JP2008237518A - 生体信号検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の生体信号検出装置は、センサの間欠動作による影響により、センサの受光部の出力信号の振幅が大きくなり、結合コンデンサを通した後、信号の欠落が起こるという問題があった。
【解決手段】生体信号を検出するセンサと、センサからの信号の低周波成分を除去する結合コンデンサと、結合コンデンサからの信号を処理する信号処理手段とからなる生体信号検出装置において、センサからの信号に代わる擬似信号を生成する擬似信号生成手段と、擬似信号生成手段からの信号を信号処理手段に出力させるようにする信号切替手段と、信号切替手段とセンサを制御する制御信号を出力する制御信号生成手段とを設ける構成とする。このような構成にすることで、センサの間欠駆動を行っても、信号の欠落や消失を防ぐことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、センサを用いて取得した生体信号の処理装置に関する。

センサを用いて生体信号を取得し、その信号から生体に関する情報を得ようとする場合、通常は、センサ出力信号の微少な変化を捉えるために増幅回路を使用する。このとき、センサ出力信号を増幅回路の入力および増幅後の出力適正範囲に収めるため、センサと増幅回路との間に結合コンデンサを入れるということがしばしば行われる。

この結合コンデンサは、センサ出力信号のＤＣ（直流）成分を除去し、センサ出力信号の中心を増幅回路のアナログ基準電圧に略位置づけるという働きをする。増幅回路は、アナログ基準電圧を中心に信号増幅を行うが、結合コンデンサでＤＣ成分を除去された信号は、アナログ基準電圧とのずれが少なく、増幅を行ってもずれを増幅することによる増幅回路出力の飽和を防ぐことができる。
ここでいうアナログ基準電圧とは、アナログ信号を増幅したり、ＡＤ変換する場合の基準となる信号である。一般的には、増幅器やＡＤ変換器の駆動電圧の１／２の電圧を用いることが多い。

また、ＡＤ変換器の入力信号に対しても、入力信号の中心をアナログ基準電圧に略位置づけるという効果が同様に得られる。

ＡＤ変換とは、アナログ信号をデジタル信号に変換することをいう。また、ＡＤ変換器とは、仕様や用途によりさまざまな構成が知られているが、逐次比較形や二重積分形などが良く知られている。

［従来技術の詳細な説明：図１７、図１８］
従来知られている一般的な技術を図１７および図１８を使って説明する。図１７は、一般的な光電式センサの回路図である。図１７において、１７１，１７５は抵抗、１７２は発光素子であるＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：発光ダイオード）、１７３はＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：電界効果トランジスタ）、１７４は受光素子であるフォトトランジスタ、１７６は結合コンデンサ、１７００は発光部、１７１０は受光部である。ＶＣＣは電源のプラス側駆動電圧を示しており、例えば、数Ｖの電圧を有している。ＧＮＤはグランド電位を示しており、例えば、０Ｖである。

発光部１７００において、ＦＥＴ１７３がオンしている状態では、抵抗１７１を通してＬＥＤ１７２に電流が流れ、ＬＥＤ１７２が発光する。ここで、ＦＥＴ１７３は、ゲート端子１７３ＧがＧＮＤレベルのときオフ、ＶＣＣレベルのときオン状態となるという機能を持つ。受光部１７１０のフォトトランジスタ１７４は、ＬＥＤ１７２が発する光を受光するとオンし、抵抗１７５を通して受光量に応じた電流を流す。これにより、結合コンデンサ１７６の入力端子１７６Ｎには電流に応じた電圧が発生する。
このような光電センサは、指，耳，手首などの血管上に押し当てることにより、脈波信号を得る心拍計のセンサとして用いられている。

図１８はこうして得られた脈波信号を表している。図１８において、１８１はＶＣＣレベル、１８２はアナログ基準電圧、１８３はＧＮＤレベル、Ｗ１８１は入力端子１７６Ｎの波形、Ｗ１８２は出力端子１７６Ｕの波形である。
図１８（ａ）は、結合コンデンサ１７６を通す前の入力端子１７６Ｎにおける信号の波形を表し、図１８（ｂ）は、結合コンデンサ１７６を通した後の出力端子１７６Ｕにおける信号の波形を表している。

図１８（ａ）において、受光部１７１０の結合コンデンサ１７６の入力端子１７６Ｎの波形Ｗ１８１は、電源のプラス側駆動電圧であるＶＣＣレベル１８１とアナログ基準電圧１８２との間に位置している。

図１８（ｂ）において、結合コンデンサ１７６の出力端子１７６Ｕの波形Ｗ１８２は、結合コンデンサ１７６によりＤＣ成分を除去され、信号の中心がアナログ基準電圧１８２付近に位置付けられることになる。アナログ信号の処理においては、信号の中心がアナログ基準電圧付近に位置するように、処理する信号の周波数や成分などを考慮し、結合コンデンサの容量値を調整するのが一般的である。

さて、このように結合コンデンサを使って増幅回路への入力を行っている技術は多くの提案を見るものである（例えば、特許文献１参照。）。
次に特許文献１に示した従来技術を説明する。図１９は、特許文献１に示した従来技術を説明しやすいようにその主旨を逸脱しない程度に書き直した図である。図１９において、１９１はゲイン調整付アンプ、１９２は結合コンデンサ、１９３は全波整流回路、１９４は平均化回路である。

図１９に示すように、特許文献１に示した従来技術では、センサから送られてくる情報に対応する電気信号を出力する回路に上述の結合コンデンサを用いた増幅回路が用いられている。
センサ出力Ｓ１９１をゲイン調整付アンプ１９１で増幅した信号Ｓ１９２を、結合コンデンサ１９２を通してＤＣ成分を除去し、信号Ｓ１９３として出力する。これを、全波整流回路１９３へ入力している。さらに、全波整流回路１９３の出力Ｓ１９４は、平均化回路１９４に送られ、センサからの情報に対応するＤＣ信号Ｓ１９５を出力するように構成されている。

特表２００５−５０７０８３号公報（第１４頁、第１４図）

ところで、生体信号、例えば、脈波を検出するためのセンサとしては、皮膚に伝播する脈波によって生じる抵抗値の変化や振動を検出する電極式センサ、光を用いて脈波を検出する光電式センサ、超音波を用いて脈波を検出する超音波センサなどが知られている。

近年、脈波を検出して、そこから得られる情報を健康管理やダイエット運動に反映する習慣が浸透しており、脈波を検出するための測定装置も小型化されている。そのような測定装置では、上述のような様々なセンサを用いているが、中でも光電式センサは広く用いられている。
この光電式センサは、その駆動に大きい駆動電流が必要であるが、先の理由によって測定装置の小型化が進んでいるため、測定装置を電池駆動する場合が多くなっている。
このような大きい駆動電流が必要なセンサを電池駆動の小型の機器で使用する際は、センサの間欠駆動を行うことにより消費電流を抑えることが行われている。

しかしながら、特許文献１に示した従来技術のような結合コンデンサを使ってセンサ出力信号を伝達する構成の場合、間欠駆動でセンサをオンオフすることにより、センサ出力信号が電源電圧のマイナス側であるＧＮＤレベルと本来のセンサ出力電圧との間で変化す
ることとなり、結合コンデンサからの信号の中心が、本来の検出したい変化領域のレベルとは異なるレベルに移動することになる。

その結果、本来検出したい変化領域が増幅回路やＡＤ変換器の入力の適正範囲を外れてしまうといった問題がある。
また、適正範囲内に収まったとしても、検出したい変化領域が適正範囲の境界付近に移動することになり、さらにこの信号を増幅する必要がある場合は、増幅回路の出力信号が飽和してしまい、検出したい変化領域を全く含まなくなるといった問題がある。

［課題の詳細な説明：図１７〜図２０］
図を用いて詳述する。図１９に示した特許文献１に示した従来技術図のセンサに、図１７に示した一般的な光電式センサを用いる例を元に説明する。図２０は、ＦＥＴ１７３をオンオフさせたときの信号の波形を表しており、図２０（ａ）は、結合コンデンサ１７６の入力端子１７６Ｎの波形Ｗ２０１、図２０（ｂ）は、出力端子１７６Ｕの波形Ｗ２０２を示している。

ＦＥＴ１７３がオンすると、ＬＥＤ１７２が発光し、フォトトランジスタ１７４が受光量に応じてオンし、相応する電流がＧＮＤに向かって流れる。これにより、結合コンデンサ１７６の入力端子１７６Ｎには、電圧ＶＮが発生する。
ＦＥＴ１７３がオフすると、ＬＥＤ１７２が消灯し、フォトトランジスタ１７４がオフする。これにより、結合コンデンサ１７６の入力端子１７６Ｎは、ＧＮＤレベル２０３である電圧ＶＦとなる。

例えば、ＦＥＴ１７３がオンし続けた状態で結合コンデンサ１７６の入力端子１７６Ｎに図１８（ａ）における波形Ｗ１８１が入力されるような条件を考えたとき、制御信号Ｓ１１のＨｉｇｈの部分はＶＣＣレベル２０１、Ｌｏｗの部分はＧＮＤレベル２０３を表すものとすると、ＦＥＴ１７３のゲート端子１７３Ｇに制御信号Ｓ１１を入力すると、ＦＥＴ１７３はオンオフを繰り返し、結合コンデンサ１７６の入力端子１７６Ｎには、波形Ｗ２０１で示すような波形が入力される。ここで、制御信号Ｓ１１と波形Ｗ２０１との間に引かれた細線はＦＥＴ１７３のオフのタイミング、点線はオンのタイミングをそれぞれ表している。

その結果、結合コンデンサ１７６の出力端子１７６Ｕは、波形Ｗ２０１のＤＣ成分が除去されることにより、波形Ｗ２０２で表すような波形を出力する。しかし、図２０（ｂ）に示したように、ＤＣ成分除去による信号のシフトで波形Ｗ２０２のＡで示した部分がＶＣＣレベル２０１を越えてしまうことになる。
これでは、Ａ部の信号が欠落することになり、正確な信号を伝達することができない。さらに、この波形Ｗ２０２を増幅する必要がある場合、本来必要とされる信号が全く消失してしまうということも起こりえる。

特許文献１に示した従来技術においては、結合コンデンサ１９２の前段であるセンサおよびゲイン調整付アンプ１９１のオンオフについては触れられていないが、この技術を用いて測定装置を構成すると、消費電流を抑える必要が生じることは間違いなく、低消費電力化のためセンサおよびゲイン調整付アンプ１９１の電源をオンオフすることになった場合には上述の問題の発生は避けられない。

そこで、本発明は従来の問題を解決し、センサの間欠駆動によるセンサ出力信号への影響を軽減し、増幅回路やＡＤ変換器の適正範囲を外れない信号を出力し、高い増幅率で増幅しても必要とされる信号が消失しない信号を出力する生体信号検出装置を提供することを目的とする。

上記した目的を達するため、本発明の生体信号検出装置は、以下に記した構成を採用するものである。

生体信号を検出するセンサと、センサからの信号の低周波成分を除去する結合コンデンサと、結合コンデンサからの信号を処理する信号処理手段とからなる生体信号検出装置において、
センサからの信号に代わる擬似信号を生成する擬似信号生成手段と、センサからの信号と擬似信号とを入力する信号切替手段と、センサと信号切替手段とを制御する制御信号を出力する制御信号生成手段とを有し、信号切替手段は、センサからの信号と擬似信号とを切り替えて、どちらか一方の信号を結合コンデンサに送ることを特徴とする。

これにより、センサがオフされた時点で、結合コンデンサに擬似信号生成手段で作られたアナログ基準電圧が供給されるので、センサ出力信号の信号レベルが電源電圧のマイナス側であるＧＮＤレベルにまで下がるといった大きな変動を及ぼさない。従って、結合コンデンサからの出力信号レベルは、実際のセンサ出力信号とアナログ基準電圧間での変化となり、間欠駆動の影響が大幅に軽減された信号となる。

また、間欠駆動でセンサをオンオフしても、センサの出力信号が大きく影響を受け増幅回路やＡＤ変換器の適正範囲を外れることがない信号が得られる。さらに、信号の中心とアナログ基準電圧とのずれを小さく抑えることができるため、増幅回路で増幅してもずれを増幅することによる飽和を防ぐことができ、必要とされる信号をより高い増幅率で増幅できるようになる。これは、信号の量子化が必要な場合に、ＡＤ変換器の変換範囲を無駄なく使用でき、高分解能で検出できる、といった効果をもたらす。

制御信号生成手段からの制御信号は、センサを制御する第１制御信号と、擬似信号生成手段を制御する第２制御信号とからなることを特徴とする。

これにより、センサのオンオフと、擬似信号とセンサ出力信号の切り替えタイミングを別々に制御することができ、センサの応答速度と信号切替手段の応答速度が大きく異なる場合の過渡状態の影響を低減させることができる。

信号切替手段は、センサからの信号を切断する回路であることを特徴とする。

これにより、センサがオフされた時点で、擬似信号生成手段から出力される電圧が結合コンデンサに供給されるので、センサ出力信号の信号レベルが電源電圧のマイナス側であるＧＮＤレベルにまで下がるといった大きな変動を及ぼさない。従って、コンデンサ出力信号の振幅が、センサ出力信号と略同じとなり、信号の中心は、略アナログ基準電圧と同じレベルとなる。

センサからの信号の電圧を学習する電圧学習手段を設け、擬似信号生成手段は、電圧学習手段からの信号により制御されることを特徴とする。

これにより、擬似信号と実際のセンサ出力信号の差を極力小さくすることができ、センサオンオフときの信号切替による影響をさらに軽減することができる。

本発明によれば、センサを間欠駆動のためオンオフしても結合コンデンサからの信号の中心がアナログ基準電圧付近に位置づけられ、信号処理手段の適正範囲から外れることが
ない信号を得ることができる。
これにより、結合コンデンサからの信号を高い増幅率で増幅することができ、高分解能で検出することができる。また、容易にセンサの間欠駆動が実現できるため、測定装置の低消費電力化を図れる。

以下、本発明の生体信号検出装置について図を用いて詳細に説明する。複数の図面を用いて説明するが、各図において同一の構成要素および信号には、同一の符号を付している。

［第１の実施形態の構成の説明：図１］
まず、図１を用いて本発明の生体信号処理装置の第１の実施形態の構成および動作を説明する。図１において、１１は生体信号を検出するセンサである。１２は信号切替手段である。１３は擬似信号生成手段である。１４は制御信号生成手段である。１５は結合コンデンサである。１６は信号処理手段である。

センサ１１の出力信号は、信号切替手段１２に入力している。これをセンサ出力信号Ｓ１３という。擬似信号生成手段１３からの出力信号も、信号切替手段１２に入力している。これを擬似信号Ｓ１４という。制御信号生成手段１４からの出力信号は、センサ１１および信号切替手段１２に入力している。これを制御信号Ｓ１１という。信号切替手段１２からの出力信号は、結合コンデンサ１５の一方の端子に入力している。これをコンデンサ入力信号Ｓ１５という。結合コンデンサの他方の端子からの信号は、信号処理手段１６に入力している。これをコンデンサ出力信号Ｓ１６という。
信号処理手段１６は、コンデンサ出力信号Ｓ１６を、本発明の生体信号検出装置に接続される外部装置に対して使いやすい信号として出力する。これを処理信号Ｓ１７という。

［第１の実施形態の動作の説明：図１］
次に、本発明の生体信号検出装置における第１の実施形態の動作について説明する。
センサ１１は、制御信号Ｓ１１の信号レベルにより、動作のオンオフが制御される。擬似信号生成手段１３は、センサ１１がオフしてセンサ出力信号Ｓ１３が出力されないとき、代わりとして結合コンデンサ１５へ出力される擬似信号Ｓ１４を生成する。
信号切替手段１２では、制御信号Ｓ１１の信号レベルにより、信号切替手段１２の出力信号であるコンデンサ入力信号Ｓ１５にセンサ出力信号Ｓ１３を出力させるか、擬似信号Ｓ１４を出力させるかを選択する。

信号切替手段１２は、センサ１１の動作がオンしているときにセンサ出力信号Ｓ１３を選択、オフしているときに擬似信号Ｓ１４を選択するというように構成している。
信号切替手段１２の出力信号Ｓ１５は、結合コンデンサ１５によりＤＣ成分を除去され、信号処理手段１６に入力される。
信号処理手段１６では、増幅器による信号増幅、ＡＤ変換器による量子化、または、全波整流器による整流など、様々な処理が行われる。
これにより、本発明の生体信号検出装置からの信号は、その信号を利用する外部装置において、望まれる形態や、外部装置がより使いやすい形態とすることができる。

［第２の実施形態の構成の説明：図２］
本発明の生体信号検出装置は、図１に示す構成に限定されない。次に、図２を用いて、本発明における第２の実施形態についての詳細な構成および動作を説明する。図２において、２４は制御信号生成手段である。

本発明の第２の実施形態における特徴は、制御信号生成手段２４が、第１制御信号Ｓ２１および第２制御信号Ｓ２２を出力することである。第１制御信号Ｓ２１は、センサ１１に入力し、第２制御信号Ｓ２２は、信号切替回路１２に入力している。その他の構成は、すでに説明した実施形態の構成と同様である。

［第２の実施形態の動作の説明：図２］
次に、本発明における第２の実施形態の動作について説明する。センサ１１は、制御信号Ｓ２１の信号レベルにより、動作のオンオフが制御される。擬似信号生成手段１３は、センサ１１がオフしてセンサ出力信号Ｓ１３が出力されないとき、代わりとして結合コンデンサ１５へ出力される擬似信号Ｓ１４を生成する。

信号切替手段１２では、制御信号Ｓ２２の信号レベルにより、信号切替手段１２の出力信号Ｓ１５にセンサ出力信号Ｓ１３を出力させるか、擬似信号Ｓ１４を出力させるかを選択する。
信号切替手段１２は、センサ１１の動作がオンしているときにセンサ出力信号Ｓ１３を選択、オフしているときに擬似信号Ｓ１４を選択するというように構成している。

このような構成にすることによって、制御信号生成手段２４から第１制御信号Ｓ２１と第２制御信号Ｓ２２とを出力させ、センサ１１と信号切替手段１２とを独立して制御することにより、センサ１１の応答速度と信号切替手段１２の応答速度との差が大きい場合の影響を低減することができる。

信号切替手段１２の出力信号Ｓ１５は、結合コンデンサ１５によりＤＣ成分を除去され、信号処理手段１６に入力される。信号処理手段１６では、増幅器による信号増幅、ＡＤ変換器による量子化、または、全波整流器による整流など、様々な処理が行われる。
これにより、本発明による生体信号検出装置からの信号は、その信号を利用する外部装置において、望まれる形態や、外部装置がより使いやすい形態とすることができる。

［第３の実施形態の構成、ブロック図の説明：図３］
次に、本発明の生体信号検出装置のさらに異なる構成を説明する。図３を用いて、本発明の生体信号検出装置における第３の実施形態についての詳細な構成および動作を説明する。３１は電圧学習手段、３３は擬似信号生成手段である。

本発明の第３の実施形態における特徴は、電圧学習手段３１を備えていることである。第３の実施形態において、センサ出力信号Ｓ１３は、信号切替手段１２だけでなく、電圧学習手段３１にも入力している。電圧学習手段３１からの出力信号は、擬似信号生成手段３３に入力している。これを学習信号Ｓ３１という。その他の構成は、すでに説明した実施形態の構成と同様である。

［第３の実施形態の動作の説明：図３］
次に、本発明における第３の実施形態の動作について説明する。センサ１１は、制御信号Ｓ１１の信号レベルにより、動作のオンオフが制御される。電圧学習手段３１は、センサ１１の動作がオンし、センサ出力信号Ｓ１３が出力されている状態において、センサ出力信号Ｓ１３の電圧特性を学習する。ここでいうセンサ出力信号Ｓ１３の電圧特性とは、センサ出力信号Ｓ１３の電圧の平均値、電圧の実効値、最大値と最小値の電圧などを表す。もちろん、センサ出力信号Ｓ１３の電圧特性は、これに限定されるものではなく、センサ出力信号Ｓ１３の電圧に関するものであればよい。
電圧学習手段３１は、学習したセンサ出力信号Ｓ１３の電圧特性に従い、擬似信号生成
手段３３に対し、学習信号Ｓ３１を出力する。

擬似信号生成手段３３は、学習信号Ｓ３１に従い、センサ１１がオフしてセンサ出力信号Ｓ１３が出力されないとき、代わりとして結合コンデンサ１５へ出力される擬似信号Ｓ１４を生成する。
擬似信号生成手段３３は、学習信号Ｓ３１を基に擬似信号Ｓ１４を生成するため、より、センサ出力信号Ｓ１３の代替に適した擬似信号Ｓ１４を生成することができる。

信号切替手段１２では、制御信号Ｓ１１の信号レベルにより、信号切替手段１２の出力信号であるコンデンサ入力信号Ｓ１５にセンサ出力信号Ｓ１３を出力させるか、擬似信号Ｓ１４を出力させるかを選択する。信号切替手段１２は、センサ１１の動作がオンしているときにセンサ出力信号Ｓ１３を選択、オフしているときに擬似信号Ｓ１４を選択するというように構成している。

コンデンサ入力信号Ｓ１５は、結合コンデンサによりＤＣ成分を除去され、コンデンサ出力信号Ｓ１６として信号処理手段１６に入力される。信号処理手段１６では、増幅器による信号増幅、ＡＤ変換器による量子化、または、全波整流器による整流など、様々な処理が行われる。
これにより、本発明による生体信号検出装置からの信号は、その信号を利用する外部装置において、望まれる形態や、外部装置がより使いやすい形態とすることができる。

第３の実施形態では、制御信号生成手段１４を第１の実施形態と同じく制御信号Ｓ１１を出力するものとして説明したが、これに限定するものではなく、第２の実施形態で説明した制御信号生成手段２４に置き換えた構成としてもよいことは言うまでもない。

また、第１および第２の実施形態において、制御信号生成手段１４が擬似信号生成手段１３をも制御、第３の実施形態において、制御信号生成手段１４が擬似信号生成手段３３をも制御するようにしてもよい。

例えば、センサ１１の動作がオンしているときには、擬似信号Ｓ１４は必要ないため、制御信号生成手段１４からの制御により、第１および第２の実施形態の擬似信号生成手段１３、または第３の実施形態の擬似信号生成手段３３の動作をオフすることができる。これにより、さらなる低消費電力化を図ることができる。

以上が全体の動作説明であるが、引き続き、センサ１１，信号切替手段１２，擬似信号生成手段１３，制御信号生成手段１４，結合コンデンサ１５，信号処理手段１６についての、本発明の生体信号検出装置における回路例および動作を説明する。

［センサの説明：図４］
まず、センサ１１の構成例および動作を説明する。本発明の生体信号検出装置に用いるセンサ１１は、光電式センサを用いて脈波波形を取得する場合を例にして説明する。もちろん、生体信号を取得するためのセンサとしては、他にも皮膚に伝播する脈波によって生じる抵抗値の変化や振動を検出する電極式センサや超音波を用いて脈波を検出する超音波センサなどがあり、どのようなセンサを用いてもよいことは言うまでもない。
そして、このセンサ１１の例は、すでに説明した第１から第３の実施形態で用いることができる。

図４は、センサ１１の構成例および動作例を説明する図であって、図４（ａ）は、光電式センサの回路例、図４（ｂ）は、光電式センサの動作波形例である。図４（ａ）におい
て、４００は光電式センサの発光部を表す。４１は抵抗、４２はＬＥＤ、４３はＦＥＴ、４３ＧはＦＥＴ４３のゲート端子である。ここで、ＦＥＴ４３は、ゲート端子４３ＧがＧＮＤレベルのときにオフ、ＶＣＣレベルのときにオン状態となるＮチャンネルＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）ＦＥＴとする。

４１０は、光電式センサの受光部を表す。４４はフォトトランジスタ、４４Ｅはフォトトランジスタ４４のエミッタ端子、４５は抵抗である。ＶＣＣは電源のプラス側駆動電圧を示しており、例えば、数Ｖの電圧を有している。ＧＮＤはグランド電位を示しており、例えば、０Ｖである。
図４（ｂ）において、４６は、ＶＣＣレベルである。４７は、アナログ基準電圧である。４８は、ＧＮＤレベルである。なお、区間Ｐについては後述する。

発光部４００において、ＦＥＴ４３のゲート端子４３ＧにＶＣＣレベルが入力されると、ＦＥＴ４３がオンし、抵抗４１を通してＬＥＤ４２に電流が流れ、ＬＥＤ４２が発光する。受光部４１０のフォトトランジスタ４４は、ＬＥＤ４２が発する光を受光するとオンし、抵抗４５を通してＧＮＤに向かって受光量に応じた電流を流す。これにより、エミッタ端子４４Ｅには電流に応じた電圧が発生し、センサ出力信号Ｓ１３として出力される。

また、ゲート端子４３ＧにＧＮＤレベルが入力されると、ＦＥＴ４３Ｇがオフし、ＬＥＤ４２が消灯し、フォトトランジスタ４４もオフ状態とる。これにより、エミッタ端子４４Ｅは、抵抗４５の作用により、ＧＮＤレベルとなり、センサ出力信号Ｓ１３として出力される。

これにより、制御信号Ｓ１１のＨｉｇｈの部分はＶＣＣレベル４６、Ｌｏｗの部分はＧＮＤレベル４８を表すものとすると、制御信号Ｓ１１のような波形をゲート端子４３Ｇに入力すると、ＦＥＴ４３がオンオフを繰り返すことにより、フォトトランジスタ４４のエミッタ端子４４Ｅに出力されるセンサ出力信号Ｓ１３は、波形Ｗ４１のような波形となる。ここで、制御信号Ｓ１１と波形Ｗ２０１の間に引かれた細線はＦＥＴ１７３のオフのタイミング、点線はオンのタイミングをそれぞれ表している。

図４に示す例では、センサ１１のオンオフを制御する機能を、発光部４００にのみ持たせたが、受光部４１０側に持たせたり、発光部４００と受光部４１０両方に持たせてもよい。

また、センサ１１のオンオフを制御する素子として、ＦＥＴを使用したが、アナログスイッチ、トランジスタなどのように電流の流れを制御できる素子であればよく、ＦＥＴに限定されるものではない。

次に、本発明の生態信号検出装置に用いる信号切替手段，擬似信号生成手段，制御信号生成手段，信号処理手段の構成例と動作を説明するが、これらを第１の実施形態に用いる場合を例にして説明する。同時に、第１の実施形態の動作の詳細を説明する。

［信号切替手段および擬似信号生成手段の説明１：図５〜図７］
まず、本発明の生態信号検出装置に用いる信号切替手段１２および擬似信号生成手段１３の構成例および動作、そしてこれらの構成を用いたときにおける結合コンデンサ１５の動作について図５，図６，図７を用いて説明する。

図５は、本発明の生体信号検出装置の信号切替手段１２の回路例を示す。図６は、擬似信号生成手段１３の回路例を示す。図７は、図５，図６に示す構成で本発明の生体信号検
出装置を構成したときの動作を説明するための図であって、制御信号Ｓ１１、コンデンサ入力信号Ｓ１５およびコンデンサ出力信号Ｓ１６の波形図である。

図５において、５１はアナログスイッチである。５１Ｎはアナログスイッチ５１の入力端子、５１Ｕはアナログスイッチ５１の出力端子、５１Ｃはアナログスイッチの制御端子である。

アナログスイッチ５１は、制御端子５１ＣにＶＣＣレベルが入力されると入力端子５１Ｎと出力端子５１Ｕとの間がオンし、ＧＮＤレベルが入力されるとオフするという働きを持っている。特に限定しないが、トランスミッションゲート回路で構成することができる。

アナログスイッチ５１の入力端子５１Ｎには、フォトトランジスタ４４のエミッタ端子４４Ｅが接続されることにより、センサ出力信号Ｓ１３が入力される。出力端子５１Ｕは、結合コンデンサ１５に接続される。
つまり、出力端子５１Ｕからは、コンデンサ入力信号Ｓ１５が出力される。制御端子５１Ｃには、制御信号生成手段１４からの制御信号Ｓ１１が入力される。

図６において、６１はコンデンサである。６１Ｕはコンデンサ６１の出力端子である。
コンデンサ６１の出力端子６１Ｕは、アナログスイッチ５１の出力端子５１Ｕと結合コンデンサ１５の一方の端子とに接続されている。
すなわち、コンデンサ６１の出力端子６１Ｕもコンデンサ入力信号Ｓ１５を出力することになる。コンデンサ６１の他方の端子は、ＧＮＤに接続されている。

図７を用いて動作について説明する。図７（ａ）は、本発明の生体信号検出装置における動作を説明するための波形図であって、制御信号Ｓ１１、コンデンサ入力信号Ｓ１５の波形を示している。図７（ｂ）は、コンデンサ出力信号Ｓ１６の波形を示している。なお、区間Ｐについては後述する。

すでに説明したように、アナログスイッチ５１は、制御端子５１ＣがＶＣＣレベル７１の場合オンし、ＧＮＤレベル７３の場合オフなので、制御端子５１ＣがＶＣＣレベル７１となると、入力端子５１Ｎと出力端子５１Ｕが接続状態となり、センサ出力信号Ｓ１３の電位がコンデンサ６１に蓄積される。そして、制御端子５１ＣがＧＮＤレベル７３となると、アナログスイッチ５１がオフするため、コンデンサ６１の電位は、オフする直前の電位を保持することになる。

図７（ａ）は、制御端子５１Ｃに制御信号Ｓ１１を入力した場合のコンデンサ入力信号Ｓ１５の波形を示す。ここで、制御信号Ｓ１１のＨｉｇｈの部分はＶＣＣレベル７１、Ｌｏｗの部分はＧＮＤレベル７３を表している。
制御信号Ｓ１１がＶＣＣレベル７１のとき、アナログスイッチ５１がオン状態となるため、コンデンサ入力信号Ｓ１５の電位は、図７（ａ）のＴ７１部に示すように、センサ出力信号Ｓ１３と同様に変化する。
次に、制御信号Ｓ１１がＧＮＤレベル７３になると、アナログスイッチ５１がオフし、図７（ａ）のＴ７２部に示すように、直前の電圧が保持される。
この動作を繰り返すことにより、コンデンサ入力信号Ｓ１５は、波形Ｗ７１に示すような波形となる。ここで、波形Ｗ７１と制御信号Ｓ１１とを結ぶ細線はアナログスイッチ５１がオフするタイミング、点線はオンするタイミングをそれぞれ表している。

本発明の効果により、図７（ａ）の波形Ｗ７１に示すように、本発明の生体信号検出装置に用いる信号切替回路１２より出力されるコンデンサ入力信号Ｓ１５は、ＶＣＣレベル
７１とアナログ基準電圧７２との間に位置しており、ほぼ、元のセンサ出力信号Ｓ１３と同じ振幅を維持することになる。
ここでいうアナログ基準電圧とは、アナログ信号を増幅したり、ＡＤ変換する場合の基準となる信号である。一般的には、増幅器やＡＤ変換器などの回路の駆動電圧の１／２の電圧を用いることが多い。以後の説明においても、アナログ基準電圧とは、回路の駆動電圧の１／２の電圧とする。

結合コンデンサ１５に、このコンデンサ入力信号Ｓ１５を通すことにより、図７（ｂ）の波形Ｗ７２がコンデンサ出力信号Ｓ１６として出力される。本発明の生体信号検出装置によるコンデンサ入力信号Ｓ１５が、センサ出力信号Ｓ１３とほぼ同じ振幅を維持することにより、コンデンサ出力信号Ｓ１６の中心は、ほぼアナログ基準電圧に位置づけられることになる。これにより、コンデンサ出力信号Ｓ１６は、信号の欠落を起こすことなく、後述する信号処理手段１６に伝達されることになる。

［信号切替手段および擬似信号生成手段の説明２：図８〜図１０］
次に、本発明の生態信号検出装置に用いる信号切替手段１２および擬似信号生成手段１３の異なる構成例および動作、そしてこれらの構成を用いたときにおける結合コンデンサ１５の動作について図８，図９，図１０を用いて説明する。

図８は、本発明の生体信号検出装置の信号切替手段１２の異なる回路例を示す。図９は、擬似信号生成手段１３の異なる回路例を示す。図１０は、図８，図９に示す構成で本発明の生体信号検出装置を構成したときの動作を説明するための図であって、制御信号Ｓ１１、コンデンサ入力信号Ｓ１５およびコンデンサ出力信号Ｓ１６の波形図である。

図８において、８１は第１アナログスイッチである。８１Ｎは第１アナログスイッチ８１の入力端子、８１Ｕは第１アナログスイッチ８１の出力端子、８１Ｃは第１アナログスイッチ８１の制御端子である。８２は第２アナログスイッチである。８２Ｎは第２アナログスイッチ８２の入力端子、８２Ｕは第２アナログスイッチ８２の出力端子、８２Ｃは第２アナログスイッチ８２の制御端子である。８３はインバータである。８３Ｎはインバータ８３の入力端子、８３Ｕはインバータ８３の出力端子である。

第１アナログスイッチ８１は、制御端子８１ＣにＶＣＣレベルが入力されると入力端子８１Ｎと出力端子８１Ｕの間がオンし、ＧＮＤレベルが入力されるとオフするという働きを持っている。特に限定しないが、トランスミッションゲート回路で構成することができる。

第１アナログスイッチ８１の入力端子８１Ｎには、図４におけるフォトトランジスタ４４のエミッタ端子４４Ｅが接続されることにより、センサ出力信号Ｓ１３が入力される。出力端子８１Ｕは、結合コンデンサ１５に接続される。
つまり、出力端子８１Ｕからは、コンデンサ入力信号Ｓ１５が出力される。制御端子８１Ｃには、図１における制御信号生成手段１４からの制御信号Ｓ１１が入力される。

第２アナログスイッチ８２は、第１アナログスイッチ８１と同様の働きを持っている。入力端子８２Ｎは、図１における擬似信号生成手段１３の出力である擬似信号Ｓ１４が入力される。また、第２アナログスイッチ８２の出力端子８２Ｕは、第１アナログスイッチ８１の出力端子８１Ｕに接続されている。制御端子８２Ｃには、インバータ８３の出力端子８３Ｕが接続される。

インバータ８３の入力端子８３Ｎは、第１アナログスイッチ８１の制御端子８１Ｃに接続されており、制御信号Ｓ１１が入力される。インバータ８３は、入力された制御信号Ｓ
１１を反転して出力するという働きを持つ。特に限定しないが、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ＭＯＳ）インバータ回路で構成することができる。

これにより、制御信号Ｓ１１がＶＣＣレベルのとき、第１アナログスイッチ８１がオン、第２アナログスイッチ８２がオフする。つまり、センサ出力信号Ｓ１３がコンデンサ入力信号Ｓ１５として出力される。
制御信号Ｓ１１がＧＮＤレベルのとき、第１アナログスイッチ８１はオフ、第２アナログスイッチ８２がオンする。つまり、擬似信号Ｓ１４がコンデンサ入力信号Ｓ１５として出力されることになる。

図９において、９１はオペアンプである。９１Ｐはオペアンプ９１のプラス側入力端子、９１Ｍはオペアンプ９１のマイナス側入力端子、９１Ｕはオペアンプ９１の出力端子である。９２，９３は抵抗である。
抵抗９２，９３は、ＶＣＣとＧＮＤとの間に直列に接続してあり、この抵抗間の接続点は、オペアンプ９１のプラス側入力端子に接続している。オペアンプ９１の出力端子９１Ｕは、オペアンプ９１のマイナス側入力端子９１Ｍに接続している。
図９に示す擬似信号生成手段１３の回路例は、電圧フォロア回路として構成されている。

オペアンプ９１のプラス側入力端子９１Ｐには、抵抗９２，９３の抵抗値の比に従った電圧が入力される。例えば、ＶＣＣが３．０Ｖであり、抵抗９２，９３がともに１０ｋΩであるとすると、プラス側入力端子９１Ｐの電圧は、１．５Ｖとなる。
電圧フォロア回路は、電圧を変えずに出力インピーダンスを変えるため、出力端子９１Ｕからは、電圧１．５Ｖで、より出力インピーダンスが低い信号が、擬似信号Ｓ１４として出力される。

図９に示す擬似信号生成手段１３の回路例は、電圧フォロア回路を説明したが、これに限定せず、例えば、電圧レギュレータや低電圧ダイオードなどの定電圧を作り出す回路であればよい。また、アナログ基準電圧を使用することもできる。この場合、アナログ基準電圧を生成する回路が擬似信号生成手段１３となる。

図１０を用いて動作について説明する。図１０（ａ）は、本発明の生体信号検出装置における動作を説明するための波形図であって、制御信号Ｓ１１、コンデンサ入力信号Ｓ１５の波形を示している。図１０（ｂ）は、コンデンサ出力信号Ｓ１６の波形を示している。
図１０において、１０１はＶＣＣレベルである。１０２はアナログ基準電圧である。１０３は、ＧＮＤレベルである。Ｗ１０１は、コンデンサ入力信号Ｓ１５の波形である。Ｗ１０２は、コンデンサ出力信号Ｓ１６の波形である。Ｓ１１は、制御信号である。ここで、制御信号Ｓ１１のＨｉｇｈの部分はＶＣＣレベル１０１、Ｌｏｗの部分はＧＮＤレベル１０３を表している。

制御信号Ｓ１１がＶＣＣレベル１０１のとき、第１アナログスイッチ８１がオン状態、第２アナログスイッチ８２がオフ状態となるため、コンデンサ入力信号Ｓ１５の電位は、図１０（ａ）のＴ１０１部に示すように、センサ出力信号Ｓ１３と同様に変化する。
次に、制御信号Ｓ１１がＧＮＤレベル１０３になると、第１アナログスイッチ８１がオフ、第２アナログスイッチ８２がオンし、図１０（ａ）のＴ１０２部に示すように、アナログ基準電圧が出力される。
この動作を繰り返すことにより、コンデンサ入力信号Ｓ１５は、波形Ｗ１０１に示すような波形となる。ここで、波形Ｗ１０１と制御信号Ｓ１１とを結ぶ細線は、第１アナログスイッチ８１がオフし、第２アナログスイッチがオンするタイミング、点線は、第１アナ
ログスイッチ８１がオンし、第２アナログスイッチがオフするタイミングをそれぞれ表している。

本発明の効果により、図１０（ａ）の波形Ｗ１０１に示すように、本発明の生体信号検出装置に用いる信号切替回路１２より出力されるコンデンサ入力信号Ｓ１５は、ＶＣＣレベル１０１とアナログ基準電圧１０２との間に位置している。従って、結合コンデンサ１５を通したコンデンサ出力信号Ｓ１６は、信号の一部が欠落するという危険性を、大幅に軽減することができる。

［制御信号生成手段１４の説明１：図７，図１５］
次に、本発明の生態信号検出装置に用いる制御信号生成手段１４の構成例および動作について図１５を用いて説明する。
図１５（ａ）は、制御信号生成手段１４の回路例である。図１５（ｂ）は、制御信号生成手段１４の動作を説明するためのフローチャートである。

図１５（ａ）において、１５１はＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：中央演算処理装置）である。このＣＰＵは、プログラム用のメモリ、動作用メモリ、汎用タイマ機能、汎用ＩＯ端子などを内蔵する一般的なワンチップマイクロコントローラを用いることができる。１５１ＡはＣＰＵ１５１が持つ汎用ＩＯ端子である。

図１５（ｂ）を用いて、図１５（ａ）に示す制御信号生成手段１４の動作について説明する。ＣＰＵ１５１は、図示しない内蔵のプログラム用メモリからプログラムを読み出し、それに従って動作する。つまり、制御信号生成手段１４の動作は、このプログラムの処理により実行される。Ｐ１５１からＰ１５４は、制御信号Ｓ１１を生成するための処理例である。

処理Ｐ１５１は、制御信号Ｓ１１の出力を開始する処理である。次に、処理Ｐ１５２で、ＣＰＵ１５１に内蔵された図示しない汎用タイマを設定し、汎用タイマをスタートさせる。汎用タイマは、例えば、５ｍｓに設定する。これにより、汎用タイマは、５ｍｓ毎に時間経過を知らせるという動作を行う。ここでいう汎用タイマは、設定された５ｍｓ経過すると割り込みを発生して知らせるという機能を持つ。

処理Ｐ１５３では、５ｍｓの時間が経過による汎用タイマからの割り込みを待つ。割り込みが起こると、ＹＥＳの場合は、処理Ｐ１５４を実行する。ＮＯの場合は、割り込みを待つ処理Ｐ１５３に戻る。

処理Ｐ１５４は、制御信号Ｓ１１を出力する汎用ＩＯ端子１５１Ａの出力を反転するという処理であり、これにより、図７（ａ）に示すような、１０ｍｓ周期を持つデューティー５０％の制御信号Ｓ１１が生成される。
本発明の生体信号検出装置における第１の実施形態では、制御信号Ｓ１３は、５ｍｓ毎に反転する１０ｍｓ周期の信号を生成する処理例を示しているが、周期およびデューティーなどの特性に関しては、センサ出力信号Ｓ１３の特性を考慮して最適化される必要があるため、特に限定されるものではない。

ＣＰＵ１５１は、ワンチップマイクロコントローラを用いる例を示したが、もちろん、それに限定しない。特定の周波数を出力する機能を持っていればよいので、ゲートアレイ、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ：プログラム可能な集積回路）またはＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ：論理回路を変更可能な集積回路）などで構成されてもよく、さらに、ディスクリートの回路で構成されても構わない。

［信号処理手段の説明：図１６］
次に、本発明の生態信号検出装置に用いる信号処理手段１６の構成例および動作について図１６を用いて説明する。
図１６において、１６１はオペアンプである。１６１Ｐはオペアンプ１６１のプラス側入力端子、１６１Ｍはオペアンプ１６１のマイナス側入力端子、１６１Ｕはオペアンプ１６１の出力端子である。１６２，１６３は抵抗である。１６２Ｒは、抵抗１６２の入力端子である。

オペアンプ１６１のプラス側入力端子１６１Ｐには、結合コンデンサ１５からのコンデンサ出力信号Ｓ１６が入力される。抵抗１６２の入力端子１６２Ｒには、アナログ基準電圧が入力される。抵抗１６２のもう一方の端子と抵抗１６３の一方の端子とは、オペアンプ１６１のマイナス側入力端子１６１Ｍに接続されている。また、抵抗１６３の他方の端子は、オペアンプ１６１の出力端子１６１Ｕに接続されている。出力端子１６１Ｕからの出力信号は、処理信号Ｓ１７である。

図１６に示す信号処理手段１６の回路例は、反転増幅器である。従って、プラス側入力端子１６１Ｐに入力されたコンデンサ出力信号Ｓ１６は、抵抗１６２，１６３の抵抗値の比に従い増幅される。例えば、抵抗１６２が１０ｋΩ、抵抗１６３が２０ｋΩであり、コンデンサ出力信号Ｓ１６の振幅が、１Ｖであるとすると、本発明の生体信号検出装置における信号処理手段１６からの処理信号Ｓ１７は、振幅が２Ｖとなる。

これにより、コンデンサ出力信号Ｓ１６の振幅が微少でも、本発明における効果により、信号が欠落することなしで大きな増幅率で増幅できるため、本発明における生体信号検出装置に接続される外部装置にとって、使いやすい信号を出力することができる。

図１６に示す信号処理手段１６の回路例は、反転増幅器としたが、もちろんこれに限定されるものではなく、ＡＤ変換器や整流器など、信号を外部装置に合わせて変更や調整ができるもの、或いは外部装置にとって使いやすいように信号処理ができるものであればよい。

次に、すでに説明した信号切替手段，擬似信号生成手段，制御信号生成手段，信号処理手段を用いる第２の実施形態および第３の実施形態の動作の詳細を説明する。

［第２の実施形態の詳細説明：図２，図４，図７，図１１］
まず、第２の実施形態の動作の詳細は、図２，図４，図７，図１１を用いて説明する。第２の実施形態は、センサ１１に用いる素子の応答速度と信号切替手段１２で使われている素子の応答速度との差が大きい場合に効果を有するものである。このため、第１の実施形態と第２の実施形態の動作とを比較して説明する。

図１１（ａ）は、第１の実施形態におけるセンサ１１の応答速度と信号切替手段１２の応答速度との差が大きい状態のコンデンサ入力信号Ｓ１５の詳細波形図である。
信号切替手段１２と擬似信号生成手段１３とは、図５，図６に示す回路例で構成するものとして説明する。
図１１（ｂ）は、第２の実施形態におけるセンサ１１の応答速度と信号切替手段１２の応答速度との差が大きい場合のコンデンサ入力信号Ｓ１５の詳細波形図である。

図１１において、１１１はＶＣＣレベルを表す。１１２はＧＮＤレベルを表す。Ｗ４１Ｐは、図４（ｂ）におけるＰ区間を詳細に表した波形である。
Ｗ７１Ｐａは、第１の実施形態におけるセンサ１１の応答速度と信号切替手段１２の応答速度との差が大きい場合、信号切替手段１２から出力されるコンデンサ入力信号Ｓ１５を表した詳細波形図である。これは、図７において、波形Ｗ７１の区間Ｐの間を表している。
Ｗ７１Ｐｂは、第２の実施形態におけるセンサ１１の応答速度と信号切替手段１２の応答速度との差が大きい場合、第２の実施形態の信号切替手段１２から出力されるコンデンサ入力信号Ｓ１５を表した詳細波形図である。これは、図７において、波形Ｗ７１の区間Ｐの間を表している。

Ｓ１１は、図１に示すように第１の実施形態における制御信号である。Ｓ２１，Ｓ２２は、図２に示すように第２の実施形態における第１制御信号，第２制御信号である。ここで、制御信号Ｓ１１、第１制御信号Ｓ２１および第２制御信号Ｓ２２のＨｉｇｈの部分はＶＣＣレベル１０１、Ｌｏｗの部分はＧＮＤレベル１０３を表している。

本発明の生体信号検出装置における第１の実施形態において、制御信号Ｓ１１が、ＶＣＣレベルのとき、コンデンサ入力信号Ｓ１５は、センサ出力信号Ｓ１３となり、ＧＮＤレベルのとき、ＧＮＤレベルとなるということは、すでに説明しているが、図４における受光部４１０のフォトトランジスタ４４の応答速度が遅い場合が考えられる。その場合、制御信号Ｓ１１がＶＣＣレベル１１１からＧＮＤレベル１１２、またはＧＮＤレベル１１２からＶＣＣレベル１１１と変化しても、波形Ｗ４１Ｐに示すように、実際のセンサ出力信号Ｓ１３は、区間ｄに示す時間だけ遅れて変化することになる。

フォトトランジスタ４４の応答速度と、信号切替手段１２で使われているアナログスイッチ５１の応答速度との差が大きい場合、波形Ｗ７１Ｐａの区間ｓで、制御信号Ｓ１１をＧＮＤレベル１１２にして擬似信号Ｓ１４を出力させ、信号変化を小さくしていたとしても、再び制御信号Ｓ１１をＶＣＣレベル１１１に戻したときに、アナログスイッチ５１がオンしたときにはまだセンサ出力信号Ｓ１３がＧＮＤレベル１１２にあり、波形Ｗ７１Ｐａの区間ｄに示すように、コンデンサ入力信号Ｓ１５のレベルが、ＧＮＤレベル１１２付近にまで振られてしまうことが考えられる。

従って、応答速度の差が大きく区間ｄが長い場合は、コンデンサ出力信号Ｓ１６の欠落がおこる原因となる。

本発明における第２の実施形態では、このように、フォトトランジスタ４４の応答速度と、信号切替手段１２で使われているアナログスイッチ５１の応答速度との差が大きい場合に発生する問題を防ぐため、第１制御信号Ｓ２１と、第２制御信号Ｓ２２とを出力する制御信号生成手段２４を設ける。

図１１（ｂ）において、第２制御信号Ｓ２２は、第１制御信号Ｓ２１に比べ、区間ｄだけ長い時間ＧＮＤレベル１１２を保つように出力される。区間ｄの時間については、あらかじめ、フォトトランジスタ４４および、アナログスイッチ５１の特性をデータシートなどで調べるか、または実際の実験による評価により求めておくことができる。

第２制御信号Ｓ２２のＧＮＤレベル１１２が、第１制御信号Ｓ２１より、区間ｄの時間だけ長いことにより、信号切替手段１２は、区間ｄの間も擬似信号Ｓ１４を出力することになる。従って、第２制御信号Ｓ２２がＶＣＣレベル１１１に変化しアナログスイッチ５１がオンしたときには、フォトトランジスタ４４は、センサ出力信号Ｓ１３を出力する状態になっている。これにより、波形Ｗ７１Ｐｂに示すように、大きな変動がないコンデンサ入力信号Ｓ１５が得られることになる。従って、コンデンサ出力信号Ｓ１６が欠落する危険性を大幅に低減することができる。

第２の実施形態における制御信号生成手段２４の構成については、特に限定しないが、図１５（ａ）で説明した第１の実施形態のＣＰＵ１５１に、２本の汎用ＩＯ端子を持たせ、図１５（ｂ）の処理を２系統で行わせるようにしてもよい。

また、ここでの説明では、信号切替手段１２および擬似信号生成手段１３は、図５，図６に示す回路例で構成するものとして説明したが、図８，図９に示す回路例で構成してもよい。さらに、後述する第３の実施形態にも適用することができるのはもちろんである。

［第３の実施形態の詳細説明：図３，図１２，図１３，図１４］
続いて、第３の実施形態の動作の詳細は、図３，図１２，図１３，図１４を用いて説明する。
図１２（ａ）は、本発明の生体信号検出装置における第３の実施形態の電圧学習手段３１の構成例である。図１２（ｂ）は、その構成例を用いたときの電圧学習手段３１の動作を説明するフローチャートである。
図１３は、本発明の生体信号検出装置における第３の実施形態の擬似信号生成手段３３の構成例である。
図１４（ａ）は、図１２に示す電圧学習手段３１の学習信号Ｓ３１の波形図である。図１４（ｂ）は、その学習信号Ｓ３１から得られた学習電圧Ｓ１４１を表す図である。図１４（ｃ）は、コンデンサ入力信号Ｓ１５の波形図である。図１４（ｄ）は、コンデンサ出力信号Ｓ１６の波形図である。

図１２（ａ）において、１２１はＡＤ変換器、１２２はＣＰＵ、１２３はＰＷＭ波形生成器である。１２１ＮはＡＤ変換器１２１にアナログ電圧を入力する入力端子、１２１ＤはＣＰＵ１２２がＡＤ変換器１２１から量子化されたデータを受信するインタフェース、１２２ＤはＣＰＵ１２２がＰＷＭ波形生成器１２３に指示を送るためのインタフェースである。１２３ＵはＰＷＭ波形生成器１２３がＰＷＭ信号を出力する出力端子である。

入力端子１２１Ｎには、図３におけるセンサ出力信号Ｓ１３が入力される。出力端子１２３Ｕは、図３における擬似信号生成手段３３に出力される学習信号Ｓ３１を出力する。図１２（ａ）における説明では、わかりやすいように、ＡＤ変換器１２１とＣＰＵ１２２とＰＷＭ波形生成器１２３とを別の構成としたが、現在、一般的に知られているワンチップマイクロコントローラは、図示しないＣＰＵコアの周辺機能として、ＡＤ変換器１２１とＰＷＭ波形生成器１２３とが集積化されているものが多く見受けられる。従って、以降の説明では、このようなワンチップマイクロコントローラを用いる場合を例にして説明する。

ここでいう、インタフェース１２１Ｄは、内蔵されるＡＤ変換器１２１を制御するためのレジスタである。また、インタフェース１２２Ｄは、内蔵されるＰＷＭ波形生成器１２３を制御するためのレジスタである。

図１２（ｂ）に示す処理Ｐ１２１において、センサ出力信号Ｓ１３の電圧特性の学習が開始されると、ＡＤ変換器１２１は、センサ出力信号Ｓ１３を処理Ｐ１２２でＡＤ変換し、量子化する。ＣＰＵ１２２は、量子化が終了すると、処理１２３においてＡＤ変換器１２１よりインタフェース１２１Ｄを通して、変換データを取得する。

処理Ｐ１２２から処理Ｐ１２３は、学習時間が経過するまで一定の間隔で行われる。例えば、学習時間は２秒とし、一定の間隔は１０ｍｓである。
学習時間の２秒経過後、処理Ｐ１２５において、ＣＰＵ１２２は、取得したデータの平均値を算出する。これにより、センサ出力信号Ｓ１３の平均電圧が求められる。

ここで、繰り返し処理の間隔を１０ｍｓとしたが、これは、処理されるセンサ出力信号Ｓ１３の特性により設定されるため、自由に変更することができる。
さらに、処理Ｐ１２５では、電圧の平均値を求めたが、平均値に限るものではなく、電圧の実効値、最大値，最小値の電圧など信号の電圧特性を表すものであればよい。

次に、処理Ｐ１２６において、ＣＰＵ１２２は、平均電圧に基づき、ＰＷＭ波形生成器１２３が出力する信号のデータを作成する。そして、そのデータを処理Ｐ１２７でインタフェース１２２Ｄを通してＰＷＭ波形生成器に設定することにより、出力端子１２３Ｕからは、電圧の平均値に応じたＰＷＭ波形が出力される。

図１３において、１３１はオペアンプである。１３１Ｐはオペアンプ１３１のプラス側入力端子、１３１Ｍはオペアンプ１３１のマイナス側入力端子、１３１Ｕはオペアンプ１３１の出力端子である。１３２は抵抗である。１３２Ｒは抵抗１３２の入力端子である。１３３はコンデンサである。

抵抗１３２の入力端子１３２Ｒには、電圧学習手段３１の出力信号である学習信号Ｓ３１が入力される。抵抗１３２のもう一方の端子は、コンデンサ１３３の一方の端子およびオペアンプ１３１のプラス側入力端子１３１Ｐに接続している。コンデンサ１３３の他方の端子は、ＧＮＤに接続している。オペアンプ１３１の出力端子１３１Ｕは、オペアンプ１３１のマイナス側入力端子１３１Ｍに接続している。

抵抗１３２とコンデンサ１３３とで構成する回路は、一次フィルタ回路である。もちろん、このような一次フィルタ回路を多段接続してもよい。

これにより、端子１３２Ｒに入力された学習信号Ｓ３１は、抵抗１３２とコンデンサ１３３との働きにより平滑化され、直流信号となってオペアンプ１３１に入力される。オペアンプ１３１は、電圧フォロア回路を構成しており、電圧を変化させることなく、インピーダンスのみ変化させた信号を擬似信号Ｓ１４として出力端子１３１Ｕから出力する。

次に、図１４を用いて、第３の実施形態の動作について説明する。図１４（ａ）は、電圧学習手段３１から出力された学習信号Ｓ３１の波形例を表している。例えば、センサ出力信号Ｓ１３の電圧の平均値がＶＣＣレベル１４１とＧＮＤレベル１４２との間の３／４の電圧である場合に、ＰＷＭ波形生成器１２３が、図１４（ａ）における時間Ｔ１とＴ２との比が３：１、つまりデューティー７５％であるような学習信号Ｓ３１を出力するとする。
これにより、オペアンプ１３１のプラス側入力端子１３１Ｐの信号は、図１４（ｂ）の信号Ｓ１４１に表すように、ＶＣＣレベル１４１とＧＮＤレベル１４２との間で、Ｖ１とＶ２の電圧比が１：３となるような電圧となる。これにより、オペアンプ１３１の出力端子１３１Ｕの信号である擬似信号Ｓ１４も同じ電圧の直流信号となる。

信号切替手段１２は、第２の実施形態で説明したものと同様に動作し、切替信号Ｓ１１の信号レベルにより、センサ出力信号Ｓ１３の出力と擬似信号Ｓ１４の出力とを繰り返す。これにより、コンデンサ入力信号Ｓ１５は、波形Ｗ１４１に示すような波形となる。ここで、波形Ｗ１４１と制御信号Ｓ１１とを結ぶ細線は、図８における第１アナログスイッチ８１がオフし、第２アナログスイッチがオンするタイミング、点線は、第１アナログスイッチ８１がオンし、第２アナログスイッチがオフするタイミングをそれぞれ表している。

結合コンデンサ１５に、このコンデンサ入力信号Ｓ１５を通すことにより、図１４（ｄ
）の波形Ｗ１４２がコンデンサ出力信号Ｓ１６として出力される。本発明による第３の実施形態のコンデンサ入力信号Ｓ１５が、センサ出力信号Ｓ１３とほぼ同じ振幅を維持することにより、コンデンサ出力信号Ｓ１６の中心は、ほぼアナログ基準電圧に位置づけられることになる。これにより、コンデンサ出力信号Ｓ１６は、信号の欠落を起こすことなく、後述する信号処理手段１６に伝達されることになる。

本発明の生体信号検出装置は、センサの間欠駆動によるセンサ出力信号への影響を軽減し、増幅回路やＡＤ変換器の適正範囲を外れない信号を出力し、高い増幅率で増幅しても必要とされる信号の一部が消失しないように出力することができるという効果を有する。このため、心拍計や血圧計、脈波を用いる身体機能測定装置に好適である。

本発明の生体信号検出装置の第１の実施形態を表すブロック図である。 本発明の生体信号検出装置の第２の実施形態を表すブロック図である。 本発明の生体信号検出装置の第３の実施形態を表すブロック図である。 本発明の生体信号検出装置のセンサの回路例である。 本発明の生体信号検出装置の第１の実施形態における信号切替手段の第１の回路例である。 本発明の生体信号検出装置の第１の実施形態における擬似信号生成手段の第１の回路例である。 本発明の生体信号検出装置の第１の実施形態における第１の回路例の動作を説明する波形図である。 本発明の生体信号検出装置の第１の実施形態における信号切替手段の第２の回路例である。 本発明の生体信号検出装置の第１の実施形態における擬似信号生成手段の第２の回路例である。 本発明の生体信号検出装置の第１の実施形態における第２の回路例の動作を説明する波形図である。 本発明の生体信号検出装置の第２の実施形態の動作を説明する波形図である。 本発明の生体信号検出装置の第３の実施形態における電圧学習手段の構成例および処理例である。 本発明の生体信号検出装置の第３の実施形態における擬似信号生成手段の回路例である。 本発明の生体信号検出装置の第３の実施形態の動作を説明する波形図である。 本発明の生体信号検出装置の制御信号生成手段の構成例および処理例である。 本発明の生体信号検出装置の信号処理手段の回路例である。 従来から知られているセンサを説明する図である。 従来から知られているセンサの動作を説明する波形図である。 特許文献１に示した従来技術における生体信号検出装置のブロック図である。 従来から知られているセンサの動作を説明する波形図である。

符号の説明

１１ センサ
１２ 信号切替手段
１３，３３ 擬似信号生成手段
１４，２４ 制御信号生成手段
１５ 結合コンデンサ
１６ 信号処理手段
３１ 電圧学習手段
Ｓ１１ 制御信号
Ｓ１３ センサ出力信号
Ｓ１４ 擬似信号
Ｓ１５ コンデンサ入力信号
Ｓ１６ コンデンサ出力信号
Ｓ１７ 処理信号
Ｓ３１ 学習信号

Claims (4)

1. 生体信号を検出するセンサと、該センサからの信号の低周波成分を除去する結合コンデンサと、該結合コンデンサからの信号を処理する信号処理手段とからなる生体信号検出装置において、
   前記センサからの信号に代わる擬似信号を生成する擬似信号生成手段と、
   前記センサからの信号と前記擬似信号とを入力する信号切替手段と、
   前記センサと前記信号切替手段とを制御する制御信号を出力する制御信号生成手段とを有し、
   前記信号切替手段は、前記センサからの信号と前記擬似信号とを切り替えて、どちらか一方の信号を前記結合コンデンサに送ることを特徴とする生体信号検出装置。
2. 前記制御信号生成手段からの制御信号は、前記センサを制御する第１制御信号と、前記擬似信号生成手段を制御する第２制御信号とからなることを特徴とする請求項１に記載の生体信号検出装置。
3. 前記信号切替手段は、前記センサからの信号を切断する回路であることを特徴とする請求項１または２に記載の生体信号検出装置。
4. 前記センサからの信号の電圧を学習する電圧学習手段を設け、
   前記擬似信号生成手段は、前記電圧学習手段からの信号により制御されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の生体信号検出装置。

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