生体センサーおよび生体情報検出装置
【課題】発光部と受光部とを備える生体センサーにおいて迷光の影響を低く抑える。
【解決手段】光透過性を有する基板２１、２２と、被験体に、基板２２の裏面に設けられ、基板２２、２１を順に介して光を照射する発光部２４と、基板２１のうち被験体との対向面側に、受光面を被験体に向けて設けられ、被験体からの受光に応じた信号を出力する受光部２６と、平面視したときに受光面２６ａの内周縁部での開口部２７ａを除き、受光部２６のを覆うように形成された遮光部２７とを具備する。
【解決手段】光透過性を有する基板２１、２２と、被験体に、基板２２の裏面に設けられ、基板２２、２１を順に介して光を照射する発光部２４と、基板２１のうち被験体との対向面側に、受光面を被験体に向けて設けられ、被験体からの受光に応じた信号を出力する受光部２６と、平面視したときに受光面２６ａの内周縁部での開口部２７ａを除き、受光部２６のを覆うように形成された遮光部２７とを具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脈波数や酸素飽和度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、発光部によって生体に光を照射する一方、当該生体の血液で反映した光を受光部によって受光し、電気信号に変換して出力する生体センサーが知られている（例えば特許文献１、２参照）。血液で反射された光は、脈拍数や酸素飽和度などの生体情報を反映しているので、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２３１５７７号公報
【特許文献２】特開２００４−１７３８２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、血液は、生体の細血管を流れているために、実際には出射光に対して微弱である。このため、発光部と受光部とを同一基板の同一面に設けた構成では、当該発光部から照射された光が、当該受光部に漏れ光として入射してしまうことがある。この漏れ光は、生体情報を全く反映していないので、生体情報を反映した光にとってみれば、ノイズ成分として作用する。このため、上記生体センサーでは、微弱な光成分を精度良く検出することができない、という点が指摘された。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、生体情報を反映した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】
【０００５】
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、光透過性を有する第１基板と、被験体に、前記第１基板を介して光を照射する発光部と、前記第１基板のうち前記被験体との対向面側に、受光面を前記被験体に向けて設けられ、前記被験体からの受光に応じた信号を出力する受光部と、平面視したときに前記受光面を露出させるように設けられた開口部を有し、前記受光部を覆うように形成された遮光部と、を具備することを特徴とする。
本発明では、発光部が第１基板を介して被験者に光を照射する一方、第１基板の対向面に、受光面を被験者に向けた受光部が、遮光部の開口部を通過する光を受光する。このため、被験者で反射した成分以外の光、すなわち生体情報を反映した光成分以外の光については、開口部を通過しにくくなる。したがって、本発明によれば、生体情報を反映した微弱な光成分を精度良く検出することが可能になる。
【０００６】
ところで、発光部と受光部とを同一の基板に設ける構成では、製造プロセスの長期化や歩留まりの低下などを招きやすい。そこで、本発明において、前記発光部は、光透過性を有する第２基板に設けられ、前記被験体に、前記第２基板および前記第１基板を順に介して光を照射し、前記第１基板および前記第２基板が互いに貼り合わせられた構成が好ましい。この構成によれば、受光部が設けられた第１基板とは別の第２基板に発光部が設けられるので、製造プロセスの短縮化や歩留まりの改善を図ることができる。
【０００７】
この構成において、前記発光部は、前記第２基板から順に、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る態様としても良い。この態様によれば、発光部を、薄膜形成技術を用いて第２基板に形成することができる。なお、発光部としては例えばＯＬＥＤが好適である。
この態様において、前記遮光部における開口部の直径を、当該開口部の深さよりも小さくすると、受光面に対して斜め４５度以上の角度で入射する光の受光を抑えることができる。
上記態様において、前記遮光部における開口部に、前記受光面から順に第１受光部保護層および第２受光部保護層を形成し、前記第１受光部保護層の屈折率を、前記第２受光部保護層の屈折率よりも低くしても、受光面に対して斜め方向の角度で入射する光成分の受光を抑えることができる。
また、平面視したときに、前記発光部は、前記受光部を囲むように複数個に設けられた構成も好ましい。この構成によれば、被験者に照射される光量が増加するので、その分、生体情報を反映した光成分も増加するからである。
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】
【０００８】
【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】実施形態に係る生体センサーを示す平面図である。
【図４】図３におけるＤ−ｄ線で切断した断面図等である。
【図５】生体センサーにおける光の出射・入射を示す図である。
【図６】生体センサーにおける遮光部の一例を示す図である。
【図７】生体センサーにおける遮光部の他の例を示す図である。
【図８】生体情報検出装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態に係る生体センサー等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。
【００１０】
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を示す図である。この生体情報検出装置１は、被験者の生体情報として例えば脈拍数を検出して出力するものである。
図に示されるように、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の外周部のうち、中心部を挟んで対向する部分には、被験者（被験体）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の裏側が被験者に接触して状態で、装着されることになる。
【００１１】
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いる。中空部１５には、生体センサー２０が取り付けられている。生体センサー２０は、発光部２４、受光部２６および遮光部２７を含み、筐体１０が被験者に装着されたときに、受光部２６を覆う遮光部２７が当該被験者に接触するように構成されている。
なお、中空部１５には、図示省略されているが、実際には上述した演算処理回路なども実装される。また、説明の便宜上、生体センサー２０において被験者に接触する側を装着側と呼んでいる。
【００１２】
図３は、生体情報検出装置１に取り付ける前の生体センサー２０の構成を装着側から見た平面図であり、図４の（Ｂ）は、図３におけるＤ−ｄ線で破断した断面図である。図４の（Ａ）は、生体センサー２０について基板同士を貼り合わる前の構造を示す図である。
これらの図に示されるように、生体センサー２０は、第１基板としての基板２１と、第２基板としての基板２２とを互いに貼り合わせた構成となっており、装着側からみたときに、基板２１が手前側に、基板２２が奥側に、それぞれ位置する。基板２１、２２は、いずれも光透過性を有する
発光部２４と受光部２６とについては、図３に示されるように、装着側から平面視したときに、受光部２６を囲むように例えば８個の発光部２４が配置している。
【００１３】
発光部２４は、図４の（Ａ）または（Ｂ）に示されるように、装着側からみて奥側に位置する基板２２のうち、基板２１との非対向面（裏面）に、種々の薄膜を積層することによって形成されている。詳細には、発光部２４を有機発光ダイオード（Organic Light Emitting Diode）とする場合、基板２２を起点として順に、第１電極層２４１、有機層２４２、第２電極層２４３を順に積層した構成となっている。
ここで、第１電極層２４１は、ＯＬＥＤの陽極であり、光透過性を有する導電層、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などからなる。
有機層２４２は、少なくとも発光層を含むものであり、当該発光層は、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た発光層をインクジェット法によって形成したものである。ここで、インクジェット法とは、層材料を、溶媒に溶解または分散させるとともに、そのインク組成物をインクジェットヘッドから吐出させ、さらに、乾燥処理を経てパターン形成する、という方法である。
第２電極層２４３は、ＯＬＥＤの陰極であり、反射性を有する導電層、例えば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などからなる。
封止層２５は、酸素や水分の侵入によるＯＬＥＤの劣化を防ぐために、発光部２４を含む基板２２の裏面を覆うように設けられている。封止層２５は、例えばシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ）からなる。
【００１４】
このように構成される発光部２４において、陽極から陰極に向かって順方向にバイアスがかかると、陽極側から注入される正孔と陰極側から注入される電子とが有機層２４２に含まれる発光層で結合して、当該発光層の材料に応じたスペクトルの光が発生する。この光は、基板２２、２１を順に透過して、被験者に向けて出射される。このため、発光部２４は、自身が形成された基板２２を介して光を出射する、いわゆるボトムエミッション構造となる。
したがって、上述したように基板２１、２２には光透過性を有するガラス等が用いられる。ここでいう光透過性とは、発光部２４から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。
なお、上記有機層２４２については、第１電極層２４１から順に、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電位輸送層、電子注入層というように、多層化しても良い。また、図４において、第１電極層２４１および第２電極層２４３は、それぞれパターニングされているが、いわゆるベタ状であっても構わない。
【００１５】
一方、受光部２６および遮光部２７は、図４に示されるように、装着側からみて手前側に位置する基板２１のうち、装着側の面（被験者との対向面）に形成されている。
詳細には、図３および図４に示されるように、遮光部２７は、平面視したときに、受光部２６のうち、被験者に対向する受光面２６ａの開口部２７ａを除き、受光部２６の全体を覆うように形成されている。開口部２７ａは、受光面２６ａの内周縁を開口するように設けられている。
【００１６】
遮光部２７は、例えば次のような複数プロセスに分けて形成される。すなわち、第１に、基板２１の装着側の面に、遮光層（１層目）を成膜して、円形にパターニングする。第２に、円形にパターニングした遮光層を、いわば座布団にして、受光部２６を形成する。第３に、基板２１の装着側の面および受光部２６を覆うように、再び遮光層（２層目）を成膜する。第４に、２層目の遮光層のうち、基板２１において発光部２４の光を透過させるための領域、および、開口部２７ａに相当する領域を、フォトリソグラフィ技術によって除去する。
これによって、１層目の遮光層に２層目の遮光層が合体するので、図３、図４に示されるように、遮光部２７が受光部２６を覆うように形成されることになる。
なお、遮光部２７の材料としてはアルミニウムやクロムなどの遮光材料を用いることができる。
【００１７】
受光部２６は、基板２１の装着面側に、種々の薄膜を積層することによって形成される。 詳細には、受光部２６を例えば光吸収型の有機フォトダイオード（Organic Photodiode）とする場合、基板２１の装着面に上記１層目の遮光層に対する絶縁性の下地となる保護層を形成した上で、順に陰極層、受光層、光透明性を有する陽極層を積層した構造とすれば良い。このような構成において、受光層に、開口部２７ａを通過して光が入射すると、電子および正孔の対が発生する。ここで、陰極と陽極とで逆方向にバイアスをかけると、電子および正孔が分離・移動するので、受光部２６には、入射光量に応じた電流が流れることになる。
【００１８】
本実施形態では、最終的には、図４（Ｂ）に示されるように、発光部２４と受光部２６とが背中合わせとなるように、基板２１と基板２２とが接着剤によって貼り合わせられて、生体センサー２０が構成されることになる。ここで接着剤としては、紫外線硬化型やエポキシ系などが用いられる。
本実施形態では、基板２１、２２の良品同士を貼り合わせれば良いので、１つの基板の一方の面に発光部２４を設けるとともに他方の面に受光部２６を設ける構成と比較して、製造プロセスの短縮化や製造時における歩留まり改善を図ることができる。
【００１９】
図５は、生体センサー２０における光の出射・入射の経路を示す図である。
上述したように、遮光部２７は、受光面２６ａの開口部２７ａを除き、受光部２６の全体を覆うように形成されている。ここで、符号２７ｂ、２７ｃ、２７ｄは、それぞれ遮光部２７の上面、底面、側面である。遮光部２７は、基板２１の側から形成されるために、基板２１を基準にして捉える。このため、図において上側が底面２７ｃ（下側が上面２７ｂ）としている。
なお、図５の構成では受光部２６の受光面２６ａを除いて、上面２７ｂ、底面２７ｃおよび側面２７ｄを遮光しているが、必ずしもこれら全ての面を覆うように遮光する必要はなく、受光部２６にとってノイズとなる光の入射方向に応じて、受光部２６の必要な面を覆うように遮光部を設ければよい。
筐体１０（図１参照）が被験者に装着されたとき、遮光部２７が当該被験者に接触する。このため、図５に示されるように、被験者の皮膚４０が、遮光部２７において開口部２７ａが設けられた上面２７ｂに接触することになる。
【００２０】
有機層２４２の発光層から発せられた光は、四方に放射されるが、上側に向かう光は第２電極層２４３によって反射する。このため、発光部２４からの光は、図においてほぼ下側に向かって出射するので、基板２２、２１の順に通過する。
この出射光のうち、受光部２６の背面に到達した成分は、遮光部２７の底面２７ｃによって遮光されるので、受光部２６の受光に影響を与えることはない。同様に、受光部２６の側面に到達した成分は、遮光部２７の側面２７ｄによって遮光されるので、受光部２６の受光に影響を与えることはない。
【００２１】
一方、発光部２４から出射されて基板２２、２１を順に通過した光のうち、遮光部２７によって遮光されなかった光は、被験者の皮膚４０に侵入する。皮膚４０に侵入した光は、血管４２に到達して、当該血管４２を流れる血液によって反射されたり、吸収されたり、あるいは血液を透過したりする。血管４２に流れる血液によって反射した光のうち、開口部２７ａを通過する光だけが受光部２６に入射する。
ここで、血管４２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４２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、受光部２６から出力される電流の変化は、血管４２の容積変化を示すことになる。
【００２２】
本実施形態に係る生体センサー２０によれば、生体情報を反映した光成分に対して、生体情報を反映していないノイズとなる光成分が、受光部２６によって受光されてしまうのが抑えられるので、生体情報を反映した微弱な光成分を精度良く検出することができるのである。
【００２３】
また、筐体１０が被験者に装着されている場合に、なんらかの理由により、例えば被験者が運動することにより、筐体１０が振れて上面２７ｂが皮膚４０から離れて隙間が生じるときがある。このとき生じた隙間を介した光は、深い角度で、すなわち皮膚４０の表面沿った方向から侵入するが、開口部２７ａを通過することができない。このため、本実施形態に係る生体センサー２０によれば、体動があっても、生体情報の検出精度が低下しにくくすることができる。
【００２４】
具体的には、図６（Ａ）に示されるように、開口部２７ａの直径をＲとし、開口部２７ａの深さ（遮光部２７の厚さ）をｄとしたときに、
Ｒ＜ｄ
となるように遮光部２７が形成される。この遮光部２７では、上面２７ｂが皮膚４０から離れて隙間が生じても、図６（Ｂ）に示される入射角θが４５度以上である光は、開口部２７ａを通過することができず、受光部２６への入射が阻止される。また、上面２７ｂが皮膚４０から離れていなくても、入射角θが４５度以上であるような光は、生体情報を反映していない光成分である場合もありえる。
本実施形態によれば、このような光成分が受光部２６に入射しないので、この意味においても、生体情報を精度良く検出することができるのである。
【００２５】
また、図７（Ａ）に示されるように、開口部２７ａにおいて、受光面２６ａの側に保護層２６１（第１受光部保護層）を設け、その次に保護層２６２（第２受光部保護層）を設けて、保護層２６１の屈折率ｎ１を保護層２６２の屈折率ｎ２より小さくしても良い。このようにすると、保護層２６１、２６２の界面に対し、図７（Ｂ）に示される角度θaで入射した光は、角度θaよりも大きな角度θbで出射するので、受光部２６への入射を阻止しやすくなる。このため、生体情報を精度良く検出することができる。
【００２６】
図８は、実施形態に係る生体センサー２０を用いた生体情報検出装置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５０は、演算処理回路６０による指示にしたがって電流を常時または間欠的に供給して、発光部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５５は、受光部２６に流れる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。
【００２７】
演算処理回路６０は、発光部２４から光が出射された場合に受光部２６によって受光された信号、すなわち生体情報を反映した光の信号を処理する。例えば、演算処理回路６０は、当該デジタルデータから脈拍数を算出したり、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する。なお、これらの情報・データを外部のコンピューターに転送したり、図示省略した表示部に表示させたり、音声合成によって出力したりしても良い。
【００２８】
本発明は、上述した実施形態のほかにも、種々の応用・変形が可能である。
発光部２４と受光部２６とについては、互いに異なる面に形成されるとともに、発光部２４が光を被験者に向けて出射し、受光部２６が開口部２７ａを通過した光を受光する構成であれば、配列・個数や、発光面・受光面の形状については任意である。
例えば、実施形態では、受光部２６を囲むように複数の発光部２４を配置したが、発光部２４と受光部２６をそれぞれ１個ずつとしても良い。ただし、実施形態と比較して、被験者に照射される光が弱くなり、それだけ受光量も減る。また、開口部２７ａの平面的な形状についても、円形に限られない。
【００２９】
図４（Ａ）において、発光部２４を、基板２１のうち受光部２６および遮光部２７が形成された面と反対側の裏面に形成した構成としても良い。ただし、この構成では、基板２１において装着側からみて表面に受光部２６、遮光部２７を形成し、裏面に発光部２４を形成する必要があるので、製造プロセスが長期化しやすい。また、いずれかの面の形成プロセスにおいて欠陥が発生してしまうと、その時点で不良品となってしまうので、実施形態と比較して製造時の歩留まりが低下して、その分、コストアップを招きやすい。
なお、実施形態においては、遮光部２７が受光部２６に接する構造となっているが、受光部２６と遮光部２７との間に別の層などを介在させてもよい。ただし、接する構造の方が受光部に対する遮光性は高い。
【００３０】
また、本実施形態に係る生体センサー２０において、発光部２４としてＯＬＥＤを用いたが、これに限られず、ＬＥＤなど、種々の素子が適用可能である。
また、受光部２６として有機フォトダイオードに限られない。例えば、受光部２６としては、ＣＣＤ（Charge Coupled Device)などを用いても良いし、ナノ（マイクロ）クリスタル薄膜や、ＣＧＩＳ（Copper：銅、Gallium：ガリウム、Indium：インジウム、Selenium：セレン）の化合物からなる薄膜を受光層に用いた太陽電池でも良い。いずれにしても、受光部２６としては、受光に応じた信号を出力する光電変換素子であれば良い。
【００３１】
また、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。
【００３２】
生体センサー２０は、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、赤色光の発光・受光部、赤外光の発光・受光部、などのように発光波長および受光波長を異ならせた発光・受光部の組を複数用意する一方、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】
【００３３】
１…生体情報検出装置、２０…生体センサー、２１、２２…基板、２４…発光部、２６…受光部、２６ａ…受光面、２７…遮光部、４２…血管、５０…演算処理回路、２６１、２６２…保護層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脈波数や酸素飽和度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、発光部によって生体に光を照射する一方、当該生体の血液で反映した光を受光部によって受光し、電気信号に変換して出力する生体センサーが知られている（例えば特許文献１、２参照）。血液で反射された光は、脈拍数や酸素飽和度などの生体情報を反映しているので、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２３１５７７号公報
【特許文献２】特開２００４−１７３８２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、血液は、生体の細血管を流れているために、実際には出射光に対して微弱である。このため、発光部と受光部とを同一基板の同一面に設けた構成では、当該発光部から照射された光が、当該受光部に漏れ光として入射してしまうことがある。この漏れ光は、生体情報を全く反映していないので、生体情報を反映した光にとってみれば、ノイズ成分として作用する。このため、上記生体センサーでは、微弱な光成分を精度良く検出することができない、という点が指摘された。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、生体情報を反映した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】
【０００５】
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、光透過性を有する第１基板と、被験体に、前記第１基板を介して光を照射する発光部と、前記第１基板のうち前記被験体との対向面側に、受光面を前記被験体に向けて設けられ、前記被験体からの受光に応じた信号を出力する受光部と、平面視したときに前記受光面を露出させるように設けられた開口部を有し、前記受光部を覆うように形成された遮光部と、を具備することを特徴とする。
本発明では、発光部が第１基板を介して被験者に光を照射する一方、第１基板の対向面に、受光面を被験者に向けた受光部が、遮光部の開口部を通過する光を受光する。このため、被験者で反射した成分以外の光、すなわち生体情報を反映した光成分以外の光については、開口部を通過しにくくなる。したがって、本発明によれば、生体情報を反映した微弱な光成分を精度良く検出することが可能になる。
【０００６】
ところで、発光部と受光部とを同一の基板に設ける構成では、製造プロセスの長期化や歩留まりの低下などを招きやすい。そこで、本発明において、前記発光部は、光透過性を有する第２基板に設けられ、前記被験体に、前記第２基板および前記第１基板を順に介して光を照射し、前記第１基板および前記第２基板が互いに貼り合わせられた構成が好ましい。この構成によれば、受光部が設けられた第１基板とは別の第２基板に発光部が設けられるので、製造プロセスの短縮化や歩留まりの改善を図ることができる。
【０００７】
この構成において、前記発光部は、前記第２基板から順に、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る態様としても良い。この態様によれば、発光部を、薄膜形成技術を用いて第２基板に形成することができる。なお、発光部としては例えばＯＬＥＤが好適である。
この態様において、前記遮光部における開口部の直径を、当該開口部の深さよりも小さくすると、受光面に対して斜め４５度以上の角度で入射する光の受光を抑えることができる。
上記態様において、前記遮光部における開口部に、前記受光面から順に第１受光部保護層および第２受光部保護層を形成し、前記第１受光部保護層の屈折率を、前記第２受光部保護層の屈折率よりも低くしても、受光面に対して斜め方向の角度で入射する光成分の受光を抑えることができる。
また、平面視したときに、前記発光部は、前記受光部を囲むように複数個に設けられた構成も好ましい。この構成によれば、被験者に照射される光量が増加するので、その分、生体情報を反映した光成分も増加するからである。
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】
【０００８】
【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】実施形態に係る生体センサーを示す平面図である。
【図４】図３におけるＤ−ｄ線で切断した断面図等である。
【図５】生体センサーにおける光の出射・入射を示す図である。
【図６】生体センサーにおける遮光部の一例を示す図である。
【図７】生体センサーにおける遮光部の他の例を示す図である。
【図８】生体情報検出装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態に係る生体センサー等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。
【００１０】
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を示す図である。この生体情報検出装置１は、被験者の生体情報として例えば脈拍数を検出して出力するものである。
図に示されるように、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の外周部のうち、中心部を挟んで対向する部分には、被験者（被験体）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の裏側が被験者に接触して状態で、装着されることになる。
【００１１】
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いる。中空部１５には、生体センサー２０が取り付けられている。生体センサー２０は、発光部２４、受光部２６および遮光部２７を含み、筐体１０が被験者に装着されたときに、受光部２６を覆う遮光部２７が当該被験者に接触するように構成されている。
なお、中空部１５には、図示省略されているが、実際には上述した演算処理回路なども実装される。また、説明の便宜上、生体センサー２０において被験者に接触する側を装着側と呼んでいる。
【００１２】
図３は、生体情報検出装置１に取り付ける前の生体センサー２０の構成を装着側から見た平面図であり、図４の（Ｂ）は、図３におけるＤ−ｄ線で破断した断面図である。図４の（Ａ）は、生体センサー２０について基板同士を貼り合わる前の構造を示す図である。
これらの図に示されるように、生体センサー２０は、第１基板としての基板２１と、第２基板としての基板２２とを互いに貼り合わせた構成となっており、装着側からみたときに、基板２１が手前側に、基板２２が奥側に、それぞれ位置する。基板２１、２２は、いずれも光透過性を有する
発光部２４と受光部２６とについては、図３に示されるように、装着側から平面視したときに、受光部２６を囲むように例えば８個の発光部２４が配置している。
【００１３】
発光部２４は、図４の（Ａ）または（Ｂ）に示されるように、装着側からみて奥側に位置する基板２２のうち、基板２１との非対向面（裏面）に、種々の薄膜を積層することによって形成されている。詳細には、発光部２４を有機発光ダイオード（Organic Light Emitting Diode）とする場合、基板２２を起点として順に、第１電極層２４１、有機層２４２、第２電極層２４３を順に積層した構成となっている。
ここで、第１電極層２４１は、ＯＬＥＤの陽極であり、光透過性を有する導電層、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などからなる。
有機層２４２は、少なくとも発光層を含むものであり、当該発光層は、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た発光層をインクジェット法によって形成したものである。ここで、インクジェット法とは、層材料を、溶媒に溶解または分散させるとともに、そのインク組成物をインクジェットヘッドから吐出させ、さらに、乾燥処理を経てパターン形成する、という方法である。
第２電極層２４３は、ＯＬＥＤの陰極であり、反射性を有する導電層、例えば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などからなる。
封止層２５は、酸素や水分の侵入によるＯＬＥＤの劣化を防ぐために、発光部２４を含む基板２２の裏面を覆うように設けられている。封止層２５は、例えばシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ）からなる。
【００１４】
このように構成される発光部２４において、陽極から陰極に向かって順方向にバイアスがかかると、陽極側から注入される正孔と陰極側から注入される電子とが有機層２４２に含まれる発光層で結合して、当該発光層の材料に応じたスペクトルの光が発生する。この光は、基板２２、２１を順に透過して、被験者に向けて出射される。このため、発光部２４は、自身が形成された基板２２を介して光を出射する、いわゆるボトムエミッション構造となる。
したがって、上述したように基板２１、２２には光透過性を有するガラス等が用いられる。ここでいう光透過性とは、発光部２４から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。
なお、上記有機層２４２については、第１電極層２４１から順に、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電位輸送層、電子注入層というように、多層化しても良い。また、図４において、第１電極層２４１および第２電極層２４３は、それぞれパターニングされているが、いわゆるベタ状であっても構わない。
【００１５】
一方、受光部２６および遮光部２７は、図４に示されるように、装着側からみて手前側に位置する基板２１のうち、装着側の面（被験者との対向面）に形成されている。
詳細には、図３および図４に示されるように、遮光部２７は、平面視したときに、受光部２６のうち、被験者に対向する受光面２６ａの開口部２７ａを除き、受光部２６の全体を覆うように形成されている。開口部２７ａは、受光面２６ａの内周縁を開口するように設けられている。
【００１６】
遮光部２７は、例えば次のような複数プロセスに分けて形成される。すなわち、第１に、基板２１の装着側の面に、遮光層（１層目）を成膜して、円形にパターニングする。第２に、円形にパターニングした遮光層を、いわば座布団にして、受光部２６を形成する。第３に、基板２１の装着側の面および受光部２６を覆うように、再び遮光層（２層目）を成膜する。第４に、２層目の遮光層のうち、基板２１において発光部２４の光を透過させるための領域、および、開口部２７ａに相当する領域を、フォトリソグラフィ技術によって除去する。
これによって、１層目の遮光層に２層目の遮光層が合体するので、図３、図４に示されるように、遮光部２７が受光部２６を覆うように形成されることになる。
なお、遮光部２７の材料としてはアルミニウムやクロムなどの遮光材料を用いることができる。
【００１７】
受光部２６は、基板２１の装着面側に、種々の薄膜を積層することによって形成される。 詳細には、受光部２６を例えば光吸収型の有機フォトダイオード（Organic Photodiode）とする場合、基板２１の装着面に上記１層目の遮光層に対する絶縁性の下地となる保護層を形成した上で、順に陰極層、受光層、光透明性を有する陽極層を積層した構造とすれば良い。このような構成において、受光層に、開口部２７ａを通過して光が入射すると、電子および正孔の対が発生する。ここで、陰極と陽極とで逆方向にバイアスをかけると、電子および正孔が分離・移動するので、受光部２６には、入射光量に応じた電流が流れることになる。
【００１８】
本実施形態では、最終的には、図４（Ｂ）に示されるように、発光部２４と受光部２６とが背中合わせとなるように、基板２１と基板２２とが接着剤によって貼り合わせられて、生体センサー２０が構成されることになる。ここで接着剤としては、紫外線硬化型やエポキシ系などが用いられる。
本実施形態では、基板２１、２２の良品同士を貼り合わせれば良いので、１つの基板の一方の面に発光部２４を設けるとともに他方の面に受光部２６を設ける構成と比較して、製造プロセスの短縮化や製造時における歩留まり改善を図ることができる。
【００１９】
図５は、生体センサー２０における光の出射・入射の経路を示す図である。
上述したように、遮光部２７は、受光面２６ａの開口部２７ａを除き、受光部２６の全体を覆うように形成されている。ここで、符号２７ｂ、２７ｃ、２７ｄは、それぞれ遮光部２７の上面、底面、側面である。遮光部２７は、基板２１の側から形成されるために、基板２１を基準にして捉える。このため、図において上側が底面２７ｃ（下側が上面２７ｂ）としている。
なお、図５の構成では受光部２６の受光面２６ａを除いて、上面２７ｂ、底面２７ｃおよび側面２７ｄを遮光しているが、必ずしもこれら全ての面を覆うように遮光する必要はなく、受光部２６にとってノイズとなる光の入射方向に応じて、受光部２６の必要な面を覆うように遮光部を設ければよい。
筐体１０（図１参照）が被験者に装着されたとき、遮光部２７が当該被験者に接触する。このため、図５に示されるように、被験者の皮膚４０が、遮光部２７において開口部２７ａが設けられた上面２７ｂに接触することになる。
【００２０】
有機層２４２の発光層から発せられた光は、四方に放射されるが、上側に向かう光は第２電極層２４３によって反射する。このため、発光部２４からの光は、図においてほぼ下側に向かって出射するので、基板２２、２１の順に通過する。
この出射光のうち、受光部２６の背面に到達した成分は、遮光部２７の底面２７ｃによって遮光されるので、受光部２６の受光に影響を与えることはない。同様に、受光部２６の側面に到達した成分は、遮光部２７の側面２７ｄによって遮光されるので、受光部２６の受光に影響を与えることはない。
【００２１】
一方、発光部２４から出射されて基板２２、２１を順に通過した光のうち、遮光部２７によって遮光されなかった光は、被験者の皮膚４０に侵入する。皮膚４０に侵入した光は、血管４２に到達して、当該血管４２を流れる血液によって反射されたり、吸収されたり、あるいは血液を透過したりする。血管４２に流れる血液によって反射した光のうち、開口部２７ａを通過する光だけが受光部２６に入射する。
ここで、血管４２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４２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、受光部２６から出力される電流の変化は、血管４２の容積変化を示すことになる。
【００２２】
本実施形態に係る生体センサー２０によれば、生体情報を反映した光成分に対して、生体情報を反映していないノイズとなる光成分が、受光部２６によって受光されてしまうのが抑えられるので、生体情報を反映した微弱な光成分を精度良く検出することができるのである。
【００２３】
また、筐体１０が被験者に装着されている場合に、なんらかの理由により、例えば被験者が運動することにより、筐体１０が振れて上面２７ｂが皮膚４０から離れて隙間が生じるときがある。このとき生じた隙間を介した光は、深い角度で、すなわち皮膚４０の表面沿った方向から侵入するが、開口部２７ａを通過することができない。このため、本実施形態に係る生体センサー２０によれば、体動があっても、生体情報の検出精度が低下しにくくすることができる。
【００２４】
具体的には、図６（Ａ）に示されるように、開口部２７ａの直径をＲとし、開口部２７ａの深さ（遮光部２７の厚さ）をｄとしたときに、
Ｒ＜ｄ
となるように遮光部２７が形成される。この遮光部２７では、上面２７ｂが皮膚４０から離れて隙間が生じても、図６（Ｂ）に示される入射角θが４５度以上である光は、開口部２７ａを通過することができず、受光部２６への入射が阻止される。また、上面２７ｂが皮膚４０から離れていなくても、入射角θが４５度以上であるような光は、生体情報を反映していない光成分である場合もありえる。
本実施形態によれば、このような光成分が受光部２６に入射しないので、この意味においても、生体情報を精度良く検出することができるのである。
【００２５】
また、図７（Ａ）に示されるように、開口部２７ａにおいて、受光面２６ａの側に保護層２６１（第１受光部保護層）を設け、その次に保護層２６２（第２受光部保護層）を設けて、保護層２６１の屈折率ｎ１を保護層２６２の屈折率ｎ２より小さくしても良い。このようにすると、保護層２６１、２６２の界面に対し、図７（Ｂ）に示される角度θaで入射した光は、角度θaよりも大きな角度θbで出射するので、受光部２６への入射を阻止しやすくなる。このため、生体情報を精度良く検出することができる。
【００２６】
図８は、実施形態に係る生体センサー２０を用いた生体情報検出装置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５０は、演算処理回路６０による指示にしたがって電流を常時または間欠的に供給して、発光部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５５は、受光部２６に流れる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。
【００２７】
演算処理回路６０は、発光部２４から光が出射された場合に受光部２６によって受光された信号、すなわち生体情報を反映した光の信号を処理する。例えば、演算処理回路６０は、当該デジタルデータから脈拍数を算出したり、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する。なお、これらの情報・データを外部のコンピューターに転送したり、図示省略した表示部に表示させたり、音声合成によって出力したりしても良い。
【００２８】
本発明は、上述した実施形態のほかにも、種々の応用・変形が可能である。
発光部２４と受光部２６とについては、互いに異なる面に形成されるとともに、発光部２４が光を被験者に向けて出射し、受光部２６が開口部２７ａを通過した光を受光する構成であれば、配列・個数や、発光面・受光面の形状については任意である。
例えば、実施形態では、受光部２６を囲むように複数の発光部２４を配置したが、発光部２４と受光部２６をそれぞれ１個ずつとしても良い。ただし、実施形態と比較して、被験者に照射される光が弱くなり、それだけ受光量も減る。また、開口部２７ａの平面的な形状についても、円形に限られない。
【００２９】
図４（Ａ）において、発光部２４を、基板２１のうち受光部２６および遮光部２７が形成された面と反対側の裏面に形成した構成としても良い。ただし、この構成では、基板２１において装着側からみて表面に受光部２６、遮光部２７を形成し、裏面に発光部２４を形成する必要があるので、製造プロセスが長期化しやすい。また、いずれかの面の形成プロセスにおいて欠陥が発生してしまうと、その時点で不良品となってしまうので、実施形態と比較して製造時の歩留まりが低下して、その分、コストアップを招きやすい。
なお、実施形態においては、遮光部２７が受光部２６に接する構造となっているが、受光部２６と遮光部２７との間に別の層などを介在させてもよい。ただし、接する構造の方が受光部に対する遮光性は高い。
【００３０】
また、本実施形態に係る生体センサー２０において、発光部２４としてＯＬＥＤを用いたが、これに限られず、ＬＥＤなど、種々の素子が適用可能である。
また、受光部２６として有機フォトダイオードに限られない。例えば、受光部２６としては、ＣＣＤ（Charge Coupled Device)などを用いても良いし、ナノ（マイクロ）クリスタル薄膜や、ＣＧＩＳ（Copper：銅、Gallium：ガリウム、Indium：インジウム、Selenium：セレン）の化合物からなる薄膜を受光層に用いた太陽電池でも良い。いずれにしても、受光部２６としては、受光に応じた信号を出力する光電変換素子であれば良い。
【００３１】
また、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。
【００３２】
生体センサー２０は、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、赤色光の発光・受光部、赤外光の発光・受光部、などのように発光波長および受光波長を異ならせた発光・受光部の組を複数用意する一方、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】
【００３３】
１…生体情報検出装置、２０…生体センサー、２１、２２…基板、２４…発光部、２６…受光部、２６ａ…受光面、２７…遮光部、４２…血管、５０…演算処理回路、２６１、２６２…保護層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光透過性を有する第１基板と、
被験体に、前記第１基板を介して光を照射する発光部と、
前記第１基板のうち前記被験体との対向面側に、受光面を前記被験体に向けて設けられ、前記被験体からの受光に応じた信号を出力する受光部と、
平面視したときに前記受光面を露出させるように設けられた開口部を有し、前記受光部を覆うように形成された遮光部と、
を具備することを特徴とする生体センサー。
【請求項２】
前記発光部は、光透過性を有する第２基板に設けられ、
前記被験体に、前記第２基板および前記第１基板を順に介して光を照射し、
前記第１基板および前記第２基板が互いに貼り合わせられた
ことを特徴とする請求項１記載の生体センサー。
【請求項３】
前記発光部は、
前記第２基板から順に、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る
ことを特徴とする請求項２に記載の生体センサー。
【請求項４】
前記遮光部における開口部の直径は、当該開口部の深さよりも小さい
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】
前記遮光部における開口部には、前記受光面から順に第１受光部保護層および第２受光部保護層が形成され、
前記第１受光部保護層の屈折率は、前記第２受光部保護層の屈折率よりも低い
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６】
平面視したときに、前記発光部は、前記受光部を囲むように複数個に設けられた
を特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の生体センサー。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の生体センサーと、
前記受光部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】
光透過性を有する第１基板と、
被験体に、前記第１基板を介して光を照射する発光部と、
前記第１基板のうち前記被験体との対向面側に、受光面を前記被験体に向けて設けられ、前記被験体からの受光に応じた信号を出力する受光部と、
平面視したときに前記受光面を露出させるように設けられた開口部を有し、前記受光部を覆うように形成された遮光部と、
を具備することを特徴とする生体センサー。
【請求項２】
前記発光部は、光透過性を有する第２基板に設けられ、
前記被験体に、前記第２基板および前記第１基板を順に介して光を照射し、
前記第１基板および前記第２基板が互いに貼り合わせられた
ことを特徴とする請求項１記載の生体センサー。
【請求項３】
前記発光部は、
前記第２基板から順に、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る
ことを特徴とする請求項２に記載の生体センサー。
【請求項４】
前記遮光部における開口部の直径は、当該開口部の深さよりも小さい
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】
前記遮光部における開口部には、前記受光面から順に第１受光部保護層および第２受光部保護層が形成され、
前記第１受光部保護層の屈折率は、前記第２受光部保護層の屈折率よりも低い
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６】
平面視したときに、前記発光部は、前記受光部を囲むように複数個に設けられた
を特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の生体センサー。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の生体センサーと、
前記受光部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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−１５８（Ｐ２０１３−１５８Ａ）
【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２０１１−１３０９８５（Ｐ２０１１−１３０９８５）
【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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