JP5907129B2

JP5907129B2 - 電子回路基板内蔵コネクタ、及び、電子回路基板内蔵コネクタの製造方法

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Publication number: JP5907129B2
Application number: JP2013172321A
Authority: JP
Inventors: 昌弘山本; 秀幸加藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-08-22
Filing date: 2013-08-22
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2033-08-22
Also published as: DE102014216490B4; US20150056864A1; DE102014216490A1; JP2015040781A; US9431775B2

Description

本発明は、ガスセンサ等の微弱な信号を扱うセンサに好適な電子回路基板内蔵コネクタに関する。

従来、センサの制御回路基板をセンサと制御装置との間に配置する方法として、コネクタに制御回路基板を内蔵する方法を採用したものがある（特許文献１参照）。特許文献１記載の制御回路基板では、一般に電子部品が回路基板にはんだで接合され、センサとの配線を備えたコネクタケースに装着され、蓋などで封止される。

特開２０００−１７１４３５号公報

ガスセンサが、ＮＯｘセンサやＰＭセンサのような、出力信号が微弱なセンサである場合、制御回路はセンサの近傍に置かれるのが望ましい。しかしながら、ガスセンサが装着される排気管近傍は高温（１２５℃程度）となり、特許文献１記載の電子回路基板内蔵コネクタでは、回路基板が樹脂基板であった場合、回路基板と電子部品とのはんだ付け接合部は熱応力に対する信頼性を保障できないおそれがある。

また、ガスセンサがヒータを備える場合、ヒータを制御する制御回路は発熱を伴うため、放熱構造も具備する必要がある。さらに、出力信号が微弱なセンサである場合、外来電波の耐性を上げる必要があり、また、ガスセンサは車体の床下などに設置するため、防水気密構造などの厳しい搭載条件が必要となる。

そのため、金属筐体に接続端子などを組み付け、回路基板は高温特性の優れたセラミック基板などを用いていた。

しかしながら、上記構成とした場合、高価なセラミック基板がコストアップの要因となっていた。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、耐熱信頼性及び信号信頼性を向上させることのできる電子回路基板内蔵コネクタを提供することにある。

本発明は、電子部品が実装されるとともに、第１接続端子が設けられた電子回路基板と、前記電子回路基板を挿入可能な開口が一面に設けられ、他の面が閉塞されている内部ケースと、前記内部ケースを外部から挿入可能な空間が内部に設けられた外部ケースと、前記空間の内部から前記外部ケースの外部まで延びる第２接続端子と一端が前記外部ケースの外部で前記センサに接続され、他端が前記空間の内部に配される第３接続端子に接続される配線と、を備え、前記電子回路基板は、前記内部ケースに収納され、前記第１接続端子を露出させた状態で前記内部ケース内に樹脂により封止され、前記内部ケースは前記外部ケースの前記空間に収納され、前記第１接続端子に前記第２接続端子及び前記第３接続端子が接続され、前記空間が蓋により閉塞されていることを特徴とする。

システムの概略を示す構成図。（ａ）が電子回路基板の側面図であり、（ｂ）が電子回路基板の上面図である。（ａ）が内部ケースの縦断面図であり、（ｂ）が内部ケースの正面図であり、（ｃ）が内部ケースの上面図である。（ａ）が外部ケースの縦断面図であり、（ｂ）が内部ケースの横断面図である。電子回路基板を内部ケースに収納する工程を示す図。内部ケースに収納した電子回路基板を樹脂により封止する工程を示す図。外部ケースに設けられた空間に内部ケースを収納する工程を示す図。完成した電子回路基板内蔵コネクタの縦断面図。電子回路基板内蔵コネクタの比較例を示す縦断面図。電子回路基板内蔵コネクタの変形例を示す縦断面図。

以下、各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。

（第１実施形態）
本実施形態にかかる車両は、車載エンジンの排気管に設けられたガスセンサを用い、そのガスセンサの出力に基づいてエンジンの各種制御等を実施する制御システムを備える。当該制御システムは、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）を中枢として燃料噴射量の制御や点火時期の制御等を実施する。図１は、本システムの全体概要を示す構成図である。

図１において、エンジン１０は、例えばガソリンエンジンであり、燃料噴射弁１１、点火装置１２等を備えている。エンジン１０の排気管１３にはガスセンサ１４が設けられている。また、車両には、各種センサ１５が設けられている。ＥＣＵ１６は、ガスセンサ１４及び各種センサ１５の検出値を用いて演算を行い、演算結果に基づいて燃料噴射弁１１、点火装置１２に制御信号を送信する。

本実施形態において、電子回路基板内蔵コネクタ２０はガスセンサ１４を制御するための電子回路基板を内包するものであり、ガスセンサ１４は、電子回路基板内蔵コネクタ２０を介してＥＣＵ１６に接続される。

図２は、電子回路基板３０である。プリント基板３１はガラス繊維製の布にエポキシ樹脂を含浸させたガラスエポキシ基板である。プリント基板３１には、ＩＣ等の電子部品３２がはんだ付けにより実装されており、一端には第１接続端子３３がはんだ付けにより取り付けられている。

図３は、電子回路基板３０を収納する内部ケース４０である。内部ケース４０は、電子回路基板３０を挿入可能な開口４１を備えており、他の面は閉塞されている。内部ケース４０の形状は、電子回路基板３０を収納した際に、第１接続端子３３が露出する形状であればよい。すなわち、内部ケース４０の幅は電子回路基板３０を収納可能な幅であればよく、内部ケース４０の奥行きは、電子回路基板３０を収納した際にプリント基板３１が開口４１より露出せず、第１接続端子３３が開口４１より露出する奥行きであればよい。また、内部ケース４０の高さは、電子部品３２を実装した電子回路基板３０を収納可能な高さであればよい。内部ケース４０の材質としては、電磁シールド効果及びコストを勘案すると鉄が好ましいが、アルミや銅等の金属、又は、電磁シールド効果を備えるシールド樹脂でもよい。また、電磁シールド効果を必要としない搭載環境で用いられるならば、材質は特に限定されることはない。

図４は、外部ケース５０である。外部ケース５０は、樹脂ケース５１と、配線５２と、第２接続端子５３と、接合部５４と、第３接続端子５５とを備えている。樹脂ケース５１は、ＥＣＵ１６と連結するための連結部５８と、空間５９を有している。樹脂ケース５１は直方体状に形成されており、空間５９は樹脂ケース５１の上面（一面）に開口している。

配線５２の一端はガスセンサ１４に接続されており、他端は接合部５４を介して第３接続端子５５に接続されている。第３接続端子５５は、外部ケース５０の空間５９に露出している。

第２接続端子５３は、一端に第１接続部５６が設けられており、他端には第２接続部５７が設けられている。第１接続部５６は、空間５９に露出しており、第２接続部５７は連結部５８の内部まで延伸している。

空間５９の幅と奥行きは、電子回路基板３０を収納した内部ケース４０が収納可能であればよい。空間５９の深さは、内部ケース４０を収納した際に、内部ケース４０の上面が樹脂ケース５１の上面より下方となる深さであればよい。すなわち、空間５９の深さは、後述する蓋７１を樹脂ケース５１に取り付けた際に、蓋７１と内部ケース４０との間に空隙が生じる深さであればよい。

外部ケース５０は、配線５２と第３接続端子５５とを接続した後、配線５２と第３接続端子５５と第２接続端子５３とを樹脂ケース５１の金型に配置し、金型に樹脂ケース５１の材料となる樹脂を流し込む、インサート成型により製造される。このとき、配線５２と第３接続端子５５との接合部５４は、樹脂ケース５１の樹脂中に埋め込まれた状態となる。ここで、樹脂ケース５１は耐熱性を必要とするため、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）やポリブチレンテレフタレート樹脂（ＰＢＴ）等により形成することが好ましい。

以下、本実施形態における電子回路基板内蔵コネクタ２０の製造方法を図面に基づいて説明する。

まず、図５のように、開口４１を上側にして内部ケース４０を配置し、電子回路基板３０を内部ケース４０に収納する。このとき、電子回路基板３０の第１接続端子３３は、内部ケース４０の開口４１から露出しており、電子回路基板３０のプリント基板３１は、内部ケース４０の開口４１から露出していない。

次に、図６のように、電子回路基板３０が収納された内部ケース４０に、上からエポキシ樹脂６１を注入し、加熱することによりエポキシ樹脂６１を熱硬化させる。ここで、内部ケース４０に注入するエポキシ樹脂６１は、プリント基板３１と熱膨張率が近い低応力エポキシ樹脂が好ましい。すなわち、プリント基板３１とエポキシ樹脂６１とを熱膨張率の近いものとすることで、温度変化を受けた際に熱膨張率の違いから生じる熱応力を低減させることができる。

上記の工程を終えると、電子回路基板３０は、第１接続端子３３以外がエポキシ樹脂６１により保護されたものとなっており、電気検査を容易に行うことができる。したがって、上記の工程を終えた段階で、電子回路基板３０の電気検査を行うことが好ましい。

次に、図７のように、外部ケース５０の空間５９に内部ケース４０を収納し、電子回路基板３０の第１接続端子３３と、外部ケース５０の第３接続端子５５及び第２接続端子５３の第１接続部５６との接続を、レーザ溶接、抵抗溶接等により行う。

最後に、図８のように、外部ケース５０の空間５９を蓋７１により閉塞する。蓋７１は、レーザ溶接等により取りつけられる。これにより、空間５９が密閉された状態となる。

本実施形態の電子回路内蔵コネクタは、上記の構造を持つため、以下の効果を奏する。

・一般に、電子回路基板３０に実装される電子部品３２は発熱する。電子回路基板３０を封止するエポキシ樹脂６１により電子部品３２の熱が内部ケース４０に伝達され、内部ケース４０から放熱されるため、放熱構造を設ける必要がなくなる。なお、一般に樹脂の熱伝導率は空気よりも高いため、エポキシ樹脂６１により封止しない場合と比較して、電子回路基板３０から内部ケース４０への熱伝達を促進することができる。

・電子回路基板３０をエポキシ樹脂６１により封止したため、電子部品３２のはんだ付け接合部に加わる熱応力を抑制することができる。すなわち、電子回路基板３０を構成するプリント基板３１とエポキシ樹脂６１の熱膨張率が近いため、電子回路基板内蔵コネクタ２０が高温の環境におかれた場合であっても、熱膨張率の異なる物質同士が隣接した際に発生する熱応力が電子部品３２のはんだ付け接合部に加わることを抑制することができる。

・内部ケース４０を金属製又はシールド樹脂製とした場合には、外来電波に対する電磁シールド効果が得られる。したがって、電子回路基板３０の信号信頼性を向上させることができる。

・配線５２と第３接続端子５５との接合部５４が樹脂ケース５１中に埋め込まれているため、接合部５４に加わる応力を抑制することができ、接合部５４が損傷することにより発生するリーク電流を抑制することができる。

・第１接続端子３３と第２接続端子５３及び第３接続端子５５との接続部分は、内部ケース４０から露出しているため、エポキシ樹脂６１により封止された内部ケース４０内と比較して耐熱性が低い。このため、耐熱性の低いはんだではなく、耐熱性の高いレーザ溶接や抵抗溶接等により接続することで、耐熱信頼性を向上させることができる。

・蓋７１により空間５９が密閉された状態としたことで、外部の水分等が空間５９へ進入せず、第１接続端子３３、第２接続端子５３、及び、第３接続端子５５の腐食を防止することができる。

・内部ケース４０は、開口４１が一面に設けられ、他の面が閉塞されている。このため、この開口４１からエポキシ樹脂６１を内部ケース４０内に注入することができるとともに、内部ケース４０の外部へエポキシ樹脂６１が漏れることを抑制することができる。したがって、電子回路基板３０をエポキシ樹脂６１により容易に封止することができる。

ここで、内部ケース４０を用いず、外部ケース５０の空間５９に電子回路基板３０を収納し、エポキシ樹脂６１により封止した場合を、比較例として図９に示す。

外部ケース５０の空間５９に電子回路基板３０を直接収納しエポキシ樹脂６１を注入した場合、外部ケース５０の樹脂ケース５１はガスセンサ１４に接続された配線５２とインサート成型されているため、エポキシ樹脂６１を硬化させる際に発生した低分子アウトガスがガスセンサ１４の内部に侵入する。これによって、低分子アウトガスがガスセンサ１４のセンサ素子に影響を与え、センサ特性のずれや、経時劣化を引き起こすおそれがある。

さらに、電子回路基板３０にかかる応力は外部ケース５０を含めた応力となるため、一般的には熱応力が第１実施形態と比べて大きくなる。その結果、電子回路内抵抗値変化（ピエゾ抵抗効果）が顕著となり、電子部品３２の抵抗値が設計値から外れるおそれがある。

また、衝撃が外部ケース５０に加わった場合、電子回路基板３０にまで直接衝撃力が伝わり破損をきたすおそれがあるほか、樹脂ケース５１とエポキシ樹脂６１との接合面に剥がれが生じたり、エポキシ樹脂６１に亀裂が生じたりすることがある。その結果、外部の水分等が剥がれ面や亀裂より進入し、電子回路基板３０の絶縁設計が保障できなくなるおそれがある。

第１実施形態の手順により製造することで、上記変形例と異なり、外部ケース５０に内部ケース４０を組み付ける前にエポキシ樹脂６１の熱硬化を行うことが可能となるため、エポキシ樹脂６１を熱硬化させる際に発生する低分子アウトガスがセンサ素子に影響を与えることがない。

本実施形態の手順により製造された電子回路基板内蔵コネクタ２０は、蓋７１により閉塞するとともに、蓋７１と内部ケース４０との間に空隙を設けたため、蓋７１に衝撃が加わったとしても、衝撃力は電子回路基板３０にまでは伝わりづらい。さらに、蓋７１は樹脂ケース５１にレーザ溶接等により取り付けるため、衝撃が加わったとしても変形例と比較して破損のおそれが少なく、電子回路基板３０の絶縁設計を維持することできる。

（第２実施形態）
本実施形態は、外部ケース５０の空間５９を蓋７１により閉塞する代わりに、熱可塑性樹脂７２を空間５９に注入し封止する点が第１実施形態と異なる。

本実施形態において、外部ケース５０に内部ケース４０を収納し、電子回路基板３０の第１接続端子３３と、第２接続端子５３及び第３接続端子５５の接続を行うまでは第１実施形態と同様の手順により製造される。

外部ケース５０に内部ケース４０を収納し、電子回路基板３０の第１接続端子３３と、第２接続端子５３及び第３接続端子５５との接続を行った後、図１０に示すように、熱可塑性樹脂７２を外部ケース５０の空間５９に注入する。熱可塑性樹脂７２としては、耐熱性を有するポリアミド系、ポリエステル系のホットメルト樹脂等が好ましい。

以上の工程により製造される第２実施形態では、第１実施形態の効果に加えて、以下の効果を発揮する。

外部ケース５０の空間５９を封止するための工程は、熱可塑性樹脂７２を空間５９に注入することのみであるため、第１実施形態おける蓋７１により空間５９を閉塞する工程と比較して単純であり、製造の効率を上げることが可能となる。

熱可塑性樹脂７２は一般的に衝撃吸収性を有しているため、熱可塑性樹脂７２により空間５９を封止することにより、外部ケース５０に衝撃が加わったとしても、衝撃力は電子回路基板３０にまでは伝わりづらい。

熱可塑性樹脂７２は、熱硬化性のエポキシ樹脂と比較してアウトガスの発生量が少ないため、ガスセンサ１４が接続されている状態で熱可塑性樹脂７２を注入したとしても、ガスセンサ１４のセンサ素子に与える影響を抑えることができる。

１４…ガスセンサ、２０…電子回路基板内蔵コネクタ、３０…電子回路基板、３２…電子部品、３３…第１接続端子、４０…内部ケース、４１…開口、５０…外部ケース、５２…配線、５３…第２接続端子、５５…第３接続端子、５９…空間、６１…エポキシ樹脂、７１…蓋、７２…熱可塑性樹脂。

Claims

センサ（１４）に接続される電子回路基板内蔵コネクタ（２０）であって、
電子部品（３２）が実装されるとともに、第１接続端子（３３）が設けられた電子回路基板（３０）と、
前記電子回路基板を挿入可能な開口（４１）が一面に設けられ、他の面が閉塞されている内部ケース（４０）と、
前記内部ケースを外部から挿入可能な空間（５９）が内部に設けられた外部ケース（５０）と、
前記空間の内部から前記外部ケースの外部まで延びる第２接続端子（５３）と、
一端が前記外部ケースの外部で前記センサに接続され、他端が前記空間の内部に配される第３接続端子（５５）に接続される配線（５２）と、
を備え、
前記電子回路基板は、前記内部ケースに収納され、前記第１接続端子を露出させた状態で前記内部ケース内に樹脂（６１）により封止され、
前記内部ケースは前記外部ケースの前記空間に収納され、
前記第１接続端子に前記第２接続端子及び前記第３接続端子が前記内部ケースの外部であり且つ前記空間内で接続され、
前記空間が蓋（７１）により閉塞されていることを特徴とする電子回路基板内蔵コネクタ。
センサ（１４）に接続される電子回路基板内蔵コネクタ（２０）であって、
電子部品（３２）が実装されるとともに、第１接続端子（３３）が設けられた電子回路基板（３０）と、
前記電子回路基板を挿入可能な開口（４１）が一面に設けられ、他の面が閉塞されている内部ケース（４０）と、
前記内部ケースを外部から挿入可能な空間（５９）が内部に設けられた外部ケース（５０）と、
前記空間の内部から前記外部ケースの外部まで延びる第２接続端子（５３）と、
一端が前記外部ケースの外部で前記センサに接続され、他端が前記空間の内部に配される第３接続端子（５５）に接続される配線（５２）と、
を備え、
前記電子回路基板は、前記内部ケースに収納され、前記第１接続端子を露出させた状態で前記内部ケース内に樹脂（６１）により封止され、
前記内部ケースは前記外部ケースの前記空間に収納され、
前記第１接続端子に前記第２接続端子及び前記第３接続端子が接続され、
前記空間が熱可塑性樹脂（７２）により封止されていることを特徴とする電子回路基板内蔵コネクタ。
前記外部ケースは樹脂製であり、インサート成型により前記配線、前記第２接続端子及び前記第３接続端子と一体成型されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電子回路基板内蔵コネクタ。
前記電子回路基板はエポキシ樹脂により形成されており、
前記電子回路基板を封止している樹脂は、熱硬化性のエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子回路基板内蔵コネクタ。
前記第１接続端子と、前記第２接続端子及び前記第３接続端子とは、溶接により接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電子回路基板内蔵コネクタ。
電子部品（３２）が実装されるとともに、第１接続端子（３３）が設けられた電子回路基板（３０）と、
前記電子回路基板を挿入可能な開口（４１）が一面に設けられ、他の面が閉塞されている内部ケース（４０）と、
前記内部ケースを外部から挿入可能な空間（５９）が内部に設けられた外部ケース（５０）と、
前記空間の内部から前記外部ケースの外部まで延びる第２接続端子（５３）と、
一端が前記外部ケースの外部でセンサ（１４）に接続され、他端が前記空間の内部に配される第３接続端子（５５）に接続される配線（５２）と、
を備える、電子回路基板内蔵コネクタ（２０）の製造方法であって、
前記電子回路基板を前記内部ケースに収納し、前記第１接続端子を露出させた状態で前記内部ケース内に樹脂（６１）により封止する第１工程と、
前記内部ケースを前記外部ケースの前記空間に収納し、前記第１接続端子に前記第２接続端子及び前記第３接続端子を前記内部ケースの外部であり且つ前記空間内で接続する第２工程と、
前記空間に蓋（７１）をする第３工程と、
を有する電子回路基板内蔵コネクタの製造方法。
電子部品（３２）が実装されるとともに、第１接続端子（３３）が設けられた電子回路基板（３０）と、
前記電子回路基板を挿入可能な開口（４１）が一面に設けられ、他の面が閉塞されている内部ケース（４０）と、
前記内部ケースを外部から挿入可能な空間（５９）が内部に設けられた外部ケース（５０）と、
前記空間の内部から前記外部ケースの外部まで延びる第２接続端子（５３）と、
一端が前記外部ケースの外部でセンサ（１４）に接続され、他端が前記空間の内部に配される第３接続端子（５５）に接続される配線（５２）と、
を備える、電子回路基板内蔵コネクタ（２０）の製造方法であって、
前記電子回路基板を前記内部ケースに収納し、前記第１接続端子を露出させた状態で前記内部ケース内に樹脂（６１）により封止する第１工程と、
前記内部ケースを前記外部ケースの前記空間に収納し、前記第１接続端子に前記第２接続端子及び前記第３接続端子を接続する第２工程と、
前記空間に熱可塑性樹脂（７２）を注入し、前記空間を封止する第３工程と、
を有する電子回路基板内蔵コネクタの製造方法。
前記第２工程より前に実行される工程であって、前記第３接続端子と接続された前記配線と前記第２接続端子とを配置した状態で樹脂を注入し、一体成型することにより前記外部ケースを作成する工程を有する請求項６又は７記載の電子回路基板内蔵コネクタの製造方法。