淺談防水機構設計

防水層級有很多種,從IPX1IPX8,從防雨淋,防噴灑、潑濺,防水柱沖擊到防浸入水中一定的深度。除了材料本身的防水防蝕特性之外,機構上如何設計才能達到防水的效果?

這次介紹,基本上以IPX7IPX8的防水設計為主,這也是目前防水設計上最被注意的項目。在細項上,會分成幾類:固定件、活動件以及壓力平衡來談。

固定件:

固定件顧名思義是不會被移動或旋轉的零件。像是智慧型手機的螢幕、不可替換電池機種的手機背蓋、手錶的背蓋和玻璃錶面這一類都屬於固定件。

固定件的防水方式,大致上有膠合以及鎖固或卡合並搭配防水膠圈兩種方式,當然這並不一定,也有其他交錯搭配的方式來達成機構固定並達到防水的效果。以Apple最近發表的iPhone 7 and iPhone 7 plus為例,其螢幕和本體的結合方式,就包含了卡勾、螺絲以及防水膠;而Samsung Galaxy S7的螢幕,從iFixit網站所提供的照片看來,單純只有膠合,而且S7的電池雖然不能讓使用者自行更換,但是仍有不可拆卸的背蓋設計,而背蓋也是以膠合的方式固定。而Apple Watch Series 2的背蓋,則是用防水膠圈的方式來達到防水效果。

1-1*圖片來源 iFixit 網站

applewatch*圖片來源 iFixit 網站

前面的例子大多都是異材質結合,玻璃和金屬,或是塑膠和玻璃。在塑膠對塑膠的處理上,還有用超音波熔接(Ultrasonic Welding) 的方式,但個人的經驗,這個方式無法達到百分之百的防水。如果要用這種方式處理機構和防水,會建議在超音波熔接外,另外再增加一道防水膠圈的設計,比較能有效的達到防水的效果。

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活動件:

經常性操作的按鍵、電池蓋、插孔的塞蓋(例如:記憶卡、SIM卡、USB或其他連接埠),都屬於活動件。活動件的防水,就不太可能用膠合的方式處理了。按鍵的處理方式,大致上有三種:

  1. 薄膜(Mylar)按鍵,最常看到的就是洗衣機上的按鍵,以一層薄膜透過防水膠貼附在產品外側,按鍵部分打凸並對應塑膠件的機構來達到按鍵防水的功能;而另一種薄膜按鍵,是以多層的薄膜膠合,中間搭配金屬彈片(Metal Dome)以及印刷在薄膜上的電路,最後以軟排線(FCC/FPC)和內部基板(PCB)連結,而薄膜按鍵本身一樣是以防水膠貼附在產品外側。x-ray.jpg
  2. 橡膠(Rubber)按鍵,常見的像工業行動電腦的按鍵,由橡膠按鍵與外殼膠合完成防水的功能,操作時   橡膠按鍵會觸發基板上的開關(Switch)或金屬彈片(Metal Dome);另一種做法是以雙料射出(Double Injection)或埋入射出(Insert Molding),將橡膠(用在射出的橡膠有TPE, TPU)與塑膠透過射出的方式黏合在一起,來達到防水的效果。rubberkey
  3. 實體(Solid)按鍵,用實體來形容是因為按鍵的材質有可能是金屬或是塑膠,透過機構的設計,以防水膠圈來達到防水的效果,並讓按鍵能夠順利的作動。像iPhone 7/7+的電源、音量按鍵,還包含了靜音切換開關,還有Apple Watch Series 2的數位錶冠(Digital Crown)都是用這樣的方式處理。在過去的案例中,也有另一種用金屬按鍵搭配防水膠圈的做法。iphone7-2                                                                                                                                                                 *圖片來源 iFixit 網站mp3-1

而塞蓋的處理方式,最常見的就是像膠材質的塞蓋,也有很多利用其他材質搭配防水膠圈的處理方式。像iPhone 7/7+SIM卡槽就是金屬搭配防水膠圈,而SONY比較一貫的作法是塑膠件搭配防水膠圈。

sim*圖片來源 iFixit 網站camera

壓力平衡:

針對內部元件較容易產生高熱的產品,散熱是一個重要的課題,而除了熱以外還有空氣受熱膨脹的問題,如果整機防水達到IPX7/IPX8,內部幾乎是氣密的狀況,內部空氣在受到元件發熱影響膨脹後,會造成內部壓力過高。反過來說,如果今天外部環境溫度很高,產品內部溫度較低,會造成外部壓力高於內部,這時如果浸入水中,會因為負壓的影響放大水壓的效果。這個負壓效應的規範,在美國軍規標準(MIL-STD-810G)中有規範明確的測試方式。

壓力平衡的解決方案,通常是使用防水透氣的薄膜(例如GORE-TEX),透過防水膠貼附在外殼特定對外的開口內側。而防水膜在防水手機殼的作用除了平衡壓力,還有另一個作用-聲音傳導。不管是聽筒、麥克風還是揚聲器,在裝了防水殼之後還要能正常作用,這時候就必須透過防水膜來達到防水又能夠傳導聲音的效果。不過後來,慢慢有改用其他薄膜來達到防水和聲音傳導的功能,因為聲波是透過聲波傳導,空氣只是介質,並不一定是要流動的空氣。防水膜的厚度一般大概都在0.1mm左右,而用來傳導聲音的薄膜厚度更薄,大約在0.05mm左右。所以在機構的設計上,貼附薄膜的位置一定要做防止異物穿刺的設計,不然一但薄膜被破壞,防水功能就破功了。

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另外要補充一下,在經常性使用的塞蓋、插槽、防水殼的前後蓋。在機構的設計上,一定要讓使用者有明確安裝到的「定位」的感覺,不論是凸點定位,卡勾/榫定位,或是其他的定位方式。這樣才能確保使用者在日常使用上,產品的防水是沒有問題的。而在材質的選用上,許多塞蓋和防水殼的前後蓋,在產品的設計上使用雙料射出(Double Injection)或埋入射出(Insert Molding)來處理,但適用於射出的像膠材質TPE/TPU,耐候性和經長久壓縮後的回彈性可能不如防水膠圈所使用的矽膠來的好,這一點也是需要注意的。

以上大概介紹了防水機構設計的幾個重點,希望大家對產品的防水可以有一定程度的了解。

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