JP6593443B2 - 光電センサモジュール - Google Patents

Description

本発明は、発光素子と受光素子とを備えた光電センサモジュールに関する。

下記の特許文献１に、発光器と受光器とを備えた光センサ装置が開示されている。発光器から、被測定物である生体に向けて光が放射される。被測定物を透過し、または被測定物で反射した光が、受光素子で受光される。受光素子から出力される電気信号に基づいて、生体の脈拍に応じた光電脈波信号が得られる。この光センサ装置では、受光器で光電変換された電気信号が増幅器で増幅される。増幅された電気信号が、Ａ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換される。演算器が、デジタル信号に基づいて、種々の信号処理を行なう。

下記の特許文献２に、反射型オキシメータが開示されている。この反射型オキシメータは、複数の第１発光素子、複数の第２発光素子、及び受光素子を含む。第１発光素子と第２発光素子は、相互に異なる第１波長及び第２波長の光を放射する。第１発光素子及び第２発光素子は、生体の表面に向って光を放射する。生体内で反射された反射光が、受光素子で受光される。受光素子で受光された光の強度に基づいて、血液中の酸素飽和度を求めることができる。

複数の第１発光素子及び複数の第２発光素子は、受光素子を中心とする同一半径の円周上に、全周に亘って交互に並べられている。生体組織が不均一であったり、第１発光素子等が実装されたハウジングが傾いていたりしても、第１波長及び第２波長の反射光の信号強度への影響が平均化されるため、十分な測定精度を確保することができる。

特許第５７１３１０３号公報 特開平２−１１１３４４号公報

特許文献２に開示された反射型オキシメータにおいては、第１発光素子及び第２発光素子を複数個準備し、円周に沿って配置しなければならない。このため、実装される発光素子のコスト低減を図ることが困難である。

第１発光素子、第２発光素子、及び受光素子を同一の基板に実装する構造の採用が可能である。第１発光素子及び第２発光素子が円周に沿って並んでいるため、円形の基板を用いることが好ましい。多面取り用基板から円形の複数の基板を切り出すと、使用されない領域が発生してしまう。このため、基板の利用効率が低下し、基板コストが増大してしまう。

本発明の目的は、多面取り基板の利用効率を高め、かつコスト低減を図ることが可能な光電センサモジュールを提供することである。

本発明の第１の観点による光電センサモジュールは、
直線状の縁を有する基板と、
前記基板に実装された第１の波長の光を放射する第１の発光素子と、
前記基板に実装され、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光を放射する第２の発光素子と、
前記第１の発光素子及び前記第２の発光素子から放射され、対象物で反射された光を受光する受光素子と
を有し、
前記基板の表面に定義される仮想直線に関して、前記第１の発光素子の発光箇所と前記第２の発光素子の発光箇所とが線対称の関係にあり、前記受光素子の受光箇所が線対称であり、前記基板の平面形状が線対称であり、
さらに、前記基板に実装された一対の接触対称性検知素子を有し、
一対の前記接触対称性検知素子が配置された位置は、前記仮想直線に関して線対称の関係を有し、前記接触対称性検知素子から前記仮想直線までの距離が、前記第１の発光素子の発光箇所から前記仮想直線までの距離より長く、
前記基板の、前記第１の発光素子、前記第２の発光素子、及び前記受光素子が実装された面を前記対象物に接触させた状態で、前記接触対称性検知素子の各々は、前記対象物に対する前記接触対称性検知素子の装着状態を検知する検知系の一部を構成する。

基板を、二次元平面に隈なく配置することが可能な平面形状にすることが可能である。このため、多面取り基板の利用効率を高めることができる。さらに、第１の発光素子及び第２の発光素子を円周に沿って並べる必要がないため、光電センサモジュールの部品コストや製造コストの低減を図ることができる。仮想直線に関する対称性により、第１の発光素子から放射された光による迷光の影響と、第２の発光素子から放射された光による迷光の影響を均等化することができる。これにより、酸素飽和度の算出精度を高めることができる。
接触対称性検知素子を用いて、対象物に対する光電センサモジュールの装着状態の均一性を検知することができる。

本発明の第２の観点による光センサモジュールは、
直線状の縁を有する基板と、
前記基板に実装された第１の波長の光を放射する第１の発光素子と、
前記基板に実装され、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光を放射する第２の発光素子と、
前記第１の発光素子及び前記第２の発光素子から放射され、対象物で反射された光を受光する受光素子と
を有し、
前記基板の表面に定義される仮想直線に関して、前記第１の発光素子の発光箇所と前記第２の発光素子の発光箇所とが線対称の関係にあり、前記受光素子の受光箇所が線対称であり、前記基板の平面形状が線対称であり、
さらに、前記基板が実装されたマザーボードを有し、
前記第１の発光素子及び前記第２の発光素子の各々は、複数の前記発光箇所を含み、
前記第１の発光素子の少なくとも１つの前記発光箇所、及び前記第２の発光素子の少なくとも１つの前記発光箇所は、前記マザーボードに実装されている。

基板の大きさに制約されることなく、第１の発光素子と第２の発光素子との間隔を広くすることができる。言い換えると、第１の発光素子と第２の発光素子との間隔を広げても、小さな基板を使用することができる。このため、部品コストの低減を図ることができる。

本発明の第３の観点による光電センサモジュールは、第１または第２の観点による光電センサモジュールの構成に加えて、
前記基板の表面のうち、前記第１の発光素子の発光箇所、前記第２の発光素子の発光箇所、及び前記受光素子の受光箇所のいずれもが配置されていない領域を覆い、前記第１の波長の光及び前記第２の波長の光を遮蔽する遮蔽膜を有し、
前記遮蔽膜の平面形状は、前記仮想直線に関して線対称である。

遮蔽膜を線対称の平面形状にすることにより、第１の発光素子から放射された光による迷光の影響と、第２の発光素子から放射された光による迷光の影響を、より均等化することができる。

本発明の第４の観点による光電センサモジュールは、第１の観点による光電センサモジュールの構成に加えて、
前記受光素子で受光された光の強度に対応する検出信号が入力される演算処理部を有し、
一対の前記接触対称性検知素子は、同一波長の光を放射し、
前記演算処理部は、
一方の前記接触対称性検知素子から放射され、前記対象物で反射して前記受光素子に入射した光の強度と、他方の前記接触対称性検知素子から放射され、前記対象物で反射して前記受光素子に入射した光の強度とを比較し、比較結果を出力する。

受光素子に入射した光の強度を比較することにより、対象物に対する光電センサモジュールの装着状態の均一性を判定することができる。

本発明の第５の観点による光電センサモジュールは、第１乃至３の観点による光電センサモジュールの構成に加えて、
前記受光素子が、複数の前記受光箇所を含み、複数の前記受光箇所の位置は、前記仮想直線に関して線対称である。

複数の受光箇所で受光された光の強度を、それぞれＡ／Ｄ変換して信号処理することができる。１つの強い光の強度をＡ／Ｄ変換する場合に比べて、広いダイナミックレンジを確保することができる。

本発明の第６の観点による光電センサモジュールは、第５の観点による光電センサモジュールの構成に加えて、
前記仮想直線上に配置された第３の発光素子と、
前記受光素子の複数の前記受光箇所で受光された光の強度に対応する検出信号が入力される演算処理部を有し、
前記演算処理部は、
前記第３の発光素子から放射された光のうち、前記対象物で反射されて一方の前記受光箇所で受光された光の強度と、他方の前記受光箇所で受光された光の強度とを比較し、比較結果を出力する。

一方の受光箇所で受光された光の強度と、他方の受光箇所で受光された光の強度とを比較することにより、対象物に対する光電センサモジュールの装着状態の均一性を判定することができる。

本発明の第７の観点による光電センサモジュールは、第６の観点による光電センサモジュールの構成に加えて、
前記第３の発光素子が、前記第１の波長及び前記第２の波長のいずれよりも短い波長の光を放射する。

第１の波長及び第２の波長のいずれよりも短い波長の光の検出信号の直流成分は、第１の波長及び第２の波長の光の検出信号に比べて、直流成分が低くなる傾向を示す。このため、検出信号の脈動から、脈拍数を取得し易くなる。

本発明の第８の観点による光電センサモジュールは、第１乃至第７の観点による光電センサモジュールの構成に加えて、
前記第１の発光素子及び前記第２の発光素子の各々が、前記発光箇所を有するチップと、前記チップを収容するパッケージとを含み、
前記第１の発光素子の前記パッケージと、前記第２の発光素子の前記パッケージとは、前記仮想直線に関して線対称になるように配置されている。

パッケージを含めて線対称の関係が満たされているため、第１の発光素子から放射された光による迷光の影響と、第２の発光素子から放射された光による迷光の影響を、より均等化することができる。

基板を、二次元平面に隈なく配置することが可能な平面形状にすることが可能である。このため、多面取り基板の利用効率を高めることができる。さらに、第１の発光素子及び第２の発光素子を円周に沿って並べる必要がないため、光電センサモジュールの部品コストや製造コストの低減を図ることができる。仮想直線に関する対称性により、第１の発光素子から放射された光による迷光の影響と、第２の発光素子から放射された光による迷光の影響を均等化することができる。これにより、酸素飽和度の算出精度を高めることができる。

図１は、実施例１による光電センサモジュールのブロック図である。 図２は、受光素子で受光される光の強度の時間変化の一例を示すグラフである。 図３Ａは、実施例１による光電センサモジュールの平面図であり、図３Ｂ及び図３Ｃは、それぞれ図３Ａの一点鎖線３Ｂ−３Ｂ、及び一点鎖線３Ｃ−３Ｃにおける断面図である。 図４は、演算処理部が実行する信号処理のフローチャートである。 図５は、実施例２による光電センサモジュールの平面図である。 図６Ａは、実施例３による光電センサモジュールの平面図であり、図６Ｂは、図６Ａの一点鎖線６Ｂ−６Ｂにおける断面図である。 図７は、実施例３による光電センサモジュールのブロック図である。 図８Ａは、実施例４による光電センサモジュールの平面図であり、図８Ｂは、図８Ａの一点鎖線８Ｂ−８Ｂにおける断面図である。 図９Ａは、実施例５による光電センサモジュールの平面図であり、図９Ｂは、図９Ａの一点鎖線９Ｂ−９Ｂにおける断面図である。

図１に、実施例１による光電センサモジュールのブロック図を示す。第１の発光素子１１、第２の発光素子１２、及び受光素子１３が、対象物９０に対向して配置される。第１の発光素子１１及び第２の発光素子１２は、それぞれ相互に異なる第１の波長及び第２の波長の光を放射する。一例として、第１の発光素子１１は、赤色光、例えば７００ｎｍ帯の光を放射し、第２の発光素子１２は、赤外光、例えば９００ｎｍ帯の光を放射する。第１の発光素子１１及び第２の発光素子１２には、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いることができる。対象物９０は、例えば指先、耳朶等の生体である。

第１の発光素子１１及び第２の発光素子１２に、それぞれ第１の駆動回路２１及び第２の駆動回路２２から駆動電流が供給される。第１の発光素子１１及び第２の発光素子１２は、一定の周波数ｆで交互にパルス的に発光するように制御される。周波数ｆは、脈拍に比べて十分高い値、例えば脈拍の１０倍以上である。

第１の発光素子１１及び第２の発光素子１２から放射されて、対象物９０の内部で反射した反射光が、受光素子１３に入射する。受光素子１３は、入射した光の強度を電気信号に変換する。受光素子１３には、フォトダイオード、フォトトランジスタ等を用いることができる。

受光素子１３から出力された電気信号が増幅器１４に入力される。増幅器１４は、電気信号を増幅し、検出信号Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２を時系列で出力する。検出信号Ｓ０は、第１の発光素子１１及び第２の発光素子１２のいずれも発光していない期間に検出された光の強度を表す。検出信号Ｓ１は、第１の発光素子１１が発光している期間に検出された光の強度を表す。検出信号Ｓ２は、第２の発光素子１２が発光している期間に検出された光の強度を表す。

増幅器１４は、前段増幅器１５、カップリングコンデンサ１６、及び後段増幅器１７を含む。前段増幅器１５の出力が、カップリングコンデンサ１６を介して後段増幅器１７に入力される。カップリングコンデンサ１６は、周波数ｆの信号を通過させる高域通過フィルタとして機能する。

検出信号Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２がＡ／Ｄ変換器１８によりデジタル信号に変換される。演算処理部１９が、Ａ／Ｄ変換された検出信号Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２に対して演算処理を行なう。演算結果が、出力端子２３を通して、外部処理回路８０に出力される。さらに、演算処理部１９は、第１の駆動回路２１及び第２の駆動回路２２を制御する。外部処理回路８０は、画像表示装置等を含む。

図２に、受光素子１３で受光される光の強度の時間変化の一例を示す。図２に示したグラフは、第１の発光素子１１から連続して光が放射されていると仮定した場合の例を示している。受光素子１３による検出信号Ｓ１は、外来光による直流成分Ｓ０ｄ、迷光による直流成分、血液以外の組織からの反射による成分、静脈血層からの反射による成分、及び動脈血層からの反射による成分を含む。迷光による直流成分は、光電センサモジュールの基板やハウジングでの散乱に起因する。動脈血層からの反射による成分の光強度は、脈拍に応じて脈動する。

検出信号Ｓ１の直流成分をＳ１ｄｎと表記する。直流成分Ｓ１ｄｎから外来光による直流成分Ｓ０ｄを減算した直流成分をＳ１ｄと表記する。検出信号Ｓ１から直流成分Ｓ１ｄｎを減算した交流成分をＳ１ａと表記する。交流成分Ｓ１ａの振幅をΔＳ１ａと表記する。実際の測定時には、検出信号Ｓ１は、図２に示した波形を周波数ｆでサンプリングした値で構成される。

第２の発光素子１２から連続して光が放射されていると仮定した場合にも、図２に類似する波形の検出信号Ｓ２が得られる。

図３Ａから図３Ｃまでの図面を参照しながら、実施例１による光電センサモジュールの構造について説明する。図３Ａに、実施例１による光電センサモジュールの平面図を示す。図３Ｂ及び図３Ｃに、それぞれ図３Ａの一点鎖線３Ｂ−３Ｂ、及び一点鎖線３Ｃ−３Ｃにおける断面図を示す。

円形ではない基板３０に、第１の発光素子１１、第２の発光素子１２、受光素子１３、及び電子回路部品２０が実装されている。基板３０には、例えば樹脂製のプリント基板を用いることができる。基板３０は直線状の縁を有する。例えば、基板３０の平面形状は正方形である。電子回路部品２０によって、図１に示した増幅器１４、Ａ／Ｄ変換器１８、演算処理部１９、第１の駆動回路２１、及び第２の駆動回路２２が構成される。

第１の発光素子１１及び第２の発光素子１２には、例えば、表面実装用の発光ダイオードチップ（ＬＥＤチップ）を用いることができる。受光素子１３には、例えば表面実装用のフォトダイオードチップ（ＰＤチップ）を用いることができる。

基板３０の平面形状は、基板３０の表面に定義された仮想直線３５に関して線対称である。例えば、基板３０の平面形状が正方形であり、仮想直線３５は、この正方形の１つの対角線に相当する。第１の発光素子１１の発光箇所と、第２の発光素子１２の発光箇所とは、仮想直線３５に関して線対称の関係にある。ここで、発光箇所の外形まで含めて、２つの発光箇所が線対称であることまでは要求されず、２つの発光箇所の中心点が、仮想直線３５に関して線対称の位置関係を有する構成であれば、「線対称の関係」にあるといえる。なお、後述するように、発光箇所の外形まで含めて、２つの発光箇所が、仮想直線３５に関して線対称となる構成としてもよい。

受光素子１３の受光箇所も、仮想直線３５に関して線対称である。受光箇所が１箇所の場合には、この受光箇所は、仮想直線３５上に位置することになる。ここでは、受光箇所の外形まで含めて、受光箇所が線対称であることまでは要求されず、受光箇所の中心点が仮想直線上に位置する構成であれば、「線対称」であるといえる。なお、後述するように、受光箇所の外形が仮想直線３５に関して線対称である構成としてもよい。

基板３０の実装面のうち、第１の発光素子１１の発光箇所、第２の発光素子１２の発光箇所、及び受光素子１３の受光箇所が配置されていない領域が、樹脂製の遮蔽膜３１で覆われている。図３Ａでは、遮蔽膜３１が配置されている領域をドットパターンで表している。電子回路部品２０は、遮蔽膜３１によって埋め込まれる。遮蔽膜３１は、第１の発光素子１１から放射される第１の波長の光、及び第２の発光素子１２から放射される第２の波長の光を遮蔽する。遮蔽膜３１には、例えば、光の遮蔽効果を高めるために、黒色の樹脂が用いられる。遮蔽膜３１の平面形状は、仮想直線３５に関して線対称である。

図４に、演算処理部１９（図１）が実行する信号処理のフローチャートを示す。ステップ１０１において、第１の発光素子１１が発光しているときの検出信号Ｓ１（図２）を時間平均することにより、検出信号Ｓ１の直流成分Ｓ１ｄｎ（図２）を算出する。同様に、第２の発光素子１２が発光しているときの検出信号Ｓ２を時間平均することにより、検出信号Ｓ２の直流成分Ｓ２ｄｎを算出する。

ステップ１０２において、非発光時の検出信号Ｓ０を時間平均することにより、外来光による直流成分Ｓ０ｄ（図２）を算出する。

ステップ１０３において、直流成分Ｓ１ｄｎから外来光による直流成分Ｓ０ｄを減算することにより、検出信号Ｓ１の直流成分Ｓ１ｄ（図２）を算出する。同様に、検出信号Ｓ２の直流成分Ｓ２ｄを算出する。

ステップ１０４において、検出信号Ｓ１から直流成分Ｓ１ｄｎを減算することにより、検出信号Ｓ１の交流成分Ｓ１ａ（図２）を算出する。同様に、検出信号Ｓ２の交流成分Ｓ２ａを算出する。

ステップ１０５において、検出信号Ｓ１の交流成分Ｓ１ａの振幅ΔＳ１ａ（図２）を、直流成分Ｓ１ｄで正規化することにより、第１の発光素子１１が発光しているときの正規化信号Ｓ１０を算出する。具体的には、正規化信号Ｓ１０は、ΔＳ１ａをＳ１ｄで除することにより算出される。同様に、第２の発光素子１２が発光しているときの正規化信号Ｓ２０を算出する。

ステップ１０６において、正規化信号Ｓ１０を正規化信号Ｓ２０で除することにより吸光度比Ｒ１２を算出する。ステップ１０７において、吸光度比Ｒ１２を、出力端子２３を介して外部処理回路８０（図１）に出力する。外部処理回路８０は、例えば吸光度比Ｒ１２から、血液中の酸素飽和度を求めることができる。酸素飽和度の算出値が表示装置に表示される。

［実施例１の効果１］
次に、実施例１の構成を採用することの優れた効果について説明する。実施例１では、円形ではなく、正方形の基板３０（図３Ａ）が用いられる。このため、多面取り用の基板から、光電センサモジュールの基板３０を無駄なく切り出すことができる。なお、基板３０として、二次元平面に隈なく配置することができ、かつ線対称の外形（平面形状）を有する基板を用いてもよい。例えば、正方形以外に、長方形または菱形の基板を用いることも可能である。

［実施例１の効果２］
実施例１では、第１の波長の光を放射する第１の発光素子１１、及び第２の波長の光を放射する第２の発光素子１２が１個ずつ配置される。このため、第１の波長の光を放射する複数の発光素子、及び第２の波長の光を放射する複数の発光素子を配置する構成に比べて、コスト低減を図ることが可能になる。

［実施例１の効果３］
実施例１では、受光素子１３から第１の発光素子１１までの距離と、第２の発光素子１２までの距離とが等しい。さらに、第１の発光素子１１から受光素子１３に至るまでの第１の波長の光に対する基板３０及び遮蔽膜３１の影響と、第２の発光素子１２から受光素子１３に至るまでの第２の波長の光に対する基板３０及び遮蔽膜３１の影響とが等価である。このため、基板３０や遮蔽膜３１からの散乱や反射に起因する迷光の影響が、第１の波長と第２の波長とでほぼ均等になる。すなわち、図２に示した迷光による直流成分が、第１の波長と第２の波長とでほぼ等しくなる。その結果、酸素飽和度の算出精度を高めることができる。

第１の波長の光の迷光による直流成分と、第２の波長の光の迷光による直流成分との差を、より小さくするために、第１の発光素子１１の発光箇所と、第２の発光素子１２の発光箇所とを、その外形まで含めて、仮想直線３５に関して線対称とすることが好ましい。

［実施例２］
次に、図５を参照して実施例２による光電センサモジュールについて説明する。以下、図１から図４までの図面に示した実施例１との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図５は、実施例２による光電センサモジュールの平面図を示す。実施例１では、第１の波長の光を放射する第１の発光素子１１が、１つの発光箇所を含み、第２の波長の光を放射する第２の発光素子１２も、１つの発光箇所を含む構成とされていた。実施例２では、第１の発光素子１１が、複数の発光箇所１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを含み、第２の発光素子１２も、複数の発光箇所１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃを含む。複数の発光箇所は、それぞれＬＥＤチップで構成される。

実施例２においても、第１の発光素子１１の複数の発光箇所と、第２の発光素子１２の複数の発光箇所とは、仮想直線３５に関して線対称の関係を有する。例えば、仮想直線３５に関して、発光箇所１１Ａと発光箇所１２Ａとが線対称の位置に実装されており、発光箇所１１Ｂと発光箇所１２Ｂとが線対称の位置に実装されており、発光箇所１１Ｃと発光箇所１２Ｃとが線対称の位置に実装されている。

仮想直線３５を境界として、基板３０の実装面が第１の領域３３と第２の領域３４とに区分される。図５では、発光箇所１１Ａ、１１Ｃ、及び１２Ｂが第１の領域３３に配置され、他の発光箇所１１Ｂ、１２Ａ、及び１２Ｃが第２の領域３４に配置されている例が示されている。相互に対称の位置に配置される発光箇所１１Ａと１２Ａとのどちらを第１の領域３３に配置するかは任意である。例えば、第１の発光素子１１のすべての発光箇所１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを第１の領域３３に配置し、第２の発光素子１２のすべての発光箇所１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃを第２の領域３４に配置してもよい。

さらに、実施例２においては、一対の接触対称性検知素子４１が、基板３０に実装されている。一対の接触対称性検知素子４１が配置された位置は、仮想直線３５に関して線対称の関係を有する。接触対称性検知素子４１から仮想直線３５までの距離は、第１の発光素子１１から仮想直線３５までの最大距離よりも長い。基板３０の実装面を対象物９０（図１）に対向させて、光電センサモジュールを対象物９０に接触させた状態で、接触対称性検知素子４１は、対象物９０への光電センサモジュールの装着状態を検知する検知系の一部を構成する。例えば、一対の接触対称性検知素子４１の各々は、同一波長の光を放射する発光素子を含む。

遮蔽膜３１は、基板３０の実装面のうち、第１の発光素子１１の複数の発光箇所１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、第２の発光素子１２の複数の発光箇所１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、受光素子１３の受光箇所、及び一対の接触対称性検知素子４１が配置された領域以外の領域を覆う。遮蔽膜３１の平面形状は、実施例１の場合と同様に、仮想直線３５に関して線対称である。

次に、実施例２による光電センサモジュールの構成を採用することの優れた効果について説明する。

［実施例２の効果１］
実施例２では、第１の発光素子１１の複数の発光箇所１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃから任意の１箇所を選択して、選択された発光箇所からのみ発光させることができる。第２の発光素子１２の複数の発光箇所１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃからは、第１の発光素子１１の選択された発光箇所と線対称の関係にある１つの発光箇所から発光させればよい。実施例２では、酸素飽和度を測定するために発光させる一対の発光箇所として、複数通りの組み合わせが可能である。

図２に示した検出光の直流成分Ｓ１ｄｎが、Ａ／Ｄ変換器１８（図１）のダイナミックレンジを超えた場合には、酸素飽和度の測定を行うことができない。実施例２においては、線対称の関係にある一対の発光箇所から発光させたときに、直流成分Ｓ１ｄｎまたはＳ２ｄｎがＡ／Ｄ変換器１８のダイナミックレンジを超えても、他の一対の発光箇所から発光させれば、直流成分Ｓ１ｄｎ及びＳ２ｄｎがＡ／Ｄ変換器１８のダイナミックレンジに収まる場合がある。このため、測定不能な事象の発生頻度を少なくすることができる。

［実施例２の効果２］
さらに、第１の発光素子１１の複数の発光箇所１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃのうち２個以上の発光箇所から同時に発光させてもよい。この場合には、第２の発光素子１２の発光箇所１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃからも、対応する２個以上の発光箇所から同時に発光させる。第１の発光素子１１の複数の発光箇所から同時に発光させると、受光素子１３で検出される光の強度は、生体内のより広い領域の情報が平均化されたものになる。これにより、対象物９０内の血管位置の不均一さ等に起因する検出結果のばらつきを低減することができる。

実施例２では、第１の発光素子１１が複数の発光箇所１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを含み、第２の発光素子１２も複数の発光箇所１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃを含むが、これらを、受光箇所を中心とした円周に沿って配置する必要はない。このため、受光箇所を中心とした円周に沿って複数の発光箇所を配置する構成と比べて、光電センサモジュールの小型化を図ることが可能である。

［実施例２の効果３］
対象物９０（図１）に対する光電センサモジュールの装着状態が、仮想直線３５の両側で不均一（非平衡）であると、第１の発光素子１１から放射された光の迷光による影響と、第２の発光素子１２から放射された光の迷光による影響とに、ばらつきが生ずることが懸念される。実施例２による光電センサモジュールの構成を採用することにより、このばらつきを軽減することができる。以下、このばらつきを軽減する方法について説明する。

第１の発光素子１１の複数の発光箇所１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃの中から、仮想直線３５から最も遠いものを選択する。第２の発光素子１２の複数の発光箇所１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃの中から、対応する発光箇所を選択する。図５に示した例では、第１の発光素子１１の発光箇所１１Ｃ、及び第２の発光素子１２の発光箇所１２Ｃが選択される。

演算処理部１９が、発光箇所１１Ｃ及び１２Ｃを発光させて、直流成分Ｓ１ｄｎと直流成分Ｓ２ｄｎとを比較する。両者の差が通常の許容上限値を超えている場合には、装着状態が不均一であると考えられる。演算処理部１９は、直流成分Ｓ１ｄｎと直流成分Ｓ２ｄｎとの差が許容上限値を超えているか否かを判定する。この判定結果が出力端子２３から出力される。

直流成分Ｓ１ｄｎと直流成分Ｓ２ｄｎとの差が許容上限値を超えている場合、光電センサモジュールの取扱者は、直流成分Ｓ１ｄｎと直流成分Ｓ２ｄｎとの差が許容上限値を超えないように、生体に対する光電センサモジュールの装着状態を調整する。この調整により、迷光の影響による測定結果のばらつきを低減することができる。

仮想直線３５から最も遠い発光箇所１１Ｃ、１２Ｃを発光させることにより、仮想直線３５の両側の装着状態の不均一性が、検出信号に反映され易くなる。この検出信号を利用して光電センサモジュールの装着状態を調整するため、装着状態の均一性を確保し易くなる。

［実施例２の効果４］
実施例２においては、接触対称性検知素子４１（図５）を用いて、対象物９０に対する光電センサモジュールの装着状態の均一性を高めるとともに、測定箇所の最適化を図ることが可能である。以下、装着状態の均一性の向上、及び測定箇所の最適化を図る方法について説明する。

演算処理部１９は、一対の接触対称性検知素子４１を、時間差をおいて発光させる。一方の接触対称性検知素子４１が発光しているときに、受光素子１３で検出された検出信号に基づいて、直流成分を算出する。他方の接触対称性検知素子４１が発光しているときに、受光素子１３で検出された検出信号に基づいても、直流成分を算出する。２つの直流成分の算出値を比較し、比較結果を出力端子２３から出力する。

２つの直流成分の検出値が等しいということは、仮想直線３５の両側で、対象物９０に対する光電センサモジュールの装着状態が均一であり、かつ対象物９０内の血管の分布も均一であることを示唆する。光電センサモジュールの取扱者は、２つの直流成分のレベルが等しくなるように、光電センサモジュールの装着状態の調整、及び接触部位の移動を行う。これにより、第１の発光素子１１から放射された光を受光する条件と、第２の発光素子１２から放射された光を受光する条件とを、ほぼ等価に保つことができる。

一対の接触対称性検知素子４１は、第１の発光素子１１及び第２の発光素子１２に比べて、仮想直線３５から遠い位置に配置されている。このため、接触対称性検知素子４１を発光させた時の検出信号に、仮想直線３５の両側の不均一性が反映され易い。接触対称性検知素子４１を使用することにより、仮想直線３５の両側の測定環境の均一性を確保し易くなる。

［実施例３］
次に、図６Ａ、図６Ｂ、及び図７を参照して、実施例３による光電センサモジュールについて説明する。以下、実施例１との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

実施例１では、第１の発光素子１１及び第２の発光素子１２として、ＬＥＤチップが用いられ、受光素子１３として、ＰＤチップが用いられていた。実施例３では、第１の発光素子１１及び第２の発光素子１２として、パッケージＬＥＤが用いられ、受光素子１３として、パッケージＰＤが用いられる。

図６Ａに、実施例３による光電センサモジュールの平面図を示す。図６Ｂに、図６Ａの一点鎖線６Ｂ−６Ｂにおける断面図を示す。第１の発光素子１１として、パッケージＬＥＤ１１Ｘが用いられている。パッケージＬＥＤ１１Ｘは、発光箇所１１Ａを有するＬＥＤチップと、それを収容するパッケージとを含む。同様に、第２の発光素子１２にも、パッケージＬＥＤ１２Ｘが用いられている。パッケージＬＥＤ１２Ｘは、発光箇所１２Ａを有するＬＥＤチップと、それを収容するパッケージとを含む。

実施例３においても、実施例１と同様に、第１の発光素子１１の発光箇所１１Ａと、第２の発光素子１２の発光箇所１２Ａとが、仮想直線３５に関して線対称の関係を有する。パッケージＬＥＤ１１Ｘのパッケージと、パッケージＬＥＤ１２Ｘのパッケージとは、必ずしも仮想直線３５に関して線対称である必要はない。

受光素子１３が、複数のパッケージＰＤ、例えば第１のパッケージＰＤ１３１及び第２のパッケージＰＤ１３２を含む。第１のパッケージＰＤ１３１は、受光箇所１３１Ａを有するＰＤチップと、それを収容するパッケージとを含む。同様に、第２のパッケージＰＤ１３２は、受光箇所１３２Ａを有するＰＤチップと、それを収容するパッケージとを含む。

受光箇所１３１Ａと受光箇所１３２Ａとは、仮想直線３５に関して線対称の関係を有する。受光箇所１３１Ａの中心点と、受光箇所１３２Ａの中心点とが、仮想直線３５に関して線対称の位置関係を有する構成としてもよいし、受光箇所１３１Ａ及び１３２Ａの外形を含めて、両者が線対称の関係を有する構成としてもよい。第１のパッケージＰＤ１３１のパッケージと第２のパッケージＰＤ１３２のパッケージとは、必ずしも線対称の関係を有しなくてもよい。

実施例３においても、実施例２と同様に、一対の接触対称性検知素子４１が基板３０に実装されている。実施例２では、接触対称性検知素子４１として、発光素子が用いられていたが、実施例３では、温度センサまたは感圧センサが用いられる。

図７に、実施例３による光電センサモジュールのブロック図を示す。以下、図１に示した実施例１による光電センサモジュールのブロック図との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

第１のパッケージＰＤ１３１及び第２のパッケージＰＤ１３２に対して、それぞれ第１の増幅器１４１及び第２の増幅器１４２が準備されている。第１の増幅器１４１、第２の増幅器１４２、及び一対の接触対称性検知素子４１の出力信号が、マルチプレクサ２５に入力される。マルチプレクサ２５は、入力される複数の信号から１つの信号を選択し、選択された信号をＡ／Ｄ変換器１８に入力する。なお、第１の増幅器１４１及び第２の増幅器１４２の出力信号用のＡ／Ｄ変換器１８とは別に、一対の接触対称性検知素子４１の出力信号用の他のＡ／Ｄ変換器を準備してもよい。

次に、実施例３による光電センサモジュールの構成を採用することの優れた効果について説明する。

［実施例３の効果１］
実施例３においても、実施例１と同様に、遮蔽膜３１（図６Ａ）の平面形状は仮想直線３５に関して線対称である。さらに、実施例３では、受光素子１３の一方の受光箇所１３１Ａと他方の受光箇所１３２Ａとが、仮想直線３５に関して線対称の関係を有する。従って、第１の発光素子１１から受光素子１３に至るまでの第１の波長の光に対する基板３０及び遮蔽膜３１の影響と、第２の発光素子１２から受光素子１３に至るまでの第２の波長の光に対する基板３０及び遮蔽膜３１の影響とが等価である。これにより、基板３０や遮蔽膜３１からの散乱や反射に起因する迷光の影響が、第１の波長と第２の波長とでほぼ均等になる。その結果、実施例１の場合と同様に、酸素飽和度の算出精度を高めることができる。

［実施例３の効果２］
第１のパッケージＰＤ１３１の検出信号と、第２のパッケージＰＤ１３２の検出信号とが、マルチプレクサ２５を介して別々にＡ／Ｄ変換器１８に入力され、別々にＡ／Ｄ変換される。このため、第１のパッケージＰＤ１３１と、第２のパッケージＰＤ１３２との各々に対して、実施例１の受光素子１３の検出信号と同等のダイナミックレンジを確保することができる。別々にＡ／Ｄ変換された２つのデジタル信号を足し合わせることにより、受光素子１３で受光された光の強度を表す検出信号Ｓ１及びＳ２（図２）が得られる。その結果、実質的に、検出信号Ｓ１及びＳ２のダイナミックレンジが拡大する。

［実施例３の効果３］
第１のパッケージＰＤ１３１の検出信号と、第２のパッケージＰＤ１３２の検出信号とを比較することにより、仮想直線３５を中心とした装着状態の均一性（平衡度）に関する情報を得ることができる。

［実施例３の効果４］
一対の接触対称性検知素子４１として温度センサを用いた場合、光電センサモジュールを生体の胸等に装着して、酸素飽和度の測定と同時に、体温を測定することができる。また、仮想直線３５の両側において装着状態が不均一である場合、一方の接触対称性検知素子４１で測定される温度と、他方の接触対称性検知素子４１で測定される温度との差が大きくなる。従って、一対の接触対称性検知素子４１で検出された温度を比較することによって、仮想直線３５の両側の装着状態の平衡度を判定することができる。

例えば、演算処理部１９が、温度の比較結果に基づいて、装着状態の平衡度の良否を判定し、判定結果を出力端子２３から外部処理回路８０に出力する。外部処理回路８０は、判定結果を表示装置に表示する。光電センサモジュールの取扱者は、この表示内容を読み取ることにより、装着状態を最適化することができる。

一対の接触対称性検知素子４１として感圧センサを用いた場合、圧力の検出値を比較することによって、仮想直線３５の両側における装着状態の平衡度を判定することができる。

［実施例４］
次に、図８Ａ及び図８Ｂを参照して、実施例４による光電センサモジュールについて説明する。以下、図６Ａ〜図７に示した実施例３との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図８Ａに、実施例４による光電センサモジュールの平面図を示す。図８Ｂに、図８Ａの一点鎖線８Ｂ−８Ｂにおける断面図を示す。実施例３では、線対称の基準となる仮想直線３５（図６Ａ）が、基板３０の１つの対角線に一致していた。実施例４では、線対称の基準となる仮想直線３５が、基板３０の相互に対向する一対の縁の中点同士を結ぶ。基板３０として、長方形の基板を用いることも可能である。

仮想直線３５と重なる位置に、第３の発光素子５０が実装されている。第３の発光素子５０は、発光箇所５０Ａを有するＬＥＤチップと、それを収容するパッケージとを含む。第３の発光素子５０は、発光箇所５０Ａから、第１の波長及び第２の波長のいずれよりも短い第３の波長の光を放射する。例えば、第３の発光素子５０は、緑色の光を放射する。

実施例３では、図６Ａに示したように、第１の発光素子１１の発光箇所１１Ａと、第２の発光素子１２の発光箇所１２Ａとが仮想直線３５に関して線対称の関係を有していたが、第１の発光素子１１のパッケージと、第２の発光素子１２のパッケージとは、線対称の関係を有していなかった。同様に、第１のパッケージＰＤ１３１の受光箇所１３１Ａと、第２のパッケージＰＤ１３２の受光箇所１３２Ａとは、仮想直線３５に関して線対称の関係を有していたが、第１のパッケージＰＤ１３１のパッケージと、第２のパッケージＰＤ１３２のパッケージとは、線対称の関係を有していなかった。

これに対し、実施例４では、第１の発光素子１１のパッケージと、第２の発光素子１２のパッケージとが、仮想直線３５に関して線対称の関係を有している。さらに、第１のパッケージＰＤ１３１のパッケージと、第２のパッケージＰＤ１３２のパッケージとが、線対称の関係を有している。

次に、実施例４による光電センサモジュールの構成を採用することの優れた効果について説明する。

［実施例４の効果１］
実施例４では、パッケージを含めて、第１の発光素子１１と第２の発光素子１２との対称性が満たされている。さらに、パッケージを含めて、第１のパッケージＰＤ１３１と第２のパッケージＰＤ１３２との対称性が満たされている。このため、実施例３に比べて、第１の発光素子１１から放射された第１の波長の光と、第２の発光素子１２から放射された第２の波長の光との、伝搬経路の環境の均等性を、より高めることができる。これにより、酸素飽和度の測定結果の精度をより高めることができる。

［実施例４の効果２］
第３の発光素子５０から放射された光を、第１のパッケージＰＤ１３１及び第２のパッケージＰＤ１３２で受光し、受光された光の強度を比較することにより、光電センサモジュールの装着状態の平衡度を判定することができる。

［実施例４の効果３］
生体に向けて放射する光として、赤色より短波長の光、例えば緑色の光を用いると、図２に示した交流成分Ｓ１ａの振幅ΔＳ１ａに対する直流成分Ｓ１ｄｎの比が小さくなる。このため、検出信号の脈動から、脈拍数を取得し易くなる。

［実施例５］
次に、図９Ａ及び図９Ｂを参照して、実施例５による光電センサモジュールについて説明する。以下、図８Ａ〜図８Ｂに示した実施例４との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図９Ａに、実施例５による光電センサモジュールの平面図を示す。図９Ｂに、図９Ａの一点鎖線９Ｂ−９Ｂにおける断面図を示す。基板３０がマザーボード６０に実装されている。実施例４では、第１の発光素子１１、第２の発光素子１２、第３の発光素子５０、第１のパッケージＰＤ１３１、及び第２のパッケージＰＤ１３２がすべて基板３０に実装されていた。実施例５においては、第１の発光素子１１が複数のパッケージＬＥＤを含み、一部のパッケージＬＥＤは、基板３０ではなくマザーボード６０に直接実装されている。同様に、第２の発光素子１２も複数のパッケージＬＥＤを含み、一部のパッケージＬＥＤは、マザーボード６０に直接実装されている。

図９Ａに示した例では、第１の発光素子１１の発光箇所１１Ａを有するパッケージＬＥＤが基板３０に実装されており、発光箇所１１Ｂを有するパッケージＬＥＤがマザーボード６０に実装されている。第２の発光素子１２の発光箇所１２Ａを有するパッケージＬＥＤが基板３０に実装されており、発光箇所１２Ｂを有するパッケージＬＥＤがマザーボード６０に実装されている。第１の発光素子１１の発光箇所１１Ａ、１１Ｂと、第２の発光素子１２の発光箇所１２Ａ、１２Ｂとは、仮想直線３５に関して線対称の関係を有する。第１の発光素子１１のパッケージ、及び第２の発光素子１２のパッケージも、仮想直線３５に関して線対称の関係を有する。

第１のパッケージＰＤ１３１及び第２のパッケージＰＤ１３２は、図８に示した実施例４と同様に、基板３０に実装されている。第３の発光素子５０は、実施例４の構成とは異なり、マザーボード６０に実装されている。第３の発光素子５０は、仮想直線３５上に位置する。すなわち、第３の発光素子５０は、仮想直線３５に関して線対称である。

［実施例５の効果］
実施例５においても、実施例４と同様の効果が得られる。さらに、実施例５では、基板３０の大きさに制約されることなく、第１の発光素子１１の発光箇所１１Ｂと、第２の発光素子１２の発光箇所１２Ｂとの間隔を広くすることができる。言い換えると、発光箇所の間隔を広げるために、基板３０として大きな基板を用いる必要がない。このため、光電センサモジュールのコスト削減を図ることができる。

上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１１ 第１の発光素子
１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ 第１の発光素子の発光箇所
１１Ｘ パッケージＬＥＤ
１２ 第２の発光素子
１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ 第２の発光素子の発光箇所
１２Ｘ パッケージＬＥＤ
１３ 受光素子
１４ 増幅器
１５ 前段増幅器
１６ カップリングコンデンサ
１７ 後段増幅器
１８ Ａ／Ｄ変換器
１９ 演算処理部
２０ 電子回路部品
２１ 第１の駆動回路
２２ 第２の駆動回路
２３ 出力端子
２５ マルチプレクサ
３０ 基板
３１ 遮蔽膜
３３ 仮想直線で区分された第１の領域
３４ 仮想直線で区分された第２の領域
３５ 仮想直線
４１ 接触対称性検知素子
５０ 第３の発光素子
５０Ａ 発光箇所
６０ マザーボード
８０ 外部処理回路
９０ 対象物
１３１ 第１のパッケージＰＤ
１３１Ａ 受光箇所
１３２ 第２のパッケージＰＤ
１３２Ａ 受光箇所
１４１ 第１の増幅器
１４２ 第２の増幅器

Claims (8)

1. 直線状の縁を有する基板と、
   前記基板に実装された第１の波長の光を放射する第１の発光素子と、
   前記基板に実装され、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光を放射する第２の発光素子と、
   前記第１の発光素子及び前記第２の発光素子から放射され、対象物で反射された光を受光する受光素子と
   を有し、
   前記基板の表面に定義される仮想直線に関して、前記第１の発光素子の発光箇所と前記第２の発光素子の発光箇所とが線対称の関係にあり、前記受光素子の受光箇所が線対称であり、前記基板の平面形状が線対称であり、
   さらに、前記基板に実装された一対の接触対称性検知素子を有し、
   一対の前記接触対称性検知素子が配置された位置は、前記仮想直線に関して線対称の関係を有し、前記接触対称性検知素子から前記仮想直線までの距離が、前記第１の発光素子の発光箇所から前記仮想直線までの距離より長く、
   前記基板の、前記第１の発光素子、前記第２の発光素子、及び前記受光素子が実装された面を前記対象物に接触させた状態で、前記接触対称性検知素子の各々は、前記対象物に対する前記接触対称性検知素子の装着状態を検知する検知系の一部を構成する光電センサモジュール。
2. 直線状の縁を有する基板と、
   前記基板に実装された第１の波長の光を放射する第１の発光素子と、
   前記基板に実装され、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光を放射する第２の発光素子と、
   前記第１の発光素子及び前記第２の発光素子から放射され、対象物で反射された光を受光する受光素子と
   を有し、
   前記基板の表面に定義される仮想直線に関して、前記第１の発光素子の発光箇所と前記第２の発光素子の発光箇所とが線対称の関係にあり、前記受光素子の受光箇所が線対称であり、前記基板の平面形状が線対称であり、
   さらに、前記基板が実装されたマザーボードを有し、
   前記第１の発光素子及び前記第２の発光素子の各々は、複数の前記発光箇所を含み、
   前記第１の発光素子の少なくとも１つの前記発光箇所、及び前記第２の発光素子の少なくとも１つの前記発光箇所は、前記マザーボードに実装されている光電センサモジュール。
3. さらに、前記基板の表面のうち、前記第１の発光素子の発光箇所、前記第２の発光素子の発光箇所、及び前記受光素子の受光箇所のいずれもが配置されていない領域を覆い、前記第１の波長の光及び前記第２の波長の光を遮蔽する遮蔽膜を有し、
   前記遮蔽膜の平面形状は、前記仮想直線に関して線対称である請求項１または２に記載の光電センサモジュール。
4. さらに、前記受光素子で受光された光の強度に対応する検出信号が入力される演算処理部を有し、
   一対の前記接触対称性検知素子は、同一波長の光を放射し、
   前記演算処理部は、
   一方の前記接触対称性検知素子から放射され、前記対象物で反射して前記受光素子に入射した光の強度と、他方の前記接触対称性検知素子から放射され、前記対象物で反射して前記受光素子に入射した光の強度とを比較し、比較結果を出力する請求項１に記載の光電センサモジュール。
5. 前記受光素子は、複数の前記受光箇所を含み、複数の前記受光箇所の位置は、前記仮想直線に関して線対称である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電センサモジュール。
6. さらに、
   前記仮想直線上に配置された第３の発光素子と、
   前記受光素子の複数の前記受光箇所で受光された光の強度に対応する検出信号が入力される演算処理部を有し、
   前記演算処理部は、
   前記第３の発光素子から放射された光のうち、前記対象物で反射されて一方の前記受光箇所で受光された光の強度と、他方の前記受光箇所で受光された光の強度とを比較し、比較結果を出力する請求項５に記載の光電センサモジュール。
7. 前記第３の発光素子は、前記第１の波長及び前記第２の波長のいずれよりも短い波長の光を放射する請求項６に記載の光電センサモジュール。
8. 前記第１の発光素子及び前記第２の発光素子の各々は、前記発光箇所を有するチップと、前記チップを収容するパッケージとを含み、
   前記第１の発光素子の前記パッケージと、前記第２の発光素子の前記パッケージとは、前記仮想直線に関して線対称になるように配置されている請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電センサモジュール。
   

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