帶有觸摸式按鍵的家電產(chǎn)品在安全試驗中的常見問題分析

高嶺松 宋佳祥 徐新

1.北京泰瑞特檢測技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司 北京 100015；

2.中家院（北京）檢測認(rèn)證有限公司 北京 100176

1 引言

近年來，隨著觸摸屏技術(shù)特別是電容式觸摸屏技術(shù)的發(fā)展，在家用電器產(chǎn)品中觸摸按鍵已經(jīng)逐步取代了傳統(tǒng)的機械式開關(guān)。觸摸按鍵不僅能提供比機械式開關(guān)更靈活的設(shè)計和更直觀的用戶體驗，還更為耐用，易于清潔，能夠顯著減輕受外界環(huán)境（如潮濕、水、油污及灰塵）的影響。其中應(yīng)用最為廣泛的是彈簧式觸摸按鍵和薄膜式觸摸按鍵，前者的電容感應(yīng)線圈是可伸縮式的彈簧，后者則是將感應(yīng)線圈直接膜壓在塑料薄膜上。在一些低端產(chǎn)品中，其電容感應(yīng)線圈多直接由阻容單元降壓，與電網(wǎng)電源完全不隔離，雖然其工作電壓可能并不高，且滿足特低電壓要求，但根據(jù)家電產(chǎn)品的安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，依然被視為危險帶電件；而在一些中高端的產(chǎn)品中，其電容感應(yīng)線圈部分的電路則多是由一個開關(guān)電源電路來供電的，但這個開關(guān)電源如果在設(shè)計上沒有滿足安全標(biāo)準(zhǔn)的要求，則不能實現(xiàn)初次級的安全隔離，這就使得電源次級輸出的電壓即使?jié)M足特低電壓要求，依然不是安全特低電壓，線圈依然被視為危險帶電件。在產(chǎn)品的安全設(shè)計或日常檢測時，工程師經(jīng)常由于彈簧的低電壓而忽視了它的危險性，降低了對該危險帶電部件與可觸及部件之間絕緣材料的厚度、硬度、耐高溫性能、機械強度，以及與可觸及部位之間的爬電距離和電氣間隙的要求，導(dǎo)致產(chǎn)品本身存在較大的安全隱患，從而引起安全事故。本文從以上幾方面全面總結(jié)分析兩類產(chǎn)品在試驗中的常見問題，幫助讀者理清思路，在未采用安全特低電壓電路時，準(zhǔn)確判定在不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計中安全標(biāo)準(zhǔn)條款的適用性。圖1展示了兩種觸摸按鍵應(yīng)用示例。

圖1 觸摸按鍵應(yīng)用示例

2 采用彈簧式觸摸按鍵產(chǎn)品常見不合格情況分析

對于彈簧式觸摸按鍵，由于彈簧具有很大的彈性，無需更改外殼模具即可實現(xiàn)觸摸按鍵控制產(chǎn)品，所以應(yīng)用廣泛。但是也會存在危險帶電的彈簧直接接觸到控制面板上絕緣材料的情況，那么這層絕緣材料就直接承擔(dān)著加強絕緣的防護功能，在按照安全標(biāo)準(zhǔn)GB 4706.1-2005《家用和類似用途電器的安全 第1部分：通用要求》及相關(guān)特標(biāo)的要求進行安全試驗時[1]，如果不能正確判定彈簧的危險帶電性，在材料選取和結(jié)構(gòu)設(shè)計上考慮不周全，就會容易使產(chǎn)品產(chǎn)生以下不合格情況。

2.1 與彈簧帶電件直接接觸的控制面板絕緣材料電氣強度試驗不合格

在安全標(biāo)準(zhǔn)中對于直接與危險帶電件相接觸的絕緣面板需要經(jīng)受多次的電氣強度試驗，每一次的試驗電壓和時間是相同的，但是試驗條件并不相同，目的是考核材料的不同性質(zhì)，如表1所示。

表1 不同條件下電氣強度試驗考核材料的性能

（1）當(dāng)器具進行標(biāo)準(zhǔn)第13.3條試驗時，產(chǎn)品在正常工作條件下工作規(guī)定的試驗周期后，危險帶電件與可觸及的控制面板之間承受加強絕緣的3000 V，1 min的電氣強度試驗，如果控制面板的絕緣材料厚度或絕緣性能不夠，則不能夠承受此高壓試驗，造成絕緣擊穿。

（2）當(dāng)器具進行標(biāo)準(zhǔn)第16.3條試驗時，產(chǎn)品在潮濕狀態(tài)48 h后進行電氣強度試驗，因絕緣材料的吸濕性而使絕緣性能降低，同樣會造成絕緣擊穿。

（3）當(dāng)器具進行標(biāo)準(zhǔn)第21.2條試驗時，需采用如圖2所示的鋼針對可觸及的加強絕緣控制面板進行刮蹭試驗[2]，試驗結(jié)束后材料因出現(xiàn)材料分離之類的損壞而使絕緣性能下降，造成絕緣擊穿。

圖2 進行刮蹭試驗的試驗裝置示意圖

并且還要進一步在此鋼針上施加30 N的壓力情況下，以鋼針為一個電極對絕緣再次進行16.3條的電氣強度試驗，由于此鋼針相對尖銳，在施加30 N力的條件下，硬度不夠的絕緣材料就會被刺穿，即使沒有刺穿也會由于刺透一部分而造成絕緣厚度減小，從而在電氣強度試驗中使絕緣擊穿。

（4）當(dāng)器具進行標(biāo)準(zhǔn)第29.3.3條時，材料需要進行48 h的干熱試驗（溫度為19章溫升+50 K的高溫烘箱內(nèi)），然后再進行16.3條的電氣強度試驗，那么絕緣材料會由于耐熱性能不佳而造成絕緣性能下降，導(dǎo)致絕緣擊穿[3]。

2.2 與彈簧帶電件直接接觸的控制面板絕緣材料球壓試驗不合格

由于控制面板直接壓在危險帶電的按鍵彈簧上，并對彈簧產(chǎn)生一定的壓力，如圖3所示，那么此時控制面板的絕緣材料應(yīng)視為“支撐”帶電部件的絕緣材料[4]。而按照標(biāo)準(zhǔn)第30.1條中要求，控制面板作為支撐帶電件的材料要進行至少125℃的球壓試驗。這與平時的支撐概念有些不同，因而產(chǎn)品設(shè)計者在選擇控制面板的材料時往往不會考慮到此嚴(yán)酷的試驗條件，所選材料軟化點過低，就很可能會造成球壓試驗不合格。而有些工程師在判定時也有可能忽略這一點，只是將其作為器具外殼材料進行至少75℃的球壓試驗，造成嚴(yán)重錯判。

圖3 控制面板壓緊彈簧的示意圖

2.3 與彈簧帶電件直接接觸的控制面板接縫處爬電距離和電氣間隙不合格

對于一些控制面板尺寸較小的產(chǎn)品，其彈簧線圈因為感應(yīng)功能的需要，尺寸不能過小。一般情況下，針對于2.5 mm厚的材料，其彈簧直徑最小要為10 mm左右[5]，物理結(jié)構(gòu)尺寸較大。這樣在空間結(jié)構(gòu)狹小的產(chǎn)品中，就極易造成與面板直接接觸的彈簧線圈到面板接縫可觸及部位的爬電距離和電氣間隙不符合加強絕緣的要求，尤其是對于圖4所示的可能產(chǎn)生蒸汽的熱水壺類產(chǎn)品，污染等級要按III類判定，加強絕緣的爬電距離要求達到8 mm，這在物理尺寸上是很難達到的。

圖4 彈簧式觸摸按鍵爬電距離不合格案例

3 采用薄膜式觸摸按鍵產(chǎn)品常見不合格情況分析

3.1 采用薄膜式觸摸按鍵的產(chǎn)品電氣強度試驗不合格

對于薄膜式觸摸按鍵，如圖1b）所示，其感應(yīng)線圈及相關(guān)電路是直接粘貼在一層薄膜上的，而在薄膜的外面則再覆蓋一層透明或半透明的絕緣材料。從安全角度來講，對于這種結(jié)構(gòu)，這一層薄膜可以視為是基本絕緣，而外面這一層絕緣材料則視為是附加絕緣。由于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸、感應(yīng)線圈的尺寸以及技術(shù)水平的差異，有些企業(yè)會因為絕緣層厚度過厚影響觸摸的感應(yīng)效果，而選擇較薄的絕緣材料，當(dāng)然也有可能出于成本方面的考慮而選擇較薄材料。雖然標(biāo)準(zhǔn)對于附加絕緣的要求是厚度為1 mm，耐壓為1750 V，但是在電氣強度試驗時依然會由于材料的厚度、吸濕性、機械性能和耐熱性能方面不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求而使電氣強度試驗不合格。

3.2 采用薄膜式觸摸按鍵的產(chǎn)品爬電距離和電氣間隙不合格

很多產(chǎn)品在外觀和結(jié)構(gòu)設(shè)計上，為了美觀往往會采用一些金屬裝飾條或者非金屬電鍍條進行裝飾或者固定，如圖5、圖6所示，控制面板邊框裝飾條的非金屬材料因電鍍后導(dǎo)電，而造成“金屬”裝飾條到控制面板下的危險帶電件的爬電距離和電氣間隙不符合加強絕緣的要求。

圖5 控制面板帶有電鍍裝飾邊框的產(chǎn)品外觀

圖6 薄膜觸摸按鍵爬電距離和電氣間隙不合格案例

4 改進方案

從上述不合格的情況可以看出，當(dāng)材料與彈簧帶電件直接接觸并且可觸及時，將對面板材料的要求更為嚴(yán)格。此時面板材料至少要滿足表2的性能指標(biāo)要求。

表2 與彈簧帶電件直接接觸的面板材料性能指標(biāo)要求

如果希望能夠降低對材料的要求，則要在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計上合理安排。采用足夠厚度的絕緣材料可以避免刮蹭試驗和干熱試驗，只需要滿足13.3條和16.3條試驗即可；亦可以通過增加一定的與彈簧限位卡扣類似的裝置或結(jié)構(gòu)，使得彈簧和控制面板并不直接接觸，保持基本絕緣的電氣間隙，這樣控制面板只需要滿足附加絕緣的要求即可。同時因為不與彈簧帶電件直接接觸，不起支撐帶電件的作用，而不必滿足球壓125℃的要求。同樣在彈簧與控制面板之間增加一層基本絕緣的覆蓋材料也是一種解決方案，方案的選擇要根據(jù)具體的產(chǎn)品實際情況而定。

檢測工程師則要根據(jù)產(chǎn)品的實際結(jié)構(gòu)來判定試驗條款的適用性，圖7給出了試驗條款適用性選擇框圖，可以參照此流程來選擇適用條款，避免試驗環(huán)節(jié)中發(fā)生錯誤。產(chǎn)品設(shè)計工程師亦可以根據(jù)此流程來判定自己的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和材料選擇是否匹配，以符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 試驗程序適用性選擇框圖

針對于本文2.3節(jié)所述的彈簧式觸摸按鍵爬電距離不合格案例，受產(chǎn)品手柄內(nèi)的結(jié)構(gòu)尺寸所限，在可以保證功能指標(biāo)的前提下在每個彈簧線圈上增加一個絕緣罩，可以同時解決爬電距離和電氣間隙不滿足要求的問題，又可以降低對可觸及面板材料的試驗要求，不失為一種不錯的解決方案，如圖8所示。

圖8 爬電距離電氣間隙不合格改進方案

針對于本文3.2節(jié)所述的薄膜式觸摸按鍵的產(chǎn)品爬電距離和電氣間隙不合格案例，在不改變產(chǎn)品外部美觀的前提下，采用NCVM（Non conductive vacuum metallization）不導(dǎo)電真空電鍍技術(shù)，此種新技術(shù)既可以保證鍍層的金屬質(zhì)感，又可以使其絕緣性能在試驗中滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，這樣就可以使控制面板下的危險帶電件到面板外殼接縫的爬電距離和電氣間隙滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。但是由于鍍層厚度會影響絕緣性能，所以對加工工藝要求很高，故在狹小空間結(jié)構(gòu)內(nèi)還是要慎重使用金屬導(dǎo)電件或鍍層處理工藝，其與危險帶電件和僅有基本絕緣的內(nèi)部導(dǎo)線之間都需要足夠的防護措施才可以使用，例如在只有基本絕緣的內(nèi)部導(dǎo)線上附加符合附加絕緣要求的護套或在產(chǎn)品布線結(jié)構(gòu)上保證基本絕緣的內(nèi)部布線可以固定不動且不與可觸及金屬部件相接觸。

5 結(jié)論

以上所述案例均為觸摸按鍵產(chǎn)品在日常安全測試中的常見問題，準(zhǔn)確分析產(chǎn)品的供電電源，確認(rèn)電容感應(yīng)線圈的供電是否實現(xiàn)安全隔離，否則就是危險帶電件，其在試驗過程中要謹(jǐn)慎對待，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和推薦的試驗條款選擇流程，選擇正確的試驗條款和試驗條件，是保證試驗結(jié)果科學(xué)準(zhǔn)確的前提。希望通過本文的介紹可以為類似產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)者以及相關(guān)安規(guī)檢測工程師們提供一個很好的參考和借鑒，能夠在產(chǎn)品設(shè)計階級避免產(chǎn)品的不合格情況，而不是在模具定型后再進行整改，造成不必要的經(jīng)濟和時間上的損失。同時也希望能夠提醒安規(guī)工程師們及時將產(chǎn)品的安全問題發(fā)現(xiàn)并解決，避免不符合安全標(biāo)準(zhǔn)要求的產(chǎn)品流入市場而造成不必要的人員和財產(chǎn)損失。