伸縮性電気絶縁性基材と、伸縮性導電性材料と、第１の伸縮性電気絶縁性基材と伸縮性導電性材料を積層および又は接合するために第1の伸縮性電気絶縁性基材に近接して設けられた第２の伸縮性電気絶縁性基材からなる構成において、第1の伸縮性電気絶縁性基材と第２の伸縮性電気絶縁性基材とを擦り合わせることで発生する摩擦帯電圧が１０ｋＶ以下であること、さらには、伸縮性導電性材料の未伸長時におけるシート抵抗が３００Ω□以下であり、かつ、伸縮性導電性材料の伸長率１０％における伸長時の荷重が１００Ｎ以下、かつ、電気抵抗増加比が１０倍未満となるように基材や部材を構成する材料を選定することで、着用時におけるひきつれ感の低減、フィット感の維持を保ちつつ、衣類が乾燥した状態から雨や汗で濡れたりした状態のいずれにおいても電気信号へのノイズ混入劣化を抑えることができる。

＜第１の伸縮性電気絶縁性基材＞
　本発明に用いられる第1の伸縮性電気絶縁性基材は、体積固有抵抗率が１０¹⁰Ω・cm以上であり、かつ、伸長率10％以上に伸張させることが可能な天然材料或いは合成樹脂材料から選ばれる１種又は２種以上の材料からなり、形態としては繊維から構成される編物、織布、不織布、或いはフィルム状、シート状の成形物である。基材の厚さは、好ましくは１００～１０００μｍであり、基材の目付け量は、好ましくは１００～３００g／平方ｍであることが好ましい。基材の厚さ、目付量は着用時のひきつれ感やフィット感により適宜選択される。
　本発明の第1の伸縮性電気絶縁性基材は、綿、羊毛、麻、絹、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリアクリルアミド、レーヨン、芳香族ポリアミド、ポリベンゾオキサゾールから選択される１種または２種以上の繊維素材であることが好ましい。

＜伸縮性導電性材料＞
　本発明に用いられる伸縮性導電性材料は生体電気信号を読み取る電極およびまたは電気信号を伝送する配線として用いられる。
　本発明において好ましく用いられる伸縮性導電性材料は、導電性粒子と絶縁性バインダー樹脂を少なくとも構成材料とする伸縮性の導電シートである。絶縁性バインダー樹脂は伸縮性を有する高分子材料であり、体積固有抵抗率が１０¹⁰Ω・cm以上であり、かつ、伸長率10％以上に伸張させることができる天然材料或いは合成樹脂材料から選ばれる１種又は２種以上の高分子材料からなる。
　導電性粒子は電気伝導率が１０ Ｓ/ｃｍ以上となる金属、炭素系材料、導電性高分子から選ばれる１種又は２種以上の材料からなり、形状としては、粉末状ないし繊維状であり、絶縁性バインダー樹脂に分散した状態で用いられる。

　本発明において好ましく用いられるもう一つの伸縮性導電性材料は、少なくとも導電性繊維から構成される伸縮性の導電布帛である。本発明における導電性繊維とは、導電性高分子の繊維、導電性組成物の繊維、表面に導電性素材を被覆した繊維素材、導電性素材と非導電性素材とをハイブリッド化した繊維素材などを用いる事ができる。かかる導電性繊維は、それ自体、ないしは非導電性繊維とハイブリッド化して用いる事ができる。布帛としては織物、編物、いずれの形態でもよい。特にニット構造は伸縮性に富むために本発明で好ましく用いる事ができる。

　本発明における伸縮性導電性材料の電気特性は未伸長時におけるシート抵抗が３００Ω□以下であることが好ましく、材料の選定および部材の膜厚や巾を調整することで達成される。シート抵抗が３００Ω□より高くなると、電気信号の劣化が起こり読み取り困難となる。
　本発明における、伸縮性導電性材料の伸縮性は伸長率１０％における伸長時の荷重が１００Ｎ以下であり、かつ、電気抵抗増加比が１０倍未満であることが好ましい。伸長率１０％における伸長時の荷重が１００Ｎより高くなると、着用時におけるひきつれ感、フィット感が悪化する。また、伸長率１０％における電気抵抗増加比が１０倍以上となると、伸長前後での電気信号が乱れ劣化する。

＜第２の伸縮性電気絶縁性基材＞
　本発明に用いられる第２の伸縮性電気絶縁性基材は、体積固有抵抗率が１０¹⁰Ω・cm以上で、かつ、伸長率１０％以上に慎重可能な天然材料或いは合成樹脂材料から選ばれる１種又は２種以上の材料からなる。第２の伸縮性電気絶縁性基材は、第１の伸縮性電気絶縁基材と伸縮性導電性材料を積層および又は接合するために設けられる。
　本発明の第２の伸縮性電気絶縁性基材は、次のいずれかの用例により加工される事が好ましい。第１の好ましい用例は　液状であり、第1の伸縮性電気絶縁基材或いは伸縮性導電性材料に塗布した後に、乾燥や硬化により、両者を積層および又は接合し固定するものである。好ましい第２の形状はフィルム状、シート状の成形物であり、第1の伸縮性電気絶縁基材或いは伸縮性導電性材料を積層および又は接合した後に、加熱により両者を積層および又は接合し固定するものである。好ましい第３の形状は糸状で第1の伸縮性電気絶縁基材或いは伸縮性導電性材料を縫い合わせることで固定するものである。
　本発明における第２の伸縮性電気絶縁性基材は、ポリテトラフロエチレンなどのフッ素系樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリウレタン、ポリアクリル酸、ポリスチレン、ポリエステル、ポリアミドイミド、ポリイミド、天然ゴム、合成ゴムから選択される１種または２種以上の材料から構成されることが好ましい。フッ素系樹脂でコーティングないし表面処理された素材はフッ素系樹脂として扱ってよい。

＜導電性シート＞
導電性シートは伸縮性導電性材料が取るひとつの形態で、伸縮性電気絶縁性材料と粉末状の導電性材料を溶液又は溶融状態で混合し導電性粉末を伸縮性電気絶縁性材料に均一に分散した後に、シート状に成形することによって得られる。導電性シートを占める導電性粉末の配合量は電気抵抗と伸縮性を考慮して決定され、体積％が大きいと電気抵抗は低くなり電気信号の劣化が抑えられるが、伸縮性が下がり、ひきつれ感、フィット感が悪化する。一方、体積％が低いと伸縮性が上がりひきつれ感、フィット感が向上するが、電気抵抗が高くなり電気信号が劣化する。両者の特性のバランスを取る上で導電性粉末の配合量は２０～６０体積％が好ましい。

＜導電性布帛＞
　導電性布帛は伸縮性導電性材料が取るもうひとつの形態で、導電性材料が繊維状で含まれる編物、織布、不織布である。導電性布帛は導電性繊維と非導電性繊維の両方を組み合わせて用いても良い。導電性導電性布帛を占める導電性繊維の割合は導電率と伸縮性を考慮して決定され、重量％が大きいと電気抵抗は低くなり電気信号の劣化が抑えられるが、伸縮性が下がり、ひきつれ感、フィット感が悪化する。一方、重量％が低いと伸縮性が上がりひきつれ感、フィット感が向上するが、電気抵抗が高くなり電気信号が劣化する。両者の特性のバランスを取る上で導電性繊維の割合は1０～１００重量％が好ましい。

　本発明では第１の伸縮性電気絶縁材料と第２の伸縮性電気絶縁性材料との摩擦耐電圧が１０ｋV以下であるところに特徴がある。両者は近接して用いられるが、微視的に見れば、衣類として着用される、着用者が運動する際に、微細なすりあわせ状態に置かれ摩擦帯電が発生する。摩擦帯電においては、いずれの材料がプラスに他方の材料がマイナスに帯電し、材料の組合せにより電位差が大きく変わる。このときに電位差が大きい組合せを用いると電気信号にノイズが混入しやすく信号の劣化が見られることから、電位差がより小さい組合せとなるように材料を選定することが好ましい。負に帯電しやすい材料としてフッ素系樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリウレタン、アクリル、ポリスチレン、ポリエステル、ゴムがあり、一方、正に帯電しやすい材料としてはナイロン、レーヨン、ウール、絹、綿がある。本発明ではこれらの組み合わせの中から耐電圧が所定の範囲内になる組み合わせを用いる事が好ましい。フッ素系樹脂にて表面処理された材料はフッ素系樹脂として扱ってよい。

次に、本発明の具体的実施例について説明するが、本発明はこれら実施例のものに特に限定されるものではない。
［導電ペーストの作製］
　表１に示す材料を用いて、表２に示す重量配合比により樹脂を各溶剤に溶解し、得られた溶液に銀粒子を配合し、３本ロールミルにて混合し、導電性ペーストを得た。

［伸縮性導電性材料の作製］
　離型処理ＰＥＴフィルム上に上記の導電ペーストを使い、アプリケータを用いて乾燥膜厚が約１００μｍになるように塗布し、１２０℃、３０分間、熱風乾燥オーブンで乾燥した後、離型処理ＰＥＴフィルムを剥離して、伸縮性導電性材料シートを得た。このシートを用いて後述する方法で、厚さ、未伸長時電気抵抗、伸長時電気抵抗増加比、伸長時荷重を測定した。実施例の測定結果を表２に示す。

［電極および配線を備えた衣類の作製］
　上記で作製した離型処理ＰＥＴフィルム付き伸縮性導電性材料シートに表１に示すホットメルトシートと離型紙を重ね合わせ、ゴムロール温度を１２０℃に調整したロールラミネート機にて接着し、接着性のある伸縮性導電性材料シートを得た。この伸縮性導電性材料シートを配線巾１．０ｃｍ配線長１５．０ｃｍに続く５．０ｃｍ角の正方形状に切り抜いた。切り抜いた配線付き電極から離型紙を剥がしシャツ（綿１００%、及び、ポリエステル１００%）の裏面側の所定の位置に配置してアイロンで熱圧着し、さらに離型処理ＰＥＴフィルムを剥がして、裏側に電極および配線を備えたシャツを作製した。

［心拍計測機能を組み込んだシャツの作製］
電極および配線を備えたシャツの配線末端の表側にステンレススチール製のホックを裏側の配線と導通するように取り付け、ステンレススチール製ホックを介して、ユニオンツール社製の心拍センサＷＨＳ－２を接続し、心拍計測機能を組み込んだシャツを作製した。

［伸長試験および電気抵抗の測定］
　幅２．５ｃｍのチャックを２個備えた伸長試験機（手回し延伸機）を用いて、チャック間距離５．０ｃｍになるように上記で作製した伸縮性導電性材料シートを挟み、長手方向に伸長率１０％まで伸長（変位量０．５ｃｍ）した。試験前後の電気抵抗はデジタルマルチメータ（横河メータ＆インスツルメンツ社製「ＹＯＫＯＧＡＷＡ　ＴＹ５３０」）を用い、対向する２個のチャックの外側（測定距離１０ｃｍ）にて伸長前後の抵抗値（Ω）を測定し、シート抵抗（Ω□）を得た。抵抗値の測定は伸長直後（３秒以内）に実施した。

［伸長時荷重の測定］
　引張試験機（ＯＲＩＥＮＴＥＣ　ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ社製「ＲＴＭ－２５０」）を用い、幅３０ｍｍ，試験長さ５０ｍｍの伸縮性導電性材料シートを伸長率１０％にしたときにかかる荷重（Ｎ）を測定し、シート長１ｃｍ当りの単位荷重（Ｎ／ｃｍ）を得た。

［摩擦帯電圧の測定］
　ＪＩＳ　Ｌ１０９４の摩擦帯電減衰測定法に基づいて、カネボウ式摩擦帯電圧測定装置ＥＳＴ-８を用い、温湿度状態　２０℃、４０％ＲＨの雰囲気下で行った。摩擦布として、第１の伸縮性電気絶縁性基材になる綿１００％およびポリエステル１００％を用いて、第２の伸縮性電気絶縁性基材となるホットメルトシートを１０回摩擦した後の初期帯電圧を測定し、絶対値を求めた。実施例及び比較例の測定結果を表３に示す。

［着用感、心電計測ＳＮ比］
成人男性１０名を被験者とし、実施例で作成した心拍計測機能を組み込んだシャツを着用し、１５℃、４０％ＲＨの環境下で心電計測を行いながら、ラジオ体操第１と、ラジオ体操第２を続けて実施した。その間の着用感について、「触感が良い」を５点、「触感が悪い」を１点として、五段階の官能評価を行い、１０人の平均において、４以上を◎、３以上４未満を○、２以上３未満を△、２未満を×とした。

心電計測時のＳＮ比は体操時間の始めの１分間と終りの１分間を除いた心電図の波形からＲ波の振幅の分散をシグナル（Ｓ）とし、Ｒ波とＲ波の間の波形の振幅の分散をノイズ（Ｎ）とし、Ｓ／Ｎの式でＳＮ比を求めた。実施例及び比較例の測定結果を表３に示す。

　上述の通り、第1の伸縮性電気絶縁性基材と第２の伸縮性電気絶縁性基材とを擦り合わせることで発生する摩擦帯電圧が低い組合せを用いることで、測定時のノイズが少なく良好な心電計測が可能であることが分かる。

　本発明では、冬場の乾燥した条件においても良好な測定を可能とする生体情報測定用衣類を提供するものであり、日常生活の健康管理、ジョギング、マラソン等屋外スポーツ時の生体情報の把握、建設現場などの屋外作業での労務管理に適用することができる。
 
 
 
 

Claims (8)

1. 　衣類を構成する第１の伸縮性電気絶縁性基材、第一の伸縮性電気絶縁性基材と近接して設けられる第２の伸縮性電気絶縁性基材、伸縮性導電性材料を少なくとも有する生体情報測定用衣類において、第１の伸縮性電気絶縁性基材と第２の伸縮性電気絶縁性基材とを擦り合わせることで発生する摩擦帯電圧の絶対値が１０ｋＶ以下であることを特徴とする生体情報測定用衣類。
2. 　前記伸縮性導電性材料の未伸長時におけるシート抵抗が３００Ω□以下であり、かつ、伸縮性導電性材料の伸長率１０％における伸長時の荷重が１００Ｎ以下であり、かつ、伸長時の電気抵抗増加比が１０倍未満であることを特徴とする請求項１に記載の生体情報測定用衣類。
3. 　前記伸縮性導電性材料が、導電性粒子と絶縁性バインダー樹脂を少なくとも構成材料とする伸縮性の導電シートからなることを特徴とする請求項１または２に記載の生体情報測定用衣類。
4. 　前記伸縮性導電性材料が、導電性繊維から少なくとも構成される伸縮性の導電布帛からなることを特徴とする請求項１または２に記載の生体情報測定用衣類。
5. 　前記第1の伸縮性電気絶縁性基材が、綿、羊毛、麻、絹、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリアクリルアミド、レーヨン、芳香族ポリアミド、ポリベンゾオキサゾールから選択される１種または２種以上の繊維素材であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の生体情報測定用衣類。　
6. 　前記第２の伸縮性電気絶縁性部材を構成する電気絶縁性材料が、フッ素系樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリウレタン、ポリアクリル酸、ポリスチレン、ポリエステル、ポリアミドイミド、ポリイミド、天然ゴム、合成ゴムからのいずれか１つまたは２つ以上の組合せからなる請求項１から５のいずれかに記載の生体情報測定用衣類。
7. 　第1の伸縮性電気絶縁性基材が綿を５０％含む繊維素材であり、第２の伸縮性電気絶縁性部材を構成する電気絶縁性材料の種類が、ポリアミド、ポリウレタン、ポリエステル、窒素含有合成ゴムのいずれか１つまたは２つ以上の組合せからなる請求項１から４のいずれかに記載の生体情報測定用衣類。
8. 　第1の伸縮性電気絶縁性基材がポリエステル繊維を５０％以上含む繊維素材であり、第２の伸縮性電気絶縁性部材を構成する電気絶縁性材料の種類が、ポリアクリルアミド、ポリアクリス酸エステル、ポリエステル、ポリビニルブチラール、天然ゴム、非窒素含有合成ゴムのいずれか１つまたは２つ以上の組合せからなる請求項１から４のいずれかに記載の生体情報測定用衣類。