(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象に接触する不透明又は半透明のゴム膜と、このゴム膜に対してレーザ光を照射する自己混合型のレーザドップラ速度計と、前記ゴム膜を張設した開口部を有するとともに当該ゴム膜に対向する位置に前記レーザドップラ速度計を固設した筐体とを備えたレーザドップラ振動測定装置。
【請求項２】
請求項１記載のレーザドップラ振動測定装置において、ドップラ周波数を含む鋸歯状波信号を第一のしきい値で二値化して第一の二値化信号とするとともに第二のしきい値で二値化して第二の二値化信号とし、これらの二値化信号のいずれか一方が連続して変化した場合に、前記測定対象の移動方向が変化したと判断することを特徴とするレーザドップラ振動測定方法。
【請求項３】
請求項１記載のレーザドップラ振動測定装置において、ドップラ周波数を含む鋸歯状波信号を一定のサンプリングタイムで数値化し、この数値化されたデータの移動平均が増加又は減少に転じた場合に、前記測定対象の移動方向が変化したと判断することを特徴とするレーザドップラ振動測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光のドップラ効果を利用して、脈拍等の振動を測定するためのレーザドップラ振動測定装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１４は、従来技術としての非接触型脈拍計を示す概略構成図である。
【０００３】
従来の非接触型脈拍計９０は、発光ダイオードからなる発光部９２と、フォトダイオードアレイからなる受光部９４とを備えている。発光部９２から出射された光９６は、皮膚９８で反射して、受光部９４のいずれかのフォトダイオード９４１，９４２，…で受光される。脈拍による皮膚９８の上下動に対応して、反射光９６１，９６２，…が移動する。その結果、反射光９６１，９６２，…を受光するフォトダイオード９４１，９４２，…が変化するので、受光部９４からの出力信号によって脈拍を測定できる。この場合、反射光９６１，９６２，…の光量が多いほどＳＮ比が大きくなるので、非接触型脈拍計９０の測定精度は高くなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、皮膚９８での光の反射率は、肌の色、汗、運動等により異なる。そのため、非接触型脈拍計９０では、反射光９６１，…の光量が不足することにより、測定精度が低下したり又は測定が不能となったりすることがあった。
【０００５】
このような問題は、非接触型脈拍計９０に限らず、一般のレーザ振動計等にも当てはまる。
【０００６】
【発明の目的】
すなわち、本発明の目的は、測定対象の表面状態の影響を受けずに、安定した測定を可能とすることにより、測定精度を向上させたレーザドップラ振動計を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るレーザドップラ振動測定装置は、上記目的を達成するためになされたものであり、測定対象に接触する不透明又は半透明のゴム膜と、このゴム膜に対してレーザ光を照射する自己混合型のレーザドップラ速度計と、前記ゴム膜を張設した開口部を有するとともに当該ゴム膜に対向する位置に前記レーザドップラ速度計を固設した筐体とを備えたものである。
【０００８】
請求項２記載のレーザドップラ振動測定方法は、本発明に係るレーザドップラ振動測定装置を用いるものであり、ドップラ周波数を含む鋸歯状波信号を第一のしきい値で二値化して第一の二値化信号とするとともに第二のしきい値で二値化して第二の二値化信号とし、これらの二値化信号のいずれか一方が連続して変化した場合に、前記測定対象の移動方向が変化したと判断するものである。
【０００９】
請求項３記載のレーザドップラ振動測定方法は、本発明に係るレーザドップラ振動測定装置を用いるものであり、ドップラ周波数を含む鋸歯状波信号を一定のサンプリングタイムで数値化し、この数値化されたデータの移動平均が増加又は減少に転じた場合に、前記測定対象の移動方向が変化したと判断するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１乃至図３は本発明に係るレーザドップラ振動測定装置の一実施形態を示し、図１は図２のＩ−Ｉ線縦断面図、図２は使用状態を示す外観斜視図、図３は図１におけるレーザドップラ速度計を示すブロック図である。以下、これらの図面に基づき説明する。
【００１１】
本実施形態のレーザドップラ振動測定装置１０は、脈拍計として用いられており、測定対象としての皮膚Ｍに接触するゴム膜１２と、ゴム膜１２に対してレーザ光Ｌを照射する自己混合型のレーザドップラ速度計１４と、ゴム膜１２を張設した開口部１６ａを有するとともにゴム膜１２に対向する位置にレーザドップラ速度計１４を固設した筐体１６とを備えている。
【００１２】
ゴム膜１２の材質は、天然ゴム、又は熱可塑性エラストマーなどの合成ゴムであり、不透明又は半透明であることが好ましい。ゴム膜１２が不透明又は半透明であれば、レーザ光Ｌがゴム膜１２を透過して、眼球に悪影響を与えることを防止できる。ゴム膜１２の厚さは、面積や材質によっても異なるが、例えば数十μｍ程度である。筐体１６の材質は、合成樹脂又は金属であり、不透明又は半透明であることが好ましい。ゴム膜１２又は筐体１６が不透明又は半透明であれば、外乱光を遮断又は低減できるので、ＳＮ比を大きくできることにより測定精度をさらに向上できる。同様の理由により、筐体１６の構造は、レーザドップラ速度計１４を完全に覆ってしまうものが好ましい。
【００１３】
レーザドップラ速度計１４は、半導体レーザパッケージ１４１と、ＩＣ１４２、抵抗器１４３、コンデンサ１４４等の電子部品を実装したプリント配線板１４５と、脈拍数を表示する液晶セル１４６と、液晶セル支持部材１４７とを備えている。
【００１４】
半導体レーザパッケージ１４１は、フォトダイオード１４１ａ、レーザダイオード１４１ｂ及びレンズ１４１ｃによって構成されている。また、プリント配線板１４５に実装されている電子部品によって、駆動・受光部２０、増幅・Ａ／Ｄ変換部２２、方向変化検出部２４、カウンタ部２６、脈拍算出部２８、表示部３０等の機能が実現されている。
【００１５】
次に、レーザドップラ振動測定装置１０の動作を説明する。
【００１６】
まず、手首Ｗにレーザドップラ振動測定装置１０を載置することにより、皮膚Ｍにゴム膜１２を接触させる。レーザダイオード１４１ｂは、駆動・受光部２０によって駆動され、レーザ光Ｌを出射する。レーザ光Ｌは、ゴム膜１２で反射及び散乱し反射光Ｌｒとなる。反射光Ｌｒは、ドップラ効果により皮膚Ｍの振動（脈拍）の影響を受けたドップラ周波数ｆＤ  の成分が含まれており、その一部が再びレーザダイオード１４１ｂに入射し、さらにフォトダイオード１４１ａで受光される。フォトダイオード１４１ａからは、ドップラ周波数ｆＤ  を中心とする鋸歯状波信号が出力される。
【００１７】
駆動・受光部２０で得られた鋸歯状波信号は、増幅・Ａ／Ｄ変換部２２で増幅及びデジタル化される。続いて、方向変化検出部２４で、ゴム膜１２の移動方向の変化が検出される。ゴム膜１２の移動方向（以下、単に「移動方向」という。）の変化とは、図面において上方向又は下方向に移動していたものが、反転して下方向又は上方向に移動することである。この移動方向の変化の周期がカウンタ部２６で計測され、その周期をもとに脈拍算出部２８で脈拍数が求められ、その脈拍数が表示部３０によって液晶セル１４６に表示される。
【００１８】
レーザドップラ振動測定装置１０によれば、ゴム膜１２で反射した反射光Ｌｒを用いて測定するので、皮膚Ｍの表面状態に関係なく、常に一定の測定精度を維持できる。また、レーザドップラ振動測定装置１０は、レーザドップラ速度計１４が自己混合型であることに加え、以下に述べるレーザドップラ振動測定方法を用いているので、高精度（例えば数十μｍの振動）の測定が可能である。
【００１９】
次に、本発明に係るレーザドップラ振動測定方法の第一実施形態を説明する。図４乃至図６は本実施形態における方向変化検出部２４（図３）を示す要部回路図であり、図４が第一回路部、図５が第三回路部、図６が第四回路部である。図７乃至図１０は、本実施形態における方向変化検出部２４の動作を示す波形図である。以下、図３乃至図１０に基づき説明する。
【００２０】
図４に示す第一回路部２４１は、コンパレータ３２１、３２２、オアゲート３４、アンドゲート３６１，３６２，３６３、Ｄフリップフロップ３８１，３８２，３８３，３８４等によって構成されている。
【００２１】
フォトダイオード１４１ａ（図３）で検出された鋸歯状波信号Ｓは、その周期が速度を表し、その傾きが移動方向を表し、図７で右肩上がりから左肩上がりへの変化が移動方向の変化を表す。鋸歯状波信号Ｓに対しては、しきい値ＶＨｉ，ＶＬｏが設けられている。コンパレータ３２１は、鋸歯状波信号Ｓがしきい値ＶＨｉよりも大きい時に‘１’、小さい時に‘０’となる、二値化信号Ｓａを生成する。同様に、コンパレータ３２２は、鋸歯状波信号Ｓがしきい値ＶＬｏよりも小さい時に‘１’、大きい時に‘０’となる、二値化信号Ｓｂを生成する。
【００２２】
ゴム膜１２の移動方向は、図７に示す区間Ｘにおいて変化している。この区間Ｘを図８に抜き出して移動方向の変化を検出する方法について述べる。ただし、二値化信号Ｓａ，Ｓｂは、図９に示すシステムクロックに同期化されているものとする（ここではシステムクロックＣＫ２に同期化されているものとする。）。二値化信号Ｓａと二値化信号Ｓｂとでは、図７から明らかなように、通常は‘１’が交互に現れる。つまり、二値化信号Ｓａの‘１’の次には、二値化信号Ｓｂの‘１’が現れる。ところが、移動方向の変化時は二値化信号Ｓａの‘１’が連続して現れる。したがって、二値化信号Ｓａの‘１’のみが続いて二つ現れる点を検出することにより、移動方向の変化時を検出できる。
【００２３】
続いて、第一回路部２４１の動作を説明する。Ｄフリップフロップ３８１は、システムクロックＣＫ１で動作する保持回路であり、その出力は信号ＳＣ１となる。Ｄフリップフロップ３８２は、タイミングを揃えるためのものであり、その出力は信号ＳＣ２となる。Ｄフリップフロップ３８３，３８４及びアンドゲート３６２は、微分回路４０を構成している。微分回路４０は、二値化信号Ｓａの立ち上がりに応じて、システムクロックＣＫ１の一波形分を信号ＳＣ３として出力する。アンドゲート３６２は、信号ＳＣ２と信号ＳＣ３との論理積をとることにより、移動方向の変化に対応する信号ＳＣ４を出力する。
【００２４】
第二回路部（図示せず）は、第一回路部２４１とほぼ同じ構成であるが、二値化信号Ｓａ，Ｓｂの入力が逆になっている。つまり、図４を使って説明すれば、コンパレータ３２１の出力端子がアンドゲート３６１の反転入力端子に接続され、コンパレータ３２２の出力端子がオアゲート３４及びＤフリップフロップ３８３の入力端子に接続されている。鋸歯状波信号Ｓは、図７に示したものと上下が逆の波形になることがある。第二回路部は、このような波形に対処するものであり、移動方向の変化に対応する信号ＳＣ５（図６）を出力する。
【００２５】
図５に示す第三回路部２４３は、カウンタ４２１，４２２、コンパレータ４４、微分回路４６等によって構成されている。カウンタ４２１は、二値化信号Ｓａの立ち下がりで‘１’となり、二値化信号Ｓｂの立ち上がりで‘０’となる信号Ｓｄ１を生成し、‘１’の時間Ｔ１  （図１０）を測定する。カウンタ４２２は、二値化信号Ｓｂの立ち下がりで‘１’となり、二値化信号Ｓａの立ち上がりで‘０’となる信号Ｓｄ２を生成し、‘１’の時間Ｔ２  （図１０）を測定する。コンパレータ４４は、Ｔ１  ＝Ｔ２  となったとき、微分回路４６を介して信号Ｓｄ３を出力する。若しくは、コンパレータ４４は、Ｔ１  ＜Ｔ２  からＴ１  ＞Ｔ２  （又はＴ１  ＞Ｔ２  からＴ１  ＜Ｔ２  ）となったとき、微分回路４６を介して信号Ｓｄ４を出力する。一方、図１０に示すように、鋸歯状波信号Ｓの波形の中央ではなく、波形の上端又は下端で、移動方向が変化する場合が稀にある。この場合は、移動方向の変化時に、Ｔ１  とＴ２  とが等しくなるか、又はＴ１  とＴ２  との大小関係が逆転することが認められる。したがって、第三回路部２４３は、このような波形に対処するものであり、移動方向の変化に対応する信号Ｓｄ３（又はＳｄ４）を出力する。
【００２６】
図６に示す第四回路部２４４は、オアゲート４８、ＪＫフリップフロップ５０等によって構成されている。オアゲート４８には、第一回路部２４１から出力された信号ＳＣ４、第二回路部（図示せず）から出力された信号ＳＣ５及び第三回路部２４３から出力された信号Ｓｄ３が入力されている。これにより、第四回路部２４４は、移動方向の変化に対応する信号ＳＣ４，ＳＣ５，Ｓｄ３の少なくとも一つを入力すると、その情報をＪＫフリップフロップ５０を介してカウンタ部２６（図３）へ出力する。
【００２７】
次に、本発明に係るレーザドップラ振動測定方法の第二実施形態を説明する。図１１は、本実施形態における方向変化検出部２４（図３）を示すブロック図である。図１２及び図１３は、本実施形態における方向変化検出部の動作を示す波形図である。以下、図１１乃至図１３に基づき説明する。
【００２８】
本実施形態における方向変化検出部２４５は、シフトレジスタ５２１，５２２、加算器５４、除算器５６、比較器５８１，５８２、微分器６０１，６０２、ＪＫフリップフロップ６２、レジスタ６４１，６４２等によって構成されている。
【００２９】
図１２に示すように、鋸歯状波信号Ｓは、増幅・Ａ／Ｄ変換部２２（図３）により、一定のサンプリングタイムでデジタル化されている。デジタル化された数値Ｙ（…，Ｙｎ−１  ，Ｙｎ  ，Ｙｎ＋１  ，…）は、シフトレジスタ５２１に順次入力される。ｍ段のシフトレジスタ５２１の各数値は、加算器５４で加えられ、除算器５６で１／ｍされる。これにより、数値Ｙｎ  を中心とした±ｍ／２個の平均値Ｚｎ  が得られる。これにより、ノイズ等は低減されることになる。平均値Ｚｎ  は、シフトレジスタ５２２に入力され、既にシフトレジスタ５２２に入力されている数値Ｙｎ−１  を中心とした平均値Ｚｎ−１  と、比較器５８１で比較される。Ｚｎ  とＺｎ−１  との大小関係が逆転すると、比較器５８１からの出力信号の符号も逆転することにより、図１３に示すように、微分器６０１から信号Ｓｅ３が出力される。つまり、信号Ｓｅ３は、鋸歯状波信号Ｓの減少から増加又は増加から減少に転じる部分で発生する。続いて、信号Ｓｅ３は、ＪＫフリップフロップ６２を介して、鋸歯状波信号Ｓの上り波形で‘１’、下り波形で‘０’となる信号Ｓｅ１に変換される。信号Ｓｅ１の‘１’の時間Ｔ３  は、レジスタ６４１で測定及び記憶され、信号Ｓｅ１の‘０’の時間Ｔ４  は、レジスタ６４２で測定及び記憶される。Ｔ３  とＴ４  との大小関係が逆転すると、比較器５８２からの出力信号の符号も逆転することにより、微分器６０２から信号Ｓｅ２が出力される。図１３から明らかなように、信号Ｓｅ２は移動方向の変化時に出力されることになる。
【００３０】
なお、本発明は、いうまでもなく、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、方向変化検出部等は、マイクロコンピュータ等によって構成され、ソフトウェア的に信号処理をするものとしてもよい。また、本発明に係るレーザドップラ振動測定装置では、自己混合型以外（例えば干渉計型）のレーザ振動計を用いても同様の効果を奏する。さらに本発明は、脈拍計に限らず、ドリル、バイト等の損傷に基づく異常振動の検出、自動車の振動測定、音声検出等の幅広い分野で利用できる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明に係るレーザドップラ振動測定装置によれば、測定対象に接触する不透明又は半透明のゴム膜に対してレーザ光を照射し、その反射光を用いて自己混合型のレーザドップラ速度計で測定するようにしたので、測定対象の表面状態の影響を受けずに、常に安定した測定ができることにより、測定精度を向上できる。また、ゴム膜が不透明又は半透明であるので、レーザ光がゴム膜を透過して眼球に悪影響を与えることを防止できるとともに、外乱光を遮断又は低減できることにより測定精度を向上できる。
【００３２】
請求項２記載のレーザドップラ振動測定方法によれば、ドップラ周波数を含む鋸歯状波信号を第一及び第二のしきい値で二値化し、これらの二値化信号のいずれか一方が連続して変化した否かを検出するようにしたので、測定対象の移動方向を正確に判断でき、これによりさらに測定精度を向上できる。
【００３３】
請求項３記載のレーザドップラ振動測定方法によれば、ドップラ周波数を含む鋸歯状波信号を一定のサンプリングタイムで数値化し、この数値化されたデータの移動平均の増減を検出するようにしたので、測定対象の移動方向を正確に判断でき、これによりさらに測定精度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザドップラ振動測定装置の一実施形態を示す、図２におけるＩ−Ｉ線縦断面図である。
【図２】図１のレーザドップラ振動測定装置の使用状態を示す外観斜視図である。
【図３】図１のレーザドップラ振動測定装置におけるレーザドップラ速度計を示すブロック図である。
【図４】本発明に係るレーザドップラ振動測定方法の第一実施形態における、方向変化検出部を示す要部回路図である。
【図５】本発明に係るレーザドップラ振動測定方法の第一実施形態における、方向変化検出部を示す要部回路図である。
【図６】本発明に係るレーザドップラ振動測定方法の第一実施形態における、方向変化検出部を示す要部回路図である。
【図７】図４乃至図６の方向変化検出部の動作を示す波形図である。
【図８】図４乃至図６の方向変化検出部の動作を示す波形図である。
【図９】図４乃至図６の方向変化検出部の動作を示す波形図である。
【図１０】図４乃至図６の方向変化検出部の動作を示す波形図である。
【図１１】本発明に係るレーザドップラ振動測定方法の第二実施形態における、方向変化検出部を示すブロック図である。
【図１２】図１１の方向変化検出部の動作を示す波形図である。
【図１３】図１１の方向変化検出部の動作を示す波形図である。
【図１４】従来技術としての非接触型脈拍計を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１０  レーザドップラ振動測定装置
１２  ゴム膜
１４  レーザドップラ速度計
１６  筐体
１６ａ  筐体の開口部
２４  方向変化検出部
Ｍ  皮膚（測定対象）
Ｌ  レーザ光
【図１】
0003605898.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003605898.tif 000009
【図９】
0003605898.tif 000010
【図１０】
0003605898.tif 000011
【図１１】
0003605898.tif 000012
【図１２】
0003605898.tif 000013
【図１３】
0003605898.tif 000014
【図１４】
0003605898.tif 000015