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【発明の名称】 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
【発明者】 【氏名】浅野 勝吾

【氏名】青木 治美

【氏名】関野 晴彦

【氏名】島崎 新二

【氏名】小田島 智博
【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１４，１５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。
【特許請求の範囲】
【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。
【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。
【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１０６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１０７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１０７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１２２，１２４，１２５，１２８，１３０，１３１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１３８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１０５，１１１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１０８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１４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１０，１０′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１４，１５，３，１５′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１２，１３，１６，１７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１５′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１９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。
【出願人】 【識別番号】０００００５８２１
【氏名又は名称】松下電器産業株式会社
【出願日】 平成９年（１９９７）１１月２６日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】松村 博
【公開番号】 特開平１１−１６０３４３
【公開日】 平成１１年（１９９９）６月１８日
【出願番号】 特願平９−３２４５３０