Precisa de um teclado pequeno - faça você mesmo

Se você precisar de um teclado, poderá comprar um. Se você precisar de um teclado pequeno, tudo será mais complicado. Além das opções de alteração de teclado do Blackberry ou confusão com pequenos botões táteis, não há soluções normais para obter teclados pequenos, finos e especializados. No entanto, há uma opção: teclados de silicone. Ninguém fez isso ainda, então eu decidi - por que não tentar?

Infelizmente, não há informações prontas sobre o design, criação ou produção de nossos próprios teclados de silicone. Há muito pouca documentação e todas as fábricas que as fabricam parecem copiar informações umas das outras. Perguntar a uma empresa chinesa como fazer isso é o mesmo que tocar um "telefone quebrado". Mas, apesar de tudo isso, consegui criar meu próprio teclado de silicone e agora estou compartilhando informações sobre como isso é feito.

O objetivo do projeto é criar um teclado de computador muito pequeno para dispositivos portáteis, crachás eletrônicos, jogar Fortnite em um computador portátil ou simplesmente para uso como teclado USB. Isso já foi feito antes. O crachá da Hackaday Belgrade Conference 2018 usou 55 interruptores táteis padrão dispostos na forma de um teclado. Outro projeto com o Hackaday.io chamado (Pi) QWERTY também usou dezenas de interruptores de clock padrão. No entanto, esses dispositivos têm suas desvantagens.


PiMiniQWERTY - o melhor dos teclados em miniatura caseiros

Em primeiro lugar, os botões táteis padrão de 4 mm são bastante caros. Isso não é um problema se você usar um número pequeno deles para um projeto, mas se precisar de 60 a 70 botões por dispositivo, o custo começará a aumentar. O mais barato dos que eu achei custou US $ 70 por cada 4.000 dólares, ou dois centavos cada. Pegue 70 peças e ganhe US $ 1,25 por dispositivo - apenas pelos botões. Pode acontecer que os botões custem mais do que o microcontrolador.

Em segundo lugar, os botões táteis devem ser colocados juntos. O número de falhas pode não ser muito grande, mas se você montar placas inteiras a partir de switches, será maior do que se fossem dispositivos únicos. Comparados aos resistores e tampas SMD, os botões são grandes e grossos, o que aumenta o número de retalhos quando são colocados. Além disso, como leva muito tempo para montar esse teclado, você precisa pagar mais pela montagem dos botões do que pela instalação de um dispositivo acabado. Isso aumenta o custo do teclado com base em switches táteis.

Finalmente, os botões não estão identificados. Se você montar um teclado de botões de 4 mm, precisará fazer a marcação no quadro. Na conferência de Belgrado, isso foi muito bem feito, enquanto o mini (Pi) QWERTY o fez de maneira brilhante, porque eles usaram duas placas, uma para eletrônicos e outra para assinaturas. Pode-se imaginar inscrevendo os botões, mas sua superfície já é muito pequena.

Solução: use teclados de silicone moldados por injeção. Esses teclados estão em quase todos os controles remotos; foram usados ​​em telefones antigos da Nokia, como "tijolo". Os teclados de silicone estão por toda parte, e existem fábricas que os fazem encomendar.


Teclados de silicone com TaoBao e AliExpress. As empresas que os vendem também os fazem encomendar.

Há muitas vantagens em usar teclados de silicone. Primeiro, a maioria deles usa etiquetas de botão. Em segundo lugar, você não está limitado a botões de 4 mm. Os botões podem ter qualquer tamanho e forma. Colecioná-los é fácil; Para usar um teclado assim com uma placa, basta colocá-la na placa; tudo o resto já foi feito para você. Finalmente, o teclado de silicone parece mais legal do que qualquer botão. Então, por que eles não os usam? Principalmente devido ao custo, no entanto, existem alguns problemas de engenharia.

Diferentes tipos de interruptores de silicone e membrana

Teclado de membrana ZX Spectrum

Antes de se aprofundar no design de teclados de silicone, é necessário discutir o layout de pequenos teclados e conjuntos de teclados. Os primeiros são teclados Metal Dome ou teclados de membrana. Os melhores exemplos desses botões de membrana tátil são os teclados de computadores domésticos populares da década de 1980, o ZX Spectrum ou o Atari 400. Se você olhar para outros lugares do apartamento, pode ter esse teclado no microondas.

Esses teclados possuem botões de matriz. O circuito elétrico consiste em faixas desenhadas com tinta condutora em duas folhas de poliéster. Uma cúpula de aço inoxidável está localizada sob cada botão. Pressionar o botão comprime a cúpula e fecha duas camadas de poliéster.

As melhores imagens de teclado de membrana podem ser obtidas em um de seus projetos . Tais membranas não se importam como o domo de metal foi pressionado. A opção mais simples é colocar botões e letras diretamente em cima da membrana. Um pedaço de plástico pode ser colado em uma variedade de interruptores táteis. É exatamente assim que os teclados são feitos nos brinquedos Speak N Spell e Big Trak [na URSS havia um análogo desse brinquedo, "Lunokhod" / aprox. transl.]. É assim que você pode criar um teclado para um bebê de três anos, protegido da manteiga de amendoim.

No entanto, comutadores de membrana puros por toque são muito baratos e não fornecem feedback tátil. Uma opção é colocar os botões de plástico acima do interruptor de membrana. Os teclados com cúpula de metal (com uma cúpula de metal) usam teclas de plástico rígido que pressionam pequenas cúpulas de metal imprensadas entre duas camadas de poliéster de tinta condutora:











Mas teclados de membrana não são necessários botões de plástico rígido. Você pode usar silicone macio, em cima do teclado de membrana, como é feito no ZX Spectrum. Em vez de retângulos plásticos rígidos, como no meu projeto Metal Dome, Speccy usou uma única tela de botões de silicone. O ZX Spectrum usava botões de silicone em seu teclado, mas ainda era um teclado de membrana. Não faz diferença como pressionar uma cúpula de metal - através de uma folha de plástico com caracteres impressos ou retângulos de silicone.

Outro tipo de teclado - o que eu criei para este artigo - é um teclado de silicone ou borracha .


O onipresente teclado de membrana para o Arduino

O teclado de borracha usa botões de silicone moldados por injeção que pressionam os contatos. Um contato de carbono (“tablet”) está embutido no botão de silicone, e os contatos para a matriz do teclado são criados a partir das trilhas na placa de circuito impresso. Os contatos podem ser integrados ao quadro (tecnologia ENIG recomendada) ou impressos em cima de tintas condutoras. De qualquer forma, o teclado consiste em uma placa de circuito impresso, botões de silicone com contatos condutores embaixo de cada botão, pequenos contatos condutores de carbono em cada botão e soquetes para conectar o silicone à placa.

Escolhendo entre uma membrana e um teclado de borracha, vale a pena considerar alguns pontos, e muitos deles são capazes de superar as escalas em favor de uma membrana. Embora os teclados de borracha possam ser fabricados em várias cores, os caracteres no teclado de membrana são essencialmente impressos; no teclado de membrana, você pode criar caracteres de qualquer cor. Os teclados de membrana são mais baratos porque não precisam de molde. Os teclados de borracha requerem uma faixa contendo um bloco monolítico de teclas de silicone, o que significa o custo adicional de um segundo molde para a fundição. E o teclado de borracha vence apenas em sensações táteis. Se você já tentou usar o Atari 400, concorda: é muito mais fácil digitar nos teclados de borracha. E eles são mais elegantes que os de membrana.

Projetos em andamento

Não é um teclado de borracha especializado que pode ser usado até agora

Hoje, não conheço casos de uso de teclados de borracha especializados em pequenas tiragens. Obviamente , eles existem na comunidade de bricolage: a Adafruit vende teclados 4x4 (o Sparkfun tem a mesma coisa ), e botões semelhantes podem ser pedidos no AliExpress e eBay. Sim, é claro, Sparkfun e Adafruit gastaram no desenvolvimento de placas, mas é provável que os próprios botões façam em algum lugar muito, muito longe. Estes não são teclados especializados; estes são teclados padrão prontos para projetos especializados.

E esses botões de borracha foram usados ​​muito onde: criar um clone Monome , um seqüenciador de passos , um dispositivo MIDI . É por isso que os botões de silicone com luz de fundo foram desenvolvidos: eles fazem controladores MIDI legais. Mas como não há tags nelas, elas são de pouca utilidade para qualquer outra coisa.

E esses são os únicos, até onde eu sei, projetos de bricolage que usam teclados de silicone 4x4. As pessoas, é claro, estão tentando fazer outra coisa. Alguns deles estão procurando teclados de borracha nos fóruns e outros estão experimentando moldes de alumínio, mas até agora ninguém conseguiu. Dave Jones rejeitou a ideia de teclados de borracha para seu projeto uSupply e mudou para comutadores de membrana especializados.

Projete orifícios de teclado, chefe e ar

Então, o que torna a criação de um teclado de borracha? Em essência, estamos desenvolvendo um molde de fundição de aço ou alumínio. O molde é enviado para uma máquina de moldagem por injeção, onde é preenchido com esferas de carbono, preenchido com silicone quente, que depois é vulcanizado. É possível o processamento adicional dos botões - marcação a laser, serigrafia ou revestimento epóxi. Projetar um teclado de borracha é projetar um molde, mas os componentes básicos são bastante simples. Abaixo está um exemplo - um teclado de uma única tecla - que criei no Fusion360 em alguns minutos.







A forma externa do teclado depende da finalidade, e a base é uma camada de silicone. Nos cantos da base, existem quatro saliências para montagem em uma placa de circuito. Eles são necessários para alinhar o botão e impedir que ele deslize.

A estrutura interna da chave consiste em um grande tablete de carbono, o contato que clicará no quadro. Existem simplesmente mais teclas no teclado, mas o formato de uma tecla é essencialmente o mesmo. Marque os espaços na parte inferior da chave, permitindo que o ar passe por baixo. Se não forem feitas, o teclado irá piscar quando pressionado.


Chave de silicone cortante. Um objeto preto é uma pastilha de carbono que serve como ponte entre dois pinos no quadro.


As dimensões do meu teclado estão em mm.



Depois que o projeto do teclado ficou pronto e os arquivos foram enviados à fábrica para a fabricação de moldes e a produção de várias amostras de teste, era hora de desenvolver uma placa de circuito impresso. Para o meu projeto, o circuito não importou muito - o principal é que a placa possuía duas trilhas estreitamente conectadas aos lados opostos da matriz do teclado. Para isso, a tecnologia ENIG é recomendada. As restrições de produção também são importantes: o mínimo padrão da largura da esteira e a distância entre elas é de 0,15-0,20 mm, e desenvolvi uma placa com trilhas de 0,25 mm e a mesma distância entre elas.

Depois de terminar o teclado e a placa, você pode prosseguir para a faixa de montagem. Este é um plástico perfurado parafusado na placa. Um teclado de borracha é comprimido entre ele e o quadro. Eu fiz o seguinte protótipo, apenas para testar o teclado. Eletrônicos - apenas o Teensy LC (estava na ponta dos meus dedos), com um recorte que dava acesso ao painel para prototipagem:





Enviei este modelo para a Shapeways e o teclado foi montado. O firmware no Teensy usa a biblioteca padrão do teclado e aparece no computador como um dispositivo USB HID. Acabou um teclado de borracha especializado exatamente da forma que eu preciso. Esta não é a opção final, pois o teclado USB é apenas um conceito útil para verificar as teclas de borracha, mas realmente funciona.















Vou revelar o custo do projeto; deve-se ter em mente que a amostra aqui é muito pequena - procurei apenas um fabricante com apenas um modelo. No entanto, devido à forte concorrência no mercado, acho que esses preços serão representativos o suficiente para o custo médio de um teclado de borracha especializado.

O custo é o seguinte:

Do ponto de vista econômico, tudo isso faz sentido com circulações da ordem de 10.000

O custo total de um pequeno número de amostras foi igual a US $ 2877. Esse é o custo de um molde para moldagem e verificação por um engenheiro para arquivos CAD. Dez teclados por três mil dólares.

No entanto, após todas as etapas de projeto e preparação, a fábrica pode emitir pacotes de teclados. Depois disso, o custo de uma peça é igual a US $ 1,3 para uma circulação de 1000 a US $ 0,79 para uma circulação de 5000. Portanto, um total de mil teclados me custará US $ 4.177, ou seja, US $ 4,18 por peça. Cinco mil teclados custarão US $ 6.827 ou US $ 1,36 cada. Esse preço, inferior a US $ 1,5, torna essa tecnologia viável para produção em pequena escala.

Os teclados de borracha são adequados para grandes fabricantes: a Samsung vende milhões de televisores e todos eles têm um controle remoto. A questão de criar um teclado de borracha para um projeto de bricolage sempre permaneceu em aberto. Projetos de pequena escala não usam essa tecnologia; portanto, não havia ninguém para perguntar se os interruptores de silicone especializados faziam sentido. Eu digo que faz sentido se você fizer mil teclados. Em uma circulação de cinco mil, o custo de um teclado de borracha e fixadores de plástico pode cair abaixo do custo de um microcontrolador.

→ Todas as fontes do projeto estão disponíveis no GitHub