JP6709486B2 - 圧力センサ - Google Patents

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Description

本発明は、圧力センサに関する。
冷凍冷蔵装置や空調装置に装備されて冷媒圧力を検知したり、産業用機器に装備されて各種の流体圧力を検知するために、圧力検出装置を備えた圧力センサが使用されている。このような圧力検出装置の一タイプにおいては、ダイアフラムで区画されてオイルが封入された受圧室内にセンサチップを配置しており、これにより受圧空間内の圧力変化を電気的圧力信号に変換して外部に出力する機能を備えている。
ところで、かかるタイプの圧力検出装置において、何らかの要因で静電気を帯びる懸念がある。
そこで、オイルが封入された受圧空間、特にセンサチップとダイアフラムとの間に導電性部材を配置して、この導電性部材をセンサチップ内の電気回路のゼロ電位に接続することで除電を図るものが、下記の特許文献に開示されている。
特許第3987386号明細書
ここで、特許文献1の従来技術によれば、金属製の下板と金属部材とで円筒状の空間を形成し、その内部にセンサチップを配置したり、オイル充填用パイプ、支持リングまたはリング状の金属部材の上端に金属部材を接合している。しかしながら、このような態様で金属部材を接合すると、製作工数が増大しコストが上昇する。また、支持リングやリング状の金属部材を設置するスペースが必要になるため、圧力センサの大型化を招いている。
本発明の目的は、静電気ノイズ等による影響を抑えるために簡素な構造の導電部材を備え、小型化を図りつつコストも低減できる圧力センサを提供するものである。
上記目的を達成するために、本発明の圧力センサは、
流体の圧力を受けるダイアフラムと、
前記ダイアフラムとの間に絶縁性媒質が封入された受圧空間を形成するベースと、
前記受圧空間内において前記ベースに配置され、前記絶縁性媒質に伝達された圧力を検出して電気的圧力信号に変換する圧力検出装置と、
前記圧力検出装置と外部の電気回路との間で、電気的接続を行うための複数の端子ピンと、
前記圧力検出装置の表面に対向して配置された導電板と、前記導電板を支持する脚部とを備えた導電部材と、を有し、
少なくとも前記導電板は、前記端子ピンのいずれかに電気的に接続されている、
ことを特徴とする。
本発明によれば、静電気ノイズ等による影響を抑えるために簡素な構造の導電部材を備え、小型化を図りつつコストも低減できる圧力センサを提供することができる。
図1は、本発明の第1の実施形態にかかる圧力センサの縦断面図である。 図2は、図1の圧力センサをA−A線で切断して矢印方向に見た横断面図である。 図3は、図2の圧力センサをB−B線で切断し、圧力検出ユニット及びその近傍を示した縦断面図である。 図4は、除電板に取り付ける導電部材の斜視図である。 図5は、第1の形態にかかる圧力検出ユニットを製造する過程を示す図である。 図6は、第1の形態にかかる圧力検出ユニットを製造する過程を示す図である。 図7は、第1の形態にかかる圧力検出ユニットを製造する過程を示す図である。 図8は、本発明の第2の実施形態にかかる圧力センサの縦断面図である。 図9は、図8の圧力センサのうち圧力検出ユニット及びその近傍を拡大して示す断面図である。 図10は、図9に示す圧力検出ユニットをC−C線で切断して矢印方向に見た横断面図である。 図11は、図9に示す圧力検出ユニットを矢印D方向に見た図である。 図12は、本実施形態にかかる導電部材の斜視図である。 図13は、第2の形態にかかる圧力検出ユニットを製造する過程を示す図である。 図14は、第2の形態にかかる圧力検出ユニットを製造する過程を示す図である。 図15は、第2の形態にかかる圧力検出ユニットを製造する過程を示す図である。
(第1の実施形態)
以下、図面を参照して、本発明にかかる実施の形態を説明する。図1は、圧力センサの一実施形態を示す縦断面図である。図1に示すように、圧力センサ1は、横断面が例えば円管状である大筒部10aと、横断面が円環状、長円状、楕円状等である小筒部10bとが同軸に配列され、それぞれの端部同士を、段部10dを介して接合した形状の樹脂製のカバー10を有する。カバー10の大筒部10aの内側には、圧力検出ユニット2が取り付けられている。
圧力検出ユニット2は、図示されない流体流入管が接続される接続ナット20を支持する皿状の取付部材30と、取付部材30に対向配置される皿状のベース40と、取付部材30とベース40とにより外周が挟持される金属製のダイアフラム50とを備えている。これら取付部材30、ベース40及びダイアフラム50は、例えばステンレス合金等より形成されており、それらの外周部は溶接Wにより一体化されている。
また、接続ナット20の上端に円筒部20aが突出して形成されており、取付部材30の中央に形成された円孔30aにろう付け等の手法により密封的に嵌合固着されている。円筒部20aの内部には貫通路20bが形成されていて、これを介して、取付部材30の内部と接続ナット20の内部とは連通している。
図2は、図1の圧力センサ1をA−A線で切断して矢印方向に見た横断面図である。図3は、図2の圧力センサ1をB−B線で切断し、圧力検出ユニット2及びその近傍を示した縦断面図である。
各図において、ベース40とダイアフラム50で区画される受圧空間(受圧室)52には、オイル等の絶縁性の液状媒質が充填される(特に図3参照)。この液状媒質を受圧空間内に充填した後、これを密閉するため、図1に示されたように、ボール40bがベース40に溶接等の手段で固着される。
図3において、ベース40の受圧空間52側の中央部に、半導体形の圧力検出装置60が配置されている。圧力検出装置60は、ベース40に固定されるガラス製の台座62と、その表面に貼付された圧力検出素子(半導体チップ)64とからなる。
図2において、圧力検出素子64は、その外周近傍に8つのボンディングパッド(電極)を備えている。ボンディングパッドのうち3つは、後述する図5に示すように、センサ入力電源パッド64a、グラウンドパッド64b及びセンサ出力パッド64cであり、残る5つは信号調整用パッド64dである。ただし、ボンディングパッドの数は8つに限られない。本実施形態では、センサ入力電源パッド64aは5Vに維持され、グラウンドパッド64bは0Vに維持され、センサ出力パッド64cの電圧は、検出した圧力に応じて0V以上、5V以下(好ましくは0.5V以上、4.5V以下)の範囲で変化する。また、ボンディングパッドの配置は、以上に限られない。
半導体形の圧力検出装置60の周囲には、ベース40を貫通するようにして複数本(この例においては8本)の端子ピン70、72が配置されている。端子ピン70、72は、ベース40に対してハーメチックシール74により絶縁封止されている。
複数の端子ピンのうちの1つは、グラウンド用の端子ピン70である。グラウンド以外の7本の端子ピン72と、1本のグラウンド用の端子ピン70は、図1に示す中継基板90の配線に接続される。
リード線94は、当該圧力センサ1が設置された冷凍冷蔵装置や空調装置等の制御盤内に設けられた、図示されない電気回路に接続される。かかる電気回路から、リード線94、端子ピン70、72を介して圧力検出素子64に電源電圧を印加することができ、また圧力検出用の信号を出力できる。
図2において、半導体形の圧力検出装置60(圧力検出素子64)における、グラウンドパッド64b以外の、センサ入力電源パッド64a、センサ出力パッド64c、信号調整用パッド64dと、端子ピン72とは、ボンディングワイヤ80で接続(結線)される。また本実施形態では、グラウンドパッド64bが、後述する除電板100にボンディングワイヤ82を介して接続(結線)されるとともに、除電板100とグラウンド用の端子ピン70とが、ボンディングワイヤ81を介して接続(結線)される。
図1において、上述の圧力検出ユニット2がカバー10の大筒部10aの内側に形成された段部10dに突き当てられるようにして配置された後、大筒部10aの下端側及び小筒部10bの上端側(リード線94が導出される側)からカバー10の内部に樹脂Pを充填し、これを固化させる。これによりカバー10内に、圧力検出ユニット2の電気的構造部が密封されるようにして固定される。
圧力検出装置60は、外部の電気回路から入力電源用の端子ピン72を介して給電されることで動作する。流体が接続ナット20に導入されて、取付部材30の内側の流体導入室32内に進入すると、その圧力でダイアフラム50が弾性変形し、受圧空間52内の絶縁性媒質を加圧する。圧力検出素子64は、この圧力変動を検知して電気信号に変換し、端子ピン72を介して電気信号、すなわち圧力検出用の信号を外部に出力する。かかる圧力検出用の信号を入力した外部の電気回路は、それに基づき、接続ナット20に導入された流体の圧力を精度よく検出することができる。
本実施形態においては、図2、3に示すように、半導体形の圧力検出装置60の周囲に、除電板100がベース40上に接着剤等を用いて接合されている。
除電板100は、外部形状が多角形状(ここでは八角形)の外周形状を有し、内側に圧力検出装置60の外周を囲むための窓孔102を設けてある。
除電板100は、例えば、セラミックス、ガラス等の無機材料、又はポリアミド、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート(PET)、PPS等の耐熱性に富んだ絶縁板と、この絶縁板の片側の面101に形成した導電層とからなり、面101に対向する面をベース40上に接着すると好ましい。導電層は、金属の板状で構成したり、あるいは印刷や焼成で形成してもよい。導電層の材料としては金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル等が代表的であるが、高電圧耐久性を得るためにタングステンやモリブデン等の高融点材料を用いることもできる。
以上から明らかなように、除電板100の面101は導電性であって、ベース40に対して絶縁された状態となる。
図2に示すように、この面101と、グラウンドパッド64bとは、ボンディングワイヤ82により接続されており、又この面101と、グラウンド用の端子ピン70とは、ボンディングワイヤ81により接続されている。
更に、グラウンド用の端子ピン70は、リード線94(図1)を介して当該圧力センサ1が設置された冷凍冷蔵装置や空調装置等の制御盤内に設けられた電気回路のゼロ電位に接続される。つまり、除電板100の面101は、ゼロ電位に接続されることとなる。
図4は、除電板100に取り付ける導電部材150の斜視図である。導電部材150は、たとえば金属板をプレスすることにより一体的に形成されてなり、略矩形板状の導電板151と、導電板151の対向する両縁中央から対称的に斜めに延在する一対の脚部152とを有する。各脚部152の先端は対向してL字状に折り曲げられて、取付部153を構成している。
図3に示すように、除電板100の面101の外周縁に対して、取付部153を密着係合させるようにして、脚部152を介して導電部材150が除電板100に取り付けられ、導電板151が圧力検出装置60の上面に対向配置される。取付部153は面101に対してはんだ付けで固定されており、これにより除電板100の面101と同様に、導電板151もゼロ電位に維持されることとなる。なお、図2においては、導電部材150の導電板151をダブルハッチングで示し、圧力検出装置60を透視した状態で示している。
本実施の形態によれば、周囲環境により受圧空間52内に充填された液状媒質に帯電が生じた場合において、ダイアフラム50と導電部材150の導電板151との間には高い電位差が生じるものの、導電板151と圧力検出装置60との間の電位差は略ゼロに維持される。したがって、除電板100の面101がゼロ電位に維持されることとも相まって、圧力検出装置60の帯電に起因する影響を抑制できる。
また本実施形態によれば、以下に述べるように脚部152の取付部153を除電板100にはんだ付けするのみで、適切な位置に導電部材150を組みつけることができるから、圧力センサの小型化を図りつつ製造工数を低減できコスト削減に貢献する。
図5〜7は、本実施の形態にかかる圧力検出ユニット2を製造する過程を示す図であり、図2と同様に平面視で見た状態である。まず、図5において、ベース40に対して端子ピン70、72を、ハーメチックシール74を介して取り付け、また圧力検出装置60を接合する。
さらに、図6に示すように、面101に導電層を形成した除電板100を、窓孔102により圧力検出装置60を囲うようにして、ベース40に接着する。
その後、図7に示すように、グラウンド以外の端子ピン72と、電源入力用パッド64a、センサ信号出力用パッド64c、信号調整用パッド64dとを、ボンディングワイヤ80を介して接続するとともに、グラウンド用の端子ピン70と、グラウンドパッド64bとを、除電板100及びボンディングワイヤ81,82を介して接続する。
更に、図2を参照して示す平面視で、導電部材150の導電板151により圧力検出装置60全体を覆うようにして、脚部152の取付部153を、除電板100の面101にはんだ付けする。脚部152により、導電板151は面101に対して所定位置に且つ平行に配置される。一対の取付部153の間隔は面101の幅寸法に略等しいので、取付部153を面101の両縁に係合させるのみで、導電板151を圧力検出装置60の中心に対してセンタリング配置することができる。また、脚部152の幅は、圧力検出装置60のサイズに比して十分小さいので、ボンディングワイヤ80との干渉を回避して取り付けることができる。
さらに、図1、および図3に示すように、ベース40との間でダイアフラム50を挟持するようにして、取付部材30が溶接され、ベース40の孔40aを介して液状媒質が受圧空間52内に注入された後に、図1に示すようにボール40bにより孔40aが密封される。なお、取付部材30は接続ナット20が接合された状態でベース40と溶接される。以上で圧力検出ユニット2が製作される。このようにして製作された圧力検出ユニット2は、図1に示すように、カバー10に組み付けられて適宜配線される。
以上述べた本実施形態によれば、圧力検出装置60のグラウンドパッド64bに接続された端子ピン70を介して、導電部材150をゼロ電位に接続していたが、これに限られない。例えば圧力検出装置60の電源入力用パッド(電源電圧端子)64aに接続された端子ピン72、または圧力検出装置60の検出した圧力に応じて電気信号(電気的圧力信号)を出力するセンサ信号出力用パッド64cに接続された端子ピン72と、導電部材150とを接続してもよい。これにより導電部材150をワイヤボンディングで接続する端子ピンの選択の自由度が高まるので、設計及び実装において有利である。導電部材150と端子ピンとは、直接または他の導電部材を介しての間接のいずれの態様で接続してもよい。
ここで、圧力検出装置60の電源電圧は5V程度であり、またセンサ出力電圧は通常は0.5〜4.5V程度である。したがって、例えば導電部材150を電源電圧パッドに接続された端子ピン72に接続して5Vの電位とした場合でも、それに比してダイアフラム50と導電部材150との電位差が非常に大きい(帯電時に最大数百V以上)ので、圧力検出装置60に対する影響として、導電部材150をゼロ電位とする場合との効果の差はほとんどない。
加えて、導電部材150と除電板100との接合は、はんだ付けに限られず、導電性接着剤を用いた接着等の他の手法により、電気的に接続されても良い。また、導電板151と脚部152とを別体としてもよく、例えば脚部として端子ピンを利用することもできる。脚部152を非導電性の部材としたときは、導電板151は端子ピンと直接接続される。
さらに、本実施形態では導電部材150は、除電板100を介してベース40に接続されているが、除電板100を介さずに、直接ベース40上に設置することもできる。ただし、導電部材150を所定の電位に保持するために、導電性のベース40と脚部152との間には絶縁体を配置し、端子ピン70(または72)と、導電部材150とをボンディングワイヤまたはその他の導電部材を介して接続する必要がある。
(第2の実施形態)
次に、図面を参照して第2の実施形態について説明する。図8は、本発明の第2の実施形態にかかる圧力センサ1Aの縦断面図である。図9は、図8の圧力センサ1Aのうち圧力検出ユニット2A及びその近傍を拡大して示す断面図である。図10は、図9に示す圧力検出ユニット2AをC−C線で切断して矢印方向に見た横断面図である。図11は、図9に示す圧力検出ユニット2Aを矢印D方向に見た図である。図12は、導電部材150Aの斜視図である。
第2の実施形態は、第1の実施形態に対し、圧力検出ユニット2Aが除電板を有しておらず、端子ピンを5本としており、さらにベース40Aと導電部材150Aの形状が異なっている。それ以外の構成は、上述した第1の実施形態と同様であるため、同じ符号を付して重複説明を省略する。
図9,10を参照して、半導体形の圧力検出装置60の周囲には、ベース40Aを貫通するようにして3本の端子ピン70、71、72と、2本の支持ピン73が配置されている。端子ピン70、71、72と、支持ピン73とは、同じ導電性の材質から形成され、また同じ形状および長さを有していると好ましい。端子ピン70、71、72および支持ピン73は、ベース40の貫通孔に対してハーメチックシール74により絶縁封止されている。
3本の端子ピンのうち端子ピン70は、グラウンド用であり、端子ピン71は電源入力用であり、端子ピン72はセンサ信号出力用であり、2本の支持ピン73は、導電部材150Aの支持用である。端子ピン70,71,72は、ボンディングワイヤ80を介して、圧力検出素子64の各パッドに電気的に接続されている。なお、圧力検出素子64の各パッドの位置は、第1の実施形態と異なる。
図12に示すように、本実施形態の導電部材150Aは、一対の脚部152の先端の取付部153AがL字状に形成されておらず、導電板151と略平行に対向して延在している。
図9に示すように、ベース40Aから支持ピン73の端部がダイアフラム50側に突き出しており、この端部に取付部153Aを当接させて、レーザ溶接などにより支持ピン73と取付部153Aとを、電気的に導通可能に接合している。なお、支持ピン73と取付部153Aとの接合は、ロウ付け、導電性接着剤の塗布、はんだ付けなどを利用して行ってもよいが、取付部153Aがハーメチックシール74やベース40Aと接しないように、隙間を開けて接合することが望ましい。
図11において、中継基板90に、端子ピン70、71、72および支持ピン73が、上端を固定されて紙面垂直方向奥側に延在している。また、中継基板90に、3本のコネクタピン91a、91b、91cが、下端を固定されて紙面垂直方向手前側に延在している。コネクタピン91a、91b、91cは、コネクタ92(図8)内の雌部材に係合して、外部の電気回路との間で信号を授受するために用いられる。
本実施の形態においては、中継基板90上にて、グラウンド用の端子ピン70が配線WLにより、コネクタピン91aに接続されており、またコネクタピン91aは配線WLにより、一方の(図11で右側の)支持ピン73に接続されている。つまり、導電部材150Aは、グラウンド用の端子ピン70に電気的に接続されていることとなる。この場合、他方の(図11で左側の)支持ピン73は、電気的に接続されないダミーピンになるが、双方の支持ピン73を導電部材150Aに接続してもよい。
また、中継基板90上にて、電源入力用の端子ピン71が配線WLにより、コネクタピン91bに接続され、センサ信号出力用の端子ピン72が配線WLにより、コネクタピン91cに接続されている。ただし、グラウンド用の端子ピン70の代わりに、電源入力用の端子ピン71または信号出入力用の端子ピン72を、配線WLを介して支持ピン73に接続し、導電部材150Aと電気的に接続してもよい。
なお、中継基板90上にて、グラウンド用の端子ピン70と電源入力用の端子ピン71、およびグラウンド用の端子ピン70とセンサ信号出力用の端子ピン72との間に、それぞれコンデンサCPが接続されている。しかし、かかるコンデンサCPは、外部からのノイズが圧力検出装置60へ伝達されることを抑制するためのものであり、必ずしも設ける必要はない。
上述した実施の形態と同様に、周囲環境により受圧空間52内に充填された液状媒質に帯電が生じた場合において、ダイアフラム50と導電部材150Aの導電板151との間には高い電位差が生じるものの、導電板151と圧力検出装置60との間の電位差は略ゼロに維持される。したがって、圧力検出装置60の帯電に起因する影響を抑制できる。また、本実施形態によれば、除電板を設けないことにより、構造の簡素化とコスト低減を図れる。
次に、圧力検出ユニット2Aの組み付け工程について説明する。まず、図13に示すように、ベース40Aの貫通孔に端子ピン70、71、72および支持ピン73をハーメチックシール74で固定した後に、ベース40Aの中央に圧力検出装置60を接着剤で固定する。
ここで、圧力検出装置60におけるボンディングパッドに、それぞれ通電用のプローブを接触させ、圧力検出素子64の温度補正作業(トリミング作業)を行う。
ここでは、基準となる温度(例えば室温)下で圧力検出素子64に荷重(圧力)を負荷した状態で、センサ信号出力用パッド64cあるいは信号調整用パッド64dから出力される出力値を読み取り、所定の圧力と出力との相関を取得して補正係数(補正関数)を設定する。
次いで、図14に示すように、端子ピン70,71,72と、圧力検出装置60の対応するグラウンドパッド64b、電源入力用パッド64a、センサ信号出力用パッド64cとを、ボンディングワイヤ80により接続する。
その後、図15に示すように、圧力検出装置60に導電板151を対向させるようにして、導電部材150の取付部153Aを、支持ピン73の端部に当接させた上で、当接部にレーザ光LBを照射して接合を行う。
さらに、ベース40Aと取付部材30とでダイアフラム50を挟持した後、その外周を溶接し、ベース40Aの孔40aから受圧室52の内部にオイルを充填し、ボール40bを溶接して封止することにより、圧力検出ユニット2A(図9)が完成する。その後、図11に関連して説明したように、圧力検出ユニット2Aの端子ピン70、71,72および支持ピン73の端部が、中継基板90に接着剤で固定され、配線WLを介してコネクタピン91a、91b、91cに接続される。
1、1A・・圧力センサ、2、2A・・圧力検出ユニット、10・・カバー、20・・接続ナット、30・・取付部材、32・・流体導入室、40,40A・・ベース、50・・ダイアフラム、52・・受圧空間、 60・・圧力検出装置、62・・ガラス製の台座、64・・圧力検出素子、70・・グラウンド用の端子ピン、71、72・・端子ピン、73・・支持ピン、74・・ハーメチックシール、80・・ボンディングワイヤ、81、82・・グラウンド用のボンディングワイヤ、90・・中継基板、92・・コネクタ、94・・リード線、100・・除電板、150,150A・・導電部材、151・・導電板、152・・脚部

Claims (4)

  1. 流体の圧力を受けるダイアフラムと、
    前記ダイアフラムとの間に絶縁性媒質が封入された受圧空間を形成するベースと、
    前記受圧空間内において前記ベースに配置され、前記絶縁性媒質に伝達された圧力を検出して電気的圧力信号に変換する圧力検出装置と、
    前記圧力検出装置と外部の電気回路との間で、電気的接続を行うための複数の端子ピンと、
    前記圧力検出装置の表面に対向して配置された導電板および前記導電板を支持する脚部とを備えた導電部材と、を有し、
    前記導電板は、前記圧力検出装置の電源電圧端子に接続された端子ピンまたは前記圧力検出装置の電気的圧力信号を出力する端子ピンに、電気的に接続されている、
    ことを特徴とする圧力センサ。
  2. 前記ベース上には、前記圧力検出装置の周囲に除電板が設けられており、
    前記導電部材の脚部は導電性であって、前記除電板に接合されており、
    前記除電板は、前記端子ピンのいずれかに電気的に接続されている、
    ことを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ。
  3. 前記導電部材の脚部は導電性であって、前記ベースに固定された導電性の支持ピンに接続されており、
    前記支持ピンは、前記端子ピンのいずれかに電気的に接続されている、
    ことを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ。
  4. 前記導電部材は、金属の板をプレスすることにより、前記導電板と前記脚部とが一体的に形成される、
    ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の圧力センサ。
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