産業用強度のケーブルによる効率性、信頼性、および総保有コストの改善

産業環境は、コンポーネントおよび機器に対して非常に厳しいことがあります。しばしば、耐久性のあるコンポーネントや電気システムの調達に多大な労力が向けられる一方で、ケーブルやワイヤの選択には設計者がさほど注意を払わないことがあります。しかしながら、過酷な産業環境では、同じように見える2つのケーブルが非常に異なる動作をする場合があります。

この記事では、ケーブルの選択が適切ではない場合の影響と、続けて産業アプリケーションに適したケーブルの構造について簡潔に説明します。次に、過酷な環境下の信号伝送の信頼性やコスト効率性の問題を解決する革新的なケーブルソリューションの例を示します。

ケーブルの選択が重要である理由

不適切なケーブルを選択すると、最初のうちは機能に問題がないように思われますが、実際には最初から信号の劣化と電力損失が発生していることがあります。時間が経つと、断続的な接続障害が発生する可能性もあります。このトラブルシューティングは難しいことで知られ、結果として高くつくシステムダウンタイムが発生します。これは、高振動環境で特に問題になる可能性があります。また、ケーブルの外部ジャケット材料が適切ではない場合、化学物質または極端な温度への曝露および物理的な酷使により配線がむき出しになり、短絡および火花が発生する可能性があります。

有効な対策は、こうした用途に適したIP67またはIP68定格の産業用グレードのケーブルを選択することです。産業用ケーブルは、一般的に家庭での使用を目的とする商用ケーブルよりさらに堅牢な構造であり、高品質の材料が使用されることが多くなります。両方の種類のケーブルは一見すると同様に見えるのですが、産業品質ケーブルは、より頑丈であり、同じような見た目の商用ケーブルより耐熱性、耐溶剤性、および耐液体性に優れています。また、強靭さに欠けるケーブルであれば損傷してしまうような、曲げ、ねじり、引っ張りの力に対してもより高い耐久性があります。

電子的な観点からは、適切な産業用ケーブルを選択することで、どのようなケーブル長であっても電力と信号の損失を最小限に抑えられます。電磁干渉（EMI）に対する耐性も高くなります。

高品質の産業用グレードのケーブルを選択する際に、ケーブルがどのように作られているかを理解することは有効です。

中心導体ワイヤ

最初に、中心導体の材料と直径について説明します。ワイヤの直径が大きいほど、ケーブルはより多くの電流を通電でき、距離に対する信号損失が最小化されます。銅はワイヤに最適な伝導材料です。品質が低いケーブルにはアルミが使用されていることがありますが、導体としては銅と比較して劣っています。有名ブランドのケーブルと同じように見えても、実際には銅をコーティングしたアルミの導体を使用している可能性があるため、DigiKeyなどの公認ディストリビュータで、有名ブランドのケーブルを購入するようにしてください。ソリッドワイヤは、より線ワイヤより優れた導体ですが、ソリッドワイヤはより線ワイヤほどは容易に曲げることができないため、多くの場合は実用的ではありません。より線ワイヤは、比較的柔軟であるため、配線が容易です。

外部ジャケット

産業用ケーブルの長寿命にとって、外部ジャケットの材質と厚さは重要です。外部ジャケットの厚さが厚くなるほど、ケーブルの保護が手厚くなります。

産業環境でのケーブルの外部ジャケットは、ケーブルをすぐに劣化させる可能性のある、さまざまな形での過酷な酷使に対処する必要があります。太陽光、特に紫外線（UV）光は、外部ジャケットの変色や亀裂を引き起こす可能性があります。また、油、ガソリン、および洗浄化学物質などの溶剤も外部ジャケットの溶解を引き起こす可能性があり、これが故障につながります。高温はケーブルのショートにつながる可能性があり、これはケーブル長が長くなるほどさらに発生しやすくなります。温度が極端に低いと、外部ジャケットがもろくなる可能性があり、目に見える亀裂が発生し、外部ジャケットが脱落して外れてしまう場合があります。

外部ジャケットはまた、尖った角の周りをケーブルが引っ張られることによる摩擦の影響などの物理的な酷使に対処できる必要があります。不適切な外部ジャケットにより、ケーブルに裂け目ができ、シールドや導体ワイヤがむき出しになる可能性があります。厚いポリウレタンは、その摩耗に対する耐性から、高品質のケーブルの外部ジャケットの材料として信頼性の高い選択肢です。また、ポリウレタンは、溶剤、温度、光、そしてあらゆる種類の酷使に耐性があります。

耐水性は当然のこととして軽視されることが多い性質です。ほぼすべてのケーブルに耐水性があるように見えますが、実際には湿気に過度にさらされることでも、ケーブルのショートを引き起こす可能性があります。これは特に、技術者がケーブルの交換時に、エラーに気付かずに引き続き商用ケーブルを使用する場合に、診断が困難な可能性があります。これを回避するため、大半の湿度の高い環境においてはIP67産業用グレードが推奨されます。

最も堅牢な産業用ケーブルを使用する場合であっても、尖った角から離してケーブルを配線する必要があります。ケーブルを引っ張りすぎないようにするため、配線する長さに対して十分な余裕のある長さのケーブルの使用を検討してください。工場やオフィスビルでは、ケーブルの変更や再配線が必要になることはよくあることです。

ケーブルが水中を通るような極端な環境では、Amphenol Sine Systemsの4導体円形ケーブルCA0162C22315012などの、IP68定格ケーブルを選択する必要があります（図1）。このケーブルおよび導体系は、-25から産業用温度範囲の上限である+100°Cまでの温度に耐えることができます。4導体ケーブルには、14AWGより線が使用されています。

図1：Amphenol Sine SystemsのCA0162C22315012円形コネクタケーブルは、厚い24AWGワイヤを使用して優れた伝導性を実現。コネクタストレインリリーフが、ケーブルの外部ジャケット上に熱成形されており、最大限の保護をもたらします。（画像提供：Amphenol Sine Systems）

ケーブルコネクタと接点

コネクタへのケーブルの接続は、組み立ての中で最も苛酷な箇所となる可能性があります。ソケットからケーブルコネクタを取り外す際には、ストレインリリーフではなくコネクタシェルを引っ張ることが常に推奨されます。しかしながら、急いでいる技術者が代わりにストレインリリーフを引っ張ってしまうときもあります。ケーブルコネクタが狭い空間に配置されている場合もあり、その場合、ストレインリリーフを引っ張ってコネクタを取り外すことは避けられません。これが商用ケーブルで繰り返されると、コネクタ接点からのワイヤの分離が発生しやすくなり、断続的な接続障害または全面的な障害につながります。

こうした状況では、熱成形されたストレインリリーフなど、ケーブルからコネクタまでの強力なハウジングが推奨されます。これらは、ケーブルコネクタの抜き差しをする場合に優れた引っ張り保護を提供し、また過酷な状況において湿気を締め出します。

コネクタの嵌合サイクル数は、数か月ないし数年間同じレセプタクルに固定されているコネクタにとっては通常重要ではありません。しかしこれとは対極的なのは、1日で多数の嵌合サイクルが見られる産業テスト装置で使用されるケーブルです。少なくとも50%を超える嵌合サイクル数のコネクタを持つケーブルを入手することが重要です。

過酷な状況では、独特なソリューションを持つ革新的な製品が必要となることがあります。Rosenbergerは、事実上無制限の嵌合サイクル数を提供する、磁気自動位置決めコネクタのシリーズを製造しています（図2）。Rosenbergerケーブルアセンブリの終端の自動位置決め磁気コネクタは、差し込む力は不要で容易にソケットに挿すことができます。磁気コネクタシステムでは、ケーブルコネクタは、手で力を入れる必要が一切なく、しっかりとしたスナップ音とともにソケットに自動的にガイドされ挿入されます。

図2：これらのRosenbergerケーブルアセンブリの終端の自動位置決め磁気コネクタは、差し込む力不要で容易にソケットに挿入可能。（画像提供：Rosenberger）

RosenbergerのL99-838-1500 産業用USBケーブルアセンブリは、外出先での診断装置向けに設計されています。各終端には、対応するソケットに対する迅速かつ容易な嵌合および嵌合解除が可能なシンプルな磁気ロックメカニズムがあります。これは、オフィスビルで使用される診断装置、産業用制御およびオートメーションシステム、およびその他の嵌合サイクルが異常に多い環境のメンテナンスに特に役立ちます。

金、ニッケル、錫：接点の詳細のフレッティング

ケーブルコネクタの接点は、ケーブルの電流容量と信頼性に関連します。錫メッキコネクタは、商用ケーブルでは非常に一般的です。信頼性の高い産業用ケーブルコネクタの場合、金は優れた導体であることから最善の選択です。銀や銅と異なり、酸化または腐食しません。ただし、当然ですが純金は非常に高価です。優れたソリューションは、Molexの1203410303 M12 CAT6A産業用Ethernet製品で使用されているような、ニッケルメッキ上に金メッキを施した接点を使用することです（図3）。

業界標準のM12コネクタは、純金の接点に対して、耐久性、金属の安定性、腐食に対する耐性の面でより優れている、ニッケルメッキ上に金メッキを施した接点を使用しています。

図3：1203410303 Molex M12 CAT6A産業用Ethernetケーブルの金メッキを施した接点は、産業環境における高い信頼性と低抵抗を提供。（画像提供：Molex）

銅および銀は、金よりわずかに優れた導体ですが、過酷な環境では劣化および腐食しやすくなります。金は、多くの溶剤に対する耐性があり、その接続を高温でも維持するため、産業環境下では優れた導体です。これらの理由とその他の理由により、信頼性の高い産業用用途には金をお勧めします。

ほとんどの場合、金同士の接点の接続によって信頼性が高まり、接続の抵抗が低くなります。金は、錫などの柔らかい接点との嵌合には推奨されません。それは、フレッティングと呼ばれるプロセスが発生する可能性があるためです。フレッティングとは、2つの異なる金属が接触し、化学反応が発生することで、接続の抵抗を増大させる別の材質が生じることです。

その他の形式のフレッティングとして、金などの非常に硬い金属が、錫などの非常に柔らかい金属とこすれて錫の一部が削り取られて金に接着し、同様の化学反応が発生します。

ケーブルシールド

工場やオフィスビルなどのノイズの多い環境は、電気的ノイズに溢れています。電磁干渉（EMI）は、電子機器の効率性と動作に深刻な影響を与えます。配線はEMIを発生させる可能性があり、またEMIによる影響を受ける可能性があります。正しいケーブルシールドによって、大半のEMIは抑止または除去されます。EMIによって引き起こされる装置の問題を後で診断するのは特に難しいため、産業環境に適したシールドを使用するケーブルを選択することが重要です。

ケーブルシールドには2種類あります。アルミ箔シールドは、産業用ケーブルと商用ケーブルの両方において一般的であり、100%カバーします。産業用アプリケーションでは、ワイヤに面した箔側は、薄い非伝導性の表面についており、伝導ワイヤからの優れた絶縁を実現します。十分なシールドを提供するために、アルミ箔の厚さによってケーブルが堅くなり、扱いが難しくなる可能性があります。一部の商用ケーブルでは、家庭での使用に適したアルミ箔の薄い層が使用されますが、工場でのEMI保護には十分ではありません。

編組銅ワイヤのメッシュシールドは、取り扱いが簡単であり、箔シールドより柔軟です。ただし、編組シールドは、一般に70%から95%しかカバーしません。この理由のため、多くの高品質の産業用ケーブルでは、薄いアルミ箔シールドと銅の編組の両方を組み合わせて使用して、柔軟性を維持する一方で優れたEMI保護を提供します。

ケーブルコネクタの各コネクタには、シールド接地が付いています。最大のノイズ耐性を実現するには、両方のシールド接地を利用することが重要です。

結論

プロジェクトの初期に適切なケーブルを選択することで、後の問題を回避できます。産業用ケーブルは、商用ケーブルと比較して品質が優れており、信号品質がより高く、長寿命であるという利点があります。エンジニアや技術者は、業界用アプリケーション向けのケーブルの仕様を注意深く調査し、信頼性、長寿命、および総保有コストが低い正しいケーブルを調達することを確実に行う必要があります。