優れたコンタクトによりマルチポジションコネクタの性能を高める方法を理解する

コネクタは、システムのサブセクション間、あるいはシステムと外部との間の重要な機械的および電気的に接続するものです。コネクタタイプの選択は、電気的および機械的要件、業界標準、使いやすさ、製造の容易さ、コンタクトの数とタイプ、接続と取り外しの方法、信頼性目標、規制要件など、複数の要因によって決定されます。それでもなお、従来のD-サブミニチュア（D-sub）コネクタ本体は数十年にわたり使用され続け、多くのアプリケーションで依然として好まれています。

コネクタの本体形状とコンタクト配列が注目される一方で、コンタクトはコネクタの電気的および機械的性能に大きく影響します。設計がますます複雑し、アプリケーションの要求が厳しくなるにつれて、設計者は特に堅牢性、挿入力、保持力、接触抵抗、温度許容度といった観点で、適切な規格や要件を満たすために、コンタクト技術の最新動向を把握する必要があります。

この記事では、D-subコネクタの継続的な役割に焦点を当てつつ、コネクタの動向について概要を説明します。続いて、Amphenol Positronicの先進的なコンタクトを紹介し、それらを使用してコネクタ性能を向上させる方法を解説します。

USB、Ethernet、D-subコネクタの重要性

従来のRS-232インターフェースの使用が減少し、さまざまなバージョンのUSBやEthernetコネクタが登場しているにもかかわらず、従来の9ピンD-subコネクタ（しばしばDB-9と呼ばれる）およびD-subコネクタのより広範なファミリは、電子システムの通信において重要な役割を果たし続けています。このように使い続けられているのには多くの理由があります。USBやEthernetは多くの相互接続要件を満たすことができますが、これら2つの広く使われているコネクタタイプはシリアルインターフェースであり、多線式インターフェースではありません。データと電源を同時に伝送することは可能ですが、信号タイプ、電圧および電流の最大値、電力定格に厳しい制約があります。

設計上、USBおよびEthernetは、複数の並列コンタクトパスを備えたインターフェースのように、複数の無関係な信号やさまざまなフォーマットを効果的に処理することはできません。さらに重要な考慮事項として、標準的なUSBやEthernet接続は、多くの状況で必要とされる機械的および電気的完全性や堅牢性を想定して設計されていない点が挙げられます。

こうした理由から、D-subコネクタは現在でも広く使用されています。このフォームファクタは1950年代から存在しており、多くの利点があります。電磁干渉（EMI）および無線周波数干渉（RFI）に対して完全にシールドされ、密閉またはほぼ密閉されたエンクロージャを使用し、機械的に堅牢で、小さなジャックネジで接続部を互いにロックすることができます。D-subコネクタ本体（シェル）は、少なくとも6つの標準サイズが用意されており、電気コンタクトの配列や種類において柔軟性を提供します。全コンタクト位置で同一コンタクトタイプを備えたシェルに加え、「Combo-D」D-subコネクタは単一シェル内で独立した信号コンタクトと電源コンタクトを混在させることが可能です（図1、上）。

図1：Combo-D-サブミニチュアコネクタは、信号と電源の経路を多様に組み合わせことが可能です（上）。D-subコネクタは、標準的なシェルサイズとコンタクト配列で利用可能です（下）。（画像提供：Amphenol Positronic）

単一のD-subで、さまざまな標準的な組合わせ構成をサポートできます（図1、下）。標準密度用の2列タイプと、高密度用の3列タイプが用意されています。信号、電源、シールド、高電圧、熱電対、光ファイバ用のコンタクトが用意されています。

コンタクト技術の革新

D-subシェルの長所は、コネクタの重要な要素ですが、電気コンタクトとその特性も、コネクタ組み立ての成功には不可欠です。長年にわたり、材料、設計、電気的および機械的性能に関して、コンタクト技術には多くの改良が加えられてきました。

その1つが、Amphenol Positronicの特許取得済みPosiBandコンタクト技術（米国特許7,115,002）です。PosiBandは、従来の設計とは異なるコンタクトへの革新的なアプローチを採用し、多くの重要なパラメータにおいて性能を向上させています。

PosiBandの外部圧力エレメントの設計は、接続における機械的動作と電気的動作を完全に分離しています（図2）。圧力エレメントは、オスピンを内側のメス型キャビティに押し付ける力を加えることで機械的動作を行い、長い直列の直接電気的接触を形成します。この接触ラインの長さは変更可能であり、設計者が接続の接触抵抗を最適化することができます。挿入ポイントにおける堅牢で切れ目のないリング構造により、コンタクトの機械的堅牢性が向上します。

図2：PosiBandは、接続部の機械的動作と電気的動作を分離する特許取得済みの設計を採用しています。（画像提供：Amphenol Positronic）

PosiBand内部のスプリングクリップ（図3、左）は、アセンブリにおいて小型ながら極めて重要な部品であり、その性能に大きく貢献しています。このスプリング強化ベリリウム銅合金は、オス側コンタクトに法線方向の力を与え、堅牢で信頼性の高いコンタクトペアリングを実現します（図3、右）。同時に、性能要件を満たすかそれを上回りながら、平均挿入力を低く抑えることができます。

図3：PosiBandスプリングクリップ（左）は、接触面積（右）全体に法線方向の力を与え、電気的な接続面の接触面積を最大化します。（画像提供：Amphenol Positronic）

PosiBandベースコンタクトは、真鍮製であり、コンタクトへのワイヤ圧着に優れた特性を持っています。また、材料のアニーリングも不要となります。それにより、コストを押し上げ、製造工程で不適切に行われる可能性があり長期的な問題を引き起こす工程を省略することができます。

また、PosiBandシステムは、従来のコンタクト設計に比べ、オス側コンタクトとメス側コンタクト間の接触面積も拡大し、より信頼性の高い電気的完全性を実現します。ミクロレベルでは、接触面を通る電気経路の数が大幅に増加します。接触面積の増加により、振動時に接触が途切れる可能性が低減されます。

常識に反して、PosiBandシステムが提供する広い接触面積は、挿入力を増加させません。むしろ、PosiBand設計は、挿入力値をより安定させ、結果として、平均挿入力を低減します。

Positronic製品は、米国国防兵站局（DLA）の認定製品リスト（QPL）に登録されており、適切な製品識別、認定、および定期的な検証テストを含む要件を満たしていることを意味します。PosiBandはSAE AS3902およびMIL-DTL-24308規格に適合しており、GSFC S-311-P4/08およびGSFC S-311-P4/10が定めるより厳しい40グラム（g）接触分離試験要件にも適合しています。

小型サイズと抵抗

PosiBandコンタクトは、標準サイズとして20と22が用意されています。前者はアメリカンワイヤゲージ（AWG）20、22、24のワイヤ用に設計されており、後者はAWG22、24、26、28、30のワイヤ用に設計されています。

サイズ22のコンタクトの最大抵抗値は0.005オーム（Ω）であり、サイズ20のコンタクトの最大抵抗値は0.004Ωです。この低い接触抵抗と、それに伴う最小のI²R損失による低自己発熱により、設計者は、サイズ22とサイズ20コンタクトを電力用途に使用することができます。

コンタクトの熱特性は、一部の技術者が認識していない、あるいは設計およびコネクタ選定プロセスの最終段階でしか考慮しない要素です。それにもかかわらず、熱特性は、コネクタおよびシステムの性能を評価する際に重要な要素です。PosiBandサイズ20（図4、上）とサイズ22（図4、下）のコンタクトは、さまざまなコンタクト構成における温度上昇と電流の関係について、完全に特性評価済みです。

図4：サイズ20（上）とサイズ22（下）のPosiBandコンタクトのさまざまな構成における定格電流に対する温度上昇を示します。（画像提供：Amphenol Positronic）

許容最大電流は、接続とコンタクトが耐えられる最大温度によって制限されます。

実環境用途向けPosiBand製品

自社でケーブルとコネクタを組み立てる設計者向けに、PosiBandコンタクトは単品でも提供されています。たとえば、FC6020D2-14（図5）は、サイズ20の銅合金製機械加工ソケットコンタクトで、ワイヤ終端に圧着されます。

図5：FC6020D2-14は、サイズ20の銅合金製機械加工ソケットコンタクトで、ワイヤ終端に圧着されます。（画像提供：Amphenol Positronic）

このニッケルメッキ銅コンタクトは、1.27マイクロメートル（μm）の金メッキが施されているため、低抵抗と信頼性の高い導通を保証します。これらの圧着（はんだ付けなし）接続には、Amphenol Positronicが専用の圧着工具を提供しており、接続が正確な仕様を満たし、安定と信頼性を確保します。

既製ソリューションを求める設計者向けに、MACH-D シリーズMCD15M51R700K/AA-15（図6、左）やCBC7W2S110000（図6、右）など、一般的な構成向けの完全組み立て済みコネクタが標準品として用意されています。MCD15M51R700K/AA-15 は、15極のステンレス鋼製のD-subプラグコネクタ（オスピン）で、同一サイズの20コンタクトを採用し、定格電流は17アンペア（A）です。ライトアングルの回路基板はんだ付け用です。ライトアングル基板実装終端に加え、圧着、はんだカップ、圧入終端オプションも提供されています。

図6：MCD15M51R700K/AA-15（左）は15極D-subプラグコネクタ（オスピン）でサイズ20コンタクトを採用、CBC7W2S110000（右）は7極コンボレセプタクルコネクタ（メスコンタクト）で、5つのサイズ20のPosiBand信号コンタクトと2つのMC/FC 4012D電源コンタクトを備えています。（画像提供：Amphenol Positronic）

対照的に、CBC7W2S110000は、メスソケットを備えた7極D-subコンボレセプタクルコネクタです。このコネクタは、5つのサイズ20 PosiBand信号コンタクトと2つのMC/FC 4012D 100A電源コネクタ（同軸ケーブル用コンタクトも利用可能）を備えています。シェルは亜鉛メッキ鋼製で、電気的および環境的完全性を確保するためクロメート処理が施されています。

まとめ

D-subファミリの従来型のマルチポジション並列コネクタは、多くのアプリケーションで好まれているコネクタです。設計者には、複数の物理的サイズオプションとコンタクト数および配置の柔軟性を提供します。Amphenol Positronicの革新的なPosiBand信号コンタクトは、D-subコネクタシェルと組み合わせることで、信頼性と性能の向上をサポートします。