JPH0233251B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ ［産業上の利用分野］ 本発明は、車上においてドライバ等の心拍を測
定する車上心拍計に関し、特に複数の心拍検出手
段をステアリングホイール上又はその近傍に備え
る車上心拍計に関する。

［従来の技術］ 車上心拍計の従来技術としては、例えば特願昭
59−178588号に開示されたものが知られている。
即ち、この種の車上心拍計においては、ステアリ
ングホイール上に発光手段と受光手段とでなる心
拍検出手段が配置されており、ドライバがステア
リングホイールを握ることによつて、心拍検出手
段の検出面がドライバの指及び／又は手の平と対
向する。人の指又は手の平における光反射率は、
血流量変化、つまり心拍に同期して変化するの
で、それを心拍検出手段によつて検出すれば心拍
信号が得られる。

また、自動車の運転中の心拍測定を可能にする
場合には、ドライバがステアリングホイールのど
の部分を握つても心拍測定ができるように、ステ
アリングホイールの握り部分に沿つて、多数の心
拍検出手段が配置される。この場合、多数の心拍
検出手段を並列に接続して心拍信号を得ようとす
ると、心拍信号の得られない心拍検出手段からの
ノイズの影響により、心拍信号のＳ／Ｎ（信号／
雑音）比が低下して、測定に誤りを生じたり、測
定不可能になる場合がある。

そこで、特願昭59−178588号においては、各々
の心拍検出手段について変調された心拍信号の有
無を予めチエツクし、心拍信号が得られる全ての
心拍検出手段を選択的に測定回路に接続すること
により、測定に利用される信号のＳ／Ｎ比を向上
させている。

また、実開昭59−53008号公報に示された胎児
心拍数測定装置においては、センサ（電極）の位
置決めを不要にするために、多数の電極が互いに
異なる位置に分散して配置されており、最もレベ
ルの大きい信号を出力する電極を自動的に選択し
て心拍測定を行なうことが開示されている。

［発明の構成］ ［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、特願昭59−178588号の技術にお
いても、発光手段から出た光の反射光が受光され
た複数の心拍検出手段が、測定回路の入力端子に
並列に接続されるので、手の比較的心拍信号を得
にくい部分が検出面と対向している心拍検出手段
や、手と検出面との接触圧が弱い心拍検出手段の
ように、比較的心拍信号のレベルが低いものも測
定回路に接続されることになり、測定回路に入力
される心拍信号のＳ／Ｎ比がかなり小さくなる場
合も生じる。信号のＳ／Ｎ比が低いと、測定に誤
りを生じる恐れがある。

また、実開昭59−53008号公報の技術によれば、
選択される信号のＳ／Ｎ比が非常に高いので高精
度の心拍測定が可能である。しかしこれにおいて
は、電極の選択のために比較的長い時間を要す
る。即ち、仮に心拍数が60であると、心拍信号の
１周期が１秒であるので、そのレベルを検出する
のに最悪の場合で２秒程度の時間を要し、電極が
30組の場合には60秒の時間が選択のために必要に
なる。ところが車上心拍計の場合には、心拍検出
器の数が多く、しかも比較的短い周期でセンサと
手の位置関係が変わる可能性があるので、センサ
選択の所要時間をもつと短くしなければ実用化で
きない。

従つて本発明は、車上心拍計において、測定す
る心拍信号のＳ／Ｎ比を改善して測定の誤りを低
減するとともに、測定対象の心拍検出手段の選択
所要時間を短くすることを目的とする。

［発明の構成］ ［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本発明においては、
各々発光手段と受光手段を備え、ステアリングホ
イールもしくはそれを支持する部材上に分散して
配置された、複数の心拍検出手段；前記発光手段
の付勢状態に心拍周期よりも短い周期の周期的な
変動を与える信号発生手段；前記複数の心拍検出
手段が出力する電気信号の１つを選択的に出力す
る、信号選択手段；前記信号選択手段の出力に接
続され、変調された信号から心拍信号を抽出する
復調手段；表示及び音出力の少なくとも一方を行
なう報知手段；及び前記信号選択手段を制御して
心拍検出手段の各々を順次選択し、前記復調手段
の入力に印加される信号の、前記発光手段の付勢
レベルが大きい時の信号レベルと付勢レベルが小
さい時の信号レベルとの差の大小に応じて、一部
の心拍検出手段を使用候補として抽出する第１の
抽出手段；抽出された使用候補の心拍検出手段を
信号選択手段によつて順次に選択し、前記復調手
段の出力に得られる復調された心拍信号のレベル
を互いに比較し、使用候補の心拍検出手段が出力
する信号の中でレベルが最大の信号を出力する心
拍検出手段を抽出する第２の抽出手段；及び第２
の抽出手段によつて抽出された特定の心拍検出手
段を前記信号選択手段によつて選択し、前記復調
手段の出力に得られる復調された心拍信号を監視
し、該信号のレベルの変動周期及びそのばらつき
の少なくとも一方を測定しその結果に応じて前記
報知手段を付勢する測定手段；を含む電子制御手
段；を設ける。

［作用］ 本発明においては、心拍測定に使用される特定
の心拍検出手段の選択は、次のように２段階の処
理によつて実行される。即ち、まず第１の抽出手
段が、全ての心拍検出手段の中から一部の心拍検
出手段を使用候補として抽出し、この使用候補の
中から、第２の抽出手段が、特定の（単一の）心
拍検出手段を抽出する。第１の抽出手段において
は、発光手段の付勢状態の変調によつて変調され
た（心拍）信号を各々の心拍検出手段について順
次に調べ、その中から信号の得られている心拍検
出手段のみを抽出する。また第２の抽出手段にお
いては、復調手段を通つて復調された（心拍）信
号を順次に調べ、その中で信号レベルが最大の信
号を出力する心拍検出手段のみを最終的に抽出
（選択）する。このようにして選択される心拍検
出手段は、Ｓ／Ｎ比が最大の心拍信号を出力する
ので、その心拍信号だけに基づいて心拍測定を実
施すれば、測定の誤りが生じにくい。またＳ／Ｎ
比が最大の心拍検出手段は、検出面が指の中心部
と確実に接触していると考えられるので、運転者
が指を少し動かしたような場合であつても、急激
に心拍信号のＳ／Ｎ比が悪化することはなく、測
定の誤りが生じにくい。

しかも本発明によれば、実際の心拍測定に使用
される特定の心拍検出手段を選択するのに要する
時間は非常に短くすることができる。第１の抽出
手段においては、変調された心拍信号において、
発光手段の付勢レベルが大きい時と小さい時との
レベル差が大きいものを使用候補として抽出する
ので、この処理に要する時間は、信号発生手段の
出力する搬送波信号の周期によつて決定される。
仮に搬送波信号の周期が１ｍsecであれば、１つ
の心拍検出手段に対する処理を２ｍsec程度で処
理できるので、心拍検出手段の総数が仮に30であ
るとしても、60ｍsecで第１の抽出手段は処理を
終了できる。一方、第２の抽出手段は、復調され
た心拍信号を処理するので、心拍信号の周期の２
倍程度の、例えば２秒間が個々の心拍検出手段の
処理のために必要とされる。しかし、第２の抽出
手段の処理対象となる心拍検出手段は、第１の抽
出手段によつて予め選別された使用候補だけであ
るので、長い時間はかからない。例えば、第１の
抽出手段によつて抽出された使用候補の心拍検出
手段が３組であれば、第２の抽出手段の選別処理
に要する時間は６秒間になる。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の、図面を
参照した実施例説明により明らかになろう。

［実施例］ 第１図に、一実施例の車上心拍計を搭載した自
動車のステアリングホイール１を示す。第１図を
参照すると、この例ではステアリングホイール１
の円周上に、互いに所定の間隔において、10個の
心拍検出器SE１〜SE１０が配置してある。ステ
アリングホイール１の中央部のパネル（パツド）
には、心拍数表示用の数字表示器DSP、心拍タ
イミング表示用の発光ダイオードLE１および参
照値未設定表示用の発光ダイオードLE２が備わ
つている。SPはスピーカである。

各々の心拍検出器は、その中央に配置された１
つの赤外発光ダイオードLEDとそれを囲むよう
に配置された４つの赤外用フオトトランジスタ
PTでなつており、これらは全て同一の方向、す
なわちステアリングホイール１の上方に光軸を向
けてある。第２ａ図および第２ｂ図に示すよう
に、ステアリングホイール１は鉄心１ｂとそれを
覆う樹脂材１ａでなつており、各心拍検出器はそ
れらの発光面および受光面を残して樹脂材１ｂの
中に埋め込んである。各心拍検出器からの配線
は、樹脂材１ｂの中を通つて、ステアリングホイ
ール１の中央部のパツドまで達している。

第２ｃ図に、ステアリングホイール１の左側面
から見た、ステアリングホイール近傍の断面を示
す。第２ｃ図を参照する。

サポート３８はサポート４１に固定されてい
る。歯車３９は車輌本体に固定してある。サポー
ト４１は操舵シヤフト４０に固着してあり、ステ
アリングホイール１のスポークはサポート４１に
結合してある。サポート４１は歯車３９および４
２に対して回動自在である。４３は、両端に歯数
の等しい歯車４３ａおよび４３ｂを有する連結部
材であり、サポート４１に回動自在に支持されて
いる。歯車４３ａおよび４３ｂはそれぞれ歯車３
９および４２と噛み合つている。パツド内のプリ
ント基板４４および操作パネル５は、歯車４２に
固着してある。歯車３９と４２の歯数は等しく
い。このような構成であるから、ステアリングホ
イール１の回動操作に伴つて操作パネル５等が回
動することはない。

すなわちこの実施例の場合、ステアリングホイ
ール１を回動すると、サポート４１および操舵シ
ヤフト４０が回動してステアリング操作が行なわ
れるが、歯車４３ａと４３ｂおよび３９と４２は
それぞれ歯数が等しいため、サポート４１の回動
による連結部材４３の円弧状の移動によつて生ず
るサポート４１と歯車３９の相対移動量（角度）、
およびサポート４１と歯車４２の相対移動量は等
しくなり、歯車３９が固定であり歯車４２が歯車
３９に対して回動しないため、結果的にはステア
リングホイール１が回動しても操作パネル５は回
動しない。

ステアリングホイール１のスポークには、互い
に電気的に接続した刷子BA１，BA２ならびに
BB１，BB２が装着されている。刷子BA１及び
BB１は、それぞれ一端をステアリングホイール
上パツド側に設けたスリツプリングSA１及びSB
１に当接しており、刷子BA２及びBB２は、そ
れぞれ一端を車上固定側に設けたスリツプリング
SA２及びSB２に当接している。

従つて、スリツプリングSA１とSA２とは刷子
BA１及びBA２を介して、またスリツプリング
SB１とSB２とは刷子BB１，BB２を介して、
各々、ステアリングホイール１の状態にかかわら
ず、常時電気的に接続されている。

第２ｄ図に、振動センサ６０の縦断面を示す。
第２ｄ図を参照すると、シリンダを構成するケー
シングは、ボルト６７，６８で互いに固定された
２つの部材６１，６２でなつている。このシリン
ダの内空間には、ピストン６３と２つの圧縮コイ
ルスプリング６４，６５が配置されている。ピス
トン６３は、２つの圧縮コイルスプリング６４，
６５によつて挟まれ、動きが規制されている。ピ
ストン６３の一端には細長いロツド６３ａが形成
され、該ロツドの一端は、部材６１の頂部６１ａ
の内空間６１ｂに挿入されている。頂部６１ａの
一端には、透過型光学検出器６６が固着されてい
る。

振動センサ６０に振動が印加されない時、ピス
トン６３は第２ｄ図に示す状態を維持する。この
状態では、検出器６６の光路６６ａが遮断される
ことはない。振動センサ６０に、第２ｄ図の上下
方向の振動が印加されると、その振動に従つて、
ピストン６３がシリンダ内を振動する。振動の振
幅が所定以上のなると、ロツド６３ａの一端が、
検出器の光路６６ａまで達してそれを遮断する。
従つて、所定以上の振幅の振動の有無が、検出器
６６によつて検出される。

この実施例では、振動センサ６０は、ステアリ
ングホイールと同様な振動が印加されるステアリ
ングコラム部のカバーの内部に配置されている。
また、自動車の上下方向の振動を検知するため、
この振動センサの向きは、第２ｄ図に示す状態と
同一になつている。

次にステアリングセンサ７０を説明する。操舵
シヤフト４０の一部を第２ｅ図に示し、第２ｅ図
のｆ−ｆ線断面を第２ｆ図に示す。第２ｅ図
及び第２ｆ図を参照する。操舵シヤフト４０の外
周に、デイスク７３及び固定リング７５，７６が
装着されている。固定リング７５，７６は各々ボ
ルトによつて操舵シヤフト４０に固定され、デイ
スク７３は、２つの固定リング７５，７６によつ
て挟まれ、操舵シヤフト４０に固定されている。
デイスク７３上には、多数のスリツト７３ａが環
状に配列されている。操舵シヤフト４０を覆う筒
形状のカバー７１に、透過型光学センサ７２がボ
ルト７４ａ，７４ｂ，７４ｃによつて固定されて
いる。該センサの検出部７２ａは、前記デイスク
のスリツト７３ａが形成された部分を挟むように
配置されている。

従つて、操舵シヤフト４０を回動すると、デイ
スク７３が回動し、前記光学センサ７２の光路を
断続的に遮断する。このため、センサ７２の出力
端子には、ステアリングホイールの回動速度に応
じた周期のパルス信号が得られる。

第３ａ図および第３ｂ図に、第１図のステアリ
ングホイール１の中央のパツド内に大部分が備わ
つた車上心拍計の電気回路を示す。第３ｂ図を参
照すると、心拍検出器SE１〜SE１０の発光ダイ
オードは、互いに並列に接続されて、発振回路
OSC１の出力端子に接続されている。発振回路
OSC１は、この例では1KHzの定周期の方形波信
号を出力する。つまり、心拍検出器の各発光ダイ
オードLEDは、1KHzの周期で、点灯と消灯を繰
り返す。デユーテイは50％である。

各々の心拍検出器のフオトトランジスタPTは、
互いに並列に接続され、一端は電源に接続され、
他端がアナログスイツチAS１およびAS２の入力
端子に接続されている。アナログスイツチAS１
およびAS２は、10個のアナログスイツチ素子で
構成され、出力端子は互いに共通に接続されてい
る。各々の入力端子に、各心拍検出器の出力端子
が接続されている。アナログスイツチAS１およ
びAS２の導通制御端子（各々10本）には、それ
ぞれ、マイクロコンピユータCPUから出力され
る制御信号SG１およびSG２が印加される。アナ
ログスイツチAS１の出力端子SG３は信号処理回
路１１０を介してアナログスイツチAS３の入力
端子に接続され、アナログスイツチAS２の出力
端子SG４はアナログスイツチAS４の入力端子に
接続されている。アナログスイツチAS３の出力
端子とアナログスイツチAS４の出力端子は、共
通に接続され、アナログ／デジタル変換器ADC
のアナログ入力端子に接続されている。アナロ
グ／デジタル変換器ADCの出力端子及び各制御
端子は、マイクロコンピユータCPUと接続され
ている。

ここで、心拍検出の原理を簡単に説明する。例
えば人の指がいずれかの心拍検出器に対向した状
態で位置決めされていると、その部分（指）の光
反射率は血液流量の大小すなわち心拍に応じて変
動する。従つて、その部分に所定強度の光を当て
てそこからの反射光を受光し、その受光レベルを
判定すれば、心拍信号が得られる。この例では、
発光ダイオードLEDが1KHzの周期で点灯と消灯
を繰り返すので、心拍検出器の出力端子には、心
拍信号によつて振幅変調された1KHzの電気信号
が得られる。

第３ａ図に示す信号処理回路１１０は、その変
調された信号から元の心拍信号を復調する復調器
を含んでおり、この復調器はローパスフイルタで
構成されている。信号処理回路１１０の具体的な
構成及び動作は、後で説明する。

信号処理回路１１０の出力端子には、バツフア
BF１を介して発光ダイオードLE１が接続されて
いる。従つて、発光ダイオードLE１は、心拍信
号に応じて点滅する。

アナログスイツチAS３をオンしてAS４をオフ
する場合には、アナログ／デジタル変換器ADC
に心拍信号が印加され、アナログスイツチAS３
をオフしてAS４をオンする場合には、ADCに変
調された心拍信号が印加される。

マイクロコンピユータCPUの電源ラインには、
逆流防止用のダイオードを介して、バツテリー
BTが接続されている。このバツテリーBTは、
マイクロコンピユータCPUの主電源がオフした
場合に、CPU内のメモリの内容を保持しうる程
度の電力をCPUに供給する。従つて、マイクロ
コンピユータCPUの内部メモリ（RAM）は不揮
発性メモリとして動作する。

マイクロコンピユータCPUの割込み入力ポー
トNMI（マスクできない割込み）にはノアゲート
OR１の出力端子が接続されている。このゲート
OR１は、一方の入力端子がCPUの出力ポートＰ
２と接続され、他方の入力端子が、スリツプリン
グSA１、刷子BA１，BA２及びスリツプリング
SA２を介して、信号処理回路１２０の出力端子
と接続されている。信号信理回路１２０の入力端
子には、振動センサ６０及びステアリングセンサ
７０が接続されている。

マイクロコンピユータCPUの他のポートには、
音声合成装置VSU、バツフアBF２、ラツチLA
１，LA２およびLA３が接続されている。音声合
成装置VSUの出力にはスピーカSPが接続され、
バツフアBF２の出力には発光ダイオードLE２が
接続され、ラツチLA１，LA２およびLA３の出
力端子にはそれぞれデコーダDE１，DE２および
DE３が接続されている。デコーダDE１，DE２
およびDE３は、具体的にいうと７セグメント表
示器用のデコーダドライバであり、これらの出力
端子に数字表示器DSPが接続されている。

信号処理回路１２０の構成を第３ｃ図に示す。
第３ｃ図を参照する。振動センサ６０の透過型光
学センサ６６及びステアリングセンサ７０の透過
型光学センサ７２は、各々、発光ダイオードとフ
オトトランジスタで構成されている。振動センサ
６０が出力する電気信号は、ノアゲート８４の一
方の入力端子に印加され、ステアリングセンサ７
０が出力する電気信号は、Ｆ／Ｖ（周波数／電圧）
変換器８１、インバータ（シユミツトトリガ付）
８２及び８３を介して、ノアゲート８４の他方の
入力端子に印加される。ノアゲート８４の出力端
子が、スリツプリングSA２と接続される。

第３ａ図に示す信号処理回路１１０の具体的な
回路構成を第３ｄ図に示す。第３ｄ図を参照する
と、この信号処理回路１１０には、各々演算増幅
器を中心として構成され互いに直列に接続された
７つの増幅回路が備わつている。演算増幅器OP
１，OP３，OP４，OP５及びOP６を含む各回路
は、ローパスフイルタとしての機能をも含んでい
る。

信号処理回路１１０の中で、演算増幅器OP６
を中心として構成される増幅回路１１１は特殊な
機能を有している。以下、増幅回路１１１につい
て説明する。増幅回路１１１の入力端子は、演算
増幅器OP６の非反転入力端子（＋）に一端が接
続された抵抗器Ｒ１の他端である。演算増幅器
OP６の反転入力端子（−）とその出力端子との
間には、抵抗器Ｒ２及びコンデンサＣ１が並列に
接続されており、該反転入力端子は、抵抗器Ｒ３
を介して接地されている。抵抗器Ｒ４は、一端が
演算増幅器OP６の出力端子に接続され、他端が
トランジスタTr１のベース端子に接続されてい
る。トランジスタTr１のコレクタ端子は電源ラ
イン（Vcc）に接続され、エミツタ端子は、演算
増幅器OP６の反転入力端子に接続されている。

増幅回路１１１に入力される信号のレベルが低
い場合、トランジスタTr１がオフ（エミツタ電
流が零の状態）になるので、この回路は、低い周
波数の信号（心拍信号）に対しては、増幅度が一
定（１＋R2／R3）の通常の増幅回路として動作
する。ところが、演算増幅器OP６の出力レベル
が所定以上になると、トランジスタTr１がオン
するので、演算増幅器OP６の負帰還ループに抵
抗器Ｒ４とトランジスタTr１の直列回路が接続
される。この場合、簡単にいうと、帰還量が増大
するので、増幅回路１１１の増幅度は小さくな
る。つまり、この回路１１１の増幅度は、入力さ
れる信号のレベルに応じて自動的に変化する。

次に、入力信号のレベルが大きい場合の増幅回
路１１１の増幅度を計算する。なお、周波数の低
い心拍信号に対する増幅度を求めるため、ここで
はコンデンサＣ１の存在を無視して考える。

Vi：回路１１１の入力電圧 Vo：回路１１１の出力電圧 Vr３：Ｒ３の電圧降下 とする場合、演算増幅器OP１の開ループゲイン
を無限大と仮定すれば、Vr3＝Viになる。

また、 Ib：Tr１のベース電流 Ic：Tr１のコレクタ電流 Ie：Tr１のエミツタ電流 hfe：Tr１のエミツタ接地時の電流増幅率 Vbe：Tr１のベース−エミツタ間電圧 とすれば、次式が成立する。

Ie＝Ic＋Ib＝hfe・Ib＋Ib＝（hfe＋１）Ib ＝（hfe＋１）（Vo−Vbe−Vr3）／R4 ≒hfe・（Vo−Vbe−Vr3）／４ ……(1) ここで、Vo≫Vbe、Vr３と仮定すれば、次式
が得られる。

Ie≒hfe・Vo／R4 ……(2) また、抵抗器Ｒ３を流れる電流は、抵抗器Ｒ２
を流れる電流Ir３とIeとの和であるから、次式が
成立する。

Vr3＝R3（Ir3＋Ie） ＝R3（（Vo／（R2＋R3）） ＋hfe・Vo／R4） ＝Vo・R3（（１／（R2＋R3）） ＋hfe／R4） ……(3) また、R2≫R3とすれば次式が成立する。

Vr3≒Vo・R3（（１／R2）＋hfe／R4） ……(4) 従つて、増幅度Ｇは、次式で表わされる。

Ｇ＝Vo／Vi ＝Vo／Vr3 ＝１／（（R3／R2）＋hfe・R3／R4） ＝（R2／R3）（１／（１ ＋hfe・R2／R4）） ≒Go／（１＋hfe・R2／R4） ……(5) 但し、GoはTr１がオフの場合の増幅度 前記第(5)式より、増幅回路１１１の増幅度は、
トランジスタTr１がオンすることにより小さく
なることが分かる。また、一般にトランジスタ
は、コレクタ電流の増大に伴なつて電流増幅率
hfeが大きくなるから、増幅回路１１１に入力さ
れる信号のレベルが大きくなればなるほど、増幅
度Ｇは小さくなる。

第４ｂ図を参照する。増幅回路１１１の入力レ
ベルが比較的小さい場合、Goの増幅度で増幅さ
れた出力レベルVoがしきい値レベルLV１より小
さいので、トランジスタTr１はオフであり、回
路１１１の増幅度はGoになる。

レベルの大きな信号が入力された場合、もし
Goの増幅度でその信号を増幅すると、点線で示
すように信号レベルが飽和レベルLV２を越える
ことがある。この場合、実際の出力レベルは飽和
レベルでクリツプされるので、波形上の点P03C
とP03Dとの間はレベル変化がなくなり、波形の
実際のピーク点P03Bは識別不可能になる。

しかし、増幅回路１１１では、実際は出力レベ
ルVoがしきい値レベルLV１を越えた場合、トラ
ンジスタTr１がオンし増幅度ＧがGoよりも小さ
くなるので、出力レベルVoが飽和レベルLV２ま
で達することはない。従つて、レベルの大きな信
号が入力されると入力信号と出力信号の波形が相
似形ではなくなるが、信号レベルが飽和すること
はないので、出力信号のピーク点P03Aの現われ
るタイミングは、入力信号のピーク点と同一であ
る。つまり、Ｒ波とＲ波との間隔を測定対象とす
る心拍測定においては、各Ｒ波のピーク点
（P01、P02、P03A）のタイミングが正確に検知
できれば正確な測定ができるので、入力信号と出
力信号との波形の変化は問題にならない。

心拍検出器SE１〜SE１０で受光される反射光
のレベルは、各検出器と指との接触状態等に応じ
て変化するので、検出器から出力される心拍信号
のレベルは、その時の測定状況に応じて大きく変
化する可能性がある。しかし、増幅回路１１１に
よつてレベル変化が圧縮されるので、心拍検出器
から出力される信号のレベルが大きく変動する場
合であつても、信号処理回路１１０で信号レベル
の飽和が生じることはなく、正確なピーク点のタ
イミングが検知できる。

ところで、この実施例では心拍検出器から出力
される信号は、1KHzの方形波信号を心拍信号に
よつて振幅変調したものであるが、心拍検出器と
指との接触状態に比較的速い変化が生じると、そ
の変化によつて変調波の振幅が変化する。この場
合、変調波を復調して得られる心拍信号にはノイ
ズが現われる。例えば、第４ａ図に示す波形で
は、Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３及びＷ４が正しいＲ波であ
り、ノイズ波Werrが、２つのＲ波Ｗ３とＷ４と
の間に現われている。所定レベル以上の波のピー
ク点間の時間を心拍周期として測定する場合、Ｒ
波とＲ波との間にノイズ波がない場合には正しい
心拍周期Tokが測定できるが、ノイズ波Werrが
ある場合には、誤つた時間Terrが測定される。

そこで、この実施例においては、心拍検出器と
指との接触状態に速い変化が生じる可能性のある
場合に、心拍測定を禁止するようにしている。具
体的には、自動車に所定レベル以上の振動が発生
した場合、ステアリングホイールが所定以上の速
度で回動した場合、及びステアリングホイール把
持状態に変化があつた場合に、心拍測定を禁止し
ている。自動車の振動は、振動センサ６０で検出
され、ステアリングホイールの回動はステアリン
グセンサ７０及び信号処理回路１２０で検出され
る。ステアリングホイール把持状態は各心拍検出
器を利用して検出し、その変化の有無はソフトウ
エア処理によつて検出する。

振動センサ６０が振動を検出すると、第３ｃ図
に示すセンサ６６の出力端子（エミツタ）が低レ
ベルＬになり、ノアゲート８４の出力端子が低レ
ベルＬになる。この信号はスリツプリングSA２、
刷子BA２，BA１及びスリツプリングSA１を介
してノアゲートOR１に印加され、OR１の出力
端子に接続されたCPUの割込みポートNMIを低
レベルＬにする。

また、ステアリングホイールが回動すると第３
ｃ図に示すセンサ７２の出力端子にパルス信号が
現われる。Ｆ／Ｖ変換器８１の出力レベルはパル
ス信号の周波数に比例して大きくなるので、ステ
アリングホイールの回動速度が所定以上の場合、
インバータ８２の出力端子がＬになり、インバー
タ８３の出力端子がＨになり、ノアゲート８４の
出力端子がＬになる。この信号は、スリツプリン
グSA２、刷子BA２，BA１及びスリツプリング
SA１を介してノアゲートOR１に印加され、OR
１の出力端子に接続されたCPUの割込みポート
NMIを低レベルＬにする。

マイクロコンピユータCPUは、ステアリング
ホイール把持状態に変化があると、出力ポートＰ
２をＨにセツトする。これによつてCPUの割込
みポートNMIが低レベルＬになる。

つまり、いずれかの検出手段によつて心拍検出
器と指との接触状態に速い変化が生じる可能性が
検出されると、いずれの場合もCPUの割込みポ
ートNMIが低レベルＬになる。

次に、第３ａ図に示すマイクロコンピユータ
CPUの処理の内容を説明する。第５ａ図に処理
の概要を示し、第５ｂ図にCPUの内部タイマに
よる割込み要求に対する処理の内容を示し、第５
ｃ図及び第５ｄ図に第５ａ図の“心拍センサチエ
ツク”サブルーチンの内容を示し、第５ｅ図に第
５ａ図の“データ取込み”サブルーチンの内容を
示し、第５ｆ図にCPUの割込みポートNMIから
の割込み要求に対する処理の内容を示す。なお、
CPUの内部タイマによる割込み要求は、この例
では２ｍsecの周期で定期的に発生する。

まず、第５ａ図に示すメインルーチンを説明す
る。電源がオンすると、まずメモリの内容をクリ
アし、Ｉ／Ｏポートを初期化する。更に、内部タ
イマの計数の設定及び該タイマによる割込みの設
定を行なう。次に、“心拍センサチエツク”サブ
ルーチンを実行する。これの内容については後で
詳細に説明するが、簡単にいうと、多数の心拍検
出器の中から、実際に心拍信号が得られる最も測
定に適したものを１つ選択し、それが出力する信
号（SG３を復調したもの）をアナログ／デジタ
ル変換器ADCに印加する。

次に、“データ取込み”サブルーチンを実行す
る。このサブルーチンの内容は、後で詳細に説明
するが、簡単にいうと、心拍信号に含まれる連続
する２つのＲ波のピーク間の時間を測定して得ら
れるデータを取込む処理を行なう。このルーチン
が終了すると、それによつて得られたデータをも
とにして心拍数を計算し、更に分散（ばらつきの
程度）を計算する。

このようにして得られた心拍数及び分散のデー
タが正常時のデータをもとにして予め設定される
各種参照値と比較される。但し、電源オン直後は
参照値が未設定である。これが未設定の時は、フ
ラグFrefが“０”になつている。そこで、Frefが
“０”なら、その直前に測定されたデータをもと
にして各種参照値を計算し、それらを各々の参照
値に割り当てたレジスタにストアしてフラグFref
を“１”にセツトする。

フラグFrefが“１”なら、得られた心拍数及び
分散のデータを参照値と比較して、異常の有無を
チエツクする。異常がなければ、心拍数を表示器
DSPに表示し、異常がある場合には、表示器
DSPの表示を点滅して異常の発生を表示すると
ともに、音声合成装置VSU（第３ａ図参照）を制
御して、スピーカSPから音声によつて警告のメ
ツセージを出力する。

なお、心拍の周期をＳとする場合、分散Ｍは次
式によつて求めることができる。

Ｍ＝S²の平均値−（Ｓの平均値）² 公知のように、人の体調と心拍数及び心拍周期
の分散との間に相関があるので、心拍数及びその
分散の異常の有無を検知することにより、ドライ
バの居眠りや体の不調を検知することができる。

次に、第５ｂ図に示す“タイマ割込み”ルーチ
ンを説明する。このルーチンでは、まず、カウン
タCNTの内容をインクリメント（＋１）する。
また、その結果、カウンタCNTの内容がCNTH
より大きくなつた場合には、データ取込みミスフ
ラグFmissを“１”にセツトし、カウンタCNT
の内容を０にクリアし、Ｒ波検出フラグFrwを
“０”にクリアする。CNTHは、心拍周期の上限
値であり、通常の心拍周期の値に比べ非常に大き
な値に設定してある。

カウンタCNTの内容が正常であれば、次に
Ａ／Ｄ変換によつて得られたデータ（心拍信号の
瞬時値電圧）をサンプリングし、それをメモリに
ストアする。また、次のＡ／Ｄ変換を開始する。
そして、新しく取込んだデータをチエツクする。
Ｒ波検出フラグFrwが“０”の場合には、Ｒ波を
検出したかどうかをチエツクする。まず、新しく
取込んだデータと前回取込んだデータとの差、即
ち心拍信号レベルの微分値が所定以上かどうかを
チエツクし、その結果を記憶する。この微分値が
所定以上の状態が所定回数連続する場合には、Ｒ
波の立ち上がりを検出したものと見なし、フラグ
Frwを“１”にセツトする。

Ｒ波検出フラグFrwが“１”の場合、即ちＲ波
を検出中の場合には、波形のピーク点を検出した
かどうかをチエツクする。この例では、信号のレ
ベル変化、即ちサンプリングしたデータの微分値
が０又はそれ以下であることが２回連続する場合
に、ピークを検出したものと見なす。

ピークを検出した場合には、まずＲ波検出フラ
グFrwを“０”にリセツトする。次に、カウンタ
CNTの内容を心拍周期の下限値CNTLと比較す
る。CNT＞CNTLなら、正常であるから、ピー
ク検出フラグFpeakを“１”にセツトし、メモリ
McnにカウンタCNTの内容、即ち心拍周期をス
トアする。CNTの内容が異常に小さいと、カウ
ンタCNTの内容を０にクリアして、Ｒ波検出フ
ラグFrwを“０”にリセツトする。

次に、第５ｃ図及び第５ｄ図に示す“心拍セン
サチエツク”サブルーチンを説明する。このルー
チンでは、まずレジスタＮに１をセツトし、該レ
ジスタの内容に対応する心拍検出器を選択するよ
うに、各種アナログスイツチを制御する。但し、
ここでADCに印加する信号は、変調された心拍
信号（SG４側）である。

次に、入力ポートＰ１の状態を読み取つて発振
回路OSC１の状態、即ち心拍検出器の発光ダイ
オードLEDが発光状態かどうかをチエツクする。
それが発光状態になるのを待ち、発光状態になつ
たら、変換器ADCの出力データをサンプリング
してその結果をレジスタＡにロードする。次に、
LEDが消灯状態になるのを待ち、消灯状態にな
つたら、変換器ADCの出力データをサンプリン
グしてその結果をレジスタＢにロードする。更
に、LEDが再び発光状態になるのを待ち、発光
状態になつたら、変換器ADCの出力データをサ
ンプリングしてその結果をレジスタＣにロードす
る。

そして、レジスタＡ，Ｂ及びＣにロードされた
データをチエツクする。まず、Ａ−Ｂの値を所定
値ｄ１と比較する。つまり、LEDが発光状態の
時の受光レベルと消灯状態の時の受光レベルとの
差が反射波のレベルに対応しているので、その差
が所定値ｄ１以上であれば、心拍信号有にみなし
てもよい。

但し、ノイズを検出した場合にも、その差が大
きくなる可能性があるので、LEDが発光状態の
時の２回のサンプリングデータの差（Ａ−Ｃの絶
対値）が所定値ｄ２より大きい場合には、心拍信
号無しにみなす。

心拍信号有を検出した場合には、レジスタ
Rsenの第Ｎビツト（このＮはレジスタＮの内容
に対応する）に“１”をセツトする。なおレジス
タRsenは、２つのメモリ（２バイト）で構成さ
れており、初期状態では全ビツトが“０”にクリ
アされる。

次に、レジスタＮの内容をインクリメントし、
その結果がNmax（センサ数：10）より大きくな
るまで上記処理を繰り返す。つまり、全ての心拍
検出器SE１〜SE１０に対して、それぞれ、心拍
信号が得られているかどうかを順次チエツクし、
その検出結果をレジスタRsenに記憶する。

上記チエツクが終了したら、レジスタRsenの
内容をチエツクする。それが０（全ビツトが
“０”）であれば、心拍信号の検出できる心拍検出
器が存在しないので、このサブルーチンの最初に
戻つて、再び上記処理を実行し、心拍信号が得ら
れるまで待つ。

レジスタRsenの内容が０でなければ、レジス
タＡ，Ｂ及びＣの内容をクリアし、レジスタ
Rsenの、レジスタNCの内容で定まるビツトの内
容をチエツクする。レジスタNCの内容は、初期
状態では１である。レジスタRsenの当該ビツト
が“０”の場合には、レジスタNCの内容をイン
クリメントして、レジスタRsenの内容を再びチ
エツクする。Rsenの当該ビツトが“１”になつ
たら、第５ｄ図の処理に進む。

次に、レジスタRsenの内容をレジスタMsenの
内容と比較する。レジスタMsenには、前回の
“心拍センサチエツク”処理においてレジスタ
Rsenにストアされたデータが記憶されている。
従つて、これら２つのレジスタの内容に差があつ
た場合には、このサブルーチンを前回実行した時
から今回実行するまでの間に、実際に心拍信号が
得られる心拍検出器に変化があつたことになる。
この変化は、ドライバのステアリングホイール把
持状態の変化とみなすことができる。ステアリン
グホイール把持状態に変化がある場合、心拍信号
にノイズが現われる可能性が高い。そこで、
Msen＝Rsenでない場合には、レジスタRsenの
内容をMsenにストアした後、心拍測定を禁止す
るため、出力ポートＰ２を高レベルＨにセツトす
る。

Rsen＝Msenなら、次の処理に進む。即ち、実
際に心拍信号が得られる、レジスタNCの内容に
対応する心拍検出器を選択するように、各種アナ
ログスイツチを制御する。但し、ここでADCに
印加する信号は、復調された心拍信号（SG３側）
である。

次に、データ取込みミスフラグFmissをチエツ
クする。Fmissが“１”であると、測定ができな
いので、それが“０”になるまで待つ。但し、カ
ウンタNGCNの内容が上限値NGCNHより大き
くなると、その時選択中の心拍検出器を無視す
る。つまり、レジスタNCの内容をインクリメン
トし、次の心拍検出器を選択する。但し、レジス
タNCの内容が心拍センサの数Nmaxより大きく
なつたら、このチエツクを終了する。

データ取込みミスフラグFmissが“０”なら、
ピーク検出フラグFpeakをチエツクし、それが
“１”になるのを待つ。フラグFpeakが“１”に
なつたら、それを“０”にリセツトし、カウンタ
NGCNを０にクリアする。そして、最新の心拍
信号レベルデータをADCから読み取つてレジス
タＡにロードする。Ａ＞Ｂの場合、レジスタＡの
内容をＢにストアし、レジスタNCの内容をメモ
リMncにストアする。

次に、レジスタNCの内容をインクリメント
し、レジスタRsenのレジスタNCの内容で示され
るビツトの内容をチエツクする。該ビツトが
“０”、即ち、該ビツトに対応する心拍検出器が心
拍信号を出力しない場合には、再びレジスタNC
の内容をインクリメントする。Rsenの当該ビツ
トが“１”なら、心拍検出器の選択をそのビツト
番号に応じて切換え、上記処理を繰り返すことに
よつて、心拍信号レベルのピーク値を他の心拍検
出器のものと比較する。レジスタNCの内容が
Nmaxより大きくなつたら、このチエツクを終了
する。即ち、上記処理（第５ｄ図）によつて、心
拍信号の得られる心拍検出器のうち、最もレベル
の大きい信号の得られる１つの心拍検出器の番号
が、メモリMncに記憶される。

上記処理の結果、メモリMncの内容が０なら、
有効な心拍信号の得られる心拍検出器が存在しな
いので、この“心拍センサチエツク”サブルーチ
ンを最初から再び実行する。Mncの内容が０で
なければ、その内容に対応付けられた心拍検出器
を選択するように、各種アナログスイツチを制御
する。但し、この場合に選択するのは、復調され
た心拍信号（SG３側）である。

次に、第５ｅ図を参照して“データ取込み”サ
ブルーチンを説明する。この処理では、まず、デ
ータ取込みミスフラグFmissをチエツクする。そ
れが“１”なら、それを“０”にリセツトし、前
述の“心拍センサチエツク”サブルーチンを実行
し、連続取込みフラグFcontを“０”にリセツト
し、上記処理を繰り返す。

フラグFmissが“０”なら、次にピーク検出フ
ラグFpeakをチエツクする。Fpeakが“０”な
ら、それが“１”になるまで待つ。Fpeakが
“１”になつたら、それを“０”にリセツトし、
フラグFcontをチエツクする。Fcontが“０”な
ら、それを“１”にセツトし、上記処理を繰り返
し実行する。連続取込みフラグFcontが“１”の
場合、カウンタCNTの内容が有効かどうかチエ
ツクする。即ち、それまでに測定した心拍周期の
平均値をｘとする場合、CNTの内容とｘとの差
の絶対値が0.25xより小さい場合に、そのデータ
を有効とみなし、そうでなければ無効にする。

CNTの内容が有効なデータなら、次に“心拍
センサチエツク“サブルーチンを実行した後、把
持変化フラグFchgをチエツクする。フラグFchg
が“１”なら、それを“０”にリセツトし、上記
処理を繰り返し実行する。フラグFchgが“０”
なら、カウンタCNTの内容（心拍周期）を所定
のメモリにストアし、その値を利用して心拍周期
の平均値ｘを計算してその結果を所定のメモリに
ストアし、カウンタCNTの内容をクリアする。
データ取込みが終了したら、このサブルーチンを
終了してメインルーチンに戻る。

次に、第５ｆ図に示す割込み処理NMIを説明
する。この処理は、マイクロコンピユータCPU
のポートNMIが低レベルＬになつた時に、即ち、
所定以上のレベルの振動が検出された時、ステア
リングホイールが所定以上の速度で回動する時、
及びステアリングホイール把持に変化があつた時
に実行する。

この処理では、まずポートＰ２を低レベルＬに
設定（割込み要求を解除）し、把持変化フラグ
Fchgに“１”をセツトした後、所定時間Ｔだけ
待機し、カウンタCNTの内容を０にクリアし、
各フラグFpeak、Frw及びFcontを“０”にリセ
ツトし、タイマ割込みの設定を行なう。

従つて、心拍測定を行なつている途中で、ポー
トNMIが低レベルＬになると、それまでの測定
結果が無効になり、それから少なくとも所定時間
Ｔの間は、次の心拍測定が開始されない。つま
り、心拍測定は禁止される。

［効果］ 以上のとおり本発明によれば、複数の心拍検出
手段に心拍信号が得られる場合でも、その中で最
もレベルの大きな信号が得られる１つの心拍検出
手段が出力する心拍信号を選択的に利用して心拍
測定を行なうので、心拍信号のＳ／Ｎ比が高く、
信頼性の高い測定結果が得られる。

しかも、実際に使用する心拍検出手段の選択に
際しては、最初に第１の抽出手段が、変調された
心拍信号に基づいて使用候補を抽出し、その使用
候補の中から更に第２の抽出手段が、復調された
心拍信号に基づいて特定の心拍検出手段を抽出す
るので、心拍検出手段の数が非常に多い場合に
は、選択の所要時間が従来の装置と比べて大幅に
短縮される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を実施する車上心拍計を搭載
した自動車のステアリングホイールを示す正面図
である。第２ａ図及び第２ｂ図は、それぞれ、第
１図のａ−ａ線及びｂーｂ線から見た断
面図である。第２ｃ図は、第１図のステアリング
ホイールの左側面からみた断面図である。第２ｄ
図は、振動センサ６０の縦断面図である。第２ｅ
図はステアリングセンサ７０を示す断面図、第２
ｆ図は第２ｅ図のｆ−ｆ線から見た断面図で
ある。第３ａ図、第３ｂ図、第３ｃ図及び第３ｄ
図は、車上心拍計の電気回路を示すブロツク図で
ある。第４ａ図及び第４ｂ図は、それぞれ変調さ
れた心拍信号及び復調された心拍信号を示す波形
図である。第５ａ図、第５ｂ図、第５ｃ図、第５
ｄ図、第５ｅ図及び第５ｆ図は、第３ａ図のマイ
クロコンピユータCPUの動作を示すフローチヤ
ートである。 １：ステアリングホイール、４０：操舵シヤフ
ト、６０：振動センサ、６６，７２：反射型光学
センサ、７０：ステアリングセンサ、７３：デイ
スク、８１：Ｆ／Ｖ変換器、１１０：信号処理回
路（信号処理手段）、１１１：増幅回路（レベル
調整手段）、OP１〜OP７：演算増幅器、SA１，
SA２，SB１，SB２：スリツプリング、BA１，
BA２，BB１，BB２：刷子、SE１〜SE１０：
心拍検出器（心拍検出手段）、LED：発光ダイオ
ード、PT：フオトトランジスタ、CPU：マイク
ロコンピユータ（電子制御手段）、OSC１：発振
回路（変調手段）、AS１〜AS４：アナログスイ
ツチ（選択手段）、DSP：表示器（報知手段）、
ADC：アナログ／デジタル変換器、VSU：音声
合成装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 各々発光手段と受光手段を備え、ステアリン
   グホイールもしくはそれを支持する部材上に分散
   して配置された、複数の心拍検出手段； 前記発光手段の付勢状態に心拍周期よりも短い
   周期の周期的な変動を与える信号発生手段； 前記複数の心拍検出手段が出力する電気信号の
   １つを選択的に出力する、信号選択手段； 前記信号選択手段の出力に接続され、変調され
   た信号から心拍信号を抽出する復調手段； 表示及び音出力の少なくとも一方を行なう報知
   手段；及び 前記信号選択手段を制御して心拍検出手段の
   各々を順次選択し、前記復調手段の入力に印加さ
   れる信号の、前記発光手段の付勢レベルが大きい
   時の信号レベルと付勢レベルが小さい時の信号レ
   ベルとの差の大小に応じて、一部の心拍検出手段
   を使用候補として抽出する第１の抽出手段；抽出
   された使用候補の心拍検出手段を信号選択手段に
   よつて順次に選択し、前記復調手段の出力に得ら
   れる復調された心拍信号のレベルを互いに比較
   し、使用候補の心拍検出手段が出力する信号の中
   でレベルが最大の信号を出力する心拍検出手段を
   抽出する第２の抽出手段；及び第２の抽出手段に
   よつて抽出された特定の心拍検出手段を前記信号
   選択手段によつて選択し、前記復調手段の出力に
   得られる復調された心拍信号を監視し、該信号の
   レベルの変動周期及びそのばらつきの少なくとも
   一方を測定しその結果に応じて前記報知手段を付
   勢する測定手段；を含む電子制御手段； を備える車上心拍計。 ２ 第１の抽出手段は；前記信号選択手段を制御
   して心拍検出手段の各々を順次選択し、前記復調
   手段の入力に印加される信号の、付勢レベルが大
   きい時の信号レベルを、前記信号発生手段の信号
   の少なくとも１周期の時間間隔をおいて少なくと
   も２回測定し、両者の測定結果の差が所定以上の
   場合には、当該心拍検出手段を使用候補から除外
   する、前記特許請求の範囲第１項記載の車上心拍
   計。 ３ 第２の抽出手段は、前記復調手段の出力に得
   られる信号のピーク点のレベルを、使用候補の心
   拍検出手段の間で互いに比較し、該レベルが最大
   の心拍検出手段を前記信号選択手段によつて選択
   し、該信号選択手段の出力に得られる信号を監視
   し、該信号のレベルの変動周期及びそのばらつき
   の少なくとも一方を測定する、前記特許請求の範
   囲第１項記載の車上心拍計。 ４ 前記復調手段はローパスフイルタである、前
   記特許請求の範囲第１項、第２項又は第３項記載
   の車上心拍計。