コンピュータのキーボードの仕組み

コンピュータで最も接触する部分は、おそらく最も意識していない部分でしょう。 しかし、キーボードは驚くべきテクノロジーの一部です。 たとえば、一般的なコンピュータ システムのキーボードは、実はコンピュータそのものであることをご存知でしたか?


基本的な Windows キーボード

キーボードは、マイクロプロセッサに接続された一連のスイッチで、それぞれのスイッチの状態を監視して、その状態の変化に特定の応答を開始させるという本質的なものです。 今回の「How Stuff Works」では、このスイッチング動作について、また、キーボードの種類、コンピュータとの接続と通信方法、キーボードの構成要素について詳しく説明します。

キーボードの種類
キーボードは登場以来、レイアウトはほとんど変わっていません。 実際、最も一般的な変化は、追加機能を提供するキーを増やすという自然な進化に過ぎません。

最も一般的なキーボードは次のとおりです。

  • 101-key Enhanced keyboard
  • 104-key Windows keyboard
  • 82-key Apple standard keyboard
  • 108-key Apple Extended keyboard

ノートパソコンなどの携帯用コンピュータには標準キーボードとは若干異なるキー配置のカスタムキーボードもかなり多くあるようです。 また、標準的な配列に特殊なボタンを追加しているシステムメーカーも少なくない。 一般的なキーボードには、基本的に4種類のキーがあります。

  • タイピングキー
  • テンキー
  • ファンクションキー
  • コントロールキー

タイピングキーは、キーボードの文字キーを含む部分で、通常、タイプライターによく見られたスタイルでレイアウトされる。 このレイアウトは、最初の 6 文字を QWERTY と呼びますが、もともとはキーの配置をやや不格好にすることで、高速タイピストの速度を落とすために設計されたものです! タイプライターメーカーがこれを採用した理由は、キーを早く押し過ぎると、紙に文字を書き込む機械的なアームが一緒に詰まってしまうからだ。 しかし、QWERTY配列は長い間標準として確立されており、人々はQWERTY配列に慣れているため、メーカーも同じ配列でコンピューター用のキーボードを開発した。 QWERTY配列に批判的な人は、よく使う文字を最も使いやすい配置にするDvorakという別のレイアウトを採用している。


Apple Extended keyboardの一種。

テンキーは、先に述べたような自然な進化の一部である。 ビジネス環境でのコンピュータの使用が増えるにつれて、スピーディなデータ入力の必要性も出てきました。 データの大部分は数字なので、キーボードに17個のキーが追加された。 このキーは、一般的な加算機や電卓と同じ配列になっており、他の機械に慣れた事務員がコンピューターに移行しやすいように配慮されています。

1986年、IBMはファンクションキーとコントロールキーを追加し、基本キーボードを拡張した。 キーボードの上部に一列に並んだファンクションキーは、現在のアプリケーションまたはオペレーティングシステムによって特定のコマンドを割り当てることができた。 コントロールキーは、カーソルや画面の制御を行う。 タイピングキーとテンキーの間に逆T字型に配置された4つのキーは、ディスプレイ上のカーソルを小刻みに移動させることが可能である。 コントロールキーを使えば、ほとんどのアプリケーションで大きなジャンプをすることができる。 一般的なコントロールキーは以下の通り。

  • Home
  • End
  • Insert
  • Delete
  • Page Up
  • Page Down
  • コントロール (Ctrl)
  • 代替 (Alt)
  • エスケープ (Esc)

Windowsキーボードには、いくつかのコントロールキーが追加されています。 Windowsキーボードには、2つのWindowsキーまたはStartキー、およびアプリケーションキーが追加されています。 Apple キーボードは、Apple Mac システムに固有のものです。

キーボードの内部
キーボードのプロセッサは、キーボードの実用性にとって重要な、次のようないくつかの事柄を理解しなければなりません。

  • キー マトリックスにおけるキーの位置。
  • バウンスの量とそのフィルタリングの方法。
  • タイプミックスを送信する速度。


キーボードのマイクロプロセッサとコントローラ回路。

キーマトリックスは、キーの下にある格子状の回路です。 静電容量方式を除くすべてのキーボードでは、各回路は特定のキーの下のポイントで切断されています。 キーを押すと、回路のギャップが埋められ、微量の電流が流れます。 プロセッサーはキーマトリックスを監視し、グリッドのどの点でも導通の兆候があることを確認する。 閉じている回路を見つけると、キーマトリックス上のその回路の位置とROM内のキャラクタマップを比較する。 キャラクタマップは基本的にプロセッサの比較表で、キーマトリックス上のx,y座標にあるキーが何を表しているかを教えてくれるものである。 複数のキーが同時に押された場合、プロセッサはそのキーの組み合わせがキャラクタマップに指定されているかどうかを確認する。 たとえば、aキーを単独で押すと、小さな文字「a」がコンピュータに送信されます。 Shiftキーを押しながらaキーを押すと、プロセッサーはその組み合わせと文字マップを比較し、大文字の “A “を生成します。


キーマトリックスを見てみる。

キーボードの文字マップは、コンピュータが提供する別の文字マップに取って代わられることがあります。 これは、英語に相当する文字がない言語では、かなり頻繁に行われます。 また、文字マップを伝統的な QWERTY から DVORAK や他のカスタム バージョンに変更するユーティリティも用意されています。

キーボードは、キーボード内の回路を流れる電流に変化をもたらすスイッチに依存しています。 キーがキースイッチを回路に押し付けると、通常、バウンスと呼ばれる表面間のわずかな振動が発生します。 キーボード内のプロセッサーは、この非常に速いスイッチのオン・オフは、あなたがキーを何度も押すことによって起こるものではないと認識しています。 そのため、信号から小さな揺らぎをすべてフィルタリングし、1回のキー入力として扱います。

キーを押し続けると、プロセッサーはその文字をコンピューターに繰り返し送信したいと判断します。 これはタイペマティクスとして知られています。 このプロセスでは、文字の各インスタンス間の遅延は通常ソフトウェアで設定でき、通常1秒間に30文字(cps)からわずか2cpsの範囲となります。

キーボード技術
キーボードには、さまざまなスイッチ技術が使用されています。 キーボードでタイプする際、一般的に何らかの音や触覚の反応があることが好まれることは興味深いことです。 キーボードでタイプするときに「カチッ」という音が聞こえたり、キーを押したときにしっかりとした感触があり、すぐに元に戻るようなキーであってほしいと思うものです。 ここでは、これらの技術についてご紹介します。

  • Rubber dome mechanical
  • Capacitive non-mechanical
  • Metal contact mechanical
  • Membrane mechanical
  • Foam element mechanical


The keyboard uses rubber dome switches.

おそらく今日使用されている最も一般的なスイッチ技術はラバードームでしょう。 これらのキーボードでは、各キーは、中央が硬いカーボンで覆われた、小型で柔軟なラバー ドームの上に配置されます。 キーが押されると、キーの底にあるプランジャーがドームを押し下げます。 すると、カーボンの中心も押し下げられ、キーマトリックスの下にある硬い平らな面に押しつけられる。 キーが押されている間、カーボンセンターはマトリックスのその部分の回路を完成させます。 キーを離すと、ラバードームが元の形状に戻り、キーを元の位置まで強制的に押し上げます。

ラバードーム スイッチ キーボードは安価で、かなり良い触覚応答があり、キー マトリックスを覆うゴム層があるため、液体をこぼしたり腐食したりすることに対してかなり耐性があります。 メンブレン スイッチは、ラバー ドーム キーボードと動作が非常によく似ています。 しかし、メンブレンキーボードには独立したキーがありません。 その代わり、1枚のゴム製シートにキーごとに膨らみを持たせています。 メンブレンスイッチは、重工業用や過酷な条件下で使用される機器に多く採用されています。 触感がほとんどなく、操作が難しいため、通常のコンピューターではあまり見かけないキーボードです。

静電容量式スイッチは、他のキーボード テクノロジーのように単純に回路を完成させないので、非メカニカルとみなされます。 その代わり、電流はキー マトリックスのすべての部分を常に流れています。 各キーはバネ式で、プランジャーの底に小さな板が取り付けられています。 キーを押すと、この板はすぐ下の別の板と接近する。 2枚の板を近づけると、その時点でマトリックスに流れる電流の量に影響が出る。 プロセッサはその変化を検知し、その場所のキーが押されたと解釈する。 静電容量方式のキーボードは高価ですが、腐食の心配がなく、他のどのキーボードよりも長寿命です。 また、2つの表面が実際に接触することがないため、跳ね返りの問題もありません。

メタルコンタクトとフォームエレメントのキーボードは、以前ほど一般的ではありません。 金属接点スイッチは、プランジャの底に金属の帯があるばね仕掛けのキーを持つだけです。 キーが押されると、金属片が2つの回路部分を接続する。 フォームエレメントは、基本的に同じデザインだが、プランジャーの底と金属片の間にスポンジ状の小さなフォームがあり、より良い触感の反応を提供する。 どちらの技術も触感がよく、「カチッ」という音も満足に聞こえ、製造コストも安価である。 しかし、接点の摩耗や腐食が、他の技術を使ったキーボードよりも早いという問題がある。 また、埃や液体がキーマトリックスの回路に直接触れるのを防ぐバリアがない。

キーボードからコンピューターへ
入力中、キーボードのプロセッサーはキーマトリックスを分析し、どの文字をコンピューターに送信するかを決定しています。 プロセッサはこれらの文字を通常約16バイトの大きさのメモリのバッファに保持します。 その後、ある種の接続を介してコンピュータにデータをストリームで送信します。


PS/2タイプのキーボードコネクタです。

最も一般的なキーボード・コネクタです。

  • 5-pin DIN (Deustche Industrie Norm) connector
  • 6-pin IBM PS/2 mini-DIN connector
  • 4-pin USB (Universal Serial Bus) connector
  • internal connector (for laptop)

通常の DIN connector はもうほとんど使用されなくなりました。 ほとんどのコンピュータはミニDINのPS/2コネクタを使用しています。しかし、新しいシステムの中には、PS/2コネクタをやめてUSBを採用するものが増えてきています。 どのタイプのコネクタを使用しても、接続ケーブルを通じて2つの主要な要素が送信されます。 1つは、キーボードへの電源供給だ。 キーボードが機能するためには、わずかな電力、通常は約5ボルトが必要です。 また、ケーブルはキーボードからコンピューターにデータを送ります。

ケーブルのもう一方の端は、コンピュータのキーボード・コントローラによって監視されるポートに接続されます。 これは集積回路(IC)で、キーボードから送られてくるすべてのデータを処理し、オペレーティング・システムに転送するのが仕事です。 オペレーティング・システムがキーボードからのデータがあることを通知されると、さまざまなことが起こります。

  • キーボードデータがシステムレベルのコマンドであるかどうかを確認する。 この良い例が、WindowsコンピュータのCtrl-Alt-Deleteで、これは再起動を開始させます。
  • その後、オペレーティング システムは、キーボード データを現在のアプリケーションに渡します。
  • 現在のアプリケーションは、キーボード データをアプリケーション レベルのコマンドとして理解します。 この例として、Windowsアプリケーションでファイルメニューを開くAlt – fがあります。
  • 現在のアプリケーションはキーボードデータをアプリケーションのコンテンツとして受け入れることができます(ドキュメントの入力、URLの入力、計算の実行など何でも)、または
  • 現在のアプリケーションはキーボードデータを受け入れず、その情報を無視します。

キーボード データがシステム固有またはアプリケーション固有として識別されると、それに応じて処理されます。 本当に驚くべきことは、これらすべてが非常に迅速に行われることです。 私がこの記事を書いているとき、指がキーを押してからモニターに文字が表示されるまでの間に、知覚できるほどの時間の経過はない。 文字が表示されるまでにコンピュータが行っていることを考えると、本当にすごいことだと思います。

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