設計フェーズ - リッドアセンブリのメカニクス パート1

オープンソースのラップトッププロジェクトへようこそ！このアップデートでは、ラップトップの蓋の機械設計について詳しく説明します。以前、利用可能なディスプレイパネルと、私たちのアプリケーションに最適なものを探索しました。探索は成功し、パネルのテストも成功しました！今、難しい部分が始まります：すべてを頑丈で機能的でありながら見た目も良いシステムに収めることです。

このアップデートのタイトルは蓋組立機構ですが、これから見るように、電気設計と機械設計の境界線はかなり曖昧になります。しかし、それがこのようなプロジェクトの性質です。機械設計の多くの決定が電気設計に直接影響を与え、その逆もまた然りです。もちろん、両方の側面を同時に見なければなりません。

ウェブカメラPCBのリビジョン1.0

材料と製造方法

最初に答える必要がある質問の一つは、どの材料を使用し、どのように蓋を製造するかです。これは、蓋にモデル化できる形状と関連するコストに直接影響を与えます。最後の点は、執筆時点で非常に高いボリュームの製品設計を見ていないため、特に重要です。これは、高い工具費用を伴う製造技術の選択を制限します。したがって、シートメタル成形プロセスやあらゆる種類の鋳造技術は問題外です。両方の製造技術には、高価な型または打ち抜きダイが必要であり、低数量ではコスト効果がありません。

現代的で頑丈な外観を提供する唯一の実行可能な選択肢は、固体のアルミニウムブロックから蓋を機械加工することです。CNC加工されたプロトタイプは比較的安価で、リードタイムも短いです。機械加工部品の設定コストは、ある程度まで機械のプログラミングを自動化できる現代のCAMプログラムのおかげでかなり適度です。

CNC加工が製造プロセスの選択となることがわかったので、3Dモデリングに進むことができます。

蓋の3Dモデリング

まず、ディスプレイパネルを統合することから始めます。その目的のために、Frameworkが提供するパネルと取り付けブラケットの3D STEPファイルを使用できます：

https://github.com/FrameworkComputer/Framework-Laptop-13/tree/main/Display

まず、基本的な蓋の形状は、角が丸い長方形で、ディスプレイパネル用のポケットがあります：

ノートパソコンの蓋の基本形状

全体が一つのアルミニウムブロックから加工されるため、ディスプレイの取り付けに必要な機能をすでに設計できます。ディスプレイにはブラケットが事前に取り付けられているため、パネルを取り付けるためにはM2の内部ねじと位置合わせピンを提供するだけで済みます。

スペーサーの高さは、パネルがアルミニウムトレイに平らにならないように選ばれます。代わりに、パネルと蓋トレイの間には1mmの隙間があります。これは、蓋を開けたときにアルミニウムトレイがたわむとき、パネルの敏感な背面が直接アルミニウムトレイに接触しないようにする非常に重要な設計機能です。

ノートパソコンの蓋の曲がり

そもそも、なぜノートパソコンの蓋が曲がるのでしょうか？デザインの目標は、ディスプレイパネルを保護し、使用中に曲がらない薄くて頑丈な蓋を作ることではないのでしょうか？

それが理想的なケースであっても、現実には重量、厚さ、剛性の間で良い妥協点を見つけなければなりません。全く曲がらない非常に頑丈な蓋を構築することができますが、それには高い材料の厚さが必要で、結果としてノートパソコン全体の厚さが増し、重量も大幅に増加します。私たちは、たわみを制御しながら、できるだけ薄く軽い蓋を作りたいと考えています。

CADモデルに対して弾性シミュレーションを実行することで、理想的な材料の厚さを近似することができます。ノートパソコンを開くために必要なおおよその力を知っているので、それをシミュレーションの入力として使用して、蓋のたわみを計算することができます。カバーガラスの取り付け方法がまだわからないため、シミュレーションには含まれません。

ノートパソコンを一角だけで開くときの蓋のたわみのイラスト

ウェブカメラボードの統合

ディスプレイパネルが設置され、正しい材料の厚さが分かったので、ウェブカメラのPCBをどのように統合するか考え始めることができます。ほとんどのラップトップと同様に、私たちのシステムのウェブカメラは画面の上部、画面のベゼルの中央に配置されています。これはウェブカメラの最も直感的な配置ですが、パネルと蓋の間には働きかけるための小さな隙間しか残されていません。

CADモデルにウェブカメラと周囲の機能ブロックを配置して設計を開始する前に、まずウェブカメラボードにどのようなコンポーネントが搭載されているか、そしてそれらを取り付ける際に何を考慮する必要があるかをより詳しく見ていく必要があります。以下の図は、ウェブカメラボードに配置される機能ブロックがウェブカメラ以外にも多く存在することを示しています：

ウェブカメラボードに配置された機能ブロックの図解

これは、ウェブカメラのPCBを統合する際に少し難しい部分です。ウェブカメラのPCB上に4つの主要な機能ブロックの配置を考え出す必要があります。これらのブロックのうち1つだけが、機械的な観点から私たちのニーズに合わせて適応させることができ、それはプライバシーに関わる機能を有効/無効にするためのタッチパッドです。他の3つの機能ブロックは、周囲光センサーなどの個々のコンポーネントで主に構成されています。個々のコンポーネントを簡単に見て、部品固有の機械設計要件を強調しましょう。

周囲光センサー

Vishay Semiconductorsの周囲光センサーはVEML3235です。これは透明なトップを持つ小さな2.0mm x 2.0mm x 0.87mmのプラスチックパッケージに入っています：https://www.vishay.com/en/product/80131/。

周囲光センサーVEML3235のクローズアップ画像

光センシング部分のダイは、パッケージのほぼ中央に位置しています。光センサーが低環境光レベルで正しく動作するためには、カバーガラスの視認窓にできるだけ近づける必要があります。VEML3235のアプリケーションノートは、部品と視認窓の距離に応じて窓のサイズを計算する方法を示しています。私たちにとって最も重要なのは、センサーをできるだけカバーガラスの裏側に近づける必要があるということです。カバーガラスの印刷設計を始めるときは、アプリケーションノートに戻って正しい視認窓のサイズを計画する必要があります。

VEML3235統合アプリケーションノートのスクリーンショット

デュアルMEMSマイクロフォン

私たちのシステムで使用されるマイクロフォンは、Knowles SPK0641HT4H-1です。カメラの左右に2つのマイクロフォンを使用してステレオサウンドを録音します。これら2つのマイクロフォンの取り付け状況は、周囲光センサーと似ています。マイクロフォンポートをカバーガラスの対応する穴にできるだけ近づけたいと考えています。また、カバーガラスのポートとマイクロフォンの間に「ガイド」を作るために、マイクロフォンの周りにフォームガスケットを配置したいと考えていますが、それはマイクロフォンボードの次のリビジョンの一部になります。

MEMSマイクロフォン Knowles SPK0641HT4H-1

ウェブカメラカメラセンサー

最後にして最も重要なのは、OmniVision OV2740ウェブカメライメージセンサーです。イメージセンサー自体の厚さは約0.8mmに過ぎません。現在、私たちにとってより興味深いのは、センサーの上に設置されるマイクロレンズアセンブリを含むセンサーの全高です。いくつかのレンズタイプが利用可能ですが、そのほとんどは全高が約4mmです。これは、イメージセンサーがカバーガラスの裏側から少なくとも4mmプラス、いくらかのマージンを離して配置されなければならないことを意味します。

OmniVision OV2740 イメージセンサー

ウェブカムの回路基板

カバーガラスの下の単一のPCB上で、異なる高さ要件を持つ複数のコンポーネントを収容するという課題に直面しています。これを機械的および電気的に実現する方法はいくつかあります。カメラPCBの2つのリビジョンで少なくとも2つのアプローチを探求します。一つの方法は、複数のスティフナータイプと厚さを持つフレキシブルPCBを使用することです。

複数のスティフナー厚さにより、複数の高さレベルを持つ基板が作成される

電気設計の一部である蓋のPCB自体をもっと詳しく見ていきます。今のところ、ウェブカムPCBの取り付け方に焦点を当てましょう。基板の中央部分は0.2 mmのステンレススチールスティフナーを使用しています。この中央部分にはイメージセンサーと、ウェブカムをメインボードに接続するためのボード間コネクタが含まれています。スティフナーの厚さが薄いため、このセクションをノートパソコンの蓋に加工された小さなポケットに配置することで、カメラレンズの4 mmの高さ要件を満たすことができます。

下の画像では、カメラポケットに加工された2つの小さなアライメントピンを見ることができます。これらはステンレススチールスティフナーの左右の端に近い2つの小さな穴に収まります。これらのピンは、基板と特にカメラレンズがカバーガラスの視覚窓に合わせて配置されることを確実にします。

アライメント穴付きウェブカムPCB

上の写真からは、基板全体がシステムにどのように取り付けられているかが既に示されているかもしれません。しかし、PCBの中央部分が機械加工されたポケットにぴったりと収まり、重い振動や衝撃を受けたときに位置合わせピンを飛び越えたりずれたりしないように、まだ確認する必要があります。

この問題や他にも多くの疑問が次のアップデートで解答されるでしょう！電気設計に移る前に、蓋の機械設計に関するいくつかの課題にまだ取り組む必要があります。次のアップデートも引き続きご覧いただけることを願っています！