KR20120000569A - 생체 센서 장치 - Google Patents

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가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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Abstract

광전 맥파 신호에 관련된 광검출 신호를 검출하기 위한 발광 소자(8, 9) 및 수광 소자(10) 상에, 용량성 결합에 의해 심전 신호에 관련된 전기 신호를 검출하기 위한 광투과성 심전 전극(19) 및 광투과성 절연막(20)을 형성한다. 이용자가 손가락을 광투과성 절연막(20)의 접촉면(20A)에 접촉시켰을 때, 광투과성 심전 전극(19)에 의해 심전 신호에 관련된 전기 신호를 검출함과 아울러, 발광 소자(8, 9)로부터 이용자의 손가락에 조사된 검출광의 반사광을 수광 소자(10)에 의해 수광하고, 이 반사광에 대응하는 광검출 신호를 검출한다. 그리고 광투과성 심전 전극(19)으로부터 검출된 전기 신호 등으로부터 심전 신호를 얻음과 아울러, 광검출 신호로부터 광전 맥파 신호를 얻고, 이들 심전 신호와 광전 맥파 신호에 의해 생체 정보를 생성한다.

Description

생체 센서 장치{BIOSENSOR DEVICE}
본 발명은 생체의 심전 신호 및 광전 맥파 신호를 검출하고, 이들 신호에 의거하여 생체 정보를 생성하는 생체 센서 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 심근 운동에 의해 생기는 전기 신호를 차동 증폭함으로써 얻어지는 심전 신호(심전도 신호)나, 맥박에 의한 동맥혈의 맥동을 광학적으로 검지함으로써 얻어지는 광전 맥파 신호는 심장 혈관계 질환의 진단 등에 이용된다.
최근, 심전 신호 및 광전 맥파 신호를 동시에 검출하고, 심박 속도, 산소 포화도, 맥파 전파 시간 등의 생체 정보를 얻는 기능을 갖는 생체 센서 장치가 개발되고 있다. 이 생체 센서 장치는 심전 신호에 관련된 전기 신호를 검출하기 위한 2개의 전극 중 어느 일방 또는 쌍방에, 광전 맥파 신호를 검출하기 위한 광학적 프로브를 배치하는 구성을 갖는다. 그리고 광학적 프로브는 발광기와 수광기를 구비하고, 이들 발광기 및 수광기는 전극 표면에 형성된 홈 또는 구멍에 부착되어 있다.
이와 같은 종래 기술에 따른 생체 센서 장치는 이용자가 각 전극의 표면 상에 손가락을 올려두었을 때, 각 전극을 통하여 손가락으로부터 전기 신호를 검출하고, 이들 검출된 전기 신호로부터 심전 신호를 얻는다. 이것과 동시에, 전극 표면의 홈 또는 구멍에 부착된 발광기로부터 손가락에 검출광을 조사하고, 손가락으로부터의 검출광의 반사광을, 전극 표면의 홈 또는 구멍에 부착된 수광기에 의해 수광하고, 이 수광된 반사광에 대응하는 광전 맥파 신호를 취득한다(특허문헌 1 참조).
한편, 이용자의 손가락으로부터 얻어지는 광전 맥파 신호의 SN비(Signal to Noise Ratio)를 높이기 위해서는, 발광기로부터 발생되는 검출광이 발산되는 것을 규제하고, 검출광을, 전극 상에 올려진 이용자의 손을 향하여 모으는 것이 바람직하다.
이러한 점에서, 발광 다이오드로부터 발생되는 빛을 특정 방향으로 모으는 기술로서, 오목형의 반사면을 갖는 리플렉터를 기판 상에 형성하고, 이 리플렉터의 오목부의 바닥부에 발광 다이오드를 설치하는 기술이 알려져 있다(특허문헌 2 참조). 또한, 발광 다이오드를 둘러싸도록 금속제의 링을 기판 상에 설치하고, 이 링의 내주면을 따라서 Ag(은)계 땜납재 필렛(fillet)부를 형성하고, 이 필렛부를 광반사면으로서 이용하는 기술이 알려져 있다(특허문헌 3 참조).
그런데, 심전 신호와 광전 맥파 신호를 동시에 검출할 수 있는 생체 센서 장치의 소형화를 추진하기 위해서는, 하나의 수단으로서, 심전 신호에 관련된 전기 신호를 검출하기 위한 전극의 사이즈를 작게 하는 것이 고려된다. 그러나, 전극의 사이즈를 작게 하면, 생체(이용자의 손가락 등)와 전극의 접촉이 불안정하게 되고, 심전 신호의 SN비가 저하된다.
또한, 상기 생체 센서 장치의 소형화를 추진하기 위해서는, 다른 수단으로서, 광전 맥파 신호를 검출하기 위한 발광기와 수광기 사이의 거리를 짧게 하는 것이 고려된다. 그러나, 발광기와 수광기 사이의 거리를 짧게 하면, 광전 맥파 신호의 SN비가 저하된다.
즉 수광기에 수광되는 반사광에는 생체의 표피 아래에 있는 동맥을 통과한 반사광과, 생체의 표피 외면에 반사된 반사광이 포함되어 있다. 생체의 표피 아래에 있는 동맥을 통과한 반사광에는 동맥혈의 맥동 성분이 포함되어 있으며, 이 맥동 성분에 대응하는 교류 신호 성분이 광전 맥파 신호로서 이용된다. 한편, 생체의 표피 외면에 반사된 반사광에는 동맥혈의 맥동 성분은 포함되어 있지 않으며, 이 반사광에 대응하는 신호 성분은 거의 직류이다.
그리고 발광기와 수광기 사이의 거리를 짧게 하면, 수광기에 수광된 반사광에 있어서, 생체의 표피 외면에 반사된 반사광에 대하여, 생체의 표피 아래에 있는 동맥을 통과한 반사광이 상대적으로 감소한다. 그 결과, 수광기에 수광된 반사광을 변환함으로써 얻어지는 전기 신호에 있어서, 광전 맥파 신호로서 불필요한 직류 신호 성분에 대하여, 광전 맥파 신호로서 유용한 교류 신호 성분이 상대적으로 감소한다. 이 때문에, 광전 맥파 신호에 대한 노이즈의 영향이 커지고, 광전 맥파 신호의 SN비가 저하된다.
또한, 상술한 특허문헌 1에 기재된 종래 기술에 따른 생체 센서 장치에서는, 전극 표면에 형성된 홈 또는 구멍에 발광기 및 수광기를 부착하는 구성이기 때문에, 전극 표면에 요철이 형성되고, 이 요철에 의해 이용자의 손가락 등과 전극의 접촉이 불안정하게 되고, 심전 신호의 SN비가 저하될 우려가 있다. 또한, 이 생체 센서 장치에서는, 발광기의 발광 부위 및 수광기의 수광 부위가 전극의 표면에 노출되어 있으며, 이들 노출 부위를 외부로부터의 마찰이나 충격으로부터 보호하는 것이 곤란하다.
한편, 상술한 바와 같이, 이용자의 손가락 등으로부터 얻어지는 광전 맥파 신호의 SN비를 높이기 위하여, 발광기로부터 발생되는 검출광이 발산되는 것을 규제하고, 전극 상에 올려진 이용자의 손을 향하여 검출광을 모으는 것이 바람직하다.
그러나, 이것을 실현하기 위하여, 상술한 종래 기술에 따른 리플렉터 또는 링을 기판에 설치하면, 기판의 면적이 커지고, 생체 센서 장치의 소형화가 곤란해진다. 또한, 생체 센서 장치의 제조 공정에 있어서, 리플렉터 또는 링을 기판 상에 설치하는 공정을 추가할 필요가 있으며, 생체 센서 장치의 제조 코스트가 증가한다.
또한, 특허문헌 3에 기재된, 금속제의 링의 내주면을 따라서 Ag계 땜납재로 이루어지는 필렛부를 형성하는 기술을 채용한 경우에는, 필렛부를 형성하기 위하여 600도 이상의 고온에서의 처리가 필요하게 된다. 그 결과, 이 기술을 프린트 배선판 등에 적용할 수 없다는 것, 전기 회로를 구성하기 위한 소자를 기판 상에 실장하기 전에 납땜을 행할 필요가 있다는 것, 고온 처리를 행할 설비가 필요하게 되는 등의 문제가 생긴다.
일본 특허공개 2006-158974호 공보 일본 실용신안공개 소62-79291호 공보 일본 특허공개 2005-244121호 공보
본 발명은 예를 들면, 상술한 바와 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 생체로부터 심전 신호 및 광전 맥파 신호를 동시에 얻을 수 있는 소형의 생체 센서 장치를 제공하는데 있다.
(1)상기 과제를 해결하기 위하여, 생체 센서 장치는 생체의 전기 신호를 검출하는 적어도 한쌍의 심전 전극과, 상기 적어도 한쌍의 심전 전극 상에 형성됨과 아울러, 상기 적어도 한쌍의 심전 전극과 접하는 면과 대향하는 면이 상기 생체와 접촉하는 접촉면으로 된 절연막과, 상기 생체에 빛을 조사하는 발광기와, 상기 발광기로부터 조사된 빛을 상기 생체가 반사한 빛을 수광하는 수광기와, 상기 절연막의 접촉면에 접촉된 상기 생체와 상기 적어도 한쌍의 심전 전극 각각의 사이의 용량성 결합에 의하여 검출된 상기 생체의 전기 신호를 차동 증폭함으로써 심전 신호를 생성하는 심전 신호 검출부, 및 상기 발광기가 조사한 빛 및 상기 수광기가 수광한 빛에 의거하여 광전 맥파 신호를 생성하는 광전 맥파 신호 검출부를 갖는 처리 회로를 구비하고, 상기 적어도 한쌍의 심전 전극의 적어도 1개는 상기 발광기가 조사하는 빛의 파장 범위에 대하여 광투과성을 갖는 도전 재료에 의해 형성된 광투과성 심전 전극이며, 상기 광투과성 심전 전극 상에 형성된 절연막은 상기 발광기가 조사하는 빛의 파장 범위에 대하여 광투과성을 갖는 절연 재료에 의해 형성된 광투과성 절연막이며, 상기 광투과성 심전 전극 및 상기 광투과성 절연막을 통하여 상기 발광기로부터 상기 생체에 빛을 조사함과 아울러, 상기 생체에서 반사된 빛을 상기 수광기에서 수광하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 예를 들면 이용자가 양손의 엄지 또는 검지 등을 광투과성 심전 전극 상의 광투과성 절연막의 접촉면과, 다른 심전 전극 상의 절연막의 접촉면에 각각 접촉시켰을 때, 한쪽의 손가락과 광투과성 심전 전극의 용량성 결합에 의해 한쪽의 손가락으로부터 전기 신호가 검출됨과 아울러, 다른쪽의 손가락과 다른 심전 전극의 용량성 결합에 의해 다른쪽의 손가락으로부터 전기 신호가 검출되고, 이들 2개의 전기 신호를 차동 증폭함으로써 심전 신호를 얻을 수 있다.
또한, 발광기로부터 발생된 빛은 광투과성 심전 전극 및 광투과성 절연막을 투과하여, 광투과성 절연막의 접촉면에 접촉해 있는 이용자의 손가락을 조사한다. 또한, 이용자의 손가락을 조사한 빛은 이용자의 손에서 반사되고, 이 반사광은 광투과성 절연막 및 광투과성 심전 전극을 투과하여, 수광기에 수광된다. 그리고 수광기는 수광된 빛에 대응하는 광검출 신호를 출력한다. 이 광검출 신호로부터 광전 맥파 신호를 얻을 수 있다.
이와 같이, 광투과성 심전 전극 및 광투과성 절연막을 통하여 발광기로부터 생체에 빛을 조사함과 아울러, 생체에서 반사된 빛을 수광기에서 수광함으로써, 생체로부터 심전 신호 및 광전 맥파 신호를 동시에 얻을 수 있다. 그리고 심전 신호를 얻기 위한 광투과성 심전 신호 및 광투과성 절연막과, 광전 맥파 신호를 얻기 위한 발광기 및 수광기를 상하 방향으로 서로 포개도록 배치할 수 있으므로, 심전 전극의 사이즈를 충분히 크게 설정하면서, 아울러 발광기와 수광기 사이의 거리를 충분히 길게 설정하면서도, 생체 센서 장치의 소형화를 도모할 수 있다. 따라서, 심전 신호 및 광전 맥파 신호의 SN비를 높이면서, 생체 센서 장치의 소형화를 도모할 수 있다.
또한, 발광기 및 수광기를 광투과성 심전 전극의 하측에 배치할 수 있기 때문에, 종래 기술과 같이, 발광기 및 수광기를 부착하기 위한 홈이나 구멍을 전극 표면에 형성할 필요가 없다. 이에 따라, 각 전극 표면을 평탄하게 할 수 있으며, 이용자의 손가락과 각 전극 표면의 접촉을 안정화시킬 수 있으며, 심전 전극의 SN비를 높일 수 있다.
또한, 발광기 및 수광기를 광투과성 심전 전극 및 광투과성 절연막의 하측에 배치할 수 있으므로, 광투과성 심전 전극 및 광투과성 절연막을 발광기 및 수광기의 보호 커버로서 기능시킬 수 있다. 이에 따라, 발광기 및 수광기를, 외부로부터의 충격이나 보호로부터 보호할 수 있다.
(2)또한, 본 발명의 생체 센서 장치는 상기 발광기가, 서로 파장 범위가 상이한 빛을 각각 조사하는 적어도 2개의 발광 소자를 구비하고 있다.
본 발명에 따르면, 서로 파장 범위가 상이한 빛을 각각 조사하는 적어도 2개의 발광 소자를 설치함으로써, 생체의 산소 포화도를 측정할 수 있다.
(3)또한, 본 발명의 생체 센서 장치는 상기 발광기와, 상기 수광기와, 상기 처리 회로를 구성하는 부품 중의 적어도 일부의 부품이 기판 상에 각각 실장되고, 상기 적어도 일부의 부품은 상기 발광기 및 상기 수광기 각각의 주위에 배치되고, 상기 발광기 및 상기 수광기 각각의 주위에는 상기 적어도 일부의 부품을 상기 기판 상에 실장할 때에 형성되는 솔더 필렛에 의해 빛을 반사하는 주벽(周壁) 리플렉터가 형성되어 있다.
본 발명에 따르면, 발광기 및 수광기 주위에 설치된 주벽 리플렉터에 의해, 발광기로부터 발생된 빛을 생체(이용자의 손가락 등)를 향하도록 반사하고, 이 빛을 생체에 모을 수 있음과 아울러, 생체가 반사한 빛을 반사기를 향하도록 반사하고, 이 빛을 수광기에 모을 수 있다. 이에 따라, 생체로부터 얻어지는 광전 맥파 신호의 SN비를 높일 수 있다.
그리고, 이 주벽 리플렉터를, 발광기 및 수광기의 주위에 배치된 부품의 솔더 필렛에 의해 형성함으로써, 주벽 리플렉터를 형성하기 위한 전용 부품을 별도로 추가할 필요가 없다. 따라서, 생체 센서 장치의 소형화를 도모할 수 있음과 아울러, 생체 센서 장치의 제조 코스트를 낮출 수 있다.
(4)또한, 본 발명의 생체 센서 장치는 상기 적어도 한쌍의 각 심전 전극을 상기 생체와 상기 적어도 한쌍의 각 심전 전극 각각의 사이의 용량성 결합에 의하여 상기 생체의 전기 신호를 차동 증폭하는 상기 심전 신호 검출부의 입력 단자에 접속하고, 상기 심전 신호 검출부의 입력 단자에는 적어도 하나의 고임피던스 소자를 갖는 클램프 회로를 적어도 하나 접속하고, 상기 클램프 회로의 접속단의 전위를 일정하게 고정함과 아울러, 상기 클램프 회로의 접속단으로부터 상기 심전 신호 검출부를 보았을 때의 임피던스가 상기 클램프 회로의 임피던스보다 큰 구성으로 하고 있다.
심전 전극과 생체의 용량성 결합을 이용하여 생체의 전기 신호를 검출하는 경우, 심전 전극으로부터 심전 신호 검출부를 보았을 때의 입력 임피던스가 낮으면, 생체의 전기 신호의 주파수 영역에서 손실이 커지고, 이 전기 신호를 검출할 수 없게 된다.
이에 비하여, 본 발명에서는, 클램프 회로를 고임피던스 소자를 이용하여 구성함과 아울러, 클램프 회로의 접속단으로부터 심전 신호 검출부의 입력단을 보았을 때의 임피던스를 클램프 회로의 임피던스보다도 크게 설정했으므로, 생체의 전기 신호의 주파수 영역에서의 손실을 저감할 수 있다. 또한, 클램프 회로에 의해 심전 신호 검출부의 입력 단자의 기준 전위를 고정할 수 있으므로, 생체의 전기 신호의 중심 전위의 변동이 작아진다. 이로 인해, SN비가 좋아지고, 안정되게 생체의 전기 신호를 검출할 수 있다.
(5)또한, 본 발명의 생체 센서 장치는 상기 적어도 한쌍의 심전 전극의 적어도 1개의 심전 전극과 상기 처리 회로를, 제1 하우징 내에 수용하고, 상기 제1 하우징 내에 수용한 상기 심전 전극과 대향시켜서, 생체의 제1 부위에 접촉하는 절연막을 상기 제1 하우징의 표면에 노출되게 형성하고, 상기 제1 하우징 내에 수용된 상기 심전 전극 이외의 다른 심전 전극을, 제2 하우징 내에 수용함과 아울러, 상기 제1 하우징으로부터 인출된 케이블을 통하여 상기 처리 회로와 전기적으로 접속하고, 상기 다른 심전 전극과 대향시켜서, 생체의 제2 부위에 접촉하는 다른 절연막을 상기 제2 하우징의 표면에 노출되게 형성하고 있다.
본 발명에 따르면, 제1 하우징 내에 수용한 심전 전극을 이용하여, 생체의 제1 부위의 전기 신호를 검출할 수 있다. 이에 더하여, 제2 하우징 내에 수용한 다른 심전 전극을 이용하여 생체의 제2 부위의 전기 신호를 검출할 수 있다. 또한, 다른 심전 전극은 제1 하우징으로부터 인출된 케이블을 통하여 제1 하우징 내에 수용된 처리 회로와 전기적으로 접속된다. 이로 인해, 생체의 전기 신호를 용이하게 검출할 수 있는 제1, 제2 부위가 서로 떨어진 위치에 있더라도, 이들 부위에 각각 심전 전극을 부착할 수 있으며, 전기 신호의 검출 정밀도를 높일 수 있다.
(6)또한, 본 발명의 생체 센서 장치는 상기 처리 회로와 케이블을 통하여 전기적으로 접속된 다른 심전 전극에 더하여, 상기 생체의 제2 부위에 빛을 조사하는 발광기와, 상기 발광기로부터 조사된 빛을 상기 생체가 반사한 빛을 수광하는 수광기를 상기 제2 하우징 내에 수용하고, 상기 다른 심전 전극은 상기 발광기가 조사하는 빛의 파장 범위에 대하여 광투과성을 갖는 도전 재료에 의해 형성된 광투과성 심전 전극이며, 상기 광투과성 심전 전극 상에 형성된 상기 다른 절연막은 상기 발광기가 조사하는 빛의 파장 범위에 대하여 광투과성을 갖는 절연 재료에 의해 형성된 광투과성 절연막이며, 상기 광투과성 심전 전극 및 상기 광투과성 절연막을 통해 상기 발광기로부터 상기 생체의 제2 부위에 빛을 조사함과 아울러, 상기 생체의 제2 부위에서 반사된 빛을 상기 수광기에서 수광하는 구성으로 하고 있다.
본 발명에 따르면, 제2 하우징에는 다른 심전 전극에 더하여, 발광기 및 수광기를 수용하는 구성으로 하였다. 이로 인해, 발광기 및 수광기를 이용하여, 생체의 제2 부위에 있어서의 광전 맥파 신호를 얻을 수 있다.
(7)또한, 본 발명의 생체 센서 장치에서는, 생체의 전기 신호를 검출하는 적어도 한쌍의 심전 전극과, 상기 적어도 한쌍의 심전 전극 상에 형성됨과 아울러, 상기 적어도 한쌍의 심전 전극과 접하는 면과 대향하는 면이 상기 생체와 접촉하는 접촉면으로 된 절연막과, 상기 생체에 빛을 조사하는 발광기와, 상기 발광기로부터 조사된 빛을 상기 생체가 반사한 빛을 수광하는 수광기와, 상기 절연막의 접촉면에 접촉된 상기 생체와 상기 적어도 한쌍의 심전 전극 각각의 사이의 용량성 결합에 의해 검출된 상기 생체의 전기 신호를 차동 증폭함으로써 심전 전극을 생성하는 심전 신호 검출부, 및 상기 발광기가 조사한 빛 및 상기 수광기가 수광한 빛에 의거하여 광전 맥파 신호를 생성하는 광전 맥파 신호 검출부를 갖는 처리 회로를 구비하고, 상기 발광기는 서로 파장 범위가 상이한 빛을 각각 조사하는 적어도 2개의 발광 소자를 구비하고, 상기 적어도 한쌍의 심전 전극의 적어도 1개는 상기 발광기의 각 발광 소자가 조사하는 빛의 파장 범위에 대하여 광투과성을 갖는 도전 재료에 의해 형성된 광투과성 심전 전극이며, 상기 광투과성 심전 전극 상에 형성된 절연막은 상기 발광기의 각 발광 소자가 조사하는 빛의 파장 범위에 대하여 광투과성을 갖는 절연 재료에 의해 형성된 광투과성 절연막이며, 상기 광투과성 심전 전극 및 상기 광투과성 절연막을 통해 상기 발광기의 각 발광 소자로부터 상기 생체에 빛을 조사함과 아울러, 상기 생체에서 반사된 빛을 상기 수광기에서 수광하고, 상기 발광기의 각 발광 소자와, 상기 수광기와, 상기 처리 회로를 구성하는 부품 중의 적어도 일부의 부품은 기판 상에 각각 실장되고, 상기 적어도 일부의 부품은 상기 발광기의 각 발광 소자 및 상기 수광기 각각의 주위에 배치되고, 상기 발광기의 각 발광 소자 및 상기 수광기 각각의 주위에는 상기 적어도 일부의 부품을 상기 기판 상에 실장할 때에 형성되는 솔더 필렛부에 의해 빛을 반사하는 주벽 리플렉터가 형성되고, 상기 적어도 한쌍의 각 심전 전극을 상기 생체와 상기 적어도 한쌍의 각 심전 전극 각각의 사이의 용량성 결합에 의해 검출된 상기 생체의 전기 신호를 차동 증폭하는 상기 심전 신호 검출부의 입력 단자에 접속하고, 상기 심전 신호 검출부의 입력 단자에는 적어도 하나의 고임피던스 소자를 갖는 클램프 회로를 적어도 하나 접속하고, 상기 클램프 회로의 접속단의 전위를 일정하게 고정함과 아울러, 상기 클램프 회로의 접속단으로부터 상기 심전 신호 검출부를 보았을 때의 임피던스가 상기 클램프 회로의 임피던스보다도 큰 구성으로 해도 무방하다.
본 발명에 따르면, 생체로부터 심전 신호 및 광전 맥파 신호를 동시에 얻을 수 있는 소형의 생체 센서 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 생체 센서 장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 이용자가 측정하고 있는 상태의 제1 실시형태에 따른 생체 센서 장치를 도시한 설명도이다.
도 3은 제1 실시형태에 따른 생체 센서 장치를 도시한 정면도이다.
도 4는 도 3 중의 화살표 Ⅳ-Ⅳ 방향에서 본, 생체 센서 장치에 있어서의 광투과성 심전 전극, 광투과성 절연막, 기판, 발광 소자, 수광 소자, 표면 실장 부품 등을 도시한 확대 종단면도이다.
도 5는 제1 실시형태에 따른 생체 센서 장치의 발광 소자 및 표면 실장 부품을, 광투과성 봉지체, 광투과성 심전 전극 및 광투과성 절연막을 제거한 상태에서 도시한 정면도이다.
도 6은 도 5 중의 화살표 Ⅵ-Ⅵ 방향에서 본 발광 소자 및 표면 실장 부품을 도시한 단면도이다.
도 7은 발광 소자 구동 회로를 도시한 회로도이다.
도 8은 도 3과 동일 방향에서 본, 생체 센서 장치의 광투과성 심전 전극, 광투과성 절연막 등을 도시한 확대도이다.
도 9는 제1 실시형태에 따른 생체 센서 장치의 전기적 구성을 도시한 블록도이다.
도 10은 제2 실시형태에 따른 생체 센서 장치에 있어서의 광투과성 심전 전극, 광투과성 절연막, 기판, 발광 소자, 수광 소자, 표면 실장 부품 등을 도시한 종단면도이다.
도 11은 제3 실시형태에 따른 생체 센서 장치의 전기적 구성을 도시한 블록도이다.
도 12는 도 11 중의 심전 신호 필터부, 클램프 회로 등을 도시한 회로도이다.
도 13은 생체와 심전 전극 간의 정전 용량값과 클램프 회로의 저항값의 관계를 도시한 설명도이다.
도 14는 심전 신호 검출부의 입력부에 있어서의 신호 손실과 심전 신호에 관련된 전기 신호의 주파수의 관계를 도시한 주파수 특성도이다.
도 15는 클램프 회로의 저항값이 도 13 중의 A영역에 있을 때의 심전 신호에 관련된 전기 신호 및 방사 노이즈의 시간 변화를 도시한 특성선도이다.
도 16은 클램프 회로의 저항값이 도 13 중의 경계선 X의 근방에 있을 때의 심전 신호에 관련된 전기 신호 및 방사 노이즈의 시간 변화를 도시한 특성선도이다.
도 17은 클램프 회로의 저항값이 도 13 중의 B영역에 있을 때의 심전 신호에 관련된 전기 신호 및 방사 노이즈의 시간 변화를 도시한 특성선도이다.
도 18은 제4 실시형태에 따른 생체 센서 장치의 전기적 구성을 도시한 블록도이다.
도 19는 도 18 중의 심전 신호 필터부, 클램프 회로 등을 도시한 회로도이다.
도 20은 제5 실시형태에 따른 클램프 회로를 도시한 회로도이다.
도 21은 제6 실시형태에 따른 클램프 회로를 도시한 회로도이다.
도 22는 제7 실시형태에 따른 생체 센서 장치를 이용자에게 부착한 상태를 도시한 설명도이다.
도 23은 도 22 중의 헤드폰의 주위를 확대하여 도시한 설명도이다.
도 24는 변형예에 따른 생체 센서 장치의 심전 전극을 도시한 설명도이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 첨부의 도면에 따라서 설명한다. 먼저, 본 발명의 제1 실시형태에 대하여 도 1 내지 도 9에 따라 설명한다.
도 1에 있어서, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 생체 센서 장치(1)는 예를 들면 인간의 양손의 엄지로부터 심전 신호 및 광전 맥파 신호를 동시에 검출하고, 이들 신호에 의거하여 심전도, 심박 속도, 산소 포화도, 맥파 전파 시간, 가속도 맥파, 심박 변동 등의 생체 정보를 생성할 수 있으며, 또한 맥파 전파 시간으로부터 혈압을 추정하고, 심박 변동으로부터 자율 신경 상태를 추정할 수도 있다. 이용자는 생체 센서 장치(1)에 의해 제공되는 생체 정보를 이용하여 건강 상태의 다면적인 해석을 행할 수 있다. 또한, 생체 센서 장치(1)는 도 2에 도시한 바와 같이, 인간이 가볍게 들어올릴 수 있는 소형 및 경량의 휴대형 장치이다.
또한, 설명의 편의상, 도 1 중의 화살표 X가 가리키는 각 방향을 좌방향, 우방향이라 하고, 화살표 Y가 가리키는 각 방향을 후방 방향, 전방 방향이라 하고, 화살표 Z가 가리키는 각 방향을 상방향, 하방향이라 한다.
하우징(2)는 생체 센서 장치(1)의 외측을 형성하고, 예를 들면 수지를 이용하여 형성되어 있다. 상기 하우징(2)은 생체 센서 장치(1)의 하측을 덮는 하측 케이스(3)와, 생체 센서 장치(1)의 상측을 덮는 상측 케이스(4)로 구성되어 있다.
그리고 하우징(2) 내의 안쪽에는 도 3에 도시한 바와 같이, 디스플레이 패널(5)이 형성되어 있으며, 상측 케이스(4)의 상면 안쪽에는 디스플레이 패널(5)의 표시 화면을 볼 수 있도록 하기 위한 개구부(4A)가 형성되고, 상기 개구부(4A)에는 수지제의 투명판인 표시창(6)이 부착되어 있다.
또한, 상측 케이스(4)의 상면 좌측 전방측에는 개구 형상이 사각형인 광통과구(4B)가 형성되고 상기 광통과구(4B)에는 후술하는 광투과성 봉지체(18)의 상부가 끼워넣어져 있다.
도 3, 도 4에 있어서, 기판(7)은 하우징(2) 내에 형성되어 있다. 상기 기판(7)은 하측 케이스(3) 내에 부착되어 있다. 그리고, 기판(7) 상에 있어서, 안쪽에는 디스플레이 패널(5)이 탑재되고, 전방측에는 후술하는 발광 소자(8, 9), 수광 소자(10), 처리 회로(26) 등이 탑재되어 있다.
도 4에 있어서, 2개의 발광 소자(8, 9)는 기판(7) 상에 형성된 발광기이다. 상기 각 발광 소자(8, 9)는 예를 들면 발광 다이오드(LED)이고, 후술하는 수광 소자(10)와 함께 이용자의 손가락으로부터 광전 맥파 신호에 관련된 광검출 신호를 검출하기 위한 것이다. 즉 상기 각 발광 소자(8, 9)는 광검출 신호를 검출하기 위한 검출광을, 후술하는 광투과성 절연막(20)의 접촉면(20A)에 접촉된 이용자의 손가락에 조사한다. 또한, 발광 소자(8, 9)로서 면발광 소자(VCSEL) 또는 공진기형 LED를 이용해도 무방하다.
또한, 각 발광 소자(8, 9)는 상측 케이스(4)의 좌측 전방측에 형성된 광통과구(4B)의 하측에 배치되어 있다. 또한, 각 발광 소자(8, 9)는 후술하는 발광 소자 구동부(33)(발광 소자 구동 회로(14))에 의해 구동된다.
또한, 발광 소자(8)과 발광 소자(9)는 서로 상이한 파장 범위를 갖는 검출광을 발생한다. 예를 들면, 발광 소자(8)는 산소화 헤모글로빈에 의한 흡수도가 높은 파장 범위를 갖는 검출광을 발생하고, 발광 소자(9)는 탈산소화 헤모글로빈에 의한 흡수도가 높은 파장 범위를 갖는 검출광을 발생한다.
수광 소자(10)는 기판(7) 상에 형성된 수광기이다. 상기 수광 소자(10)에는 예를 들면 포토다이오드로 구성되어 있다. 또한, 수광 소자(10)로서 포토트랜지스터를 이용해도 무방하다. 또한, 상기 수광 소자(10)는 광통과구(4B)의 하측에 배치되어 있다. 또한, 수광 소자(10)와 발광 소자(8, 9) 사이의 거리는 5mm에서 10mm까지의 범위 내이다. 그리고 수광 소자(10)는 발광 소자(8, 9)로부터 조사된 검출광의 반사광(즉 검출광을 광투과성 절연막(20)의 접촉면(20A)에 접촉된 이용자의 손가락이 반사한 빛)을 수광하고, 이 수광된 빛을 광검출 신호로 변환하고, 이 광검출 신호를 처리 회로(26)의 광검출 신호 증폭부(34)(도 9 참조)에 출력한다.
도 5에 있어서, 표면 실장 부품(11, 12, 13)은 트랜지스터, 레지스터 및 콘덴서이며, 이들은 모두 처리 회로(26)의 발광 소자 구동부(33)에 포함되는 발광 소자 구동 회로(14)를 구성한다. 즉 도 7에 도시한 바와 같이, 이들 표면 실장 부품(11, 12, 13)은 발광 소자(8, 9)를 구동하여 발광 소자(8, 9)의 발광을 제어하기 위한 정전류 회로 및 고주파 컷 필터 회로를 구비한 발광 소자 구동 회로(14)를 구성하는 것이다.
또한, 이들 표면 실장 부품(11, 12, 13)은 기판(7) 상에 있어서, 발광 소자(8, 9)를 둘러싸도록 발광 소자(8, 9)의 주위에 배치되고, 발광 소자(8, 9)와 대향하는 위치에 접속 단자(11A, 12A, 13A)를 갖는다. 그리고 각 표면 실장 부품(11, 12, 13)은 도 6에 도시한 바와 같이, 접속 단자(11A, 12A, 13A)를, 기판(7) 상에 형성된 전극 패드(15)에 솔더링함으로써, 기판(7) 상에 고착되고, 아울러 발광 소자(8, 9) 및 후술하는 연산 처리기(36) 등과 전기적으로 접속되어 있다(도 6에서는 표면 실장 부품(13)에 대해서만 도시).
주벽 리플렉터(16)는 발광 소자(8, 9)의 주위에 형성되어 있다. 상기 주벽 리플렉터는 각 표면 실장 부품(11, 12, 13)을 기판(7) 상에 실장할 때에 형성된 솔더 필렛에 의해 형성되어 있다. 즉 각 표면 실장 부품(11, 12, 13)의 접속 단자(11A, 12A, 13A)를 접속하기 위한 전극 패드(15)는 발광 소자(8, 9)를 따라 신장되도록 형성되어 있다. 이에 따라, 접속 단자(11A, 12A, 13A)와 전극 패드(15)를 솔더링함으로써, 접속 단자(11A, 12A, 13A)와 전극 패드(15)의 사이에는 솔더링시의 솔더 누설에 의해 솔더 필렛이 형성되고, 이 솔더 필렛에 의해 주벽 리플렉터(16)가 형성된다.
또한, 각 솔더 필렛은 접속 단자(11A, 12A, 13A)로부터 발광 소자(8, 9)를 향하여 경사 하방향으로 경사진 경사면을 가지며, 이 경사면이 주벽 리플렉터(16)의 반사면(16A)이 된다. 이 반사면(16A), 즉 솔더 리플렛의 경사면의 경사 각도는 예를 들면 대략 30도~60도의 범위 내로 설정하는 것이 바람직하다.
그리고 각 주벽 리플렉터(16)의 반사면(16A)은 발광 소자(8, 9)로부터 발생되는 검출광을, 광투과성 절연막(20)의 접촉면(20A)에 접촉된 이용자의 손가락을 향하도록 반사한다. 즉 발광 소자(8, 9)는 검출광을 대략 상방향으로 발생하지만, 일부의 검출광은 발광 소자(8, 9)의 주위에서 좌우 방향 및 후방ㆍ전방 방향으로 확산한다. 그러나, 이 확산된 검출광은 각 주벽 리플렉터(16)의 반사면(16A)에 닿는다. 이에 따라, 확산된 검출광의 방향이 상방향으로 굽어진다. 그 결과, 검출광이 광통과구(4B)를 통과하도록 상방향으로 집광된다. 그 결과, 광투과성 절연막(20)의 접촉면(20A)에 접촉된 이용자의 손가락에 조사되는 검출광의 강도가 커진다.
또한, 이와 같은 주벽 리플렉터(16)는 도 4에 도시한 바와 같이, 수광 소자(10)의 주위에도 형성되어 있다. 즉 수광 소자(10)의 주위에는 도 4에 도시한 바와 같이, 처리 회로(26)의 일부를 구성하는 표면 실장 부품(13, 17) 등이 배치되어 있으며, 표면 실장 부품(13, 17) 등을 기판(7) 상에 실장할 때에 형성된 솔더 필렛에 의해 주벽 리플렉터(16)가 형성되어 있다. 그리고 수광 소자(10)의 주위에 형성된 주벽 리플렉터(16)는 광투과성 절연막(20)의 접촉면(20A)에 접촉된 이용자의 손가락이 반사한 검출광의 반사광을 수광 소자(10)를 향하도록 반사한다.
도 4에 있어서, 광투과성 봉지체(18)는 기판(7) 상에 있어서 발광 소자(8, 9), 수광 소자(10), 표면 실장 부품(11, 12, 13, 17) 등을 봉지한다. 상기 광투과성 봉지체(18)는 발광 소자(8, 9)가 조사하는 빛의 파장 범위에 대하여 광투과성을 갖는 절연 재료, 예를 들면 투명한 절연 수지 등에 의해 형성되어 있다. 즉 광투과성 봉지체(18)는 기판(7)의 상면에 있어서, 상측 케이스(4)의 광통과구(4B)의 개구 형상과 거의 대응하는 영역의 전체를 덮고, 해당 영역 내에 배치되어 있는 발광 소자(8, 9), 수광 소자(10), 표면 실장 부품(11, 12, 13, 17) 등을 봉입하고 있다.
또한, 광투과성 봉지체(18)의 상부는 광통과구(4B)에 끼워 넣어져 있다. 무엇보다도, 광투과성 봉지체(18)의 전방측 단면의 일부와 광통과구(4B)의 전방측 내주면의 일부의 사이에는 후술하는 광투과성 절연막(20)의 라인 보호부(20B), 도전 라인(21) 및 접지 라인(22)을 배치하기 위한 간극이 형성되어 있다.
그리고, 상기 광투과성 봉지체(18)는 후술하는 광투과성 심전 전극(19) 및 광투과성 절연막(20)을 발광 소자(8, 9) 및 수광 소자(10)의 상측에서 지지하기 위한 지지체로서의 역할을 한다.
도 3에 있어서, 광투과성 심전 전극(19)은 광투과성 봉지체(18) 상에 형성되어 있다. 상기 광투과성 심전 전극(19)은 심전 전극에 관련된 전기 신호를 이용자의 왼손 엄지로부터 검출하기 위한 전극이다. 상기 광투과성 심전 전극(19)은 발광 소자(8, 9)가 조사하는 빛의 파장 범위에 대하여 광투과성을 갖는 도전 재료에 의해 형성되어 있다. 예를 들면, 광투과성 심전 전극(19)은 ITO(산화 인듐 주석)계, ZnO(산화 아연)계, SnO2(산화 주석)계, TiO2(산화 티탄)계, 또는 마그네슘기 비산화물계의 투명한 도전 재료, 또는 투명 도전 수지로 형성되어 있다. 그리고, 광투과성 심전 전극(19)은 수㎛~수십㎛정도의 두께 칫수를 갖는 박막으로서 광투과성 봉지체(18)의 상면에 형성되어 있다.
또한, 광투과성 심전 전극(19)은 예를 들면 1변의 길이 칫수가 10㎜~30㎜정도인 사각형으로 형성되어 있다. 또한, 광투과성 심전 전극(19)을 직경 10㎜~30㎜정도의 원형 또는 타원형으로 형성해도 무방하다. 그리고 광투과성 심전 전극(19)은 도 4에 도시한 바와 같이, 발광 소자(8, 9) 및 수광 소자(10)의 상측에 배치되어 있다.
광투과성 절연막(20)은 광투과성 심전 전극(19)의 상면을 덮어 형성되어 있다. 상기 광투과성 절연막(20)은 발광 소자(8, 9)가 조사하는 빛의 파장 범위에 대하여 광투과성을 갖는 절연 재료, 예를 들면 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리이미드 등의 투명한 절연 재료에 의해 형성되고, 그 두께 칫수는 예를 들면 수㎛~수십㎛이다. 또한, 광투과성 절연막(20)은 광투과성 심전 전극(19)의 상면 전체뿐만 아니라, 광투과성 심전 전극(19)의 주위도 덮고 있으며, 광투과성 심전 전극(19)을 외기로부터 차단하고 있다.
또한, 광투과성 절연막(20)에 있어서, 광투과성 심전 전극(19)과 접하는 면과 대향하는 면이 이용자의 엄지와 접촉하는 접촉면(20A)으로 되고, 접촉면(20A)에 이용자의 엄지가 접촉했을 때, 이 손가락과 광투과성 심전 전극(19)의 용량성 결합에 의해, 당해 손가락으로부터 심전 신호에 관련된 전기 신호가 검출된다.
또한, 광투과성 절연막(20)의 전방측 가장자리부에는 도 3에 도시한 바와 같이, 후술하는 도전 라인(21) 및 접지 라인(22)을 보호하기 위한 라인 보호부(20B)가 형성되어 있다. 상기 라인 보호부(20B)는 도 8에 도시한 바와 같이, 광투과성 절연막(20)의 전방측 가장자리부의 일부를, 기판(7) 상에 형성된 후술하는 커넥터(23)를 향하여 연장시킴으로써 형성되어 있다. 그리고 라인 보호부(20B)는 도전 라인(21) 및 접지 라인(22)의 표면을 덮고 있다.
도전 라인(21)은 광투과성 심전 전극(19)과 커넥터(23)의 신호 단자 사이를 전기적으로 접속한다. 상기 도전성 라인(21)은 예를 들면 광투과성 심전 전극(19)과 동일한 도전 재료로 형성되어 있다. 그리고 도 4, 도 8에 도시한 바와 같이, 도전 라인(21)의 기단측은 광투과성 심전 전극(19)에 접속되고 선단측은 라인 보호부(20B)와 함께, 광투과성 봉지체(18)의 전방측 단면과 광통과구(4B)의 전방측 내주면의 사이에 형성된 간극을 지나서 하우징(2) 내를 향하여 하측으로 연장되고, 커넥터(23)의 신호 단자에 접속되어 있다.
접지 라인(22)은 도전 라인(21)의 좌우 방향 양측에 위치하고, 당해 도전 라인(21)으로부터 각각 소정 거리 이간되어 배치되어 있다. 상기 각 접지 라인(22)은 도전 재료로 형성되어 있다. 그리고 각 접지 라인(22)은 도전 라인(21)의 기단측으로부터 선단측을 향하여 도전 라인(21)과 평행하게 연장되고, 그 선단이 커넥터(23)의 접지 단자에 접속되어 있다. 이와 같이 도전 라인(21)을 접지 라인(22)으로 둘러싸서, 도전 라인(21)을 흐르는 전기 신호에 방사 노이즈가 중첩되는 것을 억제할 수 있다.
커넥터(23)는 기판(7) 상에 형성되어 있다. 상기 커넥터(23)는 도전 라인(21)을 기판(7) 상에 형성된 후술하는 처리 회로(26)의 심전 신호 필터부(28)에 접속함과 아울러, 접속 라인(22)을 기판(7)에 형성된 접지부(도시하지 않음)에 접속하는 것이다. 즉 커넥터(23) 내에는 도전 라인(21)과 심전 신호 필터부(28)를 접속하는 신호 단자, 및 접지 라인(22)과 기판(7)의 접지부를 접속하는 접지 단자(모두 도시하지 않음)가 형성되어 있다.
도 3에 있어서, 심전 전극(24)은 상측 케이스(4)의 상면 오른쪽 전방측에 형성되어 있다. 상기 심전 전극(24)은 심전 신호에 관련된 전기 신호를 이용자의 오른손 엄지로부터 검출하기 위한 전극이다. 상기 심전 전극(24)은 도전 재료에 의해 형성되고, 그 두께 칫수 및 사이즈는 광투과성 심전 전극(19)과 거의 동일하다. 또한, 심전 전극(24)은 도시하지 않은 전선을 통해 처리 회로(26)의 심전 신호 필터부(29)와 전기적으로 접속되어 있다.
또한, 심전 전극(24)에 의해 검출된 전기 신호에 방사 노이즈가 중첩되는 것을 억제하기 위하여, 심전 전극(24)과 심전 신호 필터부(29)를 전기적으로 접속하는 전선을, 공간 또는 절연체를 통해 도전체로 덮고, 당해 도전체를 접지하는 구성으로 하는 것이 바람직하다.
절연막(25)은 심전 전극(24)의 상면을 덮어 형성되어 있다. 상기 절연막(25)은 예를 들면 광투과성 절연막(20)과 유사한 투명한 절연 재료에 의해 형성되어 있으며, 그 두께 칫수는 광투과성 절연막(20)과 거의 동일하다. 그리고 절연막(25)은 심전 전극(24)의 상면 전체뿐만 아니라, 심전 전극(24)의 주위도 덮고 있으며, 심전 전극(24)을 외기로부터 차단하고 있다.
또한, 절연막(25)에 있어서, 심전 전극(24)과 접하는 면과 대향하는 면이 이용자의 엄지와 접촉하는 접촉면(25A)으로 되고, 접촉면(25A)에 이용자의 엄지가 접촉했을 때, 이 손가락과 심전 전극(24)의 용량성 결합에 의해 당해 손가락으로부터 심전 신호에 관련된 전기 신호가 검출된다.
또한, 심전 전극(24)을 상측 케이스(4)의 오른쪽 전방측 부위에 매설해도 무방하다. 이 경우에는, 상측 케이스(4) 중에서 심전 전극(24)의 상측에 위치하는 부위가 절연막으로서 기능하므로, 절연막(25)은 형성하지 않아도 무방하다.
처리 회로(26)는 기판(7) 상에 형성되어 있다. 상기 처리 회로(26)는 도 9에 도시한 바와 같이, 심전 신호 검출부(27), 광전 맥파 신호 검출부(32) 및 연산 처리부(36)로 대략 구성되어 있다.
즉 심전 신호 검출부(27)는 이용자의 심전 신호를 생성하는 것이다. 상기 심전 신호 검출부(27)는 2개의 심전 신호 필터부(28, 29) 및 기선 변동 억제부(30), 차동 증폭부(31)를 구비하고 있다.
여기서, 심전 신호 필터부(28)는 도전 라인(21), 커넥터(23)의 신호 단자 등을 통해 광투과성 심전 전극(19)과 접속되어 있다. 또한, 심전 신호 필터부(29)도 이것과 거의 마찬가지로 심전 전극(24)과 접속되어 있다. 그리고 심전 신호 필터부(28, 29)는 이용자의 양손의 엄지로부터 검출된 심전 신호에 관련된 전기 신호에 포함되는 노이즈를 경감한다.
여기서, 심전 신호 필터부(28, 29)는 예를 들면 로우 패스 필터(저역 통과 필터)로 구성되어 있다. 또한, 차동 증폭부(31)에 의해 생성되는 심전 신호의 파형 왜곡을 경감하기 위하여, 심전 신호 필터부(28, 29)의 입력 임피던스를 높게 하고, 예를 들면 1GΩ~10TΩ로 하는 것이 바람직하다.
기선 변동 억제부(30)는 심전 신호 필터부(28, 29)의 후단에 접속되며, 각 심전 신호 필터부(28, 29)로부터 출력된 심전 신호에 관련된 전기 신호의 기선(베이스 라인)의 변동을 억제한다.
차동 증폭부(31)는 기선 변동 억제부(30)의 후단에 접속된 차동 증폭 회로이며, 예를 들면 OP 앰프(연산 증폭기) 등을 포함한 차동 증폭 회로에 의해 구성되어 있다. 또한, 통상 사용되는 OP 앰프의 입력 임피던스는 1GΩ이상이다. 이로 인해, 차동 증폭기(31)의 입력 임피던스는 1GΩ이상이 된다. 그리고, 차동 증폭기(31)는 기선 변동 억제부(30)로부터 출력된 심전 신호에 관련된 전기 신호를 차동 증폭함으로써 심전 신호를 생성한다. 즉 차동 증폭부(31)는 광투과성 심전 전극(19)에 의해 이용자의 왼손의 엄지로부터 검출되고, 심전 신호 필터부(28) 및 기선 변동 억제부(30)를 통해 입력된 전기 신호와, 심전 전극(24)에 의해 이용자의 오른손의 엄지로부터 검출되고, 심전 신호 필터부(29) 및 기선 변동 억제부(30)를 통해 입력된 전기 신호를 차동 증폭함으로써, 심전 신호를 생성한다.
한편, 광전 맥파 신호 검출부(32)는 연산 처리부(36)와 협동하여 이용자의 광전 맥파 신호를 생성하는 것이다. 상기 광전 맥파 신호 검출부(32)는 발광 소자 구동부(33), 광검출 신호 증폭부(34) 및 맥파 신호 필터부(35)를 구비하고 있다.
여기서, 발광 소자 구동부(33)는 각 발광 소자(8, 9)를 구동하고, 각 검출광의 발광 파워, 발광 타이밍 등을 제어한다. 도 5 내지 도 7에 도시한 발광 소자 구동 회로(14)는 발광 소자 구동부(33)의 일부를 구성하는 것이다.
광검출 신호 증폭부(34)는 수광 소자(10)에 접속되고, 수광 소자(10)로부터 공급된 광검출 신호에 의거하여 전류-전압 변환을 행하고, 전류-전압 변환된 광검출 신호를 증폭한다,
맥파 신호 필터부(35)는 광검출 신호 증폭부(34)의 후단에 접속되고, 광검출 신호 증폭부(34)로부터 출력된 광검출 신호로부터 노이즈를 제거한다. 맥파 신호 필터부(35)는 로우 패스 필터 및 필요에 따라서 하이 패스 필터를 구비하고 있다.
연산 처리부(36)는 예를 들면 중앙 연산 처리 장치(CPU)이며, 발광 소자(8, 9)의 검출광을 제어하는 처리, 광검출 신호로부터 광전 맥파 신호를 추출하는 처리, 심전 신호 및 광전 맥파 신호에 의거하여 생체 정보를 생성하는 처리, 생체 센서 장치(1)의 전체적인 제어 등을 행한다.
즉 연산 처리부(36)는 발광 소자(8)의 검출광을 제어하기 위한 펄스 신호인 제1 펄스 제어 신호와, 발광 소자(9)의 검출광을 제어하기 위한 펄스 신호인 제2 펄스 제어 신호를 발광 소자 구동부(33)에 공급하고, 이들 펄스 제어 신호에 대응하도록 발광 소자(8, 9)를 펄스형상으로 발광시킨다. 이에 따라, 발광 소자(8, 9)로부터 펄스형상의 검출광이 각각 발생된다. 여기서, 제1 펄스 제어 신호와 제2 펄스 제어 신호는 위상이 서로 상이하다. 이로 인해, 발광 소자(8, 9)의 검출광의 발광 타이밍이 서로 상이하다.
또한, 연산 처리부(36)는 수광 소자(10)로부터 광검출 신호 증폭부(34) 및 맥파 신호 필터부(35)를 통해 공급된 광검출 신호로부터 광전 맥파 신호를 추출하는 처리를 행한다. 연산 처리부(36)는 이 추출 처리를, 제1 펄스 제어 신호 및 제2 펄스 제어 신호의 각 주기 및 위상에 동기한 시분할 처리에 의해 행하고, 발광 소자(8)의 검출광에 대응하는 광전 맥파 신호와, 발광 소자(9)의 검출광에 대응하는 광전 맥파 신호를 광검출 신호로부터 각각 분리시킨다.
또한, 연산 처리부(36)는 이와 같이 분리ㆍ추출한 광전 맥파 신호와 차동 증폭부(31)에 의해 생성된 심전 신호에 의거하여, 심전도, 심박 속도, 산소 포화도, 맥파 전파 시간, 가속도 맥파, 심박 변동 등의 생체 정보를 생성한다.
본 발명의 제1 실시형태에 따른 생체 센서 장치(1)는 이상과 같은 구성을 갖는 것이며, 다음으로 그 동작을 설명한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 이용자가 왼손의 엄지를 광투과성 절연막(20)의 접촉면(20A)에 접촉시키고, 오른손의 엄지를 절연막(25)의 접촉면(25A)에 접촉시켰을 때, 왼손의 엄지와 광투과성 심전 전극(19)의 용량성 결합에 의해 광투과성 심전 전극(19)으로부터 심전 신호에 관련된 제1 전기 신호가 검출됨과 아울러, 오른손의 엄지와 심전 전극(24)의 용량성 결합에 의해 심전 전극(24)으로부터 심전 신호에 관련된 제2 전기 신호가 검출된다. 그리고 제1 전기 신호 및 제2 전기 신호는 심전 신호 필터부(28, 29)에 의해 각각 노이즈가 경감되고, 기선 변동 제어부(30)에 의해 기선의 변동이 억제된 후, 차동 증폭부(31)에 의해 차동 증폭된다. 이에 따라, 해당 이용자의 심전 신호가 얻어지고, 이 심전 신호가 연산 처리부(36)에 공급된다.
이것과 동시에, 연산 처리부(36)로부터 발광 소자 구동부(33)를 향하여 제1 펄스 제어 신호 및 제2 펄스 제어 신호가 공급되고, 이들에 따라 발광 소자(8, 9)가 서로 파장 범위가 상이한 검출광을 서로 상이한 발광 타이밍으로 각각 발생한다. 그리고 이들 검출광은 광투과성 봉지체(18), 광투과성 심전 전극(19) 및 광투과성 절연막(20)을 투과하여, 이용자의 왼손의 엄지에 도달한다. 또한, 해당 엄지로부터의 검출광의 반사광이, 광투과성 절연막(20), 광투과성 심전 전극(19) 및 광투과성 봉지체(18)를 투과하여 수광 소자(10)에 도달한다. 그리고, 수광 소자(10)는 이 반사광을 수광하고, 이 반사광에 대응하는 광검출 신호를 출력한다. 또한, 이 광검출 신호는 광검출 신호 증폭부(34)에 의해 전류-전압 변환된 후에 증폭되고, 다시 맥파 신호 필터부(35)에 의해 노이즈가 제거된 후, 연산 처리부(36)에 공급된다.
그리고 연산 처리부(36)는 제1 펄스 제어 신호 및 제2 펄스 제어에 의거하여 시분할 처리를 행하고, 맥파 신호 필터부(35)로부터 공급된 광검출 신호로부터, 발광 소자(8)의 검출광에 대응하는 광전 맥파 신호와, 발광 소자(9)의 검출광에 대응하는 광전 맥파 신호를 광검출 신호로부터 각각 분리ㆍ추출한다. 그리고 분리ㆍ추출한 광전 맥파 신호와 차동 증폭부(31)로부터 공급된 심전 신호에 의거하여, 심전도, 심박 속도, 산소 포화도, 맥파 전파 시간, 가속도 맥파, 심박 변동 등이 생체 정보를 생성한다. 이들 생체 정보는 예를 들면 디스플레이 패널(5)의 표시 화면에 표시된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 생체 센서 장치(1)에 따르면, 심전 신호를 얻기 위한 광투과성 심전 전극(19)과, 광전 맥파 신호를 얻기 위한 발광 소자(8, 9) 및 수광 소자(10)를 상하 방향으로 서로 포개도록 배치함으로써, 광투과성 심전 전극(19)의 사이즈를 충분히 크게 설정하면서, 아울러 발광 소자(8, 9)와 수광 소자(10) 사이의 거리를 충분히 길게 설정하면서도, 생체 센서 장치(10)의 소형화를 도모할 수 있다.
그리고 생체 센서 장치(1)의 소형화를 도모하면서도, 광투과성 심전 전극(19)의 사이즈를 충분히 크게 설정할 수 있으므로, 이용자의 엄지와 광투과성 심전 전극(19)의 접촉을 안정화시킬 수 있으며, 심전 신호의 SN비를 높일 수 있다.
또한, 생체 센서 장치(1)의 소형화를 도모하면서도, 발광 소자(8, 9)와 수광 소자(10) 간의 거리를 충분히 길게 설정할 수 있으므로, 광전 맥파 신호의 SN비를 높일 수 있다. 즉 발광 소자(8, 9)와 수광 소자(10) 사이의 거리를 충분히 길게 설정함으로써, 수광 소자(10)에 수광되는 반사광에 있어서, 이용자의 손가락의 표피 외면에 반사되는 반사광에 대하여, 이용자의 손가락의 표피 아래에 있는 동맥을 통과하는 반사광을 상대적으로 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 수광 소자(10)에 수광된 반사광에 대응하는 광검출 신호에 있어서, 광전 맥파 신호로서 불필요한 직류 신호 성분에 대하여, 광전 맥파 신호로서 유용한 교류 신호 성분을 상대적으로 증가시킬 수 있으며, 광전 맥파 신호의 SN비를 높일 수 있다.
한편, 발광 소자(8, 9) 및 수광 소자(10)를 광투과성 심전 전극(19)의 하측에 배치하기 때문에, 종래 기술과 같이, 발광 소자 및 수광 소자를 부착하기 위한 홈이나 구멍을 전극 표면에 형성할 필요가 없다. 이에 따라, 각 심전 전극(19, 24)을 평탄하게 할 수 있으며, 이용자의 손가락과 각 심전 전극(19, 24)의 접촉을 안정화시킬 수 있으며, 심전 신호의 SN비를 높일 수 있다.
또한, 발광 소자(8, 9) 및 수광 소자(10)의 상측에 배치된 광투과성 심전 전극(19) 및 광투과성 절연막(20)을 발광 소자(8, 9) 및 수광 소자(10)의 보호 커버로서 기능시킬 수 있다. 이에 따라, 발광 소자(8, 9) 및 수광 소자(10)를, 외부로부터의 마찰이나 충격으로부터 보호할 수 있다.
또한, 서로 파장 범위가 상이한 검출광을 각각 조사하는 2개의 발광 소자(8, 9)를 형성함으로써, 생체의 산소 포화도를 측정할 수 있다.
또한, 발광 소자(8, 9) 및 수광 소자(10)의 주위에 배치된 표면 실장 부품(11, 12, 13, 17)을 기판(7) 상에 실장할 때에 형성된 솔더 필렛에 의해 주벽 리플렉터(16)를 형성하고, 이들 주벽 리플렉터(16)에 의해, 발광 소자(8, 9)의 검출광 및 이 반사광을 반사시킴으로써, 검출광을 광투과성 절연막(20)의 접촉면(20A)에 접촉된 이용자의 손을 향하여 모을 수 있으며, 또한 검출광의 반사광을 수광 소자(10)에 모을 수 있다. 이에 따라, 이용자의 손가락으로부터 얻어지는 광전 맥파 신호의 SN비를 높일 수 있다.
그리고 이와 같은 집광 효과를 실현하기 위하여, 주벽 리플렉터(16)를 형성하기 위한 전용 부품을 별도 추가할 필요가 없다. 이에 따라, 생체 센서 장치(1)의 소형화를 도모할 수 있음과 아울러, 생체 센서 장치(1)의 제조 코스트를 낮출 수 있다.
또한, 발광 소자(8, 9)를 둘러싸도록 배치하는 표면 실장 부품(11, 12, 13)을, 발광 소자(8, 9)를 구동하여 발광 소자(8, 9)의 발광을 제어하는 발광 소자 구동 회로(14)를 구성하는 표면 실장 부품으로 함으로써, 발광 소자(8, 9)로부터 발생되는 검출광의 강도를 안정화시킬 수 있으며, 이용자의 손가락으로부터 얻어지는 광전 맥파 신호의 SN비를 높일 수 있다.
즉 발광 소자(8, 9)를 둘러싸도록 배치하는 표면 실장 부품(11, 12, 13) 중에 구동계 회로 이외의 전기 회로를 구성하는 표면 실장 부품을 포함되어 있으면, 발광 소자(8, 9)를 구동하는 신호 등에 노이즈가 생기고, 이 노이즈에 의해, 발광 소자(8, 9)로부터 발생되는 검출광의 강도가 불안정하게 되기 때문이다. 이에 비하여, 발광 소자(8, 9)를 둘러싸도록 배치하는 표면 실장 부품을, 발광 소자 구동 회로를 구성하는 표면 실장 부품(11, 12, 13)으로 함으로써, 발광 소자(8, 9)를 구동하는 신호 등에 노이즈가 생기는 것을 방지할 수 있으며, 발광 소자(8, 9)로부터 발생되는 검출광의 강도를 안정화시킬 수 있다.
또한, 심전 전극(19, 24) 상에는 절연막(20, 25)이 형성되어 있으므로, 심전 전극(19, 24)이 인간의 손가락 등의 생체에 접촉하지 않고, 또한 심전 전극(19, 24)이 외기에 노출되지 않는다. 이에 따라, 심전 전극(19, 24)에 수분 등이 부착되는 것을 막을 수 있다. 따라서, 심전 전극(19, 24)의 열화를 방지할 수 있으며, 생체 센서 장치(1)의 내구성을 높일 수 있다.
다음으로, 본 발명의 생체 센서 장치의 제2 실시형태에 대하여 도 10에 따라서 설명한다. 또한, 도 4에 도시한 제1 실시형태에 따른 생체 센서 장치(1)의 구성요소와 동일한 구성요소에는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명을 생략한다.
상술한 제1 실시형태에 따른 생체 센서 장치(1)에서는, 도 4에 도시한 바와 같이, 광투과성 봉지체(18)의 전방측 단면과 광통과구(4B)의 전방측 내주면 사이에 도전 라인(21)을 배치함으로써, 광투과성 심전 전극(19)과 처리 회로(26)의 심전 신호 필터부(28) 사이의 전기적 접속을 행하고 있다.
이에 비하여, 제2 실시형태에 따른 생체 센서 장치(41)에서는, 도 10에 도시한 바와 같이, 광투과성 봉지체(42)에 형성된 관통 구멍(42A)에, 발광 소자(8, 9)가 조사하는 빛의 파장 범위에 대하여 광투과성을 갖는 도전 수지(예를 들면 투명한 도전 수지)를 유입시킴으로써, 광투과성 봉지체(42) 상에 형성된 광투과성 심전 전극(43)과, 기판(7) 상에 형성된 전극 패드(44)를 전기적으로 접속하고, 또한 전극 패드(44)를 기판(7) 상의 배선 패턴(45)을 통해 심전 신호 필터부(28)에 전기적으로 접속하고 있다.
즉 발광 소자(8, 9)가 조사하는 빛의 파장 범위에 대하여 광투과성을 갖는 절연 수지(예를 들면 투명한 절연 수지)에 의해 형성되고, 기판(7) 상에 있어서 발광 소자(8, 9), 수광 소자(10), 표면 실장 부품(11, 12, 13) 등을 봉지하는 광투과성 봉지체(42)에, 타이밍, 레이저 가공, 또는 포토리소그래피 혹은 인쇄에서의 패터닝 등의 수단에 의해, 횡단면 형상이 원형, 타원형 또는 사각형상인 관통구멍(42A) 혹은 관통 홈을 형성한다. 또한, 기판(7) 상에 있어서 관통구멍(42A)의 하단측 개구부에 대응하는 영역에는 전극 패드(44)가 배치되어 있으며, 상기 전극 패드(44)는 기판(7) 상에 형성된 배선 패드(45)를 통하여 심전 신호 필터부(28)에 접속되어 있다.
그리고, 광투과성 봉지체(42)의 상면에, 발광 소자(8, 9)가 조사하는 빛의 파장 범위에 대하여 광투과성을 갖는 도전 수지(예를 들면 투명한 도전 수지)를 도포하고, 도전 수지의 박막을 형성한다. 이 때, 도전 수지의 일부를 관통 구멍(42A) 내에 유입시키고, 이 관통 구멍(42A)에 유입시킨 도전 수지에 의해, 광투과성 봉지체(42)의 상면에 형성된 도전 수지의 박막과, 기판(7) 상의 전극 패드(44)를 전기적으로 접속시킨다. 그 후, 이 도포한 도전 수지를 경화시킨다. 이에 따라, 광투과성 봉지체(42) 상에 광투과성 심전 전극(43)이 형성되고, 관통 구멍(42A) 내에는 광투과성 심전 전극(43)과 전극 패드(44)를 서로 전기적으로 접속하는 도전 접속부(43A)가 형성된다. 그 후, 광투과성 심전 전극(43)의 상면에 광투과성 절연막(46)을 형성한다.
이용자의 왼손의 엄지가 광투과성 절연막(46)의 접촉면(46A)에 접촉했을 때, 해당 엄지와 광투과성 심전 전극(43)의 용량성 결합에 의해, 심전 신호에 관련된 전기 신호가 검출되고, 이 전기 신호는 도전 접속부(43A), 전극 패드(44) 및 배선 패드(45)를 통하여 심전 신호 필터부(28)에 공급된다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 생체 센서 장치(41)에 의해서도, 상술한 본 발명의 제1 실시형태에 따른 생체 센서 장치(1)와 거의 유사한 작용 효과를 얻을 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제3 실시형태를 도 11 내지 도 17을 따라서 설명한다. 또한, 제3 실시형태에서는, 상기 제1 실시형태와 동일한 구성요소에 동일한 부호를 붙이고 그 설명을 생략하기로 한다.
도 11에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제3 실시형태에 따른 생체 센서 장치(51)는 처리 회로(52)를 구비하고 있다. 그리고 처리 회로(52)는 제1 실시형태에 따른 처리 회로(26)와 마찬가지로, 심전 신호 검출부(53), 광전 맥파 신호 검출부(32) 및 연산 처리부(36)로 대략 구성되어 있다. 여기서, 심전 신호 검출부(53)는 제1 실시형태에 따른 심전 신호 검출부(27)와 마찬가지로, 후술하는 2개의 심전 신호 필터부(54), 기선 변동 억제부(30) 및 차동 증폭부(31)를 구비하고 있다.
심전 신호 필터부(54)는 처리 회로(52)의 입력단측에 형성되고, 그 입력 단자(54A)가 심전 신호 검출부(53)의 입력 단자로 되어 있다. 즉 심전 신호 필터부(54)의 입력 단자(54A)는 심전 전극(19, 24)에 각각 접속되고, 또한 심전 신호 필터부(54)의 출력 단자(54B)는 차동 증폭부(31)의 입력단에, 기선 변동 억제부(30)를 통해 각각 접속되어 있다. 그리고 심전 신호 필터부(54)는 인간의 엄지가 심전 전극(19, 24) 상의 절연막(20. 25)의 접촉면(20A, 25A)에 접촉했을 때에, 해당 인간의 엄지와 심전 전극(19, 24)의 용량성 결합에 의해 검출되는 심전 신호에 관련된 전기 신호에 포함되는 노이즈를 경감한다.
여기서, 심전 신호 필터부(54)는 예를 들면 로우 패스 필터에 의해 구성되어 있다. 구체적으로는 심전 신호 필터부(54)는 도 12에 도시한 바와 같이, 예를 들면 OP 앰프(54C)와, 이 OP 앰프(54C)의 비반전 단자와 입력단자(54A)의 사이에 직렬 접속된 제1, 제2 저항(54D, 54E)과, 제1, 제2 저항(54D, 54E) 간의 접속점과 OP 앰프(54C)의 출력 단자의 사이에 접속된 제1 콘덴서(54F)와, OP 앰프(54C)의 비반전 단자와 접지의 사이에 접속된 제2 콘덴서(54G)를 구비하고, 반전 단자와 출력 단자의 사이가 접속된 샐런 키（Sallen-Key） 회로에 의해 구성되어 있다. 이 때, 심전 신호 필터부(54)의 컷 오프 주파수는 저항(54D, 54E)의 저항값(R1, R2)과, 콘덴서(54F, 54G)의 용량값(C1, C2)에 의해 결정되어 있다.
클램프 회로(55)는 심전 신호 필터부(54)의 입력 단자(54A)에 접속되어 있다. 상기 클램프 회로(55)는 직류 정전압원으로서의 그라운드(55A)와, 상기 그라운드(55A)와 입력 단자(54A)의 사이에 접속된 고임피던스 소자로서의 다이오드(55B, 55C)에 의해 구성되어 있다. 이 때, 다이오드(55B, 55C)는 순방향이 서로 반대가 되도록 서로 마주본 상태로 직렬 접속되어 있다. 이 때문에, 다이오드(55B, 55C)는 캐소드끼리가 접속됨과 아울러, 다이오드(55B)의 애노드는 그라운드(55A)에 접속되고, 다이오드(55C)의 애노드는 입력 단자(54A)에 접속되어 있다.
이 때문에, 다이오드(55B)는 그라운드 전압보다도 고압의 전기 신호에 대하여 역방향 특성을 가지며, 고임피던스로서 예를 들면 100MΩ이상의 저항값 R0을 갖는다. 한편, 다이오드(55C)는 그라운드 전압보다도 저압의 전기 신호에 대하여 역방향 특성을 가지며, 고임피던스로서 예를 들면 100MΩ이상의 저항값 R0을 갖는다. 그리고 클램프 회로(55)는 그 접속단으로 되는 입력 단자(54A)의 기준 전위를 일정한 전압으로서의 그라운드 전압에 고정되어 있다.
여기서, 클램프 회로(55)의 접속단으로부터 차동 증폭부(31)를 구비한 심전 신호 검출부(53)를 보았을 때의 임피던스가 클램프 회로(55)의 임피던스(저항값 R0)보다 큰 값으로 설정되어 있다. 구체적으로는 클램프 회로(55)의 임피던스는 주로 다이오드(55B, 55C)의 역방향 특성의 저항값 R0에 의해 결정된다. 이 저항값 R0는 일반적으로 심전 신호 필터부(54)의 OP 앰프(54C)의 비반전 단자(입력 단자)의 입력 임피던스인 1GΩ이상에 비하여 작은 값으로 되어 있다. 이 때문에, 심전 전극(19, 24)으로부터 심전 신호 검출부(53)를 보았을 때의 임피던스는 다이오드(55B, 55C)의 저항값 R0에 의해 결정되게 된다.
따라서, 다음으로 다이오드(55B, 55C)의 저항값 R0에 대하여 검토한다. 생체 센서 장치(51)과 같이, 생체와 심전 전극(19, 24)의 용량성 결합을 이용하여 심전 신호에 관련된 전기 신호를 계측하는 경우, 심전 신호 필터 회로(54)의 입력 단자(54A)에서의 손실은 생체와 심전 전극(19, 24) 사이의 정전 용량값 C0 및 클램프 회로(55)의 저항값 R0에 의존한다. 이 때문에, 정전 용량값 C0 및 저항값 R0을 적절히 선택하지 않으면, 심전 신호의 주파수 대역에서 손실이 생긴다.
이 때, 심전 전극(19, 24)의 크기는 생체의 접촉 부분인 손가락 끝과 동일 정도이다. 이 때문에, 심전 전극(19, 24)은 한 변의 길이가 10㎜~30㎜정도인 장방형이나, 직경이 10㎜~30㎜정도인 타원형이다. 또한, 심전 전극(19, 24)은 예를 들면 수㎛~수십㎛정도의 두께 칫수를 갖는 절연막(20, 25)에 의해 덮여져 있다. 따라서, 생체와 심전 전극(19, 24) 사이에 생기는 정전 용량값 C0는 70pF~600pF정도이다.
이와 같은 정전 용량값 C0에 대하여, 심전 신호에 관련된 전기 신호의 검출이 가능하게 하기 위해서는, 이 전기 신호의 파형의 왜곡을 작게 함과 아울러, 방사 노이즈의 영향을 작게 할 필요가 있다. 이 조건을 만족하는 것은 저항값 R0가 경계선 X보다도 클 때이다. 즉 저항값 R0이 도 13 중의 B영역에 있을 때이다.
구체적으로 설명하면, 저항값 R0이 도 13 중의 A영역에 있을 때에는 도 14 중의 특성선 a에 나타낸 바와 같이, 심전 신호의 주파수 대역인 0.1~200㎐에서 손실이 커진다. 이 경우, 도 15에 도시한 바와 같이, 무손실의 이상적인 심전 신호에 관련된 전기 신호 S0에 대하여 심전 신호에 관련된 전기 신호 S의 왜곡이 커져서, 적절한 전기 신호를 검출할 수 없다.
이에 비하여, 저항값 R0이 도 13 중의 경계선 X 부근이 될 때에는 도 14 중의 특성선 x에 나타낸 바와 같이, 심전 신호의 주파수 대역인 0.1~200㎐에서 손실이 작아진다. 이 경우, 도 16에 도시한 바와 같이, 심전 신호에 관련된 전기 신호 S의 왜곡도 작아지고, 전기 신호 S의 파형은 이상적인 전기 신호 S0에 가깝다. 또한, 저항값 R0이 A영역보다도 커지기 때문에, 방사 노이즈 NG의 영향도 작아진다. 이에 따라, 심전 신호에 관련된 전기 신호의 상세한 파형의 검출은 어렵지만, 심전 신호의 피크는 검출 가능하게 된다.
저항값 R0이 도 13 중의 B영역에 있을 때에는 도 14 중의 특성선 b에 나타낸 바와 같이, 심전 신호의 주파수 대역인 0.1~200㎐에서의 손실은 더욱 저하된다. 이 경우, 도 17에 도시한 바와 같이, 심전 신호에 관련된 전기 신호 S의 파형은 이상적인 전기 신호 S0의 파형과 거의 마찬가지로 변화되고, 전기 신호 S의 왜곡이나 방사 노이즈 NG의 영향은 더욱 저하된다. 그 결과, 심전 신호에 관련된 전기 신호의 왜곡을 작게 함과 아울러, 방사 노이즈 NG의 영향을 작게 하기 위해서는, 저항값 R0은 도 13 중의 B영역에 포함될 필요가 있다. 즉 저항값 R0은 예를 들면 100MΩ이상일 필요가 있다.
여기서, 일반적인 클램프 회로에서 사용되는 저항 소자에서는, 저항값은 커도 수MΩ정도이며, 상술한 바와 같은 100MΩ이상의 고임피던스는 얻어지지 않는다. 이 때문에, 일반적인 저항 소자를 이용한 경우에는, 심전 신호에 관련된 전기 신호S의 왜곡이 커지고, SN비가 저하되게 된다. 이에 비하여, 본 실시형태에 따른 클램프 회로(55)에서는, 다이오드(55B, 55C)의 역방향 특성을 이용하여, 저항값 R0으로서 100MΩ이상의 고임피던스를 실현하고 있다.
구체적으로 설명하면, 본 실시형태에서는, 심전 전극(19, 24)의 크기로부터 얻어지는 심전 신호에 관련된 전기 신호의 전압은 1~2mV정도이다. 이 때, 도 12에 도시한 바와 같이, 다이오드(55B, 55C)를 서로 마주보게 접속하면, 다이오드(55B, 55C) 중에서 어느 한쪽에는 역방향 특성에 의해 역방향으로서 1~2㎷가 인가된다. 한편, 다이오드(55B, 55C)의 브레이크 다운 전압은 통상 1V정도이다. 이 때문에, 역전압이 브레이크 다운 전압보다도 충분히 작기 때문에, 다이오드(55B, 55C)에는 전류가 흐르지 않는다. 그 결과, 다이오드(55B, 55C)는 예를 들면 100MΩ이상의 고임피던스 소자로서 기능한다. 이에 따라, 본 실시형태에서는, 왜곡이 작고, SN비가 좋은 양호한 심전 신호에 관련된 전기 신호 S를 검출할 수 있다.
또한, 상술한 외부로부터의 방사 노이즈 NG는 주로 상용 전원의 잡음(50㎐ 또는 60㎐)와 그 고조파(50㎐ 또는 60㎐의 정수배)를 포함한다. 여기서, 상용 전원의 잡음은 2개의 심전 전극(19, 24)에 동상(同相)으로 가해지기 때문에, 차동 증폭기(31)에 의해 상쇄된다. 그 이외의 200㎐이상의 잡음은 심전 신호 필터부(54)에 의해 제거된다. 이 때문에, 심전 신호 필터부(54)의 컷 오프 주파수는 200㎐이상의 적절한 값으로 설정되어 있다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 제3 실시형태에 따르면, 상술한 제1 실시형태와 거의 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 심전 전극(19, 24)과 생체의 용량성 결합을 이용하여 심전 신호에 관련된 전기 신호를 검출하는 경우, 심전 전극(19, 24)로부터 심전 신호 검출부(53)를 보았을 때의 입력 임피던스가 낮으면, 심전 신호에 관련된 전기 신호의 주파수 영역에서 손실이 커지고, 심전 신호를 검출할 수 없게 된다. 또한, 심전 신호 필터부(54)의 입력 단자(54A)의 기준 전위가 고정되어 있지 않으면, 심전 신호에 관련된 전기 신호의 중심 전위의 변동이 커지고, 안정된 심전 신호의 측정이 어려워진다. 이에 비하여, 제3 실시형태에서는, 클램프 회로(55)에 의해 심전 신호 필터부(54)의 입력 단자(54A)의 기준 전위를 고정할 수 있기 때문에, 심전 신호에 관련된 전기 신호의 중심 전위의 변동을 작게 할 수 있다. 이 때문에 SN비가 좋아지고 안정되게 심전 신호에 관련된 전기 신호를 검출할 수 있다.
또한, 클램프 회로(55)를 고임피던스 소자로서의 다이오드(55B, 55C)를 이용하여 구성함과 아울러, 클램프 회로(55)의 접속단으로부터 심전 신호 검출부(53)의 입력단을 보았을 때의 임피던스를 클램프 회로(55)의 임피던스(저항값 R0)보다도 크게 설정했으므로, 심전 신호에 관련된 전기 신호의 주파수 영역에서의 손실을 저감할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제4 실시형테를 도 18 및 도 19에 따라서 설명한다. 또한, 제4 실시형태에서는, 상기 제1 실시형태와 동일한 구성요소에 동일한 부호를 붙이고, 그 설명을 생략하는 것으로 한다.
도 18에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제4 실시형태에 따른 생체 센서 장치(61)는 처리 회로(62)를 구비하고 있다. 그리고 처리 회로(62)는 제1 실시형태에 따른 처리 회로(26)와 마찬가지로, 심전 신호 검출부(63), 광전 맥파 신호 검출부(32) 및 연산 처리부(36)로 대략 구성되어 있다. 여기서, 심전 신호 검출부(63)는 제1 실시형태에 따른 심전 신호 검출부(27)와 마찬가지로, 후술하는 2개의 심전 신호 필터부(64), 기선 변동 억제부(30) 및 차동 증폭부(31)를 구비하고 있다.
여기서, 심전 신호 필터부(64)의 입력 단자(64A)는 심전 신호 검출부(63)의 입력 단자로 되고, 심전 전극(19, 24)에 각각 접속되어 있다. 한편, 필터부(64)의 출력 단자(64B)는 차동 증폭부(31)의 입력단에, 기선 변동 억제부(30)를 통해 각각 접속되어 있다. 또한, 심전 신호 필터부(64)는 예를 들면 제3 실시형태에 따른 심전 신호 필터부(54)와 거의 마찬가지로, OP 앰프(64C), 제1, 제2 저항(64D, 64E) 및 제1, 제2 콘덴서(64F, 64G))에 의해 샐런키（Sallen-Key) 회로로 이루어지는 로우 패스 필터를 구성하고 있다. 그리고 심전 신호 필터부(64)는 처리 회로(62)의 입력단측에 형성되고, 심전 신호에 관련된 전기 신호로부터 노이즈를 경감한다.
클램프 회로(65)는 심전 신호 필터부(64)의 입력 단자(64A)에 접속되어 있다. 상기 클램프 회로부(65)는 2개의 클램프 회로(66, 67)를 이용하여 구성되어 있다.
여기서, 제1 클램프 회로(66)는 제1 직류 정전압원으로서의 그라운드(66A)와, 상기 그라운드(66A)와 입력 단자(64A) 사이에 접속된 제1 고임피던스 소자로서의 다이오드(66B)에 의해 구성되어 있다. 이 때, 다이오드(66B)는 애노드가 그라운드(66A)에 접속되고, 캐소드가 입력 단자(64A)에 접속되어 있다. 이 때문에, 다이오드(66B)는 그라운드 전압보다도 고압의 전기 신호에 대하여 역방향 특성을 가지며, 고임피던스로서 예를 들면 100MΩ이상의 저항값 R0을 갖는다.
한편, 제2 클램프 회로(67)는 제2 직류 정전압원으로서 예를 들면 OP 앰프(64C)의 구동 전압원(67A)와, 상기 구동 전압원(67A)와 입력 단자(64A) 사이에 접속된 제2 고임피던스 소자로서의 다이오드(67B)에 의해 구성되어 있다. 이 때, 다이오드(67B)는 애노드가 입력 단자(64A)에 접속되고, 캐소드가 구동 전압원(67A)에 접속되어 있다. 이 때문에, 다이오드(67B)는 구동 전압원(67A)에 의한 구동 전압 Vcc보다도 저압의 전기 신호에 대하여 역방향 특성을 가지며, 고임피던스로서 예를 들면 100MΩ이상의 저항값 R0을 갖는다.
여기서, 클램프 회로(66, 67)의 접속단으로부터 심전 신호 검출부(63)를 보았을 때의 임피던스가 클램프 회로(66, 67)의 임피던스(저항값 R0)보다도 큰 값으로 설정되어 있다. 구체적으로는, 클램프 회로(66, 67)의 임피던스로 되는 다이오드(66B, 67B)의 역방향 특성의 저항값 R0은 심전 신호 필터부(64)의 OP 앰프(64C)의 비반전 단자(입력 단자)의 입력 임피던스인 1GΩ이상에 비하여 작은 값으로 되어 있다.
그리고, 클램프 회로(66, 67)는 그 접속단이 되는 입력 단자(64A)의 기준 전위를 구동 전압 Vcc와 그라운드 사이에서 미리 결정된 일정한 전압으로 고정되어 있다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 제4 실시형태에 따르면, 상술한 제1, 제3 실시형태와 거의 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 특히 제4 실시형태에서는, 심전 신호 필터부(64)의 입력 단자(64A)에는 복수의 클램프 회로(66, 67)를 접속하였다. 이 때문에, 심전 신호 필터부(64)의 입력 단자(64A)의 기준 전위는 제1 클램프 회로(66)의 그라운드 전압과 제2 클램프 회로(67)의 구동 전압 Vcc 사이의 범위에서 임의의 값으로 설정할 수 있다. 그 결과, 예를 들면 심전 신호 필터부(64)의 OP 앰프(64C)에서 증폭 가능한 범위 및 심전 신호에 관련된 전기 신호의 크기 등을 고려하여, 심전 신호 필터부(64)의 입력 단자(64A)의 기준 전위를 적절한 값으로 설정할 수 있다.
또한, 상술한 제3 실시형태에 따른 클램프 회로(55)에서는, 2개의 다이오드(55B, 55C)는 상호의 캐소드끼리를 접속하는 구성으로 하였다. 그러나, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 예를 들면 도 20에 도시한 제5 실시형태에 따른 클램프 회로(71)와 같이, 그라운드(71A)에 접속된 2개의 다이오드(71B, 71C)는 서로의 애노드끼리를 접속하는 구성으로 해도 무방하다. 또한, 서로 마주보는 다이오드(55B, 55C) 또는 (71B, 71C)를 1세트로 하여, 복수세트 직렬로 접속해도 무방하다. 이들 제3, 제5 실시형태에 따른 다이오드(55B, 55C, 71B, 71C)는 제4 실시형태에 따른 클램프 회로(66, 67)의 다이오드(66B, 67B)(고임피던스 소자)에도 적용할 수 있는 것이다.
또한, 상술한 제4 실시형태에 따른 클램프 회로(66, 67)에서는, 고임피던스 소자는 단일의 다이오드(66B, 67B)를 이용하여 구성하는 것으로 하였다. 그러나, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 예를 들면 도 21에 도시한 제6 실시형태에 따른 클램프 회로(81, 82)와 같이, 그라운드(81A), 구동 전압원(82A)에는 순방향이 동일하게 되도록 복수개의 다이오드(81B, 82B)를 각각 직렬로 접속하는 구성으로 해도 무방하다. 이 경우, 서로 이웃하는 2개의 다이오드(81B, 82B)는 캐소드와 애노드를 각각 접속한다. 이에 따라, 다이오드(81B, 82B)의 역방향 전류가 작아지는 것에 더하여, 클램프 회로(81, 82)의 저항값을 용이하게 높일 수 있다.
또한, 제3 내지 제6 실시형태에서는, 고임피던스 소자로서 다이오드(55B, 55C, 66B, 67B, 71B, 71C, 81B, 82B)를 이용하는 구성으로 했지만, 다이오드(55B, 55C, 66B, 67B, 71B, 71C, 81B, 82B) 대신에, 예를 들면 바이폴라 트랜지스터의 베이스와 콜렉터를 단락하여, 베이스ㆍ에미터 간의 특성을 이용해도 무방하고, 전계 효과 트랜지스터의 게이트와 소스를 단락하여, 게이트ㆍ소스 간의 특성을 이용해도 무방하다.
또한, 고임피던스 소자로서는, 고저항 소자, 고저항 반도체막 등을 이용할 수도 있다. 고저항 반도체막의 성막에는 예를 들면 스퍼터링법, CVD법, MBE법, 증착법 등이 있지만, 다른 성막 방법을 이용해도 무방하다. 고저항 반도체막으로서는, 예를 들면 산화물 반도체막이 있지만, 다른 고저항 반도체막이어도 무방하다. 또한, 실리콘, 갈륨, 비소 등을 이용하여 절연체의 기판을 형성함과 아울러, 상기 기판의 저항을 저하시켜서 고임피던스 소자를 형성해도 무방하다. 기판의 저항을 저하시키는 방법으로서는, 예를 들면 열확산법, 이온 주입법 등에 의해 기판에 불순물을 첨가하는 방법이 고려된다.
또한, 제4 실시형태에서는, 심전 전극(19, 24)에는 동일한 클램프 회로(66, 67)를 접속하는 구성으로 하였다. 그러나, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 2개의 심전 전극에는 서로 상이한 클램프 회로를 접속하는 구성으로 해도 무방하다. 이 경우, 한쪽의 심전 전극에 접속된 제1 클램프 회로의 제1 직류 정전압원과, 다른쪽의 심전 전극에 접속된 제1 클램프 회로의 제1 직류 정전압원은 서로 상이한 전위이어도 무방하다. 마찬가지로, 한쪽의 심전 전극에 접속된 제2 클램프 회로의 제2 직류 정전압원과, 다른쪽의 심전 전극에 접속된 제2 클램프 회로의 제2 직류 정전압원은 서로 상이한 전위이어도 무방하다. 또한, 클램프 회로(66, 67)의 다이오드(66B, 67B)의 저항값 R0은 서로 상이한 값이어도 무방하다.
또한, 제3, 제4 실시형태에서는, 방사 노이즈를 제거하는 심전 신호 필터부(54, 64)는 입력 임피던스가 높은 OP 앰프(54C, 64C)를 포함하는 능동 필터에 의해 구성했지만, OP 앰프를 생략한 수동 필터에 의해 구성해도 무방하다.
또한, 제3, 제4 실시형태에서는, 제1 실시형태의 심전 전극(19, 24)에 증폭 회로부로서의 심전 신호 필터부(54, 64)와 클램프 회로(55, 66, 67)을 접속하는 구성으로 했다. 그러나, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 제2 실시형태에 따른 광투과성 심전 전극(43)에 증폭 회로부 및 클램프 회로부를 접속하는 구성으로 해도 무방하다.
다음으로, 본 발명의 제7 실시형태를 도 22 및 도 23에 따라서 설명한다. 또한, 제7 실시형태에서는, 상기 제1 실시형태와 동일한 구성 요소에 동일한 부호를 붙이고 그 설명을 생략하는 것으로 한다.
도 22에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제7 실시형태에 따른 생체 센서 장치(101)에서는, 처리 회로(26)는 제1 하우징으로서 예를 들면 휴대형 음악 플레이어, 휴대 전화 등과 같은 휴대 기기(102)의 케이싱(102A)의 내부에 수용되어 있다. 이 케이싱(102A)은 고정 밴드(102B)를 이용하여 이용자의 팔 등에 부착되어 있다. 또한, 케이싱(102A)은 처리 회로(26)에 더하여, 심전 전극(24)을 수용하고 있다. 또한, 케이싱(102A)에는 심전 전극(24)과 대향하여, 이용자의 피부에 접촉하는 제1 부위로서 예를 들면 팔의 표면과 접촉하는 절연막(25)이 케이싱(102A)의 표면에 노출되게 형성되어 있다. 이 때, 케이싱(102A)에는 헤드폰(103)으로부터 음악, 음성 등을 출력하는 휴대형 음악 플레이어 등의 기능이 내장되어 있다.
한편, 광투과성 심전 전극(19), 발광 소자(8, 9) 및 수광 소자(10)는 케이싱(102A)과는 별개로 설치된 헤드폰(103)에 부착되어 있다. 이 때, 헤드폰(103)은 양 귀에 부착되는 스피커 케이싱(103A)(한쪽에만 도시)을 구비함과 아울러, 스피커 케이싱(103A)은 제2 하우징을 구성하고 있다. 그리고 이들 스피커 케이싱(103A)은 스피커 등을 내장한 이어 칩(103B)을 구비함과 아울러, 헤드 밴드(103C)를 이용하여 서로 연결되고, 스프링성을 가지고 머리를 양쪽에서 가볍게 끼우는 구조로 되어 있다.
또한, 광투과성 심전 전극(19), 발광 소자(8, 9) 및 수광 소자(10)는 헤드폰(103) 중에서 이용자의 한쪽의 귀에 장착되는 스피커 케이싱(103A)의 내부에 수용되어 있다. 이 때, 광투과성 심전 전극(19), 발광 소자(8, 9) 및 수광 소자(10)는 스피커 케이싱(103A) 중에서 예를 들면 이용자의 이주(耳珠) 전방부와 접촉하는 광투과성 절연막(20)이 스피커 케이싱(103A)의 표면에 노출되게 형성되어 있다. 이 때, 광투과성 심전 전극(19)의 면적은 심전 전극(24)의 면적과 동일한 정도로 설정되어 있다.
그리고 광투과성 심전 전극(19) 등은 케이싱(102A)으로부터 인출된 케이블(104)을 통하여 케이싱(102A) 내의 처리 회로(26)에 전기적으로 접속되어 있다. 이 때, 케이블(104)은 주위 환경 및 헤드폰(103)으로부터의 방사 노이즈의 영향을 저감하기 위하여, 동축선, 트위스트 페어 케이블 등에 의해 구성하는 것이 바람직하고, 헤드폰(103)과 휴대형 음성 플레이어 등의 사이를 접속하는 케이블과 일체화하는 것이 바람직하다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 제7 실시형태에 따르면, 상술한 제1 실시형태와 거의 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 제1 실시형태와 같이, 심전 전극(19, 24)을 양손의 손가락에 각각 접촉시켜서 심전 신호를 계측한 경우에는, 이용자의 모습이 고정되게 되기 때문에, 장시간의 연속적인 계측을 행하는 것이 곤란하다. 이에 더하여, 계측을 의식하게 되기 때문에, 무의식하에서의 생체의 변화를 계측할 수 없다는 문제가 있다.
이에 비하여, 제7 실시형태에서는, 휴대형 음악 플레이어 등의 기능을 내장한 케이싱(102A)에 처리 회로(26)를 수용함과 아울러, 헤드폰(13)에 광투과성 심전 전극(19)을 형성하고, 케이블(14)을 통하여 양자를 전기적으로 접속하는 구성으로 하였다. 이 때문에, 이용자는 음악 등을 들으면서 심전을 계측할 수 있다. 이에 따라, 전용의 측정 기구를 필요로 하지 않으며, 아울러 계측을 의식하지 않고, 연속적으로 심전 신호 등을 계측할 수 있다. 또한, 귀와 팔 사이에서 심전 신호를 계측하기 때문에, 심전 신호의 전압이 비교적 커지고, 주위 환경으로부터의 방사 노이즈나 체동 노이즈에 대한 내성이 양호하고, 안정되게 연속 측정이 가능하다.
또한, 광투과성 심전 전극(19), 광투과성 절연막(20), 발광 소자(8, 9) 및 수광 소자(10)는 헤드폰(103)의 스피커 케이싱(103A)에 탑재하면, 예를 들면 팔에 비하여 운동시의 변동이 작은데 더하여, 팔에 비하여 피부가 얇은 이주 전방부에서 심전 신호에 관련된 전기 신호 및 광전 맥파 신호에 관련된 광검출 신호를 검출할 수 있다. 이 때문에, 팔 등으로 이들 신호를 검출했을 때에 비하여, 운동시의 변동에 따른 노이즈를 저감할 수 있음과 아울러, 광전 맥파, 산소 포화도, 심전 등을 운동시에도 높은 SN비로 연속적으로 계측할 수 있다. 이에 따라, 심박수, 심박 간격 변동에 더하여, 산소 포화도와 맥파 전파 시간으로부터 구한 혈압 변동, 혈관 연령의 정보도 얻을 수 있기 때문에, 긴장이나 흥분의 정도나 운동에 따른 신체 상황의 변화를 더욱 정확하게 추정할 수 있다.
또한, 발광 소자(8, 9) 및 수광 소자(10)는 광투과성 심전 전극(19) 등의 아래에 배치되어 있으며, 광투과성 심전 전극(19) 등의 표면이 평탄하기 때문에, 운동시에 생기는 땀이나 때가 발광 소자(8, 9) 및 수광 소자(10)에 퇴적되지 않는다. 이 때문에, 안정되게 계측할 수 있음과 아울러, 발광 소자(8, 9) 및 수광 소자(10)를 외부로부터의 마찰이나 충격으로부터 보호할 수 있다.
또한, 제7 실시형태에서는, 휴대 기기(102)의 케이싱(102A)에 심전 전극(24)을 형성함과 아울러, 헤드폰(103)의 스피커 케이싱(103A)에 광투과성 심전 전극(19), 광투과성 절연막(20), 발광 소자(8, 9) 및 수광 소자(10)를 형성하는 구성으로 하였다. 그러나, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 예를 들면 스피커 케이싱(103A)에 심전 전극(24)을 형성함과 아울러, 케이싱(102A)에 광투과성 심전 전극(19), 광투과성 절연막(20), 발광 소자(8, 9) 및 수광 소자(10)를 형성하는 구성으로 해도 무방하다. 또한, 케이싱(102A)에는 처리 회로(26)만 수용하고, 한쪽의 스피커 케이싱(103A)에 광투과성 심전 전극(19), 광투과성 절연막(20), 발광 소자(8, 9) 및 수광 소자(10)를 형성함과 아울러, 케이싱(102A)와는 별개의 부위로서 예를 들면 다른쪽의 스피커 케이싱(103A)에 심전 전극(24)을 형성하는 구성으로 해도 무방하다.
또한, 제7 실시형태에서는, 휴대 기기(102)의 케이싱(102A)에 심전 전극(24)을 형성하는 구성으로 했다. 그러나, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 예를 들면 도 24에 도시한 변형예와 같이, 마우스(111)에 심전 전극(24)을 부착함과 아울러, 마우스(111)와 헤드폰(도시하지 않음) 사이를 케이블(104)에 의해 접속하는 구성으로 해도 무방하다. 이 케이블(104)은 마우스(111)에 대하여 착탈 가능하게 하는 것이 바람직하다. 이 때, 심전 전극(24)은 제1 부위로서 예를 들면 마우스(111)를 조작하는 이용자의 오른손 약지가 접촉하는 부분에 배치한다. 또한, 처리 회로(26)는 마우스 케이싱(111A)을 제1 하우징으로서 이용하여, 그 내부에 탑재해도 무방하다. 또한, 처리 회로(26)는 다른 케이블(112)에 의해 마우스(111)와 접속된 컴퓨터 내에 처리 프로그램으로서 실장해도 무방하다. 이에 따라, 컴퓨터의 조작 시에는 팔 등에 휴대 기기(102) 등을 장착할 필요가 없어진다.
또한, 상술한 각 실시형태의 생체 센서 장치(1, 41, 51, 61, 101)에서는, 서로 파장 범위가 상이한 검출광을 발광하는 2개의 발광 소자(8, 9)를 형성하는 경우를 예로 들었지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 발광 소자의 갯수를 3개 이상으로 해도 무방하다. 또한, 발광 소자의 갯수를 1개로 해도 무방하다. 발광 소자의 갯수를 1개로 한 경우에는 산소화 헤모글로빈과 탈산소화 헤모글로빈의 흡수도의 차이에 의해 산소 포화도를 측정하는 기능을 생체 센서 장치(1, 41, 51, 61, 101)로부터 제거한다.
또한, 상술한 각 실시형태에서는, 발광 소자(8, 9)로부터 발생된 파장 범위가 상이한 2개의 검출광의 반사광을 1개의 수광 소자(10)에 의해 수광하고, 이 수광된 반사광에 대응하는 광검출 신호로부터, 발광 소자(8)의 검출광에 대응하는 광전 맥파 신호와, 발광 소자(9)의 검출광에 대응하는 광전 맥파 신호를 추출하는 경우를 예로 들었지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 2개의 수광 소자를 형성하고, 한쪽의 수광 소자에 의해 수광된 반사광에 대응하는 광검출 신호로부터, 발광 소자(8)의 검출광에 대응하는 광전 맥파 신호를 추출하고, 다른쪽의 수광 소자에 의해 수광된 반사광에 대응하는 광검출 신호로부터, 발광 소자(9)의 검출광에 대응하는 광전 맥파 신호를 추출하는 구성으로 해도 무방하다.
또한, 상술한 각 실시형태에서는, 발광 소자(8, 9) 및 수광 소자(10)를, 하우징(2) 상면의 왼쪽 전방측에 배치한 광투과성 심전 전극(19)의 하측에 형성하는 구성을 예로 들었지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 발광 소자(8, 9) 및 수광 소자(10)를, 하우징(2) 상면의 오른쪽 전방측에 배치한 심전 전극의 하측에 형성해도 무방하다. 이 경우에는, 하우징(2) 상면의 오른쪽 전방측에 배치한 심전 전극 및 절연막을 광투과성 심전 전극 및 광투과성 절연막으로 한다.
또한, 상술한 각 실시형태에서는, 기판(7) 상에 있어서 발광 소자(8, 9), 수광 소자(10) 및 표면 실장 부품(11, 12, 13, 17)을 광투과성 봉지체(18, 42)에 의해 봉지하고, 상기 광투과성 봉지체(18, 42) 상에 광투과성 심전 전극(19, 43) 및 광투과성 절연막(20, 46)을 형성하는 구성으로 했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 발광 소자(8, 9), 수광 소자(10) 및 표면 실장 부품(11, 12, 13, 17)의 상측에, 발광 소자(8, 9)가 조사하는 빛의 파장 범위에 대하여 광투과성을 갖는 절연 수지(예를 들면 투명한 절연 수지)에 의해 형성된 광투과판을 형성하고, 상기 광투과판의 상면에 광투과성 심전 전극(19, 43) 및 광투과성 절연막(20, 46)을 형성해도 무방하다. 이 경우, 광투과판은 기판(7) 상에 지지 부재를 통하여 지지해도 무방하고, 광통과구(4B) 내 또는 광통과구(4B) 상에 부착하고, 접착제 등에 의해 광통과구(4B)에 고정해도 무방하다.
또한, 상술한 각 실시형태에서는, 정전류 회로 및 고주파 컷 필터 회로로 구성된 발광 소자 구동 회로(14)의 표면 실장 부품(11, 12, 13)을, 발광 소자(8, 9)를 둘러싸도록 배치하는 경우를 예로 들었지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 발광 소자(8, 9)를 구동 또는 제어하기 위한 다른 표면 실장 부품, 예를 들면 과전류 보호 회로의 과전류 보호 소자, 고주파 컷 필터 회로의 고주파 컷 필터 소자, 코일, 다이오드, OP 앰프, 스위치 소자, IC 등을, 발광 소자(8, 9)를 둘러싸도록 배치해도 무방하다. 이와 같은 다른 표면 실장 부품을 배치하는 경우에도, 각 표면 실장 부품의 접속 단자가, 발광 소자(8, 9)와 대향하는 위치에 배치되도록, 각 표면 실장 부품의 기판(7) 상에 있어서의 레이아웃을 설정한다.
또한, 상술한 각 실시형태에서는, 휴대형의 생체 센서 장치(1, 41, 51, 61, 101)를 예로 들었지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 생체 센서 장치를, 발광 소자(8, 9), 수광 소자(10), 발광 소자(8, 9) 및 수광 소자(10)를 둘러싸는 표면 실장 부품(11, 12, 13, 17), 주벽 리플렉터(16), 광투과성 봉지체(18), 광투과성 심전 전극(19) 및 광투과성 절연막(20) 등, 심전 신호에 관련된 전기 신호 및 광검출 신호를 검출하는데 필요한 구성 요소를 갖는 검출 섹션과, 처리 회로(26)(표면 실장 부품(11, 12, 13, 17을 제외함) 등, 검출 섹션에 있어서 검출된 심전 신호에 관련된 심전 신호 및 광검출 신호에 대하여 신호 처리를 행하고, 생체 정보를 생성하는 처리를 행하는데 필요한 구성 요소를 갖는 연산 처리 섹션으로 분리하고, 검출 섹션을 휴대형의 장치로서 형성하고, 연산 처리 섹션을 예로 들면 데스크형의 장치로서 형성해도 무방하다. 이 경우, 심전 전극(24) 및 절연막(25)은 검출 섹션으로서 형성된 장치에 형성해도 무방하고, 연산 처리 섹션으로서 형성된 장치에 형성해도 무방하다. 예를 들면 심전 전극(24) 및 절연막(25)을 연산 처리 섹션으로서 형성된 장치에 형성하는 경우에는, 심전 전극(24) 및 절연막(25)을, 연산 처리 섹션으로서 형성된 장치에 코드를 통해 접속 가능한 용량성 결합형 심전 전극 프로브로 하는 것이 바람직하다.
또한, 상술한 각 실시형태에서는, 2개의 심전 전극(19, 24)을 형성하는 경우를 예로 들었지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 3개 이상의 심전 전극을 형성해도 무방하다.
또한, 상술한 각 실시형태에서는, 이용자의 양손의 엄지를, 심전 전극(19, 24) 상의 절연막(20, 46, 25)의 접촉면(20A, 46A, 25A)에 접촉시키고, 이들 엄지로부터 심전 신호에 관련된 전기 신호 및 광전 맥파 신호에 관련된 광검출 신호를 검출하는 경우를 예로 들었지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 생체의 다른 부위로부터 심전 신호에 관련된 전기 신호 및 광전 맥파 신호에 관련된 광검출 신호를 검출해도 무방하다.
1, 41, 51, 61, 101: 생체 센서 장치
7: 기판
8, 9: 발광 소자(발광기)
10: 수광 소자(수광기)
11, 12, 13, 17: 표면 실장 부품
16: 주벽 리플렉터
19, 43: 광투과성 심전 전극
20, 46: 광투과성 절연막
20A, 25A, 46A: 접촉면
24: 심전 전극
25: 절연막
26: 처리 회로
27: 심전 신호 검출부
28, 29, 54, 64: 심전 신호 필터부
32: 광전 맥파 신호 검출부
36: 연산 처리부
55, 71: 클램프 회로
55B, 71B: 다이오드(고임피던스 소자)
66, 81: 제1 클램프 회로
66B, 81B: 다이오드(제1 고임피던스 소자)
67, 82: 제2 클램프 회로
67B, 82B: 다이오드(제2 고임피던스 소자)
102: 휴대 기기
102A: 케이싱(제1 하우징)
103: 헤드폰
103A: 스피커 케이싱(제2 하우징)
104: 케이블
111: 마우스
111A: 마우스 케이싱(제1 하우징)

Claims (7)

  1. 생체의 전기 신호를 검출하는 적어도 한쌍의 심전 전극과, 상기 적어도 한쌍의 심전 전극 상에 형성됨과 아울러, 상기 적어도 한쌍의 심전 전극과 접하는 면과 대향하는 면이 상기 생체와 접촉하는 접촉면으로 된 절연막과, 상기 생체에 빛을 조사하는 발광기와, 상기 발광기로부터 조사된 빛을 상기 생체가 반사한 빛을 수광하는 수광기와, 상기 절연막의 접촉면에 접촉된 상기 생체와 상기 적어도 한쌍의 심전 전극 각각의 사이에 용량성 결합에 의하여 검출된 상기 생체의 전기 신호를 차동 증폭함으로써 심전 신호를 생성하는 심전 신호 검출부, 및 상기 발광기가 조사한 빛 및 상기 수광기가 수광한 빛에 의거하여 광전 맥파 신호를 생성하는 광전 맥파 신호 검출부를 갖는 처리 회로를 구비하고,
    상기 적어도 한쌍의 심전 전극의 적어도 1개는 상기 발광기가 조사하는 빛의 파장 범위에 대하여 광투과성을 갖는 도전 재료에 의해 형성된 광투과성 심전 전극이며, 상기 광투과성 심전 전극 상에 형성된 절연막은 상기 발광기가 조사하는 빛의 파장 범위에 대하여 광투과성을 갖는 절연 재료에 의해 형성된 광투과성 절연막이며, 상기 광투과성 심전 전극 및 상기 광투과성 절연막을 통하여 상기 발광기로부터 상기 생체에 빛을 조사함과 아울러, 상기 생체에서 반사된 빛을 상기 수광기에서 수광하는 것을 특징으로 하는 생체 센서 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발광기는 서로 파장 범위가 상이한 빛을 각각 조사하는 적어도 2개의 발광 소자를 구비한 것을 특징으로 하는 생체 센서 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 발광기와, 상기 수광기와, 상기 처리 회로를 구성하는 부품 중의 적어도 일부의 부품이 각각 실장되고, 상기 적어도 일부의 부품은 상기 발광기 및 상기 수광기 각각의 주위에 배치되고, 상기 발광기 및 상기 수광기 각각의 주위에는 상기 적어도 일부의 부품을 상기 기판 상에 실장할 때에 형성되는 솔더 필렛에 의해 빛을 반사하는 주벽 리플렉터가 형성된 것을 특징으로 하는 생체 센서 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 한쌍의 각 심전 전극을 상기 생체와 상기 적어도 한쌍의 각 심전 전극 각각의 사이의 용량성 결합에 의해 상기 생체의 전기 신호를 차동 증폭하는 상기 심전 신호 검출부의 입력 단자에 접속하고,
    상기 심전 신호 검출부의 입력 단자에는 적어도 하나의 고임피던스 소자를 갖는 클램프 회로를 적어도 하나 접속하고,
    상기 클램프 회로의 접속단의 전위를 일정하게 고정함과 아울러, 상기 클램프 회로의 접속단으로부터 상기 심전 신호 검출부를 보았을 때의 임피던스가 상기 클램프 회로의 임피던스보다 큰 구성으로서 이루어지는 것을 특징으로 하는 생체 센서 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 한쌍의 심전 전극의 적어도 1개의 심전 전극과 상기 처리 회로를, 제1 하우징 내에 수용하고,
    상기 제1 하우징 내에 수용한 상기 심전 전극과 대향시켜서, 생체의 제1 부위에 접촉하는 절연막을 상기 제1 하우징의 표면에 노출되게 형성하고,
    상기 제1 하우징 내에 수용된 상기 심전 전극 이외의 다른 심전 전극을, 제2 하우징 내에 수용함과 아울러, 상기 제1 하우징으로부터 인출된 케이블을 통하여 상기 처리 회로와 전기적으로 접속하고,
    상기 다른 심전 전극과 대향시켜서, 생체의 제2 부위에 접촉하는 다른 절연막을 상기 제2 하우징의 표면에 노출되게 형성한 것을 특징으로 하는 생체 센서 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 처리 회로와 케이블을 통하여 전기적으로 접속된 다른 심전 전극에 더하여, 상기 생체의 제2 부위에 빛을 조사하는 발광기와, 상기 발광기로부터 조사된 빛을 상기 생체가 반사한 빛을 수광하는 수광기를 상기 제2 하우징 내에 수용하고,
    상기 다른 심전 전극은 상기 발광기가 조사하는 빛의 파장 범위에 대하여 광투과성을 갖는 도전 재료에 의해 형성된 광투과성 심전 전극이며, 상기 광투과성 심전 전극 상에 형성된 상기 다른 절연막은 상기 발광기가 조사하는 빛의 파장 범위에 대하여 광투과성을 갖는 절연 재료에 의해 형성된 광투과성 절연막이며, 상기 광투과성 심전 전극 및 상기 광투과성 절연막을 통해 상기 발광기로부터 상기 생체의 제2 부위에 빛을 조사함과 아울러, 상기 생체의 제2 부위에서 반사된 빛을 상기 수광기에서 수광하는 구성으로서 이루어지는 것을 특징으로 하는 생체 센서 장치.
  7. 생체의 전기 신호를 검출하는 적어도 한쌍의 심전 전극과, 상기 적어도 한쌍의 심전 전극 상에 형성됨과 아울러, 상기 적어도 한쌍의 심전 전극과 접하는 면과 대향하는 면이 상기 생체와 접촉하는 접촉면으로 된 절연막과, 상기 생체에 빛을 조사하는 발광기와, 상기 발광기로부터 조사된 빛을 상기 생체가 반사한 빛을 수광하는 수광기와, 상기 절연막의 접촉면에 접촉된 상기 생체와 상기 적어도 한쌍의 심전 전극 각각의 사이의 용량성 결합에 의해 검출된 상기 생체의 전기 신호를 차동 증폭함으로써 심전 전극을 생성하는 심전 신호 검출부 및 상기 발광기가 조사한 빛 및 상기 수광기가 수광한 빛에 의거하여 광전 맥파 신호를 생성하는 광전 맥파 신호 검출부를 갖는 처리 회로를 구비하고,
    상기 발광기는 서로 파장 범위가 상이한 빛을 각각 조사하는 적어도 2개의 발광 소자를 구비하고,
    상기 적어도 한쌍의 심전 전극의 적어도 1개는 상기 발광기의 각 발광 소자가 조사하는 빛의 파장 범위에 대하여 광투과성을 갖는 도전 재료에 의해 형성된 광투과성 심전 전극이며,
    상기 광투과성 심전 전극 상에 형성된 절연막은 상기 발광기의 각 발광 소자가 조사하는 빛의 파장 범위에 대하여 광투과성을 갖는 절연 재료에 의해 형성된 광투과성 절연막이며,
    상기 광투과성 심전 전극 및 상기 광투과성 절연막을 통해 상기 발광기의 각 발광 소자로부터 상기 생체에 빛을 조사함과 아울러, 상기 생체에서 반사된 빛을 상기 수광기에서 수광하고,
    상기 발광기의 각 발광 소자와, 상기 수광기와, 상기 처리 회로를 구성하는 부품 중의 적어도 일부의 부품은 기판 상에 각각 실장되고, 상기 적어도 일부의 부품은 상기 발광기의 각 발광 소자 및 상기 수광기 각각의 주위에 배치되고,
    상기 발광기의 각 발광 소자 및 상기 수광기 각각의 주위에는 상기 적어도 일부의 부품을 상기 기판 상에 실장할 때에 형성되는 솔더 필렛부에 의해 빛을 반사하는 주벽 리플렉터가 형성되고,
    상기 적어도 한쌍의 각 심전 전극을 상기 생체와 상기 적어도 한쌍의 각 심전 전극 각각의 사이의 용량성 결합에 의해 검출된 상기 생체의 전기 신호를 차동 증폭하는 상기 심전 신호 검출부의 입력 단자에 접속되고,
    상기 심전 신호 검출부의 입력 단자에는 적어도 하나의 고임피던스 소자를 갖는 클램프 회로를 적어도 하나 접속하고,
    상기 클램프 회로의 접속단의 전위를 일정하게 고정함과 아울러, 상기 클램프 회로의 접속단으로부터 상기 심전 신호 검출부를 보았을 때의 임피던스가 상기 클램프 회로의 임피던스보다도 큰 구성으로 한 것을 특징으로 하는 생체 센서 장치.
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