EP0432345A2 - Wecker- oder Funkuhr mit einer Schaltungsanordnung zum Steuern derselben - Google Patents

Abstract

Die Wecker-, Termin- oder Funkuhr umfasst neben dem üblichen elektromechanischen Uhrwerk 9 einen pyroelektrischen IR-Sensor 4, der es ermöglicht, die entprechende Uhr zur Schaltung von einer Zifferblattbeleuchtung 10, oder einer Alarmauslösung 11 und/oder Wecksignalbeendigung zu verwenden. Wenn sich der Benutzer der Uhr in deren Nähe aufhält und beispielsweise durch entsprechende Handbewegung eine IR-Strahlungsänderung bewirkt, lässt sich diese Aenderung in ein Signal umsetzen. Vorzugsweise detektiert die Vorrichtung nicht nur das Bewegungssignal selber, sondern auch die Strahlungstemperatur.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Steuern von Wecker-,Funk-, Termin- und Grossuhren-Funktionen, sowie eine Vorrichtung zur Verwendung dergleichen, insbesondere zum Abschalten eines Wecksignals und/oder zum kurzzeitigen Ein­schalten einer Zifferblattbeleuchtung eines Wecker.
• 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 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 blose 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 vorgesehenen 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 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.
• Die bekannten Anwendungen reagieren also auf die Anwesendheit einer sich bewegenden Person in grosser Distanz in gleicher Wei­se, als auf eine gezielte, kleine Handbewegung in der Nähe eines Weckers. 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 Wecker-, Funk-,Termin- und Grossuhren im Batteriebetrieb sicher stellt und eine selektive Auslösung von Steuerfunktionen erlaubt.
• Die erfindungsgemässe Aufgabe muss ferner so konzipiert sein, dass sie ein Schalten aus einem Abstand von 0.5 m bis etwa 1m ermöglicht und dabei über einen sehr weiten Winkel (grösser 60 Grad) aktivierbar ist. Dies gestattet dann ein sicheres Auslösen, beispielsweise einer Uhr, bei absoluter Dunkelheit -ohne jedes Suchen-. Ein Auslösen aus grösserer Entfernung soll hingegen ver­mieden werden. Zudem soll die Vorrichtung nur auf Signale reagie­ren, die von Quellen mit einer vorbestimmbaren Temperatur ausge­hen.
• Zudem muss die erfindungsgemässe Anordnung aber auch bestimmte Signale ebenso zuverlässig unterdrücken können. Beispielsweise darf sie nicht auf Aussendungen von Glühlampen, Leuchtstofflampen und/oder Heizkörper reagieren. Ebensowenig darf beim einfachen Vorbeigehen einer Person beispielsweise eine Auslösung erfolgen. Schliesslich soll die Anordnung beispielsweise bei unbeabsichtig­ten Bewegungen von schlafenden Personen nicht auslösen.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass als an­näherungsempfindliches Element ein pyroelektrischer Infrarot-Sen­sor mit ganz spezieller Einbau- und Beschaltungsweise, mit einer speziellen Gestaltung der Eintrittsöffnung der Empfangssignale, einer speziellen Positionierung und Einbaurichtung des Infrarot-­Sensors gegenüber einem die Anordnung umgebenden Gehäuse und/oder optimale vor dem Sensor angebrachte Filteranordnungen, verwendet wird.
• Pyroelektrische Infrarot-Sensoren (s.bspw. US-PS 4,755, 674) sind per se bekannt und werden heute hauptsächlich zur automatischen Raum- und Tür-Ueberwachung, oder aber -wie schon zuvor erwähnt- bei Feuer-Ueberwachungs-Systemen, eingesetzt.
• Als besonderer Vorteil beim Einsatz eines pyroelektrischen Infra­rot-Sensors zum Schalten von Wecker-, Termin-, Funk- und Gross-­Uhrenfunktionen in der erfindungsgemässen Art ergibt sich bei dem geringen notwendigen Schaltungsaufwand ein sehr geringer Strom­verbrauch und der mögliche Verzicht auf einen eigenen Sender und Empfänger 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 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 optischen Gitters -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 menschlischen Kör­pers oder Körperteils, über ein optisches Gitter 2 (oder eine Frenelllinse) auf ein optisches Filter 3, und von dort weiterge­leitet auf einen pyroelektrischen IR-Sensor 4. Das optische Git­ter 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 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 Gitter 2 angepasstes Bandpass­filter 5 bewirkt, dass die gewünschten Frequenzkomponenten des durch das optische Gitter 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.
• Bei der Verwendung von zwei -vorzugsweise in Serie geschalteten- Batterien als Spannungsquelle, wird bei der beschriebenen Anord­nung die Zifferblattbeleuchtung 10 mit der ersten Batterie und das Uhrwerk 9, mit der zweiten Batterie verbunden. Dadurch wird eine optimal mögliche, gleichmässige Entladung beider Batterien er­reicht.
• Im weiteren umfasst die gesamte Anordnung einen Richtsensor 13, über den sich das Umgebungslicht detektieren lässt. Dieser ist dabei so eingestellt, dass bei genügender Helligkeit der Umgebung die Auslösung der Zifferblattbeleuchtung 10 unterdrückt wird. Dies verhindert eine unnötige Belastung der ihm die Energie lie­fernden Batterie.
• 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 Gitters 2 und dem Abstand zwischen dem opti­schen Gitter 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 Elemente geschalteten Lastwi­derstand 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 der 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 Gitters 2: Dieses optische Gitter 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 pyroelektrische IR-Sensors 4 und damit auf dessen strahlungs­empfindliche Elemente.
• Zu einem beliebigen Zeitpunkt ta trifft beispielsweise die gesam­te durch die Oeffnung 21 des optischen Gitters 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 Gitters 2 gelangende Strahlung der Strahlungsquelle 1 auf das strahlungsempfindliche Element 41 des pyroelektrischen IR-Sensors 4.
• Dabei sind der Abstand zwischen optischem Gitter 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 Gitter 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:

  
• 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 Gitters 2 gezeigt.
• In Fig. 5a zeigt eine Vorderansicht in Prinzipdarstellung. Durch die Oeffnung 21 der Schlitzblende des optischen Gitters 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 Gitters 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 strahlungsempfindlichen Elementen 41und 42 und dem op­tischen Gitter 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 Gitters 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 Gitters 2 gezeigt.
• Fig. 6a zeigt die prinzipielle Anordnung des optischen Gitters 2, des optischen Filters 3, des pyroelektrischen IR-Sensors 4 und der durch das 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 Einbaues eines pyroelek­trischen Sensors 4 in ein übliches Weckergehäuse, wobei es ganz besonders wichtig ist, dass der pyroelektrische IR-Sensor unter einem solche Winkel W angebracht ist, dass das von seinem Signal­feld via optisches Gitter bestreichbares Auslösefeld vom Benutzer abgewendet ist, sodass 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 Gitters 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 Sinal 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 gebildetetn 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 Aufbau 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.) dem an der dachseitigen Fläche des Weckergehäuses W vorgesehenen optischen Gitter 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 Prinzip- Darstellung gezeigt- 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 Gitter 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 Gitter 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 Gitters 2 wird 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 Aufbau eines Weckers, dabei ist die Einbaulage des pyroelektrischen IR-Sensors 4 in etwa 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 ein Aufbau ersetz 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 Evalationswinkel W beträgt dabei ca 45 Grad.

Claims (13)

1. Schaltungsanordnung zum Steuern von Wecker-, Funk-, Termin- und Gross-Uhrenfunktionen, insbesondere zum Abschalten eines Wecksignals und/oder zum kurzzeitigen Einschalten einer Ziffer­blattbeleuchtung eines Weckers, mit einem
- pyroelektrischen IR-Sensor (4) als Signaldetektor,
- mit diesem zur Strom- und Spannungsverstärkung verbundenen FET-Vorverstärker (48),
- dem pyroelektrischen IR-Sensor (4) vorgeschalteten opti­schen Gitter (2),
- dem pyroelektrischen IR-Sensor (4) nachgeschalteten Band­passfilter (5) und mit diesem verbundenen Verstärker (6),
- dem Verstärker (6) nachgeschalteten Schwellwertdetektor (7) und einer mit dieser verbundenen Zeitauswerteschaltung -Ti­mer (8),
wobei das Bandfilter (5) so einstellbar ist, dass dessen Reso­nanzfrequenz der höchstmöglichen Verstärkung des pyroelektrischen IR-Sensors entspricht.

2. Schaltungsanordnung zum Steuern von Wecker-, Funk-, Termin- und Gross-Uhrenfunktionen, insbesondere zum Abschalten eines Wecksignals und/oder zum kurzzeitigen Einschalten einer Ziffer­blattbeleuchtung eines Weckers, nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das optische Gitter (2) durch eine Schlitzblende (21) gebildet ist.

3. Schaltungsanordnung zum Steuern von Wecker-, Funk-, Termin- und Gross-Uhrenfunktionen, insbesondere zum Abschalten eines Wecksignals und/oder zum kurzzeitigen Einschalten einer Ziffer­blattbeleuchtung eines Weckers, nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das optische Gitter (2) durch eine Zylinderlinse (22) gebildet ist.

4. Schaltungsanordnung zum Steuern von Wecker-, Funk-, Termin- und Gross-Uhrenfunktionen, insbesondere zum Abschalten eines Wecksignals und/oder zum kurzzeitigen Einschalten einer Ziffer­blattbeleuchtung eines Weckers, nach einem der vorangehenden An­sprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass dem optischen Gitter (2) ein temperaturselektives optisches Filter (3) nachge­schaltet ist.

5. Schaltungsanordnung zum Steuern von Wecker-, Funk-, Termin- und Gross-Uhrenfunktionen, insbesondere zum Abschalten eines Wecksignals und/oder zum kurzzeitigen Einschalten einer Ziffer­blattbeleuchtung eines Weckers, nach einem der vorangehenden An­sprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass als pyroelek­trischer IR-Sensor (4) ein DUAL-IR-Sensor eingesetzt ist.

6. Schaltungsanordnung zum Steuern von Wecker-, Funk-, Termin- und Gross-Uhrenfunktionen, insbesondere zum Abschalten eines Wecksignals und/oder zum kurzzeitigen Einschalten einer Ziffer­blattbeleuchtung eines Weckers, nach einem der vorangehenden An­ sprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die FET-Schal­tung (48) so ausgebildet ist, dass die Wechselspannungs-Verstär­kung grösser als die Gleichspannungsverstärkung ist.

7. Schaltungsanordnung zum Steuern von Wecker-, Funk-, Termin- und Gross-Uhrenfunktionen, insbesondere zum Abschalten eines Wecksignals und/oder zum kurzzeitigen Einschalten einer Ziffer­blattbeleuchtung eines Weckers, 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.

8. Schaltungsanordnung zum Steuern von Wecker-, Funk-, Termin- und Gross-Uhrenfunktionen, insbesondere zum Abschalten eines Wecksignals und/oder zum kurzzeitigen Einschalten einer Ziffer­blattbeleuchtung eines Weckers, nach einem der vorangehenden An­sprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Timer (8) über eine Zifferblattbeleuchtung (10) mit einem Lichtsensor (13) verbunden ist, über den sich die Einschaltung derselben blockie­ren lässt.

9. Vorrichtung zur Verwendung der Schaltungsanordnung zum Steu­ern von Wecker-, Funk-, Termin- und Grossuhrenfunktionen, insbe­sondere zum Abschalten eines Wecksignals und/oder zum kurzzeiti­gen Einschalten einer Zifferblattbeleuchtung eines Weckers, nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend ein Gehäuse (30) und ein mechanisches oder elektronisches Uhrwerk (9)
dadurch gekennzeichnet, dass das optische Gitter (2) so im Gehäuse (30) angebracht wird, dass die Auslöse­ bewegungen ein Maximum an Signalenergie in den strahlungsempfind­lichen Elementen (41, 42) des pyroelektrischen IR-Sensors (4) er­zeugen.

10. Vorrichtung zur Verwendung der Schaltungsanordnung zum Steu­ern von Wecker-, Funk-, Termin- und Grossuhrenfunktionen, insbe­sondere zum Abschalten eines Wecksignals und/oder zum kurzzeiti­gen Einschalten einer Zifferblattbeleuchtung eines Weckers, nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend ein Gehäuse (30) und ein mechanisches oder elektronisches Uhrwerk (9)
dadurch gekennzeichnet, dass das optische Gitter (2) und der pyroelektrische IR-Sensor (4) in einer annä­hernd vertikal verlaufenden Gehäusewand vorgesehen sind und in einem gegen die Horizontale des Gehäusebodens ausgerichteten und geneigten Winkel angeordnet sind.

11. Vorrichtung zur Verwendung der Schaltungsanordnung zum Steu­ern von Wecker-, Funk-, Termin- und Grossuhrenfunktionen, insbe­sondere zum Abschalten eines Wecksignals und/oder zum kurzzeiti­gen Einschalten einer Zifferblattbeleuchtung eines Weckers, nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend ein Gehäuse (30) und ein mechanisches oder elektronisches Uhrwerk (9)
dadurch gekennzeichnet, dass das optische Gitter (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.

12. Vorrichtung zur Verwendung der Schaltungsanordnung zum Steu­ern von Wecker-, Funk-, Termin- und Grossuhrenfunktionen, insbe­sondere zum Abschalten eines Wecksignals und/oder zum kurzzeiti­gen Einschalten einer Zifferblattbeleuchtung eines Weckers, nach Anspruch 9, umfassend ein Gehäuse (30) und ein mechanisches oder elektronisches Uhrwerk (9)
dadurch gekennzeichnet, dass der pyroelek­trische DUAL-IR-Sensor (4) so in der vertikal verlaufenden Gehäu­sewand des Gehäuses (30) eingebaut ist, dass strahlungsempfindli­chen Elemente (41, 42) übereinander angeordnet sind, sodass be­vorzugt Bewegungen in vertikaler Richtung detektiert werden.

13. Vorrichtung zur Verwendung der Schaltungsanordnung zum Steu­ern von Wecker-, Funk-, Termin- und Grossuhrenfunktionen, insbe­sondere zum Abschalten eines Wecksignals und/oder zum kurzzeiti­gen Einschalten einer Zifferblattbeleuchtung eines Weckers, nach einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend ein Gehäuse (30) und ein mechanisches oder elektronisches Uhrwerk (9)
dadurch gekennzeichnet, dass das optische Gitter (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.

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