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ピン曲がり解析は、電気コネクタに対して行われる故障モード影響解析（FMEA）の特殊な種類であり、拡張してインターフェース配線のFMEAにも適用できます。この解析は、一般的にミッションクリティカルおよびセーフティクリティカルなシステムに適用でき、特に航空機では、配線などのローテク部品の故障が安全性に影響を与える可能性があり、実際に影響を与えることもあります。
コネクタの仕組み
電気コネクタは、システム内の部品間で信号と電力を伝送します。これらの部品は、製造時、使用時、またはメンテナンス時に分離する必要がある場合があります。嵌合コネクタペアを構成する各コネクタは、電気ケーブルアセンブリ（嵌合していない方のコネクタがある程度自由に動く）の一部である場合もあれば、シャーシやその他のアセンブリ（コネクタの位置が固定されている）の一部である場合もあります。
ほとんどの嵌合コネクタのペアでは、一方のコネクタにソケットコンタクトの配列が取り付けられ、もう一方のコネクタには対応するピン（またはその他の形状）コンタクトの配列が取り付けられています（図1を参照）。これらは、メスコンタクトとオスコンタクトと呼ばれることもあります。コンタクトは、インサート（図では赤色で示されている部分）と呼ばれる長方形または円筒形の絶縁材の固体ブロックによって、コネクタ本体内で固定位置に保持されます。インサートには、コンタクトを収容するための穴が設けられています。信号や電力を電線で伝送するために使用される多くの最新コネクタでは、コンタクトはコネクタ本体とは別に供給されます。コンタクトの非嵌合端は電線に圧着またははんだ付けされ、次にコンタクトの嵌合端は専用工具を使用してコネクタインサートに押し込まれます。正しく挿入されたコンタクトはインサート内に固定されるため、引き抜くには別の専用工具を使用する必要があります。コネクタによっては、コンタクトがインサート内に恒久的に固定されているため、1つのコンタクトが破損した場合、コネクタ全体を交換する必要がある場合もあります。
すべてのコネクタが図のように電線に接続されるわけではありません。例えば、一部のコネクタでは、非嵌合端に電線用の開口部ではなくプリント回路（PC）テールを備えたコンタクトが実装されており、コンタクトをプリント配線板に直接接続することができます。
ほとんどのコネクタには、シェルと呼ばれる外側の金属ジャケットも含まれており (図では青色で示されています)、インサートをシェルに対して固定位置に保持します。シェルは、コネクタを扱う手段を提供するとともに、接点を損傷からある程度保護します。嵌合するコネクタ ペアのシェルは、コネクタが押し込まれる際にインサートがソケットとピン接点の位置を合わせ、損傷なく嵌合できるよう、互いに対して正確に 1 つの方向で嵌合するように設計されています。ほとんどの種類のコネクタのシェルには、応力や振動によって意図せず外れることのないように、嵌合するコネクタをロックするメカニズムもあります。金属シェルは、安全のため、および電磁干渉(EMI) を制御するために、多くの場合、シャーシ アースに電気的に接続されます。
一方のシェルが相手方のコネクタのシェル内に収まるコネクタをプラグ、もう一方のシェルがレセプタクルと呼ばれます。図では、ピンコンタクトを持つプラグとソケットコンタクトを持つレセプタクルが示されていますが、逆の配置もよく見られます。
コネクタの故障の原因
他のシステム部品と同様に、コネクタにも故障は発生します。金属シェルが機械的な故障を起こし、コネクタペアが嵌合状態を維持できなくなる場合があります。曲がったピン解析では、コネクタ接点に関連するより一般的なコネクタ故障モードを解析します。これには、電気接点の嵌合面の腐食による意図された経路に沿った導電性の喪失、接点から外れた電線、物理的に損傷または曲がった接点などが含まれます。曲がった接点は、嵌合コネクタの対応する接点と嵌合できません。このような曲がった接点は通常、曲がったピンと呼ばれます。接点の中には、断面が円形のピンではないものもありますが、曲げられるオスの接点は通常、ピンと呼ばれます。
ほとんどのコネクタでは、図 1 に示すように、ソケット コンタクトはインサート内に完全に保持され、インサート嵌合面ではソケット コンタクトの嵌合端のみにアクセスできます。この配置により、ソケット コンタクトは取り扱い中の予期しない損傷から適切に保護されるため、この配置のソケット コンタクトは不注意で曲がることはありません。対照的に、ピン コンタクトの嵌合端はインサートの表面より上に突き出ており、取り扱いを誤ると 1 つ以上のピンが曲がってしまうことがあります。たとえば、2 つの嵌合コネクタのシェルを慎重に位置合わせせずに押し込むと、ソケット コネクタのシェルがピン コネクタの露出したピンに押し付けられることがあるため、曲がりが生じることがあります。または、ケーブル アセンブリを取り扱う際に、ピン コンタクト コネクタのあるケーブルの端が作業台の角に擦れ、一部のピンが曲がってしまうことがあります。取り扱いミスにより1本または複数のピンがわずかに曲がる場合がありますが、2つのコネクタを嵌合しようとすると、わずかに曲がったピン（ソケットコンタクトの開口部と合わなくなったピン）が2つのインサートの嵌合面の間を無理やり滑り込み、その間に平らに横たわってしまうことがあります。残念ながら、ピンコンタクトは薄く、多くの種類のコネクタでは簡単に曲がってしまうため、この曲がりが嵌合に与える影響は、人がコネクタペアを嵌合するために必要な比較的強い力を加えた場合、通常は目立ちません。むしろ、システムが期待どおりに動作しなくなったときに初めて損傷が明らかになります。
（一部の新しいコネクタは、正反対の配置（突出したソケット接点と凹んだピン接点）で設計されています。これは、脆弱なピンを保護し、より剛性の高いソケットを露出させるという考え方です。剛性の高いソケットが誤った取り扱いによって曲がってしまうと、2つのコネクタを嵌合させることが事実上不可能になるため、損傷はすぐに明らかになります。損傷したコネクタは嵌合できず、システムも動作しない可能性が高いため、この種のコネクタに曲がったピンの解析を適用する意味はありません。）
曲がったピンがシステム動作に与える影響は、すぐに明らかになる場合もあれば、そうでない場合もありますが、潜在的に壊滅的な結果をもたらす可能性があります。 [1] 故障モードはいくつか考えられます。通常、信号または電力を伝送するピンが曲がると、電気経路が断線します。曲がったピンが隣接するピンや接地されたシェルに接触していない場合、他の経路への短絡は発生しません。図2は、一般的な軍用コネクタのピン間隔と直径を示しています。このため、曲がったピンが他の2つのピンの間に入り込んでも接触することはありません。
曲がったピンが接地シェルに触れると、ピンの信号はシャーシ グランドに短絡します。曲がったピンが別の接点 (または他の 2 つの接点) に触れている場合は、2 つ (または 3 つ) のパス間に電気的な短絡が生じます (図 3)。非常に一般的に使用されている一部のミニチュアD コネクタでは、曲がったピンが 2 つの隣接する接点と接地されたコネクタ シェルに触れ、シャーシ グランドが 3 つの電気パスに短絡する可能性があります。図 3 のコネクタはその一例です。嵌合するプラグ コネクタ (図示せず) は図 3 のレセプタクル シェル内に収まるため、プラグのシェルはレセプタクル シェルよりもピンに近くなります。つまり、図の曲がったピンはシェルに接触する可能性があります。
曲げピン解析における特別な考慮事項
あらゆる種類のFMEAと同様に、曲がったピンの解析では一度に1つの故障モードのみを考慮します。単純な（そして従来型の）曲がったピンの解析では、各ピンが隣接するピンとシェルに及ぼす影響を考慮します。しかし、前述のように、曲がったピンは複数の電気経路に同時に接触する可能性があるため、より包括的な解析では、1つの曲がったピンの単一の故障モードによって引き起こされる複数の同時故障も考慮する必要があります。
曲がったピンの解析では、曲がる可能性のある未使用ピンの影響も特定します。配線されていないが曲がった「予備」ピンは、目立った影響を全く与えないかもしれませんが、他の2つのパスを短絡させたり、隣接するパスを接地シェルに短絡させたりする可能性があります。
非曲げ破壊モード
曲がったピンの解析では、嵌合するコンタクト間のオープンパスも考慮されます。オープンパスは、隣接するコンタクトに接触しない曲がったピンによって発生する可能性があります（ピン密度によっては、コネクタによっては接触する可能性があり、接触しないものもあります）。しかし、オープンパスは曲げ以外の故障モードによっても発生する可能性があります。前述のように、一般的な故障モードの一つはコンタクトの嵌合面の腐食ですが、腐食はワイヤとコンタクトの接合面にも影響を及ぼす可能性があります。もう一つの故障モードは、コンタクトが不適切に装着されている（製造時にインサートに正しく固定されていない、またはコンタクトのロック機構が故障している）場合です。そのため、嵌合プロセス中にコンタクトがインサートから押し出されたり、接続されたワイヤに引っ張られてコンタクトが「抜け出てしまう」ことがあります。ある時点で、不適切に装着されたコンタクトは嵌合コンタクトから離れ、電気経路を遮断します。
曲がったピンの解析の実行
他の FMEA と同様に、曲がったピンの解析は、故障モードの決定と、システムの動作に対する結果 (故障の影響) の決定という 2 つの部分で構成されます。
故障モードの特定
特定のピンの故障モードには、常に (a) 腐食またはその他の非曲げ故障による開回路、およびピンが曲げられる場合は少なくとも次のいずれかが含まれます: (b) 何も曲がらないまで曲がる、(c) 隣接する 1 つのピンまで曲がる、(d) 隣接する 1 つのピンとシェルまで曲がる、(e) 隣接する 2 つのピンまで曲がる、(f) 隣接する 2 つのピンとシェルまで曲がる、(g) シェルまで曲がる。
通常の曲がりピン解析では、コネクタとそのピンの縮尺図を用いて各ピンの故障モードを特定します。解析者は、曲がりやすいピンを1本ずつ検討し、選択したピンが曲がった場合に隣接するピン（存在する場合）に到達できるかどうか、また、選択した曲がりピンがシェルに到達できるかどうかを判断します。解析では通常、曲がったピンが複数のピン、またはピンとシェルに同時に接触する故障モードは考慮されません。解析で故障率が必要な場合は、通常、コネクタ全体の故障率とピン数に基づいて、各故障モードに平均故障率を割り当てることで近似値が作成されます。
このアプローチは人間の判断に依存しているため、結論に誤りが生じる可能性があります。曲げの「最悪のケース」をカバーする保守的なアプローチを採用したとしても、物理的に不可能な故障モードであるにもかかわらず、曲がったピンが別のピン（またはシェル）に到達できると結論付けることは、実際にその故障モードが発生する可能性があるにもかかわらず、曲がったピンが別のピン（またはシェル）に到達できないと結論付けるのと同じくらい誤りです。
曲げ破壊モードとそれぞれの破壊率を決定するために、より数学的なアプローチを適用することができます。このアプローチでは、曲げられたピンの最大到達距離を、インサート内のピン中心からの半径として計算し、次に、曲げられたピン中心から隣接するピン（およびシェル）の最も近い部分までの距離を計算します。曲げられたピンの半径が隣接するピン（またはシェル）に到達できる場合、ピンが曲げられていることを前提として、その部品との接触確率を計算できます。確率は、以下のリストの項目1、2、および3から計算されます。破壊率は、確率と項目4および5から計算されます。[2]
1. 軍用図面または製造元の図面からのシェルとピンの寸法データ。
2. 公表データ（例えばFMD-97 [3] ）からのオープンパス故障とショート故障の比率。
3. 次のセクションに記載されている基本ルール。
4. 公表データ（例：MIL-HDBK-217 ） に基づくコネクタ故障率（特に嵌合コネクタペアのピンコネクタの場合）[4]
5. 露出時間（故障率が計算される期間）。
しかし、数学的解析を用いても、結果は主観的になる可能性があります。特に、曲がったピンの到達範囲を決定するには、ある程度の技術的判断が必要となるためです。インサートの嵌合面における曲げの特性や位置は、何も規定されていません。一部のコネクタには、インサートの嵌合面に薄い柔らかいゴム製のシール（「ピンバリア付き嵌合シール」[5]と呼ばれる）が付いており、インサートの背面から接触嵌合面への水分の流れを最小限に抑えます（図2を参照）。このシールによって、ピンの曲げ半径と位置はある程度予測不可能になります。
コネクタのシェル内面の寸法を決定する際にも、エンジニアリング上の判断が必要となる場合があります。例えば、一般的なミニチュアDソケットコネクタは、嵌合時に常にピンコネクタの内側に収まり（図3を参照）、ピンに最も近いシェル面となります。この内面の寸法は、曲がったピンが接地されたシェルに到達するかどうか、またその可能性を左右しますが、これらの寸法は必ずしも公開されているわけではありません。そのため、公開されている外形寸法とシェル材料の厚さを考慮するか、実測値を用いて寸法を導き出す必要があります。
さらに、公開された図面には通常、各寸法の最小値と最大値が記載されているため、解析に必要な各寸法の指定された値の範囲から適切な値を 1 つ選択するには、エンジニアリングの判断が必要です。
こうした主観性は、曲がったピンが隣接する各アイテムと接触するかどうかが明確に分からないコネクタの場合にのみ関係します。
数学的分析の基本ルール
数学的なアプローチでは、各ピンの入力データを均一に処理するための基本ルールが必要です。
1. ピンは曲げられるか曲げられないかのいずれかに指定されます。
2. すべてのピンが同じように故障する可能性は同等です。
3. ピンは、不注意で曲がってしまった場合、どの方向にも曲がってしまう可能性は同じです。
4. 曲がったピンをインサートの合わせ面に対して平らに押し付けると、わずかに曲がることがあります。
5. 2 つ以上の電気経路に同時に接触する可能性のある配線されていない曲がったピンには、オープンおよびショートの障害モードがあります。
基本ルール1は、ピンがインサートの嵌合面上に位置づけられるように曲げられるか、または全く曲げられないことを意味します。太い（断面積が大きい）ピンや特定の種類の接点は曲げ不可と指定される場合がありますが、組織によってはすべてのピンを曲げ可能と見なす必要があると規定している場合もあります。ただし、曲げ不可と指定されたピンも解析対象となります。他のピンがそのピンに向かって曲げられ、曲げられたピンが曲げ不可のピンの経路に短絡する可能性があるためです。また、曲げ不可のピンは腐食によって故障する可能性もあります。
基本ルール 2 は、各ピンが曲がる可能性が等しく、各ピンが表面腐食などにより開いた経路を引き起こす可能性も等しくあることを意味します。
基本ルール3は、円形または正方形など、対称的な断面を持つピンに適用されます。一方、高密度回路基板のエッジコネクタで時々使用されるブレードコンタクトは、一方の断面が厚く、もう一方の断面が薄い形状をしています。ブレードコンタクトは、その狭い寸法のどちらの方向にも同等に曲がる可能性があると考えられます。
基本ルール4は、ピンが接触面によって通常の方向から90度曲げられる場合に、ピンが曲がる可能性があることを前提としています。つまり、曲がったピンが、間に3本目のピンがあって視線が遮られているピンに接触したり、曲がったピンが、曲がったピンの直径よりも離れた隣接する2本のピンに同時に接触したりする可能性があるということです。このような曲がりの特性は主観的なものです。
基本ルール5は、配線されていない「予備」ピンが、曲げられた際にシステムに影響を与える可能性がある場合（例えば、隣接する2つのパスを短絡させる場合、または隣接するパスを接地されたシェルに短絡させる場合など）は、非予備ピンと同様に解析する必要があることを意味します。このピンは開放と短絡の両方の故障モードを持ちますが、開放回路（何にも短絡していない）の結果は「影響なし」であり、システムに影響を与えずに他のピンまたはシェルに短絡した場合の結果も「影響なし」です。
これらの基本ルールと前のセクションで引用した情報を用いて、各故障モードとそれに関連する故障率を計算し、各故障モードの故障率の合計がコネクタアセンブリの故障率（接触不良の場合）と等しくなるようにすることができます。[2] 考えられる各故障モードのリストは、分析の次の部分、つまり各故障モードの影響を決定するための基礎となります。
故障の影響の判定
一般的なFMEAと同様に、各故障モードには、通常、ローカルまたは低レベル、ミッドレベル、システムまたはエンドレベルの3つのレベルの故障影響があります。曲がったピンの解析では、ローカルレベルの故障影響の説明は、曲がったピンの信号の役割（例：「入力」または「出力」）、信号名、動作（例：「ショート」）、影響を受ける信号パス（例：「xyz通常パス」）に基づいて正確に記述できます。つまり、低レベルの故障影響の説明は、システムの他の部分を考慮せずに作成できます。このテキストは他のシステムアクティビティとは独立しているため、ローカルレベルの故障影響の説明はソフトウェアによって生成することもできます。ミッドレベルおよびシステムレベルの影響は通常、他のシステム部分の調査を必要とします。
たとえば、故障モードが FMEA ワークシートに「ピン A がピン K をショートする」と記載され、それに対応するローカル レベルの故障の影響が「入力信号 X が信号 Y の通常パスをショートする」と記載されているとします。(ここでは、曲がったピン A は信号 X を伝送し、損傷していないピン K は信号 Y を伝送します。) 故障モード「ピン A がピン K をショートする」は「ピン K がピン A をショートする」とは大きく異なり、一般的な故障の影響も大きく異なることに注意してください。
信号の役割
曲がったピンが別の電気経路に短絡した場合の影響を判断する際には、曲がったピンが信号または電源の供給元に接続されているのか、それとも接続先または負荷に接続されているのかを考慮することが重要です。前者の場合、曲がったピンは信号または電源を隣接する経路に接続します。後者の場合、正常な経路の信号または電源が、故障した経路の接続先または負荷に電力を供給します。一般的に、これら2つのケースの結果は大きく異なります。例えば、曲がったピンは「+5VDC」とラベル付けされた経路の一部である可能性がありますが、ピンが経路の負荷端に接続されている場合、そのピンが接触するすべてのものに5ボルトの電圧を供給すると想定するのは誤りです。解析中にこのような誤りを防ぐには、各ピンにおける各信号の役割を特定することが有用です。前の段落の例では、信号の役割は「入力」であり、これは曲がったピンが負荷または接続先に接続されていることを意味します。記載されている役割が「出力」であれば、曲がったピンは信号源または電源に接続されていることを意味します。分析に役立つ役割のリストとしては、入力、出力、双方向、電源、グランド、スペア、シェルなどが挙げられます。
その他の考慮事項
グラウンド。 異なる種類のグラウンド（典型的な分離されたグラウンドは、アナログ信号グラウンド、デジタル信号グラウンド、AC電源グラウンド、DC電源グラウンド、シャーシグラウンド）を分離するシステムでは、「グラウンド」の役割が曖昧になる場合があります。コネクタ内で異なる種類のグラウンドパスが別々のパスにある場合、解析ではそれらを別々の信号として扱う必要があります。また、ツイストペアや同軸パスに関連付けられたシールドを接続するパスは、たとえそれらすべてが「グラウンド」パスであっても、別々の信号として扱う必要があります。これは、シールドが切断されると、関連するツイストペアや同軸パスに影響を与える可能性があるためです。
冗長パス。 同じ名前の2つのパスが必ずしも冗長であるとは限りません。複数のパスが冗長であるとみなされるのは、(1) 1つのパスが失われても、残りのパスに危険な電流負荷、過度の電圧降下、または過度のインピーダンスが生じないこと、および(2) パスの両端が接続されていることが必要です。例えば、同じ名前の複数のパスが同じソースから発生していても、パスが別々の負荷で終端している場合、ピンが曲がると1つの負荷で開回路が発生する可能性があります。
同等の影響。多くの解析では、同一の故障モードに対して同一の故障影響を示す信号が複数存在します。例えば、重要度が等しい32ビットのデータパスを伝送するコネクタでは、いずれかのオープンパスの中間レベルおよびシステムレベルの影響は、他のオープンパスの中間レベルおよびシステムレベルの影響と同一です。つまり、解析では、ワークシート上で最初に出現するオープンデータビットパスについてのみ、中間レベルおよびシステムレベルの影響を決定する必要があります。残りの31個のオープンパス影響の説明は、それぞれ最初のオープンパスに対応する値に設定することで、最初のオープンパス影響の説明と同一にすることができます。こうすることで、ワークシート上で故障モードが出現する最初の行のみを修正し、残りの行は自動的に修正されます。
曲がったピンのFMEAワークシート
図4は、曲がりピン解析のための典型的なFMEAワークシートの簡略化されたサンプルです。FMEAに関する別の記事に示されているように、追加の情報列を追加することもできます。このサンプルは、曲がりピン解析ソフトウェアパッケージによって生成されたフォーマットに基づいており、79ピンコネクタのデータを使用しています。（この記事では表のサイズを制限するため、一部の情報列は元のフォーマットから削除されています。）図に示されている情報は、前述のコネクタ関連情報から取得されています。中間レベルおよびシステムレベル（「Hi」レベル）の影響の説明は示されていませんが、人間のアナリストによって提供されます。このサンプルのセルA2の「P5-1@」は、コネクタP5のピン1が曲がり以外の原因でパスを開いたことを意味します。セルA3の「P5-1」は、ピン1のパスが曲がりによって開いた（ただし、他の部分には接触していない）ことを意味します。これら2つの故障モードの影響は同じですが、故障率が異なるため、ワークシートでは別々に記載されています。これは、オープンパス故障がショートパス（曲げ関連）故障よりもはるかに起こりやすいという事実を反映しています。[3] 列Gの故障率は100万時間あたりであり、すべての故障率の合計がコネクタ故障率に等しくなります。（個々の故障率はコネクタ故障率から算出されます。）
曲げピン解析の拡張
ピン曲がり解析のバリエーションには、コネクタではなく配線のFMEAが含まれます。ケーブルマトリックス解析[6]は、電線絶縁の不具合による各導体とその隣接導体間の短絡の影響を判断するために使用されるバリエーションの一つです。この解析では、短絡が発生しても経路は切断されないという基本原則を前提としています。ケーブルマトリックス解析には、短絡ではないものの開路となっている経路や、電線絶縁の不具合による電線とシャーシグランド間の短絡の影響も含まれる場合があります。
参考文献
- ^ Airlinessafety.com. 「1999年1月31日。アメリカン航空のMD-11型機が客室内で煙を発見し、緊急着陸した。FAAの調査官によるVSCUの検査で、回路基板の一部が焦げていることが判明した。ビデオシステム全体の検査で、損傷した部品を繋ぐキャノンプラグの2本のピン間の短絡が判明した。」記事は2018年9月14日にWayback Machineにアーカイブされた。
- ^ ab 「曲がったピンの解析における問題点とその対処法」Journal of System Safety、2008年9月～10月号。
- ^ ab 故障モード／メカニズム分布. 信頼性解析情報センター (RAIC). 1997 FMD–97. http://www.theriac.org/riacapps/search/?category=all+products&keyword=FMD+97&newsearch=1 2010年11月30日アーカイブWayback Machine
- ^ MIL-HDBK-217F、電子機器の信頼性予測
- ^ 例えば、MIL-DTL-38999、詳細仕様、コネクタ、電気、円形、ミニチュア、...、一般仕様を参照してください。
- ^ FAAシステム安全ハンドブック、第9章、表9.1、2000年12月30日
さらに読む
- CA Ericson II、「システム安全のためのハザード分析手法」、第20章、John Wiley & Sons、2005年
