JP2013150660A - 睡眠センサ - Google Patents

Abstract

【課題】実用的で利便性の高い睡眠センサを提供する。
【解決手段】睡眠センサ１は、被験者の脈波または脈波と血中酸素飽和度に関する測定データを取得する光センサ部１１と、被験者の体温または体表面温度に関する測定データを取得する温度センサ部１２と、被験者の体動に関する測定データを取得する加速度センサ部１３と、被験者が発する音や声ないしは周囲環境の音に関する測定データを取得するマイクロフォン１４と、睡眠センサ１全体の動作を統括的に制御する制御部１５と、画像の出力を行う表示部１６と、音声の出力を行うスピーカ１７と、入力操作を受け付ける操作部１８と、各測定データを記憶する記憶部１９と、被験者の睡眠状態を解析する情報端末２に各測定データを送信する通信部２０と、睡眠センサ１の各部に電力供給を行う電源部２１とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、睡眠センサに関するものである。

従来より、被験者の脈拍から睡眠状態を検出する技術が提案されている（例えば特許文献１を参照）。

特開２００３−７９５８８号公報

しかしながら、従来の睡眠センサは、単一の生体情報（脈拍など）から被験者の睡眠状態を検出するものであり、その検出精度にはさらなる改善の余地があった。また、従来の睡眠センサは、あくまで単体で機能するものであり、睡眠センサを用いた体調管理システムや家電制御システムの構築を実現し得るものではなかった。

本発明は、本願の発明者らによって見い出された上記の問題点に鑑み、より実用的で利便性の高い睡眠センサを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る睡眠センサは、被験者の脈波に関する測定データまたは脈波と血中酸素飽和度に関する測定データを取得する光センサ部と、前記被験者の体温または体表面温度に関する測定データを取得する温度センサ部と、前記被験者の体動に関する測定データを取得する加速度センサ部と、前記被験者が発する音や声ないしは周囲環境の音に関する測定データを取得するマイクロフォンと、睡眠センサ全体の動作を統括的に制御する制御部と、画像の出力を行う表示部と、音声の出力を行うスピーカと、入力操作を受け付ける操作部と、各測定データを記憶する記憶部と、前記被験者の睡眠状態を解析する情報端末に各測定データを送信する通信部と、前記睡眠センサの各部に電力供給を行う電源部と、を有する構成（第１の構成）とされている。

なお、上記第１の構成から成る睡眠センサにおいて、前記制御部は、各測定データを解析して前記被験者の睡眠状態を解析する機能を備えた構成（第２の構成）にするとよい。

また、上記第２の構成から成る睡眠センサにおいて、前記制御部は、前記被験者の脈波に関する測定データから前記被験者のレム睡眠／ノンレム睡眠及び睡眠深度の少なくとも一方を判定し、前記表示部、前記スピーカ、または、外部の家電機器を駆動する構成（第３の構成）にするとよい。

また、上記第２または第３の構成から成る睡眠センサにおいて、前記制御部は、前記被験者の血中酸素飽和度に関する測定データから前記被験者の無呼吸症候群を判定し、前記表示部、前記スピーカ、または、外部の家電機器を駆動する構成（第４の構成）にするとよい。

また、上記第２〜第４いずれかの構成から成る睡眠センサにおいて、前記制御部は、前記被験者の体温または体表面温度に関する測定データから前記被験者の睡眠深度を判定して、前記表示部、前記スピーカ、または、外部の家電機器を駆動する構成（第５の構成）にするとよい。

また、上記第２〜第５いずれかの構成から成る睡眠センサにおいて、前記制御部は、前記被験者の体動に関する測定データから前記被験者の睡眠深度を判定し、前記表示部、前記スピーカ、または、外部の家電機器を駆動する構成（第６の構成）にするとよい。

また、上記第２〜第６いずれかの構成から成る睡眠センサにおいて、前記制御部は、前記被験者の発する音や声ないしは周囲環境の音に関する測定データから前記被験者の状態を判定し、前記表示部、前記スピーカ、または、外部の家電機器を駆動する構成（第７の構成）にするとよい。

また、上記第１〜第７いずれかの構成から成る睡眠センサにおいて、前記光センサ部は発光部から前記被験者の生体に光を照射した後、前記生体内を透過して戻ってくる光の強度を受光部で検出することにより、前記被験者の脈波に関する測定データまたは脈波と血中酸素飽和度に関する測定データを取得する構成（第８の構成）にするとよい。

また、上記第８の構成から成る睡眠センサにおいて、前記光センサ部は、枡形状のケースと、前記ケースを前記発光部が載置される第１領域と前記受光部が載置される第２領域に分割する遮光壁と、を有する構成（第９の構成）にするとよい。

また、上記第９の構成から成る睡眠センサにおいて、前記遮光壁の高さＨ１と前記発光部の高さＨ２と前記受光部の高さＨ３との間には、Ｈ１＞Ｈ２＞Ｈ３という関係が成立する構成（第１０の構成）にするとよい。

また、上記第１０の構成から成る睡眠センサにおいて、前記ケースは、前記光センサ部を担持する筐体から突出する形で埋設されている構成（第１１の構成）にするとよい。

また、上記第１１の構成から成る睡眠センサにおいて、前記光センサ部は、前記筐体との間に緩衝部材を有する構成（第１２の構成）にするとよい。

また、上記第８〜第１２いずれかの構成から成る睡眠センサにおいて、前記発光部の出力波長は、約６００ｎｍ以下の可視光領域に属する構成（第１３の構成）にするとよい。

また、本発明に係る体調管理システムは、上記第１〜第１３いずれかの構成から成る睡眠センサと、前記睡眠センサで取得された測定データの解析やログ取得を行う情報端末とを有する構成（第１４の構成）とされている。

また、本発明に係る家電制御システムは、上記第１〜第１３いずれかの構成から成る睡眠センサと、前記睡眠センサまたは前記情報端末を用いて判定された被験者の睡眠状態に応じて駆動される家電機器と、を有する構成（第１５の構成）とされている。

なお、上記第１５の構成から成る家電制御システムにおいて、前記家電機器は、電動カーテン、オーディオ機器、照明機器、テレビ、空気調和器、及び、寝具の少なくとも一つである構成（第１６の構成）にするとよい。

本発明によれば、より実用的で利便性の高い睡眠センサを提供することが可能となる。

睡眠センサ１の一構成例を示すブロック図 睡眠センサ１を用いた家電制御システムの一構成例を示す模式図 睡眠センサ１の第１装着例（額装着型）を示す模式図 睡眠センサ１の第２装着例（耳装着型）を示す模式図 脈波測定の原理を説明するための模式図 生体内における光の減衰量（吸光度）が時間的に変化する様子を示す波形図 光センサ部１１の第１構成例を模式的に示す断面図 光センサ部１１の第２構成例を模式的に示す断面図 オフセット距離ΔＨと信号強度との相関関係を示す波形図 素子間距離Ｗ１と信号強度との相関関係を示す波形図 光センサ部１１の第３構成例を模式的に示す断面図 光センサ部１１の第４構成例を模式的に示す断面図 光センサ部１１の第５構成例を模式的に示す断面図 光センサ部１１の第６構成例を模式的に示す断面図 光センサ部１１の第７構成例を模式的に示す断面図

＜睡眠センサ＞
図１は睡眠センサの一構成例（体調管理システムとしての適用例）を示すブロック図である。本構成例の睡眠センサ１は、光センサ部１１と、温度センサ部１２と、加速度センサ部１３と、マイクロフォン１４と、制御部１５と、表示部１６と、スピーカ１７と、操作部１８と、記憶部１９と、通信部２０と、電源部２１と、を有する。

光センサ部１１は、被験者の生体に光を照射した後、生体内を透過して戻ってくる光の強度を検出することで、被験者の脈波や血中酸素飽和度に関する測定データを取得する。

温度センサ部１２は、被験者の体温や体表面温度に関する測定データを取得する。

加速度センサ部１３は、被験者の体動に関する測定データを取得する。

マイクロフォン１４は、被験者が発する音や声及び被験者の周囲音に関する測定データを取得する。

制御部１５は、睡眠センサ１全体の動作を統括的に制御する。なお、制御部１５としては、ＣＰＵ［Central Processing Unit］などを好適に用いることができる。

表示部１６は、被験者の睡眠状態に応じて画像（文字などを含む）の出力を行う。表示部１６としては、液晶表示パネルなどを好適に用いることができる。

スピーカ１７は、被験者の睡眠状態に応じて音声（警告音などを含む）の出力を行う。

操作部１８は、被験者の入力操作（電源オン／オフなど）を受け付けるヒューマンインタフェイスである。操作部１８としては、各種キーやボタンのほか、タッチパネルなどを好適に用いることができる。

記憶部１９は、制御部１５に読み込まれて実行される各種プログラムを不揮発的に格納するＲＯＭ［read only memory］や、制御部１５のプログラム実行領域として使用される揮発性のＲＡＭ［random access memory］を含む。

また、記憶部１９は、睡眠センサ１で得られた測定データ（生データ、或いは、種々の処理が施された処理済みデータ）を揮発的または不揮発的に格納するＲＡＭやＥＥＰＲＯＭ［Electrically Erasable Programmable ROM］なども含む。このように、測定データの格納手段を有する構成であれば、例えば、所定期間毎に記憶部１９の蓄積データを一括して外部送信することができるようになるので、通信部２０を間欠的に待機状態とすることが可能となり、延いては、睡眠センサ１のバッテリ駆動時間を延ばすことが可能となる。

通信部２０は、睡眠センサ１で得られた測定データ（生データ、種々の処理が施された処理済みデータ、或いは、記憶部１９の格納データ）を外部の情報端末２（データサーバやパーソナルコンピュータなど）に無線または有線で送信する。特に、睡眠センサ１で得られた測定データを情報端末２に無線で送信する構成であれば、睡眠センサ１と情報端末２とを有線で接続する必要がなくなるので、例えば、被験者の行動を制約せずに測定データのリアルタイム送信を行うことが可能となる。特に、睡眠センサ１を防水構造とする際には、睡眠センサ１の外部端子を完全に排除するという観点から、測定データの外部送信方式として無線送信方式を採用することが望ましい。なお、近距離（数ｍ〜数十ｍ）の情報端末２に測定データを無線送信する場合には、通信部２０として、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）無線通信モジュールなどを好適に用いることができる。また、インターネットなどを介して遠隔地の情報端末２に測定データを送信する場合には、通信部２０として無線ＬＡＮ［local area network］モジュールなどを好適に用いることができる。

電源部２１は、バッテリとＤＣ／ＤＣコンバータを含み、バッテリからの入力電圧を所望の出力電圧に変換して睡眠センサ１の各部に供給する。このように、バッテリ駆動方式の睡眠センサ１であれば、睡眠状態の測定時に外部からの給電ケーブルを接続する必要がないので、被験者の行動を制約せずに睡眠状態の測定を行うことが可能となる。なお、上記のバッテリとしては、繰り返して充電を行うことが可能な二次電池（リチウムイオン二次電池や電気二重層キャパシタなど）を用いることが望ましい。このように、バッテリとして二次電池を用いる構成であれば、煩わしい電池交換作業が不要となるので、睡眠センサ１の利便性を高めることができる。また、バッテリ充電時における外部からの電力供給方式としては、ＵＳＢ［Universal Serial Bus］ケーブルなどを用いる接触給電方式であってもよいし、或いは、電磁誘導方式、電界結合方式、及び、磁界共鳴方式などの非接触給電方式であってもよい。ただし、睡眠センサ１を防水構造とする際には、睡眠センサ１の外部端子を完全に排除するという観点から、外部からの電力供給方式として非接触給電方式を採用することが望ましい。

上記のように、被験者に装着される睡眠センサ１と、睡眠センサ１で取得された測定データの解析やログ取得を行う情報端末２と、を有する体調管理システムを構築すれば、睡眠センサ１自体を不要に高機能化することなく、被験者の日々の睡眠状態を監視して適切な体調管理を行うことが可能となる。また、多数の被験者から得られるデータを情報端末２で集約することにより、統計的な解析などを行うことも可能となる。

なお、睡眠センサ１で取得された測定データの詳細な解析は、上記の理由から、外部の情報端末２に委ねることが望ましいが、睡眠センサ１で取得された測定データから被験者の睡眠状態を解析して表示部１６やスピーカ１７を駆動する機能を制御部１５に具備することは非常に有益である。

例えば、制御部１５は、被験者の脈波に関する測定データ（脈拍数や脈拍変動など）から被験者のレム睡眠／ノンレム睡眠を判定し、表示部１６やスピーカ１７を駆動する構成にするとよい。例えば、被験者のレム睡眠に合わせてスピーカ１７から目覚まし用の音楽や環境音（鳥のさえずり音や水のせせらぎ音など）を出力することにより、被験者に心地の良い寝覚めを提供することが可能となる。また、制御部１５は、被験者の脈波に関する測定データから被験者の睡眠深度を判定し、表示部１６やスピーカ１７を駆動する構成としてもよい。

また、制御部１５は、被験者の血中酸素飽和度に関する測定データから被験者の無呼吸症候群（睡眠の質）を判定し、表示部１６やスピーカ１７を駆動する構成にするとよい。例えば、無呼吸症候群の発症時にスピーカ１７からアラーム音を出力することにより、被験者を強制的に覚醒させたり、被験者の異常を周囲に報知したりすることができる。

また、制御部１５は、被験者の体温または体表面温度に関する測定データから被験者の睡眠深度を判定して、表示部１６やスピーカ１７を駆動する構成にするとよい。例えば、被験者の睡眠状態が浅くなり体温が上昇したときにスピーカ１７から目覚まし用の音楽や環境音を出力することにより、被験者に心地の良い寝覚めを提供することが可能となる。

また、制御部１５は、被験者の体動に関する測定データから被験者の睡眠深度を判定てし、表示部１６やスピーカ１７を駆動する構成にするとよい。例えば、被験者の睡眠状態が浅くなり体動が多くなったときにスピーカ１７から目覚まし用の音楽や環境音を出力することにより、被験者に心地の良い寝覚めを提供することが可能となる。

また、制御部１５は、被験者の発する音や声及び被験者の周囲音に関する測定データから被験者の状態（いびきや歯ぎしりなど）を判定し、表示部１６やスピーカ１７を駆動する構成にするとよい。例えば、被験者のいびきがひどくなったときにスピーカ１７からアラーム音を出力することにより、被験者を強制的に覚醒させたり、被験者の異常を周囲に報知したりすることができる。

なお、上記の例では、被験者の睡眠状態に応じて睡眠センサ１に組み込まれた表示部１６やスピーカ１７の駆動制御を行う構成を例に挙げたが、制御部１５による駆動制御の対象はこれらに限定されるものではなく、睡眠センサ１の外部に設けられた家電機器を遠隔制御することも考えられる。

図２は、睡眠センサ１を用いた家電制御システムの一構成例を示す模式図である。本構成例の家電制御システムでは、睡眠センサ１を用いて判定された被験者の睡眠状態に応じて、電動カーテンＡ１、オーディオ機器Ａ２、照明機器Ａ３、テレビＡ４、空気調和器Ａ５、及び、寝具（電動ベッドや空気マットなど）Ａ６が制御される。

本構成例の家電制御システムによれば、例えば、被験者の起床に合わせて、電動カーテンＡ１を開き、オーディオ機器Ａ２から目覚まし用音楽を流し、照明機器Ａ３を点灯し、テレビＡ４でニュースチャンネルを選局し、空気調和器Ａ５で寝室内を適切な温度に設定し、かつ、寝具Ａ６を被験者が起床しやすい状態に調整（電動ベッドのリクライニング調整や空気マットの圧力調整など）することができる。

このように、本構成例の家電制御システムによれば、睡眠センサ１と種々の家電製品Ａ１〜Ａ６を連携させて、被験者に心地の良い寝覚めを提供することが可能となる。

なお、図２では、睡眠センサ１から家電製品Ａ１〜Ａ６が直接的に制御される構成例を挙げて説明を行ったが、家電制御システムの構成はこれに限定されるものではなく、例えば、睡眠センサ１で取得された種々の測定データを解析する情報端末２（図１を参照）が用意されている場合には、この情報端末２から家電製品Ａ１〜Ａ６を制御してもよい。

図３Ａは、睡眠センサ１の第１装着例（額装着型）を示す模式図である。図３Ａでは、アイマスク型筐体１Ｘ（図中の破線を参照）の中央部（被験者の眉間に当接される位置）に睡眠センサ１の本体が配置されている。このように、毛細血管が集中している眉間に睡眠センサ１を配置すれば、光センサ部１１で脈波や血中酸素飽和度の測定を安定して行うことができるので、睡眠状態の測定精度を高めることが可能となる。また、アイマスク型筐体１Ｘは、睡眠センサ１を被覆する遮光部材としても機能する。このような構成とすることにより、光センサ部１１が外光の影響を受けにくくなるので、睡眠状態の測定を安定して行うことが可能となる。また、アイマスク型筐体１Ｘは、その本来の機能として被験者をリラックスさせることができるので、睡眠状態の測定中において被験者に過度のストレスを与えずに済む。

図３Ｂは、睡眠センサ１の第２装着例（耳装着型）を示す模式図である。図３Ｂでは、被験者の外耳に装着されるセンサユニット１Ｙと、被験者の襟や胸に装着される本体ユニット１Ｚが別個に分離して設けられている。センサユニット１Ｙには、各種センサ部１１〜１４が収納されており、本体ユニット１Ｚには、その余の構成要素１５〜２１が収納されている。このような構成とすることにより、被験者の外耳に装着されるセンサユニット１Ｙを小型化することができるので、被験者に違和感を与えずに済む。特に、外耳は、指や腕に比べて体動の少ない部位であるので、光センサ部１１の出力信号が体動ノイズの影響を受けにくく、高精度に脈波や血中酸素飽和度の測定を行うことが可能となる。なお、センサユニット１Ｙの形態については、一般的なイヤホンの形態（インナーイヤー型、カナル型、クリップ型など）を採用してもよいし、或いは、外耳道に挿入される耳栓型を採用しても構わない。

＜脈波測定の原理＞
図４は、光センサ部１１による脈波測定の原理を説明するための模式図であり、図５は生体内における光の減衰量（吸光度）が時間的に変化する様子を示す波形図である。

容積脈波法による脈波測定では、例えば、図４に示す通り、測定窓に押し当てられた生体の一部（図４では外耳Ｅ（耳の構造のうち耳介（耳殻）と外耳道を合わせた部分））に向けて発光部１１Ａ（ＬＥＤ［Light Emitting Diode］など）から光が照射され、体内を透過して体外に出てくる光の強度が受光部１１Ｂ（フォトダイオードやフォトトランジスタなど）で検出される。ここで、図５に示すように、生体組織や静脈血（脱酸素化ヘモグロビンＨｂ）による光の減衰量（吸光度）は一定であるが、動脈血（酸素化ヘモグロビンＨｂＯ_２）による光の減衰量（吸光度）は拍動によって時間的に変動する。従って、可視領域から近赤外領域にある「生体の窓」（光が生体を透過しやすい波長領域）を利用して末梢動脈の吸光度変化を測定することにより、容積脈波を測定することができる。

なお、光センサ部１１（発光部１１Ａ及び受光部１１Ｂ）の装着位置は、外耳Ｅのいかなる部位（舟状窩Ｅ１、耳輪Ｅ２、対耳輪Ｅ３、対耳珠Ｅ４、外耳道Ｅ５、上対耳輪脚Ｅ６、三角窩Ｅ７、下対耳輪脚Ｅ８、耳甲介Ｅ９、耳珠Ｅ１０、珠間切痕Ｅ１１、及び、耳垂Ｅ１２）であってもよいし、或いは、外耳Ｅ以外の部位（指先、指の第３関節、額、眉間、鼻先、頬、眼下、こめかみなど）であってもよい。

本構成例の睡眠センサ１において、光センサ部１１は、発光部１１Ａと受光部１１Ｂが生体を挟んで互いに反対側に設けられた構成（いわゆる透過型、図４の破線矢印を参照）ではなく、発光部１１Ａと受光部１１Ｂが生体に対していずれも同じ側に設けられた構成（いわゆる反射型、図４の実線矢印を参照）とされている。また、本願の発明者らは、外耳Ｅでの脈波測定について、十分に脈波の測定が可能であることを実際に実験で確認済みである。光センサ部１１の具体的な構造については、後ほど詳細に説明する。

＜脈波から分かること＞
なお、心臓及び自立神経の支配を受けている脈波は、常に一定の挙動を示すものではなく、被験者の状態によって様々な変化（揺らぎ）を生じるものである。従って、脈波の変化（揺らぎ）を解析することにより、被験者の様々な身体情報を得ることができる。例えば、心拍数からは、被験者の運動能力や緊張度などを知ることができ、心拍変動からは、被験者の疲労度、快眠度、及び、ストレスの大きさなどを知ることができる。また、脈波を時間軸で２回微分することにより得られる加速度脈波からは、被験者の血管年齢や動脈硬化度などを知ることができる。

＜光センサ部（構造）＞
図６は、光センサ部１１の第１構成例を模式的に示す断面図である。第１構成例の光センサ部１１は、ケース１１ａと、遮光壁１１ｂと、透光板１１ｚと、発光部ｘと、受光部ｙと、を有する。

ケース１１ａは、発光部ｘと受光部ｙを収納する枡形状の部材である。なお、ケース１１ａは、その開口面を塞ぐ透光板１１ｚが筐体１０の表面（外耳Ｅと対向する面）と面一になるように、睡眠センサ１の筐体１０に埋設されている。

遮光壁１１ｂは、ケース１１ａを発光部ｘが載置される第１領域と受光部ｙが載置される第２領域に分割する部材である。遮光壁１１ｂを設けることにより、発光部ｘから受光部ｙへ直接的に入射される光を遮ることができるので、脈波データの検出精度を高めることが可能となる。なお、ケース１１ａと遮光壁１１ｂは、一体成形することが望ましい。

透光板１１ｚは、ケース１１ａの開口面を塞ぐ透光性の部材である。透光板１１ｚを設けることにより、発光部ｘ及び受光部ｙの汚損（埃などの付着）を防止することができるので、発光部ｘ及び受光部ｙとして、樹脂などで封止されていないベアチップ（発光チップ及び受光チップ）を用いることが可能となる。

第１構成例の光センサ部１１であれば、発光部ｘから外耳Ｅに光を照射した後、外耳Ｅを透過して戻ってくる光の強度を受光部ｙで検出することにより、被験者の脈波データを取得することが可能である。

しかしながら、第１構成例の光センサ部１１では、外耳Ｅと発光部ｘ及び受光部ｙとの間に透光板１１ｚが存在するので、外耳Ｅを介することなく透光板１１ｚを介して発光部ｘから受光部ｙへ直接的に光が入射されるおそれがある。また、第１構成例の光センサ部１１では、光センサ部１１と外耳Ｅとの密着性が損なわれたときに、外光が受光部ｙに漏れ入るおそれもある。外耳Ｅを透過していない光が受光部ｙに入射されると、脈波データの検出精度（Ｓ／Ｎ）が低下するので、脈波データの検出精度を向上させるためには、上記の問題を解消しておくことが重要となる。

図７は、光センサ部１１の第２構成例を模式的に示す断面図である。第２構成例の光センサ部１１は、ケース１１ａと、遮光壁１１ｂと、発光部Ｘと、受光部Ｙと、を有する。すなわち、第２構成例の光センサ部１１では、先述の透光板１１ｚが除外されている。

ケース１１ａは、発光部Ｘと受光部Ｙを収納する枡形状の部材である。ケース１１ａの外形寸法（高さＨ０、幅Ｗ０、奥行Ｄ０）は、例えば、Ｈ０＝１．５ｍｍ、Ｗ０＝４．５ｍｍ、Ｄ０＝３．０ｍｍに設計されている。なお、ケース１１ａは、筐体１０の表面から所定寸法Ｈ４（例えばＨ４＝０．３ｍｍ）だけ突出する形で筐体１０に埋設されている。このような構成であれば、ケース１１ａの突出部分によって受光部Ｙに漏れ入る外光を遮ることができるので、脈波データの検出精度を向上することが可能となる。

遮光壁１１ｂは、ケース１１ａを発光部Ｘが載置される第１領域と受光部Ｙが載置される第２領域に分割する部材である。先述の第１実施形態と同じく、遮光壁１１ｂを設けることにより、発光部Ｘから受光部Ｙへ直接的に入射される光を遮ることができるので、脈波データの検出精度を高めることが可能となる。なお、ケース１１ａと遮光壁１１ｂは、一体成形することが望ましい。

発光部Ｘは、基板Ｘ１と、発光チップＸ２と、封止体Ｘ３と、ワイヤＸ４と、導電体Ｘ５と、を有する。基板Ｘ１は、その表面上に発光チップＸ２が載置される部材である。発光チップＸ２は、所定波長の光を出力する発光素子（例えば、緑色ＬＥＤのベアチップ）である。封止体Ｘ３は、発光チップＸ２を封止する透光性の部材である。ワイヤＸ４は、発光チップＸ２と導電体Ｘ５とを電気的に接続する部材である。導電体Ｘ５は、基板Ｘ１の上面から下面にわたって形成された導電性の部材であり、ケース１１ａの底面に形成された配線パターンと半田付けされる。

受光部Ｙは、基板Ｙ１と、受光チップＹ２と、封止体Ｙ３と、ワイヤＹ４と、導電体Ｙ５と、を有する。基板Ｙ１は、その表面上に受光チップＹ２が載置される部材である。受光チップＹ２は、所定の波長領域に属する光を電気信号に変換する光電変換素子（例えば近赤外領域〜可視領域の光感受性を持つフォトトランジスタのベアチップ）である。封止体Ｙ３は、受光チップＹ２を封止する透光性の部材である。ワイヤＹ４は、受光チップＹ２と導電体Ｙ５とを電気的に接続する部材である。導電体Ｙ５は、基板Ｙ１の上面から下面にわたって形成された導電性の部材であり、ケース１１ａの底面に形成された配線パターンと半田付けされる。

このように、第２構成例の光センサ部１１では、発光部Ｘ及び受光部Ｙとして、ベアチップではなくパッケージ型の半導体装置が用いられている。従って、ケース１１ａの開口面を透光板で被覆する必要がなくなるので、透光板を介して発光部Ｘから受光部Ｙへ直接的に光が入射される懸念を払拭することが可能となり、延いては、脈波データの検出精度を高めることが可能となる。

また、第２構成例の光センサ部１１において、遮光壁１１ｂの高さＨ１と発光部Ｘの高さＨ２との間には、Ｈ１＞Ｈ２という関係が成立している。なお、遮光壁１１ｂの高さＨ１は、ケース１１ａの底面から遮光壁１１ｂの上端部までの距離（例えば、Ｈ１＝１．４ｍｍ）を指している。また、発光部Ｘの高さＨ２は、ケース１１ａの底面から発光チップＸ２の発光面までの距離（例えば、Ｈ２＝０．５ｍｍ）を指している。ただし、発光チップＸ２が基板Ｘ１に比べて非常に薄いことを鑑みると、基板Ｘ１の厚みを発光部Ｘの高さＨ２として取り扱うこともできる。

上記の関係式を満たした寸法設計を行えば、発光部Ｘから受光部Ｙへ直接的に入射される光を遮光壁１１ｂで効果的に遮ることができるので、脈波データの検出精度を高めることが可能となる。

ただし、遮光壁１１ｂの高さＨ１に比べて、発光部Ｘの高さＨ２を小さく設計し過ぎると、発光部Ｘから出射された光が生体２に到達するまでに散乱ないし減衰してしまい、受光部Ｙで検出される光の強度が小さくなって脈波データの検出精度が低下する。従って、遮光壁１１ｂの高さＨ１から発光部Ｘの高さＨ２を差し引いたオフセット距離ΔＨ（＝Ｈ１−Ｈ２）には、最適な設計範囲が存在する。

図８は、オフセット距離ΔＨと信号強度（受光信号のピークトゥピーク値）との相関関係を示す波形図であり、上から順に、ΔＨ＝０．６ｍｍ、０．７ｍｍ、０．９ｍｍ、１．１ｍｍ、及び、２．１ｍｍであるときの受光波形が描写されている。図８から、オフセット距離ΔＨが０．９ｍｍであるときに信号強度が最大となることが分かる。この実験結果を鑑みると、オフセット距離ΔＨは、０ｍｍ＜ΔＨ＜２ｍｍ（より好ましくは、０．６ｍｍ≦ΔＨ≦１．４ｍｍ）の設計範囲に収めることが望ましいと言える。

例えば、厚み０．６ｍｍの封止体Ｘ３を備えた発光部Ｘを用いて、オフセット距離ΔＨを０．９ｍｍに設計する場合には、封止体Ｘ３の上面が遮光壁１１ｂの上端部から０．３ｍｍだけ奥まった高さ位置となるように、基板Ｘ１の厚みを設計すればよい。

また、第２構成例の光センサ部１１において、発光部Ｘの高さＨ２と受光部Ｙの高さＨ３との間には、Ｈ２＞Ｈ３という関係が成立している。なお、受光部Ｙの高さＨ３は、ケース１１ａの底面から受光チップＹ２の受光面までの距離（例えば、Ｈ３＝０．３ｍｍ）を指している。ただし、受光チップＹ２が基板Ｙ１に比べて非常に薄いことを鑑みると、基板Ｙ１の厚みを受光部Ｙの高さＨ３として取り扱うこともできる。

上記の関係式を満たした寸法設計を行えば、外光が受光部Ｙに届き難くなるので、脈波データの検出精度を向上することが可能となる。

次に、図９を参照しながら、発光部Ｘと受光部Ｙとの素子間距離Ｗ１に応じて信号強度がどのように変化するかを考察する。図９は、素子間距離Ｗ１と信号強度との相関関係を示す波形図であり、上から順に、Ｗ１＝０．１ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、３．０ｍｍ、及び、５．０ｍｍであるときの受光波形が描写されている。図９から、素子間距離Ｗ１が０．５ｍｍであるときに信号強度が最大となることが分かる。この実験結果を鑑みると、素子間距離Ｗ１は、０．１ｍｍ≦Ｗ１≦３．０ｍｍ（より好ましくは、０．２ｍｍ≦Ｗ２≦０．８ｍｍ）の設計範囲に収めることが望ましいと言える。

次に、図１０Ａ〜図１０Ｄを参照しながら光センサ部１１の変形例について説明する。図１０Ａ〜図１０Ｄは、それぞれ、光センサ部１１の第３〜第６構成例を模式的に示す断面図である。なお、第３構成例〜第６構成例は、先出の第２構成例とほぼ同様の構成であり、脈波データの検出精度をさらに向上するために種々の構成要素が追加されている。

例えば、第３構成例（図１０Ａ）の光センサ部１１は、発光部Ｘの上部に集光レンズ１１ｃを有する。集光レンズ１１ｃを設けることにより、発光部Ｘから出射される光を外耳Ｅに集めて照射することができるので、受光部Ｙで検出される光の強度を高めて脈波データの検出精度を向上することが可能となる。

また、第４構成例（図１０Ｂ）の光センサ部１１において、発光部Ｘが載置される第１領域は、発光部Ｘの発光領域よりも小さい開口部ｄ１を備えた蓋部材１１ｄによって被覆されている。例えば、発光部Ｘの発光領域が０．７ｍｍ四方の矩形領域である場合、開口部ｄ１は、直径０．５ｍｍの円形状や０．５ｍｍ四方の矩形状に形成すればよい。蓋部材１１ｄを設けることにより、発光部Ｘから出射される光の拡散を防止して、発光部Ｘから受光部Ｙへ直接的に入射される光を遮ることができるので、脈波データの検出精度を高めることが可能となる。

また、第５構成例（図１０Ｃ）の光センサ部１１において、受光部Ｙが載置される第２領域は、受光部Ｙの受光領域よりも大きい開口部ｄ２を備えた蓋部材１１ｅによって被覆されている。例えば、受光部Ｙの受光領域が０．７ｍｍ四方の矩形領域である場合、開口部ｄ２は、直径１．０ｍｍの円形状や１．０ｍｍ四方の矩形状に形成すればよい。蓋部材１１ｅを設けることにより、受光部Ｙに漏れ入る外光を遮ることができるので、脈波データの検出精度を高めることが可能となる。

また、第６構成例（図１０Ｄ）の光センサ部１１において、発光部Ｘ及び受光部Ｙの少なくとも一方は、所定の波長成分のみ（発光部Ｘの出力ピーク波長近傍）を選択的に通過させるカラーフィルタＸ６及びＹ６を有する。カラーフィルタＸ６及びＹ６を設けることにより、不要な波長成分を除去することができるので、脈波データの検出精度を高めることが可能となる。

次に、図１１を参照しながら光センサ部１１のさらなる変形例について説明する。図１１は、光センサ部１１の第７構成例を模式的に示す断面図である。なお、第７構成例は、先出の第２構成例とほぼ同様の構成であり、脈波データの検出精度をさらに向上するための工夫が凝らされている。

第７構成例の光センサ部１１は、筐体１０とケース１１ａとの間に緩衝部材１１ｆを有する。緩衝部材１１ｆとしては、ゴムや合成スポンジなどを好適に用いることができる。このような構成とすることにより、光センサ部１１と外耳Ｅとの密着性を高めることができるので、脈波の測定を安定して行うことが可能となる。

なお、上記した第３構成例（図１０Ａ）〜第６構成例（図１０Ｄ）、及び、第７構成例（図１１）で各々追加された構成要素については、各々を単独で適用してもよいし、任意に組み合わせて適用してもよい。

また、上記いずれの構成を採用する場合であっても、受光部Ｙは、発光部Ｘよりも外耳道Ｅ５に近い側（ないしは外耳道Ｅ５の奥側）に配置するとよい。このような構成とすることにより、受光部Ｙに外光が漏れ入りにくくなるので、脈波データの検出精度を高めることが可能となる。

また、外耳Ｅ以外の部位（指先、指の第３関節、額、眉間、鼻先、頬、眼下、こめかみなど）で被験者の脈波データを測定する場合であっても、上記構成の光センサ部１１を好適に用いることができることは言うまでもない。

＜出力波長についての考察＞
実験では、いわゆる反射型の光センサ部１１において、発光部の出力波長をλ１（赤外：９４０ｎｍ）、λ２（緑：６３０ｎｍ）、及び、λ３（青：４６８ｎｍ）とし、発光部の出力強度（駆動電流値）を１ｍＡ、５ｍＡ、１０ｍＡに変化させたときの挙動を各々調査した。その結果、およそ波長６００ｎｍ以下の可視光領域において、酸素化ヘモグロビンＨｂＯ_２の吸収係数が大きくなり、測定される脈波のピーク強度が大きくなるため、脈波の波形を比較的取得しやすいことが分かった。

なお、動脈血の酸素飽和度を検出するパルスオキシメータでは、酸素化ヘモグロビンＨｂＯ_２の吸収係数（実線）と脱酸素化ヘモグロビンＨｂの吸収係数（破線）との差違が最大となる近赤外領域の波長（７００ｎｍ前後）が発光部の出力波長として広く一般的に用いられているが、脈波センサ（特に、いわゆる反射型の脈波センサ）としての利用を考えた場合には、上記の実験結果で示したように、波長６００ｎｍ以下の可視光領域を発光部の出力波長として用いることが望ましいと言える。

ただし、単一の光センサ部１１を用いて、脈波と血中酸素飽和度の両方を検出する場合には、従前と同様、近赤外領域の波長を用いても構わない。

＜その他の変形例＞
なお、本発明の構成は、上記実施形態のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

本発明によれば、より実用的で利便性の高い睡眠センサを実現することが可能である。

１ 睡眠センサ
１Ｘ アイマスク型筐体
１Ｙ センサユニット
１Ｚ 本体ユニット
２ 情報端末（データサーバ、パーソナルコンピュータなど）
１０ 筐体
１１ 光センサ部
１１Ａ 発光部
１１Ｂ 受光部
１１ａ ケース
１１ｂ 遮光壁
１１ｃ 集光レンズ
１１ｄ、１１ｅ 蓋部材
１１ｆ 緩衝部材（ゴムや合成スポンジなど）
１１ｚ 透光板
１２ 温度センサ部
１３ 加速度センサ部
１４ マイクロフォン
１５ 制御部
１６ 表示部
１７ スピーカ
１８ 操作部
１９ 記憶部
２０ 通信部
２１ 電源部
Ａ１ 電動カーテン
Ａ２ オーディオ機器
Ａ３ 照明機器
Ａ４ テレビ
Ａ５ 空気調和器
Ａ６ 寝具（電動ベッドや空気マットなど）
Ｅ 外耳
Ｅ１ 舟状窩
Ｅ２ 耳輪
Ｅ３ 対耳輪
Ｅ４ 対耳珠
Ｅ５ 外耳道
Ｅ６ 上対耳輪脚
Ｅ７ 三角窩
Ｅ８ 下対耳輪脚
Ｅ９ 耳甲介
Ｅ１０ 耳珠
Ｅ１１ 珠間切痕
Ｅ１２ 耳垂
ｘ 発光部（発光チップ）
ｙ 受光部（受光チップ）
Ｘ 発光部
Ｘ１ 基板
Ｘ２ 発光チップ
Ｘ３ 封止体
Ｘ４ ワイヤ
Ｘ５ 導電体
Ｘ６ カラーフィルタ
Ｙ 受光部
Ｙ１ 基板
Ｙ２ 受光チップ
Ｙ３ 封止体
Ｙ４ ワイヤ
Ｙ５ 導電体
Ｙ６ カラーフィルタ

Claims (16)

1. 被験者の脈波に関する測定データまたは脈波と血中酸素飽和度に関する測定データを取得する光センサ部と、
   前記被験者の体温または体表面温度に関する測定データを取得する温度センサ部と、
   前記被験者の体動に関する測定データを取得する加速度センサ部と、
   前記被験者が発する音や声ないしは周囲環境の音に関する測定データを取得するマイクロフォンと、
   睡眠センサ全体の動作を統括的に制御する制御部と、
   画像の出力を行う表示部と、
   音声の出力を行うスピーカと、
   入力操作を受け付ける操作部と、
   各測定データを記憶する記憶部と、
   前記被験者の睡眠状態を解析する情報端末に各測定データを送信する通信部と、
   前記睡眠センサの各部に電力供給を行う電源部と、
   を有することを特徴とする睡眠センサ。
2. 前記制御部は、各測定データを解析して前記被験者の睡眠状態を解析する機能を備えていることを特徴とする請求項１に記載の睡眠センサ。
3. 前記制御部は、前記被験者の脈波に関する測定データから前記被験者のレム睡眠／ノンレム睡眠及び睡眠深度の少なくとも一方を判定し、前記表示部、前記スピーカ、または、外部の家電機器を駆動することを特徴とする請求項２に記載の睡眠センサ。
4. 前記制御部は、前記被験者の血中酸素飽和度に関する測定データから前記被験者の無呼吸症候群を判定し、前記表示部、前記スピーカ、または、外部の家電機器を駆動することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の睡眠センサ。
5. 前記制御部は、前記被験者の体温または体表面温度に関する測定データから前記被験者の睡眠深度を判定し、前記表示部、前記スピーカ、または、外部の家電機器を駆動することを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか一項に記載の睡眠センサ。
6. 前記制御部は、前記被験者の体動に関する測定データから前記被験者の睡眠深度を判定し、前記表示部、前記スピーカ、または、外部の家電機器を駆動することを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれか一項に記載の睡眠センサ。
7. 前記制御部は、前記被験者の発する音や声ないしは周囲環境の音に関する測定データから前記被験者の状態を判定し、前記表示部、前記スピーカ、または、外部の家電機器を駆動することを特徴とする請求項２〜請求項６のいずれか一項に記載の睡眠センサ。
8. 前記光センサ部は、発光部から前記被験者の生体に光を照射した後、前記生体内を透過して戻ってくる光の強度を受光部で検出することにより、前記被験者の脈波に関する測定データまたは脈波と血中酸素飽和度に関する測定データを取得することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の睡眠センサ。
9. 前記光センサ部は、枡形状のケースと、前記ケースを前記発光部が載置される第１領域と前記受光部が載置される第２領域に分割する遮光壁と、を有することを特徴とする請求項８に記載の睡眠センサ。
10. 前記遮光壁の高さＨ１と前記発光部の高さＨ２と前記受光部の高さＨ３との間には、Ｈ１＞Ｈ２＞Ｈ３という関係が成立することを特徴とする請求項９に記載の睡眠センサ。
11. 前記ケースは、前記光センサ部を担持する筐体から突出する形で埋設されていることを特徴とする請求項１０に記載の睡眠センサ。
12. 前記光センサ部は、前記筐体との間に緩衝部材を有することを特徴とする請求項１１に記載の睡眠センサ。
13. 前記発光部の出力波長は、およそ６００ｎｍ以下の可視光領域に属することを特徴とする請求項８〜請求項１２のいずれか一項に記載の睡眠センサ。
14. 請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載の睡眠センサと、
    前記睡眠センサで取得された測定データの解析やログ取得を行う情報端末と、
    を有することを特徴とする体調管理システム。
15. 請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載の睡眠センサと、
    前記睡眠センサまたは前記情報端末を用いて判定された被験者の睡眠状態に応じて駆動される家電機器と、
    を有することを特徴とする家電制御システム。
16. 前記家電機器は、電動カーテン、オーディオ機器、照明機器、テレビ、空気調和器、及び、寝具の少なくとも一つであることを特徴とする請求項１５に記載の家電制御システム。