JP5772292B2 - 生体センサーおよび生体情報検出装置 - Google Patents
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Description
生体センサーを構成する発光素子と受光素子とは、物理的に異なる素子であるので、物理的に離間した状態で配置せざるを得ない。この状態において発光素子からの漏光が受光素子に直接入射してしまうと、直接入射光は、生体情報を反映した光に対してノイズとなってしまう。
そこで、発光素子と受光素子とを光遮蔽性を有するホルダーによって隔てて収納する技術(例えば特許文献1参照)や、平面視したときに発光素子と受光素子との間に光遮蔽体を設ける技術(例えば特許文献2参照)が提案されている。
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、微弱な光成分を精度良く検出することが可能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。
上記のひとつの生体センサーにおいて、前記発光素子は、前記第1基板から向かって順に、反射層、第1電極層、発光層および第2電極層を少なくとも含んだ積層体であることが好ましい。
上記のひとつの生体センサーにおいて、前記第1基板と前記発光素子との間に、前記受光素子に前記発光素子からの直接の光を遮断する遮光層が形成されていることが好ましい。
上記のひとつの生体センサーにおいて、前記第1の基板を平面視したときに、前記発光素子は、前記受光素子の中心位置を中心とした環状に設けられていることが好ましい。
上記のひとつの生体センサーにおいて、前記発光素子は、前記中心位置を中心とした径の異なる複数の発光部から構成されていることが好ましい。
本発明に係るひとつの生体情報検出装置は、上記に記載のひとつの生体センサーと、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、を備えることが好ましい。
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基板の一方の面側に設けられ、光を出射する発光素子と、前記第1基板の他方の面側に設けられ、前記発光素子から出射した光のうち、生体からの反射光を受光して、当該受光に応じた信号を出力する受光素子と、を具備することを特徴とする。本発明によれば、光透過性を有する第1基板に対し、発光素子と受光素子とが互いに異なる面にそれぞれ設けられるので、発光素子からの漏光が受光素子に受光されてしまうのを抑えることができるほか、受光素子の受光領域を広く確保することができる。したがって、本発明によれば、微弱な光成分を精度良く検出することが可能になる。
この構成において、前記反射層は、前記第1基板を平面視したときに前記発光層の周縁を含むように設けられた態様が好ましい。また、前記受光素子は、第2基板における一方の面に設けられ、前記第2基板における一方の面が前記第1基板の他方の面に対向するように、前記第1基板と前記第2基板とが貼り合わせられても良い。
本発明において、前記発光素子は、前記第1基板側に光を出射し、前記受光素子は、前記第1基板とは反対側からの光を受光する構成としても良い。
また、前記基板を平面視したときに、前記受光素子の受光面の面積は、前記発光素子の発光面の面積以上にすると、微弱な光成分を効率良く受光することができる。
なお、本発明は、このような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も概念することが可能である。
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の表面には、長方形状の表示面を持った表示部100が設けられている。表示部100は、例えば液晶パネルであり、求められた脈拍数や脈拍間隔などを表示する。筐体10の外周部にはボタンスイッチなどの操作子14が複数個(図では3個)個設けられている。操作子14は、脈波の測定開始や、測定終了、測定結果のリセットなどの各種指示の入力に用いられる。
また、筐体10の外周部のうち、表示部100を挟んで対向する部分には、被験者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。これによって、筐体10が被験者の身体に装着されることになる。
なお、図1では省略されているが、後述する演算処理回路が、操作子14への入力に応じて各種の処理を実行して、その処理結果を、表示部100に表示させる。
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おり、当該中空部15において被験者への装着面側に生体センサー20が設けられている。生体センサー20は、光透過性を有するガラスなどの基板22と、基板22に対して装着面側に設けられる複数の発光素子24と、基板22に対して非装着面側、すなわち装着面側とは反対側に設けられる受光素子26とを含む。なお、ここでいう基板22が第1基板である。
基板22を平面視したときの形状については、任意であるが、本実施形態では円形としている。また、ここでいう光透過性とは、発光素子24からの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。
基板22の装着面側(図において下側)に設けられた発光素子24は、例えば有機発光ダイオード(Organic Light Emitting Diode)であり、詳細には図4に示されるように、基板22を起点として順に、反射層241、第1電極層242、有機層243、第2電極層244および封止層245を積層した構造となっている。
有機層243は、第1電極層242と重なるように形成されたものであり、本実施形態では、第1電極層242からみて順に正孔輸送層243aと発光層243bと電子輸送層243cとの積層体で構成されている。
このような構成において、陽極から陰極に向かって順方向電流が流れると、正孔輸送層243aから注入される正孔と電子輸送層243cから注入される電子とが発光層243bで結合して、発光層243bの材料に応じたスペクトルの光が発生する。本実施形態では、スペクトルが図6に示されるように波長550nm付近でピークを有するように発光層243bの材料が選定されている。
また、有機層243で必要な機能は、陽極側から供給される正孔と陰極側から供給される電子との結合によって光を発生させることにある。このため最低限、有機層243には発光層243bがあれば良い。ただし、正孔輸送層243aおよび電子輸送層243cを設けた方が、キャリア(正孔、電子)の移動度が改善されて、発光効率を高めることができる点において有利である。発光効率を高めるという観点からいえば、第1電極層242(陽極)と正孔輸送層243aとの間に、陽極から正孔を取り入れる正孔注入層を設けても良いし、第2電極層244(陰極)と電子輸送層243cとの間に、陰極から電子を取り入れる電子注入層を設けても良い。
詳細には、図4に示されるように、基板22を起点として順にフィルター25、受光素子26が設けられる。そして、フィルター25および受光素子26を覆うように、遮光性を有するキャップ27が基板22に取り付けられている。
このうち、電極層261は、フォトダイオードの陽極であり、例えばITOが用いられる。また、電極層263は、フォトダイオードの陰極であり、アルミニウムなどが用いられる。アモルファスシリコン層262は、例えば陽極側のP型領域と陰極側のN型領域とを有する薄膜である。本実施形態において、受光素子26の受光領域は、基板22の周縁を除き、ほぼベタ状となっている。このような受光素子26において、基板22の装着面側からフィルター25を透過して光が入射すると、P型領域に正孔が発生し、N型領域に電子が発生する結果、入射光量に応じた光電流が順方向に流れる構成となっている。
なお、電極層263は、陰極のほかに反射層の機能を兼ねても良い。
発光素子24は、図5において白抜きで示したように、同心円で二重リング状の発光面24A、24Bを有する。一方、受光素子26は、平面視したときにハッチングで付された領域のように、上記同心円の中心を含む円形の受光面26Cと、リング状の受光面26D、26Eとを有し、これらの受光面26C、26D、26Eによって、発光面24A、24Bを囲むような位置関係となる。なお実際には、受光素子26は、基板22の非装着面側にベタ状に設けられるので、発光面24A、24Bで隠されない領域が平面視したときの受光面26C、26D、26Eとして外見に現れる。
なお、受光面のうち、発光面24A、24Bの背面(基板22の非装着面側)の部分については、ある程度の角度で入射した光でないと受光されないので、この部分については、パターニングによって抜いた状態としても良い。
受光領域については、ベタ状とするか、あるいは、発光面24A、24Bの背面側を抜いた状態とするか、いずれにしても、本実施形態においては受光面26C、26D、26Eの面積和は、発光面24A、24Bの面積和以上となるように設定されている。
ここで、発光素子24が上述した光共振構造を有するものであれば、出射光は、図において下側となるような指向性を持つ。一方、発光素子24が光共振構造を有しないものであれば、結合によって発生した光が等方性で出射される。ただし、反射層241が発光層243bの周縁を含むように、発光層243bよりも一回り広く形成されているので(図4参照)、発光層243bによって発生した光のうち、受光素子26の側(図において上側)に向かう光成分は、反射層241によって反射する。
したがって、発光素子24が光共振構造であるか否かに関係なく、発光層243bからの光のほぼ全部が、図7において下側の被験者側に出射する。
なお、第1実施形態において発光素子24は、基板22の反対側に向けて光を出射するのでトップエミッション型となる。
このうち、血管50に流れる血液によって反射された光は、基板22およびフィルター25を透過して受光素子26に入射する。このため、受光素子26は、入射光量に応じた光電流を出力する。ここで、血管50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、血管の膨張・収縮の周期と同じ周期で光の反射量が増減するので、受光素子26から出力される光電流の変化は、血管50の容積変化を示すことになる。
この図において、駆動回路30は、演算処理回路50による制御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40は、受光素子26から供給された光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。
本実施形態では、光遮蔽体等を設けなくて良いので、その分、受光面積を広く確保、詳細には、受光面26C、26D、26Eの面積和を発光面24A、24Bの面積和以上となるように確保している。
したがって、第1実施形態に係る生体センサー20によれば、被験者の血管反射を経ていない光の受光を回避しつつ、微弱な光成分を効率良く受光することができる。
このようなモザイク状の配列によっても、発光面が受光面を囲むとともに、受光面の面積が発光面の面積以上となるので、微弱な光成分を効率良く受光することができる。
また、受光面の外枠や、発光面の形状については、図9の(A)、(B)に示されるような正方形に限られないことはいうまでもない。
この第2実施形態では(A)に示されるように、受光素子26が第2基板としての基板23に形成されている。そして、基板23は、受光素子26がフィルター25を挟むように、基板22の非装着面に接着剤28によって貼り合わせられている。このため、(B)に示されるように、結果的に、受光素子26が基板22に対して非装着面側に設けられるので、受光素子26は、発光素子24に対して図3に示した第1実施形態とほぼ同様な位置関係になる。
なお、接着剤28としては、紫外線硬化型やエポキシ系などが用いられる。
第2実施形態においては、基板23を除けば各部の位置関係が第1実施形態と同様なので、被験者の血管反射を経ていない光の受光を回避しつつ、微弱な光成分を効率良く受光することができる。
特に第2実施形態では、発光素子24が形成された基板22と受光素子26が形成された基板23との良品同士を貼り合わせれば良いので、基板22の一方の面に発光素子24を設けるとともに他方の面に受光素子26を設ける構成と比較して、歩留まりを向上させることができる。
第3実施形態では、図11の(A)に示されるように、発光素子24が基板22の非装着面側に設けられ、反対に、受光素子26a、26bが基板22の装着面側に設けられて、図3に示した第1実施形態とは真逆の関係になっている。このため、発光素子24は、基板22の側に光を出射するボトムエミッション型となっている。なお、符号266は、封止部材である。
一方、基板22の装着面側には、基板22を起点として順に遮光層268、受光素子26a(26b)が設けられる。
なお、発光素子24は、ベタ状であっても良いが、受光素子26a、26bで遮光されてしまうので、非効率といえるし、その分、電力が無駄に消費されてしまう。このため、第3実施形態では、開口部Hに対応した形状、すなわち、図において白抜きで示されるように平面視でリング状にパターニングされている。
受光素子26の背後は、遮光層268によって遮光されているので、第1実施形態と同様に、背景技術で述べたような光遮蔽体を発光素子と受光素子との間に設けなくても、発光素子24からの出射光が被験者の血管反射を経ることなく受光素子26に直接入射してしまうことを避けることができる。また、受光面が発光面を囲むとともに、受光面の面積が発光面の面積以上となっているので、微弱な光成分を効率良く受光することが可能である。
したがって、第3実施形態に係る生体センサーにおいても、被験者の血管反射を経ていない光の受光を回避しつつ、微弱な光成分を効率良く受光することが可能になる。
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。
Claims (6)
- 光透過性を有する第1基板と、
前記第1基板の一方の面側に設けられた発光素子と、
前記第1基板の他方の面側にも設けられた受光素子と、を含み、
前記第1基板を平面視したときに、前記発光素子と前記受光素子とは重ねて配置され、前記受光素子は前記発光素子が重なる領域にも形成されており、
前記発光素子の占める面積は前記受光素子の占める面積よりも小さく、
前記受光素子は、前記発光素子が生体に対して出射した光の反射光を受光することを特徴とする生体センサー。 - 前記発光素子は、前記第1基板から向かって順に、反射層、第1電極層、発光層および第2電極層を少なくとも含んだ積層体であることを特徴とする請求項1に記載の生体センサー。
- 前記第1基板と前記発光素子との間に、前記受光素子に前記発光素子からの直接の光を遮断する遮光層が形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の生体センサー。
- 前記第1の基板を平面視したときに、前記発光素子は、前記受光素子の中心位置を中心とした環状に設けられていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の生体センサー。
- 前記発光素子は、前記中心位置を中心とした径の異なる複数の発光部から構成されていることを特徴とする請求項4に記載の生体センサー。
- 請求項1乃至5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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