Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein am Körper tragbares oder in diesen einbringbares elektronisches Gerät sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Pulsuhr und/oder Smartwatch und/oder Sonde und/oder Implantat mit einer photoplethysmographischen Messeinrichtung.

Hintergrund der Erfindung

Am Körper tragbare elektronische Geräte, bei welchen die Rückseite des Gerätes auf der Haut des Benutzers aufliegt, sind bekannt.

Insbesondere bekannt sind sogenannte Pulsuhren, also elektronische Geräte, die eine

Messeinrichtung für den Puls aufweisen. Moderne Pulsuhren sind in der Regel multifunktional und weisen nicht nur eine Pulsmesseinrichtung, sondern Komponenten für eine Reihe von anderen Funktionen auf. Insbesondere können derartige Uhren ein Display, ein GPS-Modul etc. umfassen. Solche Uhren werden auch als„smart watch“ bezeichnet.

Die ersten auf dem Markt verfügbaren als Pulsuhren ausgebildeten Messeinrichtungen arbeiteten nach dem elektrokardiografischen Messprinzip. Dieses Messprinzip hat den Vorteil, dass es eine recht genaue Messung ermöglicht.

Nachteilig an dem elektrokardiografischen Messprinzip ist allerdings dessen in der Regel hoher Energieverbrauch. Auch ist die Bereitstellung einer elektrokardiografischen Messeinrichtung in einer smart watch aufwendig. Insbesondere bei smart watches hat sich daher als gängiges Messprinzip die photoplethysmographische Messmethode etabliert.

Eine Pulsuhr, die nach diesem Messprinzip arbeitet, ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift WO 2015/102589 A1 gezeigt.

Das photoplethysmographische Messprinzip lässt sich preiswert und unter Verwendung von wenig Bauraum, beispielsweise in der Rückseite einer Pulsuhr, integrieren.

Das Messprinzip nutzt die Tatsache, dass die Absorption von Licht, insbesondere die Absorption bestimmter Wellenlängen von der Hämoglobinkonzentration im Blut abhängig ist.

Die Absorption steigt mit steigender Hämoglobinkonzentration. So kann anhand des Verlaufs der Absorption von Licht der Puls bestimmt werden.

Photoplethysmographische Messeinrichtungen verwenden hierfür eine Sendediode, insbesondere eine LED, sowie eine Empfangsdiode, also insbesondere eine Fotodiode, über die das zurückreflektierte Licht gemessen wird. Üblicherweise werden Wellenlängen von 510 bis 920 nm verwendet. Insbesondere eignet sich grünes Licht für ein photoplethysmographisches Messsystem. Manche Systeme nutzen auch Licht im IR-Wellenlängenbereich oder messen sowohl mit Infrarot als auch mit sichtbarem Licht.

Problematisch ist, dass nur ein kleiner Anteil des von der Sendediode ausgestrahlten Lichtes zurückgestreut wird.

Weiter ist auch die Schwankung der Absorption aufgrund der sich ständig ändernden

Hämoglobinkonzentration gering.

Weiter wird bei aus der Praxis bekannten Messeinrichtungen durch das Umgebungslicht, durch Artefakte bei Bewegungen des Benutzers sowie einen variierenden Abstand der Haut von der Messeinrichtung ein starkes optisches Rauschen erzeugt, was die Messung des Pulses über eine photoplethysmographische Messmethode erschwert.

In diesem Zusammenhang spielt die optische Güte des Fensters, durch die das Licht die Pulsuhr und/oder Smartwatch verlässt sowie durch das die Empfängerdiode die Intensität des rückgestrahlten Lichtes misst, eine große Rolle.

Neben der hohen optischen Güte besteht gleichzeitig die Anforderung, das Fenster möglichst robust und fluiddicht auszugestalten.

Gleichzeitig soll noch das Risiko von Verletzungen des Benutzers, wenn das Fenster beschädigt oder zerstört wird, möglichst geringgehalten werden.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, vorstehend genannte Anforderungen in möglichst optimaler Weise zu erfüllen.

Die für die Pulsuhr und/oder Smartwatch anwendbaren Anforderungen sind vorteilhaft auch auf in den menschlichen oder tierischen Körper einbringbare Sonden und/oder Implantate übertragbar, insbesondere auch temporär eingebrachte und den Körper durchlaufende Sonden.

Insbesondere soll eine Pulsuhr und/oder Smartwatch und/oder ein Implantat bereitgestellt werden, bei welcher das Fenster für die Sende- und/oder Empfängerdiode hermetisch abgedichtet ist und bei welcher das durch das Fenster verursachte optische Rauschen gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Messeinrichtungen reduziert ist und im Falle eines Bruchs des Fensters die Verletzungsgefahr des Nutzers reduziert wird. Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung wird bereits durch ein am Körper tragbares oder in diesen einbringbares elektronisches Gerät nach einem der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind dem Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung sowie den Zeichnungen zu entnehmen.

Die Erfindung betrifft ein am Körper tragbares elektronisches oder in diesen einbringbares Gerät, welches insbesondere als Pulsuhr und/oder Smartwatch und/oder Sonde und/oder Implantat ausgebildet ist.

Ein solches elektronisches Gerät umfasst ein Gehäuse mit einer Oberseite und einer Unterseite.

Die Unterseite ist derart ausgebildet, dass sie im getragenen Zustand auf der Haut des Benutzers aufliegt.

Im Speziellen ist ein am Körper tragbares oder in den Körper einbringbares elektronisches Gerät, insbesondere in Form einer Pulsuhr und/oder einer Smartwatch und/oder einer Sonde und/oder eines Implantats vorgesehen, umfassend ein Gehäuse mit einer Oberseite und einer Unterseite, wobei auf der Unterseite zumindest ein Fenster aus Glas und/oder Glaskeramik angeordnet ist, wobei das Gehäuse einen anorganischen Träger umfasst, in welchem das Fenster aus Glas und/oder Glaskeramik befestigt ist und eine Öffnung im anorganischen Träger verschließt, wobei der anorganische Träger aus mehreren Komponenten zusammengesetzt ist.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Fenster aus Glas und/oder Glaskeramik in einem anorganischen Träger eingeschmolzen ist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein eingeschmolzenes Glasfenster, bei dem eine stoffschlüssige Verbindung unmittelbar zwischen dem Material des Trägers und Glas vorliegt, eine robuste hermetisch dichte Verbindung mit gleichzeitig hoher optischer Güte des Fensters bereitgestellt werden kann. Vorzugsweise ist das Fenster aus Glas und/oder Glaskeramik als Druckeinglasung ausgebildet.

Eine derartige Druckeinglasung wird dadurch bereitgestellt, dass ein Träger mit höherem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten a als das Glas für das Fenster verwendet wird.

Zum Ausbilden einer Druckeinglasung wird das in eine Öffnung eingesetzte Fenster zusammen mit dem Träger auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des Glases erwärmt. Da sich beim Erkalten das Material des Trägers stärker zusammenzieht als das Material des Fensters, wird das Glas unter Druckspannung gesetzt.

Aufgrund der so vorhandenen Vorspannung liegt eine besonders dichte Verbindung vor.

Gleichzeitig ist auch das Fenster selbst stabiler.

Es hat sich weiter herausgestellt, dass durch Bereitstellen einer Druckeinglasung ein Fenster bereitgestellt werden kann, welches derart ausgebildet ist, dass bei Beschädigungen, insbesondere im Kugelfalltest, Krater entstehen. An der beschädigten Stelle kommt es zu kraterförmigen Abplatzungen. Das Material platzt partikelförmig, insbesondere in Form von Pulver, ab und separiert sich damit vom Fenster.

Der Kugelfalltest kann insbesondere durchgeführt werden, indem eine Stahlkugel mit einer definierten Masse aus einer definierten Höhe unter Einwirken der Schwerkraft auf das Fenster fallen gelassen wird. Im Fall von Fenstern mit gerader bzw. ebener Oberfläche kann

insbesondere eine Kugel mit einer Masse von 7g verwendet werden, bei konvexen oder konkaven Oberflächen insbesondere eine Kugel mit einer Masse von 12g. Die Fallhöhe beträgt für den Test des Bruchverhaltens des Fensters 50 cm.

Neben einer robusteren Ausgestaltung, d.h. einer höheren Krafteinwirkung, bei welcher die Schädigung des Fensters überhaupt erst auftritt, wird hierdurch gleichzeitig die Verletzungsgefahr für den Benutzer minimiert. Die Erfinder haben erkannt, dass sich das für den Benutzer günstige Bruchverhalten in Form des pulverförmig vom Fenster separierten Materials besonders vorteilhaft dadurch erreichen lässt, dass das Fenster ein Mindestmaß von Oberflächenungenauigkeiten wie beispielsweise Rauheit, Mikrodefekten und/der Formabweichungen aufweist. Es besteht ein Zusammenwirken der Druckeinglasung und dem Vorhandensein von Oberflächenstrukturen, die sich in einer mittleren Rauheit Rq und/oder einer Anzahl von Mikrodefekten innerhalb einer Messtrecke und/oder einer Formabweichung manifestieren. Diese Formabweichungen sind insbesondere Mikro- oder Nanostrukturen. Es wird vermutet, dass diese Oberflächenstrukturen im Fall einer Überschreitung der maximalen Belastbarkeit des Fensters als Startpunkte für das Bruchverhalten wirken. Durch die angegebenen Werte sind ausreichend Oberflächenstrukturen vorhanden, um das das Verletzungsrisiko vermindernde pulverförmige separierte Fenstermaterial zu erzielen.

Ein Maß für die bevorzugten Oberflächenstrukturen ist der quadratische Mittenrauwert Rq. Er ist dem Fachmann bekannt und aus dem quadratischen Mittelwerten aller Ordinatenwerte innerhalb einer Messstrecke berechnet. Die Messung und der Wert sind in der DIN EN ISO 4287 (Version 2010-07) beschrieben.

Bevorzugt sind Rq Werte von 2 nm oder mehr, besonders bevorzugt 12 nm oder mehr und insbesondere 60 nm oder mehr. Sämtliche dieser Werte sind als Ober- oder Untergrenze miteinander kombinierbar. Solche Rq Werte sind erzielbar, indem das eingeglaste Fenster mechanisch poliert wird. Dies ist insbesondere bei Fenstern vorteilhaft, die eine gerade oder ebene Oberfläche aufweisen, insbesondere eine Oberfläche, die auf der dem Benutzer zugewandten Seite planparallel oder konvex ausgeformt zur Oberfläche des Gehäuses ist.

Alternativ zur Rauigkeit und dem Rq Wert können als Maß für die Oberflächenstrukturen die Anzahl der Mikrodefekte innerhalb einer Messstrecke angegeben werden. Bevorzugt sind Fenster aus Glas und/oder Glaskeramik mit 3 bis weniger als 16 Mikrodefekte in einer

Messtrecke von 10 mm Länge, bevorzugt von 16 bis weniger als 80 Mikrodefekte oder von 80 bis weniger 400 Mikrodefekte innerhalb dieser Messtrecke. Diese Angabe ist besonders zweckmäßig bei den vorgenannten Fenstern mit gerader oder ebener Oberfläche, kann aber auch bei Fenstern mit gewölbter Oberfläche verwendet werden. Eine weitere Möglichkeit zur Bearbeitung der Fenster und zum Herstellen der angegebenen Oberflächenstrukturen ist das Feuerpolieren der Fenster. Diese weisen bevorzugt eine feuerpolierte Oberfläche auf. Die Feuerpolitur wird aber nur so lokal ausgeführt, insbesondere in der Oberfläche der Fenster, dass die Druckeinglasung erhalten bleibt. Insbesondere ist es dadurch möglich, dass die Fenster Oberflächenstrukturen in Form einer Waviness aufweisen, die bevorzugt im Bereich von 100 nm bis 5 miti liegt.

Die Feuerpolitur ist vorteilhaft bei gewölbten Oberflächen der Fenster, beispielsweise konkaven oder konvexen Fenstern.

Fenster mit solchen bevorzugt vorhandenen Oberflächenstrukturen sind bzgl. ihrer optischen Eigenschaften in der Lage, die erforderlichen optischen Anforderungen für die optischen Messungsfunktionen des elektronischen Geräts auszuführen, sorgen aber im Zusammenwirkung mit der Druckeinglasung für ein vermindertes Verletzungsrisiko des Benutzers.

Vorzugsweise wird ein Trägermaterial verwendet, dessen thermischer

Längenausdehnungskoeffizient a (bei 20 °C) mindestens 2, vorzugsweise mindestens 5 ppm/K größer ist, als der thermische Längenausdehnungskoeffizient des Glases bzw. der Glaskeramik.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird das Fenster aus Glas und/oder

Glaskeramik mittels eines Glaslots mit dem Träger verbunden. Über diese Ausführungsform der Erfindung lassen sich je nach Anwendung auch hinsichtlich des Ausdehnungskoeffizienten angepasste Fenster bereitstellen. Insbesondere kann so ein Verbund von Träger und Fenster mit hoher thermischer Beständigkeit bereitgestellt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind in den Träger zumindest zwei Fenster aus Glas und/oder Glaskeramik eingeschmolzen.

Unter einem ersten Fenster aus Glas und/oder Glaskeramik befindet sich dabei eine Sendediode und unter einem zweiten Fenster aus Glas und/oder Glaskeramik befindet sich eine

Empfängerdiode. Vorzugsweise ist der anorganische Träger oder wenigstens eine seiner Komponenten opak für zumindest die von der Sendediode emittierte Strahlung.

Durch die Verwendung von zwei Fenstern in Verbindung mit einem anorganischen Träger wird das direkte Übersprechen von der Sendediode zur Empfängerdiode minimiert.

Der anorganische Träger umfasst vorzugsweise eines oder mehrere der Materialien Metall, Keramik, Glaskeramik und/oder opakes Glas (zumindest für die Wellenlänge des von der Sendediode emittierten Lichtes).

Als Metalle für den Träger kommen insbesondere Metalle mit einem thermischen

Längenausdehnungskoeffizienten a von 3 bis 25 ppm/K (bei 20 °C) in Betracht.

Die verwendeten Metalle sind vorzugsweise im Wesentlichen nickelfrei, insbesondere erfüllt das Material die Anforderungen gemäß DIN EN 1811 (Version 2015-10) und/oder DIN EN 12472 (Version 2009-9).

Geeignete Materialien sind insbesondere Edelstahl, Titan, Aluminium sowie Edelmetalle sowie deren Legierungen. Weiter kann auch ein nickelhaltiges Material verwendet werden, welches mit einer Beschichtung versehen ist, die eine Diffusion von Nickel verhindert, beispielsweise einer Goldbeschichtung.

Weiter kann als Gehäusematerial für den Träger Edelstahl verwendet werden, insbesondere austenitischer Nickel-haltiger Edelstahl. Dieses Material bildet eine Chromoxid-Schicht, die eine Nickeldiffusion verhindert.

Weiter können Keramiken verwendet werden. Diese sind in der Regel bereits optisch opak. Eingeschmolzenes Glas geht mit Keramik eine mechanisch stabile und dichte Verbindung ein.

Als Keramiken können insbesondere Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Aluminiumnitrid oder Porzellan verwendet werden. Weiter kann der Träger aus einem Glas bestehen, insbesondere einem Glas, welches derart eingefärbt ist, dass es zumindest im Wellenlängenbereich der von der Sendediode emittierten Strahlung opak ist. Insbesondere kann ein mit einem Oxid dotiertes Glas verwendet werden, beispielsweise mit Kobaltoxid, Magnesiumoxid oder Eisenoxid.

Als Fenstergläser können beispielsweise Borosilikatgläser, Alumo-Borosilikatgläser oder Natriumsilikatgläser verwendet werden.

Das Fenster hat vorzugsweise zumindest für die von der Sendediode emittierte Strahlung eine Transmission von mehr als 80%, besonders bevorzugt von mehr als 90%.

Das Fenster kann eine Antireflex-Beschichtung umfassen. Dadurch kann die Transmission weiter verbessert werden.

Die hohe Transmission reduziert optisches Übersprechen.

Weiter kann das Glas mit einer Antireflexschicht versehen sein.

Für bestimmte Anwendungen, insbesondere für Messeinrichtungen zur Überwachung der Glukosekonzentration oder der Sauerstoffsättigung, bei welcher beispielsweise Infrarotlicht verwendet wird, kann auch ein Infrarot-durchlässiges Glas verwendet werden. Hierzu kommt insbesondere Saphirglas, oder, insbesondere bei einer Ausgestaltung des Fensters als

Druckeinglasung, auch ein Borosilkat- oder Kalknatronglas in Betracht. Insbesondere können Glas- und/oder Glaskeramikmaterialien verwendet werden, die biokompatibel und/oder bioaktiv sind, besonders vorteilhaft solche, die zellverträglich sind und besonders vorteilhaft sogar das Anwachstum von Zellen auf das Fenster unterdrücken.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Träger im Bereich des zumindest einen Fensters aus Glas oder Glaskeramik einen Überstand.

Unter einem Überstand wird insbesondere ein Plateau verstanden, welches aus der

angrenzenden Unterseite herausragt. Durch einen derartigen Überstand kann der Kontakt des io

Fensters mit der Haut des Benutzers verbessert werden. Dies verbessert ebenfalls die

Messgenauigkeit.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein am Körper tragbares elektronisches Gerät, insbesondere mit einem oder mehreren vorstehend beschriebenen Merkmalen.

Das am Körper tragbare elektronische Gerät umfasst ein Gehäuse mit einer Oberseite und einer Unterseite. Die Unterseite ist derart ausgebildet, dass sie beim Tragen mit der Haut des

Benutzers in Kontakt steht.

Auf der Unterseite ist ein Fenster aus Glas oder Glaskeramik angeordnet, welches gemäß der Erfindung eine optische Faser umfasst, insbesondere ein Fenster, welches als optische

Faserplatte ausgebildet ist.

Eine optische Faserplatte besteht aus einer Vielzahl von Einzelfasern, welche quer, insbesondere senkrecht, zur Ober- bzw. Unterseite verlaufen und welche von einem Hüllmaterial (auch als „Cladding“ bezeichnet) umgeben sind.

Aufgrund der niedrigeren Brechzahl des Hüllmaterials gegenüber dem Material der Fasern kommt es zur Totalreflexion, so dass einzelne Lichtleiter ausgebildet werden.

So wird das Licht auf einer Seite in die Fasern eingekoppelt und tritt auf der anderen Seite der optischen Faserplatte jeweils aus derselben Faser wieder heraus.

Optisches Übersprechen durch Volumenstreuung innerhalb des Fensters kann so weitgehend vermieden werden.

Die Verwendung einer optischen Faserplatte hat zugleich den Vorteil, dass das optische Rauschen mit zunehmender Dicke des Fensters nicht oder nur kaum zunimmt, da es innerhalb der Faserplatte so gut wie gar nicht zu einem optischen Übersprechen kommt. Die optische Faserplatte kann daher gegenüber dem Stand der Technik dicker und damit stabiler ausgebildet sein.

Vorzugsweise ist das aus einer optischen Faserplatte bestehende Fenster, wie vorstehend ausgeführt, als Druckeinglasung ausgebildet.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist das zumindest eine Fenster aus Glas oder Glaskeramik als Filter für eine Empfänger- und/oder Sendediode ausgebildet.

Es ist insbesondere vorgesehen, das oder die Fenster derart einzufärben, dass dieses/diese für die Wellenlänge der Sendediode eine höhere Transmission hat/haben als für andere

Wellenlängen.

So kann das durch Umgebungslicht verursachte optische Rauschen auf einfache Weise reduziert werden.

Die Erfindung betrifft des Weiteren die Verbesserung der Dimensionierung einer Pulsuhr und/oder Smartwatch, welche ein Geräterückseite mit zumindest zwei Fenstern umfasst.

Das erste Fenster aus Glas und/oder Glaskeramik, unter welchem die Sendediode angeordnet ist, ist randseitig um die Strecke s von dem zweiten Fenster aus Glas und/oder Glaskeramik, unter welchem die Empfängerdiode angeordnet ist, beabstandet.

Das erste und/oder das zweite Fenster hat den Durchmesser d.

Es hat sich herausgestellt, dass über ein Verhältnis s/h zwischen 2 und 7, bevorzugt zwischen 3 und 5, das optische Signal auf der Empfangsdiode optimiert ist.

Weiter ist dem ersten Fenster und/oder dem zweiten Fenster eine Flöhe h zugeordnet, welche der Dicke des Fensters entspricht.

Vorzugsweise gilt für s/d gleich 1 bis 3, ganz besonders bevorzugt 1 ,5 bis 2,5. Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist in das Fenster aus Glas zumindest eine elektrische Durchführung eingebettet.

Vorzugsweise ist die zumindest eine elektrische Durchführung in ein separates Fenster aus Glas oder Glaskeramik eingebettet.

Insbesondere durch eine Druckeinglasung lassen sich elektrische Durchführungen über das Fenster bereitstellen.

Die elektrischen Durchführungen können zum einen beispielsweise einer Stromversorgung zum Wiederaufladen dienen.

Weiter kann über eine elektrische Durchführung eine Sensorfläche bereitgestellt oder eine Sensorfläche kontaktiert werden.

Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Sensorfläche für eine nach der

elektrokardiographischen Messmethode arbeitende Messeinrichtung, eine Temperaturmessung oder Feuchtemessung der Flaut und/oder von die Sonde und/oder das Implantat umgebenden Medien vorgesehen ist, beispielsweise von Blut und/oder Magenflüssigkeit usw..

Auch eine Leitfähigkeitsmessung der Flaut und/oder von das Implantat umgebenden Medien kann über elektrische Durchführungen erfolgen. So kann insbesondere auch auf den körperlichen Zustand des Trägers rückgeschlossen werden.

Über elektrische Durchführungen kann des Weiteren eine elektronische Schnittstelle

bereitgestellt werden.

So ist bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Pulsuhr eine

photoplethysmographische als auch eine elektrokardiographische Messeinrichtung umfasst. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Träger mit einem Fenster aus Glas und/oder

Glaskeramik für die Unterseite des Gehäuses eines vorstehend beschriebenen, am Körper tragbaren Geräts.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines am Körper tragbaren elektronischen Geräts, wie vorstehend beschrieben.

Dabei wird ein Fenster aus Glas und/oder Glaskeramik in einen anorganischen Träger eingeschmolzen. Sodann wird der anorganische Träger mit dem Gehäuse des am Körper tragbaren elektronischen Geräts verbunden.

Insbesondere kann durch Verwendung eines Trägers mit höherem thermischen

Längenausdehnungskoeffizienten als das Glas für das Fenster eine Druckeinglasung

bereitgestellt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Fenster ohne erheblichen kompressiblen Druck verbunden.

Kurzbeschreibunq der Zeichnungen

Der Gegenstand der Erfindung soll im Folgenden bezugnehmend auf schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen Fig. 1 bis Fig. 17 näher erläutert werden.

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht der Vorderseite und Fig. 2 eine schematische Ansicht der Rückseite eines als Pulsuhr ausgebildeten elektronischen Geräts zum Tragen am Körper.

Bezugnehmend auf Fig. 3 bis Fig. 6 werden verschiedene Ausführungsformen eines mit zumindest einem Fenster versehenen Trägers erläutert, welcher zumindest einen Teil der Unterseite der Pulsuhr ausbildet.

Bezugnehmend auf Fig. 8 bis Fig. 10 soll die Ausgestaltung des Fensters als Faserplatte erläutert werden. Fig. 1 1 und Fig. 12 zeigen verschiedene Möglichkeiten der Verbindung des Fensters mit dem Träger.

Fig. 13 zeigt schematisch eine photoplethysmographische Messeinrichtung, welche ein einziges, als Druckeinglasung ausgebildetes Fenster umfasst.

Fig. 14 zeigt eine photoplethysmographische Messeinrichtung mit einer Faserplatte als Fenster.

Bezugnehmend auf Fig. 15 und Fig. 16 soll die Dimensionierung der Fensterdicke sowie des Fensterabstands näher erläutert werden, wobei Fig. 15 eine schematische Schnittansicht ist und Fig. 16 eine Konturkarte basierend auf einer Simulation ist, in welcher das Sensorsignal in Abhängigkeit der Dicke und des Abstands der Fenster aufgetragen ist.

Fig. 17 sind Fotos der durch einen Kugelfalltest verursachten Beschädigungen eines als Druckeinglasung ausgebildeten Fensters.

Fig. 18 zeigt schematisch eine Ausführungsform mit einem Keramikelement als Bestandteil des Trägers und einer Faserplatte als Fenster.

Fig. 19 zeigt einen Träger in Aufsicht.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen in einer schematischen Darstellung ein als Pulsuhr 1 ausgebildetes, am Körper tragbares elektronisches Gerät.

Wie in Fig. 1 dargestellt, umfasst die Pulsuhr 1 ein Gehäuse 3 mit einem Armband 2, mittels dessen die Pulsuhr 1 am Arm des Benutzers befestigt werden kann.

Über ein Display 5, welches an der Vorderseite des Gehäuses 3 angeordnet ist, kann der Benutzer den Puls ablesen. Die Pulsuhr 1 umfasst des Weiteren eine Bedieneinrichtung 4, beispielsweise in Form von Knöpfen. Das Display 5 kann zur Bedienung auch als Touch-Display ausgebildet sein.

Vorzugsweise ist die Pulsuhr 1 als sogenannte„smart watch“ ausgebildet, und kann so eine Vielzahl von weiteren Funktionen bedienen.

Fig. 2 zeigt die Gehäuserückseite 6 der Pulsuhr 1 . Mit der Rückseite liegt das Gehäuse 3 der Pulsuhr im getragenen Zustand auf der Flaut des Benutzers an.

In diesem Ausführungsbeispiel ist in die Gehäuserückseite 6 aus Kunststoff ein Träger 7 aus Metall, beispielsweise aus Edelstahl, eingesetzt.

Der Träger 7 aus Metall umfasst einen plateauförmigen Überstand 8, in welchem voneinander beabstandet die Fenster aus Glas 9a, 9b eingesetzt sind.

Die Fenster 9a, 9b sind als Druckeinglasungen ausgeführt. Unter dem Fenster 9a befindet sich eine Empfängerdiode 1 1 und unter dem Fenster 9b befindet sich eine Sendediode 10, also insbesondere eine LED.

Sendediode 10 und Empfängerdiode 1 1 sind Teil einer photoplethysmographischen

Messeinrichtung, über die der Puls des Benutzers gemessen wird.

Über die Empfängerdiode 1 1 wird der Intensitätsverlauf des durch Volumenstreuung im Gewebe des Benutzers zurückkommenden Lichtes der Sendediode 10 gemessen.

Aufgrund der periodisch mit dem Puls schwankenden Hämoglobinkonzentration kann der Puls berechnet werden. Der Überstand 8 des Trägers 7 sorgt für einen verbesserten Kontakt der Fenster 9a, 9b mit der Hautoberfläche des Benutzers.

Der Träger 7 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ein weiteres Fenster 9d aus Glas und/oder Glaskeramik, welches eine Mehrzahl von elektrischen Durchführungen 13 umfasst. Die elektrischen Durchführungen 13 dienen in diesem Ausführungsbeispiel der Ausbildung von Kontakten für eine elektronische Schnittstelle, über die die Pulsuhr 1 aufgeladen werden kann und über die Daten ausgetauscht werden können, insbesondere um eine Software aufzuspielen.

Der aus Metall bestehende Träger 7 kann beispielsweise mit dem restlichen Gehäuse, insbesondere einer Gehäuserückseite 6 verbunden sein.

Vorzugsweise besteht das Gehäuse der Pulsuhr 1 aus Metall. Der Träger 7 kann insbesondere auch als eine hintere Gehäusehälfte ausgestaltet sein.

Bezugnehmend auf Fig. 3 bis Fig. 6 werden verschiedene Ausführungsformen eines Trägers mit zumindest einem Fenster, wie er für ein erfindungsgemäßes elektronisches Gerät verwendet werden kann, erläutert.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist ein Träger 7 vorgesehen, welcher beispielsweise Metall, Keramik oder opakes Glas umfasst.

Die Fenster 9a und 9b bestehen aus einem Material mit einer hohen Transmission für das von der Sendediode abgestrahlte Licht.

Der Träger 7 kann dagegen als optische Barriere wirken, um einen direkten Übergang von Licht von der Sendediode zur Empfängerdiode über die Fenster 9a, 9b zu verhindern.

Denkbar ist es, um die optische Güte zu erhöhen, die Fenster 9a, 9b zu polieren.

Die Fenster 9a und 9b sind vorzugsweise als Druckeinglasungen ausgebildet.

Durch die Ausgestaltung als Druckeinglasung kann ein Gehäuse mit einer Heliumleckrate von weniger als 10 ⁸ mbar x l/s bereitgestellt werden.

In der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind zumindest zwei Fenster 9b vorgesehen, unter denen jeweils eine Sendediode angeordnet ist. Vorzugsweise liegen die Fenster 9b für die Sendediode beidseitig neben dem Fenster 9a für die Empfängerdiode.

Das Fenster 9a für die Empfängerdiode ist in diesem Ausführungsbeispiel größer ausgebildet als die Fenster 9b für die Sendedioden.

Der Träger 7 hat vorzugsweise angrenzend an die Fenster eine Dicke von 0,3 bis 2 mm, besonders bevorzugt von 0,5 bis 1 mm.

Die Fenster 9a, 9b nehmen vorzugsweise die gesamte Flöhe des Trägers 7 im Bereich der Fenster 9a, 9b ein.

Insbesondere kann der Träger 7 unabhängig davon, ob die Fenster 9 als Druckverglasung ausgebildet sind, aus mehreren Komponenten 70, 71 zusammengesetzt sein.

Die Komponenten sind besonders bevorzugt stoffschlüssig miteinander verbunden,

beispielsweise verschmolzen.

Gemäß einer Ausführungsform ist allgemein vorgesehen, dass in einer der Komponenten die Öffnung mit dem Fenster angeordnet ist und wenigstens eine weitere Komponente die

Komponente welche die Öffnung 27 aufweist, umgibt. Bei dem dargestellten Beispiel umfasst der Träger 7 eine Komponente 71 , welche die von den Fenstern 9a, 9b verschlossenen Öffnungen 27 aufweist, sowie eine diese Komponente 71 umgebende weitere Komponente 70. Allgemein, ohne Beschränkung auf das dargestellte Beispiel ist also ein Träger 7 mit zwei Komponenten 70, 71 vorgesehen, wobei eine äußere Komponente 70 eine innere Komponente ringförmig umgibt. Die innere Komponente 71 weist dabei bevorzugt wie auch in der dargestellten Ausführungsform ein oder mehrere mit einem Fenster 9a, 9b verschlossene Öffnungen 27 auf. Der Begriff „ringförmig“ bedeutet im Sinne der Offenbarung keineswegs eine kreisringförmige Gestalt.

Vielmehr kann der Verlauf der Grenzlinie zwischen beiden Komponenten nicht nur kreisförmig, sondern beliebig, etwa oval oder polygonal sein.

Generell kann ein mehrkomponentiger Aufbau des Trägers 7 dazu dienen, durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten nach dem Zusammensetzen einen Druck auf das oder die Fenster 9 auszuüben. So können die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten den Druckaufbau bei einer Druckverglasung unterstützen oder verstärken. Ohne Beschränkung auf die Ausführungsbeispiele ist daher in einer Ausführungsform vorgesehen, dass zumindest zwei der Komponenten 70, 71 des Trägers 7 unterschiedliche thermische

Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3a steht der Träger 7 randseitig über das zumindest eine Fenster 9a, 9b aus Glas und/oder Glaskeramik hervor.

Dies erleichtert die Fierstellung bei einer Ausgestaltung als Druckeinglasung. Durch den randseitigen Überstand des Trägers 7 und den damit verbundenen Rückstand des Fensters 9a, 9b können insbesondere Volumenschwankungen des Glasmaterials des Fensters 9a, 9b kompensiert werden.

Es versteht sich, dass die Seite mit dem Überstand vorzugsweise die Innenseite des Trägers 7 bildet.

Fig. 3a zeigt auch ein Beispiel einer weiteren Konfiguration des mehrkomponentigen Trägers 7. Nach dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Träger einen mehrschichtigen Aufbau aufweist, wobei mindestens zwei Komponenten 70, 71 Schichten des Trägers 7 bilden. Im gezeigten Beispiel bildet die Komponente 71 eine innere Schicht und die Komponente 72 eine äußere Schicht des Trägers 7, bezogen auf das mit dem Träger 7 gebildete Gehäuse.

Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei welcher (wie auch in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt) der Träger 7 einen Überstand 8 aufweist. Die Fenster 9a, 9b liegen im Bereich des Überstandes 8.

Durch den Überstand wird der Kontakt der Fenster 9a, 9b mit der Flaut des Benutzers verbessert.

Auch in diesem Beispiel ist ähnlich wie bei Fig. 3a beispielhaft ein mehrschichtiger Aufbau des Trägers 7 vorgesehen. Dabei ist Fig. 4 ein Beispiel einer Ausführungsform mit einem Sandwich- Aufbau, bei dem eine schichtförmige Komponente 71 in einer weiteren Komponente 70 eingebettet ist.

Fig. 5 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung, bei welcher in den Träger 7 ein einziges Fenster 9 aus Glas oder Glaskeramik eingesetzt ist, unter welchem sowohl Sendediode als auch Empfängerdiode angeordnet sind.

In diesem Ausführungsbeispiel ist das Fenster 9 nicht als Druckeinglasung ausgebildet, sondern mittels eines Glaslots 12 mit dem Träger 7 verbunden.

Das Glaslot 12 ist in einer innenliegenden Nut des Trägers 7 angeordnet.

In diesem Ausführungsbeispiel bildet das Fenster 9 selbst einen Überstand 8.

Ähnlich wie bei dem Beispiel der Fig. 3 ist der Träger 7 aus zwei Komponenten 70, 71 zusammengesetzt, wobei die äußere Komponente 70 die innere Komponente 71 ringförmig umgibt. Im Unterschied zum Beispiel der Fig. 3 ist hier aber die Dicke der inneren Komponente 71 geringer als die der ringförmig umgebenden Komponente 70.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem in einem Fenster 9a eine elektrische Durchführung 13, beispielsweise in Form eines Stiftes, angeordnet ist.

Ansonsten entspricht der Träger 7 mit den Fenstern 9a, 9b dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3.

Über eingeglaste elektrische Durchführungen 13 können weitere Funktionalitäten bereitgestellt werden.

Beispielsweise kann die elektrische Durchführung 13 als Sensorfläche für eine zusätzlich vorhandene elektrokardiographische Messeinrichtung der Pulsuhr dienen. Bei dem Beispiel der Fig. 6 ist weiterhin ein Träger 7 mit drei verschiedenen Komponenten 70,

71 , 72 vorgesehen.

In Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel eines Fensters 9 dargestellt, in welchem das Fenster 9 als optische Faserplatte ausgebildet ist.

Anstelle einem homogenen Glasmaterial besteht eine optische Faserplatte, wie in der

Detaildarstellung rechts zu erkennen, aus Fasern 14, insbesondere aus Glasfasern, welche in einem Hüllmaterial 15, welches vorzugsweise ebenfalls aus Glas besteht, eingebettet sind.

Das Hüllmaterial 15 hat eine geringere Brechzahl als das Material der lichtleitenden Fasern 14.

So kommt es an der Grenzfläche zu Totalreflektionen und das Licht wird innerhalb der lichtleitenden Fasern 14 von einer Seite auf die andere Seite übertragen.

Die Verwendung einer optischen Faserplatte hat den Vorteil, dass es innerhalb des so gebildeten Fensters 9 nicht oder nur kaum zu Volumenstreuungen kommt, durch die ein direkter Übertrag von Licht zur Empfängerdiode erfolgt.

Vielmehr bleibt das Licht innerhalb der einzelnen Fasern 14.

Die Dicke der optischen Faserplatte hat auf das optische Rauschen nur einen geringfügigen Einfluss.

Um das optische Rauschen weiter zu reduzieren, insbesondere um Moire-Effekte zu reduzieren, kann die optische Faserplatte eingefärbte Fasern umfassen, insbesondere eingefärbte Fasern, die statistisch verteilt sind.

Auch die optische Faserplatte ist vorzugsweise als Druckeinglasung ausgebildet.

Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem eine optische Faserplatte 16 verwendet wird, die in einen Träger eingesetzt wird. In der Schnittansicht gemäß Fig. 8 ist zu erkennen, dass die optische Faserplatte 16 mit Trennwänden 19 verbunden ist.

Durch die Wände 19 werden im zusammengebauten Zustand innenseitig ausgebildete Kammern 17 gebildet, in denen beispielsweise Sendediode und/oder Fotodiode angeordnet sind.

Wie in der Draufsicht gemäß Fig. 10 dargestellt, kann die Faserplatte 16 um die so gebildeten transparenten Bereiche 18 mit einer Maskierung 20 versehen sein, welche zumindest für die Wellenlänge der Sendediode opak ist.

In der Detaildarstellung des Bereichs A gemäß Fig. 8 ist zu erkennen, dass die optische Faserplatte 16 aus einer Vielzahl lichtleitender Fasern 14 besteht, die in einem Hüllmaterial 15 eingebettet sind.

Fig. 1 1 zeigt einem Ausführungsbeispiel, wie die optische Faserplatte 16 mit dem vorzugsweise aus Metall bestehenden Träger 7 verbunden ist.

In diesem Ausführungsbeispiel ist die optische Faserplatte 16 als Druckeinglasung ausgebildet. Die optische Faserplatte 16 hat also einen geringeren thermischen

Längenausdehnungskoeffizienten a als der Träger 7.

Bei der Herstellung wird die optische Faserplatte 16 derart erwärmt, dass zumindest die Erweichungstemperatur des Hüllmaterials 15 erreicht wird. Beim Abkühlen zieht sich der Träger 7 stärker zusammen als die optische Faserplatte 16, so dass eine Druckspannung in der optischen Faserplatte 16 erzeugt wird.

Fig. 12 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei welcher die optische Faserplatte 16 auf einer Seite des Trägers 7 angebracht ist.

Die Verbindung kann beispielsweise mittels eines Glaslots oder mittels anionischem Bonden erfolgen. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Trennwände 19 durch den Träger 7 ausgebildet, liegen also auf einer Höhe mit dem Träger. Die Trennwände 19 können beispielsweise durch Ausstanzungen eines Trägers 7 aus Metall gebildet werden.

Bezugnehmend auf Fig. 13 soll erläutert werden, die wie photoplethysmographische

Messeinrichtung funktioniert.

In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Pulsuhr eine Gehäuserückseite mit einem Träger 7, in den ein Fenster 9 aus Glas oder Glaskeramik eingesetzt ist.

Über die auf einer im Gehäuseinneren angeordneten Leiterplatte 21 sitzenden Sendedioden 10 wird Licht durch das Fenster 9 auf die Hautoberfläche 22 des Trägers gestrahlt.

Im die Hautoberfläche 22 umgebenden Gewebe kommt es zu Volumenstreuungen und ein geringer Anteil des auf die Hautoberfläche 22 treffenden Lichtes wird zur Empfängerdiode 1 1 zurückgestreut.

Aufgrund der von der Hämoglobinkonzentration abhängigen Intensitätsänderung kann auf den Puls rückgeschlossen werden.

Bei derartigen Messeinrichtungen besteht ein großer Anteil des an der Empfängerdiode 1 1 anliegenden Signals aus optischem Rauschen.

Zur Reduzierung des optischen Rauschens kann beispielsweise das Fenster 9 als Farbfilter ausgebildet sein, der bevorzugt Licht im Wellenlängenbereich der Sendediode 10 durchlässt.

Es versteht sich aber, dass es beispielsweise auch innerhalb des Fensters 9 aufgrund von Inhomogenitäten im Glas zu Volumenstreuungen kommen kann, welche das optische Rauschen verstärken. Diese hängen unter anderem von der optischen Güte des Fensters 9 sowie von der Dicke des Fensters 9 ab. Fig. 14 zeigt, dass anstelle eines herkömmlichen Fensters als Fenster eine optische Faserplatte 16 verwendet werden kann.

Bei Verwendung einer optischen Faserplatte 16 bleibt das Licht nach Einkoppeln in die optischen Fasern innerhalb der einzelnen lichtleitenden Fasern, so dass es nicht oder zumindest viel weniger zu Rückstreuungen von Licht innerhalb der optischen Faserplatte 16 auf die

Empfängerdiode 1 1 kommen kann.

Durch geeignete Auswahl der Brechzahl der Fasern sowie des Claddings kann der

Akzeptanzwinkel optimiert werden, um optisches Rauschen zu reduzieren.

Bezugnehmend auf Fig. 15 soll der Einfluss der Geometrie von Fenster und Träger erläutert werden.

In diesem Ausführungsbeispiel ist ebenfalls eine photoplethysmographische Messeinrichtung dargestellt, welche die Sendedioden 10 sowie die Empfängerdiode 11 umfasst, die auf einer Leiterplatte 21 angeordnet sind.

In den Träger 7 der Pulsuhr sind die Fenster 9b für die Sendedioden sowie das Fenster 9a für die Empfängerdiode 1 1 eingesetzt.

Bei der rechts dargestellten Sendediode ist ein beispielhafter Lichtstrahl eingezeichnet, der das Fenster 9b trifft.

Ein Teil des durch das Fenster 9b emittierten Lichtes wird durch Volumenstreuung im Gewebe des Trägers der Pulsuhr zurückgestreut und trifft durch das Fenster 9a auf die Empfängerdiode 11

Das Fenster 9a der Empfängerdiode 1 1 hat einen Durchmesser dE und das Fenster 9b der Sendediode hat einen Durchmesser ds. Bei Fenstern mit nicht kreisförmigem Querschnitt wird im Sinne der Erfindung unter dem Durchmesser die Breite eines Fensters in Richtung des anderen Fensters verstanden (siehe dazu„d“ in Fig. 10).

Das oder die Fenster der Sendediode 9b ist bzw. sind randseitig vom Fenster 9a der

Empfängerdiode um die Strecke s beabstandet.

Die Fenster haben eine Flöhe h, welche der Dicke des jeweiligen Fensters entspricht.

Fig. 16 ist eine Konturkarte einer Simulation des an der Empfängerdiode anliegenden optischen Signals. Je dunkler die Fläche ist, desto besser ist das optische Signal.

Auf der horizontalen Achse ist der Abstand s der LED oder Fotodiode geteilt durch den

Fensterdurchmesser d (de oder ds) aufgetragen.

Auf der vertikalen Achse ist der Abstand s der LED oder Fotodiode geteilt durch die Fensterdicke h aufgetragen.

Es hat sich gezeigt, dass ein optimales Signal bei folgenden Bedingungen erreicht werden kann:

- s geteilt durch dE oder ds liegt zwischen 3 und 5.

- s geteilt durch h liegt zwischen 1 ,5 und 2,5.

Fig. 17 zeigt Fotos eines Kugelfalltests einer Druckeinglasung für eine erfindungsgemäße Pulsuhr.

In allen drei Fotos ist zu erkennen, dass es bei Beschädigung des Fensters zu kraterförmigen Abplatzungen kommt. Aufgrund der Druckeinglasung platzt das Material im Wesentlichen pulverförmig weg, d.h. das vom Fenster separierte Glas- und/oder Glaskeramikmaterial ist pulverförmig. Hierdurch wird die Gefahr von Verletzungen für den Benutzer reduziert. Gleichzeitig wird durch die Druckeinglasung die Gefahr von Rissbildung und komplettem Zerbrechen des Fensters reduziert. Dies bedeutet insbesondere, dass die Erfindung den Vorteil hat, dass die mechanische Stabilität der Fenster verbessert wird, wodurch es erst bei größeren Belastungen überhaupt zu Schädigungen kommt, und dass im Fall einer solchen Schädigung das

Verletzungsrisiko für den Benutzer minimiert wird.

Durch die Erfindung konnte sowohl das optische Rauschen bei einer photoplethysmographischen Messeinrichtung verbessert als auch die Stabilität einer Pulsuhr erhöht werden.

Fig. 18 zeigt ein Beispiel einer Ausführungsform, bei welcher der Träger 7 ein Keramikelement als Komponente umfasst, mit welcher das Fenster 9 in Gestalt einer optischen Faserplatte 16 verbunden ist. Gemäß einer Ausführungsform ist allgemein vorgesehen, dass das Fenster, vorzugsweise in Gestalt einer optischen Faserplatte mit einer keramischen Komponente des Trägers 70 verbunden wird. Die weitere Komponente 70 kann beispielsweise eine metallische Komponente sein. Die Verbindung zwischen der keramischen Komponente und dem Fenster kann eine Druckeinglasung sein, oder auch wie dargestellt eine Verbindung über ein Glaslot 12 sein.

Fig. 19 zeigt ein Beispiel eines Trägers 7 in Aufsicht, welcher zwei Komponenten 70, 71 aufweist, wobei in einer der Komponenten 71 die Öffnung 27 mit dem Fenster 9 angeordnet ist und wenigstens eine weitere Komponente 70 die Komponente 71 , welche die Öffnung 27 aufweist, umgibt. Im Speziellen umgibt dabei die Komponente 70 die innere Komponente 71 ringförmig. Wie bei dem Beispiel der Fig. 18 kann die innere Komponente 71 eine keramische Komponente sein. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die innere Komponente 71 ein opakes Glas. Die äußere, ringförmig umschließende Komponente 70 ist bevorzugt metallisch. Ohne Beschränkung auf das spezielle Beispiel ist dazu in einer Ausführungsform vorgesehen, dass ein Träger 7 mit zwei Komponenten 70, 71 vorgesehen ist, wobei eine äußere metallische Komponente 70 eine innere Komponente 71 aus Keramik oder opakem Glas ringförmig umgibt, wobei in der inneren Komponente 71 die mit dem Fenster 9 verschlossene Öffnung 27 angeordnet ist.

Diese Patentanmeldung nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung mit der Nummer

10 2018 127 619.2 in Anspruch, deren Inhalt vollumfänqlich auch zum Gegenstand dieser

Offenbarung gemacht wird. Bezuqszeichenliste

1 Pulsuhr

2 Armband

3 Gehäuse

4 Bedieneinrichtung

5 Display

6 Gehäuserückseite

7 Träger

8 Überstand

9,9a,9b,9d Fenster aus Glas oder Glaskeramik

10 Sendediode

11 Empfängerdiode

12 Glaslot

13 elektrische Durchführung

14 lichtleitendes Fenster

15 Hüllmaterial

16 optische Faserplatte

17 Kammer

18 transparenter Bereich

19 Trennwand

20 Maskierung

21 Leiterplatte

22 Hauptoberfläche

27 Öffnung in 7

70, 71 , 72 Komponenten von 7