KR930004897B1

KR930004897B1 - 광센서

Info

Publication number: KR930004897B1
Application number: KR1019900000429A
Authority: KR
Inventors: 마사히꼬 칸다
Original assignee: 스미도모덴기고오교오 가부시기가이샤; 나까하라 쯔네오
Priority date: 1989-01-17
Filing date: 1990-01-15
Publication date: 1993-06-09
Anticipated expiration: 2010-01-15
Also published as: CN1044216A; KR910014686A; US5045683A; CA2007784A1; RU2006832C1; CA2007784C; EP0379140A1; CN1019051B

Abstract

내용 없음.

Description

광센서

제1a도는 본 발명의 일실시예에 의한 발광다이오드와 광검출기를 구비한 발광다이오드장치의 구성을 도시한 평면도.

제1b도는 제1a도의 발광다이오드장치의 구성을 도시한 측면도.

제2도는 본 발명의 일실시예의 개략적인 블록도.

제3도는 본 발명의 일실시예의 동작을 설명하기 위한 흐름도.

제4도는 본 발명의 일실시예의 동작을 설명하기 위한 타이밍도.

제5도는 발광다이오드의 온도변화에 의한 발광출력의 변화를 나타내는 도면.

제6도는 발광다이오드에 흐르는 전류와 포토다이오드의 출력전압사이의 관계를 나타내는 특성도.

제7도는 발광다이오드의 상대적인 광출력을 온도특성의 함수로 도시한 그래프.

제8a도는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 평면도.

제8b도는 제8a도의 측면도.

제8c도는 제8a도의 저면도.

제9a도는 더미스터를 발광다이오드의 히트싱크에 장착한 예를 도시한 측면도.

제9b는 제9a도의 예를 도시한 저면도.

제10도는 종래의 광센서의 일예를 도시한 사시도.

제11도는 제10도에 도시된 광센서의 종단면도.

제12도는 광센서를 손가락에 부착하였을때의 단면도.

제13도는 광센서를 손가락에 고정하기 위한 고정테이프의 사시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(10),(114) : 발광다이오드 (12) : 기판

(13) : 에폭시수지 (14) : 전류전압변환회로

(15) : A/D 변환회로 (16) : CPU

(17) : ROM (18) : RAM

(19),(20) : D/A 변환회로 (21),(22) : 정전류회로

(110) : 필름기판 (111) : 포토다이오드

(112),(113),(115),(116),(118),(120) : 패턴

(117) : 더미스터 (119) : 히터

(141) : 히트싱크

본 발명은 광센서에 관한 것으로서, 특히 피험체(被驗體)의 한쪽편으로부터 다른쪽편으로 광을 투과시켜, 이 투과광의 피험체에 의한 광흡수의 크기의 변화를 검출함으로써, 생체정보(예를들면, 혈압, 혈중색소농도 등)를 검출하는 광센서에 관한 것이다.

종래부터, 손가락끝의 피부의 한쪽편으로부터 다른쪽으로 광을 투과시켜, 손가락의 혈류량등에 의한 광이 투과율(반사율)의 변화를 검출하고, 그 검출신호를 처리한 후, 처리된 신호를 계산함으로서 맥박 및 혈압치등을 구하는 장치가 알려져 있다. 이와 같은 장치에 사용되는 광센서의 일예가 일본국 실개소 60-158803호 공보에 개시되어 있다.

제10도는 상기 일본국 실개소에 개시된 광센서의 사시도이고, 제11도는 제10도에 도시된 광센서의 종단면도이고, 제12도는 제10도의 광센서를 손가락에 부착한 상태를 도시한 단면도이고, 제13도는 광센서를 손가락에 고정하기 위한 고정테이프의 사시도이다.

먼저, 제10도 내지 제13도를 참조하면서 종래의 광센서(8)에 대해서 설명한다. 제10도에 도시된 광센서(8)는, 손가락의 한쪽편으로부터 다른쪽편을 광을 투과시켜, 손가락의 혈함유량에 따른 투과광의 크기의 변화를 검출하기 위한 것이다. 이 때문에, 유연한 필름기판(1)상에 손가락 크기에 대응하는 소정의 간격으로 발광소자(2)와 수광소자(3)가 배치되어 있다. 그리고, 발광소자(2)와 수광소자(3)를 덮도록 투명하고 유연한 투광필름(6)이 필름기판(1)에 형성되어 있다.

다음에, 제11도 내지 제13도를 참조하면서, 제10도에 도시된 광센서(8)의 사용방법에 대하여 설명한다. 제11도에 도시된 바와 같이, 발광소자(2)와 수광소자(3) 사이에 손가락(7)의 선단을 끼우도록, 광센서(8)를 손가락(7)의 주위에 감는다. 다음에, 제13도에 도시된 고정테이프(9)를 손가락에 감겨진 광센서(8)에 감는다. 이 고정테이프(9)는 장방향의 형상이고, 테이프의 일단부의 표면과 타단부의 이면에 물리적 접착수단이 형성되어 있다. 이 테이프(9)를 광센서(8)에 감고, 상기 일단부의 표면과 상기 타단부의 이면을 중첩함으로써, 광센서(8)를 손가락(7)에 단단히 고정할 수 있다.

신호처리장치본체(도시되지 않음)로부터 코넥터(5)를 통하여 리드선(4)에 전기신호가 공급되면, 발광소자(2)가 발광한다. 발광된 광은 손가락(7)을 투과하여 수광소자(3)에 조사된다. 수광소자(3)는 상기 광을 수광하여, 리드선(4)과 코넥터(5)를 통하여 신호처리장치의 본체에 검출신호를 인가한다. 신호처리장치는 이 때의 투과율의 변화를 검출하고, 검출된 신호를 처리한 후에 계산함으로서, 맥박 및 혈압치등을 구한다.

그런데, 상기 광센서(8)에 사용되고 있는 발광소자(2)는 일반적으로 발광다이오드가 사용된다. 그러나, 발광다이오드는 주위온도에 따라 출력이나 광의 파장이 변화할 염려가 있다. 또한, 생체, 예를들면 손가락(7)에 광센서(8)를 부착하면, 생체쪽이 허혈(ischemic)하게 되거나 지혈(hemoststic)하게 되어, 손가락(7)의 체온이 저하하거나, 또는 혈압이 높아져서 손가락(7)의 체온이 상승한다. 따라서, 발광소자(2)의 주위온도가 변화함으로써, 출력이나 광파장이 변화한다. 그러나, 맥박치나 혈압치등을 정확하게 측정하기 위해서는 발광소자(2)의 출력이나 광파장이 일정하게 유지되도록 요구된다.

본 발명의 목적은, 주위온도가 변화해도 발광소자의 출력이나 광파장이 변화하지 않는 광센서를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 발광소자의 온도변화에 따른 광량의 변화를 검출하고, 검출된 출력에 응답해서 발광소자에 흐르는 전류를 제어하여, 발광소자의 온도변화에 따른 광량의 변화를 보정하는 광센서를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 필름기판상에 피험체의 두께에 대응하여 소정의 간격으로 발광소자와 제1수광소자를 배치하고, 발광소자에 의해서 피험체의 한쪽편으로부터 광을 투과시키고, 투과한 광을 다른쪽편에서 제1수광소자에 의해서 검출하고, 피험체에 의한 투과광의 흡수의 크기의 변화를 검출하는 광센서에 있어서, 발광소자의 근처에 배치되고, 이 발광다이오드의 온도변화에 따른 광량의 변화를 검출하는데 제2수광소자와, 제2수광소자의 수광출력에 응답해서, 발광소자의 온도변화에 따른 광량의 변화를 보정하도록 발광소자에 흐르는 전류를 제어하는 제어수단을 구비하여 구성되는 광센서를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 피험체에 부착해도 발광소자 또는 수광소자의 주위온도를 일정하게해서, 출력이나 광파장이 변화하지 않는 광센서를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 온도가 일정하게 되도록 가열수단에 의해서 발광소자 또는 수광소자의 근방을 가열함으로써, 발광소자의 출력이나 파장이 변화하는 일없이, 정확하게 맥박치나 혈압치 등을 측정할 수 있는 광센서를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 필름기판상에 피험체의 두께에 대응하여 소정의 간격으로 발광소자와 수광소자를 배치하고, 발광소자에 의해서 피험체의 한쪽편으로부터 광을 투과시키고, 투과한 광을 다른쪽편에서 수광소자에 의해서 검출하고, 피험체에 의한 투과광의 흡수의 크기의 변화를 검출하는 광센서에 있어서, 발광소자와 상기 수광소자중 어느 한쪽 이상의 근방에 가열수단과 온도검출수단을 배치하고, 온도검출수단에 의해서 검출되는 온도가 일정하게 되도록, 가열수단에 의해서 발광소자와 상기 수광소자중 어느 한쪽 이상의 근방을 가열하도록 구성되는 광센서를 제공하는데 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

제1a도는 본 발명의 일실시예에 의한 발광다이오드와 광검출기를 구비한 발광다이오드장치의 구성을 도시한 평면도이고, 제1b도는 제1a도의 발광다이오드장치의 구성을 도시한 측면도이다. 제1a도와 제1b도를 참조하면서, 발광다이오드(10)는 기판(12)상에 2개의 LED칩(LED₁), (LED₂)이 배치되고, 또한 상기 LED칩(LED₁), (LED₂)의 근방에 포토다이오드(PD)가 배치된다. 이 포토다이오드(PD)는 LED칩(LED₁), (LED₂)으로부터 광을 직접 수광한다. LED칩(LED₁), (LED₂)은 통상 p-n접합면의 아래쪽에도 광을 방사하고 있고, 이 방사된 광을 광검출기로 사용되는 포토다이오드(PD)에 의해서 수광한다.

포토다이오드(PD)는 주위온도의 변화에 따른 LED칩(LED₁), (LED₂)으로부터 광량의 변화를 검출한다. 상기 LED칩(LED₁), (LED₂) 및 포토다이오드(PD)를 덮도록, 기판(12)상에 투명한 에폭시수지(13)를 도포한다. 에폭시수지 대신에 투명한 폴리에스테르수지를 도포해도 된다. 또한, 포토다이오드(PD)는, LED칩(LED₁), (LED₂)으로부터 반사된 광이 반구형상의 에폭시수지(13)의 내면에서 반사하여 수광할 수 있는 위치에 배치되도록 해도 된다. 또한 에폭시수지(13)의 표면에 Ag를 증착하고, LED칩(LED₁), (LED₂)으로부터 방사된 광을 적극적으로 일부 반사시켜, 그 반사광을 포토다이오드(PD)에 의해서 검출하도록 해도 된다.

제2도는 본 발명의 일실시예의 개략적인 블록도이다. 제2도를 참조하면서. 제1a도와 제1b도에 도시된 포토다이오드(PD)의 수광출력은 전류전압변환회로(14)에 인가되고, 전류전압변환회로(14)에 의해서 포토다이오드(PD)에 흐른 전류를 전압으로 변환하여 A/D 변화회로(15)에 변환된 전압을 인가한다. A/D 변환회로(15)은 전압치를 디지틀치로 변환해서 CPU(16)에 인가하나. CPU(16)에는 ROM(17)과 RAM(18)이 접속되어 있다. ROM(17)에는, 후술하는 제3도에 도시한 바와 같이, 온도변화에 따른 LED칩(LED₁), (LED₂)의 광량변화를 보정하기 위한 프로그램이 미리 기억되어 있다. CPU(16)는 LED칩(LED₁), (LED₂)에 흐르는 전류치를 디지틀신호로 D/A 변환회로(19), (20)에 인가한다.

A/D 변환회로(19), (20)는 전류치로서의 디지탈치를 애널로그치로 변환하여, 정전류회로(21), (22)에 인가한다. 정전류회로(21)는 LED칩(LED₁)에 전류를 공급하고, 정전류회로(22)는 LED칩(LED₂)에 전류를 공급한다.

제3도는 본 발명의 일실시예의 구체적인 동작을 설명하기 위한 흐름도이고, 제4도는 본 발명의 일실시예의 구체적인 동작을 설명하기 위한 타이밍도이고, 제5도는 발광다이오드의 온도변화에 의한 발광출력의 변화를 나타내는 도면이고, 제6도는 발광다이오드에 흐르는 전류와 포토다이오드의 출력전압사이의 관계를 나타내는 특성도이고, 제7도는 발광다이오드의 상대적인 광출력을 온도특성의 함수로 도시한 그래프이다.

다음에, 제1a도 내지 제7도를 참조하면서, 본 발명의 일실시예의 구체적인 동작에 대해서 설명한다. LED칩(LED₁), (LED₂)은 동일한 방식으로 동작하기 때문에, 여기서는 LED칩(LED₁)의 작동에 대해서만 설명한다. 제4도의 (a)에 도시한 바와 같은 포토다이오드(PD)의 수광출력전류(i_PDIP)은 전류전압변환회로(14)에 인가되어, 제4도의 (b)에 도시한 바와 같이, 전압(V_PDIP)으로 변환되고, 또한 A/D 변환회로(15)에 의해서 디지틀신호로 변환되어 CPU(16)에 인가된다. CPU(16)은 포토다이오드(PD)의 출력전압(V_PDIP)을 샘플링하여, 포토다이오드(PD)의 소정의 출력전압(V1)보다 낮은지의 여부 판별하고, 또한 그 허용전압(△V1)보다 낮은지의 여부를 판별한다. 출력전압(V_PDIP)이 V_PDIP＞ V1＋△V1으로 판정되면, LED칩(LED₁)에 흐르는 전류(i_LED1)이 값을 증가하거나 감소한다.

이 경우에는, 제6도에 도시된 i_LED1의 함수로 V_PDIP의 특성으로부터 특정온도에서 V_PDIP=a·i_LEDIP의 관계를 구해두고, ｜V_PDIP-V｜/a이 값만큼 전류(i_LED1)의 값을 증가하거나 감소한다. 상기 경우의 특정온도는, 체온에 가까운 온도(35℃~38℃)로 선택하는 것이 바람직하다.

일반적으로, 발광다이오드(10)는 제7도에 도시한 바와 같이, 온도의 저하에 다라서 발광출력이 증가하고, 온도상승에 따라서 발광출력이 저하한다. 따라서, 제5도의 (a)에 도시한 바와 같이 온도가 저하하면, 제5도의 (b)에 도시한 바와 같이 발광다이오드(10)의 발광출력이 증가하나, 이와 같이 증가한 증가분을 상쇄하도록 발광다이오드(10)의 공급전류(i)를 감소(제5도의 (c))시키면, 제5도의 (d)에 나타난 바와 같이, 발광출력을 거의 일정하게 할 수 있으므로, 온도변화에 따른 발광출력의 변동을 보정할 수 있다.

제8a도~제8c도는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 도면으로서, 제8a도는 평면도를 도시하고, 제8b도는 측면도를 도시하고, 제8c도는 저면도를 도시한다.

다음에, 제8a도~제8c도를 참조하면서, 본 발명의 다른 실시예의 구성에 대해서 설명한다. 필름기판(110)의 표면의 일단부에는 수광소자의 일예로서 포토다이오드(111)가 배치되고, 포토다이오드의 리드단자는 필르기판(110)상에 형성된 패턴(112)에 납땜된다. 필름기판(110)의 표면의 다른쪽편에는, 발광소자의 일예로서 발광다이오드(114)가 배치되고, 발광다이오드의 리드단자는 필름기판(110)상에 형성된 패턴(115)에 납땜된다. 또한, 발광다이오드(114)의 근방에는, 온도검출수단의 일예로서 더미스터(117)가 배치되어 있다. 패턴(115)의 왼쪽에는, 케이블접속용패턴(113), (116), (118)이 형성되어 있다. 패턴(112), (113)은 포토다이오드(111)용 패턴이고, 패턴(115), (116)은 발광다이오드(114)용 패턴이고, 패턴(118)은 더미스터(117)용 패턴이다. 상기 패턴은 각각 라인형상의 패턴에 의해서 전기적으로 접속되어 있다.

한편, 필름기판(110)의 이면상에 있고, 또한 발광다이오드(114)에 대응하는 위치에, 가열수단의 일예로서 히터(119)가 배치되어 있다. 이 히터(119)는, 예를 들면 얇게 형성한 니트롬선으로 구성되어 있다. 히터(119)의 단자는 패턴(120)에 전기적으로 접속되어 있다.

상술한 바와 같이 구성된 광센서에는, 발광다이오드(114)용 패턴(116), 더어미스터(117)용 패턴(118), 포토다이오드(111)용 패턴(113), 히터(119)용 패턴(120)등을, 도시하지 않는 케이블을 통하여 처리장치의 본체에 접속된다. 그리고, 더미스터(117)에 의해서 발광다이오드(114) 근방의 온도가 검지되고, 처리장치는 검출된 온도가 일정하게 되도록, 히터(119)에 전류를 흐르게 한다. 이 일정한 온도는 발광다이오드(114)의 열에 의한 잡음이 적고, 체온에 가깝게 설정하는 것이 바람직하다.

제9a도와 제9b도는 더미스터(117)를 발광다이오드(114)의 히트싱크(141)에 장착한 예를 도시한 측면도와 저면도이다. 그리고, 히트싱크(141)에는, 발광다이오드(114)용 단자(142)와 더미스터(117)용 단자(143)가 장착되어 있다.

또한, 상기 실시예에서는, 발광다이오드(114)의 근처에 더미스터(117)을 장착한 예를 표시하였으나, 포토다이오드(111)의 주위온도에 관련하여 문제가 될때에는, 더미스터(117)과 히터(119)를 포토다이오드(111)쪽에 배치하여도 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 발광소자의 근방에 제2의 수광소자(더미스터)를 배치하고, 이 제2의 수광소자에 의해서 온도변화에 따른 발광다이오드의 광량의 변화를 검출하고, 그 광량의 변화를 보정하도록 발광소자에 흐르는 전류를 제어하거나, 또는 발광소자와 수광소자중 어느 한쪽이상의 근처에 가열수단과 온도검지수단을 배치하고, 검출된 온도가 일정하게 되도록 가열수단에 의해서 발광소자와 수광소자중 어느 한쪽이상의 근처를 가열함으로써, 발광소자나 수광소자의 온도가 생체의 온도변화에 의해 좌우되는 일이 없이, 일정하게 유지된다. 따라서, 발광소자의 출력이나 광파장을 일정하게 유지할 수 있으므로, 정확한 생체정보를 얻을 수 있다.

Claims

필름기판상에 소정의 간격으로 발광소자와 제1수광소자를 배치하고, 상기 발광소자에 의해서 상기 피험체(被驗體)의 한쪽으로부터 발광시키고, 소정의 광로내를 통과한 광을 다른쪽에서 상기 제1수광소자에 의해 검출하고, 상기 피험체에 의한 흡광의 크기의 변화를 검출하는 광센서에 있어서, 상기 발광소자의 근방에 배치되고, 상기 발광소자의 온도변화에 따른 광량의 변화를 검출하는 제2수광소자와, 상기 제2수광소자의 수광출력에 응답하여, 상기 발광소자의 온도변화에 따른 광량의 변화를 보정하도록 상기 발광소자에 흐르는 전류를 제어하는 제어수단을 구비한 것을 특징으로 하는 광센서.
제1항에 있어서, 제2수광소자는, 상기 발광소자로부터 광을 직접 수광할 수 있도록 상기 기판상에 상기 발광소자와 함께 또한 상기 발광소자의 근방에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 광센서.
제2항에 있어서, 상기 발광소자는 2개의 LED칩으로 구성되고, 상기 제2수광소자는 2개의 LED칩으로부터 각각 동일한 거리에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 광센서.
제2항에 있어서, 상기 제2수광소자와 발광소자는, 상기 기판상에 도포된 투명한 수지에 의해 덮혀져 있는 것을 특징으로 하는 광센서.
제4항에 있어서, 상기 제2수광소자는, 반구형상의 투명수지의 내면에서 발광소자로부터 일부 반사된 광을 수광할 수 있는 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 광센서.
제5항에 있어서, 상기 투명수지의 반구형상 표면을, Ag로 증착한 것을 특징으로 하는 광센서.
제1항에 있어서, 상기 제어수단은, 제2수광소자로부터 수광출력전류를 전압으로 변화시키는 전류전압변환회로와, 상기 전압을 디지틀신호로 변환하는 A/D 변환회로와, 상기 디지틀신호를 수신하여 상기 전압 및 소정의 허용전압보다 작은지의 여부를 판별하고, 판별한 결과에 따라 발광소자에 흐르는 전류의 크기를 제어하는 CPU로 이루어진 것을 특징으로 하는 광센서.
필름기판상에 소정의 간격으로 발광소자와 수광소자를 배치하고, 상기 발광소자에 의해서 상기 피험체의 한쪽으로부터 발광시키고, 소정의 광로내를 통과한 광을 다른쪽에서 수광소자에 의해 검출하고, 상기 피험체에 의한 흡광의 크기의 변화를 검출하는 광센서에 있어서, 가열수단은, 필름기판상의 발광소자와 반대쪽에 있고, 또한 상기 발광소자에 대응하는 위치에 배치되고, 상기 발광소자와 상기 수광소자중 어느 한쪽 이상의 근방에 가열수단과 온도검출수단을 배치하고, 온도검출수단에 의해서 검출되는 온도가 일정하게 되도록, 상기 가열수단에 의해서 상기 발광소자와 상기 수광소자중 어느 한쪽 이상의 근방을 가열하도록한 것을 특징으로 하는 광센서.
제8항에 있어서, 상기 온도검출수단은, 발광소자의 히트싱크에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 광센서.
제8항에 있어서, 상기 가열수단은, 필름기판상의 수광소자와 반대쪽에 있고, 또한 상기 수광소자에 대응하는 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 광센서.