(57)【要約】  光電脈波信号に係る光検出信号を検出するための発光素子８，９および受光素子１０上に、容量性結合により心電信号に係る電気信号を検出するための光透過性心電電極１９および光透過性絶縁膜２０を設ける。利用者が指を光透過性絶縁膜２０の接触面２０Ａに接触させたとき、光透過性心電電極１９により心電信号に係る電気信号を検出すると共に、発光素子８，９から利用者の指に照射した検出光の反射光を受光素子１０により受光し、この反射光に対応する光検出信号を検出する。そして、光透過性心電電極１９から検出した電気信号等から心電信号を得ると共に、光検出信号から光電脈波信号を得て、これら心電信号と光電脈波信号とにより生体情報を生成する。
2010125705.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体の電気信号を検出する少なくとも一対の心電電極と、該少なくとも一対の心電電極上に設けられると共に、前記少なくとも一対の心電電極と当接する面と対向する面が前記生体と接触する接触面となった絶縁膜と、前記生体に光を照射する発光器と、該発光器から照射された光を前記生体が反射した光を受光する受光器と、前記絶縁膜の接触面に接触した前記生体と前記少なくとも一対の心電電極のそれぞれとの間の容量性結合によって検出された前記生体の電気信号を差動増幅することによって心電信号を生成する心電信号検出部、および前記発光器が照射した光および前記受光器が受光した光に基づいて光電脈波信号を生成する光電脈波信号検出部を有する処理回路とを備え、
前記少なくとも一対の心電電極の少なくとも１個は前記発光器が照射する光の波長範囲に対して光透過性を有する導電材料により形成された光透過性心電電極であり、該光透過性心電電極上に設けられた絶縁膜は前記発光器が照射する光の波長範囲に対して光透過性を有する絶縁材料により形成された光透過性絶縁膜であり、前記光透過性心電電極および前記光透過性絶縁膜を介して前記発光器から前記生体に光を照射すると共に、前記生体で反射した光を前記受光器で受光することを特徴とする生体センサ装置。
【請求項２】
前記発光器は、互いに波長範囲が異なる光をそれぞれ照射する少なくとも２個の発光素子を備えた請求項１に記載の生体センサ装置。
【請求項３】
前記発光器と、前記受光器と、前記処理回路を構成する部品のうちの少なくとも一部の部品とは基板上にそれぞれ実装され、前記少なくとも一部の部品は前記発光器および前記受光器のそれぞれの周囲に配置され、前記発光器および前記受光器のそれぞれの周囲には、前記少なくとも一部の部品を前記基板上に実装する際に形成されるはんだフィレットにより光を反射する周壁リフレクタが形成された請求項１に記載の生体センサ装置。
【請求項４】
前記少なくとも一対の各心電電極を前記生体と前記少なくとも一対の各心電電極のそれぞれとの間の容量性結合によって検出された前記生体の電気信号を差動増幅する前記心電信号検出部の入力端子に接続し、
該心電信号検出部の入力端子には少なくとも１つの高インピーダンス素子を有するクランプ回路を少なくとも１つ接続し、
前記クランプ回路の接続端の電位を一定に固定すると共に、前記クランプ回路の接続端から前記心電信号検出部をみたときのインピーダンスが前記クランプ回路のインピーダンスよりも大きい構成としてなる請求項１に記載の生体センサ装置。
【請求項５】
前記少なくとも一対の心電電極の少なくとも１個の心電電極と前記処理回路とを、第１の筐体内に収容し、
該第１の筐体内に収容した前記心電電極と対向させて、生体の第１の部位に接触する絶縁膜を該第１の筐体の表面に露出して設け、
前記第１の筐体内に収容した前記心電電極以外の他の心電電極を、第２の筐体内に収容すると共に、前記第１の筐体から引き出されたケーブルを介して前記処理回路と電気的に接続し、
該他の心電電極と対向させて、生体の第２の部位に接触する他の絶縁膜を前記第２の筐体の表面に露出して設けた請求項１に記載の生体センサ装置。
【請求項６】
前記処理回路とケーブルを介して電気的に接続した前記他の心電電極に加えて、前記生体の第２の部位に光を照射する発光器と、該発光器から照射された光を前記生体が反射した光を受光する受光器とを前記第２の筐体内に収容し、
前記他の心電電極は前記発光器が照射する光の波長範囲に対して光透過性を有する導電材料により形成された光透過性心電電極であり、該光透過性心電電極上に設けられた前記他の絶縁膜は前記発光器が照射する光の波長範囲に対して光透過性を有する絶縁材料により形成された光透過性絶縁膜であり、前記光透過性心電電極および前記光透過性絶縁膜を介して前記発光器から前記生体の第２の部位に光を照射すると共に、前記生体の第２の部位で反射した光を前記受光器で受光する構成としてなる請求項５に記載の生体センサ装置。
【請求項７】
生体の電気信号を検出する少なくとも一対の心電電極と、該少なくとも一対の心電電極上に設けられると共に、前記少なくとも一対の心電電極と当接する面と対向する面が前記生体と接触する接触面となった絶縁膜と、前記生体に光を照射する発光器と、該発光器から照射された光を前記生体が反射した光を受光する受光器と、前記絶縁膜の接触面に接触した前記生体と前記少なくとも一対の心電電極のそれぞれとの間の容量性結合によって検出された前記生体の電気信号を差動増幅することによって心電信号を生成する心電信号検出部、および前記発光器が照射した光および前記受光器が受光した光に基づいて光電脈波信号を生成する光電脈波信号検出部を有する処理回路とを備え、
前記発光器は、互いに波長範囲が異なる光をそれぞれ照射する少なくとも２個の発光素子を備え、
前記少なくとも一対の心電電極の少なくとも１個は、前記発光器の各発光素子が照射する光の波長範囲に対して光透過性を有する導電材料により形成された光透過性心電電極であり、
該光透過性心電電極上に設けられた絶縁膜は、前記発光器の各発光素子が照射する光の波長範囲に対して光透過性を有する絶縁材料により形成された光透過性絶縁膜であり、
前記光透過性心電電極および前記光透過性絶縁膜を介して前記発光器の各発光素子から前記生体に光を照射すると共に、前記生体で反射した光を前記受光器で受光し、
前記発光器の各発光素子と、前記受光器と、前記処理回路を構成する部品のうちの少なくとも一部の部品とは基板上にそれぞれ実装され、前記少なくとも一部の部品は前記発光器の各発光素子および前記受光器のそれぞれの周囲に配置され、
前記発光器の各発光素子および前記受光器のそれぞれの周囲には、前記少なくとも一部の部品を前記基板上に実装する際に形成されるはんだフィレットにより光を反射する周壁リフレクタが形成され、
前記少なくとも一対の各心電電極を前記生体と前記少なくとも一対の各心電電極のそれぞれとの間の容量性結合によって検出された前記生体の電気信号を差動増幅する前記心電信号検出部の入力端子に接続し、
該心電信号検出部の入力端子には少なくとも１つの高インピーダンス素子を有するクランプ回路を少なくとも１つ接続し、
前記クランプ回路の接続端の電位を一定に固定すると共に、前記クランプ回路の接続端から前記心電信号検出部をみたときのインピーダンスが前記クランプ回路のインピーダンスよりも大きい構成としたことを特徴とする生体センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体の心電信号および光電脈波信号を検出し、これらの信号に基づく生体情報を生成する生体センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、心筋の運動により生じる電気信号を差動増幅することにより得られる心電信号（心電図信号）や、脈拍による動脈血の脈動を光学的に検知することにより得られる光電脈波信号は心臓血管系疾患の診断等に用いられる。【０００３】
近年、心電信号および光電脈波信号を同時に検出し、心拍速度、酸素飽和度、脈派伝搬時間等の生体情報を得る機能を有する生体センサ装置が開発されている。この生体センサ装置は、心電信号に係る電気信号を検出するための２個の電極のいずれか一方または双方に、光電脈波信号を検出するための光学的プローブを配設する構成を有する。そして、光学的プローブは発光器と受光器とを備え、これら発光器および受光器は、電極の表面に形成された窪みまたは孔に取り付けられている。【０００４】
このような従来技術による生体センサ装置は、利用者が各電極の表面上に指を載置したとき、各電極を介して指から電気信号を検出し、これら検出した電気信号から心電信号を得る。これと同時に、電極表面の窪みまたは孔に取り付けられた発光器から指に検出光を照射し、指からの検出光の反射光を、電極表面の窪みまたは孔に取り付けられた受光器により受光し、この受光した反射光に対応する光電脈波信号を取得する（特許文献１参照）。【０００５】
一方、利用者の指から得られる光電脈波信号のＳＮ比（Signal to Noise Ratio）を高めるためには、発光器から発せられる検出光が発散するのを規制し、検出光を、電極上に載置された利用者の指に向けて集めることが望ましい。【０００６】
この点、発光ダイオードから発せられる光を特定の方向に集める技術として、凹形の反射面を有するリフレクタを基板上に設け、このリフレクタの凹部の底部に発光ダイオードを設置する技術が知られている（特許文献２参照）。また、発光ダイオードを取り囲むように金属製のリングを基板上に設け、このリングの内周面に沿ってＡｇ（銀）系ロウ材からなるフィレット部を形成し、このフィレット部を光反射面として利用する技術が知られている（特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１５８９７４号公報
【特許文献２】実開昭６２−７９２９１号公報
【特許文献３】特開２００５−２４４１２１号公報
【発明の概要】
【０００８】
ところで、心電信号と光電脈波信号とを同時に検出することができる生体センサ装置の小型化を推し進めるためには、１つの手段として、心電信号に係る電気信号を検出するための電極のサイズを小さくすることが考えられる。しかしながら、電極のサイズを小さくすると、生体（利用者の指等）と電極との接触が不安定となり、心電信号のＳＮ比が低下する。
【０００９】
また、上記生体センサ装置の小型化を推し進めるためには、他の手段として、光電脈波信号を検出するための発光器と受光器との間の距離を短くすることが考えられる。しかしながら、発光器と受光器との間の距離を短くすると、光電脈波信号のＳＮ比が低下する。
【００１０】
即ち、受光器に受光される反射光には、生体の表皮下にある動脈を通過した反射光と、生体の表皮外面に反射した反射光とが含まれている。生体の表皮下にある動脈を通過した反射光には、動脈血の脈動成分が含まれており、この脈動成分に対応する交流信号成分が光電脈波信号として用いられる。一方、生体の表皮外面に反射した反射光には動脈血の脈動成分は含まれておらず、この反射光に対応する信号成分はほぼ直流である。
【００１１】
そして、発光器と受光器との間の距離を短くすると、受光器に受光された反射光において、生体の表皮外面に反射した反射光に対し、生体の表皮下にある動脈を通過した反射光が相対的に減少する。この結果、受光器に受光された反射光を変換することにより得られる電気信号において、光電脈波信号として不要な直流信号成分に対し、光電脈波信号として有用な交流信号成分が相対的に減少する。このため、光電脈波信号に対するノイズの影響が大きくなり、光電脈波信号のＳＮ比が低下する。
【００１２】
また、上述した特許文献１に記載の従来技術による生体センサ装置では、電極表面に形成された窪みまたは孔に発光器および受光器を取り付ける構成であるため、電極表面に凹凸が形成され、この凹凸により利用者の指等と電極との接触が不安定となり、心電信号のＳＮ比が低下するおそれがある。また、この生体センサ装置では、発光器の発光部位および受光器の受光部位が電極の表面に露出しており、これらの露出部位を外部からの摩擦や衝撃から保護することが困難である。
【００１３】
一方、上述したように、利用者の指等から得られる光電脈波信号のＳＮ比を高めるために、発光器から発せられる検出光が発散するのを規制し、電極上に載置された利用者の指に向けて検出光を集めることが望ましい。
【００１４】
しかし、これを実現するために、上述した従来技術によるリフレクタまたはリングを基板に設けると、基板の面積が大きくなり、生体センサ装置の小型化が困難になる。また、生体センサ装置の製造工程において、リフレクタまたはリングを基板上に設ける工程を追加する必要があり、生体センサ装置の製造コストが増加する。
【００１５】
さらに、特許文献３に記載された、金属製のリングの内周面に沿ってＡｇ系ロウ材からなるフィレット部を形成する技術を採用した場合には、フィレット部を形成するために６００度以上の高温での処理が必要になる。この結果、この技術をプリント配線板等に適用することができないこと、電気回路を構成するための素子を基板上に実装する前にロウ付けを行う必要があること、高温処理を行う設備が必要になること等の問題が生じる。
【００１６】
本発明は例えば上述したような問題に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、生体から心電信号および光電脈波信号を同時に得ることができる小型の生体センサ装置を提供することにある。
【００１７】
（１）．上記課題を解決するために本発明の生体センサ装置は、生体の電気信号を検出する少なくとも一対の心電電極と、該少なくとも一対の心電電極上に設けられると共に、前記少なくとも一対の心電電極と当接する面と対向する面が前記生体と接触する接触面となった絶縁膜と、前記生体に光を照射する発光器と、該発光器から照射された光を前記生体が反射した光を受光する受光器と、前記絶縁膜の接触面に接触した前記生体と前記少なくとも一対の心電電極のそれぞれとの間の容量性結合によって検出された前記生体の電気信号を差動増幅することによって心電信号を生成する心電信号検出部、および前記発光器が照射した光および前記受光器が受光した光に基づいて光電脈波信号を生成する光電脈波信号検出部を有する処理回路とを備え、前記少なくとも一対の心電電極の少なくとも１個は前記発光器が照射する光の波長範囲に対して光透過性を有する導電材料により形成された光透過性心電電極であり、該光透過性心電電極上に設けられた絶縁膜は前記発光器が照射する光の波長範囲に対して光透過性を有する絶縁材料により形成された光透過性絶縁膜であり、前記光透過性心電電極および前記光透過性絶縁膜を介して前記発光器から前記生体に光を照射すると共に、前記生体で反射した光を前記受光器で受光することを特徴とする。
【００１８】
本発明によれば、例えば利用者が両手の親指または人差し指等を光透過性心電電極上の光透過性絶縁膜の接触面と、他の心電電極上の絶縁膜の接触面とにそれぞれ接触させたとき、一方の指と光透過性心電電極との容量性結合により一方の指から電気信号が検出されると共に、他方の指と他の心電電極との容量性結合により他方の指から電気信号が検出され、これら２個の電気信号を差動増幅することにより心電信号を得ることができる。
【００１９】
また、発光器から発せられた光は光透過性心電電極および光透過性絶縁膜を透過し、光透過性絶縁膜の接触面に接触している利用者の指を照射する。さらに、利用者の指を照射した光は、利用者の指で反射し、この反射光は光透過性絶縁膜および光透過性心電電極を透過し、受光器に受光される。そして、受光器は、受光した光に対応する光検出信号を出力する。この光検出信号から光電脈波信号を得ることができる。
【００２０】
このように、光透過性心電電極および光透過性絶縁膜を介して発光器から生体に光を照射すると共に、生体で反射した光を受光器で受光することにより、生体から心電信号および光電脈波信号を同時に得ることができる。そして、心電信号を得るための光透過性心電電極および光透過性絶縁膜と、光電脈波信号を得るための発光器および受光器とを上下方向に重なり合うように配置することができるので、心電電極のサイズを十分に大きく設定しつつ、かつ発光器と受光器との間の距離を十分に長く設定しつつも、生体センサ装置の小型化を図ることができる。従って、心電信号および光電脈波信号のＳＮ比を高めつつ、生体センサ信号の小型化を図ることができる。
【００２１】
さらに、発光器および受光器を光透過性心電電極の下方に配置することができるため、従来技術のように、発光器および受光器を取り付けるための窪みや孔を電極表面に形成する必要がない。これにより、各電極表面を平坦にすることができ、利用者の指と各電極表面との接触を安定化させることができ、心電信号のＳＮ比を高めることができる。
【００２２】
また、発光器および受光器を光透過性心電電極および光透過性絶縁膜の下方に配置することができるので、光透過性心電電極および光透過性絶縁膜を発光器および受光器の保護カバーとして機能させることができる。これにより、発光器および受光器を、外部からの摩擦や衝撃から保護することができる。
【００２３】
（２）．また、本発明の生体センサ装置は、前記発光器が、互いに波長範囲が異なる光をそれぞれ照射する少なくとも２個の発光素子を備えている。
【００２４】
本発明によれば、互いに波長範囲が異なる光をそれぞれ照射する少なくとも２個の発光素子を設けることにより、生体の酸素飽和度を測定することができる。
【００２５】
（３）．また、本発明の生体センサ装置は、前記発光器と、前記受光器と、前記処理回路を構成する部品のうちの少なくとも一部の部品とが基板上にそれぞれ実装され、前記少なくとも一部の部品は前記発光器および前記受光器のそれぞれの周囲に配置され、前記発光器および前記受光器のそれぞれの周囲には、前記少なくとも一部の部品を前記基板上に実装する際に形成されるはんだフィレットにより光を反射する周壁リフレクタが形成されている。
【００２６】
本発明によれば、発光器および受光器の周囲に設けられた周壁リフレクタにより、発光器から発せられた光を生体（利用者の指等）に向かうように反射し、この光を生体に集めることができると共に、生体が反射した光を受光器に向かうように反射し、この光を受光器に集めることができる。これにより、生体から得られる光電脈波信号のＳＮ比を高めることができる。
【００２７】
そして、この周壁リフレクタを、発光器および受光器の周囲に配置された部品のはんだフィレットにより形成することにより、周壁リフレクタを形成するための専用の部品を別途追加する必要がない。従って、生体センサ装置の小型化を図ることができると共に、生体センサ装置の製造コストを下げることができる。
【００２８】
（４）．また、本発明の生体センサ装置は、前記少なくとも一対の各心電電極を前記生体と前記少なくとも一対の各心電電極のそれぞれとの間の容量性結合によって検出された前記生体の電気信号を差動増幅する前記心電信号検出部の入力端子に接続し、該心電信号検出部の入力端子には少なくとも１つの高インピーダンス素子を有するクランプ回路を少なくとも１つ接続し、前記クランプ回路の接続端の電位を一定に固定すると共に、前記クランプ回路の接続端から前記心電信号検出部をみたときのインピーダンスが前記クランプ回路のインピーダンスよりも大きい構成としている。
【００２９】
心電電極と生体との容量性結合を用いて生体の電気信号を検出する場合、心電電極から心電信号検出部をみたときの入力インピーダンスが低いと、生体の電気信号の周波数領域で損失が大きくなり、この電気信号を検出できなくなる。
【００３０】
これに対し、本発明では、クランプ回路を高インピーダンス素子を用いて構成すると共に、クランプ回路の接続端から心電信号検出部の入力端をみたときのインピーダンスをクランプ回路のインピーダンスよりも大きく設定したので、生体の電気信号の周波数領域での損失を低減できる。また、クランプ回路によって心電信号検出部の入力端子の基準電位を固定できるので、生体の電気信号の中心電位の変動が小さくなる。このため、ＳＮ比が良くなり、安定して生体の電気信号を検出することができる。
【００３１】
（５）．また、本発明の生体センサ装置は、前記少なくとも一対の心電電極の少なくとも１個の心電電極と前記処理回路とを、第１の筐体内に収容し、該第１の筐体内に収容した前記心電電極と対向させて、生体の第１の部位に接触する絶縁膜を該第１の筐体の表面に露出して設け、前記第１の筐体内に収容した前記心電電極以外の他の心電電極を、第２の筐体内に収容すると共に、前記第１の筐体から引き出されたケーブルを介して前記処理回路と電気的に接続し、該他の心電電極と対向させて、生体の第２の部位に接触する他の絶縁膜を前記第２の筐体の表面に露出して設けている。
【００３２】
本発明によれば、第１の筐体内に収容した心電電極を用いて、生体の第１の部位の電気信号を検出することができる。これに加えて、第２の筐体内に収容した他の心電電極を用いて、生体の第２の部位の電気信号を検出することができる。また、他の心電電極は、第１の筐体から引き出されたケーブルを介して第１の筐体に収容された処理回路と電気的に接続される。このため、生体の電気信号が容易に検出できる第１，第２の部位が互いに離れた位置にあっても、これらの部位にそれぞれ心電電極を取り付けることができ、電気信号の検出精度を高めることができる。
【００３３】
（６）．また、本発明の生体センサ装置は、前記処理回路とケーブルを介して電気的に接続した前記他の心電電極に加えて、前記生体の第２の部位に光を照射する発光器と、該発光器から照射された光を前記生体が反射した光を受光する受光器とを前記第２の筐体内に収容し、前記他の心電電極は前記発光器が照射する光の波長範囲に対して光透過性を有する導電材料により形成された光透過性心電電極であり、該光透過性心電電極上に設けられた前記他の絶縁膜は前記発光器が照射する光の波長範囲に対して光透過性を有する絶縁材料により形成された光透過性絶縁膜であり、前記光透過性心電電極および前記光透過性絶縁膜を介して前記発光器から前記生体の第２の部位に光を照射すると共に、前記生体の第２の部位で反射した光を前記受光器で受光する構成としている。
【００３４】
本発明によれば、第２の筐体には、他の心電電極に加えて、発光器および受光器を収容する構成とした。このため、発光器および受光器を用いて、生体の第２の部位における光電脈波信号を得ることができる。
【００３５】
（７）．また、本発明の生体センサ装置では、生体の電気信号を検出する少なくとも一対の心電電極と、該少なくとも一対の心電電極上に設けられると共に、前記少なくとも一対の心電電極と当接する面と対向する面が前記生体と接触する接触面となった絶縁膜と、前記生体に光を照射する発光器と、該発光器から照射された光を前記生体が反射した光を受光する受光器と、前記絶縁膜の接触面に接触した前記生体と前記少なくとも一対の心電電極のそれぞれとの間の容量性結合によって検出された前記生体の電気信号を差動増幅することによって心電信号を生成する心電信号検出部、および前記発光器が照射した光および前記受光器が受光した光に基づいて光電脈波信号を生成する光電脈波信号検出部を有する処理回路とを備え、前記発光器は、互いに波長範囲が異なる光をそれぞれ照射する少なくとも２個の発光素子を備え、前記少なくとも一対の心電電極の少なくとも１個は、前記発光器の各発光素子が照射する光の波長範囲に対して光透過性を有する導電材料により形成された光透過性心電電極であり、該光透過性心電電極上に設けられた絶縁膜は、前記発光器の各発光素子が照射する光の波長範囲に対して光透過性を有する絶縁材料により形成された光透過性絶縁膜であり、前記光透過性心電電極および前記光透過性絶縁膜を介して前記発光器の各発光素子から前記生体に光を照射すると共に、前記生体で反射した光を前記受光器で受光し、前記発光器の各発光素子と、前記受光器と、前記処理回路を構成する部品のうちの少なくとも一部の部品とは基板上にそれぞれ実装され、前記少なくとも一部の部品は前記発光器の各発光素子および前記受光器のそれぞれの周囲に配置され、前記発光器の各発光素子および前記受光器のそれぞれの周囲には、前記少なくとも一部の部品を前記基板上に実装する際に形成されるはんだフィレットにより光を反射する周壁リフレクタが形成され、前記少なくとも一対の各心電電極を前記生体と前記少なくとも一対の各心電電極のそれぞれとの間の容量性結合によって検出された前記生体の電気信号を差動増幅する前記心電信号検出部の入力端子に接続し、該心電信号検出部の入力端子には少なくとも１つの高インピーダンス素子を有するクランプ回路を少なくとも１つ接続し、前記クランプ回路の接続端の電位を一定に固定すると共に、前記クランプ回路の接続端から前記心電信号検出部をみたときのインピーダンスが前記クランプ回路のインピーダンスよりも大きい構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施形態による生体センサ装置を示す斜視図である。
【図２】利用者が測定を行っている状態の第１の実施形態による生体センサ装置を示す説明図である。
【図３】第１の実施形態による生体センサ装置を示す正面図である。
【図４】図３中の矢示IV−IV方向からみた、生体センサ装置における光透過性心電電極、光透過性絶縁膜、基板、発光素子、受光素子、表面実装部品等を示す拡大縦断面図である。
【図５】第１の実施形態による生体センサ装置の発光素子および表面実装部品を、光透過性封止体、光透過性心電電極および光透過性絶縁膜を取り除いた状態で示す正面図である。
【図６】図５中の矢示VI−VI方向からみた発光素子および表面実装部品を示す断面図である。
【図７】発光素子駆動回路を示す回路図である。
【図８】図３と同じ方向からみた、生体センサ装置の光透過性心電電極、光透過性絶縁膜等を示す拡大図である。
【図９】第１の実施形態による生体センサ装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図１０】第２の実施形態による生体センサ装置における光透過性心電電極、光透過性絶縁膜、基板、発光素子、受光素子、表面実装部品等を示す縦断面図である。
【図１１】第３の実施形態による生体センサ装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図１２】図１１中の心電信号フィルタ部、クランプ回路等を示す回路図である。
【図１３】生体と心電電極との間の静電容量値とクランプ回路の抵抗値との関係を示す説明図である。
【図１４】心電信号検出部の入力部における信号損失と心電信号に係る電気信号の周波数との関係を示す周波数特性図である。
【図１５】クランプ回路の抵抗値が図１３中のＡ領域にあるときの心電信号に係る電気信号および放射ノイズの時間変化を示す特性線図である。
【図１６】クランプ回路の抵抗値が図１３中の境界線Ｘの近傍にあるときの心電信号に係る電気信号および放射ノイズの時間変化を示す特性線図である。
【図１７】クランプ回路の抵抗値が図１３中のＢ領域にあるときの心電信号に係る電気信号および放射ノイズの時間変化を示す特性線図である。
【図１８】第４の実施形態による生体センサ装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図１９】図１８中の心電信号フィルタ部、クランプ回路等を示す回路図である。
【図２０】第５の実施形態によるクランプ回路を示す回路図である。
【図２１】第６の実施形態によるクランプ回路を示す回路図である。
【図２２】第７の実施形態による生体センサ装置を利用者に取り付けた状態を示す説明図である。
【図２３】図２２中のヘッドフォンの周囲を拡大して示す説明図である。
【図２４】変形例による生体センサ装置の心電電極を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。まず、本発明の第１の実施形態について図１ないし図９に従って説明する。
【００３８】
図１において、本発明の第１の実施形態による生体センサ装置１は、例えば人間の両手の親指から心電信号および光電脈波信号を同時に検出し、これらの信号に基づいて、心電図、心拍速度、酸素飽和度、脈波伝搬時間、加速度脈波、心拍ゆらぎ等の生体情報を生成することができ、さらに、脈波伝搬時間から血圧を推定し、心拍ゆらぎから自律神経状態を推定することもできる。利用者は生体センサ装置１により提供される生体情報を用いて健康状態の多面的な解析を行うことができる。また、生体センサ装置１は、図２に示すように、人間が手軽に持ち上げることができるような小型で軽量な携帯型の装置である。
【００３９】
なお、説明の便宜上、図１中の矢示Ｘが指す各方向を左方向、右方向とし、矢示Ｙが指す各方向を奥方向、手前方向とし、矢示Ｚが指す各方向を上方向、下方向とする。
【００４０】
筐体２は、生体センサ装置１の外殻を形成し、例えば樹脂を用いて形成されている。該筐体２は、生体センサ装置１の下側を覆う下側ケース３と、生体センサ装置１の上側を覆う上側ケース４とから構成されている。
【００４１】
そして、筐体２内の奥側には、図３に示すように、ディスプレイパネル５が設けられており、上側ケース４の上面奥側には、ディスプレイパネル５の表示画面を視認可能とするための開口部４Ａが形成され、該開口部４Ａには樹脂製の透明板である表示窓６が取り付けられている。
【００４２】
さらに、上側ケース４の上面左手前側には、開口形状が方形の光通過口４Ｂが形成され、該光通過口４Ｂには、後述する光透過性封止体１８の上部が嵌め込まれている。
【００４３】
図３、図４において、基板７は、筐体２内に設けられている。該基板７は下側ケース３内に取り付けられている。そして、基板７上において、奥側にはディスプレイパネル５が搭載され、手前側には後述する発光素子８，９、受光素子１０、処理回路２６等が搭載されている。
【００４４】
図４において、２個の発光素子８，９は、基板７上に設けられた発光器である。該各発光素子８，９は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）であり、後述する受光素子１０と共に、利用者の指から光電脈波信号に係る光検出信号を検出するためのものである。即ち、該各発光素子８，９は、光検出信号を検出するための検出光を、後述する光透過性絶縁膜２０の接触面２０Ａに接触した利用者の指に照射する。なお、発光素子８，９として面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）または共振器型ＬＥＤを用いてもよい。
【００４５】
また、該各発光素子８，９は、上側ケース４の左手前側に設けられた光通過口４Ｂの下方に配置されている。また、各発光素子８，９は、後述する発光素子駆動部３３（発光素子駆動回路１４）により駆動される。
【００４６】
さらに、発光素子８と発光素子９とは、互いに異なる波長範囲を有する検出光を発する。例えば、発光素子８は酸素化ヘモグロビンによる吸収度が高い波長範囲を有する検出光を発し、発光素子９は脱酸素化ヘモグロビンによる吸収度が高い波長範囲を有する検出光を発する。
【００４７】
受光素子１０は、基板７上に設けられた受光器である。該受光素子１０は例えばフォトダイオードから構成されている。なお、受光素子１０としてフォトトランジスタを用いてもよい。また、該受光素子１０は、光通過口４Ｂの下方に配置されている。さらに、受光素子１０と発光素子８，９との間の距離は例えば５ｍｍから１０ｍｍまでの範囲内である。そして、受光素子１０は、発光素子８，９から照射された検出光の反射光（即ち、検出光を光透過性絶縁膜２０の接触面２０Ａに接触した利用者の指が反射した光）を受光し、この受光した光を光検出信号に変換し、この光検出信号を処理回路２６の光検出信号増幅部３４（図９参照）に出力する。
【００４８】
図５において、表面実装部品１１，１２，１３は、トランジスタ、レジスタおよびコンデンサであり、これらはいずれも、処理回路２６の発光素子駆動部３３に含まれる発光素子駆動回路１４を構成する。即ち、図７に示すように、これら表面実装部品１１，１２，１３は、発光素子８，９を駆動して発光素子８，９の発光を制御するための定電流回路および高周波カットフィルタ回路を備えた発光素子駆動回路１４を構成するものである。
【００４９】
また、これら表面実装部品１１，１２，１３は、基板７上において、発光素子８，９を取り囲むように発光素子８，９の周囲に配置され、発光素子８，９と対向する位置に接続端子１１Ａ，１２Ａ，１３Ａを有する。そして、各表面実装部品１１，１２，１３は、図６に示すように、接続端子１１Ａ，１２Ａ，１３Ａを、基板７上に設けられた電極パッド１５にはんだ付けすることにより、基板７上に固着され、かつ発光素子８，９および後述の演算処理部３６等と電気的に接続されている（図６では表面実装部品１３についてのみ図示）。
【００５０】
周壁リフレクタ１６は、発光素子８、９の周囲に形成されている。該周壁リフレクタは、各表面実装部品１１，１２，１３を基板７上に実装する際に形成されたはんだフィレットにより形成されている。即ち、各表面実装部品１１，１２，１３の接続端子１１Ａ，１２Ａ，１３Ａを接続するための電極パッド１５は、発光素子８，９に向かって伸張するように形成されている。これにより、接続端子１１Ａ，１２Ａ，１３Ａと電極パッド１５とをはんだ付けすることにより、接続端子１１Ａ，１２Ａ，１３Ａと電極パッド１５との間には、はんだ付け時のはんだ濡れにより、はんだフィレットが形成され、このはんだフィレットにより周壁リフレクタ１６が形成される。
【００５１】
また、各はんだフィレットは、接続端子１１Ａ，１２Ａ，１３Ａから発光素子８，９に向かって斜め下向きに傾斜する傾斜面を有し、この傾斜面が周壁リフレクタ１６の反射面１６Ａとなる。この反射面１６Ａ、即ち、はんだフィレットの傾斜面の傾斜角度は、例えばおよそ３０度〜６０度の範囲内に設定することが望ましい。
【００５２】
そして、各周壁リフレクタ１６の反射面１６Ａは、発光素子８，９から発せられる検出光を、光透過性絶縁膜２０の接触面２０Ａに接触した利用者の指に向かうように反射する。即ち、発光素子８，９は、検出光を概ね上向きに発するが、一部の検出光は発光素子８，９の周囲において左右方向および奥・手前方向に拡散する。しかしながら、この拡散した検出光は、各周壁リフレクタ１６の反射面１６Ａに当たる。これにより、拡散した検出光の向きが上向きに曲げられる。この結果、検出光が光通過口４Ｂを通過するように上向きに集光される。この結果、光透過性絶縁膜２０の接触面２０Ａに接触した利用者の指に照射される検出光の強度が大きくなる。
【００５３】
また、このような周壁リフレクタ１６は、図４に示すように、受光素子１０の周囲にも形成されている。即ち、受光素子１０の周囲には、図４に示すように、処理回路２６の一部を構成する表面実装部品１３，１７等が配置されており、表面実装部品１３，１７等を基板７上に実装する際に形成されたはんだフィレットにより周壁リフレクタ１６が形成されている。そして、受光素子１０の周囲に形成された周壁リフレクタ１６は、光透過性絶縁膜２０の接触面２０Ａに接触した利用者の指が反射した検出光の反射光を受光素子１０に向かうように反射する。
【００５４】
図４において、光透過性封止体１８は、基板７上において発光素子８，９、受光素子１０、表面実装部品１１，１２，１３，１７等を封止する。該光透過性封止体１８は、発光素子８，９が照射する光の波長範囲に対して光透過性を有する絶縁材料、例えば透明な絶縁樹脂等により形成されている。即ち、光透過性封止体１８は、基板７の上面において、上側ケース４の光通過口４Ｂの開口形状とほぼ対応する領域の全体を覆い、当該領域内に配置されている発光素子８，９、受光素子１０、表面実装部品１１，１２，１３，１７等を封じ込めている。
【００５５】
また、光透過性封止体１８の上部は、光通過口４Ｂに嵌め込まれている。もっとも、光透過性封止体１８の手前側端面の一部と光通過口４Ｂの手前側内周面の一部との間には、後述する光透過性絶縁膜２０のライン保護部２０Ｂ、導電ライン２１および接地ライン２２を配設するための隙間が形成されている。
【００５６】
そして、該光透過性封止体１８は、後述の光透過性心電電極１９および光透過性絶縁膜２０を発光素子８，９および受光素子１０の上方において支持するための支持体としての役割を果たす。
【００５７】
図３において、光透過性心電電極１９は、光透過性封止体１８上に設けられている。該光透過性心電電極１９は心電信号に係る電気信号を利用者の左手親指から検出するための電極である。該光透過性心電電極１９は、発光素子８，９が照射する光の波長範囲に対して光透過性を有する導電材料により形成されている。例えば、光透過性心電電極１９は、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）系、ＺｎＯ（酸化亜鉛）系、ＳｎＯ２（酸化スズ）系、ＴｉＯ２（酸化チタン）系、もしくはマグネシウム基非酸化物系の透明な導電材料、または透明導電樹脂から形成されている。そして、光透過性心電電極１９は数μｍ〜数十μｍ程度の厚さ寸法を有する薄膜として光透過性封止体１８の上面に設けられている。
【００５８】
また、光透過性心電電極１９は、例えば１辺の長さ寸法が１０ｍｍ〜３０ｍｍ程度の方形に形成されている。なお、光透過性心電電極１９を直径１０ｍｍ〜３０ｍｍ程度の円形または楕円形に形成してもよい。そして、光透過性心電電極１９は、図４に示すように、発光素子８，９および受光素子１０の上方に配置されている。
【００５９】
光透過性絶縁膜２０は、光透過性心電電極１９の上面を覆って設けられている。該光透過性絶縁膜２０は、発光素子８，９が照射する光の波長範囲に対して光透過性を有する絶縁材料、例えばポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）またはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド等の透明な絶縁材料により形成され、その厚さ寸法は、例えば数μｍ〜数十μｍである。さらに、光透過性絶縁膜２０は、光透過性心電電極１９の上面全体だけでなく、光透過性心電電極１９の周囲をも覆っており、光透過性心電電極１９を外気から遮断している。
【００６０】
また、光透過性絶縁膜２０において、光透過性心電電極１９と当接する面と対向する面が利用者の親指と接触する接触面２０Ａとなり、接触面２０Ａに利用者の親指が接触したとき、この指と光透過性心電電極１９との容量性結合により、当該指から心電信号に係る電気信号が検出される。
【００６１】
また、光透過性絶縁膜２０の手前側縁部には、図３に示すように、後述する導電ライン２１および接地ライン２２を保護するためのライン保護部２０Ｂが設けられている。該ライン保護部２０Ｂは、図８に示すように、光透過性絶縁膜２０の手前側縁部の一部を、基板７上に設けられた後述のコネクタ２３に向けて延在させることにより形成されている。そして、ライン保護部２０Ｂは、導電ライン２１および接地ライン２２の表面を覆っている。
【００６２】
導電ライン２１は、光透過性心電電極１９とコネクタ２３の信号端子との間を電気的に接続する。該導電ライン２１は、例えば光透過性心電電極１９と同じ導電材料から形成されている。そして、図４、図８に示すように、導電ライン２１の基端側は光透過性心電電極１９に接続され、先端側はライン保護部２０Ｂと共に、光透過性封止体１８の手前側端面と光通過口４Ｂの手前側内周面との間に形成された隙間を通って筐体２内に向かって下方に延び、コネクタ２３の信号端子に接続されている。
【００６３】
接地ライン２２は、導電ライン２１の左右方向両側に位置し、当該導電ライン２１からそれぞれ所定距離離間して配置されている。該各接地ライン２２は導電材料から形成されている。そして、各接地ライン２２は、導電ライン２１の基端側から先端側に向けて導電ライン２１と平行に延び、その先端がコネクタ２３の接地端子に接続されている。このように導電ライン２１を接地ライン２２で囲うことにより、導電ライン２１を流れる電気信号に放射ノイズが重畳するのを抑制することができる。
【００６４】
コネクタ２３は、基板７上に設けられている。該コネクタ２３は、導電ライン２１を基板７上に設けられた後述の処理回路２６の心電信号フィルタ部２８に接続すると共に、接地ライン２２を基板７に設けられた接地部（図示せず）に接続するものである。即ち、コネクタ２３内には、導電ライン２１と心電信号フィルタ部２８とを接続する信号端子、および接地ライン２２と基板７の接地部とを接続する接地端子（いずれも図示せず）が設けられている。
【００６５】
図３において、心電電極２４は、上側ケース４の上面右手前側に設けられている。該心電電極２４は心電信号に係る電気信号を利用者の右手親指から検出するための電極である。該心電電極２４は導電材料により形成され、その厚さ寸法およびサイズは光透過性心電電極１９とほぼ同じである。また、心電電極２４は、図示しない電線を介して処理回路２６の心電信号フィルタ部２９と電気的に接続されている。
【００６６】
なお、心電電極２４により検出された電気信号に放射ノイズが重畳するのを抑制するために、心電電極２４と心電信号フィルタ部２９とを電気的に接続する電線を、空間または絶縁体を介して導電体で覆い、当該導電体を接地する構成とすることが望ましい。
【００６７】
絶縁膜２５は、心電電極２４の上面を覆って設けられている。該絶縁膜２５は、例えば、光透過性絶縁膜２０と同様の透明な絶縁材料により形成されており、その厚さ寸法は光透過性絶縁膜２０とほぼ同じである。そして、絶縁膜２５は、心電電極２４の上面全体だけでなく、心電電極２４の周囲をも覆っており、心電電極２４を外気から遮断している。
【００６８】
また、絶縁膜２５において、心電電極２４と当接する面と対向する面が利用者の親指と接触する接触面２５Ａとなり、接触面２５Ａに利用者の親指が接触したとき、この指と心電電極２４との容量性結合により、当該指から心電信号に係る電気信号が検出される。
【００６９】
なお、心電電極２４を上側ケース４の右手前側部位に埋設してもよい。この場合には、上側ケース４のうち心電電極２４の上側に位置する部位が絶縁膜として機能するので、絶縁膜２５は設けなくてもよい。
【００７０】
処理回路２６は、基板７上に設けられている。該処理回路２６は、図９に示すように、心電信号検出部２７、光電脈波信号検出部３２および演算処理部３６から大略構成されている。
【００７１】
即ち、心電信号検出部２７は、利用者の心電信号を生成するものである。該心電信号検出部２７は、２個の心電信号フィルタ部２８，２９および基線変動抑制部３０、差動増幅部３１を備えている。
【００７２】
ここで、心電信号フィルタ部２８は、導電ライン２１、コネクタ２３の信号端子等を介して光透過性心電電極１９と接続されている。また、心電信号フィルタ部２９もこれとほぼ同様に心電電極２４と接続されている。そして、心電信号フィルタ部２８，２９は、利用者の両手の親指から検出された心電信号に係る電気信号に含まれるノイズを軽減する。
【００７３】
ここで、心電信号フィルタ部２８，２９は例えばローパスフィルタ（低域通過フィルタ）から構成されている。また、差動増幅部３１により生成される心電信号の波形歪みを軽減するために、心電信号フィルタ部２８，２９の入力インピーダンスを高くし、例えば１ＧΩ〜１０ＴΩとすることが望ましい。
【００７４】
基線変動抑制部３０は、心電信号フィルタ部２８，２９の後段に接続され、各心電信号フィルタ部２８，２９から出力された心電信号に係る電気信号の基線（ベースライン）の変動を抑制する。
【００７５】
差動増幅部３１は、基線変動抑制部３０の後段に接続された差動増幅回路であり、例えばオペアンプ（演算増幅器）等を含んだ差動増幅回路により構成されている。なお、通常使用されるオペアンプの入力インピーダンスは、１ＧΩ以上である。このため、差動増幅器３１の入力インピーダンスは、１ＧΩ以上となる。そして、差動増幅器３１は、基線変動抑制部３０から出力された心電信号に係る電気信号を差動増幅することにより心電信号を生成する。即ち、差動増幅部３１は、光透過性心電電極１９により利用者の左手の親指から検出され、心電信号フィルタ部２８および基線変動抑制部３０を介して入力された電気信号と、心電電極２４により利用者の右手の親指から検出され、心電信号フィルタ部２９および基線変動抑制部３０を介して入力された電気信号とを差動増幅することにより、心電信号を生成する。
【００７６】
一方、光電脈波信号検出部３２は、演算処理部３６と協働して利用者の光電脈波信号を生成するものである。該光電脈波信号検出部３２は、発光素子駆動部３３、光検出信号増幅部３４および脈波信号フィルタ部３５を備えている。
【００７７】
ここで、発光素子駆動部３３は、各発光素子８，９を駆動し、各検出光の発光パワー、発光タイミング等を制御する。図５ないし図７に示す発光素子駆動回路１４は、発光素子駆動部３３の一部を構成するものである。
【００７８】
光検出信号増幅部３４は、受光素子１０に接続され、受光素子１０から供給された光検出信号に対して電流−電圧変換を行い、電流−電圧変換された光検出信号を増幅する。
【００７９】
脈波信号フィルタ部３５は、光検出信号増幅部３４の後段に接続され、光検出信号増幅部３４から出力された光検出信号からノイズを除去する。脈波信号フィルタ部３５は、ローパスフィルタおよび必要に応じてハイパスフィルタを備えている。
【００８０】
演算処理部３６は例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）であり、発光素子８，９の検出光を制御する処理、光検出信号から光電脈波信号を抽出する処理、心電信号および光電脈波信号に基づいて生体情報を生成する処理、生体センサ装置１の全体的な制御等を行う。
【００８１】
即ち、演算処理部３６は、発光素子８の検出光を制御するためのパルス信号である第１のパルス制御信号と、発光素子９の検出光を制御するためのパルス信号である第２のパルス制御信号とを発光素子駆動部３３に供給し、これらのパルス制御信号に対応するように発光素子８，９をパルス状に発光させる。これにより、発光素子８，９からパルス状の検出光がそれぞれ発せられる。ここで、第１のパルス制御信号と第２のパルス制御信号とは位相が相互に異なる。このため、発光素子８，９の検出光の発光タイミングが相互に異なる。
【００８２】
また、演算処理部３６は、受光素子１０から光検出信号増幅部３４および脈波信号フィルタ部３５を介して供給された光検出信号から光電脈波信号を抽出する処理を行う。演算処理部３６は、この抽出処理を、第１のパルス制御信号および第２のパルス制御信号の各周期および位相に同期した時分割処理により行い、発光素子８の検出光に対応する光電脈波信号と、発光素子９の検出光に対応する光電脈波信号とを光検出信号からそれぞれ分離させる。
【００８３】
さらに、演算処理部３６は、このように分離・抽出した光電脈波信号と差動増幅部３１により生成された心電信号とに基づいて、心電図、心拍速度、酸素飽和度、脈波伝搬時間、加速度脈波、心拍ゆらぎ等の生体情報を生成する。
【００８４】
本発明の第１の実施形態による生体センサ装置１は以上のような構成を有するものであり、次にその動作を説明する。
【００８５】
図２に示すように、利用者が左手の親指を光透過性絶縁膜２０の接触面２０Ａに接触させ、右手の親指を絶縁膜２５の接触面２５Ａに接触させたとき、左手の親指と光透過性心電電極１９との容量性結合により光透過性心電電極１９から心電信号に係る第１の電気信号が検出されると共に、右手の親指と心電電極２４との容量性結合により心電電極２４から心電信号に係る第２の電気信号が検出される。そして、第１の電気信号および第２の電気信号は、心電信号フィルタ部２８，２９によりそれぞれノイズが軽減され、基線変動抑制部３０により基線の変動が抑制された後、差動増幅部３１により差動増幅される。これにより、当該利用者の心電信号が得られ、この心電信号が演算処理部３６に供給される。
【００８６】
これと同時に、演算処理部３６から発光素子駆動部３３に向けて第１のパルス制御信号および第２のパルス制御信号が供給され、これらに応じて発光素子８，９が互いに波長範囲が異なる検出光を互いに異なる発光タイミングでそれぞれ発する。そして、これら検出光は、光透過性封止体１８，光透過性心電電極１９および光透過性絶縁膜２０を透過して、利用者の左手の親指に到達する。さらに、当該親指からの検出光の反射光が、光透過性絶縁膜２０，光透過性心電電極１９および光透過性封止体１８を透過して受光素子１０に到達する。そして、受光素子１０はこの反射光を受光し、この反射光に対応する光検出信号を出力する。さらに、この光検出信号は、光検出信号増幅部３４により電流−電圧変換された後に増幅され、さらに脈波信号フィルタ部３５によりノイズが除去され後、演算処理部３６に供給される。
【００８７】
そして、演算処理部３６は、第１のパルス制御信号および第２のパルス制御に基づいて時分割処理を行い、脈波信号フィルタ部３５から供給された光検出信号から、発光素子８の検出光に対応する光電脈波信号と、発光素子９の検出光に対応する光電脈波信号とを光検出信号からそれぞれ分離・抽出する。そして、分離・抽出した光電脈波信号と差動増幅部３１から供給された心電信号とに基づいて、心電図、心拍速度、酸素飽和度、脈波伝搬時間、加速度脈波、心拍ゆらぎ等の生体情報を生成する。これら生体情報は例えばディスプレイパネル５の表示画面に表示される。
【００８８】
以上説明した通り、本発明の第１の実施形態による生体センサ装置１によれば、心電信号を得るための光透過性心電電極１９と、光電脈波信号を得るための発光素子８，９および受光素子１０とを上下方向に重なり合うように配置したことにより、光透過性心電電極１９のサイズを十分に大きく設定しつつ、かつ発光素子８，９と受光素子１０との間の距離を十分に長く設定しつつも、生体センサ装置１の小型化を図ることができる。
【００８９】
そして、生体センサ装置１の小型化を図りながらも、光透過性心電電極１９のサイズを十分に大きく設定することができるので、利用者の親指と光透過性心電電極１９との接触を安定化させることができ、心電信号のＳＮ比を高めることができる。
【００９０】
また、生体センサ装置１の小型化を図りながらも、発光素子８，９と受光素子１０との間の距離を十分に長く設定することができるので、光電脈波信号のＳＮ比を高めることができる。即ち、発光素子８，９と受光素子１０との間の距離を十分に長く設定することにより、受光素子１０に受光される反射光において、利用者の指の表皮外面に反射する反射光に対し、利用者の指の表皮下にある動脈を通過する反射光を相対的に増加させることができる。これにより、受光素子１０により受光された反射光に対応する光検出信号において、光電脈波信号として不要な直流信号成分に対し、光電脈波信号として有用な交流信号成分を相対的に増加させることができ、光電脈波信号のＳＮ比を高めることができる。
【００９１】
一方、発光素子８，９および受光素子１０を光透過性心電電極１９の下方に配置するため、従来技術のように、発光素子および受光素子を取り付けるための窪みや孔を電極表面に形成する必要がない。これにより、各心電電極１９，２４を平坦にすることができ、利用者の指と各心電電極１９，２４との接触を安定化させることができ、心電信号のＳＮ比を高めることができる。
【００９２】
また、発光素子８，９および受光素子１０の上方に配設された光透過性心電電極１９および光透過性絶縁膜２０を発光素子８，９および受光素子１０の保護カバーとして機能させることができる。これにより、発光素子８，９および受光素子１０を、外部からの摩擦や衝撃から保護することができる。
【００９３】
また、互いに波長範囲が異なる検出光をそれぞれ照射する２個の発光素子８，９を設けることにより、生体の酸素飽和度を測定することができる。
【００９４】
また、発光素子８，９および受光素子１０の周囲に配置された表面実装部品１１，１２，１３，１７を基板７上に実装する際に形成されたはんだフィレットにより周壁リフレクタ１６を形成し、これら周壁リフレクタ１６により、発光素子８，９の検出光およびこの反射光を反射させることにより、検出光を光透過性絶縁膜２０の接触面２０Ａに接触した利用者の指に向けて集めることができ、さらに、検出光の反射光を受光素子１０に集めることができる。これにより、利用者の指から得られる光電脈波信号のＳＮ比を高めることができる。
【００９５】
そして、このような集光効果を実現するために、周壁リフレクタ１６を形成するための専用の部品を別途追加する必要がない。これにより、生体センサ装置１の小型化を図ることができると共に、生体センサ装置１の製造コストを下げることができる。
【００９６】
さらに、発光素子８，９を取り囲むように配置する表面実装部品１１，１２，１３を、発光素子８，９を駆動して発光素子８，９の発光を制御する発光素子駆動回路１４を構成する表面実装部品とすることにより、発光素子８，９から発せられる検出光の強度を安定化させることができ、利用者の指から得られる光電脈波信号のＳＮ比を高めることができる。
【００９７】
即ち、発光素子８，９を取り囲むように配置する表面実装部品１１，１２，１３の中に、駆動系回路以外の電気回路を構成する表面実装部品が含まれていると、発光素子８，９を駆動する信号等にノイズが乗り、このノイズにより、発光素子８，９から発せられる検出光の強度が不安定になるおそれがある。これに対し、発光素子８，９を取り囲むように配置する表面実装部品を、発光素子駆動回路を構成する表面実装部品１１，１２，１３とすることにより、発光素子８，９を駆動する信号等にノイズが乗るのを防止することができ、発光素子８，９から発せられる検出光の強度を安定化させることができる。
【００９８】
また、心電電極１９，２４上には絶縁膜２０，２５が設けられているので、心電電極１９，２４が人間の指等の生体に接触することがなく、また、心電電極１９，２４が外気に露出することがない。これにより、心電電極１９，２４に水分等が付着するのを防ぐことができる。従って、心電電極１９，２４の劣化を防止することができ、生体センサ装置１の耐久性を高めることができる。
【００９９】
次に、本発明の生体センサ装置の第２の実施形態について図１０に従って説明する。なお、図４に示す第１の実施形態による生体センサ装置１の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１００】
上述した第１の実施形態による生体センサ装置１では、図４に示すように、光透過性封止体１８の手前側端面と光通過口４Ｂの手前側内周面との間に導電ライン２１を配設することにより、光透過性心電電極１９と処理回路２６の心電信号フィルタ部２８との間の電気的接続を行っている。
【０１０１】
これに対し、第２の実施形態による生体センサ装置４１では、図１０に示すように、光透過性封止体４２に形成された貫通孔４２Ａに、発光素子８，９が照射する光の波長範囲に対して光透過性を有する導電樹脂（例えば透明な導電樹脂）を流入させることにより、光透過性封止体４２上に設けられた光透過性心電電極４３と、基板７上に設けられた電極パッド４４とを電気的に接続し、さらに、電極パッド４４を基板７上の配線パターン４５を介して心電信号フィルタ部２８に電気的に接続している。
【０１０２】
即ち、発光素子８，９が照射する光の波長範囲に対して光透過性を有する絶縁樹脂（例えば透明な絶縁樹脂）により形成され、基板７上において発光素子８，９、受光素子１０、表面実装部品１１，１２，１３等を封止する光透過性封止体４２に、ダイシング、レーザ加工、またはフォトリソグラフィーもしくは印刷でのパターンニング等の手段により、横断面形状が円形、楕円形または方形状の貫通孔４２Ａあるいは貫通溝を形成する。また、基板７上において貫通孔４２Ａの下端側開口部に対応する領域には電極パッド４４が配設されており、該電極パッド４４は、基板７上に設けられた配線パターン４５を介して心電信号フィルタ部２８に接続されている。
【０１０３】
そして、光透過性封止体４２の上面に、発光素子８，９が照射する光の波長範囲に対して光透過性を有する導電樹脂（例えば透明な導電樹脂）を塗布し、導電樹脂の薄膜を形成する。このとき、導電樹脂の一部を貫通孔４２Ａ内に流入させ、この貫通孔４２Ａに流入させた導電樹脂により、光透過性封止体４２の上面に形成した導電樹脂の薄膜と、基板７上の電極パッド４４とを電気的に接続させる。その後、この塗布した導電樹脂を硬化させる。これにより、光透過性封止体４２上に光透過性心電電極４３が形成され、貫通孔４２Ａ内には、光透過性心電電極４３と電極パッド４４とを相互に電気的に接続する導電接続部４３Ａが形成される。その後、光透過性心電電極４３の上面に光透過性絶縁膜４６を形成する。
【０１０４】
利用者の左手の親指が光透過性絶縁膜４６の接触面４６Ａに接触したとき、当該親指と光透過性心電電極４３との容量性結合により、心電信号に係る電気信号が検出され、この電気信号は導電接続部４３Ａ、電極パッド４４および配線パターン４５を通って心電信号フィルタ部２８に供給される。
【０１０５】
このような構成を有する本発明の第２の実施形態による生体センサ装置４１によっても、上述した本発明の第１の実施形態による生体センサ装置１とほぼ同様な作用効果を得ることができる。
【０１０６】
次に、本発明の第３の実施形態を図１１ないし図１７に従って説明する。なお、第３の実施形態では、前記第１の実施形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
【０１０７】
図１１に示すように、本発明の第３の実施形態による生体センサ装置５１は、処理回路５２を備えている。そして、処理回路５２は、第１の実施形態による処理回路２６と同様に、心電信号検出部５３、光電脈波信号検出部３２および演算処理部３６から大略構成されている。ここで、心電信号検出部５３は、第１の実施形態による心電信号検出部２７と同様に、後述する２個の心電信号フィルタ部５４、基線変動抑制部３０および差動増幅部３１を備えている。
【０１０８】
心電信号フィルタ部５４は、処理回路５２の入力端側に設けられ、その入力端子５４Ａが心電信号検出部５３の入力端子となっている。即ち、心電信号フィルタ部５４の入力端子５４Ａは、心電電極１９，２４にそれぞれ接続され、また、心電信号フィルタ部５４の出力端子５４Ｂは、差動増幅部３１の入力端に、基線変動抑制部３０を介してそれぞれ接続されている。そして、心電信号フィルタ部５４は、人間の親指が心電電極１９，２４上の絶縁膜２０，２５の接触面２０Ａ，２５Ａに接触したときに、当該人間の親指と心電電極１９，２４との容量性結合により検出される心電信号に係る電気信号に含まれるノイズを軽減する。
【０１０９】
ここで、心電信号フィルタ部５４は、例えばローパスフィルタによって構成されている。具体的には、心電信号フィルタ部５４は、図１２に示すように、例えばオペアンプ５４Ｃと、該オペアンプ５４Ｃの非反転端子と入力端子５４Ａとの間に直列接続された第１，第２の抵抗５４Ｄ，５４Ｅと、第１，第２の抵抗５４Ｄ，５４Ｅ間の接続点とオペアンプ５４Ｃの出力端子との間に接続された第１のコンデンサ５４Ｆと、オペアンプ５４Ｃの非反転端子とグランドとの間に接続された第２のコンデンサ５４Ｇとを備え、反転端子と出力端子との間が接続されたサレン・キー回路によって構成されている。このとき、心電信号フィルタ部５４のカットオフ周波数は、抵抗５４Ｄ，５４Ｅの抵抗値Ｒ1，Ｒ2と、コンデンサ５４Ｆ，５４Ｇの容量値Ｃ1，Ｃ2とによって決定されている。
【０１１０】
クランプ回路５５は、心電信号フィルタ部５４の入力端子５４Ａに接続されている。該クランプ回路５５は、直流定電圧源としてのグランド５５Ａと、該グランド５５Ａと入力端子５４Ａとの間に接続された高インピーダンス素子としてのダイオード５５Ｂ，５５Ｃとによって構成されている。このとき、ダイオード５５Ｂ，５５Ｃは、順方向が互いに反対となるように向かい合わせた状態で直列接続されている。このため、ダイオード５５Ｂ，５５Ｃは、カソード同士が接続されると共に、ダイオード５５Ｂのアノードはグランド５５Ａに接続され、ダイオード５５Ｃのアノードは入力端子５４Ａに接続されている。
【０１１１】
このため、ダイオード５５Ｂは、グランド電圧よりも高圧な電気信号に対して逆方向特性を有し、高インピーダンスとして例えば１００ＭΩ以上の抵抗値Ｒ0を有する。一方、ダイオード５５Ｃは、グランド電圧よりも低圧な電気信号に対して逆方向特性を有し、高インピーダンスとして例えば１００ＭΩ以上の抵抗値Ｒ0を有する。そして、クランプ回路５５は、その接続端となる入力端子５４Ａの基準電位を一定の電圧としてのグランド電圧に固定している。
【０１１２】
ここで、クランプ回路５５の接続端から差動増幅部３１を備えた心電信号検出部５３をみたときのインピーダンスがクランプ回路５５のインピーダンス（抵抗値Ｒ0）よりも大きな値に設定されている。具体的には、クランプ回路５５のインピーダンスは、主にダイオード５５Ｂ，５５Ｃの逆方向特性の抵抗値Ｒ0で決まる。この抵抗値Ｒ0は、一般的に心電信号フィルタ部５４のオペアンプ５４Ｃの非反転端子（入力端子）の入力インピーダンスである１ＧΩ以上に比べて小さい値となっている。このため、心電電極１９，２４から心電信号検出部５３をみたときのインピーダンスは、ダイオード５５Ｂ，５５Ｃの抵抗値Ｒ0で決まってしまう。
【０１１３】
そこで、次にダイオード５５Ｂ，５５Ｃの抵抗値Ｒ0について検討する。生体センサ装置５１のように、生体と心電電極１９，２４との容量性結合を用いて心電信号に係る電気信号を計測する場合、心電信号フィルタ回路５４の入力端子５４Ａでの損失は、生体と心電電極１９，２４との間の静電容量値Ｃ0およびクランプ回路５５の抵抗値Ｒ0に依存する。このため、静電容量値Ｃ0および抵抗値Ｒ0を適切に選ばないと、心電信号の周波数帯域で損失が生じる。
【０１１４】
このとき、心電電極１９，２４の大きさは、生体の接触部分である指先と同程度である。このため、心電電極１９，２４は、一辺の長さが１０ｍｍ〜３０ｍｍ程度の長方形や、直径が１０ｍｍ〜３０ｍｍ程度の楕円形である。また、心電電極１９，２４は、例えば数μｍ〜数十μｍ程度の厚さ寸法をもった絶縁膜２０，２５によって覆われている。従って、生体と心電電極１９，２４との間に生じる静電容量値Ｃ0は、７０ｐＦ〜６００ｐＦ程度である。
【０１１５】
このような静電容量値Ｃ0に対して、心電信号に係る電気信号の検出が可能とするためには、この電気信号の波形の歪みを小さくすると共に、放射ノイズの影響を小さくする必要がある。この条件を満たすのは、抵抗値Ｒ0が境界線Ｘよりも大きいときである。即ち、抵抗値Ｒ0が、図１３中のＢ領域にあるときである。
【０１１６】
具体的に説明すると、抵抗値Ｒ0が図１３中のＡ領域にあるときには、図１４中の特性線ａに示すように、心電信号の周波数帯域である０．１〜２００Ｈｚで損失が大きくなる。この場合、図１５に示すように、無損失の理想的な心電信号に係る電気信号Ｓ0に対して心電信号に係る電気信号Ｓの歪みが大きくなり、適切な電気信号を検出することができない。
【０１１７】
これに対し、抵抗値Ｒ0が図１３中の境界線Ｘ付近となるときには、図１４中の特性線ｘに示すように、心電信号の周波数帯域である０．１〜２００Ｈｚで損失が小さくなる。この場合、図１６に示すように、心電信号に係る電気信号Ｓの歪みも小さくなり、電気信号Ｓの波形は、理想的な電気信号Ｓ0に近付く。また、抵抗値Ｒ0がＡ領域よりも大きくなるから、放射ノイズＮＧの影響も小さくなる。これにより、心電信号に係る電気信号の詳細な波形の検出は難しいが、心電信号のピークは検出可能となる。
【０１１８】
抵抗値Ｒ0が図１３中のＢ領域にあるときには、図１４中の特性線ｂに示すように、心電信号の周波数帯域である０．１〜２００Ｈｚでの損失は、さらに低下する。この場合、図１７に示すように、心電信号に係る電気信号Ｓの波形は理想的な電気信号Ｓ0の波形とほぼ同様に変化し、電気信号Ｓの歪みや放射ノイズＮＧの影響は、さらに低下する。この結果、心電信号に係る電気信号の歪みを小さくすると共に、放射ノイズＮＧの影響を小さくするためには、抵抗値Ｒ0は図１３中のＢ領域に含まれる必要がある。即ち、抵抗値Ｒ0は、例えば１００ＭΩ以上ある必要がある。
【０１１９】
ここで、一般的なクランプ回路で使用される抵抗素子では、抵抗値は大きくても数ＭΩ程度であり、上述のような１００ＭΩ以上の高インピーダンスは得られない。このため、一般的な抵抗素子を用いた場合には、心電信号に係る電気信号Ｓの歪みが大きくなり、ＳＮ比が低下してしまう。これに対し、本実施形態によるクランプ回路５５では、ダイオード５５Ｂ，５５Ｃの逆方向特性を利用し、抵抗値Ｒ0として１００ＭΩ以上の高インピーダンスを実現している。
【０１２０】
具体的に説明すると、本実施の形態では、心電電極１９，２４の大きさから得られる心電信号に係る電気信号の電圧は１〜２ｍＶ程度である。このとき、図１２に示すように、ダイオード５５Ｂ，５５Ｃを向かい合わせに接続すると、ダイオード５５Ｂ，５５Ｃのうちいずれか一方には、逆方向特性によって逆電圧として１〜２ｍＶが印加される。一方、ダイオード５５Ｂ，５５Ｃのブレークダウン電圧は通常１Ｖ程度である。このため、逆電圧がブレークダウン電圧よりも十分に小さいから、ダイオード５５Ｂ，５５Ｃには電流が流れない。この結果、ダイオード５５Ｂ，５５Ｃは、例えば１００ＭΩ以上の高インピーダンス素子として機能する。これにより、本実施の形態では、歪みが小さく、ＳＮ比がよい良好な心電信号に係る電気信号Ｓを検出することができる。
【０１２１】
なお、前述した外部からの放射ノイズＮＧは、主に商用電源の雑音（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）とその高調波（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの整数倍）とを含む。ここで、商用電源の雑音は、２つの心電電極１９，２４に同相で加わるため、差動増幅器３１によって相殺される。それ以外の２００Ｈｚ以上の雑音は、心電信号フィルタ部５４によって除去される。このため、心電信号フィルタ部５４のカットオフ周波数は、２００Ｈｚ以上の適切な値に設定されている。
【０１２２】
このような構成を有する本発明の第３の実施形態によれば、上述した第１の実施形態とほぼ同様の効果を得ることができる。また、心電電極１９，２４と生体との容量性結合を用いて心電信号に係る電気信号を検出する場合、心電電極１９，２４から心電信号検出部５３をみたときの入力インピーダンスが低いと、心電信号に係る電気信号の周波数領域で損失が大きくなり、心電信号を検出することができなくなる。また、心電信号フィルタ部５４の入力端子５４Ａの基準電位が固定されていないと、心電信号に係る電気信号の中心電位の変動が大きくなり、安定した心電信号の測定が難しくなる。これに対し、第３の実施形態では、クランプ回路５５によって心電信号フィルタ部５４の入力端子５４Ａの基準電位を固定できるから、心電信号に係る電気信号の中心電位の変動を小さくすることができる。このため、ＳＮ比が良くなり、安定して心電信号に係る電気信号を検出することができる。
【０１２３】
また、クランプ回路５５を高インピーダンス素子としてのダイオード５５Ｂ，５５Ｃを用いて構成すると共に、クランプ回路５５の接続端から心電信号検出部５３の入力端をみたときのインピーダンスをクランプ回路５５のインピーダンス（抵抗値Ｒ0）よりも大きく設定したので、心電信号に係る電気信号の周波数領域での損失を低減することができる。
【０１２４】
次に、本発明の第４の実施形態を図１８および図１９に従って説明する。なお、第４の実施形態では、前記第１の実施形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
【０１２５】
図１８に示すように、本発明の第４の実施形態による生体センサ装置６１は、処理回路６２を備えている。そして、処理回路６２は、第１の実施形態による処理回路２６と同様に、心電信号検出部６３、光電脈波信号検出部３２および演算処理部３６から大略構成されている。ここで、心電信号検出部６３は、第１の実施形態による心電信号検出部２７と同様に、後述する２個の心電信号フィルタ部６４、基線変動抑制部３０および差動増幅部３１を備えている。
【０１２６】
ここで、心電信号フィルタ部６４の入力端子６４Ａは、心電信号検出部６３の入力端子となり、心電電極１９，２４にそれぞれ接続されている。一方、フィルタ部６４の出力端子６４Ｂは、差動増幅部３１の入力端に、基線変動抑制部３０を介してそれぞれ接続されている。また、心電信号フィルタ部６４は、例えば第３の実施形態による心電信号フィルタ部５４とほぼ同様に、オペアンプ６４Ｃ、第１，第２の抵抗６４Ｄ，６４Ｅおよび第１，第２のコンデンサ６４Ｆ，６４Ｇによってサレン・キー回路からなるローパスフィルタを構成している。そして、心電信号フィルタ部６４は、処理回路６２の入力端側に設けられ、心電信号に係る電気信号からノイズを軽減する。
【０１２７】
クランプ回路６５は、心電信号フィルタ部６４の入力端子６４Ａに接続されている。該クランプ回路部６５は、２つのクランプ回路６６，６７を用いて構成されている。
【０１２８】
ここで、第１のクランプ回路６６は、第１の直流定電圧源としてのグランド６６Ａと、該グランド６６Ａと入力端子６４Ａとの間に接続された第１の高インピーダンス素子としてのダイオード６６Ｂとによって構成されている。このとき、ダイオード６６Ｂは、アノードがグランド６６Ａに接続され、カソードが入力端子６４Ａに接続されている。このため、ダイオード６６Ｂは、グランド電圧よりも高圧な電気信号に対して逆方向特性を有し、高インピーダンスとして例えば１００ＭΩ以上の抵抗値Ｒ0を有する。
【０１２９】
一方、第２のクランプ回路６７は、第２の直流定電圧源として例えばオペアンプ６４Ｃの駆動電圧源６７Ａと、該駆動電圧源６７Ａと入力端子６４Ａとの間に接続された第２の高インピーダンス素子としてのダイオード６７Ｂとによって構成されている。このとき、ダイオード６７Ｂは、アノードが入力端子６４Ａに接続され、カソードが駆動電圧源６７Ａに接続されている。このため、ダイオード６７Ｂは、駆動電圧源６７Ａによる駆動電圧Ｖccよりも低圧な電気信号に対して逆方向特性を有し、高インピーダンスとして例えば１００ＭΩ以上の抵抗値Ｒ0を有する。
【０１３０】
ここで、クランプ回路６６，６７の接続端から心電信号検出部６３をみたときのインピーダンスがクランプ回路６６，６７のインピーダンス（抵抗値Ｒ0）よりも大きな値に設定されている。具体的には、クランプ回路６６，６７のインピーダンスとなるダイオード６６Ｂ，６７Ｂの逆方向特性の抵抗値Ｒ0は、心電信号フィルタ部６４のオペアンプ６４Ｃの非反転端子（入力端子）の入力インピーダンスである１ＧΩ以上に比べて小さい値となっている。
【０１３１】
そして、クランプ回路６６，６７は、その接続端となる入力端子６４Ａの基準電位を駆動電圧Ｖccとグランド電圧との間で予め決められた一定の電圧に固定している。
【０１３２】
このような構成を有する本発明の第４の実施形態によれば、上述した第１，第３の実施形態とほぼ同様の効果を得ることができる。特に、第４の実施形態では、心電信号フィルタ部６４の入力端子６４Ａには複数のクランプ回路６６，６７を接続した。このため、心電信号フィルタ部６４の入力端子６４Ａの基準電位は、第１のクランプ回路６６のグランド電圧と第２のクランプ回路６７の駆動電圧Ｖccとの間の範囲で任意の値に設定することができる。この結果、例えば心電信号フィルタ部６４のオペアンプ６４Ｃで増幅可能な範囲および心電信号に係る電気信号の大きさ等を考慮して、心電信号フィルタ部６４の入力端子６４Ａの基準電位を適切な値に設定することができる。
【０１３３】
なお、上述した第３の実施の形態によるクランプ回路５５では、２個のダイオード５５Ｂ，５５Ｃは互いのカソード同士を接続する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば図２０に示す第５の実施形態のよるクランプ回路７１のように、グランド７１Ａに接続された２個のダイオード７１Ｂ，７１Ｃは、互いのアノード同士を接続する構成としてもよい。また、向かい合わせたダイオード５５Ｂ，５５Ｃまたは７１Ｂ，７１Ｃを１組として、複数組直列に接続してもよい。これら第３，第５の実施形態によるダイオード５５Ｂ，５５Ｃ，７１Ｂ，７１Ｃは、第４の実施形態によるクランプ回路６６，６７のダイオード６６Ｂ，６７Ｂ（高インピーダンス素子）にも適用できるものである。
【０１３４】
また、上述した第４の実施形態によるクランプ回路６６，６７では、高インピーダンス素子は単一のダイオード６６Ｂ，６７Ｂを用いて構成するものとした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば図２１に示す第６の実施形態によるクランプ回路８１，８２のように、グランド８１Ａ、駆動電圧源８２Ａには、順方向が同一となるように複数個のダイオード８１Ｂ，８２Ｂをそれぞれ直列に接続する構成としてもよい。この場合、隣り合う２つのダイオード８１Ｂ，８２Ｂは、カソードとアノードとをそれぞれ接続する。これにより、ダイオード８１Ｂ，８２Ｂの逆方向電流が小さくなるのに加えて、クランプ回路８１，８２の抵抗値を容易に高めることができる。
【０１３５】
また、第３ないし第６の実施形態では、高インピーダンス素子としてダイオード５５Ｂ，５５Ｃ，６６Ｂ，６７Ｂ，７１Ｂ，７１Ｃ，８１Ｂ，８２Ｂを用いる構成としたが、ダイオード５５Ｂ，５５Ｃ，６６Ｂ，６７Ｂ，７１Ｂ，７１Ｃ，８１Ｂ，８２Ｂに代えて、例えばバイポーラトランジスタのベースとコレクタとを短絡して、ベース・エミッタ間の特性を用いてもよく、電界効果トランジスタのゲートとソースとを短絡して、ゲート・ソース間の特性を用いてもよい。
【０１３６】
さらに、高インピーダンス素子としては、高抵抗素子、高抵抗半導体膜等を用いることもできる。高抵抗半導体膜の成膜には、例えばスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、蒸着法等があるが、他の成膜方法を用いてもよい。高抵抗半導体膜としては、例えば酸化物半導体膜があるが、他の高抵抗半導体膜でもよい。また、シリコン、ガリウム砒素等を用いて絶縁体の基板を形成すると共に、該基板の抵抗を低下させて高インピーダンス素子を形成してもよい。基板の抵抗を低下させる方法としては、例えば熱拡散法、イオン打ち込み法等によって基板に不純物を添加する方法が考えられる。
【０１３７】
また、第４の実施形態では、心電電極１９，２４には同じクランプ回路６６，６７を接続する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、２つの心電電極には互いに異なるクランプ回路を接続する構成としてもよい。この場合、一方の心電電極に接続した第１のクランプ回路の第１の直流定電圧源と、他方の心電電極に接続した第１のクランプ回路の第１の直流定電圧源とは、相互に異なる電位でもよい。同様に、一方の心電電極に接続した第２のクランプ回路の第２の直流定電圧源と、他方の心電電極に接続した第２のクランプ回路の第２の直流定電圧源とは、相互に異なる電位でもよい。また、クランプ回路６６，６７のダイオード６６Ｂ，６７Ｂの抵抗値Ｒ0は、互いに異なる値でもよい。
【０１３８】
また、第３，第４の実施形態では、放射ノイズを除去する心電信号フィルタ部５４，６４は入力インピーダンスが高いオペアンプ５４Ｃ，６４Ｃを含む能動フィルタによって構成したが、オペアンプを省いた受動フィルタによって構成してもよい。
【０１３９】
また、第３，第４の実施形態では、第１の実施形態の心電電極１９，２４に増幅回路部としての心電信号フィルタ部５４，６４とクランプ回路５５，６６，６７を接続する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、第２の実施形態による光透過性心電電極４３に増幅回路部およびクランプ回路部を接続する構成としてもよい。
【０１４０】
次に、本発明の第７の実施形態を図２２および図２３に従って説明する。なお、第７の実施形態では、前記第１の実施形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
【０１４１】
図２２に示すように、本発明の第７の実施形態による生体センサ装置１０１では、処理回路２６は、第１の筐体として例えば携帯型音楽プレーヤ、携帯電話等のような携帯機器１０２のケーシング１０２Ａの内部に収容されている。このケーシング１０２Ａは、固定バンド１０２Ｂを用いて利用者の腕等に取り付けられている。また、ケーシング１０２Ａは、処理回路２６に加えて、心電電極２４を収容している。さらに、ケーシング１０２Ａには、心電電極２４と対向して、利用者の皮膚に接触する第１の部位として例えば腕の表面と接触する絶縁膜２５がケーシング１０２Ａの表面に露出して設けられている。このとき、ケーシング１０２Ａには、ヘッドフォン１０３から音楽、音声等を出力する携帯型音楽プレーヤ等の機能が内蔵されている。
【０１４２】
一方、光透過性心電電極１９、発光素子８，９および受光素子１０は、ケーシング１０２Ａとは別個に設けられたヘッドフォン１０３に取り付けられている。このとき、ヘッドフォン１０３は、両耳に取り付けられるスピーカーケーシング１０３Ａ（片方のみ図示）を備えると共に、スピーカーケーシング１０３Ａは第２の筐体を構成している。そして、これらのスピーカーケーシング１０３Ａは、スピーカ等を内蔵したイヤーチップ１０３Ｂを備えると共に、ヘッドバンド１０３Ｃを用いて互いに連結され、ばね性をもって頭を両側から軽く挟む構造となっている。
【０１４３】
また、光透過性心電電極１９、発光素子８，９および受光素子１０は、ヘッドフォン１０３のうち利用者の一方の耳に装着されるスピーカーケーシング１０３Ａの内部に収容されている。このとき、光透過性心電電極１９、発光素子８，９および受光素子１０は、スピーカーケーシング１０３Ａのうち例えば利用者の耳珠前方部と対応した位置に配置されている。さらに、スピーカーケーシング１０３Ａには、光透過性心電電極１９と対向して、利用者の皮膚に接触する第２の部位として例えば耳珠前方部と接触する光透過性絶縁膜２０がスピーカーケーシング１０３Ａの表面に露出して設けられている。このとき、光透過性心電電極１９の面積は、心電電極２４の面積と同じ程度に設定されている。
【０１４４】
そして、光透過性心電電極１９等は、ケーシング１０２Ａから引き出されたケーブル１０４を介してケーシング１０２Ａ内の処理回路２６に電気的に接続されている。このとき、ケーブル１０４は、周囲環境およびヘッドフォン１０３からの放射ノイズの影響を低減するために、同軸線、ツイストペアケーブル等によって構成するのが望ましく、ヘッドフォン１０３と携帯型音声プレーヤ等との間を接続するケーブルと一体化することが望ましい。
【０１４５】
このような構成を有する本発明の第７の実施形態によれば、上述した第１の実施形態とほぼ同様の効果を得ることができる。また、第１の実施形態のように、心電電極１９，２４を両手の指にそれぞれ接触させて心電信号を計測した場合には、利用者の姿勢が固定されてしまうため、長時間の連続的な計測を行うことが困難である。これに加えて、計測を意識してしまうため、無意識下での生体の変化を計測することができないという問題がある。
【０１４６】
これに対し、第７の実施形態では、携帯型音楽プレーヤ等の機能を内蔵したケーシング１０２Ａに処理回路２６を収容すると共に、ヘッドフォン１０３に光透過性心電電極１９を設け、ケーブル１０４を介して両者を電気的に接続する構成とした。このため、利用者は音楽等を聴きながら、心電の計測を行うことができる。これにより、専用の測定機器を必要とせず、かつ計測を意識することなく、連続的に心電信号等を計測することができる。また、耳と腕との間で心電信号の計測を行うため、心電信号の電圧が比較的大きくなり、周囲環境からの放射ノイズや体動ノイズに対する耐性が良好であり、安定して連続測定が可能である。
【０１４７】
また、光透過性心電電極１９、光透過性絶縁膜２０、発光素子８，９および受光素子１０は、ヘッドフォン１０３のスピーカーケーシング１０３Ａに搭載したから、例えば腕に比べて運動時の変動が小さいのに加え、腕に比べて皮膚の薄い耳珠前方部で心電信号に係る電気信号および光電脈波信号に係る光検出信号を検出することができる。このため、腕等でこれらの信号を検出したときに比べて、運動時の変動によるノイズを低減できると共に、光電脈波、酸素飽和度、心電等を運動時でも高いＳＮ比で連続的に計測することができる。これにより、心拍数、心拍間隔ゆらぎに加え、酸素飽和度と脈波伝搬時間から求めた血圧変動、血管年齢の情報も得ることができるため、緊張や興奮の度合いや運動による身体状況の変化をより正確に推定することができる。
【０１４８】
さらに、発光素子８，９および受光素子１０は、光透過性心電電極１９等の下に配置されていて、光透過性心電電極１９等の表面が平坦であるから、運動時に生じる汗や垢が発光素子８，９および受光素子１０に堆積することがない。このため、安定して計測できると共に、発光素子８，９および受光素子１０を外部からの摩擦や衝撃から保護することができる。
【０１４９】
なお、第７の実施形態では、携帯機器１０２のケーシング１０２Ａに心電電極２４を設けると共に、ヘッドフォン１０３のスピーカーケーシング１０３Ａに光透過性心電電極１９、光透過性絶縁膜２０、発光素子８，９および受光素子１０を設ける構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えばスピーカーケーシング１０３Ａに心電電極２４を設けると共に、ケーシング１０２Ａに光透過性心電電極１９、光透過性絶縁膜２０、発光素子８，９および受光素子１０を設ける構成としてもよい。また、ケーシング１０２Ａには処理回路２６のみ収容し、一方のスピーカーケーシング１０３Ａに光透過性心電電極１９、光透過性絶縁膜２０、発光素子８，９および受光素子１０を設けると共に、ケーシング１０２Ａとは別個の部位として例えば他方のスピーカーケーシング１０３Ａに心電電極２４を設ける構成としてもよい。
【０１５０】
また、第７の実施形態では、携帯機器１０２のケーシング１０２Ａに心電電極２４を設ける構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば図２４に示す変形例のように、マウス１１１に心電電極２４を取り付けると共に、マウス１１１とヘッドフォン（図示せず）との間をケーブル１０４によって接続する構成としてもよい。このケーブル１０４は、マウス１１１に対して着脱可能とするのが望ましい。このとき、心電電極２４は、第１の部位として例えばマウス１１１を操作する利用者の右手薬指が接触する部分に配置する。また、処理回路２６は、マウスケーシング１１１Ａを第１の筐体として利用して、その内部に搭載してもよい。さらに、処理回路２６は、他のケーブル１１２によってマウス１１１と接続されたコンピュータ内に処理プログラムとして実装してもよい。これにより、コンピュータの操作時には腕等に携帯機器１０２等を装着する必要がなくなる。
【０１５１】
また、上述した各実施形態の生体センサ装置１，４１，５１，６１，１０１では、互いに波長範囲の異なる検出光を発光する２個の発光素子８，９を設ける場合を例に挙げたが、本発明はこれに限らず、発光素子の個数を３個以上としてもよい。また、発光素子の個数を１個としてもよい。発光素子の個数を１個とした場合には、酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンとの吸収度の相違により酸素飽和度を測定する機能を生体センサ装置１，４１，５１，６１，１０１から取り除く。
【０１５２】
また、上述した各実施形態では、発光素子８，９から発せられた波長範囲の異なる２個の検出光の反射光を１個の受光素子１０により受光し、この受光した反射光に対応する光検出信号から、発光素子８の検出光に対応する光電脈波信号と、発光素子９の検出光に対応する光電脈波信号とを抽出する場合を例に挙げたが、本発明はこれに限らない。２個の受光素子を設け、一方の受光素子により受光された反射光に対応する光検出信号から、発光素子８の検出光に対応する光電脈波信号を抽出し、他方の受光素子により受光された反射光に対応する光検出信号から、発光素子９の検出光に対応する光電脈波信号を抽出する構成としてもよい。
【０１５３】
また、上述した各実施形態では、発光素子８，９および受光素子１０を、筐体２上面の左手前側に配置した光透過性心電電極１９の下方に設ける場合を例に挙げたが、本発明はこれに限らない。発光素子８，９および受光素子１０を、筐体２上面の右手前側に配置した心電電極の下方に設けてもよい。この場合には、筐体２上面の右手前側に配置した心電電極および絶縁膜を光透過性心電電極および光透過性絶縁膜とする。
【０１５４】
また、上述した各実施形態では、基板７上において発光素子８，９、受光素子１０および表面実装部品１１，１２，１３，１７を光透過性封止体１８，４２により封止し、該光透過性封止体１８，４２上に光透過性心電電極１９，４３および光透過性絶縁膜２０，４６を設ける構成としたが、本発明はこれに限らない。発光素子８，９、受光素子１０および表面実装部品１１，１２，１３，１７の上方に、発光素子８，９が照射する光の波長範囲に対して光透過性を有する絶縁樹脂（例えば透明な絶縁樹脂）により形成された光透過板を設け、該光透過板の上面に光透過性心電電極１９，４３および光透過性絶縁膜２０，４６を設けてもよい。この場合、光透過板は、基板７上に支持部材を介して支持してもよいし、光通過口４Ｂ内または光通過口４Ｂ上に取り付け、接着剤等により光通過口４Ｂに固定してもよい。
【０１５５】
また、上述した各実施形態では、定電流回路および高周波カットフィルタ回路から構成された発光素子駆動回路１４の表面実装部品１１，１２，１３を、発光素子８，９を取り囲むように配置する場合を例に挙げたが、本発明はこれに限らない。発光素子８，９を駆動または制御するための他の表面実装部品、例えば、過電流保護回路の過電流保護素子、高周波カットフィルタ回路の高周波カットフィルタ素子、コイル、ダイオード、オペアンプ、スイッチ素子、ＩＣなどを、発光素子８，９を取り囲むように配置してもよい。このような他の表面実装部品を配置する場合にも、各表面実装部品の接続端子が、発光素子８，９と対向する位置に配置されるように、各表面実装部品の基板７上におけるレイアウトを設定する。
【０１５６】
また、上述した各実施形態では、携帯型の生体センサ装置１，４１，５１，６１，１０１を例に挙げたが、本発明はこれに限らない。例えば、生体センサ装置を、発光素子８，９、受光素子１０、発光素子８，９および受光素子１０を取り囲む表面実装部品１１，１２，１３，１７、周壁リフレクタ１６、光透過性封止体１８、光透過性心電電極１９および光透過性絶縁膜２０等、心電信号に係る電気信号および光検出信号を検出するのに必要な構成要素を有する検出セクションと、処理回路２６（表面実装部品１１，１２，１３，１７を除く）等、検出セクションにおいて検出された心電信号に係る心電信号および光検出信号に対して信号処理を行い、生体情報を生成する処理を行うのに必要な構成要素を有する演算処理セクションとに分離し、検出セクションを携帯型の装置として形成し、演算処理セクションを例えば机上型の装置として形成してもよい。この場合、心電電極２４および絶縁膜２５は、検出セクションとして形成された装置に設けてもよいし、演算処理セクションとして形成された装置に設けてもよい。例えば心電電極２４および絶縁膜２５を演算処理セクションとして形成された装置に設ける場合には、心電電極２４および絶縁膜２５を、演算処理セクションとして形成された装置にコードを介して接続可能な容量性結合型心電電極プローブとすることが望ましい。
【０１５７】
また、上述した各実施形態では、２個の心電電極１９，２４を設ける場合を例に挙げたが、本発明はこれに限らない。３個以上の心電電極を設けてもよい。
【０１５８】
また、上述した各実施形態では、利用者の両手の親指を、心電電極１９，２４上の絶縁膜２０，４６，２５の接触面２０Ａ，４６Ａ，２５Ａに接触させ、これら親指から心電信号に係る電気信号および光電脈波信号に係る光検出信号を検出する場合を例に挙げたが、本発明はこれに限らない。生体の他の部位から心電信号に係る電気信号および光電脈波信号に係る光検出信号を検出してもよい。
【符号の説明】
【０１５９】
１，４１，５１，６１，１０１  生体センサ装置
７  基板
８，９  発光素子（発光器）
１０  受光素子（受光器）
１１，１２，１３，１７  表面実装部品
１６  周壁リフレクタ
１９，４３  光透過性心電電極
２０，４６  光透過性絶縁膜
２０Ａ，２５Ａ，４６Ａ  接触面
２４  心電電極
２５  絶縁膜
２６  処理回路
２７  心電信号検出部
２８，２９，５４，６４  心電信号フィルタ部
３２  光電脈波信号検出部
３６  演算処理部
５５，７１  クランプ回路
５５Ｂ，７１Ｂ  ダイオード（高インピーダンス素子）
６６，８１  第１のクランプ回路
６６Ｂ，８１Ｂ  ダイオード（第１の高インピーダンス素子）
６７，８２  第２のクランプ回路
６７Ｂ，８２Ｂ  ダイオード（第２の高インピーダンス素子）
１０２  携帯機器
１０２Ａ  ケーシング（第１の筐体）
１０３  ヘッドフォン
１０３Ａ  スピーカーケーシング（第２の筐体）
１０４  ケーブル
１１１  マウス
１１１Ａ  マウスケーシング（第１の筐体）
【図１】
2010125705.tif 000003
【図２】
2010125705.tif 000004
【図３】
2010125705.tif 000005
【図４】
2010125705.tif 000006
【図５】
2010125705.tif 000007
【図６】
2010125705.tif 000008
【図７】
2010125705.tif 000009
【図８】
2010125705.tif 000010
【図９】
2010125705.tif 000011
【図１０】
2010125705.tif 000012
【図１１】
2010125705.tif 000013
【図１２】
2010125705.tif 000014
【図１３】
2010125705.tif 000015
【図１４】
2010125705.tif 000016
【図１５】
2010125705.tif 000017
【図１６】
2010125705.tif 000018
【図１７】
2010125705.tif 000019
【図１８】
2010125705.tif 000020
【図１９】
2010125705.tif 000021
【図２０】
2010125705.tif 000022
【図２１】
2010125705.tif 000023
【図２２】
2010125705.tif 000024
【図２３】
2010125705.tif 000025
【図２４】
2010125705.tif 000026
【国際調査報告】
2010125705.tif 000027
2010125705.tif 000028