JPH11160343A - 加速度センサおよび加速度センサにおける電極接続方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来、不可能と考えられていた圧電セラミッ
ク素子と各端子との接続に、Ａｌワイヤ・ボンディング
工法（超音波接合）の実施を可能にする。 【解決手段】 圧電セラミック素子５の各電極１４，１
５の導電材としてＡｇ−Ｐｔ導電材を用いることによ
り、各リード端子９，１９との接続にＡｌワイヤ・ボン
ディング工法を可能にして、Ａｌのワイヤ７′，
７′′，７′′′，７′′′′による細線接続を行うこ
とによって、センサの小型化を図る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば内燃機関を
用いて走行する車における加速度などを測定または検出
するために用いられる、加速度センサおよびその加速度
センサにおける電極接続方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１２ないし図２０は従来の加速度セン
サの構成を示す構成図であって、図１２は加速度センサ
全体の平面断面図、図１３は加速度センサ全体の正面断
面図、図１４は図１２におけるＡ−Ａ線断面図、図１５
は加速度センサにおける圧電セラミック素子周囲部分を
示す平面図、図１６は図１５の圧電セラミック素子周囲
部分の正面断面図、図１７はセンサ出力用の圧電セラミ
ック素子の平面図、図１８は焦電キャンセル用の圧電セ
ラミック素子の平面図、図１９は振動板の一例を示す平
面図、図２０は図１９の振動板の正面断面図である。

【０００３】これらの図において、１０１は基台であ
り、その表面中央部に位置決め穴１０２を有する環状突
起１０３が形成されている。１０４は振動板であり、そ
の中央部が基台１０１の環状突起１０３に溶接などの手
段により固定されている。１０５は振動板１０４の上面
に固定されたセンサ出力用の圧電セラミック素子であ
る。圧電セラミック素子１０５は、図１７に示すよう
に、中心部に丸穴１０６を有するドーナツ状に形成さ
れ、表面がセンサ出力用のプラス電極１０７と圧電素子
駆動用のプラス電極１０８とに同心円的に２分割されて
いる。さらに圧電セラミック素子１０５は、その裏面全
体に形成されたマイナス電極１０９が、振動板１０４の
中央部に形成された環状ビード１１０の外周に丸穴１０
６を嵌め込んだ状態で、振動板１０４の表面に導通接着
されている。

【０００４】１１１は焦電キャンセル用の圧電セラミッ
ク素子であり、図１８に示すように、圧電セラミック素
子１０５のプラス電極１０７と同じ面積であって、しか
も同様に中心部に丸穴１１２を有しており、表面のプラ
ス電極１１３と、裏面のマイナス電極１１４とを有して
いる。圧電セラミック素子１１１は、表面のプラス電極
１１３側を振動板１０４の裏面に、その中央部に形成さ
れた環状ビード１１５の外周に丸穴１１２を嵌め込んだ
状態で導通接着されている。

【０００５】振動板１０４は、図１９および図２０に示
すように、金属円板の中心部に基台１０１の位置決め穴
１０２と同型の位置決め穴１１６を有し、その周りに同
心円状に環状ビード１１０，１１５が、それぞれ表面お
よび裏面に径を順次大きくして形成されている。

【０００６】圧電セラミック素子１０５のプラス電極１
０７と圧電セラミック素子１１１のマイナス電極１１４
は、それぞれリードフレーム１１８，１１９に対して半
田１２０，１２１により接続され、絶縁埋め込みリード
ピン１２２および回路基板１２３を介してセンサ出力用
リードピン１２４（図１５参照）へと接続されている。
これは、周囲温度の影響を受けて焦電現象によってセン
サ出力用の圧電セラミック素子１０５のプラス電極１０
７に発生した電荷をキャンセルする役目を果たすもので
ある。

【０００７】１２５は圧電セラミック素子駆動用のリー
ドピンであり、リードフレーム１２６を介して圧電セラ
ミック素子１０５のプラス電極１０８に半田１２７によ
り接続されている。１２８は回路基板１２３の電源供給
用リードピンであり、それぞれ回路基板１２３に接続さ
れている。１３０，１３１は回路基板１２３を支持する
ための絶縁埋め込みリードピンである。回路基板１２３
には、インピーダンス変換回路，出力増幅回路あるいは
瀘波回路などが設けられている。

【０００８】リードピンのうち１２２，１２４，１２
５，１２８，１３０，１３１は、基台１０１に封着ガラ
ス１３２などの手段により絶縁ハーメチック固定され、
グランド用リードピン１２９だけがロウ付けなどの手段
により導通接続されている。１３３は基台１０１の位置
決め穴１０２を封着するための封着ガラスである。電源
の供給は、電源供給用リードピン１２８およびグランド
用リードピン１２９を通じて行われる。

【０００９】１３４はキャップであり、その周縁のフラ
ンジ１３５が基台１０１の全周にわたって抵抗溶接また
は冷間圧接等の手段によって固定されている。これによ
り、圧電セラミック素子１０５，１１１および回路基板
１２３を内蔵する空間部１３６が密閉されている。

【００１０】このような構成からなる加速度センサは、
基台１０１に形成された取付穴１３７を介してボルト１
３８およびワッシャ１３９により自動車の車体などに取
り付けて使用される。

【００１１】次に前記従来の加速度センサの動作につい
て説明する。自動車などの走行により発生した加速度
は、基台１０１を介して振動板１０４に伝えられ、振動
板１０４に撓みを与える。振動板１０４の撓みは、両圧
電セラミック素子１０５，１１１に引張り力と圧縮力と
を交互に与えるため、両圧電セラミック素子１０５，１
１１に電荷が発生する。この電荷は、回路基板１２３の
インピーダンス変換回路において電圧に変換され、必要
な帯域および最適な出力レベルになるように瀘波回路お
よび増幅回路を通って出力され、センサ出力が得られ
る。

【００１２】また、圧電セラミックは、一般的に、温度
変化に対しても同様に電荷を発生する焦電現象を有する
ので、これを減少するために、この加速度センサでは両
圧電セラミック素子１０５，１１１が互いに逆極性同士
で接続されており、発生電荷がキャンセルされるように
なっている。

【００１３】また、自動車などに使用される加速度セン
サは、特に高い精度および品質が要求されるため、確実
に動作するか否かをコントローラ側でチェックできるよ
うに、圧電セラミック素子１０５のプラス電極がセンサ
出力用のプラス電極１０７と素子駆動用のプラス電極１
０８とに２分割されており、コントローラ側の発振回路
から駆動用電極に適当な信号を入力することにより、セ
ンサ出力用のプラス電極１０７にそれに対応した駆動出
力が現れ、センサの故障診断ができるようになってい
る。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の加速度センサでは、圧電セラミック素子の電極から
のリードピン，信号取り出し用リード線の接続を半田付
けとしていたため、半田への電極部分の銀成分が吸収さ
れてしまう、いわゆる電極の銀喰われによる電極剥離の
発生、あるいは小型化が困難であるという問題があっ
た。

【００１５】さらに、前記従来の加速度センサでは、両
圧電セラミック素子１０５，１１１のそれぞれ一方の電
極１０９，１１３が基台１０１に導出されているため、
基台１０１あるいはキャップ１３４を介して、ノイズを
拾いやすいという問題があった。また、従来の加速度セ
ンサを車体に取り付けた場合、車体自体が拾ったノイズ
もセンサ特性に影響を及ぼしやすいという問題もあっ
た。

【００１６】また、組付け作業性上において、各リード
ピン１２４，１２５，１２８，１２９のそれぞれにハー
ネスを接続しなければならず、組付け作業が非常に面倒
になり、作業性が悪いという問題があった。

【００１７】本発明は、このような従来の問題を解決す
るものであり、圧電セラミックの信号取り出し用リード
部において微細線接続を可能にすることによって、加速
度センサの超小型化を実現し、センサとしての品質を低
下させることなく、使用に当たっての組付け作業が非常
に簡単な加速度センサおよび加速度センサにおける電極
接続方法を提供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、圧電セラミックにおける複数の電極部
に、Ａｇ−Ｐｔ材からなる電極導電部を設け、これらの
電極導電部間をＡｌを用いて超音波接合によるワイヤ・
ボンディングによって微細線接続するものであって、加
速度感知部である圧電セラミック素子の分割された出力
電極と駆動電極（自己診断用）のそれぞれと各端子間と
におけるその接続に微細線接続工法を可能にしたため、
加速度センサ自体の超小型化が実現できるとともに、電
極の銀喰われによる電極剥離をなくすことができ、加速
度センサの品質を大幅に向上できると共に、細かで複雑
な接続作業を自動化することができるため組立性が向上
する。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、圧電セラミックを用いた加速度センサにおいて、圧
電セラミックにおける複数の電極部に、銀−白金材から
なる電極導電部を設け、これらの電極導電部間をアルミ
ニウム細線によって電気的に接続したことを特徴とす
る。

【００２０】請求項２に記載の発明は、圧電セラミック
を用いた加速度センサにおける電極間を電気的に接続す
るための電極接続方法において、圧電セラミックにおけ
る複数の電極部に、銀−白金材を用いて印刷，焼成する
ことによって電極導電部をそれぞれ形成し、これらの電
極導電部間を、アルミニウムを用いて超音波接合による
ワイヤ・ボンディングによって微細線接続することを特
徴とする。

【００２１】本発明に係る加速度センサおよび加速度セ
ンサにおける電極接続方法によれば、背中合わせに接着
された２枚の圧電セラミックの電極導電材としてＡｇ−
Ｐｔ導電体を印刷，焼成することによって、Ａｌワイヤ
・ボンディング接続工法（超音波接合工法）を実現した
ものであって、加速度感知部である圧電セラミック素子
の分割された出力電極と駆動電極（自己診断用）のそれ
ぞれと各端子間とにおけるその接続にワイヤ・ボンディ
ング接続（超音波接合）という微細線接続工法を可能に
したため、加速度センサ自体の超小型化が実現できると
ともに、従来の半田付時に発生する電極の銀喰われによ
る電極剥離をなくすことができ、加速度センサの品質を
大幅に向上できると共に、細かで複雑な接続作業を自動
化することができるため、組立が非常に簡単になる。

【００２２】以下、本発明の実施の形態について図面を
参照して説明する。

【００２３】図１は本発明の一実施形態を説明するため
の加速度センサ全体の平面断面図、図２は加速度センサ
全体の正面断面図、図３は加速度センサ全体の側面図、
図４は加速度センサにおける圧電セラミック素子周囲部
分を示す平面図、図５は図４の圧電セラミック素子周囲
部分の正面断面図である。

【００２４】図１ないし図５において、ベースユニット
１の片面中央部に形成された位置決めピン２５を有する
突起部１′に、図８に示す構造の振動板４が中央部にお
いて溶接などの手段によって固定され、振動板４の上面
に、図６に示す表面のプラス電極がセンサ出力プラス電
極１４と圧電素子駆動用プラス電極１５とに２分割さ
れ、かつ裏面にマイナス電極２が形成されたセンサ出力
用の圧電セラミック素子５が、振動板４の中央部に形成
されたビード１０の外周に導通接着固定されている。

【００２５】また、振動板４の下面には、図７に示すよ
うに、圧電セラミック素子５のセンサ出力プラス電極１
４と同じ面積のセンサ出力マイナス電極３を貼合せ面と
反対側に有する焦電キャンセル用の圧電セラミック素子
６が、振動板４に形成されたビード１０′の外周に導通
接着されていると共に（ビード１０′は設けなくてもよ
い）、センサ出力プラス電極１４と焦電キャンセル用の
圧電セラミック素子６のセンサ出力マイナス電極３と
が、それぞれワイヤ７′およびワイヤ７′′にて３０お
よび３１の箇所で超音波接合されている。

【００２６】ワイヤ７′およびワイヤ７′′の他方の端
は、リード端子９の表裏にそれぞれ３２，３３の箇所で
超音波接合されている。したがって、両圧電セラミック
素子５，６の出力信号はリード端子９，ターミナル３４
および回路基板１１を介して出力リードピン１２へと接
続されている。これは周囲温度の影響を受けて、焦電現
象によってセンサ出力プラス電極１４に発生した電荷を
焦電キャンセル用の圧電セラミック素子６のセンサ出力
マイナス電極３に発生した電荷でキャンセルする機能を
果たすものである。さらに焦電キャンセル用の圧電セラ
ミック素子６には、センサ出力マイナス電極３と同心円
的に圧電素子駆動用マイナス電極１５′が形成されてお
り、また圧電セラミック素子６の接着面にはプラス電極
８が形成されており、振動板４と導通接着されている。

【００２７】振動板４には同心円状にビード１０，１
０′が形成されており、剛性向上と接着剤流れ防止の役
目を果たしている。なお、振動板としては、図９に示す
振動板４′のように外周部４ａを絞って、出力アップを
図った形状のものであってもよい。

【００２８】両圧電セラミック素子５，６のそれぞれの
表裏の各電極１４，１５，２，３，１５′，８を形成す
る導電材としてＡｇ−Ｐｔ導電材を用いている。このこ
とによって、両圧電セラミック素子５，６の各電極１
４，１５，３，１５′と各リード端子９，１９とのＡｌ
ワイヤ・ボンディング接続工法が可能になり、Ａｌのワ
イヤ７′，７′′，７′′′，７′′′′による細線接
続が可能になった。

【００２９】ベースユニット１には、リードピン１２，
１３，１６が、図２に示す封着ガラス２３などによって
絶縁ハーメチック固定され、グランド用リードピン１７
のみをロウ付けなどの手段で導通接合された基台２８に
接着剤によって接合されている。リードピン１２，１
３，１６，１７は、それぞれ１２′，１３′，１６′，
１７′の位置のリードピンがフォーミングされたもので
ある。

【００３０】素子駆動用リードピン１３は、ターミナル
３６を介してリード端子１９に接続されている。リード
端子１９は、ワイヤ７′′′を介して圧電セラミック素
子５に形成された圧電素子駆動用プラス電極１５に２９
の箇所で、またワイヤ７′′′′を介して圧電セラミッ
ク素子６に形成された圧電素子駆動用マイナス電極１
５′に３５の箇所においてそれぞれ超音波接合されてい
る。ワイヤ７′′′およびワイヤ７′′′′の他方の端
は、リード端子１９の表裏にそれぞれ３７，３８の箇所
で超音波接合されている。したがって、圧電セラミック
素子５，６の駆動信号は素子駆動用リードピン１３か
ら、回路基板１１，ターミナル３６およびリード端子１
９を介して圧電素子駆動用プラス電極１５に伝えられ
る。１６は回路基板１１の電源供給リードピン、１７は
グランド用リードピンであって、それぞれ回路基板１１
に接続されている。２１は回路基板１１を支持するため
の絶縁埋め込みリードピンである。

【００３１】回路基板１１は、リードピン１２，１３，
１６，１７およびターミナル１８，３４，３６に半田付
け固定（２４）されている。図３における２６はセンサ
を制御用基板２７などに固定、半田付けをするためのサ
ポート端子である。

【００３２】本実施形態による加速度センサは、リード
ピン１２，１３，１６，１７のフォーミング有無によっ
て図１ないし図３に示すように、圧電セラミック素子
５，６が取付面（制御用基板２７）に対して直角になる
ような自立型（フォーミングあり）であるが、図１０な
いし図１１に示すように、取付面である制御用基板２７
に対して水平になるような面付け型（フォーミング無
し）においても適用することができる。なお、３９は面
付け時にセンサ本体を制御用基板２７から浮かすための
ガラスであり、基台２９と一体にハーメチック固定され
ている。

【００３３】さらに、２０はキャップであり、キャップ
フランジ２０ａで基台２８に全周抵抗溶接または全周冷
間圧接などの手段によって固定されている。したがっ
て、このキャップ２０によって、圧電セラミック素子
５，６および回路基板１１を内蔵する空間部２２は密封
される。

【００３４】回路基板１１の回路部は、インピーダンス
変換，出力の増幅，濾波を目的とするものである。

【００３５】前記構成の加速度センサにおける検出経路
は下記の通りである。

【００３６】自動車に発生した加速度は、基台２８，ベ
ースユニット１を介して振動板４に伝播されて振動板４
に撓みを与える。振動板４の撓みは圧電セラミック素子
５，６に引張力と圧縮力とを交互に与えるため、圧電セ
ラミック素子５，６に電荷が発生する。この電荷は回路
基板１１に形成されたインピーダンス変換回路において
電圧に変換され、必要な帯域および最適なレベルにされ
て瀘波回路，増幅回路を通って、センサ出力が得られる
ことになる。

【００３７】また、圧電セラミックは温度変化に対して
も同様に電荷を発生する（焦電現象）が、圧電セラミッ
ク素子５，６は逆極性にしてあり、発生電荷がキャンセ
ルされるようになって前記焦電現象の影響が少なくな
る。

【００３８】なお、この加速度センサは自動車用を目的
としているために高い信頼性が要求される。そのため、
故障しているか否かをコントローラ側でチェックできる
ようにするため、センサ出力用の圧電セラミック素子５
の電極が分割されており、コントローラ側の発振回路か
ら圧電素子駆動用プラス電極１５に適当な信号を駆動入
力として出力すれば、センサ出力プラス電極１４にそれ
に対応した駆動電力が現れ、センサの故障診断が可能と
なる。

【００３９】回路部は電源供給リードピン１６およびグ
ランド用リードピン１７から電源が供給され、駆動され
ることとなる。

【００４０】以上説明したように、本実施形態の特徴か
ら、次のような主たる効果が得られる。すなわち、第１
として、圧電セラミック素子の各電極と各端子との接続
にＡｌワイヤ・ボンディング接続（超音波接合）という
微細線接続工法を可能にしたことであり、これによって
狭いスペースでも信号線の接続が可能となり、センサの
超小型化を実現できる。加えて、従来の半田付け接続で
問題になっていた電極の銀喰われによる電極剥離の発生
を防止できたことである。

【００４１】その第２として、振動板の表裏両面に正負
電極を背中合わせに２枚の圧電セラミック素子を接着
し、温度変化に基づき２枚の圧電セラミック素子に生じ
る電荷を互いにキャンセルし、いわゆる焦電効果による
ノイズを無くすことができることである。

【００４２】その第３としては、センサ出力用の圧電セ
ラミック素子を駆動電極とセンサ出力電極とに分割し、
駆動電極に適当な駆動信号を入力し、センサ出力電極に
生じる出力の状態によってセンサが正しく動作している
か否かをチェックすることができることである。

【００４３】以上のほか、次のような効果も得ることが
できる。

【００４４】すなわち、回路部を内蔵し、信号線の取り
出しを、基台にハーメチック植設されたリード線を介し
て行い、キャップを全周抵抗溶接などの手段よって固定
することによって、トランスデューサおよび回路部を完
全密封構造とすることにより、信頼性の向上が図られ
る。

【００４５】回路部をトランスデューサの上部に配置す
ることによって、回路基板と外部リードピンとの接続作
業が容易となると共に、全体の小型化が図れる。

【００４６】振動板形状として、中央部の表裏にそれぞ
れ同心円状にビードを形成することによって、振動板の
剛性向上と圧電セラミック接着時の接着剤流れの防止が
図れる。

【００４７】振動板外周部に絞り加工を施して、付加重
量を付け、センサ出力の増加が図られ、Ｓ／Ｎを向上す
ることができる。

【００４８】出力，駆動素子の分割を同心円状に形成す
ると共に、駆動電極を外側に、かつ出力電極を内側にそ
れぞれ配置することによって、外部励振時のセンサ出力
および電気駆動時の駆動出力の両方を大きく得ることが
できる。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の加速度セ
ンサおよび加速度センサにおける電極接続方法によれ
ば、圧電セラミックの電極導電材として、Ａｇ−Ｐｔ導
電材を使用することによって、従来では不可能と考えら
れた圧電セラミック電極のＡｌワイヤ・ボンディング接
続工法の採用を可能にしたものであり、この結果とし
て、信号取り出し用リード線の接続に微細線接続工法を
援用することによって、加速度センサの超小型化を実現
することができると共に、外部ノイズの影響を受けにく
くし、さらに加速度センサとしての品質を低下させるこ
となく、使用に当たって組付け作業が非常に簡単になる
加速度センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を説明するための加速度セ
ンサ全体の平面断面図

【図２】本発明の一実施形態の加速度センサ全体の正面
断面図

【図３】本発明の一実施形態の加速度センサ全体の側面
図

【図４】本発明の一実施形態の加速度センサにおける圧
電セラミック素子周囲部分を示す平面図

【図５】図４の圧電セラミック素子周囲部分の正面断面
図

【図６】本発明の一実施形態のセンサ出力用の加速度セ
ンサにおける圧電セラミック素子を示す説明図であっ
て、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は底面図

【図７】本発明の一実施形態の焦電キャンセル用の加速
度センサにおける圧電セラミック素子を示す説明図であ
って、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は底面
図

【図８】本発明の一実施形態の振動板を示す説明図であ
って、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図

【図９】図８の振動板の変形例を示す説明図であって、
（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図

【図１０】本発明が適用される加速度センサの他の例を
示す正面断面図

【図１１】図１０の加速度センサの側面図

【図１２】従来の加速度センサ全体の平面断面図

【図１３】従来の加速度センサ全体の正面断面図

【図１４】図１２におけるＡ−Ａ線断面図

【図１５】従来の加速度センサにおける圧電セラミック
素子周囲部分を示す平面図

【図１６】図１５の圧電セラミック素子周囲部分の正面
断面図

【図１７】従来のセンサ出力用の圧電セラミック素子の
平面図

【図１８】従来の焦電キャンセル用の圧電セラミック素
子の平面図

【図１９】従来の振動板の一例を示す平面図

【図２０】図１９の振動板の正面断面図

【符号の説明】

１ ベースユニット ２ センサ出力用の圧電セラミック素子のマイナス電極 ３ 焦電キャンセル用の圧電セラミック素子のマイナス
電極 ４ 振動板 ５ センサ出力用の圧電セラミック素子 ６ 焦電キャンセル用の圧電セラミック素子 ７′，７′′，７′′′，７′′′′ ワイヤ ８ 焦電キャンセル用の圧電セラミック素子のプラス電
極 ９，１９ リード端子 １０，１０′ ビード １１ 回路基板 １２ 出力リードピン １３ 素子駆動用リードピン １４ センサ出力プラス電極 １５ 圧電素子駆動用のプラス電極 １６ 電源供給リードピン １７ グランド用リードピン １８，３４，３６ ターミナル ２０ キャップ ２２ 空間部 ２３ 封着ガラス ２５ 位置決めピン ２６ サポート端子 ２７ 制御用基板 ２８ 基台 ２９，３０，３１，３２，３３，３５，３８ ワイヤボ
ンディング箇所

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 島崎 新二 神奈川県横浜市港北区綱島東四丁目３番１ 号 松下通信工業株式会社内 (72)発明者 小田島 智博 神奈川県横浜市港北区綱島東四丁目３番１ 号 松下通信工業株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電セラミックを用いた加速度センサに
   おいて、圧電セラミックにおける複数の電極部に、銀−
   白金材からなる電極導電部を設け、これらの電極導電部
   間をアルミニウム細線によって電気的に接続したことを
   特徴とする加速度センサ。
2. 【請求項２】 圧電セラミックを用いた加速度センサに
   おける電極間を電気的に接続するための電極接続方法に
   おいて、圧電セラミックにおける複数の電極部に、銀−
   白金材を用いて印刷，焼成することによって電極導電部
   をそれぞれ形成し、これらの電極導電部間を、アルミニ
   ウムを用いて超音波接合によるワイヤ・ボンディングに
   よって微細線接続することを特徴とした加速度センサに
   おける電極接続方法。