Brevet FR2853058A1 — publié le 20041001

DETECTION DE PRESENCE PAR CAPTEUR CAPACITIF La présente invention est relative à la détection de présence utilisant un capteur capacitif. Un domaine d'application plus particulièrement concerné par la présente invention est celui des véhicules automobiles, le capteur capacitif faisant partie d'un système dit mains-libres sécurisant l'accès à un véhicule automobile, dans lequel un utilisateur autorisé à accéder au véhicule est authentifié grâce à l'échange de signaux 10 radiofréquences entre un équipement d'identification situé au niveau du véhicule, et un identifiant portatif conservé par l'utilisateur. Cet échange consiste généralement en un signal d'interrogation émis par l'équipement d'identification, auquel l'identifiant va répondre avec un signal de réponse contenant des données d'identification. L'équipement d'identification pourra par la suite 15 comparer ces données d'identification avec ses propres données, et autoriser ou non la décondamnation, voire l'ouverture automatique de l'ouvrant, en fonction du résultat de la comparaison. Dans certains systèmes mains-libres connus, le signal d'interrogation est émis en basse fréquence, typiquement à 125 KHz. Dans d'autres systèmes, ce signal d'interrogation est émis à une fréquence plus élevée, typiquement 20 de l'ordre de 433 MHz. Dans les deux types de système, le signal de réponse est généralement émis à une fréquence située également aux alentours de 433 MHz. Pour des raisons tenant notamment à la pollution électromagnétique ainsi qu'à la consommation d'énergie que cela représenterait alors que le véhicule est à l'arrêt, il n'est pas possible d'envisager de laisser l'équipement d'identification émettre en 25 permanence, ni même de façon cyclique, un signal d'interrogation à destination d'identifiants susceptibles de se trouver à proximité du véhicule automobile. C'est pourquoi l'échange de signaux électromagnétiques n'est généralement initié que suite à l'actionnement par l'utilisateur d'un moyen de détection de présence situé au voisinage de l'ouvrant, par exemple au niveau de la poignée de l'ouvrant. Différents 30 types de moyens de détection de présence sont connus qui vont du bouton mécanique fonctionnant comme un interrupteur, aux capteurs de type tactile ou encore optique qui détectent la coupure d'un faisceau optique par la main de l'utilisateur. En variante, il est connu également d'utiliser un capteur dit d'approche, qui détecte la présence de la main d'un utilisateur au voisinage de l'ouvrant, de manière à 35 déclencher au plus tôt la phase d'authentification. Le capteur auquel on s'intéresse plus précisément dans la suite est un capteur capacitif, soit du type comportant deux électrodes couplées entre elles de manière à former un condensateur dont la capacité varie lorsqu'une main d'un utilisateur AFROI 80-Fr s'approche, soit du type comportant une seule électrode, l'autre électrode étant formée par la main de l'utilisateur, le principe de détection étant également fondé sur la mesure de variation de capacité du condensateur ainsi formé. Pour mesurer les variations de capacité d'un capteur capacitif, plusieurs 5 méthodes ont déjà été proposées, comme par exemple la méthode décrite dans le document US 4, 743, 837 qui préconise un cycle périodique de charge et de décharge du condensateur dont on veut mesurer la capacité dans un condensateur de stockage de valeur connue. La présente invention a pour but de proposer une méthode de mesure de 10 variation de capacité alternative basée sur la phase de charge du condensateur dont la variation de capacité doit être déterminée. Plus précisément, la présente invention a pour objet un capteur de présence de type capacitif, comprenant au moins une électrode de détection faisant partie d'un condensateur dont la capacité est susceptible de varier à l'approche d'un objet ou 15 d'une partie de corps d'un utilisateur, et une unité de charge du condensateur appliquant des cycles de charge audit condensateur, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de mesure d'une grandeur dont la variation reflète une variation du courant de charge du condensateur et, relié à ces moyens de mesure, une unité d'exploitation de cette grandeur pour déterminer à partir de la variation de ladite 20 grandeur entre des cycles successifs de charge du condensateur une variation de ladite capacité du condensateur suite à une approche d'un objet ou d'une partie de corps d'un utilisateur. Le capteur selon l'invention peut comporter en outre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - lesdits moyens de mesure comprennent un transformateur d'impulsions présentant un enroulement primaire disposé entre l'unité de charge et le condensateur et un enroulement secondaire pour délivrer une tension proportionnelle au courant de charge du condensateur, - lesdits moyens de mesure comprennent un circuit de redressement de 30 ladite tension en sortie de l'enroulement secondaire, lesdits moyens de mesure comprennent une capacité de stockage raccordée à la sortie du circuit de redressement, - le circuit de redressement comprend au moins un composant, de préférence une diode, pour empêcher la décharge immédiate de la 35 capacité de stockage lors d'un cycle de charge, - l'unité de charge du condensateur est réalisée de manière à délivrer une tension de forme rectangulaire, AFROI 80-Fr - l'unité de charge du condensateur est une horloge délivrant des impulsions de tension dont la durée et l'amplitude sont choisies de manière qu'une impulsion de tension charge le condensateur et qu'un cycle de charge, nécessaire pour charger ledit condensateur de stockage 5 à un niveau de tension prédéterminé comprend un nombre d'impulsions compris entre 50 et 5000 impulsions, - le nombre d' impulsions pour charger ledit condensateur de stockage est compris entre 500 et 1500, - ladite grandeur est le nombre d'impulsions de charge nécessaire pour 10 que la tension aux bornes du condensateur de stockage atteigne une valeur prédéfinie, - ladite grandeur est la tension mesurée aux bornes du condensateur de stockage après un nombre d'impulsions de charge prédéfinis, - l'unité d'exploitation comprend des moyens de comparaison de ladite 15 grandeur avec une valeur de référence, ces moyens de comparaison délivrant un signal caractéristique d'une approche d'un objet ou d'une partie de corps d'un utilisateur lorsque la différence entre ladite grandeur et la valeur de référence excède un seuil prédéterminé, - la valeur de référence est une moyenne flottante de ladite grandeur sur 20 un nombre prédéterminé de cycles de charge, - l'unité d'exploitation comprend un module de traitement numérique avec un microprocesseur ou microcontrôleur, - la capacité du condensateur est choisie de manière qu'elle soit inférieure à la moitié d'une capacité parasite due à l'environnement, - le capteur fait partie d'un système mains-libres sécurisant l'accès à un véhicule automobile, ledit capteur délivrant un signal caractéristique d'une approche d'un objet ou d'une partie de corps d'un utilisateur en vue de lancer une phase d'identification d'un utilisateur, - ledit capteur fait partie d'un système de motorisation d'ouvrant, ledit 30 capteur délivrant un signal caractéristique d'une approche d'un objet ou d'une partie de corps d'un utilisateur en vue de déplacer l'ouvrant vers une position fermée ou ouverte selon sa position initiale, - le capteur constitue un capteur d'approche, détectant la présence sans nécessité de contact, - le capteur de présence constitue un capteur tactile. L'invention a également pour objet une poignée d'ouvrant pour véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle intègre un capteur de présence selon l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple, sans caractère limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est un schéma synoptique du capteur selon l'invention, - la figure 2 un schéma pour illustrer le principe de fonctionnement du capteur, et - la figure 3 montre un schéma pour illustrer le fonctionnement du capteur. Sur la figure 1 est représenté un schéma synoptique d'un capteur de présence 1 de type capacitif selon l'invention. Un tel capteur de présence 1 peut être intégré dans 10 une poignée, derrière un objet d'ornement du véhicule tel que le logo ou au niveau du tableau de commande d'un véhicule automobile et sert essentiellement à détecter l'intention d'un utilisateur pour déclencher une opération d'un module / système électronique du véhicule. Un tel système peut être par exemple un système mains-libre sécurisant l'accès 15 au véhicule. Intégré dans un tel système, le capteur délivre à l'approche d'un objet ou d'une partie de corps de l'utilisateur telle que la main un signal caractéristique S, pour par exemple lancer une identification d'un utilisateur par échange de signaux radiofréquences ou pour déclencher une fermeture totale ou partielle du véhicule. Selon une variante, un tel capteur fait partie d'un système motorisé d'un ouvrant 20 tel qu'un coffre, un hayon ou une porte latérale coulissante ou pivotante. Dans ce cas, selon sa position initiale, le signal caractéristique S, déclenche soit l'ouverture de la serrure de l'ouvrant en question et l'activation d'un moteur pour déplacer l'ouvrant de la position fermée en position ouverte, soit l'activation d'un moteur pour déplacer l'ouvrant de la position ouverte en position fermée et la condamnation de la serrure de 25 l'ouvrant en question. En fonction du réglage de la sensibilité du capteur à travers les caractéristiques de ses divers composants électroniques, le capteur 1 peut aussi bien fonctionner comme capteur d'approche, détectant la présence sans nécessité de contact, ou avec une sensibilité réduite comme un capteur tactile. Plus en détail, le capteur 1 comprend au moins une électrode 3 de détection d'un condensateur 5 de capacité Cx, destinée à être intégré dans un élément, par exemple une poignée (non représentée). Le condensateur présentera de préférence une capacité Cx d'une dizaine de pF. L'autre électrode 7 du condensateur est reliée à la masse et peut être constituée 35 aussi bien par l'objet ou la partie de corps de l'utilisateur ou encore par une autre électrode physique intégrée également dans la poignée de manière que l'objet ou la main de l'utilisateur coupe les lignes de champ entre les deux électrodes 3 et 7. Bien qu'elle ne fasse pas partie du capteur, il est nécessaire de prendre en considération une capacité parasite Cp en parallèle du condensateur 5. Cette capacité AFROl 80-Fr parasite est de valeur inconnue et due à l'environnement du capteur 1. Par exemple lorsque le capteur est intégré dans une poignée, une telle capacité parasite a été observée par temps humide ou lorsque la poignée a été peinte avec une peinture conductrice. Des expériences ont montré que la capacité parasite Cp, lorsqu'elle est 5 présente, peut être plusieurs fois plus grande que la capacité du condensateur 5. Une des caractéristiques de cette capacité parasite est qu'elle varie lentement dans le temps par rapport à une variation de la capacité Cx due à une approche de main par exemple. De préférence, la capacité du condensateur 5 est choisie de manière qu'elle soit inférieure à la moitié d'une capacité parasite due à l'environnement. Dans la présente invention, c'est donc la capacité Cx du condensateur 5 qui est susceptible de varier à l'approche d'un objet ou d'une partie de corps d'un utilisateur. Pour mesurer cette variation ACx dont la valeur peut être entre 1/50 à 1/200, voire 1/1000 de la capacité Cx, le capteur 1 comprend une unité 9 de charge du condensateur 5. Selon un mode préférentiel de fonctionnement, dit de comptage d'impulsions, cette unité 9 est une horloge qui délivre lors d'un cycle de charge un train d'impulsions de tension de forme rectangulaire. Le nombre d'impulsions par cycle de charge est compris entre 50 et 5000 impulsions, de préférence entre 500 et 1500. Pour avoir une bonne sensibilité, on peut fixer comme règle empirique que 20 Nombre d'impulsions par cycle de charge = (Cx /ACx)*K (1) o K est une constante comprise entre 5 et 20, de préférence 10. Ainsi, comme on le verra plus loin, l'augmentation de la capacité de ACx du condensateur 5 se 25 traduira par une diminution d'impulsions entre deux cycles de charge. On choisit donc K de manière que cette constante soit représentative d'une approche d'un objet ou d'une main de l'utilisateur. Le principe de mesure du capteur selon l'invention réside dans le fait que le courant de charge lc du condensateur 5, en particulier le pic de ce courant de charge 30 ou la quantité de courant de charge, est proportionnel à la capacité Cx du condensateur 5 ce qui permet donc de mesurer une variation de capacité. Comme cela est représenté sur la partie haute du schéma temporel de la figure 2, l'unité de charge 9 délivre comme impulsion de charge du condensateur 5 un signal rectangulaire d'une durée suffisante pour que le condensateur Cx atteigne quasiment 35 un équilibre électrostatique. Ainsi que l'on voit sur la partie basse de ce schéma montrant l'évolution temporelle du courant de charge pour une capacité C= Cx et C= Cx + ACx, le courant de charge est plus important dans le second cas ce qui se traduira par une plus grande tension de stockage aux bornes du condensateur 23. Pour déterminer une telle variation ACx, le capteur 1 comprend des moyens de mesure 11 d'une grandeur dont la variation reflète une variation du courant de charge du condensateur 5 et, relié à ces moyens de mesure 5, une unité d'exploitation 13 de cette grandeur pour déterminer à partir de la variation de ladite grandeur entre des 5 cycles successifs de charge du condensateur une variation ACx de ladite capacité du condensateur 5 suite à une approche d'un objet ou d'une partie de corps d'un utilisateur. Plus en détail, les moyens de mesure 11 comprennent un transformateur d'impulsions 15 présentant un enroulement primaire 17 disposé entre l'unité de charge 10 9 et le condensateur 5 ainsi qu'un enroulement secondaire 19 pour délivrer une tension proportionnelle au courant de charge du condensateur 5. La sortie du transformateur d'impulsions 15, donc l'enroulement secondaire 19, est reliée à l'entrée d'un circuit de redressement 21. La sortie du circuit de redressement 21 est raccordée à un condensateur de 15 stockage 23 présentant une capacité Cs. Afin d'empêcher la décharge immédiate de la capacité de stockage lors d'un cycle de charge, le circuit de redressement 21 comprend au moins un composant, de préférence une diode 25 qui se bloque. L'unité d'exploitation 13 présente au moins une, de préférence deux entrées, 20 une première entrée reliée au condensateur de stockage 23 de manière à pouvoir recevoir un signal représentatif de la tension Ustockage du condensateur 23 et une seconde entrée reliée à l'unité de charge 9 pour pouvoir compter le nombre d'impulsions délivrés par cette unité 9. L'entrée recevant la tension UStockage est reliée à une première entrée d'une 25 unité de comparaison 27, la seconde entrée de cette unité 27 étant reliée à un composant 29 délivrant un signal représentatif d'une tension de référence Uref. La sortie de l'unité de comparaison 27 est reliée à un contrôleur 31. Ce contrôleur 31 comporte aussi des mémoires (non représentés) pour mémoriser des résultats des cycles précédents et pour déterminer une variation par rapport à ces 30 cycles de charge passés. Une telle variation étant considérée comme une variation ACx de la capacité du condensateur 5. Selon le mode de fonctionnement choisi du circuit, le contrôleur 31 est également relié à l'unité de charge 9 pour d'une part compter le nombre d'impulsions délivrés par cycles et d'autre part interrompre le cycle en fonction du signal délivré par 35 l'unité de comparaison. De préférence, l'unité d'exploitation 13 comprend un module de traitement numérique avec un microprocesseur ou microcontrôleur pour réaliser ces opérations. L'unité d'exploitation 13 comprend enfin une sortie 33 délivrant le signal Sc. Par la suite on décrira le fonctionnement du capteur selon l'invention. L'unité de charge du condensateur est une horloge réalisée de manière à délivrer des impulsions de tension dont la durée et l'amplitude sont choisies de 5 manière qu'une impulsion de tension charge le condensateur 5 et qu'un cycle de charge nécessaire pour charger ledit condensateur de stockage 23 à un niveau de tension prédéterminé comprend un nombre d'impulsions compris entre 50 et 5000 impulsions, de préférence entre 500 et 1500. Il est entendu que la capacité du condensateur de stockage 23 est bien plus grande que celle du condensateur 5. Comme représenté sur la partie basse du schéma temporel de la figure 2, l'unité de charge 9 délivre lors d'un cycle de charge un train d'impulsions de tension de forme rectangulaire pour charger le condensateur 5 à chaque impulsion. A chaque impulsion, un courant de charge passe à travers l'enroulement primaire 17 du transformateur d'impulsions 15 ce qui aura pour conséquence de 15 produire une impulsion de tension en sortie l'enroulement secondaire 19, qui est redressé par le circuit 21 et sert à charger la capacité Cs. La tension aux bornes du condensateur 23 monte donc avec le nombre d'impulsions délivrés par l'unité 9 comme on peut le voir sur la partie supérieure du schéma de la figure 2. Au fur et à mesure que l'état de charge du condensateur de stockage 23 20 augmente, le courant de charge passant dans l'enroulement 17 diminue et par conséquent l'augmentation de tension aux bornes du condensateur de stockage 23 devient moins forte d'une impulsion à l'autre. Selon une première variante de ce mode, l'unité 27 compare la tension Ustockage avec Uref, et, lorsque ces deux tensions sont sensiblement identiques, la ligne de 25 commande du contrôleur arrête le cycle de charge et détermine combien d'impulsions ont été nécessaires pour atteindre Ustockage = Uref. Ensuite, l'unité 31 compare le nombre d'impulsions obtenu avec ceux des cycles précédents et délivre le signal caractéristique Sr lorsqu'une variation significative est observée entre au moins deux cycles de charge. Selon une seconde variante simplifiée, l'unité de charge 9 délivre un nombre constant prédéterminé d'impulsions pour chaque cycle de charge et on compare entre au moins deux cycles de charge successifs AUs = Ustockage - Uref, une variation significative de AUs entre au moins deux cycles de charges étant considérée comme l'approche d'une main ou d'un objet de l'électrode 3 du capteur 1. Que la grandeur mesurée soit le nombre d'impulsions ou la tension Ustockage aux bornes du condensateur de stockage 23, on applique une moyenne flottante sur un nombre prédéterminé de cycles de charge comme référence de comparaison pour s'affranchir des phénomènes de dérive du circuit dus à des influences externes. Ce mode de fonctionnement est préféré, en particulier pour une application dans laquelle la surface de détection du capteur est exposée aux intempéries ou la peinture de la poignée est conductrice car il permet de mieux s'affranchir des problèmes liés à une capacité parasite tendant à élargir de façon incontrôlée la zone 5 de détection. En effet, par une unité de charge impuisionnelle / horloge, la charge du " condensateur parasite " est limitée et la zone de détection reste bien définie, car les charges restent mieux confinées au niveau de l'électrode de détection 3. Il est à noter qu'entre deux impulsions de charge, le condensateur 5 se décharge automatiquement via le transformateur d'impulsions. On comprend donc que le capteur selon l'invention permet une détection capacitive simple, efficace et peu coûteuse. REVENDICATIONS 1. Capteur de présence (1) de type capacitif, comprenant au moins une 5 électrode (3) de détection faisant partie d'un condensateur (5) dont la capacité (Cx) est susceptible de varier à l'approche d'un objet ou d'une partie de corps d'un utilisateur, et une unité de charge (9) du condensateur appliquant des cycles de charge audit condensateur (5), caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de mesure (11) d'une grandeur dont la variation reflète une variation du courant de charge du 10 condensateur (5) et, relié à ces moyens de mesure (5), une unité d'exploitation (13) de cette grandeur pour déterminer à partir de la variation de ladite grandeur entre des cycles successifs de charge du condensateur une variation de ladite capacité du condensateur (5) suite à une approche d'un objet ou d'une partie de corps d'un utilisateur. 2. Capteur de présence selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure (11) comprennent un transformateur d'impulsions (15) présentant un enroulement primaire (17) disposé entre l'unité de charge (9) et le condensateur (5) et un enroulement secondaire (19) pour délivrer une tension proportionnelle au courant de charge du condensateur (5). 3. Capteur de présence selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure (11) comprennent un circuit de redressement (21) de ladite tension en sortie de l'enroulement secondaire (19). 4. Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure (11) comprennent une capacité de stockage (23) raccordée à la sortie du 25 circuit de redressement (21). 5. Capteur de présence selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le circuit de redressement (21) comprend au moins un composant (21), de préférence une diode, pour empêcher la décharge immédiate de la capacité de stockage lors d'un cycle de charge. 6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'unité de charge (9) du condensateur est réalisée de manière à délivrer une tension de forme rectangulaire. 7. Capteur selon les revendications 4 ou 5 prises ensemble avec la revendication 6, caractérisé en ce que l'unité de charge du condensateur est une 35 horloge réalisée de manière à délivrer des impulsions de tension dont la durée et l'amplitude sont choisies de manière qu'une impulsion de tension charge le condensateur (5) et qu'un cycle de charge, nécessaire pour charger ledit condensateur de stockage (23) à un niveau de tension prédéterminé comprend un nombre d'impulsions compris entre 50 et 5000 impulsions. 8. Capteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le nombre d'impulsions pour charger ledit condensateur de stockage (23) est compris entre 500 et 1500. 9. Capteur selon la revendication 7 ou 8 pris ensemble avec la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que ladite grandeur est le nombre d'impulsions de charge nécessaire pour que la tension aux bornes du condensateur de stockage (23) atteigne une valeur prédéfinie. 10. Capteur selon la revendication 7 ou 8 pris ensemble avec la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que ladite grandeur est la tension mesurée aux bornes du condensateur de stockage (23) après un nombre d'impulsions de charge prédéfinis. 11. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé 15 en ce que l'unité d'exploitation (13) comprend des moyens de comparaison (27) de ladite grandeur avec une valeur de référence, ces moyens de comparaison délivrant un signal caractéristique d'une approche d'un objet ou d'une partie de corps d'un utilisateur lorsque la différence entre ladite grandeur et la valeur de référence excède un seuil prédéterminé. 12. Capteur selon la revendication 11, caractérisé en ce que la valeur de référence est une moyenne flottante de ladite grandeur sur un nombre prédéterminé de cycles de charge. 13. Capteur de présence selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'unité d'exploitation (13) comprend un module de 25 traitement numérique avec un microprocesseur ou microcontrôleur. 14. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que la capacité du condensateur (5) est choisie de manière qu'elle soit inférieure à la moitié d'une capacité parasite (Cp) due à l'environnement. 15. Capteur de présence selon l'une quelconque des revendications 30 précédentes, caractérisé en ce qu'il fait partie d'un système mainslibres sécurisant l'accès à un véhicule automobile, ledit capteur délivrant un signal caractéristique d'une approche d'un objet ou d'une partie de corps d'un utilisateur en vue de lancer une phase d'identification d'un utilisateur. 16. Capteur de présence selon l'une quelconque des revendications 35 précédentes, caractérisé en ce qu'il fait partie d'un système de motorisation d'ouvrant, ledit capteur délivrant un signal caractéristique d'une approche d'un objet ou d'une partie de corps d'un utilisateur en vue de déplacer l'ouvrant vers une position fermée ou ouverte selon sa position initiale. il 17. Capteur de présence selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il constitue un capteur d'approche, détectant la présence sans nécessité de contact. 18. Capteur de présence selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce qu'il constitue un capteur tactile. 19. Poignée d'ouvrant pour véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle intègre un capteur de présence tel que défini dans les revendications 1 à 18. AFROI 80-Fr