JP4477272B2 - 電気的スイッチ装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【相互参照】
この出願は、1999年9月22日に出願された合衆国仮出願第60/155,498号の35 U.S.C.§119(e)に基づく利益を主張する。
【０００２】
【発明の分野】
本発明は、広義には、高周期スイッチ応用に適した接触型の電気的スイッチ装置に関し、更に特定すれば、接点スイッチ、電位差計およびエンコーダのために有用な厚膜スイッチ素子を作製する方法に関する。
【０００３】
【発明の背景】
電子エンコード装置を含む多くの低電流スイッチングの適用では、屡々ワイプと称される摺動電気接触部材、レーキ、またはブラシが用いられ、これは平面基板上の金属端子または導電体と共同して電気回路を形成および切断する。これらのタイプの電気的スイッチ装置は、それらの信頼性および構築の単純さのために、種々の用途で長年に亘って使用されてきた。近年、かかる装置については、参照点に対する可動素子の位置を検知するための増大する用途が見出されている。例えば、自動車には、時にドライブ・バイ・ワイヤシステム（drive-by wire system）と称される電子スロットル制御（ETC）システムの一部を形成するアクセルペダルの位置を検知するために、屡々センサが使用される。ETCシステムにおいて、アクセルペダルは、機械的にではなく電気的に自動車のエンジンに連結される。ペダル位置センサ（PPS）として普通に知られているこの型のセンサは、アクセルペダルに装着されて、ペダルの回転変位をペダル位置に比例した電気信号に翻訳するようになっている。この信号はエンジンのECU（電子制御ユニット）に与えられ、次いで、該ECUは自動車のエンジンへの燃料供給を制御する。また、回転位置センサは、キャブレタースロットルプレートの実際の位置を検知するために、エンジンスロットル体にも装着される。PPSと同様に、スロットル位置センサ（TPS）は高周期要求を受ける。
【０００４】
上記タイプの回転位置センサは、通常は電位差計装置の形態であり、これはセンサの回転入力シャフトに接続された一以上のワイパー接触部材を具備しており、PPSの場合、前記シャフトはペダルの変位によって駆動される。該ワイパーは、ポリアミド、FR-4、熱硬化性樹脂、またはセラミックのような基板上に堆積された導電体パターンの上を摺動する。この導電体はメッキされた銅、ポリマー厚膜銀、または貴金属厚膜であり得る。前記導電体を覆って電気的導電性ポリマーの抵抗体膜が堆積され、可変抵抗素子が形成される。貴金属接点が抵抗体素子を覆って堆積されており、導電体パターン上でのワイパーの摺動によって、センサの入力シャフトの回転位置に比例し、従ってペダル位置を示すような線型の電位差出力が形成されるようになっている。一つのタイプの既知の位置センサ構成では、可撓性ポリマー抵抗体膜が用いられており、その上には、従来の厚膜堆積技術を使用して、電位差計および／またはスイッチを画定する抵抗体トラックが形成される。ポリマー抵抗体膜は、初期には許容可能な低い接触抵抗を有し得るが、機械的サイクリングと共に、このような膜は高い接触抵抗および結果的に電気ノイズに寄与する高抵抗の磨耗破片を発生し易い。この破片は、基板表面から材料を脱落させる可動接触ワイパーの結果として形成される。破片材料はワイパーと共に運ばれ、ワイパーと基板の間の界面に間欠的に形成される。
【０００５】
一定の位置センサ適用においては、連続的な電位差計出力に加えて、スイッチされた、またはステップ状（デジタル）の出力を組込むのが望ましい。これらのスイッチは、典型的には、共通の基板上の電位差計抵抗体回路と同時に形成され、従って、電位差計の位置に対する該スイッチ接点の位置を永久に固定する。このような集積化されたスイッチを用いて変速機に制御信号が与えられ、またはペダルがアイドル位置または開いたスロットル位置にあることを確認する自動車のエンジンECUへの信号が与えられる。接触磨耗および破片の集積によって生じる信号ノイズの問題は、スイッチ回路の場合に特に深刻であり、その大きな理由は、基板上に形成されたスイッチ導電体によって、接触ワイパーが通過しなければならない不連続部または段部が形成されるからである。ワイパーは段部において導電体の縁部に衝突し易く、材料が基板から脱落する可能性が増大する。従来の厚膜堆積技術を使用して基板上に形成された導電体接点は、典型的には略0.5〜1.5ミル（0.0005〜0.001インチ）の高さの段部を形成する。電位差計の場合でさえも、厚膜抵抗体末端の頂部に印刷される抵抗体は、その下の端部のプロファイルに追従してレジスタ上に段部を形成するので、接触ワイパーは、移動の機械的端部においてトラバースしなければならない。上記のスイッチ適用と同様に、この段部はワイパー接触部材が跳ね上がる一因となり、破片の発生および蓄積部位として作用する。
【０００６】
従来技術による上記タイプの位置センサは、過去の幾つかの自動車適用については僅かながら許容可能であったが、将来の自動車適用のための特性およびサービス寿命に関する益々増大する厳格な要件は、これらの現存のセンサを不充分なものにしている。
【０００７】
高周期スイッチ適用における接触ノイズおよび磨耗の問題に対して試みられた一つの解決策が、1992年12月8日に発行されたRileyの米国特許第5,169,465号に開示されている。このReley特許は、セラミック基板に融着された高温ガラスフリットを含む厚膜スイッチ素子を開示している。典型的には、低温ガラスマトリックスを有する銀のような貴金属のサーメット層が、従来の炉の中で焼成される。これにより、サーメット層はガラスフリット層の中に沈降して、スイッチ層の得られた厚さは元のガラスフリット層の厚さに略等しくなる。得られた厚膜スイッチ素子製品の露出表面は実質的に平滑であり、低温サーメット層と高温ガラスフリット層の間の接合部は実質的に均一、即ち、同一平面である。このRileyの厚膜スイッチ素子は、材料の組成、並びに下地ガラスフリット層およびその上を覆うサーメット層の両方の焼成温度に対する緻密なプロセス制御を必要とする。これらのより厳格なプロセス制御および材料は、より高いコストの一因となる。
【０００８】
従って、商業的に入手可能な材料を利用し、且つ精密な制御を必要としない標準的加工技術の利点をもった、高周期スイッチング適用およびエンコード適用に適した優れたセンサ構成を提供することが望まれている。本発明は、この要求を満たすことに向けられている。
【０００９】
【発明の概要】
一つの実施例において、本発明は電気的スイッチ装置であって、低温共焼成された誘電体基板と、該基板に埋め込まれ且つ前記基板表面と実質的に同一平面にある表面を有する導電体とを含み、また前記導電体と摺動接触するワイパー接触部材を含む装置に向けられている。
【００１０】
第二の実施例において、本発明はスイッチ素子を製造する方法であって、生の状態の低温共焼成誘電体基板を準備することと、該基板の表面に導電体材料を堆積することと、該導電体材料を、実質的に前記基板表面と同一平面になるまで前記基板の中に圧入することと、前記基板および導電体材料を焼成して前記スイッチ素子を形成することとを含む方法に向けられている。
【００１１】
本発明のこの方法の実施例は、商業的に入手可能な低温共焼成誘電体材料および標準の厚膜加工条件を使用する利点を有している。また、導電体材料および基板は共焼成されるので、一回の焼成工程が必要とされるだけである。本発明のこれらおよび他の特徴および利点は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１２】
【発明の好ましい実施例の詳細な説明】
図１は、集積化されたスロットル制御およびアイドル確認センサスイッチ10の形態の、本発明の好ましい実施例を示している。このスイッチは、センサハウジング12、センサカバー14、スイッチ素子16、回転子接触部材18、戻りバネ20、およびゴムシール22を含んでいる。図２に更に詳細に見られるように、スイッチが組み立てられたときに、回転子接触部材18は、摺動可能な接触部材またはワイパー24，26，28および30を含んでおり、これらはスイッチ素子16上の導電体32，34，36および40、並びに抵抗体64に接触し、且つこれに沿って摺動する。回転子18は機械的リンクの力で回転して、自動車のアクセルペダル（図示せず）のようなスロットル入力装置を動かす。戻りバネ20は、抵抗力を加えて、回転子18および入力装置を低スロットル状態に戻す。導電体32，34および36、並びに回転子ワイパー24および26は、アイドル確認のための単一極二重投入スイッチ（single-pole, double-throw switch）を形成する。二つの導電体34および36の間の狭いギャップ42は、アイドルスイッチ点を定義する。導電体40、抵抗体64および回転子ワイパー28および30は、ポリマー厚膜抵抗材料層を含む抵抗体64を備えた電位差計を構成する。
【００１３】
このスイッチおよび電位差計機能の組み合わせを備えたスイッチ素子を有する、集積化されたスロットル制御およびアイドル確認センサスイッチの動作は、1992年7月28日に発行されたHering et al.の米国特許第5,133,321号に詳細に記載されており、その全記述は本明細書の一部として本願に援用される。簡単に説明すると、Hering et al.は、機械的に結合されているが電気的には独立しているスロットル制御部品およびアイドル確認部品を含んだ、集積化されたスロットル制御およびアイドル確認センサを記載している。保護センサハウジングへの一つの機械的入力は、一つのアクセルペダル位置に対応し、電子制御系による解釈のためのアイドル確認導電体およびスロットル確認導電体の一方に対して、供給電圧の選択的結合を生じる。センサハウジング内のスロットル制御系は、機械的入力に対応する移動に適合した電位差計を具備しており、それにより可変電圧スロットル制御信号を、電子燃料制御系に与えることができる。該センサは、以前の別々のスロットル制御およびアイドル確認機能を環境的に安全な一つのハウジングの中に組込んでおり、またキャリブレーションを必要としない。
【００１４】
図３は、スイッチ素子16の平面図である。この実施例における当該スイッチ素子はガラスセラミック型の誘電体材料基板46を含んでおり、該基板は、導電体トラック32，34，36，38，39および40、抵抗体トラック64、電気端子50，51，52，53，54および55、並びにこれら導電体を適切な端子に接続するための対応の電気トレース56，57，58，59，60および61を支持している。導電体34および36の間にはギャップ42が存在し、これはECUに供給されるアイドル確認信号のための、アイドルセッティング上のスイッチ遷移領域に対応する。このギャップ42は、ECUにゼロ電圧に与えるように、回転子接触部材による重なり接触から二つの導電体を電気的に隔離するために充分に大きくすべきである。好ましくは、このギャップは約10ミルである。しかし、好ましい材料を用いる他の適用においては、導電体間のこのギャップは4ミルと小さく製造してもよい。ポリマー厚膜抵抗体64は、抵抗体の各端部において、導電体パッド38および39の上に重なっている。基板は中心に開けられた孔44を含んでおり、これを貫通して回転子18が配置される。また、基板は二つの支柱孔48および49を含んでおり、スイッチ素子16をセンサハウジング12内の適正な位置に保持するための支柱がこの孔を貫通する。導電体および抵抗体のトラックは円弧状であり、好ましくは、回転子18の旋回運動にリンクした機械的入力に適合し、且つ機械的スロットル入力装置の全移動に亘って約75°以下の回転を与えるように、約75°の角度をカバーする。
【００１５】
図６は、図３の線６−６に沿ったスイッチ素子16の断面図を描いている。低温共焼成された誘電体基板46が、誘電体材料の支持シート62にラミネートされて示されている。導電体32，36および38は、第一の誘電体基板層46の中に埋設されている。ポリマー厚膜（PTF）抵抗材料64が導電体38上にあり、電位差計のための可変抵抗器を形成している。これら導電体の頂面は、基板46の頂面と実質的に同一平面にある。実質的に同一平面にあるとは、導電体と基板との間の接合部において、導電体表面の高さが基板の約10ミクロン以内、好ましくは約4ミクロン以内であることを意味する。この特徴は、接触部材の跳ね上がりを防止し、磨耗破片の形成、およびスイッチ遷移領域（図３に示したギャップ42）における磨耗破片の集積を防止する。基板材料は平滑な表面を有し、導電体表面の粗さもまた非常に低い。平滑な表面は磨耗を減少させ、結果的に電気的ノイズを低下させる。
【００１６】
図４および図５は、前の加工段階におけるスイッチ素子を示している。図４は、誘電体材料基板の第一の層46の表面に、それが生の間に導電体32，36および39が堆積された焼成前の状態を示す図である。誘電体材料の第二の支持層62は、未だ第一の層から分離されている。図５は、導電体32，36および39が基板46の中に圧入され、該基板が支持体62にラミネートされた後の、後続の加工段階における図である。導電体の頂面は、実質的に基板46の頂面と同一平面内にある。ラミネートされたスタックの全体の厚さは、一般には約15〜約100ミル（即ち、約0.015〜0.100インチ）である。好ましくは、全体の厚さは約20〜約40ミルである。導電体の厚さは、焼成後で典型的には約10〜15ミクロンである。
【００１７】
図５は、好ましい実施例になるスイッチ素子の、生の状態および焼成された状態の両方を表していると考えられる。焼成の際に、スイッチ素子の中の材料は全ての方向に等しく収縮（好ましい材料で約12パーセント）する結果、導電体および基板の相対的な幾何学的比率は同一のまま残るようになっている。焼成の後、導電体側と基板側との間にギャップは現れず、また導電体の頂面は基板の頂面と実質的に同一平面にある。従って、基板および導電体に使用される材料は、好ましくは共焼成適合性であり、および／または同じ焼成条件下で同様の収縮率を有する。
【００１８】
図７は、従来技術による可変抵抗器66および摺動ワイパー接触部材68の断面図を示している。この抵抗器66は、典型的には、基板72の頂部にスクリーン印刷されたポリマー厚膜抵抗材料である。図示のように、基板は、一または二の典型的にはポリイミド、FR-4、セラミックまたは他の剛性材料でできた層72および74を含んでいてもよい。導電体70および71は、典型的には、Pd/Ag厚膜ペーストのような貴金属合金またはサーメットでできている。導電体70および71は抵抗体の各端部にあり、抵抗体のための電気的接続を提供する。また、ワイパー68は、その移動の終点において導電体の上に乗り上げ、位置検知電位差計として使用するための平坦または水平な信号を与える。その結果、高周期適用では、導電体を覆う階段状の部分において抵抗体材料68が磨耗したり、または跳ね上がる可能性がある。
【００１９】
図８は、図３の線８−８に沿ったスイッチ素子の断面図を表し、抵抗体トラック64と摺動接触した摺動ワイパー接触部材76を示している。端子導電体38および39は、支持層62の上に載置された基板層46の中に埋め込まれている。この端子導電体38および39は、実質的に基板層46と同一平面にある。表面が同一平面であるから、抵抗体トラック64は実質的に平面であり、高さの変化を伴わずに、導電体38および39を覆っている。従って、図７に示した従来技術の装置とは対照的に、ワイパー接触部材76は高さの変化を伴うことなく、また過剰な磨耗または跳ね上がりを生じることなく、導電体上を摺動することができる。
【００２０】
このスイッチ素子は好ましい実施例の構成で示されているが、当業者は、当該スイッチ素子を異なる構成で製造してもよいこと、例えば、異なる端子接続で、または直線方向に移動するワイパーと接触するための直線形状の導電体と共に製造してもよいことを理解するであろう。
【００２１】
本発明の好ましい実施例の構成を説明してきたが、スイッチ素子16の幾つかの部品については、一定の材料が好ましいことに留意すべきである。基板46は、好ましくは低温共焼成された誘電体材料である。対照的に、高温誘電体材料は、典型的には1500℃〜1600℃の温度で焼成されるセラミックである。しかし、これらの比較的高温においては、電気回路の導電体として使用される貴金属は溶融するであろう。低温誘電体材料は、一般に1000℃未満の温度で焼成される。これは貴金属の融点よりも低いから、低温誘電体については、既に電子工業において広範な用途が見出されている。
【００２２】
ここで用いられる用語として、低温共焼成誘電体材料は当該技術において周知であり、ガラスセラミック、または低温共焼成セラミック（LTCC）としても知られている。典型的なLTCC誘電体材料は、非結晶性ガラス（即ち、非結晶性ガラス／セラミック複合体）中に、耐火性充填剤または結晶相としてAl2O3を含んでいる。LTCC材料の利点は、かなりの容積のガラス相を含んでいるので、標準のアルミナセラミック基板よりも本来的に平滑で且つ磨耗性が小さいことである。もう一つの利点は、その加工温度が低いことであり、これは導電体のための金属合金の選択範囲をより大きくする。1987年3月31日に発行されたSteinbergの米国特許第4,654,095号は、多層回路の製造に使用するための生のテープ形態の、このような誘電体組成物を教示している。Steinbergは、一定の変形温度および軟化温度を有する選択された非結晶性ガラスを、該ガラスに不溶性の耐火性充填剤と混合して生テープを作製し、次いで、約825℃〜約900℃の最大温度で焼成することを教示している。
【００２３】
他のタイプの適切なLTCC材料は、耐火性の充填剤を含んではいないが、同じガラス系からの一以上の結晶性ガラスのインサイチュー析出によって形成されたガラスセラミックを含んでいる。このようなLTCC材料には、非結晶性ガラス／ガラスセラミック誘電体材料が含まれるが、この場合には、セラミック相がガラスマトリックス中に分散されており、該セラミックはガラスセラミックの結晶化によって形成される。耐火性充填剤（セラミック）がそれを溶解しない非結晶性ガラスと混合されて、ガラス状マトリックスが形成されるガラス／セラミック複合体とは異なり、この材料は、非結晶性マトリックス中における一つのガラスの結晶化によってインサイチューで形成されたガラスセラミックを含んでいる。これらのLTCC材料は、1993年に発行されたMuralidhar et al.の米国特許第5,258,335号に詳細に記述されている。この特許は、約800℃〜900℃の最大温度で焼成できるCaO-B2O3-SiO2ガラス系のガラスから選択された、低誘電性の低温焼成ガラスセラミックを教示している。このタイプのLTCC材料は軽量であり、約10未満の低い誘電率を示し、十分な機械的強度および熱伝導性を有し、且つ貴金属導電体に対して適合性である。
【００２４】
本発明の好ましい実施例において、好ましい低温共焼成誘電体材料は、アメリカ合衆国デラウエア州ウイルミントンのDuPont Companyから商業的に入手可能な、951 AX低温共焼成誘電体テープとして公知である。この材料は、厚さ約10ミルの未焼成ガラスセラミックテープのロールであり、Green Tape（商品名）システムとして販売されている。しかし、本発明の目的のためには、本発明で使用されるLTCC材料はシートのような如何なる構成であってもよく、また異なる厚さを有していてもよい。DuPontの951 LTCCは、ガラスおよび耐火性充填剤を含んでいると思われる。
【００２５】
導電体は、貴金属またはサーメット材料であってよい。好ましくは、この導電体は、選択された誘電体基板材料と適合するサーメット材料である。DuPontの951 AX低温共焼成誘電体材料と共に使用するためには、アメリカ合衆国デラウエア州ウイルミントンのDuPont Companyから商業的に入手可能な、DuPont 6146共焼成Pd/Ag導電体を使用するのが好ましい。この導電体材料は、DuPont 951誘電体材料と適合するように設計された、銀／パラジウムサーメット厚膜ペーストである。この共焼成Pd/Ag導電体材料は、高デューティの機械スイッチサイクリングに充分に適している。特性試験において、この導電体表面は、1000万サイクル後にも非常に少ない磨耗しか示さない。それは貴金属合金であるから非酸化性であり、また接触ワイパーに使用される貴金属合金と完全に適合する。Pd/Ag導電体が少ししか磨耗を示さないのは、接着特性である。即ち、発生した何等かの破片は、直ちに磨耗トラック上に再堆積される。また、この破片は金属であるから、接触抵抗には有意に寄与しない。Pd/Ag導電体材料はまた、コネクタ端子への信頼性のある接続のための優れた半田付け性を示す。
【００２６】
これらの材料は、標準の厚膜電子回路用途のために既に電子工業において使用されているから、これらの材料を使用することの利点には、加工の容易さおよび充分に確立された材料特性が含まれる。
【００２７】
電位差計適用のための抵抗性材料は、当該技術で使用される何れかの標準ポリマー厚膜（PTF）抵抗材料であればよい。好ましくは、このPIF抵抗材料は、アメリカ合衆国マサチューセッツ州キャントンのNational Starch and Chemical Co.の一部門であるEmerson & Cumingにより製造されたMinoco 2000シリーズである。
【００２８】
ワイパー接触部材は、当該工業において慣用的なものである。好ましくは、該ワイパー接触部材はSg/Pd/Cn合金、例えばドイツ国HanauのW.C. Heraeus GmbH & Co.から商業的に入手可能なHera 649から作製される。また、当該ワイパー接触部材は、好ましくはレーザ研磨されたチップを有しており、これも商業的に入手可能である。
【００２９】
一実施例において、本発明には、ワイパー接触部材と；頂面を有する低温共焼成誘電体基板および前記ワイパー接触部材との摺動接触に適合された表面を有する、少なくとも一つの導電体トラックを含むスイッチ素子とを含んだ、電気的スイッチ装置が含まれる。前記少なくとも一つの導電体トラックは、前記基板の表面に埋め込まれ、前記基板の表面および前記導電体トラックの表面は実質的に同一平面である。好ましくは、前記導電体はその全高さ（即ち、約10〜20ミクロンの深さまで）が前記基板に埋め込まれる。好ましくは、前記導電体は、前記基板材料の収縮率と同様の焼成収縮率を有するサーメット材料で構成される。
【００３０】
本発明による方法において、一つの実施例は、その上を摺動可能な電気的ワイパーと係合可能な少なくとも二つの導電体を有する電気的スイッチのための、スイッチ素子を製造する方法が含まれ、この方法は、
生の状態の低温共焼成誘電体基板を準備する工程と；
前記基板の表面に導電性材料を堆積して、導電体を形成する工程と；
該導電体を、該導電体が前記基板と実質的に同一平面になるまで前記基板の中に圧入する工程と；
前記同一平面にある導電体を備えた前記基板を、該基板を焼結するのに充分に高く且つ前記導電体の融点未満である温度で焼成する工程とを具備する。
【００３１】
好ましくは、前記焼成温度は1000℃未満であり、より好ましくは900℃未満である。この方法は更に、前記導電体の少なくとも一つを覆うポリマー厚膜抵抗材料を堆積して、前記摺動ワイパー接触部材と係合可能な可変抵抗器を形成する工程と、次いで前記ポリマー厚膜抵抗材料を、空気雰囲気において約200℃の温度で硬化させる工程とを具備してもよい。
【００３２】
この方法は任意に、前記誘電体基板の第二表面に対して、第二の誘電体材料シートをラミネートする工程を含み、前記第二の表面は前記導電体が堆積された第一の表面の反対側である。このラミネート工程は、好ましくは誘電体基板および誘電体材料シートの両者が生の状態であるときに行われ、好ましくは前記基板の第一の表面に前記導電性材料が堆積された後に行われる。好ましくは、前記第二の誘電体材料は前記誘電体基板と同じ材料である。しかし、当業者は、前記誘電体基板は、該基板が焼成された後に何れかの剛性支持体に固定してもよいことを理解するであろう。従って、他に特定しない限り、ここで説明した方法は上記の順序で行わなくてはならないものではない。
【００３３】
この方法のこの実施例において、共焼成された誘電体基板は、好ましくはガラスおよび耐火性物質を含んでいる。前記導電体材料は、好ましくは貴金属、貴金属合金またはサーメット材料である。より好ましくは、当該導電体材料はPd/Ag厚膜ペーストである。基板のための選択された材料および導電体材料は、好ましくは、焼成後の導電体が基板表面と実質的に同一平面にあるように、焼成の際に同じ収縮率を有する。回転ワイパー接触部材のためのスイッチ素子の作製に関連して、導電体材料は好ましくは円弧状に堆積される。
【００３４】
本発明による方法において、第二の実施例は、基板と、該基板上の少なくとも二つの導電体を有し、これら導電体は離間されて夫々の間にギャップが形成されているタイプの電気センサスイッチを製造する方法が含まれ、この方法は、
生の状態の低温共焼成誘電体の第一の層を準備する工程と；
前記第一の基板層の表面に、少なくとも二つの離間した領域に導電性材料を堆積して、それらの間にギャップを有する導電体を形成する工程と；
前記第一の層の上に、前記導電体の夫々を前記層上の端子に電気的に接続するための導電性トレースを堆積する工程と；
生の状態の第二の誘電体材料層を準備する工程と；
該第二の層上に、前記導電体を露出させたまま前記第一の層を配置する工程と；
前記第一および第二の層を一緒に圧接する工程と；
前記導電体を前記第一の層の中に加圧する工程と；
前記層および導電体を焼成する工程と；
前記導電体を覆って摺動接触部材を組立てる工程とを具備する。
【００３５】
好ましくは、前記導電体および第一の層の加圧工程は、該導電体が前記第一の層の表面と実質的に同一平面になるまで、前記導電体を前記第一の層の中に圧入するのに十分な圧力を用いて行われる。また、前記多重層および導電体の圧接工程は、好ましくは単一工程で実施される。この実施例のために選択される材料は、好ましくは、本発明の方法の第一の実施例について説明したのと同じ好ましい材料である。
【００３６】
本発明による方法において、第三の実施例は、その上に少なくとも二つの導電体を有する電気的スイッチボードであって、前記導電体は前記ボード上を摺動可能な電気的ワイパーと係合して、前記導電体を含む回路を形成および遮断するスイッチボードを製造する方法を含み、この方法は、
生の状態の低温共焼成誘電体の第一のシートを準備する工程と；
前記第一のシートの表面に導電性材料を堆積して、導電体を形成する工程と；
生の状態の第二の誘電体材料シートを準備する工程と；
前記第一および第二のシートを充分な圧力で一緒に圧接して、前記導電体が一つの面と実質的に同一平面になるまで、前記導電体を前記第一のシートの中に変位させる工程と；
この圧接されたシートを焼成する工程とを具備する。
【００３７】
本発明による方法の一例においては、未焼成または生の状態のDuPont 951 AX Green TapeからなるLTCC基板材料が、シートに打ち抜かれる。DuPont 6146 Pd/Ag厚膜ペーストから成る導電体ペーストが、スクリーン印刷またはプリンティングによって、図３に示すような単一極二重投入スイッチおよび二重トラック電位差計の形態で基板上に堆積される。電気的トレースおよび端子接続パッドもまた、好ましくは同じ導電体ペースト製であり、また、好ましくは導電体トラックと同時に基板上に堆積される。典型的には、従来の厚膜製造法に従って、導電体ペーストは40ミクロンの厚さでスクリーン印刷され、20ミクロン未満の厚さにまで乾燥される。LTCC基板材料の第二のシートが第一のシートと同じ寸法に打ち抜かれ、次いで、第一の印刷された基板層の背面に一軸的にラミネートされる。このラミネート工程は、3000 psiの圧力のプレス中において、30℃で10分間、上記二つの層および導電体を加圧することによって行われる。このラミネート工程の間に、印刷された導電体層は前記基板層の表面の中に圧入されて、平滑で且つ実質的に同一平面にあり、または平坦な表面が形成される。加圧の後に、融合されたスタックは、センサハウジングの形状に対応する所望の形状に打ち抜かれる。このスタックは、次いで平坦なセラミックタイルの上に配置され、従来の厚膜炉において、空気中で875°の標準温度プロファイルに従って焼成される。このスタックは、焼成の間に約12.5％±0.1％収縮する。
【００３８】
この収縮量は使用した材料の特性であり、スイッチ素子の加工の際に制御される変数ではない。この共焼成されたPd/Ag導電体は、スイッチ素子の焼成された表面が実質的に同一平面で且つ捻れないように、全ディメンジョンにおいて前記誘電体基板層と同じ比率で収縮するように設計される。導電体と基板の間の高さの差は、好ましくは4ミクロン未満である。上記のラミネートまたは加圧工程は、基板および導電体の両方に対して、従来の厚膜加工で達成されるよりも更に平滑な焼成表面を形成する。
【００３９】
前記スタックを焼成した後、印刷またはスクリーン印刷により、導電体の上にPTF抵抗体ペーストを堆積させて電位差計が形成される。次いで、PTF抵抗体材料のための従来の硬化手順に従って、スタックは空気中において約200℃まで加熱される。硬化の後、このスイッチ素子はセンサハウジング内に配置され、回転子接触部材および他のセンサ部品と共に組立てられる。このスイッチ素子は、プラスチック製のセンサハウジングに加熱スタックされるが、ネジまたはリベットのような別の手段を使用して、該素子をハウジング内に固定してもよい。
【００４０】
足で操作されるアクセルペダルのための、集積化されたスロットル制御およびアイドル確認センサスイッチについて本発明を示し、且つ説明してきた。しかし、ここに含められた教示から、本発明は種々の制御もしくは検知装置に対しても適用することができ、これら装置は同じ高周期要件を有していてもよく、または有しなくてもよく、更にスイッチもしくは電位差計またはその両者の種々の組合せを有してもよいことが当業者には明らかであろう。別々の導電体もしくは抵抗体のトラックと摺動係合したワイパー接触部材を有するこれら装置の幾つかには、デジタルエンコーダ装置、スロットル位置センサ、調節可能なペダル位置センサ、調節可能な車の座席位置センサ、調節可能なステアリングホイール位置センサ（これは自動車の位置メモリーのために使用してもよい）、またはドライブ・バイ・ワイヤ適用のためのステアリングホイール・デジタルエンコーダが含まれるが、これらに限定されない。デジタルエンコーダの場合、このような一つの構成は、回転ワイパーの軸の回りに放射状に整列した円弧状の境界内に形成された、コレクタとして使用される隣接する細長い円弧状の導電体トラックと同じ形状を有し、且つこれと同軸に整列されて、回転する機械的入力装置のデジタル位置出力を与える複数の導電体（例えば、2％の解像度を与えるように少なくとも50個の導電体）を含んでいてもよい。
【００４１】
本発明は、上記で説明および例示した特定の実施例または適用に限定されないことが理解されるであろう。当業者は、特許請求の範囲で定義した本発明およびその均等の範囲を逸脱することなく、ここでの教示を採用し、また種々の変形を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、集積化されたスロットル制御およびアイドル確認センサススイッチを示す分解斜視図である。
【図２】 図２は、図１の組立てられたスイッチ素子、回転子接触部材および戻りバネを示す詳細な斜視図である。
【図３】 図３は、図１のスイッチ素子の平面図である。
【図４】 図４は、加工の一工程における厚膜スイッチ素子を示す断面図である。
【図５】 図５は、第二の加工工程における厚膜スイッチ素子を示す断面図である。
【図６】 図６は、加工が完了した後の線６−６に沿った図３のスイッチ素子を示す断面図である。
【図７】 図７は、可変抵抗器およびワイパー接触部材を通るように示した、従来技術のスイッチ素子の断面図である。
【図８】 図８は、ワイパー接触部材を示す線８−８に沿った図３のスイッチ素子の断面図である。

Claims (31)

1. その上を摺動可能なワイパー接触部材と係合可能な少なくとも二つの導電体を有する電気的スイッチ装置であって、以下のプロセスによって製造された電機スイッチ：
   （ａ）生の状態の低温共焼成誘電体基板を準備すること；
   （ｂ）前記基板の表面に導電性材料を堆積して、前記導電体を形成すること；
   （ｃ）前記導電体を、該導電体が前記基板表面と実質的に同一平面になるまで前記基板の中に圧入すること；
   （ｄ）工程（ｃ）の後に、前記同一平面の導電体を備えた前記基板を、前記基板を焼結するのに充分に高く且つ前記導電体の融点未満である温度で焼成し、ここで前記導電体および前記基板は、焼成の後に前記導電体が前記基板表面と実質的に同一平面になるように、焼成の際に同じ収縮率を有すること；および
   （ｅ）前記導電体と摺動係合した電気的ワイパーを組立てること。
2. 請求項１に記載の装置であって、前記共焼成誘電体基板がガラスおよび耐火性材料を含む前記プロセスによって製造された装置。
3. 請求項１に記載の装置であって、前記導電体材料が貴金属合金またはサーメット材料である前記プロセスにより製造された装置。
4. 請求項１に記載の装置であって、前記焼成が約800℃〜約900℃未満の最大温度で行われる前記プロセスにより製造された装置。
5. 請求項１に記載の装置であって、前記導電体材料が細長い円弧状に堆積される前記プロセスによって製造された装置。
6. 請求項１に記載の装置であって、前記プロセスが更に前記誘電体基板の第二の表面に対して誘電体材料のシートをラミネートすることを含み、且つ前記第二の表面は前記導電体が堆積される前記第一の表面の反対側である前記プロセスにより製造された装置。
7. 請求項６に記載の装置であって、前記ラミネートが、誘電体基板および誘電体材料シートの両者が生の状態であるときに行われる前記プロセスによって製造された装置。
8. 請求項１に記載の装置であって、前記工程（ｃ）の前に、生の状態の誘電体材料シートを前記生の状態の誘電体基板の第二の表面に当接させて配置することを含み、該第二の表面は前記導電体が堆積される第一の表面の反対側である前記プロセスによって製造された装置。
9. 請求項１に記載の装置であって、焼成後の前記導電体が前記基板表面と実質的に同一平面であるように、前記誘電体基板および導電体材料が、焼成工程の際に同じ収縮率を有する前記プロセスにより製造された装置。
10. 請求項１に記載の装置であって、更に、前記導電体の上およびそれら導電体の二つの間にポリマー厚膜抵抗体材料を堆積して、抵抗体を形成することを含む前記プロセスによって製造された装置。
11. 請求項１０に記載の装置であって、更に、空気雰囲気において、約200℃の温度で前記ポリマー厚膜抵抗体材料を硬化させることを含む前記プロセスによって製造された装置。
12. 請求項１０に記載の装置であって、更に、第二のワイパー接触部材を前記抵抗体と摺動係合させて配置することを含む前記プロセスによって製造された装置。
13. 請求項１に記載の装置であって、前記導電体が約10〜約20ミクロンの深さを有する前記プロセスにより製造された装置。
14. 集積化された位置センサおよび確認装置であって：前記装置は、
    （ａ）装置ハウジングと；
    （ｂ）前記ハウジングの外部の可動オブジェクトに対する機械的結合のために適合された、前記ハウジング内部のワイパーであって、複数のワイパー接点を有するワイパーと；
    （ｃ）前記ハウジングの内部にあり且つ前記ワイパーに近接したスイッチ素子とを具備してなり、該スイッチ素子は、
    （１）頂面を有する低温共焼成誘電体基板と、
    （２）夫々が少なくとも一つのワイパー接触部材との係合のための表面を有する複数の離間した導電体トラックであって、前記導電体のうちの少なくとも三つは前記ワイパー接触部材に関して配置され、該ワイパー接触部材と協働して、前記可動オブジェクトの位置に応答して確認信号を与える単一極の二重投入スイッチを形成し、また前記導電体トラックの少なくとも一つは前記ワイパー接触部材に関して配置されて、可変抵抗器のための共通のコレクタを形成する導電体トラックと、
    （３）前記基板表面上の厚膜抵抗体であって、導電体パッドを覆って配置された対向端を有し、該抵抗体と摺動係合するワイパー接触部材および前記共通のコレクタと協働して、前記可動オブジェクトの位置に応答した位置信号を与える可変抵抗器を形成する厚膜抵抗体とを含み、
    前記導電体トラックおよび前記導電体パッドの表面は、前記基板の表面と実質的に同一平面である装置。
15. 導電体の上を摺動可能な電気的ワイパーと係合した少なくとも二つの導電体を有する電気的スイッチのためのスイッチ素子を製造する方法であって：
    （ａ）生の状態の低温共焼成誘電体基板を準備する工程と；
    （ｂ）前記基板の表面に、前記基板と同様の収縮率を有する導電性材料を堆積して、前記導電体を形成する工程と；
    （ｃ）前記導電体を、該導電体が前記基板と実質的に同一平面になるまで前記基板の中に圧入する工程と；
    （ｄ）工程（ｃ）の後に、前記同一平面にある導電体を備えた前記基板を、該基板を焼結するのに充分に高く且つ前記導電体の融点未満である温度で焼成する工程と；
    （ｅ）電気的ワイパーを、前記導電体の少なくとも二つに電気的に接触させて、前記基板上に配置する工程とを具備した方法。
16. 請求項１５に記載の方法であって、前記共焼成誘電体基板は、ガラスおよび耐火性材料を含んでなる方法。
17. 請求項１５に記載の方法であって、前記導電性材料は貴金属合金またはサーメット材料である方法。
18. 請求項１５に記載の方法であって、前記焼成は約800℃〜約900℃の最大温度で起きる方法。
19. 請求項１５に記載の方法であって、前記導電性材料は細長い円弧状の形状で堆積される方法。
20. 請求項１５に記載の方法であって、更に、誘電体材料のシートを前記誘電体基板の第二の表面に当接させてラミネートすることを含んでなり、前記第二の表面は、前記導電体が堆積される前記第一の表面の反対側である方法。
21. 請求項２０に記載の方法であって、前記ラミネートは、前記誘電体基板および誘電体材料のシートの両者が生の状態にあるときに行われる方法。
22. 請求項１５に記載の方法であって、更に、工程（ｃ）の前に、生の状態の誘電体材料のシートを前記誘電体基板の第二の表面に当接して配置することを含んでなり、前記第二の表面は、前記導電体が堆積される前記第一の表面の反対側である方法。
23. 請求項１５に記載の方法であって、前記誘電体基板および導電体材料は、焼成の後に前記導電体が前記基板表面と実質的に同一平面になるように、焼成工程の際に同様の収縮率を有する方法。
24. 請求項１５に記載の方法であって、更に、少なくとも一つの前記導電体を覆ってポリマー厚膜抵抗体材料を堆積し、摺動ワイパーと係合可能な抵抗体を形成する工程を含んでなる方法。
25. 請求項２４に記載の方法であって、更に、前記ポリマー厚膜抵抗体材料を、空気雰囲気において約200度の温度で硬化させることを含んでなる方法。
26. 請求項２４に記載の方法であって、更に、ワイパーを前記抵抗体と摺動接触させて配置することを含んでなる方法。
27. 基板と、該基板上の相互に離間されて夫々の間にギャップが形成される少なくとも二つの導電体と、前記導電体と摺動係合し且つ前記導電体の間のギャップを通る接触体とを有するタイプの電気センサスイッチを製造する方法であって：
    （ａ）生の状態の低温共焼成誘電体の第一の層を準備する工程と；
    （ｂ）前記第一の基板層の表面上において、少なくとも二つの離間した領域に導電性材料を堆積して、それらの間にギャップを有する導電体を形成し、前記導電性材料は前記基板と同様の焼成収縮特性を有する工程と；
    （ｃ）生の状態の第二の誘電体材料層を準備する工程と；
    （ｄ）該第二の層の上に、前記導電体を露出させたまま前記第一の層を配置する工程と；
    （ｅ）前記第一および第二の層を一緒に圧接する工程と；
    （ｆ）前記導電体を前記第一の層の中に加圧する工程と；
    （ｇ）前記層および導電体を焼成する工程と；
    （ｈ）前記第一の層上に、前記導電体の夫々を前記第一の層上の端子に電気的に接続する導電体トレースを堆積する工程と；
    （ｉ）前記導電体を覆って摺動接触部材を配置する工程とを具備する方法であって、
    前記工程（ｆ）は、前記導電体が前記第一の層の表面と実質的に同一平面になるまで、前記導電体を前記第一の層の中に圧入するのに充分な圧力を用いて行われる方法。
28. 少なくとも二つの導電体を有する電気的スイッチボードであって、前記導電体は前記ボード上を摺動可能な電気的ワイパーと係合して、前記導電体を含む回路を形成および遮断するスイッチボードを製造する方法において、
    （ａ）生の状態の低温共焼成誘電体の第一のシートを準備する工程と；
    （ｂ）前記第一のシートの一つの表面に導電性材料を堆積して前記導電体を形成し、該導電体は前記基板と同様の焼成収縮特性を有する工程と；
    （ｃ）生の状態の第二の誘電体材料シートを準備する工程と；
    （ｄ）前記第一および第二のシートを充分な圧力で一緒に圧接して、前記導電体が前記一つの面と実質的に同一平面になるまで、前記導電体を前記第一のシートの中に変位させる工程と；
    （ｅ）工程（ｄ）においてラミネートされたシートを焼成する工程とを具備する方法。
29. 請求項２８に記載の方法であって、前記導電体は、約10〜約20ミクロンの深さで前記基板の中に埋め込まれる方法。
30. 請求項２８に記載の方法であって、前記導電体は、隣接する導電体の間に約0.01インチ（約0.254ｍｍ）のギャップを設けて配置される方法。
31. 請求項３０に記載の方法であって、円弧状の形状を有する細長い導電体トラックに隣接し且つ同軸的に整列された円弧状の境界内において、前記基板上に複数の導電体が形成される方法。

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