従来のGlass-to-Metal Seal（GTMS）コネクタは、医療、自動車、航空宇宙、軍事、低圧地球物理学など幅広い分野で効果的な気密バリアと電気絶縁体として機能しているが、過去30年間に開発された先進の熱可塑性プラスチックが最も過酷な動作環境に対する優れたソリューションであることが実証されている。

PAEK（ポリアリルエーテルケトン）熱可塑性プラスチックのカテゴリーでは、新しいPEEK（ポリエーテルエーテルケトン）とPEK（ポリエーテルケトン）化合物が、航空機エンジンやHPHT（高圧高温）石油・ガス掘削作業などの最も厳しい電気コネクタアプリケーションに求められる熱安定性や機械強度、低い摩耗、化学抵抗、絶縁抵抗、ピン密度を提供し、発展しています。

ガラス封入

17世紀以来、Glass-to-Metal Sealは気密バリヤーを提供してきたが、気密性と電気絶縁性を両立させるために開発された。ガラス金属密閉コネクタでは、ガラスを溶かして金属ピンとパッケージの両方を包み込み、ハウジングとピンの間に導電性の絶縁を実現します。金属部品には可視酸化膜が形成され、ガラスの流動と接着を可能にする。封止の強さは酸化膜によって制限されます。また、製造工程でコネクタの他の表面から酸化膜を除去する必要があり、汚染の可能性があるため、追加の工程が必要である。

ガラスは電気絶縁性が高く、熱伝導率が低く、高い圧力と温度に耐えることができる。しかし、極端な動作条件下でテストすると、Glass-to-Metal Sealの限界が明らかになる。その限界は2つある。

• ガラスの材料特性- ガラスは剛直で脆いため、高圧、衝撃、振動などの機械的ストレス、特に極端な熱サイクルの組み合わせで割れやすくなります。


• 製造工程における制約- ガラスの溶解の難しさと溶融時の粘性から、使用できる金属の種類に制約がある。

ガラスとメタルのマッチング

ガラスと金属のシールは、900℃を超える高温で溶融し、その後急速に冷却することで形成される。このとき、ガラスと金属の熱膨張係数を一致させることが、強靭で弾力性のあるシールを作るために必要である。熱膨張係数とは、温度変化による材料の膨張・収縮の度合いを表す。加熱と冷却の過程で、2つの材料の体積変化の速度が同調していなければならない。さもなければ、一方の材料が他方よりも速い速度で膨張し、熱的に生成された応力が誘発される。

ガラスは硬くて脆いため、接合部に張力や応力が加わり、ボイドやガラスと金属の剥離、ガラスの構造的完全性が損なわれることを避けるために、あらゆるCTE不整合の管理が重要である。ガラスと金属の接合は、製造時の溶融プロセスだけでなく、実際の動作条件下での数千回の熱サイクルにも耐えなければならない。

このように、金属とガラスの熱膨張率を一致させる必要があるため、金属材料の選択が制限される。コバールは、線膨張係数が20〜200℃で5.5×10-6/K、400℃で4.9×10-6/Kとホウケイ酸ガラスの線膨張係数に近いため、Glass-to-Metal Sealのパッケージに多く使用されている。フィードスルーピンも同様に、必要な熱物性からニッケル合金やステンレス鋼が選ばれている。しかし、これらの材料は、電気コネクタの主目的である電気伝導性を大きく損なってしまう。

ガラスの欠点に対応するPEEKとPEK

PEEKとPEKの電気コネクタの導入は、Glass-to-Metalコネクタの固有の弱点を克服しています。熱可塑性材料の熱膨張係数を金属と一致させる必要がないため、金属製フィードスルーピンの電気特性を最適化することができます。熱膨張係数を合わせるという制約がないため、導体材料は製造方法ではなく、用途に合わせて選択することができる。

例えば、インコネルやステンレス鋼に比べて電気抵抗が低いベリリウム銅（BeCu）を利用することができます。より効率的な伝導性により、より多くの電流を流すことができ、発熱も少なくなります。つまり、より信頼性の高い電力と信号の伝送が可能になるのです。

導電率が高ければ、ピンの直径を小さくできるため、ピン密度の大幅な向上やピンパターンの設計の自由度が高まり、コネクタ全体のサイズを小さくすることができます。また、ガラス溶融法よりもプラスチック射出成形法の方が、極小部品の製造に適しています。熱可塑性樹脂の軽量化と、ピンの小型化、コネクタ全体の小型化により、GTMSコネクタと比較して大幅な軽量化を実現しました。航空宇宙、海底、エネルギー産業などのアプリケーションでは、部品の重量と寸法サイズがサブシステム全体の性能に大きく影響します。

PEEKとガラスの重要な違いは、絶縁材料が各金属ピンを包んでいる内部シールの形状である。PEEKコネクタは、PEEKをピンの上にオーバーモールドする射出成形プロセスで製造される。この方法では、金属ピンの長さ方向にシールが伸びている。そのため、硬いガラス製シールに比べて耐久性に優れている。ガラスシールの内部応力や金属接点の不均一な熱膨張は、シール面にクラックを発生させ、部品の早期故障につながる。PEEKはガラス転移温度が低いため、圧力負荷や振動がかかってもわずかな変形を許容する。金属接点をオーバーモールドすることで、コネクタはわずかな嵌合のズレに耐え、取り付け時の誤操作や機械的衝撃による破損の影響を受けにくくなります。曲がったピンは、部品を廃棄することなく、再調整することができます。

最も要求の厳しいアプリケーション

航空機のエンジンや深海掘削作業など、信頼性と一貫した性能が重要なアプリケーションでは、PEEKおよびPEK電気コネクタはいくつかの重要な利点を提供します。

• 信頼性の高い電力と信号の伝送- ベリリウム銅など最適な金属ピン材料との互換性


• HPHT用途 - 232°C（450°F）、35,000 psiまで、特殊な高度架橋PEEK熱可塑性プラスチックでは、260°C（500°F）、45,000 psiまで対応します。急速かつ過酷な圧力・温度サイクルへの耐性


• 化学的回復力 -硫化水素、メタノール、掘削液、坑井生産物など


• 機械的強度- 衝撃や振動に強く、連続性が損なわれない。


• 耐久性 -誤操作による破損の影響を受けにくい。

熱可塑性樹脂がガラスを凌駕する

PEEKとPEKは、ガラスの限界を克服し、最も過酷な使用条件下でも優れた性能を発揮します。熱可塑性プラスチックの材料特性は、ガラスの剛性と脆さを克服し、圧力、衝撃、振動などの機械的ストレスにはるかに優れた弾力性を提供します。熱可塑性プラスチックコネクターの製造工程では、電気抵抗の低い金属を使用することができ、電力と信号の伝送性能が大幅に向上します。

技術者や研究者は、信頼性と性能を向上させるために、革新的なエラストマーや熱可塑性材料の開発を続けています。電気コネクタには、非強化 PEEK の他に、熱物理学的特性を向上させた非強化 PEK や、機械的強度を向上させた強化 PEEK 等が用意されています。過酷な条件下では、アーロン3000XT®などの架橋PEEKは、500°Fまでの温度、45,000 psiの圧力で機能し、石油・ガス探査で使用される他の材料よりも30%強いことが実証されています。

この記事は、新しい「Connector Supplier」eBook、2022 Rugged Interconnects for Harsh Environmentsに掲載されています。