WO2013091821A1 - Dispositif de mesure d'une variation d'une capacite a faible consommation et procede associe - Google Patents

Dispositif de mesure d'une variation d'une capacite a faible consommation et procede associe Download PDF

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WO2013091821A1
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voltage
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Xavier Hourne
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Continental Automotive France
Continental Automotive Gmbh
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    • H03K2217/960725—Charge-transfer

Definitions

  • the present invention relates to a capacitive charge transfer sensor. More particularly, it relates to the application of such a sensor in the door handles of a vehicle for access said "free hand" of a user authorized to his vehicle.
  • a capacitive presence sensor in this case a capacitive load-transfer sensor located in the handle, detects the presence of the driver's hand.
  • This sensor is connected to the electronic computer of the vehicle (ECU: abbreviation for "Electronic Control Unit") and sends him a presence detection signal.
  • the electronic computer of the vehicle has first identified the user as being authorized to access this vehicle, or alternatively, following the reception of this detection signal, he carries out this identification. For this, it sends via an antenna LF (abbreviation for "Low Frequency”, Low Frequency) a request for identification to the badge (or remote control) worn by the user.
  • LF abbreviation for "Low Frequency", Low Frequency
  • This badge sends in response, by RF (radio frequency) waves, its identification code to the electronic computer of the vehicle. If the electronic computer recognizes the identification code as that allowing access to the vehicle, it triggers the opening of the door. If, on the other hand, the electronic computer has not received an identification code or if the identification code received is wrong, the opening is not done.
  • RF radio frequency
  • such a capacitive sensor 3 consists of an electrode 4 integrated in the handle 6 of the door and a second electrode connected to ground.
  • This second electrode may include a body part of a user and a close environment directly or indirectly connected to the ground. It may be for example, the hand M of the user, whose presence must be detected near the handle 6 of the door.
  • the capacitance C x of the electrode 4 integrated in the handle 6 increases.
  • the variation AC X is measured using a reference capacitor C s , located on a circuit printed form 5 connected to the electrode 4. If the value of the capacitance C x crosses a threshold, this causes the validation of the detection. Indeed, it means that the hand M of the user is in position 2, on the handle 6 of the door or close enough to the handle 6 and it requests access to the vehicle.
  • the capacitive sensor 3 for charge transfer makes it possible to measure the variation AC X of the capacitance C x of the electrode 4 integrated in the handle 6 of the door by carrying out a charge transfer consisting of a a large number of charges and discharges of this capacitance C x in the reference capacitor C s , until a fixed voltage threshold is reached across the reference capacitor C s .
  • the estimation of the variation AC X of the capacitance C x of the electrode 4 with respect to the preceding cycle is carried out on the basis of the variation of the number of discharges of the capacitance C x of the electrode 4 in the reference capacitor C s it was necessary to perform to reach this voltage threshold across the reference capacitor C s .
  • capacitive sensors 3 involve switching means that direct current to first charge the capacitance C x of the electrode 4 through the supply voltage and then discharge into the capacitance reference C s .
  • the charge transfer that is to say the succession of charges and discharges, according to the prior art, and illustrated in FIG. 2, is broken down into four stages:
  • the first step consists in charging the capacitance C x of the electrode 4 from the supply voltage V C c- For this the first switch S1 is closed and the second switch S2 is open.
  • the charge transfer is repeated until the voltage V s at the terminals of the reference capacitor C s reaches the threshold voltage V T H-
  • the number of discharges x of the capacitance C x of the electrode 4 towards the reference capacitance C s necessary to reach this threshold V TH gives an image of the capacitance C x of the electrode 4.
  • the reference capacitor C s is then completely discharged via the switch S in preparation for the next measurement.
  • a counter of the number of discharges x and a microcontroller make it possible to determine the capacitance C x of the electrode 4.
  • Th is defined as a detection threshold, corresponding to a number of charge transfers between the two states of the capacitance C X of the electrode 4, that is to say between
  • Th is equal to the change in the number of discharges x, between the value of the capacitor C X and the value of the capacitance
  • the variation AC X of the capacitance C x that can be measured by the capacitive sensor 3 depends on many parameters: the value of the storage capacity C s , the supply voltage V C c, the measurement stop voltage threshold V T H and especially mainly the capacitance of the electrode C x 2 square.
  • the capacitance C x of the electrode 4 is difficult to control and varies depending on the environment (temperature, humidity, etc.) which degrades the value of the variation AC X of the capacitance C x and thus the sensitivity and the performances of the capacitive sensor 3.
  • the number of discharges x which conditions the measurement duration, is proportional to the reference capacitor C s (see equation (2)), which itself is dependent on the other parameters and in particular on the desired variation AC X (see equation (3)).
  • the number of discharges x i.e. the charge transfer time, or the measurement time of the AC X variation of the capacitance C X until the detection, is fixed and can not to be optimized.
  • the measuring time of the capacitive sensor must be extremely fast because:
  • the opening mechanism of the door must be completely transparent to the driver. Indeed, the latter expects an opening of the door as fast as in the case of an opening of a mechanical handle, not equipped with capacitive sensor 3,
  • the consumption of the capacitive sensor 3 must be minimized because it operates for long periods when the vehicle is stationary. Since the consumption is related to the measurement duration, if the measurement time is reduced, the consumption drops.
  • Means for discharging the measurement capacitance C M towards the reference capacitor C s into a variable number of discharges n.
  • This measurement capacitance C M makes it possible to measure the variation AC X of the capacitance C x so that this variation is independent of the capacitance C x of the measured electrode 4. This allows the optimization of the measurement time until the detection (that is to say the optimization of the number of charges and / or discharges) capacitive sensor 3 without impacting its variation AC X.
  • the charge transfer is broken down into two phases: acquisition and measurement.
  • the acquisition phase consists of a conventional charge transfer of the capacitance C x of the electrode 4 in the reference capacitor C s .
  • the difference with the conventional charge transfer, described above, is that the charge transfer stops after a fixed number of discharges x and not when the voltage V s across the reference capacitor C s reaches a voltage threshold V T H-
  • the measurement phase consists of a charge transfer, of a variable number of discharges n, of the measurement capacitance C M in the reference capacitor C s until the voltage V s at the terminals of the reference capacitor C s reaches the threshold voltage V TH .
  • the charge of the capacitance C x of the electrode 4 is transferred into the measurement capacitor C s as follows:
  • the first step consists in charging the capacitance C x of the electrode 4 from the supply voltage V C c- For this the first switch S1 is closed and the second switch S2 is open, ⁇ 2nd step: once the charge of the capacitance C x of the electrode 4 has been completed, the first switch S1 is open,
  • 3rd step the discharge of the capacitance C x of the electrode 4 in the reference capacitor C s can begin.
  • the first switch S1 remains open and the second switch S2 is closed,
  • This cycle of charges and discharges is repeated a number of times x predetermined and fixed.
  • the load of the measurement capacitor C M is transferred into the reference capacitor C s until the voltage V S at the terminals of this capacitance reaches a threshold V TH .
  • the first step consists of the load of the measurement capacity C M.
  • the third switch S3 is closed and the fourth switch S4 is open,
  • Second step once the load of the measuring capacitance C M has been completed, the third switch S3 is opened,
  • the first and second switches S1 and S2 are open during this measurement phase. Therefore the capacitance C x of the electrode 4 is neither charged nor discharged during this measurement phase.
  • the variation AC X of the capacitance C x depends on the measuring capacitance C M , the number of fixed discharges x of the electrode C x in the measuring capacitance C s and the detection threshold Th. And n, the number of variable discharges of the measurement capacity C M towards the reference capacitor C s is defined by:
  • the measurement capacitance C M is fixed, the number of fixed discharges x is also fixed and the detection threshold Th is also determined and fixed (since it equates to a number of discharges n of the measurement capacitance C M in the reference capacitance C s corresponding to the detection threshold of the driver's hand on the handle 6 of the door), it is therefore possible to choose the variation AC X of the capacitance C x by choosing in correspondence the values of C M , x, and of Th, regardless of the value of the capacitance C x . Thus, the variation AC X of the capacitance C x no longer depends on the value of this capacitance C x.
  • a major disadvantage of this device is the presence of parasitic residual capacitors from the switches S3 and S4 used to load and unload the measurement capacitor C M -
  • These residual capacitances have the consequence of limiting the minimum value of the measurement capacitance C M , below which, the variation AC X of the capacitance C x can no longer be improved (diminished).
  • a switch has a residual capacity of 5pF.
  • the value of the measurement capacitance C M must be chosen according to this cumulative residual capacity, and generally its value is chosen to be equal to this residual capacity, namely of the order of 10 pF.
  • Th 5
  • the invention proposes a device for measuring a variation AC X of a capacitance C x making it possible to overcome this disadvantage. More specifically, the invention proposes a device in which the variation AC X of the capacitance C x is improved compared with that obtained in the prior art.
  • the invention proposes a device for measuring a variation AC X of a capacitance, comprising:
  • Means for charging the capacity from the supply voltage Means for discharging the capacity in a reference capacity C s into a fixed number of discharges x,
  • the invention resides in the fact that the device further comprises:
  • a predetermined Th detection threshold of a number of intervals of the temporal resolution during the duration t is defined, corresponding to the variation AC X of the capacitance.
  • the number of fixed discharges x of the capacity towards the reference capacitor C s is defined by:
  • the duration t is defined by the time required for the voltage V s across the reference capacitor C s to be equal to the voltage threshold V TH and is equal to:
  • the reference capacitor C s has a capacitance greater than that of the capacitance.
  • the invention also relates to any capacitive sensor for detecting the presence of a user of a device, implementing a device for measuring a variation of the capacity according to any one of the above characteristics, such as the capacity whose capacitance variation AC X is measured comprises a detection electrode disposed within said equipment, the capacitance being measured between said detection electrode and an environment close to said detection electrode.
  • the equipment in which the sensing electrode is disposed is a door handle of a vehicle.
  • the invention applies to any motor vehicle comprising a capacitive sensor as described above as well as the method for measuring a variation AC X of the associated capacitance C x .
  • FIG. 1 represents a schematic view of a door handle of a vehicle incorporating a capacitive load-transfer sensor, described above,
  • FIG. 2 represents a schematic view of a capacitive load-transfer sensor according to the prior art, previously described,
  • FIG. 3 represents a schematic view of a capacitive load-transfer sensor according to the prior art, described in FR 2 938 344 B1,
  • FIG. 4 represents a schematic view of a capacitive load-transfer sensor according to the invention.
  • the invention proposes the device for measuring a variation AC X of the capacitance C x as illustrated in FIG. 4 and which furthermore comprises a load resistor R c placed between the supply voltage V C c and the measuring capacity C s .
  • the charge transfer according to the invention is divided into two phases: acquisition and measurement.
  • the acquisition phase is identical to that of the prior art. During this acquisition phase, the capacitance C x of the electrode 4 is charged and discharged into the reference capacitor C s in a fixed number of discharges x, as previously described.
  • a charging current I c passing through the load resistor R c charges the reference capacitor C s until the voltage V s at the terminals of the latter reaches the threshold value V TH
  • the only stage of this measurement phase consists of the load of the reference capacitance Cs by the charging current I c through the load resistor R c. For this, the third switch S3 is closed.
  • the reference capacitance C s is then fully discharged by closing the switch S in preparation for the next measurement.
  • the duration t is measured with a time base which is the time measurement accuracy of a printed circuit clock 5. This timebase (or temporal resolution) is thus fixed by the clock of the printed circuit 5.
  • a time base or temporal resolution
  • reference C s is much greater than the value of the capacitance C x of the electrode 4.
  • Th the variation of y leading to a detection, of which Th is equivalent to:
  • the advantage of the invention is therefore a reduction of the detection time (and therefore a reduction of the capacitive sensor 3 consumption) compared with the prior art and / or an increase in the detection accuracy due to the reduction of the the variation AC X of the capacitance C x of the electrode 4 which is measurable by the capacitive sensor 3.
  • V s (x) 0.849 V
  • the total detection time is therefore 2.47 ms (2.04 + 0.43) or a detection time 1, 84 times shorter than that of the prior art (4.6 ms).
  • the charge transfer device according to the invention makes it possible to significantly reduce the measurement time t and consequently the consumption of the capacitive sensor s.
  • variable duration t 1, 723 ms
  • the invention therefore makes it possible to detect the approach of the user's hand by the capacitive sensor that is faster and / or much more precise than the solution of the prior art described in document FR 2 938 344 B1.
  • the invention is not limited to the described embodiments.
  • the invention applies to any device for measuring a variation of a capacitance and is not limited to detecting the approach of a user's hand to a door handle. a vehicle.

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Abstract

L'invention propose un dispositif de mesure d'une variation (ΔCX) d'une capacité (Cx), comprenant : • des moyens pour charger la capacité (Cx) à partir d'une tension d'alimentation (Vcc), • des moyens pour décharger la capacité (Cx) dans une capacité de référence (Cs) en un nombre de décharges fixe (x), • des moyens pour mesurer une tension (Vs) et détecter un seuil de tension (VTH) aux bornes de la capacité de référence (Cs). Selon l'invention, le dispositif de mesure comprend en outre : • des moyens pour charger en courant (lc) la capacité de référence (Cs) à partir de la tension d'alimentation (Vcc) pendant une durée (t), après le transfert de charge de la capacité (Cx) dans la capacité de référence (Cs) et, • des moyens pour mesurer la variation entre la durée (t) par rapport à une durée précédemment mesurée afin d'estimer la variation (ΔCX) de la capacité (Cx).

Description

Dispositif de mesure d'une variation d'une capacité à faible consommation et procédé associé
La présente invention est relative à un capteur capacitif à transfert de charge. Plus particulièrement, elle se rapporte à l'application d'un tel capteur dans les poignées de portière d'un véhicule pour l'accès dit « main libre » d'un utilisateur autorisé à son véhicule.
De nos jours, certains véhicules automobiles sont équipés d'accès « main libre » ; C'est-à-dire que l'utilisateur autorisé du véhicule n'a plus besoin d'une clé pour ouvrir les portières et autres ouvrants (capot, coffre, etc.) de son véhicule. 11 possède à la place d'une clé, un badge d'identification (ou télécommande) avec lequel le système électronique de véhicule interagit.
Pour solliciter l'ouverture d'une portière, par exemple, le conducteur se rapproche de la poignée de la portière. Un capteur capacitif de présence, en l'occurrence un capteur capacitif à transfert de charge situé dans la poignée, détecte la présence de la main du conducteur. Ce capteur est connecté au calculateur électronique du véhicule (ECU : abréviation anglaise pour « Electronic Control Unit ») et lui envoie un signal de détection de présence. Le calculateur électronique du véhicule a au préalable identifié l'utilisateur comme étant autorisé à accéder à ce véhicule, ou alternativement, suite à la réception de ce signal de détection, il procède à cette identification. Pour cela, il envoie par l'intermédiaire d'une antenne LF (abréviation anglaise pour « Low Frequency », Basse Fréquence) une demande d'identification au badge (ou à la télécommande) porté(e) par l'utilisateur. Ce badge envoie en réponse, par ondes RF (radio fréquence), son code d'identification vers le calculateur électronique du véhicule. Si le calculateur électronique reconnaît le code d'identification comme celui autorisant l'accès au véhicule, il déclenche l'ouverture de la portière. Si, en revanche, le calculateur électronique n'a pas reçu de code d'identification ou si le code d'identification reçu est erroné, l'ouverture ne se fait pas.
Tel qu'illustré à la figure 1 , un tel capteur capacitif 3 est constitué d'une électrode 4 intégrée dans la poignée 6 de la portière et d'une deuxième électrode reliée à la masse. Cette deuxième électrode peut inclure une partie du corps d'un utilisateur et d'un environnement proche relié directement ou indirectement à la masse. Il peut s'agir par exemple, de la main M de l'utilisateur, dont on doit détecter la présence près de la poignée 6 de la portière.
Lorsque la main M de l'utilisateur se rapproche de la poignée 6 de la portière, c'est-à-dire qu'elle passe de la position 1 à la position 2 selon le sens de la flèche illustrée à la figure 1 , la capacité Cx de l'électrode 4 intégrée dans la poignée 6 augmente. La variation ACX est mesurée à l'aide d'une capacité de référence Cs, située sur un circuit imprimé 5 connecté à l'électrode 4. Si la valeur de la capacité Cx franchit un seuil, cela entraine la validation de la détection. En effet cela signifie que la main M de l'utilisateur est en position 2, sur la poignée 6 de la portière ou suffisamment proche de cette poignée 6 et qu'il demande l'accès au véhicule.
On connaît de la technique antérieure que le capteur capacitif 3 à transfert de charge permet de mesurer la variation ACX de la capacité Cx de l'électrode 4 intégrée dans la poignée 6 de la portière en effectuant un transfert de charge constitué d'un grand nombre de charges et de décharges de cette capacité Cx dans la capacité de référence Cs, jusqu'à atteindre un seuil fixe de tension aux bornes de la capacité de référence Cs. L'estimation de la variation ACX de la capacité Cx de l'électrode 4 par rapport au cycle précédent est réalisée à partir de la variation du nombre de décharges de la capacité Cx de l'électrode 4 dans la capacité de référence Cs qu'il a fallu effectuer pour atteindre ce seuil de tension aux bornes de la capacité de référence Cs. Ces capteurs capacitifs 3 font intervenir des moyens de commutation qui permettent de diriger le courant pour réaliser d'abord la charge de la capacité Cx de l'électrode 4 par l'intermédiaire de la tension d'alimentation et ensuite sa décharge dans la capacité de référence Cs. Le transfert de charge, c'est-à-dire la succession de charges et de décharges, selon l'art antérieur, et illustré à la figure 2, se décompose en quatre étapes :
• 1 ère étape : la première étape consiste en la charge de la capacité Cx de l'électrode 4 à partir de la tension d'alimentation VCc- Pour cela le premier commutateur S1 est fermé et le second commutateur S2 est ouvert.
• 2ème étape : une fois la charge finie, le premier commutateur S1 est ouvert.
• 3ème étape : puis la décharge de la capacité Cx de l'électrode 4 dans la capacité de référence Cs peut commencer. Pour cela, le premier commutateur S1 reste ouvert et le second commutateur S2 est fermé.
• 4ème étape : une fois la décharge réalisée, le second commutateur S2 est ouvert.
Le transfert de charge est répété jusqu'à ce que la tension Vs aux bornes de la capacité de référence Cs atteigne la tension de seuil VTH- Le nombre de décharges x de la capacité Cx de l'électrode 4 vers la capacité de référence Cs nécessaire pour atteindre ce seuil VTH donne une image de la capacité Cx de l'électrode 4. La capacité de référence Cs est ensuite complètement déchargée par l'intermédiaire du commutateur S en préparation de le prochaine mesure.
Un compteur du nombre de décharges x et un microcontrôleur (non représentés sur la figure 2) permettent de déterminer la capacité Cx de l'électrode 4.
L'équation régissant le fonctionnement du capteur capacitif 3 est la suivante :
Figure imgf000005_0002
L'évolution de la tension VS aux bornes de la capacité de référence CS constitue une suite mathématique selon le nombre de décharges x de la capacité CX de l'électrode 4 vers la capacité de référence CS, et est donnée par l'équation (1 ) :
Figure imgf000005_0003
A la fin du transfert de charge, la tension Vs aux bornes de la capacité de référence CS a atteint la tension seuil VTH, et on obtient un nombre de décharges x défini par l'équation (2) :
.
Figure imgf000005_0004
On définit Th comme un seuil de détection, correspondant à un nombre de transferts de charge entre les deux états de la capacité CX de l'électrode 4, c'est-à-dire entre
Figure imgf000005_0008
Th est égal à la variation du nombre de décharges x, entre la valeur de la capacité CX et la valeur de la capacité
Figure imgf000005_0007
Par conséquent :
Figure imgf000005_0005
Ce qui donne
Figure imgf000005_0006
Comme la capacité de référence Cs est, selon l'art antérieur, largement supérieure à la capacité Cx de l'électrode 4, on obtient l'équation suivante de la variation de la capacité Cx :
Figure imgf000005_0001
Cette équation (3) est connue de l'homme du métier.
Par conséquent, la variation ACX de la capacité Cx mesurable par le capteur capacitif 3, (en d'autres termes, la sensibilité de ce dernier), définie par l'équation (3) dépend de nombreux paramètres : la valeur de la capacité de stockage Cs, la tension d'alimentation VCc, le seuil de tension d'arrêt de mesure VTH et surtout principalement de la capacité de l'électrode au carré Cx 2. Or, la capacité Cx de l'électrode 4 est difficilement maîtrisable et varie en fonction de l'environnement (température, humidité... ) ce qui dégrade la valeur de la variation ACX de la capacité Cx et donc la sensibilité et les performances du capteur capacitif 3.
De plus, le nombre de décharges x qui conditionne la durée de mesure, est proportionnel à la capacité de référence Cs (cf. équation (2)), qui est elle même dépendante des autres paramètres et en particulier de la variation ACX souhaitée (cf. équation (3)). Ainsi pour une variation ACX de la capacité Cx donnée, correspond une valeur de la capacité de référence Cs et donc un nombre de décharges x fixe (Th, VCc. VTH, et Cx étant des paramètres fixes). Par conséquent, le nombre de décharges x, c'est- à-dire la durée de transfert de charge, ou la durée de mesure de la variation ACX de la capacité CX jusqu'à la détection, est fixe et ne peut pas être optimisée. En effet, si on réduit le nombre de décharges x par deux, par exemple, pour réduire la durée de mesure, la capacité de référence Cs est divisée par deux selon l'équation (2), et par conséquent, la variation ACX de la capacité CX est dégradée, puisqu'elle est multipliée par deux selon l'équation (3). Avec un tel dispositif, il n'y a donc aucun moyen d'optimiser la durée de mesure du capteur capacitif 3 sans impacter la variation ACX de la capacité Cx, c'est-à- dire la sensibilité du capteur capacitif 3.
Cependant, la durée de mesure du capteur capacitif doit être extrêmement rapide, car :
• le mécanisme d'ouverture de la portière doit être complètement transparent pour le conducteur. En effet, ce dernier s'attend à une ouverture de la portière aussi rapide que dans le cas d'une ouverture d'une poignée mécanique, non munie de capteur capacitif 3,
• la consommation du capteur capacitif 3 doit être minimisée, car il fonctionne durant de longues périodes lorsque le véhicule est à l'arrêt. Or, la consommation étant liée à la durée de mesure, si la durée de mesure est réduite, la consommation baisse.
Cependant, comme détaillé ci-dessus, étant donné que la réduction de la durée de mesure engendre une dégradation de la sensibilité du capteur capacitif 3, ceci peut provoquer des détections trop tardives. En effet, une dégradation de la sensibilité du capteur, signifie que la détection n'a été réalisée que lorsqu'une grande variation ACX de la capacité CX a été mesurée. Il existe donc un compromis nécessaire entre la durée de mesure et la sensibilité souhaitée, c'est-à-dire la variation ACX de la capacité Cx souhaitée. On aura compris qu'il y a un avantage important à réaliser un capteur capacitif 3 dont la variation ACX de la capacité Cx est indépendante de la durée de mesure.
On connaît de l'art antérieur (cf. figure 3) un dispositif de mesure d'une variation ACx de la capacité Cx permettant de pallier ces inconvénients. En l'occurrence le document FR 2 938 344 B1 décrit un dispositif de mesure d'une variation ACX de la capacité Cx comprenant en outre :
• une troisième capacité, appelée capacité de mesure CM, reliée à la masse,
• des moyens (un commutateur S3) pour charger cette capacité de mesure à partir de la tension d'alimentation VCc, et
• des moyens (un commutateur S4) pour décharger la capacité de mesure CM vers la capacité de référence Cs en un nombre de décharges variable n.
Cette capacité de mesure CM permet de réaliser la mesure de la variation ACX de la capacité Cx de telle manière que cette variation soit indépendante de la capacité Cx de l'électrode 4 mesurée. Ceci permet l'optimisation de la durée de mesure jusqu'à la détection (c'est-à-dire l'optimisation du nombre de charges et/ou décharges) du capteur capacitif 3 sans impacter sa variation ACX.
Selon l'invention décrite dans le document FR 2 938 344 B1 , le transfert de charge se décompose en deux phases : l'acquisition et la mesure.
La phase d'acquisition consiste en un transfert de charge classique de la capacité Cx de l'électrode 4 dans la capacité de référence Cs. La différence avec le transfert de charge classique, décrit précédemment, est que le transfert de charge s'arrête après un nombre de décharges fixe x et non lorsque la tension Vs aux bornes de la capacité de référence Cs atteint un seuil de tension VTH-
La phase de mesure consiste en un transfert de charge, d'un nombre variable de décharges n, de la capacité de mesure CM dans la capacité de référence Cs jusqu'à ce que la tension Vs aux bornes de la capacité de référence Cs atteigne la tension de seuil VTH.
Durant la phase d'acquisition, la charge de la capacité Cx de l'électrode 4 est transférée dans la capacité de mesure Cs de la manière suivante :
• 1 ère étape : la première étape consiste en la charge de la capacité Cx de l'électrode 4 à partir de la tension d'alimentation VCc- Pour cela le premier commutateur S1 est fermé et le deuxième commutateur S2 est ouvert, · 2ème étape : une fois la charge de la capacité Cx de l'électrode 4 terminée, le premier commutateur S1 est ouvert,
3ème étape : la décharge de la capacité Cx de l'électrode 4 dans la capacité de référence Cs peut commencer. Pour cela, le premier commutateur S1 reste ouvert et le deuxième commutateur S2 est fermé,
4ème étape : une fois la décharge de la capacité Cx de l'électrode 4 dans la capacité de référence Cs réalisée, le deuxième commutateur S2 est ouvert. Le troisième et le quatrième commutateur S3 et S4 sont ouverts durant cette phase d'acquisition. Par conséquent, la capacité de mesure CM n'est ni chargée, ni déchargée durant cette phase d'acquisition.
Ce cycle de charges et de décharges est répété un nombre de fois x prédéterminé et fixe.
Durant la phase de mesure, la charge de la capacité de mesure CM est transférée dans la capacité de référence Cs jusqu'à ce que la tension VS aux bornes de cette capacité atteigne un seuil VTH.
• 1 ère étape : la première étape consiste en la charge de la capacité de mesure CM. Pour cela le troisième commutateur S3 est fermé et le quatrième commutateur S4 est ouvert,
• 2ème étape : une fois la charge de la capacité de mesure CM terminée, le troisième commutateur S3 est ouvert,
• 3ème étape : la décharge de la capacité de mesure CM dans la capacité de référence Cs peut commencer. Pour cela, le troisième commutateur S3 reste ouvert et le quatrième commutateur S4 est fermé,
• 4ème étape : une fois la décharge de la capacité de mesure CM dans la capacité de référence Cs réalisée, le quatrième commutateur S4 est ouvert.
Le premier et le deuxième commutateur S1 et S2 sont ouverts durant cette phase de mesure. Par conséquent la capacité Cx de l'électrode 4 n'est ni chargée, ni déchargée durant cette phase de mesure.
Ce cycle est répété jusqu'à ce que la tension VS aux bornes de la capacité de référence Cs atteigne la tension de seuil VTH- Le nombre de décharges variable (appelé ή) nécessaire à atteindre le seuil représente une image de la capacité Cx. La capacité de référence Cs est ensuite complètement déchargée en fermant le commutateur S en préparation de la prochaine mesure.
Ainsi, selon le document FR 2 938 344 B1 , la variation ACX de la capacité Cx n'est plus dépendante de la capacité Cx de l'électrode 4, mais elle est définie selon l'équation (4) :
Figure imgf000008_0001
C'est-à-dire que la variation ACX de la capacité Cx dépend de la capacité de mesure CM, du nombre de décharges fixe x de l'électrode Cx dans la capacité de mesure Cs et du seuil de détection Th. Et n, le nombre de décharges variable de la capacité de mesure CM vers la capacité de référence Cs est définit par :
Figure imgf000009_0001
La capacité de mesure CM étant fixe, le nombre de décharges fixe x l'est aussi et le seuil de détection Th étant également déterminé et fixe (puisqu'il équivaut à un nombre de décharges n de la capacité de mesure CM dans la capacité de référence Cs correspondant au seuil de détection de la main du conducteur sur la poignée 6 de la portière), on peut donc choisir la variation ACX de la capacité Cx en choisissant en correspondance les valeurs de CM, x, et de Th, indépendamment de la valeur de la capacité Cx. Ainsi la variation ACX de la capacité Cx ne dépend plus de la valeur de cette capacité Cx.
Cependant, un inconvénient majeur de ce dispositif est la présence de capacités résiduelles parasites provenant des commutateurs S3 et S4 utilisés pour charger et décharger la capacité de mesure CM- Ces capacités résiduelles ont pour conséquence de limiter la valeur minimum de la capacité de mesure CM, en dessous de laquelle, la variation ACX de la capacité Cx ne peut plus être améliorée (diminuée). Généralement, un commutateur présente une capacité résiduelle de 5pF. Les deux commutateurs S3 et S4 présentent donc une capacité résiduelle cumulée de 2 x 5 = 10pF. La valeur de la capacité de mesure CM doit être choisie en fonction de cette capacité résiduelle cumulée, et généralement sa valeur est choisie pour être égale à cette capacité résiduelle, soit de l'ordre de 10pF. La variation ACx de la capacité Cx (la plus petite valeur de la variation ACX mesurable) atteint donc un minimum lorsque la capacité de mesure CM = 10pF et elle ne peut plus être optimisée avec le dispositif d'art antérieur décrit dans le document FR 2 938 344 B1. Dans un exemple d'utilisation, si Th = 5, si x = 170 et si CM = 10 pF (valeur minimum due aux capacités résiduelles des deux commutateurs S3 et S4), alors la variation ACx de la capacité Cx est égale à 0.3 pF. Or, si l'on pouvait baisser la valeur de la capacité de mesure CM, la variation ACX de la capacité CX serait améliorée (diminuée) proportionnellement mais cela n'est pas possible puisque le circuit présente déjà une capacité résiduelle de 10 pF.
L'invention propose un dispositif de mesure d'une variation ACX d'une capacité Cx permettant de pallier cet inconvénient. Plus précisément, l'invention propose un dispositif dans lequel, la variation ACX de la capacité Cx est améliorée par rapport à celle obtenue dans l'art antérieur.
Pour cela, l'invention propose un dispositif de mesure d'une variation ACX d'une capacité, comprenant :
• une tension d'alimentation,
· des moyens pour charger la capacité à partir de la tension d'alimentation, • des moyens pour décharger la capacité dans une capacité de référence Cs en un nombre de décharges fixe x,
• des moyens pour mesurer une tension Vs aux bornes de la capacité de référence Cs,
· des moyens pour détecter un seuil de tension VTH aux bornes de la capacité de référence Cs,
l'invention résidant dans le fait que le dispositif comprend en outre :
• des moyens pour charger en courant la capacité de référence Cs à partir de la tension d'alimentation VCc pendant une durée t, après que la capacité Cx ait été chargée et déchargée en un nombre de décharges fixe x dans la capacité de référence Cs,
• des moyens Rc pour calibrer le courant, chargeant la capacité de référence Cs,
• des moyens pour :
o mesurer la durée t avec une résolution temporelle Δί, et o calculer la variation de cette durée t par rapport à une durée précédemment mesurée, cette variation étant représentative de la variation ACX de la capacité Cx.
Selon l'invention, un seuil de détection Th prédéterminé d'un nombre d'intervalles de la résolution temporelle pendant la durée t est défini, correspondant à la variation ACX de la capacité.
Avantageusement, le nombre de décharges fixe x de la capacité vers la capacité de référence Cs est défini par :
Figure imgf000010_0001
La durée t est définie par la durée nécessaire pour que la tension Vs aux bornes de la capacité de référence Cs soit égale au seuil de tension VTH et est égale à :
Figure imgf000010_0002
La mesure de la variation de capacité ACX est indépendante de la capacité Cx équivaut à :
Figure imgf000010_0003
Dans un mode de réalisation préférentiel, la capacité de référence Cs présente une capacité supérieure à celle de la capacité.
L'invention concerne également tout capteur capacitif pour détecter la présence d'un utilisateur d'un équipement, mettant en uvre un dispositif de mesure d'une variation de la capacité selon l'une quelconque les caractéristiques ci-dessus, tel que la capacité dont la variation de capacité ACX est mesurée comprend une électrode de détection disposée au sein du dit équipement, la capacité étant mesurée entre ladite électrode de détection et un environnement proche de la dite électrode de détection.
Judicieusement, l'équipement dans lequel l'électrode de détection est disposée est une poignée de portière d'un véhicule.
L'invention s'applique à tout véhicule automobile comprenant un capteur capacitif tel que décrit précédemment ainsi que le procédé de mesure d'une variation ACX de la capacité Cx associé.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen des dessins annexés dans lesquels :
• la figure 1 représente une vue schématique d'une poignée de portière d'un véhicule intégrant un capteur capacitif à transfert de charge, décrite précédemment,
• la figure 2 représente une vue schématique d'un capteur capacitif à transfert de charge selon l'art antérieur, décrite précédemment,
• la figure 3 représente une vue schématique d'un capteur capacitif à transfert de charge selon l'art antérieur, décrit dans FR 2 938 344 B1 ,
• la figure 4 représente une vue schématique d'un capteur capacitif à transfert de charge, selon l'invention.
L'invention propose le dispositif de mesure d'une variation ACX de la capacité Cx tel qu'illustré à la figure 4 et qui comprend, en outre une résistance de charge Rc, placée entre la tension d'alimentation VCc et la capacité de mesure Cs.
Le transfert de charge selon l'invention se décompose en deux phases : l'acquisition et la mesure.
La phase acquisition est identique à celle de l'art antérieur. Durant cette phase d'acquisition, la capacité Cx de l'électrode 4 se charge et se décharge dans la capacité de référence Cs en un nombre de décharges fixe x, comme décrit précédemment.
Lors de la phase de mesure, selon l'invention, un courant de charge lc traversant la résistance de charge Rc charge la capacité de référence Cs jusqu'à ce que la tension Vs aux bornes de cette dernière atteigne la valeur seuil VTH
La seule étape de cette phase de mesure consiste en la charge de la capacité de référence Cs par le courant de charge lc traversant la résistance de charge Rc. Pour cela, le troisième commutateur S3 est fermé.
Le premier et le deuxième commutateurs S1 et S2 sont ouverts durant cette phase de mesure. Par conséquent la capacité Cx de l'électrode 4 n'est ni chargée, ni déchargée durant cette phase de mesure. La charge continue jusqu'à ce que la tension Vs aux bornes de la capacité de référence Cs atteigne la tension de seuil VTH. La durée / de charge nécessaire à atteindre le seuil VTH représente une image de la capacité Cx. On mesure donc la durée / entre la fermeture du troisième commutateur S3 et la détection (c'est-à-dire l'instant correspondant à VS = VTH)- Le courant de charge lc chargeant la capacité de référence Cs est constant et calibré par le passage à travers la résistance de charge Rc. En changeant la valeur de la résistance de charge Rc, l'intensité du courant de charge lc change aussi ainsi que la durée / de charge dans la capacité de référence Cs.
La capacité de référence Cs est ensuite complètement déchargée en fermant le commutateur S en préparation de la prochaine mesure.
Selon l'invention, les équations régissant le fonctionnement du capteur capacitif 3 à faible consommation sont les suivantes :
• lors de la phase acquisition, l'évolution de la tension Vs aux bornes de la capacité de référence Cs est donnée par l'équation (1),
· lors de la phase de mesure, on définit la durée t de charge nécessaire pour que Vs = VTH :
Figure imgf000012_0001
Ce qui équivaut à
Figure imgf000012_0002
Puis à
Figure imgf000012_0003
Et enfin
Figure imgf000012_0004
La durée t est mesurée avec une base de temps
Figure imgf000012_0008
qui est la précision de mesure temporelle d'une horloge du circuit imprimé 5. Cette base de temps
Figure imgf000012_0009
(ou résolution temporelle) est donc fixée par l'horloge du circuit imprimé 5. On nomme y le nombre d'intervalle de précision Δί compris dans la durée / soit et on obtient :
Figure imgf000012_0007
Figure imgf000012_0005
Ce qui équivaut à :
Figure imgf000012_0006
Puis,
Figure imgf000013_0001
isolant y, on obtient
Figure imgf000013_0002
Puis,
Figure imgf000013_0003
Le développement limité de car la valeur de la capacité de
Figure imgf000013_0004
référence Cs est largement supérieure à la valeur de la capacité Cx de l'électrode 4. On obtient alors :
Figure imgf000013_0005
Puis,
Figure imgf000013_0006
On définit Th comme la variation de y entraînant une détection, dont Th équivaut à :
Figure imgf000013_0007
Soit encore :
Figure imgf000013_0008
Et finalement :
Figure imgf000013_0009
Ainsi, selon l'équation (7) de l'invention, la variation de la capacité Cx, est
Figure imgf000013_0010
déterminée par :
• le nombre de décharges fixe x du cycle d'acquisition,
• la valeur de la résistance de charge Rc, et
• la base de temps
Figure imgf000013_0012
(résolution temporelle de l'horloge circuit imprimé 5). On peut ainsi augmenter la valeur de la résistance de charge Rc afin d'améliorer la variation de la capacité Cx, c'est-à-dire afin d'améliorer la sensibilité du
Figure imgf000013_0011
capteur capacitif 3. On peut aussi, par l'intermédiaire d'un logiciel, réduire la résolution temporelle Δί de l'horloge du circuit imprimé 5 afin d'améliorer la variation ACX de la capacité Cx.
L'avantage de l'invention est donc une réduction du temps de détection (et donc une réduction de la consommation du capteur capacitif 3) par rapport à l'art antérieur et/ou une augmentation de la précision de détection due à la réduction de la variation ACX de la capacité Cx de l'électrode 4 qui est mesurable par le capteur capacitif 3.
Un exemple de gain de temps et de précision est illustré ci-dessous. Soit un capteur capacitif 3 avec les caractéristiques suivantes :
• Cx = 35 pF,
• Th = 5,
• VTH = 1 , 1V,
• VCC = 3,3V,
· Cs = 20 nF,
• x = 170.
Selon la solution de l'art antérieur, c'est-à-dire selon l'invention décrite dans FR 2 938 344 B1 , en utilisant une capacité de mesure CM, de valeur minimum, soit C = 10 pF (capacité résiduelle), alors selon l'équation (5), le nombre n de transferts de charge jusqu'à ce que Vs = VTH, équivaut à n = 215.
Et le nombre de cycle total N = (n+x) pour réaliser le transfert de charge équivaut à 385. Avec une horloge ayant une résolution de Δί = 2ps, un transfert de charge dure 12 ps. La durée des 385 transferts de charge, c'est-à-dire la durée de détection est donc de 4,6 ms (385 x 0,12). Et selon l'équation (4), la variation ACX de la capacité Cx équivaut à ACX = 0,3 pF.
Selon l'invention de la présente demande, en fixant la résistance de charge Rc = 200 kQ et une résolution de l'horloge du circuit imprimé 5 identique à celle de l'exemple précédent (At = 2 ps), alors :
• Vs(x) selon l'équation (1 ) vaut Vs(170) = 0,849 V,
· selon l'équation (6), la durée t équivaut à t = 430 ps, soit 0,43 ms,
• la durée des x = 170 transferts de charge de la capacité CX dans la capacité de référence Cs est égale à 2,04 ms (170 x 0,12),
• la durée totale de détection équivaut donc à 2,47 ms (2,04 + 0,43) soit une durée de détection 1 ,84 fois plus courte que celle de l'art antérieur (4,6 ms). Le dispositif de transfert de charge selon l'invention permet de réduire de façon importante le temps de mesure t et par conséquent la consommation du capteur capacitif s.
Dans un autre exemple, en augmentant la valeur de la résistance de charge Rc à Rc = 800 kQ pour diminuer la valeur de la variation ACX de la capacité Cx, alors :
• selon l'équation (6), la durée variable t = 1 ,723 ms, et
• la durée totale de détection est égale à 3,76 ms (1 ,723 + 2,04), soit une durée 0,82 fois plus courte que celle de l'art antérieur (4,6 ms), et variation ACX de la capacité Cx, selon l'équation (7) équivaut à ACX = 0,073 pF, soit une variation ACX divisée par quatre par rapport à celle de l'art antérieur.
L'invention permet, donc une détection d'approche de la main de l'utilisateur par le capteur capacitif plus rapide et/ou beaucoup plus précise que la solution de l'art antérieur décrite dans le document FR 2 938 344 B1.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits. En particulier, l'invention s'applique à tout dispositif de mesure d'une variation d'une capacité et n'est pas limitée à la détection de l'approche d'une main d'un utilisateur sur une poignée de portière d'un véhicule.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de mesure d'une variation (ACX) d'une capacité (Cx), comprenant :
• une tension d'alimentation (VCc),
• des moyens pour charger la capacité (Cx) à partir de la tension d'alimentation (Vcc),
· des moyens pour décharger la capacité (Cx) dans une capacité de référence (Cs) en un nombre de décharges fixe (x),
• des moyens pour mesurer une tension (Vs) aux bornes de la capacité de référence (Cs),
• des moyens pour détecter un seuil de tension (VTH) aux bornes de la capacité de référence (Cs),
caractérisé en ce que le dit dispositif comprend en outre :
• des moyens pour charger en courant (lc) la capacité de référence (Cs) à partir de la tension d'alimentation (VCc) pendant une durée (t), après que la capacité (Cx) ait été chargée et déchargée en un nombre de décharges fixe (x) dans la capacité de référence (Cs),
• une résistance de charge (Rc) pour calibrer le courant (lc), chargeant la capacité de référence (Cs)
• des moyens pour :
o mesurer la durée (t) avec une résolution temporelle (At), et o calculer la variation de cette durée ( ) par rapport à une durée précédemment mesurée, cette variation étant représentative de la variation (ACX) de la capacité (Cx).
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'un seuil de détection (Th) prédéterminé d'un nombre (y) d'intervalles de la résolution temporelle (At) pendant la durée (t) est défini, correspondant à la variation (ACx) de la capacité (Cx).
3. Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le nombre de décharges fixe (x) de la capacité (Cx) vers la capacité de référence (Cs) est défini par :
Figure imgf000016_0001
Avec :
Th : le seuil de détection
Δί : la résolution temporelle
ACX : la variation de la capacité (Cx)
Rc : la résistance de charge
4. Dispositif selon l'une, quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la durée (t) est définie par la durée nécessaire pour que la tension (Vs) aux bornes de la capacité de référence (Cs) soit égale au seuil de tension (VTH) et est égale à :
Figure imgf000017_0001
Avec :
Cs : la capacité de référence
Vcc : la tension d'alimentation
VTH : le seuil de tension
Vs : la tension aux bornes de la capacité de référence (Cs)
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la mesure de la variation de capacité (ACX) est indépendante de la capacité (Cx) et équivaut à :
Figure imgf000017_0002
avec x le nombre de décharges fixes de la capacité (Cx) dans la capacité de référence (Cs).
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la capacité de référence (Cs) présente une capacité supérieure à celle de la capacité (Cx).
7. Capteur capacitif pour détecter la présence d'un utilisateur d'un équipement, mettant en œuvre un dispositif de mesure d'une variation de la capacité (Cx) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la capacité (Cx) dont la variation de capacité (ACX) est mesurée comprend une électrode (4) de détection disposée au sein du dit équipement, la capacité (CX) étant mesurée entre ladite électrode (4) de détection et un environnement proche (M) de la dite électrode (4) de détection .
8. Capteur capacitif, selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'équipement dans lequel l'électrode (4) de détection est disposée est une poignée (6) de portière d'un véhicule.
9. Véhicule automobile comprenant un capteur capacitif (3) selon la revendication 8.
10. Procédé de mesure d'une variation (ACX) de la capacité (Cx), utilisant un dispositif de mesure selon les revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit procédé comprend les étapes de : • charge en courant (lc), ledit courant (lc) étant constant et calibré par le passage à travers une résistance de charge (Rc), de la capacité de référence (Cs) à partir de la tension d'alimentation (VCc) pendant une durée (/), après que la capacité (Cx) ait été chargée et déchargée en un nombre de décharges fixe (x) dans la capacité de référence (Cs),
• mesure de la durée (t) avec une résolution temporelle (M),
• calcul de la variation de cette durée ( ) par rapport à une durée précédemment mesurée, cette variation étant représentative de la variation (ACX) de la capacité (Cx).
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