この記事は キーボード #2 Advent Calendar 2020 の、5日目の記事です。

前の記事は、s-showさんの”自作キーボード活動2年目の振り返り”でした。
次の記事は、eswaiさんの”エンドゲームに近づいたのか?”です。

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この1年は、僕にとっての自作キーボード元年でした。
自作キーボードに出会い、キットの組み立てから始めて、ケースやキープレート、基板の製作方法を学び、自分で自分のキーボードを作れるようになった自キ活の1年目をふりかえります。
また、キーボードを作る中で偶然（？）使えるようになった総当たりマトリクスについても紹介します。

自己紹介

2020年現在、40歳代。
情報処理系の学部をゆっくり卒業してソフトウェア開発会社に就職したけど、なんだかしんどくなってやめちゃって、今は事務職。

Java、Perl、VBAあたりの開発言語はわかるけど、他はあんまり…
なので、QMKファームウェアのCは、なんとなくでやっています。
gitとかよくわかんないし、QMKのプルリクは怖くて手が出せていません。

電気・電子回路などハード面の知識はほぼゼロからのスタートで、LEDの抵抗の計算は2019年10月に初めてやりました。

自キとの出会い

大学生の頃からキーボードに興味を持ちはじめ、ヤフオクでIBM Model Mを手に入れたり、計算機室にあったX端末のキーボードに惚れ込んだりしていました。

社会人になってしばらくはSpace Saver Keyboard IIを使っていましたが、英語配列のRealforce 101が発売されると割と早めに手に入れていました。また、ソフトウェア開発会社ではHHKB Professionalを使っていました。

事務職になってからはテンキー付きのRealforce 101を愛用していましたが、長年の使用でくたびれてきたためRealforce R2 静音30gに乗り換えたところ、とても具合がよく大満足しました。
その大満足を受け、家用にも具合の良いキーボードが欲しくなり、ネットを彷徨って見つけたのが自作キーボードでした。

自キ活1年目で出来たもの

この1年の自作キーボード活動（＝自キ活）で出来たものを紹介します。

初めての自作キーボード ErgoDash, 2019年11月

市販品のErgoDox EZやKinesis Freestyleなどと比較しつつ、

• 肩にやさしく、OTAKUっぽい分離型
• 左手でYを打鍵する癖（現在は矯正済み）に対応できる7列
• エルゴノミクスを感じる配列

という要望を満たすErgoDashのキットを、初めての自作キーボードに選びました。

Mill-Maxソケットでソケット化する工夫をしたり、アンダーグローLEDを基板のおもて側につけるという定番のミスをやったりして組み立てました。
macOS Catalina上でQMKのファームウェアを書き込めないトラブルに遭遇し、ファームウェアを書き込めるまでに数日かかったのがつらかったです。

お試しで買っていたキースイッチのKailh Pro Burgundyが気に入り、東京出張の同居人を遊舎工房へ突撃させたのも良い（？）思い出です。

初めてのキット組み立てでは、自作キーボードがどういう部品で構成され、どのように組み立てるのか、またそれを動かすファームウェアについての基本的な知識を学びました。
初っ端からキースイッチの奥深さに気がついてしまい、すでにキースイッチ沼へ足を突っ込んでいました。

ErgoDash用パームレスト一体型ハイプロアクリルケース, 2019年12月

ErgoDash純正のケースだとキーキャップ下側の角に手が引っかかるのが気になったので、フレーム付きのハイプロケースを作成しました。

最初に発注したものが75%スケールだったりしましたが、図面を正しく作り直して完成しました。
ガラスエッジのアクリルケースは美しく、高さ調整式のパームレストで打鍵しやすくなりました。

ケース図面の描き方、キースイッチなどのサイズ、図面の出力は96dpiということを学び、誤発注の怖さを知りました。

SU120基板発注, 2019年12月末

ErgoDashを使い込むうちに自分用のキーボードを作りたいという思いが強くなりましたが、基板の作成が大きな壁でした。

そんなとき、過去のアドベントカレンダーからe3w2q氏の”レイアウトを試行錯誤しやすくするために作った自作キーボード用基板の開発で試行錯誤した話”という記事を見つけ、基板を作らずに自由なレイアウトが作れるSU120の存在を知りました。

「これなら基板設計なしでキーボードを作れる！」と、早速GitHubで公開されていた基板データをElecrowへ発注しましたが、一番安い発送方法のRegistered Mailにしたら到着まで1ヶ月ほど待たされてしまいました。
（2020年の春頃から、TALP KEYBOARDさんのキーボードキットで販売されるようになりました）

過去のアドベントカレンダーには先達の知識が詰まっていることを学びました。
また、財布が許す限り、可能な限り早く受け取れる発送方法を選ぶのが、製作スピードとモチベーションを維持させるために重要だと体感しました。

改造キーボード NumAtreus_Plus8, 2020年1月

遊舎工房の福袋に入っていたNumAtreusですが、どう考えても40%キーボードなんて使える気がしませんでした。
数日悩んだ末、「これならなんとかなるかも？」と、左右に1列ずつ増やす改造を加えてNumAtreus_Plus8を作成することにしました。

入門書片手に、KiCadでキープレート兼ベースプレートを設計し、サリチル酸氏の”PCBのマスクとシルクでオリジナルプレートを作ろう！”を参考に、赤い基板に首里城とシーサーのイラストをつけました。

この改造では、キーボードを低くするための構造や、Pro Microのピンの使い方とQMKファームウェアの作り方、基板設計の基礎についての知識が深まりました。
また、細かな半田付け技術が少し向上しました。

初めて自分で設計したキーボード Colice（コリス）, 2020年1月〜5月

合体構造により左手、右手とテンキーの位置をを変えられ、一体型かつ分離型で、カラムスタガなAlice風配列のキーボード、Coliceを製作しました。

合体構造の試行錯誤を重ねたり、総当たりマトリクスを採用してPro Micro1個だけで動作させたり、トップマウント構造に難儀したり…
SU120で作成したプロト版や基板チェック用の試作版を経て、製作開始から5ヶ月で完成に至りました。

キーやスタビライザーのサイズ、ケース構造、回路の設計、QMKファームウェアなど、自キ全般の知識と理解が深まり、製作に使用するKiCadやグラフィックツールなどの習熟度も上がりました。
また、試作の重要性もわかりました。

少し大袈裟ですが、利用シーンや機能、アピール性など、モノとしての企画を管理、処理していくプロジェクトの進め方についても、多少は身についた感じがします。

総当たりマトリクスを採用したキーボード Atreus RR, 2020年3月

Pro Micro1個でたくさんのキーを動作させる方法を調べていて、過去のアドベントカレンダーで”Duplex-Matrix”と”2乗マトリクス”を見つけました。

雑に動作確認して2乗マトリクスでNumAtreus_Plus8を作り直してみたところ、複数キーの同時押しでゴーストが発生して、見事に失敗しました。

2乗マトリクスで色々やっているうちに偶然（？）不具合を回避する方法を発見し、総当たりマトリクスを採用したAtreus RR（RRは”総当たり”を意味する”Round Robin”の略）が完成しました。

電気回路がちょっとわかり、QMKファームウェアで独自マトリクスを使う方法を覚え、総当たりマトリクスが使えるようになりました。

とても具合の良い60%キーボード Jones（ジョーンズ）, 2020年5月末〜現在

通常のロースタガ配列でそこそこ満足という気持ちと、もうちょっと使いやすくしたいという想いから、ロースタガとオルソリニアを組み合わせたGH60型ケース互換の60%キーボード、Jonesを作りました。

40%キーボードに数字行とカーソルなどを追加して60%ケースに入れたようなレイアウトは、コンパクトで軽快な運指が心地よく、Realforceがサブにまわってしまうくらい非常に具合の良い出来となりました。

現行プロジェクトとして少しずつバージョンアップを続けており、v.0.3ではレイアウトにJPスタイルを追加し、上下逆向きISOエンターでアピール度も高まりました。

総当たりマトリクスの採用や、ロータリーエンコーダや2音同時発音のスピーカーの搭載など、内部は今年1年で得た知識をフル動員した感じです。

Gimme! Gimme! Gimme!#Jones_kbd pic.twitter.com/frBi9FMDjq

— Takeshi Nishio (@jpskenn) October 22, 2020

キーレイアウトの試行錯誤のしかたを身に付け、Pro Microを使わずにキーボードを作る方法を学び、部品の選定や配置、製造のやり方についても知ることができ、MCUなどの表面実装部品の半田付け技術が大きく向上しました。
また、心地良い打鍵を得るためには何をどうしたらよいか考えるようになりました。

STM32F303評価ボード STMeishi, 2020年10月〜現在

大きなサイズのファームウェアを使いたくなり、STM32F303を使った名刺サイズの評価用マクロパッド、STMeishiを作りました。

電源LEDが点灯するだけで、ひとっつも動作しません。
ああああああああ…
USBブートしません。っていうかMCUが動作してるのかさえわからないです😭

失敗から何かを学ぶ予定です…

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総当たりマトリクスのご紹介

Atreus RRの製作中に偶然使えるようになった”総当たりマトリクス”を紹介します。

総当たりマトリクスとは

IKeJI氏の”キーボードのマトリクス方式の分類”で取りあげられている”2乗マトリクス”に、ゴースト回避方法を追加したマトリクス方式です。
N個のピンで、N(N-1)個のキーを使用することができます。

回路図が総当たり戦のリーグ表ような形になるため、”総当たりマトリクス”という呼称にしました。

今のところ、Pro Microを含むATMega32u4でのみ動作を確認しています。

詳しくは以前書いた記事をご覧ください。

利点

• 少ないピンで非常にたくさんのキーを使用できる
• Duplex-Matrix（N個のピンで、N^2/2個のキー）よりも使用ピン数を少なくできる

欠点

• ダイオードの使用数がちょっと増える
• 回路設計、基板配線の手間が少し増える
• QMKファームウェア整備作業が多少増える
  一般的なCOL2ROWの設定でOKなので、整備不要になりました。

ゴースト回避方法

ピンから他のピンへ向かう箇所にダイオードを挿入します。

That's it! これだけです。

マクロパッド作成例

総当たりマトリクスを使った、2行×3列で6キーのマクロパッドの作成例です。

回路設計

1. 使用するピンの数を決めます。
   この例では6キーなので、3個のピンを使用して3(3-1)=6キーを接続します。

2. ピンとピンの間にスイッチを配置します。

   	Pin1	Pin2	Pin3
   Pin1	-	SW21	SW31
   Pin2	SW12	-	SW32
   Pin3	SW13	SW23	-

3. ピンから他のピンへ向かう箇所にダイオード（D1, D5, D9）を挿入します。
   

QMKファームウェア整備

rules.mkでのカスタムマトリクス関連の指定は、不要になりました。

• rules.mk
  カスタムマトリクス関連の指定をおこないます。

  • カスタムマトリクスを使用する設定と、総当たりマトリクス方式でのマトリクススキャン方法を記述したmatrix.cを読み込む指定を追加します。

    CUSTOM_MATRIX = yes
    SRC += matrix.c
    

  • matrix.cをquantum/matrix.c（※）を改変して作成し、rules.mkと同じフォルダへ配置します。
    ここに雑なサンプルを用意しました。

    ※：Pro Micro2個の分離型は、quantum/split_common/matrix.cを改変します。

• config.h
  使用するピン数と、ピン番号を指定します。
  総当たりマトリクスでは、ROW、COLともに同じピン数、同じピン番号になります。
  DIODE_DIRECTIONは一般的なマトリクスと同じCOL2ROWを指定します。
  
  Bootmagic liteを使用する場合、ブートローダへ入るためのキーを指定しておきます。
  デフォルトではマトリクスの左上(0,0)のキーとなっているため、この作成例の回路では常に押された状態と判定されて、ずっとブートローダに入りっぱなしになってしまいます。

  #define MATRIX_ROWS 3
  #define MATRIX_COLS 3
  
  #define MATRIX_ROW_PINS { B3, B2, B6 }
  #define MATRIX_COL_PINS { B3, B2, B6 }
  
  #define DIODE_DIRECTION COL2ROW
  
  /* Bootmagic lite用 ブートローダへ入るためのキー指定
     マトリクスで0行2列の位置（＝左下）を指定する例 */
  #define BOOTMAGIC_LITE_ROW 0
  #define BOOTMAGIC_LITE_COLUMN 2
  

• keyboard.h
  回路上のマトリクスと物理的なキー配置を対応づけします。

  • 回路上のマトリクス（下半分）
    3行×3列の回路上のマトリクスのうち、スイッチを配置していない箇所はKC_NOとします。

  • 物理的なキー配置（上半分）
    回路上のマトリクスでKC_NOとなっている部分を詰めて、2行×3列に配置します。

  #define LAYOUT( \
      K12, K21, K31, \
      K13, K23, K32  \
  ) \
  { \
      { KC_NO, K21,   K31   }, \
      { K12,   KC_NO, K32   }, \
      { K13,   K23,   KC_NO } \
  }
  

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終わりに

ほぼ知識ゼロの状態からスタートした自キ活でしたが、「売ってないから、自分で作る」という、とても単純なことを本気でやった1年でした。
ColiceとJonesの製作では「これは無理かも」と思うようなときが何度もありましたが、”サンボマスター / できっこないを やらなくちゃ”を聴いて気持ちを奮い立たせ、完成に至りました。

また、これらのキーボードが作れたのは、先達の知恵のおかげです。
特に過去のアドベントカレンダーは知恵の宝庫で、読み返すたびに発見があり、何かしらの知識を与えてくれ、大変助かりました。 そんなアドベントカレンダーにぽっと出の自分が寄稿するのはおこがましい限りですが、どこかの誰かに何か届けばいいなと思っています。

さて、今後の自キ活ですが、Jonesにかなり満足してしまったので少しペースを落としつつ、Jones用オリジナルケースや分離型、STM32化などを進めていこうと思っています。
また、手の大きさ（小ささ）に合わせた、狭ピッチなキーボードも試してみたいです。

キーボードは何かをするための道具だと思っているので、具合の良い道具で楽しく快適に何かをやっていきたいです。

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この記事は、Jones(v.0.3.1)のANSIスタイルをKBDfans 5°ケースと組み合わせ、流れるレインボーを見ながら書きました。