JP5817705B2 - ピンおよびそれを備えた表面実装コネクタならびに表面実装コネクタの固定方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面実装コネクタの実装に関するものである。

プリント基板への部品実装においては他基板や他部品と電源および伝送用にケーブル接続を行うための表面実装コネクタが実装されることが多い。表面実装コネクタには、例えば他の部品と同時にリフローによりプリント基板に半田付けされる端子の他に、プリント基板にハウジングを固定させるための固定部材が取り付けられる。

特許文献１には、表面実装コネクタのハウジングに取り付けられた固定金具の貫通穴と、プリント基板側の貫通穴とに、プリント基板への取付強度を増強する補強部材が圧入された表面実装コネクタの取付構造が開示されている。特許文献２には、先端にすり割り部を有する形状記憶合金からなる締結ピンを、コネクタハウジングおよびプリント基板の貫通穴に挿入し、加熱して上記すり割り部を変形させることにより表面実装コネクタを固定させる技術が開示されている。特許文献３には、表面実装コネクタのハウジングの底面にプリント基板の穴に挿入する位置決め用の足を設けるとともに、当該足に弾性的に変形或いは収縮して前記基板の穴を潜り抜け、基板穴を潜り抜けた後に膨出部が基板穴出口側端縁に接触することで表面実装コネクタの固定を行う技術が開示されている。

特開２００９−１９３７４６号公報 特開平３−１１７７１１号公報 実開平６−６００６７号公報

しかしながら、従来の表面実装コネクタの取付構造によれば、ハウジングを固定するための部材をプリント基板の穴に挿入するときに、当該部材が穴に圧入、ねじ込み、摺接などの状態を経る。従って、プリント基板に応力が加わり、既に他の部品や半田材が載置されたプリント基板に振動が発生して、他の部品の位置をずらしてしまったり、他の部品を跳ね飛ばしてしまったりする虞がある。例えば、プリント基板への圧入時に固定部材が弾性変形していれば、その復元力で応力が発生する。

本発明は、斯かる従来の問題点を鑑みてなされたものであり、表面実装コネクタなどのある部材をプリント基板などの他の部材へ実装する時に、当該他の部材へ応力を発生させにくい固定部材となるピン、およびそれを備えた表面実装コネクタ、ならびに表面実装コネクタの固定方法を提供するものである。

本発明の第１の局面は、複数の部材を貫通した状態で前記部材どうしを固定するピンであって、貫通軸と、前記貫通軸の一端に傘骨状に設けられた複数の金属片からなる先端部と、前記貫通軸の他端に設けられた抜止めストッパと、前記先端部と前記貫通軸とに挟持された状態に設けられた熱膨張性材料と、を備えていることを特徴とするピンである。

また、本発明の第２の局面は、前記第１の局面において、前記熱膨張性材料は発泡性材料であることを特徴とするピンである。

また、本発明の第３の局面は、前記第１または第２の局面のピンを備えた表面実装コネクタであって、ハウジングとコネクタ端子とを備えており、前記ピンは、前記先端部が前記ハウジングの外側に位置するように前記貫通軸が前記ハウジングを前記部材の１つとして貫通しているとともに、前記ハウジングの内側で前記抜止めストッパにより前記ハウジングの外側への抜止めが制止された状態にある、ことを特徴とする表面実装コネクタである。

また、本発明の第４の局面は、前記第３の局面において、前記抜止めストッパと前記ハウジングの内側面との間に付勢方向を有するように、半田で固化された圧縮ばねを備えている、ことを特徴とする表面実装コネクタである。

また、本発明の第５の局面は、前記第３の局面の表面実装コネクタをプリント基板に固定する表面実装コネクタの固定方法であって、前記ピンを前記先端部側から、前記先端部の拡がりの最大径よりも大きな開口径の貫通穴が形成された前記プリント基板の前記貫通穴に貫挿することにより前記表面実装コネクタを前記プリント基板上に載置する工程と、前記プリント基板に載置された前記表面実装コネクタを加熱して前記ピンの前記熱膨張性材料を膨張させることにより、傘骨状の前記先端部を、前記プリント基板の裏面側で前記金属片が前記貫通穴の開口端を跨ぐ状態となる角度に拡げる工程と、を含んでいることを特徴とする表面実装コネクタの固定方法である。

また、本発明の第６の局面は、前記第４の局面の表面実装コネクタをプリント基板に固定する表面実装コネクタの固定方法であって、前記ピンを前記先端部側から、前記先端部の拡がりの最大径よりも大きな開口径の貫通穴が形成された前記プリント基板の前記貫通穴に貫挿することにより前記表面実装コネクタを前記プリント基板上に載置する工程と、前記プリント基板に載置された前記表面実装コネクタを加熱して、前記圧縮ばねを固化させている半田の溶融温度よりも低い温度で前記ピンの前記熱膨張性材料を膨張させることにより、傘骨状の前記先端部を、前記プリント基板の裏面側で前記金属片が前記貫通穴の開口端を跨ぐ状態となる角度に拡げる工程と、前記先端部の角度を拡げた後に前記表面実装コネクタをさらに加熱して、前記圧縮ばねを固化させている半田を溶融させる工程と、前記圧縮ばねを固化させている半田が溶融して前記圧縮ばねが伸長した後に加熱を停止させる工程と、を含んでいることを特徴とする表面実装コネクタの固定方法である。

第１の局面によれば、ある部材を貫通させたピンを、熱膨張材料の膨張前に先端部側から他の部材に予め設けた貫通穴を貫通させてから熱膨張させるようにすれば、前記ある部材を前記他の部材に載置するに際してピンがプリント基板に干渉しないとともに、熱膨張材料の膨張により貫通軸との角度が拡がる金属片からなる先端部が前記他の部材に係止する。従って、表面実装コネクタなどのある部材をプリント基板などの他の部材へ実装する時に、当該他の部材へ応力を発生させにくい固定部材となるピンを提供することができる。また、ピンの変形部分に形状記憶合金のような高価な材料が不要である。

第２の局面によれば、熱膨張を発泡性材料によって容易に実現することができる。

第３および第５の局面によれば、プリント基板への実装時にプリント基板へ応力を発生させにくい固定部材を備えた表面実装コネクタおよびその固定方法を提供することができる。

第４および第６の局面によれば、先端部が加熱により拡がった状態でプリント基板との間に隙間を生じたとしても、その後の圧縮ばねによるピンの移動により、先端部がプリント基板の裏面に当接するので、ハウジング従って表面実装コネクタを強固に固定することが可能となる表面実装コネクタおよびその固定方法を提供することができる。

本発明の実施形態を示すものであり、表面実装コネクタがプリント基板に実装された状態の構成を示す端面図 図１の構成を側面側から見た断面図 本発明の実施形態を示すものであり、表面実装コネクタのプリント基板への実装における第１の段階を説明する断面図 本発明の実施形態を示すものであり、表面実装コネクタのプリント基板への実装における第２の段階およびピンの構成を説明する断面図 本発明の実施形態を示すものであり、表面実装コネクタのプリント基板への実装における第３の段階およびピンの構成を説明する断面図 本発明の実施形態を示すものであり、表面実装コネクタのプリント基板への実装における第４の段階およびピンの構成を説明する断面図 本発明の実施形態を示すものであり、半田リフロー工程を説明する斜視図 本発明の実施形態を示すものであり、変形例に係るピンを備える表面実装コネクタのプリント基板への実装における第１の段階およびピンの構成を説明する断面図 本発明の実施形態を示すものであり、変形例に係るピンを備える表面実装コネクタのプリント基板への実装における第２の段階を説明する断面図 本発明の実施形態を示すものであり、変形例に係るピンを備える表面実装コネクタのプリント基板への実装における第３の段階を説明する断面図

本発明の実施形態について図面を用いて説明すれば以下の通りである。

図１および図２に、本実施形態に係る表面実装コネクタ１がプリント基板２に実装された状態の構成を示す。図１は、表面実装コネクタ１に接続される他のインタフェースコネクタの挿入口側から表面実装コネクタ１を見た端面図、図２は、前記挿入口側を正面側としたときの側面側から表面実装コネクタ１を見た断面図である。

表面実装コネクタ１は、ハウジング１１と、複数の電気接続用のコネクタ端子である端子１２と、１つ以上のピン１３とを備えている。ハウジング１１は挿入口側で開口しており、端子１２はハウジング１１内から挿入口側と反対側にある閉塞壁を貫通して、端子のリード先端部１２ａがプリント基板２に半田付けされている。以下では、半田付け方法として例えばリフローによる半田付けを想定する。ピン１３はハウジング１１の底面から突出して設けられており、プリント基板２の貫通穴（後述の貫通穴２ａ）に、貫通するように挿入されている。ピン１３は、表面実装コネクタ１の位置決めピンとして機能するとともに、ハウジング１１をプリント基板２に固定する部材として機能する。

なお、図１および図２には示さないが、表面実装コネクタ１内にインタフェース回路やインピーダンス整合回路などを備えていてもよい。

図３〜図６を用いて、ピン１３の詳細な構成と、表面実装コネクタ１のプリント基板２への実装方法とを説明する。

図３に示すように、表面実装コネクタ１をプリント基板２に実装しようとするときは、まず、ピン１３をプリント基板２の貫通穴２ａに挿入する。このとき、他の部品や半田材が既にプリント基板２上に配置されている状態であってもよいし、まだ配置されていない状態であってもよい。

図４に、ピン１３としての一構成例であるピン１３Ａを基板面に垂直な断面図で示す。ハウジング１１およびプリント基板２については説明に用いる注目箇所以外の図示を省略してある。

ピン１３Ａは、金属ピン部１３ａと膨張部１３ｂとを備えている。ピン１３Ａは、表面実装コネクタ１のプリント基板２への載置前から表面実装コネクタ１に取り付けられており、ハウジング１１をプリント基板２の所定位置にアライメントするための位置決めピンとして機能する。また、ピン１３Ａは、ハウジング１１とプリント基板２という複数の部材を貫通した状態でこれら部材どうしを固定するピンとして機能する。ここでは互いに固定する部材を２つとするが、一般に任意の複数でよい。

金属ピン部１３ａは、先端部１３１と、貫通軸１３２と、抜止めストッパ１３３とを備えている。貫通軸１３２は固定する全ての部材であるハウジング１１とプリント基板２とを貫通する長さを有する。先端部１３１は、貫通軸１３２の一端に傘骨状に設けられた複数の金属片からなる。すなわち、複数の金属片が貫通軸１３２の一端から貫通軸１３２と鋭角をなす方向に取り付けられている。例えば、これら複数の金属片が上記一端を中心として放射状に延びた構成を挙げることができる。抜止めストッパ１３３は、貫通軸１３２の他端に設けられており、ピン１３Ａがハウジング１１から抜けないように制止する係止部材である。抜止めストッパ１３３は、例えば、貫通軸１３２が中心部と接続される、円盤や放射状ストリップからなる。

先端部１３１がハウジング１１の外側に位置するように、貫通軸１３２がハウジング１１を前記部材の１つとして貫通している。また、ハウジングの内側で抜止めストッパ１３３が、ピン１３Ａのハウジング１１の外側への抜止めを制止している。なお、ここでは、先端部１３１と、貫通軸１３２と、抜止めストッパ１３３とが全て金属からなるが、上記金属片以外は任意材料でよい。

膨張部１３ｂは、先端部１３１と貫通軸１３２との狭角空間において両者に挟持された状態に設けられている。膨張部１３ｂは、加熱されると膨張し、熱が除去されても膨張したままとなる性質を有する熱膨張性材料からなる。当該熱膨張材料として、例えばマイクロカプセル（樹脂）などの発泡性材料が挙げられ、ここでは、半田リフロー温度の２２０℃〜２４０℃程度で膨張するものを用いる。

ピン１３Ａをハウジング１１に取り付けるには、例えば、貫通軸１３２の一端を複数の分岐する金属片に折り曲げ加工して先端部１３１を形成し、膨張部１３ｂとなる熱膨張材料を貼り付ける。次いで、ハウジング１１の外側から、貫通軸１３２の他端側を、ハウジング１１にプリント基板２への実装位置に応じて予め形成した貫通穴に貫挿する。その後、ハウジング１１の内側において貫通軸１３２の他端を変形加工することにより抜止めストッパ１３３を形成する。

ピン１３Ａは、ハウジング１１の底面側から見て、特定方向にのみ金属片が偏在して、あるいは、複数の金属片が放射状をなして、折りたたまれた状態にある。この状態における、底面側から見たピン１３Ａの拡がりの最大径は、プリント基板２の貫通穴２ａの開口径Ｄよりも小さい。

図５のように、ピン１３Ａが貫通穴２ａに貫挿されると、ピン１３Ａの先端部１３ａの全体がプリント基板２の裏面側に突出する。開口径Ｄがピン１３Ａの拡がりの最大径よりも大きいので、表面実装コネクタ１をプリント基板２に載置するに際して、固定部材のピン１３Ａがプリント基板２に干渉しない。

そして、図５のように表面実装コネクタ１が載置され、他の部品および半田材の載置も完了したプリント基板２を半田リフロー工程に通すことによって、図６に示すように、リフローの加熱で同時に膨張部１３ｂが膨張する。膨張部１３ｂが膨張することにより、先端部１３１の金属片が傘骨状のまま貫通軸１３２との角度を拡げるように変形し、プリント基板２の裏側にある貫通穴２ａの開口端を跨ぐ状態となる角度に拡がる。リフローの加熱が停止されて温度が常温まで低下しても、膨張部１３ｂの形状は変化せず、変形したピン１３Ａの形状は維持される。このとき、プリント基板２の裏面側に突出したピン１３Ａの部分を当該裏面側から見た径Ｅは、貫通穴２ａの開口径Ｄよりも大きくなる。これにより、ハウジング１１とプリント基板２とが相対的に移動しようとしても、ピン１３Ａが当接箇所Ｃでプリント基板２に係止され、ハウジング１１がプリント基板２に対して固定される。同時に、端子１２はプリント基板２の表面に半田付けされる。こうして表面実装コネクタ１全体がプリント基板２に固定され、実装が完了する。

このように、ピン１３Ａを備える表面実装コネクタ１によれば、プリント基板２に載置されるときから固定が完了するまで、ピン１３Ａが貫通穴２ａの側壁、貫通穴２ａ付近の表面などのプリント基板２の一部に、圧入、ねじ込み、摺接などによる応力を発生させるような接触を起こすことを回避することができる。特にリフロー前には、ピン１３Ａに対して、プリント基板２に干渉するような接触をさせないようにすることが可能であるから、各部品の配置を乱すようなトラブルを容易かつ確実に避けることができる。また、ピンの変形部分に形状記憶合金のような高価な材料が不要である。

図７に、半田リフロー工程について説明する。表面実装コネクタ１は他の部品および半田材とともにプリント基板２に載置され、コンベア２０によってリフロー炉内を矢印Ｔ方向に搬送される。搬送中は熱風Ｈが搬送される基板全体に供給され、これによって半田材が溶融するとともに、ピン１３Ａの膨張部１３ｂが膨張する。リフロー炉を通過した基板の冷却とともに端子１２のリード先端部１２ａに施された半田が硬化する。

また、ピン１３Ａの加熱はリフローによらずとも別途の加熱手段を用いて任意時に行ってよい。しかし、リフローによる加熱を利用することにより、特別な処理を追加することなく、ピン１３Ａをプリント基板２に固定させることができる。

次に、ピン１３の変形例の構成について説明する。

図８〜図１０に、変形例に係るピン１３Ｂの構成を基板面に垂直な断面図で示す。

図８に示すように、ピン１３Ｂは、金属ピン部１３ｃと膨張部１３ｄとを備えている。金属ピン部１３ｃは前記ピン１３Ａの金属ピン部１３ａにおいて、抜止めストッパ１３３を抜止めストッパ１３４とし、さらにばね１３５を備えた構成である。抜止めストッパ１３４は、ハウジング１１の内側面との間にばね１３５を収容する空間Ｚを形成して、当該内側面に当接する折り曲げ端部１３４ａを有する構成をなしている。ばね１３５は、抜止めストッパ１３４と前記内側面との対向する面どうしを結ぶ方向を付勢方向とするように空間Ｚに収容されている、コイルばねなどで構成される圧縮ばねである。ばね１３５は、圧縮された状態で半田により全体が固定されていて伸長ができず、本来の付勢は阻止された状態にある。図８では、ばね１３５が貫通軸１３２と抜止めストッパ１３４の側壁との間に１つ以上配置されている。この他に、ばね１３５が貫通軸１３２がコイル中心軸に位置するように１つ配置されていてもよい。

また、膨張部１３ｄは前記ピン１３Ａの膨張部１３ｂと同様の構成であるが、膨張するときの温度がばね１３５を固化させている半田の溶融温度よりも低いという特性を有している。ここでは、ばね１３５を固化させている半田の溶融温度を半田リフロー温度と同等の２２０℃程度とし、膨張部１３ｄが膨張する温度を半田リフロー温度よりも低い温度に選定する。

ピン１３Ｂは、例えば、ピン１３Ａと同様に先端部１３１を形成した貫通軸１３４をハウジング１１に貫通させ、ハウジング１１の内側で抜止めストッパ１３４を変形加工するとともに、予め半田で固化させたばね１３５を空間Ｚに収容することで、ハウジング１１に取り付けることができる。

図８のように表面実装コネクタ１をプリント基板２上に載置した状態では、先端部１３１の全体がプリント基板２の裏面側に突出している。

次いで、リフロー工程を開始すると、図９に示すように、雰囲気温度がリフロー温度に達する前に膨張部１３ｄが膨張を開始し、先端部１３１が拡がる。このとき、ばね１３５を固化させている半田はまだ固化したままであるので、ばね１３５は圧縮されたままの状態にある。

そして、雰囲気温度がリフロー温度に達すると、リフロー半田が溶融するとともに、ばね１３５を固化させている半田も溶融する。このとき、膨張部１３ｄは膨張を完了した状態か、さらに膨張する状態にあり、先端部１３１の拡がりは前工程における角度以上に保持される。これにより、図１０に示すように、ばね１３５が付勢されて伸長し、抜止めストッパ１３４を持ち上げる。これにより、先端部１３１がプリント基板２の裏面に当接するまで、ピン１３Ｂの全体が移動する。

その後、リフロー加熱が終了して温度が低下する過程で、ばね１３５に施されていた半田材が再び固化する。従って、ばねは伸長した状態のまま再び固化し、付勢を阻止された状態となる。先端部１３１は拡がったままの状態となる。

ピン１３Ｂによれば、先端部１３１が加熱により拡がった状態でプリント基板２との間に隙間を生じたとしても、その後のばね１３５によるピン１３Ｂの移動により、先端部１３１がプリント基板２の裏面に当接するので、ハウジング１１従って表面実装コネクタ１を強固に固定することが可能である。

以上、本実施形態について説明した。なお、上述した各実施例を本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更した構成で実施することも可能である。

本発明は、例えば車載ネットワークを構成する基板を含め、部品が搭載されたプリント基板を備える装置一般に適用可能である。

１ 表面実装コネクタ
２ プリント基板
１１ ハウジング
１２ 端子
１３、１３Ａ、１３Ｂ ピン
１３ａ、１３ｃ 金属ピン部
１３ｂ、１３ｄ 膨張部
１３１ 先端部
１３２ 貫通軸
１３３、１３４ 抜止めストッパ
１３５ ばね
Ｄ 開口径
Ｅ 径

Claims (6)

1. 複数の部材を貫通した状態で前記部材どうしを固定するピンであって、
   貫通軸と、
   前記貫通軸の一端に傘骨状に設けられた複数の金属片からなる先端部と、
   前記貫通軸の他端に設けられた抜止めストッパと、
   前記先端部と前記貫通軸とに挟持された状態に設けられた熱膨張性材料と、
   を備えていることを特徴とするピン。
2. 前記熱膨張性材料は発泡性材料であることを特徴とする請求項１に記載のピン。
3. 請求項１または２に記載のピンを備えた表面実装コネクタであって、
   ハウジングとコネクタ端子とを備えており、
   前記ピンは、前記先端部が前記ハウジングの外側に位置するように前記貫通軸が前記ハウジングを前記部材の１つとして貫通しているとともに、前記ハウジングの内側で前記抜止めストッパにより前記ハウジングの外側への抜止めが制止された状態にある、
   ことを特徴とする表面実装コネクタ。
4. 前記抜止めストッパと前記ハウジングの内側面との間に付勢方向を有するように、半田で固化された圧縮ばねを備えている、ことを特徴とする請求項３に記載の表面実装コネクタ。
5. 請求項３に記載の表面実装コネクタをプリント基板に固定する表面実装コネクタの固定方法であって、
   前記ピンを前記先端部側から、前記先端部の拡がりの最大径よりも大きな開口径の貫通穴が形成された前記プリント基板の前記貫通穴に貫挿することにより前記表面実装コネクタを前記プリント基板上に載置する工程と、
   前記プリント基板に載置された前記表面実装コネクタを加熱して前記ピンの前記熱膨張性材料を膨張させることにより、傘骨状の前記先端部を、前記プリント基板の裏面側で前記金属片が前記貫通穴の開口端を跨ぐ状態となる角度に拡げる工程と、
   を含んでいることを特徴とする表面実装コネクタの固定方法。
6. 請求項４に記載の表面実装コネクタをプリント基板に固定する表面実装コネクタの固定方法であって、
   前記ピンを前記先端部側から、前記先端部の拡がりの最大径よりも大きな開口径の貫通穴が形成された前記プリント基板の前記貫通穴に貫挿することにより前記表面実装コネクタを前記プリント基板上に載置する工程と、
   前記プリント基板に載置された前記表面実装コネクタを加熱して、前記圧縮ばねを固化させている半田の溶融温度よりも低い温度で前記ピンの前記熱膨張性材料を膨張させることにより、傘骨状の前記先端部を、前記プリント基板の裏面側で前記金属片が前記貫通穴の開口端を跨ぐ状態となる角度に拡げる工程と、
   前記先端部の角度を拡げた後に前記表面実装コネクタをさらに加熱して、前記圧縮ばねを固化させている半田を溶融させる工程と、
   前記圧縮ばねを固化させている半田が溶融して前記圧縮ばねが伸長した後に加熱を停止させる工程と、
   を含んでいることを特徴とする表面実装コネクタの固定方法。

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