JP3803351B2 - 脈波情報計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、脈拍数などの脈波情報を計測、表示するための脈波情報計測装置に関するものであり、更に詳しくは、その脈波信号検出部の構造技術に関するものである。

脈拍数などの脈波情報を計測、表示可能な脈波情報計測装置のうち、光学式のものでは、ＬＥＤから指表面に向けて光を照射する一方、指（血管）から反射してきた光をフォトトランジスタで受光することにより、血量変化を受光量の変化として検出し、その検出結果に基づいて脈拍数などを計測するようになっている。このような脈波情報計測装置では、図２９（ａ）、（ｂ）に示すように、ＬＥＤ３１Ｃ、３１Ｄ、及びフォトトランジスタ３２Ｃ、３２Ｄの表面側に透光板３４Ｃ、３４Ｄが配置され、この透光板３４Ｃ、３４Ｄの外側表面３４１Ｃ、３４１Ｄに指を押し当てて脈波信号を検出する。ここで、透光板３４Ｃ、３４Ｄの周囲を基準面３６１Ｃ、３６１Ｄとしたときに、透光板３４Ｃ、３４Ｄの外側表面３４１Ｃ、３４１Ｄは、この基準面３６１Ｃ、３６１Ｄと同一面上にあるか、あるいは、基準面３６１Ｃ、３６１Ｄよりも引っ込んだ位置にある。

しかしながら、従来の脈波情報計測措置では、脈波信号の検出感度が低く、特に、ランニング中の脈拍数の監視など、携帯しながら用いたときの感度やデータの信頼性が低いという問題点がある。かかる問題点について、本願発明者は、その理由を検討したところ、透光板３４Ｃ、３４Ｄの外側表面３４１Ｃ、３４１Ｄと指との密着性が十分でないという結論に到達した。

ここに、本発明の課題は、生体表面と透光板との密着性を高めることによって、検出感度やデータの信頼性が高い脈波情報計測装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明では、生体表面に向けて光を発する発光素子、該発光素子が発した光のうち生体の側から反射してくる光を受光可能な受光素子、及び該受光素子及び前記発光素子の表面側に配置され、外側表面に生体表面が密着した状態とされる透光板を備える脈波信号検出部と、前記受光素子の受光結果に基づいて脈波情報を求めるデータ処理部と、該データ処理部が求めた前記脈波情報を表示するための表示部を備える装置本体とを有する脈波情報計測装置において、
前記脈波信号検出部における前記透光板の周囲の外側表面を基準面としたときに、前記透光板の外側表面は、滞留血を押し退けるために前記基準面から突出した位置にあり、
さらに、前記脈波信号検出部における前記透光板の周囲の外側表面には、該透光板を生体表面に密着させたときに生体表面に接触する人体アース用端子を有し、該人体アース用端子の外側表面は、前記透光板の外側表面より低い位置まで前記基準面から突出した位置にあることを特徴とする。

本発明において、透光板の外側表面は、平坦面で構成することができる。

本発明において、さらに、装置本体を腕に取り付けるためのリストバンドと、装置本体から延び、先端部に脈波信号検出部がセンサユニットとして構成されたケーブルと、透光板の外側表面と生体表面とが密着した状態となるようにセンサユニットを生体に取り付けるためのユニット固定手段と設ければ、ランニング中の脈拍数などを検出できる腕装着型脈波情報計測装置として構成できる。

本発明に係る脈波情報計測装置において、発光素子及び受光素子を覆う透光板の外側表面は、滞流血を押し退けるために透光板の周囲の部分よりも突出した構造になっているため、生体表面は、透光板の外側表面の全体に密着した状態となる。また、携帯時に用いたときなど、生体が透光板を押す力が変化しても、密着状態は安定したままである。しかも、透光板の外側表面が突出している分だけ、生体を押し当てたとき、血管中で滞留している血をこの部分から押し退けるため、受光素子で検出した信号には、滞留する血の影響が少ない。それ故、受光素子の脈波信号に対する検出感度が高いとともに、得られたデータの信頼性が高い。

透光板の外側表面を平坦面で構成した場合には、生体を透光板の外側表面全体に均等に密着させることができる。一方、透光板の外側表面を凸面に構成した場合には、透光板の外側表面に軽く生体を当てるだけで、透光板に押圧力がかかるので、生体表面と透光板の外側表面との密着性を高めることができる。

センサユニットにおいて、人体アース用端子の外側表面もその周囲の部分から突出している場合には、生体を透光板に押し当てたとき、生体は人体アース用端子に確実に接触する。この場合でも、人体アース用端子の外側表面は、透光板の外側表面よりも低い位置にあるので、生体と透光板の外側表面とが密着するのを妨げない。

以上説明したように、本発明に係る脈波情報計測装置において、発光素子及び受光素子を覆う透光板の外側表面は、滞流血を押し退けるために透光板の周囲の部分よりも突出している構成を有する。従って、本発明によれば、生体表面は、透光板の外側表面の全体に密着した状態となる。また、携帯時に用いたときなど、生体が透光板を押す力が変化しても、密着状態は安定したままである。しかも、透光板の外側表面が突出している分だけ、生体を押し当てたとき、血管中の滞留血をこの部分から押し退けるため、受光素子で検出した信号には、滞留血の影響が少ない。それ故、受光素子の脈波信号に対する検出感度が高いとともに、得られたデータの信頼性が高い。さらに、安定した高い感度を得るにも、生体に対して透光板を押し当てる力が小さくて済み、装着したときの違和感がない。

透光板の外側表面を平坦面で構成した場合には、生体を透光板の外側表面全体に均等に密着させることができる。

透光板の外側表面を凸面に構成した場合には、透光板の外側表面に軽く生体を当てるだけで、透光板に押圧力がかかるので、生体表面と透光板の外側表面との密着性を高めることができる。

センサユニットにおいて、人体アース用端子の外側表面もその周囲の部分から突出している場合には、生体を透光板に押し当てたとき、生体は人体アース用端子に確実に接触する。この場合でも、人体アース用端子の外側表面は、透光板の外側表面よりも低い位置にあるので、生体と透光板の外側表面とが密着するのを妨げない。

図面に基づいて、本発明の一実施例を説明する。
（全体構成）
図１は、本例の腕装着型脈波情報計測装置の使用状態を示す説明図である。

図１において、本例の腕装着型脈波情報計測装置１（脈波情報計測装置）は、腕時計構造を有する装置本体１０と、この装置本体１０に接続されるケーブル２０と、このケーブル２０の先端側に設けられたセンサユニット３０（脈波信号検出部）とから大略構成されている。装置本体１０には、腕時計における１２時方向から腕に巻きついてその６時方向で固定されるリストバンド１２が設けられ、このリストバンド１２によって、装置本体１０は、腕に着脱自在である。センサユニット３０は、センサ固定用バンド４０（ユニット固定手段）によって人差し指（生体）の根元から指関節までの間に装着されている。
（装置本体の構成）
図２は、本例の腕装着型脈波情報計測装置の装置本体を、リストバンドやケーブルなどを外した状態で示す平面図、図３は、腕装着型脈波情報計測装置を３時の方向からみた側面図である。

図２において、装置本体１０は、樹脂製の時計ケース１１（本体ケース）を備えており、この時計ケース１１の表面側には、現在時刻や日付に加えて、脈拍数などの脈波情報などをデジタル表示する液晶表示装置１３（表示部）が構成されている。時計ケース１１の内部には、センサユニット３０による検出結果（脈波信号）に基づいて脈拍数の変化などを液晶表示装置１３で表示するために、検出信号に対する信号処理を行なうデータ処理回路５０が構成されている。データ処理回路５０には、計時回路も構成されているため、通常時刻、ラップタイム、スプリットタイムなども液晶表示装置１３に表示可能である。

時計ケース１１の外周部には、時刻合わせや表示モードの切り換えなどを行なうためのボタンスイッチ１１１〜１１５が構成され、時計ケース１１の表面には、ボタンスイッチ１１６、１１７が構成されている。腕装着型脈波情報計測装置１の電源は、時計ケース１１に内蔵されているボタン形の電池５９であり、ケーブル２０は、電池５９からセンサユニット３０に電力を供給するとともに、センサユニット３０の検出結果を時計ケース１１内のデータ処理回路５０に入力している。

腕装着型脈波情報計測装置１では、その機能を増やすにともなって、装置本体１０を大型化する必要があるが、装置本体１０には、腕に装着されるという制約があるため、装置本体１０を腕時計における６時及び１２時の方向に向けては拡大できない。そこで、本例では、装置本体１０には、３時及び９時の方向における長さ寸法が６時及び１２時の方向における長さ寸法よりも長い横長の時計ケース１１を用いてある。但し、リストバンド１２は、３時の方向側に偏った位置で接続しているため、リストバンド１２からみると、腕時計における９時の方向に大きな張出部分１０１を有するが、かかる大きな張出部分は、３時の方向にはない。従って、横長の時計ケース１１を用いたわりには、手首を自由に曲げることができ、かつ、転んでも手の甲を時計ケース１１にぶつけることがない。

時計ケース１１の内部において、電池５９に対して９時の方向には、ブザー用の偏平な圧電素子５８が配置されている。電池５９は、圧電素子５８に比較して重いため、装置本体１０の重心位置は、３時の方向に偏った位置にある。この重心が偏っている側にリストバンド１２が接続しているので、装置本体１０を腕に安定した状態で装着できる。また、電池５９と圧電素子５８とを面方向に配置してあるため、装置本体１０を薄型化できるとともに、図３に示すように、裏面部１１９に電池蓋１１８を設けることによって、ユーザーは、電池５９を簡単に交換できる。
（装置本体の回り止め防止構造）
図３において、時計ケース１１の１２時の方向には、リストバンド１２の端部に取り付けられた止め軸１２１を保持するための連結部１０５が形成されている。時計ケース１１の６時の方向には、腕に巻かれたリストバンド１２が長さ方向の途中位置で折り返されるとともに、この途中位置を保持するための留め具１２２が取り付けられる受け部１０６が形成されている。

装置本体１０の６時の方向において、裏面部１１９から受け部１０６に至る部分は、時計ケース１１と一体に成形されて裏面部１１９に対して約１１５°の角度をなす回転止め部１０８になっている。すなわち、リストバンド１２によって装置本体１０を右の手首Ｌ（腕）の上面部Ｌ１（手の甲の側）に位置するように装着したとき、時計ケース１１の裏面部１１９は、手首Ｌの上面部Ｌ１に密着する一方、回転止め部１０８は、橈骨Ｒのある側面部Ｌ２に当接する。この状態で、装置本体１０の裏面部１１９は、橈骨Ｒと尺骨Ｕを跨ぐ感じにある一方、回転止め部１０８と裏面部１１９との屈曲部分１０９から回転止め部１０８にかけては、橈骨Ｒに当接する感じになる。このように、回転止め部１０８と裏面部１１９とは、約１１５°という解剖学的に理想的な角度をなしているため、装置本体１０を矢印Ａの方向に、また、装置本体１０を矢印Ｂの方向に回そうとしても、装置本体１０は、それ以上不必要にずれない。また、裏面部１１９及び回転止め部１０８によって腕の回りの片側２ヵ所で装置本体１０の回転を規制するだけである。このため、腕が細くても、裏面部１１９及び回転止め部１０８は確実に腕に接するので、回転止め効果が確実に得られる一方、腕が太くても窮屈な感じがない。
（センサユニットの構成）
図４は、本例の腕装着型脈波情報計測装置に用いたセンサユニットの平面図、図５は、図４のＩ−Ｉ′線における断面図、図６は、図４のII−II′線における断面図、図７は、図４の III−III ′線における断面図である。

図４において、センサユニット３０は、そのケース体としてのセンサ枠３６の内側に部品収納空間３００が構成され、この部品収納空間３００の内部には、回路基板３５が配置されている。回路基板３５には、ＬＥＤ３１、フォトトランジスタ３２、ダイオード３９１、及びトランジスタ３９２などの電子部品が実装されている。また、センサユニット３０には、ブッシュ３９３によってケーブル２０の端部が固定され、ケーブル２０の各配線は、回路基板３５のパターン上にはんだ付けされている。ここで、センサユニット３０は、ケーブル２０が指の根元側から装置本体１０の側に引き出されるようにして指に取り付けられる。従って、ＬＥＤ３１及びフォトトランジスタ３２は、指の長さ方向に沿って配列されることになり、そのうち、ＬＥＤ３１は指の先端側に位置し、フォトトランジスタ３２は指の根元の方に位置する。

図５からわかるように、部品収納空間３００は、センサ枠３６の裏側に裏蓋３０２が被されることによって構成されている。センサ枠３６の上面部分（実質的な脈波信号検出部）には、ガラス板からなる透光板３４によって光透過窓が形成され、この透光板３４に対向するように回路基板３５が部品収納空間３００内で固定されている。従って、ＬＥＤ３１及びフォトトランジスタ３２は、それぞれ発光面及び受光面を透光板３４の方に向けている。このため、透光板３４の外側表面３４１（指表面との接触面／センサ面）に指表面を密着させると、ＬＥＤ３１は、指表面の側に向けて光を発するとともに、フォトトラジスタ３２は、ＬＥＤ３１が発した光のうち指の側から反射してくる光を受光可能である。

図５、図６及び図７に示すように、透光板３４の周囲を取り巻くセンサ枠３６の外側表面３６１を基準面とすると、透光板３４の外側表面３４１は、基準面（センサ枠３６の外側表面３６１）よりも突出した位置にある。

また、図６に示すように、透光板３４の周囲には、透光板３４と指とを密着させたときに指表面に接触する２本の人体アース用端子３８がねじ３０６によってセンサ枠３０１に固定されている。ここで、２本の人体アース用端子３８は、透光板３４を挟むようにその両側に配置されている。なお、人体アース用端子３８の周りには、パッキン３９４が嵌められている。

ここで、人体アース用端子３８も、図６からわかるように、基準面（センサ枠３６の外側表面３６１）から突出している。但し、人体アース用端子３８の外側表面３８１（指表面との接触面）は、基準面（センサ枠３６の外側表面３６１）からみれば、透光板３４の外側表面３４１よりも低い位置にある。

本例では、ＬＥＤ３１として、ＩｎＧａＮ系（インジウム−ガリウム−窒素系）の青色ＬＥＤを用いてあり、その発光スペクトルは、図８に示すように、４５０ｎｍに発光ピークを有し、その発光波長領域は、３５０ｎｍから６００ｎｍまでの範囲にある。かかる発光特性を有するＬＥＤ３１に対応させて、本例では、フォトトランジスタ３２として、ＧａＡｓＰ系（ガリウム−砒素−リン系）のフォトトランジスタを用いてあり、その素子自身の受光波長領域は、図９に示すように、主要感度領域が３００ｎｍから６００ｎｍまでの範囲にあって、３００ｎｍ以下にも感度領域がある。ここで、フォトトランジスタ３２として、素子にフィルタを付加したセンサユニットを用いることもあり、このようなセンサユニットの受光波長領域の一例は、図１０に示すように、主要感度領域が４００ｎｍから５５０ｎｍまでの範囲にある。

このように構成したセンサユニット３０において、図１１に示すように、センサ固定用バンド４０を指の根元に装着すると、ＬＥＤ３１及びフォトトランジスタ３２は、それぞれの発光面及び受光面を指表面に向いた状態になる。この状態で、ＬＥＤ３１が指に向けて光を照射すると、生体（血管）から反射してきた光をフォトトランジスタ３２が受光し、その受光結果（脈波信号）を、ケーブル２０を介して装置本体１０に入力すると、装置本体１０では、脈波信号から脈拍数が求められる。
（データ処理回路の構成）
すなわち、図１２に、時計ケースの内部に構成されたデータ処理回路の機能の一部をブロック図で示すように、データ処理回路５０において、脈波信号変換部５１は、センサユニット３０からケーブル２０を介して入力された信号をデジタル信号に変換して脈波信号記憶部５２に出力するようになっている。脈波信号記憶部５２は、デジタル信号に変換された脈波データを記憶しておくＲＡＭである。脈波信号演算部５３は、脈波信号記憶部５２に記憶されている信号を読み出してそれに周波数分析を行ない、その結果を脈波成分抽出部５４に入力するようになっている。脈波成分抽出部５４は、脈波信号演算部５３からの入力信号から脈波成分を抽出して脈拍数演算部５５に出力し、この脈拍数演算部５５は、入力された脈波の周波数成分により脈拍数を演算し、その結果を液晶表示装置１３に出力するようになっている。
（ケーブルと装置本体との接続構造）
本例の腕装着型脈波情報計測装置１では、通常の腕時計と同様に扱えるように、図１に示すように、ケーブル２０は、装置本体１０の６時の方向に位置する端部の表面側で着脱できるようになっている。すなわち、図３に示したように、装置本体１０の６時の方向において、回転止め部１０８として延設されている部分の表面側には、コネクタ部７０が構成され、そこには、ケーブル２０の端部に構成されたコネクタピース８０を装着できるようになっている。従って、コネクタ部７０は、利用者からみると手前側にあり、操作が簡単である。また、コネクタ部７０は、装置本体１０から３時の方向に張り出さないので、利用者は、ランニング中に手首を自由に動かすことができるとともに、ランニング中に転んでも手の甲がコネクタ部７０にぶつからない。

コククタ部７０及びコネクタピース８０（コネクタ手段）において行なわれる電気的な接続は、図１３に示すとおりである。

図１３において、装置本体１０の側に構成されているコネクタ部７０には、端子７５１〜７５６（第１の端子群）が構成されており、これらの端子７５１〜７５６に対応して、コネクタピース８０には、電極部８３１〜８３６（第２の端子群）が構成されている。そのうち、端子７５２は、電極部８３２を介してＬＥＤ３１に第２の駆動電圧ＶＤＤの供給するためのプラス端子、端子７５３は、電極部８３３を介してＬＥＤ３１のマイナス電位とされる端子、端子７５４は、電極部８３４を介してフォトトランジスタ３２のコレクタ端子に駆動用の定電圧ＶＲＥＧを供給するための端子、端子７５１は、電極部８３１を介してフォトトランジスタ３２のエミッタ端子からの信号が入力される端子、端子７５５は、電極部８３５を介してコネクタピース８０をコネクタ部７０に装着したか否かを検出するための信号が入力される端子である。

電極部８３６は、図４及び図６に示した人体アース用端子３８を介して、センサユニット３０において人体にアースを落としており、端子７５６と電極部８３６とが電気的に接続したとき、ＶＤＤをグランド線とすることによって、電極部８３１〜８３６をシールドするようになっている。

コネクタピース８０では、ＬＥＤ３１の端子間（電極部８３２、８３３の間）に対して、第１のキャパシタＣ１、及び第１のスイッチＳＷ１が介挿されている。このスイッチＳＷ１は、コネクタピース８０をコネクタ部７０から外したときに閉状態になって、ＬＥＤ３１に対して第１のキャパシタＣ１を並列接続させ、コネクタピース８０をコネクタ部７０に装着したときに開状態になる。同様に、フォトトランジスタ３２の端子間（電極部８３１、８３４）に対しては、第２のキャパシタＣ２、及び第２のスイッチＳＷ２が介挿されている。このスイッチＳＷ２は、コネクタピース８０をコネクタ部７０から外したときに閉状態になって、フォトトランジスタ３２に対して第２のキャパシタＣ２を並列接続させ、コネクタピース８０をコネクタ部７０に装着したときに開状態になる。

コネクタ部７０及びコネクタピース８０の構造を、図１４〜図１７を参照して詳述する。

図１４は、ケーブルの端部に構成されたコネクタピースの構成を示す拡大図、図１５は、装置本体側のコククタ部の拡大図、図１６は、コネクタ部に対してコネクタピースを結合させた状態を示す縦断面図である。

図１４において、コネクタピース８０の下面部８０１には、その両側で下方に向けて張り出す一対の突出部８１、８２が形成されている。これらの突出部８１、８２の下端部では、その内側に向かって４個の係合片８１１、８１２、８２１、８２２（第２の係合用突起群）が突き出ている。

コネクタピース８０の下面部８０１には、６つの電極部８３１、８３２、８３３、８３４、８３５、８３６（第２の端子群）が形成されており、その周囲には環状の凸条部８４１、８４２、８４３、８４４、８４５、８４６が形成されている。ここで、コネクタピース８０をコネクタ部７０に装着する際には、後述するとおり、コネクタピース８０をコネクタ部７０に被せた後、矢印Ｑの方向にコネクタピース８０をスライドさせるが、かかるスライド方向（矢印Ｑの方向）に沿って、電極部８３１〜８３６は、電極部８３１、８３２、８３３と、電極部８３４、８３５、８３６との２列に形成されている。また、いずれの列でも、各電極部８３１〜８３６は、コネクタピース８０のスライド方向（矢印Ｑの方向）に対して直交する方向にずれるように斜めに配置されている。

さらに、コネクタピース８０の底面部には、装置本体１０にケーブル２０を接続したときの静電気の影響を防止するための回路をスイッチングする２本の作動ピン８３７、８３８が形成されている。これらの作動ピン８３７、８３８は、コネクタピース８０をコネクタ部７０から外した状態では、先端がコネクタピース８０の下面部８０１から突出した状態にある。

一方、図１５に示すように、コネクタ部７０には、外側に張り出す係合部７１、７２、７３、７４（第１の係合用突起群）が形成されている。従って、コクネタピース８０の突出部８１、８２がコネクタ部７０の係合部７１、７２、７３、７４が外側に位置し、かつ、係合部７１と係合部７２との間、及び係合部７３と係合部７４との間に、コネクタピース８０の係合片８１１、８２１が位置するように、コネクタピース８０をコネクタ部７０に被せた後、係合片８１１、８２１が係合部７１と係合部７２との間、及び係合部７３と係合部７４との間をそれぞれ通り抜けるように、コネクタピース８０をコネクタ部７０に向けて押し付け、しかる後に、矢印Ｑの方向にコネクタピース８０をスライドさせると、係合部７１、７３の下に係合片８１１、８２１が潜り込む。また、係合部７２、７４の下に係合片８１２、８２２が潜り込む。その結果、係合片８１１、８２１、８１２、８２２は、コネクタピース８０の下面部８０１との間に係合部７１、７２、７３、７４をそれぞれ保持する状態になり、コネクタピース８０は、コネクタ部７０に簡単に、かつ、確実に装着される。

このようにして、コネクタピース８０をコネクタ部７０上で矢印Ｑの方向にスライドさせたときに係合するとともに、この状態からコネクタピース８０を逆の方向（矢印Ｒの方向）にスライドさせたときに係合状態が解除される係合機構７００が構成されている。かかる構成の係合機構は、少ない部品でありながら、係合が確実である。また、コネクタピース８０をコネクタ部７０上で６時の方向から１２時の方向に向けてスライドさせたとき、装置本体１０に加わる力は、回転止め部１０８によって、装置本体１０がより回転しにくい向きである。従って、コネクタピース８０を装着するときも、装置本体１０は、手首の周りを回転しないので、装着が簡単である。

ここで、各端子７５１〜７５６は、電極部８３１〜８３６と同様、コネクタピース８０のスライド方向（矢印Ｑの方向）に沿って、端子７５１、７５２、７５３と、端子７５４、７５５、７５６の２列に形成されている。また、いずれの列でも、各端子７５１〜７５６は、電極部８３１〜８３６と同様、コネクタピース８０のスライド方向（矢印Ｑの方向）に対して直交する方向にずれるように斜め配置されている。従って、コネクタピース８０をコネクタ部７０に装着すると、コネクタピース８０の６つの電極部８３１〜８３６に対して、コネクタ部７０の６つの端子７５１〜７５６がそれぞれ電気的に接続し、センサユニット３０での計測結果をケーブル２０を介して装置本体１０に入力することが可能となる。

なお、端子７５１〜７５６、及び電極部８３１〜８３６は、コネクタピース８０のスライド方向に沿って２列に配置され、かつ、このスライド方向に直交する方向に、各端子間及び各電極間の位置が斜めにずれているので、コネクタピース８０をコネクタ部７０の上でスライドさせても、対応しない端子７５１〜７５６と電極部８３１〜８３６とが接触するということがない。また、コネクタ部７０の形成面積を狭くしても、端子同士及び電極部同士を離れた位置に配置できるので、コネクタピース８０とコネクタ部７０との間に水が侵入した場合でも、端子間及び電極間がショートしにくい。また、駆動電圧がかかる端子７５２、７５４、７５６、及び電極部８３２、８３４、８３６については、特に、離れるように配置してあるため、異なる電位の端子同士及び電極部同士の間では、トラッキングが発生しない。
（ストッパー機構の構成）
図１５からわかるように、係合部７１〜７４には、矢印Ｑの方向の側に垂直壁７１１、７２１、７３１、７４１が形成されている。従って、コネクタピース８０をコネクタ部７０に装着するときに、コネクタピース８０を矢印Ｒの方向にスライドさせると（第２の動作）、係合片８１１、８１２、８２１、８２２は、垂直壁７１１、７２１、７３１、７４１にそれぞれ当接し、コネクタピース８０をコネクタ部７０の装着位置で停止させる。すなわち、垂直壁７１１、７２１、７３１、７４１は、コネクタピース８０に対する第１のストッパーとして機能する。逆に、コネクタピース８０をコネクタ部７０から外すために矢印Ｒの方向にスライドさせると、係合片８１１、８２１は、それぞれ係合部７２、７４の垂直壁７２１、７４１の裏側に当接し、コネクタピース８０をコネクタ部７０を元の位置で停止させる。すなわち、垂直壁７２１、７４１の裏側は、コネクタピース８０に対する第２のストッパーとして機能する。
（端子及び電極部の構造）
コネクタ部７０において、端子７５１〜７５６は、いずれも、コネクタ部７０に形成された孔７６１、７６２、７６３、７６４、７６５、７６６の内部に配置されており、そのうちの端子７５３、７５６、作動ピン８３８、及び電極部８３３、８３６の形成位置を通る位置で切断したときの断面が、図１６に表れている。

図１６において、コネクタピース８０は、内部に回路基板８５を収容可能な外装ケース８０５に蓋材８０６を被せた構造になっている。蓋材８０６には、孔８６３、８６６が形成され、その下方側の開口縁に沿って環状の凸条部８４３、８４６が形成されている。孔８６３、８６６の内部には、電極部８３３、８３６が配置されている。電極部８３３は、ねじ８８１によって固定され、電極部８３６は、回路基板８５と蓋材８０６とに挟まれて固定されている。電極部８３３、８３６に対しては、防水パッキン８７３、８７６が装着されている。電極部８３３、８３６は、コネクタピース８０の内部に配置された回路基板８５の回路パターン上に電気的接続されている。かかる電極構造は、電極部８３３、８３６以外の電極部８３１、８３２、８３４、８３５も同様である。なお、回路基板８５の回路パターン上には、ケーブル２０の芯線もハンダ付けにより電気的接続されている。
（クリック機構の構成）
コネクタ部７０では、その凹部に蓋材７０６を被せた構造になっている。蓋材７０６には孔７６３、７６６が形成されている。これらの孔７６３、７６６の内部において、端子７５３、７５６は、先端を孔７６３、７６６から突出させた状態となるように進退可能な進退ピンとして配置されている。各端子７５３、７５６の基部側に形成された鍔部７８３、７８６に対しては、コイルばね７７３、７７６が配置されており、これらのコイルばね７７３、７７６によって、端子７５３、７５６は、孔７６３、７６６から突出する方向に向けて付勢されている。但し、鍔７８３、７８６の外径は、孔７６３、７６６の内径よりも大きいので、端子７５３、７５６が孔７６３、７６６から抜け出てしまうことはない。かかる端子構造は、端子７５３、７５６以外の端子７５１、７５２、７５４、７５５も同様である。

コネクタピース８０をコネクタ部７０上に装着するときには、コネクタピース８０をコネクタ部７０上でスライドさせるため、端子７５３、７５６は、コネクタピース８０の環状の凸条部８４３、８４６をコイルばね７７３、７７６に付勢されながら乗り越えて、電極部８３３、８３６に対して確実に接続する。また、かかる凸条部８４３、８４６、端子７５３、７５６、及びコイルばね７７３、７７６をそのまま利用してクリック機構が構成されているので、コネクタピース８０をコネクタ部７０に確実に装着できる。なお、かかるクリック機構を構成するには、本例とは逆に、コネクタピース８０の側に進退ピンを利用した端子を設け、コネクタ部７０の側に凸条部を設けてもよい。
（スイッチ機構の構成）
コネクタピース８０の蓋材８０６には、孔８６８が形成されており、この孔８３８には、作動ピン８３８が配置されている。この作動ピン８３８は、先端を孔８６８から突出させた状態となるように孔８６８の内部で進退可能な状態にある。作動ピン８３８の基部に形成された鍔部８９８に対しては、板ばね状のスイッチばね８８が配置されている。スイッチばね８８は、その先端部８８５によって作動ピン８３８を孔８６８から突出する方向に向けて付勢している。但し、鍔８９８の外径は、孔８６８の内径よりも大きいので、作動ピン８３８は、孔８６８から抜け出ることがない。スイッチばね８８は、その基部が電極部８３３の上端面にねじ８８１によって止められ、電極部８３３に電気的接続している。ここで、スイッチばね８８の先端部８８５には、その図示を省略するが、作動ピン８３８の基部に接する当接部と、そこから側方に張り出した部分に形成された接点とが形成されている。この接点は、回路基板８５の回路パターンに電気的に接続し、回路パターンは、第１のキャパシタＣ１と電極部８３３との間に介挿されている。

従って、コネクタピース８０をコネクタ部７０に装着しない状態では、図１６に実線で示すように、作動ピン８３８は、スイッチばね８８に押されて先端が孔８６８から突出し、図１３において、第１のスイッチＳＷ１が閉じて、第１のコンデンサＣ１は、ＬＥＤ３１に並列に電気的接続している状態にある。従って、静電気によって高い電位にあるものが電極部８３２、８３３に触れても、その電荷は、第１のコンデンサＣ１に蓄積されるので、ＬＥＤ３１は、破損しない。これに対して、コネクタピース８０をコネクタ部７０に装着すると、作動ピン８３８は、図１６に二点鎖線で示すように、孔８６８の内部に引っ込む方向に移動してスイッチばね８８を二点鎖線で示すように変形させる。その結果、図１３において、第１のスイッチＳＷ１は、開いた状態になるので、脈波を計測可能な回路構成になる。このとき、第１のコンデンサＣ１に電荷が蓄積されていても、この電荷は、電極部８３２、８３３、及び端子７５２、７５３を介して、コネクタ部７０及び装置本体１０に内蔵されている各回路には放電しない。

スイッチ機構は、フォトトランジスタ３２にも構成されているが、その構成は、ＬＥＤ３１に対するスイッチ機構と同様であるため、その説明を省略する。
（動作）
このように構成した腕装着型脈波情報計測装置１の動作を、図１及び図１１を参照して簡単に説明する。

まず、図１において、腕装着型脈波情報計測装置１を通常の腕時計として用いる場合には、ケーブル２０及びセンサユニット３０を装置本体１０のコネクタ部７０で外し、コネクタ部７０には、所定のコネクタカバーを装着する。このコネクタカバーとしては、コネクタピース８０と同じ構成のものを用いることができる。但し、コネクタカバーには、電極部などが不要である。
腕装着型脈波情報計測装置１を用いてランニング中の脈拍数を計測する場合には、コネクタピース８０をコネクタ部７０に装着して、ケーブル２０を装置本体１０に接続した後、装置本体１０をリストバンド１２で腕に装着する。また、センサユニット３０をセンサ固定用バンド４０によって指の根元に密着させた状態でランニングを行なう。このように、センサユニット３０を指の根元に装着すると、ケーブル２０が短くて済むので、ケーブル２０は、ランニング中に邪魔にならない。また、掌から指先までの体温の分布を計測すると、寒いときには、指先の温度が著しく低下するのに対し、指の根元の温度は比較的低下しない。従って、指の根元にセンサユニット３０を装着すれば、寒い日に屋外でランニングしたときでも、脈拍数などを正確に計測できる。

この状態で、図１１に示すように、ＬＥＤ３１から指に向けて光を照射すると、この光が血管に届いて血液中のヘモグロビンによって一部が吸収され、一部が反射する。指（血管）から反射してきた光は、フォトトランジスタ３２によって受光され、その受光量変化が血量変化（血液の脈波）に対応する。すなわち、血量が多いときには、反射光が弱くなる一方、血量が少なくなると、反射光が強くなるので、反射光強度の変化を検出すれば、脈拍数などを計測できる。かかる計測を行なうために、図１２に示したデータ処理回路５０は、フォトトランジスタ３２（センサユニット３０）から入力された信号をデジタル信号に変換し、このデジタル信号に周波数分析などを行なって脈拍数を演算する。そして、演算により求めた脈拍数を液晶表示装置１３に表示させる。

図１１において、ＬＥＤ３１から発せられた光は、その一部が矢印Ｃで示すように指を通って血管にまで到達し、血液中のヘモグロビンからの反射光が矢印Ｄで示すようにフォトトランジスタ３２に届く。なお、ＬＥＤ３１から発せられた光は、その一部が矢印Ｅで示すように指表面で反射してフォトトランジスタ３２に届く。また、ＬＥＤ３１から発せられた光、及び血管から反射した光の一部は、矢印Ｆ、Ｇで示すように、指内で吸収、又は分散してフォトトランジスタ３２に届かない。

本例では、発光波長領域が３５０ｎｍから６００ｎｍまでの範囲にあるＬＥＤ３１と、受光波長領域が３００ｎｍから６００ｎｍまでの範囲のフォトトランジスタ３２とを用いてあり、その重なり領域である約３００ｎｍから約６００ｎｍまでの波長領域における検出結果に基づいて生体情報を表示する。かかるセンサユニット３０を用いれば、外光が指の露出部分にあたっても、外光に含まれる光のうち、波長領域が７００ｎｍ以下の光は、指を導光体としてフォトトランジスタ３２（受光部）にまで到達しない。

その理由を、図１７を参照して説明する。図１７（ａ）は、光の波長と、皮膚の光透過度との関係を示すグラフであり、折れ線ａは、波長が２００ｎｍの光における透過特性、折れ線ｂは、波長が３００ｎｍの光における透過特性、折れ線ｃは、波長が５００ｎｍの光における透過特性、折れ線ｄは、波長が７００ｎｍの光における透過特性、折れ線ｅは、波長が１μｍの光における透過特性を示す。この図から明らかなように、外光に含まれる光のうち、波長領域が７００ｎｍ以下の光は、指を透過しにくい傾向にあるため、外光がセンサ固定用バンド４０で覆われていない指の部分に照射されても、図１１に点線Ｘで示すように、指を通ってフォトトランジスタ３２まで届かない。これに対し、８８０ｎｍ付近に発光ピークを有するＬＥＤと、シリコン系のフォトトランジスタとを用いると、その受光波長範囲は、３５０ｎｍから１２００ｎｍまでの範囲に及ぶ。すなわち、図１１に矢印Ｙで示すように、指を導光体として受光部にまで容易に届いてしまうような１μｍの波長の光（図１７（ａ）の折れ線ｅで示す光）による検出結果に基づいて脈波を検出すると、外光の変動に起因する誤検出が起こりやすい。

なお、外光の影響を受けることなく、脈波情報を得るという観点からすれば、たとえば、図１８に示すように、５４０ｎｍから５７０ｎｍまでの範囲に主要発光領域を有するＧａＰ系のＬＥＤと、受光感度特性を図１９に示すように、２００ｎｍから７００ｎｍ近くまでの範囲に感度領域を有するＧａＰ系のフォトトランジスタを用いてもよい。

さらに、約３００ｎｍから約７００ｎｍまでの波長領域の光を利用して、脈波情報を得ているので、血量変化に基づく脈波信号のＳ／Ｎ比が高い。すなわち、 図１７（ｂ）には、酸素と未結合のヘモグロビンの吸光特性を曲線Ｈｂで示し、酸素と結合しているヘモグロビンの吸光特性を曲線ＨｂＯ2 で示してあるように、血液中のヘモグロビンは、波長が３００ｎｍから７００ｎｍまでの光に対する吸光係数が大きく、従来の検出光である波長が８８０ｎｍの光に対する吸光係数に比して数倍〜約１００倍以上大きい。従って、本例のように、ヘモグロビンの吸光特性に合わせて、吸光係数が大きい波長領域（３００ｎｍから７００ｎｍ）の光を検出光として用いると、その検出値は、血量変化に感度よく変化するので、血量変化に基づく脈波の検出率（Ｓ／Ｎ比）が高い。
（実施例の主な効果）
このようにして、本例の腕装着型脈波情報計測装置１は、ランニング中の脈拍数を計測できるなど、その携帯に便利であるとともに、感度および計測結果の信頼性が高い。すなわち、図２０（ａ）に示すように、本例のセンサユニット３０において、透光板３４の外側表面３４１は、基準面（センサ枠３６の外側表面３６１）よりも突出した位置にあるため、指表面は、透光板３４の外側表面３４１の全体に均等に密着した状態となる。また、この状態は、指の位置がややずれても、透光板３４の外側表面３４１の全体に均等に密着した状態のままである。これに対して、図２０（ｂ）に示すように、従来の構造では、透光板３４Ｄの外側表面３１Ｄを引っ込めてあるため、指を透光板３４Ｄに被せても、透光板３４Ｄの隅部分を覆うことができない。このように、指で覆われない隅部分では、空気の層が介在するため、脈波信号を検出できない。また、従来の構造では、指の位置がややずれただけでも、透光板３４Ｄと指の間の広い範囲にわたって空気の層が介在する状態になってしまうので、携帯中に指が動くと、感度が著しく低下する。

さらに、本例のセンサユニット３０では、透光板３４の外側表面３４１が突出している分だけ、図２１に示すように、血管中で滞留している血液（図２１において白丸で示す。）を側方に退けるため、かかる滞留している血液の影響が小さいともいえる。すなわち、フォトトランジスタ３２で検出した信号には、滞留する血液による信号成分と、流れている血液による信号成分とが含まれており、脈拍数は、流れている血液による信号成分から求まる。これに対して、滞留する血液による信号成分は、検出した信号のバックグランド（雑音）であるため、本例のように、滞留している血液を押し退けた状態で計測した方が感度が高いといえる。

かかる効果は、図２２ないし図２７に示す検討結果から確認できている。

まず、図２２及び図２３には、図２０（ｂ）に示したように、透光板３４Ｄの外側表面３４１Ｄを基準面から０．２ｍｍ引っ込めた構造のセンサユニット（従来例）において、指表面への加重（押圧力）と、検出した信号に含まれる交流成分（実線Ｐ１、Ｐ３）及び直流成分（実線Ｐ２、Ｐ４）のレベルとの関係を評価した結果を示してある。ここで、図２２及び図２３には、繰り返し行った実験のうち、２回の実験結果を示してある。

この評価において、交流成分（ＡＣ）は、血管中の血液の流れに基づく信号であり、脈波信号に相当する。これに対して、直流成分（ＤＣ）は、外乱その他の原因に基づく信号である。従って、検出した信号において交流成分が占める比率が大である程、感度が高いといえる。

そこで、図２２に示す結果に基づいて直流成分に対する交流成分の比率を求め、この比率とセンサユニットの指表面への加重との関係を図２４に示す。

その結果、比較例に係るセンサユニットでは、まず、図２２及び図２３に示すように、大きな加重をかけても、交流成分のレベルは６ｍＶ前後と低い。また、図２４に示すように、約１１０ｇｆ以上の加重をかけなければ、直流成分に対する交流成分の比率が高くならない。

一方、図２５及び図２６には、図２０（ａ）に示したように、透光板３４の外側表面３４１を基準面から０．２５ｍｍ突出させた構造のセンサユニット３０（実施例）において、指表面への加重（押圧力）と、検出した信号に含まれる交流成分（実線Ｐ５、Ｐ７）及び直流成分（実線Ｐ６、Ｐ８）との関係を示してある。なお、図２５及び図２６には、繰り返し行った実験のうち、２回の実験結果を示してある。また、図２５に示す結果に基づいて直流成分に対する交流成分の比率を求め、この比率とセンサユニット３０の指表面への加重との関係を図２７に示す。

その結果、本例のセンサユニット３０では、図２５及び図２６に示すように、比較的小さな加重をかけるだけで、交流成分のレベルは、７ｍＶ以上に達し、かつ、そのレベルは安定している。また、図２５及び図２７に示すように、３０ｇｆ〜２３０ｇｆの加重をかければ、直流成分に対する交流成分の比率が大きくて安定していること、すなわち、感度が高いことも確認できた。

それ故、本例のセンサユニット３０は、従来のセンサユニットと相違して、安定した高い感度を得るにも、指に対してセンサユニット３０を押し当てる力が小さくて済み、装着したときの違和感がない。

さらに、本例のセンサユニット３０では、図２０（ａ）に示したように、人体アース用端子３８の外側表面３８１が基準面（センサ枠３６の外側表面３６１）から突出しているので、指表面は、人体アース用端子３８に確実に接触する。この場合でも、人体アース用端子３８の外側表面３８１は、透光板３４の外側表面３４１よりも低い位置にあるので、指表面が透光板３４の外側表面３４１に密着するのを妨げることがない。

また、人体アース用端子３８は、透光板３４を挟むようにその両側に配置されているため、透光板３４から指が多少ずれても、指と人体アース用端子３８とは確実に接触したままである。
（その他の実施例）
なお、本例では、透光板３４の外側表面３４１は、平坦面になっているが、それに代えて、図２８に示すように、透光板３４Ａの外側表面３４１Ａを凸面に構成してもよい。この場合には、透光板３４Ａの外側表面３４１Ａに軽く指を当てるだけで、透光板３４Ａには、押圧力がかかるので、指表面と透光板３４Ａの外側表面３４１Ａとの密着性を高めることができる。

また、本例では、腕装着型であることから、ケーブル２０の先端部にセンサユニット３０（脈波信号検出部）を設けたが、装置本体１０の表面部自身に脈波信号検出部を一体に構成してもよい。

さらに、本例では、指表面において脈波を計測したが、生体のその他の表面部位、たとえば手首、耳たぶなどの皮膚表面などにおいて脈波を計測しても、本例と同様な効果を奏する。

本発明の一実施例に係る腕装着型脈波情報計測装置の全体構成、及び使用状態を示す説明図。 腕装着型脈波情報計測装置の装置本体の平面図。 腕装着型脈波情報計測装置の装置本体を時の方向からみたときの説明図。 腕装着型脈波情報計測装置に用いたセンサユニットの平面図。 図４のＩ−Ｉ′線における断面図。 図４のII−II′線における断面図。 図４の III−III ′線における断面図。 腕装着型脈波情報計測装置に用いたＩｎＧａＮ系青色ＬＥＤの発光スペクトルを示す説明図。 腕装着型脈波情報計測装置に用いたＩｎＧａＰ系フォトトランジスタの受光特性を示す説明図。 腕装着型脈波情報計測装置に用いたフィルタ付きのフォトトランジスタユニットの受光特性を示す説明図。 腕装着型脈波情報計測装置に用いたセンサユニットをバンドによって指に装着した状態を示す説明図。 腕装着型脈波情報計測装置のデータ処理回路の機能を示すブロック図。 腕装着型脈波情報計測装置のコネクタ部における電気的な接続関係を示す説明図。 腕装着型脈波情報計測装置のコネクタ部分に用いたコネクタピースの構造を示す説明図。 腕装着型脈波情報計測装置のコネクタ部分に用いたコネクタ部の構造を示す説明図。 図１４に示すコネクタピースを図１５に示すコネクタ部に装着した状態を示す断面図。 （ａ）は、光の波長と皮膚の光透過度との関係を示すグラフ図、（ｂ）は、光の波長と各種のヘモグロビンの吸光特性との関係を示す説明図。 腕装着型脈波情報計測装置に用いることのできるＧａＰ系のＬＥＤの発光スペクトルを示す説明図である。 腕装着型脈波情報計測装置に用いることのできるＧａＡｓＰ系フォトトランジスタの受光特性を示す説明図である。 腕装着型脈波情報計測装置のセンサユニットにおいて、指と透光板との密着性を向上する効果を説明するための説明図である。 腕装着型脈波情報計測装置のセンサユニットにおいて、フォトトランジスタが検出する信号から滞留血の影響を小さくする効果を説明するための説明図である。 腕装着型脈波情報計測装置のうち、比較例として、透光板を基準面から０．２ｍｍ引っ込ませた構造のセンサユニットにおいて、指へのセンサユニットの押圧力と、フォトトランジスタが検出する交流信号及び直流信号の大きさとの関係を評価した結果を示すグラフである。 腕装着型脈波情報計測装置のうち、比較例として、透光板を基準面から０．２ｍｍ引っ込ませた構造のセンサユニットにおいて、図２２に示す評価と同じ内容で行った別の実験から得た結果（指へのセンサユニットの押圧力と、フォトトランジスタが検出する交流信号及び直流信号の大きさとの関係）を示すグラフである。 図２２に示す結果から、指へのセンサユニットの押圧力と、フォトトランジスタが検出した交流信号の直流信号に対する比との関係を求めた結果を示すグラフである。 腕装着型脈波情報計測装置のうち、実施例として、透光板を基準面から０．２５ｍｍ突出させた構造のセンサユニットにおいて、指へのセンサユニットの押圧力と、フォトトランジスタが検出する交流信号及び直流信号の大きさとの関係を示すグラフである。 腕装着型脈波情報計測装置のうち、実施例として、透光板を基準面から０．２５ｍｍ突出させた構造のセンサユニットにおいて、図２５に示す評価と同じ内容で行った別の実験から得た結果（指へのセンサユニットの押圧力と、フォトトランジスタが検出する交流信号及び直流信号の大きさとの関係）を示すグラフである。 図２５に示す結果から、指へのセンサユニットの押圧力と、フォトトランジスタが検出した交流信号の直流信号に対する比との関係を求めた結果を示すグラフである。 腕装着型脈波情報計測装置に用いた別のセンサユニットの断面図である。 （ａ）は、従来の脈波情報計測装置に用いたセンサユニットの断面図、（ｂ）は、別のセンサユニットの断面図である。

符号の説明

１・脈波情報計測装置、１０・装置本体、１２・リストバンド、１３・液晶表示装置（表示部）、２０・ケーブル、３０・センサユニット（脈波信号検出部）、３１・ＬＥＤ、３２・フォトトランジスタ、３４・透光板、３６・センサ枠、３８・人体アース用端子、４０・センサ固定用バンド（ユニット固定手段）、５０・データ処理回路、７０・コネクタ部、８０・コネクタピース、３００・部品収納空間、３４１・透光板の外側表面（指表面との接触面）、３６１・センサ枠の外側表面（基準面）、３８１・人体アース用端子の外側表面（指表面との接触面）

Claims (3)

1. 生体表面に向けて光を発する発光素子、前記発光素子が発した光のうち生体の側から反射してくる光を受光可能な受光素子、及び前記受光素子及び前記発光素子の表面側に配置され、外側表面に生体表面が密着した状態とされる透光板を備える脈波信号検出部と、前記受光素子の受光結果に基づいて脈波情報を求めるデータ処理部と、前記データ処理部が求めた前記脈波情報を表示するための表示部を備える装置本体とを有する脈波情報計測装置において、
   前記脈波信号検出部における前記透光板の周囲の外側表面を基準面としたときに、前記透光板の外側表面は、滞留血を押し退けるために前記基準面から突出した位置にあり、
   さらに、前記脈波信号検出部における前記透光板の周囲の外側表面には、前記透光板を生体表面に密着させたときに生体表面に接触する人体アース用端子を有し、前記人体アース用端子の外側表面は、前記透光板の外側表面より低い位置まで前記基準面から突出した位置にあることを特徴とする脈波情報計測装置。
2. 請求項１において、前記透光板の外側表面は、平坦面であることを特徴とする脈波情報計測装置。
3. 請求項１または２のいずれかの項において、さらに、前記装置本体を腕に取り付けるためのリストバンドと、前記装置本体から延び、先端部に前記脈波信号検出部がセンサユニットとして構成されたケーブルと、前記透光板の外側表面と生体表面とが密着した状態となるように前記センサユニットを生体に取り付けるためのユニット固定手段と有することを特徴とする脈波情報計測装置。

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