JP2021032875A - 応力インピーダンスセンサ素子および応力インピーダンスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】微小な被試験体に簡単に取付け可能な歪ゲージ部を有し、かつ高感度で小型の応力インピーダンスセンサ素子および応力インピーダンスセンサを提供する。【解決手段】応力インピーダンスセンサの歪ゲージ率は、応力インピーダンスセンサ素子の磁歪ワイヤの直径を５〜１８μｍと小さく、パルス周波数を１００〜５００ＭＨｚと高くすることで、２０００以上の確保が可能である。ＳＩ素子の長さは０．０６〜５．５ｍｍで、優れた歪みゲージ率を有する小型の応力インピーダンスセンサが得られる。【選択図】図１

Description

本発明は、超微小サイズの超微弱の応力を検出する応力インピーダンスセンサ素子および応力インピーダンスセンサに関する。

応力インピーダンスセンサ（以下、ＳＩセンサという。）については、特許文献１および特許文献２に開示されている。ここで、応力インピーダンスとは、アモルファス磁歪ワイヤ（以下、磁歪ワイヤという。）に歪みが付加されると磁歪ワイヤのインピーダンスが歪量に応じて変化する現象で、わずかな歪みで大きなインピーダンス変化を生ずる高感度歪みゲージが開発されている。

ＳＩセンサの感度評価は、歪みゲージ率Ｇで評価されている。それは、Ｇ＝（ｄＲ／Ｒ）／（ｄＬ／Ｌ）で計算することができる。Ｌは応力検出体の長さ、ｄＬは伸びで、Ｒは検出体の電気抵抗、ｄＲは電気抵抗の変化量である。なお、市販の金属箔歪ゲージの歪みゲージ率は２程度で、検出力の高い半導体歪みゲージの歪みゲージ率は５０〜２００程度である。

特許文献１（実施例１）には、応力検知体である磁歪ワイヤは、非晶質Ｆｅ系合金の強磁性線状金属体で、直径１２５μｍ、長さ２００ｍｍ（端子間距離１５０ｍｍ）にて、励磁周波数１０ＭＨｚで、６３程度の歪みゲージ率が得られている。
一方、特許文献２（実施例１）には、応力検知体である磁歪ワイヤは、負磁歪のＣｏ系アモルファスワイヤで、直径３０μｍ、長さ２０ｍｍにて、励磁周波数２０ＭＨｚで、１２８６の歪みゲージ率が得られている。これは半導体歪みゲージの６．５倍も高い値である。

また、非特許文献１（図８）によるとワイヤ径３０μｍ、長さ２０ｍｍで、励磁周波数を２０ＭＨｚ、電流の強さ２０ｍＡとした時に、歪みゲージ率１５２４を得ている。
非特許文献２（図２）によると、素子の長さ４ｍｍ、幅２ｍｍとして、励磁周波数を１５ＭＨｚ、電流の強さ９．５ｍＡの場合に、歪みゲージ率２０００程度を得ることができると報告している。
ＳＩセンサに匹敵する高感度歪みゲージセンサとして、非特許文献３（表１）によると、５ｍｍ角程度のスピンＭＥＭＳタイプのセンサは１０００程度である。非特許文献４によると、磁歪材料をＦｅアモルファス合金に変更してＭＥＭＳタイプで歪みゲージ率５０００を実現したとの最新の報告がなされている。

本発明は、この中で、優れた感度を有し小型化が適した応力インピーダンスセンサに着目して、応力インピーダンスセンサ素子を使ったカテーテルなど生体内医療機器に使用する長さが５ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下の超小型で高感度の応力センサの開発を目指したものである。しかし、ＳＩセンサは、既存製品の磁性ワイヤを被試験体に取り付けることが難しく実用化に至っていない。さらに、素子の長さを短くすると歪ゲージ率が低下してしまうので、小型化と高感度化を両立させるための新技術開発が必要である。
また、ＳＩセンサの検出体は応力とともに外部磁界の影響を受ける。外部磁界が小さい場合には、その影響は無視できる。しかし、外部磁界が地磁気に比べて大きい場合には、ＳＩセンサは外部磁界による影響は無視できなくなる。そこで、小型化と高い歪みゲージ率を両立する技術の開発とともに磁気シールドの技術開発も必要となる。

特開平８−１２８９０４ 特開平１０−１７０３５５

沈麗萍他：日本応用磁気学会２２、６７７〜６８０（１９９８） 山寺秀哉ほか：豊田中央研究所Ｒ＆Ｄレビュー、３，２、ｐ５１〜５６（２００１．６） 横河技報、６０，１，ｐ４３〜４７（２０１７） ＥＥＴｉｍｅｓ ２０１９年９月３日ニュース

本発明は、上述の背景を踏まえて、小型化と高感度化および外部磁界対策を実現するために、
第１の課題は、応力インピーダンスセンサを構成する応力インピーダンスセンサの素子（以下、ＳＩ素子という。）の長さを５．５ｍｍ以下で、好ましくは素子の長さを１．４ｍｍ以下、アモルファス磁歪ワイヤ（以下、磁歪ワイヤという。）の長さが１ｍｍ以下、ＳＩ素子の幅が０．２０ｍｍ以下で好ましくは０．１ｍｍ以下、厚みが０．２５ｍｍ以下で好ましくは０．２０ｍｍ以下と超小型化を目指すことである。
第２の課題は、感度的には微小な応力を検知するためにＳＩセンサの歪みゲージ率２０００以上を目指している。と同時に高感度と小型化を同時に改善することである。
第３の課題は、簡単に被試験体に取り付けることができるフレキシブルタイプのＳＩ素子を開発することである。
第４の課題は、ＳＩセンサへの外部磁界の影響を解消する技術を開発することである。

本発明者は、歪みゲージ率に及ぼす諸因子を鋭意研究した。
その結果、図１に示すように、磁歪ワイヤの直径（ワイヤ径と表示）を３０μｍから１０μｍに変更すると、最適周波数は、２０ＭＨｚから２００ＭＨｚに増加して、最適周波数における歪みゲージ率は、３倍程度高い歪みゲージ率を得ることおよび周波数の平方根に比例して増加することが分かった。

図２に示すように、歪みゲージ率は、磁歪ワイヤの長さＬと磁歪ワイヤの断面積Ｓとの比、つまりアスペクト比（Ｌ／Ｓ）に強く依存することを見いだした。磁歪ワイヤの直径を小さくするほど素子の長さを短くすることができることが分かった。
ＳＩ素子に磁歪ワイヤの直径３０μｍで長さ２０ｍｍの場合のゲージ率は１０００程度であるが、長さを２ｍｍと短くするとゲージ率は１００程度と激減した。他方、ＳＩ素子の磁歪ワイヤの直径１０μｍで長さ１ｍｍ、２ｍｍおよび４ｍｍとした場合、歪みゲージ率は１１００程度、２３００程度および４５００程度となった。

以上の知見を基に、本発明は、ＳＩ素子を被試験体の簡単に取り付けることができる構造を考案したものである。
フレキシブル基板上に、表面に応力検知体であるアモルファス磁歪ワイヤ（以下、磁歪ワイヤという。）と磁歪ワイヤの両端にある磁歪ワイヤ電極を備えた基板表面を被試験体の表面部に接着剤で固定して被試験体の表面応力を測定することができるＳＩ素子である。
また、本素子は、磁歪ワイヤは基板表面上の溝に沿って基板とは絶縁状態で設置され、磁歪ワイヤ径は溝に埋設されていてもいいし、その一部が溝に埋設されず基板面上に凸部を形成していてもよい。さらに基板上の溝を線状のマークとしてマーク線に沿って磁歪ワイヤを整列させ、接着剤で固定してもよい。

本素子は、フレキシブル基板に形成されているので、被試験体の表面に接着剤で容易に固定できる。磁歪ワイヤに生じたインピーダンスの変化は、磁歪ワイヤ電極を通じて外部の電子回路で計測することができる。配線経路はすべて絶縁を確保している。

本素子の製造方法について述べる。
所定の大きさのフレキシブル基板上に、表面側には縦と横に本素子のサイズを考慮して多数の素子の配線パターンを形成する。表面側にレジストを塗り、そこに磁歪ワイヤを整列させるためのガイド溝を形成し、キュア処理をして固化する。その後、溝に沿って磁歪ワイヤを整列させ、樹脂で固定する。樹脂は磁歪ワイヤを完全に覆って絶縁を確保する。最後に個片化して使用する。磁歪ワイヤは溝に埋設されてもいいし、その一部がはみ出してもいい。さらには、溝を単なる整列線として、磁歪ワイヤを基板面上に整列させてもよい。
また、裏面側は、素子の数だけの出力電極を取り付け、表面の磁歪ワイヤ電極とビアホールで連結する。裏面側の出力電極から外部の電子回路と接続することもできる。

本素子は、カテーテルなど医療機器の先端部に小さな探触子にかかる応力を測定する場合、例えば直径０．３ｍｍの探触子にかかる応力を探触子の４面にＳＩ素子を設置して計測する場合には、素子の長さが２．０ｍｍ以下、幅が０．２ｍｍ以下、厚みが０．１５ｍｍ以下のサイズを持つＳＩ素子が望ましい。

フレキシブル基板の厚みは、磁歪ワイヤは、直径１８μｍ以下と非常に小さいので、０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍと薄くすることができ、その結果ＳＩ素子全体の厚みは厚み０．０５〜０．２５ｍｍとすることができる。電極は直径０．０４〜０．１０ｍｍ程度が望ましい。これは、電極パッドの径が小さいほど好ましいが、小さいほど信号配線上の電極との接合が難しくなるためである。

本素子は、磁歪ワイヤが直径５〜１８μｍのガラス被覆付きのアモルファスからなり、磁歪ワイヤ電極は磁歪ワイヤ上面のガラス被覆を除去し金属蒸着膜で磁歪ワイヤ電極を形成し、それと表面の電極端子とを連結しているＳＩ素子である。
ガラス被覆付きワイヤは、被試験体に固定した時、絶縁確保が確実で短絡する恐れがない。しかし、電極端子部はワイヤの上面側のガラスを除去し、そこに金属蒸着膜でワイヤ表面にワイヤ端子を形成すると同時に電極端子と連結することが必要である。
ガラス被覆されていない裸体のアモルファス磁歪ワイヤも適用できるが、絶縁性を確保するために、樹脂コーティングまたはフレキシブル基板に取り付けた後で樹脂コーティングする必要がある。

さらに、外部磁界が地磁気よりも２倍以上大きい場合、ＳＩ素子は、応力と同時に無視できない大きさの磁界の影響を検知することになる。磁歪ワイヤを取り囲むように四角環の形状で厚さ２μｍ〜１０μｍ程度の磁性薄膜を素子基板面上に配置することによって、磁気シールドして外部磁界の影響を取り除くことができることを見出した。磁性薄膜の材質は、パーマロイなどシールド機能を有するならば材質は問わない。
より優れた磁気シールドを実現するためには、磁歪ワイヤを四角環および四角環に類似の楕円環に加えて上下左右から取り囲む包袋状にすることも可能であるが、経済性を考慮した場合、四角環の磁性薄膜が最適である。

次に、ＳＩ素子を用いる応力インピーダンスセンサ（以下、ＳＩセンサという。）を考案した。
ＳＩセンサは、応力の負荷状態を計測する被試験体とそれに張り付けられた磁歪ワイヤと磁歪ワイヤに高周波電流またはパルス電流を通電する発振回路部と被試験体に負荷された応力に依存して変化する磁歪ワイヤのインピーダンスを検知する信号処理回路部とを備え、上記の新知見を基に、応力検知部である磁歪ワイヤは、直径１８μ以下、長さを５ｍｍ以下として、しかも磁性ワイヤに通電する高周波電流またはパルス電流の周波数１００〜５００ＭＨｚ、電流の強さは５０ｍＡ以上とすることによって、歪量に比例した出力電圧を出力することが可能で、２０００以上のゲージ率を確保できる。

ＳＩセンサの回路としては、高周波電流の場合には素子の信号をインピーダンスアナライザ回路で測定する回路（特許文献１）を採用する場合や、パルス電流の場合にはワイヤが発するパルス信号波形のピーク値をサンプルホールドする回路（特許文献１）などが広く使用されているが、本発明の回路として、それらいずれの回路を使うことができる。
しかし、２００ＭＨｚと高い周波数を使用するので、消費電力を考慮して、図３の電子回路に示すように、パルス電流を使用した方が好ましい。

電子回路（図３）はパルス発振器、磁歪ワイヤを使った素子、高速電子スイッチ、ピークホールド回路、および増幅器からなる。磁歪ワイヤのインピーダンス変化量に対応したパルス波形電圧のピーク電圧を、高速電子スイッチを検波して、その電圧をピークホールド回路でホールドし、増幅器で出力電圧として求める。サンプルホールドにあたってはパルス信号波形のピーク値を高速スイッチで開閉時間をできるだけ短くして、好ましくは０．２ｎ秒以下として、ピーク電圧を検波する。
本素子と上記電子回路を組み合わせたＳＩセンサは、２０００以上の歪みゲージ率を有する。

応力インピーダンスセンサ素子および応力インピーダンスセンサは、小型かつ高感度にて、簡単に被試験体に取り付けることが可能である。しかも、通常の半導体歪みゲージに比べて、歪みゲージ率は４０倍程度も高い２０００以上の歪みゲージ率を有しており、微小な歪みまたは応力を検知することを可能にしたもので、医療機器の分野での応用が期待される。

歪みゲージ率に及ぼす周波数の影響を示す図である。 歪みゲージ率に及ぼすアスペクト比Ｌ／Ｓの影響を示す図である。 本発明の電子回路の図である。 本発明のＳＩ素子を示す平面図である。 本発明のＳＩ素子をＡ１−Ａ２線の断面図である。 本発明の２本の磁歪ワイヤを用いるＳＩ素子の平面図である。 本発明のパーマロイによる磁気シールドしているＳＩ素子の平面図である。 本発明のパーマロイによる磁気シールドしているＳＩ素子のＢ１−Ｂ２線の断面図である。 本発明のパーマロイによる磁気シールドしているＳＩ素子のＣ１−Ｃ２線の断面図である。

本発明の応力インピーダンス素子は、フレキシブル基板と、前記フレキシブル基板に配置されたアモルファス磁歪ワイヤと、２個のアモルファス磁歪ワイヤ電極とを備え、フレキシブル基板は、長さ０．６〜５.５ｍｍからなり、アモルファス磁歪ワイヤは、直径が５〜１８μｍ、長さが０．５〜５．０ｍｍからなる。
また、好ましくは、アモルファス基板に形成されている溝に配置され、絶縁性樹脂により被覆されている。

アモルファス磁歪ワイヤ（以下、磁歪ワイヤという。）に生じたインピーダンスの変化は、磁歪ワイヤの両端にある磁歪ワイヤ電極からのリード線により外部の電子回路にて測定することができる。
また、ＳＩ素子は柔軟性を有するフレキシブル基板から構成されているので、被試験体の表面の形状にかかわらず接着剤で容易に固定できる。さらに、応力検知体である磁歪ワイヤはＳＩ素子の表面に配置されているので直接被試験体に接触して被試験体の歪みを直接磁歪ワイヤの歪みに変換することができる。

以下、詳細に説明する。
＜アモルファス磁歪ワイヤ＞
微小な応力を検知するために可能な限り磁歪ワイヤの直径（断面積Ｓ）は小さいほど歪みゲージ率が高くなることから、５〜１８μｍとする。磁歪ワイヤの長さ（Ｌ）は、０．０５〜５ｍｍとして素子の小型化を図る。
アスペクト比Ｌ／Ｓは、図１から大きいほど歪みゲージ率は大きくなるので、具体的な用途に応じて磁歪ワイヤの直径と長さを決めることである。
材質は、Ｃｏ系アモルファス磁歪ワイヤ、Ｆｅ系アモルファス磁歪ワイヤでもよい。
また、アモルファス磁歪ワイヤは直径５〜１８μｍのガラス被覆付きまたは樹脂コーティングされた、あるいは裸体のアモルファス磁歪ワイヤが適用できる。

また、磁歪ワイヤは、溝に配置されて絶縁性を有する樹脂で被覆されている。
基板に絶縁性能がない場合若しくは不十分な場合には、磁歪ワイヤを溝に配置する前に基板の溝に絶縁材料を塗布・蒸着等により絶縁性を確保することが必要である。
また、基板の表面に絶縁性を有するレジスト層を設け、基板と一体化しているレジスト層に溝を設けて磁歪ワイヤを配置してもよい。
溝内に磁歪ワイヤを配置した後、溝を樹脂で埋めると共に磁歪ワイヤの周囲も樹脂で被覆される。
なお、配線経路は全て絶縁されている。

＜ＳＩ素子の構造＞
ＳＩ素子の構造の例を図４に示す。
図４に示すＳＩ素子１は、基板１１上に設けられている溝１２に磁歪ワイヤ１３が配置され、磁歪ワイヤ１３の両端の磁歪ワイヤ端子１４から接続配線１５を経由して磁歪ワイヤ電極１６１、１６２へと接続されている。図５は、図４のＡ１−Ａ２線の断面図である。
このＳＩ素子１は、基板１１の上にレジスト層１１Ｒを設けている基板で、レジスト層１１Ｒに溝１２が設置されている。
また、磁歪ワイヤ１３を２本用いるＳＩ素子１Ａを図６に示す。磁歪ワイヤ１３の長さを短くして２本用いることにより、ＳＩ素子１Ａの小型化を図りながら、磁歪ワイヤ１３の長い１本の場合と同じ感度が得られる。

＜フレキシブル基板＞
応力検知体である磁歪ワイヤおよび磁歪ワイヤ電極を配置する基板は、応力の負荷状態を測定する被試験体に貼りつけられたアモルファス磁歪ワイヤが微小な応力を検知できるように柔軟性を有するフレキシブル基板からなる。
また、フレキシブル基板に磁歪ワイヤが配置されているので基板表面を被試験体の表面形状に応じて柔軟かつ容易に接着剤で固定できる。被試験体が平坦な面からなるのみでなく、円柱の丸みを帯びているＲ面には最適である。

＜磁歪ワイヤ電極＞
磁歪ワイヤに生じたインピーダンスの変化量を磁歪ワイヤから、磁歪ワイヤの両端に形成した磁歪ワイヤ電極から直接配線（リード線）により外部の電子回路に伝えている。よって、２個の磁歪ワイヤ電極からなる。
また、図４および図５に例示するように、磁歪ワイヤの両端に磁歪ワイヤ端子を設け、必要に応じて接続配線を介して、磁歪ワイヤ電極を設けて磁歪ワイヤ電極からの配線により外部の電子回路に伝えてもよい。よって、２個の磁歪ワイヤ端子と２個の磁歪ワイヤ電極からなり、必要に応じて磁歪ワイヤ端子と磁歪ワイヤ電極とを接続する２個または３個の接続配線からなる。

電極の大きさは０．０４ｍｍ×０．０４ｍｍ〜０．１ｍｍ×０．１ｍｍまたは０．０４φｍｍ〜０．１φｍｍが好ましい。これは、電極パッドの大きさは小さいほど好ましいが、小さいほど信号配線上の電極との接合が難しくなるためである。

ガラス被覆付きのアモルファス磁歪ワイヤの場合には、磁歪ワイヤの両端は磁歪ワイヤの上面のガラス被覆を除去して金属蒸着膜で磁歪ワイヤ端子を形成し、磁歪ワイヤ端子と磁歪ワイヤ電極とを接続する。
ガラス被覆付きの磁歪ワイヤは、溝に配置したときや被試験体に固定したときなどに絶縁性の確保を確実にできるので短絡の恐れが無い。

＜フレキシブル基板と磁性ワイヤとの配置関係＞
フレキシブル基板の上に磁歪ワイヤを配置するための溝（ガイド溝）を形成し、その溝に磁歪ワイヤを配置し、樹脂により接着する。これにより、磁歪ワイヤは基板に確実に固定できる。
基板の上（基板表面）に溝形成ができる程度の絶縁性のレジスト層を設けて、そのレジスト層に溝を形成してもよい。レジスト被覆基板となり、広い意味での基板である。
溝の深さと磁歪ワイヤとの関係は、磁歪ワイヤの直径の上部が基板表面と同じか溝内に埋もれている場合、あるいは磁歪ワイヤの直径の一部が基板表面より凸部を形成してもよい。磁歪ワイヤの直径の一部が溝からはみ出して凸部を形成することにより、被試験体と磁歪ワイヤとの接触がより緊密にすることができる。
磁歪ワイヤの上部あるいは凸部は絶縁性樹脂を被覆する。基板表面を被試験体の表面部に接着剤で固定する際の絶縁性を確保するためである。

＜素子のサイズ＞
ＳＩ素子のサイズは、長さ０．６〜５．５ｍｍ、幅０．０５〜０．２５ｍｍ、厚み０．０５〜０．２５ｍｍである。小型の素子が得られる。
好ましくは、長さ０．６〜１．２ｍｍ、幅０．０５〜０．２０ｍｍ、厚み０．０５〜０．１５ｍｍである。これにより、これにより、カテーテル先端の直径０．３ｍｍのワイヤにかかる応力を測定することができる。

＜磁性薄膜＞
磁歪ワイヤを取り囲む磁性薄膜の形状は、四角環形状あるいはリング状でその環の幅は２０μｍ〜５０μｍ、厚さ２μｍ〜２０μｍ程度の磁性薄膜により取り囲まれており、磁気シールド機能を有する。磁性薄膜の材質は、パーマロイなどシールド機能を有するならば材質は問わない。より優れた磁気シールドを実現するためには、磁歪ワイヤを四角環に加えて上下左右から取り囲む包袋状にすることも可能であるが、経済性を考慮した場合、四角環磁性薄膜が最適である。

本発明の応力インピーダンスセンサは、応力インピーダンスセンサ素子と電子回路とからなり、
応力インピーダンスセンサ素子は、上記説明したＳＩ素子を用いて、電子回路は、アモルファス磁歪ワイヤに周波数が１００〜５００ＭＨｚの高周波電流またはパルス電流を通電するパルス発振器と、高速電子スイッチ、ピークホールド回路および増幅器を備えている。電子回路は、アモルファス磁歪ワイヤのインピーダンス変化量に対応したパルス波形電圧のピーク電圧を高速電子スイッチにより０．２ｎ秒以下の開閉時間で検波している。

＜電子回路＞
電子回路は、パルス発振器、高速電子スイッチ、ピークホールド回路および増幅器からなる。
はじめに、パルス発振器から通電する高周波電流またはパルス電流の周波数は１００〜５００ＭＨｚである。磁性ワイヤを５〜１８μｍと細径化する場合には高周波とすることにより、歪みゲージ率を改善することができるからである。

ＳＩセンサの電子回路としては、高周波電流の場合には素子の信号をインピーダンスアナライザ回路で測定する回路（特許文献１）を使用し、パルス電流の場合には磁性ワイヤが発信するパルス信号波形のピーク値をサンプルホールドする回路（特許文献２）などが知られているが、どちらも本発明の電子回路として使用することもできる。
しかし、１００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚの高周波を使用するので、消費電力を考慮するとパルス電流を使用した方が好ましい。
電子回路（図３）はパルス発振器、アモルファス磁歪ワイヤを使った素子、高速電子スイッチ、ピークホールド回路、および増幅器からなる。磁歪ワイヤのインピーダンス変化量に対応したパルス波形電圧のピーク電圧を、高速電子スイッチを検波して、その電圧をピークホールド回路でホールドし、増幅器で出力電圧として求める。サンプルホールドにあたってはパルス信号波形のピーク値を高速スイッチで開閉時間をできるだけ短くして、好ましくは０．２ｎ秒以下として、ピーク電圧を検波することが好ましい。

＜ＳＩセンサと被試験体＞
本ＳＩセンサのＳＩ素子は、柔軟性を有するフレキシブル基板に配置されているので、被試験体の表面に接着剤で容易に固定できる。また、応力検知体である磁歪ワイヤはＳＩ素子の表面に配置されているので直接被試験体に接触して被試験体の歪を磁性ワイヤの歪に変換することができる。
磁歪ワイヤに生じたインピーダンスの変化は、磁歪ワイヤ電極を通じて外部の電子回路で測定することができる。

応力検知体であるアモルファス磁歪ワイヤのアスペクト比（長さ０．５〜５．０ｍｍのＬと直径５〜１８μｍのＳからなるＬ／Ｓ）と周波数１００〜５００ＭＨｚとを適切に組合せることによって、２０００以上の高い歪みゲージ率が得られる。

本発明により、応力インピーダンスセンサの小型化と高感度化が得られるとともに被試験体の任意の表面に接触して貼り付けられて被試験体の歪みを直接磁歪ワイヤの歪みに変換して正確な歪みを測定できる。
以上の構成を持つ本ＳＩセンサは、磁性ワイヤの歪量に比例した出力電圧を出力することが可能となり、小型で、かつゲージ率が２０００以上の高性能なセンサである。さらに従来のＳＩセンサの欠点であった外部磁界の影響を取り除いた信頼性の高いセンサである。

以下、実施例について図面を参照して説明する。
［実施例１］
実施例１は、応力インピーダンスセンサ素子について、図７〜９により説明する。
図７は平面図を、図８は図７のＢ１−Ｂ２線における断面図を、図９は図７のＣ１−Ｃ２線の断面図をそれぞれ示す。

長さ５．２５ｍｍの基板１１上に、長さは５．００ｍｍ、幅は０．２０ｍｍで厚みは１０μｍのレジスト層１１Ｒが形成されている。
レジスト層１１Ｒには幅２０μｍ、深さ８μｍの溝１２が形成されて直径１０μｍ、長さ４．６ｍｍの磁歪ワイヤ１３が配置されている。磁歪ワイヤ１３は溝１２に樹脂１７により固定されるとともに絶縁されている。
磁歪ワイヤ１３の両端にはそれぞれ磁歪ワイヤ端子１４が配置され、それぞれ接続配線１５を介して基板１１の一端部（図７の右側端部）にある磁歪ワイヤ出力電極１６１、磁歪ワイヤＧＮＤ電極にそれぞれ接続されている。

磁歪ワイヤ１３の周囲は、磁歪ワイヤ１３の磁歪ワイヤ端子１４とともに幅２０μｍの四角環のパーマロイ１１Ｐで磁気シールドされている。パーマロイ１１Ｐの厚みは、接続配線１４と交差する四角環の一辺（図７のＢ１−Ｂ２線の辺）が２０μｍ、他の３辺は２０μｍである。
ここで、ＳＩ素子１Ｂのパーマロイ１１Ｐ、磁歪ワイヤ端子１４、接続配線１５、および磁歪ワイヤ電極（１６１、１６２）などは樹脂で絶縁されている。

本ＳＩ素子１の性能は、実施例２で使用する電子回路を使って、地磁気磁界の環境下にて測定した。ＳＩ素子をカンチレバーに接着剤を固定し、そこに励磁周波数２００ＭＨｚ、電流強度８０ｍＡの高周波電流を通電し、磁歪ワイヤ両端間の電圧を測定した。カンチレバーに応力をかけて、ＳＩ素子の応力依存性を確認した。
次に外部磁界を０から３００Ｇと変えて試験を行った。その結果、応力に対応した出力を得ることができた。磁界の影響は１％以下と無視できるレベルであった。また歪みゲージ率は５２００が得られた。

他方、パーマロイによる磁気シールドを行なわなかった場合（図７にて、四角環のパーマロイ１１Ｐが無い。）には、外部磁界の増大と伴に、出力誤差が増大し、３００Ｇ で２０％／フルスケールの誤差が生じてしまっていた。さらにこの時歪みゲージ率は５００程度と大きく減少して、外部磁界の影響を大きく受けていた。

［実施例２］
実施例２の応力インピーダンスセンサは、実施例１で使用したＳＩ素子と以下の電子回路とを組み合わせたものである。

ＳＩセンサの電子回路２は、パルス発振器２１、パルス通電をＯＮ−ＯＦＦする電子スイッチ２２、ＳＩ素子２３、ＳＩ素子２３が発するパルス電圧波形のピーク値を検波するピークホールド回路２６からなる。パルス電流の場合には、磁性ワイヤが発するパルス信号波形のピーク値をサンプルホールドするピークホールド回路２６は高速電子スイッチ２４とコンデンサ２５からなっている。
パルス電流の周波数は２００ＭＨｚ、電流の強さは１００ｍＡのパルス電流を、高速電子スイッチ２２でパルス周期は１ＭＨｚに制御した。サンプルホールドにあたっては、パルス信号波形のピーク値を高速スイッチ２４で開閉時間を０．１ｎ秒として、ピーク電圧を検波することにした。
ピークホールドされた電圧は増幅器２７で増幅処理されて出力電圧として出力される。その出力電圧は被試験体にかけられた応力に比例する。

本実施例を試験体に接着して、応力を負荷して測定した結果、実施例１と同様の結果を得ることができた。

［実施例３］
実施例３は、カテーテル先端の０．３ｍｍ径のワイヤにかかる応力を図ることを目標とした応力インピーダンスセンサに関するもので、直径０．３ｍｍの被試験体にＳＩ素子を接着剤で張り付けて応力を測定した。応力検知体である磁性ワイヤは、長さ１．８ｍｍ、直径１０μｍと非常に小さく、ＳＩ素子の一層の小型化を可能にした。ＳＩ素子のサイズは、素子の長さが２．０ｍｍ、幅が０．１２ｍｍ、厚みが０．１５ｍｍである。電極のサイズは０．０４ｍｍ×０．０４ｍｍとした。
磁性ワイヤの直径を１０μｍとしたので、パルス周波数は２００ＭＨｚ、電流の強さは８０ｍＡとした。小型化したにもかかわらず、歪みゲージ率は２０５０が得られている。

以上のように、本発明のＳＩセンサは、非常に小型で高感度あるため、カテーテル等の生体内医療機器への適用に適している。

１：応力インピーダンスセンサ素子（ＳＩ素子）
１１：フレキシブル基板（基板）、１１Ｒ：レジスト層、１１Ｐ：パーマロイ、１２：溝、１３：磁歪ワイヤ、１４：磁歪ワイヤ端子、１５：接続配線、１６１：磁歪ワイヤ出力電極、１６２：磁歪ワイヤＧＮＤ電極、１７：樹脂（絶縁性樹脂）
１Ａ：ＳＩ素子（磁歪ワイヤ２本）
３１：基板、３２：溝、３３：磁歪ワイヤ、３４：磁歪ワイヤ端子、３５：接続配線、３６（３６１、３６２）：磁歪ワイヤ電極
１Ｂ：ＳＩ素子（磁性被膜あり）
３１：基板、３１Ｒ：レジスト層、３１Ｐ：パーマロイ、３２：溝、３３：磁歪ワイヤ、３４：磁歪ワイヤ端子、３５：接続配線、３６（３６１、３６２）：磁歪ワイヤ電極、
３７：樹脂
２：電子回路
２１：パルス発振器、２２：電子スイッチ、２３：ＳＩ素子、２４：高速電子スイッチ、
２５：コンデンサ、２６：ピークホールド回路、２７：増幅器
２Ａ：電子回路
２１：パルス発振器、２２（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）：電子スイッチ、２３（２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄ）：ＳＩ素子、２４（２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ）：高速電子スイッチ、２５（２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ）：コンデンサ、２６（２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄ）：ピークホールド回路、２７（２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ、２７Ｄ）：増幅器、２８（２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ、２８Ｄ）：電子スイッチ

１：応力インピーダンスセンサ素子（ＳＩ素子）
１１：フレキシブル基板（基板）、１１Ｒ：レジスト層、１１Ｐ：パーマロイ、１２：溝、１３：磁歪ワイヤ、１４：磁歪ワイヤ端子、１５：接続配線、１６１：磁歪ワイヤ出力電極、１６２：磁歪ワイヤＧＮＤ電極、１７：樹脂（絶縁性樹脂）
１Ａ：ＳＩ素子（磁歪ワイヤ２本）
３１：基板、３２：溝、３３：磁歪ワイヤ、３４：磁歪ワイヤ端子、３５：接続配線、３６（３６１、３６２）：磁歪ワイヤ電極
１Ｂ：ＳＩ素子（磁性被膜あり）
３１：基板、３１Ｒ：レジスト層、３１Ｐ：パーマロイ、３２：溝、３３：磁歪ワイヤ、３４：磁歪ワイヤ端子、３５：接続配線、３６（３６１、３６２）：磁歪ワイヤ電極、
３７：樹脂
２：電子回路
２１：パルス発振器、２２：電子スイッチ、２３：ＳＩ素子、２４：高速電子スイッチ、
２５：コンデンサ、２６：ピークホールド回路、２７：増幅器

また、非特許文献１によるとワイヤ径３０μｍ、長さ３０ｍｍで、励磁周波数を２０ＭＨｚ、電流の強さ２０ｍＡとした時に、歪みゲージ率１５２４を得ている。
非特許文献２（図２）によると、素子の長さ４ｍｍ、幅２ｍｍとして、励磁周波数を１５ＭＨｚ、電流の強さ９．５ｍＡの場合に、歪みゲージ率２０００程度を得ることができると報告している。
ＳＩセンサに匹敵する高感度歪みゲージセンサとして、非特許文献３（表１）によると、５ｍｍ角程度のスピンＭＥＭＳタイプのセンサは１０００程度である。非特許文献４によると、磁歪材料をＦｅアモルファス合金に変更してＭＥＭＳタイプで歪みゲージ率５０００を実現したとの最新の報告がなされている。

次に、ＳＩ素子を用いる応力インピーダンスセンサ（以下、ＳＩセンサという。）を考案した。
ＳＩセンサは、応力の負荷状態を計測する被試験体とそれに張り付けられた磁歪ワイヤと磁歪ワイヤに高周波電流またはパルス電流を通電する発振回路部と被試験体に負荷された応力に依存して変化する磁歪ワイヤのインピーダンスを検知する信号処理回路部とを備え、上記の新知見を基に、応力検知部である磁歪ワイヤは、直径１８μ以下、長さを５ｍｍ以下として、しかも磁歪ワイヤに通電する高周波電流またはパルス電流の周波数１００〜５００ＭＨｚ、電流の強さは５０ｍＡ以上とすることによって、歪量に比例した出力電圧を出力することが可能で、２０００以上のゲージ率を確保できる。

本発明の応力インピーダンスセンサ素子は、柔軟性を有するフレキシブル基板と、前記フレキシブル基板に配置されたアモルファス磁歪ワイヤと、２個の金属蒸着膜で形成したアモルファス磁歪ワイヤ電極とを備え、フレキシブル基板は、長さ０．６〜５.５ｍｍからなり、アモルファス磁歪ワイヤは、直径が５〜１８μｍ、長さが０．５〜５．０ｍｍからなる。
また、好ましくは、アモルファス基板に形成されている溝に配置され、絶縁性樹脂により被覆されている。

＜素子のサイズ＞
ＳＩ素子のサイズは、長さ０．６〜５．５ｍｍ、幅０．０５〜０．２５ｍｍ、厚み０．０５〜０．２５ｍｍである。小型の素子が得られる。
好ましくは、長さ０．６〜１．２ｍｍ、幅０．０５〜０．２０ｍｍ、厚み０．０５〜０．１５ｍｍである。これにより、カテーテル先端の直径０．３ｍｍのワイヤにかかる応力を測定することができる。

＜ＳＩセンサと被試験体＞
本ＳＩセンサのＳＩ素子は、柔軟性を有するフレキシブル基板に配置されているので、被試験体の表面に接着剤で容易に固定できる。また、応力検知体である磁歪ワイヤはＳＩ素子の表面に配置されているので直接被試験体に接触して被試験体の歪を磁歪ワイヤの歪に変換することができる。
磁歪ワイヤに生じたインピーダンスの変化は、磁歪ワイヤ電極を通じて外部の電子回路で測定することができる。

本発明により、応力インピーダンスセンサの小型化と高感度化が得られるとともに被試験体の任意の表面に接触して貼り付けられて被試験体の歪みを直接磁歪ワイヤの歪みに変換して正確な歪みを測定できる。
以上の構成を持つ本ＳＩセンサは、磁性ワイヤの歪量に比例した出力電圧を出力することが可能となり、小型で、かつ歪みゲージ率が２０００以上の高性能なセンサである。さらに従来のＳＩセンサの欠点であった外部磁界の影響を取り除いた信頼性の高いセンサである。

［実施例３］
実施例３は、カテーテル先端の０．３ｍｍ径のワイヤにかかる応力を図ることを目標とした応力インピーダンスセンサに関するもので、直径０．３ｍｍの被試験体にＳＩ素子を接着剤で張り付けて応力を測定した。応力検知体である磁歪ワイヤは、長さ１．８ｍｍ、直径１０μｍと非常に小さく、ＳＩ素子の一層の小型化を可能にした。ＳＩ素子のサイズは、素子の長さが２．０ｍｍ、幅が０．１２ｍｍ、厚みが０．１５ｍｍである。電極のサイズは０．０４ｍｍ×０．０４ｍｍとした。
磁歪ワイヤの直径を１０μｍとしたので、パルス周波数は２００ＭＨｚ、電流の強さは８０ｍＡとした。小型化したにもかかわらず、歪みゲージ率は２０５０が得られている。

Claims (8)

1. フレキシブル基板と、前記フレキシブル基板に配置されたアモルファス磁歪ワイヤと、２個のアモルファス磁歪ワイヤ電極とからなる応力インピーダンスセンサ素子において、
   前記フレキシブル基板は、長さ０．６〜５.５ｍｍからなり、
   前記アモルファス磁歪ワイヤは、直径が５〜１８μｍ、長さが０．５〜５．０ｍｍからなることを特徴とする応力インピーダンスセンサ素子。
2. 応力インピーダンスセンサ素子と電子回路とからなる応力インピーダンスセンサにおいて、
   前記応力インピーダンスセンサ素子は、長さ０．６〜５.５ｍｍからなるフレキシブル基板、前記フレキシブル基板に形成されている溝に配置された直径が５〜１８μｍにて長さが０．５〜５．０ｍｍからなりかつ絶縁性樹脂で被覆されているアモルファス磁歪ワイヤおよび２個のアモルファス磁歪ワイヤ電極を備えてなり、
   前記電子回路は、前記アモルファス磁歪ワイヤに周波数が１００〜５００ＭＨｚの高周波電流またはパルス電流を通電するパルス発振器と、高速電子スイッチ、ピークホールド回路および増幅器を備えていることを特徴とする応力インピーダンスセンサ。
3. 請求項２において、
   前記アモルファス磁歪ワイヤは、前記基板に形成されている溝に配置され、絶縁性樹脂で被覆されていることを特徴とする応力インピーダンスセンサ。
4. 請求項２または３において、
   前記アモルファス磁歪ワイヤは、前記アモルファス磁歪ワイヤの直径の一部が前記溝に埋設されずに基板表面上に凸部に形成していることを特徴とする応力インピーダンスセンサ。
5. 請求項２〜４のいずれか一項において。
   前記アモルファス磁歪ワイヤは、直径５〜１８μｍのガラス被覆付きのアモルファス磁歪ワイヤからなり、前記アモルファス磁歪ワイヤの両端は前記アモルファス磁歪ワイヤの上面の前記ガラス被覆を除去して金属蒸着膜でアモルファス磁歪ワイヤ端子を形成し、前記アモルファス磁歪ワイヤ端子と前記アモルファス磁歪ワイヤ電極とを接続することを特徴とする応力インピーダンスセンサ。
6. 請求項２〜５のいずれか一項において、
   前記アモルファス磁歪ワイヤは、四角環あるいは楕円環の磁性薄膜により取り囲まれていることを特徴とする応力インピーダンスセンサ。
7. 請求項２〜６のいずれか一項において、
   前記応力インピーダンスセンサ素子は、長さ０．６〜５．５ｍｍ、幅０．０５〜０．２５ｍｍ、
   厚み０．０５〜０．２５ｍｍであることを特徴とする応力インピーダンセンサ。
8. 請求項２〜７のいずれか一項において、
   前記電子回路は、前記アモルファス磁歪ワイヤのインピーダンス変化量に対応したパルス波形電圧のピーク電圧を前記高速電子スイッチにより０．２ｎ秒以下の開閉時間で検波することを特徴とする応力インピーダンスセンサ。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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