用于人机接口设备的静电电荷接地的制作方法

本公开内容的各方面涉及用于具有非导电元件的人机接口设备中的静电电荷接地的领域。

背景技术：

设备外壳通常用于包住电子和/或电气部件如电路卡组件、印刷电路板、分立的电气部件或其它设备。设备外壳提供抵抗周围环境如水、灰尘、污垢、震动、电气干扰或其他环境危害的保护。此外，当电子设备被用于人类-设备环境中时，例如当人工类操作者必须与设备进行交互时，可能发生静电放电(esd)事件。esd事件可以包括在电子设备的人工类操作者或处理者与设备本身之间的静电放电等事件。esd能量通常遵循从esd源如手指、衣服或装置本身到电接地的路径。

关于人机接口装置中的触摸屏，当将触摸屏安装在边框中时，可以获得两种基本构造——前部装载和后部装载。后部装载使触摸屏的前表面与边框的后部接触，并且可以使用导电粘合剂来实现密封。这种构造方法对现有的装配技术而言不存在任何挑战。引入围绕触摸屏的架子或搁板具有下述缺点，该凸缘或架子积聚来自环境的材料，并且可以使得在大气中存在有机物的环境中细菌可以生长。前部装载提供了不会积聚来自环境的材料的平坦(共面的)前表面。

此外，在一些环境中，esd事件可能导致爆炸(例如在与油、气体、药品和涂料相关的工业设置中)。适用于一些领域的标准和保障措施对在这种环境中工作的设备的安全特征和/或特性提出要求。例如，在欧洲，对于使用的设备的防爆(appareilsdestinésàêtreutilisésenatmosphèresexplosibles，atex)指令包括两个指令，这两个指令描述在具有爆炸性气氛的环境中允许什么设备和工作环境特性。atex要求电气设备被设计为在常规使用、维护和清洁条件下避免由于静电电荷而引起的点火危险。通过用粘合的耐用导电涂层覆盖非金属表面来满足这种atex要求。

atex指令的一个目的是允许在欧盟内销售和操作符合atex的设备和系统，而不要求针对每个管辖区进行单独测试和其他手续。一般来说，atex设备和保护系统指令适用于当设备有自己的点火源、意图在潜在的爆炸性环境中工作以及在常规大气条件下工作的任何时候。静电放电由atex指令识别为有效的点火源。

技术实现要素：

在hmi装置中，通过将外表面导电涂层连接至接地导体来实现人机接口(hmi)装置(例如显示器如图形终端中的触摸屏组件)的外表面的静电电荷接地。使用静电电荷路由系统进行连接，该静电电荷路由系统为积聚在外表面导电涂层上的电子提供到达地面的路径——这可以通过下述方式来完成：通过将电子路由通过hmi装置中的一个或更多个非导电元件、通过经由邻近的导电路径使电子路由“绕过”(一个或更多个)非导电元件以及以其他方式，包括这些各种路由模式的组合。接地导体可以是由金属或另一导体制成的边框，涂敷到边框或其他hmi装置元件的导电涂料层、花键销或螺钉。由静电电荷路由系统限定的电子路径可以包括导电和耗散元件如金属花键销、金属螺钉、用作短的闭合电子桥的耗散塑料以及导电环氧树脂。

提供本概述以便以简化形式介绍将在以下技术公开中进一步描述的一些理念。应当理解，本概述不旨在识别所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。

附图说明

可以参考附图来更好地理解本公开内容的许多方面。附图中的部件不一定按比例绘制，而是重点在于清楚地示出本公开内容的原理。此外，在附图中，相同的附图标记表示遍及多个视图中的相应部分。虽然结合这些附图描述了若干实施方式，但是本公开内容不限于本文中公开的实施方式。相反，其意图为覆盖所有替代、修改和等同方案。

图1a示出了hmi装置的前视图。

图1b示出了hmi装置的仰视图。

图2示出了实现静电电荷接地的hmi装置的横截面图。

图3示出了实现静电电荷接地的hmi装置的横截面图。

图4a示出了采用高导电率涂料的hmi装置的横截面图。

图4b示出了采用低电导率涂料的hmi装置的横截面图。

图4c示出了采用高电导率涂料和低电导率涂料的组合的hmi装置的横截面图。

图5示出了实现静电电荷接地的hmi装置的横截面图。

图6示出了实现静电电荷接地的hmi装置的横截面图。

图7示出了实现静电电荷接地的hmi装置的横截面图。

图8示出了实现静电电荷接地的hmi装置的横截面图。

具体实施方式

本文中公开和要求保护的静电电荷接地的实现方式提供了与hmi装置有关的装置和方法，在该装置和方法中，静电电荷从非导电(例如非金属)表面上的外导电涂层(例如作为触摸屏组件的一部分的覆盖件)经由静电电荷路由系统被有效地传导至接地导体——静电电荷可以被路由通过一个或更多个非导电部件如非导电触摸屏覆盖件和/或非导电边框以及/或者可以被路由“绕过”(一个或更多个)非导电部件。外导电涂层可以是贴附或涂敷到非导电部件的外表面的透明硬涂层(例如触摸屏上的覆盖件)。接地导体可以是连接至地的适当的元件和/或材料。

图1a和1b示出了代表性人机接口(hmi)装置100(例如图形终端)，hmi装置100具有hmi部件组件104(例如触摸屏组件)，hmi部件组件104是hmi模块106的一部分，其中，hmi部件组件104被框在边框组件108内。hmi部件如触摸屏上的可视化可以包括描绘图像、文本、动画等的对象。其他hmi组件可以包括键盘、分段字符显示器、信息和指示标签等。在一些实施方式中，组件104可以被安装在与工业自动化装置分离的单元中。然而，应当注意，在一些实施方式中，组件104还可以被设置在工业自动化装置诸如工业自动化驱动器、马达起动器、接触器、开关设备、能量计、机器人等内。

组件104可以被用作操作员接口，以控制、监视和/或显示与相应的工业自动化装置或工业自动化系统中的各种其他部件相关联的各种属性，或者可以经由组件104与操作者之间的交互以其他方式来使用。无论是安装在工业自动化装置内还是远离工业自动化装置等，各种人机接口装置利用hmi部件，所述hmi部件可能位于当电气和电子装置在该环境内工作时对hmi装置不利的和/或造成危险的环境中。为了保护这样的hmi部件以及任何相关联的输入键、显示元件、膜按钮元件等免受刮蹭、水、灰尘、指纹和其他外部损坏(例如来自化学品、研磨材料)，保护性覆盖件有时覆盖hmi部件以及hmi装置的构造中的间隙。这种覆盖件通常是允许电荷积聚的绝缘体。可以将导电层(例如透明导电硬涂层)涂敷到覆盖件以提供表面导电性。然而，这种导电性仍然要求积聚的静电电荷具有到达地的路径。

保护性覆盖件或其它覆盖物通常用于覆盖人机接口装置如图形终端中的触摸屏、小键盘、字符显示器等的整个表面。这种覆盖层是不允许静电电荷从外表面穿过覆盖层的绝缘体。此外，这种保护性覆盖层的外表面不接触地面或路由到地面(例如安装触摸屏组件的边框)，从而电隔离积聚在保护性覆盖物的外表面上的任何静电电荷。

图2示出了具有触摸屏组件和接地金属边框208的图形终端200中的静电电荷接地的示例性实现方式。图2至图8的实现方式是具有hmi部件组件和接地的hmi装置的静电电荷接地的非限制性示例；用于说明的目的提供图形终端/触摸屏示例。在这些非限制性示例中的每个示例中，图形终端(即hmi装置)包括具有覆盖层(即非金属或其他非导电表面)的触摸屏(即hmi部件)，覆盖层具有导电涂层(即导电盖)。触摸屏组件包括触摸屏204和透明塑料覆盖层210(例如由优良的绝缘体如聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)制成，在一些情况下具有约0.7mm的宽度)，透明塑料覆盖层210覆盖触摸屏204并且可以分别使用粘合层213、粘合层214等被贴附至触摸屏204和金属边框208。层214中的粘合剂(其可以是光学透明的粘合剂)将非导电覆盖层210的内表面贴附至触摸屏204的外表面。粘合层213、粘合层214可以使用相同的粘合剂或可以使用不同的粘合剂。除了粘合剂以外或替代粘合剂，可以使用其他安装装置207以将触摸屏204安装至金属边框208和/或与金属边框208相邻。触摸屏组件还可以包括液晶显示(lcd)单元242。导电涂层220使得能够进行电子迁移并且覆盖非导电覆盖件210的外表面。导电涂层220的内表面贴附至(例如涂敷至)非导电覆盖件210的外表面和导电涂层220的外表面，尽管允许电子迁移，但是如果不存在导管222，则允许静电电荷积聚。

在这些实现方式中，静电电荷路由系统包括一个或更多个静电电荷路由导管222，静电电荷路由导管222将导电涂层220电连接到接地金属边框208(接地导体)，从而为被积聚在导电涂层220上的静电电荷提供退出路径以找到静电电荷穿过非导电覆盖件210至接地的途径。从图3可以看出，积聚在导电涂层220上的电子可以使用导管222穿过非导电覆盖件210到接地金属边框208。从图2可以看出，但是对于导管222，不存在穿过覆盖件210的导电路径，并且因此，积聚在导电涂层220上的静电电荷与金属边框208和用于将这种积聚的静电电荷接地的任何其他路径两者电隔离。

导管222可以以各种方式实现，例如为柱、螺钉、销、铆钉、花键销或其他伸长导体，其将电荷从导电基板的表面如覆盖覆盖件的导电硬涂覆盖物传导穿过覆盖件到达内部导电基板(例如接地导体如边框208)。花键销或螺钉提供简单的、容易构造的实现方式，其提供与导电涂层的外表面(经由接合导电表面基板的顶部的销/螺钉头的下侧)和内部接地导体(经由嵌入并接合下面的接地导体的螺纹或花键件)两者的良好的表面区域接触。

导管222可以由任何合适的材料(例如避免腐蚀从而具有高阻抗的不锈钢)制成。这些实现方式经济且鲁棒地具有表面导电性，并且避免结合一些替换方式(例如后部装载)所需的重新装备的成本和风险。此外，这些实施方式利用可靠的触摸屏组件和相关的覆盖件设备来提供满足atex标准和认证的产品。这是一种廉价的方法，使用具有导电性的塑料触摸屏覆盖件来制造能够满足atex认证要求的显示器产品以避免静电积聚，同时提供无缝且共面的前部解决方案，从而使用已建立的高容量边框构造以保持低成本。

在一些图形终端和其他hmi装置中，边框或类似部件由非导电材料构成。在其他情况下，边框可以由导电塑料制成，当边框被模制或以其他方式处理时，不具有足够的表面导电性以耗散或充分传递积聚的静电电荷。关于由导电塑料铸造的边框，这种边框的表面导电性通常远低于有用水平，这对于防静电考虑尤其成问题。在这种情况下，可以实现导电涂料系统以在表面处提供更好的静电电荷迁移率。

在一些实现方式中，为了提供既具有足够导电性又足够耐用的涂漆塑料边框，将较不导电(但较耐用)的外部涂料涂敷在较导电(但较不耐用)的涂料上。外部涂料的体积电导率允许至更加导电的内部涂料的短(厚涂料)路径，从而针对atex等级等为塑料边框的提交提供足够的导电性，同时尽管预期的最终用户磨损和撕裂但仍保持外部耐用性以保持导电性。这种实现方式使得实际使用满足严格的防静电要求的成本有效的塑料边框构造(而不是金属或昂贵但较差的“导电塑料”)。这些实现方式还允许更低价格的产品满足静态耗散规范。

图4a、图4b和图4c示出了如何协同使用涂料的组合以实现足够的耐用性和足够的静电电荷耗散两者。图4a示出了在图形终端400的非导电元件408(例如边框)上使用接地高导电涂料层411。通常，这样的涂料是高度导电的但不足够耐用，容易被刮擦或以其他方式损坏使得在导电表面中形成不连续物421。较耐用的涂料是可用的，尽管它们具有标称体积电导率。图4b中示出了将这样的低导电性、耐用的涂料层413涂敷至下面的非导电元件408。这个配置受到以下事实的困扰：低电导率涂料层413不能以足够的效能将电子引导至接地以减少静电电荷积聚在表面上的风险。

在图4c中示出了两种类型的涂料的组合应用，其中，将较耐用的涂料层413层叠在外表面上的较不耐用的涂料层411上提供了耐用的涂层。因为高耐用性涂料具有一些标称电导率，所以电子可以穿过顶层413到达下面的高导电内涂层411，其为电子提供了接地路径否则电子将积聚在装置400的表面上。在涂敷有耐用涂料层413的情况下，电子可以穿透层413以到达导电涂层411，从而增强表面的导电性。

这些组合涂料层实现方式的使用以比其他电荷路由替代方案大幅降低的成本提供了所需的静电电荷路由性能。这样的实现方式同样节省了铸造金属边框的成本以及导电塑料重新装备的成本，这可以具有除了本文具体提到的那些之外的缺点。

静电电荷接地的其他实现方式使用静电电荷路由系统提供用于电子流过一个或更多个非导电元件的路径，静电电荷路由系统将触摸屏组件的外表面上的导电涂层电连接到接地导体，其中，接地导体包括覆盖非导电元件的全部或一部分的导电涂料层。

与导电边框是可用的实现方式不同，在导电导管与贴附至下面的非导电元件的一个或更多个附加导体之间形成良好的接触。导电涂料或其他涂层可以涂敷到下面的非导电元件的外表面，使得非导电覆盖件贴附至这种涂料。

图5示出了图形终端500，图形终端500包括由模制塑料等制成的涂敷有接地导电涂料层530的非导电边框508。导电涂料层530是接地导体，导电涂料层530包括非导电边框的通常暴露的表面区域531以及贴附有非导电覆盖件510的(一个或更多个)区域533。导电涂层520覆盖覆盖件510的外表面，而非导电覆盖件510的内表面贴附至触摸屏作为触摸屏组件的一部分。将导电涂层520连接到接地导体的静电电荷路由系统包括导电导管522，导电导管522被贴附以穿透非导电覆层510同时电连接到导电涂层520(例如如在图5的实现方式中所看见的，经由导管的头部的下侧，导管可以是销、螺钉、花键销或其他导体)。如果导电导管522被旋拧或以其他方式直接固定到导电涂料层530中，则即使镗孔或花键孔位置填充有额外的导电涂料，导电涂料层530的损坏和/或劣化(例如来自刮擦、撕裂、镗孔)也可以导致导电涂层520与接地导电涂料层530之间的连续性破坏。挑战是确保导电导管532与导电涂料层530具有实质电连接，而使导电涂料层530不被损坏到导电性极大劣化的程度。

在图5所示的一个或更多个实施方式中，花键销孔540的内表面涂有导电涂料(通常与导电涂料层530匹配)，以及然后填充有导电环氧树脂550。花键销、螺钉或其他导电导管可以插入穿过导电涂层520和非导电覆盖件510到导电环氧树脂550中，然后被固化，以使得导电导管532电连接导电涂层520和导电环氧树脂550。这消除了对导电涂料的刮擦、撕裂或其他损坏。此外，在导电导管522与导电环氧树脂550之间以及在导电环氧树脂550与导电涂料层530之间存在大的表面区域电接触。因为环氧树脂被完全包含在该结构内，所以环氧树脂不被暴露于外部环境。因此，导电填充材料可以选自各种物质。

与静电电荷接地的其他实现方式一样，使用导电环氧树脂作为静电电荷接地系统中的静电电荷路由系统的一部分的实现方式经济且鲁棒地具有表面导电性的益处。这些实现方式还允许使用标准非导电覆盖件和低成本模制塑料边框，并且通过利用导电环氧树脂避免对导电塑料的要求，同时仍然在导电材料之间提供大幅表面区域以提供适当的静电电荷接地。

当塑料或其他非金属边框是静电或电荷耗散材料(“耗散的”)时，可以使用静电电荷接地的其他实现方式，在图6、图7和图8中示出静电电荷接地的非限制性示例。在这些实现方式中，可以使用多个导电导管作为将导电触摸屏组件涂层连接到接地导体的静电电荷路由系统的一部分，同时使用耗散非金属基板作为导电导管之间的电子桥。这些实现方式中的一些可以用于在不失去针对电子的连续路径并且在不破坏水/粉尘密封能力的情况下提供从塑料边框上的表面导电塑料覆盖件到(在国家电气制造业协会和国际电工委员会的进入保护标准(nema/ip)下满足要求的密封单元的)接地销的路径。

由于掺杂剂往往不会停留在外表面处，所以导电掺杂的模制塑料在模制表面处的导电性降低。静电电荷接地的一些实现方式使用被设置在钻孔中的导电导管(例如花键销)，以提供对内部的相对较高的导电性的达成。这使得有效地使用用于限定导电塑料桥的两个导电导管(例如花键销)，以将电子从表面导电层如导电涂层运送通过nema/ip密封装置到达图形终端的背部上的导电层，同时留下导电塑料桥被有效地“密封”在中间(并且不是完全物理地隧穿)——这当然保持nema/ip等级等。这还可以用于使图形终端的两个相邻的共面表面导电部件(如覆盖件和导电涂料区域)彼此导电，使得实现塑料产品中的导电性和高nema/ip完整性两者。这样的实现方式针对塑料配置中的导电性允许满足atex要求，并且可以为低成本产品带来高位值的atex等级。得益于塑料构造的成本降低的具有nema和/或ip要求的任何符合atex的产品将从这些实施中受益。

在图6中，图形终端600包括具有触摸屏604和覆盖触摸屏604的非导电覆盖件610的触摸屏组件。导电涂层620覆盖覆盖件610。缺少静电电荷路由系统(文中，一个或更多个导电导管)，非导电覆盖件610上的导电涂层620与导电的非金属的耗散边框材料电隔离，因此不存在用于静电电荷接地的有效链路。

触摸屏组件安装至非金属的耗散边框608。边框608具有覆盖边框608的大部分或全部的导电涂料630的接地层(例如如本文所公开的多层涂料实现方式)。如上所述，非导电覆盖件610保护触摸屏604免受损坏并且被导电涂层620覆盖。在这些类型的实现方式中，静电电荷路由系统包括用于穿透导电涂层620和非导电覆盖件610两者的被固定在边框608内的第一导电导管622。第二导电导管632穿透导电涂料层630并且也被固定在边框608中。被固定在边框608内的导电导管622、导电导管632的间距足够近，以允许构成边框608的材料“横向地”用作导管622、导管632的嵌入柱之间的电子桥。这允许积聚在导电涂层620和外部导电涂层630两者上的电子进行收集并迁移到如由将水、灰尘、污染物等保持在图形终端600外部的密封件650限定的电气柜660内的接地等，图形终端600还可以包括液晶显示器(lcd)组件642和逻辑模块644。

静电电荷接地的其他实现方式可以使用采用多个导电导管的静电电荷路由系统。在图7的非限制性示例中，图形终端700包括hmi，hmi包括安装至非金属的导电边框708的触摸屏(未示出)，边框708具有防止水、灰尘等进入电气柜内的清洁区的密封件760(例如nema/ip水/尘密封件)。非导电覆盖件710保护触摸屏免受损坏并且被导电涂层720覆盖。第一导电导管722穿透导电涂层720和非导电覆层710两者，从而被固定在边框708内。接地的第二导电导管732也被固定在边框708中，但是被安装在相对于第一导电导管722的相对位置(图7中的“竖直”)，从而允许接地位于柜内的相对较无菌的环境内。被固定在边框708内的导电导管722、导电导管732的“竖直”间距足够近，以允许构成边框708的材料再次用作导管722、导管732之间的小的但封闭的电子桥。这种类型的实现方式使得在基本上不取决于边框708的导电塑料的情况下积聚在导电涂层720上的电子通过电子桥迁移到接地导电导管732。

图8示出了具有被安装至导电的非金属边框808的触摸屏804的图形终端800的类似实现方式。同样地，非导电覆盖件810保护触摸屏804并且被导电涂层820覆盖。lcd组件842和逻辑模块844也被包括在装置800中。由于边框808的较厚的厚度，所以静电电荷路由系统中的导电导管822、导电导管832中的一个或两个可以较长，以使得建立适当的间距以允许边框808的导电非金属材料用作小但封闭的电子桥，电子通过该电子桥可以从外部表面导管822传递到接地内部导管832。

各种实现方式通过设置电气设备来提供技术效果，电气设备通过将覆盖电气设备的非金属表面的导电涂层接地来避免由于在常规使用、维护和清洁的条件下的静电电荷引起的点火危险。这样的接地改进了这样的电气设备的安全性。

所包括的描述和附图描绘了教导本领域技术人员如何制造和使用最佳模式的具体实施方式。为了教导发明原理的目的，简化或省略一些常规方面。本领域技术人员应理解来自这些实施方式的落入本发明范围内的变化。本领域技术人员还应理解，上述特征可以以各种方式组合以形成多个实施方式。因此，本发明不限于上述具体实施方式，而是仅由权利要求及其等同来限定。