CN114816078A - 具有静电放电耗散的键盘覆盖物 - Google Patents

具有静电放电耗散的键盘覆盖物 Download PDF

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Abstract

通过具有覆盖物基体(32)的组件(19)保护具有数据输入元件(14，16，18，20)和至少一个显示元件(12)的塑料键盘免受静电放电影响，其中，在覆盖物基体(32)上布置有导电布置结构(34，36，38，40，46，48)。覆盖物基体(32)具有顶侧和背侧，并具有穿过覆盖物基体形成的精确定位的过孔(60)。所述顶侧的顶表面是导电聚合物层(40)。所述背侧印刷有至少一个彩色墨水层(44)，其描绘键盘(70)的多个字母数字和图形元件(14，16，18，20)。所述导电布置结构(34，36，38，40，46，48)设置在覆盖物基体(32)上，用于收集所述顶侧上的静电荷，通过多个过孔(60)将静电荷转移至所述背侧，并将转移的静电荷排放到地。

Description

具有静电放电耗散的键盘覆盖物
技术领域
本发明构思涉及一种用于电子装置的数据输入和显示键盘的覆盖物，所述覆盖物适用于耗散在键盘的使用过程中可能出现的静电荷。尽管其能够用于任何环境，但结合本发明构思的覆盖物为电子装置提供了一种能够满足或优于标准化测试的键盘，使得该键盘能够用于电子流突然穿过间隙而可能引燃可燃混合物并由此导致火灾或爆炸性火焰锋的环境中。
背景技术
所有旨在于危险环境中操作的装置都必须设计成能够防范可能引发火焰的点火火花，其在火焰可以传播的情况下也可能引起爆炸。几乎每个行业都有必须加以考虑的危险环境。已知煤矿和谷物升降机会引起油气类爆炸。而诸如汽油、手术麻醉剂和乙醇类的蒸汽也已知会在静电放电(“ESD”)、即电子流突然穿过间隙的情况下爆炸。发生在美国的太空船阿波罗1号中的火灾就是由于位于发射台上时火花在舱内100％的氧气环境中引燃而造成的。大多数人将静电放电与闪电联系在一起，但即便只有几厘米的放电就能产生足够的电流在危险环境中引发点燃。此外，诸如硬盘驱动器和集成电路的电子部件非常容易受到静电放电的影响。
在已知技术中，塑料绝缘材料通常用于制造键盘/显示器覆盖物，该覆盖物被附接在金属装置外壳的外部。由于其化学特性，塑料覆盖物会收集并保留高能量的静电荷，然后突然放电，从而产生潜在的危险性点火火花，除非采取保护措施在静电荷出现时就予以排放或耗散。
在现有技术的一些解决方案中，铟锡氧化物(ITO)层已经应用于键盘组件，以在针对该问题的部分解决方案中防止电磁干扰(EMI)。
而在现有技术中还未实现的一个目标是提供一种多层键盘组件，在多层键盘组件中，电荷被排放到键盘组件的导电内层中，电荷从导电内层被排放到与该键盘组件相连的装置的金属壳体中。电荷从金属壳体而被接地。
发明内容
现有技术的上述和其他目标能够通过用于保护塑料键盘免受静电放电影响的组件来实现。这样的组件用于保护具有数据输入元件和至少一个显示元件的塑料键盘，所述组件包括覆盖物基体，覆盖物基体具有顶侧和背侧，覆盖物基体还包括穿过其形成的精确定位的多个过孔，所述顶侧具有涂覆有导电聚合物层的顶表面，所述背侧具有印刷有至少一个彩色墨水层的背表面，所述至少一个彩色墨水层描绘键盘的多个字母数字及图形元件。导电布置结构设置在覆盖物基体上，用于收集所述顶侧上的静电荷，通过所述多个过孔将静电荷转移至所述背侧，并将转移的静电荷排放到地。
在一些实施例中，导电布置结构包括：至少一个第一导电网格，其印刷在导电聚合物层下方的覆盖物基体的顶表面上，所述至少一个第一导电网格将所述顶表面分割为多个包围区域，每个包围区域等于或小于预定尺寸，每个第一导电网格包括多个节点，每个节点位于精确定位的所述多个过孔中的相应一个过孔的顶部并延伸入其中；至少一个第二导电网格，其印刷在所述至少一个彩色墨水层下方的覆盖物基体的背表面上，使得每个第二导电网格的尺寸和形状与第一导电网格之一相对应，每个第二导电网格包括多个节点，每个节点位于精确定位的所述多个过孔中的相应一个过孔的下方并延伸入其中；以及至少一个金属片，其将每个第二导电网格连接到地。
在一些实施例中，第一导电网格和第二导电网格中的每个包括印刷在覆盖物基体上的导电浆料段。
在一些实施例中，彩色墨水层施加在每个第一导电网格中的导电浆料段的顶部。
在一些实施例中，每个第一导电网格的节点包括：导电聚合物的栓，其从覆盖物基体的顶侧施加到每个精确定位的过孔中，所述栓具有延伸到过孔中的主体部分和凸缘部分，所述凸缘部分的直径大于过孔的直径，并且所述凸缘部分在所述覆盖物基体的顶表面上延伸。导电浆料段施加在所述栓的顶部，彩色墨水段施加在导电浆料段的顶部。
在这些实施例中的多个实施例中，每个第二导电网格的节点包括：导电浆料的一部分，其从覆盖物基体的底侧延伸到使其被关联为能够与第一导电网格的相应节点电接触的过孔中。
在这些实施例中的多个实施例中，覆盖物基体包括非导电聚合物。
在一些实施例中，所述非导电聚合物是聚对苯二甲酸乙二醇酯(“PET”)片材。
在这些实施例中的多个实施例中，静电耗散涂层是透明的。
在一些实施例中，静电耗散涂层在d＝100nm时具有高达90％的透明度Y。
在一些实施例中，静电耗散涂层是由取代聚噻吩和阴离子构成的复合体，其电导率在1000西门子每厘米(S/cm)范围内。
在一些实施例中，多个第一导电网格之一是具有位于覆盖物基体的周边的过孔的导电网格。
在一些实施例中，与键盘的每个数据输入元件相对应的区域被第一导电网格中的至少一个包围。
本发明构思的其他方面通过用于数据输入和显示的电子装置来实现，所述电子装置包括：外壳，安装在所述外壳上的适用于数据输入和显示的键盘。所述电子装置还包括如上所述的覆盖物，所述覆盖物布置在键盘的顶部并由壳体来固定位置，所述覆盖物适用于耗散在键盘的使用过程中出现的静电荷。
在一些实施例中，壳体是金属的，由所述覆盖物耗散的静电荷被排放至壳体。
附图说明
通过参考附图，将更好地理解本发明构思，其中，相同的部件用相同的附图标记来标识：
图1是包括本发明的键盘覆盖物的已组装的键盘组件的俯视平面图；
图2是沿图1中的线2-2截取的包括覆盖物的键盘组件的侧面剖视图；
图3是图2的一部分的放大图，示出了其上具有键盘覆盖物的键盘的操作特征；
图4是覆盖物基体的俯视平面图，示出了过孔在基体中的位置；
图5是沉积在覆盖物基体的底表面上的导电浆料层的底部平面图；
图6是示出了覆盖物的过孔和所有印刷层的覆盖物的放大侧面剖视图；和
图7是键盘覆盖物的后粘合剂层的俯视平面图。
具体实施方式
图1以键盘组件10的俯视平面图示出了一个实施例，所述键盘组件10包含具有用于耗散静电荷的覆盖物的键盘。这里示出的键盘仅是实施本发明的覆盖物的一个示例，由于其透明的性质，覆盖物并不会轻易被用户注意到，但随着覆盖物接近其使用期限，一些特征便对用户来说变得明显，并显示出需要更换的视觉迹象。尽管所描述的键盘组件10的实施例示出了键盘元件的典型选择和布置，但应容易理解，由于覆盖物本身在键盘组件10的操作中发挥着非常被动但有效的作用，键盘元件的其他可能的选择和布置仍是本发明构思的有效实施方式。为了说明本发明构思，元件的最小集合包括：至少一个显示元件12、其在此处被描述为屏幕，以及多个数据输入元件、例如开/关按钮14、具有数字0到9的按钮的数字键盘16、中间布置有“输入”按钮的四个方向箭头的集合18、以及多个功能按钮20。在其余的图中、尤其是在图2中可以看出，键盘的功能部分位于覆盖物本身的下方，覆盖物在图中以附图标记30表示。
接下来转到图2，覆盖物30基于覆盖物基体32并由此形成其结构基础，覆盖物基体32通常是平坦的，并且具有顶侧和背侧。在图2中，覆盖基体32的顶侧是其右侧，背侧是其左侧。在顶侧和背侧上施加有多个墨水层和涂层。为了清楚展示这些墨水和涂层，图2未按比例绘制。然而，覆盖物基体32是覆盖物30最厚的部分。它由透明的聚合物材料形成、优选以聚对苯二甲酸乙二醇酯为材料。示例性的覆盖物基体32是由MacDermid Autotype Inc.以商标AUTOTEX商业出售的纹理化硬涂层聚酯薄膜。对覆盖物30的功能至关重要的是在覆盖物基体32中形成的多个过孔60。这些过孔60中的一些过孔如图2所示。根据被设置覆盖物30的特定键盘的显示元件及数据输入元件的预定布局，每个过孔60被精确设定尺寸并布置在所述基体32上。这些过孔60将在下文参照图4至6来探讨。
在过孔60形成后，导电墨水衬垫34被施加到覆盖物基体32的顶侧，以允许墨水从顶侧流入过孔中，至少部分地填充过孔。合适的衬垫可以是能够从Heraeus DeutschlandGmbH&Co.商购的CLEVIOS F DX 2/X-L 2K。
导电银浆的图案36被选择性地施加在导电墨水36顶部。结合图4至6，将更好地理解选择性的图案36的详情，但现在要注意的是，所述银浆布置在过孔的顶部，通常呈相互连接的线状。导电银浆为行业已知，典型的浆料为ACHESON 8208。
彩色墨水的图案38被施加在导电银浆的图案36的顶部以降低图案36从键盘组件的顶部观察时的可见度。在图1中，该图案38包括相互连接的线性元件，这些线性元件围绕显示元件12和各种数据输入元件14、16、18、20划定边界。与所述导电银浆一样，彩色墨水也在行业中常用并被本领域技术人员所熟知。一个例子是JUJO 900系列墨水。
从覆盖物基体32的顶侧向外的接下来一层是导电聚合物材料的涂层40。该涂层提供被用户触摸的主要表面，因此它是一种静电耗散材料。适用于该涂层40的材料是可商购于Heraeus Deutschland GmbH&Co.KG的保护性CLEVIOS硬涂层，其中CLEVIOS是其导电聚合物化学的注册商标。根据Heraeus的网站，CLEVIOS PEDOT/PSS是一种由取代聚噻吩和阴离子构成的复合体，其电导率在1000西门子每厘米(S/cm)范围内。它可用于极薄的导电涂层。所述涂层具有良好的化学稳定性，并且在d＝100nm时具有高达90％的透明度Y。所述材料具有良好的热稳定性和紫外线稳定性。该网站宣称CLEVIOS是一种抗静电涂层，可用于保护集成电路封装托盘，以防止敏感的电子部件因ESD而损坏。该网站显示，许多塑料、包括聚碳酸酯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺和聚丙烯，都可以涂覆CLEVIOS。
在覆盖物基体32顶侧的最后一层是光学墨水42形成的薄的绝缘层。优选地，其仅被施加在显示元件12投射在静电耗散涂层40上的区域上。尽管光学墨水42被施加以净化显示窗，但它的确会再度引发电荷聚集的风险。为了减轻该区域中的电荷聚集，一个合适方法是使绝缘层的表面积最小化，或引入交错的孔眼网格，以促进低能量的闪络放电，使其不至于聚集至能造成引燃的水平。用于该层的示例性材料是可以从MacDermid Autotype Inc.获得的WINDOTEX材料。
继续看图2，接下来将要描述覆盖物基体32的背侧。优选的做法是将至少一层彩色墨水44涂覆在背侧的表面以为覆盖物基体提供背景色，并用多个对比色的记号来标记背侧，从而为数字键盘等提供数字。显然，在显示元件的区域中没有施加彩色墨水。优选在过孔形成于基体之前就施加该层44，因为彩色墨水层可以用作过孔的对正工具。
在施加彩色墨水层44并形成过孔后，导电银浆的图案46被选择性地施加到背侧上，在所述彩色墨水层的外侧。该选择性的图案46将有效地镜像导电银浆图案36，在对图5和6的说明中将有进一步描述。与图案36一样，导电银浆46可以是ACHESON 8208出售的材料。如以下将示出的，出现在覆盖物基体32的顶侧上的静电荷将迁移至导电银浆36，通过过孔60排放至覆盖物基体的底侧，并被导电银浆46收集。银浆46的互连性将使电荷移动至一接地片处。
由覆盖物基体32的背侧继续向外，提供了粘合剂层48，使得覆盖物30及其各个层可以被粘附至键盘70，现在对其进行描述。由于覆盖物30会在使用过程中消耗，因此其旨在设计成可以被轻松更换。粘合剂优选是聚合物膜上的双面压敏粘合剂。需要注意的是，显示区域所在的区域并没有施加以粘合剂。
在粘合剂层48下方的是键盘70的机械实施例，其提供显示和数据输入元件，再下方是另一粘合剂层72，其用于将键盘组件10粘附至包含装置的电子部件的金属装置外壳(未示出)。键盘的大多数特征在图3中以放大的方式示出，而图2示出了透明的键盘间隔件74，通过该键盘间隔件74可以看到显示元件12。聚合物片材、尤其是聚碳酸酯材料通常用作键盘间隔件74。
接下来至图3，其是图2一部分的放大图，示出了使用了键盘覆盖物的键盘的操作特征。如图中从右向左所示，所述键盘的上层76是聚合物层，通常是聚对苯二甲酸乙二酯，例如由Toray Industries Ltd.出售的LUMIRROR T60聚酯。需要注意的是，该上层76被选择性地切割以方便金属圆顶78的物理运动，一个金属圆顶78位于单个数据输入元件的下方。金属圆顶78以及包含粘合剂的夹层80布置在上层76和电路层82之间，该电路层82通常与上层76具有相同的成分。另外的粘合剂层84将电路层82粘附至电路间隔层86。
图4是覆盖物基体32的俯视平面图，其示出了形成在覆盖物基体中的过孔60的位置。在该图中，诸如的显示元件12、开/关按钮14、数字键盘16、方向箭头的集合18和功能按钮的集合20等结构能够在图1中认知。多条虚线绘出了将覆盖物基体32的表面积分割成封闭区域的边界。由于覆盖物基体32顶部的涂层，所述“面积”实际上是“体积”，尽管深度相对于宽度和广度而言很小。因此，其实是“封闭体积”而非封闭面积或区域。过孔60由沿虚线的点示出。虚线中的一条虚线围绕覆盖物基体32的外围设置。在图中示出了三种类型的封闭体积。其中最大的是类型I的体积90。存在一个此类型体积，其包围了显示元件12占据的体积。多个较小的体积是类型II的封闭体积92，其包围由用户触摸但在下方并没有数据输入元件14、16、18、20的体积。多个围成矩形的体积是类型III的体积94。每一个类型III的体积94在下方都有一个数据输入元件。这些类型III的封闭体积94被认为是出现静电荷风险最高的区域。
图4中的这一系列虚线清晰地描绘了用于布局图2的侧面剖视图中观察到的导电银浆层36的图案，以及用于以彩色墨水层38覆盖所述导电银浆层的图案。
在本发明构思中，优选将覆盖物基体32的表面积、尤其是类型III的区域94进行分割，以使得其表面积小于500mm2。根据IEC 60079-0：2017标准，绝缘材料的最大无保护面积为500mm2。覆盖导电银浆层36的彩色墨水层38提供水印特征，水印特征使得用户能够视觉检测何时导电聚合物涂层40的损坏或磨损已到了需要更换覆盖物的程度。通过使用导电银浆将类型III的区域94框起来，使得损坏面积将不会超过标准所要求的500mm2。优选的彩色墨水38是可从日本的Jujo Chemical Co.Lt.商购的9000系列PET。这种墨水适合于高速印刷并且对PET具有优异的附着力。
过孔60具有精确尺寸并布置在覆盖物基体32上。每个过孔60在基体32中切割、优选地通过激光在基体32中切割，以在基体的顶侧和底侧之间提供具有精确定位和尺寸的通道，用于传输静电荷。当过孔60被导电墨水填充时，如下所述，其提供了一种接地方案，将电荷从顶侧排放至基体的底侧上的内部导电集电表面。由此，导电片将内部导电集电表面连接至装置的金属装置外壳上。电线将装置外壳连接至大地，从而防止电荷在塑料覆盖物的外表面上聚积。过孔60很小，不容易被注意到，因此不会损害覆盖物的外观。
图5示出了覆盖物基体32的底表面的底部平面图。需要注意的是，从底侧观察的话，显示区域12现在位于键盘布置结构的右侧。该图展示了一些不同的点。一个点是关于底侧上的导电银浆层46如何镜像顶侧上的导电银浆36的图案，以及过孔60如何连通并使这些导电层互连。第二点是关于银浆层46的图案如何具有至少一个加宽部分96用于将银浆层46连接至接地垫或导线。第二加宽部分97也一并示出。
图6是覆盖物30的聚焦于形成在非导电覆盖物基体32中的单个过孔60的放大侧面剖视图。如上所述，将导电墨水34布置在覆盖物基体32的顶侧能够允许导电墨水34流入过孔中，至少部分地填充过孔。由于彩色墨水层44在过孔60形成之前被施加到覆盖物基体32的底侧，所以它不会流入过孔中，但是当导电墨水层46被施加到底侧时，它会完整填充过孔60，从而在导电浆料层36与46之间建立电连通。导电浆料层36和46之间的界面的形状和位置可以变化，并且所示出的界面仅是示例性的。彩色墨水层38覆盖导电浆料层36，使得仅当彩色墨水层已损坏或磨损时前者才可见。静电耗散导电层40通过导电墨水34与导电浆料层36连通。出现在90、92、94中任一区域中的电荷由此能够从覆盖物基体32的顶侧自由地流动到底侧的导电浆料层46。由此，这些电荷通过它们的电势差流向由如图5所示的加宽部分96提供的接地连接结构。
图7是覆盖物组件30的后粘合剂层48的俯视平面图。压敏粘合剂分布在后粘合剂层48的除切口98、100、102以外的整个顶表面上，其材料通常是由3M提供的产品9672LE。切口98对应于显示区域，切口100和102对应于加宽部分96和97。
附图标记列表：
10 键盘组件
12 显示元件
14 开/关按钮
16 数字键盘
18 方向箭头的集合
20 功能按钮的集合
30 覆盖物
32 覆盖物基体
34 导电墨水
36 导电银浆
38 彩色墨水
40 导电聚合物涂层
42 绝缘光学墨水
44 彩色墨水
46 导电银浆
48 粘合剂层
60 过孔
70 键盘
72 另一粘合剂层
74 键盘间隔件
76 上层
78 金属圆顶
80 夹层
82 电路层
84 另一粘合剂层
86 电路间隔件层
90 类型I的封闭体积
92 类型II的封闭体积
94 类型III的封闭体积
96 加宽接地连接结构
97 第二加宽接地连接结构

Claims (15)

1.一种用于保护具有数据输入元件(14，16，18，20)和至少一个显示元件(12)的塑料键盘免受静电放电影响的组件(10)，所述组件(10)包括：
覆盖物基体(32)，其具有顶侧和背侧，覆盖物基体(32)还具有穿过其形成的精确定位的多个过孔(60)，所述顶侧具有涂覆有导电聚合物层(40)的顶表面，所述背侧具有印刷有至少一个彩色墨水层(44)的背表面，所述至少一个彩色墨水层(44)描绘键盘(70)的多个字母数字元件和图形元件(14，16，18，20)；以及
导电布置结构(34，36，40，46，48)，其布置在覆盖物基体(32)上，用于收集所述顶侧上的静电荷，通过所述多个过孔(60)将静电荷转移至所述背侧，并将转移的静电荷排放到地。
2.根据权利要求1所述的组件，其中，导电布置结构包括：
至少一个第一导电网格(34，36)，其印刷在导电聚合物层(40)下方的覆盖物基体(32)的顶表面上，所述至少一个第一导电网格(34，36)将所述顶表面分割为多个包围区域，每个包围区域等于或小于预定尺寸，每个第一导电网格(34，36)包括多个节点，每个节点位于精确定位的所述多个过孔(60)中的相应一个过孔的顶部并延伸入其中；以及
至少一个第二导电网格，其印刷在所述至少一个彩色墨水层(44)下方的所述覆盖物基体(32)的背表面上，使得每个第二导电网格(46)的尺寸和形状与第一导电网格(46)之一相对应，每个第二导电网格(46)包括多个节点，每个节点位于精确定位的所述多个过孔(60)中的相应一个过孔的下方并延伸入其中；以及
至少一个金属片，其将每个第二导电网格(46)连接到地。
3.根据权利要求2所述的组件，其中，第一导电网格和第二导电网格中的每个包括印刷在覆盖物基体(32)上的导电浆料(36，46)段。
4.根据权利要求3所述的组件，其中，彩色墨水层(44)施加在每个第一导电网格中的导电浆料(36)段的顶部。
5.根据权利要求4所述的组件，其中，每个第一导电网格的节点包括：
导电聚合物(40)的栓，其从覆盖物基体(32)的顶侧施加到每个精确定位的过孔(60)中，所述栓具有延伸到过孔(60)中的主体部分和凸缘部分，所述凸缘部分的直径大于过孔(60)的直径，并且所述凸缘部分在覆盖物基体(30)的顶表面上延伸；
施加在所述栓的顶部的导电浆料(36)段；和
施加在导电浆料(46)段的顶部的彩色墨水(44)段。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的组件，其中，每个第二导电网格的节点包括：导电浆料(46)的一部分，其从覆盖物基体(32)的底侧延伸到使其被关联为能够与第一导电网格的相应节点电接触的过孔(60)中。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的组件，其中，覆盖物基体(32)包括非导电聚合物。
8.根据权利要求7所述的组件，其中，所述非导电聚合物是聚对苯二甲酸乙二酯(“PET”)片材。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的组件，其中，静电耗散涂层(40)是透明的。
10.根据权利要求9所述的组件，其中，静电耗散涂层(40)在d＝100nm时具有高达90％的透明度Y。
11.根据权利要求9所述的组件，其中，静电耗散涂层(40)是由取代聚噻吩和阴离子构成的复合体，其电导率在1000西门子每厘米(S/cm)范围内。
12.根据权利要求2所述的组件，其中，多个第一导电网格(34，36)之一是具有位于覆盖物基体(32)的周边的过孔(60)的导电网格。
13.根据权利要求2至12中至少从属于权利要求2的权利要求中任一项所述的组件，其中，与键盘(70)的每个数据输入元件(14，16，18，20)相对应的区域被第一导电网格(34，36)中的至少一个包围。
14.一种用于数据输入和显示的电子装置，所述电子装置包括：
外壳；
安装在所述外壳上的适于数据输入和显示的键盘；以及
根据权利要求1至13中任一项所述的覆盖物，其被布置在所述键盘的顶部并且通过壳体来固定位置，所述覆盖物适用于耗散在键盘的使用过程中出现的静电荷。
15.根据权利要求14所述的电子装置，其中：
所述壳体是金属的；并且
由所述覆盖物耗散的静电荷被排放至所述壳体。
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