キーボード技術

コンピュータ キーボードのテクノロジには、多くの要素が含まれます。消費者の要求に合わせてさまざまなキーボード テクノロジが開発され、産業用途向けに最適化されています。標準的なフルサイズ (100%) のコンピュータ英数字キーボードでは、通常 101 ～ 105 個のキーが使用されますが、ラップトップ コンピュータに組み込まれているキーボードでは、通常、キーの数はそれほど多くありません。

仮想キーボードは、主にタッチスクリーンインターフェイスを介してアクセスされ、物理的なスイッチがなく、代わりに人工的な音声と触覚フィードバックを提供します。この種類のキーボードは、物理的なコンピューター キーボードの堅固な性質に制限されないため、便利です。

現代のキーボードの大半には、キーボードの状態をユーザー (および中央プロセッサ) にフィードバックするための制御プロセッサとインジケータ ライトが含まれています。プラグ アンド プレイテクノロジとは、その「箱から出したばかりの」レイアウトをシステムに通知できるため、ユーザーが希望しない限り、追加の構成を必要とせずにキーボードをすぐに使用できる状態に保つことができることを意味します。これにより、キートップに刻印された記号のみが異なる、さまざまな言語市場向けの汎用キーボードの製造も可能になります。

一般的なメンブレン設計は 3 つの層で構成されています。上層と下層には露出した電気マトリックス トレースがあり、中間層はスペーサーで、電流が上層と下層の導電性トレースを受動的に通過するのを防ぎます。上層のメンブレンに圧力がかかると、上層と下層の導電性コンタクト パッドがブリッジされ、電流が伝達されます。

最も一般的なメンブレン キーボードのタイプには、フル トラベル ラバー ドーム オーバー メンブレン キーボードとフラット パネル メンブレン キーボードの 2 つがあります。フラット パネル メンブレン キーボードは、電子レンジやコピー機などの家電製品によく見られます。

フルトラベル ラバー ドーム オーバー メンブレン キーボードは、現在製造されている最も一般的なキーボード デザインです。これらのキーボードでは、ラバー ドーム シートがメンブレンの上に配置されており、ドームが接触パッドと揃うようになっています。ラバー ドームには 2 つの目的があります。触覚的な戻りバネとして機能し、上部のメンブレンに力を伝達する柔らかい表面を提供します。2 つの接触パッド間の接続を橋渡しするには、ラバー ドームを完全に押し下げる必要があります。

PC の価格が下落する中でコスト削減を模索していたコンピューターメーカーの間で、ラバードーム オーバー メンブレン キーボードが非常に人気を博しました。

ゴムドームとメンブレンの一般的なコンパクトなバリエーションは、はさみのメカニズムに基づいたシザースイッチです。多くのノートブックは薄型であることが求められるため、キーボードも薄型にする必要があります。そのため、この技術はノートブックで最も一般的に採用されています。キーは、はさみのように噛み合ってキーボードとキーキャップにカチッとはまる 2 つのプラスチック部品を介してキーボードに接続されています。これらのキーボードは一般に静かで、キーを押すのにほとんど力は必要ありません。

シザースイッチキーボードは、一般的に少し高価です。掃除が大変ですが（キーの動きが制限され、取り付けポイントが複数あるため）、キー間の隙間が小さいため、ゴミが入り込む可能性も低くなります（メンブレンキーボードによくあるキーの「揺れ」を許容するための余分なスペースが不要であるため）。^[1]

フラットパネルメンブレンキーボードは、防水や液漏れ防止が求められる過酷な環境でよく使用されます。非触覚キー、ポリドーム触覚キー、メタルドーム触覚キーがあります。ポリドーム触覚メンブレンスイッチはポリエステルまたはPETを使用し、硬いプラスチックドームを形成するように形成されます。硬いポリドームが押されると、ポリドームの背面にある導電性インクが回路の最下層に接続します。メタルドームメンブレンスイッチはステンレス鋼で作られており、耐久性と信頼性が向上しており、カスタムドームデザインを特徴とすることができます。^[2]非触覚フラットパネルメンブレンキーボードは、キーを押した感触がほとんどないかまったくなく、作動時にビープ音や点滅灯が鳴ることがよくあります。

このキーボードのデザインは、パーソナル コンピュータの初期の頃( Sinclair ZX80、ZX81、Atari 400 ) によく使用されていましたが、より応答性に優れた現代的なデザインに取って代わられました。

柔軟なシリコンやポリウレタン素材で作られたコンピューターキーボードは、束ねて巻くことができます。このタイプのキーボードは、薄くて柔軟なプラスチック膜を活用できますが、それでも損傷のリスクがあります。ゴムで完全に密封されている場合は、耐水性があります。ロールアップキーボードは、触覚フィードバックが比較的少ないです。これらのキーボードは通常シリコンで作られているため、汚れ、ほこり、髪の毛を引き寄せる傾向があります。^[3]

金属接点スイッチを備えたキーボードでは、通常、各キーに個別のモジュールが使用されます。このタイプのスイッチは通常、ハウジング、スプリング、スライダーで構成され、場合によっては、別の触覚リーフやクリックバーなどの他の部品も含まれます。

休止状態では、スイッチ内部の金属接点は離れています。スイッチが押されると、接点は一緒に保持され、作動のために電流を伝導します。多くのスイッチ設計では、酸化によるスイッチの故障を防ぎ、スイッチの寿命を延ばすために、接点材料に金が使用されています。ほとんどの設計では、可動接点が板バネである金属板が使用されています。

個別金属接点スイッチの主要メーカーはCherryで、1980年代からCherry MXファミリーのスイッチを製造しています。Cherryのスイッチを分類する色分けシステムは、GateronやKailhなど他のスイッチメーカーにも模倣されています。^{[4] [5]}

この技術を利用したキーボードは一般に「メカニカルキーボード」と呼ばれますが、この用語には普遍的に合意された明確な定義はありません。^[6]

ホットスワップ対応キーボードとは、通常のはんだ付け接続を必要とせずにスイッチを引き出して交換できるキーボードのことです。^{[7] [8]}スイッチピンをキーボードのPCBに直接はんだ付けする代わりに、ホットスワップソケットをはんだ付けします。ホットスワップソケットを使用すると、はんだ付けに必要なツールや知識がなくても、キーボードからさまざまなスイッチを交換できます。

リード スイッチのリード モジュールは、粒子の蓄積を防ぐために窒素などの不活性ガスで密封されたガラス バブル内の 2 つの金属接点で構成されています。ハウジング内のスライダーがリード カプセルの前の磁石を押し下げ、磁場によってリード接点が互いに引き寄せられて接触します。リード スイッチのメカニズムは、1936 年にベル電話研究所の WB エルウッドによって最初に発明されました。

リード スイッチは金属のリーフ コンタクトを使用しますが、スライダーを押し合わせる物理的な力を使用するのではなく、磁気的にコンタクトを操作するため、他のすべての形式の金属コンタクト スイッチとは別のものと見なされます。

静電容量メカニズムでは、キーを押すとコンデンサ パッドのパターンの静電容量が変化します。パターンは、スイッチごとに 2 つの D 字型コンデンサ パッドで構成され、プリント回路基板(PCB) 上に印刷され、誘電体として機能する薄い絶縁フィルムのソルダーマスクで覆われています。

この技術の最も一般的なフォームとホイルの実装では、可動部分はアスピリン錠剤ほどの大きさの平らなフォーム要素で終わり、アルミホイルで仕上げられています。スイッチの反対側には、コンデンサ パッドを備えた PCB があります。キーが押されると、ホイルが PCB の表面にしっかりと密着し、コンタクト パッドとそれ自体の間に薄いはんだマスクで分離された 2 つのコンデンサのデイジー チェーンを形成し、コンタクト パッドを「短絡」させ、それらの間の容量性リアクタンスの低下を容易に検出できます。通常、これにより、パルスまたはパルス列を感知できます。

静電容量技術の利点は、スイッチが作動するために金属接点を通る電流の流れに依存しないことです。デバウンスは必要ありません。

センサーはキーを押す距離に関する情報を十分に提供し、ユーザーが作動点（キー感度）を調整できるようにします。この調整は、バンドルされたソフトウェアの助けを借りて、実装されている場合は各キーごとに個別に行うことができます。^[9]これらの機能を利用するキーボードには、Realforce RGBが含まれます。

IBMのモデル F キーボードは、後のモデル M キーボードと同様に、静電容量式 PCB 上の座屈スプリングで構成された設計ですが、PCB の代わりにメンブレン センシングが使用されています。

東プレのスイッチの設計では、ゴム製のドームの下に円錐状のバネが使われています。ドームは抵抗を、バネは静電容量作用を担っています。^[10]

ホール効果キーボードは、ホール効果センサーを使用して、電圧の電位差によって磁石の動きを検出します。キーが押されると、磁石が動き、それがソリッドステート センサーによって検出されます。作動に物理的な接触を必要としないため、ホール効果キーボードは信頼性が非常に高く、故障するまでに何百万回ものキー入力を受け付けることができます。原子力発電所、航空機のコックピット、重要な産業環境など、極めて高い信頼性が求められる用途で使用されます。完全に防水にすることも簡単にでき、大量のほこりや汚染物質に耐えることができます。キーごとに磁石とセンサーが必要で、カスタム制御電子機器も必要なため、製造コストが高くなります。

ホールスイッチは磁場を介して動作します。すべてのスイッチには小さな磁石が内部に固定されています。電気が主回路を通過すると、磁束が生成されます。キーが押されるたびに、磁気の強度が変化します。この変化は回路によって検出され、センサーが情報をマザーボードに送信します。^[11]

光スイッチ技術は、タイプライターのキーによって発生するノイズを低減する目的で、1962 年に Harley E. Kelchner によってタイプライター機用に導入されました。

光学式キーボード技術では、発光デバイスとフォトセンサーを使用して、作動キーを光学的に検出します。通常、発光デバイスとセンサーは周囲に配置され、小さなPCBに取り付けられています。光はキーボード内部の左右に向けられ、作動キーによってのみ遮断されます。ほとんどの光学式キーボードでは、作動キーを判別するために少なくとも 2 つのビーム (通常、垂直ビームと水平ビーム) が必要です。一部の光学式キーボードでは、特定のパターンで光を遮断する特殊なキー構造が採用されており、キーの列ごとに 1 つのビームのみを許可します (通常、水平ビーム)。

光学キーボードのメカニズムは非常にシンプルです。光線がエミッターから受信センサーに送信され、作動したキーが光線を 遮断、反射、屈折、またはその他の方法で相互作用し、キーが識別されます。

光スイッチ技術の主な利点は、腐食する可能性のある金属接点がないため、湿気、ほこり、破片に対して非常に耐性があることです。

専門のDataHandキーボードは、光学技術を使用して、キーごとに 1 つの光線とセンサーでキーの押下を感知します。キーは磁石によって静止位置に保持され、磁力が打ち消されてキーが押されると、光路が遮断されなくなり、キーの押下が記録されます。

コンピューターのマウスとほぼ同じ大きさのレーザー投影装置が、キーボードのキーの輪郭をテーブルや机などの平らな面に投影します。このタイプのキーボードは、PDAや携帯電話で簡単に使用できるほど持ち運びやすく、多くのモデルには引き込み式コードとワイヤレス機能が備わっています。ただし、この設計はエラーが発生しやすく、レーザーが誤って遮断されると不要なキーストロークが生成されます。このタイプのキーボードは触覚フィードバックがないため、望ましくないことがよくあります。

スイッチ上部の座屈バネ機構（米国特許4,118,611期限切れ）は、キーボードのクリック音を司っています。この機構は、静電容量式スイッチまたはメンブレンスイッチを叩く小さなハンマーを制御します。 ^[12]

IBMのモデル F キーボードシリーズは、静電容量感知を使用して作動するバックリング スプリング キー スイッチを採用した最初のキーボードです。元の特許は実際の製品キーボードには採用されませんでしたが、バックリング スプリングの基本的な前提を確立しました。

IBMモデル Mは、IBM が 1983 年後半にメンブレン バックリング スプリング キー スイッチ設計の特許を取得した際に始まった、IBM が作成したコンピューター キーボードの大規模なシリーズです。この設計の主な目的は、モデル F の製造コストを半分にすることです。 ^[13]最もよく知られているフルサイズのモデル M は、正式には IBM 拡張キーボードとして知られています。

1993年、Lexmark が誕生してから 2 年後、IBM はキーボード事業を子会社に移管しました。新しいモデル M キーボードは、1996 年にUnicompが設立され、キーボードの特許とツール設備を購入して生産を継続する まで、Lexmark によって IBM 向けに製造され続けました。

IBMは1999年までスコットランドの工場でモデルMを生産し続けた。^[14]

キーが押されると、キーは接点に対して数回振動 (跳ね返り) してから安定します。キーを放すと、再び振動して停止します。この振動は肉眼では確認できないほど小さいスケールで発生しますが、複数のキーストロークを登録するには十分な場合があります。

この問題を解決するために、キーボードのプロセッサは、キーストロークのデバウンスを行います。つまり、信号を時間経過とともに平均化して、1 回のキーの押し下げまたはリリースに対応する「確定」キーストロークを 1 つ生成します。初期のメンブレン キーボードでは、かなりのデバウンスを行う必要があったため、入力速度が制限されていました。これは、ZX81では顕著な問題でした。^[要出典]

キーキャップはフルトラベル キーボードで使用されます。現代のキーキャップは一般に表面印刷されていますが、ダブル ショット成形、レーザー マーキング、昇華印刷、彫刻、または印刷された紙の挿入物が付いた透明素材で作られることもあります。また、キー ベース上に配置される薄いシェルを利用するキーキャップもあり、これはいくつかの IBM PC キーボードで使用されていました。

スイッチでは、共通のステムタイプのキーキャップを取り外して交換できます。

2 単位以上の長さのキー (一般的なスペース バーや Enter キーなど) を使用するほぼすべてのキーボードでは、スタビライザーが使用されています。さまざまな潤滑剤やパッド技術を使用して、コンポーネントのガタガタ音を軽減できます。

現代の PC キーボードには通常、制御プロセッサとインジケータ ライトが組み込まれており、キーボードの状態をユーザーにフィードバックします。コントローラのプログラミングの高度さに応じて、キーボードには他の特別な機能も備わっている場合があります。プロセッサは通常、シングル チップの8048 マイクロコントローラバリアントです。キーボード スイッチ マトリックスは入力に接続されており、入力されたキーストロークを処理して、その結果をシリアル ケーブル (キーボード コード) 経由でメイン コンピュータ ボックスの受信機に送信します。また、"Caps Lock "、" Num Lock "、" Scroll Lock " の各ライトの点灯も制御します。

コンピュータがクラッシュしたかどうかを確認する一般的な方法は、「Caps Lock」キーを押すことです。キーボードは、メイン コンピュータで実行されているキーボード ドライバーにキー コードを送信します。メイン コンピュータが動作している場合は、ライトをオンにするように指示します。他のすべてのインジケータ ライトも同様に動作します。キーボード ドライバーは、キーボードの Shift、Alt、およびControl の状態も追跡します。

キーボードのスイッチ マトリックスは、多くの場合、マトリックス回路と呼ばれるグリッド内の水平配線と垂直配線で描かれます。マルチプレックス ディスプレイのように、一部またはすべての交差点にスイッチがあります。

ほとんどすべてのキーボードには、各交差点にスイッチのみ（ダイオードなし）があり、複数のキーが押されたときに「ゴーストキー」や「キー詰まり」が発生します（ロールオーバー）。一部のキーボード（多くの場合、より高価なもの）には、各交差点の間にダイオードがあり、キーボードのマイクロコントローラが、誤ったゴーストキーを生成することなく、同時に押されたキーの数を正確に感知できます。^[15]

すでに書き留められているが機械で読み取り可能な形式ではない既存のテキスト (たとえば、 1940 年代のLinotypeで作成された本) を変換する場合は、再入力よりも光学文字認識(OCR ) の方が適しています。言い換えると、画像から編集可能なテキスト (つまり、文字コードの文字列) に変換するには、人がテキストを再入力するか、コンピューターが画像を見て各文字を推測する必要があります。OCR テクノロジはすでに優れたレベルに達しており (たとえば、Google ブック検索)、将来的にはさらなる進歩が期待されます。

音声認識は、音声を機械が読み取り可能なテキスト（つまり、文字コードの文字列）に変換します。このテクノロジも高度な段階に達しており、さまざまなソフトウェア製品に実装されています。特定の用途（医療または法律の口述の転写、ジャーナリズム、エッセイや小説の執筆など）では、音声認識がキーボードに取って代わり始めています。ただし、音声コマンドや口述を発行する際のプライバシーの欠如により、この種の入力は多くの環境に適していません。

ポインティング デバイスは、物理キーボードの使用が不適切または不可能な場合に、テキストや文字を入力するために使用できます。これらのアクセサリは通常、頻繁に使用する文字や文字の組み合わせにすばやくアクセスできるレイアウトで、ディスプレイに文字を表示します。この種類の入力の一般的な例としては、Graffiti、Dasher、オンスクリーン仮想キーボードなどがあります。

暗号化されていないBluetoothキーボードは、範囲内の他のBluetoothデバイスによるキーロギングのための信号盗難に対して脆弱であることが知られています。 2011年以前のMicrosoftワイヤレスキーボードにはこの脆弱性があることが文書化されています。^[16]

キーストローク ロギング(キーロギングとも呼ばれる) は、ユーザーのキーストロークをキャプチャして記録する方法です。従業員の活動を測定するために合法的に使用したり、法執行機関が疑わしい活動を調査するために使用したりすることもできますが、ハッカーが違法行為や悪意のある行為に使用することもあります。ハッカーはキーロガーを使用して、パスワードや暗号化キーを取得します。

キーストロークのロギングは、ハードウェアとソフトウェアの両方の手段で実行できます。ハードウェア キー ロガーは、キーボード ケーブルに取り付けられるか、標準キーボード内にインストールされます。ソフトウェア キー ロガーは、ターゲット コンピューターのオペレーティング システムで動作し、ハードウェアへの不正アクセスを取得したり、OS が提供する機能を使用してキーボードに接続したり、リモート アクセス ソフトウェアを使用して、記録されたデータをターゲット コンピューターからリモートの場所に送信したりします。一部のハッカーは、ワイヤレス キー ロガー スニファーを使用して、ワイヤレス キーボードとその受信機から転送されるデータ パケットを収集し、2 つのデバイス間のワイヤレス通信を保護するために使用されている暗号化キーを解読します。

スパイウェア対策アプリケーションは、多くのキーロガーを検出して削除することができます。監視ソフトウェアの責任あるベンダーは、スパイウェア対策プログラムによる検出をサポートしているため、ソフトウェアの悪用を防止できます。ファイアウォールを有効にしても、キーロガー自体が停止されるわけではありませんが、適切に構成されていれば、記録された資料がネット上で転送されるのを防ぐことができます。ネットワーク モニター(リバース ファイアウォールとも呼ばれます) を使用すると、アプリケーションがネットワーク接続を試行するたびにユーザーに警告することができます。これにより、ユーザーは、キーロガーが入力した情報を「自宅に電話」するのを防ぐことができます。自動フォーム入力プログラムは、キーボードをまったく使用しないことで、キーロガーを完全に防止できます。ほとんどのキーロガーは、ログイン資格情報の入力とフォーカス ウィンドウ内の他の場所での文字の入力を交互に行うことで騙すことができます。^{[17] [更新が必要]}

キーボードは電磁気信号を発することでも知られており、特殊なスパイ機器を使ってキーボードで押されたキーを再現することでこれを検出できる。アイデンティティ盗難協議会の事務局長ニール・オファレル氏は、InformationWeek 誌に次のように語っている。「25 年以上前、元スパイ数人が、通りの向かいに停まっているバンから、キー入力ごとに発生する電磁信号をキャプチャしてデコードするだけで、ユーザーの ATM 暗証番号をキャプチャする方法を私に見せてくれた」とオファレル氏は言う。「彼らは近くのオフィスのコンピューターのキー入力をキャプチャすることさえできたが、その技術は特定のコンピューターに焦点を絞るほど洗練されていなかった。」^[18]

キーボードの使用は、手、手首、腕、首、背中に深刻な傷害（手根管症候群やその他の反復運動障害など）を引き起こす可能性があります。 ^[19]傷害のリスクは、1時間に2、3回は立ち上がって歩き回る短い休憩を頻繁に取ることで軽減できます。また、手や手首の使いすぎを避けるために、ユーザーは1日を通してタスクを変化させる必要があります。キーボードで入力するときは、肩をリラックスさせ、肘を体の横に置き、キーボードとマウスを手を伸ばす必要がない位置に置く必要があります。椅子の高さとキーボードトレイは、手首がまっすぐになるように調整し、手首がテーブルの鋭い角に当たらないようにする必要があります。^[20]タイピング中は、リストレストやパームレストを使用しないでください。^[21]

特殊なキーボード、マウスの代替品、ペンタブレットのインターフェースから音声認識ソフトウェアに至るまで、いくつかの適応技術は、怪我のリスクを軽減することができます。一時停止ソフトウェアは、ユーザーに頻繁に一時停止するよう通知します。垂直マウスやジョイスティック マウスなど、より人間工学に基づいたマウスに切り替えると、痛みが軽減される可能性があります。

マウスの代わりにタッチパッドやグラフィックタブレットのスタイラスペンを使用すると、腕や手にかかる反復的な負担を軽減できます。 ^[22]

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