JPWO2016103648A1 - センサ、センサ装置およびセンサシステム - Google Patents

センサ、センサ装置およびセンサシステム Download PDF

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Abstract

センサ１００は、発光素子Ｌと、発光素子Ｌから発光された光を受光する受光素子Ｐと、発光素子Ｌおよび受光素子Ｐが実装される回路基板３０と、を備え、発光素子Ｌの発光面は、回路基板３０に対向して実装され、回路基板３０は、発光素子Ｌが発光する光を透過する透光部３２を有する。

Description

関連出願へのクロスリファレンス
本出願は、２０１４年１２月２５日に出願された日本国特許出願第２０１４−２６２８９３号に基づく優先権を主張するものであり、この先の出願の開示全体を、ここに参照のために取り込む。
本発明は、例えば健康管理などを目的として脈波を計測するセンサ、このようなセンサを用いたセンサ装置、および、このようなセンサ装置を含むセンサシステムに関するものである。
人間の様々な状態を表す心拍は、健康管理、健康増進、睡眠状態の把握、医療目的などの様々な分野で有用な指標として使用されている。心拍の計測は、主に、心臓を挟む２点間の電極と基準電極とから得られる心電図測定と、心拍に同期している血管の血流に起因する脈波測定との２通りが提案されている。このうち、心電図による手法は、日常生活での利用が困難である。
一方、脈波測定による手法は、主に反射型と透過型とがあり、いずれも血液内物質の光の吸収特性と体内のその他の部分の光の吸収特性との違いを利用したものである。例えば、反射型の脈波測定方法として、特許文献１に記載のような方法が提案されている。この方法は、生体表面に発光素子と受光素子とを並列に配置し、発光素子から生体内部に光を照射して、血管を通過してくる反射光を、受光素子で検出する。
特開２００２−３６０５３０号公報
上述のような脈波測定方法は、心電図と比較して簡便に計測可能であるという利点を有する。その一方、計測箇所が手足等の人の活動により動く部分であるため、被検者である人の動きに起因して正確な測定を安定して行うことが困難であるという課題も有する。例えば、人の動きに起因して、受光素子および発光素子を含むセンサ自体が位置ズレを生じたり、体内における血管の位置が変化したりすることが考えられる。
かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、安定して正確な脈波の測定が可能なセンサ、それを用いたセンサ装置、および、センサ装置を含むセンサシステムを提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明に係るセンサは、
発光素子と、
前記発光素子から発光された光を受光する受光素子と、
前記発光素子および前記受光素子が実装される回路基板と、を備え、
前記発光素子の発光面は、前記回路基板に対向して実装され、当該回路基板は、前記発光素子が発光する光を透過する透光部を有する。
また、前記受光素子の受光面は、前記回路基板に対向して実装され、当該回路基板は、前記受光素子が発光する光を透過する透光部を有してもよい。
また、前記透光部は、前記発光素子が発光する光および前記受光素子が受光する光の少なくとも一方の光路を変換する光路変換部を備えてもよい。
また、前記光路変換部は、球面レンズ、非球面レンズ、フレネルレンズ、シリンドリカルレンズ、プリズムのいずれかを含んでもよい。
また、前記光路変換部は、前記発光素子が発光する光の少なくとも一部を前記受光素子の方向に導くように構成してもよい。
また、前記回路基板は、光学的に透明な部分を有する樹脂で構成してもよい。
また、前記回路基板は、前記発光素子が発光する光を遮光する部分を有してもよい。
また、前記回路基板と前記光路変換部とは一体で成形されてもよい。
また、前記発光素子は、直線状に配列した複数個の発光素子であってもよい。
また、前記受光素子は、直線状に配列した複数個の受光素子であってもよい。
また、前記発光素子は、前記受光素子の両側に配置されてもよい。
上記課題を解決するため、本発明に係るセンサ装置は、
被検部に光を照射する発光素子と、
前記被検部からの反射光および散乱光の少なくとも一方を受光する受光素子と、
前記発光素子および前記受光素子の少なくとも一方が実装される回路基板と、を備え、
前記発光素子の発光面が前記回路基板に対向して実装される。
上記課題を解決するため、本発明に係るセンサシステムは、
被検部に光を照射する発光素子と、前記被検部からの反射光および散乱光の少なくとも一方を受光する受光素子と、前記発光素子および前記受光素子の少なくとも一方が実装される回路基板とを備え、前記発光素子の発光面が前記回路基板に対向して実装されるセンサ装置と、
前記センサ装置で取得されたセンサ信号に基づく生体情報を表示する表示装置と、を備える。
本発明の実施形態に係るセンサ、それを用いたセンサ装置、およびセンサシステムによれば、安定して正確な脈波の測定をすることができる。
本発明の実施形態に係るセンサの概略構成を示す上面図である。 本発明の実施形態に係るセンサの概略構成を示す側方断面図および下面図である。 本発明の実施形態に係るセンサを脈波センサとして人体に装着させる例を示す概略図である。 従来想定されるセンサの概略構成を示す側方断面図である。 本発明の他の実施形態に係るセンサの概略構成を示す側方断面図である。 本発明の更に他の実施形態に係るセンサの概略構成を示す上面図および側方断面図である。 本発明の実施形態に係るセンサの実装構造を説明する側方断面図である。 本発明の実施形態に係るセンサと血管の位置関係を示す図である。 本発明の実施形態に係るセンサによる測定メカニズムを説明する図である。 本発明の実施形態に係るセンサによる測定メカニズムを説明する図である。 本発明の実施形態に係るセンサ装置の斜視図である。 本発明の実施形態に係るセンサシステムの概略構成を示す図である。
以下、本発明のセンサの実施形態について、図面を参照して説明する。以下は本発明の実施形態を例示するものであり、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。
＜センサ１００＞
図１は、本発明の実施形態に係るセンサの概略構成を示す上面図である。図１において、左右方向は、右方向を正方向とする第１方向Ｄ１で示し、上下方向は、上方向を正方向とする第２方向Ｄ２で示してある。すなわち、図１においては、本発明の実施形態に係るセンサの上面図を、Ｄ１−Ｄ２平面において示してある。また、図１において、第１方向Ｄ１および第２方向Ｄ２と直交する方向を第３方向Ｄ３とする。第３方向Ｄ３は、紙面から手前に向かう方向を正方向とし、紙面から奥に向かう方向を逆方向（負方向）とする。すなわち、図１は、本発明の実施形態に係るセンサを、第３方向Ｄ３の正方向から負方向に向かう観点から見た図である。
センサ１００は、被検者の生体表面に光を照射し、その光が体内を通過して受光素子に到達した光を受光して、血流の変化を示す脈波信号を得るものである。本例では、センサ１００を手首内側に配置させて、尺骨動脈または橈骨動脈を測定対象とした場合を用いて説明する。
図１に示すように、センサ１００は、発光素子ユニット１０，１２と、受光素子ユニット２０とを有する。
発光素子ユニット１０，１２は、発光素子Ｌを複数個有し、これらを第１方向Ｄ１に沿って配置させている。図１に示す例では、発光素子ユニット１０は、回路基板３０に配置された発光素子Ｌを２個有し、発光素子Ｌ１，Ｌ２が所定の間隔で配列されている。本実施形態において、回路基板３０は、柔軟性を有し変形可能な任意のフレキシブル基板（フレキシブルプリント基板）のような基板で構成することができる。このようなフレキシブル基板は、例えばポリイミドまたはＰＥＴのような樹脂により構成することができる。また、図１に示す例では、発光素子ユニット１２は、回路基板３０に配置された発光素子Ｌを２個有し、発光素子Ｌ３，Ｌ４が所定の間隔で配列されている。本実施形態において、発光素子Ｌは、任意の発光ダイオードおよびレーザダイオードのような発光素子で構成することができる。発光素子Ｌは、例えば、緑色（波長：５００〜５５０ｎｍ）、赤色（波長：６３０〜７８０ｎｍ）、近赤外（波長８００〜１６００ｎｍ）のいずれかの光を発光するものである。また、発光素子Ｌ１〜Ｌ４は、それぞれ異なる波長の光を発光するものであってもよい。長波長の光は短波長の光と比べて、体のより深い位置まで光が減衰しないので、近赤外光の発光素子を用いると、測定精度が向上することがある。
受光素子ユニット２０は、受光素子Ｐを複数個有し、これらを第１方向Ｄ１に沿って配置させている。図１に示す例では、受光素子ユニット２０は、回路基板３０に配置された発光素子Ｐを４個有し、受光素子Ｐ１〜Ｐ４が等間隔で配列されている。このように、本実施形態において、発光素子Ｌは、直線状に配列した複数個の発光素子（例えばＬ１，Ｌ２またはＬ３，Ｌ４）としてもよい。また、受光素子Ｐも同様に、直線状に配列した複数個の受光素子（例えばＰ１〜Ｐ４）としてもよい。本実施形態において、受光素子Ｐは、任意のフォトダイオードまたはフォトトランジスタのような受光素子で構成することができる。受光素子Ｐは、発光素子Ｌの発光波長に対応した感度特性を有する。このように、本実施形態に係るセンサ１００は、発光素子Ｌと、発光素子Ｌから発光された光を受光する受光素子Ｐと、発光素子Ｌおよび受光素子Ｐが実装される回路基板３０と、を備えている。
図１に示すように、回路基板３０上において、発光素子ユニット１０の発光素子Ｌ１，Ｌ２と、発光素子ユニット１２の発光素子Ｌ３，Ｌ４と、受光素子ユニット２０の発光素子Ｐ１〜Ｐ４とは、第１方向Ｄ１に沿うように一列に配置している。しかしながら、本発明に係るセンサ１００は、測定する対象等に応じて、他の構成態様を採用することもできる。例えば、発光素子ユニット１０、発光素子ユニット１２、および受光素子ユニット２０の少なくとも一部が、第１方向Ｄ１に平行に例えば２列のような複数列になるように配置させてもよい。この場合、例えば発光素子または受光素子を実装したユニット２組を、それぞれの長手方向が第１方向Ｄ１に沿うように、かつ、それぞれ第２方向Ｄ２に例えば１５ｍｍなどの所定の距離だけ離間させて配置してもよい。このような配置にすれば、発光素子Ｌと受光素子Ｐとの並びが、被検者の手首の尺骨動脈に対してほぼ直角に配置され、１５ｍｍなどの所定の距離だけ離間した２箇所の位置で測定を行うことができる。
本例では、複数の発光素子Ｌのそれぞれの中心間隔と、複数の受光素子Ｐのそれぞれの中心間隔は同一としている。
また、本例では、受光素子Ｐ１〜Ｐ４の中心間隔（ピッチ）、発光素子Ｌ１，Ｌ２およびＬ３，Ｌ４の中心間隔は、それぞれ０．５ｍｍ以上１ｍｍ以下としている。また、発光素子ユニット１０，１２と受光素子ユニット２０との間隔（隙間）は、２ｍｍ以上３ｍｍ以下としている。さらに、受光素子Ｐ１〜Ｐ４それぞれの大きさは、第１方向Ｄ１においては素子のピッチよりも小さく、第２方向Ｄ２においては０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下としている。また、発光素子Ｌ１〜Ｌ４それぞれの大きさは、０．３ｍｍ角としている。
本実施形態では、図１に示す回路基板３０上において、発光素子Ｌは、その発光面を第３方向Ｄ３の正方向（紙面から手前に向かう方向）に向けて、すなわち、いわゆるフェースダウンの状態で配置する。図１において、発光素子Ｌは、回路基板３０の裏面側から、発光素子Ｌの発光面が回路基板３０の裏面に対向するように配置している。また、受光素子Ｐも、その受光面を第３方向Ｄ３の正方向に向けて、すなわち、いわゆるフェースダウンの状態で配置してもよい。換言すれば、センサ１００において、少なくとも発光素子Ｌの発光面は、回路基板３０に対向して実装される。また、センサ１００において、受光素子Ｐの受光面も、回路基板３０に対向して実装されるようにしてもよい。
また、図１に示すように、回路基板３０は、フェースダウンの状態で実装した発光素子Ｌ１，Ｌ２およびＬ３，Ｌ４が発光する光を透過するように、例えば光学的に透明な透光部３２，３３および３５，３６を有する。さらに、回路基板３０は、フェースダウンの状態で実装した受光素子Ｐ１〜Ｐ４が、発光素子Ｌから発光された光を透過して受光できるように、例えば光学的に透明な透光部３４を有してもよい。図１においては、透光部３４は、４つの受光素子Ｐ１〜Ｐ４をまとめて透過する１つの透光部として示してあるが、受光素子Ｐ１〜Ｐ４それぞれに対応する４つの透光部としてもよい。このように、本実施形態に係るセンサ１００において、回路基板３０は、発光素子Ｌが発光する光を透過する透光部を有する。また、センサ１００において、回路基板３０は、受光素子Ｐが受光できるように光を透過する透光部を有してもよい。このように、本実施形態において、回路基板３０は、光学的に透明な部分を有する樹脂（フレキシブル基板）で構成してもよい。
図１に示すように、本実施形態では、回路基板３０において、透光部３２〜３６にフリップチップ実装用の電極４１，４２，５１〜５４、６１，６２を形成する。さらに、本実施形態では、透光部３２〜３６の側部付近に、回路基板３０の裏面からのワイヤボンディング用の電極４３，４４，５５，６３，６４を形成する。このように、本実施形態では、フレキシブル基板で構成する回路基板３０の光学的に透明な光透部上に、少なくとも第１の電極を設ける。
図２は、図１に示したセンサ１００を他の観点から見た図である。図２（Ａ）は、図１に示したセンサ１００をＤ１−Ｄ３平面に沿って切断した様子を示す断面図である。図２（Ｂ）は、図１に示したセンサ１００を第３方向Ｄ３の負方向から正方向に向かう観点から見た図、すなわち図１に示したセンサ１００を裏面側から見た図である。
図２（Ａ）に示すように、発光素子Ｌ１，Ｌ２を含む発光素子ユニット１０は、回路基板３０の裏面側から、筐体７１により覆われるようにする。また、発光素子Ｌ３，Ｌ４を含む発光素子ユニット１２は、回路基板３０の裏面側から、筐体７２により覆われるようにする。さらに、受光素子Ｐ１〜Ｐ４を含む受光素子ユニット２０は、回路基板３０の裏面側から、筐体７４により覆われるようにする。これらの筐体７１，７２，７４は、それぞれ回路基板３０の裏面側から、光学的に不透明な樹脂で封止することにより構成することができる。図２（Ａ）においては、４１〜４４，５１〜５５，６１〜６４などの部材は省略してある。
図２（Ｂ）に示すように、発光素子ユニット１０，１２および受光素子ユニット２０は、回路基板３０の裏面側から、それぞれ筐体７１，７２，７４により保護される。また、これら筐体を不透明な樹脂などで構成することにより、発光素子Ｌが発光する光が回路基板３０の裏面側から漏光することは防止される。
図２（Ｃ）は、本実施形態に係るセンサ１００の効果を説明する図である。
図２（Ｃ）は、図２（Ａ）に示したセンサ１００を折り曲げた様子を示す図である。図２（Ｃ）に示すように、センサ１００は、回路基板３０をフレキシブル基板のような変形可能な物質で構成することにより、図に示すＫ１およびＫ２の部分で折り曲げることができる。この時、受光素子ユニット２０の部分を固定した状態で、発光素子ユニット１０，１２の部分を、第３方向Ｄ３の正方向に向けて折り曲げることができる。このように、本実施形態によるセンサ１００は、フレキシブル基板における曲面に対して外側（つまり回路基板３０の裏面側）に発光素子および受光素子を実装する。このような構成においては、センサ１００が測定する対象物は、曲面の内側（つまり回路基板３０の表面側）になるので、フレキシブル基板において発光素子および受光素子を実装する部分を透明化して、これら素子をフリップチップ実装する。
図３は、本実施形態に係るセンサ１００を脈波センサとして人体に装着させる例を示す概略図である。
図３に示すように、センサ１００は、発光素子Ｌ１，Ｌ２およびＬ３，Ｌ４の少なくとも一方からの出射光が人体に照射されるように、検出部位を手首の手のひら側に向けて装着する。この例では、小指側の尺骨動脈を、センサ１００の発光素子Ｌ１，Ｌ２、受光素子Ｐ１〜Ｐ４、受光素子Ｌ３，Ｌ４の配列が横切るように、センサ１００を手首に装着させている。この例では、尺骨動脈の伸びる方向を第２方向Ｄ２と略平行になるようにしている。また、尺骨動脈に代えて、親指側の橈骨動脈と同様の位置関係になるように、センサ１００を装着させてもよい。図３に示すように、本実施形態に係るセンサ１００は、フレキシブル基板に実装することで、被検者である人の手首の微妙な曲線に沿うことが可能となる。
図４は、従来想定されるセンサの概略構成を示す側方断面図である。以下、図４に示す従来想定されるセンサと対比することにより、本実施形態に係るセンサ１００の利点を説明する。
図４（Ａ）に示す従来例のセンサ５００は、変形不可能なＰＣＢ基板５１０上において、発光素子および受講素子を実装している。図４（Ａ）に示すように、ＰＣＢ基板を用いると、発光素子Ｌおよび受光素子Ｐの封止が一体となるため、被検者であるユーザの腕の曲面に沿ってセンサ部を変形させることができない。このように、ＰＣＢ基板を用いて発光素子および受光素子を実装すると、手首の微妙な曲線に沿うことができずに生体との隙間が生じる。したがって、このような構成においては、生体との隙間ができてしまうことから、安定して正確な脈波の測定を行うことは困難である。また、両端の発光素子Ｌが生体に密着するようにすると、中央の受光素子Ｐが生体に強く押さえつけられるため、血流に影響が生じ、正確な脈波の測定を行うことは困難である。図４（Ａ）から分かるように、ＰＣＢ基板５１０を屈曲可能にするためには、少なくとも発光素子Ｌおよび受光素子Ｐの封止を分離する必要がある。
図４（Ｂ）に示す従来例のセンサ６００は、フレキシブル基板６１０を用いているが、フレキシブル基板の表面上に発光素子Ｌおよび受光素子Ｐを実装、すなわちフェースアップ実装をしている。図４（Ｂ）に示すセンサ６００は、発光素子Ｌおよび受光素子Ｐをフレキシブル基板に実装することで、センサ実装部が屈曲可能にはなる。しかしながら、ボンディングワイヤを保護しようとすると、例えば透明な樹脂でポッティングにより保護するにしても、本実施形態に係るセンサ１００の筐体７１，７２，７４のような筐体が必要になる。すなわち、このような実装をするためには、図４（Ｂ）に示すように、筐体を封止して３箇所に実装する必要がある。この場合、各筐体６２０，６３０，６４０は、図４（Ｂ）に示すＫ３またはＫ４の位置において屈曲させようとする場合、それぞれの筐体をある程度離間する必要がある。しかしながら、発光素子Ｌと受光素子Ｐとの間隔が離れると、受光素子Ｐにおける受光強度が低下するため、正確な脈波の測定を行うことは困難である。
また、このように、フレキシブル基板の生体側に、発光素子および受光素子を実装すると、ベアチップによる実装はできないため、パッケージ化する必要性から、部品点数が多くならざるを得ない。すなわち、発光素子および受光素子を、ベアチップでフェースアップ実装した場合、ボンディングワイヤ、およびチップ保護のための筐体が必要になる。
これに対し、本実施形態に係るセンサ１００は、フレキシブル基板の一部を光学的に透明な部分にフェースダウン実装することにより、ワイヤボンディングを行っても、樹脂ポッティングのみを行うことにより、発光素子または受光素子の封止が可能となる。また、発光素子および受光素子の光半導体のパッケージ化を必要としないため、部品点数を減少することができる。また、手首の微妙な曲面に、発光素子Ｌおよび受光素子Ｐを沿わせることが可能であり、密着可能であれば、余分な押圧をかけずに正確に脈波伝播速度を測定することが可能となる。また、光が発光される部位がフレキシブル基板の裏面側となるため、フレキシブル基板の一部にレンズを形成して、光の光路を適宜変換することも可能になる。
＜センサ１１０＞
次に、本発明の他の実施形態に係るセンサについて説明する。
図５は、他の実施形態に係るセンサの概略構成を示す側方断面図である。以下、本発明の他の実施形態に係るセンサ１１０について説明する。
図５に示すように、センサ１１０は、フレキシブル基板である回路基板３０において、発光素子Ｌまたは受光素子Ｐが実装される面とは反対側の面に、レンズＭ１〜Ｍ８を形成する。本例においては、発光素子ユニット１０を構成する発光素子Ｌ１，Ｌ２に対応させて、回路基板３０において、それぞれレンズＭ１，Ｍ２を形成している。また、発光素子ユニット１２を構成する発光素子Ｌ３，Ｌ４に対応させて、回路基板３０において、それぞれレンズＭ３，Ｍ４を形成している。また、受光素子ユニット２０を構成する受光素子Ｐ１〜Ｐ４に対応させて、回路基板３０において、それぞれレンズＭ５〜Ｍ８を形成している。すなわち、回路基板３０においてレンズを形成する場合には、透光部３２〜３６がレンズを備えるようにするのが好適である。
このように、発光素子Ｌまたは受光素子Ｐを実装する面とは反対側の面のフレキシブル基板の透明部にレンズを設置する場合、当該レンズを非球面レンズまたはフレネルレンズ等とする場合でも、レンズの焦点を合わせる必要はない。このため、本実施形態において、レンズの位置合わせを行う際には、さほど高い精度が要求されない。また、本実施形態においては、シート状の発光素子部分または受光素子部分と一体成型したフレネルレンズを貼りあわせた構成、またはシリンドリカルレンズを用いた構成など、種々の構成とすることができる。
本実施形態において、回路基板３０の透光部３２〜３６にレンズＭを設けることにより、発光素子Ｌが発光する光または受光素子Ｐが受光する光の光路を変更させたり、または集光させたりすることができる。発光素子Ｌを実装するフレキシブル基板の透明部にレンズＭを設けることにより、例えば尺骨動脈等の測定対象部に光を集光することができる。また、受光素子Ｐを実装するフレキシブル基板の透明部にレンズを形成することにより、より多くの光を集光して受光することができる。このように、本実施形態において、透光部３２は、発光素子Ｌが発光する光および受光素子Ｐが受光する光の少なくとも一方の光路を変換するレンズＭのような光路変換部を備えてもよい。また、この光路変換部は、集光機能だけでなく、光の屈折機能を含んでいてもよい。また、この光路変換部は、球面レンズ、非球面レンズ、フレネルレンズ、シリンドリカルレンズ、プリズムのいずれかを含んでもよい。この光路変換部と、回路基板３０とは、別体として形成したものを接着してもよいし、一体で成形されるようにしてもよい。また、光路変換部は、発光素子Ｌが発光する光の少なくとも一部を受光素子Ｐの方向に導くように構成してもよい。
＜センサ１２０＞
次に、本発明の更に他の実施形態に係るセンサについて説明する。
図６は、本発明の更に他の実施形態に係るセンサの概略構成を示す図である。
図６（Ａ）は、本発明の更に他の実施形態に係るセンサの上面図であり、図６（Ｂ）は、センサ１２０の一部を拡大した側方断面図である。以下、本発明の更に他の実施形態に係るセンサ１２０について説明する。
図６（Ａ）に示すように、センサ１２０は、発光素子ユニット１０と受光素子ユニット２０との間に、貫通電極８１を有している。また、センサ１２０は、受光素子ユニット２０と発光素子ユニット１２との間に、貫通電極８２を有している。このように、本実施形態に係るセンサ１２０において、発光素子ユニット１０，１２と隣接する受光素子ユニット２０との間には、フレキシブル基板の回路基板３０を貫通する貫通電極８１，８２を形成する。図６（Ｂ）に示すように、貫通電極８１，８２によって、フレキシブル基板内を伝播する光は遮断される。これにより、発光素子Ｌが発光する光が、被検者の生体表面を経由せずに受光素子Ｐに受光されることは回避される。
本実施形態に係るセンサ１２０において、回路基板３０の貫通電極８１，８２は、発光素子Ｌが発光する光を遮光する部分であればよい。発光する光を遮断する部分は、例えば、黒色の樹脂であってもよい。
＜センサ１１０における素子の実装＞
次に、本発明の実施形態に係るセンサにおける半導体素子の実装について説明する。図７は、本発明の実施形態に係るセンサにおける半導体素子の実装の概略構成を示す図である。
図７（Ａ）は、発光素子Ｌまたは受光素子Ｐにおいて、一方の電極をフリップチップとして実装する例を示している。図７（Ａ）においては、電極９１と電極９３との間はハンダ９２で接続されている。また、もう一方の電極９４は、透光部３２側部付近に設けられたワイヤボンディング用の電極９６と、配線９５により接続されている。
図７（Ｂ）は、発光素子Ｌまたは受光素子Ｐにおいて、両方の電極をフリップチップとして実装する例を示している。図７（Ｂ）においては、電極９１と電極９３との間はハンダ９２で接続され、電極９７と電極９９との間はハンダ９８で接続されている。
発光素子Ｌまたは受光素子Ｐと、フレキシブル基板の回路基板３０との間には、フレキシブル基板の透明部と同等の屈折率の樹脂を挿入してもよい。このようにすれば、発光素子Ｌを含む発光素子ユニットまたは受光素子Ｐを含む受光素子ユニットを電気的に保護することができる。この場合、ワイヤボンディングを用いないで接続すれば、挿入する樹脂を少なくすることもできる。
本実施形態に係るセンサ１１０においては、受光素子または発光素子をベアチップで実装することができる。この場合、受光素子または発光素子は、裏面からワイヤボンディングし、実装面には透明な樹脂をポッティングして封止することができる。また、この場合、素子を実装した周囲には、光学的に不透明な樹脂をポッティングして封止することができる。そして、回路基板３０の受光素子および発光素子が実装されない面には、シート状のフレネルレンズを配置することができる。フレキシブル基板の透明部に、フレネルレンズ等の光路変換部を直接加工してもよい。
＜センサ１００の測定原理＞
次に、本実施形態のセンサ１００による脈波の測定メカニズムを説明する。
図８は、図３に示したようにセンサ１００を人体に装着した時のセンサ１００と血管との位置関係を示す図である。説明の簡略化のため、以下、本実施形態のセンサ１００として、発光素子Ｌ１〜Ｌ４を有する発光素子ユニット１０と、受光素子Ｐ１〜Ｌ４を有する受光素子ユニット２０とのみを有する構成について説明する。しかしながら、図１に示したような、発光素子ユニット１０，１２と、受光素子ユニット２０とを有する構成においても、同様のメカニズムで脈波を測定することができる。
図８（Ａ）は、センサ１００と血管Ｂとの位置関係を示す上面図である。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示したセンサ１００と血管ＢとをＤ１−Ｄ３平面で切断した断面図である。図８（Ａ）は、センサ１００のうち発光素子ユニット１０および受光素子ユニット２０が配置されていない面（発光素子Ｌの発光面）が血管Ｂ側（皮膚側）に向けて装着された状態を示している。図８（Ａ）は、センサ１００のうち発光素子ユニット１０および受光素子ユニット２０が配置された面側から見た図になっている。このため、図（Ａ）においては、発光素子ユニット１０および受光素子ユニット２０の内部にそれぞれ配置された発光素子Ｌおよび受光素子Ｐを破線で示している。
図８（Ａ）に示すように、センサ１００は、血管Ｂが延びる方向を第１方向Ｄ１が横切るように配置されている。より好ましくは、両者の角度が６０°〜１２０°になるように、さらに好ましくは、略垂直になるように配置する。
このように配置することにより、発光素子Ｌ１〜Ｌ４を発光させると、発光素子Ｌ１〜Ｌ４の出射光が人体内部に照射され、人体内部を通過して受光素子Ｐ１〜Ｐ４で受光される。受光素子Ｐ１〜Ｐ４のそれぞれには、人体内部を通過した光が、その通過経路の構成物を反映した強度の光となって受光される。この受光素子Ｐ１〜Ｐ４で受光した光の強度に起因する検出信号を解析することにより、血管の拡張・収縮による径の変化に応じた脈波信号を得ることができる。
このようなセンサ１００を用いることにより、血管Ｂとセンサ１００との相対的な位置がずれたとしても、正確に安定して脈波信号を得ることができる。以下、そのメカニズムについて、図９を用いてさらに説明する。
図９は、発光素子ユニット１０を用いること、ならびに、発光素子ユニット１０および受光素子ユニット２０を用いることの効果を説明する模式図である。
図９に示すように、センサ１００には、血管Ｂを横切る第１方向Ｄ１に、複数の発光素子Ｌ１〜Ｌ４および複数の受光素子Ｐ１〜Ｐ４が配列されている。
まず、図９（Ａ）に示すように、複数の発光素子Ｌ１〜Ｌ４の配列方向Ｄ１が血管Ｂを横切る方向であるから、第１方向Ｄ１において、血管Ｂとセンサ１００との相対的な位置がずれても、脈波信号を得ることができる。この例では、血管Ｂが、Ｂ−１の位置からＢ−４の位置までずれた場合の例を示している。図９（Ａ）に示すように、Ｂ−１およびＢ−４の位置では脈波信号を得ることはできないが、その間の位置においては脈波信号を得ることができる。このように、本実施形態に係るセンサ１００においては、測定可能範囲が幅を有するものとなる。これにより、人の活動に起因して、センサ１００が当初配置された位置からずれた場合であっても、また血管Ｂの体内における位置が変化した場合であっても、安定して正確に脈波信号を得ることができるものとなる。
ここで、１つの大きな面積の受光素子を用いた場合に発光素子Ｌを遠く離して配置し、かつ、発光素子Ｌの発光強度を高くすれば、血管Ｂとセンサ１００との相対的な位置がずれたとしても、脈波信号を得ることができる。この図では、発光素子Ｌ１のみを設けて、その発光強度を高くすることによっても、素子をユニット化した時と同等の測定可能範囲を実現することができる。
これに対して、センサ１００では、図９（Ｂ）に示すように、複数の発光素子Ｌ１〜Ｌ４から発光される光を、複数の発光素子Ｌ１〜Ｌ４の配列方向である第１方向Ｄ１と略平行に配列された受光素子Ｐ１〜Ｐ４のそれぞれで受光する。ここで、予め個々の発光素子Ｌに対して受光する受光素子Ｐの組合せを決定しておけば、発光素子Ｌと受光素子Ｐとの間隔が略同一の組合せを複数得ることができる。これにより、発光素子Ｌの発光強度を受光素子Ｐとの距離によらず一定としても、複数の発光素子Ｌと複数の受光素子Ｐとの組合せを適切に選択することにより、血管Ｂとセンサ１００との相対的な位置がずれたとしても、脈波信号を得ることができる。このため、センサ１００は、低電圧駆動を可能にするとともに、測定操作の制御を容易にすることができる。
また、センサ１００によれば、発光素子ユニット１０と受光素子ユニット２０とが第１方向Ｄ１に沿って一列に並んでいる。このような構成により、第１方向Ｄ１において、発光素子Ｌおよび受光素子Ｐが並んでいる距離を長くとることができるので、第１方向Ｄ１における血管Ｂとの相対的な位置がずれる際の許容範囲を効果的に広げることができる。また、このような構成により、発光素子Ｌと受光素子Ｐとの距離を短くすることができる。これにより、発光素子Ｌの駆動に対して血管情報を迅速に収集することができる。したがって、センサ１００の応答性能を高めることができる。
＜センサ１００Ａ＞
次に、図１０を用いて、本発明の他の実施形態に係るセンサ１００Ａについて説明する。
本発明の他の実施形態に係るセンサ１００Ａは、複数の発光素子Ｌと複数の受光素子Ｐを、それぞれの中心間距離が２ｍｍ以上になる組合せを有するように、発光素子ユニット１０と受光素子ユニット２０とを配置する。このようにするのは、複数の発光素子Ｌを発光させた時に、複数の受光素子Ｐのうち、尺骨動脈または橈骨動脈を通過した光が入射する受光素子Ｐｘと通過せずに入射する受光素子Ｐｙとの双方を有するためである。ここで、受光素子Ｐｘおよび受光素子Ｐｙを得るために必要な、複数の発光素子Ｌと複数の受光素子Ｐとのそれぞれの中心間距離の条件は、測定する動脈によって異なる。本例では、手首に位置する尺骨動脈または橈骨動脈を測定対象としているため、２ｍｍとした。そして、発光素子Ｌ１と受光素子Ｐ３，Ｐ４との中心間距離が２ｍｍ以上となっている。
ここで、図１０を用いて、センサ１００Ａにおいて受光素子Ｐをユニット化する効果について説明する。
図１０に示すように、１つの大きな面積の受光素子で受光する場合には、発光素子Ｌからの光が受光素子に到達するまでに通過した経路の平均的な情報を得ることになる。これに対して、受光素子Ｐを分割して複数個設けることにより、血管Ｂを通過した光と通過していない光とに分離することができる。図１０（Ｂ）においては、受光素子Ｐ３，Ｐ４は血管を通過した光を受光できるが、受光素子Ｐ１，Ｐ２は血管を通過していない光を受光することになる。これにより、血管Ｂの情報を最も多く含む光を受光する受光素子Ｐを選択することにより、センサ１００Ａの検出感度を高めることができる。図１０の例においては、受光素子Ｐ３，Ｐ４のうち、受光素子Ｐ４の方がより多くの血管信号を有する点を考慮して受光素子Ｐ４を選択したり、または受光素子Ｐ３，Ｐ４の検出信号を合算したりするなど、適宜選択することができる。
また、センサ１００Ａでは、血管Ｂを通過して到達した受光素子Ｐｘの情報に加え、血管Ｂを通過せずに到達した光を受光する受光素子Ｐｙの情報を用いることもできる。センサ１００では、発光素子Ｌの発光強度と血管Ｂの深さ位置とから、血管Ｂの情報を多く含む発光素子Ｌと受光素子Ｐとの最適な距離を求めている。そして、センサ１００は、この最適な距離となる発光素子Ｌと受光素子Ｐとの組合せを複数作ることができることに着目している。すなわち、センサ１００においては、発光素子Ｌと受光素子Ｐとの距離同一性に着眼している。これに対して、センサ１００Ａでは、発光素子Ｌと受光素子Ｐとの距離を異ならせた組合せを複数作ることができることにも着目している。
上述のような検出信号の処理は、以下のようなステップを含んで行うことができる。
（１）複数の発光素子Ｌを発光させた時の、複数の受光素子Ｐそれぞれによる検出信号を得るデータ取得ステップ
（２）データ取得ステップにおいて得た複数の検出信号を、周期的な変動を有する第１検出信号と周期的な変動を有さない第２検出信号とに分類するデータ判別ステップ
（３）データ判別ステップにおいて第２検出信号と分類された信号を、第１検出信号と分類された信号のベースライン補正に用いるデータ補正ステップ
以下、それぞれのステップを、より具体的に説明する。
データ取得ステップでは、発光素子Ｌを発光させて複数の受光素子Ｐ１〜Ｐ４のそれぞれの受光量に応じた検出信号を得る。ここで、発光素子Ｌの発光は、複数の発光素子Ｌを同時に発光させてもよいし、複数の発光素子Ｌ間で時間分割して順番に点灯させてもよいし、最適の発光素子Ｌのみを発光させてもよい。最適の発光素子Ｌを判別するには、データ取得ステップに先立って、個々の発光素子Ｌを個別に発光させて、複数の受光素子Ｐそれぞれで検出することで、血管Ｂの位置を推定して判別してもよい。
データ判別ステップでは、データ取得ステップにおいて得た複数の検出信号を、第１検出信号と、第２検出信号とに区別する。第１検出信号は、血管の径の変化に応じた周期的な受光量変化を有する信号である。より具体的には、第１検出信号は、脈拍に連動した受光量の増減が確認できるものである。その判別には、脈拍との同期をとって確認してもよいし、モデルとなる脈波の波形と比較して自己相関が一定値以上となる場合を基準としてもよい。ここで、第１検出信号の周期的な変動とは、時間的に連続して同じ間隔で生じる変動に限るものではない。それは、不整脈などの影響もあるためである。このような場合には、１回の脈動によって生じる受光量の増減に応じた検出信号の波形（軌道）の基本形状が、繰り返し発生するか否かで確認してもよい。ここで、繰り返し発生する受光量の増減に応じた検出信号の形状は、基本形状と同一でなくてもよく、相似形であってもよい。また、このような検出信号の形状は、医学的な特徴点のみの関係性を保ったものであってもよい。
これに対して、第２検出信号は、受光量に応じた信号に周期的な変動を有さない。より具体的には、第２検出信号は、第１検出信号に見られるような基本形状が繰り返し生じることがない。第２検出信号の判別には、その値の変動と脈拍との関連性があるかを確認したり、モデルとなる脈波の波形と比較して自己相関が一定値未満である場合を判定基準としたりすればよい。仮に、予め血管Ｂの位置を推定してから検出信号を採取する時は、受光素子Ｐｘによる検出信号を第１検出信号として、受光素子Ｐｙによる検出信号を第２検出信号としてもよい。
データ補正ステップでは、データ判別ステップにおいて第１検出信号とした信号を、第２検出信号により補正する。すなわち、第１検出信号のバックグラウンドを、第２検出信号を元にして除去するような補正を行う。第１検出信号は、人の動き等に起因する大きなうねりの上に脈拍と連動した強度変化を繰り返すものとなっている。これに対して、第２検出信号も、脈拍に連動した特異的な信号強度の変化はないものの、人の動き等に起因する大きなうねりのような信号強度の変化は有する。このため、人の動き等に起因する第１検出信号のバックグラウンドの変動を、第２検出信号に基づいて除去することにより、キャンセルする。具体的には、第１検出信号のバックグラウンドレベルに合うように、第２検出信号に補正係数を乗じた信号を、第１検出信号から差し引き、脈波信号を得る。第１検出信号のバックグラウンドレベルは、基本形状と基本形状との間において取得すればよい。
このような補正を行うことにより、脈波信号を、人体の動きなどの外乱要素の少ない、高い信頼性を有する信号とすることができる。したがって、このような信号を用いることで、センサの信頼性を高めることができる。
＜センサ装置２００＞
次に、上述したようなセンサを用いたセンサ装置２００について、図１１を用いて説明する。
例えば上述のセンサ１００を用いて、発光素子Ｌにより被検者の生体表面に光を照射し、当該被検者の体内を通過した光を受光素子Ｐで受光して、生体内部にある尺骨動脈または橈骨動脈の血管の変化を示す脈波信号として検出することができる。センサ装置２００は、発光素子または受光素子を実装したセンサ１００を２組備え、それぞれの長手方向が第１方向Ｄ１に沿うように、かつ、それぞれ第２方向Ｄ２に例えば１５ｍｍなどの所定の距離だけ離間させて配置したものである。このような配置にすれば、発光素子Ｌと受光素子Ｐとの並びが、被検者の手首の尺骨動脈に対してほぼ直角に配置され、１５ｍｍなどの所定の距離だけ離間した２箇所の位置で脈波を測定することができる。
本実施形態のセンサ装置２００は、被検部に光を照射する発光素子Ｌと、被検部からの反射光および散乱光の少なくとも一方を受光する受光素子Ｐと、発光素子Ｌおよび受光素子Ｐの少なくとも一方が実装される回路基板３０と、を備えている。また、センサ装置２００において、発光素子Ｌの発光面は、回路基板３０に対向して実装される。
本実施形態のセンサ装置２００は、２か所の位置の脈波測定結果から脈波伝搬速度を取得することができる。また、センサ装置２００は、このようにして取得した脈波伝搬速度に基づいて、例えば、血圧などの生体情報の算出、血管年齢の推定等を行うことができる。例えば、脈波伝搬速度ＰＷＶ(Pulse Wave Velocity)から血圧ＢＰ(Blood Pressure)を算出する場合、ａおよびｂを被検者に応じて定める係数として、以下の式（１）のように表すことができる。
［数１］
ＢＰ＝ａ×ＰＷＶ＋ｂ （１）
本実施形態のセンサ装置２００は、連続的に脈波等のセンサ信号を取得することができる。また、本実施形態のセンサ装置２００は、取得されたセンサ信号と各種情報とを記憶するメモリ、センサの動作を制御と各種情報処理とを行う制御部、電源、及び他の装置との情報の送受信を行う通信部を備えていてもよい。前述のメモリは、例えば半導体メモリ又は磁気メモリ等で構成することができる。また、前述の制御部は、例えば専用のマイクロプロセッサまたは特定のプログラムを読み込むことによって特定の機能を実行する汎用のＣＰＵ等で構成することができる。
＜センサシステム１＞
次に、上述したようなセンサ装置２００を含むセンサシステム１について、図１２を用いて説明する。
センサシステム１は、センサ装置２００の他に、表示装置３００とサーバ４００とを含む。
表示装置３００は、センサ装置２００によって取得されたセンサ信号を集約し、種々の情報処理を行う。センサ信号の集約は、有線又は無線通信ネットワークを介して、センサ装置２００が表示装置３００にデータを送信することで行われる。表示装置３００は、センサ装置２００で取得されたセンサ信号に基づく生体情報をディスプレイに表示する。また、表示装置３００は、サーバ４００によって情報処理された情報をディスプレイに表示する。表示装置３００は、例えばＬＣＤ等のディスプレイを含む専用の端末として構成してもよいし、例えばスマートフォン又はタブレットＰＣ等の汎用の端末で構成してもよい。
サーバ４００は、表示装置３００から被検者の生体情報を集約し、種々の情報処理を行う。生体情報の集約は、有線又は無線通信ネットワークを介して、表示装置３００がサーバ４００にデータを送信することで行われる。また、サーバ４００は、生体情報に基づいた情報処理の結果を、表示装置３００に送信する。サーバ４００は、例えば半導体メモリ等で構成されるメモリ及びＣＰＵ等で構成される制御部を含む既存のサーバを用いることができる。
センサシステム１において、より具体的には、センサ装置２００で取得されたセンサ信号は、センサ装置２００の通信部により表示装置３００に送信される。さらに、表示装置３００でセンサ信号を情報処理して取得された生体情報は、表示装置３００の通信部によりサーバ４００に送信される。サーバ４００が表示装置３００から送信された生体情報を受信すると、サーバ４００の制御部は、受信した被検者の生体情報に基づいて、様々な情報処理を行う。例えば、サーバ４００は、表示装置３００から送信された生体情報を、センサ信号の取得時間と共に時系列のデータとして、サーバ４００のメモリに記憶することができる。サーバ４００の制御部は、例えば、これらの記憶されたデータと、サーバ４００のメモリにすでに記憶されている同一被検者の過去のデータ又は他の被検者のデータとを比較し、比較した結果を基に被検者に最適なアドバイスを生成する。サーバ４００の通信部は、取得された被検者の時系列のデータ及び生成されたアドバイスを表示装置３００に送信する。表示装置３００では、受信されたデータ及びアドバイスを画面に表示する。また、サーバ４００は必要に応じて、例えば、被検者の担当医師に被検者の時系列のデータを送信してもよい。また、サーバ４００は必要に応じて、例えば、被検者の担当医師からアドバイスを受信してもよい。また、サーバ４００のメモリ及び制御部と同様の機能を有する機能部を、センサ装置２００又は表示装置３００に備えてもよく、その場合、センサシステム１は必ずしもサーバ４００を備えなくてもよい。
なお、本発明は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、各構成部、各ステップ等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部またはステップ等を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。例えば、本実施形態では、脈波測定の例を示したが、本発明はこれに限らず、測定される生体情報は、例えば、血流速度、心拍、血圧でもよい。また、測定される生体情報は１つに限らず、複数のセンサを組み合わせて、複数の生体情報を測定してもよい。例えば、発光波長の異なる複数の発光素子を組み合わせて、複数の異なる生体情報を測定してもよい。例えば、赤外および近赤外の発光ダイオードを用いて動脈血の酸素飽和度を取得することができる。
１ センサシステム
１０，１２ 発光素子ユニット
Ｌ 発光素子
２０ 受光素子ユニット
Ｐ 受光素子
３０ 回路基板
３２〜３６ 透光部
４１〜４４，５１〜５５，６１〜６４ 電極
７１，７２，７４ 筐体
８１，８２ 貫通電極
Ｍ 光路変換部
９１，９３，９４，９６，９７，９９ 電極
９２，９８ ハンダ
９５ 配線
１００，１１０，１２０ センサ
２００ センサ装置
３００ 表示装置
４００ サーバ

Claims (13)

  1. 発光素子と、
    前記発光素子から発光された光を受光する受光素子と、
    前記発光素子および前記受光素子が実装される回路基板と、を備え、
    前記発光素子の発光面は、前記回路基板に対向して実装され、当該回路基板は、前記発光素子が発光する光を透過する透光部を有する、センサ。
  2. 前記受光素子の受光面は、前記回路基板に対向して実装され、当該回路基板は、前記受光素子が発光する光を透過する透光部を有する、請求項１に記載のセンサ。
  3. 前記透光部は、前記発光素子が発光する光および前記受光素子が受光する光の少なくとも一方の光路を変換する光路変換部を備える、請求項１または２に記載のセンサ。
  4. 前記光路変換部は、球面レンズ、非球面レンズ、フレネルレンズ、シリンドリカルレンズ、プリズムのいずれかを含む、請求項３に記載のセンサ。
  5. 前記光路変換部は、前記発光素子が発光する光の少なくとも一部を前記受光素子の方向に導くように構成する、請求項３または４に記載のセンサ。
  6. 前記回路基板は、光学的に透明な部分を有する樹脂で構成する、請求項１〜５のいずれかに記載のセンサ。
  7. 前記回路基板は、前記発光素子が発光する光を遮光する部分を有する、請求項６に記載のセンサ。
  8. 前記回路基板と前記光路変換部とは一体で成形される、請求項３〜７のいずれかに記載のセンサ。
  9. 前記発光素子は、直線状に配列した複数個の発光素子である、請求項１〜８のいずれかに記載のセンサ。
  10. 前記受光素子は、直線状に配列した複数個の受光素子である、請求項１〜９のいずれかに記載のセンサ。
  11. 前記発光素子は、前記受光素子の両側に配置される、請求項１〜１０のいずれかに記載のセンサ。
  12. 被検部に光を照射する発光素子と、
    前記被検部からの反射光および散乱光の少なくとも一方を受光する受光素子と、
    前記発光素子および前記受光素子の少なくとも一方が実装される回路基板と、を備え、
    前記発光素子の発光面が前記回路基板に対向して実装される、センサ装置。
  13. 被検部に光を照射する発光素子と、前記被検部からの反射光および散乱光の少なくとも一方を受光する受光素子と、前記発光素子および前記受光素子の少なくとも一方が実装される回路基板とを備え、前記発光素子の発光面が前記回路基板に対向して実装されるセンサ装置と、
    前記センサ装置で取得されたセンサ信号に基づく生体情報を表示する表示装置と、を備えるセンサシステム。
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