設計フェーズ - リッドアセンブリのメカニクス パート2

オープンソースのノートパソコンの蓋の組み立てデザインの第2部へようこそ！前回は、ノートパソコンの蓋の基本的なデザインコンセプトと、ディスプレイ画面にさまざまなセンサーを統合する方法について詳しく見てきました。

この道を引き続き探求し、ディスプレイパネルの上にセンサーPCBを統合する2つの方法を探ります。これは蓋の残りの機械設計に直接影響を与えるため、この課題にどのように取り組むことができるか見ていきましょう。

マザーボードに接続するためのFPCを備えたウェブカムPCB

まず、複数のセンサーを統合する必要があることを思い出してください。これには、2つのMEMSマイク、環境光センサー、カメラセンサー、そして7つの静電容量式タッチパッドが含まれます。さらに、各キーに1つのLEDを使用してタッチパッドの均一なバックライトを確保する必要があります。各センサーには独自の高さ要件がありますが、すべてのセンサーはカバーガラスの下側を基準にする必要があります。これらすべてのセンサーを単一のPCBに搭載するためには、複数の高さゾーンを持つボードを設計する必要があります。

異なるセンサーの高さ要件は仕様書に明確に記載されていますが、バックライト付き静電容量式タッチキーはもう少し複雑です。ウェブカムボードの形状と統合に焦点を当てる前に、静電容量式タッチセンサーについて対処しましょう。

静電容量式タッチキー

静電容量式タッチキーは、マイク、ウェブカム、またはWiFi接続など、特定のプライバシーに関わる機能を有効または無効にすることをユーザーに許可するべきです。これらの機能の有効化または無効化は通常、オペレーティングシステムによって処理されます。私たちは、ソフトウェアレイヤーの透明性の欠如により、OSの介入なしにこれらの機能ブロックへの電力を遮断できるハードウェアでこのソフトウェアレイヤーを無効にする能力を持ちたいと考えています。

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通常、カメラやマイクを覆うためには、単純なハードウェアスイッチやスライダーが使用されます。しかし、全面がガラスの当社のノートパソコンデザインでは、これはオプションではありません。代わりに、静電容量式タッチセンシングを通じて有効または無効にできる画面上部のバックライト付きアイコンを配置します。

この結果を達成するためには、1mm以上のカバーガラスの厚さを通してタッチを感知する信頼性の高い方法が必要です。タッチ検出用のASICは、センサー電極とタッチ入力の間の距離が増加するにつれて、より高い感度を持つ必要があります。感知パッドとタッチ入力の間にかなりの距離があるシナリオでは、感度が非常に高くなければならないだけでなく、全体のセットアップの信号対雑音比も十分でなければなりません。大きな距離を超えてタッチ入力を感知することは可能ですが、誤ったタッチアクションを引き起こしやすくなります。感知距離が増加するにつれて、実際の有用な信号は感知ASICのノイズフロアに近づきます。

中程度の感度と信号対雑音比を持つ低コストの感知ASICを使用するためには、感知電極を可能な限りタッチ入力に近づける必要があります。

私たちの場合、これは電極をカバーガラスの裏側に直接配置することを意味します。必要なのは、ガラスの裏側に薄いPCBを取り付けることだけです。しかし、これには新たな課題が生じます：銅の電極が邪魔をしている状態で、どのようにしてアイコンを照らすかです。

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解決策として、アイコンの輪郭に沿って銅を配置し、カバーガラスに印刷されたタッチアイコンよりも0.3mm大きいカットアウトをボードに残すことになります。

良いニュースは、FPCの製造プロセスが私たちの味方をしていることです。少なくとも1mmの直径を持つフライス工具を使用する硬質PCBとは異なり、FPCはレーザーで切断されます。これにより、最小のコーナー半径なしでより複雑な特徴を実現できます。さらに、レーザーパスは通常、従来のフライス加工と比較して銅のアートワークに対してより厳密な位置決め許容誤差を提供します。

カバーガラスに印刷されたアイコン

アイコン用のカットアウトを持つタッチ感知ボード

カバーガラスに印刷されたタッチアイコンのカットアウトが完璧に合致していることに気づくでしょう。アイコン内のコーナー半径は、場所によっては0.2mmしかないことがありますが、レーザーカットプロセスにとっては問題ありません。

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カバーガラスに貼り付けられたFPC

FPCを使用するもう一つの利点は、3Mの両面接着テープが事前に適用されているものを注文できることで、組み立て前に接着テープをサイズに切り取り、基板に適用する必要がなくなります。

Altium Designer内のDXFインポート機能を使用して、CADツールで定義されたアイコンの輪郭をインポートできます。これにより、バックライト用の切り抜き領域を定義するために費やす時間が節約されます。

タッチキーPCBのレイアウト

上記のレイアウトスクリーンショットは、関連するアイコンの周りにタッチパッドが配置されていることを示しています。パッドがグラウンドプールと重なる領域でタッチキーのグラウンドに対する静電容量を最小限に抑えるために、グラウンドポリゴンはハッチングされています。

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タッチパッドFPCのレイアウトはこちらで確認できます：

PCB統合方法＃1

タッチセンシングパッドがシステムにどのように統合されるかを理解したので、ウェブカムPCB全体をどのように統合したいかをもっと詳しく見ていきましょう。

前回の更新では、FPCアプローチについて簡単に見てきました。4層のプリント基板に異なるスティフナーの厚さを使用し、必要に応じて基板をカバーガラスの底に近づけました。

Altium Designerで3つのレイヤースタック領域が定義されました：

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レイヤースタックフレックスPCB

最も左側と最も右側の領域には、1.2mm厚のFR4スティフナーが装備されています。これにより、マイクロフォンと周囲光センサーとカバーガラスとの距離がわずか1.1mmに縮まります。

しかし、中央部分には、0.2mmのステンレス鋼スティフナーを使用しました。カメラセンサーとFPCボード間コネクタは、このフラットセクションに取り付けられます。

Altium Designerで正しいスティフナーの種類と位置を定義することにより、折りたたみ状態の基板をエクスポートできます：

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このフレックスPCBを取り付けることは、別の一連の課題を伴います。中央セクションには独自の取り付け穴がありません。これは、中央セクションの下の材料の厚さが取り付けネジを使用するのに十分でないためです。しかし、このセクションも所定の位置に保持する必要があるため、これを実現するための別の方法を見つける必要があります。

このセクションを取り付ける計画は、SLM 3Dプリントされた金属曲げツールを使用して所望の形に曲げられた薄いステンレス鋼部品を使用することでした。

取り付け用スプリングのCADモデル

曲げ工具の3Dレンダリング

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おそらく既に気づいている通り、この統合アプローチは非常に複雑になりがちです。この方法にはいくつかの問題とコスト要因が関連しています：

• このアプローチでは、曲げ半径を小さく保つために4層フレックスPCBのみが許可されます。これにより、レイアウトが難しくなり、さらなる変更が必要な場合に適応するのが困難になります；

• フレックスPCBの組み立てには、異なるスティフナーの厚さのために特殊な製造工具が必要です；

• フレックスPCB用の取り付けスプリングを曲げるために特殊な工具が必要です。

フレキシブルな回路基板の組み立ては、一部のPCBAプロバイダーにとっては挑戦となる場合があります。ほとんどのPCB組み立て工場の製造設備は、平らなリジッドPCB向けに用意されています。柔軟性があり、厚さが異なるPCBを扱うには、製造プロセスに追加のフィクスチャが必要です。

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フレキシブルPCBは、回路基板の手動組み立てを難しくさせることさえあります。これは、生産環境で対処しなければならない課題を学ぶ良い機会です。このフレキシブルPCBは最終的なラップトップの設計には採用されませんでしたが、PCBAプロバイダーが対処しなければならない2つの製造上の課題を簡単に見てみましょう：

#1 はんだペースト印刷

ペースト印刷には、はんだペーストのステンシルがPCB表面に平らに置かれる必要があります。ステンシル上のはんだペーストを分配するスキージは、ステンシルとその下の基板に力を適用します。PCBはこの力を支えることができなければならず、印刷プロセス中に曲がってはなりません。異なるスティフナーの厚さを持つフレキシブルPCBの場合、基板を支えるための工具が必要です。手動ペースト印刷プロセスの場合、3Dプリントされたフィクスチャを使用できます。

ペースト印刷に必要な3Dプリント治具

#2 組み立て

はんだペースト印刷プロセスと同様に、ピックアンドプレースマシンもPCBがマシン内でしっかりと固定されていることに依存しています。通常、パネルの端にある工具ストリップがこれに使用されます。

フレックスPCBのパネルもこれらの工具ストリップを提供していますが、組み立て中にボードを所定の位置に保持することはできません。このフレックスボードを組み立てるためには、追加の取り付けプレートが必要です。

これらの治具は常に必要というわけではなく、主にPCBAプロバイダーが使用する機械やパネルのジオメトリ/レイアウトに大きく依存します。スティフナーセクションを連結できる場合、追加のサポートハードウェアなしでそのようなボードを組み立てることが可能かもしれません。しかし、私たちの場合はそれが不可能です。

パネル化されたフレキシブルPCB

前述の課題、およびウェブカムモジュールにフレキシブルPCBを使用することによって設計に追加される複雑さが、このアプローチが最終システムに使用されなかった理由です。

代わりに選ばれたアプローチとそれに伴う問題点については、次のアップデートで明らかになります！オープンソースのラップトッププロジェクトの次のインストールメントにご期待ください。