JP2798764B2 - 半導体圧脈波センサ - Google Patents

半導体圧脈波センサ

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JP2798764B2
JP2798764B2 JP2002293A JP229390A JP2798764B2 JP 2798764 B2 JP2798764 B2 JP 2798764B2 JP 2002293 A JP2002293 A JP 2002293A JP 229390 A JP229390 A JP 229390A JP 2798764 B2 JP2798764 B2 JP 2798764B2
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公夫 藤川
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    • A61B2562/04—Arrangements of multiple sensors of the same type
    • A61B2562/043—Arrangements of multiple sensors of the same type in a linear array

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、圧脈波センサに関するものであり、特に、
その圧脈波センサを小型とする技術に関するものであ
る。
従来の技術 生体の動脈内において周期的に発生する圧力変動波、
すなわち圧脈波は血圧値だけでなく循環器の作動状態を
反映しているため、血圧値の測定或いは循環器の診断な
どのために生体動脈内の圧脈波を非観血的に検出するこ
とが望まれる。
これに対し、生体の皮膚直下の動脈に発生する圧脈波
を非観血的に検出するためにその動脈の真上を皮膚上か
ら押圧する形式の脈波検出装置が提案されている。たと
えば、米国特許第4423738号に記載されている脈波検出
装置がそれである。このような形式の脈波検出装置にお
いて、生体に装着される脈波センサは、複数の感圧素子
が設けられた半導体基板と、この半導体基板を生体の動
脈上に押圧する押圧手段とを備えている。その半導体基
板の下面（押圧面）には複数の凹陥部が局所的に形成さ
れることによって薄肉部が形成され且つこの薄肉部に発
生する歪を検出して電気信号に変換するために例えばピ
エゾ抵抗素子から成るブリッジ（感圧素子）が設けられ
ているのである。通常、それら複数の感圧素子から出力
される信号は、上記半導体基板が取り付けられた配線基
板の実装された能動素子により処理される。たとえば、
マルチプレクサにより信号が多重化された後、その多重
化された信号がプリアンプにより増幅され、さらにA/D
変換器へ送信されてそこでデジタル信号変換されてから
コンピュータにより解析される。
発明が解決すべき課題 ところで、上記のように構成された従来の圧脈波セン
サにおいては、圧脈波センサと脈波検出装置本体との間
の配線本数を少なくするために、半導体基板が取り付け
られる配線基板に、少なくともマルチプレクサやプリア
ンプなどの能動素子が実装される。このため、生体に装
着される脈波センサの寸法が大きくなることが避けられ
なかった。脈波センサが大きくなると、外部接触や生体
の体動の影響を受ける機会が多くなり、脈波検出が大き
な影響を受けるのである。
本発明は以上の事情を背景として為されたものであ
り、その目的とするところは、外部接触や生体の体動の
影響を受ける機会の少ない小型の脈波センサを提供する
ことにある。
課題を解決するための手段 斯る目的を達成するための本発明の要旨とするところ
は、半導体基板の一面において凹陥部を局所的に形成す
ることにより設けられた薄肉部に、その薄肉部に発生す
る歪を電気信号に変換する感圧素子を備え、その半導体
基板を生体に押圧することによりその生体内の動脈から
発生する圧脈波を検出する半導体圧脈波センサにおい
て、前記感圧素子から出力される電気信号を処理するた
めの能動素子を、前記半導体基板に一体に設けたことに
ある。
作用および発明の効果 このようにすれば、感圧素子から出力される電気信号
を処理するための能動素子が前記半導体基板に一体に設
けられているので、その半導体基板に一体に設けられた
能動素子の分だけ、半導体基板が取り付けられる配線基
板に能動素子を設けることが不要となり半導体圧脈波セ
ンサが小型となる。したがって、外部接触や生体の体動
の影響を受ける機会が少なくなり、一層、脈波検出が安
定化される。
実施例 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明
する。
第２図は、本発明の一実施例である脈波検出装置にお
いて、生体の手首に装着されるプロープを示す斜視図で
ある。ハウジング10は、樹脂製であって全体として容器
状を成し、長手方向の側面の基本形状が三日月状に形成
されているとともに、底壁の幅方向中間部が長手方向に
沿って所定形状に突き出した形状とされている。このよ
うなハウジング10は、後述の第４図に示すように、その
開口端がたとえば手首などの生体の一部においてその表
面12に対向する状態で装着バンド14により着脱可能に取
り付けられるようになっている。
第３図および第４図に詳しく示すように、減速ギアユ
ニット22をハウジング10に固定するために、断面Ｌ字形
の樹脂製の支持プレート24がねじ部材23により減速ギア
ユニット22に固定されており、その一面から突き出す一
対のブラケット26（一方のみ図示）がねじ部材25により
ハウジング10の相対向する側壁18,20に固着されてい
る。減速ギアユニット22は、第１歯車30と噛み合う第２
歯車32と、第２歯車32と同軸に固定された第３歯車34
と、第３歯車34と噛み合う第４歯車36と、第４歯車36と
同軸に固定された第５歯車38と、第５歯車38と噛み合う
状態で駆動モータ40の出力軸42に固定された第６歯車44
とを金属製の枠部材28内にそれぞれ回転可能に備えてい
る。上記第１歯車30は、枠部材28に嵌め着けられた樹脂
製の軸受46を貫通した送りねじ48の一端部に固定されて
いる。これにより、送りねじ48と駆動モータ40とが作動
的に連結され、駆動モータ40により送りねじ48が回転駆
動されるようになっている。なお、上記駆動モータ40
は、枠部材28に固定されている。
ハウジング10の端部には、偏心軸受50を嵌め着けるた
めの穴52が形成されており、前記送りねじ48の多端部は
その偏心軸受50により支持されている。これにより送り
ねじは48は、回転可能な状態でハウジング10の幅方向中
央に位置させられている。上記偏心軸受50は、軸芯から
ずれた位置に形成された偏心穴を備えて前記穴52に嵌め
入れられており、この偏心軸受50の軸まわりの回転位置
が変更されることにより、偏心穴に嵌合された送りねじ
48の他端部が第４図中上下および左右方向に変位させら
れるようになっている。
押圧装置66は、第３図および第４図に示すように、送
りねじ48に螺合された螺合部材68およびその螺合部材68
の下側にダイアフラム70を介して固定された角筒状部材
72とから構成されている。そして、ダイアフラム70の中
央部には、脈波センサ74が固定されている。上記螺合部
材68とダイアフラム70とによって圧力室76が形成される
ので、この圧力室76に図示しない圧力調節装置から所定
の圧力が供給されると、上記脈波センサ74が圧力室76の
圧力に応じた押圧力で生体の表面12に向かって押圧され
るようになっている。脈波センサ74の押圧面78には、後
述のように、半導体歪抵抗や感圧ダイオード等から構成
された複数の圧力検出素子100が配列された半導体基板
が設けられており、動脈80の壁の一部が平坦になるよう
に押圧された状態で、動脈80から心拍に同期して発生す
る圧脈波が検出されるようになっている。
上記押圧装置66は、外周形状が四角形状を成してお
り、その両側面には、第３図に示すように、一対の案内
溝82が設けられている。一方、バウジング10の側壁18,2
0の内壁面であって上記案内溝82と対応する位置には、
第３図および第４図に示すように、一対のガイドレール
84が設けられており、押圧装置66はその案内溝82および
ガイドレール84により動脈80と略直交する方向において
所定の移動ストローク内でがたつきなく直線的に案内さ
れるようになっている。
上記のように、本実施例では、一端に第１歯車30が固
定されている送りねじ48の他端部が、偏心軸受50により
回転可能に支持されていることから、その偏心軸受50の
まわりの回転位置を工具などを用いて変更することによ
り、送りねじ48の他端部の支持位置が移動させられ、そ
れに伴って送りねじ48の一端部に固定された第１歯車30
の軸芯位置が移動させられる。すなわち、送りねじ48
は、軸受46を支点として僅かに回動させられるのであ
る。これにより、組立てに際して減速ギヤユニット22の
第２歯車32と送りねじ48の一端部に固定された第１歯車
30との軸心間距離が調整されてそれらの噛合状態が良好
に設定される。したがって、第１歯車30と第２歯車32と
の間の軸心間距離のばらつきに起因して脈破センサ74が
円滑に移動され得なかったり、或いは異常摩耗に起因し
て耐久性が損なわれたりすることが解消されるととも
に、第１歯車30と第２歯車32との寸法誤差を解消するた
めに各構成部品の公差を小さくする必要がないので、装
置が高価となることがない。
前記脈波センサ74は、第５図に示すように、導体が積
層配線されたセラミック基板90と、セラミック製或いは
樹脂製などの電気的絶縁材料から構成されて上記セラミ
ック基板90に接着されたスペーサ92と、そのスペーサ92
により支持されて生体の皮膚に押圧される押圧板94とを
備えている。この押圧板94は、第６図の斜視図に示すよ
うにガラスなどの材料から構成された比較的剛性の高い
バックアップ板96と、このバックアップ板96の一面に接
着された半導体基板98とから構成されている。上記バッ
クアップ板96と半導体基板98とは、エポキシ樹脂合或り
はシリコンゴムなどにより好適に接着される。上記バッ
クアップ板96は、ガラス製或いは半導体基板98と同じ半
導体製の厚肉板などが用いられる。上記バックアップ板
96と半導体基板98との間の熱膨張差の影響をなくすにた
めには、接着剤としてエポキシ樹脂よりシリコンゴムを
用いることが一層効果的であり、また、バッグアップ板
96としてはガラス製より半導体製厚肉板を用いることが
一層効果的である。したがって、半導体基板98と同じ半
導体製のバックアップ板96の上にシリコンゴムを用いて
半導体基板98を接着することが最も好ましい組み合わせ
である。また、本実施例では、たとえば500μｍ乃至150
0μｍの厚みとされることにより剛性が高められたバッ
クアップ板96には、スペーサ92およびセラミック基板90
の中央穴を通して半導体基板96の裏面（非押圧側の面）
に大気圧を導くための図示しない２本の貫通穴が設けら
れている。半導体基板98は、300ミクロン程度の厚みを
備えており、その裏面に図示しない長手状の凹陥部が形
成されることにより、第１図に示すように、厚みが数乃
至十数ミクロンの薄肉部106が長手状に形成されてい
る。
本実施例では、半導体基板98はシリコン単結晶板であ
り、第６図に示すように、その中央部には、接触圧を検
知するための複数（本実施例では４個）の感圧素子100
が一方向に沿って配列されている。本実施例の脈波検出
装置は、臓器感圧素子100が動脈80の真上に位置し且つ
それらの配列方向が動脈80と直交する姿勢で、脈波セン
サ74が押圧されるようになっている。
第１図は上記半導体基板98の正面（押圧面78）から見
たパターン図であり、第７図はその半導体基板98に設け
られた回路図である。第１図の薄肉部106には、４つの
歪抵抗素子110a、110b、110c、110dを有するブリッジか
ら成る感圧素子100が、クロストークを防止するために2
00乃至250ミクロンの間隔で配設されている。歪抵抗素
子110a、110b、110c、110dは、たとえば所定の不純物の
拡散或いは注入などの良く知られた半導体製造手法を用
いて形成され、また、それら歪抵抗素子110a、110b、11
0c、110dを接続するための導体112a、112b、112c、112d
も、所定の不純物の拡散或いは注入やアルミニウム蒸着
などの良く知られた半導体製造手法を用いて形成されて
いる。上記歪抵抗素子110a、110b、110c、110dおよび導
体112a、112b、112c、112dにより構成されたブリッジか
らは、薄肉部106に加えられた歪に対応した電気信号が
出力される。なお、上記歪抵抗素子110a、110b、110c、
110dおよび導体112a、112b、112c、112dは、半導体基板
98の不純物濃度を局所的に高めることにより構成されて
いるので、通常は黙視できない部分がある。
第１図に示すように、本実施例の半導体基板98におい
て感圧素子100の両側には、よく知られた半導体製造技
術を用いて、４つの感圧素子100をそれぞれ構成する４
個のブリッジの出力信号を一対の端子Out1およびOut2か
ら順次出力させるための第１マルチプレクサ118aおよび
第２マルチプレクサ118bが一体に設けられている。第７
図に詳しく示すように、第１マルチプレクサ118aは、４
個のアナログスイッチ120aと、２個の制御端子C1および
C2に供給される２種類の制御信号の組み合わせに従って
上記４個のアナログスイッチ120aを順次駆動制御するた
めの４個のアンドゲート122aおよび２個のインバータ12
4aとから構成されており、また、第２マルチプレクサ11
8bも、４個のアナログスイッチ120bと、一対の制御端子
C1およびC2に供給される制御信号に従って上記のアナロ
グスイッチ120bを順次駆動制御するための４個のアンド
ゲート122bと２個のインバータ124bとから構成されてい
る。
このため、第５図に示すように、脈波センサ74では、
上記ブリッジの電源電圧V9を発生させるブリッジ電源回
路126とプリアンプ130とが、積層導体配線が設けられた
セラミック基板90に半田付け或いはワイヤボンディング
などにより実装されている。また、前記半導体基板98の
端子は、セラミック基板90に設けられ端子列と所定の間
隔の導線パターンを備えたフレキシブルフラットケーブ
ル128により接続されている。このフレキシブルフラッ
トケーブル128は、たとえば、ポリイミド樹脂フィルム
の片面に粘着された銅箔をエッチングし且つ端子部分に
金またはその合金をメッキすることにより構成されてお
り、半導体基板98では、その押圧面に配列された端子に
フラットケーブル128の一端部が熱圧着または超音波圧
着によって接続される。そして、上記のように固定され
且つ接続された半導体基板98の押圧面は比較的軟質の樹
脂114によりコーティングされるとともに、上記ブリッ
ジ電源回路126、プリアンプ130などが比較的硬質の樹脂
からなるカバー116により保護されている。
第８図は、本実施例の脈波センサ74を含む脈波検出装
置の電気的構成を示すブロック線図である。図におい
て、半導体基板98の感圧素子100から出力された脈波信
号は、第１マルチプレクサ118aおよび第２マルチプレク
サ118bにより所定の周期で時分割されて多重化された
後、プリアンプ130により増幅され、装置本体132に設け
られたデマルチプレクサ134により前記４個の感圧素子1
00に対応した４チャンネルのアナログ信号に戻される。
そして、それらアナログ信号はアンプ136により増幅さ
れた後、A/D変換器138によりデジタル信号化されて演算
制御ユニット140へ供給される。この演算制御ユニット1
40は、CPU、ROM、RAM、入出力インタフェースなどから
なる所謂マイクロコンピュータにより構成されている。
CPUは、AMの記憶機能を利用しつつ、予めROMに記憶され
たプログラムに従って入力信号を処理し、脈波センサ74
が動脈80の真上に位置するように駆動モータ40を駆動す
るモータ駆動回路144を制御する一方、動脈80の壁の一
部が平坦となるように図示しない圧力制御回路を制御し
て押圧装置66を駆動する。また、４チャンネルの脈波信
号のうち動脈80の真上に位置する感圧素子100から出力
された最適の信号を選択し、その信号に基づいて脈波形
を表示器142に表示するとともに、その脈波形の上のピ
ーク値および下ピーク値を決定し、最高血圧値および最
低血圧値を表示器142に表示する。
以上のように構成された脈波検出装置の脈波センサ74
においては、前記第１図に示すように、半導体基板98に
は、感圧素子100だけでなく、第１マルチプレクサ118a
および第２マルチプレクサ118bが一体に設けられている
ので、その半導体基板98に一体に設けられた能動素子で
ある第１マルチプレクサ118aおよび第２マルチプレクサ
118bの分だけ、セラミック基板98に外付部品を設けるこ
とが不要となり、半導体圧脈波センサ74が小型となる。
したがって、脈波検出時において、外部接触や生体の体
動の影響を受ける機会が少なくなり、一層、脈波検出が
安定化されるのである。
因に、第９図は、半導体基板98に感圧素子100だけが
設けられた従来の脈波センサを示している。図におい
て、セラミック基板90にはマルチプレクサ118aおよび第
２マルチプレクサ118bなどが実装されているので、脈波
センサ74の外寸法、特に厚み寸法が大きくなっている。
また、上述の実施例の半導体基板98には、感圧素子10
0に加えて、第１マルチプレクサ119aおよび第２マルチ
プレクサ118bが一体に設けられていたが、プリアンプ13
0やブリッジ電源回路126も一体に設けられてもよい。こ
の場合には、第10図に示すように、セラミック基板90に
は半導体基板98以外に能動素子を実装する必要がなくな
り、一層脈波センサ74が小型となる利点がある。
以上、本発明の一実施例を図面に基づいて説明した
が、本発明はその他の態様においても適用される。
たとえば、前述の実施例においては、感圧素子100が
長手状の薄肉部106に所定間隔で設けられていたが、個
々の独立した凹陥部の薄肉部に感圧素子をそれぞれ設け
てもよいし、上記凹陥部が押圧面78側から形成され、そ
の凹陥部内にシリコンゴムなどのフィラーが充填されて
いてもよいのである。
また、前述の半導体基板98にはシリコン単結晶板が用
いられていたが、ガリウム−砒素などの化合物半導体の
単結晶板が用いられてもよい。
なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施例であ
り、本発明はその目的を逸脱しない範囲で種々変更が加
えられ得るものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は、第５図の脈波センサに備えられた半導体基板
の配線パターンを示す正面図である。第２図は、本発明
の一実施例の脈波センサを含むプローブを示す斜視図で
ある。第３図は第２図の装置の横断面を示す図であり、
第４図は第２図の装置の縦断面を示す図である。第５図
は第２図の実施例の脈波センサを詳しく示す要部断面図
である。第６図は、第５図の押圧板を示す斜視図であ
る。第７図は、第１図の半導体基板の回路構成を説明す
る図である。第８図は、脈波検出装置の電気的構成を説
明するブロック線図である。第９図は従来の脈波センサ
を示す第５図に相当する図である。第10図は他の実施例
を示す第５図に相当する図である。 74:脈波センサ（半導体圧脈波センサ） 98:半導体基板 100:感圧素子 106:薄肉部 118a:第１マルチプレクサ（能動素子） 118b:第２マルチプレクサ（能動素子）
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) A61B 5/02

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体基板の一面において凹陥部を局所的
    に形成することにより設けられた薄肉部に、該薄肉部に
    発生する歪を電気信号に変換する感圧素子を備え、該半
    導体基板を生体に押圧することにより該生体内の動脈か
    ら発生する圧脈波を検出する半導体圧脈波センサにおい
    て、 前記感圧素子から出力される電気信号を処理するための
    能動素子を、前記半導体基板に一体に設けたことを特徴
    とする半導体圧脈波センサ。
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