情報処理学会 インタラクション 2024
IPSJ Interaction 2024

3B-28
2024/2/28

電力重畳通信を用いた空間配置自由度の高いキーボードシステム
坂本隼†1

秋田純一†1

概要：キーボードはコンピュータの入力機器として最も使用されるデバイスの 1 つである．一方で一般的なキーボードは長時間の無理な姿勢によって頸肩腕に疲労がかかる．自身で打ちやすいキーボードを作る「自作キーボード」も流行っているが，立体的なキーボードのプロトタイプ作成に技術的なハードルが存在する．そこで本研究では立体キーボードの試作が簡単にできるデバイスを提案する．スイッチの位置に関係なく打鍵を検知するよう，各スイッチにマイコンを搭載し，電力供給と通信を配線 1 本で同時に行う電力重畳通信方式を用いる．スイッチの配線に導電布を使用することで柔軟性が生まれ，土台の上に置くことで立体性を持たせる．以上のシステムをもとにデバイスを作成したので，今後キーボード作成のサポートができるか評価を行う．

1. 研究背景
キーボードはコンピュータの入力機器として最も使用されるデバイスの 1 つである．その一方で現在一般的に市販，使用されているキーボードのキー配列は機械式タイプライタが使われた時代から大きく変わっておらず，体をキーボードに合わせるために上肢に負担がかかった姿勢で打ち続けている．したがって長時間の打鍵によって頸肩腕が固定されることで，疲労や障害を起こす原因となることが懸念される．[3][4]

図1

自作キーボードの例

2. 研究目的a

個人ごとに身体的特徴が異なることから，打鍵しやす立体キーボードの試作をサポートや実際にキーボードいキーボードを自ら作成する「自作キーボード」も流行しとして使用できる，キースイッチを立体的に自由にレイアている．レイアウトやキースイッチ自体を好みに設定する

ウトできるデバイスを提案する．キーボードを試作する際ことで打鍵しやすいキーボードが作成できる．また，よりに重要なこととして，レイアウトの変更が簡単であること，打鍵しやすいキーボードを作成したいとき，指の可動域をレイアウトを組んで実際に使用できることであると考えた．

考慮するとキースイッチを平面だけでなく空間的に配置す変更が簡単であることについて，変更に手間がかかると組ることでさらに減らすことが可能とされる．力を抜いたとみ立ててしまったほうが早いとなってしまう．実際に使用

きの手の形などからキーボードを山状や谷状にしたものや，できることについて，レイアウトに納得してもいざ使用し親指の向きを考慮して親指で打鍵するキースイッチの角度た際により打鍵しやすいポジションを発見しさらに時間とを変えたものが考えられる．しかし立体的なキーボードは手間がかかる．先行事例として，市販されているキーボー配線設計や筐体設計といった技術的なハードルが存在する

ドの中に，深圳超酷科技有限公司が販売していることやモックアップで打鍵しやすいレイアウトを模索してDUMANG というキースイッチを自由にレイアウトするこも実際に使用できないこと，微妙な調整に時間が手間と時とができるキーボードがある．こちらはキースイッチにマ間がかかることが欠点としてあげられる．平面であればプイコンが搭載されており，配線が施されたベースボード上リント基板を作成し，キースイッチなど部品を取り付けるであればどこに配置しても打鍵を検知できる．そのためユだけだが，立体では配線すべてをプリント基板で作成するーザーがレイアウトを自由に変更し，かつそのレイアウトことが難しく，空中配線や場合によっては 3DCAD 技術がで打鍵することができるデバイスである．このデバイスで求められるので難易度が上がり，時間がかかると考えられユーザーの打ちやすいレイアウトを何度でも手軽に試すこる．とができるが，ベースボードが平らであるためレイアウトが平面状でしか行えない．

†1 金沢大学自然科学研究科© 2024 Information Processing Society of Japan1192

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2024/2/28(2) ハードウェア
キースイッチは Cherry MX 互換品を想定した．図 4 にキーユニット内部の回路図，図 5 に作成したキーユニット基板の写真を示す．キースイッチなどを搭載した基板の大きさは縦横 19[mm]で，これはキーキャップの大きさと同じである．キースイッチによる違いを簡単に検証できるようソケットを搭載してホットスワップ対応とした．マイコンは安価で小パッケージの WCH 社の CH552E を使用する．
図2

平面上にキースイッチを自由にレイアウトできる
DUMANG キーボード

マイコンへ電力供給を安定して行うために，コンデンサを用いて電圧の平滑化とダイオードを用いて通信時に Vbusへの逆流防止を行った．そこから得られた電圧を 5V 電圧

3. システムの作成

レギュレータに通してマイコンに安定した電圧をかかるようにした．キーユニットからベースボードに刺すための針

立体的な自由度を上げるために，新たなキーボードを作が 2 本配線用に出ており，電源線と接地線にそれぞれ接続成したいと考えた．まず DUMANG を参考にキースイッチされる．さらにどちらの針が電源線であっても動作するよにマイコンを搭載しどこに配置しても打鍵を検知できるようブリッジダイオードを用いた整流器を搭載した．Vbus のう，配線が施されたベースボード上にキースイッチを配置

短絡には小電圧で動作する n-ch MOSFET を使用した．

するだけで配線される方式を用いた．また配線に導電布を使用することで柔軟性を持たせることで，ベースボード下に段ボールや粘土などで作成した立体的な土台を置き，キースイッチを空間的にレイアウトすることができると考えた．[1]また打鍵情報を認識するために，打鍵を検知するとそれぞれのキースイッチに割り振られた ID を送信する．
これによりどのキースイッチが打鍵されたかを識別する．
(1) 通信方式

図4

キーユニット内部の詳細な回路図

ここでマイコンを使用すると電源，通信，接地の 3 本の配線が必要となる．このままだとキースイッチを配置できる範囲が狭まることや，配線が複雑になることから自由度が下がるためデバイスの作成が難しくなる．そのため，1Wire と呼ばれる電源線に信号を重畳する規格を参考に配線を 2 本にまとめる．[2]これによって配線が単純化しレイアウトを簡単に行うことができる．またベースボードは，絶縁布の両面に導電布と呼ばれる導電性の布を張り付け，片面を電源線，もう一方を接地線とした．キースイッチに図5作成したキーユニット基板マイコンを搭載したものを以後キーユニットと呼ぶ．図 3に電力重畳通信を用いたときの配線概略図を示す．

本キーボードシステムの簡単な回路図を図 6 に示す．キ

電力重畳通信の仕組みとして，定常時は電力重畳通信ーユニットからの信号を受信しコンピュータに送信するホ線（以降 Vbus と呼ぶ）を電源線としてマイコンに電力をストマイコンは，HID 機能を簡単に使用できる Arduino供給する．信号送信時は Vbus を短絡させることで電圧をLeonardo を使用した．Vbus からの信号はコンパレータを使上下させ，電圧が下がったタイミングを“0”，上昇した用して 5[V]または 0[V]になるよう変圧し Arduino のシリタイミングを“1”として信号を送信する．

ア ル 通 信 の 読 み 取 りピ ン (RX) に 接 続 し た ． 通 信 方 式 はUART を用い，ボーレートは 9600[bps]とした．これはVbus が RC 回路となることから波形が鈍るため，十分に通信が行える通信速度に設定した．

図3

電力重畳通信の配線概略図© 2024 Information Processing Society of Japan1193

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成といった動作確認を行った．図 7 にキーボードシステムを用いて作成したキーボードの写真を示す．キースイッチの長押しを含めた打鍵，設定したマクロでの操作，キーユニットの位置変更の動作ができ，サブキーボードとして実際に使用できるものであると考えた．今後は簡単にかつ思うようにレイアウトできるか，立体的な自由度があるか，これを用いて立体キーボードづくりをサポートできるかについて評価を行いたい．

図6

本キーボードシステムの回路図

ベースボードの下に置く土台には，おゆまるを使用した．選定した理由は熱可塑性の粘土であるので，熱を加えて形を変えることができる点と硬化するとゴムのような触感となり，キーボードを支える硬さを持ちながら針を刺すことができる点が有効であると考えたからである．
(3) ソフトウェア
キーユニット内のプログラムはキースイッチの状態を読み取り，押下されたタイミングと解放されたタイミング

図7

作成した本キーボードシステムに各キーユニットに設定された ID を送信する．押下時と解 放 時 で 送 信 す る ID は 異 な っ て お り ， こ れ に よ っ てArduino がどちらのタイミングであるか，長押しされてい

5. おわりにるかを感知できる．起動後やキースイッチ解放後はスリー

本稿では，キースイッチを空間的に自由にレイアウトでプモードになり，キーユニット全体の消費電流を 70[μA]きるキーボードを提案し，導電布と電力重畳通信を用いて程度まで減らす．

作成した．また動作確認を行い，キーボードとして使用でボード側のホストマイコンにはコマンドやマクロをあきると考えた．今後の予定として，本システムをサブキーらかじめ設定しており，キーユニットの ID ごとに打鍵時ボードとして実際に使用し，立体キーボードづくりをサポの動作を紐づけさせ， ID を受信すると ID に合わせたキートできるか評価を行う．

ーコードを PC に送信する．また，マクロなど長押ししても単押しと同じ動作を行う機能を持たせている．

4. キーボードシステムの動作確認
先の章で提示したキーボードシステムが安定して動かせるキーユニットを接続できる数と Vcc 電圧の大きさを求めた．先行研究により安定した通信ができ，消費電力が少ないキーユニット側の素子の値と Vbus のプルアップ抵抗の値を求めた．本研究でも同じ値を使用して確認を行った．
値はそれぞれ R1 ：200[Ω]，R2 ：100[Ω]，Rload ：1[kΩ]，RG ：1[kΩ]，RGS ：5[kΩ]，C1 ：10[μF]，C2 ：10[μF]とした．

参考文献[1] 秋田純一, 新村達, 村上知倫, 戸田真志: 空間配置自由度が高い
ウェアラブルコンピュータ向けネットワークシステム, 情報処
理学会論文誌, Vol.47, No.12, pp.3402-3413(2006).
[2] Kristof Van Laerhoven, Albrecht Schmidt and Hans-Werner
Gellersen: Pin&Play: Networking Objects through Pins, UbiComp
2002: Ubiquitous Computing, 4th International Conference,Göteborg, Sweden(2002).
[3] David Rempel , Dan Nathan-Roberts , Bing Yune Chen & DanOdell, The effects of split keyboard geometry on upper bodypostures, 2009, Ergonomics, 52:1, 104-111.
[4] 中迫勝. キーボードの人間工学的設計. 人間工学 = The Japanesejournal of ergonomics 22 (2) , 1986-04, p53-61.

図 6 に以上の素子を実装したキーユニットの基板を示す．
こちらのキーユニットを使用してベースボードに配置し，動作確認した．キーユニットを 10 個接続したとき，Vccに必要な電圧は 15[V]となった．これ以上キースイッチを接続するとマイコンの立ち上がり動作やそれに伴う複数キーの認識が不安定となることが懸念される．また，サブキーボードとして 10 キー程度あれば運用できると考えた．
以上を用いて簡単な土台を用意し，資料作成や図表作© 2024 Information Processing Society of Japan1194