シリコンキーパッドの押下荷重設計：ストローク・ウェブ形状・荷重曲線

シリコンキーパッドの押下荷重は、単一のピーク値ではなく、所定の前処理を経た押下・復帰の全曲線で承認する。図面作成やサンプル承認では、ピーク荷重、導通時荷重、接点ストローク、オーバートラベル、復帰挙動、圧子、速度、支持条件、実装スタックを定義する必要がある。ウェブはばねとして働くが、汎用の「ウェブ比」式を定めた公開規格は確認されていない。まず使用者と使用条件を決め、量産を想定したアセンブリで成形サンプルを調整する。要求する動き、操作感、清掃性、安全アーキテクチャによっては、シリコーンゴムキーパッドより、剛体スイッチ、メタルドーム、可動部のない静電容量式入力の方が適する。

最終更新：2026-08-03

JASPERの認証： ISO 9001、ISO 13485、IATF 16949、ISO 14001。

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1. シリコンキーパッドの荷重曲線はピークだけで判断しない

キーパッドの荷重-変位曲線は、押下時と復帰時の荷重をキー変位に対して示す。 ピーク荷重だけでは、電気接点がいつ閉じるか、有効な残りストロークがどれだけあるか、どこで底付きするか、復帰余力があるかは分からない。曲線同士を比較する前に、各イベントの意味を固定する。

Shin-Etsu Polymer Europeの表記では、F1はピーク荷重または作動力、F2は導通時荷重または接点荷重、F3は製品側の機械的エンドストップに達した荷重、S1はピーク位置のストローク、S2は接点が導通するストロークである。クリック率は (F1 - F2) / F1 x 100% で求める。供給者によってはF3を復帰力に使うなど記号体系が異なるため、OEM図面では記号だけでなく平易な定義も併記する。

荷重
  ^
  |                                      エンドストップ／底付き領域
  |                                               /
  |                    F1 ピーク                 /
  |                   /\                        /
  |                  /  \____ F2 導通 _________/
  |                 /          |               押下経路
  |                /           | S2で電気的に導通
  |_______________/____________|________________________> 変位
             初期位置       S1 S2       オーバートラベル
  |               \________________________________
  |                         復帰経路             \__ 復帰状態
  +--------------------------------------------------------------

この図は用語を対応付けるための模式図であり、標準試験波形ではない。実際のキーでは、丸いピーク、複数回の接点遷移、ガイド接触による二次的な立ち上がり、クリック感のない曲線なども生じる。試験報告では実測形状を残し、すべてを鋭いドーム曲線に当てはめない。

押下経路と復帰経路はヒステリシスループを形成する。自動車用キーパッドの研究では荷重とストロークが対で扱われ、2017年の Applied Ergonomics 論文ではF1/F2、ストローク、絶対荷重差、スナップ比がそれぞれ異なる知覚品質に関係した。全曲線を指定すべき理由はここにある。

荷重の主単位にはNを使う。グラム重を併記する場合は g ではなく gf と書く。NIST SP 811の換算では 1 kgf = 9.80665 N、したがって 100 gf = 0.980665 N である。「作動荷重150 g」という図面表記は、質量と力の次元が曖昧になる。

2. シリコンキーパッドの押下荷重、ストローク、復帰力の関係

シリコンキーパッドの押下荷重、ストローク、復帰挙動は相互に影響するが、同じ特性ではない。 F1は押下ピーク、S2は採用した電気的導通イベントの位置、復帰曲線は接点の開放とキーの戻りを示す。一つの目標値を満たしても、残り二つを満たすとは限らない。

押下から復帰までのイベント順序

1. 接近と予圧： 圧子またはキートップが初期面に達する。ベゼルやガスケットによる圧縮で、ウェブに既に荷重がかかっている場合がある。
2. 剛性の立ち上がり： 傾斜したウェブが曲げ・引張変形し、荷重はF1へ向けて増える。
3. 遷移： ピーク後にウェブ形状が変わる。荷重低下は急峻、緩やか、またはほとんど生じないこともある。
4. 電気的導通： カーボン接点、プランジャ、別体スイッチが、プロジェクトで定義したS2の導通しきい値に達する。
5. オーバートラベルと停止： 試験機の限界ではなく、製品の意図したストップが変位を制御するまで、残りのスタックが動きを受ける。
6. 復帰と開放： 電気接点が開くまで、荷重は押下時と異なる経路をたどる。
7. 回復： ガイド摩擦、残留予圧、部品ばらつきに勝つ余力を保って、キーが規定初期位置へ戻る。

クリック率が表すのは手順3の押下側だけであり、手順6、7は示さない。Vieiraらが車載用ラバーキー11個を評価したデータでは、クリック感の予測にはスナップ比より絶対荷重差ΔFの方が有効で、スナップ比は快適さと関連した。この結果は普遍的な好みを定めるものではないが、「50%なら同じ操作感」とは言えないことを示す。

例えば、F1 = 1.0 N、F2 = 0.5 Nのキーと、F1 = 2.0 N、F2 = 1.0 Nのキーは、どちらもクリック率50%である。しかし、絶対荷重差はそれぞれ0.5 Nと1.0 Nであり、導通ストローク、底付き位置、復帰側ヒステリシスも異なり得る。

曲線形状を切り分け仮説として使う

次表は診断の出発点であり、一つの形状から原因を断定する表ではない。各仮説は測定で切り分ける。

最小復帰力にはイベント定義が必要である。例えば「電気的開放から、指定した初期位置近傍までの復帰曲線における最低荷重」と定義できるが、別の定義もあり得る。図面には採用点を明記する。変位位置が不明な単一荷重値では、接点が確実に開くか、ガイドで一時停止するか、元の基準位置へ戻るかを判定できない。

シリコーンゴムには時間依存性もある。一定圧縮下では反力が時間とともに低下し得る。ASTM D6147とISO 3384-1は材料試験として応力緩和を扱うが、実装キーパッドの復帰力を予測する規格ではない。一回の押下曲線で、前処理後の復帰、繰返し、環境曝露後の確認を代用しない。

3. ラバーキーパッドの「ウェブ比」は標準仕様か

調査した公開規格、査読研究、一次的なキーパッド技術資料には、汎用の「ラバーキーパッドのウェブ比」を定める共通式は見当たらない。 公開設計資料ではウェブ厚さ、高さまたは自由長、角度、R、荷重から求めるクリック率が論じられるが、web ratio という一つの幾何式には収束していない。

図面でウェブ比を使うなら、プロジェクト固有特性として、少なくとも次を定義する。

• 分子と分母、および除算前の単位
• 測定断面、または非円形キー周囲の複数断面を扱うルール
• 自由状態、実装状態、負荷状態のいずれか
• データムと測定方向
• 公称CAD寸法か、成形品実測寸法か
• 抜き勾配、テーパ、接続R、バリ、パーティング形状の扱い
• 成形品測定時の測定器、接触圧、報告分解能

ウェブ比とクリック率は同じではない。クリック率は二つの荷重から計算し、ウェブ比を定義する場合は指定寸法から計算する。どちらかの比率が一致しても、ピーク位置、導通ストローク、端押し挙動、復帰余力まで一致するとは限らない。

ウェブを三次元のばね領域として扱う

傾斜ウェブは、断面図上の一本の線ではない。キートップからベースへ荷重を伝えながら、ステム、接点、PCB、支持部、ガイド、筐体ストップと相互作用する。

指または試験圧子
        ↓
剛体／軟質キートップ ─── ガイドまたはベゼル接触
        ↓                         ↓
ステムと内側R → 全周の傾斜ウェブ
                              ↓
外側Rとキーパッドベース → 局所PCB／筐体支持
                              ↓
導電接点またはアクチュエータ → 回路接点 → 製品ストップ

ゴムダイヤフラムの押下・除荷は、形状と材料が連成するため強い非線形を示す。平島・座古の研究は非線形有限要素法でこの挙動を解析し、NAFEMSのキーパッド研究も、材料データだけでは製品曲線を予測できず、実測と超弾性モデルの併用が必要とした。シミュレーションは試作回数を減らせるが、材料特性、境界条件、成形品との相関が必要である。

Shore A硬さだけでは完成キーの荷重を決められない

ASTM D2240のデュロメータ硬さは押込み試験値であり、基本材料物性と単純な関係にない。材料管理には有用だが、キーパッドのウェブ、キャップ、接点ギャップ、PCB、筐体、ストップは含まない。

DowのSILASTIC DY 32-765 Uは、成形・キーパッド用途向けの50デュロメータシリコーンゴムとして掲載されている。一方、同社データシートは代表値を仕様値に使わないよう明記する。材料グレードと硬さが分かっても、完成品のF1、S2、クリック率、復帰力は確定しない。

寸法適合と機能適合を分ける

ISO 3302-1は成形ソリッドゴム製品の寸法公差区分、ISO 3302-2は平面度、平行度、直角度、同軸度、位置度などの幾何公差項目を扱う。これらは図面体系を整えるが、複数寸法、材料状態、実装条件が連成するため、寸法合格だけで荷重曲線の合格は保証できない。

薄く柔軟な断面では測定方法も結果に影響する。ASTM D3767はゴム製品寸法の測定を扱い、接触方法と接触圧が観測値を変え得る。断面位置、測定器、接触形状、部品状態を記録し、形状と操作感を判断するときは、同じ識別済みサンプルの寸法記録と荷重曲線を対応付ける。

4. シリコンキーパッドのストロークと荷重を再現性のある方法で測る

再現可能な試験では、合否幅を決める前に、供試品状態、荷重経路、動作、環境、計測チャンネル、イベント判定を固定する。 固定しなければ、部品ばらつきと、治具たわみ、芯ずれ、速度、フィルタ、導通判定、実装予圧が混ざる。

Instronのキーパッド試験例は、低容量ロードセル、制御された圧子、支持された供試品、荷重・変位取得、および必要に応じてスイッチ閉成を特定する電気チャンネルを使う。Canadasらの車載ラジオ用キーパッド測定システムも、微小な荷重とストロークには高い精度と再現性が必要だとしている。どちらも、あらゆるキーパッドに共通する速度や圧子を定めてはいない。

プロジェクトの試験・検証計画では、次の項目を管理する。

速度、温度、サイクル履歴を方法変数にする

試験速度は事務的な設定ではない。NagurkaとMarklinの研究で測定した3種類のラバードームキーでは、80 mm/sのピーク荷重が0.5 mm/sより12%以上高かった。この差はその供試品と装置に限られ、汎用補正係数ではない。それでも、手持ち荷重計のピーク値と制御した荷重-変位曲線を無条件に比較できないことは分かる。

温度も記録する。2023年のシリコーンゴム研究では、動的粘弾性が温度と周波数に依存した。材料試験の結果から完成キーパッドを予測することはできないが、比較用の試験室条件を管理し、判断に必要ならプロジェクト温度端でも評価すべき根拠になる。

機械履歴も同様である。PerssonとAndreassenは、複数のエラストマー（液状シリコーンゴム1種を含む）の繰返し圧縮で、ヒステリシス、回復、応力緩和、圧縮永久ひずみ、Mullins効果を記録した。そのサイクル数とひずみは研究条件であり、キーパッド推奨値ではない。試験方法では、慣らし回数、記録サイクル、保持時間、回復時間を明記する。

ISO 23529はゴム試験片の作製、保管、前処理、成形から試験までの時間を扱い、完成製品固有の要求は定めない。ASTM D1349はゴム試験の標準条件候補を示し、個別試験方法を優先できる。これらで比較条件を管理したうえで、完成キーパッドとアセンブリ固有の方法を追加する。

判断に使う計測システム全体を校正する

ASTM E4-24は、静的または準静的試験機の力計測系について、SIトレーサビリティと不確かさを伴う校正・検証を扱う。力変換器と表示器を組み合わせて校正した場合、その結果は当該組合せに適用される。構成部品一つの校正ラベルだけでは、力チャンネル全体を証明できない。

不確かさレビューには、ロードセルのレンジと分解能、ゼロドリフト、圧子芯ずれ、試験機・治具コンプライアンス、変位基準、導通しきい値、チャンネル同期、再配置、環境、イベント抽出を含める。JCGM 100は不確かさ要因を特定・合成する一般枠組み、ISO 5725-1は真度と精度の用語を示すが、どちらも合否公差やサンプル数を選ばない。

材料ロットを比較する前に、少なくとも次の段階で繰返し性を確認する。

1. 部品を動かさずに繰り返す
2. ゼロ設定と接近動作から繰り返す
3. 取り外し・再取付けを行う
4. 治具を再構成し、支持条件を戻す
5. 芯合わせに作業者が影響する場合は別作業者で段取りする
6. 二つの試験所で一致が必要なら装置間比較を行う

各押下・復帰の生データを、供試品、キー位置、アセンブリ、環境、サイクル順にひも付ける。識別情報のない平均曲線は、異常原因の解析に使いにくい。

規格は適用範囲内で使う

調査範囲では、成形シリコンキーパッドの合否方法全体を定める現行公開規格は確認できなかった。顧客管理の試験仕様で、実際に使う規格と版を示し、残る製品固有条件を定義するのが妥当である。

5. 使用条件から構造を選び、シリコーンゴムが不適な場合も明記する

構造選択は「産業用」「医療用」という用途名ではなく、操作者、タスク、環境、回路、リスクから決める。 ISO 9241-410は、物理入力装置を使用状況に合わせて設計する考え方を採る。荷重曲線も同じである。

専用非常停止、ガードインターロックのリセットなど、別途規定された安全アーキテクチャを要する機能にも、成形シリコーンウェブを既定選択にしない。触感の良いクリックがあっても、システムのリスク低減、冗長性、診断範囲、規制適合は証明されない。

逆に、試験室で曲線が鋭いという理由だけで剛体スイッチを選ぶのも適切ではない。成形キーマットは、多数キー、柔軟なシール形状、表示、導光、追従性を一部品に統合できる。選定はHMIスタック全体と検証負荷で判断する。

シリコンキーパッド操作インターフェースの事例は構造を理解するための製造参考であり、普遍的な荷重値や特定顧客の合格結果を証明するものではない。操作感は量産想定サンプルで承認する。

6. 荷重曲線を図面とサンプル承認に組み込む

リリースパッケージでは、目標操作感を、定義済み曲線イベント、管理形状、再現可能な試験、識別済み承認サンプルへ結び付ける。 「柔らかい」「しっかりしている」「旧製品と同じ」は会話の出発点にはなるが、合否基準にはならない。

使用者 + タスク + 環境
          ↓
目標F1、F2、ΔF、S1/S2、オーバートラベル、復帰、停止挙動
          ↓
ウェブ／キャップ／接点／PCB／筐体スタック案
          ↓
試作形状と操作感サンプル群
          ↓
単体曲線 → 実装曲線 → 端・角押し曲線
          ↓
プロジェクトで必要な速度・環境・履歴確認
          ↓
承認サンプルID + 管理データ + 図面限界 + 変更管理

試作・サンプル承認では、嵌合、操作感、実装判断を段階化する。シリコンキーパッドアセンブリの情報は、単体キーマットと回路を含む実装スタックを区別する助けになる。ただし、どちらのページも、個別案件の測定器、治具、公差、試験結果を証明するものではない。これらは案件記録で管理する。

図面・試験仕様チェックリスト

操作感サンプル協議の初期参考値

初期比較用であり、量産合否値ではない： 最初の操作感サンプル比較には、F1 = 1.5 N（約153 gf）、S2 = 1.0 mm、**クリック率 = 50%**を参考点として使える。確定値は、使用者評価と量産想定アセンブリの実測から決める。この組合せは公開メーカー設計資料に基づく工学的な会話の出発点であり、JASPERの量産実績値、規格値、受入限界ではない。

クリック率50%、F1 = 1.5 Nなら、計算上のF2は0.75 Nとなる。この計算は、復帰力、公差、寿命、ウェブ厚さ、ウェブ角度、試験速度、サンプル数を定めない。量産想定のキャップ、ガイド、接点、PCB、支持、ストップを用意し、対象使用者がサンプルを評価した後に確定する。

サンプル承認チェックリスト

• F1とS2の抽出値だけでなく、押下・復帰の生データを保存する。
• リビジョン、材料ロット、成形日または時齢、可能ならキャビティ／供給元、キー位置で全サンプルを識別する。
• 単体、PCB支持、完成実装が別の判断を担う場合は、それぞれ記録する。
• 偏心押しが可能なキーでは、中央に加えて所定の端・角を試験する。
• 荷重、変位、時刻、電気状態を同期する。
• ゼロ、予圧、圧子、支持、速度、保持、除荷、環境、前処理、履歴、フィルタ、ソフトウェア版を記録する。
• 個別曲線と分布を比較し、異常モードを一つの平均値に隠さない。
• プロジェクトで定めた環境曝露または繰返し後に、復帰と電気的開放を再確認する。
• 承認マスターサンプルIDと、対応する図面、回路、キャップ、筐体、方法の版を明記する。
• 設計、材料、工程、金型、実装、ソフトウェアのどの変更で再承認するかを決める。

金型修正と試作段階、キーパッド全体の設計体系は別資料に分けられるが、本稿が扱うのは押下荷重、ストローク、ウェブ用語、荷重曲線の検証境界である。

8. 次のステップ：目標操作感とキー形状を共有する

キーマップ、3Dモデルと断面、キャップ・ガイド、接点／PCBスタック、筐体支持とストップ、対象使用者、押圧方向、環境、基準サンプル、希望するF1／F2／ストローク／復帰イベントをそろえる。初期参考値と承認済み要求を区別して示す。

JASPERは設計レビュー先の一候補であり、案件によっては他の適格なシリコンキーパッドメーカーも選択肢になる。図面送付ページから目標操作感とキー形状を共有する際は、提示された材料、成形・組立範囲、試験設備、治具、方法、サンプリング、報告書、変更管理の境界をリリース前に確認する。製品ページやサンプル協議だけでは、見積外の能力、認証、公差、試験結果を証明できない。

技術参考文献

• Shin-Etsu Polymer Europe, Force-Travel Characteristic（2026年参照）
• 平島禎・座古勝「キーボード・スイッチ用ゴム製ダイヤフラムのための逆問題解析設計システムの開発」『材料』51巻10号
• Canadas et al., Measurement 100 (2017), 84-92
• Vieira et al., Applied Ergonomics 61 (2017), 1-11
• Nagurka and Marklin, Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control (2005)
• ISO 9241-410:2008、IEC 61020-1:2019
• ASTM D2240-15(2021)、ASTM D575-91(2024)、ASTM D395-18(2025)、ASTM D6147-97(2026)
• ISO 23529:2016、ASTM D1349-14(2024)、ISO 3302-1:2014、ISO 3302-2:2022
• ISO 5893:2019、ASTM E4-24、JCGM 100:2008、ISO 5725-1:2023
• ASTM F1578-24、ASTM F2592-16（2023年11月廃止、代替なし）
• NIST SP 811、Dow SILASTIC DY 32-765 U Technical Data Sheet

よくある質問

シリコンキーパッドの一般的な押下荷重はいくつですか？

すべてのキーパッドに共通する標準荷重はありません。初期の操作感サンプル協議では、公開メーカー設計資料から得た中間からやや高めの参考値として1.5 Nを使えますが、JASPERの量産データ、規格値、合否限界ではありません。使用者、タスク、キー寸法、形状、実装、環境、速度、復帰挙動から確定します。

シリコンキーパッドのクリック率はどう計算しますか？

F1をピーク作動力、F2を導通時荷重または接点荷重と定義した場合、クリック率は (F1 - F2) / F1 x 100% です。割合とともに絶対荷重差ΔFも残します。クリック率だけでは、導通ストローク、最小復帰力、復帰挙動、寿命は決まりません。

ラバーキーパッドのウェブ比とクリック率は同じですか？

同じではありません。クリック率は荷重曲線から求めます。汎用のウェブ比を定めた公開規格は確認されていません。図面でウェブ比を使う場合は、分子、分母、断面、データム、測定状態、方向、R、テーパ、抜き勾配の扱いを定義します。

シリコンキーパッドのストロークは操作感にどう影響しますか？

ストロークは機械・電気イベントの位置を示しますが、それだけで一つの感覚を決めるものではありません。ピーク、導通、オーバートラベル、停止の各ストロークは別々に動きます。操作感はF1、F2、絶対荷重差、速度、キャップ・ガイド、復帰挙動、使用タスクにも左右されます。

Shore A硬さからシリコンキーパッドの押下荷重を予測できますか？

できません。Shore Aは材料試験片の押込み硬さです。完成キーの荷重には、ウェブ形状、成形・加硫状態、時齢、キートップ、接点ギャップ、PCB支持、筐体予圧、押圧点、速度、温度も影響します。硬さと実装状態の荷重曲線は別特性として管理します。

最小復帰力を別に指定するのはなぜですか？

クリック率が表すのは押下側の荷重低下であり、復帰余力ではありません。復帰曲線上の位置を指定して最小復帰力を定義し、ガイド摩擦、予圧、汚れ、寸法ばらつき、環境・サイクル履歴があっても接点が開放し、キーが戻るかを確認します。

キーパッドは単体と筐体組込みのどちらで試験しますか？

両方に役割があります。定義済み治具による単体試験は成形ばらつきの比較に向きます。完成実装では、PCBたわみ、締結・ガスケット予圧、キャップ・ガイド摩擦、接点ギャップ、実際のストップが表れます。部品受入と最終HMI承認のどちらを各状態で管理するか明記します。

キーパッドの荷重曲線は何mm/sで測定しますか？

すべてのキーパッドに共通する試験速度はありません。比較目的または想定操作に合う速度を選んで固定し、押下速度と除荷速度を別々に報告します。実使用の速度範囲が広い場合は、一つの曲線へ無記録の補正を加えず、その範囲を評価します。

荷重・ストローク設計レビューには何を提出しますか？

管理されたキーパッド図面またはモデル、ウェブ断面、材料要求、キーマップ、曲線イベント目標、キャップ・ガイド、回路・接点スタック、PCB支持、筐体ストップ、操作方向、使用者・環境条件、サンプル計画、リビジョンと承認状態を追跡できる基準サンプルを提出します。