JPH05133835A

JPH05133835A - ノツクセンサ

Info

Publication number: JPH05133835A
Application number: JP3300713A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Kurata; 信夫倉田; Kenji Harada; 健司原田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1991-11-15
Filing date: 1991-11-15
Publication date: 1993-05-28

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明はノックセンサに関し、ノックセンサ内
に設けられた圧電素子とターミナルとのワイヤボンディ
ングによる接続の信頼性を向上させることを目的とす
る。【構成】圧電素子１６のターミナル１４と接続される側
の電極を、圧電素子本体１６ｂ側の電極１６ｄとボンデ
ィングワイヤ１９ａ，１９ｂが接続される側の接続電極
１９ｅ_-1，１６ｅ_-2との２重構造とする。接続電極１９
ｅは、ビスマス（Ｂｉ）の含有率を０．５％以下とする
と共に、銀（Ａｇ）成分のＡｇ粒子径を５μｍ以下とす
る。これにより、電極１６ｄと圧電素子本体１６ｂとの
密着力を維持したまま、接続電極１６ｅとワイヤ１９
ａ，１９ｂとの接合強度を向上させることができる。ま
た、粒子径の小さい高価な電極を小さい範囲に限定して
設けることができるため、コスト上昇を最小限に抑える
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はノックセンサに係り、特
に圧電素子を用いてエンジンのノッキングを検出する共
振型のノックセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、エンジンのノッキングで発生する
振動数と同一固有振動数を有する振動板と、この振動板
に取り付けられ振動板の振動を電気信号に変換する圧電
素子とを設けた構成のノックセンサがある。更にこのノ
ックセンサには、圧電素子からの電気信号を外部へ引き
出すためのターミナルが設けられており、このターミナ
ルと圧電素子の電極との間は、リード線が半田付けされ
て電気的に接続されている。また、圧電素子は一般的に
耐熱温度が低い（約 150℃）ため、上記リード線の半田
付けにおいては比較的高温となるリフロー半田処理やデ
ィップ半田処理が実施できず、人手による半田付けが行
われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、上記従来の
ノックセンサでは、リード線の一端が振動板に設けられ
た圧電素子の電極に人手による半田付けで接合されてい
るため、個々の製品において半田重量のばらつきが発生
し、量産される製品において安定的に振動板の固有振動
数を所定の共振周波数に合致させることが困難であっ
た。このため、製品間において品質および特性のばらつ
きが発生した。

【０００４】そこで、本出願人は上記課題に鑑み、平成
２年７月２０日付、特願平2-192490号にて上記課題を解
決する提案を行った。この提案は、ノックセンサにおい
て上記圧電素子の電極とターミナルとの間の電気的接続
をワイヤボンディングにより行う構成である。圧電素子
の電極とターミナルとの間をワイヤボンディングで接続
することにより、従来における半田が不要となるため、
製品間における品質および特性のばらつきを防止でき、
また、特に超音波ボンディングによれば圧電素子を加熱
する必要がなく、耐熱温度の低い圧電素子への接続方法
としては好適であった。

【０００５】しかしながら、通常、圧電素子上に構成さ
れたＡｇ電極には、半田付け時のぬれ性の改善、および
圧電素子本体のピエゾ素子に使用されているセラミック
素材とＡｇ電極との密着力の向上を目的として酸化ビス
マス（Bi₂O₃）が含有されている。ここで上記超音波ボ
ンディングは原子間同士の結合（拡散結合あるいは金属
間結合）で達成されており、また、上記Bi₂O₃等の酸化
物は多量に含有されると、ひし形単結晶を生成し、電極
表面上に存在するようになる。上記提案内容では、Bi₂O
₃の酸化物の単結晶がＡｇ電極表面に多量に現れてお
り、ボンディングワイヤであるアルミニウム（Ａｌ）ワ
イヤとＡｇ電極との原子間同士の結合が困難となり、Ａ
ｇ電極とボンディングワイヤの接合強度が低下してしま
う。また、ボンディングワイヤであるＡｌ金属と上記ひ
し形単結晶は熱膨張係数が１けた異なるため、接合界面
での熱ストレスによる応力の発生から、Ａｇ電極とボン
ディングワイヤの接合の耐久劣化が早期に発生してしま
う。

【０００６】また、通常、圧電素子のＡｇ電極には、コ
スト低減の観点からＡｇ粒子径の比較的大きいもの（５
〜20μｍ）が使用されている。一般的にワイヤボンディ
ングでは接合面が平滑なほど接合強度を高めることがで
きる。このため、上記提案内容ではボンディングワイヤ
のＡｇ電極への接合強度が弱い。

【０００７】このように、上記提案のワイヤボンディン
グによる接合では、通常の圧電素子のＡｇ電極が、Bi
₂O₃を含有していること、Ａｇ粒子径の比較的大きい
ものを使用していること、の２点により、ボンディング
ワイヤのＡｇ電極への接合強度および接合の耐久性にお
いて問題が残る。

【０００８】尚、圧電素子上にワイヤボンディングに適
するニッケル（Ｎｉ）メッキ、Ａｌメッキ、Ａｌ蒸着、
金（Ａｕ）メッキ等の加工処理をする案も検討されてい
る。しかしながら、メッキの下地として圧電素子上に処
理するペーストはＡｇペーストが最も良いものの、メッ
キ前の酸洗浄で酸化してしまうため安定したメッキ層を
形成することが困難である。また、メッキ処理時、ガラ
メッキ工程（ローラ内にワークを入れて回転させながら
行う）では、圧電素子が薄く、互いにぶつかり合って欠
損等が発生する確率が高いため、上記同様に安定したメ
ッキ層を形成することが困難である。

【０００９】そこで本発明は上記課題に鑑みなされたも
ので、ワイヤボンディングによるＡｇ電極とターミナル
との接合において、コスト上昇をもたらすことなく、ボ
ンディングワイヤとＡｇ電極との接合強度および接合の
耐久性を向上させ、電気的接続の信頼性を向上させたノ
ックセンサを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１の発明は、圧電素子の銀（Ａｇ）電極と該圧
電素子からの出力信号を外部へ引き出すためのターミナ
ルとの接続をワイヤボンディングにより接続するノック
センサであって、前記銀（Ａｇ）電極を、圧電素子本体
側の第１の電極と、ボンディングワイヤが接続される側
の第２の電極との２重構造とし、且つ、前記第２の電極
におけるビスマス（Ｂｉ）の含有率を０．５％以下とす
る構成である。

【００１１】また、請求項２の発明は、圧電素子の銀
（Ａｇ）電極と該圧電素子からの出力信号を外部へ引き
出すためのターミナルとの接続をワイヤボンディングに
より接続するノックセンサであって、前記銀（Ａｇ）電
極を、圧電素子本体側の第１の電極と、ボンディングワ
イヤが接続される側の第２の電極との２重構造とし、且
つ、前記第２の電極における銀（Ａｇ）粒子径を５μｍ
以下とする構成である。

【００１２】

【作用】請求項１の発明において、Ａｇ電極を２重構造
とし、ボンディングワイヤが接続される側の第２の電極
のみＢｉの含有率を０．５％以下に減らすことにより、
第１の電極と圧電素子本体との密着力はそのまま維持さ
れ、第２の電極とボンディングワイヤとの接合強度およ
び接合の耐久性は向上する。このため、圧電素子のター
ミナルに接続される側のＡｇ電極は、圧電素子本体との
良好な密着力を維持すると共に、ワイヤボンディングに
よるボンディングワイヤとの接合強度および接合の耐久
性を向上させる。

【００１３】請求項２の発明において、Ａｇ電極を２重
構造とし、ボンディングワイヤが接続される側の第２の
電極のみＡｇ粒子径を５μｍ以下に小さくすることによ
り、第２の電極とボンディングワイヤとの接合強度は向
上し、また、Ａｇ粒子径が小さい、よって高価である第
２の電極をボンディングワイヤが接続される小さい範囲
に限定することができる。このため、圧電素子のターミ
ナルに接続される側のＡｇ電極は、コスト上昇を最小限
に抑えてワイヤボンディングによるボンディングワイヤ
との接合強度を向上させる。

【００１４】

【実施例】次に本発明の実施例について図面と共に説明
する。

【００１５】図１は本発明の一実施例であるノックセン
サ１０を示している。同図において、１１は一端が開口
した金属製のハウジングであり、他端（下部）にはネジ
部１１ａが一体的に形成されている。このネジ部１１ａ
はエンジンハウジング（図示せず）に形成されたネジ穴
に螺合され、よってノックセンサ１０はエンジンに固定
される。従って、エンジンにノッキングが発生した場合
には、その振動はハウジング１１に伝達される。

【００１６】また、ハウジング１１に形成された上記開
口部分には金属ベース１２及びコネクタ１３が装着され
る。金属ベース１２は導電材よりなり、中央部分には貫
通孔１２ａを有した環状形状とされている。この金属ベ
ース１２の上部には凹部１２ｂが形成されており、この
凹部１２ｂにコネクタ１３に形成された凸部１３ａが嵌
着している。更に、下面の貫通孔１２ａの周縁には円錐
台状の突起１２ｃが形成されている。

【００１７】コネクタ１３は絶縁部材よりなり、その中
央部分にはターミナル１４がインサート成形により植設
されている。このターミナル１４は下端がコネクタ１３
の下部より突出しており、またその上端部はコネクタ１
３に形成されたソケット挿入部１３ｂ内に突出してい
る。

【００１８】１５は一定の共振周波数を保つ金属製の振
動板であり、中央部に孔を有する環状形状とされてい
る。振動板１５はこの孔の周囲部分が金属ベース１２に
形成された突起１２ｃに溶接されることにより金属ベー
ス１２に固定される。また、１６はピエゾ素子等の圧電
素子であり、振動板１５の下面に接着固定され、振動板
１５の振動を電荷に変換する素子である。圧電素子１６
が一体的に装着された振動板１５の固有振動数は、エン
ジンにノッキングが生じることにより発生する振動の振
動数と一致するよう構成されている。そして、ノッキン
グに共振した振動板１５の振動は圧電素子１６により電
荷に変換され、ターミナル１４を介して外部に引き出さ
れる。

【００１９】圧電素子１６と上記ターミナル１４との電
気的接続は、後述するようにワイヤボンディングにより
行われ、ボンディングワイヤ１９ａ，１９ｂにより直接
接続される。

【００２０】上記の各要素から構成されるノックセンサ
１０は次のようにして組み立てられる。

【００２１】先ず振動板１５，圧電素子１６が固定され
た金属ベース１２に、ターミナル１４が植設されている
コネクタ１３を組み付ける。この組み付け状態におい
て、ターミナル１４の先端は金属ベース１２に形成され
た貫通孔１２ａを貫通して圧電素子１６の近傍位置まで
延出するよう構成されている。また、ターミナル１４が
貫通した貫通孔１２ａ内には、ワイヤボンディング時に
おける横振動補強およびシールを目的としてポッティン
グ１７が配設される。この状態において、ターミナル１
４と圧電素子１６間でワイヤボンディングが実施され
る。

【００２２】上記のように組み付けられた金属ベース１
２及びコネクタ１３は、ハウジング１１内に挿入され、
ハウジング１１上部を巻き締めることにより固定され
る。またこの際、巻き締め部分にＯリング１８が介装さ
れ、防水性が保持されるよう構成されている。

【００２３】図２は図１中、振動板１５、圧電素子１
６、ターミナル１４の振動板１５側の先端部分の拡大断
面図を示す。

【００２４】圧電素子１６は、中央に孔１６ａを設けて
環状とされた圧電素子本体１６ｂの上下両面に電気的接
続を行う電極１６ｃ，１６ｄが形成されている。この電
極１６ｃ，１６ｄにも上記孔１６ａに対応した位置に孔
が形成され、よって圧電素子１６全体は環状の形状とさ
れている。また、下面側の電極１６ｄの上記孔の近傍位
置とされる表面上には、小さい寸法の矩形状の２つの接
続電極１６ｅ_-1，１６ｅ_-2（接続電極１６ｅ_-1，１６ｅ
_-2を代表して接続電極１６ｅという）が孔を挟んで 180
度反対側に夫々形成されている。

【００２５】上面側の電極１６ｃ（この端子はアース端
子となる）は振動板１５への上記接着により振動板１５
に電気的に接続され、金属ベース１２を介してボデーア
ースされる。また、下面側の電極１６ｄ（この端子は出
力端子となる）とターミナル１４との電気的接続は、接
続電極１６ｅとターミナル１４の先端部１４ａとの間に
おいて、本出願人が先に提案したようにワイヤボンディ
ングにより行われている。従って、ターミナル１４の先
端部１４ａと接続電極１６ｅとの間にはボンディングワ
イヤ（アルミニウム線等／以下、単にワイヤという）１
９ａ，１９ｂが夫々配線されている。即ち、下面側の電
極は、圧電素子本体１６ｂ側の前記第１の電極に該当す
る電極１６ｄと、ワイヤ１９ａ，１９ｂが接続される側
の前記第２の電極に該当する接続電極１６ｅとにより２
重構造とされている。

【００２６】上記圧電素子１６の電極１６ｃ，１６ｄお
よび接続電極１６ｅ夫々の組成は表１のように構成され
ている。

【００２７】

【表１】

【００２８】電極１６ｃ，１６ｄの組成は従来の圧電素
子のＡｇ電極と同一構成であり、その特徴としてビスマ
ス（Ｂｉ）、即ち酸化ビスマス（Bi₂O₃）か多く含有さ
れ、これによって、上記の如く電極１６ｃ，１６ｄと圧
電素子本体１６ｂに使用されているセラミック素材との
密着力の向上が図られている。また、接続電極１６ｅの
成分構成は電極１６ｃ，１６ｄの組成に比べてＢｉの量
が０〜０．５％と低減された構成とされている。

【００２９】先に本出願人が提案した内容では、上記の
如くＡｇ電極が酸化ビスマス（Bi₂O ₃）を多く含有し、
これによりBi₂O₃によるひし形単結晶がＡｇ電極の表面
上に多量に現れるため、ワイヤボンディングによるワイ
ヤとＡｇ電極との接合強度および接合の耐久性が低下し
ていた。

【００３０】しかしながら本実施例においては、ワイヤ
１９ａ，１９ｂが接続される接続電極１６ｅのＢｉ成分
の量が低く抑えられているために、接続電極１６ｅの表
面上に現れるひし形単結晶の量は極めて少なくなる。そ
の結果、ワイヤ１９ａ，１９ｂと接続電極１６ｅとの原
子間同士の結合が良好となり、ワイヤ１９ａ，１９ｂと
接続電極１６ｅとの接合強度を向上させることができ
る。また、上記の如くワイヤ１９ａ，１９ｂと熱膨張係
数が格段に異なるBi₂O₃の単結晶が接続電極１６ｅの表
面上に現れておらず、Ａｌのワイヤ１９ａ，１９ｂは、
Ａｌに近い熱膨張係数を有するＡｇ成分の多い接続電極
１６ｅの表面上に結合される。このため、接合界面での
熱ストレスによる応力の発生は少なく抑えられ、ワイヤ
１９ａ，１９ｂと接続電極１６ｅとの接合は耐久性にお
いても向上する。

【００３１】このように、圧電素子１６のターミナル１
４に接続される側の電極を、電極１６ｄと接続電極１６
ｅとの２重構造とし、接続電極１６ｅのみＢｉの含有率
を減らすことにより、電極１６ｄは圧電素子本体１６ｂ
との密着力をそのまま維持し、接続電極１６ｅはワイヤ
１９ａ，１９ｂとの接合強度および接合の耐久性を向上
させることができる。即ち、電極１６ｄ，１６ｅからな
る圧電素子１６の下面側の電極は、圧電素子本体１６ｂ
との良好な密着力を維持し、しかも、ワイヤボンディン
グによるワイヤ１９ａ，１９ｂとの接合強度および接合
の耐久性を向上させることができる。

【００３２】また、接続電極１６ｅの銀（Ａｇ）成分の
Ａｇ粒子径は、従来の圧電素子のＡｇ電極のＡｇ粒子径
に比べて小さい５μｍ以下の粒子径とされている。

【００３３】先に本出願人が提案した内容では、上述し
たようにコスト低減の観点から圧電素子のＡｇ電極にＡ
ｇ粒子径の比較的大きいもの（５〜20μｍ）が使用さ
れ、このため、ワイヤボンディングによるワイヤとＡｇ
電極との接合強度を低下せしめていた。

【００３４】しかしながら本実施例においては、ワイヤ
１９ａ，１９ｂが接続される接続電極１６ｅのＡｇ成分
のＡｇ粒子径を５μｍ以下の小さいものとすることによ
り、接続電極１６ｅの表面は大きい粒子径の場合と比べ
て平滑となり、これによってもワイヤボンディングによ
るワイヤ１９ａ，１９ｂと接続電極１６ｅとの接合強度
を向上させることができる。また、小さいＡｇ粒子径に
よりＡｇ電極を形成するとＡｇ電極自体かなり高価なも
のとなるが、本実施例においては、小さいＡｇ粒子径と
する高価とされる部分が接続電極１６ｅの小さい範囲に
限定されるため、小さいＡｇ粒子径のＡｇ電極を用いる
ことによるコスト上昇を最小限に抑えることができる。

【００３５】このように、圧電素子１６のターミナル１
４に接続される側の電極を、電極１６ｄと接続電極１６
ｅとの２重構造とし、接続電極１６ｅのみＡｇ粒子径を
５μｍ以下に小さくすることにより、大幅なコスト上昇
をもたらすことなくワイヤボンディングによるワイヤ１
９ａ，１９ｂとの接合強度を向上させることができる。

【００３６】図３乃至図５は本発明者が行った上述した
接続電極１６ｅの組成およびＡｇ粒子径による効果を証
明するための実験結果を示す。

【００３７】図３は表１に示すＡｇを主成分とした電極
において、Ｂｉ含有量と、ワイヤボンディングによる電
極とワイヤとの接合強度の関係を示すグラフである。同
図においては、Ｂｉ含有量が０．５％を上回る段階から
接合強度に強度低下方向へのばらつきが認められる。こ
れは接合界面上におけるBi₂O₃の単結晶の割合が増加
し、それにより安定した接合が困難となっていることを
証明している。図３における接合強度は、接合直後の初
期接合強度を示しているが、図３に示す実験結果より、
Ｂｉ含有量を０．５％以下とするとこで、初期接合強度
はばらつくことなく安定的に高い水準となることが分か
る。

【００３８】図４はＢｉ含有量をパラメータとして、冷
熱衝撃サイクル（熱サイクル）のサイクル数と接合強度
との関係を示すグラフであり、Ｂｉ含有量による接合の
耐久劣化状況の違いを示している。図４では、図３にお
いて初期接合強度が高い水準であったＢｉ含有量０〜
０．５％のものが耐久劣化が少なく、耐久性においても
優れていることが分かる。また、Ｂｉ含有量が１％また
は１．８％程度と多くなると、あるサイクル数から急激
に接合強度が低下してしまう。これは、上述したように
接合界面上におけるBi₂O₃の単結晶の割合が増加する
と、ワイヤと単結晶との熱膨張係数の違いにより応力が
発生し、耐久劣化が早期に発生してしまうことを証明し
ている。また、Ｂｉ含有量０％の方が０．５％の場合よ
りも耐久性が若干上回っていることから、Ｂｉはワイヤ
ボンディングにおいて無いことが望ましい成分であるこ
とが分かる。

【００３９】図５は電極のＡｇ成分のＡｇ平均粒子径と
接合初期の相対接合強度との関係を示すグラフである。
同図において相対接合強度は、Ａｇ平均粒子径が０〜５
μｍの範囲においてばらつきが少なくしかも高い水準に
あり、Ａｇ平均粒子径が５μｍ以上の範囲においては強
度が低下する方向へ大きくばらついてしまうことが認め
られる。この傾向は、上述したようにワイヤボンディン
グは接合面が平滑であるほどその接合強度が高まるとい
う特性を証明している。尚、図中、Ａｇ平均粒子径０μ
ｍはＡｇメッキの場合の接合結果であり、１〜５μｍの
粒子径の場合でもＡｇメッキと同様に安定的に高い初期
接合強度を有することができる。従って、図５に示す実
験結果より、Ａｇ平均粒子径を５μｍ以下とすること
で、初期接合強度はばらつくことなく安定的に高い水準
となることが分かる。

【００４０】以上の実験結果からも証明されるように、
本実施例では接続電極１６ｅのＢｉ成分を０．５％以下
に低減し、また、接続電極１６ｅのＡｇ成分のＡｇ粒子
径を５μｍ以下の小さなものにすることにより、ワイヤ
ボンディングによるワイヤ１９ａ，１９ｂの接続電極１
６ｅへの接合強度および接合の耐久性を、ばらつきを排
除して安定的に向上させることができる。その結果、本
実施例のノックセンサ１０の電気的接続の信頼性を向上
することができる。

【００４１】

【発明の効果】上述の如く、請求項１の発明によれば、
第１の電極と圧電素子本体との密着力はそのまま維持さ
れ、第２の電極とボンディングワイヤとの接合強度およ
び接合の耐久性は向上するため、Ａｇ電極と圧電素子本
体との良好な密着力を維持した状態で、ワイヤボンディ
ングによるＡｇ電極とボンディングワイヤとの接合強度
および接合の耐久性をばらつきを排除して安定的に向上
させることができ、ひいてはノックセンサの電気的接続
の信頼性を向上させることができる。

【００４２】また、請求項２の発明によれば、第２の電
極とボンディングワイヤとの接合強度が向上し、また、
高価である第２の電極を小さい範囲に限定することがで
きるため、コスト上昇を最小限に抑えて、ワイヤボンデ
ィングによるＡｇ電極とボンディングワイヤとの接合強
度をばらつきを排除して安定的に向上させることがで
き、ひいてはノックセンサの電気的接続の信頼性を向上
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になるノックセンサの一実施例の構成断
面図である。

【図２】図１における振動板、圧電素子およびターミナ
ル先端部分の拡大断面図である。

【図３】電極の組成の違いによる本発明の効果を証明す
るための実験結果を示す図である。

【図４】電極の組成の違いによる本発明の効果を証明す
るための実験結果を示す図である。

【図５】Ａｇ粒子径の違いによる本発明の効果を証明す
るための実験結果を示す図である。

【符号の説明】

１０ノックセンサ１１ハウジング１２金属ベース１３コネクタ１４ターミナル１５振動板１６圧電素子１６ａ孔１６ｂ圧電素子本体１６ｃ，１６ｄ電極１６ｅ_-1，１６ｅ_-2 接続電極１７ポッティング１８Ｏリング１９ａ，１９ｂボンディングワイヤ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電素子の銀（Ａｇ）電極と該圧電素子
からの出力信号を外部へ引き出すためのターミナルとの
接続をワイヤボンディングにより接続するノックセンサ
であって、前記銀（Ａｇ）電極を、圧電素子本体側の第１の電極
と、ボンディングワイヤが接続される側の第２の電極と
の２重構造とし、且つ、前記第２の電極におけるビスマ
ス（Ｂｉ）の含有率を０．５％以下とするとこを特徴と
するノックセンサ。
【請求項２】圧電素子の銀（Ａｇ）電極と該圧電素子
からの出力信号を外部へ引き出すためのターミナルとの
接続をワイヤボンディングにより接続するノックセンサ
であって、前記銀（Ａｇ）電極を、圧電素子本体側の第１の電極
と、ボンディングワイヤが接続される側の第２の電極と
の２重構造とし、且つ、前記第２の電極における銀（Ａ
ｇ）粒子径を５μｍ以下とすることを特徴とするノック
センサ。