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Die Erfindung betrifft ein Sicherheitselement zur Erhöhung des Fälschungsschutzes von Sicherheitsdokumenten wie Banknoten, Wertpapieren, Ausweisen, Kreditkarten, Debit-Karten oder dergleichen.
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Sicherheitsdokumente werden zur Absicherung mit Sicherheitselementen versehen, die eine Überprüfung der Echtheit des Gegenstandes gestatten und die zugleich als Schutz vor unerlaubter Reproduktion dienen. Weiterhin erzeugen Sicherheitselemente häufig einen gut sichtbaren optischen Eindruck, weswegen solche Sicherheitselemente neben ihrer Funktion als Sicherungsmittel bisweilen auch ausschließlich als dekorative Elemente für solche Datenträger oder für deren Verpackung verwendet werden. Ein Sicherheitselement kann in solche Sicherheitsdokumenten, beispielsweise in eine Banknote oder in eine Chipkarte, eingebettet sein oder als selbsttragendes Transferelement ausgebildet sein, beispielsweise als Patch oder als Etikett, das nach seiner Herstellung auf einen zu sichernden Datenträger oder sonstigen Gegenstand, beispielsweise über einem Fensterbereich des Datenträgers, aufgebracht wird.
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Ein Sicherheitsdokument mit einem Sicherheitselement in Form eines Lautsprechers ist aus
WO 2004/090800 A2 bekannt. Hierbei besteht das Sicherheitsdokument aus einem kontaktlosen Datenträger mit einer Antenne und einem Chip, wobei auf dem Datenträger Daten angeordnet sind, die über einen antennenbasierten Datenübertragungskanal an ein Lesegerät übertragbar sind. Hierbei können auch akustische Informationen wiedergegeben werden, wobei diese durch einen üblichen Lautsprecher des Standes der Technik, beispielsweise einen piezoelektrischen Lautsprecher, erzeugt werden.
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Nachteil üblicher Lautsprecher des Standes der Technik ist, dass diese eine zu große Dicke aufweisen, zu unflexibel und meist nicht transparent sind. Dies führt dazu, dass sie anfällig für Verformungen und Beschädigungen sind und zudem auf die Schwingungseigenschaften des Substrates angewiesen sind. Derartige übliche Lautsprecher des Standes der Technik sind beispielsweise piezoelektrische Schallwandler, wobei keramische piezoelektrische Schallwandler mechanisch zu unflexibel und kunststoffbasierte piezoelektrische Schallwandler noch nicht marktreif sind. Weitere übliche Lautsprecher des Standes der Technik sind sogenannte „flache flexible Lautsprecher” (Flat Flexible Loudspeaker – FFL), die jedoch einen komplexen, mehrschichtigen Aufbau in Form eines Laminats aufweisen und mit einer Dicke von etwa 200 μm zu dick für Anwendung auf oder in Sicherheitsdokumenten sind. Des Weiteren muss die Membran eines FFL frei schwingen können, um Schallwellen erzeugen zu können.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Sicherheitselement derart weiterzubilden, dass die Nachteile des Standes der Technik behoben, der Schutz gegenüber Fälschungen weiter erhöht sowie die Erkennbarkeit von Fälschungen verbessert wird.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß besteht das Sicherheitselement aus mindestens einem thermoakustischen Schwingungserreger, der auf das Sicherheitsdokument aufgebracht ist und bei Einkopplung von elektrischer Energie Schwingungsenergie abgibt.
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Die Wirkungsweise eines thermoakustischen Schwingungserregers beruht auf dem thermoakustischen Effekt. Bei dem thermoakustischen Effekt, wird entweder thermische Energie eines Materials in Schwingungsenergie des an das Material angrenzenden Mediums, im Falle eines an das Material angrenzenden gasförmigen Mediums in Schallenergie oder in Schallwellen, umgewandelt oder umgekehrt Schwingungsenergie des umgebenden Mediums in thermische Energie. Im letztgenannten Fall entstehen durch die Schwingungen des umgebenden Mediums Druckänderungen, die unmittelbare thermodynamische Zustandsänderungen zur Folge haben. So werden durch Temperaturgradienten bzw. inhomogen Temperaturverteilungen an begrenzenden Kontaktflächen akustische Wellen angeregt. Im Prinzip handelt es sich beim thermoakustischen Effekt, um eine Energieumwandlung von thermischer in akustische Energie.
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Das Phänomen des thermoakustischen Effekts wurde bereits Ende des 19. Jahrhunderts entdeckt und bei dem sogenannten „Thermophon” angewendet (siehe beispielsweise Preece, 1879–1880, Braun et. al. 1898). Bei diesen Ausführungsformen wurden Schallwellen durch Aufheizen einer dünnen Metallfolie durch Anlegen eines Wechselstroms erzeugt.
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Die Erzeugung von Schwingungsenergie bei dem thermoakustischen Effekt kann folgendermaßen erklärt werden: Durch Anlegen eines Wechselstroms an einen dünnen elektrischen Leiter findet ein periodisches Aufheizen des dünnen elektrischen Leiters statt. Dieses periodische Aufheizen resultiert in Temperaturwellen, die an das umgebende Medium abgegeben werden. Die thermische Ausdehnung und Kontraktion dieser Leiterschichten sowie der angrenzenden Gase bestimmt dann die Amplitude der Schwingungsenergie.
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Bevorzugt gibt der thermoakustische Schwingungserreger Schwingungsenergie in Form von Luftschall ab, d. h. in Form von Schwingungen oder Druckschwankungen des ihn umgebenden gasförmigen Mediums bzw. der ihn umgebenden Luft. In diesem Fall wirkt der thermoakustische Schwingungserreger als thermoakustischer Lautsprecher. Selbstverständlich ist auch eine Abgabe von Schwingungsenergie in Form von Körperschall möglich, wobei der thermoakustische Schwingungserreger seine Schwingungen an einen Festkörper weitergibt, der mit ihm kraftschlüssig verbunden ist.
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Vorrausetzung für einen effizienten thermoakustischen Effekt sind eine sehr dünne Leiterschicht, beispielsweise für Leiterschichten aus Platin eine Schichtdicke von weniger als 700 nm, mit einer spezifischen Wärmekapazität von weniger als 800 J/(kg·K), bevorzugt von etwa 500 J/(kg·K), sowie ein geeignetes Material, das in der Lage ist, Schwingungsenergie von bevorzugt wahrnehmbarer oder detektierbarer Amplitude bzw. hörbarer Lautstärke zu erzeugen.
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Bevorzugt ist der thermoakustische Schwingungserreger als Kohlenstoffnanoröhrchen bzw. Carbonnanotube (CNT) Lautsprecher und besonders bevorzugt als Carbonnanotube-Dünnfilm-Lautsprecher ausgeführt. Carbonnanotube (CNT) oder Carbonnanotube-Dünnfilm-Lautsprecher sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus L. Xiao et al., "Flexible, Stretchable, Transparent Carbon Nanotube Thin Film Loudspeakers, Nano Letters, vol. 8, no. 12, 2008, pp. 4539–4545, deren Veröffentlichung diesbezüglich vollumfänglich in diese Anmeldung aufgenommen wird. Bei Carbonnanotube (CNT) oder Carbonnanotube-Dünnfilm-Lautsprechern erfolgt durch Erhitzung mit Wechselströmen eine periodische Aufheizung der CNT-Schicht. Eine CNT-Schicht besteht bevorzugt aus einer Vielzahl parallel angeordneter Kohlenstoffnanoröhrchen, wobei jedes Kohlenstoffnanoröhrchen einen Durchmesser von etwa 10 nm aufweist. Ein Carbonnanotube (CNT) oder Carbonnanotube-Dünnfilm-Lautsprecher kann aus einer oder mehreren dieser CNT-Schichten aufgebaut sein. Dies hat zur Folge, dass die Schallwellen bzw. die zugehörige Druckoszillation nicht durch eine vibrierende Membran erzeugt wird, wie es beispielsweise bei konventionellen Lautsprechern der Fall ist, sondern durch eine Temperaturoszillation.
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CNT-Dünnfilm-Schichten verfügen über folgende vorteilhafte Eigenschaften: sie sind transparent, d. h. weisen eine Transmission von mindestens 80% des einfallenden Lichtes auf, so dass sie auch für Banknoten mit Öffnungen oder Fenstern geeignet sind, sie sind dehnbar, wobei sie bis zu 200% der ursprünglichen Abmessungen annehmen können, sie sind flexibel, der thermoakustische Effekt funktioniert in allen Abmessungen und Formen, sie sind auf alle Materialien applizierbar, auch auf Isolatoren, und sie weisen Schichtdicken im Bereich von 10 nm bis 100 nm auf.
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Des Weiteren beeinflussen das Substrat des Sicherheitsdokuments und eventuelle Falten oder Beschädigungen der CNT-Dünnfilm-Schicht die Erzeugung von Schallenergie kaum. Somit ist besonders vorteilhaft sogar eine Verprägung des Substrats bei bereits aufgebrachtem CNT-Dünnfilm-Lautsprecher möglich.
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Der thermoakustische Schwingungserreger wird bevorzugt auf ein Trägermaterial, insbesondere ein Folienstreifen, ein Patch, eine BOPP- oder PET-Folie, ein metallisierter Folienstreifen oder ein Hologrammstreifen aufgebracht. Hierbei wird der thermoakustische Schwingungserreger auf das Trägermaterial und dieses in einem Transfer- oder Laminierprozess auf das Substrat des Sicherheitsdokuments aufgebracht. Im Anschluss daran können weitere Druck- oder Individualisierungsvorgänge erfolgen, wie beispielsweise Stichtiefdruck, Siebdruck, Buchdruck oder eine Laserbeschriftung.
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Alternativ wird der thermoakustische Schwingungserreger direkt auf das Substrat des Sicherheitsdokuments aufgebracht.
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Das Substrat des Sicherheitsdokuments besteht besonders bevorzugt aus Papier aus Baumwollfasern, wie es beispielsweise für Banknoten verwendet wird. Durch eine beidseitige Beschichtung bzw. Kaschierung mit jeweils einer Kunststofffolie ergibt sich ein Sicherheitspapier, wie es in
DE 102 43 653 A9 beschrieben ist, deren Offenbarung diesbezüglich vollumfänglich in diese Erfindung aufgenommen wird.
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Bevorzugt kann das Substrat des Sicherheitsdokuments auch aus Papier aus anderen natürlichen Fasern, ebenso bevorzugt aus Synthesefasern, d. h. einer Mischung aus natürlichen und synthetischen Fasern oder ebenso bevorzugt aus mindestens einer Kunststofffolie bestehen, die beispielsweise aus einem Polymer bestehen. Weiterhin bevorzugt besteht das Substrat aus einer Kombination aus mindestens zwei übereinander angeordneten und miteinander verbundenen unterschiedlichen Substraten, einem sogenannten Hybrid, beispielsweise einer Kombination Kunststofffolie-Papier-Kunststofffolie, d. h. ein Substrat aus Papier wird auf jeder seiner beiden Seiten durch eine Kunststofffolie bedeckt, oder Papier-Kunststofffolie-Papier, d. h. ein Substrat aus einer Kunststofffolie wird auf jeder seiner beiden Seiten durch ein Substrat aus Papier bedeckt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der thermoakustische Schwingungserreger mit einem elektrischen Schaltkreis verbunden, der auf dem Sicherheitsdokument aufgebracht ist.
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Hierbei besteht in einer ersten bevorzugten Ausführungsform der elektrische Schaltkreis mindestens aus einem Empfänger für elektromagnetische Energie, wobei der Empfänger bei Einstrahlung von elektromagnetischer Energie, die durch einen externen Sender erzeugt wird, elektrische Energie an den thermoakustischen Schwingungserreger abgibt und dieser Schwingungsenergie abgibt. Die Einkopplung von Schwingungssignalen in den thermoakustischen Lautsprecher erfolgt somit von Extern bzw. außerhalb des Sicherheitsdokuments.
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Beispielsweise befindet sich bei dieser externen Einkopplung des Schwingungssignals ein Schwingungsgenerator, beispielsweise ein Frequenzgenerator, außerhalb des Sicherheitsdokuments, z. B. in einem Gerät zur Verifizierung der Echtheit. Zur Übertragung der Schwingungssignale auf den thermoakustischen Schwingungserreger sind verschiedene Wege vorgesehen:
- – Bei einem Carbonnanotube(CNT)- oder Carbonnanotube-Dünnfilm-Lautsprecher durch direkte galvanische Kontaktierung. Da die CNT-Schicht selbst leitfähig ist, kann sie zur Überprüfung der Echtheit an mindestens zwei Stellen elektrisch kontaktiert werden. Dies kann z. B. durch Klemmen oder Rollen geschehen, die selbst leitfähig sind und mit dem Frequenzgenerator verbunden sind.
- – Durch Kontaktierung mit leitfähiger Farbe: um die galvanischen Kontaktierungsstellen räumlich vom Ort der Erzeugung der Schwingungssignale zu trennen, können leitfähige Druckfarben, z. B. auf Metall-(Silber etc.) oder Polymerbasis (Polyanilin, Polythiophen etc.) verwendet werden. Dies kann z. B. aus designtechnischen Gründen wünschenswert sein, oder helfen, den Teil des Sicherheitsdokuments, der die Schwingungsenergie erzeugt, außerhalb der Verifikationsvorrichtung zu halten, während die galvanische Kontaktierung im Inneren stattfindet.
- – Durch eine Kombination mit berührungsloser Einkopplung: bei einer Senderfrequenz im Bereich der Hörfrequenzen (10 Hz–20 kHz) besteht eine weitere Möglichkeit darin, das Schwingungssignal berührungslos einzukoppeln. Dazu strahlt im einfachsten Fall ein externer Sender ein elektromagnetisches Signal geeigneter Frequenz und Stärke aus. Ein Empfänger, der beispielsweise in Form einer gedruckten Antenne auf dem Sicherheitsdokument ausgeführt ist, ist mit dem thermoakustischen Schwingungserreger verbunden, nimmt die Energie auf und wandelt die elektromagnetischen Schwingungen in detektierbare bzw. hörbare Signale um. Falls eine Senderfrequenz mit einer Frequenz von mehr als 20 kHz verwendet werden soll, kann diese z. B. als Trägersignal für eine aus dem Stand der Technik bekannte Amplitudenmodulation eingesetzt werden.
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In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform besteht der elektrische Schaltkreis mindestens aus einer Quelle für elektrische Energie und einem Schalter, wobei bei Betätigung des Schalters die Quelle für elektrische Energie mit dem thermoakustischen Schwingungserreger verbunden wird und dieser Schwingungsenergie abgibt. Hierbei wird die Erzeugung der Schwingungsenergie auf dem Sicherheitsdokument selbst durchgeführt. So herrscht beispielsweise auf Chipkarten im Allgemeinen genug Platz, um einen kleinen Schwingungsgenerator nebst Spannungsquelle unterzubringen bzw. ein Mikrokontroller selbst kann diese Funktion bereitstellen. Die Wesentlichen Bestandteile sind neben dem thermoakustischen Schwingungserreger noch ein Oszillator, verbindende Leiterbahnen und eine Spannungsquelle. Letztere kann sich sowohl auf der Banknote als auch extern befinden. Als Schwingungsgenerator kann ein astabiler Multivibrator oder jeder andere geeignete Oszillator verwendet werden.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform besteht in einer Kombination mit aus dem Stand der Technik bekannten thermochromen Farben/Pigmenten. Wird kein Wechselstrom an den thermoakustischen Schwingungserreger angelegt, sondern die Polarität der angelegten Spannung über längere Zeit konstant gehalten, erwärmt sich der thermoakustische Schwingungserreger, bedingt durch seinen ohmschen Widerstand. Überdruckt man den thermoakustischen Schwingungserreger beispielsweise zumindest teilweise mit einer thermochromen Farbe oder ordnet man ihn zumindest teilweise über einer thermochromen Farbe an, so lässt sich der thermoakustische Effekt für das menschliche Auge sichtbar machen. Es entsteht ein optisch/akustisches Kombinationsfeature, wobei beim Anlegen einer geeigneten Wechselspannung bzw. eines Wechselfeldes ein charakteristisches Schwingungssignal und beim Anlegen einer Gleichspannung ein Farbumschlag entsteht.
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Das erfindungsgemäße Sicherheitselement eignet sich auch für eine maschinelle Verarbeitung. Speziell hierfür können auch Frequenzen der abgestrahlten Schwingungsenergie außerhalb des hörbaren bzw. wahrnehmbaren Frequenzbereichs verwendet werden, die durch Sensoren detektierbar sind.
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Sicherheitsdokumente im Sinne der vorliegenden Erfindung sind insbesondere Banknoten, Aktien, Anleihen, Urkunden, Gutscheine, Schecks, hochwertige Eintrittskarten, aber auch andere fälschungsgefährdete Papiere, wie Pässe oder sonstige Ausweisdokumente, und auch kartenförmige Datenträger, insbesondere Chipkarten, sowie Produktsicherungselemente, wie Etiketten, Siegel, Verpackungen und dergleichen. Der Begriff ”Sicherheitsdokument” umfasst auch nicht umlauffähige Vorstufen solcher Datenträger, die beispielsweise im Fall von Sicherheitspapier in quasi endloser Form vorliegen und zu einem späteren Zeitpunkt weiterverarbeitet werden.
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Anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele und den ergänzenden Figuren werden die Vorteile der Erfindung erläutert. Die Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen dar, auf die jedoch die Erfindung in keinerlei Weise beschränkt sein soll. Des Weiteren sind die Darstellungen in den Figuren des besseren Verständnisses wegen stark schematisiert und spiegeln nicht die realen Gegebenheiten wider. Insbesondere entsprechen die in den Figuren gezeigten Proportionen nicht den in der Realität vorliegenden Verhältnissen und dienen ausschließlich zur Verbesserung der Anschaulichkeit. Des Weiteren sind die in den folgenden Ausführungsbeispielen beschriebenen Ausführungsformen der besseren Verständlichkeit wegen auf die wesentlichen Kerninformationen reduziert. Bei der praktischen Umsetzung können wesentlich komplexere Muster oder Bilder zur Anwendung kommen.
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Im Einzelnen zeigen die Figuren schematisch ein Sicherheitsdokument mit einem erfindungsgemäßen Sicherheitsmerkmal und hierbei in
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1 bei direkter Einkopplung elektrischer Energie mittels galvanischer Kontaktierung,
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2 bei Einkopplung elektrischer Energie mittels galvanischer Kontaktierung über gedruckte leitfähige Schichten, wobei die Kontaktierung innerhalb einer Verifikationsvorrichtung stattfindet, während die Erzeugung von Schwingungsenergie außerhalb der Verifikationsvorrichtung stattfindet,
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3 bei berührungsloser Einkopplung von Schwingungssignalen in das Sicherheitsmerkmal.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Sicherheitsmerkmal in Form eines thermoakustischen Schwingungserregers 2 auf einer Banknote 1. Elektrische Energie wird in den thermoakustischen Schwingungserreger 2 direkt mittels galvanischer Kontaktierung über eine elektrische Zuleitung 4 und eine elektrische Ableitung 5 eingekoppelt. Ist der thermoakustische Schwingungserreger 2 als Carbonnanotube(CNT)- oder Carbonnanotube-Dünnfilm-Lautsprecher ausgeführt, kann er zur Überprüfung der Echtheit an zwei oder mehreren Stellen direkt elektrisch kontaktiert werden, da die CNT-Schicht, die den Carbonnanotube(CNT)- oder Carbonnanotube-Dünnfilm-Lautsprecher bildet, selbst elektrisch leitend ist. Dies kann z. B. durch Klemmen oder Rollen geschehen, die leitfähig ausgeführt sind und mit einem Frequenzgenerator 3 verbunden sind.
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2 zeigt ein erfindungsgemäßes Sicherheitsmerkmal in Form eines thermoakustischen Schwingungserregers 2 auf einer Banknote 1 bei Einkopplung elektrischer Energie mittels galvanischer Kontaktierung über eine Zu- und Ableitung 6, 7 in Form von zwei gedruckten leitfähigen Schichten. Hierbei findet die Kontaktierung innerhalb einer Verifikationsvorrichtung 8 statt, während die Erzeugung von Schwingungssignalen in einem Frequenzgenerator 3 stattfindet, der mit der Verifikationseinrichtung 8 über jeweils eine elektrische Zu- und Ableitung 9 verbunden ist. Die gedruckten leitfähigen Schichten können hierbei aus leitfähigen Druckfarben, z. B. auf Metall-(Silber etc.) oder Polymerbasis (Polyanilin, Polythiophen etc.) bestehen oder aus Hybridmaterialien wie beispielsweise Komposite aus leitfähigen Polymeren und anorganischen Materialien.
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3 zeigt ein erfindungsgemäßes Sicherheitsmerkmal in Form eines thermoakustischen Schwingungserregers 2 auf einer Banknote 1 bei berührungsloser Einkopplung der Schwingungssignale in das Sicherheitsmerkmal. Dazu strahlt ein externer Sender 11 ein elektromagnetisches Signal geeigneter Frequenz und Stärke aus. Ein Empfänger 10, der beispielsweise als gedruckte Antenne ausgeführt sein kann und auf oder in dem Sicherheitsdokument angeordnet ist, nimmt die Schwingungssignale auf und leitet sie zu dem thermoakustischen Schwingungserreger 2 weiter, der daraufhin die elektromagnetischen Schwingungen in hörbare bzw. wahrnehmbare Signale umwandelt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Banknote
- 2
- thermoakustischer Schwingungserreger
- 3
- Frequenzgenerator
- 4
- elektrische Zuleitung
- 5
- elektrische Ableitung
- 6, 7
- elektrische Zuleitung oder Ableitung
- 8
- Verifikationsvorrichtung
- 9
- elektrische Zuleitung oder Ableitung
- 10
- Empfänger
- 11
- Sender
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2004/090800 A2 [0003]
- DE 10243653 A9 [0018]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Preece, 1879–1880, Braun et. al. 1898 [0009]
- L. Xiao et al., ”Flexible, Stretchable, Transparent Carbon Nanotube Thin Film Loudspeakers, Nano Letters, vol. 8, no. 12, 2008, pp. 4539–4545 [0013]