JP7395848B2

JP7395848B2 - 生体情報測定装置

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Publication number: JP7395848B2
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Authority: JP
Inventors: 克俊松浦
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Filing date: 2019-05-30
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Description

本発明は、生体情報測定装置に関するものである。

従来、生体情報の１つである脈拍を測定する生体情報測定装置が知られている。この生体情報測定装置に用いられるフォトセンサーが特許文献１に開示されている。それによると、フォトセンサーは発光部としての発光素子及び受光部としての受光素子を備える。発光素子はＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）を備える。発光素子は透光性樹脂を通して生体に照射光を射出する。受光素子は、透光性樹脂を通って入射した反射光を電気信号である脈波信号に変換する。

生体には血液が流動する血管がある。血管の脈動は心臓の動きと連動する。発光部が射出する光の一部を血液が吸収するので、受光部は血管の脈動を反映した反射光を受光する。つまり、受光部が受光する反射光の強度は血管の脈動を反映している。そして、脈波信号は血管の脈動を反映した信号になっている。

発光素子が射出する照射光は透光性樹脂を通過して生体を照射する。生体で反射した反射光の一部は透光性樹脂を通過して受光素子を照射する。受光素子は照射される反射光を受光する。発光素子が射出する照射光は進行に伴って広がる。このため、発光素子と生体との距離が短い程、生体に照射される照射光の強度が強くなる。また、生体で反射した反射光も進行に伴って広がる。このため、生体と受光素子との距離が短い程、受光素子が受光する反射光の強度が強くなる。

発光素子及び受光素子と生体との距離が短い程、受光素子が受光する反射光の強度を強くできる。そして、受光素子が受光する反射光の強度が強い程、ノイズに対する脈波信号の比率を高くできる。

国際公開第２０１７／０９４０８９号

野川雅道ほか著、生体医工学４９巻６号、公益社団法人日本生体医工学会発行、２０１１年１２月、Ｐ．９６８－９７６

特許文献１に記載のフォトセンサーでは発光素子と受光素子との間に遮光性樹脂の壁が配置されていた。遮光性樹脂の壁は発光素子が射出する照射光を遮光して受光素子を直接照射することを抑制する。遮光性樹脂は薄くすると遮光性が不足してしまうため、壁の厚みを厚くする必要があった。遮光性樹脂が厚いので、発光素子と受光素子との間の距離が長くなっていた。発光素子と受光素子との間の距離が長いときは短いときに比べて照射光の進行距離と反射光の進行距離との和の距離が長くなる。光の進行距離が長いと受光素子が受光する反射光の強度が小さくなる。受光素子が受光する反射光の強度が小さいと脈拍の検出精度が低下する。このように、発光素子と受光素子との間の距離が長いので脈拍の検出精度を向上させるには限界があった。

本願の生体情報測定装置は、生体に照射される照射光を射出する発光部と、前記照射光が前記生体で反射される反射光を受光する受光部と、前記照射光及び前記反射光が通過する通過部と、前記発光部から前記受光部に向かって進行する前記照射光を遮光する遮光部と、前記通過部を支持する不透明な裏蓋と、を備え、前記発光部から前記通過部に向かう第１方向からの平面視において、前記遮光部は前記発光部と前記受光部との間に配置されている金属板であり、前記受光部のうち前記第１方向と交差する方向を向く側面において前記遮光部と対向していない前記側面は前記裏蓋と対向することを特徴とする。

上記の生体情報測定装置では、前記第１方向からの平面視において、前記受光部の前記側面と前記裏蓋とが離れていることが好ましい。

上記の生体情報測定装置では、前記第１方向からの平面視において、前記受光部の前記側面と前記裏蓋とが接触していることが好ましい。

上記の生体情報測定装置では、前記第１方向からの平面視において、前記受光部の前記生体側では前記受光部と前記裏蓋の一部とが重なっていることが好ましい。

上記の生体情報測定装置では、前記通過部は前記遮光部を向く内面が凹んでおり、前記遮光部は前記通過部を向く側が前記内面に沿って突出していることが好ましい。

第１の実施形態にかかわる生体情報測定装置の構成を示す概略斜視図。生体情報測定装置の装着状態を説明するための概略斜視図。生体情報測定装置の構造を示す模式平面図。生体情報測定装置の構造を示す模式側断面図。センサー部の構造を示す概略斜視図。光の進路を説明するための要部模式側断面図。光の進路を説明するための要部模式側断面図。受光部の構造を示す模式側断面図。血管の脈動を検出する方法を説明するための模式図。血管内外圧差と血管内容積の関係を説明するための図。血管内容積の経時変化を示す図。生体情報測定装置の電気制御ブロック図。第２の実施形態にかかわるセンサー部及び裏蓋の構成を示す要部模式側断面図。センサー部及び裏蓋の構成を示す要部模式側断面図。第３の実施形態にかかわるセンサー部及び裏蓋の構成を示す要部模式側断面図。センサー部及び裏蓋の構成を示す要部模式側断面図。第４の実施形態にかかわる生体情報測定装置の装着状態を説明するための模式図。生体情報測定装置の構成を示す概略斜視図。

以下、実施形態について図面に従って説明する。尚、各図面における各部材は、各図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各部材毎に縮尺を異ならせて図示している。

（第１の実施形態）
本実施形態では、血管の脈動を検出する生体情報測定装置の特徴的な例について、図１～図１２に従って説明する。図１は、生体情報測定装置の構成を示す概略斜視図である。図１に示すように、生体情報測定装置１は所定の厚みを有する箱状のケース２を備えている。ケース２の厚み方向の一方には裏蓋３が設置されている。裏蓋３には光が通過可能な通過部４が配置されている。ケース２の内部には発光部５及び受光部６を備えるセンサー部７等が配置されている。発光部５は生体に照射される照射光を射出する。照射光が生体内で反射した反射光を受光部６が受光する。

ケース２の側面にはケース２を挟むように第１バンド８及び第２バンド９が配置されている。第１バンド８の一端には第１バンド８と第２バンド９とを連結する図示しない連結部が配置されている。図中発光部５から受光部６に向かう方向をＸ方向とする。第２バンド９から第１バンド８に向かう方向をＹ方向とする。ケース２から裏蓋３に向かう方向をＺ方向とする。Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向はそれぞれ直交する方向になっている。Ｘ方向と逆の方向を－Ｘ方向とする。Ｙ方向と逆の方向を－Ｙ方向とする。Ｚ方向と逆の方向を－Ｚ方向とする。

生体情報測定装置１は無線通信を行う機能を備えている。そして、生体情報測定装置１は測定した脈拍データをスマートフォン１１等の電子機器に無線通信にて送信する。そして、生体情報測定装置１が測定した脈拍データをスマートフォン１１が表示する。

図２は生体情報測定装置の装着状態を説明するための概略斜視図である。図２に示すように、人体の生体としての腕１２に生体情報測定装置１が装着される。第１バンド８及び第２バンド９を腕１２に巻いて連結部にて第１バンド８及び第２バンド９を連結する。このように、生体情報測定装置１は腕１２に装着されて人体の生体情報を測定するウエアラブル機器である。生体情報測定装置１は脈波信号を検出し、脈拍数を演算する。尚、脈波信号は血管の脈動の圧変化または容積変化を観測したものである。脈拍数は１分間に含まれる脈波信号のピークの数である。

裏蓋３が腕１２と接触するように生体情報測定装置１が装着される。このとき、裏蓋３及び通過部４が腕１２と接触する。ケース２の側面にはＵＳＢ（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＳｅｒｉａｌＢｕｓ）の外部コネクター１３が配置されている。生体情報測定装置１は外部コネクター１３を通じて充電される。

図３は生体情報測定装置の構造を示す模式平面図であり、生体情報測定装置１を裏蓋３側から見た図である。図４は生体情報測定装置の構造を示す模式側断面図であり、図３のＡ－Ａ線に沿う断面側から見た図である。図５はセンサー部の構造を示す概略斜視図である。

図３から図５に示すように、通過部４の外形は円形である。通過部４はＺ方向側の面がＺ方向側に突出している。通過部４は－Ｚ方向側の面がＺ方向側に凹んでいる。従って、通過部４は板状になっている。裏蓋３は通過部４を－Ｚ方向側から支持する。裏蓋３は不透明である。裏蓋３には発光部５及び受光部６のＺ方向側に穴３ｂが配置されている。穴３ｂを覆って裏蓋３に通過部４がかぶせてあるので、穴３ｂは通過部４に塞がれている。通過部４は透明であり、穴３ｂを通して発光部５、受光部６及び遮光部１５が見えるので、図３では発光部５、受光部６及び遮光部１５が実線で示されている。

ケース２、裏蓋３及び通過部４にて囲まれた内部の通過部４側にセンサー部７が配置されている。センサー部７は裏蓋３に支持されたセンサー基板１４を備えている。センサー基板１４はリジッド基板である。センサー基板１４の通過部４側には発光部５、受光部６、遮光部１５及び駆動部１６が配置されている。

発光部５は腕１２に照射される照射光を射出する。発光部５は発光体５ａとレンズ体５ｂ等により構成されている。発光体５ａはＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）等の発光素子が樹脂によって封止されたＬＥＤチップである。発光体５ａは、発光素子が封止樹脂によって封止されていないベアチップであってもよい。発光体５ａが射出する光は緑色光である。緑色光は肌の浅い部分で反射するので、細動脈を照射できる。尚、発光体５ａが射出する光は緑色光以外の光であってもよい。

レンズ体５ｂは照射光を腕１２の所定の深さに集光させる。この所定の深さとは細動脈が存在する深さである。レンズ体５ｂの材質は光透過性があれば良く特に限定されず、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ガラス等を用いることができる。

受光部６は照射光が腕１２で反射される反射光を受光する。そして、反射光の受光光量を示す検出信号を受光部６が出力する。この検出信号が脈波信号である。受光部６は、詳しい図示を省略するが、ＰＤ（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）である受光素子が封止樹脂によって封止されたＰＤチップである。受光部６は、受光素子が樹脂によって封止されていないベアチップであってもよい。

第１方向１７からの平面視において受光部６は平面が長方形の板状の直方体である。－Ｘ方向を向く受光部６の側面を第１側面６ｅとする。第１側面６ｅは遮光部１５と対向する。Ｙ方向を向く受光部６の側面を第２側面６ｆとする。Ｘ方向を向く受光部６の側面を第３側面６ｇとする。－Ｙ方向を向く受光部６の側面を第４側面６ｈとする。第１側面６ｅ、第２側面６ｆ、第３側面６ｇ及び第４側面６ｈは受光部６のうち第１方向１７と交差する方向を向く側面に相当する。遮光部１５と対向していない第２側面６ｆ、第３側面６ｇ及び第４側面６ｈはそれぞれ裏蓋３の穴３ｂの側面と対向する。

受光素子はシリコン基板側のｎ型半導体領域と、受光面側のｐ型半導体領域とを有する。ｐ型半導体領域に十分に大きなエネルギーを持つ光が入射されると、光起電力効果によって電流を出力する。受光部６には反射光と略同じ波長の光を通過させて、反射光以外の光を通過させない波長制限フィルターが設けられている。

遮光部１５は発光部５と受光部６との間に配置されている。発光部５から通過部４に向かう方向を第１方向１７とする。第１方向１７はＺ方向と同じ方向である。第１方向１７からの平面視において、遮光部１５は発光部５と受光部６との間に配置されている金属板である。遮光部１５の材質は特に限定されないが本実施形態では、例えば、洋白を用いている。プレス機械により形成されている。遮光部１５の表面には錫めっきが施されているので、センサー基板１４にはんだにて接合し易くなっている。遮光部１５は発光部５から受光部６に向かって進行する照射光を遮蔽する。発光部５から射出された照射光が腕１２を介さずに受光部６に直接入射されてしまうことを遮光部１５が抑制する。他にも、遮光部１５は腕１２で反射した反射光以外の迷光が受光部６に入射することを抑制する。遮光部１５は光の反射を抑制する表面処理を施しても良い。

駆動部１６は発光部５及び受光部６を駆動する回路である。駆動部１６は発光部５に供給する電力を制御する。そして、電力の供給の開始及び停止を制御する。さらに、駆動部１６はＡＦＥ（ＡｎａｌｏｇＦｒｏｎｔＥｎｄ）として機能する。受光部６が出力する電気信号を駆動部１６が増幅する。そして、駆動部１６はフィルターを備え、フィルターは増幅した電気信号に含まれるノイズを除去する。さらに、駆動部１６はＡＤＣ（ＡｎａｌｏｇＤｉｇｔａｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を備えており、ＡＤＣはアナログの電気信号をデジタルデータの電気信号に変換して出力する。

センサー基板１４のケース２側の面には第１コネクター１８が配置されている。センサー基板１４のケース２側にはメイン基板１９が配置されている。メイン基板１９のセンサー基板１４側の面には第２コネクター２１が配置されている。第２コネクター２１と第１コネクター１８とが電気的に接続されている。

メイン基板１９の両面にはＣＰＵ、メモリー、チップ抵抗、チップコンデンサー、アンテナ等の電気素子２２が実装されている。メイン基板１９にはセンサー基板１４から反射光の受光光量を示す検出信号が入力される。そして、メイン基板１９は脈拍数を演算する。そして、メイン基板１９は脈拍数のデータを無線通信にて送信する。

メイン基板１９のケース２側には２次電池２３が配置されている。２次電池２３は外部コネクター１３から供給される電力を蓄電する。そして、センサー基板１４及びメイン基板１９に電力を供給する。２次電池２３にはリチウム電池が用いられている。

通過部４は光透過性を有する。従って、発光部５が射出する照射光は通過部４を通過する。そして、腕１２にて反射する反射光も通過部４を通過する。通過部４の第１方向１７側の部分を外面部４ａとする。外面部４ａは腕１２と接触する。また、裏蓋３が腕１２と接触する面を接触面３ａとする。外面部４ａは接触面３ａより第１方向１７に突出する凸面である。

通過部４において外面部４ａとは表裏の関係にある部分を内面としての内面部４ｂとする。第１方向１７と直交する方向の１つを第２方向２５とする。第２方向２５は発光部５から受光部６に向かう方向とする。第２方向２５はＸ方向と同じ方向である。第２方向２５から見た断面視において内面部４ｂは凹面になっている。

外面部４ａはドーム状をなした球面である。通過部４の断面では円弧であり、内面部４ｂは外面部４ａより一回り小さな同心円の円弧形状となっており、肉厚は均一となっている。通過部４の内面部４ｂ側が空間となっているため、遮光部１５を外面部４ａの近くまで配置できる。

発光部５及び受光部６は裏蓋３の穴３ｂに収納されている。発光部５の一部は接触面３ａより第１方向１７に突出している。通過部４の内面部４ｂ側が空間となっているため、発光部５を外面部４ａの近くまで配置できる。発光部５と腕１２との間の距離が短いため、腕１２は強い照射光を受けることができる。

図６及び図７は光の進路を説明するための要部模式側断面図である。図６は図３のＢ－Ｂ線に沿う断面側から見た図である。図７は図３のＡ－Ａ線に沿う断面側から見た図である。図６及び図７に示すように、第１方向１７からの平面視における発光部５の中心５ｄを通る中心線を発光部中心線５ｃとする。発光部５の中心５ｄは第１方向１７からの平面視における図形の重心である。第１方向１７からの平面視において、受光部６の中心６ｄを通る中心線を受光部中心線６ｃとする。受光部６の中心６ｄは第１方向１７からの平面視における図形の重心である。さらに、第１方向１７からの平面視において、外面部４ａの頂点４ｇを通り第１方向１７に延びる線を頂点指示線４ｆとする。外面部４ａの頂点４ｇは外面部４ａのうち最も第１方向１７に突出する点を示す。

発光部中心線５ｃと頂点指示線４ｆとの間の距離を第１距離２６とする。受光部中心線６ｃと頂点指示線４ｆとの間の距離を第２距離２７とする。このとき、第１距離２６と第２距離２７とは同じ距離になっている。

外面部４ａの頂点４ｇは腕１２を強く加圧する。加圧された場所では血管の脈動の変化が大きくなる。従って、腕１２の頂点指示線４ｆ上の部分で血管の脈動の変化が大きくなる。発光部５の発光部中心線５ｃと受光部６の受光部中心線６ｃの中間を通る第１方向１７の線を中間線２８とする。中間線２８は頂点指示線４ｆと重なる。中間線２８及び頂点指示線４ｆの第１方向１７における腕１２の内部を被測定部２９とする。

発光部５が射出する照射光３１が腕１２の内部に進行する。そして、腕１２の内部で反射した反射光３２の一部が受光部６に向かって進行する。発光部５から被測定部２９までの距離と被測定部２９から受光部６までの距離を加算した距離を第１距離とする。第１方向１７から見た平面視で、被測定部２９以外の任意の部分を参照部とする。そして、発光部５から参照部までの距離と参照部から受光部６までの距離を加算した距離を第２距離とする。このとき、第１距離は第２距離より短い。発光部５から受光部６の間で光の進行する距離が短い程、受光部６は強い光を受光する。

従って、被測定部２９は生体情報測定装置１が血管の脈動の変化を感度良く測定できる場所である。外面部４ａの頂点４ｇは被測定部２９を加圧するので、生体情報測定装置１は血管の脈動の変化が大きい場所を感度良く測定できる。そして、運動中等において腕１２の表面に沿って生体情報測定装置１の外面部４ａが移動するときにも、センサー部７は外面部４ａが押圧する被測定部２９の血管の脈動を測定する。つまり、生体情報測定装置１は血管の脈動の変化が大きい場所を感度良く測定する。従って、生体情報測定装置１は血管の脈動を安定して測定できる。

照射光３１の強度変化は脈拍を反映していないので、受光部６が照射光３１を受光してもノイズ成分になる。受光部６が照射光３１を受光しないときの方が脈拍の検出精度が良くなる。照射光３１の一部は腕１２を通過せずに受光部６に向かって進行する。遮光部１５は発光部５と受光部６との間に配置されている。受光部６に向かって進行する照射光３１を遮光部１５が遮る。遮光部１５は照射光３１が受光部６に受光されることを抑制する。

受光部６が受光する反射光３２の強度が強い方が弱いときより脈拍の検出精度が高い。発光部５と被測定部２９との距離が短い程、被測定部２９に強い強度の照射光３１が照射される。受光部６と被測定部２９との距離が短い程、強い強度の反射光３２が受光部６に受光される。

発光部５、被測定部２９、受光部６を頂点とする三角形において、発光部５と被測定部２９との間の距離が照射光３１の進行距離である。受光部６と被測定部２９との間の距離が反射光３２の進行距離である。発光部５と受光部６との間の距離が短いときは長い時に比べて第１距離を短くできる。照射光３１及び反射光３２は収束性がないので第１距離が短い程、受光部６は強い強度の反射光３２を受光する。

遮光部１５は金属板なので薄くしても剛性を有し、確実に光を遮ることができる。従って、発光部５と受光部６との間の距離を短くできるので生体情報測定装置１は精度良く脈拍を検出できる。

受光部６のうち第１方向１７と交差する方向を向く側面において遮光部１５と対向していない第２側面６ｆ、第３側面６ｇ及び第４側面６ｈは裏蓋３と対向する。通過部４は曲面を有する板状である。照射光３１の一部は通過部４の内部で内部反射をする。通過部４の内部で内部反射する光は迷光である。迷光の一部は受光部６に向かって進行する。裏蓋３は不透明であり、受光部６に向かって進行する迷光の一部を裏蓋３が遮ることができる。

図６におけるＹ方向の通過部４の内部から受光部６に向かって進行する迷光は裏蓋３を照射するので、受光部６に到達しない。－Ｙ方向の通過部４の内部から受光部６に向かって進行する迷光も裏蓋３を照射するので、受光部６に到達しない。図７におけるＸ方向の通過部４の内部から受光部６に向かって進行する迷光は裏蓋３を照射するので、受光部６に到達しない。

図６及び図７に示すように、他にも、裏蓋３は被測定部２９から離れた場所から受光部６に向かって進行する反射光３２を遮ることができる。受光部６はノイズ成分になる迷光の受光を抑制できるので生体情報測定装置１は精度良く脈拍を検出できる。

図６に示すように、通過部４は遮光部１５を向く内面部４ｂが凹んでいる。遮光部１５は通過部４を向く側が内面部４ｂに沿って突出している。例えば、通過部４を向く側の遮光部１５が平のときや凹んでいるときに比べて、通過部４と遮光部１５との間の隙間を狭くできる。従って、通過部４で反射し通過部４と遮光部１５との間の隙間を通過する迷光を受光部６が受光することを抑制できる。

図６及び図７に示すように、第１方向１７からの平面視において、受光部６の第２側面６ｆ、第３側面６ｇ及び第４側面６ｈと裏蓋３とが離れている。受光部６の第２側面６ｆ、第３側面６ｇ及び第４側面６ｈと裏蓋３との間に隙間があるので、受光部６と裏蓋３とを容易に組み立てることができる。

図８は受光部の構造を示す模式側断面図である。図８に示すように、受光部６はシリコン基板３３を備えている。シリコン基板３３はＰ型基板である。シリコン基板３３の内部には第１方向１７側にＮ型拡散層３４とＰ型拡散層３５とが平面方向に交互に配置されている。そして、Ｎ型拡散層３４とシリコン基板３３との間のｐｎ接合によりフォトダイオード３６が形成される。さらに、Ｎ型拡散層３４とＰ型拡散層３５との間のｐｎ接合によりフォトダイオードが形成される。Ｎ型拡散層３４がフォトダイオードのカソードになり、Ｐ型拡散層３５及びシリコン基板３３がアノードになる。

シリコン基板３３の第１方向１７側には角度制限フィルター３７が配置されている。角度制限フィルター３７には第２方向２５に遮光物３８が等間隔に配置されている。遮光物３８は第２方向２５が薄い膜である。遮光物３８の材質にはアルミニウムやタングステン等が用いられる。遮光物３８の間には透光物４１が配置されている。透光物４１の材質はフォトダイオード３６が受光する波長の反射光３２を通過できれば良い。本実施形態では、例えば、透光物４１の材質に２酸化シリコンを用いている。

角度制限フィルター３７にはＮ型拡散層３４と電気的に接続する第１配線４２が配置されている。さらに、Ｐ型拡散層３５と電気的に接続する第２配線４３が配置されている。第１配線４２及び第２配線４３において第１方向１７に長い部分にはタングステンが用いられている。第１配線４２及び第２配線４３において第２方向２５に長い部分にはアルミニウムが用いられている。

遮光物３８に到達する反射光３２は光の強さが減衰するので、強い強度の反射光３２がフォトダイオード３６に到達する角度は制限角度４６内に制限される。透光物４１の第１方向１７の長さを第１長さ４４とする。透光物４１の第２方向２５の長さを第２長さ４５とする。そして、反射光３２を制限する制限角度４６はａｒｃｔａｎ（第２長さ４５／第１長さ４４）になる。第１長さ４４及び第２長さ４５を設定することにより制限角度４６が設定される。本実施形態では、例えば、第１長さ４４が５μｍであり、第２長さ４５が３μｍである。このとき、制限角度４６は３１°である。

角度制限フィルター３７の第１方向１７側には保護膜４７が配置されている。保護膜４７の材質には透光物４１と同じ２酸化シリコンが用いられる。

保護膜４７の第１方向１７側にはバンドパスフィルター４８が配置されている。バンドパスフィルター４８は、保護膜４７の上に形成されたロングパスフィルター５１と、ロングパスフィルター５１の上に形成されたショートパスフィルター５２により構成される。ロングパスフィルター５１は長波長側の光を通過して短波長側の光を減衰する機能を持ったフィルターである。ショートパスフィルター５２は短波長側の光を通過して長波長側の光を減衰する機能を持ったフィルターである。本実施形態では、例えば、波長が５００ｎｍ～６００ｎｍの光をバンドパスフィルター４８が通過させている。ロングパスフィルター５１とショートパスフィルター５２は薄膜が積層された薄膜フィルターである。尚、ロングパスフィルター５１とショートパスフィルター５２の第１方向１７の位置は入れ替わってもよい。

受光部６の概略の製造方法を説明する。まずフォトダイオード３６を形成する。フォトダイオード３６はＰ型基板であるシリコン基板３３上にＮ型拡散層３４及びＰ型拡散層３５を形成する。Ｎ型拡散層３４はシリコン基板３３の所定のパターンにリンやヒ素等のＶ族の元素を注入して形成される。Ｐ型拡散層３５はシリコン基板３３の所定のパターンにボロン等のＩＩＩ族の元素が注入されて形成される。

次に、角度制限フィルター３７を形成する。まず、ステップ１にて２酸化シリコンの膜をスパッタリング法にて成膜する。次に、ステップ２にてフォトリソグラフィ法及びエッチング法を用いて穴を形成する。次に、ステップ３にて、この穴の中及び２酸化シリコンの膜上に、スパッタリング法を用いてアルミニウムまたはタングステンの金属膜を配置する。そして、ステップ４にてＣＭＰ（ｃｈｅｍｉｃａｌｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）により２酸化シリコンの膜を平坦にする。

以上のステップ１からステップ４を繰り返して遮光物３８及び透光物４１を形成する。第１配線４２及び第２配線４３においてシリコン基板３３の平面方向の配線を形成するときにはステップ３で形成した金属膜をフォトリソグラフィ法及びエッチング法を用いて形成する。そして、ステップ１に移行する。このようにして、角度制限フィルター３７が形成される。角度制限フィルター３７に重ねて保護膜４７を形成する。保護膜４７は２酸化シリコンの膜をスパッタリング法にて成膜する。

次に、保護膜４７に重ねてバンドパスフィルター４８を形成する。そして、保護膜４７に異方性ドライエッチング及びＣＭＰによる研磨を行い傾斜構造体の傾斜面を形成する。次に、チタン酸化膜のスパッタリングと２酸化シリコン膜のスパッタリングとを交互に行い、傾斜面に多層薄膜を形成する。チタン酸化膜は高屈折率の薄膜であり、２酸化シリコン膜は低屈折率の薄膜である。ロングパスフィルター５１及びショートパスフィルター５２の光学特性に合わせてチタン酸化膜の膜厚及び２酸化シリコン膜の膜厚を調整する。以上の工程により受光部６が完成する。

図９は血管の脈動を検出する方法を説明するための模式図である。図９に示すように、腕１２の内部に細動脈の血管５３が配置されている。血管５３の内部には血液５４が流れている。血液５４の拍出により血管５３の膨らみが伝播する。所定の長さの血管５３内の血液５４の体積を血管内容積とする。血管内容積は血管５３において血液５４が流れる領域の断面積と比例する。血管５３が膨らむとき血管内容積が大きくなり、血管５３が縮むとき血管内容積が小さくなる。心臓の動きと同期して血管内容積が変動する。心臓の動きは血管の脈動と連動するので、血管内容積の変動は血管の脈動と連動する。

発光部５から射出された照射光３１の一部は血液５４内のヘモグロビンに吸収される。ヘモグロビンに吸収されない照射光３１の一部が反射光３２として受光部６に受光される。血管内容積が大きくなると、射出される照射光３１に対するヘモグロビンに吸収される照射光３１の比率が大きくなる。血管内容積が大きくなると、受光部６に受光される反射光３２が小さくなる。従って、受光部６が受光する反射光３２の光強度は血管内容積の変動と連動する。

非特許文献１には血管５３に加える圧力と血管内容積の変動の関係の情報が開示されている。それによると、血管５３に対して血圧に近い圧力を印加すると血管内容積の変動が大きくなる。図１０は血管内外圧差と血管内容積の関係を説明するための図である。図１０において、横軸は血管内外圧差を示す。血管内外圧差は“血管内部の平均圧力”から“血管に外側から加えられる圧力”を減算したものである。横軸の図中左側は右側より血管５３に外側から加える圧力が高くなっている。通過部４の外面部４ａが腕１２から離れているとき、血管内外圧差は横軸の図中右側の状態になる。通過部４の外面部４ａが腕１２を押圧するとき、血管内外圧差は横軸の“０”に近い状態になる。血管内外圧差は横軸の“０”の状態は、血管５３内の血圧の平均値と通過部４の外面部４ａが血管５３に加える圧力とが同じ状態である。

縦軸は血管内容積を示し、図中上側は下側より血管内容積が大きくなっている。圧容積曲線５５は血管内外圧差と血管内容積との関係を示す。圧容積曲線５５の変化率は圧容積曲線５５の傾きを示す。圧容積曲線５５の傾きが大きいとき血管内容積の変化率が大きく、圧容積曲線５５の傾きが小さいとき血管内容積の変化率が小さい。血管内外圧差が“０”のとき血管内容積の変化率が大きく、血管内外圧差が“０”から離れるに従い血管内容積の変化率が小さくなっている。

接触面３ａが腕１２と接触し通過部４の外面部４ａが腕１２を押圧するときの血管内外圧差の変動を第１圧力変動５６とする。第１圧力変動５６の幅は拍出により変化する血管内外圧差を示す。第１圧力変動５６は血管内外圧差が“０”の付近で変動する。そして、第１圧力変動５６に対応する血管内容積を第１容積変動５７とする。

接触面３ａが腕１２と離れたときの血管内外圧差の変動を第２圧力変動５８とする。第１圧力変動５６と第２圧力変動５８との変動圧差の幅は同じである。第２圧力変動５８では血管５３が通過部４の外面部４ａに押圧されていないので、第２圧力変動５８は第１圧力変動５６より図中右側になっている。そして、第２圧力変動５８に対応する血管内容積を第２容積変動６１とする。

第１圧力変動５６における圧容積曲線５５の傾きは第２圧力変動５８における圧容積曲線５５の傾きより急になっている。つまり、圧容積曲線５５の変化率が大きくなっている。このため、第１容積変動５７の変動幅は第２容積変動６１の変動幅より大きくなる。

図１１は血管内容積の経時変化を示す図である。図１１の横軸は時間の経過を示し、時間は図中左側から右側へ推移する。縦軸は血管内容積を示し、図中上側は下側より血管内容積が大きくなっている。第１波形６２は第１容積変動５７に対応する波形であり、第２波形６３は第２容積変動６１に対応する波形である。第１波形６２と第２波形６３との波形は相似形である。そして、血管内容積のピークは第１波形６２が第２波形６３より大きくなっている。従って、通過部４の外面部４ａが腕１２を押圧して血管５３に適正が圧力を加えることにより、変化する血管内容積の振幅が大きくなる。このとき、センサー部７は血管５３の脈動を検出し易くなる。

図１２は生体情報測定装置の電気制御ブロック図である。図１２において、生体情報測定装置１は生体情報測定装置１の動作を制御する制御部６４を備えている。そして、制御部６４は各種の演算処理を行う信号処理部６５と、各種情報を記憶する記憶部６６を備えている。信号処理部６５にはセンサー部７及び通信部６７が接続されている。

通信部６７は無線通信を行うための変調回路や復調回路を備えている。そして、通信部６７にはアンテナ６８が接続されている。通信部６７はスマートフォン１１等の端末装置との間で、例えば、ブルートゥース（登録商標）等の近距離無線通信の通信処理を行う。具体的には通信部６７はアンテナ６８からの信号の受信処理やアンテナ６８への信号の送信処理を行う。通信部６７の機能は通信用のプロセッサー或いはＡＳＩＣ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｐｅｃｉｆｉｃｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ）等の論理回路により実現できる。信号処理部６５が演算した脈拍数等の脈拍情報を通信部６７がアンテナ６８からスマートフォン１１へ無線通信する。

操作者はスマートフォン１１を操作して生体情報測定装置１の動作の設定や指示を行う。そして、スマートフォン１１は生体情報測定装置１に指示情報を送信する。通信部６７はスマートフォン１１から指示情報を受信する。従って、生体情報測定装置１への動作指示や生体情報測定装置１が検出した脈波や脈拍数のデータの表示をスマートフォン１１が行う。

記憶部６６は、ＲＡＭ、ＲＯＭ等といった半導体メモリーで構成される。記憶部６６は生体情報測定装置１の動作の制御手順や脈波の演算手順が記述されたプログラムを記憶する。他にも、記憶部６６はセンサー部７が出力する脈波信号のデータを記憶する。他にも、信号処理部６５が動作するためのワークエリアやテンポラリーファイル等として機能する記憶領域やその他各種の記憶領域を備える。

信号処理部６５は、例えば、記憶部６６をワークエリアとして、各種の信号処理や制御処理を行うものである。例えばＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）等のプロセッサー或いはＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）等の論理回路により信号処理部６５が実現される。

信号処理部６５は脈波演算部７１を有する。脈波演算部７１はセンサー部７から脈波信号のデータを入力して脈拍情報の演算処理を行う。脈拍情報は例えば脈拍数等の情報である。具体的には、脈波演算部７１は脈波信号に対してＦＦＴ（ｆａｓｔＦｏｕｒｉｅｒｔｒａｎｓｆｏｒｍ）等の周波数解析処理を行って脈波信号のスペクトルを求める。求めたスペクトルにおいて強度が大きい周波数を６０倍にして脈拍数を算出する。尚、脈拍情報は脈拍数そのものには限定されず、例えば、脈波の周波数や周期等でもよい。他にも、脈拍情報は脈拍数の経時変化のデータを含んでも良い。

（第２の実施形態）
次に、生体情報測定装置の一実施形態について図１３及び図１４を用いて説明する。図１３及び図１４はセンサー部及び裏蓋の構成を示す要部模式側断面図である。図１３は図３のＢ－Ｂ線に沿う断面側から見た図に相当する。図１４は図３のＡ－Ａ線に沿う断面側から見た図に相当する。本実施形態が第１の実施形態と異なるところは、センサー部７と裏蓋３との間の隙間が異なる点にある。尚、第１の実施形態と同じ点については説明を省略する。

すなわち、本実施形態では、図１３及び図１４に示すように、生体情報測定装置７５は裏蓋７６を備えている。裏蓋７６には発光部５及び受光部６のＺ方向側に穴７６ｂが配置されている。穴７６ｂは通過部４に塞がれている。第１方向１７からの平面視において、穴７６ｂでは受光部６の第２側面６ｆ、第３側面６ｇ及び第４側面６ｈと裏蓋７６とが接触している。

受光部６及び裏蓋７６の形状を精度良く形成して受光部６と裏蓋７６とを組み立てる。裏蓋７６は不透明であり、受光部６に向かって進行する迷光の一部を裏蓋７６が遮ることができる。裏蓋７６は受光部６と接触して配置されているので、裏蓋７６は受光部６との間に隙間があるときに比べて、受光部６が迷光を受光することを裏蓋７６が抑制できる。他にも、裏蓋７６は被測定部２９から離れた場所から受光部６に向かって進行する反射光３２を遮ることができる。裏蓋７６は受光部６の第２側面６ｆ、第３側面６ｇ及び第４側面６ｈと接触して配置されているので、裏蓋７６は受光部６の第２側面６ｆ、第３側面６ｇ及び第４側面６ｈとの間に隙間があるときに比べて、受光部６が不要な反射光３２を受光することを裏蓋７６が抑制できる。

（第３の実施形態）
次に、生体情報測定装置の一実施形態について図１５及び図１６を用いて説明する。図１５及び図１６はセンサー部及び裏蓋の構成を示す要部模式側断面図である。図１５は図３のＢ－Ｂ線に沿う断面側から見た図に相当する。図１６は図３のＡ－Ａ線に沿う断面側から見た図に相当する。本実施形態が第１の実施形態と異なるところは、受光部６の第１方向１７では受光部６と裏蓋の一部が重なっている点にある。尚、第１の実施形態と同じ点については説明を省略する。

すなわち、本実施形態では、図１５及び図１６に示すように、生体情報測定装置８０は裏蓋８１を備えている。裏蓋８１には発光部５及び受光部６のＺ方向側に穴８１ｂが配置されている。穴８１ｂは通過部４に塞がれている。第１方向１７からの平面視において、受光部６の腕１２側では受光部６と裏蓋８１の一部とが重なっている。重なっている場所は受光部６の外周側である。

そして、裏蓋８１は不透明であり、受光部６に向かって進行する迷光の一部を裏蓋８１が遮ることができる。受光部６の腕１２側では裏蓋８１の一部が受光部６側に突出している。裏蓋８１の突出した部分に照射される迷光を裏蓋８１が吸収する。従って、受光部６が迷光を受光することを裏蓋８１が抑制できる。他にも、第１方向１７に対して斜めに進行する反射光３２の一部は裏蓋８１に遮光される。他にも、太陽や蛍光灯等から射出される外来光を受光部６が受光することを裏蓋８１が抑制できる。裏蓋８１は被測定部２９から離れた場所から受光部６に向かって進行する反射光３２を遮ることができる。従って、受光部６が不要な反射光３２を受光することを裏蓋８１が抑制できる。

（第４の実施形態）
次に、生体情報測定装置の一実施形態について図１７及び図１８を用いて説明する。図１７は生体情報測定装置の装着状態を説明するための模式図である。図１８は、生体情報測定装置の構成を示す概略斜視図である。本実施形態が第１の実施形態と異なるところは、生体情報測定装置が表示部を備えている点にある。尚、第１の実施形態と同じ点については説明を省略する。

図１７に示すように、生体情報測定装置８５の外観は時計と類似する。生体情報測定装置８５はユーザーの腕１２に装着され、脈波情報等の生体情報を検出する。生体情報測定装置８５はケース８６、第１バンド８７及び第２バンド８８を有する。第１バンド８７及び第２バンド８８はケース８６をユーザーに装着する。尚、生体情報測定装置８５が腕１２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。この例に限定されない。例えば、生体情報測定装置８５は指、上腕、胸等に装着されて生体情報を検出するものであってもよい。また、生体情報測定装置８５の検出対象となる生体情報も、脈波には限定されない。例えば、生体情報測定装置８５は脈波以外の、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８６にはＬＣＤ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤｉｓｐｌａｙ）等の第１表示部８９が設けられている。第１表示部８９には脈拍数や消費カロリーや時間等の各種情報が表示される。生体情報測定装置８５はスマートフォン１１と通信接続され、データのやり取りが行われる。スマートフォン１１はＬＣＤ等の第２表示部１１ａを備える。スマートフォン１１の第２表示部１１ａに、脈拍数や消費カロリー等の各種の情報が表示されきる。尚脈拍数や消費カロリー等の情報の演算処理を生体情報測定装置８５が実行してもよいし、少なくとも一部の演算処理をスマートフォン１１が実行してもよい。

図１８に示すように、第１表示部８９と反対側のケース８６には裏蓋９０が設置されている。裏蓋９０の中央には光が通過可能な通過部９１が配置されている。ケース８６の内部には発光部５、受光部６及び遮光部１５を備えるセンサー部７等が配置されている。裏蓋９０には発光部５及び受光部６と対向する場所に穴９０ｂが配置されている。穴９０ｂは通過部９１に塞がれている。通過部９１が透明であり穴９０ｂを通して発光部５、受光部６及び遮光部１５が見えるので、図１８では発光部５、受光部６及び遮光部１５が実線で示されている。

第１方向１７からの平面視において、遮光部１５は発光部５と受光部６との間に配置されている金属板である。受光部６のうち第１方向１７と交差する方向を向く側面において遮光部１５と対向していない側面は裏蓋９０と対向する。

生体情報測定装置８５においても遮光部１５は金属板なので薄くしても剛性を有し、確実に光を遮ることができる。従って、発光部５と受光部６との間の距離を短くできるので生体情報測定装置８５は精度良く脈拍を検出できる。受光部６に向かって進行する迷光の一部を裏蓋９０が遮ることができる。他にも、裏蓋９０は被測定部２９から離れた場所から受光部６に向かって進行する反射光３２を遮ることができる。

尚、本実施形態は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により種々の変更や改良を加えることも可能である。変形例を以下に述べる。
（変形例１）
前記第１の実施形態では、遮光部１５は通過部４を向く側が突出していた。通過部４の遮光部１５を向く側の内面部４ｂが平面のときには、遮光部１５は通過部４を向く側が平面でもよい。通過部４の遮光部１５を向く側の内面部４ｂが突出するときには、遮光部１５は通過部４を向く側が凹んでもよい。遮光部１５の形状は通過部４の形状に対応する形状にしても良い。

（変形例２）
前記第１の実施形態では、生体情報測定装置１が人体の腕１２に装着された。生体情報測定装置１は腕１２以外に装着されても良い。例えば、生体情報測定装置８５は指、上腕、胸等に装着されて生体情報を検出するものであってもよい。人体以外の動物に生体情報測定装置１が装着されても良い。また、生体情報測定装置１の検出対象となる生体情報も、脈波には限定されない。例えば、生体情報測定装置１は脈波以外の、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。

以下に、実施形態から導きだされる内容を記載する。

生体情報測定装置は、生体に照射される照射光を射出する発光部と、前記照射光が前記生体で反射される反射光を受光する受光部と、前記照射光及び前記反射光が通過する通過部と、前記発光部から前記受光部に向かって進行する前記照射光を遮光する遮光部と、前記通過部を支持する不透明な裏蓋と、を備え、前記発光部から前記通過部に向かう第１方向からの平面視において、前記遮光部は前記発光部と前記受光部との間に配置されている金属板であり、前記受光部のうち前記第１方向と交差する方向を向く側面において前記遮光部と対向していない前記側面は前記裏蓋と対向することを特徴とする。

この構成によれば、生体情報測定装置は発光部及び受光部を備えている。発光部は生体に向けて照射光を射出する。発光部と生体との間には通過部が配置されている。照射光は通過部を通過して生体に向かって進行する。生体に向かって進行する照射光は生体で反射する。生体で反射する反射光の一部は受光部に向かって進行する。受光部と生体との間には通過部が配置されている。反射光は通過部を通過して受光部に向かって進行する。受光部は反射光を受光する。

生体の血管では血液が照射光の一部を吸収する。血管では血液が脈流になっているので反射光は血液の脈流を反映した強度の経時変化を有する。生体情報測定装置は反射光を測定することにより血管の脈動を検出する。照射光は脈拍を反映した強度の経時変化を有していないので受光部が照射光を受光してもノイズ成分になる。受光部が照射光を受光しないときの方が脈拍の検出精度が良くなる。

照射光の一部は受光部に向かって進行する。遮光部は発光部と受光部との間に配置されている。受光部に向かって進行する照射光を遮光部が遮る。遮光部は照射光が受光部に受光されることを抑制する。照射光の一部は通過部の内部で内部反射をする。通過部の内部で内部反射する光を迷光という。迷光の一部は受光部に向かって進行する。遮光部と対向していない受光部の側面と裏蓋とが対向している。そして、裏蓋は不透明であり、受光部に向かって進行する迷光の一部を裏蓋が遮る。受光部はノイズ成分になる迷光の受光を抑制できるので生体情報測定装置は精度良く脈拍を検出できる。

受光部が受光する反射光の強度が強い方が弱いときより脈拍の検出精度が高い。発光部と生体との距離が短い程、生体に強い強度の照射光が照射される。受光部と生体との距離が短い程、強い強度の反射光が受光される。

発光部、生体、受光部を頂点とする三角形において、発光部と生体との間の距離が照射光の進行距離である。受光部と生体との間の距離が反射光の進行距離である。発光部と受光部との間の距離が短いときは長い時に比べて照射光の進行距離と反射光の進行距離との和の距離を短くできる。照射光及び反射光は収束性がないので照射光及び反射光の進行距離が短い程、受光部は強い強度の反射光を受光する。

遮光部は金属板なので薄くしても剛性を有し、確実に光を遮ることができる。従って、発光部と受光部との間の距離を短くできるので生体情報測定装置は精度良く脈拍を検出できる。

この構成によれば、受光部の側面と裏蓋とが離れている。つまり、受光部の側面と裏蓋との間に隙間があるので、受光部と裏蓋とを容易に組み立てることができる。

この構成によれば、受光部の側面と裏蓋とが接触している。受光部及び裏蓋の形状を精度良く形成できるときには受光部と裏蓋とを組み立てられる。裏蓋は受光部と近い場所に配置されているので、受光部が迷光を受光することを裏蓋が抑制できる。

この構成によれば、受光部の生体側では裏蓋の一部が受光部側に突出している。裏蓋の一部に照射される迷光を裏蓋が吸収する。従って、受光部が迷光を受光することを裏蓋が抑制できる。

この構成によれば、遮光部は発光部と受光部との間に配置されている。発光部及び受光部の生体側に通過部が配置されている。従って、遮光部の生体側には通過部が配置されている。通過部は遮光部を向く内面が凹んでいる。遮光部は通過部を向く側が内面に沿って突出している。このとき、通過部を向く側の遮光部が平または凹んでいるときに比べて、通過部と遮光部との間の隙間を狭くできる。従って、通過部で反射し通過部と遮光部との間の隙間を通過する迷光を受光部が受光することを抑制できる。

１，７５，８０，８５…生体情報測定装置、３，７６，８１，９０…裏蓋、４，９１…通過部、５…発光部、６…受光部、６ｅ…側面としての第１側面、６ｆ…側面としての第２側面、６ｇ…側面としての第３側面、６ｈ…側面としての第４側面、１２…生体としての腕、１５…遮光部、１７…第１方向、３１…照射光、３２…反射光。

Claims

生体に照射される照射光を射出する発光部と、
前記照射光が前記生体で反射される反射光を受光する受光部と、
前記照射光及び前記反射光が通過する通過部と、
前記発光部から前記受光部に向かって進行する前記照射光を遮光する遮光部と、
前記通過部を支持する不透明な裏蓋と、を備え、
前記発光部から前記通過部に向かう第１方向からの平面視において、前記遮光部は前記発光部と前記受光部との間に配置されている金属板であり、
前記受光部のうち前記第１方向と交差する方向を向く側面において前記遮光部と対向していない前記側面は前記裏蓋と対向し、
前記第１方向からの平面視において、前記受光部の前記側面と前記裏蓋とが接触していることを特徴とする生体情報測定装置。
生体に照射される照射光を射出する発光部と、
前記照射光が前記生体で反射される反射光を受光する受光部と、
前記照射光及び前記反射光が通過する通過部と、
前記発光部から前記受光部に向かって進行する前記照射光を遮光する遮光部と、
前記通過部を支持する不透明な裏蓋と、を備え、
前記発光部から前記通過部に向かう第１方向からの平面視において、前記遮光部は前記発光部と前記受光部との間に配置されている金属板であり、
前記受光部のうち前記第１方向と交差する方向を向く側面において前記遮光部と対向していない前記側面は前記裏蓋と対向し、
前記第１方向からの平面視において、前記受光部の前記生体側では前記受光部と前記裏蓋の一部とが重なっていることを特徴とする生体情報測定装置。
生体に照射される照射光を射出する発光部と、
前記照射光が前記生体で反射される反射光を受光する受光部と、
前記照射光及び前記反射光が通過する通過部と、
前記発光部から前記受光部に向かって進行する前記照射光を遮光する遮光部と、
前記通過部を支持する不透明な裏蓋と、を備え、
前記発光部から前記通過部に向かう第１方向からの平面視において、前記遮光部は前記発光部と前記受光部との間に配置されている金属板であり、
前記受光部のうち前記第１方向と交差する方向を向く側面において前記遮光部と対向していない前記側面は前記裏蓋と対向し、
前記通過部は前記遮光部を向く内面が凹んでおり、
前記遮光部は前記通過部を向く側が前記内面に沿って突出していることを特徴とする生体情報測定装置。