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(11) | EP 1 683 457 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Sensoreinheit zur Verwendung in einem Urinal oder WC |
| (57) Sensoreinheit (12) zur Verwendung in einem Urinal (11) oder einem WC (21) mit einem
Audioteil und einem Piezosensor (14). Es ist eine Eingangsstufe vorhanden ist, die
mit dem Piezosensor (14) verbindbar ist, um Signale, die der Piezosensor (14) liefert
zu verarbeiten. Der Audioteil umfasst eine Membran (13) und eine Ausgangstufe zum
Ansteuern der Membran (13), wobei die Ausgangstufe mit der Eingangsstufe verbindbar
ist, um akustische Signale über die Membran (13) abzugeben falls der Piezosensor (14)
durch einen Urinstrahl (18) direkt oder indirekt angeregt wird. Der Audioteil und
der Piezosensor (14) bilden eine Einheit, die mindestens spritzwasserdicht ausgelegt
ist. An der Sensoreinheit (12) sind Befestigungsmittel (17) vorgesehen, um die Sensoreinheit
(12) so in einem Bereich (11.1) des Urinals (11) oder des WCs anbringen zu können,
dass der Piezosensor (14) durch den Urinstrahl (18) angeregt werden kann.
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Stand der Technik
[0002] Heutzutage wird die Unterhaltung in Bars und Restaurants gezielt gefördert. In den Toiletten in diesem Umfeld herrscht jedoch immer ein Unterhaltungsvakuum. Entsprechend gibt es vermehrt Ansätze, um auch diese Bereiche durch Spiele, akustische Beschallung, Werbung und dergleichen zu erschliessen.
[0003] Es gibt Ansätze, die es ermöglichen sogenannte Toilet-training devices in einem Urinal anzubringen, um das genaue Zielen mit einem Urinstrahl zu fördern. Die bisher bekannten Lösungen sind jedoch entweder zu kompliziert und teuer, oder sie sind nicht für einen zuverlässigen Einsatz unter den erschwerten Bedingungen geeignet.
[0004] Als nächstliegender Stand der Technik wird die in der Patentanmeldung GB 2 390 101 A beschriebene Lösung betrachtet. In dieser Patentanmeldung wird ein Toilet-training device beschrieben, das in einem WC oder in einem Urinal eingesetzt werden kann. Der Urinstrahl wird gemäss dieser Patentanmeldung entweder durch Auswertung der Temperatur, durch elektrische Messung oder durch Auswertung der chemischen Zusammensetzung detektiert. Ein solcher Ansatz bewährt sich jedoch in der Praxis nicht, da entweder die Empfindlichkeit zu niedrig ist und der Sensor nur schwer anspricht, oder die Empfindlichkeit zu hoch ist und damit der Sensor unkontrolliert anspricht. Ausserdem ist diese Art von Lösung störanfällig.
[0005] Es ist eine Aufgabe der im folgenden beschriebenen und beanspruchten Erfindung eine Lösung anzubieten, die einerseits robust ist, andererseits aber ausreichend sensibel auf das direkte oder indirekte Auftreffen eines Urinstrahls reagiert und ein akustisches Signal ausgibt.
[0006] Dabei sind besonders die folgenden Kriterien zu erfüllen:
- Beim Auftreffen des Urinstrahls ertönt ein Audiosignal (zum Beispiel Musik);
- Das Audiosignal soll qualitativ nicht all zu minderwertig sein und über eine minimale Lautstärke verfügen;
- Das Ansprechen der erfindungsgemässen Vorrichtung soll beim Auftreffen des Urinstrahls sehr dynamisch sein und möglichst ohne Zeitverzug reagieren (Reaktionszeit vorzugsweise < 0.2 Sekunden);
- Das Ansprechen der erfindungsgemässen Vorrichtung soll geringe Unterbrechungen des Urinstrahls überbrücken können, wobei diese Unterbrechung vorzugsweise zwischen 0.1 und 0.2 Sekunden liegen können;
- Die erfindungsgemässe Vorrichtung soll sehr zuverlässig sein;
- Die erfindungsgemässe Vorrichtung soll auch auf einen schwachen Urinstrahl reagieren können;
- Die erfindungsgemässe Vorrichtung soll auch auf einen Urinstrahl reagieren, der aus einer geringen Freifalldistanz (< 20 cm) auftrifft;
- Die erfindungsgemässe Vorrichtung soll auch dann zuverlässig reagieren, wenn ein Urinalstrahl mit weniger als 30° zur Oberfläche auftrifft;
- Die erfindungsgemässe Vorrichtung soll trotz hoher Empfindlichkeit möglichst nicht auf Spülwasser ansprechen;
- Die erfindungsgemässe Vorrichtung soll kompakt und in einem Stück gebaut sein;
- Die erfindungsgemässe Vorrichtung soll einfach in einem Urinal oder WC montierbar sein;
- Die erfindungsgemässe Vorrichtung soll hygienisch sein;
- Die erfindungsgemässe Vorrichtung soll möglichst lange einsatzbereit sein.
Zusammenfassung der Erfindung
[0007] Gemäss Erfindung wird eine Sensoreinheit bereit gestellt, die durch die Merkmale des Anspruchs 1 gekennzeichnet ist.
[0009] Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass einem Urinal-Benutzer oder dem Benutzer eines WCs nicht nur persönliche Unterhaltung angeboten wird, sondern dass dieser durch sein "gezieltes Verhalten" auch zu Förderung der oftmals erschwerten Hygiene beiträgt.
[0010] Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, dass das Spülwasser optimal über die ganze Sensoreinheit fliessen kann und dadurch eine gute Eigenreinigung ermöglicht (keine abstehende Teile).
[0011] In einer bevorzugten Ausführungsform kann die erfindungsgemässe Vorrichtung mindestens 48h betriebsbereit sein (Standby), und dabei während ca. 16h die Funktion mit dem Duty-cycle von mindestens 50% operieren. Bei seltener Verwendung erhöht sich die Betriebsbereitschaft auf mehr als 10 Tage (minimale Standby Zeit).
[0012] Die Erfindung schafft zudem auch Konsumanreize, da zum Beispiel das Gehäuse der Sensoreinheit als Werbeträger dienen kann, oder da die Sensoreinheit an sich als Werbemittel eingesetzt oder verteilt werden kann.
[0013] Weitere Vorteile der verschiedenen Ausführungsformen ergeben sich aus der Beschreibung und den Figuren.
ZEICHNUNGEN
[0014] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
- FIG. 1A - 1C
- schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
- FIG. 2A - 2B
- schematische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
- FIG. 3A - 3C
- schematische Darstellungen einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
- FIG. 4
- ein schematisches Blockdiagramm einer Schaltung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
- FIG. 5
- ein schematisches Blockdiagramm einer Schaltung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
- FIG. 6
- eine schematische Ansicht der Rückseite einer Sensoreinheit in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
- FIG. 7
- eine schematische seitliche Schnittdarstellung eines Teils einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung
[0015] Die Erfindung wird beispielhaft anhand von verschiedenen Ausführungsformen beschrieben. Bevor konkrete Ausführungsformen beschrieben werden, wird auf einige wesentliche Aspekte der Erfindung und deren konkrete Umsetzung eingegangen.
[0016] Untersuchungen haben ergeben, das entgegen der bekannten Lösungen die Verwendung von Piezosignalgeber besonders bevorzugt ist, da ein Piezosensor eine einfache Bauart aufweist, sehr flach und sehr günstig erhältlich ist. Der Piezosignalgeber kann sehr einfach auf Oberflächen angebracht werden. Gemäss Erfindung wird also ein Piezosignalgeber/Piezoquarz (Piezosensor) eingesetzt, der auf Druckbelastung ausgewertet wird. Es kann auch mehr als nur ein Piezosensor eingesetzt werden.
[0017] Untersuchungen haben ergeben, dass sich der Piezosensor besonders dafür eignet hinter einer Abdeckschicht, zum Beispiel eine Folie, eingesetzt zu werden. Dadurch wird der Piezosensor vom dem Urinstrahl und vom Spülwasser isoliert.
[0018] Um akustische Signale in ansprechender Qualität abgeben zu können wird eine Membran, zum Beispiel ein Lautsprecher, vorgesehen. Dieser soll beim Auftreffen des Urinstrahls akustische Signale, zum Beispiel eine lautstarke Musikmelodie, wiedergeben. Der Lautsprecher wird durch eine Abdeckschicht, zum Beispiel eine Folie, vom Urinstrahl und Spülwasser isoliert. Die Abdeckschicht ist wasserdicht und lässt trotzdem die Schallübertragung des darunter liegenden Lautsprechers zu. Die Abdeckschicht kann auch ein Bestandteil des Gerätegehäuses sein. Die Abdeckschicht kann auch Werbung aufweisen.
[0019] Die erfindungsgemässe Sensoreinheit sollte spritzwasserdicht oder komplett wasserdicht ausgeführt sein. Besonders bevorzugt ist eine flache Form der Sensoreinheit, wobei die Sensoreinheit auf der Oberseite mit einer schrägen Rampe (siehe Fig. 1C) versehen ist. Diese Rampe begünstigt das Darrüberfliessen des Spülwassers um eine optimale Reinigung der gesamten Sensoreinheit zu ermöglichen.
[0020] Die Sensoreinheit muss kompakt aufgebaut sein. Sie umfasst die Auswerteelektronik (Eingansstufe und Ausgangsstufe) sowie eine oder mehrere Batterien.
[0022] In Fig. 1A ist eine perspektivische Ansicht eines Urinals 11 mit erfindungsgemässer Sensoreinheit 12 gezeigt. Die Kombination eines solchen Urinals 11 mit der Sensoreinheit 12 wird gesamthaft mit der Referenznummer 10 bezeichnet. Aus Fig. 1A ist zu erkennen, dass die Sensoreinheit 12 so in einem Bereich 11.1 des Urinals 11 angebracht ist, dass die Sensoreinheit 12 direkt von einem Urinstrahl getroffen werden kann. In Fig. 1B ist eine schematische Schnittdarstellung und in Fig. 1C eine perspektivische Ansicht der Sensoreinheit 12 gezeigt.
[0023] Die efindungsgemässe Sensoreinheit 12 ist speziell zur Verwendung in einem Urinal 11 oder in einem WC (siehe Figuren 2A - 3C) ausgelegt. Die Sensoreinheit 12 umfasst einen Audioteil und einem Sensor. Bei dem Sensor handelt es sich um einen Piezosensor 14, der auf Druck reagiert. Es ist eine Eingangsstufe 15 vorhanden, die mit dem Piezosensor 14 verbunden ist, sobald die Sensoreinheit aktiviert wurde. Es kann zwischen dem Piezosensor 14 und der Eingangsstufe 15 eine permanente Verbindung bestehen, aber es ist auch denkbar, dass die Verbindung durch das Schliessen eines Schalters hergestellt oder durch das Einsetzen einer Batterie erst ermöglicht wird. Die Eingangsstufe 15 ist dazu ausgelegt die Signale zu verarbeiten, die der Piezosensor 14 liefert sobald er auf Druck belastet wird. Der Audioteil umfasst eine Membran 13, zum Beispiel einen Lautsprecher, und eine Ausgangstufe 16 zum Ansteuern der Membran 13. Wie in Fig. 1C angedeutet, ist die Ausgangstufe 16 mit der Eingangsstufe 15 verbindbar, um akustische Signale über die Membran 13 abzugeben falls der Piezosensor 14 durch einen Urinstrahl 18 direkt angeregt wird.
[0024] In Fig. 1B sind die Eingangsstufe 15 und Ausgangsstufe 16 als zwei separate Elemente gezeigt. In einer bevorzugten Implementierung der Erfindung sitzen die Eingangsstufe 15 und die Ausgangsstufe 16 auf einem gemeinsamen Träger, zum Beispiel auf einer Platine. Der Piezosensor 14 ist vorzugsweise fest mit diesem Träger, zum Beispiel durch Verlöten, verbunden.
[0025] Wie aus den Figuren 1B und 1C zu erkennen ist, bilden der Audioteil 13, 16 und der Piezosensor 14 mit Eingangsstufe 15 eine Funktionseinheit, die spritzwasserdicht oder in einer besonders bevorzugten Ausführungsform komplett wasserdicht ausgelegt ist. Der Begriff Einheit oder Funktionseinheit wird hier verwendet, um auszudrücken, dass alle für die Funktion wesentlichen Elemente in einem Gehäuse untergebracht sind oder zumindest eine gemeinsame Baugruppe bilden, die autark (ohne externe Anschlüsse) funktioniert.
[0026] An der Sensoreinheit 12 sind Befestigungsmittel 17 vorgesehen, um die Sensoreinheit 12 so in einem Bereich des Urinals 11 oder des WCs anbringen zu können, dass der Piezosensor 14 durch den Urinstrahl 18 angeregt werden kann. Bei der ersten Ausführungsform ist auf der Rückseite der Sensoreinheit 12 eine Klebefolie, zum Beispiel eine Doppelklebefolie, vorgesehen, um die Einheit 12 ganzflächig an einer Rückwand 11.1 des Urinals 11 festkleben zu können. Diese Folie kann zum Beispiel auch ein Batteriefach 50 auf der Rückseite der Sensoreinheit 12 abdecken, wie in Fig. 6 rein schematisch angedeutet.
[0027] Wenn im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung von einem Urinal oder einem WC die Rede ist, so sind diese Begriffe breit auszulegen. Die Erfindung kann zum Beispiel auch in Urinalen eingesetzt werden, die eine Wandfläche und einen davor verlaufenden Rinnstein umfassen, wie man sie häufig in öffentlichen Bereichen antrifft. Die Erfindung kann aber auch auf Toiletten eingesetzt werden wie sie im Asiatischen Raum bekannt sind, oder auf Toiletten, die behindertengerecht ausgestaltet sind. Die Verwendung der Begriffe WC bzw. Urinal soll also als Synonym für die anderen Arten von Toiletten verstanden werden.
[0028] In Fig. 2A ist eine perspektivische Ansicht eines WCs 21 mit erfindungsgemässer Sensoreinheit 12 gezeigt. Die Kombination eines solchen WCs 21 mit der Sensoreinheit 12 wird im Folgenden gesamthaft mit der Referenznummer 10 bezeichnet. Aus Fig. 2A ist zu erkennen, dass die Sensoreinheit 12 so in einem Bereich des WCs 21 angebracht ist, dass die Sensoreinheit 12 direkt von einem Urinstrahl getroffen werden kann. In Fig. 2B ist eine schematische Schnittdarstellung gezeigt.
[0029] Die erfindungsgemässe Sensoreinheit 12 ist speziell zur Verwendung in einem WC 21 ausgelegt. Die Sensoreinheit 12 umfasst auch bei der Verwendung in einem WC 21 einen Audioteil und einem Sensor. Bei dem Sensor handelt es sich um einen Piezosensor 14, der auf Druck reagiert. Es ist eine Eingangsstufe vorhanden, die mit dem Piezosensor 14 verbunden ist, sobald die Sensoreinheit aktiviert wurde. Die Eingangsstufe ist dazu ausgelegt die Signale zu verarbeiten, die der Piezosensor 14 liefert sobald er auf Druck belastet wird. Der Audioteil umfasst eine Membran 13, zum Beispiel einen Lautsprecher, und eine Ausgangstufe zum Ansteuern der Membran 13. Die Sensoreinheit 12 kann so ausgeführt sein, wie dies im Zusammenhang mit den Figuren 1A - 1C beschrieben wurde, oder die Sensoreinheit 12 kann angepasst werden, um der speziellen Situation in einem WC 21 Rechnung zu tragen. In Fig. 2B kann man erkennen, dass die Sensoreinheit 12 oberhalb der Wasseroberfläche 22 angebracht ist. Es werden akustische Signale über die Membran 13 abgegeben falls der Piezosensor 14 durch einen Urinstrahl direkt angeregt wird.
[0030] In den Figuren 3A - 3C ist eine andere Verwendung einer Sensoreinheit 12 gezeigt. Erneut wird die Sensoreinheit 12 in einem WC 21 eingesetzt. Im gezeigten Fall jedoch sitzt der Piezosensor unterhalb der Wasseroberfläche 22. Dass heisst, die Sensoreinheit 12 taucht mindestens mit einem unteren Ende in das Wasser ein. In diesem Fall erfolgt die Anregung des Piezosensors 14 indirekt. In Fig. 3C ist ein Zustand angedeutet, bei dem der Urinstrahl 18 auf das Wasser 22 auftritt. Durch das Auftreffen des Strahls 18 wird das Wasser 22 in Schwingung versetzt, wie in Fig. 3C angedeutet. Diese Schwingung überträgt sich nun auf den Piezosensor 14, der ein Ausgangssignal abgibt. Diese Art der Anregung wird als indirekte Anregung bezeichnet. Es liegt auf der Hand, dass die Sensoreinheit 12 eventuell einen höheren Verstärkungsfaktor haben muss, um auch in einer solchen Situation zu funktionieren. Setzt man den Verstärkungsfaktor hinauf, so handelt man sich jedoch eine höhere Empfindlichkeit gegen Rückkopplung ein. Ausserdem ergibt sich durch das Wasser eine grössere Empfindlichkeit gegen Rückkopplung. Dieser Effekt lässt sich unter anderem dadurch erklären, dass das Wasser Schall besonders gut überträgt. Umso mehr ist eine schaltungstechnische Lösung gefragt, die es erlaubt eine Trennung zu vollziehen.
[0031] Gemäss Erfindung gibt es einer weitere Art der indirekten Anregung. In diesem Fall wird das Gehäuse oder eine Teil des Gehäuses der Sensoreinheit durch das direkte Auftreffen eines Urinstrahls in Schwingung versetzt. Diese Schwingung übertragt sich, bei geeigneter Anordnung und Ausführung des Piezosensors 14 auf denselben. Bei dieser Art der Ausführungsform ist vorteilhaft, wenn der Piezosensor mechanisch so mit einem Teil des Gehäuses oder der Abdeckschicht gekoppelt ist, dass eine durch den Urinstrahl ausgelöste Anregung auf den Piezosensor 14 übertragen wird. Falls die Sensoreinheit zum indirekten Anregen ausgelegt werden soll, so empfiehlt es sich die schwachen Ausgangssignale von dem Piezosensor 14 besonders zu verstärken.
[0032] Im Folgenden werden anhand zweier Blockschaltbilder Details besonders geeigneter Schaltungen erläutert.
[0033] Wie im einleitenden Teil beschrieben, muss eine solche Sensoreinrichtung 12 eine ganze Reihe von Bedingungen erfüllen, um im Bereich eines Urinals 11 oder WCs 21 eingesetzt werden zu können.
[0034] Weiter erschwerend kommt hinzu, dass es bei einer Kombination eines Sensors 14, der auf akustische Signale und auf Druck reagiert, mit einer Membran 13, die akustische Signale abgibt, zu Rückkopplungen kommen kann. Diese Rückkopplungen treten besonders dann auf, wenn man Sensor 14 und Membran 13 nahe beieinander anordnet. Noch schwieriger wird die Situation, wenn Sensor 14 und Membran 13 in einem Gehäuse angeordnet sein sollen, oder wenn beide zusammen eine Baugruppe bilden sollen. Taucht man das Gehäuse teilweise in Wasser, so wird die Rückkopplungsproblematik noch kritischer, wie weiter oben beschrieben.
[0035] Untersucht man nun die Eigenschaften eines Urinstrahls 18, der direkt oder indirekt auf einen Piezosensor 14 einwirkt, so zeigt sich, dass der Urinstrahl 18 eine Aneinanderreihung diskreter Tröpfchen ist, wie in Fig. 1A schematisch angedeutet. Eine solche Tropfensequenz erzeugt beim Auftreffen auf dem Piezosensor 14 eine Anregung, die in oder nahe bei dem Frequenzbereich liegt, in dem akustische Signale durch die Membran 13 abgegeben werden, damit sie für das menschliche Ohr hörbar sind. Untersuchungen haben ergeben, dass das Ausgangssignal - ausgelöst durch den Urinstrahl - in einem Frequenzbereich zwischen 80 Hz und 220 Hz liegt. Die akustischen Signale liegen in einem Bereich zwischen 500 Hz und 5 kHz und vorzugsweise zwischen 1 kHz und 3 kHz. Dass heisst, die Schaltung muss so ausgelegt sein, dass diese Frequenzbereiche ausreichend getrennt werden können.
[0036] Die auswertbare Signalstärke des Piezosensors 14, d.h. das Ausgangssignal, das vom Piezosensor 14 abgegeben wird wenn ein Urinstrahl 18 auftrifft, ist direkt abhängig von dem Volumen, sowie von dem Aufschlagwinkels des Urinstrahls 18 auf dem Piezosensor 14. Flache Aufschlagwinkel und geringe Urinvolumina erzeugen ein schwaches Signal. Ausserdem hat die Freifallhöhe einen Einfluss. Wird die Freifallhöhe vergrössert, so wird die Frequenz grösser und die Amplituden werden stärker. Dieser Effekt gilt aber nur bis zu einem bestimmten Abstand.
[0037] Eine zuverlässige Ansprechfunktion der Sensoreinheit 12 kann nur erreicht werden, wenn die schwachen Ausgangssignale von dem Piezosensor 14 genügend gross verstärkt werden. Untersuchungen haben gezeigt, dass eine direkte Signalverstärkung mit Schwellwerterkennung jedoch den Nachteil bringt, dass auch die akustischen Signale aus dem Lautsprecher 13 mit verstärkt werden. Denn die von dem Lautsprecher 13 erzeugten Schallwellen werden innerhalb der Sensoreinheit 12 oder entlang der Einheit 12 auf den auf der Oberfläche aufgetragenen Piezosensor 14 übertragen.
[0038] Eine solche Rückkopplung kann mit einer "linearen" direkten Signalverstärkung jedoch nicht ohne weiteres ausgeschlossen werden. Diese Rückkopplung wird zudem durch die im akustischen Spektrum (Musikspektrum) liegende Eigenfrequenz der Piezosensoren 14 begünstigt. Die Resonanzfrequenz von Piezosensoren 14 ist bauart- und grössenabhängig. Typischerweise liegt die Resonanzfrequenz bei ca. 4000Hz.
[0039] Soll also ein Piezosensor 14 unter den beschriebenen Rahmenbedingungen eingesetzt werden, so müssen zur Unterdrückung der unerwünschten Sensoreinstreuung durch die akustischen Signale (Musik), elektrische und/oder mechanische Vorkehrungen getroffen werden.
[0040] Im Folgenden sind Beispiele mechanischer Lösungsansätze zur Verringerung der Rückkopplung aufgeführt:
- Mechanische und/oder räumliche Trennung zwischen Lautsprecher und Sensor;
- Lautsprecher Integration in das Gehäuse so, dass eine Musikwellenübertragung entlang des Gehäuses verringert wird;
- Gedämpfte Unterlage für Piezosensor, die Musikwellen entlang des Gehäuses dämpft;
- Verringerung der Lautstärke.
[0041] Obgenannte Lösungsansätze haben jedoch grosse Fertigungsnachteile oder einen direkten Einfluss auf die oben aufgelisteten Geräteanforderungen. Daher bietet sich nach genauer Analyse der verschiedenen mechanischen Lösungsansätze nur eine elektrische Vorkehrung zur Rückkopplungsunterdrückung an.
[0042] Gemäss Erfindung werden also schaltungstechnisch besondere Massnahmen getroffen, um die Anregung durch den Urinstrahl 18 von einer ungewollten Anregung (Rückkopplung) durch akustische Signale zu trennen.
[0043] Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Sensoreinheit 12 jedoch schnell ansprechen soll und auch in der Lage sein sollte durch lautere oder leisere akustische Signale die Stärke des auftreffenden Urinstrahls 18 anzuzeigen, oder Aussagen über die Treffergenauigkeit zu ermöglichen.
[0044] Ein weiteres Problem wird darin gesehen, dass die Sensoreinheit 12 dem Spülwasser oder anderen Einflüssen ausgesetzt ist, wenn sie, wie in Fig. 1A gezeigt, angeordnet ist. Das Spülwasser kann auch den Piezosensor 14 auslösen und würde akustische Signale in der Ausgangsstufe 16 und der Membran 13 auslösen. Dies ist unerwünscht, zumal solche störenden Signale, die nicht von einem Urinstrahl 18 verursacht werden, den Stromverbrauch der Sensoreinheit 12 erhöhen würden. Auch hier müssen also geeignete Gegenmassnahmen getroffen werden. Dabei ist es nicht möglich, die Sensoreinheit so aufzubauen, dass kein Spülwasser den Piezosensor 14 erreicht. Damit wäre zwar das Problem der störenden Signale gelöst, die Sensoreinheit 12 könnte aber nicht vom Spülwasser gereinigt werden.
[0046] Die einzelnen Tropfen des Urinstrahls 18 schlagen einzeln auf den Piezosensor 14 auf und erzeugen dadurch eine Serie grosser Signalspitzen als Ausgangssignal. Daraus lassen sich im Minimum zwei Charaktereigenschaften des Urinsignals ableiten.
[0047] Erstens: Die Auffächerung des Urinstrahls 18 in eine Tropfensequenz unterliegt dem Prinzip des Chaos ("Gauss-Verteilung"). Diese kann gut in einer ersten Näherung modelliert werden. Die mittlere Tropfensequenz (Tropfenfrequenz) liegt zwischen cirka 80 und 220 Hz.
[0048] Zweitens: Das Aufschlagen der Tropfen auf den Piezosensor 14 erzeugt ein elektrisches Signal mit einem relativ grossem Signalausschlag gegenüber dem Ruhezustand.
[0049] Ausserdem ist die Stärke des Ausgangssignals direkt vom Aufschlagwinkel des Urinstrahls 18 sowie der Freifallhöhe abhängig.
[0050] Daher wird in einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform die Sensoreinheit 12 schaltungstechnisch so ausgelegt ist, dass die unerwünschten Rückkopplungen zwischen dem Audioteil und dem Piezosensor 14 auf elektrischem Weg unterdrückt werden.
[0051] In Fig. 1B ist eine Schaltung mit Eingangsstufe 15 und Ausgangsstufe 16 angedeutet. Im folgenden wird eine erste konkrete Schaltung beschrieben, die in jeder der gezeigten Ausführungsformen eingesetzt werden kann.
[0052] Die Sensoreinheit 12 umfasst eine Eingangsstufe 35 und eine Ausgangstufe 36. Die Eingangsstufe 35 umfasst gemäss einer bevorzugten Ausführungsform, wie in Fig. 4 gezeigt, Mittel 31 zur Piezosignalverstärkung mit einem Bandpass. Der Bandpass ist auf die Charakteristik des Urinstrahls 18 abgestimmt. Die akustischen Signale, die von der Ausgangsstufe 36 und der Membran 13 abgegeben werden, zum Beispiel Musik die von einem handelsüblichen Musik-Chip 34 erzeugt wird, beinhalten ein Audiospektrum, das typischerweise zwischen 500 Hz und 5 kHz und vorzugsweise zwischen 1 kHz und 3 kHz liegt. Durch die der Urinstrahlcharakteristik angepasste Piezosignalverstärkung mit Bandpass werden die rückgekoppelten akustischen Signale (Musiksignale) auf den höheren Frequenzen stark gedämpft.
[0053] Konkret umfasst die in Fig. 4 gezeigte Schaltung Mittel 31 zur Piezosignalverstärkung mit einem Bandpass und Mittel 32 zur Schwellwerterkennung (zum Beispiel in Form eines Komparators). Die Eingangsstufe 35 ist analog ausgelegt. Die Signale, die am Ausgang der Mittel 32 bereitgestellt werden, dienen der Ausgangsstufe 36 als Eingangssignal. Die Ausgangsstufe 36 kann mindestens teilweise digital ausgelegt sein. Es sind Mittel 33 zur Ansteuerung einer Schaltung 34 vorgesehen. Die Schaltung 34 gibt ein Signal aus, das von der Membran 13 in ein akustisches Signal umgewandelt wird. Als Schaltung 34 kann zum Beispiel ein handelsüblicher Musik-Chip dienen. Die Mittel 33 zur Ansteuerung lösen die Abgabe eines akustischen Signals aus und/oder beeinflussen der Abgabe des akustischen Signals. So kann zum Beispiel bei ansteigender Trefferdauer oder bei zunehmender Trefferhäufigkeit das akustische Signal lauter ausgegeben werden oder es kann sich die Frequenz ändern.
[0054] Es ist auch möglich, wie in Fig. 4 durch die gestrichelte Linie 37 angedeutet, ein analoges Signal an einer geeigneten Stelle der Schaltung abzugreifen und dem Ausgang zuzuführen.
[0055] Im Prinzip ist jedes akustische Signal brauchbar, dass dazu geeignet ist ein Feedback zu geben. Bei dem akustischen Signal kann es sich um ein Signal handeln, das in dem Chip oder anderweitig (zum Beispiel durch die Vorstufe) erzeugt wird. Es kann sich aber auch um Signale (zum Beispiel Polyphone Klänge, wie sie bei modernen Mobiltelefonen vorkommen) handeln, die aufgezeichnet wurden.
[0056] Eine weitere Ausführungsform der Schaltung einer Sensoreinheit 12 ist in Fig. 5 gezeigt. Die Schaltung 40 umfasst einen Piezosensor 14 eine Eingangsstufe 45, eine Ausgangsstufe 46 und eine Membran 13 (Lautsprecher). Der Piezosensor 14 wird auf der Eingangsseite durch einen Widerstand R1 und einer Kondensator C1 entkoppelt, um nur den AC-Anteil weiterzuleiten. Das so erzeugte AC-Ausgangssignal des Piezosensors 14 wird über einen symmetrischen Spannungsteiler aus den Widerständen R dem Eingang eines Verstärkers 41 zugeführt. Der Verstärker 41 ist so mit den Widerständen R1 und R3 und den Kondensatoren C1 und C3 beschaltet, dass sich eine Bandpass-Charakteristik ergibt. D.h., der Verstärker 41 wirkt als Bandpass Filter. Vorzugsweise wird eine Cut-Off Frequenz des Bandpass Filters im Bereich von 100 - 120 Hz gewählt. Der Verstärker 41 sollte eine Verstärkung (gain) zwischen 50 und 500, vorzugsweise im Bereich von 300, aufweisen. Das Ausgangssignal der Eingangsstufe 45 wird über eine Diode D1 der Ausgangsstufe 46 zugeführt. Dort ist eine SchwellwertErkennung mit einem Operationsverstärker 42 und einem Spannungsteiler aus den Widerständen R5 und R6 aufgebaut (diese Elemente bilden einen Komparator). Durch diesen Spannungsteiler wird eine Vergleichsspannung (Schwellwert) am negativen Eingang des Operationsverstärkers 42 festgelegt. Erreicht der positive Eingang des Operationsverstärkers 42 den Schwellwert, so wird ein Ausgangssignal ausgelöst.
[0057] Bei der Dimensionierung der Schwellwerterkennung sollte ein Kompromiss zwischen der auftretenden Häufigkeit und der Signalstärke der durch einen Urinstrahl ausgelösten Signale berücksichtigt werden.
[0058] Ausgangsseitig ist der Operationsverstärker 42 über einen Transistor T1 zum Beispiel mit einem Musik-Chip 43 verbunden. Der Transistor T1 steuert den Musik-Chip 43 so, dass dieser an der Ausgangsseite ein verstärktes Analogsignal an den Lautsprecher 13 abgibt. Es ist auch möglich, wie in Fig. 5 durch zwei gestrichelte Linien 48 oder 49 angedeutet, ein analoges Signal an einer geeigneten Stelle der Schaltung abzugreifen und dem Ausgang zuzuführen. In diesem Fall wird quasi das Auftreffen der Tropfen des Urinstrahls hörbar gemacht.
[0059] Die in Fig. 5 gezeigte Schaltung kann auch mit diskreten Bauteilen, d.h. ohne Verwendung von ICs aufgebaut werden. In diesem Fall hat es sich bewährt, wenn man den Bandpass Filter und die Verstärkung zweistufig aufbaut und ihm eine untere Cut-Off Frequenz im Bereich zwischen 80 und 100 HZ und eine obere Cut-Off im Bereich zwischen 110 und 140 Hz zuordnet.
[0060] Weiterhin wird bevorzugt die Eingangsstufe so auszulegen, dass ebenfalls Sensorsignale beim Spülen, die auf tiefen Frequenzen zu erwarten sind, gedämpft werden.
[0061] Gemäss einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform umfasst die Schaltung, bestehend aus Eingangs- und Ausgangsstufe, eine Schwellwerterkennung, die hinter einem Verstärker angeordnet ist, wie beschrieben. Diese Schwellwerterkennung ist so ausgelegt, dass sie hauptsächlich nur auf die Urinstrahlsignale reagiert.
[0062] Die Auswertung ist vorzugsweise auf flache Aufschlagwinkel des Urinstrahls 18 und auf die gewünschte Freifallhöhe ausgelegt.
[0063] Je nach Fertigung kann ein bedruckter Plastikkleber (zum Beispiel mit Werbung) als Abdeckschicht 12.1 dienen, wobei dieser Plastikkleber den Sensor und den Lautsprecher in einem abdeckt.
[0064] Die Sensoranordnung des Piezosensors ist vorzugsweise so gewählt, dass in Flussrichtung des Spülwassers beim Spülen ein möglichst kleines Signal erzeugt wird ohne jedoch die Selbstreinigungswirkung zu unterbinden.
[0065] Die erfindungsgemässe Sensoreinheit 12 weist vorzugsweise eine oder mehrere Batterien 51 auf (siehe zum Beispiel Fig. 6), um die Eingangsstufe 35, 45 und die Ausgangsstufe 36, 46 zu speisen. In Fig. 5 würde die Batterie zwischen dem positiven Pol 47 und der Erdung angeschlossen.
[0066] Vorzugsweise ist die/sind die Batterien 51 entnehmbar angeordnet. Dies hat zum Beispiel aus Umweltschutzgründen Vorteile. Die Batterie 51 ist vorzugsweise auf der Rückseite zugänglich und kann wahlweise zur getrennten Entsorgung entfernt werden. Gegebenenfalls wird beim Entfernen der Batterie 51 die Sensoreinheit 12 zerstört.
[0067] Gemäss einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform umfasst der Piezosensor ein plattenförmiges Element 14.1, das mechanisch mit dem Piezokristall 14.2 des Piezosensors verbunden ist, wie in Fig. 7 in einer seitlichen Schnittdarstellung schematisch angedeutet. Dieses plattenförmige Element 14.1 liegt ausserhalb der vom eine Gehäuse umschlossenen oder von einer Abdeckschicht 12.1 abgedeckten Sensoreinheit. Das plattenförmige Element 14.1 ermöglicht es eine grössere "Trefferfläche" zu definieren. Ausserdem kann bei der gezeigten Konstellation eine gute Abdichtung gegen eindringende Feuchtigkeit erzielt werden.
1. Sensoreinheit (12) zur Verwendung in einem Urinal (11) oder einem WC (21) mit einem
Audioteil und einem Sensor, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Sensor ein Piezosensor (14) ist,
- eine Eingangsstufe (35; 45) vorhanden ist, die mit dem Piezosensor (14) verbindbar ist, um Signale, die der Piezosensor (14) liefert zu verarbeiten,
- der Audioteil eine Membran (13) und eine Ausgangstufe (36; 46) zum Ansteuern der Membran (13) umfasst, wobei die Ausgangstufe (36; 46) mit der Eingangsstufe (35; 45) verbindbar ist, um akustische Signale über die Membran (13) abzugeben falls der Piezosensor (14) durch einen Urinstrahl (18) direkt oder indirekt angeregt wird,
- der Audioteil und der Piezosensor (14) eine Einheit bilden, die mindestens spritzwasserdicht ausgelegt ist,
- an der Sensoreinheit (12) Befestigungsmittel (17) vorgesehen sind, um die Sensoreinheit (12) so in einem Bereich (11.1) des Urinals (11) oder des WCs (21) anbringen zu können, dass der Piezosensor (14) durch den Urinstrahl (18) angeregt werden kann.
2. Sensoreinheit (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsstufe (35; 45) so ausgelegt ist, dass Rückkopplungen zwischen dem Audioteil
und dem Piezosensor (14) unterdrückt werden.
3. Sensoreinheit (12) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangstufe (36; 46) eine Signalquelle (34; 43), vorzugsweise einen Sound- oder
Musikchip, umfasst, wobei die Signalquelle (34; 43) ein Signal abgibt wenn der Piezosensor
(14) durch den Urinstrahl (18) angeregt wird und dieses Signal dann als akustisches
Signal über die Membran (13) abgegeben wird.
4. Sensoreinheit (12) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangstufe (36; 46) so ausgelegt ist, dass das akustische Signal eine Abhängigkeit
von der Urinstrahlstärke und/oder der Treffergenauigkeit hat.
5. Sensoreinheit (12) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangstufe (36; 46) so ausgelegt ist, dass das akustische Signal eine Abhängigkeit
von der Tropfenfrequenz des Urinstrahls hat.
6. Sensoreinheit (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (12) eine Abdeckschicht (12.1), vorzugsweise eine Abdeckfolie umfasst,
wobei der Audioteil und der Piezosensor (14) in Bezug auf den auftreffenden Urinstrahl
(18) hinter der Abdeckschicht (12.1) angeordnet sind.
7. Sensoreinheit (12) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckschicht (12.1) eine Schallübertragung der darunter liegenden Membran (13)
ermöglicht, damit das akustische Signal hörbar ist.
8. Sensoreinheit (12) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckschicht (12.1) Teil eines Gehäuses der Sensoreinheit (12) ist, der das
Gehäuse nach vorne hin abschliesst.
9. Sensoreinheit (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (12) eine Form hat, die es einerseits ermöglicht den Piezosensor
(14) direkt oder indirekt durch den Urinstrahl (18) anzuregen und die andererseits
ein Umfliessen von Spülwasser des Urinals (11) oder des WCs (21) ermöglicht, ohne
dass sich die Sensoreinheit (12) vom Urinal (11) oder WC (21) unbeabsichtigt löst.
10. Sensoreinheit (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Batterien vorhanden sind, um die Eingangsstufe (35; 45) und die
Ausgangsstufe (36; 46) zu speisen.
11. Sensoreinheit (12) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehrere Batterien (51) entnehmbar angeordnet sind.
12. Sensoreinheit (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie so ausgeführt ist, dass sie autark funktioniert.