(57)【要約】【課題】発光素子２４と受光素子２６とを備える生体センサーにおいて微弱な光成分を精度良く検出する。【解決手段】光透過性を有する基板２２と、被験体に対し、基板２２を介して光を照射する発光素子２４と、被験体からの光を、基板２２を介して受光して、当該受光に応じた信号を出力する受光素子２６と、を備え、基板２２のうち、発光素子２４および受光素子２６との対向面に反射防止性を持たせる。反射防止性を持たせるために、基板２２の対向面には例えば反射防止フィルム３０を貼付する構成としても良い。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光透過性を有する対向基板と、
被験体に対し、前記対向基板を介して光を照射する発光素子と、
前記被験体からの光を、前記対向基板を介して受光して、当該受光に応じた信号を出力する受光素子と、
を備え、
前記対向基板のうち、前記発光素子および受光素子との対向面が反射防止性を有する
ことを特徴とする生体センサー。
【請求項２】
前記対向基板の対向面には、前記反射防止フィルムが貼付された
ことを特徴とする請求項１に記載の生体センサー。
【請求項３】
前記反射防止フィルムは、
フィルム表面に薄膜が形成されたものである
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】
前記フィルム表面には、誘電体からなる薄膜が複数積層され、
隣り合う誘電体同士では屈折率が互いに異なる
ことを特徴とする請求項３に記載の生体センサー。
【請求項５】
前記反射防止フィルムは、
フィルム表面が前記発光素子および受光素子に向かって凹凸形状となっている
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６】
前記対向基板の対向面には、薄膜が形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の生体センサー。
【請求項７】
前記対向面には、誘電体からなる薄膜が複数積層され、
隣り合う誘電体同士では屈折率が互いに異なる
ことを特徴とする請求項６に記載の生体センサー。
【請求項８】
前記対向面が前記発光素子および受光素子に向かって凹凸形状となっている
ことを特徴とする請求項１に記載の生体センサー。
【請求項９】
前記発光素子および前記受光素子は、センサー基板に形成され、
前記センサー基板と前記対向基板とは、所定の間隙を保ちながらシール材によって接着されている
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の生体センサー。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載の生体センサーと、
前記受光素子から出力される信号に基づいて生体情報を出力する演算処理回路と、
を備える生体情報検出装置。
【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、発光素子によって生体に光を照射する一方、脈拍数や酸素飽和度などの生体情報を反映した光を受光素子によって受光し、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１参照）。生体センサーを構成する発光素子と受光素子とは、物理的に異なる素子であるので、互いに離間した状態で配置せざるを得ない。この状態において発光素子からの光が受光素子に直接入射してしまうと、直接入射光は、生体情報を反映した光に対してノイズとなってしまう。そこで、発光素子と受光素子との間に遮光物を設ける技術が提案されている（例えば特許文献２参照）。
【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２００７−２０２６９３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、発光素子と受光素子との間に遮光物を設ける場合、ある程度のスペースが必要となるので、センサーの小型化が困難になる。
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、小型化が容易であって、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、光透過性を有する対向基板と、被験体に対し、前記対向基板を介して光を照射する発光素子と、前記被験体からの光を、前記対向基板を介して受光して、当該受光に応じた信号を出力する受光素子と、を備え、前記対向基板のうち、前記発光素子および受光素子との対向面が反射防止性を有することを特徴とする。
本発明では、発光素子と受光素子との間に遮光物を設けなくても、発光素子から出射された光が対向基板で反射して受光素子に入射する成分が低減される。したがって、本発明によれば、遮光物を設けなくて済むので、その分、小型化が容易となって、微弱な光成分を精度良く検出することができる。
【０００６】
本発明において、前記対向面には、前記反射防止フィルムが貼付された構成が好ましい。この構成によれば、簡単な構成によって微弱な光成分を精度良く検出することができる。ここで、反射防止フィルムとしては、フィルム表面に薄膜が形成されたものや、前記フィルム表面に誘電体からなる薄膜が複数積層され、隣り合う誘電体同士では屈折率が互いに異なるもの、フィルム表面が前記発光素子および受光素子に向かって凹凸形状となっているものが好ましい。
【０００７】
また、前記対向面に反射防止性を持たせるために、当該対向面を直接加工する構成としても良い。例えば、前記対向基板の対向面には、薄膜が形成されていても良いし、前記対向面には、誘電体からなる薄膜が複数積層され、隣り合う誘電体同士では屈折率が互いに異なっても良いし、前記対向面が、前記発光素子および受光素子に向かって凹凸形状となっていても良い。
【０００８】
一方、本発明において、前記発光素子および前記受光素子は、センサー基板に形成され、前記センサー基板と前記対向基板とは、所定の間隙を保ちながらシール材によって接着されている構成としても良い。
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】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る生体センサーを含む生体情報検出装置を示す図である。
【図２】生体情報検出装置の構造を示す要部断面図である。
【図３】第１実施形態に係る生体センサーを示す平面図である。
【図４】図３におけるＡ−ａ線で切断した断面図である。
【図５】反射防止膜における光の反射を示す図である。
【図６】生体センサーにおける光の出射・入射を示す図である。
【図７】反射防止膜を積層体にした場合の構成を示す図である。
【図８】基板の対向面に反射防止フィルムを貼付した構成を示す図である。
【図９】基板の対向面に凹凸形状に成形した場合等の構成を示す図である。
【図１０】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】
【００１０】
以下、本発明の第１実施形態に係る生体センサーについて図面を参照して説明する。
なお、以下の各図については、各部、特に各層については認識可能な大きさとするために、縮尺を異ならせている場合がある。
【００１１】
図１は、第１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１に示されるように、生体情報検出装置１の筐体１０は、腕時計を模した形状となっている。筐体１０の外周部のうち、中心部を挟んで対向する部分には、被験者の左手首に巻回されたリストバンド１２の一端と他端とが取り付けられている。これによって、筐体１０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。図１では省略されているが、後述する演算処理回路が各種の処理を実行して、その処理結果を出力する。
【００１２】
図２は、生体情報検出装置１の要部構成を示す断面図である。図に示されるように、筐体１０の内部は中空部１５を有する形状となっており、当該中空部１５において被験者への装着側に生体センサー２０が取り付けられている。生体センサー２０は、基板２１、２２と、基板２１に形成された発光素子２４および受光素子２６を含んだ構成となっている。ここで、筐体１０が被験者に装着されたとき、基板２２が当該筐体１０の裏側とともに接触することになる。
なお、中空部１５には、図示省略するが、上述した演算処理回路なども設けられる。
【００１３】
図３は、生体センサー２０の構成を、被験者の装着側から見た平面図であり、図４は、図３におけるＡ−ａ線で破断した断面図である。
これらの図に示されるように、生体センサー２０は、平面視したときに、ほぼ同一サイズで長方形状の基板２１、２２同士を、周縁に沿った塗布された接着材２８で一定の間隙を保つように貼り合わせた構成となっている。
【００１４】
図４に示されるように、被験者に装着される側（装着側）からみると、基板２１は奥側（図では上側）に位置し、基板２２は手前側（図では下側）に位置する。基板２１のうち、基板２２と対向する対向面には、発光素子２４および受光素子２６が互いに離間した状態で形成されている。このため、基板２１が、発光素子２４および受光素子２６が形成されたセンサー基板となる。
発光素子２４の発光面は、平面視したときに図３に示されるように、ほぼ正方形であり、同様に、受光素子２６の受光面も、ほぼ正方形である。なお、基板２１、２２の平面形状は任意であり、発光素子２４の発光面の形状および受光素子２６の受光面の形状についてもそれぞれ任意である。
【００１５】
発光素子２４および受光素子２６は、例えば基板２１の対向面において、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、発光素子２４として有機発光ダイオード（Organic Light Emitting Diode）を形成する場合、基板２１を起点として順に、反射層、光透過性を有する陽極層、発光層を含む有機層、光透過性および反射性を有する陰極層を積層した構成とすれば良い。このような構成の発光素子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、自身が形成された基板２１とは反対側である基板２２を介して、被験者に光を出射するので、発光素子２４は、いわゆるトップエミッション構造となる。
このため基板２２には光透過性を有するガラス等が用いられる。なお、ここでいう光透過性とは、発光素子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。一方、基板２１には、光透過性が不要であるが、基板２２と貼り合わせたときに膨張率を揃える観点から、基板２１、２２を同じ材質とするのが好ましい。
【００１６】
一方、受光素子２６として、例えば光吸収型の有機フォトダイオード（Organic Photodiode）を形成する場合、基板２１を起点として順に、反射性を有する陰極層、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、光が装着側から基板２２を介して入射すると、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、受光素子２６には、入射光量に応じた電流が流れることになる。
【００１７】
封止層（材）２７は、発光素子２４および受光素子２６が水分や酸素などによって劣化するのを防止するために、当該発光素子２４および受光素子２６を覆うように設けられている。封止層２７は、図４において基板２１、２２とで挟持されている空間にわたって充填された構成となっているが、発光素子２４および受光素子２６の劣化を防止することが主な役割である。このため、基板２１、２２とで挟持されている空間においては、当該発光素子２４および受光素子２６を覆う分だけ設けて、残りの空間については、空気で満たすようにしても良い。ただし、発光素子２４から基板２１に向かう方向には、光を反射する界面数が少ない方が良いので、上述したような充填された構成が好ましい。
【００１８】
一方、対向基板としての基板２２は、主に被験者の手首との密着性を向上させるために設けられる。この基板２２のうち、基板２１との対向面には反射防止膜２９が設けられている。この反射防止膜２９は、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）や二酸化珪素（ＳｉＯ２）などの無機化合物からなる単層薄膜を、蒸着法やスパッタ法などによって基板２２の対向面に形成したものである。
【００１９】
図５は、基板２２に貼付された反射防止膜２９近傍の構成を示す図である。
発光素子２４から光が図において下側に向かって出射する。発光素子２４から出射される光のうち、基板２１の対向面に斜め方向で入射する光Ｓの波長をλとする。また、入射側である封止層２７（または空気）の屈折率をｎ１とし、基板２２の屈折率をｎ３とする。
また、反射防止膜２９における薄膜の厚さをｄとし、屈折率をｎ２としたときに、次の式（１）で示される位相条件および式（２）で示される振幅条件をそれぞれ満たすように当該薄膜が形成される。
ｄ ＝（１／４）×（λ／ｎ２）  …（１）
ｎ２＝（ｎ１×ｎ３）１／２          …（２）
【００２０】
発光素子２４からの光Ｓは、反射防止膜２９の表面で反射した光Ｒ１と、反射防止膜２９を透過して裏面（反射防止膜２９と基板２２との界面）で反射した光Ｒ２とに分けられる。式（１）および式（２）を満たすように反射防止膜２９を形成すると、光Ｒ１と光Ｒ２とは、互いに位相が１８０度シフトした位相反転の関係になるので、互いに打ち消し合う。このため、図６に示されるように、本実施形態では、発光素子２４から出射された光のうち、基板２２で反射して受光素子２６に直接向かう成分を低減することができる。
【００２１】
一方、図６において、発光素子２４から出射された光のうち、封止層２７、反射防止膜２９および基板２２を順に透過した光は、被験者の皮膚に侵入する。皮膚に侵入した光は、血管（図示省略）に到達し、当該血管を流れる血液により吸収、反射され、あるいは血液を透過する。血管に流れる血液によって反射した光は、基板２２、反射防止膜２９および封止層２７を順に介して受光素子２６に入射する。このため、受光素子２６は、入射光量に応じた電流を出力する。被験者の血管は、心拍と同じ周期で膨張・収縮を繰り返しているので、血管の膨張・収縮の周期と同じ周期で光の反射量が増減する。したがって、受光素子２６から出力される電流の変化は、血管の容積変化を示すことになる。
【００２２】
ここで、血管で反射した光の成分、すなわち生体情報を反映した光の成分は、出射光に対して微弱である。このため、血管で反射した光以外の光成分は、受光素子２６にとってノイズ以外の何者でもない。
基板２２の対向面に反射防止性を持たせない構成であると、発光素子２４から出射された光が基板２２の対向面で反射して受光素子２６に直接向かってしまうので、ノイズとなる成分が増加し、生体情報を反映した微弱な光成分を精度良く検出できない。
これに対して、本実施形態では、基板２２の対向面に形成された反射防止膜２９によって反射防止性を持たせているので、基板２２で反射して受光素子２６に直接向かう成分が大幅に低減される。したがって、本実施形態によれば、ノイズとなる成分が低減されるので、その分、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】
本実施形態では、発光素子２４と受光素子２６との間に、背景技術で述べたような遮光物を設けなくて良いので、遮光物を設けることによって生体センサー２０の生産時における歩留まりの低下やコストアップを回避することができるほか、構造が簡易化されるので、小型化や薄型化が容易となるのである。
【００２４】
なお、基板２２の対向面に形成される反射防止膜２９は、単層薄膜に限られず、複数層の薄膜の積層体であっても良い。このような積層体により反射防止膜２９を構成すると、単層薄膜と比較して、より広帯域の波長に対して、反射率を小さくすることができる。
例えば、波長が３５０ｎｍ〜７５０ｎｍである可視光域の光の反射率を小さくする場合、図７に示されるように、相対的に高屈折率の誘電体膜２９１、２９３、２９５と、相対的に低屈折率の誘電体膜２９２、２９４、２９６とを、交互に計６層分を積層した積層体とすれば良い。
【００２５】
また、基板２２の対向面そのものを、反射防止膜２９と同等の効果を持つような構造体としても良い。例えば、図９（ａ）に示されるように、基板２２をプラスティックなどの光透過性樹脂から構成するとともに、対向面の表面に、微細な凹凸形状２９７を光の波長以下の間隔で一体成形して、光の屈折率が基板２２の厚み方向にしたがって変化する構造（モスアイ構造）としても良い。
詳細には、この構造において、凸形状の頂点では、光透過性樹脂の存在割合がほぼゼロであるから、封止層２７（または封止層２７が充填されていないのであれば、空気）の屈折率に等しくなる一方で、凹形状の谷部では、封止層２７（または空気）の存在割合がほぼゼロであるから、基板２２を構成する樹脂素材の屈折率に等しくなる。なお、凸形状の頂点と凹形状の谷部との中間地点では、その中間地点の高さに応じて光透過性樹脂が占める割合が定まるので、その割合に応じた屈折率となる。
したがって、このような構造において、光の屈折率が、凸形状の頂点における封止層２７（空気）の屈折率から、凹形状の谷部における樹脂素材の屈折率まで、基板２２の厚み方向にしたがって連続的に変化する。このため、複数層の薄膜の積層体よりも、優れた反射防止性を期待することができる。
【００２６】
次に、第２実施形態に係る生体センサーについて説明する。第１実施形態では、基板２２に一または複数層の薄膜を形成し、もしくは、当該基板２２の表面を成形することによって対向面に反射防止性を持たせたが、第２実施形態では、同様な反射防止性を有する反射防止フィルムを、基板２２の対向面に貼付した構成としたものである。
【００２７】
また、図８は、第２実施形態に係る生体センサーの要部構成を示す図であり、基板２２の対向面に反射防止フィルム３０を、粘着層（図示省略）を介して貼付したものである。反射防止フィルム３０は、光透過性を有するプラスティックなどからなるフィルム基体３０１の表面に、単層薄膜からなる反射防止膜２９を形成したものである。
ここで、上記式（２）において屈折率ｎ３をフィルム基体３０１の屈折率に置き換えるとともに、式（１）および式（２）を満たすように、反射防止フィルム３０の反射防止膜２９が形成される。これにより、基板２１に貼付された反射防止フィルム３０は、基板２２の対向面に反射防止膜２９が直接形成された構成と同等な反射防止性を有することになるので、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可能になる。
くわえて、第２実施形態では、基板２２の対向面を直接加工しなくても、単に反射防止フィルム３０を貼付すれば済むので、より簡便に生体センサーを構成することができる。
【００２８】
なお、反射防止フィルム３０にあっては、フィルム基体３０１の表面に単層薄膜でなく、図７と同様な、複数層の薄膜の積層体を形成しても良い。これにより、より広帯域の波長に対して反射率を小さくさせることができる。
また、図９（ｂ）に示されるように、フィルム基体３０１の表面に微細な凹凸形状２９７を形成したものを反射防止フィルム３０としても良い。この反射防止フィルム３０によれば、上述したように、より優れた反射防止性を期待することができる。
【００２９】
図１０は、生体情報検出装置１の電気的な構成を示すブロック図である。なお、この構成については、概略的に説明にとどめることにする。
この図において、駆動回路４０は、演算処理回路５０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、発光素子２４を駆動するものである。ここで、電流を間欠的に駆動する方が低消費電力化を図る上で好ましい。一方、変換回路４５は、受光素子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。
【００３０】
演算処理回路５０は、発光素子２４を駆動した場合、変換回路４５によって変換されたデジタルデータを処理する。すなわち、発光素子２４からの光が出射された場合に、受光素子２６によって受光された信号が処理される。例えば、演算処理回路５０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。
【００３１】
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。
発光素子２４と受光素子２６とについては、発光素子２４が光を、基板２２を介して被験者に向けて出射し、受光素子２６が被験者からの光を、基板２２を介して受光する構成であれば、配列・個数については任意である。
例えば、複数個の発光素子２４と複数個の受光素子２６とがそれぞれ交互にマトリクス状に配列する構成であっても良い。このように構成によれば、複数個の発光素子２４によって出射光の面積が広がるとともに、複数個の受光素子２６によって入射光の面積が広がるので、生体情報を反映した光成分を、より精度良く検出することができる。
また、発光素子２４と受光素子２６とは基板２１に対して必ずしも同一面に形成される必要はなく、互いに異なる面に形成しても良い。例えば、装着側からみて発光素子２４を基板２１の奥側の面（図４において上側の面）に形成し、自身が形成された基板２１を介して光を出射するボトムエミッション構造としても良い。また例えば、発光素子２４と受光素子２６とを、装着側からみて、基板２２の奥側に位置する異なる基板に形成しても良い。
【００３２】
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。
【００３３】
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、赤色光を発光・受光する素子、赤外光を発光・受光する素子、などのように発光波長および受光波長を異ならせた素子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】
【００３４】
１…生体情報検出装置、２０…生体センサー、２１、２２…基板、２４…発光素子、２６…受光素子、２７…封止層、２８…接着材、２９…反射防止膜、３０…反射防止フィルム、５０…演算処理回路、２９１〜２９６…誘電体膜、２９７…凹凸形状、３０１…フィルム基体。
【図１】
2012254194.tif 000003
【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】
2012254194.tif 000008
【図７】
2012254194.tif 000009
【図８】
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【図９】
2012254194.tif 000011
【図１０】
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