TWI824369B - 小型化近場通訊裝置及其穿戴式裝置 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種小型化近場通訊裝置及應用該小型化近場通訊裝置的穿戴式裝置，該小型化近場通訊裝置包含：殼體、隔離件、感應天線及近場通訊模組，感應天線係被配置於殼體內的容置腔，隔離件係設於容置腔內，其中，該殼體的壁面包括連通容置腔的二通孔，隔離件的兩端係分別連通對應的通孔。藉此，近場通訊裝置可在小型化之目的下，讓近場通訊裝置能被應用在穿戴式裝置上。

Description

小型化近場通訊裝置及其穿戴式裝置

本發明係關於一種近場通訊裝置及其應用，更特別的是關於一種小型化近場通訊裝置及其穿戴式裝置。

在近場無線通訊(Near-field communication,NFC)的技術發展下，可讓被動式的無源NFC標籤能在NFC讀取器的交變磁場內，等效於連接在NFC讀取器之天線諧振迴路上的一個電阻，而這個電阻之阻值的變化可由無源NFC標籤上的天線負載來引起，進而可在NFC讀取器的天線諧振迴路上產生電流變化，並基於此讓NFC讀取器解碼無源NFC標籤所送出的訊息。

然而，當無源NFC標籤的天線尺寸越小時，就會影響到NFC讀取器與無源NFC標籤之天線間的耦合狀態，當無源NFC標籤的天線無法在NFC讀取器的天線諧振迴路上引起足夠的電流變化時，NFC讀取器將無法解讀出無源NFC標籤所送出的訊息。

本發明之一目的在於增進NFC標籤與NFC讀取器間的耦合能力，並使被動式感應的無源NFC標籤之天線尺寸能進一步地小型化。

本發明之另一目的在於讓被動式感應的無源NFC標籤能被應用在穿戴式裝置上。

為達上述目的及其他目的，本發明提出一種小型化近場通訊裝置，包含：殼體、感應天線及近場通訊模組。該殼體內係定義有一容置腔。該感應天線配置於該容置腔，係圍繞一軸心並在定義為近場感應的方向上呈螺旋堆疊，其中該感應天線於堆疊的高度中間定義有第一平面。該近場通訊模組配置於該容置腔且耦接該感應天線，其中該近場通訊模組位於該軸心處，且該近場通訊模組之基板的高度中間定義有第二平面，該第二平面係偏離該第一平面。

於本發明之一實施例中，該感應天線堆疊的高度為H，該第二平面可偏離該第一平面至少H/4或至少H/2的距離。

於本發明之一實施例中，該近場通訊模組包括位於該基板上的一安全元件及一匹配電路，該匹配電路具有與該安全元件串聯的第一匹配電容及與該安全元件並聯的第二匹配電容。其中該第二匹配電容之電容值可為第一匹配電容之電容值的2~3倍。該感應天線的等效電感值可為5uH~6uH。

於本發明之一實施例中，螺旋堆疊之該感應天線於該第一平面上的圍繞面積可介於1.1~2.3平方公分。

於本發明之一實施例中，更包含：一隔離件。該隔離件係設於該容置腔內，其中，該殼體的壁面包括連通該容置腔的兩通孔，該隔離件的兩端係分別連通對應的該二通孔。

於本發明之一實施例中，該隔離件可為中空的一管體。

於本發明之一實施例中，該感應天線可部分螺旋堆疊於該隔離件的下方，其餘部分係在鄰近該隔離件處對應地具有繞開該隔離件下緣的一凹陷部。其中該感應天線於各該凹陷部處係朝該軸心側向下內凹形成一凹口。

於本發明之一實施例中，該感應天線於該第一平面上的圍繞面積可介於1.13~1.54平方公分，各該凹口的下凹深度可介於0.115~0.125公分。此外，該感應天線堆疊的高度可介於0.25~0.35公分間；於本發明之一實施例中，該隔離件下緣具有一導R角，其中該導R角係使該隔離件下緣可被配置在上凹口寬度為0.25公分及該凹口的下凹口寬度為0.15公分的該凹口中。

於本發明之一實施例中，該近場通訊模組可配置於該隔離件及該感應天線的下方。其中該殼體的內壁具有一溝槽，該感應天線的兩端部係配置於該溝槽內，進而可向下延伸耦接該近場通訊模組。

為達上述目的及其他目的，本發明復提出一種穿戴式裝置，係供戴於脖子或手腕處，包含：如前述的小型化近場通訊裝置、及串接單元。該小型化近場通訊裝置的殼體外型係為十字形，該小型化近場通訊裝置的容置腔係藉由該殼體之殼壁定義出一長方型腔體，該小型化近場通訊裝置的感應天線係沿該殼體之殼壁環繞一軸心。該串接單元穿過十字形之該殼體的一端，其中，該小型化近場通訊裝置內之近場通訊模組的上方及下方係皆為近場感應的方向。

於本發明之一實施例中，該長方型腔體內可更包括自該殼壁凸伸而出的二隔離塊，該二隔離塊之中間係配置該小型化近場通訊裝置的近場通訊模組，該感應天線係螺旋環繞在該二隔離塊與該殼壁間。

為達上述目的及其他目的，本發明復提出一種穿戴式裝置，係供戴於脖子或手腕處，包含：如前述的小型化近場通訊裝置、複數珠體及串接單元。該小型化近場通訊裝置的殼體外型係為一球體。各該珠體具有貫穿該珠體的一穿孔。串接單元穿過該小型化近場通訊裝置之容置腔的兩通孔以及穿過各該珠體的該穿孔，其中，該小型化近場通訊裝置內之近場通訊模組的下方係為近場感應的方向。

於本發明之一實施例中，該小型化近場通訊裝置內之繞軸心螺旋堆疊的感應天線可具有16~17的匝數。其中，該感應天線堆疊的高度約為3公厘，該感應天線的線徑約為0.15公厘。

於本發明之一實施例中，具有球體外型的該小型化近場通訊裝置的球體具有約1.5公分的直徑，該小型化近場通訊裝置內之感應天線於第一平面上的圍繞面積係約為1.3平方公分。

藉此，透過感應天線堆疊安排及與近場通訊模組間之配置關係的搭配，係讓小型化的近場通訊裝置能與NFC讀取器間的耦合能力提升，增進感應效能，再透過匹配電路的搭配以及對應容置腔尺寸下之感應天線的配置，讓近場通訊裝置可維持在穩定的頻點上，也同時再增進感應效能，而進一步可讓被動式感應的無源NFC標籤能被應用在穿戴式裝置上。

100:殼體

110:通孔

120:隔離塊

130:珠體

140:隔離壁

150:標示

200:感應天線

210:凹陷部

220:溝槽

300:近場通訊模組

400:隔離件

410:導R角

500:串接單元

A:感應天線於一平面上圍繞出的面積

D:偏離程度

dp:下凹深度

H:感應天線的堆疊高度

L:感應天線之線圈

P1:第一平面

P2:第二平面

Z:軸心

Z1:軸心

Z2:軸心

W1:上凹口寬度

W2:下凹口寬度

[圖1]為本發明一實施例之感應天線與近場通訊模組間的配置關係示意圖。

[圖2]為本發明另一實施例之感應天線與近場通訊模組在垂直方向上的配置關係示意圖。

[圖3]為本發明一實施例之近場通訊模組與感應天線的等效電路圖。

[圖4]為本發明一實施例之小型化近場通訊裝置的分解結構示意圖。

[圖5]為本發明一實施例之感應天線的結構示意圖。

[圖6]為本發明一實施例之隔離件下緣與感應天線間的配置關係示意圖。

[圖7]為本發明一實施例之應用於具備十字形外型之小型化近場通訊裝置的穿戴式裝置示意圖。

[圖8]為本發明一實施例之應用於具備球體外型之小型化近場通訊裝置的穿戴式裝置示意圖。

為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後：在小型化的近場通訊裝置內，通常可使用的空間皆較為擁擠、狹小或侷促，因此，為了使透過感應方式取得運作能力的近場通訊裝置，能具備足夠的通訊能力來與NFC讀取器間傳輸資料，在本發明的一實施例中係透過感應天線在結構上的特定安排以及與近場通訊模組(或稱NFC IC)間的配置關係來提升與NFC讀取器間的通訊能力。

請參照圖1，為本發明一實施例之感應天線與近場通訊模組間的配置關係示意圖。圖1的示例係顯示感應天線200圍繞著軸心Z，並以螺旋式堆 疊的方式垂直向上堆疊，並具有一堆疊高度H。感應天線200的兩端耦接近場通訊模組300，近場通訊模組300被配置在軸心Z處。

螺旋堆疊的感應天線200係呈現立體式的天線型態，其中，感應天線200也可沿著被配置的小型化近場通訊裝置內之容置腔的壁面來安排，亦即，螺旋式堆疊的感應天線200不一定垂直向上堆疊，可以依循容置腔的壁面來堆疊而呈現出其他型態(如：漸寬、漸窄或寬窄混和變化等態樣)。然而，垂直向上堆疊感應天線200的方式(同直徑或對稱於軸心Z的垂直繞線堆疊方式)係有助於提升與NFC讀取器間的通訊能力。

在小型化近場通訊裝置中，螺旋堆疊的感應天線200較佳可在窄小的容置腔內，於一平面上圍繞出至少1.1平方公分的面積。應用在一般的穿戴是裝置中則可配置為圍繞出1.1~2.3平方公分的面積(可參閱圖2標示的面積A)，以助於感應天線200的感應能力。

接著請參閱圖2，為本發明另一實施例之感應天線與近場通訊模組在垂直方向上的配置關係示意圖。圖2示例的感應天線200為另一種螺旋堆疊型態的感應天線200，圖1所示例者為圍繞成圓形，而圖2示例者為圍繞成矩形。為便於說明感應天線200與近場通訊模組300在垂直方向上的配置關係，圖2係將感應天線200與近場通訊模組300分別繪示，而未將近場通訊模組300繪示於感應天線200的中間部位(軸心處)，以及圍繞成矩形的感應天線200係以簡圖示之。

圖2所欲說明的是感應天線200於堆疊高度H之中間可定義出第一平面P1，近場通訊模組300之基板的高度中間可定義出第二平面P2。第二平面P2係偏離第一平面P1，其偏離程度D可為至少H/4或至少H/2的距離，可進一 步減少干擾，讓頻點(13.56MHZ)穩定不易飄移，有助於提升與NFC讀取器間的通訊能力。其中，偏離程度D在感應天線200所圍繞的面積小於1.5平方公分時，較佳係為至少H/2的距離。

接著請參閱圖3，為本發明一實施例之近場通訊模組與感應天線的等效電路圖。該等效電路圖包含一安全元件310及一匹配電路。匹配電路具有與安全元件310串聯的第一匹配電容321以及與安全元件310並聯的第二匹配電容322。為進一步使小型化近場通訊裝置能與市面上之各種NFC讀取器間達到阻抗匹配的較好效果，第二匹配電容322之電容值係為第一匹配電容321之電容值的2.3~2.9倍，此外，感應天線之線圈L對應的電感值可為5uH~6uH。其中，安全元件(Security Element,SE)內係用於儲存重要的使用者資訊(如信用卡資料、用戶資訊等)，可用於近端無線支付時的驗證程序中。

接著請參閱圖4，為本發明一實施例之小型化近場通訊裝置的分解結構示意圖。圖4係以小型化近場通訊裝置的殼體外型係一球體為例，同時，在省略殼體上部的態樣下呈現如圖4所示者。小型化近場通訊裝置在此實施例中，除了殼體100、感應天線200、及近場通訊模組300外，更在透過殼體100所定義出的容置腔內包含了一隔離件400，以及在殼體100之壁面上包含了兩通孔110，該二通孔110連通容置腔。

隔離件400的兩端分別連通對應的通孔110，使得外部的串接單元500可以藉由二通孔110及隔離件400，順利地自一通孔110穿入殼體100內，並自另一通孔110穿出殼體100外。同時，藉由該隔離件400，串接單元500得以導引串接單元500通過殼體100，也讓串接單元得以與感應天線200相隔開。

圖4所示例者，隔離件400為中空的管體，於其他實施例中，隔離件400也可以是其他可導引串接單元500通過的結構。在隔離件400的下方，即近場通訊模組300配置處，可藉由殼體100所成形為適配於近場通訊模組300之晶片尺寸的隔離壁140，使感應天線200可被配置在殼體100之外壁與該隔離壁140之間。

圖4所示例的態樣中，近場感應的方向係為下方，感應天線200可部分地螺旋堆疊在隔離件400的下方，其餘部分則在鄰近隔離件400的位置處具有一凹陷部210。該凹陷部210係用來繞開隔離件400下緣。其中，該近場通訊模組300可被配置於該隔離件400及感應天線200的下方。

接著請參閱圖4及圖5，圖5為本發明一實施例之感應天線的結構示意圖。感應天線200具有前述的凹陷部210，該凹陷部210係具有一凹口，且該凹口係朝軸心側(即圍繞的中心軸)向下內凹成形，亦即感應天線200的兩凹陷部210係朝相反於鄰近之容置腔殼壁面的方向下凹。在小型化近場通訊裝置內之感應天線200的尺寸，於一實施例中，各該凹口的下凹深度dp(亦可參閱圖6)係介於0.115~0.125公分，感應天線200堆疊的高度H介於0.25~0.35公分間，且於此態樣下，感應天線200於第一平面P1(請參閱圖1)上的圍繞面積係介於1.13~1.54平方公分。其中，感應天線200的線本體可以是漆包線絕緣單心線或其他線材。

如圖4所示，殼體200的內壁具有向下凹伸的溝槽220。感應天線200的兩端部係被配置於溝槽220內，進而有助於感應天線200的兩端向下延伸耦接近場通訊模組300。

接著請參閱圖6，為本發明一實施例之隔離件下緣與感應天線間的配置關係示意圖。隔離件400的下緣可具有一導R角410，該導R角410的導R程度係以能夠讓隔離件400下緣被配置在凹陷部210之凹口中，其中，可參閱圖5，該凹口的上凹口寬度W1為0.25公分，該凹口的下凹口寬度W2為0.15公分。

接著請參閱圖7，為本發明一實施例之應用於具備十字形外型之小型化近場通訊裝置的穿戴式裝置示意圖。圖7示例一種供戴於脖子或手腕處的穿戴式裝置，包含：具備十字形外型的小型化近場通訊裝置及串接單元500。小型化近場通訊裝置的容置腔可藉由殼體100之殼壁定義出一長方型腔體，感應天線200係沿殼體100之殼壁環繞著一中心軸。

長方型腔體內容置有螺旋堆疊的感應天線200及近場通訊模組300，進一步地更可包括自殼壁凸伸而出的二隔離塊120，其中，近場通訊模組300被配置於二隔離塊120的中間部位，在此二隔離塊120與殼壁間的溝槽內則是螺旋堆疊有感應天線200。於圖7之示例下，近場通訊模組300的上方及下方皆可為近場感應的方向(Z1、Z2)，感應天線在一平面上所圍繞面積A(可參圖2)可配置為介於1.8~2.2平方公分，以助於提升通訊能力。

接著請參閱圖8，為本發明一實施例之應用於具備球體外型之小型化近場通訊裝置的穿戴式裝置示意圖。圖8示例一種供戴於脖子或手腕處的穿戴式裝置，包含：具備球體之殼體100外型的小型化近場通訊裝置、複數珠體130、及串接單元500。可同時參閱圖4至圖6，小型化近場通訊裝置的容置腔可藉由殼體100之殼壁定義出一球形腔體，感應天線200係沿殼體100之殼壁環繞。該小型化近場通訊裝置內之近場通訊模組的下方，係為近場感應的方向。 感應天線200堆疊的高度H可配置為約3公厘，感應天線200的線徑約為0.15公厘。

在圖8的示例中，小型化近場通訊裝置的球體具有約1.5公分的直徑，該小型化近場通訊裝置內之感應天線於一平面上的圍繞面積係約為1.3平方公分，螺旋堆疊的感應天線則可被配置為具有至少15匝的匝數。此外，亦可在殼體100外打印標示150，標示出近場感應方向(可同時參閱圖4之軸心Z)，便於導引使用者以該側進行感應。

所述「約」係指具有所述之數值在2%內的差異程度，而在此範圍「+2%~-2%」內的配置。

綜合上述，本發明之實施例中示例出在小型化的近場通訊裝置內可進行的配置，藉由感應天線、近場通訊模組的配置關係及感應天線結構的布置，可增進感應效能，進一步更可讓被動式感應的無源NFC標籤能被應用在穿戴式裝置上。

本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。

100:殼體

110:通孔

140:隔離壁

200:感應天線

210:凹陷部

300:近場通訊模組

400:隔離件

500:串接單元

Z:軸心

Claims (15)

1. 一種小型化近場通訊裝置，係供一串接單元穿過，包含：一殼體，其內係定義有一容置腔，該殼體的壁面包括連通該容置腔的二通孔；一隔離件，設於該容置腔內，該隔離件的兩端係分別連通對應的該二通孔，該隔離件並用於導引從該二通孔之其一穿入該殼體的該串接單元以自該二通孔之另一穿出該殼體；一感應天線，配置於該容置腔；及一近場通訊模組，配置於該容置腔且耦接該感應天線，其中，該感應天線於鄰近該隔離件處對應地形成有繞開該隔離件的一凹陷部，各該凹陷部係具有朝遠離該殼體壁面的方向延伸並向下凹陷以形成繞開該隔離件下緣的一凹口。
2. 如請求項1所述之小型化近場通訊裝置，其中各該凹口的下凹深度係介於0.115~0.125公分。
3. 如請求項2所述之小型化近場通訊裝置，其中該感應天線係螺旋堆疊於該容置腔內，堆疊的高度係介於0.25~0.35公分間。
4. 如請求項1至3中任一項所述之小型化近場通訊裝置，其中該隔離件係為中空的一管體。
5. 如請求項4所述之小型化近場通訊裝置，其中於鄰近該感應天線之該隔離件的下緣處係具有一導R角。
6. 如請求項5所述之小型化近場通訊裝置，其中該導R角係用於使該隔離件下緣被配置在上凹口寬度為0.25公分及下凹口寬度為0.15公分的各該凹口中。
7. 如請求項4所述之小型化近場通訊裝置，其中該近場通訊模組係配置於該隔離件及該感應天線的下方。
8. 如請求項4所述之小型化近場通訊裝置，其中該容置腔內係具有適配於該近場通訊模組之尺寸的一隔離壁，該隔離壁與該殼體的壁面之間係用於供該感應天線的配置。
9. 如請求項4所述之小型化近場通訊裝置，其中該殼體的內壁係具有一溝槽，該感應天線的兩端部係配置於該溝槽內以延伸至耦接該近場通訊模組。
10. 一種穿戴式裝置，包含：一如請求項1至9中任一項所述之小型化近場通訊裝置；複數珠體，各具有貫穿該珠體的一穿孔；及一串接單元，係穿過該小型化近場通訊裝置之容置腔的二通孔以及穿過各該珠體的該穿孔。
11. 如請求項10所述之穿戴式裝置，其中該小型化近場通訊裝置內之近場通訊模組的下方係為近場感應方向。
12. 如請求項10所述之穿戴式裝置，其中該小型化近場通訊裝置內之螺旋堆疊的感應天線係具有至少15匝的匝數。
13. 如請求項12所述之穿戴式裝置，其中該感應天線堆疊的高度約為3公厘，該感應天線的線徑約為0.15公厘。
14. 如請求項10至13中任一項所述之穿戴式裝置，其中該小型化近場通訊裝置的殼體外型係為一球體。
15. 如請求項14所述之穿戴式裝置，其中具有球體外型的該小型化近場通訊裝置係具有約1.5公分的直徑。