メタル ドーム キーパッド設計ガイド: スナップ ドームと PCB、シリコン オーバーレイ、およびエンクロージャ ハウジングの統合

メタル ドームを機能的なキーパッドに統合するには、PCB レイアウト、キーキャップの形状、シリコン オーバーレイの設計、およびエンクロージャ ハウジングの間で慎重な調整が必要です。この設計ガイドでは、初期の力の割り当てから最終設計の検証まで、キーパッド開発プロセス全体を説明しており、エレクトロニクス エンジニアが、一貫性のない感触、接触不良、または組み立ての問題につながるよくある落とし穴を回避するのに役立ちます。

図 1: ステンレス鋼の金属ドーム - 一貫した触感性能を実現するには、各ドームがキーキャップ、オーバーレイ、ハウジングに機械的に適合している必要があります。

1. キーパッド設計の概要: 総力予算

メタル ドーム キーパッドは単独で存在するわけではありません。ユーザーが指に感じる力は、金属ドーム自体、シリコン ゴムのオーバーレイやキーキャップ、ハウジングに対する摩擦など、連続して作用するいくつかの力の合計です。したがって、キーパッドの設計には、総戦力予算- は、これらのコンポーネント全体に望ましいユーザー フィールを割り当てます。

適切に設計されたキーパッドの標準的な力の割り当ては次のとおりです。{0}

最も一般的な設計エラーは、力が希望する全体的な感触にすでに一致しているドームを選択した後、シリコン オーバーレイとハウジングの摩擦によりさらに 50 ～ 100g 追加され、その結果、ボタンが固くて押しにくいことが判明することです。--を指定するときは、オーバーレイとハウジングの力を常に考慮してください。メタルドーム作動力.

2. キーパッド設計の PCB レイアウト

ドームコンタクトパッドの設計

PCB コンタクト パッドは、信頼性の高いドーム動作の基礎です。を参照してください。ドームアレイ組み立てガイドパッドの詳細な仕様については、キーパッドの設計上の重要な考慮事項は次のとおりです。

• センターパッド径: ドームサイズに応じて 1.0 ～ 2.0mm。ドームの頂点の下で正確に位置合わせする必要があります - 横方向のオフセットが 0.2 mm を超えると、接触面積が減少し、抵抗が増加します。
• 外輪パッド: ドームのリムが置かれる環状のリングまたはセグメント化されたパッド。外側パッドは、組み立て公差に対応するために、ドームの直径を 0.5 ～ 1.0 mm 超えて拡張する必要があります。
• ソルダーマスクのクリアランス: ソルダーマスクとコンタクトパッドの間に0.1～0.15mmのクリアランスを維持します。はんだマスクがパッド上に張り出すと、不均一なドームの着座と傾きが発生します。
• パッド仕上げ: すべてのドーム キーパッドには ENIG (無電解ニッケル浸漬金) が推奨されます。平坦で耐食性のある接触面と、製品寿命全体にわたって安定した接触抵抗を提供します。-

PCB エッジとハウジングの位置合わせ

PCB は、ドームの位置がキーキャップ アクチュエータと一致するように、ハウジング内に正確に配置する必要があります。 PCB とハウジングの位置合わせ機能を設計します。

• 基準マーク: 組み立て中の自動光学位置合わせおよびプロトタイプ構築中の手動位置合わせのために、PCB 上に少なくとも 3 つの銅基準マークを追加します。
• PCB スタンドオフ: ハウジング スタンドオフまたは粘着スペーサーを使用して、キーキャップに対して PCB を正確な高さに保持します。 PCB 表面からキーキャップの下面までの距離によって、アクチュエータのギャップが決まります。
• 許容誤差の積み重ね-: PCB{0}}と-のギャップの公差解析を実行します。ギャップが大きすぎると、キーキャップを過度に移動させる必要があります。ギャップが小さすぎると予荷重が発生します（ドームが静止時に部分的に作動し、早期故障につながります）。

3. キーキャップとアクチュエーターの設計

キーキャップ アクチュエータ - は、ドームに物理的に接触して押す機能 - であり、ドームの動作を正しく行うために重要です。アクチュエータの設計が不十分であると、中心からの作動、寿命の短縮、感触の不安定など、キーパッドの多くの問題が発生します。-

アクチュエータの形状

• アクチュエータ径: ドーム直径の 30 ～ 50%。 6mm ドームの場合は、2.0 ～ 2.5mm のアクチュエータ チップを使用します。アクチュエータが大きすぎるとドームの縁全体に力が分散し、触感率が低下します。小さすぎると力が一点に集中し、ドームに穴が開く可能性があります。
• アクチュエータ先端形状：フラットチップ（スクエアエッジ）により圧力が均一に分散されます。球面チップ (R0.5 ～ R1.0mm) はアライメントの変動に対してより耐性がありますが、触感率がわずかに低下する可能性があります。ドームに穴を開ける可能性がある鋭い角は避けてください。
• アクチュエータの高さ: アクチュエータは、静止時にキーキャップの下側からドームの頂点の 0.1 ～ 0.3 mm 以内まで伸びる必要があります。長すぎるとドームにプリロードがかかります。短すぎると、ドームが完全に作動する前にキーキャップが「底つき」します。
• センタリング：アクチュエータはドーム中心に対して±0.2mm以内の同心度である必要があります。 -中心から 0.5 mm を超えて作動すると、不均一な応力によりドームの寿命が 30 ～ 50% 短縮される可能性があります。

キーキャップのトラベルとオーバートラベル-

キーキャップの移動量は、キーキャップが静止状態から完全に押し込まれた状態まで移動できる合計距離です。この距離は、ドームの移動距離 (通常 0.15 ～ 0.25 mm) よりも大きくなければなりませんが、ドームを機械的に底に到達させるのに必要な距離 (これにより永久変形が発生します) よりも短くなければなりません。

• おすすめの旅: ほとんどのキーパッド設計では 0.3 ～ 0.6 mm。これにより、キーキャップがハウジングまたは PCB の底に着く前に、完全なドームのスナップスルー (0.15 ～ 0.25 mm) に加えて 0.1 ～ 0.3 mm のオーバー トラベルが可能になります。-
• オーバートラベル保護-: フルドームの作動を 0.1 ～ 0.2 mm 超えた位置にハード ストップ (キーキャップ フランジがハウジングに接触するか、アクチュエータが PCB に接触) を設計します。これにより、ユーザーが強く押しすぎてドームが永久に変形してしまうのを防ぎます。
• キーキャップの戻り: キーキャップはリリース後に完全に戻る必要があります。別個のキーキャップ（シリコンが組み込まれていない）を使用する場合は、小さなリターン スプリングまたはゴム製バンパーが必要になる場合があります。-シリコンキーパッドは、ウェブを介して戻り力を提供します。

4. シリコーンゴム製キーパッド設計

シリコーン ラバー キーパッドは、メタル ドーム アプリケーションで最も一般的なキーキャップ システムであり、単一の成形コンポーネントで環境シール、キー凡例の統合、および触覚の戻りを実現します。シリコン キーパッドを設計するには、いくつかの競合する要件のバランスを取る必要があります。

図 2: ゲーム コントローラ用のシリコン キーパッド コンポーネント - 白いシリコン アクチュエータ上の黒いカーボン ピルは、PCB の下の金属ドームに力を伝達します。

カーボンピル（アクチュエーター）の設計

• 錠剤の直径: 5 ～ 8 mm ドームの場合は 2.0 ～ 3.0 mm。錠剤はドームよりも小さいですが、力を均等に伝えるのに十分な大きさでなければなりません。
• 錠剤の高さ：シリコンキー表面より0.3～0.8mm下。正しいギャップでドームの頂点に到達する必要があります (上記のアクチュエータの設計を参照)。
• カーボン素材: 導電性カーボン錠剤は標準ですが、メタル ドーム キーパッドの場合、錠剤は機械的な力のみを伝達します - 電気接触はメタル ドーム自体によって行われます。非導電性シリコン錠剤は許容可能であり、金属ドームと併用すると低コストになります。-

ウェブの厚さとショア硬度

• ウェブの厚さ：0.2～0.4mmが標準です。ウェブが厚いと作動力が増加し、キーの移動量が減少します。薄いウェブは時間の経過とともに破れることがあります。マルチ-パネルの場合は、一貫した感触を得るためにすべてのキーにわたって均一なウェブの厚さを使用します。
• ショア硬度: 40 ～ 50 ショア A は家庭用電化製品では一般的です。柔らかい (30 ～ 40A) と、よりプレミアムでクッション性のある感触が得られます。硬め（50 ～ 60A）にすると、よりしっかりとしたダイレクトな感触が得られます。医療用および工業用のキーパッドは、耐久性を高めるために 50 ～ 60A を使用することがよくあります。
• リブデザイン: キーウェルの周囲に補強リブを追加して、膜の伸びを防ぎ、キーの横方向の安定性を制御します。リブの配置は力感とシール性能の両方に影響します。

凡例の印刷と表面仕上げ

• パッド印刷: シリコンキーパッドの凡例の標準。屋外用途には UV 安定性インクを使用してください。-頻繁に使用するキーの耐摩耗性を高めるため、2 回目の表面印刷 (インクで下塗りし、その後上塗りする) を検討してください。-
• シールリップ: IP65 以上を達成するには、シリコン キーパッドの周囲にハウジングに対して圧縮するシール リップが必要です。過剰な力を加えずに確実にシールするには、唇の圧縮は断面の 20～30% にする必要があります。-
• 抗菌加工: 医療用キーパッドの場合は、ISO 22196 に従って、シリコン素材または表面コーティング (銀- ベース) に抗菌添加剤を使用することを検討してください。

5. ハウジング筐体の設計

ハウジングは、構造フレーム、キーカットアウト、PCB 取り付け、およびシール面を提供します。ハウジングの設計が不適切だと、優れたドームやキーパッドが台無しになる可能性があります。

キーのカットアウトとクリアランス

• キークリアランス: 擦れを防ぐため、各キーの周囲に 0.1 ～ 0.25 mm の隙間をあけてください。クリアランスが少なすぎると固着が発生します。多すぎると、横方向のぐらつきや光漏れが発生します。
• キーウェルの深さ: キーのくぼみは、キーの表面がハウジングの面と同じ高さ、またはハウジングの面よりわずかに上にくぼむのに十分な深さである必要があります。ハウジングに誇らしげに置かれたキーが衣服に引っかかってしまいます。キーが凹みすぎると、押しにくくなり、触って見つけにくくなります。
• キーキャップフランジ: キーの下側にフランジを設計し、完全に押すとハウジングの底に落ち、オーバートラベルを防止します。-フランジはキーが切り欠きから飛び出すことも防ぎます。

PCB の保持と接地

• PCB スタンドオフ: PCB スタンドオフを高さ公差 ±0.1mm でハウジングに統合します。スタンドオフの高さは、ドームとアクチュエータのギャップを直接決定します。{2}}
• PCB の保持: スナップフィット ボス、ネジ、または粘着テープを使用して、PCB をしっかりと固定します。{0}}高振動の用途（自動車、電動工具）では、接着剤だけではなくネジや金属クリップを使用してください。-
• 接地: ドーム アレイまたは PCB に接地要件がある場合は、PCB とハウジングの間に接地接点 (スプリング フィンガー、導電性ガスケット) を設計します。

6. 公差のスタックアップと設計の検証-

メタル ドーム キーパッドの最も重要な設計計算は、ドームとキーキャップ アクチュエーターの間の許容差の積み重ねです。{0}}この分析により、キーが製造公差の全範囲にわたって正しく機能するかどうかが判断されます。

公差に対する重要な寸法

最悪の-ケーススタック-分析

最悪の場合の方向のすべての公差を加算して、ドームとアクチュエータの可能な最大および最小のギャップを計算します。-一般的な設計の場合:

• 最大ギャップ(ドームが最も短く、PCBが最も低く、アクチュエータが最も短い): ギャップがドームの移動距離を超えると、不完全な作動が発生する可能性があります。最悪の場合でも、アクチュエータはドームに触れてスナップする必要があります。
• 最小ギャップ(ドームが最も高く、PCBが最も高く、アクチュエータが最も長い): 予荷重(静止時にドームが部分的に圧縮される)が発生し、早期疲労や誤接触を引き起こす可能性があります。
• ターゲット: 公称ギャップを 0.15 ～ 0.25 mm、合計公差スタックアップが ±0.10 mm 以上になるように設計します。-これにより、ドームに事前に負荷がかかったり、移動のために不足したりすることがなくなります。

7. 一般的なキーパッド設計エラーと修正

8. プロトタイプの検証と設計の承認-

実稼働ツールに着手する前に、プロトタイピングを通じてキーパッドの設計を検証します。これは、高価なツールの変更が発生する前に、設計エラーを発見するための最も費用対効果の高い方法です。-

プロトタイプの構築手順

1. 3D プリントされたハウジングとキーキャップのプロトタイプ-: ハウジングとキーキャップを樹脂または SLA プラスチックで印刷します。公差は製品よりも緩めですが、フィット感、感触、組み立てを確認するには十分です。キーの寸法やクリアランスの確認に使用します。
2. 感触を検証するための CNC- 加工ハウジング: 重要な感触を検証するには、アルミニウムまたはエンジニアリング プラスチックからハウジングを CNC 加工します。-プロトタイプの剛性は感触に影響するため、可能な限り製品のハウジングの素材と一致させます。
3. 手動ドーム配置: 実際の量産ドーム (または、プロトタイプのドーム) を配置します。ドームアレイサプライヤー) 正しいパッド レイアウトを備えたプロトタイプ PCB 上にあります。粘着テープを使用して所定の位置に固定します。
4. 感触テスト: 5 ～ 10 人のユーザーにプロトタイプのキーを押してもらい、感触 (硬さ、クリックの明瞭さ、滑らかさ) を評価してもらい、基準キーパッド (ユーザーがよく知っている既存の製品) と比較します。定量的なスケールを使用してフィードバックを文書化します。
5. 力の測定: フォースゲージを使用して、プロトタイプの実際の作動力を測定します。設計力の予算と比較します。実際の力が予想範囲外の場合は、ドームの仕様、ウェブの厚さ、またはハウジングの形状を調整します。
6. 旅行とボトムアウトチェック-：ダイヤルインジケーターでキーの移動量を測定します。底に達する前に、キーがドームを完全に作動させる (クリック感がある) ことを確認します。静止時に予荷重がないことを確認します。

設計承認チェックリスト-

• ✓ 目標範囲内の総作動力 (プロトタイプで検証)
• ✓ すべてのテスターが明確に感じられるクリック感
• ✓ キートラベルは設計意図と一致します。ドームが破れる前に{0}}底が抜けない-
• ✓ 予荷重なし (静止時にドームが部分的に圧縮されていない)
• ✓ キーはきれいに戻ります。くっつきやリバウンドが遅いことはありません
• ✓ 隣接するキー間のクロストークや誤ったトリガーがない-
• ✓ すべてのドーム位置で電気的接触を検証 (マルチメーター/導通テスター)
• ✓ 公差の積み重ね-が文書化され、機械および電気エンジニアによってレビューされます
• ✓ IP テストまたは水噴霧テストにより環境シールが検証済み (必要な場合)
• ✓ 製造ツールの図面をレビューメタルドームサプライヤードーム互換性のため

-よく設計されたメタル ドーム キーパッドは、ユーザーにとって楽に感じられます。- メカニズムを考えずにキーを押すと、明確で一貫したフィードバックが得られます。その感触を実現するには、機械設計、PCB レイアウト、材料の選択、コンポーネントの供給を慎重に調整する必要があります。この設計ガイドに従い、プロトタイピングを通じて検証することで、最も一般的なキーパッド設計エラーを回避し、信頼性が高く高級感のあるユーザー インターフェースを提供できます。-

ドームの選択、力の割り当て、プロトタイプのサンプルなど、キーパッド設計に関するエンジニアリング サポートについては、Shanyo の技術チームにお問い合わせください.