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小型化で耐える: コネクターの難題

マイク・デッペ著
グローバル製品開発・イノベーション担当バイスプレジデント

小型化は、エレクトロニクスを組み込んだ事実上あらゆる種類の製品において、エンジニアの不変の友となっています。自動車・モバイル機器・医療機器・防衛システム・家電・電化製品 - これらすべてのカテゴリーに共通しているのは、移り変わる市場の需要に合わせて縮小していく必要性があるということです。

競争・消費者や産業界の嗜好・市場の要求により、設計者は、電子アセンブリー、コンポーネント、ワイヤーハーネス、エンクロージャーのサイズを縮小する方法を見つける必要に迫られています。同時に、進化する最新テクノロジーをサポートするために、機能やパフォーマンスを追加する必要が常にあるため、すべてを適合させることは重要な課題です。たとえば、消費者はモバイル機器の大型化を望んでいません。自動車メーカーは、従来の内燃自動車やトラックの燃費を向上させ、電気自動車(EV)の航続距離を伸ばすために、自動車の全体的なサイズと重量を常に削減する必要があります。ウェアラブル医療機器は、患者の利便性を向上させるために小型化および軽量化が進んでいます。

設計の中で意外に重要な役割を果たすのが、電気コネクターの使用です。電線対基板用、電線対電線、基板対基板、フレキシブルフラットケーブル(FFC)、フレキシブルプリント回路(FPC)、入出力(I/O)、電源および無線周波数(RF)コネクターは、電気的な循環の流れの一部であり、デバイス全体にパワー用とシグナル用を供給し、個々の部品が正常に相互作用できるように結び付けます。デバイスの合理化を可能にするため、あるいは他の重要なコンポーネントのためのスペースを確保するために、設計全体が縮小するにつれて、コネクターも縮小しなければなりません。それは設計者にとって本当に難しいことです。

コネクターの小型化を推進するアプリケーション

モバイルデバイスは、便利なサイズであり続けると予想されますが、テクノロジーが進化するにつれて、電子的な機能の増加に対する需要が高まっています。たとえば5G 5Gの高度な機能をサポートするために、新たなアンテナアレイが追加されています。同様に、半導体は機能を追加し、I/Oのニーズが高まっています。また、パワー用要件を満たしたり、動作時間を延ばしたりするために必要なバッテリーの大型化も、設計者にとって大きな課題となっています。

デジタルコックピットやセンシング機能などのエレクトロニクスが普及し、ワイヤーハーネス全体が最も重く、最も高価な部品の1つとなっている自動車でも、同様の課題が浮上しています。

医療患者も、より小型で快適なウェアラブルを望んでいます。民生用電子機器であれ医療機器であれ、産業用制御機器およびIoTは、クラウドプロセッサーにデータを中継するまでデータを処理し、保存できる独立したエッジデバイスになるために、さらに機能を追加します。

コネクターは、このような重要なアプリケーションにおいて、機械的な大きさを制限する大きな要因の1つとなることがよくあります。ピッチサイズ(コネクター内で隣り合う2つのコンタクトの中心間の距離)は、拡大するI/O要件をサポートする小型基板と高ピン密度に適合するように縮小する必要があります。

イノベーションの必要性

ユーザーおよび業界のニーズに合わせて物を小さくすることは、1つの課題です。しかし、設計上の制限や要件は他にもあります。
コネクターは多くの場合、機器内で単一の役割を果たすのではなく、5Gなどの携帯電話またはWi-Fi通信のような高周波数信号、その他のシグナル用伝達、さらにはパワー用伝送を行います。シールドは複雑になり、ピン間に壁が必要になるだけでなく、コネクターの外部エンクロージャーも必要になります。

ピンとコンタクトのサイズが小さいと、接続に必要な材料が少なくなるため、伝送できるシグナル用またはパワー用に厳しい制限が生じます。接続部が小さいと抵抗が大きくなり、その結果生じる熱を放散しなければならなくなります。コンポーネントレイアウトが圧縮され、アセンブリー周辺の物理的スペースが小さくなることは、コンポーネントやコネクターを冷却するために空気を流すスペースが小さくなることを意味します。
コネクターが小さいと信号を伝送する容量が小さくなり、シグナル用損失が増加する可能性があります。適切なタイプのコネクターを選択し、プリント基板上の適切な位置に設計することは、フォームファクターと全体的な信号対雑音比のパフォーマンスに大きな影響を与えます。

製造上の課題

電気テクノロジーに創意工夫が必要なら、製造テクノロジーにも創意工夫が必要です。小型化されたコネクターには、メーカーがクリアしなければならない多くのハードルがあります。コネクターは非常に小さいため、人間が組み立てるのは困難です。特に、コネクターが米粒ほどの大きさである場合がそうです。また、このような小さなコネクターは壊れやすく、適切に扱わないと簡単に壊れてしまいます。このため、機械であれ人であれ、組み立てには、より複雑で時間がかかります。工場ラインでの力の入れすぎは、コネクターだけでなく、組み立てユニット全体を破壊し、莫大な作業コストをもたらします。工場のライン作業員が毎日何千ものコネクターを扱わなければならないことが多い場合、これらの課題は飛躍的に大きくなります。

小型化されたコネクターは壊れやすいという性質に加えて、メーカーは、コネクターを設計する際に多くの考慮事項に直面します。これには、破損したコネクターの修理方法の理解、正しい嵌合力のダイヤル設定、アセンブリーやデバイスのレイアウトに基づく必要な形状の考慮などが含まれます。このような製造上の課題があるため、適切な接続パートナーを選択することは、設計プロセスの重要なステップとなります。

小型コネクターのエキスパート

このような小さなコネクターで電子機器を製造するのは難しいだけでなく、部品そのものを作るのも大変です。そして、多くの設計者にとって、コネクターは後回しになりがちです。最新の「クール」なデバイスに関するエキサイティングなディテールに囲まれた世界では、コネクターは見過ごされがちです。しかし、その重要性を軽視することはできません。

その一例として、モレックスは、エレクトロニクスアプリケーションの縮小し続ける要件をサポートするマイクロコネクターの全製品ラインを開発しました。さまざまな電線対基板用、ブレード、リボン、電線対電線、Milli-Grid、マイクロTPA、ボードイン、基板対基板、FPC、FFC、基板対FPC、IEEE 1386、USB、およびHDMIコネクターにより、モレックスは、既存の製品群と、企業がコネクターのニーズに対する独自のソリューションを開発するための専門知識の両方を備えています。