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Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Anbringung an einem Kopf eines Nutzers, eine Brille mit der Sensoranordnung und ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung zur Anbringung an einem Kopf eines Nutzers.
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Stand der Technik
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Aus dem Dokument
DE 10 2015 205 921 A1 ist bereits eine Datenbrille bekannt, an deren Brillenbügel kapazitive Sensoren derart im Ohrbereich angeordnet sind, dass Hautkontakt hergestellt wird.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine bei Kopfbewegungen des Nutzers optimierte Sensoranordnung zu entwickeln.
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Offenbarung der Erfindung
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Sensoranordnung zur Anbringung an einem Kopf eines Nutzers gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Die Sensoranordnung zur Anbringung an einem Kopf eines Nutzers umfasst hierbei wenigstens einen ersten elektrischen Sensor und/oder wenigstens einen zweiten optischen Sensor. Außerdem umfasst die Sensoranordnung eine Trägerstruktur, welche dazu ausgebildet ist, den ersten und/oder zweiten Sensor an dem Kopf des Nutzers derart zu tragen bzw. anzubringen, dass der erste und/oder zweite Sensor in einem Ohrbereich, insbesondere in einem Bereich zwischen einem Ohr und dem Kopf angeordnet ist. Bei der Trägerstruktur handelt es sich bevorzugt um wenigstens einen Kopfhörer oder einen Brillenbügel einer Brille. Die Sensoranordnung weist zur zumindest mittelbaren Verbindung, insbesondere Kontaktierung, von dem ersten und/oder zweiten Sensor zur Kopfhaut des Nutzers wenigstens ein Verbindungselement aus einem elastischen Material auf. Durch die Verwendung des Verbindungselements aus dem elastischen Material wird die Trägerstruktur und somit auch der erste und/oder zweite Sensor stärker am Kopf des Nutzers fixiert. Das Risiko eines Verrutschens der Sensoranordnung und somit fehlerhafter Sensordaten bei einer Bewegung des Nutzers wird hiermit verringert.
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Vorzugsweise ist die Trägerstruktur als ein erster Brillenbügel einer Brille, insbesondere Datenbrille, des Nutzers ausgebildet. Der erste und/oder zweite Sensor ist hierbei in dem ersten Brillenbügel integriert und/oder an einer Außenfläche des ersten Brillenbügels angeordnet. Der erste Brillenbügel weist üblicherweise einen stabilen Sitz auf dem Kopf des Nutzers auf und verläuft in dem Bereich hinter dem Ohr. Dort weist der Brillenbügel üblicherweise auch Hautkontakt auf. Somit erfüllt der Brillenbügel alle Kriterien für eine Trägereinheit der Sensoranordnung.
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Bevorzugt ist der erste Sensor als Beschleunigungssensor und/oder Drehratensensor ausgebildet. Der erste Sensor profitiert von einer besonders festen Kopplung mit dem Kopf mittels des Verbindungselements, sodass Signale durch Bewegungen des Brillengestells minimiert werden. Der Beschleunigungssensor und/oder Drehratensensor dient vorzugsweise zur Erfassung der Kopf- und Körperbewegungen, insbesondere Gesten wie Nicken und/oder Kopfschütteln. Weiterhin können diese Arten von Sensoren als Schrittzähler dienen. Durch die Anordnung des ersten Sensors in dem Bereich zwischen dem Ohr und dem Kopf sind die Kiefermuskelbewegungen des Nutzers gut erfassbar. In diesem Zusammenhang kann der erste Sensor zur Aktivitätsklassifikation des Nutzers beispielsweise zwischen „Essen“ und „Sprechen“ dienen. Alternativ oder zusätzlich ist der erste Sensor als EMG-Sensor ausgebildet. Weiterhin alternativ oder zusätzlich ist der erste Sensor als EKG-Sensor ausgebildet. Da die Feuchtigkeit im Bereich des Verbindungselements nicht abgeführt wird, profitiert die elektrische Ankopplung von einem leichten Feuchtigkeitsstau in der Haut, sodass sich die Hautimpedanz reduziert und die elektrische Ankopplung weiter verbessert wird. Weiterhin alternativ oder zusätzlich ist der erste Sensor als Mikrofon ausgebildet. Durch die Ankopplung des ersten Sensors an den Körperschall des Kieferknochens kann der Sensor hierbei zur Sprachsteuerung einer Datenbrille dienen.
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Vorzugsweise ist der zweite Sensor als PPG-Sensor (Photoplethysmographie-Sensor) ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist der zweite Sensor als fNIR-Sensor (Functional near-infrared-Sensor) ausgebildet.
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Bevorzugt weist die Sensoranordnung wenigstens einen dritten elektrischen Sensor auf. Die Trägerstruktur ist in diesem Zusammenhang dazu ausgebildet, den dritten Sensor derart an dem Kopf des Nutzers zu tragen, insbesondere anzubringen, dass der dritte Sensor beabstandet zum Kopf, insbesondere zur Kopfhaut, des Nutzers angeordnet ist. Der dritte Sensor ist hierbei als Mikrofon und/oder als Beschleunigungssensor ausgebildet. Bevorzugt ist der dritte Sensor nicht in dem Bereich zwischen Ohr und Kopfhaut angeordnet. Durch den separat und mit Abstand zur Kopfhaut angeordneten elektrischen Sensor ergibt sich die Möglichkeit, diesen zur Aufnahme von Umgebungsgeräuschen oder zur Messung von Umgebungsluftdruckwerten zu verwenden. Diese separat erfassten Sensordaten können separat verarbeitet werden oder mit den Sensordaten des ersten und/oder zweiten Sensors gemeinsam verarbeitet werden. Beispielsweise kann eine Signalfusion bzw. Kanaltrennung erfolgen, sodass Umgebungseinflüsse und Kopfeinflüsse getrennt werden. Hierbei kann beispielsweise eine Hauptachsentransformation der Signale stattfinden. Dies führt zu einer besseren Funktion der nachgelagerten Funktionsblöcke, wie einer Aktivitätsklassifikation oder Spracherkennung.
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Bevorzugt ist das Verbindungselement als Gelkissen ausgebildet. Ein solches Gelkissen weist die notwendige Elastizität auf, welche die Trägerstruktur auf bei Bewegungen des Nutzers in stabiler Position behält. Das Gelkissen ist bevorzugt als separate Komponente gefertigt und mit der Trägerstruktur mittels eines Klebstoffes verbunden. Alternativ ist das Gelkissen vorzugsweise in die Trägerstruktur integriert, was eine besonders gute Ankopplung der Sensoren gewährleistet. Dies kann beispielsweise durch Umspritzen des Brillenbügels als Trägerstruktur und der dort integrierten Sensorik realisiert werden. Alternativ ist das Gelkissen bevorzugt als flüssiggefüllte Membran ausgeführt. Insbesondere ist das Gelkissen in diesem Zusammenhang als silikonölgefüllter Sack mit einer Membran zur Ankopplung an den Kopf ausgebildet. Vorzugsweise ist der erste Sensor auf einer Außenseite der Trägerstruktur angeordnet ist und zumindest teilweise von dem Gelkissen umschlossen. Mit der Außenseite der Trägerstruktur ist hierbei insbesondere die Seite der Trägerstruktur gemeint, welche in Richtung der Kopfhaut des Nutzers angeordnet ist. Bevorzugt ist der zweite Sensor in eine Kavität der Trägerstruktur eingebracht. Das Verbindungselement verschließt hierbei die Kavität nach außen hin. Vorzugsweise ist hierbei ein zusätzlicher Wellenleiter zum Leiten der Lichtwellen zwischen dem Verbindungselement und dem zweiten Sensor vorgesehen. Alternativ ist der zweite Sensor in die Außenseite der Trägerstruktur integriert.
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Vorzugsweise ist das Verbindungselement in die Trägerstruktur, insbesondere in eine Außenseite der Trägerstruktur, integriert. Dies kann beispielsweise durch Umspritzen der Trägerstruktur und der dort integrierten Sensorik realisiert werden.
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Bevorzugt ist das Verbindungselement zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet. Vorzugsweise ist das Verbindungselement in diesem Zusammenhang zumindest teilweise aus Kohlenstoffpulver, - Kohlenstoffnanopartikeln und/oder Metallpartikeln ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist das Verbindungselement zumindest teilweise aus einem kohlenstoffversetzten zweikomponentigen Polysiloxan ausgebildet. Dieses Material wird insbesondere im Spritzguss angegossen und anschließend thermisch vernetzt.
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Vorzugsweise ist das Verbindungselement zumindest teilweise aus einem transparenten, insbesondere lichtdurchlässigen, Material ausgebildet. In diesem Zusammenhang ist das Verbindungselement insbesondere als silikonölgefüllter lichtdurchlässiger Beutel, insbesondere Membran, ausgebildet. Vorzugsweise ist das Verbindungselement zumindest teilweise aus einem Material ausgebildet, welches abhängig von der Wellenlänge des Lichts transparent oder intransparent ist.
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Bevorzugt weist das Verbindungselement einen ersten elektrischen Bereich aus dem elektrisch leitfähigen Material und einen zweiten optischen Bereich aus dem transparenten Material auf. Insbesondere grenzt der zweite Bereich hierbei unmittelbar an den ersten Bereich an. Bevorzugt weist der zweite optische Bereich in einem Querschnitt eine kreisrunde Form in zentraler Lage auf und wird von dem ersten elektrischen Bereich, insbesondere vollständig, umgeben. Die beiden Bereiche sind alternativ in zwei Hälften geteilt. Der erste elektrische Bereich ist vorzugsweise zumindest teilweise aus Kohlenstoff und somit schwarz ausgebildet. Dies kann zur optischen Trennung zwischen einem Sende- und einem Detektionspfad der Regionen hoher optischer Güte genutzt werden, insbesondere zur Trennung von LED und Photodiode bei PPG oder fNIR-Sensoren.
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Bevorzugt weist das Verbindungselement zusätzlich wenigstens ein, in das Verbindungselement integriertes elektrisches Kontaktierungselement auf. Das elektrische Kontaktierungselement ist insbesondere als Draht ausgebildet. Das elektrische Kontaktierungselement ist hierbei dazu ausgebildet, den ersten Sensor mit der Kopfhaut des Nutzers, insbesondere elektrisch, zu verbinden. Somit wird die elektrische Kontaktierung des ersten Sensors mit der Kopfhaut und folgend auch die Signalerfassung verbessert.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Brille, welche die zuvor beschriebene Sensoranordnung aufweist. Insbesondere handelt es sich hierbei um eine Datenbrille. Die mittels der Sensoren der Sensoranordnung erfassen Sensordaten können insbesondere dazu dienen, die Datenbrille zu steuern. Vorzugsweise trägt jeder Brillenbügel der Brille eine wie zuvor beschriebene Sensoranordnung. Die Sensoranordnungen auf jeder Seite der Brille können sich voneinander unterscheiden.
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Vorzugsweise umfasst die Sensoranordnung in diesem Zusammenhang zusätzlich eine Recheneinheit, welche dazu ausgebildet ist, erste Sensordaten des, insbesondere als Beschleunigungssensor und/oder Drucksensor und/oder EMG-Sensor ausgebildeten, ersten Sensors zu empfangen, die empfangenen ersten Sensordaten mit hinterlegten ersten Sensordaten zu vergleichen und in Abhängigkeit des durchgeführten Vergleichs ein Mikrofon der Brille zu aktivieren. Insbesondere ist die Recheneinheit dazu ausgebildet, das Mikrofon zu aktivieren, falls die hinterlegten ersten Sensordaten mit den empfangenen ersten Sensordaten übereinstimmen. Bei den hinterlegten ersten Sensordaten handelt es sich insbesondere um erste Sensordaten, die bei einem von dem Nutzer der Datenbrille ausgesprochenen speziellen Wort oder Satz erzeugt wurden. Der Nutzer entscheidet also entsprechend selbst, welches „Kennwort“ er zum Starten des Mikrofons verwenden möchte. Somit kann verhindert werden, dass das Mikrofon unfreiwillig gestartet wird.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung zur Anbringung an einem Kopf eines Nutzers. Insbesondere handelt es sich hierbei um die zuvor beschriebene Sensoranordnung. Hierbei wird zunächst wenigstens ein erster elektrischer Sensor und/oder ein zweiter optischer Sensor mit einer Trägerstruktur verbunden. Die Trägerstruktur dient hierbei dazu, den ersten und/oder zweiten Sensor an dem Kopf des Nutzers derart zu tragen bzw. anzubringen, dass der erste und/oder zweite Sensor in einem Ohrbereich, insbesondere in einem Bereich zwischen einem Ohr und dem Kopf, angeordnet ist. Weiterhin wird wenigstens ein Verbindungselement aus einem elastischen Material mit der Trägerstruktur zur zumindest mittelbaren Verbindung, insbesondere Kontaktierung, des ersten und/oder zweiten Sensor mit der Kopfhaut des Nutzers verbunden. Vorzugsweise wird das Verbindungselement als Gelkissen separat gefertigt und mittels Klebstoffes an einer Außenseite des Brillenbügels befestigt. Alternativ hierzu wird das Verbindungselement, insbesondere das Gelkissen, in den Brillenbügel integriert. In diesem Zusammenhang wird die Trägerstruktur und die dort angeordnete Sensoranordnung bevorzugt in einem Spritzverfahren umspritzt.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
- 1 zeigt schematisch eine Sensoranordnung, welche an einem Kopf des Nutzers angebracht ist.
- 2 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform einer Sensoranordnung zur Anbringung an einem Kopf eines Nutzers.
- 3 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform einer Sensoranordnung zur Anbringung an einem Kopf eines Nutzers.
- 4 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform einer Sensoranordnung zur Anbringung an einem Kopf eines Nutzers.
- 5 zeigt schematisch eine vierte Ausführungsform einer Sensoranordnung zur Anbringung an einem Kopf eines Nutzers.
- 6 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung zur Anbringung an einem Kopf eines Nutzers.
- 7 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Brille.
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1 zeigt schematisch in einer Seitenansicht eine Sensoranordnung 10a, welche an einem hier nicht dargestellten Kopf eines Nutzers angebracht ist. Die Sensoranordnung 10a umfasst hierbei zwei erste elektrische Sensoren 1 und 2 und einen zweiten optischen Sensor 3. Der erste elektrische Sensor 1 ist hierbei als Beschleunigungssensor und der erste elektrische Sensor 2 als Mikrofon ausgebildet. Außerdem umfasst die Sensoranordnung 10a eine Trägerstruktur 6 in Form eines Brillenbügels einer hier nicht weiter dargestellten Datenbrille. Der Brillenbügel trägt die Sensoren 1, 2 und 3 an dem Kopf des Nutzers und die Sensoren 1, 2 und 3 sind hierbei in einem Bereich zwischen einem Ohr 8 und dem Kopf des Nutzers angeordnet. Dieser hier eigentlich durch das Ohr 8 verdeckte Bereich wird entsprechend gestrichelt auf der 1 dargestellt. Zusätzlich weist die Sensoranordnung 10a hierbei zwei dritte elektrische Sensoren 4 und 5 auf. Der Brillenbügel als Trägerstruktur 6 trägt in diesem Zusammenhang die dritten Sensoren 4 und 5 in einem Bereich der Trägerstruktur, der beabstandet zu der hier nicht dargestellten Kopfhaut des Nutzers angeordnet ist. Der dritte Sensor 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Beschleunigungssensor und der dritte Sensor 5 als Mikrofon ausgebildet. Alle hier dargestellten Sensoren 1, 2, 3, 4 und 5 übermitteln die erfassten Sensordaten an eine hier nicht dargestellte, insbesondere zentrale, Steuereinheit, welche die Sensordaten auswertet. Während die ersten Sensoren 1 und 2, sowie der optische Sensor 3 Daten des Nutzers durch den Hautkontakt erfassen, sind die dritten Sensoren 4 und 5 dazu ausgebildet, Umgebungsdaten (z.B. Umgebungsgeräusche) des Nutzers zu erfassen, welche anschließend beispielsweise aus den Sensordaten der ersten Sensoren 1 und 2, sowie des zweiten Sensors 3 herausgefiltert werden können.
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2 zeigt in einem Querschnitt eine detailliertere Ansicht einer Sensoranordnung 10b zur Anbringung an einem hier nicht dargestellten Kopf eines Nutzers. Die Sensoranordnung 10b weist in diesem Ausführungsbeispiel einen zweiten optischen Sensor 18 in Form eines PPG-Sensors auf. Zusätzlich weist die Sensoranordnung 10b eine Trägerstruktur 17a in Form eines hier nicht weiter dargestellten Brillenbügels auf. Auch hier ist die Sensoranordnung 10b in einem Bereich zwischen einem hier nicht dargestellten Ohr des Nutzers und dem Kopf des Nutzers angeordnet. Die Sensoranordnung 10b weist zur mittelbaren Verbindung, insbesondere Kontaktierung, von dem zweiten Sensor 18 zur Kopfhaut 15 des Nutzers ein Verbindungselement 16a aus einem elastischen Material in Form eines Gelkissens auf. Zusätzlich weist die Sensoranordnung 10b in diesem Ausführungsbeispiel einen Wellenleiter 19 zum Leiten der Lichtwellen zwischen dem Verbindungselement 16a und dem zweiten Sensor 18 auf. Der zweite optische Sensor 18 und der zugehörige Wellenleiter 19 sind hierbei in eine Kavität 20 der Trägerstruktur 17a eingebracht, welche von dem Verbindungselement 16a nach außen hin verschlossen wird. Das Gelkissen als Verbindungselement 16a ist in diesem Ausführungsbeispiel aus einem transparenten, insbesondere lichtdurchlässigen, Material ausgebildet.
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3 zeigt in einem Querschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung 10c zur Anbringung an einem hier nicht dargestellten Kopf eines Nutzers. Im Unterschied zu der Ausführungsform auf 2 ist der zweite optische Sensor 22 hierbei direkt in dem Brillenbügel 17b integriert und weist keinen Wellenleiter auf. Weiterhin weist die Sensoranordnung 10c zwei erste elektrische Sensoren 19a und 19b in Form zweier EKG-Sensoren auf, welche mittels eines hier nicht dargestellten Klebstoffes mit der Außenfläche 21 des Brillenbügels 17b verbunden sind. Zur Ankopplung an die Kopfhaut 15 ist auch hier ein Verbindungselement 16b in Form eines Gelkissens vorhanden, welches die zwei ersten elektrischen Sensoren 19a und 19b auf der Außenfläche 21 umschließt. Zusätzlich verdeckt das Gelkissen den zweiten optischen Sensor 22 gegenüber der äußeren Umgebung. Zur besseren elektrischen Ankopplung der beiden ersten elektrischen Sensoren 19a und 19b an die Kopfhaut 15 ist zusätzlich jeweils ein elektrisches Kontaktierungselement 24a und 24b in Form eines Drahtes 24a in das Verbindungselement 16b integriert.
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4 zeigt in einer Seitenansicht eine weitere Ausführungsform einer Sensoranordnung 10d. Hierbei weist die Sensoranordnung 10d drei erste elektrische Sensoren 33a, 33b und 33c auf. Zusätzlich weist die Sensoranordnung 10d drei zweite optische Sensoren 34a, 34b und 34c auf. Die Sensoren 33a, 33b, 33c, 34a, 34b und 34c werden wiederum von dem Brillenbügel als Trägerstruktur 41 an dem hier nicht dargestellten Kopf des Nutzers getragen. Zusätzlich weist die Sensoranordnung 10d ein Verbindungselement 40a aus einem elastischen Material zur zumindest mittelbaren Verbindung von den ersten 33a, 33b, 33c und zweiten Sensoren 34a, 34b und 34c zur nicht dargestellten Kopfhaut des Nutzers auf. Das Verbindungselement 40a weist hierbei zwei erste elektrische Bereiche 31a und 31b aus einem elektrisch leitfähigen Material und einen zweiten, zwischen den beiden ersten Bereichen 31a und 31b angeordneten, optischen Bereich 32 aus einem transparenten Material auf. Bei dem elektrisch leitfähigen Material handelt es sich in diesem Ausführungsbeispiel um ein kohlenstoffversetztes, zweikomponentiges Polysiloxan und bei dem transparenten Material um einen silikonölgefüllten lichtdurchlässigen Beutel.
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5 zeigt in einer Seitenansicht eine weitere Ausführungsform einer Sensoranordnung 10e. Hierbei weist die Sensoranordnung 10e zwei erste elektrische Sensoren 38a und 38b, sowie einen zweiten optischen Sensor 37 auf. Das Verbindungselement 40b weist einen zweiten, kreisrunden optischen Bereich 39 aus einem transparenten Material und einen ersten elektrischen Bereich 36 aus einem elektrisch leitfähigen Material auf. Der zweite Bereich 39 wird von dem ersten elektrischen Bereich 36 vollständig umgeben.
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6 zeigt in Form eines Ablaufdiagramms ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung zur Anbringung an einem Kopf eines Nutzers. Hierbei wird in einem ersten Verfahrensschritt 50 wenigstens ein erster elektrischer Sensor und/oder ein zweiter optischer Sensor mit einer Trägerstruktur der Sensoranordnung verbunden. Die Trägerstruktur ist hierbei dazu ausgebildet, den ersten und/oder zweiten Sensor an dem Kopf des Nutzers derart zu tragen, insbesondere anzubringen, dass der erste und/oder zweite Sensor in einem Ohrbereich, insbesondere in einem Bereich zwischen einem Ohr und dem Kopf angeordnet ist. In einem darauf folgenden Verfahrensschritt 60 wird wenigstens ein Verbindungselement aus einem elastischen Material mit der Trägerstruktur zur zumindest mittelbaren Verbindung, insbesondere Kontaktierung, des ersten und/oder zweiten Sensors mit der Kopfhaut des Nutzers verbunden. Hierbei wird das Verbindungselement als Gelkissen separat gefertigt und mittels Klebstoffes an einer Außenseite des Brillenbügels befestigt. Alternativ hierzu wird das Verbindungselement, insbesondere das Gelkissen, in den Brillenbügel integriert. In diesem Zusammenhang wird die Trägerstruktur und die dort angeordnete Sensoranordnung bevorzugt in einem Spritzverfahren umspritzt.
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7 zeigt schematisch eine Brille 25 mit einer Sensoranordnung 26. Die Brille 25 ist hierbei als Datenbrille ausgebildet. Die Sensoranordnung 26 umfasst hierbei zusätzlich eine Recheneinheit 30, welche dazu ausgebildet ist, erste Sensordaten 52 des als Beschleunigungssensor ausgebildeten ersten Sensors 1 und erste Sensordaten 51 des als Drucksensor ausgebildeten ersten Sensors 9 zu empfangen. Die Recheneinheit 30 vergleicht die empfangenen ersten Sensordaten 51 und 52 mit hinterlegten ersten Sensordaten und aktiviert in Abhängigkeit des Vergleichs, den als Mikrofon ausgebildeten ersten Sensor 2. Alternativ oder zusätzlich aktiviert die Recheneinheit 30 ein externes Mikrofon 11 der Brille 25. Insbesondere ist die Recheneinheit 30 dazu ausgebildet, das Mikrofon 2 und/oder 11 zu aktivieren, falls die hinterlegten ersten Sensordaten mit den empfangenen ersten Sensordaten übereinstimmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015205921 A1 [0002]
