特許 6524858 脈波測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6524858

(24)【登録日】2019年5月17日

(45)【発行日】2019年6月5日

(54)【発明の名称】脈波測定装置

(51)【国際特許分類】

   A61B 5/02 20060101AFI20190527BHJP

   A61B 5/022 20060101ALI20190527BHJP

【ＦＩ】

   A61B5/02 310K

   A61B5/02 310P

   A61B5/022 400E

【請求項の数】4

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2015-164696(P2015-164696)

(22)【出願日】2015年8月24日

(65)【公開番号】特開2017-42206(P2017-42206A)

(43)【公開日】2017年3月2日

【審査請求日】2018年7月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】503246015

【氏名又は名称】オムロンヘルスケア株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002505

【氏名又は名称】特許業務法人航栄特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100115107

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 猛

(74)【代理人】

【識別番号】100151194

【弁理士】

【氏名又は名称】尾澤 俊之

(72)【発明者】

【氏名】加藤 雄樹

(72)【発明者】

【氏名】鴫原 教子

(72)【発明者】

【氏名】若宮 祐之

(72)【発明者】

【氏名】小椋 敏彦

【審査官】 遠藤 直恵

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−１４４６２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５７−１０３６２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１６８０３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１８８１８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平４−６７８３９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ａ６１Ｂ ５／０２

Ａ６１Ｂ ５／０２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

感圧素子、及び、前記感圧素子と電気的に接続された第一の端子部が形成された半導体基板と、前記第一の端子部と電気的に接続された第二の端子部を含み、前記半導体基板が固定される硬質基板と、を有する圧脈波センサと、
前記第二の端子部と電気的に接続された配線を有し、前記圧脈波センサの前記硬質基板が固定されたフレキシブル基板と、
絶縁材料から構成され、前記圧脈波センサの前記半導体基板を覆って保護する保護層と、を備え、
前記フレキシブル基板は、前記配線に接続されるコネクタと、前記半導体基板の電位と同電位に保持され、前記コネクタと異なる位置において外部に露出する端子と、を含み、
前記外部に露出する端子は、前記保護層と接触しており、
前記半導体基板の、前記感圧素子が形成される感圧面が前記保護層を介して生体の体表面に押圧されて使用される脈波測定装置。

【請求項2】

請求項１記載の脈波測定装置であって、
前記圧脈波センサの前記半導体基板には、一方向に配列された複数の前記感圧素子により構成される感圧素子列と、前記感圧素子列と電気的に接続された前記第一の端子部とが形成され、前記圧脈波センサは、前記一方向が生体の動脈の走行方向に交差する状態で、前記感圧素子列の形成される前記感圧面が、前記保護層を介して前記生体の体表面に押圧されて使用されるものであり、
前記フレキシブル基板には、前記一方向と直交する方向に２つの前記圧脈波センサが並べて固定され、かつ、前記外部に露出する端子を２つ有し、
前記外部に露出する２つの端子は、前記一方向において、前記２つの圧脈波センサの間の領域を挟んで対向する位置に配置されている脈波測定装置。

【請求項3】

請求項１又は２記載の脈波測定装置であって、
前記保護層は、前記圧脈波センサの前記半導体基板、前記硬質基板、及び、前記フレキシブル基板における前記外部に露出する端子を覆う脈波測定装置。

【請求項4】

請求項１〜３のいずれか１項記載の脈波測定装置であって、
前記外部に露出する端子は、前記コネクタに接続される前記配線の一部が露出した部分である脈波測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、脈波測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、被測定物に押圧することによりその被測定物との間の接触圧を測定する押圧式の圧力測定装置が知られている。この押圧式の圧力測定装置を応用した装置として、脈波測定装置がある。

【0003】

脈波測定装置は、生体内の皮膚より比較的浅いところに位置する動脈に発生する圧脈波を測定するために、感圧素子を有する基板を体表に押圧して圧脈波を測定する装置である。このような脈波測定装置を用いて被験者の圧脈波を測定することは、被験者の健康状態を知るために非常に重要である。

【0004】

この押圧式の脈波測定装置においては、感圧素子として歪ゲージとダイヤフラムを利用したセンサチップが用いられるのが一般的である。この種の押圧式の脈波測定装置に関する文献として、例えば特許文献１がある。

【0005】

特許文献１には、平板状の半導体基板にダイヤフラムが形成されたセンサチップを搭載する脈波検出装置が記載されている。このセンサチップは、感圧素子表面がシリコーンゴムによって保護され、更に、シリコーンゴム表面のうち生体と接触する箇所が導電性ゴムによって覆われた構成である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平０４−６７８３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１に記載のセンサチップは、生体と接触する表面に導電性ゴムが存在するため、繰り返し使用での皮膚との摩擦による静電気の発生を抑制することができる。このセンサチップは、感圧素子の上方にシリコーンゴムと導電性ゴムとが重なる構成である。このため、感圧面に直交する方向の厚みが大きくなる。このように厚みが大きくなると、圧脈波の検出精度に影響を与える可能性がある。

【0008】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、押圧方向での厚みを薄くしながら、繰り返しの使用での皮膚との摩擦による静電気の影響を排除して、圧脈波の検出精度を向上させることのできる脈波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】

【0009】

本発明の脈波測定装置は、感圧素子、及び、前記感圧素子と電気的に接続された第一の端子部が形成された半導体基板と、前記第一の端子部と電気的に接続された第二の端子部を含み、前記半導体基板が固定される硬質基板と、を有する圧脈波センサと、前記第二の端子部と電気的に接続された配線を有し、前記圧脈波センサの前記硬質基板が固定されたフレキシブル基板と、絶縁材料から構成され、前記圧脈波センサの前記半導体基板を覆って保護する保護層と、を備え、前記フレキシブル基板は、前記配線に接続されるコネクタと、前記半導体基板の電位と同電位に保持され、前記コネクタと異なる位置において外部に露出する端子と、を含み、前記外部に露出する端子は、前記保護層と接触しており、前記半導体基板の、前記感圧素子が形成される感圧面が前記保護層を介して生体の体表面に押圧されて使用されるものである。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、押圧方向での厚みを薄くしながら、繰り返しの使用での皮膚との摩擦による静電気の影響を排除して、圧脈波の検出精度を向上させることのできる脈波測定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施形態を説明するための血圧測定装置１００の構成を示す図である。

【図2】図１の圧脈波センサ１が実装されるフレキシブル基板１６の平面模式図である。

【図3】図２のＡ−Ａ線の断面模式図である。

【図4】図１の圧脈波センサ１を皮膚と接触する側から見た要部構成を示す斜視図である。

【図5】図１の圧脈波センサ１の半導体基板１０Ａと表面コーティング層１５の界面付近の構成を示す断面模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

【0013】

図１は、本発明の一実施形態を説明するための生体情報測定装置としての血圧測定装置１００の構成を示すブロック図である。血圧測定装置１００は、例えば手首に装着して用いる手首装着型のものである。血圧測定装置１００は、生体から脈波を測定する脈波測定装置として機能する。

【0014】

血圧測定装置１００は、圧脈波センサ１と、圧脈波センサ１を被験者の体表面に押圧するための押圧機構２と、圧脈波センサ１から出力される信号に基づいて押圧機構を制御したり、この信号に基づいて被験者の血圧を含む生体情報を算出したりする制御部３と、を備える。

【0015】

図２は、図１に示す圧脈波センサ１が実装されるフレキシブル基板１６の平面図である。

【0016】

フレキシブル基板１６は、一方向である方向Ｘに直交する方向Ｙが長手方向となる矩形状となっており、その表面には、２つの圧脈波センサ１と、コネクタ１６Ｃとが実装されている。２つの圧脈波センサ１は、方向Ｙに並べて配置されている。

【0017】

フレキシブル基板１６は、樹脂フィルム内に、２つの圧脈波センサ１の各々の接続端子と接続された配線が設けられている。各配線は、コネクタ１６Ｃまで引き回されている。コネクタ１６Ｃと、図１の制御部３等が形成された図示しない回路基板のコネクタとが接続される。

【0018】

また、フレキシブル基板１６は、２つの圧脈波センサ１の各々が実装される領域の略中央に貫通孔１６Ａ，１６Ｂを有している。

【0019】

フレキシブル基板１６は、配線を覆う樹脂フィルムの一部が除去されており、この除去された部分からは、コネクタ１６Ｃに接続される回路基板を介して接地される配線の一部である端子Ｇ１，Ｇ２が露出している。

【0020】

端子Ｇ１と端子Ｇ２は、方向Ｘにおいて、２つの圧脈波センサ１の間の領域を挟んで対向する位置に配置されている。

【0021】

図３は、図２に示すＡ−Ａ線の断面模式図である。図４は、圧脈波センサ１を皮膚と接触する側から見た要部構成を示す斜視図である。図４では、一部の構成要素の図示を省略している。図３において、フレキシブル基板１６以外の構成要素は、圧脈波センサ１を構成する。

【0022】

図４に示すように、圧脈波センサ１は、センサチップ１０と、センサチップ１０が固定される平板状の硬質基板１１と、を備える。

【0023】

センサチップ１０は、シリコン単結晶や、ガリウム−砒素などの化合物半導体の単結晶等の半導体基板１０Ａを備える。半導体基板１０Ａは、方向Ｘが長手方向となる矩形状となっている。

【0024】

硬質基板１１は、セラミック基板やガラス基板等の半導体基板１０Ａよりも十分に剛性の高い材料により構成されている。硬質基板１１は、方向Ｘが長手方向となる矩形状となっている。

【0025】

図４に示すように、半導体基板１０Ａの表面（生体の皮膚と接触する側の面）には、４つのピエゾ抵抗部（歪ゲージ、ストレインゲージ）を有するブリッジから成り、接触圧を検知するための感圧素子Ｓが複数個、方向Ｘに沿って配列されている。方向Ｘに並ぶこの複数の感圧素子Ｓにより、感圧素子列１０Ｄが構成される。なお、図３では感圧素子Ｓの図示は省略している。

【0026】

図３に示すように、半導体基板１０Ａにおいて、感圧素子列１０Ｄが形成される面（以下、感圧面という）の反対面には、感圧面に垂直な方向（以下、センサ押し当て方向という）に凹む凹部１０ａが形成されている。

【0027】

半導体基板１０Ａは、この凹部１０ａによって、センサ押し当て方向における厚みが他の部分よりも薄い薄肉部（ダイヤフラム）を有する構成となっている。そして、この凹部１０ａの底面の反対側にある感圧面の領域に感圧素子列１０Ｄが形成されている。

【0028】

半導体基板１０Ａの感圧面の反対面のうち凹部１０ａを除く部分（言い換えると凹部１０ａが形成された面）は、接着材１２によって硬質基板１１の表面に固定されている。接着材１２は、例えば紫外線硬化樹脂の樹脂系材料が用いられる。

【0029】

半導体基板１０Ａの凹部１０ａが、硬質基板１１に形成された貫通孔１１Ｄのみによって大気と連通するように、半導体基板１０Ａは硬質基板１１の表面に固定されている。

【0030】

血圧測定装置１００の２つの圧脈波センサ１のうちの一方の圧脈波センサ１は、感圧面側からみた平面視において貫通孔１１Ｄと貫通孔１６Ａとが重なるように、フレキシブル基板１６に実装される。また、血圧測定装置１００の２つの圧脈波センサ１のうちの他方の圧脈波センサ１は、同平面視において貫通孔１１Ｄと貫通孔１６Ｂとが重なるように、フレキシブル基板１６に実装される。

【0031】

この構成により、圧脈波センサ１において、半導体基板１０Ａと接着材１２と硬質基板１１とで区画される空間が、硬質基板１１の貫通孔１１Ｄとフレキシブル基板１６の貫通孔１６Ａ（又は貫通孔１６Ｂ）とによって大気圧（基準圧）に保たれる。

【0032】

半導体基板１０Ａの感圧面の方向Ｘにおける両端部には、感圧素子列１０Ｄと電気的に接続された第一の端子部１０Ｂ及び第一の端子部１０Ｃが配置されている。第一の端子部１０Ｂと第一の端子部１０Ｃは、それぞれ、方向Ｘに直交する方向Ｙに並ぶ複数の接続端子により構成される。

【0033】

硬質基板１１の半導体基板１０Ａが接着固定された表面には、第一の端子部１０Ｂと電気的に接続するための第二の端子部１１Ｂと、第一の端子部１０Ｃと電気的に接続するための第二の端子部１１Ｃとが設けられている。

【0034】

半導体基板１０Ａの感圧面に垂直な方向から見た平面視において、第二の端子部１１Ｂ、第一の端子部１０Ｂ、第一の端子部１０Ｃ、及び第二の端子部１１Ｃはこの順で方向Ｘに並んで配置されている。

【0035】

第二の端子部１１Ｂと第二の端子部１１Ｃは、それぞれ、方向Ｘに直交する方向Ｙに並ぶ複数の接続端子により構成される。第二の端子部１１Ｂの各接続端子は、第一の端子部１０Ｂのいずれかの接続端子に対応している。第二の端子部１１Ｃの各接続端子は、第一の端子部１０Ｃのいずれかの接続端子に対応している。

【0036】

図３に示すように、第一の端子部１０Ｂの各接続端子と、これに対応する第二の端子部１１Ｂの接続端子とは、第一の導電部材であるワイヤＷ１によって電気的に接続されている。また、第一の端子部１０Ｃの各接続端子と、これに対応する第二の端子部１１Ｃの接続端子とは、第二の導電部材であるワイヤＷ２によって電気的に接続されている。

【0037】

また、硬質基板１１には、第二の端子部１１Ｂの各接続端子に配線１６ａを介して接続された接続端子からなる第三の端子部１６ｂと、第二の端子部１１Ｃの各接続端子に配線１６ｃを介して接続された接続端子からなる第三の端子部１６ｄとが、半導体基板１０Ａの固定される面の反対面に露出して設けられている。そして、第三の端子部１６ｂ，１６ｄが、フレキシブル基板１６の樹脂フィルムから露出する配線端子と接続されている。

【0038】

フレキシブル基板１６の配線端子は、コネクタ１６Ｃを介して接続される回路基板の接地端子と接続される端子を含む。つまり、フレキシブル基板１６には、接地電位に保持される配線が含まれており、この配線の一部の露出した部分が、図２の端子Ｇ１，Ｇ２となっている。

【0039】

ワイヤＷ１とワイヤＷ２は、それぞれ個別に、保護部材１３によって周囲を覆われて保護されている。保護部材１３としては、例えばエポキシ系やシリコーン系等の樹脂が用いられる。

【0040】

半導体基板１０ＡとワイヤＷ１の保護部材１３とワイヤＷ２の保護部材１３と硬質基板１１とは、圧脈波センサ１の表面を保護するための保護層である表面コーティング層１５によって覆われている。表面コーティング層１５は、例えばシリコーン系樹脂等の絶縁材料により構成される。

【0041】

表面コーティング層１５は、フレキシブル基板１６から露出する端子Ｇ１と端子Ｇ２の各々の少なくとも一部と接触するように、フレキシブル基板１６における圧脈波センサ１の実装面上にも形成されている。なお、表面コーティング層１５は、端子Ｇ１と端子Ｇ２の各々を完全に覆って形成されていることが好ましい。

【0042】

以上のように構成された圧脈波センサ１は、感圧素子列１０Ｄが動脈の真上に位置しかつ方向Ｘが動脈の走行方向に交差（好ましくは直交）する状態で、感圧素子列１０Ｄの形成される半導体基板１０Ａの感圧面が表面コーティング層１５を介して、生体の体表面に押圧されて使用される。これにより、各感圧素子Ｓからは、半導体基板１０Ａの薄肉部に加えられた歪みに対応した電気信号、すなわち感圧素子Ｓに作用する圧力変動を表す信号が出力される。

【0043】

血圧測定装置１００では、制御部３が、押圧機構２による圧脈波センサ１の体表面への押圧状態を調整しながら、圧脈波センサ１から出力される信号に基づいて、最適感圧素子および最適押圧力を決定した後、その最適押圧力において最適感圧素子から出力された信号に基づいて圧脈波を測定し、この圧脈波に基づいて血圧値や脈拍数等の生体情報を算出する。

【0044】

このようにして、血圧測定装置１００が継続的に使用されると、表面コーティング層１５と体表面との摩擦によって、表面コーティング層１５内に負電荷が生じ、この負電荷が表面コーティング層１５と感圧面との界面に保持される。

【0045】

図５は、センサチップ１０と表面コーティング層１５との界面付近の拡大断面模式図である。

【0046】

図５の例では、センサチップ１０の半導体基板１０ＡはＮ型としており、半導体基板１０Ａに形成されたＰ型半導体層によりピエゾ抵抗部が構成されている。

【0047】

表面コーティング層１５と体表面との摩擦によって、表面コーティング層１５内に負電荷５１が生じ、負電荷５１が表面コーティング層１５と感圧面との界面に保持される。この界面に負電荷５１が保持されると、半導体基板１０Ａにおけるピエゾ抵抗部（Ｐ＋領域）同士の間の領域に生じた正電荷５０によって反転チャネルが形成される。この反転チャネルによってピエゾ抵抗部のオフセット電圧が徐々に上昇することになる。

【0048】

図１の血圧測定装置１００では、表面コーティング層１５が、フレキシブル基板１６から露出し、接地電位に保持される端子Ｇ１，Ｇ２に接触している。このため、表面コーティング層１５に発生する負電荷は端子Ｇ１，Ｇ２を介して放電される。

【0049】

したがって、摩擦によって負電荷が発生しても、界面での負電荷の保持は抑制され、オフセット電圧を一定に維持することができる。この結果、圧脈波の検出精度を向上させることができる。

【0050】

また、血圧測定装置１００によれば、摩擦による静電気の発生を抑制する必要がなくなることから、感圧面の上には表面コーティング層１５のみを設けておく構成を採用することができる。このため、感圧面と生体の皮膚との距離を最小化することができ、圧脈波の検出精度を向上させることができる。

【0051】

なお、硬質基板１１において、第二の端子部１１Ｂと第二の端子部１１Ｃとは別に端子Ｇ１，Ｇ２を形成し、硬質基板１１上において表面コーティング層１５と端子Ｇ１，Ｇ２とを接触させる構成も考えられる。

【0052】

しかし、圧脈波センサ１の小型化を進めると、硬質基板１１には端子Ｇ１，Ｇ２を形成するスペースが十分に確保できなくなる。また、硬質基板１１に端子Ｇ１，Ｇ２を形成すると、この端子Ｇ１，Ｇ２を接地電位に保持するための配線及び端子を硬質基板１１に追加したり、この端子と接続する端子をフレキシブル基板１６に追加したりする必要があり、製造コストが上昇したり設計レイアウトが複雑になったりする。特に、圧脈波センサ１を２つ有する構成では、２つの圧脈波センサ１の各々の硬質基板１１に端子を追加形成する必要があり、コスト高が顕著となる。

【0053】

これに対し、本実施形態の血圧測定装置１００は、フレキシブル基板１６に一般的に含まれるグランド配線を露出させて端子Ｇ１，Ｇ２とし、この端子Ｇ１，Ｇ２を表面コーティング層１５によって覆うだけの単純な構成である。このため、製造コストが上昇したり設計レイアウトが複雑になったりすることはない。また、圧脈波センサ１の小型化も容易となる。

【0054】

また、血圧測定装置１００では、２つの圧脈波センサ１の間の領域を挟んで方向Ｘに端子Ｇ１，Ｇ２が並んでいる。このため、２つの圧脈波センサ１の各々の感圧面からほぼ等距離で表面コーティング層１５を接地することができ、２つの圧脈波センサ１のオフセット電圧をほぼ同様に制御することができる。

【0055】

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【0056】

例えば、ここまでは、手首の橈骨動脈の圧脈波を検出する手首装着型の血圧測定装置について説明されているが、頚動脈や足背動脈に対して適用されるものであってもよい。

【0057】

また、血圧測定装置１００は、圧脈波センサ１を２つ有するものとしているが、圧脈波センサ１は少なくとも１つあれば、圧脈波を検出して生体情報を測定することが可能である。

【0058】

また、血圧測定装置１００では、半導体基板１０Ａを接地電位に保持し、端子Ｇ１，Ｇ２を接地電位に保持する構成としたが、半導体基板１０Ａと表面コーティング層１５とが同電位にできれば、半導体基板１０Ａと表面コーティング層１５の界面に負電荷が保持されるのを防ぐことができる。このため、半導体基板１０Ａの保持電位は接地電位でなくてもよい。半導体基板１０Ａを接地以外の所定電位に保持する構成では、端子Ｇ１，Ｇ２がこの所定電位に保持される構成とすればよい。

【0059】

以上説明してきたように、本明細書には以下の事項が開示されている。

【0060】

開示された脈波測定装置は、感圧素子、及び、前記感圧素子と電気的に接続された第一の端子部が形成された半導体基板と、前記第一の端子部と電気的に接続された第二の端子部を含み、前記半導体基板が固定される硬質基板と、を有し、前記感圧素子の形成される感圧面が生体の体表面に押圧されて使用される圧脈波センサと、前記第二の端子部と電気的に接続された配線を有し、前記硬質基板が固定されたフレキシブル基板と、絶縁材料から構成され、前記圧脈波センサの前記半導体基板を覆って保護する保護層と、を備え、前記フレキシブル基板は、前記半導体基板の電位と同電位に保持された外部に露出する端子を含み、前記端子は、前記保護層と接触しているものである。

【0061】

開示された脈波測定装置は、前記圧脈波センサの前記半導体基板には、一方向に配列された複数の感圧素子により構成される感圧素子列と、前記感圧素子列と電気的に接続された前記第一の端子部とが形成され、前記圧脈波センサは、前記一方向が生体の動脈の走行方向に交差する状態で、前記感圧素子列の形成される感圧面が前記生体の体表面に押圧されて使用されるものであり、前記フレキシブル基板には、前記一方向と直交する方向に２つの前記圧脈波センサが並べて固定され、かつ、前記端子を２つ有し、前記２つの端子は、前記一方向において、前記２つの圧脈波センサの間の領域を挟んで対向する位置に配置されているものである。

【符号の説明】

【0062】

１００ 血圧測定装置
１ 圧脈波センサ
１０ センサチップ
１０Ａ 半導体基板
Ｓ 感圧素子
１０Ｄ 感圧素子列
１０Ｂ，１０Ｃ 第一の端子部
１１ 硬質基板
１１Ｂ，１１Ｃ 第二の端子部
１６ フレキシブル基板
Ｇ１，Ｇ２ 接地される端子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】