EP0432345B1

EP0432345B1 - Wecker- oder Funkuhr mit einer Schaltungsanordnung zum Steuern derselben

Info

Publication number: EP0432345B1
Application number: EP19900107470
Authority: EP
Inventors: Cosmas Dipl. Ing. Malin
Original assignee: Braun GmbH
Current assignee: Braun GmbH
Priority date: 1989-11-16
Filing date: 1990-04-19
Publication date: 1994-10-26
Anticipated expiration: 2010-04-19
Also published as: DE59007559D1; EP0432345A3; ES2062156T3; EP0432345A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wecker- oder Funkuhr mit einer Schaltungsanordnung zum Abschalten eines Wecksignals und/oder zum kurzzeitigen Einschalten einer Zifferblattbeleuchtung.
Derartige Funktionen werden heute vorwiegend über diskrete Schalter initialisiert, indem beispielsweise ein Uhrengehäuse an einer genau vorbestimmten Stelle einen irgendwie gearteten, mechanisch betätigbaren Schalter besitzt, der beispielsweise zum Beendigen des Weckalarms in eine andere Stellung gebracht werden muss. Dies erweist sich aber gerade bei Dunkelheit für den Benutzer als äusserst nachteilig, da sich im entsprechenden Moment der vorgesehene Schalter nicht finden lässt.
Verbesserte Ausführungen besitzen daher bereits Einrichtungen, die durch blosses Berühren des Weckergehäuses reagieren und diese ein Beendigen des Weckalarms bewirken. Dies bedeutet für den Benutzer einer solchen Einrichtung aber immer noch den entscheidenden Nachteil, dass er im Dunkeln das Weckergehäuse echt auffinden muss und die Berührung so durchführen muss, dass das Weckergehäuse nicht aus der Gleichgewichtslage gerät.
Eine weitere Verbesserung stellen hingegen Anordnungen dar, die bereits berührungslos, nämlich auf bloße Annäherung reagieren.
Eine solche Anordnung arbeitet beispielsweise mit einem Infrarot-Sender und dem zugehörigen -Empfänger, ähnlich wie ein Radarsystem (siehe auch DE-PS 37 19 087), wobei das zum Empfänger reflektierte Licht identifiziert wird. Solche Sende-/Empfänger-Anordnungen haben allerdings den Nachteil, infolge ihres hohen Stromverbrauchs bei in den meisten Applikationen vorgesehenem Batteriebetrieb keine Dauerfunktion zuzulassen. D.h. die entsprechenden Schaltfunktionen werden nur sehr kurzzeitig, beispielsweise wenn der vorprogrammierte Alarm ausgelöst ist, eingeschaltet bzw. in Funktion gesetzt. Will man daher Dauerfunktionen durch die gleiche Anordnung schalten, so ist dies nicht möglich.
Für einen dauernden Einsatz, wie beispielsweise zum kurzzeitigen beliebigen Einschalten der Zifferblattbeleuchtung bei Dunkelheit, können diese Anordnungen also nicht oder nur sehr beschränkt -unter Inkaufnehmen der oben beschriebenen Einschränkungen- verwendet werden.
Ein weiterer empfindlicher Nachteil solcher Anordnungen mit einem Sende-/Empfangs-Prinzip stellt die Tatsache dar, dass die Anordnung auf jeden Gegenstand -natürlich auch nicht bewegten- reagiert. Nur durch unüblich hohen Schaltungsaufwand kann erreicht werden, dass bewegte Gegenstände von statisch vorhandenen unterschieden werden (siehe DE-PS 37 19 087) können.
Der hohe Schaltungsaufwand führt zusätzlich dazu, dass solche Anordnungen zum Betrieb (insbesondere der Sendediode) eine Betriebsspannung von mehr als 1,5 V benötigen. Flexibel zu benutzende Weckeranordnungen sollen aber bei möglichst niedrigen Spannungen arbeiten und nach Möglichkeit mit einer einzelnen üblichen 1,5 V-Monozelle betrieben werden können.
Es sind auch schon Uhren bekannt, die einen pyroelektrischen Sensor zur Steuerung der Zifferblattbeleuchtung verwenden (z.B. CITIZEN, Japan). Diese bekannten Anordnungen haben aber den Nachteil, dass sie konstruktiv aufwendig und sperrig aufgebaut und so auch nur sehr kostenintensiv herstellbar sind. Zudem zeichnen sich diese Anordnungen, die von einer Technik Gebrauch machen, die in der Feueralarm-Sensor-Anwendung üblich ist, durch einen hohen Spannungsbedarf und einen relativ hohen Stromverbrauch für die Signalaufbereitung aus.
Schon daher sind also solche Systeme und Anordnungen, die lediglich eine bestehende Technologie, nämlich die der IR-Alarmsysteme benutzen, im Grunde für den Einsatz im Uhrengebiet nicht geeignet, weil hier ganz andere Aufgabenstellungen vorliegen. Am einfachsten Beispiel kann dies da festgestellt werden, wo die Auslösung bei derartigen Systemen nicht durch eine einfache Handbewegung erfolgen kann, was selbstverständlich in der Uhrentechnik ein bares Erfordernis ist. Eine solche Auslösung muss beispielsweise -vorausgesetzt eine sehr kleine Fehlerrate- bei üblichen Weckern von einer aus dem Schlaf erwachenden Person möglich sein; das bedeutet aber auch, dass eine Wendung oder Drehung dieser Person im Bett während des Schlafens, keine Auslösung bewirken darf.
Im übrigen sind auch Anordnungen zum Schalten der Raumbeleuchtung und zur Steuerung von Lampen mit Hilfe eines IR-Sensors bekannt (WO-A-82 02270). Auch dabei dient der IR-Sensor als Signaldetektor, der mit einem Vorverstärker zur Strom- und Spannungsverstärkung verbunden ist und dem ein Bandpassfilter und ein mit diesem verbundener Verstärker nachgeschaltet ist. Diesem Verstärker ist ebenfalls ein Schwellwertdetektor nachgeschaltet, der mit einer Zeitauswerteschaltung verbunden ist, wobei das Bandpassfilter so einstellbar ist, dass dessen Resonanzfrequenz der höchstmöglichen Verstärkung des pyroelektrischen IR-Sensors entspricht.
Diese bekannten Anwendungen reagieren also auf die Anwesenheit einer sich bewegenden Person in grosser Distanz in gleicher Weise wie auf eine gezielte, kleine Handbewegung in der Nähe eines Weckers, kommen daher mit vergleichsweise unspezifischen Auslösekriterien aus. Die selektive Empfindlichkeit fehlt somit vollständig.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung aufzuzeigen, die mit möglichst geringem Stromverbrauch und einer möglichst niedrigen Versorgungsspannung eine permanente Bereitschaftsstellung zum Auslösen von Schaltfunktionen bei Weckeroder Funkuhren im Batteriebetrieb sicherstellt und eine selektive Auslösung von Steuerfunktionen erlaubt, zudem so konzipiert ist, dass sie ein Schalten aus einem Abstand von ca. 0,5m bis 1m ermöglicht und dabei über einen sehr weiten Winkel (grösser 60°) aktivierbar ist, was dann ein sicheres Auslösen gestattet, beispielsweise einer Uhr, bei absoluter Dunkelheit -ohne jedes Suchen-, wobei ein Auslösen aus grösserer Entfernung vermieden wird, wobei zudem die Vorrichtung nur auf Signale reagieren soll, die von Quellen mit einer vorbestimmbaren Temperatur ausgehen, und dabei auch bestimmte Signale ebenso zuverlässig unterdrücken kann, dass sie beispielsweise nicht auf Aussendungen von Glühlampen, Leuchtstofflampen und/oder Heizkörper reagiert, ebensowenig beim einfachen Vorbeigehen einer Person beispielsweise eine Auslösung erfolgt, und schliesslich beispielsweise bei unbeabsichtigten Bewegungen von schlafenden Personen nicht auslösen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass als annäherungsempfindliches Element ein pyroelektrischer Infrarot-Sensor vorgesehen ist, mit diesem zur Strom- und Spannungsverstärkung ein FET-Vorverstärker verbunden ist, dem pyroelektrischen IR-Sensor ein selektiv wirkendes optisches Element vorgeschaltet ist, mit dem zwischen zeitlich unterschiedlichen Abtastungen (ta, tc) ein Höchstmass an Kontrast erzielbar ist, dem pyroelektrischen IR-Sensor ein Bandpassfilter nachgeschaltet und mit dem Verstärker verbunden ist, eine mit dem Schwellwertdetektor verbundene Zeitauswerteschaltung -Timer- vorgesehen ist, wobei das Bandpassfilter so einstellbar ist, dass dessen Resonanzfrequenz der höchstmöglichen Verstärkung des pyroelektrischen IR-Sensors entspricht, und daß das selektiv wirkende optische Element und der pyroelektrische IR-Sensor in einem etwa horizontal verlaufenden Gehäusedach eines Gehäuses parallel zum Gehäusedach angeordnet sind.
Pyroelektrische Infrarot-Sensoren (s.bspw. US-PS 4,755, 674) sind an sich bekannt und werden heute hauptsächlich zur automatischen Raum- und Tür-Ueberwachung, oder aber -wie schon zuvor erwähnt- bei Feuer-Ueberwachungs-Systemen, eingesetzt.
Bezüglich derartiger Anwendungen sind verschiedene Ausgestaltungen pyroelektrischer Infrarot-Sensoren sowie verschiedene Schaltungen zur Auswertung der Signale der pyroelektrischen Infrarot-Sensoren bekannt. Aus der Veröffentlichung Valvo "Pyroelektrische Infrarot-Detektoren Grundlagen und Anwendungen" mit Druckdatum Dezember 1987, erschienen im Dr. Alfred Hüthig Verlag GmbH unter der Nr. ISBN 3-7785-1595-0, ist es beispielsweise bekannt, einem pyroelektrischen Infrarot-Sensor einen Vorverstärker nachzuschalten. Zur Aufbereitung des Signales ist dort weiterhin veröffentlicht, daß ein Gitter oder eine Fresnellinse vorgesehen sein kann. Außerdem ist aus dieser Veröffentlichung bekannt, dem pyroelektrischen Infrarot-Sensor einen Bandpaßfilter sowie einen Verstärker nachzuschalten. Auf die hier vorliegende Anwendung sowie die sich daraus ergebenden Besonderheiten an die Ausgestaltung eines pyroelektrischen Infrarot-Sensors ist dieser Entgegenhaltung jedoch kein Hinweis zu entnehmen.
Neben dem Vermeiden der Nachteile des Standes der Technik zeigt sich als besonderer Vorteil beim Einsatz eines pyroelektrischen Infrarot-Sensors zum Schalten von Wecker- oder Funk-Uhren in der erfindungsgemässen Art, dass bei dem geringen notwendigen Schaltungsaufwand ein sehr geringer Stromverbrauch resultiert und der mögliche Verzicht auf einen eigenen Sender und Empfänger erreicht werden kann, und dies ermöglicht das Arbeiten mit einer einfachen Monozelle zur Speisung.
In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung erreicht man mit einer solchen Anordnung mit recht geringem Schaltungsaufwand eine funktionsichere, sehr selektiv arbeitende Steuereinrichtung für die Steuerung von solchen Schaltfunktionen.
Im weiteren lässt sich die Zuverlässigkeit durch den Einsatz eines entsprechenden optischen Filters, das beispielsweise das Ansprechen der Anordnung auf eine selektiv gewünschte Körpertemperatur abstimmt, noch steigern.
Mit der Verwendung eines sogenannten pyroelektrischen Dual-Sensors anstelle eines pyroelektrischen Infrarot-Single-Sensors wird weiterhin erreicht, dass die Anordnung nur auf bewegte Gegenstände anspricht.
Diese Selektion lässt sich durch den Einbau eines noch selektiver wirkenden optischen Elements -vor dem Filter angeordnet- (oder eine Frenelllinse) noch erheblich steigern.
Im folgenden werden erfindungsgemässe Ausführungsbeispiele beschrieben und in den nachfolgenden Figurendarstellungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: Eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemässen Anordnung;
Fig. 2a: ein erstes Ausführungsbeispiel eines pyroelektrischen IR-Sensors;
Fig. 2b: eine elektrische Schaltung des pyroelektrischen IR-Sensors aus Fig. 2a;
Fig. 3: der prinzipielle mechanische Aufbau einer Detailanordnung aus Fig. 1;
Fig. 4a: ein erstes Spannungs-Zeit-Diagramm eines pyroelektrischen IR-Sensors gemäss Fig. 2a;
Fig. 4b: ein zweites Spannungs-Zeit-Diagramm eines pyroelektrischen IR-Sensors gemäss Fig. 2a;
Fig. 4c: ein kombiniertes Spannungs-Zeit-Diagramm aus den Figuren 4a und 4b;
Fig. 5a: eine Ansicht eines konstruktiven Details aus Fig. 3 als eine erste Variante;
Fig. 5b: eine Seitenansicht eines konstruktiven Details aus Fig. 3 als eine erste Variante;
Fig. 6a: eine Ansicht eines konstruktiven Details aus Fig. 3 als eine zweite Variante;
Fig. 6b: eine Seitenansicht eines konstruktiven Details aus Fig. 3 als eine zweite Variante;
Fig. 7: eine erste konstruktive Lösung des Einbaues eines pyroelektrischen Sensors in einer Vorrichtung;
Fig. 8: eine prinzipielle Schaltungsaufbau der erfindungsgemässen Anordnung nach Fig. 1;
Fig. 9a: eine Explosionsdarstellung des mechanisch-konstruktiven Aufbaus eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäss ausgestatteten Weckers;
Fig. 9b: eine Seitenansicht mit teilweise aufgebrochener Darstellung des Weckers nach Fig. 8a;
Fig. 9c: eine Front- (Vorder-)-Ansicht mit teilweise aufgebrochener Darstellung des Weckers aus Fig. 8a;
Fig. 10a: eine Explosionsdarstellung des mechanisch-konstruktiven Aufbaus eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäss ausgestatteten Weckers;
Fig. 10b: eine Seitenansicht mit einer Teildarstellung einiger Komponenten aus dem zweiten Ausführungsbeispiel des Weckers;
Fig. 10c: eine Front- (Vorder-)-Ansicht mit teilweise aufgebrochener Darstellung des Weckers;
Fig. 11a: eine Explosionsdarstellung des mechanisch-konstruktiven Aufbaus eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäss ausgestatteten Weckers;
Fig. 11b: eine prinzipielle Draufsicht des Weckers aus Fig. 11a.

In Fig. 1 wird anhand einer Prinzipdarstellung schrittweise die Funktionsweise der Anordnung beschrieben. Dabei trifft eine IR-Strahlung 1, beispielsweise diejenige eines menschlichen Körpers oder Körperteils, über ein optisches Element 2 (oder eine Frenelllinse) auf ein optisches Filter 3, und von dort weitergeleitet auf einen pyroelektrischen IR-Sensor 4.
Das optische Element 2 dient dabei der Modulation der Strahlungsenergie der bewegten Strahlungsquelle 1 und ist so dimensioniert, dass die Modulationsfrequenz der Strahlung der maximalen Empfindlichkeit des pyroelektrischen IR-Sensors 4 entspricht.
Das optische Filter 3 ist so ausgelegt, dass es vorzugsweise selektiv eine Strahlung von 37 Grad C passieren lässt.
In dem pyroelektrischen IR-Sensor 4 löst die entsprechende Strahlung auf den aktiven strahlungsempfindlichen Elementen 41 und 42 (siehe Fig.2) eine Ladungstrennung aus.
Ein mit dem pyroelektrischen IR-Sensor 4 verbundenes und sowohl auf diesen, als auf das optische Element 2 angepasstes Bandpassfilter 5 bewirkt, dass die gewünschten Frequenzkomponenten des durch das optische Element 2 modulierten Eingangssignals in einem mit diesem verbundenen Verstärker 6 bevorzugt verstärkt werden. Durch diese Massnahme wird eine maximale Rauschfreiheit und Ansprechzuverlässigkeit erreicht.
Ein im weiteren mit dem Verstärker 6 verbundener Schwellwertdetektor 7 spricht sowohl auf positive als auch auf negative Impulse an. Dies ist insbesondere bei der Verwendung eines pyroelektrischen Dual IR-Sensors anstelle eines einfachen IR-Sensors wichtig und deshalb notwendig, weil je nach Bewegungsrichtung der Strahlungsquelle 1 -zeitlich gesehen- erst ein negativer oder erst ein positiver Impuls erzeugt wird.
Eine mit dem Schwellwertdetektor 7 verbundene Zeitauswerteschaltung 8 hat beispielsweise die Aufgabe einer ausreichenden Verzögerung eines Impulses bezüglich des Ausganges D des Schwellwertdetektors 7, um eine definierte Leuchtdauer einer über einen Ausgang F der Zeitauswerteschaltung 8 angeschlossenen Zifferblattbeleuchtung 10 zu ermöglichen. Je nach Zustand des mit einem mechanischen oder elektronischen Uhrwerk 9 verbundenen Ausgangs E der Zeitauswerteschaltung (Timer) 8 wird bei ausgelöstem Alarm durch ein ähnliches Signal am Ausgang D des Schwellwertdetektors 7 ein über einen Ausgang G mit dem Uhrwerk 9 verbundener Signalgeber 11 gestoppt.
Andererseits kann wahlweise über das Signal am Ausgang F des Schwellwertdetektors 8 aber auch eine Zifferblattbeleuchtung 10 für eine vorbestimmte Leuchtdauer eingeschaltet werden.
Eine Spannungsstabilisierung, deren Eingang H am pyroelektrischen IR-Sensor 4 liegt und deren Ausgang mit dem Verstärker 6 verbunden ist, sorgt für die nötige Unabhängigkeit der Versorgungsspannung des Eingangsteils der Auswerteanordnung bezüglich der Belastung bei Einschaltung der Zifferblattbeleuchtung 10.
Der in Fig. 2 dargestellte pyroelektrische IR-Sensor 4 weist eine frequenzabhängige Empfindlichkeit auf. Dabei wird die Frequenz der maximalen Empfindlichkeit weitgehend durch einen ersten Lastwiderstand 43 und den Abstand der strahlungsempfindlichen Elemente 41 und 42 bestimmt. Das Frequenzverhalten des pyroelektrischen IR-Sensors 4 an seinem Ausgang A (siehe Fig.1) ist im übrigen durch den Arbeitsabstand und die Abmessungen vom strahlenden Körper 1 (im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist dies jeweils eine menschliche Hand) bzw. durch die Breite 21 (siehe Fig.3) des optischen Elementes 2 und den Abstand zwischen dem optischen Element 2 und den strahlungsempfindlichen Elementen 41 und 42 bestimmt. In der Funktionsweise bewirkt gleiche Bestrahlung der strahlungsempfindlichen Elemente 41 und 42, dass die Spannung, die über einem parallel zu diesen Elementen geschalteten Lastwiderstand, liegt gleich Null bleibt. Somit liegt über dem Lastwiderstand 43 nur dann eine Spannung an, wenn auf die strahlungsempfindlichen Elemente 41 und 42 unterschiedliche Strahlungsenergien auftreffen. Eben diese entgegengesetzte Polarisierung der strahlungsempfindlichen Elemente 41 und 42 und deren lokale Trennung bewirken die selektive Empfindlichkeit auf bewegte Strahlungsquellen, wobei konstruktiv -durch entsprechenden mechanischen Aufbau- dafür zu sorgen ist, dass die strahlungsempfindlichen Elemente 41 und 42 so mit Signalenergie beaufschlagt werden, dass möglichst keine gegenseitige Auslöschung erfolgt.
Der Lastwiderstand 43 und ein nachgeschalteter Transistor 48 sind oft Bestandteil des pyroelektrischen IR-Sensors 4 insgesamt, wobei der numerische Wert des Lastwiderstands 43 die Empfindlichkeit und die Ansprechgeschwindigkeit bestimmen und der Transistor 48 die Aufgabe hat, die äusserst kleinen Spannungen über dem Lastwiderstand 43 vorzuverstärken. Die einzelnen Anschlusspunkte 45, 46 und 47 sind in diesem Ausführungsbeispiel für die weitere Beschaltung zugänglich.
Fig. 3 verdeutlicht die Funktionsweise eines für sehr kurze Ansprechdistanzen optimierten optischen Elementes 2: Dieses optische Element 2 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einer einzigen Schlitzblende mit der Oeffnung 21. Je nach der Position der Strahlungsquelle 1 bezüglich der Oeffnung 21 trifft die Strahlung auf eine unterschiedliche Stelle des optischen Filters 3 bzw. des pyroelektrischen IR-Sensors 4 und damit auf dessen strahlungsempfindliche Elemente.
Zu einem beliebigen Zeitpunkt ta trifft beispielsweise die gesamte durch die Oeffnung 21 des optischen Elementes 2 gelangende Strahlung der Strahlungsquelle 1 auf das strahlungsempfindliche Element 42 des pyroelektrischen IR-Sensors 4. Zu einem weiteren Zeitpunkt tb trifft keinerlei Strahlung der Strahlungsquelle 1 auf eines der strahlungsempfindlichen Elemente 41 oder 42. Zu einem nächsten Zeitpunkt tc trifft dann die gesamte durch die Oeffnung 21 des optischen Elementes 2 gelangende Strahlung der Strahlungsquelle 1 auf das strahlungsempfindliche Element 41 des pyroelektrischen IR-Sensors 4.
Dabei sind der Abstand zwischen optischem Element 2 und den strahlungsempfindlichen Elementen 41 und 42 und die Breite der Oeffnung 21 der Schlitzblende so auf den Arbeitsabstand -Abstand zwischen Strahlungsquelle 1 und optischem Element 2- und die Abmessungen der Strahlungsquelle 1 abgestimmt, dass zwischen Abtastungen zu den Zeitpunkten ta und tc ein Höchstmass an Kontrast erzielbar ist.
Für die Dimensionierung sind dabei folgende Richtwerte symptomatisch: Der Arbeitsabstand sollte im Ausführungsbeispiel "Wecker" kleiner als 0,7 m und der Auslöseweg zwischen den Zeitpunkten ta und tc ca. 20-30 cm betragen. Für die Abmessungen der Strahlungsquelle werden im Ausführungsbeispiel "Wecker" vorzugsweise die Abmessungen der menschlichen Hand verwendet.
Der Abstand zwischen Schlitzblende und pyroelektrischem Sensor berechnet sich dabei nach der Formel: $Abstand = Arbeitsabstand X \frac{Abstand der Sensorelemente}{Auslöseweg}$
In diesem Falle bedeutet also Arbeitsabstand die Entfernung vom Wecker, bei der dieser selektiv ansprechen soll, und der Auslöseweg stellt das Winkelfeld dar, welches zu überstreichen ist, um ein sicheres Auslösen zu erzeugen. Im vorliegenden Beispiel hat sich ein idealer Abstand von ca. 5mm ergeben.
In den Figuren 4a bis 4c sind verschiedene Stromlaufdiagramme, wie sie typisch beim Passieren einer Strahlungsquelle beim Weckeraufbau auftreten, aufgetragen. Die aus den zuvor gewonnenen Erkenntnissen auftretenden Periodenzeiten für übliche Handbewegungen bewegen sich dabei im Bereich von etwa 0,05-0,5 Sekunden.
Fig. 4a zeigt den Strom- bzw. Spannungsverlauf beim strahlungsempfindlichen Element 41. Die Strom- bzw. Spannungsamplitude erreicht zum Zeitpunkt ta ihren maximalen Wert.
Fig. 4b zeigt den Strom- bzw. Spannungsverlauf beim strahlungsempfindlichen Element 42. Die Strom- bzw. Spannungsamplitude erreicht hier ihren maximalen Wert zum Zeitpunkt tc.
Fig. 4c zeigt den am Ausgang eines pyroelektrischen Dual-IR-Sensors anliegenden Spannungsverlauf, der von der nachfolgenden Elektronik verarbeitet wird.
In den Figuren 5a und 5c sind Ausführungsbeispiele des optischen Elementes 2 gezeigt.
In Fig. 5a zeigt eine Vorderansicht in Prinzipdarstellung. Durch die Oeffnung 21 der Schlitzblende des optischen Elementes 2 sind die dahinterliegenden strahlungsempfindlichen Elemente 41 und 42 des pyroelektrischen IR-Sensors 4 und das optische Filter 3 sichtbar. Fig. 5c zeigt die Lösung mit einem pyroelektrischen Single-IR-Sensor 4.
In Fig. 5b ist die Seitenansicht dargestellt und dabei besonders gut die Krümmung des optischen Elementes 2 erkennbar. Eine vorteilhafte Krümmung verläuft dabei parallel (was natürlich konstruktiv nur bedingt realisierbar ist) zu den strahlungsempfindlichen Elementen 41 und 42. Diese Krümmung bewirkt, dass über das gesamte Gesichtsfeld X der Oeffnung 21 der Schlitzblende der Abstand zwischen den strahlungsempfindlichen Elementen 41 und 42 und dem optischen Element 2 konstant bleibt. Daraus ergibt sich der elektrische Vorteil, dass das Verhalten des Ausgangssignals über das gesamte Gesichtsfeld X weitgehend konstant bleibt.
Gegenüber einer flachen Ausführung des optischen Elementes 2 bedeutet dies eine Vergrösserung des Gesichtsfeldes bzw. des Winkels, unter dem eine Strahlung auf den pyroelektrischen IR-Sensor gelangt.
In den Figuren 6a und 6b ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines optischen Elementes 2 gezeigt.
Fig. 6a zeigt die prinzipielle Anordnung des optischen Elementes 2, des optischen Filters 3, des pyroelektrischen IR-Sensors 4 und der visuell vergrösserten strahlungsempfindlichen Elemente 41 und 42.
Fig. 6b zeigt an Stelle des optischen Filters 3 eine Linse 22, die in diesem Ausführungsbeispiel eine Zylinderlinse ist. Die Linse 22 dient der Erhöhung der Ansprechempfindlichkeit der Anordnung und dies wird dadurch realisiert, dass die Linse 22 eine grössere Menge an Strahlung auf die visuell vergrösserten strahlungsempfindlichen Elemente 41 und 42 bündelt. Der Abstand zwischen der Linse 22 und den strahlungsempfindlichen Elementen 41 und 42 entspricht dabei etwa der Brennweite der Linse 22.
Die Linsenkrümmung der Linse 22 verläuft in etwa entlang der Kontur der strahlungsempfindlichen Elemente 41 und 42. Dies dient zur Homogenisierung des Ansprechverhaltens bzw. zur Vergrösserung des Gesichtsfeldes X.
Fig.7 zeigt ein konstruktives Detail des Einbaus eines pyroelektrischen Sensors 4 in ein übliches Weckergehäuse, wobei es ganz besonders wichtig ist, dass der pyroelektrische IR-Sensor unter einem solchen Winkel W angebracht ist, dass das von seinem Signalfeld via optisches Gitter bestreichbare Auslösefeld vom Benutzer abgewendet ist, so dass zur Auslösung eine bewusste und gewollte Bewegung erforderlich ist und unbeabsichtigte Auslösungen vermieden werden können. Dazu ist auch erforderlich, dass die Schlitzblende assymmetrisch zur Aufnahme des pryroelektrischen IR-Sensors angeordnet ist.
Fig. 8 zeigt die elektronischen Details der Auswerteschaltung des Ausführungsbeispiels. Am Eingang der Schaltung liegt der pyroelektrische IR-Sensor 4. Diese Schaltung weist zudem einen (s.Fig.2b) FET-Vorverstärker 48 auf. Ein erster Ausgang 45 bildet dabei den Drainanschluss des FET-Vorverstärkers 48 und ein zweiter Ausgang 46 den Sourceanschluss des FET-Vorverstärkers 48.
In der Schaltung ist der Drainanschluss dann über einen ersten Widerstand 44 mit der Versorgungsspannung U verbunden. Der Sourceanschluss ist über einen zweiten Widerstand 54 mit der Masse 0 verbunden. Parallel zum zweiten Widerstand 54 liegt eine Kapazität 53. Auch diese Beschaltung dient zur Spannungsverstärkung bezüglich des Anschlusspunktes A. -Gegenüber einer bekannten Source-Follow-Schaltung, die bekanntlich nur eine Stromverstärkung bewirkt, wird die Leistungsverstärkung des Vorverstärkers durch diese Massnahme um Grössenordnungen verbessert.-
Zudem unterdrückt diese Art der Schaltung niedrige Frequenz- und Gleichstromanteile, d.h. es werden vorzugsweise die gewünschten Frequenzanteile verstärkt.
Das Bandpassfilter 5 ist aus den RC-Gliedern, einer zweiten Kapazität 51, einem dritten Widerstand 52, einer dritten Kapazität 53, einem vierten Widerstand 54 und einer vierten Kapazität 55 und einem fünften Widerstand 56 gebildet. Diese RC-Glieder bilden eine Bandpasscharakteristik, deren untere Grenzfrequenz durch das RC-Glied (zweite Kapazität 51, dritter Widerstand 52) und deren obere Grenzfrequenz durch das RC-Glied (dritte Kapazität 53, vierter Widerstand 54) bestimmt wird. Dabei ist die untere bzw. obere Grenzfrequenz auf die zuvor beschriebene Modulation des Eingangssignals abgestimmt. Durch diese Massnahme wird die Selektion der gewünschten Signale -beispielsweise resultierend aus einer Handbewegung- weiter begünstigt und damit die Ansprechzuverlässigkeit erhöht.
Eine solche Bandpasscharakteristik liegt entsprechend der Dimensionierung des optischen Elementes 2 etwa bei 2-20 Hz.
Der dem Bandpassfilter 5 nachgeschaltete Verstärker 6 umfasst in der vorliegenden Schaltung einen Operationsverstärker 61. Der Verstärker 6 ist dann mit dem Schwellwertdetektor 7 verbunden, der -wie schon vorgehend erwähnt- sowohl auf positive, als auch auf negative Impulse anspricht. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von pyroelektrischen Dual-IR-Sensoren notwendig, weil je nach Bewegungsrichtung der Strahlungsquelle 1, erst ein positiver oder erst ein negativer Impuls erzeugt werden kann.
Die Schwellwertspannung wird dabei durch einen sechsten Widerstand 71 und einen siebten Widerstand 72 sowie einen achten Widerstand 73 und einen neunten Widerstand 74 definiert.
Ein erster Transistor 76 und ein zweiter Transistor 77 sind im Schwellwertdetektor polaritätsverschieden geschaltet, d.h. ist beispielsweise der erste Transistor 76 ein pnp-Typ, so ist der zweite Transistor 77 ein npn-Typ. Das Verhältnis des sechsten Widerstandes 71 und des siebten Widerstandes 72 bzw. das des achten Widerstandes 73 und das des neunten Widerstandes 74 werden so bestimmt, dass bei fehlendem Signal am Eingang C die Spannungen über den Widerständen 74 und 71 kleiner sind als die Basisdurchbruchspannungen der Transistoren 76 und 77.
Somit sperren bei fehlendem Eingangssignal beide Transistoren. Trifft hingegen ein positiver Impuls am Eingang C des Schwellwertdetektors 7 ein, so wird der zweite Transistor 77 leitend und schaltet am Ausgang D auf die nachfolgende Stufe. Trifft aber ein negativer Impuls am Eingang C des Schwellwertdetektors 7 ein, so wird der erste Transistor 76 leitend und versetzt damit auch den zweiten Transistor 77 in leitenden Zustand. Somit wird also -in beiden zuvor beschriebenen Fällen- ein Signal an die Zeitsteuerungseinheit 8 abgegeben.
Die Spannungsstabilisierung 12, gebildet aus einem zweiten Lastwiderstand 121 und einer zweiten Lastkapazität 122, stabilisiert die Versorgungsspannung U des pyroelektrischen IR-Sensors 4 und des Eingangsteils des Verstärkers 6. Dies bewirkt eine sehr grosse Unabhängigkeit bezüglich der Belastungen von U. Beispielsweise kann die Speisung U von einer Batterie kommen und damit würde die Batteriespannung bei Belastung durch eine Glühlampe -ohne Stabilisierung- beträchtliche Schwankungen aufweisen. Solche Schwankungen können wegen der notwendig hohen Verstärkung des Eingangssignals zu Störungen führen und müssen damit vermieden werden.
Zudem wird angestrebt durch die Spannungsstabilisierung 12 auch das Verhalten der aus den Widerständen 44 und 54, sowie der Kapazität 53 gebildeten Schaltung bei unterschiedlichen Versorgungsspannungen zu kompensieren. Dies wird also durch den zuvor erwähnten zweiten Lastwiderstand 121 und die zweite Lastkapazität 122, die zwischen die Versorgungsspannung U und Masse 0 geschaltet sind, erreicht.
Zusätzlich ist eine weitere dritte Lastkapazität 123 zwischen die Versorgungsspannung U und eine Erdung K geschaltet, womit ähnlich einer Konstantspannungsquellen-Kompensation ein ähnliches Verhalten für den pyroelektrischen IR-Sensor 4 erreicht wird.
Die Figuren 9a bis 9c zeigen die wesentlichen Merkmale des räumlichen Aufbaus der mechanischen Komponenten eines Ausführungsbeispiels in Form eines Weckers.
Das in Fig. 9a in einer Explosionsdarstellung gezeigte Weckergehäuse W enthält eine übliche Uhrenanordnung mit einem elektromechanisch ausgeführten Uhrwerk 9, (welches in der vorliegenden Figur nur durch das entsprechende Bezugszeichen angedeutet ist) und dem an der dachseitigen Fläche des Weckergehäuses W vorgesehenen optischen Element 2. Die durch Handbewegungen auszulösenden Strahlungssignale erfolgen also in diesem Ausführungsbeispiel durch Ueberstreichen des Weckers mit einer Handbewegung.
Wie in Fig.9b -in einer Seitenansicht des gleichen Weckergehäuses in teilweise Prinzipdarstellung dargestellt-ist für das entsprechende Funktionieren der Anordnung vorgesehen, dass der pyroelektrische IR-Sensor 4 im Winkel W von etwa 90 Grad zur Standfläche des Gehäuses des Weckers befestigbar ist, und dass das optische Element 2 unter etwa dem gleichen Winkel über dem IR-Sensor befestigt wird.
Fig. 10a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel bezüglich der konstruktiven Ausführung des entsprechenden Weckergehäuses und dem darin anzuordnenden Uhrwerk 9 und dem optischen Element 2.
Fig. 10b stellt die Seitenansicht des gleichen Ausführungsbeispiels dar und dabei ist wiederum der Winkel W, unter dem der pyroelektrische IR-Sensor angebracht ist, von ausschlaggebender Bedeutung, nämlich so, dass der hier gegen die Frontseite gerichtete Sensor nicht direkt gegen den Benutzer gerichtet ist. Durch die Orientierung der Oeffnung 21 (in dieser Fig.10b nicht speziell bezeichnet; siehe Fig.3) der Schlitzblende des optischen Elementes 2 ist die Richtung des Gesichtsfeldes X -d.h. des ansprechempfindlichen Bereiches festgelegt.
Vorzugsweise liegt dieser Bereich über der Standfläche des Weckergehäuses W. Dadurch werden Auslösebewegungen, die auf annähernd gleicher Höhe wie die der Standfläche des Weckergehäuses W oder tiefer liegen zur Auswertung nicht erfasst. Die Neigung des Empfindlichkeitsvektors bezüglich der Horizontalen verhindert Fehlauslösungen durch Bewegungen eines Schlafenden in der Nähe des Weckers. Der Elevationswinkel W des Auslösevektors beträgt im Ausführungsbeispiel ca. 20 Grad.
Fig. 10c zeigt eine Frontansicht des mechanischen Aufbaus eines Weckers, dabei ist die Einbaulage des pyroelektrischen IR-Sensors 4 prinzipiell ersichtlich, insbesondere auch hinsichtlich der Standfläche des Weckergehäuses. Durch die teilweise aufgeschnittene Darstellung werden die strahlungsempfindlichen Elemente 41 und 42 des pyroelektrischen IR-Sensors 4 sichtbar. Die Anordnung derselben ist so, dass deren Längsachse sich parallel zur Standfläche des Weckergehäuses bewegt, d.h. die Elemente 41 und 42 sind übereinanderliegend angeordnet. Damit wird funktionell der Bewegungsrichtung eine erhöhte Empfindlichkeit senkrecht zur Standfläche zugeordnet. Bewegungen parallel zur Standfläche des Weckergehäuses W führen zu keiner Auslösung. Durch diese Massnahmen wird damit verhindert, dass eine Auslösung beim Vorbeilaufen einer Person am Wecker erfolgt.
In den Figuren 11a und 11b wird ein drittes Ausführungsbeispiel dargestellt, in dem die vertikale Anordnung des Weckers durch einen Aufbau ersetzt wird, bei dem eine gegen die Frontseite abgekrümmte Seitenwand zur Aufnahme des pyroelektrischen IR-Sensors vorgesehen ist.
Fig. 11a verdeutlicht die Anordnung des Sensors neben dem konventionellen Uhrwerk 9.
Fig. 11b verdeutlicht in einer Draufsicht die gleiche Anordnung wie in Fig. 11a die mechanisch-örtliche Lage der Komponenten und die Richtung des Auslösevektors. Der Evelationswinkel W beträgt dabei ca 45 Grad.

Claims

Wecker- oder Funkuhr mit einer Schaltungsanordnung zum Abschalten eines Wecksignals und/oder zum kurzzeitigen Einschalten einer Zifferblattbeleuchtung (10), mit einem im Infrarot arbeitenden Signaldetektor, mit einem Verstärker (6), und mit einem dem Verstärker (6) nachgeschalteten Schwellwertdetektor (7),
dadurch gekennzeichnet, dass
- der Signaldetektor ein pyroelektrischer IR-Sensor (4) ist,

- mit diesem zur Strom- und Spannungsverstärkung ein FET-Vorverstärker (48) verbunden ist,

- dem pyroelektrischen IR-Sensor (4) ein selektiv wirkendes optisches Element (2) vorgeschaltet ist, mit dem zwischen zeitlich unterschiedlichen Abtastungen (t_a, t_c) ein Höchstmass an Kontrast erzielbar ist,

- dem pyroelektrischen IR-Sensor (4) ein Bandpassfilter (5) nachgeschaltet und mit dem Verstärker (6) verbunden ist,

- eine mit diesem Schwellwertdetektor (7) verbundene Zeitauswerteschaltung mit Timer-Funktion (8) vorgesehen ist,
wobei das Bandpassfilter (5) so einstellbar ist, dass dessen Resonanzfrequenz der höchstmöglichen Verstärkung des pyroelektrischen IR-Sensors (4) entspricht und
dass das selektiv wirkende optische Element (2) und der pyroelektrische IR-Sensor (4) in einem etwa horizontal verlaufenden Gehäusedach eines Gehäuses (30) vorgesehen sind und dabei parallel zum Gehäusedach angeordnet sind.
Wecker- oder Funkuhr mit einer Schaltungsanordnung zum Abschalten eines Wecksignals und/oder zum kurzzeitigen Einschalten einer Zifferblattbeleuchtung (10) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das selektiv wirkende optische Element (2) durch eine Schlitzblende (21) gebildet ist.
Wecker- oder Funkuhr mit einer Schaltungsanordnung zum Abschalten eines Wecksignals und/oder zum kurzzeitigen Einschalten einer Zifferblattbeleuchtung (10) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das selektiv wirkende optische Element (2) durch eine Zylinderlinse (22) gebildet ist.
Wecker- oder Funkuhr mit einer Schaltungsanordnung zum Abschalten eines Wecksignals und/oder zum kurzzeitigen Einschalten einer Zifferblattbeleuchtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass dem selektiv wirkenden optischen Element (2) ein temperaturselektives optisches Filter (3) nachgeschaltet ist.
Wecker- oder Funkuhr mit einer Schaltungsanordnung zum Abschalten eines Wecksignals und/oder zum kurzzeitigen Einschalten einer Zifferblattbeleuchtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass als pyroelektrischer IR-Sensor (4) ein DUAL-IR-Sensor eingesetzt ist.
Wecker- oder Funkuhr mit einer Schaltungsanordnung zum Abschalten eines Wecksignals und/oder zum kurzzeitigen Einschalten einer Zifferblattbeleuchtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die FET-Schaltung (48) so ausgebildet ist, dass die Wechselspannungs-Verstärkung grösser als die Gleichspannungsverstärkung ist.
Wecker- oder Funkuhr mit einer Schaltungsanordnung zum Abschalten eines Wecksignals und/oder zum kurzzeitigen Einschalten einer Zifferblattbeleuchtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwertdetektor durch zwei gegenpolige Transistoren (76,77) gebildet ist, wobei deren Basis jeweils über je einen Spannungsteiler der zwischen Eingang und einer ersten Referenzspannung einerseits und zwischen Eingang und einer zweiten Referenzspannung andererseits geschaltet ist und wobei deren Emitterpolarität der Referenzspannungspolarität entspricht.
Wecker- oder Funkuhr mit einer Schaltungsanordnung zum Abschalten eines Wecksignals und/oder zum kurzzeitigen Einschalten einer Zifferblattbeleuchtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Timer (8) über die Zifferblattbeleuchtung (10) mit einem Lichtsensor (13) verbunden ist, über den sich die Einschaltung derselben blockieren lässt.
Wecker- oder Funkuhr mit einer Schaltungsanordnung zum Abschalten eines Wecksignals und/oder zum kurzzeitigen Einschalten einer Zifferblattbeleuchtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend ein Gehäuse (30) und ein mechanisches oder elektronisches Uhrwerk (9)
dadurch gekennzeichnet, dass das selektiv wirkende optische Element (2) so im Gehäuse (30) angebracht wird, dass die Auslösebewegungen ein Maximum an Signalenergie in den strahlungsempfindlichen Elementen (41, 42) des pyroelektrischen IR-Sensors (4) erzeugen.
Wecker- oder Funkuhr mit einer Schaltungsanordnung zum Abschalten eines Wecksignals und/oder zum kurzzeitigen Einschalten einer Zifferblattbeleuchtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend ein Gehäuse (30) und ein mechanisches oder elektronisches Uhrwerk (9)
dadurch gekennzeichnet, dass das selektiv wirkende optische Element (2) aus einer Schlitzblende mit zentralsymmetrischer Oeffnung (21) besteht, durch die nur jeweils -abhängig vom Auslöseort und von der Grösse des Auslösegegenstandes- die Strahlung auf ein einziges strahlungsempfindliches Element (41, 42) des pyroelektrischen IR-Sensors (4) gelangen kann.