JP6864413B2 - Ｇｓｒセンサ素子 - Google Patents

Description

本発明は、一つのコイル内に１本の磁性ワイヤのみ有するＧＳＲセンサ素子に対して、電流の向きが反対方向からなる一対の磁性ワイヤを一つのコイル内に設置して高感度化および低消費電力化を可能とするための技術に関するものである。

カテーテル治療は広く普及しているが、Ｘ線被曝や造影剤の過度の投下や医師の熟練度の多少が問題となっている。それを解決する方策として、磁気センサをカテーテルに内蔵してカテーテル先端の位置や方位を測定し、その値を使ってリモートコントロール式のカテーテル治療の確立が望まれている。

しかし、特許文献１に開示されているＧＳＲセンサでは、直線性、感度、小型サイズおよび消費電力の点で十分ではなかった。
つまり、立上がりパルス検波を採用すると直線性に難点があり、立下りパルス検波を採用すると感度、消費電力の点で難点があり、素子のＡＳＩＣの小型化が難しかった。
また、素子のサイズを小さくすると感度が低下するので大幅な小型化は困難であった。
以上の問題の解決が求められていた。

本発明は、立上がりパルス検波の採用にもかかわらず、優れた直線性を確保して、感度および消費電力を改善するものである。また、感度を大幅に改善することで素子の小型化を可能にする。消費電力を低減することでＡＳＩＣ内のコンデンサ容量を大幅に小さくしてＡＳＩＣの小型化も可能となる。

特許第５８３９５２７号

ＧＳＲセンサにおいて、一つのコイル内に磁性ワイヤを２本設置すると感度は２倍に増加し、立上がりパルス検波を採用するとパルス消費電力を０．４ｍＷから０．０４ｍＷへと１／１０に低減できることは、従来から知られている。
ここで、ＧＳＲセンサとは超高速スピン回転効果（ＧＨｚ Ｓｐｉｎ Ｒｏｔａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ）を基礎にした超高感度マイクロ磁気センサをいう。
しかし、ＧＳＲセンサ素子の出力電圧はパルス電流によって誘起される電圧（以下、誘導電圧という。）と外部磁界の磁界強度に比例して出力する電圧（以下、磁界電圧という。）の２つの電圧からなっている。しかも厄介なことに磁界によって磁性ワイヤの抵抗が変化し、ワイヤ電圧の変化および誘導電圧に影響を及ぼす。
立下りパルス検波では、磁界電圧のピーク時間ｔ_ｍと誘導電圧のピーク時間ｔ_ｉが離れており、時間ｔ_ｍでは誘導電圧は十分減衰している（図７）。
一方、立上がりパルス検波では、ｔ_ｍとｔ_ｉが近くて時間ｔ_ｍでは誘導電圧はかなりの大きさを持っており、その磁界による変動は無視できない(図８)。ＧＳＲ素子の出力電圧から誘起電圧を取り除き、そして立上がりパルス検波方式のＧＳＲセンサを実現することが本発明の課題である。

本発明者は、上記の技術課題を鋭意検討した結果、誘導電圧が磁性ワイヤに流れる電流の向きに対して正負が反対になることを確認した。その上で、一つのコイル内に正負の反対向きの電流が流れる２本の磁性ワイヤを設置すると、誘導電圧はキャンセルされて磁界に比例する電圧のみを検出できるという本発明の技術的思想に至った。

１本の磁性ワイヤのＧＳＲセンサ素子の代表的なサイズのコイルは、溝幅が２０μｍ、コイル幅が４０μｍである。２本の磁性ワイヤのＧＳＲセンサ素子は、その溝幅を４０μｍとし、中央に分離壁を設けて２本の磁性ワイヤを配置し、コイル幅を５０μｍとする。ＧＳＲセンサ素子のサイズとしては、１本の磁性ワイヤと２本の磁性ワイヤとはほとんど同じである。

素子の構造として３種類の構造がある。
一つは磁性ワイヤより深い溝の中に２本の磁性ワイヤを配置するタイプにて下コイルは凹形状で、上コイルは平面形状である。二つめは磁性ワイヤの直径の半分程度の浅い溝に２本の磁性ワイヤを配置するタイプにて下コイルは凹形状で、上コイルは凸形状である。三つめは平面の上にШ形ガイドを形成し、その中に１本ずつ計２本の磁性ワイヤを配置するタイプで、下コイルは平面形状で、上コイルは凸形状である。
いずれの種類の構造においても２本の磁性ワイヤの間には分離壁を設けている。

下コイルと上コイルは半ピッチずらして配置され、両者の平面基板上の接合面にて電気的接続して螺旋状のコイルを形成する。二つのコイル端部は、それぞれ二つのコイル電極と接続される。

磁性ワイヤとコイルとの間の絶縁は、絶縁性材料で被覆した磁性ワイヤを採用する方法および溝内に埋設した絶縁性レジスト内に磁性ワイヤを介挿する方法、また両者を組み合わせた絶縁方法がある。絶縁を確実にするためには絶縁被覆した磁性ワイヤを用いることが好ましい。
磁性ワイヤの端部は、絶縁性材料から磁性ワイヤの金属部分が露出され、ワイヤ電極と電気的接合する配線が施された。

２本の磁性ワイヤを用いるＧＳＲセンサ素子の出力は、磁界に比例する磁界電圧のみのため立上がりパルス検波を採用しても、優れた直線性を維持することができる。
立上がりパルス検波の出力電圧は、立ち下がり検波の出力電圧の２．５倍となる。しかも２本の磁性ワイヤからなるので５倍の出力電圧を得ることができる。このことは、コイルの巻き数Ｎを１／５とすることができることから素子のコイル長さを１／５と短くなり、素子の小型化することができることを意味している。

さらに、パルス電流のパルス幅を立ち上がり検波が必要とする十分長いパルス幅、例えば１０ｎｓから１ｎｓ以下にすることができる。これによりパルス電流の消費電力を１／１０以下にすることができる。

ＧＳＲセンサ用ＡＳＩＣは、パルス電流発信のための電力蓄積用のコンデンサーを内蔵している。その大きさはＡＳＩＣの５０％を占めている。そのコンデンサーサイズを１／１０にすることができれば、ＡＳＩＣのサイズをほぼ半減できる。

1つのコイル内に２本の磁性ワイヤを配置するＧＳＲセンサ素子により、コイル電圧のうちの誘導電圧成分をなくして、立上がりパルス検波の出力電圧の磁界依存性の直線性を改善すると同時に感度(単位磁界の強さ１Ｇ当たりの出力電圧)を５倍に増加させ、かつ、パルス電流の消費電力を１/１０以下に減少させることができる。これにより、同一出力電圧の条件下では素子サイズ、ＡＳＩＣサイズの小型化が可能となる。

実施形態および実施例のＧＳＲセンサ素子を示す正面の概念図である。 実施形態のＧＳＲセンサ素子を示す図１のＡ１−Ａ２線に沿う断面図である。 実施形態のＧＳＲセンサ素子を示す図１のＡ３−Ａ４線に沿う断面図である。 実施形態のＧＳＲセンサ素子を示す図１のＡ５−Ａ６線に沿う断面図である。 実施形態のＧＳＲセンサ素子の他のタイプ（凹形状）の断面図である。 実施形態のＧＳＲセンサ素子の他のタイプ（凸形状）の断面図である。 実施例におけるＧＳＲセンサの電子回路を示すブロック回路図である。 実施例のＧＳＲセンサおよび比較例における磁気センサの外部磁場対出力電圧の特性図である。 立下がりパルス検波における磁界電圧と誘導電圧の時間的変化の推移図である。 立上がりパルス検波における磁界電圧と誘導電圧の時間的変化の推移図である。

本実施形態のＧＳＲセンサ素子１は、図１、図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃに示されるように、電極配線基板１０の上に感磁体であるＣｏ合金の絶縁被膜付磁性ワイヤ２（２１および２２）、磁性ワイヤ２の周りに巻き付けたコイル３（３１および３２）、４つの端子（２３および２５ならびに３４および３６）からなる。

磁性ワイヤ２は、基板中央部の溝１１内に絶縁性壁４１により分離される２本の磁性ワイヤ２１および２２が配置されている。
図１の右側に図示したワイヤ入力電極２６（＋）側の磁性ワイヤ２１の上部は、ワイヤ端子２３およびワイヤ連結部２１Ａを介してワイヤ入力電極２６（＋）と接続され（図２Ｂの右部分）ている。
磁性ワイヤ２１の下部は、ワイヤ接合部２１Ｂおよびワイヤ間連結部２３を介して左側に図示したワイヤ接合部２２Ｂを介してワイヤ出力電極２７（−）側の磁性ワイヤ２２の下部にて接続されている（図２Ｃ）。
磁性ワイヤ２２の上部は、ワイヤ端子２５を介してワイヤ出力電極２７（−）と接続されている（図２Ｂの左部分）。

次に、コイル３は、図２Ａに示すように下コイル３１、上コイル３２および両者のコイルを接合するジョイント部３３からなる。
下コイル３１は溝１１内および基板１０の上に凹形状に形成され、上コイル３２は一対の磁性ワイヤ２１および２２の上部から側部に絶縁性材料４を介し、さらに基板１０の上にかけて形成されている。
下コイル３１の端部と上コイル３２の端部は、基板１０の上でジョイント部３３を形成して接続されている。
なお、一対の磁性ワイヤ２（２１および２２）の間は絶縁性壁４１で絶縁され、磁性ワイヤ２とコイル３の間は絶縁性材料４で絶縁されている。

よって、右側の磁性ワイヤ２１は下方向に電流が流れ、左側の磁性ワイヤ２２は上方向に
電流が流れることによって、一つのコイル内に絶縁材料を介して電流の向きが反対方向となり、誘導電圧を相殺することができる

本実施形態では、２本の磁性ワイヤからなる一対の磁性ワイヤを一つのコイル内に絶縁性材料を介して電流の向きが反対方向になるように設置しているが、一つのコイル内に複数の対からなる磁性ワイヤを設置してもよい。

また、本実施形態では、磁性ワイヤは絶縁性材料であるガラスを被覆した磁性ワイヤを使用しているが、絶縁性材料を被覆していない磁性ワイヤを使用してもよい。

素子の構造として本実施形態では、図２Ａに示すように磁性ワイヤ２の直径の半分程度の浅い溝１１に２本の磁性ワイヤ（２１および２２）を配置するタイプにて下コイル３１は凹形状で、上コイル３２は凸形状である。

他の構造としては、図３に示すように磁性ワイヤ２より深い溝１１の中に２本の磁性ワイヤ（２１および２２）を配置するタイプにて下コイル３１は凹形状で、上コイル３２は平面形状である。また、図４に示すように三つめは平面の上にШ形ガイドを形成し、その中に１本ずつ計２本の磁性ワイヤ（２１および２２）を配置するタイプで、下コイル３１は平面形状で、上コイル３２は凸形状である。

いずれの種類の構造においても２本の磁性ワイヤ（２１および２２）の間には分離壁を設けている。下コイル３１の端部と上コイル３２の端部を接合するジョイント部３３を設けてコイル３を形成する。

次に、ＧＳＲセンサ素子の製造方法を説明する。
電極配線基板１０は、Ｓｉ基板にＳｉＮ被膜を施しているものを使用する。磁性ワイヤ２は、直径１〜２０μｍ、長さ０．０７〜１．０ｍｍのガラス絶縁被膜付のアモルファスワイヤを使用する。
先ず素子1は、その幅を０．２５ｍｍとし、その中央部に幅２０〜６０μｍ、深さ２〜２０μｍの溝１１を形成する。

次に溝１１に沿って下コイル３１と基板面上に電極配線を行う。その後、溝１１の中央部に絶縁性分離壁４１を形成して２つの溝形状として、そこに２本の磁性ワイヤ２１および２２をそれぞれ配置する。その後、基板全面に絶縁性レジストを塗布する。２本の磁性ワイヤ(２１および２２)の上部は薄く塗布する。そこに上コイル３２をフォトリソ技術で形成する。
下コイル３１と上コイル３２の端部は基板平面上にてたすき掛け的に接合するジョイント部３３を形成してコイルピッチ２〜１０μｍのコイル３とする。コイル端子３４はコイル出力電極３５（＋）に接続され、コイル端子３５はコイルグランド電極３７（−）に接続される。

２本の磁性ワイヤの４つの端部については、絶縁被膜のガラスを除去し、２つの端部の１つには金属蒸着によりワイヤ端子２３および接続部２１Ａ形成し、ワイヤ入力電極２６（＋）までの電気的接続を行なうとともに他の１つには金属蒸着によりワイヤ端子２５および接続部２２Ａを形成し、ワイヤグランド電極２７（−）までの電気的接続を行なう
そして、他の２つの端部には金属蒸着（２１Ｂおよび２２Ｂ）を行なうとともに２つの端部を結ぶ連結部２３を金属蒸着で形成する。
このようにして、ワイヤ入力電極２６（＋）からワイヤグランド電極２７（−）までパルス電流の通電用の配線とする。

本実施形態により、出力電圧は磁場Ｈに対して正弦波出力特性を示し、測定レンジは±３〜９０Ｇにて直線性は０．３％以下と非常に良好である。
感度は５０〜２０００ｍＶ／Ｇにて同じ磁性ワイヤの長さからなるＧＳＲセンサ素子の役５倍である。
パルス消費電力は、０．３ｍＷ（０．１５ｍＡ）である。

以下、本発明の実施例のＧＳＲセンサ素子について、図１、図５および図６を用いて以下に説明する。

基板１０は、Ｓｉ基板からなりＳｉＮによる絶縁被膜されており、その大きさは長さ０．２ｍｍ、幅０．２ｍｍ、高さ０．２ｍｍである。磁性ワイヤ２は、ＣｏＦｅＳｉＢ系合金を使う直径１０μｍでガラス被覆されたアモルファスワイヤで、長さ０．２０ｍｍである。

基板１０の溝１１の幅は４０μｍ、深さは６μｍである。溝１１内の絶縁性レジストによる分離壁４１の大きさは、幅２μｍ、高さ６μｍである。

コイル３は、幅５０μｍ、高さ１４μｍにて平均内径（高さと幅で形成されるコイル内断面積と同一となる円の直径）は２６μｍ、コイルピッチは５μｍ、コイル巻き数は２８回である。

次に、ＧＳＲセンサ素子１の特性を図５に示すＭＩセンサ用の電子回路を用いて評価した。
電子回路５は、パルス発信器５１と前記ＧＳＲセンサ素子１とバッファー回路５３を有する信号処理回路５２とからなる。 信号は、１ＧＨｚに相当する１００ｍＡの強さのパルス信号で、立上がり時間０．５ｎｓｅｃ、パルス幅１ｎｓｅｃ、立下がり時間０．５ｎｓｅｃのパルス電流を入力する。
パルス信号はアモルファスワイヤ２に入力され、そのパルス印加中に電磁コイル３には外部磁界に比例した電圧が発生し、立上がりパルス検波を行なう。

信号処理回路５２は、コイル３に発生したその電圧を、バッファー回路５３に入力し、そこからの出力に電子スイッチ５５を介してサンプルホールド回路５６に入力される。電子スイッチ５５の開閉のタイミングは、検波タイミング整回路５４で立上がりパルス信号に適切なタイミングで検波するように調整し、その時の電圧をサンプルホールドする。その後その電圧を増幅器５７にて所定の電圧に増幅する。

前記電子回路からのセンサ出力を図６に示す。図６の横軸は外部磁場の大きさ、縦軸はセンサ出力電圧である。
センサ出力は正弦波出力特性を示し、ａｒｃｓｉｎ変換することで±９０Ｇの範囲で直線性を示す。非直線性は０．３％である。感度は２１０ｍＶ／Ｇである。

比較例１として市販製品ＡＭＩ３０６に使用されているＭＩ素子（長さ０．６ｍｍ、幅０．３ｍｍ）、および比較例２として自動車用ＧＳＲセンサ素子（長さ０．１５ｍｍ、幅０．２０ｍｍ）を同一の電子回路にて測定評価した。その結果を図６の比較例１および２に示す。
磁界の強さ９０ Ｏｅにおけるセンサ出力電圧は、比較例１のＭＩセンサは０．１Ｖ、比較例２のＧＳＲセンサは０．３Ｖに対して本発明のＧＳＲセンサは１．５Ｖと非常に優れた感度が得られてる。

以上のように、本発明のＧＳＲセンサ素子は非常に小型で高感度である。よって、本素子からなるＧＳＲセンサは非常に高感度、小型かつ低消費電力であるためにカテーテルに内臓することができ、またスマートフォンなどの幅広い分野にも適応が可能となる。

１：ＧＳＲセンサ素子板、１０：基板、１１：基板上の溝
２：磁性ワイヤ、２１：一対の磁性ワイヤの一つ、２２：一対の磁性ワイヤの他の一つ、
２１Ａ：ワイヤ端子とワイヤ入力電極（＋）との連結部、
２２Ａ：ワイヤ端子とワイヤ出力電極（−）との連結部、
２１Ｂ：ワイヤ接合部、２２Ｂ：ワイヤ接合部、
２３：磁性ワイヤの端子、２４：ワイヤ間連結部、２５：磁性ワイヤの端子
２６：ワイヤ入力電極（＋）、２７：ワイヤ出力電極（−）
３：コイル、３１：下コイル、３２：上コイル、３３：ジョイント部
４：絶縁性材料、４１：絶縁壁
５： 電子回路
５１：パルス発振器 ５２:信号処理回路 ５３：バッファー回路 ５４：検波タイミング調整回路、５５：電子スイッチ、５６：サンプルホールド回路、５７：増幅器

Claims (7)

1. 電極配線基板上に、感磁体である磁性ワイヤとその周りに巻きつけたコイルおよびそれらの端部に外部の集積回路と連結するための４つの端子を形成したＧＳＲセンサ素子において、
   前記コイル内に絶縁材料を介して電流の向きが反対方向からなる一対の前記磁性ワイヤを設置し、
   前記コイルは、コイル下部とコイル上部および両者を連結するジョイント部とからなり、
   前記一対の磁性ワイヤは、前記コイル内の絶縁性壁により分離されていることを特徴とするＧＳＲセンサ素子。
2. 請求項１において、
   前記磁性ワイヤは、複数の対からなることを特徴とするＧＳＲセンサ素子。
3. 請求項１において、
   前記磁性ワイヤは、磁性ワイヤの外周が絶縁材料で被覆されていることを特徴とするＧＳＲセンサ素子。
4. 請求項１において、
   前記一対の磁性ワイヤは前記コイル下部にコイル下部配線を施して絶縁性材料を塗布した前記基板の溝に埋設されて接着機能およびレジスト機能を有する絶縁性樹脂で固定し、
   前記一対の磁性ワイヤは上部を前記絶縁性樹脂で覆われ、前記コイル上部にコイル上部配線を行い、前記ジョイント部は前記コイル下部配線の端部と前記コイル上部配線の端部を電気的接合してコイルを形成していることを特徴とするＧＳＲセンサ素子。
5. コイルは、凹形状のコイル下部と平坦形状のコイル上部および両者を連結するジョイント部からなり、一対の磁性ワイヤは前記コイル下部にコイル下部配線を施し、絶縁性材料を埋設した基板の溝に介挿され、前記溝上面には前記コイル上部にコイル上部配線を行い、前記ジョイント部は前記コイル下部配線の端部と前記コイル上部配線の端部を電気的接合して前記コイルを形成していることを特徴とするＧＳＲセンサ素子。
6. コイルは、平坦形状のコイル下部と凸形状のコイル上部および両者を連結するジョイント部からなり、一対の磁性ワイヤは基板の平坦面に施した前記コイル下部に施したコイル下部配線の上面に絶縁性樹脂で固定し、前記一対の磁性ワイヤの側面部および上部は前記絶縁性樹脂により覆われ、前記コイル上部にコイル上部配線を行い、前記ジョイント部は前記コイル下部配線の端部と前記コイル上部配線の端部を電気的接合して前記コイルを形成していることを特徴とするＧＳＲセンサ素子。
7. 電極配線基板上に、感磁体である磁性ワイヤとその周りに巻きつけたコイルおよびそれらの端部に外部の集積回路と連結するための４つの端子を形成したＧＳＲセンサ素子において、
   前記コイル内に絶縁材料を介して電流の向きが反対方向からなる一対の前記磁性ワイヤを配設し、
   前記コイルは、コイル下部配線とコイル上部配線および両者を連結するジョイント部とからなり、
   前記一対の磁性ワイヤは第１の磁性ワイヤと第２の磁性ワイヤとからなり、前記第１の磁性ワイヤと前記第２の磁性ワイヤは平行に配置され、前記電流の向きに応じた前記第１の磁性ワイヤの第１端部と第２端部、前記第２の磁性ワイ ヤの第１端部と第２端部とを有し、前記第１の磁性ワイヤの前記第１端部と前記第２の磁性ワイヤの前記第２端部とは前記４つの端子の第１及び第２の端子にそれぞれ接続され、前記第１の磁性ワイヤの前記第２端部と前記第２の磁性ワイヤの前記第１端部とが相互に接続され、前記第１の磁性ワイヤと前記第２の磁性ワイヤの間は前記コイル内の絶縁性壁により分離されて、
   前記コイルは前記第１の磁性ワイヤと前記第２の磁性ワイヤ、及び前記絶縁隔壁とを内包するように巻回されていることを特徴とするＧＳＲセンサ素子。

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