コンピューターのキーボードの仕組み

キーボードの基本

キーボードの主な機能は、入力デバイスとして機能することです。キーボードを使用すると、文書の入力、キーストロークのショートカットの使用、メニューへのアクセス、ゲームのプレイなど、さまざまなタスクを実行できます。キーボードのキーは、メーカー、設計されたオペレーティング システム、デスクトップ コンピュータに接続されているかラップトップの一部に接続されているかに応じて異なります。ただし、ほとんどの場合、これらのキーはキーキャップとも呼ばれ、どのキーボードでも同じサイズと形状です。また、キーが表す言語やアルファベットに関係なく、同様のパターンで相互に同様の距離に配置されます。

ほとんどのキーボードには 80 ～ 110 個のキーがあり、次のようなものがあります。

入力キーにはアルファベットの文字が含まれており、通常、タイプライターで使用されるのと同じパターンでレイアウトされています。伝説によると、最初の 6 文字からQWERTYとして知られるこのレイアウトは、タイプライターの金属アームがタイプするときに衝突したり詰まったりするのを防ぐのに役立ちました。この話に疑問を抱く人もいますが、それが本当かどうかは別として、コンピューターのキーボードが登場するまでに、QWERTY パターンは長い間標準でした。

キーボードでは、他のさまざまな入力キー配列も使用できます。最も広く知られているのはドヴォルザークで、その作者であるアウグスト・ドヴォルザークにちなんで名付けられました。 Dvorak レイアウトでは、すべての母音がキーボードの左側に配置され、最も一般的な子音が右側に配置されます。最も一般的に使用される文字はすべてホーム行に沿って配置されています。ホーム行は、入力を開始するときに指を置くメインの行です。 Dvorak レイアウトを好む人は、Dvorak レイアウトによりタイピング速度が向上し、疲労が軽減されると言います。他のレイアウトには、 ABCDE 、 XPeRT 、 QWERTZ 、 AZERTYなどがあります。それぞれの名前は、パターン内の最初のキーにちなんで付けられます。 QWERTZ 配列と AZERTY 配列はヨーロッパで一般的に使用されています。

テンキーパッドは、コンピュータのキーボードに最近追加されたものです。ビジネス環境でのコンピュータの使用が増加するにつれて、迅速なデータ入力の必要性も高まりました。データの大部分が数字であったため、足し算機や電卓と同じ構成で配置された 17 個のキーのセットがキーボードに追加されました。

1986 年に、IBM は基本キーボードをさらに拡張し、ファンクションキーとコントロールキーを追加しました。アプリケーションとオペレーティング システムは、特定のコマンドをファンクション キーに割り当てることができます。コントロール キーはカーソルと画面の制御を行います。入力キーとテンキーの間に逆T字形に配置された 4 つの矢印キーにより、画面上のカーソルが少しずつ移動します。

その他の一般的な制御キーには次のものがあります。

Windows キーボードには、2 つのWindowsキーまたはスタートキー、およびアプリケーションキーという追加のコントロール キーが追加されます。一方、Apple キーボードにはコマンド(「Apple」とも呼ばれる) キーがあります。 Linux ユーザー向けに開発されたキーボードには、Linux のロゴ/マスコットであるペンギンの「Tux」が付いているものなど、 の機能が備わっています。

キーボードの内部

キーボードは小型のコンピューターによく似ています。独自のプロセッサと、そのプロセッサとの間で情報をやり取りする回路が備わっています。この回路の大部分はキー マトリックスを構成します。

キー マトリクスは、キーの下にある回路のグリッドです。すべてのキーボード (次のセクションで説明する容量性モデルを除く) では、各回路が各キーの下の点で破損しています。キーを押すとスイッチが押され、回路が完成し、微量の電流が流れます。スイッチの機械的動作により、バウンスと呼ばれる振動が発生しますが、これはプロセッサーによって除去されます。キーを押し続けると、プロセッサはそれをキーを繰り返し押すことと同等であると認識します。

プロセッサは、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を読み取り専用メモリ(ROM)内の文字マップと比較します。文字マップは基本的に比較表または参照表です。これは、マトリックス内の各キーの位置と、各キーストロークまたはキーストロークの組み合わせが何を表すかをプロセッサに伝えます。たとえば、文字マップにより、 aキーを単独で押すと小文字の「a」に対応するが、 Shiftキーとaキーを一緒に押すと大文字の「A」に対応することがプロセッサに認識されます。

コンピュータは、キーボードにある文字マップを上書きして、別の文字マップを使用することもできます。これは、英語の文字が含まれるキーボード上で、英語に対応する文字が存在しない文字を使用する言語で入力している場合に便利です。また、実際のキーが QWERTY レイアウトに配置されている場合でも、Dvorak キーボードで入力しているかのようにキーストロークを解釈するようにコンピュータを設定することもできます。さらに、オペレーティング システムとアプリケーションには、障害に適応するためにキーボードの動作を変更できるキーボードアクセシビリティ設定があります。

キーボードスイッチ

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。静電容量スイッチは、他のほとんどのキーボード技術のように物理的に回路を完成させないため、非機械的であると考えられています。代わりに、キー マトリクスのすべての部分に電流が常に流れます。各キーにはバネが仕掛けられており、その底に小さなプレートが取り付けられています。キーを押すと、このプレートがその下のプレートに近づきます。 2 つのプレートが互いに近づくと、マトリックスを流れる電流の量が変化します。プロセッサは変更を検出し、その位置でのキー押下として解釈します。静電容量スイッチキーボードは高価ですが、他のキーボードよりも寿命が長いです。また、2 つの表面が実際に接触することがないため、バウンスの問題も発生しません。

キーボードで使用される他のタイプのスイッチはすべて、本質的に機械的なものです。それぞれが異なるレベルの可聴および触覚反応、つまりタイピングによって生み出される音や感覚を提供します。メカニカルキースイッチには次のようなものがあります。

ラバードームスイッチは非常に一般的です。小さくて柔軟なラバードームが使用されており、それぞれのドームには硬いカーボンセンターが付いています。キーを押すと、キーの底にあるプランジャーがドームを押し下げ、カーボン センターがキー マトリクスの下の硬くて平らな表面を押し付けます。キーが保持されている限り、カーボンセンターが回路を完成させます。キーを放すと、ラバードームが元の形状に戻り、キーが静止位置に戻ります。ラバー ドーム スイッチ キーボードは安価で、非常に優れた触感応答を備え、キー マトリクスをラバー層で覆っているため、液体の流出や腐食に対してかなり耐性があります。

メンブレンキーボードは、各キーにスイッチがあるのではなく、端から端まで伸びる連続した膜を使用します。キーを押すと、膜に印刷されたパターンによって回路が完成します。一部のメンブレン キーボードでは、キーキャップではなく、各キーの表現が印刷された平らな表面を使用しています。メンブレン キーボードは触覚反応が良好ではなく、追加の機械コンポーネントがなければ、入力時に一部の人が聞きたがるカチッという音は鳴りません。ただし、一般的には安価に作成できます。

金属接触キーボードやフォーム要素キーボードはますます一般的ではなくなりました。金属接触スイッチには、プランジャーの底部に金属片が付いたバネ仕掛けのキーが付いているだけです。キーが押されると、金属ストリップが回路の 2 つの部分を接続します。フォーム要素スイッチは基本的に同じ設計ですが、プランジャーの底部と金属ストリップの間に小さなスポンジ状のフォームがあり、より優れた触覚応答を提供します。どちらのテクノロジーも優れた触覚応答を備え、満足のいく「クリック音」が聞こえ、製造コストも安価です。問題は、他のテクノロジーを使用したキーボードよりも接点が早く磨耗したり腐食したりする傾向があることです。また、塵や液体がキー マトリクスの回路に直接接触するのを防ぐバリアもありません。

さまざまなメーカーが、これらの標準テクノロジや他のいくつかのテクノロジを使用して、従来とは異なるさまざまなキーボードを作成しています。次のセクションでは、これらの非伝統的なキーボードのいくつかを見ていきます。

非従来型キーボード

従来のキーボード設計に対する多くの変更は、キーボードをより安全に、または使いやすくすることを目的としています。たとえば、科学的研究では相反する結果が得られていますが、キーボードの使用量の増加と手根管症候群のような反復性ストレス損傷を関連付けている人もいます。人間工学に基づいたキーボードの設計は、怪我を防ぐためにタイピング中に手をより自然な位置に保つことを目的としています。これらのキーボードは確かに人々が「カマキリ」のような姿勢で手を握るのを防ぐことができますが、実際に怪我を防ぐかどうかについては研究で意見が分かれています。

最も単純な人間工学に基づいたキーボードは、中央で分割された従来のキーボードのように見え、人の手をより遠くに離し、手首と前腕を揃えます。より複雑な設計では、キーボードの 2 つの半分が互いに、またキーボードが置かれている表面に対してさまざまな角度で配置されます。さらに、キーボードの 2 つの半分を椅子の肘掛けの上に置いたり、机の表面に対して完全に垂直にしたりするものもあります。のような他のものは、キーボードにまったく似ていません。

一部の変更は、必ずしも人間工学に基づいたものではありませんが、キーボードをより持ち運びやすく、より多用途に、または単にクールにするために設計されています。

独自の感知システムを備えた仮想レーザー キーボードを除き、これらのキーボードはそれぞれ、従来のモデルと同じ種類のテクノロジを使用してコンピュータと通信します。次にそのテクノロジーについて見ていきます。

キーボードからコンピュータへ

入力すると、キーボードのプロセッサがキー マトリクスを分析し、どの文字をコンピュータに送信するかを決定します。これらの文字をメモリバッファに保持してから、データを送信します。

多くのキーボードは、PS/2 またはUSB (ユニバーサル シリアル バス)コネクタを備えたケーブルを介してコンピュータに接続します。ラップトップは内部コネクタを使用します。どのタイプのコネクタが使用されるかに関係なく、ケーブルはキーボードに電力を伝送し、キーボードからコンピュータに信号を伝送する必要があります。

一方、ワイヤレス キーボードは、赤外線(IR)、無線周波数(RF)、またはBluetooth接続を介してコンピューターに接続します。 IR および RF 接続は、リモコンにあるものと似ています。使用する信号の種類に関係なく、ワイヤレス キーボードはコンピュータと通信するために、内蔵または USB ポートに接続されたレシーバを必要とします。ワイヤレス キーボードはコンピュータに物理的に接続されていないため、AC 電源接続があるか、電源としてバッテリーを使用します。

ケーブル経由かワイヤレス経由かに関係なく、キーボードからの信号はコンピューターのキーボード コントローラーによって監視されます。これは、キーボードからの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集積回路 (IC) です。オペレーティング システム(OS) は、キーボードからのデータがあることを通知されると、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します。この良い例は、Windows コンピュータでCtrl + Alt + Delete キーを押すと、システムが再起動されます。次に、OS 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。

アプリケーションは、キーボード データが Windows アプリケーションで [ファイル] メニューを開くAlt + fなどのコマンドであるかどうかを判断します。データがコマンドでない場合、アプリケーションはそれをcontentとして受け入れます。これには、ドキュメントの入力から URL の入力、計算の実行まで、あらゆるものが含まれます。現在のアプリケーションがキーボード データを受け入れない場合、その情報は単に無視されます。キーを押してからアプリケーションにコンテンツを入力するまでのこのプロセス全体は、ほぼ瞬時に行われます。

コンピューターとキーボードの詳細については、以下のリンクをご覧ください。