Хабрахабр

[Перевод] Нужна небольшая клавиатура – сделайте её сами

Если вам нужна небольшая клавиатура, то тут всё сложнее. Если вам нужна клавиатура, вы можете её приобрести. Однако есть один вариант: силиконовые клавиатуры. Кроме вариантов с переделкой клавиатуры от Blackberry или возни с крохотными тактильными переключателями, нормальных решений для получения небольших, тонких и специализированных клавиатур нет. Пока этого никто не делал, поэтому я решил – почему бы и не попробовать.

Документации крайне мало, и все изготавливающие их фабрики, судя по всему, копируют информацию друг у друга. К сожалению, готовой информации по проектированию, созданию или производству собственных силиконовых клавиатур не существует. Но, несмотря на всё это, я сумел сделать собственную силиконовую клавиатуру, и теперь делюсь информацией о том, как это делается.
Цель проекта – создать очень маленькую компьютерную клавиатуру для носимых устройств, электронных бейджей, игры в Fortnite на переносном компьютере, или просто для использования в качестве USB-клавиатуры. Спрашивать у китайской компании, как это делается – всё равно, что играть в «испорченный телефон». Бейджик для конференции 2018 Hackaday Belgrade Conference использовал 55 стандартных тактильных переключателей, выстроенных в виде клавиатуры. Такое уже делали раньше. Однако у подобных устройств есть свои недостатки. Ещё один проект с Hackaday.io под названием (Pi)QWERTY тоже использовал несколько десятков стандартных тактовых переключателей.


PiMiniQWERTY – наилучшая из самодельных миниатюрных клавиатур

Это не проблема, если вы используете небольшое их количество для одного проекта, но если вам требуется 60-70 кнопок на устройство, стоимость начинает расти. Во-первых, стандартные тактильные кнопки на 4 мм весьма дороги. Возьмём 70 штук и получим $1,25 на устройство – только за кнопки. Самые дешёвые из тех, что я нашёл, стоят по $70 за рулон из 4000, или пару центов за штуку. Может получиться, что кнопки будут стоить дороже микроконтроллера.

Количество отказов может быть не очень большим, но если вы собираете целые платы из переключателей, оно будет больше, чем если бы это были единые устройства. Во-вторых, тактильные кнопки надо собирать вместе. Также, поскольку на сборку такой клавиатуры тратится много времени, приходится платить за сборку из кнопок больше, чем за установку готового устройства. По сравнению с SMD-резисторами и колпачками кнопки большие и толстые, что увеличивает количество брака при их размещении. Это увеличивает стоимость клавиатуры на основе тактильных переключателей.

Если вы будете собирать клавиатуру из 4 мм кнопок, вам придётся делать маркировку на плате. Наконец, на кнопках нет маркировки. Можно представить нанесение надписей на кнопки, однако их поверхность и так весьма мала. На белградской конференции это было сделано довольно неплохо, а у mini (Pi)QWERTY – блестяще, поскольку там использовали две платы, одну для электроники, вторую для подписей.

Такие клавиатуры есть почти во всех пультах дистанционного управления, они использовались в старых телефонах Nokia типа «кирпич». Решение: использовать силиконовые клавиатуры, изготовленные методом литья под давлением [injection molding]. Силиконовые клавиатуры повсюду, и есть фабрики, изготавливающие их на заказ.

Продающие их компании изготавливают их и на заказ.
Силиконовые клавиатуры с TaoBao и AliExpress.

Во-первых, большинство из них используют метки на кнопках. В использовании силиконовых клавиатур есть много преимуществ. Кнопки могут быть любого размера и любой формы. Во-вторых, вы не ограничены 4 мм кнопками. Наконец, силиконовая клавиатура выглядит круче чем любые кнопки. Собирать их легко; чтобы использовать такую клавиатуру с платой, нужно просто поместить её на плату; всё остальное уже сделано за вас. В основном, из-за стоимости, однако есть и некоторые проблемы инженерного характера. Так почему же их не используют?

Различные типы силиконовых и мембранных переключателей


Мембранная клавиатура ZX Spectrum

Первые – это клавиатуры Metal Dome, или мембранные. Перед тем, как углубиться в проектирование силиконовых клавиатур, нужно обсудить схемы небольших клавиатур и наборов клавиш. Если посмотреть в других местах квартиры, возможно, такая клавиатура стоит у вас на микроволновке. Лучшими примерами таких тактильных мембранных кнопок будут клавиатуры от популярных домашних компьютеров 1980-х, ZX Spectrum или Atari 400.

Электрическая схема состоит из дорожек, нарисованных токопроводящими чернилами на двух листах полиэстера. Такие клавиатуры располагают кнопки матрицей. Нажатие на кнопку сжимает купол, и замыкает два слоя полиэстера. Купол из нержавейки располагается под каждой кнопкой.

Таким мембранам всё равно, как был нажат металлический купол. Лучшие изображения мембранной клавиатуры можно взять с одного из своих проектов. Кусочек пластика можно наклеить на массив тактильных переключателей. Простейший вариант – расположить кнопки и буквы прямо поверх мембраны. перев.]. Именно так сделаны клавиатуры в игрушках Speak N Spell и Big Trak [в СССР был аналог такой игрушки, «Луноход» / прим. Именно так можно сделать клавиатуру для трёхлетнего малыша, защищённую от арахисового масла.

Один из вариантов – расположить пластиковые кнопки над мембранным переключателем. Однако чистые мембранные переключатели на ощупь очень дешёвые и не дают обратной тактильной связи. Клавиатуры Metal Dome (с металлическим куполом) используют клавиши из жёсткого пластика, нажимающие на небольшие металлические купола, зажатые между двумя слоями полиэстера с проводящими чернилами:

Можно использовать мягкие силиконовые, поверх мембранной клавиатуры, как сделано на ZX Spectrum. Но мембранным клавиатурам не обязательны жёсткие пластиковые кнопки. ZX Spectrum использовал силиконовые кнопки на своей клавиатуре, но это всё равно была мембранная клавиатура. Вместо жёстких пластиковых прямоугольников, как у меня в проекте Metal Dome, Speccy использовали единое полотно из силиконовых кнопок. Нет разницы, как нажимать металлический купол – через лист пластика с напечатанными символами, или силиконовыми прямоугольниками.

Другой тип клавиатуры – такая, которую я сделал для этой статьи – это силиконовая, или резиновая клавиатура.


Вездесущий мембранный кейпад для Arduino

Углеродный контакт («таблетка») встроен в силиконовую кнопку, а контакты для клавиатурной матрицы создаются из дорожек на печатной плате. Резиновая клавиатура использует силиконовые кнопки, изготовленные методом литья под давлением, нажимающие на контакты. В любом случае, клавиатура состоит из печатной платы, силиконовых кнопок с проводящими контактами под каждой кнопкой, маленьких проводящих углеродных контактов в каждой кнопке, и гнёзд для закрепления силикона на плате. Контакты можно интегрировать в плату (рекомендуется технология ENIG) или напечатать поверх токопроводящими чернилами.

Хотя резиновые клавиатуры можно делать многих цветов, символы на мембранной клавиатуре, по сути, печатаются; на мембраной клавиатуре можно сделать любые символы любых цветов. Выбирая между мембранной и резиновой клавиатурой, стоит рассмотреть несколько моментов, и многие из них способны перевесить чашу весов в пользу мембранной. Резиновым клавиатурам требуется полоска, содержащая монолитный блок силиконовых клавиш, что означает дополнительная стоимость второй формы для литья. Мембранные клавиатуры дешевле, поскольку им не нужна форма для литья. Если вы когда-нибудь пробовали использовать Atari 400, вы согласитесь: на резиновых клавиатурах гораздо проще печатать. И выигрывает резиновая клавиатура только по тактильным ощущениям. А ещё они более стильные, чем мембранные.

Текущие проекты


Не специализированная резиновая клавиатура, которую можно использовать хоть сейчас

Они, конечно, существуют в DIY-сообществе: Adafruit продаёт клавиатуры 4х4 (у Sparkfun есть то же самое), и подобные кнопки можно заказать на AliExpress и eBay. На сегодня мне неизвестны случаи использования специализированных резиновых клавиатур малыми тиражами. Это не специализированные клавиатуры; это стандартные готовые клавиатуры для специализированных проектов. Да, конечно, Sparkfun и Adafruit потратились на разработку плат, но сами кнопки, скорее всего, делают где-то далеко-далеко.

Именно для этого силиконовые кнопки с подсветкой и были разработаны: из них получаются крутые MIDI-контроллеры. И эти резиновые кнопки использовались много где: для создания клона Monome, шагового секвенсора, MIDI-устройства. Но поскольку на них нет меток, они мало для чего ещё подходят.

Люди, конечно, пытаются делать что-то ещё. И это единственные, насколько мне известно, DIY-проекты, в которых используются силиконовые клавиатуры 4х4. Дэйв Джонс отверг идею резиновых клавиатур для своего проекта uSupply и перешёл на специализированные мембранные переключатели. Некоторые из них ищут на форумах резиновые клавиатуры, а кое-кто экспериментирует с алюминиевыми формами для литья, но пока что никому не удалось достичь успеха.

Разработка клавиатуры, бобышки и отверстия для воздуха

По сути, мы разрабатываем стальную или алюминиевую форму для литья. Так из чего же строится создание резиновой клавиатуры? Возможна дальнейшая обработка кнопок – лазерное нанесение меток, шелкография или нанесение эпоксидного покрытия. Форма отправляется в машину для литья под давлением, где её заполняют углеродными шариками, заливают горячим силиконом, который потом вулканизируют. Ниже приведён пример – клавиатура из единственной клавиши – которую я за несколько минут сделал в Fusion360. Проектирование резиновой клавиатуры – это проектирование формы для литья, но базовые компоненты довольно просты.

На углах основы есть четыре бобышки, для крепления на плате. Внешняя форма клавиатуры зависит от назначения, а базой служит слой силикона. Они нужны для выравнивания кнопки и предотвращения её скольжения.

На клавиатуре просто расположено больше клавиш, но форма одной клавиши, по сути, одна и та же. Внутренняя структура клавиши состоит из большой углеродной таблетки, того контакта, который будет нажимать на плату. Если их не сделать, клавиатура будет подпукивать при нажатии. Отметьте промежутки снизу клавиши, позволяющие воздуху проходить под ней.

Чёрный объект – углеродная таблетка, служащая мостиком между двумя контактами на плате.
Силиконовая клавиша в разрезе.


Размеры моей клавиатуры, в мм.

Для моего проекта схема особого значения не имела – главное, чтобы на плате были близко расположены две дорожки, соединённые с противоположными сторонами клавиатурной матрицы. После того, как проект клавиатуры был готов, а файлы отправлены на фабрику для изготовления формы и производства нескольких пробных образцов, настало время разработать печатную плату. Имеют значение и производственные ограничения: стандартный минимум ширины дорожки и расстояния между ними составляет 0,15 — 0,20 мм, и я разработал плату с дорожками в 0,25 мм и таким же расстоянием между ними. Для этого рекомендуется технология ENIG.

Это перфорированный пластик, прикручивающийся к плате. Закончив клавиатуру и плату, можно переходить к крепёжной полоске. Я сделал следующий прототип, просто затем, чтобы протестировать клавиатуру. Резиновая клавиатура зажимается между ним и платой. Электроника – просто Teensy LC (была у меня под рукой), с вырезом, дающим доступ к плате для прототипирования:

Прошивка на Teensy использует стандартную библиотеку Keypad и представляется компьютеру, как устройство USB HID. Я отправил эту модель в Shapeways, и клавиатура была собрана. Это не окончательный вариант, поскольку USB-клавиатура – это просто рабочая концепция для проверки резиновых клавиш, однако она реально работает. Получилась специализированная резиновая клавиатура именно той формы, что мне надо.

Однако из-за сильной конкуренции на рынке, я думаю, что эти цены будут достаточно репрезентативными для средней стоимости специализированной резиновой клавиатуры. Раскрою стоимость проекта; стоит учитывать, что выборка тут очень маленькая – я обращался лишь к одному производителю только с одной моделью.

Стоимость получилась следующей:

С экономической точки зрения всё это имеет смысл при тиражах порядка 10 000

Общая стоимость небольшого количества образцов получилась равной $2877. Это стоимость формы для литья и проверки инженером CAD-файлов. Десять клавиатур за три тысячи баксов.

После этого стоимость одной штуки становится равной от $1,3 при тираже в 1000 до $0,79 при тираже в 5000. Однако после всех этапов проектирования и подготовки фабрика способна выдавать клавиатуры пачками. Пять тысяч клавиатур обойдутся в $6 827, или по $1,36 за штуку. Так что в сумме тысяча клавиатур обойдётся мне в $4 177, то есть по $4,18 за штуку. Такая цена, меньше $1,5, делает эту технологию жизнеспособной для мелкомасштабного производства.

Вопрос изготовления резиновой клавиатуры для DIY-проекта всегда оставался открытым. Резиновые клавиатуры подходят для крупных производителей: Samsung продаёт миллионы телевизоров, и у всех них один пульт д/у. Я говорю, что смысл есть, если вы делаете тысячу клавиатур. Проекты мелкого масштаба не используют эту технологию, поэтому некого было спросить, имеют ли смысл специализированные силиконовые переключатели. На тираже в пять тысяч стоимость резиновой клавиатуры и пластикового крепежа может опуститься меньше стоимости микроконтроллера.

→ Все исходники проекта доступны на GitHub

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть