(57)【要約】【課題】製作が容易で、低コスト、高精度化を実現した光学センサ及びセンサ部を提供する。【解決手段】発光素子から出射した光を外部の生体組織に向かって出射し、生体組織からの散乱光を受光素子で受光して生体組織内の血流に関する値を測定する光学センサにおけるセンサ部において、前記発光素子と前記受光素子の各々を同一平面基板表面に形成した配線パタン上に配置し、前記発光素子と前記受光素子の各々を配線パタンと電気的に接続し、前記受光素子に不要散乱光を遮ることができる不透明材料で製作された遮光構造を配置する。【選択図】図１
2008010832.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部への出射光を発生する発光素子と、
外部からの散乱光を受光する受光素子と、
前記発光素子及び前記受光素子を表面に搭載する絶縁基板と、
前記絶縁基板上で前記発光素子及び前記受光素子を覆う不透明なキャップと、
を備える光学センサであって、
前記キャップは、前記発光素子からの出射光の一部を前記光学センサの外部へ通過させる第一開口部及び前記発光素子からの光が前記光学センサの外部で散乱した散乱光の一部を通過させて前記受光素子に受光させる第二開口部を有することを特徴とする光学センサ。
【請求項２】
前記発光素子は、前記絶縁基板の法線方向に出射光を出射する面発光型であり、
前記受光素子は、前記絶縁基板の法線方向からの散乱光を受光する面入射型であり、
前記キャップの前記第一開口部は、前記発光素子の出射光の出射方向にある第一孔であり、
前記キャップの前記第二開口部は、前記受光素子に対して前記受光素子が散乱光を受光できる方向にある第二孔であることを特徴とする請求項１に記載の光学センサ。
【請求項３】
前記キャップは、第一孔の中心と第二孔の中心との中間点を通る前記絶縁基板の垂線を二回軸とする回転対称形状であることを特徴とする請求項２に記載の光学センサ。
【請求項４】
前記キャップは、第一孔の中心と第二孔の中心との中間点を通る前記絶縁基板と平行な平行線を二回軸とする回転対称形状であることを特徴とする請求項２又は３に記載の光学センサ。
【請求項５】
前記発光素子は、前記絶縁基板の面と水平な方向に出射光を端面から出射する端面発光型であり、
前記受光素子は、前記絶縁基板の面と水平な方向からの散乱光を端面で受光する端面入射型であり、
前記キャップの前記第一開口部は、前記発光素子に対して前記発光素子の出射光の出射方向にあり、
前記キャップの前記第二開口部は、前記受光素子に対して前記受光素子が散乱光を受光できる方向にあることを特徴とする請求項１に記載の光学センサ。
【請求項６】
前記発光素子は、前記絶縁基板の法線方向に出射光を出射する面発光型であり、
前記受光素子は、前記絶縁基板の面と水平な方向からの散乱光を端面で受光する端面入射型であり、
前記キャップは、前記発光素子の出射光の方向を前記絶縁基板の面と水平な方向へ変換する光路変換素子をさらに有しており、
前記キャップの前記第一開口部は、前記発光素子の出射光が前記キャップの前記光路変換素子で変換された光路方向にあり、
前記キャップの前記第二開口部は、前記受光素子に対して前記受光素子が散乱光を受光できる方向にあることを特徴とする請求項１に記載の光学センサ。
【請求項７】
前記発光素子は、前記絶縁基板の面と水平な方向に出射光を端面から出射する端面発光型であり、
前記受光素子は、前記絶縁基板の法線方向からの散乱光を受光する面入射型であり、
前記キャップは、前記絶縁基板の面と水平な方向である散乱光の方向を前記絶縁基板の法線方向へ変換する光路変換素子をさらに有しており、
前記キャップの前記第一開口部は、前記発光素子に対して前記発光素子の出射光の出射方向にあり、
前記キャップの前記第二開口部は、前記キャップの前記光路変換素子に対して前記キャップの前記光路変換素子に散乱光を照射できる方向にあり、
前記キャップの光路変換素子は、前記第二開口部を通過した散乱光の光路を変換して前記受光素子に受光させることを特徴とする請求項１に記載の光学センサ。
【請求項８】
前記キャップは、前記発光素子と前記受光素子との間を仕切り、前記受光素子が前記発光素子からの出射光を直接受光することを防止する仕切り板をさらに有することを特徴とする請求項１から７に記載のいずれかの光学センサ。
【請求項９】
前記絶縁基板は、前記発光素子及び前記受光素子が搭載される側の表面に電気配線をさらに搭載し、
前記キャップは、導電性材料で形成され、前記絶縁体基板上の前記電気配線のうち前記受光素子のカソードに接続している電気配線と接触しており、前記受光素子のカソードと同電位であることを特徴とする請求項１から８に記載のいずれかの光学センサ。
【請求項１０】
前記絶縁基板は、前記発光素子及び前記受光素子が搭載される側の表面に電気配線をさらに搭載し、
前記キャップは、導電性材料で形成され、前記絶縁体基板上の前記電気配線のうち前記発光素子のカソードに接続している電気配線と接触しており、前記発光素子のカソードと同電位であることを特徴とする請求項１から８に記載のいずれかの光学センサ。
【請求項１１】
前記キャップで覆われた前記絶縁基板の表面に、前記受光素子から出力される信号を増幅する増幅回路をさらに備え、
前記増幅回路のカソードは前記受光素子のカソードが接続する電気配線に接続され且つ前記受光素子から出力される信号を前記増幅回路に結合する配線の長さは０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から１０に記載のいずれかの光学センサ。
【請求項１２】
前記キャップは前記絶縁体基板側に突起を有し、
前記絶縁体基板は、前記キャップの前記突起が挿入されて前記キャップの位置決めをする穴又は孔を有することを特徴とする請求項１から１１に記載のいずれか光学センサ。
【請求項１３】
請求項１から１２に記載のいずれかの光学センサと、
前記発光素子を駆動する回路と、
前記光学センサからの信号を処理して生体情報に関する値を計算するデジタル信号プロセッサと、
を含む集積回路を備える生体情報測定装置。
【請求項１４】
請求項５から７に記載のいずれかの光学センサと、
長手方向の一端に前記光学センサを搭載する短冊形の回路基板と、
を備えるセンサチップであって、
前記光学センサは、前記発光素子の出射光を前記回路基板の他端から一端の方向へ出射することを特徴とするセンサチップ。
【請求項１５】
請求項５から７に記載のいずれかの光学センサと、
長手方向の一端に前記光学センサを搭載する短冊形の回路基板と、
を備えるセンサチップであって、
前記光学センサは、前記発光素子の出射光を前記回路基板の面と平行であり、且つ前記回路基板の長手方向と直交する方向へ出射することを特徴とするセンサチップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体中の微小な散乱体からの散乱光を利用して当該流体の流速、流量等の情報を測定する光学センサと前記光学センサを備えたセンサチップ及び生体情報測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高齢化が進み、生活習慣病などを予防するため健康を管理することについての関心が高まっている。血液の流れが悪くなることによって起きる脳血栓、心筋梗塞などの生活習慣病を早期且つ簡便に発見するためにレーザ光を利用して血液の流れに関する測定を行う生体情報測定装置、例えば血流計が開発されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。
【０００３】
図２２および図２３は特許文献１に示す従来の血流計の光学センサの構成を示す図であり、図２２（ａ）は上面図、図２２（ｂ）は図２２（ａ）のＡ−Ａ’断面図、図２３（ａ）は図２２（ａ）のＢ−Ｂ’断面図、図２３（ｂ）は図２２（ａ）のＣ−Ｃ’断面図である。図２２（ａ）、（ｂ）に示すように従来の光学センサは、シリコン基板３２１、電極３２２、電極３２４、レーザダイオード３６１、フォトダイオード３２５及びカバー基板３２６を含む。
【０００４】
シリコン基板３２１は傾斜面に囲まれた２つの凹部を有している。シリコン基板３２１には前記凹部の外側からそれぞれの前記凹部内へ向けて電極３２２及び電極３２４が形成されている。レーザダイオード３６１は面発光型のレーザダイオードであり、フォトダイオード３２５は面入射型のフォトダイオードである。カバー基板３２６は光を透過する合成石英で形成される。図２３に示すように、カバー基板３２６は屈折レンズ３６２と遮光膜３３１を有している。遮光膜３３１にはカバー基板３２６の両面に形成され、光がカバー基板を透過できるピンホールがある。
【０００５】
レーザダイオード３６１はシリコン基板３２１の前記凹部の一つに配置される。レーザダイオード３６１は、はんだ膜（図示せず）で電極３２２にボンディングされる。さらに、レーザダイオード３６１の発光部側の面と電極３２２とがワイヤ３２９で接続される。
同様にフォトダイオード３２５もシリコン基板３２１の前記凹部の他方に配置され、電極３２４と接続される。フォトダイオード３２５が配置される前記凹部の傾斜面を含む表面には遮光膜３２７が貼り付けられている。
【０００６】
図２３に示すように、カバー基板３２６は、屈折レンズ３６２がレーザダイオード３６１の配置される凹部を、遮光膜３３１がフォトダイオード３２５の配置される凹部を覆うようにシリコン基板３２１上に配置される。
【０００７】
図２３（ａ）に示すように、従来の光学センサは、カバー基板３２６の屈折レンズ３６２通じて、レーザダイオード３６１からの光を外部の被検体へ照射する。一方、図２３（ｂ）に示すように、従来の光学センサは、被検体へ照射した光の散乱光を遮光膜３３１に作られたピンホールを通じてフォトダイオード３２５で受光する。
【０００８】
光学センサが受光した散乱光には、静止した生体組織による反射光と生体組織の毛細血管中を移動している赤血球（散乱粒子）による反射光が含まれる。赤血球による反射光の振動数は血流に応じてドップラーシフトをしており、静止した生体組織による反射光と干渉を起こす。前記干渉を検出（ヘテロダイン検波）することで血流量、血液量、血流速度、脈拍等の生体情報を計測することができる。このように、光の干渉を利用して生体情報を測定する方法を以下の説明でドップラーシフト法として示す。ドップラーシフト法の測定原理は、例えば、非特許文献１に記載されている。具体的には、血流速度は前記干渉光を周波数解析して測定でき、散乱光の強度で血流量を測定することができる。また、血流速度と血液量の積で血流量が求められる。
【特許文献１】特開２００４−２２９９２０号公報
【特許文献２】特開２００２−３３０９３６号公報
【非特許文献１】Ｍ．Ｄ．Ｓｔｅｒｎ：“Ｉｎ  ｖｉｖｏ  ｅｖａ１ｕａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｍｉｃｒｏｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ  ｂｙ  ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｌｉｇｈｔ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ”Ｎａｔｕｒｅ，ｖｏｌ．２５４，ｐｐ．５６−５８（１９７５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、血流計の光学センサは被検体と接触するため、光学センサのカバー基板の遮光膜が劣化して剥離すれば測定精度が低下してしまう。そのため、前記遮光膜には被検体と接触しても劣化して剥離しない程度の耐久性が求められる。また、シリコン基板の凹部にレーザダイオード及びフォトダイオードを収めてカバー基板で覆うため、シリコン基板の凹部はレーザダイオード及びフォトダイオードの高さより深い深さまでウエット異方性エッチングでエッチングすることが求められた。さらに、凹部への配線には、凹部での段差での断線を防止することが求められていた。これらの要求を満たすため光学センサの製造工程が複雑になり、従来の光学センサは製造コストが増大するという課題を有していた。
【００１０】
一方、レーザダイオードとフォトダイオードとはカバー基板を共通しており、レーザダイオードからの光の一部がカバー基板内を通過してしまい、レーザダイオードがその光を受光することでレーザダイオードの出力信号にノイズを生じていた。従来の光学センサには、生体情報を高精度に測定するために前記ノイズを低減しなければならないという課題があった。
【００１１】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、低コストで容易に製造ができかつ高精度な測定ができる光学センサ及び生体情報測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成するために、本発明に係る光学センサは、絶縁基板上に搭載した発光素子及び受光素子を光が通過する２つの開口部を有するキャップで覆うこととした。
【００１３】
具体的には、本発明は、外部への出射光を発生する発光素子と、外部からの散乱光を受光する受光素子と、前記発光素子及び前記受光素子を表面に搭載する絶縁基板と、前記絶縁基板上で前記発光素子及び前記受光素子を覆う不透明なキャップと、を備える光学センサであって、前記キャップは、前記発光素子からの出射光の一部を前記光学センサの外部へ通過させる第一開口部及び前記発光素子からの光が前記光学センサの外部で散乱した散乱光の一部を通過させて前記受光素子に受光させる第二開口部を有することを特徴とする光学センサである。
【００１４】
本発明に係る光学センサは、前記発光素子及び前記受光素子を電気配線パタンを施しただけの安価な平面の基板上に設置し、前記発光素子及び前記受光素子を覆うように前記キャップを設置した構造である。
【００１５】
前記キャップは不透明のため、従来のカバー基板のような遮光膜の形成工程が不要である。また、前記キャップが前記絶縁基板上に配置した発光素子と受光素子とを覆うように配置されるため、前記絶縁基板にエッチングで凹部を形成する工程が不要である。さらに、前記絶縁基板には凹部がないため、前記発光素子や前記受光素子への電気配線の断線を防止する工程も不要である。そのため、本発明に係る光学センサの製造は、従来の光学センサの製造に必要であった工程を省略することができ、製造コストを低減することができる。
【００１６】
一方、前記キャップには遮光膜が無いため、遮光膜の劣化による剥離が無く測定精度の低下がない。さらに、前記キャップでは、従来のカバー基板のように発光素子からの光がカバー基板内を通過することがないため、受光素子が受光する被検体を介さない光を低減することができる。そのため、本発明に係る光学センサは、前記受光素子からの信号のノイズを低減でき、測定精度が向上する。
【００１７】
従って、本発明は、低コストで容易に製造ができ且つ高精度な測定ができる光学センサを提供することができる。
【００１８】
本発明に係る光学センサの前記発光素子は、前記絶縁基板の法線方向に出射光を出射する面発光型であり、前記受光素子は、前記絶縁基板の法線方向からの散乱光を受光する面入射型であり、前記キャップの前記第一開口部は、前記発光素子の出射光の出射方向にある第一孔であり、前記キャップの前記第二開口部は、前記受光素子に対して前記受光素子が散乱光を受光できる方向にある第二孔であることを特徴とする。
【００１９】
本発明は、面発光型発光素子及び面入射型受光素子を搭載し、低コストで容易に製造ができ且つ高精度な測定ができる光学センサを提供することができる。
【００２０】
本発明に係る光学センサにおいて、前記キャップは、第一孔の中心と第二孔の中心との中間点を通る前記絶縁基板の垂線を二回軸とする回転対称形状であることが好ましい。二回軸に対する回転対称形状とは前記軸のまわりに１８０度回転移動させても形状が変わらない形状をいう。以下の説明において「二回軸に対する回転対称形状」を「二回回転対称形状」として示す。
【００２１】
前記絶縁基板に前記キャップを実装する実装工程は、前記キャップの表裏を合わせる表裏確認ステップと前記キャップの向きを合わせる方向確認ステップとからなる。前記絶縁基板側から見たキャップの形状が二回回転対称形状でなければ、前記方向確認ステップでキャップと前記絶縁基板とを装着する際に向きを正しく合わせるのに最大１８０度回転させる必要がある。一方、前記絶縁基板側から見たキャップの形状が二回回転対称形状であれば最大でも９０度回転で前記キャップを前記絶縁基板に実装が可能になる。
【００２２】
従って、本発明は、低コストで容易に製造ができ且つ高精度な測定ができる光学センサを提供することができる。
【００２３】
本発明に係る光学センサにおいて、前記キャップは、第一孔の中心と第二孔の中心との中間点を通る前記絶縁基板と平行な平行線を二回軸とする回転対称形状であることが好ましい。
【００２４】
前記絶縁基板面と平行な方向から見た前記キャップの形状が二回回転対称形状でなければ、前記表裏確認ステップで最大１８０度回転させる必要がある。一方、前記絶縁基板面と平行な方向から見たキャップの形状が二回回転対称であれば最大でも９０度回転で前記キャップを前記絶縁基板に実装が可能になる。
【００２５】
従って、本発明は、低コストで容易に製造ができ且つ高精度な測定ができる光学センサを提供することができる。
【００２６】
本発明に係る光学センサの前記発光素子は、前記絶縁基板の面と水平な方向に出射光を端面から出射する端面発光型であり、前記受光素子は、前記絶縁基板の面と水平な方向からの散乱光を端面で受光する端面入射型であり、前記キャップの前記第一開口部は、前記発光素子に対して前記発光素子の出射光の出射方向にあり、前記キャップの前記第二開口部は、前記受光素子に対して前記受光素子が散乱光を受光できる方向にあることを特徴とする。
【００２７】
本発明に係る光学センサの前記発光素子は、前記絶縁基板の法線方向に出射光を出射する面発光型であり、前記受光素子は、前記絶縁基板の面と水平な方向からの散乱光を端面で受光する端面入射型であり、前記キャップは、前記発光素子の出射光の方向を前記絶縁基板の面と水平な方向へ変換する光路変換素子をさらに有しており、前記キャップの前記第一開口部は、前記発光素子の出射光が前記キャップの前記光路変換素子で変換された光路方向にあり、前記キャップの前記第二開口部は、前記受光素子に対して前記受光素子が散乱光を受光できる方向にあることを特徴とする。
【００２８】
本発明に係る光学センサの前記発光素子は、前記絶縁基板の面と水平な方向に出射光を端面から出射する端面発光型であり、前記受光素子は、前記絶縁基板の法線方向からの散乱光を受光する面入射型であり、前記キャップは、前記絶縁基板の面と水平な方向である散乱光の方向を前記絶縁基板の法線方向へ変換する光路変換素子をさらに有しており、前記キャップの前記第一開口部は、前記発光素子に対して前記発光素子の出射光の出射方向にあり、前記キャップの前記第二開口部は、前記キャップの前記光路変換素子に対して前記キャップの前記光路変換素子に散乱光を照射できる方向にあり、前記キャップの光路変換素子は、前記第二開口部を通過した散乱光の光路を変換して前記受光素子に受光させることを特徴とする。
【００２９】
本発明は、前記絶縁基板に水平な方向に出射光を出射し、前記絶縁基板に水平な方向からの散乱光を受光し、低コストで容易に製造ができ且つ高精度な測定ができる光学センサを提供することができる。また、適宜光路変換素子を用いることで面発光型発光素子や面入射型受光素子も利用することができる。
【００３０】
本発明に係る光学センサの前記キャップは、前記発光素子と前記受光素子との間を仕切り、前記受光素子が前記発光素子からの出射光を直接受光することを防止する仕切り板をさらに有してもよい。
【００３１】
前記仕切り板は前記キャップ内において前記発光素子と前記受光素子との間を仕切るため、前記キャップ内で反射した前記発光素子からの光を前記受光素子が受光することを防止することができる。前記受光素子は前記キャップ内で反射した前記発光素子からの光によるノイズを低減した信号を出力することができる。また、前記仕切り板を前記キャップの前記絶縁基板側に接着するだけなので、前記キャップを容易に製造できる。あるいは仕切り板を初めから有するキャップを製造することもできる。仕切り板を接着する工程を省略することができ、前記キャップを容易に製造できる。
【００３２】
従って、本発明は、低コストで容易に製造ができ且つ高精度な測定ができる光学センサを提供することができる。
【００３３】
本発明に係る光学センサにおいて、前記絶縁基板は、前記発光素子及び前記受光素子が搭載される側の表面に電気配線をさらに搭載し、前記キャップは、導電性材料で形成され、前記絶縁体基板上の前記電気配線のうち前記受光素子のカソードに接続している電気配線と接触しており、前記受光素子のカソードと同電位であってもよい。
【００３４】
また、本発明に係る光学センサにおいて、前記絶縁基板は、前記発光素子及び前記受光素子が搭載される側の表面に電気配線をさらに搭載し、前記キャップは、導電性材料で形成され、前記絶縁体基板上の前記電気配線のうち前記発光素子のカソードに接続している電気配線と接触しており、前記発光素子のカソードと同電位であってもよい。
【００３５】
前記受光素子の信号は増幅器で増幅されるまでは微弱であり、外来の電磁ノイズの影響を受けやすい。導電性の前記キャップは前記発光素子又は／及び前記受光素子のカソードと同電位になるため、外来の電磁ノイズを防いで前記受光素子からの信号のＳＮ比を向上させることができる。
【００３６】
従って、本発明は、低コストで容易に製造ができ且つ高精度な測定ができる光学センサを提供することができる。
【００３７】
本発明に係る光学センサは、前記キャップで覆われた前記絶縁基板の表面に、前記受光素子から出力される信号を増幅する増幅回路をさらに備え、前記増幅回路のカソードは前記受光素子のカソードが接続する電気配線に接続され且つ前記受光素子から出力される信号を前記増幅回路に結合する配線の長さは０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下としてもよい。
【００３８】
前記受光素子の信号は増幅器で増幅されるまでは微弱であり、外来の電磁ノイズの影響を受けやすい。そこで、前記キャップ内において、前記受光素子に隣接して前記増幅回路を配置することとした。外来の電磁ノイズによる影響が大きい前記受光素子から前記増幅回路までの距離を短くし、前記キャップ内で受光素子からの信号を増幅することで、前記増幅器からの信号のＳＮ比を向上できる。前記増幅回路は前記発光素子及び前記受光素子と同様前記絶縁基板上に配置するだけなので、本発明に係る光学センサを容易に製造できる。
【００３９】
従って、本発明は、低コストで容易に製造ができ且つ高精度な測定ができる光学センサを提供することができる。
【００４０】
本発明に係る光学センサにおいて、前記キャップは前記絶縁体基板側に突起を有し、前記絶縁体基板は、前記キャップの前記突起が挿入されて前記キャップの位置決めをする穴又は孔を有することが好ましい。
【００４１】
前記キャップと前記絶縁基板との相対位置が変化すると、前記発光素子と前記第一孔との相対位置及び前記受光素子と前記第二孔との相対位置が変化するため、光学センサ間で測定精度に差を生ずる。そこで、前記キャップに予め位置合わせ用の前記突起を設けておき、前記絶縁体基板に予め前記位置合わせ用の穴又は孔を設けておくこととした。前記キャップを前記絶縁体基板に実装する際に、前記キャップの前記突起を前記絶縁基板の前記孔又は前記穴に挿入することで両者間の位置を容易且つ高精度に合わせることができる。また、予め定められた箇所に前記突起及び前記穴又は前記孔を有するため、光学センサ間で前記キャップと前記絶縁基板との相対位置が一定になるため、光学センサの測定精度を一定に保つことができる。
【００４２】
従って、本発明は、低コストで容易に製造ができ且つ高精度な測定ができる光学センサを提供することができる。
【００４３】
前記目的を達成するために、本発明に係る生体情報測定装置は前記光学センサを備えている。
【００４４】
具体的には、本発明は、前記光学センサと、前記発光素子を駆動する回路と、前記光学センサからの信号を処理して生体情報に関する値を計算するデジタル信号プロセッサと、を含む集積回路を備える生体情報測定装置である。
【００４５】
本発明に係る生体情報測定装置は、本発明に係る光学センサを使用しているため、生体情報を高精度に測定することができる。さらに、本発明に係る生体情報測定装置は、製造が容易な光学センサを使用しているため低コストで製造することができる。
【００４６】
本発明に係るセンサチップは、キャップの側面に第一開口部及び第二開口部を有する光学センサと、長手方向の一端に前記光学センサを搭載する短冊形の回路基板と、を備えるセンサチップであって、前記光学センサは、前記発光素子の出射光を前記回路基板の他端から一端の方向へ出射することを特徴とする。
【００４７】
また、本発明に係るセンサチップは、キャップの側面に第一開口部及び第二開口部を有する光学センサと、長手方向の一端に前記光学センサを搭載する短冊形の回路基板と、を備えるセンサチップであって、前記光学センサは、前記発光素子の出射光を前記回路基板の面と平行であり、且つ前記回路基板の長手方向と直交する方向へ出射することを特徴とする。
【００４８】
短冊状の回路基板をプローブとすれば、光学センサを被検体の奥や狭い箇所に入れることができ、当該箇所の生体情報を取得することができる。
【発明の効果】
【００４９】
以上の説明のように、本発明は、低コストで容易に製造ができ且つ高精度な測定ができる光学センサ及び生体情報測定装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じものは、相互に同一のものを示すものとする。
【００５１】
（実施の形態１）
本実施形態は、外部への出射光を発生する発光素子と、外部からの散乱光を受光する受光素子と、前記発光素子及び前記受光素子を表面に搭載する絶縁基板と、前記絶縁基板上で前記発光素子及び前記受光素子を覆う不透明なキャップと、を備える光学センサであって、前記キャップは、前記発光素子からの出射光の一部を前記光学センサの外部へ通過させる第一孔及び前記発光素子からの光が前記光学センサの外部で散乱した散乱光の一部を通過させて前記受光素子に受光させる第二孔を有することを特徴とする光学センサである。
【００５２】
本実施形態に係る光学センサ５０１の概略図を図１に示す。光学センサ５０１は絶縁基板１１、キャップ１３、発光素子１５及び受光素子１７を備える。図１（ａ）は光学センサ５０１をキャップ１３側から見た上面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’での切断面の図である。図５から図９において同様である。
【００５３】
絶縁基板１１の材質は、ガラスエポキシ樹脂、フッ素樹脂、セラミック等の絶縁物が例示できる。絶縁基板１１の表面には図２から図４に示す電気配線２１ａから電気配線２１ｅまでの電気配線パタンが形成される。図２から図４までで使用されている符号は図１で説明した符号と同じ部品を示す。電気配線２１ａから電気配線２１ｅはワイヤボンディング可能な金属であり、メッキで作製された厚さ５μｍのＮｉ上に厚さ０．３μｍのＡｕを積層した二層構造などの金属膜が例示できる。絶縁基板１１は公知のプリント回路基板を製造する技術で製造することができる。なお、絶縁基板１１は表面に窒化膜や酸化膜を積層したシリコン基板でもよい。絶縁基板１１が前記シリコン基板の場合、公知の半導体製造方法によって表面に金属の電気配線パタンを形成することができる。なお、図１の絶縁基板１１の電気配線パタンは図２に示される電気配線パタンである。
【００５４】
発光素子１５は外部への出射光を発生する。発光素子１５として面発光型の半導体レーザが好ましい。半導体レーザとしては、波長０．６μｍから１．６μｍの光を発生させる化合物半導体を利用することができる。特に、波長１．３μｍの光は、従来の市販品で多く使われている波長７８０ｎｍの光に比べ、皮膚組織の透過率が高く、皮下深くの血流を検出でき、そのためＳＮ比の良い血流波形を計測できる。
【００５５】
受光素子１７は外部からの散乱光を受光し、散乱光の光強度に応じた散乱光強度信号を出力する。受光素子１７としてフォトダイオードが例示される。散乱光は発光素子１５からのレーザ光が被検体内で散乱した光であるため、フォトダイオードの種類は発光素子１５の種類に応じて選択される。
【００５６】
キャップ１３は第一孔１９ａ及び第二孔１９ｂを有する。第一孔１９ａの大きさは、３００μｍ−１０００μｍ程度であり、第二孔１９ｂの大きさは１００μｍ−５００μｍ程度であるが、本実施例では双方ともに５００μｍとして説明する。キャップ１３は不透明なプラスチックや金属で形成される。キャップ１３がプラスチックで形成される場合、表面を金属のような導電性膜で被覆してもよい。キャップ１３をプラスチック射出成型の方法で形成し金属薄膜で表面を被覆すれば大量生産が可能になり、光学センサの製造コストを低減することができる。本実施例では、キャップ１３の素材はアルミニウムとして説明する。
【００５７】
図２に示すように、発光素子１５のカソード（発光面と反対の側）は電気配線２１ｂ上にはんだ膜を介して接続され、発光素子１５は絶縁基板１１上に実装される。発光素子１５のアノード（発光面側）はワイヤ２３で電気配線２１ａと接続される。受光素子１７も発光素子１５と同様に絶縁基板１１上に実装される。なお、受光素子１７のアノードは電気配線２１ｄであり、カソードは電気配線２１ｃである。
【００５８】
キャップ１３は発光素子１５及び受光素子１７を覆うように絶縁基板１１上に実装される。キャップ１３の絶縁基板１１上の位置は、発光素子１５からの光が第一孔１９ａを通過して外部の被検体を照射でき、外部からの光が第二孔１９ｂを通過して受光素子１７が受光できる位置とする。
【００５９】
キャップ１３は導電性を有するため、キャップ１３と電気配線２１と電気的に導通しないようにキャップ１３と電気配線２１ａから電気配線２１ｄとの接触点はレジスト等の絶縁膜２５で覆われている。キャップ１３が導電性を有さない場合、絶縁膜２５は不要である。
【００６０】
光学センサ５０１は、外部の駆動回路（図示せず）から発光素子１５のアノードが接続する電気配線２１に電流が供給され、発光素子１５のカソードが接続する電気配線２１から前記駆動回路へ電流が出ていくことで発光素子１５は発光し、第一孔１９ａを通じて外部の被検体に光を照射することができる。なお、発光素子１５からの光のうちキャップ１３内で反射する光を低減するため、キャップ１３の発光素子１５を覆う側（キャップ１３の内側）に反射防止膜を付してもよい。
【００６１】
一方、受光素子１７は、外部からの光のうち生体情報測定に必要な光のみを第二孔１９ｂを通じて受光し、電気信号に変換して電気配線２１ｃに出力する。従って、光学センサ５０１は外部の被検体で散乱した散乱光に対応する電気信号を電気配線２１ｃから出力する。
【００６２】
光学センサ５０１の製造において、絶縁基板１１のエッチングが不要、キャップ１３に遮光膜の形成が不要である。さらに、絶縁基板１１に段差がないため電気配線パタンの形成が容易である。従って、発光素子１５及び受光素子１７を電気配線パタンを施しただけの安価な平面の絶縁基板１１上に実装し、さらに発光素子１５及び受光素子１７を覆うようにキャップ１３を実装するだけであり、光学センサ５０１は低コストで製造できる。
【００６３】
また、光学センサ５０１は、キャップ１３に遮光膜が無いため、遮光膜の劣化による剥離が無く測定精度の低下がない。さらに、キャップ１３は不透明のため、従来のカバー基板のように発光素子１５からの光がカバー基板内を通過することがなく、光学センサ５０１は、受光素子１７が受光する被検体を介さない光を低減することができる。そのため、光学センサ５０１は高精度に被検体の生体情報を測定することができる。
【００６４】
本実施形態に係る光学センサ５０５の概略図を図５に示す。光学センサ５０１と図１の光学センサ５０１との違いは、光学センサ５０１の電気配線２１ｃの表面が絶縁膜２５で被覆されていない点である。図５において、図１で使用した符号と同じ符号は同じ部品を示す。電気配線２１ｃの表面は絶縁膜２５で被覆されていないためキャップ１３と電気配線２１ｃとが接触し、キャップ１３の電位は受光素子１７のカソードの電位と等しくなる。キャップ１３は受光素子１７のカソードと等しい電位であるため、外来の電磁ノイズを防止する効果を有する。受光素子１７が出力する信号は増幅器で増幅されるまでは非常に弱いため、外来の電磁ノイズの影響を受けやすい。従って、電気配線２１ｃとキャップ１３とを接触させることで受光素子１７からの信号のＳＮ比を向上させることができる。
【００６５】
光学センサ５０５は図１の光学センサ５０１と同様に低コストで製造できるとともに、キャップ１３の電磁ノイズ防止の効果により、光学センサ５０１よりさらに高精度に生体情報を測定することができる。
【００６６】
本実施形態に係る光学センサ５０６の概略図を図６に示す。光学センサ５０１と図１の光学センサ５０１との違いは、絶縁基板１１の電気配線パタンが図３に示す電気配線パタンである点及び光学センサ５０１の電気配線２１ｂの表面が絶縁膜２５で被覆されていない点である。図６において、図１で使用した符号と同じ符号は同じ部品を示す。図６に示すように、電気配線２１ｂの表面が絶縁膜２５で被覆されていないため、キャップ１３は発光素子１５のカソードと電位が等しくなり、図５の光学センサ５０５で説明した効果と同様の効果を得られる。
【００６７】
図５及び図６では、電気配線２１ｂ又は電気配線２１ｃのいずれかの表面を絶縁膜２５で被覆されない場合を示したが、電気配線２１ｂ及び電気配線２１ｃの双方の表面が絶縁膜２５で被覆されていなくてもよい。この場合であっても、図５の光学センサ５０５で説明した効果と同様の効果を得られる。
【００６８】
さらに、絶縁基板１１は図４に示す電気配線パタンを搭載してもよい。図４の電気配線パタンは電気配線２１ｂ及び電気配線２１ｃがなく、発光素子１５及び受光素子１７のカソードが共通して接触する電気配線２１ｅを有する。図４の電気配線パタンを搭載する絶縁基板１１にキャップ１３を搭載する場合、図１の光学センサ５０１で説明したように電気配線２１ａ、２１ｄ及び２１ｅのキャップ１３との接触箇所を絶縁膜２５で被覆してもよい。図４の電気配線パタンを搭載する絶縁基板１１の光学センサも図１の光学センサ５０１と同様の効果を得られる。一方、図５の光学センサ５０５で説明したように電気配線２１ｅの表面を絶縁膜２５で被覆せず、キャップ１３と接触させてもよい。図４の電気配線パタンを搭載する絶縁基板１１の光学センサも図５の光学センサ５０５と同様の効果を得られる。
【００６９】
キャップ１３は、発光素子１５と受光素子１７との間を仕切り、受光素子１７が発光素子１５からの出射光を直接受光することを防止する仕切り板７５をさらに有してもよい。図７に仕切り板７５を有するキャップ１３を含む光学センサ５０７を示す。図７において、図１で使用した符号と同じ符号は同じ部品を示す。
【００７０】
仕切り板７５はキャップ１３と同じ素材であり不透明である。仕切り板７５は絶縁基板１１上の発光素子１５と受光素子１７との間を仕切るようにキャップ１３の内側に配置される。キャップ１３と絶縁基板１１とで囲まれる空間は、仕切り板７５により発光素子１５が収まる小室と受光素子１７が収まる小室に分けられる。
【００７１】
受光素子１７で受光する光のうちドップラーシフト法による干渉成分は数１００ｐＷ程度と非常に微弱である。そのため、キャップ１３と絶縁基板１１が作る空間内で反射した発光素子１５からの光を受光素子１７が受光すれば、該光の強度に前記干渉成分の強度が埋もれてしまい、受光素子１７が出力する前記干渉成分の信号のＳＮ比が悪くなる。従って、光学センサ５０７は、仕切り板７５で発光素子１５の小室と受光素子１７の小室を分離したことで、発光素子１５からの光を遮断でき、受光素子１７が出力する信号のＳＮ比を向上させ、精度よく生体情報を測定することができる。
【００７２】
キャップ１３で覆われた絶縁基板１１の表面に、受光素子１７から出力される信号を増幅する増幅回路８５をさらに備えてもよい。増幅回路８５のカソードは受光素子１７のカソードが接続する電気配線２１ｃに接続され且つ受光素子１７から出力される信号を増幅回路８５に結合するワイヤ８３の長さは０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。図８に増幅回路８５を備える光学センサ５０８を示す。図８において、図１で使用した符号と同じ符号は同じ部品を示し、説明のためキャップ１３の一部を省略して記載している。
【００７３】
光学センサ５０８は、図４の電気配線パタンを利用し、受光素子１７のカソードと増幅回路８５のグラウンドとが電気配線２１ｃを共通している。電気配線８１ａおよび電気配線８１ｂは増幅回路８５の電源供給用の配線であり、電気配線８１ｃ及び電気配線８１ｄは増幅信号を出力する二本の端子である。さらに、受光素子１７からの出力は、ワイヤ８３で増幅回路８５に入力される。このように受光素子１７からの信号は絶縁基板１１上の電気配線パタンを通らずに増幅回路８５で増幅され、電気配線８１ｃ及び電気配線８１ｄから出力される。
【００７４】
受光素子１７、ワイヤ８３及び増幅回路８５は受光素子１７のカソードと導電位であるキャップ１３に覆われるため、増幅回路８５は受光素子１７からの信号を外部からの電磁ノイズを受ける前に増幅することができる。
【００７５】
さらに、増幅回路８５からワイヤ８７ａ及びワイヤ８７ｂを通じて電気配線８１ｃ及び電気配線８１ｄに出力される信号は既に増幅されているため、外部からのノイズの影響を受けにくく、ＳＮ比を向上させることができる。従って、光学センサ５０８は精度よく生体情報を測定することができる。
【００７６】
また、光学センサ５０８からの生体情報に関する信号は増幅されているので、光学センサ５０８の外部の増幅器において、ノイズの少ない信号を得ることができ、該増幅器を簡略化することができる。
【００７７】
図９に光学センサ５０９を示す。図９において、図１で使用した符号と同じ符号は同じ部品を示し、説明のためキャップ１３の一部を省略して記載している。光学センサ５０９の絶縁基板１１は図２に示す電気配線パタンを搭載する。増幅回路８５のグランドと受光素子１７のカソードとは共通の電気配線である。発光素子１５のカソードと受光素子１７のカソードが別の電気配線に接続しており、増幅回路８５のグランドと発光素子１５のカソードとを分離することができる。光学センサ５０９の増幅回路８５は、発光素子１５の電源に起因するノイズの影響を受けないため、ＳＮ比を向上させることができる。従って、光学センサ５０９は精度よく生体情報を測定することができる。
【００７８】
図１０は、光学センサと外部の増幅回路を搭載するセンサチップ６１０である。センサチップ６１０は、プリント回路基板９１、増幅回路９５及び光学センサ５０１を含む。
【００７９】
センサチップ６１０は増幅回路９５が形成されたプリント回路基板９１上に光学センサ５０１をエポキシ等の絶縁性接着剤を用いて設置したものである。センサチップ６１０は光学センサ５０１に限らず、光学センサ５０５から光学センサ５０７を搭載できる。増幅回路９５は、光学センサ５０１からの微弱な信号を増幅するため大きな増幅率を必要とし、オペアンプＩＣを二段使用している（オペアンプ９５ａ及びオペアンプ９５ｂ）。
【００８０】
プリント回路基板９１には電極パッド９３ａから電極パッド９３ｄが備えられている。電極パッド９３ａから電極パッド９３ｄはそれぞれ光学センサの電気配線２１ａから電気配線２１ｄがワイヤ９７で電気的に接続される。さらに受光素子１７のアノードが接続する電極パッド９３ｄから増幅回路９５（オペアンプ９５ａ）までを電気配線９９が接続する。
【００８１】
受光素子１７が出力する信号は電気配線２１ｄ、ワイヤ９７、電極パッド９３ｄ、電気配線９９を通り、オペアンプ９５ａ続いてオペアンプ９５ｂで増幅され、外部に出力される。
【００８２】
図１０ではプリント回路基板９１の一つの面に光学センサ５０１と増幅回路９５とを搭載しているが、プリント回路基板９１の一の面に光学センサ５０１、他の面に増幅回路９５を搭載してもよい。プリント回路基板９１の両面を利用することでプリント回路基板９１を小型化することができ、センサチップ６１０を小型化できる。
【００８３】
図１１はプリント回路基板９１に図２で示す電気配線パタンを形成し、発光素子１５、受光素子１７及びキャップ１３をプリント配線基板９１に直接搭載したセンサチップ６１１である。図１の光学センサ５０１の説明と同様に発光素子１５、受光素子１７及びキャップ１３をプリント配線基板９１に搭載する。センサチップ６１１は図１０のセンサチップ６１０と同様に動作する。センサチップ６１１は図１０のセンサチップ６１０と比較して、光学センサ５０１をプリント回路基板９１に貼り付ける工程や電気配線２１ａから電気配線２１ｄと電極パッド９３ａから電極パッド９３ｄとをワイヤボンディングする工程が不要になり製造コストを低減できる。プリント回路基板９１に形成する電気配線パタンは図２に限らず図３及び図４でもよく、図８で説明した電気配線パタンとしてもよい。
【００８４】
図１２は、プリント回路基板９１に図９で説明した光学センサ５０９を搭載したセンサチップ６１２である。センサチップ６１２は光学センサ５０９で既に増幅された信号が出力されるので増幅回路９５をオペアンプ９５ｂのみとすることができ、プリント回路基板９１を小型化することができる。センサチップ６１２には図８の光学センサ５０８を搭載してもよい。
【００８５】
図１０から図１２で説明したように、プリント回路基板９１に光学センサ５０１、光学センサ５０５〜５０９のいずれかの光学センサを搭載することあるいはプリント回路基板９１に直接電気配線パタンを形成して光学センサ５０１、光学センサ５０５〜５０９のいずれかの光学センサを構成することで、実装が容易であり製作コストを低減した測定精度の高いセンサチップを実現することができる。
【００８６】
（実施の形態２）
本実施形態は、前記キャップが前記絶縁体基板側に突起を有し、前記絶縁体基板が、前記キャップの前記突起が挿入されて前記キャップの位置決めをする穴又は孔を有することを特徴とする光学センサである。
【００８７】
図１３に他の実施形態である光学センサを示す。図１３で使用されている符号は図１で説明した符号と同じ部品を示す。図１３の光学センサと図１の光学センサ５０１との違いは、キャップ１３が突起１２３を少なくとも２つ有していること及び絶縁基板１１が孔１２１を有していることである。
【００８８】
突起１２３はキャップ１３の絶縁基板１１と接触する箇所に配置される。突起１２３は変形しない材質で形成される。キャップ１３と同じ材質で形成してもよい。図１３（ａ）においては、キャップ１３の絶縁基板１１と接触する側の面（以下、「キャップ１３の絶縁基板１１と接触する側の面」を「キャップ１３の裏面」と略記する。）形状は長方形である。なお、キャップ１３の裏面形状は長方形に限らない。また、突起１２３の配置箇所はキャップ１３の裏面において絶縁基板１１と接触する箇所であればいずれでもよい。図１３のキャップ１３において、突起１２３は前記長方形の角に配置されている。図１３のように突起１２３をキャップ１３の裏面形状の角に配置することで、キャップ１３の製造が容易になり、突起１２３の強度が増す。
【００８９】
孔１２１はキャップ１３を絶縁基板１１上に搭載する際に突起１２３が挿入される孔であり、突起１２３を挿入することができる程度の大きさである。孔１２１は絶縁基板１１上において、キャップ１３を搭載する際に突起１２３が位置する箇所に配置される。図１３（ｃ）に孔１２１の配置される箇所の例を示す。なお、孔１２１は絶縁基板１１の発光素子１５及び受光素子１７側の面（以下、「絶縁基板１１の発光素子１５及び受光素子１７側の面」を「絶縁基板１１の表面」と略記する。）の穴としてもよい。
【００９０】
図１３（ｂ）はキャップ１３を絶縁基板１１に搭載するキャップ実装工程を模式的に示したものである。突起１２３が孔１２１に挿入することで、キャップ１３と絶縁基板１１との位置あわせが容易になる。さらに、突起１２３の位置精度及び孔１２１の位置精度は前記キャップ実装工程における人間あるいは実装機械の位置合わせ精度より高いため、前記キャップ実装工程においてキャップ１３と絶縁基板１１との位置再現性を高めることができる。そのため、キャップ１３の第一孔１９ａと発光素子１５との相対位置及び第二孔１９ｂと受光素子１７との相対位置の位置再現性が高まり、測定精度の高い光学センサを製造することができる。
【００９１】
従って、本発明は低コストで製造でき且つ生体情報を高精度に測定できる光学センサを提供することができる。
【００９２】
本実施形態に係る光学センサにおいて、キャップ１３は、第一孔１９ａの中心と第二孔１９ｂの中心との中間点、すなわち第一孔１９ａの中心と第二孔１９ｂの中心とを結ぶ仮想線分の中点を通る絶縁基板１１の垂線を二回軸とする回転対称形状であることが望ましい。
【００９３】
図１４にキャップ１３の形状の一例を示す。図１４（ａ）はキャップ１３の裏面から見た図であり、図１４（ｂ）は図１４（ａ）のＡ−Ａ’での切断面の図である。図１５から図１８まで同様である。前記キャップ実装工程においてはキャップ１３の裏面を絶縁基板１１へ向ける表裏確認ステップ及びキャップ１３を回転させて所定の方向を定める方向確認ステップが必要である。そこでキャップ１３の裏面からみた形状を対称性が高い構造とすることで、方向確認ステップにおけるキャップ１３の回転量を低減させることができる。さらに、キャップ１３が突起１２３を有する場合、突起１２３も二回回転対称の位置に配置される。第一孔１９ａと第二孔１９ｂは同じ大きさであり、互いに二回回転対称の位置に配置されるため、１８０度回転した場合に光学素子１５用の孔、受光素子１７用の孔が入れ替わることになる。
【００９４】
従って、キャップ１３の裏面形状が二回回転対称形状にすることで、前記方向確認ステップで最大でも９０度回転するだけでキャップ１３の方向を合わせることができ、光学センサの製造コストの低減を図ることができる。
【００９５】
図１５から図１８にキャップ１３の裏面から見た形状が二回回転対称形状であるキャップ１３の構造の例を示す。図１５は仕切り板７５を有するキャップ１３である。図１５（ａ）はキャップ１３の裏面から見た図であり、図１５（ａ）のＡ−Ａ’で切断した断面図を図１５（ｂ）に示す。図１６から図１８も同様である。図１５のキャップ１３は四隅に突起１２３を有しており、絶縁基板１１との回転誤差を生じ難い。そのため、発光素子１５と第一孔１９ａとの相対位置及び受光素子１７と第二孔１９ｂとの相対位置の誤差量が少なく光学センサの測定精度が向上する。図１６は、キャップ１３の裏面形状の対角位置の２箇所に突起１２３が配置されている場合の図である。図１７は、仕切り板７５の両端の位置に突起１２３が配置されている場合の図である。図１７に示すキャップ１３を絶縁基板１１上に搭載した場合に仕切り板７５の位置が正確に発光素子１５と受光素子１７の中間になる。よって、図１５に示すキャップ１３よりも正確に仕切り板７５の位置を決めることができる。さらに、仕切り板７５の位置のばらつきが少ないので、図１７に示すキャップ１３を使用する光学センサは、図１５に示すキャップ１３を使用する光学センサより発光素子１５と受光素子１７とを近接させて設置することができる。発光素子１５と受光素子１７との距離が遠いと深い領域が観測され、近いと浅い領域が観測されることが知られているので、図１７に示すキャップ１３を使用する光学センサは浅い末梢循環血流を観測することができる。図１８は、図１５と図１７で説明した位置の全てに突起１２３が配置されている場合の図である。そのため、図１８に示すキャップ１３は図１５のキャップ１３で説明した効果及び図１７のキャップ１３で説明した効果を兼ね備えている。
【００９６】
本実施形態に係る光学センサはキャップ１９３を備えてもよい。キャップ１９３は、第一孔１９ａの中心と第二孔１９ｂの中心との中間点、すなわち第一孔１９ａの中心と第二孔１９ｂの中心とを結ぶ仮想線分の中点を通る絶縁基板１１と平行な平行線を二回軸とする回転対称形状である。
【００９７】
図１９にキャップ１９３の形状の一例を示す。図１９（ａ）は上面図、図１９（ｃ）は背面図である。図１９（ｂ）は図１９（ａ）のＡ−Ａ’で切断した切断面を示す。キャップ１９３は中心位置（前記仮想線分の中点）に対して二回回転対称となっており、第一孔１９ａ及び第二孔１９ｂが存在する面に対して対称であり表裏がない構造となっている。
【００９８】
図１４から図１８に示すキャップ１３の形状の場合、前記実装工程において前記方向確認ステップを省略することができたが、前記表裏確認ステップが必要であった。図１９のキャップ１９３のように表裏を区別しない構造にすることで前記表裏確認ステップをも省略することができ、光学センサの製造コストの低減を図ることができる。キャップ１９３は突起１２３を有していてもよい。キャップ１９３が突起１２３を有することで、図１３から図１８で説明したようにキャップ１９３と絶縁基板１１との位置合わせ精度が向上する。なお、キャップ１９３には仕切り板７５を有しているが、仕切り板７５が無くても同様な効果を得ることができる。
【００９９】
（実施の形態３）
本実施形態は、光学センサと、発光素子を駆動する回路と、前記光学センサからの信号を処理して生体情報に関する値を計算するデジタル信号プロセッサと、を含む集積回路を備える生体情報測定装置である。
【０１００】
図２０は、本発明に係る生体情報測定装置の一実施形態としての血流計８０１の構成を示す図である。同図に示すように、本実施形態の血流計は、光学センサ２０１、前置増幅器２０２、駆動／演算装置２０３、求めた血流等を表示する出力部２０４を有する。なお、以下において図１から図１９に使用された符号も利用して説明する。
【０１０１】
光学センサ２０１は外部の被検体に光を当て、被検体内で散乱した散乱光を受光する。光学センサ２０１は半導体基板上に集積化されて形成されていてもよく、図１及び図５〜９で説明した光学センサを利用してもよい。
【０１０２】
前置増幅器２０２は光学センサ２０１からの出力を増幅して出力する。図１０〜１２のセンサチップで説明したように、光学センサ２０１を前置増幅器２０２の基板上に搭載することもできる。光学センサ２０１及び前置増幅器２０２とあわせて一体としたセンサチップ６２０とすることで、人体等に容易に装着できる形状に構成することが可能である。前置増幅器２０２は信号調節回路２１０と接続されており、図１０〜１２で説明したように、増幅回路９５で増幅された受光素子１７からの信号を受信する。
【０１０３】
駆動／演算装置２０３は、Ａ／Ｄ変換器２０５、発光素子駆動回路２０６、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）２０７、電源供給部２０８、インターフェース２０９、信号調節回路２１０及び表示部２１１を含み、小型液晶ディスプレイ等の出力部２０４に接続される。駆動／演算装置２０３は、全体をＬＳＩとして構成することが可能である。駆動／演算装置２０３は発光素子（ＬＤ）を駆動させ、散乱光を解析することにより血流を求める。
【０１０４】
発光素子駆動回路２０６は前置増幅器２０２に接続され、前置増幅器２０２を通じて光学センサ２０１へ電力を供給する。すなわち、図１及び図５〜９で説明した光学センサの発光素子１５は発光素子駆動回路２０６の指示によって光の照射及び消燈を行う。
【０１０５】
Ａ／Ｄ変換器２０５は、入力されたアナログ信号を所定の周波数でサンプリングを行い、量子化して出力する。被検体の血流等を測定する場合のサンプリング周波数は２００ｋＨｚであることが例示できる。
【０１０６】
ＤＳＰ２０７は、入力されたデジタル信号を所定の規則に従い処理を行う電気回路である。ＤＳＰ２０７は大量のデジタル信号のデータを高速に処理できるため、入力されたデジタル信号を処理した結果をリアルタイムで出力することができる。ＤＳＰ２０７はＡ／Ｄ変換器２０５からの信号から血流等の生体情報を求めるための演算を行う。
【０１０７】
インターフェース２０９は、駆動／演算装置２０３と外部の周辺機器とが通信できるように入力された信号を所定の規格の信号に変換する電気回路である。例えば、インターフェース２０９は入力された信号をＲＳ−２３２Ｃ規格の信号に変換することが例示できる。
【０１０８】
電源供給部２０８は、所定の電圧の電源を外部に供給する電気回路である。交流を直流に変換する回路、電圧変換回路、電圧安定化回路が含まれる。また、電源供給部２０８はバッテリーであっても良い。電源供給部２０８は図示しない電気線を通じてＡ／Ｄ変換器２０５、発光素子駆動回路２０６、ＤＳＰ２０７、インターフェース２０９、信号調節回路２１０及び表示部２１１に電源を供給する。
【０１０９】
出力部２０４はインターフェース２０９から出力されるデータを表示する。小型液晶ディスプレイ等が例示できる。
【０１１０】
血流計８０１は以下のように被検体の血流等の生体情報を測定する。センサチップである光学センサ２０１及び前置増幅器２０２を血流等の測定箇所である被検体に近接又は接触させる。
【０１１１】
前記センサチップは次のように被検体に光を照射して被検体からの散乱光を受光する。発光素子１５は発光素子駆動回路２０６から電流が注入され照射光を出射する。発光素子１５からの照射光はキャップ１３の第一孔１９ａで血流の測定に必要な径に絞られ、被検体に照射される。第一孔１９ａから出射した光は被検体内で散乱し、散乱光が光学センサ２０１へ到達する。前記散乱光はキャップ１３の第二孔１９ｂで測定に必要な光のみとなり受光素子１７に受光される。
【０１１２】
受光素子１７は前記散乱光を光電変換して散乱光強度信号として出力する。さらに前記散乱光強度信号を受信した前置増幅器２０２は増幅してアナログ信号を出力する。信号調節回路２１０は前記アナログ信号から干渉成分の周波数を含む特定の周波数範囲を抽出する。Ａ／Ｄ変換器２０５は信号調節回路２１０からの信号をアナログ−デジタル変換してデジタル信号を出力する。
【０１１３】
ＤＳＰ１７は前記デジタル信号の信号処理を行い、前記散乱光の干渉成分の周波数解析を行う。具体的には、散乱光Ｓの干渉成分の周波数が血流速度に相当し、散乱光Ｓの強度は移動している血液量に相当しており、血流速度と血液量との積で血流量が求められる。さらに、散乱信号波形には、脈拍による変調成分もあり、脈拍の検出も可能である。ＤＳＰ２０７は前記周波数解析の結果である被検体の情報を被検体情報信号として出力する。
【０１１４】
表示部２１１はＤＳＰ２０７からの被検体情報信号を表示する。また、インターフェース２０９は前記被検体情報信号をＲＳ−２３２Ｃ規格の信号に変換して表示部２０４に出力する。以上の説明ように、血流計８０１は被検体の血流等の生体情報を測定する。
【０１１５】
本発明に係る血流計の測定結果を図２１に示して説明する。図２１（ａ）のグラフは血流計８０１により測定された血流量の時間的な推移のデータであり、図２１（ｂ）のグラフは市販の標準的な血流計（市販血流計）により同時に測定されたデータである。市販血流計の測定方法は血流計８０１の測定方法（ドップラーシフト法）と同様である。
【０１１６】
いずれの血流計も測定方法は、指に本装置を当て、手首を強く締めることによって阻血し、徐々に開放し、最後に完全に開放した場合の血流量を示している。血流計８０１の測定結果は、市販血流計の測定結果と比べて増幅回路の応答特性の違いにより脈波形状が平均化されているが、血流量自体の増減傾向は一致している。
【０１１７】
市販血流計は、発光素子からの光を光ファイバに結合して前記光ファイバから出力する光を被検体に照射している。さらに、市販血流計は、被検体で散乱した散乱光を他の光ファイバで受光して受光素子に結合している。光ファイバは曲がりかたの変化や測定中の振動等で光の伝搬モードが変化するため、市販血流計で生体情報を測定する場合、被検体の動作を制限する必要があった。血流計８０１は光ファイバを使用しないため、被検体の動作を制限することなく正確な生体情報を測定することができる。
【０１１８】
さらに、血流計８０１は、図１及び図５〜９で説明した光学センサを利用しているため、高精度に生体情報を測定でき、製造コストを低くすることができる。
【０１１９】
実施の形態１〜３では、発光素子として面発光型の半導体レーザを使用し、受光素子として面入射型のフォトダイオードを使用した光学センサ及びセンサチップ及び生体情報測定装置を説明した。発光素子は端面発光型でもよく、受光素子は端面入射型でもかまわない。以下に端面発光型の発光素子及び端面入射型の受光素子を使用した実施例を説明する。
【０１２０】
（実施の形態４）
本実施形態の光学センサの前記発光素子は、前記絶縁基板の面と水平な方向に出射光を端面から出射する端面発光型であり、前記受光素子は、前記絶縁基板の面と水平な方向からの散乱光を端面で受光する端面入射型であり、前記キャップの前記第一開口部は、前記発光素子に対して前記発光素子の出射光の出射方向にあり、前記キャップの前記第二開口部は、前記受光素子に対して前記受光素子が散乱光を受光できる方向にあることを特徴とする。
【０１２１】
図２４は、端面発光型の発光素子及び端面入射型の受光素子を使用した光学センサ５２４の概略図である。図２４（ａ）は光学センサ５２４をキャップ１３側から見た上面図であり、図２４（ｂ）は光学センサ５２４の開口部側から見た側面図である。図２６及び図２７においても同様である。
【０１２２】
発光素子２４５は端面発光型の半導体レーザである。発光素子２４５は絶縁基板１１の面に対して水平な方向へ出射光Ｌを出射できるように絶縁基板１１に搭載される。受光素子２４７は端面入射型のフォトダイオードである。受光素子２４７は絶縁基板１１の面に対して水平な方向からの散乱光Ｓを受光できるように搭載される。ここで、散乱光Ｓは出射光Ｌが外部の被検体で散乱した光である。従って、受光素子２４７は散乱光Ｓを感度良く受光できる向きで搭載される。図２４では、出射光Ｌと散乱光Ｓの光軸は平行として示している。
【０１２３】
キャップ１３は第一開口部２４９ａ及び第二開口部２４９ｂを側面に有する。発光素子２４５は、第一開口部２４９ａを通じて出射光Ｌを出射する。受光素子２４７は、第二開口部２４９ｂを通じて散乱光Ｓを受光する。第一開口部２４９ａと第二開口部２４９ｂとは並列して配置される。
【０１２４】
図２５は、光学センサ５２４の絶縁基板１１上に形成される電気配線を示したものである。それぞれの電気配線と発光素子２４５及び受光素子２４７との接続は図４の説明と同様である。
【０１２５】
光学センサ５２４は、図１の光学センサ５０１の説明と同様に低コストで製造でき、高精度に被検体の生体情報を測定することができる。
【０１２６】
（実施の形態５）
本実施形態の光学センサの前記発光素子は、前記絶縁基板の法線方向に出射光を出射する面発光型であり、前記受光素子は、前記絶縁基板の面と水平な方向からの散乱光を端面で受光する端面入射型であり、前記キャップは、前記発光素子の出射光の方向を前記絶縁基板の面と水平な方向へ変換する光路変換素子をさらに有しており、前記キャップの前記第一開口部は、前記発光素子の出射光が前記キャップの前記光路変換素子で変換された光路方向にあり、前記キャップの前記第二開口部は、前記受光素子に対して前記受光素子が散乱光を受光できる方向にあることを特徴とする。
【０１２７】
図２６は、面発光型の発光素子及び端面入射型の受光素子を使用した光学センサ５２６の概略図である。光学センサ５２６と図２４の光学センサ５２４との違いは、発光素子が端面発光型ではなく面発光型を使用している点である。また、発光素子１５は上方に向けて出射光Ｌを出射するため、キャップ１３は第一開口部２４９ａへ向けて光路を変換する光路変換素子２６２を有する。光路変換素子２６２は例えば鏡である。図２６（ｃ）は図２６（ａ）のＤ−Ｄ’で切断した断面図である。
【０１２８】
光路変換素子２６２は、発光素子１５から上方へ照射された出射光Ｌを第一開口部２４９ａへ変換する。従って、光学センサ５２６は図２４で説明した光学センサ５２４と同様の効果を得ることができる。
【０１２９】
（実施の形態６）
本実施形態の光学センサの前記発光素子は、前記絶縁基板の面と水平な方向に出射光を端面から出射する端面発光型であり、前記受光素子は、前記絶縁基板の法線方向からの散乱光を受光する面入射型であり、前記キャップは、前記絶縁基板の面と水平な方向である散乱光の方向を前記絶縁基板の法線方向へ変換する光路変換素子をさらに有しており、前記キャップの前記第一開口部は、前記発光素子に対して前記発光素子の出射光の出射方向にあり、前記キャップの前記第二開口部は、前記キャップの前記光路変換素子に対して前記キャップの前記光路変換素子に散乱光を照射できる方向にあり、前記キャップの光路変換素子は、前記第二開口部を通過した散乱光の光路を変換して前記受光素子に受光させることを特徴とする。
【０１３０】
図２７は、端面発光型の発光素子及び面入射型の受光素子を使用した光学センサ５２７の概略図である。光学センサ５２７と図２４の光学センサ５２４との違いは、受光素子が端面入射型ではなく面入射型を使用している点である。また、受光素子１７は上方からの散乱光Ｓを出射するため、キャップ１３は第二開口部２４９ｂから入射する散乱光Ｓを受光素子１７の受光面へ向けて光路を変換する光路変換素子２７２を有する。光路変換素子２７２は例えば鏡である。図２７（ｃ）は図２７（ａ）のＤ−Ｄ’で切断した断面図である。
【０１３１】
光路変換素子２７２は、絶縁基板１１の面に水平に第二開口部２４９ｂから入射する散乱光Ｓを、受光素子１７が受光面で受光できるように散乱光Ｓの光軸を変換する。従って、光学センサ５２７は図２４で説明した光学センサ５２４と同様の効果を得ることができる。
【０１３２】
（実施の形態７）
図２４、図２６又は図２７で説明した光学センサを増幅器が搭載された回路基板に搭載してセンサチップとすることができる。
【０１３３】
本実施形態のセンサチップは、図２４、図２６又は図２７に記載の光学センサと、長手方向の一端に前記光学センサを搭載する短冊形の回路基板と、を備えるセンサチップであって、前記光学センサは、前記発光素子の出射光を前記回路基板の他端から一端の方向へ出射することを特徴とする。
【０１３４】
図２８にセンサチップ６２８を示す。センサチップ６２８は、図２４の光学センサ５２４を短冊形の回路基板４９１の一端に搭載する。また、第一開口部２４９ａ及び第二開口部２４９ｂが回路基板４９１の他端側と反対側を向くように光学センサ５２４は回路基板４９１に搭載される。センサチップ６２８は、図示しない電源回路や増幅器も搭載している。センサチップ６２８は、図２０の血流計８０１のセンサチップ６２０の代替とすることができる。
【０１３５】
生体情報測定の際、センサチップ６２８の一端を被検体９００に近づける。図２４で説明した発光素子２４５から出射光Ｌを出射することで、センサチップ６２８の光学センサ５２４は、発光素子２４５の出射光Ｌを回路基板４９１の他端から一端の方向へ出射し、回路基板４９１の一端の先にある被検体９００へ照射する。また、センサチップ６２８の光学センサ５２４は、被検体９００の内部で出射光Ｌが散乱した散乱光Ｓを図２４で説明した第二開口部２４９ｂを通じて図２４で説明した受光素子２４７で受光する。血流計８０１は、センサチップ６２８を利用しても図２０で説明したように生体情報である血流を測定できる。
【０１３６】
さらに、センサチップ６２８は、短冊形の回路基板４９１の先端に光学センサ５２４を搭載するため、被検体９００が奥にある場合や、狭い箇所にある場合にも生体情報を測定することができる。例えば、センサチップ６２８は、被検体９００が鼻の奥、口腔内又は腸内の血流を測定することができる。
【０１３７】
また、図２９のセンサチップ６２９のように、光学センサ５２４を回路基板４９１に搭載してもよい。具体的には、センサチップ６２９は、光学センサ５２４と、長手方向の一端に光学センサ５２４を搭載する短冊形の回路基板４９１と、を備えるセンサチップであって、光学センサ５２４は、図２４で説明した発光素子２４５の出射光Ｌを回路基板４９１の面と平行であり、且つ回路基板４９１の長手方向と直交する方向へ出射することを特徴とする。センサチップ６２９は、図２８のセンサチップ６２８と同様の構成であり、同様の効果を得ることができる。
【０１３８】
なお、センサチップ６２８及びセンサチップ６２９において、回路基板４９１に搭載する光学センサは、図２４の光学センサ５２４の他に図２６の光学センサ５２６又は図２７の光学センサ５２７でもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１３９】
本発明の生体情報測定装置及び光学センサは、健康保持や健康診断のための健康器具に適用することができる。また、被検体としては人間に限らず動物や植物でもよい。さらに、フッ素樹脂チューブ、シリコンチューブ等、発光素子からの光が透過できる管であれば、内部を流れる液体の流量を測定することができるため、本発明の生体情報測定装置及び光学センサは半導体製造装置や冷却装置の流量計に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１４０】
【図１】本発明の一の実施形態に係る光学センサの概略図である。（ａ）はキャップ側から見た上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’での切断面の図である。
【図２】絶縁基板上の電気配線パタンの例である。
【図３】絶縁基板上の電気配線パタンの例である。
【図４】絶縁基板上の電気配線パタンの例である。
【図５】本発明の他の実施形態に係る光学センサの概略図である。（ａ）はキャップ側から見た上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’での切断面の図である。
【図６】本発明の他の実施形態に係る光学センサの概略図である。（ａ）はキャップ側から見た上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’での切断面の図である。
【図７】本発明の他の実施形態に係る光学センサの概略図である。（ａ）はキャップ側から見た上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’での切断面の図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係る光学センサの概略図である。（ａ）はキャップ側から見た上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’での切断面の図である。
【図９】本発明の他の実施形態に係る光学センサの概略図である。（ａ）はキャップ側から見た上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’での切断面の図である。
【図１０】本発明に係る光学センサを搭載したセンサチップの概略図である。
【図１１】本発明に係る光学センサを搭載したセンサチップの概略図である。
【図１２】本発明に係る光学センサを搭載したセンサチップの概略図である。
【図１３】本発明の他の実施形態に係る光学センサの概略図である。（ａ）はキャップ裏面の概略図であり、（ｃ）は絶縁基板上の孔の位置の例である。（ｂ）はキャップを絶縁基板に搭載するキャップ実装工程を模式的に示したものである。
【図１４】キャップの形状の一例である。（ａ）はキャップ裏面から見た図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’での切断面の図である。
【図１５】キャップの形状の一例である。（ａ）はキャップ裏面から見た図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’での切断面の図である。
【図１６】キャップの形状の一例である。（ａ）はキャップ裏面から見た図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’での切断面の図である。
【図１７】キャップの形状の一例である。（ａ）はキャップ裏面から見た図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’での切断面の図である。
【図１８】キャップの形状の一例である。（ａ）はキャップ裏面から見た図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’での切断面の図である。
【図１９】キャップの形状の一例である。（ａ）は上面図、（ｃ）は背面図である。（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’で切断した切断面を示す。
【図２０】本発明に係る生体情報測定装置の一実施形態としての血流計の構成を示すブロック図である。
【図２１】本発明に係る血流計の測定結果である。（ａ）のグラフは本発明に係る血流計により測定された血流量の時間的な推移のデータであり、（ｂ）のグラフは市販血流計により同時に測定されたデータである。
【図２２】従来の血流計の光学センサの構成を示す図である。（ａ）は上面図、図２２（ｂ）は図２２（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図である。
【図２３】従来の血流計の光学センサの構成を示す図である。（ａ）は図２２（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図、（ｂ）は図２２（ａ）のＣ−Ｃ’線における断面図である。
【図２４】本発明の他の実施形態に係る光学センサの概略図である。（ａ）はキャップ側から見た上面図であり、（ｂ）は第一開口部及び第二開口部側から見た側面図である。
【図２５】絶縁基板上の電気配線パタンの例である。
【図２６】本発明の他の実施形態に係る光学センサの概略図である。（ａ）はキャップ側から見た上面図であり、（ｂ）は第一開口部及び第二開口部側から見た側面図であり、（ｃ）は（ａ）のＤ−Ｄ’線における断面を示した図である。
【図２７】本発明の他の実施形態に係る光学センサの概略図である。（ａ）はキャップ側から見た上面図であり、（ｂ）は第一開口部及び第二開口部側から見た側面図であり、（ｃ）は（ａ）のＤ−Ｄ’線における断面を示した図である。
【図２８】本発明に係る光学センサを搭載したセンサチップの概略図である。
【図２９】本発明に係る光学センサを搭載したセンサチップの概略図である。
【符号の説明】
【０１４１】
５０１、５０５〜５０９、５２４、５２６、５２７  光学センサ
６１０〜６１２、６２０、６２８、６２９  センサチップ
８０１  血流計
１１  絶縁基板
１３  キャップ
１５、２４５  発光素子
１７、２４７  受光素子
１９ａ  第一孔
２４９ａ  第一開口部
２４９ｂ  第二開口部
１９ｂ  第二孔
２１ａ〜ｅ  電気配線
２３  ワイヤ
２５  絶縁膜
７５  仕切り板
８１ａ〜ｄ  電気配線
８３  ワイヤ
８７ａ、ｂ  ワイヤ
８８ａ、ｂ  ワイヤ
８５  増幅回路
９１  プリント回路基板
９３ａ〜ｄ  電極パッド
９５  増幅回路
９５ａ、ｂ  オペアンプ
９７  ワイヤ
９９  電気配線
１２１  孔
１２３  突起
２０１  光学センサ
２０２  前置増幅器
２０３  駆動／演算装置
２０４  出力部
２０５  Ａ／Ｄ変換器
２０６  発光素子駆動回路
２０７  ＤＳＰ
２０８  電源供給部
２０９  インターフェース
２１０  信号調節回路
２１１  表示部
２６２、２７２  光路変換素子
３２１   シリコン基板
３２２、３２４  電極
３６１  レーザダイオード
３２５  フォトダイオード
３２６  カバー基板
３６２  屈折レンズ
３２７  ３３１  遮光膜
３２９  ワイヤ
４９１  回路基板
Ｌ  出射光
Ｓ  散乱光
【図１】
2008010832.tif 000003
【図２】
2008010832.tif 000004
【図３】
2008010832.tif 000005
【図４】
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【図５】
2008010832.tif 000007
【図６】
2008010832.tif 000008
【図７】
2008010832.tif 000009
【図８】
2008010832.tif 000010
【図９】
2008010832.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2008010832.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2008010832.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2008010832.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
2008010832.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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