带有触摸式按键的家电产品在安全试验中的常见问题分析

高岭松 宋佳祥 徐新

1.北京泰瑞特检测技术服务有限责任公司 北京 100015；

2.中家院（北京）检测认证有限公司 北京 100176

1 引言

近年来，随着触摸屏技术特别是电容式触摸屏技术的发展，在家用电器产品中触摸按键已经逐步取代了传统的机械式开关。触摸按键不仅能提供比机械式开关更灵活的设计和更直观的用户体验，还更为耐用，易于清洁，能够显著减轻受外界环境（如潮湿、水、油污及灰尘）的影响。其中应用最为广泛的是弹簧式触摸按键和薄膜式触摸按键，前者的电容感应线圈是可伸缩式的弹簧，后者则是将感应线圈直接膜压在塑料薄膜上。在一些低端产品中，其电容感应线圈多直接由阻容单元降压，与电网电源完全不隔离，虽然其工作电压可能并不高，且满足特低电压要求，但根据家电产品的安全标准规定，依然被视为危险带电件；而在一些中高端的产品中，其电容感应线圈部分的电路则多是由一个开关电源电路来供电的，但这个开关电源如果在设计上没有满足安全标准的要求，则不能实现初次级的安全隔离，这就使得电源次级输出的电压即使满足特低电压要求，依然不是安全特低电压，线圈依然被视为危险带电件。在产品的安全设计或日常检测时，工程师经常由于弹簧的低电压而忽视了它的危险性，降低了对该危险带电部件与可触及部件之间绝缘材料的厚度、硬度、耐高温性能、机械强度，以及与可触及部位之间的爬电距离和电气间隙的要求，导致产品本身存在较大的安全隐患，从而引起安全事故。本文从以上几方面全面总结分析两类产品在试验中的常见问题，帮助读者理清思路，在未采用安全特低电压电路时，准确判定在不同的产品结构设计中安全标准条款的适用性。图1展示了两种触摸按键应用示例。

图1 触摸按键应用示例

2 采用弹簧式触摸按键产品常见不合格情况分析

对于弹簧式触摸按键，由于弹簧具有很大的弹性，无需更改外壳模具即可实现触摸按键控制产品，所以应用广泛。但是也会存在危险带电的弹簧直接接触到控制面板上绝缘材料的情况，那么这层绝缘材料就直接承担着加强绝缘的防护功能，在按照安全标准GB 4706.1-2005《家用和类似用途电器的安全 第1部分：通用要求》及相关特标的要求进行安全试验时[1]，如果不能正确判定弹簧的危险带电性，在材料选取和结构设计上考虑不周全，就会容易使产品产生以下不合格情况。

2.1 与弹簧带电件直接接触的控制面板绝缘材料电气强度试验不合格

在安全标准中对于直接与危险带电件相接触的绝缘面板需要经受多次的电气强度试验，每一次的试验电压和时间是相同的，但是试验条件并不相同，目的是考核材料的不同性质，如表1所示。

表1 不同条件下电气强度试验考核材料的性能

（1）当器具进行标准第13.3条试验时，产品在正常工作条件下工作规定的试验周期后，危险带电件与可触及的控制面板之间承受加强绝缘的3000 V，1 min的电气强度试验，如果控制面板的绝缘材料厚度或绝缘性能不够，则不能够承受此高压试验，造成绝缘击穿。

（2）当器具进行标准第16.3条试验时，产品在潮湿状态48 h后进行电气强度试验，因绝缘材料的吸湿性而使绝缘性能降低，同样会造成绝缘击穿。

（3）当器具进行标准第21.2条试验时，需采用如图2所示的钢针对可触及的加强绝缘控制面板进行刮蹭试验[2]，试验结束后材料因出现材料分离之类的损坏而使绝缘性能下降，造成绝缘击穿。

图2 进行刮蹭试验的试验装置示意图

并且还要进一步在此钢针上施加30 N的压力情况下，以钢针为一个电极对绝缘再次进行16.3条的电气强度试验，由于此钢针相对尖锐，在施加30 N力的条件下，硬度不够的绝缘材料就会被刺穿，即使没有刺穿也会由于刺透一部分而造成绝缘厚度减小，从而在电气强度试验中使绝缘击穿。

（4）当器具进行标准第29.3.3条时，材料需要进行48 h的干热试验（温度为19章温升+50 K的高温烘箱内），然后再进行16.3条的电气强度试验，那么绝缘材料会由于耐热性能不佳而造成绝缘性能下降，导致绝缘击穿[3]。

2.2 与弹簧带电件直接接触的控制面板绝缘材料球压试验不合格

由于控制面板直接压在危险带电的按键弹簧上，并对弹簧产生一定的压力，如图3所示，那么此时控制面板的绝缘材料应视为“支撑”带电部件的绝缘材料[4]。而按照标准第30.1条中要求，控制面板作为支撑带电件的材料要进行至少125℃的球压试验。这与平时的支撑概念有些不同，因而产品设计者在选择控制面板的材料时往往不会考虑到此严酷的试验条件，所选材料软化点过低，就很可能会造成球压试验不合格。而有些工程师在判定时也有可能忽略这一点，只是将其作为器具外壳材料进行至少75℃的球压试验，造成严重错判。

图3 控制面板压紧弹簧的示意图

2.3 与弹簧带电件直接接触的控制面板接缝处爬电距离和电气间隙不合格

对于一些控制面板尺寸较小的产品，其弹簧线圈因为感应功能的需要，尺寸不能过小。一般情况下，针对于2.5 mm厚的材料，其弹簧直径最小要为10 mm左右[5]，物理结构尺寸较大。这样在空间结构狭小的产品中，就极易造成与面板直接接触的弹簧线圈到面板接缝可触及部位的爬电距离和电气间隙不符合加强绝缘的要求，尤其是对于图4所示的可能产生蒸汽的热水壶类产品，污染等级要按III类判定，加强绝缘的爬电距离要求达到8 mm，这在物理尺寸上是很难达到的。

图4 弹簧式触摸按键爬电距离不合格案例

3 采用薄膜式触摸按键产品常见不合格情况分析

3.1 采用薄膜式触摸按键的产品电气强度试验不合格

对于薄膜式触摸按键，如图1b）所示，其感应线圈及相关电路是直接粘贴在一层薄膜上的，而在薄膜的外面则再覆盖一层透明或半透明的绝缘材料。从安全角度来讲，对于这种结构，这一层薄膜可以视为是基本绝缘，而外面这一层绝缘材料则视为是附加绝缘。由于产品的结构尺寸、感应线圈的尺寸以及技术水平的差异，有些企业会因为绝缘层厚度过厚影响触摸的感应效果，而选择较薄的绝缘材料，当然也有可能出于成本方面的考虑而选择较薄材料。虽然标准对于附加绝缘的要求是厚度为1 mm，耐压为1750 V，但是在电气强度试验时依然会由于材料的厚度、吸湿性、机械性能和耐热性能方面不满足标准要求而使电气强度试验不合格。

3.2 采用薄膜式触摸按键的产品爬电距离和电气间隙不合格

很多产品在外观和结构设计上，为了美观往往会采用一些金属装饰条或者非金属电镀条进行装饰或者固定，如图5、图6所示，控制面板边框装饰条的非金属材料因电镀后导电，而造成“金属”装饰条到控制面板下的危险带电件的爬电距离和电气间隙不符合加强绝缘的要求。

图5 控制面板带有电镀装饰边框的产品外观

图6 薄膜触摸按键爬电距离和电气间隙不合格案例

4 改进方案

从上述不合格的情况可以看出，当材料与弹簧带电件直接接触并且可触及时，将对面板材料的要求更为严格。此时面板材料至少要满足表2的性能指标要求。

表2 与弹簧带电件直接接触的面板材料性能指标要求

如果希望能够降低对材料的要求，则要在产品结构设计上合理安排。采用足够厚度的绝缘材料可以避免刮蹭试验和干热试验，只需要满足13.3条和16.3条试验即可；亦可以通过增加一定的与弹簧限位卡扣类似的装置或结构，使得弹簧和控制面板并不直接接触，保持基本绝缘的电气间隙，这样控制面板只需要满足附加绝缘的要求即可。同时因为不与弹簧带电件直接接触，不起支撑带电件的作用，而不必满足球压125℃的要求。同样在弹簧与控制面板之间增加一层基本绝缘的覆盖材料也是一种解决方案，方案的选择要根据具体的产品实际情况而定。

检测工程师则要根据产品的实际结构来判定试验条款的适用性，图7给出了试验条款适用性选择框图，可以参照此流程来选择适用条款，避免试验环节中发生错误。产品设计工程师亦可以根据此流程来判定自己的产品结构和材料选择是否匹配，以符合标准要求。

图7 试验程序适用性选择框图

针对于本文2.3节所述的弹簧式触摸按键爬电距离不合格案例，受产品手柄内的结构尺寸所限，在可以保证功能指标的前提下在每个弹簧线圈上增加一个绝缘罩，可以同时解决爬电距离和电气间隙不满足要求的问题，又可以降低对可触及面板材料的试验要求，不失为一种不错的解决方案，如图8所示。

图8 爬电距离电气间隙不合格改进方案

针对于本文3.2节所述的薄膜式触摸按键的产品爬电距离和电气间隙不合格案例，在不改变产品外部美观的前提下，采用NCVM（Non conductive vacuum metallization）不导电真空电镀技术，此种新技术既可以保证镀层的金属质感，又可以使其绝缘性能在试验中满足标准要求，这样就可以使控制面板下的危险带电件到面板外壳接缝的爬电距离和电气间隙满足标准要求。但是由于镀层厚度会影响绝缘性能，所以对加工工艺要求很高，故在狭小空间结构内还是要慎重使用金属导电件或镀层处理工艺，其与危险带电件和仅有基本绝缘的内部导线之间都需要足够的防护措施才可以使用，例如在只有基本绝缘的内部导线上附加符合附加绝缘要求的护套或在产品布线结构上保证基本绝缘的内部布线可以固定不动且不与可触及金属部件相接触。

5 结论

以上所述案例均为触摸按键产品在日常安全测试中的常见问题，准确分析产品的供电电源，确认电容感应线圈的供电是否实现安全隔离，否则就是危险带电件，其在试验过程中要谨慎对待，根据产品结构和推荐的试验条款选择流程，选择正确的试验条款和试验条件，是保证试验结果科学准确的前提。希望通过本文的介绍可以为类似产品的设计和开发者以及相关安规检测工程师们提供一个很好的参考和借鉴，能够在产品设计阶级避免产品的不合格情况，而不是在模具定型后再进行整改，造成不必要的经济和时间上的损失。同时也希望能够提醒安规工程师们及时将产品的安全问题发现并解决，避免不符合安全标准要求的产品流入市场而造成不必要的人员和财产损失。