JP5821806B2 - 電子装置 - Google Patents

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Description

本発明は、素子等が搭載された基板とリードとがワイヤにより電気的に接続される電子装置に関する。
近年、電子装置は温度幅の広い冷熱サイクルに関する信頼性が求められている。特許文献1には、コネクタ部材に固定されたコネクタピンと、素子が実装された回路基板とをボンディング用の金属線(アルミワイヤ)で接続する制御機器のコネクタ装置が提案されている。このような構成においては、アルミワイヤが回路基板とコネクタピン(リード)との線膨張係数差により生じる歪を吸収して緩和するようになっている。
特許第3867430号公報
ところで、近年、自動車のパワートレイン制御に高機能化が求められ、電子制御が複雑化している。これに伴い、電子制御に用いられる素子等の数が増加しつつある。そして、素子の搭載スペースを確保するため、電子装置がエンジンやトランスミッションに直載されるようになってきた。このため、電子装置が従来よりも温度幅の広い冷熱サイクル環境下に置かれる状況が生じてきた。そして、従来の構成における電子装置では、アルミワイヤが歪の大きさに耐えられず、断線してしまう虞があった。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、冷熱サイクル環境下におけるワイヤの接続信頼性を向上させることを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、
ベース部材(11)と、該ベース部材の一面(15a)に固定された基板(13)と、ベース部材に固定されたリード(12)と、ベース部材の前記一面側において、前記基板と前記リードとを電気的に接続するワイヤ(14)と、を備えた電子装置であって、
リードは、ベース部材に固定されるベース固定部(20)と、弾性変形可能に設けられたバネ部(21)と、ワイヤが接続されたワイヤ接続部(22)と、基板に固定された基板固定部(23)と、を有し、
ベース固定部、バネ部、ワイヤ接続部および基板固定部がこの順で設けられ、
基板の厚さ方向に直交する方向のうち、リードのベース部材との固定位置と、リードの基板との固定位置とを結ぶ方向を第1方向とすると、バネ部は、少なくとも第1方向に弾性変形可能とされることを特徴としている。
本発明では、リードが基板に固定された基板固定部を有している。また、リードが弾性変形するバネ部を有している。このため、基板が冷熱サイクルによって変形すると、リードは、変形した基板により第1方向に押され、バネ部を変形させながら第1方向に変位する。これにより、リードのベース部材との固定位置と、リードの基板との固定位置との間の距離は変化するが、基板のうちワイヤが接続された点と、リードのうちワイヤ接続部との相対的な位置がほとんど変化しない。すなわち、バネ部が、リードの固定位置間の距離の変化を吸収して、ワイヤの変形量を抑制する。このように、ワイヤがベース部材や基板の変形の影響を直接的に受けることがなく、従来の構成に較べて、基板とリードとを電気的に接続するワイヤの変形量を抑制することができる。したがって、冷熱サイクル環境下におけるワイヤの接続信頼性を向上させることができる。
本発明において、リードの有する基板固定部が基板に固定される方法として、基板固定部が、バネ部の付勢力により基板の側面に固定される構成とすることができる。これによれば、接着材などの別部材を介することなく、基板固定部と基板とを固定することができ、工程の削減や、材料コストの観点から有利である。
また、基板固定部が基板に固定される方法として、基板固定部が、基板と接着固定される構成とすることもできる。これによれば、リードが第1方向以外の方向にずれてしまうことを防止することができる。
第1実施形態に係る電子装置の概略構成を示す断面図である。 従来の電子装置の概略構成と一部の寸法を示す断面図である。 第1実施形態に係る電子装置の概略構成と一部の寸法を示す断面図である。 第2実施形態に係る電子装置の概略構成を示す断面図である。 第3実施形態に係る電子装置のうち、第1ガイド部の一例を示す斜視図である。 第2ガイド部の一例を示す斜視図である。 第3実施形態の変形例を示す斜視図である。 第4実施形態に係る電子装置の概略構成を示す上面図である。 その他の実施形態に係る基板の側面を示す概略図である。 その他の実施形態に係る基板の側面を示す概略図である。 その他の実施形態に係る基板の側面を示す概略図である。 その他の実施形態に係る電子装置の概略構成を示す断面図である。 その他の実施形態に係る電子装置の概略構成を示す断面図である。 その他の実施形態に係る電子装置の概略構成を示す上面図である。 その他の実施形態に係る電子装置の概略構成を示す上面図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分に、同一符号を付与する。
(第1実施形態)
最初に、図1を参照して、本実施形態に係る電子装置の概略構成について説明する。
本実施形態に係る電子装置10は、例えば、温度幅の広い冷熱サイクル環境下に晒される自動車のパワートレイン制御に用いられる。
この電子装置10は、ベース部材11と、該ベース部材11に固定されたリード12と、図示しない素子等が実装された基板13と、リード12と基板13とを電気的に接続するワイヤ14と、を有する。
ベース部材11は、例えば基板13等を内部に格納する筺体である。本実施形態におけるベース部材11は、アルミニウム等から成り、基板13等が接着固定された基部15と、基部15の開口部に配置され、図示しない相手側コネクタを嵌合させるためのコネクタハウジング16と、を有する。なお、コネクタハウジング16の構成材料としては合成樹脂等を用いることができる。
リード12は、ベース部材11、とくに本実施形態ではコネクタハウジング16、に固定されたベース固定部20と、弾性変形可能に曲げて形成されたバネ部21と、ワイヤ14が超音波溶接されたワイヤ接続部22と、バネ部の弾性により基板13に当接された基板固定部23と、を有する。ベース固定部20、バネ部21、ワイヤ接続部22、および、基板固定部23は、この順で一体的に設けられている。本実施形態におけるリード12の構成材料は、例えば銅である。リード12は、本発明の特徴部分であるため、後に詳述する。
基板13は、図示しない素子等が実装され、ベース部材11のうち、基部15の一面15aに接着材30を介して固定されている。基板13の、基部15の一面15aに対向する面と反対の一面13a側には、実装された素子等と電気的に繋がったパッド13bが形成されている。このパッド13bとリード12のワイヤ接続部22とがワイヤ14により電気的に接続される。本実施形態における基板13は、セラミックを主な成分として構成されている。
ワイヤ14はリード12と基板13とを電気的に接続する。より詳しくは、上記したように、リード12のワイヤ接続部22と基板13のパッド13bを電気的に接続する。これにより、図示しない相手側コネクタを介して、外部機器と基板13とが接続される。
次に、本発明の特徴部分であるリード12について、詳しく説明する。
ベース固定部20は、コネクタハウジング16における筐体の内側に相当する一面16aと、相手側コネクタが嵌合される側とを貫通するようにコネクタハウジング16に固定されている。ベース固定部20は、一面16a側の一端がバネ部21に連接されている。
バネ部21は、コネクタハウジング16の一面16aに略垂直に突出し、基板13が配置された側に弾性変形可能に曲げられてU字型を呈している。そして、ベース固定部20に接続された側と反対側の一端が、ワイヤ接続部22に連接されている。
ワイヤ接続部22は、コネクタハウジング16の一面16aと反対の面に、ワイヤ14が超音波溶接により接続される。ワイヤ接続部22は、一面16aに固定されず可動となっており、本実施形態では、一面16a上に載置されている。ワイヤ接続部22は、バネ部21に接続された側と反対側の一端が基板固定部23と連接されている。
基板固定部23は、基板13の側面13cに向かって延びて形成され、ワイヤ接続部22と接続された側と反対の一端が曲げられて側面13cに当接されている。
本実施形態では、図1に示すように、リード12の各要素20,21,22,23が、基板13の厚さ方向に直交する方向のうち、リード12のベース部材11との固定位置と、リード12の基板13との固定位置とを結ぶ方向(第1方向)に連接されている。バネ部21は、少なくともこの第1方向に弾性変形可能なように曲げられている。そして、基板固定部23は、バネ部21の付勢力によって基板13に固定されている。本実施形態では、側面13cに直交する方向が第1方向に相当する。なお、バネ部21は、この電子装置10の使用温度域において、リード12が常に基板13の側面13cに接触するように曲げ加工されている。
次に、本実施形態に係る電子装置10の組立方法について簡単に説明する。
まず、リード12を上記した所定の形状に曲げ加工する。そして、ベース固定部20側一端を、予め成形されたコネクタハウジング16に、例えば圧入あるいは嵌合させて固定する。
次いで、基部15の開口部に、リード12が一体的に配置されたコネクタハウジング16を嵌合させる。これにより、リード12が固定されたベース部材11が形成される。
次いで、基部15の一面15a側に基板13を固定する。具体的には、基板13が固定される所定の位置に接着材30を塗布したのち、リード12のバネ部21に対して、図示しない冶具を用いて第1方向に力を加えて弾性変形させる。そして、基板13を接着材30上に配置して固定した後、バネ部21に印加していた力を解いて、基板固定部23がバネ部21の弾性力により基板13の側面13cを付勢するようにする。
最後に、リード12のワイヤ接続部22と基板13のパッド13bとを電気的に接続するように、ワイヤ14を超音波溶接する。
次に、図2および図3を参照して、本実施形態に係る電子装置10の作用効果について説明する。
以下、冷熱サイクル下における各要素の変形量ΔLは、要素の長さL、線膨張係数α、温度幅ΔTを用いて、ΔL=αLΔTにて計算する。また、各要素の線膨張係数として、ベース部材11の基部15(アルミニウム)は23ppm/K、基板13(セラミック)は7ppm/K、リード12(銅)は17ppm/Kを用いる。また、冷熱サイクルの温度幅を130Kと仮定する。
先ず、従来構成において、冷熱サイクル下でのワイヤ14の変形量について説明する。従来は、図2に示すように、リード12がベース部材11に固定されつつ、リード12と基板13とがワイヤ14で接続される構成であった。ベース部材11や基板13は、第1方向において、中央(図2中、Cで示した位置)を伸縮の中心点として変形する。このような構成では、ベース部材11および基板13の伸縮が、直接的にワイヤ14の変形量に影響する。一般的に、ベース部材11や基板13は、ワイヤ14に対して体格が大きく、冷熱サイクルによる変形量も大きい。このため、これらの伸縮が直接的にワイヤ14の変形量に影響を与える従来構成では、ワイヤ14の接続信頼性が問題になる。以下、昇温時の変形量について定量的に説明する。
図2に示すように、ワイヤ14における、パッド13bとの接続位置(以下、基板側接続位置と示す)と、中央Cとの距離を35mmとすると、中央Cに対する基板13の膨張による基板側接続位置の変位量はΔL1≒31.8μmである。一方、ワイヤ14の、リード12との接続位置(以下、リード側接続位置と示す)と、中央Cとの距離を45mmとすると、中央Cに対する基部15の膨張によるリード側接続位置の変位量はΔL2≒134.5μmである。したがって、基板側接続位置とリード側接続位置との距離(ワイア14の変形量)は、昇温前に較べて略102.7μm拡がる。
これに対して、図3に示すように、本実施形態に係る電子装置10では、リード12の有する基板固定部23が基板13に固定されている。また、リード12が弾性変形するバネ部21を有している。このため、基板13が冷熱サイクルによって変形すると、リード12は変形した基板13により第1方向に押される。そして、リード12はバネ部21を変形させながら第1方向に変位する。これにより、リード12のベース部材11との固定位置と、リード12の基板13との固定位置との間の距離は変化するものの、基板側接続位置と、リード側接続位置との相対的な位置はほとんど変化しない。すなわち、バネ部21が、リード12の固定位置間の距離の変化を吸収して、ワイヤ14の変形量を抑制することができる。
本実施形態のような構成において、基板側接続位置とリード側接続位置との距離に影響を与える主な要因は、両者の間に存在する要素である。すなわち、基板13のうち基板側接続位置と側面13cの間の部分、および、リード12のうちリード側接続位置と側面13cの間の部分である。以下、昇温時の変形量について定量的に説明する。
図3に示すように、基板側接続位置と側面13cの間の距離を3mmとすると、基板13の膨張による変位量はΔL3≒2.7μmである。一方、リード側接続位置と側面13cの間の距離を7mmとすると、リード12の膨張による変位量はΔL4≒17.7μmである。したがって、基板側接続位置とリード側接続位置との距離は、昇温前に較べて略20.4μm拡がる。
このように、本実施形態に係る電子装置10によれば、体格の大きいベース部材や基板の変形の影響を直接的に受けることがない。そして、本実施形態おけるワイヤ14の変形量(略20.4μm)を、従来の構成の場合(略102.7μm)に較べて抑制することができる。したがって、冷熱サイクル環境下におけるワイヤの接続信頼性を向上させることができる。
なお、本実施形態におけるリード12のワイヤ接続部22はコネクタハウジング16の一面16a上に載置されている。ワイヤ接続部22は、必ずしも一面16a上に位置している必要はないが、本実施形態の構成では、ワイヤ14をリード12に超音波溶接する際に、リード12を一面16aに押さえつけて固定した状態で接続することができる。すなわち、ワイヤ14をより確実にリード12に接続することができる。
(第2実施形態)
第1実施形態では、リード12のうち、基板13の側面13cに当接される基板固定部23の先端が曲がって形成された例を示した。これに対して、本実施形態では、図4に示すように、基板固定部23が第1方向(本実施形態では、側面13cに直交する方向)に延びて形成されている。なお、基板固定部23を除く部分の構成は第1実施形態と同様であるため、詳細の記載を省略する。
このような構成においては、第1実施形態のように基板固定部23に曲げモーメントが印加されない。したがって、第1実施形態のように、基板固定部23の先端が曲げて形成されている場合に比べて、基板固定部23の第1方向の変形量を小さくすることができる。
なお、基板固定部23は、リード12のその他の部分20,21,22に較べて、線膨張係数の小さい材料で構成されていると良い。本発明では、基板側接続位置とリード側接続位置との距離に影響を与える主な要因が、両者の間に存在する要素である。すなわち、基板13のうち基板側接続位置と側面13cの間の部分、および、リード12のうちリード側接続位置と側面13cの間の部分である。このため、基板固定部23を、その他の部分20,21,22に較べて線膨張係数の小さい材料で構成することにより、基板側接続位置と側面13cの間の部分の冷熱サイクルによる変形量を小さくすることができる。具体的には、基板固定部23を、タングステンやチタンなどで構成するとよい。
(第3実施形態)
図5を参照して、本実施形態に係る電子装置10の概略構成について説明する。
本実施形態に係る電子装置10は、基板13の厚さ方向(以下、第2方向)と第1方向に直交する方向(以下、第3方向)に配列された複数のリード12を有する。そして、ベース部材11の一面(とくにコネクタハウジング16の一面16a)には、各リード12に対応して、第1方向に沿って溝40が形成され、その溝40内にリード12の一部が配置されている。すなわち、溝40は、リード12の第3方向への変位を抑制するように機能する。この溝40が、特許請求の範囲における第1ガイド部に相当する。
なお、ベース部材11に溝40が形成されている点を除けば、他の構成要素は第1実施形態と同様であるため、説明を省略する。
本実施形態の構成によれば、溝40により、リード12のバネ部21の弾性変形の方向を第1方向に限定させることができる。このため、バネ部21が弾性エネルギーを持つとき、リード12が第3方向に変位して、ワイヤ14の基板側接続位置およびリード側接続位置に、せん断応力が掛かって断線してしまうことを抑制できる。また、リード12の第3方向への変位により、複数のリード12同士が互いに接触することを抑制することができる。
さらには、図6に示すように、溝40を跨ぐように第3方向に延び、コネクタハウジング16に固定されて形成された第2ガイド部41を有する構成とすると良い。なお、第2ガイド部41はコネクタハウジング16の一部として成形されていてもよいし、コネクタハウジング16とは別の部材として接着固定されていてもよい。これによれば、リード12が第3方向だけでなく、第2方向に変位することも抑制することができる。したがって、ワイヤ14やリード12の断線を抑制することができる。
なお、第1ガイド部(溝40)および第2ガイド部41は、本実施形態の形状に限定されるものではない。例えば、図7に示すように、平坦とされたコネクタハウジング16の一面16aに、リード12の予期しない変位を妨げる櫛状のガイド部材42が形成されていてもよい。リード12は、このガイド部材42の凹部に通されている。このため、リード12は、櫛歯の部分42aにより第3方向への変位が制限され、凹部の底部42bにより第2方向への変位が制限される。換言すれば、ガイド部材42のうち、櫛歯の部分42aは第1ガイド部に相当し、凹部の底部42bは第2ガイド部に相当する。
(第4実施形態)
上記した各実施形態では、複数のリード12が互いに独立に変位する例を示した。これに対して、本実施形態では、図8に示すように、複数のリード12が互いに連結される例を示す。
本実施形態における電子装置10は、複数のリード12を有し、リード12のうち、基板固定部23の各々が互いに連結部43で連結されている。なお、図8ではワイヤ14およびパッド13bの図示を省略している。連結部43を有する以外は、第1実施形態と同様の構成であるため、詳細の記載は省略する。本実施形態では、リード12の構成材料は銅であるため、連結部43は絶縁性を有する部材でなければならない。連結部43には、例えば、合成樹脂等を利用することができる。
ところで、リード12は、製造時の寸法ばらつきによりリード12の自然長のばらつきや、曲げ加工精度のばらつきによるバネ部21の弾性係数のばらつきが生じうる。このため、リード12および基板13をベース部材11に組み付けた場合に、バネ部21の弾性エネルギーにばらつきが生じることがある。例えば、ある一つのリード12のバネ部21の弾性係数が、他に較べて大きいと、当該リード12は変形しにくくなるため、ワイヤ14のリード側接続位置と基板側接続位置の相対位置が変わりやすくなる。すなわち、ワイヤ14の変形量が大きくなってしまう。
これに対して、本実施形態の構成のように、リード12が連結部43により互いに連結されていると、各リード12が連動して変形するため、リード12の変形量のばらつきを抑制することができる。これにより、各ワイヤ14の変形量を略同一にすることができる。
(その他の実施形態)
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
上記した各実施形態では、リード12のうち、基板固定部23がバネ部21の付勢力によって基板13に当接する例を示したが、基板固定部23は、基板13に接着固定されてもよい。これによれば、リード12が第1方向以外の方向にずれてしまうことを防止することができる。
また、上記した各実施形態では、基板13の、平坦な側面13cに基板固定部23を当接させる構成を例に示した。しかしながら、上記例に限定されるものではない。例えば、図9に示すように、側面13cに凹部が形成され、その凹部内にリード12の基板固定部23が挿入されて凹部の底部に当接される構成としてもよい。このような構成では、リード12が第1方向以外の方向にずれてしまうことを防止することができる。また、図10に示すように、側面13cに切欠きが設けられ、その底部において基板固定部23が当接される構成としてもよい。さらには、図11に示すように、基板13の一面13aに凹部が形成され、その凹部内にリード12の基板固定部23が挿入される構成としてもよい。この構成における基板固定部23は、図11に示すように、先端が曲げられて一面13aの凹部に挿入されており、凹部の側面と基板固定部23とが当接する。このような構成では、基板固定部23と基板13とが接着固定される構成と同様、リード12が第1方向以外の方向にずれてしまうことを防止することができる。
また、上記した各実施形態では、基部15の一面15aとコネクタハウジング16の一面16aが平行となっている。そして、バネ部21がコネクタハウジング16の一面16aに略垂直に突出し、基板13が配置された側に弾性変形可能に曲げられてU字型を呈する。しかしながら、上記例に限定されるものではない。例えば、図12に示すように、ベース部材11が基部15とコネクタハウジング16を有しつつも、コネクタハウジング16が、基部15の一面15aと平行な一面16aのほかに一面16aに直交する第2面16bを有する例を示す。リード12は第2面16bに直交して(第1方向に沿って)突出し、一面16aに向かって曲げられて形成されている。この曲げられた部分がバネ部21に相当し、バネ部21は、一面16a上に載置されたワイヤ接続部22に接続されている。この構成においても、リード12は、第1方向に弾性変形可能なバネ部21を有するので、上記した各実施形態に係る作用効果を奏することができる。
また、上記した各実施形態では、第1方向に沿う方向において、リード12が、ベース固定部20、バネ部21、ワイヤ接続部22、および、基板固定部23が第1方向に沿ってこの順で有する例を示した。しかしながら、各要素が第1方向にこの順で形成されている必要はない。例えば、図13に示すように、第1方向において、バネ部21がベース固定部20に対して基板13の反対側に形成されていてもよい。
さらには、バネ部21は、必ずしもベース部材11(コネクタハウジング16)の一面16aから略垂直に突出している必要はない。図14に示すように、バネ部21が一面16aに略平行に曲げて形成されていてもよい。バネ部21は、少なくとも第1方向に弾性変形可能であればよい。
また、上記した各実施形態では、各図において、ワイヤ14がリード12の形成方向、すなわち、基板13の側面13cに略垂直な方向(第1方向)に沿って配置された例を示したが、上記例に限定されない。例えば、図15に示すように、第3方向において、リード12の基板固定部23と側面13cとの固定点と、対応するパッド13bの位置が、ずれて配置されている例、すなわち、ワイヤ14が第1方向に対して角度をもって形成されている場合においても本発明は有効である。このような構成においては、本発明を適用することによって、ワイヤ14の変形量のうち、第1方向に係る成分の変形量を抑制することができる。
また、上記した各実施形態では、ベース部材11が基部15とコネクタハウジング16とを有する構成について示したが、必ずしもこの2つの要素を有している必要はない。ベース部材11は、リード12および基板13を固定できるものであればよい。
10・・・電子装置
11・・・ベース部材,15・・・基部,16・・・コネクタハウジング
12・・・リード,20・・・ベース固定部,21・・・バネ部,22・・・ワイヤ接続部,23・・・基板固定部
13・・・基板
14・・・ワイヤ

Claims (10)

  1. ベース部材(11)と、
    該ベース部材の一面(15a)に固定された基板(13)と、
    前記ベース部材に固定されたリード(12)と、
    前記ベース部材の前記一面側において、前記基板と前記リードとを電気的に接続するワイヤ(14)と、を備えた電子装置であって、
    前記リードは、
    前記ベース部材に固定されるベース固定部(20)と、
    弾性変形可能に設けられたバネ部(21)と、
    前記ワイヤが接続されたワイヤ接続部(22)と、
    前記基板に固定された基板固定部(23)と、を有し、
    前記ベース固定部、前記バネ部、前記ワイヤ接続部および前記基板固定部がこの順で設けられ、
    前記基板の厚さ方向に直交する方向のうち、前記リードの前記ベース部材との固定位置と、前記リードの前記基板との固定位置とを結ぶ方向を第1方向とすると、前記バネ部は、少なくとも前記第1方向に弾性変形可能とされることを特徴とする電子装置。
  2. 前記基板固定部は、前記バネ部の付勢力により、前記基板の側面に固定されることを特徴とする請求項1に記載の電子装置。
  3. 前記基板固定部は、前記基板と接着固定されることを特徴とする請求項1に記載の電子装置。
  4. 前記基板固定部は、前記第1方向に沿って延び、その先端が前記基板に固定されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電子装置。
  5. 前記基板固定部は、前記リードのうち、前記基板固定部を除く部分よりも線膨張係数の小さい材料で構成されることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の電子装置。
  6. 前記リードを複数本有し、
    複数本の前記リードは、基板の厚さ方向に沿う第2方向と前記第1方向とに直交する第3方向に配列され、各リードが前記第3方向に変位するのを抑制する第1ガイド部(40,42a)を有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の電子装置。
  7. 前記リードが、前記第2方向に変位するのを抑制する第2ガイド部(41,42b)を有することを特徴とする請求項6に記載の電子装置。
  8. 複数の前記リードを有し、各リードを一体的に固定する連結部(43)を有することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の電子装置。
  9. 前記ワイヤ接続部は、前記ワイヤが接続された面の裏面と、前記ベース部材の一面とが接触するように、前記ベース部材に載置されることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の電子装置。
  10. 前記ベース部材は、基部(15)と、該基部に設けられた開口部に嵌合されたコネクタハウジング(16)と、を有し、前記リードのベース固定部は、前記コネクタハウジングに固定されており、前記ワイヤ接続部は前記コネクタハウジングの一面(16a)に載置されることを特徴とする請求項9に記載の電子装置。
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