FR3033214A1 - Dispositif sans contact reutilisable dans des objets ayant des masses metalliques de configuration variable - Google Patents

Abstract

L'invention est relative à une antenne de couplage magnétique en champ proche, comprenant une bobine d'inductance à air (12) formée d'au moins un tour d'un conducteur; et une pastille de ferrite (18) disposée à la périphérie de la bobine et configurée pour border le conducteur sur une partie seulement de sa longueur. Un objet communiquant peut comprendre une antenne de ce type agencée pour communiquer par une face de l'objet ; et une partie métallique (16) disposée au voisinage de l'antenne, la pastille de ferrite étant disposée entre la bobine et la partie métallique.

Description

DISPOSITIF SANS CONTACT REUTILISABLE DANS DES OBJETS AYANT DES MASSES METALLIQUES DE CONFIGURATION VARIABLE Domaine technique L'invention est relative aux dispositifs d'indentification sans contact à couplage magnétique en champ proche, par exemple de type NFC (de l'anglais « Near Field Communication »), du type ISO 14443, ou du type ISO 15693, et plus spécifiquement à des dispositifs sans contact à intégrer dans des objets comportant des masses métalliques.

Arrière-plan Dans certaines applications, on souhaite intégrer un dispositif NFC dans un objet que l'on a en permanence sur soi, comme une montre bracelet. Le brevet US 8 235 586 décrit un exemple de montre bracelet équipée d'un dispositif de paiement sans contact. Pour ne pas entraver le fonctionnement de l'antenne, le boîtier de la montre et les pièces 15 proches de l'antenne sont en matière plastique. Ainsi, l'approche décrite dans ce brevet est limitée à des objets constitués essentiellement en matière plastique. Résumé On prévoit de façon générale une antenne de couplage magnétique en champ proche, comprenant une bobine d'inductance à air formée d'au moins un tour d'un conducteur ; 20 et une pastille de ferrite disposée à la périphérie de la bobine et configurée pour border le conducteur sur une partie seulement de sa longueur. Un objet communiquant peut comprendre une antenne de ce type agencée pour communiquer par une face de l'objet ; et une partie métallique disposée au voisinage de l'antenne, la pastille de ferrite étant disposée entre la bobine et la partie métallique. 25 La pastille de ferrite peut être plus petite que la zone en regard entre la bobine et la partie métallique. L'antenne peut comprendre un substrat souple portant une piste conductrice formant la bobine. La pastille de ferrite peut alors être fixée au substrat par un adhésif, et la partie du substrat dépourvue de pastille de ferrite être comblée par un adhésif double-face de 30 même épaisseur que la pastille. 3033214 2 L'objet peut se présenter sous la forme d'une montre-bracelet comprenant un boîtier métallique ayant un logement conçu pour recevoir un cadran, l'antenne étant fixée dans le logement avec la pastille de ferrite orientée vers le fond du logement ; un verre obturant le logement ; et une lunette en matériau isolant fixée sur le pourtour du 5 logement et configurée pour cacher l'antenne. L'objet peut se présenter sous la forme d'une boîte de maquillage comprenant une base en matière plastique ; au moins un conteneur métallique logé dans la base ; et l'antenne logée dans un compartiment de la base avec la pastille de ferrite orientée vers le conteneur. 10 La pastille de ferrite peut être à base de résine polymère souple. Un procédé de réglage de l'inductance de l'antenne peut comprendre les étapes consistant à prévoir une bobine d'inductance à air ayant une inductance cible ; munir le pourtour de la bobine d'un chemin de ferrite ; monter la bobine dans l'objet avec le chemin de ferrite disposé entre la bobine et les parties métalliques ; mesurer l'inductance de la bobine ; si l'inductance est supérieure à la valeur cible, retirer un segment du chemin de ferrite ; et réitérer à partir de l'étape de mesure jusqu'à ce que l'inductance mesurée soit dans une marge de tolérance autour de la valeur cible. Les segments peuvent être retirés en commençant par des zones dépourvues de parties métalliques en regard.

Ensuite, on peut reproduire la configuration obtenue du chemin de ferrite pour une série d'antennes à assembler dans des objets de même nature. Description sommaire des dessins Des modes de réalisation seront exposés dans la description suivante, faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : - la figure 1 représente une vue de dessus schématique en situation d'un mode de réalisation de dispositif sans contact ayant une antenne adaptée à la présence de masses métalliques ; - la figure 2 est une vue en coupe de l'antenne de la figure 1 ; 3033214 3 - la figure 3 est une vue de face d'une montre bracelet métallique incorporant un dispositif sans contact du type de la figure 1, l'antenne étant illustrée par transparence ; et - la figure 4 est une vue en coupe partielle de la montre de la figure 3.

5 Description de modes de réalisation Un dispositif sans contact à couplage magnétique, par exemple de type NFC, se présente souvent sous la forme d'un substrat souple en matière plastique sur lequel sont agencées des pistes métalliques, souvent en aluminium, formant une antenne plane, et des bornes de connexion pour rapporter un microcircuit de commande disponible dans 10 le commerce. Le microcircuit intègre un condensateur servant à accorder le circuit d'antenne sur une fréquence cible. Ainsi, l'antenne est dimensionnée pour avoir une inductance adaptée à la valeur typique du condensateur du microcircuit. Dans certaines applications, par exemple dans le domaine de l'IOT (de l'anglais « Internet Of Things »), on souhaite intégrer le dispositif NFC dans un objet métallique, 15 ou comportant des masses métalliques se trouvant inévitablement à proximité de l'antenne. La présence d'une masse conductrice à proximité de l'antenne perturbe le champ magnétique, décalant la fréquence d'accord de l'antenne. Le dispositif peut devenir inopérant si la masse métallique est suffisamment étendue. Il est connu, pour éviter ce problème, d'interposer un écran en ferrite entre l'antenne et 20 la masse métallique. L'écran est généralement un écran intégral qui occupe toute la surface de l'antenne et déborde de la périphérie de l'antenne. Cette technique est utilisée le plus souvent pour des étiquettes NFC conçues pour être collées sur des objets métalliques. L'antenne est alors conçue au départ, quant à son inductance, pour être associée à un tel écran de ferrite.

25 Pour des raisons d'optimisation de production, on peut souhaiter réutiliser une même configuration de substrat avec son motif de métallisations pour différentes gammes de produits. Pour des produits sans masse métallique, l'antenne peut être une bobine d'inductance à air, dont la taille et le nombre de spires détermine l'inductance. Si cette même configuration de substrat devait être utilisée dans un produit comportant des masses métalliques à proximité de l'antenne, on aurait tendance à utiliser un écran intégral de ferrite. Cependant, la proximité de la ferrite augmente notablement l'inductance, c'est-à-dire que la bobine d'antenne devient une bobine d'inductance à 3033214 4 noyau en ferrite, dont la structure doit être modifiée pour conserver la fréquence d'accord. On propose ci-après une technique permettant d'utiliser une même structure de bobine d'inductance à air, aussi bien dans un produit sans masse métallique, que dans un 5 produit comportant des masses métalliques. La figure 1 représente une vue de dessus schématique d'un mode de réalisation de dispositif sans contact pouvant atteindre cet objectif Le dispositif est, par exemple, sous la forme de pistes métalliques agencées sur les faces d'un substrat souple 10. L'antenne 12 est ici formée d'une piste bobinée en spirale, la spirale pouvant être circonscrite dans 10 un anneau relativement étroit. Les extrémités de la spirale sont connectées à des bornes respectives d'un microcircuit de commande 14 par des tronçons de piste droits. Le tronçon de piste reliant l'extrémité intérieure de la spirale au microcircuit croise la spirale par un pont agencé sur la face opposée du substrat. La bobine d'antenne peut être conçue pour atteindre l'inductance souhaitée à l'air, c'est-15 à-dire en absence de ferrite ou de masses métalliques. Le dispositif peut alors être utilisé sans autre mesure dans des objets dépourvus de masses métalliques ou conductrices. A la figure 1, le dispositif est représenté en situation dans un objet pourvu d'une masse métallique 16. Cette masse métallique présente, à titre d'exemple, une partie à cheval sur le quart nord-ouest de l'antenne, et une partie en regard du quart sud-est de 20 l'antenne. La présence de la masse métallique perturbe les propriétés de l'antenne, perturbation qui a pour conséquence pratique une diminution de l'inductance apparente de l'antenne. Cette diminution de l'inductance élève la fréquence d'accord de l'antenne, de sorte que l'antenne ne fonctionne plus dans ses conditions nominales. Pour compenser la diminution d'inductance, on propose d'intercaler localement entre 25 les conducteurs de la bobine d'antenne 12 et la masse métallique 16 une pastille de ferrite 18. Comme cela est représenté, la pastille 18 peut être prévue au niveau de la masse métallique la plus importante, dans le secteur nord-ouest. La pastille peut avoir une forme de secteur d'anneau à cheval sur les conducteurs de l'antenne 12. L'insertion de ferrite entre la bobine et la masse métallique, même de façon localisée, 30 entraîne une augmentation sensible de l'inductance apparente de la bobine. La longueur de la pastille dans l'axe des conducteurs peut être ajustée pour que l'inductance apparente de la bobine retrouve approximativement la valeur d'origine de l'inductance à air.

3033214 5 Comme cela est représenté, une telle compensation de l'inductance peut généralement être obtenue alors que la pastille 18 n'atteint pas les limites de la masse métallique 16. Dans le cas contraire, si une compensation n'est pas atteinte alors que la longueur de la pastille 18 atteint les limites de la masse métallique, on peut prévoir une pastille 5 supplémentaire 18', comme cela est représenté, au niveau d'une autre masse métallique, en l'occurrence la masse métallique sud-est. Si la masse métallique est uniforme et occupe toute la surface de l'antenne 12, on peut utiliser en règle générale une seule pastille de longueur adéquate à une position quelconque de la bobine d'antenne. En pratique, la pastille n'occupera pas toute la 10 circonférence de l'antenne. La figure 2 est une vue en coupe du dispositif de la figure 1. Les secteurs en ferrite 18 peuvent être sous la forme de bandes minces. En enduisant d'adhésif les faces inférieure et supérieure des secteurs, ceux-ci peuvent servir à fixer le substrat de l'antenne à l'objet. Les parties de l'antenne 12 dépourvues de ferrite peuvent être comblées par un 15 adhésif double-face 20 de même épaisseur que les secteurs de ferrite. Les secteurs de ferrite et l'adhésif double-face forment alors ensemble un anneau adhésif pour fixer le substrat de l'antenne à une surface plane de l'objet, par exemple une plaque 22. On trouve dans le commerce de la ferrite sous forme de bande souple à base de résine polymère, aussi mince que 0,1 mm. La bande peut être découpée facilement selon les 20 formes de pastille souhaitées. La ferrite peut également se présenter sous forme frittée, mais elle est alors friable et moins facile à découper de manière précise. Pour ajuster la longueur de la pastille (ou des pastilles) en fonction de l'objet que l'on veut équiper du dispositif sans contact, on peut dans une phase d'étalonnage munir le pourtour d'une antenne d'un dispositif échantillon d'un chemin de ferrite sacrificiel. Le 25 chemin initial peut former un anneau complet ou une partie suffisamment grande pour conférer à l'antenne une inductance apparente supérieure à l'inductance à air une fois que l'antenne est en place. L'antenne échantillon est montée de façon réversible dans un objet échantillon, avec le chemin en ferrite tourné vers les masses métalliques de l'objet, et on mesure 30 l'inductance apparente de la bobine (ou la fréquence d'accord du circuit d'antenne). Si l'inductance est trop élevée, on retire un segment du chemin de ferrite et on mesure à nouveau l'inductance, et ainsi de suite jusqu'à ce que la valeur de l'inductance 3033214 6 apparente soit dans une marge autour de l'inductance cible, par exemple l'inductance à l'air de la bobine d'antenne. La résolution de la valeur d'inductance obtenue dépend de la surface du dernier segment de ferrite retiré. En pratique, la surface des segments retirés peut aller en diminuant au 5 cours des opérations. Une fois que le dispositif échantillon a été ainsi ajusté, la configuration obtenue pour le chemin de ferrite (en une ou plusieurs pastilles) est reproduit, par exemple par poinçonnage, pour une série de dispositifs sans contact à assembler dans des objets de même nature que l'objet échantillon.

10 Un même dispositif sans contact conçu initialement pour fonctionner à l'air peut être ainsi adapté à différents objets comprenant des masses métalliques, qui auraient classiquement nécessité des structures d'antenne dédiées. Du moment que le dispositif sans contact est ajusté à l'aide de pastilles de ferrite, le procédé est applicable également lorsque la valeur typique du condensateur du 15 microcircuit de commande varie, par exemple lorsqu'on utilise un nouveau type de microcircuit. Cette technique étend ainsi la gamme d'applications où une même configuration d'antenne est utilisable. Pour que l'opération d'ajustement produise des pastilles petites, et économise de la ferrite en phase de production, les segments du chemin peuvent être retirés initialement 20 dans les zones dépourvues de parties métalliques en regard. En effet, la ferrite a moins d'influence sur l'inductance apparente dans ces zones. La figure 3 est une vue de face d'une montre bracelet métallique incorporant à titre d'exemple un dispositif sans contact à pastilles en ferrite. L'antenne 12, visible par transparence, peut être montée près du verre de la montre. Pour des raisons d'esthétique, 25 l'antenne peut être configurée pour être cachée par la lunette 30 de la montre. Alors, pour ne pas former un obstacle au champ magnétique, la lunette est en matière isolante, par exemple de la céramique. La partie du substrat (figure 1) qui relie l'antenne au microcircuit de commande est pliée vers l'arrière dans le boîtier de la montre pour y loger le microcircuit.

30 La figure 4 est une vue en coupe partielle agrandie selon un axe A-A de la montre de la figure 3. Le boîtier 32 de la montre comprend généralement un logement destiné à recevoir un cadran 34 protégé par un verre 36. Un espace est prévu entre le verre et le 3033214 7 cadran pour les aiguilles. L'antenne 12 peut être fixée sur le pourtour du cadran 34, la pastille de ferrite 18 étant intercalée entre l'antenne et le cadran. Le verre 36 peut reposer sur la paroi du logement. La lunette 30 est fixée sur le pourtour du logement et comporte une partie annulaire coiffant le bord du verre et masquant l'antenne 12.

5 Le cadran 34 est souvent métallique, de sorte que l'ensemble de la surface de l'antenne est en regard d'une masse conductrice. La longueur de la pastille de ferrite 18 est ajustée en conséquence, indépendamment de parties métalliques du mécanisme de la montre logé sous le cadran. La même configuration de ferrite peut alors être utilisée pour différents modèles de montre ayant un cadran métallique de même dimension.

10 Dans certaines situations, le cadran 34 peut être isolant, par exemple en matière plastique, en céramique, ou en verre. Dans ce cas, le mécanisme de la montre sous le cadran expose à l'antenne des parties métalliques plus ou moins proches. La configuration des masses métalliques peut être du même type que celle de la figure 1, où une ou plusieurs pastilles de ferrite sont placées au niveau des masses métalliques les 15 plus importantes. Si le cadran 34 est isolant, l'antenne 12 peut être placée sous le cadran. Le cadran cache alors l'antenne, de sorte que l'antenne et les pastilles de ferrite peuvent avoir une configuration qui n'est pas soumise à des contraintes esthétiques, comme être circonscrites à la lunette 30. La forme précédemment décrite en secteur d'anneau des 20 pastilles de ferrite est liée à ces contraintes, puisqu'on souhaite que les pastilles soient également cachées par la lunette. Si les pastilles de ferrite sont cachées par un cadran plein, les pastilles peuvent avoir une forme quelconque, notamment rectangulaire et plus facile à découper. Un dispositif sans contact du type décrit plus haut peut être utilisé dans une variété 25 d'objets personnels que l'on a souvent sur soi. Il peut également être utilisé dans des boîtes de maquillage, par exemple. Une boîte de maquillage comporte souvent un ou plusieurs conteneurs métalliques plats contenant des produits de maquillage. Les conteneurs sont logés dans une base en matière plastique qui peut être fermée par un couvercle en matière plastique. Le couvercle peut loger un miroir.

30 Le dispositif sans contact peut être logé dans un compartiment de la base, sous les conteneurs. L'antenne se trouve ainsi en regard d'une ou plusieurs masses métalliques, selon une configuration qui peut être du type de la figure 1. Les pastilles de ferrite sont alors fixées entre l'antenne et les conteneurs.

3033214 8 L'antenne étant cachée dans cette situation, elle n'est pas soumise à des contraintes esthétiques. Les contraintes d'encombrement sont également relâchées par rapport à une montre bracelet, de sorte que l'antenne peut être de forme quelconque, par exemple rectangulaire. Dans ce cas, la ou les pastilles de ferrite peuvent être rectangulaires et 5 être adaptées aux parties droites de l'antenne rectangulaire. Le substrat du dispositif sans contact peut être configuré pour loger le microcircuit de commande à l'intérieur de l'antenne. Si le couvercle comporte un écran conducteur, formé par exemple d'un miroir, le dispositif sans contact pourrait être logé dans le couvercle. En absence d'écran 10 conducteur, ce type de montage pourrait présenter des difficultés, car l'antenne se comporterait différemment selon que la boîte est fermée (proximité des conteneurs métalliques) ou ouverte (absence de masses métalliques).

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Antenne de couplage magnétique en champ proche, comprenant : - une bobine d'inductance à air (12) formée d'au moins un tour d'un conducteur ; et - une pastille de ferrite (18) disposée à la périphérie de la bobine et configurée pour border le conducteur sur une partie seulement de sa longueur.
2. 2. Objet communiquant comprenant : - une antenne (12) selon la revendication 1 agencée pour communiquer par une face de l'objet ; et - une partie métallique (16) disposée au voisinage de l'antenne, la pastille de ferrite étant disposée entre la bobine et la partie métallique.
3. 3. Objet selon la revendication 2, dans lequel la pastille de ferrite (18) est plus petite que la zone en regard entre la bobine et la partie métallique.
4. 4. Objet selon la revendication 2, dans lequel : - l'antenne (12) comprend un substrat souple (10) portant une piste conductrice formant la bobine ; - la pastille de ferrite (18) est fixée au substrat par un adhésif ; et - la partie du substrat dépourvue de pastille de ferrite est comblée par un adhésif double-face (20) de même épaisseur que la pastille.
5. 5. Objet selon la revendication 2 sous la forme d'une montre-bracelet comprenant : - un boîtier métallique (32) ayant un logement conçu pour recevoir un cadran (34) ; - l'antenne (12) fixée dans le logement avec la pastille de ferrite (18) orientée vers le fond du logement ; - un verre (36) obturant le logement ; et 3033214 10 - une lunette (30) en matériau isolant fixée sur le pourtour du logement et configurée pour cacher l'antenne.
6. 6. Objet selon la revendication 2 sous la forme d'une boîte de maquillage comprenant : 5 - une base en matière plastique ; - au moins un conteneur métallique logé dans la base ; et - l'antenne logée dans un compartiment de la base avec la pastille de ferrite (18) orientée vers le conteneur.
7. 7. Objet selon la revendication 2, dans lequel la pastille de ferrite (18) est à base de 10 résine polymère souple.
8. 8. Procédé de réglage de l'inductance d'une antenne de couplage magnétique en champ proche en vue de son assemblage dans un objet ayant des masses métalliques, procédé comprenant les étapes suivantes : - prévoir une bobine d'inductance à air (12) ayant une inductance cible ; 15 - munir le pourtour de la bobine d'un chemin de ferrite ; - monter la bobine dans l'objet avec le chemin de ferrite disposé entre la bobine et les parties métalliques ; - mesurer l'inductance de la bobine ; - si l'inductance est supérieure à la valeur cible, retirer un segment du chemin 20 de ferrite ; et - réitérer à partir de l'étape de mesure jusqu'à ce que l'inductance mesurée soit dans une marge de tolérance autour de la valeur cible.
9. 9. Procédé selon la revendication 8, comprenant l'étape suivante : - reproduire la configuration obtenue du chemin de ferrite pour une série 25 d'antennes à assembler dans des objets de même nature.
10. 10. Procédé selon la revendication 8, comprenant l'étape suivante : 3033214 11 - retirer les segments en commençant par des zones dépourvues de parties métalliques en regard.