JP6666359B2 - フォトセンサ - Google Patents

Description

本発明は、生体情報を検知することにより、脈波や心拍数の測定を行うためのフォトセンサに関する。

ヘルスケア分野において、反射型のフォトリフレクタをセンサヘッドとし、血管内において脈動する血液中のヘモグロビン量の変化をモニターすることにより、脈波、心拍数、血中酸素濃度等の生体モニターを行うフォトセンサが知られている。近年では据え置き型のものに代わり、モバイル型あるいはウェアラブル型のものが登場しており、特にブレスレット、スマートウォッチやカナル式イヤホン等に内蔵させたウェアラブル型のものが脚光を浴びている。

モバイル型あるいはウェアラブル型のフォトセンサは、屋外に持ち運ばれる機会が多いことから防滴や防水の構造が必要となる。防滴や防水の構造の一例として、気密が保たれた筐体内にフォトリフレクタを封入し、フォトリフレクタ上に配置された透光性の保護部材（カバー材）を通して、生体モニターを行うものがある。

図６（ａ），（ｂ）は、モバイル型あるいはウェアラブル型のフォトセンサに使用される従来のフォトリフレクタ１０を示す図である。同図の（ａ）はフォトリフレクタ１０の受発光面側を見た平面図、同図の（ｂ）はフォトリフレクタ１０の横断面図である。同図に示すフォトリフレクタ１０は、基板１１、発光素子１２、受光素子１３、遮光性樹脂１４及び透光性樹脂１５を有する。基板１１は、長方形状のガラスエポキシ等の基体に銅箔を被着した銅張積層板からなるプリント配線基板であり、裏面には外部電極１１ａが形成されており、表面には発光素子１２用のダイパッド１１ｂとボンディングパッド１１ｃ及び受光素子１３用のダイパッド１１ｄとボンディングパッド１１ｅが形成されている。なお、ダイパッド１１ｂ，１１ｄやボンディングパッド１１ｃ，１１ｅは、外部電極１１ａに図示しないバイアホールによって電気的に接続されている。

図示のように、発光素子１２は、２つ設けられており、基板１１の長手方向の両端部それぞれに実装されている。受光素子１３は、２つの発光素子１２の間に実装されている。遮光性樹脂１４は、基板１１の周辺に形成され、発光素子１２及び受光素子１３を超える厚さを有している。また、遮光性樹脂１４により、２つの発光素子１２それぞれから放射された光が受光素子１３に直接入射しないように遮断する遮光壁１４ａが形成されている。すなわち、一方の発光素子１２と受光素子１３との間及び他方の発光素子１２と受光素子１３との間のそれぞれに、遮光性樹脂１４の一部による遮光壁１４ａが形成されている。一方の発光素子１２と受光素子１３との間の遮光壁１４ａによって、一方の発光素子１２と受光素子１３の間で光が直接授受されることがなく、また他方の発光素子１２と受光素子１３との間の遮光壁１４ａによって、他方の発光素子１２と受光素子１３の間で光が直接授受されることがない。

透光性樹脂１５は、一方の発光素子１２を含むその周囲と、受光素子１３を含むその周囲と、他方の発光素子１２を含むその周囲のそれぞれにおいて、水分の浸入や外気への暴露を避け水分の浸入を防いで素子（２つの発光素子１２と受光素子１３）の劣化を防止するとともに、２つの発光素子１２からの光を通過させる。なお、２つの発光素子１２と受光素子１３が設けられた部分が受発光部である。

フォトセンサにはこのようなフォトリフレクタ１０が内蔵されており、その例として特許文献１に開示されるものが挙げられる。

日本国特許４９０３９８０号公報

ところで、モバイル型あるいはウェアラブル型のフォトセンサは、長距離ランニング中の心拍数計測等、長い時間に亘って地肌に光を当てる用途にも用いられる場合もあることから、発光素子１２として半導体レーザなどの出力の高いものは用いられず、一般に可視領域あるいは近赤外領域に発光スペクトルを有するＬＥＤ（発光ダイオード）が用いられる。しかしながら、ＬＥＤから放射される光はコヒーレント性が低く、散乱しやすく、指向性も広いため、血管からの反射光のみを得ることが難しく、表皮表面や骨等からの反射光によるＤＣ信号の影響が避けられない。このため、血管からの反射光等、真に必要とする信号がＤＣ信号に埋もれてしまって検出精度が低くなってしまうという課題がある。

さらにまた、モバイル型あるいはウェアラブル型のフォトセンサは、雨や汗に曝される心配のない据え置き型のフォトセンサに比べ、フォトリフレクタ１０の受発光面側に離間配置される保護部材（カバー材）がある分、フォトリフレクタ１０内の発光素子１２から放射された光の一部がその保護部材で反射されることによるＤＣ信号が加わることとなる。すなわち、表皮表面や骨等からの反射光によるＤＣ信号の他に、フォトリフレクタ１０の近傍に配置している保護部材からの反射光によるＤＣ信号が加わることになる。

図７は、フォトリフレクタ１０内の発光素子１２から放射された光の一部が保護部材であるカバー材２０で反射する様子を模式的に示す図である。同図に示すように、フォトリフレクタ１０は、その受発光面１０ａがカバー材２０に面している。カバー材２０には生体組織の表皮３０が密着する。発光素子１２から放射された光の一部は、生体組織の血管３１に至らずにカバー材２０の内面やカバー材２０と生体組織の表皮３０との界面で反射して受光素子１３に入射してしまう。同図に示す反射光Ｌ１は、カバー材２０の内面で反射した光であり、反射光Ｌ２は、カバー材２０と生体組織の表皮３０との界面で反射した光である。このように、血管３１以外からの不要なＤＣ信号が受光素子１３に入射し、受光素子１３がその光を検出してしまう。このため、真に必要とする信号、即ち血管３１からの反射光による信号がＤＣ信号に埋もれてしまい検出精度が低下してしまう。

図８は、フォトリフレクタ１０を有するフォトセンサで脈拍を検出したときのフォトリフレクタ１０の出力を示す図である。光による脈拍の検出は、動脈中のヘモグロビンの変化量をモニターすることで得られる。このとき、センサ出力の最大値を１００％とした場合、その殆どがカバー材２０からの反射光による信号と、生体組織の表皮３０等からの反射光による信号であり、脈拍として検出できる信号は０．２％以下の非常に小さいレベルである。ここで、血管３１からの反射光による信号は、周期的に強弱が変化していることから、ＡＣ信号と言うこととする。一方、カバー材２０からの反射光や生体組織の表皮３０等からの反射光による信号は、周期的な変化がなく一定していることから、ＤＣ信号と言えるが、このＤＣ信号は、ＡＣ信号に対してノイズとなることから、“ＤＣノイズ”と呼ぶこととする。

本フォトセンサを装着した状態でランニングをしながら脈拍をモニターするような場合には、体動によりＡＣ信号が更に小さくなるため、検出精度の低下を招くことになる。図８に示す信号のうち、カバー材２０からの反射光によるＤＣノイズはカバー材２０の材質や厚さにより変化するが、皮膚表面、組織等からの反射光によるＤＣノイズは略一定となる。したがって、脈拍を高精度に検出するためには、主にカバー材２０からの反射光によるＤＣノイズを低減させて、ＡＣ／ＤＣ比の向上を図ることが最大の課題となっている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、脈拍の高精度検出を阻害する反射光によるＤＣノイズの発生を抑制できるフォトセンサを提供することを目的とする。

本発明は、基板上に実装された発光素子及び受光素子、これらの素子を各々封止する透光性樹脂、並びに遮光性樹脂を有するフォトリフレクタと、前記フォトリフレクタの受発光面上に配置されている透光性のカバー材とを備えたフォトセンサであって、前記発光素子と前記受光素子との間に前記遮光性樹脂で遮光壁を形成するとともに、前記遮光壁に連結し前記発光素子上方の発光面を狭窄する庇を形成し、前記庇は、前記発光素子から放射され、前記カバー材の内面及び外面で反射した光を遮光し、前記受光素子に入射しないようにし、前記庇の張り出し量は、前記発光素子と前記受光素子との距離、前記透光性樹脂の厚さ、及び前記カバー材の位置との関係で、前記発光素子から放射された光が照射される被照射体で反射する光の量が最大となるよう調整されることを特徴とする、フォトセンサを提供する。

また、本発明は、上記のフォトセンサであって、前記庇は、前記発光素子上方の発光面に加えて、前記受光素子上方の受光面も狭窄することを特徴とする、フォトセンサを提供する。

本発明によれば、発光素子から放射された光のうち、フォトリフレクタ近傍に配置されているカバー材で反射された光を庇によって遮って受光素子に到達し難くするので、カバー材からの反射光によるＤＣノイズが低減し、ＡＣ／ＤＣ比の向上を図ることができる。

（ａ），（ｂ）本発明の一実施形態に係るフォトセンサが有するフォトリフレクタを示す図である。 本実施形態のフォトリフレクタをフォトセンサ内に封入し、バイタルセンサとして使用している状態を模式的に示す図である。 本実施形態のフォトリフレクタを備えたフォトセンサと従来のフォトリフレクタを備えたフォトセンサにおけるＡＣ／ＤＣ比の比較例を示す図である。 本実施形態のフォトリフレクタを備えたフォトセンサと従来のフォトリフレクタを備えたフォトセンサにおけるＡＣ／ＤＣ比の比較例を示す図である。 本実施形態のフォトリフレクタの変形例を示す図である。 （ａ），（ｂ）モバイル型あるいはウェアラブル型のフォトセンサに使用される従来のフォトリフレクタを示す図である。 従来のフォトリフレクタ内の発光素子から放射された光の一部がカバー材で反射される様子を模式的に示す図である。 従来のフォトリフレクタを有するフォトセンサで脈拍を検出したときのフォトリフレクタの出力を示す図である。

以下、本発明を実施するための好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１（ａ），（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るフォトセンサが有するフォトリフレクタ１を示す図である。同図の（ａ）はフォトリフレクタ１の受発光面側を見た平面図、同図の（ｂ）はフォトリフレクタ１の横断面図である。なお、同図において、前述した図６（ａ），（ｂ）と共通する部分には同一の符号を付けている。

本実施形態のフォトリフレクタ１は、従来のフォトリフレクタ１０の遮光性樹脂１４とは一部異なる形状の遮光性樹脂２を有している。即ち、遮光性樹脂２により、一方の発光素子１２と受光素子１３との間に形成された遮光壁２ａに連結し、一方の発光素子１２の上方の発光面を狭窄する庇２ｂが形成されており、また他方の発光素子１２と受光素子１３との間に形成された遮光壁２ａに連結し、他方の発光素子１２の上方の発光面を狭窄する庇２ｂが形成されている。庇２ｂを含む遮光壁２ａは、図１の（ｂ）の横断面図から分かるように、上下左右が逆になったＬ字状となっている。この庇２ｂを有している点が本発明の大きな特徴である。

本実施形態のフォトリフレクタ１は、モバイル型あるいはウェアラブル型のフォトセンサとして構成される場合には、受発光面１ａ側の近傍に、図７で示したようなカバー材２０が配置されている。遮光性樹脂２の庇２ｂは、カバー材２０での反射光や生体組織の表皮３０（図７参照）での反射光が受光素子１３に入射しないように遮断することができる。庇２ｂの張り出し量（即ち、発光素子１２側に延びる長さ）は、発光素子１２と受光素子１３との距離、透光性樹脂１５の厚さ、及びカバー材２０の位置との関係で、生体組織の血管３１（図７参照）で反射する光の量が最大となるよう調整される。

また、図１の（ａ）において、平面視における遮光壁２ａと庇２ｂを合わせた幅Ｌは、受光素子１３の大きさによって適宜決定することになるが、発光素子１２の中心と庇２ｂの端部を結ぶ光軸の角度を勘案し、発光素子１２から放射された光が血管３１で反射した場合の反射光の入射を最大限妨げないようにし、かつ、カバー材２０や生体組織の表皮３０からの反射光の入射を最大限妨げる寸法となるよう調整される。

図２は、本実施形態のフォトリフレクタ１をフォトセンサ３内に封入し、バイタルセンサとして使用している状態を模式的に示す図である。同図に示すように、庇２ｂは、発光素子１２から放射され、血管３１に至らずにカバー材２０の内面やカバー材２０と生体組織の表皮３０との界面で反射した光を遮光し、受光素子１３に入射しないようにする。本実施形態のフォトリフレクタ１は、従来のフォトリフレクタ１０よりも発光素子１２と受光素子１３との間を広くとっている。発光素子１２と受光素子１３の間を広くとることで、カバー材２０での反射光や生体組織の表皮３０での反射光が減少し、ＡＣ／ＤＣ比を大きくできる。しかし、発光素子１２と受光素子１３の間を広くし過ぎるとフォトセンサ３の形状が大きくなってしまうので、フォトセンサ３の形状を用途に応じて決めるとよい。

庇２ｂの張り出し量の他に、発光素子１２と受光素子１３との間の距離、透光性樹脂１５の厚さをそれぞれ適宜調整することによって、庇２ｂの端部と発光素子１２の中心を結ぶ光軸の角度を調整でき、生体内部の血管３１で反射し受光素子１３に入射するよう光の指向性を持たせることができる。

図３及び図４は、本実施形態のフォトリフレクタ１を備えたフォトセンサと従来のフォトリフレクタ１０を備えたフォトセンサにおけるＡＣ／ＤＣ比の比較例を示す図である。図３において、横軸は、ＴＥＧ Ｎｏ（テストエレメントグループ番号、所謂サンプル番号）である。縦軸は、ＡＣ／ＤＣ比である。ＴＥＧ Ｎｏ１，９，１４，１９，２０のうち、Ｎｏ１は従来のフォトリフレクタ１０のＡＣ／ＤＣ比を示しており、Ｎｏ１９は本実施形態のフォトリフレクタ１のＡＣ／ＤＣ比を示している。図３では、１２人の被験者それぞれにおいて、ＴＥＧ Ｎｏ１とＴＥＧ Ｎｏ１９を比較した結果、ＡＣ／ＤＣ比の平均値（“△”で示している）が、ＴＥＧ Ｎｏ１の従来のフォトリフレクタ１０では「０．１７３％」となり、ＴＥＧ Ｎｏ１９の本実施形態のフォトリフレクタ１では「０．４４２％」となった。なお、１２人の被験者のＡＣ／ＤＣ比が異なるのは、人によって腕の太さが違ったり、血管の太さが違ったりするからである。

図４は、ＴＥＧ Ｎｏ１の従来のフォトリフレクタ１０を備えたフォトセンサにおけるＡＣ／ＤＣ比「０．１７３％」、ＴＥＧ Ｎｏ１９の本実施形態のフォトリフレクタ１を備えたフォトセンサにおけるＡＣ／ＤＣ比「０．４４２％」、ＴＥＧ Ｎｏ１の従来のフォトリフレクタ１０を備えたフォトセンサにおけるＡＣ／ＤＣ比「０．１７３％」を基準「１」としたときの本実施形態のフォトリフレクタ１を備えたフォトセンサにおける相対値「２．６」をそれぞれ示している。このように、本実施形態のフォトリフレクタ１を備えたフォトセンサは、従来のフォトリフレクタ１０を備えたフォトセンサに対し、ＡＣ／ＤＣ比が２．６倍程度改善されていることが分かる。

このように、本実施形態のフォトリフレクタ１を用いると、受光素子１３と発光素子１２を適正距離離間させ、かつ両者を遮蔽する遮光壁２ａを形成するとともに、遮光壁２ａに連結し、発光素子１２側の透光性樹脂１５の一部を狭窄するＬ字型の庇２ｂを形成した構造を採るので、図６（ａ），（ｂ）に示した従来構造のフォトリフレクタ１０では防ぎきれなかったカバー材２０での反射光や生体組織の表皮３０での反射光によるＤＣノイズを効果的に減らすことができる。これにより、脈拍の検出精度の向上が図れる。なお、庇２ｂを設けたことで、カバー材２０での反射光や生体組織の表皮３０での反射光によるＤＣノイズの低減が図れるが、庇２ｂによる効果はそれだけではなく、生体内の奥に存在する血管３１へ導かれる光量が他の部分で反射される光の量よりも相対的に多くなり、血管３１からの反射光によるＡＣ信号のレベルを大きくできる点もある。

なお、本実施形態のフォトリフレクタ１は、遮光性樹脂２において、庇２ｂを含む遮光壁２ａの断面視した形状をＬ字状としたが、Ｔ字状とすることも可能である。即ち、発光素子１２側に延びる庇２ｂの他に、受光素子１３側に延びる庇も形成するようにしてもよい。図５は、上記フォトリフレクタ１の変形例であるフォトリフレクタ５を示す断面図である。同図は、図１の（ｂ）と同様の横断面図である。同図に示すように、本変形例のフォトリフレクタ５は、遮光性樹脂２において、受光素子１３側に延びる庇２ｃを形成してＴ字状とした構造を採る。このフォトリフレクタ５によれば、設計自由度の向上を図ることができる。

なお、発光素子１２の数は２つに限定されず、３つ以上設けるようにしてもよい。

以上、一実施形態について述べたが、本発明の趣旨に基づき種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では計測箇所を人体の手首としたが、人体の外耳孔であってもよく、また、人体ではなく動物についても適用できる。

本発明は、脈拍の高精度検出を阻害する反射光によるＤＣノイズの発生を抑制できるフォトセンサを提供することができるといった効果を有し、ヘルスケア分野における脈波、心拍数、血中酸素濃度等の生体モニターを行う用途に適用が可能である。

１，５ フォトリフレクタ
１ａ 受発光面
２ 遮光性樹脂
２ａ 遮光壁
２ｂ，２ｃ 庇
３ フォトセンサ
１１ 基板
１１ａ 外部電極
１１ｂ，１１ｄ ダイパッド
１１ｃ，１１ｅ ボンディングパッド
１２ 発光素子
１３ 受光素子
１５ 透光性樹脂
２０ カバー材
３０ 生体組織の表皮
３１ 血管

Claims (2)

1. 基板上に実装された発光素子及び受光素子、これらの素子を各々封止する透光性樹脂、並びに遮光性樹脂を有するフォトリフレクタと、前記フォトリフレクタの受発光面上に配置されている透光性のカバー材とを備えたフォトセンサであって、
   前記発光素子と前記受光素子との間に前記遮光性樹脂で遮光壁を形成するとともに、前記遮光壁に連結し前記発光素子上方の発光面を狭窄する庇を形成し、
   前記庇は、前記発光素子から放射され、前記カバー材の内面及び外面で反射した光を遮光し、前記受光素子に入射しないようにし、
   前記庇の張り出し量は、前記発光素子と前記受光素子との距離、前記透光性樹脂の厚さ、及び前記カバー材の位置との関係で、前記発光素子から放射された光が照射される被照射体で反射する光の量が最大となるよう調整されることを特徴とするフォトセンサ。
2. 請求項１に記載のフォトセンサであって、
   前記庇は、前記発光素子上方の発光面に加えて、前記受光素子上方の受光面も狭窄することを特徴とするフォトセンサ。

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