ホール効果キーボードを支える技術

ホール効果キーボードが押下距離を検出できる仕組み

現在広く使われているホール効果スイッチの多くは、スイッチのステム中央に磁石を配置しています。当社のキーボードとキットは、このタイプのスイッチに対応しています。

キーを押すとスイッチのステムが下がり、磁石とPCB上のホールセンサーとの距離が変化します。それに伴って磁界の強さが変わり、ホールセンサーがそれを検出して電圧の変化として出力します。ADC（アナログ・デジタル変換器）が電圧をデジタル信号に変換し、キーボードのMCU（マイクロコントローラー）が一連の計算を行って押下距離を求めます。これにより、キーの押下とリリースを検出できます。

キーを押すと、スイッチのステム内にある磁石が上下に動く

ホールセンサーが磁界の強さの変化を検出し、変化する電圧信号を出力する

ADCが電圧をデジタル信号に変換する

MCUが押下距離を計算し、キーの状態変化をコンピューターに送信する

中央に磁石があるホール効果スイッチで高精度を実現する難しさ

磁界の強さと距離の関係は直線的ではありません。キーが押されていない状態に近いほど、距離が変わったときの磁界の変化は小さくなり、底打ちに近いほど大きくなります。

この特性により、押下距離と出力電圧の関係も直線的ではありません。

TMRセンサーを含む市販のホールセンサーは、いずれも磁界の強さに応じて直線的に電圧を出力します。

そのため、出力電圧と押下距離の関係をできるだけ直線に近づける方法が必要です。これが、ホール効果キーボードで高精度を実現するうえでの中心的な課題です。

電源、センサー、ADCなど、完全な電子部品はありません。いずれにも固有のノイズや誤差があります。押下距離が0.00mmから0.01mmに変化したときに相当する電圧変化（1ミリボルトの何分の一か）は、センサーのノイズレベル¹や、MCUに一般的に内蔵される12ビットADCの分解能の限界²よりもすでに小さいものです。

つまり、安定して0.01mmの分解能を得るには、ごく小さな電圧変化を確実に検出するためのさまざまな工夫が必要です。最終的な変動幅を、0.00mmと0.01mmに相当する電圧差の半分未満に抑えなければ、ノイズによってキーが連続してトリガーされてしまいます。

^[1] 市販センサーの一部で公表されているマイクロボルトレベルのノイズ仕様は、センサー内部のノイズを指します。実際の出力ノイズは通常ミリボルトレベルです。

^[2] たとえば、基準電圧3.3Vの12ビットADCが理想的な条件で分解できる電圧変化は、最大でも0.8mVです。