ワイヤーハーネスに最適な部品を選択してください

Nov 28, 2023

より線導体 (右) は単線導体 (左) よりも柔軟性があります。 どちらも裸の、メッキされていない銅です。 写真提供：Epec Engineered Technologies

このケーブルは、ホイルシールドで包まれ、ポリマーシースで囲まれた個々の絶縁導体で構成されています。 写真提供：Epec Engineered Technologies

このケーブルには、電磁干渉と無線周波数干渉を制御するためにフォイル シールドと編組シールドの両方が付いています。 写真提供：Epec Engineered Technologies

電子システムまたは電気システムの重要なコンポーネントはケーブル アセンブリまたはワイヤー ハーネスですが、通常、これは最後に扱われるコンポーネントの 1 つです。

システムを設計する場合、配線は設計段階のできるだけ早い段階で対処する必要があります。 ワイヤリング ハーネスには、コネクタ、ラップ、クリップ、シール、そしてもちろんワイヤ自体を含む多くのコンポーネントがあり、それぞれが最終製品の性能に影響を与える可能性があります。 過剰設計または過小設計のワイヤー ハーネスは、最終的に最終製品のパフォーマンスに悪影響を与える可能性があります。

ワイヤー ハーネスを設計するとき、エンジニアは事前に答えなければならない質問がたくさんあります。 最も大きなものには、ハーネスが使用される環境が関係します。 屈曲にさらされてしまうのでしょうか？ クリーンルーム内で行うのでしょうか？ 日光や湿気にさらされますか? 化学物質や極端な温度にさらされることはありますか?

アセンブリに含まれる回路または導体の数とタイプは、アプリケーションによって決まります。 導電性材料の種類、導体の撚り方、材料に施されるメッキなど、多くのオプションが用意されています。

最も多用途で広く使用されている導体材料は銅です。 銅は多くのコーティングと適合し、腐食を遅らせ、終端プロセスを支援します。 導体の破断強度をさらに高める必要がある場合は、銅被覆鋼や銅合金などのオプションを利用できます。 これらの材料には依然として銅が使用されていますが、曲げ寿命と破壊強度の両方を向上させるために、鋼またはカドミウム、クロム、ジルコニウムなどの合金が追加されています。 一部の限られた用途では、ステンレス鋼を導体として使用できますが、ステンレス鋼自体は銅に比べて導電性が低いため、導電性を向上させるためにメッキが必要な場合があります。

裸の銅は大気にさらされると腐食しやすいため、ほとんどの導体は腐食を遅らせ、より厳しい設置でも銅を使用できるようにするためにさまざまなコーティングでめっきされています。 最も人気があり、最も安価なコーティングの 1 つは錫です。 腐食を遅らせ、終端処理を助けます。 ケーブルアセンブリが高温にさらされる場合は、銀やニッケルなどのコーティングを施すことができます。 これらのコーティングにより、導体をそれぞれ 200 ℃ および 260 ℃ の温度で確実に使用できるようになります。

導体は、導電性材料の単一の固体ストランドで構成することも、多数の細いストランドで構成することもできます。 より線導体は単線の剛性を克服する手段として開発され、多くのバリエーションがあります。 特定のサイズの導体の場合、素線の数が多く直径が小さいほど、導体の柔軟性は高くなります。

ケーブル アセンブリの各導体は、特定の用途に合わせて設計される必要があります。 たとえば、導体が電力を供給する場合、使用する導体のサイズを決定する前に、導体が流す電流の量を考慮する必要があります。 導体が信号を送信する場合は、信号速度とアセンブリの長さを考慮して、導体の最適な構造を決定する必要があります。

絶縁体は熱硬化性組成物または熱可塑性組成物のいずれかで入手可能であり、導体構造と同様に、一次導体の絶縁体の材料、厚さ、種類は用途によって決まります。 幅広い用途や環境に対応できる材質を取り揃えております。 対処すべき重要な領域には動作温度があります。 アセンブリが伝送する電圧の種類とレベル。 動作環境の厳しさ、アセンブリがさらされる化学薬品や液体の種類。

-65℃から200℃以上の温度に対応できる材料が用意されています。 温度について考えるときに対処する必要がある要素は、アセンブリが動的状態になるか静的状態になるかということです。 言い換えれば、議会は移動の対象となるのでしょうか？ もしそうなら、温度は何度ですか? 極端な温度で動的状態にあるアセンブリが適切に機能するには、より頑丈な断熱材が必要です。

ケーブル アセンブリによって伝送される電流または電圧の量によっても、使用する絶縁の種類が決まります。 絶縁材料の中には、長時間の大電流に耐えられないものもあります。

より高速の信号が送信される場合、一部の絶縁材料は化学プロセスまたはガス注入プロセスを使用して「発泡」されます。 このプロセスにより絶縁体内に気泡が生成され、高速信号を妨げることなく通過することができます。

識別目的で、一次絶縁体に色を付けたり、マークを付けたりすることができます。 着色は、一次押出段階で配合物と混合される着色剤を使用して完了します。 追加の識別方法は、絶縁体に番号を印刷するか、縦方向、螺旋状、または帯状のストライプを適用することです。

1881 年にアレクサンダー グラハム ベルによって発明されたワイヤのねじりは、外部ソースからの電磁干渉を打ち消すために行われます。 最も一般的なノイズの問題は、同じケーブル内のペアが長距離にわたって隣り合う電気通信用途に使用されるケーブルに関するものです。 近接しているため、1 つのペアが隣接するペアにクロストークを引き起こす可能性があり、このノイズはケーブルの長さに沿って付加的に発生します。 ケーブルのペアをツイストすると、ペアは半分のツイストでのみ互いに​​近くになるため、この影響が打ち消されます。 アセンブリが通信またはデータ信号伝送に使用される場合は、ノイズや EMI のリスクを排除するためにツイストペアを考慮する必要があります。

導体またはツイストペアを一緒にケーブル接続することもできます。 ケーブル配線は、導体またはペアを螺旋状に巻き付ける、または「ケーブル接続」する製造作業です。 ケーブル配線にはいくつかの目的があります。 これにより、より柔軟なアセンブリが可能になり、見た目にも美しいアセンブリを可能にする丸い構成が得られます。

電磁干渉と無線周波数干渉の両方をさらに制御するには、導体をケーブル接続した後にシールドを適用できます。 シールドにはいくつかのオプションがあります。 それぞれに長所と短所があります。 最も一般的なシールドの 1 つは、フォイル シールドとして知られる、ポリエステルの裏地に接着された金属化フォイルです。 フォイルシールドは最も安価です。 かなり優れた柔軟性を持っていますが、屈曲寿命はあまり良くありません。 高周波では効果的ですが、低周波ではあまり効果がありません。

シールドの別のオプションは編組シールドです。 このタイプのシールドは、編組機と呼ばれる特殊な装置を使用してケーブル コアに編組された多数の細径ワイヤで構成されます。 このタイプのシールドはフォイル シールドよりも高価ですが、終端がより困難です。 より低い周波数でのシールドが向上し、屈曲寿命が長くなります。

別のタイプのシールドは、細い直径のワイヤがケーブル コアの周りに巻き付けられたスパイラル シールドです。 このタイプのシールドは、優れた柔軟性と長い屈曲寿命を備えていますが、高周波での保護が弱く、終端が困難です。

干渉に対する最良の保護は、フォイル シールドと編組シールドの組み合わせによって実現されます。 この組み合わせにより、すべての周波数で優れた保護が提供され、終端も簡単になります。 ただし、通常は最も高価なオプションです。

ケーブルコアが完成したら、外側のシースまたはジャケットが適用されます。 このジャケットは保護カバーであり、UL および CSA 要件を満たすために難燃性であることが求められます。 また、外側ジャケットは、過酷な環境からケーブルを保護するために物理的に丈夫であること、設置および操作中にアセンブリの動きを許容する柔軟性、耐薬品性、および一部の用途では半導電性であることも必要です。

ジャケットは、最終使用環境に応じて、さまざまな素材で作成できます。 PVC は最も広く使用されており、コスト効率の高い化合物です。 その他の材料には、過酷な使用用途向けのウレタンベースの製品が含まれます。 エラストマーベースの製品。 耐火性と物理的靭性のためのフルオロカーボン。 合金ベースの材料。 非ハロゲン材料は、火にさらされたときに発生する煙が少なく、毒性が低く、酸も少ないです。

コネクタには多くのオプションが用意されています。 送信される信号のタイプと速度によって、コネクタの選択が決まります。 たとえば、アセンブリを介して電力を送信する場合は、圧着タイプのコネクタを選択できます。 高速信号を送信する場合は、はんだ付けまたは溶接接続が使用されます。 コネクタのオプションは、ハーネスが取り付けられるアセンブリに基づいて制限される場合があります。 最終アセンブリに特定のタイプのコネクタがすでに装備されている場合、端子の選択肢は限られます。

張力の緩和にも対処する必要があります。 ストレイン リリーフは、ケーブルから終端領域への移行点を提供し、ケーブルにかかる負荷が終端に伝達されて終端不良が発生するのを防ぎます。 張力緩和のオプションには、ソリッド設計またはセグメント設計が含まれます。 セグメント化されたデザインは最大限の曲げ緩和を提供しますが、無菌環境で使用すると清潔に保つのがより困難になります。

ケーブル アセンブリやワイヤー ハーネスを設計する際の主な懸念事項の 1 つは、場所、つまりアセンブリが最終的に使用される世界の地域、その地域の安全認証、および満たす必要のある環境基準です。

多くの国には、電気機器の検査とテストを強制する独自の規制および安全基準機関があります。 たとえば、北米では、UL と CSA が電気機器のガイドラインを設定する規制および安全規格機関です。

北米以外のほとんどの国には独自の安全機関が存在します。 ほとんどの国は、ガイドラインの基礎として IEC (国際電気標準会議)、CEE (電気機器承認規則に関する国際委員会)、または CENELEC (欧州電気標準化委員会) を使用しています。

製品への有害物質の使用を制限または制限する環境基準もあります。 WEE、REACH、RoHS 指令は、有害物質の使用を制限する 3 つの規格です。 WEEE 指令は、製品の耐用年数が終了したときの電子製品および電気製品の廃棄とリサイクルを管理します。

安全基準と環境基準に加えて、アセンブリは特定の性能基準に基づいた業界基準を満たす必要がある場合もあります。 アプリケーションによっては、ケーブル アセンブリが HDMI、SFP+、QSFP、TIA/EIA 568-C.2 などの基準を満たす必要がある場合や、アセンブリが ETL などの独立したテスト サービスによって検証される必要がある場合があります。

最終的には、製造を開始する前に、設計のすべての仕様に事前に対処する必要があります。 これらの重要な要素を無視すると、最終製品のパフォーマンスに悪影響を及ぼし、製品の価格にも影響を与える可能性があります。 ケーブル アセンブリを必要とする製品を設計している場合は、ニーズに合った最適なケーブル アセンブリを決定するために、ハーネスの製造元にアプリケーションの詳細をすべて問い合わせることが常にベスト プラクティスです。

Brian Morssette 氏、ケーブル アセンブリ製品マネージャー、Epec Engineered Technologies、マサチューセッツ州ニューベッドフォード