設計フェーズ - リッド組立機構 パート3

オープンソースのラップトップ蓋組み立てデザインの第3部へようこそ！前回は、ウェブカメラモジュールとそれに接続されたセンサー全てをラップトップ蓋のベゼルに統合する一つの方法を見てきました。

前回の記事で提示されたアプローチにはいくつかの課題があることがわかりました。柔軟なPCBを使用することに伴う追加の組み立ておよび製造の複雑さが、リジッドボードのみを使用する別のオプションへと導きました。さあ、この実装がどのように機能するか見てみましょう。

スクリーンベゼル内に取り付けられたウェブカメラPCB

周囲光センサーのドーターボード

すでに特定された課題の一つは、周囲光センサーの上部とディスプレイガラスの開口部との距離を減らす必要があることです。光センサーとカバーガラスとの最大距離は、ディスプレイガラスの視認窓の開口径によって与えられます。この関係については、蓋組み立てデザイン更新シリーズの第1部で見てきました。

ディスプレイガラスのシルクスクリーンの開口部を可能な限り小さく保つ必要があるため、それが見えないようにするために、直径1mmに限定しなければなりません。これは、センサーの上部からディスプレイガラスまでの最大距離が1.2mmでなければならないことを意味します。硬質のウェブカムPCBを使用しているため、基板はカバーガラスの下に4ミリメートル位置します。光センサーの高さは0.8mmのみで、約2mmの隙間を何とか埋めなければなりません。

2mmはPCBの標準的な厚さです。小型のPCBに環境光センサー、そのデカップリングキャパシタ、およびI2Cバス用の2つのプルアップ抵抗を取り付けることができます。その後、このモジュール全体をウェブカム基板にはんだ付けすることができます。

将来のリビジョンで光センサーを交換することにした場合、ウェブカム基板を再設計することなく、小型モジュールを変更することができます。

センサーモジュールの設計は、上側に光センサーと受動部品、下側にLGAパッドの接点があるシンプルな2層基板です。ここに、このモジュールの回路図とPCBレイアウトがあります：

センサーは、ピックアンドプレースマシンのピックアップポイントとして機能するようにモジュールの中央に配置されます。部品の質量中心とマシンノズルを合わせることで、PnPマシンの高加速でも信頼性の高いピッキングと配置を保証します。

ウェブカムモジュールのフットプリントは、周囲光センサーモジュールのアウトラインを超えて広がっています。これにより、組み立てラインの最後にある自動光学検査機が正しいアラインメントを確認し、モジュールの各パッドに十分なはんだがあることを保証できます。

ウェブカムモジュールに使用されるフットプリントは、光センサーモジュールのアウトラインを超えて広がっています

周囲光センサーモジュールがウェブカムボードにはんだ付けされています

取り付けポイントのドーターボード

取り付けポイントには同様のドーターボードアプローチを採用できます。しかし、薄いPCBを薄い金属片に固定する際には、設計上の課題が生じます。対応するネジ径に必要な最小のねじ長を達成することが懸念事項となります。

最小ねじ長に加えて、ねじは盲孔に一定の深さまでしか切れないことを念頭に置く必要があります。タップは穴の底までねじを切ることができないため、最小ねじ長には固定のオフセットを加える必要があります。

これらの要因をすべて考慮に入れると、取り付け穴にはかなり深いねじ山を提供する必要があります。蓋の材料の厚さは1mmに固定されているため、取り付けポイントに何らかのスタンドオフを提供する必要があります。

この問題に対処する方法の一つとして、小さなダウターボードを追加することにより、ウェブカムモジュールの厚さを局所的に増加させることができます。これらのボードもまた、上部と下部の両方に銅パッドを備えた2mmの厚さを持っています。周囲光センサーボードと同じスタックアップを使用することにより、これらのダウターボードを同じ生産パネルで製造することができます。

局所的なボードの厚さが2.8mmになると、ディスプレイ蓋に標準の取り付け穴を使用することができます：

ウェブカムモジュールの取り付け方法

タッチキーの接点

ウェブカムPCBと周囲光センサーの取り付け状況が解決された今、残されたタスクには、ウェブカムボードをタッチセンシングパッドに接続することと、それらのタッチパッドのバックライトをどのようにして提供するかの解決策を見つけることが含まれます。

前の記事で示されたように、タッチセンシングパッドを含むFPCは、カバーガラスの裏側に接着されます。FPC自体には、各タッチセンシングパッドに対して1.7mm x 3.6mmの寸法の接触パッドが1つあります。これらのパッドに接続するためには2.9mmの隙間があります。

ディスプレイガラスは簡単に取り外せるようにする必要があるため、タッチパッドFPCとウェブカムボードの間に永久的な接続を使用することはできません。FPCコネクタを使用することもできますが、それによりディスプレイガラスの交換がかなり難しくなります。

代わりに、ばね式のSMD接触指を利用できます。TE Connectivityは、特に大量購入の場合には、これらの接触指を手頃な価格で幅広く提供しています。

ウェブカムPCBに使用されているモデルの部品番号は3-2199250-3です。

ウェブカムモジュールに使用される接触指

FPCの接触エリアには硬質金メッキを使用することを好みます。しかし、このシステムの部分で予想される限定的な動きと熱サイクルを考慮すると、標準のENIGメッキを使用する可能性もあります。それにもかかわらず、この選択が長期的な信頼性の問題を引き起こさないことを確認するために、徹底的なテストが不可欠です。

LEDバックライトディフューザ

TRANSLATE: タッチアイコンのバックライト用に、接触フィンガーの隣にはRGB LEDが使用されています。アイコンの均一な照明を提供するためには、1mm x 1mmのLEDの上に置く光拡散器が必要です。

この用途には、SLA 3Dプリント部品が好ましい選択肢です。拡散器の小さなサイズを考えると、一回のバッチで600個を印刷することが可能です。総処理時間（後処理を含む）はわずか2分で、印刷時間は10分です。これにより、3Dプリント部品は低量生産にも魅力的な選択肢となります。

拡散器の光学特性と材料の長期安定性には、レジンの選択が非常に重要になります。レジンの選択はまだ最終決定されておらず、さらにいくつかのテストが必要になります。

小さな3Dプリント拡散器

3Dプリント部品はウェブカムボードにプレスフィットされます。代替案として、少量の接着剤を使用することも考えられますが、これには組み立てプロセスに追加の処理ステップが必要になります。接着剤を使用すると処理時間がわずかに増加する可能性がありますが、レジン材料は比較的もろいため、プレスフィット用途には理想的ではないかもしれないことを考慮すると、より信頼性の高い選択肢となる可能性があります。

このケースでは、さらなるテストが最適なアプローチを決定するために必要です。

ウェブカムボードに取り付けられた3Dプリントされた拡散器

更新された蓋のトレイに完全なウェブカムボードを取り付けるテスト（詳細は次のアップデートで提供されます）は、全てのコンポーネントが再作業の必要なく、衝突することなくシームレスに収まることを示しています。

ウェブカムボードを含む組み立てられたディスプレイの蓋

次のアップデートでは、ウェブカムモジュールの回路図とPCB設計を検討します。蓋の電気設計についてもう少し詳細を詰めるだけで、ラップトップ設計の最初のサブシステムの完成に近づいています！ラップトップケースの設計、トラックパッド、キーボードレイアウトなど、さらに多くのことに取り組む際には、ぜひご覧ください！