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安定した信頼性の高い圧着端子を作るのは簡単 - 適切な工具があれば

筆者： Bill Schweber氏 2023-07-27

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私ははんだ付けを楽しみ、高品質で魅力的なはんだ接合を行いますが、はんだ付けがワイヤ同士やワイヤの終端を接合するのに適切でない場合があることも認識しています。私は最近、友人の家の3つのエリアの暖房システムを、電源のない基本的な変哲もないサーモスタットからWi-Fi対応のスマートユニットにアップグレードするのを手伝ったとき、この現実を思い知らされました。

当初の設置計画では、信号と電源インターフェースのリレーを含むさまざまなワイヤ接続の端に、絶縁されていないスペードラグをはんだ付けし、標準的なネジ端子のバリアストリップにラグを取り付けるだけでした（図1）。そうすれば、物理的な接続が単純化され、トラブルシューティングやメンテナンスの際に必要であれば取り外すことができます。

図1：ネジ端子バリアストリップは、配線、アクセス、接続の交換（テスト目的で必要な場合）を容易にします。（画像提供：You-Do-It Electronics）

いくつかのワイヤやラグは、都合よく、私の作業台で事前にはんだ付けしておくことができましたが、多くは地下の暖房システムの電気パネル（大きなベニヤ板だった）で行わなければなりませんでした。さらに考えてみると、これは悪い考えだと気づきました。不便で狭い地下室で、数十本のワイヤをスペードラグに適切にはんだ付けするのは、決して簡単ではないし、整然としていないし、一貫性もありません。

はんだ付けから圧着まで

その時、別の方法を思い出しました。私の工具箱には基本的な手動の圧着工具があり、別の解決策を与えてくれました（図2）。これについて、ご存知の方も多いと思います。見た目は大きなプライヤのようで、顎の先端には3サイズの圧着バレル用の指定エリアがあり、その他のワイヤストリップやネジ切り機能も備えています。

図2：私のクリンパは、ワイヤの被覆除去や小さなネジのせん断もできる多機能ツールの1つでした。（画像提供：Harbor Freight Tools）

圧着とは何でしょうか。圧着は、決められたプレス手順で2つの部品を接続する接続方法です。この方法は、導体とコンタクト間で確実な接続を行い、多くの場合、はんだ付けプロセスに取って代わっています。圧着は、ワイヤエンドフェルールを含む多くのタイプのコネクタに使用することができ、これらのフェルールは、嵌合レセプタクルまたはコネクタボディに挿入されます（図3）。この圧着ワイヤエンドフェルールは、多くのサイズがあり、カラー内径の円錐形状により、追加の挿入補助としてプラスチックカラー（多くの色で提供）が付いています。また、コンタクトポイントの挿入漏斗に導体絶縁の角張ったエッジが引っかかるのを防ぎます。

図3：この圧着ワイヤエンドフェルールは多くのサイズがあり、カラー内径の円錐形状により、追加の挿入補助としてプラスチックカラーが付いています。（画像提供：Weidmüller Interface GmbH & Co.）

（私がそうであるように）うまくできたはんだ接合を賞賛する人であっても、圧着を使う理由はたくさんあります。優れた圧着は、機械的に頑丈で電気的に安定しており、ワイヤと終端間の気密接触を形成し、湿気の浸入とその後の腐食を防ぎます。セットアップ、一時的な中断、完全な停止が素早く簡単にでき、有害なガスや材料はなく、絶縁体を歪ませたり、発火や火災の原因となる熱もありません。

そこで、絶縁バレル付きのスペードラグを1箱購入し、10個ほど圧着の練習をしてから、実際に取り付けてみました（図4）。かなり順調に進み、いくつかの配線上の問題を解決した後、システムは稼動しました。ループエントリフィードの見た目は（私の手に負えない）乱雑ですが、圧着スペードラグとバリアストリップを備えた実際のリレーと相互接続配線は、すっきりと整理され、明確で信頼できるものになっています。

図4：ループエントリフィードの乱雑な外観にもかかわらず、圧着スペードラグとバリアストリップを備えた実際のリレー配線と相互接続配線は、すっきりと整理され、明確で信頼性が高いものになっています。（画像提供：Bill Schweber氏）

しかし、スペードラグを圧着する際、私の工具は手動で校正されておらず、スペードラグを顎の中に正しく配置し、正しい圧力をかけることができるかどうか、使用者（今回は私自身）に依存しているため、一貫した圧着を行うのは難しいことがわかりました。最終的な圧着位置で目標から外れることや、必要以上に圧力をかけてしまうことも簡単なことでした。例えば、あるスペードラグバレルは圧着が少なすぎ、あるものは多すぎ、あるものは圧着領域の下に絶縁体が部分的にありました。

今、持っていればよかったと思うのは、 Weidmüller PZ 6 ROTO ADJ （図5）のような圧着工具です。0.14平方ミリメートル(mm²)から6mm² （およそ26AWGから10AWG）までの幅広いワイヤ断面積のワイヤエンドフェルールを確実かつ一貫して圧着します。プラスチックカラーの有無にかかわらず、ワイヤエンドフェルールに対応します。ラチェットが正確な圧着を保証し、誤操作時の解除オプションも付いています。

図5：Weidmüller PZ 6 ROTO ADJ は、安定した結果を提供し、快適に使用でき、さまざまなサイズとタイプのワイヤに対応する調整可能な圧着工具です。（画像提供：Weidmüller Interface GmbH & Co.）

また、人間工学に基づき、疲労のない最適な作業を実現する調節可能なハンドル幅、わずか425グラム（15オンス）の重量、幅広い設置状況に対応する回転式圧着ダイなどの特長もあります。

技術的なこと

その汎用性、利便性、潜在的な性能から、圧着の物理学および力学は広く研究されてきました。例えば、Weidmüllerの17ページのホワイトペーパー『圧着：永久的な接続』は、ワイヤのタイプ、撚り、ゲージ、コンタクトのタイプ、フェルール、ツールについての議論から始まります。

台形、正方形、六角形など、さまざまなプレス形状の相対的な長所と短所を検証します。ワイヤを適切に切断しなかったり（図6）、絶縁体を適切に剥かなかったり（図7）した場合に発生する可能性のある問題を示しながら、ワイヤの準備について見ていきます。

図6：ワイヤが正しく切断されていない場合の3つの方法と、正しく切断された場合の外観を示します。（画像提供：Weidmüller Interface GmbH & Co.）

図7：絶縁体ストリップエラーの3つの例と、適切にストリップされたワイヤを示します。（画像提供：Weidmüller Interface GmbH & Co.）

また、このホワイトペーパーでは、導体（ワイヤ）クラス、ストリップエラー、工具寿命（サイクル）、ダイコネクタのコンパートメントサイズ対ワイヤサイズ、圧着作動力など、圧着に関連する多くのDINおよびIEC規格についても言及しています。

次にテスト

圧着接続の課題の1つは、非破壊でテストする簡単な方法がないことです。これは、標準的な熱作動型ヒューズなど、他の多くの部品を使用する際に設計者が直面するジレンマと同じです。それらはテストできないため、設計と製造によって完璧でなければなりません。圧着は無数の失敗が許されない用途で広く使用されているため、この試験の限界は品質保証上の課題となります。

このことを認識し、NASAは圧着取り付け位置でリアルタイムで動作する、特許取得済みの超音波ベースの非破壊評価法を開発しました。この方法では、圧着アセンブリに音響波を送ることで、コネクタとワイヤ間の接触品質を決定します（図8）。印加圧力が増加し、圧着端子がワイヤの周囲で変形すると、圧着を通過する超音波信号が変化します。

図8：NASAが開発したこのポータブル機器は、良好な圧着と多くの種類の不良圧着を非破壊でリアルタイムに識別できます。（画像提供：NASA）

このシステムは、振幅と周波数成分を含む信号シグネチャの変化を、ワイヤと端子間の電気的および機械的接続の両方の品質を示す指標として解析します（図9）。

図9：NASAシステムは超音波由来のシグネチャを使用して圧着品質と問題を特定します。（画像提供：NASA）

圧着不足、撚線の欠如、ワイヤの不完全な挿入、絶縁材の部分的剥離、不適切な太さのワイヤなど、圧着のさまざまな問題をこのシステムでテストしました。その結果、この計測器は、とりわけこれらの問題に関して、良い圧着と悪い圧着を一貫して区別することが実証されました。

まとめ

結局、私の主観的な基準には合わなかった圧着をいくつかやり直し、3エリア、スマートサーモスタット制御システムは3回の冬に何の問題もなく作動しています。校正されていない圧着工具を使用したことで、スクイーズ圧がユーザーによって変化することを目の当たりにし、適切なツールを持つことが、一貫性のある適切な結果を出すために非常に重要な要素であることを再認識しました。もし同じような仕事をしなければならなくなったら、必要な道具をせがむか、借りるか、買うでしょう。