JP2019213857A - 筋電センサ及び電極部材 - Google Patents

Abstract

【課題】非襲撃かつ安定的に筋電位信号を計測することのできる電極材料と、これを用いた筋電センサを提供する。【解決手段】筋電センサは、第１の配合量のナノカーボン材料を含む第１の高分子材料層と前記第１の配合量よりも少ない第２の配合量のナノカーボン材料を含む第２の高分子材料層とが積層された電極部材と、少なくとも一部が前記第１の高分子材料層と接触する金属配線と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、高分子素材を用いた電極部材とこれを用いた筋電センサに関する。

筋電義肢は、手、足、手指等の四肢の一部を失った障害者を補助、支援するための有用なツールであり、種々の研究、改良が重ねられている。筋電義肢の動作は、生体信号の一種である筋電位（ＥＭＧ：Electromyography）信号を用いて制御されている。ＥＭＧ信号は筋収縮レベルを表わす信号であり、長時間の装着が想定される筋電義肢にあっては、皮膚の表面から非襲撃でＥＭＧ信号を計測または検知するのが望ましい。

ＥＭＧ信号を検知するセンサに乾式の電極を用いる場合は、電極の金属を露出させ、皮膚に電極を接触させて筋電位を計測する。乾式の電極は柔軟性に乏しく、生体との適合性が低い。ＥＭＧ信号を皮膚表面から安定して計測するために、導電性のジェルやペーストを使った湿式の電極が用いられることもある。また、カーボンフィラーを含むフレキシブルで柔軟性のある導電層で形成される電極シートと、これを用いたセンサが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２０１６−２７１３７号公報

導電性ジェル等を使った湿式の電極を用いると、消耗品のランニングコストが高いという問題がある。そこで、生体適合性の高い導電性の高分子材料を電極材料として用い、一部金属を露出させるハイブリッド型の電極が考えられるが、皮膚と直接接触する金属部分でＥＭＧ信号を安定して検知するのは難しい。電極を高分子材料で形成する場合でも、電極以外のケース部分は合成の高い素材で作られるのが一般的であり、電極から皮膚にかかる圧力に片寄りが生じる、ケースに固定された電極材料の柔軟性が損なわれる、長時間使用すると皮膚に跡が残る等の問題がある。

本発明は、非襲撃かつ安定的に筋電位信号を計測することのできる電極材料と、これを用いた筋電センサを提供することを目的とする。

上記の目的のために、伝導率の異なる導電性高分子の層を積層して電極として用いる。

本発明のひとつの態様では、筋電センサは、
第１の配合量のナノカーボン材料を含む第１の高分子材料層と、前記第１の配合量よりも少ない第２の配合量のナノカーボン材料を含む第２の高分子材料層とが積層された電極部材と、
少なくとも一部が前記第１の高分子材料層と接触する金属配線と、
を有する。

本発明の別の態様では、筋電センサ用の電極部材は、
第１の配合量のナノカーボン材料を含む第１の高分子材料層と、
前記第１の配合量よりも少ない第２の配合量のナノカーボン材料を含む第２の高分子材料層と、が連続して積層されており、
前記第２の高分子材料層が被計測者の皮膚との接触層である。

良好な構成例では、直接皮膚と接触する高分子材料層の導電性物質の含有量が、最適化される。

上記の構成により、筋電位信号を非襲撃かつ安定して計測することができる。また、繰り返し使用できるためランニングコストを低減することができる。

実施形態の電極部材を用いた筋電センサの概略図である。 作製した筋電センサの画像である。 第２の高分子材料層１２のカーボンブラック濃度（％）と得られる最大平均筋電（Ｖ）の関係を示す図である。 非加圧時（均等固定）の筋電データであり、握力時の筋電、安静時の筋電、及びＳＮ比を示す図である。 加圧時（片当たり）の筋電データであり、握力時の筋電、安静時の筋電、及びＳＮ比を示す図である。 非加圧時と加圧時の筋電値の変動量を示す図である。 各カーボンブラック濃度での電極と皮膚の間の電気特性を示す。 各電気特性の非加圧時と加圧時の変動または差を示す図である。 筋電計測のロバスト性と電気特性の相関を評価する図である。 電極の抵抗値を計測する構成モデルの模式図である。 図１０の各モデルの抵抗成分を示す模式図である。 図１０の各モデルの計測結果を示す図である。 図１２の結果に基づいて、各層の間の抵抗の関係を考察するモデルである。

図１は、実施形態の電極部材１０を用いた筋電センサ２０の模式図である。筋電センサは、導電性の高分子材料で形成された電極部材１０と、電極部材１０と電気的に接続されて電気信号を取り出す金属配線１４を有する。金属配線１４は、たとえば電気回路チップ１５に接続される。

電極部材１０は、導電性物質の含有量の異なる第１の高分子材料層１１と、第２の高分子材料層１２の積層で形成されている。第１の高分子材料層１１は、金属配線１４と接触しており、第２の高分子材料層１２よりも導電性物質の含有量が多い。第１の高分子材料層１１の導電性物質の含有量をＸ％，第２の高分子材料層１２の導電性物質の含有量をＹ％とすると、Ｙ＜Ｘの関係となる。導電性物質は、たとえば、カーボンブラック、カーボンナノ粒子、グラファイトパウダー、カーボンナノチューブなどのナノカーボン材料である。

第２の高分子材料層１２は、金属配線１４が露出しないように第１の高分子材料層１１と重ね合わせられており、第１の高分子材料層１１よりも少ない含有量でナノカーボン材料を含む。使用時には、第２の高分子材料層１２が皮膚と接触する接触層となる。

第１の高分子材料層１１と第２の高分子材料層１２の高分子材料として、ポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリイソピレン、ポリブタジエン、その他のエラストマー等を用いることができる。第２の高分子材料層１２に含まれるナノカーボン材料の含有量を、第１の高分子材料層１１のナノカーボン材料の含有量よりも少ない所定の範囲の含有量とすることで、後述するように電極部材１０の皮膚への押圧状態に依らずに、安定して大きな筋電を計測することができる。

一つの例として、第１の高分子材料層１１は、４〜６％のカーボンブラックを配合するシリコーン樹脂である（Ｘ＝４〜６％）。第２の高分子材料層１２は、２．０〜２．１％、または２．６〜２．７％のカーボンブラックを配合するシリコーン樹脂である（Ｙ＝２．０〜２．１％または２．６〜２．７％）。

金属配線１４は、金（Ａｕ）配線、または銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等の低抵抗の導電線、またはこれらの導電材料を金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）等でメッキした配線である。金属配線１４は、第１の高分子材料層１１と接触しており、電極部材１０によって皮膚表面から検出されたＥＭＧ信号を、電気回路チップ１５に入力する。

第１の高分子材料層１１のカーボンブラックの配合量を４％以上とすることで、第１の高分子材料層１１と金属配線１４（すなわちＡｕ，Ｃｕ等の良導体）との間の電気抵抗はゼロに近くなる。一方、カーボンブラックの含有量が６％を超えるとシリコーンが固化して、カーボンブラックが均等に分散した電極層を成型するのが困難になる。

電気回路チップ１５は、ＥＭＧ信号のフィルタリングと増幅を行い、増幅後の電気信号を、外部のデータロガーに出力する。データロガーを省略して、メモリとＡ／Ｄコンバータが内蔵されたパーソナルコンピュータ（ＰＣ）などの計算機に、直接増幅されたＥＭＧ信号を供給してもよい。

図１の構成例では、電気回路チップ１５は、導電性不織布１３によって電極部材１０に接着されているが、電気配線１４を引き出して外部の電気回路と接続してもよい。導電性不織布１３は、たとえばポリエステル系、アクリル系等の高分子の不織布に、Ｎｉ、Ｃｕ、これらの合金等の金属を組み合わせたものである。

電気回路チップ１５から引き出される図示しない信号線と、第２の高分子材料層１２の裏面（皮膚との接触面）を除いて、筋電センサ２０の全体を、シリコーンで封止してもよい。封止用のシリコーンは、電極部材１０及び電気回路チップ１５のケーシングとして機能する。柔軟なシリコーンのケーシングとすることで、電極部材１０の柔軟性を維持し、長時間の使用の後でも皮膚に跡が残ることを抑止できる。

このような筋電センサ２０は、たとえば以下の手順で作製することができる。まず、４〜６％のカーボンブラックを含有するシリコーン樹脂を型に流し込み、脱泡と焼成により第１の高分子材料層１１を形成する。４〜６％のカーボンブラックが配合されたシリコーン樹脂は十分に攪拌されており、カーボンブラックはシリコーン中にほぼ均一に分散している。

焼成された第１の高分子材料層１１の一方の面（たとえば表面）に導電性不織布１３を張り合わせる。第１の高分子材料層１１の反対側の面（たとえば裏面）から、コの字型に折り曲げた金属配線１４を突き刺して、第１の高分子材料層１１と導電性不織布１３を貫通させ、コの字型の金属配線１４の底面を第１の高分子材料層１１に接触させる。金属配線１４の底面の少なくとも一部は、第１の高分子材料層１１の中に埋め込まれていてもよい。第１の高分子材料層１１に金属配線１４を接触させた状態で、第１の高分子材料層１１の裏面に、カーボンブラックの配合量が異なる第２の高分子材料層１２を形成する。電気回路チップ１５を導電性不織布１３に接着して金属配線１４と電気回路チップ１５を電気的に接続する。これにより、簡単な手法で安価に筋電センサを作製することができる。

図２は、シリコーン等の封止樹脂１６でケーシングされた筋電センサ２０を裏面（電気回路チップ１５と反対側）から見たときの画像である。この例では、３つの電極部材１０−１〜１０−３が並べられ、電極部材１０−１〜１０−３のそれぞれから信号線１７が引き出されている。信号線１７と電極部材１０−１〜１０−３の裏面（肌との接触面）を露出させた状態で、封止樹脂１６によってセンサ全体がケーシングされている。ケーシングとなる封止樹脂１６も電極部材１０−１〜１０−３の裏面も柔軟な高分子材料層となっているので、筋電センサ２０を長時間皮膚に密着させても使用者に不快感を与えずに済む。

電極部材１０−１と１０−２は差動の電極対である。中央の電極１０−３は基準電位をとるグランド電極である。一対の電極部材１０−１と１０−２を測定したい部位の筋繊維の方向に沿って配置し、２つの電極間の電位差を表面筋電位信号として検出する。１つの電気回路チップ１５が３つの電極部材１０−１〜１０−３に共通に用いられる場合は、電気回路チップ１５は、たとえばフィルタ回路とともに差動増幅回路を有し、電極部材１０−１と１０−２の間の差分と、体表面のグランド電位との差を増幅して、ＥＭＧ信号として出力してもよい。

次に、第２の高分子材料層１２に含有されるカーボンブラック濃度の最適範囲について説明する。

図３は、第２の高分子材料層１２のカーボンブラック濃度（％）と、得られる最大平均筋電（Ｖ）の関係を示す図である。発明者らは、図１の積層構造の電極部材１０を用いることで、計測される筋電の振幅が増加し、かつ皮膚に対する電極部材１０の押圧状態のばらつきの影響を低減して安定した計測ができることを、実験により確認した。

＜実証実験１＞
第２の高分子材料層１２のカーボンブラック配合量を変えた複数の電極サンプルを作製して筋電を計測する。実験条件として、金属配線１４にＡｕ配線を用い、金属配線１４と接触する第１の高分子材料層１１をシリコーン樹脂で作製する。第１の高分子材料層に配合されるカーボンブラックの濃度を４％に固定し、第２の高分子材料層１２のカーボンブラック濃度を、１．７％〜４．０％まで変化させる。図３は、そのうちの１．７％〜２．７％までの筋電の計測結果である。

第２の高分子材料層１２のカーボンブラック濃度を１．７〜２．７％まで０．１％刻みで変化させた１１種類の電極サンプル（電極対）を作製する。計測前にアルコールで電極と被験者の皮膚を拭いて、電極サンプルを布テープで皮膚に固定する。計測箇所は前腕皮膚の屈筋の直上である。一対の電極を屈筋に沿って２ｃｍの間隔をおいて配置し、５Ｎの力で第２の高分子材料層１２の裏面を皮膚に接触させて固定する。ボディグランドとして湿式の電極を肘に貼付する。

被験者（１名）は、握力計で１０ｋｇの握り動作を３秒間行い、対応する筋から筋電をサンプリング周波数２０００Ｈｚで計測する。計測した筋電の１０データ分の２乗平均平方根（ＲＭＳ）を計算し、さらに２００データ分からＲＭＳの最大値を代表データとして算出する。同様の計測を、各電極サンプルに対して５回ずつ行い、１つの電極サンプルに対して５試行分の最大平均筋電値を得る。

図３において、データ１〜データ５は５試行分のデータを示し、太い実線が平均値（Ａｖｅ）である。この被験者のデータでは、第２の高分子材料層１２のカーボンブラック濃度が２．１％と２．６％で筋電が大きくなるダブルピークを示している。すなわち、カーボンブラック濃度が１．７〜２．０％までは最大平均筋電が低い値を示しているのに対して、２．１％で最大平均筋電が増大し、その後若干減少した後に、２．６％で最大になっている。
＜実証実験２＞
次に、カーボン濃度を１．７％〜２．７％まで０．１％きざみで増大させた電極サンプルに加えて、カーボン濃度３．０％、３．５％、及び４．０％の３種類の追加サンプルを用いる。各カーボンブラック濃度で、３つずつ電極サンプルを作製する。カーボンブラック濃度ごとに作製された３通りの電極サンプルのすべてで、握力時の筋電と安静時の筋電を計測し、そのＳＮ比を計算する。握力時の筋電は、握力計で１０Ｋｇの握り動作を行ったときの筋電、安静時の筋電は、握りを解放して力を抜いたときの筋電である。安静状態で計測される筋電は、力を入れていなくてもセンサに取り込まれる電位であり、バックグラウンドノイズとみなすことができる。ＳＮ比は、握力時の筋電の安静時の筋電に対する比で表される（より具体的には、握力時の筋電値を安静時の筋電値で除算したものの２乗を用いる）。

３通りの電極サンプルのそれぞれについて、一対の電極が均等な圧力で皮膚に固定されているとき（これを「非加圧時」と呼ぶ）と、電極対の一方に圧力が片寄った状態で固定されているとき（これを「加圧時」または「片当たり」と呼ぶ）の双方で行う。片当たりの状態は、一方の電極全体にフォーステスターで２０Ｎを加えた状態である。

図４は、非加圧時（均等固定）の筋電データであり、握力時の筋電（ａ）と、安静時の筋電（ｂ）と、ＳＮ比（ｃ）を示している。各棒線に付随する３つのエラーバーは、３通りのサンプルの標準誤差を示している。

図５は、加圧時（片当たり）の筋電データであり、握力時の筋電（ａ）と、安静時の筋電（ｂ）と、ＳＮ比（ｃ）を示している。各棒線に付随する３つのエラーバーは、３通りのサンプルのそれぞれの誤差を示している。

図４と図５において、解析対象から外れ値を除く操作を行う。カーボンブラック濃度ごとに、３通りの電極サンプルのそれぞれ５試行、合計１５データの平均と標準誤差を計算する。各データにおいて、平均±２標準偏差（２σ）の範囲から外れたデータを外れ値と定義し、解析対象から除く。

図４の非加圧時（均等固定時）の筋電データを参照すると、握力時（ａ）の筋電は、カーボン濃度２．１％でピークを持つシングルピークの特徴を示している。しかし、欠損データや外れ値が影響し，各濃度に対するデータ数が不均一であるため、図４の（ａ）の筋電データのみから統計比較を行うことは危険である。

図４の安静時（ｂ）では、電極を装着した被験者の前腕に動きがほとんどなく、顕著な特徴は見られない。第２の高分子材料層１２のカーボンブラック濃度にかかわらず、一定の電位がノイズとして混入することがわかる。図４のＳＮ比（ｃ）では、２．１％、２．６％、及び４．０％で筋電値が高くなっている。このうち、４．０％は電極間の製造誤差が大きい。カーボンブラック濃度を３．０％〜３．５％と高くしても十分に高いＳＮ比が得られないのは、最適範囲を超えると、カーボンブラックの増加につれてノイズ（安静時の筋電）が増幅されているからである。

図５に移って、加圧時（片当たり）には、握力時（ａ）の筋電値が上昇傾向にあるが、電極内でのばらつきが大きく、また電極間でもばらつきも大きくなっている。電極の固定状態に依らずに筋電を安定して計測するには，加圧時（片当たり）と非加圧時（均等固定）の間で変動が小さいことが望ましい。

図６は、非加圧時と加圧時の変動量を示す図である。（ａ）は筋電の差分、（ｂ）はＳＮ比の差分、（ｃ）はロバスト性を示している。筋電の差分（ａ）の各濃度での左側のバーが握力時の筋電値の差、右側のバーが安静時の筋電値の差である。均等固定状態と片当たり状態での筋電値の差は、２．０〜２．１％で極小値をとり、２．６〜２．７％で再度極小値をとるダブルピークを示している。

ＳＮ比の差分（ｂ）でも、２．０〜２．１％で極小値をとり、２．６〜２．７％で再度極小値をとるダブルピークを示している。また、極小値をとるカーボンブラック濃度の範囲で、３通りの電極サンプル間の差も小さくなっていることがわかる。

最終的な筋電計速の安定性を求めるため，非加圧時における握力時のＳＮ比の値をＳＮ比の変化量で割った値をロバスト性と定義し、評価する。非加圧時における握力時のＳＮ比が大きくかつ、非加圧時と加圧時のＳＮ比の差が小さいほど、ロバスト性は高い値を示す。図６のロバスト性（ｃ）の結果から、やはり２．０〜２．１％と、２．６〜２．７％にピークが現れる。一方、カーボンブラック濃度が３．５〜４．０％では、ロバスト性が十分に確保されず、皮膚への電極の押し当て方によって計測される筋電の値が大きくばらつき、計測が不安定になる。

＜電気特性の解析＞
図７は、各カーボンブラック濃度での電極と皮膚の間の電気特性を示す。図７の（ａ）は非加圧時及び加圧時のインピーダンス、（ｂ）は非加圧時及び加圧時のレジスタンス、（ｃ）は非加圧時及び加圧時のキャパシタンスである。異なるカーボンブラック濃度の電極サンプルの各々で、３通りのサンプルを作製し、それぞれ５試行して得られたデータの平均値をとっている。

計測は、加圧時（片当たり）のデータを取得した後に、非加圧時のデータを取得している。（ａ）のインピーダンスと、（ｂ）のレジスタンスで、カーボンブラック濃度のほぼ全体にわたって値が高いデータが、非加圧時（均等固定）のデータである。

インピーダンスとレジスタンスの平均値に着目すると、非加圧時、加圧時ともに、カーボンブラック濃度が２．６％で極小値を示す。一方、（ｃ）のキャパシタンスについては、非加圧時の特性で２．０％と２．６％で大きな値を示し、筋電特性と同様に、ダブルピークを示している。

図８は、各電気特性の非加圧時と加圧時の変動または差を示す図である。（ａ）はインピーダンスの差、（ｂ）はレジスタンスの差、（ｃ）はキャパシタンスの差である。インピーダンスの差（ａ）では、カーボンブラック濃度が２．６％で非加圧時と加圧時の差が最小である。レジスタンスの差（ｂ）では、カーボンブラック濃度が２．２％で非加圧時と加圧時の差が最小であり、２．０％と２．６％でも比較的、差が小さい。

キャパシタンスの差（ｃ）は、カーボンブラック濃度が１．９％で非加圧時と加圧時の差が最小であり、２．０％と２．６〜２．７％でも差分が小さい。

図９は、図６の（ｃ）のロバスト性と、電気特性の相関を評価する図である。図９の（Ａ）の横軸は種々の電気特性の識別番号を示し、縦軸は層間地を示す。図９の（Ｂ）は、（Ａ）の識別番号に対応する電気特性を示している。

識別番号１〜３は、非加圧時（均等固定時）のインピーダンス平均、キャパシタンス平均、及びレジスタンス平均をそれぞれ示す。識別番号４〜６は加圧時（片当たり）のインピーダンス平均、キャパシタンス平均、及びレジスタンス平均をそれぞれ示す。識別番号７〜９は非加圧時と加圧時のインピーダンス変化、キャパシタンス変化、及びレジスタンス変化をそれぞれ示す。

皮膚との間のキャパシタンス、レジスタンス、及びインピーダンスは、筋電特性のロバスト性に影響し、キャパシタンス、レジスタンス、及びインピーダンスの変化が筋電計測のロバスト性と相関することがわかる。この結果は、上述した実証実験で、ロバスト性に関し、カーボンブラック濃度２．０〜２．１％と、２．６〜２．７％でダブルピークが観察され、図８のレジスタンス、インピーダンス及びキャパシタンスで同様の傾向が観察されることからも説明できる。

以上のように、筋電センサ２０と皮膚の間のインピーダンス及び／またはキャパシタンスの関係から電極部材１０の第２の高分子材料層１２のカーボンブラック濃度を適切な範囲に設定することで、電極部材１０の皮膚への固定状態に依らずに安定したＥＭＧ信号を計測することができる。

電極部材１０の固定状態（圧力状態）におけるロバスト性はインピーダンス、及び／またはキャパシタンスと相関し、カーボンブラック濃度の関数として、ロバスト性は２つのピークを有する。このダブルピークの特性は、高分子材料層１１、１２のポリマー素材と、添加されるナノカーボン材料の種類が変わっても現れると推定される。たとえば、ポリウレタン、ポリイソピレン等にカーボンパウダーを分散させ、異なる濃度の積層を形成した場合も、皮膚との間のインピーダンスとキャパシタンスの少なくとも一方は２つのピークを示すと推測される。

導電性材料の配合量を異ならせた２つの高分子材料層を重ね合わせて積層を形成し、配合量の少ない方の層を皮膚との接着層とし、配合量の高い方の層に金属配線を接触させて筋電を取り出すことで、計測部位への電極の固定状態に依らずに、安定して筋電を計測できる。

図１０は、電極自体の抵抗を計測するモデルの模式図である。図７〜図９では、被験者の皮膚とセンサ２０との間の電気的特性値を測定し考察した。図１０以降では、電極自体の電気特性を検討して、電極を積層構造とすることの有用性を定量的に示す。

図１０で、（ａ）〜（ｃ）の３つのモデルを作製する。モデル（ａ）では、導電性不織布１３の上にカーボン濃度２％のシリコーンの電極２１を配置し、金属３１と金属３２で挟み込む。金属３１と金属３２に計測用プローブ３３を押し当て，抵抗値を計測する。その際に、積層方向の最上部に１００ｇの重りを載せて荷重を加える。

モデル（ｃ）は、モデル（ａ）と積層構成は同じであるが、カーボン濃度４％のシリコーンの電極２２を用いる。導電性不織布１３と電極２２を、金属３１と金属３２で挟み、計測用プローブ３３を押し当てて抵抗値を計測する。積層方向の最上部に１００の重りを載せて荷重を加える。

モデル（ｂ）では、上述した実施形態の積層構造を用いる。導電性不織布１３の上にカーボン濃度４％のシリコーンの電極２２と、カーボン濃度２％のシリコーンの電極２１を積層する。抵抗値を計測するために、積層方向に沿って上下対称の構成とする。すなわち２つのカーボン濃度４％の電極２２で、カーボン濃度２％の電極２１を挟み、電極２２の外側にそれぞれ導電性不織布１３を介して、計測用プローブ３３を押し当てる。

モデル（ａ）〜（ｃ）のそれぞれで、３００秒間の計測を行い、３０秒ごとにデータを取得する。このプロセスを１施行とし、各モデルで合計４施行の実験を行う。

モデル（ａ）とモデル（ｃ）では、１施行ごとに、別々に作製した電極２１または電極２２を用いて計測する。モデル（ｂ）では、１施行ごとに、電極２１と電極２２の組み合わせを変えて計測する。これにより、製造誤差の評価を含める。データ解析には、定常状態である３００秒目の計測データを用いる。

図１１は、図１０のモデル（ａ）〜（ｃ）のそれぞれの抵抗値成分を示す図である。図１１の（ａ）で計測される抵抗値は、(1) 電極２１を構成するシリコーンと一方の金属との接触抵抗、(2) カーボンを２％含む電極２１本体の抵抗、及び(3) 電極２１を構成するシリコーンと他方の金属との接触抵抗、の合計値と等価である。

図１１の（ｃ）で計測される抵抗値も同様に、(1) 電極２２を構成するシリコーンと一方の金属との接触抵抗、(2) カーボンを４％含む電極２２本体の抵抗、及び(3) 電極２２を構成するシリコーンと他方の金属との接触抵抗、の合計値と等価である。

図１１の（ｂ）で計測される抵抗値は、(1) 電極２２を構成するシリコーンと一方の金属との接触抵抗、(2) カーボンを４％含む電極２２本体の抵抗、(3) カーボンを４％含むシリコーン（電極２２）とカーボンを２％含むシリコーン（電極２１）の接触抵抗、(4) カーボンを２％含む電極２１本体の抵抗、(5) カーボンを２％含むシリコーン(電極２１)とカーボンを４％含むシリコーン（電極２２）の接触抵抗、(6) カーボンを４％含む電極２２本体の抵抗、及び(7) 電極２２を構成するシリコーンと一方の金属との接触抵抗、の合計値と等価である。

図１１の（ａ）〜（ｃ）のすべてで、導電性不織布１３と金属３１の接触抵抗、及び導電性不織布１３と金属３２の接触抵抗はゼロと仮定する。

図１２は、図１０のモデル（ａ）〜（ｃ）の計測結果である。各縦棒は抵抗の平均値、エラーバーは標準誤差を示している。アスタリスクは、一元配置分散分析の結果、優位水準１％での有意差（または有意確率ｐ）を示す。ここでは、３つ以上の標本の平均を比較するので、一元配置分散分析を行っている。３つのモデル（ａ）〜（ｃ）から得られる統計量の差は単なる誤差ではないことを示す基準として、有意水準を１％に設定する。

測定の結果、カーボン濃度２％のモデル（ａ）では、平均抵抗値が１８８３．６Ωであるのに対し、カーボン濃度２％のシリコーンとカーボン濃度４％のシリコーンを積層にしたモデル（ｂ）では、平均抵抗値が９２４．４Ωまで低減している。カーボン濃度４％のモデル（ｃ）では、平均抵抗値はさらに減少して、２２１．６Ωである。

一元配置分散分析の結果、有意確率ｐは有意水準１％よりも小さく（ｐ＜０．０１）、モデル間の抵抗値の差は単なる誤差ではなく、有意に異なっていることがわかる。カーボン濃度２％の電極２１単体（モデル（ａ））の抵抗値よりも、カーボン濃度４％の電極２２で挟む構成（モデル（ｂ））の抵抗値の方が有意に小さく、平均値はほぼ半分に低減されている。

図４〜図９の実験結果から、肌と接触する部分の抵抗値は、圧力の変動（片当たり）に対するロバスト性を確保するために、ある程度大きな値を持つことが望ましいとわかっている。肌と接触する第２の高分子材料層１２のカーボンブラックの添加量は高ければよいというのではなく、第１の高分子材料層１１のカーボンブラック添加量よりも低い所定の範囲（２．０％〜２．１％など）に設定して、ある程度の抵抗値を持たせることが望ましい。これにより、筋電信号がノイズ（安静時の筋電）に埋もれてしまうことを抑制し、高いＳ／Ｎ比とセンシングの安定性が得られる。

一方、シリコーンの電極と金属配線１４（またはアンプ）との接合部の抵抗値は、低いことが望ましい。カーボン濃度２%の電極２１を単体でそのまま電極部材として使用するよりも、カーボン濃度４%の電極を経由したほうが低い抵抗値となることが、図１０〜図１２の実験により明らかになっている。また、カーボン濃度４％の電極２２を単体でそのまま電極部材として使うと、ノイズ（安静時の筋電）も増幅されてＳ／Ｎ比が低下し、片当たりに対するロバスト性が担保できなくなることは上述のとおりである。このように、高分子材料で形成される電極を、カーボン材料の濃度が異なる積層構造とすることの有用性が確認される。

次に，定量的な評価を行う。図１１の（ａ）〜（ｃ）に示す抵抗成分の種類（変数）の数に対して、得られた条件が少ないため、それぞれの抵抗成分の値を一意に求めることは困難である。これは、導電性シリコーンの抵抗値を測る際には、必ず金属のプローブを使わなければならず、導電性シリコーンと金属の接触抵抗が発生することが原因の一つである。ここでは，導電性シリコーン同士の接触抵抗と、導電性シリコーンと金属の接触抵抗との相対値を比較する。

図１１のモデル（ａ）〜（ｃ）から共通項を消去するために、
（ａ）＋（ｃ）×２−（ｂ） （１）
を計算する。モデル（ｃ）を２倍にしているのは、モデル（ｂ）がＣ４％シリコーン自体の抵抗と、金属−Ｃ４％シリコーン間の接触抵抗を２セット含んでいるからである。

図１３は、（ａ）＋（ｃ）×２−（ｂ）で共通項を消去した結果を示す。共通項を消去すると、
２×［(C2%−M間接触抵抗) + (C4%−M間接触抵抗) - (C2%−C4%間接触抵抗)］
となる。ここで、「C2%」はカーボン２％含有シリコーン、「C4%」はカーボン４％含有シリコーン、「Ｍ」は金属である。図１３では、定数の「２」を省略している。

図１２の測定結果を用いて、式（１）に、モデル（ａ）の抵抗値１８８３．６Ω、モデル（ｃ）の抵抗値２２１．６Ω、及びモデル（ｂ）の抵抗値９２４．４Ωを代入すると、図１３の値は、
（１８８３．６＋２２１．６×２−９２４．４）／２＝７０１．２Ω （２）
となる。

図１２の測定結果（直列抵抗のトータル値）から、図１３の第１項のＣ２％シリコーン−金属間の接触抵抗は、最大でも９００Ω程度、図１３の第２項のＣ４％シリコーン−金属間の接触抵抗は、最大でも１００Ω程度である。

式（２）から、図１３のモデルのトータル値は約７００Ωであるから、第１項と第２項の和は７００Ω〜１０００Ωの範囲、第３項のＣ２％シリコーンとＣ４％シリコーンの接触抵抗は、０Ω〜３００Ωであることが推察される。

図１２から、Ｃ２％シリコーンとＣ４％シリコーンの抵抗値の比を１０：１程度であると仮定すると、Ｃ２％シリコーンと金属の接触抵抗は６３０Ω〜９２０Ωであると推察される。

以上の議論より，導電性シリコーン同士の接触抵抗値は，Ｃ２％シリコーンと金属の接触抵抗値よりも小さいことがわかる。また、上述のように、Ｃ４％シリコーンと金属の接触抵抗も最大で１００Ω程度であるから、Ｃ２％シリコーンと金属の接触抵抗値よりも小さい。このことは、低カーボン濃度の導電性シリコーンに高カーボン濃度の導電性シリコーンを積層することの有用性を示している。

これを図１の構成に当てはめると、第１の高分子材料層１１と第２の高分子材料層１２の間の接触抵抗は、金属配線１４と第２の高分子材料層１２との接触抵抗と、金属配線１４と第１の高分子材料層１１との接触抵抗の和よりも小さい。また、第１の高分子材料層１１と第２の高分子材料層１２の間の接触抵抗は、金属配線１４と第２の高分子材料層１２との接触抵抗よりも小さい。

図１の構成で、金属配線１４は必ずしも第２の高分子材料層１２と接している必要はなく、第１の高分子材料層１１の中に埋め込まれていてもよい。この場合、第１の高分子材料層１１と第２の高分子材料層１２の間の接触抵抗は、第１の高分子材料層１１と金属配線１４の間の接触抵抗と同等か、または数百Ω程度の違いしかない。したがって、第２の高分子材料層１２の比較的大きな抵抗値を利用して高いＳ／Ｎ比で感知した筋電信号を、接触抵抗の小さい第１の高分子材料層１１を介して、効率的に増幅することができる。

最後に、金属との接触面を同一に保ちながら導電性シリコーンの厚みを増していくと、抵抗値は増加すると考えられる。この線形、または非線形な増加関数を推定することができれば、オフセット成分を導電性シリコーンと金属の接触抵抗値の２倍の値として同定できると考えられる。これにより、全ての抵抗要素の値を同定することができると考えられる。

１０ 電極部材
１１ 第１の高分子材料層
１２ 第２の高分子材料層
１３ 導電性不織布
１４ 金属配線
１５ 電気回路チップ
２０ 筋電センサ

Claims (15)

1. 第１の配合量のナノカーボン材料を含む第１の高分子材料層と、前記第１の配合量よりも少ない第２の配合量のナノカーボン材料を含む第２の高分子材料層とが積層された電極部材と、
   少なくとも一部が前記第１の高分子材料層と接触する金属配線と、
   を有することを特徴とする筋電センサ。
2. 前記第２の高分子材料層は、被計測者の皮膚との接触層であることを特徴とする請求項１に記載の筋電センサ。
3. 前記電極部材は、前記第２の配合量の関数として前記皮膚との間のキャパシタンスにおいて２つのピークを有することを特徴とする請求項２に記載の筋電センサ。
4. 前記金属配線は、前記第２の高分子材料層と接していないことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の筋電センサ。
5. 前記金属配線が前記第２の高分子材料層と接する場合、前記第１の高分子材料層と前記第２の高分子材料層の間の接触抵抗は、前記第２の高分子材料層と前記金属配線の間の接触抵抗と、前記第１の高分子材料層と前記金属配線の間の接触抵抗の和よりも小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の筋電センサ。
6. 前記金属配線が前記第２の高分子材料層と接する場合、前記第１の高分子材料層と前記第２の高分子材料層の間の接触抵抗は、前記第２の高分子材料層と前記金属配線の間の接触抵抗よりも小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の筋電センサ。
7. 前記金属配線に電気的に接続される電気回路チップ、
   をさらに有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の筋電センサ。
8. 前記第１の高分子材料層と前記電気回路チップの間に配置される導電性不織布、
   をさらに有し、
   前記金属配線は、前記第１の高分子材料層から前記導電性不織布を貫通して前記電気回路チップに接続されていることを特徴とする請求項７に記載の筋電センサ。
9. 前記ナノカーボン材料はカーボンブラックであり、前記第２の配合量は２．０〜２．１％と、２．６〜２．７％のいずれかであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の筋電センサ。
10. 前記カーボンブラックの前記第１の配合量は、４〜６％であることを特徴とする請求項９に記載の筋電センサ。
11. 前記第１の高分子材料層と前記第２の高分子材料層は、シリコーン樹脂、ポリイソピレン、ポリブタジエン、その他のエラストマーから選択されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の筋電センサ。
12. 筋電センサ用の電極部材であって、
    第１の配合量のナノカーボン材料を含む第１の高分子材料層と、
    前記第１の配合量よりも少ない第２の配合量のナノカーボン材料を含む第２の高分子材料層と、が連続して積層されており、
    前記第２の高分子材料層が被計測者の皮膚との接触層である電極部材。
13. 前記第２の配合量の関数としての前記電極部材のロバスト性は、２つのピークを示すことを特徴とする請求項１２に記載の電極部材。
14. 前記ナノカーボン材料はカーボンブラックであり、前記第２の配合量は２．０〜２．１％と、２．６〜２．７％のいずれかであることを特徴とする請求項１２または１３に記載の電極部材。
15. 前記カーボンブラックの前記第１の配合量は、４〜６％であることを特徴とする請求項１４に記載の電極部材。