커넥터는 싸우고 있습니다! ? 커넥터의 접속 불량의 요인과 대책
전기 접속에 관해서 「금속끼리 만지면 도통할까요?」라고 하는 것이, 일반적인 감각인 것이 아닐까 생각합니다. 필자도 커넥터 업계에 들어가기 전, 학생 시절 전기 공학을 전공해, 다른 업계에서 말석입니다만 기술자라고 하는 어깨를 가지고 있을 때조차, 그러한 감각을 가지고 있었습니다. "어쩐지 연결해두면 연결될 것입니다"라는 감각입니다. 한편, 실험이나 평가에 있어서, 접촉부전, 이른바 「셋업」에 미비가 있어 잘 안 된다는 것도 경험하고 있었습니다. 그런 때는 「어쩔 수 없구나・・・」라고, 접속 개소를 1개씩 점검해, 꽉 밀어붙이거나, 뽀뽀 빗나가거나 하고 있는 곳을 고치거나 했습니다. 그렇지만 공업 제품이 그러면 곤란하네요?
「금속끼리 만져 있으면 도통한다」라고 하는 것은, 실은 전혀 실수는 아닙니다만, 이 만지는, 「확실히 올바르게 만지는」일 필요가 있습니다. 게다가 「불필요한 곳을 만지지 않는다」, 「그 상태를 유지하는」 것도 필요하게 됩니다. 그러나, 커넥터가 사용되는 환경에서는 이들을 저해하는 것이 많이 있습니다. 이번에는 접속 불량의 요인과 대책에 대해 설명하겠습니다.
- 커넥터의 접속 불량과 발생 타이밍
- 접 접속 불량의 요인 1
인위적 실수로 인한 것 - 접 접속 불량의 요인 1-(1)
불완전 결합 - 접 접속 불량의 요인 1-(2)
오감합 - 접속 불량의 요인 2
환경 의존에 의한 것 - 접 접속 불량의 요인 2-(1)
기계적 영향 - 접 접속 불량의 요인 2-(2)
화학 변화 - 접 접속 불량의 요인 2-(3)
이물 - 요약
커넥터의 접속 불량과 발생 타이밍
커넥터의 적, 그 기능을 완수하기 위해 싸워야 할 상대는 정말 다방면에 걸쳐 있습니다. 그 중 주요한 것을 쫓아가는 것만으로도 힘들기 때문에 먼저 크게 분류하고 정리해 나갑니다.
커넥터 연결 불량
그런데 커넥터의 역할은 "전기를 연결해야 할 곳에서 연결하고 연결해야 할 곳을 단단히 격리하는 것"이라고 표현할 수 있습니다. 따라서 커넥터에서의 접속 불량은 오히려 다음 두 가지 현상이 됩니다.
· 비 도통 (오픈 · 개방) = 연결해야 할 곳에서 연결하지 않음
· 단락, 단락 및 오결선 = 연결해야 할 부분을 연결합니다.
보다 세세하게 성능면까지 눈을 돌리면, 그 밖에도 고속 신호의 열화등도 있습니다만, 여기에서는 심플하게 이 2개에 관해서 쫓아 갑시다.
발생 타이밍
모든 기능 제품은 처음부터 기능하지 않는 접속 불량과 열화에 의해 고장 버리는 접속 불량이 있네요. 그 때문에, 커넥터에 있어서의 접속 불량의 발생 타이밍은, 다음의 2개로 나눌 수 있습니다.
・ 감합시부터 그 직후(처음부터 기능하지 않는다.
・ 계속 사용에 있어서(사용중에 접속 불량이 나온다)
커넥터 연결 불량 요인
다음으로 접속 불량을 일으키는 요인입니다만, 인위적 실수에 의한 것, 환경 의존에 의한 것의 2개를 들 수 있습니다. 게다가 두 번째 환경에 의존하는 것은 다음 세 가지로 나뉩니다.
1. 인위적 실수로 인한 연결 불량
(1) 불완전 정합
(2) 오감합
2. 환경 의존에 의한 접속 불량
(1) 기계적 영향에 의한 접속 불량
(2) 화학 변화에 의한 접속 불량
(3) 이물질에 의한 접속 불량
커넥터의 접속 불량과 발생 타이밍, 그 요인을 정리한 것이 다음 표입니다.
세세하게 보고 가면 다른 것도 있고, 견해에 따라 분류가 바뀌는 경우도 있을까 생각합니다만, 대략적인 곳에서는 이렇게 분류할 수 있습니다. 그러면 분류별로 어떤 대책이 취해지고 있는지 살펴보겠습니다.
연결 불량의 요인 1 인위적 실수로 인한 것
사람은 실수를 저지르는 것
사람은 실수를 포함한 다양한 실수를 저지른다. 그것은 어떤 사람이라도 저지르는군요. 물론 사소한 룰도 깨지 않는 심각한 사람이나 실수가 적은 주의깊은 분도 있으면, 효율을 위해서는 약간의 룰 위반이라면 범해 버리는 사람도 어쩔 수 없이 같은 실수를 반복해 버리는 사람도 있을 것입니다. 여러 사람이 있는 전제로 물건을 잘 진행해 나가기 위해서는 나름대로의 대책이 필요합니다.
예를 들어 규칙을 지키지 못하거나 실수가 일어났을 때 그 규칙 위반이나 실수를 저지르는 사람만이 나쁜 것이 아니라, 「지킬 수 없는 규칙」 「미스를 저지르는 시스템」 그 자체가 나쁘다는 생각이 있습니다. 그러한 경우, 시스템이나 룰의 개선으로서 취해지는 수법은, 이하의 어느 쪽인가가 많은 것이 아닐까요.
시스템과 규칙을 개선하는 방법
① 규칙이나 절차 이외의 작업을 할 수 없게 한다
② 올바른 상태인 것 또는 실수가 일어나고 있는 것을 그 자리에서 환기하고 지각시킨다
③ 실수 그 자체를 있을 수 없는 것으로 한다(잘못해도 괜찮게 한다)
제조 현장에서는 작업자의 안전과 제품의 품질을 확보하기 위해 다양한 대책을 취하고 있습니다. 예를 들어, 설비의 가동부에 손을 넣지 않게 하기 위해서, 떨어진 장소에 있는 2개의 버튼을 양손으로 누르지 않으면 기계가 가동하지 않는 구조이거나, 포카 요케라고 불리는 작업이나 장치의 접속 불량을 작업자에게 지각시키는 구조이기도 합니다. 커넥터도 마찬가지로 대책을 취하고 있습니다.
인위적 실수로 인한 연결 불량 및 대책
방금전, 인위적 실수에 의한 접속 불량으로서 불완전 감합과 오감합의 2개를 들었습니다. 각각에 대해 설명하겠습니다.
(1) 불완전 정합
불완전 감합은, 소정 위치까지 커넥터를 꽂지 않고 얕은 위치에서 끝내 버렸기 때문에, 커넥터 안의 단자끼리가 접촉하지 않거나, 불안정하게 밖에 접촉하고 있거나 하는 상태를 가리킵니다.
대책으로는 다음 두 가지가 있습니다.
대책: 클릭감과 Audible Click(가청 클릭)
이것을 막는 방법으로 자주 사용되는 방법은 완전히 끼워 넣을 때 클릭감을 내는 방법입니다. 완전히 끼워 넣을 때 수지끼리가 빠칫과 두드리는 구조로 하고 클릭감을 냅니다. 게다가 이때 발생하는 소리에서도 작업자가 끼워맞춤이 완료되었음을 인식하게 합니다.
이것은 시스템이나 룰의 개선으로서 취해지는 수법②「올바른 상태인 것, 혹은 실수가 일어나고 있는 것을 그 자리에서 환기해 지각시킨다」에 해당되네요. 당사 제품에서는 FPC/FFC 커넥터 로서 자동 조립에 대웅한 로봇 조립 적합 커넥터 이기도 한 Auto I-Lock 시리즈가 자동 잠금이 걸리는 순간에 클릭감을 발생시킵니다. 조립 자동화 대응으로 한 제품입니다만, 수작업에 의한 조립을 실시하고 있는 몇개의 고객으로부터도 「작업 미스에 의한 불완전 끼워맞춤 접속 불량이 해소했다!」라고 기쁨의 소리를 받고 있습니다.
작업자의 촉감에 의한 지각뿐만 아니라, 이 클릭시의 파칭, 혹은 딸깍 소리가 중요시되는 경우도 있어, Audible Click(가청 클릭)이라고 규정되어 있습니다. 특히 자동차 하네스의 배책 작업 등으로 작업 주변의 잡음 환경에 대해 클릭으로 발생하는 음압차는 dB(데시벨) 값으로 규정되어 있습니다. 이러한 하네스용 커넥터에서는 Audible Click 시험이라고 하는 시험이 있어, 끼워맞춤시에 발생하는 소리의 강도의 규정, 검증을 실시합니다.
대책: CPA(Connector Position Assurance)
또 다른 방법으로 CPA (Connector Position Assurance)라는 메커니즘도 있습니다. 말대로, 「커넥터의 위치를 담보하기 위한」기구, 즉 「제대로 끼워 넣고 있다」라고 하는 것을 명확하게 하는 기구입니다. 최근에는 전기적으로 검지하는 방법도 실용화되고 있어 「제대로 끼워넣지 않는다고 하지 않는 락 기구」라고 하는 것이 대표적인 것입니다. 예를 들어, 끼워 맞춤으로 스토퍼 등이 내려 레버를 밀어 넣을 수있는 잠금기구 (그림 3)와 위에서 뚜껑처럼 씌우는 잠금기구 등입니다.
하네스용 커넥터, WtoB 커넥터에 적용되는 경우가 많은 기구입니다. 당사에서는 현행품의 라인업으로는 준비하고 있지 않습니다만, 현재 적용한 제품의 개발 검토를 실시하고 있습니다.
(2) 오감합
오감합은 크게 나누면 2개의 케이스가 상정됩니다.
· 작업 환경에서 여러 커넥터가 늘어서 있으며 다른 것처럼 보입니다.
・ 커넥터의 방향을 잘못한 상태로 버린다
대책으로는 다음 세 가지가 있습니다.
대책: 커넥터의 색으로 구분
1점째의 케이스가 특히 일어나기 쉬운 것은, 차의 배책이나 통신기의 결선 등 와이어 하네스를 다수 배책하는 경우입니다. 같은 커넥터를 여러 개 사용하는 경우가 많기 때문에 오정합이 일어나기 쉬워집니다. 배책되는 측의 궁리로서, 목적지 라벨을 붙이거나, 또 그것을 바코드 읽기로 체크하거나 등도 실시되고 있습니다만, 커넥터로서 제일 많이 취해지는 수법은 밖에서 보이는 플라스틱 부분에 칼라 바리에이션을 붙이는 수법입니다.
이를 통해 작업자는 어디에 어떤 커넥터를 꽂으면 좋은지 알기 쉬워지고, 나중에 실수도 발견하기 쉬워집니다. 이쪽도 시스템이나 룰의 개선으로서 취해지는 수법②「올바른 상태인 것, 혹은 실수가 일어나고 있는 것을 그 자리에서 환기해 지각시킨다」에 해당되네요.
대책: Key Feature
그러나 이것으로 아직도, 인식되는 것만으로 잘못된 장소에의 정합은 가능합니다. 그래서 Key(키)라고 하는 기구를 붙일 경우가 있습니다. 자주 있는 구조는 그 커넥터의 기본 구조에 더해 조합하는 암컷의 커넥터에 각각 홈과 볼록부를 매칭하도록(듯이) 덧붙여 게다가 그것을 위치 차이로 몇 종류인가 준비하는 방법입니다.
이렇게 하면 잘못된 커넥터에 꽂으려고 할 때 Key가 간섭하여 끼워 넣을 수 없게 할 수 있습니다.
또 이 유효성을 검증하기 위해, 어느 정도의 힘으로 무리하게 꽂아도 다른 극성끼리에서는 끼워넣지 않고, 파괴도 하지 않는 것을 확인하는 시험으로서의 용도도 있습니다. 이것은 시스템이나 룰의 개선으로서 취해지는 수법①「룰이나 순서 이외의 작업을 할 수 없게 한다」에 해당하는 어프로치입니다. 당사의 WtoB 제품인 13065S + 13065B 에서도 3종의 키 코드를, 13103S + 13103B 에서는 2종의 키 코드를 준비하고 있습니다.
대책:역삽입할 수 없는 구조
또 다른 오정합은 커넥터의 방향을 잘못된 상태로 꽂아 버린다는 실수입니다. 이 실수는 대부분의 경우, 꽂을 때의 저항을 무시하고 있거나 혹은 깨닫지 않고, 커넥터를 파괴하고까지 역삽해 버리고 있는 것입니다. 그 대응으로서 가능한 한 상하 좌우를 알기 쉽게 해, 역삽입할 수 없는 구조를 취합니다.
그래도 커넥터가 작아질수록 역삽입에 의한 트러블은 증가하고 있었습니다. 그런 중 등장한 것이 Apple사의 Lightning과 USB-C입니다. 이것은, 시스템이나 룰의 개선으로서 취해지는 수법③「잘못해 그 자체를 있을 수 없는 것으로 한다(잘못해도 괜찮게 한다)」의 발상으로 태어난 커넥터군요. 천지 반대로 꽂아도 똑같이 기능합니다. 사용성으로는 좋은 방법입니다. 그러나 특수 효과가 필요하고 상응하는 비용도 들기 때문에 적재 적소에서 적용하는 방법이군요.
또한, 당사의 기판 대 기판 커넥터는, 커스텀품 등으로 특별한 요구가 없는 경우는, 굳이 극성을 갖지 않고 180°회전해도 끼워맞춤 가능하게 하고 있습니다. 기판 대 기판 커넥터의 경우는, 기본적으로 기판끼리 위치나 방향을 판단하는 것으로, 커넥터로서는 극성이 없는 쪽이 실장 에러등의 트러블이 적을 것이라는 생각의 원입니다. 이와 같이, 커넥터의 타입이나 사용되는 방법에 따라서도 대응의 방법이 바뀌어 옵니다. 그럼 다음에 환경 의존에 의한 접속 불량에 이야기를 옮깁시다.
접속 불량의 요인 2 환경 의존에 의한 것
(1) 기계적 영향에 의한 접속 불량
진동・충격에 의한 순단
커넥터는 정말 다양한 것들에 사용됩니다. 그 때문에, 커넥터를 사용해 주시고 있는 제품의 놓이는 환경이나, 그 기능·기구에 의해 기계적인 움직임이 일으키는 일이 있습니다. 혹은, 의도하지 않거나 의도적으로 두드려지거나 던져지거나와… 난폭하게 취급되는 일도 있네요. 그럴 때 커넥터도 기계적 영향을 받습니다.
너무 이 기계적 영향이 강하면, 외형도 알기 쉽고, 그 제품마다 파괴되어 버리는 것도 있어, 각 제품은 그 대책도 취하고 있습니다만, 거기에 이르기 전에 커넥터가 싸우는 상대로서 순단이라고 하는 현상이 있습니다. 순단이라는 말은 다양한 국면에서 사용되고 있으며, 예를 들어 일순간 정전 = 순간 정전 등을 들 수 있습니다. 그러나, 이번 설명하는 커넥터가 싸우고 있는 순단은 훨씬 짧은 시간으로, μsec=100만분의 1초라든지 사람이 지각할 수 없는 수준에서의 전기적 불통입니다. 진동이나 충격등의 영향이 커넥터에 전해졌을 때, 단 한 순간이라도 단자끼리가 떨어져 버리면 그것은 일어납니다.
대책: 스프링
대책으로서는, 「다소의 일이 있어도, 꽉 접촉시키는 스프링」설계라고 하는 것이 됩니다. 또, 「커넥터란」이나, 칼럼별 기사의 「고내열 커넥터란 무엇일까?」에서도 접하고 있습니다만, 고온 환경하등에서는 스프링력이 약해져 가기 때문에, 거기도 배려한 설계가 필요하게 됩니다.
또한 개발된 커넥터가 적절한 내진·내충격 성능을 가지고 있는지를 확인하기 위해 시험을 실시합니다. 실제로 소정의 조건의 진동이나 충격을 주어, 오실로스코프·데이터 로거(옛날은 펜레코군요)등을 사용해, 연속해 건전한 접속이 유지되고 있는지를 확인하는 시험입니다. 또, 복합 요인에서의 내구도 가미하기 위해(때문에), 고온 고습하에서 그것을 실시하는 바이브로 챔버라고 하는 시험기도 있습니다.
시험 설비에 관해서는 본 사이트의 신뢰성 추구를 참조하십시오. 이러한 시험 조건은 규격으로 정해진 것, 고객의 실제 실용에서 지정된 조건 등 다양한 것에 대응하고 있습니다. 엄격한 기계 환경에서 사용되는 제품에 사용하는 커넥터의 선정이나 평가 등에 곤란할 때 등이 있는 분은 꼭 문의해 주십시오.
그런데 진동에 관해서는, 순단 이외에 또 하나 큰 싸우는 상대가 있어, 아마 기판 대 기판 커넥터에 있어서는, 당사가 커넥터 메이커로 처음 공략했다고 자부하고 있습니다. 다음에 그 이야기를 하자.
진동에 의한 미끄럼 마모
진동환경하에 물건이 놓이면 그 물체 자체도 진동을 일으킵니다. 그 진동의 방법은, 그 물체의 형상이나 질량에 따라 정해지는 고유 진동수에 크게 영향을 받아, 공진이라고 하는 현상을 일으킵니다.
여기서, 「놓인 물건」안에서 사용되는 커넥터에 눈을 옮겨, 기판과 기판을 연결하는 기판 대 기판 커넥터에 대해 생각해 봅시다. 커넥터가 연결된 상하의 기판은 각각 다른 공진 특성을 가지고 있습니다. 주변으로부터 주어진 진동에 따라서는, 각각이 다른 주파수에 반응하거나, 위상이 다른 것과 다른 공진을 일으켜, 커넥터의 단자에 그 진동의 영향이 전해져 접점이 상하로 움직여 버리는 일이 있습니다. 이 상하의 움직임 = 어긋남 자체는 매우 작은 것입니다만, 이것이 계속해 가면 플레팅 콜로전 이라고 하는 현상이 발생해, 전기 접속을 저해합니다.
대책: Z-Move
대책으로서는, 우선은 상정되는 진동에 대해서 제품이 공진을 일으키지 않는 설계를 할 수 있으면 됩니다만, 계속적인 진동에 노출되는, 예를 들면 자동차의 파워트레인 주위의 부품등은 꽤 엄격한 것 같습니다. 이러한 가운데, 당사에서는 접점이 진동에 의한 움직임에 추종하는 Z-Move 구조를 가지는 제품을 개발하고 있습니다.
Z-Move 에서는 접점이 상하의 움직임을 따르므로 플레팅 콜로전의 발생을 억제할 수 있습니다. 기판의 공진은, 플로팅 커넥터 에서는 진동에 의한 연속 운동에 의해 가동편의 스프링의 금속 피로에 의한 파괴도 우려되지만, 당사의 Z-Move 채용한 제품은 1억회의 진동에도 견딜 수 있도록 설계되어 있습니다.
덧붙여 Z-Move 라고 해도, 어떤 진폭의 진동에도 견딜 수 있는 것은 아닙니다. 거기서 당사에서는 전기 접속에 특화한 독자적인 진동 해석 서포트도 실시하고 있어, 적절한 제품 선택과 아울러 고객의 기판 레이아웃에 대한 제안도 실시하고 있으므로 꼭 활용해 주시면 좋겠습니다.
그렇다면 다른 기계적 영향으로 인한 연결 불량에 대해 살펴 보겠습니다.
기계적 사고
다리로 꺾는다는 것은 극단적으로 해도(그것을 견뎌내는 것이 좋은지 아닌지는 조금만 후술합니다), 배책 작업시의 약간의 힘이나 물건의 이동으로 조금 응력이 걸린 정도로 빠져 버리는 예도 있습니다. 그러한 사고 하에서도 전기를 연결하기 때문에 커넥터는 어느 정도의 끼워 맞춤의 유지력을 가져야 합니다. 단자의 접속의 강도 그 자체를 올려도 좋습니다만, 그럼 이번은 삽입하기 어려워져 버리므로, 커넥터에서는 락 기구를 가지는 제품이 만들어지고 있습니다.
대책 : 잠금기구
그림과 같은 래치 기구의 락도 있으면, 나사 고정 타입이나, 본체가 나사 넣는 타입의 것을 보았던 적이 있는 것은 아닐까요? 그리고 각각의 용도나, 상정되는 액시던트에 대해서 「XXN 이상의 인장 내력을 유지하는 것」이라고 규정되어 규격이 되어 있는 것이 다수 있습니다. 중간 작업을 고려해 락을 하고 있는 경우의 유지력, 락이 없는 경우의 유지력, 쌍방의 최저치가 규정되는 예도 많네요.
여기서 규격에 따라서는, 최저 유지력뿐만 아니라 「XX N 이상의 인장에서는 빠지도록(듯이)」라고 최대 유지력이 규정되고 있는 일도 있습니다. 즉 커넥터 유지 강도：Min. XX N & Max. YY N 이라고 하는 규정이 되는 케이스입니다. 「강하면 좋지 않아?」라고 생각되는 분도 있을지도 모릅니다만, 커넥터는 어디까지나 최종 제품의 일부로서 기능하는 기구 부품이므로 혼자서 「자신만 좋으면 좋다!」라고 하는 태도로는 안 됩니다.
무슨 일이라면 다음 그림과 같은 상황을 상정하고 있습니다.
커넥터의 끼워 맞춤 유지도 중요합니다만, 한층 더 중요한 것이 있다고 하는 것이군요. 그림과 같은 것 이외에도 예를 들어 그림 11에서 발을 걸린 사람을 생각했을 경우 그 사람이 넘어져 부상을 입는 것을 피하기 위해서는 어느 정도 이상의 힘으로는 빠지는 것이 좋다는 생각도 할 수 있습니다. 안전은 모두에 우선하기 때문에. 개인적인 느낌 방법일지도 모릅니다만, 일찌기 부서지지 않도록 오로지 튼튼하게 만들어져 있던 차의 몸이, 충돌의 충격을 흡수하기 위해, 어느 정도, 어느 범위에서 부서지는 것 같은 설계 사상에 바뀌어 가는 것과 조금 가까운 감각을 가지고 있습니다.
다시 한번 위의 예를 좀 더 생각해 보겠습니다. 케이블이 당겨졌을 때, 드디어 그 힘을 견디지 못하고 빠지는, 망가지는 것은 다음 그림의 가장 약한 곳이군요.
견딜 수 있는 힘이란, 가장 약한 곳이 거기에 견뎌야 하기 때문에, 각각 강도 유지를 위한 설계가 이루어집니다. 그러나 여전히 어딘가에 한계가 온다. 그러면, 다음은 빠져 버린다, 망가져 버린다면, 어디에서 그것이 일어나는 것이 가장 리스크가 낮은가라고 생각합니다. 전선이 빠지거나 찢어져 버리면 감전이나 기기의 단락 등의 트러블로 이어질 수 있습니다. 기판에서 커넥터가 빠지거나 기반 자체가 파괴되어 버리거나 수리가 힘들 것 같습니다. 그렇기 때문에 대부분의 경우에 커넥터의 끼워맞춤이 벗어나는 것이 가장 위험이 낮다는 것은 아닐까요? 따라서 커넥터는, 각각이 노력한 결과 제일 약해진 내력의 한 걸음 앞에서 빠져 주는 것이 베스트와 같습니다. 그 때문에 'XX N 이상의 인장에서는 빠지도록'이라는 규정이 되는 케이스가 있습니다. 기계적 사고의 시작 부분에서 낸 예의 "케이블을 다리로 걸어 커넥터가 빠진다"라고 해도, 너무 뽀로뽀로 빠져도 곤란합니다만, 그래서 넘어 부상을 당하면 그 쪽이 심각하네요(단, 원래 사람이 다리가 밟는 부분에 케이블을 기어 놓으세요.
여기까지 WtoB 커넥터를 중심으로 설명해 왔습니다만, 기본적인 생각은 다른 커넥터에서도 함께입니다(물론 입는 응력에 차이는 있습니다만). 그리고, 당기는 것 외에도 난폭한 취급이나, 무언가 물건이 부딪히는 등의 기계적인 사고는 여러가지 상정됩니다. 그렇게 말한 경우에 대해서는, 사용되는 어플리케이션과 부위로부터 리스크를 추정해 알맞은 정도로 견고하게 설계해 가는 대응을 취합니다. 어쩌면 튼튼하게 만들면, 크거나 고가가 되거나 버리므로, 거기도 또 밸런스네요. 또한 비틀거나 비틀거나 ... 다양한 의지 악 시험도 실시하고 검증하고, 규격화되어있는 것도 다수 있습니다. 또한 고객의 다양한 피드백도 귀중한 정보가 됩니다.
대책: 유인 구조
또 튼튼하게 하는 것 이외에도, 예를 들어 유입구조 등도, 액시던트와 싸우는 1개의 대책이군요. 앞의 「커넥터에서의 인위적 미스에 의한 접속 불량과 대책」의 내용과도 유사합니다만, 무리삽입을 해 올바른 위치에 유도하는 이 구조도 기계적인 사고와 싸우는 1개의 기구가 됩니다.
유입은 평평하게 말하면, 위치 어긋나 돌입해 온 커넥터를 하우징에 베풀어진 테이퍼에 의해 올바른 위치로 유도하는 구조입니다. 이 약간의 구조에서도, 다양한 궁리가 베풀어집니다. 예를 들면 0.4mm 피치의 10126S 등에서는, 커넥터가 작은 일도 있기 때문에 예비 테이퍼를 마련하는 것으로, 유입의 효과를 보다 높게 하고 있습니다(상대측은 10126B 입니다).
(2) 화학 변화의 영향에 의한 접속 불량
금속으로부터의 성장물 위스커, 이온 마이그레이션
주석 도금에서 발생하는 위스커라고 불리는 수염 모양의 것, 은 도금으로 발생하는 이온 마이그레이션 등이 이에 해당합니다. 주석의 위스커는 응력으로 발생하여 고온 다습화로 성장이 가속됩니다. 은의 이온 마이그레이션은 양극에서 음극으로 전자를 픽업하기 위해 손을 뻗어 가는 현상으로 통전 중 특히 고온 다습화에서 발생하여 인산 등에 의해 조장됩니다. 40대 이상의 분은 기억에 있을지도 모릅니다만, 반도체의 밀봉재에 포함된 적인의 영향에 의한 은 마이그레이션 기인의 접속 불량으로 HDD의 대규모 리콜이 일어난 적도 있습니다(커넥터는 아닙니다). 이 근처의 이야기는 칼럼내의 다른 기사 「커넥터의 단자에 도금을 하는 것은 왜인가?」로 좀 더 자세하게 설명하고 있으므로, 그쪽을 참조해 주시면 기쁩니다.
대책 : 적재 적소에서의 사용
완벽한 대책이라고 하면, 꽤 어려운 것이 현상입니다. 예를 들면 주석의 위스커는, 프로세스나 약간의 재질의 선정등인 어느 정도 억제할 수 있습니다. 하우징의 구조 등으로 차단할 수도 있습니다. 그래도 제로는 되지 않으므로, 사용 환경이나 커넥터의 단자 간격(피치)등으로부터 적재 적소인 사용법을 해 가는 것이, 최선의 책이 됩니다. 즉, 자신의 자신있는 전장에 특화해, 어려운 곳은 금 도금에 맡기고, 패배가 정해진 전은 하지 않는다고 하는 것일까요.
갈바닉 부식 (이종 금속 접촉 부식)
이종 금속간 접촉에서 발생하는 이종 금속 접촉 부식(갈바닉 부식)이라고도 합니다. 이것은 주로 금 도금 핀홀이 있는 경우 등에 문제가 있어 염수 분무 시험으로 시험합니다.
대책: 봉공 처리
대책으로서는, 봉공 처리 등의 수법이 취해집니다. 또한 주변가스에 의한 부식 등이 우려되는 경우에도 금속, 특히 재질과 두께 등이 중요하며, 여러 종류의 가스(SO2, H2S, NO2, Cl 등이 대중) 및 그 혼합물에 대한 내성은 소정의 시험으로 검증됩니다. 이쪽의 시험기도 당사에서 보유하고 있어, 당 사이트의 「신뢰성의 추구」에 게재하고 있습니다. 이것에 대해서도 「커넥터의 단자에 도금을 하는 것은 왜인가?」로 좀 더 상세하게 설명하고 있습니다.
기타 연결 불량 저분자 실록산
그 외, 조금 바뀐 곳에서는, 저분자 실록산에 의한 접점 접속 불량이라는 문제도 있습니다. 실은 커넥터로 이것이 문제가 되었다고 하는 이야기는 (들)물은 적이 없습니다만(나중에 화제에 나오는 와이 핑 기구 덕분이겠지요), 커넥터의 친척과 같은 존재인 스위치계에서는 때때로 일어나는 문제입니다. 저분자 실록산 문제는 아웃 가스 문제이며, 까다로운 용도에서는 다양한 검증이 필요합니다. 다행히 당사가 자주 사용하는 LCP나 PBT등은 거의 아웃 가스가 문제가 되는 일이 없는 엔프라 입니다. 그래도 용도에 따라서는, 매우 엄격한 레벨에서의 아웃 가스나 이물(기능 방해물)의 발생의 검증이 필요한 케이스가 있으므로, 매번 다양한 대응이 필요합니다. 그러면 그 흐름으로, 다음에는 이러한 이물질을 커넥터가 받을 때의 이야기로 옮겨갑니다.
(3) 이물질에 의한 접속 불량
커넥터는 접속 환경이나 접속까지 접하는 다양한 이물과도 싸웁니다. 기본적으로 다음 방법 중 하나로 싸웁니다.
· 침입시키지 않는다
· 침입되어도 방해받지 않음
침입되지 않는 것에 관해서는 나중에 접합니다만, 알기 쉬운 예로 말하면 커넥터에 붙이는 캡이 있습니다.
먼지
자, 그럼 침입되어 버린 경우에 대해입니다. 이물질에는 다양한 물건이 있습니다. 분진, 얼룩, 금속, 물··· 우선은 접촉을 저해하는 측의 절연물에 대해 설명합니다. 침입된(혹은 시행된) 경우의 시험으로서, 특히 분진에 관해서는 내진시험이라고 하는 시험이 있어, 분진을 충전시킨 상태에서 일정 시간 커넥터를 노출시켜 나중에 꺼내어 소정의 성능을 만족하고 있는지 확인합니다. 먼지의 종류는 몇 가지이며 지정됩니다.
대책 와이핑과 2점 접점 구조
절연계, 접속을 저해하는 이물질은 분진 이외에도 있습니다만, 커넥터가 그들과 싸우는 기구는 와이핑입니다. 커넥터의 단자끼리는 상응하는 접압으로 밀착 접촉 하면서 유효 끼워맞춤 길이 라고 하는 거리를 고리고리 문지르면서 끼워 갑니다. 것에 의합니다만, 당사의 대표적인 커넥터라고 하면, 콤마수 mm 정도의 것이 많기 때문에 감각으로서 파악하기 어려울지도 모릅니다만, 미크로의 세계에서는 고르고리 문지르고 있는 것입니다. 이 때 와이핑 = 닦아내기가 행해집니다.
와이핑에 의한 이물과의 싸움은, 「접압=강도」와 「유효감합장=전투시간」을 어떻게 이물과 싸울 수 있도록 설계하는 것, 또 효율적으로 와이핑을 실행하기 위한 단자 형상으로 하는 것이 열쇠가 됩니다. 한편, 사이즈의 제약도 있고, 빼고 꽂기에 필요한 힘도 장난으로 올릴 수 없기 때문에, 전전 전승의 설계라고 하는 이유에는 좀처럼 없는 것입니다.
그래서 2도류적으로 무기를 강화한 2-POINT CONTACT 라는 기술이 있습니다. 이것은, 전후에 일직선에 늘어선 2개의 단자에 의해 구성되어, 전단의 단자가 이물을 긁어내어, 만일 이것이 이물에 올려 버려도 후단의 단자로 확실히 접속한다고 하는 것입니다.
실제로 이물 대응으로 곤란했던 고객이, 이 구조를 가진 커넥터를 채용한 것으로 상황이 크게 개선했다는 기쁜 피드백도 자주 받고 있습니다. 그 이후의 교제로 2-POINT CONTACT 마스트로 하는 고객도 계십니다. 2-POINT CONTACT에 관해서는 「커넥터의 신뢰성을 향상시키는 옵션」에서도, 좀 더 상세히 설명하고 있으므로 흥미가 있는 분은 참조해 주세요.
전도성 액체, 금속 분말 및 흡습 먼지 등으로 인한 단락
단락으로 이어지는 이물이라면 물 등의 도전성 액체, 금속 분말 및 흡습한 먼지가 있습니다. 또한 결로가 발생하면 단락으로 이어질 위험도 있습니다. 이러한 문제는 흡습 환경에서는 단지 닦아내고 닦아내면 좋다고 하는 것이 아닙니다. 들어가기 어렵거나 이물질이 전극 사이를 가로지르지 않는 구조를 취해야 합니다.
대책: 오염도/오염도(IEC 60664-1)
IEC 60664-1 (저압 전원 계통 내 기기의 절연 협조)에서는 규정된 사용 환경의 오염도/오염도 1에서 4까지 순위가 매겨진 환경에 대해 전기 장비의 구조와 정격 전압 결정되었습니다. 거친 각 순위의 환경은 다음과 같습니다.
오염도 1: 깨끗한 환경과 밀폐 기기 내
오염도 2: 가장 일반적인 환경
오염도 3 : 공장 내 등의 까다로운 환경
오염도 4: 주로 바람에 노출되는 옥외
IEC60664에 규정된 구조는 주변 재질 및 연면 거리 라고 합니다. 공간 거리와 연면 거리의 차이는 다음 그림의 이미지입니다.
어느 쪽인가 하면 안전에 관한 규격 때문에 정격 전압과 세트가 되어 있습니다만, 기본적인 사고방식은 「도통하는 것이 전극간에 닿지 않는(닿기 어려운)」상태로 하는 것이군요. 이 아이디어는 다양한 전도성 이물질에 대한 대책과도 공통적입니다. 실제로 커넥터에 베풀어지는 구조적인 대책은 보다 복잡합니다만, 심플한 대응과 환경의 정도에 의한 한계를 일러스트로 해 보았습니다.
결로나 금속제 이물질에 의해 쇼트 접속 불량이 우려되는 경우, 노출되어 있는 금속부에 그들이 닿지 않게 해 주면 된다고 합니다. 심플하게 간격=거리를 크게 하거나, 방호벽과 같은 구조를 답습하거나 하는 것으로, 어느 정도까지의 이물에 대해서는 효과를 가집니다. 그러나 상정을 넘은 크기나 양의 이물질이 침입해 버리면 또 트러블이 발생합니다. 여기서 어떤 경우라도 견딜 수 있는 커넥터를 만들려고 하면 단지 헤비 듀티가 되어 가용성이 손상되는 케이스가 다발합니다. 물론 헤비 듀티인 커넥터도 실제로 수요가 있습니다만, 전부가 전부 그러한 것으로 해 버리는 것은 코스트면에서도 사이즈면에서도 현실적이지 않네요.
그런 의미에서는 먼저 올린 상정이 매우 중요합니다. 각 커넥터 메이커는 이 과제에 한정되지 않고, 제품 개발시에는 다양한 제품 사양은 「이 제품을 어떤 시장, 어떠한 어플리케이션으로 사용해 주시겠습니까?」를 꼼꼼히 검증해 제품 사양을 결정해, 상세 구조를 결정해 갑니다. 커넥터를 사용하시는 고객님께서는, 커넥터 메이커의 영업원으로부터 자주 용도를 듣거나 사양서에 있는 면책 항목을 보거나 하는 분도 많을까 생각합니다만, 거기에는 이런 배경도 포함되어 있군요. 그런데, 그 상정에 대해서, 혹은 도입한 대책에 대해서, 효과의 검증은 물론, 평가도 실시합니다. 예를 들면 결로 등은 각종 조건의 온습도의 사이클 시험에서의 검증을 실시하고 있습니다. 자주 등장하는 당사의 신뢰성 실험실 에서도 해당 설비를 가지고 있으며, 매일 다양한 제품으로 평가를 실시하고 있습니다.
마지막으로, 이물질의 침입에 대한 규격에 관해 이야기를 하겠습니다.
이물질의 침입에 대한 시험·규격 IPXX
제품에 대한 이물질의 침입을 규정하는 것으로는 IEC의 IP 규격이 유명하고 귀에 들었던 적이 있는 분도 많지 않을까 생각합니다. IP=International Protection에서 IP XX와 2자리 숫자로 등급이 매겨집니다. 방수 규격의 이미지가 강한 것은 아닐까 생각합니다만, XX의 전단은 인체 및 고형 물체에 대한 보호로 0~6의 7단계로 나뉩니다. 그레이드는 싹둑으로 말하면, 침입할 수 있는 (침입을 막는) 물건의 크기로 정해져 있어 작아질수록 고그레이드입니다. 최고 등급의 6에서는 완전 방진이됩니다. XX의 후단이 친숙한 방수 등급입니다. 0~8의 9단계였던 것이 최근 독일 규격에서 제트 스팀 세척에 대한 9K가 추가되어 10단계로 인지되고 있습니다. 실제로 적용되는 등급을 나열했습니다.
매트릭스로 그레이드가 존재하지 않는 개소가 있습니다만, 예를 들면 손가락은 위험한 곳에 닿지만 물은 침입하지 않는다, 라고 하는 것은 없기 때문에 IP18는 없습니다. 어떤 상황을 상정하고 있는지가 매우 알기 쉬운 규격입니다. 이 규격은 커넥터와 같은 부품에 대해서는 아니고 제품에 대한 규격이며, 기기 속에서 사용되는 제품이 주체인 당사의 제품에서는 그다지 직접 인용하지는 않지만, 「차재 동축 카메라 솔루션」에서 소개하고 있는 동축(FAKRA) 인터페이스 부착 카메라 리어 케이스는, IP69K에 대응한 제품이 되고 있습니다.
요약
접속 불량의 요인과 대책이라고 하는 것으로, 설명해 왔습니다. 연결 불필요한 요인과 대책은 다음과 같이 정리할 수 있습니다.
연결 불량의 요인 1 인위적 실수로 인한 것
(1) 불완전 정합
대책: 클릭감과 Audible Click(가청 클릭)
(2) 오감합
대책:커넥터의 색분해, Key Feature, 역삽입할 수 없는 구조
접속 불량의 요인 2 환경 의존에 의한 것
(1) 기계적 영향에 의한 접속 불량
진동・충격에 의한 순단
대책: 스프링
진동에 의한 미끄럼 마모
대책: Z-Move
기계적 사고
대책 : 잠금기구, 유입구조
(2) 화학 변화에 의한 접속 불량
금속으로부터의 성장물 위스커, 이온 마이그레이션
대책 : 적재 적소에서의 사용
갈바닉 부식 (이종 금속 접촉 부식)
대책: 봉공 처리
(3) 이물질에 의한 접속 불량
먼지
대책 : 와이핑과 2점 접점 구조
전도성 액체, 금속 분말 및 흡습 먼지 등으로 인한 단락
대책: IEC 60664-1
이번 칼럼을 계기로, 「금속끼리 만져 있으면 도통한다」로부터 「커넥터도 힘들구나」라고 하는 느낌으로 바뀌었다고 하는 것이 조금이라도 계시면, 당사 혹은 이 업계에서 노력하고 있는 면들도 조금은 보상되는 것이 아닐까 생각합니다. 그리고, 커넥터에 한정된 이야기가 아니고, 다양한 전자 제품, 전자 부품은, 평상시 의식하지 않는 세세한 곳까지 궁리나 검증을 쌓고 있습니다. 저도 그만 잊어버리기 쉽습니다만, 커넥터 이외에도 다양한 제품에 베풀어진 세세한 기술이나 그것을 지지하고 있는 분들에게의 감사를 재인식했습니다.