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JP7780628B2 - 検出装置 - Google Patents
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JP7780628B2 - 検出装置 - Google Patents

検出装置

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Description

本開示は、検出装置に関する。
人体から生体に関する情報を検出する装置が知られている。特許文献1には、被験者の行動を制約せずに脈波の測定を行うことが可能な脈波センサが開示されている。
特開2012-065900号公報
環状の筐体の内部に、複数のフォトダイオードを有する光センサと、光源と、電池とがそれぞれ別々に固定され収納すると、筐体が大きくなる。
本開示の目的は、複数のフォトダイオードを有する光センサ、光源及び電池を、環状の筐体の内部に容易に収容可能であって、小型の検出装置を提供することにある。
本開示の一態様の検出装置は、環状の筐体と、前記環状の筐体の形状に沿って設けられる第1可撓性基板と、前記第1可撓性基板に設けられた電池と、前記第1可撓性基板に設けられた光源と、第2可撓性基板と、前記第2可撓性基板の検出領域に設けられた複数のフォトダイオードと、シート状の光センサと、を含み、前記光センサは、前記第1可撓性基板の一方の端部に、前記第2可撓性基板の一方の端部を重ねて、前記第2可撓性基板と前記第1可撓性基板とが電気的に接続される。
図1は、実施形態1の検出装置の内側に指を収めた状態を筐体の側方から見た場合の外観例を示す模式図である。 図2は、図1に示すII-II’断面における断面図である。 図3は、図2に示すIII-III’断面における断面図である。 図4は、図2に示すIV-IV’断面における断面図である。 図5は、筐体に収容する前の、実施形態1に係る光センサモジュールの断面図である。 図6は、図5の光センサモジュールの上面図である。 図7は、図5の光センサモジュールの下面図である。 図8は、実施形態1の光センサを示す構成図である。 図9は、実施形態1の光センサの構成例を示すブロック図である。 図10は、実施形態1の光センサの回路図である。 図11は、センサ検出領域を示す回路図である。 図12は、実施形態1の光センサの模式的な部分断面図である。 図13は、実施形態1の第1可撓性基板へ光センサを取り付ける手順を説明する説明図である。 図14は、筐体に収容する前の、実施形態2に係る光センサモジュールの断面図である。 図15は、実施形態2の光センサの模式的な断面図である。 図16は、筐体に収容する前の、実施形態3に係る光センサモジュールの断面図である。 図17は、図16の光センサモジュールの上面図である。 図18は、図16の光センサモジュールの下面図である。 図19は、実施形態4の検出装置の内側に腕を収めた状態を筐体の側方から見た場合の外観例を示す模式図である。
発明を実施するための形態(実施形態)につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本開示が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本開示の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本開示の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。
本開示において、ある構造体の上に他の構造体を配置する態様を表現するにあたり、単に「上に」と表記する場合、特に断りの無い限りは、ある構造体に接するように、直上に他の構造体を配置する場合と、ある構造体の上方に、さらに別の構造体を介して他の構造体を配置する場合との両方を含むものとする。
(実施形態1)
図1は、実施形態1の検出装置の内側に指を収めた状態を筐体の側方から見た場合の外観例を示す模式図である。図2は、図1に示すII-II’断面における断面図である。図3は、図2に示すIII-III’断面における断面図である。図4は、図2に示すIV-IV’断面における断面図である。
図1及び図2に示す検出装置100は、人体に着脱自在な指輪型のデバイスであり、人体の被検出体Fgに装着される。実施形態1の被検出体Fgは、指であり、拇指、示指、中指、薬指、小指等のいずれでもよい。検出装置100は、装着された被検出体Fgから生体に関する生体情報を検出できる。
図2に示すように、検出装置100は、筐体200と、少なくとも第1可撓性基板70に設けられた光源60及び光センサ1を少なくとも備える。筐体200は、光源60及び光センサ1を内部に収容する。図2では、筐体200、第1可撓性基板70、光源60、光照射部60R及び光センサ1以外の部品は、省略している。
筐体200は、被検出体Fgに装着可能なリング状(環状)に形成されており、生体に装着される装着部材である。筐体200は、例えば、合成樹脂等の筐体材料によって形成されている。筐体200の外側面は、遮光性の樹脂である。これにより、外部の光によるノイズを抑制する。筐体200の内側面は、透光性の樹脂である。これにより、光源60が照射した光を、被検出体Fgへ照射し、被検出体Fgからの光を光センサ1に受光させることができる。
実施形態1では、光源60と筐体200の中心とを結ぶ仮想線と、光センサ1と筐体200の中心とを結ぶ仮想線とがなす角度が90度となるように、光源60と光センサ1とが離れた位置に配置される場合について説明するが、これに限定されない。光源60と筐体200の中心とを結ぶ仮想線と、光センサ1と筐体200の中心とを結ぶ仮想線とがなす角度は、鋭角となるように配置してもよく、鈍角となるように配置してもよい。
図2及び図3に示すように、被検出体Fgからの光を光センサ1に受光できるように、光センサ1が第1可撓性基板70よりも内側に配置されている。図3に示すように、第1可撓性基板70の外側には、制御回路123が配置されている。
図2及び図4に示すように、光源60の光は、内側へ突出する光照射部60Rを介して被検出体Fgへ照射される。光照射部60Rは、例えば透光性を有する凸レンズである。図4に示すように、第1可撓性基板70の外側には、制御回路124が配置されている。
図5は、筐体に収容する前の、実施形態1に係る光センサモジュールの断面図である。図6は、図5の光センサモジュールの上面図である。図7は、図5の光センサモジュールの下面図である。
図2、図3、図4、図5、図6及び図7に示すように、光センサモジュール120は、光センサ1、光源60、制御回路122、制御回路123、制御回路124、制御回路126、電池充電用コイル127、電池128が第1可撓性基板70に組み付けられている。
図8に示すように、第2可撓性基板21の第1方向Dxの幅FWは、センサ領域10の幅SWよりも大きく、第2可撓性基板21の第2方向Dyの長さFLは、センサ領域10の長さSLよりも大きい。光センサ1の第1方向Dxの幅FWは、第1可撓性基板70の第1方向Dxの幅W以下であり、光センサ1の第2方向Dyの長さFLは、第1可撓性基板70の第2方向Dyの長さFLLよりも小さい。
光源60は、第1可撓性基板70の第2面70Aの第1領域AR1に設けられる。光センサ1の一方の端部1EAは、第1可撓性基板70の一方の端部70EAを重ねて設けられる。このため、光センサモジュール120の第2方向Dyの長さLは、光センサ1の第2方向Dyの長さFLと第1可撓性基板70の第2方向Dyの長さFLLとの和よりも小さくなる。
電池128に充電を行うための電池充電用コイル127は、第1可撓性基板70の第2面70Aの第3領域AR3の内部で、導電体を巻回することで形成される。電池充電用コイル127は、光源60及び電池128とは異なる位置であって、光源60と電池128との間に配置されている。制御回路122は、第1可撓性基板70の第2面70Aの第2領域AR2に設けられる。
制御回路124は、第1可撓性基板70の第1面70Bの第1領域AF1に設けられる。制御回路126は、第1可撓性基板70の第1面70Bの第2領域AF2に設けられる。制御回路123は、第1可撓性基板70の第1面70Bの第3領域AF3に設けられる。
図6に示すように、電池128は、フィルム型のリチウムイオン電池であり、湾曲可能である。電池128は、第1可撓性基板70の第1面70Bの第4領域AF4に設けられる。電池128の第1方向Dxの幅は、第1可撓性基板70の第1方向Dxの幅W以下であり、電池128の第2方向Dyの長さBLは、第1可撓性基板70の第2方向Dyの長さLよりも小さい。これにより、電池128が第1可撓性基板70からはみ出さないように、第1可撓性基板70へ搭載できる。
制御回路124は、第1可撓性基板70の第1領域AR1の反対側である第1領域AF1に配置される。制御回路124は、光源60の発光を制御するので、光源60と制御回路124との距離が短い状態で、光源60と制御回路124とを電気的に接続でき、不要なノイズが抑制される。
検出回路48を含む制御回路122は、第1可撓性基板70の第2面70Aに配置され、かつ光センサ1に隣接した第2領域AR2に配置されている。
なお、制御回路122が第3領域AFに配置され、制御回路123が第2領域AR2に配置されるようにしてもよい。第1可撓性基板70において、光センサ1の反対側に検出回路48が配置されることになり、光センサ1と検出回路48との距離が短い状態で光センサ1と検出回路48とを電気的に接続でき、不要なノイズが抑制される。
図7に示すように、光源60は、例えば、無機LED(Light Emitting Diode)や、有機EL(OLED:Organic Light Emitting Diode)等が用いられる。光源60は
、所定の波長の光を照射する。本実施形態では、光源60は、赤色を照射する第1光源61と、近赤外光を照射する第2光源62を有する。第1光は、例えば660nm程度の波長を有し、第2光は、例えば850nm程度の波長を有している。
第1光源61から出射された第1光および第2光源62から出射された第2光に基づいて、光センサ1は、生体に関する情報として、脈波、脈拍や血管像に加えて、血中酸素濃度を検出することができる。血液に含まれている赤血球は、ヘモグロビンを有する。光源60から照射される近赤外光は、ヘモグロビンにより吸光され易い。言い換えると、ヘモグロビンよる近赤外光の吸光係数は、体の内部の他の部分よりも吸光係数が高い。よって、複数のフォトダイオードPDの受光量を読み込み、近赤外光の受光量が相対的に少ない箇所を特定することで、静脈などの血管パターンを検出できる。
また、近赤外光と赤色光の反射光は、血液中の酸素飽和度(以下、血中酸素飽和度(SpO)と称する)を測定するための情報を含む。なお、血中酸素飽和度(SpO)は、血液中のヘモグロビンの全てに酸素が結合したと仮定した場合の総酸素量に対し、実際にヘモグロビンに結合している酸素量の比である。血中酸素飽和度(SpO)の算出では、第1光により取得された脈波と、第2光により取得された脈波とを用いる。
血液中のヘモグロビンは、酸素化ヘモグロビンと、還元ヘモグロビンとを含む。血中酸素飽和度(SpO)は、血液中のヘモグロビンが酸素と結合した場合(OHb:酸素化ヘモグロビン)と結合していない場合(HHb:還元ヘモグロビン)の比で決まる。
赤色光の吸光特性は、HHb>>OHbであり、HHbの吸光度が著しく大きいのに対して、近赤外光の吸光特性は、HHb≒OHbであり、わずかにOHbの吸光度が大きい。
この吸光特性の差を利用して、近赤外光の測定値とRed光の測定値との比を用いて、血中酸素飽和度(SpO)が評価できる。
なお、本開示において、光源60から照射される光は上記に限定されない。光源60は、用途に応じて、波長が800以上1000nm未満の近赤外光のみを照射してもよいし、波長が600nm以上800nm未満の赤色光のみを照射してもよい。
光センサ1は、第2可撓性基板21と、第2可撓性基板21の上に形成されたセンサ構造体22と、センサ構造体22を覆う保護膜23とを有する。
図8は、実施形態1の光センサを示す構成図である。図8に示すように、光センサ1は、光電変換素子であるフォトダイオードPDを有する光センサである。光センサ1が有するフォトダイオードPDは、照射される光に応じた電気信号を、検出信号Vdetとして信号線選択回路16に出力する。また、光センサ1は、ゲート線駆動回路15から供給されるゲート駆動信号Vgclにしたがって検出を行う。
制御回路122には、検出回路48(図9参照)を含む。制御回路122は、例えばFPGA(Field Programmable Gate Array)である。第2可撓性基板21の第2接続端子29には、異方性導電フィルム(ACF:Anisotropic Conductive Film)71(図5参照)を介して第1可撓性基板70の制御回路122へ電気的に接続される。
制御回路122は、光センサ1、ゲート線駆動回路15及び信号線選択回路16に制御信号を供給して、光センサ1におけるセンサ領域10(図9参照)の検出動作を制御する。
充電用の制御回路123では、外部から電磁的手段により電気エネルギーが電池充電用コイル127へ到達したワイヤレス電力伝送の電力の制御が行われる。ワイヤレス電力伝送の結合方式は、電磁誘導方式、電磁共鳴方式、電波方式等のいずれかが選択される。制御回路123は、ワイヤレス電力伝送された電力を用いて電池128を充電する。
また、制御回路124は、光源60に制御信号を供給して、光源60の点灯又は非点灯を制御する。また、制御回路124は、電源電圧を光源60に供給する。
電源マネージメントを行う制御回路126は、電池128の電力に基づいて、センサ電源信号VDDSNS(図11参照)等の電圧信号を光センサ1、ゲート線駆動回路15及び信号線選択回路16に供給する。
第2可撓性基板21は、検出領域AAと、周辺領域GAとを有する。検出領域AAは、光センサ1が有する複数のフォトダイオードPDが設けられた領域である。周辺領域GAは、検出領域AAの外周と、第2可撓性基板21の端部との間の領域であり、フォトダイオードPDと重ならない領域である。
矩形状の検出領域AAと周辺領域GAとの境界は、検出領域AAの辺CP1、CP2、CP3及びCP4である。検出領域AAの第1方向Dxの幅SWは、辺CP3と辺CP4との距離である。検出領域AAのDY方向の長さSLは、辺CP1と辺CP2との距離である。なお、第2可撓性基板21の第1方向Dxの幅FWは、幅SWよりも大きく、第2可撓性基板21の第2方向Dyの長さFLは、長さSLよりも大きい。
ゲート線駆動回路15及び信号線選択回路16は、周辺領域GAに設けられる。具体的には、ゲート線駆動回路15は、周辺領域GAのうち第2方向Dyに沿って延在する領域に設けられる。信号線選択回路16は、周辺領域GAのうち第1方向Dxに沿って延在する領域に設けられ、光センサ1と検出回路48との間に設けられる。
なお、第1方向Dxは、第2可撓性基板21と平行な面内の一方向である。第2方向Dyは、第2可撓性基板21と平行な面内の一方向であり、第1方向Dxと直交する方向である。なお、第2方向Dyは、第1方向Dxと直交しないで交差してもよい。また、第3方向Dzは、第1方向Dx及び第2方向Dyと直交する方向であり、第2可撓性基板21の法線方向である。
図9は、実施形態1の光センサの構成例を示すブロック図である。図9に示すように、検出装置100は、さらに検出制御回路11と検出部40と、有する。検出制御回路11の機能の一部又は全部は、制御回路122に含まれる。また、検出部40のうち、検出回路48以外の機能の一部又は全部は、制御回路122に含まれる。
検出制御回路11は、ゲート線駆動回路15、信号線選択回路16及び検出部40にそれぞれ制御信号を供給し、これらの動作を制御する回路である。検出制御回路11は、スタート信号STV、クロック信号CK、リセット信号RST1等の各種制御信号をゲート線駆動回路15に供給する。また、検出制御回路11は、選択信号ASW等の各種制御信号を信号線選択回路16に供給する。また、検出制御回路11は、各種制御信号を光源60に供給して、それぞれの点灯及び非点灯を制御する。
ゲート線駆動回路15は、各種制御信号に基づいて複数のゲート線GCL(図10参照)を駆動する回路である。ゲート線駆動回路15は、複数のゲート線GCLを順次又は同時に選択し、選択されたゲート線GCLにゲート駆動信号Vgclを供給する。これにより、ゲート線駆動回路15は、ゲート線GCLに接続された複数のフォトダイオードPDを選択する。
信号線選択回路16は、複数の信号線SGL(図11参照)を順次又は同時に選択するスイッチ回路である。信号線選択回路16は、例えばマルチプレクサである。信号線選択回路16は、検出制御回路11から供給される選択信号ASWに基づいて、選択された信号線SGLと検出回路48とを接続する。これにより、信号線選択回路16は、フォトダイオードPDの検出信号Vdetを検出部40に出力する。
検出部40は、検出回路48と、信号処理回路44と、座標抽出回路45と、記憶回路46と、検出タイミング制御回路47と、画像処理回路49と、を備える。検出タイミング制御回路47は、検出制御回路11から供給される制御信号に基づいて、検出回路48と、信号処理回路44と、座標抽出回路45と、画像処理回路49と、が同期して動作するように制御する。
検出回路48は、例えばアナログフロントエンド回路(AFE:Analog Front End)である。検出回路48は、少なくとも検出信号増幅回路42及びA/D変換回路43の機能を有する信号処理回路である。検出信号増幅回路42は、検出信号Vdetを増幅する。A/D変換回路43は、検出信号増幅回路42から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換する。
信号処理回路44は、検出回路48の出力信号に基づいて、光センサ1に入力された所定の物理量を検出する論理回路である。信号処理回路44は、被検出体Fgが検出面に接触又は近接した場合に、検出回路48からの信号に基づいて被検出体Fgや掌の生体表面の凹凸を検出できる。また、信号処理回路44は、検出回路48からの信号に基づいて生体に関する情報を検出できる。生体に関する情報は、例えば、被検出体Fgの脈拍、血中酸素飽和度等である。
また、信号処理回路44は、複数のフォトダイオードPDにより同時に検出された検出信号Vdet(生体に関する情報)を取得し、これらを平均化する処理を実行してもよい。この場合、検出部40は、ノイズや、被検出体Fg等の被検出体と光センサ1との相対的な位置ずれに起因する測定誤差を抑制して、安定した検出が可能となる。
記憶回路46は、信号処理回路44で演算された信号を一時的に保存する。記憶回路46は、例えばRAM(Random Access Memory)、レジスタ回路等であってもよい。
座標抽出回路45は、信号処理回路44において指の接触又は近接が検出されたときに、指等の生体表面の凹凸の検出座標を求める論理回路である。また、座標抽出回路45は、被検出体Fgや掌の血管の検出座標を求める論理回路である。画像処理回路49は、光センサ1の各フォトダイオードPDから出力される検出信号Vdetを組み合わせて、被検出体Fg等の生体表面の凹凸の形状を示す二次元情報及び被検出体Fgや掌の血管の形状を示す二次元情報を生成する。なお、座標抽出回路45は、検出座標を算出せずにセンサ出力Voとして検出信号Vdetを出力してもよい。また、座標抽出回路45及び画像処理回路49は、検出部40に含まれていない場合であってもよい。
検出制御回路11は、検出した生体に関する情報と予め記憶している認証情報とを比較し、比較結果に基づいて被認証者の認証を行う機能を有する。検出制御回路11は、図示しない通信装置を介して、外部の装置に検出した生体に関する情報を送信する制御を行う機能を有する。
次に、検出装置100の回路構成例について説明する。図10は、実施形態1の光センサの回路図である。図11は、センサ検出領域を示す回路図である。なお、図11では、検出回路48の回路構成も併せて示している。
図10に示すように、光センサ1は、マトリクス状に配列された複数の単位検出領域PAAを有する。複数の単位検出領域PAAには、それぞれフォトダイオードPDが設けられている。
ゲート線GCLは、第1方向Dxに延在し、第1方向Dxに配列された複数の単位検出領域PAAのスイッチング素子と接続される。また、複数のゲート線GCL(1)、GCL(2)、…、GCL(8)は、第2方向Dyに配列され、それぞれゲート線駆動回路15に接続される。なお、以下の説明において、複数のゲート線GCL(1)、GCL(2)、…、GCL(8)を区別して説明する必要がない場合には、単にゲート線GCLと表す。また、図11では説明を分かりやすくするために、8本のゲート線GCLを示しているが、あくまで一例であり、ゲート線GCLは、M本(Mは8以上、例えばM=256)配列されていてもよい。
信号線SGLは、第2方向Dyに延在し、第2方向Dyに配列された複数の単位検出領域PAAのフォトダイオードPDに接続される。また、複数の信号線SGL(1)、SGL(2)、…、SGL(12)は、第1方向Dxに配列されて、それぞれ信号線選択回路16及びリセット回路17に接続される。なお、以下の説明において、複数の信号線SGL(1)、SGL(2)、…、SGL(12)を区別して説明する必要がない場合には、単に信号線SGLと表す。
また、説明を分かりやすくするために、12本の信号線SGLを示しているが、あくまで一例であり、信号線SGLは、N本(Nは12以上、例えばN=252)配列されていてもよい。また、図10では、信号線選択回路16とリセット回路17との間にセンサ領域10が設けられている。これに限定されず、信号線選択回路16とリセット回路17とは、信号線SGLの同じ方向の端部にそれぞれ接続されていてもよい。
ゲート線駆動回路15は、スタート信号STV、クロック信号CK、リセット信号RST1等の各種制御信号を、制御回路122(図参照)から受け取る。ゲート線駆動回路15は、各種制御信号に基づいて、複数のゲート線GCL(1)、GCL(2)、…、GCL(8)を時分割的に順次選択する。ゲート線駆動回路15は、選択されたゲート線GCLにゲート駆動信号Vgclを供給する。これにより、ゲート線GCLに接続された複数の第1スイッチング素子Trにゲート駆動信号Vgclが供給され、第1方向Dxに配列された複数の単位検出領域PAAが、検出対象として選択される。
なお、ゲート線駆動回路15は、指紋の検出及び異なる複数の生体に関する情報(例えば、脈拍、血中酸素飽和度等)のそれぞれの検出モードごとに、異なる駆動を実行してもよい。例えば、ゲート線駆動回路15は、複数のゲート線GCLを束ねて駆動してもよい。
具体的には、ゲート線駆動回路15は、制御信号に基づいて、ゲート線GCL(1)、GCL(2)、…、GCL(8)のうち、所定数のゲート線GCLを同時に選択する。例えば、ゲート線駆動回路15は、6本のゲート線GCL(1)からゲート線GCL(6)を同時に選択し、ゲート駆動信号Vgclを供給する。ゲート線駆動回路15は、選択された6本のゲート線GCLを介して、複数の第1スイッチング素子Trにゲート駆動信号Vgclを供給する。これにより、第1方向Dx及び第2方向Dyに配列された複数の単位検出領域PAAを含む検出領域グループPAG1、PAG2が、それぞれ検出対象として選択される。ゲート線駆動回路15は、所定数のゲート線GCLを束ねて駆動し、所定数のゲート線GCLごとに順次ゲート駆動信号Vgclを供給する。
信号線選択回路16は、複数の選択信号線Lselと、複数の出力信号線Loutと、第3スイッチング素子TrSと、を有する。複数の第3スイッチング素子TrSは、それぞれ複数の信号線SGLに対応して設けられている。6本の信号線SGL(1)、SGL(2)、…、SGL(6)は、共通の出力信号線Lout1に接続される。6本の信号線SGL(7)、SGL(8)、…、SGL(12)は、共通の出力信号線Lout2に接続される。出力信号線Lout1、Lout2は、それぞれ検出回路48に接続される。
ここで、信号線SGL(1)、SGL(2)、…、SGL(6)を第1信号線ブロックとし、信号線SGL(7)、SGL(8)、…、SGL(12)を第2信号線ブロックとする。複数の選択信号線Lselは、1つの信号線ブロックに含まれる第3スイッチング素子TrSのゲートにそれぞれ接続される。また、1本の選択信号線Lselは、複数の信号線ブロックの第3スイッチング素子TrSのゲートに接続される。
具体的には、選択信号線Lsel1、Lsel2、…、Lsel6は、それぞれ信号線SGL(1)、SGL(2)、…、SGL(6)に対応する第3スイッチング素子TrSと接続される。また、選択信号線Lsel1は、信号線SGL(1)に対応する第3スイッチング素子TrSと、信号線SGL(7)に対応する第3スイッチング素子TrSと、に接続される。選択信号線Lsel2は、信号線SGL(2)に対応する第3スイッチング素子TrSと、信号線SGL(8)に対応する第3スイッチング素子TrSと、に接続される。
制御回路122(図参照)は、選択信号ASWを順次選択信号線Lselに供給する。これにより、信号線選択回路16は、第3スイッチング素子TrSの動作により、1つの信号線ブロックにおいて信号線SGLを時分割的に順次選択する。また、信号線選択回路16は、複数の信号線ブロックでそれぞれ1本ずつ信号線SGLを選択する。
なお、信号線選択回路16は、複数の信号線SGLを束ねて検出回路48に接続してもよい。具体的には、制御回路122(図参照)は、選択信号ASWを同時に複数の選択信号線Lselに供給する。これにより、信号線選択回路16は、第3スイッチング素子TrSの動作により、1つの信号線ブロックにおいて複数の信号線SGL(例えば6本の信号線SGL)を選択し、複数の信号線SGLと検出回路48とを接続する。これにより、検出領域グループPAG1、PAG2で検出された信号が検出回路48に出力される。この場合、検出領域グループPAG1、PAG2に含まれる複数の単位検出領域PAA(フォトダイオードPD)からの信号が統合されて検出回路48に出力される。
ゲート線駆動回路15及び信号線選択回路16の動作により、検出領域グループPAG1、PAG2ごとに検出を行うことで、1回の検出で得られる検出信号Vdetの強度が向上するのでセンサ感度を向上させることができる。また、検出に要する時間を短縮することができる。このため、検出装置100は、検出を短時間で繰り返し実行することができるので、S/N比を向上させることができ、又、脈波等の生体に関する情報の時間的な変化を精度よく検出することができる。
図10に示すように、リセット回路17は、基準信号線Lvr、リセット信号線Lrst及び第4スイッチング素子TrRを有する。第4スイッチング素子TrRは、複数の信号線SGLに対応して設けられている。基準信号線Lvrは、複数の第4スイッチング素子TrRのソース又はドレインの一方に接続される。リセット信号線Lrstは、複数の第4スイッチング素子TrRのゲートに接続される。
制御回路122は、リセット信号RST2をリセット信号線Lrstに供給する。これにより、複数の第4スイッチング素子TrRがオンになり、複数の信号線SGLは基準信号線Lvrと電気的に接続される。制御回路123は、基準信号COMを基準信号線Lvrに供給する。これにより、複数の単位検出領域PAAに含まれる容量素子Ca(図11参照)に基準信号COMが供給される。
図11に示すように、単位検出領域PAAは、フォトダイオードPDと、容量素子Caと、第1スイッチング素子Trとを含む。図11では、複数のゲート線GCLのうち、第2方向Dyに並ぶ2つのゲート線GCL(m)、GCL(m+1)を示す。また、複数の信号線SGLのうち、第1方向Dxに並ぶ2つの信号線SGL(n)、SGL(n+1)を示す。単位検出領域PAAは、ゲート線GCLと信号線SGLとで囲まれた領域である。第1スイッチング素子Trは、フォトダイオードPDに対応して設けられる。第1スイッチング素子Trは、薄膜トランジスタにより構成されるものであり、この例では、nチャネルのMOS(Metal Oxide Semiconductor)型のTFT(Thin Film Transistor)で構成されている。
第1方向Dxに並ぶ複数の単位検出領域PAAに属する第1スイッチング素子Trのゲートは、ゲート線GCLに接続される。第2方向Dyに並ぶ複数の単位検出領域PAAに属する第1スイッチング素子Trのソースは、信号線SGLに接続される。第1スイッチング素子Trのドレインは、フォトダイオードPDのカソード及び容量素子Caに接続される。
フォトダイオードPDのアノードには、制御回路123からセンサ電源信号VDDSNSが供給される。また、信号線SGL及び容量素子Caには、制御回路123から、信号線SGL及び容量素子Caの初期電位となる基準信号COMが供給される。
単位検出領域PAAに光が照射されると、フォトダイオードPDには光量に応じた電流が流れ、これにより容量素子Caに蓄積される電荷量が決まる。第1スイッチング素子Trがオンになると、容量素子Caに蓄積された電荷に応じて、信号線SGLに電流が流れる。信号線SGLは、信号線選択回路16の第3スイッチング素子TrSを介して検出回路48に接続される。これにより、検出装置100は、単位検出領域PAAごとに、又は検出領域グループPAG1、PAG2ごとにフォトダイオードPDに照射される光の光量に応じた信号を検出できる。
検出回路48は、読み出し期間にスイッチSSWがオンになり、信号線SGLと接続される。検出回路48の検出信号増幅回路42は、信号線SGLから供給された電流の変動を電圧の変動に変換して増幅する。検出信号増幅回路42の非反転入力部(+)には、固定された電位を有する基準電圧Vrefが入力され、反転入力端子(-)には、信号線SGLが接続される。本実施形態では、基準電圧Vrefとして基準信号COMと同じ信号が入力される。また、検出信号増幅回路42は、容量素子Cb及びリセットスイッチRSWを有する。リセット期間において、リセットスイッチRSWがオンになり、容量素子Cbの電荷がリセットされる。
このような構成により、検出装置100は、複数のフォトダイオードPDを有することで、被検出体Fgの静脈パターン、皮膚紋理、血中酸素飽和度、脈拍等の生体に関する情報を検出し、検出した情報を含む生体情報を装置の外部に供給することができる。
図12は、実施形態1の光センサの模式的な部分断面図である。光センサ1は、第2可撓性基板21と、センサ構造体22と、保護膜23と、を備える。第2可撓性基板21は、絶縁性の基材であり、フィルム状の樹脂で形成された第2可撓性基板である。
センサ構造体22は、TFT層221と、カソード電極222と、フォトダイオードPDと、アノード電極226と、を有する。
TFT層221には、第1スイッチング素子Tr等のTFT(Thin Film Transistor)や、ゲート線GCL、信号線SGL等の各種配線が設けられる。第2可撓性基板21及びTFT層221は、所定の単位検出領域PAAごとにセンサを駆動する駆動回路基板であり、バックプレーンとも呼ばれる。
フォトダイオードPDは、活性層224と、活性層224とカソード電極222との間に設けられた正孔輸送層223(第1キャリア輸送層)と、活性層224とアノード電極226との間に設けられた電子輸送層225(第2キャリア輸送層)と、を有する。言い換えると、フォトダイオードPDの正孔輸送層223、活性層224、電子輸送層225は、第2可撓性基板21に垂直な方向で、この順で積層される。
活性層224は、照射される光に応じて特性(例えば、電圧電流特性や抵抗値)が変化する。活性層224の材料として、有機材料が用いられる。具体的には、活性層224は、p型有機半導体と、n型有機半導体であるn型フラーレン誘導体(PCBM)とが混在するバルクヘテロ構造である。活性層224として、例えば、低分子有機材料であるC (フラーレン)、PCBM(フェニルC61酪酸メチルエステル:Phenyl C61-butyric acid methyl ester)、CuPc(銅フタロシアニン:Copper Phthalocyanine)、F16CuPc(フッ素化銅フタロシアニン)、rubrene(ルブレン:5,6,11,12-tetraphenyltetracene)、PDI(Perylene(ペリレン)の誘導体)等を用いることができる。
活性層224は、これらの低分子有機材料を用いて蒸着型(Dry Process)で形成することができる。この場合、活性層224は、例えば、CuPcとF16CuPcとの積層膜、又はrubreneとC60との積層膜であってもよい。活性層224は、塗布型(Wet Process)で形成することもできる。この場合、活性層224は、上述した低分子有機材料と高分子有機材料とを組み合わせた材料が用いられる。高分子有機材料として、例えばP3HT(poly(3-hexylthiophene))、F8BT(F8-alt-benzothiadiazole)等
を用いることができる。活性層224は、P3HTとPCBMとが混合した状態の膜、又はF8BTとPDIとが混合した状態の膜とすることができる。
正孔輸送層223及び電子輸送層225は、活性層224で発生した正孔及び電子がカソード電極222又はアノード電極226に到達しやすくするために設けられる。正孔輸送層223は、カソード電極222の上に直接、接する。活性層224は、正孔輸送層223の上に直接、接する。正孔輸送層223は、酸化金属層とされる。酸化金属層として、酸化タングステン(WO)、酸化モリブデン等が用いられる。
電子輸送層225は、活性層224の上に直接、接し、アノード電極226は、電子輸送層225の上に直接、接する。電子輸送層225の材料は、エトキシ化ポリエチレンイミン(PEIE)が用いられる。
なお、正孔輸送層223、活性層224及び電子輸送層225の材料、製法はあくまで一例であり、他の材料、製法であってもよい。
カソード電極222と、アノード電極226とは、フォトダイオードPDを挟んで対向する。アノード電極226は、例えば、ITO(Indium Tin Oxide)等の透光性を有する導電性材料が用いられる。カソード電極222は、例えば、銀(Ag)やアルミニウム(Al)等の金属材料が用いられる。又は、カソード電極222は、これらの金属材料の少なくとも1以上を含む合金材料であってもよい。
カソード電極222の膜厚を制御することで、透光性を有する半透過型電極としてカソード電極222を形成できる。例えば、カソード電極222は、膜厚10nmのAg薄膜で形成することで、60%程度の透光性を有する。この場合、フォトダイオードPDは、光センサ1の、例えば第1面FD側から照射される第1光LDを検出できる。
保護膜23は、アノード電極226を覆って設けられる。保護膜23は、パッシベーション膜であり、フォトダイオードPDを保護するために設けられている。光センサ1の、第2面FU(図12参照)は、図5に示す第1可撓性基板70の第2面70Aに対向する。
検出装置100は、被検出体Fgに装着された状態で、光源60を検出タイミングに点灯させる。検出タイミングは、例えば、予め設定された日時又は時刻、検出の指示を受けた時等を含む。点灯させた光源60の照射した光が被検出体Fgを介して光センサ1が受光する。
以上説明したように、検出装置100は、環状の筐体200と、第1可撓性基板70と、電池128と、光源60と、光センサ1とを含む。第1可撓性基板70は、環状の筐体200の形状に沿って設けられる。電池128は、第1可撓性基板70の第1面70Bに設けられ、光源60は、第1可撓性基板70の第2面70Aに設けられる。光センサ1の第2可撓性基板21は、第1可撓性基板70の一方の端部70EAに、第2可撓性基板21の一方の端部1EAを重ねて、第2可撓性基板21と第1可撓性基板70とが電気的に接続される。これにより、光センサ1と第1可撓性基板70とは端部70EAでのみ重なり、光センサ1が第1可撓性基板70と重なる面積が小さくなる。光センサ1は、第1可撓性基板70からはみ出している。その結果、第1可撓性基板70が環状の筐体200を周回して、光センサ1と重なっても厚みを小さくすることができる。
図2に示すように、第1可撓性基板70が環状の筐体200を周回して第1可撓性基板70の他方の端部70EBが、第2可撓性基板21と重なり、筐体200の外側から内側をみて、電池128と光センサ1とが重畳する。電池128は、光センサ1と重なっても十分な容量を確保できるスペースを確保できる。
図2に示すように、第1可撓性基板70が環状の筐体200を周回して、光センサ1の第2可撓性基板21と重なる範囲において、光センサ1は、第1可撓性基板70よりも環状の筐体200の内側にある。第1可撓性基板70の第2面70Aは、環状の筐体200の内側を向いているので、光は、光センサ1がある位置とは異なる位置で光源60から照射され、被検出体Fgを透過又は反射した光を受光することができる。
図13は、実施形態1の第1可撓性基板へ光センサを取り付ける手順を説明する説明図である。実施形態1では、図13に示す第2接続端子29は、第1面21Bに露出している。このように、光センサ1の第2可撓性基板21は、第2可撓性基板21の第1面21Bに、第2接続端子29を有している。そして、第2可撓性基板21の第1面21Bは、第1可撓性基板70の第2面70Aと対向している。第2可撓性基板21の第2接続端子29は、第1可撓性基板70の第2面70Aに露出する第1接続端子79Aと対向するように重ね合わせる。第1可撓性基板70の第1接続端子79Aと、第2接続端子29との間にACF71(図5)が介在し、第1接続端子79Aと、第2接続端子29とを電気的に接続する。これにより、光センサ1と第1可撓性基板70との電気的な接続が容易に行われる。
(実施形態2)
図14は、筐体に収容する前の、実施形態2に係る光センサモジュールの断面図である。図15は、実施形態2の光センサの模式的な断面図である。実施形態2では、実施形態1で説明した構成と同じ構成には、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
実施形態2の光センサモジュール120では、実施形態1と異なり、光センサ1の向きが反対に取り付けられている。このため、図14に示すように、第2可撓性基板21の第1面21Bは、第1可撓性基板70の第1面70Bと対向している。第2可撓性基板21は、第2可撓性基板21の第1面21Bに、第2接続端子29(図8参照)を有している。第2接続端子29は、第1可撓性基板70の第1面70Bに露出する第1接続端子と対向するように重ね合わせる。第1可撓性基板70の第1接続端子と、第2接続端子29との間にACF71が介在し、第1接続端子と、第2接続端子29とを電気的に接続する。これにより、光センサ1と第1可撓性基板70との電気的な接続が容易に行われる。
図15に示すように、フォトダイオードPDは、光センサ1の、例えば第2面FU側から照射される第1光LDを検出できる。これにより、カソード電極222の厚みを大きくして、不透過としてもよくなり、カソード電極222の電気抵抗を小さくすることができる。
光センサ1と第1可撓性基板70との電気的な接続は、半田などの低融点金属71Aを光センサ1の第2可撓性基板21の端面を覆うように配置して行われる。
(実施形態3)
図16は、筐体に収容する前の、実施形態3に係る光センサモジュールの断面図である。図17は、図16の光センサモジュールの上面図である。図18は、図16の光センサモジュールの下面図である。実施形態3では、実施形態1及び実施形態2で説明した構成と同じ構成には、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
図16、図17及び図18に示すように、電池充電用コイル127は、平面視で、電池128と重なる位置に配置される。
光センサ1の第2可撓性基板21の第2方向Dyの長さFLは、電池128の第2方向Dyの長さBLよりも小さい。図2に示すように、第1可撓性基板70が環状の筐体200を周回して、光センサ1の第2可撓性基板21と重なる範囲において、光センサ1は、第1可撓性基板70よりも環状の筐体200の内側に配置される。第1可撓性基板70において、電池128と、光センサ1とが重畳する。平面視した電池128の面積が光センサ1よりも大きいので、電池128の外形は、光センサ1の外形を囲む。このため、筐体の形状に沿って、第1可撓性基板70が湾曲しても、光センサ1に加わる応力が局所的に集中しにくい。その結果、光センサ1の品質が向上する。このとき、電池充電用コイル127は、光センサ1に重畳しない。
(実施形態4)
図19は、実施形態4の検出装置の内側に腕を収めた状態を筐体の側方から見た場合の外観例を示す模式図である。実施形態4では、実施形態1、実施形態2及び実施形態3で説明した構成と同じ構成には、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
図19に示す検出装置100は、人体に着脱自在な指輪型のデバイスであり、人体の被検出体Fgに装着される。実施形態4の被検出体Fgは、手首である。検出装置100は、装着された被検出体Fgから生体に関する生体情報を検出できる。
上述した各実施形態は、各構成要素を適宜組み合わせることが可能である。また、本実施形態において述べた態様によりもたらされる他の作用効果について本明細書記載から明らかなもの、又は当業者において適宜想到し得るものについては、当然に本開示によりもたらされるものと解される。
1 光センサ
10 センサ領域
21 第2可撓性基板
22 センサ構造体
23 保護膜
29 第2接続端子
48 検出回路
60 光源
60R 光照射部
61 第1発光素子
62 第2発光素子
70 第1可撓性基板
71A 低融点金属
79A 第1接続端子
100 検出装置
120 光センサモジュール
122、123、124、126 制御回路
127 電池充電用コイル
128 電池
200 筐体

Claims (10)

  1. 被検出体から生体情報を検出する検出装置であって、
    前記被検出体が内部に装着される環状の筐体と、
    前記環状の筐体の形状に沿って設けられ、第1接続端子を有する第1可撓性基板と、
    前記第1可撓性基板に設けられた電池と、
    前記第1可撓性基板に設けられた光源と、
    第2接続端子を有する第2可撓性基板と、
    前記第2可撓性基板の検出領域に設けられた複数のフォトダイオードと、を含む光センサと、
    を含み、
    前記電池、前記光源及び前記光センサは、それぞれ前記第1可撓性基板の長手方向に並べられており、かつ、前記電池が前記光源と重畳しない位置に設けられ、
    記第1可撓性基板の一方の端部に、前記第2可撓性基板の一方の端部を重ねて、前記第2接続端子が前記第1接続端子に電気的に接続しており、
    第1可撓性基板及び第2可撓性基板は、前記環状の筐体の円周方向に沿って前記環状の筐体に格納され、
    前記第1可撓性基板が前記環状の筐体を周回して、前記第1可撓性基板の他方の端部が、前記第2可撓性基板と重なり、前記環状の筐体の外側から内側をみて、前記電池と前記光センサとが重畳する
    検出装置。
  2. 前記第1接続端子は、前記第1可撓性基板の第2面に設けられ
    前記第2可撓性基板は、前記フォトダイオードが形成されている前記第2可撓性基板の第1面と、前記第2可撓性基板の第1面と反対側の前記第2可撓性基板の第2面とを有し、
    前記第2接続端子は、前記第2可撓性基板の第1面に設けられ
    前記第2可撓性基板の第1面は、前記第1可撓性基板の第2面と対向しており、
    前記第2接続端子が前記第1接続端子に電気的に接続している、
    請求項に記載の検出装置。
  3. 前記第1接続端子は、前記第1可撓性基板の第1面に設けられ
    前記第2可撓性基板は、前記フォトダイオードが形成されている前記第2可撓性基板の第1面と、前記第2可撓性基板の第1面と反対側の前記第2可撓性基板の第2面とを有し、
    前記第2接続端子は、前記第2可撓性基板の第1面に設けられ
    前記第2可撓性基板の第1面は、前記第1可撓性基板の第1面と対向しており、
    前記第2接続端子が前記第1接続端子に電気的に接続している、
    請求項に記載の検出装置。
  4. 前記第1可撓性基板が前記環状の筐体を周回して前記第2可撓性基板と重なる範囲において、前記光センサは、前記第1可撓性基板よりも前記環状の筐体の内側にある、請求項に記載の検出装置。
  5. 前記電池は、前記第1可撓性基板の第1面に設けられており、
    前記光源は、前記第1面とは反対側の前記第1可撓性基板の第2面の第1領域に設けられ、
    前記第1可撓性基板の第2面は、前記環状の筐体の内側を向いている、請求項1に記載の検出装置。
  6. 前記第1可撓性基板の第1面に、前記光源の発光を制御する制御回路をさらに備え、
    前記制御回路は、前記第1領域の反対側に配置されている、
    請求項に記載の検出装置。
  7. 前記第1可撓性基板は、前記電池に充電を行うためのコイルをさらに有し、
    前記コイルは、前記光源及び前記電池とは異なる位置であって、前記光源と前記電池との間に配置されている、
    請求項に記載の検出装置。
  8. 前記電池は、前記第1可撓性基板の第1面に設けられており、
    さらに、前記第1面とは反対側の前記第1可撓性基板の第2面の第1領域に設けられ、前記電池に充電を行うためのコイルをさらに有し、
    前記コイルは、前記電池の反対側に配置され、前記筐体の外側から内側をみて、前記電池と前記コイルとが重畳する、
    請求項1に記載の検出装置。
  9. 前記第1可撓性基板は、前記電池に充電を行うためのコイルをさらに有する
    請求項1からのいずれか1項に記載の検出装置。
  10. 前記第2可撓性基板は、前記第1可撓性基板よりも幅が小さい、
    請求項1からのいずれか1項に記載の検出装置。
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