Übertragungsanordnung zur Übertragung elektrischer Energie mit piezoelektrischen Wandlern

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Übertragungsanordnung zur Übertragung elektrischer Energie. Insbesondere wird elektrische Energie von einem piezoelektrischen Wandler über einen akustischen Kanal an einen weiteren piezoelektrischen Wandler übertragen und dort wieder in elektrische Energie umgewandelt. Das akustische Signal liegt insbesondere im Ultraschall-Frequenzbereich .

Eine derartige Übertragungsanordnung ermöglicht es, Prozesse messtechnisch zu erfassen und Abläufe zu steuern, auch wenn diese in einer schwer zugänglichen Umgebung stattfinden, wie beispielsweise in einem abgeschlossenen Behälter oder anderweitigen Hohlraumstrukturen. Insbesondere kann elektrische Leistung in einen geschlossenen Hohlraum eingebracht bzw. verfügbar gemacht werden. Derartige Strukturen finden sich beispielsweise in der Industrie- und Verfahrenstechnik, wie z.B. der Öl- und Gas-Industrie, in Flugzeugen, Schiffen und Unterseebooten.

Die Übertragung elektrischer Energie in einen Hohlraum erfolgt oftmals über Kabeldurchführungen, bei denen Löcher in eine Wandung eines Hohlraums gebohrt werden. Die Einbringung von Löchern verletzt jedoch die strukturale Integrität der geschlossenen Behälter und macht oftmals eine Wartung erforderlich. Darüber hinaus können Gewicht und Größe der Durchführungen und Kabel stören. Weiterhin führen spezifische Betriebsbedingungen im Behälter, wie z.B. hohe Temperaturen und hoher Druck, bei Kabeldurchführungen zu einer hohen Ausfallquote .

Alternativ kann auch Energie im Hohlraum mittels einer Batterie gespeichert sein. Allerdings ist die eingebrachte Energiemenge begrenzt und muss für die Prozessdauer oder Lebenszeit der jeweiligen Vorrichtung ausgelegt sein. Zudem wirken sich bestimmte Betriebsbedingungen, wie hohe oder niedrige Temperatur, ungünstig auf die Lebensdauer der Batterie aus. Darüber hinaus können Gewicht und Größe der Batterie und erforderliche Wartungen ungünstig sein.

Alternativ können auch thermoelektrische Elemente eingesetzt werden, die Temperaturunterschiede an den Innenwänden eines Behälters nutzen, um elektrische Leistung zu generieren. Dies setzt jedoch das Vorhandensein von Temperaturunterschieden voraus. Zudem können auch hier Gewicht und Größe der Elemente störend sein. Darüber hinaus ist die Effizienz der Energiegewinnung bei beispielsweise 5 % oftmals nicht ausreichend .

Auch radioaktive Substanzen können zur Erzeugung von Wärme und elektrischer Leistung aus einer sich ergebenden Temperatur-Differenz eingesetzt werden. Allerdings ist die Handhabung derartiger Substanzen risikobehaftet.

Bekannt sind Übertragungsanordnungen, bei denen Wandler zum Senden und Empfangen eines Signals bzw. Energie über einen akustischen Kanal eingesetzt werden. Bei den Wandlern handelt es sich beispielsweise um piezoelektrische Wandler. Der akustische Kanal ist beispielsweise eine metallische Wand eines Behälters. Derartige Übertragungsanordnungen sind beispielsweise im Übersichtsartikel von Ding-Xin Yang, Zheng Hu, Hong Zhao, Hai-Feng Hu, Yun-Zhe Sun and Bao-Jian Hou: „Through-Metal- Wall Power Delivery and Data Transmission for Enclosed Sensors: A Review" in Sensors 2015, 15, 31581-31605 beschrieben .

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Übertragungsanordnung aufweisend piezoelektrische Wandler anzugeben.

Es wird eine Übertragungsanordnung angegeben, die einen primären piezoelektrischen Wandler, einen sekundären piezoelektrischen Wandler und ein Medium zur Übertragung eines akustischen Signals zwischen den Wandlern aufweist. Das Medium bildet insbesondere einen akustischen Kanal zur Übertragung des Signals. Das Medium ist zwischen den Wandlern angeordnet .

Einer der Wandler kann dabei zur Umwandlung eines elektrischen Signals in ein akustisches Signal und der andere Wandler zur Umwandlung des akustischen Signals in ein elektrisches Signal dienen. Der Wandler, der das elektrische Signal in ein akustisches Signal umwandelt, kann als Sender und der Wandler, der das akustische Signal in ein elektrisches Signal umwandelt, als Empfänger dienen. Beispielsweise handelt es sich beim primären piezoelektri schen Wandler um den Sender und beim sekundären piezoelektrischen Wandler um den Empfänger. Es ist auch möglich, dass der primäre piezoelektrische Wandler als Empfänger und der sekundäre piezoelektrische Wandler als Sender fungiert oder die Wandler gleichzeitig oder abwechselnd als Sender und Empfänger fungieren. Die Übertragungsanordnung ist insbesondere zur Übertragung von Energie bzw. Signalen im Nahbereich, d.h. über einen geringen Abstand, beispielsweise im Millimeterbereich, geeignet. Die Energie bzw. das Signal wird dabei ohne elektrischen Kontakt zwischen Sender und Empfänger übertragen .

Bei dem Medium kann es sich um eine Wand, beispielsweise um eine metallische Wand handeln. Die Wand bildet beispielsweise die Wandung eines geschlossenen Behälters oder einer anderen Hohlraumstruktur. Die Wand weist beispielsweise ein Metall auf oder besteht aus Metall. Die Wand kann insbesondere Aluminium aufweisen oder aus Aluminium bestehen. Die Wand kann auch nicht-metallisch ausgebildet sein. Die Wand kann elektrisch leitfähig oder elektrisch nicht-leitfähig ausgebildet sein.

Beispielsweise sind der primäre piezoelektrische Wandler in einem Außenraum des Behälters und der sekundäre piezoelek trische Wandler in einem Innenraum des Behälters angeordnet. Es können aber auch der sekundäre Wandler im Außenraum und der primäre Wandler im Innenraum angeordnet sein. Es kann auch keiner der Wandler in einem abgeschlossenen Behälter angeordnet sein.

Das Medium kann bei bestimmten Aspekten der Erfindung auch als gasförmiges Medium, wie z.B. Luft, oder als flüssiges Medium ausgebildet sein.

Die piezoelektrischen Wandler weisen beispielsweise jeweils einen Aufbau aus Elektrodenschichten und wenigstens einer dazwischen liegenden piezoelektrischen Schicht auf. Es kann nur eine einzige piezoelektrische Schicht vorhanden sein. Alternativ können auch mehrere piezoelektrische Schichten abwechselnd zu Elektrodenschichten vorhanden sein. Beispielsweise weist wenigstens einer der Wandler einen Vielschicht-Aufbau aus abwechselnd angeordneten Elektrodenschichten und piezoelektrischen Schichten auf. Es kann sich bei den piezoelektrischen Schichten insbesondere um Keramikschichten handeln. Die Elektrodenschichten und piezoelektrischen Schichten können gemeinsam gesintert sein.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Übertragungsanordnung eine Wand zur Übertragung eines akustischen Signals zwischen den Wandlern auf. Somit ist das Medium als Wand ausgebildet. Wenigstens einer der Wandler ist abnehmbar an der Wand befestigbar. Insbesondere ist der abnehmbare Wandler dazu ausgebildet, wiederholt abgenommen und wieder an der Wand befestigt zu werden. Beispielsweise ist der abnehmbare Wandler nicht an der Wand angeklebt.

Es können beide Wandler abnehmbar an der Wand befestigbar sein. Dies ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn keiner der Wandler in einem abgeschlossenen Gehäuse angeordnet ist. Es können auch nur einer der Wandler zur abnehmbaren Befestigung und der andere Wandler zur nicht-abnehmbaren Befestigung ausgebildet sein. Beispielsweise ist der primäre Wandler abnehmbar befestigbar. Beispielsweise ist einer der Wandler in einem Außenraum angeordnet und abnehmbar befestigt, während der andere Wandler in einem Innenraum angeordnet und permanent befestigt ist.

Gemäß einer Ausführungsform ist der abnehmbare Wandler magnetisch an der Wand befestigbar. Beispielsweise weist die Übertragungsanordnung eine Wandlereinheit auf, die einen der Wandler und einen Magneten aufweist und als Ganzes an der Wand befestigbar und abnehmbar ist. Beispielsweise ist ein Magnet permanent am abnehmbaren Wandler befestigt. Der Magnet kann an den Wandler angeklebt sein. Die Anordnung wird beispielsweise über die Magnetkraft zwischen dem Magneten und einer magnetischen Wand gehalten.

Es können auch beide Wandler magnetisch an der Wand befestigbar sein. Beispielsweise ist bei beiden Wandlern ein Magnet zwischen dem Wandler und der Wand angeordnet.

Der Magnet kann elektrisch leitfähig sein. Der Magnet kann zusätzlich zur Funktion der Befestigung des Wandlers an der Wand auch die Funktion eines Kontakts zur elektrischen Kontaktierung des Wandlers aufweisen.

In einer Ausführungsform weist die Übertragungsanordnung wenigstens eine Halterung zur abnehmbaren Befestigung wenigstens eines Wandlers an der Wand auf. Beispielsweise weist die Halterung und/oder der Wandler einen Rastmechanismus zur lösbaren Verrastung mit dem Wandler auf. Es handelt sich somit um eine mechanische Befestigung. Die Halterung ist beispielsweise permanent an der Wand befestigt.

Beispielsweise weist die Halterung eine Unterseite auf, auf die der Wandler aufsetzbar ist, und Seitenteile, die den Wandler seitlich halten. Beispielsweise ist der Wandler von oben in die Halterung einschiebbar. Der Wandler kann auch senkrecht zur Wand hin in die Halterung einschiebbar sein.

Wie bei einer magnetischen Halterung können beide Wandler oder nur einer der Wandler in Halterungen abnehmbar befestigbar sein. Es kann auch eine Kombination aus einer magnetischen und mechanischen Befestigung vorhanden sein. Die Halterung kann elektrisch leitfähig sein oder einen elektrisch leitfähigen Bereich bzw. ein elektrisch leitfähiges Element aufweisen. Die Halterung kann auch als Kontakt zur elektrischen Kontaktierung des Wandlers ausgebildet sein.

In einer Ausführungsform weist die Übertragungsanordnung eine Anpassungsschicht zur Anpassung von Phasenlagen und/oder zur Führung des akustischen Signals auf. Die Anpassungsschicht ist beispielsweise zwischen einem der Wandler und dem akustischen Medium, insbesondere der Wand, angeordnet. Es kann auch zwischen beiden Wandlern und der Wand jeweils eine Anpassungsschicht angeordnet sein. Die Anpassungsschicht kann auch mehrschichtig ausgebildet sein.

Aufgrund der räumlichen Ausdehnung der Wandler können unterschiedliche Signalanteile des von einem Wandler ausgehenden akustischen Signals und/oder des von einem Wandler empfangenen akustischen Signal unterschiedliche Phasenlagen aufweisen. Die Anpassungsschicht kann derart ausgebildet sein, dass die Phasenlagen der Anteile an einem gewünschten Ort möglichst gleich sind, so dass eine destruktive Interferenz vermieden wird.

Die Anpassungsschicht kann alternativ oder zusätzlich dazu auch zur Führung, insbesondere zur Fokussierung, des Signals dienen. Beispielsweise kann es zu einer kegelförmigen Aufweitung des akustischen Signals von der primären Seite zur sekundären Seite kommen. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn der akustische Kanal eine gewisse Länge, entsprechend einer Stärke der Wand, erreicht. Die Anpassungsschicht kann elektrisch leitfähig sein. Die Anpassungsschicht kann zusätzlich zur Funktion der Anpassung von Phasenlagen und/oder zur Führung des akustischen Signals auch die Funktion eines Kontakts zur elektrischen Kontaktierung des Wandlers aufweisen.

Beispielsweise weist die Anpassungsschicht eine homogene Dicke auf, insbesondere in einem Bereich direkt zwischen dem Wandler und der Wand. Alternativ kann die Anpassungsschicht eine inhomogene Dicke aufweisen, insbesondere dann, wenn die Wand uneben ausgebildet ist. Die Anpassungsschicht kann in diesem Fall unterschiedliche Laufzeiten aufgrund der Unebenheit kompensieren.

Die Anpassungsschicht kann eine strukturierte Oberfläche oder ein strukturiertes Volumen aufweisen. Beispielsweise können durch die Strukturierung gezielt Signalanteile, z.B. je nach Herkunft des Signals oder Frequenz, verstärkt, geschwächt oder umgelenkt werden. Die strukturierte Oberfläche ist dabei insbesondere bei einer von der Wand abgewandten Seite ausgebildet .

Die Anpassungsschicht weist beispielsweise ein akustisches Meta-Material auf. Ein derartiges Meta-Material weist beispielsweise eine wabenartige Struktur auf. Beispielsweise ist das Meta-Material durch 3D-Druck hergestellt. Ein derartiges Meta-Material kann auch als Linse zur Fokussierung des Signals eingesetzt werden.

In einer Ausführungsform ist die Anpassungsschicht als Klebeschicht ausgebildet. Beispielsweise ist die Klebeschicht gleichzeitig dazu ausgebildet, einen der Wandler an der Wand zu befestigen. Die Klebeschicht kann auch den Wandler an einem Magneten befestigen.

Die Anpassungsschicht kann auch zusätzlich zu einer Klebeschicht vorhanden sein. Die Anpassungsschicht kann beispielsweise mit dem Wandler verklebt sein. Die Anpassungsschicht kann auch anderweitig am Wandler befestigt sein, beispielsweise durch gemeinsame Sinterung mit den Schichten des Wandlers. Es kann auch nur eine Anpassungsschicht und keine Klebeschicht bei einem Wandler vorhanden sein.

In einer Ausführungsform kann die Anpassungsschicht gelartig ausgebildet sein. Beispielsweise handelt es sich um ein Ultraschall-Kontaktgel. Auf diese Weise kann die Kopplung vom Wandler zur Wand optimiert werden. Ein derartiges Gel kann beispielsweise gut bei einer mechanischen Halterung des Wandlers oder auch bei einer magnetischen Halterung verwendet werden. Das Gel ist hier beispielsweise nicht als Klebeschicht ausgebildet und kann den Wandler nicht an der Wand befestigten.

In einer Ausführungsform weist einer der Wandler eine größere Grundfläche auf als der andere Wandler. Beispielsweise weist der Wandler, der das Signal empfängt, eine größere Grundfläche auf als der Wandler, der das Signal aussendet.

Der Empfänger ist beispielsweise der sekundäre Wandler. In diesem Fall kann auch bei einer Aufweitung des Signals bei der Übertragung durch das Medium, ein möglichst großer Anteil empfangen werden. Somit wird ein hoher elektrischer Leistungs-Wirkungsgrad, d.h. ein gutes Verhältnis der empfangenen elektrischen Leitung zur zugeführten elektrischen Leistung, erzielt. In einer Ausführungsform weist wenigstens einer der Wandler eine Geometrie auf, die zur Verringerung unerwünschter Schwingungsmoden ausgebildet ist. Derartige unerwünschte Schwingungsmoden nehmen Energie auf, leiten diese jedoch nicht zur sekundären Seite weiter und führen somit zu Leistungsverlusten. Durch Verringerung unerwünschter Schwingungsmoden wird die Übertragung der akustischen Welle, deren Ausbreitungsvektor normal zur Ebene des Wandlers und senkrecht durch die Wand verläuft, optimiert.

Beispielsweise weist wenigstens einer der Wandler eine Grundfläche in Form eines Polygons auf, wobei das Polygon frei von zueinander parallelen Kanten ist. Durch parallele Kanten wird die Entstehung radial-extensionaler Moden begünstigt. Durch die Vermeidung paralleler Kanten können diese Schwingungsmoden reduziert werden. Beispielsweise weist der primäre Wandler eine derartige Grundfläche auf. Es kann alternativ oder zusätzlich auch der sekundäre Wandler eine derartige Grundfläche aufweisen. Zur weiteren Vermeidung von speziellen Resonanzmoden ist es vorteilhaft, wenn die Kanten auch unterschiedliche Längen aufweisen. Insbesondere weist die Grundfläche die Form eines Polygons auf, das frei von zueinander parallelen Kanten ist und/oder frei von Kanten gleicher Länge ist.

Beispielsweise weist wenigstens einer der Wandler unterschiedliche Dicken auf. Die Dicke ist hierbei insbesondere die Dicke des piezoelektrischen Materials. Die Dicke ist insbesondere die Ausdehnung des Wandlers senkrecht zum Medium bzw. einer Wand hin. Beispielsweise weist wenigstens einer der Wandler randseitig eine größere Dicke auf als in einem zentralen Bereich. Beispielsweise weist der Wandler umlaufend am Rand eine Erhebung auf. Auf diese Weise können Oberflächenwellen entlang der Oberfläche der Wand reduziert werden.

Die Übertragungsanordnung kann weitere Bestandteile, wie beispielsweise eine Steuerelektronik aufweisen.

Beispielsweise ist primärseitig eine Steuerelektronik zur Anpassung eines elektrischen Eingangssignals an eine Resonanzfrequenz des primären Wandlers und/oder der Übertragungsanordnung vorhanden. Die Steuerelektronik und weitere Bestandteile können mit dem zugeordneten Wandler in einer Einheit angeordnet sein. Beispielsweise sind die Bestandteile in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Im Fall eines abnehmbaren Wandlers kann beispielsweise die gesamte Einheit abgenommen und angebracht werden.

Es wird weiterhin eine Übertragungsanordnung angegeben, aufweisend einen primären piezoelektrischen Wandler, einen sekundären piezoelektrischen Wandler und eine Wand zur Übertragung eines akustischen Signals zwischen den Wandlern, wobei wenigstens einer der Wandler magnetisch oder mechanisch an der Wand befestigt ist. Die Übertragungsanordnung kann alle vorgehend beschriebenen Eigenschaften aufweisen.

Auch der Wandler, der sich im Innenraum eines abgeschlossenen Behälters befindet, kann über einen Magneten oder eine mechanische Halterung an der Wand befestigt sein, auch wenn sich der Wandler mangels Zugänglichkeit von außen nicht von der Wand abnehmen lässt. Eine derartige Befestigung kann im Vergleich zu einer Klebebefestigung weniger temperatur empfindlich sein. Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Übertragungsanordnung angegeben, die einen primären piezoelektrischen Wandler, einen sekundären piezoelektrischen Wandler und ein Medium zur Übertragung eines akustischen Signals aufweist. Bei dem Medium kann es sich beispielsweise um eine Wand, insbesondere um eine feste Wand, oder um ein gasförmiges oder flüssiges Medium handeln. Die Übertragungsanordnung weist wenigstens eine Anpassungsschicht zur Anpassung der Phasenlagen und/oder zur Führung des akustischen Signals auf. Die Wandler, das Medium und die Anpassungsschicht können ansonsten wie vorgehend beschrieben ausgebildet sein. Im Unterschied zum ersten Aspekt der Erfindung können auch beide Wandler nicht-abnehmbar an einer Wand befestigt sein oder es kann ein anderes Medium als eine Wand vorhanden sein.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Übertragungsanordnung angegeben, die einen primären piezoelektrischen Wandler, einen sekundären piezoelektrischen Wandler und ein Medium zur Übertragung eines akustischen Signals aufweist. Bei dem Medium kann es sich beispielsweise um eine Wand, insbesondere um eine feste Wand, oder um ein gasförmiges oder flüssiges Medium handeln. Wenigstens einer der Wandler weist eine Geometrie zur Verringerung unerwünschter Schwingungsmoden auf. Die Wandler, das Medium und die spezielle Geometrie können ansonsten wie vorgehend beschrieben ausgebildet sein. Beispielsweise weist der Wandler eine Grundfläche in Form eines Polygons auf, wobei das Polygon frei von zueinander parallelen Kanten ist oder der Wandler weist unterschiedliche Dicken auf. Im Unterschied zum ersten Aspekt der Erfindung können auch beide Wandler nicht-abnehmbar an einer Wand befestigt sein oder es kann ein anderes Medium als eine Wand vorhanden sein. Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Wandler für eine Übertragungsanordnung zur Übertragung elektrischer Energie über einen akustischen Kanal angegeben, wobei der Wandler eine Geometrie zur Verringerung unerwünschter Schwingungsmoden aufweist. Der Wandler kann ansonsten wie einer der Wandler der vorgehend beschriebenen Übertragungs anordnung ausgebildet sein. Beispielsweise weist der Wandler eine Grundfläche in Form eines Polygons auf, wobei das Polygon frei von zueinander parallelen Kanten ist oder der Wandler weist unterschiedliche Dicken auf. Im Unterschied zum dritten Aspekt der Erfindung muss der Wandler nicht Teil einer Übertragungsanordnung sein, sondern muss lediglich dafür geeignet sein.

Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung wird eine Übertragungsanordnung angegeben, die einen primären piezoelektrischen Wandler, einen sekundären piezoelektrischen Wandler und ein Medium zur Übertragung des akustischen Signals aufweist. Bei dem Medium kann es sich beispielsweise um eine Wand, insbesondere um eine feste Wand, oder um ein gasförmiges oder flüssiges Medium handeln. Der sekundäre Wandler weist eine größere Grundfläche auf als der primäre Wandler. Die Wandler, das Medium und die Grundfläche können ansonsten wie vorgehend beschrieben ausgebildet sein. Im Unterschied zum ersten Aspekt der Erfindung können auch beide Wandler nicht-abnehmbar an einer Wand befestigt sein oder es kann ein anderes Medium als eine Wand vorhanden sein.

In der vorliegenden Offenbarung sind mehrere Aspekte einer Erfindung beschrieben. Alle Eigenschaften, die in Bezug auf eine der Übertragungsanordnungen, einen der Wandler oder ein Verfahren offenbart sind, sind auch entsprechend in Bezug auf den anderen Aspekt offenbart, auch wenn die jeweilige Eigenschaft nicht explizit im Kontext der anderen Aspekte erwähnt wird.

Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen - soweit technisch sinnvoll - miteinander kombiniert werden.

Im Folgenden werden die hier beschriebenen Gegenstände anhand von schematischen Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine Übertragungsanordnung in schematischer Ansicht,

Figur 2 ein Diagramm zur Transmission in Abhängigkeit von der Frequenz,

Figur 3 eine Ausführungsform einer Übertragungsanordnung in einer Schnittansicht,

Figur 4 eine weitere Ausführungsform einer

Übertragungsanordnung in einer Schnittansicht,

Figur 5 eine weitere Ausführungsform einer

Übertragungsanordnung in einer Schnittansicht,

Figur 6 eine Ausführungsform eines Wandlers in Aufsicht auf eine Seitenfläche,

Figur 7 eine Ausführungsform eines Wandlers im Querschnitt, Figur 8 eine weitere Ausführungsform einer Übertragungs anordnung in schematischer Ansicht,

Figur 9 eine weitere Ausführungsform einer Übertragungs anordnung in schematischer Ansicht,

Figur 10 eine weitere Ausführungsform einer Übertragungs anordnung in schematischer Ansicht.

Vorzugsweise verweisen in den folgenden Figuren gleiche Bezugszeichen auf funktionell oder strukturell entsprechende Teile der verschiedenen Ausführungsformen.

Figur 1 zeigt eine Übertragungsanordnung 1 zur Übertragung elektrischer Energie und/oder Signale. Insbesondere handelt es sich um Signale im Ultraschall-Bereich. Beispielsweise dient die Übertragungsanordnung 1 dazu, elektrische Energie von außen in einen abgeschlossenen Behälter zu übertragen, ohne dass Löcher für Kabeldurchführungen in den Behälter eingebracht werden müssen.

Die Übertragungsanordnung 1 weist einen primären piezoelektrischen Wandler 2 und einen sekundären piezoelektrischen Wandler 3 auf. Beispielsweise weisen die Wandler 2, 3 einen Vielschichtaufbau aus jeweils mehreren piezoelektrischen Schichten und dazwischen liegenden Elektrodenschichten auf. Dies kann zu einer vorteilhaften Transformation der elektrischen Leistung verwendet werden.

Zwischen den piezoelektrischen Wandlern 2, 3 befindet sich eine Wand 4. Die Wand 4 weist beispielsweise ein Metall auf oder besteht aus Metall. Insbesondere handelt es sich bei der Wand 4 um einen Festkörper. Die Wand 4 weist beispielsweise Aluminium auf oder besteht aus Aluminium. Die Wand weist beispielsweise eine Dicke von 2 mm auf. Die Wand 4 kann auch nicht-metallisch ausgebildet sein. Gemäß spezifischen Aspekten der Erfindung kann anstelle einer festen Wand auch ein anderes Medium, beispielsweise ein gasförmiges oder flüssiges Medium vorhanden sein.

Beispielsweise bildet die Wand 4 eine Wandung eines abgeschlossenen Behälters oder ist Teil einer derartigen Wandung. Beispielsweise befindet sich der primäre Wandler 2 in einem Außenraum des Behälters und der sekundäre Wandler 3 in einem Innenraum des Behälters. Dem primären Wandler 2 kann elektrische Energie zugeführt werden. Dabei verformt sich das piezoelektrische Material des Wandlers 2. Insbesondere wird eine akustische Welle erzeugt, die über die Wand 4 zum sekundären Wandler 3 übertragen wird und durch das piezoelektrische Material des sekundären Wandlers 3 wieder in elektrische Energie umgewandelt wird. Somit erfolgt die Energieübertragung durch einen akustischen Kanal durch die Wand 4 hindurch. Die akustische Welle weist beispielsweise eine Frequenz im Ultraschall-Bereich auf. Beispielsweise ist das akustische Signal als sinusförmige Druckwelle ausgebildet .

Der primäre Wandler 2 fungiert dabei als Sender und der sekundäre Wandler 3 als Empfänger. Es ist aber auch möglich, dass der primäre Wandler 2 als Empfänger fungiert und der sekundäre Wandler 3 als Sender fungiert oder das der primäre Wandler 2 und der sekundäre Wandler 3 gleichzeitig oder abwechselnd als Sender und Empfänger fungieren. Die Wandler 2, 3 sind beispielsweise als MEMS-Bauteile ausgeführt, so dass sehr kleine Grundflächen erreicht werden können. Um einen gut gebündelten Signal-Kegel vom primären zum sekundären piezoelektrischen Wandler 2, 3 zur Wand 4 zu erzeugen, sollte der Durchmesser d_p, d_s der beiden Wandler 2, 3 allerdings abhängig von der akustischen Wellenlänge eine bestimmte Mindestgröße aufweisen. Beispielsweise ist der Durchmesser d_p, d_s der Wandler 2, 3 jeweils zumindest 20- mal größer als die akustische Wellenlänge.

Beispielsweise ist die akustische Wellenlänge im Bereich von 100 pm. Beispielsweise weisen die Wandler jeweils einen Durchmesser d_p, d_s von 1 bis 10 mm auf. Es kann sich dabei um einen mittleren Durchmesser handeln. Beispielsweise sind die Wandler 2, 3 scheibenartig ausgebildet.

Die Wandler 2, 3 können abnehmbar an der Wand 4 befestigt sein. Die Details zur Befestigung lassen sich beispielsweise den Figuren 9 und 10 entnehmen.

Figur 2 zeigt ein Diagramm der Transmission S (in Dezibel) und der Fouriertransformierten F (in Dezibel) der Impulsantwort in Abhängigkeit von der Frequenz f (in Hz) bei einer Übertragungsanordnung gemäß Figur 1.

Das Diagramm veranschaulicht die Abhängigkeit der Filtercharakteristika von den Dicken t_p, t_s der Wandler 2,

3 und der Dicke t_w der Wand 4. Beispielsweise weist die Wand

4 eine Dicke im Bereich von 2 mm und die Wandler 2, 3 weisen Dicken im Bereich von 0,2 mm auf.

Insgesamt führt eine Verringerung der Dicke der Anordnung, insbesondere der Wandler 2, 3 und der Wand 4, zu einer Verbreiterung des Abstandes zwischen den Frequenzspitzen, wie mit einer Simulation gezeigt werden kann. Die Frequenzspitzen, entsprechend den Resonanzfrequenzen, sind Kavitätsmoden im Material der Wand 4 und hängen essentiell von der Dicke der Wand 4 ab.

Andererseits beeinflusst die Dicke der piezoelektrischen Wandler 2, 3 direkt die Impulsantwort im Zeitbereich. Dies verändert die Form der Einhüllenden der Transfer-Funktion im Frequenzbereich .

So ergibt sich, abhängig von der Dicke der Wandler 2, 3 ein Frequenzbereich, in dem die Resonanzen besonders effiziente Energieübertragung erlauben. Eine effiziente Resonanzstelle ist eingekreist. Vorliegend liegt hier ein Maximum der Transmission vor.

Insgesamt kann eine effiziente Übertragung elektrischer Leistung durch den akustischen Kanal (Wand) erreicht werden, wenn die Übertragungsanordnung 1 an einer geeigneten Resonanzfrequenz, insbesondere einer effizienten Resonanzstelle betrieben wird.

Besonders günstig ist es dabei, wenn der primäre Wandler 2 und der sekundäre Wandler 3 gleiche Resonanzfrequenzen aufweisen. Dies kann durch gleiche Materialeigenschaften, gleiche Dicke und gleiche Belastung erreicht werden. Als Belastung kann insbesondere die Anschlussimpedanz bezeichnet werden. Durch Variation dieser Anschlussimpedanz kann die Resonanzfrequenz verstimmt werden.

Figur 3 zeigt eine Ausführungsform einer Übertragungs anordnung 1 zur Übertragung elektrischer Energie, bei der die piezoelektrischen Wandler 2, 3 durch Klebeschichten 5, 6 an der Wand 4 befestigt sind. Beispielsweise handelt es sich um einen Epoxidklebstoff. Bei einer Übertragungsanordnung aufweisend einen abnehmbar befestigten Wandler ist beispielsweise nur einer der Wandler 2, 3 durch eine hier gezeigte Klebeschicht an der Wand 4 befestigt. Der andere Wandler ist beispielsweise gemäß den Figuren 9 und 10 abnehmbar befestigt.

Die Klebeschichten 5, 6 können zusätzlich zur Befestigung auch zur akustischen Anpassung, insbesondere

Impedanzanpassung, und/oder zur Führung bzw. Fokussierung des Signals ausgebildet sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass zwischen Wand 4 und wenigstens einem Wandler 2, 3 eine zusätzlich zur Klebeschicht 5, 6 vorhandene Anpassungsschicht vorhanden ist.

Die Klebeschichten 5, 6 können auch elektrisch leitfähig ausgebildet sein. Die Klebeschichten 5, 6 können jeweils zusätzlich auch als Kontakt 29, 30 zur elektrischen Kontaktierung der Wandler 2, 3 ausgebildet sein. Ein weiterer Kontakt 31, 32 ist beispielsweise jeweils auf der von der Wand 4 abgewandten Seite des Wandlers 2, 3 angeordnet. Der weitere Kontakt 31, 32 ist beispielsweise eine als Paste aufgebrachte gesinterte metallische Schicht.

Der primäre Wandler 2 wird mit einer Eingangsspannung V_in betrieben. Der sekundäre Wandler erzeugt eine Ausgangsspannung V_out.

Figur 4 zeigt eine Ausführungsform einer Übertragungs anordnung 1, bei der zusätzliche Anpassungsschichten 9, 10 zwischen Wand 4 und den Wandlern 2, 3 angeordnet sind. Es kann auch nur zwischen einem der Wandler 2, 3 und der Wand 4 eine Anpassungsschicht 9, 10 vorhanden sein. Bei einer Übertragungsanordnung aufweisend einen abnehmbar befestigten Wandler ist beispielsweise nur einer der Wandler 2, 3 durch eine hier gezeigte Klebeschicht an der Wand 4 befestigt. Der andere Wandler ist beispielsweise gemäß den Figuren 9 und 10 abnehmbar befestigt.

Aufgrund der räumlichen Ausdehnung des Wandlers 2, 3 können an unterschiedlichen Orten des Wandlers 2, 3 abgegebene Signalanteile, die beim Aussenden gleich sind, mit unterschiedlicher Phasenlage auf die Wand treffen. Die Klebeschicht 5, 6 oder Anpassungsschicht kann derart ausgebildet sein, dass die Phasenlagen aller Anteile beim Eintritt in die Wand 4 möglichst gleich sind, so dass destruktive Interferenz möglichst vermieden wird. Die Klebeschicht 5, 6 ist insbesondere derart ausgebildet, dass bei Überlagerung der einzelnen Signalanteile ein möglichst großes Gesamtsignal resultiert. Beispielsweise ist bei einer planen Wand 4 die Klebeschicht ebenfalls plan ausgebildet.

Bei einer unebenen Wand ist die Klebeschicht 5, 6 beispielsweise dazu ausgebildet, die Unebenheiten auszugleichen, so dass auch alle Anteile des Signals mit gleicher Phasenlage auf die Wand 4 treffen.

Allgemein kann im Fall einer konstanten akustischen Laufzeit der Signalanteile eine konstante Schichtdicke der Klebeschicht 5, 6 bzw. Anpassungsschicht vorgesehen sein. Für den Fall unterschiedlicher akustischer Laufzeiten durch die Schichtdicke kann ein entsprechend unterschiedlicher Verlauf der Schichtdicke verwendet werden, um beim sekundären Wandler 3 eine phasenrichtige Überlagerung aller Anteile, d.h. konstruktive Interferenz, zu erreichen. Beispielsweise können derartige unterschiedliche Laufzeiten aus einem Temperaturgradienten resultieren.

Die Klebeschicht 5, 6 bzw. Anpassungsschicht kann auch zur Führung bzw. Fokussierung des Signals dienen. Beispielsweise kann somit eine kegelförmige Aufweitung des akustischen Signals vermindert werden. Beispielsweise kann die Anpassungsschicht ein akustisches Meta-Material aufweisen. Es kann auch eine strukturierte Anpassungsschicht durch 3-D Druck hergestellt sein.

Figur 5 zeigt eine Ausführungsform einer Übertragungs anordnung 1, bei der der sekundäre Wandler 3 eine größere Grundfläche aufweist als der primäre Wandler 2. Die Grundfläche ist hierbei eine parallel zur Wand 4 angeordnete Außenfläche des Wandlers 3. Insbesondere ist der Durchmesser d_s des sekundären Wandler 3 größer als der Durchmesser d_p des primären Wandlers 2. Je nach Grundfläche kann es sich dabei auch um einen mittleren oder maximalen Durchmesser handeln .

Aufgrund der größeren Grundfläche kann auch bei einer Aufweitung des Signals S, insbesondere bei einer kegelförmigen Aufweitung, ein möglichst großer Teil der vom primären Wandler 2 ausgesendeten akustischen Leistung vom sekundären Wandler 3 aufgenommen werden und in elektrische Leistung umgewandelt werden. Darüber hinaus kann hierdurch auch eine Toleranz bei einem montagebedingten Versatz der Wandler 2, 3 erzielt werden.

Es kann auch einer der Wandler 2, 3 abnehmbar an der Wand 4 befestigt sein. Die weiteren Eigenschaften der Übertragungsanordnung 1 gelten entsprechend. Figur 6 zeigt eine Grundfläche A einer Ausführungsform eine Wandlers 2 für eine Übertragungsvorrichtung 1.

Die Grundfläche A ist dabei eine Fläche des Wandlers 2, die der Wand 4 bzw. einem anderen akustischen Medium zugewandt ist. Es kann sich hierbei um eine Grundfläche des primären Wandlers 2 und/oder des sekundären Wandlers 3 handeln. Beispielsweise weisen die Wandler 2, 3 die gleiche Grundfläche A auf. Die Wandler 2, 3 können auch die gleiche Grundform, aber eine unterschiedliche Größe aufweisen, wie in Figur 5 gezeigt.

Die Grundfläche A ist in Form eines Polygons ausgebildet. Beispielsweise handelt es sich um ein Fünfeck. Die Kanten 28 des Polygons sind alle nicht-parallel zueinander ausgebildet. Somit weist das Polygon keine zueinander parallelen Kanten auf, insbesondere keine gegenüberliegenden parallelen Kanten.

Auf diese Weise können unerwünschte radial-extensionale Moden vermieden werden. Radial-extensionale Moden halten einen Teil der primärseitig zugeführten Energie innerhalb der Wandler und führen zu Verlusten. Weiterhin können durch die radial- extensionalen Moden störende Resonanzstellen im Frequenzbereich erzeugt werden.

Zusätzlich können alle Kanten 28 auch unterschiedliche Längen aufweisen, so dass das Auftreten von speziellen Resonanzmoden noch effizienter verhindert werden kann.

Figur 7 zeigt eine Querschnittsfläche Q einer Ausführungsform eine Wandlers 2 für eine Übertragungsvorrichtung 1, beispielsweise der vorhergehenden Figuren. Die Querschnittsfläche Q ist dabei die Fläche bei einem Schnitt durch die Wandler 2, 3 der Figur 1 parallel zur Papierebene.

Die der Wand 4 abgewandte Außenseite 11 weist dabei eine strukturierte Geometrie auf. Insbesondere weist die Außenseite 11 wenigstens eine Vertiefung 12 bzw. Erhebung 13 auf. Am Ort der Vertiefung 12 ist der Wandler 2 dünner ausgebildet als am Ort der Erhebung 13. Insbesondere kann der Wandler 2 umlaufend am Rand eine Erhebung aufweisen bzw. dicker ausgebildet sein. Die randseitige Dicke t_l des Wandlers 2 ist somit größer als die zentrale Dicke t_2 des Wandlers 2. Der Wandler 2 kann auch umlaufend am Rand eine Vertiefung aufweisen bzw. dünner ausgebildet sein.

Durch eine derart gestufte Ausbildung können akustische Wellen an der Oberfläche der Wand minimiert werden. Diese Oberflächenwellen führen ebenfalls zu Verlusten in der Übertragungsanordnung .

Die Wandler 2, 3 können beispielsweise auch eine Kombination der in Figur 6 gezeigten Grundfläche mit der in Figur 7 gestuften Außenfläche aufweisen.

Figur 8 zeigt eine Übertragungsanordnung 1, die primärseitig und sekundärseitig neben den jeweiligen Wandlern 2, 3 weitere Elemente aufweist.

Die Elemente können primärseitig und/oder sekundärseitig jeweils in einer gemeinsamen Wandlereinheit 24, 25 angeordnet sein. Beispielsweise ist bei einem abnehmbar ausgebildeten Wandler die Wandlereinheit 24, 25 als Ganzes abnehmbar ausgebildet . Auf der Primärseite 14 ist eine Steuerelektronik 16 vorhanden. Die Steuerelektronik 16 nimmt elektrische Leistung auf und wandelt diese in ein geeignetes Ansteuersignal für den primären Wandler 2 um und gibt das Signal an den Wandler 2 ab. Die Steuerelektronik 16 gibt insbesondere ein Eingangssignal an den primären Wandler 2 ab, dessen Frequenz gut auf eine Resonanzfrequenz eingestellt ist. Das Eingangssignal ist beispielsweise ein Sinussignal.

Beispielsweise wird das Eingangssignal automatisch nachgeregelt, in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen, wie z.B. Temperatur, oder zum Ausgleich von Toleranzen in der Fertigung und Montage, so dass das Eingangssignal an eine geänderte mechanisch-akustische Resonanzfrequenz angepasst wird.

Zwischen dem primären Wandler 2 und der Wand 4 ist eine akustische Impedanz-Anpassung 17 angeordnet. Die elektrische Anschluss-Impedanz der Wandler 2, 3 ist wesentlich für die Impedanz-Anpassung der elektronischen Funktionsblöcke an der primären Seite (Außenwand) und an der sekundären Seite (Innenwand). Die Impedanz-Anpassung 17 weist beispielsweise die Anpassungsschicht 9 gemäß Figur 4 auf oder besteht aus dieser Anpassungsschicht 9.

Die primärseitigen Elemente wie primäre Steuerelektronik 16, primärer Wandler 2 und primäre Impedanz-Anpassung 17 sind beispielsweise in einem gemeinsamen primären Gehäuse 18 angeordnet .

An der Sekundärseite 15 ist beispielsweise eine sekundäre Impedanz-Anpassung 17 zur akustischen Anpassung zwischen Wand 4 und sekundärem Wandler 3 vorhanden. Zudem weist die Sekundärseite 15 eine sekundäre Steuerelektronik 20 auf, die das elektrische Signal des sekundären Wandlers 3 in geregelte elektrische Leistung, beispielsweise eine geregelte Gleichspannung, umformt. Optional können weitere Elemente, wie z.B. ein Energiespeicher enthalten sein.

Die sekundärseitigen Elemente wie sekundäre Steuerelektronik 20, sekundärer Wandler 3 und sekundäre Impedanz-Anpassung 19 sind beispielsweise in einem gemeinsamen, sekundären Gehäuse 21 angeordnet.

Figur 9 zeigt eine Übertragungsanordnung 1 bei dem der primäre Wandler 2 und der sekundäre Wandler 3 abnehmbar von der Wand 4 ausgebildet sind.

Die Wandler 2, 3 sind jeweils an einem Magneten 22, 23 befestigt. Beispielsweise sind die Wandler 2, 3 mit dem jeweiligen Magneten verklebt, z.B. mittels eines Epoxidklebers. Es handelt sich beispielsweise um NdFeB- Magnete .

Somit weist eine primäre Wandlereinheit 24 den primären Wandler 2 und den primären Magneten 22 auf, die sekundäre Wandlereinheit 25 weist den sekundären Wandler 3 und den sekundären Magneten 23 auf. Die primäre Wandlereinheit 24 und die sekundäre Wandlereinheit 25 bilden jeweils eine Einheit und können somit als Ganzes von der Wand 4 abgenommen werden.

Zwischen den Magneten 22, 23 und der Wand 4 kann jeweils eine Anpassungsschicht 9, 10 vorhanden sein, wie für Figur 4 beschrieben. Die Anpassungsschichten 9, 10 können permanent an der Wand 4 angebracht sein. Es ist auch möglich, die Anpassungsschichten 9, 10 abnehmbar an der Wand 4 und permanent am jeweiligen Wandler 2, 3 zu befestigten.

Es ist auch möglich, nur einen der Wandler 2, 3 abnehmbar auszugestalten. Beispielsweise ist der Wandler, der sich im Innenraum eines Gehäuses befindet permanent befestigt und der Wandler, der sich im Außenraum befindet, abnehmbar befestigt. Beispielsweise ist der sekundäre Wandler 3 permanent befestigt und der primäre Wandler 2 abnehmbar befestigt.

Die Magnete 22, 23 können elektrisch leitfähig ausgebildet sein. Die Magnete 22, 23 können jeweils als Kontakt 29, 30 zur elektrischen Kontaktierung der Wandler 2, 3 ausgebildet sein. Ein weiterer Kontakt 31, 32 ist beispielsweise jeweils auf der von der Wand 4 abgewandten Seite des Wandlers 2, 3 angeordnet .

Figur 10 zeigt eine Übertragungsanordnung 1, bei der der primäre Wandler 2 in einer Halterung 26 aufgenommen ist.

Der primäre Wandler 2 ist insbesondere herausnehmbar in der Halterung 26 aufgenommen und somit abnehmbar an der Wand 4 befestigt. Die Halterung 26 stützt den Wandler 2 nach unten und zur Seite hin ab. Die Halterung 26 kann auch weitere Seitenflächen aufweisen, die den Wandler in einer Richtung in die Bildfläche hinein und aus der Bildfläche heraus abstützen. Beispielsweise kann der Wandler 2 von oben in die Halterung 26 eingeschoben werden. Alternativ kann die Halterung auch ähnlich wie die Halterung für eine Batterie- Knopfzelle ausgebildet sein. In diesem Fall ist der Wandler beispielsweise senkrecht zur Wand hin in die Halterung einschiebbar . Die Halterung 26 weist eine Rastvorrichtung 27, beispielsweise in Form eines Vorsprungs auf. Der Wandler 2 weist beispielsweise eine komplementäre ausgebildete Rastvorrichtung, beispielsweise eine Vertiefung auf. Der Wandler 27 kann auch durch die Halterung 26 federnd gehalten werden, ohne dass eine Rastvorrichtung in eine Vertiefung des Wandlers 2 eingreift.

Die Halterung 26 ist beispielsweise an der Wand 4 durch Kleben befestigt. Die Halterung 26 kann beispielsweise auch angeschraubt sein. Die Halterung 26 ist somit permanent an der Wand 4 befestigt.

Die Halterung 26 kann zusätzlich auch eine Funktion als Kontakt 29 zur elektrischen Kontaktierung des Wandlers 2 aufweisen. Weitere Kontakte 30, 31, 32 können durch Anpassungs- bzw. Klebeschichten gebildet werden.

Die im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 8 beschriebenen Eigenschaften der Wandler und Übertragungsanordnungen können entsprechend bei den in den Figuren 9 und 10 gezeigten abnehmbaren Wandler vorhanden sein, soweit sich dies mit den beschriebenen Eigenschaften vereinbaren lässt.

Darüber hinaus kann bei den in den Figuren 1 bis 8 Übertragungsanordnungen anstelle einer festen Wand auch ein anderes Medium vorhanden sein, soweit sich dies mit den beschriebenen Eigenschaften vereinbaren lässt. Bezugszeichenliste

1 Übertragungsanordnung

2 primärer Wandler

3 sekundärer Wandler

4 Wand

5, 6 Klebeschicht

7, 8 weitere Klebeschicht

9, 10 Anpassungsschicht

11 Außenseite

12 Vertiefung

13 Erhebung

14 Primärseite

15 Sekundärseite

16 primäre Steuerelektronik

17 primäre Impedanz-Anpassung

18 primäres Gehäuse

19 sekundäre Impedanz-Anpassung

20 sekundäre Steuerelektronik

21 sekundäres Gehäuse

22 primärer Magnet

23 sekundärer Magnet

24 primäre Wandlereinheit

25 sekundäre Wandlereinheit

26 Halterung

27 Rastvorrichtung

28 Kante

29 Kontakt

30 Kontakt

31 Kontakt

32 Kontakt S Signalaufweitung t_p Dicke primärer Wandler t_s Dicke sekundärer Wandler t_l erste Dicke t_2 zweite Dicke t_W Dicke Wand d_p Durchmesser primärer Wandler d_s Durchmesser sekundärer Wandler Af Abstand zwischen Frequenzspitzen T Transmission

F Fouriertransformation der Impulsantwort f Frequenz

V_in

V_out A Grundfläche

Q Querschnittsfläche