JP3131841B2 - 圧力センサ，該センサを用いた圧力振動検出装置および脈波検出装置 - Google Patents

圧力センサ，該センサを用いた圧力振動検出装置および脈波検出装置

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 技術分野 この発明は、例えば腕時計に組み込んで脈波を検出す
るのに好適な圧力センサ、該圧力センサを用いて圧力振
動を検出する圧力振動検出装置、および該出力センサを
用いて被験者の脈波を検出する脈波検出装置に関する。
背景技術 脈波とは、心臓から拍出され、血管を伝播する血液の
波をいうが、この脈波を検出し解析することによって、
種々の医学的情報を得られることが知られている。例え
ば、脈波波形の数学的座標（極大点、極小点、偏極点な
ど）から被験者の身体的・精神的情報を得ることがで
き、さらに、脈波の伝搬速度とは正の相関関係（比例関
係）にある血圧値も求めることができる。
このような脈波を検出するためのセンサとしては、従
来、主に次のような２つ型があった。すなわち、 被験者の指尖部に赤外線を照射して、該赤外線の
（血液による）反射量を検出する型と、 被験者の動脈、例えば橈骨動脈に圧力センサを押圧
するように設置して、その検出信号を得る型とである。
の型は、赤外線発光ダイオードとフォトセンサと
を、発光方向と検出方向とが適切となるように配設する
ことによって行なわれる。
また近年、測定した脈波に基づいて心身状態を診断す
るのを、手軽で正確に、しかも継続的に行ないたい、と
いう要望が高まっている。
このような要望を解決するには、被験者が日常生活を
送る上で身につけるもの、例えば腕時計に脈波を検出す
るセンサを設け、検出した脈波から心身状態を診断する
機能を付加することが考えられる。
しかしながら、腕時計にセンサを設け、上記あるい
はの型で脈波を測定するには、次のような問題があっ
た。すなわち、 血液の赤外線反射量を検出する型では、腕時計匡体
の表面に、被験者の指尖部を接触させるための領域を設
けなければならない。匡体表面には通常、表示部が設け
られているので、腕時計という限られたスペースに、脈
波を検出するための領域を設けるのは困難であり、腕時
計の外観デザインにも大きな制約を与えてしまう、とい
う問題があった。
また、従来の一般的な圧力センサを用いる場合に
は、該圧力センサの検出領域と橈骨動脈とを一致させな
ければならない。腕時計の装着状態は人によってマチマ
チであり、橈骨動脈の位置もまた個人差が大きい。した
がって、万人が、圧力センサの検出領域と橈骨動脈とを
容易に一致させることは困難である、という問題があっ
た。
発明の開示 よって、本発明の目的は、脈波を検出することが可能
な新規な圧力センサを提供することであり、さらにこの
圧力センサを用いた圧力振動検出装置、およびこの圧力
振動検出装置を応用して、上記問題を解決し、しかも腕
時計の外観デザインにほとんど制約を与えない脈波検出
装置を提供することにある。
従って、第１の発明あっては、平面上の異なる位置で
の圧力を互いに検出し、該位置での圧力に応じた信号を
それぞれ出力する少なくとも３つ以上の圧力検出手段
と、凸形状であって、その底面が前記少なくとも３つ以
上の圧力検出手段の検出位置を覆うように、前記平面に
係着する弾性部材とを具備し、前記弾性部材の露出面を
被測定面に押圧することによって、前記被測定面での圧
力振動を検出することを特徴としている。この発明によ
れば、弾性部材の露出面上において圧力振動が生じる
と、該圧力振動は、弾性部材内を弾性波となって伝播
し、伝播距離の２乗に反比例して減衰し、圧力検出手段
の各々によって該圧力振動を示す信号に変換される。し
たがって、圧力を電気信号として検出することができ
る。
第２の発明にあっては、第１の発明において、前記弾
性部材と前記少なくとも３つ以上の圧力検出手段とが、
弾性を有する接着層によって接合されることを特徴とし
ている。この発明によれば、弾性部材の微小変位が、圧
力検出手段に直接加わるのを防止することができ、検出
精度をより高めることができる。
第３の発明にあっては、第１の発明において、前記少
なくとも３つ以上の圧力検出手段は４つであり、これら
の検出位置が、それぞれ前記弾性部材の底面中心にて互
いに直交する軸上にあって、前記底面中心から互いに等
距離に位置することを特徴とししている。この発明によ
れば、圧力の検出位置が弾性部材の底面中心に対して互
いに対称的に配置される。このため、圧力振動発生地点
が移動する際においても、弾性部材の減衰性を各圧力手
段に対して等価とすることができる。また、圧力振動地
点の移動方向が弾性部材の頂点を通り、検出位置の設置
軸のどちらか一方に一致させれば、弾性波の伝播距離を
最小とすることができるので、より精度良く圧力を検出
することが可能となる。
第４の発明にあっては、第１の発明において、前記少
なくとも３つ以上の圧力検出手段は、互いに同一半導体
基板に形成されることを特徴としている。この発明によ
れば、半導体の製造技術を用いることが可能となるの
で、非常に小型・高精度で製造することが可能となる。
第５の発明にあっては、第４の発明において、前記弾
性部材の底面下であって、前記平面上の異なる位置に対
してそれぞれ開口する中空室を備え、前記少なくとも３
つ以上の圧力手段の各々は、当該中空室内にそれぞれ収
納されて、当該中空室の内圧をそれぞれ検出することを
特徴としている。
第６の発明にあっては、第５の発明において、前記中
空室に、液状物質を充填したことを特徴としている。こ
れら第５〜６の発明によれば、第２の発明と同様に、弾
性部材の微小変位が、圧力検出手段に直接加わるのを防
止することができ、検出精度をより高めることができ
る。
第７の発明にあっては、第４の発明において、前記弾
性部材の底面下であって、前記平面上の異なる位置に対
してそれぞれ開口する中空室と、前記中空室での各内圧
を、前記少なくとも３つ以上の圧力検出手段の各々に導
く圧力伝達路とを備え、前記少なくとも３つ以上の圧力
手段の各々が、当該圧力伝達路の内圧をそれぞれ検出す
ることを特徴としている。
第８の発明にあっては、第７の発明において、前記中
空室および前記圧力伝達路の各々に、液状物質を充填し
たことを特徴としている。
第９の発明にあっては、第７の発明において、前記圧
力伝達路は、剛体からなることを特徴としている。これ
ら第７〜９の発明によれば、圧力を検出すべき位置にか
かわらず圧力検出手段を配置することができる。とくに
圧力伝達路を平面中心に向けるように設ければ、圧力検
出手段を集約することができるので、半導体基板の単位
面積当たりに、多数の圧力検出手段を形成することがで
き、コスト低下に寄与することができる。
第10の発明にあっては、第１の発明において、前記被
覆部材よりも高い弾性率を有する高弾性部材を、前記弾
性部材の露出面に被覆したことを特徴としている。この
発明によれば、高弾性部材の被覆によって、露出表面に
沿って伝搬する表面弾性波が小さくなり、その分検出方
向に向かう弾性波が大きくなるので、各圧力検出手段か
ら出力される信号のレベルを大きくすることができる。
第11の発明にあっては、第１の発明において、前記弾
性部材よりも高い弾性率を有する高弾性部材の小片を、
前記弾性部材の露出面に離散的に配置したことを特徴と
している。この発明によれば、弾性部材の露出面上での
振動発生が離散的となるが、高弾性部材の配置によって
露出表面に沿って伝搬する表面弾性波を小さくすること
ができるので、その分検出方向に向かう弾性波を大きく
することができるので、各圧力検出手段から出力される
信号のレベルを大きくすることができる。
第12の発明にあっては、第１の発明において、前記少
なくとも３つの圧力検出手段の各々は、所定のバイアス
印加によって、圧力に応じた信号をそれぞれ出力するも
のであり、前記少なくとも３つ以上の圧力検出手段の各
々に、所定のバイアスをそれぞれ均等に印加するバイア
ス印加手段を備えることを特徴としている。この発明に
よれば、均等なバイアス印加によって、前記少なくとも
３つ以上の圧力検出手段からそれぞれ出力される信号同
士を同一条件下で比較することができる。
第13の発明にあっては、第12の発明において、前記バ
イアス印加手段は、前記少なくとも３つ以上の圧力検出
手段の各々に、圧力を測定すべき期間のみ前記バイアス
をそれぞれ印加することを特徴としている。
第14の発明にあっては、第12の発明において、前記バ
イアス印加手段は、前記少なくとも３つ以上の圧力検出
手段の各々に、前記バイアスをそれぞれ断続的に印加す
ることを特徴としている。
第15の発明にあっては、第12の発明において、前記バ
イアスは、定電流パルスであることを特徴としている。
これら第13〜15の発明によれば、各圧力検出手段の駆動
が間欠的となり、各圧力検出手段にバイアスを常時印加
するときと比較して、圧力測定時の消費電力を小さくす
ることができる。
第16の発明にあっては、第12の発明において、前記少
なくとも３つ以上の圧力検出手段の出力信号の各々をデ
ィジタル信号に変換する変換手段を備えることを特徴と
している。
第17の発明にあっては、第16の発明において、前記変
換手段は、前記バイアス印加手段による前記少なくとも
３つ以上の圧力検出手段へのバイアス印加時に、ディジ
タル信号への変換動作を行なうことを特徴としている。
第18の発明にあっては、第16の発明において、前記変
換手段により変換されたディジタル信号のうち少なくと
も１つ以上を順次記憶する第１の記憶手段を備えること
を特徴としている。これら第16〜18の発明によれば、前
記少なくとも３つ以上の圧力検出手段の出力信号の各々
が効率良くディジタル信号に変換されるので、種々のデ
ィジタル処理が可能となる。
第19の発明にあっては、第16の発明において、被測定
面は被験者の皮膚であり、前記弾性部材が押圧された部
位近傍に位置する動脈からの脈波を、前記少なくとも３
つ以上の圧力手段のうち１つ以上によって圧力振動とし
て検出することを特徴としている。この発明によれば、
弾性部材の露出面が被験者に押圧されると、押圧された
部位近傍に位置する脈波によって弾性部材の露出面上に
て圧力振動が発生する。脈波による圧力振動は、弾性部
材を弾性波となって伝播し、伝播距離の２乗に反比例し
て減衰し、圧力検出手段の各々によって脈波を示す信号
に変換される。これにより、被験者の脈波を検出するこ
とができる。
第20の発明にあっては、第19の発明において、前記弾
性部材は、被験者の腕に巻回される帯状体により被験者
に装着されることを特徴としている。
第21の発明にあっては、第19の発明において、前記弾
性部材が押圧された部位近傍の動脈は、橈骨動脈である
ことを特徴としている。これら第20〜21の発明によれ
ば、圧力センサが被験者の腕に常時巻回されるので、脈
波を恒常的に検出することが可能となる。
第22の発明にあっては、第19の発明において、前記少
なくとも３つ以上の圧力手段のうち１つ以上によって検
出された脈波の波形の数学的座標を検出する数学的座標
算出手段を備えることを特徴としている。この発明によ
れば、脈波波形の数学的座標が求められることにより、
被験者の生体状態を得るのに必要なデータをそろえるこ
とができる。
第23の発明にあっては、第22の発明において、前記数
学的座標算出手段により検出された数学的座標に基づい
て被験者の生体状態を判別する判別手段を備えることを
特徴としている。
第24の発明にあっては、第23の発明において、前記判
別手段によって判別された被験者の生体状態を表示する
第１の表示手段を備えることを特徴としている。これら
第23〜24の発明によれば、被験者の生体状態を被験者自
身に表示することができる。
第25の発明にあっては、第22の発明において、前記数
学的座標算出手段が、脈波波形の最低値および前記最低
値から数えて３番目の極大値を検出するとその旨を示す
信号を出力する脈波波形数学的座標検出手段を特徴とし
ている。この発明によれば、被験者の生体状態を得るの
に必要な期間を判別することができる。
第26の発明にあっては、第19の発明において、前記弾
性部材が押圧された部位近傍に位置する動脈からの脈波
により前記弾性部材の露出面上にて発生した圧力振動地
点を前記平面上に投影した座標を、前記少なくとも３つ
以上の圧力検出手段による各検出信号の比から、所定時
間毎に求める第１の演算手段と、前記第１の演算手段に
より所定時間毎に求めた座標の移動速度を求める第２の
演算手段とを備え、該移動速度を、該動脈の脈波伝搬速
度として出力することを特徴としている。この発明によ
れば、弾性部材の露出面が被験者に押圧されると、押圧
された部位近傍に位置する動脈の脈波によって弾性部材
の露出面上にて圧力振動が発生する。この圧力振動は脈
波の伝藩にしたがって移動するので、露出面上での圧力
振動地点を平面上に投影した座標を、第１の演算手段に
より所定時間毎に求めて、求めた座標の移動速度を第２
の演算手段により算出することにより、脈波伝搬速度が
求められる。
第27の発明にあっては、第26の発明において、前記移
動速度の大きさを判別して、前記所定時間の期間を変化
させる第１の時間間隔制御手段を備えることを特徴とし
ている。この発明によれば、第１の演算手段により座標
を求める間隔が、座標の移動速度に応じて変化すること
になるので、座標の演算を効率良く行なうことが可能と
なる。
第28の発明にあっては、第26の発明において、予め脈
波伝搬速度と一般的血圧値との相関関係を記憶する第２
の記憶手段と、被験者の個人データを設定する設定手段
と、出力される脈波伝搬速度に対応する一般的血圧値を
読み出し、設定された個人データを乗じて、被験者の血
圧値として出力する血圧値算出手段とを備えることを特
徴としている。
第29の発明にあっては、第28の発明において、前記血
圧値算出手段によって出力された被験者の血圧値の情報
を表示する第２の表示手段を備えることを特徴としてい
る。これら第28〜29の発明によれば、求めた脈波伝搬速
度から被験者の血圧値の情報を得ることができる。
第30の発明にあっては、第19の発明において、前記弾
性部材が押圧された部位近傍に位置する動脈からの脈波
により前記弾性部材の露出面上にて発生した圧力振動地
点を前記平面上に投影した座標を、前記少なくとも３つ
以上の圧力検出手段による各検出信号の比から、所定時
間毎に求める第１の演算手段と、前記第１の演算手段に
より所定時間毎に求めた各座標をそれぞれプロットして
表示する第３の表示手段とを備えることを特徴としてい
る。この発明によれば、弾性部材の露出面が被験者に押
圧されると、押圧された部位近傍に位置する動脈の脈波
によって弾性部材の露出面上にて圧力振動が発生する。
この圧力振動は脈波の伝搬にしたがって移動するので、
露出面上での圧力振動地点を平面上に投影した座標を、
第１の演算手段により所定時間毎に求めて、求めた座標
を表示手段によりプロットして表示することにより、動
脈位置の表示をすることができる。
第31の発明にあっては、第30の発明において、前記座
標の移動速度を求めてその大きさを判別し、前記所定時
間の期間を変化させる第２の時間間隔制御手段を備える
ことを特徴としている。この発明によれば、座標を求め
る間隔が、座標の移動速度に応じて変化することになる
ので、動脈の位置をより細密に表示することが可能とな
る。
第32の発明にあっては、第30の発明において、前記第
３の表示手段が、前記少なくとも３つ以上の圧力検出手
段の各検出位置と前記第１の演算手段により求めた座標
とを対応させて表示することを特徴としている。この発
明によれば、圧力検出位置に対する動脈位置の偏位が表
示されるので、脈波を検出するのに最適なポジションを
知ることが可能となる。
第33の発明にあっては、第１の発明において、前記弾
性部材には、前記圧力検出手段の検出位置を覆う位置
に、ドーム状の窪みを設けたことを特徴とする。また、
第34の発明にあっては、第33の発明において、低面の直
径がｓである前記ドーム状の窪みは、低面の半径がｒで
ある前記弾性部材に、 4/5≧s/r≧1/5 の関係を満たすように設けられていることを特徴とす
る。これら第33,34の発明によれば、弾性部材に加えら
れる圧力に対して、ドーム状の窪みにより形成される空
洞の容積が変化されやすくなるため、その圧力が圧力検
出手段において検出しやすくなり、したがって圧力検出
手段の感度を向上させることができる。
図面の簡単な説明 図１は、（ａ）はこの発明の第１実施例による圧力セ
ンサ10の構成を示す部分断面した斜視図であり、（ｂ）
は同構成を示す透視斜視図である。
図２は、同圧力センサ10における弾性ゴム１と半導体
基板２との接合部を部分拡大した断面図である。
図３は、同圧力センサ10にバイアス回路60を付加した
構成を示すブロック図である。
図４は、（ａ）〜（ｄ）の各々は、バイアス回路60へ
の制御信号Ｔの一例を示すタイミング図であり、（ｅ）
〜（ｆ）の各々は、バイアス回路60からの定電流パルス
の波形を示す図である。
図５は、同圧力センサ10による脈波検出の原理を説明
するための要部断面図である。
図６は、同圧力センサ10による位置検出の原理を説明
するための簡略斜視図である。
図７は、（ａ）はこの発明の第２実施例による圧力セ
ンサ10の構成を示す平面図であり、（ｂ）は同実施例に
おける弾性ゴム１と半導体基板２との接合部の構成を示
す要部拡大断面図である。
図８は、この発明の第３実施例による圧力センサ10の
構成を示す部分断面した斜視図である。
図９は、この発明の第４実施例による圧力センサ10の
構成を示す部分断面した斜視図である。
図10は、圧力センサ10を用いた脈波処理装置を組み込
んだ腕時計20の外観構成を示す斜視図である。
図11は、同腕時計20の電気的構成を示すブロック図で
ある。
図12は、（ａ）は同腕時計20の装着状態を示す斜視図
であり、（ｂ）は同腕時計20の装着状態を示す断面図で
ある。
図13は、（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ一般的な脈波波形
を示す図である。
図14は、同腕時計20における液晶表示パネル21の表示
の一例を示す平面図である。
図15は、脈波処理装置の他の実施例の構成を示す斜視
図である。
図16は、（ａ）、（ｂ）ともに圧力センサ10の変形構
成を示す斜視図である。
図17は、（ａ）はドーム状の空洞を設けた弾性ゴム
１′と半導体基板２との接合部を部分拡大した断面図で
あり、（ｂ）は弾性ゴム１′とドーム状の空洞７の大き
さの関係を示す断面図である。
発明を実施するための最良の形態 以下、図面を参照してこの発明による各実施例につい
て説明する。
A:圧力センサ この発明による圧力センサは、圧力振動とともにこの
圧力振動の発生座標を算出するものである。この実施例
では、この圧力振動の検出を、被験者の動脈（特に橈骨
動脈）の脈波検出を例にとって説明し、さらに、脈波伝
搬速度の検出、被験者の動脈（この場合は橈骨動脈）位
置表示について説明する。
図１（ａ）および（ｂ）は、それぞれこの実施例であ
る圧力センサの構成を示す部分断面した斜視図および斜
視透視図である。
これらの図に示すように、圧力センサ10は、感圧素子
S1〜S4と半球形状の弾性ゴム１とから構成される。な
お、ここでは、弾性ゴム１の形状を理想的な半球面とし
て説明する。
感圧素子S1〜S4の各々は、弾性ゴム１の底面（平面）
Ｌに設置され、検出圧力に比例した電圧V1〜V4を検出信
号としてそれぞれ出力するものであり、その構成の一例
については後述する。これら感圧素子S1〜S4による検出
位置Q1〜Q4の座標（x,y）は、弾性ゴム１の半径をｒ、
底面Ｌの中心を原点（0,0）とすると、それぞれ （a,0）、（0,a）、（−a,0）、（０、−ａ） ……
（ｐ） である（ただし、ｒ＞ａ＞０）。
すなわち、感圧素子S1〜S4によって圧力を検出すべき
座標は、底面Ｌのx,y軸上であって、原点から互いに等
距離ａだけ離れている。
次に、感圧素子と弾性ゴム１との接合部について、感
圧素子S1を例にとって説明する。図２は、感圧素子S1の
構成を示す要部断面図である。
弾性ゴム１の底面Ｌには、半導体基板２が、弾性を有
する接着層３によって接着され、該半導体基板２には、
検出位置Q1での圧力を検出する感圧素子S1が、検出位置
において開口している中空室41とともに形成されてい
る。この感圧素子S1は、ダイヤフラムとして用いる薄肉
部（厚さ約数十μｍ）51、およびこの薄肉部51の表面に
形成されたストレン・ゲージ61から構成される。
感圧素子S1は、既知の半導体エッチング技術により形
成され、特に、ストレン・ゲージ61は、不純物（例えば
ボロン）の選択拡散技術を用いて形成されるピエゾ抵抗
素子（ｐ型抵抗層）から成る。このようなストレン・ゲ
ージ６が歪むと、該歪みに応じてその抵抗値が変化する
ようになっている。
同様に、感圧素子S1〜S4が、半導体基板２上に形成さ
れ、検出位置Q2〜Q4での圧力に比例してその抵抗値がそ
れぞれ変化するようになっている。
かかる構成による圧力センサ10では、弾性ゴム１の半
球面上にて圧力振動が生じると、該圧力振動は弾性ゴム
１内を弾性波として伝播し検出位置Ｑにて微震動とな
り、中空室４内の圧力を変動させる。この際、ストレン
・ゲージ６は、中空室４の内圧と大気圧解放口７を介し
た外圧との圧力差によって歪むので、その抵抗値は該圧
力震動に応じて変化することになる。
ストレン・ゲージ61〜64の両端部には、外部回路に導
くためのアルミ電極（図示せず）が蒸着されており、後
述する回路によってそれぞれ抵抗／電圧変換され、該電
圧が、検出位置Q1〜Q4での圧力に比例する検出電圧V1と
して出力されるようになっている。
ここで、必要ならば、中空室41〜44の各々を単に空乏
とはせずに、熱膨張率の低い液体（例えば、水、アルコ
ールなど）、あるいは液状物質（例えば、ゼラチンな
ど）を充填した構成としても良い。これにより、検出位
置Q1〜Q4にてそれぞれ生じた微震動を、低い損失率で、
より正確に、それぞれ当該ストレン・ゲージ61〜64によ
る検出信号へと変換することができる。
次に、圧力センサ10における感圧素子S1〜S4の電気的
接続とそのバイアスとについて、図３および図４を参照
して説明する。なお、図３において、ストレン・ゲージ
61〜64の各々は、等価的に可変抵抗器として示されてい
る。
図３に示すように、感圧素子S1〜S4に対応するストレ
ン・ゲージ61〜64の各々は、互いに直列接続され、これ
らの両端にはそれぞれ出力端子62,62,……が設けられて
いる。
そして、ストレン・ゲージ61〜64の直列両端がバイア
ス回路60に接続される。このバイアス回路60は、定電流
回路64と、この定電流回路64の出力信号をオン／オフす
るスイッチ66と、制御信号Ｔが“H"状態となったときに
スイッチ66をオンさせる切換回路68とから構成される。
すなわち、制御信号Ｔが“H"状態において、定電流回路
64の出力信号がストレン・ゲージ61〜64に印加されるよ
うになっている。
前述したように、ストレン・ゲージの抵抗値は歪みに
応じて変化するので、各ストレン・ゲージ61〜64に同一
の定電流を流すと、各出力端子62,62,……間の電圧V1〜
V4は、それぞれ検出位置Q1〜Q4での各圧力に比例し、か
つ各圧力の大きさを相対的に示したものとなる。
さて、制御信号Ｔの波形パターンには、圧力センサ10
の検出信号を処理する装置の規模や仕様などによって種
々のものが考えられる。例えば、制御信号Ｔには、測定
時、比測定時を問わず常に“H"状態となる信号70（図４
（ａ）参照）や、測定時、非測定時を問わず断続的に
“H"状態となる（所定のデューティ比を有する）パルス
信号72（同図（ｂ）参照）、測定時のみ“H"状態となる
（所定のデューティ比を有する）パルス信号76（同図
（ｄ）参照）が選択される。
なお、ここでの測定時とは、圧力振動を検出すべき期
間を指す。
圧力センサ10の検出信号を処理する装置において、検
出精度が要求されるならば、制御信号Ｔには信号70が適
当である。一方、消費電力を小さくすることが要求され
るならば、制御信号Ｔにはパルス信号76が適当である。
また、この処理装置において、検出精度と低消費電力と
の中間的な性格の位置付けがなされるならば、パルス信
号72あるいは信号74が適当である。
これは次の理由による。
ストレン・ゲージ61〜64には定電流が流れるために、
若干の発熱が伴う。このため、バイアス印加時とそうで
ない時とで温度差が生じ、該温度差によって抵抗値が微
妙に相違するので、圧力検出時に誤差の原因となる。制
御信号Ｔとして信号70を用いると、非検出時にもストレ
ン・ゲージ61〜64に定電流が印加されることになり、一
定時間経過して発熱が飽和した時点で、圧力を検出する
ようにすれば、以降、温度差による測定誤差を非常に少
なくすることができるからである。
一方、制御信号Ｔとしてパルス信号76を用いると、検
出時にのみ定電流が間欠的にストレン・ゲージ61〜64に
印加されるので、電流による発熱が抑えられ、低消費電
力に寄与することができるからである。この際に、パル
ス信号76に同期して、圧力センサ10の検出信号処理装置
の各部（A/D変換、増幅器等）を動作させれば、さらに
消費電力を小さくすることが可能となる。極端には、こ
れらの各部の通電を、パルス信号76の“H"状態のときの
み、行なえば良い。
また、定電流バイアスとして、パルス信号72あるいは
76よりも充分に短い間隔を有する定電流パルス（図４
（ｃ）参照）を定電流回路64が出力する構成としても良
い。この場合に、制御信号Ｔとして信号70,72,74,76を
組み合わせて良いのはもちろんである。特に、パルス信
号76を用いると、ストレン・ゲージ61〜64にバイアス
は、図４（ｆ）に示すように、印加される期間が非常に
短くなるので、極めて消費電力を小さくすることができ
る。この際も同様に、定電流パルスに同期して、圧力セ
ンサ10の検出信号処理装置の各部を動作させれば、消費
電力を小さくすることが可能となる。さらに、これら各
部の通電を、バイアス印加時のみ行なうようにすれば、
消費電力を極めて小さくすることができる。
なお、このバイアス印加の間隔は、圧力振動の変化に
充分対応するように短いこと（サンプリング定理を満た
すこと）が要求される一方、出力装置先が対応できる範
囲内でなければならない。
また、感圧素子S1〜S4は、互いに同一の半導体基板２
に形成されるのが望ましい。半導体の製造技術をもって
すれば、一体形成・配置するのは容易であり、個々に感
圧素子を形成・配置するよりも、精度的・工程的に有利
であるからである。
なお、以上説明した弾性ゴム１（図１参照）の感圧素
子S1〜S4に対応する位置にドーム状の窪みを設けること
もできる。図17（ａ）は、この一例を示すものであり、
図２で説明した弾性ゴム１の中空室41〜44の各々に面す
る位置にドーム状の窪み71〜74を設けたものである。図
17（ｂ）は、上記ドーム状の窪み71〜74を設けた弾性ゴ
ム１′の断面図であり、この図において、ｒは弾性ゴム
１′の低面の半径、ｓはドーム状の窪み71〜74の低面の
直径を各々示す。また、弾性ゴム１′の半径ｒとドーム
状の窪み71〜74の直径ｓは、次式を満たすように設定す
る。
4/5≧s/r≧1/5 ……（10） このようなドーム状の窪み71〜74を設けることによ
り、窪み71〜74と中空室41〜44により形成される各空洞
の容積が、弾性ゴム１′の加圧によって変化しやすくな
るため、その圧力がストレン・ゲージ６の歪へ変換され
やすくなり、したがって、圧力センサ全体の感度が向上
する。
Ａ−１−1:圧力センサによる脈波検出の原理 次に、かかる構成の圧力センサ10による動脈脈波測定
の原理について説明する。なお、本願発明において対象
とする動脈は、ほとんど皮膚表層を通るものを想定して
いる。
図５に示すように、弾性ゴム１の半球面側が動脈（こ
こでは説明のため橈骨動脈30）の近傍を押圧したとす
る。この場合、弾性ゴム１の半球面上の点Pnには、橈骨
動脈30から発生する圧力振動波、すなわち脈波によって
振動が発生する。ここで、点Pnは振動の重心（中心）と
する。この振動は弾性ゴム１を伝播して、感圧素子S1〜
S4によって脈波を示す電気信号、すなわち電圧V1〜V4を
有する検出信号としてそれぞれ出力される。
感圧素子S1〜S4による電圧V1〜V4を、後述する方法に
よって時系列処理することによって脈波伝搬速度、およ
び動脈位置を求めることができる。
Ａ−１−2:圧力センサによる座標算出の原理 つぎに、脈波伝搬速度検出および動脈位置検出につい
て説明するために、圧力振動地点の座標算出の原理につ
いて説明する。図６は、座標検出の原理を説明するため
の斜視図であり、この図では図１に示した圧力センサ10
を説明のため簡単化してある。
弾性ゴム１の半球面側が、その底面Ｌ内に橈骨動脈30
が投影されるように動脈近傍を押圧したとすると、時刻
ｔ＝ｎにおいて弾性ゴム１の半球面上の点Pnには、橈骨
動脈30から発生する脈波によって振動が発生する。この
振動は、弾性ゴム１を伝播し、伝播距離の２乗に比例し
て減衰し、感圧素子S1〜S4により電圧V1〜V4を有して脈
波を示す検出信号としてそれぞれ検出される。
ところで、弾性ゴム１の球面を表す式は、次のように
なる。
x2＋y2＋z2＝r2 ……（１） （ただし、ｚ＞０） したがって、弾性ゴム１の球面上における任意の点Pn
の座標（x,y,z）は、そのx,y座標の値をそれぞれxn,yn
とすると、式（１）から次のようになる。
そして、点Pnと感圧素子S1〜S4の検出位置Q1〜Q4との
各距離は、式（２）および前述した各検出位置の座標を
示す（ｐ）からぞれぞれ次式のようになる。
次に、点Pnにて発生した振動は、弾性ゴム１の伝播距
離の２乗に比例して減衰するので、各センサによって検
出される電圧V1〜V4の値は、互いに、点Pnと対応するセ
ンサの検出位置との距離の２乗に反比例することにな
る。したがって、次の等式が成立する。
そして、式（４）から、点Pnのｘ、ｙ座標の値xn,yn
は、次のようになる。
このように、弾性ゴム１の半球面上の点Pnにて、脈波
による圧力振動が発生すると、感圧素子S1〜S4の検出電
圧V1〜V4から、点Paの座標値xn,ynを求めることができ
る。これは、点Pnを、感圧素子S1〜S4の検出位置の平面
（ｘ−ｙ平面）、すなわち、弾性ゴム１の底面Ｌに垂直
投影した点Ｐ′ｎの座標（図６参照）を求めていること
にほかならない。
式（５）では、座標値xnを、ｘ軸上に設置される感圧
素子S1,S3の電圧V1,V3から、また、座標ynを、ｙ軸上に
設置される感圧素子S2,S4の電圧V2,V4から、それぞれ独
立して求めることができるので、座標算出にあたって相
互の影響を排除することができる。
これは、式（４）を詳細に検討すれば判るように、座
標値xn,ynを求めるのに必要な電圧は、感圧素子S1〜S4
のうちの３つで済むのであるが、この場合、一方の座標
値の算出には、他方の座標値が影響を与えてしまう。
例えば、感圧素子S1〜S4のみによって座標値xn,ynを
算出するには、まず、座標値xnを電圧V1,V3から算出
し、次に、この座標値xnを式（４）に代入すれば、座標
値ynを、電圧V2から算出することができるが、該座標値
ynは、電圧V1〜V3に依存してしまうことになるので、感
圧素子に出力特性に差がある場合に、正確な座標算出が
できなくなるからである。
ところで、上述した式（５）は次のように書き換える
ことができる。
すなわち、振動印加点Pnの２次元座標（xn,yn）は、
感圧素子S1〜S4の各出力電圧V1〜V4の差と和の比から容
易に求めることができる。そして、座標（xn,yn）が求
まれば、前記式（１）から座標znを容易に求めることが
できる。
なお、この実施例において、地点Ｐ′ｎの座標値xn,y
nを求めるのに用いている式（１）〜（５）は、弾性ゴ
ム１が理想的な半球形状、すなわち、球体をその中心を
含む面によって切断したときに得られる形状を前提とし
ている。
しかしながら、被験者に対する装着感、使用感などの
触感を考慮した場合、弾性ゴム１の形状は、かかる半球
形状よりも、図16（ａ）に示すように、略凸形状である
ことが望ましい。
また、工業的に考えてみても、圧力センサ10が、この
前提を満足して製造することは困難であり、むしろ、図
16（ａ）あるいは（ｂ）に示すように、（これらの図に
おいては極端な例を示すが）、球体の中心からズレをも
って製造されてしまうことが多い。
このような場合であっても、該ズレ量が測定精度にお
いて許容範囲内であれば、式（５）を近似式として用い
て、座標値xn,ynを求めることができる。
そこで、この近似について説明する。いま、弾性ゴム
１の形状が、理想的な球体の中心からΔｚだけずれて切
断された疑似半球体とした場合について考える。
この場合、感圧素子S1〜S4による検出位置Q1〜Q4の座
標（x,y,z）は、弾性ゴム１の半径をｒ、中心を原点
（0,0,0）とすると、それぞれ Q1（ a, 0,Δｚ） Q2（ 0, a,Δｚ） Q3（−a, 0,Δｚ） Q4（ 0,−a,Δｚ） である。
したがって、点Pnと検出位置Q1〜Q4との各距離の２乗
はそれぞれ、式（３）と同様にして求めることができ、
それぞれ次式のようになる。
ただし、これらの式において、 とおいている。
この場合でも、点Pnにて発生した振動は、弾性ゴム１
の伝播距離の２乗に比例して減衰するので、各センサに
よって検出される電圧V1〜V4の値は、互いに、点Pnと対
応するセンサの検出位置との距離の２乗に反比例するこ
とになる。すなわち、式（６）における各距離の２乗
と、当該検出電圧V1〜V4との積においては互いに等しい
ので、点Pnのｘ、ｙ座標の値xn,ynは、次のようにな
る。
式（８）において、（Δｚ）２については、（Δｚ）
をｚ軸方向に対して充分に小さければ、無視することが
できる。
また、式（８）をみてもわかるように、（zn・Δｚ）
については、原点からのセンサの距離ａを、半径ｒの範
囲内においてできるだけ大きくすることにより、無視す
ることができる。
これにより式（８）は、実質的に式（５）と等しくな
る。
またこの実施例では、地点Ｐ′ｎの座標値xn,ynを求
めるのに、各検出信号の電圧V1〜V4を式（５）に代入す
ることにより求めたが、次の方法によって求めても良
い。
すなわち、弾性ゴム１の露出面上で一定の振動を実験
的に発生させ、振動を加えた座標と電圧V1〜V4の比との
関係を予め測定し、この関係を示すテーブルを作成して
おく。
実際に、地点Ｐ′ｎの座標値xn,ynを求めるのには、
電圧V1〜V4の比に対応する座標をこのテーブルから読み
出すことが可能である。
このように、弾性ゴム１は、半球面形状にする必要が
なく、被測定面に対し押圧しやすいような凸形状であれ
ば良い。
Ａ−１−3:圧力センサによる移動ベクトル成分算出の原
理 次に、時刻ｔ＝ｎ＋１（すなわち、サンプリングクロ
ックの１周期経過後）において、橈骨動脈30の脈波伝搬
に伴って圧力振動の発生源が点Pn+1に移動したとする。
この場合も同様に、該点Pn+1を、面Ｌに投影した点Ｐ′
n+1の座標値xn+1,yn+1を求める。
以下、同様に、時刻ｔ＝ｎ＋2,n＋3,……における点
Ｐ′n+2,P′n+3,……の座標値を求める。
半球面上の圧力振動源は橈骨動脈30の脈波伝搬に伴っ
て移動するので、この圧力振動源の点を底面Ｌに垂直投
影した座標面を結ぶと、底面Ｌに対する橈骨動脈30の位
置を示すことができる。
また、求めた座標値から、サンプリングクロック１周
期前に求めた座標値を減算することによって、すなわ
ち、 xn+1−xn yn+1−yn をそれぞれ求めると、サンプリング１周期において、動
脈の血流移動を示すベクトルのうちの、x,y軸方向の成
分を求めることができる。さらに、この成分の大きさ、
すなわち移動距離を求めて、サンプリングクロックの１
周期で除算することによって、当該サンプル時における
移動ベクトルの速度、すなわち、脈波伝搬速度を算出す
ることができる。この脈波伝搬速度Ｖを求める式は、サ
ンプリングクロックの周波数をFsとすると、次式のよう
になる。
Ａ−2:圧力センサの他の実施例 ＜第２の実施例＞ 次に、圧力センサの第２の実施例について説明する。
図７（ａ）は、この実施例の構成を説明するための略平
面図であり、図７（ｂ）は、同図（ａ）におけるｘ軸の
方向の要部断面図である。これらの図において、図１あ
るいは図２と同じ部位には、同一符号を付与してあり、
その説明を省略する。
これらの図に示すように、圧力センサ10には、検出位
置Q1において開口する中空室41が設けられ、さらにこの
中空室41の側壁に開口する中空管81が平面Ｌの中心方向
に延びて、半導体基板２に接続されている。同様に、検
出位置Q2〜Q4において中空室42〜44がそれぞれ設けら
れ、さらに中空管82〜84が平面Ｌの中心方向にそれぞれ
延びている。半導体基板２には、感圧素子S1〜S4が各々
設けられ、四方向からそれぞれ延びている中空管81〜84
に開端接続される。
この場合好ましくは、中空室41〜44および中空管81〜
84は、半導体基板２とは別構成とし、例えば硬質プラス
チックや金属等の剛体９から形成した方が良い。この方
が、検出位置Q1〜Q4を考慮せずに、感圧素子S1〜S4を半
導体基板２に集約的に形成することができるので、同一
面積中での感圧素子の取り数を増加させて、その分コス
トを低下させることができる、という利点がある。
また、この第２実施例においても、中空室41〜44およ
び中空管81〜84に、熱膨張率の低い液体あるいは液状物
質を充填した構成としても良い。
なお、圧力センサ10としては、底面Ｌの検出位置Q1〜
Q4に既知の歪みゲージを直接張り付け、該位置での振動
を歪みとして検出する構成も可能ではあるが、この構成
では弾性ゴム１を押圧した際の微小変形による歪みが直
接出力に現われるので、望ましくは、図２に示したよう
に接着層３および中空室４を介して圧力波として検出す
る構成の方が良い。
また、感圧素子の個数は、上述した実施例では「４」
であったが、前述したように「３」であっても良い。要
は、感圧素子の各検出位置と弾性ゴム１の半球面上の点
との各距離が特定できるように、感圧素子の各検出位置
が、半球面の底面であれば良い。
上述した第１あるいは第２の実施例による圧力センサ
10では、点Pnでの振動による弾性波が、検出位置Q1〜Q4
方向のみならず、弾性ゴム１のあらゆる方向に向かって
ほぼ均等に伝搬する。このため、点Pnにて発生する振動
の大きさに対して検出位置Q1〜Q4で生じる圧力が小さく
なり、電圧V1〜V4の各値もこれに応じて小さくなる傾向
がある。したがって、これら実施例では、S/N比が劣化
しやすいという欠点を抱えている。
そこで次に、S/N比の改善を図った第３および第４の
実施例についてそれぞれ説明する。
＜第３実施例＞ 本願発明者は、弾性ゴム１よりも高い弾性率を有する
部材81（例えば、硬質プラスチックや金属等）を、図８
に示すように、弾性ゴム１の半球面に被覆すると、感圧
素子S1〜S4による出力電圧V1〜V4が、部材81の被覆なし
（第１実施例）のときと比較して大となることを実験的
に確認している。
これは、半球面の表面に沿って伝搬する表面弾性波
が、部材81の存在によって伝搬しにくくなって、弾性ゴ
ム１の中心方向に向かうことになるので、その分、各検
出位置Q1〜Q4での圧力増加に寄与して、感圧素子の出力
電圧をより大きくしていると思われる。言い換えれば、
半球面から検出位置への弾性波の伝搬を示す伝達関数が
改善されるためと思われる。
また、この実施例においては、部材81の被覆によっ
て、弾性ゴム１が被験者に直接接触することがなくなる
ので、被験者の皮脂による弾性ゴム１の劣化が防止され
る、という利点もある。
＜第４実施例＞ また、図９に示すように、部材81の小片82を弾性ゴム
１の半球面上に離散的に多数設ける構成としても良い。
小片82が、半球面に対して埋め込まれるか、貼付される
かは、問わない（図面は、貼付した例を示す）。
このとき、前述した弾性波の伝達関数においては、小
片82から検出位置へ向かうものの方が、弾性ゴム１の露
出表面から検出位置へ向かうものよりも改善されるの
で、半球面上の振動点Pnが小片82の設置場所にと選択的
に限定される（傾向がある）。このため点Pnの座標値
は、小片82の設置場所を底面Ｌに投影した離散値になる
という問題があるが、感圧素子S1〜S4の出力電圧V1〜V4
を大きくすることができるので、脈波の検出時には有効
である。
また、この問題は、小片82を多数かつ効率良く設置す
ることにより、解決することができる。
B:脈波処理（脈波検出、脈波伝搬速度検出、および動脈
位置表示）装置 次に、上述した圧力センサ10を組み込んだ脈波処理装
置の実施例について説明する。この脈波処理装置は、一
般的な（時刻表示を行なう）腕時計に付加装置として組
み込まれ、圧力センサ10の検出信号により、脈派検出、
脈波伝搬速度検出、および動脈位置表示を行なうもので
ある。
Ｂ−1:脈波処理装置の外観構成 図10は、この脈波処理装置の外観構成を示す斜視図で
ある。この図に示すように、腕時計20の匡体Ｍの表面に
は、ドットマトリックス表示型の液晶表示パネル21が備
えられ、現在時刻や後述する橈骨動脈の位置等の表示を
行なう。なお、この図において、Ａは液晶表示パネル21
の視野方向を示す。
また、匡体Ｍの正面右側面には、スイッチ221、222が
設けられ、これらスイッチを単独あるいは同時に押下す
ることによって機能の選択や各種の設定等を行なうよう
になっている。
また、一対のバンド23,23の一方に設けられる締着具2
4の締め付け側には、圧力センサ10の弾性ゴム１が突出
して設けられており、締着具24の備えるバンド23は、圧
力センサ10による検出信号を供給するべくFPC（Flexibl
e Printed Circuit）基板を軟性プラスチックで被覆し
た構造（詳細については図示省略）となっている。
Ｂ−2:脈波処理装置の電気的構成 次に、この脈波処理装置の電気的構成について図11を
参照して説明する。
この図において、11はA/D変換器であり、感圧素子S1
〜S4による検出電圧V1〜V4の各々を、クロックCLKによ
るタイミングにてサンプリングしてA/D変換を行なう。
詳細には、このA/D変換器11は、検出電圧V1〜V4の各々
をクロックCLKのタイミングにてサンプル・ホールド
し、これら電圧をマルチプレクサによってクロックCLK
より充分速いタイミングにて順次切り換えて、A/D変換
を行なう。これによりA/D変換すべき電圧の数はV1〜V4
の「４」であるが、A/D変換器11の個数は「１」とする
ことができる。そして、変換された電圧は、インターフ
ェイス（図示せず）およびバスを介してCPU（Central P
rocessing Unit）12に供給される。
13はROM（ramdon access Read Only Memory）であ
り、CPU12によって演算を行なうためのプログラムや、
脈波伝搬速度と血圧値との対応関係を示すテーブル等が
記憶されている。14はRAM（Ramdom Access read/write
Memory）であり、各種データや算出座標等を一時記憶す
る。15はタイマであり、基板クロックφをCPU12に供給
するとともに、CPU12からの制御信号Ｓの下に、基板ク
ロックφの分周周期を変更したクロックCLKを出力す
る。
16はLCD制御回路であり、CPU12からバスを介して供給
されるデータに基づき、液晶表示パネル21に表示される
ためのタイミング信号および表示データ生成して、垂直
制御回路17および水平制御回路18にてそれぞれ供給す
る。垂直制御回路17および水平制御回路18は液晶表示パ
ネル21の各電極にそれぞれ接続され、垂直制御回路17は
各垂直電極を、水平制御回路18は各水平電極を、それぞ
れ駆動する。これら回路によって、CPU12からの供給デ
ータに基づく表示が、液晶表示パネル21にて行なわれる
ようになっている。
25はスイッチ・インターフェイスであり、図10におけ
るスイッチ221,222による設定状態をCPU12に供給する。
CPU12は、基本クロックφをカウントして既知の時計
機能を実行するとともに、脈波を電圧V1〜V4の標本値と
して検出し、さらに、脈波伝搬速度の検出、あるいは動
脈位置を表示する場合においては、式（５）にしたがっ
て座標値xn,ynを、クロックCLKのタイミング毎に求め
る。
さらに、CPU12は、脈波伝搬速度の検出、あるいは動
脈位置を表示する際に、移動ベクトル、すなわち移動速
度が、所定値よりも大きい場合においては、タイマ15に
クロックCLKの周期を制御信号Ｓによって、例えば半分
にするように命令する一方、移動速度が、所定値よりも
小さい場合においては、タイマ15にクロックCLKの周期
を制御信号Ｓによって、例えば倍にするように命令す
る。
なお、CPU12のその他動作については後述する。ま
た、圧力センサ10にバイアス回路60（図３参照）を付加
する場合、クロックCLKをバイアス回路60に供給して、
バイアス回路60では、このクロックCLKに同期したバイ
アスをストレン・ゲージ61〜64に印加する構成となる。
Ｂ−3:脈波処理装置の動作説明 次に、上述した構成による脈波処理装置の動作を、各
機能毎に説明する。
この脈波処理装置を組み込んだ腕時計20は、使用時に
おいては、図12（ａ）、および（ｂ）に示すように、締
着具24に設けられた弾性ゴム１が橈骨動脈30の近傍に位
置するべく、腕時計20が被験者の左腕32に巻回される。
これは、通常の腕時計の使用状態と何等変わることのな
いものである。
ここで、スイッチ221,222によって時計機能が選択さ
れている場合には、現在時刻が液晶表示パネル21に表示
される。この時計表示の方法は、従来から行われている
ものと何等変わらないものであるので、説明は省略す
る。
Ｂ−３−1:脈波検出時 次に、脈波検出時の動作について説明する。
前述したように、弾性ゴム１が、被験者の橈骨動脈30
近傍に押圧されると、該動脈の血流変動、すなわち脈波
によって該弾性ゴム１の半球面上には地点Pnを発生源と
する振動が発生する。該振動は、地点Pnから検出位置Q1
〜Q4へと弾性ゴム１内を伝播し、中空室41〜44内で圧力
波となり、感圧素子S1〜S4によって電圧V1〜V4として検
出され、これら電圧がディジタル値へと変換される。す
なわち、脈波は離散的な信号へと変換され、これに基づ
く解析処理がCPU12によって行なわれる。この場合、電
圧V1〜V4のすべてをディジタル値に変換する必要はなく
（ただし、脈波波形を検出するときだけ）、値が最も大
きいものをCPU12が判別して、いずれか１つ（以上）に
ついて変換するようにしても良い。
ここで、脈波の一般的な波形を図13（ａ）〜（ｃ）に
示す。脈波波形には、被験者の心身状態、年齢などの相
違によって、様々なパターンがあるが、最小値40（極小
値）の直後に最大値41（極大値）を迎える点では、いず
れのパターンにおいても共通である。
CPU12は、検出した脈波信号に一次および二次微分を
施し、これら微分信号の符号変化を検出して、まず脈波
信号の１周期分の数学的座標を順次（最低値40、最高値
41、第２極小値42、第２極大値43、第３極小値44、第３
最大値45の順番で）求める。同様に、脈波信号の、次の
周期の数学的座標を順次求めて、前の周期で求めた数学
的座標の対応するものとの差分し、該座標の差分の大き
さおよび方向を計算する。
以降、CPU12は、この動作を繰り返して、脈波波形に
おける数学的座標のトレンドをマクロ的に求め、被験者
の身体的・精神的情報を判別する。そして、この判別結
果は、液晶表示パネル21に表示されるようになってい
る。
また、電圧V1〜V4（の１つ以上）をディジタル値に変
換して、RAM14に記憶させた１周期分の脈波波形が、例
えば、緊張時や、疲労時等の生体状態に対応して、予め
記憶させておいた脈波波形のなかから、最も相似してい
る波形を選択して、現時点における被験者の生体状態を
判別するようにしても良い。
さて、前述のように、脈波から必要とする情報は、主
に脈波波形の数学的座標である。これによれば脈波信号
を単純にサンプリングすると、不必要な情報が数多く含
まれることになる。また、図13（ａ）〜（ｃ）をみれば
判るように、脈波波形での数学的座標の前後において
は、その変化が一時的に激しくなるので、サンプリング
周波数を高く設定しなければならず、これに従うと消費
電力が増加する、という問題がある。特に、この実施例
のように脈波検出装置を腕時計に組み込んだ構成とした
場合に、電池容量には制約があるので、この問題は無視
できなくなる。
そこで、この脈波検出装置は、脈波波形の最小値40を
検出すると、この際に処理回路への処理や給電を開始し
て、極大値および極小値を順次検出する一方、必要とす
る最後の座標（例えば図13（ａ）に示す第３極大値45）
を検出したのちには、この処理回路へ処理や給電を停止
するという構成となっている。ここで、処理回路とは、
座標検出を行なう回路および計時を行なう回路以外の回
路を指す。この際、脈波波形の最小値は、予め脈波波形
の数周期分を通常のサンプリングして求めておけば、容
易に検出することができる。
この構成によれば、サンプリングは脈波波形１周期の
およそ前半期間だけしか結果的に行なわれないが、必要
な情報は充分得ることができ、かつ消費電力を小さく抑
えることができる、という利点がある。
また、この脈波検出時に、サンプリングした脈波信号
をRAM14に順次書き込み、例えば、該信号を時間軸に対
応させて、図13に示すような脈波波形を液晶表示パネル
21に表示させるようにしても良い。このように検出した
脈波信号をRAM14に記憶させることによって、様々な処
理が可能となってくる。
Ｂ−３−2;脈波伝搬速度検出時 次に、スイッチ221,222によって、脈波伝搬速度の検
出機能が選択され、弾性ゴム１が、その底面Ｌ内に動脈
が投影されるように押圧されたときの動作について説明
する。後述するが、弾性ゴム１が、その底面Ｌ内に動脈
が投影されないほどに動脈に対して離れて押圧された場
合には、動脈の位置を正確に検出できないからである。
まず、時刻ｔ＝ｎにおいて、弾性ゴム１が被験者の橈
骨動脈30近傍に押圧されると、脈波検出時と同様に脈波
による振動が発生し、弾性ゴム１には、該振動による弾
性波が発生する。この弾性波は感圧素子S1〜S4によって
圧力として検出され、振動源の座標を底面Ｌに投影した
座標値xn,ynが、式（５）に基づきCPU12によって算出さ
れて、RAM14に一時記憶される。
次に、時刻ｔ＝ｎ＋１でのクロックCLKのタイミング
において、CPU12は、座標値xn+1,yn+1を式（５）から求
めて、求めた座標値をRAM14に記憶させるとともに、座
標値xn,ynを読み出す。そして、式（９）により、時刻
ｔ＝ｎから時刻ｔ＝ｎ＋１までにおける脈波伝搬速度を
求める。
同様にして、時刻ｔ＝ｎ＋２において、CPU12は座標
値xn+2,yn+2を求めて、RAM14に格納するとともに、座標
値xn+1,yn+1を読み出して、時刻ｔ＝ｎ＋１から時刻ｔ
＝ｎ＋２における脈波伝搬速度を求める。
以降、CPU12は、同じ動作をクロックCLKのタイミング
毎に繰り返して、脈波伝搬速度を連続的に求める。
前述したように、血圧値と脈波の伝搬速度とは正の相
関関係にあるので、たとえば、被験者固有の個人データ
（係数）を入力しておき、求めら脈波の伝搬速度により
血圧値を求めることができる。個人データは、スイッチ
221、222のオン・オフの組み合わせや、いわゆるメニュ
ー形式で設定することが可能である。
そして、求めた脈波伝搬速度、あるいはこの脈波伝搬
速度から求めた血圧値は、液晶表示パネル21に表示され
る。
Ｂ−３−3:動脈位置表示時 次に、スイッチ221、222によって、橈骨動脈の位置表
示機能が選択されたときの動作を、次のの場合にわ
けて説明する。
弾性ゴム１が、その底面Ｌ内に動脈が投影されるよ
うに押圧された場合 弾性ゴム１が、その底面Ｌ外に動脈が投影されるよ
うに押圧された場合 ［の場合］ まず、時刻ｔ＝ｎにおいて、脈波検出時と同様に、弾
性ゴム１の半球面上には脈波による振動が発生し、該振
動による弾性波が発生する。この弾性波は感圧素子S1〜
S4によって圧力として検出され、振動源の座標を底面Ｌ
に投影した座標値xn,ynが、式（５）に基づきCPU12によ
って算出され、RAM14に一時記憶される。
次に、CPU12は、時刻ｔ＝ｎ＋１でのクロックCLKのタ
イミングにおいて、座標値xn+1,yn+1を式（５）から求
めて、RAM14に格納させる。
以下同様に、CPU12は、時刻ｔ＝ｎ＋2,n＋3,……，で
のクロックCLKのタイミングにおいて、座標値（xn+2,y
n+2），（xn+3,yn+3），……を式（５）から求めて、そ
れぞれRAM14に格納させる。
この実施例においては、脈波信号の最大値41（図13参
照）に対応する圧力波に着目し、この圧力波の座標移動
を求めても良い。この場合、弾性ゴム１の半球面上に発
生する振動も最大となるので、電圧V1〜V4のいずれか
は、地点Pnに応じて最大となる。
したがって、ノイズの影響を少なくすることができる
ので、座標算出を精度良く行なうことができる。
次に、CPU12は、電圧V1〜V4のサンプリングから、脈
波信号を例えば約１周期分検出すると、座標（xn+1,y
n+1），（xn+2,yn+2），（xn+3,yn+3），……をRAM14か
ら読み出し、これら座標を通過する直線90を、例えば最
小２乗法などにより近似して求めて、該直線を液晶表示
パネル21に実線表示させる。このような液晶表示パネル
21における表示の一例を図14に示す。なお、この図にお
いて、ｘ軸（＋）方向が左向きとなっているのは、圧力
センサ10が、図１に示した状態から倒立して橈骨動脈30
近傍に押圧され、反転したことに起因するものである。
前述のように、弾性ゴム１の半球面上に発生する振動
源は橈骨動脈30に沿って移動するので、振動源の移動を
底面Ｌに投影して、液晶表示パネル21に表示される直線
90は、橈骨動脈30を示すことになる。
この際、液晶表示パネル21に、検出位置Q1〜Q4の設置
方向、すなわちx,y軸を一点鎖線表示させることによっ
て、橈骨動作30の位置と圧力センサ10との位置関係を視
角的に知ることもできる。
橈骨動脈30とx,y軸のいずれか一方の軸とが一致する
ような位置関係にある場合に、圧力センサ10が脈波を最
も精度良く検出する。このような位置関係にある場合、
例えば、ｘ軸と橈骨動脈30とが一致するように弾性ゴム
１が押圧された場合、感圧素子S1（S3）の検出位置と橈
骨動脈による振動源との距離は最短となるので、弾性ゴ
ム１による減衰は最小となる。したがって、感圧素子S1
（S3）による検出信号の電圧V1（V3）が最大となり、ノ
イズの影響を最小とすることができるためである。
そして、橈骨動脈30の位置と圧力センサ10との位置関
係を視角的に知ることができれば、被験者は、圧力セン
サ10を上記位置関係となるように設置し直すことがで
き、これにより、脈波を最も適切な状態で測定すること
ができる。
これは、圧力センサ10を締着具24（図10参照）に対
し、回動自在な構造とすることで可能である。
［の場合］ この実施例における弾性ゴム１の半径ｒは約2mmであ
り、また、本願発明では、被験者のほとんど皮膚表層を
通る動脈を想定している。したがって、弾性ゴム１が動
脈近傍ではなく、離れた位置にて押圧された場合に、該
動脈の脈波による振動源の点Pnは、弾性ゴム１における
底面Ｌ付近の半球面上に沿って（一定の低緯度で）移動
することになる。この際に算出される座標を結ぶと、お
およそ弾性ゴム１の半径に等しい曲線となる。これは、
動脈がほぼ直線であることに対して矛盾することにな
る。逆に言えば、この矛盾から、動脈が弾性ゴムの底面
Ｌ内に投影されないで押圧されたことが検出される。
この動脈位置表示装置では、動脈が弾性ゴム１の底面
Ｌ内に投影されないで押圧されたことが検出されれば、
その旨の注意とともに、求めた曲線から押圧すべき動脈
の方向が、液晶表示パネル21に表示されるようになって
いる。
また、CPU12は、式（９）により求めた脈波伝搬速度
Ｖにしたがって制御信号Ｓを出力し、タイマ15における
クロックCLKの分周周期を制御する。
すなわち、CPU12は、脈波伝搬速度Ｖが、 （０≦）Ｖ＜VMIN ……（α） VMIN≦Ｖ＜MMAX ……（β） VMAX≦Ｖ ……（γ） のうちのどの領域に属するかを判別する。ここで、
VMIN,VMAXは、予め設定される閾値である。そして、脈
波伝搬速度Ｖが領域（α）に属するならば現在のクロッ
クCLK周期を例えば２倍にする旨の、また、脈波伝搬速
度Ｖが領域（β）に属するならば現在のクロックCLK周
期の維持する旨の、脈波伝搬速度Ｖが領域（γ）に属す
るならば現在のクロックCLK周期を例えば1/2倍にする旨
の、制御信号Ｓをタイマ15にそれぞれの場合に応じて供
給する。
これによって、この実施例では、脈波伝搬速度Ｖに対
して適切なサンプリングが行なわれるようになってい
る。
なお、上述した脈波処理装置では、次のような方法に
よって感圧素子S1〜S4の出力特性差をキャンセルするこ
とができる。この方法では、前述した３つの感圧素子に
よって点Ｐ′ｎの座標値を求める技術を用いる。
まず、４つの中から３つの感圧素子を選択して、これ
ら感圧素子のみによって座標値xn,ynを算出する。次に
別の感圧素子の組み合わせを選択して、同様に、座標値
xn,ynを算出する。異なる４つの中から３つを選択する
組み合わせは、４通り（＝4C3）存在するので、他の２
つの組み合わせによっても、同様に、座標値xn,ynを算
出する。これら４つの組み合わせによりそれぞれ独立に
算出した座標値xn,ynは、感圧素子S1〜S4の出力特性が
すべて同一であるならば、互いに一致するはずである。
仮に、一致しなければ、出力特性が相違しているとみな
すことができ、算出した座標から逆に検出電圧を補正し
て、該算出座標が一致するようにすれば、感圧素子の固
体差に伴う出力特性の相違を互いにキャンセルことがで
き、より正確な座標値を得ることができる。
なお、この脈波処理装置は、腕時計の付加装置として
橈骨動脈の脈波を検出する構成としたが、本願発明がこ
れにとらわれる必要のないことは言うまでもない。すな
わち、腕時計の構成をとらず、また、他の動脈の脈波を
検出する構成としても良い。このような構成の一例を図
15に示す。
この例では、圧力センサ10を被験者の頸動脈近傍を例
えばテープ51により押圧し、該圧力センサ10の検出信号
をケーブルCBを介して、図11に示した電気的構成を有す
る本体Ｓに、供給する構成としている。
なお、本願発明による圧力センサが、被験者の脈波だ
けではなく、対象物の圧力振動を検出するという一般的
な圧力センサとしても使用できるのは、いうまでもな
い。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−269089（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−311973（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−288869（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−106439（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−51907（ＪＰ，Ｕ) 実開 平６−86702（ＪＰ，Ｕ) 実開 平４−49819（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01L 7/00 A61B 5/0245

Claims (34)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】平面上の異なる位置での圧力を互いに検出
    し、該位置での圧力に応じた信号をそれぞれ出力する少
    なくとも３つ以上の圧力検出手段と、 凸形状であって、その底面が前記少なくとも３つ以上の
    圧力検出手段の検出位置を覆うように、前記平面に係着
    する弾性部材と を具備し、前記弾性部材の露出面を被測定面に押圧する
    ことによって、前記被測定面での圧力振動を検出するこ
    とを特徴とする圧力センサ。
  2. 【請求項２】前記弾性部材と前記少なくとも３つ以上の
    圧力検出手段とが、弾性を有する接着層によって接合さ
    れることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
  3. 【請求項３】前記少なくとも３つ以上の圧力検出手段は
    ４つであり、これらの検出位置が、それぞれ前記弾性部
    材の底面中心にて互いに直交する軸上にあって、前記底
    面中心から互いに等距離に位置することを特徴とする請
    求項１記載の圧力センサ。
  4. 【請求項４】前記少なくとも３つ以上の圧力検出手段
    は、互いに同一半導体基板に形成されることを特徴とす
    る請求項１記載の圧力センサ。
  5. 【請求項５】前記弾性部材の底面下であって、前記平面
    上の異なる位置に対してそれぞれ開口する中空室を備
    え、前記少なくとも３つ以上の圧力手段の各々が、当該
    中空室内にそれぞれ収納されて、当該中空室の内圧をそ
    れぞれ検出することを特徴とする請求項４記載の圧力セ
    ンサ。
  6. 【請求項６】前記中空室の各々に、液状物質を充填した
    ことを特徴とする請求項５記載の圧力センサ。
  7. 【請求項７】前記弾性部材の底面下であって、前記平面
    上の異なる位置に対してそれぞれ開口する中空室と、 前記中空室での各内圧を、前記少なくとも３つ以上の圧
    力検出手段の各々に導く圧力伝達路と を備え、前記少なくとも３つ以上の圧力手段の各々が、
    当該圧力伝達路の内圧をそれぞれ検出することを特徴と
    する請求項４記載の圧力センサ。
  8. 【請求項８】前記中空室および前記圧力伝達路の各々
    に、液状物質を充填したことを特徴とする請求項７記載
    の圧力センサ。
  9. 【請求項９】前記圧力伝達路は、剛体からなることを特
    徴とする請求項７記載の圧力センサ。
  10. 【請求項１０】前記弾性部材よりも高い弾性率を有する
    高弾性部材を、前記弾性部材の露出面に被覆したことを
    特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
  11. 【請求項１１】前記被覆部材よりも高い弾性率を有する
    高弾性部材の小片を、前記弾性部材の露出面に離散的に
    配置したことを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
  12. 【請求項１２】請求項１記載の圧力センサにおいて、前
    記少なくとも３つの圧力検出手段の各々は、所定のバイ
    アス印加によって、圧力に応じた信号をそれぞれ出力す
    るものであり、 前記少なくとも３つ以上の圧力検出手段の各々に、所定
    のバイアスをそれぞれ均等に印加するバイアス印加手段
    を備えることを特徴とする圧力センサ。
  13. 【請求項１３】前記バイアス印加手段は、前記少なくと
    も３つ以上の圧力検出手段の各々に、圧力を測定すべき
    期間のみ前記バイアスをそれぞれ印加することを特徴と
    する請求項12記載の圧力センサ。
  14. 【請求項１４】前記バイアス印加手段は、前記少なくと
    も３つ以上の圧力検出手段の各々に、前記バイアスをそ
    れぞれ断続的に印加することを特徴とする請求項12記載
    の圧力センサ。
  15. 【請求項１５】前記バイアスは、定電流パルスであるこ
    とを特徴とする請求項12記載の圧力センサ。
  16. 【請求項１６】請求項12記載の圧力センサにおいて、 前記少なくとも３つ以上の圧力検出手段の出力信号の各
    々をディジタル信号に変換する変換手段を備えることを
    特徴とする圧力センサを用いた圧力振動検出装置。
  17. 【請求項１７】前記変換手段は、前記バイアス印加手段
    による前記少なくとも３つ以上の圧力検出手段へのバイ
    アス印加時に、ディジタル信号への変換動作を行なうこ
    とを特徴とする請求項16記載の圧力センサを用いた圧力
    振動検出装置。
  18. 【請求項１８】前記変換手段により変換されたディジタ
    ル信号のうち少なくとも１つ以上を順次記憶する第１の
    記憶手段を備えることを特徴とする請求項16記載の圧力
    センサを用いた圧力振動検出装置。
  19. 【請求項１９】請求項16記載の圧力振動検出装置におい
    て、被測定面は被験者の皮膚であり、前記弾性部材が押
    圧された部位近傍に位置する動脈からの脈波を、前記少
    なくとも３つ以上の圧力手段のうち１つ以上によって圧
    力振動として検出することを特徴とする脈波検出装置。
  20. 【請求項２０】前記弾性部材は、被験者の腕に巻回され
    る帯状体により被験者に装着されることを特徴とする請
    求項19記載の脈波検出装置。
  21. 【請求項２１】前記弾性部材が押圧された部位近傍の動
    脈は、橈骨動脈であることを特徴とする請求項19記載の
    脈波検出装置。
  22. 【請求項２２】前記少なくとも３つ以上の圧力手段のう
    ち１つ以上によって検出された脈波の波形の数学的座標
    を検出する数学的座標算出手段を備えることを特徴とす
    る請求項19記載の脈波検出装置。
  23. 【請求項２３】前記数学的座標算出手段により検出され
    た数学的座標に基づいて被験者の生体状態を判別する判
    別手段を備えることを特徴とする請求項22記載の脈派検
    出装置。
  24. 【請求項２４】前記判別手段によって判別された被験者
    の生体状態を表示する第１の表示手段を備えることを特
    徴とする請求項23記載の脈波検出装置。
  25. 【請求項２５】前記数学的座標算出手段が、脈波波形の
    最低値および前記最低値から数えて３番目の極大値を検
    出するとその旨を示す信号を出力する脈波波形数学的座
    標検出手段を備えることを特徴とする請求項22記載の脈
    波検出装置。
  26. 【請求項２６】請求項19記載の脈波検出装置において、 前記弾性部材が押圧された部位近傍に位置する動脈から
    の脈波により前記弾性部材の露出面上にて発生した圧力
    振動地点を前記平面上に投影した座標を、前記少なくと
    も３つ以上の圧力検出手段による各検出信号の比から、
    所定時間毎に求める第１の演算手段と、 前記第１の演算手段により所定時間毎に求めた座標の移
    動速度を求める第２の演算手段と を備え、該移動速度を、該動脈の脈波伝搬速度として出
    力することを特徴とする脈波検出装置。
  27. 【請求項２７】前記移動速度の大きさを判別して、前記
    所定時間の期間を変化させる第１の時間間隔制御手段を
    備えることを特徴とする請求項26記載の脈波検出装置。
  28. 【請求項２８】予め脈波伝搬速度と一般的血圧値との相
    関関係を記憶する第２の記憶手段と、 被験者の個人データを設定する設定手段と、 出力される脈波伝搬速度に対応する一般的血圧値を読み
    出し、設定された個人データを乗じて、被験者の血圧値
    として出力する血圧値算出手段と を備えることを特徴とする請求項26記載の脈波検出装
    置。
  29. 【請求項２９】前記血圧値算出手段によって出力された
    被験者の血圧値の情報を表示する第２の表示手段を備え
    ることを特徴とする請求項28記載の脈波検出装置。
  30. 【請求項３０】請求項19記載の脈波検出装置において、 前記弾性部材が押圧された部位近傍に位置する動脈から
    の脈波により前記弾性部材の露出面上にて発生した圧力
    振動地点を前記平面上に投影した座標を、前記少なくと
    も３つ以上の圧力検出手段による各検出信号の比から、
    所定時間毎に求める第１の演算手段と、 前記第１の演算手段により所定時間毎に求めた各座標を
    それぞれプロットして表示する第３の表示手段と を備えることを特徴とする脈波検出装置。
  31. 【請求項３１】前記座標の移動速度を求めてその大きさ
    を判別し、前記所定時間の期間を変化させる第２の時間
    間隔制御手段を備えることを特徴とする請求項30記載の
    脈波検出装置。
  32. 【請求項３２】前記第３の表示手段が、前記少なくとも
    ３つ以上の圧力検出手段の各検出位置と前記第１の演算
    手段により求めた座標とを対応させて表示することを特
    徴とする請求項30記載の脈波検出装置。
  33. 【請求項３３】前記弾性部材には、前記圧力検出手段の
    検出位置を覆う位置に、ドーム状の窪みを設けたことを
    特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
  34. 【請求項３４】低面の直径がｓである前記ドーム状の窪
    みは、低面の半径がｒである前記弾性部材に、 4/5≧s/r≧1/5 の関係を満たすように設けられることを特徴とする請求
    項33記載の圧力センサ。
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