Brevet FR2886725A1 — publié le 20061208

Dispositif de détection d'une variation de capacitance et capteur capacitif de détection de présence d'un utilisateur, implémentant un tel dispositif La présente invention concerne la réalisation d'un dispositif de détection d'une variation de capacitance d'une structure capacitive variable. Elle vise également un capteur capacitif de détection de présence d'un utilisateur, implémentant un tel dispositif. Le domaine de l'invention concerne la détection de la présence d'un utilisateur, tout particulièrement dans le secteur de l'automobile. En effet, les dispositifs de détection d'utilisateur font de plus en plus partie intégrante de systèmes embarqués de sécurité et de commande et la détection d'un utilisateur est considérée comme le réveil d'un système complet que l'on peut mettre en veille en l'absence d'utilisateur. Cette mise en veille d'un système complet évite ainsi de solliciter ce système pendant tout le temps où aucun utilisateur n'est présent, ce qui contribue à une économie significative d'énergie. Il existe, actuellement, de nombreux systèmes de détection de présence d'un utilisateur. On peut citer les systèmes à base de capteurs optiques, de capteurs de température, d'électrodes et capteurs capacitifs. Les systèmes à base de capteurs capacitifs sont basés sur une évaluation de la variation de la capacitance d'une structure capacitive variable en fonction de la présence ou non d'un ou plusieurs utilisateurs. Actuellement il existe des capteurs capacitifs à transfert de charge comme les capteurs décrits dans le l'ouvrage CAPACITIVE SENSORS de Larry K. Baxter, édité par The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. Les capteurs présentés dans cet ouvrage permettent de mesurer la variation de la capacitance d'une capacité variable Cl, grâce à une capacité C2 dite de référence. En effectuant un cycle constitué d'un grand nombre de charges et de décharges de la capacité Cl dans la capacité de référence C2 jusqu'à atteindre un seuil fixe de tension aux bornes de la capacité de référence C2, on peut détecter la variation de la capacitance de Cl par rapport au cycle précédent en estimant la variation du nombre de décharges de la capacité Cl - 2 dans la capacité C2 qu'il a fallu effectuer pour atteindre le seuil de tension aux bornes de C2. Ces capteurs font intervenir un composant commutateur wc, qui permet de diriger le courant pour réaliser d'abord la charge de la capacité Cl et ensuite la décharge de la capacité Cl dans la capacité C2 et vice versa. Mais ce composant commutateur est un élément qui est difficile à réaliser et dont la réalisation est très coûteuse. Il se pose donc un problème technique de réalisation d'un circuit de basculement du courant de façon à ce que l'on puisse passer d'un circuit de charge d'une structure capacitive variable dont on veut détecter la variation de capacitance à un circuit de décharge de cette structure capacitive. On entend dans la suite par structure capacitive variable toute configuration matérielle constituée par une électrode capacitive intégrée dans un objet ou dans un système et par son environnement proche reliée directement ou indirectement à une référence de masse, cet environnement pouvant inclure une partie du corps d'un utilisateur dont on doit détecter la présence. L'invention propose de remédier aux problèmes précités par un dispositif de détection d'une variation de la capacitance d'une structure capacitive 20 variable, comprenant: des moyens pour générer des impulsions de tension, - des moyens pour charger la structure capacitive variable à partir desdites impulsions de tension, - des moyens pour décharger ladite structure capacitive variable 25 vers une capacité de référence, - des moyens pour détecter un seuil de tension aux bornes de la capacité de référence, - des moyens pour déterminer un nombre de charges et/ou de décharges de ladite structure capacitive variable correspondant 30 audit seuil de tension, et - des moyens pour détecter une variation dudit nombre de charges et/ou de décharges par rapport à un nombre de charges et/ou de décharges précédemment obtenu. Le dispositif de détection selon l'invention constitue une approche innovante dans la détection de la variation de la capacitance d'une structure capacitive variable, car, le circuit électrique mis en oeuvre pour assurer la charge et la décharge de la structure capacitive variable est très simple et peut être réalisé avec des éléments peu coûteux. Il n'y a pas de basculement physique entre le circuit de charge et de décharge de la capacité, ce qui permet avantageusement de se passer d'un élément tel qu'un commutateur pour effectuer une telle opération. En effet ce circuit est agencé pour assurer un transfert unidirectionnel d'énergie de la structure capacitive variable vers la capacité de référence, ce qui permet de séparer la charge de la structure capacitive variable Cx, dont la variation de la capacitance est à mesurer, de sa décharge et ainsi d'assurer une décharge totale de la structure capacitive variable vers la capacité de référence Cs. Ainsi, on évite qu'une partie de l'énergie contenue dans la structure capacitive variable retourne vers les moyens de génération d'impulsions, et ne soit pas prise en compte dans la détection de la variation de capacitance de la structure capacitive variable Cx. Un tel transfert d'énergie est avantageusement effectué par un composant qui autorise seulement un transfert unidirectionnel du courant. Un tel composant peut être une diode Dl ou tout autre élément pouvant remplir un tel rôle. Ainsi, étant placé en série entre les moyens de génération d'impulsions et les autres moyens faisant partie du dispositif selon l'invention, la diode Dl laisse passer le courant des moyens de génération d'impulsions vers la structure capacitive variable Cx pendant la charge de la structure capacitive variable Cx. Lors de la décharge de la structure capacitive variable Cx, elle empêche le courant de retourner vers les moyens de génération d'impulsions ou tout autre moyen que la capacité de référence Cs. Ainsi, la diode Dl permet de canaliser la décharge de la structure capacitive variable Cx vers la capacité de référence Cs. Sachant que l'opération de basculement du circuit de charge au circuit de décharge et vice versa est une opération réalisée un très grand nombre de fois au cours de la détection de la variation de la capacitance, le fait de remplacer une telle opération par un élément tel qu'une diode Dl simplifie avantageusement le contrôle d'un tel circuit. Les impulsions de tensions nécessaires pour charger la structure capacitive variable Cx dont on veut mesurer la variation de la capacitance peuvent être avantageusement réalisées par une horloge dont la durée des impulsions est suffisamment grande pour permettre à la structure capacitive variable de se charger entièrement. De plus, la durée des impulsions ne doit pas être trop grande pour charger la capacité de référence Cs, ce qui risquerait alors de fausser à terme la détection de la variation. De cette manière, la réalisation des impulsions est avantageusement effectuée par circuit horloge simple et de petite taille que l'on pourra facilement intégrer dans un système. Pour la réalisation des impulsions de tension de durée adaptée à la charge totale de la capacité, on peut aussi prévoir d'utiliser un circuit horloge délivrant un signal carré, suivi par un filtre passe haut. De cette façon le signal carré en sortie de l'horloge est injecté dans le filtre passe haut, et transformé en impulsions par le filtre passe haut. Il faudra veiller à ce que l'horloge et le filtre passe haut aient des caractéristiques (période, amplitude, etc...) adaptées pour générer des impulsions de tensions suffisamment longues pour charger la structure capacitive variable Cx et assez courtes pour ne pas charger la capacité de référence Cs, qui doit principalement être chargée par les décharges de la structure capacitive variable Cx. Les moyens de décharge de la structure capacitive variable Cx peuvent avantageusement comprendre une résistance Rs. Cette résistance Rs, placée en parallèle avec la structure capacitive variable Cx, en aval de la diode Dl et en amont de la capacité de référence Cs, permet d'avoir un contrôle sur la décharge de la structure capacitive variable Cx. Ainsi, cette résistance permet de contrôler la constante de temps T1=Rs*Cx, qui doit être supérieure à la durée des impulsions générées par les moyens de génération d'impulsions. Le dispositif selon l'invention comprend aussi des moyens de détection d'un seuil de tension aux bornes de la capacité de référence Cs. Ainsi après des décharges multiples de la structure capacitive variable Cx, dont la variation de la capacitance est à mesurer, dans la capacité de référence Cs, la tension aux bornes de la capacité augmente et atteint un seuil de tension. Le dispositif selon l'invention comprend en outre des moyens permettant de déterminer le nombre N de décharges qui ont permis d'atteindre le seuil fixe de tension aux bornes de la capacité de référence Cs. Ces moyens comprennent un compteur permettant de compter le nombre de charges et/ou décharges et/ou le nombre d'impulsions générées par les moyens de génération d'impulsions. Il est utile de préciser que la capacité de référence Cs est telle que la structure capacitive variable Cx peut se décharger un nombre important de fois dans Cs. Ce qui suppose que la capacité de référence Cs est d'une capacitance supérieure à Cx. Ainsi on peut dénombrer le nombre N(t) de fois que la structure capacitive variable Cx s'est déchargée dans la capacité de référence Cs, afin que la tension aux bornes de la capacité de référence Cs atteigne un seuil de tension fixe. Le dispositif selon l'invention comprend avantageusement des moyens pour détecter une variation de nombre N(t) de charges et/ou de décharges de la structure capacitive variable Cx correspondant au seuil de tension fixe aux bornes de la capacité de référence Cs par rapport à un nombre N(t-1) précédemment obtenu. La variation sur le nombre de décharges, de la structure capacitive variable Cx dans la capacité de référence Cs, correspondant à un seuil de tension aux bornes de la capacité de référence Cs, est directement reliée à la variation de la capacitance de Cx. Ainsi on peut détecter la variation de la capacitance de Cx. Une fois que les opérations de détection sont accomplies la capacité de référence peut être déchargée grâce à un switch SW1, pour permettre une nouvelle phase de détection. Un exemple d'application, aucunement limitatif, du dispositif selon, l'invention peut être la détection de la variation de la capacitance entre une électrode de détection disposée dans un équipement et l'environnement de l'électrode. Ainsi, la structure capacitive variable Cx sera alors la capacité constituée, d'une part, par l'électrode de détection et d'autre part par son environnement. L'environnement de l'électrode de détection peut alors être un mur, une présence humaine, une voiture, ou tout autre objet de la vie réelle. Cette électrode peut être incorporée dans une poignée de portière de voiture pour servir de dispositif de détection de présence d'un utilisateur. Le dispositif de détection peut être avantageusement intégré dans la poignée. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de réalisation nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels: - la Figure 1 illustre un exemple de mode opératoire d'un système de détection de présence implémentant le dispositif selon l'invention, - la Figure 2 représente un exemple de réalisation d'un dispositif de détection selon l'invention; et - la Figure 3: représente des chronogrammes de signaux caractéristiques du dispositif de détection selon l'invention. Un mode nullement limitatif de mise en oeuvre d'un dispositif de détection de variation de capacitance selon l'invention concerne un système de détection de présence disposé dans une poignée de portière de voiture. Une électrode est placée dans la poignée de la portière d'une voiture. Cette électrode et son environnement représentent la structure capacitive variable Cx dont la variation de la capacitance est à déterminer. Le dispositif selon l'invention, disposé également dans la poignée de la porte, permet de mesurer la variation de la capacitance entre l'électrode et son environnement. L'environnement de l'électrode est composé de tout objet ou être vivant à proximité de la voiture et la voiture elle-même. La variation de capacitance de la structure capacitive Cx entre l'électrode et son environnement est mesurée à chaque instant selon le mode opératoire présenté sur la figure 1. Dès qu'une variation rapide de la capacitance est détectée, une activation des signaux de sortie du système de détection de présence est générée. La variation de la capacitance est mesurée par le dispositif selon l'invention à travers une grandeur qui est le nombre N de périodes d'horloge nécessaires pour atteindre un seuil de tension aux bornes d'une capacité de référence Cs. Il peut cependant y avoir une variation lente de la capacitance, due aux conditions de température et d'humidité et ainsi que tous autres facteurs n'ayant aucun rapport avec la présence d'un utilisateur potentiel. Il est donc important de différencier ces variations de celles causées par un utilisateur potentiel. C'est pourquoi la variation de la capacitance est considérée en référence à la valeur N mesurée à l'instant précédent. De cette façon, on prend en considération les variations lentes de la capacitance Cx dues à l'environnement et à l'électrode. La figure 2 représente un mode particulier de réalisation d'un circuit électronique de charge et de décharge de la structure capacitive variable Cx, mis en oeuvre dans un dispositif de détection selon l'invention, tandis que la figure 3 représente une évolution temporelle de différents signaux observés ce circuit: le signal de l'horloge, les impulsions de tension, la tension aux bornes de la structure capacitive variable Cx et la tension aux bornes de la capacité de référence Cs. La capacité de référence Cs est chargée au fur et à mesure que la structure capacitive variable Cx se charge et décharge avec les impulsions générées par une horloge associée à un filtre passe haut. Ce circuit permet de charger la capacité de référence Cs avec des décharges de la structure capacitive variable Cx. Une fois que le seuil fixe de tension aux bornes de Cs est atteint on relève le nombre N de période d'horloge qui ont permis d'atteindre cette tension seuil. On compare le nombre N à sa valeur précédemment obtenue. S'il y a une variation lente de la valeur de N, cela signifie qu'aucun utilisateur n'est présent à proximité de la voiture donc on réitère l'opération. On enregistre la valeur de N pour effectuer une comparaison avec la valeur de N qui sera obtenu à l'étape suivante. S'il y a une variation rapide de la valeur de N, alors cela signifie qu'un utilisateur potentiel est présent à proximité de la poignée de la voiture. On émet alors un signal de sortie pour déclencher les opérations suivantes. Un tel système de détection de la présence d'un utilisateur utilisant le dispositif selon l'invention permet avantageusement d'éviter l'effet de mur pendant l'ouverture de la portière. En effet, le système de détection de variation de capacitance pouvant détecter très rapidement des variations de l'ordre de 1%, permet d'anticiper l'approche d'un utilisateur et donc l'ouverture de la portière avant que la poignée soit actionnée. Le dispositif de détection selon l'invention n'est pas limité au mode de réalisation et à l'application qui viennent d'être décrits, et peut être mis en oeuvre dans à d'autres applications. Il pourrait notamment remplacer des boutons d'actionnement, par exemple, le bouton d'allumage d'un plafonnier dans une voiture, ce qui permettrait d'allumer le plafonnier sans avoir eu besoin de détourner le regard pour chercher l'emplacement exact du bouton d'allumage. REVENDICATIONS 1) Dispositif de détection d'une variation de la capacitance d'une structure capacitive variable Cx, comprenant: - des moyens pour générer des impulsions de tension, des moyens pour charger la structure capacitive variable (Cx) à partir desdites impulsions de tension, des moyens pour décharger ladite structure capacitive variable (Cx) vers une capacité de référence (Cs), - des moyens pour détecter un seuil de tension aux bornes de la capacité de référence (Cs), des moyens pour déterminer un nombre de charges et/ou de décharges de ladite structure capacitive variable (Cx) correspondant audit seuil de tension, et - des moyens pour détecter une variation dudit nombre de charges et/ou de décharges par rapport à un nombre de charges et/ou de décharges précédemment obtenu. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre 20 des moyens pour assurer un transfert unidirectionnel d'énergie de la structure capacitive variable (Cx) vers la capacité de référence (Cs). 3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens pour assurer un transfert unidirectionnel d'énergie de la structure capacitive variable 25 (Cx) vers la capacité de référence (Cs) comprennent une diode Dl. 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de génération d'impulsions comprennent une horloge. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de génération d'impulsions comprennent un filtre passe haut. 10 - 10 - 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de décharge de la structure capacitive variable (Cx) comprennent une résistance (Rs*Cs). 7) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la résistance (Rs) a une valeur telle que la constante de temps (Rs*Cx) est supérieure à la durée des impulsions de tensions et inférieure à la demi période des impulsions. 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de détection du nombre de charges et/ou de décharges de la structure capacitive variable (Cx) comprennent un compteur. 9) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que 15 la capacité de référence (Cs) présente une capacitance supérieure à celle de la structure capacitive variable (Cx). 10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens commutateurs (SW1), commandés pour décharger la capacité de référence (Cs) , une fois que la tension à ses bornes a atteint un seuil de tension prédéterminé. 11) Capteur capacitif pour détecter la présence d'un utilisateur d'un équipement, mettant en oeuvre un dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure capacitive (Cx) dont la variation de capacitance est détectée comprend une électrode de détection disposée au sein dudit équipement, la capacité de la structure capacitive étant déterminée entre ladite électrode de détection et l'environnement proche de ladite électrode de détection. 12) Capteur capacitif selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'équipement dans lequel l'électrode de détection est disposée est une poignée de portière d'un véhicule. - 11 - 13) Capteur capacitif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 est intégré dans la poignée.