シリコーンゴムキーパッドの公差と組立寸法連鎖

シリコーンゴムキーパッドの公差は、一律のプラスマイナス値ではなく、組付け状態で機能を満たす許容範囲を起点に設定します。組立基準を定め、柔軟な部品の測定方法を定義し、寸法が限界の組合せになっても、押圧解除後のクリアランスと、機械的ストッパーに達する前に電気的導通を成立させるための十分なストロークが残るかを計算します。寸法適合と機能面の受入判定には関連がありますが、互いに置き換えられるものではありません。

シリコーンゴムキーパッド設計ガイドでは、設計全体の枠組みを説明しています。本記事では、導電ピルが PCB に接触するシリコーンゴムキーを対象に、公差を配分する方法を解説します。

組立と機能に基づいて基準を選ぶ

実際に組立品の位置を決める面と位置決め要素から検討を始めます。機能上重要な形状と、繰り返し安定して測定できる基準に基づいて寸法設定を行います。

キーパッドの基準系の一例として、シャーシの剛性のある支持平面を A、面内位置を決める筐体側の位置決め要素を B、回転を規制する別の位置決め要素を C とする方法があります。丸穴と逃げを設けた長穴の組合せは、検討可能な構成案であり、必須の構造ではありません。ピンがあればすべての動きがなくなると考えず、位置決め部のクリアランスを定義してください。

キーパッドの着座部、PCB の位置決め要素、筐体寸法を、この組立基準に関連付けます。別々の図面で互いに無関係な面を単に「A」と呼んでも、共通基準を設定したことにはなりません。柔軟なキーシートには、基準を再現する治具の定義が必要であり、手で平らにするという指示では不十分です。

重要な寸法関係と、機能を左右しない寸法を分けて管理します。

トリミングされた外周が、自動的に非重要寸法になるわけではありません。組立品の中での役割に応じて扱いを決めます。

柔軟な部品の測定方法を定義する

公開されている ASTM D3767 の意義と用途に関する説明では、柔らかく柔軟な材料の測定厚さは、測定圧力の影響を受けると説明されています。同規格の適用範囲には、サンプリング方法や試料の採取位置は含まれていません。個々の形状の測定位置は、プロジェクトの検査計画で定義してください。

定義のない単一の「キーパッド高さ」ではなく、状態を明示して扱います。

接触式測定では、測定子の接触部形状と、加える力または圧力を記録します。非接触式測定では、支持方法、観察方向、エッジ検出方法の妥当性を確認します。部品を動かさずに読み取りを繰り返すだけでなく、取り外して再度治具にセットする操作を繰り返し、その結果を比較してください。

公開されている ISO 23529 の概要は、ゴム試験片の一般的な準備と状態調節を対象としていますが、製品全体の試験に関する特別な要求事項は対象外です。キーパッド全体の測定・試験方法は、別途定義してください。材料と加硫履歴、状態調節、温度、測定器、治具の改訂版、測定位置、試料識別情報を記録します。測定不確かさを受入判定にどう反映するかを合意してください。表示分解能だけでは、不確かさの推定値にはなりません。自由支持状態の寸法と、組付け状態での変形を分けて扱います。

計算例：機能上の許容範囲に公差を配分する

モデルと検査状態を定める

説明用の計算例：以下の寸法、公差、機能限界は、すべて仮定値です。JASPER の能力や実測結果を示すものではありません。

導電ピルを備えたキーを中央で押す場合を考えます。長さの単位はすべて ミリメートルです。+z は基準 A からユーザーに向かう方向とします。熱平衡に達し、明示した加硫工程が完了した後の基準温度として、説明用に 23 °C を用います。

筐体には、キーパッドの着座面 M があります。キーシートは位置決めされ、その外周は定義した組立ストッパーに当てて保持されます。静止時のキーには外力を加えません。最初の接触までは、キーと導電ピルが軸方向に一対一の変位関係で動くと仮定します。横方向の擦れと傾きは、この一次元モデルの対象外であり、別途確認が必要です。

P は変位であり、力でも、仮定したガスケット圧縮率でもありません。定義した自由支持状態と組付け状態から求めてください。外周の圧縮量を、そのまま導電ピルの移動量と同一視してはいけません。

各座標から、寸法連鎖が直接得られます。

組付け後の静止時の導電ピル接触面： z_pill = H − K − P
PCB 接点面：                        z_pad  = S + T
静止間隙：                          G      = H − K − P − S − T
公称間隙：                          G_nom  = 4.40 − 1.80 − 0.10 − 0.40 − 1.60
                                           = 0.50 mm

寸法の両極限を計算する

最小間隙は、H の最小値と、減算する寸法の最大値を組み合わせた場合に生じます。最大間隙では、それぞれ反対側の限界値を使います。

G_min = 4.35 − 1.87 − 0.12 − 0.43 − 1.65 = 0.28 mm
G_max = 4.45 − 1.73 − 0.08 − 0.37 − 1.55 = 0.72 mm
ワーストケースにおける全体の半幅 = 0.05 + 0.07 + 0.02 + 0.03 + 0.05
                                 = 0.22 mm

これらは、それぞれ異なる限界寸法の組立品を表しており、同一部品に同時に生じる二つの状態ではありません。限界値を用いるこの計算に統計的独立性は必要ありませんが、寸法同士が連動している場合には、保守的な結果になることがあります。

導通と復帰の要求を間隙の許容範囲に変換する

この例では、次の機能上の配分を仮定します。

観察時間の 1.0 s も仮定値であり、規格の要求ではありません。合意した押圧・解除条件と電気的しきい値を用いて q と r を検証してください。これらは部品寸法だけから推定できません。

二つの幾何学的条件は次のとおりです。

押圧解除： G_min − r_max ≥ g_release
導通：     D_min − (G_max + q_max) ≥ m

したがって、許容される静止間隙の範囲は次のとおりです。
G ≥ 0.25 + 0.05 = 0.30 mm
G ≤ 0.90 − 0.12 − 0.10 = 0.68 mm

公称間隙が 0.50 mm の場合、対称に配分するワーストケース公差予算は、両方の境界までの距離のうち小さい方を超えることはできません。

許容半幅 ≤ min(0.50 − 0.30, 0.68 − 0.50) = 0.18 mm

初期予算の 0.22 mm は大きすぎます。公称値だけを変えても、幅が 0.44 mm の範囲を、幅が 0.38 mm の許容範囲内に収めることはできません。

公差を再配分し、その後で実現可能性を確認する

計算上の検討としてのみ、K の公差を ±0.04 mm、T の公差を ±0.03 mm に狭め、ほかの条件はすべて据え置きます。新しい半幅は 0.17 mm となり、G = 0.33–0.67 mm が得られます。

初期計算から分かるのは、配分されたクリアランスと余裕が不足していることです。試験したキーが実際にスイッチ動作を行えないと立証したわけではありません。同様に、再配分後の計算は、仮定したすべての限界値が有効であることが前提です。正のクリアランスがあるだけでは、キーが実際に復帰することや、回路が再び開くことは証明できません。

許容される間隙範囲の境界までに残る距離は、わずか 0.03 mm と 0.01 mm です。この例では、測定の判定ルールや使用条件の変化に対して、別枠の余裕を配分していません。これは導通と押圧解除についての予備確認であり、最大オーバートラベル、接触応力、耐用寿命に関する安全性を証明するものではありません。

より厳しい値を採用する前に、成形、PCB、検査の各面で実現可能かを確認してください。寸法連鎖を構成する要因の数を減らす、あるいは支持部とストッパーの形状を変更する方法も考えられます。数学的な配分を、裏付けのない購買仕様に変えてはいけません。

統計的な公差累積は適切なデータがある場合にのみ用いる

寸法変動が非相関である線形の寸法連鎖では、次式が成り立ちます。

σ_G = √(σ_H² + σ_K² + σ_P² + σ_S² + σ_T²)

NIST の不確かさに関するガイダンスでは、分散の伝播に関する数学と、共分散を考慮する必要性が説明されています。この数学を製造ばらつきに適用するには、実際の工程データが必要です。NIST のこのページは、キーパッドの生産受入規格ではありません。

図面の ± 公差は、そのまま標準偏差になるわけではありません。平均、ばらつき、相関、および分布の裾でのリスクを推定するために用いる分布の仮定を明確にしてください。金型キャビティや組付け状態の影響を、分かる形で残します。特に P は、寸法連鎖のほかの項ですでに考慮されている形状にも依存する可能性があります。

入力値に相関がある場合は、共分散の項を用います。ストッパーまでのストロークと間隙を導出する際は、重複する寄与を独立とみなすのではなく、共通変数を保持してください。RSS 計算や、小さな予測標準偏差だけで、組立品の歩留まりが許容できることを証明することはできません。

寸法検査を機能面の受入判定に結び付ける

押圧と解除の間、力をN、キーの局所変位をmmで測定し、電気的状態も記録します。電気的作動時に取得した力と、その後に底付きした際の力のピークを区別してください。ピーク荷重の読み取りだけでは、導通の測定にはなりません。

押圧子形状、押圧位置、速度、変位のゼロ点、支持方法、締結条件、電気試験レベル、しきい値、押圧解除後の観察時間を定義します。変位測定チャンネルが、補正されていない治具のたわみではなく、キーの動きを表しているかを確認してください。

金型・試作ガイドを使い、これらの結果を、管理された試作品と量産品の改訂版に関連付けてください。公称寸法の試作品が合格しても、許容されるすべての組合せの根拠にはなりません。

よくある質問

キーパッドの設計レビューを依頼する

一体化したモジュールとして調達す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を確認し、ゴム部品、回路、筐体、検査の各インターフェースについて、誰が責任を持つかを明確にしてください。

キーパッドの図面または試料、PCB と接点のレイアウト、筐体断面、支持部と締結の詳細、基準系、現在の公差累積計算、および荷重や電気的状態の記録があれば、それらをお送りください。装置の用途、試作数量と年間数量、重要な受入要求、供給範囲も含めてください。未確定の入力項目には TBD と明記し、要求事項を確定する前に検討できるようにしてください。

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