シリコーンゴムキーパッドのマトリクス設計：ピン数、ゴースト、複数キー入力

シリコーンゴムキーパッドのマトリクスは、シリコーンゴム自体の特性ではなく、電気インターフェースの一部として定義する必要があります。成形されたキーパッドは、可動するキーと導電接点を構成します。一方、行列マトリクス、コネクタのピン配置、プルアップ／プルダウン回路、スキャン方式、論理しきい値、複数キー入力時の動作は、回路とコントローラの設計に属します。

R行、C列のマトリクスでは、R + C本のマトリクス信号線で、最大R × C個のスイッチ位置を構成できます。このピン数削減には利点がありますが、それに伴う設計上の責任も生じます。OEMチームは、PCB、FPC、コネクタ、またはホスト基板のピン配置を正式にリリースする前に、有効なキー組み合わせ、無視してよい組み合わせ、そして必要な組み合わせの中に電気的に判別が曖昧になるものがないかを決めなければなりません。

したがって、有用なマトリクスレビューは、ピン数を最小にすることではなく、承認済みのキー組み合わせリストから始まります。

1. マトリクスを選ぶ前に単一キーと複数キーの使用条件を定義する

まず、想定されるユーザー入力を分類します。

マトリクスの利点は、導体数を削減できることです。行列マトリクスでは、各行と各列に1本ずつ配線し、押されたキーがその行と列を接続します。したがって、3 × 3のマトリクスは6本の行列信号線で9個の交点を、4 × 4のマトリクスは8本の信号線で16個の交点を構成します。

ただし、この計算は、マトリクスがあらゆる複数キーの組み合わせに対応できることを証明するものではありません。ピン数の効率と、複数キーを同時に認識するロールオーバー動作は、別々の要件です。

重要なキーが少数で、同時検出が必須の製品では、すべてのキーを最小のマトリクスに収めようとするよりも、GPIOへの直接入力や、複数キー入力への対応が明確な別の構成のほうが適している場合があります。

2. 行、列、コネクタピンの対応を図面に示す

正式にリリースする図面には、電気的なキーマップとコネクタの接続対応を併記する必要があります。金型製作後になって、行や列の名称の意味をファームウェア側の解釈に委ねないでください。

3 × 3マトリクスの説明用例

以下は説明用の例にすぎません。JASPERの顧客設計や、試験済みの量産回路を示すものではありません。

                 C0             C1             C2
                 |              |              |
R0 ----------- [K00] -------- [K01] -------- [K02]
                 |              |              |
R1 ----------- [K10] -------- [K11] -------- [K12]
                 |              |              |
R2 ----------- [K20] -------- [K21] -------- [K22]

この例では、コントローラ側を次のように定義します。

• R0、R1、R2：プルアップ付きの検出入力。
• C0、C1、C2：スキャン出力。
• 各列のスキャン期間中、その列をLowに駆動します。
• ほかの列は、コントローラで承認された非アクティブ状態にします。単純なアクティブLow方式のスキャンでは、一般にハイインピーダンス状態です。
• 閉じたキーは、その行を現在スキャン中の列に接続します。

したがって、説明用の6ピンコネクタは、次のように割り当てられます。

LED電源、LED制御、シールド、グランド、ESD対策構造、その他の回路は、承認済みの回路図で明示的にそのように定義されていない限り、この6本のマトリクス信号には含まれません。

図面一式には、コネクタの向き、ピン番号を示す際の視点、ネット名、NCピン、共通リターン、コントローラの責任主体も記載する必要があります。キーパッドの供給者が、「R1」が物理的な最上段の行なのか、MCUのポート名なのか、コネクタ位置なのかを推測しなければならない状態にしてはいけません。

3. スキャン状態、浮遊する信号線、論理レベルのマージンを定義する

マトリクスは、スキャン状態が明確に定義されて初めて機能します。

基本的なスキャンでは、一方の軸を駆動し、他方をプルアップ付き入力で読み取ります。例えば、行入力をプルアップし、列を順番に切り替えて、一度に1列だけをLowに駆動する構成があります。別の設計では極性を反転させることもできますが、図面とファームウェアの定義は一致していなければなりません。

各行と各列について、次の事項を定義します。

• アイドル時の入力または出力状態。
• スキャン時のアクティブレベル。
• 非アクティブな信号線の状態。
• プルアップまたはプルダウンの供給元と許容差。
• 入力のHigh／Lowしきい値。
• 出力のLow／High限界値。
• 経路に含まれるケーブル、コネクタ、接点の抵抗。
• リークと寄生容量。
• スキャン周期、プリチャージ時間または整定時間。
• チャタリング除去とキーを離したときの判定ロジック。

非アクティブなスキャン線を、常に反対の論理レベルで駆動できるとは考えないでください。複数のキーを押し続けると、閉じたスイッチによってマトリクスの信号線同士が接続される場合があります。コントローラの設計では、制御されていない出力競合を避けるか、承認された保護または電流制限の方法を用意しなければなりません。

入力しきい値に対するマージンも重要です。カーボンピル、PCB接点、コネクタ、配線パターンが形成するのは実際の閉回路経路であり、理想的なゼロオームのスイッチではありません。そのため、JASPERのカーボンピルガイドでは、閉じた接点を入力回路全体の一部として扱っています。ゴム接点だけを単独で承認するのではなく、プルアップ／プルダウン回路、しきい値、非アクティブな信号線の状態、スキャン速度、整定特性を定義することを推奨しています。

行と列のRC時定数はサンプリングに影響します。例えばADP5586では、プリチャージ時間を設定できます。これは、長い接続テール、抵抗値の高いプルアップ／プルダウン回路、外部マルチプレクサ、ESD対策部品、または大きな配線容量を扱う際の重要な注意点です。ファームウェアでGPIOレジスタを書き換えた直後というだけでサンプリングするのではなく、電気的なノードが整定するための時間を確保してから読み取ってください。

4. PCBのリリース前に判別が曖昧になるキー組み合わせを特定する

ゴースト、すなわち押されていないキーの誤検出は、マトリクスの接続構成に起因する問題です。接点のチャタリングとは異なります。

ゴーストには特徴的な誤検出パターンがあります。行列マトリクスで特定の3キーの組み合わせを押すと、その電気経路によって、押されていない4つ目のキーがアクティブに見えることがあります。

同じ3 × 3の例で、次の3つのキーが実際に押されているとします。

• K00 = R0/C0
• K01 = R0/C1
• K10 = R1/C0

ここで、C0を非アクティブにしたまま、C1をLowにしてスキャンします。

C1 LOW
  |
 K01  （押下中）
  |
 R0
  |
 K00  （押下中）
  |
 C0   （非アクティブな経路）
  |
 K10  （押下中）
  |
 R1

3つの閉じたスイッチを通じて、R1がアクティブ状態の方向に引き込まれることがあります。その結果、スキャン回路は、ユーザーが押していないにもかかわらず、K11（R1/C1）も閉じていると判断する可能性があります。

これが、4つ目の角に現れるゴーストキーです。

特定のコントローラがこの状態を報告するか、抑制するか、フラグで示すかは、スキャン構成とファームウェアによって異なります。ただし、基本的な判別の曖昧さは、レイアウトを承認する前に検討する必要があります。直角を形成する組み合わせはゴーストを生じさせる場合があります。同時に押される可能性が高いキーは、このパターンを避けて配置してください。

チャタリング除去では、この問題は解決しません。チャタリング除去は、実際の接点動作に伴う短時間の状態変化を除去します。一方、ゴーストは、安定していても電気的には判別が曖昧な状態を生じさせることがあります。

5. コントローラと回路レベルでの対策を検討する

すべてのOEM製品に適した単一の対策はありません。

マトリクスの割り当てを変更する

必要な同時押しの組み合わせが分かっている場合は、それらが判別の曖昧な矩形を形成しないようにキーを割り当てます。よく組み合わせて使うキーを同じ行や同じ列に置く、あるいは別の配置にすることで、承認済みの組み合わせがゴースト経路を形成しないようにできる場合があります。

これは部品点数を最も抑えられる方法であることが多いものの、キーマップを確定し、試験することが前提です。

必要に応じてピン数を増やす

より大きく、使用する交点の密度を下げたマトリクスでは、重要な組み合わせを分離できます。安全上重要なキーや修飾キーが少数であれば、コネクタピンを1本か2本節約するより、専用入力を用いるほうが明確な構成になる場合があります。

コントローラが対応するゴースト処理を利用する

一部のキーパッドコントローラは、疑わしい複数キー状態を検出し、抑制したりフラグで示したりできます。これにより誤ったコマンドを防げる場合がありますが、実際にどの物理キーが押されたかを製品側が自動的に把握できるわけではありません。要求事項が「ゴーストによるコマンドを出さないこと」なのか、「同時に押されたすべてのキーを識別すること」なのかを確認してください。

検証済みの信号経路分離構成を追加する

複数キーの独立した検出が必須であれば、回路にはキーごとの信号経路の分離、またはロールオーバーに対応する別の構成が必要になる場合があります。分離のための部品はすべてPCB／FPCの回路図に示し、スキャン方向、電圧降下、入力しきい値、リーク、ESD回路網、利用可能な実装スペースに照らして検証しなければなりません。開発の後半で分離用の部品を追加し、元のしきい値に対するマージンがそのまま維持されると考えないでください。

構成を変更する

キー数が限られている場合、GPIOへの直接入力によってマトリクスの判別の曖昧さをなくせる場合があります。より大きなインターフェースでは、専用のキーパッドスキャナやI/Oエキスパンダを使うことで、スキャン動作をコントローラの定義済み機能の範囲に収めながら、ホストプロセッサで必要なピン数を減らせます。それでも、選択する部品は、承認済みの同時押し要件を満たさなければなりません。

6. 承認済みのキー組み合わせリストを試験する

複数キー機能を持つキーパッドでは、単一キーの導通確認だけでは不十分です。

検証計画では、承認された組み合わせそのものを、押す順序と離す順序の両方で試験する必要があります。量産を想定したキーパッド、回路、コネクタ、ホスト側入力設定、筐体による支持を含めてください。

次のような管理表を使用します。

許可されていない組み合わせも試験してください。製品に求められる動作は、「最後に押されたキーを無視する」「エラーを報告する」「最初の2キーを保持する」「何も実行しない」などが考えられます。この判断は製品要求事項に記載すべきものであり、文書化されていないファームウェア上の前提に任せるべきではありません。

タイミングが重要な場合は、スキャンする信号線、検出する信号線、入力電圧、デコードされたキーイベントを一緒に記録します。これにより、接点のチャタリング、遅い整定、しきい値に対するマージン、実際のゴーストを区別できます。

7. キーマップ、ピン配置、責任範囲を同時に確定する

キーパッド図面、PCB配線データ、またはコネクタをリリースする前に、次の項目を一式として承認します。

1. キーIDと機能の一覧。
2. 必要な単一キーと複数キーの組み合わせ。
3. 行と列の割り当て。
4. コネクタのピン配置と向き。
5. コントローラ側の入出力状態表。
6. プルアップ／プルダウンと論理しきい値。
7. スキャンと整定のタイミング。
8. ゴースト処理または信号経路分離の方針。
9. チャタリング除去とキー解放時の規則。
10. 複数キー検証表と、合格とする動作。
11. 供給範囲：ゴムキーパッドのみ、キーパッド＋回路、または試験済みアセンブリ。

導電インターフェース自体については、JASPERの導電性ゴムキーパッドのページと、カーボンピルの抵抗に関するガイドを確認してください。ゴムキーパッド、回路、コネクタ、機能試験を1つのモジュールとして管理する必要があるプロジェクトでは、シリコーンゴムキーパッドアセンブリとしての調達が、求める供給範囲により適しています。

要点は単純です。行と列の決定を先送りにしたまま、シリコーンゴムの金型を承認しないでください。マトリクスの割り当ては、コネクタ数、回路の配線、コントローラのファームウェア、必要な複数キーコマンドの動作を変える可能性があります。

よくある質問

接点と回路の要件をレビューする

キーパッドの技術レビューを依頼するから、キー配置、導電接点の図面、行列構成案、ホスト側回路図、コネクタのピン配置、必要な複数キーの組み合わせ、入力しきい値、スキャンとチャタリング除去の要件、アセンブリの範囲、年間数量またはプロジェクト数量、機器の用途、検証に対する期待事項を提出してください。

最終決定していない項目は、TBD（未確定）と記載できます。重要なのは、一般的な「マトリクスキーパッド」という注記の中に未決事項を隠すのではなく、金型製作とPCBのリリース前に明らかにしておくことです。