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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Hörvorrichtung mit einem Schaltregler
einschließlich
einer Induktivität
und einer Sendeeinrichtung einschließlich einer Antenne zum drahtlosen,
elektromagnetischen Senden von Daten. Unter dem Begriff „Hörvorrichtung" wird hier jedes
am oder im Ohr tragbare Gerät
zur Schallausgabe, insbesondere ein Hörgerät, ein Headset, Kopfhörer und
dergleichen verstanden.
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Hörgeräte sind
tragbare Hörvorrichtungen, die
zur Versorgung von Schwerhörenden
dienen. Um den zahlreichen individuellen Bedürfnissen entgegenzukommen,
werden unterschiedliche Bauformen von Hörgeräten wie Hinter-dem-Ohr-Hörgeräte (HdO),
Hörgerät mit externem
Hörer (RIC:
receiver in the canal) und In-dem-Ohr-Hörgeräte (Ida), z. B. auch Concha-Hörgeräte oder
Kanal-Hörgeräte (ITE, CIC),
bereitgestellt. Die beispielhaft aufgeführten Hörgeräte werden am Außenohr oder
im Gehörgang getragen.
Darüber
hinaus stehen auf dem Markt aber auch Knochenleitungshörhilfen,
implantierbare oder vibrotaktile Hörhilfen zur Verfügung. Dabei
erfolgt die Stimulation des geschädigten Gehörs entweder mechanisch oder
elektrisch.
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Hörgeräte besitzen
prinzipiell als wesentliche Komponenten einen Eingangswandler, einen Verstärker und
einen Ausgangswandler. Der Eingangswandler ist in der Regel ein
Schallempfänger, z.
B. ein Mikrofon, und/oder ein elektromagnetischer Empfänger, z.
B. eine Induktionsspule. Der Ausgangswandler ist meist als elektroakustischer
Wandler, z. B. Miniaturlautsprecher, oder als elektromechanischer
Wandler, z. B. Knochenleitungshörer,
realisiert. Der Verstärker
ist üblicherweise
in eine Signalverarbeitungseinheit integriert. Dieser prinzipielle Aufbau
ist in 1 am Beispiel eines Hinter-dem-Ohr-Hörgeräts dargestellt. In ein Hörgerätegehäuse 1 zum
Tragen hinter dem Ohr sind ein oder mehrere Mikrofone 2 zur Aufnahme
des Schalls aus der Umgebung eingebaut. Eine Signalverarbeitungseinheit 3,
die ebenfalls in das Hörgerätegehäuse 1 integriert
ist, verarbeitet die Mikrofonsignale und verstärkt sie. Das Ausgangssignal
der Signalverarbeitungseinheit 3 wird an einen Lautsprecher
bzw. Hörer 4 übertragen,
der ein akustisches Signal ausgibt. Der Schall wird gegebenenfalls über einen
Schallschlauch, der mit einer Otoplastik im Gehörgang fixiert ist, zum Trommelfell
des Geräteträgers übertragen.
Die Stromversorgung des Hörgeräts und insbesondere
die der Signalverarbeitungseinheit 3 erfolgt durch eine
ebenfalls ins Hörgerätegehäuse 1 integrierte
Batterie 5.
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Sobald
in einem Hörgerät eine auf
Lithium basierende Technologie als Energiespender verwendet werden
soll, muss die im Vergleich beispielsweise zu Alkali-Mangan-Batterien
oder Zink-Luft-Batterien höhere
Zellenspannung reduziert werden, wenn die für 1,5 Volt-Zellen konzipierte
Technologie weiterverwendet werden soll. Diese in der Regel derzeit
verwendete Technologie ist aus Energiespargründen auf Spannungen unter 1,5
Volt ausgelegt. Lithium-Batterien liefern jedoch 3,0 Volt und Lithium-Akkus
sogar nominal 3,6 Volt bis maximal 4,2 Volt.
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Eine
effiziente Methode, die Zellenspannung auf die gewünschte Betriebsspannung
herabzusetzen, ohne dabei größere Mengen
an Energie zu verlieren, besteht in dem Einsatz eines Schaltreglers. Moderne
Hörsysteme
sind außerdem
vielfach mit Funksystemen ausgestattet, um Daten drahtlos zu übertragen.
Eine Kombination dieser beiden Technologien führt nun zu dem Problem, dass
elektromagnetische Verluste des Schaltreglers zu Störungen des
Funksystems führen.
Insbesondere kommt es zu Störungen
im Bereich der Grundfrequenz und allen Vielfachen des Signals des
Schaltreglers.
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Bislang
wurden für
Hörvorrichtungen
kaum Lithium-Energiespender
eingesetzt. Daher trat die Problematik der Störungen eines Funksystems durch Schaltregler
bei Hörvorrichtungen
praktisch nicht auf. Aufgrund von Forderungen nach Akkus werden
aber zukünftig
immer mehr Lithium-Systeme eingesetzt werden.
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Generell
besteht bei Hörvorrichtungen
und insbesondere bei Hörgeräten der
Wunsch nach Reduzierung der Baugröße. Hierzu kontraproduktiv
ist das Bestreben, möglichst
viele Funktionen in einer Hörvorrichtung
bereitzustellen bzw. Energiespender einsetzen zu wollen, die eine
erhöhte
Energieabgabe ermöglicht.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Baugröße einer
Hörvorrichtung, die
eine Sendeeinrichtung und eine Energieversorgung mit Spannungsregelung
aufweist, zu reduzieren.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst durch
eine Hörvorrichtung
mit einer Sendeeinrichtung einschließlich einer Antenne zum drahtlosen, elektromagnetischen
Senden von Daten, und einem Schaltregler einschließlich einer
Induktivität,
der für die
Energieversorgung der Hörvorrichtung
und der Sendeeinrichtung dient, wobei die Induktivität des Schaltreglers
mit der Antenne der Sendeeinrichtung identisch ist.
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In
vorteilhafter Weise ist es so möglich,
eine Komponente der Energieversorgung, nämlich die Induktivität des Schaltreglers,
gleichzeitig für
die Datenübertragung
einer Sendeeinrichtung zu benutzen. Somit lässt sich mindestens ein Bauelement
einsparen und folglich der Bauraum der Hörvorrichtung verkleinern.
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Gemäß einem
speziellen Ausführungsbeispiel
kann die Induktivität
einen teilweise offenen Ringkern aufweisen. Dadurch, dass der Ringkern nicht
vollkommen geschlossen ist, wird der magnetische Fluss nicht komplett
im Ringkern geführt
und kann für
elektromagnetische Datenübertragung
eingesetzt werden.
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Eine
alternative Ausführungsform
besteht darin, dass die Induktivität einen im Querschnitt 8-förmigen,
an einer oder zwei Seiten offenen Kern besitzt. Auch hier dient
die eine oder die mehreren Öffnungen
dazu, dass gezielt elektromagnetische Abstrahlungen erfolgen, um
eine Datenübertragung
zu realisieren.
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Damit
sich die Sendeeinrichtung und der Schaltregler, die eine Induktivität gemeinsam
nutzen, nicht gegenseitig stören,
ist es günstig,
wenn die Grundfrequenz und die Grundphase des Signals des Schaltreglers
beim Regeln im Wesentlichen unverändert sind, während sie
oder eine davon in dem Signal der Sendeeinrichtung zur Datenübertragung
verändert
wird/werden. Damit beeinflussen sich die Energieübertragung und die Datenübertragung
kaum gegenseitig.
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Vorzugsweise
wird in dem Schaltregler zur Energieübertragung Pulsweitenmodulation,
Pulsdichtemodulation oder Amplitudenmodulation eingesetzt. Diese
Modulationsarten zeichnen sich dadurch aus, dass sie, wie oben erwähnt, die
Grundfrequenz und die Grundphase des Signals des Schaltreglers kaum
beeinflussen.
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Vorteilhaft
ist auch, die Frequenzmodulation oder Phasenmodulation in der Sendeeinrichtung
zur Datenübertragung
einzusetzen. Mit diesen Modulationsarten lässt sich eine effiziente Datenübertragung realisieren,
wenn bei der Energieübertragung
eine Veränderung
der Grundfrequenz und Grundphase des Signals außen vor bleibt.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass an die Induktivität eine Zusatzinduktivität mit geschlossenem
Kern zuschaltbar angeschlossen ist. In der Zusatzinduktivität ist somit
der Magnetkreislauf im Kern geschlossen, so dass elektromagnetische
Abstrahlungen soweit wie möglich vermieden
werden. Durch das Zuschalten dieser Zusatzinduktivität kann die
Energieübertragung über den
Schaltregler erhöht
werden, ohne die Sendeleistung zu erhöhen.
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Die
vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in
denen zeigen:
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1 Ein
Prinzipschaltbild des Aufbaus eines Hörgeräts gemäß dem Stand der Technik;
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2 ein
Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Hörgeräts;
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3 eine
Induktivität
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
Induktivität
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
und
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5 eine
Induktivität
gemäß einer
dritten Ausführungsform.
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Die
nachfolgend näher
geschilderten Ausführungsbeispiele
stellen bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dar.
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Entsprechend
dem Beispiel von 2 besitzt die Hörvorrichtung,
hier ein Hörgerät, einen
Eingangswandler, im vorliegenden Fall ein Mikrofon 10. Das
Mikrofonsignal wird einer Signalverarbeitungseinheit 11 zugeführt, welche
wiederum an einen Hörer,
bzw. Lautsprecher 12 ein Ausgangssignal überträgt. Zur
Stromversorgung besitzt die Signalverarbeitungseinrichtung 11 eine
Batterie 13 mit nachgeschaltetem Schaltregler 14.
Der Schaltregler 14 transformiert die von der Batterie 13 gelieferte
Spannung zu der gewünschten
Betriebsspannung. Wird beispielsweise eine Lithium-Batterie mit
3 Volt eingesetzt, wird mit Hilfe des Schaltreglers 14 die
Spannung z. B. unter 1,5 Volt reduziert. Anstelle der Batterie 13 kann
als Energiespender auch ein Akkumulator z. B. ein Lithium-Akku mit
nominal etwa 3,8 Volt eingesetzt werden. Der Spannungsregler 14 regelt
dann die Akku-Spannung von 3,8 Volt auf beispielsweise 1,2 Volt
Betriebsspannung.
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Bei
dem Schaltregler 14 handelt es sich um einen induktiven
Schaltregler, der zur Regelung der Spannung eine Induktivität 15 besitzt.
Die Induktivität dient
zum Glätten
der Ausgangsspannung bei Schaltvorgängen.
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Weiterhin
verfügt
die Hörvorrichtung
von 2 über
einen Sender 16, der die Induktivität 15 als Antenne nutzt.
Die Induktivität 15 ist
damit sowohl Teil des Schaltreglers 14 als auch des Senders 16, was
in 2 durch die gestrichelte Linie angedeutet ist.
Die Induktivität 15 besitzt
somit doppelte Funktionalität.
Der Sender 16 wird wie die Signalverarbeitungseinheit 11 über den
Schaltregler 14 mit Energie versorgt. Die zu sendenden
Daten erhält
der Sender 16 von der Signalverarbeitungseinheit 11.
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Erfindungsgemäß wird also
eine einzige Induktivität 15 gleichzeitig
für den
Schaltregler 14 und den Sender 16 eingesetzt,
wodurch insgesamt eine Induktivität, die bekanntlich sehr viel
Bauraum benötigt,
eingespart werden kann. Damit die Induktivität auch als Sender bzw. Sendeantenne
verwendet werden kann, muss sie zumindest einen Teil der magnetischen
Energie abstrahlen können.
Dies kann beispielsweise durch eine Induktivität erreicht werden, die z. B.
nicht einen geschlossenen Ringkern besitzt, sondern einen mehr oder
weniger großen
Luftspalt im Ring aufweist.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer derartigen erfindungsgemäß eingesetzten
Induktivität
ist in 3 in der Draufsicht wiedergegeben. Die Induktivität 15 besitzt
hier einen Ringkern 17 mit einem kleinen Spalt 18.
Die Stirnflächen 19, 20 des
Spalts 18 sind einander zugewandt, so dass die Magnetfeldlinien
nur wenig aus dem Spalt heraustreten. Folglich ist mit dieser Ringkerngeometrie
nur eine schwach strahlende Antenne realisierbar.
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Ist
hingegen eine hohe Sendeleistung des in der Hörvorrichtung verbauten Senders
erwünscht,
so muss eine stärker
strah lende Antenne eingesetzt werden. Ein Beispiel hierfür ist in 4 dargestellt. Es
handelt sich wiederum um eine Induktivität 15 mit einem Ringkern 17.
Der Ringkern 17 besitzt hier einen großen Spalt 21, wobei
die Stirnseiten 22, 23 des offenen Ringkerns 17 nicht
aufeinander gerichtet sind. Durch diese Geometrie ergibt sich eine
vollkommen andere Abstrahlcharakteristik als in dem Beispiel von 3.
Insbesondere reichen die Magnetfeldlinien weit aus dem Spalt 21 heraus,
wodurch sich eine stärkere
Abstrahlung ergibt.
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Grundsätzlich kann
als Antenne jede Induktivität
verwendet werden, deren Kern keinen geschlossenen magnetischen Kreislauf
bildet. Ist der Kern nämlich
geschlossen, wird – wie
erwähnt – nur ein verschwindend
geringer Anteil des magnetischen Flusses außerhalb des Kerns geführt, was
für einen elektromagnetischen
Sender ungeeignet ist. Die Geometrie des Kerns der Induktivität 15 ist
also hinsichtlich der Abstrahlcharakteristik zu optimieren, wobei ein
Kompromiss zu finden ist in Bezug auf möglichst wenig Energieverlust
für die
Funktion des Schaltreglers. So wäre
beispielsweise ein linearer Dipol zwar für den Sender optimal, aber
für den
Schaltregler ungeeignet, denn er strahlt nahezu die gesamte Energie
ab.
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Ein
drittes Ausführungsbeispiel
einer Induktivität
zum gemeinsamen Einsatz für
einen Schaltregler 14 und einen Sender 16 ist
in 5 dargestellt. Der Kern 24 besitzt hier
im Querschnitt im Wesentlichen die Form einer „8". Um den Mittelsteg 25 ist
eine Wicklung 26 gewickelt. Der Mittelsteg 25 ist
geschlossen, während
die beiden äußeren Stege 27 und 28 jeweils
einen Spalt 29 bzw. 30 aufweisen. Diese beiden
Spalte 29, 30 sorgen wieder für die gewünschte elektromagnetische Abstrahlung.
Die Bauform der Induktivität 15 eignet
sich insbesondere für SMD-Bauteile,
da diese so sehr flach realisiert werden können.
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Damit
sich der Schaltregler 14 und der Sender 16, die
die gemeinsame Induktivität 15 nutzen, nicht
gegenseitig stören,
regelt der Schaltregler die Ausgangsspannung beispielsweise mittels
Pulsweitenmodulation, ohne dabei die Grundfrequenz oder die Grundphase
des Signals zu verändern.
Daher kann zur Datenübertragung
mit Hilfe des Senders 16 die Grundfrequenz verändert und/oder
die Grundphase verschoben werden. Dies kann mit Hilfe üblicher
Modulatoren (z. B. HM-Modulator oder PM-Modulator) realisiert werden.
Auch die Pulsweitenmodulation des Schaltreglers kann unabhängig von
den Modulationen der Datenübertragung
mittels üblicher Schaltungen
realisiert werden.
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Eine
sich ändernde
Last des Schaltreglers 14 würde aufgrund der gemeinsamen
Nutzung der Induktivität 15 natürlich die
Sendeenergie entsprechend mit verändern. Allerdings kann die
Sendeenergie auf ein System und seine erwartende Last abgestimmt
werden, indem die abgestrahlte Leistung und die kurzgeschlossene
Leistung durch die Geometrie der Antenne bzw. Induktivität aufeinander
abgestimmt werden.
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Wenn
die minimale und maximale Leistungsaufnahme des Systems in einem
Bereich liegen, in dem die daraus resultierende minimale Sendeleistung
noch für
die Funkübertragung
ausreicht und die maximale Leistung noch im zulässigen Rahmen liegt, dann sind
weitere Maßnahmen
zur Sendeleistungsanpassung unnötig.
Andernfalls wäre
z. B. eine zuschaltbare weitere Induktivität einzusetzen, die die Wandlerleistung
weiter erhöhen
würde,
ohne die Sendeleistung entsprechend weiter zu erhöhen. Die zuschaltbare
weitere Induktivität
hätte dann
die einzige Funktion der Energieübertragung,
aber nicht die Funktion der Datenübertragung. Es kann so also
die Energieübertragung
erhöht
werden, ohne die Abstrahlung zu steigern.
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Die
erfindungsgemäße Mehrfachnutzung
einer Induktivität
für Schaltregler
und Sender bringt zahlreiche Vorteile. Wenn bei konventioneller
Bauweise eines Hörgeräts außerhalb
des Verstärkerchips
zwei externe Induktivitäten
notwendig sind, ist bei der hier vorgestellten Lösung nur ein aktives externes
Bauteil, nämlich
nur die eine Induktivität
außerhalb
des Chips notwendig. Dies bringt deutliche Bauraumvorteile.
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Durch
Ausnutzung der Erfindung können Batterien
oder Akkus mit höherer
Spannung an heute üblichen
Schaltkreisen für
Hörgeräte betrieben
werden und es würde
die Leistungsdichte dieser Energiequellen zur Verfügung stehen
und nicht nur deren Stromdichte. Durch die voneinander unabhängige Modulation
von Schaltregler und Sender ergibt sich der weitere Vorteil der
nahezu störungsfreien
Funkübertragung,
wobei zumindest zum Teil Verluste des Schaltreglers nutzbringend
als Sendeenergie verwendet werden. Für bidirektionale Verbindungen könnten beispielsweise
zwei unterschiedliche Frequenzen verwendet werden, da der Sender
bei dieser Realisierung immer arbeiten würde und daher auf der gleichen
Frequenz kein Empfang möglich
wäre.
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Da
für eine
effiziente Spannungsregelung und für kleine Bauteile relativ hohe
Frequenzen nötig sind,
können
damit auch Übertragungen
vergleichsweise hoher Datenrate erfolgen. Damit wären beispielsweise
auch Audiodatenverbindungen zwischen den Hörgeräten mit vertretbarem Energieverbrauch möglich (Cross-Geräte und Ähnliche).