JP4804814B2 - プレスフィット端子 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器に組み込まれる基板の導電性を有するスルーホールに圧入状態で挿入されて、該スルーホールで電気的に接続する接続部を有するプレスフィット端子に関し、特に自動車、産業機器等の高温、高湿といった過酷な環境下で使用される制御装置などで最適に使用されるプレスフィット端子に関するものである。

従来、プリント回路基板などの基板と端子を固定する方法として、基板に設けられた導電性スルーホールにプレスフィット端子と呼ばれる端子を挿入し、半田付けを行わずに機械的にこの端子を固定する方法が知られている。

プレスフィット端子は、基板のスルーホールに挿入される案内部と、基板用コネクタなどに装着される取付部と、これら案内部と取付部との間に配置されてスルーホール径よりも大きな幅に形成され、スルーホール内部で圧入状態で挿入される接続部とを有している。

プレスフィット端子は、案内部より基板のスルーホールに挿入し、そのスルーホール径よりも大きな幅の接続部をスルーホール内に圧入する事で接触荷重が発生し、機械的な保持力が増大し、安定した電気的接続が得られる。

また基板は、一般にガラス繊維を縦横に組み合わせてエポキシ樹脂を含浸させたシートを多数積層し圧着して形成され、表面に導電部材による配線回路パターンと、該基板の表裏を貫通するスルーホールとが設けられている。基板のスルーホールには、該スルーホールの内周面の壁から基板表面のスルーホール開口周縁にかけて、銅めっき等のめっきが施されていて、スルーホールは導電性を有しており基板の配線回路パターンに電気的に接続されている。

基板のスルーホールにプレスフィット端子を圧入すると、プレスフィット端子のプレスフィット接続部がスルーホールの開口周縁に最初に接触して荷重が加わり、プレスフィット接続部は弾塑性変形してスルーホール内に圧入される。

自動車等の振動の大きな制御機器に用いられる基板は、電気的接続信頼性を得るために、プレスフィット端子の基板に対して固着力を十分確保する必要がある。そこで高保持力を得るために、例えばプレスフィット接続部の幅をスルーホールの径よりも更に大きく形成して、圧入シロを大きくしてなる高荷重タイプのプレスフィット端子が公知である（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１２７６１０号公報

ところで基板のスルーホールに高荷重タイプのプレスフィット端子を圧入すると、プレスフィット端子圧入時の応力集中により、基板のスルーホール開口周縁のめっきが損傷してめっき切れが発生し易くなる。

またこの場合、基板のスルーホール開口部周辺の応力が基板の面方向に作用すると、基板を構成する積層体の各含浸シートが剥がれてしまい、基板自体を損傷させる虞がある。

特に基板が、自動車の制御装置等のように、周囲の温度が高く、多湿であり、振動が加わるような過酷な動作環境で使用される場合には、プレスフィット端子の圧入時の基板自体に与えた損傷が、絶縁性等の基板特性を大きく低下させることが懸念される。

そこで高荷重タイプのプレスフィット端子を圧入する場合、プレスフィット端子の表面にコンタクトオイルと呼ばれる潤滑油を塗布して圧入の負担を小さくした状態でスルーホールにプレスフィット端子を圧入して、基板に装着することが行われていた。

しかしながら、プレスフィット端子の装着作業の際にコンタクトオイルを塗布することは、オイルの塗布作業に非常に手間がかかるという問題がある。またコンタクトオイルの材料費も必要となり、作業性の低下ともあいまって、プレスフィット端子の装着作業が高コストになってしまうという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、プレスフィット端子を基板のスルーホールに圧入する際に、端子にコンタクトオイルを塗布しなくても、スルーホールのめっき切れが発生しないプレスフィット端子を提供することにある。

本発明は、ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させたシートを積層圧着して形成された回路基板のスルーホールに、コンタクトオイルを塗布せずに圧入状態で挿入されるプレスフィット端子において、スルーホールに挿入した際に、下記（１）式で表されるスルーホールに加わる圧力Ｐｄの最大値が５００ＭＰａ以下であることを特徴とするプレスフィット端子を要旨とする。
Ｐｄ＝Ｆｄ／Ｓ・・・・（１）
上記（１）式において、Ｆｄはプレスフィット端子からスルーホールに加わる力の総和であり、下記の（２）式で表され、Ｓはプレスフィット端子とスルーホールとの接触面積である。

上記（２）式において、μはプレスフィット端子とスルーホールの摩擦係数であり、Ｐｉは接触荷重であり、θはプレスフィット端子とスルーホールの接触角である。

上記本発明に係るプレスフィット端子によれば、スルーホールに加わる圧力Ｐｄの最大値が５００ＭＰａ以下に形成されているから、プレスフィット端子の保持力を大きくして高荷重タイプの端子とした場合でも、基板のスルーホールにプレスフィット接続部が圧入された際に、スルーホールのめっき切れを防止できる。さらに、プレスフィット端子圧入の際の、基板自体を損傷させる虞もなく、基板特性を低下させない。

本発明は、高荷重タイプのプレスフィット端子であっても、コンタクトオイルを使用せずに圧入することができるから、コンタクトオイルの塗布作業が不要となって端子圧着の作業性が向上し、装着作業におけるコストを低減することができる。

以下、本発明の実施形態について、図１〜７を参照して詳細に説明する。まず、基板のスルーホールのめっき切れが生じるメカニズムを検討した結果について説明する。図１はプレスフィット端子を基板のスルーホールに挿入する際に加わる力を示す説明図である。図１において、１はプレスフィット端子、２は基板、３はスルーホールである。

図１では記載を省略したが、基板２は、その表面に各種導電路が形成されているとともに、多数のスルーホール３が開口されている。このスルーホール３の内周面及び開口周縁には、銅めっき等によりめっきが形成され基板２表面の導電路と接続されている。なお図１では、プレスフィット端子１の形状は概略の形状を示した。

図１に示すように、プレスフィット端子１を基板２のスルーホール３に挿入する際、プレスフィット端子１を一定量挿入したところで、スルーホール３の周縁部に接触する。ここからプレスフィット端子１及び基板２のスルーホール周縁３aに負荷が加わり、プレスフィット端子１はスルーホール３の内部に圧入されることになる。

このときにスルーホールの周縁３ａに加わる力は、プレスフィット端子１の接続部からの摩擦力μＮと垂直抗力Ｎとの合力Ｆｄとなる。この力Ｆｄによりスルーホール３が変形して、スルーホール３のめっき切れが発生するものと考えられる。これに対し、プレスフィット端子にコンタクトオイルを塗布した場合は、摩擦係数μが低下することにより上記の摩擦力μＮが低減することで、スルーホールに対する負荷が低減される事になり、めっき切れが防止できると思われる。

図１に示すように、スルーホールの内壁３ｂに加わる力をスルーホール３側から見て分解すると、Ｐｉは接触荷重（接触方向反力）、μは摩擦係数、Ｎは垂直抗力、θは接触角、Ｆｉは挿入力となる。ここで、スルーホール内に加わる力の総和はＦｄである。この力の総和Ｆｄは下記の（２）式で表される。

挿入の各瞬間における端子とスルーホールとの接触面積（片側のみ）をＳとすると、スルーホールにおいて、めっきに加わる圧力Ｐｄは、下記（１）式で表される。
Ｐｄ＝Ｆｄ／Ｓ ・・・（１）

（１）式におけるＰｄに着目して、高荷重タイプのプレスフィット端子について、この数値とスルーホールのめっき切れの関係を検討したところ、ある値を閾値として、この値を越えるとスルーホールのめっき切れが発生し、この値以下ではスルーホールのめっき切れが発生しないことが明らかとなった。この値は、５００ＭＰａであった。

めっきに加わる圧力Ｐｄは、下記の手段により求めることができる。図１に示す力のつりあいの関係より、下記の（３）式、（４）式が導き出される。
Ｎ・ｓｉｎθ＝Ｐｉ＋μＮ・ｃｏｓθ ・・・（３）
Ｆｉ＝Ｎｃｏｓθ＋μＮ・ｓｉｎθ ・・・（４）
図１において、分力Ｎと分力μＮの合力がＦｄであり、Ｆｄは下記の（５）式の通り表される。

垂直抗力Ｎは上記（３）式より下記（６）式の通り表される。

上記（６）式より、接触荷重Ｐｉ、接触角θ、摩擦係数μが判明していれば、垂直抗力Ｎが求められる。そして上記（２）式より垂直抗力Ｎを用いて、Ｆｄを算出することができる。さらに接触面積Ｓを求めれば（１）式よりＦｄを接触面積Ｓで除することで、スルーホールのめっきに加わる圧力Ｐｄが求められる。

図２（ａ）に示すニードルアイ型のプレスフィット端子について、実際にＰｄ値を求めた例を以下に示す。ニードルアイ型のプレスフィット端子は、図２（ａ）に示すように、プレスフィット端子１の一方の端部は、スルーホール３に挿入される端子を案内する案内部１１として先細状に形成され、他端側は基板用コネクタハウジング等（図示しない）に圧入などにより装着するための取付部１２として形成され、中間部がスルーホールと接触する接続部１３として形成されている。

図２（ａ）のプレスフィット端子１は、中央の接続部１３に、軸方向に細長い端子１を貫通するスリット部１４が設けられている。図２（ｂ）は図２（ａ）の接続部１３のＡ−Ａ線における断面図である。図２（ｂ）に示すように、スリット部１４を挟んで断面形状が略方形の２本の梁部材１５、１６が対向するように配置され、梁部材１５、１６がスリット部１４方向に撓んで、弾塑性変形が可能に形成されている。ニードルアイ型のプレスフィット端子１は、接続部１３の梁部材１５、１６が弾塑性変形することで、接続部１３がスルーホール３内に圧入する際の挿入力を低下させると共に、挿入後は梁部材１５、１６のスリット部１４とは反対方向に広がろうとする弾性力により、スルーホール３に対する高い保持力が得られる。

図２（ａ）に示すプレスフィット端子１は、銅合金等の導電性に優れた金属線をプレスすることにより形成されていている。また特に図示しないが、プレスフィット端子１のスルーホールと接触する接続部１３の表面には、錫めっき等のめっきが施されている。

図２（ａ）に示す形状のプレスフィット端子をスルーホールに挿入し、挿入量に対する、挿入力、接触加重、接触角、接触面積等を測定した。図３〜図７はプレスフィット端子の挿入量と各値の関係を示すグラフである。この場合、プレスフィット端子の挿入はコンタクトオイルを塗布せずに行った。

図３は挿入量と挿入力Ｆｉの関係を示すグラフであり、横軸が挿入量（ｍｍ）であり、縦軸が挿入力Ｆｉ（Ｎ）である。挿入量は、プレスフィット端子１の接続部１３がスルーホール３の開口部周縁に接触したときを０ｍｍとした。図３に示すように、プレスフィット端子１をスルーホール３に挿入するにつれて、挿入力は徐々に上昇する。挿入量が一定のところで、挿入力は最大値となり、その後低下して一定となり、挿入量を増やしても一定の挿入力が保持される。

図４は挿入量と接触荷重Ｐｉの関係を示すグラフであり、横軸が挿入量（ｍｍ）であり、縦軸が接触加重Ｐｉ（Ｎ）である。図４に示すように、プレスフィット端子を挿入するにつれて接触荷重Ｐｉは上昇し、挿入力が最大となる挿入量のところで接触荷重Ｐｉが最大になり、その後、挿入量が増加しても接触荷重Ｐｉは維持される。

図５は挿入量と接触角θの関係を示すグラフであり、横軸が挿入量（ｍｍ）であり、縦軸が接触角θ（ｄｅｇ）である。接触角θはプレスフィット端子の挿入側の形状に依存する。図２（ａ）に示す形状のプレスフィット端子の場合、図５に示す様に、接触角θが変化する。

図６は挿入量と接触面積Ｓの関係を示すグラフであり、横軸が挿入量（ｍｍ）であり、縦軸が接触面積Ｓ（ｍｍ^２）である。図２（ａ）に示す形状のプレスフィット端子の接触面積Ｓは、図６に示すように変化する。接触面積はプレスフィット端子の各挿入量に応じた断面から実測することで得られる。

図３〜図５に示す挿入力Ｆｉ、接触荷重Ｐｉ及び接触角θのデータを用い、前記（３）式及び（４）式より垂直抗力Ｎを求めた。さらに、摩擦係数μのデータ及び、接触面積Ｓのデータ等から、挿入量の各瞬間におけるスルーホールに加わる圧力Ｐｄを計算により求め、この圧力Ｐｄと挿入量の関係のグラフを図７に示した。なお、摩擦係数μは材質に固有のものであり、材質に応じて既知の手法によって測定することができる。図７において横軸が挿入量（ｍｍ）であり、縦軸が圧力Ｐｄ（ＭＰａ）である。図７に示すように、圧力Ｐｄは挿入量が増えると上昇し、最大値を経てその後低下する。このグラフの中の最大値が、本発明のＰｄの最大値である。

高荷重タイプの種々の形状のプレスフィット端子を作成して（実験Ｎｏ．１〜４）、上記の手法にてＰｄの最大値を求めるとともに、スルーホールのめっき切れの発生の有無を調べた結果を表１に示す。Ｐｄの最大値が５００ＭＰａ以下の場合には、めっき切れが発生しないことが明らかである。

プレスフィット端子１において、圧力Ｐｄの最大値に対して影響を与える要因は、主として、その接続部１３の形状である。例えば図２（ａ）、（ｂ）に示すニードルアイ型のプレスフィット端子の場合、接続部におけるスリット部１４の長さ、形状、接続部１３における梁部材１５、１６の太さ、形状、接続部１３の長さ、接続部１３の傾斜等を変更させることで、圧力Ｐｄの最大値を変えることができる。圧力Ｐｄの最大値が５００ＭＰａ以下となるようにプレスフィット端子の形状を決定する要素として、その選択肢は無数にある。しかし、どのような形状を選択した場合であっても、形成されたプレスフィット端子が上記したスルーホールに加わる圧力Ｐｄの最大値が５００ＭＰａ以下になるようにすれば、めっき切れを確実に防止できることになる。これは、プレスフィット端子を設計、評価する上で大きな利点である。

上記の実施例のプレスフィット端子は、ニードルアイ型を例として説明したが、接続部の断面形状がニードルアイ型に特に限定されず、他の形状であってもよい。例えば、接続部の断面形状が挿入時に変形しないソリッド型、接続部の断面形状が挿入時に変形するように形成されたＣ型、Ｍ型、Ｎ型、Ｈ型等のプレスフィット端子であっても、スルーホールのめっきに加わる圧力Ｐｄの最大値が５００ＭＰａ以下になるようにすれば、めっき切れを防止できるものである。

本発明プレスフィット端子は、各種の制御基板の接続端子として用いることができるが、特に自動車等の電気配線における電線基板同士の接続に用いた場合、車載時の高温、高振動等の過酷な条件においても高い信頼性を有する接続端子として最適である。

プレスフィット端子を基板のスルーホールに挿入する際に加わる力を示す説明図である。 （ａ）はニードルアイ型のプレスフィット端子の一例を示す正面図であり、（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。 プレスフィット端子の挿入量と挿入力Ｆｉの関係を示すグラフである。 プレスフィット端子の挿入量と接触荷重Ｐｉの関係を示すグラフである。 プレスフィット端子の挿入量と接触角θの関係を示すグラフである。 プレスフィット端子の挿入量と接触面積Ｓの関係を示すグラフである。 プレスフィット端子の挿入量とスルーホールに加わる圧力Ｐｄの関係を示すグラフである。

符号の説明

１ プレスフィット端子
２ 基板
３ スルーホール
３ａ スルーホールの周縁
３ｂ スルーホールの内壁
１３ プレスフィット端子の接続部

Claims (1)

1. ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させたシートを積層圧着して形成された回路基板のスルーホールに、コンタクトオイルを塗布せずに圧入状態で挿入されるプレスフィット端子において、スルーホールに挿入した際に、下記（１）式で表されるスルーホールに加わる圧力Ｐｄの最大値が５００ＭＰａ以下であることを特徴とするプレスフィット端子。
   Ｐｄ＝Ｆｄ／Ｓ・・・・（１）
   上記（１）式において、Ｆｄはプレスフィット端子からスルーホールに加わる力の総和であり、下記の（２）式で表され、Ｓはプレスフィット端子とスルーホールとの接触面積である。
   

   

   
   上記（２）式において、μはプレスフィット端子とスルーホールの摩擦係数であり、Ｐｉは接触荷重であり、θはプレスフィット端子とスルーホールの接触角である。
   

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