产品结构设计·产品按键结构设计要点浅析

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做产品结构设计，难免会遇到按键设计的需求，关于按键设计都有哪些要素，需要注意哪些细节呢？下文结合以往的一些项目和案例，做一些归纳性的总结，不足之处还请各位同行批评指正。

首先，根据结构形式，我把按键分为几大大类：独立式、悬臂式、硅胶按键、薄膜类按键和触摸式按键等

独立式按键和悬臂式按键是根据产品ID要求，设计特殊造型的外置操作键，其底部通常是电路板上的按键器件。

典型按键结构

各种轻触按键

也有在电路板上放置锅仔片的做法：

下图是一种跷跷板式的按键结构，可以看做是一种特殊的悬臂式的结构。此种按键结构通常为一对，在按键的中央位置设计一个凸起的小柱子，面盖上设计相对应的卡位，通过塑胶弹性变形，件按键卡入面盖的卡位中，按键工作时绕中间凸起的柱子为中心轴，类似跷跷板旋转实现按键触发。

跷跷板式按键

 悬臂按键的悬臂设计 

悬臂梁厚度一般为：1.0mm~1.5mm，如果产品尺寸较小，按键尺寸和行程比较小，厚度也可小于1mm，最薄取值0.6mm。

悬臂梁宽度一般取值为厚度的1.5倍到2.5倍，一般不超过2.5mm，宽厚比设计为1:0.6为宜。

悬臂的长度L取值大于10mm，且悬臂需要是弧形，能提供按键下压时的行程造成的变形空间，如果是直臂，则有可能臂长不能拉伸而不能下压。

按键悬臂结构形式

按键设计时需要统筹考虑的几大问题：行程、虚位、防呆、手感力度、装配方式，表面处理。

悬臂按键的装配方式通常是悬臂上预留空位，与装配的基座通过热熔或过盈配合的方式装配。热熔装配悬臂按键装配牢固，但需要烫胶柱，需要热熔设备，而且装配后不可拆卸。当空间限制，按键悬臂和行程都很短时使用热熔固定。为方便组装作业，在悬臂足够长，按键按压行程不足以影响按键固定结构的情况下，按键固定优选过盈配合的方式。

热熔方式固定

 按键间隙 

按键设计关键尺寸

• 按键与面壳配合间隙A需要确保按键能被顺利按下和回弹：

当按键和塑料面壳都是注塑后无表面处理时，单边配合间隙A值适当取小值，A=0.10mm~0.15mm；

• 当塑料按键或面板有一方需要喷油时，单边配合间隙A=0.20mm~0.25mm；当塑料按键和面板均需要喷油时，单边配合间隙A=0.30mm~0.40mm;

• 跷跷板式按键，摆动方向单边间隙通常需要根据按键行程和悬臂尺寸进行实际模拟，通常需要在极限尺寸的基础上增加0.25mm~0.30mm；非摆动方向配合间隙A取0.2mm~0.25mm(同用需要考虑表面处理膜厚对配合间隙的影响)。

• 如果按键表面喷橡胶油，则需要考虑到橡胶油比普通喷油要厚大概0.15mm，配合单边间隙A需要在普通喷油基础上再增加0.15mm。

• 按键与轻触开关底部需要设计虚位，虚位尺寸B需要根据零件尺寸公差和组装公差，通常如果电路板装配和按键都装配在面壳，B值取0.15mm~0.20mm；如果按键装配在面壳，电路板装配在底壳，B值取值应考虑到组装公差，通常取0.20mm~0.30mm。

• 按键高出面板的尺寸D取值通常需要大于1.20mm，如果ID要求按键的凸出高度不能满足此值要求，则需要考虑按键行程和按键操作时受力偏向一边的情况下的按键歪斜量，模拟出一个不卡键的安全高度。否则操作过程中容易卡键。下图是按键是硬胶按键的情况下按键端压的示意图，需要确保按键在极限情况下，按键的最低端仍然能高出面板0.3mm以上的，切不可卡入面板的按键孔中。如果外露按键是硅胶按键，因为硅胶按键主体受压力的情况下也会压缩，端压突出高度则需要预留更多，需要综合考虑硅胶按键的厚度来预留，通常需要预留1mm以上。

按键端压

 按键防呆 

不同的按键会对应不同的功能要求，因此即使是形状相同的按键，通常表面也会有不同的功能符号，装配时绝不可以装错。如果是圆形的按键，装配后，通常也要求不能被转动。结构设计时需要考虑不同按键的错误装配防呆，和装配后的转动防呆。

上图产品中的按键，按键要求喷油，字符镭雕透光要求。按键形状为圆形且外形相同，仅仅是字符不同。如果做独立式的按键设计，则必须考虑考虑1号按键只能装配在1号按键的位置，且字符方向要正确。因此如果做独立式按键，则必须将每个按键结构做的不相同，即使如此，装配时也比较复杂，仍然有将按键放入错误按键孔后才能发现放错按键的问题。在这种情况下，不宜采用独立式按键设计，而应该优先考虑连体按键。

连体悬臂按键

 按键手感 

独立式和悬臂式的按键底部通常有轻触开关，其手感的主要决定因素在器件的选型。而触摸开关，则只有触摸感应的灵敏度，无机械特性的手感可言。按键的手感设计，主要是针对硅胶按键而言。

决定一个按键触感的好坏有三种要素：操作力，发弹力以及行程。触感愈差，发弹力愈好，反之，触感愈好则发弹力就会愈弱。因此，在一味追求好的触感，则会面临致命的卡键问题，设计工程师的责任是应该选择最好的按键结构，达到最佳的触感比例。

硅胶按键按力行程曲线图

上图中，红色线为按压按键时的按压力与按键行程的关系，蓝色线是按键回弹时的回弹力与行程的关系。按键按力与行程的曲线可以由力度曲线仪测得。

按键设计手感的问题，不同的曲线对应不同的手感，根据经验，当接触力减去反弹力在25克左右，触感值(Fp-Fc)/Fp在40%~60%时，手感较好。

若是不同大小的按键设计成一个连体硅胶按键，设计时须根据不同按键大小设计不同的按压力。若不分大小设计成一种按压力，会导致大的按键总体手感轻，且不易反弹，二者应成相对的正比关系。峰值按力的制作误差为±15%~20%。

　　推荐如下：

　　小小按键(参考面积 40~95mm²)：80g±15%

　　小按键(参考面积 95~175mm²)：100g±15%

　　中小按键(参考面积 175~350mm²)：130g±15%

　　中大按键(参考面积 350~630mm²)：170g±15%

　　大按键(参考面积 630~950mm²)：210g±15%

 硅胶按键的典型结构 

硅胶按键典型结构

基片厚度可取0.8~1.2mm，过厚的基片会增加收缩率，影响尺寸精度。如果是导电胶粒的设计，行程一般取0.8~1.5mm为宜。硅胶按键底部也可以是轻触开关，行程则需要根据轻触开关的行程而定。通常斜壁的角度控制在45度到60度之间，45度斜壁的设计居多，容易获得清晰的节奏感。斜壁的壁厚影响到触感，按压力和反弹力随着斜壁厚度的增加而加大，设计取值通常为0.2~0.5mm。

除了斜壁的厚度和角度影响按键触感外，硅胶按键材料的硬度也是影响因素。硅胶按键的硬度是硅胶原材料决定的，常见的硅胶硬度有30°50°70°，随着硅胶按键硬度越高，手感会越好，但硬度太高了，也会影响使用寿命的，硬度越低的话，相对应硅胶按键就会越软，手感也就较差，且按键与塑料孔位摩擦力会增大，易造成卡键。因此，硅胶按键一般要求硅胶硬度为50°或者是60°。

如果基片紧贴在电路板上，则需要设计排气沟。如果没有排气沟，硅胶按键的腔体会与电路板行程负压，影响按键回弹。排气沟可以深度取值0.3mm，宽度可视按键的大小尺寸调整，目的是快速排气。需要注意的是，如果是多体按键设计，排气沟需要能相互联通。

排气沟需要相互联通

当然有时由于结构形态和空间限制，或者基于功能要求，硅胶按键也可以设计成其他截面形态。下图展示的是不同截面形式的按力-行程曲线。

部分产品硅胶按键寿命参考
遥控器类：50 万次	电话机类：100 万次	手提电脑：400 万次~500 万次	电脑键盘：500~1000 万
监护类产品硅胶按键寿命定义为50万次以上	B超硅胶按键的普通寿命定义为100万次以上	高寿命定义为 400 万次以上

 薄膜按键 

薄膜按健是一块带触点的PET薄片（或PVC片），用在PCB、FPC等线路板上作为开关使用，在使用者与仪器之间起到一个重要的触感型开关的作用。薄膜按键上的触点的下方对用位于PCB板上的导电部位(大部分位于线路板上的金手指上方）。当按键受到外力按压时，触点的中心点下凹，接触到PCB上的线路，从而形成回路，电流通过触电得以触发。

薄膜开关基本结构

薄膜按键都是“按键+薄膜”的基本结构，所以，按键的手感、特色等很大方面都取决于薄膜按键的设计。

薄膜开关面板层材料常用PET、PVC和PC。塑料基材厚度在0.25mm以内称为薄膜，用作薄膜开关的面板层；厚度在0.25mm以上称为板材，不适合立体按键成型，可作用无按键操作区域的指示性的标牌面板，也可做为薄膜开关的衬板以提高其强度。

考虑到开关触点的分离和回弹的可靠性，薄膜的厚度一般选择在0.125-0.2mm为最佳,过薄回弹无力，触点分离不灵敏。过厚反应迟钝增加操作力度。键体较大，如方形按键对角线长度或园形键按键直径大于12mm时，选用0.15或0.2毫米厚的薄膜。

薄膜稍厚，反弹有力，键体经多次按后薄膜松弛的倾向较小，从而保证触点的正常工作。当隔离层愈薄，电路基材薄膜厚度应该要厚，过薄的薄膜容易出现触点的自通。

电路层承印材料：制作电路的基材采用PET薄膜，它具有良好的绝缘性和耐热性，具有较高的机械强度、透明性和气密性，并具有抗折性和高回弹性能。

隔离层的作用是在开关常态下，将上、下电路触电分离。隔离层外形比较简单，是在薄膜的两面贴上双面不干胶，并在与电路触点以及面板按键相对应的位置冲制出相应的窗孔。隔离层介于上、下电路之间，起到支撑和隔离上、下电路的作用。

 触摸按键 

触摸按键因其外观简洁，科技感强，在电子产品，家电上经常见到。触摸按键常见是电容感应式，可以穿透绝缘材料外壳 8mm （玻璃、塑料等等）以上，准确无误地侦测到手指的有效触摸。并保证了产品的灵敏度、稳定性、可靠性等不会因环境条件的改变或长期使用而发生变化，并具有防水和强抗干扰能力，超强防护，超强适应温度范围。

电容接触式触摸按键

原理：通过测量面板和环境电容变化来检测是否有触摸时间发生。人体手指触摸时，会存在一定电容，构成了电容板的一极，电容的另一极是PCB板铜皮，两级之间添加介质使得变成一个电容器，如下图所示：

根据其原理，电容触摸按键的结构就非常简单了，面板的材料只要不含有金属都可以，塑料、陶瓷、玻璃都可作为触摸屏。触摸屏的下方紧贴电容感应片，电容感应片的结构形式也是多样的，只要电路能感应出电容值的变化都可以。

有些场合，可以定做不干胶的感应片，紧贴于面板下方：

以下带弹簧的金属片可以直接焊在电路板上，金属片通过弹簧紧贴在屏的下方：

以下是一种按键背光的形式，在PCB上或面板上做挡筋这2种形式，效果一样，可以用批量或生产标准化来决定。

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