過酷で極端な環境におけるコネクタのための微妙な考慮事項

インダストリ4.0生産、ロボティクス、ロジスティクス装置、重機、輸送システム、石油・ガス生産などの業務で使用されるコネクタは、水や塩水飛沫、埃、湿度、かなりのレベルの衝撃や振動、極端な温度、電磁両立性（EMC）の維持の必要性など、過酷で厳しい環境にしばしばさらされます。それらの極端な要求に対応し、高い信頼性を確保するためには、特殊なクラスのコネクタが必要となります。

用途に応じて、これらのコネクタは、国際電気標準会議（IEC）、米国自動車研究評議会（USCAR）、自動車技術者協会（SAE）、ドイツAKグループなど、多くの規格を満たす必要があります。

この記事では、まず全天候型と防水性の違いや防水性能のレベルの違いなど、微妙な考慮事項に目を向けます。次に、USCAR-2とドイツのLV214振動試験の違いを検証します。記事の最後では、過酷で極端な環境の要求を満たすように設計されたワイヤ対基板、USB Type-C®、ix、M12プッシュプル、フィルタ付きサブD設計、スワップ可能なバッテリソリューションなど、Amphenolが提供する一連のコネクタを紹介します。

全天候型と防水

コネクタの中には、「全天候型」を売りにしているものもあります。アメリカ国立気象局によると、「天気は、温度、水分、風速、風向、気圧などの変数に関して、ある時間と場所における大気の状態として定義」されます。全天候型は、気象学とコネクタでは意味が異なります。

全天候型は、コネクタの技術規格では使用されていません。一般的に、コネクタの仕様には、さまざまな風速レベルや気圧についての説明がありません。天気の気象学的な定義は、コネクタ性能に影響を与える可能性のある埃や他の粒子に言及していません。それらは、コネクタに適用されるIEC 60529のような規格、エンクロージャが提供する保護等級（IPコード）に含まれています。

IP定格システム

一般的に、全天候型コネクタは屋外での使用や風雨にさらされることを想定して設計されています。通常、IP65以上の定格を備え、日光に長時間さらされることを想定して紫外線（UV）耐性のある素材を使用しています。防水コネクタのIP定格はIP67以上です。全天候型コネクタと防水コネクタを識別することは有益ですが、具体的なIP定格を特定する方が良いでしょう。

最も低い定格はIP11です。つまり、手のような50mmの物体による侵入を防ぎますが、水は浸透することができます。一般的に、コネクタははるかに高いIP定格を備えています。たとえば、IP65定格の全天候型コネクタは、2～8時間埃にさらされても性能が低下しません。また、水噴射からも保護され、許容される水の侵入は限定的です。

IP67定格の防水コネクタには防塵性があり、水深1mに30分間沈めても水が浸入しません。より要求の厳しい用途には、さらに高い防水IP定格があります（図1）。

図1：侵入保護定格の定義。（画像提供：Amphenol）

振動の種類

信頼性の高い動作を保証するために、コネクタは安全な接点を備える必要があります。これは、産業用システム、重機、輸送アプリケーションのような高振動環境では困難な場合があります。一般的に参照される2つのコネクタ振動規格は、LV214とUSCAR-2です。

いずれも、正弦振動、不規則振動、衝撃励振、極端な寒暖を含むさまざまな条件をカバーする環境試験について、IEC 60068のSR（システム要件）シリーズを参照しています。それらは、試験中の目視検査を規定するIEC 60512-1-1を参照しています。LV214とUSCAR-2には多くの共通点がありますが、違いもあります。

LV214は、ドイツの自動車メーカーAKグループによって策定されました。これは、圧着力モニタを使用した端子の品質に焦点を当てています。端子は、圧着力特性に関する特定の基準を満たす必要があります。圧着力モニタは、圧着プロセス中に加えられる圧力を測定し、それが規格の要件を満たしていることを確認します。

USCAR-2はさらに広範囲です。これには、高電圧（60V～600V）の車載用アプリケーションにおける端子、コネクタ、その他のコンポーネントのフィールド分析だけでなく、開発のあらゆる段階でのテストが含まれます。

両規格とも、振動を5つの強度レベルに分類しています。LV214では、最も振動の激しいS1（通常タイヤ付近）から、最も振動の少ないS5（通常客室内）までのレベルがあります。レベルS2は、EVのバッテリパックのような場所にあります。USCAR-2定格には、シャーシ振動プロファイルのV1と、より厳しいエンジン振動プロファイルのV2があり、より高い振動試験レベルには試験中の熱サイクルが含まれます。（表1）

表1：LV214 S2とUSCAR2 V1の要件は、不規則振動、持続時間、温度サイクル、正弦半波衝撃試験の違いを示しています。（表提供：Amphenol）

Amphenolは、幅広い産業用ソリューションを提供しています。たとえば、AmphenolのWireLock 1.8 mmワイヤ対基板コネクタは、USCAR-2 V2とLV214 S2に準拠しています。これらは、車載用、バッテリ管理システム、産業用および計測器用アプリケーション、ロボティクス向けに設計されています。

WireLockコネクタの公称定格電流は3Aで、22～26アメリカンワイヤゲージ（AWG）のワイヤサイズに対応しています。最大40ポジションの2列設計、垂直・水平スルーホールおよび面実装構成を備えたモデルがあります。誤嵌合を防止するために、コーディングには4つの異なる色が用意されています（図2）。

図2：WireLockコネクタは最大40ポジションを備え、USCAR2 V2およびLV214 S2に準拠しています。（画像提供：Amphenol）

防水で頑丈なUSB Type-C

USB Type-Cコネクティビティは、産業環境や過酷な環境を含む多くのアプリケーションで不可欠です。これはプロトコルではなくコネクタ形態を定義するもので、最大10ギガビット/秒（Gb/s）のデータ転送と電力供給をサポートします。これらのコネクタは、USBコネクティビティへの応用に加え、Thunderbolt、PCIe（ペリフェラルコンポーネントインターコネクトエクスプレス）、HDMI（高解像度マルチメディアインターフェース）、DisplayPort、その他のプロトコルにも使用できます。

最大データレートをサポートするため、これらのコネクタでは、ピン、ラッチ、EMCシートなど、すべてのグランド部品が接地され、共振を低減しています。共振を制御することで、クロストークや電磁妨害（EMI）の量を制限し、コネクタの性能向上に貢献します。

Amphenolは、防水仕様と堅牢仕様のUSB Type-Cコネクタを提供しています。防水USB Type-CコネクタはIP68定格で、長時間の水没から保護されます。防水加工は、同社の液体射出成形（LIM）プロセスを使用してコネクタの外側に防水ゴム製Oリングを作り、ステンレス鋼製シェルを完全に密閉することで実現します。これらの24ピンコネクタは、10,000回の嵌合サイクルに対応しています。

用途によっては、防水だけでは不十分な場合もあります。設計者は、このような用途にMUSBR堅牢型Type-C USBコネクタを利用することができます。防水仕様と同様に、これらの堅牢なコネクタは10,000回の嵌合サイクルに対応しています。

UL94V-0定格の黒色エンジニアリング熱可塑性ハウジングを、ニッケルメッキを施したダイカスト亜鉛合金シェルに収納し、衝撃、振動、衝突から保護する安定性を提供します。リアカバーはステンレス鋼製で、導電性シリコーンゴムガスケットシールがIP67定格と-40℃～+105℃の動作温度をサポートします（図3）。

図3：Amphenolは、防水仕様（左）と堅牢仕様（右）のUSB Type-Cコネクタを提供しています。（画像提供：Amphenol）

全天候型Ethernet

産業用Ethernetは、EtherCAT、EtherNet/IP、PROFINET、Modbus TCPなど、インダストリ4.0施設のリアルタイム制御と決定論性をサポートするいくつかのプロトコルを可能にします。Amphenolは、特定のアプリケーションのニーズに合わせてさまざまな産業用Ethernetソリューションを提供しています。IP定格はIP20からIP67まであります。

NDHシリーズ 密閉型ix産業用ラッチングインターフェースは、長方形のプッシュプルコネクタおよびケーブルソリューションで、IP定格IP67の全天候型であり、屋内、屋外、過酷な環境で使用できる耐紫外線ハウジングに収められています。これらは、標準のIEC 61076-3-124嵌合インターフェースを使用して、Cat6A Ethernetコネクティビティをサポートします。特長は以下の通りです（図4）。

• プッシュプルポジティブロッキングラッチ機構
• 小型軽量のフォームファクタ
• 現場で終端処理できるプラグキットまたは既製のケーブルアセンブリとして入手可能
• 標準のIP20 ix産業用レセプタクルと嵌合可能

図4：この全天候型産業用Ethernetコネクタ（黒色アセンブリ）はIP67定格で、耐紫外線ハウジングに収められています。（画像提供：Amphenol）

過酷な環境向けのM12

Amphenolは、MPronto-12 M12プッシュプルコネクタを含む、過酷な環境向けの製品ソリューションを幅広く提供しています。MPronto-12プラグは、製造元に関係なくすべてのM12*1.0ソケットと嵌合し、IEC 61076-2-101に準拠します。これらのプラグは、IP67、IP68、IP69Kの侵入保護定格を満たし、M12 A、B、D、K、L、S、T、Xコードをサポートしているため、産業用オートメーション、重機、電気自動車、マテリアルハンドリング装置などの用途で、システム性能を迅速かつ簡単にアップグレードできます。その他の特長には以下が含まれます。

• 動作温度：-20°C～+105°C
• 取り付け時間を80%以上節約
• クリック音が確実な嵌合を保証
• 嵌合ペアを必要とする他社のM12プッシュプルコネクタより小型

フィルタ付きD-sub

FCE17 D-subフィルタコネクタは、伝導および放射EMIの干渉をフィルタリングすることにより、データ信号の整合性を保護します。これらのコネクタは、自動車、産業、医療、データ通信、エネルギー産業向けに設計されています。

提供されるフィルタリングは、システムのプリント回路基板（PCB）に実装された同じフィルタ部品の性能を上回り、コネクタにフィルタ部品を含めることでソリューションのサイズとコストを削減します。これらのフィルタ付きコネクタは、標準の非フィルタ付きコネクタのフットプリントに適合し、簡単なEMI性能のアップグレードをサポートします。

標準値50ピコファラッド（pf）～47000pfの各種低インピーダンスチップコンデンサ（NP0またはX7R誘電体）が用意されており、幅広いフィルタリングのニーズを満たします。また、カスタムの静電容量値も使用可能です。

Amphenolの応力絶縁技術により、優れた機械的および熱的衝撃能力を備えたコネクタを製造します。コネクタや接点に機械的応力がかかっても、フィルタエレメントに亀裂が入ったり、電気的接続が切断されることはありません。さらに、外部EMIやデバイスからの放射および伝導エミッションはグランドにシャントされ、EMC性能が向上します。

ドローンとロボットの交換可能なバッテリ

倉庫や工場内のドローン、ロボット、eモビリティシステム用の交換可能なバッテリシステムの設計者は、DURASWAP交換可能バッテリコネクタソリューションを使用することができます。2種類の電源と6種類の信号構成があり、カスタム設計も提供されています。15～70Aの連続電流を流すことができ、10,000回の嵌合サイクルに対応しています。

ブラインド嵌合は±2mmのフロートでサポートされます。FMLB（ファーストメイト/ラストブレイク）技術により、グランド接続は電源接続の前に確立され、グランド接続は電源接続が切断されるまで維持されます。パネル締め具のメタルブッシングは、効率的なパネルIPシーリングのための高トルク負荷に耐えることができます。その他の特長は以下の通りです（図5）。

• 適切な嵌合を保証するガイドピン
• 嵌合時および非嵌合時のIP67定格
• UL94V-0定格のハウジング材料
• 動作温度範囲：-20°C～+90°C

図5：これらの電源コネクタはFMLB技術を搭載し、±2mmのフロートでブラインド嵌合をサポートします。（画像提供：Amphenol）

まとめ

この記事では、過酷で極端な環境で使用されるコネクタを指定する際の考慮事項をいくつか考察しました。場合によっては、USCAR-2とLV214の振動試験を区別する必要があります。より多くのシステムが屋外で使用されるようになるにつれ、全天候型と防水の違いや、防水性能のさまざまなレベルを認識することが重要になっています。最後に、アプリケーション特有の考慮事項として、電源コネクタにFMLB技術を使用することや、高速データコネクタにEMIフィルタリングを内蔵することも挙げられます。