生体センサーおよび生体情報検出装置
【課題】微弱な光成分を精度良く検出することが可能な生体センサーおよび生体情報検出装置を提供すること。
【解決手段】光透過性を有する基板２２と、基板２２の装着面側に設けられ、光を出射する発光素子２４と、基板２２の非装着面側に設けられ、発光素子２４から出射した光のうち、生体からの反射光を受光して、受光に応じた信号を出力する受光素子２６と、光透過性を有し、基板２２に対して発光素子または受光素子の一方、例えば発光素子２４に被せるように設けられ、生体に接触する接触面が、生体側に突出した導光部材２９とを具備する。これにより、被験者と接触面が位置ずれしにくくなるとともに、発光素子２４の出射効率および受光素子２６の入射効率が高められる。
【解決手段】光透過性を有する基板２２と、基板２２の装着面側に設けられ、光を出射する発光素子２４と、基板２２の非装着面側に設けられ、発光素子２４から出射した光のうち、生体からの反射光を受光して、受光に応じた信号を出力する受光素子２６と、光透過性を有し、基板２２に対して発光素子または受光素子の一方、例えば発光素子２４に被せるように設けられ、生体に接触する接触面が、生体側に突出した導光部材２９とを具備する。これにより、被験者と接触面が位置ずれしにくくなるとともに、発光素子２４の出射効率および受光素子２６の入射効率が高められる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脈波などの生体情報を検出する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発光素子によって生体に光を照射する一方、脈拍数や酸素飽和度などの生体情報を反映した光を受光素子によって受光して、受光した光に応じた電気信号を出力する生体センサーが知られている。当該生体センサーから出力された信号を処理することによって、生体情報を非侵襲で検出することができる。
生体センサーを構成する発光素子と受光素子とは、物理的に異なる素子であるので、互いに物理的に離間した状態で配置せざるを得ない。この状態において発光素子からの漏光が受光素子に直接入射してしまうと、直接入射光は、生体情報を反映した光に対してノイズとなってしまう。
【０００３】
そこで、発光素子と受光素子とを光遮蔽性を有するホルダーによって隔てて収納する技術（例えば特許文献１参照）や、平面視したときに発光素子と受光素子との間に光遮蔽体を設ける技術（例えば特許文献２参照）が提案されている。
一方、被験者が体動していると、生体センサーにおける受光ポイントがずれてしまうので、生体情報を反映した光のみを受光することが困難になる。このため、被験者との接触面に板状の導光部材を設けて、受光する反射光量が変わらないようにした技術が提案されている（上記特許文献１のほか、特許文献３参照）。また、このような導光部材にファセットを持たせてマイクロプリズム構造とした技術も提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３６０５３０号公報
【特許文献２】特開２００９−２３１５７７号公報
【特許文献３】特開２０００−１１６６１１号公報
【特許文献４】特開２００４−３４４６６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、生体情報を反映した光とは、例えば血管内の血液によって反射した光であるために、照射した光に対して微弱である。このため、発光素子と受光素子との間にホルダーや光遮蔽体などを配置させてしまうと、特に受光素子の受光領域を十分に確保できず、微弱な光成分を精度良く検出することができない。
また、被験者との接触面に板状の導光部材を設けた場合、発光素子から射出された光の一部が導光部材で内部反射して、受光素子に入射してしまい、微弱な光成分においてノイズとなってしまう場合があった。
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、微弱な光成分を精度良く検出することが可能な生体センサーおよび生体情報検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る生体センサーにあっては、第１基板に設けられ、生体に向けて光を照射する発光素子と、前記第１基板に設けられ、前記生体からの光を受光する受光素子と、光透過性を有し、前記第１基板に対して前記発光素子または前記受光素子の一方に対応して設けられ、前記生体に接触する接触面が前記発光素子または前記受光素子の他方よりも前記生体側に突出した導光部材と、を具備することを特徴とする。本発明によれば、発光素子または受光素子の一方に対応して設けられた導光部材の接触面が、発光素子または受光素子の他方よりも被験者側に突出して設けられる。このため、導光部材の界面によって発光素子から受光素子に向かう光経路が分断されるとともに、導光部材と生体との密着性が改善されるので、微弱な光成分を精度良く検出することができる。
【０００７】
本発明において、前記導光部材は、前記基板に対して鉛直方向となる側面で反射性を有する構成が好ましい。この構成によれば、導光部材の側面での反射によって、発光素子からの出射効率とともに、受光素子への入射効率を高めることもできる。
ここで、前記第１基板は、光透過性を有し、前記発光素子は、前記第１基板の一方の面側に設けられ、前記受光素子は、前記第１基板の他方の面側に設けられ、前記発光素子から出射した光のうち、前記生体からの反射光を受光する態様が好ましい。この態様によれば、第１基板に対し、発光素子と受光素子とが互いに異なる面にそれぞれ設けられるので、発光素子からの漏光が受光素子に受光されてしまうのを抑えることができる。このため、微弱な光成分をより精度良く検出することができる。
【０００８】
このような態様において、前記発光素子は、前記第１基板から向かって順に、反射層、第１電極層、発光層および第２電極層を少なくとも含んだ積層体であって、前記第１基板側とは反対側に光を出射し、前記第１電極層および第２電極層は、それぞれ光透過性を有し、前記受光素子は、前記第１基板を透過した光を受光する構成としても良い。
この構成において、前記受光素子は、第２基板における一方の面に設けられ、前記第２基板における一方の面が前記第１基板の他方の面に対向するように、前記第１基板と前記第２基板とが貼り合わせられた構成としても良い。
また、前記導光部材は、前記第１基板の一方の面側に前記発光素子を覆うように設けられても良いし、前記第１基板の一方の面側に前記発光素子の非配置部分に設けられても良い。
【０００９】
本発明において、前記基板を平面視したときに、前記発光素子は、前記受光素子に含まれるように配置されている構成が好ましい。このような構成としては、前記基板を平面視したときに、前記発光素子は、同心円状の発光面を有する態様や、前記基板を平面視したときに、前記発光素子は、所定の間隔をおいてマトリクス状に配列した発光面を有する態様などが考えられる。
また、前記基板を平面視したときに、前記受光素子の受光面の面積は、前記発光素子の発光面の面積以上にすると、微弱な光成分を効率良く受光することができる。
なお、本発明は、このような生体センサーから出力される信号に基づいて生体情報を出力する演算処理回路を持たせた生体情報検出装置としても概念することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態に係る生体センサーを用いた生体情報検出装置を示す図である。
【図２】生体情報検出装置の構造を示す要部断面図である。
【図３】第１実施形態に係る生体センサーの模式図である。
【図４】生体センサーの構成を示す拡大断面図である。
【図５】生体センサーにおける発光素子等の配置を示す図である。
【図６】発光素子等の光学特性を示す図である。
【図７】生体センサーにおける光路を示す図である。
【図８】生体センサーにおける光路を示す拡大図である。
【図９】生体情報検出装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】生体センサーにおける発光素子と受光素子との配置例を示す図である。
【図１１】第２実施形態に係る生体センサーの模式図である。
【図１２】第３実施形態に係る生体センサーの模式図である。
【図１３】第４実施形態に係る生体センサーの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態に係る生体センサーについて図面を参照して説明する。
なお、以下の各図については、各部、特に各層については認識可能な大きさとするために、縮尺を異ならせている場合がある。
【００１２】
図１は、実施形態に係る生体センサーを適用した生体情報検出装置の構成を示す図である。実施形態に係る生体センサーは、被験者の生体情報の一例として脈波を検出するものであり、生体情報検出装置１は、生体センサーで検出された脈波から、例えば脈拍数などを求めるものである。
図１に示されるように、生体情報検出装置１の筐体１０は、腕時計を模した形状となっている。筐体１０の表面には、長方形状の表示面を持った表示部１００が設けられている。表示部１００は、例えば液晶パネルであり、脈拍数や脈拍間隔などを表示する。筐体１０の外周部にはボタンスイッチなどの操作子１４が複数個（図では３個）個設けられている。操作子１４は、脈波の測定開始や、測定終了、測定結果のリセットなどの各種指示の入力に用いられる。
また、筐体１０の外周部のうち、表示部１００を挟んで対向する部分には、被験者の左手首に巻回されたリストバンド１２の一端と他端とが取り付けられている。これによって、筐体１０が被験者の身体に装着されることになる。
なお、図１では省略されているが、後述する演算処理回路が、操作子１４への入力に応じて各種の処理を実行して、その処理結果を表示部１００に表示させる。
【００１３】
図２は、生体情報検出装置１の要部構成を示す断面図である。
図に示されるように、筐体１０の内部は中空部１５を有する形状となっており、当該中空部１５において被験者への装着面側に生体センサー２０が設けられている。生体センサー２０は、光透過性を有するガラスなどの基板２２と、基板２２に対して装着面側に設けられる複数の発光素子２４と、基板２２に対して非装着面側、すなわち装着面側とは反対側に設けられる受光素子２６とを含む。なお、ここでいう基板２２が第１基板である。
基板２２を平面視したときの形状については、任意であるが、本実施形態では円形としている。また、ここでいう光透過性とは、発光素子２４からの出射される光の波長帯域に含まれる光成分を透過する性質をいう。
【００１４】
図３は、本発明の第１実施形態に係る生体センサー２０を示す模式図であり、図４は、当該生体センサー２０の構造を示す部分拡大図である。
基板２２の装着面側（図において下側）に設けられた発光素子２４は、例えば有機発光ダイオード（Organic Light Emitting Diode）であり、詳細には図４に示されるように、基板２２を起点として順に、反射層２４１、第１電極層２４２、有機層２４３、第２電極層２４４および封止層２４５を積層した構造となっている。
【００１５】
このうち、反射層２４１は、アルミニウムや銀などのように反射性を有する金属層または合金層の成膜後、平面視したときに次に形成される第１電極層２４２を含むように、さらに、第１電極層２４２に重ねられる有機層２４３の周縁を含むように、第１電極層２４２よりもひとまわり広くパターニングしたものである。
【００１６】
第１電極層２４２は、発光素子２４の陽極であり、透明性を有する導電層、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などをパターニングしたものである。
有機層２４３は、第１電極層２４２と重なるように形成されたものであり、本実施形態では、第１電極層２４２からみて順に正孔輸送層２４３ａと発光層２４３ｂと電子輸送層２４３ｃとの積層体で構成されている。
【００１７】
このうち、正孔輸送層２４３ａは、陽極から供給される正孔を能率的に輸送する一方で、反対方向から到来する電子のストッパーであり、例えばトリフェニルアミン誘導体（ＴＰＤ）、ピラゾリン誘導体、アリールアミン誘導体、スチルベン誘導体、トリフェニルジアミン誘導体等によって形成される。発光層２４３ｂは、例えばアルミノウムキノリノール錯体（Ａｌｑ３）等をホスト材料とし、ルブレン等をドーパントとして形成される。電子輸送層２４３ｃは、陰極から供給される電子を能率的に輸送する一方で、反対方向から到来する正孔のストッパーであり、例えばＡｌｑ３等によって形成される。第２電極層２４４は、発光素子２４の陰極であり、光透過性および反射性を有する導電層、例えばマグネシウムと銀との合金層を、発光層２４３ｂと重なるようにパターニングしたものである。
【００１８】
封止層２４５は、酸素や水分の侵入による素子劣化を防ぐために、第２電極層２４４から反射層２４１までの積層構造を覆うように設けられている。封止層２４５は、透明性を有し、例えばシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ）からなる。
【００１９】
発光素子２４は、陽極としての第１電極層２４２と、陰極としての第２電極層２４４とで、有機層２４３を挟持した構成となる。
このような構成において、陽極から陰極に向かって順方向電流が流れると、正孔輸送層２４３ａから注入される正孔と電子輸送層２４３ｃから注入される電子とが発光層２４３ｂで結合して、発光層２４３ｂの材料に応じたスペクトルの光が発生する。本実施形態では、スペクトルが図６に示されるように波長５５０ｎｍ付近でピークを有するように発光層２４３ｂの材料が選定されている。
【００２０】
なお、発光素子２４については、反射層２４１から第２電極層２４４までの距離を、発光層２４３ｂで発生する光のピーク波長に合わせて調整した光共振構造としても良い。
また、有機層２４３で必要な機能は、陽極側から供給される正孔と陰極側から供給される電子との結合によって光を発生させることにある。このため最低限、有機層２４３には発光層２４３ｂがあれば良い。ただし、正孔輸送層２４３ａおよび電子輸送層２４３ｃを設けた方が、キャリア（正孔、電子）の移動度が改善されて、発光効率を高めることができる点において有利である。発光効率を高めるという観点からいえば、第１電極層２４２（陽極）と正孔輸送層２４３ａとの間に、陽極から正孔を取り入れる正孔注入層を設けても良いし、第２電極層２４４（陰極）と電子輸送層２４３ｃとの間に、陰極から電子を取り入れる電子注入層を設けても良い。
【００２１】
導光部材２９は、光透過性を有する樹脂などからなる。導光部材２９の内部は、発光素子２４の外形に合わせた形状となっている。また、基板２２に対して鉛直方向に沿った側面には、反射性を有するコーティングが施されて反射層２９ａが形成されている。導光部材２９の底面は平坦であり、この底面が被験者に接触する接触面２９ｂとなる。このため、接触面２９ｂは、基板２２の接触面に対して突出した構成となる。
なお、導光部材２９は、当該導光部材２９に近い屈折率を有する接着剤によって発光素子２４を覆うように基板２２に接着される。
【００２２】
一方、図３および図４に示されるように、基板２２の非装着面側（図において上側）には、受光素子２６などが設けられている。
詳細には、図４に示されるように、基板２２を起点として順にフィルター２５、受光素子２６が設けられる。そして、フィルター２５および受光素子２６を覆うように、遮光性を有するキャップ２７が基板２２に取り付けられている。
【００２３】
なお、フィルター２５の光学特性については、図６に示されるように、発光素子２４から出射される光の波長帯域以外を遮断するような帯域通過型でも良いし、特に長波長側を遮断するような低域通過型でも良い。このような特性が好ましい理由は、次の通りである。すなわち、受光素子２６に例えば次に説明するようなアモルファスシリコン層を有するフォトダイオードを用いた場合、発光素子２４から出射される光の波長以外の光についても検出してしまうので、不要な波長の光を遮断するためである。また、筐体１０を装着した手首の反対側から入射した光のうち、短波長側の光は吸収されやすく、筐体１０の基板２２まで到達しにくいのに対し、長波長側の光は、手首を透過した上で基板２２に入射して、脈波成分を示す光に対してノイズ成分になるため、特に長波長側を優先的に遮断する特性が好ましいのである。フィルター２５としては、例えば、所定の光学条件を満たすように誘電体等を積層させた干渉フィルターであっても良いし、着色された光学フィルターであっても良い。
【００２４】
本実施形態において受光素子２６は、例えばフォトダイオードであり、図４に示されるように、電極層２６１と電極層２６３とでアモルファスシリコン層２６２を挟持した構成となっている。
このうち、電極層２６１は、フォトダイオードの陽極であり、例えばＩＴＯが用いられる。また、電極層２６３は、フォトダイオードの陰極であり、アルミニウムなどが用いられる。アモルファスシリコン層２６２は、例えば陽極側のＰ型領域と陰極側のＮ型領域とを有する薄膜である。本実施形態において、受光素子２６の受光領域は、基板２２の周縁を除き、ほぼベタ状となっている。このような受光素子２６において、基板２２の装着面側からフィルター２５を透過して光が入射すると、Ｐ型領域に正孔が発生し、Ｎ型領域に電子が発生する結果、入射光量に応じた光電流が順方向に流れる構成となっている。
なお、電極層２６３は、陰極のほかに反射層の機能を兼ねても良い。
【００２５】
図５は、基板２２を被験者側の装着面から平面視したときに、発光素子２４の発光面（発光領域）を示す図である。
発光素子２４は、図５において白抜きで示したように、同心円で二重リング状の発光面２４Ａ、２４Ｂを有する。このため、発光素子２４を覆う導光部材２９についても、平面視したときにはリング状となる。
一方、受光素子２６は、平面視したときにハッチングで付された領域のように、上記同心円の中心を含む円形の受光面２６Ｃと、リング状の受光面２６Ｄ、２６Ｅとを有し、これらの受光面２６Ｃ、２６Ｄ、２６Ｅによって、発光面２４Ａ、２４Ｂを囲むような位置関係となる。なお実際には、受光素子２６は、基板２２の非装着面側にベタ状に設けられるので、発光面２４Ａ、２４Ｂで隠されない領域が平面視したときの受光面２６Ｃ、２６Ｄ、２６Ｅとして外見に現れる。
なお、受光面のうち、発光面２４Ａ、２４Ｂの背面（基板２２の非装着面側）の部分については、ある程度の角度で入射した光でないと受光されないので、この部分については、パターニングによって抜いた状態としても良い。
受光領域については、ベタ状とするか、あるいは、発光面２４Ａ、２４Ｂの背面側を抜いた状態とするか、いずれにしても、本実施形態においては受光面２６Ｃ、２６Ｄ、２６Ｅの面積和は、発光面２４Ａ、２４Ｂの面積和以上となるように設定されている。
【００２６】
図７および図８は、生体センサー２０の光路を示す図である。図７に示されるように、筐体１０が被験者に装着された場合、被験者の皮膚５２が筐体１０の裏面と導光部材２９の接触面２９ｂとに接触することになる。
ここで、発光素子２４が上述した光共振構造を有するものであれば、出射光は、図８において下側となるような指向性を持つ。一方、発光素子２４が光共振構造を有しないものであれば、結合によって発生した光が等方性で出射される。ただし、図８に示されるように、反射層２４１が発光層２４３ｂの周縁を含むように、発光層２４３ｂよりも一回り広く形成されているほか、導光部材２９の側面には、反射層２９ａが形成されている。
このため、発光層２４３ｂによって発生した光のうち、図８において下側以外に方向に向かって射出された光は、反射層２４１、２９ｂによって反射する。この結果、発光素子２４が光共振構造であるか否かに関係なく、発光層２４３ｂからの光は、図において下側の被験者側に出射するので、光の出射効率が高められる。
なお、第１実施形態において発光素子２４は、基板２２の反対側に向けて光を出射するのでトップエミッション型となる。
【００２７】
発光素子２４から出射された光は、表皮を透過してその奥の血管５０に到達する。血管５０に到達した光は当該血管５０を流れる血液により吸収、反射され、あるいは血液を透過する。
このうち、血管５０に流れる血液によって反射された光は、基板２２およびフィルター２５を透過して受光素子２６に入射する。このため、受光素子２６は、入射光量に応じた光電流を出力する。ここで、血管５０は、心拍と同じ周期で膨張・収縮を繰り返している。したがって、血管の膨張・収縮の周期と同じ周期で光の反射量が増減するので、受光素子２６から出力される光電流の変化は、血管５０の容積変化を示すことになる。
【００２８】
図９は、生体情報検出装置１の電気的な構成を示すブロック図である。なお、この構成については、概略的に説明にとどめることにする。
この図において、駆動回路３０は、演算処理回路５０による制御したがって電流を常時または間欠的に供給して、発光素子２４を駆動するものである。ここで、電流を間欠的に駆動する方が低消費電力化を図る上で好ましい。一方、変換回路４０は、受光素子２６から供給された光電流を電圧に変換するとともに、当該電圧を予め定められたサンプリング間隔でデジタルデータに変換するものである。
【００２９】
演算処理回路５０は、発光素子２４を駆動したときに、変換回路４０によって変換されたデジタルデータを操作子１４の指示状態に応じて処理する。例えば、演算処理回路５０は、当該デジタルデータで示される脈波波形を表示部１００に表示させたり、当該デジタルデータから脈拍数を算出して表示部１００に表示させたり、脈波波形の振幅に応じた大きさで「ハートマーク」を表示させたり、内部タイマーで計測された時刻に関連付けて脈拍数を逐一記録したり、脈拍数の経時変化を表示部１００に表示させたりする。
【００３０】
第１実施形態に係る生体センサー２０では、導光部材２９が発光素子２４に被さるように取り付けられて、当該導光部材２９の接触面２９ｂが基板２２よりも被験者側に突出している。このため、被験者の皮膚５２との密着性は、導光部材２９を設けない構造と比較して向上する。したがって、被験者が体動しても、接触面２９ｂと皮膚５２との位置がずれにくくなるので、必然的に皮膚５２と受光素子２６、発光素子２４との相対的な位置もずれにくい状態にさせることができる。この状態において、発光素子２４から出射される光は、図８に示されるように、被験者側に出射するので、発光素子２４の出射効率を高めることができる。一方、被験者から斜め方向に入射しても反射層２９ａの反射によって受光素子２６に入射させることができるので、受光素子２６の受光効率も高めることができる。
したがって、第１実施形態によれば、体動があっても、微弱な光成分を精度良く検出することができる。
なお、反射層２９ａを設けなくても、空気と導光部材２９との屈折率の相違によって、導光部材２９の界面において反射が生じるので、同様な効果を得ることができる。
【００３１】
また、受光素子２６（受光面）は、基板２２に対して発光素子２４が設けられた装着面側とは反対側の非装着面側に設けられるので、発光面から基板２２の厚さ以上の距離で奥まったところに位置することになる。発光素子２４は、反射層２４１によって装着面側（図７等において下側）に出射されるので、光遮蔽体などを発光素子と受光素子との間に設けなくても、発光素子２４からの出射光が、被験者の血液の反射を経ることなく受光素子２６に直接入射してしまうことを避けることができる。
本実施形態では、光遮蔽体等を設けなくて良いので、その分、受光面積を広く確保して、詳細には、受光面２６Ｃ、２６Ｄ、２６Ｅの面積和を発光面２４Ａ、２４Ｂの面積和以上となるように確保している。
したがって、第１実施形態に係る生体センサー２０によれば、被験者の血管反射を経ていない光の受光を回避しつつ、受光面積を広く確保しているので、この意味においても、微弱な光成分を効率良く受光することができる。
【００３２】
なお、発光素子２４の発光面については、図５に示したような同心円のリング状に限られない。例えば図１０の（Ａ）や（Ｂ）に示されるように、平面視したときに、タイル状に形成した発光素子２４を、縦および横方向に１個おきにモザイク状に配列させても良い。ここで、受光素子２６は、基板２２の非装着面側においてベタ状に設けられているので、発光素子２４が設けられていない領域や基板２２の周縁領域が、平面視したときに受光面として外見として現れる。
なお、発光素子２４をタイル状に形成する場合、当該タイル状の発光素子２４を覆うように導光部材２９が設けられる。
このようなモザイク状の配列によっても、発光面が受光面を囲むとともに、受光面の面積が発光面の面積以上となるので、微弱な光成分を効率良く受光することができる。
また、受光面の外枠や、発光面の形状については、図１０の（Ａ）、（Ｂ）に示されるような正方形に限られないことはいうまでもない。
【００３３】
図１１は、第２実施形態に係る生体センサーを示す模式図である。
この第２実施形態では（Ａ）に示されるように、受光素子２６が第２基板としての基板２３に形成されている。そして、基板２３は、受光素子２６がフィルター２５を挟むように、基板２２の非装着面に接着剤２８によって貼り合わせられている。このため、（Ｂ）に示されるように、結果的に、受光素子２６が基板２２に対して非装着面側に設けられるので、受光素子２６は、発光素子２４に対して図３に示した第１実施形態とほぼ同様な位置関係になる。
なお、接着剤２８としては、紫外線硬化型やエポキシ系などが用いられる。
【００３４】
基板２３に形成される受光素子２６の詳細については図示を省略するが、基板２３を起点として順に、陰極としての電極層、アモルファスシリコン層および陽極としての電極層を積層した構造になる。なお、陽極としての電極層は、基板２２を透過した光を、アモルファスシリコン層に導く必要があるので、透明性を有するＩＴＯなどが用いられる。また、陰極としての電極層は反射層を兼ねても良い。受光素子２６は、基板２２の透過光を受光するので、基板２３に光透過性は不要である。
第２実施形態においては、基板２３を除けば各部の位置関係が第１実施形態と同様なので、体動があっても、被験者の血管反射を経ていない光の受光を回避しつつ、微弱な光成分を効率良く受光することができる。
特に第２実施形態では、発光素子２４が形成された基板２２と受光素子２６が形成された基板２３との良品同士を貼り合わせれば良いので、基板２２の一方の面に発光素子２４を設けるとともに他方の面に受光素子２６を設ける構成と比較して、歩留まりを向上させることができる。
【００３５】
図１２は、第３実施形態に係る生体センサーを示す模式図である。
導光部材２９については、第１（第２）実施形態では、発光素子２４に被せるように設けたが、第３実施形態では、基板２２の装着面側において、発光素子２４が設けられていない部分に、受光素子２６に対向した部分に設けられている。
接触面２９ｂは、第１（第２）実施形態と同様に、基板２２の接触面に対して被験者側に突出するので、被験者が体動しても、受光素子２６の受光領域に対応した接触面２９ｂと皮膚５２との位置がずれにくくなる。このため、必然的に皮膚５２と、受光素子２６（発光素子２４）との相対的な位置もずれにくくなる。
一方、第３実施形態においても、導光部材２９の側面には反射層２９ａが設けられるので、発光素子２４の出射効率とともに、受光素子２６の受光効率が高められる。したがって、第３実施形態によれば、第１（第２）実施形態と同様に体動があっても微弱な光成分を精度良く検出することができる。
【００３６】
なお、図５に示されるように発光素子２４の発光面２４Ａ、２４Ｂを二重リング状とする場合、平面視したときにハッチングで示される受光面２６Ｃ、２６Ｄ、２６Ｅに対応して円形またはリング状に形成した導光部材２９を基板２２に嵌め込む構成となる。また、図１０に示されるように発光素子２４の発光面をタイル状とする場合、平面視したときにハッチングで示される領域に対応した個々の形状とした導光部材２９を嵌め込む構成となる。
【００３７】
図１３は、第４実施形態に係る生体センサーを示す模式図である。
この図に示されるように、第４実施形態では、受光素子２６が、発光素子２４とともに基板２２の装着面側に設けられている。ここで、受光素子２６は、非装着面側からの侵入光を遮光するために、基板２２とは受光面の周縁を含むような遮光層２６６を介して設けられている。
導光部材２９は、この受光素子２６に被さるとともに、接触面２９ｂが発光素子２４の発光面よりも生体側に突出している。このため、他の実施形態と同様に、被験者が体動しても、受光領域に対応した接触面２９ｂと皮膚５２との位置がずれにくくなる。一方、導光部材２９の側面には設けられた反射層２９ａによって、発光素子２４の出射効率とともに、受光素子２６の受光効率が高められる。したがって、第４実施形態によれば、他の実施形態と同様に体動があっても微弱な光成分を精度良く検出することができる。
【００３８】
なお、図１３の例では、導光部材２９を受光素子２６に被せるように設けたが、発光素子２４に被せるように、接触面２９ｂが発光素子２４の発光面よりも生体側に突出するように設けても良い。
また、導光部材２９を発光素子２４および受光素子２６の双方に被せるように設けた構成としても良い。この構成においては、被験者と位置ずれしにくいように、発光素子２４または受光素子２６のどちらか一方に被せた導光部材２９の接触面２９ｂを、発光素子２４または受光素子２６のどちらか他方に被せた導光部材２９の接触面２９ｂよりも生体側に突出させれば良い。
【００３９】
本発明は、上述した実施形態のほかに、種々の応用・変形が可能である。
例えば、図３、図１１、図１２に示した例では、発光素子２４を基板２２の装着面側に、受光素子２６を基板２２の非装着面側に、それぞれ設けたが、反対に、発光素子２４を基板２２の非装着面側に、受光素子２６を基板２２の装着面側に設けた構成としても良い。この構成では、発光素子２４は、基板２２の側に光を出射するので、ボトムエミッション型となる。この構成において導光部材２９については、基板２２の装着面側において、受光素子２６に被せるように設けても良いし、受光素子２６が設けられている部分を避けるように、発光素子２４に対向した部分に設けても良い。
【００４０】
各実施形態では、被験者の測定部位を左手首としたが、例えばカフ体に生体センサーを組み込むことによって、指先を測定部位にしても良い。換言すれば、指尖脈波を検出するようにしても良い。
【００４１】
また、実施形態については、生体センサーとして、脈波を検出する構成を例示したが、動脈血の酸素飽和度を検出するセンサーにも適用可能である。血液中のヘモグロビンは、酸素との結合の有無により赤色光と赤外光の吸光度が異なる。そこで、赤色光を発光・受光する素子、赤外光を発光・受光する素子、などのように発光波長および受光波長を異ならせた素子組を複数組用意する一方、これらの反射光を測定・解析することによって酸素飽和度を検出することができる。
また、血管としては、動脈・静脈のいずれでも良い。
生体情報としては、生体の血管のパターンでも良く、この血管パターンから当該生体を認証する認証装置にも適用可能である。
測定対象は、ヒトに限らず、動物でも良いのはもちろんである。
【符号の説明】
【００４２】
１…生体情報検出装置、２０…生体センサー、２２、２３…基板、２４…発光素子、２６…受光素子、２８…接着剤、２９…導光部材、２９ａ…反射層、２９ｂ…接触面、５０…演算処理回路、１００…表示部、２４１…反射層、２４２…第１電極層、２４４…第２電極層、２４３…有機層、２４３ｂ…発光層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脈波などの生体情報を検出する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発光素子によって生体に光を照射する一方、脈拍数や酸素飽和度などの生体情報を反映した光を受光素子によって受光して、受光した光に応じた電気信号を出力する生体センサーが知られている。当該生体センサーから出力された信号を処理することによって、生体情報を非侵襲で検出することができる。
生体センサーを構成する発光素子と受光素子とは、物理的に異なる素子であるので、互いに物理的に離間した状態で配置せざるを得ない。この状態において発光素子からの漏光が受光素子に直接入射してしまうと、直接入射光は、生体情報を反映した光に対してノイズとなってしまう。
【０００３】
そこで、発光素子と受光素子とを光遮蔽性を有するホルダーによって隔てて収納する技術（例えば特許文献１参照）や、平面視したときに発光素子と受光素子との間に光遮蔽体を設ける技術（例えば特許文献２参照）が提案されている。
一方、被験者が体動していると、生体センサーにおける受光ポイントがずれてしまうので、生体情報を反映した光のみを受光することが困難になる。このため、被験者との接触面に板状の導光部材を設けて、受光する反射光量が変わらないようにした技術が提案されている（上記特許文献１のほか、特許文献３参照）。また、このような導光部材にファセットを持たせてマイクロプリズム構造とした技術も提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３６０５３０号公報
【特許文献２】特開２００９−２３１５７７号公報
【特許文献３】特開２０００−１１６６１１号公報
【特許文献４】特開２００４−３４４６６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、生体情報を反映した光とは、例えば血管内の血液によって反射した光であるために、照射した光に対して微弱である。このため、発光素子と受光素子との間にホルダーや光遮蔽体などを配置させてしまうと、特に受光素子の受光領域を十分に確保できず、微弱な光成分を精度良く検出することができない。
また、被験者との接触面に板状の導光部材を設けた場合、発光素子から射出された光の一部が導光部材で内部反射して、受光素子に入射してしまい、微弱な光成分においてノイズとなってしまう場合があった。
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、微弱な光成分を精度良く検出することが可能な生体センサーおよび生体情報検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る生体センサーにあっては、第１基板に設けられ、生体に向けて光を照射する発光素子と、前記第１基板に設けられ、前記生体からの光を受光する受光素子と、光透過性を有し、前記第１基板に対して前記発光素子または前記受光素子の一方に対応して設けられ、前記生体に接触する接触面が前記発光素子または前記受光素子の他方よりも前記生体側に突出した導光部材と、を具備することを特徴とする。本発明によれば、発光素子または受光素子の一方に対応して設けられた導光部材の接触面が、発光素子または受光素子の他方よりも被験者側に突出して設けられる。このため、導光部材の界面によって発光素子から受光素子に向かう光経路が分断されるとともに、導光部材と生体との密着性が改善されるので、微弱な光成分を精度良く検出することができる。
【０００７】
本発明において、前記導光部材は、前記基板に対して鉛直方向となる側面で反射性を有する構成が好ましい。この構成によれば、導光部材の側面での反射によって、発光素子からの出射効率とともに、受光素子への入射効率を高めることもできる。
ここで、前記第１基板は、光透過性を有し、前記発光素子は、前記第１基板の一方の面側に設けられ、前記受光素子は、前記第１基板の他方の面側に設けられ、前記発光素子から出射した光のうち、前記生体からの反射光を受光する態様が好ましい。この態様によれば、第１基板に対し、発光素子と受光素子とが互いに異なる面にそれぞれ設けられるので、発光素子からの漏光が受光素子に受光されてしまうのを抑えることができる。このため、微弱な光成分をより精度良く検出することができる。
【０００８】
このような態様において、前記発光素子は、前記第１基板から向かって順に、反射層、第１電極層、発光層および第２電極層を少なくとも含んだ積層体であって、前記第１基板側とは反対側に光を出射し、前記第１電極層および第２電極層は、それぞれ光透過性を有し、前記受光素子は、前記第１基板を透過した光を受光する構成としても良い。
この構成において、前記受光素子は、第２基板における一方の面に設けられ、前記第２基板における一方の面が前記第１基板の他方の面に対向するように、前記第１基板と前記第２基板とが貼り合わせられた構成としても良い。
また、前記導光部材は、前記第１基板の一方の面側に前記発光素子を覆うように設けられても良いし、前記第１基板の一方の面側に前記発光素子の非配置部分に設けられても良い。
【０００９】
本発明において、前記基板を平面視したときに、前記発光素子は、前記受光素子に含まれるように配置されている構成が好ましい。このような構成としては、前記基板を平面視したときに、前記発光素子は、同心円状の発光面を有する態様や、前記基板を平面視したときに、前記発光素子は、所定の間隔をおいてマトリクス状に配列した発光面を有する態様などが考えられる。
また、前記基板を平面視したときに、前記受光素子の受光面の面積は、前記発光素子の発光面の面積以上にすると、微弱な光成分を効率良く受光することができる。
なお、本発明は、このような生体センサーから出力される信号に基づいて生体情報を出力する演算処理回路を持たせた生体情報検出装置としても概念することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態に係る生体センサーを用いた生体情報検出装置を示す図である。
【図２】生体情報検出装置の構造を示す要部断面図である。
【図３】第１実施形態に係る生体センサーの模式図である。
【図４】生体センサーの構成を示す拡大断面図である。
【図５】生体センサーにおける発光素子等の配置を示す図である。
【図６】発光素子等の光学特性を示す図である。
【図７】生体センサーにおける光路を示す図である。
【図８】生体センサーにおける光路を示す拡大図である。
【図９】生体情報検出装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】生体センサーにおける発光素子と受光素子との配置例を示す図である。
【図１１】第２実施形態に係る生体センサーの模式図である。
【図１２】第３実施形態に係る生体センサーの模式図である。
【図１３】第４実施形態に係る生体センサーの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態に係る生体センサーについて図面を参照して説明する。
なお、以下の各図については、各部、特に各層については認識可能な大きさとするために、縮尺を異ならせている場合がある。
【００１２】
図１は、実施形態に係る生体センサーを適用した生体情報検出装置の構成を示す図である。実施形態に係る生体センサーは、被験者の生体情報の一例として脈波を検出するものであり、生体情報検出装置１は、生体センサーで検出された脈波から、例えば脈拍数などを求めるものである。
図１に示されるように、生体情報検出装置１の筐体１０は、腕時計を模した形状となっている。筐体１０の表面には、長方形状の表示面を持った表示部１００が設けられている。表示部１００は、例えば液晶パネルであり、脈拍数や脈拍間隔などを表示する。筐体１０の外周部にはボタンスイッチなどの操作子１４が複数個（図では３個）個設けられている。操作子１４は、脈波の測定開始や、測定終了、測定結果のリセットなどの各種指示の入力に用いられる。
また、筐体１０の外周部のうち、表示部１００を挟んで対向する部分には、被験者の左手首に巻回されたリストバンド１２の一端と他端とが取り付けられている。これによって、筐体１０が被験者の身体に装着されることになる。
なお、図１では省略されているが、後述する演算処理回路が、操作子１４への入力に応じて各種の処理を実行して、その処理結果を表示部１００に表示させる。
【００１３】
図２は、生体情報検出装置１の要部構成を示す断面図である。
図に示されるように、筐体１０の内部は中空部１５を有する形状となっており、当該中空部１５において被験者への装着面側に生体センサー２０が設けられている。生体センサー２０は、光透過性を有するガラスなどの基板２２と、基板２２に対して装着面側に設けられる複数の発光素子２４と、基板２２に対して非装着面側、すなわち装着面側とは反対側に設けられる受光素子２６とを含む。なお、ここでいう基板２２が第１基板である。
基板２２を平面視したときの形状については、任意であるが、本実施形態では円形としている。また、ここでいう光透過性とは、発光素子２４からの出射される光の波長帯域に含まれる光成分を透過する性質をいう。
【００１４】
図３は、本発明の第１実施形態に係る生体センサー２０を示す模式図であり、図４は、当該生体センサー２０の構造を示す部分拡大図である。
基板２２の装着面側（図において下側）に設けられた発光素子２４は、例えば有機発光ダイオード（Organic Light Emitting Diode）であり、詳細には図４に示されるように、基板２２を起点として順に、反射層２４１、第１電極層２４２、有機層２４３、第２電極層２４４および封止層２４５を積層した構造となっている。
【００１５】
このうち、反射層２４１は、アルミニウムや銀などのように反射性を有する金属層または合金層の成膜後、平面視したときに次に形成される第１電極層２４２を含むように、さらに、第１電極層２４２に重ねられる有機層２４３の周縁を含むように、第１電極層２４２よりもひとまわり広くパターニングしたものである。
【００１６】
第１電極層２４２は、発光素子２４の陽極であり、透明性を有する導電層、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などをパターニングしたものである。
有機層２４３は、第１電極層２４２と重なるように形成されたものであり、本実施形態では、第１電極層２４２からみて順に正孔輸送層２４３ａと発光層２４３ｂと電子輸送層２４３ｃとの積層体で構成されている。
【００１７】
このうち、正孔輸送層２４３ａは、陽極から供給される正孔を能率的に輸送する一方で、反対方向から到来する電子のストッパーであり、例えばトリフェニルアミン誘導体（ＴＰＤ）、ピラゾリン誘導体、アリールアミン誘導体、スチルベン誘導体、トリフェニルジアミン誘導体等によって形成される。発光層２４３ｂは、例えばアルミノウムキノリノール錯体（Ａｌｑ３）等をホスト材料とし、ルブレン等をドーパントとして形成される。電子輸送層２４３ｃは、陰極から供給される電子を能率的に輸送する一方で、反対方向から到来する正孔のストッパーであり、例えばＡｌｑ３等によって形成される。第２電極層２４４は、発光素子２４の陰極であり、光透過性および反射性を有する導電層、例えばマグネシウムと銀との合金層を、発光層２４３ｂと重なるようにパターニングしたものである。
【００１８】
封止層２４５は、酸素や水分の侵入による素子劣化を防ぐために、第２電極層２４４から反射層２４１までの積層構造を覆うように設けられている。封止層２４５は、透明性を有し、例えばシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ）からなる。
【００１９】
発光素子２４は、陽極としての第１電極層２４２と、陰極としての第２電極層２４４とで、有機層２４３を挟持した構成となる。
このような構成において、陽極から陰極に向かって順方向電流が流れると、正孔輸送層２４３ａから注入される正孔と電子輸送層２４３ｃから注入される電子とが発光層２４３ｂで結合して、発光層２４３ｂの材料に応じたスペクトルの光が発生する。本実施形態では、スペクトルが図６に示されるように波長５５０ｎｍ付近でピークを有するように発光層２４３ｂの材料が選定されている。
【００２０】
なお、発光素子２４については、反射層２４１から第２電極層２４４までの距離を、発光層２４３ｂで発生する光のピーク波長に合わせて調整した光共振構造としても良い。
また、有機層２４３で必要な機能は、陽極側から供給される正孔と陰極側から供給される電子との結合によって光を発生させることにある。このため最低限、有機層２４３には発光層２４３ｂがあれば良い。ただし、正孔輸送層２４３ａおよび電子輸送層２４３ｃを設けた方が、キャリア（正孔、電子）の移動度が改善されて、発光効率を高めることができる点において有利である。発光効率を高めるという観点からいえば、第１電極層２４２（陽極）と正孔輸送層２４３ａとの間に、陽極から正孔を取り入れる正孔注入層を設けても良いし、第２電極層２４４（陰極）と電子輸送層２４３ｃとの間に、陰極から電子を取り入れる電子注入層を設けても良い。
【００２１】
導光部材２９は、光透過性を有する樹脂などからなる。導光部材２９の内部は、発光素子２４の外形に合わせた形状となっている。また、基板２２に対して鉛直方向に沿った側面には、反射性を有するコーティングが施されて反射層２９ａが形成されている。導光部材２９の底面は平坦であり、この底面が被験者に接触する接触面２９ｂとなる。このため、接触面２９ｂは、基板２２の接触面に対して突出した構成となる。
なお、導光部材２９は、当該導光部材２９に近い屈折率を有する接着剤によって発光素子２４を覆うように基板２２に接着される。
【００２２】
一方、図３および図４に示されるように、基板２２の非装着面側（図において上側）には、受光素子２６などが設けられている。
詳細には、図４に示されるように、基板２２を起点として順にフィルター２５、受光素子２６が設けられる。そして、フィルター２５および受光素子２６を覆うように、遮光性を有するキャップ２７が基板２２に取り付けられている。
【００２３】
なお、フィルター２５の光学特性については、図６に示されるように、発光素子２４から出射される光の波長帯域以外を遮断するような帯域通過型でも良いし、特に長波長側を遮断するような低域通過型でも良い。このような特性が好ましい理由は、次の通りである。すなわち、受光素子２６に例えば次に説明するようなアモルファスシリコン層を有するフォトダイオードを用いた場合、発光素子２４から出射される光の波長以外の光についても検出してしまうので、不要な波長の光を遮断するためである。また、筐体１０を装着した手首の反対側から入射した光のうち、短波長側の光は吸収されやすく、筐体１０の基板２２まで到達しにくいのに対し、長波長側の光は、手首を透過した上で基板２２に入射して、脈波成分を示す光に対してノイズ成分になるため、特に長波長側を優先的に遮断する特性が好ましいのである。フィルター２５としては、例えば、所定の光学条件を満たすように誘電体等を積層させた干渉フィルターであっても良いし、着色された光学フィルターであっても良い。
【００２４】
本実施形態において受光素子２６は、例えばフォトダイオードであり、図４に示されるように、電極層２６１と電極層２６３とでアモルファスシリコン層２６２を挟持した構成となっている。
このうち、電極層２６１は、フォトダイオードの陽極であり、例えばＩＴＯが用いられる。また、電極層２６３は、フォトダイオードの陰極であり、アルミニウムなどが用いられる。アモルファスシリコン層２６２は、例えば陽極側のＰ型領域と陰極側のＮ型領域とを有する薄膜である。本実施形態において、受光素子２６の受光領域は、基板２２の周縁を除き、ほぼベタ状となっている。このような受光素子２６において、基板２２の装着面側からフィルター２５を透過して光が入射すると、Ｐ型領域に正孔が発生し、Ｎ型領域に電子が発生する結果、入射光量に応じた光電流が順方向に流れる構成となっている。
なお、電極層２６３は、陰極のほかに反射層の機能を兼ねても良い。
【００２５】
図５は、基板２２を被験者側の装着面から平面視したときに、発光素子２４の発光面（発光領域）を示す図である。
発光素子２４は、図５において白抜きで示したように、同心円で二重リング状の発光面２４Ａ、２４Ｂを有する。このため、発光素子２４を覆う導光部材２９についても、平面視したときにはリング状となる。
一方、受光素子２６は、平面視したときにハッチングで付された領域のように、上記同心円の中心を含む円形の受光面２６Ｃと、リング状の受光面２６Ｄ、２６Ｅとを有し、これらの受光面２６Ｃ、２６Ｄ、２６Ｅによって、発光面２４Ａ、２４Ｂを囲むような位置関係となる。なお実際には、受光素子２６は、基板２２の非装着面側にベタ状に設けられるので、発光面２４Ａ、２４Ｂで隠されない領域が平面視したときの受光面２６Ｃ、２６Ｄ、２６Ｅとして外見に現れる。
なお、受光面のうち、発光面２４Ａ、２４Ｂの背面（基板２２の非装着面側）の部分については、ある程度の角度で入射した光でないと受光されないので、この部分については、パターニングによって抜いた状態としても良い。
受光領域については、ベタ状とするか、あるいは、発光面２４Ａ、２４Ｂの背面側を抜いた状態とするか、いずれにしても、本実施形態においては受光面２６Ｃ、２６Ｄ、２６Ｅの面積和は、発光面２４Ａ、２４Ｂの面積和以上となるように設定されている。
【００２６】
図７および図８は、生体センサー２０の光路を示す図である。図７に示されるように、筐体１０が被験者に装着された場合、被験者の皮膚５２が筐体１０の裏面と導光部材２９の接触面２９ｂとに接触することになる。
ここで、発光素子２４が上述した光共振構造を有するものであれば、出射光は、図８において下側となるような指向性を持つ。一方、発光素子２４が光共振構造を有しないものであれば、結合によって発生した光が等方性で出射される。ただし、図８に示されるように、反射層２４１が発光層２４３ｂの周縁を含むように、発光層２４３ｂよりも一回り広く形成されているほか、導光部材２９の側面には、反射層２９ａが形成されている。
このため、発光層２４３ｂによって発生した光のうち、図８において下側以外に方向に向かって射出された光は、反射層２４１、２９ｂによって反射する。この結果、発光素子２４が光共振構造であるか否かに関係なく、発光層２４３ｂからの光は、図において下側の被験者側に出射するので、光の出射効率が高められる。
なお、第１実施形態において発光素子２４は、基板２２の反対側に向けて光を出射するのでトップエミッション型となる。
【００２７】
発光素子２４から出射された光は、表皮を透過してその奥の血管５０に到達する。血管５０に到達した光は当該血管５０を流れる血液により吸収、反射され、あるいは血液を透過する。
このうち、血管５０に流れる血液によって反射された光は、基板２２およびフィルター２５を透過して受光素子２６に入射する。このため、受光素子２６は、入射光量に応じた光電流を出力する。ここで、血管５０は、心拍と同じ周期で膨張・収縮を繰り返している。したがって、血管の膨張・収縮の周期と同じ周期で光の反射量が増減するので、受光素子２６から出力される光電流の変化は、血管５０の容積変化を示すことになる。
【００２８】
図９は、生体情報検出装置１の電気的な構成を示すブロック図である。なお、この構成については、概略的に説明にとどめることにする。
この図において、駆動回路３０は、演算処理回路５０による制御したがって電流を常時または間欠的に供給して、発光素子２４を駆動するものである。ここで、電流を間欠的に駆動する方が低消費電力化を図る上で好ましい。一方、変換回路４０は、受光素子２６から供給された光電流を電圧に変換するとともに、当該電圧を予め定められたサンプリング間隔でデジタルデータに変換するものである。
【００２９】
演算処理回路５０は、発光素子２４を駆動したときに、変換回路４０によって変換されたデジタルデータを操作子１４の指示状態に応じて処理する。例えば、演算処理回路５０は、当該デジタルデータで示される脈波波形を表示部１００に表示させたり、当該デジタルデータから脈拍数を算出して表示部１００に表示させたり、脈波波形の振幅に応じた大きさで「ハートマーク」を表示させたり、内部タイマーで計測された時刻に関連付けて脈拍数を逐一記録したり、脈拍数の経時変化を表示部１００に表示させたりする。
【００３０】
第１実施形態に係る生体センサー２０では、導光部材２９が発光素子２４に被さるように取り付けられて、当該導光部材２９の接触面２９ｂが基板２２よりも被験者側に突出している。このため、被験者の皮膚５２との密着性は、導光部材２９を設けない構造と比較して向上する。したがって、被験者が体動しても、接触面２９ｂと皮膚５２との位置がずれにくくなるので、必然的に皮膚５２と受光素子２６、発光素子２４との相対的な位置もずれにくい状態にさせることができる。この状態において、発光素子２４から出射される光は、図８に示されるように、被験者側に出射するので、発光素子２４の出射効率を高めることができる。一方、被験者から斜め方向に入射しても反射層２９ａの反射によって受光素子２６に入射させることができるので、受光素子２６の受光効率も高めることができる。
したがって、第１実施形態によれば、体動があっても、微弱な光成分を精度良く検出することができる。
なお、反射層２９ａを設けなくても、空気と導光部材２９との屈折率の相違によって、導光部材２９の界面において反射が生じるので、同様な効果を得ることができる。
【００３１】
また、受光素子２６（受光面）は、基板２２に対して発光素子２４が設けられた装着面側とは反対側の非装着面側に設けられるので、発光面から基板２２の厚さ以上の距離で奥まったところに位置することになる。発光素子２４は、反射層２４１によって装着面側（図７等において下側）に出射されるので、光遮蔽体などを発光素子と受光素子との間に設けなくても、発光素子２４からの出射光が、被験者の血液の反射を経ることなく受光素子２６に直接入射してしまうことを避けることができる。
本実施形態では、光遮蔽体等を設けなくて良いので、その分、受光面積を広く確保して、詳細には、受光面２６Ｃ、２６Ｄ、２６Ｅの面積和を発光面２４Ａ、２４Ｂの面積和以上となるように確保している。
したがって、第１実施形態に係る生体センサー２０によれば、被験者の血管反射を経ていない光の受光を回避しつつ、受光面積を広く確保しているので、この意味においても、微弱な光成分を効率良く受光することができる。
【００３２】
なお、発光素子２４の発光面については、図５に示したような同心円のリング状に限られない。例えば図１０の（Ａ）や（Ｂ）に示されるように、平面視したときに、タイル状に形成した発光素子２４を、縦および横方向に１個おきにモザイク状に配列させても良い。ここで、受光素子２６は、基板２２の非装着面側においてベタ状に設けられているので、発光素子２４が設けられていない領域や基板２２の周縁領域が、平面視したときに受光面として外見として現れる。
なお、発光素子２４をタイル状に形成する場合、当該タイル状の発光素子２４を覆うように導光部材２９が設けられる。
このようなモザイク状の配列によっても、発光面が受光面を囲むとともに、受光面の面積が発光面の面積以上となるので、微弱な光成分を効率良く受光することができる。
また、受光面の外枠や、発光面の形状については、図１０の（Ａ）、（Ｂ）に示されるような正方形に限られないことはいうまでもない。
【００３３】
図１１は、第２実施形態に係る生体センサーを示す模式図である。
この第２実施形態では（Ａ）に示されるように、受光素子２６が第２基板としての基板２３に形成されている。そして、基板２３は、受光素子２６がフィルター２５を挟むように、基板２２の非装着面に接着剤２８によって貼り合わせられている。このため、（Ｂ）に示されるように、結果的に、受光素子２６が基板２２に対して非装着面側に設けられるので、受光素子２６は、発光素子２４に対して図３に示した第１実施形態とほぼ同様な位置関係になる。
なお、接着剤２８としては、紫外線硬化型やエポキシ系などが用いられる。
【００３４】
基板２３に形成される受光素子２６の詳細については図示を省略するが、基板２３を起点として順に、陰極としての電極層、アモルファスシリコン層および陽極としての電極層を積層した構造になる。なお、陽極としての電極層は、基板２２を透過した光を、アモルファスシリコン層に導く必要があるので、透明性を有するＩＴＯなどが用いられる。また、陰極としての電極層は反射層を兼ねても良い。受光素子２６は、基板２２の透過光を受光するので、基板２３に光透過性は不要である。
第２実施形態においては、基板２３を除けば各部の位置関係が第１実施形態と同様なので、体動があっても、被験者の血管反射を経ていない光の受光を回避しつつ、微弱な光成分を効率良く受光することができる。
特に第２実施形態では、発光素子２４が形成された基板２２と受光素子２６が形成された基板２３との良品同士を貼り合わせれば良いので、基板２２の一方の面に発光素子２４を設けるとともに他方の面に受光素子２６を設ける構成と比較して、歩留まりを向上させることができる。
【００３５】
図１２は、第３実施形態に係る生体センサーを示す模式図である。
導光部材２９については、第１（第２）実施形態では、発光素子２４に被せるように設けたが、第３実施形態では、基板２２の装着面側において、発光素子２４が設けられていない部分に、受光素子２６に対向した部分に設けられている。
接触面２９ｂは、第１（第２）実施形態と同様に、基板２２の接触面に対して被験者側に突出するので、被験者が体動しても、受光素子２６の受光領域に対応した接触面２９ｂと皮膚５２との位置がずれにくくなる。このため、必然的に皮膚５２と、受光素子２６（発光素子２４）との相対的な位置もずれにくくなる。
一方、第３実施形態においても、導光部材２９の側面には反射層２９ａが設けられるので、発光素子２４の出射効率とともに、受光素子２６の受光効率が高められる。したがって、第３実施形態によれば、第１（第２）実施形態と同様に体動があっても微弱な光成分を精度良く検出することができる。
【００３６】
なお、図５に示されるように発光素子２４の発光面２４Ａ、２４Ｂを二重リング状とする場合、平面視したときにハッチングで示される受光面２６Ｃ、２６Ｄ、２６Ｅに対応して円形またはリング状に形成した導光部材２９を基板２２に嵌め込む構成となる。また、図１０に示されるように発光素子２４の発光面をタイル状とする場合、平面視したときにハッチングで示される領域に対応した個々の形状とした導光部材２９を嵌め込む構成となる。
【００３７】
図１３は、第４実施形態に係る生体センサーを示す模式図である。
この図に示されるように、第４実施形態では、受光素子２６が、発光素子２４とともに基板２２の装着面側に設けられている。ここで、受光素子２６は、非装着面側からの侵入光を遮光するために、基板２２とは受光面の周縁を含むような遮光層２６６を介して設けられている。
導光部材２９は、この受光素子２６に被さるとともに、接触面２９ｂが発光素子２４の発光面よりも生体側に突出している。このため、他の実施形態と同様に、被験者が体動しても、受光領域に対応した接触面２９ｂと皮膚５２との位置がずれにくくなる。一方、導光部材２９の側面には設けられた反射層２９ａによって、発光素子２４の出射効率とともに、受光素子２６の受光効率が高められる。したがって、第４実施形態によれば、他の実施形態と同様に体動があっても微弱な光成分を精度良く検出することができる。
【００３８】
なお、図１３の例では、導光部材２９を受光素子２６に被せるように設けたが、発光素子２４に被せるように、接触面２９ｂが発光素子２４の発光面よりも生体側に突出するように設けても良い。
また、導光部材２９を発光素子２４および受光素子２６の双方に被せるように設けた構成としても良い。この構成においては、被験者と位置ずれしにくいように、発光素子２４または受光素子２６のどちらか一方に被せた導光部材２９の接触面２９ｂを、発光素子２４または受光素子２６のどちらか他方に被せた導光部材２９の接触面２９ｂよりも生体側に突出させれば良い。
【００３９】
本発明は、上述した実施形態のほかに、種々の応用・変形が可能である。
例えば、図３、図１１、図１２に示した例では、発光素子２４を基板２２の装着面側に、受光素子２６を基板２２の非装着面側に、それぞれ設けたが、反対に、発光素子２４を基板２２の非装着面側に、受光素子２６を基板２２の装着面側に設けた構成としても良い。この構成では、発光素子２４は、基板２２の側に光を出射するので、ボトムエミッション型となる。この構成において導光部材２９については、基板２２の装着面側において、受光素子２６に被せるように設けても良いし、受光素子２６が設けられている部分を避けるように、発光素子２４に対向した部分に設けても良い。
【００４０】
各実施形態では、被験者の測定部位を左手首としたが、例えばカフ体に生体センサーを組み込むことによって、指先を測定部位にしても良い。換言すれば、指尖脈波を検出するようにしても良い。
【００４１】
また、実施形態については、生体センサーとして、脈波を検出する構成を例示したが、動脈血の酸素飽和度を検出するセンサーにも適用可能である。血液中のヘモグロビンは、酸素との結合の有無により赤色光と赤外光の吸光度が異なる。そこで、赤色光を発光・受光する素子、赤外光を発光・受光する素子、などのように発光波長および受光波長を異ならせた素子組を複数組用意する一方、これらの反射光を測定・解析することによって酸素飽和度を検出することができる。
また、血管としては、動脈・静脈のいずれでも良い。
生体情報としては、生体の血管のパターンでも良く、この血管パターンから当該生体を認証する認証装置にも適用可能である。
測定対象は、ヒトに限らず、動物でも良いのはもちろんである。
【符号の説明】
【００４２】
１…生体情報検出装置、２０…生体センサー、２２、２３…基板、２４…発光素子、２６…受光素子、２８…接着剤、２９…導光部材、２９ａ…反射層、２９ｂ…接触面、５０…演算処理回路、１００…表示部、２４１…反射層、２４２…第１電極層、２４４…第２電極層、２４３…有機層、２４３ｂ…発光層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基板に設けられ、生体に向けて光を照射する発光素子と、
前記第１基板に設けられ、前記生体からの光を受光する受光素子と、
光透過性を有し、前記第１基板に対して前記発光素子または前記受光素子の一方に対応して設けられ、前記生体に接触する接触面が前記発光素子または前記受光素子の他方よりも前記生体側に突出した導光部材と、
を具備することを特徴とする生体センサー。
【請求項２】
前記導光部材は、
前記基板に対して鉛直方向となる側面で反射性を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の生体センサー。
【請求項３】
前記第１基板は、光透過性を有し、
前記発光素子は、前記第１基板の一方の面側に設けられ、
前記受光素子は、前記第１基板の他方の面側に設けられ、前記発光素子から出射した光のうち、前記生体からの反射光を受光する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の生体センサー。
【請求項４】
前記発光素子は、
前記第１基板から向かって順に、反射層、第１電極層、発光層および第２電極層を少なくとも含んだ積層体であって、前記第１基板側とは反対側に光を出射し、
前記第１電極層および第２電極層は、それぞれ光透過性を有し、
前記受光素子は、前記第１基板を透過した光を受光する
ことを特徴とする請求項３に記載の生体センサー。
【請求項５】
前記受光素子は、第２基板における一方の面に設けられ、
前記第２基板における一方の面が前記第１基板の他方の面に対向するように、前記第１基板と前記第２基板とが貼り合わせられた
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の生体センサー。
【請求項６】
前記導光部材は、前記第１基板の一方の面側に前記発光素子を覆うように設けられた
ことを特徴とする請求項４または５に記載の生体センサー。
【請求項７】
前記導光部材は、前記第１基板の一方の面側に前記発光素子の非配置部分に設けられた
ことを特徴とする請求項４または５に記載の生体センサー。
【請求項８】
前記基板を平面視したときに、
前記発光素子は、前記受光素子に含まれるように配置されている
ことを特徴とする請求項４または５に記載の生体センサー。
【請求項９】
前記基板を平面視したときに、
前記発光素子は、同心円状の発光面を有する
ことを特徴とする請求項８に記載の生体センサー。
【請求項１０】
前記基板を平面視したときに、
前記発光素子は、所定の間隔をおいてマトリクス状に配列した発光面を有する
ことを特徴とする請求項８に記載の生体センサー。
【請求項１１】
前記基板を平面視したときに、
前記受光素子の受光面の面積は、
前記発光素子の発光面の面積以上である
ことを特徴とする請求項９または１０に記載の生体センサー。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれかに記載の生体センサーと、
前記受光素子から出力される信号に基づいて生体情報を出力する演算処理回路と、
を備える生体情報検出装置。
【請求項１】
第１基板に設けられ、生体に向けて光を照射する発光素子と、
前記第１基板に設けられ、前記生体からの光を受光する受光素子と、
光透過性を有し、前記第１基板に対して前記発光素子または前記受光素子の一方に対応して設けられ、前記生体に接触する接触面が前記発光素子または前記受光素子の他方よりも前記生体側に突出した導光部材と、
を具備することを特徴とする生体センサー。
【請求項２】
前記導光部材は、
前記基板に対して鉛直方向となる側面で反射性を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の生体センサー。
【請求項３】
前記第１基板は、光透過性を有し、
前記発光素子は、前記第１基板の一方の面側に設けられ、
前記受光素子は、前記第１基板の他方の面側に設けられ、前記発光素子から出射した光のうち、前記生体からの反射光を受光する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の生体センサー。
【請求項４】
前記発光素子は、
前記第１基板から向かって順に、反射層、第１電極層、発光層および第２電極層を少なくとも含んだ積層体であって、前記第１基板側とは反対側に光を出射し、
前記第１電極層および第２電極層は、それぞれ光透過性を有し、
前記受光素子は、前記第１基板を透過した光を受光する
ことを特徴とする請求項３に記載の生体センサー。
【請求項５】
前記受光素子は、第２基板における一方の面に設けられ、
前記第２基板における一方の面が前記第１基板の他方の面に対向するように、前記第１基板と前記第２基板とが貼り合わせられた
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の生体センサー。
【請求項６】
前記導光部材は、前記第１基板の一方の面側に前記発光素子を覆うように設けられた
ことを特徴とする請求項４または５に記載の生体センサー。
【請求項７】
前記導光部材は、前記第１基板の一方の面側に前記発光素子の非配置部分に設けられた
ことを特徴とする請求項４または５に記載の生体センサー。
【請求項８】
前記基板を平面視したときに、
前記発光素子は、前記受光素子に含まれるように配置されている
ことを特徴とする請求項４または５に記載の生体センサー。
【請求項９】
前記基板を平面視したときに、
前記発光素子は、同心円状の発光面を有する
ことを特徴とする請求項８に記載の生体センサー。
【請求項１０】
前記基板を平面視したときに、
前記発光素子は、所定の間隔をおいてマトリクス状に配列した発光面を有する
ことを特徴とする請求項８に記載の生体センサー。
【請求項１１】
前記基板を平面視したときに、
前記受光素子の受光面の面積は、
前記発光素子の発光面の面積以上である
ことを特徴とする請求項９または１０に記載の生体センサー。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれかに記載の生体センサーと、
前記受光素子から出力される信号に基づいて生体情報を出力する演算処理回路と、
を備える生体情報検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−１５７（Ｐ２０１３−１５７Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３０９８４（Ｐ２０１１−１３０９８４）
【出願日】平成２３年６月１３日（２０１１．６．１３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１３日（２０１１．６．１３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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