「キーボードの仕組み」とは？　新人エンジニア向けに解説

2024年12月3日 最終更新日時 : 2024年12月3日 山崎講師山崎講師

こんにちは。ゆうせいです。
今日は、新人エンジニアの皆さんに「キーボードの仕組み」についてお話しします！
普段、何気なく使っているキーボードですが、その内部ではさまざまな仕組みが働いています。これを知っていると、プログラミングやデバイス設計の理解が深まりますよ。

では早速、キーボードがどのように動作するのか、一つずつ見ていきましょう。

キーボードとは？

キーボードは、文字やコマンドを入力するためのデバイスです。PCやスマートフォンの操作で欠かせない存在ですよね。
具体的には、キーを押すことで電気信号が発生し、その信号をコンピュータが認識して文字や動作に変換します。

簡単にいうと、キーボードは 物理的な操作をデジタル信号に変換する装置 なのです。

キーボードの基本構造

キーボードは、以下のような部品で構成されています：

1. キーキャップ

指で押す部分です。「A」や「Enter」など、文字や記号が書かれています。キーキャップは見た目のデザインだけでなく、押し心地にも影響を与えます。

2. スイッチ

キーキャップの下にある部品で、キーが押されたかを検知します。このスイッチにはさまざまな種類があります。

3. 基板（PCB）

スイッチからの信号を受け取り、コンピュータに送る役割を持つ基板です。

4. コントローラー

基板上にある小さなチップで、スイッチの信号を処理してPCが理解できる形式に変換します。

キーボードの動作原理

では、具体的にキーを押すと何が起こるのでしょう？

1. キーを押す

キーキャップを押すと、スイッチが動作します。これにより、スイッチが「ON」状態になります。

2. 電気信号の生成

スイッチがONになることで電流が流れ、特定の回路が閉じます。この動作が「キーが押された」ことを意味します。

3. コントローラーが信号を解釈

スイッチがONになった場所をコントローラーが検出し、その情報をコードに変換します。例えば、「A」キーを押すと、PCに「キーコード 65」というデータが送信されます。

4. コンピュータでの処理

PCは受け取ったコードを文字や動作として表示・実行します。

スイッチの種類

スイッチは、キーボードの感触や音に大きく関係します。代表的な種類を見てみましょう。

1. メンブレン方式

ゴム製のシートを使ったスイッチで、多くの安価なキーボードに採用されています。

  • メリット: 安価で静音性が高い。
  • デメリット: 打鍵感が弱く耐久性が低い。

2. メカニカル方式

物理的なスイッチを使った構造で、カチッとしたクリック感があります。

  • メリット: 打鍵感が良く、耐久性が高い。
  • デメリット: 高価で音が大きい。

3. 静電容量無接点方式

キーを押したときに発生する静電気を検知する方式です。

  • メリット: 静音性と耐久性に優れる。
  • デメリット: 高価で構造が複雑。

キーボードマトリクスとは？

キーボードは「マトリクス」と呼ばれる配列でキーを管理しています。例えば、100個のキーがあるキーボードで、各キーに専用の回路を用意すると非常に非効率です。

そこで、キーを行列（マトリクス）状に配置し、縦の「列」と横の「行」でキーを特定する方式を取っています。これにより、少ない回路で多くのキーを管理できます。

実際に作ってみる？

ここまで聞いて、キーボードを自作してみたいと思いませんか？
意外と簡単に始められるんですよ。以下が基本的なステップです：

  1. キーキャップとスイッチを選ぶ
    自分好みの打鍵感を追求しましょう。
  2. 基板（PCB）を準備する
    市販のものを購入するか、自分で設計することもできます。
  3. コントローラーをプログラミングする
    「QMK」というオープンソースのファームウェアを使えば簡単に設定可能です。

まとめと次のステップ

キーボードは、単なる入力装置ではなく、物理とデジタルが交差する面白いガジェットです。今回ご紹介した内容を踏まえて、次は以下のような学習を進めてみると良いですよ。

  • スイッチの動作原理を深掘りする
  • 回路設計を学ぶ
  • キーボードのプログラミングに挑戦する

もし興味が湧いたら、自作キーボードコミュニティに参加してみてください！たくさんのアイデアやヒントが得られるはずです。

それでは、次回もお楽しみに！設計についても触れてみましょう。
デバイスの仕組みを知ると、モノづくりがもっと楽しくなりますよ！

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投稿者プロフィール

山崎講師
山崎講師代表取締役
セイ・コンサルティング・グループ株式会社代表取締役。
岐阜県出身。
2000年創業、2004年会社設立。
IT企業向け人材育成研修歴業界歴20年以上。
すべての無駄を省いた費用対効果の高い「筋肉質」な研修を提供します！
この記事に間違い等ありましたらぜひお知らせください。
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