シリコンゴムキーパッドの接点抵抗・設計ガイド | JASPER

カーボンピルの抵抗仕様では、導電ゴム材料だけでなく、スイッチ閉成時のシステム全体を管理する必要があります。材料の体積抵抗率、ピル形状、PCBパッドの形状と仕上げ、接触荷重、オーバートラベル、測定回路、汚染、環境、寿命試験段階を区別します。指定された回路と支持構造を用いて量産仕様相当のキーを測定し、繰返し作動の前後で、開路状態、閉成、断続的な導通、バウンス、復帰、抵抗ドリフトを検証します。単体のピルで一度低い抵抗値が得られても、組付け後のすべてのキーが製品内で確実に作動することを証明したことにはなりません。

JASPER の導電性ゴムキーパッド成形されたシリコンキーと導電性要素を使用して、PCB、FPC、PET、またはその他の接点構造の回路を閉じます。見積もりには、回路閾値、抵抗測定方法、パッドの定義、キー荷重状態、ライフサイクル条件、およびJASPERが分離キーシートを供給するか、テスト済みアセンブリを供給するかを明記する必要があります。

導電性カーボンピルとは何ですか？

導電性カーボンピルは、シリコンキーの裏側にある成形または接着された導電性エラストマー接点です。キーが十分に押されると、ピルが電気的に分離された二つの回路パッドを橋渡しし、導電パスを形成します。

この用語はカーボンピルは接点部品を指し、保証された抵抗値を意味するものではありません。その結果は次の要素に依存します:

• 導電充填剤およびゴムの配合;
• ピルの直径、厚さ、平坦性、および表面;
• 成形された保持および位置;
• PCB パッドパターン、仕上げ、平坦性、および清浄度;
• 接触力および利用可能なオーバートラベル;
• キーの傾きおよび最悪の重なり;
• 試験電圧、電流、タイミング、および検出点;
• 温度、湿度、化学物質、ほこり、および取り扱い;
• サイクル履歴およびディウェル; および
• 回路閾値およびファームウェアの動作.

電気要件は、設置されたインターフェースに属します.

抵抗量を分ける

いくつかの異なる値はしばしば呼ばれるカーボンペル抵抗.

体積抵抗率は、試験片の長さと断面積を用いて均質な導体の性質を表す値です。ASTM D991は、導電性および帯電防止ゴム製品の体積抵抗率を扱っています。これらの材料測定は配合管理に役立ちますが、組付け後のキーパッド接点試験に代わるものではありません。

完全な閉回路をモデル化する

簡略化された2パッド経路は次の通りです：

テストリードまたは製品トレースA
        |
PCB パッドA
        |
ピルとパッドのインターフェースA
        |
カーボンピルを通る導電経路
        |
ピルとパッドのインターフェースB
        |
PCB パッドB
        |
テストリードまたは製品トレースB

測定された抵抗は概念的には次のように表すことができます：

Rmeasured =
  Rfixture
  + Rtrace_A
  + Rinterface_A
  + Rpill_path
  + Rinterface_B
  + Rtrace_B

これは診断モデルであり、各項が一定であることや単純なメーターで分離できることを保証するものではありません。エラストマー接点は力、表面膜、形状、電流、温度、時間に応じて変化します。

電圧が感知される場所を示します。コネクターでの測定値は、パッド横のPCBテストポイントでの測定値よりも、アセンブリ全体を多く含みます。どちらも有用かもしれませんが、答える質問は異なります。

入力回路から抵抗の制限を導き出す

一般的な接触抵抗の値から始めないでください。キーが開いているか閉じているかを決定する回路から始めてください。

プルアップ付きデジタル入力

簡略化されたスイッチ接地入力の場合：

Vcc | Rpullup | +------ 入力ノード | Rclosed_total | グラウンド

最初の計算では、漏れ電流やその他の誤差項は無視する：

Vlow = Vcc x Rclosed_total / (Rpullup + Rclosed_total)

設計チームが保守的な低レベル目標を設定した場合Vlow_target、理想化された最大経路抵抗は次の通りである：

Rclosed_total <=
  Vlow_target x Rpullup / (Vcc - Vlow_target)

リリースされた設計には次の余裕を含める必要がある：

• 電源の許容誤差；
• プルアップの許容誤差；
• 温度による入力低レベル閾値；
• 入力漏れ;
• 直列抵抗、フィルター、ESD 部品、トレース、コネクタ、およびケーブル;
• キー、キャビティ、ロット、力、環境、および寿命による接触変動;
• スキャンタイミングと定着;
• 騒音と地盤変動；および
• 測定の不確かさ。

キー パッド接点は、他の直列要素が考慮された後に残るパス予算の部分のみを受け取ります。

スキャンされたキーパッドマトリックス

スキャンマトリックスでは、次を定義する：

• どのラインが駆動され、どのラインが検出されるか;
• プルアップまたはプルダウンの値と許容範囲;
• 非アクティブラインの状態;
• スキャンレートと安定時間;
• 入力しきい値;
• ダイオードまたは絶縁コンポーネント（ある場合）;
• ケーブルおよびコネクタの抵抗;
• デバウンスアルゴリズム；および
• 同時に押された2つのキーの障害動作。

ファームウェアのデバウンスは短い遷移を拒否できます。閉じた経路が抵抗性が高すぎるか不安定な場合、電圧マージンを回復することはできません。

アナログまたは抵抗符号化入力

キー パッドがアナログ分圧器または抵抗符号化ネットワークの一部を形成する場合、接触抵抗も測定コードの一部となります。有効なキー間の最悪ケースの間隔、ADC 参照と入力誤差、抵抗許容差、温度、リーク、ケーブルの影響、および接点のドリフトを評価してください。

デジタル入力に適したカーボン接点は、精密アナログ測定には不適切な場合があります。

電流負荷

LED、モーター、ソレノイド、ヒーター、またはその他の重要な負荷を、単にメーター点検時に接点が閉じるという理由だけでピルを通して配線しないでください。電流、電圧降下、発熱、過渡現象、故障エネルギー、デューティサイクルおよび材料の限界を確認してください。負荷が接点の定格機能を超える場合は、キーパッドをロジック入力として別のドライバで使用してください。

接点力がインターフェースを変える

ピルがパッドに最初に触れるとき、見かけ上の接触面積は可視ピル全体よりも小さいです。追加の変位により導電性の微小接点の数とサイズが増加し、電流経路が変化し、接触が安定します。

有用な電気のトレースは、機械的な力-変位トレースと同期させる必要があります：

キーの移動
   |
   +-- 最初の物理的接触
   |
   +-- 最初の電気閉鎖
   |
   +-- 安定した閉鎖領域
   |
   +-- 意図したオーバートラベル
   |
   +-- ハードストップまたはボトム

不特定の指の荷重を使用するのではなく、安定した閉鎖領域で抵抗を記録してください。キーも押し上げ時にきれいに再開する必要があります。

接触荷重が少なすぎると、断続的な閉鎖が発生する可能性があります。荷重が過剰であったり底打ちすると、摩耗が増加したり、パッドが変形したり、PCBサポートに過負荷をかけたり、ピルエッジが損傷したり、押圧感が変わることがあります。適切なウィンドウは、生産用キー、回路、サポート、筐体によって確立されます。

ピルの形状と保持の制御

直径とパッドのカバレッジ

ピルは、最悪位置で意図したパッドの特徴を橋渡しする必要があります。その直径は、PCB 接点の直径と置き換えることはできません。なぜなら、パッドは2つの異なる電気領域とギャップを含んでいるからです。

確認:

• 標準ピル中心;
• 成形および組立位置の公差;
• センターおよびエッジプレス時のキーの傾き;
• PCBの位置公差;
• パッド製造公差;
• ハウジングおよびロケーターのクリアランス;
• 両方の電気領域との最小重なり; および
• はんだマスク、ビア、部品、および突出した特徴からのクリアランス。

厚さと表面状態

ピルの厚さは、残りのギャップ、初接触、接点荷重、オーバートラベル、および電流経路に影響します。厚さが直接制御されるか、成形された形状によって制御されるか、承認済みコンタクト部品によって制御されるかを定義してください。

点検:

• 平坦性または意図されたクラウン;
• 成形フラッシュ;
• 切り傷、欠け、裂け、空洞、または露出した非導電ゴム;
• 埋め込まれた汚染物;
• 承認されたインターフェースに影響する場合の表面光沢または質感;
• エッジ状態; そして
• ピルが対称でない場合の向き.

保持

ピルは、成形、脱型、仕上げ、取扱い、組立、作動、環境、および使用中を通して常に付着し、所定の位置にある必要があります.

受入検査での目視による引き抜きだけに頼らないでください。成形された保持機能、検査証拠、必要に応じた破壊的監査、及びピルがずれるまたは分離した場合の不具合対応を定義してください。

PCB パッド形状はシステム決定として選択してください

パッドは、ピルが橋渡しする二つの異なる導体を作る必要があります。いくつかのパターンが可能です。

この表は質問を示しており、好ましい普遍的なパターンを示すものではありません。

接触面を平らに保ち、支えられるようにしてください

接触面の足跡内で無制御な段差を避けてください。以下を確認してください:

• はんだマスクの端とクリアランス;
• 銅およびめっき厚の遷移;
• ビア、ビア充填、またはプラグの状態;
• トレース入口;
• 基板の局所的反り;
• コンポーネントまたははんだ接合の透け;
• FPC または PET サポート;
• ハウジングリブおよびスタンドオフ; および
• 汚染トラップ。

基板またはフレキシブル回路は、キーの下に制御された反応面を持つ必要があります。錠剤から反発するパッドは、力、移動量、抵抗を一緒に変化させます。

共通の基準点を使用してください

錠剤とパッドは、共通のキーパッドからPCB経由で筐体までの基準点から位置決めしてください。無関係な筐体の壁からPCB接点を位置決めしながら、外側のゴムエッジから錠剤を寸法測定しないでください。許容差チェーンが必要です。

PCB 仕上げ名だけでなく、接触面を指定してください

パッド仕上げは表面状態、腐食挙動、摩耗、製造、洗浄、および再現性に影響します。仕上げファミリー名だけではインターフェースを承認するには不十分です。

記録:

• 正確な接触面の構成とサプライヤーの仕様;
• 最終表面および任意のカーボンやその他のコーティング;
• パッドの形状および許容される外観状態;
• はんだマスクとの関係;
• 関連する場合の平坦度および粗さの要件;
• 清掃および包装方法;
• エリア内での再作業、はんだ、フラックス、マーカー、接着剤、または取り扱いの禁止;
• 棚および保管の管理; および
• 変更通知要件.

外見上導電率が似ているからといって、めっきパッド、カーボンコートパッド、または印刷接点を他の表面に置き換えないでください。生産ピルでクローズ、変動、環境、および寿命を再認定してください。

汚染を電気的変数として扱う

目に見える接触面は、制御されたインターフェースとして扱う必要があります。

潜在的な汚染物には以下が含まれます:

• ほこりや繊維;
• 皮脂や指紋;
• 離型剤や成形残留物;
• シリコーンオイルや未硬化素材;
• 塗装オーバースプレー;
• レーザーまたは印刷残留物;
• フラックスおよび基板洗浄残留物;
• 接着剤、フォーム、ライナー、または包装粒子;
• 腐食生成物;
• 凝縮と乾燥した水分残留物;
• 顧客のクリーナーフィルム; そして
• ハウジングアセンブリから移動した潤滑剤。

接触面を清浄に保ち、導電性シリコーンの特性に影響する汚れ、湿気、油、溶剤、その他の汚染を管理してください。具体的な清掃方法は、選定したピル、パッド、コーティング、回路で検証する必要があります。

緊急対処として、承認されていない溶剤や研磨用ワイプを使用しないでください。ピルの表面、パッドの仕上げ、抵抗、寿命、または将来の汚染挙動が変わる可能性があります。

実際のスタックに基づいた抵抗試験用治具を構築する

有用な治具は次を制御します：

• キーパッドおよび回路のリビジョン;
• キーIDおよびキャビティ／ロットの識別;
• 錠剤およびパッドの位置;
• PCB/FPC/PET サポート;
• 筐体または代表的な圧縮;
• 押す位置;
• 力または変位のエンドポイント;
• 作動および解除速度;
• 測定前の待機時間;
• 電源および検出ポイント;
• 電圧、電流、極性、および範囲;
• 開状態のしきい値;
• 測定サンプルレート;
• 温度、湿度、およびコンディショニング;
• 治具接点の確認; および
• 校正および不確かさ。

製品が筐体に支持またはプリロードを依存している場合、ゆるいベンチ治具は最終受け入れ構成ではありません。

二線式測定または四線式測定を意図的に選択してください

二線式測定

二線式測定には、テストリード、治具、コネクタ、トレース、および接触抵抗が測定値に含まれます。次の場合に適切であることがあります：

• 受け入れ限界が治具の影響を十分に上回っている場合;
• 製品が外部コネクタからテストされる場合;
• 総合アセンブリ経路が実際の要件である場合。
• 治具の抵抗値は安定しており、確認され、制限内に含まれています。

治具が抵抗予算の多くを消費したり、ステーション間で変動すると、誤解を招きます。

4線式またはケルビン測定

四線式測定では、一対の導体で電流を供給し、別の一対で被試験体の近くの電圧を検出します。このリモートセンシング構成では、電流供給点と電圧検出点の間の配線抵抗による電圧降下を測定電圧から除外します。

キーパッドの場合、センス点が以下のいずれであるかを定義します：

• PCB 接点パターンの横;
• 基板テストパッド上;
• コネクタで;
• 完全なマトリックスルート全体にわたって; または
• 専用の接点試験片上で。

4線測定ではピルからパッドまでの接触面を除去することはできません。それらはテストの対象となります。

低レベル接触試験を機能試験から分ける

IEC 60512-2-1は、電気機械コンポーネントのためのミリボルトレベルでの接触抵抗試験を定義しています。 低レベル原理は、表面膜を電気的に破壊することなく接触を測定するために設計されています。

ドライサーキット条件での試験では、接触界面を変化させないことが重要です。過大な試験電圧は酸化膜などを破壊し、見かけ上低い測定結果を生じさせる可能性があります。

2つの明確な試験目的を使用します：

1つのテストが自動的に他のテストの代わりになるわけではありません。図面にIEC、ASTM、顧客、または社内の方法が引用されている場合は、版、治具、回路、条件、および逸脱を明記してください。

静的な数値ではなく、接点閉成時の動的挙動を捉える

操作員がキーを保持した後の単一の読み取りでは、次のものを見逃す可能性があります：

• 遅延閉鎖;
• 移動中に一時的に開く;
• 複数の遷移;
• 抵抗の急上昇;
• はね;
• 不安定なエッジ押し;
• 遅い解放;
• 底打ち付近でのみ閉じるキー; そして
• 押した後も部分的に導通が残るキー.

プロジェクトリスクが必要とする場合は、同期チャンネルを記録する:

時間
 |-- 力または変位
 |-- 接触電圧
 |-- 接触電流
 |-- 計算された抵抗
 |-- デジタル入力状態

観測ウィンドウ、帯域幅、サンプルレート、しきい値、およびイベントロジックを定義します。遅いメータ表示では短時間の中断を特徴付けることはできません。

繰り返し可能なテストシーケンスを書きます

プロジェクトの例の手順は次の通りです：

1. サンプル、キー、キャビティ、ロット、キーパッド版、回路版、及び治具版を特定すること;
2. 指定された通りにサンプルを調整すること;
3. 治具のオープンおよびショートのチェックを確認すること;
4. 開状態の抵抗またはリークを記録する;
5. 定義された位置と速度で押す;
6. 最初の閉鎖、安定した閉鎖領域、力/移動距離および抵抗を記録する;
7. 定義された保持時間だけ保持する;
8. リリースおよび記録の再開動作;
9. センターの繰り返しおよび必要な端/角の押下;
10. 指定された回数の前処理操作を実行する;
11. キーグループとサンプル全体で繰り返す;
12. 生のトレース、要約統計、失敗、および偏差を保持する。

このシーケンスはフレームワークです。生産設定にはJASPERと顧客の承認が必要です。

製品ライフ全体での受け入れを定義する

一つの無差別な最大値ではなく、受け入れマトリックスを使用してください。

仕様には次のことを記載する必要があります:

• 初期および経年による限度;
• キーごとまたはキーグループごとの限度;
• 統計的および絶対的な限度;
• 許可された断続的なイベント;
• 開状態の最小値またはリーク制限;
• 関連する場合のバウンスまたは安定化要件;
• 試験電流および電圧範囲;
• サンプル数量および不良時の対応;
• 再試験ポリシー;
• 生データの保持; および
• 故障解析の責任。

高使用キーの失敗を平均化しないでください。

実際の使用プロファイルからライフサイクルテストを構築する

定義:

• どのキーがサイクルされるか;
• キーごとの使用頻度;
• 中央対端部の負荷;
• 力または変位の端点;
• サイクル速度と保持時間;
• プレスおよびリリースの完了;
• サイクリング中の回路電圧/電流;
• 通電または非通電の状態;
• 温度、湿度、ほこり、クリーナー、油、紫外線、または結露の曝露;
• 定期的な抵抗、力、移動、および視覚的検査;
• 休憩または回復の間隔;
• 故障の定義; および
• テスト後の分解。

サイクル数だけでは完全な耐久試験にはなりません。ある負荷での高速なラボプレスは、設置された筐体内でのゆっくりした手袋をつけたエッジプレスとは異なる故障モードを生じる可能性があります。

使用頻度の高いキーを別々に追跡する

数字のアクセス制御キーパッド、入力/キャンセルキー、ナビゲーション矢印、電源キー、頻繁に使用される機械制御は、フィールドでの使用状況が同じではありません。

既存のセキュリティおよびアクセス制御アプリケーションページでは、繰返し使用、表示文字・記号の保護、夜間操作、使用環境、筐体との統合を、用途に応じた検討事項として挙げています。カーボンピル設計では、これらの検討事項を次の要件に具体化します：

• キーごとの使用分布;
• 最悪ケースの高使用キーサイクル;
• 手袋または指の端での装填;
• 侵入および汚染の曝露;
• 使用中の電動測定;
• 区間ごとの抵抗および反発の傾向;
• 凡例および表面摩耗;
• 筐体の破壊/改ざん荷重限界、および
• 現場の故障検出。

申請ページは、カーボンピル寿命試験に合格した証拠ではありません。プロジェクトは依然として独自の負荷プロファイルおよび受入計画を必要とします。

製造データを使用してドリフトを制御する

このJASPER のテストおよび品質管理ページでは、現在のメンブレンインターフェイス作業における、図面に基づく連続性、短絡／開回路、作動、目視、寸法、付着、組立、および梱包のチェックについて説明しています。SK-02では、公開前により具体的な導電性キーパッド計画が必要です。

潜在的な制御分野には以下が含まれます：

• キーとピルID;
• 金型キャビティ;
• 材料とピルロット;
• 成形および硬化/後硬化記録;
• ピルの位置と寸法;
• キーパッドの力/トラベル;
• PCB/FPC/PET サプライヤーとロット;
• パッドアートワークと仕上げリビジョン;
• 清掃および取り扱い記録;
• 組立治具とオペレーター/ステーション;
• 抵抗器具および校正;
• 初期および最終の電気的結果;
• 欠陥/手直し処理; および
• 保持試料の位置。

分布の変化だけでなく、制限を超える不良も確認します。徐々に変化する動きは、製品が機能的に故障する前に、治具の摩耗、汚染、パッドの変更、材料の変更、または工程の変動を明らかにすることがあります。

証拠から抵抗の故障を診断する

故障状態を記録する前に、研磨、削り、溶剤拭き、またはパッドの交換を行わないでください。それにより証拠が消える可能性があります。

カーボンピルが不適切な接点である場合を知る

次の場合は別の接点構造を検討してください:

• 回路が非常に低い、または厳密に制御された抵抗を必要とする場合;
• キーを通して大きな負荷電流が流れる必要がある場合;
• アナログの精度が接点の変動を許容できない場合;
• 接点が認定された電気的範囲外の信号をスイッチする必要がある場合;
• 利用可能なフットプリントが頑丈なオーバーラップを提供できない場合;
• 環境を外部パッドで制御できない場合;
• サービスには交換可能なシールスイッチが必要です。
• PCBのサポートは安定させることができません。あるいは
• この製品はすでに認定済みのメカニカルスイッチまたはメタルドームを使用しています。

代替手段には、メタルピル、メタルドーム、基板搭載スイッチ、個別のシールドスイッチ、または異なるセンサーアーキテクチャが含まれる場合があります。それらはそれぞれ独自の押下力、めっき、バウンス、シーリング、コスト、組み立て、寿命に関する課題をもたらします。

提供されたテスト境界を決定する

もし JASPER がゴム製キーマットのみを提供する場合、最終的な PCB、仕上げ、サポート、筐体、コネクタ、および電子部品が出荷物の外に残るため、顧客がより多くの接触証拠を所有することになります。

そのシリコンキーパッドアセンブリルートは、キー配列、回路、サポート、LED、コネクタ、および機能テストを1つの提供されたモジュール内に配置できます。関係者は依然として以下を定義する必要があります。

• 抵抗がパッドのテストポイントで測定されるか、外部コネクタで測定されるか；
• どの器具がエンクロージャを表しているか;
• 誰がファームウェアと入力しきい値の所有者か;
• どの部品が顧客提供であるか;
• 故障がキー、ピル、パッド、回路、またはアセンブリのどれに起因するか追跡する方法; そして
• どの変更が再認定を必要とするか。

機械的前提条件については、次を使用してくださいシリコーンゴムキーパッド設計ガイド接点抵抗制限を指定する前に、キーの形状、力、移動、サポート、および取り付けスタックを確認します。

カーボンピル図およびRFQチェックリスト

電気

• 入力回路および回路図;
• 供給およびしきい値の許容差;
• プルアップ/プルダウンまたはマトリックスの詳細;
• 最大総クローズドパス予算;
• 割り当てられた接触抵抗予算;
• オープン状態またはリーク要件;
• 試験電圧、電流、極性、タイミング、およびセンス点;
• 低レベルおよび機能試験要件;
• バウンス/断続的接触要件; および
• 通電ライフサイクル条件。

ピルおよびキーパッド

• ピル材料/グレードまたは承認済みサプライヤー経路;
• ピルの輪郭、厚さ、位置、保持、表面;
• キーの力-変位曲線;
• 最初の接触、最初の閉鎖、安定領域、オーバートラベル、およびハードストップ;
• 中央および端部の押し;
• キーグループおよび使用頻度の高いキー; および
• 成形、硬化、キャビティ、および変更管理要件。

PCB、FPC、またはPET回路

• パッドのアートワークおよび寸法;
• 最悪の場合のピル重なり;
• 導体および最終接点面;
• ソルダーマスク、ビア、トレース、および部品のクリアランス;
• 局所的な平坦性とサポート;
• 基準点および位置指定方式;
• 清掃、取り扱い、保管、および包装; および
• 基板/回路部品のサプライヤー変更管理。

検証と生産

• 初期、組み立て後、環境後、およびサイクル後の制限;
• サンプル数量、キャビティ、ロット、およびキー選択;
• 治具図面と校正;
• 生波形およびサマリーデータの保持;
• 環境および化学物質への曝露；
• サイクルプロファイルおよび点検間隔;
• 故障解析および再試験ポリシー;
• 生産サンプリングまたは全数テスト;
• 供給される組立境界; および
• プロトタイプおよび年間数量。

よくある質問

プロジェクト適格性評価の適用範囲

管理された図面と承認済み試験計画なしに、材料抵抗、接点抵抗、荷重、ストローク、電流、電圧、寿命、温度、湿度、薬品、パッド、表面仕上げ、受入基準の値をJASPERのプロジェクトに適用することはありません。