ダイレクトプラグインタイプの圧接コネクタを使用したアセンブリの簡素化と部品点数の削減

エンジニアは、複数極の相互接続用に圧接コネクタ（IDC）および付随するリボンケーブルを選択することがよくあります。その理由には、コネクタの高い接触密度、多端子の一括終端が可能なこと、およびワイヤの絶縁部分を剥がす必要がないことがあります。ユーザーにとって一般的なIDCとは、オスピンと嵌合する相手側のメスレセプタクルの2部品から構成されるコネクタです。これらのIDCには各種の形態（基板実装型やフリーハンギングなど）があり、下は8極から多いもので50極に及ぶコネクタ（標準）まで幅広い種類が提供され、マルチコンダクタのフラットリボンケーブルとともに使用されます。

IDCには多くの利点がありますが、設計者が常に求めるのは、直接的な部品コストの低減、部品点数（BOM）の削減、購入と調達の簡素化、生産環境における組立工程の効率化を実現できることです。これらの目標は、単体のIDCコネクタでフラットケーブルを終端すると同時に相補型の嵌合コネクタの必要性をなくせば、ワンステップの操作ですべて達成できます。

このような、IDCコネクタの「通念」をくつがえす革新的な設計が、Würth ElektronikのWR-WST REDFIT IDC SKEDDフラットケーブルIDCコネクタに採用されています。このコネクタはプリント基板を嵌合コンタクトとして使用しているため、コストを低減し、組立作業を簡素化し、部品点数も減らすことができます。しかもこれらによりパフォーマンスが下がることはありません。この記事では、このようなIDCコネクタの革新を後押しする背景について検討し、さらにWR-WSTコネクタとその活用方法について紹介します。

IDCとはどのようなコネクタで、それが求められる理由とは？

IDCは、多数の信号および電源ワイヤをすばやく簡単に終端し、しかも接続経路をすばやく簡単に接続および切断できるので、多くの問題を解決します（図1）。IDCベースのケーブルアセンブリは、隣り合うプリント基板同士の間や、プロセスプリント基板と多少離れた場所にあるユーザーディスプレイ/キーパッドアセンブリの間など、多くの用途で幅広く利用されています。設計によっては、フラットケーブルはフレキシブルな「バス」としても使用されており、ケーブル末端の接続に限らずフレキシブルケーブルの途中にあるコネクタもサポートするので、他のプリント基板も共通の経路に接続できます。

図1：IDCケーブルアセンブリでは、多端子オス/メス嵌合圧着コネクタとマルチワイヤフラットリボンケーブルを使用します（図は16ワイヤアセンブリ）。リボンケーブルの色は、図のレインボーだけでなくモノクロの場合もあります。（画像提供：eBay）

IDCは50年以上前に開発された技術です。コネクタの登場から今までに利用の幅が広がり、提供されるコネクタの種類も増えて、コンタクトの密度も高まり、単体コネクタのコンタクト数も増加するなど、多面的に向上しています。その名称が示すように、IDC技術は、ケーブル導体（ワイヤ）周囲の絶縁体を部分的に押しのけて、銅導線に直接的に電気接続するという仕組みに基づきます（図2）。コンタクトの鋭い金属エッジが絶縁体を突き破って気密接続を形成するので、ワイヤから絶縁体を剥がす必要はありません。

図2（上）

図2（下）

図2：IDCコネクタでは、コネクタの上部を上から押しつけてコンタクトを同時に圧着し、ケーブル内のすべてのワイヤの絶縁部を突き刺し状態にします（上）。コネクタ上部を取り外したアセンブリ（下）には、ワイヤの絶縁部を通して突き出た接点が見えます。（画像提供：Jaycar Electronicsのリファレンスデータシート）

IDCの量産使用を実用化した多くの技術的な進化の1つに、突き刺す部分を超えて破れず適切な範囲で巧みに付着する絶縁材料の開発がありました。多数のワイヤが1つのフラットリボン形式に集約されており、多くの終端を同時に行うことができるので、IDCケーブルは「多端子」コネクタと呼ばれることもあります。当初のIDCは接続の信頼性を担保するためソリッドワイヤに限られていましたが、技術の進歩によって短期間のうちに「より線」も採用されるようになりました。

オスメス両方の嵌合ペアとして、多くの標準的なバージョンが提供されています。その中には、プリント基板にはんだ付けされるコネクタや、フリーハンギングでケーブル端を終端するコネクタなどがあります。このように、IDCケーブルアセンブリを基板実装コネクタに、または別のIDCケーブルに接続できます。

たとえば、Würthの61201023021は2列、10極、2.54mmピッチの長方形IDCレセプタクル（メス）コネクタで、ケーブルに圧着されます（図3）。このコネクタに代わり、ケーブルにオスのピンコネクタが必要な場合は、Würthの61201025821相補型IDCヘッダコネクタがあります（図4）。オスとメスのコネクタは両方とも、それぞれに対応し、プリント基板に実装してケーブル～基板間の経路を形成するためのコネクタがあります。これらは10極コネクタですが、WürthのWR-BHDボックスヘッダおよびIDCコネクタファミリは、60極コネクタまでの拡張性を備えています。

図3：Würth Elektronikの61201023021 IDCコネクタは、2.54mmピッチの2列10極長方形レセプタクル（メス）コネクタで、フリーハンギングのフラットリボンケーブルに圧着するように設計されています。（画像提供：Würth Elektronik）

図4：Würthの61201025821 IDCヘッダコネクタはオスピン付きで、Würthの61201023021 IDCコネクタの相補型コネクタです。（画像提供：Würth Elektronik）

IDCとそのフラットリボンケーブルには、幅広い極数とオプションがあります。その中には、0.050インチ（1.27mm）または0.10インチ（2.54mm）のピン間隔（ピッチ）、およびピン数のオプションが含まれます。最大電流容量の定格は通常1A～3Aで、ワイヤゲージには薄型の30AWGからより厚い22AWGまでが提供されています。かつて広く使用されていた（RS-232インターフェースで一般的な）DB-25、DB-15、DB-9サイズのDB-xx接続に利用可能なIDCもあります。

一部の業界セグメントでは固有のIDCタイプも確立されており、異なるメーカーの接続デバイスを交換することが可能です。たとえば、パーソナルコンピュータ分野には、次の一般的な標準があります。

• デスクトップPC用3.5インチIDEハードディスクドライブ：2.54mmピッチ、40ピン、2×20（20ピン2列）
• ノートPC用2.5インチIDEハードディスクドライブ：2.00mmピッチ、44ピン、2×22
• SCSI 8ビット：2.54mmピッチ、50ピン、2×25
• SCSI 16ビット：1.27mmピッチ、68ピン、2×34

上記のコネクタの場合、コンピュータメーカーは通常の実装形態として、IDCメスコネクタをリボンケーブルの一端に取り付け、嵌合するオスボックスヘッダまたはピンヘッダをコンピュータのマザーボード上に取り付けます。さらにシングルコンタクト形式もあり、電話配線の1線式「パンチダウン」ブロックに使用されています。技術者は、コネクタ使用現場で特殊な工具によって絶縁ワイヤを鋭利な二又端子の間に押し込む方法で、必要に応じたコンタクト位置に接続端子を施工できます。

1ピースIDC嵌合の登場

マルチコンタクトIDCケーブルアセンブリに嵌合コネクタが必要なことは、以前から当然のこととして考えられてきました。しかし新たなアプローチでは、片方のメス（レセプタクル）の嵌合を使わず、代わりにプリント基板を嵌合コネクタとして使用する形式が登場しています（図5）。

図5：Würth ElektronikのREDFIT IDC SKEDDコネクタフラットケーブルIDCファミリは、プリント基板に適切な大きさでメッキ加工されたビアに直接差し込む形式のため、片方の嵌合メスIDCコネクタが不要になります。（画像提供：Würth Elektronik）

Würth ElektronikのREDFIT IDC SKEDDコネクタフラットケーブルIDCファミリには、このような仕組みが採用されています。このコネクタは、IDCケーブルと同様にフラットリボンケーブルに取り付けられますが、プリント基板に適切な大きさでメッキ加工された穴またはビア（via、vertical interconnect accessの略称）に直接差し込む形式です。これにより、信頼性の高い接続が低コストで実現し、コンタクトポイント数と組立手順も少なくなります。

このコネクタは、無はんだの手差し式リバーシブルコネクタなので、引き抜く際にも専用工具が必要なく、特殊な工具を苦労して使いながら引き抜く圧入コネクタやスナップイン式コネクタとは対照的です（図6）。また、1.27mmピッチ（いわゆる「ハーフピッチ」）に基づいており、コネクタあたり4～20（偶数）のコンタクトを持つタイプがあります。10極のWürth 490107671012バージョンは、その代表的な仕様のコネクタです。

図6：REDFIT IDC SKEDDコネクタは、無はんだの手差し式リバーシブルIDCなので、専用工具を使用せずにプラグを抜き差しできます。（画像提供：Würth Elektronik）

REDFIT IDC SKEDDコネクタの対象用途には、民生用電子機器、据え置き型太陽光発電システム、産業用電子機器、配線を要する機械工学プロジェクトなどがあります。同社は、使用現場で10回以上の嵌合サイクル性能を保証し、環境条件が過酷でないプロトタイプベンチでは25回の嵌合サイクル性能を保証しています。

この定格は、修理やアップグレードが1回実施される以外は取り外すことのない多くの製品に適します。システム全体のコンタクト抵抗は10mΩの仕様となり、最大電流容量定格および電圧定格がそれぞれ1Aおよび100Vです。28AWG（1.27mm）ケーブルは、必要に応じてオフサイトまたは製品工場で作成できます。

コネクタの実現に欠かせない材料科学

最初と同じ嵌合を複数サイクルにわたり維持できるように、REDFIT IDC SKEDDのコンタクトに関わる「パートナー」は互いに歩調を合わせながら、メタルの塑性変形が生じないコンタクトにする必要があります。コンタクトの設計によっては、このような変形が生じる場合がありますが、それとは対照的にSKEDDのコンタクトは頂上部でつながる二又アームで構成されており、この柔軟な二又形式のアームは挿入時および接続時にも弾性状態を維持することで、リバーシブル接続を可能にします（図7）。

図7：SKEDDのコンタクトは2本のアームで構成され、差し込み中/差し込み後も弾性状態を保つという特長が、抜き差ししてもコンタクトの密着力が衰えない性能の要になります。（画像提供：Würth Elektronik）

挿入プロセスの終点で、柔軟なSKEDDコンタクトのばね剛性が最高値に達します。この状態では、コンタクトの垂直力が、機械的応力によって1マイクロ秒（μs）を超える信号中断が生じない状態を確保する十分な大きさになります。

SKEDDのコンタクトおよび技術は、以前から使われている圧入技術の高度な延長上にあるにすぎないようにも見えますが、必ずしもそうとは言えません。圧入方式では、ソリッドピンがメッキ加工のスルーホールに圧入されます。ピンと穴の間に高い摩擦力が生じることで表面間に均質な冷間圧接が形成され、電気的および機械的な完全性が保証されます。しかし、メッキ加工のスルーホールはこの圧入プロセスで変形し、ソリッドピンの引き抜きでこの接続が断たれます。

圧入技術をソリッドピンではなくフレキシブルピンで使用すると、メッキ加工のスルーホールは無傷のままでピン材料自体が変形します。機械的接続がソリッドピンほど強くないためフレキシブルピンを引き抜くことができますが、ピン自体のダメージにより再使用はできません。

対照的にSKEDDのアプローチでは、コンタクトとメッキ加工スルービアの両方に塑性変形がない弾性嵌合により、嵌合ペアを劣化させることなく再接続し、4WAYコンタクトにより信頼性も高まります（図8）。

図8：圧入技術ではソリッドピンまたはフレキシブルピンの挿入時にそれぞれビアまたはピンの変形が生じますが、SKEDDコンタクトではコンタクト自体またはビアの変形がありません。これはコネクタとコンタクトを差し込みなおす際の重要な特長です。（画像提供：Würth Elektronik）

相互接続の利点と使用機会

従来のIDCケーブルの一般的な用途では、両端コネクタ付きケーブルを対応する基板実装型コネクタと嵌合することで、隣り合うプリント基板を結線します。REDFIT IDC SKEDDコネクタを利用すると、以下のようなさまざまな利点があります。

• 嵌合相手の基板コネクタが不要になります。これにより、REDFIT IDC SKEDDコネクタを両端で使用すると2つの部品を節約できます。
• EDFIT IDC SKEDDコネクタは基板の上下いずれかの面に差し込めるので、フラットリボンケーブルのルーティング、基板を設置する相対的な空間および向きの柔軟性が高まり、短いケーブルで直接的な接続が可能になります（図9）。
• さらに、重量と材料もわずかに節約できます。これはあらゆる設計に万能の利点ではないまでも、大きな恩恵になるケースも少なくありません。

図9：REDFIT IDC SKEDDコネクタは、プリント基板の両面に差し込めるので、ケーブルのルーティングと接続先基板の配置の自由度が高まります。（画像提供：Würth Elektronik）

REDFIT IDC SKEDDコネクタのプラスチック製ハウジングは、コネクタ性能の重要な要素です。ハウジングには、径に僅差があるガイドピン2本が対角に配置されているので、正しい嵌合方向が維持され、組立時に極性が逆になる誤りを防止できます（図10）。ハウジングの材質は、耐高温（-25⁰C～+105⁰C定格）のプラスチックで、UL94 V-0難燃性基準を満たし、優れた耐薬品性を備え、熱膨張率が低く、熱サイクルによる故障を最小限に抑えます。

図10：径に僅差があるガイドピンがコネクタハウジングの対角にあり、コネクタを逆向きに挿入できない仕組みとなっています。（画像提供：Würth Elektronik）

振動による断続的なコンタクトを防ぐために、各ピンに4つのコンタクトに加えて、小さなフリクションロックがプラスチック基板ガイドごとに2つずつあり、受動ロックシステムとして機能します。これにより工具なしの終端が可能になり、挿入時の自己ロック機構によって、手で引き抜くまで接続が維持されます。

完全に規格化されて準拠が容易な基板製造仕様

プリント基板のビアを適切に製造することは、REDFIT IDC SKEDDコネクタを正しく効果的に使用するために必要です。これは問題になる事項ではありません。というのは、これに不可欠な要件には、現在標準のプリント基板仕様であれば対応できるからです。ビアの製造には、通常必要となる以上の特別な手順や、プリント基板の許容誤差精度を高める必要はありません。

下記の寸法図には、コネクタ全体およびドリル穴の寸法をともなうプリント基板レイアウト、さらには製品基板の仕上がりビアに付随する許容誤差が示されています（図11）。プロトタイプ試験とデバッギングではより多くの抜き差しサイクルが要求される場合が多く、ドリルパターンのより広い許容誤差が示されることに注意してください。

図11：REDFIT IDC SKEDDコネクタを受け入れる製品プリント基板穴のレイアウトとサイズの仕様寸法と許容誤差は、現代の基板製造規格で対応可能です（左）。アプリケーションのデバッグ用に変更されたドリルパターンでは、許容誤差がわずかに緩和され、より多くの抜き差しサイクルに対応します（右）。（画像提供：Würth Elektronik）

まとめ

2ピースIDCケーブルアセンブリおよびシステムは、これまで長年にわたり使用されており、利用価値が高く広範に採用されているマルチワイヤ相互接続方式としての実績を重ねてきました。そして現在、Würth Elektronikの1ピースREDFIT IDC SKEDDコネクタフラットケーブルIDCファミリは、嵌合相手のメスIDCレセプタクルが不要な新タイプのコネクタとして投入されています。このコネクタは、手で抜き差し可能なオスピンコネクタをプリント基板に直接差し込む方式を採用しています。これにより、コストの低減、部品点数の削減、断続的なコンタクトエラーの原因の解消が可能となり、ケーブルのルーティングや基板配置の新たな選択肢も生まれます。

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Würth Elektronik、REDFIT IDC SKEDDコネクタソリューション

Würth Elektronik、Würth Elektronik eiSosのREDFIT IDC–SKEDDコネクタ

リファレンス

1. 「Jaycar Electronicsリファレンスデータシート」（インターネットアーカイブWayback Machine）
2. 「圧接コネクタ」（Wikipedia）