JP6902681B2 - 圧力センサ - Google Patents
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Description
本発明は、医療機器の分野において用いるのに適する圧力センサに関する。
従来、例えば、医療における冠動脈内圧測定による診断において、先端部に圧力センサが設けられた細くて柔らかいワイヤを冠動脈の中に入れて血圧を測定することが行われている。冠動脈内に狭窄があった場合、冠動脈内の血圧を測定した結果は、狭窄の奥側の血圧と狭窄の手前側の血圧との比、すなわち、心筋血流予備量比によって評価される。
このように人体の血圧を測定して診断を行う場合、適用される圧力センサは、患者にとって負担を小さくするために小型であって、絶縁性を確保し、より信頼性の高いものでなければならない。
しかしながら、従来の圧力センサの構成では、上記のような要望を満たす圧力センサの実現は困難であるという課題が生じている。
しかしながら、従来の圧力センサの構成では、上記のような要望を満たす圧力センサの実現は困難であるという課題が生じている。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、小型であって、絶縁性を確保し、信頼性の高い圧力センサを提供することを目的とする。
本実施形態の圧力センサは、半導体材料によって作製されているセンサ本体と、前記センサ本体の一面側に設けられた圧力センサ素子と、前記センサ本体の一面側から他面側へ向かって形成され、前記圧力センサ素子に電気的に接続されるリード線が通る貫通孔と、前記貫通孔の内壁に形成された絶縁層と、を具備している。
また、前記貫通孔には、前記圧力センサ素子に電気的に接続されるリード線における絶縁被覆が除去された導体芯線部が通っている。
また、前記貫通孔には、前記圧力センサ素子に電気的に接続されるリード線における絶縁被覆が除去された導体芯線部が通っている。
本発明の実施形態によれば、小型であって、絶縁性を確保し、信頼性の高い圧力センサを提供することができる。
以下、本発明の実施形態に係る圧力センサについて図１乃至図５を参照して説明する。図１は、圧力センサを示す正面図であり、図２は、圧力センサの先端部における平面図であり、図３は、図２中、Ｘ−Ｘ線に沿う断面図である。また、図４は、圧力センサの接続状態を示すブリッジ回路図であり、図５及び図６は、圧力センサを備えるシステムを示す正面図である。なお、各図では、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
本実施形態の圧力センサは、小型化され、カテーテル（ガイドワイヤ）に好適に組み込まれるように構成されている。圧力センサは、体腔内である冠動脈内の血圧を測定するものである。
図１に示すように圧力センサ１は、センサ本体２と、リード線３と、接続端子部４とを備えている。センサ本体２には、リード線３が接続されていて、リード線３の末端部は、接続端子部４に接続されている。圧力センサ１のセンサ本体２からリード線３の末端部までの長さ寸法は、２０００ｍｍ程度であり、長尺状である。
図２及び図３に示すように圧力センサ１におけるセンサ本体２は、半導体圧力センサであり、圧力が印加されるとその変位により電気抵抗値が変化するひずみゲージの機能を有する圧力センサ素子２１を有している。圧力センサ素子２１はピエゾ抵抗素子であり、このピエゾ抵抗素子がシリコン材料からなるセンサ本体２の一面側に形成されている。なお、センサ本体２は、略四角柱状であり、寸法は、一辺が１６０μｍ〜２４０μｍ程度が好ましく、本実施形態では２００μｍに形成されている。また、同様に軸方向の寸法は、１６０μｍ〜２４０μｍ程度が好ましく、本実施形態では２００μｍに形成されている。
このようなセンサ本体の寸法にすることで外径３６０μｍ内径３００μｍのガイドワイヤに容易に挿入することが可能となる。
このようなセンサ本体の寸法にすることで外径３６０μｍ内径３００μｍのガイドワイヤに容易に挿入することが可能となる。
詳しくは、センサ本体２は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術によってシリコン半導体材料を加工することによって作製されている。センサ本体２は、一面側（先端側）には空洞部２２が形成されており、空洞部２２上に円形状のダイヤフラム２３が形成され、このダイヤフラム２３上に圧力センサ素子２１としてのピエゾ抵抗素子が形成されている。このピエゾ抵抗素子の形成にあたっては、シリコン層に不純物のイオンを注入する半導体プロセス技術であるイオン注入法が適用され、シリコン層にホウ素を打ち込んで形成する。
また、圧力センサ素子２１としてのピエゾ抵抗素子は、ダイヤフラム２３の外周部に形状の異なる２対であって、複数で合計４つ形成されている。具体的には、各一対の圧力センサ素子２１ａ、２１ａ及び２１ｂ、２１ｂが線対称的に配置され形成されている。これは、後述するように圧力センサ１の接続においてブリッジ回路としてフルブリッジ回路を構成して高感度化を図るためである。
圧力センサ１は、圧力が印加されると、空洞部２２によるダイヤフラム２３の変形動作によって、ピエゾ抵抗素子が変形し、その変形に応じてピエゾ抵抗素子の電気抵抗値が変化するものであり、この変化を電子回路で処理し、圧力を検出する。
なお、センサ本体２の形状は、四角柱状に限らず、多角柱状であればよく、また、円柱状であってもよい。格別その形状が限定されるものではない。
なお、センサ本体２の形状は、四角柱状に限らず、多角柱状であればよく、また、円柱状であってもよい。格別その形状が限定されるものではない。
また、センサ本体２には、一面側（先端側）から他面側（後端側）へ向かって貫通孔２４が形成されている。貫通孔２４は、圧力センサ素子２１に電気的に接続されるリード線３が通る孔であり、ダイヤフラム２３の外周側に複数、具体的には４つ形成されている。図２に示すように４つの貫通孔２４が四角柱状の中央部を中心とする円周上に、それぞれ９０度の間隔を空けて、かつ各圧力センサ素子２１の間に位置するように配置されている。つまり、四角形状の角部に配置されている。
なお、貫通孔は、４つに限らず例えば、３つ形成し、圧力センサ素子を２つ形成するようにしてもよい。この場合は、後述するように圧力センサ１の接続においてブリッジ回路としてハーフブリッジ回路が構成される。さらに、単純化された構成においては、貫通孔を２つ形成し、圧力センサ素子を１つ設けるようにしてもよい。
したがって、上記のような構成においては、貫通孔は少なくとも２つ形成されることとなる。特段に貫通孔及び圧力センサ素子の個数が限定されるものではない。また、貫通孔２４の径寸法は、φ４０μｍ〜φ６０μｍ程度が好ましく、本実施形態ではφ５０μｍに形成されている。
センサ本体２の一面側の表面には、導電層２５として配線パターンが拡散により形成されている。この導電層２５は、圧力センサ素子２１と電気的に接続されている。
次に、図３に示すように貫通孔２４の内壁には絶縁層２４ａが形成されていて、その内壁が絶縁層２４ａによって被覆されている。したがって、貫通孔２４内は絶縁性が確保された状態となっている。また、この絶縁層２４ａは、センサ本体２の一面側及び他面側にも延出して形成されている。センサ本体２の一面側の絶縁層２４ａにあっては、導電層２５（圧力センサ素子２１）とリード線３とを電極２７を介して電気的に接続するため、導電層２５の一部が露出するように導電層２５を被覆している。なお、絶縁層２４ａは、例えば、二酸化ケイ素の材料から形成されており、厚さ寸法は１μｍ〜２μｍである。
また、貫通孔２４の一面側の周囲であって、絶縁層２４ａの上には電極層２６がスパッタリング法等の薄膜形成技術によって成膜されている。電極層２６は、一部が露出した部位の導電層２５に接続され、貫通孔２４の内壁側へ僅かに延出して形成されている。電極層２６を形成する材料には、例えば、チタン/銅（Ｔｉ／Ｃｕ）、アルミニウム・シリコン合金(Ａｌ・Ｓｉ)及びがチタン／タングステン(Ｔｉ／Ｗ）などが用いられている。三層構造の電極層の場合、チタン/銅/金（Ｔｉ／Ｃｕ/Ａｕ）などがある。
電極２７は、リード線３を圧力センサ素子２１に電気的に接続するものであり、本実施形態の電極２７は、半田めっきのろう材によって構成されている。ろう材としては、例えば、低融点金属の錫（Ｓｎ）（融点２３１．１℃）が用いられている。また、下地めっきには、ニッケル（Ｎｉ）が用いられている。なお、ろう材としては、低融点金属のインジウム（Ｉｎ）（融点１５６．６℃）及び一般的な半田材料を用いることができる。
リード線３は、導体芯線が銅銀合金（Ｃｕ−Ａｇ）線から形成された絶縁被覆電線であり、屈曲強度、引張強度が大であり、一般的な導体芯線が銅（Ｃｕ）の場合に比較して強度を大幅に改善できるものである。特に銀含有量を３%から１５%にすると強度が大幅に向上することが知られている。リード線３は、フッ素樹脂であるパーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）樹脂の絶縁被覆３１を有しており、この絶縁被覆３１が剥離され除去された裸の導体芯線部３２がセンサ本体２の他面側から貫通孔２４を通って、センサ本体２の一面側へ向かって導入されていて、先端部は折曲されることなく直線状となっている。
このリード線３の導体芯線部３２は、電極層２６に直接的に接触することを妨げるものではないが、電極層２６に直接的に接触することなく、電極２７としてのろう材を介して接合されており、このろう材が電極層２６に接合され、導電層２５、圧力センサ素子２１へと接続されている。また、電極２７は、貫通孔２４の一面側における内部の一部分に入り込んで侵入部２７ａを形成している。このようなリード線３は、センサ本体２の他面側へ導出されており、末端部が接続端子部４に接続されている。なお、リード線３の導体芯線部３２の径寸法は、φ１５μｍ〜φ３０μｍ程度のものを用いるのが好ましく、本実施形態ではφ２５μｍのものを用いている。したがって、貫通孔２４を通過している導体芯線部３２の外周と、貫通孔２４の内壁との間には、１０μｍ程度の間隙が形成されるようになる。
また、センサ本体２の他面側から導出されたリード線３は、その導出部分が接着材５で固着されている。接着材５としては、例えば、エポキシ樹脂が用いられる。
さらに、センサ本体２の外表面及び接着材５によって固着された部分の外表面は、防水性、絶縁性及び柔軟性を確保するために可撓性を有する絶縁材料によって絶縁被覆６されている。絶縁材料としては、例えば、パリレン（登録商標）やシリコーンのコーティング材を好適に用いることができる（図２においては説明上、絶縁被覆６等の図示は省略している）。なお、絶縁被覆６の厚さ寸法は２μｍ〜３μｍである。
接続端子部４は、リード線３の導出末端部が接続される部分であり、樹脂製であって略直方体形状のケースの中に、回路基板等の電子部品が収容されて電子回路が構成されている。具体的には、接続端子部４には圧力センサ１の検出制御回路や増幅回路が設けられている。また、接続端子部４の一側には入出力端子としてコネクタ端子４１が設けられている。このコネクタ端子４１をモニター等の制御装置に接続することにより圧力センサ１の出力による検出情報を測定できるようになる。
続いて、図４を参照して、圧力センサの接続状態について説明する。図４に示すように圧力センサ１は、電源Ｖ＋に接続され、ブリッジ接続されてフルブリッジ回路が構成されている。圧力センサ１の圧力センサ素子２１が既述のように４つ設けられ、圧力センサ素子２１ａ、２１ｂの直列回路と圧力センサ素子２１ｂ、２１ａの直列回路とが電源Ｖ＋に対して並列に接続されている。また、各直列回路の中間に出力端子が接続されていて、この出力端子が増幅器Ampに接続されて出力電圧Ｖoutとして差動出力を検出できるようになっている。したがって、微小な圧力変化の信号も検出可能であり高感度な検出が可能となる。
なお、ブリッジ回路は、ハーフブリッジ回路で構成してもよい。この場合は、圧力センサ１の圧力センサ素子２１を２つ設け、基準抵抗器を２つ設けて構成する。具体的には、圧力センサ素子２１及び基準抵抗器の２つの直列回路を電源Ｖ＋に対して並列に接続し、各直列回路の中間に出力端子を接続する。この出力端子を増幅器Ampに接続して出力電圧Ｖoutとして差動出力を検出する。このような接続状態においては、圧力センサ１の圧力センサ素子２１は、センサ本体２に配置され、基準抵抗器及び増幅器Ampは接続端子部４内に収容される。
以上のような構成によれば、貫通孔２４の内壁には絶縁層２４ａが形成されているので、絶縁被覆３１が剥離された裸の導体芯線部３２について絶縁性を確保して貫通孔２４を通すことができる。したがって、貫通孔２４の大きさが極めて小径であるという制限がある中で、絶縁被覆３１が剥離されて除去されているので、その分、導体芯線の径が大きな太いリード線３を用いることができる。つまり、貫通孔２４の孔径に近い芯線の太いリード線３を用いることが可能となり、引張強度を大きくして信頼性を向上することができる。
リード線３の導体芯線部３２を太くできるので、導体芯線部３２を貫通孔２４に挿入して通した後、電極２７としての半田めっきのろう材を溶融することにより、リード線３を電極層２６に接合することができ、接合工程が容易となる。
また、電極２７は、貫通孔２４の内部に入り込んで侵入部２７ａを形成しているので、リード線３の接続状態が確実となり、リード線３の接続外れを防止できる。
さらに、リード線３における導体芯線部３２の先端部は折曲されることなく直線状になっていて、半田めっきによって電極２７が形成されるので、センサ本体２の一面側への突出量を少なくすることができる。また、半田めっきによるろう材の量を少なくすることができ、センサ本体２のダイヤフラム２３にかかる応力を軽減することができる。
また、医療機器であるカテーテル等に用いられる機器では、これらが生体内に露出する危険性が高い場合、使用する材料について生体適合性を考慮した材料で構成することが求められている。本実施形態では、少なくともセンサ本体２の外表面及び接着材５によって固着された部分の外表面は、パリレン（登録商標）でコーティングされており、リード線３は、フッ素樹脂で絶縁被覆３１されており、加えて、センサ本体２はシリコン材料、接着材５はエポキシ樹脂が用いられている。これらの材料は生体適合性を有することが確認されており、安全性を確保することができる。
次に、図５を参照して、上記圧力センサ１が組み込まれたガイドワイヤ７を備えるシステムについて説明する。
次に、図５を参照して、上記圧力センサ１が組み込まれたガイドワイヤ７を備えるシステムについて説明する。
本実施形態のシステム１００は、圧力センサ１が組み込まれた周知のガイドワイヤ７と、制御装置１０１とを備えている。制御装置１０１はモニターであり、表示部を備え、演算部及び制御部を有するＣＰＵ、記憶手段であるＲＯＭ及びＲＡＭ、入出力制御手段を有するマイクロコンピュータが搭載されており、圧力センサ１における接続端子部４のコネクタ端子４１が接続できるようになっている。したがって、この制御装置１０１に圧力センサ１を接続することにより、体腔内である冠動脈内の血圧を測定し生体情報が表示することができる。
なお、コネクタ端子としてＵＳＢ端子を設けるようにしてもよい。この場合、ＵＳＢ端子を制御装置１０１に接続することにより圧力センサ１の出力による検出情報を表示できるようになる。
図６は、圧力センサ１と、圧力センサ１が接続される制御装置１０１ａとが無線回線で接続されているシステム１００ａの構成を示している。制御装置１０１ａには、無線送受信部が設けられており、接続端子部４ａには無線モジュールや内臓電池が設けられている。したがって、接続端子部４ａから生体情報を無線で制御装置１０１ａへ送信することができ、その生体情報を制御装置１０１ａで表示することができる。
このため、圧力センサ１と制御装置１０１ａとを無線で接続することにより、血圧の測定時にリード線などが邪魔になることがなく取り扱いが容易になる利点がある。
以上のように本実施形態によれば、小型であって、絶縁性を確保し、信頼性の高い圧力センサ１を提供することができる。
以上のように本実施形態によれば、小型であって、絶縁性を確保し、信頼性の高い圧力センサ１を提供することができる。
なお、本発明の圧力センサは、人体の血圧を測定する場合に好適に用いられるが脳、腎臓、膀胱、腹腔内、子宮、食道及び胃等の診断や治療に際しての圧力管理に用いることができる。また、本発明の圧力センサは、カテーテル（ガイドワイヤ）に好適に用いられるが、これに限るものではない。他の医療機器に適用することも可能である。さらに、医療機器の分野のみならず圧力センサを備え、小型化を必要とする機器及び装置への適用を妨げるものではない。
本発明は、上記実施形態の構成に限定されることなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。また、上記実施形態は、一例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１・・・・・圧力センサ
２・・・・・センサ本体
３・・・・・リード線
３１・・・・絶縁被覆
３２・・・・導体芯線部
４・・・・・接続端子部
４１・・・・コネクタ端子
５・・・・・接着材
６・・・・・絶縁被覆
７・・・・・ガイドワイヤ
２１・・・・圧力センサ素子
２２・・・・空洞部
２３・・・・ダイヤフラム
２４・・・・貫通孔
２４ａ・・・絶縁層
２５・・・・導電層
２６・・・・電極層
２７・・・・電極
２７ａ・・・侵入部
１００・・・システム
１０１・・・制御装置
Ａｍｐ・・・増幅器
２・・・・・センサ本体
３・・・・・リード線
３１・・・・絶縁被覆
３２・・・・導体芯線部
４・・・・・接続端子部
４１・・・・コネクタ端子
５・・・・・接着材
６・・・・・絶縁被覆
７・・・・・ガイドワイヤ
２１・・・・圧力センサ素子
２２・・・・空洞部
２３・・・・ダイヤフラム
２４・・・・貫通孔
２４ａ・・・絶縁層
２５・・・・導電層
２６・・・・電極層
２７・・・・電極
２７ａ・・・侵入部
１００・・・システム
１０１・・・制御装置
Ａｍｐ・・・増幅器
Claims (14)
- 半導体材料によって作製されているセンサ本体と、
前記センサ本体の一面側に設けられた圧力センサ素子と、
前記センサ本体の一面側から他面側へ向かって形成され、前記圧力センサ素子に電気的に接続されるリード線が通る貫通孔と、
前記貫通孔の内壁に形成された絶縁層と、
を具備することを特徴とする圧力センサ。 - 前記貫通孔は、少なくとも２つ形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
- 前記貫通孔には、前記圧力センサ素子に電気的に接続されるリード線における絶縁被覆が除去された導体芯線部が通っていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧力センサ。
- 前記圧力センサ素子に電気的に接続されるリード線は、ろう材により構成された電極によって接続されていることを特徴とする請求項３に記載の圧力センサ。
- 前記電極は、低融点金属であることを特徴とする請求項４に記載の圧力センサ。
- 前記電極は、貫通孔の内部に入り込んで侵入部が形成されていることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の圧力センサ。
- 前記貫通孔を通る導体芯線部の先端部は、直線状であることを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれか一項に記載の圧力センサ。
- 前記リード線における導体芯線は、銅銀合金線から形成されていることを特徴とする請求項３乃至請求項７のいずれか一項に記載の圧力センサ。
- 前記貫通孔の一面側の周囲及び前記貫通孔の内壁側へ延出して電極層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の圧力センサ。
- 前記センサ本体の外表面は、絶縁被覆されていることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の圧力センサ。
- 前記絶縁被覆は、可撓性を有していることを特徴とする請求項１０に記載の圧力センサ。
- 前記絶縁被覆には、生体適合性を有する材料が用いられていることを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の圧力センサ。
- 前記センサ本体は、ブリッジ接続されてブリッジ回路が構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の圧力センサ。
- 前記ブリッジ回路の出力端には、増幅器が接続されていることを特徴とする請求項１３に記載の圧力センサ。
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