JP5054102B2 - 少なくとも１つの力成分を検出する力センサおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文による細長い装置の先端において適用されることが好ましい力センサと、請求項１３の前文による力およびその有効な方向を測定する方法と、に関する。

本発明の適用の特定の事例は、カテーテル技術に関し、それは、身体開口部を通して有機体内に少なくとも部分的に挿入される細長い装置によって定義される。これら細長い装置は、主に、特に人間の身体に対する最小侵襲性手術および診断において使用される。細長い装置の侵入中、一般に治療中の医師が手動で操作する細長い装置の身体に近接する先端により、いかなる脈管も損傷しないために、医師は、必ず、細長い装置のハンドルにおいてその医師に伝達される力により自分の位置を確認する。カテーテルまたはガイドワイヤが身体内に侵入する過程において継続的に増大する摩擦および挿入されたカテーテル／ガイドワイヤ質量のために、ハンドルにおいて治療中の医師に伝達される力は、実質的に、実際にカテーテル／ガイドワイヤ先端において発生している力に関する有用な情報を提供しない。治療中の医師がカテーテルのハンドルに正しい作動力を伝達することができるためには、カテーテル／ガイドワイヤの操作に極めて広範囲に亙る豊富な経験が必要である。

独国特許出願公開第１０３ ０３ ２７０ Ａ１号明細書は、挿入中にカテーテル先端に作用する力が測定されるカテーテル構成を開示している。対応する力は、触覚ハンドルを介して触覚的に医師に伝達される。これにより、特に経験豊富でない医師の場合に、たとえば血管接合部または心臓中隔の穴を見つけることが容易になり、装置の直観的な操作に対する基礎が形成される。触角力プレストレスを生成する役割を果たし先端の力を表す測定変数を使用する、電気力学的駆動装置が、独国特許第１０３ １９ ０８１号明細書から既知である。そこに提示されている発明は、細長い装置の先端における力測定および測定信号の評価を可能にし、それは、独国特許出願公開第１０３ ０３ ２７０ Ａ１号明細書からの発明を実施するために必要である。

米国特許第６，２２１，０２３Ｂ１号明細書によれば、カテーテルの先端に、抵抗機能動作に基づく力センサが設けられる。センサ内に導入される力は、抵抗ブリッジ回路によって捕捉される。このセンサの構造では、部品が多数であるために多額の費用が必要である。関連する製造コストおよび組立コストにより、既知のセンサは、特にカテーテルの場合使い捨て可能な特性であることが好ましいため適当でなくなる。さらに、測定素子の主な接触接続のための領域は、カテーテルの長手方向に対して垂直に具現化され、したがって、接触接続のための領域は、細長い装置の直径によって制限される。したがって、かつ部品の数が多いため、特に３ｍｍ未満のカテーテル直径を下回る力センサの小型化を、極めて多額な構造上の費用をかけなければ実現することができない。寸法が大きいため、センサがカテーテル管を先端において完全に閉鎖することが推測され得る。しかしながら、これは、器具および流体が中を通って身体内に導入されるカテーテル管の機能が、もはや都合よく提供されないことを意味する。寸法が大きいこと、部品の数が多いこと、および長手方向に対して垂直に向けられた接触領域を通る不都合なワイヤ案内により、センサを、カテーテル挿入に必要な大幅に薄いガイドワイヤ内に組み込むことができない。

特開平０６−１９００５０号公報は、カテーテルの外壁に装着するとができる触覚センサについて述べている。非常に薄いシリコンウェハからこのセンサを製作することが提案されている。しかしながら、非常に薄い素子は、発生するおよそ３００ｍＮの力を捕捉することができない。より厚く安定したシリコンウェハの使用は、装置に組み込むために必要なより厚いウェハの屈曲により材料がばらばらになるため、不可能である。

「Ｂｅｃｃａｉ Ｌ他：補綴用途のシリコンベース３軸力センサ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｂａｓｅｄ ｔｈｒｅｅ ａｘｉａｌ Ｆｏｒｃｅ Ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ Ｐｒｏｓｔｈｅｔｉｃ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）、センサおよびマイクロシステム、第７回イタリア会議の議事録、２００２（Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ７ｔｈ Ｉｔａｌｉａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ２００２）」は、義足に組み込まれるように意図される力センサを提示している。力ベクトルを、力を方向および振幅に関して測定することによって確定することができる。力を測定するために抵抗素子が使用されるが、それはホイートストンブリッジを形成するように接続されていない。しかしながら、細長い装置に組み込むために、ブリッジ相互接続は追求されるべきであり、それによって、信号を、長く薄いリードのリード抵抗とは実質的に無関係に伝送することができるため、高い測定精度を得ることができる。厳密に身体内に挿入される長い装置の場合、測定信号は本来、リードの温度に、したがって装置の挿入長さによって決まる。素子の製作には、両面に対する費用のかかる多段ドライエッチング工程が必要である。しかしながら、測定素子はさらに、測定梁（ビーム）が撓み得るように特別な相手材（ｃｏｕｎｔｅｒ−ｂｏｄｙ）に亙って取り付けられなければならない。したがって、センサは、互いに正確に接続されなければならない少なくとも２つの部品を備える。構造に従うと、メサと呼ばれる露出した力ピックアップは大きい長さ、すなわちおよそ出発材料の厚さに対応する長さを有する。したがって、このセンサは、基本的に常に、長手方向に作用する力に比較して横方向力に対し、測定感度は何倍か高いが、同時に非常に壊れ易い。特に装置の長手方向における力を測定することか、または異なる力成分に対するバランスのとれた感度を得ることが望ましいため、それは好ましくない。測定素子は、長手方向に対して垂直な電気接触面を有し、そのため、接触接続領域が取付領域の直径に制限され、それによって接触接続がより困難になる。測定素子は、ガイドワイヤに対しておよそ１ｍｍという広い直径を有し、そのため、ガイドワイヤに組み込むことは不可能である。

これにより、カテーテルに組み込む触覚センサの従来技術は、小型化、高安定性、簡単な製作および低コストに関する要件を満たさないことが分かる。

本発明の目的は、上述した汎用タイプの力センサであって、簡単に構成されかつ１つの部品からなり、直径が３ｍｍ未満、特に０．３３ｍｍ径（１フレンチ）である細長い装置に組み込むことができ、その細長い装置に対し長手方向に少なくとも部分的に作用する力を検出することができる、力センサを明示することである。さらに、目的は、ガイドワイヤ先端に存在する力ベクトルを検出し、すなわち、３つの独立した方向において力の大きさを確定して、力依存トルクを使用者に伝達することを可能にし、好ましくは力の作用する方向に関して推断を可能にし、そのため力を大きさおよび方向に従って確定することを可能にすることである。

この目的は、請求項１の特徴を有する力センサによって達成される。有利な構成は従属項において特徴付けられている。

したがって、本発明によるセンサは、細長い装置、特にカテーテルまたはガイドワイヤ等の細長い医療機器に作用する力を検出するように設計され、その力は、細長い装置の長手方向に無視できないほどの力成分を有することが可能である。本発明によるセンサは力ピックアップを有し、そこで、検出される力の少なくとも実質的な部分を、細長い装置を介してまたはセンサに直接向けられるように導入することができる。センサは、本発明により、細長い装置に装着することができ、特にすでに既存の細長い装置に後付することができるように、構成されることが意図されている。本発明によれば、センサは少なくとも１つの端面を有し、それは、センサの断面積に関して無視できないほどの面積サイズを有し、特に特別な方法で細長い装置の長手方向に力成分を有する力の結合を可能にする。力センサの単純な小型化により、さらに、遠位カテーテル開口の閉鎖およびガイドワイヤへの特に重要かつ要求の厳しい組込みなしに、カテーテル壁に力センサを組み込むことが可能になる。構造上の特徴および信号を取得する方法の特定の適用により、振幅に関して、さらには有効な方向に関して、細長い装置に対する力を確定することができる。

本発明によるセンサにより、上述した既知の力センサに比較して以下の利点が提供される。
−本発明によるセンサは、３ｍｍ未満、特に０．３３ｍｍ（１フレンチ）の横方向の大きさすなわち直径を有する細長い装置に、力センサシステムを組み込む可能性を提供し、
−本発明によるセンサは、単一部品からなり、部品の数がわずかであることおよびウェハ組立における製造技術のために大量生産に対し著しく適している。製造コストが非常に低く、センサ素子自体に対する取付コストが不要になり、細長い装置への取付が簡単であり、
−特定の構造および関連する高い機械的剛性により、非常に単純で薄く費用効率のよいハウジングが可能となり、そのため、医療技術における衛生に対する厳しい要件を容易に満足し、
−本発明によるセンサにより、ピエゾ抵抗効果原理の好ましい使用のために、費用効率のよい外部評価電子ユニットを使用して、非常に正確な力の大きさおよび力の方向の測定値を得ることができ、
−基本材料として好ましくはシリコンを使用することができるため、本発明によるセンサにより極めて正確な測定を行うことができ、それにより、力荷重および解放時に、出力信号が特定の程度まで存在する力を再現し、
−目下利用可能な技術を使用して、本発明によるセンサを、０．３ｍｍという必要な横方向寸法をはるかに下回って小型化することも可能であり、
−本発明によるセンサに簡単な方法で追加の電子機器をモノリシックに組み込むことができ、それにより、信号伝送の妨害する影響、特に必要な電源ラインの数もまた最低限まで低減することができる。すでに存在する細長い装置の構成要素を、電力伝送および信号伝送に使用することができ、それにより、センサ組込みによる装置全体のコストは、非常にわずかにしか増大しない。

本発明によるセンサは、力をリアルタイムに、特に連続して大きさおよび／または有効な方向に従って検出することができる。特に、本発明によるセンサは、主に細長い装置の長手方向において力を検出するように設計される。

本発明によるセンサは、少なくとも１つの横方向切込みを含む基礎要素から構成される。基体の非対称性が、上記切込みによってもたらされ、それにより、細長い装置の長手方向における力荷重時に測定素子の撓みがもたらされる。上記撓みにより機械的応力が発生し、それは、応力感応抵抗器および歪み感応抵抗器によって切込みに近接して検出されることが好ましい。このように、これら測定抵抗器の変化により、比例する割合で存在する力が再現される。軸方向における力の結合は、測定素子の同じ厚さを有する領域において、測定素子の長さに亙って一定の応力状態を発生させ、力の横方向結合からもたらされる機械的応力は、測定素子の位置に大きく依存する。測定される各力成分に対して少なくとも１つの抵抗器を組み込むことにより、軸方向力に加えて完全な力ベクトルを確定することも可能である。これに対する方法について説明する。

すべての実施形態を、微細製造方法、好ましくはシリコンのバルク微細加工の方法によって製作することができる。この場合、シリコンウェハは、抵抗器がシリコンにドーパントを導入することによって製作されるようにパターニングされ、それら抵抗器は、機械的応力によって抵抗の大きさが変化する。これら抵抗器は、シリコンウェハとドーパントの効果との間の電気的効果により所望の領域においてのみ導電的に接続され、それ以外では、ｐｎ接合の形成により選択された製作により互いにから絶縁される。製作がより簡単であるため、これら抵抗器は、同様に以下に想定するように、概して、シリコンウェハの窪みではなく測定素子の上側に導入される。しかしながら、抵抗器が、たとえば薄膜レジストを使用するパターニングにより、切込みの屈曲板の背面に導入される場合、本発明によるセンサにおいて測定感度の向上を達成することができる。微細パターニングの方法により、極めて大量のセンサを同時にウェハに製作することが可能になり、これにより非常に費用効率のよい測定素子が可能となる。本明細書で述べる製造方法はすべて、従来技術、たとえば圧力センサおよび力センサの製作において確立される。

小型化ピエゾ抵抗測定素子としての実施形態のほかに、たとえば基材として金属を使用して、巨視的に提示される測定素子を構成し、応力および／または歪み測定に歪みゲージを使用することも概して可能である。ドーピングによって導入される抵抗器を適用する代りに、たとえば厚膜技術または薄膜技術を使用して、異なる構成の応力依存抵抗器または歪み依存抵抗器を適用することも可能である。

下に示すシリコンからなる単結晶基体を用いる異なる変形は、種々の製作方法に対する好ましい変形を構成する。

第１実施形態は、基体の切込みのパターニングを、たとえばＫＯＨを用いてシリコンの湿式化学エッチングの容易に利用可能な技術によって製作することができるという事実により、特徴付けられる。この技術は、低資本支出という特徴を有し、それにより、中規模の会社も採用することができる。製作を、膜厚さがエッチング時間によって確定する標準圧力センサの場合に採用されるような方法で行うことができる。エピタキシャル層における電気化学エッチングストップを用いる製作方法もまた、非常にわずかな名目力に対する力測定素子に対し可能である。

さらなる実施形態では、基体の切込みは、ウェハの背面からのドライエッチングによって製作される。急峻なエッチング縁のアスペクト比が高いことにより、切欠きを上板の非常に近く配置し、これにより測定素子により軸方向の力を非常に高感度で測定することが可能となるが、横方向力Ｆ_ｘおよびＦ_ｙに対しては感度を低くすることができる。この製作の変形において、切欠きの位置により異なる力方向に対し測定素子の感度を設定することも可能である。これは、３次元力測定に対する特に強力なセンサの基礎を形成する。切欠きを上板の近くに配置することにより、基体の剛性がさらに増大し、それにより、プラスチックによる充填の場合にハウジングの影響が低減し、さらに特に動的な測定が可能になる。

さらなる実施形態では、基体の切込みは、ウェハの背面からのソーイングによって製作される。ソーイングの代りに、切削、研磨、侵食および穴あけ方法等、別の微細加工方法を使用することも可能である。しかしながら、ソーイングは、一般にウェハからパターニングされた測定素子をシンギュレートする（ｓｉｎｇｕｌａｔｅ）ためにも使用されるため、製作に対し非常に好都合な方法である。したがって、測定素子のシンギュレーションおよび測定素子の製作を、好ましくはウェハの背面から、同じ工程によって実質的に同時に行うことができる。測定素子を、このように、２つのマスクステップのみで、すなわちドーピングと導体トラックパターニングとに対し、かつエッチング技術なしに、極めて単純かつ費用効率よく製作することができる。さらに、切込みの実質的に垂直な縁を製作することができる。したがって、ドライエッチングの適用の場合と同様に、切込みを、基体の上板の近くに導入することができる。これにより、横方向力成分の方が測定結果に対する影響が小さいため、測定素子の機能性が向上する。さらに、ウェハの背面におけるエッチングマスクのパターニングを不要にすることができるため、切込みのパターニングにおいて複数の工程ステップが不要となる。これらステップは、特に、複数のクリーニングステップ、エッチングマスクの塗布およびパターニング、エッチング等である。本方法を、ウェハソーイングによって行うことができる。測定素子の安定性を向上させるために、後に、微小割れを低減するために簡単な化学エッチングステップを行うことができるが、これには背面をマスクする必要はない。この場合、さらに、測定素子の外縁を丸めることも可能であり、ソーイング工程のあり得る公差を非常に正確かつ簡単に補償することも可能である。したがって、本実施形態により、工程ステップが低減しかつ非常に費用効率のよい製作技術を使用して、ドライエッチングによって製作される先の変形の利点すべてが提供される。説明したステップの処理順序を、使用される装置に従って特定の制限内で変更することができる。

さらなる実施形態では、非対称性をもたらす切欠きは、ウェハの背面の直線切込みのみでなく、たとえばウェハの背面またはウェハの正面の穴あけまたは特別なエッチング穴によっても製作される。これにより、測定素子のより高い非対称性がもたらされる。その結果、測定効果がさらに向上する。

さらなる実施形態は、圧力測定技術において標準として使用される測定素子の処理によってもたらされる。圧力センサの場合、測定抵抗器の下方の基体の薄化が、エッチング工程によって達成される。これら測定素子は常に、安定した縁構造を有する。この縁構造をたとえばソーイングまたはエッチングによって除去することにより、圧力測定素子のこの構造を、本発明による構造にすることができる。

最後に、本発明は、細長い装置に作用する力の大きさを確定する方法に関する。この方法のさらなる実施形態により、特に力を大きさおよび方向に従って確定することができる。

センサを、たとえばガイドワイヤの先端で使用することができるが、カテーテルの任意の所望の位置で使用することも可能である。

本発明のさらなる利点、特徴および特性は、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態の以下の説明から明らかとなろう。

第１実施形態における本発明によるセンサであって、一方の面に、たとえばシリコンにおける異方性湿式化学エッチングによって製作することができるような切込みを含む、センサの基本概略図を示す。 抵抗器、導体トラックおよび接続接点等、電気機能素子の例示を含む、図１ａと同様の基本概略図を示す。 一方の面に、たとえばウェハの背面からのドライエッチングによって製作することができるような切込みを含む、基体の基本概略図を示す。 一方の面に、たとえばソーイングによって製作することができるような切込みを含む、基体の基本概略図を示す。 ２つ以上の面に、たとえば２つ以上の面にエッチングまたは穴あけによって製作することができるような切込みを含む、基体の基本概略図を示す。 ２つの面の縁領域の分離により既知の圧力センサから製作することができるような、基体の基本概略図を示す。 設計されたセンサ素子のＣＡＤ図を示す。 ガイドワイヤに取り付けられ、かつ柔軟な生物学的適合性プラスチックによる充填または射出成形封止により収容された、設計されたセンサ素子のＣＡＤ図を示す。 動的な調和力が導入される場合のプロトタイプの信号出力の測定結果を示す。 力センサが組み込まれたカテーテルの断面の基本概略図を示す。 抵抗器の相互接続、特にフルブリッジとしての実施形態を示す。 分圧器が追加されたフルブリッジとしての一実施形態として抵抗器の相互接続を示す。 評価のために切り替えられるすべてのライン抵抗を含む、フルブリッジとしての一実施形態を含む抵抗器の相互接続を示す。

図１ａおよび図１ｂによる測定素子１００は、シリコン基体１０１を含む。基体１０１内に、切欠き１０２が形成されている。端面１０４を介して導入される力Ｆ_Ｚが、基体１０１に、基体１０１の圧縮の結果として機械的圧縮応力をもたらす。切欠き１０２によってもたらされる基体１０１の非対称実施形態により、モーメントがさらに発生し、それにより、基体１０１および屈曲板１１４の撓みが発生する。上記モーメントは、屈曲板１１４に亙って一定であり、基体１０１および屈曲板１１４に機械的引張応力を発生させる。これら引張応力は、圧縮からもたらされる圧縮応力に重ね合わさり、上記圧縮応力を過補償し、そのため、結果としての引張応力が基体１０１に、ただし主に屈曲板１１４に発生する。したがって、機械的引張応力を、ドーピングによって導入される抵抗器Ｒ_１〜Ｒ_６によって基体１０１の上側において測定することができる。力成分Ｆ_ｚを、個々の抵抗器の抵抗変化により、かつブリッジ対角線電圧により測定することができる。

横方向力作用Ｆ_ｘの場合、抵抗器Ｒ_５およびＲ_６の抵抗が変化する。力Ｆ_ｘの結果としての測定素子１０１および板１１４の横方向撓みにより、抵抗器Ｒ_４が圧縮応力を受け、抵抗器Ｒ_２が引張応力を受ける。その結果、抵抗器Ｒ_４の抵抗値が低減し、抵抗器Ｒ_２の抵抗値が増大する。したがって、力Ｆ_ｘによる測定素子１００の荷重の場合、ブリッジ対角線電圧もまた変化する。抵抗器Ｒ_２および抵抗器Ｒ_４の抵抗変化の相違を知ることにより、力成分Ｆ_ｘを確定することができる。抵抗器Ｒ_３およびＲ_１の抵抗変化は、力Ｆ_ｚによる測定素子１００の荷重の場合は小さいままである。個々の抵抗変化を測定するために、横方向力Ｆ_ｘおよびＦ_ｙもまた軸方向力Ｆ_ｚとともに測定することができる方法が提案される。

図１ａにおいて力Ｆ_ｙが径方向端面１０３を介して測定素子１００内に加えられると、基体１００のさらなる横方向撓みが発生する。力導入位置からの距離により線形に大きさが増大するモーメントが発生する。この結果、機械的引張応力が発生し、これらを、抵抗器Ｒ_１〜Ｒ_６によって測定することができる。測定素子の軸方向長さに沿った非一定モーメントプロファイルにより、抵抗器の抵抗変化が異なる。基体１０１の長さにおいて分散した少なくとも２つの点において機械的応力状態を測定することにより、モーメントプロファイルを確定することができ、これにより力Ｆ_ｙを確定することができる。例として、この目的で、抵抗器Ｒ_１および抵抗器Ｒ_３の抵抗変化の差を使用することができる。測定抵抗器が、距離Δｘにおいて軸方向に可能な限り互いから離れている場合に、より高い測定精度を得ることができる。この目的で、ブリッジ抵抗器Ｒ_１〜Ｒ_４に加えて、抵抗器Ｒ_５および抵抗器Ｒ_６が導入され、それらはここで接続されて、たとえば分圧器を形成し、必ずしも切込み１０２に近接して配置されていない。抵抗器Ｒ_５および抵抗器Ｒ_６は、力Ｆ_ｚの結果として発生する引張応力および圧縮応力がちょうど互いに補償する位置において最適に取り付けられる。別の抵抗器構成も可能である。

図２において、基体１０１の切欠き１０２は、たとえばウェハの背面からのドライエッチングステップによって、非常に高いアスペクト比での方法によって製作される。切欠き１０２の急峻なエッチング縁のアスペクト比が高いことにより、切欠き１０２を上板１０４の非常に近くに配置することが可能になり、それにより、測定素子により軸方向力Ｆ_ｚが非常に高感度に測定されるが、横方向力Ｆ_ｘおよびＦ_ｙに対する感度は低くなる。

図３によるさらなる実施形態では、基体の切込みは、基体の背面からソーイングすることによって製作される。ソーイングは、一般に、ウェハからパターニングされた測定素子をシンギュレートするために使用されるため、測定素子の製作には非常に好都合な方法である。さらに、切欠き１０２の実質的に垂直な縁を製作することができる。したがって、切欠き１０２を、基体１０１の上板のさらに近くに製作することができる。これにより、横方向モーメントの方が測定結果に対する影響が小さいため、測定素子の機能性が向上する。さらに、ウェハの背面におけるエッチングマスクのパターニングを不要にすることができるため、切込みのパターニング中における複数の工程ステップが不要になる。これらステップは、特に、複数のクリーニングステップ、エッチングマスクの塗布およびパターニング、エッチング等である。本方法を、既知のウェハソーを用いて実施することができる。測定素子の安定性を向上させるため、後に、微小割れを低減するために簡単な化学エッチングステップを行うことができ、その目的で、背面をマスクする必要はなく、上述した既知の構造エッチングステップにおけるような精度に対する厳密な要求もなされない。

図４によるさらなる実施形態では、基体の非対称性をもたらす切欠き１０２は、ウェハの背面の直線切込みのみでなく、たとえばウェハの背面からまたはウェハの正面からの穴あけまたは特別なエッチング穴によって製作される。基体１０１のさらなる非対称性がもたらされる。この結果として、測定効果がさらに向上する。

圧力測定技術における標準として使用される測定素子の再加工の結果としての図５による実施形態の結果として、機能的なプロトタイプを製作することが可能になる。ここでは、エッチング工程により、測定抵抗器の下方の基体の薄化が得られる。これら測定素子は、それらの特徴により、常に安定した縁構造を有する。これら縁領域を除去することにより、この構造を本発明による構造にすることができる。直線または傾斜側壁を有する標準圧力センサを使用することが可能である。この目的で、既存のキャリアを分離または中断させるかもしくはキャリアなしに測定素子を直接使用する必要がある。図５による構造を、２つの平行な側壁を分離するかまたは中断させることによって製作することができる。側面を、ソーイング、研削、エッチングまたは別のマイクロ技術処理方法によって分離することができる。この処理を、個々の素子に対して行うことができ、その目的のために、個々の素子は、損傷を受け安い屈曲板を損傷から保護するために屈曲板をキャリア上に置いて固定される。たとえば、固定する目的で、シアノアクリレート接着剤を使用することができる。この接着剤は、測定素子の処理後にたとえばアセトンによって剥ぎ取ることができるものである。屈曲板までの側面を、たとえばおよそ１０００の粒状化による研削方法によって除去することも可能である。連続製作のために、パネルでの製造が可能であり、その目的で標準ソーイング方法を使用することができる。

図６ａに、直径が３６０μｍのガイドワイヤに組み込むように最適化された、本発明によるセンサのＣＡＤ図を示す。

図６ｂは、ガイドワイヤの先端に組み込まれた電気的に接触接続されたセンサを示す。ここでは、ハウジングは、比較的柔軟な生物学的適合性材料、たとえばシリコーンまたはポリウレタンを用いる充填によってなされている。ハウジング材料に比較して測定素子の剛性が高いことにより、ハウジングの測定信号に対する影響が小さいことが保証される。これは、図７による収容されたプロトタイプの測定結果によって検証される。

図７は、シリコーン充填樹脂による収容後の本発明によるセンサの測定結果を示す。図は、軸方向における力Ｆ_ｚの励起時のセンサの出力信号を示す。再現可能な力の影響を識別することができる。

図８は、同様にカテーテル管にセンサを組み込む可能性を示す。カテーテル先端の断面を図示している。センサは、たとえばカテーテルの製作中に射出成形封止により、カテーテルに組み込まれる。カテーテルの遠位開口は、センサの高小型化により完全に維持されている。本発明のよる力センサは、細長い装置の遠位端に、またはさらには細長い装置の上または中の任意の所望の位置に導入されまたは装着されることが好ましい。

製作がより簡単であるため、同様に下に仮定するように、抵抗器は一般に、シリコンウェハの窪みではなく測定素子の上側に導入される。しかしながら、たとえば薄膜レジストによるパターニングにより、抵抗器が切込みの屈曲板の背面に導入される場合、本発明によるセンサにおいて測定感度の向上を達成することができる。その結果、力Ｆ_ｚによる力荷重の場合に、屈曲板の背面における基体の屈曲の結果として、正の圧縮応力が形成され、この圧縮応力は、力Ｆ_ｚの圧縮効果の正の圧縮応力に加えられる。したがって、２つが互いを支持する。

測定素子に直接評価電子ユニットを装着することも可能である。たとえば前置増幅によって増大した信号電圧を生成することにより、利益を得ることができる。その結果、信号対雑音出力比（ＳＮＲ）が向上し、したがって、分解能も向上する。信号の符号化伝送または変調伝送により、もしくは電圧比例電流変換により、一体化した電子機器の場合、リードの影響をより小さくして信号を伝送することが可能である。定電圧源を組み込むことにより、定電圧供給を具現化することが可能になり、それにより横方向力成分の分解能が、測定結果に相当な影響を与えるライン抵抗なしに向上する。さらに、一体化電子ユニットにより、抵抗器において電気的差動電圧を直接測定することが可能となり、したがって、力の方向および大きさを非常に正確に確定することが可能となる。一体化電子ユニットにより、チップに対し信号の電位整合をもたらすことができ、電気的差動電圧を個々の接地線に差し向けることが可能になる。この結果として、電気ラインを節約することができる。その結果、装置全体の組立費用、したがって製作コストが低減する。さらに、ラインの空間要件が低減し、それにより、細長い装置の直径のさらなる小型化が可能になる。測定素子に組み込まれた一次電子ユニットにおける信号の変調より、ラインの数を２つまで、特に１ラインまで低減することが可能になる。無線伝送ユニットを組み込むことにより、出力および信号の無線伝送もまた可能である。

最後に、本発明は、細長い装置に作用する力の大きさを確定する方法に関する。本方法のさらなる実施形態により、特に、力を大きさおよび方向に従って確定することが可能になる。

本発明によるセンサとともに図９〜図１１によるホイートストンブリッジ回路を使用することにより、３つの独立した力成分Ｆ_ｘ、Ｆ_ｙおよびＦ_ｚを測定することを可能にする方法について、以下説明する。図１０による一実施形態では、残りの測定不確実性をさらに低減するために、ｘ方向およびｚ方向からの力を識別する追加の分圧器を使用する。

力成分を確定する一方法の第１実施形態では、図１０における接触接続可能点２、４、５、７および８間の電流および電圧測定により、抵抗値Ｒ_１〜Ｒ_６が導出され、電源は、固定して選択される接続を介して連続的に与えられる。これにより、存在する力ベクトルを連続的に確定することができる。

センサの適用の第２実施形態では、電流源および／または電圧源ならびに測定素子の信号ラインもまた、図１１の点７〜１０間で異なる組合せにおいて電子ユニットにより交互に変更され、もしくは、信号ラインは、一定時刻に接地に対して接続される。抵抗値を、この手段により特に正確に確定することができる。それにより、力ベクトルの検出は時間離散的になり、センサ、電源ラインおよび信号ラインならびに電子ユニットを含むシステム全体の適合が、力ベクトルの準連続的表現を確実にするために適用の必要な周波数分解能に対して適合されなければならない。

本方法の基礎となる数学的関係は、使用される測定ブリッジの電力供給のタイプによって決まる。概して非常に薄いリードワイヤの長さが長いため、結果としてラインの基本抵抗が高いため、かつ使用中関連する熱抵抗が変化するため、抵抗器の電流供給が好ましい。したがって、本方法の説明のために、定電流供給を想定する。定電圧の供給も同様に可能であるが、測定抵抗器に、時間的可変電源、たとえば正弦または矩形信号および電力潮流が供給される方法を採用することも可能である。そして、専門家により、簡単な計算で関係を適合させることができる。

本発明による力センサの適用の第１実施形態の説明に対し、図９は、測定抵抗器が相互接続されてホイートストンフルブリッジを形成する場合の電気的構成を概略的に提示している。リードの抵抗がさらに含まれており、この抵抗は、外部温度影響ΔＴによって変化する。さらに、電磁干渉がラインを介して結合されている。上記干渉をΔＵで示す。出力電圧は、通常高インピーダンスで測定され、その理由で、ライン抵抗を第１事例では出力電圧に対して無視することができ、図示していない。

異なる力成分を、図９に示す抵抗器構成において電圧を用いて測定することができる方法について、以下に論証する。所定電流強度Ｉ_０および同じ基本抵抗Ｒ_０が与えられると、ブリッジ分岐における電流は以下のようになる。

この場合、抵抗変化は、ピエゾ抵抗効果により機械的応力に関連付けられる。以下は、図示する測定素子に対して簡単な方法で当てはまる。

ここで、Ｔ_{ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ}およびＴ_{ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ}は抵抗器の向きに関して長手方向および横方向に機械的応力を示す。π_{ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ}およびπ_{ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ}は割り当てられたピエゾ抵抗係数である。

Ｉ_２に対してＩ_１と同様に計算することができ、または、以下もまた簡単な方法で当てはまる。
Ｉ_２＝Ｉ_０−Ｉ_１ （式３）

図１０による測定ブリッジでは、ブリッジ抵抗の４つの外部接続すべての間の電圧を、これら電流によって確定することができる。点２および点４におけるブリッジ対角線電圧に対し、基本抵抗に対する小さい抵抗変化の二次成分を無視して、以下の関係になる。

点２と点４との間の電圧Ｕ_２，４は、軸方向測定素子方向における機械的応力の測度であり、主に力Ｆ_ｚおよびＦ_ｙの結果として確立される。機械的応力の部分がＦ_ｙの部分から既知である場合、Ｆ_ｚにおける部分したがってＦ_ｚ自体もまた確定することができる。

さらに、点４と点８との間の電圧および点２と点７との間の電圧もまた得られる。それらは以下のようになる。

電子ユニットにおいて２つの電圧Ｕ_４，８とＵ_２，７との間の差を形成することにより、基本抵抗Ｒ_０および対称的なライン抵抗Ｒ_Ｌの結果として発生する２つの電圧のオフセット部分、および電磁干渉における結合を除去することが可能である。これにより、主に、Ｒ_１およびＲ_３の抵抗変化の差がもたらされる。この差動電圧は、ｙ軸の周囲に存在するモーメントの測度であり、したがってそこから確定することができる力Ｆ_ｙの測度である。

このため、力Ｆ_ｙは既知であり、ブリッジ対角線電圧から得られる信号を、Ｆ_ｙの影響の部分だけ低減することができ、それによりＦ_ｚの影響が主にもたらされ、したがってＦ_ｚもまた既知となる。

横方向に配置された抵抗器に対して同様の式を公式化することができる。

電子ユニットにおいて２つの電圧Ｕ_４，７とＵ_２，８との差を形成することにより、この場合もまた、基本抵抗Ｒ_０および対称的なライン抵抗Ｒ_Ｌの結果として発生する２つの電圧のオフセット部分を除去することができる。力Ｆ_ｘによる測定素子の荷重の場合に発生する、抵抗Ｒ_２およびＲ_４の反対の変化の場合、電圧Ｕ_４，７とＵ_２，８との間の差が増大し、それにより力Ｆ_ｘを確定することができる。

ピエゾ抵抗結合式を使用する結果として、３つの電圧Ｕ_４，６、Ｕ_４，２およびＵ_２，７は、センサジオメトリにより３つの力Ｆ_ｘ、Ｆ_ｙおよびＦ_ｚによって影響を受ける３つの独立した式を形成する。これら式を、分析的計算によるのみでなく、ピエゾ抵抗効果および電気結合を考慮するＦＥＭシミュレーションによっても確定することができ、または現実のセンサにおいて測定により確定することができる。３つの独立した電圧が測定されるため、線形方程式系を、Ｆ_ｘ、Ｆ_ｙおよびＦ_ｚを独立して確定することができるような電圧の加算および乗算によって解くことができる。したがって、３つの力成分は、方向および振幅に関して測定可能である。したがって、実際の実装では、個々の力成分Ｆ_ｘ、Ｆ_ｙおよびＦ_ｚを、たとえばアナログ加算器および増幅器によりまたは別法としてデジタル式に抽出することができる。

複数の力成分を測定する上述した測定方法は、ホイートストンブリッジを用いて変更なしにかつ追加のラインの使用なしに可能である。ブリッジ対角線電圧Ｕ_２，４によって与えられる主成分Ｆ_ｚに対する分解能は低下しない。力成分Ｆ_ｘによってもたらされる機械的垂線応力間の十分に大きい差を検出するために、ここにある特定の事例における抵抗器Ｒ_１およびＲ_３が、対応する距離Δｚに配置されることを確実にするように、注意がなされるべきである。

ｙ方向からの力に対する分解能を、測定素子において図１１による距離Δｚに追加の抵抗器配置を設けることにより向上させることができる。図１１において、これは、たとえば、図１ｂにおいて抵抗器Ｒ_５およびＲ_６によって現実の測定素子において表されるようなピエゾ抵抗抵抗器を含む追加の分圧器である。そして、力成分Ｆ_ｙを、距離Δｚがより大きくかつ分圧器の感度がより高いためにより正確に分解することができる。例として、図１１の点４および点５における電圧の差をこの目的に使用することができるが、電圧の他の組合せもまた可能である。

ブリッジの電圧供給に対して同様の関係を見つけることができ、分圧器規則は、単に、関連式を確定するために採用される。そして、横方向力成分Ｆ_ｙおよびＦ_ｘに対してより高い伝達係数が予期されるべきであるが、ライン抵抗におけるブリッジ対角線電圧の依存性もまた予期されるべきである。

個々の抵抗器の抵抗変化に関するさらなる情報を、ブリッジ回路の内部抵抗を測定することによって導出することができる。この目的で、既知の抵抗器を信号ラインの外部接続に設けることができ、これにより、信号ラインを介して電流の流れを故意に可能にすることができる。この電流は、４つの抵抗器すべてとブリッジに平行な外部抵抗器とに依存する。一定のまたは時間的に可変の外部抵抗値により評価回路を具現化することができる。外部抵抗器の代りに、ブリッジ対角線電圧の電位により内部抵抗を確定するために、ブリッジに荷重する電流源を信号ラインにおいて使用することも可能である。

抵抗変化に関するさらなる情報を、さらなる境界状態、たとえば機械的荷重による一定の全ブリッジ抵抗の想定を用いて導出することができる。

力センサの適用のさらなる実施形態では、図９によるブリッジ回路のラインを、外部電子ユニットにより単に時系列に個々に接続するか、または電源ラインおよび信号ラインを動作中に定期的にまたは確率的に入れ替えることも可能である。それにより、異なる力方向に対する異なる感度を得ることができる。そして、信号ラインのライン抵抗もまた、考慮されなければならない。それは、一定時刻においてそれらは電源ラインを表し電流を搬送するためである。完全な等価回路図を図１１に示す。作用は単純である。例として、ライン抵抗に加えられる全ブリッジ抵抗を、図１１における点７および点８における接続を介して確定することができる。点１０と点９との間の時間的にずれた抵抗測定により、概して点７と点８との間の先に測定された抵抗に対応しないさらなる全抵抗を確定することができる。２つの全抵抗を、ブリッジ抵抗の数学的関数によって記述することができる。これら式は、抵抗変化および力成分の独立した線形結合を表す。個々の抵抗の変化を、点７から点１０の間において同様にさらなる測定によって計算することができる。

さらに、図１１における隣接する接続間の抵抗を確定することも可能であり、それにより、測定抵抗は、ライン抵抗に加えられる残りの抵抗とともに、直接存在する抵抗の平行相互接続に対応する。

評価回路を用いて、信号ラインを接地に対して切り替えることにより、抵抗器の短絡をもたらすことも可能であり、抵抗器は一方の側が接地に接続される。これを、たとえば、供給電圧が図１１による点８において永久的に存在し、接地電位が点７において永久的に存在するように行うことができる。点９および点１０を接地電位に一時的に接続し、同時に点９および点１０を通る電流の流れを測定することにより、抵抗値Ｒ_２およびＲ_３を確定することができる。ブリッジの標準機能を、スイッチを開くことによって再確立することができる。たとえば点７と点１０との間および点７と点４との間の電圧を測定することにより、残りの抵抗値Ｒ_１およびＲ_４を確定することができる。これにより、４つの抵抗すべての値が既知となる。測定精度を向上させるために、たとえば点１０と点８との間、かつ点９と点８との間のさらなる測定を行うことができ、それにより、特にライン抵抗Ｒ_Ｌがラインのすべてにおいて同じ値を有する時、ライン抵抗の影響を低減することができる。

個々の抵抗器の抵抗変化を、開ブリッジを使用する場合に特に簡単かつ正確に確定することができる。これを、ライン抵抗Ｒ_Ｌが低い時、特に有利に採用することができる。それは、ライン抵抗のために、本来はブリッジ相互接続の非対称性がもたらされるためである。さらに、開ブリッジとしての実施形態では、少なくとも１つのさらなるリードが組み込まれるべきである。

専門家は、電圧と電流との関係を指定し、個々の抵抗器の抵抗変化を導出するために使用することができる回路構造に対し種々のオプションのうちの１つの設計することが容易に可能である。このように、本発明による力センサと組み合わせて、独立した力成分を測定することができ、それにより力ベクトルを確定することができる。

１００ 力ピックアップ
１０１ 基体
１０２ たとえば湿式化学エッチングによって製作される切込み
１０３ａ ｘ方向における径方向端面
１０３ｂ ｙ方向における径方向端面
１０４ 端面／軸方向力結合
１０５ａ 横方向取付領域
１０５ｂ 電気的接触領域および取付領域
α 切込み（１０２）の側壁の切込みの垂直領域に対する角度
Ｒ_１ フルブリッジの下部横方向抵抗器
Ｒ_２ フルブリッジの右手長手方向抵抗器
Ｒ_３ フルブリッジの上部横方向抵抗器
Ｒ_４ フルブリッジの左手長手方向抵抗器
Ｒ_５ 追加のハーブブリッジの長手方向抵抗器
Ｒ_６ 追加のハーブブリッジの横方向抵抗器
Ｒ_Ｌ ライン抵抗
１１２ 抵抗器を接続する導体トラック
１１３ 電気接点
１１４ 屈曲板
１１５ 電源ラインおよび信号ライン
１１６ ガイドワイヤばね
５００ 力センサが組み込まれたカテーテル管
５０１ カテーテルの外側スリーブ
５０２ カテーテルの遠位端
５０３ カテーテル先端において力を捕捉する力センサ
５０４ カテーテルの任意の所望の位置において力を捕捉する力センサ
Ｆ 概して力
Ｆ_ｚ ｚ方向における力の成分、細長い装置に対して正面に、軸方向に作用する力成分
Ｆ_ｘ ｘ方向における力の成分、細長い装置に対し横方向に、径方向に作用する力成分
Ｆ_ｙ ｙ方向における力の成分、細長い装置に対し横方向に、径方向に作用する力成分

Claims (16)

1. 細長い装置の長手方向に作用する力（Ｆ _ｚ ）及び少なくとも１つの横方向に作用する力成分を検出する力センサであり、端面（１０４）を有する基体（１０１）と、応力および／または歪み感応抵抗器（Ｒ_１〜Ｒ_６）と、センサ（１００）を前記細長い装置に取り付ける接続（１１３）と、を備える、力を検出するための力センサであって、
   前記基体（１０１）が、軸方向からの力荷重（Ｆ_ｚ）及び横方向からの力荷重により前記基体の撓みをもたらす、前記基体の非対称性をもたらす少なくとも１つの切込み（１０２）を有し、
   前記端面（１０４）が、前記切込み（１０２）の領域における前記基体（１０１）の断面積より著しく大きいが、前記基体の残りの断面より著しく小さくはない表面積を有し、
   電気接続領域（１０５）が、前記細長い装置の前記軸方向に対して非垂直に取り付けられることを特徴とする力センサ。
2. 前記切込み（１０２）の角度αが３０°〜１５０°であることを特徴とする、請求項１に記載の力センサ。
3. 前記切込み（１０２）が２つ以上の面から製作され、これにより、前記基体の前記長手方向軸に対する大きい非対称性がもたらされることを特徴とする、請求項１に記載の力センサ。
4. 前記端面（１０４）が平面にまたは円形にもしくは任意の所望の形状で構成されるか、または軸方向に先端が設けられることを特徴とする、請求項１に記載の力センサ。
5. 前記抵抗器が、板の上側かまたは板の下側に設けられることを特徴とする、請求項１に記載の力センサ。
6. 少なくとも１つの抵抗器が、各力成分が測定されるように組み込まれることを特徴とする、請求項５に記載の力センサ。
7. 少なくとも１つのさらなる抵抗器または抵抗器構成が設けられ、それにより、抵抗変化の差から力成分Ｆ_ｚおよびＦ_ｘを確定することができることを特徴とする、請求項６に記載の力センサ。
8. 少なくともブリッジ抵抗器が増大した距離に設けられ、それにより前記力成分Ｆ_ｚおよびＦ_ｘの影響を、抵抗変化の差から高い精度で分離することができることを特徴とする、請求項７に記載の力センサ。
9. 前記追加の抵抗器構成が、少なくとも１つの抵抗器または抵抗器構成により前記力成分Ｆ_ｚに対し最小測定信号がもたらされる位置に設けられることを特徴とする、請求項８に記載の力センサ。
10. 前記抵抗器が少なくとも部分的に接続されることによりホイートストンブリッジ回路が形成されることを特徴とする、請求項５に記載の力センサ。
11. 信号処理および／または電力供給および／またはデータ伝送のための電子ユニットが測定素子に組み込まれることを特徴とする、請求項１に記載の力センサ。
12. ホイートストンブリッジ構成を使用して力ベクトルを大きさおよび方向とともに確定する請求項１〜１１のいずれか一項に記載の力センサを使用する方法であって、
    前記個々の抵抗の変化もまた、ブリッジ対角線電圧とともに確定されることを特徴とする、力センサを使用する方法。
13. 前記力センサの測定結果を向上させるために、全ブリッジ抵抗が測定され、機械的応力の評価に影響を与えることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 前記力成分を確定するために、前記ブリッジ対角線電圧とともに、前記力ベクトルを確定するために前記ブリッジ回路のアクセス可能接点間の電気的差動電圧とライン電流とが使用され、前記力ベクトルが連続して確定されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
15. 前記力成分を確定するために、個々の抵抗器の抵抗が前記抵抗器の時間的可変相互接続／接触接続によってもたらされ、かつ／または、前記抵抗器のこの時間的可変相互接続／接触接続が定期的にまたはランダムにかつ自動的に行われ、かつ／または、前記抵抗器の異なる相互接続が、外部二次電子ユニットにおいてまたは測定素子に組み込まれたスイッチまたは変調器によって切り替えることによって行われ、かつ／または、特に、電源用ラインおよび信号ラインが、時間に依存して交換されるかまたは自由に構成されることが可能であることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
16. 前記力成分を確定するために、データが変調、多重化または他の符号化方法で伝送され、かつ／または、前記抵抗器に一定振幅または特定周波数の電流または電圧が供給され、かつ／または、信号処理が、アナログ式にかつ／またはデジタル式に外部で行われ、または任意にチップに組み込まれることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。