JP6735603B2 - 生体情報検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気を用いて生体を検知する生体情報検出装置に関する。

特表２００４−５２９３１３号公報（特許文献１）には、車両等の座席に内蔵された磁気センサを用いて、座席に座った生体の情報（鉄分を含有する血液パーミアンス）を、磁気を用いて検出するシステムが開示されている。このシステムでは、座席に交流磁界を印加するためのコイルと、磁場を検出するための磁気センサが内蔵されており、コイルが誘起した磁場に対する生体の応答を磁気センサで検出し、乗員の存在、寸法、位置などを検出する。

特表２００４−５２９３１３号公報（請求項８、段落００３２）

しかし、この先行例では、コイルが誘起した磁場に対して応答するものであれば、生体でなくても検出される場合があった。このような誤検出を発生させるものとしては、例えば磁性体やリング状の導体のような物体が挙げられる。

本発明の目的は、生体以外の物体を誤検出する可能性を低減させた、生体情報検出装置を提供することである。

この発明は、生体情報検出装置であって、第１の面を有する支持板と、第１および第２の磁界検出部とを備える生体情報検出センサを複数備える。第１および第２の磁界検出部は、第１の面内の第１の方向に互いに離間するように、第１の面に配置される。第１および第２の磁界検出部の各々は、第１の方向に対して第１の面内で直交する第２の方向の磁界の変化に対して感度が最大となるように構成され、複数の生体情報検出センサは、生体が自ら発生する磁気を検出し、検出した磁気信号の生体情報検出センサ間の差異が、あらかじめ設定した伝達信号と一致する場合は信号として処理し、差異が伝達信号と一致しない場合はノイズとして処理する。

本発明によれば、コイルが誘起した磁場を使用せずに生体が自ら発生する磁界を検出するので、磁性体やリング状の導体のような外部からの磁界に応答する物体に起因するノイズの影響を受けにくくすることができる。

ＴＭＲ素子を構成する磁性薄膜構造の一例を示す断面図である。 ＴＭＲ素子の形状の一例を示す（Ａ）上面図および（Ｂ）断面図である。 ＴＭＲ素子の磁気抵抗特性の一例を示した特性図である。 実施の形態１に係る生体情報検出センサを内蔵したシートを示す斜視図である。 生体情報検出センサを内蔵したシートの上面図である。 図５の生体情報検出センサ２４の拡大図である。 生体情報検出センサに用いるＴＭＲ素子の一部を拡大して示す上面図である。 図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩにおける断面図である。 支持板の形状の変形例を示す斜視図である。 検出回路の一例を示す回路図である。 検出回路の第１の変形例を示す回路図である。 ＴＭＲ素子の配置の変形例を示す上面図である。 検出回路の第２の変形例を示す回路図である。 実施の形態２に係る生体情報検出センサを内蔵したシートを示す斜視図である。 複数の生体情報検出センサの信号から所望の信号を選択する解析例を示すグラフである。 生体情報検出センサを構成するＴＭＲ素子の感度ばらつきの影響を説明するためのグラフである。 ＴＭＲ素子の感度補正を行うための回路図である。 補正用コイルを組み込んだシートの斜視図である。 環状電流路を備えた生体情報検出センサの上面図である。 生体情報検出センサを構成するＴＭＲ素子の感度ばらつきの補正後の特性を説明するためのグラフである。 補正用コイルと環状電流路を使用して行なう補正処理の内容を説明するためのフローチャートである。 生体情報検出センサを内蔵したシートの変形例を示す斜視図である。 生体情報検出センサを内蔵したベッドの一例を示す斜視図である。 図２３に示した生体情報検出センサを内蔵したベッドの素子配置を示す断面図である。 生体情報検出センサを内蔵したベッドの素子配置の変形例を示す断面図である。 生体情報検出センサの変形例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当部分には同一の符号を付し、説明は繰り返さない。

以下の実施の形態では、車のシート、あるいはベッドの内部など、生体が接触する部分に内蔵して磁気センサを設けた生体情報検出センサを開示する。このセンサは、生体の神経活動に伴う電流が周囲に発生する磁場、いわゆる生体磁場を検出することによって、生体の存在、寸法、位置、神経活動の様子を検出するので、磁性体や導体を持った人体であっても容易に検出することができる。

［実施の形態１］
生体では、神経を流れる電流によって情報の伝達を行っている。このような電流が生体の周囲に発生する磁界は、生体磁気といわれる。生体磁気は、神経が延びる方向に、微弱な電流が流れることで発生する磁界である。神経の延びる方向に流れる電流に対しては、右ねじの法則に示されるように、神経を囲むような同心円状の磁界が発生する。本実施の形態では、この生体磁気を、車両の座席のバックシート、または、ベッドの内部に取り付けた生体情報検出センサ（感磁ユニット）で測定する生体情報検出装置について説明する。このような生体磁気を検出するための高感度の磁気センサとしては、トンネル型磁気抵抗効果（Tunnel Magneto Resistance Effect）素子（ＴＭＲ素子）が好ましい。

図１は、ＴＭＲ素子を構成する磁性薄膜構造の一例を示す断面図である。ＴＭＲ素子は、自由層４（上部電極）と固定層８（下部電極）とトンネル絶縁層６とを含む。自由層４と固定層８と称する強磁性層をトンネル絶縁層６を介して積層し、この積層膜を写真製版等によって加工する。これにより、図１に示すように、トンネル絶縁層６を挟んで上部に位置する自由層４と下部に位置する固定層８を形成してなるＴＭＲ素子が得られる。

固定層８の磁化方向は、たとえば、後に図２に示すように、反強磁性層１０との交換結合磁界により１方向に固定されている。あるいは、固定層８の磁化方向は、保磁力の大きい磁性材料によって一方向に保持される。

一方、自由層４は、磁化方向が外部磁界Ｈｅｘによって自由に回転するスピンバルブ構造をもつ。このようなスピンバルブ構造を有したＴＭＲ素子の抵抗は、固定層８の磁化方向と自由層４の磁化方向とのなす角度に応じて変化する。つまり、外部磁界に影響されて自由層４の磁化方向が変化することによってＴＭＲ素子の抵抗が変化する。このため、外部磁界による自由層４の磁化方向の変化を素子の抵抗の形で検知することが可能である。

固定層８は、薄い非磁性層を介して積層され、互いに反強磁性結合をする２層の強磁性薄膜からなるいわゆるＳＡＦ（Synthetic AntiFerromagnetic）構造を含んでよい。自由層４は、単一の磁性層でもよいが、２種類以上の磁性層を積層してなる構造でもよい。図１の積層膜の構造のように、反強磁性層１０が上部電極に含まれるように構成してもよいし、下部電極に含まれるように構成してもよい。

例えば、反強磁性層１０としてＩｒＭｎ、固定層８としてＣｏＦｅ、トンネル絶縁層６としてＡｌ_２Ｏ_３、自由層４としてＮｉＦｅを用いることによって、ＴＭＲ素子を構成することができる。このほか、反強磁性層１０としては、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、強磁性体を構成する材料としては、例えばＣｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金、などのＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅを主成分として含む金属や、ＮｉＭｎＳｂ、Ｃｏ_２ＭｎＧｅなどのホイスラ合金など、ＴＭＲ素子に所望の性能が得られる材料であれば特段の制約はない。また、トンネル絶縁層６である非磁性層は、絶縁体であればよく、例えばＴａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ等の金属の酸化物やそれらの混合物でもよい。弗化物であってもよい。

上記のそれぞれの膜は、例えばＤＣマグネトロンスパッタリングにより形成される。また、例えば分子線エピタキシー(ＭＢＥ)法、各種スパッタ法、化学気相成長(ＣＶＤ)法、蒸着法によって形成されてもよい。

また、ＴＭＲ素子は、例えばそれぞれの膜をフォトリソグラフィーと反応性イオンエッチングによりパターン加工して作製される。その場合、たとえば、まず自由層４、トンネル絶縁層６および固定層８の膜をそれぞれ形成後、フォトレジストによる所望の素子パターンを形成する。その後、イオンミリングもしくは反応性イオンエッチングにより素子の形状を得る。また、素子パターンの形成は電子線リソグラフィー、集束イオンビームであってもよい。

このようなＴＭＲ素子は、外部磁界Ｈｅｘが印加されていないときに自由層４の磁化方向と固定層８の磁化方向が直交するように構成することで、外部磁界Ｈｅｘに対して線形に抵抗が変化するようにできる。例えば反強磁性膜を用いて固定層８を構成する場合、所望の方向に十分に強い磁界（たとえば１テスラ以上）を印加しつつ、反強磁性膜のブロッキング温度以上に素子を加熱し冷却することで、固定層８の磁化方向を所望の方向とすることができる。

図２は、ＴＭＲ素子の形状の一例を示す（Ａ）上面図および（Ｂ）断面図である。
自由層４の磁化方向は、前述のように外部磁界Ｈｅｘに応じて変化する。ここで、外部磁界Ｈｅｘが印加されていないときの自由層４の磁化方向は、図２（Ａ）に示すように、素子形成面の上面からみた素子のパターンを横長形状にすることで、規定することができる。

図３はＴＭＲ素子の磁気抵抗特性の一例を示した特性図である。図２に示した形状に形成されたＴＭＲ素子に、固定層８の磁化方向と平行な方向に磁界を印加すると、自由層４の磁化方向は外部磁界により変化し、図３に示すような抵抗の変化が現れる。このとき、自由層４の磁化方向と固定層８の磁化方向とが平行または反平行となり抵抗が外部磁界に依存しない飽和領域と、外部磁界に対して線形な依存性を持つ線形領域とがあらわれる。なお、ＴＭＲ素子では一般に自由層４の磁化方向と固定層８の磁化方向とが平行の場合に抵抗は最小値、自由層４の磁化方向と固定層８の磁化方向とが反平行の場合に抵抗は最大値となる。

このようなＴＭＲ素子を用いて微小な磁界を検出するセンサを構成する場合、ＴＭＲ素子に飽和領域に対応する磁界が印加されると、磁界の検出ができないという課題があることが分かった。

ＴＭＲ素子に特段の磁場遮蔽をしていない場合、地磁気、車両外部からの磁気、車両内の磁化した磁性体の磁化の影響により、１ｅ−６〜１ｅ−５Ｔの磁界（以後、単に静磁界と呼ぶ）がかかっている。一方、生体磁気に関わる磁界（以後、生体磁界とよぶ）としては、１ｅ−１０Ｔの磁界を検出しなければならない。静磁界の大きさは、例えば地磁気の時間的な変化や、車両の方向の変化、車両外部の磁性体の配置の変化等によって、生体磁界よりも低い周波数で変化することを想定しなければならない。例えば、車両の進行方向が変化すると、車両に印加される磁界の相対的な向きも変化し、結果としてシートに取り付けたセンサに印加される静磁界も変化する。さらに、ＴＭＲ素子の磁界−抵抗特性には、図３に示すように飽和領域と線形領域がある。飽和領域に対応する静磁界が印加されると、生体磁気に関わる磁界の変化が生じても抵抗変化を示さなくなるので、磁界検出ができない。

この課題を解決するため、線形領域の磁界範囲が十分に広いＴＭＲ素子を使用し、ＴＭＲ素子が検出対象とする磁界の範囲は、ＴＭＲ素子特性の線形領域内とすることが好ましい。ＴＭＲ素子は、図２（Ａ）に示すように横長形状となるようにアスペクト比を大きくし、自由層４の形状磁気異方性を大きくすることによって、線形領域の幅を広くすることができるので、このような用途に好適である。さらに、ＴＭＲ素子の配置を工夫することによって静電界の影響を低減させることができる。

図４は、実施の形態１に係る生体情報検出センサを内蔵したシートを示す斜視図である。図５は、生体情報検出センサを内蔵したシートの上面図である。図６は、図５の生体情報検出センサ２４の拡大図である。

図４〜図６に示される生体情報検出装置２０は、シート２２と、生体情報検出センサ２４とを含む。シート２２は、生体に密着する部分を有する構造物の一例である。支持板５０は、そのような構造物の内部に配置される。

生体情報検出センサ２４は、第１の面（上面）と第２の面（裏面）を有する支持板５０と、磁界検出チップ３１，３２とを含む。磁界検出チップ３１，３２は、第１の面内の第１の方向（Ｘ方向）に互いに離間するように、支持板５０の第１の面に配置される。磁界検出チップ３１，３２の各々は、第１の方向（Ｘ方向）に対して第１の面内で直交する第２の方向（Ｙ方向）の磁界の変化に対して感度が最大となるように構成される。磁界検出チップ３１，３２の各々は、直列接続された多数のＴＭＲ素子が集積されたチップである。支持板５０は、磁界検出チップ３１，３２が離間する第１の方向（図６のＸ方向）がシート２２の背もたれ面に平行な方向（図４のＸ方向）と一致するように配置される。

上記のように、静磁界の大きさがほぼ等しくかつ生体磁界の大きさが異なる２か所に、各々の特性の揃ったＴＭＲ素子を含む磁界検出チップ３１，３２を配置し、２か所の磁界の差を増幅するように検出回路を構成することで、静磁界の影響をキャンセルすることができる。

背骨に平行して延びる神経を伝達する電流２８が形成する磁界３０は、背骨付近を中心とした同心円上に発生する。ここで、図４に示した座標軸のように、人体２６の鉛直方向（たとえば背骨の軸）をＺ軸として、車両の略前方をＹ軸とし、Ｚ軸およびＹ軸と直交する軸をＸ軸とする直交座標系を規定する。静磁界の大きさがほぼ等しく生体磁界の大きさが異なる２か所としては、例えば、図４〜図６の生体情報検出センサ２４の配置に示すように、Ｙ方向、Ｚ方向の配置がほぼ等しく、背骨位置を基準として、Ｘ方向にほぼ等距離で背骨からみて正反対方向の位置である。

図６によって、生体情報検出センサ２４上の素子位置における磁界３０の方向が示される。静磁界の大きさがほぼ等しく生体磁界の大きさが異なる２か所は、例えば、位置ＰＡと位置ＰＢである。生体情報検出センサ２４は、位置ＰＡと位置ＰＢにそれぞれ配置された磁界検出チップ３１および磁界検出チップ３２を含む。

頭から足先に向けて背骨中を延びる神経を伝達する電流２８が位置ＰＡに発生させる磁界３０は、Ｘ成分ＨｘとＹ成分Ｈｙとを有する。また、この電流２８が位置ＰＢに発生させる磁界３０は、Ｘ成分Ｈｘ’とＹ成分Ｈｙ’とを有する。この例では、Ｘ成分ＨｘとＨｘ’は大きさも方向もほぼ等しいが、Ｙ成分ＨｙとＹ成分Ｈｙ’は大きさがほぼ等しく方向が正反対となっている。一方、静磁界のＹ方向成分は、どちらの位置でもほぼ同じ大きさである。結果として、位置ＰＡと位置ＰＢのＴＭＲ素子の抵抗は、生体磁界の大きさに比例した差が生じる。これを適切な検出回路を用いて出力とする。

ここで、位置ＰＡと位置ＰＢに、ＸＹ平面内に形成され、Ｙ方向に高感度なＴＭＲ素子を多数集積した磁界検出チップ３１，３２を配置する。磁界検出チップ３１，３２としては、固定層の向きがＹ方向のプラス方向であり、かつＸ方向に長い素子形状の単位ＴＭＲ素子を例えば１６００個直列接続したものを使用することができる。

図７は、生体情報検出センサに用いるＴＭＲ素子の一部を拡大して示す上面図である。図８は、図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩにおける断面図である。

ＴＭＲ素子１の横長の島状部分である上部電極４６は、磁性膜の積層構造がすべてそろっている。２つの上部電極４６を囲む島状部分である下部電極４８は、磁性膜の積層構造のうち絶縁層よりも上方の部分をイオンミリング等の手法で部分的に削り、最下層の導電層を残して接続部とすることによって形成される。さらに、上部電極４６は隣り合う別の下部電極４８に囲まれた上部電極４６と、コンタクト孔４２を介してアルミ配線４４で接続されている。同じ下部電極４８で囲まれる２つの上部電極４６は、下部電極４８を介して互いに電気的に接続されている。

このようにして、複数の単位ＴＭＲ素子が、アルミ配線４４−上部電極４６−下部電極４８−上部電極４６−アルミ配線４４…と直列接続された磁気センサが構成される。固定層（下部電極４８）の磁化方向は、すべてのＴＭＲ素子で等しく、紙面上下方向（Ｙ方向）である。これと直交する紙面左右方向（Ｘ方向）に、上部電極４６の長軸方向が揃えられている。

このようにして、以下のような構成が実現されている。すなわち、図６の磁界検出チップ３１，３２の各々は、複数のＴＭＲ素子１を含む。複数のＴＭＲ素子１の各々は、図２に示したように固定層８の磁化の向きと垂直方向に延伸した横長形状を有する。複数のＴＭＲ素子１は、図７に示すように、固定層の磁化の向きの方向（Ｙ方向）に並んで配置され、固定層の磁化の向きの方向（Ｙ方向）に延びる素子間配線（アルミ配線４４と、下部電極４８）によって直列接続して構成される。複数のＴＭＲ素子１の各々と素子間配線のコンタクト孔４２は、複数個設けられる。

このようにして、各ＴＭＲ素子は、Ｘ方向に自由層の異方性が高く、Ｙ方向に固定層の磁化が固定されるように構成される。これにより、複数のＴＭＲ素子が直列接続された磁界検出チップ３１，３２の各々は、Ｙ方向の磁界に対して感度が高い磁気センサとなる。図６の例では、無磁界のときのＴＭＲ素子の抵抗値を基準として、位置ＰＡに配置した磁界検出チップ３１に搭載されるＴＭＲ素子の抵抗が高く、位置ＰＢに配置した磁界検出チップ３２に搭載されるＴＭＲ素子の抵抗が低くなる。なお、Ｘ方向とＹ方向の感度差を設けるため、ＴＭＲ素子の上部電極部のアスペクト比は、好ましくは１０：１以上、さらに好ましくは１００：１以上とすると良い。

生体情報検出センサ２４を構成する支持板は、樹脂のような非磁性材料で形成された矩形の平板であって、位置ＰＡと位置ＰＢに設けられた磁界検出チップ３１，３２の位置関係が変わらないように保持することが好ましい。

図９は、支持板の形状の構成例を示す斜視図である。支持板は、矩形の平板でも良いが、変形によって位置ＰＡと位置ＰＢの位置関係が変わらないように、支持板５０の長辺側に、図９に示すような突起部５２を設けて剛性を高めてもよい。

支持板５０は、例えば四隅に穴５６があけられ、穴５６挿入された略円筒形のゴム等の保持機構５４を介してシートの構造材に取り付けられている。ゴム製の保持機構５４を介することで、車両からの振動等のノイズを軽減できる。

図１０は、検出回路の一例を示す回路図である。生体情報検出センサ２４は、位置ＰＡに配置した磁界検出チップ３１と、位置ＰＢに配置した磁界検出チップ３２とを含む。電源Ｖｃｃと接地ＧＮＤとの間に磁界検出チップ３１と磁界検出チップ３２とをこの順に直列接続する。差動増幅回路６４の一方の入力端子は、磁界検出チップ３１と磁界検出チップ３２の接続ノードの電位を受ける。差動増幅回路６４の他方の入力端子には、適切な参照電圧が与えられる。例えば、電源Ｖｃｃと接地ＧＮＤとの間に、抵抗６１と可変抵抗６３とを直列接続した回路が、磁界検出チップ３１および磁界検出チップ３２に並列に接続される。差動増幅回路６４の出力が飽和しないように、可変抵抗６２の抵抗値が調整され、生体磁気の入力がないときの出力電圧の原点が設定される。

静磁界に生体磁気が重畳すると、位置ＰＡと位置ＰＢに印加される磁界に差が生じる。これに応じて磁界検出チップ３１と磁界検出チップ３２のＴＭＲ素子の抵抗値の変化量が異なるので、差動増幅回路６４の一方端子への入力電圧が変化する。結果として、生体磁気の大きさに応じた出力が得られる。差動増幅回路６４は、例えば計装アンプを用いることができる。差動増幅回路６４の出力は、Ａ／Ｄコンバータ６６によってデジタル信号に変換される。このデジタル信号は、コンピュータを内蔵したコントローラ等で生体の検出情報として使用される。

図１１は、検出回路の第１の変形例を示す回路図である。検出回路は、図１１に示すようなホイートストンブリッジ回路でも良い。この変形例の検出回路では、位置ＰＡにＴＭＲ素子７１とＴＭＲ素子７２とが集積された磁界検出チップが配置され、位置ＰＢにＴＭＲ素子７３とＴＭＲ素子７４とが集積された磁界検出チップが配置される。

ホイートストンブリッジを構成する１つ目のブランチには、電源Ｖｃｃと接地ＧＮＤとの間に、ＴＭＲ素子７１とＴＭＲ素子７４がこの順に直列接続される。第２のブランチには、電源Ｖｃｃと接地ＧＮＤとの間に、ＴＭＲ素子７３とＴＭＲ素子７２とがこの順に直列接続される。差動増幅回路６４の一方の入力端子は、ＴＭＲ素子７１とＴＭＲ素子７４の接続ノードの電位を受ける。差動増幅回路６４の他方の入力端子は、ＴＭＲ素子７３とＴＭＲ素子７２の接続ノードの電位を受ける。

ＴＭＲ素子７１〜７４がすべて同じ特性であれば、印加される磁界が同じであるときにＴＭＲ素子７１〜７４の抵抗値はすべて同じとなる。したがって、差動増幅回路６４の一方の入力端子および他方の入力端子の電圧は、いずれもＶｃｃ／２となる。

生体磁気が静磁界に重畳すると、位置ＰＡと位置ＰＢに印加される磁界に差が生じるので、ＴＭＲ素子７１とＴＭＲ素子７２、ＴＭＲ素子７３とＴＭＲ素子７４の抵抗がそれぞれ異なる大きさで変化する。このため、差動増幅回路６４の一方の入力端子と他方の入力端子の電圧に差が生じ、生体磁気の大きさに応じた出力が得られる。

このとき、位置ＰＡや位置ＰＢでは、単位ＴＭＲ素子の配置を工夫することによって、検出精度を向上させることができる。ここで、ＴＭＲ素子７１とＴＭＲ素子７２の配置を同一位置とできない理由について説明する。

複数のＴＭＲ素子を同一チップに形成する場合、同一面に形成された磁性薄膜を部分的に除去して複数のＴＭＲ素子とする。この関係上、ＴＭＲ素子７１とＴＭＲ素子７２を形成する位置が全く同じにはできない。したがって、ＴＭＲ素子７１とＴＭＲ素子７２の位置には、差が生じる。

図７に記載されたＴＭＲ素子は、すべて電気的に直列接続されている。したがって、この位置には例えば図１１のＴＭＲ素子７１のみが形成される。このときＴＭＲ素子７２は、チップ上のここから離れた位置(図７には図示されていない)に形成される。このため、ＴＭＲ素子７１とＴＭＲ素子７２は、図７の配置を採用する限りは、ＴＭＲ素子７１自体の大きさよりも近くに配置することはできない。特に生体用の面内サイズの大きな素子では、この影響が無視できない。

図１２は、ＴＭＲ素子の配置の変形例を示す上面図である。好ましくは、例えば図１２のように、入れ子状にＴＭＲ素子を配置した磁界検出チップを用いることで、ＴＭＲ素子７１とＴＭＲ素子７２の２つの素子の配置位置の違いの影響を低減するように構成する。

図１２では、直列接続されたＴＭＲ素子の列が２列、入れ子状に同一チップ上に形成されている。これらを、例えば図１１における、ＴＭＲ素子７１、ＴＭＲ素子７２の位置に接続する。ＴＭＲ素子７１ないしＴＭＲ素子７２の感じる磁界は、直列接続されているＴＭＲ素子の位置の平均で記述できる。このため、図１２の配置を採用する場合には、ＴＭＲ素子７１，７２の間の位置の差は素子の面内サイズ以下にすることができる。

図１３は、検出回路の第２の変形例を示す回路図である。この検出回路は、直列接続されたＴＭＲ素子８１，８２と、直列接続された抵抗８３，８４と、差動増幅回路８５と時間積分回路８７と、Ａ／Ｄコンバータ８６とを含む。検出回路は、図１３に示すように、磁気センサの出力を時間平均した値との差分を出力するように構成しても良い。この構成では、差動増幅回路８５の出力を時間積分回路８７で積分した出力に応じて、抵抗８４に電流が流れる。抵抗８４の電流量が増加し、抵抗８３と抵抗８４の接続ノードの電位が上昇する。このため、抵抗８３と抵抗８４の接続ノードの電位と、ＴＭＲ素子８１とＴＭＲ素子８２の接続ノードの電位との差が減少する。このようにして、抵抗８３と抵抗８４の接続ノードの電位が、時間平均したＴＭＲ素子８１とＴＭＲ素子８２の中間電位の時間平均値に近づく。

このように、静磁界が等しく生体磁気が異なる位置に配置した２か所に配置したＴＭＲ素子と、静磁界の影響をキャンセルする回路とを備えることで、高感度に生体磁気を検出することが可能である。

なお、図１１に示すようなホイートストンブリッジや、図１３のような時間平均を取得してブリッジの片側の入力とする回路は、「静磁界の影響をキャンセルする回路」に相当する。

ＴＭＲ素子の飽和がなく、磁界とＴＭＲ素子特性がほぼ比例する場合には、差動増幅器を利用すれば、入力として図１１に示すようなホイートストンブリッジであっても、図１３のような時間平均を取得する回路であっても、静磁界の影響をキャンセルすることが可能である。

［実施の形態２］
実施の形態１では、１つの生体情報検出センサを構造体内部に配置する例を説明したが、実施の形態２では、複数の生体情報検出センサを使用することによって、さらに細かい生体情報を得る。

図１４は、実施の形態２に係る生体情報検出センサを内蔵したシートを示す斜視図である。図１４に示される生体情報検出装置１２０は、シート１２２と、複数の生体情報検出センサ１３１〜１３５とを含む。生体情報検出センサ１３１〜１３５の各々は、図６で示したように支持板上に配置された磁界検出チップ３１，３２を含む。図６と同様に、静磁界の大きさがほぼ等しくかつ生体磁界の大きさが異なる２か所に、特性の揃った磁界検出チップ３１，３２を配置し、２か所の磁界の差を増幅するように検出回路を構成することで、静磁界の影響をキャンセルすることができる。

図１５は、複数の生体情報検出センサの信号から所望の信号を選択する解析例を示すグラフである。図１５には、図１４に示すシートの複数の生体情報検出センサ１３１〜１３５からの出力の経過時間変化が示される。生体内の神経の情報伝達の速度は、電気や磁気の伝達速度に比べると十分に遅い。さらに、情報伝達に関わる神経の種類によって、伝達速度が異なる。このため、生体情報検出装置１２０に複数の生体情報検出センサ１３１〜１３５を配置し、複数の生体情報検出センサ１３１〜１３５から得られる磁気信号を互いに比較する。

検出対象の信号か否かを見分ける方法は、種々考えられるが、例えば各生体情報検出センサで検出された信号のピークを検出し、各信号間でピークのインターバルを演算することによって得られる伝達速度を得る方法を用いることができる。

各生体情報検出センサからの出力を微分し、その値が０になるところをピーク位置とする。各生体情報検出センサ間でピーク位置の時間的な差を比較し、時間的な差が神経の伝達速度に相当する値となっている場合には、検出対象信号と判断し、ずれている場合には検出対象でない信号と判断する。

これらの判定に用いる演算はアナログ的に実現することもできるが、コンピュータのプログラムで実現する方法が最も理解しやすい。

例えば、すべてのユニットの出力を定期的に順番に取得するデータ取得ループを回す。第１番目の生体情報検出センサ１３１で直前出力値との差が正から負になった時をピーク位置と判断してフラグをたてる。生体情報検出センサ１３１の検出波形がピーク位置に達したフラグをたててから、第２番目の生体情報検出センサ１３２のフラグがたつまで、データ取得ループが回った回数をカウントする。このカウント値が、予め定めた予測値とずれていなければ生体情報検出センサ１３２と生体情報検出センサ１３３の間の時間を計測するプロセスに進む。カウント値が、予測値とずれていれば、生体情報検出センサ１３１のフラグをリセットし、もとのデータ取得ループの処理に戻る。以上のように生体情報検出センサ１３１と生体情報検出センサ１３２との間で行なった処理を、生体情報検出センサ１３２−１３３間、１３３−１３４間、１３４−１３５間についても行ない、これらについてすべてカウント値が予測値と一致していた場合に、検出された信号を検出対象信号と判定する。

このようにして神経信号の伝達速度を検出することができる。複数の生体情報検出センサが検出した磁気信号のピーク位置の生体情報検出センサ間の差異Δｔ１が、あらかじめ設定した伝達速度と一致していた場合に所望の信号とし、図１５の生体情報検出センサ間の差異Δｔ１２のように設定した伝達速度とのずれが大きい場合にはノイズとして処理する。このようにすれば、検出対象でない信号を取り除くことができる。実施の形態２に係る生体情報検出装置によれば、例えば、手足を動かすための信号と、心臓を動かす信号を区別することができる。

［実施の形態３］
実施の形態１，２のような磁気センサつきシートでは、複数の磁界検出チップ３１，３２を離間して配置するので、基準電圧の補正を行なっている。

この補正は、ＴＭＲ素子の抵抗や、ＴＭＲ素子と他の回路部品をつなぐための配線の抵抗などのばらつきが無視できないことに起因する誤差の補正である。例えば図１０の回路において磁界検出チップ３１、磁界検出チップ３２の特性が一致しないので、抵抗６１と可変抵抗６２の抵抗は理想的なＶｃｃ／２にはならない。図１０においては、可変抵抗６２の抵抗値を、磁界検出チップ３１、磁界検出チップ３２の抵抗差に応じた量だけ抵抗６１の抵抗値とずらすことで補正できる。また、図１３の回路でも時間積分回路８７によって補正が可能である。図１３の回路では、差動増幅回路８５の出力の時間平均が０になるように抵抗８４に電流を流して抵抗８３と抵抗８４の間の接続ノードの電位を変化させる。多少寄生抵抗の影響があったとしても、ＴＭＲ素子８１，８２にかかる磁界が時間積分回路８７の積分時間に対して十分長い間一定であれば、ブリッジの電位差が０になるように時間積分回路の出力が設定されるので、寄生抵抗の影響はキャンセルされる。

実施の形態３では、他の補正について説明する。この補正は、離間して設けられた２つの磁界検出チップ間で感度が異なると、ある静磁界でセンサ出力の原点を正しく調整したとしても、静磁界が変化すると、センサ出力の原点がずれてしまうという課題に対応するための補正である。この課題を、図１６、図１７で説明する。

図１６は、生体情報検出センサを構成する磁界検出チップの感度ばらつきの影響を説明するためのグラフである。図１６には、磁界検出チップ１８１と磁界検出チップ１８２で、ある静磁界の値において、磁界検出チップ１８１と磁界検出チップ１８２の抵抗に生じる差が、グラフＧ１とＧ２の傾きの差で示されている。磁界検出チップ１８１と磁界検出チップ１８２は、たとえば図１０の構成では、磁界検出チップ３１と磁界検出チップ３２にそれぞれ対応するチップである。

静磁界が一定であれば、抵抗差に応じたオフセットを回路的にキャンセルすることで補正が可能である。しかし、生体磁界の検出においては、静磁界には時間変動があり、かつ静磁界の変化幅は生体磁界の大きさよりも大きい。このため、静磁界が変動すると、磁界検出チップ１８１と磁界検出チップ１８２の抵抗の差も変動するので、生体磁界が一定でも磁気センサの出力が変動する。

このため、複数の磁界検出チップ上におかれたＴＭＲ素子について、逐次感度を調節して厳密に一致させる機構を備えることが重要である。

このような感度のずれは、例えば、２つの磁界検出チップの取り付け方向に少しずれが生じた場合、静磁界の方向に対する固定層の磁化の方向が２つの磁界検出チップで異なることによって生じる。また、装置が設置された場所によっては２つのセンサ間で温度に差が生じることによって、ＴＭＲ素子の温度特性に関わる感度差が生じる。また、室内に磁性体が持ち込まれた場合や磁性体の位置が変化した場合、磁性体によって静磁界の分布が変わることによっても、感度差が生じる。

図１７は、ＴＭＲ素子の感度補正を行うための回路図である。図１７の回路図は、二つの磁界検出チップ３１，３２の感度の差を補正するために、図１０の回路構成に加えて、プリアンプ６４Ａ，６４Ｂを含む。プリアンプ６４Ａ，６４Ｂのゲインを調整することによって、生体磁気を印加しないときの出力が基準電圧となるようにゲインを調整する。しかし、この回路構成では、センサ間の温度差などの時間変化する要因に応じて生じるＴＭＲ素子の感度変化に対応することは困難である。

そこで、実施の形態３の生体情報検出装置では、補正用コイルや環状電流路を設けてバイアス磁界を印加することによって補正を行なう。

図１８は、補正用コイルを組み込んだシートの斜視図である。図１９は、環状電流路を備えた生体情報検出センサの上面図である。図１８の斜視図に示すように、実施の形態３の生体情報検出装置１７０は、シート１７２と、シート１７２の背面に設けられた補正用コイル１９０と、生体情報検出センサ１７５とを含む。図１９に示すように、生体情報検出センサ１７５は、支持板１８３と、磁界検出チップ１８１，１８２と、信号処理回路１８４，１８５と、差動増幅器１８６と、アンプ１８７と、環状電流路１８８とを含む。支持板１８３と、磁界検出チップ１８１，１８２と、差動増幅器１８６については、実施の形態１の構成に相当する構成である。信号処理回路１８４，１８５は、低域通過フィルタなどを含み高周波ノイズを除去する信号処理を行なう。

生体情報検出センサ１７５は、支持板１８３の上に、電流による磁界を磁界検出チップ１８２に印加するための環状電流路１８８とアンプ１８７とを設けている点が、実施の形態１の生体情報検出センサ２４と異なる。アンプ１８７の出力電流値は、事前のキャリブレーションによって決定される。

ＴＭＲ素子の固定層の磁化の向きと平行方向に磁界を印加することで、ＴＭＲ素子の感度が減少することが知られている。

そこで、図１９に示すように、生体情報検出装置１７０に搭載される生体情報検出センサ１７５は、支持板１８３の第１の面（上面）または第１の面に平行な支持板の第２の面（裏面）に配置された環状電流路１８８をさらに備える。磁界検出チップ１８１に比べて磁界検出チップ１８２の感度が高い場合、環状電流路１８８に所定の電流を流して磁界検出チップ１８２のＴＭＲ素子の感度を減少させ、磁界検出チップ１８１と磁界検出チップ１８２のＴＭＲ素子の感度を揃えることで、センサの感度ずれに起因したオフセットのドリフトの差を小さくすることができる。

環状電流路１８８は、支持板１８３の片側の面に形成されていてもよい。また、支持板１８３の両面に形成された２つの環状電流路が直列に接続されており、一方の面からみたときの電流の向きが正反対になっていてもよい。例えば、上面の環状電流路は右巻き、裏面の環状電流路は左巻とする。この場合、磁界検出チップ１８２は上面と裏面の環状電流路からの距離が異なる。したがって、上面の環状電流路から発生する磁界と、裏面の環状電流路から発生する逆向きの磁界の大きさが異なる。このため磁界検出チップ１８２には、距離の割合で異なる差磁界が印加される。一方、外部から大きい磁界が印加されても、一般的に外部からの磁界発生源は生体磁界に比べて発生源が遠方にあるため、上面の環状電流路と下面の環状電流路に誘起する電流はほぼ等しい。したがって、支持板１８３の両面に環状電流路を設けた場合には、環状電流路がノイズ発生源とならない効果がある。

上記の回路に遠方から磁界が印加されると、表面側の環状電流路と裏面側の環状電流路に鎖交する磁界はほとんど同じなので、２つの環状電流路に生じる起電力が互いに打ち消し合い、電磁誘導による電流が流れないと考えられる。一方、ごく近くから磁界が印加されると、表面側の環状電流路と裏面側の環状電流路に鎖交する磁界に差が生じるので、それぞれの環状電流路に誘起される電圧に差が生じて、電磁誘導による電流が流れる。

ここで、「遠方」、「ごく近く」の違いは、表面側の環状電流路と裏面側の環状電流路の間の距離(すなわち支持板の厚さ)とくらべたときの、磁界発生源からの距離に依存する。たとえば、地磁気や他の車からの磁界は、「遠方」から印加される磁界に相当し、生体からの磁界が「ごく近く」から印加される磁界に相当する。

図２０は、生体情報検出センサを構成するＴＭＲ素子の感度ばらつきの補正後の特性を説明するためのグラフである。環状電流路に適切な電流を流すことによって、図１６の磁界検出チップ１８２の特性が変化し、図２０ではグラフＧ２はグラフＧ１とほぼ特性が揃っている。

図２１は、補正用コイルと環状電流路を使用して行なう補正処理の内容を説明するためのフローチャートである。図１２を参照して、生体情報検出装置の補正方法は、補正用コイル１９０によって磁界検出チップ１８１，１８２に均一な静磁界を印加するステップＳ２と、磁界検出チップ１８１，１８２の出力を取得するステップＳ３と、ステップＳ３において取得した出力に応じて環状電流路１８８に流す電流を制御するステップＳ４と、環状電流路１８８に流す電流量を記憶するステップＳ６とを備える。

図２１の処理のポイントは、補正用コイルで静磁界を印加する点である。すなわち、零磁界の出力が２つの磁界検出チップで等しくなり、かつ補正用コイルで外部磁界Ｈｅｘを印加した場合の２つの磁界検出チップの出力が等しくなるように、環状電流路に電流を流して感度を調整する。環状電流路に流した電流とセンサの感度の関係が既知であれば、１回のステップで補正できるはずであるが、実際にはセンサの感度が未知なので環状電流路に流した電流とセンサの感度の関係も未知となり、複数ステップで感度を合わせていくようにしている。

以下、各ステップについてより詳細に説明を行なう。生体情報検出装置１７０は、例えばマイクロコンピュータのようなコントローラに接続されている。ステップＳ１において、コントローラは、補正用コイル１９０に電流を流さない状態で生体情報検出センサ１７５の出力を取得し、記憶する。

ステップＳ２では、コントローラは、補正用コイル１９０に所望の電流を流して生体情報検出センサ１７５上の２つの磁界検出チップに対して均一な磁界を発生する。なお、均一な磁界とは、大きさが等しいことが好ましいが、たとえば、補正用コイル１９０は、磁界検出チップ１８１，１８２の出力に同じ向きの変化を与える磁界を磁界検出チップ１８１，１８２に印加するように構成されるものであっても良い。

このとき、補正用コイル１９０が発生する磁界は、各チップのＴＭＲ素子の飽和磁界よりも低くなければならない。コントローラは、補正用コイル１９０に流れる電流が安定するまで待ってからステップＳ３に処理を進める。

ステップＳ３では、コントローラは、生体情報検出センサ１７５の２つの磁界検出チップ１８１，１８２の出力差を取得し、記憶する。このとき、磁界検出チップ１８２のＴＭＲ素子の感度が磁界検出チップ１８１の感度よりも高いと、ステップＳ１とステップＳ２で出力差が異なる。

ステップＳ４では、ステップＳ１とステップＳ２で得られた出力差の差分に応じた電流を環状電流路に流す。コントローラは、環状電流路１８８に流れる電流が安定するまで待ってからステップＳ５に処理を進める。環状電流路１８８に電流を流すと、磁界検出チップ１８１よりも磁界検出チップ１８２に強い磁界が印加される。すなわち、環状電流路１８８は、磁界検出チップ１８１よりも磁界検出チップ１８２に不均一な磁界を発生させるように構成される。

そしてステップＳ５において、補正用コイル１９０に電流を流して静磁界を印加している時の２つの磁界検出チップの出力差が、ステップＳ１における補正用コイル１９０の電流が０の場合の出力差（オフセット）と等しいか否かを判断する。コントローラは、ステップＳ１で得た値（オフセット）とステップＳ３で得た値（静磁界印加時の出力差）とが異なる場合には（Ｓ５でＮＯ）、ステップＳ４に処理を戻す。上記の値が等しい場合には（Ｓ５でＹＥＳ）、コントローラは、ステップＳ６に処理を進め、環状電流路１８８に流す電流値を記憶する処理を行なう。その後ステップＳ７において、コントローラは、補正用コイル１９０の電流を元に戻し、生体情報検出センサ１７５の補正を完了する。

以降、生体磁気を検出する際には、ステップＳ６において記憶された電流値の電流を環状電流路１８８に流しつつ測定を行なう。

以上のように、補正用コイルと環状電流路を備えることにより、実施の形態３の生体情報検出装置は、生体情報検出センサに配置した２つの磁界検出チップに特性のバラツキが生じた場合にも、特性を補正することが可能である。

［種々の変形例］
図２２は、生体情報検出センサを内蔵したシートの変形例を示す斜視図である。図２２を参照して、この変形例の生体情報検出装置２２０は、シート２２２と、補正用コイル２４０と複数の生体情報検出センサ２３１〜２３６とを含む。図４、図１４、図１８では、位置ＰＡ、位置ＰＢを、シートの背もたれ面に平行な方向（Ｘ方向）に離間させて２つの磁界検出チップを配置した例を示したが、図２２に示すように、シートの背もたれ面に交差する方向（Ｙ方向）に離間して２つの磁界検出チップが配置される向きに生体情報検出センサ２３１〜２３６を配置し、Ｘ方向の磁界差を検出するようにしてもよい。

また、実施の形態１〜３では、構造物がシートである場合を示したが、生体が密着する面を有する構造物がベッドであっても良い。図２３は、生体情報検出センサを内蔵したベッドの一例を示す斜視図である。図２４は、図２３に示した生体情報検出センサを内蔵したベッドの素子配置を示す断面図である。生体情報検出装置２７０は、ベッド２７２と、各々がＸ方向に２つの磁界検出チップが離間するように配置された複数の生体情報検出センサ２８１〜２８６とを含む。図２２、図２４に示すように、生体情報検出センサをベッドに内蔵し、ベッドに横たわる人体が発する生体磁気を検出してもよい。図６の支持板５０は、２つの磁界検出チップが離間する方向（図６のＸ方向）がベッドの生体密着面に平行な方向（図２３のＸ方向）に一致するように配置される。

図２５は、生体情報検出センサを内蔵したベッドの素子配置の変形例を示す断面図である。生体情報検出装置２７０Ａは、ベッド２７２と、各々がＹ方向に２つの磁界検出チップが離間するように配置された複数の生体情報検出センサ２８１Ａ〜２８６Ａとを含む。図２３、図２４に示すように位置ＰＡ、位置ＰＢについて、ベッドの生体密着面に平行な方向（Ｘ方向）に離間してもよいし、図２５のようにベッドの生体密着面に交差する方向（Ｙ方向）に離間してもよい。

図２６は、生体情報検出センサの変形例を示す図である。図２６を参照して、生体情報検出センサ１７５Ａは、支持板１８３と、磁界検出チップ１８１，１８２と、差動増幅器１８６と、アンプ１８７，１８７Ａと、環状電流路１８８，１８８Ａとを含む。支持板１８３と、磁界検出チップ１８１，１８２と、差動増幅器１８６については、実施の形態１の構成に相当する構成である。

生体情報検出センサ１７５Ａは、支持板１８３の上に電流による磁界を磁界検出チップ１８２に印加するための環状電流路１８８Ａとアンプ１８７Ａとを設けている点が実施の形態３の生体情報検出センサ１７５と異なる。

実施の形態３の図１９では、説明のために磁界検出チップ１８２のＴＭＲ素子の方が高感度な場合について説明したが、実際には磁界検出チップ１８１の方が高感度となる場合もある。そこで、生体情報検出センサ１７５Ａは、図２６に示すように２つの環状電流路１８８および１８８Ａを備えることによって、どちらの磁界検出チップの感度が高い場合でも対応できる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，７１，７２，７３，７４，８１，８２ ＴＭＲ素子、４ 自由層、６ トンネル絶縁層、８ 固定層、１０ 反強磁性層、２０，１２０，１７０，２２０，２７０，２７０Ａ 生体情報検出装置、２２，１２２，１７２，２２２ シート、２４，１３１，１３２，１３３，１３５，１７５，１７５Ａ，２３１，２３６，２８１，２８１Ａ，２８６，２８６Ａ 生体情報検出センサ、２６ 人体、２８ 電流、３０ 磁界、３１，３２，１８１，１８２ 磁界検出チップ、４２ コンタクト孔、４４ アルミ配線、４６ 上部電極、４８ 下部電極、５０，１８３ 支持板、５２ 突起部、５４ 保持機構、５６ 穴、６１，８３，８４ 抵抗、６２，６３ 可変抵抗、６４，８５ 差動増幅回路、６４Ａ，６４Ｂ プリアンプ、６６，８６ コンバータ、８７ 時間積分回路、１８４，１８５ 信号処理回路、１８６ 差動増幅器、１８７，１８７Ａ アンプ、１８８，１８８Ａ 環状電流路、１９０，２４０ 補正用コイル、２７２ ベッド。

Claims (11)

1. 第１の面を有する支持板と、
   前記第１の面内の第１の方向に互いに離間するように、前記第１の面に配置された第１および第２の磁界検出部とを備える生体情報検出センサを複数備え、
   前記第１および第２の磁界検出部の各々は、前記第１の方向に対して前記第１の面内で直交する第２の方向の磁界の変化に対して感度が最大となるように構成され、
   前記複数の生体情報検出センサは、生体が自ら発生する磁気を検出し、検出した磁気信号の前記生体情報検出センサ間の差異が、あらかじめ設定した伝達信号と一致する場合は信号として処理し、前記差異が前記伝達信号と一致しない場合はノイズとして処理する、生体情報検出装置。
2. 生体に密着する部分を有する構造物をさらに備え、
   前記支持板は、前記構造物の内部に配置される、請求項１に記載の生体情報検出装置。
3. 前記構造物は、シートであり、
   前記支持板は、前記第１の方向が前記シートの背もたれ面に平行な方向になるように配置される、請求項２に記載の生体情報検出装置。
4. 前記構造物は、ベッドであり、
   前記支持板は、前記第１の方向が前記ベッドの生体密着面に平行な方向になるように配置される、請求項２に記載の生体情報検出装置。
5. 前記構造物は、シートであり、
   前記支持板は、前記第１の方向が前記シートの背もたれ面に交差する方向になるように配置される、請求項２に記載の生体情報検出装置。
6. 前記構造物は、ベッドであり、
   前記支持板は、前記第１の方向が前記ベッドの生体密着面に交差する方向になるように配置される、請求項２に記載の生体情報検出装置。
7. 前記構造物に埋め込まれ、前記第１および第２の磁界検出部の出力に同じ向きの変化を与える磁界を前記第１および第２の磁界検出部に印加するように構成された補正用コイルをさらに備える、請求項２に記載の生体情報検出装置。
8. 前記支持板の前記第１の面または前記第１の面に平行な前記支持板の第２の面に配置された環状の電流路をさらに備える、請求項１に記載の生体情報検出装置。
9. 前記第１および第２の磁界検出部の各々は、複数のＴＭＲ素子を含み、
   前記複数のＴＭＲ素子の各々は、固定層の磁化の向きと垂直方向に延伸した横長形状を有し、
   前記複数のＴＭＲ素子は、固定層の磁化の向きの方向に並んで配置され、固定層の磁化の向きの方向に延びる素子間配線によって直列接続される、請求項１に記載の生体情報検出装置。
10. 前記差異は前記生体情報検出センサの磁気信号のピーク位置の時間的な差であることを特徴とする、請求項１に記載の生体情報検出装置。
11. 異なる前記生体情報検出センサ間の差異を複数比較し、すべての前記差異が前記伝達信号と一致する場合、信号として処理することを特徴とする、請求項１に記載の生体情報検出装置。

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