CN101051557A - 具有印刷电路的芯体上的微型线圈 - Google Patents

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Abstract

一种用于制备线圈组件的方法，包括将印刷电路迹线覆盖在芯体上。迹线包括用于与在其上安装线圈组件的基座上的导电连接件连接的接线端。将两个或多个导线沿不同的各自方向缠绕在芯体上以形成两个或多个线圈。将导线的末端连接到印刷电路迹线上，以通过迹线将导线与接线端连接。

Description

具有印刷电路的芯体上的微型线圈
技术领域
本发明总的涉及磁场传感器，特别涉及制备微型多轴线圈的方法和由这种方法制备的装置。
背景技术
无线装置通常包括形式为缠绕在芯体上的一个或多个线圈的磁场传感器。使用由磁场在线圈中感应产生的电流或电压，可以将这种传感器用于从外部磁场感应或提取能量。通过将驱动电流施加到线圈上，还可以将这种类型的传感器用作磁场发生器。例如Govari在美国专利申请公开US 2003/0120150 A1中和Doron等人在美国专利U.S.6,239,724中所描述的那样，这种传感器的一种应用是在无线位置应答器中。在此包括这两个公开的公开内容作为参考。
在一些应用中，为了沿多个不同轴传送或接收磁场，可以沿不同的方向将多重线圈缠绕在同一个芯体上。例如，PCT专利申请WO 00/38571A1和授予Ishikawa等人的专利U.S.6,261,247描述了一种使用一个或多个用于测量相对位置和距离的基本球形应答器的解剖位置感应系统，在这里包括其公开内容作为参考。这种应答器能够接收并传送RF信号，由此在它们之间及其与独立CPU之间进行通信。在一个实施例中，应答器制备在球形基片上并且包含在三个三线圈组中的九个线圈。每组与其它组正交并含有三个线圈：一个传送线圈、一个接收线圈和一个功率耦合线圈。以这种形式组合线圈组来确保至少一个线圈组被取向以提供潜在地最佳功率耦合及随后的信号通信。
Casper等人在专利U.S.5,167,626中描述了在医疗装置中使用多轴电磁线圈的另一个例子，在此也包括其公开内容作为参考。这个专利涉及一种由射频(RF)信号驱动的医疗胶囊式装置。在一个实施例中，将三个铜导线的线圈正交缠绕在共同的铁氧体芯体上。芯体用来增加线圈的有效截面面积。由此线圈组件可以阻截来自磁场传送器的更多磁通量并将接收的射频信号能量对胶囊式装置在肠胃管道中取向的依赖程度最小化。
在现有技术中有公知的在电路基片上形成或安装单轴电磁线圈的技术。例如，Caramela等人在专利U.S.6,690,255中描述了一种包含具有第一和第二端部及用于支撑芯体的第一和第二支架的长芯体的可表面安装的元件。每个支架形成用于容纳芯体的第一和第二端部中的一个的容座。在支架上设置镀金属的垫片，以将支架电连接并安装到印刷电路板上。至少将一个导线缠绕到芯体的一部分上，并将其端部电连接到支架的镀金属垫片上。这种组件可以从Coilcraft Inc.公司(Cary，Illinois)买到。
发明内容
本发明的实施例提供了用于制备适于安装在诸如印刷电路基片或电缆连接器的具有导电连接件的基座上的多轴线圈组件的方法。虽然可以将这些方法用于制备任意尺寸的线圈，但它们特别利于制备与其它电路元件集成的微型应答器和功率线圈。这种线圈可以用于例如医疗位置感应的应用。
在下面描述的实施例中，将印刷电路迹线覆盖在包含磁性或非磁性材料的芯体上。迹线包含用于连接在其上安装线圈组件的基座的接线端。在某些实施例中，直接将迹线印刷到诸如陶瓷或塑料材料的适当芯体材料表面上。在其它实施例中，将迹线印刷在柔性印刷电路材料上，然后将后者缠绕在芯体上。至少将两个线圈导线以不同的各自方向缠绕在芯体上。将导线的末端连接到覆盖芯体的印刷电路迹线上，然后通过迹线将导线电连接到接线端。
可以使用诸如用于常规电路元件的表面安装焊接或引线连接的相同装配技术将由此制备的线圈组件安装到基座上。本发明提供的新型制备技术增强了微型线圈组件的可制备性和可靠性，以及便于将这种线圈与其它电路元件集成。
因此，依照本发明的实施例提供了一种用于制备线圈组件的方法，包括：
将印刷电路迹线覆盖在芯体上，迹线包括用于连接在其上安装线圈组件的基座上的导电连接件的接线端；
将两个或多个导线缠绕在芯体上以形成两个或多个线圈，以不同的各自方向缠绕，导线具有各自的末端；以及
将导线的末端连接到印刷电路迹线上，以通过迹线将导线连接到接线端。
在某些实施例中，该方法包括将线圈组件安装到基座上，并将接线端焊接或引线连接到导电连接件上以通过基座将导线连接到其它电路。
在一个公开的实施例中，覆盖印刷电路迹线包括将迹线印刷到芯体上。通常芯体包括构造为支撑两个或多个导线的线轴的绝缘材料，线轴包括在其上印刷接线端的凸缘。绝缘材料可以包括陶瓷和塑料材料中的至少一种。额外地或可选择地，芯体包括磁性材料。
在另一个实施例中，覆盖印刷电路迹线包括将迹线印刷在柔性绝缘基片上，并在缠绕两个或多个导线之前将绝缘基片放置在芯体上。
在某些实施例中，覆盖印刷电路迹线包括在芯体的上方形成印刷校准线圈，并且该方法包括使用印刷校准线圈来校准由绕芯体缠绕两个或多个导线所形成的线圈对磁场的响应。
在公开的实施例中，缠绕两个或多个导线包括将三个线圈沿各自的相互正交的方向缠绕在芯体上。
基座可以包括印刷电路基片区域或可以是电缆连接器的一部分。
依照本发明的实施例，还提供了一种线圈组件，包括：
芯体；
覆盖在芯体上的印刷电路迹线，迹线包括用于与在其上安装线圈组件的基座上的导电连接件连接的接线端；以及
以不同的各自方向缠绕在芯体上的两个或多个导线，以形成两个或多个线圈，导线具有各自的连接印刷电路迹线的末端，以通过迹线将导线连接到接线端。
另外，依照本发明的实施例，提供了一种传感器，包括：
电路基片；
安装到电路基片上的线圈组件，其包括：
芯体；
覆盖在芯体上的印刷电路迹线，迹线包括与电路基片连接的接线端；以及
以不同的各自方向缠绕在芯体上的两个或多个导线，以形成两个或多个线圈，导线具有各自的与印刷电路迹线连接的末端，以通过迹线将导线连接到接线端；以及
处理电路，其与电路基片连接以接收由线圈组件响应磁场产生的信号，其适于处理信号以产生与磁场有关的数据。
在公开的实施例中，由处理电路产生的数据表示传感器的位置。可以将电路基片、线圈组件和处理电路容纳在适于插入病人体内的外壳中。
依照本发明的实施例，还提供了一种传感器，包括：
含有包括导电连接件的基座的连接器；
安装到电路基片上的线圈组件，其包括：
芯体；
覆盖在芯体上的印刷电路迹线，迹线包括与连接器的导电连接件连接的接线端；以及
以不同的各自方向缠绕在芯体上的两个或多个导线，以形成两个或多个线圈，导线具有各自的与印刷电路迹线连接的末端，以通过迹线将导线连接到接线端；
处理电路，其适于处理由线圈组件响应磁场产生的信号以产生与磁场有关的数据；以及
电缆，其连接在连接器的导电连接件和处理电路之间，以将来自线圈组件的信号传送到处理电路。
从下面对本发明实施例的详细描述及参考附图可以更加全面地理解本发明，在附图中：
附图说明
图1是示出了依照本发明实施例的用于医疗应用的磁性位置感应系统的示意图；
图2是示出了依照本发明实施例的骨植入物中的磁性位置应答器的示意图；
图3A是示出了依照本发明实施例的在其上印刷电路迹线的芯体的示意图；
图3B是示出了依照本发明实施例的缠绕在图3A的芯体上的线圈组件的示意图；
图4是示出了依照本发明实施例的柔性印刷电路的示意性前视图；
图5是示出了依照本发明实施例的使用图4的柔性印刷电路的线圈组件的示意图；
图6是示出了依照本发明另一实施例的线圈和电缆组件的示意图。
具体实施方式
图1是示出了依照本发明实施例的用于外科的磁性跟踪系统20的示意图。外科医生22使用医疗工具24在病人23上执行医疗程序。在手术位置将植入物26引入到病人体内，在这个实例中该手术位置位于病人的腿30内。通过测量和展示植入物26和工具24的位置，跟踪系统引导外科医生执行程序，在该例子中为膝关节手术。该系统在包含外科手术位置的整个工作空间内测量位置和取向坐标。
相对于固定到病人身体上的诸如位置垫片34的磁场发生器来确定工具24和植入物26的坐标。在图1示出的实例中，将垫片放置在病人的小腿和大腿，接近植入物26。信号发生元件38产生驱动在位置垫片34中的通常包含磁场发生线圈的磁场发生器的驱动信号。
植入物26和工具24包含将在下面详细描述的微型无线传感器元件。每个传感器元件包含设计成感应在其附近的磁场的位置传感器。由位置垫片34产生的磁场在装入到工具24和植入物26中的传感器元件的位置传感器中感应电流。响应于感应电流(或相应的电压)，每个传感器元件中的信号处理和传送电路产生并传送表示植入物或工具的位置和取向的位置信号。在上下文表述中清楚地是位置传感器必须很紧凑且功能可靠性高。
位置信号被与计算机41连接的无线控制元件40所接收。为了计算工具24和植入物26的相对位置和取向坐标，计算机对接收到的信号进行处理。通常在显示器42上将结果展示给外科医生。
可以在2005年2月22日提交的专利申请U.S.11/063,094和2005年2月18日提交的专利申请U.S.11/062,258中找到与图1示出的这种位置跟踪系统有关的其它细节。这些申请被转让给本专利申请的受让人，在这里包括它们的公开内容作为参考。可选择地，可以在诸如本发明的背景技术中指出的其它类型的位置跟踪系统以及现有技术中已知的磁场传送及接收的其它应用中实现本发明的原理。
图2是示出了依照本发明实施例的包含在植入物26中的位置传感器50的示意图。可选择地，可以将传感器50包含在或者连接到其它类型的植入物和侵入性装置中。在这个示意实施例中传感器50包含含有缠绕在传感器芯体54上的线圈导线的传感器线圈组件52。芯体可以含有磁性或非磁性材料。传感器50另外包含功率线圈组件62和无线通信线圈60。将线圈安装到诸如柔性印刷电路板(PCB)的适当基片56上，并将其与同样安装在基片上的电子处理电路58连接。电路58接收并处理由传感器线圈组件52响应于由位置垫片34产生的磁场而产生的电信号。基于这些信号，电路58将位置数据传送给控制元件40。在上述美国专利申请公开US 2003/0120150 A1和美国专利申请10/706,298中描述了构建和运行电路58的其它细节，这些申请被转让给本专利申请的受让人，在这里包括它们的公开内容作为参考。
虽然为了简化，图2仅示出了每个传感器中的单个线圈和功率线圈组件52和62，但实际上每个组件通常含有诸如三个传感器线圈和三个功率线圈的多重线圈。(下面在图3B和图5中示出了缠绕在共用芯体上的多重传感器线圈)。将传感器线圈一起以相互正交的方向缠绕在芯体54上，而将功率线圈一起以相互正交的方向缠绕在另一芯体64上。可选择地，可以如例如在这里包括它们的公开内容作为参考的2004年1月9日提交的专利申请U.S.10/754,751中描述的那样将传感器线圈和功率线圈覆盖在同一芯体上。
图3A是示出了依照本发明实施例的芯体54的示意图。芯体54通常包含诸如适当的陶瓷或塑料材料的绝缘材料，诸如聚甲酮醚(PEEK)，该塑料材料制成线轴的形式，典型尺寸为大约2×2×5mm。任选地，可以使用磁性陶瓷材料。例如使用光刻工艺将金属接线端垫片70印刷在线轴的侧边和凸缘72上。印刷在芯体基座上的凸缘72的外侧边处的接线端垫片使得可以使用表面安装制备技术将芯体本身安装和焊接到诸如基片56的印刷电路板上。印刷电路迹线73将芯体侧边上的接线端垫片连接到线轴外侧表面上的接线端垫片上。
图3B是示出了依照本发明实施例的传感器线圈组件72的示意图。在该实施例中已经将三个独立的细导线线圈74、76、78缠绕在(该图中隐藏的)芯体54上。围绕不同的正交轴缠绕每个线圈。导线尺寸和匝数取决于应用需要，例如，对于传感器线圈组件52使用更多匝的细导线，对于功率线圈组件62使用更少匝的粗导线。在不同实际应用中，发明人已经使用直径在10到70μm之间的导线绕芯体缠绕40到3000之间的匝数。对于本领域技术人员来说其它实际应用将是显而易见的。
为了制备组件52，安装芯体54以使其绕线圈74的轴旋转并将适当的导线固定在芯体上。然后使芯体绕轴旋转，并从绕线轴中送出导线直到已经在芯体上缠绕了正确的匝数。然后将芯体转为围绕线圈76的轴旋转，旋转芯体以使线圈76缠绕在线圈74上。任选地，为了降低两个线圈之间的寄生耦合，在缠绕线圈76之前可以将绝缘隔离物(图中未示出)放置在线圈74上。最后，以相同的方式将线圈78缠绕在线圈76上。然后将每个线圈的导线末端79焊接在接线端垫片70上的适当位置上，从而将线圈导线与凸缘72底部上的垫片电连接。现在可以以图3B中示出的取向将组件52安装到诸如基片56的印刷电路基片上。
图4是示出了依照本发明实施例的柔性印刷电路80的示意前视图。当不能或不需要如上述实施例中那样将电路迹线直接印刷在芯体上时，可以如下面图5示出的那样将柔性印刷电路缠绕在芯体上。电路80含有在其上印刷导电迹线83的诸如Mylar的薄的柔性绝缘基片材料82。在电路80中，还为将缠绕在芯体上的X-、Y-和Z-线圈中的每一个提供了两个接线端84。通过迹线83将接线端84与在基片82的边缘突出的触点86连接。
图5是示出了依照本发明实施例的基于印刷电路80的线圈组件90的示意图。为了制备组件90，使用例如合适的胶水，将印刷电路80缠绕在诸如铁氧体的芯体92上并固定在适当的位置上。调整印刷电路六个部分的尺寸与芯体的表面相匹配。虽然图5中示出的芯体92具有立方体形状，但适当调整印刷电路80的形状和尺寸时，同样可以使用其它形状的芯体。然后按照上述关于线圈组件52所描述的方式将线圈74、76和78中的每一个缠绕在芯体92上：将线圈导线的末端79插入到接线端84中的一个，然后旋转芯体以沿适当方向将导线缠绕在芯体上。在完成缠绕后，将线圈导线的另一末端插入到另一接线端。
当已经将柔性印刷电路80缠绕在芯体92上，并且已经将线圈缠绕在印刷电路上时，触点86仍然可接触到。可以将这些触点直接焊接到电路基片上或通过接合线连接。从而，如果需要，使用表面安装技术可以连同传感器的其它电子元件将线圈组件60安装到诸如基片56的基片上。
在磁感应应用中，线圈74、76、78几何形状的偏差会引起线圈对施加的磁场的响应的变化，并由此危害传感器的精确度。为了处理这个问题，任选地，可以将校准线圈88作为迹线印刷在柔性印刷电路80上，通常在内表面上(也就是在面向芯体92的侧边上，远离线圈74、76、78)。同样通过迹线(未示出的)将这些校准线圈与触点86连接，并可以由此与基片56上的电路连接。由于这些印刷校准线圈具有精确已知的几何形状，因此为了补偿导线缠绕线圈制备过程的可变性，可以用它们来校准导线缠绕线圈的响应。例如，可以将印刷校准线圈对外部磁场的响应作为导线缠绕线圈的校准基准，或者，可选择地，为了校准的目的，可以测量导线缠绕线圈对驱动印刷校准线圈所产生的磁场的响应。
图6是示出了依照本发明另一实施例的设计成与连接器106紧密配合的线圈组件100的示意图。组件100在设计和制备方法方面与组件52(图3B)相似，并且包含在其上缠绕线圈104的芯体102。然后如上所述，将线圈的导线末端焊接到接线端垫片70上的适当位置。
然而，在本实施例中，将线圈组件100的凸缘72安装到连接器106中的基座112上，其将线圈组件与多导线电缆108连接。基座112可以包含将接线端啮合到凸缘72上的导电触点。额外地或可选择地，电缆108的导线110可以延伸出连接器106，并通常通过引线连接或另一种适当技术与垫片70连接。当组件100含有例如三个线圈104时，使用这些技术中的一个或二者可以容易且可靠地例如将线圈导线的全部六个末端与电缆108的各自导线连接。
在将线圈组件100与连接器106连接之后，可以将线圈组件(可能连同连接器)封装到密封的生物相容的外壳内，然后可以如上所述地将其插入到病人体内。电缆108将来自线圈组件的信号传送给体外的处理电路，其如上所述地处理信号以确定线圈组件的位置坐标。单独将线圈装到插入到病人体内的传感器元件内并通过电缆108将线圈与处理电路连接的这种布置有助于最小化传感器元件尺寸和避免可能伴随来往于传感器的无线功率及数据传送的问题。
虽然上述实施例特别涉及位置跟踪应用中的磁场传感器的构建，但在作必要的修正后，可以将上述用于将导电迹线覆盖在芯体上并将线圈导线连接到这种迹线上的新型技术用于其它应用和配置。例如，可以以这种方式制备用于产生并传送磁场的多轴线圈元件。另外，依照上述技术覆盖在感应线圈芯体上的导电迹线还可以用于将其它类型的电路和线集成圈到设备齐全的单一元件中。
应该理解地是引用上述实施例是作为示例，不能将本发明限制在上述特别示出和描述的内容中。相反地，本发明的范围包括上述不同特征的结合及亚结合，以及对本领域技术人员来说在理解上述描述后想到的和在现有技术中没有公开的关于本发明的变化和修改。

Claims (28)

1.一种用于制备线圈组件的方法，包括：
将印刷电路迹线覆盖在芯体上，所述迹线包括用于与在其上安装线圈组件的基座上的导电连接件连接的接线端；
沿着不同的各自方向将两个或多个导线缠绕在芯体上以形成两个或多个线圈，导线具有各自的末端；以及
将导线的末端与印刷电路迹线连接，以通过迹线将导线与接线端连接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将线圈组件安装到基座上，并将接线端焊接到导电连接件上以通过基座将导线与其它电路连接。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将线圈组件安装到基座上，并将接线端引线接合到导电连接件以通过基座将导线与其它电路连接。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，覆盖印刷电路迹线包括将迹线印刷到芯体上。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，芯体包括构造成承受两个或多个导线的线轴的绝缘材料，线轴包括在其上印刷接线端的凸缘。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，绝缘材料包括陶瓷和塑料材料中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，芯体包括磁性材料。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中覆盖印刷电路迹线包括将迹线印刷在柔性绝缘基片上，并在缠绕两个或多个导线之前将绝缘基片放置在芯体上。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，覆盖印刷电路迹线包括在芯体上形成印刷的校准线圈，并包括用印刷的校准线圈来校准由在芯体上缠绕两个或多个导线所形成的线圈对磁场的响应。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，缠绕两个或多个导线包括沿相互正交的各自方向将三个线圈缠绕在芯体上。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基座包括印刷电路基片的区域。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基座是电缆连接器的一部分。
13.一种线圈组件，包括：
芯体；
覆盖在芯体上的印刷电路迹线，迹线包括用于与在其上安装线圈组件的基座上的导电连接件连接的接线端；以及
沿不同的各自方向绕芯体缠绕以形成两个或多个线圈的两个或多个导线，导线具有与印刷电路迹线连接的各自的末端，以通过迹线将导线与接线端连接。
14.根据权利要求13所述的组件，其特征在于，迹线印刷在芯体上。
15.根据权利要求14所述的组件，其特征在于，芯体包括构造成承受两个或多个导线的线轴的绝缘材料，线轴包括在其上印刷接线端的凸缘。
16.根据权利要求15所述的组件，其特征在于，绝缘材料包括陶瓷和塑料材料中的至少一种。
17.根据权利要求13所述的组件，其特征在于，芯体包括磁性材料。
18.根据权利要求13所述的组件，其特征在于，还包括在其上印刷电路迹线的柔性绝缘基片，其中在缠绕两个或多个导线之前将绝缘基片放置在芯体上。
19.根据权利要求13所述的组件，其特征在于，印刷电路迹线包括用来校准由在芯体上缠绕两个或多个导线所形成的线圈对磁场的响应的印刷校准线圈。
20.根据权利要求13所述的组件，其特征在于，在芯体上缠绕两个或多个导线以形成三个沿相互正交的各自方向缠绕的线圈。
21.根据权利要求13所述的组件，其特征在于，基座包括印刷电路基片的区域。
22.根据权利要求13所述的组件，其特征在于，基座是电缆连接器的一部分。
23.一种传感器，包括：
电路基片；
安装到电路基片上的线圈组件，其包括：
芯体；
覆盖在芯体上的印刷电路迹线，迹线包括与电路基片连接的接线端；以及
沿不同的各自方向绕芯体缠绕以形成两个或多个线圈的两个或多个导线，导线具有与印刷电路迹线连接的各自的末端，以通过迹线将导线与接线端连接；和
处理电路，其与电路基片连接以接收由线圈组件响应磁场产生的信号，且其适于处理信号以产生与磁场有关的数据。
24.根据权利要求23所述的传感器，其特征在于，由处理电路产生的数据表示传感器的位置。
25.根据权利要求24所述的传感器，其特征在于，将电路基片、线圈组件和处理电路容纳在适于插入病人体内的外壳内。
26.一种传感器，包括：
含有包括了导电连接件的基座的连接器；
线圈组件，将其安装在电路基片上，其包括：
芯体；
覆盖在芯体上的印刷电路迹线，该迹线包括连接到连接器的导电连接件接线端；以及
沿不同的各自方向绕芯体缠绕以形成两个或多个线圈的两个或多个导线，导线具有与印刷电路迹线连接的各自的末端，以通过迹线将导线与接线端连接；
处理电路，其适于处理由线圈组件感应磁场产生的信号以产生与磁场有关的数据；和
电缆，其连接在连接器的导电连接件与处理电路之间，以将来自线圈组件的信号传送给处理电路。
27.根据权利要求26所述的传感器，其特征在于，其中由处理电路产生的数据表示传感器的位置。
28.根据权利要求26所述的传感器，其特征在于，其中将线圈组件封装在适于插入到病人体内的外壳内。
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