JP2015531871A - ラプラス力を用いた磁場計測装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ラプラス力を用いた磁場計測装置に関する。当該装置は、中央の貫通孔（１４）を有して回転的に動く剛性フレーム（１０）と、剛性フレームに自由度なしで固定された、巻かれた電気伝導体（３２）と、電気伝導体の第１の端部を電気的に接続する電気的な細片（４６）を有し、剛性フレームを基板に機械的に接続する第１のヒンジ（３８）と、電気伝導体の第２の端部を電気的に接続する第２の電気的な細片（４６）を有し、剛性フレームに機械的に接続された第２のヒンジ（３９）とを備える。第１のヒンジ（３８）及び第１の細片（４６）は剛性フレームの中央孔（１４）の内側に配置され、第２のヒンジ（３９）及び第２の細片（４６）は剛性フレームの中央孔（１４）の外側に配置される。【選択図】図１

Description

ラプラス力を用いた磁場計測装置に関する。

ラプラス力（Laplace force）はまたローレンツ力（Lorentz force）としても知られている。

ラプラス力を用いた磁場計測装置は、地球の磁場の成分、電気伝導体又は他の磁場源により生成される磁場の成分を計測するために用いることができる。

「磁場の成分」という表現は、計測装置の計測軸上の磁場の正射影の振幅を示す。

先行技術の計測装置は、
・「基板平面」と呼ばれる平面に実質的に拡がる基板、
・「第１のフレーム（frame）平面」と呼ばれる平面に実質的に拡がり、基板上に架けられた第１の剛性フレーム、この第１のフレームは、基板に関して、基板平面に平行な第１の回転軸のまわりで回転の動きができ、
・第１の剛性フレームに自由度なしで固定された電気伝導体、この伝導体は第１のフレーム平面と垂直な巻き軸（winding axis）のまわりで巻かれ、
・剛性フレームを基板に機械的に接続する少なくとも一つの第１のヒンジ、及び、
・回転軸のまわりの第１の剛性フレームの偏位角度の振幅を示す物理量を計測することができる少なくとも一つの第１の歪センサ又は歪ゲージセンサ
を備える。

例えば、そのような計測装置は、下記の非特許文献１に記載されている。

非特許文献１記載の計測装置は正確に動作する。しかしながら、その感度を改善することが望ましい。
また、先行技術では、また特許文献１〜３が知られている。

米国特許出願公開第２０１１／３０４３２５号明細書 米国特許第７６４２６９２号明細書 米国特許出願公開第２００６／０７６９４７号明細書

A.L. Herrera-May et al, "A resonant magnetic field microsensor with high quality factor at atmospheric pressure", J. Micromechanical Microengineering, 19 (2009) 015016

今までに、固定された電気伝導体を第１の剛性フレームに接続するのは難しいということが証明されている。これらの困難のために、公知のラプラス力を用いた磁場計測装置は、電気伝導体の巻き数を一巻き未満に制限する特別な構造を採用している。しかしながら、電気伝導体の巻き数を制限しない計測装置の構造を有することが望ましい。

それゆえに、本発明の対象は、請求項１に従うラプラス力を用いた磁場計測装置である。

上記装置では、ヒンジの特別な位置のために、そして、特に、第１のヒンジが中央の凹部（recess）内側に配置され、第２のヒンジがこの凹部の外側に配置されているために、もしも電気伝導体が巻き軸のまわりに数回巻かれたとしても、電気伝導体の端部と接続パッドとの接続は問題を生じない。加えて、ヒンジのこの特別な配置は、小型電子部品のチップの製造技術により簡単に成し遂げる。

一つの特別な実施の形態では、計測装置は請求項２の特徴を備える。

この場合では、センサのはり部（梁部、beam）は一方の側で第１の剛性フレームに直に固定され、他方の側で基板に直に固定される。このように、剛性フレームは、回転軸に最も近いはり部の第１の端部により加えられるラブラス力をそれ相応により大きく増幅するてこ（lever）を、形成する。ここでは、第１のフレーム上でラプラス力が加えられる位置よりも、はり部の第１の端部は、回転軸のより近くにある。このように、計測装置のこの特別な構造は、センサにより計測されるラプラス力を少なくとも２倍に増幅することを可能にし、それゆえ、非特許文献１に記載された装置と比べて、この計測装置に対してその感度を増加させる。

実際に、非特許文献１の計測装置の場合には、フレームが回転軸のまわりを回転することを可能にする、柔軟な横方向の細片（strip）に歪センサは組み込まれている。このことは、歪の変化を計測するセンサに関して、細片は変形可能であるべきことを意味する。もしもそうでなければ、センサは信号を計測しないであろう。このように、各細片は変形可能であるから、非特許文献１の計測装置の場合に、てこアーム（lever arm）の機械的な効果からは直接的な利益は得られない。このことは、ここで上記した計測装置よりも非特許文献１の計測装置がなぜ感度が低いのかを説明している。

加えて、センサはフレーム及びヒンジから機械的に分離されているので、上記計測装置の大きさを最適化することはより簡単である。例えば、計測装置に関して、所定の機械共振周波数を得るために、各構成要素の大きさを個々に決めることができる。ここでは、一つの構成要素の大きさを変更することは、他の構成要素の大きさを変更することに必ずしもつながらない。逆に、非特許文献１の計測装置の機械共振周波数を調整することは難しい。実際に、非特許文献１では、フレームの望ましい共振周波数を得るために利用されることができる種々のパラメータは、計測装置の感度と密接に関係する。例えば、ヒンジの剛さは、計測装置の感度を変更することなしに変更することができない。実際に、フレームの偏位角度を計測するために用いられるセンサは、柔軟な横方向の細片に直に固定されている。このように、細片の剛さを増加させることは、非特許文献１の計測装置の感度を制限することにつながる。

実施の形態に係るこの計測装置は、他の従属請求項の一つ以上の特徴をこのように備えることができる。

これらの実施の形態に係る計測装置は、更に、次の利点を有する。
・フレーム平面に垂直で回転軸を含む平面に、フレームの重心を置くことは、計測装置を基板平面に垂直な加速度に対して感度を有さなくさせる。
・横方向の分岐部（branch）と、基板平面に平行で、端部がこの横方向の分岐部に接続された架けられたはり部とを用いることは、計測装置の感度を増加させる。なぜならば、この構造では、はり部は伸張圧縮を受け、実際には曲げ又はたわみを受けないからである。
・はり部の第１の端部を回転軸に更に近づけるために横方向の分岐部の切欠き部（notch）を用いることは、曲げ力の下でのはり部の働きを更に制限する。
・第１のフレームの異なるアームに機械的に接続された第１のヒンジの二つの複製（copy）を用いることは、基板平面に垂直な加速度に対する計測装置の感度を減ずる。
・剛性フレームの下を通り、電気伝導体をフレームの外側に配置された接続パッドに電気的に接続する電気的な通路（electrical track）を用いることは、伝導体の電気的な接続を容易にし、それゆえ、計測装置を製造することを容易にする。
・第１の回転軸とは異なる回転軸に沿って回転するように搭載され、第１の剛性フレームを支える第２の剛性フレームを用いることは、同時に同じ電気伝導体を用いて磁場の二つの異なる成分を計測することを可能にし、従って、例えば、計測装置の電力消費量を削減することを可能にする。
・ヒンジを作成するのに棒ばね（torsion bar）を用いることは、回転軸周りのねじれに柔軟で、この回転軸に垂直な軸に沿った曲げに剛性なヒンジを簡単な方法で得ることを可能にする。
・巻き軸のまわりに複数回巻かれた電気伝導体を用いることは、計測装置の感度を更に増加させる。

本発明は、網羅的ではない一つの例として単に与えられた以下の明細書から、及び、添付された図面から、より明確に理解されるであろう。

第１の実施の形態に係るラプラス力を用いた磁場計測装置の概略平面図である。 図１の計測装置の概略側面図である。 図１の計測装置の製造の異なるステップの概略図である。 図１の計測装置の製造の異なるステップの概略図である。 図１の計測装置の製造の異なるステップの概略図である。 図１の計測装置の製造の異なるステップの概略図である。 図１の計測装置の製造の異なるステップの概略図である。 図１の計測装置の製造の異なるステップの概略図である。 図１の計測装置の製造の異なるステップの概略図である。 他の異なる可能な実施の形態に係るラプラス力を用いた磁場計測装置の概略平面図である。 図１０の実施の形態で用いられる共振歪ゲージの概略図である。 他の異なる可能な実施の形態に係るラプラス力を用いた磁場計測装置の概略平面図である。 図１２の計測装置の製造の異なるステップの概略図である。 図１２の計測装置の製造の異なるステップの概略図である。 図１２の計測装置の製造の異なるステップの概略図である。 図１２の計測装置の製造の異なるステップの概略図である。 図１２の計測装置の製造の異なるステップの概略図である。 図１２の計測装置の製造の異なるステップの概略図である。 図１２の計測装置の製造の異なるステップの概略図である。 他の異なる可能な実施の形態に係るラプラス力を用いた磁場計測装置の概略平面図である。 他の異なる可能な実施の形態に係るラプラス力を用いた磁場計測装置の概略平面図である。 これらの図面において、同じ参照符号は同じ構成要素を示すために用いられる。以下、この明細書では、当業者によく知られた特徴及び機能は、詳細に記載されない。

図１はラプラス力を用いた磁場計測装置２である。具体的には、この装置２は、磁場のＢ_Ｙ成分の振幅を計測することができる。Ｂ_Ｙ成分は矢印により示される。Ｂ_Ｙ成分は図面用紙平面に平行であり、ＸＹＺ直交基準系（orthogonal referential）のＹ軸に平行である。Ｘ軸及びＹ軸は水平であり、Ｚ軸は垂直である。以下、この明細書では、表現「上（above）」、「下（beneath）」、「より高い（higher）」、「より低い（lower）」は、Ｚ方向に関して定義される。

装置２は、「基板平面」と呼ばれる水平な平面に実質的に拡がる基板６を備える。典型的には、この基板６の大きさは１ｍｍ^２よりも小さい。例えば、その長さは１ｍｍ又は５００μｍよりも小さく、その幅は５００μｍ又は３００μｍよりも小さい。

基板６は、マイクロエレクトロニクスの技術、すなわち、トランジスタのような電子部品を製造するために用いられる技術と同じ技術により機械で製造されることができる。例えば、基板６は、シリコンのような半導体物質でできた基板である。

装置は、基板６上に架けられた剛性フレーム１０を備える。ここでは、表現「架けられた（suspended）」は、中に真空が作られた、又は、中が気体で満たされた凹部（recess）により、Ｚ方向において、基板６から機械的に分離された構成要素を示す。そして、その構成要素は、基板６に関して動くことができる。ここでは、フレーム１０は、回転軸１２のまわりを回転するように動くことができる。軸１２はＸ方向に平行である。

フレーム１０は、フレーム平面と呼ばれる平面に実質的に拡がる。ここでは、フレーム１０は実質的に長方形の形状を有する。

フレーム１０は、中央の貫通した凹部（through-recess）１４を備える。Ｘ方向における凹部１４の両側において、フレーム１０は剛性のアーム（arm）１８、１９を備える。同様に、Ｙ方向における凹部１４の両側において、フレーム１０は剛性のレッグ（leg）２０、２１を備える。アーム１８、１９はＹ方向と平行であり、レッグ２０、２１はＸ方向と平行である。レッグ２０、２１の端部は、一方の側でアーム１８に、他方の側でアーム１９に、自由度なしで固定される。

ここでは、アーム１９は垂直平面２３に関してアーム１８と対称である。従って、アーム１８だけがより詳しく記載される。

Ｙ方向におけるアーム１８の長さＬｏ_１８は、典型的には２ｍｍ又は５００μｍよりも小さく、好ましくは、５０又は１００μｍよりも大きい。Ｘ方向におけるアーム１８の幅Ｌａ_１８は、Ｌｏ_１８／２又はＬｏ_１８／５よりも小さい。アーム１８の厚さはフレーム１０の厚さｅ_ＣＲに等しい。厚さｅ_ＣＲはＺ方向におけるフレーム１０の平均の厚さであって、例えば、この厚さは幅Ｌａ_１８／２よりも断然小さい。ここでは、厚さｅ_ＣＲは１０又は３０μｍよりも小さく、好ましくは、２又は５μｍよりも大きい。

レッグ２１は、軸１２を通る垂直平面に関してレッグ２０と対称である。この垂直平面はまたアーム１８，１９に関して対称面である。Ｘ方向におけるレッグ２０の長さＬｏ_２０は典型的には２ｍｍ又は５００μｍよりも小さい。この長さＬｏ_２０はまた好ましくは５０又は１００μｍよりも大きい。Ｙ方向におけるレッグ２０の幅Ｌａ_２０はＬｏ_２０／２又はＬｏ_２０／５よりも小さい。レッグ２０の厚さはフレーム１０の厚さｅ_ＣＲに等しい。

フレーム１０は剛性の物質、すなわち、２５℃におけるヤング率が２０ＧＰａ又は５０ＧＰａ又は１００ＧＰａよりも大きい物質でできている。例えば、フレーム１０はシリコンのような半導体物質でできている。

フレーム１０はまた二つの剛性の横の分岐部（branch）２４、２６を有している。これらの分岐部２４、２６はそれぞれアーム１８、１９からの横方向の突起を形成する。分岐部２４は軸１２に沿ってアーム１８から凹部１４の内側に向かって延びる。分岐部２６は軸１２に沿ってアーム１９から遠ざかるようにフレーム１０の外側に向かって延びる。ここでは、分岐部２４、２６は、それぞれアーム１８、１９と一体的なブロックの物質を形成する。

Ｙ方向における分岐部２４の幅Ｌａ_２４はアーム１８の幅Ｌａ_１８とここでは等しい。Ｘ方向における分岐部２４の長さＬｏ_２４はＬｏ_２０／２又はＬｏ_２０／３以下である。分岐部２４の厚さはフレーム１０の厚さｅ_ＣＲに等しい。この分岐部２４はそれゆえ一方の側から他方の側まで軸１２によって横切られる。

分岐部２４はＹ方向においてくり抜かれた切欠き部（notch）２８を備える。この切欠き部２８は、軸１２に平行で、この軸１２の近くに配置された垂直な底部で終わる。ここでは、この垂直な底部と軸１２との間の最短距離は幅Ｌａ_２４／３よりも小さく、好ましくは、Ｌａ_２４／５又はＬａ_２４／１０よりも小さい。例えば、最短距離は５又は１０μｍよりも小さい。有利には、この距離は０である。ここでは、切欠き部２８は軸１２を通る垂直平面の一方の側だけにもっぱら配置される。

分岐部２６は、切欠き部２８が切欠き部３０に置き換えられたこと以外は、分岐部２４と同じである。切欠き部３０は切欠き部２８と同じであるが、軸１２を通る垂直平面の他方の側にもっぱら配置される。

フレーム１０の上記レイアウトのために、このフレームの重心は軸１２の近くに配置され、それはＸＹＺ方向における加速度に対してほとんど感度を有さない。ここでは、表現「近くに配置される（situated in proximity）」は、フレーム１０の重心と軸１２との間の最短距離が、
・Ｙ方向において、長さＬｏ_１８／５０よりも小さく
・Ｚ方向において、厚さｅ_ＣＲ又はｅ_ＣＲ／２よりも小さい
事実を示す。

フレーム１０は「剛性」であると言われる。ここでは、表現「剛性」は、計測されるラプラス力が加えられるレッグ２０、２１の一つの箇所において、このラプラス力が加えられる方向における曲げ又はたわみの下での剛さが、このフレームを基板６に取り付けるはり部の架けられたはり部の圧縮状態での剛さよりも少なくとも２倍、好ましくは、少なくとも１０倍又は１００倍大きくなるように、フレームの断面とフレームが作られる物質とが選択されている事実を示す。これらの架けられたはり部は更に下で記載される。曲げ状態での剛さは、棒ばねを、無限大の剛さの、自由度を有さない、対応する支え（anchor）で置き換えることにより、例えば計測され又は計算される。棒ばねは更に下で記載される。フレーム１０に関して、ラプラス力が加えられる方向はＺ方向と平行である。

装置２はまたフレーム１０の上面に自由度なしで配置された電気伝導体３２を備える。この伝導体３２は、フレーム１０の平面に垂直で軸１２と交差する垂直軸３４のまわりに巻かれる。ここでは、軸３４は明らかに長方形の凹部１４の中心にある。図１では、この軸２４は、円の中心の点により示される。

伝導体３２は、軸３４のまわりをまるまる複数回まわる。それゆえ、それは複数の完全な巻きを有するコイルを形成する。それは、電気絶縁物質でできた層３６によりフレーム１０から分離されている。レッグ２０、２１上で、伝導体３２はＸ方向に平行な直線部分を形成する。結果として、磁場のＢ_Ｙ成分の存在下で伝導体３２を電流が通るときに、これらの直線部分はラプラス力を受ける。典型的には、伝導体３２の各部分に働くラプラス力は次の関係で与えられる


ここでは、
・Ｆは伝導体３２の各直線部分に働くラプラス力であり、
・ｉは伝導体３２を流れる電流の強度であり、
・ｄｌは伝導体３２の部分の長さであり、
・Ｂ_Ｙは計測される磁場の成分であり、
・記号「∧」はベクトル積の数値演算である。

図１では、伝導体３２中の電流の流れの向きは矢印ｉで示される。この流れの向きにより、ラプラス力は基板平面に垂直に、レッグ２０では一方の向きに、レッグ２１では反対の向きに働く。このように、ラプラス力はフレーム１０をその回転軸のまわりで回転させる。結果として、フレーム１０の偏位角度は、ラプラス力の強度及び計測される磁場のＢ_Ｙ成分の強度を示す。

軸１２のまわりのフレーム１０のこの回転を可能にするために、フレーム１０はヒンジにより基板６に直に機械的に接続される。これらのヒンジは、ここでは、棒ばね３８、３９である。図に示される実施の形態では、各ヒンジは棒ばねによって構成される。

棒ばね３８は基板６上に架けられる。それは、軸１２に沿って分岐部２４の先端から固定する突起部４０にまで延びる。突起部４０は基板６に自由度なしで固定されている。

この明細書では、棒ばねは、装置２の使用時に回転軸のまわりで実質的にねじれの変形を受けるように形づくられた棒を示す。例えば、棒ばね３８の場合に、回転軸は軸１２である。この目的のために、回転軸に直交する方向における曲げ又はたわみの剛さが、同じ個所で計測され又は計算されるねじれの剛さよりも少なくとも５又は６倍大きくなるように、棒ばね３８は形づくられる。例えば、この目的のために、棒ばね３８のＹ方向における幅Ｌａ_３８は、分岐部２４の幅Ｌａ_２４よりも少なくとも２又は５倍小さい。好ましくは、電気的な通路の流れを促進するために、棒ばね３８の厚さｅ_３８は、厚さｅ_ＣＲに等しい。

この実施の形態では、棒ばね３８はまた伝導体３２の一つの端部を固定された電気的な接続パッド４２に電気的に接続する。ここでは、パッド４２は突起部４０の上端に配置され、電気的絶縁物質でできた層４４によりこの突起部から電気的に絶縁される。この機能を実現するために、棒ばね３８はその上の部分において一方の側から他方の側までそれを通る電気的な通路４６を備える。電気的絶縁層は、この電気的な通路と棒ばね３８の半導電性の部分との間に位置する。

棒ばね３９は軸１２に沿って分岐部２６の先端部から固定する突起部５０にまで延びる。例えば、棒ばね３９は棒ばね３８と同じである。ここでは、それぞれパッド４２、層４４、通路４６に対応するパッド、絶縁物質でできた層、導電性の通路はそれぞれ参照符号５２、５４、５６を有する。

パッド４２、５２はワイヤリンク（wire link）により電源５８に電気的に接続されている。ここでは、電源５８は交流電源である。

装置２はまた軸１２のまわりのフレーム１０の偏位角度を計測するための二つの歪センサ６０、６２を備える。この実施の形態では、センサ６０、６２は歪ゲージセンサである。センサ６０の歪ゲージは、フレーム１０の角度変化を計測可能な抵抗値の変化に変換する、架けられた圧電の（piezoelectric）はり部又はワイヤ６４である。このはり部６４は、
・切欠き部２８の垂直な底部に自由度なしで固定された端部６６、
・基板６のバンプ（bump）７０に自由度なしで固定された端部６８、
・基板６上に架けられた中央部分６９
を備える。

分岐部２４により及ぼされる歪を限られた表面領域内に集中させて、装置２の感度を増加させるために、はり部６４の厚さは、分岐部２４の厚さの少なくとも２、５又は１０倍小さい。これはまた伸張‐圧縮状態でのその剛さを減少させる。ここでは、はり部６４の幅、及び、ことによると長さは、例えば１０又は５μｍよりも小さい。

例えば、はり部６４はシリコン、又は、シリコンとゲルマニウムとの合金であるシリコンゲルマニウムでできている。はり部６４はまた金属で作られることもできる。より一般的には、はり部６４は、比率（ｄＲ／Ｒ）／（ｄｌ／ｌ）で表現されるピエゾ抵抗感度が上で言及された物質の感度以上である物質で作られることができる。ここでは、
・ｄＲははり部６４の抵抗値の変化であり、
・Ｒは停止しているとき、すなわち、歪が無いときの抵抗値であり、
・ｄｌは計測される歪を受けたときのはり部６４の長さの変化であり、
・ｌは停止しているときのはり部６４の長さである。

ここでは、はり部６４はＹ方向と平行に延びる。端部６６は軸１２を通る水平平面の上又は下に配置される。例えば、ここでは、端部６６はこの水平平面の下に配置され（図２）、はり部６４はこの水平平面のもっぱら下で延び、すなわち、その上面はこの水平平面から０でない距離だけスペースを置かれている。図２では、この図面の読みやすさを向上させるために、軸１２を通る水平平面に延びるアーム１８の一部分だけが示される。

増幅効果の最大利益、及び、アーム１８により引き起こされるラプラス力から来るはり部上での純粋に伸張／圧縮の歪の最大利益を得るために、端部６６は軸１２のできるだけ近くに配置される。この目的のために、端部６６と軸１２との間の最短距離ｄｐ（図２）はｅ_ＣＲ／２よりも小さく、好ましくは、ｅ_ＣＲ／３又はｅ_ＣＲ／５よりも小さい。例えば、この距離は５又は１０μｍよりも小さい。

センサ６０はまた二つの電気的なパッド７２、７４と抵抗計７６とを有している。パッド７２、７４は、はり部６４の端部６６、６８にそれぞれ直に電気的に接続されている。ここでは、表現「直に」は、接続がはり部６４又は抵抗計７６を通らないという事実を示す。

表現「抵抗計」は、抵抗値の変化を直接的に又は間接的に計測することができる、どのようなタイプの装置も意味すると、ここでは理解される。実際に、例えば、ホイートストンブリッジ（Wheatstone bridge）による電圧の計測法を用いることが可能である。好ましくは、センサ６０、６２はホイートストンハーフブリッジ（Wheatstone half-bridge）にこの目的のために組み込まれる。

パッド７４は棒ばね３８により端部６６に電気的に接続される。

抵抗計７６はワイヤリンクによりパッド７２、７４に電気的に接続される。この抵抗計７６は、てこ部（lever）１８によってはり部６４に及ぼされる歪に対応する、はり部６４の抵抗値の変化を計測し、計測された抵抗値を示す計測信号を生成する。

センサ６０が計測するのと同じ振幅の変化をセンサ６２は反対向きで計測する点を除いて、他方のセンサ６２はセンサ６０と同じである。なぜならば、センサ６２の架けられたはり部は、軸１２を通る垂直平面の反対側に配置されているからである。ここでは、はり部６４、バンプ７０、パッド７２、７４、抵抗計７６に対応するセンサ６０のはり部、バンプ、電気的なパッド、抵抗計は、それぞれ参照符号８０、８２、８４、８６及び９０を有する。

センサ６０、６２は電子的処理部９４に接続されている。処理部９４は、センサ６０、６２によりもたらされる計測信号に従って、Ｂ_Ｙ成分の振幅を計算するようにプログラムされている。図面を簡単にするために、処理部９４とセンサとの間の接続は示されていない。

装置２の機械的共振の周波数ｆ_Ｒは、フレーム１０、棒ばね３８、３９、はり部６４、８０により実質的に設定される。ここでは、フレーム１０、棒ばね３８、３９、はり部６４、８０の寸法は、周波数ｆ_Ｒが１ｋＨｚよりも大きくなるように、好ましくは、１０ｋＨｚよりも大きくなるように選択される。装置２の構成を通じて、他の構成要素を変更することなく、そして、装置２の機械的な最適化を大いに促進するように、この周波数ｆ_Ｒを設定するために、装置の一つの構成要素の寸法は変更されることができる。

図２は、装置２においてラプラス力がてこの効果（lever effect）により増幅される理由の、より明確な理解を提供する。ラプラス力は回転軸１２の両側において、アーム１８、１９の端部で、反対方向に働く。これは、分岐部２４を回転軸１２のまわりで回転させる。分岐部２４にしっかりと取り付けられたはり部６４の端部６６は、軸１２の下に配置されているので、示された場合において、分岐部６４の回転は、はり部６４に対して張力（tensile force）Ｆ_ｔを実質的に及ぼす。そのうえ、フレーム１０は剛性であり、棒ばね３８は基板６に関して固定された回転軸を構成し、ラプラス力Ｆの作用点と軸１２との間の距離ｄは端部６６と軸１２との間の距離ｄ_ｐよりも数倍大きいので、張力Ｆ_ｔはてこの効果のためにラプラス力Ｆよりも数倍大きい。このことは装置２の感度を増加させる。

装置２の動作は次の通りである。電源５８は有利には共振周波数ｆ_Ｒに等しい周波数ｆ_Ａで、交流を生成する。ラプラス力が、時々はＺ方向で時々はその反対方向で伝導体３２に働く。このことは装置２をこの周波数ｆ_Ａで励振（excite）する。そして、フレーム１０は周波数ｆ_Ａで軸１２のまわりで振動する。これらの振動の角度振幅は、働くラプラス力を示し、それゆえに、Ｂ_Ｙ成分の振幅を示す。センサ６０、６２は、フレーム１０の偏位角度の振幅を示す計測信号を生成し、これらの信号を処理部９４に送信する。処理部９４は、これらの信号から磁場のＢ_Ｙ成分の振幅を計算する。

図３乃至９は、装置２の製造の連続する異なるステップを示す。図３乃至９は、装置２の異なる構成要素の垂直断面図である。これらの異なる構成要素は、仮に装置２においてそれらが並んでいなくても、これらの図面では並記される。このように、これらの図面は切断面に沿った装置２の断面に対応していないが、異なる構成要素の製造を装置２におけるそれらの相互のレイアウトを考慮することなく簡単に図示している。

製造はＳＯＩ(silicon-on-insulator)基板を供給することで始まる。この基板は、基板６、酸化シリコンのような電気的絶縁物質でできた層１２０（図３）、シリコンの層１２２（図３）を備えている。例えば、層１２０、１２２は１μｍ、０．３μｍに等しい厚さをそれぞれ有する。

そして、ホール１２４及び二つのホール１２６を形成するために、層１２２はホトリソグラフィによりエッチングされる（図３）。基板６との電気的な接続を供給するパッドを作るために、ホール１２４は用いられる。センサ６０のピエゾ抵抗はり部（piezoresistive beam）６４を作るために，二つのホール１２６は用いられる。

そして、層１２２上に酸化物層１２８が堆積される（図４）。例えば、層１２８の厚さは０．３μｍである。

二つのホール１２６を満たして覆う部分の層１２８だけを残すように、層１２８はホトリソグラフィ方法によりエッチングされる。この層１２８は、歪センサのはり部を覆って保護するように意図される。これらのエッチングステップの間に、ホール１２４の底の酸化物層はまた基板６が露出されるように除去される。

そして、層１２８上にシリコンの層１３０が堆積される（図５）。例えば、この層１３０は層１２２、及び、層１２８の残りの部分の上にエピタキシャル成長により堆積される。この層１３０は層１２２と単一の一体化された層を形成し、層１３０だけが示される。層１３０の厚さは約２０μｍである。

そして、層１３０上に、電気的絶縁物質でできた層１３２が堆積される（図６）。そして、層１３０との直接の電気的接続の形成が必要とされる箇所で、この層１３２はホトリソグラフィによりエッチングされる。例えば、層１３２は厚さ０．１μｍの窒化シリコンでできた層である。

そして、層１３２上に電気的導電性物質でできた層１３４が堆積される（図７）。例えば、層１３４は金属層である。この層１３４は、装置２の種々のパッド及び電気的な通路を形成するためにエッチングされる。

そして、層１３２はホトリソグラフィによりエッチングされる（図８）。エッチング停止層として同じ樹脂マスク及び酸化物層１２０、１２８を用いて、層１３０はやはりエッチングされる。例えば、層１３０はＤＲＩＥ（deep reactive ion etching）方法によりエッチングされる。

最後に、装置２の種々の動く部分を自由にするために、酸化物層１２０、１２８は除去される（図９）。例えば、酸化物層はフッ化水素酸ウエットエッチング、及び／又は、気相エッチングにより除去される。

図１０は、センサ６０、６２が共振歪ゲージ１５２、１５４にそれぞれ置き換えられた点を除いて、装置２と同じである装置１５０を示す。センサ１５２、１５４は、一方のセンサが他方のセンサにより計測される歪と同じ振幅の歪を反対符号で計測する点を除いて、同一である。従って、図１１を参照してセンサ１５２だけが詳細に記載される。

センサ１５２は基板６上に架けられたはり部１６０を備える。このはり部の一方の端部１６２は、自由度なしで、はり部の軸において、切欠き部２８の底部で分岐部２４に固定される。このはり部の反対側の端部１６４は、バンプ７０に自由度なしで固定される。このはり部の動く中央の部分１６６は、端部１６２と端部１６４との間に配置される。この動く部分１６６は基板６上に架けられており、振動することができる。典型的には、はり部１６０は半導電性又は導電性の物質でできている。ここでは、それはシリコンでできている。しかしながら、この実施の形態では、それはピエゾ抵抗物質でできていなけらばならない必要はない。

動く部分１６６の近くに配置され、Ｘ方向において動く部分を周期的に引き寄せる静電気力をこの動く部分に対して及ぼす作動電極（actuating electrode）１６８を、センサ１５２は備える。中央の部分を振動させるために、電極１６８は電気的パッド１７０を介して、直流成分を有する交流電圧源１７２の端子に接続される。はり部１６０の機械共振周波数に自動的にスレーブ（slave）される周波数で、交流電圧は生成される。この自動のスレーブを得るために、本発明は、はり部がその共振周波数で振動するときに、はり部１６０の振動の振幅が最大である事実を利用する。交流電圧源１７２の他方の端子は、電気的パッド１７４により、はり部１８０の端部１６４に直接的に接続される。このようにして、はり部１６０は周波数ｆ_０で振動する。

動く部分１６６の動きに従って容量値が変化するコンデンサを動く部分と一緒に形成するために、動く部分６６に面して配置された計測電極１７６を、センサ１５２は備える。電極１７６は、電気的パッド１８０により容量計１７８の端子に電気的に接続される。容量計１７８の他方の端子はパッド１７４に接続される。このように、動く部分１６６の振幅及び／又は振動数を計測するために、容量計１７８は用いられることができる。分岐部２４によってはり部１６０に及ぼされる歪に応じて、共振周波数ｆ_０は変化する。このように分岐部２４の偏位角度の振幅及びそれゆえにＢ_Ｙ成分の振幅を計測するために周波数ｆ_０の値は用いられることができる。

図１２は、
・凹部１４の内部に配置されたパッド４２ではなく、凹部１４の外部に配置された電気的パッド１９２により伝導体３２の電気的接続が得られ、
・センサ６０が凹部１４の外部に移された
点を除いて、装置２と同じである装置１９０を示す。

すべての電気的接続パッドを凹部１４の外側に移動させることは、装置１９０の電気的な接続を簡単にする。実際に、フレーム１０上を通る導電性のワイヤを設けることはもはや必要ではない。

ここでは、パッド４２は、突起部４０と直に電気的に接続するパッド１９４に置き換えられる。この目的のために、パッド１９４と突起部４０との間の絶縁層４４は省かれる。

突起部４０は、電気的な通路１９８により、凹部１４の外部に配置されたはり部１９６と電気的に接続される。この通路１９８は基板６に自由度なしで固定される。ここでは、通路１９８は突起部１９６と出会うためにフレーム１０のレッグ２０の下を通る。レッグ２０はそれゆえに通路１９８上に架けられる。パッド１９２は突起部１９６の上端に配置される。

この実施の形態では、センサ６０はセンサ６２に面するように配置される。例えば、軸１２を通る垂直平面に関して、はり部６４ははり部８０と対称である。この目的のために、分岐部２６は分岐部２００により置き換えられる。軸１２を含む垂直平面に関して切欠き部３０と対称的な切欠き部２０２を追加的に有する点を除いて、分岐部２００は分岐部２６と同じである。はり部６４の端部は、切欠き部２０２の底部に固定される。これらの条件では、上記したように、センサ６２が計測するものと同じ振幅で反対符号の偏位角度を、センサ６０は計測する。

図１３乃至１９は装置１９０の製造の異なるステップを示す。これらのステップは、通路１９８、パッド１９２、１９６を作る点を除いて、装置の全ての構成要素に関して、図３乃至９を参照して記載されたステップと同じである。具体的には、層１０の下を通る層１２２の一部分を保護するために、酸化物層１２８（図１４参照）の追加的な部分２１０を残す点を除いて、図１３乃至１９に連続的に示された製造の異なる状態を得るために実行されたステップは、図３乃至をそれぞれ参照して記載されたステップと同じである。図１８に示したように、層１３０のエッチングの間は、この部分２１０はエッチング停止層として働く。そして、この部分２１０は、種々の動く部分を自由にするために、層１２８の残りと同じときに除去される（図１９）。そして、フレーム１０の下を通る通路１９８が得られる。

通路１９８と電気的に接続するパッド１９４、１９６を形成するために、金属層１３４が、層１３０上に直に堆積され、そしてパッド１９４、１９６を分離するためにエッチングされる（図１７）。

図２０は、磁場のＢ_Ｙ成分、Ｂ_Ｘ成分の両方を計測することができる装置２２０を示す。装置２２０はこの目的のためにたった一つの伝導体を用いると同時に複数巻きのコイルを形成する。分岐部２４、２８がそれぞれ分岐部２２４、２２６に置き換えられた点を除いて、フレーム１０と同じである内側のフレーム２２２を、この装置２２０は備えている。分岐部２２４、２２６は、凹部１４の内側に配置される。

分岐部２２４は、フレーム２２２の回転軸１２に沿って延びている。分岐部２２４は、軸１２のまわりのねじれに剛性でＺ方向の曲げに柔軟なように、形づくられている。この目的のために、分岐部２２４は分岐部２４と同じであるが、ねじれに剛性でＺ方向に沿った曲げに柔軟なジョイント（joint）２２８を追加的に備えている。

この実施の形態では、ジョイント２２８は、後に長方形の凹部２２８Ｂが続く細い特徴部（thinned feature）２２８Ａを連続的に結合することにより作られる。細い特徴部２２８ＡはＹ方向において分岐部２２４の幅を局所的に小さくしている。この細い特徴部２２８ＡのＹ方向における幅はＬａ_２２８Ａで示される。細い特徴部２２８Ａは回転軸１２上に中心を有する。

凹部２２８Ｂは、Ｚ方向において、分岐部２２４の一方の側から他方の側まで貫通する長方形の凹部である。Ｙ方向におけるこの凹部の幅はＬａ_２２８Ｂで示され、幅Ｌａ_２２８Ａよりも断然大きい。細い特徴部２２８Ａは棒ばね３８よりもねじれに対して剛性である。この目的のために、この例では、その幅Ｌａ_２２８Ａは幅Ｌａ_３８の少なくとも２倍か、Ｘ方向におけるその長さＬｏ_２２８Ａは長さＬｏ_３８の少なくとも半分である。それゆえ、ジョイント２２８はねじれに関して棒ねじ３８よりもかなり剛性である。このように、分岐部２２４の回転の変化の間に、変形するのはほとんど専ら棒ねじ３８である。ジョイント２２８はＺ方向において曲げられた状態の分岐部２２４の剛さを削減する。結果として、このことはフレーム２２２が軸１２に垂直な水平軸２４６のまわりをまた回転的に動くことを許容する。

分岐部２２４の端部は、棒ねじ３８により突起部４０に機械的に接続されている。上記したように、交流源５８に電気伝導体を電気的に接続するためのパッド４２を突起部４０は備えている。この図及び次の図では、交流源５８は示されていない。

分岐部２２６がアーム１８を基板６に機械的に接続するのではなく、分岐部２２６がアーム１９を基板６に機械的に接続する点を除いて、分岐部２２６は分岐部２２４と構造的に同じである。分岐部２２８のジョイント、切欠き部はそれぞれ参照符号２４２、２４４を有する。ここでは、分岐部２２６の切欠き部２４４が軸１２を通る垂直平面の他方の側に配置されている点を除いて、分岐部２２６は軸２４６を通る垂直平面に関して分岐部２２４と対称である。

棒ねじ２４８は分岐部２２６の端部を突起部４０に機械的に接続する。棒ねじ２４８は軸２４６を通る垂直平面に関して棒ねじ３８と対称である。

図１、２を参照して記載されたように、センサ６２のはり部８０は、切欠き部２４４の底部に機械的に接続されている。分岐部２２４とは違って、伝導体３２の他方の端部を電流源５８に接続するためのいかなる導電性の通路も、分岐部２２６は有していない。

図２０では、Ｂ_Ｙ成分が存在する下で電流が伝導体３２を通ったときに、レッグ２０、２１に働くラプラス力はＦ_Ｙで示される。図２０では、磁場のＢ_Ｘ成分が存在する下で電流が伝導体３２を通ったときにレッグ１８、１９に働くラプラス力はＦ_Ｘで示される。

装置２２０は、更に、軸２４６のまわりを回転するように搭載された、架けられた外側の剛性フレーム２５２を備える。このフレーム２５２は、基板６上に架けられたフレーム２２２を保持する。フレーム２５２は、Ｘ方向に平行な二つのアーム２５４、２５５と、Ｙ方向に平行な二つのレッグ２５８、２５９とを有する。これらのアーム及びレッグは内側の長方形の貫通凹部（through-recess）２６２の境界を画定する。

各剛性のアーム２５４、２５５はそれぞれ剛性の分岐部２６４、２６６を有する。これらの分岐部２６４、２６６は軸２４６に沿ってフレーム２５２から遠ざかるように延びる。これらの分岐部２６４、２６６の先端部は、棒ねじ２７２、２７４により、突起部２６８、２６９に機械的に接続されている。突起部２６８、２６９は基板６に自由度なしで固定されている。

これらの棒ねじ２７２、２７４は、棒ねじ３８、２９と同様に、基板６上の架けられたフレーム２５２を維持すること、軸２４６のまわりのフレーム２５２の回転的な動きだけを実質的に許容することを可能にする。

分岐部２６６は分岐部２００と同様に配置されている。それはそれゆえ二つの互いに向き合う切欠き部３０、２０２を備える。センサ２７６、２７８は軸２４６のまわりのフレーム２５２の偏位角度を計測するように計画されている。ここでは、センサ２７６、２７８はそれぞれセンサ６０、６２と同じである。図１２を参照して記載されたように、それらは互いに向き合うように配置されている。

軸１２に沿って延びる棒ねじ２８０、２８２によって、フレーム２５２はフレーム２２２に機械的に接続されている。棒ねじ２８０はレッグ２５８の中点を直接的にアーム１８の中点に機械的に接続している。棒ねじ２８２はレッグ２５９の中点を直接的にアーム１９の中点に機械的に接続している。

この基板６上に架けられたフレーム２２２を維持し、同時にこのフレーム２２２が軸１２のまわりを自由に回転的に動くようにするために、棒ねじ２８０、２８２は用いられる。

アーム２５４、２５５のてこの効果によってラプラス力Ｆ_Ｘを増幅するように、フレーム２５２及び棒ねじ２８０、２８２の構造は設計されている。この目的のために、フレーム１０及び棒ねじ３８、３９を参照して記載されたように、フレーム２５２及び棒ねじ２８０、２８２は作られている。

電気的な通路２８６は、パッド４２に直に接続されていない、伝導体３２の他方の端部を、突起部２６９の先端上に配置された接続パッド２８８に接続する。電気的絶縁物質でできた層２９２によって、パッド２８８は突起部２６９から電気的に絶縁されている。

ここでは、通路２８９は、棒ねじ２８２上、レッグ２５９上、アーム２５５上、分岐部２６６上、棒ねじ２７４上に連続的に配置されて、そして、パッド２８８に到達する。この実施の形態では、レッグ２５８及びアーム２５４は電気伝導体を有していない。

成分Ｂ_Ｘが存在する下で電流が伝導体２を流れたときに伝導体２に働くラプラス力Ｆ_Ｘによって、軸２４６のまわりのフレーム２５２の回転変化が促進される。このように、磁場のＢ_Ｘ成分、Ｂ_Ｙ成分の両方を計測するために、コイルを形成する全く同一の電気伝導体が用いられる。このことは装置２２０の電力消費を著しく削減する。

装置２２０の異なるセンサに接続され、これらのセンサの信号を成分Ｂ_Ｘ、Ｂ_Ｙの強度の計測値に変換する電子的処理部３００を、装置２２０は更に備える。

装置２２０の動作は装置２の動作と同じであり、より詳細に記載されることはない。特に、てこの効果によって、装置２２０はラプラス力Ｆ_Ｙとラプラス力Ｆ_Ｘとを同様に増幅することは注目されることができる。

図２１は、フレーム２５２が剛性フレーム３１２に置き換えられた点を除いて、装置２と同じである装置３１０を示す。アーム２５４が省かれ、レッグ２５８、２５９の長さが短くされた点を除いて、フレーム３１２はフレーム２５２と同じである。分岐部２６４、棒ねじ２７２及び突起部２６８も省かれている。

この装置３１０は装置２２０と同じように動作する。

多くの他の実施の形態が可能である。例えば、図２０、２１に示したように、磁場計測装置は一つ以上の計測軸を備えることができる。このように、計測装置は単一軸又は多軸の装置であることができる。

精度を高めるために、内部が真空になった箱に、前述した各装置が封入されることができる。これは機械的なシステムのＱ値（quality factor）を特に高める。しかしながら、このことは、適用例及び望まれる感度に依存し、義務的に必要ではない。

関係する実施の形態にかかわらず、電気伝導体は一巻きだけを形成することができるし、逆に電気伝導体は複数巻きを形成することができる。

電気伝導体を流れる電流は必ずしも交流ではない。変形例としては、それは時間に対して非正弦曲線状に変化する電流であり、又は、それは正負符号が決して変化しない直流であることもできる。

同様に、てこの偏位角度の振幅を計測するセンサが異なるように搭載されるべきであることも必要ではない。このように、単純化された変形例では、装置は、てこの偏位角度を計測するためのたった一つのセンサを有している。

抵抗計は、例えば、ホイートストンブリッジのような電気的な抵抗値を計測するためのどのような手段によっても置き換えられることもできる。

共振歪ゲージが使われるときは、はり部を共振させてこのはり部の振動数を計測するために、全く同一の電極が用いられることができる。

容量計は、共振歪ゲージのはり部の振動数を計測するためのどのような手段によっても置き換えられることができる。

変形例として、軸１２及び軸２４６は互いに垂直ではない。しかしながら、これらの二つの軸はどちらも互いに平行ではない。

外側の剛性フレーム２５２は、中央の凹部２６２のまわりに巻かれた電気伝導体を備えることができる。この場合には、好ましくは、この伝導体は電気伝導体３２と直列に接続されて、通路２８６に置き換わる。

電気伝導体３２は、それが外側のフレーム２５２を備えているときでさえ、棒ねじ２４８により電力を供給されることができる。この場合に、電気的な通路２８６は省かれる。

フレーム１０、２２２又は２５２の偏位角度は、架けられたはり部を備えたセンサ以外の手段により計測されることができる。例えば、偏位角度は次の論文に記載された容量センサにより計測される。
J. KYYNARAINEN, "A 3D micromechanical compass", Sensors and Actuators A, volume 142, pages 561 to 568, 2008.

図１１を参照して記載された共振歪ゲージは、ここで上記された他のすべての実施の形態において、歪ゲージセンサの代わりに用いられることができる。

多くの他の実施の形態のヒンジが可能である。例えば、番号ＦＲ１１６１４８７で２０１１年に出願された特許出願で記載されたように、棒ねじは作られることができる。ヒンジは棒ねじを用いることなく作られることもできる。例えば、Ｚ方向に柔軟で、回転軸の両側で互いに向き合うように配置された二つの柔軟な水平の細片は、ヒンジを組み立てるために用いられることができる。

他の実施の形態において、棒ねじ３８の厚さｅ_３８は、Ｚ方向において、分岐部２４の厚さｅ_ＣＲよりも少なくとも２、５又は１０倍小さい。

好ましくは、切欠き部２８のような切欠き部の底部は、このフレームの回転軸を通るフレーム平面に垂直な平面に含まれる。

図２１を参照して記載されたように、ここで上記された全ての実施の形態では、動くフレームは単一のヒンジにより基板上に架けられることができる。

動くフレームの重心を軸１２から遠ざけるために、動くフレームにおもりが追加されることができる。その際、動くフレームは加速度に対して感度を有するようにされる。そして、計測信号から例えば１０００Ｈｚより小さいのすべての周波数成分を除外するように処理部がプログラムされる。そして、フィルタをかけられた信号は、計測された磁場の成分の強さを決定するために用いられる。同じ信号は、１０００Ｈｚより大きいすべての周波数成分を除外するために並行してフィルタにかけられることができる。このフィルタ信号はそして動くフレームが受ける加速度を計測するために用いられる。おもりは、フレームの一つのレッグ上のＹ方向の物質の突起であることができる。この場合に、フレームはＺ方向に平行な加速度に感度を有するようにされる。おもりは、軸１２を通るフレーム平面に垂直な平面に配置された物質の突起であることができる。この場合には、フレームはＹ方向に沿った加速度に感度を有するようにされる。

もしも伝導体がたった一巻きを形成するならば、フレームの中央の凹部は省かれることができる。

他の変形例では、歪センサのはり部は、基板６に固定された一方の端部と、動くフレームの一つのアームの下の面に直に固定された他方の端部との間を、Ｚ方向に平行に延びる。

Claims (14)

1. ラプラス力を用いた磁場計測装置であって、
   この装置は、
   基板平面と呼ばれる平面に実質的に拡がる基板（６）と、
   第１のフレーム平面と呼ばれる平面に実質的に拡がり、基板上に架けられた第１の剛性フレーム（１０、２２２）と、
   この第１のフレームは基板に関して基板平面と平行な第１の回転軸（１２）のまわりで回転の動きができ、
   第１の剛性フレームは中央の貫通凹部（１４）を有し、
   第１の剛性フレームに自由度なしで固定された固定電気伝導体（３２）と、
   この伝導体は第１のフレーム平面に垂直な巻き軸のまわりに巻かれており、
   剛性フレームを基板に機械的に接続する少なくとも一つの第１のヒンジ（３８）と、
   このヒンジは、電気伝導体の第１の端部と、基板にしっかりと取り付けられた第１の接続パッド（４２、１９２）とを電気的に接続する第１の電気的な通路（４６）を有し、
   電気伝導体の第２の端部を、基板にしっかりと取り付けられた第２の接続パッド（５２）に電気的に接続する第２の電気的な通路（４６）を有し、第１の剛性フレームに機械的に接続された第２のヒンジ（３９、２４８）と、
   回転軸のまわりの第１の剛性フレームの偏位角度の振幅を示す物理量を計測することができる少なくとも一つの第１のセンサ（６０、６２、１５２、１５４）と
   を備え、
   第１のヒンジ（３８）及びその第１の通路（４６）は、第１の剛性フレームの中央の凹部（１４）の内側に配置され、
   第２のヒンジ（３９、２４８）及びその第２の通路（４６）は、第１の剛性フレームの中央の凹部（１４）の外側に配置される
   ことを特徴とするラプラス力を用いた磁場計測装置。
2. 第１のセンサ（６０、６２、１５２、１５４）は歪センサであり、
   このセンサは、
   第１の端部が直に第１の剛性フレームに固定され、第２の端部が自由度なしで基板に固定されたはり部（６４、８０、１６０）
   を有し、
   第１の端部は第１の回転軸から０でない距離ｄ_ｐで第１の剛性フレームに固定され、
   この距離ｄ_ｐは第１のフレームの厚さの少なくとも２倍小さく、
   このはり部の厚さは第１の剛性フレームの厚さの少なくとも２倍小さい
   請求項１記載の装置。
3. はり部は、基板平面に平行で回転軸を通る平面の下に、完全に配置されている
   請求項２記載の装置。
4. 第１の剛性フレーム（１０、２２２）の重心は、第１のフレーム平面に垂直で第１の回転軸を含む平面に、含まれる
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
5. 第１の剛性フレームは、第１の回転軸に沿って延びる少なくとも一つの剛性の横方向の分岐部（２４、２６、２００、２２４、２２６）を有し、
   はり部（６４、８０、１６０）は基板上に架けられたはり部であり、
   このはり部は、基板平面に平行な平面に実質的に存在する第１の回転軸に対して、垂直に延び、
   はり部の第１の端部は、
   第１の回転軸を通り基板平面に平行な平面の、断然上か、断然下に配置され、
   横方向の分岐部に直に固定されている
   請求項２乃至４のいずれか１項に記載の装置。
6. 横方向の分岐部は、第１の回転軸に垂直で底部まで延びる切欠き部（２８、３０、２０２、２８、２４４）を、有し、
   はり部の第１の端部はこの底部に自由度なしで直に固定されている
   請求項５記載の装置。
7. 第１の剛性フレームは、
   第１の剛性フレームを貫通する中央の凹部（１４）の両側に配置され、平行な、第１の剛性のアーム及び第２の剛性のアーム
   を有し、
   第２のヒンジ（３９）は第１の剛性フレームを基板に機械的に接続し、
   第１及び第２のヒンジはそれぞれ第１及び第２のアームに直に機械的に接続される
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載の装置。
8. 第１の接続パッド（１９２）が第１の剛性フレームの外側に配置され、
   装置が、
   第１の剛性フレームの下を通り、第１のヒンジ（３８）の第１の電気的な通路（４６）を、剛性フレームの外側に配置され基板にしっかりと固定されたこの接続パッド（１９２）に電気的に結合する、電気的な通路（１９８）
   を有する
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載の装置。
9. 装置は、
   実質的に平面に拡がり、基板上に架けられた第２の剛性フレーム（２５２、３１２）と、
   この第２の剛性フレームは、基板に関して、基板平面に平行で第１の回転軸（１２）に平行でない第２の回転軸（２４６）のまわりで回転の動きができ、
   この第２の剛性フレームは、内部に第１の剛性フレームが収容される中央の凹部（２６２）を有し、
   第２の剛性フレームを基板に機械的に接続する、少なくとも一つの第３のヒンジ（２７２、２７４）と、
   第２の回転軸のまわりの第２の剛性フレームの偏位角度の振幅を示す物理量を計測することができる、少なくとも一つの第２のセンサ（２７６、２７８）と、
   基板上に架けられ、一方の側で第１の剛性フレームに固定され、他方の側で第２の剛性フレームに固定される、第２のヒンジ（２８２）と、
   この第２の架けられたヒンジは、第１の回転軸のまわりの第１の剛性フレームの回転を許容し、基板上に架けられた第１の剛性フレームを維持するように形づくられている
   を備える
   請求項１乃至８のいずれか１項に記載の装置。
10. 巻き軸が中央の凹部を貫通する
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載の装置。
11. 回転軸のまわりの剛性フレームの回転を可能にする各ヒンジは、この回転軸に沿って延びる棒ねじを有し、
    この棒ねじは、この剛性フレームの回転の間、実質的にねじれるように変形されるように形作られている
    請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 複数巻きのコイルを形成するために、電気伝導体（３２）が第１の巻き軸のまわりを複数回巻かれる
    請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の装置。
13. センサのはり部（６４、８０）は圧電物質でできており、
    センサは、剛性フレームの回転に対応するはり部の抵抗値の変化を示す物理量を計測することができる手段を有する
    請求項２記載の装置。
14. センサは、
    はり部（１６０）を振動させることができる電極（１６８）と、
    はり部の振動を計測するための、他の電極（１７６）又は同じ電極と、
    はり部の振動数を示す物理量を計測することができる手段（１７８）と、
    このはり部の機械共振周波数に対して、はり部の振動数を自動的にスレーブさせることができる、電極に電力を供給する電源と
    を有する
    請求項２記載の装置。