WO2014013813A1

WO2014013813A1 - 生体センサ

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Publication number: WO2014013813A1
Application number: PCT/JP2013/065921
Authority: WO
Inventors: 土基　博史; 博行中路
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2013-06-10
Publication date: 2014-01-23
Also published as: CN104486990A; JP5962761B2; JPWO2014013813A1; US10028681B2; US20150141840A1; CN104486990B

Abstract

　受光素子によって受光され増幅器により増幅される検出信号のＳ／Ｎ比を改善することが可能な生体センサを提供する。　生体センサ（１）は、パルス状の駆動信号を生成する駆動信号生成部（５７）と、生成された駆動信号に応じて発光する発光素子（１０）と、受光した光の強さに応じた検出信号を出力する受光素子（２０）と、出力される検出信号を増幅する第１，第２演算増幅器（３１，４０）を含む増幅部（３０）と、検出信号を増幅する際の第１演算増幅器（３１）の基準電位をオフセットさせるパルス状のオフセット電圧を生成して該第１演算増幅器（３１）に印加するオフセット信号生成部（５８）及び分圧抵抗群（３２）と、増幅部（３０）により増幅された検出信号を処理して生体情報を取得する演算部（５６）とを備える。

Description

生体センサ

　本発明は、生体情報を検出する生体センサに関する。

　従来から、血中のヘモグロビンが可視光～赤外光を吸収する特性を利用して、指等の生体を透過、又は生体に反射した光の強度変化を光電脈波信号として取得する光電脈波計やパルスオキシメータが知られている（例えば、特許文献１参照）。

　ここで、特許文献１のパルスオキシメータは、発振回路から出力されるパルス信号によって交互に駆動され、生体組織に赤色光と赤外光を照射する第１及び第２の発光ダイオードと、生体組織によって吸光されたあとの光出力を検出するフォトダイオードとを備えている。フォトダイオードの受光出力は、増幅器で増幅されたあとにマルチプレクサによって発振回路の出力に同期して分配されて演算器に入力される。演算器では、フォトダイオードの受光出力から得られる各波長の直流成分と脈動成分から、動脈血流による吸光度の脈動成分の比Φが算出され、該吸光度の比Φから動脈血の酸素飽和度が算出される。

特許第３１１６２５２号公報

　ところで、フォトダイオード（受光素子）には、発光ダイオード（発光素子）以外からの外来光（例えば太陽や蛍光灯の光など）が入ることがある。そのため、本来検出したい光、すなわち生体を透過した光、又は生体によって反射された光に外来光が重畳し、検出信号のＳ／Ｎ比が低下するおそれがある。

　ここで、特許文献１のパルスオキシメータでは、受光素子に外来光が重畳して入射された場合、該外来光成分（ノイズ成分）が過大になると、増幅器の出力が飽和してしまい、精度よく脈動成分（シグナル成分）を抽出することができなくなる。一方、出力の飽和を防止するために、増幅器の増幅率を小さくすると、脈動成分の振幅も小さくなり、酸素飽和度の検出精度が低下するおそれがある。また、外来ノイズ成分も含めて符号化する場合、Ａ／Ｄコンバータなどの分解能を脈動成分に対して十分にとる必要があるため、コストアップの要因となる。そのため、受光素子によって受光され増幅器により増幅される検出信号のＳ／Ｎ比を改善することのできる技術が望まれていた。

　本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、受光素子によって受光され増幅器により増幅される検出信号のＳ／Ｎ比を改善することが可能な生体センサを提供することを目的とする。

　本発明に係る生体センサは、駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、駆動信号生成手段により生成された駆動信号に応じて発光する発光素子と、受光した光の強さに応じた検出信号を出力する受光素子と、受光素子から出力される検出信号を増幅する増幅器を含む増幅手段と、検出信号を増幅する際の増幅器の基準電位をオフセットさせるオフセット電圧を生成して増幅器に印加するオフセット手段と、増幅手段により増幅された検出信号を処理して生体情報を取得する演算手段とを備えることを特徴とする。

　本発明に係る生体センサによれば、検出信号を増幅する際の増幅器の基準電位がオフセットされる。ここで、外来光等のノイズ成分は、直流成分として検出信号に重畳するため、増幅器の基準電位をオフセットさせることにより、当該ノイズ成分をカットすることができる。よって、受光素子によって受光され増幅器（増幅手段）により増幅される検出信号のＳ／Ｎ比を改善することが可能となる。

　本発明に係る生体センサでは、駆動信号生成手段が、パルス状の駆動信号を生成し、オフセット手段が、駆動信号生成手段により生成されるパルス状の駆動信号と同期させたパルス状のオフセット電圧を生成して印加することが好ましい。

　この場合、パルス状の駆動信号により発光素子が点滅駆動されるため、常時点灯させる場合と比較して消費電力を低減することができる。また、パルス状の駆動信号と同期されたパルス状のオフセット電圧が演算増幅器に印加されるため、発光素子が点灯しているときに受光素子によって取得される検出信号からノイズ成分をカットすることが可能となる。

　本発明に係る生体センサでは、オフセット手段が、オフセット信号を生成するオフセット信号生成手段と、複数の抵抗器を含み、オフセット信号生成手段により生成されたオフセット信号を分圧してオフセット電圧を生成する分圧手段とを有することが好ましい。

　この場合、オフセット信号生成手段と分圧手段とを組み合わせて用いることにより、増幅器に印加されるオフセット電圧の精度を向上することができる。よって、ノイズ成分を精度よくカットすることが可能となる。

　本発明に係る生体センサは、増幅手段により増幅された検出信号の交流成分の振幅に基づいて、増幅手段の増幅率を可変する可変手段をさらに備えることが好ましい。

　このようにすれば、検出信号の交流成分、すなわちシグナル成分の振幅に基づいて、増幅手段の増幅率を可変（調節）することができる。よって、ノイズ成分がカットされた分（Ｓ／Ｎ比が改善された分）、増幅手段（増幅器）の増幅率を上げることができる。そのため、シグナル成分の振幅を拡大することが可能となる。

　本発明に係る生体センサは、上記発光素子と異なる波長の光を出力する発光素子をさらに備え、駆動信号生成手段が、複数の発光素子それぞれに対して、互いに異なるタイミングで、パルス状の駆動信号を生成し、オフセット手段が、互いに独立したパルス状のオフセット電圧を、互いに異なるタイミングで出力されるパルス状の駆動信号それぞれと同期させて生成し、印加することが好ましい。

　このようにすれば、複数の発光素子から出力されたパルス光を単一の受光素子で受光することができる。また、複数の発光素子それぞれから出力された互いに波長が異なる光毎に、ノイズ成分をカットすることができる。よって、複数の発光素子から出力されたパルス光毎にＳ／Ｎ比を改善することが可能となる。

　本発明に係る生体センサでは、増幅手段が、多段接続された複数の増幅器を含み、オフセット手段が、オフセット電圧を、第２段目以降の増幅器に印加することが好ましい。

　この場合、第２段目以降の増幅器には、前段で増幅された検出信号が入力されるため、ノイズ成分をカットするために当該増幅器に印加されるオフセット電圧が大きくなる。よって、オフセット手段として、例えば、より分解能の低いＤ／Ａコンバータや精度の低い抵抗器等を用いることができ、コストを低減することが可能となる。

　また、本発明に係る生体センサでは、オフセット信号生成手段が、増幅手段により増幅された検出信号の直流成分の電圧値に基づいて、オフセット信号を可変することが好ましい。

　この場合、検出信号の直流成分に基づいて、オフセット信号が可変される。すなわち、ノイズ成分の大きさに応じて、該ノイズ成分をカットするオフセット電圧を可変（調節）することができる。よって、効果的にノイズ成分をカットして、Ｓ／Ｎ比をより改善することが可能となる。

　本発明によれば、受光素子によって受光され増幅器により増幅される検出信号のＳ／Ｎ比を改善することが可能となる。

第１実施形態に係る生体センサの構成を示すブロック図である。第１実施形態に係る生体センサを構成する入力部の回路図である。第１実施形態に係る生体センサの増幅部から出力される出力電圧等のシミュレーション結果を示す図である。従来技術（比較例）に係る生体センサの構成を示すブロック図である。従来技術（比較例）に係る生体センサの増幅部から出力される出力電圧のシミュレーション結果を示す図である。第１実施形態に係る生体センサの増幅部、及び、従来技術（比較例）に係る生体センサの増幅部それぞれから出力される出力電圧の実測例を示す図である。第２実施形態に係る生体センサの構成を示すブロック図である。第３実施形態に係る生体センサの構成を示すブロック図である。第４実施形態に係る生体センサの構成を示すブロック図である。

　以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図中、同一又は相当部分には同一符号を用いることとする。また、各図において、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

　（第１実施形態）
　まず、図１、図２を併せて参照して、第１実施形態に係る生体センサ１の構成について説明する。ここで、図１は、生体センサ１の構成を示すブロック図である。また、図２は、生体センサ１を構成する入力部の回路図である。

　生体センサ１は、血中ヘモグロビンの吸光特性を利用して、光電脈波信号を光学的に検出し、例えば脈拍などの生体情報を計測するセンサである。そのため、生体センサ１は、主として発光素子１０、受光素子２０、増幅部３０、及びマイクロコントローラ５０等を備えて構成されている。

　発光素子１０は、マイクロコントローラ５０の出力ポート５４から出力されるパルス状の駆動信号に応じて発光する。発光素子１０としては、例えば、ＬＥＤ、ＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｃａｖｉｔｙ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　ＬＡＳＥＲ）、又は共振器型ＬＥＤ等を用いることができる。なお、本実施形態では、駆動信号として、６００Ｈｚのパルス信号を用いた。

　受光素子２０は、発光素子１０から照射され、例えば指先などの人体１００を透過して、又は人体１００に反射して入射される光の強さに応じた検出信号を出力する。受光素子２０としては、例えば、フォトダイオードやフォトトランジスタ等が好適に用いられる。本実施形態では、受光素子２０として、フォトダイオードを用いた。受光素子（フォトダイオード）２０は、増幅部３０に接続されており、受光素子（フォトダイオード）２０で得られた検出信号（光電脈波信号）は増幅部３０に出力される。

　増幅部３０は、多段接続（本実施形態では２段）された２個の演算増幅器（オペアンプ）３１，４０を有しており、受光素子（フォトダイオード）２０から出力された検出信号（光電脈波信号）を増幅する。

　より具体的には、フォトダイオード２０のカソード電極は、前段（第１段目）の演算増幅器（以下「第１演算増幅器」という）３１の反転入力（－）端子に接続されている。一方、フォトダイオード２０のアノード端子は、第１演算増幅器３１の非反転入力（＋）端子に接続されている。また、フォトダイオード２０のアノード端子には、マイクロコントローラ５０のＤ／Ａコンバータ５３から出力されるアナログ信号を分圧して演算増幅器３１の非反転入力（＋）端子に印加する分圧抵抗群（請求の範囲の分圧手段に相当）３２が接続されている。

　より詳細には、分圧抵抗群３２は、一端が、フォトダイオード２０のアノード端子、及び第１演算増幅器３１の非反転入力（＋）端子に接続され、他端がグランドに接続される第１抵抗器３３と、一端が、第１抵抗器３３の一端と接続され、他端が、Ｄ／Ａコンバータ５３の出力端子と接続された第２抵抗器３４とを有している。よって、第１抵抗器３３と第２抵抗器３４との接続点（すなわち、フォトダイオード２０のアノード端子及び第１演算増幅器３１の非反転入力（＋）端子）には、Ｄ／Ａコンバータ５３から出力されるアナログ信号を、第１抵抗器３３の抵抗値と第２抵抗器３４の抵抗値との比率に応じて分圧した電圧（オフセット電圧）が現われる。そのため、検出信号を増幅する際の第１演算増幅器３１の基準電位（動作点）が、当該オフセット電圧だけオフセットされる。

　ここで、オフセット電圧（補正電圧）の設定方法について説明する。例えば、増幅部３０の出力端で見て、直流成分（ノイズ成分）を１Ｖ分補正（カット）する場合には、増幅部３０の増幅率（すなわち演算増幅器３１の増幅率と演算増幅器４０の増幅率の乗算値）を仮に１００倍とすると、１／１００（Ｖ）＝０．０１（Ｖ）のオフセット電圧を与えればよい。すなわち、この場合には、オフセット電圧が０．０１（Ｖ）になるように、第１抵抗器３３並びに第２抵抗器３４それぞれの抵抗値、及び、Ｄ／Ａコンバータ５３の出力電圧が設定／調節される。

　第１演算増幅器３１の出力端子は、コンデンサ３５を介して、第２演算増幅器４０の入力端子（非反転入力（＋）端子）と接続されている（すなわち交流結合されている）。第１演算増幅器３１により増幅された検出信号は、コンデンサ３５によって直流成分が除去された後、後段（第２段目）の演算増幅器（以下「第２演算増幅器」という）４０によって再度増幅される。第２演算増幅器４０の出力端は、マイクロコントローラ５０に接続されており、増幅された検出信号（光電脈波信号）は、マイクロコントローラ５０に出力される。

　マイクロコントローラ５０は、フォトダイオード２０により検出され、増幅部３０により増幅された検出信号（光電脈波信号）を処理してユーザの脈拍などの生体情報を取得する。また、マイクロコントローラ５０は、発光素子１０に対して駆動信号を出力するとともに、分圧抵抗群３２に対してオフセット信号を出力する。そのため、マイクロコントローラ５０は、入力インターフェースとしてのマルチプレクサ５１並びにＡ／Ｄコンバータ５２、及び、Ａ／Ｄコンバータ５２を介して入力される検出信号に対して演算処理を行うＣＰＵ５５、該ＣＰＵに各処理を実行させるためのプログラムやデータを記憶するＲＯＭ、演算結果などの各種データを一時的に記憶するＲＡＭ、オフセット信号（アナログ信号）を出力するＤ／Ａコンバータ５３、及び、駆動信号を出力する出力ポート５４等を有して構成されている。

　また、マイクロコントローラ５０では、ＲＯＭに記憶されているプログラムが、ＣＰＵ５５によって実行されることにより、演算部５６、駆動信号生成部５７、オフセット信号生成部５８の機能が実現される。なお、Ａ／Ｄコンバータ５２や、Ｄ／Ａコンバータ５４、ＣＰＵ５５、ＲＯＭ、ＲＡＭなどはそれぞれ独立したチップから構成されていてもよい。

　マルチプレクサ５１は、Ａ／Ｄ変換を行う入力ポートを選択して切替えるものである。マルチプレクサ５１は、ＣＰＵからの制御信号に基づいて、入力ポートを切替える。マルチプレクサ５１により選択された入力ポートからの検出信号（光電脈波信号）は、Ａ／Ｄコンバータ５２に送られる。

　Ａ／Ｄコンバータ５２は、マルチプレクサ５１により選択された入力ポートからの検出信号（光電脈波信号）を所定のサンプリング周期でディジタルデータに変換する。ディジタル変換された検出信号は、演算部５６に出力される。

　演算部５６は、読み込まれた検出信号（光電脈波信号）を処理して、例えば、脈拍等の生体情報を取得する。すなわち、演算部５６は、請求の範囲に記載の演算手段として機能する。なお、取得された脈拍等の生体情報は、外部に出力されたり、或いは、上述したＲＡＭなどに記憶される。

　駆動信号生成部５７は、発光素子１０を駆動するパルス状の駆動信号を生成し、出力ポート５４を介して出力する。すなわち、駆動信号生成部５７は、請求の範囲に記載の駆動信号生成手段として機能する。本実施形態では、駆動信号生成部５７は、駆動信号として、周波数が６００Ｈｚのパルス波を生成するように設定した。

　オフセット信号生成部５８は、第１抵抗器３３並びに第２抵抗器３４それぞれの抵抗値により定められる分圧比を考慮して、駆動信号生成部５７により出力されるパルス状の駆動信号と同期させたパルス状のオフセット信号（ディジタルデータ）を生成する。ここで、例えば、０．０１（Ｖ）のオフセット電圧を第１演算増幅器３１に印加しようとした場合には、分圧抵抗群３２の分圧比を例えば１／５とすると、Ｄ／Ａコンバータ５３から０．０５（Ｖ）が出力されるようにオフセット信号（ディジタルデータ）が生成される。

　オフセット信号生成部５８で生成されたオフセット信号（ディジタルデータ）は、Ｄ／Ａコンバータ５３でアナログ信号に変換された後、分圧抵抗群３２に出力される。すなわち、オフセット信号生成部５８、Ｄ／Ａコンバータ５３、及び分圧抵抗群３２は、請求の範囲に記載のオフセット手段として機能する。

　上述した構成を有することにより、本実施形態に係る生体センサ１では、まず、マイクロコントローラ５０の駆動信号生成部５７により、例えば周波数が６００Ｈｚのパルス信号が生成され、出力ポート５４から出力される。パルス信号が印加された発光素子１０は、該パルス信号に応じて所定波長のパルス光を照射する。発光素子１０から照射され、例えば指先などの人体１００を透過、又は人体１００に反射されたパルス光は、受光素子２０に入射し、該受光素子２０により電気信号（検出信号）に変換される。

　一方、マイクロコントローラ５０のオフセット信号生成部５８では、上記パルス信号（駆動信号）と同期されたパルス状のオフセット信号（ディジタルデータ）が生成される。該オフセット信号は、Ｄ／Ａコンバータ５３によってアナログ電圧に変換されて、分圧抵抗群３２に印加される。よって、分圧抵抗群３２を構成する第１抵抗器３３の抵抗値と第２抵抗器３４の抵抗値との比率に応じて分圧された電圧（オフセット電圧）が、受光素子（フォトダイオード）２０のアノード端子と増幅部３０を構成する第１演算増幅器３１の非反転入力端子との接続点に印加される。

　受光素子２０により変換された検出信号は、増幅部３０で増幅される。その際に、第１演算増幅器３１の基準電位（動作点）が、上記オフセット電圧によってオフセットされる。そのため、直流成分として検出信号に重畳している外来光等のノイズ成分がカットされる。その結果、検出信号のＳ／Ｎ比が改善される。

　第１演算増幅器３１で増幅された検出信号は、次段の第２演算増幅器４０でさらに増幅された後、マイクロコントローラ５０に入力される。マイクロコントローラ５０に入力された検出信号は、マルチプレクサ５１、Ａ／Ｄコンバータ５２を介して、演算部５６に読み込まれる。そして、演算部５６において、検出信号が処理されて、例えば、脈拍等の生体情報が取得される。

　以上、本実施形態によれば、検出信号を増幅する際の第１演算増幅器３１の基準電位（動作点）がオフセットされる。そのため、直流成分として検出信号に重畳する外来光等のノイズ成分をカットすることができる。よって、受光素子１０によって受光され増幅部３０（第１演算増幅器３１）により増幅される検出信号のＳ／Ｎ比を改善することが可能となる。その結果、例えば、被験者の個人差による脈拍不検出範囲を小さくすることができる。すなわち、検出率を改善することができる。また、増幅部３０の低ノイズ要件を緩くすることができるため、増幅部３０を構成する回路部品の低コスト化を図ることができる。さらに、Ａ／Ｄコンバータ５２の分解能の下げることができ、より低コスト化を図ることができる。

　また、本実施形態によれば、パルス状の駆動信号により発光素子１０が点滅駆動されるため、常時点灯させる場合と比較して消費電力を低減することができる。また、パルス状の駆動信号と同期されたパルス状のオフセット電圧が第１演算増幅器３１に対して与えられるため、発光素子１０が点灯しているときに受光素子２０によって取得される検出信号からノイズ成分をカットすることが可能となる。

　また、本実施形態によれば、例えばＤ／Ａコンバータ５３のみでは分解能が不足するような場合であっても、Ｄ／Ａコンバータ５３と分圧抵抗群３２とを組み合わせて用いることにより、オフセット電圧を精度よく生成して印加することができる。よって、ノイズ成分を精度よくカットすることが可能となる。

　ここで、第１演算増幅器３１にオフセット電圧を印加することによるＳ／Ｎ比の改善効果を確認するために、第１演算増幅器３１にオフセット電圧を印加した場合（本実施形態）と、オフセット電圧を印加しない場合（従来回路：比較例）それぞれについて、増幅部３０から出力されるアナログ出力電圧をシミュレーション及び実測で求めた。そこで、図３～６を参照しつつ、第１演算増幅器３１にオフセット電圧を印加することによるＳ／Ｎ比の改善効果について説明する。

　ここで、図３は、本実施形態に係る生体センサ１の増幅部３０から出力される検出信号のシミュレーション結果を示す図である。図４は、比較例として用いた、従来技術に係る生体センサの構成を示すブロック図である。また、図５は、図４に示した従来技術（比較例）に係る生体センサの増幅部３０’から出力される出力電圧のシミュレーション結果を示す図である。図６は、本実施形態に係る生体センサ１の増幅部３０、及び、従来技術（比較例）に係る生体センサの増幅部３０’それぞれから出力される出力電圧の実測例を示す図である。

　まず、図３を参照しつつ、本実施形態に係る生体センサ１の増幅部３０から出力される出力電圧のシミュレーション結果について説明する。図３では、上段から順に、受光素子１０の受光電流を時間拡大して示した波形（ｎＡ）、オフセット電圧を時間拡大して示した波形（Ｖ）、オフセット電圧（Ｖ）、及び、増幅部３０のアナログ出力電圧（Ｖ）を示す。なお、図３の横軸は時間（ｍｓ）である。

　第１段目に示される受光電流をＩ－Ｖ変換して増幅する際に、第２，３段目に示されるように、約０．０６Ｖ（反転させているため、３Ｖを基準にして－０．０６Ｖ）のパルス状のオフセット電圧を第１演算増幅器３１に印加した場合、第４段目の実線に示されるように、アナログ出力電圧の振幅（ｐ－ｐ）は、約０．８Ｖとなった。このときに、検出信号（脈波信号）の振幅は、約０．５Ｖとなった。よって、Ｓ／Ｎ比は、０．５／０．８＝約７２．５％となり、後述する従来回路に対してＳ／Ｎ比を改善できることが確認された。

　また、図３の４段目には、増幅部３０の増幅率を２倍にした場合の波形を破線で示した。この場合、４段目に破線で示されるように、脈波信号（検出信号）を劣化させることなく、かつ、脈波信号を飽和することなく、脈波信号の振幅を２倍にできることが確認された。

　次に、図４及び図５を併せて参照しつつ、従来回路（比較例）に係る生体センサの増幅部３０’から出力される出力電圧（脈波信号）のシミュレーション結果について説明する。上述したように、図４は、比較例として用いた、従来回路が用いられた生体センサの構成を示すブロック図である。図４に示されるように、この生体センサは、オフセット信号生成部５８、Ｄ／Ａコンバータ５３、分圧抵抗群３２を備えていない。よって、増幅部３０’を構成する第１演算増幅器３１には、動作点をオフセットさせるオフセット電圧が印加されない。

　図４に示した従来回路（比較例）に係る生体センサの増幅部３０’から出力される出力電圧のシミュレーション結果を図５に示す。図５では、上段から順に、受光素子１０の受光電流を時間拡大して示した波形（ｎＡ）、オフセット電圧を時間拡大して示した波形（Ｖ）、オフセット電圧（Ｖ）、及び、増幅部３０’のアナログ出力電圧（Ｖ）を示す。なお、図４の横軸は時間（ｍｓ）である。

　第１段目に示される受光電流をＩ－Ｖ変換して増幅する際に、第２，３段目に示されるように、オフセット電圧がゼロ（反転させているため、３Ｖ）、すなわちオフセット電圧が印加されなかった場合、第４段目に示されるように、アナログ出力電圧の振幅（ｐ－ｐ）は、約１．８Ｖとなった。このときに、検出信号（脈拍脈波）の振幅は、約０．５Ｖとなった。よって、Ｓ／Ｎ比は、０．５／１．８＝約２８％であった。

　以上の結果から、本実施形態に係る生体センサ１によれば、Ｓ／Ｎ比を約２８％から約７２．５％に改善できることが確認された。

　続いて、図６を参照しつつ、本実施形態に係る生体センサ１によるＳ／Ｎ比の改善効果の確認結果について実測例を示して説明する。ここで、図６では、本実施形態に係る生体センサ１の増幅部３０、及び、図４に示した従来回路（比較例）に係る生体センサの増幅部３０’それぞれから出力される出力電圧（アナログ出力）の実測例を示す。なお、図６の横軸は時間（ｓｅｃ）であり、縦軸は、増幅部３０（又は増幅部３０’）のアナログ出力電圧（Ｖ）である。また、図６では、本実施形態の測定結果を実線で、従来回路（図４参照）の測定結果を破線でそれぞれ示した。

　図６に示されるように、従来回路を用いた場合と比較して、本実施形態によれば、増幅部３０からのアナログ出力が、振幅が変化することなく、全体的に約１．１Ｖ程度オフセット（低下）されることが確認された。すなわち、脈拍振幅を劣化させることなく受光電圧レンジを約半減（Ｓ／Ｎ比を改善）できることが確認できた。

　（第２実施形態）
　次に、図７を用いて、第２実施形態に係る生体センサ２の構成について説明する。ここでは、上述した第１実施形態に係る生体センサ１と同一・同様な構成については説明を簡略化又は省略し、異なる点を主に説明する。図７は、第２実施形態に係る生体センサ２の構成を示すブロック図である。なお、図７において第１実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号が付されている。

　生体センサ２は、２つの発光素子１１，１２を備えている点で、上述した生体センサ１と異なっている。２つの発光素子１１，１２それぞれは、血中酸素飽和度を示す酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンとの存在比を得るために、異なる波長の光を出射する。例えば、一方の発光素子１１は、酸化ヘモグロビンの吸光係数が高い赤外光付近の光（例えば９４０ｎｍ）を出射する。他方の発光素子１２は、還元ヘモグロビンの吸光係数が高い赤色光付近の光（例えば６６０ｎｍ）を出射する。

　マイクロコントローラ５０Ａを構成する駆動信号生成部５７Ａは、２つの発光素子１１，１２に対して、周波数が同一（例えば６００Ｈｚ）で、互いにタイミングが異なるパルス状の駆動信号（パルス信号）を生成する。生成された、互いにタイミングが異なるパルス信号は、それぞれ出力ポート５４Ａを介して、発光素子１１及び発光素子１２に対して出力される。

　一方、オフセット信号生成部５８Ａは、電圧値が互いに独立して調節されるパルス状のオフセット信号（ディジタルデータ）を、上記駆動信号（パルス信号）と同期させて生成する。生成されたオフセット信号（ディジタルデータ）は、Ｄ／Ａコンバータ５３によりアナログ信号に変換され、分圧抵抗群３２によって分圧されて、第１演算増幅器３１の非反転入力端子に印加される。

　演算部５６Ａは、各波長の検出信号から、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンとの存在比（吸光度比）を演算して、酸素飽和度を求める。その他の構成は、生体センサ１と同一または同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。

　本実施形態に係る生体センサ２では、駆動信号生成部５７Ａにより、互いにタイミングが異なるパルス状の駆動信号（パルス信号）が生成されて出力される。そして、２つの発光素子１１，１２それぞれから波長の異なるパルス光がタイミングを変えて出力される。発光素子１１，１２から照射され、例えば指先等の人体１００を透過し、又は人体１００で反射されたパルス光は、受光素子２０で受光され、電気信号（検出信号）に変換される。

　一方、オフセット信号生成部５８Ａでは、電圧値が互いに独立して調節されたパルス状のオフセット電圧（ディジタルデータ）が、双方の駆動信号（パルス信号）と同期させて生成されて出力される。該オフセット電圧は、Ｄ／Ａコンバータ５３によってアナログ電圧に変換されて、分圧抵抗群３２に印加される。よって、分圧抵抗群３２を構成する第１抵抗器３３の抵抗値と第２抵抗器３４の抵抗値との比率に応じて分圧された電圧（オフセット電圧）が、受光素子（フォトダイオード）２０のアノード端子と増幅部３０を構成する第１演算増幅器３１の非反転入力端子との接続点に印加される。

　受光素子２０により変換された検出信号は、増幅部３０で増幅される。その際に、第１演算増幅器３１の基準電位（動作点）が、上記オフセット電圧によってオフセットされる。そのため、直流成分として検出信号に重畳する外来光等のノイズ成分がカットされる。その結果、２つの発光素子１１，１２から出力された波長が異なるパルス光毎に検出信号のＳ／Ｎ比が改善される。

　第１演算増幅器３１で増幅された検出信号は、次段の第２演算増幅器４０でさらに増幅された後、マイクロコントローラ５０Ａに入力される。マイクロコントローラ５０Ａに入力された検出信号は、マルチプレクサ５１、Ａ／Ｄコンバータ５２を介して、演算部５６Ａに読み込まれる。そして、演算部５６において、各波長の検出信号が処理されて、例えば、各波長の吸光度比から酸素飽和度等の生体情報が取得される。

　本実施形態によれば、２つの発光素子１１，１２から出力されたパルス光を単一の受光素子２０で受光することができる。そして、２つの発光素子１１，１２から出力された互いに波長が異なるパルス光毎に、ノイズ成分をカットすることができる。よって、２つの発光素子１１，１２から出力されたパルス光毎にＳ／Ｎ比を改善することが可能となる。その結果、例えば、各波長に対する吸光度比をより正確に測定でき、酸素飽和度をより精度よく検出することができる。

　（第３実施形態）
　次に、図８を参照して、第３実施形態に係る生体センサ３の構成について説明する。ここでは、上述した第１実施形態に係る生体センサ１と同一・同様な構成については説明を簡略化又は省略し、異なる点を主に説明する。図８は、第３実施形態に係る生体センサ３の構成を示すブロック図である。なお、図８において第１実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号が付されている。

　上述した生体センサ１では、第１演算増幅器３１の非反転入力にオフセット電圧を印加したが、生体センサ２では第２演算増幅器４０の反転入力端子にオフセット電圧を印加している点で生体センサ１と異なっている。この場合、第２演算増幅器４０は、当該オフセット電圧をバイアス電圧とする差動増幅回路として動作する。なお、図８のオフセット印加回路４１としては、例えば、上述した分圧抵抗群３２と同一の回路を用いることができる。その他の構成は、生体センサ１と同一又は同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。

　本実施形態では、オフセット信号生成部５８Ｂは、第２演算増幅器４０の増幅率のみを考慮してオフセット信号を生成する。よって、オフセット印加回路４１の分圧比が第１実施形態と同一であるとした場合には、第１実施形態で設定されたオフセット電圧に第１演算増幅器３１の増幅率を乗算した電圧が第２演算増幅器４０に印加される。

　本実施形態によれば、後段の第２演算増幅器４０には、前段（第１演算増幅器３１）で増幅された検出信号が入力されるため、ノイズ成分をカットするために第２演算増幅器４０に与えられるオフセット電圧（バイアス電圧）が大きくなる。よって、オフセット電圧を設定・調節するために、例えば、より分解能の低いＤ／Ａコンバータや精度の低い抵抗器を用いることができる。そのため、センサのコストをより低減することができる。

　なお、本実施形態において、オフセット信号生成部５８Ｂが、増幅部３０Ｂにより増幅された検出信号の直流成分の電圧値（ノイズの電位）に基づいて、第２演算増幅器４０に印加するオフセット電圧を可変する構成としてもよい。この場合、ノイズ成分の大きさ（電位）に応じて、該ノイズ成分をカットするオフセット電圧を可変・調節することができるため、より効果的にノイズ成分をカットして、Ｓ／Ｎ比をより改善することが可能となる。

　（第４実施形態）
　次に、図９を参照して、第４実施形態に係る生体センサ４の構成について説明する。ここでは、上述した第１実施形態に係る生体センサ１と同一・同様な構成については説明を簡略化又は省略し、異なる点を主に説明する。図９は、第４実施形態に係る生体センサ４の構成を示すブロック図である。なお、図９において第１実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号が付されている。

　生体センサ４は、増幅部３０Ｃにより増幅された検出信号の交流成分の振幅（すなわち脈波成分の振幅）に基づいて、例えば、増幅部３０Ｃを構成する第２演算増幅器４０Ｃの増幅率を可変する増幅率可変部（請求の範囲に記載の可変手段に相当）５９をさらに備えている点で、上述した生体センサ１と異なっている。その他の構成は、生体センサ１と同一または同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。

　この場合、例えば、増幅率可変部５９により生成された可変信号がＤ／Ａコンバータ（図示省略）によってアナログ信号に変換されて第２演算増幅器４０Ｃに出力される。第２演算増幅器４０Ｃは、該アナログ信号に基づいて増幅率を可変する。

　本実施形態によれば、検出信号の交流成分、すなわちシグナル成分（脈波成分）の振幅に基づいて、増幅部３０Ｃ（第２演算増幅器４０Ｃ）の増幅率を可変・調節することができる。よって、ノイズ成分がカットされた分（Ｓ／Ｎ比が改善された分）、増幅器３０Ｃの増幅率を上げることができる。そのため、シグナル成分（脈波成分）の振幅を拡大することが可能となる。また、被験者の個人差による脈拍不検出範囲をより小さくすることができる。すなわち、検出率をより改善することができる。

　以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、増幅部３０（３０Ｂ，３０Ｃ）を２段の演算増幅器３１，４０で構成したが、１段又は３段以上の演算増幅器で構成してもよい。

　また、上記実施形態では、パルス状の駆動信号を生成して発光素子１０（１１，１２）に入力するとともに、パルス状のオフセット電圧を第１演算増幅器３１又は第２演算増幅器４０に印加したが、第１演算増幅器３１と後段の第２演算増幅器４０とをＤＣ結合し、一定の駆動信号を生成して発光素子１０（１１，１２）に入力するとともに、一定のオフセット電圧を第１演算増幅器３１又は第２演算増幅器４０に印加する構成としてもよい。

　１，２，３，４　生体センサ
　１０，１１，１２　発光素子
　２０　受光素子
　３０，３０Ｂ，３０Ｃ　増幅部
　３１　第１演算増幅器
　４０，４０Ｃ　第２演算増幅器
　３２　分圧抵抗群
　５０，５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ　マイクロコントローラ
　５３　Ｄ／Ａコンバータ
　５４，５４Ａ　出力ポート
　５５，５５Ａ，５５Ｂ，５５Ｃ　ＣＰＵ
　５６，５６Ａ　演算部
　５７，５７Ａ　駆動信号生成部
　５８，５８Ａ，５８Ｂ，５８Ｃ　オフセット信号生成部
　５９　増幅率可変部

Claims

　駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、
　前記駆動信号生成手段により生成された駆動信号に応じて発光する発光素子と、
　受光した光の強さに応じた検出信号を出力する受光素子と、
　前記受光素子から出力される検出信号を増幅する増幅器を含む増幅手段と、
　前記検出信号を増幅する際の前記増幅器の基準電位をオフセットさせるオフセット電圧を生成して前記増幅器に印加するオフセット手段と、
　前記増幅手段により増幅された検出信号を処理して生体情報を取得する演算手段と、を備えることを特徴とする生体センサ。
　前記駆動信号生成手段は、パルス状の駆動信号を生成し、
　前記オフセット手段は、前記駆動信号生成手段により生成されるパルス状の駆動信号と同期させたパルス状のオフセット電圧を生成して印加することを特徴とする請求項１に記載の生体センサ。
　前記オフセット手段は、
　　オフセット信号を生成するオフセット信号生成手段と、
　　複数の抵抗器を含み、前記オフセット信号生成手段により生成されたオフセット信号を分圧して前記オフセット電圧を生成する分圧手段と、を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の生体センサ。
　前記増幅手段により増幅された検出信号の交流成分の振幅に基づいて、前記増幅手段の増幅率を可変する可変手段をさらに備えることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の生体センサ。
　前記発光素子と異なる波長の光を出力する発光素子をさらに備え、
　前記駆動信号生成手段は、複数の発光素子それぞれに対して、互いに異なるタイミングで、パルス状の駆動信号を生成し、
　前記オフセット手段は、互いに独立したパルス状のオフセット電圧を、互いに異なるタイミングで出力される前記パルス状の駆動信号それぞれと同期させて生成し、印加することを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の生体センサ。
　前記増幅手段は、多段接続された複数の増幅器を含み、
　前記オフセット手段は、前記オフセット電圧を、第２段目以降の増幅器に印加することを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の生体センサ。
　前記オフセット信号生成手段は、前記増幅手段により増幅された検出信号の直流成分の電圧値に基づいて、前記オフセット信号を可変することを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の生体センサ。