JPH11197127A

JPH11197127A - 生体信号検出センサ

Info

Publication number: JPH11197127A
Application number: JP10020231A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Sato; 博之佐藤; Satoshi Wakayama; 聡若山; Michiharu Yamada; 道治山田; Manabu Maeda; 学前田; Tetsuya Mizuno; 哲哉水野
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 1998-01-16
Filing date: 1998-01-16
Publication date: 1999-07-27

Abstract

(57)【要約】【課題】被験者等の脈拍等の生体信号を非接触で常に
良好な検出感度で検出する。【解決手段】被験者の後頭部を受けるヘッドレスト２
内に検出ユニット３を設け、検出ユニット３から上記後
頭部に光線を照射し、その後頭部における反射光を検出
して反射光に含まれる生体信号を検出する構成とする。
後頭部は実質的に露出しており、位置も比較的一定して
いるから、着衣等の影響を受けることなく、常に良好な
検出感度が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人間の脈拍等を検
出する生体信号検出センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】人間の脈拍等を検出する生体信号検出セ
ンサは医療現場の他、例えば車両の運転者の居眠り防止
用の警報装置にも用いられ、このような警報装置では、
脈拍等に基づいて運転者が居眠りや健康状態の悪化の兆
候ありと判断されると警報を発している。かかる生体信
号検出センサには、被験者の皮膚面に接触するように電
極を設けたものがよく知られているが、電極を貼る煩わ
しさをなくしたものもある。

【０００３】このような生体信号検出センサとして、車
両のステアリングホイールに発光部と受光部とよりなる
検出手段を組み込んでステアリングホイールを握ってい
る運転者の手の皮膚面に光線を当て、その反射光を検出
するようにしたものが提案されているが、運転者は常に
ステアリングホイールの検出手段が組み込まれた部分を
握っているとは限らない。このため誤検出したり発光部
からの光線で運転者が眩しさを覚えたりするおそれがあ
る。すなわち光等の探信波を生体に照射して反射した探
信波を検出する生体信号検出センサでは検出手段をどこ
へ配設するかが問題となる。

【０００４】実開平６−４２３７３号公報には、シート
ベルトの運転者の胸部位置に集音パッドと、これより集
音された心音を検出するマイクロフォンとを一体にした
車載用心音検出器を設け、走行中に脈拍を検出するよう
にしたものがあり、これを応用して発光部と受光部とよ
りなる検出手段を、シートベルトに配設することが考え
られる。また、生体信号検出センサではないが、特開平
７−２３７４８３号公報には、座席の表皮下に圧電素子
を配設して運転者が着座しているかどうかを検出する人
体検出装置が記載されており、発光部と受光部とよりな
る検出手段を座席の表皮下に配設することが考えられ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし上記実開平６−
４２３７３号公報記載の車載用心音検出器のようにシー
トベルトに設けると運転者は違和感は否めないし、信号
線をシートベルトと一体にする処理が必要となる。その
上、シートベルトは車両を乗降する度に装着と取り外し
とを繰り返すため、検出手段から延びる信号線が劣化し
やすく断線のおそれもある。また上記車載用心音検出器
や上記特開平７−２３７４８３号公報記載の人体検出装
置は、運転者の衣服を通して生体信号を検出することに
なるため、衣服の生地の厚さや座布団の使用によっては
検出感度が不足するおそれがある。このように検出手段
をシートベルトや座席に設けるものでは必ずしも実用的
とはいえない。

【０００６】そこで、本発明は、常に良好な検出感度の
得られる実用的な生体信号検出センサを提供することを
目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、被験者の後頭部を受けるヘッドレスト内に、被験者
の後頭部に探信波を照射する照射手段と、ヘッドレスト
内に設けられ後頭部で反射した探信波を受け検出信号を
出力する検出手段とを設ける。

【０００８】検出部位となる後頭部は実質的に露出して
いるから、後頭部で反射した探信波からは着衣等の影響
を受けることなく良好に生体信号を検出することができ
る。またヘッドレストを有する車両の座席や寝台では、
後頭部は、手等のように頻繁に動いたりすることがなく
位置が比較的一定しているから、誤検出が小さく、常に
良好な検出感度が得られる。しかも照射手段および検出
手段はヘッドレスト内に設けられるから、照射手段およ
び検出手段から引き出される信号線はヘッドレスト内等
を這わせるだけでよく、またヘッドレストの機能を損な
わず、被験者が違和感を覚えるということもない。この
ように本発明の生体信号検出センサは実用的である。

【０００９】請求項２記載の発明では、上記探信波を光
線とし、上記ヘッドレストには、上記後頭部と対向する
位置に、上記照射手段からの光線および後頭部からの反
射光が進行する光学的な開口を形成する。

【００１０】探信波である光線およびその反射光が上記
開口を通る構成とすることで、光が実質的に減衰するこ
となく検出手段に達し、高い検出信号が得られる。また
太陽光等の外来光が検出手段に達するのを抑制すること
ができる。

【００１１】請求項３記載の発明では、上記検出手段
を、上記反射光を集光手段により集光せしめ、受光手段
が、集光された反射光を受け光電変換する構成とする。

【００１２】被験者の生体信号を含む散乱した反射光が
集光手段により集光して受光手段に入射するので、感度
よく生体信号の検出ができる。

【００１３】請求項４記載の発明では、上記検出手段
を、上記集光手段をレンズで構成し、該レンズにその軸
線に沿って孔を形成し、上記照射手段を上記軸線上に設
け、照射手段からの光線を上記孔を通して上記後頭部に
照射する構成とする。

【００１４】集光手段に孔を形成することで照射手段か
らの光が効率よく被験者の後頭部に照射されるので、受
光手段の検出信号を大きくするとともに、照射手段とし
て低出力のものを用いることができる。

【００１５】請求項５記載の発明では、上記受光手段を
上記集光手段の非焦点位置に配設することで、外来光と
して太陽光等の平行光が集光手段を通って受光手段に向
かっても、受光手段への光の集中が回避され、受光手段
の劣化を防止することができる。

【００１６】請求項６記載の発明では、上記集光手段か
ら上記受光手段に到る光路上に、生体信号の検出に必要
な所定の波長域の光を選択的に透過せしめるバンドパス
フィルタを設けることで、上記波長域の光以外の光は遮
断され、外来光による受光手段の劣化を防止することが
できる。

【００１７】請求項７記載の発明では、上記集光手段の
前方に複数の庇を上下方向に並列して設けることで、開
口を通して上方より射し込む外来光を遮断し、受光手段
の劣化を防止することができる。

【００１８】請求項８記載の発明では、上記集光手段の
後方に回折板を設け、上記受光手段が回折板からの回折
光を受光する構成とすることで、所定の波長域以外の、
回折角の異なる光は受光手段から逸れ、受光手段には入
射しない。しかして太陽光等の外来光による受光手段の
劣化を防止することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１に、本発明
の生体信号検出センサを適用した、車両の運転者の居眠
り防止用の警報装置の構成を示す。警報装置は、生体信
号検出センサ（図中、脈拍センサ）１と、居眠り判定回
路６と、警報器７とで構成してある。生体信号検出セン
サ１が運転者の脈拍を検出し、この生体信号検出センサ
１から出力される脈拍信号を入力として居眠り判定回路
６が運転者に居眠りの兆候があるかどうかを判定するよ
うになっている。居眠り判定回路６は、公知の構成のも
ので、脈拍信号をＦＦＴ解析して覚醒度が低いと現れる
ピークの大きさを演算し、ピークの大きさが所定の閾値
を越えると居眠りの兆候ありと判定するようになってい
る。警報器７はブザー等で構成され、居眠り判定回路６
が居眠りの兆候ありと判定すると、通電して警報音を発
するようになっている。

【００２０】図２に本発明の生体信号検出センサを示
す。生体信号検出センサ１は車両の運転席のヘッドレス
ト２に検出ユニット３を内蔵せしめたものである。ヘッ
ドレスト２は、その芯となる略直方体のインサート２１
を衝撃吸収剤２２が囲み、衝撃吸収剤２２に布製のカバ
ー２３をしたものである。そしてインサート２１にはコ
字状のステー２４が埋設され、ステー２４の平行な２本
の脚部２４１は、先端がインサート２１、衝撃吸収剤２
２およびカバー２３から突出している。この脚部２４１
の突出部を、座席の背もたれの上端部に形成した取り付
け用の孔に挿入することで、背もたれに固定される。

【００２１】インサート２１の内部には、ステー２４の
頭部２４２の内側に本体ユニット３が設けてあり、ネジ
２５によりステー２４に固定されている。

【００２２】ヘッドレスト２には、カバー２３、衝撃吸
収剤２２、インサート２１に同位置に形成された穴によ
り開口２ａが形成されて検出ユニット３の一部が露出し
ており、運転席に着座した運転者の被測定部位である後
頭部と接触することなく対向している（後述する図３参
照）。開口２ａの深さは数ｃｍに設定してあり、運転者
がヘッドレスト２に頭部をあずけても検出ユニット３が
後頭部に当たらないようになっている。

【００２３】図３は、運転者８と生体信号検出センサ１
とを示すもので、生体信号検出センサ１は検出ユニット
３のみ図示してある。検出ユニット３は開口２ａ（図
２）を通して運転者８の後頭部８ａに光を照射し後頭部
８ａからの反射光に含まれる脈拍信号を取り出すように
なっている（図中、光の経路の一例を破線で示す）。検
出ユニット３は矩形のケース３１を有し、ケース３１
の、運転者８の後頭部８ａと対向する側壁３１１には穴
３１ａが形成され、穴３１ａには、これを塞ぐ集光手段
たる凸レンズ５１が嵌設してある。凸レンズ５１にはそ
の軸線Ｃに沿って貫通孔５１ａが形成してある。ケース
３１内には、発光手段たる発光素子４が凸レンズ５１の
軸線Ｃ上で凸レンズ５１と当接する位置に設けてあり、
発光素子４より発せられる光線が凸レンズ５１の孔５１
ａを通って運転者８の後頭部８ａに照射されるようにな
っている。発光素子４は中心波長５２５ｎｍの緑色ＬＥ
Ｄで構成され、Ｌ字フレーム３２によりケース３１に固
定してある。

【００２４】またケース３１の、側壁３１１とは反対側
の側壁３１２側には基板３３が設けてあり、図略のスペ
ーサを介して側壁３１２に固定してある。基板３３上に
は、受光素子５２、発光素子４の駆動回路３４、受光回
路、信号処理回路、これら各回路に給電する電源回路等
の周辺回路３５が形成してある。受光素子５２はフォト
ダイオード等で構成してある。受光素子５２は、凸レン
ズ５１とともに検出手段５を構成する受光手段であり、
発光素子４により運転者８の後頭部８ａに照射されて反
射し凸レンズ５１を介してケース３１内に入射した光を
検出するようになっている。

【００２５】さて走行時には通常、運転者８とヘッドレ
スト２の間隔は１０〜２０ｃｍ程度であるから、このと
き運転者８の後頭部８ａが凸レンズ５１により受光素子
４位置において略結像するように、上記スペーサの長さ
を設定して受光素子５２を実装した基板３３が位置決め
してある。したがって図４に示すように、凸レンズ５１
の焦点位置Ｆは受光素子５２よりも前方となり、受光素
子５２は凸レンズ５１の非焦点位置となる。

【００２６】かくして運転者８の後頭部８ａにおいて散
乱した反射光が凸レンズ５１で集光されて受光素子５２
に入射し、受光素子５２は、フォトダイオードのように
それ自体の検出感度がよくないもので構成しても、反射
光に含まれる脈拍信号を高い検出感度で検出することが
できる。しかも運転者８が降りた後等に、西日や建物の
窓等で反射した太陽光等の平行光が凸レンズ５１を介し
て入射しても、受光素子５２は凸レンズ５１の焦点位置
Ｆにはないから、受光素子５２がこれらの入射光によっ
て特性が劣化することが防止される。

【００２７】警報装置の作動とともに、本発明の生体信
号検出センサの作動を説明する。運転者８が運転席に着
座すると、運転者８の後頭部８ａに光が発光素子４から
発光強度５ｗ程度で照射される。照射光は毛髪により一
部が遮断されるものの、後頭部８ａの皮膚面に達し、そ
のうち一部が血液中の赤血球に吸収され、残りが皮膚組
織で散乱され反射する。すなわちこの反射光強度は赤血
球における赤外線吸収量に依存する。赤外線吸収量は、
血液中の赤血球量が血管の脈動に伴い変化しているた
め、血管の脈動に同期して変化する。しかして反射光強
度から運転者８の脈拍が検出される。

【００２８】この脈拍信号を含む散乱した反射光は、凸
レンズ５１により集光され、受光素子５２に入射し、受
光素子５２で光電変換された検出信号から脈拍信号が取
り出される。

【００２９】この脈拍信号は居眠り判定回路６に出力さ
れ、居眠り判定回路６は運転者８の脈拍のＦＦＴ解析を
実行して、上記ピークの大きさを演算し、ピークの大き
さに基づいて運転者８の居眠りの兆候の有無を判定す
る。居眠り判定回路６は、運転者８に居眠りの兆候あり
と判断すると警報器７に警報指令を発し、警報器７が運
転者８に警報音を発する。

【００３０】さて、運転者８の頭部は走行中に殆ど動く
ことがないから、運転中は常時、受光素子５２に後頭部
８ａから反射光が入射し、運転者８の脈拍を検出するこ
とができる。またヘッドレスト２の開口２ａの前には運
転者８の後頭部８ａがあり、また開口２ａに数ｃｍの深
さがあるので、開口２ａからは外来光はあまり射し込ま
ず、ステアリングホイールに発光素子と受光素子とを組
み込む構造のものに比べるとＳ／Ｎは格段によいし、太
陽光の受光素子５２への熱集中による受光素子５２の特
性劣化が防止されて長寿命である。また本実施形態にお
いては、上記のごとく受光素子５２は凸レンズ５１の非
焦点位置としてあるので、駐車中等に西日等が射し込む
ことがあっても受光素子５２の特性劣化は防止される。

【００３１】しかも光の照射は後頭部８ａに向けて行わ
れるので、運転者８は走行中に照射光が目に入射すると
いうことはなく眩しさを覚えることはない。また検出ユ
ニット３はヘッドレスト２内に内蔵されているので、ヘ
ッドレスト２の機能を損なわず、運転者８はなんら違和
感を覚えることもないし、検出ユニット３から引き出さ
れる信号線や給電線等は座席の内部等を這わせればよい
ので、信号線について特殊な処理は不要であり、また信
号線の劣化等は生じにくい。

【００３２】なおヘッドレスト２の開口２ａは光が進行
する光学的な開口であればよく、例えばヘッドレスト２
のカバー２３、衝撃吸収剤２２、インサート２１に形成
した穴に透明シリコンゴムを嵌めたり、ヘッドレスト２
のカバー２３の穴を透明ビニールシートで塞いだものと
してもよい。これらの場合には塵埃等の侵入を防止する
ことができる。

【００３３】またヘッドレスト２のステー２４は、ヘッ
ドレスト２の高さと傾斜角を調整可能な、公知の構成の
ものでもよい。

【００３４】（第２実施形態）図５に本発明の生体信号
検出センサの第２実施形態を示す。本実施形態になる生
体信号検出センサは、基本的な構成は第１実施形態の構
成と同じものである。図中、図３と同一番号を付した部
分については実質的に同じ作動をするので、第１実施形
態との相違点を中心に説明する。

【００３５】本実施形態では、検出ユニット３Ａを構成
する検出手段５Ａは、受光素子５２の前方にバンドパス
フィルタ５３を設けたもので、バンドパスフィルタ５３
は、赤血球の赤外線吸収特性に合わせて例えば中心波長
が５０８ｎｍのものが用いられている。

【００３６】かくして本実施形態では良好なＳ／Ｎが得
られる。また、受光素子５２への太陽光等の外来光の射
し込みはバンドパスフィルタ５３で完全に遮断され、受
光素子５２の特性劣化がさらに防止され長寿命で使用で
きる。

【００３７】（第３実施形態）図６、図７に本発明の生
体信号検出センサの第３実施形態を示す。本実施形態に
なる生体信号検出センサ１Ｂは、基本的な構成は第１実
施形態の構成と同じものである。図中、図２、図３と同
一番号を付した部分については実質的に同じ作動をする
ので、第１実施形態との相違点を中心に説明する。

【００３８】生体信号検出センサ１Ｂの検出ユニット３
Ｂを構成する検出手段５Ｂは、凸レンズ５１の前方に凸
レンズ５１径と略同径の筒状のフード５４が設けてあ
り、フード５４内には、フード５４を橋渡しする複数の
庇たるルーバ５５が設けてある。複数のルーバ５５は上
下方向に並列に配置され、斜め上方より射し込む外来光
を効果的に遮断するようになっている。

【００３９】かくして良好なＳ／Ｎが得られるととも
に、受光素子５２の特性劣化がさらに防止され長寿命と
なる。

【００４０】（第４実施形態）図８に本発明の生体信号
検出センサの第４実施形態を示す。本実施形態になる生
体信号検出センサは、基本的な構成は第１実施形態の構
成と同じものである。図中、図３と同一番号を付した部
分については実質的に同じ作動をするので、第１実施形
態との相違点を中心に説明する。

【００４１】本実施形態では、検出ユニット３Ｃは受光
素子５２等を実装した基板３３がケース３１の底壁３１
３側に配設してある。検出手段５Ｃは、ケース３１内に
回折板５６が設けてあり、凸レンズ５１から水平に進行
した光が下方へ回折するようになっている。回折板５６
は、凸レンズ５１の軸線Ｃに対して斜めに向けてケース
３１に固定され、回折板５６の傾斜角度は、例えば上記
５０８ｎｍの波長の赤外線が受光素子５２に入射するよ
うに回折する角度としてある。

【００４２】本実施形態では、特定波長域（上記の例で
は５０８ｎｍ付近）の赤外線Ｒ１は受光素子５２に達す
るが、上記特定波長域以外の光Ｒ２は回折角度が異なる
ため受光素子５２から逸れ、受光素子５２には入射しな
い。かくして良好なＳ／Ｎが得られるとともに、受光素
子５２の特性劣化がさらに防止され長寿命となる。

【００４３】なお第３実施形態、第４実施形態の特徴部
分は第２実施形態の構成に付加することができる。

【００４４】なお上記各実施形態は、凸レンズにより集
光する構成としたが、凹面鏡やホログラムで構成しても
よい。なお受光素子に検出感度の高いものを用いること
ができれば、凸レンズ等の集光手段は省略し、運転者の
後頭部からの反射光がピンホール等の入射瞳を通って受
光素子に入射する構成とすることもできる。また生体信
号を検出するための探信波として光線を用いているが、
必ずしも光に限定されるものではなく、マイクロ波等の
他の電磁波や超音波等を用いることもできる。

【００４５】また上記各実施形態は、車両の運転者の居
眠り防止用の警報装置に適用したが、脈拍から運転者の
健康状態を判断し、健康状態が低下していると判断する
と警報で休憩や運転の交代を促す警報装置に適用するこ
ともできる。また生体信号の有無で、運転者が着座して
いるかどうかを判定する人体検知装置にも適用すること
ができる。

【００４６】また車両の運転席だけではなく、病院や自
宅で療養中の患者の寝台にも適用することができ、患者
が違和感を覚えることなく常に患者の脈拍等について良
好な検出感度が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の生体信号検出センサを適用した警報装
置の構成図である。

【図２】（Ａ）は本発明の生体信号検出センサの一部断
面正面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＩＩＢ−ＩＩＢ線に
沿う断面図である。

【図３】本発明の第１の生体信号検出センサの要部を示
す図である。

【図４】本発明の第１の生体信号検出センサの要部を示
す別の図である。

【図５】本発明の第２の生体信号検出センサの要部を示
す図である。

【図６】（Ａ）は本発明の第３の生体信号検出センサの
一部断面正面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＶＩＢ−ＶＩ
Ｂ線に沿う断面図である。

【図７】本発明の第３の生体信号検出センサの要部を示
す図である。

【図８】本発明の第４の生体信号検出センサの要部を示
す図である。

【符号の説明】

１，１Ｂ生体信号検出センサ２ヘッドレスト２ａ開口３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ検出ユニット４発光素子（照射手段）５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ検出手段５１凸レンズ（集光手段）５１ａ貫通孔（孔）５２受光素子（受光手段）５３バンドパスフィルタ５５ルーバ（庇）５６回折板６居眠り判定回路７警報器８運転者（被験者）８ａ後頭部

フロントページの続き (72)発明者山田道治愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者前田学愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者水野哲哉愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被験者の後頭部を受けるヘッドレスト
と、ヘッドレスト内に設けられ被験者の後頭部に探信波
を照射する照射手段と、ヘッドレスト内に設けられ後頭
部で反射した探信波を受け検出信号を出力する検出手段
とを具備することを特徴とする生体信号検出センサ。
【請求項２】請求項１記載の生体信号検出センサにお
いて、上記探信波を光線とし、上記ヘッドレストには、
上記後頭部と対向する位置に、上記照射手段からの光線
および後頭部からの反射光が進行する光学的な開口を形
成した生体信号検出センサ。
【請求項３】請求項１または２いずれか記載の生体信
号検出センサにおいて、上記検出手段を、上記反射光を
集光する集光手段と、集光手段により集光された反射光
を受け光電変換する受光手段とを具備する構成とした生
体信号検出センサ。
【請求項４】請求項３記載の生体信号検出センサにお
いて、上記検出手段を、上記集光手段をレンズで構成
し、該レンズにその軸線に沿って孔を形成し、上記照射
手段を上記軸線上に設け、照射手段からの光線を上記孔
を通して上記後頭部に照射する構成とした生体信号検出
センサ。
【請求項５】請求項３または４いずれか記載の生体信
号検出センサにおいて、上記受光手段を上記集光手段の
非焦点位置に配設した生体信号検出センサ。
【請求項６】請求項３ないし５いずれか記載の生体信
号検出センサにおいて、上記集光手段から上記受光手段
に到る光路上に所定の波長域の光を選択的に透過せしめ
るバンドパスフィルタを設けた生体信号検出センサ。
【請求項７】請求項３ないし６いずれか記載の生体信
号検出センサにおいて、上記検出手段には、上記集光手
段の前方に複数の庇を上下方向に並列して設けた生体信
号検出センサ。
【請求項８】請求項３ないし７いずれか記載の生体信
号検出センサにおいて、上記集光手段の後方に回折板を
設け、上記受光手段が回折板からの回折光を受光する構
成とした生体信号検出センサ。