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【発明の名称】 脈拍センサ
【発明者】 【氏名】藤田 知士

【氏名】佐合 祐稔

【氏名】水落 昌晴
【要約】 【課題】運動中の被測定体の脈拍を確実に測定することができ、しかも、長時間連続して脈拍を測定することができる脈拍センサを提供する。

【解決手段】脈拍センサ１は、発光ダイオード２０から発光された照射光を凸面鏡１６で面状に広げて反射し、その面状に広がった照射光を凹面鏡１２６で光放出面１４０に向かって反射している。そして途中光散乱剤４０により照射光を散乱している。このように照射光を広げ散乱すると、光放出面１４０から面状の均一な光量の照射光を被測定体に照射することができ、そのため、被測定体で反射され、その照射光が照射された照射面から放射される反射光も面状で均一な光量なものとなる。従って、反射光を受光する受光ポイントがずれても、受光する反射光の光量は変わらないので、激しく受光ポイントがずれる運動中の被測定体の脈拍を正確に検出することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 血液にて吸収可能な照射光を発光する発光手段と、該発光手段にて発光された前記照射光を放出するための光放出面を形成すると共に、前記照射光を前記光放出面に導く導光手段と、前記光放出面の中央に配置され、前記光放出面での光放出方向から入射される反射光を受光する受光手段と、を備え、前記光放出面を被測定体に対向させて前記発光手段を発光させることにより、前記被測定体の脈拍に基づく血流量の変化が反映された前記反射光を前記受光手段にて受光し、該受光手段での受光量に応じた電気信号を出力する脈拍センサにおいて、前記導光手段は、前記発光手段からの照射光を面状に拡散反射する凸面鏡と、該凸面鏡にて反射された照射光を、前記光放出面に向かって面状に反射する凹面鏡と、該凹面鏡と前記光放出面との間に配置され、前記凹面鏡にて反射した照射光を散乱する散乱手段とを有することを特徴とする脈拍センサ。
【請求項２】 請求項１記載の脈拍センサにおいて、前記発光手段は、前記照射光として、赤色に分光される可視光を照射し、前記受光手段は、前記赤色に分光される可視光を前記反射光として受光することを特徴とする脈拍センサ。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、被測定体の脈拍を検知するための脈拍センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、赤血球中に含まれるヘモグロビンが光を吸収する性質を利用して、被測定体の脈拍を検出する脈拍検出装置がある。この脈拍検出装置は、被測定体に向かって照射光を照射すると、被測定体の体内で反射された反射光の光量が、被測定体の体内を流れる血液の血流量が多いとき即ち、脈を打っているときは減り、血流量が少ないとき即ち、脈を打っていないときは増えるので、この光量が推移する様子から脈拍を検出しようとする装置である。そのため、この脈拍検出装置は、通常、被測定体に照射する照射光を発光する発光手段及び、この発光手段から発光された照射光のうち、被測定体内で反射された反射光を受光し、その受光量に応じた電気信号に変換する受光手段からなる脈拍センサと、この脈拍センサから入力した電気信号より脈拍を算出する脈拍算出器とを備えている。
【０００３】尚、このような脈拍検出装置に用いられる脈拍センサ２００は、図５に示すように、発光ダイオード等の発光素子２１０と、フォトダイオード等の受光素子２２０と、これらを収納する収納孔が一平面上に２箇所開口する平板状に形成されたセンサ本体２３０とから構成されているものが一般的である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、運動中の被測定体の脈拍は、被測定体の運動能力や体調等を知る上で重要な情報である。しかし、例示した脈拍センサ２００を利用した脈拍検出装置は、被測定体の体表面が筋肉の収縮、伸長、ねじれ等の体動を起こすため、脈拍を検出することができなかった。
【０００５】これは、上述した反射光が、発光素子２１０から遠ざかるに従って小さくなる不均一な光量の光であるため、このような不均一な反射光を受光して脈拍を検出する場合、受光素子２２０が反射光を受光する受光ポイントが少しずれただけで受光量に差が生じ、血流量の差に伴う光量の差（以下「脈拍光量差」という）が反映された電気信号に、受光ポイントのずれに伴う光量の差（以下「ズレ光量差」という）が重畳されることが原因である。
【０００６】つまり、被測定体が運動しているときのように、被測定体が体動し、受光ポイントが繰り返しずれる状況下では、電気信号にズレ光量差が複数重畳されることによって脈拍光量差がうち消され、その電気信号からは脈拍を算出することができなかったからである。
【０００７】ここで、上記脈拍センサ２００を備える脈拍検出装置を用いて、体動が発生している被測定体の脈拍を測定した実験結果について説明する。尚、図６（ａ）は被測定体（ここでは「人」）の手首に脈拍センサを取り付けた様子を示す説明図、図６（ｂ）はこのように脈拍センサを取り付けたときの、人の運動中の電気信号のグラフである。但し、上側のグラフは、脈拍センサ２００から直接出力された電気信号を増幅したものを表し、下側のグラフは、脈拍算出器により脈拍を算出し易いように、ゲインコントロール処理や脈拍値以外の周波数をカットする処理（バンドパスフィルタで０．５Ｈｚ以下、あるいは４Ｈｚ以上の周波数信号をカットする処理）等をした電気信号を表している。またいずれのグラフも電気信号の正負を逆転してある。
【０００８】この実験では、脈拍センサ２００を人の手首の裏面に密着させ、この脈拍センサ２００を、図６（ａ）に示すように、受光素子２２０と発光素子２１０との配列方向（図中矢印Ｙの方向）へ体動があることを想定して、矢印Ｙの方向に沿って振動させた。すると、脈拍センサから出力される電気信号には、図６（ｂ）に示すように、脈拍センサ２００を振動させたリズムにあわせて振動するズレ光量差のみが表れ、脈拍光量差を読み取ることがまったくできなかった。
【０００９】そこで、本発明では、運動中の被測定体の脈拍を確実に測定することができる脈拍センサを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するための請求項１記載の発明は、血液にて吸収可能な照射光を発光する発光手段と、該発光手段にて発光された前記照射光を放出するための光放出面を形成すると共に、前記照射光を前記光放出面に導く導光手段と、前記光放出面の中央に配置され、前記光放出面での光放出方向から入射される反射光を受光する受光手段とを備え、前記光放出面を被測定体に対向させて前記発光手段を発光させることにより、前記被測定体の脈拍に基づく血流量の変化が反映された前記反射光を前記受光手段にて受光し、該受光手段での受光量に応じた電気信号を出力する脈拍センサにおいて、前記導光手段は、前記発光手段からの照射光を面状に拡散反射する凸面鏡と、該凸面鏡にて反射された照射光を、前記光放出面に向かって面状に反射する凹面鏡と、該凹面鏡と前記光放出面との間に配置され、前記凹面鏡にて反射した照射光を散乱する散乱手段とを有することを特徴とする。
【００１１】この請求項１記載の脈拍センサは、導光手段に備えられる凸面鏡、凹面鏡及び散乱手段のうち、まず凸面鏡を用い、発光手段から発光される照射光を凹面鏡に向けて面状に広げて反射し、次に凹面鏡を用いて、その面状に広がった照射光を光放出面に向けて面状に反射し、さらに散乱手段を用いて、凹面鏡で反射され光放出方向に向かう面状に広がった照射光を散乱させ、光放出面から外部に放出している。
【００１２】すると、この請求項１記載の脈拍センサでは、まず、凸面鏡及び凹面鏡を用いて発光手段から発光される照射光を面状に広げて光放出面に導き、更に散乱手段を用いて散乱しているので、発光手段から直接外部に放出すると中心に偏った不均一になる照射光を、光量の均一な面状の光にして外部に放出することができるのである。また、発光手段から発光される照射光を、凸面鏡及び凹面鏡で反射することにより光放出面に導いているので、この照射光を効率良く外部に放出することができるのである。
【００１３】この結果、この請求項１記載の脈拍センサを、光放出面が被測定体に対向するように被測定体に取り付け、発光手段を発光させると、光放出面に対向する照射面には、面状に広がった均一な光量の照射光があてられるので、被測定体の体内で反射された反射光は、面状に広がった均一な光量の光となって照射面から外部に放出されるのである。また、この反射光は、途中散乱手段により幾分減衰するとはいえ、発光手段で発光された照射光が高効率で光放出面に導かれるので、受光手段で受光できる十分な光量でもって照射面から放出されるのである。
【００１４】従って、この請求項１記載の脈拍センサを用いると、照射面のどこからでも、受光手段で受光可能な均一な光量の反射光を受光することができるので、体動により反射光を受光する受光ポイントがずれても、常に均一な光量の反射光を受光し、脈拍だけが反映された電気信号を出力することができる。ゆえに、この請求項１記載の脈拍センサを備えた脈拍検出装置を用いれば、被測定体が体動しても、脈拍だけが反映された電気信号を出力することができるので、運動中の人の脈拍を確実に検出することができる。
【００１５】尚、発光手段としては、発光ダイオードその他の電力消費量が少ない素子が好ましい。これは、発光手段の電源として電池等を用いても、長時間連続して脈拍を測定することができるからである。また、受光手段としては、フォトダイオードその他の受光した光の光量を反映した電気信号に変換できる素子が好ましい。さらに散乱手段としては、シリコン、ポリエチレン等うすい乳白色の物質が好ましい。
【００１６】ところで、手首の動脈の血流を利用して脈拍を測定するため、上述した請求項１記載の脈拍センサを手首に設置して脈拍を測定する場合、請求項２記載の発明のように、前記発光手段が、赤色に分光される可視光を前記照射光として照射し、前記受光手段が、前記赤色に分光される可視光を前記反射光として受光するものを用いた脈拍センサが好ましい。
【００１７】この請求項２記載の脈拍センサのように、照射手段から照射光として、赤色に分光される可視光（以下「赤色光」と呼ぶ）を照射し、受光手段で受光する反射光として、赤色光を受光するようにしたのは、以下の理由による。尚、以下では、その理由を、赤色光と比較して波長の短い青色に分光される可視光（以下「青色光」とよぶ）と、波長の長い赤外線とを、赤色光と比較して述べる。
【００１８】まず、第１に赤外線が、赤色光に比べ被測定体を透過し易い性質を有するからである。つまり、赤外線光を照射光及び反射光として利用すると、照射手段から照射された赤外線が被測定体を突き抜け外部に放出されてしまい、一方、外部から照射された赤外線（以下「外乱」という）が被測定体を突き抜け受光手段で受光されやすいため、受光手段で受光した光の光量が反映される電気信号には、反射光の光量の変化があまり反映されず、他方、外乱による影響が反映され易いので、この電気信号からは脈拍を検出し難かったからである。
【００１９】次に、第２に赤色光が、青色光と比較すると、被測定体の動脈がある深部まで到達して反射する性質を有するからである。つまり、青色光を照射光及び反射光として照射すると、青色光は、動脈に達する前に体表面近くで反射されるので、電気信号には、反射光の光量の変化があまり反映されず、この電気信号からは脈拍を検出し難かったからである。
【００２０】従って、この請求項２記載の脈拍センサのように照射光として赤色光を用いれば、手首にある動脈の血流量が反映された反射光を、外乱の影響なく受光手段で受光することができるのである。尚、赤色光としては、６２０ｎｍ〜７００ｎｍの波長のものが好適であるがこれに限られるものではない。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下本発明の一実施例について説明する。ここで、図１（ａ）は本実施例の脈拍センサの断面図、図１（ｂ）は脈拍センサの表面図、図２は、本実施例の脈拍センサを備える脈拍検出装置を用いて、被測定体の脈拍を検出する様子を説明するための説明図である。
【００２２】赤血球中に含まれるヘモグロビンが光を吸収する性質を利用して、被測定体の脈拍を検出する脈拍検出装置は、図２に示すように、被測定体に光を照射し、被測定体からの反射光を受光し、反射光の光量に応じた電気信号に変換する脈拍センサ１と、脈拍センサ１から入力した電気信号に基づいて被測定体の脈拍を算出する脈拍算出器６０とからなる。この脈拍検出装置は、被測定体に光を照射すると、その反射光が被測定体の体内を流れる血液の血流量に応じて吸収され、光量が増減するので、脈拍センサ１で被測定体に対し光りを照射してその反射光を受光し、そして、脈拍算出器６０で、その光量に応じて反射光を変換した電気信号から被測定体の脈拍を算出しているのである。
【００２３】そして、本実施例の脈拍センサ１を備える脈拍検出装置は、特に運動中の被測定体の脈拍を測定するため、脈拍センサ１を被測定体（ここでは「手首」）にベルト５０等で取り付けられ、脈拍算出器６０を腰のあたりにベルト等で固定され（図示略）て用いられる。また、この脈拍検出装置は、運動中の被測定体の脈拍を検出するため、電源として脈拍算出器６０に電池を内蔵している。
【００２４】尚、脈拍算出器６０で電気信号から脈拍を算出する処理は、本実施例の要旨ではないので詳細な説明は省略する。以下、本実施例の脈拍センサ１について詳細に説明する。本実施例の脈拍センサ１は、図１に示すように、中空状に形成された厚みのある略円盤状に形成された脈拍センサ本体１０と、該脈拍センサ１０内に取り付けられ、被測定体に対し照射する照射光を発光する発光ダイオード２０と、被測定体から反射された反射光を受光するフォトダイオード３０とからなる。
【００２５】このうち脈拍センサ本体１０は、断面略半円状に形成された底部１２４を備え、円筒状に形成された有底円筒部１２と、この有底円筒部１２の開口部１２２に、この開口部１２２の開口面に沿って取り付けられる平面状に形成された塩化ビニル製の柔軟性のある薄膜の樹脂板１４と、この樹脂板１４の中央に、有底円筒部１２の底部１２４に向かって立設される半球状の凸面鏡１６とからなり、有底円筒部１２の底部１２４の内側には、反射材が貼り付けられ、凸面鏡１６で反射された光を開口面に向かって反射するように凹面鏡状に形成されている。尚、以下、底部１２４の内側であって、反射材が貼り付けられた部分を「凹面鏡１２６」とよぶ。尚、樹脂板１４として柔軟性のある材料を用いたのは、脈拍センサ１を被測定体に取り付けたとき、樹脂板１４を肌に密着させ、外光の侵入を防止するためである。
【００２６】また、うすい白濁色のシリコンからなる光散乱剤４０が、円筒部１２及び樹脂板１４により形成される密閉空間に埋め込まれている。次に、発光ダイオード２０は、赤色に分光される可視光（以下必要に応じ「赤色光」という）を照射光として照射する６６０ｎｍをピーク波長とする発光素子であり、凸面鏡１６の頂部と対向する凹面鏡１２６の鏡面上に取り付けられる。
【００２７】また、フォトダイオード３０は、被測定体で反射された赤色光を反射光として受光するため、その反射光をその光量に応じた電気信号に変換する７５０ｎｍを受光ピーク波長とし可視光側に感度を有する受光素子であり、その受光面が開口部１２２の開口面に沿うように、凸面鏡１６の下部であって、樹脂板１４の中心部に取り付けられる。
【００２８】さらに、有底円筒部１２の底部１２４内には、発光ダイオード２０に電力を供給するための電源線ａが配線され、また樹脂板１４の内側表面には、電気信号を外部に出力するための電源線ｂが配線され、いずれの電源線ａ、ｂも脈拍算出器６０に接続されている。このうち発光ダイオード２０は、脈拍算出器６０が動作すると電源線ａを通じて電力が供給され発光する。
【００２９】尚、以下、フォトダイオード３０の反射光を受光する受光面を除く開口部１２２の開口面であって、照射光を外部に放出する面を光放出面１４０とよぶ。以上のように構成された脈拍センサ１は、発光ダイオード２０から発光される照射光を、途中光散乱剤４０中を通過させて散乱させながら、まず凸面鏡１６により、凹面鏡１２６に向けて面状に広がるように反射し、次に凹面鏡１２６により、その面状に広がった照射光を光放出面１４０に向けて垂直に面状に反射し、光放出面１４０から外部に放出している。
【００３０】すると、この脈拍センサ１では、まず、凸面鏡１６及び凹面鏡１２６を用いて発光ダイオード２０から発光される照射光を面状に広げて光放出面１４０に導き、更に光散乱剤４０を用いて散乱しているので、発光ダイオード２０から直接外部に放出すると中心に偏った不均一になる照射光を、光量の均一な面状の光にして外部に放出することができる。また、発光ダイオード２０から発光される照射光を、凸面鏡１６及び凹面鏡１２６で反射することにより光放出面１４０に導いているので、フォトダイオード３０に遮られることなく照射光を効率的に外部に放出することができるのである。
【００３１】この結果、この脈拍センサ１を、光放出面１４０が被測定体に対向するように被測定体に取り付け、発光ダイオード２０を発光させると、光放出面１４０に対向する照射面には、面状に広がった均一な光量の照射光があてられるので、被測定体の体内で反射された反射光は、面状に広がった均一な光量の光となって照射面から外部に放出されるのである。また、この反射光は、途中光散乱剤４０により幾分減衰するとはいえ、発光ダイオード２０で発光された照射光が高効率で光放出面１４０に導かれるので、フォトダイオード３０で受光できる十分な光量でもって照射面から放出されるのである。
【００３２】従って、この脈拍センサ１を用いると、照射面のどこからでも、フォトダイオード３０で受光可能な均一な光量の反射光を受光することができるので、体動により反射光を受光する受光ポイントがずれても、常に均一な光量の反射光を受光して、脈拍だけが反映された電気信号を出力することができる。
【００３３】ここで、本実施例の脈拍センサ１を被測定体に取り付け、前述した脈拍センサ２００と同様に、図５のようにＹ方向に振動させ、電気信号を測定したので、その測定結果について簡単に説明する。尚、図３はその測定結果を表すグラフである。但し、上側のグラフは、脈拍センサ１から直接出力された電気信号を増幅したものを表し、下側のグラフは、脈拍算出器６０により脈拍を算出し易いように、ゲインコントロール処理や脈拍値以外の周波数をカットする処理（バンドパスフィルタで０．５Ｈｚ以下、あるいは４Ｈｚ以上の周波数信号をカットする処理）等をした電気信号を表している。またいずれのグラフも電気信号の正負を逆転してある。
【００３４】本測定では、脈拍センサ１を取り付けて振動させない状態（安静時）と、振動させた状態（体動時）について測定した。図３には、電気信号がどのような状態のとき測定されたものか、安静時及び体動時を示してある。本実施例の脈拍センサ１を用いると、図３からわかるように、安静時はもちろん、体動時でも脈拍を表す山がはっきり表れ（図中矢印の部分）るので、被測定体の脈拍を確実に検出できることがわかる。
【００３５】以上述べたように、本実施例の脈拍センサ１を備えた脈拍検出装置を用いれば、被測定体が体動しても、脈拍だけが反映された電気信号を出力することができるので、運動中の人の脈拍を確実に検出することができる。また、本実施例では、照射光として赤色光を用いているので、赤外線のように外乱の影響が受けたり、しかも、青色に分光される可視光（以下「青色光」とよぶ）のように動脈に達する前に体表面近くで反射されることがないので、手首のように、被測定体の深い部分にある動脈の血流量の変化が反映された反射光を受光し、脈拍を確実に測定することができる。
【００３６】ところで、本実施例では、脈拍センサ１を手首の動脈を使って脈拍を図るため、赤色光を照射する発光ダイオード２０及び赤色光を受光するフォトダイオード３０を用いたが、脈拍を測定する場所にあわせて、青色光（指等に取り付けて脈拍を測定するときに最適）や赤外線（屋内の外乱光の少ない場所で、被測定体を安静にした状態で、手首、指、耳たぶに取り付けて脈拍を測定するときに最適）を照射あるいは受光する発光ダイオードあるいはフォトダイオードが取り付けられた脈拍センサ１により、脈拍を測定することができるので、本件発明の発光手段及び受光手段は、上記実施例に限定されるものではない。
【００３７】尚、本実施例では、光散乱剤４０を、有底円筒体１０と樹脂板１４で囲まれた密閉空間に充填したが、例えば、図４に示すように、樹脂板１４に近接する空間にのみ光散乱剤４０を充填し、凹面鏡１２６で反射された照射光を散乱するだけでもよい。
【００３８】また、フォトダイオード３０の受光面に集光レンズを備えてもよい。さらに、脈拍センサ１を取り付けるには、上記ベルト５０以外にテープを用いてもよく、本実施例に限定されるものではない。以上の実施例において、発光ダイオード２０は、本件発明の発光手段に、フォトダイオード３０は受光手段に、有底円筒体１０、凸面鏡１６及び凹面鏡１２６は導光手段に、光散乱剤４０は散乱手段に該当する。
【出願人】 【識別番号】３９１０２８６７２
【氏名又は名称】興和紡績株式会社
【識別番号】０００１６３００６
【氏名又は名称】興和株式会社
【出願日】 平成１０年１０月１６日（１９９８．１０．１６）
【代理人】 【識別番号】１０００８２５００
【弁理士】
【氏名又は名称】足立 勉
【公開番号】 特開２０００−１１６６１１（Ｐ２０００−１１６６１１Ａ）
【公開日】 平成１２年４月２５日（２０００．４．２５）
【出願番号】 特願平１０−２９５６６４