JP6830585B1 - Stress impedance sensor element and stress impedance sensor - Google Patents

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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1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a stress impedance sensor element and a stress impedance sensor which have a strain gauge portion which can be easily attached to a minute object to be tested and have high sensitivity and small size. SOLUTION: The strain gauge ratio of the stress impedance sensor can be secured at 2000 or more by increasing the diameter of the magnetostrictive wire of the stress impedance sensor element to 5 to 18 μm and increasing the pulse frequency to 100 to 500 MHz. The length of the SI element is 0.06 to 5.5 mm, and a small stress impedance sensor having an excellent strain gauge ratio can be obtained. [Selection diagram] Fig. 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。 The present invention relates to a stress impedance sensor element and a stress impedance sensor that detect ultra-weak stress of ultra-small size.

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。 The stress impedance sensor (hereinafter referred to as SI sensor) is disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2. Here, the stress impedance is a phenomenon in which the impedance of a magnetostrictive wire changes according to the amount of strain when strain is applied to an amorphous magnetostrictive wire (hereinafter referred to as a magnetostrictive wire), and a large impedance change occurs with a slight strain. High-sensitivity strain gauges have been developed.

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。 The sensitivity evaluation of the SI sensor is evaluated by the strain gauge ratio G. It can be calculated with G = (dR / R) / (dL / L). L is the length of the stress detector, dL is the elongation, R is the electrical resistance of the detector, and dR is the amount of change in electrical resistance. The strain gauge ratio of a commercially available metal foil strain gauge is about 2, and the strain gauge ratio of a semiconductor strain gauge having high detection power is about 50 to 200.

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。
In Patent Document 1 (Example 1), the magnetostrictive wire as a stress detector is a ferromagnetic linear metal body of an amorphous Fe-based alloy, having a diameter of 125 μm and a length of 200 mm (distance between terminals 150 mm). A distortion gauge ratio of about 63 is obtained at an excitation frequency of 10 MHz.
On the other hand, in Patent Document 2 (Example 1), the magnetostrictive wire, which is a stress detector, is a negative magnetostrictive Co-based amorphous wire, having a diameter of 30 μm, a length of 20 mm, an excitation frequency of 20 MHz, and a strain gauge ratio of 1286. Has been obtained. This is 6.5 times higher than the semiconductor strain gauge.

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。
Further, according to Non-Patent Document 1 , a strain gauge ratio of 1524 is obtained when the wire diameter is 30 μm, the length is 30 mm , the excitation frequency is 20 MHz, and the current strength is 20 mA.
According to Non-Patent Document 2 (FIG. 2), it is reported that a strain gauge ratio of about 2000 can be obtained when the element length is 4 mm and the width is 2 mm, the excitation frequency is 15 MHz, and the current strength is 9.5 mA. ing.
According to Non-Patent Document 3 (Table 1), as a high-sensitivity strain gauge sensor comparable to an SI sensor, there are about 1000 spin MEMS type sensors having a size of about 5 mm square. According to Non-Patent Document 4, the latest report is made that the magnetostrictive material is changed to Fe amorphous alloy to realize a strain gauge ratio of 5000 in the MEMS type.

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。
Among these, the present invention focuses on a stress impedance sensor having excellent sensitivity and suitable for miniaturization, and preferably has a length of 5 mm or less used for an in-vivo medical device such as a catheter using a stress impedance sensor element. Aims at the development of an ultra-compact and highly sensitive stress sensor of 1 mm or less. However, it is difficult to attach the magnetic wire of the existing product to the test piece of the SI sensor, and it has not been put into practical use. Furthermore, if the length of the element is shortened, the strain gauge ratio will decrease, so it is necessary to develop a new technology to achieve both miniaturization and high sensitivity.
In addition, the detector of the SI sensor is affected by the external magnetic field as well as the stress. When the external magnetic field is small, the effect is negligible. However, when the external magnetic field is larger than the geomagnetism, the SI sensor cannot ignore the influence of the external magnetic field. Therefore, it is necessary to develop a technology for magnetic shield as well as a technology for achieving both miniaturization and a high strain gauge ratio.

特開平8−128904Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-128904 特開平10−170355JP-A-10-170355

沈麗萍他:日本応用磁気学会22、677〜680(1998)Shinrei 萍 et al .: Japan Society for Applied Magnetics 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)Hideya Yamadera et al .: Toyota Central R & D Labs. R & D Review, 3, 2, p51-56 (2001.6) 横河技報、60,1,p43〜47(2017)Yokogawa Technical Report, 60, 1, p43-47 (2017) EETimes 2019年9月3日ニュースEE Times September 3, 2019 News

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。
Based on the above background, the present invention has been made in order to realize miniaturization, high sensitivity, and measures against external magnetic fields.
The first problem is that the length of the stress impedance sensor element (hereinafter referred to as SI element) constituting the stress impedance sensor is 5.5 mm or less, preferably the element length is 1.4 mm or less, and the amorphous magnetostrictive wire. (Hereinafter referred to as magnetostrictive wire), the length is 1 mm or less, the width of the SI element is 0.20 mm or less, preferably 0.1 mm or less, and the thickness is 0.25 mm or less, preferably 0.20 mm or less. It is to aim.
The second problem is to aim for a strain gauge ratio of 2000 or more for the SI sensor in order to detect minute stresses in terms of sensitivity. At the same time, it is to improve high sensitivity and miniaturization at the same time.
The third problem is to develop a flexible type SI element that can be easily attached to the test piece.
The fourth issue is to develop a technique for eliminating the influence of the external magnetic field on the SI sensor.

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。
The present inventor has diligently studied various factors affecting the strain gauge ratio.
As a result, as shown in FIG. 1, when the diameter of the magnetostrictive wire (denoted as wire diameter) is changed from 30 μm to 10 μm, the optimum frequency increases from 20 MHz to 200 MHz, and the strain gauge ratio at the optimum frequency is tripled. It was found that a reasonably high strain gauge factor was obtained and that it increased in proportion to the square root of the frequency.

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。
As shown in FIG. 2, it was found that the strain gauge ratio strongly depends on the ratio of the length L of the magnetostrictive wire to the cross-sectional area S of the magnetostrictive wire, that is, the aspect ratio (L / S). It was found that the smaller the diameter of the magnetostrictive wire, the shorter the length of the element.
When the diameter of the magnetostrictive wire is 30 μm and the length is 20 mm for the SI element, the gauge ratio is about 1000, but when the length is shortened to 2 mm, the gauge ratio is drastically reduced to about 100. On the other hand, when the diameter of the magnetostrictive wire of the SI element was 10 μm and the lengths were 1 mm, 2 mm and 4 mm, the strain gauge ratio was about 1100, about 2300 and about 4500.

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。
Based on the above findings, the present invention has devised a structure in which the SI element can be easily attached to the test piece.
On a flexible substrate, a substrate surface provided with an amorphous magnetostrictive wire (hereinafter referred to as a magnetostrictive wire) which is a stress detector and magnetostrictive wire electrodes at both ends of the magnetostrictive wire is fixed to the surface of the test piece with an adhesive. This is an SI element capable of measuring the surface stress of the test piece.
Further, in this element, the magnetostrictive wire is installed along the groove on the surface of the substrate in an insulated state from the substrate, and the magnetostrictive wire diameter may be embedded in the groove, or a part thereof is not embedded in the groove and the substrate is not embedded. A convex portion may be formed on the surface. Further, the magnetostrictive wires may be aligned along the mark lines with the grooves on the substrate as linear marks and fixed with an adhesive.

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。 Since this element is formed on a flexible substrate, it can be easily fixed to the surface of the test object with an adhesive. The change in impedance generated in the magnetostrictive wire can be measured by an external electronic circuit through the magnetostrictive wire electrode. All wiring paths are insulated.

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。
The manufacturing method of this device will be described.
Wiring patterns of a large number of elements are formed on the surface side of a flexible substrate having a predetermined size in consideration of the size of the element in the vertical and horizontal directions. A resist is applied to the surface side, a guide groove for aligning the magnetostrictive wire is formed therein, and a curing treatment is performed to solidify. After that, the magnetostrictive wires are aligned along the grooves and fixed with resin. The resin completely covers the magnetostrictive wire to ensure insulation. Finally, it is separated and used. The magnetostrictive wire may be embedded in the groove, or a part of the magnetostrictive wire may protrude. Further, the magnetostrictive wire may be aligned on the substrate surface by using the groove as a simple alignment line.
Further, on the back surface side, as many output electrodes as the number of elements are attached, and they are connected to the magnetostrictive wire electrodes on the front surface by via holes. It is also possible to connect to an external electronic circuit from the output electrode on the back surface side.

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。 When measuring the stress applied to a small probe on the tip of a medical device such as a catheter, for example, the stress applied to a probe with a diameter of 0.3 mm is measured by installing SI elements on the four surfaces of the probe. When measuring, an SI element having a size of 2.0 mm or less in length, 0.2 mm or less in width, and 0.15 mm or less in thickness is desirable.

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。 Since the magnetostrictive wire has a very small diameter of 18 μm or less, the thickness of the flexible substrate can be reduced to 0.05 mm to 0.15 mm, and as a result, the thickness of the entire SI element is 0.05 to 0.25 mm. can do. The electrode preferably has a diameter of about 0.04 to 0.10 mm. This is because the smaller the diameter of the electrode pad, the more preferable, but the smaller the diameter, the more difficult it is to join the electrode on the signal wiring.

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。
In this element, the magnetic strain wire is made of an amorphous material with a glass coating having a diameter of 5 to 18 μm, and the magnetic strain wire electrode removes the glass coating on the upper surface of the magnetic strain wire to form a magnetic strain wire electrode with a metal vapor deposition film. It is an SI element which connects.
When the glass-coated wire is fixed to the test piece, the insulation is ensured and there is no risk of short circuit. However, it is necessary to remove the glass on the upper surface side of the wire from the electrode terminal portion, form the wire terminal on the wire surface with a metal vapor deposition film, and at the same time connect the wire terminal to the electrode terminal.
Nude amorphous magnetostrictive wires that are not glass-coated can also be applied, but they must be resin-coated or resin-coated after being attached to a flexible substrate to ensure insulation.

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。
Further, when the external magnetic field is more than twice as large as the geomagnetism, the SI element detects the influence of the magnetic field having a magnitude that cannot be ignored at the same time as the stress. It has been found that by arranging a magnetic thin film having a shape of a square ring and having a thickness of about 2 μm to 10 μm on the surface of the device substrate so as to surround the magnetostrictive wire, it is possible to magnetically shield and remove the influence of an external magnetic field. The material of the magnetic thin film may be any material as long as it has a shielding function such as permalloy.
In order to realize a better magnetic shield, it is possible to add a magnetostrictive wire to a square ring and an elliptical ring similar to a square ring, and to make it into a wrapping shape that surrounds it from the top, bottom, left, and right. , A square ring magnetic thin film is most suitable.

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。
Next, a stress impedance sensor using an SI element (hereinafter referred to as an SI sensor) was devised.
The SI sensor changes depending on the test piece that measures the stress load state, the magnetostrictive wire and the magnetostrictive wire attached to it, and the oscillation circuit that applies a high-frequency current or pulse current to the magnetostrictive wire and the stress applied to the test piece. The magnetostrictive wire is equipped with a signal processing circuit unit that detects the impedance of the magnetostrictive wire, and based on the above new findings, the magnetostrictive wire, which is a stress detection unit, has a diameter of 18 μm or less and a length of 5 mm or less, and energizes the magnetostrictive wire . By setting the frequency of the high-frequency current or pulse current to 100 to 500 MHz and the strength of the current to 50 mA or more, it is possible to output an output voltage proportional to the amount of distortion, and a gauge ratio of 2000 or more can be secured.

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。
As the SI sensor circuit, a circuit that measures the element signal with an impedance analyzer circuit in the case of high-frequency current (Patent Document 1) is adopted, or in the case of pulse current, the peak value of the pulse signal waveform emitted by the wire. A circuit for holding a sample (Patent Document 1) and the like are widely used, and any of these circuits can be used as the circuit of the present invention.
However, since a high frequency of 200 MHz is used, it is preferable to use a pulse current as shown in the electronic circuit of FIG. 3 in consideration of power consumption.

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。
The electronic circuit (FIG. 3) consists of a pulse oscillator, an element using magnetostrictive wires, a high-speed electronic switch, a peak hold circuit, and an amplifier. The peak voltage of the pulse waveform voltage corresponding to the impedance change amount of the magnetically distorted wire is detected by a high-speed electronic switch, the voltage is held by the peak hold circuit, and the output voltage is obtained by the amplifier. In sample holding, the peak voltage of the pulse signal waveform is detected by setting the peak value of the pulse signal waveform to 0.2 nsec or less by shortening the opening / closing time as much as possible with a high-speed switch.
The SI sensor that combines this element and the electronic circuit has a strain gauge ratio of 2000 or more.

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。 The stress impedance sensor element and the stress impedance sensor can be easily attached to the test piece with a small size and high sensitivity. Moreover, the strain gauge ratio is about 40 times higher than that of a normal semiconductor strain gauge, and has a strain gauge ratio of 2000 or more, which makes it possible to detect minute strain or stress, and is a medical device. It is expected to be applied in the field of.

歪みゲージ率に及ぼす周波数の影響を示す図である。It is a figure which shows the influence of a frequency on a strain gauge ratio. 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。It is a figure which shows the influence of the aspect ratio L / S on the strain gauge ratio. 本発明の電子回路の図である。It is a figure of the electronic circuit of this invention. 本発明のSI素子を示す平面図である。It is a top view which shows the SI element of this invention. 本発明のSI素子をA1−A2線の断面図である。It is sectional drawing of A1-A2 line of the SI element of this invention. 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。It is a top view of the SI element which uses two magnetostrictive wires of this invention. 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。It is a top view of the SI element magnetically shielded by the permalloy of this invention. 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。It is sectional drawing of the B1-B2 line of the SI element magnetically shielded by the permalloy of this invention. 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。It is sectional drawing of the C1-C2 line of the SI element magnetically shielded by the permalloy of this invention.

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。
The stress impedance sensor element of the present invention includes a flexible substrate having flexibility, an amorphous magnetostrictive wire arranged on the flexible substrate, and an amorphous magnetostrictive wire electrode formed of two metal vapor deposition films . The length is 0.6 to 5.5 mm, and the amorphous magnetostrictive wire has a diameter of 5 to 18 μm and a length of 0.5 to 5.0 mm.
Further, it is preferably arranged in a groove formed in the amorphous substrate and covered with an insulating resin.

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。
The change in impedance generated in the amorphous magnetostrictive wire (hereinafter referred to as the magnetostrictive wire) can be measured by an external electronic circuit by the lead wires from the magnetostrictive wire electrodes at both ends of the magnetostrictive wire.
Further, since the SI element is composed of a flexible substrate having flexibility, it can be easily fixed with an adhesive regardless of the shape of the surface of the test object. Further, since the magnetostrictive wire, which is a stress detector, is arranged on the surface of the SI element, it can directly contact the test piece and directly convert the strain of the test piece into the strain of the magnetostrictive wire.

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。
The details will be described below.
<Amorphous magnetostrictive wire>
In order to detect minute stress, the smaller the diameter (cross-sectional area S) of the magnetostrictive wire, the higher the strain gauge ratio. Therefore, the diameter is set to 5 to 18 μm. The length (L) of the magnetostrictive wire is set to 0.05 to 5 mm to reduce the size of the element.
As the aspect ratio L / S increases from FIG. 1, the strain gauge ratio increases. Therefore, the diameter and length of the magnetostrictive wire are determined according to the specific application.
The material may be a Co-based amorphous magnetostrictive wire or an Fe-based amorphous magnetostrictive wire.
Further, as the amorphous magnetostrictive wire, a glass-coated or resin-coated or naked amorphous magnetostrictive wire having a diameter of 5 to 18 μm can be applied.

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。
Further, the magnetostrictive wire is arranged in a groove and coated with a resin having an insulating property.
If the substrate does not have or is insufficient in insulating performance, it is necessary to secure the insulating property by applying an insulating material to the groove of the substrate, vapor deposition, etc. before arranging the magnetostrictive wire in the groove.
Further, a resist layer having an insulating property may be provided on the surface of the substrate, and a groove may be provided in the resist layer integrated with the substrate to arrange the magnetostrictive wire.
After arranging the magnetostrictive wire in the groove, the groove is filled with resin and the periphery of the magnetostrictive wire is also covered with resin.
All wiring paths are insulated.

<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。
<Structure of SI element>
An example of the structure of the SI element is shown in FIG.
In the SI element 1 shown in FIG. 4, the magnetostrictive wire 13 is arranged in the groove 12 provided on the substrate 11, and the magnetostrictive wire electrode 161 from the magnetostrictive wire terminals 14 at both ends of the magnetostrictive wire 13 via the connection wiring 15. It is connected to 162. FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line A1-A2 of FIG.
The SI element 1 is a substrate in which a resist layer 11R is provided on the substrate 11, and a groove 12 is provided in the resist layer 11R.
Further, FIG. 6 shows an SI element 1A using two magnetostrictive wires 13. By shortening the length of the magnetostrictive wire 13 and using two of them, the same sensitivity as in the case of one long magnetostrictive wire 13 can be obtained while reducing the size of the SI element 1A.

<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。
<Flexible board>
The substrate on which the magnetostrictive wire and the magnetostrictive wire electrode, which are stress detectors, are arranged is a flexible substrate that has flexibility so that the amorphous magnetostrictive wire attached to the test piece for measuring the stress load state can detect minute stress. Consists of.
Further, since the magnetostrictive wire is arranged on the flexible substrate, the surface of the substrate can be flexibly and easily fixed with an adhesive according to the surface shape of the test piece. It is most suitable not only for the flat surface of the test piece, but also for the rounded R surface of a cylinder.

<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。
<Magnetorstrictive wire electrode>
The amount of change in impedance generated in the magnetostrictive wire is transmitted from the magnetostrictive wire to the external electronic circuit by direct wiring (lead wire) from the magnetostrictive wire electrodes formed at both ends of the magnetostrictive wire. Therefore, it is composed of two magnetostrictive wire electrodes.
Further, as illustrated in FIGS. 4 and 5, magnetic strain wire terminals are provided at both ends of the magnetostrictive wire, and if necessary, a magnetostrictive wire electrode is provided via a connection wiring, and external electrons are provided by wiring from the magnetostrictive wire electrode. You may tell the circuit. Therefore, it is composed of two magnetostrictive wire terminals and two magnetostrictive wire electrodes, and if necessary, two or three connecting wirings that connect the magnetostrictive wire terminals and the magnetostrictive wire electrodes.

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。 The size of the electrode is preferably 0.04 mm × 0.04 mm to 0.1 mm × 0.1 mm or 0.04 φmm to 0.1 φ mm. This is because the smaller the size of the electrode pad, the more preferable it is, but the smaller the size, the more difficult it is to join the electrode on the signal wiring.

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。
In the case of an amorphous magnetostrictive wire with a glass coating, both ends of the magnetostrictive wire are removed from the glass coating on the upper surface of the magnetostrictive wire to form a magnetostrictive wire terminal with a metal vapor deposition film, and the magnetostrictive wire terminal and the magnetostrictive wire electrode are connected. ..
The magnetostrictive wire with a glass coating can ensure insulation when it is placed in a groove or fixed to a test object, so that there is no risk of a short circuit.

<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。
<Arrangement relationship between flexible substrate and magnetic wire>
A groove (guide groove) for arranging the magnetostrictive wire is formed on the flexible substrate, the magnetostrictive wire is arranged in the groove, and the magnetostrictive wire is bonded with a resin. As a result, the magnetostrictive wire can be reliably fixed to the substrate.
An insulating resist layer capable of forming a groove may be provided on the substrate (the surface of the substrate), and a groove may be formed in the resist layer. It is a resist-coated substrate and is a substrate in a broad sense.
The relationship between the groove depth and the magnetostrictive wire is that even if the upper part of the magnetostrictive wire diameter is the same as or buried in the substrate surface, or if a part of the magnetostrictive wire diameter forms a protrusion from the substrate surface. Good. Since a part of the diameter of the magnetostrictive wire protrudes from the groove to form a convex portion, the contact between the test piece and the magnetostrictive wire can be made closer.
The upper part or the convex part of the magnetostrictive wire is coated with an insulating resin. This is to ensure the insulating property when the surface of the substrate is fixed to the surface of the test piece with an adhesive.

<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。
<Element size>
The size of the SI element is 0.6 to 5.5 mm in length, 0.05 to 0.25 mm in width, and 0.05 to 0.25 mm in thickness. A small element can be obtained.
Preferably, the length is 0.6 to 1.2 mm, the width is 0.05 to 0.20 mm, and the thickness is 0.05 to 0.15 mm. Thereby , the stress applied to the wire having a diameter of 0.3 mm at the tip of the catheter can be measured.

<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。
<Magnetic thin film>
The shape of the magnetic thin film surrounding the magnetostrictive wire is a square ring shape or a ring shape, and the ring is surrounded by a magnetic thin film having a width of 20 μm to 50 μm and a thickness of about 2 μm to 20 μm, and has a magnetic shielding function. The material of the magnetic thin film may be any material as long as it has a shielding function such as permalloy. In order to realize a better magnetic shield, it is possible to add a magnetostrictive wire to the square ring and make it into a bag shape that surrounds it from the top, bottom, left, and right, but considering economic efficiency, the square ring magnetic thin film is the most suitable. is there.

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。
The stress impedance sensor of the present invention comprises a stress impedance sensor element and an electronic circuit.
The stress impedance sensor element uses the SI element described above, and the electronic circuit includes a pulse oscillator that energizes an amorphous magnetostrictive wire with a high-frequency current or pulse current having a frequency of 100 to 500 MHz, a high-speed electronic switch, a peak hold circuit, and an amplifier. It has. The electronic circuit detects the peak voltage of the pulse waveform voltage corresponding to the impedance change amount of the amorphous magnetic strain wire by a high-speed electronic switch with an opening / closing time of 0.2 nsec or less.

<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。
<Electronic circuit>
The electronic circuit consists of a pulse oscillator, a high-speed electronic switch, a peak hold circuit and an amplifier.
First, the frequency of the high frequency current or pulse current energized from the pulse oscillator is 100 to 500 MHz. This is because when the diameter of the magnetic wire is reduced to 5 to 18 μm, the strain gauge ratio can be improved by using a high frequency.

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。
As the electronic circuit of the SI sensor, a circuit (Patent Document 1) for measuring the element signal with an impedance analyzer circuit is used in the case of high-frequency current, and the peak of the pulse signal waveform transmitted by the magnetic wire in the case of pulse current. A circuit that holds a sample of a value (Patent Document 2) and the like are known, but both can be used as the electronic circuit of the present invention.
However, since a high frequency of 100 MHz to 500 MHz is used, it is preferable to use a pulse current in consideration of power consumption.
The electronic circuit (FIG. 3) consists of a pulse oscillator, an element using an amorphous magnetostrictive wire, a high-speed electronic switch, a peak hold circuit, and an amplifier. The peak voltage of the pulse waveform voltage corresponding to the impedance change amount of the magnetically distorted wire is detected by a high-speed electronic switch, the voltage is held by the peak hold circuit, and the output voltage is obtained by the amplifier. In sample holding, it is preferable to detect the peak voltage by setting the peak value of the pulse signal waveform to 0.2 nsec or less by shortening the opening / closing time as much as possible with a high-speed switch.

<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。
<SI sensor and test object>
Since the SI element of this SI sensor is arranged on a flexible substrate having flexibility, it can be easily fixed to the surface of the test object with an adhesive. Further, since the magnetostrictive wire, which is a stress detector, is arranged on the surface of the SI element, it is possible to directly contact the test piece and convert the strain of the test piece into the strain of the magnetostrictive wire .
The change in impedance generated in the magnetostrictive wire can be measured by an external electronic circuit through the magnetostrictive wire electrode.

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。 By appropriately combining the aspect ratio of the amorphous magnetostrictive wire, which is a stress detector (L / S consisting of L having a length of 0.5 to 5.0 mm and S having a diameter of 5 to 18 μm), and a frequency of 100 to 500 MHz. A high strain gauge ratio of 2000 or more can be obtained.

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。
According to the present invention, the stress impedance sensor can be miniaturized and highly sensitive, and the strain of the subject is directly converted into the strain of the magnetostrictive wire by being attached in contact with an arbitrary surface of the subject to be accurate. Distortion can be measured.
This SI sensor having the above configuration is a high-performance sensor that can output an output voltage proportional to the amount of strain of the magnetic wire, is compact, and has a strain gauge ratio of 2000 or more. Furthermore, it is a highly reliable sensor that eliminates the influence of the external magnetic field, which has been a drawback of conventional SI sensors.

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。
Hereinafter, examples will be described with reference to the drawings.
[Example 1]
In the first embodiment, the stress impedance sensor element will be described with reference to FIGS. 7 to 9.
7 is a plan view, FIG. 8 is a sectional view taken along line B1-B2 of FIG. 7, and FIG. 9 is a sectional view taken along line C1-C2 of FIG.

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。
A resist layer 11R having a length of 5.00 mm, a width of 0.20 mm, and a thickness of 10 μm is formed on the substrate 11 having a length of 5.25 mm.
A groove 12 having a width of 20 μm and a depth of 8 μm is formed in the resist layer 11R, and a magnetostrictive wire 13 having a diameter of 10 μm and a length of 4.6 mm is arranged. The magnetostrictive wire 13 is fixed to the groove 12 by the resin 17 and is insulated.
Magnetostrictive wire terminals 14 are arranged at both ends of the magnetostrictive wire 13, and are attached to the magnetostrictive wire output electrode 161 and the magnetostrictive wire GND electrode at one end of the substrate 11 (the right end in FIG. 7) via the connection wiring 15, respectively. It is connected.

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。
The periphery of the magnetostrictive wire 13 is magnetically shielded by a square ring permalloy 11P having a width of 20 μm together with the magnetostrictive wire terminal 14 of the magnetostrictive wire 13. The thickness of the permalloy 11P is 20 μm on one side of the square ring intersecting with the connection wiring 14 (the side of the B1-B2 line in FIG. 7) and 20 μm on the other three sides.
Here, the permalloy 11P of the SI element 1B, the magnetostrictive wire terminal 14, the connecting wiring 15, the magnetostrictive wire electrodes (161 and 162) and the like are insulated with resin.

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。
The performance of the SI element 1 was measured in an environment of a geomagnetic magnetic field using the electronic circuit used in the second embodiment. An adhesive was fixed to the cantilever of the SI element, a high-frequency current having an excitation frequency of 200 MHz and a current intensity of 80 mA was applied thereto, and the voltage between both ends of the magnetostrictive wire was measured. Stress was applied to the cantilever, and the stress dependence of the SI element was confirmed.
Next, the test was conducted by changing the external magnetic field from 0 to 300 G. As a result, the output corresponding to the stress could be obtained. The effect of the magnetic field was 1% or less, which was a negligible level. Further, a strain gauge ratio of 5200 was obtained.

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。 On the other hand, when the magnetic shield by permalloy is not performed (there is no permalloy 11P of the square ring in FIG. 7), the output error increases with the increase of the external magnetic field, and 20% / full scale at 300G. There was an error in. Further, at this time, the strain gauge ratio was greatly reduced to about 500, and was greatly affected by the external magnetic field.

[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。
[Example 2]
The stress impedance sensor of the second embodiment is a combination of the SI element used in the first embodiment and the following electronic circuit.

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。
The electronic circuit 2 of the SI sensor includes a pulse oscillator 21, an electronic switch 22 that turns on and off pulse energization, an SI element 23, and a peak hold circuit 26 that detects the peak value of the pulse voltage waveform generated by the SI element 23. In the case of a pulse current, the peak hold circuit 26 that sample-holds the peak value of the pulse signal waveform emitted by the magnetic wire includes a high-speed electronic switch 24 and a capacitor 25.
The frequency of the pulse current was 200 MHz, the strength of the current was 100 mA, and the high-speed electronic switch 22 controlled the pulse period to 1 MHz. In the sample hold, the peak value of the pulse signal waveform was set to 0.1 nsec by the high-speed switch 24, and the peak voltage was detected.
The peak-held voltage is amplified by the amplifier 27 and output as an output voltage. The output voltage is proportional to the stress applied to the test piece.

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。 As a result of adhering this example to the test piece and applying stress for measurement, the same result as in Example 1 could be obtained.

[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。
[Example 3]
Example 3 relates to a stress impedance sensor that aims to apply stress to a wire having a diameter of 0.3 mm at the tip of a catheter, and applies an SI element to a test piece having a diameter of 0.3 mm by attaching an SI element with an adhesive. It was measured. The magnetostrictive wire , which is a stress detector, has a very small length of 1.8 mm and a diameter of 10 μm, which makes it possible to further reduce the size of the SI element. The size of the SI element is 2.0 mm in length, 0.12 mm in width, and 0.15 mm in thickness. The size of the electrode was 0.04 mm × 0.04 mm.
Since the diameter of the magnetostrictive wire was set to 10 μm, the pulse frequency was set to 200 MHz and the current strength was set to 80 mA. Despite the miniaturization, a strain gauge ratio of 2050 has been obtained.

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。 As described above, since the SI sensor of the present invention is extremely small and has high sensitivity, it is suitable for application to in-vivo medical devices such as catheters.

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
1: Stress impedance sensor element (SI element)
11: Flexible substrate (board), 11R: Resist layer, 11P: Permalloy, 12: Groove, 13: Magnetostrictive wire, 14: Magnetostrictive wire terminal, 15: Connection wiring, 161: Magnetostrictive wire output electrode, 162: Magnetostrictive wire GND electrode , 17: Resin (insulating resin)
1A: SI element (two magnetostrictive wires)
31: Substrate, 32: Groove, 33: Magnetostrictive wire, 34: Magnetostrictive wire terminal, 35: Connection wiring, 36 (361, 362): Magnetostrictive wire electrode
1B: SI element (with magnetic film)
31: Substrate, 31R: Resist layer, 31P: Permalloy, 32: Groove, 33: Magnetostrictive wire, 34: Magnetostrictive wire terminal, 35: Connection wiring, 36 (361, 362): Magnetostrictive wire electrode,
37: Resin 2: Electronic circuit 21: Pulse oscillator, 22: Electronic switch, 23: SI element, 24: High-speed electronic switch,
25: Capacitor, 26: Peak hold circuit, 27: Amplifier

Claims (8)

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。
In a stress impedance sensor element composed of a flexible substrate having flexibility, an amorphous magnetostrictive wire arranged on the flexible substrate, and an amorphous magnetostrictive wire electrode formed of two metal vapor deposition films .
The flexible substrate has a length of 0.6 to 5.5 mm.
The amorphous magnetostrictive wire is a stress impedance sensor element having a diameter of 5 to 18 μm and a length of 0.5 to 5.0 mm.
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からなる柔軟性を有す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個の金属蒸着膜で形成した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。
In a stress impedance sensor consisting of a stress impedance sensor element and an electronic circuit,
The stress impedance sensor element is a flexible substrate having a length of 0.6 to 5.5 mm, a diameter of 5 to 18 μm arranged in a groove formed in the flexible substrate, and a length of 0. It comprises an amorphous magnetostrictive wire made of 5 to 5.0 mm and coated with an insulating resin and an amorphous magnetostrictive wire electrode formed of two metal vapor deposition films .
The electronic circuit is a stress impedance sensor including a pulse oscillator that energizes the amorphous magnetic strain wire with a high-frequency current or a pulse current having a frequency of 100 to 500 MHz, a high-speed electronic switch, a peak hold circuit, and an amplifier.
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。
In claim 2,
A stress impedance sensor in which the amorphous magnetostrictive wire is arranged in a groove formed in the substrate and is coated with an insulating resin.
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。
In claim 2 or 3,
The amorphous magnetostrictive wire is a stress impedance sensor characterized in that a part of the diameter of the amorphous magnetostrictive wire is formed as a convex portion on the surface of a substrate without being embedded in the groove.
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。
In any one of claims 2 to 4 ,
The amorphous magnetostrictive wire is made of an amorphous magnetostrictive wire having a glass coating having a diameter of 5 to 18 μm, and both ends of the amorphous magnetostrictive wire are formed by removing the glass coating on the upper surface of the amorphous magnetostrictive wire and forming an amorphous magnetostrictive wire terminal with a metal vapor deposition film. A stress impedance sensor characterized by forming the above and connecting the amorphous magnetostrictive wire terminal and the amorphous magnetostrictive wire electrode.
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。
In any one of claims 2 to 5,
The amorphous magnetostrictive wire is a stress impedance sensor characterized in that it is surrounded by a magnetic thin film having a square ring or an elliptical ring.
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。
In any one of claims 2 to 6,
The stress impedance sensor element has a length of 0.6 to 5.5 mm and a width of 0.05 to 0.25 mm.
A stress impedance sensor having a thickness of 0.05 to 0.25 mm.
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。
































In any one of claims 2 to 7,
The electronic circuit is a stress impedance sensor characterized in that a peak voltage of a pulse waveform voltage corresponding to an impedance change amount of the amorphous magnetostrictive wire is detected by the high-speed electronic switch with an opening / closing time of 0.2 nsec or less.
































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