2014年12月26日金曜日

新キーボード プロジェクト? - NISSEをアメリカへ

We are now accepting orders for the Esrille New Keyboard − NISSE from the United States. The following is the story to make sure that NISSE is in compliance with the FCC rules as a Class B peripheral device.

※ 今回専門的な内容が多いので、より正確な詳細については『詳解 EMC工学』(東京電機大学出版局, 2013)などをご参考になさってください。



前回から半年近くぶりのブログです。今回はNISSEの完成品をアメリカ向けに届けられるようにするまでのお話です。

NISSEは受注開始前から海外の方からもお問い合わせを頂くことがあったのですが、デジタル電子機器の販売や輸出は多くの国でなんらかの制限があり、単に海外へ送れば良いというわけにはいかないところがあります。

アメリカでデジタル電子機器を販売する場合には、ほとんどの場合その機器がテレビやラジオの受信を妨害したりすることがないことを事前に測定しておく必要があります。昔はパソコンの電源を入れるとラジオからピーっとノイズが聞こえてくるようなことがよくありましたが、そういうことが起きないように規制がなされているのです。

そういった規制を監督しているのが連邦通信委員会(FCC)で、メーカーは製品がFCCのルールに適合していることを事前に確認して、製品にFCCロゴをつけた(あるいは表示できるようにした)上で、はじめて販売を開始することができるような枠組みになっています。

Makersムーブメントの流れのなかで、アメリカではこの規制がMakersにとってひとつのハードルになっていて、sparkfunの記事でもまとめられています。電磁妨害(EMI)の測定には1,000ドル程度かかるので、小さなMakerがごく少数のガジェットを販売する際にはコスト面での負担も意外と大きなものになります。試作品で測定結果に問題があれば、試作品を作りなおして再測定する必要があり、また1,000ドルかかってしまうためです。

パソコンのキーボードのような周辺機器もFCCの規制対象になります。これを日本からアメリカに輸出する場合、一義的には FCCの規制に適合していることに責任をもつのは輸入者ということになっていますが、EMIの測定結果についてはメーカーから提示したものを頼って良いことになっています。

そこで今回はEMIの測定をエスリルで行っておくことにしました。日本はアメリカと相互承認協定(MRA)に合意していて、2008年からFCCの認定した日本国内の測定サイトで試験を行えば、その結果をもってFCCのルールに適合していることを証明するデータとして使えるようになっています(認定済みのサイトはFCCのTCB Searchで検索できます)。

事前試験


電波暗室でEMIを測定する場合にはそれなりの費用は発生するので、まずは事前に簡単に測定を行って、基本的な問題がないことを確認しておきました。測定時にはスペクトラムアナライザがあればベストなのですが、今回は当初は、RTL2832U+R820TドングルとRTLSDR-Scannerの組み合わせを使って測定していました。1回の測定に分単位の時間がかかるという点以外は、特に問題なく使えます。その後、多少高くなりますが(それでもスペアナとしては非常に安価)、EMCの専門家の方も"a great EMC troubleshooting tool"と紹介されているRF Explorer 3G Comboを利用しています。RF Explorereはずっと高速に測定ができるので、測定点数が多くなってきた時にはよい選択肢かと思います。

最初に測定しておいたのは、制御基板のマイコンやクロック周辺の近傍界です。

近傍界の測定
近傍界の測定プローブは、同軸ケーブルでループを作ってハンダ付けをした自家製のプローブを使うことができます。これをRTLSDR-Scannerで測定すると下図のような結果を得ることができます。

近傍界の測定結果

この結果では、USBマイコンが作っている96MHzのクロックとその高調波などが見られます。クロックなどのノイズは必ずあるものなので、それをどのように抑えるかという点については、Intelから "EMI Design Guidelines for USB Components" といった資料も公開されています。

自作のプローブを使った場合、絶対値として正確な測定はできないので、FCCロゴ付きの他の機器の基板も同時に測定して比較することによって、 NISSEが他の機器と比べて良いのか悪いのか(≒FCCで問題なさそうかどうか)を判断するようにしました。FCCロゴ付きの他社の機器からNISSEよりも大きなノイズが出ているのを発見したときには、すこし安心できたのでした(笑)。

また『詳解 EMC工学』で勧められている通り、ケーブルからの放射をテスト機材のすべてについて事前にテストしておきました。測定に使う簡易的な電流プローブも、フェライトコアなどを使って自作することができます。

ケーブルのコモンモード電流の測定

ケーブルからの放射につていは、自分たちのデジタル機器だけでなく、本試験の時に使用するパソコンや周辺機器を接続しているすべてのケーブルについて測定しておきます。

予備試験


事前試験でさまざまな機器のデータが揃ってくると、事前試験を終えた後でそのまま本試験に進むことも考えられると思うのですが、今回は本試験の前に電波暗室でも予備試験を行っておくことにしました。

本試験はFCCの認定した測定サイトでなければ認められていないこともあり、費用的には高くなりますが、地方公共団体の保有している電波暗室や、未認定の電波暗室を利用すると比較的安く予備的な試験を行えます(地方公共団体によっては認定済の測定サイトを非常に安価に利用できるにしている地方もあるようです)。

NISSEも京都府の電波暗室で2回予備試験を行いました。

EMI予備試験風景

1回目はNISSE自体に問題がないかどうかの確認が主目的だったこともあり、パソコン等の機材は日本製のVCCIロゴのみでFCCロゴはない機材で行ったのですが、これは失敗でした。NISSE自体に問題はないことは確認できたものの、同時に持っていっていた別の周辺機器がFCCの規制値を超えてしまっていて、本番試験の手順では試験できなかったのです。(本番試験はANSI C63.4にしたがって、キーボードとマウスの他にさらに2種類の異なるI/Oプロトコルの機器が同時に接続されている状態で試験をしています。)

結局2回目の予備試験はNISSEの試験というよりも、FCCの基準値をオーバーしない、FCCロゴ付きのパソコンと周辺機器の組み合わせを見つけ出すというミッションになりました。EMCサイトによってはパソコン等の機材を貸し出して下さるサイトもあるようなので、そういったサイトを利用するのもひとつの手かもしれません。

EMI予備試験結果

今回は、2回目の予備試験でNISSEとFCCロゴ付きのパソコンと周辺機器を組み合わせた構成でFCCの基準値を越えないことを無事に確認することができました。近傍界の測定結果と比べてもわかるように、ほとんどのノイズはNISSEではなく、パソコンやその他の周辺機器から出ているものになります。テスト機材の選定に意外と苦労されているというお話はEMCのご専門の方からも聞くことがあります。このあたりもEMCサイトの方に事前にご相談しておくと良い部分かもしれません。

本番試験


事前試験に加えて電波暗室での予備試験も行っていたこともあって、今回本番試験は無事に1回で終えることができました。実際のFCCの適合宣言については、NISSEに関しては台数も少ないこともあって、いまのところ輸入者側でを行って頂く方法をとっています(適合宣言を行うには米国内の住所が必要になるため)。適合宣言にあたってはFCCに何かを提出したりしないといけないといったことはありませんが、将来FCCから万が一何か要請があった場合には、エスリルから提供するEMIの試験報告書などをFCCへ提出することになります。

まとめ


一昨年の10月にエルゴノミック キーボードの話題をはじめだしてから、5ヶ月後の今年3月にはNISSEを製品化して受注を開始し、その9ヶ月後の12月にはアメリカ向けへの受注も開始したりと、想像以上に慌ただしい1年あまりでした。これからはこんな感じで世界中の小さなMakersから色々な製品が出てくるようになってくるのだろうなと思います。

奥山清行さんの著書「100年の価値をデザインする: 「本物のクリエイティブ力」をどう磨くか」の中で述べられている『一個でも一万個でもなく「二〇〇個」を作る技術を』という視点でモノづくりを見てみると、どこのメーカーも作ってくれないと諦めていたようなモノでも意外と小さなMakersでなら作れてしまうというモノもまだまだたくさんありそうですね。

2014年7月13日日曜日

新キーボード プロジェクト? - Bluetooth版NISSEの実験

前回から2ヶ月半ぶりのブログです。おかげさまで新キーボードNISSEも少しずつ出荷が続いています。

さて、新キーボード プロジェクトをはじめてから、ときどきBluetooth版の予定を聞かれることがありました。NISSEはエルゴノミックキーボードとしては小さめとは言え、毎日持ち歩く大きさでもないので少し意外だったのですが、作業スタイルがノートパソコンから、タブレットとキーボードという組み合わせに変わってきているということもあるのかもしれませんね。

Bluetooth版のNISSEの試作品と8inchタブレット

というわけで、Google+にときどき書き込んでいたように、Bluetooth版の実現方法を調べたりしていたのですが、ひとまず試作品が動くところまできたので、今回はそれについてまとめておきます。

LinuxのパソコンからBluetooth版NISSEを接続するところ

BluetoothモジュールRN42XVP


日本国内でBluetooth機器を作る場合は、技適マークが付いている通信モジュールを組み込んで作成するか、独自に電波法が定める技術基準に機器が適合していることの認定を受けないといけません。後者は相当な量産品でもないとコスト的に合わないので、今回は前者で進めています。

技適マーク付きのモジュールを利用する場合、選択肢はいまのところそれほど多くないようで、
  1. Microchip社のBluetooth通信モジュールRN42XVPとマイコンをUARTで繋いで作る、あるいは、
  2. USBホストコントローラ内蔵のマイコンとUSBのBluetoothアダプタ(ドングル)を繋いで作る、
の2択くらいが簡単に入手して試すことができそうな様子でした。

今回の試作品では、USB版のNISSEで使っているマイコンPIC18F4550にはUSBホストコントローラ機能がないということもあって、RN42XVPを使ってみることにしました。

ブレッドボードで実験中(左側の赤い基板がRN42XVP)

上の写真はブレッドボード上に実際にRN42とPIC18F4550をつないで組んでみた様子です。RN42を使ってBluetoothキーボードを作る場合は、RN42をHIDキーボードプロファイルを使うように一度設定して、あとはUSBで送信するときと同じ形式でキースキャンコードをマイコンからRN42に向けてUART経由で送信するだけで良いのでわりと簡単です。

実験用基板


RN42の基本的な動作を確認できたところで実際に基板に起こしてみました。

RN42XVPを組み込めるようにしたNISSEの基板

今回はBluetooth用のNISSEのファームウェアの開発がある程度進まないと電池の持ちが非常に悪いことが予想できたので、電池の代わりにLiPoバッテリーを組み込んでUSBから充電できるようにしてみました。

充電中のNISSE

充電中は背面の制御基板に付いているLEDが点灯します(充電が終わると消灯します)。背面のLEDの左側に電源スイッチが付いています。

参考までに今回の基板の回路図を載せておきます。キーマトリクスやLEDの部分はUSB版のNISSEと共通です(ピン配置はリビジョンによって変わっています)。

制御基板の回路図

制御基板はUSB版のNISSEと兼用できるようにした関係で、LiPoの3.7VからPIC18F4550用に5Vに昇圧したり、RN42XVP用にそれを3.3Vに変換したりと、ちょっと大げさなことになっています。

注意: LiPoバッテリーは必ず保護回路を内蔵したものを使ってください。LiPoバッテリーの取り扱いにはくれぐれもご注意を。

RN42XVPまわりの回路図



RN42XVPまわりでは、GPIO4は工場出荷状態へのリセット用、GPIO5がBluetoothの通信状態のモニターLED用になります(試作品ではPICのI/Oピンに接続してファームウェア側で未接続時にキーボード本体の青色のLEDが点滅するようにしています)。

ファームウェア


ファームウェアについてもGitHubに公開してあります(firmware/bluetooth/MPLAB.XをMPLAB X IDEで開いてビルドできます)。いまのところは単純にBluetoothで動くというところまでの実装で、少電力化の工夫などが入っていません。そのため、実際のバッテリーの持ちは接続するLiPoバッテリーの容量にもよりますが接続状態で数時間から長くても10時間はもたないような感じです。いまのところ毎晩充電しておいて使うような感じですね。

USB版と利用時に異なるのは、FN-F1を押した時の表示が、

esrille nisse bt
rev. 3
ver. 0.11
copyright 2013, 2014 esrille inc.
f2 104a
f3 us
f4 tron
f5 d12
f6 c
f7 goog
f8 c-c
3.6v

といった具合に変わります。1行目の最後にbtと付いているのがBluetooth版ということになります。それから最後の行にLiPoバッテリーのおよその電圧が表示されます。使っていると充電完了時の4.2v程度からLiPoバッテリー側の過放電防止のリミット2.7v程度まで下がっていきます。

またFN-ESCでBluetoothの接続を強制的に切断できます。

それからRN42でひとつ残念な点が。RN42では、USBのキーコードが0x65より大きなキーを使えないようです。英語104キーボードであればこれで問題ないのですが、日本語キーボードでは、変換(0x8a), Macのかな(0x90)といったキーが使えないので、日本語キーボードを無線化する用途には使えないということになってしまいます。具体的には、RN42が送信しているキーボードのHIDレポートデスクリプタ内で使用するキーのIDの上限値が0x65となってしまっています。マニュアルにはこれを変更するような方法の記載がないのですが、ひょっとして何か方法があったりするでしょうか?

まとめ


というわけで今回はRN42XVPを使ったBluetooth版NISSEの試作品を紹介しました。Bluetoothモジュールを利用する形でBluetoothキーボードのハードウェアを作るのはそれほど困難ではない一方で、電池を長持ちさせるためのファームウェア側の工夫は別にちょっと必要になりそう、という感じです。それからBluetoothモジュール側のファームウェアを修正したい場合どうするのか、という部分も課題かもしれません。

補足: 今回の試作品は当面のファームウェアの開発・実験用に用意したものなので、このまま完成品としてお配りする予定はありません。LiPoバッテリーの扱いなどに慣れている方向けの開発キットという形であれば基板はありますのでお尋ねください。


2014年4月23日水曜日

新キーボード プロジェクト? - NISSEの受注販売受付中です

このブログも前回から4ヶ月以上たってしまいました。前回、
ちなみにこの新キーボードを大量生産するという話はまったくありません(笑)。もし5セット以上需要がありそうであれば基板メーカーにまとめて作ってもらうようにもう少し進めてみますので、基板だけでもほしいという方がいましたらお気軽にご連絡下さい。
と書いて締めくくっていたのですが、その後予想以上の応援もあって、表題の通り新キーボートの完成品の受注生産を先月からはじめています。Google+などではお伝えしていましたが、毎回、話が飛び過ぎですね。

新キーボード、ニューキーボードと特に製品名をお知らせすることもなくここまできてしまっていましたが、NISSEという名前でお届けしています。ニッセというのは、赤い帽子をかぶった小人さんたちの北欧での呼び名です。このキーボードの中にも住んでいて、夜中プログラムのバグをこっそり直したりしてくれていたらいいな、と(笑)。
ESRILLE NEW KEYBOARD − NISSE

NISSEの完成品は、アルミ筐体になって下の写真のような形になりました。プロトタイプからは、小指まわりのキー配置をより打ちやすいように微調整したり、筐体にふだん手があたることがないように少しデザインを変更しています。

エスリル ニューキーボード − ニッセ (完成品)
購入をご希望の方は、NISSEの公式ページ http://www.esrille.com/keyboard/index.ja.html よりお申し込み頂けるようになっています。(いまのところ、日本国内向けのみになります。)

というわけで(?)、今回はGoogle+の方に書いたりしていたエルゴノミック キーボード関連のお話などを簡単にまとめておきます。

NISSE, TRON, M式, ...


海外のキーボードの記事でも、
A year 2014 version of the TRON keyboard is the Esrille New Keyboard. − Japan M-Type keyboard, TRON keyboard
とまとめられていたりと、NISSEの全体的な印象はオリジナルのμではないTRONキーボードと同じように感じられる方も多いようです。NISSEは、現在では残念ながら販売されていないけれども何年もオリジナルのTRONキーボードに小指の部分以外は一切不満はなかったという経験と、
  1. 基板サイズは片側最大15cmx20cm(DIYでも作りやすいように),
  2. キーピッチは18.8mm(広く流通しているMXスイッチのキーキャップをそのまま使えるように),
  3. あまりエルゴノミックし過ぎずデザインは控えめに,
という制約を決めた中でデザインしたものです。

TRONキーボードとの比較

上図はNISSEとTRONキーボードのキー配置を比較したものです。虹色がNISSE、アクアマリン色がTRONキーボード(Mサイズ)のキー配置です。TRONキーボードは、標準のMサイズのキーピッチが16mmとなっていてデジタイザの部分を除くと意外と小さなキーボードでした。

キーピッチについては、UC Berkeley校の昨年の研究[1]で、アメリカの指の長い男性でも17〜19mmではタイピング速度に違いがでないという結果が報告されています。そうであれば、手の小さい人のことを考えれば17mm近くまで小さくした方が、という流れが起きることが今後期待されているところです。

NISSEもはやくも17mm版に期待してくださる方もいらっしゃるのですが、現状ですと17mmのキーキャップを新規に金型から用意して、ということになってトータルのコストが現状以上になりそうなのが課題です。

そしてもうひとつ、ほとんど知られていなかったのではないかと思うのですが、NISSEにもっとよく似たキーボードが30年も前に試作されていたようです。

M式鍵盤の試作品 (NEC)
上の写真は、M式を考案された森田正典さんの論文[2]を昨年末にたまたま見ていて見つけたM式キーボードの試作品の写真です。時期的には1983年以前なのは間違いないなさそうです。M式キーボードもNISSEのように試作段階では扇型のキー配置だったものが、製品化の段階で格子状に近いキー配置に変更になったということのようです。その理由としては「この試作品に基づき,工業製品としての見地から改良を図った」とのことで、試作品の写真をよく見ると扇型に配置してできるキーとキーの隙間を埋めるようにキーキャップがデザインされていて、コスト等の問題があったのかもしれません。(キーピッチもフルピッチではないようにも見えます。)

ちなみにエルゴノミック キーボードの原点は、1934年にドイツのライプツィヒでJulius Kupfahlさんが発明されたタイプライターにまで遡れるようです。第2次世界大戦まではゆっくりと生産台数が伸びていっていたものの戦争によって製造が中断され、残念なことに戦後製造が再開されることはなかったそうです[3]。

まとめ


というわけで今回は兎にも角にも新キーボート改めNISSEの受注販売をはじめました、というお知らせでした。仕様等については公式ページを参照してください。特殊なドライバなしに通常のIMEを使って親指シフトやTRONかなを使って入力できる、という日本語キーボードとしての側面もあったりするのですが、その話はまた別の機会に。


[1] http://hfs.sagepub.com/content/55/3/557
[2] 日本文入力方式と鍵盤方式の最適化, 森田正典,電子情報通信学会論文誌 D Vol.J70-D, No.11, pp.2047-2057, 1987/11.
[3] http://books.google.co.jp/books?id=nwhpagXq2BMC&lpg=PA133&ots=1-Prs5u_iw&dq=daumenschalt%20tastatur%20Rheinmetall&hl=ja&pg=PA133#v=onepage&q&f=false