スマートバンドのPPG心拍センサーでは、LEDが皮膚へ照射した光の反射をフォトダイオード（PD）で受け、その微弱な信号をアナログフロントエンド（AFE）で処理します。基板上の配線だけでなく、外光、LED光の回り込み、電源やデジタル回路の動作、装着状態など、異なる経路からノイズが加わる可能性があります。
そのため、波形が乱れたときに「GNDが悪い」「電源が汚い」と決めつけるのではなく、光学・回路・機構・測定条件に分けて原因を探すことが重要です。本記事では、PPG心拍センサーの信号経路を整理し、PD入力、LED駆動、電源・GND、遮光構造、最終製品状態の評価で確認したいポイントを解説します。
重要ポイントPPGのノイズ対策は、原因の経路に合わせて考えます。外光やLED光の回り込みは光学・機構側、PD入力への寄生結合は回路・基板側、動きによる波形変化は装着・アルゴリズムも含むシステム側で切り分け、対象AFEの設計資料に沿って対処します。
PPG心拍センサーの信号経路と、ノイズが入りやすい場所
PPG（光電式容積脈波記録法）は、血液量の周期的な変化に伴う光の吸収・反射の変化を捉える方式です。スマートバンドなどの反射型では、LEDから皮膚へ光を照射し、組織内で反射して戻る光をPDで受けます。PDが生じる光電流をAFEが増幅・変換し、その後MCUや信号処理アルゴリズムが脈拍に関係する成分を取り出します。
信号の乱れは、すべて同じ原因ではありません。設計や評価では、少なくとも次のように経路を分けて考えます。
環境光：室内照明や外光などがPDに入り、受光信号の背景や変動になる
光学クロストーク：皮膚を通らないLED光や反射光がPDに回り込む
電気的結合：PD入力などの微弱なノードへ、近接配線や寄生容量を介して干渉する
電源・デジタル活動：LED駆動、スイッチング回路、クロックや無線動作がシステム内の結合経路になる可能性がある
運動アーチファクト：装着部と皮膚の相対的な動きなどが信号を変化させ、機構・装着・信号処理にも関係する
これらを区別すると、基板レイアウトで対応できる問題と、光学窓・遮光・装着構造やアルゴリズムを含めて検討すべき問題を分けられます。心拍の測定精度を基板配置だけで保証できるわけではありません。
フォトダイオードからAFEまでの微小信号経路を短く保つ
PDからAFEへ入る信号は、受光量や回路方式によって微弱な電流として扱われます。入力ノードに配線やビアの寄生容量が加わったり、近接するスイッチング信号が容量結合したりすると、特定のAFEでは余分なノイズにつながることがあります。そのため、PD入力からAFEまでの経路は、回路・光学配置を踏まえて可能な範囲で短くし、ノイズ源の配線と不必要に近接・並走させないように検討します。
AFEをPDの近くに配置できるかは、センサー構造や機械配置、実装条件によります。距離だけを目標にするのではなく、入力配線の長さ、層の切り替え、リターン経路、周囲の高速信号やLED駆動経路を一緒に確認してください。PD入力のシールドやガードパターンが必要か、どのノードへ接続するかはAFEごとに異なるため、データシートのレイアウト例を優先します。
ある光学AFEでは、PD入力ノードへの寄生容量結合を避けるため、専用のPD_GNDノードで入力を囲むレイアウト例が示されています。これはそのデバイスの設計例であり、すべてのPPGセンサーに同じシールド形状や接続方法を適用するものではありません。
LED駆動・電源・デジタル回路からの結合を抑える
PPG回路ではLEDをパルス駆動する構成があり、LEDドライバーと受光回路が同じ基板に配置される場合があります。LED駆動経路とPD入力経路の配置、電源供給、GNDへの戻り方を確認し、不要な結合が生じにくいレイアウトを検討します。LED電流や駆動タイミングは対象センサーと測定条件で異なるため、他の設計の数値をそのまま使わないでください。
MCUのクロック、メモリーや表示回路の切り替え、スイッチング電源、無線送信なども、問題が出たときに確認するシステム動作です。これらが必ずPPGに影響するとは限りません。供給電源やリターン経路、信号の近接、動作タイミングを回路図とレイアウトで確認し、評価時には条件を一つずつ変えて波形の変化を比較します。
PD入力とLED駆動線を離すだけで、すべての干渉が解消するとは限りません。配線の経路、層構成、基準面、電源の共有状態、センサーの内部構成も合わせて切り分けます。
AFEの電源デカップリングとGNDはデータシートに合わせる
AFEの電源ピンに対するバイパスコンデンサーの種類・配置・接続先は、対象部品のデータシートやリファレンスデザインを確認します。コンデンサーを電源ピンの近くに置く指示がある場合も、部品の位置だけでなく、GNDへ戻る経路やビアを含む電流ループを合わせて確認します。容量値や接続方法を他のAFEから流用しないことが大切です。
アナログGNDとデジタルGNDについても、「必ず分割する」という一般則はありません。部品によっては指定されたGNDピンを同一の基板GNDプレーンへ接続するよう求める一方、別の構成や外付け回路では異なる要件があります。GNDプレーンを分割するかどうかは、対象AFEの推奨回路、信号のリターン経路、システム全体の電源・ノイズ構成を確認して決めます。
特にPD_GNDやシールド用ノードが指定されている場合は、通常のGNDと同じ扱いだと仮定せず、どの位置でどのように接続するかを部品資料に合わせます。具体的な接続点や層構成を一般化せず、採用するAFEの資料と基板設計で照合してください。
光学クロストークと外光は筐体・遮光構造も含めて対策する
PDが受ける光に、皮膚組織を通って戻る反射光以外の成分が混ざると、脈拍に伴う小さな変化を読み取りにくくなる可能性があります。LEDからPDへの直接光、光学窓や筐体内面で反射した光、窓の隙間から入る外光などは、電気的な配線を変えるだけでは解決しないことがあります。
LEDとPDの相対位置、光学窓の材質・形状、光を吸収する隔壁、筐体内の反射、装着時の皮膚との接触は、基板配置と一緒に検討する項目です。光学隔壁や遮光材はクロストークを抑える選択肢ですが、必要な形状や材料、LEDとPDの間隔はセンサーと製品構造によって異なります。既存デザインの寸法を汎用ルールとして転用せず、光学・機構担当者と試作で確認してください。
実装状態でPPG波形とノイズ要因を切り分けて確認する
センサーやAFEのデータシート、評価基板の結果は、特定の部品・構造・条件で得られたものです。最終製品の信号を判断するには、対象の光学窓、筐体、電池、装着条件を含む組立状態で、実際のPPG波形とシステム動作を確認します。基板単体と完成品の条件を混同しないよう、試作構成を記録します。
原因を切り分ける際は、周囲光、LED駆動条件、表示・無線など他回路の動作、装着状態を記録し、評価目的に応じて条件を一つずつ変えて比較します。波形を確認するときは、測定器の接続やプローブのGNDリードが入力へ新たな容量・結合経路を作っていないかにも注意します。具体的な合格値やサンプリング条件は製品要求と採用AFEの仕様で定めてください。
ノイズが見つかった場合は、光学的な漏れや外光、PD入力への電気的結合、AFE電源・GND、LED駆動経路、装着中の動きをそれぞれ確認します。対策後は同じ測定条件で波形を比較し、基板変更だけでなく筐体や光学部材の変更も含めて結果を残します。
まとめ｜心拍センサーの基板設計で確認したいこと
スマートバンドのPPG心拍センサーでは、LED・PD・AFEの信号経路と、光学・電気・機械それぞれの干渉経路を分けて考えることが重要です。PD入力は対象AFEの指示に沿って配線し、LED駆動やデジタル回路、電源・GNDとの関係を確認します。光学クロストークや運動アーチファクトは、基板レイアウトだけで解決できるとは限りません。
設計時は、採用するAFEのデータシートとレイアウト例を回路・基板・光学・機構の各条件と照合し、最終筐体と装着状態でPPG波形を評価します。センサー全般の用途や設計背景を確認する場合は、センサー技術の活用事例も参考になります。基板製造を検討する際は、PCBgogo日本語サイトでサービス内容を確認できます。
よくある質問
PPGセンサーとは何ですか？
PPGセンサーは、LEDなどの光を皮膚へ照射し、反射光または透過光の変化をPDで検出する光学センサーです。心拍測定では、血液量に伴う光信号の周期的な変化をAFEと信号処理で脈拍情報として扱います。
PPGの波形にノイズが入る主な原因は何ですか？
環境光、LED光の光学クロストーク、PD入力への電気的結合、電源やデジタル回路の動作、装着中の動きなどが確認候補です。どの要因が支配的かは製品の光学・電気・機構構成と測定条件によって異なるため、波形や動作条件を比較して切り分けます。
フォトダイオードの配線をシールドする必要がありますか？
一律には決められません。AFEによって入力ノードや専用シールド用端子の推奨レイアウトが異なります。採用部品のデータシートを確認し、PD入力の配線、近接信号、シールドの接続方法をその指示に合わせます。
アナログGNDとデジタルGNDは分けるべきですか？
必ず分けるとは限りません。対象AFEの推奨回路、各GNDピンの接続条件、信号の戻り経路を確認して決めます。根拠なくGNDプレーンを分割すると、かえってリターン経路が複雑になる場合があるため、部品資料とシステム構成に沿って判断してください。
