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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Vorrichtung, die in eine Flüssigkeit wie etwa Wasser eingetaucht
werden kann, beispielsweise am Handgelenk getragene Vorrichtungen
wie etwa Uhren. Insbesondere betrifft die Erfindung eine solche Vorrichtung,
in deren Gehäuse
ein Schallwandler eingebaut ist.
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Um die Dichtheit von am Handgelenk
getragenen Uhren bis in eine Eintauchtiefe, die nominell etwa dreißig Meter
erreichen kann, garantieren zu können,
ist bisher bekannt, einen Schallwandler in das Gehäuse der
Uhr einzubauen, ohne einen Verbindungskanal zwischen dem Meßwandler
und der äußeren Umgebung
vorzusehen, der die Schallwellen direkt leiten kann (CH-A-375 664).
Ein solcher Einbau bietet den Vorteil, eine sehr gute Dichtheit
der Uhr zu garantieren. Da andererseits die Schallenergie zum Schallwandler
gelangen oder von diesem durch die Vollwand des Gehäuses gesendet
werden muß,
ist diese Lösung
nur möglich,
wenn eine mäßige Tonqualität in Kauf
genommen wird. Tatsächlich ist
das verwendbare Frequenzband dann auf jene Frequenzen begrenzt,
denen ein Durchqueren dieser Wand gelingt. Praktisch muß mit den
Resonanzfrequenzen des Meßwandlers
gearbeitet werden, wobei diese Frequenzen nur wirksam durch die
Wand des Gehäuses übertragen
werden können,
wenn sie einer Resonanzfrequenz dieser Wand entsprechen. Dies begrenzt
zwangsläufig
den Bereich von Frequenzen, die übertragen
werden können,
und ist folglich für
die Reproduktion und/oder den Empfang von komplexen Tönen wie
etwa Sprache oder Musik nicht geeignet. Es sei außerdem angemerkt,
daß eine
solche Wand die Übertragung
von Tönen,
die durch den Meßwandler
gesendet oder von diesem empfangen werden können, in störender Weise dämpft.
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Die Erfindung hat zum Ziel, eine
Vorrichtung des oben angegeben Typs zu liefern, die mit einem Schallwandler
versehen ist, der so angebracht ist, daß er mit einem großen Tonspektrum
arbeiten kann, wobei das Tonspektrum insbesondere der Sprache entspricht,
und dabei ein hoher Grad an Dichtheit garantiert ist.
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Die Erfindung hat folglich eine dichte
tragbare Vorrichtung zum Gegenstand, die bis zu einer vorgegebenen
Tiefe in eine Flüssigkeit
wie etwa Wasser eingetaucht werden kann, insbesondere eine dichte Uhr,
die ein Gehäuse
auf weist, in dem ein Schallwandler in der Weise angebracht ist,
daß er
fluiddicht mit der äußeren Umgebung
des Gehäuses über Schallenergie
kommuniziert, dadurch gekennzeichnet, daß
– an dem Schallwandler eine
verformbare Membran befestigt ist, die ihn in dichter Weise von
einem Eintrittshohlraum trennt, der in dem Gehäuse ausgebildet ist und mit
der äußeren Umgebung
in einer direkten Verbindung steht, daß die Membran an ihrem Umfang
elastisch gegen eine Abstützoberfläche gepresst
ist, die um den Hohlraum ausgebildet ist, wodurch dieser in dichter
Weise von einer Verformungskammer getrennt ist, die in dem Gehäuse auf
selten der Membran gegenüber
dem Hohlraum ausgebildet ist und dabei mit dem Innenraum dieses
Gehäuses
in Verbindung steht, und daß der
Boden der Verformungskammer eine Halteoberfläche für die Membran bildet, wenn
auf sie ein äußerer statischer
Druck ausgeübt
wird, der größer als
ein vorgegebener Wert ist.
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Aufgrund dieser Merkmale kann der
Schallwandler Schallenergie über
die Membran empfangen oder senden, die nur an ihrem Umfangsrand
in dem Gehäuse
aufgehängt
frei schwingen kann, ohne das Senden/Empfangen dieser Schallenergie
in Richtung des Meßwandlers
oder von diesem ausgehend zu beeinträchtigen.
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Die Membran kann über ein elastisches Organ,
das sich auf dem Boden der Verformungskammer abstützt und
auf den Rand der Membran einwirkt, in Abstützung gegen die Abstützoberfläche des Gehäuses gehalten
werden.
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Jedoch kann in einer Variante die
Membran auf der Abstützoberfläche aufgrund
ihrer eigenen Elastizität
gehalten werden, indem sie in dem Gehäuse gespannt abgebracht ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung werden deutlich im Zuge der folgenden Beschreibung, die
lediglich beispielhalber gegeben wird und mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung
erstellt worden ist, worin:
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– 1 eine Schnittansicht eines
Zeitmeßgeräts zeigt,
das gemäß der Erfindung
konzipiert und mit einem Meßwandler
versehen ist, der in diesem Beispiel ein Lautsprecher ist;
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– 2 eine schematische Schnittansicht
einer Variante der Erfindung ist; und
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– 3 ein Detail der elastischen
Mittel zeigt, die die Meßwandlereinheit
gegen eine Abstützoberfläche an Ort
und Stelle halten.
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In der folgenden Beschreibung wird
die Erfindung in ihrer Anwendung auf ein Zeitmeßgerät wird etwa eine Armbanduhr
gezeigt. Selbstverständlich kann
die Erfindung auf jede andere Vorrichtung angewandt werden, die
im allgemeinen tragbar ist und kleine Abmessungen besitzt und wenigstens
einen Schallwandler enthalten muß, wobei die Vorrichtung ferner
bis zu einer vorgegebenen Tiefe in eine Flüssigkeit wie etwa Wasser eingetaucht
werden kann. Ferner ist der Schallwandler in dem beschriebenen Beispiel
ein Lautsprecher, jedoch kann in Verbindung mit der Erfindung auch
ein Mikrophon-Meßwandler vorteilhaft
verwendet werden.
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Unter diesen Gegebenheiten ist in 1 eine Schnittansicht einer
Armbanduhr 1 gezeigt, deren Dichtheit bis zu einer vorgegebenen
Wassertiefe garantiert ist, wobei eine Tiefe von 30 m ein in der Praxis
häufig
vorgesehener Wert ist.
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Von der Uhr 1 in 1 sind das Gehäuse 2, das
Glas 3, die Zeiger 4 und 5, das Zifferblatt 6 und bestimmte
Teile des Mechanismus zum Einstellen der Uhrzeit 7 zu erkennen.
Alle diese Elemente sowie jene, die in 1 lediglich angedeutet oder nicht sichtbar
sind, wie etwa die integrierte Schaltung, der Quarz, der Miniaturmotor,
das Uhrwerk usw. sind von herkömmlicher
Art und werden deshalb hier nicht beschrieben. Obwohl dies keine
die Erfindung einschränkende
Anwendung ist, könnte
die mit dem Mikrophon-Meßwandler
oder dem Lautsprecher versehene erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhaft
eine Uhr sein, die ein tragbares Telephon bildet.
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In dem gezeigten Fall besitzt das
Gehäuse 2 einen
Boden 8, der durch eine Tragscheibe 9 verdoppelt
ist, die diesem Boden 8 in dem Gehäuse 2 überlagert
und durch irgendein geeignetes Mittel wie etwa Kleben oder Einrasten
an diesem befestigt ist.
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Der Boden 8 weist einen
Eintrittshohlraum oder eine Eintrittskammer 10 mit der
Grundform eines Kreises auf, der bzw. die durch einen Kanal 11 hindurch,
der seitlich herausführt,
mit der äußeren Umgebung
verbunden ist. Um den Hohlraum 10 weist der Boden 8 eine
kreisförmige
Abstützoberfläche 12 auf,
die in dem vorliegenden Beispiel in bezug auf die Achse des Hohlraums 10 leicht
geneigt ist.
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Gegenüber dem Hohlraum 10 des
Bodens 8 weist die Tragscheibe 9 eine Vertiefung 13 mit
der Grundform eines Kreises auf, die mit dem Hohlraum 10 nahezu
koaxial ist und einen etwas größeren Durchmesser
besitzt. Diese Vertiefung 13 bildet eine Verformungskammer.
Sie ist durch eine Umfangsrippe 14 mit abgerundeter Kante,
die an eine ringförmige
Rille 15 anschließt,
die sich in bezug auf die Rippe 14 auf der Innenseite befindet,
eingefaßt.
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In dem durch den Hohlraum 10 des
Bodens 8 und die Vertiefung 13 der Tragscheibe 9 gebildeten Volumen
ist ein Schallwandlereinheit 16 angeordnet. Diese Einheit
enthält
eine Membran 17, die aus einer Kreisscheibe gebildet ist,
an der durch spanloses Formen eine Umfangskante 18 ausgebildet
ist, die mit ihrer Außenfläche durch
Kleben an einer seitlichen Umfangswand 19 befestigt ist,
die um die Abstützoberfläche 12 auf
dem Boden 8 bzw. auf der Tragscheibe 9 ausgebildet
ist. In dieser Weise garantiert die Membran 17 die Dichtheit
des Innenraums der Uhr 1 gegenüber der äußeren Umgebung.
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In der Zone, die sich innerhalb des
Innenrands der Abstützoberfläche 12 befindet,
kann sich die Membran 17 frei verformen. Sie ist durch
eine elastisches Organ 20 gegen diese Abstützoberfläche abgestützt, um
die Schwingungsweise mit der tieferen Frequenz des aktiven Teils
des Meßwandlers 16 zuzulassen.
Der letztere ist beispielsweise aus einem Ring gebildet, der in
der Rille 15 der Tragscheibe 9 untergebracht ist
und mit Z-förmigen
elastischen Ansätzen 21 (3), beispielsweise zehn
an der Zahl bei einem Durchmesser der Membran 17 von etwa 25
mm, versehen sind, die ausgestanzt und aus ihrer Ebene heraus in
Richtung der Membran 17 gebogen worden sind. Die elastischen
Ansätze 21 stehen
unter Spannung und drücken
somit die Membran unter strenger Abgrenzung der Zone der Membran,
die frei schwingen kann, gegen die Abstützoberfläche 12. Um einen Hinweis
zu geben, kann der elastische Ring 20 eine Gesamtkraft
in Bereich von 250 bis 600 g aufbringen. Selbstverständlich hängt diese
Kraft von dem Durchmesser der Membran, von ihrer Dicke sowie von
den Tonfrequenzen, die gesendet oder empfangen werden sollen, ab.
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Die Meßwandlereinheit 16 umfaßt außerdem ein
Meßwandlerelement 22 (das
den aktiven Teil des Meßwandlers
bildet), das in dem gezeigten Fall ein Lautsprecher des piezoelektrischen
Typs ist. Es kann ebenso der Empfänger sein (Mikrophonfunktion).
In dem hier gezeigten Fall enthält
es ein Metallplättchen,
das zwischen zwei (in 1 nicht
sichtbare) piezoelektrische Scheiben geschoben ist, wobei die Einheit
zweckmäßigerweise
mit einer Steuerschaltung oder ein Auswerteschaltung (nicht gezeigt)
verbunden ist, die in dem Gehäuse 2 untergebracht
ist. Das Meßwandlerelement 22 ist
auf die Membran 17 auf der Seite der Vertiefung 13 und
in der Zone, in der sie frei schwingen kann, aufgeklebt. Es ist
im Handel bei der Firma Murata, Japan erhältlich. In einer Variante kann
das Meßwandlerelement 22 an
der Membran auch bei deren Formung angestückt worden sein, wobei es teilweise
darin eingeschmolzen ist oder aus dem Material der Membran abgeformt
ist.
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Es sei angemerkt, daß die Ansätze 21 ihren Druck
vorzugsweise auf den äußeren Rand
des Meßwandlerelements 22 ausüben, damit
es eine Frequenz übertragen
kann, die bei einem gegebenen Durchmesser so tief wie möglich ist.
Die Ansätze 21 stützen sich
auf dem Rand des Metallplättchens
des Meßwandlerelements 22 ab,
durch den sie die Membran 17 auf der Oberfläche 12 abstützen.
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Um Verzerrungen zu vermeiden, wird
dafür gesorgt,
daß die
durch die elastischen Ansätze 21 ausgeübten Abstützkräfte ausreichen,
um das Meßwandlerelement 22 an
der Abstützoberfläche zu halten,
d. h., daß es
während
des Betriebs ständig
gehalten wird. Jedoch dürfen
diese Kräfte
seine Orientierung nicht blockieren (d. h. einer festen Einspannung
entsprechen), was typischerweise zu einer Verdoppelung der Grundfrequenz
des Meßwandlerelements
führen
würde.
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Die Vertiefung 13 bildet
eine innere Kammer, die durch Durchgangsöffnungen 23, die im
Boden 13a der Vertiefung 13 ausgebildet sind,
mit dem Innenraum in Verbindung stehen. Die Membran 17 kann
sich folglich in dieser inneren Kammer oder Vertiefung 13 verformen,
bis sie an deren Boden 13a anliegt. Diese bildet somit
eine Anschlagfläche
für die Membran 17,
wenn der differentielle Druck beiderseits der Membran einen vorgegebenen
Wert übersteigt.
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Die Membran 17 ist vorzugsweise
aus Silikon hergestellt und kann eine Dicke von etwa 300 μm aufweisen,
wobei ihr Durchmesser beispielsweise 25 mm betragen kann.
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In einer von der soeben beschriebenen
Einheit beabstandeten Zone enthalten der Boden 8 und die
Tragscheibe 9 einen Durchlaß 24, der eine Schulter 25 aufweist,
an der ein Plättchen
für den
Druckausgleich angeordnet ist. Dieses ist unter der Bedingung, daß die Schwankung
des differentiellen Drucks beiderseits dieses Plättchens sehr langsam erfolgt, wasserundurchlässig, jedoch
luftdurchlässig.
Sie kann beispielsweise aus gesintertem Teflon® hergestellt
sein. Dieses Plättchen
kann an ein Tiefpaßfilter, das
Luft durchläßt, deren
Druck sich mit einer niedrigen Frequenz (1/10 Hz beispielsweise) ändert, angepaßt sein.
Diese Struktur ermöglicht
eine Anpassung an Schwankungen des statischen Drucks, die beispielsweise
aus Änderungen
der Höhe
und/oder der klimatischen Bedingungen beim Tragen der Uhr resultieren.
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Es sei jedoch angemerkt, daß die Membran 17 selbst
so konzipiert sein kann, daß sie
anstelle des Plättchens 26 die
Druckausgleichsfunktion ausübt.
In diesem Fall muß diese
Membran aus einem elastischen Material hergestellt und für Gas, dessen statischer
Druck sich mit sehr langsamer Frequenz ändert, halbdurchlässig sein.
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Das Verhalten der Membran 17 ist
wie folgt.
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Beim Tragen der Uhr außerhalb
des Wassers weist die Membran 17 eine flache Konfiguration auf,
in der sie frei schwingen kann, um so die durch das Element 22 erzeugten
Schallschwingungen störungsfrei
zu übertragen.
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Wenn umgekehrt die Uhr eingetaucht
worden ist, verformt sich die Membran 17 aufgrund einer plötzlichen Änderung
des auf ihren beiden Seiten herrschenden differentiellen Drucks.
Sie nimmt dann eine in Richtung des Bodens 13a gewölbte Form
ein, wobei der Druckausgleichspfad durch den Durchlaß 26 nicht
schnell genug durchschritten wird, um den Unterschied der Drücke auszugleichen.
Ab einem bestimmten Wert des hydrostatischen Drucks wird die Verformung
der Membran 17 derart, daß sie an dem Boden 13a der
Vertiefung 13 anliegt, die somit für einen wirksamen Halt sorgt,
der jegliche Beschädigung
der Membran 17 und des Meßwandlerelements 22 verhindert.
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2 zeigt
sehr schematisch eine Variante der Erfindung, in der eine Vorrichtung 1A ein
Gehäuse 2A umfaßt, das
mit einer kreisförmigen
Eintrittskammer 27 versehen ist. Diese kann in der gleichen Weise
wie jene ausgebildet sein, die von dem Hohlraum 10 von 1 gebildet ist. Um den Rand
dieser Kammer 27 ist eine nach innen gerichtete ringförmige Rippe 28 ausgebildet,
die eine Abstützoberfläche 12A definiert.
Um diese Rippe ist eine erste Rille 29 vorgesehen, in deren
Außenwand
eine zweite Rille 30 mündet.
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Die Vorrichtung umfaßt außerdem eine Membran 17A,
deren Außenrand
in der zweiten Rille 30 aufgenommen und dort beispielsweise
durch Kleben befestigt worden ist. Die Membran 17A besitzt eine
ihr eigene Elastizität
und ist in der Weise in der Rille 30 befestigt, daß sie unter
einer leichten Spannung steht. Dadurch ist sie über der Abstützoberfläche 12A,
die auf der ringförmigen
Rippe 28 gebildet ist, die den Boden der ersten Rille 29 um
einen bestimmten Abstand überragt,
gespannt. An der Membran 17A ist ein Schallwandlerelement 22A befestigt.
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Hinter der Membran 17A auf
der Innenseite ist ferner ein Haltegitter vorgesehen, das den Boden einer
Verformungskammer 13A bildet. Dieses Gitter ist mit Durchlaßöftnungen 32 versehen
und ermöglicht
das Halten der Membran 17 im Fall eines auf sie von außen ausgeübten Überdrucks.
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In der Wand des Gehäuses 2A kann
wie in der Ausführungsform
von
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1 ein
Durchlaß 24A vorgesehen
sein, der durch ein Druckausgleichsplättchen 26A verschlossen
ist.
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Die Anordnung von 2 unterscheidet sich von jener von 1 dadurch, daß sie keinerlei
spezielles elastisches Mittel umfaßt, um das Andrücken der
Membran an ein Gehäuseelement
sicherzustellen, wobei die dazu erforderliche Elastizität durch
jene, die der Membran zu eigen ist, bedingt ist.