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Corne Chocolateを組み立ててわかったビルドガイドに書いてないけど抑えておきたいこと

2020/12/14に公開
自作キーボード
crkbd
electronicwork
tech

概要

先日、自作キーボードの一種類であるCorne Chocolateを組み立てた。組み立ては基本的にビルドガイドに従ったのだが、ビルドガイドには書かれてないビルド時に知っておいたほうが良いこと数点に気が付いたのでこの記事にまとめておく。

対象読者は自作キーボード初心者、および電子工作初心者。

前提

Corne Chocolateはcrkbd=CoRone KeyBoaRDと称するfoostanさんが企画・設計している自作キーボードの1バリエーションである。crkbdには現行でCherry, Light, Chocolateのバリエーションがあり、Corne ChocolateはKailh Choco V1という背の低いキースイッチ(=ロープロファイル)を利用したモデルとなる。ちなみに他のバリエーションであるが、Cherryは一般的なCherry MXスイッチおよびその互換スイッチ用に作られたもので、Lightは他2バリエーションがPCBソケット(スイッチ用)を採用したのに対して直付けで工作難度を下げたもの、という位置付けのようである。

私の自作キーボード組み立て歴はErgoDashに次いでCorne Chocolateが2台目だった。また過去に自己流ながら電子工作を嗜んでおり、おおよその道具はErgoDash以前にすでに揃っていた。今回Corne Chocolateを組み立てるにあたり、キット一式やキーキャップと交換用のスイッチをKochi Keyboardさんで購入した(購入アイテム一覧)。購入時点で他店舗より若干安かったことと、なによりも気になった25gという重さのKail Choco V1スイッチもまとめて取り扱ってたことが決め手となった。

道具

以下に必須、もしくは推奨と思われる道具を列挙する。

  • 温度設定のできるハンダゴテ(例: HAKKO FX-600)
    • 今回は320℃設定で利用した
  • 1C型と呼ばれるコテ先(例: HAKKO T18-CF1)
    • 1は幅が1mmであることを示す
    • C型は小手先が斜めにカットされたモデル
    • Fオプションはカット面にだけハンダが付く。小さい部品にハンダを乗せやすく電子工作向き
  • コテ台および小手先クリーナー (例: HAKKO 633-01)
  • 鉛入りの0.8mm～1mmのヤニ入り線ハンダ
    • 環境に配慮したら鉛フリーのほうが良いのだが、ハンダ付け初心者には難しすぎる
    • ヤニ=フラックス: ハンダ付けという物理現象に必須。また煙がでることで過加熱の判定にも
  • テスター: 通電確認ができればなんでも良い。抵抗で音程が変わるタイプだとLEDの接続確認に使えるかも
  • リカバリに必須
    • 無洗浄タイプフラックス: 初心者にはこっちのがありがたい (例: サンハヤト HB-L15F)
      • 無洗浄で良いとは言え、つけっぱなしだとベタベタするので、気になる場合はクリーナーで落とすと良い。自分は自宅に置いてあった無水エタノールを用いた
    • ハンダ吸い取り線: 細かい吸い取りに向くが、使い方がムズイ。というかいまだにうまく吸うコツがわからない…
    • ハンダ吸い取り機: 俗に言うスッポン。強力だが細かい吸い取りには向かず、稀に基板からパターンを吸い剥がしてしまうこともある
    • 極細電線: ジュンフロン線みたいなの
    • ラジオペンチ
    • ニッパー
  • 逆作用ピンセット (例: goot TS-16)
    • ダイオードやLED(Underglow用)の位置決めとハンダ付けに便利
    • 部品を熱から守るヒートスプレッダとしての役割も期待できる
  • わし口ピンセット (例: goot TS-15)
    • LED(Backlight用)の設置に役立った
  • ドラフティング(もしくはマスキング)テープ
    • 左右面の判別に
    • OLEDコネクタ、TRRSジャック、リセットスイッチ等の部品の仮止めに
    • LED(Backlight用)の穴を表側からふさいで落下防止に
  • ゴーグルタイプのルーペ: 立体視で拡大できることと、簡単に外せる(持ち上げられる)ことが重要
  • 基板を固定・安定させる方法
    • 私はカッターマットの上に木製の定規をドラフティングテープで固定してそれに基板を押し当てる形で固定した

以下はビルドガイドに沿って、場合によって引用しつつ主にコメントしていく形式で進めていく。

事前準備 編

原文リンク

初心者にとって、まず初めにファームウェアのビルドをする選択肢はない。リンク先の記事からfoostanさんの提供しているデフォルトファームをダウンロードしておくのが無難。

デフォルトファームの最新版はこのURL https://github.com/foostan/qmk_firmware-hex/releases/latest で飛んだ先のcrkbd_*.hexである。

実装 編

原文リンク

Corne Chocolateの左右の基板=PCBは共通のもので、どちらの面に部品を実装するかで左右が決まる。これをリバーシブルと表現している。

Corne Chocolateはハンダ付けする面が完全に片方の面、すなわち裏側に限られる。部品も数点を除いて残りは全て裏側に付く。そのため間違えてハンダ付けしないために最初に表と決めたほうにドラフティングテープを貼った(それでも1か所間違えたがw)。またテープ上にLとRを書いて左右の区別を付くようにした。

ダイオード

原文リンク

チップダイオードにはカソード側=▶|の|側を示すのに一般的には縦線が印刷されている。私が使ったものの印刷はレーザー刻印であるらしくエンボスとなっていた。そのためチップの真上から明かりを当てるとエンボスの影ができず判別できなかった。なので斜め上から明かりを当てて影を作るのを意識することで、格段に視認性が上がった。

ハンダ付けの手順は、まずコテ先にハンダを当て溶かし自然な張力を形成する程度に溶かしつける。CF1のコテ先ならばカット面にしかハンダが付かないのでちょうどよい量になる。その溶けたハンダをアノード側のランド側に触れさせるとハンダがランド側に移り、数秒で馴染むのでコテ先を外す。コテ先を外すときはカット面をランドの端に押し付けつつ引くと、ランド側にハンダが綺麗に残りやすい。

ダイオードを取り付ける時は、逆作用ピンセットで持ったダイオードを前述でランド上に盛ったハンダの横=カソード側で持ったまま待機する。その状態でハンダにコテを当て、溶けたタイミングでダイオードを横に滑らせるように差し入れて位置を調整する。数秒でダイオード側の電極にハンダが馴染むのでそのタイミングでコテを引き抜く。溶けたハンダから熱が伝わるので、ダイオードの電極に直接コテ先を充てる必要はない。

こうして1枚の基板に全部のダイオードのアノード側だけをハンダ付けしてしまう。次にダイオードのカソード側電極のハンダ付けをする。先ほどと同様にコテ先に溶かしたハンダ滴を電極とランドの間に触れさせ数秒で馴染むのでコテ先を離す。

TRRSジャック、リセットスイッチ、ピンソケット

原文リンク

部品は表側に配置しハンダ付けは裏側で行う。 筆者は一敗してリカバリーにかなりの時間を取られた。

TRRSジャックとピンソケットはテープで仮止めしたほうが良い。リセットスイッチは基板に差し込んだ時点で安定するのでテープによる仮止めは必須ではない。

コテ先のカット面をランドとピンへ同時に当て、少し温めてからカット面にハンダを押し当て必要なだけ流し込む。ピンを中心になだらかな富士山ができるくらいが適量。

1か所ハンダ付けした時点で傾きなどないか確認する。仮にズレていてもこの時点までなら調整は楽。2か所以上付けてからの修正は地獄となるで慎重に(一敗)

OLEDモジュールのためのジャンパ

表側にハンダでジャンパ=隣接したランドをショートさせる。このあとこのジャンパ用ランドの上にProMicroが設置され隠れてしまうのでこのタイミングでやる必要がある。

隣接したランドの中間にカット面を置き、そこに若干多めのハンダを当て溶かし滴を両ランドに触れさせる。ハンダがブリッジして数秒でランドに馴染んだらコテ先を引く。ハンダがブリッジしない場合はランドのハンダにフラックスを塗って、隙間にコテ先のカット面を当てハンダを増やすとうまくいきやすい。

ProMicro

スプリングヘッダ(コンスルー)は人権。コンスルーを使えば基板側のハンダ付けが不要になり、ProMicro側だけで済む。ErgoDashを組み立てた時はそのことに気が付かず両方ともハンダ付けしてしまった。

コンスルーには推奨される取り付け方向がある。要約すると、小さな窓があるほうをProMicroに指す。また窓の向く方向は同じ方向に揃える。

ProMicroの取り付け場所に気を付けること。基板の表側からみて白い枠で囲ってある方に取り付ける。ここで間違えると「USBに刺した左側は動くがTRRSケーブルで繋がった右側はProMicroのLEDが点くが機能しない」ということになるらしい。らしいとしたのは、最初にハマった原因がソレであるという状況証拠はあるのだが、確定診断まではしていないので。

OLEDモジュール

必ずPicoMicroとOLEDモジュールを基板に取り付けた状態で作業する。OLEDの保護シートはまだ剥がさない。最後でアクリルプレートを乗せる直前まで剥がさない。

先のコネクタと同様、1つのピンだけハンダ付けした時点で取り付け位置を確認・調整する。GNDはハンダの吸い取り量が多い気がしたので、反対側のピンからハンダ付けするほうが良いかもしれない。自分はなんとなくGNDから付ける癖がある。

動作確認

原文リンク

QMK Toolboxを使って先にダウンロードしたファームを両側のProMicroに片側ずつ合計2回書き込む。

書き込み方はこの文章が詳しい。手順を要約すると:

  1. QMK Toolboxをダウンロード&インストールする
  2. QMK Toolboxを起動する。初回起動では必要なツールセットを自動インストールしてくれる(これが必須かはわからないが私は何も考えずにインストールした。してしまった)
  3. .hexファイルをQMK Toolboxにドラッグ&ドロップ。Local fileのところでなくても良いようだが、不安ならOpenボタンからファイルを選択する
  4. Auto-Flash にチェックを入れる
  5. USBケーブルをProMicroに接続する(OSがUSBの認識処理を終えるまで待つ)
  6. 基板上の先ほど取り付けたリセットスイッチを押す
  7. 自動Flashが始まり、書き込み終了までしばらく待つ
    • リセットボタンを押すとProMicroが書き込み用のシリアルポートとして再認識される
    • ファームの書き込みが終わるとシリアルポートがアンマウントされる(らしい)
  8. 書き込み完了。もう片方が未完了ならばそちらで手順5から再度実施する

ファームを書いた後にすぐにテストするのではなく一度抜いて指し直したほうが無難。正しく機能しているとOLEDモジュールに、左側はメッセージと押したキーの情報、右側にCorneのロゴが表示される。


(原文より抜粋)

テストはQMK Configuratorを使えば良い。リンク先のTEST KEYBOARDSボタン(画面幅が小さいとアイコンだけの表示になることに注意)を押すとテスト画面に切り替わる。このリンクにはcrkbdのデフォルトファームのデフォルト配列が表示されるのでテストの際に活用できる。

キーの押下テストは「わし口ピンセット」でキーのランドをショートさせることで行える。導通テスターでショートさせるのはテストするキーや極性によっては誤動作を引き起こすのでオススメできない。この時点で反応しないキーがある場合はダイオードのハンダ付け不良である可能性が高い。

右側のキーボードはTRRSケーブル経由で接続すれば右側のキーボードとして動作するが、直接右側をUSBに接続した場合は左側のキー配列が左右反転したものとして動作する。TRRSケーブル経由では機能しないが直接USBに繋げば動く場合はPicoMicroを刺す場所の間違いを疑うと良さそう。

LED(オプション) 編

原文リンク

正直な話、LEDを付けるのには地獄の作業が待っている。もしも速くCorne Chocolateを使いたいというだけならばこの工程はスキップできるし、あとからも実装できる(しやすいとは言っていない)しスキップするべき。だがこのキーボードを組み立てる最大の醍醐味はココにあると言ってよいので、あの完成時の異様な達成感を考えるとやはりやっておいたほうが良い。

LEDのチップは一種類なのだが用途としてはUnderglow用の片側6個(両側12個)とBacklight用の片側21個(両側42個)に分かれている。よって本記事では必要な場合「Underglow用」もしくは「Backlight用」とだけ表記する場合がある。

ハンダ付けの難度はUnderflow用が超難関。Backlight用は相対的に超平易になってしまうが、1個当たり4箇所のハンダ付けが必要でとにかく数が多く精神がすり減る。

オススメは1個ずつハンダ付けしてはテストしてを繰り返すこと。テストはデフォルトファームを書き込んだ状態でUSB接続して光るかどうか。光らない場合はそのLEDのハンダ付けに問題があるか、LED自体が壊れているかを疑う。通常は赤く光るのだが、タイミングによっては別の色で光ることがある。その場合は何度かUSB接続することで赤く光るようになる。何度接続し直しても赤くならない場合は、その直前のLEDかそのハンダ付けに何かしらの問題があると疑う。

SK6812MINI (LED)

まず最初にこのキーボードに使われるSK6812MINIというLEDのことを書いておく。SK6812は通常のLEDのように電源とアースの2ピンに加え、色や明るさ制御の信号を受け取るDINと、制御信号を数珠繋ぎして別のSK6812MINIに伝えるためのDOUTの合計4ピンで構成される。ピンアサインは基板上のシルク目印が電源でその対角がアース、電源と同じ並びがDINでその対角がDOUTとなっている。つまりn番のLEDのDOUTがn+1番のLEDのDINにつながることで、全部のLEDの状態を制御している。この情報はテスターでテストする際と、リカバリーで別のチップにショートカットする際に重要となる。


(SK6812MINIのピンアサイン、スイッチサイエンスより引用)

原文にあるとおりこのLEDは熱に弱い。どうやらチップ内に色制御のためのマイコンが入っているらしく、それにより通常のLEDよりも熱に弱くなっているようだ。とはいえ320℃設定のコテでハンダ付けしていて熱で壊したものは1つもないのでそこまでナイーブになることもなさそうだ。しかしハンダ付けミスからのリカバリーにおいて熱しすぎれば破損することは想像に難くない。

またこのLEDは物理的な力に弱い。Backlight用を設置場所にハメた際に「片側が若干浮いてるかな?」と感じ修正しようと指で軽く押し込んだら割れた。逆にコレを利用してハンダ付けミスをした際にコテで熱して取り外すのではなく、ニッパーなどで慎重にLEDを破砕するという手段が取れる。基板のパターンにダメージを与えないよう相当に気を使うが、コテと吸い取り線で長時間かけて、挙句の果てにパターン破損となるよりは遥かにダメージが少ない。コツとしては角から切り落として、少しずつ削ぐように接点へ向けて切り落とすが、接点とその上1層くらいを残し、そこでコテで熱して接点とランドを繋ぐハンダを溶かして取り除く。

なおこのLEDは秋月電子で5個100円で売られているので、実際に壊して予備ですら足りなくなった人や、壊しそうなで不安な人は買えば良いだろう。

Underflow用LEDの設置

このキーボード組み立ての最大の難易度はこのUnderflow用LED6個の設置によるものである。しかもコレが原文にある通りディージィーチェーンされたLED設置の最初にあることで、ここでコケると他のBacklight用も含めたすべてのLEDが点灯しなくなってしまう。ゆえに仮にパターン剥がしのようなミスをしても、それにショートカットを施してでもリカバリーする価値がある。

ハンダ付けの初手はダイオードでやったのとほとんど変わりがない。シルク目印にハンダを微量だけ盛り、横にLEDを準備してハンダを溶かしたところに滑り込ませて位置決めする。
左右の位置決めだけではく上下の位置決めにも気を付ける必要がある。LEDの接点のサイズが小さいためほんの少しのズレでも他のピンがハンダ付けできないという事態になりうる(というかなった)。またBacklight用の切り欠き窓と隣接しているUnderglowは4/6個あるのだが、取り付け位置が窓寄りであるとBacklight設置時に干渉して取り付けにくくなってしまう。

残り3ヶ所のハンダ付けは、コテ先にハンダ滴を作りそれをランドとLEDの隙間…というか横腹の底の0.1mmに伝わらせる感じになる。そのまま数秒、馴染んだらコテを引く。結果的に電源、アース、DOUT、DINの順でハンダ付けしたが、熱対策のため電源のあとに基板 を反転して一呼吸、DOUTの後に基板を反転させて一呼吸と置くようにした。

ハンダ付けが済んだらテスターで導通試験をする。私は抵抗は異なったものの全部のピンの組み合わせでテストしたが、後になって考えてみれば意味のあるテストとしては、電源とDOUT、DINとDOUT、DOUTとGNDの3つの組み合わせだけで良かったかもしれない。なおこのテスト方法はn+1番のLEDを繋げてしまうと通用しなくなるはず。

テスターでの導通試験が済んだら先に書いた通りUSBに接続して光ることを確認する。

どこか駄目だったらハンダをよく確認し、不審な箇所を見つけたらフラックスを塗って温め溶かし直して場合によってはハンダを継ぎ足し浸透を祈る。それも駄目ならLEDを取り外して交換することを考える。

Backlight用のLEDの設置

熱に弱いLEDの設置であるためまだまだ気は抜けないが、Underglow用を乗り越えた猛者にはボーナスタイムといってよい。ただボーナスにしてはハンダ付け箇所が42個x4か所の合計168箇所ととにかく量が多いのは解せないが、テンションを高めて行くのが良い。

LEDの設置前に、設置用の穴に表側からドラフティングテープなどを貼っとくと良い。LEDを穴に設置する際に、ふとした角度が悪いと穴にハマらず落ちる。そうなってしまうとLEDを拾うのがとても面倒くさいので、あらかじめ穴の底を塞ぐことで対処する。なおLEDをわし口ピンセットgoot TS-15で上下を挟んだまま穴に差し込むとピッタリと入った。

ハンダ付けではコテ先のカット面をランドに垂直に当て徐々にハンダを流し液体を溜める。ハンダ液の量が十分になったら徐々にカット面を下に向けつつハンダ液をLED側に押し出しLEDのピンへブリッジさせる。この時LEDが浮かないよう、わし口ピンセットの片方のピンをLEDの上に置いて浮き上がるのを防止する。置き場所はLEDの真ん中よりもハンダ付けしているピンとは反対側に少しずらしたところ。誤ってピンセットにハンダが付くのを防ぐ目的である。LEDのピンにブリッジしたハンダが熱で馴染んだらコテを引く。

ここまでくればピンセットはどかし、残り3ヶ所を同様にハンダブリッジしていく。間をおいてハンダ付けすること、導通試験すること、USB接続で正しく光ることを確認するのはUnderglow用と全く一緒。リカバリー時は吸い取り線を使うのが良いだろうが、コテ先で少しずつすくっていく取り除く方法もある。

パターン破壊からのリカバリ

LEDのハンダ付けミスからパターンを破壊して、あるLEDのランドを破壊したとしても諦めるのはまだ早い。先に説明した信号線の意味を理解していれば、ジュンフロン線などの細い電線をLEDのピンにハンダ付けして基板上の回路をなぞってやれば大概は回復できる。たとえば電源ピンやアース用のランドが剥げたのなら近場の別のLEDの同じランドからとれば良い。DINが剥げたら1つ前のLEDのDOUTと繋ぐし、DOUTが剥げたのならば1つ先のLEDのDINに繋ぐ。

LEDのピンへ細い電線をうまくハンダ付けできない? ならばいっそそのLEDは諦めてスキップしよう。1つ前のLEDのDOUTを1つ先のLEDのバイパスすればだいたい正しく光る。こちらは生きてるランド同士のバイパスになるのでハンダ付けはLEDに直よりも容易だ。ただ配線だけは他のパーツやランドと干渉しないように注意したい。

私はこの写真のようにパターンを壊した6番をスキップして、5番のDOUTと7番のDINを接続した。こうした粘りによりBacklight側が全灯点灯した際の達成感には得も言われぬものがある。

Kailh PCBソケット 編

原文リンク

原文にあるとおり盛るハンダは多めが良い。両方のランドに同じ程度のハンダを盛る。普通のハンダ付けが富士山ならばこちらはふっくらしたエアーズロックくらいで良い。しかしあまりに盛りすぎるとソケットの凸部が基板の穴から完全に浮いてしまい位置決めが非常に困難になるので、その凸部の高さを超えないくらいに調整するのが良いだろう。

ハンダ付けは片方ずつ行う。端子の底にコテ先のカット面を水平に押し当てて、しばらくするとハンダが溶けて端子は沈み、溶けたハンダが端子の横にはみ出してくる。そうなったらコテの先端を端子に付けたまま、カット面を端子から起こしつつさらに熱するとはみ出したハンダが端子内部に吸われてなくなる。この時、逆作用ピンセットの腹でソケットのハンダ付けしている側をソケットが左右へ傾かないように軽く押さえつけると良い。

反対側の端子も同様の手順でハンダ付けする。そのあとは最初にハンダ付けした端子を温めてハンダを溶かしソケットにかかった応力を抜きつつ傾きが無いように調整する。最後にもう一度反対側の端子のハンダを溶かし応力抜きと傾きの修正を行う。

数は多いが意外と簡単でラストスパートという感じで気持ちが昂るはず。

プレート、スイッチ 編

原文リンク

なおプレートの側面を黒のマジックで塗りつぶすと見栄えが良くなるのでおすすめです。

これをやる場合、プレート類を取り付ける前にやるのが吉。トッププレート、ボトムプレート、基板、ProMicro、そしてOLEDモジュールの側面もしっかり塗れる。私はマッキーで塗ったのだが塗り過ぎると側面を持った際に色落ちし指が汚れる。その場合はティッシュやウェス(布)で良く拭くことで緩和できたが、塗ってからまだ24時間程度では色落ちが収まっていない。

プレートの取り付け順序はOLED保護プレート、ボトムプレート、そしてトップフレームおよびスイッチとなる。

トッププレートと基板の間には隙間が要る。この隙間はスイッチがトッププレートに爪で引っかかることで作られる。しかしスイッチの取り付け時にはトッププレートと基板を押し付けることになってしまうので、結果この隙間がなくなりスイッチの取り付けが不全となることがある。全てのスイッチをトッププレートに先に付けてから、トッププレートごと全部のスイッチを基板に差し込む方法も考えられるがこれはこれでなかなか難易度が高い。

妥協案として上列の左右端と凸部の3つ、下列の左右端と凸部の3つ、合計6か所のスイッチをトッププレートに付けてから基板に差し込む方法が良さそう。トッププレートをねじ止めした後、外延部から1つ1つスイッチを取り付けて行くが、その際にトッププレートと基板の隙間を確保するために、取り付け位置の側にマイナスドライバーなどを差し込んで隙間が無くならないようにする。仮に差し込まずにスイッチを取り付けて隙間が維持できないと、取り付けたスイッチの隣のものが浮き上がるということになる。

スイッチは取り付け時に端子が曲がってないか確認し、曲がっていたらラジオペンチで矯正する。また取り付け時は端子が垂直にソケットに入るように気を使う。でないと端子がソケットの横にひっかかり、降り曲がって接触不良ということになりかねない。というか私はなった。

そして最後にキーキャップを取り付けて完成となる。

終わり

組み立て、特にLEDの取り付けには大変な困難が伴うが完成時の感動はとてもとても大きなものなので、知恵と根気を振り絞り頑張ってCorne Chocolateをさせて欲しい。なお組み立て終わってからキーマップのカスタマイズという長い闘いが始まることは、完成時のひと時だけは忘れて良いだろう。

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