ErgoDox ではないナニか。オープンソースかつ Bluetooth 接続のキーボード | tech - 氾濫原

回路設計

仕様とともに回路の設計もしはじめた。単にスイッチがいっぱいついてるだけなので、回路的には難しいところは一切ないといってもよい。問題はPCとのインターフェイス部分になる。

キースイッチ

キースイッチは Cherry MX 系がいいなと思った結果 Gateron (Cherry MX 互換) にした。

  • 安い
  • 品質もそれほど悪くはない (というか ErgoDox Lite に採用されてる)
  • 入手性が良い (いろんな色が ebay 経由で買える状態だった)

あたりで決定した。

BLE Nano

Bluetooth 接続したいので、技適を通っている Bluetooth モジュールを考える。ちょうど BLE Nano という製品が技適を通っていて mbed 対応だったため、これをメインMCUとして使用することとした。 mbed で公式にサポートされているUSBボードと比べて圧倒的に小さく、ライターとともに購入してもなお安いというのもあった。ただし BLE Nano は名前の通り Blueooth LE (4.0) のモジュールなので、多少の不安はあった。

I2C GPIO MCP23017

キーマトリクスのために I2C GPIO IC を使うことにした。これはMCP23017という Microchip 社のものとした。BLE Nano の GPIO は少ないので、左右で1つずつの MCP23017 を使い、この2つを同一の I2C バスに接続する。MCP23017は3bit分スレーブアドレスを変えられるようになっているので、2つのアドレスをわける。ちなみに ErgoDox にも MCP23018 というほぼ同じものが使われている。MCP23017 は秋月で取り扱いがある。

消費電力削減のためハード設計の段階で MCP23017 の割込み生成を使うこととした。MCP23017 側でピン変更を検知した場合 INT ピンを通じて BLE Nano 側に割込みを発生させる。MCP23017 は2つ使うが、割込み生成は1つで良いので、割込みピンを BLE Nano 側でプルアップし、2つのMCP23017はオープンドレインで割込みを生成するように設定する。

割り込みを使わない場合、常時I2Cで通信してキーの状態を調べなければならないが、割り込みを使えば何も変化がないときにはデバイス全体をほぼ完全にスリープさせることができる。BLEによる無線接続は必然的にバッテリ駆動となるので、これは必要だと思った。

左右キーボード間の接続コネクタ

左右分割キーボード間の接続は

  • SCL
  • SCK
  • VDD
  • GND
  • INT

と5ピン必要になった。しかし

  • 5ピン以上
  • 小型・
  • 対称・
  • ケーブルの入手性が良い

あたりを満たすコネクタというのが壊滅的に存在しない。4ピンであれば ErgoDox と同様にTRRSコネクタ(4端子ミニプラグ)が使えるが、INT ピンを入れて5ピンにするのは譲れない仕様なため困難が生じた。VDD を INT と併用するという考えも浮かんだが、キー割込みはI2C経由で読むまで解除されないので厳しいと思った。

結局のところはLANコネクタ(8P8C・RJ45)とした。USB Type-C コネクタがナウいので、可能なら使いたいと思ったが、現状では入手性が悪く、ケーブルも高価なのでやめた。LANコネクタは比較的大きいということ以外は要件を満たしている。ケーブルも安いので優秀なコネクタだと思う。

回路図やボードレイアウトの作成

Eagle だとフリー版にはボードサイズに制限があってキーボードぐらいの大きさのものは作れないので、いよいよ KiCAD に移行することとした。なので KiCAD の使いかたレベルから学習する必要があった。これについては別途エントリを書いてきた。

最初とても辛かったが、なんとか慣れてきた。いままで Eagle でやっていたことをすべて KiCAD で可能にするためにかなりヤックシェイビング的なことをした。特にPCB Millingまわりの環境再構築が大変だった。

最終的には pcb2gcode にパッチ送ったりしてなんとかなる環境をつくった。

回路図



Root.sch / Main.sch / KeyModule-L.sch / KeyModule-R.sch となっている。これはKiCAD で複数ボードプロジェクトを運用する
に詳細を書いた。

左・右のそれぞれのキーマトリクスは BLE によるファームウェアの部分と独立させたかった (つまりBLEではなくUSB接続とした場合でも基板自体の変更がいらないようにしたかった) のでメインの制御基板を別にしてある。

ボードレイアウト



Inkscape から左と右にわけてレイアウトを DXF ファイルを出力し、pcbnew にインポートした。キーの配置はこの状態から DXF のガイドにあわせて手動で移動させて行なった。

レイアウトの仕様は以下のようにした

  • PCB Milling 前提
    • 少しでも作りやすくするため、デザインルールで最小幅を0.3mmに
  • 基本1層基板 (裏面配線のみ)
  • ジャンパ部分は極力わかりやすくする

結構大きな基板になるので格安PCBサービスでも結構高額になってしまう。なので手元でできる PCB Milling (CNCフライスによる基板切削)でやることにした。

しかしこの制約はかなり厳しくて、なかなかレイアウトが決まらなかった。両面にすればよかったが、基板作成の手順が倍以上になるのでそうしなかった。

試行錯誤してオートルートさせてなんとかした。ジャンパなしはできなかったので、ある程度ジャンパを許容してオートルートさせてから、自力でジャンパしやすいように、直線にしたり100mil単位になるようにとかと修正を加えた。

基板の製作



左側

まず先に左だけ作って様子を見ることにした。左側だけでもブレッドボードに組んだ制御基板と配線すれば使うことができるため、出来を確かめることができる。

余談だけど、既存キーボードと併用して Karabiner を使えば実際に左右分割で使えるはず、と思ったが、どうもそれができなかった。修飾キーの共有が BLE キーボードだとうまくいかないみたいだった。Karabiner からもキーボードデバイスとして認識されず謎。これは未だ謎。入力はできてるけどキーボードデバイスとして認識されてない。


それはともかく、使ってみると結構基板がたわんでしまうことがわかったので、下側のプレートにナットだけを増やして力を受けるようにした。キースイッチの実装面には隙間がほとんどないので、裏側から短いビスでナットを止めて隙間を埋めて力をうける構造になっている。


最終的な構造をいまいち考えれてなかったが、結局3層を単純に重ねる形とした。つまり、化粧板・基板・裏板を15mmのビスで共締めしている。

化粧板は特に強度が必要ないので1mm、裏板には多少強度がいるので2mmとした。結果として以下のような層になった。

  • 化粧板 1mm
  • ナット 5mm
  • 基板 1.6mm
  • ナット 3mm
  • 裏板 2mm
  • ナット3mm

できるだけ薄くて机にキーが近いほうがいいけど、このぐらいが限界だった。

化粧板と裏板の切り出し

いずれも外形カットと穴開けが必要だったため、基板と同様にCNCフライスで切り出している。

この際、CAD は KiCAD の pcbnew をそのまま流用した。KiCAD のユーザー定義レイヤーが2層あるので、ここに切削ラインを書いて、ガーバーに書き出し、外形レイヤー扱いで pcb2gcode で gcode 化した。

ただし、pcb2gcode は現時点では「外形カット」しかできないので、内側に書いたラインも外側を削る挙動になってしまう。pcb2gcode 側に対応をいれたかったが面倒なので、図面の段階でエンドミル径分を考慮して線をひいた。

右側

左側を作った結果をうけていろいろ改良を加えて右側を作った。

以下らへんを改良

  • 角丸に
  • 固定用のビス穴を大幅に増やした

やっぱ角丸にしないとこういうのはきついよなと思った。左側はあとからリューターで削って角丸にしたけど、右側は切削時点で角丸になるように外形を描きなおした。

固定用の穴は多めにあったほうが圧倒的にしっかりするのでケチらないで開けたほうが良い。実際、右側は左側と比べてかなりしっかりした構造にできた。

なお右側は左側に比べてキーの数がかなり多く、基板のサイズもぎりぎりになっている。配線もこちらのほうが大変。基板の原点をちょっと適当に設定しまって、基板は上側が実は足りてない(配線的には問題なし)

作ってみて

これで左右が揃ったので、ファームウェアのクオリティはともかく、ちゃんと打てるようになった。

基本的に HHKB と完全に一緒のキー配置なので、ほとんど違和感なく使える。ただ、物理カールキーをつけたのに関わらず、HHKB のカーソルキー移動に思ったよりも慣れていることが発覚した。Fn キー相当の位置に未割当キーはあるので、ファームウェアで対応した。

カーソルキーを制限のあるなか、なんとか配置したのはよかったが、思ったよりも右手の親指と干渉してしまった。あと1キー分左にあったほうが良いかもしれないけど、ぎりぎりすぎる。右のスペースキーは僕は使うことが全くなくて飾りなので、そこに別のキーを配置してもいいかもしれない。

なお自作する場合、CNCフライスの加工限界によって基板のサイズに制限があり、左右分割でないとそもそも作るのが難しいというのを感じた。

あと細く���短いLANケーブルがなかなかなくて難儀する。多少長くても細いほうが取り回しはよさそう。あんまり長いケーブルだとI2Cのドライブ範囲を超えるのでバグりやすくなる。

つづく → 自作キーボードの製作 — ファームウェアの実装編 | tech - 氾濫原

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