JP2000060811A - 腕携帯機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 脈動と脈動の時間的間隔を連続的に測定で
き、体動ノイズがキャンセルでき、腕に強く押し付けな
くてもセンシングが可能で、温度変化の影響を受けな
い、さらに長時間のセンシングにも耐えうる、腕携帯型
への応用が可能な脈波センサを提供することを課題とす
る。 【解決手段】 脈動による皮膚表面の変位を、弾性体の
変形による超音波共鳴周波数の変動として読み取る脈場
センサを備えた構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、腕に装着して、
皮膚表面からの生体情報を検出する腕携帯機器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、健康に対する関心の高まりととも
に、身体に装着して簡易に生体情報をセンシングする携
帯機器、特に腕携帯機器が注目されている。図１０は、
従来の腕携帯機器の断面図である。従来の腕携帯機器に
おいては、シリコン基板１００１の一部を湿式プロセス
により薄肉化してダイヤフラム構造を形成し、薄肉化し
た部分１００２に、ピエゾ抵抗素子１００３を複数個並
べて形成した構造としていた。そのセンサを皮膚表面に
押し付けることにより、動脈血管を圧迫し動脈血管を楕
円形に変形させ、血管の円周方向に働く張力がセンサ方
向には働かないようにする。これにより血管内部の圧力
すなわち血圧をピエゾ抵抗素子１００３の抵抗変化によ
り感知していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の腕
携帯機器においては、下記の課題があった。 （１）脈波の揺らぎを検出できない。従来の腕携帯機器
においては、一心拍ごとに血圧を測定することを目的と
していたため、脈動と脈動の時間的間隔を連続して測定
することはできなかった。

【０００４】（２）体動ノイズを拾う。従来の腕携帯機
器においては、皮膚に、変位センサを備えたシリコン基
板を直接当てる構成となっていたため、被測定者が体を
動かすと、その動きを変位センサが拾ってしまう。よっ
て、被測定者は測定中はじっと静止していなければなら
なかった。従って、携帯センサとして応用し、脈波を常
時測定し続けることは不可能であった。

【０００５】（３）腕に強く押し付けなければセンシン
グしない。従来の腕携帯機器においては、血管を圧迫す
ることによる血圧測定をしていたので、センサを腕に強
く押し付けなければならなかった。従って、空気圧、ば
ね等の力によってセンサを皮膚に押し付けていたが、圧
迫によって被測定者に不快感を与え、長時間の連続測定
には不向きであった。

【０００６】（４）製造コストがかかる。従来の腕携帯
機器においては、シリコン基板の一部を薄肉化してダイ
ヤフラム構造を形成して変位センサとして用いていたた
め、シリコンを薄肉化する工程で湿式プロセスを必要と
し、製造コストが高くなっていた。 （５）温度の影響を受ける。

【０００７】従来の腕携帯機器においては、温度特性を
持つ変位センサ素子を直接皮膚に密着させる構造となっ
ていたため、体温および外気温の変動による影響を直接
受けて、正確な測定ができなかった。そこで本発明の腕
携帯機器においては、脈動と脈動の時間的間隔を連続的
に測定でき、体動ノイズがキャンセルでき、腕に強く押
し付けなくてもセンシングが可能で、温度変化の影響を
受けない、さらに長時間のセンシングにも耐えうる腕携
帯機器を提供することを課題としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の腕携帯機器で
は、脈動による皮膚表面の変位を感知する脈波センサを
有する構成としたので、脈動と脈動の時間的間隔を連続
的に測定することが可能となる。更に、前期脈波センサ
を、弾性体を皮膚に接触させて、前記弾性体の変形によ
って、脈波を感知するセンサ機構を有する構成とした。

【０００９】更に、前記センサ機構は、前記弾性体に超
音波送信手段および超音波受信手段を備えた構成とし
た。前記弾性体内部には共鳴空洞および導波路があり、
前記超音波送信手段および前記超音波受信手段から、前
記弾性体内部に形成された前記共鳴空洞までをそれぞれ
前記導波路で結んだ構成となっている。前記超音波送信
手段および前記超音波受信手段は、圧電素子であり、超
音波の周波数の電気信号を印加することにより圧電効果
により振動して超音波を発生させることができ、また超
音波の振動を逆圧電効果により電気信号に変換すること
ができる。

【００１０】前記超音波送信手段によって発生した超音
波は、送信側導波路を通り共鳴空洞に達し、さらに受信
側導波路を通って、前記超音波受信手段に達し、電気信
号に変換される。この時、前記共鳴空洞は固有の共鳴周
波数を持つ。従って、例えば、送信側の超音波周波数を
変えながら受信超音波を測定すると共鳴周波数のところ
で、出力が最大になる特性を持つ。

【００１１】また、この共鳴周波数は前記弾性体に外部
から応力が加わる時、前記弾性体の変形による前記共鳴
空洞の変形によって変化する。前記弾性体は柔らかくて
変形しやすくかつ弾力性のある材質でできている。弾力
体を動脈部分の皮膚に接触させることによって、脈動に
よる皮膚の変位があると、内部の前記共鳴空洞の形が変
わり、この変形によって共鳴周波数が変わる。

【００１２】従って、信号処理手段によって、共鳴周波
数の変化による出力振幅の変化を感知すれば、脈波を感
知することができる。本発明は上記のような構成の脈波
センサを有するため、脈波センサを皮膚に密着させて脈
動を感知する際に、前記弾性体が柔らかく変形しやすい
材質なので皮膚に強く押し付けなくても脈波を感知でき
る。また、前記弾性体は、皮膚との密着による皮膚表面
の変位によって変形するが、体動によっては共鳴空洞の
変形を起こさないので、体動の影響を受けない。

【００１３】更に、弾性体が皮膚表面側に位置すること
によって、共鳴空洞と皮膚との接触面との間に位置する
弾性体が薄くなり、従って脈動によって変形しやすくな
り、同時に他の部分は厚みが増すので、体動その他の要
因によっては、弾性体が変形しにくくなる。更に、温度
特性を持つセンサ部分すなわち、前記超音波送信手段お
よび前記超音波受信手段が皮膚および外気に触れないセ
ンサ内部にあるため、体温および外気温の変動による影
響を受けない。

【００１４】

【発明の実施の形態】〔実施例１〕本発明の腕携帯機器
の１実施例を、図１〜図７を用いて説明する。はじめに
本実施例の構成要素について説明する。図１は、本発明
の１実施例に関わる腕携帯機器の斜視図である。

【００１５】図２は、本発明の１実施例に関わる腕携帯
機器の構成図である。外装ケース１０１を装着バンド１
０２によって手首に巻き付けて、着脱可能に取り付けら
れるようになっている。図示していないが、外装ケース
１０１の内部に脈波センサ２０１および信号処理手段２
０２が組み込まれている。脈波センサ２０１は、外装ケ
ース１０１の皮膚接触面側に備えられている。外装ケー
ス１０１の表面には表示手段２０３が備えられている。
脈波センサ２０１から出力される信号は前記信号処理手
段２０２によって分析され、異常があった場合には前記
表示手段２０３に表示される。

【００１６】図３は本発明の１実施例に関わる脈波セン
サ２０１の断面図である。脈波センサ２０１は、本体ケ
ース３０１、蓋体３０２、弾性体３０３、超音波送信用
振動体３０５、超音波受信用振動体３０４、配線部３０
６から構成されている。前記弾性体３０３の内部には、
共鳴空洞３０７および送信側超音波導波路３０９および
受信側超音波導波路３０８が形成されている。

【００１７】本体ケース３０１は、変形しにくい固い材
料、例えば金属製の長方形の枠であり、本体ケース３０
１と蓋体３０２の間に空間３１０が空くようにして内側
を埋めるように弾性体３０３が充填されて、弾性体３０
３と本体ケース３０１の内壁は接着されている。弾性体
３０３内部には、刳り抜かれる形で共鳴空洞３０７が形
成されている。共鳴空洞３０７は、超音波送信用振動体
３０５の発生する超音波の、ある固有の周波数で共鳴す
るように設計されている。

【００１８】図４は、前記共鳴空洞３０７の超音波の周
波数に関する特性を示す図である。共鳴周波数ｆ0にお
いて、受信側での超音波振動の振幅は最大となる。すな
わち、この特性によって、超音波送信用振動体３０５の
発生する超音波の周波数をこの共鳴周波数に設定してお
けば、共鳴空洞の共鳴周波数ｆ0が変化すると、共鳴空
洞による共鳴がなくなるので、受信側の超音波振動の振
幅は小さくなる。

【００１９】共鳴空洞３０７は上下方向の軸が短い楕円
球体の形状をしている。この形状により、共鳴空洞が上
下方向に変形しやすくなる。共鳴空洞３０７の中央を貫
く一直線上に、共鳴空洞３０７から弾性体３０３の外壁
までを貫通させるように送信側と受信側にそれぞれ導波
路が形成されている。導波路は、円筒または直方体状に
刳り抜かれた形となっている。

【００２０】弾性体の送信側超音波導波路３０９および
受信側超音波導波路３０８の開口端にあたる本体ケース
部分には、それぞれの導波路と同じ形の断面をもつ穴３
１１が外部と導波路をつなぐように貫通している。図５
は、本実施例の超音波送信用振動体３０５の拡大図であ
る。なお、超音波受信用振動体３０４もこれと同じ形状
であるのでここでは図示しない。

【００２１】本実施例においては、超音波送信用振動体
３０５および超音波受信用振動体３０４を構成する圧電
素子としてＰＶＤＦフィルムを用いた場合について述べ
るが、圧電素子はＰＺＴ、高分子系圧電材料など、圧電
効果および逆圧電効果を持ち超音波を発生することがで
きる材料であればよい。図５において、超音波送信用振
動体３０５はＰＶＤＦフィルム５０１を薄くて弾力性の
ある保護フィルム５０２で挟んで接着した構造となって
いる。ＰＶＤＦフィルム５０１には、接続端子５０３が
備えられている。

【００２２】図６は、超音波送信用振動体３０５の取り
付け部分の要部拡大図である。なお、超音波受信用振動
体３０４の取り付け部分もこれと同じ形状であるのでこ
こでは図示しない。送信側超音波導波路３０９の延長と
してある本体ケースの穴３１１を覆いかぶせるように、
ＰＶＤＦフィルム５０１およびＰＶＤＦフィルムを挟ん
だ保護フィルム５０２を半円状に曲げて両端を本体ケー
ス３０１に接着する。ＰＶＤＦフィルムは、このように
予め曲げて使用することによって、より効率的に振動し
て、超音波を発生し、また、超音波を電気信号に変換す
ることができる。超音波送信用振動体３０５の外側にカ
バー６０１を被せる形で接着して、超音波送信用振動体
３０５を保護する。

【００２３】図７は、本実施例の信号処理手段の構成図
である。発振回路７０１から出力される、超音波周波数
を持つ電気信号は送信用超音波振動体３０５に印加され
る。前期電気信号の周波数すなわち超音波周波数は共鳴
空洞３０７の共鳴周波数ｆ０に設定されている。また、
受信側超音波振動体３０４は、共鳴空洞３０７および受
信側超音波導波路３０８を伝わってきた超音波によって
振動して、振動を電気信号に変換する。電気信号は検出
回路７０２に入力される。従って、検出回路７０２に入
力される電気信号は、超音波が共鳴空洞３０７で共鳴し
ているときは、振幅が大きく、共鳴していないときは振
幅が小さくなる。

【００２４】次に、本実施例による脈波センシングの動
作について順を追って説明する。脈波センサ２０１は装
着バンド１０２によって、本体ケース３０１の下側開口
端、すなわち弾性体３０３の皮膚接触面が、手首の動脈
の真上の領域に当るように密着させられて、固定されて
いる。弾性体３０３は軽く皮膚に押されているので、脈
動によって、皮膚表面が変位すると、皮膚から見て上方
向に皮膚の変位に応じて変形する。この時、弾性体３０
３は、横方向の四面は本体ケース３０１に隙間無く接着
され固定されていて、上側には蓋体３０２との隙間の空
間３１０がある。従って、上下方向には容易に変形を起
こすが、皮膚表面に対して平行方向には変形しにくい。
よって、体動による皮膚表面に平行方向の動きをキャン
セルすることができる。

【００２５】弾性体３０３の変形はすなわち内部に形成
された共鳴空洞３０７の変形であるので、この変形によ
って共鳴空洞３０７の共鳴周波数が変化する。図９は、
共鳴空洞３０７の共鳴周波数の変化を示す図である。図
９において、共鳴空洞３０７の変形が起こると、共鳴周
波数は、変化前の共鳴周波数ｆ０から、高くあるいは低
く変化する。図９では、高い方向への周波数変化を図示
した。

【００２６】従って、超音波受信用振動体３０４に伝わ
る超音波は共鳴空洞３０７によって共鳴していなくな
る。超音波送信用振導体３０５から送信される超音波の
周波数は依然としてｆ０なので、共鳴してないことによ
って、減衰を受けて、受信される超音波の振幅は小さく
なる。従って、信号処理手段２０２の検出回路７０２に
おいても、超音波受信用振動体３０４から出力される電
気信号は小さくなる。

【００２７】また、弾性体３０３は弾力性を持つので、
変位が加わらなくなると、元の形に戻る。従って共鳴空
洞３０７の形も元に戻り、よって共鳴周波数も元の周波
数に戻ることになる。つまり、共鳴空洞３０７の共鳴周
波数は、脈動によって皮膚が変位すると変化し、脈動の
無い時は、固有の設定値すなわち超音波送信用振動体３
０５に印加される電気信号の周波数に等しい値となる。

【００２８】従って、上記のような動作により、脈動に
よる皮膚表面の変位によって共鳴空洞３０７の共鳴周波
数が、発振回路７０１の発する超音波に共鳴している状
態と共鳴していない状態を繰り返すので、超音波送信用
振動体３０４から出力される電気信号の振幅は脈動とと
もに変化し、これを検出回路７０２によって感知するこ
とができる。

【００２９】脈波センサ２０１による信号を信号処理手
段２０２によって、数時間、もしくは半日、一日という
長時間に渡って脈波の時間間隔を記録して、その揺らぎ
を分析することによって、心筋梗塞等の突発的な心臓疾
患を予測することができる。尚、この実施例において
は、腕に装着する携帯機器の形態として脈波センサ単体
のものであったが、これに限定されることなく、腕時
計、その他の腕形態機器と一体化した形態のものも可能
である。

【００３０】〔実施例２〕本発明の腕携帯機器の実施例
において、脈波センサにおいて共鳴空洞が皮膚表面側に
偏って位置することを特徴とする腕携帯機器の実施例
を、図９を用いて説明する。図９は本発明の実施例２に
関わる脈波センサの断面図である。

【００３１】脈波センサは、本体ケース９０１、蓋体９
０２、弾性体９０３、超音波送信用振動体９０５、超音
波受信用振動体９０４、配線部９０６から構成されてい
る。前記弾性体９０３の内部には、共鳴空洞９０７およ
び送信側超音波導波路９０９および受信側超音波導波路
９０８が形成されている。本体ケース９０１は、変形し
にくい固い材料、例えば金属製の長方形の枠であり、本
体ケース９０１と蓋体９０２の間に空間９１０が空くよ
うにして内側を埋めるように弾性体９０３が充填され
て、弾性体９０３と本体ケース９０１の内壁は接着され
ている。

【００３２】弾性体９０３内部には、刳り抜かれる形で
共鳴空洞９０７が形成されている。共鳴空洞９０７は、
超音波送信用振動体９０５の発生する超音波の、ある固
有の周波数で共鳴するように設計されている。共鳴空洞
９０７の中央を貫く一直線上に、共鳴空洞９０７から弾
性体９０３の外壁までを貫通させるように送信側と受信
側にそれぞれ導波路が形成されている。導波路は、円筒
または直方体状に刳り抜かれた形となっている。

【００３３】弾性体の送信側超音波導波路９０９および
受信側超音波導波路９０８の開口端にあたる本体ケース
部分には、それぞれの導波路と同じ形の穴９１１が外部
と導波路をつなぐように貫通している。ここで、共鳴空
洞９０７が弾性体９０３の下側に位置していることによ
り共鳴空洞９０７の下側の部分の弾性体の肉厚が薄くな
り、脈動による皮膚変位によって変形しやすくなり、従
ってより高感度に脈波を感知できる。

【００３４】

【発明の効果】この発明は以上に説明したように、弾性
体、超音波送信手段、超音波受信手段、および前記弾性
体内部に形成されて前記超音波送信手段より送信された
超音波のある固有の周波数で共鳴する共鳴空洞、前記弾
性体内部に形成されて前記超音波送信手段と前記共鳴空
洞を結ぶ送信側超音波導波路、前記弾性体内部に形成さ
れて前記超音波受信手段と前記共鳴空洞を結ぶ受信側超
音波導波路から構成されている。

【００３５】従って、脈動による皮膚表面の変位を前記
弾性体の変形による共鳴空洞の共鳴振動数の変化によっ
て感知するので、体動による影響を受けない腕携帯機器
を得る。また、皮膚に強く押し付けなくても弾性体の変
形によって、脈動を感知できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】腕携帯機器の実施例を示す斜視図である。

【図２】腕携帯機器の実施例を示す構成図である。

【図３】脈波センサの実施例１を示す断面図である。

【図４】共鳴空洞の共鳴周波数に関する特性を示す図で
ある。

【図５】超音波送信用振動体および超音波受信用振動体
の構成を示す拡大図である。

【図６】超音波送信用振動体および超音波受信用振動体
の本体ケースへの取り付け部分の拡大断面図である。

【図７】信号処理手段の構成図である。

【図８】共鳴空洞の形状変化による共鳴周波数の変化を
示す図である。

【図９】実施例２の脈波センサを示す断面図である。

【図１０】従来の脈波センサの断面図である。

【符号の説明】

１０１ 外装ケース １０２ 装着バンド ２０１ 脈場センサ ２０２ 信号処理手段 ２０３ 表示手段 ３０１ 本体ケース ３０２ 蓋体 ３０３ 弾性体 ３０４ 超音波受信用振動体 ３０５ 超音波送信用振動体 ３０６ 配線部 ３０７ 共鳴空洞 ３０８ 受信側超音波導波路 ３０９ 送信側超音波導波路 ３１０ 空間 ３１１ 穴 ５０１ ＰＶＤＦフィルム ５０２ 保護フィルム ５０３ 接続端子 ５０４ カバー ７０１ 発振回路 ７０２ 検出回路 ９０１ 本体ケース ９０２ 蓋体 ９０３ 弾性体 ９０４ 超音波受信用振動体 ９０５ 超音波送信用振動体 ９０６ 配線部 ９０７ 共鳴空洞 ９０８ 受信側超音波導波路 ９０９ 送信側超音波導波路 ９１０ 空間 ９１１ 穴 １００１ シリコン基板 １００２ 薄肉部 １００３ ピエゾ抵抗素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 江川 明 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 セ イコーインスツルメンツ株式会社内 Ｆターム(参考） 4C017 AA09 AB02 AC03 AC20 AC23 BC01 CC01 EE01 FF15

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 腕に装着して、皮膚表面からの生体情報
   を検出する腕携帯機器において、脈動による皮膚表面の
   変位を感知して脈動と脈動の時間的間隔を連続的に測定
   することができる脈波センサを有することを特徴とする
   腕携帯機器。
2. 【請求項２】 前記脈波センサが、脈動による皮膚表面
   の変位によって変形する弾性体、および前記弾性体の変
   形を感知するセンサ機構から構成されることを特徴とす
   る請求項１記載の腕携帯機器。
3. 【請求項３】 前記弾性体がシリコンゴムであることを
   特徴とする請求項２記載の腕携帯機器。
4. 【請求項４】 前記センサ機構が、超音波送信手段、超
   音波受信手段、および前記弾性体内部に形成されて前記
   超音波送信手段より送信された超音波のある固有の周波
   数で共鳴する共鳴空洞、前記弾性体内部に形成されて前
   記超音波送信手段と前記共鳴空洞を結ぶ送信側超音波導
   波路、前記弾性体内部に形成されて前記超音波受信手段
   と前記共鳴空洞を結ぶ受信側超音波導波路から構成され
   ることを特徴とする請求項２記載の腕携帯機器。
5. 【請求項５】 前記共鳴空洞が、上下方向の軸が短い楕
   円球体であることを特徴とする請求項４記載の腕携帯機
   器。
6. 【請求項６】 前記共鳴空洞が、弾性体内部の皮膚表面
   側に位置することを特徴とする請求項４記載の腕携帯機
   器。
7. 【請求項７】 前記超音波送信手段および前記超音波受
   信手段に圧電素子を用いることを特徴とする請求項４記
   載の腕携帯機器。
8. 【請求項８】 前記圧電素子がＰＶＤＦフィルムである
   ことを特徴とする請求項７記載の腕携帯機器。