光学センサ及びその製造方法
【課題】本発明は、微弱な非弾性散乱光を効率よく受光可能な光学センサ及び当該光学センサの製造方法の提供を目的とする。
【解決手段】本願発明の光学センサは、光を出射する発光素子１６と、発光素子１６からの光が被検体１００で散乱された非弾性散乱光と弾性散乱光の干渉光を受光する受光素子１７と、が電気配線パターンの形成されている同一の基板１１面に配置されている光学センサであって、受光素子１７を囲むように基板１１面に設けられ、干渉散乱光を受光素子１７の受光面に入射させる入射窓を有する遮光壁１８を備え、発光素子１６、遮光壁１８及び受光素子１７は、順に隣接して配置されていることを特徴とする。
【解決手段】本願発明の光学センサは、光を出射する発光素子１６と、発光素子１６からの光が被検体１００で散乱された非弾性散乱光と弾性散乱光の干渉光を受光する受光素子１７と、が電気配線パターンの形成されている同一の基板１１面に配置されている光学センサであって、受光素子１７を囲むように基板１１面に設けられ、干渉散乱光を受光素子１７の受光面に入射させる入射窓を有する遮光壁１８を備え、発光素子１６、遮光壁１８及び受光素子１７は、順に隣接して配置されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学センサ及びその製造方法に関し、特に流体中の微小な散乱体からの非弾性散乱光を利用して当該流体の流速、流量等の情報を測定する光学センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
高齢化が進み、生活習慣病等を予防するため健康を管理することについての関心が高まっている。血液の流れが悪くなることによっておきる脳血栓及び心筋梗塞などの生活習慣病を早期かつ簡便に発見するために、光学センサを利用して血流などの生体情報の測定を行う生体情報測定装置が開発されている（例えば、特許文献１及び２参照。）。
【０００３】
図７及び図８に、生体情報測定装置に搭載されている従来の光学センサの一例を示す。図７は、従来の光学センサの概略構成図である。図８は、従来の光学センサの鳥瞰図である。基板１１面に電気配線パターン１０２、１０３、１０４、１０５が形成されている。電気配線パターン１０２は受光素子１７のアノード、電気配線パターン１０３は受光素子１７のカソードに接続される。電気配線パターン１０２は、微小信号検出のために増幅器（図示せず）と接続されている。電気配線パターン１０５は発光素子１６のアノード、電気配線パターン１０４は発光素子１６のカソードに接続される。電気配線パターン１０５は、発光素子１６の駆動回路へと接続される。
【０００４】
電気配線パターン１０４の上に半田膜（図示せず）を介して発光素子１６が搭載されている。発光素子１６上には電極があり、当該電極がワイヤボンディングによって電気配線パターン１０５に接続されている。発光素子１６の駆動回路からの電流は、当該電極から発光素子１６に注入される。電気配線パターン１０３の上に半田膜（図示せず）を介して受光素子１７が搭載されている。受光素子１７上には電極があり、当該電極がワイヤボンディングによって電気配線パターン１０２に接続されている。
【０００５】
上記光学センサ１０１を用いた生体情報の測定法の一例として、ドップラーシフト法を説明する。この場合、被検体は生体であり、測定対象は毛細血管中を移動している赤血球となる。発光素子１６に電気配線パターン１０５から電流を注入すると、発光素子１６が発振し、発光素子１６から光が出射される。発光素子１６から出射した光は、光学センサ１０１外の生体表面に照射され、測定対象である赤血球で散乱された非弾性散乱光が発生する。また、静止した生体組織からは弾性散乱光が発生する。この非弾性散乱光と弾性散乱光は干渉し、この干渉光を受光素子１７で受光することで、生体情報を測定する。
【０００６】
ここで、光学センサ１０１を測定対象に近づけたとき、発光素子１６からの光が静止した生体組織などでも散乱する。そのため、受光素子１７が受光する散乱光には、角質層などの静止した生体組織による弾性散乱光と、測定対象である赤血球による非弾性散乱光が含まれる。非弾性散乱光の振動数は血流に応じてドップラーシフトをしており、静止した生体組織による弾性散乱光と干渉を起こす。この干渉光をホモダイン検波によって検出することで、血流量、血液量、血流速度、脈拍などの生体情報を測定することができる。
【０００７】
ここで、測定対象が生体の毛細血管内の赤血球である場合、受光素子１７で受光する非弾性散乱光は数１００ｐＷ程度と非常に微弱である。そのため、発光素子１６から直接光が受光素子１７へ入射すると、受光素子１７からの出力信号のＳＮ比が悪くなり、非弾性散乱光の寄与がノイズに埋もれてしまうので、血流速度の検出ができない。そこで、基板１１面には、発光素子１６から受光素子１７への直接光を避けるための遮光壁１０８が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−３３０９３６号
【特許文献２】特開２００４−２２９９２０号
【特許文献３】特開２００７−１７５４１５号
【特許文献４】特開２００８−０１０８３２号
【特許文献５】特開２００８−１４５１６８号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｍ．Ｄ．Ｓｔｅｒｎ：Ｉｎ ｖｉｖｏ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｃｒｏｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ ｂｙ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｌｉｇｈｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ，Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ．２５４，ｐｐ．５６−５８（１９７５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、従来の光学センサにおいては、発光素子と受光素子の間隔や発光素子と被検体との間隔は考慮されていなかった。また、遮光壁の形状も十分については考慮されていなかった。
【００１１】
そこで、本発明は、微弱な非弾性散乱光を効率よく受光可能な光学センサ及び当該光学センサの製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、発明者らは実験によって、微弱な非弾性散乱光が精度よく測定可能になるような発光素子、受光素子及び遮光壁の配置を発見した。
【００１３】
具体的には、本願発明の光学センサは、光を出射する発光素子と、前記発光素子からの光が被検体の内部を移動する測定対象で散乱された非弾性散乱光および被検体内部の静止した対象から散乱された弾性散乱光の干渉光を受光する受光素子と、が電気配線パターンの形成されている同一の基板面に配置されている光学センサであって、前記受光素子を囲むように前記基板面に設けられ、前記干渉光を前記受光素子の受光面に入射させる入射窓を有する遮光壁を備え、前記発光素子、前記遮光壁及び前記受光素子は、順に隣接して配置されていることを特徴とする。
【００１４】
発光素子、遮光壁及び受光素子が順に隣接して配置されているので、発光素子と受光素子を最も近づけることができる。これにより、測定対象からの微弱な非弾性散乱光を効率よく受光することができる。
また、遮光壁が発光素子からの直接光を遮光するので、発光素子及び受光素子を同一の基板面に設けることができる。これにより、光学センサの製造が容易になる。
【００１５】
本願発明の光学センサでは、前記発光素子と前記被検体との距離は、１．３ｍｍ以上２．８ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１６】
本願発明の光学センサでは、前記基板面における前記発光素子と前記受光素子の距離は、５００μｍ以下であることが好ましい。
【００１７】
本願発明の光学センサでは、前記遮光壁の前記基板面への投影形状が、回転対象形状であることが好ましい。
本発明により、遮光壁の製造が容易であるとともに、遮光壁の基板面への搭載が容易になる。従って、光学センサの製造が容易になる。
【００１８】
本願発明の光学センサでは、前記遮光壁は、非導電性材料からなることが好ましい。
本発明により。発光素子と受光素子を近づけることによるノイズの発生を防ぐことができる。
また、遮光壁の入射窓を被検体の表面に密着させた場合に、被検体の静電気によるノイズの発生を防ぐことができる。
【００１９】
本願発明の光学センサでは、前記基板面における前記発光素子と前記受光素子の距離は、略５００μｍであることが好ましい。
【００２０】
本願発明の光学センサでは、前記基板面と前記被検体との距離は、略２．０ｍｍであることが好ましい。
【００２１】
本願発明の光学センサでは、前記遮光壁は、円筒形であり、前記円筒形の開口部の一方が前記基板面と固定され、前記円筒形の開口部の他方が前記入射窓となっていることが好ましい。
本発明により、遮光壁の製造が容易であるとともに、遮光壁の基板面への搭載が容易になる。従って、光学センサの製造が容易になる。
また、遮光壁の入射窓全体を被検体表面に密着させやすいので、遮光壁内への外光の入射を容易に防ぐことができる。
【００２２】
本願発明の光学センサでは、前記遮光壁は、前記受光素子を立体的に覆うキャップ形状であり、前記入射窓の面積が前記基板面での面積よりも小さいことが好ましい。
入射窓に対して遮光壁で囲まれた内部が広がっているので、大きな散乱角で散乱した非弾性散乱光を受光素子で受光することができる。また、入射窓の面積が小さいことで、遮光壁内への外光の入射を効率よく防ぐことができる。従って、非弾性散乱光を効率よく受光することができる。
【００２３】
上記目的を達成するために、本願発明の光学センサの製造方法は、本願発明の光学センサの製造方法であって、前記発光素子、前記遮光壁及び前記受光素子を、順に隣接して配置する配置工程を有することを特徴とする。
【００２４】
遮光壁が発光素子からの直接光を遮光するので、発光素子及び受光素子を同一の基板面に設けることができる。これにより、光学センサの製造が容易になる。また、発光素子、遮光壁及び受光素子が順に隣接して配置されているので、測定対象からの微弱な非弾性散乱光を効率よく受光することができる。したがって、本発明により、測定対象からの微弱な非弾性散乱光を効率よく受光することができる光学センサを容易に製造することができる。
【００２５】
なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、発光素子、遮光壁及び受光素子が順に隣接して配置されるので、微弱な非弾性散乱光が精度よく測定可能な光学センサ及び当該光学センサの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本実施形態に係る光学センサを搭載した生体情報測定装置の概略構成図である。
【図２】本実施形態に係る光学センサの拡大図である。
【図３】光学センサ及び増幅器を搭載したチップの拡大図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図である。
【図４】発光素子と受光素子の中心間隔に対する増幅器からの出力電圧の変化の一例を示す。
【図５】基板面から被検体までの距離に対する散乱光強度の１次モーメント積分値の測定結果を示す。
【図６】血流量の測定結果であり、（ａ）は市販の血流計を用いた場合、（ｂ）は本実施例に係る血流計を用いた場合を示す。
【図７】従来の光学センサの概略構成図である。
【図８】従来の光学センサの鳥瞰図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００２９】
図１は、本実施形態に係る光学センサを搭載した生体情報測定装置の概略構成図である。本実施形態に係る光学センサを搭載した血流計は、本実施形態に係る光学センサ１と、増幅器２と、駆動演算装置３と、出力部４と、を備える。駆動演算装置３は、全体をＬＳＩとして構成することが可能であり、光学センサ１及び増幅器２と合わせて一体として構成でき、人体等に容易に装着できる形状に構成することが可能である。
【００３０】
光学センサ１は、測定対象に照射する光を出射し、測定対象からの非弾性散乱光と弾性散乱光の干渉光を受光し、当該干渉光を光電変換した電気信号を増幅器２に出力する。増幅器２は、光学センサ１からの電気信号を増幅して、駆動演算装置３に出力する。駆動演算装置３は、光学センサ１に光を出射させるとともに、増幅器２からの電気信号の演算処理を行う。この演算処理により、測定対象及び被検体からの干渉光を解析して測定結果を得る。測定対象が赤血球の場合、この測定結果は、例えば、血流量、血液量、血流速度、脈拍などの生体情報である。出力部４は、駆動演算装置３の測定結果を出力する。ここで、出力は、例えば、小型液晶ディスプレイへの表示である。
【００３１】
駆動演算装置３は、ＡＤ変換器５と、駆動回路６と、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）７と、電源供給部８と、インタフェース９と、を備える。駆動回路６は、光学センサ１に備わる発光素子を駆動させる。ＡＤ変換器５は、増幅器２からのアナログ電気信号をデジタル信号に変換する。ＤＳＰ７は、ＡＤ変換器５からのデジタル信号を用いて演算処理を行う。電源供給部８は、光学センサ１、増幅器２及び駆動演算装置３などへの電源供給を行う。インタフェース９は、駆動演算装置３からの測定結果を出力部４へ出力する。
【００３２】
なお、本実施形態に係る光学センサの例として生体情報測定装置を挙げているが、本発明に係る光学センサは生体情報測定装置のみでなく、血圧計その他の光学センサに適用できる。例えば、被検体に代えて果物をおけば、果実糖度計として機能する。これは、果実の甘さ成分である蔗糖や果糖は、血糖成分であるグルコースと類似の波長に吸収を有するからである、
【００３３】
本実施形態に係る光学センサ１について図２及び図３を用いて説明する。図２は、本実施形態に係る光学センサの拡大図である。図３は、光学センサ及び増幅器を搭載したチップの拡大図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図である。光学センサは、基板１１と、発光素子１６と、受光素子１７と、電気配線パターン１２、１３、１４と、遮光壁１８と、を備える。
【００３４】
絶縁性材料からなる基板１１面に電気配線パターン１２、１３、１４が形成されている。電気配線パターン１２は、受光素子１７のアノードに接続されるとともに、微小信号検出のための増幅器２に接続されている（図示せず）。電気配線パターン１３は、発光素子１６用のアノードに接続されるとともに、駆動回路（図１に示す符号６）に接続されている。電気配線パターン１４は、発光素子１６と受光素子１７共用カソードに接続されるとともに、駆動回路（図１に示す符号６）と増幅器２のそれぞれに接続される（図示せず）。
【００３５】
発光素子１６及び受光素子１７は、電気配線パターン１２、１３、１４の形成されている同一の基板１１面に、配置されている。例えば、電気配線パターン１４の上に、銀ペースト膜（図示せず）を介して配置される。ここで、発光素子１６は、レーザダイオードであることが好ましい。さらに、基板１１面に対して垂直方向に光を出射するため、発光素子１６は面発光型であることが好ましい。また、受光素子１７は、微弱な光を受光できることが好ましく、例えば、フォトダイオードであることが好ましい。
【００３６】
受光素子１７の上面にも電極があり、ワイヤボンディングによって、電気配線パターン１２に接続される。発光素子１６の上面にも電極があり、ワイヤボンディングによって、電気配線パターン１３に接続される。電気配線パターン１３には、駆動回路（図１に示す符号６）から電流が注入される。
【００３７】
ここで、被検体１００が毛細血管内の赤血球の場合、ドップラーシフトにより強度変調された成分は、数１００ｐＷ程度と非常に微弱なため、遮光壁１８を設けないと信号のＳＮ比が悪くなる。この遮光壁１８がない状態では、微弱なドップラーシフトした非弾性散乱光成分の強度がノイズに埋もれてしまい、血流速度の測定ができない。そこで、本実施形態では、基板１１に遮光壁１８が設けられている。
【００３８】
遮光壁１８は、受光素子１７を囲むように基板１１面に設けられ、非弾性散乱光を受光素子１７の受光面１７ａに入射させる入射窓を有する。入射窓は、被検体１００側に設けられている開口部である。遮光壁１８が円筒形などの筒状の場合、開口部の一方が基板１１面に固定され、開口部の他方が入射窓となる。これにより、発光素子１６からの直接光や遮光壁１８の外部からの外光の受光素子１７への入射を防ぐことができる。また、遮光壁１８は、受光素子１７を立体的に覆うキャップ形状であり、入射窓の面積が基板１１面での面積よりも小さいことが好ましい。これにより、測定対象からの散乱光を効率よく受光することができる。
【００３９】
遮光壁１８は非導電性材料からなることが好ましい。本実施形態では、発光素子１６、遮光壁１８及び受光素子１７は隣接して配置されるので、遮光壁１８に流れる電流によって発光素子１６や受光素子１７へのノイズが発生しやすい。例えば、入射窓が被検体１００に密着した場合、被検体１００に帯電していた電荷が発光素子１６や受光素子１７に流入する可能性がある。そのため、遮光壁１８が非導電性材料からなることで、発光素子１６や受光素子１７へのノイズを防ぐことができる。
【００４０】
発光素子１６、遮光壁１８及び受光素子１７は、順に隣接して配置されている。例えば、図３（ａ）に示すように、受光素子１７、遮光壁１８及び発光素子１６が、僅かな隙間を空けて配置される。この隙間は、受光素子１７の受光面１７ａと発光素子１６の発光面１６ａの距離ａが最小となるように配置した場合の隙間である。このように、受光素子１７の受光面１７ａと発光素子１６の発光面１６ａの距離ａが最小となるように配置することで、発光素子１６からの光が被検体１００で散乱した散乱光を受光素子１７にて効率よく受光することができる。
【００４１】
例えば、３００μｍ角の発光素子１６及び受光素子１７と、厚さ１００μｍの遮光壁１８を用いた場合を考える。この場合、基板１１面における発光素子１６と受光素子１７の距離ａは、最小で４００μｍとなる。このとき、必要な隙間がそれぞれ５０μｍであれば、基板１１面における発光素子１６と受光素子１７の距離ａは略５００μｍであることが好ましい。また、隙間を５０μｍよりも小さくできる場合は、基板１１面における発光素子１６と受光素子１７の距離ａは４００μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。
【００４２】
遮光壁１８を基板１１上に安定して保持するため、遮光壁１８は、基板１１上で受光素子１７を囲む枠の形状をなしていることが好ましい。また、光学センサは小型が好ましく、この場合の枠の典型的な大きさは内径が１ｍｍ以上３ｍｍ以下である。この大きさの枠を製作する場合、種々の形状が考えられる。もし枠の形状が長方形の場合、周囲４辺と上下のカット及び内部のくりぬきなどを加工する必要があるが、回転対象形状にすると旋盤などで容易に作製でき、製作に必要な工程数を大幅に減らすことができ安価となる。また、遮光壁１８が回転対象形状以外の形状であれば、製造工程数の部品実装際において方向を定めるために回転動作が必要である。しかし、回転対象の形状であれば、回転動作は不要であり、製造工程を減らすことで安価となる。
【００４３】
そこで、遮光壁１８の基板１１面への投影形状は、回転対象形状であることが好ましい。回転対象形状は、例えば多角形や円形である。特に、遮光壁１８は、円筒形であることが好ましい。枠の形状を円筒形にすることによって経済化を図ることができる。
【００４４】
後述する実施例２にて説明するように、発光素子１６と被検体１００との距離は、１．３ｍｍ以上２．８ｍｍ以下であることが好ましい。また、基板１１面と被検体１００との距離は、略２．０ｍｍであることが好ましい。そのため、遮光壁１８の基板１１面からの高さは、１．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であることが好ましく、さらに略２．０ｍｍであることが好ましい。これにより、遮光壁１８の入射窓を被検体１００に密着させれば、発光素子１６と被検体１００との距離を適切な一定の距離に保つことができるので、光学センサを用いて血流量が精度よく測定できる。
【００４５】
本実施形態に係る光学センサの製造方法は、光学センサの基板１１面に、発光素子１６、遮光壁１８及び受光素子１７を、順に隣接して配置する配置工程を有することを特徴とする。例えば、電気配線パターン１２、１３、１４が形成された基板１１の上に、受光素子１７、遮光壁１８及び発光素子１６が密着するように配置する。ここで、受光素子１７、遮光壁１８及び発光素子１６を密着させた場合に受光素子１７にノイズが生じたり、発光素子１６の動作が不安定になったりする場合は、受光素子１７と遮光壁１８の間、又は発光素子１６と遮光壁１８の間、或いはそれぞれの間に、空隙を設ける。また、空隙を設ける代わりに、また、空隙と共に、非導電性材料からなる遮光壁１８を用いることが好ましい。これにより、基板１１面における発光素子１６と受光素子１７の距離ａを最小にすることができる。
【００４６】
ここで、本実施形態では、発光素子１６と受光素子１７のカソードに共通の電気配線パターン１４を用いている。これにより、基板１１の配線が簡略化され、光学センサの小型化、低コスト化に寄与できる。また、基板１１から図１に示す駆動演算装置３への信号線の本数が低減され部品点数が削減されるため、軽量化かつ低コスト化される。さらに、発光素子１６と受光素子１７をダイボンディングするときの許容誤差を大きく取れるため、製造時の歩留まりの向上が見込めるため、低コスト化できる。
【００４７】
次に、図３を参照しながら本実施形態に係る光学センサの動作を説明する。発光素子１６に電気配線パターン１３から電流を注入すると、発光素子１６が発振し、光を出射する。発光素子１６から出射した光は、光学センサの外部に位置する被検体１００に照射される。発光素子１６を被検体１００に近づけた場合、被検体１００の内部に位置する測定対象や被検体１００の表面で光散乱が生じ、非弾性散乱光及び弾性散乱光を含む散乱光が遮光壁１８内に入射して受光素子１７に入射する。受光素子１７は、発光素子からの光が被検体１００で散乱された非弾性散乱光と弾性散乱光が干渉した干渉光を受光する。
【００４８】
この干渉光には、静止した被検体１００からの弾性散乱光と、被検体１００内の測定対象からの非弾性散乱光の干渉成分が含まれる。ここで、被検体１００内の測定対象は、例えば、毛細血管中を移動している赤血球である。この場合、被検体１００である生体は静止しており、非弾性散乱光は赤血球の移動によりドップラーシフトしているので、弾性散乱光と非弾性散乱光の干渉成分が干渉する。この干渉成分を周波数解析し、パワースペクトルの１次モーメント積分を求める。これにより、血流量を測定するために最適な条件を探ることができる。
【００４９】
また、被検体内部からの非弾性散乱光は微弱であり、その散乱光強度の変動成分は１％程度である。受光素子１７の受光する散乱光強度が小さいと増幅器２の増幅率を１０８Ｖ／Ａ程度に非常に高くする必要がある。しかし、増幅器２の増幅率を高くすると、増幅帯域が狭まるという問題が生じる。そのため、受光素子１７に入射する散乱光の光信号強度を高める必要がある。このように、受光素子１７からの信号強度が最大で、かつ１次モーメント積分が高い位置を探し出すことが重要である。
【実施例１】
【００５０】
本実施例では、図３に示す発光素子１６と受光素子１７の中心間隔ａの最適値を実験により求めた。実験では、発光素子１６及び受光素子１７に３００μｍ角のレーザダイオード及びフォトダイオードを用い、厚さ１００μｍの遮光壁１８を用いた。そして、発光素子１６と受光素子１７の中心間隔ａを変化させながら、増幅器２からの出力電圧を測定した。
【００５１】
発光素子１６、遮光壁１８及び受光素子１７のすべてが接した場合、発光素子１６と受光素子１７の中心間隔ａは３００μｍであった。発光素子１６と受光素子１７を実装するために必要な最小空間（遮光壁の両側５０μｍ）を考慮すると、発光素子１６と受光素子１７の最小の中心間隔ａは５００μｍとなる。したがって、この場合の発光素子１６と受光素子１７の最小の中心間隔ａは５００μｍである。
【００５２】
図４に、発光素子と受光素子の中心間隔に対する増幅器からの出力電圧の変化の一例を示す。図４において、横軸は図３に示す発光素子１６と受光素子１７の中心間隔、縦軸は図３に示す増幅器２からの出力電圧を示す。このデータは出力光が０．５ｍＷの条件で正規化を行っている。図４から明らかなように、発光素子１６と受光素子１７の中心間隔が狭いほど増幅器２からの出力電圧は高い。このため、発光素子１６と受光素子１７の中心間隔が狭いほど受光素子への散乱光の信号強度は高く、発光素子１６と受光素子１７の中心間隔が最小となる５００μｍで最適な測定ができることが判明した。
【実施例２】
【００５３】
本実施例では、図３に示す発光素子１６と被検体１００との距離ｂの最適値を実験により導き出した。実験では、発光素子１６及び受光素子１７に厚さ０．２ｍｍのレーザダイオード及びフォトダイオードを用いた。そして、基板１１と被検体１００の距離ｃを変えながら、受光素子１７で検出される散乱光の強度の時間変動のパワースペクトルの１次モーメント積分値を算出した。ここで、１次モーメント積分は、前述の通り血流量に比例するため指標となる。
【００５４】
図５に、基板面から被検体までの距離に対する散乱光強度の１次モーメント積分値の測定結果を示す。図５において、横軸は基板面から被検体までの距離ｃ、縦軸は１次モーメント積分値である。ここで、１次モーメント積分値は、受光素子１７で受光した散乱光の平均強度の２乗で正規化している。グラフに示すように、距離ｃが２ｍｍ付近のときに１次モーメント積分値が最大となっている。このとき、発光素子及び受光素子の厚みが共に０．２ｍｍであることから、発光素子及び受光素子と被検体１００との距離（図３の符号ｂ）が１．８ｍｍ付近の場合において血流量の最適な測定ができることが判明した。
【００５５】
また、１次モーメント積分値が０．０８以上のときにピークが明確に現れ始めているので、距離ｃが１．３ｍｍから３．８ｍｍの範囲で効果が現れていると考えられる。このため、距離ｃは、１．３ｍｍ以上３．８ｍｍ以下であること、すなわち、発光素子及び受光素子と被検体との距離（図３の符号ｂ）が１．１ｍｍ以上３．６ｍｍ以下であることが好ましい。
【００５６】
また、距離ｃが１．５ｍｍと３．０ｍｍのときに、１次モーメント積分値がほぼ同じになっているため、１次モーメント積分値は同等であるといってよい。このため、距離ｃが１．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であること、すなわち、発光素子及び受光素子と被検体との距離（図３の符号ｂ）が１．３ｍｍ以上２．８ｍｍ以下であることが好ましい。
【００５７】
基板１１面からの距離ｃが１．８ｍｍのときに、１次モーメント積分値が最大となっている。そのため、発光素子１６及び受光素子１７と被検体１００との距離ｂは、１．６であることが好ましい。
【実施例３】
【００５８】
本実施例では、図３に示す光学センサが実際に血流量の変動を観測できるかどうかを実験により確認した。実験では、人差し指に、市販の血流計及び本実施例に係る血流計の光学センサを両面テープで接着し、手首を絞めて阻血し、その後徐々に開放した際の血流量変化を観測した。
【００５９】
図６は、血流量の測定結果であり、（ａ）は市販の血流計を用いた場合、（ｂ）は本実施例に係る血流計を用いた場合を示す。変化の傾向はいずれもほぼ同等である。したがって、図３に示す光学センサは、実際に血流量の変動を観測できることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明の光学センサ及びその製造方法は、血圧計などの生体情報測定装置を製造等する医療機器産業及び健康・美容産業に適用することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１：光学センサ
２：増幅器
３：駆動演算装置
４：出力部
５：ＡＤ変換器
６：駆動回路
７：ＤＳＰ
８：電源供給部
９：インタフェース
１１：基板
１２、１３、１４：電気配線パターン
１６：発光素子
１６ａ：発光面の中心
１７：受光素子
１７ａ：受光面の中心
１８：遮光壁
１００：被検体
１０１：光学センサ
１０２、１０３、１０４、１０５：電気配線パターン
１０８：遮光壁
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学センサ及びその製造方法に関し、特に流体中の微小な散乱体からの非弾性散乱光を利用して当該流体の流速、流量等の情報を測定する光学センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
高齢化が進み、生活習慣病等を予防するため健康を管理することについての関心が高まっている。血液の流れが悪くなることによっておきる脳血栓及び心筋梗塞などの生活習慣病を早期かつ簡便に発見するために、光学センサを利用して血流などの生体情報の測定を行う生体情報測定装置が開発されている（例えば、特許文献１及び２参照。）。
【０００３】
図７及び図８に、生体情報測定装置に搭載されている従来の光学センサの一例を示す。図７は、従来の光学センサの概略構成図である。図８は、従来の光学センサの鳥瞰図である。基板１１面に電気配線パターン１０２、１０３、１０４、１０５が形成されている。電気配線パターン１０２は受光素子１７のアノード、電気配線パターン１０３は受光素子１７のカソードに接続される。電気配線パターン１０２は、微小信号検出のために増幅器（図示せず）と接続されている。電気配線パターン１０５は発光素子１６のアノード、電気配線パターン１０４は発光素子１６のカソードに接続される。電気配線パターン１０５は、発光素子１６の駆動回路へと接続される。
【０００４】
電気配線パターン１０４の上に半田膜（図示せず）を介して発光素子１６が搭載されている。発光素子１６上には電極があり、当該電極がワイヤボンディングによって電気配線パターン１０５に接続されている。発光素子１６の駆動回路からの電流は、当該電極から発光素子１６に注入される。電気配線パターン１０３の上に半田膜（図示せず）を介して受光素子１７が搭載されている。受光素子１７上には電極があり、当該電極がワイヤボンディングによって電気配線パターン１０２に接続されている。
【０００５】
上記光学センサ１０１を用いた生体情報の測定法の一例として、ドップラーシフト法を説明する。この場合、被検体は生体であり、測定対象は毛細血管中を移動している赤血球となる。発光素子１６に電気配線パターン１０５から電流を注入すると、発光素子１６が発振し、発光素子１６から光が出射される。発光素子１６から出射した光は、光学センサ１０１外の生体表面に照射され、測定対象である赤血球で散乱された非弾性散乱光が発生する。また、静止した生体組織からは弾性散乱光が発生する。この非弾性散乱光と弾性散乱光は干渉し、この干渉光を受光素子１７で受光することで、生体情報を測定する。
【０００６】
ここで、光学センサ１０１を測定対象に近づけたとき、発光素子１６からの光が静止した生体組織などでも散乱する。そのため、受光素子１７が受光する散乱光には、角質層などの静止した生体組織による弾性散乱光と、測定対象である赤血球による非弾性散乱光が含まれる。非弾性散乱光の振動数は血流に応じてドップラーシフトをしており、静止した生体組織による弾性散乱光と干渉を起こす。この干渉光をホモダイン検波によって検出することで、血流量、血液量、血流速度、脈拍などの生体情報を測定することができる。
【０００７】
ここで、測定対象が生体の毛細血管内の赤血球である場合、受光素子１７で受光する非弾性散乱光は数１００ｐＷ程度と非常に微弱である。そのため、発光素子１６から直接光が受光素子１７へ入射すると、受光素子１７からの出力信号のＳＮ比が悪くなり、非弾性散乱光の寄与がノイズに埋もれてしまうので、血流速度の検出ができない。そこで、基板１１面には、発光素子１６から受光素子１７への直接光を避けるための遮光壁１０８が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−３３０９３６号
【特許文献２】特開２００４−２２９９２０号
【特許文献３】特開２００７−１７５４１５号
【特許文献４】特開２００８−０１０８３２号
【特許文献５】特開２００８−１４５１６８号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｍ．Ｄ．Ｓｔｅｒｎ：Ｉｎ ｖｉｖｏ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｃｒｏｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ ｂｙ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｌｉｇｈｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ，Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ．２５４，ｐｐ．５６−５８（１９７５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、従来の光学センサにおいては、発光素子と受光素子の間隔や発光素子と被検体との間隔は考慮されていなかった。また、遮光壁の形状も十分については考慮されていなかった。
【００１１】
そこで、本発明は、微弱な非弾性散乱光を効率よく受光可能な光学センサ及び当該光学センサの製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、発明者らは実験によって、微弱な非弾性散乱光が精度よく測定可能になるような発光素子、受光素子及び遮光壁の配置を発見した。
【００１３】
具体的には、本願発明の光学センサは、光を出射する発光素子と、前記発光素子からの光が被検体の内部を移動する測定対象で散乱された非弾性散乱光および被検体内部の静止した対象から散乱された弾性散乱光の干渉光を受光する受光素子と、が電気配線パターンの形成されている同一の基板面に配置されている光学センサであって、前記受光素子を囲むように前記基板面に設けられ、前記干渉光を前記受光素子の受光面に入射させる入射窓を有する遮光壁を備え、前記発光素子、前記遮光壁及び前記受光素子は、順に隣接して配置されていることを特徴とする。
【００１４】
発光素子、遮光壁及び受光素子が順に隣接して配置されているので、発光素子と受光素子を最も近づけることができる。これにより、測定対象からの微弱な非弾性散乱光を効率よく受光することができる。
また、遮光壁が発光素子からの直接光を遮光するので、発光素子及び受光素子を同一の基板面に設けることができる。これにより、光学センサの製造が容易になる。
【００１５】
本願発明の光学センサでは、前記発光素子と前記被検体との距離は、１．３ｍｍ以上２．８ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１６】
本願発明の光学センサでは、前記基板面における前記発光素子と前記受光素子の距離は、５００μｍ以下であることが好ましい。
【００１７】
本願発明の光学センサでは、前記遮光壁の前記基板面への投影形状が、回転対象形状であることが好ましい。
本発明により、遮光壁の製造が容易であるとともに、遮光壁の基板面への搭載が容易になる。従って、光学センサの製造が容易になる。
【００１８】
本願発明の光学センサでは、前記遮光壁は、非導電性材料からなることが好ましい。
本発明により。発光素子と受光素子を近づけることによるノイズの発生を防ぐことができる。
また、遮光壁の入射窓を被検体の表面に密着させた場合に、被検体の静電気によるノイズの発生を防ぐことができる。
【００１９】
本願発明の光学センサでは、前記基板面における前記発光素子と前記受光素子の距離は、略５００μｍであることが好ましい。
【００２０】
本願発明の光学センサでは、前記基板面と前記被検体との距離は、略２．０ｍｍであることが好ましい。
【００２１】
本願発明の光学センサでは、前記遮光壁は、円筒形であり、前記円筒形の開口部の一方が前記基板面と固定され、前記円筒形の開口部の他方が前記入射窓となっていることが好ましい。
本発明により、遮光壁の製造が容易であるとともに、遮光壁の基板面への搭載が容易になる。従って、光学センサの製造が容易になる。
また、遮光壁の入射窓全体を被検体表面に密着させやすいので、遮光壁内への外光の入射を容易に防ぐことができる。
【００２２】
本願発明の光学センサでは、前記遮光壁は、前記受光素子を立体的に覆うキャップ形状であり、前記入射窓の面積が前記基板面での面積よりも小さいことが好ましい。
入射窓に対して遮光壁で囲まれた内部が広がっているので、大きな散乱角で散乱した非弾性散乱光を受光素子で受光することができる。また、入射窓の面積が小さいことで、遮光壁内への外光の入射を効率よく防ぐことができる。従って、非弾性散乱光を効率よく受光することができる。
【００２３】
上記目的を達成するために、本願発明の光学センサの製造方法は、本願発明の光学センサの製造方法であって、前記発光素子、前記遮光壁及び前記受光素子を、順に隣接して配置する配置工程を有することを特徴とする。
【００２４】
遮光壁が発光素子からの直接光を遮光するので、発光素子及び受光素子を同一の基板面に設けることができる。これにより、光学センサの製造が容易になる。また、発光素子、遮光壁及び受光素子が順に隣接して配置されているので、測定対象からの微弱な非弾性散乱光を効率よく受光することができる。したがって、本発明により、測定対象からの微弱な非弾性散乱光を効率よく受光することができる光学センサを容易に製造することができる。
【００２５】
なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、発光素子、遮光壁及び受光素子が順に隣接して配置されるので、微弱な非弾性散乱光が精度よく測定可能な光学センサ及び当該光学センサの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本実施形態に係る光学センサを搭載した生体情報測定装置の概略構成図である。
【図２】本実施形態に係る光学センサの拡大図である。
【図３】光学センサ及び増幅器を搭載したチップの拡大図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図である。
【図４】発光素子と受光素子の中心間隔に対する増幅器からの出力電圧の変化の一例を示す。
【図５】基板面から被検体までの距離に対する散乱光強度の１次モーメント積分値の測定結果を示す。
【図６】血流量の測定結果であり、（ａ）は市販の血流計を用いた場合、（ｂ）は本実施例に係る血流計を用いた場合を示す。
【図７】従来の光学センサの概略構成図である。
【図８】従来の光学センサの鳥瞰図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００２９】
図１は、本実施形態に係る光学センサを搭載した生体情報測定装置の概略構成図である。本実施形態に係る光学センサを搭載した血流計は、本実施形態に係る光学センサ１と、増幅器２と、駆動演算装置３と、出力部４と、を備える。駆動演算装置３は、全体をＬＳＩとして構成することが可能であり、光学センサ１及び増幅器２と合わせて一体として構成でき、人体等に容易に装着できる形状に構成することが可能である。
【００３０】
光学センサ１は、測定対象に照射する光を出射し、測定対象からの非弾性散乱光と弾性散乱光の干渉光を受光し、当該干渉光を光電変換した電気信号を増幅器２に出力する。増幅器２は、光学センサ１からの電気信号を増幅して、駆動演算装置３に出力する。駆動演算装置３は、光学センサ１に光を出射させるとともに、増幅器２からの電気信号の演算処理を行う。この演算処理により、測定対象及び被検体からの干渉光を解析して測定結果を得る。測定対象が赤血球の場合、この測定結果は、例えば、血流量、血液量、血流速度、脈拍などの生体情報である。出力部４は、駆動演算装置３の測定結果を出力する。ここで、出力は、例えば、小型液晶ディスプレイへの表示である。
【００３１】
駆動演算装置３は、ＡＤ変換器５と、駆動回路６と、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）７と、電源供給部８と、インタフェース９と、を備える。駆動回路６は、光学センサ１に備わる発光素子を駆動させる。ＡＤ変換器５は、増幅器２からのアナログ電気信号をデジタル信号に変換する。ＤＳＰ７は、ＡＤ変換器５からのデジタル信号を用いて演算処理を行う。電源供給部８は、光学センサ１、増幅器２及び駆動演算装置３などへの電源供給を行う。インタフェース９は、駆動演算装置３からの測定結果を出力部４へ出力する。
【００３２】
なお、本実施形態に係る光学センサの例として生体情報測定装置を挙げているが、本発明に係る光学センサは生体情報測定装置のみでなく、血圧計その他の光学センサに適用できる。例えば、被検体に代えて果物をおけば、果実糖度計として機能する。これは、果実の甘さ成分である蔗糖や果糖は、血糖成分であるグルコースと類似の波長に吸収を有するからである、
【００３３】
本実施形態に係る光学センサ１について図２及び図３を用いて説明する。図２は、本実施形態に係る光学センサの拡大図である。図３は、光学センサ及び増幅器を搭載したチップの拡大図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図である。光学センサは、基板１１と、発光素子１６と、受光素子１７と、電気配線パターン１２、１３、１４と、遮光壁１８と、を備える。
【００３４】
絶縁性材料からなる基板１１面に電気配線パターン１２、１３、１４が形成されている。電気配線パターン１２は、受光素子１７のアノードに接続されるとともに、微小信号検出のための増幅器２に接続されている（図示せず）。電気配線パターン１３は、発光素子１６用のアノードに接続されるとともに、駆動回路（図１に示す符号６）に接続されている。電気配線パターン１４は、発光素子１６と受光素子１７共用カソードに接続されるとともに、駆動回路（図１に示す符号６）と増幅器２のそれぞれに接続される（図示せず）。
【００３５】
発光素子１６及び受光素子１７は、電気配線パターン１２、１３、１４の形成されている同一の基板１１面に、配置されている。例えば、電気配線パターン１４の上に、銀ペースト膜（図示せず）を介して配置される。ここで、発光素子１６は、レーザダイオードであることが好ましい。さらに、基板１１面に対して垂直方向に光を出射するため、発光素子１６は面発光型であることが好ましい。また、受光素子１７は、微弱な光を受光できることが好ましく、例えば、フォトダイオードであることが好ましい。
【００３６】
受光素子１７の上面にも電極があり、ワイヤボンディングによって、電気配線パターン１２に接続される。発光素子１６の上面にも電極があり、ワイヤボンディングによって、電気配線パターン１３に接続される。電気配線パターン１３には、駆動回路（図１に示す符号６）から電流が注入される。
【００３７】
ここで、被検体１００が毛細血管内の赤血球の場合、ドップラーシフトにより強度変調された成分は、数１００ｐＷ程度と非常に微弱なため、遮光壁１８を設けないと信号のＳＮ比が悪くなる。この遮光壁１８がない状態では、微弱なドップラーシフトした非弾性散乱光成分の強度がノイズに埋もれてしまい、血流速度の測定ができない。そこで、本実施形態では、基板１１に遮光壁１８が設けられている。
【００３８】
遮光壁１８は、受光素子１７を囲むように基板１１面に設けられ、非弾性散乱光を受光素子１７の受光面１７ａに入射させる入射窓を有する。入射窓は、被検体１００側に設けられている開口部である。遮光壁１８が円筒形などの筒状の場合、開口部の一方が基板１１面に固定され、開口部の他方が入射窓となる。これにより、発光素子１６からの直接光や遮光壁１８の外部からの外光の受光素子１７への入射を防ぐことができる。また、遮光壁１８は、受光素子１７を立体的に覆うキャップ形状であり、入射窓の面積が基板１１面での面積よりも小さいことが好ましい。これにより、測定対象からの散乱光を効率よく受光することができる。
【００３９】
遮光壁１８は非導電性材料からなることが好ましい。本実施形態では、発光素子１６、遮光壁１８及び受光素子１７は隣接して配置されるので、遮光壁１８に流れる電流によって発光素子１６や受光素子１７へのノイズが発生しやすい。例えば、入射窓が被検体１００に密着した場合、被検体１００に帯電していた電荷が発光素子１６や受光素子１７に流入する可能性がある。そのため、遮光壁１８が非導電性材料からなることで、発光素子１６や受光素子１７へのノイズを防ぐことができる。
【００４０】
発光素子１６、遮光壁１８及び受光素子１７は、順に隣接して配置されている。例えば、図３（ａ）に示すように、受光素子１７、遮光壁１８及び発光素子１６が、僅かな隙間を空けて配置される。この隙間は、受光素子１７の受光面１７ａと発光素子１６の発光面１６ａの距離ａが最小となるように配置した場合の隙間である。このように、受光素子１７の受光面１７ａと発光素子１６の発光面１６ａの距離ａが最小となるように配置することで、発光素子１６からの光が被検体１００で散乱した散乱光を受光素子１７にて効率よく受光することができる。
【００４１】
例えば、３００μｍ角の発光素子１６及び受光素子１７と、厚さ１００μｍの遮光壁１８を用いた場合を考える。この場合、基板１１面における発光素子１６と受光素子１７の距離ａは、最小で４００μｍとなる。このとき、必要な隙間がそれぞれ５０μｍであれば、基板１１面における発光素子１６と受光素子１７の距離ａは略５００μｍであることが好ましい。また、隙間を５０μｍよりも小さくできる場合は、基板１１面における発光素子１６と受光素子１７の距離ａは４００μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。
【００４２】
遮光壁１８を基板１１上に安定して保持するため、遮光壁１８は、基板１１上で受光素子１７を囲む枠の形状をなしていることが好ましい。また、光学センサは小型が好ましく、この場合の枠の典型的な大きさは内径が１ｍｍ以上３ｍｍ以下である。この大きさの枠を製作する場合、種々の形状が考えられる。もし枠の形状が長方形の場合、周囲４辺と上下のカット及び内部のくりぬきなどを加工する必要があるが、回転対象形状にすると旋盤などで容易に作製でき、製作に必要な工程数を大幅に減らすことができ安価となる。また、遮光壁１８が回転対象形状以外の形状であれば、製造工程数の部品実装際において方向を定めるために回転動作が必要である。しかし、回転対象の形状であれば、回転動作は不要であり、製造工程を減らすことで安価となる。
【００４３】
そこで、遮光壁１８の基板１１面への投影形状は、回転対象形状であることが好ましい。回転対象形状は、例えば多角形や円形である。特に、遮光壁１８は、円筒形であることが好ましい。枠の形状を円筒形にすることによって経済化を図ることができる。
【００４４】
後述する実施例２にて説明するように、発光素子１６と被検体１００との距離は、１．３ｍｍ以上２．８ｍｍ以下であることが好ましい。また、基板１１面と被検体１００との距離は、略２．０ｍｍであることが好ましい。そのため、遮光壁１８の基板１１面からの高さは、１．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であることが好ましく、さらに略２．０ｍｍであることが好ましい。これにより、遮光壁１８の入射窓を被検体１００に密着させれば、発光素子１６と被検体１００との距離を適切な一定の距離に保つことができるので、光学センサを用いて血流量が精度よく測定できる。
【００４５】
本実施形態に係る光学センサの製造方法は、光学センサの基板１１面に、発光素子１６、遮光壁１８及び受光素子１７を、順に隣接して配置する配置工程を有することを特徴とする。例えば、電気配線パターン１２、１３、１４が形成された基板１１の上に、受光素子１７、遮光壁１８及び発光素子１６が密着するように配置する。ここで、受光素子１７、遮光壁１８及び発光素子１６を密着させた場合に受光素子１７にノイズが生じたり、発光素子１６の動作が不安定になったりする場合は、受光素子１７と遮光壁１８の間、又は発光素子１６と遮光壁１８の間、或いはそれぞれの間に、空隙を設ける。また、空隙を設ける代わりに、また、空隙と共に、非導電性材料からなる遮光壁１８を用いることが好ましい。これにより、基板１１面における発光素子１６と受光素子１７の距離ａを最小にすることができる。
【００４６】
ここで、本実施形態では、発光素子１６と受光素子１７のカソードに共通の電気配線パターン１４を用いている。これにより、基板１１の配線が簡略化され、光学センサの小型化、低コスト化に寄与できる。また、基板１１から図１に示す駆動演算装置３への信号線の本数が低減され部品点数が削減されるため、軽量化かつ低コスト化される。さらに、発光素子１６と受光素子１７をダイボンディングするときの許容誤差を大きく取れるため、製造時の歩留まりの向上が見込めるため、低コスト化できる。
【００４７】
次に、図３を参照しながら本実施形態に係る光学センサの動作を説明する。発光素子１６に電気配線パターン１３から電流を注入すると、発光素子１６が発振し、光を出射する。発光素子１６から出射した光は、光学センサの外部に位置する被検体１００に照射される。発光素子１６を被検体１００に近づけた場合、被検体１００の内部に位置する測定対象や被検体１００の表面で光散乱が生じ、非弾性散乱光及び弾性散乱光を含む散乱光が遮光壁１８内に入射して受光素子１７に入射する。受光素子１７は、発光素子からの光が被検体１００で散乱された非弾性散乱光と弾性散乱光が干渉した干渉光を受光する。
【００４８】
この干渉光には、静止した被検体１００からの弾性散乱光と、被検体１００内の測定対象からの非弾性散乱光の干渉成分が含まれる。ここで、被検体１００内の測定対象は、例えば、毛細血管中を移動している赤血球である。この場合、被検体１００である生体は静止しており、非弾性散乱光は赤血球の移動によりドップラーシフトしているので、弾性散乱光と非弾性散乱光の干渉成分が干渉する。この干渉成分を周波数解析し、パワースペクトルの１次モーメント積分を求める。これにより、血流量を測定するために最適な条件を探ることができる。
【００４９】
また、被検体内部からの非弾性散乱光は微弱であり、その散乱光強度の変動成分は１％程度である。受光素子１７の受光する散乱光強度が小さいと増幅器２の増幅率を１０８Ｖ／Ａ程度に非常に高くする必要がある。しかし、増幅器２の増幅率を高くすると、増幅帯域が狭まるという問題が生じる。そのため、受光素子１７に入射する散乱光の光信号強度を高める必要がある。このように、受光素子１７からの信号強度が最大で、かつ１次モーメント積分が高い位置を探し出すことが重要である。
【実施例１】
【００５０】
本実施例では、図３に示す発光素子１６と受光素子１７の中心間隔ａの最適値を実験により求めた。実験では、発光素子１６及び受光素子１７に３００μｍ角のレーザダイオード及びフォトダイオードを用い、厚さ１００μｍの遮光壁１８を用いた。そして、発光素子１６と受光素子１７の中心間隔ａを変化させながら、増幅器２からの出力電圧を測定した。
【００５１】
発光素子１６、遮光壁１８及び受光素子１７のすべてが接した場合、発光素子１６と受光素子１７の中心間隔ａは３００μｍであった。発光素子１６と受光素子１７を実装するために必要な最小空間（遮光壁の両側５０μｍ）を考慮すると、発光素子１６と受光素子１７の最小の中心間隔ａは５００μｍとなる。したがって、この場合の発光素子１６と受光素子１７の最小の中心間隔ａは５００μｍである。
【００５２】
図４に、発光素子と受光素子の中心間隔に対する増幅器からの出力電圧の変化の一例を示す。図４において、横軸は図３に示す発光素子１６と受光素子１７の中心間隔、縦軸は図３に示す増幅器２からの出力電圧を示す。このデータは出力光が０．５ｍＷの条件で正規化を行っている。図４から明らかなように、発光素子１６と受光素子１７の中心間隔が狭いほど増幅器２からの出力電圧は高い。このため、発光素子１６と受光素子１７の中心間隔が狭いほど受光素子への散乱光の信号強度は高く、発光素子１６と受光素子１７の中心間隔が最小となる５００μｍで最適な測定ができることが判明した。
【実施例２】
【００５３】
本実施例では、図３に示す発光素子１６と被検体１００との距離ｂの最適値を実験により導き出した。実験では、発光素子１６及び受光素子１７に厚さ０．２ｍｍのレーザダイオード及びフォトダイオードを用いた。そして、基板１１と被検体１００の距離ｃを変えながら、受光素子１７で検出される散乱光の強度の時間変動のパワースペクトルの１次モーメント積分値を算出した。ここで、１次モーメント積分は、前述の通り血流量に比例するため指標となる。
【００５４】
図５に、基板面から被検体までの距離に対する散乱光強度の１次モーメント積分値の測定結果を示す。図５において、横軸は基板面から被検体までの距離ｃ、縦軸は１次モーメント積分値である。ここで、１次モーメント積分値は、受光素子１７で受光した散乱光の平均強度の２乗で正規化している。グラフに示すように、距離ｃが２ｍｍ付近のときに１次モーメント積分値が最大となっている。このとき、発光素子及び受光素子の厚みが共に０．２ｍｍであることから、発光素子及び受光素子と被検体１００との距離（図３の符号ｂ）が１．８ｍｍ付近の場合において血流量の最適な測定ができることが判明した。
【００５５】
また、１次モーメント積分値が０．０８以上のときにピークが明確に現れ始めているので、距離ｃが１．３ｍｍから３．８ｍｍの範囲で効果が現れていると考えられる。このため、距離ｃは、１．３ｍｍ以上３．８ｍｍ以下であること、すなわち、発光素子及び受光素子と被検体との距離（図３の符号ｂ）が１．１ｍｍ以上３．６ｍｍ以下であることが好ましい。
【００５６】
また、距離ｃが１．５ｍｍと３．０ｍｍのときに、１次モーメント積分値がほぼ同じになっているため、１次モーメント積分値は同等であるといってよい。このため、距離ｃが１．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であること、すなわち、発光素子及び受光素子と被検体との距離（図３の符号ｂ）が１．３ｍｍ以上２．８ｍｍ以下であることが好ましい。
【００５７】
基板１１面からの距離ｃが１．８ｍｍのときに、１次モーメント積分値が最大となっている。そのため、発光素子１６及び受光素子１７と被検体１００との距離ｂは、１．６であることが好ましい。
【実施例３】
【００５８】
本実施例では、図３に示す光学センサが実際に血流量の変動を観測できるかどうかを実験により確認した。実験では、人差し指に、市販の血流計及び本実施例に係る血流計の光学センサを両面テープで接着し、手首を絞めて阻血し、その後徐々に開放した際の血流量変化を観測した。
【００５９】
図６は、血流量の測定結果であり、（ａ）は市販の血流計を用いた場合、（ｂ）は本実施例に係る血流計を用いた場合を示す。変化の傾向はいずれもほぼ同等である。したがって、図３に示す光学センサは、実際に血流量の変動を観測できることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明の光学センサ及びその製造方法は、血圧計などの生体情報測定装置を製造等する医療機器産業及び健康・美容産業に適用することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１：光学センサ
２：増幅器
３：駆動演算装置
４：出力部
５：ＡＤ変換器
６：駆動回路
７：ＤＳＰ
８：電源供給部
９：インタフェース
１１：基板
１２、１３、１４：電気配線パターン
１６：発光素子
１６ａ：発光面の中心
１７：受光素子
１７ａ：受光面の中心
１８：遮光壁
１００：被検体
１０１：光学センサ
１０２、１０３、１０４、１０５：電気配線パターン
１０８：遮光壁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を出射する発光素子と、
前記発光素子からの光が被検体の内部を移動する測定対象で散乱された非弾性散乱光および被検体内部の静止した対象から散乱された弾性散乱光の干渉光を受光する受光素子と、が電気配線パターンの形成されている同一の基板面に配置されている光学センサであって、
前記受光素子を囲むように前記基板面に設けられ、前記干渉光を前記受光素子の受光面に入射させる入射窓を有する遮光壁を備え、
前記発光素子、前記遮光壁及び前記受光素子は、順に隣接して配置されていることを特徴とする光学センサ。
【請求項２】
前記発光素子と前記被検体との距離は、１．３ｍｍ以上２．８ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光学センサ。
【請求項３】
前記基板面における前記発光素子と前記受光素子の距離は、５００μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学センサ。
【請求項４】
前記遮光壁の前記基板面への投影形状が、回転対象形状であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光学センサ。
【請求項５】
前記遮光壁は、非導電性材料からなることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光学センサ。
【請求項６】
前記基板面における前記発光素子と前記受光素子の距離は、略５００μｍであることを特徴とする請求項１、２、４又は５に記載の光学センサ。
【請求項７】
前記基板面と前記被検体との距離は、略２．０ｍｍであることを特徴とする請求項１、３、４、５又は６に記載の光学センサ。
【請求項８】
前記遮光壁は、円筒形であり、前記円筒形の開口部の一方が前記基板面と固定され、前記円筒形の開口部の他方が前記入射窓となっていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光学センサ。
【請求項９】
前記遮光壁は、前記受光素子を立体的に覆うキャップ形状であり、前記入射窓の面積が前記基板面での面積よりも小さいことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光学センサ。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載の光学センサの製造方法であって、
前記発光素子、前記遮光壁及び前記受光素子を、順に隣接して配置する配置工程を有することを特徴とする光学センサの製造方法。
【請求項１】
光を出射する発光素子と、
前記発光素子からの光が被検体の内部を移動する測定対象で散乱された非弾性散乱光および被検体内部の静止した対象から散乱された弾性散乱光の干渉光を受光する受光素子と、が電気配線パターンの形成されている同一の基板面に配置されている光学センサであって、
前記受光素子を囲むように前記基板面に設けられ、前記干渉光を前記受光素子の受光面に入射させる入射窓を有する遮光壁を備え、
前記発光素子、前記遮光壁及び前記受光素子は、順に隣接して配置されていることを特徴とする光学センサ。
【請求項２】
前記発光素子と前記被検体との距離は、１．３ｍｍ以上２．８ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光学センサ。
【請求項３】
前記基板面における前記発光素子と前記受光素子の距離は、５００μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学センサ。
【請求項４】
前記遮光壁の前記基板面への投影形状が、回転対象形状であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光学センサ。
【請求項５】
前記遮光壁は、非導電性材料からなることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光学センサ。
【請求項６】
前記基板面における前記発光素子と前記受光素子の距離は、略５００μｍであることを特徴とする請求項１、２、４又は５に記載の光学センサ。
【請求項７】
前記基板面と前記被検体との距離は、略２．０ｍｍであることを特徴とする請求項１、３、４、５又は６に記載の光学センサ。
【請求項８】
前記遮光壁は、円筒形であり、前記円筒形の開口部の一方が前記基板面と固定され、前記円筒形の開口部の他方が前記入射窓となっていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光学センサ。
【請求項９】
前記遮光壁は、前記受光素子を立体的に覆うキャップ形状であり、前記入射窓の面積が前記基板面での面積よりも小さいことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光学センサ。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載の光学センサの製造方法であって、
前記発光素子、前記遮光壁及び前記受光素子を、順に隣接して配置する配置工程を有することを特徴とする光学センサの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−２００９７０（Ｐ２０１０−２００９７０Ａ）
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４９７０２（Ｐ２００９−４９７０２）
【出願日】平成２１年３月３日（２００９．３．３）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 発行者名：日本光学会（社団法人応用物理学会） 刊行物名：「日本光学会年次学術講演会ＯＰＴＩＣＳ ＆ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＪＡＰＡＮ２００８講演予稿集」 刊行物発行年月日：平成２０年１１月４日
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月３日（２００９．３．３）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 発行者名：日本光学会（社団法人応用物理学会） 刊行物名：「日本光学会年次学術講演会ＯＰＴＩＣＳ ＆ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＪＡＰＡＮ２００８講演予稿集」 刊行物発行年月日：平成２０年１１月４日
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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