JP6464736B2 - 脈波センサ及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、脈波センサ及びそれを備える電子機器に関する。

従来、ＬＥＤ（Light Emitted Diode）を発光させて皮膚に向けて放射し、その反射光をＰＤ（Photo Detector）で検出して脈拍を検出する光電脈波センサが知られている。

図８に、光電脈波センサ１００の実装構造の一例が示されている。図８に示すように、光電脈波センサ１００は、筐体内部にある回路基板（ＰＣＢ１００）上に、２個のＬＥＤ（Ｄ１，Ｄ２）と１個の受光素子ＰＤ（Ｐ１）が実装されており、ＬＥＤ（Ｄ１，Ｄ２）から放射された光が防水用の透明板１０２を通り図示省略した人体の皮膚に到達する。そして、皮膚からの反射光は、透明板１０２を通って受光素子であるＰＤ（Ｐ１）で検出される。

上記した光電脈波センサ１００を腕時計の裏面に実装し、手首に装着した状態で脈拍等の生体情報を計測する技術が特許文献１に開示されている。

特開２００５−２７０５４３号公報

特許文献１に開示された技術によれば、手首に装着したまま容易に脈拍等の生体情報を計測することができるため、使用者は簡便に利用することが可能である。しかしながら、発光素子、受光素子ともに剛性の時計の裏側に設けられており、使用者の動きによってこれら発光素子や受光素子と生体表面との間に隙間が生じることがあり、脈波検出に必要な生体との密着性が得られず、正確な脈拍の計測ができない可能性がある。

本発明は上記した課題を解決するためになされてものであり、脈波検出に必要な生体との密着性を高めて正確な脈拍の計測を可能にする脈波センサ及びこれを備える電子機器を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために本発明は、可撓性を有する脈波センサであって、上面に配線パターンが形成されて、可撓性を有するフレキシブル配線基板と、前記フレキシブル配線基板の前記配線パターン上に互いに離間して設けられている、光を放射する少なくとも一つの発光部及び光を受光する少なくとも一つの受光部と、前記フレキシブル配線基板上の前記発光部及び前記受光部を除く領域に積層されて、上面が平面をなし、前記発光部から放射される光を透過せず、前記上面が前記発光部から該上面に向けて出射される光を反射する、可撓性を有する第１のリフレクタ層と、前記第１のリフレクタ層上の前記発光部及び前記受光部を除く領域に積層されて前記発光部と前記受光部との間に設けられ、前記発光部から放射される光を透過せず、前記発光部から放射される光を反射して、前記発光部から前記受光部に向けて出射される光が前記受光部に直接入射することを防ぐ、可撓性を有する第２のリフレクタ層と、を備えていることを特徴とする。

また、本発明の電子機器は生体に装着可能で、可撓性を有し、前記生体に装着されるときに、前記生体の形状に応じて湾曲する装着帯を有し、前記装着帯の、該装着帯が前記生体に装着されたときに前記生体と対向する側に実装され、可撓性を有し、前記装着帯の湾曲に応じて湾曲することが可能な脈波センサと、を有し、前記脈波センサは、上面に配線パターンが形成されて、可撓性を有するフレキシブル配線基板と、前記フレキシブル配線基板の前記配線パターン上に互いに離間して設けられている、光を放射する少なくとも一つの発光部及び光を受光する少なくとも一つの受光部と、前記フレキシブル配線基板上の前記発光部及び前記受光部を除く領域に積層されて前記発光部を囲撓し、上面が平面をなし、前記発光部から放射される光を透過せず、前記上面が前記発光部から該上面に向けて照射される光を反射する、可撓性を有する第１のリフレクタ層と、前記第１のリフレクタ層上の前記発光部及び前記受光部を除く領域に積層されて前記発光部と前記受光部との間に設けられ、前記発光部から放射される光を透過せず、前記発光部から放射される光を反射して、前記発光部から前記受光部に向けて出射される光が前記受光部に直接入射することを防ぐ、可撓性を有する第２のリフレクタ層と、を有していることを特徴とする。

本発明によれば、脈波の計測時に生体との密着性を高めて正確な脈波の計測を可能にする脈波センサを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る脈波センサの層構造の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る脈波センサの層構造の他の例を示す図である。 図１の基板実装構造を分解して示した図である。 図２の基板構成を分解して示した図である。 図１，図２の発光素子と受光素子の基板配置の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る脈波センサの人体への装着の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る脈波センサの人体への装着の他の例を示す図である。 従来の脈波センサの基板実装構造の一例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態（以下、本実施形態と言う）について詳細に説明する。なお、実施形態の説明の全体を通して同じ要素には同じ番号または符号を付している。

図１は、本実施形態に係る脈波センサ１０の層構造の一例であり、図１（ａ）に側面図、図１（ｂ）に平面図を示す。また、図３に、その基板実装構造を分解して示す。

図１，図３に示すように、本実施形態に係る脈波センサ１０は、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の４層のレイヤ構造になっており、その中に、発光部としての発光素子（ＬＥＤ）であるＤ１，Ｄ２、受光部としての受光素子（ＰＤ）であるＰ１等のチップ部品を埋め込んだ、超薄型で可撓性を有するシンプルな構造になっている。

図１（ａ）の側面図に示すように、本実施形態に係る脈波センサ１０は、ポリイミド等のベースフィルム層からなる可撓性を有するフレキシブル基材の上に銅による配線パターンが形成されたフレキシブル配線基板Ｌ１の配線パターンの上にＤ１，Ｄ２，Ｐ１等のチップ電子部品が半田付けして実装されている。そして、フレキシブル配線基板Ｌ１の上に、発光素子であるＤ１，Ｄ２からフレキシブル配線基板Ｌ１のフレキシブル基材方向に出射された光や、後述する透明フィルム層Ｌ４で反射されて戻ってくる光を反射して、透明フィルム層Ｌ４上に設けられる人体（生体）の皮膚に向けて光を放射するように制御する、上面が平面をなしているシート状のリフレクタ層Ｌ３，Ｌ４と、ＳＵ−８等をコーティングして防水効果を持たせ、発光素子Ｄ１，Ｄ２から出射された光の少なくとも一部を透過する透明フィルム層Ｌ４を積層し、全体として一枚のシート状部材をなすように張り合わせられた４層構造を持つ。脈波を測定する対象となる人体（生体）は、透明フィルム層Ｌ４上に設けられ、例えば、透明フィルム層Ｌ４の上面の少なくとも一部に接している。

リフレクタ層Ｌ２，Ｌ３は、発光素子であるＤ１，Ｄ２により放射される光を効率良く人体に向けて放射させることができる反射素材で形成されている。また、リフレクタ層Ｌ３は、Ｄ１，Ｄ２により放射される光を反射する反射性を有するとともに、更に、発光素子であるＤ１，Ｄ２から受光素子Ｐ１に向けて出射された光が受光素子Ｐ１に直接入射することを防ぐことができる、発光素子Ｄ１，Ｄ２から放射される光に対して遮光性を有する素材で形成されている。

リフレクタ層Ｌ２は、例えば、発光素子Ｄ１，Ｄ２より放射される波長の光を透過せず、発光素子Ｄ１，Ｄ２より放射される波長の光に対して反射率が約９０％のアルミ蒸着膜が上面に設けられたシート状のフィルムを素材として用い、上面が平面をなしていて、可撓性を有している。リフレクタ層Ｌ３は、例えば、発光素子Ｄ１，Ｄ２より出射される波長の光に対して７０〜８０％の反射率を有し、上面が平面をなす、シート状の白色の樹脂材料を素材として用い、比較的薄く形成されていて、可撓性を有している。これによりリフレクタ層Ｌ２、Ｌ３は、全体として反射効率の高いリフレクタを実現している。ここで、リフレクタ層Ｌ２は発光素子Ｄ１，Ｄ２より放射される光を透過しないように構成されているため、発光素子Ｄ１，Ｄ２より放射される光がリフレクタ層Ｌ２を透過してフレキシブル配線基板Ｌ１の配線パターンで反射されることはない。なお、リフレクタ層Ｌ２，Ｌ３はフレキシブル配線基板Ｌ１のベースフィルム層と同程度の膨張率を有する素材で形成されることが好ましい。

図３に示すように、リフレクタ層Ｌ２には、フレキシブル配線基板Ｌ１の配線パターン上に実装されている発光素子Ｄ１，Ｄ２に対応する位置に開口部３ａ，３ｂが形成され、受光素子Ｐ１に対応する位置に開口部３ｃが形成されている。開口部３ａ，３ｂは発光素子Ｄ１，Ｄ２が貫通する大きさに形成され、開口部３ｃは受光素子Ｐ１が貫通する大きさに形成されている。リフレクタ層Ｌ３には、フレキシブル配線基板Ｌ１の配線パターン上に実装されている発光素子Ｄ１，Ｄ２に対応し、リフレクタ層Ｌ２の開口部３ａ，３ｂに対応する位置に開口部４ａ，４ｂが形成され、受光素子Ｐ１に対応し、リフレクタ層Ｌ３の開口部３ｃに対応する位置にする位置に開口部４ｃが形成されている。開口部４ａ，４ｂは開口部３ａ，３ｂより大きく、開口部３ａ，３ｂを囲む位置に設けられ、開口部４ｃは例えば開口部３ｃと同じ大きさに形成されている。これにより、発光素子であるＤ１，Ｄ２は、フレキシブル配線基板Ｌ１の配線パターン上にあって、リフレクタ層Ｌ２に囲撓され、かつ、リフレクタ層Ｌ３から離間する位置に埋め込まれる。また、受光素子であるＰ１は、フレキシブル配線基板Ｌ１の配線パターン上にあって、リフレクタ層Ｌ２，Ｌ３に囲撓されるように埋め込まれていて、発光素子Ｄ１，Ｄ２と受光素子Ｐ１との間にリフレクタ層Ｌ３が設けられる。このため、図１（ｂ）の平面図に示すように、発光素子Ｄ１，Ｄ２周辺には、透明フィルム層Ｌ４を通して、リフレクタ層Ｌ２が露出して見え、受光素子Ｐ１の周辺全体はリフレクタ層Ｌ３で覆われ、端部ではフレキシブル配線基板Ｌ１の配線パターンが露出して見える。
これにより、図１（ａ）及び図２（ａ）に示すように、発光素子であるＤ１，Ｄ２から放射された光のうちのリフレクタ層Ｌ２の上面に向けて出射された光は、リフレクタ層Ｌ２を透過せず、リフレクタ層Ｌ２の上面で反射されて、透明フィルム層Ｌ４上に設けられている脈波の測定対象の人体に向けて出射される。このとき、リフレクタ層Ｌ２の上面で反射されて、人体に向けて出射される光の方向は、発光素子Ｄ１，Ｄ２から周囲に広がった方向になり、人体の比較的広い領域に光を照射することができる。この構成により、本発明における脈波センサ１０は透明フィルム層Ｌ４上に設けられている人体において仮に血管が発光素子Ｄ１，Ｄ２から多少離れた位置にあったとしても、血管に光を良好に照射して、脈波を良好に測定することができる。

図２は、本体回路（ＤＥＶ）を更に含む脈波センサ１０の層構造であり、図２（ａ）に側面図、図２（ｂ）に平面図を示す。また、図４に、その基板実装構造を分解して示す。ここでいうＤＥＶとは、ＡＤＣ（Analog-Digital Convertor），ＣＰＵ，通信ＬＳＩ，バッテリ、その他の回路素子のことをいい、配線パターン層の配線経由で発光素子Ｄ１，Ｄ２．および受光素子Ｐ１に接続される。

図２（ａ）の側面図，ならびに図４の分解図に示すように、層構造は、図１（ａ）、図３と同じく、Ｌ１〜Ｌ４の４層構造をとり、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、フレキシブル配線基板Ｌ１の配線パターンの上に本体回路（ＤＥＶ）のチップ部品が実装され、図３に示すように、リフレクタ層Ｌ３の、配線パターン上に実装されている本体回路（ＤＥＶ）に対応する位置に、本体回路（ＤＥＶ）が貫通する大きさの開口部３ｄが形成されて、本体回路（ＤＥＶ）がリフレクタ層Ｌ２に囲撓されるように埋め込まれている以外に何ら差異はない。

上記構成により、本実施形態に係る脈波センサ１０によれば、小型、薄型、フレキシブルな構造を実現し、これを腕時計等のバンドに組み込むことで、人体（生体）との密着性を高めることが出来、安定した脈波の計測が可能になる。また、Ｌ１〜Ｌ４の各層は、リフレクタ層Ｌ２，Ｌ３のそれぞれに穴あけ加工して、各層を貼り合わせるだけで形成されているため、製造工程がシンプルになり、量産コストを抑えることが出来る。

図５（ａ）（ｂ）（ｃ）に、発光素子と受光素子の配置例が示されている。図５（ａ）は、２個の発光素子Ｄ１から放射される光を１個の受光素子Ｐ１で受光する例、図５（ｂ）は、２個の発光素子Ｄ１，Ｄ２から放射される光を２個の受光素子Ｐ１，Ｐ２で受光する例、図５（ｃ）は、５個の発光素子Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４．Ｄ５から放射される光を４個の受光素子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４で受光する例を示す。

発光素子と受光素子は仕様に応じて様々な数の組み合わせが考えられる。光の強度が要求される場合は、例えば、図５（ａ）（ｃ）に示すように、発光素子の数を多く配置し、感度が要求される場合は、図５（ｂ）（ｃ）に示すように、受光素子の数を多く配置すればよい。このように、必要に応じて各種配置が考えられる。

発光素子Ｄ１〜Ｄ５の発光は、上下左右方向に放射されるので、１個の発光素子からの放射光を複数の受光素子Ｐ１〜Ｐ５で受光することができ、受光素子Ｐ１〜Ｐ５の出力電流を加算すれば、感度が向上するとともにエネルギー効率が向上し、省電力化にも寄与する。

次に、本実施形態に係る脈波センサ１０を備える電子機器の一例を図６，図７に基づいて説明する。
図６に示す電子機器２０は、腕時計型を有しているものであり、腕時計本体（機器本体部）１２と、腕時計本体１２に接続され、腕時計本体１２を人体（腕）に装着可能なリストバンド（装着帯）１１ａを有し、リストバンド１１ａの装着時に人体に接触する側すなわち生体に対向する側に本実施形態に係る脈波センサ１０（１０ａ）が実装されている。この脈波センサ１０ａのフレキシブル配線基板Ｌ１は腕時計本体１２に接続されている。脈波センサ１０ａの実装形態は、例えば、マジックテーブで貼付するかピン止めする等、任意である。
図７に示す電子機器３０は、人体（腕）に巻きつけられるリストバンド型を有しているものであり、リストバンド１１ｂを有し、リストバンド１１ｂの装着時に人体に接触する側に本実施形態に係る脈波センサ１０（１０ｂ）が実装されている。リストバンド１１ｂ内には、この脈波センサ１０ｂは、その他回路（図２のＤＥＶ）も実装されている場合を例示している。脈波センサ１０ｂの実装形態は、図６に示す例と同様に任意である。なお、図７に示す例では、リストバンド１１ｂ内に脈波センサ１０ｂに接続されるバッテリ１３も内蔵されている。

図６，図７のいずれにおいても、膨張率が大きく違わないように同じポリマー素材を使用して形成されたたフラットでフレキブルなリストバンド１１ａ、１１ｂに本実施形態に係る脈波センサ１０（１０ａ、１０ｂ）を実装している。図６に示す例では、腕時計本体１２による時刻表示機能と、脈波センサ１０による脈波測定機能とを有し、リストバンド１１ａ及び脈波センサ１０ａが腕の形状に応じて湾曲して、腕にフィットするため、人体への密着性が増し、脈波の検出が容易になる。図７に示す例も同様、リストバンド１１及び脈波センサ１０ｂが腕の形状に応じて湾曲して、腕にフィットするため人体への密着性が増し、脈波の検出が容易になる。

以上説明のように本実施形態に係る脈波センサ１０は、脈波センサ１０を、例えば、図１（ａ）に示すように、フレキシブル配線基板Ｌ１と、フレキシブル配線基板Ｌ１上に積層され、上面に金属膜が設けられた第１のリフレクタ層Ｌ２と、第１のリフレクタ層Ｌ２上に積層された白色の第２のリフレクタ層Ｌ３と、フレキシブル配線基板Ｌ１の配線パターン上にあって、第１のリフレクタ層Ｌ２に囲撓され、かつ、第２のリフレクタ層Ｌ３から離間するように設けられた発光素子（Ｄ１，Ｄ２）と、フレキシブル配線基板Ｌ１の配線パターン上にあって、第１及び第２のリフレクタ層Ｌ２，Ｌ３に囲撓されるように設けられた受光素子（Ｐ１）との５層構造で形成した。

このことにより、小型、薄型、フレキシブルな構造を実現し、これを、例えば、図６，図７に示すように、腕時計等のリストバンド１１に組み込むことで、人体（皮膚）との密着性を高めることが出来、その結果、安定した脈波の計測が可能になる。また、Ｌ１〜Ｌ４の各層は、リフレクタ層Ｌ２，Ｌ３のそれぞれに穴あけ加工して、各層を貼り合わせるだけで形成されているため、製造工程がシンプルになり、量産コストを抑えることが出来る。

なお、リフレクタ層は、フレキシブル配線基板Ｌ１の表面を覆い反射／拡散させるリフレクタ層Ｌ２と、受光素子Ｐ１の周囲を覆い、発光素子Ｄ１，Ｄ２から受光素子Ｐ１に直接向かう直接光を反射／拡散し、また、受発光素子全体の周囲を囲撓して必要以上に光が外に拡散しないようにするリフレクタ層Ｌ３とを持つため、直接光が減少し、その分だけ皮膚に到達する光の量が増大するという効果も得られる。直接光の減少は、受光素子の出力電圧の直流成分の増大を抑えるため、脈波信号成分の抽出を容易にすることができる。また、光量が増大すれば、感度向上もしくは省電力化に寄与する。

以上、実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されないことは言うまでもない。上記実施形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。またその様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

以下に、この出願の願書に最初に添付した特許請求の範囲に記載した発明を付記する。付記に記載した請求項の項番は、この出願の願書に最初に添付した特許請求の範囲の通りである。

〔付記〕
［請求項１］
上面に配線パターンが形成されて、可撓性を有するフレキシブル配線基板と、
前記フレキシブル配線基板の前記配線パターン上に互いに離間して設けられている、光を放射する少なくとも一つの発光部及び光を受光する少なくとも一つの受光部と、
前記フレキシブル配線基板上の前記発光部及び前記受光部を除く領域に積層されて、上面が平面をなし、前記発光部から放射される光を透過せず、前記上面が前記発光部から該上面に向けて出射される光を反射する、可撓性を有する第１のリフレクタ層と、
前記第１のリフレクタ層上の前記発光部及び前記受光部を除く領域に積層されて前記発光部と前記受光部との間に設けられ、前記発光部から放射される光を透過せず、前記発光部から放射される光を反射して、前記発光部から前記受光部に向けて出射される光が前記受光部に直接入射することを防ぐ、可撓性を有する第２のリフレクタ層と、
を備えていることを特徴とする脈波センサ。
［請求項２］
前記第１のリフレクタ層は、前記上面に金属膜が設けられたフィルム素材により形成され、
前記第２のリフレクタ層は、白色を有し、可撓性を有する樹脂材料により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の脈波センサ。
［請求項３］
前記第２のリフレクタ層上に積層された、前記発光部から放射される光及び前記第１のリフレクタ層で反射された光の少なくとも一部を透過する透明フィルム層をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の脈波センサ。
［請求項４］
生体に装着可能で、可撓性を有し、前記生体に装着されるときに、前記生体の形状に応じて湾曲する装着帯を有し、
前記装着帯の、該装着帯が前記生体に装着されたときに前記生体と対向する側に実装され、可撓性を有し、前記装着帯の湾曲に応じて湾曲することが可能な脈波センサと、
を有し、
前記脈波センサは、
上面に配線パターンが形成されて、可撓性を有するフレキシブル配線基板と、
前記フレキシブル配線基板の前記配線パターン上に互いに離間して設けられている、光を放射する少なくとも一つの発光部及び光を受光する少なくとも一つの受光部と、
前記フレキシブル配線基板上の前記発光部及び前記受光部を除く領域に積層されて前記発光部を囲撓し、上面が平面をなし、前記発光部から放射される光を透過せず、前記上面が前記発光部から該上面に向けて照射される光を反射する、可撓性を有する第１のリフレクタ層と、
前記第１のリフレクタ層上の前記発光部及び前記受光部を除く領域に積層されて前記発光部と前記受光部との間に設けられ、前記発光部から放射される光を透過せず、前記発光部から放射される光を反射して、前記発光部から前記受光部に向けて出射される光が前記受光部に直接入射することを防ぐ、可撓性を有する第２のリフレクタ層と、
を有していることを特徴とする電子機器。

１０（１０ａ，１０ｂ）…脈波センサ、Ｌ１…フレキシブル配線基板、Ｌ２…第１のリフレクタ層、Ｌ３…第２のリフレクタ層、Ｌ４…透明フィルム層、１１…リストバンド、１２…腕時計本体、１３…バッテリ

Claims (4)

1. 上面に配線パターンが形成されて、可撓性を有するフレキシブル配線基板と、
   前記フレキシブル配線基板の前記配線パターン上に互いに離間して設けられている、光を放射する少なくとも一つの発光部及び光を受光する少なくとも一つの受光部と、
   前記フレキシブル配線基板上の前記発光部及び前記受光部を除く領域に積層されて、上面が平面をなし、前記発光部から放射される光を透過せず、前記上面が前記発光部から該上面に向けて出射される光を反射する、可撓性を有する第１のリフレクタ層と、
   前記第１のリフレクタ層上の前記発光部及び前記受光部を除く領域に積層されて前記発光部と前記受光部との間に設けられ、前記発光部から放射される光を透過せず、前記発光部から放射される光を反射して、前記発光部から前記受光部に向けて出射される光が前記受光部に直接入射することを防ぐ、可撓性を有する第２のリフレクタ層と、
   を備えていることを特徴とする脈波センサ。
2. 前記第１のリフレクタ層は、前記上面に金属膜が設けられたフィルム素材により形成され、
   前記第２のリフレクタ層は、白色を有し、可撓性を有する樹脂材料により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の脈波センサ。
3. 前記第２のリフレクタ層上に積層された、前記発光部から放射される光及び前記第１のリフレクタ層で反射された光の少なくとも一部を透過する透明フィルム層をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の脈波センサ。
4. 生体に装着可能で、可撓性を有し、前記生体に装着されるときに、前記生体の形状に応じて湾曲する装着帯を有し、
   前記装着帯の、該装着帯が前記生体に装着されたときに前記生体と対向する側に実装され、可撓性を有し、前記装着帯の湾曲に応じて湾曲することが可能な脈波センサと、
   を有し、
   前記脈波センサは、
   上面に配線パターンが形成されて、可撓性を有するフレキシブル配線基板と、
   前記フレキシブル配線基板の前記配線パターン上に互いに離間して設けられている、光を放射する少なくとも一つの発光部及び光を受光する少なくとも一つの受光部と、
   前記フレキシブル配線基板上の前記発光部及び前記受光部を除く領域に積層されて前記発光部を囲撓し、上面が平面をなし、前記発光部から放射される光を透過せず、前記上面が前記発光部から該上面に向けて照射される光を反射する、可撓性を有する第１のリフレクタ層と、
   前記第１のリフレクタ層上の前記発光部及び前記受光部を除く領域に積層されて前記発光部と前記受光部との間に設けられ、前記発光部から放射される光を透過せず、前記発光部から放射される光を反射して、前記発光部から前記受光部に向けて出射される光が前記受光部に直接入射することを防ぐ、可撓性を有する第２のリフレクタ層と、
   を有していることを特徴とする電子機器。

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