JP6924443B2 - 3D magnetic field detector - Google Patents
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Description
本発明は、内視鏡、カテーテルなどの生体内磁気式ポジショニングシステムに応用される超小型の3次元磁界検出装置に関する。 The present invention relates to an ultra-compact three-dimensional magnetic field detection device applied to an in vivo magnetic positioning system such as an endoscope and a catheter.
医療分野の高度化に伴い、胃カメラ、カテーテル、血管内視鏡など生体内モーションデバイスの普及が進んでおり、その位置や方位を把握する必要が高まっている。デバイス側に磁石または電磁石を内蔵して、その位置や方位を外部に磁界センサで測定する方法(特許文献1)や、デバイス側の一軸の磁界センサと位置が特定されている2点に設置された2個の磁界センサおよび外部の磁界発生装置とを組み合わせた方式(特許文献2)および3つの外部磁界発生装置とガイド先端に内蔵した3次元磁界センサを組み合わせた方式(特許文献3)などの方法が開示されている。しかし、磁気センサの微小な磁界検出力が低く、そのため位置決め精度が数mmと臨床に必要な精度100μm以下を実現するに至っていない。 With the sophistication of the medical field, in-vivo motion devices such as gastrocameras, catheters, and angioscopes are becoming widespread, and it is becoming necessary to grasp their positions and orientations. A method of incorporating a magnet or electromagnet on the device side and measuring its position and orientation externally with a magnetic field sensor (Patent Document 1), or installing it at two points where the position is specified with the uniaxial magnetic field sensor on the device side. A method in which two magnetic field sensors and an external magnetic field generator are combined (Patent Document 2) and a method in which three external magnetic field generators and a three-dimensional magnetic field sensor built in the tip of a guide are combined (Patent Document 3). The method is disclosed. However, the minute magnetic field detection force of the magnetic sensor is low, and therefore the positioning accuracy is several mm, which is less than the clinically required accuracy of 100 μm or less.
2015年に超高感度マイクロ磁気センサとして“GSRセンサ” (特許文献4)が開示され、この磁気センサを活用して位置決め精度100μmを実現するための取り組みが進んでいる。
カテーテル内蔵磁気センサとして、GSRセンサを活用して小型の3次元磁界検出用素子(長さ0.6mm以下、幅0.3mm以下および厚み0.15mm以下)とASICをフリップチップ接合した3次元磁界検出装置を図11(特許文献5、図1)に示す。しかし、Z軸方向の磁界検出感度がX軸やY軸方向に比べて十分ではないためにZ軸磁界の検出を強化するとZ軸方向であるセンサの厚みを増加させる必要がある。すなわち、センサの厚みとZ軸方向の磁界検出感度とはトレードオフの関係にあり、その改善は困難な課題である。
In 2015, the "GSR sensor" (Patent Document 4) was disclosed as an ultra-sensitive micromagnetic sensor, and efforts are underway to realize a positioning accuracy of 100 μm by utilizing this magnetic sensor.
As a magnetic sensor with a built-in catheter, a 3D magnetic field in which a small 3D magnetic field detection element (length 0.6 mm or less, width 0.3 mm or less and thickness 0.15 mm or less) and ASIC are flip-chip bonded using a GSR sensor. The detection device is shown in FIG. 11 (
また、カテーテルを誘導するためにガイドワイヤに内蔵する磁気センサとして、2017年に3軸磁界センサに代えて1軸磁界センサタイプを図12(特許文献6、図1)に示す。この方式は、ガイドワイヤ先端部はセンサ内蔵のためのスペースが直径0.5mm、長さ1.6mm以下と非常に小さいので、磁界センサを1軸として小型化し、外部から3軸の傾斜磁界と3軸の一様磁界を交番的に与えて位置と方位を求めるという方式で、位置決め精度100μm以下を実現している。しかし、磁界発生装
置の構造が複雑で、医師が治療するための治療スペースが狭くなるという欠点があり、その改善が取り組まれている。
Further, as a magnetic sensor built in the guide wire for guiding the catheter, a uniaxial magnetic field sensor type is shown in FIG. 12 (
The structure of the device is complicated, and there is a drawback that the treatment space for doctors to treat is narrowed, and improvement is being made.
カテーテル内蔵用には直径1.0mm以下、ガイドワイヤ内蔵用には直径0.5mm以下の3次元磁界センサまたは1次元磁界センサの開発および各タイプに必要な磁界発生装置を開発し、両者を組み合わせて位置決め精度100μm以下を実現するポジショニングシステムの開発が行われている。 Development of a 3D magnetic field sensor or 1D magnetic field sensor with a diameter of 1.0 mm or less for a built-in catheter and 0.5 mm or less for a built-in guide wire, and a magnetic field generator required for each type, combined with both A positioning system that achieves a positioning accuracy of 100 μm or less is being developed.
本発明は、カテーテル内蔵型の3次元磁界検出装置において、内蔵可能なサイズを前提に、X軸、Y 軸、Z軸の3軸の磁界検出力が同じで、しかもその出力のS/N比が高い3次元磁界検出装置を開発することである。本発明によれば、比較的構造が簡単な磁界発生装置と組み合わせて、位置決め精度100μm以内を実現することができる。 The present invention is a three-dimensional magnetic field detection device with a built-in catheter, on the premise of a size that can be built-in, the magnetic field detection force of the three axes of the X-axis, Y-axis, and Z-axis is the same, and the S / N ratio of the output. Is to develop a three-dimensional magnetic field detection device with a high signal-to-noise ratio. According to the present invention, a positioning accuracy of 100 μm or less can be realized in combination with a magnetic field generator having a relatively simple structure.
本発明者は、カテーテル内のセンサ内蔵のためのスペースのサイズと形状、すなわち直径1.0mm以下、長さ方向は3mm以下に着目し、長さ方向(Z軸)磁界を検出する素子は磁性ワイヤの長さを十分に取り、一方、幅の小さく十分な磁性ワイヤの長さを確保することができない横方向(X軸とY軸)磁界を検出する素子はワイヤ本数を増加することで、3つの素子の検出感度を同じにすることに想到した。 The present inventor pays attention to the size and shape of the space for incorporating the sensor in the catheter, that is, the diameter is 1.0 mm or less and the length direction is 3 mm or less, and the element that detects the length direction (Z-axis) magnetic field is magnetic. By increasing the number of wires, the element that detects the lateral (X-axis and Y-axis) magnetic field, which has a sufficient wire length and cannot secure a sufficient magnetic wire length due to its small width, can be used. I came up with the idea of making the detection sensitivities of the three elements the same.
いずれの素子も磁性ワイヤの長さ方向は十分長くすることができるので、細長い素子と細長い電子回路ASICとを組み合わせて幅0.8mm以下、厚さ0.2mm以下、長さ3mm以下の1軸磁界センサをまず製作し、幅0.6mm以下、厚さ0.7mm以下、長さ3mm以下の大きさの直方体台座の長手方向3面にX軸センサ、Y軸センサおよびZ軸センサを配置することにした。ただし、X軸センサとY軸センサは直交する隣接面にそれぞれ配置する必要がある。
また、3軸切替機能を有するASICと一つの軸の素子を組み合せて幅0.8mm以下、厚さ0.2mm以下、長さ3mm以下の一つの軸の磁界センサを製作し、他の2つの軸の素子を製作し、直方体台座の長手方向の3つの面にそれぞれ配置する。3つの面の素子は、上記のX軸素子、Y軸素子およびZ軸素子の機能を有している。
さらに、直方体台座の長手方向の3つの面にX軸素子、Y軸素子およびZ軸素子の機能を有する素子をそれぞれ配置し、3軸切替機能を有するASICを長手方向の1つの面に配置することもできる。
Since the length direction of the magnetic wire can be sufficiently long for any of the elements, a single axis having a width of 0.8 mm or less, a thickness of 0.2 mm or less, and a length of 3 mm or less can be combined by combining an elongated element and an elongated electronic circuit ASIC. First, a magnetic field sensor is manufactured, and an X-axis sensor, a Y-axis sensor, and a Z-axis sensor are arranged on three longitudinal surfaces of a rectangular pedestal having a width of 0.6 mm or less, a thickness of 0.7 mm or less, and a length of 3 mm or less. It was to be. However, the X-axis sensor and the Y-axis sensor need to be arranged on adjacent surfaces that are orthogonal to each other.
In addition, by combining an ASIC having a 3-axis switching function and an element of one axis, a magnetic field sensor of one axis with a width of 0.8 mm or less, a thickness of 0.2 mm or less, and a length of 3 mm or less is manufactured, and the other two Shaft elements are manufactured and placed on each of the three longitudinal surfaces of the rectangular parallelepiped pedestal. The three-sided element has the functions of the above-mentioned X-axis element, Y-axis element, and Z-axis element.
Further, elements having the functions of an X-axis element, a Y-axis element, and a Z-axis element are arranged on three surfaces in the longitudinal direction of the rectangular parallelepiped pedestal, and an ASIC having a three-axis switching function is arranged on one surface in the longitudinal direction. You can also do it.
本発明により、カテーテルに内蔵可能な超小型の3次元磁界検出装置で、高い感度、低いノイズ、広い測定レンジなどの優れたGSRセンサの基本性能を維持し、かつ3軸磁界の検出感度を同じにすることができるもので、外部の磁界発生装置と組みあわせて、生体のカテーテル先端の位置を100μm以下の精度で、しかも構造が簡単な磁界発生装置を用いて、検出することを可能にする。 According to the present invention, it is an ultra-compact 3D magnetic field detector that can be built into a catheter, and maintains the basic performance of an excellent GSR sensor such as high sensitivity, low noise, and wide measurement range, and has the same detection sensitivity of 3-axis magnetic field. In combination with an external magnetic field generator, it is possible to detect the position of the catheter tip of a living body with an accuracy of 100 μm or less and using a magnetic field generator with a simple structure. ..
本発明の3次元磁界検出装置は、アスペクト比2以上の短冊状の側面と底面の長辺の長さ0.7mm以下からなる直方体台座と、直方体台座の長辺の1つの面に第1軸方向とする縦軸方向磁界検出用のGSR素子と、直方体台座の長辺の他の隣接する2つの面に第2軸方向および第3軸方向とする横軸方向磁界検出用のGSR素子と、第1軸方向、第2軸方向および第3軸方向のGSR素子からなる3つのGSR素子を制御するASIC仕様の電子回路とからなる。 The three-dimensional magnetic field detection device of the present invention has a rectangular parallelepiped pedestal having a strip-shaped side surface having an aspect ratio of 2 or more and a long side length of 0.7 mm or less on the bottom surface, and a first axis on one surface of the long side of the rectangular parallelepiped pedestal. A GSR element for detecting a vertical magnetic field as a direction, and a GSR element for detecting a horizontal magnetic field as a second axis direction and a third axis direction on two other adjacent surfaces on the long side of a rectangular parallelepiped pedestal. It is composed of an ASIC-specification electronic circuit that controls three GSR elements including GSR elements in the first axis direction, the second axis direction, and the third axis direction.
図1(a)を用いて説明する。
直方体台座は、(a)直方体台座の斜視図より、短冊状の側面は長辺/短辺のアスペクト比は2以上の細長い直方体からなる。底面は、その長辺は長さ0.7mmとする。
直方体台座の長辺の1つの面(側面の1つの面をいう。)に第1軸方向とする縦軸方向に、図面上では左右方向となる直方体の長さ方向となる縦軸磁界検出用のGSR素子を配置する。
次に、長辺の他の隣接する2つの面に第2軸方向および第3軸方向とする横軸方向に、図面上では直方体の幅方向となる横軸磁界検出用のGSR素子を配置する。
すなわち、第1軸方向をZ軸方向として、Z軸に直交する平面上に第2軸方向および第3軸方向の2つの軸方向を任意にX軸方向、Y軸方向として、X軸GSR素子、Y軸GSR素子およびZ軸GSR素子を配置し、これら3つのGSR素子を制御するASIC仕様の電子回路とを組み合わせて3次元の磁界を検出することができる。
This will be described with reference to FIG. 1 (a).
The rectangular parallelepiped pedestal is composed of an elongated rectangular parallelepiped having a long side / short side aspect ratio of 2 or more on the strip-shaped side surface from the perspective view of (a) the rectangular parallelepiped pedestal. The bottom surface has a long side of 0.7 mm.
One surface of the long side of the rectangular parallelepiped pedestal (meaning one surface of the side surface) in the vertical axis direction as the first axis direction, and the vertical axis in the drawing as the length direction of the rectangular parallelepiped for magnetic field detection The GSR element of is arranged.
Next, a GSR element for detecting a horizontal magnetic field, which is the width direction of a rectangular parallelepiped in the drawing, is arranged on the other two adjacent surfaces on the long side in the horizontal axis direction as the second axis direction and the third axis direction. ..
That is, the X-axis GSR element with the first axis direction as the Z-axis direction and the two axial directions of the second-axis direction and the third-axis direction arbitrarily as the X-axis direction and the Y-axis direction on the plane orthogonal to the Z-axis. , Y-axis GSR element and Z-axis GSR element are arranged, and a three-dimensional magnetic field can be detected by combining with an ASIC-specification electronic circuit that controls these three GSR elements.
3つのGSR素子とASIC仕様の電子回路との組み合わせの方式には3通りがある。
1つには、直方体台座の長辺の3つの面にGSR素子を1つずつ配置し、任意の1つの面に3軸切替機能を有するASIC仕様の電子回路を1つ配置する(図1および図2)。
2つには、3つのGSR素子はそれぞれASIC仕様の電子回路と連結されたASIC一体型GSRセンサを形成し、3つのASIC一体型GSRセンサが直方体台座の長辺の3つの面にそれぞれ配置する(図7および図8) 。
3つには、1つのGSR素子は3軸切替機能を有するASIC仕様の電子回路と連結されたASIC一体型GSRセンサを形成して1つの面に配置し、2つのGSR素子は2つの面にそれぞれ配置し、ASIC一体型GSRセンサの電子回路と連結する(図9および図10)。
先ず、1つめの方式について説明し、後者の2つについては次の実施形態の説明に委ねる。
There are three methods for combining the three GSR elements and the ASIC-specification electronic circuit.
For one, one GSR element is arranged on each of the three long sides of the rectangular parallelepiped pedestal, and one ASIC-specification electronic circuit having a three-axis switching function is arranged on any one surface (FIG. 1 and FIG. Figure 2).
Two, each of the three GSR elements forms an ASIC-integrated GSR sensor connected to an ASIC-specification electronic circuit, and the three ASIC-integrated GSR sensors are arranged on three surfaces on the long side of the rectangular parallelepiped pedestal, respectively. (FIGS. 7 and 8).
Three, one GSR element forms an ASIC-integrated GSR sensor connected to an ASIC-specification electronic circuit having a three-axis switching function and is arranged on one surface, and two GSR elements are arranged on two surfaces. Each is arranged and connected to the electronic circuit of the ASIC integrated GSR sensor (FIGS. 9 and 10).
First, the first method will be described, and the latter two will be left to the description of the next embodiment.
図1(b)、図2(c)および図2(d)を用いて説明する。
直方体台座31は、プラスチック、セラミックなどの固い絶縁素材を用いて、その大きさは底面の短辺(幅)0.6mm以下、長辺(厚さ)0.7mm以下、長さ3mm以下である。
This will be described with reference to FIGS. 1 (b) , 2 (c) and 2 (d) .
The
縦軸方向の磁界検出用のGSR素子10(以下、縦軸GSR素子という。)と、横軸方向の磁界検出用のGSR素子20(以下、横軸GSR素子という。)の基板は、直方体台座31に配置するために長方形で厚みの薄い板である。
縦軸GSR素子10は、基板上に、基板の長さ方向の磁性ワイヤ13と磁性ワイヤ13に周回する検出コイル14および2つのワイヤ電極と2つのコイル電極からなる。
横軸GSR素子20は、基板上に、基板の幅方向の磁性ワイヤ23と磁性ワイヤ23に周回する検出コイル24および2つのワイヤ電極と2つのコイル電極からなる。
3つのGSR素子は、直方体台座31の長辺の1つの面にはGSR素子10が配置され、長辺を挟んで隣接する2つの面にGSR素子20がそれぞれ配置される。
GSR素子の大きさは、幅0.8mm以下、厚さ0.2mm以下、長さ1.0mm以下である。
The substrates of the
The vertical
The horizontal
In the three GSR elements, the
The size of the GSR element is 0.8 mm or less in width, 0.2 mm or less in thickness, and 1.0 mm or less in length.
ASIC仕様の電子回路(ASIC1A)は、GSR素子20の下部に配置されている。ASIC1Aは3つのGSR素子と連結され、ASIC1Aの電極561〜564は外部の制御装置と連結されている。なお、ASIC1Aの配置はGSR素子20の配置されている面に限らず、いずれの面でもよい。
ASICの大きさは、幅0.8mm以下、厚さ0.2mm以下、長さ3mm以下である。
The ASIC-specification electronic circuit (ASIC1A) is arranged below the
The size of the ASIC is 0.8 mm or less in width, 0.2 mm or less in thickness, and 3 mm or less in length.
このようにして本発明の3次元磁界検出装置は、底辺の長辺0.8mm以下、対角線の長さ1.0mm以下、側面の長辺の長さ3mm以下の細長い直方体形状からなるために、細長いパイプ状のカテーテル先端部に内蔵することができる(図2(d))。
As described above, the three-dimensional magnetic field detection device of the present invention has an elongated rectangular parallelepiped shape having a base long side of 0.8 mm or less, a diagonal length of 1.0 mm or less, and a side surface long side of 3 mm or less. It can be built into the tip of an elongated pipe-shaped catheter (Fig. 2 (d)) .
また、本発明の3次元磁界検出装置において、
その縦軸方向磁界検出用のASIC一体型GSRセンサは、ASIC表面保護被膜上の絶縁性レジスト層からなる基板皮膜の長さ方向にアモルファス磁性ワイヤ(以下、磁性ワイヤという。)を基板皮膜に形成された溝に取り付け、磁性ワイヤの周りに検出コイルを巻き付けて形成し、磁性ワイヤにパルス電流を通電するための2個のワイヤ電極と検出コイルに発生するコイル電圧を測定する2個のコイル電極からなるGSR素子と幅0.5mm以下、厚さ0.2mm以下、長さ3mm以下の大きさのASICとからなる。GSR素子とASICとは上記の4つの電極を介して連結されている。
Further, in the three-dimensional magnetic field detection device of the present invention,
The ASIC integrated GSR sensor for detecting the magnetic field in the vertical axis direction forms an amorphous magnetic wire (hereinafter referred to as magnetic wire) on the substrate film in the length direction of the substrate film composed of the insulating resist layer on the ASIC surface protective film. Two wire electrodes for applying a pulse current to the magnetic wire and two coil electrodes for measuring the coil voltage generated in the detection coil are formed by winding the detection coil around the magnetic wire. It is composed of a GSR element having a width of 0.5 mm or less, a thickness of 0.2 mm or less, and an ASIC having a length of 3 mm or less. The GSR element and the ASIC are connected via the above four electrodes.
その横軸方向磁界検出用のASIC一体型GSRセンサは、ASIC表面保護被膜上の絶縁性レジスト層からなる基板皮膜の幅方向にアモルファス磁性ワイヤを基板皮膜に形成された溝に取り付け、磁性ワイヤの周りに検出コイルを巻き付けて形成し、磁性ワイヤにパルス電流を通電するための2個のワイヤ電極と検出コイルに発生する電圧を測定する2個のコイル電極からなるGSR素子と幅0.5mm以下、厚さ0.2mm以下、長さ3mm以下の大きさのASICとからなる。GSR素子とASICとは上記の4つの電極を介して連結されている。 The ASIC-integrated GSR sensor for detecting the magnetic field in the horizontal axis direction has an amorphous magnetic wire attached to a groove formed in the substrate film in the width direction of the substrate film composed of an insulating resist layer on the ASIC surface protective film, and the magnetic wire is formed. A GSR element consisting of two wire electrodes for energizing a magnetic wire with a pulse current and two coil electrodes for measuring the voltage generated in the detection coil, formed by winding a detection coil around it, and a width of 0.5 mm or less. It is composed of an ASIC having a thickness of 0.2 mm or less and a length of 3 mm or less. The GSR element and the ASIC are connected via the above four electrodes.
そして、3次元磁界検出装置は、直方体台座の長辺の1つの面に縦軸方向磁界検出用のASIC一体型GSRセンサを、長辺の他の2つの面にそれぞれ前記横軸方向磁界検出用のASIC一体型GSRセンサを取り付けて底面の長辺0.8mm以下、対角線1.0mm以下、側面の長さ3mm以下の大きさの直方体形状からなる。
3つのASIC一体型GSRセンサは、外部の制御装置とそれぞれ配線ケーブルで連結されている。
The three-dimensional magnetic field detection device has an ASIC-integrated GSR sensor for detecting the vertical magnetic field on one surface of the long side of the rectangular parallelepiped pedestal, and the other two surfaces of the long side for detecting the horizontal magnetic field. With the ASIC integrated GSR sensor attached, it has a rectangular parallelepiped shape with a long side of 0.8 mm or less on the bottom surface, a diagonal of 1.0 mm or less, and a side length of 3 mm or less.
The three ASIC-integrated GSR sensors are connected to an external control device by wiring cables.
以下、実施形態を詳細に説明する。
3次元磁界検出装置は、直方体台座の4つの長辺のうちの1つの面を第1軸方向(以下、Z軸方向という。)とし、残りの3つの長辺のうちお互いに接する長辺の2つの面を第2軸方向および第3軸方向(以下、X軸方向およびY軸方向という。)として、Z軸方向には縦軸方向磁界検出用のASIC一体型GSRセンサを配置し、X軸方向およびY軸方向には横軸方向磁界検出用のASIC一体型GSRセンサをそれぞれ配置する。直方体台座へのASIC一体型GSRセンサの取り付けは接着剤を用いる。取り付け後の大きさは、底面の長辺0.8mm以下、対角線1.0mm以下、側面の長さ3mm以下である。
ここで、縦軸方向磁界検出とは長辺の面の長さ方向であって3次元磁界検出のうちのZ軸方向磁界検出に相当し、横軸方向磁界検出とは長辺の面の長さ方向に直交する幅方向であって3次元磁界検出のうちのX軸方向磁界検出およびY軸方向磁界検出に相当する。
Hereinafter, embodiments will be described in detail.
In the three-dimensional magnetic field detection device, one surface of the four long sides of the rectangular parallelepiped pedestal is defined as the first axis direction (hereinafter referred to as the Z axis direction), and the long sides of the remaining three long sides that are in contact with each other The two surfaces are the 2nd and 3rd axis directions (hereinafter referred to as the X-axis direction and the Y-axis direction), and the ASIC-integrated GSR sensor for detecting the magnetic field in the vertical axis direction is arranged in the Z-axis direction. An ASIC-integrated GSR sensor for detecting a magnetic field in the horizontal axis direction is arranged in the axial direction and the Y-axis direction, respectively. Adhesive is used to attach the ASIC-integrated GSR sensor to the rectangular parallelepiped pedestal. The size after attachment is 0.8 mm or less on the long side of the bottom surface, 1.0 mm or less on the diagonal line, and 3 mm or less on the side surface.
Here, the vertical axis direction magnetic field detection is the length direction of the long side surface and corresponds to the Z axis direction magnetic field detection of the three-dimensional magnetic field detection, and the horizontal axis direction magnetic field detection is the length of the long side surface. It is the width direction orthogonal to the vertical direction and corresponds to the X-axis direction magnetic field detection and the Y-axis direction magnetic field detection among the three-dimensional magnetic field detections.
また、3次元磁界検出装置は、GSRセンサの長さと幅とのアスペクト比を2以上の短冊状とする。よって、アスペクト比2以上の短冊状の3つのGSRセンサを配置する直方体台座もアスペクト比2以上の短冊状とする。 Further, the three-dimensional magnetic field detection device has a strip shape having an aspect ratio of the length and width of the GSR sensor of 2 or more. Therefore, the rectangular parallelepiped pedestal on which the three strip-shaped GSR sensors having an aspect ratio of 2 or more are arranged is also made into a strip-shaped strip having an aspect ratio of 2 or more.
直方体台座は、プラスチック、セラミックなどの固い絶縁素材を用いて、その大きさは幅0.6mm以下、厚さ0.7mm以下、長さ3mm以下である。ASICの好ましい大きさである幅0.2mm〜0.5mm、厚さ0.08mm〜0.12mm、長さ1mm〜1.6mmに対応して、好ましくは、幅0.36mm〜0.5mm、厚さ0.28mm〜0.48mm、長さ1mm〜1.6mmである。
The rectangular parallelepiped pedestal uses a hard insulating material such as plastic or ceramic, and its size is 0.6 mm or less in width, 0.7 mm or less in thickness, and 3 mm or less in length. Corresponding to the preferred size of the ASIC, width 0.2 mm-0.5 mm, thickness 0.08 mm-0.12 mm,
縦軸方向磁界検出用のASIC一体型GSRセンサ(以下、縦軸GSRセンサという。)は、幅0.8mm以下、厚さ0.2mm以下、長さ3mm以下のサイズの特定用途向け集積回路(ASIC)と、ASIC表面の絶縁保護被膜上にGSR素子の基板としての機能を果たすことができる厚みの絶縁レジスト層(以下、レジスト層という。)からなる基板皮膜を形成し、その基板皮膜上にASICの長さ方向の磁性ワイヤと磁性ワイヤを周回する検出コイルおよび電極からなる縦軸GSR素子を一体成形するものである。この縦軸GSR素子は、縦軸GSR素子のワイヤ電極およびコイル電極を介してASICと連結されている。 The ASIC integrated GSR sensor for detecting the magnetic field in the vertical axis direction (hereinafter referred to as the vertical axis GSR sensor) is an integrated circuit for a specific application having a width of 0.8 mm or less, a thickness of 0.2 mm or less, and a length of 3 mm or less. A substrate film composed of an ASIC) and an insulating resist layer (hereinafter referred to as a resist layer) having a thickness capable of functioning as a substrate of a GSR element is formed on the insulating protective film on the surface of the ASIC, and is formed on the substrate film. A vertical axis GSR element including a magnetic wire in the length direction of an ASIC, a detection coil that orbits the magnetic wire, and an electrode is integrally molded. The vertical axis GSR element is connected to the ASIC via a wire electrode and a coil electrode of the vertical axis GSR element.
アモルファス磁性ワイヤの長さはASICの幅より長く、その本数は1本または2本とする。ASICの長さ方向の他端に電源供給と外部のコンピュータとの信号交信のための電極が複数個設置されている。外部からカテーテルチューブを通して電線が挿入され、その電線とASICの電極とが接続されて、電源の供給および信号の交信が行われる。 The length of the amorphous magnetic wire is longer than the width of the ASIC, and the number of the amorphous magnetic wires is one or two. A plurality of electrodes for power supply and signal communication with an external computer are installed at the other end of the ASIC in the length direction. An electric wire is inserted from the outside through a catheter tube, and the electric wire is connected to an ASIC electrode to supply power and communicate signals.
横軸方向磁界検出用のASIC一体型GSRセンサ(以下、横軸GSRセンサという。)は、幅0.8mm以下、厚さ0.2mm以下、長さ3mm以下のサイズのASICと、ASIC表面の絶縁保護被膜上にGSR素子の基板としての機能を果たすことができる厚みのレジスト層からなる基板皮膜を形成し、その基板皮膜上にASICの幅方向の磁性ワイヤと磁性ワイヤを周回する検出コイルおよび電極からなる横軸GSR素子を一体成形するものである。この横軸GSR素子は、横軸GSR素子のワイヤ電極およびコイル電極を介してASICと連結されている。 The ASIC integrated GSR sensor for detecting the magnetic field in the horizontal axis direction (hereinafter referred to as the horizontal axis GSR sensor) includes an ASIC having a width of 0.8 mm or less, a thickness of 0.2 mm or less, and a length of 3 mm or less, and an ASIC surface surface. A substrate film made of a resist layer having a thickness capable of functioning as a substrate for a GSR element is formed on the insulating protective film, and a detection coil and a detection coil that circulate the magnetic wire in the width direction of the ASIC and the magnetic wire on the substrate film. A horizontal axis GSR element composed of electrodes is integrally molded. The horizontal axis GSR element is connected to the ASIC via a wire electrode and a coil electrode of the horizontal axis GSR element.
アモルファス磁性ワイヤの長さはASICの幅に相当し、その本数は2本または4本とする。長さの短い横軸GSR素子からなる横軸GSRセンサは、縦軸GSRセンサと同じ磁界検出力をためには縦軸GSR素子の長さに相当する横軸GSR素子の長さが必要となるからである。 The length of the amorphous magnetic wire corresponds to the width of the ASIC, and the number of the amorphous magnetic wire is 2 or 4. A horizontal axis GSR sensor composed of a short horizontal axis GSR element requires the length of the horizontal axis GSR element corresponding to the length of the vertical axis GSR element in order to obtain the same magnetic field detection force as the vertical axis GSR sensor. Because.
縦軸GSRセンサと同様に、ASICの長さ方向の他端に電源供給と外部のコンピュータとの信号交信のための電極が複数個設置されている。外部からカテーテルチューブを通して電線が挿入され、その電線とASICの電極とが接続されて、電源の供給および信号の交信が行われる。 Similar to the vertical axis GSR sensor, a plurality of electrodes for power supply and signal communication with an external computer are installed at the other end of the ASIC in the length direction. An electric wire is inserted from the outside through a catheter tube, and the electric wire is connected to an ASIC electrode to supply power and communicate signals.
GSR素子(縦軸GSR素子および横軸GSR素子の両者をいう。)とASICとを一体成形したGSRセンサは超薄型化・超小型化が可能となり、この1つの縦軸GSRセンサおよび2つの横軸GSRセンサの組み合わせを直方体台座に取り付けた3次元磁界検出装置の直方体の超小型化が達成できる。この超小型化した3次元磁界検出装置は、カテーテルチューブの先端への内蔵に最適である。 A GSR sensor in which a GSR element (both a vertical axis GSR element and a horizontal axis GSR element) and an ASIC are integrally molded can be made ultra-thin and ultra-compact, and this one vertical axis GSR sensor and two It is possible to achieve ultra-miniaturization of the rectangular parallelepiped of the three-dimensional magnetic field detection device in which the combination of the horizontal axis GSR sensors is attached to the rectangular parallelepiped pedestal. This ultra-miniaturized three-dimensional magnetic field detector is ideal for incorporation into the tip of a catheter tube.
GSR素子は、感磁体であるアモルファス磁性ワイヤ、磁性ワイヤに周回する検出コイル、磁性ワイヤおよび検出コイルのそれぞれの両端の端子、両端の端子とASICと連結する電極および端子と電極との配線から構成されている。 The GSR element is composed of an amorphous magnetic wire that is a magnetic sensor, a detection coil that circulates around the magnetic wire, terminals at both ends of the magnetic wire and the detection coil, an electrode that connects the terminals at both ends and ASIC, and wiring between the terminals and the electrodes. Has been done.
アモルファス磁性ワイヤ13は、CoFeSiB合金で直径15μm以下、好ましくは10μm以下である。磁性ワイヤ13の周囲は絶縁性材料、例えば絶縁性ガラス材料で被覆されていることが好ましい。磁性ワイヤ13と検出コイル14との間の絶縁が容易であり、また両者の間隙を小さくしてコイル内径の小径化を図ることができる。
The amorphous
検出コイルは、コイル内径は30μm以下、好ましくは15μm以下である。コイル内径を小さくすることにより感度の向上になる。コイルピッチは5μm以下、好ましくは3μm以下である。これにより単位長さ当たりのコイル巻数の増加を図ることができ、感度の向上、ひいては磁界検出素子を短くして小型にすることができる。 The inner diameter of the detection coil is 30 μm or less, preferably 15 μm or less. Sensitivity is improved by reducing the inner diameter of the coil. The coil pitch is 5 μm or less, preferably 3 μm or less. As a result, the number of coil turns per unit length can be increased, the sensitivity can be improved, and the magnetic field detection element can be shortened to reduce the size.
GSRセンサの電子回路は、本発明者が特許文献4において開示している電子回路を基本とする。
基本回路は、パルス発信回路(パルス発信器)および信号処理回路を有する。信号処理回路は、バッファ回路、検波タイミング調整回路、電子スイッチ、サンプルホールド回路および増幅器からなる。パルス発振回路により発生した2GHz相当の高周波のパルス電流をGSR素子の磁性ワイヤへ供給する。パルス電流を通電した際に磁性ワイヤの表面の電子スピンが高速回転し、検出コイルに外部磁場に対応した電圧が発生する。この出力電圧をサンプルホールドして増幅器で検出する。なお、ここでいうパルス周波数は、パルス電流の「立ち下がり」時間Δtの4倍をその周期としてその逆数をパルス周波数と便宜上定義した。
The electronic circuit of the GSR sensor is based on the electronic circuit disclosed by the present inventor in
The basic circuit includes a pulse transmitter (pulse transmitter) and a signal processing circuit. The signal processing circuit includes a buffer circuit, a detection timing adjustment circuit, an electronic switch, a sample hold circuit, and an amplifier. A high-frequency pulse current equivalent to 2 GHz generated by the pulse oscillation circuit is supplied to the magnetic wire of the GSR element. When a pulse current is applied, the electron spin on the surface of the magnetic wire rotates at high speed, and a voltage corresponding to the external magnetic field is generated in the detection coil. This output voltage is sample-held and detected by the amplifier. The pulse frequency referred to here is conveniently defined as the pulse frequency, with the period being four times the "falling down" time Δt of the pulse current and its reciprocal.
検出コイルの出力電圧は検波タイミング調整回路により、パルス電流の立ち下がりから所定のタイミングで、電子スイッチを短時間にスイッチング(オン−オフ)することでサンプルホールド回路のコンデンサ電圧としてホールドされ、このサンプリング電圧は増幅器により増幅されて出力される。 The output voltage of the detection coil is held as the capacitor voltage of the sample hold circuit by switching (on-off) the electronic switch in a short time at a predetermined timing from the fall of the pulse current by the detection timing adjustment circuit, and this sampling The voltage is amplified by the amplifier and output.
その後AD変換され、内蔵の小型CPUでデータ保存およびデータ補正されて、外部の制御装置に転送される。
この時に制御装置で3次元磁界検出装置は制御されるが、外部から電源供給のための2本の電源線と、外部へ信号送信のためと外部からGSRセンサを制御するための2本の信号線とからなる合計4本の電線でGSRセンサを制御する。
After that, it is AD-converted, data is stored and corrected by the built-in small CPU, and transferred to an external control device.
At this time, the control device controls the three-dimensional magnetic field detection device, but two power lines for supplying power from the outside and two signals for transmitting signals to the outside and controlling the GSR sensor from the outside. The GSR sensor is controlled by a total of four electric wires consisting of wires.
したがって、3次元磁界検出装置は、ASIC一体型GSRセンサの各2本の信号線からなる合計6本の配線と、ASIC一体型GSRセンサの各2本の電源線からなる合計6本の配線との総合計12本の配線で外部の制御装置と連結されている。
また、3次元磁界検出装置は、ASIC一体型GSRセンサの電源線を共通化して電源線2本と、ASIC一体型GSRセンサの各2本の信号線の合計6本と合わせて8本の配線で外部の制御装置と連結されている。
配線数の減少によりカテーテルに内蔵したセンサと外部の制御装置とを結ぶワイヤの小型化が実現する。これにより小さな直径のカテーテルへの適用が良くなる。また強度面で引き出し線との接続点が少なくなるので故障しにくくなる。
Therefore, the three-dimensional magnetic field detection device includes a total of six wires consisting of two signal lines for each of the ASIC-integrated GSR sensors and a total of six wires consisting of two power lines for each of the ASIC-integrated GSR sensors. A total of 12 wires are connected to the external control device.
In addition, the three-dimensional magnetic field detection device has a common power supply line for the ASIC-integrated GSR sensor, and has eight wirings, including two power supply lines and two signal lines for each of the two ASIC-integrated GSR sensors, for a total of six wires. Is connected to an external control device.
By reducing the number of wires, the wire connecting the sensor built in the catheter and the external control device can be miniaturized. This improves application to small diameter catheters. Further, in terms of strength, the number of connection points with the leader wire is reduced, so that failure is less likely to occur.
ASICのサイズは、幅0.8mm以下、厚さ0.2mm以下、長さ3mm以下とする。好ましくは、幅0.2mm〜0.4mm、厚さ0.08mm〜0.12mm、長さ1mm〜1.6mmである。 The size of the ASIC is 0.8 mm or less in width, 0.2 mm or less in thickness, and 3 mm or less in length. Preferably, the width is 0.2 mm to 0.4 mm, the thickness is 0.08 mm to 0.12 mm, and the length is 1 mm to 1.6 mm.
ASICの上面には、GSR素子と連結のための4つの電極が上面の幅方向の両端に配置されている。ASICの電極とGSR素子の電極は、レジスト層に設けたスルーホールを介して連結する。スルーホール部は、メッキまたは蒸着プロセスで形成する。材料としては、金、銅など良伝導性材料を用いる。 On the upper surface of the ASIC, four electrodes for connecting to the GSR element are arranged at both ends in the width direction of the upper surface. The electrodes of the ASIC and the electrodes of the GSR element are connected via a through hole provided in the resist layer. The through hole portion is formed by a plating or vapor deposition process. As the material, a good conductive material such as gold or copper is used.
ASICの長手方向の一端の端部に外部接続用の4つの電極が設置されている。
これらの電極と外部装置とは、4本ワイヤを束ねたフレキシブル電線を用いて連結する。フレキシブル電線の4本線と、ASICの4つの電極とは半田接合法で接合する。3本のフレキシブル電線を束ねて内部の3次元磁気センサと外部のコンピュータとを連結する。
Four electrodes for external connection are installed at one end of the ASIC in the longitudinal direction.
These electrodes and the external device are connected by using a flexible electric wire in which four wires are bundled. The four flexible wires and the four electrodes of the ASIC are joined by a solder joining method. Three flexible electric wires are bundled to connect an internal 3D magnetic sensor and an external computer.
縦軸GSRセンサ(Z軸GSRセンサ)は、感度は70mV/G〜300mV/G、σノイズは20μV〜30μV、磁界強度1Gの時のS/N比は、1000〜3000、測定レンジは5G〜20G、アナログ回路のバンド幅は50KHz、デジタル出力のODRは1KHzである。直線性は、フルスケールに対して0.2%で、ヒステリシスは無い。
横軸GSRセンサ(X軸GSRセンサおよびY軸GSRセンサ)の特性も同様で、3軸の検出感度は同一に調整しできることを確認した。
そして、3次元磁界検出装置は、直方体台座の長辺の1つの面に縦軸方向磁界検出用のASIC一体型GSRセンサを、長辺の他の2つの面にそれぞれ前記横軸方向磁界検出用のASIC一体型GSRセンサを取り付けて底面の長辺0.8mm以下、対角線1.0mm以下、側面の長さ3mm以下の大きさの直方体形状からなる。
The vertical axis GSR sensor (Z-axis GSR sensor) has a sensitivity of 70 mV / G to 300 mV / G, σ noise of 20 μV to 30 μV, an S / N ratio of 1000 to 3000 when the magnetic field strength is 1 G, and a measurement range of 5 G to. 20G, the bandwidth of the analog circuit is 50KHz, and the ODR of the digital output is 1KHz. The linearity is 0.2% with respect to the full scale, and there is no hysteresis.
It was confirmed that the characteristics of the horizontal axis GSR sensor (X-axis GSR sensor and Y-axis GSR sensor) are the same, and the detection sensitivities of the three axes can be adjusted in the same manner.
The three-dimensional magnetic field detection device has an ASIC-integrated GSR sensor for detecting the vertical magnetic field on one surface of the long side of the rectangular parallelepiped pedestal, and the other two surfaces of the long side for detecting the horizontal magnetic field. With the ASIC integrated GSR sensor attached, it has a rectangular parallelepiped shape with a long side of 0.8 mm or less on the bottom surface, a diagonal of 1.0 mm or less, and a side length of 3 mm or less.
また、本発明の3次元磁界検出装置は、第1軸方向、第2軸方向または第3軸方向のGSR素子のいずれか1つの素子は、3軸切替機能を有するASICと一体化された、幅0.8mm、厚さ0.2mm、長さ3mm以下の3軸切替ASIC一体型GSRセンサを形成し、他の2つのGSR素子は、3軸切替ASIC一体型GSRセンサと直方体台座上で連結し、ASICは外部の制御装置と配線ケーブルで連結されている幅0.8mm、厚さ0.8mm、長さ3mm以下の大きさからなる。 Further, in the three-dimensional magnetic field detection device of the present invention, any one of the GSR elements in the first axis direction, the second axis direction, or the third axis direction is integrated with an ASIC having a three-axis switching function. A 3-axis switching ASIC integrated GSR sensor with a width of 0.8 mm, a thickness of 0.2 mm, and a length of 3 mm or less is formed, and the other two GSR elements are connected to the 3-axis switching ASIC integrated GSR sensor on a rectangular pedestal. However, the ASIC has a width of 0.8 mm, a thickness of 0.8 mm, and a length of 3 mm or less, which are connected to an external control device by a wiring cable.
この3次元磁界検出装置は、3つめの方式であり、3軸切替機能を有するASICを使用して、ASIC一体型GSRセンサの電源線2本と信号線2本とからなる合計4本の配線で外部の制御装置と連結されている。
3つのASICを1つに簡素化することができるともに外部の制御装置との連結するための配線を少なくすることができる。
そして、3次元磁界検出装置は、直方体台座の長辺の1つの面に縦軸方向磁界検出用のASIC一体型GSRセンサを、長辺の他の2つの面にそれぞれ前記横軸方向磁界検出用のASIC一体型GSRセンサを取り付けて底面の長辺0.8mm以下、対角線1.0mm以下、側面の長さ3mm以下の大きさの直方体形状からなる。
This three-dimensional magnetic field detection device is the third method, and uses an ASIC having a three-axis switching function, and a total of four wires consisting of two power lines and two signal lines of the ASIC integrated GSR sensor. Is connected to an external control device.
The three ASICs can be simplified into one, and the wiring for connecting to an external control device can be reduced.
The three-dimensional magnetic field detection device has an ASIC-integrated GSR sensor for detecting the vertical magnetic field on one surface of the long side of the rectangular parallelepiped pedestal, and the other two surfaces of the long side for detecting the horizontal magnetic field. With the ASIC integrated GSR sensor attached, it has a rectangular parallelepiped shape with a long side of 0.8 mm or less on the bottom surface, a diagonal of 1.0 mm or less, and a side length of 3 mm or less.
外部の磁界発生装置は、1軸磁気センサの場合、3台の傾斜磁界発生装置と3台の一様磁界発生装置が必要で、それらが複雑にかつ立体的に配置されているため、医師が治療するための治療スペースが狭くなるという欠点があった。しかし3次元磁界検出装置をカテーテル先端に内蔵することによって、2台の一様磁界発生装置と1台の傾斜磁界発生装置だけで、正確な位置決めが可能となる。また、1軸磁気センサを使ったシステムでは原理上磁界を検出できなくなる方位、つまり特異点が存在したが、3軸磁気センサを使うことで、全方位で磁界を検出できる。そのため、治療スペースが広くとることができて特異点もなくなり、1軸磁気センサを使ったシステムの問題を解決することができる。 In the case of a uniaxial magnetic sensor, the external magnetic field generator requires three gradient magnetic field generators and three uniform magnetic field generators, which are arranged in a complicated and three-dimensional manner. There was a drawback that the treatment space for treatment was narrowed. However, by incorporating the three-dimensional magnetic field detection device in the tip of the catheter, accurate positioning is possible with only two uniform magnetic field generators and one gradient magnetic field generator. Further, in a system using a 1-axis magnetic sensor, in principle, there is a direction in which the magnetic field cannot be detected, that is, a singular point, but by using the 3-axis magnetic sensor, the magnetic field can be detected in all directions. Therefore, the treatment space can be widened, the singularity disappears, and the problem of the system using the uniaxial magnetic sensor can be solved.
[実施例1]
実施例1は、Z軸磁界検出用の縦軸方向磁界検出用のASIC一体型GSRセンサ(以下、縦軸GSRセンサという。)の1つと、X軸磁界検出用およびY軸磁界検出用の横軸方向のASIC一体型GSRセンサ(以下、横軸GSRセンサという。)の2つとからなる計3つのGSRセンサを直方体形状の台座の3つの面に配置し、Z軸方向、X軸方向、Y軸方向からなる3軸方向の磁界を精度よく検出する3軸磁界検出装置に関する。
[Example 1]
Example 1 is one of an ASIC integrated GSR sensor for detecting a vertical magnetic field for detecting a Z-axis magnetic field (hereinafter referred to as a vertical GSR sensor), and a horizontal one for detecting an X-axis magnetic field and detecting a Y-axis magnetic field. A total of three GSR sensors consisting of two axial ASIC integrated GSR sensors (hereinafter referred to as horizontal axis GSR sensors) are arranged on three surfaces of a rectangular pedestal, and are arranged in the Z-axis direction, the X-axis direction, and Y. The present invention relates to a three-axis magnetic field detection device that accurately detects a three-axis magnetic field composed of axial directions.
実施例1に係る縦軸GSRセンサの平面図を図3、同図のA1−A線の断面図を図4、同図のB1−B2線の断面図を図5に示す。横軸GSRセンサの平面図を図6に示す。1つの縦軸GSRセンサと2つの横軸GSRセンサを組み合わせた3次元磁界検出装置の(a)斜視図の概略図と(b)組み立て断面図の概略図を図7に示す。また、その電子回路図を図8に示す。これらの図面を参照しつつ実施例1を説明する。 The plan view of the vertical axis GSR sensor according to the first embodiment is shown in FIG. 3, the cross-sectional view of the A1-A line in the same figure is shown in FIG. 4, and the cross-sectional view of the B1-B2 line in the same figure is shown in FIG. A plan view of the horizontal axis GSR sensor is shown in FIG. FIG. 7 shows a schematic view of (a) a perspective view and (b) a schematic view of an assembled cross-sectional view of a three-dimensional magnetic field detection device in which one vertical axis GSR sensor and two horizontal axis GSR sensors are combined. The electronic circuit diagram is shown in FIG. The first embodiment will be described with reference to these drawings.
縦軸GSRセンサ1は、図3〜図5に示すように、幅0.4mm、厚さ0.1mm、長さ1.4mmのサイズのASIC1Aの絶縁保護被膜上に、幅0.4mm、長さ0.8mmのサイズの縦軸GSR素子10を形成する。縦軸GSR素子10の基板皮膜11は、3次元フォトリソ技術によりASIC1Aの絶縁保護被膜上に厚み7μmの絶縁性レジスト層(以下、レジスト層という。)から形成され、素子基板としての機能を果たす。そして、この基板皮膜11に、ASIC1Aの長さ方向(図1における左右方向)であって基板皮膜11の中央部に幅14μm、深さ7μmからなる逆台形状の溝12が1本形成される。
As shown in FIGS. 3 to 5, the vertical
この溝12の面(底面および側面)および溝12の両側に沿って、凹形状の下コイル144が形成される。この下コイル144の上に、直径10μm、長さ0.6mmの絶縁性ガラス被覆付きの磁性ワイヤ13が1本設置され、その周囲に絶縁性レジスト111を塗布し、凸形状の上コイル143が形成される。凸形状の上コイル143と凹形状の下コイル144はジョイント部145を介して電気的接合がされる。こうして、磁性ワイヤ13を周回するらせん状の検出コイル14となる。検出コイル14のコイル内径は15μm、コイルピッチは5μmである。
A concave lower coil 144 is formed along the surfaces (bottom surface and side surface) of the
磁性ワイヤ13の両端部については、絶縁性被膜材のガラスを除去して金属蒸着による電気的接続ができる端子131を形成する。さらに、ASICの幅方向の両端部におけるASICとの電気的接続のために、ワイヤ電極連結線132を介するワイヤ電極15を形成する。
検出コイル14についても、コイル端子141、コイル電極連結線142、コイル電極16を形成する。
これにより、ASICとの電気的接続を行なう。
At both ends of the
The
This makes an electrical connection with the ASIC.
ASIC1Aの他端(図3の右端)には、電源供給電極491およびアース電極494からなる電源電極2個と、外部コンピュータと信号交信のためのコマンド入力電極492および出力電極493からなる通信電極2個の計4個の電極が設置されている。
外部からカテーテルチューブを通して電線が挿入され、その電線とASIC1Aの電極とが接続されて、電源の供給と信号のやり取りが行われる。
At the other end of the ASIC1A (the right end in FIG. 3), there are two power supply electrodes consisting of a
An electric wire is inserted from the outside through a catheter tube, and the electric wire is connected to an electrode of ASIC1A to supply power and exchange signals.
横軸GSRセンサ1は、図6に示すように、幅0.4mm、厚さ0.1mm、長さ1.4mmのサイズのASIC1Aの絶縁保護被膜上の一端に、幅0.4mm、長さ0.8mmのサイズの横軸GSR素子20を形成する。横軸GSR素子20の基板皮膜21は、3次元フォトリソ技術によりASIC1Aの絶縁保護被膜上に厚み7μmの絶縁レジスト層(以下、レジスト層という。)から形成され、素子基板としての機能を果たす。
そして、この基板皮膜21に、ASIC1Aの幅方向(図4における上下方向)であって基板皮膜21の中央部に幅14μm、深さ7μmからなる逆台形状の溝22が2本形成される。
なお、図6の断面図については縦軸GSRセンサの図4および図5と同様である。
As shown in FIG. 6, the horizontal
Then, two inverted
The cross-sectional view of FIG. 6 is the same as that of FIGS. 4 and 5 of the vertical axis GSR sensor.
この2本の溝22の面(底面および側面)および溝22の両側に沿って、凹形状の下コイルがそれぞれ形成される。この下コイルの上に、直径10μm、長さ0.4mmの絶縁性ガラス被覆付きの磁性ワイヤ23Lおよび磁性ワイヤ24Rがそれぞれ1本設置され、その周囲に絶縁性レジストを塗布し、凸形状の上コイルが形成される。凸形状の上コイルと凹形状の下コイルはジョイント部を介して電気的接合がされる。こうして、磁性ワイヤ23Lおよび磁性ワイヤ23Rをそれぞれ周回するらせん状の検出コイル24Lおよび検出コイル24Rとなる検出コイル24Lおよび検出コイル25Rの両者(以下、検出コイル24という。)はコイル間連結線244を介してコイル間端子243により接続されている。
検出コイル24のコイル内径は15μm、コイルピッチは5μmである。
A concave lower coil is formed along the surfaces (bottom surface and side surface) of the two
The coil inner diameter of the
磁性ワイヤ23Lおよび磁性ワイヤ23Rの両者(以下、磁性ワイヤ23という)の両端部については、絶縁性被膜材のガラスを除去して金属蒸着による電気的接続ができるワイヤ端子231およびワイヤ間端子233を形成する。そして、磁性ワイヤ23Lおよび磁性ワイヤ23Rの両者はそれぞれワイヤ間端子233とワイヤ間連結線234により接続されている。
さらに、ASICの幅方向の両端部におけるASICとの電気的接続のために、ワイヤ電極連結線232を介するワイヤ電極25を形成する。
検出コイル24Lおよび検出コイル24Rの両者(以下、検出コイル24という。)についても、コイル端子241、コイル電極連結線242、コイル電極26を形成する。
これにより、ASICとの電気的接続を行なう。
At both ends of both the magnetic wire 23L and the magnetic wire 23R (hereinafter referred to as the magnetic wire 23), wire terminals 231 and wire-to-
Further, a
The coil terminal 241, the coil
This makes an electrical connection with the ASIC.
ASIC1Aの他端(図3の右端)には、電源供給電極491およびアース電極494からなる電源電極2個と、外部コンピュータと信号交信のためのコマンド入力電極492および出力電極493からなる通信電極2個の計4個の電極が設置されている。
外部からカテーテルチューブを通して電線が挿入され、その電線とASIC1Aの電極とが接続されて、電源の供給と信号のやり取りが行われる。
At the other end of the ASIC1A (the right end in FIG. 3), there are two power supply electrodes consisting of a
An electric wire is inserted from the outside through a catheter tube, and the electric wire is connected to an electrode of ASIC1A to supply power and exchange signals.
GSRセンサの電子回路として、縦軸GSRセンサおよび横軸GSRセンサは上述している特許文献4に開示している電子回路と同じである。よって、縦軸GSRセンサの電子回路4を例示して説明する。
電子回路4は、パルス発信回路41(パルス発信器41)および信号処理回路42を有する。信号処理回路は、バッファ回路43、検波タイミング調整回路44、電子スイッチ45、サンプルホールド回路46および増幅器47からなる。
パルス発振回路41により発生した2GHz相当の高周波のパルス電流をGSR素子10の磁性ワイヤ12へ供給する。パルス電流を通電した際に磁性ワイヤの表面の電子スピンが高速回転し、検出コイル13に外部磁場に対応した電圧が発生する。この電圧をサンプルホールド回路46にてサンプルホールドして増幅器47で検出する。
なお、ここでいうパルス周波数は、パルス電流の「立ち下がり」時間Δtの4倍をその周期としてその逆数をパルス周波数と便宜上定義した。
As the electronic circuit of the GSR sensor, the vertical axis GSR sensor and the horizontal axis GSR sensor are the same as the electronic circuit disclosed in
The
A high-frequency pulse current equivalent to 2 GHz generated by the pulse oscillation circuit 41 is supplied to the
The pulse frequency referred to here is conveniently defined as the pulse frequency, with the period being four times the "falling down" time Δt of the pulse current and its reciprocal.
コイルの出力電圧は検波タイミング調整回路44により、パルス電流の立ち下がりから所定のタイミングで、電子スイッチ45を短時間にスイッチング(オン−オフ)することでサンプルホールド回路46のコンデンサ電圧としてホールドされ、このサンプリング電圧は増幅器47により増幅されて出力される。 The output voltage of the coil is held as the capacitor voltage of the sample hold circuit 46 by switching (on-off) the electronic switch 45 in a short time at a predetermined timing from the fall of the pulse current by the detection timing adjustment circuit 44. This sampling voltage is amplified by the amplifier 47 and output.
その後、ADコンバータ481によりAD変換され、演算回路482にて内蔵の小型CPUでデータ保存およびデータ補正されて、通信回路483を経由して外部のコンピュータに転送される。この時、制御装置で3次元磁界検出装置は制御されるが、外部からは、電源供給のために2本の電源線、外部への信号送信のための信号線および外部からセンサを制御するための電線、合計4本の電線でセンサを制御する。 After that, it is AD-converted by the AD converter 481, data is stored and corrected by the built-in small CPU in the arithmetic circuit 482, and transferred to an external computer via the communication circuit 483. At this time, the three-dimensional magnetic field detection device is controlled by the control device, but from the outside, two power lines for power supply, a signal line for signal transmission to the outside, and a sensor from the outside are controlled. The sensor is controlled by a total of four electric wires.
ASIC1Aのサイズは、幅0.4mm、厚さ0.1mm、長さ1.4mmからなる。
ASIC1Aの上面には、GSR素子10と連結のための4つの電極、すなわち2つのワイヤ電極15A、2つのコイル電極16Aが上面の幅方向の両端に配置されている。ASIC側のワイヤ電極15A、コイル16AとGSR素子のワイヤ電極15、コイル電極16は、基板皮膜11に設けたスルーホール151、161を介して連結されている。スルーホール部は、メッキ工法で銅を材料に形成する。
The size of ASIC1A consists of a width of 0.4 mm, a thickness of 0.1 mm, and a length of 1.4 mm.
On the upper surface of the ASIC 1A, four electrodes for connecting to the
ASIC1Aの長さ方向の一端の端部に外部接続用の4つの電極491、492、493、494が配置されている。
これらの電極と外部装置とは、4本ワイヤを束ねたフレキシブル電線を用いて連結する。フレキシブル電線の4本線と、ASIC1Aの4つの電極とは半田接合法で接合する。3本のフレキシブル電線を束ねて内部の3次元磁界検出装置と外部のコンピュータとを連結する。
Four
These electrodes and the external device are connected by using a flexible electric wire in which four wires are bundled. The four flexible wires and the four electrodes of ASIC1A are joined by a solder joining method. Three flexible electric wires are bundled to connect an internal three-dimensional magnetic field detection device and an external computer.
直方体台座31は、セラミックを用いて、そのサイズは幅0.3mm、厚さ0.4mm、長さ1.4mmとする。直方体台座31の長手方向の4面のうちの3面に、横軸GSRセンサ2をX軸GSRセンサとして、横軸GSRセンサ2をY軸GSRセンサとして、および縦軸GSRセンサ1をZ軸GSRセンサとしてそれぞれ配置する。ただし、X軸GSRセンサとY軸GSRセンサは直交する隣接面にそれぞれ配置する。各センサの直方体台座31への取り付けには接着剤を用いる(図7)。
こうして作製された3次元磁界検出装置の大きさは、幅0.5mm、厚さ0.5mm、
長さ1.4mmで、内径1.0mmのカテーテルに内蔵できる(図7(b)および図1(d))。
The
The size of the three-dimensional magnetic field detection device produced in this way is 0.5 mm in width and 0.5 mm in thickness.
It can be incorporated into a catheter having a length of 1.4 mm and an inner diameter of 1.0 mm (FIGS. 7 (b) and 1 (d)).
Z軸GSRセンサは、感度は100mV/G、σノイズは25μV(磁界換算で0.25mG)、磁界強度1Gの時のS/N比は1200、測定レンジは5G、アナログ回路のバンド幅は50KHz、デジタル出力のODRは1KHzである。直線性は、フルスケールに対して0.2%で、ヒステリシスは無かった。X軸GSRセンサ、Y軸GSRセンサの特性も同様で、3軸の検出感度は同一に調整できた。 The Z-axis GSR sensor has a sensitivity of 100 mV / G, σ noise of 25 μV (0.25 mG in terms of magnetic field), an S / N ratio of 1200 when the magnetic field strength is 1 G, a measurement range of 5 G, and an analog circuit bandwidth of 50 KHz. The digital output ODR is 1 KHz. The linearity was 0.2% with respect to the full scale, and there was no hysteresis. The characteristics of the X-axis GSR sensor and the Y-axis GSR sensor were the same, and the detection sensitivities of the three axes could be adjusted to be the same.
外部の磁界発生装置として、2台の一様磁界発生装置と1台の傾斜磁界発生装置を用いる。磁界の傾斜勾配は0.2mG/μmとする。本発明品の空間位置の分解能は、ノイズは1.5mG(6σ)なので、7μm程度となる。位置決め精度は、半径10cmの磁界空間域でコイル間の製作バラツキや温度の影響、外部磁界の影響、測定位置の誤差などを考慮すると70μm程度になるものと考えられる。 Two uniform magnetic field generators and one gradient magnetic field generator are used as external magnetic field generators. The gradient of the magnetic field is 0.2 mG / μm. The resolution of the spatial position of the product of the present invention is about 7 μm because the noise is 1.5 mG (6σ). The positioning accuracy is considered to be about 70 μm in consideration of the manufacturing variation between the coils, the influence of temperature, the influence of the external magnetic field, the error of the measurement position, etc. in the magnetic field space region having a radius of 10 cm.
[実施例2]
実施例2は、実施例1と同じ構造の3つのGSR素子を、切換スイッチ53で3つの素子を操作できるひとつのASIC(ASIC2Aという。)に改造し、上述の3次元磁界検出装置としたものである。
3次元磁界検出装置の(a)斜視の概略図および(b)組み立て断面図を図9に示し、電子回路を図10に示す。
まず、直方体台座31の一つの面(図9の上の面)を第2軸方向として3軸切替機能を有するASICと一体化した3軸切替ASIC一体型GSRセンサ2(X軸GSR素子20からなるセンサ)を取り付ける。
次に、その3軸切替ASIC一体型GSRセンサ2の長手方向の長辺を介して両側の面(図9の奥の面および手前の面)に、第3軸方向のY軸GSR素子20および第1軸方向のZ軸GSR素子10をそれぞれ取り付ける。
Y軸GSR素子20およびZ軸GSR素子10は、3軸切替ASIC一体型GSRセンサ2と直方体台座31の上で連結する配線を行なう。
また、ASICは外部のマイクロコンピュータ(制御装置)と配線ケーブルで連結している。
この3次元磁界検出装置の大きさおよび性能は、実施例1と同様である。
[Example 2]
In the second embodiment, three GSR elements having the same structure as that of the first embodiment are modified into one ASIC (referred to as ASIC2A) in which the three elements can be operated by the changeover switch 53 to obtain the above-mentioned three-dimensional magnetic field detection device. Is.
FIG. 9 shows a schematic view of (a) a perspective view and (b) an assembled cross-sectional view of the three-dimensional magnetic field detection device, and FIG. 10 shows an electronic circuit.
First, a 3-axis switching ASIC integrated GSR sensor 2 (from the X-axis GSR element 20) integrated with an ASIC having a 3-axis switching function with one surface (upper surface in FIG. 9) of the
Next, the Y-
The Y-
In addition, the ASIC is connected to an external microcomputer (control device) with a wiring cable.
The size and performance of this three-dimensional magnetic field detection device are the same as those in the first embodiment.
本発明の超小型の3次元磁気センサは、医療用カテーテルの先端に取り付け、その先端部分が磁界空間における3次元的な位置を確定するセンサとして期待される。 The ultra-small three-dimensional magnetic sensor of the present invention is expected as a sensor attached to the tip of a medical catheter and the tip portion of the tip portion determines a three-dimensional position in a magnetic field space.
1:縦軸GSRセンサ、1A:(縦軸)GSRセンサ用ASIC、
10:縦軸GSR素子、11:基板皮膜(絶縁性レジスト層)、111:絶縁性レジスト、12:溝、13:磁性ワイヤ、131:ワイヤ端子、132:ワイヤ電極連絡線、14:検出コイル、141:コイル端子、142:コイル電極連結線、143:上コイル、144:下コイル、145:ジョイント部、15:ワイヤ電極、15A:ASIC側ワイヤ電極、151:スルーホール(ワイヤ電極とASIC側のワイヤ電極との接続用)、16:コイル電極、16A:ASIC側のコイル電極、161:スルーホール(コイル電極とASIC側のコイル電極との接続用)、491:電源電極、492:コマンド入力電極、183:出力電極、494:アース電極、
2:横軸GSRセンサ、2A:(横軸)GSRセンサ用ASIC
20:横軸GSR素子、21:基板皮膜(絶縁性レジスト層)、22:溝、23:磁性ワイヤ(23Lおよび23Rの両者をいう。)23L:磁性ワイヤ(左側)、23R:磁性ワイヤ(右側)、231:ワイヤ端子、232:ワイヤ電極連結線、233:ワイヤ間端子、234:ワイヤ間連結線、24:検出コイル(24Lおよび24Rの両者をいう。)24L:検出コイル(左側)、24R:検出コイル(右側)、241:コイル端子、242:コイル電極連結線、243:コイル間端子、244:コイル間連結線、25:ワイヤ電極、26:コイル電極、
3;3次元磁界検出装置、31:直方体台座
1: Vertical axis GSR sensor, 1A: (Vertical axis) ASIC for GSR sensor,
10: Vertical axis GSR element, 11: Substrate film (insulating resist layer), 111: Insulating resist, 12: Groove, 13: Magnetic wire, 131: Wire terminal, 132: Wire electrode connecting wire, 14: Detection coil, 141: Coil terminal, 142: Coil electrode connecting wire, 143: Upper coil, 144: Lower coil, 145: Joint part, 15: Wire electrode, 15A: ASIC side wire electrode, 151: Through hole (wire electrode and ASIC side) (For connection with wire electrode), 16: Coil electrode, 16A: Coil electrode on ASIC side, 161: Through hole (for connection between coil electrode and coil electrode on ASIC side), 491: Power supply electrode, 492: Command input electrode , 183: Output electrode, 494: Earth electrode,
2: Horizontal axis GSR sensor, 2A: (Horizontal axis) ASIC for GSR sensor
20: Horizontal axis GSR element, 21: Substrate film (insulating resist layer), 22: Groove, 23: Magnetic wire (both 23L and 23R) 23L: Magnetic wire (left side), 23R: Magnetic wire (right side) ), 231: Wire terminal, 232: Wire electrode connecting line, 233: Wire-to-wire terminal, 234: Wire-to-wire connecting line, 24: Detection coil (both 24L and 24R) 24L: Detection coil (left side), 24R : Detection coil (right side), 241: Coil terminal, 242: Coil electrode connection line, 243: Inter-coil terminal, 244: Inter-coil connection line, 25: Wire electrode, 26: Coil electrode,
3; 3D magnetic field detector, 31: rectangular parallelepiped pedestal
4:GSRセンサの電子回路
41:パルス発振回路(パルス発信器)、42:信号処理回路、43:バッファ回路、44:検波タイミング調整回路、45:電子スイッチ、46:サンプルホールド回路、47:増幅器、48:デジタル・通信回路 、481:ADコンバータ、482:演算回路、483:通信回路、49:外部接続用電極、491:電源供給電極、492:コマンド入力電極、493:出力電極、494:アース電極、
5:3軸切替用GSRセンサの電子回路、
10:Z軸GSR素子、13:磁性ワイヤ、14:検出コイル、20:X軸GSR素子およびY軸GSR素子、23:磁性ワイヤ、24:検出コイル、51:パルス発振回路(パルス発信器)、52:検波タイミング調整回路、53:切替スイッチ、54:信号処理回路、55:デジタル・通信回路 、551:ADコンバータ、552:演算回路、553:通信回路、56:外部接続用電極、561:電源供給電極、562:コマンド入力電極、563:出力電極、564:アース電極、
4: Electronic circuit of GSR sensor 41: Pulse oscillation circuit (pulse transmitter), 42: Signal processing circuit, 43: Buffer circuit, 44: Detection timing adjustment circuit, 45: Electronic switch, 46: Sample hold circuit, 47: Amplifier , 48: Digital communication circuit, 481: AD converter, 482: Arithmetic circuit, 483: Communication circuit, 49: External connection electrode, 491: Power supply electrode, 492: Command input electrode, 493: Output electrode, 494: Earth electrode,
5: Electronic circuit of GSR sensor for 3-axis switching,
10: Z-axis GSR element, 13: magnetic wire, 14: detection coil, 20: X-axis GSR element and Y-axis GSR element, 23: magnetic wire, 24: detection coil, 51: pulse oscillator circuit (pulse transmitter), 52: Detection timing adjustment circuit, 53: Changeover switch, 54: Signal processing circuit, 55: Digital / communication circuit, 551: AD converter, 552: Arithmetic circuit, 535: Communication circuit, 56: External connection electrode, 561: Power supply Supply electrode, 562: Command input electrode, 563: Output electrode, 564: Earth electrode,
Claims (3)
前記直方体台座の長辺の1つの面に第1軸方向とする縦軸方向磁界検出用のGSR素子と、
前記直方体台座の長辺の他の隣接する2つの面に第2軸方向および第3軸方向とする横軸方向磁界検出用のGSR素子と、
前記第1軸方向、前記第2軸方向および前記第3軸方向の前記GSR素子からなる3つのGSR素子を制御するASIC仕様の電子回路とからなる3次元磁界検出装置において、
前記縦軸方向磁界検出用のGSR素子は、
ASIC表面保護被膜上に形成された絶縁性レジスト層からなる基板皮膜にアモルファス磁性ワイヤ(以下、磁性ワイヤという。)を前記基板皮膜の長さ方向に形成された溝に設置し、前記磁性ワイヤの周りに検出コイルを形成し、前記磁性ワイヤにパルス電流を通電するための2個のワイヤ電極と前記検出コイルに発生するコイル電圧を測定する2個のコイル電極を備え、
前記縦軸方向磁界検出用のGSR素子と幅0.8mm以下、厚さ0.2mm以下、長さ3mm以下の大きさの前記ASICは前記4つの電極を介して連結する縦軸方向磁界検出用のASIC一体型GSRセンサを形成し、
前記横軸方向磁界検出用のGSR素子は、
ASIC表面保護被膜上に形成された絶縁性レジスト層からなる基板皮膜に前記磁性ワイヤを前記基板皮膜の幅方向に形成された溝に設置し、前記磁性ワイヤの周りに検出コイルを形成し、前記磁性ワイヤにパルス電流を通電するための2個のワイヤ電極と前記検出コイルに発生する電圧を測定する2個のコイル電極を備え、
前記横軸磁界検出用のGSR素子と幅0.8mm以下、厚さ0.2mm以下、長さ3mm以下の大きさの前記ASICは前記4つの電極を介して連結する横軸方向磁界検出用のASIC一体型GSRセンサを形成し、
前記直方体台座の前記長辺の1つの面に前記縦軸方向磁界検出用のASIC一体型GSRセンサを、前記長辺の他の隣接する2つの面に前記横軸方向磁界検出用のASIC一体型GSRセンサを取り付けて底面の長辺0.8mm以下、対角線1.0mm以下、側面の長さ3mm以下の大きさの直方体形状からなり、
3つの前記ASICは外部制御装置と各々配線ケーブルで連結されていることを特徴とする3次元磁界検出装置。 A rectangular parallelepiped pedestal consisting of a strip-shaped side surface with an aspect ratio of 2 or more and a long side length of 0.7 mm or less on the bottom surface.
On one surface of the long side of the rectangular parallelepiped pedestal, a GSR element for detecting a magnetic field in the vertical axis direction as the first axial direction, and
On the other two adjacent surfaces on the long side of the rectangular parallelepiped pedestal, a GSR element for detecting a magnetic field in the horizontal axis direction in the second axis direction and the third axis direction,
In a three-dimensional magnetic field detection device including an ASIC-specification electronic circuit that controls three GSR elements including the GSR elements in the first axial direction, the second axial direction, and the third axial direction.
The GSR element for detecting the magnetic field in the vertical axis direction is
An amorphous magnetic wire (hereinafter referred to as a magnetic wire) is placed in a groove formed in the length direction of the substrate film on a substrate film composed of an insulating resist layer formed on an ASIC surface protective film, and the magnetic wire is formed. A detection coil is formed around the magnetic wire, and two wire electrodes for applying a pulse current to the magnetic wire and two coil electrodes for measuring the coil voltage generated in the detection coil are provided.
The ASIC having a width of 0.8 mm or less, a thickness of 0.2 mm or less, and a length of 3 mm or less is connected to the GSR element for detecting the magnetic field in the vertical axis direction via the four electrodes for detecting the magnetic field in the vertical axis direction. Formed an ASIC integrated GSR sensor
The GSR element for detecting the magnetic field in the horizontal axis direction is
The magnetic wire is placed in a groove formed in the width direction of the substrate film on a substrate film made of an insulating resist layer formed on the ASIC surface protective film, and a detection coil is formed around the magnetic wire. It is provided with two wire electrodes for energizing a magnetic wire with a pulse current and two coil electrodes for measuring a voltage generated in the detection coil.
The ASIC having a width of 0.8 mm or less, a thickness of 0.2 mm or less, and a length of 3 mm or less is connected to the GSR element for horizontal axis magnetic field detection via the four electrodes for horizontal axis direction magnetic field detection. Forming an ASIC integrated GSR sensor,
The ASIC integrated GSR sensor for detecting the vertical magnetic field is on one surface of the long side of the rectangular parallelepiped pedestal, and the ASIC integrated GSR sensor for detecting the horizontal magnetic field is on the other two adjacent surfaces of the long side. It consists of a rectangular parallelepiped with a long side of 0.8 mm or less on the bottom surface, a diagonal of 1.0 mm or less, and a side length of 3 mm or less with the GSR sensor attached.
The three ASICs are three-dimensional magnetic field detection devices, each of which is connected to an external control device by a wiring cable.
前記ASIC一体型GSRセンサの各2本の信号線からなる合計6本の配線と前記ASIC一体型GSRセンサの電源線からなる2本または6本の配線との総合計8本または12本の配線で外部の制御装置と連結していることを特徴とする3次元磁界検出装置。A total of 6 wires consisting of 2 signal lines for each of the ASIC integrated GSR sensor and 2 or 6 wires consisting of the power supply line for the ASIC integrated GSR sensor, for a total of 8 or 12 wires. A three-dimensional magnetic field detection device characterized by being connected to an external control device.
第1軸方向、第2軸方向または第3軸方向のGSR素子のいずれか1つの素子は、Any one of the GSR elements in the 1st axis direction, the 2nd axis direction, or the 3rd axis direction is
3軸切替機能を有するASICと一体化された、幅0.8mm、厚さ0.2mm、長さ3mm以下の3軸切替ASIC一体型GSRセンサを形成し、A 3-axis switching ASIC integrated GSR sensor with a width of 0.8 mm, a thickness of 0.2 mm, and a length of 3 mm or less, which is integrated with an ASIC having a 3-axis switching function, is formed.
他の2つのGSR素子は、前記3軸切替ASIC一体型GSRセンサと前記直方体台座上で連結し、The other two GSR elements are connected to the 3-axis switching ASIC integrated GSR sensor on the rectangular parallelepiped pedestal.
前記ASICは外部の制御装置と配線ケーブルで連結されている底面の長辺0.8mm以下、対角線1.0mm以下、側面の長さ3mm以下の大きさの直方体形状であることを特徴とする3次元磁界検出装置。The ASIC is characterized by having a rectangular parallelepiped shape having a long side of 0.8 mm or less, a diagonal line of 1.0 mm or less, and a side surface length of 3 mm or less, which is connected to an external control device by a wiring cable. Dimensional magnetic field detector.
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