シリコンキーパッドの硬度選定：圧縮永久ひずみ・復帰力・シール設計

シリコンキーパッドの硬度選定では、最初に決めるべきものは一律のShore A値ではない。必要な力－行程曲線、復帰余裕、シール荷重、温度範囲、圧縮保持時間を先に定義する。本稿では、材料と形状の候補を絞り込み、ASTM D395またはISO 815の材料データを量産意図の組立試験と照合してから成形キーパッドを承認するまでの境界を示す。対象はOEMの設計、品質、購買担当者である。

シリコーンゴムキーパッドにおいて、硬さは管理すべき材料入力の一つにすぎず、キータッチ全体の仕様ではない。50 Shore Aの試験片、薄い成形ウェブ、締め付けられた外周シール、ベゼル内に組み込まれた完成キーは、それぞれ別の問いに答える。試作データで関係を確認するまで、これらを混同しないことが選定の出発点になる。

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1. シリコンキーパッドを硬度だけで選ぶと、なぜ高くつくのか

硬度だけで選んだキーパッドは、受入検査に合格しても、組立後に戻りが遅い、二重入力する、シール予圧が落ちる、押し心地が想定と違う、といった不具合を起こし得る。Shore Aが表すのは、規定条件で測った押込みに対する抵抗である。実際に指が押すのは三次元の機構であり、その応答はウェブ形状、キー高さ、ストロークストッパ、通気経路、接点構造、PCB支持、ベゼルすきま、組立圧縮にも左右される。

代表的な不具合の連鎖は次のとおりである。

温度 + 持続する組立荷重 + 保持時間
                    ↓
配合材の応答 + ウェブ／ベース／シール形状
                    ↓
永久変形および／または反力低下
                    ↓
キー復帰・接点分離・シール余裕の減少
                    ↓
断続入力、戻りの遅いキー、キー固着、組立境界からの漏れ

この連鎖には、少なくとも次の4種類の測定が含まれる。同じ意味として扱うと、不具合の発生機構が見えなくなる。

ASTM D395-18(2025)は、静的圧縮に対する試験の適用境界を定めている。圧縮永久ひずみ試験は主に静的な圧縮用途を対象とし、反復変形は圧縮たわみやヒステリシス試験の方が近い。ベゼルに挟まれたキーパッドベースには静的な永久ひずみが問題になり、動くウェブには周期的な力－行程が問題になる。シールリップでは、永久ひずみと保持反力の両方を確認する場合がある。

硬度だけに頼った代償は、設計の後半で現れる。金型完成後に配合材を変えると、充填、収縮、離型、顔料の発色、荷重が変わる可能性がある。外観承認後にウェブを変えれば、金型修正と再度のサンプル評価が必要になる。初回品の感触が悪かった段階で「もっと硬いゴム」を求めるより、必要な出力を分け、管理した候補を比較し、組付け状態で承認する方が手戻りを抑えやすい。

症状が出たら、反射的に硬度を変えるのではなく、次に測るべき項目を選ぶ。

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2. Shore A硬さ、圧縮永久ひずみ、復帰力を分けて定義する

シリコーンゴムの材料選定で重要な用語は互いに関係するが、代用はできない。各結果の横に試験方法と条件を記録し、完成機構は別に検証する必要がある。

シリコーンゴムのShore A硬さは押込み試験の結果

ASTM D2240-15(2021)では、デュロメータ硬さを経験的な押込み測定として扱う。結果は弾性率、粘弾性挙動、圧子形状、負荷に依存し、基本物性との単純な一対一関係はない。したがって、図面に「60 Shore A」とだけ記載しても不十分である。方法、スケール、試験片または承認済み試験片、状態調整、測定位置、読取り手順まで管理する。

ISO 48-4:2018は、通常硬さ範囲のゴムにA、薄い通常硬さ品にAM、低硬さまたは発泡ゴムにAO、高硬さゴムにDを割り当てる。これらのスケールを安易に換算して比較してはならない。薄い、湾曲している、表面にテクスチャがある、または多段形状のキーパッドでは、標準試験片、同時硬化した管理片、規定手順で許される別の管理位置のどれで確認するかを合意する。

圧縮永久ひずみは条件付与後の回復結果

圧縮永久ひずみは、所定のたわみを与えた後、荷重を除いて規定時間回復させたときに残る変形を表す。一般的な定たわみの式は次のとおりである。

圧縮永久ひずみ（%） = (t0 - tr) / (t0 - ts) x 100

• t0：試験前の厚さ
• ts：スペーサ厚さ、すなわち圧縮時の厚さ
• tr：規定の回復時間後に測った厚さ

Parker O-Ring Handbookでも同じ式が説明され、0%は寸法が完全に回復した状態、100%は圧縮厚さから回復しなかった状態を示す。ただし、この説明からキーパッドの合否限界が導かれるわけではない。

ISO 815-1:2019は条件依存性を明確にしている。結果は圧縮中の時間・温度だけでなく、回復時間、回復温度、回復条件によっても変わる。通常の定ひずみは25%で、高IRHDゴムには低いひずみを用いる。IRHDとShore Aは同じではない。同規格は、硬化状態や分類に用いる代表的な24時間の高温短期試験と、老化の影響を多く含む代表的な1,000時間の長期試験も区別している。「圧縮永久ひずみ20%」だけでは比較条件が足りない。

圧縮応力緩和は保持反力を測る

シールフランジの圧縮高さがほぼ一定でも、反力は時間とともに低下し得る。圧縮永久ひずみだけでは、その低下を十分に表せない。ISO 3384-1:2024は、一定変形・一定温度で保持したゴムの反力低下を測定する。ISO 3384-2:2019は、温度サイクル中の反力を扱う。

どちらも完成キーの力－行程曲線を置き換えない。Shin-Etsu Polymerの力－行程ガイダンスでは、ピーク荷重と接触荷重はシリコーン材料とドーム形状の組合せで決まり、行程も形状と接点位置に依存するとしている。承認時は、速度、治具、キー位置、温度、状態調整を定義し、押下経路と復帰経路の両方を記録する。

一次メーカーのデータも、硬度だけでは順位付けできない

次の数値は、グレードと試験条件が明記された例である。いずれもメーカーの代表値であり、規格値、JASPERの試験結果、またはキーパッドの共通合否限界ではない。方法、硬化状態、温度、形状が異なる行どうしを優劣順に並べてはならない。

出典はDowの2023 LSR selection guide、Shin-Etsu KE-54x1シリーズ資料、WACKERの2025 processing guideである。WACKERは二次加硫なしで低圧縮永久ひずみを狙うグレードも示しているため、「すべてのシリコーンは二次加硫が必須」という一般化はできない。硬化と二次加硫は、採用する材料・工程の組合せとして管理する。

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3. シリコンキーパッドの硬度選定を10項目で判断する

シリコンキーパッドの硬度選定は、使用条件から必要出力へ進み、その後に配合材と形状を決める。「医療用」「産業用」「屋外用」といった用途名だけで、共通の硬度帯を割り当てる方法ではない。

3.1 硬度を決める前に使用環境を数値化する

部品の最低・公称・最高温度、保管時の逸脱、暖機状態、押下頻度、最大保持時間、洗浄剤への暴露、継続する締付けまたはシール荷重を記録する。温度に耐えてゴム状態を保つことと、触覚特性が仕様内に残ることは同じではない。

良い兆候： 連続、間欠、例外的な暴露条件が要求仕様で分かれている。
赤信号： 屋外、車載、加熱、洗浄環境なのに、試験条件が「室温」しかない。

3.2 一つの感覚語ではなく、4種類の出力を指定する

受入硬さ、完成キーの押下・復帰力－行程、必要箇所の静的圧縮永久ひずみ、予圧が必要な箇所の保持反力を分ける。設計余裕がある場合は、接点分離、シール圧縮率、解放時間も加える。「歯切れがよい」「柔らかい」「戻りが速い」は参考表現として使えるが、測定可能な要求に翻訳する。

良い兆候： 図面と検証計画が各出力と判定責任者を示している。
赤信号： 一つのShore A公差ですべての触覚・シール挙動を管理しようとしている。

3.3 正確な配合材と硬化状態を管理する

「VMQシリコーン、50A」だけでは材料を特定できない。メーカー、グレード、色材・添加剤、硬化系、一次加硫、必要な二次加硫、変更承認経路を記録する。二次加硫、硬化剤、肉厚は圧縮永久ひずみに影響し得る。

良い兆候： 承認済み材料と工程状態が改訂管理されている。
赤信号： 再検証なしで同硬度の別配合材へ置換できる。

3.4 デュロメータA硬さの試験方法を固定する

ASTM D2240またはISO 48-4、スケール、試験片または管理片、状態調整、測定位置、読取り手順、抜取計画を指定する。実施時は最新版の管理規格を使用し、公開されている概要だけで試験手順を再現しない。

良い兆候： 供給者と受入検査が同じ管理方法、または合意した相関を使う。
赤信号： 曲面のキー上面を携帯型計器で測った値を、規定試験片と同等として扱う。

3.5 硬度とウェブ・行程形状を一緒に設計する

硬度を上げても、不安定なキー、過大ひずみのウェブ、塞がれた通気経路、管理されない底付きは直らない。キー高さ、ウェブ角度・厚さ、移行部R、行程、ストッパ、接点位置、支持条件が、曲げ位置と荷重曲線を決める。組合せは力－行程曲線で確認する。

良い兆候： 配合材と形状の候補を、一度に一つの因子だけ変えて比較する。
赤信号： 量産材料の触覚サンプルを得る前に、金型形状を固定する。

3.6 持続するシール圧縮と瞬間的なキー押下を分ける

外周ベースやシールビードは数か月圧縮されたままでも、各ウェブは押下時だけ動く。静的回復にはASTM D395またはISO 815を、可動機構には完成キーの繰返し試験と力－行程試験を使う。シールが保持予圧に依存する場合は、回復高さだけでなく応力緩和も確認する。

良い兆候： 積層公差解析で連続圧縮率の最小・最大を算出している。
赤信号： キー作動力を、外周シールが荷重を保持する根拠にしている。

3.7 圧縮永久ひずみは条件が一致するときだけ比較する

規格と方法、試験片形状、たわみまたはひずみ、媒体、温度、時間、回復手順、硬化状態、データ種別を揃える。「代表値」と「規格上限」は別物である。条件が一致しない低い百分率を見ても、材料が優れているとは判断できない。

良い兆候： 各数値に完全な条件列と資料改訂番号が付いている。
赤信号： 購買表が、別々のデータシートから条件を外して百分率だけを順位付けしている。

3.8 初期ピークだけでなく、保持後の復帰を測る

可動キーでは、規定の保持、温度調整、回復時間の後に、組付け状態の力－行程曲線を再測定する。連続圧縮されるシールやベースでは、ISO 3384-1またはISO 3384-2により一定変形下の反力低下を扱える。二つの出力を混ぜない。

良い兆候： 初期と条件付与後の曲線で、治具、速度、位置、温度が一致している。
赤信号： 新品のピーク荷重を、経時後の復帰性能の証明にしている。

3.9 設計余裕を担う物性を老化後にも測る

加速熱老化は、前後で測る物性と合否限界を定義して初めて意味を持つ。ASTM D573-04(2025)とISO 188:2023は管理した促進老化を扱うが、実使用との正確な相関が必ず得られるわけではない。低温回復がリスクならISO 815-2:2019を検討する。

良い兆候： 設計に応じて、硬さ、寸法、力－行程、復帰、永久ひずみを老化前後で確認する。
赤信号： 暴露条件や測定出力を定義せず、「耐熱」を合否基準にしている。

3.10 量産意図の組立体で承認する

ベゼル、PCB位置、キャリア剛性、ガスケット圧縮、締結荷重、表面処理、すきまはキー応答を変える。単体の成形品ではなく、リリース対象の積層構造で承認する。JASPERのシリコンキーパッドHMIアセンブリも組付け状態での設計境界を示し、試験・検証計画では、方法、条件、サンプル、合否責任を案件ごとに定めている。

良い兆候： 承認治具が量産時の支持と締結条件を再現している。
赤信号： 単体キーマットの承認を、すべての筐体改訂に適用している。

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4. ゴムキーの材料選定と承認を6段階で進める

材料選定は、使用条件から始め、材料－工程－形状－組立の管理された組合せで終える。途中で一つの硬度値へ飛びつかない。

Step 1 - 使用条件を測定可能な要求へ変換する

部品温度範囲、保管逸脱、最大押下・保持時間、無操作時の保持、使用者や手袋、目標の押下・復帰挙動、連続締付けまたはシール荷重、洗浄剤・媒体への暴露、許容回復時間を提示する。接点構造と、戻り遅れ・復帰不足が起きた場合の影響も加える。

Step 2 - 荷重と予圧を作る積層構造を固定する

図面には、見えるキー上面だけでなく、機構全体を示す。

指または外部アクチュエータ
          ↓
[ キートップ／プランジャ ]
[ ウェブ／ドーム ]          <- 動くばね形状
[ ベース + シールビード ]   <- ベゼルの持続圧縮を受ける場合がある
[ カーボン接点／アクチュエータ／メタルドーム ]
[ PCB、FPC、メンブレン回路 ]
[ キャリア + 筐体 + 締結部 ]

基準面、ウェブ断面、R、キー高さ、行程、ハードストップ、通気経路、ベース厚さ、シール形状、接点位置、PCB支持、ベゼルすきま、締結条件を管理する。

Step 3 - 追跡可能な候補を比較する

最初に形状を固定して、正確に特定できる配合材を比較する。次に採用候補の配合材を固定し、形状を調整する。推測した中間値を1種類だけ試すより、上下を挟む2～3候補の方が判断材料になる。

顧客の目標値がない初期比較では、60 Shore Aを最初の管理マトリクスの中央候補に置ける。WACKER ELASTOSIL LR 3005/60 A/Bは60 +/- 3 Shore Aと公開されており、追跡可能な比較グレードになる。ただし、これはJASPER固有値でも最終推奨値でもない。成形・組立後の力－行程、復帰、保持、シール、老化の限界を満たしてから最終硬度を決める。

Step 4 - 量産工程を代表するサンプルを成形する

外観モデルや注型代替品では、量産硬化、収縮、ウェブ応答、圧縮永久ひずみを検証できない。予定する成形法、材料、顔料・添加剤、一次加硫、必要な二次加硫、重要肉厚を使う。JASPERの試作・サンプル承認でも、嵌合、外観、機能、量産意図の根拠を分けている。

Step 5 - 条件付与、保持、老化の後に再測定する

初期の硬さと組付け状態の力－行程を記録する。対象となる静的圧縮、温度、時間、回復、温度サイクル、低温、媒体暴露を加え、その後に同じ測定を繰り返す。治具、速度、位置合わせ、支持、測定温度が管理されて初めて比較できる。

Step 6 - 管理された組合せ全体をリリースする

配合材グレード、硬化状態、形状改訂、組立積層、試験方法、条件、サンプル段階、判定責任者、保管基準サンプルを一緒に承認する。検査記録と逸脱は検査・トレーサビリティ計画で該当改訂へ結び付ける。材料、硬化、ウェブ、PCB支持、ベゼル、ガスケット、締結荷重が変わる場合は、再検証の要否を定義する。

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5. 検証マトリクスとサンプル承認チェックリスト

検証では、一つの工学的な問いに一つの適切な方法を割り当てる。試験室での手順は、本稿の要約ではなく、最新版の管理規格と案件別試験計画に従う。

サンプル承認前に、次の項目が一つのパッケージに揃っているか確認する。

• 配合材メーカーと正確なグレード、顔料・添加剤、一次加硫・二次加硫状態
• キーパッド、PCB、ベゼル、キャリア、ガスケット、締結部の管理改訂
• 初期と条件付与後の力－行程データ。復帰経路を含む
• ベースやシールが締結され続ける箇所の静的圧縮・回復条件
• 合否限界、サンプル段階、数量、データ責任者、逸脱承認者
• 保管する承認サンプルと、材料・工程・金型・積層の再検証トリガー

部品試験だけで完成機器を認証することはできない。防塵・防水、電気安全、EMC、洗浄適合、法規承認は、評価対象の完成構成と、その責任を負う完成品メーカーに属する。

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6. 成形シリコーンキーパッドを選ばない方がよい条件

成形シリコーンキーパッドが常に最適とは限らない。薄型、印刷グラフィック、短い行程を優先するなら、フラットなメンブレンスイッチが適する場合がある。連続したジェスチャ面が必要なら静電容量式タッチも候補になるが、手袋、水分、触覚フィードバックとのトレードオフを受け入れる必要がある。シリコーンを密封プランジャとしてだけ使い、クリック要素を別に定義するなら、メタルドームとのハイブリッドが適することもある。

安定したウェブに必要な行程を確保できない、筐体で予圧を管理できない、必要な薬品・温度暴露に対して検証済み配合材がない、または未検証のキーマットだけにシールを依存している場合は、別構造を選ぶ。判断は積層構造全体で行う。メンブレンキーパッドとシリコンキーパッドの比較では、行程、感触、薄さ、グラフィック、照明、取付けの違いを整理している。

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7. 材料や提案を失格とする8つの赤信号

次の条件が一つでもあれば、外観のよいサンプルや条件不明の低い数値より優先して確認する。

• 方法・試験片がないShore A値：受入管理を再現できない。
• 条件列がない圧縮永久ひずみ百分率：他の値と比較できない。
• 硬度だけを根拠にした「同等材」置換：配合・硬化に依存する挙動が管理されない。
• 平板試験片データを完成キー性能として提示：形状と組立の影響が抜けている。
• 押下ピークしか報告しない：接触荷重、復帰経路、ヒステリシスが不明である。
• 静的永久ひずみで打鍵寿命を保証：ASTM D395の適用境界を越えている。
• ベゼル・PCB積層外でキーパッドを承認：量産時の予圧とストッパを再現していない。
• 一律のIP、医療、薬品、温度主張：部品データと完成構成の検証を混同している。

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9. 次に用意する情報

温度範囲、持続荷重と保持時間、復帰・接点分離要求、シール機能、積層図、接点構造、目標力－行程曲線を一つの資料にまとめる。候補の成形業者には一般的な硬度だけを回答させず、正確な配合材と管理された試作マトリクスを提示してもらう。

JASPERでは、これらの情報を案件窓口から共有し、材料、形状、サンプル検証を案件単位で確認できる。他の適格なシリコーン成形業者にも、同じ選定フレームワークを適用できる。

技術参考資料

試験計画では、ASTM D2240-15(2021)、ASTM D395-18(2025)、ASTM D575-91(2024)、ASTM D573-04(2025)、ISO 48-4:2018、ISO 815-1:2019、ISO 815-2:2019、ISO 3384-1:2024、ISO 3384-2:2019、ISO 188:2023の適用版を文書管理する。公開概要ではなく、実施時点の管理規格で手順を確定する。

• ASTM D2240-15(2021), Durometer Hardness
• ASTM D395-18(2025), Compression Set
• ASTM D575-91(2024), Rubber Properties in Compression
• ASTM D573-04(2025), Rubber Deterioration in an Air Oven
• ISO 48-4:2018, Durometer method
• ISO 815-1:2019, Compression set at ambient or elevated temperatures
• ISO 815-2:2019, Compression set at low temperatures
• ISO 3384-1:2024, Stress relaxation in compression at constant temperature
• ISO 3384-2:2019, Stress relaxation in compression with temperature cycling
• ISO 188:2023, Accelerated ageing and heat resistance tests
• Dow, Liquid Silicone Rubber Product Selection Guide (2023)
• Shin-Etsu, KE-54x1 high-strength silicone rubber family data
• WACKER, Solid and Liquid Silicone Rubber: Material and Processing Guidelines (2025)
• Shin-Etsu Polymer, Force-travel Characteristic
• Parker, O-Ring Handbook

よくある質問

シリコンキーパッドに最適なShore A硬さは何ですか？

すべてのキーパッドに共通する最適値はありません。目標の力－行程、復帰、シール荷重、温度、保持時間、組立条件に対して、正確な配合材とウェブ形状を選びます。硬さは承認済み材料の管理に使い、量産意図の触覚・回復試験の代わりにはしません。

Shore Aが高いほど圧縮永久ひずみは小さくなりますか？

いいえ。Dowは同じ50 Shore Aで、175°C、22 hという同じ見出し条件でも代表値が異なる2種類のLSRを公開しています。Shin-Etsuの同一シリーズでも、4硬度の条件付きデータは単調に変化しません。配合、硬化、温度、時間、回復、形状を併せて判断します。

キーパッドの圧縮永久ひずみは何%なら合格ですか？

合格値は案件ごとに決めます。方法、ひずみまたはたわみ、試験片、媒体、温度、時間、回復条件、硬化状態がない百分率には比較上の意味がありません。寸法余裕またはシール余裕から限界を設定し、必要なら復帰と反力を別に確認します。

50 Shore Aと60 Shore Aで同じ作動力にできますか？

はい。ウェブ、ドーム、行程、ストッパ、支持形状が異なれば、作動力が重なる設計は可能です。ただし、復帰力、ひずみ分布、ヒステリシス、シール予圧、老化後の応答まで同じとは限りません。押下と復帰の全曲線を比較します。

ASTM D395とISO 815-1は何が違いますか？

どちらもゴムの圧縮永久ひずみを扱いますが、方法、用語、試験片、報告要件は各管理規格に従います。ASTM D395には定荷重法と定たわみ法があり、ISO 815-1は常温または高温での定ひずみ圧縮永久ひずみを扱います。異なる方法の結果を安易に統合しません。

老化後のシリコンキー復帰はどう検証しますか？

予定する組立体で初期の力－行程曲線を記録し、規定の温度、保持、静的圧縮、繰返し、媒体暴露を加えます。指定時間回復させた後、同じ条件で曲線を再測定します。一定変形下の保持反力が要求ならISO 3384を使います。

すべてのシリコンキーパッドに二次加硫が必要ですか？

いいえ。必要性は、正確な配合、硬化化学、肉厚、揮発分要求、目標物性によって異なります。WACKERは二次加硫で圧縮永久ひずみが改善する例と、二次加硫なしで低圧縮永久ひずみを狙うグレードの両方を示しています。メーカー承認工程を固定し、成形品で検証します。

材料選定前に何を成形業者へ共有すべきですか？

最低・公称・最高温度、保管・洗浄暴露、キー寸法と形状、目標の押下・復帰曲線、最大保持時間、連続シールまたは締付け荷重、接点形式、PCB・ベゼル積層、締結条件、不具合時の影響、承認試験計画を共有します。