JP6384405B2 - センサ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、圧力を検出するセンサ装置に関するものである。
特許文献1に示されるように、センサチップと、センサチップに接続されたターミナルと、センサチップとターミナルそれぞれを収納するケースと、被検出流体が流入するための導入孔が形成されたハウジングと、を備える力学量センサが知られている。
特許第5278387号公報
上記の特許文献1では、センサチップの一部がケースの外部に露出され、その露出された部位が導入孔に設置されるように、ケースがハウジングに組み付けられている。したがってこの構成の場合、ケースから露出したセンサチップの一部と導入孔を構成する壁面とが所定の間隔を置いて対向するため、その壁面とセンサチップとが静電結合する虞がある。このようにセンサチップとハウジングとが静電結合すると、センサチップを介してハウジングへと電流が流れる虞がある。
特許文献1に記載のターミナルは、センサチップが固定されるアイランドと、センサチップと電気的に接続される接続端子と、を有する。したがって接続端子に外部ノイズが重複されると、その外部ノイズがセンサチップを介してハウジングへと流れ、これによってセンサチップの力学量(圧力)の検出精度が低下する虞がある。
そこで本発明は上記問題点に鑑み、圧力の検出精度の低下が抑制されたセンサ装置を提供することを目的とする。
上記した目的を達成するための開示された発明の1つは、圧力を検出するセンサチップ(20)と、
センサチップを片持ち支持するアイランド(45)と、
センサチップと電気的に接続されるリード(40)と、
センサチップにおけるアイランドに支持される支持端、アイランド、および、リードにおけるセンサチップとの電気的な接続部位それぞれを被覆するモールド樹脂(50)と、
モールド樹脂を被取付部材に固定するためのハウジング(90)と、を有し、
ハウジングは導電性を有して筒状を成し、その内面の一部がモールド樹脂の外面に接触することでモールド樹脂に連結され、内面におけるモールド樹脂との非接触部位が、センサチップにおけるモールド樹脂から露出された支持端とは反対側の自由端(20a)を囲っており、
アイランドはリードと電気的に接続され、
アイランドには支持端から自由端の方へと延びる延設部(47〜49)が形成されており、
延設部とハウジングとの静電結合が、センサチップとハウジングとの静電結合よりも強くなるように、延設部はセンサチップよりもハウジングとの距離が近い。
このように本発明によれば、センサチップ(20)とハウジング(90)との静電結合よりも、延設部(47〜49)(アイランド(45))とハウジング(90)との静電結合の方が強い。そのため、例えリード(40)にノイズが重複されたとしても、そのノイズをアイランド(45)を介してハウジング(90)へと流すことができる。これによりノイズがセンサチップ(20)に流れ、それによって圧力の検出精度が低下することが抑制される。
なお、特許請求の範囲に記載の請求項、および、課題を解決するための手段それぞれに記載の要素に括弧付きで符号をつけている。この括弧付きの符号は実施形態に記載の各構成要素との対応関係を簡易的に示すためのものであり、実施形態に記載の要素そのものを必ずしも示しているわけではない。括弧付きの符号の記載は、いたずらに特許請求の範囲を狭めるものではない。
第1実施形態に係るセンサ装置の概略構成を示す断面図である。 図1のセンサ部の概略構成を示す断面図である。 センサチップとハウジングとの位置関係を示す部分断面図である。 図1に記載の白抜き矢印方向から見たセンサチップ、延設部、および、ハウジングの位置関係を示す概略図である。 第2実施形態に係る延設部を説明するための部分断面図である。 第3実施形態に係る延設部を説明するための部分断面図である。 延設部の変形例を示す部分断面図である。 モールド樹脂の変形例を示す部分断面図である。 モールド樹脂の変形例を示す部分断面図である。 リードの変形例を示す断面図である。
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
(第1実施形態)
図1〜図4に基づいて本実施形態に係るセンサ装置を説明する。なお構成を明りょうとするため、図2ではアイランド45とリード40にハッチングを入れ、図3ではアイランド45とハウジング90にハッチングを入れている。
以下においては互いに直交の関係にある3方向を、x方向、y方向、z方向と示す。x方向とy方向とによって規定される平面をx−y平面、y方向とz方向とによって規定される平面をy−z平面、z方向とx方向とによって規定される平面をz−x平面と示す。
図1に示すようにセンサ装置100は、センサ部10、コネクタ60、および、ハウジング90を有する。センサ部10とコネクタ60とが機械的および電気的に接続され、コネクタ60とハウジング90とが機械的に接続されている。ハウジング90は金属から成るパイプなどの被取付部材に固定され、センサ部10のセンサチップ20の一部がパイプ内を流動する被測定媒体に晒される。センサチップ20によって被測定媒体の圧力が電気信号に変換され、その電気信号がコネクタ60を介して、電子制御装置などの外部装置に出力される。以下、センサ部10、コネクタ60、および、ハウジング90を個別に詳説する。
図1および図2に示すようにセンサ部10は、センサチップ20、回路チップ30、リード40、アイランド45、および、モールド樹脂50を有する。センサチップ20と回路チップ30それぞれはアイランド45に搭載され、互いに第1ワイヤ11を介して電気的に接続されている。また回路チップ30とリード40とは第2ワイヤ12を介して電気的に接続されている。そしてセンサチップ20におけるアイランド45との支持端、回路チップ30、リード40における回路チップ30との接続端、チップ20,30の接続部位、および、リード40の接続部位それぞれがモールド樹脂50によって一体的に被覆されている。
センサチップ20は、半導体基板21と、半導体基板21に形成されたピエゾ抵抗素子22と、を有する。図1および図2に示すように、半導体基板21には局所的に厚さの薄い薄肉部23が形成され、そこに4つのピエゾ抵抗素子22が形成されている。これら4つのピエゾ抵抗素子22の内の2つによって第1ハーフブリッジ回路が構成され、残りの2つによって第2ハーフブリッジ回路が構成されている。そしてこれら2つのハーフブリッジ回路が連結されることで、フルブリッジ回路が構成されている。フルブリッジ回路の一端に定電流回路が接続され、他端がグランド電位に固定されている。被測定媒体の圧力によって薄肉部23に歪みが生じると、それにともなってピエゾ抵抗素子22の抵抗値が変化する。すると上記の2つのハーフブリッジ回路それぞれの中点電位が変動する。この中点電位が被測定媒体の圧力に応じた電気信号として、回路チップ30に出力される。
図2に示すようにセンサチップ20と回路チップ30とは5つの第1ワイヤ11を介して電気的に接続されている。これら5つの第1ワイヤ11の内の1つが、グランド電位をブリッジ回路に供給する機能を果たし、他の1つが、上記した定電流を供給する機能を果たす。また他の2つの第1ワイヤ11が、2つのハーフブリッジ回路の中点電位を回路チップ30に出力する機能を果たし、最後の1つの第1ワイヤ11が、センサチップ20の電位を固定するための電圧をセンサチップ20に供給する機能を果たす。
回路チップ30は、半導体基板に上記のセンサチップ20から出力される電気信号を処理する処理回路と上記の定電流回路が形成されて成る。処理回路は、2つのハーフブリッジ回路の中点電位に含まれるノイズを除去するフィルタ、フィルタを介して2つの中点電位を差動増幅する差動増幅回路を有する。また処理回路は、定電流回路からセンサチップ20へと供給される定電流を監視する監視回路を有する。この監視回路は定電流の変動に応じてセンサチップの温度を検出する。
図2に示すように回路チップ30とリード40とは4つの第2ワイヤ12を介して電気的に接続されている。これら4つの第2ワイヤ12の内の1つが、グランド電位を回路チップに供給する機能を果たし、他の1つが、電源電圧を供給する機能を果たす。また残り2つの第2ワイヤ12の内の1つが、差動増幅された中点電位(被測定媒体の圧力に応じた検出信号)をリード40に出力する機能を果たす。そして最後の1つが、温度に応じた検出信号をリード40に出力する機能を果たす。
リード40は、4つのリード41〜44を有する。第1リード41はグランドに固定され、第2リード42に電源電圧が供給される。また、第3リード43は被測定媒体の圧力に応じた検出信号を電子制御装置に出力し、第4リード44は温度に応じた検出信号を電子制御装置に出力する。
図2に示すように、第1リード41の一端にアイランド45が一体的に連結されている。アイランド45はx−y平面においてリード41〜44それぞれよりもx方向の長さが広い形状を成しており、回路チップ30の裏面の全て、センサチップ20の裏面の一部がこのアイランド45に搭載される。上記したようにアイランド45と第1リード41とは接続されている。そのためアイランド45は、グランド電位に固定されている。
なお図2に示すように、リード41〜44にはノイズを除去するためのチップコンデンサ46が搭載されている。このチップコンデンサ46の一端が第1リード41に接続され、その他端が他のリード42〜44の内のいずれか1つに接続されている。このようにチップコンデンサ46を介して第1リード41と他のリード42〜44とを架橋することで、リード42〜44の電気信号に含まれるノイズを第1リード41(グランド)へと流す構成となっている。
モールド樹脂50は、センサチップ20、回路チップ30、および、リード40それぞれを被覆することで、これらを一体的に連結するものである。センサチップ20は接着剤24を介してアイランド45に片持ち支持され、回路チップ30は接着剤31を介してアイランド45に固定されている。そして上記したようにセンサチップ20と回路チップ30とは第1ワイヤ11を介して電気的に接続され、回路チップ30とリード40とは第2ワイヤ12を介して電気的に接続されている。モールド樹脂50は、上記したセンサチップ20におけるアイランド45との接続端、回路チップ30、および、リード40における回路チップ30との接続端それぞれを一体的に被覆する。センサチップ20における薄肉部23とピエゾ抵抗素子22の形成された検出端20a、および、リード40における接続端とは反対側の連結端それぞれはモールド樹脂50の外部に露出している。なお図2に示すようにモールド樹脂50の一部は、センサチップ20の検出端20aの周囲を囲むように環状を成している。検出端20aが特許請求の範囲に記載の自由端に相当する。
コネクタ60は、リード40と電気的に接続され、コネクタケーブルを介して電子制御装置と電気的に接続されるものである。コネクタ60は、一端がリード40の連結端と電気的に接続され、他端がコネクタケーブルと電気的に接続される複数の外部接続端子61を有する。
またコネクタ60は、複数の外部接続端子61を一体的に連結するカバー部62も有する。図1に示すようにカバー部62はy方向に延びた柱形状を成し、その両端部に環状の囲み部63,64が形成されている。カバー部62の一端から外部接続端子61の端部が露出され、それらが第1囲み部63によって囲まれている。またカバー部62の他端には、リード40の連結端、および、モールド樹脂50におけるリード40の突出した後方部それぞれがはめ込まれるための凹み部65が形成されている。この凹み部65にはめ込まれたセンサ部10が第2囲み部64によって囲まれている。
図示しないが、カバー部62にはリード40と外部接続端子61とを電気的に接続するための開口部も形成されている。凹み部65にセンサ部10をはめ込み、上記の開口部を介してリード40と外部接続端子61とを電気的および機械的に接続した後、この開口部を樹脂材料によって閉塞する。こうすることでセンサ部10とコネクタ60とが機械的および電気的に接続される。モールド樹脂50とカバー部62が特許請求の範囲に記載のモールド樹脂に相当する。
なお、モールド樹脂50の外面と凹み部65を構成する壁面との間の隙間に圧力媒体が入り込むことを抑制するため、モールド樹脂50と第2囲み部64との間に構成される環状の空間にポッティング材66が充填されている。
ハウジング90は、コネクタ60をパイプに固定するものである。ハウジング90は筒状を成し、金属材料から成る。ハウジング90は、第1筒部91、第1筒部91よりも径の短い第2筒部92、および、第1筒部91と第2筒部92とを一体的に連結する連結部93を有する。筒部91,92それぞれはy方向に延び、連結部93はz−x平面において環状を成す。連結部93の外環面に第1筒部91の端部が連結され、連結部93の内環面に第2筒部92の端部が連結されている。
図1に示すように第1筒部91の内面が第2囲み部64の外面に接触し、連結部93の内面が第2囲み部64の端面に接触している。そして第2筒部92によって構成される内部空間内にモールド樹脂50から外部に露出されたセンサチップ20の検出端20aが位置している。第2筒部92の内面が特許請求の範囲に記載の非接触部位に相当する。
ハウジング90をセンサ部10の接続されたコネクタ60に連結する場合、以下の手順を踏む。先ず、センサ部10の先端(モールド樹脂50における検出端20aを囲む環状部位)が第2筒部92の内部空間に位置し、且つ、第1筒部91の内面と第2囲み部64の外面とが接触するように、ハウジング90の内部にコネクタ60とセンサ部10を挿入する。その後、図1において曲線矢印で示すように、第1筒部91の端部をコネクタ60へと向かってかしめる。こうすることで、ハウジング90がコネクタ60に連結される。
なおハウジング90とコネクタ60との間の隙間を介して、圧力媒体がパイプ内からその外部へと排出されることを抑制するために、連結部93の内面と第2囲み部64の端面との間にOリング94が設けられている。第2囲み部64の端部には、x−y平面において環状を成す溝が形成され、この溝にOリング94が設けられている。Oリング94は、上記した第1筒部91の端部のかしめによってy方向に押圧される。これによりハウジング90とカバー部62との間の隙間がOリング94によってシールされる。
第2筒部92の外面にはパイプの壁部にネジ止めするためのネジ溝92aが形成されている。ハウジング90がパイプにネジ止めされると、ハウジング90とパイプとが電気的に接続される。これによってハウジング90が接地されている。
次に、リード40のアイランド45を詳説する。図2に示すようにアイランド45は、x−y平面において矩形を成している。そしてアイランド45には、y方向に沿い、センサチップ20へと近づくように延びる2つの延設部47,48が形成されている。図3に示すように、この2つの延設部47,48それぞれはセンサチップ20の検出端20aとともに、第2筒部92の内部空間に位置し、その内面によって囲まれている。そして図4に示すように2つの延設部47,48と内面との離間距離d2は、センサチップ20と内面との離間距離d1よりも短くなっている。これにより、センサチップ20とハウジング90との静電結合よりも、延設部47,48(第1リード41)とハウジング90との静電結合の方が強くなっている。
なお図4に示すようにセンサチップ20とハウジング90との対向面S1は、延設部47,48とハウジング90との対向面S2よりも大きくなっている。しかしながら上記の静電結合に実質的に寄与するのは、対向面S1の内、センサチップ20上に形成された導電性を有するものとハウジング90との対向面積であり、それは対向面S2よりも狭くなっている。そのためセンサチップ20とハウジング90との静電結合よりも、延設部47,48(第1リード41)とハウジング90との静電結合の方が強くなっている。換言すれば、センサチップ20とハウジング90とによって構成される静電容量よりも、延設部47,48(第1リード41)とハウジング90とによって構成される静電容量の方が大きくなっている。
次に、本実施形態に係るセンサ装置100の作用効果を説明する。上記したように、センサチップ20とハウジング90との静電結合よりも、延設部47,48(アイランド45)とハウジング90との静電結合の方が強い。そのため、例えリード40にノイズが重複されたとしても、そのノイズを延設部47,48を介してハウジング90へと流すことができる。すなわち、ノイズを被取付部材であるパイプの壁部に流すことができる。これによりノイズがセンサチップ20と回路チップ30に流れ、それによって圧力の検出精度が低下することが抑制される。また温度の検出精度が低下することも抑制される。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態を図5に基づいて説明する。以下においては共通部分の説明を省略し、異なる部分を重点的に説明する。これは、他の実施形態においても同様である。
第1実施形態では、図3に示すように2つの延設部47,48それぞれのy方向の長さが等しい例を示した。これに対して本実施形態では、2つの延設部47,48のy方向の長さが異なる点を特徴とする。
これによれば、第1延設部47とハウジング90との対向面積と、第2延設部48とハウジング90との対向面積とが異なる。そのために第1延設部47とハウジング90とによって構成される第1静電容量と、第2延設部48とハウジング90とによって構成される第2静電容量とが異なることとなる。したがって、これら2つの静電容量によって、周波数帯域の異なるノイズをハウジング90へと流すことができる。
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態を図6に基づいて説明する。
第1実施形態では、図3に示すように2つの延設部47,48それぞれのx方向の長さ(幅)が一定である例を示した。これに対して本実施形態では、2つの延設部47,48それぞれはハウジング90に向かって突起した形状を成している点を特徴とする。すなわち図6に示すように、2つの延設部47,48それぞれは、第1実施形態に記載の延設部47,48と比べて、x方向の長さがd3だけ長く、これによってハウジング90との離間距離が短くなっている。これによれば、延設部47,48とハウジング90との静電結合をより強固とすることができる。
なお、本実施形態では2つの延設部47,48それぞれのx方向の長さが相等しくd3だけ長くなっている例を示した。しかしながら延設部47,48それぞれのx方向の長さは相異なっていてもよい。これによれば、第2実施形態で記載した第1静電容量と第2静電容量とが異なるので、これら2つの静電容量によって、周波数帯域の異なるノイズをハウジング90へと流すことができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
(第1の変形例)
各実施形態では、アイランド45にy方向に延びる延設部47,48が形成された例を示した。しかしながら図7に示すように、y方向に延びる延設部47,48それぞれがx方向に延びる第3延設部49によって互いに連結され、全体として環状を成してもよい。
(第2の変形例)
各実施形態では、モールド樹脂50の一部が、センサチップ20の検出端20aの周囲を囲むように環状を成している例を示した。そして図3に示すようにその環状を成すモールド樹脂50の一部は、延設部47,48を被覆している例を示した。しかしながら図8および図9に示すように、モールド樹脂50における延設部47,48を被覆する部位は環状を成していなくともよい。図8に示すように延設部47,48のみを被覆していてもよい。若しくは、図9に示すように延設部47,48の先端部からセンサチップ20側へと傾斜するように、モールド樹脂50の一部が形成されていてもよい。これによれば、センサ部10のハウジング90への挿入が容易となる。
(第3の変形例)
図示しないが、モールド樹脂50における延設部47,48それぞれを被覆する部位の外面が第2筒部92の内面に接触された構成を採用することもできる。これによれば延設部47,48と第2筒部92との間にモールド樹脂50のみが設けられることとなるので、延設部47,48とハウジング90との静電結合の強さが算出し易くなる。なお厳密に言えば、延設部47,48と第2筒部92との間には必ず隙間が生じる。そのため両者の間にはモールド樹脂50以外に被検出媒体が存在することとなる。しかしながら上記したように延設部47,48を被覆するモールド樹脂50の部位と第2筒部92の内面とが接触しているので、静電結合を算出する際に被検出媒体を無視して計算したとしても、その算出精度が著しく低下することが抑制される。なお、モールド樹脂50における延設部47,48を被覆する部位の外面に導電部材が形成され、第2筒部92の内面が導電部材と接触した構成を採用することもできる。これによっても静電結合の強さを大きくすることができる。
(その他の変形例)
本実施形態ではアイランド45と第1リード41とが一体的に連結された例を示した。しかしながら図10に示すように、アイランド45と第1リード41とが分離していてもよい。この場合、アイランド45と第1リード41とは第2ワイヤ12と第3ワイヤ13とを介して電気的に接続される。
本実施形態ではアイランド45と第1リード41とが電気的に接続される例を示した。しかしながら、アイランド45と第2リード42とが電気的に接続されていても良い。なおこの場合、アイランド45と第2リード42とが一体的に連結されていても良い。また、アイランド45と第2リード42とが分離していてもよい。ただしこの場合、アイランド45と第2リード42とは第2ワイヤ12と第3ワイヤ13とを介して電気的に接続される。
本実施形態では4つのピエゾ抵抗素子22が薄肉部23に形成され、これらによってフルブリッジ回路が形成された例を示した。しかしながら2つのピエゾ抵抗素子22が薄肉部23に形成され、これらによってハーフブリッジ回路が形成された構成を採用することもできる。
本実施形態ではリード41〜44にチップコンデンサ46が搭載された例を示した。しかしながらチップコンデンサ46はなくともよい。
本実施形態ではセンサチップ20が接着剤24を介してアイランド45に片持ち支持された例を示した。しかしながらセンサチップ20がバンプを介してアイランド45に片持ち支持された構成を採用することもできる。
20…センサチップ、20a…自由端、40…リード、45…アイランド、47…第1延設部、48…第2延設部、49…第3延設部、50…モールド樹脂、90…ハウジング、100…センサ装置

Claims (11)

  1. 圧力を検出するセンサチップ(20)と、
    前記センサチップを片持ち支持するアイランド(45)と、
    前記センサチップと電気的に接続されるリード(40)と、
    前記センサチップにおける前記アイランドに支持される支持端、前記アイランド、および、前記リードにおける前記センサチップとの電気的な接続部位それぞれを被覆するモールド樹脂(50)と、
    前記モールド樹脂を被取付部材に固定するためのハウジング(90)と、を有し、
    前記ハウジングは導電性を有して筒状を成し、その内面の一部が前記モールド樹脂の外面に接触することで前記モールド樹脂に連結され、前記内面における前記モールド樹脂との非接触部位が、前記センサチップにおける前記モールド樹脂から露出された前記支持端とは反対側の自由端(20a)を囲っており、
    前記アイランドは前記リードと電気的に接続され、
    前記アイランドには前記支持端から前記自由端の方へと延びる延設部(47〜49)が形成されており、
    前記延設部と前記ハウジングとの静電結合が、前記センサチップと前記ハウジングとの静電結合よりも強くなるように、前記延設部は前記センサチップよりも前記ハウジングとの距離が近いセンサ装置。
  2. 前記延設部として、第1延設部(47)と第2延設部(48)を有し、
    前記第1延設部の方が、前記第2延設部よりも前記支持端から前記自由端へと向かう方向の長さが長くなっている請求項1に記載のセンサ装置。
  3. 前記延設部(47〜49)は環状を成している請求項1に記載のセンサ装置。
  4. 前記延設部(47,48)が、前記非接触部位へと向かって突起している請求項1〜3いずれか1項に記載のセンサ装置。
  5. 前記センサチップは、前記非接触部位によって囲まれた空間内の被測定媒体の圧力を電気信号に変換するピエゾ抵抗素子(22)と、前記ピエゾ抵抗素子の形成された基板(21)と、を有する請求項1〜4いずれか1項に記載のセンサ装置。
  6. 前記基板には局所的に厚さの薄く成った薄肉部(23)が形成され、前記薄肉部に前記ピエゾ抵抗素子が形成されている請求項5に記載のセンサ装置。
  7. 前記リードとして、グランド電位に固定される第1リード(41)、電源電圧の供給される第2リード(42)、および、前記ピエゾ抵抗素子の前記電気信号を外部装置へ出力する第3リード(43)を有する請求項5または請求項6に記載のセンサ装置。
  8. 前記アイランドと前記第1リードが電気的に接続されている請求項7に記載のセンサ装置。
  9. 前記アイランドと前記第1リードが機械的に一体的に接続されている請求項8に記載のセンサ装置。
  10. 前記アイランドと前記第2リードが電気的に接続されている請求項7に記載のセンサ装置。
  11. 前記アイランドと前記第2リードが機械的に一体的に接続されている請求項10に記載のセンサ装置。
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