DE2532037A1

DE2532037A1 - Verfahren und einrichtung zur tintenstrahl-aufzeichnung

Info

Publication number: DE2532037A1
Application number: DE19752532037
Authority: DE
Inventors: Edmond L Kyser; Stephan B Sears
Original assignee: SILONICS Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 1974-07-19
Filing date: 1975-07-17
Publication date: 1976-01-29
Also published as: JPS5155239A; JPH0452215B2; JPS5435937B2; CH595992A5; JPS5155238A; CA1012198A; FI752084A; JPH0251734B2; SE7508298L; DE2532037C2; JPS5155237A; IT1040975B; NL183019B; DE2560573C2; NL183019C; GB1519629A; JPS5435936B2; DE2560574C2; NL7508621A; JPS58179659A

Description

,:. .ί.ϋ 1375

PATENTANWALT OVlPITl

DR. CLAUS REINLÄNDER ^OrU)

PL-UO. K'LAUS BERNHARDT 2532037

. D 8 MÜNCHEN 60
Ok.

Silonics, Inc., Sunnyvale, CaI., USA

Verfahren und Einrichtung zur Tintenstrahl-Aufzeichnung

Priorität: USA 19.7.74 - Ser.No.4-89,985

Kurzauszug

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Aufzeichnen mit einer Quelle für die Schreibflüssigkeit, die eine Tropfenstrahleinrichtung speist, welche asynchron eine Serie von Tröpfchen der Schreibflüssigkeit aus einem einheitlich aufgebauten Schreibkopf mit einer Vielzahl von Düsen in einem diskontinuierlichen Strom so großer Geschwindigkeit ausstößt, daß diese auf einer im wesentlichen gestreckten Bahn zum Aufzeichnungsträger gelangen. Volumen und Geschwindigkeit jedes Tröpfchens werden individuell durch elektrische Impulse gesteuert, die an dem Strahlerzeuger von einer elektronischen Treiberschaltung geliefert werden. Die Mittel zur Strahlerzeugung können in Verbindung mit einem elektronischen alphanumerischen Zeichengenerator benutzt werden, um vorbestimmte graphische Informationsmuster auf dem Aufzeichnungsträger herzustellen.

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren und eine Einrichtung zum nichtmechanischen Druck und insbesondere eine Einrichtung und ein Verfahren, bei dem die Schreibflüssigkeit durch eine Düse mit Hilfe von Volumenveränderung ausgestoßen wird.

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In früherer Zeit wurde das Drucken durch Aufbringen von Tinte auf eine besonders gestaltete Type oder einen Träger und durch mechanischen Anschlag der Type oder des Trägers an ein Aufzeichnungsmittel, wie zum Beispiel Papier, bewirkt, um einen Abdruck auf diesem Medium zu bewerkstelligen« In neuerer Zeit sind nichtmechanische Druckeinrichtungen entwickelt worden, bei denen die Informationsmuster (alphanumerische Zeichen, graphische Wiedergaben usw.) auf einem Aufzeichnungsmedium abgelagert werden.

Die Erfindung betrifft eine Tropf ens trahleinrichtung, bei der eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Düsen mit getrennten Flüssigkeitskammern in Verbindung stehen^ die durch eine gemeinsame Impulssperrkammer mit einem Flüssigkeitsbehälter verbunden sind. Mt einer Wand einer ^e^en Kammer ist ein elektromechanischer Wandler verbunden, um das Volumen der Kammer schnell in Abhängigkeit von einem elektrischen Impulssignal zu verändern, sodaß ein einzelnes Plüssigkeitströpfchen mit einem Volumen, das abhängig von Größe und Dauer des elektrischen Signals ist, durch die zugehörige Düse asynchron in Abhängigkeit von dem Signal ausgestoßen wird* Bei der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck "asynchron" die Unabhängigkeit von einem featen Taktrhythaus» Für das Brücken von Issbarer Information ist es wesentlich, daß das Ausstoßen von tröpfchen asynchron im Hinblick darauf erfolgt, daß die Tröpfchen eine im wesentlichen gestreckte Bahn mm ka£z&±chimngsmea±um durchlaufen und nicht abgelenkt werden, Me Erfindung bezieht sich ferner auf einen Drucker, der einen derartigen Vielfachdüsensehreilikopf enthält, daß verschiedene Konfigurationen zu drucken sind, beispielsweise alphaiH3ffi©msch« und graphische Inforaationsaraster, sowie auf ein Verfahren mm Drucken derartiger

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Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig.1 zeigt eine perspektivische Darstellung der Bestandteile eines Tintenstrahlschreibkopfes gemäß der Erfindung als Explosionszeichnung.

Fig.2 zeigt die Aufsicht auf einen Teil eines Mehrfachkammerschreibkopfes gemäß der Erfindung.

Fig.J zeigt ein Schaltbild einer Tintenstrahlsteuerschaltung zur Verwendung in Verbindung mit dem in Fig.1 dargestellten Schreibkopf.

Fig.4- zeigt eine schematische Darstellung eines Systems, bei dem der Tintenstrahldrucker nach der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

Fig.5 zeigt ein Schaltbild einer Treiberschaltung zur Verwendung in dem in Fig.A- dargestellten System.

Fig.6 zeigt eine andere Ausführungsform einer Düsenanordnung nach der Erfindung teilweise im horizontalen Schnitt.

Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform

Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Vielfachdusenanordnung 10 mit sieben Tintenschreibdüsen gemäß der Erfindung. Sieben solche Schreibeinrichtungen sind mit handelsüblichen Zeichengeneratoren kompatibel, welche eine Matrix von fünf Punkten in der Breite und sieben Punkte in der Höhe verwenden. Das System arbeitet jedoch auch unter Verwendung anderer Punktmatrizen und einer Vielfachanordnung mit fünf bis sechzehn Druckern für die Vertikale der Matrix ebenfalls gut.

Fig.2 zeigt den unteren Teil einer Vielfachanordnung, die aus einer keramischen Grundplatte 11 besteht, die mit Höhlungen versehen ist, welche in diese hineingeätzt sind, um die Einzelelemente der Schreibeinrichtung zu bilden. Die Grundplatte 11 besitzt hier sieben Düsen 12, sieben Zuführungen 13 und sieben

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Tintenkammern 14. über den Tintenkammern ist im oberen Teil der Vielfachanordnung nach Fig.1 eine Deckplatte 18 angeordnet, auf der sieben piezoelektrische Kristalle 21 bis 27 angebracht sind. Die Platte 11 besitzt ferner eine eingeätzte Impulssperrkammer 16, die mit einer Tintenkammer auf der den Düsen 12 entgegengesetzten Seite in Verbindung steht. Die Impulssperrkammer 16 dient, wenn sie mit Tinte gefüllt ist, zur Absorbtion des nach rückwärts gerichteten Drucks der Tinte. Wie später noch näher erläutert, wird ein Tintentröpfchen 7' aus der entsprechenden Düse 12 ausgestoßen, wenn der Deckelteil 18 durch eines der Kristalle 21 bis 27 in einer der Tintenkammern 14 ausgelenkt wird, während gleichzeitig Tinte in Richtung auf die Impulssperrkammern 16 zurückgedrückt wird. Das auf diese Weise in der Tintenkammer 14 verdrängte Volumen muß notwendigerweise das Volumen eines ausgestoßenen Tintentröpfchens übersteigen.

Für die genaue Aufzeichnung von Information auf einem Aufzeichnungsmedium 15 verläuft eine im wesentlichen gestreckte Bahn zwischen den Düsen 12 an dem Schreibkopf 10 zu dem Aufzeichnungsmedium 15· Auf diese Weise führt die sorgfältige Positionierung des Aufzeichnungsmediums zum Druckkopf 10 oder umgekehrt zum Auftreffen der Tröpfchen als vorbestimmtes Muster gemäß den durch eine elektronische Treiberschaltung 106 (Fig.4) erzeugten Signalen, was durch die zu druckende Information festgelegt ist. Für die bestmögliche Aufzeichnung von Information soll das Tröpfchen nach Gestalt und Volumen genau vorherbestimmbar sein. Das bedeutet, daß jedes Tröpfchen genau den elektronischen Signalen der Treiberschaltung folgen soll, und zwar in derart gleichmäßigen Abständen, daß gleichförmige Signale in gleichmäßigem Abstand folgende und gleichförmige Tröpfchen erzeugen.

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Jedes Tröpfchen wird aus dem Kopf 10 durch eine plötzliche Volumenreduktion in einer ausgewählten Kammer 14 ausgestoßen. Diese plötzliche Volumenreduktion wird durch Kontraktion des darüberliegenden Kristalls aufgrund eines elektrischen Signals erzeugt, wobei die Deckplatte 18 in die ausgewählte Kammer 14 ausgelenkt wird, sodaß genügend Tinte zur Bildung eines Tröpfchens verdrängt wird. Die Auslenkung muß genügend schnell erfolgen, um eine hinreichend? kinetische Energie der Flüssigkeit in der zugehörigen Düse 12 zu erteilen, um wiederum einen Teil des Tröpfchens über die Fluchtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Die Fluchtgeschwindigkeit ist die Minimalgeschwindigkeit, welche bewirkt, daß sich aus der Düse austretende Tintenpartikel von der Düse abtrennen und ein freies Tröpfchen bilden.

Die Fluchtgeschwindigkeit kann durch Gleichsetzung der kinetischen Energie des Tröpfchens mit der Energie erhalten werden, die erforderlich ist, um die Oberfläche des Tröpfchens zu bilden:

1/2 Fluchtgeschwindigkeit

Lj-D J

Dabei ist >die Oberflächenspannungskonstante der Flüssigkeit, - ist die Dichte der Flüssigkeit und D der Durchmesser des Tröpfchens. Beispielsweise beträgt die Fluchtgeschwindigkeit eines Wassertröpfchens mit 0,015 cm Durchmesser 16? cm pro Sekunde.

Um dies zu erreichen, muß der Kristall, welcher auf der Ablenkplatte 18 angebracht ist, einen Flüssigkeitsdruck erzeugen, der geeignet ist, eine Beschleunigung der Flüssigkeit in der Düse aus dem Ruhezustand bis zu einer Geschwindigkeit, die oberhalb der Fluchtgeschwindigkeit liegt, zu erreichen, und zwar in der Zeit, in der die Flüssigkeit sich soweit bewegt hat, daß sich eine Art Stift mit etwa dem Durchmesser eines Tröpfchens an der Mündung der Düse gebildet hat. Dieser Minimaldruck ergibt sich aus:

Minimaldruck -

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Dabei bezeichnet K eine dimensionslose Konstante für eine vorgegebene Geometrie der Anordnung,ö'die Oberflächenspannungskonstante und D den Tröpfchendurchmesser. K besitzt üblicherweise einen Wert zwischen 4 und 40. Für ein Wassertröpfchen mit 0,015cm Durchmesser, das von einem Kopf mit der Konstante K « 10 ausgestoßen wird, besitzt der Minimaldruck einen Wert von 2.8 χ 10

Dyn/cm oder etwa 4 Pfund pro Quadratzoll. Die ausgelenkte Deckplatte 18 muß somit eine FliiBsLgkeitsmenge verdrängen, die größer als das Volumen des auszustoßenden Tröpfchens ist, da ein Teil der durch die Druckplatte verdrängte Flüssigkeit rückwärts in die Impulssperrkammer 16 fließt.

Nach Ausstoßen eines Tröpfchens kehrt die Platte in ihre Ruhelage zurück, und der Miniskus der Flüssigkeit wird in die Mündung etwa einen Tröpfchendurchmesser weit zurückgezogen. Diese Flüssigkeit muß ersetzt werden, bevor der Drucker erneut aktiviert werden kann, um ein weiteres Tröpfchen auszustoßen, und die Kapillarwirkung der Flüssigkeit in der Mündung liefert die erforderlichen Kräfte. Wegen dieses Nachfüllvorganges wird die Maximalgeschwindigkeit, bei der Tröpfchen ausgestoßen werden können, etwa aus folgender Beziehung bestimmt:

1/2 Maximale Tröpfchenfrequenz

Tröpfchenfolgen höher als 5O.000 Tröpfchen pro Sekunde lassen sich bei diesem System in Abhängigkeit von dem Wert der Konstante K erzeugen, die wiederum von der Geometrie der Anordnung abhängig ist.

Die Wirkung des Kristalls auf der Deckplatte 18 ist derart, daß, wenn der Kristall in die Ruhelage zurückkehrt, ein negativer Druckimpuls erzeugt wird, der etwa gleich der Größe des positiven Druckimpulses ist. Der negative Druckimpuls kehrt die Richtung des Flüssigkeitsstromes in der Düse um, was die Abtrennung eines aus der Düse herausragenden Flüssigkeitspartikels unterstützt, der ein freies Tröpfchen bildet. Der Maximaldruck, bei

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dem der Kopf betätigt werden kann, bestimmt sich aus dem schlagartigen Ansteigen des Unterdruckes während des entsprechenden negativen Druckimpulses. Die schlagartige Änderung des Unterdruckes läßt sich analytisch sehr schwer ausdrücken, da dieser, abgesehen von anderen Parametern, von der Frequenz und der Viskosität abhängig ist. In der Praxis kann als obere Grenze für den Druck im Schreibkopf der Wert

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von 3,5 x 10 Dyn pro cm oder etwa 50 Pfund pro Quadratzoll angenommen werden.

Die öffnung 17 liegt zwischen Tintenquelle 5 und einer Ventilanordnung, die nachstehend beschrieben wird. Hierzu sei wieder auf Fig.1 Bezug genommen. Die Grundplatte 11 besitzt eine Deckplatte 18, welche über dieser angebracht ist, sodaß sie die Kammern, Düsen und Zuführungen, die vorher beschrieben worden sind, umschließt. Im Gegensatz zu der Platte 11, die eingeätzte Kammern enthält, besitzt die Deckplatte 18 lediglich zwei öffnungen: eine große öffnung, welche die Impulssperrkammer 16 bildet und eine Ventilöffnung 19. Jede der keramischen Platten 11 und 18 kann zweckmäßig aus "Photoceram" hergestellt werden. "Photoceram¹¹ ist ein Handelsname der Corning Glass Corp., Corning, New York. Über der Deckplatte 18 und mit dieser verbunden sind sieben piezoelektrische Kristalle 21 bis 27. Auf der Unterseite der unteren Platte 11 ist ein RöhrenflanBeh . 28 angebracht, welcher in die Öffnung 17 (Fig.2) paßt. Eine Röhre 6 verbindet den Tintenbehälter 5 niit dem Flansch l 28.

Auf der Oberseite der Anordnung ist an der Ventilöffnung 19 eine Ventildichtung 29 angebracht. Oberhalb der Deckplatte 18 befindet sich an den zwei öffnungen 16 und 19 eine Membran 31. Die Membran 31 besteht vorzugsweise aus einem flexiblen Material, zum Beispiel " Saran Plastik" (Handelsmarke der Dow Chemical Co., Midland, Michigan). Die Membran 31 bildet die obere Wand der ImpulsSperrkammer 16. Über der Membran 31 ist ein vorzugsweise aus Stahl hergestellter Rahmen 32 für den Druckregler

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angebracht. Der Rahmen 32 besitzt üblicherweise eine im wesentlichen der Membran 31 entsprechende Gestalt, da beide die Kammer 16 ebenso wie die Ventilöffnung 19 überdecken. Der Rahmen besitzt eine ausgestanzte öffnung, die auf die öffnung 19 in der Platte 11 paßt, und einen weiteren u-förmigen Einschnitt, der eine lange Zunge 33 bildet. Die Zunge 33 ist durch Nachobenfalten der beiden Seiten geformt, um einen Kanal mit einem langen Angriffsarm zu schaffen. Die Bewegung der Zunge 33 wird durch einen Riegel 34 begrenzt, der mit dem Rahmen 32 verbunden ist. An der Basis der Zunge 33 sind zwei Dehnungsmeßstreifen 36 und 37 angebracht, von denen einer zur Messung der Dehnung an dem Punkt dient, an dem die Zunge 33 mit dem üblichen Teil des Rahmen 32 verbunden ist, während der zweite Dehnungsmeßstreifen als Bezugsmeßeinrichtung vorgesehen ist. Wie weiter erläutert ist, erfassen die Dehnungsmeßstreifen den Druck in der Impulssperrkammer 16. Wenn die Tinte in die ImpulsSperrkammer 16 unter größerem Druck hineinfließt, wird die Membran 31 und die darüberliegende Zunge 33 angehoben. Hebt sich die Zunge 33» so bildet diese eine größere Spannung in dem Dehnungsmeßstreifen 36, die im Vergleich zum Bezugsstreifen 37 zur elektrischen Anzeige des Druckes innerhalb der Impulssperrkammer 16 dient.

Zeigt der Dehnungsmeßstreifen 37 eine Dehnung entsprechend einer üruekändersng, so ersetigt ei? eis elektrisches Signal, welches_% me noch näher nachstehend erläutert wird, die öffnung eines Sperrventiles in Abhängigkeit vom gemessenen Druck bewirkt. Das Sperrventil regelt den iDintenfluß durch die öffnung 19. Das Sperrventil besteht aus einea Pfropfen 3S^ der durch einen Ventilsitz 3% die Membran 31 und eine Dichtung 29 gehalten wird· Hebt sich der Pf2?opfen 38 von d.er öffnung 191 so wird der BurclifIuS der ^inte dureh die öffnung i9 in die Ispulssperrkammer unter der Membran 31 freigegeben*

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Der Steuerpfropfen 38 wird durch den Ventilsitz 39 geführt. Der Ventilsitz 39 besteht aus einer vorzugsweise aus rostfreiem Stahl gefertigten Druckplatte, die direkt auf der Deckplatte 18 befestigt ist. Mit dem Ventilsitz 39 ist ein piezoelektrischer Kristall 4-1 verbunden, der durch die Dehnungsmeßstreifen 36 und 37 elektrisch mittels einer Schaltung, die in Fig.3 dargestellt ist, gesteuert wird. Ermittelt der Dehnungsmeßstreifen 36 eine Änderung der Dehnung wegen eines Anhebens oder Senkens der Zunge 33» so liefert dieser ein elektrisches Signal an die Schaltung, die wiederum ein entsprechendes Zusammenziehen oder Ausdehnen des piezoelektrischen Kristalls 4-1 in Abhängigkeit von der Dehnung hervorruft, wodurch das Sperrventil geöffnet oder geschlossen wird.

Die Einstellschraube 4-0 dient zur Einstellung des Ventilsitzes 39, sodaß kein Tintenfluß durch die Öffnung 19 stattfindet, wenn keine Spannung an dem Kristall 4-1 liegt.

Fig.3 zeigt die Schaltung der Druckregeleinrichtung. Die Dehnungsmeßstreifen 36 und 37 sind in Reihe mit einer 5-Volt-Gleichspannungsquelle geschaltet, und an ihrem Verbindungspunkt ist die eine Eingangsklemme eines Differenzverstärkers 30 angeschlossen. Ein einstellbarer Widerstand 20 in Serie mit einem Festwiderstand 35 ist den Dehnungsmeßstreifen 36 und 37 und der 5-Volt-Gleichspannungsquelle parallelgeschaltet. Der Verbindungspunkt der Widerstände 20 und 35 ist mit der anderen Eingangsklemme des Differenzverstärkers 30 verbunden. Das Ausgangssignal der Verstärkerschaltung 30 wird dem Kristall 4-1 zugeführt und entspricht der Differenz der Eingangssignale an der Verstärkerschaltung 30. Der veränderbare Widerstand 20 ist derart bemessen, daß seine Einstellung den Abgleich des Systemes für den normalen Ruhedruck gestattet, der in der Impulssperrkammer 16 gemessen werden kann (Fig.1). Üblicherweise wird ein leichter negativer Druck innerhalb der Impulssperrkammer 16 bevorzugt, um einen nach Innen ge richteten Miniskus in jeder der Düsen zu erzielen. Es ist jedoch jeder Druck zulässig, solange die Tinte in den Düsen bleibt und

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nicht aus den Düsen heraustropft. Ist der Widerstand 20 auf die gewünschte Einstellung gebracht, so wird der Dehnungsmeßstreifen 36 auf die Messung der Dehnung infolge der Auslenkung der Membran 31 eingestellt. Das Ausgangssignal der Druckregelschaltung gemäß Fig.3 liegt am piezoelektrischen Kristall 41, welcher den Ventilsitz 39 zum öffnen und Schließen des Kugelventils 38 gegen die Ventildichtung 29 veranlaßt.

Die sieben Kristalle 21 bis 27 sind jeweils mit der Oberseite der Deckplatte 18 verbunden und zu ihren zugehörigen Kammern innerhalb der Platte 11 der Anordnung ausgerichtet. Die Kristalle 21 bis 27 sind mit einer gedruckten Schaltungsplatte 4? über entsprechende Leiter (nicht dargestellt) elektrisch verbunden. In ähnlicher Weise sind Leitungen von der Platte 42 zu den Dehnungsmeßstreifen 36 und 37 sowie zu dem piezoelektrischen Kristall 41 zur Steuerung des Systems geführt. Die gedrückte Schaltungsplatte 42 ist mit einem vierzehn-adrigem Flachbandkabel 43 an eine gedruckte Widerstandsschaltung 44 angeschlossen und darauf an einen Stecker 46 mit vierzehn Stiften. Die ganze in Fig.1 dargestellte Teilezusammenstellung bildet eine Druckkopfanordnung mit einer Batterie von sieben Tintenschreibdüsen.

mit handelsüblichen Zeichengeneratoren ( 5 χ 7 Punkte-Anordnung) kompatibel zu sein, und um allgemein übliche Zeichenf^rößen { Buchstabenhöhe 0,25cm) zu erreichen, sind die sieben einzelnen Öffnungen der Batterie von Schreibdüsen im Abstand von O,0J6 cm voneinander anzuordnen. Es können natürlich auch andere Schriftgrößen axt des Schreibverfahren nach der Erfindung erzielt werden, und die Anzahl der Düsen sowie die Abmessungen der Tröpfchen können innerhalb der Grenzen geändert werden, die durch die verschiedenen Einzelteile vorgegeben sind« Die Düsenabstände können »zwischen O»O5 cm (praktisch die maximale Punktgröße) bis 0,012 cm < der minimale Düsenabstand der mit der Herstellungstechnik für das System nach Fig.1 vereinbar ist) gewählt werden· Zur einfacheren Herstellung läßt sich die Heine von sieben Meea 12 In der Anordnung alt Msta zwischen, 0,005

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und 0,025 cm im Durchmesser ausführen. Der Abstand zwischen erster und letzter Düse in der Reihe sollte nicht 0,25 cm übersteigen, um eine Anpassung an die übliche Buchstabengröße zu gewährleisten. Beispielsweise haben die meisten Schreibmaschinen eine Typengröße von etwa 0,25 cm, und die beschriebene Anordnung nähert sich diesem Wert an.

Die Kristalle können aus jedem beliebigen passenden Material hergestellt sein, das unter der Wirkung elektrischer Impulse sich deformiert. Ein geeignetes Material besteht aus einer Bleizirkonal - Bleititanat-Keramikmasse, die handelsüblich ist. Andere Materialien sind Rochelle Salz, Amoniumdihydrogenphosphat, Lithiumsulfat und Bariuratitanate. Bei Anlegen einer Spannung an eines der Kristalle 21 bis 27 zieht sich das Kristall zusammen, und die Wirkung des kontraktierenden Kristalls auf die Deckplatte 18 bewirkt eine Auslenkung nach Innen in die Kammer 1A- unterhalb des kontraktierenden Kristalls, wodurch das Volumen der Kammer soweit verringert wird, daß ein Tröpfchen aus der zugehörigen Düse 12 ausgestoßen wird. Der Durchmesser jedes ausgestoßenen Tröpfchens sollte dem einfachen bis dreifachen Wert der durchschnittlichen Querschnittsabmessung der öffnung entsprechen.

Da der Kristall und die Deckplatte zur Vοlumenveränderung und dem für die Tröpfchenerzeugung nötigen Druck zusammenarbeiten müssen, gibt es mehrere besondere Bemessungen, die für eine optimale Arbeitsweise eingehalten werden müssen. So ist anzustreben, daß die neutrale Achse (Punkt der Dehnung » null) der Anordnung Kristall-Deckplatte im Bereich ihrer Grenzfläche zwischen diesen liegt. Diese Bedingung wird eingehalten, vorausgesetzt, daß

(Et²) Kristall - (Et²) Deckplatte

Dabei bezeichnet E den Elastizitätsmodul und t die Dicke der zugehörigen Teile.

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Es ist ersichtlich, daß die Kristalle 21 bis 2? eine geringere Breite als die rechtwinklig gestalteten Druckkammern 14 besitzen, und daß diese Differenz hinsichtlich der Abmessungen gewählt wurde, um die für eine gegebene Breitererreichbare Veränderung möglichst groß zu machen. Die Kristalle 21 bis 27 sollten über den Kammern 14 derart zentriert sein, daß die Spalten auf beiden Seiten gleich sind. Die Druckkammern 14 und die Kristalle 21 bis werden derart gewählt, daß sie lange Rechtecke bilden. Bei dieser Gestaltung wird die Breite (kleine Seite des Rechtecks) derart gewählt, daß der nötige Druck erreicht wird, und die Länge (große Seite des Rechtecks) wird derart gewählt, daß die nötige Volumenänderung erzielt wird. Übersteigt die Länge das 20-fache der Breite, so wird der geometrische Faktor K unerwünscht groß, wodurch die maximale Punktfrequenz erniedrigt und der erforderliche Minimaldruck erhöht wird. Andererseits sollte die Länge größer als das 2-fache der Breite sein, um den Bereich an den Enden der Kristalle möglichst klein zu machen, der weniger als die maximale Auslenkung ergibt. Das Volumen jeder der Druckkam mern 53
werden.

mern 53 sollte zwischen 1,6 χ 1O""-³ und 1,6 χ 10" ecm gewählt

Wird mit "A" die Länge der kürzeren Seite dieses hypothetischen Rechtecks und mit "a" und ^Mb" die jeweilige Breite und Länge des darüber angeordneten Kristalls bezeichnet, dann sollten die Dimensionen des Kristalls derart gewählt werden, daß sie folgenden Bedingungen genügen:

O,5A<a;O,9A und

Der Durchmesser der Büsenöffmxng wird voraugsweise klein gewählt, um die durch Kapillarwirkung hervorgerufene Tintennachförderung zu verbessern land die €a?0Be der tröpfchen festzulegen. Me Düse 12 muß lang geaug seia, vm sicherzustellen, daß der !Tropfen einer im wesentliches gradlinigen Bahn folgt, die parallel und koaxial zur Busenöffnung ist. Die Düse 12 sollte jedoch nicht

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übertrieben lang sein, weil dies die geometrische Konstante erhöht, wodurch der erforderliche Druck erhöht werden muß, während die maximale Schreibgeschwindigkeit abnimmt. Die Erfinder stellten fest, daß die Düsenlänge etwa das Zwei- bis Vierfache des Durchmessers der Düsenöffnung betragen sollte.

Die Verwendung einer Volumenänderungseinrichtung für die Tintendüsenschreibeinrichtung macht es erforderlich, daß das Tintensystem vollständig luftfrei ist und keine Kavitation auftritt. Wegen dieses Umstandes ist anzustreben, daß die in der Tinte gelösten Gase entfernt werden, die während des negativen Druckimpu.-ses austreten können. Dies läßt sich durch Kochen der Tinte oder durch ein Unterdruckentlüftungsverfahren erreichen. Wird eine solche "entgaste" Tinte atmosphärischen Bedingungen ausgesetzt, so wird sie sehr schnell Gase wieder aufnehmen, um ihren ursprünglichen Gleichgewichtszustand wieder zu erlangen. Es ist daher ein eingebauter Tintenbehälter zu bevorzugen sowie ein Druckerzeugungssystem, welches die Tinte von der Atmosphäre trennt.

Fig.4 zeigt schematisch die Steuerung des Schreibers. Eine Quelle 101 für alphanumerische Zeichen ist an einen Dekoder 102 angeschlossen. Diese Quelle kann das Ausgangssignal von einer elektrischen Schreibmaschine, ein Computerausgang oder eine andere Quelle für alphanumerische Zeichen sein. Der Dekoder 10? liefert die erforderliche Information, um besondere alphanumerische Zeichen in einem Sechs-Bit-Kode darzustellen. Die sechs Bits der Information oder Adressen werden einem Zeichengenerator 103 zugeführt. Punktmatrix-Zeichengeneratoren mit vierundsechzig Zeichen mit 5x7 Bits sind im Handel von vielen Lieferanten erhältlich. Der Zeichengenerator wird ferner mit Taktimpulsen aus dem Taktgenerator 104- gespeist. Die Taktimpulse werden ebenfalls der Treiber-Schaltung 106 zusammen mit den sieben Ausgangssignalen des Zeichengenerators 103 zugeführt. Die Treiberschaltung 106 steuert die verschiedenen Kristalle an, um die gewünschten Punkte zur Bildung alphanumerischer Zeichen auszusenden. Die sieben Ausgangssignale der Treiber-Schaltung 106 werden den Kristallen 21 bis 27 über den Tintenkammern zugeführt. 509885/1008

Die Pig.5 dient der Erläuterung der Treiberschaltung für jeden der Kristalle. Die sieben Ausgänge des Zeichengenerators sind jeweils mit einem Eingang von sieben einzelnen Und-Gattern 105 verbunden, deren zweiter Eingang mit einem Steuersignal beaufschlagt wird, das durch die Taktimpulse überwacht ist. Die Ausgänge der Und~Gatter sind jeweils über getrennte Widerstände 110 an die Basiselektroden getrennter NPN-Transistoren 111 geführt. Die Emitter-Elektroden der Transistoren 111 sind geerdet. Jeder der Kristalle 21 bis 2.Ί ist einseitig geerdet und ist andererseits in Serie mit jeweils einem veränderbaren Widerstand RC 61 bis RC 67 an die Kollektor-Elektrode eines der Transistoren 111 angeschlossen. Jede Kollektor-Elektrode ist ferner an eine 130-Volt-Quelle über einen zugehörigen 1OK Widerstand 112 angeschlossen. Die Transistoren 111 sind alle jeweils Hochspannungstransistoren kleiner Leistung.

Die Punktgröße und Geschwindigkeit, mit der geschrieben wird, kann elektronisch auf verschiedene Weise gesteuert werden. Beispielsweise läßt sich/Änderung des Energieinhaltes des Steuerimpulses oder durch Änderung der Impulsform bei im wesentlichen ungeänderten Energieinhalt dies erreichen. Die Schaltungsanordnung nach Fig.5 dient zur Steuerung der Punktgröße und Geschwindigkeit durch Änderung der Form des Steuerimpulses und im einzelnen durch Veränderung der Anstiegszeit des Steuerimpulses, was eine-Änderung der Zeit, in der die Spannung en die Kristalle gelegt wird, bedeutet. Die Kristalle besitzen eine Eigenkapazittt in Abhängigkeit von ihrer Konstruktion und Geometrie. Wird die 1JO-VoIt "Quellen"-Spannung durch den Sp₍haltvorgang eines der Transistoren 111 angelegt, so verhält sich die Schaltung wie ein IRG-Glied, wobei die Widerstände SG 61 bis 67 die variablen Glieder darstellen, durch welche eine Einstellung ermöglicht wird. Me in fig.5 gezeigte Schaltungsanordnung gestattet die Steuerung der Geschwindigkeit der ausgeschleuderten Tröpfchen von null bis aus höchsten Wert mit Hilfe der zugeführten Quellenspannung. Die Widerstandselemente 61 bis 67 können so variiert werden, daß sich eine Zeitkonstante im Bereicn

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zwischen fünf und hundert Mikrosekunden einstellen läßt. Dies ist besonders vorteilhaft für die Anwendung als Buchstabenschreibgerät, bei dem die Geschwindigkeit von sieben Tröpfchen gleich sein sollte, während geringe Unterschiede im Volumen und der Größe unbedeutend sind. Die Größe der Punkte kann durch Änderung der Höhe der den Kristallen zugeführten Steuerspannung geregelt werden. Eine Erhöhung der Steuerspannung bewirkt größere Punkte, während eine abgesenkte Steuerspannung zu kleineren Punkten führt. Auf diese Weise läßt sich die Schwärzung der aufgezeichneten Buchstaben regeln. Beispielsweise läßt sich die Größe eines auf das Papier aufgebrachten Punktes aus einer Düse mit einem Durchmesser von 0,01 cm zwischen etwa 0,01 cm und θ,06 cm verändern.

Beim Betrieb der Anordnung kommt die Information, die bestimmt, welcher Buchstaben geschrieben werden soll, aus der Quelle 101. Diese wird in einen Sechs-Bit-Kode umgewandelt, der im Zeichengenerator 103 die richtige 5x7- Matrix bestimmt. Der Zeichengenerator 103 veranlaßt, daß die Treiberschaltung 106 den richtigen Kristall ansteuert, wenn die Düsenanordnung gegenüber dem Aufzeichnungsmedium sich bewegt.

Zu jedem Zeitpunkt, an dem ein Ansteuerimpuls abgegeben wird, tritt eine Verringerung des Tintenvolumens in einem oder mehreren der zugehörigen Kammern 14- auf, indem der zugehörige Kristall sich verbiegt, und schlagartig ein einziges Tröpfchen asynchron in Richtung auf das Aufzeichnungsmedium ausgestoßen wird. Dies ergibt ein Aufzeichnungssystem, das ständig bereit ist und keine Aufzeichnungen während der Ruheperioden verursacht, und zwar weder zwischen den Buchstaben während des Aufzeichnens noch im Ruhezustand der Aufzeichnungseinrichtung. Während der Vorschubbewegung des Schreibkopfes relativ zum Aufzeichnungsmedium können die gewünschten Punkte hergestellt oder unterdrückt werden. Zur Bewegung des Schreibkopfes zum Schreiben jedes Buchstabens in der X-Achse kann ein Schrittmotor in üblicher Weise benutzt werden, während die Punkte in der Y-Achse durch Auswahl der je weils anzusteuernden Kristalle hergestellt werden können.

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Es wurde gefunden, daß die Tröpfchen nach dem Aufschlag auf die Aufzeichnungsoberfläche aufgezeichnete Punkte herstellen, die zwei- bis viermal so groß im Durchmesser sind wie die Tröpfchen auf ihrem Flug. Daraus ist ersichtlich, daß Je kleiner die Tröpfchen sind, der Aufzeichnungsprozess im Hinblick auf die verbrauchte Tinte zum Bedecken eines vorgegebenen Gebietes wirtschaftlicher wird. Zusätzlich ergibt sich eine Verbesserung der Auflösung und ein Anstieg hinsichtlich der maximalen Aufzeichnungsgeschwindigkeit, die erreichbar wird, wenn weniger Tinte in jedem Tröpfchen ausgestoßen wird.

Fig.6 zeigt eine andere bevorzugte Ausführungsform einer Düsenanordnung, bei der zwei unabhängige Düsenöffnungen 83 und 84 durch eine Trennfläche 85 gebildet sind, die durch eine gemeinsame Druckkammer 14 innerhalb der Grundplatte 11 gespeist werden. Bei jedem Impuls der Druckplatte (nicht dargestellt) werden zwei Tröpfen 86 und 87 gleichzeitig auf exakt gleiche Weise wie ein einziges Tröpfchen aus einer einzigen Düse 12 ausgestoßen.

Unter Verwendung einer -Anordnung nach der Erfindung läßt sich ein Ausdruck von Oomputerausgangsdaten beispielsweise bei hohen Geschwindigkeiten (bis zu 1OOO Zeichen pro Sekunde) ohne die Kosten, Geräusch und Energieverbrauch erzielen, der bei den derzeit üblichen mechanischen Druckern erforderlich ist. Die Anordnung ist von leichtem Gewicht und großer Zuverlässigkeit.

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Claims

Patentansprüche

1.) Tintenstrahleinrichtung zum asychronen Aufbringen von Tröpfchen aus Schreibflüssigkeit auf einem Aufzeichnungsmedium in Abhängigkeit von elektrischen Signalen, gekennzeichnet durch eine Tintenquelle, eine Vielzahl von Tintenkammern, die durch die Tintenquelle gespeist werden, eine Vielzahl von Düsen, die jeweils mit einer zugehörigen Tintenkammer verbunden und auf das Aufzeichnungsmedium gerichtet sind, durch Steuermittel zur Abgabe von asynchronen elektrischen Signalen zur Steuerung der Schreibeinrichtung, indem Tröpfchen aus einer Vielzahl von Düsen in vorgegebenen Mustern ausgestoßen werden, durch eine Vielzahl von Volumenveränderungsmittelpjdie mit einer Tintenkammer jeweils verbunden und von den Steuermitteln abhängig sind, um plötzlich das Volumen in einer ausgewählten Tintenkammer auf Abruf zu verändern, wodurch ein einzelnes Tintentröpfchen aus der zugehörigen Düse auf jedes durch die Steuermittel gelieferte elektrische Signal unabhängig von allen vorangegangenen Signalen ausgestoßen wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tintenkammern, die von der Tintenquelle durch eine gemeinsame Impulssperrkammer getrennt sind, welche den Rückfluß aus den Tintenkammern nach Ausstoß von Tröpfchen absorbiert und, daß ein Druckfühler mit der ImpulsSperrkammer zusammenwirkend verbunden ist, um die Druckänderung in dem System zu erfassen .

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sperrventil vorgesehen ist, das,durch den Druckfühler gesteuert, die Tintenquelle regelt, sodaß dem System nach Rückgang des Drukkes unter einen vorbestimmten Wert Tinte zugeführt wird.

4·. Einrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Druckes, bei der das Ventil die Zuführung von Tinte frei gibt, geringer als der maximale Kapillardruck ist, der an den Düsen erzeugt werden kann.

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5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse durch eine Trennfläche in eine Vielzahl von Zonen mit parallelen Achsen aufgeteilt ist, welche zur Unterteilung der Tinte an den Düsenöffnungen in kleinere Tröpfchen nach Austritt dienen, wobei jede Zone in Richtung auf das Aufzeichnungsmedium und ein Gebiet gleichen Durchmessers ausgerichtet ist, und wobei nach Erzeugung eines elektrischen Signals durch die Steuermittel eine Vielzahl von Tröpfchen gleichzeitig ausgestoßen wird, was aus jeder Düsenzone gleichzeitig erfolgt, und daß alle diese Tröpfchen auf im wesentlichen parallelen Bahnen in Richtung auf das Aufzeichnungsmedium wandern.

6. Schreibsystem für nichtmechanischen Druck von Zeichen auf ein Aufzeichnungsband, das bezüglich des Aufzeichnungssysteras bewegt wird, gekennzeichnet durch eine Quelle von Schreibflüssigkeit, Mittel, die eine Vielzahl voneinander entfernter Austritt soff nungen begrenzen, die im wesentlichen senkrecht zu dem Aufzeichnungsband angeordnet sind, wobei die Austrittsöffnungen im wesentlichen senkrecht zu der Ebene des Aufzeichnungsbandes angeordnet und unter dem Einfluß des Umgebungsdruckes bei dem Aufzeichnungsband stehen, durch eine Vielzahl von Kammern mit veränderbaren Volumen, die jeweils voneinander entfernte breite Wände besitzen, wobei die Kammern jeweils ein Wandelement veränderbarer Gestalt in Abhängigkeit von einem elektrischen Signal besitzen, das in einer der großflächigen Wände untergebracht ist, und daß jede Kammer in Verbindung mit einer anderen Austrittsöffnung und der Schreibflussigkextsquelle steht, durch eine Vielzahl von signalerzeugenden Mitteln, die zur Ansteuerung verschiedener auf Signale ansprechender Wandelement© mit Ifflpulssignalen dienen, wobei das Signal derart gewählt ist, daß eine stoßartige Volumenänderung in der zugehörigen Kammer alt veränderbares Toluaen erzielt wird, sodaß ein einzelner tropfen der Schreibflüasigkeit aus der zugehörigen Austrittsöffnung in Richtung auf das Aufzeichnungsband mit genügend großer Geschwindigkeit zum Auf treffen im wesentlichen in senkrechter Sichtung auf das Aufzeichnungsband erreicht wird,

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und zwar asynchron für jedes Signal und unabhängig von allen vorangegangenen Signalen, und daß Mittel zur selektiven Steuerung der signalerzeugenden Mittel, zum Beispiel zur Erzeugung von Mustern von aufzuzeichnenden Buchstaben auf dem Aufzeichnungsband bei dessen Vorschub, vorgesehen sind.

7- System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Element mit veränderbarer Wandkrümmung aus einer Reaktionsplatte besteht, die unmittelbar die Kammern mit variablem Volumen begrenzt, und daß eine Vielzahl von elektrisch verbiegbaren polarisierten Kristallen vorgesehen ist, die jeweils zwei Flächen haben, wobei eine Fläche jedes Kristalls mit einer Reaktionsplatte in einer Lage zwischen den breiten Wänden einer einzelnen Kammer mit variablen Volumen vorgesehen ist, daß die Kristalle jeweils elektrische Leiter an ihren Flächen aufweisen, und daß diese, wenn eine Spannung an ein ausgewähltes Kristall zwischen den Flächen angelegt ist, ihre Dimensionen hinsichtlich einer Fläche zum Verbiegen der Reaktionsplatte in eine der Kammern mit variablem Volumen verringern, die mit dem ausgewählten Kristall verbunden ist.

8. System nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß bei diesem die Breite der Reaktionsplatte die Breite des Kristalls übersteigt,

9. System nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß das Wandelement mit veränderbarer Biegung von langer, rechtwinkliger Gestalt ist, bei dem die längere Seite parallel zur Richtung des Austritts des Tröpfchens verläuft, und daß die Kristalle, die mit dem Wandelement verbunden sind, jeweils eine Gestaltung nach folgender Bedingung besitzen:

2a <b <20a

wobei "A" die Länge der kürzeren Seite der rechtwinkligen Wandelemente mit veränderbarer Gestalt bedeutet und "a" die Breite des Kristalls und "b" die Länge des Kristalls angibt.

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10. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelpunkt ^eder Austrittsöffnung nicht mehr als 0,05 cm von der nächsten Austrittsöffnung entfernt ist.

11. Gerät zum Aufzeichnen von Informationen auf ein Aufzeichnungsmedium , die in hoher Geschwindigkeit aus einer zugehörigen Apparatur in !Form von elektrischen Signalen ausgehen, die so kodiert sind, daß nach Dekodierung und Aufzeichnung alphanumerische Zeichen erhalten werden, gekennzeichnet durch einen Dekoder, einen Zeichengenerator, der von dem Dekoder zum Erzeugen alphanumerischer Zeichen gesteuert wird, einem Aufzeichnungskopf für die alphanumerischen Zeichen und einer Vielfachanordnung von Tintenschreibdüsen, die in der Nähe des Aufzeichnungsmediums angeordnet ist, ferner dadurch, daß die Düsenanordnung eine Reihe von Düsen besitzt, die für sich getrennt mit Tinte versorgt werden und für sich auf ein elektrisches Signal ansprechen, wobei jede Düse asynchron und unabhängig von vorangegangenen Signalen ein einzelnes Tröpfchen erzeugt und durch Mittel zur Bewegung der Tintenschreibdüsen-Vielfachanordnung bezüglich des Aufzeichnungsmediums, wobei die kodierten Signale übertragen und als alphanumerische Zeichen auf des Aufzeichnungsmedium aufgezeichnet werden·

12* Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet_? daß die Vielfachanordnung von iintenschreibdüsen aus einer Reihe von Düsen, Zuführungen und Tintenkammern besteht, und daß die Düsen einen Durchmesser zwischen 0,005 und 0,025 cm besitzen und derart angeordnet sind, daß der Abstand zwischen der ersten und letzten der Düse in der Reihe nicht mehr als 0,25cm ist.

13* Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ^ der 5?intenkammern ein Volumen zwischen 1_S6 χ 10*"^ and i,6 χ iü ecm besitzt.

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14. Verfahren zum Aufzeichnen alphanumerischer Zeichen, bestehend aus folgenden Schritten: Festlegen der aufzuzeichnenden Symbole als eine Serie von Aufzeichnungspunkten, Begrenzen einer Reihe getrennter Tintenbehälter hinsichtlich des Volumens, die Austrittsöffnungen auf das Aufzeichnungsmedium, entlang einer Achse gerichtet, besitzen, schlagartige Volumenreduktion, was asynchron und entsprechend den gewünschten Punkten des aufzuzeichnenden Zeichens erfolgt, um Tintentröpfchen von den Mündungen auf das Aufzeichnungsmedium zu schleudern, Bewegen der Reihe von Tintenvolumen relativ zu dem Aufzeichnungsmedium und senkrecht zu der ersten Achse und Wiederholung der schlagartigen Reduktion der Volumen zum Ausschleudern einer zweiten Anzahl von Punkten in dem gewünschten Muster, weiteres Bewegen der Serie von Volumen und Wiederholung des Vorganges bis die Worte oder Symbole, die aufgezeichnet werden sollen, vervollständigt sind.

15· Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Reihe von Volumen verringert wird, und die Reihe relativ zum Aufzeichnungsmedium mit einem Wert weniger als 50.000 pro Sekunde bewegt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser jedes ausgestoßenen Tröpfchens das Ein- bis Dreifache des mittleren Durchmessers der Öffnung beträgt, durch welche die Tröpfchen ausgestoßen werden.

17· Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die festgelegte Reihe von aufgezeichneten Punkten innerhalb einer Matrix von sieben Punkten in der Höhe und fünf Punkten in der Breite liegt.

18. Verfahren zur Steuerung der Tröpfchengeschwindigkeit bei einem Tintenstrahlschreiber, bei dem Tröpfchen aus einer Vielfachanordnung von Düsen auf ein Medium ausgestoßen werden, wobei jedes ausgestoßene Tröpfchen von einem elektronischen Steuerim-

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puls abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Steuerspannung für jeden elektronischen Steuerimpuls derart eingestellt ist, daß eine geeignete Geschwindigkeit jedem aus der Vielfachanordnung ausgestoßenen Tröpfchen erteilt wird, sodaß diese das Medium gleichzeitig erreichen unabhängig davon, aus welcher Düse es ausgestoßen wurde.

19· Tintenstrahlschreiber, gekennzeichnet durch eine Vielfachanordnung von piezoelektrischen Kristallen, welche jeweils eine Eigenkapazität besitzen und zur Veränderung des Volumens in den zugehörigen Tintenkaimnern dienen, die jeweils mit einer Düse zusammenarbeiten, wobei die Deformation der Kristalle Tinte in der Tintenkammer verdrängt, um asynchron einzelne Tröpfchen von Tinte aus der Düse auszustoßen, gekennzeichnet ferner durch eine Vielzahl von Widerstandselementen veränderbarer Größe, die jeweils in Serie mit einem piezoelektrischen Kristall in Form einer RC-Schaltung zur Veränderung des Widerstandes derart angeordnet sind, daß die Geschwindigkeit gegen jedes jeweils aus jeder der Düsen der Vielfachanordnung ausgestoßenen Tröpfchens passend eingestellt werden kann.

20. Tintenstrahlschreiber nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandselemente derart verändert werden können, daß eine Zeitkonstante der RC-Schältung im Bereich zwischen fünf Mikrosekunden und huiidert Mikr ο Sekunden erhalten werden . kann.

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