JP2017142136A - 筒内圧センサ - Google Patents

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JP2017142136A JP2016023067A JP2016023067A JP2017142136A JP 2017142136 A JP2017142136 A JP 2017142136A JP 2016023067 A JP2016023067 A JP 2016023067A JP 2016023067 A JP2016023067 A JP 2016023067A JP 2017142136 A JP2017142136 A JP 2017142136A
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孝児 安井
Koji Yasui
孝児 安井
誠司 橋本
Seiji Hashimoto
誠司 橋本
水野 健太朗
Kentaro Mizuno
健太朗 水野
西部 祐司
Yuji Nishibe
祐司 西部
橋本 昭二
Shoji Hashimoto
昭二 橋本
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Abstract

【課題】筒内圧の検出精度を向上させることのできる筒内圧センサを提供する。【解決手段】筒内圧センサは、半導体基板30と、該半導体基板30に燃焼室内の圧力である筒内圧を伝達する力伝達部材としてのガラスブロック19を備えている。半導体基板30は、脚部31と該脚部31よりも薄肉のゲージ32とを有している。ゲージ32は、板状の支持部34と該支持部34に連結された受圧部35とを含んでいる。半導体基板30には、支持部34及び受圧部35によってガラスブロック19が固定される固定面38が構成されている。受圧部35は、導電材を構成部材として含み圧力に応じて抵抗値が変化するとともに、支持部34よりも固定面38の反対側に突出している。【選択図】図2

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室内の圧力である筒内圧を検出する筒内圧センサに関する。
筒内圧センサは、半導体基板と、該半導体基板に筒内圧を伝達する力伝達部材とを有している。半導体基板には、圧力に応じて抵抗値が変化するゲージが設けられている。このゲージには、半導体基板に形成された電極を通じて定電流が供給される。力伝達部材を介してゲージに筒内圧が作用すると、ゲージの抵抗値が変化して、該ゲージの両端に生じている電圧である両端電圧が変化する。筒内圧センサには、ゲージの両端電圧に対応した信号が入力される回路部が設けられている。回路部は、その信号に基づいて筒内圧を検出する。特許文献1には、1対の脚部と、該脚部の間に配設されて脚部よりも薄肉のゲージとを有する半導体基板が開示されている。脚部の上面とゲージの上面とは面一であり、該ゲージは、半導体基板の底面にエッチング加工を施すことにより形成されている。
特開平5‐124900号公報
半導体基板のゲージにはイオン等の導電材が添加され、これにより圧力に応じてゲージの抵抗値が変化するようになる。ゲージの感度、すなわち、圧力の変化度合いに対する抵抗値の変化度合いは、添加される導電材の濃度が濃いときほど高くなる。筒内圧を精度良く検出する上では、ゲージの感度は高い方が望ましい。しかしながら、半導体基板に添加可能な導電材の量には限度があり、特許文献1に記載のゲージであっても、筒内圧を検出する際の精度向上については未だ改善の余地がある。
上記課題を解決するための筒内圧センサは、半導体基板と、前記半導体基板に固定され、該半導体基板に燃焼室内の圧力である筒内圧を伝達する力伝達部材とを備え、前記半導体基板は、脚部と該脚部よりも薄肉のゲージとを有し、前記ゲージは、板状の支持部と該支持部に連結された受圧部とを含み、前記支持部及び前記受圧部によって前記力伝達部材が固定される固定面が構成されており、前記受圧部は、導電材を構成部材として含み圧力に応じて抵抗値が変化するとともに、前記支持部よりも前記固定面の反対側に突出している。
ゲージの受圧部は、ゲージの支持部に比べて固定面の反対側に突出していることに起因して、より多くのイオン等の導電材の添加が可能となる。しかも、ゲージの受圧部が圧力を受けた場合には、その突出に起因して歪み量をより大きくすることができる。ゲージの抵抗値は、添加される導電材の量、さらには歪み量が多くなるほど大きくなる。上記構成によれば、受圧部によって圧力の変化度合いに対する抵抗値の変化度合いが大きくなり、ゲージの感度が向上する。そのため、筒内圧の検出精度の向上に貢献できる。
また、上記筒内圧センサでは、前記受圧部は、前記支持部に連結されている基部と、該基部に連結されて前記支持部よりも前記固定面の反対側に突出している突出部とを有し、前記突出部は、前記固定面から離間する方向に延びている一対の側面と、前記固定面から最も離間した位置にある底面と、前記側面と前記底面とを繋ぐ湾曲面とを有することが望ましい。
上記構成によれば、受圧部の突出部は側面と底面とを接続する部位が湾曲した形状になるため、ゲージの歪みによってこの接続部位の一部に応力が集中することが抑えられる。したがって、ゲージの耐久性の向上が図れる。
また、上記筒内圧センサでは、前記受圧部は前記固定面から該固定面の反対側の先端までの全体が導電材を構成部材として含んでいることが望ましい。
上記構成によれば、歪み量の大きい受圧部全体が導電材を含んで構成されているため、加えられる圧力に応じて抵抗値を大きく変化させることができる。したがって、ゲージの感度を高める上で、受圧部の構成が適切になる。
また、上記筒内圧センサでは、前記半導体基板には、前記脚部が一対設けられ、前記ゲージは一対の脚部を繋ぐように連結されており、前記受圧部は、一方の脚部から他方の脚部まで連続して延びていることが望ましい。
上記構成では、受圧部は脚部によって支持されることにもなるため、半導体基板のゲージの剛性が高められる。そのため、ゲージの感度の向上と耐久性の向上とを実現することができる。
また、上記筒内圧センサでは、前記受圧部は、所定方向に延びていて、その延伸方向と直交する断面において、前記固定面の反対側への突出長さが、突出方向と直交する幅方向における長さよりも長いことが望ましい。
受圧部の歪み量は突出量に対して乗数的に大きくなる。一方で、受圧部の剛性は、断面積に比例して高くなる。上記構成によれば、突出長さが幅方向における長さよりも長いため、受圧部の断面積の増加を抑えつつその突出量を大きくすることができる。したがって、ゲージの感度を高める上で適切な構成を実現できる。
筒内圧センサの先端部を拡大して示す断面図。 半導体基板の斜視図。 半導体基板の平面図。 図3の4−4線に沿った断面図。 図3の5−5線に沿った断面図。 筒内圧に応じた変形態様を示す半導体基板の断面図。 筒内圧に応じた変形態様を示す受圧部の拡大断面図。 (a)はマスクを形成した状態の半導体基板の底面図、(b)は該半導体基板の側面図。 (a)はエッチング処理により中央部分が薄肉になった半導体基板の底面図、(b)は該半導体基板の側面図。 (a)は中央部分の一部を除いて更にエッチング処理を行ったときの半導体基板の底面図、(b)は該半導体基板の側面図。 エッチング加工によって角部を丸める前の受圧部の拡大断面図。 エッチング加工によって角部を丸めた後の受圧部の拡大断面図。 (a)は他の例の筒内圧センサにおいて受圧部における導電体を含む領域を示す断面図。(b)は他の例の筒内圧センサにおいて受圧部における導電体を含む領域を示す断面図。 他の例の筒内圧センサにおいて半導体基板の構成を示す側面図。
図1に示すように、筒内圧センサは、筒状のハウジング10を有している。ハウジング10の一端部には、可撓性を有するダイアフラム11が設けられている。ダイアフラム11は、例えば金属からなり、ハウジング10の一端部を塞いでいる。ダイアフラム11は、本体部12と、該本体部12からハウジング10の内部に向けて筒状に延出された延出部13とを有している。延出部13は、ハウジング10の内面から離間している。ダイアフラム11は、本体部12から外方に拡径したフランジ14を有している。フランジ14は、ハウジング10の一端面と対向していて、その一端面に固定されている。フランジ14は、その外周面がハウジング10の外周面と面一である。本体部12の中心部分は、その周縁部分に比して薄肉になっており、燃焼室内の圧力である筒内圧に応じて撓む可撓部12Aを構成している。可撓部12Aは、ハウジング10の軸線方向(図1の左右方向)においてハウジング10の内側(図1の右方)に湾曲した形状をなしている。
ハウジング10の内域には、対向部材15が設けられている。対向部材15は、円柱状の挿通部16と、挿通部16のダイアフラム11側とは反対側の端面に立設された円筒状の筒部17とを有している。筒部17はダイアフラム11から離間する方向に延びている。挿通部16と筒部17との外径は略同一である。筒部17には、外周面から外方に突出した係止部17Aが形成されており、該係止部17Aはダイアフラム11の延出部13の端面に固定されている。挿通部16は、ダイアフラム11の延出部13の内部に挿通され、その外面が延出部13の内面に当接している。挿通部16及び筒部17は、例えば金属からなり、一体物として構成されている。対向部材15のダイアフラム11に対向する対向面と、ダイアフラム11の内面とによって収容室18が構成されている。
収容室18には、半導体基板30が収容されている。半導体基板30は、一端面が対向部材15の挿通部16に固定され、他端面にガラスブロック19が固定されている。ガラスブロック19には、ダイアフラム11の可撓部12Aの内面に連結されたロッド20が固定されている。ロッド20は、ダイアフラム11との当接面が湾曲した形状をなしている。ロッド20は、断熱性を有し、例えば、セラミックスから構成されている。筒内圧センサが内燃機関に組付けられた状態では、筒内圧がダイアフラム11に作用する。ダイアフラム11の可撓部12Aは筒内圧に応じて前記軸線方向に変位する。可撓部12Aが該軸線方向におけるハウジング10側(図1の右方)に撓むと、ロッド20を介してガラスブロック19が半導体基板30側に押される。このようにして筒内圧が半導体基板30に伝達される。ダイアフラム11、ロッド20、及びガラスブロック19が半導体基板30に筒内圧を伝達する力伝達部材として機能する。
図2に示すように、半導体基板30は、シリコンからなる真性半導体であり、一対の脚部31と、薄肉のゲージ32とを有している。脚部31は直方体状であり、互いに離間して対向配置されている。図2及び図3に示すように、脚部31の上面には、電極33が設けられている。電極33は、例えば金属などを蒸着することによって薄膜状に形成されている。脚部31の上端部には、導電材としてボロンやアルミニウムなどの3価のイオンが添加された導電部31Aがそれぞれ形成されている。導電部31Aは、電極33と電気的に接続されており、接続されている電極33から離間する方向に延びている。
図2に示すように、ゲージ32は、対向配置された一対の脚部31の間に配設されている。ゲージ32は各脚部31の上端部に連結されており、これにより一対の脚部31は繋がっている。ゲージ32は、その上面が脚部31の上面と面一になっている。図2及び図3に示すように、ゲージ32は、板状の支持部34と受圧部35とからなる。支持部34は、互いに同形状の第1支持部34Aと第2支持部34Bとを有し、第1支持部34Aと第2支持部34Bとの間に受圧部35が配設されている。支持部34及び受圧部35は、それらの上面が面一になっている。半導体基板30には、ゲージ32の上面を覆うようにしてガラスブロック19が固定されている。ガラスブロック19は支持部34及び受圧部35の双方の上面に固定されている。換言すれば、半導体基板30におけるガラスブロック19が固定される固定面38は支持部34の上面38A及び受圧部35の上面38Bによって構成されている。
図4に示すように、受圧部35は、支持部34と同じ厚さを有し、第1支持部34Aと第2支持部34Bとの双方に連結されている基部36と、該基部36に連結されて支持部34よりも固定面38の反対側に突出している突出部37とを有している。受圧部35は支持部34よりも肉厚である。受圧部35の突出部37は、固定面38から離間する方向に延びている一対の側面37Aを有している。側面37Aは、支持部34における固定面38の反対側の裏面39に連結されている。突出部37は、固定面38から最も離間した位置にある底面37Bを有し、一対の側面37Aと底面37Bとは、湾曲面37Cによって繋がっている。図3及び図5に示すように、受圧部35は、ゲージ32の中央部分に配設され、一方の脚部31から他方の脚部31まで連続して延びている。すなわち、基部36及び突出部37の双方は、一方の脚部31から他方の脚部31まで連続して延びている。図4に示すように、受圧部35は、その延伸方向と直交する断面において、突出部37の側面37Aの長さ、すなわち固定面38の反対側への突出長さL1が、突出方向に直交する幅方向における長さL2よりも長い(L1>L2)。受圧部35には、導電材としてボロンなどの3価のイオンが添加されており、圧力に応じて抵抗値が変化する。受圧部35は、基部36及び突出部37の全体であって、受圧部35における固定面38から該固定面38の反対側の底面37Bまでの全体が導電材を構成部材として含んでいる。図2及び図3に示すように、受圧部35の両端部には、脚部31に形成されている導電部31Aが接続されており、受圧部35と電極33とが電気的に接続されている。
図1に示すように、各電極33には一対のリード線21が接続されている。リード線21は、対向部材15の挿通部16を貫通して延びる細長状の端子22にそれぞれ接続されている。各端子22は、絶縁被膜され、筒内圧センサに設けられた回路部23に接続されている。回路部23には、一定の電流が流れるように制御された定電流回路24と、検出回路25とが設けられている。半導体基板30は、各端子22及びリード線21を介して定電流回路24に接続されており、該半導体基板30の一方の電極33に供給された電流は、受圧部35を通じて他方の電極33に流れている。
図6に矢印で示すように、力伝達部材を介して半導体基板30に筒内圧が伝達されると、半導体基板30における受圧部35は、図6に実線で示すように、脚部31に支持されている端部よりもその中央側ほど大きく変位するように撓む。また、受圧部35が筒内圧を受けて撓むと、図7に矢印で示すように、受圧部35には引っ張り荷重が作用する。このため、受圧部35には引張応力が発生する。受圧部35に生じる引張応力は、固定面38から離間している底面37B側ほど大きくなる。受圧部35が歪むとその抵抗値が変化して各電極33の間に発生している電圧(以下「両端電圧」という。)が変化する。この両端電圧に対応した信号は検出回路25に出力され、該検出回路25はその信号に基づいて筒内圧を検出する。
半導体基板30の製造方法について説明する。
上述した形状の半導体基板30を製造する際には、まず、図8(a)及び(b)に示すように、直方体状に成形された半導体基板30の両端部分の底面にマスキング処理によりマスク40を形成する。このマスク40は、次のエッチング処理において半導体基板30が削られないように保護するものである。その後、エッチング処理を行い、図9(a)及び(b)に示すように、半導体基板30のマスク40が形成されていない中央部分を底面側から削る。エッチング処理の手法としては異方性エッチングや等方性エッチングを用いることができる。また、ウェットエッチングであってもドライエッチングであってもよい。こうして中央部分を薄肉にすることによって、その両端部分に厚肉の一対の脚部31が形成される。その後、図10(a)に示すように、マスキング処理によって、中央部分の底面の一部にマスク40を形成する。このマスク40は、一対の脚部31を繋ぐように直線上に形成されている。そして、再度エッチング処理を行うことにより、図10(b)に示すように、マスク40が形成されている部分を除いて中央部分がさらに薄肉になる。これにより、図11に示すように、中央部分には、一対の薄肉部41と該薄肉部41の間に配設された厚肉部42とが形成される。その後、厚肉部42の底面における幅方向の端縁を残してそれ以外の部分にマスク40を形成する。そして、エッチング処理を行い厚肉部42の底面の端縁を削ることにより、図12に示すように厚肉部42に湾曲面43を形成する。その後、マスク40を除去し、厚肉部42の全体及び脚部31の上端部の一部に導電材を添加する。これにより、中央部分はゲージ32となり、薄肉部41は支持部34となり、厚肉部42は受圧部35となる。また、脚部31に導電部31Aが形成される。その後、脚部31の上面に電極33を形成することによって上述した半導体基板30が製造される。
本実施形態の作用効果について説明する。
(1)本実施形態では、導電材により構成されて圧力に応じて抵抗値が変化する受圧部35と、支持部34とによって薄肉のゲージ32を構成し、受圧部35を支持部34に比べて固定面38の反対側に突出させている。そのため、受圧部35の容積が大きくなり、該受圧部35により多くの導電材の添加が可能となる。また、支持部34よりも固定面38の反対側に突出している受圧部35では、圧力を受けた場合の歪み量がより大きくなる。ゲージ32の抵抗値は、添加される不純物の量、さらには該ゲージ32の歪み量が多くなるほど大きくなる。したがって、本実施形態によれば、受圧部35によって圧力の変化度合いに対する抵抗値の変化度合いを大きくすることができ、ゲージ32の感度を向上させることができる。そのため、筒内圧の検出精度の向上に貢献できる。
(2)受圧部35の突出部37は、一対の側面37Aと底面37Bとが湾曲面37Cによって繋がれている。そのため、突出部37は側面37Aと底面37Bとを接続する部位が湾曲した形状になっている。これにより、ゲージ32の歪みによってこの接続部位の一部に応力が集中することが抑えられる。したがって、ゲージ32の耐久性の向上が図れる。
(3)受圧部35の全体が導電材を構成部材として含んでいるため、圧力が加えられたときの歪み量がより大きくなる底面37B側の部分の影響を抵抗値の変化に反映させることができる。そのため、加えられる圧力に応じて抵抗値を大きく変化させることができ、ゲージ32の感度を高める上で、受圧部35の構成が適切になる。
(4)受圧部35は一方の脚部31から他方の脚部31まで連続して延びている。そのため、受圧部35は支持部34だけではなく脚部31によって支持されることにもなる。その結果、半導体基板30のゲージ32の剛性が高められる。したがって、ゲージ32の感度の向上と耐久性の向上とを実現することができる。
(5)受圧部35の歪み量は突出量に対して乗数的に大きくなる。一方で、受圧部35の剛性は、断面積に比例して高くなる。本実施形態によれば、突出長さL1が幅方向における長L2さよりも長いため、受圧部35の断面積の増加を抑えつつその突出量を大きくすることができる。したがって、圧力を受けたときの受圧部35の発生応力が大きくなり、ゲージ32の感度を高める上で適切な構成を実現できる。
(6)本実施形態では、ゲージ32の一部として受圧部35を設け、ゲージ32の肉厚を部分的に厚くしている。そのため、ゲージ32全体の剛性を高めることなくその歪み量を大きくすることができる。
上記実施形態は以下のように変更して実施することができる。
・受圧部35は、前記延伸方向と直交する断面において、突出長さL1が、幅方向における長さL2よりも短くてもよい(L1<L2)。また、突出長さL1と幅方向における長さL2とが同じ長さであってもよい(L1=L2)。
・受圧部35では、突出部37が一方の脚部31から他方の脚部31まで連続して設けられていなくてもよい。例えば、一方の脚部31と他方の脚部31との間においてその中央側の部分にだけ突出部37を設けるようにしてもよい。
・半導体基板30に一対の脚部31を設けた例を示したが、脚部31の数や形状は適宜変更可能である。例えば、1つの脚部31を設けるようにしてもよい。この場合には、半導体基板30の上面視において脚部31がOの字状やCの字状になるように形成すればよい。また、脚部31を3つ以上設けるようにしてもよい。
・受圧部35の全体が構成部材として導電材を含んでいなくてもよい。例えば、図13(a)に示すように、受圧部35において、基部36の全体及び突出部37における基部36側の領域のみに導電材を含ませるようにしてもよい。また、図13(b)に示すように、突出部37における一部の領域のみに導電材を含ませるようにしてもよい。
・支持部34の一部または全部が構成部材として導電材を含んでいてもよい。
・受圧部35の一対の側面37Aと支持部34の裏面39とを、湾曲面を介して接続するようにしてもよい。こうした構成によれば、受圧部35の側面37Aと支持部34との接続部位が湾曲した形状になるため、ゲージ32の歪みによってこの接続部位の一部に応力が集中することが抑えられる。
・受圧部35において、湾曲面37Cを省略してもよい。すなわち、受圧部35の側面37Aと底面37Bとを直接接続してもよい。この構成では、半導体基板30を製造する際に厚肉部42の底面の端縁をエッチング処理する工程を省略できる。
・受圧部35はゲージ32の中央部分からずれた位置に設けられていてもよい。
・受圧部35の形状は、上述したものに限られない。例えば、受圧部35の前記延伸方向と直交する断面において、突出部37の形状が多角形や半円であってもよい。また、突出部37の底面37Bが円弧状になっていてもよい。
・脚部31とゲージ32とをそれぞれの上面が面一になるように連結したが、これらの連結態様は適宜変更が可能である。例えば、図14に示すように、脚部31の上面よりもゲージ32の上面が低くなるように脚部31とゲージ32とを連結するようにしてもよい。この場合には、ゲージ32の受圧部35と脚部31の上面に設けられている電極33とを接続するように導電部31Aを形成する。
・半導体基板30は真性半導体に限らない。例えば、リンやヒ素などの5価のイオンが添加されたn型半導体であってもよい。この場合であっても、導電体として、上記3価のイオンを添加することにより、該導電体を構成部材として含む受圧部35及び導電部31Aを構成する。導電体を含む領域と導電体を含まない他の領域との境界部分では、n型半導体の電子と導電体の正孔とが結びついて、電子や正孔がほとんど存在しない空乏層が形成される。このため、導電部31Aや受圧部35を流れる電流は、他の領域には流れない。この場合には、脚部31において電極33が形成される上端部も導電体をその構成部材として含むように構成することが望ましい。また、半導体基板30をボロンやアルミニウムなどの3価のイオンが注入されたp型半導体によって構成してもよい。この場合には、導電体として、リンやヒ素などの5価のイオンを添加することにより、受圧部35及び導電部31Aを構成する。こうした場合にも同様に、脚部31において電極33が形成される上端部もその構成部材として導電体を含むように構成することが望ましい。
・導電部31Aを、脚部31の上面に導電材を添加することによって形成していたが、導電部31Aの構成はこうしたものに限られない。例えば、脚部31の上面に金属を蒸着することによって形成してもよい。要は、電極33と受圧部35とを電気的に接続することができればよい。
10…ハウジング、11…ダイアフラム、12…本体部、12A…可撓部、13…延出部、14…フランジ、15…対向部材、16…挿通部、17…筒部、17A…係止部、18…収容室、19…ガラスブロック、20…ロッド、21…リード線、22…端子、23…回路部、24…定電流回路、25…検出回路、30…半導体基板、31…脚部、31A…導電部、32…ゲージ、33…電極、34…支持部、34A…第1支持部、34B…第2支持部、35…受圧部、36…基部、37…突出部、37A…側面、37B…底面、37C…湾曲面、38…固定面、38A,38B…上面、39…裏面、40…マスク、41…薄肉部、42…厚肉部、43…湾曲面。

Claims (5)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板に固定され、該半導体基板に燃焼室内の圧力である筒内圧を伝達する力伝達部材とを備え、
    前記半導体基板は、脚部と該脚部よりも薄肉のゲージとを有し、前記ゲージは、板状の支持部と該支持部に連結された受圧部とを含み、前記支持部及び前記受圧部によって前記力伝達部材が固定される固定面が構成されており、
    前記受圧部は、導電材を構成部材として含み圧力に応じて抵抗値が変化するとともに、前記支持部よりも前記固定面の反対側に突出している筒内圧センサ。
  2. 前記受圧部は、前記支持部に連結されている基部と、該基部に連結されて前記支持部よりも前記固定面の反対側に突出している突出部とを有し、前記突出部は、前記固定面から離間する方向に延びている一対の側面と、前記固定面から最も離間した位置にある底面と、前記側面と前記底面とを繋ぐ湾曲面とを有する
    請求項1に記載の筒内圧センサ。
  3. 前記受圧部は前記固定面から該固定面の反対側の先端までの全体が導電材を構成部材として含んでいる
    請求項1または2に記載の筒内圧センサ。
  4. 前記半導体基板には、前記脚部が一対設けられ、
    前記ゲージは一対の脚部を繋ぐように連結されており、
    前記受圧部は、一方の脚部から他方の脚部まで連続して延びている
    請求項1〜3のいずれか一項に記載の筒内圧センサ。
  5. 前記受圧部は、所定方向に延びていて、その延伸方向と直交する断面において、前記固定面の反対側への突出長さが、突出方向と直交する幅方向における長さよりも長い
    請求項1〜4のいずれか一項に記載の筒内圧センサ。
JP2016023067A 2016-02-09 2016-02-09 筒内圧センサ Pending JP2017142136A (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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