シリコーンゴムキーパッドと金属ドームの組み合わせ：アクチュエータの設計

シリコーンゴムキーパッドと金属ドームは、組付け状態で一体の機構として設計する必要があります。荷重下のアクチュエータの接触面積を選定したドームに合わせ、位置合わせと静止時のすき間を管理し、電気的な閉成を妨げずにドームを保護するストロークストッパを設けます。単体ドームの公称作動力だけではなく、力・変位・電気的状態を同期測定した結果に基づいて承認してください。

本記事では、非導電性のシリコーン製アクチュエータが、スナップ動作と電気接点の両方を担う常開型の金属ドームを押す構成を扱います。この構成では、シリコーン側の導電カーボン接点（カーボンピル）で導通させるわけではありません。 成形キー全般の要件については、シリコーンゴムキーパッドの設計ガイドを参照してください。

ドームと回路の構成を確認する

アクチュエータの形状を確定する前に、ドームのメーカー、品番、図面改訂、向き、接点配置、保持方法、回路基材を特定します。シリコーンと金属の間にキャリアフィルムや荷重伝達層がある場合は、それらも特定してください。フィルムを介して押すアクチュエータと、露出したドームに直接触れるアクチュエータとでは、接触部の条件が異なります。

パッド配置と局所支持は、一体として設計承認してください。フレキシブル回路では、必要に応じて裏当てや補強を設けるスイッチ領域を定義します。リジッドPCBでは、基板はたわまないと決めつけず、実際の支持状態を確認してください。必要な脚部の動きを含め、選定したドームの可動部が保持構造によって拘束されないことも確認します。固定方法を選ぶ際は、はんだ付け可能なドームと、それ以外の形式を区別してください。

機械的な荷重伝達経路を追う

説明用の例：機能上の経路を示すもので、製造用の断面図や定格を定めた設計ではありません。 矢印は機械的な荷重伝達を示し、電流を示すものではありません。

指からの荷重
    |
    v
シリコーン製キートップ
    +--> シリコーンの薄肉弾性部（ウェブ） --> 締め付け固定されたキーパッド --> 筐体
    |
    +--> シリコーン製アクチュエータの先端
    |        |
    |        v  [静止時のすき間がある場合、それがなくなった後]
    |    キャリアフィルム／荷重伝達フィルム（存在する場合）
    |        |
    |        v
    |    金属ドームの頂部
    |        +--> ドームの脚部／外周縁 --> 回路側の支持ランド --+
    |        +--> 中央パッド [閉成後] --------------------------+
    |                                                           |
    |                                               回路基材＋局所的な裏当て
    |                                                           |
    |                                                         筐体
    |
    +--> 機械的ストッパ [接触時] --> 構造支持部 --> 筐体

ウェブは並列の復帰経路であり、単にドームの下に重なる別の層ではありません。ストッパが接触すると、別の反力経路が生じます。その有効性は、経路の剛性と形状によって決まります。積層構造のスイッチ層を使用する場合は、供給する組立品の範囲を定義する際に、金属ドーム式メンブレンスイッチも確認してください。

アクチュエータを承認済みの接触領域に合わせる

中心を合わせた平底のプランジャで、その直径をドーム直径の25%以下とする指針は、選定した部品で承認されている場合に限って使用してください。あらゆるドーム、シリコーン配合材、接触部に共通する比率ではありません。アクチュエータ一体型およびリング状アクチュエータは、それぞれ別に検討する必要があります。特に中央穴、突起、介在フィルムがある場合は、適用可否を確認してください。

先端の形状、位置、表面状態、突出量を指定します。丸みを帯びた先端や環状の先端は、実際の接触パターンに対する承認が必要であり、いずれも平らな先端の代替として無条件に使えるわけではありません。シリコーンでは、無荷重時のCAD輪郭だけでなく、荷重下の接触範囲を評価してください。キーの端を押したときの傾きや横方向の移動も含めます。

円形形状を用いた説明用の幾何学的確認では、承認済みの荷重付与領域の半径をR、荷重下の接触範囲の最大半径をr、最大中心ずれをeと定義します。いずれも同じ接触面においてミリメートル単位で測定します。接触範囲が幾何学的に完全に収まるためには、次の条件が必要です。

e + r <= R

この関係は図面上の確認用であり、サプライヤーの荷重限界でも疲労モデルでもありません。承認済みの領域はドームサプライヤーから入手し、ドームの外半径で代用しないでください。非円形、環状、アクチュエータ一体型の接触部では、それぞれに適した接触包絡域の確認が必要です。

位置合わせ、支持、予圧を管理する

積層構成全体の位置を合わせる

シリコーン製アクチュエータ、ドームの収容部または配列、回路パッド、筐体の位置決め部を、整合した共通の基準体系に関連付けます。成形ばらつき、ドームの配置、基板の位置、キーのガイド、組立時の回転ずれを含めてください。中央での操作だけでなく、代表的な端部や角部での押下も確認します。

主なクリック感をドームに担わせる場合は、独立してスナップする要素を二つ組み合わせるのではなく、スナップ動作を起こさないシリコーンのウェブを検討してください。平らでスナップしない「dead web」は、評価できる構成の一つです。これも組立品の弾性要素であることに変わりはありません。力を発生しないものと扱わず、復帰とキーの安定性を検証してください。

幾何学的な干渉と予圧力を区別する

代表的な断面と、共通の回路支持基準を使用します。Hを組み付けたキーパッドの基準高さ、Pをドームによる変形が生じる前の、その基準より下側へのアクチュエータ突出量、Tを荷重を受けるドーム面またはフィルム面の無荷重時の高さとします。幾何学的なすき間は次のとおりです。

g = H - P - T

g_min = H_min - P_max - T_max
g_max = H_max - P_min - T_min

これらのミリメートル単位の式は、説明用の寸法モデルです。限界値は、独立した寸法範囲を保守的に組み合わせて確認するためのものであり、相関する寸法は別途扱う必要があります。gが正ならすき間を、gが負なら変形によって吸収すべき干渉を示します。ニュートン単位の予圧力を規定するものではありません。

両方の極限条件を確認してください。すき間が大きすぎると、使用可能な作動ストロークを消費する場合があります。一方、干渉がある場合は、組付け後の静止状態を評価する必要があります。予圧を与えるための押し込み量を一律に適用したり、ある設計条件での推奨値を未特定のドームに転用したりしてはいけません。意図的に予圧を与える場合は、その部品に対する承認を取得し、指定した締め付け条件で、開状態、力の応答、完全な復帰を確認してください。

ストロークストッパとオーバートラベルの条件を定義する

電気的な閉成後のキートップの動きと、ドームの許容ストロークを超える動きは区別してください。キートップの動きにはシリコーンの圧縮も寄与するため、キートップのストロークとドームの変位は同一ではありません。オーバートラベルはドームの設計ストロークを基準に定義し、必要な場合は、その動作が明確に承認されたドームだけを使用してください。

静止位置、閉成位置、ストッパ接触位置、部品の許容ストロークを、それぞれ別に指定します。カタログのストローク値が損傷のしきい値であると決めつけてはいけません。

早い段階で接触するストッパでも、すき間が最大となる条件で閉成できなければなりません。遅い段階で接触するストッパは、反対側の公差極限でも、ドームの変位と荷重を承認済みの限界内に保つ必要があります。支持部の実際の変形しやすさと、指定されたユーザー荷重ケースを考慮して、両方を確認してください。

ストッパ接触後の追加荷重は、定義した構造上の経路に流します。「ストッパ」と呼ぶ成形形状があっても、圧縮やたわみによってドームへの負荷が増え続けるなら十分ではありません。ストッパの接触、荷重下のたわみ、復帰を検証してください。ドームの作動力だけから許容過負荷を導いてはいけません。

接触部の設計承認チェックリストを使う

このチェックリストは、図面審査と組立品の検証を整理するためのものです。合否判定値は、選定した部品と製品要件に基づいて定めます。

閉じ込められた空気は触覚応答に影響する場合があるため、最終的なドームの保持構造とシール構成に合わせて排気経路を検討してください。ドーム収容部を排気するためだけに、筐体のシール境界を貫く管理されていない開口を追加してはいけません。

最終的な積層構成で力、閉成、復帰を測定する

保持層のない単体ドーム、回路上に保持したドーム、完全に組み付けたキーを比較し、部品単体の挙動と組立による影響を区別します。指定された部品試験用の治具を使用し、プローブ形状、中心合わせ、支持、排気、速度、コンディショニングを定義してください。これらは試験条件であり、そのまま量産アクチュエータの寸法になるわけではありません。

組立品の承認では、力、キートップ変位、電気的状態を同期させます。変位の基準と閉成のしきい値を定義してください。押下時の力のピーク、閉成点、押し続けている間の接点挙動、ストッパ接触、電気的な開離、復帰過程を記録します。聞こえるクリック音から閉成を推測したり、力の極小点をすべてリリース時点と同一視したりしてはいけません。

組立構成の改訂、キーID、該当する場合は材料と成形キャビティの識別情報、ドームのロット、治具、押下位置、速度、コンディショニング、回路、支持、締結部品の状態を記録します。中央押下と想定される偏心押下、公差極限、必要なコンディショニング前後または繰り返し作動前後の比較を含めてください。用途に応じた繰り返し回数、荷重、環境、合否判定限界について合意します。

ドームの機械的寿命の結果だけでは、完成したキーパッドの電気的寿命は検証できません。機械的な繰り返し試験手順が電気抵抗試験を対象外とし、亀裂の発生を故障判定の基準とする場合、電気接点の性能を示したことにはなりません。したがって、組立品の検証計画には、閉成、断続的な接触不良、復帰に関する独自の判定基準が必要です。

よくある質問

ハイブリッドキーパッドの組立について相談する

成形キーパッドとスイッチの積層構成を連携させ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の組立品を確認してください。そのうえで、キーパッドと筐体の断面図、ドームの品番と図面、回路アートワーク、サンプルまたは写真、目標とする力とストローク、ストッパの構想、電気的な合否判定要件を添えて、キーパッドの技術レビューをご依頼ください。

試作数量と量産数量、装置の用途、押下位置、手袋の使用、環境曝露条件も含めてください。未決定事項はTBD（未定）と明記し、顧客支給部品を特定します。実際のプロジェクトについて、実現可能性、供給範囲、検証責任の分担を確認してください。