JP5862731B1 - センサー及び生体情報検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の受光部を設けた構成において適正な遮光構造等を実現できる生体情報検出装置等の提供。【解決手段】生体情報検出装置は、被検体に対して光を出射する発光部150と、被検体からの光を受光する第1の受光部141と、被検体からの光を受光する第2の受光部142と、第1の受光部141の受光面RS1の垂直方向(DR4方向)からの平面視において、第1の受光部141と第2の受光部142との間に設けられる梁部76を含む。【選択図】図4
Description
本発明は、センサー及び生体情報検出装置等に関する。
従来より、人間の脈波等の生体情報を検出する生体情報検出装置が知られている。特許文献1、2には、このような生体情報検出装置の一例である脈波測定装置の従来技術が開示されている。
特許文献1、2に開示される装置は、光電式の脈波測定装置であり、そのセンサー部には、対象物である被検体に向けて光を発光する発光部と、被検体からの光(生体情報を有する光)を受光する受光部とが設けられる。そして、このセンサー部を用いて、血流量の変化を受光量の変化として検出することで、脈波を検出している。
特許文献2には、1つの発光部(LED)に対して複数の受光部(フォトダイオード)を配置した構成のセンサー部が開示されている。しかし、実際の機器への組み込みの際には、これらの複数の受光部の各受光部の検出信号の信頼性を確保するために、ノイズの原因となる光を規制し、各受光部の検出対象となる光をその受光部を適正に入射させることが要求される。ノイズの原因となる光の規制は、例えばセンサー部に遮光構造を設けることで実現できるが、複数の受光部が配置される構成において、上記のような要求を満たすことができる遮光構造については提案されていなかった。
本発明の幾つかの態様によれば、複数の受光部を設けた構成において適正な遮光構造等を実現できる生体情報検出装置等を提供することができる。
本発明の一態様は、被検体に対して光を出射する発光部と、前記被検体からの光を受光する第1の受光部と、前記被検体からの光を受光する第2の受光部と、前記第1の受光部の受光面の垂直方向からの平面視において前記第1の受光部と前記第2の受光部との間に設けられる梁部と、を含む生体情報検出装置に関係する。
本発明の一態様では、発光部が被検体に対して光を出射し、第1、第2の受光部が被検体等からの光を受光する。そして、第1の受光部の受光面の垂直方向からの平面視において、第1の受光部と第2の受光部との間に梁部が設けられる。このような梁部を設けることで、不要な入射光の受光の規制や強度の確保等の実現が可能になり、複数の受光部を設けた構成において適正な遮光構造等を実現できるようになる。
また本発明の一態様では、前記第1の受光部と前記第2の受光部は第1の方向に沿って配置され、前記梁部の前記第1の受光部側の端部と、前記第1の受光部の前記第2の受光部側の端部との間の前記第1の方向における距離をLE1とし、前記梁部の前記第2の受光部側の端部と、前記第2の受光部の前記第1の受光部側の端部との間の前記第1の方向における距離をLE2とした場合に、LE1>LE2であってもよい。
このようにすれば、例えば第2の受光部側にシフトした位置に梁部が設けられるようになり、例えば第1、第2の受光部への入射光の適正な規制や梁部の強度の確保等を実現できるようになる。
また本発明の一態様では、前記第1の受光部及び前記第2の受光部よりも前記被検体側の位置に設けられ、前記被検体からの光を透過し、且つ前記被検体の生体情報の測定時に前記被検体に接触して押圧を与える透光部材を含んでもよい。
このようにすれば、透光部材により被検体に対して押圧を与えながら、被検体からの光を透光部材を介して第1、第2の受光部に入射させることが可能になる。
また本発明の一態様では、前記透光部材は、前記第1の受光部に対応する第1の凸部と、前記第2の受光部に対応する第2の凸部と、を有し、前記梁部は、前記第1の凸部と前記第2の凸部との境界を通過した光が、前記第1の受光部の受光面に入射しないように遮光してもよい。
このようにすれば、第1の凸部と第2の凸部の境界を通過した光が第1の受光部に入射されて、第1の受光部の検出結果に悪影響を及ぼす事態等を抑制できるようになる。
また本発明の一態様では、前記透光部材は、前記第1の受光部に対応する第1の凸部と、前記第2の受光部に対応する第2の凸部と、を有し、前記梁部は、前記第1の凸部の全反射境界よりも前記第2の凸部側の位置を通過し、前記第2の受光部の受光面のうち前記梁部までの距離が最も近い点に入射する光を遮光しない位置に配置されてもよい。
このようにすれば、第1の凸部の全反射境界よりも第2の凸部側の位置を透過する光を第2の受光部に入射して、第2の受光部の受光量を確保しながら、梁部の幅を広くして、梁部の強度等を確保することが可能になる。
また本発明の一態様では、前記透光部材は、前記第1の受光部に対応する第1の凸部と、前記第2の受光部に対応する第2の凸部と、を有し、前記第1、第2の凸部を囲むように設けられ、前記第1の凸部が前記被検体に与える押圧を抑制する押圧抑制部を更に含んでもよい。
このようにすれば、第1の凸部が被検体に与える押圧を押圧抑制部により抑制して、押圧変動を低減することなどが可能になる。なお、第1の凸部の押圧を発生させる荷重機構による荷重に対する第1の凸部の押圧の変化量を押圧変化量とした場合に、押圧抑制部は、荷重機構の荷重が0〜FL1となる第1の荷重範囲での押圧変化量に対して、荷重機構の荷重がFL1よりも大きくなる第2の荷重範囲での押圧変化量が小さくなるように、第1の凸部が被検体に与える押圧を抑制してもよい。
また本発明の一態様では、生体情報検出装置から前記被検体への方向において、前記透光部材のうち前記第1の受光部に対応する位置又は領域での高さをh1とし、前記透光部材のうち前記第2の受光部に対応する位置又は領域での高さをh2とした場合に、h1>h2であってもよい。
このようにすれば、第1の受光部と第2の受光部とで、それぞれに対応する位置又は領域での透光部材の高さが異なるようになる。これにより、例えば押圧に差を設けることが可能になるため、第1の受光部からの第1の検出信号と、第2の受光部からの第2の検出信号との特性を異ならせることが可能になる。そして、これらの異なる特性の第1、第2の検出信号に基づいて生体情報を検出することなどが可能になる。
また本発明の一態様では、前記第1の受光部は、前記発光部と前記第2の受光部との間に配置されてもよい。
こうすることで、発光部の近くに第1の受光部を配置し、第1の受光部の第1の検出信号に基づいて生体情報を演算できるようになる。なお、発光部と第1の受光部との距離をL1とし、発光部と第2の受光部との距離をL2とした場合に、L2>2×L1であってもよい。
また本発明の一態様では、前記第1の受光部で検出された第1の検出信号に基づいて、前記被検体の前記生体情報を演算する処理部を含んでもよい。
これにより、第1の検出信号に基づいて生体情報を演算することが可能になる。
また本発明の一態様では、前記処理部は、前記第2の受光部で検出された第2の検出信号に基づいて、前記第1の検出信号のノイズ低減処理を行ってもよい。
このようにすれば、第2の受光部の第2の検出信号に基づいて、第1の検出信号のノイズ低減処理を行って、生体情報の演算処理を実現できるようになる。
また本発明の一態様では、少なくとも前記第1の受光部及び前記第2の受光部を囲むように設けられ、前記第1の受光部に対応する第1の開口部と、前記第2の受光部に対応する第2の開口部とを有する遮光用部材を含み、前記梁部は、前記第1の開口部と前記第2の開口部の間に設けられていてもよい。
このように第1、第2の受光部に対応する第1、第2の開口部を有する遮光用部材を設けることで、例えば第1、第2の受光部の絞り部の実現等が可能になる。そして、第1の開口部と第2の開口部の間に梁部を設けることで、例えば生体情報検出装置の検出性能の向上や、遮光用部材の強度の確保等の実現が可能になり、複数の受光部を設けた構成において適正な遮光構造等を実現できるようになる。
また本発明の一態様は、第1〜第3の遮光面と前記梁部とを備える遮光用部材を有し、前記第1の遮光面は、前記発光部と前記第1の受光部の間に設けられ、前記第2の遮光面と前記第3の遮光面とは、前記第1の遮光面に交差するように設けられていてもよい。
例えば、発光部と第1の受光部との間に第1の遮光面を設けることで、発光部からの直接光等が第1の受光部等に入射されるのを抑制できるようになり、生体情報検出装置の検出性能の向上等を図れるようになる。また第2、第3の遮光面を設けることで、例えば側面側の光に対する遮光も実現できるようになる。
また本発明の一態様では、前記遮光用部材は、金属の板金加工により形成されていてもよい。
このように、遮光用部材を金属の板金加工により形成すれば、遮光用部材の強度等を確保しながら金属面の厚さを薄くできるようになる。
また本発明の一態様では、前記第1の遮光面と前記第2の遮光面とは第1の隙間領域を介して隣接して設けられ、前記第1の遮光面と前記第3の遮光面とは第2の隙間領域を介して隣接して設けられていてもよい。
このように第1、第2の隙間領域を設ければ、遮光用部材の板金加工の際に折り曲げ部分に歪み等が生じて、折り曲げ加工が上手く行かなくなってしまう事態を抑制できる。
また本発明の一態様では、前記第1の遮光面、前記第2の遮光面、前記第3の遮光面及び前記梁部によって、前記第1の受光部に対応する第1の開口部が設けられていてもよい。
このようにすれば、第1の受光部の絞り部等として機能する第1の開口部を、第1、第2、第3の遮光面及び梁部によって設けることが可能になる。
また本発明の一態様では、前記第1の遮光面、前記梁部及びひさし部によって、前記第1の受光部に対応する第1の開口部が設けられていてもよい。
このようにすれば、第1の受光部の絞り部等として機能する第1の開口部を、第1の遮光面、梁部及びひさし部によって設けることが可能になる。
また本発明の一態様では、前記遮光用部材は突起部を有し、前記遮光用部材が取り付けられている基板の設置面から高さHB(HB>0)の距離に、前記突起部の取り付け面が位置するように、前記突起部が設けられていてもよい。
このようにすれば、突起部の取り付け面と基板の設置面の間のスペースを有効活用して、基板への遮光用部材の適正な取り付け等を実現できるようになる。
以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。
1.生体情報検出装置の全体構成
まず、本実施形態の生体情報検出装置の全体構成の例について説明する。図1は本実施形態の生体情報検出装置の一例を示す斜視図である。この生体情報検出装置(生体情報測定装置)は時計タイプの機器であり、図2に示すようにユーザーの手首400(広義には所与の部位)に装着され、脈波情報等の生体情報を検出する。生体情報検出装置は、ケース部300(本体部)と、ケース部300をユーザーに装着するためのバンド部320、322を有する。なお、以下では、生体情報検出装置が、手首に装着する時計タイプの脈拍計である場合を例にとり説明するが、本実施形態はこれに限定されない。例えば、本実施形態の生体情報検出装置は、手首以外の部位(例えば、指、上腕、胸等)に装着されて生体情報を検出(測定)するものであってもよい。また、生体情報検出装置の検出対象となる生体情報も、脈波(脈拍数)には限定されず、生体情報検出装置は、脈波以外の生体情報(例えば血液中の酸素飽和度、体温、心拍、血圧等)を検出する装置であってもよい。
まず、本実施形態の生体情報検出装置の全体構成の例について説明する。図1は本実施形態の生体情報検出装置の一例を示す斜視図である。この生体情報検出装置(生体情報測定装置)は時計タイプの機器であり、図2に示すようにユーザーの手首400(広義には所与の部位)に装着され、脈波情報等の生体情報を検出する。生体情報検出装置は、ケース部300(本体部)と、ケース部300をユーザーに装着するためのバンド部320、322を有する。なお、以下では、生体情報検出装置が、手首に装着する時計タイプの脈拍計である場合を例にとり説明するが、本実施形態はこれに限定されない。例えば、本実施形態の生体情報検出装置は、手首以外の部位(例えば、指、上腕、胸等)に装着されて生体情報を検出(測定)するものであってもよい。また、生体情報検出装置の検出対象となる生体情報も、脈波(脈拍数)には限定されず、生体情報検出装置は、脈波以外の生体情報(例えば血液中の酸素飽和度、体温、心拍、血圧等)を検出する装置であってもよい。
ケース部300は、後述する図10のセンサー部130や処理部200などの生体情報検出装置の各部を格納する。このケース部300は、ユーザーに密着されて生体情報を検出する本体部となるものである。図1ではケース部300(本体部)は、トップケース302とボトムケース304(裏蓋部)により構成される。トップケース302にはLCD等の表示部310が設けられている。表示部310には、図2に示すように、脈拍数(広義には生体検出情報)や消費カロリー(広義には活動状態情報)や時間などの各種情報が表示される。なおケース部300は、このようにトップケース302とボトムケース304に分離される構造でなくてもよい。
また生体情報検出装置は、端末装置420と通信接続されて、データのやり取りが可能になっている。端末装置420は、例えばスマートフォン、携帯電話機、フューチャーフォン等の携帯型通信端末である。或いは端末装置420は、タブレット型コンピュータ等の情報処理端末であってもよい。生体情報検出装置と端末装置420の通信接続としては、例えばブルートゥース(Bluetooth(登録商標))等の近接無線通信を採用できる。このように生体情報検出装置と端末装置420が通信接続されることで、端末装置420の表示部430(LCD等)に、脈拍数や消費カロリーなどの各種の情報を表示できる。なお脈拍数や消費カロリーなどの情報の演算処理は、生体情報検出装置において実行してもよいし、その少なくとも一部を端末装置420において実行してもよい。
バンド部320、322は、伸縮部330、332やバックル部340を有する。バンド部320、322は、伸縮部330、332を介して本体部であるケース部300に接続される。この伸縮部330、332は、ユーザーの手首の長手方向に直交する方向に沿って伸縮する。生体情報検出装置は、バンド部322の一端をバックル部340に取り付けることで、ユーザーの手首400に装着される。そして、伸縮部330、332と弾性部材であるバンド部320、322により、本実施形態の荷重機構が実現される。即ち、伸縮部330、332やバンド部320、322の引っ張り力が作用することで、図3(A)〜図5(B)等で後述する透光部材30の第1、第2の凸部31、32が被検体に与える押圧が、想定した適正な押圧になることを、ある程度保証できるようになる。
2.センサー部
次に本実施形態の生体情報検出装置のセンサー部130の詳細について説明する。図3(A)は生体情報検出装置をボトムケース304側(被検体側)から見た斜視図である。図3(A)に示すようにボトムケース304(広義にはケース部)には、脈波等の生体情報を検出するための検出窓120が設けられ、検出窓120に対応する位置には、センサー部130が設けられている。
次に本実施形態の生体情報検出装置のセンサー部130の詳細について説明する。図3(A)は生体情報検出装置をボトムケース304側(被検体側)から見た斜視図である。図3(A)に示すようにボトムケース304(広義にはケース部)には、脈波等の生体情報を検出するための検出窓120が設けられ、検出窓120に対応する位置には、センサー部130が設けられている。
図3(B)は、センサー部130をボトムケース304側(被検体側)から見た平面図であり、図4、図5(A)、図5(B)はセンサー部130の断面図である。具体的には図4は、センサー部130を構成する発光部150及び第1、第2の受光部141、142を横切る面での断面図である。図5(A)は第1の受光部141を横切る面での断面図であり、図5(B)は第2の受光部142を横切る面での断面図である。
図3(A)〜図5(B)に示すように、本実施形態の生体情報検出装置は、被検体(ユーザー、ユーザーの手首)に対して光を出射する発光部150と、被検体からの光を受光する第1、第2の受光部141、142を含む。そして第1の受光部141の受光面RS1の垂直方向(DR4方向)からの平面視において、第1の受光部141と第2の受光部142との間に梁部76が設けられる。具体的には本実施形態の生体情報検出装置は、遮光用部材70を含むことができる。この遮光用部材70は、例えば、少なくとも第1の受光部141及び第2の受光部142を囲むように設けられる。この遮光用部材70は、第1の受光部141に対応する第1の開口部81(第1の絞り部)と、第2の受光部142に対応する第2の開口部82(第2の絞り部)とを有する。そして梁部76は、第1の開口部81と第2の開口部82の間に設けられる。具体的には、梁部76は、第1の受光部141の受光面RS1の垂直方向(DR4方向)からの平面視において、第1の開口部81と第2の開口部82の間に設けられる。なお以下では受光部の数が2つである場合について説明するが、受光部の数は3つ以上であってもよい。また、以下では、梁部76が、遮光用部材70の一部として設けられる場合について例にとり説明するが、梁部76は、遮光用部材70とは別体の部材として設けられていてもよい。
また本実施形態の生体情報検出装置は透光部材30を含むことができる。透光部材30は、第1の受光部141及び第2の受光部142よりも被検体側の位置に設けられている。例えば、生体情報検出装置の被検体に接触する筺体面側(ボトムケースの筺体面)に設けられる。そして透光部材30は、被検体からの光を透過し、被検体の生体情報の測定時に被検体に接触して押圧を与える。例えば透光部材30は、第1、第2の受光部141、142への入射光(被検体からの光)を透過する。また発光部150からの出射光を透過する。そして透光部材30は、第1の受光部141に対応する第1の凸部31と、第2の受光部142に対応する第2の凸部32を有する。即ち、被検体の生体情報の測定時に被検体に接触して押圧を与える第1、第2の凸部31、32を有する。なお第1、第2の凸部31、32の表面形状は、曲面形状(球面形状)であることが望ましいが、これに限定されるものではなく、種々の形状を採用できる。また、透光部材30は被検体からの光の波長に対して透明であればよく、透明な材料を用いてもよいし、有色の材料を用いてもよい。
図3(A)に示すように、透光部材30は、その一部が、カバー部材20の開口から被検体側に露出しており、この露出部分に第1、第2の凸部31、32が形成されている。従って、生体情報の測定時に、この露出部分に形成された第1、第2の凸部31、32が、被検体(例えばユーザーの手首の肌)に接触することになる。図3(A)では、この透光部材30の露出部分により、生体情報検出装置の検出窓が構成されている。なお、検出窓以外の部分、つまりカバー部材20の裏側部分にも透光部材30が設けられている。但し本実施形態はこれに限定されず、検出窓の部分にだけ透光部材30を設けてもよい。
また本実施形態の生体情報検出装置では、第1の凸部31等が被検体(手首の肌)に与える押圧を抑制する押圧抑制部60が設けられている。図3では、ボトムケース304の筐体面において、透光部材30の第1、第2の凸部31、32を囲むように押圧抑制部60が設けられている。具体的にはカバー部材20の面が押圧抑制部60として機能している。即ち、カバー部材20の面を土手形状に成型することで、押圧抑制部60(押圧抑制面)が形成されている。また図5(A)、図5(B)に示すように、第1、第2の凸部31、32の周囲には、押圧変動等を抑制するための溝部42が設けられている。
なお、第1、第2の凸部31、32の全周囲に亘って押圧抑制部60や溝部42が設けられている必要は必ずしもなく、第1、第2の凸部31、32の周囲において、押圧抑制部60や溝部42が設けられていない領域があってもよい。
発光部150は、被検体(対象物)に対して光を出射し、第1、第2の受光部141、142は、被検体からの光を受光する。例えば発光部150が光を出射し、その光が被検体により反射されると、第1、第2の受光部141、142が、その反射光を受光する。第1、第2の受光部141、142は、例えばフォトダイオード等の受光素子により実現できる。発光部150は、例えばLED等の発光素子により実現できる。例えば第1、第2の受光部141、142は、半導体の基板に形成されたPN接合のダイオード素子などにより実現できる。この場合に、受光角度を絞るための角度制限フィルターや受光素子に入射する光の波長を制限する波長制限フィルターを、このダイオード素子上に形成することが望ましい。
脈拍計などの生体情報検出装置に適用した場合を例にとると、発光部150からの光は、被検体の内部を進み、表皮、真皮及び皮下組織等で拡散又は散乱する。その後、この光は、血管(被検出部位)に到達し、反射される。この際に、光の一部は血管により吸収される。そして、脈拍の影響により血管での光の吸収率が変化し、反射光の光量も変化するため、第1、第2の受光部141、142がこの反射光を受光して、その光量の変化を検出することで、生体情報である脈拍数等を検出できるようになる。具体的には、後述するように、例えば第1の受光部141で検出された第1の検出信号に基づいて、被検体の生体情報の演算処理を行う場合に、第2の受光部142で検出された第2の検出信号に基づいて、この第1の検出信号のノイズ低減処理等の各種処理を行うことが可能になる。
なお、図4において発光部150に設けられるドーム型のレンズ152(広義には集光レンズ)は、発光部150に樹脂封止(光透過樹脂で封止)されるLEDチップ(広義には発光素子チップ)からの光を集光するためのレンズである。即ち、チップパッケージ型(表面実装型)の発光部150では、LEDチップがドーム型のレンズ152の下方に配置されており、LEDチップからの光は、ドーム型のレンズ152により集光されて被検体に出射される。これにより、被検体への光の出射効率が高くなり、センサー部130の検出感度を高めることができる。
遮光用部材70は光(不要な光)の遮光を行うための部材である。本実施形態では遮光用部材70は、少なくとも第1、第2の受光部141、142を囲うように(或いは覆うように)、設けられている。即ち、遮光用部材70は、発光部150側には設けられておらず、第1、第2の受光部141、142側に設けられている。例えば、遮光用部材70は、第1、第2の受光部141、142を囲うように(或いは覆うように)、設けられ、第1、第2の受光部141、142に不要な光が入射されるのを遮光(規制)している。一方、発光部150については遮光を行っていない。但し、遮光用部材70を発光部150側に設ける変形実施も可能である。
具体的には、後述の図7(A)〜図8に詳細に示すように、遮光用部材70は、例えば第1〜第3の遮光面71〜73(第1〜第3の金属面)と梁部76とを備える。更に好ましくは、遮光用部材70は、第1〜第5の遮光面71〜75(第1〜第5の金属面)と梁部76により構成される。第1の遮光面71は、発光部150からの直接光が第1、第2の受光部141、142に入射されるのを遮光する遮光壁として機能する。この第1の遮光面71(第1の金属面)は例えば発光部150と第1の受光部141との間に設けられる。図5(A)、図5(B)に示す第2、第3の遮光面72、73(第2、第3の金属面)は、第1の遮光面71に交差(例えば直交)する方向に沿って設けられる。これらの第2、第3の遮光面72、73は側面側の遮光壁となる。
そして、第1〜第3の遮光面71、72、73及び梁部76によって、第1の受光部141に対応する第1の開口部81が設けられている。別の言い方をすれば、第1の遮光面71、梁部76及びひさし部(図5(A)、図5(B)のF1、F2、F5、F6)によって、第1の受光部141に対応する第1の開口部81が設けられている。
具体的には、遮光用部材70は第4の遮光面74(第4の金属面)を有する。第4の遮光面74は、第1の遮光面71及び第2、第3の遮光面72、73に交差(例えば直交)する方向に沿って設けられる。この第4の遮光面74は、例えば遮光用部材70の上面の遮光面である。
そして、この上面の第4の遮光面74には、第1、第2の開口部81、82が形成されている。第1、第2の開口部81、82は第1、第2の受光部141、142に対応して設けられている。換言すれば、第4の遮光面74は、第1、第2、第3の遮光面71、72、73と接する外周部(ひさし部)と、第1の受光部141又は第2の受光部142の受光面(RS1、RS2)に対して略平行に第2の遮光面72から第3の遮光面73へと延在する梁部76を有する。具体的には第1の受光部141の上方(DR3方向側、つまり被検体側)に、第4の遮光面74の外周部(ひさし部)と梁部76とで形成される第1の開口部81が設けられている。また第2の受光部142の上方(DR3方向側、つまり被検体側)に、第4の遮光面74の外周部(ひさし部)と梁部76とで形成される第2の開口部82が設けられている。これらの第1、第2の開口部81、82は、被検体と第1、第2の受光部141、142の間の光路において被検体側から入射する光(反射光等)を絞る絞り部として機能する。なお遮光用部材70には、背面の遮光壁となる第5の遮光面75(第5の金属面)も設けられており、背面側から入射される光を遮光している。
なお、遮光用部材70の少なくとも内側面に対しては、反射抑制加工を行うことが望ましい。例えば遮光用部材70の表面(内側面等)の色を、黒色等の所定色にして、光の乱反射を防ぐようにする。或いは、遮光用部材70の表面をモスアイ構造にしてもよい。例えば数十〜数百nm周期の凹凸構造を表面に形成して、反射防止構造とする。このような反射抑制加工をすれば、例えば遮光用部材70の表面での反射光が迷光となって、検出信号のノイズ成分となってしまう事態を効果的に抑制できる。
また第1、第2の受光部141、142、遮光用部材70は、基板(後述する図9(A)の160)に実装される。また発光部150が、第1、第2の受光部141、142、遮光用部材70と共に基板に実装されてもよい。この基板は例えばリジッド基板である。基板には、第1、第2の受光部141、142や発光部150の信号や電源のデバイス側端子と接続するための端子や、外部のメイン基板との間で信号や電源を接続するための端子などが設けられている。例えば図5(A)、図5(B)に示すように、第1、第2の受光部141、142のデバイス側端子と基板の端子とはワイヤボンディングWL1、WL2等により接続される。
そして本実施形態では、遮光用部材70の第1、第2の開口部81、82の間に、梁部76を設けている。即ち、遮光用部材70の上面の第4の遮光面74において、絞り部として機能する第1、第2の開口部81、82の間に、梁部76が形成されている。図3(B)に示すように、この梁部76は、第1の受光部141側の端部E1と第2の受光部142側の端部E2を有する。これらの端部E1、E2は直線形状の端辺である。端部E1は、第1の開口部81の第2の受光部142側の端辺に相当し、端部E2は、第2の開口部82の第1の受光部141側の端辺に相当する。
なお図3(B)では、梁部76の端部E1、E2は直線形状の端辺となっているが、曲線形状の端辺であってもよい。例えば梁部76の端部E1、E2の少なくとも一方は、第2の受光部142側に湾曲したような曲線形状であってもよい。例えば後述する第1、第2の凸部31、32の境界33と同様の曲線形状であってもよい。こうすることで、更なる強度の向上や入射光の光量の増加等を図れるようになる。
3.開口部、梁部
さて、本実施形態の生体情報検出装置では、透光部材30において被検体である肌に接触する面は、有限面積の接触面となっている。そして、例えば樹脂やガラス等で形成される硬い素材の透光部材30の有限面積の接触面に対して、肌のように相対的に柔らかいものを接触させている。すると、弾性力学の観点で見ると、透光部材30の周縁部の付近においては、肌と接触していない領域や、接触圧の弱い領域が生じる。また生体情報検出装置の機器に外力が加えられて、機器にモーメントが発生するときなども、接触面の周縁部の付近の領域は、最も浮きやすい。このような領域での光は、動的な接触状態の変化に起因して、光学的に光の強弱が発生しやすい。そして、そのような光が第1の受光部141等に入射すれば、脈成分とは相関の無いノイズとなってしまう。
さて、本実施形態の生体情報検出装置では、透光部材30において被検体である肌に接触する面は、有限面積の接触面となっている。そして、例えば樹脂やガラス等で形成される硬い素材の透光部材30の有限面積の接触面に対して、肌のように相対的に柔らかいものを接触させている。すると、弾性力学の観点で見ると、透光部材30の周縁部の付近においては、肌と接触していない領域や、接触圧の弱い領域が生じる。また生体情報検出装置の機器に外力が加えられて、機器にモーメントが発生するときなども、接触面の周縁部の付近の領域は、最も浮きやすい。このような領域での光は、動的な接触状態の変化に起因して、光学的に光の強弱が発生しやすい。そして、そのような光が第1の受光部141等に入射すれば、脈成分とは相関の無いノイズとなってしまう。
また、静的な接触状態であっても、信号品位の低下は起こり得る。肌にきちんと接触していなければ、発光部150を起源としない外光が、第1の受光部141等に入射することがある。一方、過大な接触圧となっている場合には、皮下の血管を潰してしまうことにより、この領域を通過した光には、拍動成分が入りにくくなる。
このようなノイズが大きく重畳するほど、脈波検出信号の信号品位は低下し、脈拍計測などの様々な生体計測において、計測データの信頼性が低下してしまう。
例えば図6(A)は、透光部材30の凸部40(例えば第1の凸部31)が、被検体である肌2に与える押圧が小さい場合を示し、図6(B)は当該押圧が大きい場合を示している。図6(A)、図6(B)のA1、A2に示す場所に着目すると、押圧の変化により、肌2と凸部40との間の接触状態が変化している。例えば図6(A)では、A1、A2の場所において肌2と凸部40が非接触状態又は弱い接触状態になっているが、図6(B)では接触状態になっている。従って、発光部150から出射されて受光部140(例えば第1の受光部141)に戻ってくる光の強弱などが、図6(A)と図6(B)とで変化してしまい、計測データの信頼性が低下する。即ち、図6(A)、図6(B)のA1、A2に示す場所では、荷重の微少な変化によって、接触面での押圧が急激に変化してしまい、計測データの信頼性が著しく低下する。
例えば図6(A)、図6(B)では、人体の皮膚に接触する透光部材30の接触面を、曲面形状の凸形状(凸部)で構成している。このようにすることで、皮膚表面に対する透光部材30の密着度が向上するため、皮膚表面からの反射光量や外乱光等のノイズ光の侵入を防止できる。
しかしながら、凸形状の周縁部(外周部)では中心部に対して相対的に肌との接触圧が低下する。この場合に、中心部の接触圧で最適化すると、周縁部の接触圧は最適範囲未満となる。一方、周縁部の接触圧で最適化すると、中心部の接触圧が最適範囲に対し過剰となる。
接触圧が最適範囲未満の場合は、機器の揺れにより脈波センサーが肌と接触したり離れたりするケースや、接触したままとしても脈波センサーが静脈を潰しきれていないことにより、脈波検出信号に体動ノイズが重畳する。このノイズ成分を低減すれば、より高いM/N比(S/N比)の脈波検出信号を得ることが可能になる。ここでMは脈波検出信号の信号レベルを表し、Nはノイズレベルを表す。
以上のような問題を解決するために、本実施形態では、図3(B)〜図5(B)等に示すように、遮光用部材70に第1、第2の開口部81、82を設けている。即ち、図6(A)、図6(B)のA1、A2に示す場所等での光(迷光)が検出されないように、絞り部として機能する第1、第2の開口部81、82を設けて、光を絞っている。例えば、最適押圧化された透光部材30の透光領域の中心部(例えば凸部の頂点)を通過する光は、できるだけ遮断せずに透過させる一方で、透光部材30の透光領域(例えば凸部)の周縁部の付近を介した光は遮断する。このようにすれば、図6(A)、図6(B)に示すようにA1、A2に示す場所で接触状態が変化した場合にも、A1、A2に示す場所での光の状態が受光結果に影響を及ばさなくなる。従って、計測データの信頼性等を向上できるようになる。
そして本実施形態では、図3(B)、図4に示すように、第1の受光部141の受光面RS1の垂直方向からの平面視(被検体側から見た平面視)において、第1の受光部141と第2の受光部142との間に設けられる梁部76を設けている。より具体的には、上記平面視において、第1の開口部81と、第2の開口部82との間に、遮光用部材70の梁部76を設けている。このような梁部76を設けることで、第1の受光部141や第2の受光部142への入射光の規制等を行って、脈波測定に必要な光を最大限受光できるようになり、センサー部130の感度や精度が向上すると共に、遮光用部材70等の強度も確保できるようになる。
本実施形態では、発光部150が遮光用部材70の外側に配置され、発光部150からの光が手首の肌に照射され、血流の情報を持った反射光が第1の受光部141に入射されて、脈拍が測定される。発光部150からの直接入射光は、血流の情報を持っていないため、感度を下げる要因となるため、遮光する必要がある。また、第2の受光部142は、後述の図10等で説明するように、ノイズ信号を除去するための情報を受け取るために、第1の受光部141側の第1の凸部31とは異なる曲率の第2の凸部32を介して入射した光の情報を取り込む。この第2の受光部142側に入射する光の一部が、第1の受光部141側にも入射するおそれがあり、これは感度を下げる原因となるため、このような光を遮光する必要がある。本実施形態の梁部76の第1の受光部141側の端部E1(端面)は、このような光を遮断する位置に設けられる。
一方、梁部76の強度確保のためには、梁部76の幅を確保する必要がある。ところが、第1の凸部31から第2の受光部142側に入射する光は、第1の凸部31の曲率から、ある一定角度より傾いた光は全反射し、第2の受光部142には入射しない。従って、梁部76のもう一方の端部E2(端面)を、なるべく第2の受光部142側に近づけることで、第2の受光部142への入射光の光量を確保しながら、梁部76の強度を確保できるようになる。本実施形態では、例えば梁部76の幅を1.1mm以上とすることができ、十分な強度を確保することに成功している。
例えば本実施形態の比較例の手法として、梁部76を設けず、第1、第2の受光部141、142に対応して1つの開口部だけを設ける手法が考えられる。
しかしながら、この比較例の手法では、透光部材30の第2の凸部32を介して入射した光が、第1の受光部141に入射してしまい、検出感度や検出精度が低下してしまうおそれがある。
この点、本実施形態では、梁部76が設けられ、第1の受光部141用の第1の開口部81と、第2の受光部142用の第2の開口部82とに、開口部が分割されている。従って、透光部材30の第2の凸部32を介して入射した光を、梁部76により遮光することで、第1の受光部141に入射されないようにすることができ、検出感度や検出精度の低下を効果的に抑制できる。
また、上記の比較例の手法では、遮光用部材70の上面に、大きな面積の1つの開口部が形成されるため、遮光用部材70の十分な強度を確保できないおそれがある。特に、後述するように、遮光用部材70を、金属を板金加工することにより形成した場合には、遮光用部材70の各遮光面(金属面)の厚さが薄くなり、強度を確保するのが更に困難になる。このため、例えばセンサー部130の基板への遮光用部材70の取り付け時に、遮光用部材70が変形してしまったり、生体情報検出装置の使用時に、遮光用部材70に何らかの外力がかかることで、遮光用部材70が変形してしまうおそれがある。
この点、本実施形態によれば、第1の開口部81(第1の受光部141)と第2の開口部82(第2の受光部142)の間に梁部76が設けられるため、この梁部76により、遮光用部材70等の強度を確保できる。例えば遮光用部材70の上面である第4の遮光面74等の強度の確保も容易になる。特に本実施形態では、第1の凸部31の曲率が第2の凸部32に比べて大きいことに着目して、梁部76の端部E2を第2の受光部142側に近づけている(LE2<LE1となっている)。こうすることで、梁部76の幅を太くでき、強度を更に高めることに成功している。
次に本実施形態の遮光構造について図4〜図5(B)を用いて更に詳細に説明する。図4において、第1の受光部141と第2の受光部142は第1の方向DR1に沿って配置される。例えば発光部150の第1の方向DR1側に第1の受光部141が配置され、第1の受光部141の第1の方向DR1側に第2の受光部142が配置される。ここで第1の方向DR1は、例えば図3(A)のカバー部材20の面(ボトムケースの筺体面)に沿った方向である。或いは第1の方向DR1は、発光部150から第1の受光部141へ向かう方向、又は第1の受光部141から第2の受光部142へ向かう方向、又は発光部150から第2の受光部142へ向かう方向である。第2の方向DR2は第1の方向DR1の反対方向である。第3の方向DR3は、例えば第1の方向DR1に交差(直交)する方向である。或いは第3の方向DR3は、第1の受光部141の受光面RS1に垂直な方向、又は発光部150の光軸と平行な方向、又は第2の受光部142の受光面RS2に垂直な方向である。第4の方向DR4は第3の方向DR3の反対方向である。換言すれば、第3の方向DR3は、生体情報検出装置の装着時に生体情報検出装置から被検体に向かう方向であり、第4の方向DR4は、被検体から生体情報検出装置に向かう方向である。
そして図4において、梁部76の第1の受光部141側の端部E1(端面)と、第1の受光部141の第2の受光部142側の端部E3(端面)との間の、第1の方向DR1における距離をLE1とする。距離LE1は、例えば被検体側から見た平面視における、梁部76の端部E1と第1の受光部141の端部E3との間の距離である。また梁部76の第2の受光部142側の端部E2(端面)と、第2の受光部142の第1の受光部141側の端部E4との間の、第1の方向DR1における距離をLE2とする。距離LE2は、例えば被検体側から見た平面視における、梁部76の端部E2と第2の受光部142の端部E4との間の距離である。
この場合に図4では、LE1>LE2の関係が成り立っている。例えば被検体側から見た平面視において、梁部76の端部E1と第1の受光部141との間の距離は長く、梁部76の端部E2と第2の受光部142との間の距離は短くなっている。即ち、梁部76は、第1の受光部141と第2の受光部142の間の中心位置から、第2の受光部142側にシフトした位置、つまり第2の受光部142側に偏った位置に設けられている。例えば距離LE1は、第2の凸部32側から入射した光が、梁部76の遮光により、第1の受光部141(受光面RS1)に入射されないような距離に設定される。一方、後述するように第2の受光部142の第2の検出信号に基づいて第1の受光部141の第1の検出信号のノイズ除去処理を行う場合、第1の凸部31側から入射した光が、第2の受光部142(受光面RS2)に入射されるのは許容される。しかし、第1の凸部31は曲率が大きいため(曲率半径が小さいため)、入射光の全反射領域があり、この全反射領域での入射光は第2の受光部142に入射しない。従って、この全反射領域よりも第2の受光部142側(第2の凸部32側)の位置の入射光だけが許容されるように、距離LE2を短く設定することにより梁部76の幅を大きくすることで、梁部76の強度を確保する。例えばLE1>1.5×LE2である。例えば図4においてLE1は例えば0.30〜0.50mmであり、例えば0.425mm程度である。LE2は0.13〜0.30mmであり、例えば0.235mm程度である。梁76の幅は1.0〜1.2mmであり、例えば1.1mm程度である。梁部76の基板からの高さは0.70〜1.0mmであり、例えば0.85mm程度である。また図4において発光部150と第1の受光部141の間の距離(中心位置間の距離)は、例えば1.0〜3.0mmであり、例えば2mm程度である。発光部150と第2の受光部142の間の距離(中心位置間の距離)は、例えば4.6〜6.6mmであり、例えば5.6mm程度である。
また図4において、端部E5とE6の間の領域が第1の受光部141の受光領域RS1であり、端部E7とE8の間の領域が第2の受光部142の受光領域RS2である。受光領域RS1、RS2は、例えば第1、第2の受光部141、142において、受光素子が存在し、入射光を受光して検出信号の出力が可能な領域である。例えば受光領域RS1、RS2は、半導体の基板に形成されたPN接合のダイオード素子の配置領域である。
また透光部材30は第1の凸部31と第2の凸部32を有する。これらの第1の凸部31と第2の凸部32は、断面形状が曲線形状であり、第1の凸部31の曲率は第2の凸部32の曲率よりも大きい。換言すれば、第1の凸部31の曲率半径は第2の凸部32の曲率半径よりも小さい。また第1の凸部31は、第2の凸部32に比べて、被検体側に、より突出した凸部になっている。即ち第1の凸部31の基板(発光部、受光部等が実装される基板)からの高さ(凸部の曲面形状の頂点の高さ)をHA1とし、第2の凸部32の基板からの高さ(凸部の曲面形状の頂点の高さ)をHA2とした場合に、HA1>HA2になっている。
図4の境界33は、第1の凸部31と第2の凸部32の境界であり、透光部材30の曲面(第1、第2の凸部31、32の曲面)が不連続となる部分である。図3(B)に示すように、境界33は、被検体側から見た平面視において第2の受光部142側に湾曲した曲線形状になっている。例えば境界33は、被検体側から見た平面視において、第1の受光部141側に曲率中心がある円弧形状(略円弧形状)になっている。
そして本実施形態では、遮光用部材70の梁部76は、第1の凸部31と第2の凸部32の境界33を通過した光が、第1の受光部141の受光面RS1に入射しないように遮光している。例えば図4に示すように、境界33よりも第1の凸部31側に入射した光LT1、LT2については、梁部76により遮光されずに第1の受光部141の受光面RS1に入射される。このようにすることで、光LT1、LT2に含まれる脈波情報等の検出が可能になる。
一方、境界33を通過した光については、梁部76により遮光して、第1の受光部141の受光面RS1に入射されないようにする。即ち、境界33を通過した光の光路上(透光部材30の屈折率で決まる光路上)に梁部76を位置させる。例えば境界33と受光面RS1の端部E5を結ぶ線上に梁部76が位置するようにしてもよい。また境界33よりも第2の受光部142側の位置(第2の凸部32側の位置。第1方向DR1側の位置)を通過した光についても、梁部76により遮光して、第1の受光部141の受光面RS1に入射されないようにする。このようにすることで、第2の受光部142用の第2の凸部32を通過した光については、第1の受光部141の受光面RS1には入射されないようになり、ノイズ光の低減等が図れ、検出感度や検出精度を向上できる。
また図4では、遮光用部材70の梁部76は、第1の凸部31の全反射境界BTよりも第2の受光部142側の位置(第2の凸部32側の位置。第1方向DR1側の位置)を通過し、第2の受光部142の受光面RS2の第1の受光部141側の端点E7(広義には、受光面RS2のうち梁部76までの距離が最も近い点)に入射する光LT3、LT4を、遮光しない位置に配置される。
即ち、第1の凸部31の曲率は大きく、全反射境界BTよりも第1の受光部141側の位置を通過した光は、第1の凸部31の表面で全反射されて透光部材30の内部には入らないため、この光が第2の受光部142の受光面RS2に入射されることはない。従って、梁部76の幅を大きくして、強度の確保を優先させる。そして光LT3、LT4については、梁部76により遮光せずに、第2の受光部142の受光面RS2に入射させて、第2の受光部142の入射光量を確保する。
以上のように梁部76を配置、設定することで、生体情報検出装置の検出感度や検出精度を向上させながら、遮光用部材70の強度を確保できるようになる。
なお、図4においてθ(例えばθ=60度程度)は、第1、第2の受光部141、142の受光領域へ入射する光の入射角度を制限する角度制限フィルターを設けた場合に、第1、第2の受光部141、142への入射光の受光範囲を示すものである。例えば受光範囲内の光LT5、LT6については、角度制限フィルターにより光量が低減されずに、適正な光量で第1、第2の受光部141、142に入射されて、その情報が適正に検出されるようになる。一方、受光範囲外の光は、角度制限フィルターによりその光量が十分に低減されることになる。
また発光部150から被検体を介さずに入射される直接光LT7については、遮光用部材70の第1の遮光面71により遮光されて、第1の受光部141等に入射されないようになる。第1の遮光面71は、発光部150と第1の受光部141に設けられる遮光壁として機能する。なお発光部150は、ドーム型のレンズ152を有し、基板からの高さが高くなっている。従って、このような発光部150からの直接光を遮光できる高さに、第1の遮光面71の高さが設定されている。また、発光部150とは逆方向側(背面側)から入射される光LT8についても、遮光用部材70の第5の遮光面75により遮光される。
図5(A)、図5(B)は、図4の第1の方向DR1に直交する方向での断面図である。図5(A)は第1の受光部141の位置での断面図であり、図5(B)は第2の受光部142の位置での断面図である。
図5(A)のF1、F2は、F3、F4に示す透光部材30の不連続境界(不連続面)を通過する光LT9、LT10が、第1の受光部141の受光面RS1に入射されないように、遮光用部材70の上面のひさし部(外周部)として形成され、当該光LT9、LT10を遮光している。こうすることで、不連続境界を通過した光LT9、LT10の悪影響が低減されて、検出感度や検出精度を向上できる。同様に、図5(B)のF5、F6は、F7、F8に示す透光部材30の不連続境界(不連続面)を通過する光LT11、LT12が、第2の受光部142の受光面RS2に入射されないように、遮光用部材70の上面のひさし部(外周部)として形成され、当該光LT11、LT12を遮光している。
なお、図5(A)のF9に示すように、透光部材30の内側の角部には面取り部が設けられている。これにより、この部分での透光部材30の幅LFを広くでき、透光部材30の強度等を確保できる。同様に、図5(A)のF10、図5(B)のF11、F12においても、透光部材30の内側の角部に面取り部を設けて、強度等を確保している。
4.板金加工
本実施形態では、遮光用部材70は、例えば金属(例えば錫と銅の合金)を板金加工することで形成されている。例えば1枚の金属板を板金加工することで図7(A)、図7(B)、図8に示すような形状の遮光用部材70が形成される。ここで図7(A)は、遮光用部材70を上斜め方向から見た斜視図であり、図7(B)は、遮光用部材70を下斜め方向から見た斜視図である。図8は、遮光用部材70の詳細例を示す平面図、側面図、正面図及び背面図である。
本実施形態では、遮光用部材70は、例えば金属(例えば錫と銅の合金)を板金加工することで形成されている。例えば1枚の金属板を板金加工することで図7(A)、図7(B)、図8に示すような形状の遮光用部材70が形成される。ここで図7(A)は、遮光用部材70を上斜め方向から見た斜視図であり、図7(B)は、遮光用部材70を下斜め方向から見た斜視図である。図8は、遮光用部材70の詳細例を示す平面図、側面図、正面図及び背面図である。
遮光用部材70は、第1〜第3の遮光面71、72、73を有する。これらの第1〜第3の遮光面71、72、73は、板金加工により形成された金属面である。第1の遮光面71は、発光部150と第1の受光部141との間に設けられる。即ち、発光部150、第1、第2の受光部141、142及び遮光用部材70が基板に取り付けられた場合に、第1の遮光面71は、発光部150と第1の受光部141との間に位置する。例えば第1の遮光面71は、発光部150の中心位置と第1の受光部141の中心位置を結ぶ線分に対して交差(直交)する方向に沿った壁面を有する遮光壁である。遮光壁となる第1の遮光面71により、発光部150からの直接光が第1の受光部141等に入射されるのが抑制される。
第2、第3の遮光面72、73は、第1の遮光面71に交差(直交)するように設けられる。第1の遮光面71を正面側の面とした場合に、第2、第3の遮光面72、73は側面側の面であり、側面側の遮光壁となる。
そして第1の遮光面71と第2の遮光面72とは、図7(A)、図7(B)のB1に示す第1の隙間領域を介して隣接して設けられる。また第1の遮光面71と第3の遮光面73とは、B2に示す第2の隙間領域を介して隣接して設けられる。
また遮光用部材70は第4、第5の遮光面74、75を有する。第4の遮光面74は遮光用部材70の上面の遮光面である。この第4の遮光面74には、前述したように第1、第2の受光部141、142の間の光路において被検体からの光(反射光等)を絞る絞り部として機能する第1、第2の開口部81、82が形成されている。また第5の遮光面75は、背面の遮光壁となる金属面であり、背面側から入射される光を遮光している。
このように本実施形態では、第1の受光部141等を外部光から遮光するための遮光用部材70を設けている。そして、遮光用部材70は、金属を板金加工することで形成されており、この遮光用部材70の例えば遮光面71により、発光部150と第1の受光部141等との間の遮光壁を実現している。
例えば発光部150と第1の受光部141の間の距離が近いほど、生体情報検出装置のセンサー部130の光学的な効率・性能が向上する。例えば光学的な効率・性能は距離の二乗に反比例して低下する。従って、できる限り発光部150と第1の受光部141の間の距離を近づけることが望ましい。
一方、発光部150と第1の受光部141の間の距離を近づけると、発光部150からの直接光が第1の受光部141に入射してしまい、DC成分の増加等が生じて、性能が低下してしまう。このため本実施形態では、発光部150と第1の受光部141の間に遮光壁となる遮光面71を設けている。
この場合に本実施形態の比較例の手法として、遮光用部材70を射出成型により形成する手法が考えられる。射出成型を用いる比較例の手法は、機器の量産性等の観点からは有利な手法である。
しかしながら、遮光用部材70を射出成型で形成すると、遮光面71の壁厚が厚くなってしまう。即ち、遮光面71の壁厚を薄い設計にすると、射出成形時に遮光面71の部分に樹脂が十分に充填されなくなってしまい、十分な強度を有する遮光面71を実現できない。このため、射出成型を用いる比較例の手法では、遮光壁となる遮光面71の厚さが例えば0.4mm以上になってしまう。
そして、このように遮光面71が厚くなると、発光部150と第1の受光部141の間の距離も長くなってしまう。従って、例えば発光部150と第1の受光部141との間の被検体を介した光路長も長くなってしまい、センサー部130の光学的な効率・性能が低下してしまう。
そこで本実施形態では遮光用部材70を金属の板金加工により形成する。例えば1枚の金属板を板金加工により折り曲げることで、遮光面71、72、73、74、75からなる遮光用部材70が形成される。具体的には、上面である遮光面74に対して、遮光面71、72、73、75を直角(略直角)に折り曲げることで、遮光用部材70が形成される。
そして発光部150と対向する遮光面71が、発光部150からの直接光が第1の受光部141に入射されるのを遮光する遮光壁となる。また上面の遮光面74には、被検体と第1の受光部141の間の光路において被検体(対象物)からの光を絞る第1、第2の開口部81、82が形成される。
このように、板金加工による遮光面71を用いて遮光壁を実現すれば、射出成型を用いる比較例の手法に比べて、遮光壁の厚さを薄くできる。例えば板金加工を用いた場合には、その金属面の厚さが例えば0.1mm程度であっても、十分な強度を有する遮光用部材70を実現できる。このため、遮光壁となる遮光面71の厚さも例えば0.1mm程度にすることが可能になる。従って、遮光壁の厚さが例えば0.4mm以上になってしまう射出成型を用いる比較例の手法に比べて、遮光壁の厚さを十分に薄くでき、その分だけ、発光部150と第1の受光部141の間の距離も短くできる。従って、発光部150からの直接光が第1の受光部141に入射されるのを遮光面71により抑制しながら、発光部150から第1の受光部141への被検体を介した光の光路長も短くできるため、センサー部130の検出性能等を向上できるようになる。
特に図4等では、チップパッケージ型の発光部150を使用している。このチップパッケージ型の発光部150では、例えばドーム型のレンズ152がLEDチップの上に配置されることで、被検体への光の出射効率が高くなり、センサー部130の検出感度を高めることができる。
しかしながら、チップパッケージ型の発光部150は、例えばリフレクターにLEDチップを配置して実現するタイプのものに比べて、その配置の占有面積が大きい。従って、その分だけ発光部150と第1の受光部141の間の距離も長くなってしまうという問題がある。この点、本実施形態によれば、前述のように遮光面71の厚さを十分に薄くできるため、このようなチップパッケージ型の発光部150を用いた場合にも、これに対応することが可能となり、検出感度等の検出性能を向上できる。
また本実施形態では、遮光用部材70は、発光部150側には設けられず第1、第2の受光部141、142側にだけ設けられている。即ち、遮光用部材70は、第1、第2の受光部141、142を覆ってその遮光を行っているが、発光部150については覆っていない。
例えば、遮光用部材70を、発光部150についても遮光するような形状にすると、発光部150から被検体へと向かう光の一部が、遮光用部材70により遮られてしまい、被検体へ照射される光量等が減少し、検出感度等の検出性能が低下するおそれがある。
この点、遮光用部材70の形状を、第1、第2の受光部141、142側だけを遮光するような形状にすれば、発光部150からの出射光が遮光用部材70により遮られて被検体への光の光量が減少してしまう事態の発生を抑制できる。
また遮光用部材70を発光部150側に設けず第1、第2の受光部141、142側だけに設ける構成は、センサー部130の薄型化という観点においても有利な構成である。例えば図4に示すように、ドーム型のレンズ152を有する発光部150は、第1、第2の受光部141、142に比べてその高さが高くなる。従って、発光部150側に遮光用部材70を設けると、その分だけ発光部150側での高さが高くなってしまい、センサー部130の薄型化の妨げとなる。
この点、遮光用部材70を第1、第2の受光部141、142側だけに設ける構成であれば、発光部150側には遮光用部材70が存在しないため、例えば図4に示すように、第1、第2の受光部141、142側での高さと発光部150側での高さを揃えることが可能になる。従って、発光部150側にも遮光用部材70を設ける手法に比べて、センサー部130の全体として高さを低くすることが可能になり、センサー部130の薄型化の実現が容易になる。
また遮光用部材70を板金加工により形成する場合には、図7(A)、図7(B)のB1や図8のC1に示すように、隣り合う遮光面71と遮光面72の間に隙間領域が設けられる。また図7(A)、図7(B)のB2や図8のC2に示すように、隣り合う遮光面71と遮光面73の間にも隙間領域が設けられる。また遮光面75と遮光面72、73との間にも隙間領域が設けられる。このような隙間領域を設けないと、上面の遮光面74に対して遮光面71、72、73、75を板金加工で折り曲げた場合に、折り曲げ部分に歪み等が生じて、折り曲げ加工が上手く行かなくなってしまうという問題がある。
この点、図7(A)、図7(B)のB1、B2や図8のC1、C2に示すように隙間領域を設けて、例えば金属面の折り曲げのコーナー部分を曲線形状(R形状)にすれば、このような問題の発生を抑制できる。
また、センサー部130の第1、第2の受光部141、142、遮光用部材70は、基板(図9(A)の160)に実装されている。なお発光部150を、第1、第2、受光部141、142と共に基板に実装するように構成してもよい。そして図7(A)〜図8に示すように、遮光用部材70は突起部91、92、93を有する。突起部91は、遮光用部材70の一方の側面である遮光面72から外側(遮光用部材70の内側から外側に向かう方向)に突出するように折り曲げ形成される。突起部92は、他方の側面である遮光面73から外側に突出するように折り曲げ形成される。突起部92は、背面である遮光面73から外側に突出するように折り曲げ形成される。
また遮光用部材70は、遮光用部材70を基板に固定するための突起部95、96を有する。突起部95は、遮光面73から下方向(基板に向かう方向)に突出して形成される。突起部96は、遮光面75から下方向(基板に向かう方向)に突出して形成される。これらの突起部95、96は、基板に形成された穴部に係止され、これにより遮光用部材70は基板に固定されるようになる。
そして図8に示すように、遮光用部材70が取り付けられる基板の設置面から高さHB(HB>0)の距離に、突起部91、92、93の取り付け面が位置するように、突起部91、92、93が設けられている。例えば、突起部91、92、93の取り付け面である下面が、基板の設置面である上面から高さHBの距離に位置するように、板金加工により突起部91、92、93がL字形状に折り曲げ形成される。HBは例えば0.05mm程度である。
例えばセンサー部130の製造工程においては、突起部91、92、93の下面に接着剤を塗布する。そして基板の穴部に突起部95、96を挿入することで、基板に遮光用部材70を取り付ける。こうすることで、基板の穴部への突起部95、96の挿入により、位置決めをしながら、突起部91、92、93の下面に塗布された接着剤により、遮光用部材70を基板に接着固定できるようになる。
そしてこの場合に本実施形態では、突起部91、92、93の取り付け面(下面)と基板の設置面(上面)との距離がHB>0となっている。従って、突起部91、92、93の取り付け面に接着剤が塗布された場合にも、例えば遮光面71〜75の基板側の端面である取り付け面(下面)を、基板の設置面(上面)に密着させることが可能になる。従って、接着剤による接着固定後の遮光用部材70の高さのバラツキを抑えることが可能になり、機器の薄型化等の容易化を図れる。
5.体動ノイズの低減
光電センサー(センサー部)を用いて脈波情報等の生体情報を検出する場合、体動によるノイズが問題となる。そのため、精度よく生体情報を検出するには、何らかの手法により体動ノイズを低減する必要がある。
光電センサー(センサー部)を用いて脈波情報等の生体情報を検出する場合、体動によるノイズが問題となる。そのため、精度よく生体情報を検出するには、何らかの手法により体動ノイズを低減する必要がある。
体動ノイズを低減する際には、光電センサーの検出信号のうち、脈信号に対応する成分をできるだけ維持し、体動ノイズに対応する成分を低減(狭義には除去)する。つまり、体動ノイズの低減処理では、体動ノイズに対応する信号成分がどのようなものであるかを知る必要がある。
これに対して、加速度センサー等のモーションセンサーを用いることで、体動ノイズを低減する手法が知られている。モーションセンサーは、ユーザー(生体情報検出装置の装着者)の動きを検出するセンサーであるため、当該モーションセンサーを用いることで、体動に対応する信号、即ち体動ノイズに対応する信号が取得可能である。
本実施形態においても、上記モーションセンサーを用いて体動ノイズを低減する手法を併用することは妨げられないが、本実施形態では、脈信号を検出する第1の受光部141とは別の第2の受光部142を用意して、体動ノイズが多く含まれる信号を取得する手法を採用する。
上述したように、光電センサーでの検出信号には体動ノイズが含まれてしまうものである。この点を利用し、第2の受光部142では敢えて、脈信号の感度を低く、体動ノイズの感度を高く設定することで、主として体動ノイズを含む検出信号を取得可能である。
第2の受光部142において体動ノイズに対応する信号を検出できれば、第1の受光部141での検出信号から、第2の受光部142での検出信号に対応する成分を除去(低減)することで体動ノイズの低減が可能となる。この際、第2の受光部142では脈信号の感度が低いため、第1の受光部141の検出信号に含まれる脈成分まで過剰に低減してしまうことは避けることができる。
但し、このような処理を可能にするためには、第1の受光部141と第2の受光部142とで、検出信号に含まれる体動ノイズの特性(例えば周波数特性)が一致する或いは十分近くなることが望ましい。つまり、第1の受光部141は主として脈信号を検出し、第2の受光部142は主として体動ノイズを検出するように検出特性に差を持たせつつも、2つの受光部の検出信号の相関は高く保たせるようにする。
例えば前述の特許文献2の手法では、複数の受光部では、それぞれ検出する光の周波数帯が大きく異なる。そのため、各受光部での検出信号の特性を異ならせることは可能であっても、ある程度の相関関係を持たせることは困難である。なぜならば、光の波長が異なれば生体内への浸透深度も異なり、検出対象となる血管或いは骨等の構造がそもそも異なってしまうためである。
そのため、本実施形態においては、用いる光の波長帯は第1、第2の受光部141、142で例えば同じものとする。なお、同じ波長帯の光とは、強度が最大となる波長が完全同一であることを意味するのではなく、強度が最大となる波長が所定の範囲(例えば、同一色の範囲)に収まっていることをいう。発光部150が出力する光は、例えば、470nm以上で610nm以下の範囲に含まれる波長帯の光である。より具体的には、発光部150が出力する光は、520nm以上で570nm以下の範囲に含まれる波長帯の光である。この波長帯の光は、他の波長に比べて血管中のヘモグロビンに反射されやすい。
以下では、上述したように各受光部での検出信号にある程度の相関関係を持たせつつ、且つ特性が異なるという要件を満たすような、センサー部130の具体的な構成について説明する。図11〜図15を用いて後述するように、脈信号に対する感度や体動ノイズに対する感度は、被検体に対して付加される押圧、或いは発光部と受光部間の距離に応じて変化することがわかっている。そして、被検体に対して付加される押圧は、受光部に対応する位置又は領域において被検体に接触する透光部材の高さにより調整が可能である。
つまり以下では、受光部に対応する位置又は領域における透光部材の高さ、及び、発光部と受光部間の距離の設定手法や、当該手法により適切に設定された高さ及び距離を有するセンサー部130の具体的な構成について説明することになる。
例えば図9(A)はセンサー部130の断面図、図9(B)は基板160上での発光部150、第1、第2の受光部141、142の配置を表す平面図である。図9(B)は図9(A)において装着状態での被検体から生体情報検出装置への方向(DR4)で観察した場合の平面視に対応する。換言すれば、第1の受光部141又は第2の受光部142の受光領域(受光面)に対して垂直な方向において、第1の受光部141又は第2の受光部142から基板160に向かう方向で観察した場合の平面視に対応する。なお、図9(A)、図9(B)では簡単のために本実施形態のセンサー部130の構成(特に透光部材30の高さや形状)を模式的に図示しており、図中の寸法や比率は実際のものとは異なる。
本実施形態では、図9(A)、図9(B)に示すように、生体情報検出装置から被検体への方向(DR3)において、透光部材30のうち第1の受光部141に対応する位置又は領域での高さをh1とし、透光部材30のうち第2の受光部142に対応する位置又は領域での高さをh2とした場合に、h1>h2に設定する。
この際、本実施形態の生体情報検出装置は図10を用いて後述するように、第1の受光部141で検出された第1の検出信号に基づいて、被検体の生体情報を演算する処理部200を含むことができる。このようにすれば、第1の受光部141からの第1の検出信号を用いて、脈拍等の生体情報の演算を行うことが可能になる。
また本実施形態の生体情報検出装置では、発光部150と第1の受光部141との距離をL1とし、発光部150と第2の受光部142との距離をL2とした場合に、図9(B)に示すように、L1<L2の関係が成り立つ。即ち、第1の受光部141は発光部150と第2の受光部142との間に配置される。そして処理部200は、第2の受光部142で検出された第2の検出信号に基づいて、第1の受光部141で検出された第1の検出信号の体動ノイズを低減する体動ノイズ低減処理を行い、体動ノイズ低減処理後の第1の検出信号に基づいて、生体情報を演算する。
このようにすれば、各受光部に対応する位置又は領域での高さと、各受光部と発光部間の距離の少なくとも一方に差を設けることで、上述したように第1の受光部141において主として脈信号を検出し、第2の受光部142において主として体動ノイズを検出することが可能になる。そのため、第1の受光部141の第1の検出信号に対して、第2の受光部142の第2の検出信号を用いた体動ノイズ低減処理を行うことや、体動ノイズ低減処理後の第1の検出信号から精度のよい生体情報を求めること等が可能になる。
図10に本実施形態の生体情報検出装置の機能ブロック図を示す。図10では生体情報検出装置は、センサー部130、モーションセンサー部170、振動発生部180、処理部200、記憶部240、通信部250、アンテナ252、報知部260を含む。なお本実施形態の生体情報検出装置は図10の構成に限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素に置き換えたり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。
センサー部130は、脈波等の生体情報を検出するものであり、第1、第2の受光部141、142、発光部150を含む。但し、センサー部130が3つ以上の受光部を有してもよい。また、ここでは発光部150が複数の受光部で共有される例を示したが、発光部側についても、1つに限定されず2つ以上の発光部を有してもよい。
これらの第1、第2の受光部141、142、発光部150等により脈波センサー(光電センサー)が実現される。図10の場合であれば、第1の受光部141と発光部150により第1の脈波センサーが実現され、第2の受光部142と発光部150により第2の脈波センサーが実現される。センサー部130は、複数の脈波センサーにより検出された信号を、検出信号(脈波検出信号)として出力する。
モーションセンサー部170は、種々のモーションセンサーのセンサー情報に基づいて、体動に応じて変化する信号である体動検出信号を出力する。モーションセンサー部170は、モーションセンサーとして例えば加速度センサー172を含む。なお、モーションセンサー部170は、モーションセンサーとして圧力センサーやジャイロセンサーなどを有していてもよい。
処理部200は、例えば記憶部240をワーク領域として、各種の信号処理や制御処理を行うものであり、例えばCPU等のプロセッサー或いはASICなどの論理回路により実現できる。処理部200は、信号処理部210、拍動情報演算部220、報知制御部230を含む。
信号処理部210は各種の信号処理(フィルター処理等)を行うものであり、例えば、センサー部130からの脈波検出信号やモーションセンサー部170からの体動検出信号などに対して信号処理を行う。
例えば信号処理部210は、体動ノイズ低減部212と第2の体動ノイズ低減部214を含む。体動ノイズ低減部212は、脈波検出信号のうち、第2の受光部142の第2の検出信号に基づいて、第1の受光部141の第1の検出信号から、体動に起因したノイズである体動ノイズを低減(除去)する体動ノイズ低減処理を行う。また第2の体動ノイズ低減部214は、モーションセンサー部170からの体動検出信号に基づいて、第1の検出信号から、体動ノイズを低減する第2の体動ノイズ低減処理を行う。具体的には、体動ノイズ低減部212での体動ノイズ低減処理は、スペクトラム減算法を用い、第2の体動ノイズ低減部214での第2の体動ノイズ低減処理は適応フィルターなどを用いればよい。体動ノイズ低減部212、第2の体動ノイズ低減部214での処理の詳細は後述する。なお、図10では体動ノイズ低減部212での体動ノイズ低減処理後に、第2の体動ノイズ低減部214での第2の体動ノイズ低減処理が行われる構成を示したが、処理の順序を逆転させる等、種々の変形実施が可能である。
拍動情報演算部220は、信号処理部210からの信号等に基づいて、拍動情報の演算処理を行う。拍動情報は例えば脈拍数などの情報である。具体的には、拍動情報演算部220は、体動ノイズ低減部212、第2の体動ノイズ低減部214でのノイズ低減処理後の脈波検出信号に対してFFT等の周波数解析処理を行って、スペクトルを求め、求めたスペクトルにおいて代表的な周波数を心拍の周波数とする処理を行う。求めた周波数を60倍にした値が、一般的に用いられる脈拍数(心拍数)となる。なお、拍動情報は脈拍数そのものには限定されず、例えば脈拍数を表す他の種々の情報(例えば心拍の周波数や周期等)であってもよい。また、拍動の状態を表す情報であってもよく、例えば血液量そのものを表す値を拍動情報としてもよい。
報知制御部230は報知部260を制御する。報知部260(報知デバイス)は、報知制御部230の制御により、ユーザーに各種の情報を報知する。報知部260としては例えば報知用の発光部を用いることができる。この場合には報知制御部230はLEDに流れる電流を制御することで、発光部の点灯、点滅等を制御する。なお報知部260は、LCD等の表示部やブザー等であってもよい。
また報知制御部230は振動発生部180の制御を行う。振動発生部180は、振動により各種の情報をユーザーに報知するものである。振動発生部180は例えば振動モーター(バイブレーター)により実現できる。振動モーターは、例えば、偏芯した錘を回転させることで振動を発生する。具体的には駆動軸(ローター軸)の両端に偏心した錘を取り付けてモーター自体が揺れるようにする。振動発生部180の振動は報知制御部230により制御される。なお振動発生部180はこのような振動モーターには限定されず、種々の変形実施が可能である。例えばピエゾ素子などにより振動発生部180を実現してもよい。
振動発生部180が発生させる振動により、例えば電源オン時のスタートアップの報知、初回の脈波検出の成功の報知、脈波が検出できない状態が一定時間続いた時の警告、脂肪燃焼ゾーンの移動時の報知、電池電圧低下時の警告、起床アラームの通知、或いはスマートフォン等の端末装置からのメールや電話等の通知などが可能になる。なお、これらの情報は、報知用の発光部により報知してもよいし、振動発生部180、発光部の両者で報知してもよい。
通信部250は、図2で説明したように外部の端末装置420との間で、例えば近距離無線通信などの通信処理を行う。具体的には通信部250は、アンテナ252からの信号の受信処理や、アンテナ252への信号の送信処理を行う。この通信部250の機能は通信用のプロセッサー或いはASICなどの論理回路により実現できる。
次に、発光部150と第1の受光部141の間の距離L1と、発光部150と第2の受光部142との間の距離L2について説明する。図11は、発光部と受光部との距離が光の浸透深度に与える影響を説明するための図である。利用者の手首の皮膚面Sfには、発光部150及び第1の受光部141、並びに発光部150及び第2の受光部142が接触している。ここでは上述したように発光部150を2つの第1、第2の受光部141、142で共有している。また、実際には上述したように透光部材30が皮膚面Sfと接触するが、図11では説明を簡略化するために、透光部材30を省略している。
発光部と受光部との距離が短いほど、生体内の深い部分に対する感度が浅い部分に対する感度に比べて相対的に低下することが分かっている。すなわち、発光部150から照射された光が、生体組織内の深度D1の位置で反射して第1の受光部141に届く光の強度は、深度D1よりも深い深度D2の位置で反射して第1の受光部141に届く光の強度に比べて強い。一方、発光部150から照射された光が、深度D1の位置で反射して第2の受光部142に届く光の強度は、深度D2の位置で反射して第2の受光部142に届く光の強度に比べて強いが、第1の受光部141において生じるほどの違いはない。そのため、第1の受光部141は、第2の受光部142よりも相対的に浅い位置にある血管における脈波の測定に適している。
図12は、発光部150と受光部(141、142)の間の距離LDと信号強度の関係を示す図である。発光部150と受光部の間の距離LDは、例えば発光部150、受光部の中心位置(代表位置)の間の距離である。例えば受光部が矩形形状(略矩形形状)である場合には、受光部の位置は、この矩形形状の中心位置である。また発光部150が図4に示すようにドーム型のレンズ152を有する場合には、発光部150の位置は、例えばレンズ152の中心位置(LEDチップの位置)である。
図12から明らかなように発光部150と受光部の距離LDが近いほど、検出信号の信号強度が高くなり、感度等の検出性能が向上する。従って、主として脈信号を検出する第1の受光部141については、発光部150との距離LDは近ければ近いほど望ましい。
この場合に図12からわかるように、第1の受光部141と発光部150の間の距離はLD<3mmであることが望ましい。例えば図12の特性曲線G1における、距離が大きい側の接線G2から明らかなように、LD≧3mmとなる範囲では、特性曲線G1が飽和している。これに対して、LD<3mmの範囲では、距離LDが短くなるにつれて、信号強度が大きく増加している。従って、この意味においてLD<3mmであることが望ましい。そして例えば発光部150と第1の受光部141との距離L1はL1=1.0〜3.0mm程度となっている。
また距離LDについては下限値も存在し、距離LDを近づけすぎることも望ましくない。図13は、発光部150から発光された光が、生体内で反射、散乱し、その一部が受光部により受光される様子を表す模式図である。この場合には、発光部150からの光は、被検体の血管等で拡散又は散乱し、その光が受光部に入射されて、脈波が検出される。そして図13において、発光部150と受光部の間の距離LDと、深さ方向での測定距離LBとの間には、LD=2×LBの関係が一般的に成り立つ。例えば距離LDだけ離れた発光部150と受光部からなる光検出ユニットによる測定限界距離は、LB=LD/2程度となる。そして距離LBが例えば100μm〜150μmとなる範囲には、脈波の検出対象物となる血管は存在しない。従って、距離LDが、LD≦2×LB=2×100μm〜2×150μm)=0.2mm〜0.3mmになると、脈波の検出信号が極めて小さくなることが予想される。即ち、距離LDが近くなると、それに伴い深さ方向での測定距離LBも小さくなり、その距離LBの範囲に検出対象物が存在しないと、検出信号が極めて小さくなってしまう。つまり、距離LDは近いほどが検出性能は向上するが、それにも限界があり、下限値が存在する。本実施形態では、第1の受光部141においては脈信号を十分な強度で検出する必要があることから、L1≧1.0mm程度に設定している。即ち、1.0mm≦L1≦3.0mmであることが望ましい。
これに対して、発光部150と第2の受光部142との間の距離L2は、第1の受光部141に比べて脈信号に対する感度が低く、体動ノイズに対する感度が高くなるように設定すればよい。例えば、L2>3.0mm(或いはL2<1.0mm)とすれば、1.0mm≦L1≦3.0mmとなる第1の受光部141に比べて脈信号の度合いが下がり、体動ノイズの度合いが上がる(MN比が下がる)ことになる。
但し、第2の受光部142では、検出信号のMN比(Mが脈信号、Nがノイズを表し、MN比は脈信号とノイズとの比率(一般的なSN比)である)が、第1の受光部141の検出信号のMN比に比べて十分小さくなればよい。つまり、L2>3.0mm(或いはL2<1.0mm)という絶対値としての距離を設定するという点よりは、第1、第2の検出信号の間である程度(例えば後述するスペクトラム減算法によるノイズ低減処理が可能な程度)の差ができるように、L1に対するL2の値を変化させる点を重視してもよい。
ここで、第1、第2の検出信号に差を生じさせるためのL1、L2の関係としては、例えばL2>2×L1等であってもよい。この場合、L1=2.0mmであれば、L2>4.0mmであるため、L2=5.6mm等であってもよく、脈信号をある程度の強度で検出することになるが、より短いL1が設定される第1の検出信号に比べて、第2の検出信号のMN比が小さいという条件を満足できる。なお、発光部150と受光部の距離LDは、断面視又は平面視において発光部150の中心から受光部の中心までの距離としてもよいし、発光部150の受光部側の端部から、受光部の発光部150側の端部までの距離としてもよい。
また、被検体に対する押圧によっても、脈信号や体動ノイズに対する感度が変化することが知られている。
図14は、押圧に対する吸光度の変化を例示する図である。横軸は押圧を、縦軸は吸光度を示している。押圧が変化すると、影響を受ける血管が変化する。最も影響を受けやすい、すなわち最も低い押圧で影響を受ける血管は毛細血管である。図14の例では、押圧がp1を超えたところで吸光度の変化量が大きくなっているが、これは押圧で毛細血管がつぶれ始めたことを意味する。押圧がp2を超えると吸光度の変化がなだらかになっているが、これは毛細血管がほぼ完全につぶれている(閉じている)ことを意味する。毛細血管の次に影響を受けるのは動脈である。さらに押圧が増してp3を超えると吸光度の変化量が再び大きくなっているが、これは押圧で動脈がつぶれ始めたことを意味する。押圧がp4を超えると吸光度の変化がなだらかになっているが、これは動脈がほぼ完全につぶれている(閉じている)ことを意味する。
本実施形態では、第2の受光部142は毛細血管に対応する信号を検出することで体動ノイズの比率を高くし、第1の受光部141は動脈に対応する信号(脈信号)を測定することで脈信号の比率を高くする。そのため、第2の受光部142における押圧はp1からp2の範囲に、第1の受光部141における押圧はp3からp4の範囲に収まるように設計される。第1の受光部141と第2の受光部142との押圧の差は、例えば2.0kPa以上で8.0kPa以下であることが望ましい。
図15は、押圧に対する体動ノイズ感度の変化を例示する図である。図15では、発光部から受光部までの距離Lが2mmの例、及び6mmの例を併せて示している。距離Lが2mm及び6mmのいずれの例でも、傾向としては、押圧が低いほどノイズ感度が高く、押圧が高いほどノイズ感度が低い。これは、毛細血管を流れる血液は、体動によって動きやすいため、生体組織内において比較的浅い位置に存在する毛細血管で反射する光には体動によるノイズが乗りやすいためであると考えられる。
また、図16(A)は第1の受光部141と第2の受光部142で押圧の差を設けず、発光部150との距離L1とL2にのみ、差を設けた場合の、体動ノイズ低減処理前後の第1の検出信号のMN比の変化を表したものである。ここでは、体動ノイズの発生要因となるユーザーの動きとして、水頭圧を変化させるものと、手を開閉させる動作を行い、それぞれの動作に対応する体動ノイズの低減度合いを測定している。なお、水頭圧を変化させる動きとは、例えば測定位置の心臓に対する高さを変化させる動きであり、具体的には腕を上げたりおろしたりする動作で実現できる。手の開閉とは、指を全て曲げて拳を握りしめた状態と、指をしっかり伸ばして手を開いた状態とを交互に行う動作により実現できる。図16(A)からわかるように、距離に差を設けるだけでも、体動ノイズの低減効果は確認できる。
これに対して図16(B)は、発光部150との距離L1とL2に差を設け、更に第1の受光部141と第2の受光部142で押圧にも差を設けた場合の、体動ノイズ低減処理前後の第1の検出信号のMN比の変化を表したものである。図16(A)と図16(B)の比較から明らかなように、押圧の差も設けることで、体動ノイズの低減効果が向上することが理解される。よってここでは、距離の差及び押圧の差の両方を設けるものとして説明を行う。
つまり、被検体の生体情報の測定時において、透光部材30のうち第1の受光部141に対応する位置又は領域での押圧をP1とし、透光部材30のうち第2の受光部142に対応する位置又は領域での押圧をP2とした場合に、P1>P2にする。このようにすれば、上述したように第1の受光部141からの第1の検出信号と、第2の受光部142からの第2の検出信号とで、特性に差を持たせることが可能になる。
押圧の差は、具体的には被検体と接触する透光部材30の高さの差により実現すればよい。上述したように、主として脈信号を検出する第1の受光部141では押圧を高くし、第2の受光部142では第1の受光部141に比べて押圧を低くする。そのため、図9(A)に示すように第1の受光部141に対応する位置又は領域における透光部材の高さh1を、第2の受光部142に対応する位置又は領域における透光部材の高さh2に比べて高くすればよい。
なぜなら、ここでは高さが高いほど、被検体側に突出することになるため、所与の押圧で生体情報検出装置を手首等に固定した際に、透光部材30の高さが高い第1の受光部141に対応する押圧を、透光部材30の高さが低い第2の受光部142に対応する押圧に比べて強くできるためである。これを図示したものが図17である。
図17の横軸が押圧(図1のバンド部320、322や伸縮部330、332により構成される荷重機構による押圧)を表し、縦軸が検出信号のDC、AC成分である。図17の上部に示したDC信号からわかるように、押圧が比較的高くなる第1の受光部141では、押圧が比較的低い状態でもある程度の押圧が付加されDC成分が抑制されていく。それに対して、第2の受光部142での押圧は比較的低いため、所与の押圧の状態ではDC成分の抑制具合が第1の検出信号に比べて小さい。そのため、図17に示した「最適押圧」の範囲では、第1の受光部141に対応する押圧はp3からp4(図14、図15)の範囲に収まるため、ノイズが抑制されて脈信号の信号レベルが大きくなる。一方、第2の受光部142における押圧はp1からp2(図14、図15)の範囲に収まるため、ノイズの抑制が不十分であり体動ノイズの比率が高くなる。
これは図17の下部に示したAC成分の比較からも明らかであり、最適押圧の範囲では、第1の検出信号はAC成分の信号レベルが高く、第2の検出信号はAC成分の信号レベルが低い。上述したように脈信号は検出信号の変化、即ちAC成分に現れるものであるから、図17は第1の受光部141は脈信号が十分検出できているのに対して、第2の受光部142は相対的に体動ノイズの比率が高いことを示している。
以下、透光部材30の高さの差を図面を用いて詳細に説明する。前述の図9(A)、図9(B)等に示すように、発光部150と第1の受光部141により実現される第1の光電センサーに対して、第1の凸部31が設けられ、発光部150と第2の受光部142により実現される第2の光電センサーに対して、第2の凸部32が設けられている。
この際、生体情報検出装置が装着された状態において、生体情報検出装置から被検体に向かう方向(DR3)を高さ方向とした場合に、第1の受光部141に対応する位置又は領域における透光部材30の高さh1が、第2の受光部142に対応する位置又は領域における透光部材30の高さh2に比べて高い。なお、高さをどのように定義するかは種々の変形実施が可能であるが、例えば、図9(A)に示したように基板160のうち発光部150等が設けられる面からの距離を高さとしてもよい。或いは、透光部材30の厚み自体を高さとしてもよい。
或いは、生体情報検出装置の装着状態において、基板160に対して被検体とは逆側(図9(A)の下側)に設けられ、且つ基板160の面と平行な基準面を設定し、当該基準面からの距離を透光部材30の高さとしてもよい。この基準面は、何らかの部材(例えば処理部200が実装されるメイン基板)の面であってもよいし、仮想的な面であってもよい。
また、各受光部に対応する位置又は領域の定義も種々考えられる。例えば、高さh1は、第1の受光部141の代表位置での透光部材30の高さであり、高さh2は、第2の受光部142の代表位置での透光部材30の高さであってもよい。ここでの代表位置は、例えば各受光部の中心位置等を用いればよい。
この場合、第1の受光部141の中心位置は図9(B)のA1であり、第2の受光部142の中心位置はA2となる。そして、第1の受光部141の中心位置A1における透光部材30の高さとは、図9(A)に示したように、A1からDR3方向に伸ばした直線と透光部材30の表面(装着時に被検体と接触する面)との交点を定義し、当該交点における透光部材30の高さh1を用いればよい。同様に、第2の受光部142の中心位置A2における透光部材30の高さは図9(A)のh2となる。
或いは、被検体側から見た平面視において第1の受光部141及び発光部150を内包する領域を第1の領域とし、第2の受光部142及び発光部150を内包する領域を第2の領域とした場合に、高さh1は、第1の領域における透光部材30の平均高さであってもよく、高さh2は、第2の領域における透光部材30の平均高さであってもよい。発光部と受光部を内包する領域としては種々の領域を想定できるが、一例としては発光部と受光部を内包し、且つ面積が最小となる長方形の領域を考えればよい。
そして、第1の受光部141に対応する領域における透光部材の高さとは、上記の第1の領域に含まれる各点からDR3方向に伸ばした直線と、透光部材30の表面との交点を定義し、当該交点における透光部材30の高さを平均化して求めればよい。
また図9(A)では押圧抑制部60が設けられている。この押圧抑制部60は、例えば透光部材30の第1、第2の凸部31、32を囲むように設けられ、例えば第1の凸部31等が被検体に与える押圧を抑制する。
この場合に、例えば、生体情報検出装置から被検体に向かう方向DR3での第1の凸部31の高さをh1とし、押圧抑制部60の高さをh3とし、高さh1から高さh3を減じた値(高さh1とh3の差)をΔhとした場合に、Δh=h1−h3>0の関係が成り立っている。例えば、第1の凸部31は、押圧抑制部60の押圧抑制面から被検体側に、Δh>0となるように突出している。即ち、第1の凸部31は、押圧抑制部60の押圧抑制面よりも、Δhの分だけ被検体側に突出している。
このように、Δh>0となる第1の凸部31等を設けることで、例えば静脈消失点を超えるための初期押圧を被検体に対して与えることが可能になる。また、第1の凸部31が被検体に与える押圧を抑制するための押圧抑制部60を設けることで、生体情報検出装置により生体情報の測定を行う使用範囲において、押圧変動を最小限に抑えることが可能になり、ノイズ成分等の低減を図れるようになる。ここで静脈消失点とは、被検体に第1の凸部31等を接触させ押圧を次第に強くした時に、脈波信号に重畳された静脈に起因する信号が消失、または脈波測定に影響しない程度に小さくなる点のことである。
具体的には、押圧抑制部60は、生体情報検出装置の荷重機構(バンド部、伸縮部等)の荷重が0〜FL1となる第1の荷重範囲RF1での押圧変化量VF1に対して、荷重機構の荷重がFL1よりも大きくなる第2の荷重範囲RF2での押圧変化量VF2が小さくなるように、第1の凸部31等が被検体に与える押圧を抑制する。即ち、初期押圧範囲である第1の荷重範囲RF1では、押圧変化量VF1を大きくする一方で、生体情報検出装置の使用範囲である第2の荷重範囲RF2では、押圧変化量VF2を小さくする。
つまり、第1の荷重範囲RF1では、押圧変化量VF1を大きくして、荷重に対する押圧の変化特性の傾きを大きくしている。このような変化特性の傾きが大きな押圧は、第1の凸部31の飛び出し量に相当するΔhにより実現される。即ち、Δh>0となる第1の凸部31を設けることで、荷重機構による荷重が少ない場合であっても、静脈消失点を超えるのに必要十分な初期押圧を、被検体に対して与えることが可能になる。
一方、第2の荷重範囲RF2では、押圧変化量VF2を小さくして、荷重に対する押圧の変化特性の傾きを小さくしている。このような変化特性の傾きが小さな押圧は、押圧抑制部60による押圧抑制により実現される。即ち、第1の凸部31等が被検体に与える押圧を、押圧抑制部60が抑制することで、生体情報検出装置の使用範囲では、荷重の変動等があった場合にも、押圧の変動を最小限に抑えることが可能になる。これにより、ノイズ成分の低減等を図れる。
最後に、図10の処理部200において行われる体動ノイズ低減処理について説明する。具体的には、第2の検出信号に基づいて行われるスペクトラム減算法と、モーションセンサーからの信号に基づいて行われる適応フィルター処理について説明する。
図18(A)、図18(B)は、スペクトラム減算法を用いた、第2の検出信号に基づく第1の検出信号のノイズ低減処理を説明する図である。スペクトラム減算法では、第1、第2の検出信号に対してそれぞれ周波数変換処理を行ってスペクトルを求める。そして、第2の検出信号のスペクトルからノイズスペクトルを推定し、推定されたノイズスペクトルを、第1の検出信号のスペクトルから引き去る処理を行う。
図18(A)に、実際に求められた第1の検出信号のスペクトルと、第2の検出信号のスペクトルを示す。上述してきたように、本実施形態に係る生体情報検出装置を用いることで、第2の検出信号のスペクトルは主としてノイズ成分に対応するスペクトルとなる。つまり、第2の検出信号のスペクトルにおいて大きなピークが立っている周波数が、体動ノイズに対応する周波数であると推定できる。実際には、第2の検出信号のスペクトルのうち、ピークだけを減算してもよいがこれに限定されず、例えば第1の検出信号のスペクトル全体から、第2の検出信号のスペクトル全体を減算する処理を行えばよい。
減算に際しては、ノイズを相殺するように、例えば、第1の検出信号及び第2の検出信号の一方に係数が乗算される。この係数は、例えば所定の周波数の信号強度から求められる。或いは、例えばクラスター化等の手法によりノイズと信号とを分離し、第1の検出信号のノイズと第2の検出信号のノイズとを同じ強度にするように係数が算出されてもよい。
スペクトラム減算法による体動ノイズ低減処理の前後の第1の検出信号の例を図18(B)に示す。図18(B)からわかるように、体動ノイズ低減処理により、0.7〜0.8Hz(脈拍数でいう42〜48)及び1.5Hz(脈拍数90)に現れていた体動ノイズが小さく抑えられ、これらを脈信号であると誤判定する可能性を抑止できる。一方、1.1Hz(脈拍数66)前後に現れていた脈信号に対応するスペクトルについては、低減することなく信号レベルを維持することが可能である。
スペクトラム減算法は、FFT(Fast Fourier Transform)等の周波数変換処理と、スペクトルでの減算処理により実現されるため、アルゴリズムがシンプルであり計算量が少ないという利点がある。また、後述する適応フィルター処理のような学習要素がないため、瞬時応答性が高いという特性がある。
なお、以上のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また生体情報検出装置の構成、動作も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。
2 肌、20 カバー部材、30 透光部材、31、32 第1、第2の凸部、
33 境界、40 凸部、42 溝部、60 押圧抑制部、
70 遮光用部材、71〜75 第1〜第5の遮光面、76 梁部、
81、82 第1、第2の開口部、91、92、93、95、96 突起部、
120 検出窓、130 センサー部、140 受光部、
141、142 第1、第2の受光部、150 発光部、152 ドーム型のレンズ、
160 基板、170 モーションセンサー部、172 加速度センサー、
200 処理部、210 信号処理部、212 体動ノイズ低減部、
214 第2の体動ノイズ低減部、220 拍動情報演算部、230 報知制御部、
240 記憶部、250 通信部、252 アンテナ、260 報知部、
300 ケース部(本体部)、302 トップケース、304 ボトムケース、
310 表示部、320、322 バンド部、330、332 伸縮部、
340 バックル部、400 手首、420 端末装置、430 表示部
33 境界、40 凸部、42 溝部、60 押圧抑制部、
70 遮光用部材、71〜75 第1〜第5の遮光面、76 梁部、
81、82 第1、第2の開口部、91、92、93、95、96 突起部、
120 検出窓、130 センサー部、140 受光部、
141、142 第1、第2の受光部、150 発光部、152 ドーム型のレンズ、
160 基板、170 モーションセンサー部、172 加速度センサー、
200 処理部、210 信号処理部、212 体動ノイズ低減部、
214 第2の体動ノイズ低減部、220 拍動情報演算部、230 報知制御部、
240 記憶部、250 通信部、252 アンテナ、260 報知部、
300 ケース部(本体部)、302 トップケース、304 ボトムケース、
310 表示部、320、322 バンド部、330、332 伸縮部、
340 バックル部、400 手首、420 端末装置、430 表示部
Claims (15)
- 被検体に対して光を出射する発光部と、
前記被検体からの光を受光する第1の受光部と、
前記被検体からの光を受光する第2の受光部と、
前記第1の受光部の受光面の垂直方向からの平面視において、前記第1の受光部と前記第2の受光部とに対応する位置に設けられる第1の開口部と第2の開口部と、前記第1の開口部及び前記第2の開口部の間に設けられる梁部と、
を含み、
前記第1の受光部と前記第2の受光部は第1の方向に沿って配置され、
前記梁部の前記第1の受光部側の端部と、前記第1の受光部の前記第2の受光部側の端部との間の前記第1の方向における距離をLE1とし、
前記梁部の前記第2の受光部側の端部と、前記第2の受光部の前記第1の受光部側の端部との間の前記第1の方向における距離をLE2とした場合に、
LE1>LE2であることを特徴とするセンサー。 - 被検体に対して光を出射する発光部と、
前記被検体からの光を受光する第1の受光部と、
前記被検体からの光を受光する第2の受光部と、
前記第1の受光部の受光面の垂直方向からの平面視において、前記第1の受光部と前記第2の受光部とに対応する位置に設けられる第1の開口部と第2の開口部と、前記第1の開口部及び前記第2の開口部の間に設けられる梁部と、
前記第1の受光部及び前記第2の受光部よりも前記被検体側の位置に設けられ、前記被検体からの光を透過し、且つ前記被検体の生体情報の測定時に前記被検体に接触して押圧を与える透光部材と、
を含み、
前記透光部材は、
前記第1の受光部に対応する第1の凸部と、
前記第2の受光部に対応する第2の凸部と、
を有し、
前記梁部は、
前記第1の凸部と前記第2の凸部との境界を通過した光が、前記第1の受光部の前記受光面に入射しないように遮光することを特徴とするセンサー。 - 被検体に対して光を出射する発光部と、
前記被検体からの光を受光する第1の受光部と、
前記被検体からの光を受光する第2の受光部と、
前記第1の受光部の受光面の垂直方向からの平面視において、前記第1の受光部と前記第2の受光部とに対応する位置に設けられる第1の開口部と第2の開口部と、前記第1の開口部及び前記第2の開口部の間に設けられる梁部と、
前記第1の受光部及び前記第2の受光部よりも前記被検体側の位置に設けられ、前記被検体からの光を透過し、且つ前記被検体の生体情報の測定時に前記被検体に接触して押圧を与える透光部材と、
を含み、
前記透光部材は、
前記第1の受光部に対応する第1の凸部と、
前記第2の受光部に対応する第2の凸部と、
を有し、
前記梁部は、
前記第1の凸部の全反射境界よりも前記第2の凸部側の位置を通過し、前記第2の受光部の受光面のうち前記梁部までの距離が最も近い点に入射する光を遮光しない位置に配置されることを特徴とするセンサー。 - 被検体に対して光を出射する発光部と、
前記被検体からの光を受光する第1の受光部と、
前記被検体からの光を受光する第2の受光部と、
前記第1の受光部の受光面の垂直方向からの平面視において、前記第1の受光部と前記第2の受光部とに対応する位置に設けられる第1の開口部と第2の開口部と、前記第1の開口部及び前記第2の開口部の間に設けられる梁部と、
前記第1の受光部及び前記第2の受光部よりも前記被検体側の位置に設けられ、前記被検体からの光を透過し、且つ前記被検体の生体情報の測定時に前記被検体に接触して押圧を与える透光部材と、
を含み、
前記透光部材は、
前記第1の受光部に対応する第1の凸部と、
前記第2の受光部に対応する第2の凸部と、
を有し、
前記第1、第2の凸部を囲むように設けられ、前記第1の凸部が前記被検体に与える押圧を抑制する押圧抑制部を更に含むことを特徴とするセンサー。 - 請求項2乃至4のいずれかにおいて、
センサーから前記被検体への方向において、前記透光部材のうち前記第1の受光部に対応する位置又は領域での高さをh1とし、前記透光部材のうち前記第2の受光部に対応する位置又は領域での高さをh2とした場合に、h1>h2であることを特徴とするセンサー。 - 被検体に対して光を出射する発光部と、
前記被検体からの光を受光する第1の受光部と、
前記被検体からの光を受光する第2の受光部と、
前記第1の受光部の受光面の垂直方向からの平面視において、前記第1の受光部と前記第2の受光部とに対応する位置に設けられる第1の開口部と第2の開口部と、前記第1の開口部及び前記第2の開口部の間に設けられる梁部と、
を含み、
前記第1の受光部は、
前記発光部と前記第2の受光部との間に配置されることを特徴とするセンサー。 - 請求項1乃至6のいずれかにおいて、
前記第1の受光部で検出された第1の検出信号に基づいて、前記被検体の前記生体情報を演算する処理部を含むことを特徴とするセンサー。 - 請求項7において、
前記処理部は、
前記第2の受光部で検出された第2の検出信号に基づいて、前記第1の検出信号のノイズ低減処理を行うことを特徴とするセンサー。 - 請求項1乃至8のいずれかにおいて、
少なくとも前記第1の受光部及び前記第2の受光部を囲むように設けられ、前記第1の受光部に対応する前記第1の開口部と、前記第2の受光部に対応する前記第2の開口部とを有する遮光用部材を含み、
前記梁部は、前記第1の開口部と前記第2の開口部の間に設けられていることを特徴とするセンサー。 - 被検体に対して光を出射する発光部と、
前記被検体からの光を受光する第1の受光部と、
前記被検体からの光を受光する第2の受光部と、
前記第1の受光部の受光面の垂直方向からの平面視において、前記第1の受光部と前記第2の受光部とに対応する位置に設けられる第1の開口部と第2の開口部と、前記第1の開口部及び前記第2の開口部の間に設けられる梁部と、
を含み、
第1〜第3の遮光面と前記梁部とを備える遮光用部材を有し、
前記第1の遮光面は、前記発光部と前記第1の受光部の間に設けられ、
前記第2の遮光面と前記第3の遮光面とは、前記第1の遮光面に交差するように設けられていることを特徴とするセンサー。 - 請求項10において、
前記第1の遮光面と前記第2の遮光面とは第1の隙間領域を介して隣接して設けられ、前記第1の遮光面と前記第3の遮光面とは第2の隙間領域を介して隣接して設けられていることを特徴とするセンサー。 - 請求項10又は11において、
前記第1の遮光面、前記第2の遮光面、前記第3の遮光面及び前記梁部によって、前記第1の受光部に対応する前記第1の開口部が設けられていることを特徴とするセンサー。 - 請求項10又は11において、
前記第1の遮光面、前記梁部及びひさし部によって、前記第1の受光部に対応する前記第1の開口部が設けられていることを特徴とするセンサー。 - 請求項9乃至13のいずれかにおいて、
前記遮光用部材は突起部を有し、
前記遮光用部材が取り付けられている基板の設置面から高さHB(HB>0)の距離に、前記突起部の取り付け面が位置するように、前記突起部が設けられていることを特徴とするセンサー。 - 請求項1乃至14のいずれかに記載のセンサーが搭載されていることを特徴とする生体情報検出装置。
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