(57)【要約】【課題】少なくとも１つの寸法について縮小されたサイズを有する位置姿勢センサパッケージを提供するためのシステムおよび方法を提供する。【解決手段】位置姿勢センサパッケージは、誘電体基板に取り付けられた誘電体基板および第１の磁気抵抗センサチップを含み、第１の磁気抵抗センサチップは、少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路を含む。位置姿勢センサパッケージはまた、誘電体基板に取り付けられ、かつ第１の磁気抵抗センサチップに隣接して配置され、少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路を含む第２の磁気抵抗センサチップを含む。位置姿勢センサパッケージは、第１の磁気抵抗センサチップの少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路が、第２の磁気抵抗センサチップの少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路とは異なる方向に向くように構成される。【選択図】図１
2017049240.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置姿勢センサパッケージ（１０、４０）であって、
誘電体基板（１２、４２）と、
前記誘電体基板に取り付けられ、少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路（２４）を含む第１の磁気抵抗センサチップ（１４）と、
前記誘電体基板に取り付けられ、かつ前記第１の磁気抵抗センサチップに隣接して配置され、少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路（２４）を含む第２の磁気抵抗センサチップ（１６）と、
前記第１の磁気抵抗センサチップの前記少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路は、前記第２の磁気抵抗センサチップの前記少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路とは異なる方向に向けられている、位置姿勢センサパッケージ。
【請求項２】
請求項１に記載の位置姿勢センサパッケージであって、前記第１および前記第２の磁気抵抗センサチップの各々の前記少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路の間の向きが既知であるように、前記第１および前記第２の磁気抵抗センサチップが前記誘電体基板に取り付けられている、位置姿勢センサパッケージ。
【請求項３】
請求項１に記載の位置姿勢センサパッケージであって、前記第２の磁気抵抗センサチップは、前記誘電体基板の長手方向に沿って前記第１の磁気抵抗センサチップに整列されている、位置姿勢センサパッケージ。
【請求項４】
請求項１に記載の位置姿勢センサパッケージであって、前記第１および前記第２の磁気抵抗センサチップの各々の前記少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路は、単一の磁気抵抗センサ回路を含む、位置姿勢センサパッケージ。
【請求項５】
請求項１に記載の位置姿勢センサパッケージであって、前記第１および前記第２の磁気抵抗センサチップの各々の前記少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路は、
第１の磁気抵抗センサ回路と、
前記第１の磁気抵抗センサ回路に直交して配置された第２の磁気抵抗センサ回路と、を含み、
前記第１および前記第２の磁気抵抗センサチップは、このようにして２軸センサチップを含む、位置姿勢センサパッケージ。
【請求項６】
請求項１に記載の位置姿勢センサパッケージであって、前記第１および前記第２の磁気抵抗センサチップの各々は、前記少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路から一定の距離に配置された較正コイル（２６）をさらに含み、前記較正コイルは、前記それぞれの磁気抵抗センサチップの較正を提供する較正磁界を生成するように構成される、位置姿勢センサパッケージ。
【請求項７】
請求項１に記載の位置姿勢センサパッケージであって、前記第１および前記第２の磁気抵抗センサチップの各々の前記少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路から一定の距離に配置された共通較正コイル（２８）をさらに含み、前記共通較正コイルは、前記第１および前記第２の磁気抵抗センサチップの各々の較正を提供する較正磁界を生成するように構成される、位置姿勢センサパッケージ。
【請求項８】
請求項１に記載の位置姿勢センサパッケージであって、前記誘電体基板は、
第１の平面に沿って配置された第１の基板部分（４４）と、
前記第１の平面に直交する第２の平面に沿って配置された第２の基板部分（４６）と、を含み、
前記第１の磁気抵抗センサチップ（４８）は、前記第１の基板部分に取り付けられ、前記第２の磁気抵抗センサチップ（５０）は、前記第２の基板部分に取り付けられている、位置姿勢センサパッケージ。
【請求項９】
請求項８に記載の位置姿勢センサパッケージであって、前記第１の磁気抵抗センサチップに隣接する前記第１の基板部分に取り付けられた第３の磁気抵抗センサチップ（５２）をさらに含み、前記第３の磁気抵抗センサチップは、少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路を含み、
前記第１、前記第２、および前記第３の磁気抵抗センサチップが３軸センサパッケージを形成する、位置姿勢センサパッケージ。
【請求項１０】
請求項１に記載の位置姿勢センサパッケージであって、前記誘電体基板は、その上に形成された複数の接続パッド（２２）を含み、前記第１および前記第２の磁気抵抗センサチップの各々は、その上に形成された複数のチップパッド（３２）を含み、
前記位置姿勢センサパッケージは、前記第１および前記第２の磁気抵抗センサチップのそれぞれのチップパッドを、フリップチップ接合により前記誘電体基板のそれぞれの接続パッドに接合するはんだをさらに含む、位置姿勢センサパッケージ。
【請求項１１】
請求項１に記載の位置姿勢センサパッケージであって、前記誘電体基板は、ＦＲ４、セラミック、またはポリイミド材料のうちの１つを含み、前記誘電体基板は、その上に形成され、信号を受信および送信するために前記第１および前記第２の磁気抵抗センサチップに接続された複数の電気リード線（１８）を含む、位置姿勢センサパッケージ。
【請求項１２】
位置姿勢センサパッケージを製造する方法であって、
誘電体基板を提供するステップと、
少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路を含む第１の磁気抵抗センサチップを前記誘電体基板に取り付けるステップと、
第２の磁気抵抗センサチップを、前記第２の磁気抵抗センサチップが前記第１の磁気抵抗センサチップに隣接して配置されるように前記誘電体基板に取り付けるステップであって、前記第２の磁気抵抗センサチップは少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路を含む、ステップと、を含み、
前記第１および前記第２の磁気抵抗センサチップを前記誘電体基板に取り付けるステップは、前記第１の磁気抵抗センサチップの前記少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路と前記第２の磁気抵抗センサチップの前記少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路との間の既知の角度を確立するように、前記第１および前記第２の磁気抵抗センサチップを前記誘電体基板に取り付けるステップを含む、方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、前記第１および前記第２の磁気抵抗センサチップを前記誘電体基板に取り付けるステップは、前記誘電体基板に対する前記第１および前記第２の磁気抵抗センサチップのフリップチップ接合を含み、リフローはんだにより、前記第１および前記第２の磁気抵抗センサチップのチップパッドと前記誘電体基板の接続パッドとの間の電気的接続を提供する、方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の方法であって、前記第１および前記第２の磁気抵抗センサチップを前記誘電体基板に取り付けるステップは、前記第１および前記第２の磁気抵抗センサチップが前記誘電体基板の長手方向に沿って整列するように、前記第１および前記第２の磁気抵抗センサチップを前記誘電体基板に取り付けるステップを含む、方法。
【請求項１５】
請求項１２に記載の方法であって、前記誘電体基板は、第１の平面に沿って配置された第１の基板部分と、前記第１の面に直交する第２の平面に沿って配置された第２の基板部分と、を含み、
前記第１および前記第２の磁気抵抗センサチップを取り付けるステップは、
前記第１の磁気抵抗センサチップを前記第１の基板部分に取り付けるステップと、
前記第２の磁気抵抗センサチップを前記第２の基板部分に取り付けるステップと、を含む、方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、第３の磁気抵抗センサチップを、前記第３の磁気抵抗センサチップが前記誘電体基板の長手方向に沿って前記第１の磁気抵抗センサチップと整列するように、前記第１の基板部分に取り付けるステップであって、前記第３の磁気抵抗センサチップは少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路を含む、ステップをさらに含み、
前記第１、前記第２、および前記第３の磁気抵抗センサチップが３軸センサパッケージを形成する、方法。
【請求項１７】
請求項１２に記載の方法であって、前記誘電体基板上に共通較正コイルを形成するステップをさらに含み、前記共通較正コイルは、前記第１および前記第２の磁気抵抗センサチップの各々の前記少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路から一定の距離に配置され、前記共通較正コイルは、前記第１および前記第２の磁気抵抗センサチップの各々の較正を提供する較正磁界を生成するように構成される、方法。
【請求項１８】
多軸磁気抵抗センサパッケージであって、
誘電体基板および導電性相互接続を含むフレックス回路と、
前記導電性相互接続に電気的に結合するように前記誘電体基板に取り付けられた第１の磁気抵抗センサチップと、
前記導電性相互接続に電気的に結合するように前記誘電体基板に取り付けられた第２の磁気抵抗センサチップと、
前記第１および前記第２の磁気抵抗センサチップの各々は、少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路を含み、前記第１の磁気抵抗センサチップの前記少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路の向きが前記第２の磁気抵抗センサチップの前記少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路の向きと既知の角度だけ異なるように、前記第１および前記第２の磁気抵抗センサチップが前記フレックス回路に取り付けられている、多軸磁気抵抗センサパッケージ。
【請求項１９】
請求項１８に記載の多軸磁気抵抗センサパッケージであって、前記第２の磁気抵抗センサチップは、前記フレックス回路の長手方向に沿って前記第１の磁気抵抗センサチップに整列され、前記多軸磁気抵抗センサパッケージの幅は、前記第１および前記第２の磁気抵抗センサチップの幅とほぼ等しい、多軸磁気抵抗センサパッケージ。
【請求項２０】
請求項１８に記載の多軸磁気抵抗センサパッケージであって、前記フレックス回路は、互いに直交するように配向された第１および第２の基板部分を含み、そのようにして前記フレックス回路はＬ字形状を含み、
前記第１の磁気抵抗センサチップは、前記第１の基板部分に取り付けられ、前記第２の磁気抵抗センサチップは、前記第２の基板部分に取り付けられている、多軸磁気抵抗センサパッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般的には、外科的または介入的場面などの医療場面で使用される器具、インプラント、または装置のための位置／姿勢情報を提供するために用いることができるセンサに関し、特に、多軸のパッケージ化された磁気抵抗センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な医療場面では、患者に対してナビゲートまたは位置決めされる（外部的または内部的に）医療器具、インプラント、または装置の位置および／または姿勢情報を取得することが望ましい場合がある。たとえば、外科的および／または介入的場面においては、医療装置もしくは医療装置の一部の位置および／または姿勢情報を、装置または関連する部分が患者の体内など見えない場合であっても、取得することが有用であり得る。同様に、位置および姿勢情報の全部または一部を観察するために撮像技術が用いられる特定の処置では、同時に取得することができる画像データなどの他のデータに関連づけることができる追跡された装置自体から位置および姿勢情報を導出することが有用であり得る。
【０００３】
このような医療場面では、医療器具、インプラント、または装置の位置／姿勢情報を提供するために、電磁（ＥＭ）センサを実現することができる。ＥＭセンサは、コントローラと、空間的に変化する特性（磁界が場所によって異なる）を有する磁界を生成する磁界源送信器と、追跡される医療器具、インプラント、または装置に一体化されたＥＭセンサと、を含む位置／姿勢追跡システムの一部として利用することができる。ＥＭセンサの位置は、ＥＭセンサ観察が送信器からの算出された磁界と一致する位置を算出することによって、すなわち、送信器とＥＭセンサとの間の相互インダクタンスを測定し、測定値を処理して、送信器に対するＥＭセンサの位置および姿勢を分析することによって、決定することができる。
【０００４】
このようにして位置姿勢情報を取得するのに好適なナビゲーションセンサについて起こり得る１つの問題は、追跡される装置に対する位置姿勢センサのサイズである。特に、外科的および介入的場面では、処置を受けている解剖学的構造のサイズおよび／または脆弱性に起因して、あるいは、処置に関連する外傷を最小にするために、可能な限り小さい器具、インプラント、または装置を用いることが望ましい場合がある。したがって、使用される器具、インプラント、または装置に適した大きさのナビゲーションセンサを使用することが望ましい。しかし、所望の位置姿勢情報を所望の精度および正確さで提供し、当該器具、インプラント、もしくは装置と共にまたはその中で使用するのに適したサイズである適切な位置姿勢センサアセンブリを構成することは困難であり得る。たとえば、既存の位置姿勢センサアセンブリは、２つの直交して配置された検出回路、較正コイル、および初期化コイルを含む単一のチップとして構成されることが多く、このようなアセンブリのサイズは約１ｍｍ2である。このサイズの位置姿勢センサアセンブリは、神経、心臓、および整形外科用スペースの多くの用途に使用可能であるが、１ｍｍより小さい多くの標準的なカテーテル管腔および針に組み込むことはできない。
【０００５】
したがって、既存の位置姿勢センサアセンブリの選択肢と比較して、サイズを縮小した位置姿勢センサアセンブリを提供することが望ましい。このような位置姿勢センサアセンブリは、十分な精度および正確さで、かつ６つの自由度で、位置姿勢情報を提供することがさらに望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４／０２９２３１２号明細書
【発明の概要】
【０００７】
本発明の一態様によれば、位置姿勢センサパッケージは、誘電体基板に取り付けられた誘電体基板および第１の磁気抵抗センサチップを含み、第１の磁気抵抗センサチップは、少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路を含む。位置姿勢センサパッケージはまた、誘電体基板に取り付けられ、かつ第１の磁気抵抗センサチップに隣接して配置され、少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路を含む第２の磁気抵抗センサチップを含む。第１の磁気抵抗センサチップの少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路は、第２の磁気抵抗センサチップの少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路とは異なる方向に向けられている。
【０００８】
本発明の別の態様によれば、位置姿勢センサパッケージを製造する方法は、誘電体基板を提供するステップと、少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路を含む第１の磁気抵抗センサチップを誘電体基板に取り付けるステップと、を含む。本方法はまた、第２の磁気抵抗センサチップを、第２の磁気抵抗センサチップが第１の磁気抵抗センサチップに隣接して配置されるように誘電体基板に取り付けるステップであって、第２の磁気抵抗センサチップは少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路を含む、ステップを含む。第１のおよび第２の磁気抵抗センサチップは、第１の磁気抵抗センサチップの少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路と第２の磁気抵抗センサチップの少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路との間の既知の角度を確立するように、誘電体基板に取り付けられる。
【０００９】
本発明のさらに別の態様によれば、多軸磁気抵抗センサパッケージは、誘電体基板および導電性相互接続を含むフレックス回路と、導電性相互接続に電気的に結合するように誘電体基板に取り付けられた第１の磁気抵抗センサチップと、導電性相互接続に電気的に結合するように誘電体基板に取り付けられた第２の磁気抵抗センサチップと、を含む。第１および第２の磁気抵抗センサチップの各々は、少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路を含み、第１の磁気抵抗センサチップの少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路の向きが第２の磁気抵抗センサチップの少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路の向きと既知の角度だけ異なるように、第１および第２の磁気抵抗センサチップがフレックス回路に取り付けられている。
【００１０】
様々な他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および図面から明らかになろう。
【００１１】
図面は、本発明を実施するために現在考えられる実施形態を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】それぞれ本発明の一実施形態による位置姿勢センサパッケージの上面図および下面図である。
【図２】図１Ａおよび図１Ｂの位置姿勢センサパッケージの側面図である。
【図３】本発明の一実施形態による、図１Ａおよび図１Ｂおよび図２の位置姿勢センサパッケージで使用可能な磁気抵抗センサチップを示す図である。
【図４】本発明の一実施形態による、図１Ａおよび図１Ｂおよび図２の位置姿勢センサパッケージで使用可能な磁気抵抗センサチップを示す図である。
【図５】本発明の別の実施形態による位置姿勢センサパッケージを示す図である。
【図６】本発明の別の実施形態による位置姿勢センサパッケージを示す図である。
【図７】本発明の一実施形態による、位置姿勢センサパッケージを組み込むことができる介入的装置の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態は、位置／姿勢情報を提供する多軸磁気抵抗センサパッケージを提供する。パッケージは、その上に形成された１つまたは複数の検出回路をそれぞれ含むいくつかのチップを含み、チップは、既存の位置姿勢センサアセンブリと比べて、少なくとも１つの寸法についてパッケージのサイズを縮小するように、共通の基板上に実装される。
【００１４】
本明細書で説明するように、位置／姿勢システムの部品は、一般的に、外科的もしくは介入的器具、インプラント、装置、または外科的もしくは介入的場面で位置姿勢情報が所望され得る任意の他の適切な装置の種々のタイプに取り付けることができる。位置／姿勢システムは、様々な外科的または介入的装置の位置および姿勢を補正し、追跡するのに適している。特に、本明細書に開示した特定の実施形態では、位置／姿勢システムは、外部磁界を測定し、またはそれに応答して、位置座標および／または姿勢（角度）情報などの空間特性を決定するために使用できる複数の電磁（ＥＭ）センサを含む。例示的な実施形態では、ＥＭセンサは、外部から印加された磁界の存在下で位置姿勢情報を生成するように構成された１軸または２軸の磁気抵抗センサであってもよい。
【００１５】
ここで図１Ａおよび図１Ｂおよび図２を参照して、本発明の一実施形態による、位置姿勢情報を提供する多軸磁気抵抗センサパッケージ１０（すなわち、位置姿勢センサパッケージ）を示す。パッケージ１０は、一般に、誘電体基板１２と、基板１２に取り付けられた第１の磁気抵抗センサチップ１４および第２の磁気抵抗センサチップ１６の配列と、を含む。第１および第２の磁気抵抗センサチップ１４、１６を基板１２に取り付けるために、公知の取り付け／パッケージング技術を用いることができ（以下でより詳細に説明されるように）、チップ１４、１６と基板１２との間に電気的導通が提供されて、基板１２の上またはその中に形成されたリード線または相互接続１８（すなわち、「フレックス回路」を形成する）は、チップ１４、１６から信号を受信し、パッケージ１０の入力／出力（Ｉ／Ｏ）２０に信号を送ることができる。
【００１６】
本発明の実施形態によれば、パッケージ１０の基板１２は、使用中にパッケージに機械的安定性を提供し、さらに適切な誘電体特性を提供するように選択された誘電体材料で形成されている。したがって、誘電体基板１２は、本発明の実施形態により、セラミック（たとえば、ＢａＴｉ（チタン酸バリウム）、ＦＲ４、ポリイミドまたはポリマーフィルム（たとえば、Ｋａｐｔｏｎ（商標）、Ｕｌｔｅｍ（商標）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、Ｕｐｉｌｅｘ（商標））を含む、いくつかの適切な誘電体材料のうちのいずれかで形成することができる。基板に対して磁気抵抗センサチップ１４、１６を機械的および電気的に接続するために、複数の接続パッド２２が基板１２上に形成されて、リード線／相互接続１８が接続パッド２２から引き出されており、それはいくつかの公知技術のいずれかにより基板１２上に形成される。様々な実施形態によれば、リード線／相互接続１８は、パッケージ１０上の電気的経路を提供するために、基板１２の表面上のトレースとして形成することができる。たとえば、相互接続１８は、初期スパッタリングされた密着層（チタン、クロムなど）およびスパッタリングされた銅シード層、その上に追加の銅をめっきすることにより形成することができる。相互接続１８は、パッケージの接続パッド２２とＩ／Ｏ接続２０との間の電気的接続を提供するために、所望の形状にパターニングおよびエッチングすることができる。ビア（図示せず）などの追加の特徴を基板１２に形成することができ、パッケージ１０における経路選択を増加させるために、相互接続１８をビア内に形成し、基板１２の表面上に出すことができる。
【００１７】
本発明の一実施形態によれば、パッケージ１０の第１および第２の磁気抵抗センサチップ１４、１６は、チップの位置および姿勢の決定を提供する回路を含む固体（すなわち、シリコンベースの）デバイスである。より具体的には、第１および第２の磁気抵抗センサチップ１４、１６の各々は、１つまたは複数の磁気抵抗センサ回路２４（または小型の表面実装センサ）を有するように形成することができる。１つまたは複数の磁気抵抗センサ回路２４は、センサ回路２４が外部から印加された磁界に対して移動し、または姿勢を変化させた場合に、導電体または半導体の電気抵抗の変化を示す信号をそれぞれ生成する。すなわち、センサチップ１４、１６では、種々のセンサ回路２４のチップの抵抗は、印加された磁界に依存する。本発明の実施形態によれば、第１および第２の磁気抵抗センサチップ１４、１６の各々は、その上に形成された単一の磁気抵抗センサ回路２４を含むことができ、あるいはその上に形成された２つの磁気抵抗センサ回路２４を含むことができる。
【００１８】
図３および図４を参照すると、磁気抵抗センサチップ１４、１６の拡大平面図が示されており、図３は、単一の磁気抵抗センサ回路２４（すなわち、１軸センサ）のみを含むセンサチップを示し、図４は、互いに直交するように配列された２つの磁気抵抗センサ回路２４（すなわち、２軸センサ）を含むセンサチップ１４、１６を示す。センサ回路２４は、磁界の存在下で位置（すなわち、ｘ、ｙ、および／またはｚの位置データ）および姿勢データ（すなわち、ロール、ピッチ、およびヨーの姿勢データ）を生成するために十分な感度を有する。特定の実施では、磁気抵抗センサチップ１４、１６は、低電圧（たとえば、２．０Ｖ以下）で、かつ広い磁界範囲（たとえば、±１０Ｏｅ）にわたって動作する。さらに、特定の実施では、磁気抵抗センサチップ１４、１６は、金属耐性周波数で非常に低いノイズフロア（たとえば、マイクロコイルより１０〜１０００倍低い）を有する。
【００１９】
磁気抵抗センサチップ１４、１６の寸法およびサイズは、チップが１軸として形成されているか、または２軸センサとして形成されているかに基づいて、大きく決定される。単一の磁気抵抗センサ回路２４を含む図３の１軸センサチップは、たとえば、０．４ｍｍ×０．４ｍｍ〜０．５ｍｍ×０．５ｍｍの寸法を有することができ、一対の直交して配列された磁気抵抗センサ回路２４を含む図４の２軸センサチップは、たとえば、０．９ｍｍ×０．９ｍｍ〜１．０ｍｍ×１．０ｍｍの寸法を有することができる。したがって、１軸センサチップのコンパクトなフォームファクタは、２軸センサチップが実現できないかもしれない特定の器具または装置（たとえば、カテーテル管腔、針など）とともに、その実施を提供することができることが分かる。
【００２０】
実際には、磁気抵抗センサチップ１４、１６は、多層設計とすることができ、（一実施形態では）センサチップを較正するために用いられるオフセットもしくは較正コイル２６、磁気抵抗センサ回路２４をリセットすることができるセットリセットストラップ（図示せず）、および磁界を測定するために使用される抵抗ブリッジ（図示せず）に対応する層を有する。一実施態様では、温度および磁界などに関する、磁気抵抗センサチップ１４、１６が動作する環境における予測できない変動に起因する位置および／または姿勢の誤差を低減するために、較正コイル２６が動的な較正動作に使用することができる金属コイルとして形成されている。特に、較正コイル２６は、指定された周波数で既知の磁界を生成するように構成され、指定された周波数は他の周波数でセンサチップ１４、１６を較正するために外挿することができる。特定の実施形態では、較正システムは、センサチップ１４、１６を動作させる前に初期較正を提供し、あるいはセンサチップが動作している場所で単一の較正を提供し、他の実施形態では、較正システムは、連続的または断続的に使用している間にセンサチップ１４、１６を較正するために使用されるフィードバックループの一部として機能することができる。いくつかの実施形態では、較正コイル２６は、センサ回路２４に対する較正コイル２６の構造設計に基づいて磁気抵抗センサチップ１４、１６を較正する。たとえば、較正コイル２６は、２軸磁気抵抗センサチップ１４、１６（図４）の２つのセンサ回路２４に対して固定された位置にあってもよい。したがって、較正コイル２６によって生成された電気抵抗に対する外部磁界（たとえば、Ｂ／Ｉ値）は、常に一定である。さらに、Ｂ／Ｉ値は、磁気抵抗センサチップ１４、１６によって生成された励磁電流（たとえば、電気抵抗を生成することができる）から独立した幾何学的な量である。較正コイル２６のＢ／Ｉ値は、一般に、温度、磁界、または、磁気抵抗センサチップの環境における同様の変動によって変化しないので、磁気抵抗センサチップ１４、１６を較正するためのアルゴリズムでＢ／Ｉ値を用いることが有用であり得る。
【００２１】
一実施形態では、図３および図４で示して説明したように、各々がそれ自体の較正コイル２６を有する第１および第２の磁気抵抗センサチップ１４、１６に代えて、パッケージ１０が第１および第２の磁気抵抗センサチップ１４、１６の各々を較正するために使用される共通較正コイル２８を含んでもよいことが理解される。図１Ｂを再び参照すると、共通較正コイル２８がパッケージ１０に設けられ、それは基板１２上に形成され、パッケージのＩ／Ｏ接続２０に接続されていることが示されている。例示的な実施形態では、共通較正コイル２８は、基板１２の第１および第２の磁気抵抗センサチップ１４、１６が取り付けられている側の反対側に形成される。共通較正コイル２８は、磁気抵抗センサチップ１４、１６のセンサ回路２４に対して固定された位置にあってもよく、そうすることで、共通較正コイル２８によって生成された電気抵抗に対する外部磁界を常に一定にすることができる。有利なことに、センサチップ１４、１６の両方のためにパッケージ１０の共通較正コイル２８を用いることで、パッケージ１０に必要なリード線／相互接続１８の数を（センサチップ１４、１６ごとの別々の較正コイルについて必要とされるリード線／相互接続と比較して）低減させる。さらに、パッケージ１０で共通較正コイル２８を用いることにより、共通較正コイル２８を用いる際に関係する電流を１回だけ測定すればよく、別々の較正コイルを用いる場合の２回に比べて電流が節約される。
【００２２】
多軸磁気抵抗センサパッケージ１０の位置および姿勢を決定するために第１および第２の磁気抵抗センサチップ１４、１６を用いる際には、パッケージ１０が磁界の存在下で位置（ｘ、ｙ、および／またはｚの位置データ）および姿勢データ（ロール、ピッチ、およびヨーの姿勢データ）を生成できるように、それぞれの第１の磁気抵抗センサチップ１４の磁気抵抗センサ回路２４は、第２の磁気抵抗センサチップ１６の磁気抵抗センサ回路２４とは異なる方向に配向していることが必要である。すなわち、第１および第２の磁気抵抗センサチップ１４、１６の各々が単一のセンサ回路２４を含む１軸センサを有する実施形態では、第１の磁気抵抗センサチップ１４のセンサ回路２４は、第２の磁気抵抗センサチップ１６のセンサ回路２４とは異なる方向に配向される。例示的な実施形態では、図１Ａに示すように、第１および第２の磁気抵抗センサチップ１４、１６は、それぞれのセンサ回路２４が互いに直交する向きになる（すなわち、互いに９０°の向きになる）ように基板１２に取り付けられる。
【００２３】
図１Ａ、図１Ｂおよび図２に示す多軸磁気抵抗センサパッケージ１０は、第１および第２の磁気抵抗センサチップ１４、１６のセンサ回路２４が互いに直交する向きになるように構成されているが、チップ１４、１６のセンサ回路２４が９０°以外の角度で互いに配向されてもよいことが認識される。すなわち、パッケージ１０は、９０°以外の角度で互いに配向するセンサ回路２４を用いて磁界の存在下で位置姿勢データを生成するように機能することができるが、重要な制限は、第１および第２の磁気抵抗センサチップ１４、１６の各々の磁気抵抗センサ回路２４の間の向きが知られており、パッケージ１０の組立中に制御されることである。第１および第２の磁気抵抗センサチップ１４、１６のセンサ回路２４の間の角度が分かれば、センサ回路２４により生成された信号を処理して、パッケージ１０の位置および姿勢を正確に決定することができる。
【００２４】
第１および第２の磁気抵抗センサチップ１４、１６のセンサ回路２４の間の既知の向き／角度を提供するための、第１および第２の磁気抵抗センサチップ１４、１６の基板１２への取り付けについては、本発明の例示的な実施形態は、フリップチップの適用により第１および第２の磁気抵抗センサチップ１４、１６を基板１２に取り付ける。図２に示すように、フリップチップ工程により第１および第２の磁気抵抗センサチップ１４、１６を基板１２に取り付ける際には、製造工程の終わり近くで磁気抵抗センサチップ１４、１６のチップパッド３２（センサ回路のセンサ入力および出力、センサ回路のセットリセット動作、センサ回路のオフセットまたは較正動作、電源、グランドなどに対応する）の上にはんだの小ドット３０が堆積される。次に、第１および第２の磁気抵抗センサチップ１４、１６は、はんだバンプ３０が下地基板１２の接続パッド２２の上になるようにチップを反転させて基板１２に取り付けられる。はんだバンプ３０は、次に、通常、リフローはんだ処理または熱超音波圧着法を用いて再溶融され、電気的接続を生成し、次に電気的絶縁性接着剤（図示せず）が、通常、チップの回路と下地の実装基板１２との間の残った隙間に「アンダーフィル」されて、より強力な機械的接続を提供し、熱ブリッジを提供し、チップ１４、１６およびパッケージ１０の残りの部分の示差加熱に起因する応力がはんだ接合に加わらないことを確実にする。フリップチップを適用することにより、基板１２上の第１および第２の磁気抵抗センサチップ１４、１６の配置／取り付けの位置精度を０．２５°以内に制御することができ、そうすることで、第１および第２の磁気抵抗センサチップ１４、１６のセンサ回路２４の間の向き／角度を十分に既知であって制御されたものにすることができる。
【００２５】
図１Ａ、図１Ｂ、および図２に示すように、第１および第２の磁気抵抗センサチップ１４、１６の基板１２への取り付けについてはさらに、第１および第２の磁気抵抗センサチップ１４、１６が、パッケージ１０のサイズを１つの寸法について最小にするように配置されていることが分かる。すなわち、第１および第２の磁気抵抗センサチップ１４、１６は、互いに隣接するように基板１２に取り付けられ、第１および第２の磁気抵抗センサチップ１４、１６は、パッケージの幅（矢印３６で示す）が最小になるように誘電体基板の長手方向（矢印３４で示す）に沿っている。第１および第２の磁気抵抗センサチップ１４、１６の各々が１軸センサとして構成される（すなわち、各チップが単一の磁気抵抗センサ回路２４のみを含む）実施形態では、全体的なパッケージ１０の幅は、このようにして約０．５ｍｍ（およびパッケージの高さを０．２５ｍｍ）に維持することができ、それは、たとえばカテーテル管腔および微細針などの医療装置／器具内にパッケージ１０を配置することを可能にする。
【００２６】
ここで図５および図６を参照すると、本発明の別の実施形態による、位置姿勢情報を提供する多軸磁気抵抗センサパッケージ４０が示されており、パッケージ４０は３軸パッケージとして構成されている。パッケージ４０は、図１Ａ、図１Ｂ、および図２で示して説明したパッケージ１０に機能／動作において類似しているが、誘電体基板４２の構成が、３軸検出パッケージを提供するために、チップのセンサ回路が３つの軸に沿って配置／配向することができるように、磁気抵抗センサチップの配置を提供する点で異なっている。図５および図６に示すように、基板４２は、第１の平面に沿って配置された第１の基板部分４４と、第１の平面に直交する第２の平面に沿って配置された第２の基板部分４６と、で形成され、基板４２はＬ字形状の構造を有する。
【００２７】
本発明の実施形態によれば、３軸磁気抵抗センサパッケージ４０に含まれる磁気抵抗センサチップの数は、パッケージに含まれるチップのタイプ、すなわち、チップが１軸センサとして構成されているか、２軸センサとして構成されているかに基づいて変化することができる。例示的な実施形態では、図５に示すように、複数の１軸センサがパッケージ４０に含まれており、第１の磁気抵抗センサチップ４８、第２の磁気抵抗センサチップ５０、および第３の磁気抵抗センサチップ５２の各々は、単一のセンサ回路２４を含む１軸センサとして設けられている（ただし、第２の磁気抵抗センサチップは２軸センサであってもよいことが認識される）。第１および第３の磁気抵抗センサチップ４８、５２は、互いに隣接し、基板４２の長手方向（矢印５４で示す）に整列するように、第１の基板部分４４に取り付けられ、第２の磁気抵抗センサチップ５０は、第１および第３の磁気抵抗センサチップ４８、５２のうちの一方に隣接する位置で第２の基板部分４６に取り付けられている。第１、第２、および第３の磁気抵抗センサチップ４８、５０、５２は、各チップのセンサ回路２４が他の各センサ回路２４と異なる角度で配向するように基板部分４４、４６に取り付けられ、例示的な実施形態では、チップ４８、５０、５２は、センサ回路２４が互いに直交して配向するように基板部分４４、４６に取り付けられる。しかし、上で詳細に説明したように、チップ４８、５０、５２のセンサ回路２４は、チップ４８、５０、５２の各々の磁気抵抗センサ回路２４の間の向きが既知である（すなわち、パッケージの組み立て時に制御される）限り、９０°以外の角度で互いに配向されてもよいことが認識されるが、所望の方向の０．２５°以内に基板上のチップの位置精度を制御するために、フリップチップの製造および配置技術を用いて、第１、第２、および第３の磁気抵抗センサチップ４８、５０、５２を基板４２に取り付ける。
【００２８】
他の実施形態では、３軸磁気抵抗センサパッケージ４０に含まれる磁気抵抗センサチップの数は、図５および図６に示す３つのチップ４８、５０、５２よりも少なくすることができる。たとえば、３軸磁気抵抗センサパッケージ４０は、２つの磁気抵抗センサチップのみを含むように構成することができ、第１の磁気抵抗センサチップは、第１の基板部分４４に取り付けられて、２軸センサ（その上に２つの直交する向きのセンサ回路がある）の形態であり、第２の磁気抵抗センサチップは、第２の基板部分４６に取り付けられて、第１の磁気抵抗センサチップの２つのセンサ回路と異なるように（たとえば、直交するように）配向された少なくとも１つのセンサ回路を有する１軸または２軸センサの形態である。
【００２９】
図６に示すように、パッケージ１０は、第１、第２、および第３の磁気抵抗センサチップ４８、５０、５２を較正するために使用されるいくつかの共通較正コイル５６、５８をさらに含む。共通較正コイル５６は、第１および第３の磁気抵抗センサチップ４８、５２を較正するために第１の基板部分４４（その裏面側）に設けることができ、別の共通較正コイル５８は、第２の磁気抵抗センサチップ５０を較正するために第２の基板部分４６（その裏面側）に設けることができる。磁気抵抗センサチップ４８、５０、５２が動作する環境における温度および磁界などに関する予測できない変動に起因する位置および／または姿勢の誤差を低減するために、較正コイル５６、５８を動的較正動作のために使用することができ、較正コイル５６、５８は、指定された周波数で既知の磁界を発生するように構成され、指定された周波数は他の周波数でセンサ回路２４を較正するために外挿することができる。
【００３０】
ここで図７を参照すると、多軸磁気抵抗センサパッケージ１０（図１）と共に使用するのに適した医療装置１００の一例が示されている。この例では、医療装置１００は、患者の脈管内に挿入してナビゲートするのに適したカテーテルである。カテーテルは、例として示すものであるが、本明細書で説明した多軸磁気抵抗センサパッケージ１０、４０は、外科的もしくは介入的な器具、インプラント、または装置の他の様々なタイプの上またはその中に設けてもよい。このような器具、インプラント、または装置の例としては、これらに限らないが、インプラント、プローブ、突き錐、ドリル、アスピレータ、鉗子、ブレード、ねじ、釘、ピン、Ｋワイヤ、針、カニューレ、導入器、カテーテル、ガイドワイヤ、ステント、心臓弁、フィルタ、内視鏡、腹腔鏡、または電極、内視鏡もしくは他の体内のカメラ装置、または外科的もしくは介入的使用の際に位置姿勢情報が所望され得る他の任意の適切な装置を挙げることができる。
【００３１】
図示した医療装置１００（たとえば、カテーテル）は、多軸磁気抵抗センサパッケージ１０、４０を配置することができる遠位端部または先端部１０２を含む。一実施形態では、多軸磁気抵抗センサパッケージは、図１Ａ、図１Ｂ、および図２に示して説明したように、外部から印加された磁界の存在下で位置姿勢情報を生成するように構成された２軸磁気抵抗センサパッケージ１０であってもよい。別の実施形態では、多軸磁気抵抗センサパッケージは、図５および図６に示して説明したように、外部から印加された磁界の存在下で位置姿勢情報を生成するように構成された３軸磁気抵抗センサパッケージ４０であってもよい。シャフト１０４は、先端部１０２に連通しており、シャフト１０４は、医療装置１００（たとえば、カテーテル）を操作して動作させるために用いることができるハンドルアセンブリ１０６に先端部１０２を連結する。特定の事例では、ハンドルアセンブリ１０６は、ケーブル１０８を介するなどして、使用者がカテーテルの機能および動作の特定の態様を制御することを可能にするオペレータコンソール１１０と通信することができる。
【００３２】
動作する際は、医療装置１００に関連する（および医療装置１００に対して既知の位置に固定された）磁界送信器１１２が、センサパッケージ１０、４０を含む体積にわたって空間的に変化する特性を有する磁界を送信する。図７では送信器１１２を単一の送信器要素として示しているが、他の実施形態によれば、離間した位置にある複数の送信器を、センサパッケージ１０、４０によって検出される磁界を生成するために用いることができる。送信器１１２により生成され、多軸磁気抵抗センサパッケージ１０、４０のセンサチップによって検出される磁界（すなわち磁界の強さ）は、医療装置１００の空間的特性、たとえば位置（たとえば、Ｘ、Ｙ、およびＺ座標）および姿勢（たとえば、ピッチ、ヨー、およびロール角）を決定するために使用される。医療装置１００内の多軸磁気抵抗センサパッケージ１０、４０から取得された信号は、コンソール１１０の処理回路および／またはメモリなどにより、医療装置１００に関する位置／姿勢情報を生成するために処理することができる。
【００３３】
有利なことに、本発明の実施形態は、このように、位置／姿勢情報を提供する多軸磁気抵抗センサパッケージを提供する。パッケージは、その上に形成された１つまたは複数の検出回路をそれぞれ含むいくつかのチップを含み、チップは、既存の位置姿勢センサアセンブリと比べて、少なくとも１つの寸法についてパッケージのサイズを縮小するように、共通の基板上に実装される。パッケージを製造する際には、制御された配置技術を用いてチップを基板に取り付け、そのようにすることで、各チップの磁気抵抗センサ回路の、１つまたは複数の他の各チップの磁気抵抗センサ回路に対する向きが既知のものとなる。
【００３４】
したがって、本発明の一実施形態によれば、位置姿勢センサパッケージは、誘電体基板に取り付けられた誘電体基板および第１の磁気抵抗センサチップを含み、第１の磁気抵抗センサチップは、少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路を含む。位置姿勢センサパッケージはまた、誘電体基板に取り付けられ、かつ第１の磁気抵抗センサチップに隣接して配置され、少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路を含む第２の磁気抵抗センサチップを含む。第１の磁気抵抗センサチップの少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路は、第２の磁気抵抗センサチップの少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路とは異なる方向に向けられている。
【００３５】
本発明の別の実施形態によれば、位置姿勢センサパッケージを製造する方法は、誘電体基板を提供するステップと、少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路を含む第１の磁気抵抗センサチップを誘電体基板に取り付けるステップと、を含む。本方法はまた、第２の磁気抵抗センサチップを、第２の磁気抵抗センサチップが第１の磁気抵抗センサチップに隣接して配置されるように誘電体基板に取り付けるステップであって、第２の磁気抵抗センサチップは少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路を含む、ステップを含む。第１のおよび第２の磁気抵抗センサチップは、第１の磁気抵抗センサチップの少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路と第２の磁気抵抗センサチップの少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路との間の既知の角度を確立するように、誘電体基板に取り付けられる。
【００３６】
本発明のさらに別の実施形態によれば、多軸磁気抵抗センサパッケージは、誘電体基板および導電性相互接続を含むフレックス回路と、導電性相互接続に電気的に結合するように誘電体基板に取り付けられた第１の磁気抵抗センサチップと、導電性相互接続に電気的に結合するように誘電体基板に取り付けられた第２の磁気抵抗センサチップと、を含む。第１および第２の磁気抵抗センサチップの各々は、少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路を含み、第１の磁気抵抗センサチップの少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路の向きが第２の磁気抵抗センサチップの少なくとも１つの磁気抵抗センサ回路の向きと既知の角度だけ異なるように、第１および第２の磁気抵抗センサチップがフレックス回路に取り付けられている。
【００３７】
この明細書は、本発明を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も本発明を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイスまたはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。このような他の実施例が特許請求の範囲の文字通りの言葉と異ならない構造要素を有する場合、または、それらが特許請求の範囲の文字通りの言葉と実質的な差異がなく等価な構造要素を含む場合には、このような他の実施例は特許請求の範囲内であることを意図している。
【００３８】
本発明について限られた数の実施形態にのみ関連して詳述しているが、本発明がこのような開示された実施形態に限定されないことが直ちに理解されるべきである。むしろ、これまでに記載されていない任意の数の変形、変更、置換または等価な構成を組み込むために、本発明を修正することができ、それらは本発明の趣旨と範囲に相応している。さらに、本発明の様々な実施形態について記載しているが、本発明の態様は記載した実施形態のうちのいくつかのみを含んでもよいことを理解すべきである。したがって、本発明は、上記の説明によって限定されるとみなされるのではなく、添付した特許請求の範囲によって限定されるだけである。
【符号の説明】
【００３９】
１０  多軸磁気抵抗センサパッケージ
１２  誘電体基板
１４  第１の磁気抵抗センサチップ
１６  第２の磁気抵抗センサチップ
１８  リード線または相互接続
２０  入力／出力（Ｉ／Ｏ）接続
２２  接続パッド
２４  磁気抵抗センサ回路
２６  較正コイル
２８  共通較正コイル
３０  はんだバンプ
３２  チップパッド
３４  矢印
３６  矢印
４０  多軸磁気抵抗センサパッケージ
４２  誘電体基板
４４  第１の基板部分
４６  第２の基板部分
４８  第１の磁気抵抗センサチップ
５０  第２の磁気抵抗センサチップ
５２  第３の磁気抵抗センサチップ
５４  矢印
５６  共通較正コイル
５８  共通較正コイル
１００  医療装置
１０２  遠位端部または先端部
１０４  シャフト
１０６  ハンドルアセンブリ
１０８  ケーブル
１１０  オペレータコンソール
１１２  磁界送信器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2017049240.tif 000009
【外国語明細書】
2017049240000001.pdf