JP2013009710A - 生体センサーおよび生体情報検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型・薄型化が容易な生体センサーを提供する。
【解決手段】光透過性を有する基板２１と、基板２１の基板面にわたった発光領域から光を被験体に向けて照射する発光素子２４と、発光領域と被験体との間に設けられ、被験体からの受光に応じた信号を出力する受光素子２６と、を備え、受光素子２６は、それぞれ平面視で島状の遮光層２６１と受光層２６２とを含み、遮光層２６１は、受光層２６２よりも発光素子２４の側に位置し、平面視で受光層２６２を含むように形成される。
【選択図】図４

Description

本発明は、脈波数や酸素飽和度などの生体情報を検出する技術に関する。

近年、発光素子によって生体に光を照射する一方、当該生体の血液で反射した光を受光素子によって受光し、電気信号に変換して出力する生体センサーが知られている（例えば特許文献１、２参照）。血液で反射した光は、脈拍数や酸素飽和度などの生体情報を反映しているので、当該生体センサーから出力された信号を処理すると、生体情報を非侵襲で検出することができる。
ところで、血液は、生体の細血管を流れているために、実際には出射光に対して微弱である。このため、発光素子と受光素子とを同一基板の同一面に設けた構成では、当該発光素子から照射された光が、当該受光素子に漏れ光として入射してしまうことがある。この漏れ光は、生体情報を全く反映していないので、生体情報を反映した光に対してノイズ成分として作用することになる。
このため、上記生体センサーにおいて、発光素子からの光が受光素子に直接入射しないように、基板面の垂直方向に向かって、ある程度の高さを有する光遮蔽部材が設ける技術が提案されている（例えば特許文献３参照）。

特開２００９−２３１５７７号公報 特開２００４−１７３８２６号公報 特開２００２−３６０５３０号公報

しかしながら、上述したような光遮蔽部材を設けると、生体センサーを小型・薄型化することができない。生体情報を常時検出するために生体に生体センサーを装着させたとき、当該生体センサーが大型であると、装着感などの違和感を与えて、生体を一種のストレス環境下に置いてしまうことになる。このため、生体センサーの小型・薄型化が急務となる。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、小型・薄型化が容易な生体センサーおよび生体情報検出装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る生体センサーにあっては、光透過性を有する第１基板と、前記第１基板の発光領域に設けられ、光を被験体に向けて照射する発光素子と、前記発光領域と前記被験体との間に設けられ、前記被験体からの受光に応じた信号を出力する受光素子と、を備え、前記受光素子は、それぞれ平面視で島状の遮光層と受光層とを含み、前記遮光層は、前記受光層よりも前記発光素子側に位置し、平面視で前記遮光層は前記受光層を覆うように形成され、前記遮光層の面積は前記受光層の面積よりも大きいことを特徴とする。本発明によれば、発光素子と受光層との間に設けられた遮光層が、発光素子からの受光層に直接向かう光を遮光するので、構造体として高さが要求される光遮蔽部材を不要となり、生体センサーの薄型化が容易になる。

本発明において、前記第１基板の装着面側に前記受光素子が形成され、前記第１基板の装着面側とは反対面側に前記発光素子が形成された構成としても良い。この構成において、前記発光素子は、前記第１基板の側から順に、少なくとも第１電極層、発光層および第２電極層を積層した積層体である態様が好ましい。この態様によれば、発光素子を薄膜の積層により構成できるので、より薄型化を図ることができる。
また、本発明において、前記第１基板の装着面側とは反対面側において前記受光素子、前記発光素子が順に形成された構成としても良い。この構成において、前記受光素子を覆うように形成された平坦化層を有し、前記発光素子は、前記平坦化層の側から順に、少なくとも第１電極層、発光層および第２電極層を積層した積層体である態様が好ましい。この態様によれば、同様に発光素子を薄膜の積層により構成できるので、より薄型化を図ることができる。

いずれかの態様において、前記発光素子を覆うように封止層が形成されて、当該封止層を介し、前記第１基板に対して第２基板が貼り付けられると、発光素子の劣化が防止される。また、前記受光素子が、複数個設けられると、生体情報を反映した光をより確実に受光することができる。
なお、本発明は、生体センサーのみならず、当該生体センサーから出力される信号に基づいて生体情報を出力する演算処理回路を持たせた生体情報検出装置として概念することも可能である。

実施形態に係る生体センサーを用いた生体情報検出装置を示す図である。 生体情報検出装置の構造を示す要部断面図である。 第１実施形態に係る生体センサーを示す平面図である。 図３におけるＤ−ｄ線で破断した構造を示す断面図等である。 第１実施形態に係る生体センサーにおける光の出射・入射を示す図である。 第２実施形態に係る生体センサーの構造を示す断面図等である。 第２実施形態に係る生体センサーにおける光の出射・入射を示す図である。 生体センサーにおける他の例の構造を示す断面図である。 生体情報検出装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態に係る生体センサー等について図面を参照して説明する。
なお、以下の各図については、各部、特に各層については認識可能な大きさとするために、縮尺を異ならせている場合がある。

図１は、実施形態に係る生体センサーを適用した生体情報検出装置を示す図である。この生体情報検出装置１は、被験者の生体情報として例えば脈拍数を検出して出力するものである。
図に示されるように、生体情報検出装置１の筐体１０は、腕時計を模した形状となっている。筐体１０の外周部のうち、中心部を挟んで対向する部分には、被験者（被験体）の左手首に巻回されたリストバンド１２の一端と他端とが取り付けられている。

図２は、生体情報検出装置１の要部構成を示す断面図である。図に示されるように、筐体１０の内部は中空部１５を有する形状となっている。中空部１５には、生体センサー２０が取り付けられている。生体センサー２０は、基板２１、２２、発光素子２４、受光素子２６を含む。
図１に示されるように生体情報検出装置１の筐体１０が被験者の左手首に巻回されたときに、筐体１０の裏面と生体センサー２０とが当該被験者に接触するように構成されている。
なお、図２において、図示省略されているが、中空部１５には、実際には上述した演算処理回路なども実装される。また、説明の便宜上、生体センサー２０において被験者に接触する側を装着側と呼んでいる。

図３は、生体情報検出装置１に取り付ける生体センサー２０の構成を装着側から見た平面図であり、図４の（Ｂ）は、図３におけるＤ−ｄ線で破断した断面図である。図４の（Ａ）は、生体センサー２０について基板同士を貼り合わる前の構造を示す図である。
これらの図に示されるように、生体センサー２０は、第１基板としての光透過性を有する基板２１と、円形状の第２基板としての基板２２とを互いに貼り合わせた構成となっている。実際には、生体センサー２０は、互いに貼り合わせたマザーガラスから切り出されるので、基板２１、２２はほぼ同一形状の円形で揃えられている。また、装着側からみたときに、基板２１が手前側に、基板２２が奥側に、それぞれ位置する。

本実施形態において受光素子２６は、基板２１の装着側の面において、種々の薄膜を積層することによって形成された薄膜フォトダイオードである。
詳細には、図４の（Ａ）または（Ｂ）に示されるように、基板２１の装着側の面において順に、遮光層２６１、受光層２６２、電極層２６３を順に積層した構成となっている。
なお、図４においては、基板２１のうち、受光素子２６が形成される基板２１の装着側の、基準になるべき面を下側に向けている。このため、基板２１の装着側の面に対する積層の順序は、図においては上から下方向に向かうことになる。

このうち、遮光層２６１は、例えばフォトダイオードの陰極を兼ねるものであり、光遮光性を有する導電層を、例えばクロムなどの金属層を、基板２１の中心部で図３に示されるように円形にパターニングしたものである。なお、遮光層２６１は、実際には、外部に引き出す配線として引き廻されているが、この配線についての図示は省略している。

受光層２６２は、例えば薄膜アモルファスシリコンであり、図３に示されるように平面視で、遮光層２６１とは中心が同じであって直径が小さい円形にパターニングしたものである。このため、受光層２６２は、装着側から平面視したときに、遮光層２６１に含まれることになる。つまり、遮光層２６１が受光層２６２と重なるとともに、遮光層２６１が受光層２６２よりも広い範囲に設けられている。なお、この受光層２６２は、例えば遮光層２６１から順に、特に図示しないが、ｎ＋層、ｉ層、ｐ＋層を積層した構造となっている。
絶縁層２２１は、遮光層２６１、受光層２６２および基板２１の裏面を覆うように形成される。絶縁層２２１は、例えば光透過性および絶縁性を有する窒化シリコン（ＳｉＮ）膜などである。

絶縁層２２１において受光層２６２が設けられる部分では、その層厚に応じて盛り上がる。一方、絶縁層２２１は、受光層２６２との接続を図るために、コンタクトホール２２１ａによって開孔している。電極層２６３は、コンタクトホール２２１ａを介して受光層２６２に電気的に接続されている。なお、電極層２６３は、例えば薄膜フォトダイオードの陽極であり、光透過性を有するＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの導電層を、受光層２６２に対応して平面視で円形にパターニングしたものである。もっとも電極層２６３は、光透過性を有するので、パターニングすることなく、全体を連続的に形成してもよい。
平坦化層２２２は、絶縁層２２１や電極層２６３の有無による凹凸を平坦化するためのものであり、例えば光透過性を有するアクリル樹脂などから構成される。

このように構成される受光素子２６において、装着側からみると、電極層２６３、受光層２６２、遮光層２６１という順で配列することになる。ここで、装着側から光が平坦化層２２２および電極層２６３を通過して受光層２６２に入射すると、電子および正孔の対が発生する。ここで、遮光層２６１（陰極）と電極層２６３（陽極）とで逆方向にバイアスをかけると、電子および正孔が分離・移動するので、受光素子２６には、入射光量に応じた電流が流れることになる。

一方、本実施形態において発光素子２４は、基板２１の装着側とは反対側の裏面において、種々の薄膜を積層することによって形成された有機発光ダイオード（Organic Light Emitting Diode）である。
詳細には、図４の（Ａ）または（Ｂ）に示されるように、基板２１の裏面において、基板２１を起点として順に、第１電極層２４１、有機層２４２、第２電極層２４３を順に積層した構成となっている。
このうち、第１電極層２４１は、ＯＬＥＤの陽極であり、光透過性を有する導電層、例えばＩＴＯなどを所定の範囲内に連続的に成膜したものである。
有機層２４２は、少なくとも発光層を含むものであり、当該発光層は、例えばアルミノウムキノリノール錯体（Ａｌｑ_３）等をホスト材料とし、ルブレン等をドーパントとした発光層を蒸着法などによって同様にベタ状に形成したものである。
第２電極層２４３は、ＯＬＥＤの陰極であり、反射性を有する導電層、例えばアルミニウムや銀などの金属層または合金層などを同様にベタ状に形成したものである。
封止層２１１は、酸素や水分の侵入によるＯＬＥＤの劣化を防ぐために、発光素子２４を覆うように設けられている。封止層２１１は、例えばシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ）からなる。

このように構成される発光素子２４において、陽極から陰極に向かって順方向にバイアスがかかると、陽極側から注入される正孔と陰極側から注入される電子とが有機層２４２に含まれる発光層で結合して、当該発光層の材料に応じたスペクトルの光が発生する。この光は、自身が形成された基板２１を透過して、被験者に向けて出射されるので、発光素子２４は、いわゆるボトムエミッション構造となる。基板２１には、光透過性を持たせるためにガラス等が用いられる。ここでいう光透過性とは、発光素子２４から出射される光の波長帯域に含まれる光成分を透過する性質をいう。
また、上記有機層２４２については、第１電極層２４１から順に、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電位輸送層、電子注入層というように、多層化しても良い。

なお、装着側の面に受光素子２６が形成され、裏面に発光素子２４が形成された基板２１には、最終的には図４の（Ｂ）に示されるように、ＯＬＥＤに対する封止をより確実にするために、第２基板としての基板２２が、封止層２１１を介し接着剤（図示省略）によって基板２１に対して貼り合わせられる。ここで接着剤としては、紫外線硬化型やエポキシ系などが用いられる。

図５は、生体センサー２０における光の出射・入射の経路を示す図である。
有機層２４２の発光層から発せられた光は、四方に放射されるが、図において上側に向かう光は第２電極層２４３によって反射する。このため、発光素子２４からの光は、図においてほぼ下側に向かって出射する。ただし、下側に向かう出射光のうち、遮光層２６１が設けられた部分に向かう光は、遮光されるので、受光層２６２に入射することはない。
一方、発光素子２４から出射された光のうち、遮光層２６１によって遮光されなかった光は、基板２１、絶縁層２２１および平坦化層２２２を順に介して被験者の皮膚４０に侵入する。皮膚４０に侵入した光は、血管４２に到達して、当該血管４２を流れる血液（ヘモグロビン）によって反射されたり、吸収されたり、あるいは血液を透過したりする。血管４２に流れる血液によって反射した光のうち、一部が、受光素子２６（受光層２６２）に入射する。
ここで、血管４２は、心拍と同じ周期で膨張・収縮を繰り返している。したがって、血管４２の膨張・収縮の周期と同じ周期で、光の反射量が増減する。このため、受光素子２６から出力される電流の変化は、血管４２の容積変化を示すことになる。

本実施形態に係る生体センサー２０によれば、基板２１の装着側の面に形成された遮光層２６１によって、発光素子２４から照射された光が直接的に受光素子２６の受光層２６２に入射しないように構成されている。本実施形態において受光すべき光は、生体情報を反映した光、すなわち被験者の血管４２に流れる血液からの反射光である。発光素子２４からの直接光は、生体情報を反映した光ではないので、生体情報を反映した光成分に対してノイズとなるが、本実施形態では、このようなノイズが抑えられるので、生体情報を反映した微弱な光成分を精度良く検出することができるのである。

発光素子２４においては、第１電極層２４１、有機層２４２、第２電極層２４３のいずれも所定の範囲に連続的に形成されているので、フォトリソグラフィ技術等を用いたパターニングが不要となる。このため、製造プロセスが簡略化されるので、生産性を向上させることもできる。
発光素子２４が連続的に設けられているという点を詳述すると、発光素子の面積が受光素子の面積よりも大きくなるように、発光素子が受光素子よりも広い範囲にわたって設けられているということである。あるいは、基板２１を平面視したときに、遮光層２６１が形成された領域以外のすべてが、発光領域として用いられる、ということである。したがって、本実施形態によれば、非常に多くの光を被験者に照射することになり、その分、生体情報を反映した光成分を多く受光することになるので、結果的に検出精度を向上させることができる。

生体センサー２０において発光素子２４および受光素子２６については、それぞれ薄膜の積層によって形成される。さらに、発光素子２４（発光層）と受光層２６２との間に設けられた遮光層２６１によって、背景技術で述べたような構造体として高さが要求される光遮蔽部材を不要としている。したがって、本実施形態に係る生体センサー２０では薄型化が容易になる。

次に、第２実施形態に係る生体センサーについて説明する。第１実施形態に生体センサーにあっては、基板２１の装着側の面に受光素子２６を、裏面に発光素子２４を、それぞれ形成したが、この第２実施形態では、基板２１の装着側の面に、それぞれ発光素子２４および受光素子２６を形成したものである。

図６の（Ａ）は、第２実施形態に係る生体センサーについて基板同士を貼り合わる前の構造を示す図であり、図６の（Ｂ）は、貼り合わせ後の構造を示す図である。なお、第２実施形態に係る生体センサーを装着側からみた平面図それ自体は、図３と同視して良い。

第２実施形態において受光素子２６は、基板２１の裏面において第１実施形態とは逆順に電極層２６３、受光層２６２、遮光層２６１を積層した構成となっている。ただし、図６おいては、基板２１のうち、受光素子２６が形成される基板２１の裏面を上側に向けて示しているので、装着側からみれば、電極層２６３、受光層２６２、遮光層２６１の順の配列となり、第１実施形態と同様になる。

電極層２６３は、ＩＴＯなどの光透過性を有する導電層であり、基板２１の裏面においてベタ状に成膜されている。受光層２６２は、第１実施形態と同様な薄膜アモルファスシリコンである。
絶縁層２３１は、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）膜などであり、電極層２６３および受光層２６２を覆うように形成される。この絶縁層２３１には、コンタクトホール２３１ａが設けられ、このコンタクトホール２３１ａを介して遮光層２６１が受光層２６２に電気的に接続されている。
なお、装着側から平面視したときに、遮光層２６１、受光層２６２については、図３に示した第１実施形態と同様であり、受光層２６２は、装着側から平面視したときに、遮光層２６１に含まれる関係になっている。
平坦化層２３２は、絶縁層２３１や遮光層２６１の有無によって生じる凹凸を平坦化するためのものであり、例えば光透過性を有するアクリル樹脂などから構成される。
この平坦化層２３２の面に、第１実施形態と同様に、第１電極層２４１、有機層２４２、第２電極層２４３を順に積層した積層体によって発光素子２４が形成されている。そして、封止層２１１が形成されて、この封止層２１１を介して、基板２２が基板２１に貼り付けられる。

図７は、第２実施形態における光の出射・入射の経路を示す図である。
有機層２４２の発光層から発せられた光は、四方に放射されるが、図において上側に向かう光は第２電極層２４３によって反射するので、図においてほぼ下側に向かって出射する。ただし、下側に向かう出射光のうち、遮光層２６１が設けられた部分に向かう光は、遮光されるので、受光層２６２に入射することはない。
一方、発光素子２４から出射された光のうち、遮光層２６１によって遮光されなかった光は、平坦化層２３２、絶縁層２３１、（電極層２６３）および基板２１を順に介して被験者の皮膚４０に侵入する。皮膚４０に侵入した光は、血管４２に流れる血液によって反射して、その反射光の一部が、第１実施形態と同様に、受光素子２６（受光層２６２）に入射する。

第２実施形態においても、遮光層２６１によって、発光素子２４から照射された光が直接的に受光素子２６の受光層２６２に入射しないように構成されているので、ノイズが抑えられる結果、生体情報を反映した微弱な光成分を精度良く検出することができる。
また、第１電極層２４１、有機層２４２、第２電極層２４３のいずれもベタ状に形成されているので、製造プロセスが簡略化されて、生産性を向上させることもできるほか、生体情報を反映した光成分の検出精度を向上させることができ、薄型化も容易になる。

本発明は、上述した実施形態のほかにも、種々の応用・変形が可能である。
基板２１、２２の平面形状は、円形に限られず、多角形などであっても良い。
また、受光素子２６については、平面視したときに、その遮光層２６１の外縁部が発光領域に囲まれるような島状であって、遮光層２６１が受光層２６２を含むのであれば、その形状は円形に限られず多角形など任意である。
受光素子２６の個数についても、１個に限られず複数個であっても良い。
例えば、図８の（Ａ）に示されるように、第１実施形態の構成において受光素子２６を２個としても良いし、図８の（Ｂ）に示されるように、第２実施形態の構成において受光素子２６を２個としても良い。なお、受光素子２６を複数個とする場合であっても、個々の受光素子２６においては、平面視したときに遮光層２６１が受光層２６２を含む構成となる。この場合、発光素子２４は第１の受光素子と第２の受光素子とにわたって設けられている。

生体センサー２０において、発光素子２４としてＯＬＥＤを用いたが、これに限られず、ＬＥＤなど、種々の素子が適用可能である。
また、受光素子２６として薄膜フォトダイオードに限られない。例えば、受光素子２６としては、ＣＣＤ（Charge Coupled Device)などを用いても良いし、ナノ（マイクロ）クリスタル薄膜や、ＣＧＩＳ（Copper：銅、Gallium：ガリウム、Indium：インジウム、Selenium：セレン）の化合物からなる薄膜を受光層に用いた太陽電池でも良い。いずれにしても、受光素子２６としては、受光に応じた信号を出力する光電変換素子であれば良い。

また、実施形態では、被験者の測定部位を左手首としたが、例えばカフ体に生体センサーを組み込むことによって、指先を測定部位にしても良い。換言すれば、指尖脈波を検出するようにしても良い。

生体センサー２０は、脈波を検出する構成を例示したが、動脈血の酸素飽和度を検出するセンサーにも適用可能である。血液中のヘモグロビンは、酸素との結合の有無により赤色光と赤外光の吸光度が異なる。そこで、赤色光を発光・受光する部、赤外光を発光・受光する部、などのように発光波長および受光波長を異ならせた組を複数組用意する一方、これらの反射光を測定・解析することによって酸素飽和度を検出することができる。
また、血管としては、動脈・静脈のいずれでも良い。
生体情報としては、生体の血管のパターンでも良く、この血管パターンから当該生体を認証する認証装置にも適用可能である。
測定対象は、ヒトに限らず、動物でも良いのはもちろんである。

次に、このような生体センサー２０を含めた生体情報検出装置１の電気的な構成について図９を参照して説明する。なお、この構成については、概略的に説明にとどめることにする。
この図において、駆動回路５０は、演算処理回路６０による指示にしたがって電流を常時または間欠的に供給して、発光素子２４を駆動するものである。ここで、電流を間欠的に駆動する方が低消費電力化を図る上で好ましい。一方、変換回路５５は、受光素子２６に逆バイアスをかけたときに流れる電流を電圧に変換するとともに、当該電圧を予め定められたサンプリング間隔でデジタルデータに変換するものである。

演算処理回路６０は、発光素子２４から光が出射された場合に受光素子２６によって受光された信号、すなわち生体情報を反映した光の信号を処理する。例えば、演算処理回路６０は、当該デジタルデータから脈拍数を算出したり、内部タイマーで計測された時刻に関連付けて脈拍数を逐一記録したりする。なお、これらの情報・データを外部のコンピューターに転送したり、図示省略した表示部に表示させたり、音声合成によって出力したりしても良い。

１…生体情報検出装置、２０…生体センサー、２１、２２…基板、２４…発光素子、２６…受光素子、４０…皮膚、４２…血管、６０…演算処理回路、２１１…封止層、２２１、２３１…絶縁層、２６１…遮光層、２６２…受光層。

Claims (8)

1. 光透過性を有する第１基板と、
   前記第１基板の発光領域に設けられ、光を被験体に向けて照射する発光素子と、
   前記発光領域と前記被験体との間に設けられ、前記被験体からの受光に応じた信号を出力する受光素子と、
   を備え、
   前記受光素子は、それぞれ平面視で島状の遮光層と受光層とを含み、
   前記遮光層は、前記受光層よりも前記発光素子側に位置し、
   平面視で前記遮光層は前記受光層を覆うように形成され、
   前記遮光層の面積は前記受光層の面積よりも大きい
   ことを特徴とする生体センサー。
2. 前記第１基板の装着面側に前記受光素子が形成され、
   前記第１基板の装着面側とは反対面側に前記発光素子が形成された
   ことを特徴とする請求項１に記載の生体センサー。
3. 前記発光素子は、
   前記第１基板の側から順に、少なくとも第１電極層、発光層および第２電極層を積層した積層体である
   ことを特徴とする請求項２に記載の生体センサー。
4. 前記第１基板の装着面側とは反対面側において前記受光素子、前記発光素子が順に形成された
   ことを特徴とする請求項１に記載の生体センサー。
5. 前記受光素子を覆うように形成された平坦化層を有し、
   前記発光素子は、
   前記平坦化層の側から順に、少なくとも第１電極層、発光層および第２電極層を積層した積層体である
   ことを特徴とする請求項４に記載の生体センサー。
6. 前記発光素子を覆うように封止層が形成されて、
   当該封止層を介し、前記第１基板に対して第２基板が貼り付けられた
   ことを特徴とする請求項３または５に記載の生体センサー。
7. 前記受光素子は、複数個設けられた
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の生体センサー。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の生体センサーと、
   前記受光素子から出力される信号に基づいて生体情報を出力する演算処理回路と、
   を備える生体情報検出装置。
   

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