DE2812372A1

DE2812372A1 - Tintenstrahldruckkopf

Info

Publication number: DE2812372A1
Application number: DE19782812372
Authority: DE
Inventors: Tsao Hsis-Meng Sherman
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1977-03-23
Filing date: 1978-03-21
Publication date: 1978-09-28
Also published as: GB1591147A; BR7801420A; IT1113169B; CA1101919A; IT7821407A0; FR2384625B1; FR2384625A1; US4303927A; JPS53117334A

Description

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

ki/se Tintenstrahldruckkopf

Die Erfindung betrifft eine im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebene Art eines Tintenstrahldruckkopfes.

Sind einer Tintenkammer mehrere Düsen zugeordnet, ist es erwünscht, daß die Tröpfchen der Tintenströme sämtlicher Düsen im gleichen Abstand von ihrer Düse abreißen, eine im wesentlichen gleiche Größe und gleichen Teilungsabstand zwischen den einzelnen Tröpfchen aufweisen und frei von Satellitentröpfchen sind. Dadurch wird sichergestellt, daß mit jeder Düse eine im wesentlichen gleiche Druckqualität erzielbar ist.

Um diese Gleichförmigkeit zwischen den Tröpfchen der verschiedenen Ströme zu erzielen, ist es notwendig, daß die den einzelnen Tintenströmen zugeführten Störungen im wesentlichen gleich sind und daß die Düsen gleiche Qualität aufweisen.

Außerdem ist es für die Erzeugung von Tröpfchen ohne Satellitentropfen notwendig, daß die Störungen ausreichend groß sind. Es ist auch notwendig, daß die Störungen nicht nur im wesentlichen gleichförmig sind, sondern während der gesamten Tropfenerzeugungszeit reproduzierbar sind.

Es ist die Aufgabe der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung, einen Tintenstrahldruckkopf anzugeben, der gleichförmige Störungen in einer Vielzahl von Tintenströmen erzeugt, um gleichzeitig in jedem dieser Tintenströme gleich große Tröpfchen bei gleicher Entfernung des Abreißpunktes von der Düse ohne der Bildung von Satellitentröpfchen bei einer gewünschten Frequenz zu erzeugen^.

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■ Ein nach der Erfindung aufgebauter Tintenstrahldruckkopf, ' der die Schwingungen für die Bildung von Störungen in den . Tintenströmen erzeugt, wirkt so, daß die Amplitude einer jeden Druckwelle in der Tintenkammer an der Eingangsseite ; einer jeden Düse im wesentlichen gleich groß ist. Dadurch ' werden gleiche Störungen in den die Düsen verlassenden • Tintenströmen erzeugt. Es ist auch notwendig, daß die Amplitude der Druckwellen genügend groß ist, um Tintentröpfchen

■ frei von Satellitentröpfchen zu erzeugen.

ι Im Hinblick auf die beabsichtigte Ausrichtung der verschie- ^; denen Komponenten des Gesamtaufbaues versteht es sich, daß die Längsausdehnung des Wandlers und der Tintenkammer parallel

; zu einer Linie ist, welche die Eingänge der Düsen der Düsen- : reihe verbindet. Somit ist die erforderliche Wandler-Schwingungsart, welche gleichförmige Störungen in den Tintenströmen , sämtlicher Düsen erzeugt, die, bei welcher die Schwingungen ' phasengleich sind entlang der Längsrichtung des Wandlers und \ die Amplituden für einen ausreichenden Teil der Wandler länge ^; mit dem das Düsenfeld ausgerichtet ist, gleichförmig sind. Der ! Einfachheit halber wird diese besondere Schwingungsart die

; "symmetrische Art" genannt. j

! Während bis jetzt beschrieben ist, was notwendig ist, um gleich ! förmige Störungen in den Tintenströmen sämtlicher Düsen der ' ι Düsenreihe zu erzeugen, ergibt sich eine Nichtgleichförmig- ^; I keit der Störungen infolge nichtsymmetrischer Wandlerschwin- i gungen und Endzustände. Nichtsymmetrische Wandlerschwingungen ί sind jene, die nicht phasengleich sind entlang der Längsrich- \

tung und/oder keine gleichen Amplituden aufweisen, Bei Verwendung eines piezoelektrischen Wandlers können bei der gleichen Resonanzfrequenz symmetrische und nichtsymmetrische Schwingungszustände auftreten.

Eine Ursache für die Endzustände ist in den Endwänden der Tintenkammer zu sehen, die auf die^ Tinte einwirken,, da die

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Druckwelle sich durch die Tinte in der Tintenkammer fortpflanzt. Dies vermindert die Amplitude der Druckwelle in der Nachbarschaft einer jeden Endwand der Tintenkammer.

Ferner versuchen die Schwingungen, die durch einen piezoelektrischen Wandler erzeugt werden, an den freien Enden geringfügig nicht gleichförmig zu sein, selbst wenn das elektrische Signal bei korrekter Resonanzfrequenz auftritt. Da diese freien Enden des Wandlers den Endwänden der Tintenkammer benachbart sind, hat diese Nichtgleichformigkeit der Schwingungen einen weiteren Einfluß auf ein Verhindern, daß die Amplitude der Druckwelle an den Enden der Tintenkammer im wesentlichen die gleiche Amplitude wie anderswo ist.

Somit müssen für die Erzielung von Gleichförmigkeit der Tintenstromstörungen sowohl die nichtsymmetrischen Wandlerschwingungen als auch die Endzustände vermieden werden. Die Erfindung tritt diesen zuvorgenannten Zuständen zufriedenstellend entgegen durch Erzeugen einer symmetrischen Wandler- ; schwingung über einen wesentlichen Teil der Länge des piezoelektrischen Wandlers und durch Anordnung des Düsenfeldes in Ausrichtung mit dem Teil der Länge des Wandlers, durch welchen die Druckwellen erzeugt werden, die an jeder Düse mit : im wesentlichen geicher Amplitude ankommen. Durch Anbringung des Düsenfeldes in Ausrichtung mit diesem Teil der Länge des Wandlers werden die Endzustände auch vermieden.

Um eine symmetrische Wandlerschwingung entlang eines wesent- :liehen Teiles der Länge des piezoelektrischen Wandlers zu !erzielen, muß der räumliche Aufbau des Wandlers so ausgewählt j werden, daß er nur in einer ausgewählten symmetrischen Art schwingt bei einer ausgewählten Resonanzfrequenz, wenn eine Spannung der ausgewählten Resonanzfrequenz zugeführt wird. Der räumliche Aufbau muß so ausgewählt sein, daß die Frequenzen irgendwelcher anderer Schwingungsarten ausreichend über oder unter dieser Resonanzfrequenz liegen und somit BÖ 976 01S - ■--

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nicht erzeugt werden, wenn die Spannung bei der gewählten 'Resonanzfrequenz zugeführt wird. Somit erzeugt die Erfindung ■durch Auswahl des räumlichen Aufbaues des Wandlers eine symmetrische Schwingung entlang eines wesentlichen Längsteiles des Wandlers.

Wegen der Endzustände weisen die Druckwellen, die durch den erfindungsgemäßen Tintenstrahldruckkopf erzeugt werden, nicht die gleiche Amplitude in der Nachbarschaft eines jeden Endes der Tintenkammer auf. Demzufolge ist das Düsenfeld mit dem Teil der Tintenkammer ausgerichtet, in dem die Amplituden der Druckwellen des Wandlers im wesentlichen gleich sind am Eingang einer jeden Düse.

Die Erfindung sieht als räumliche Wandlerausgestaltung einen gewölbten Sektor eines Zylinders vor. Durch Bestimmung des Mittelradiuses, der Wanddicke und des Bogenwinkels des ^genannten Sektors werden nur symmetrische Schwingungsarten :einer bestimmten Resonanzfrequenz erzeugt, wenn der piezoelektrische Wandler einer Spannung bei einer bestimmten Resonanzfrequenz ausgesetzt ist.

Der gewölbte Sektor, der den Wandler bildet, kann fast eine gerade Scheibe sein, wenn der Mittelradius des Wandlers sehr groß und der Bogenwinkel sehr klein ist. Somit darf der gewölbte Sektor, der als Wandler wirkt, keine große Krümmung besitzen.

JFerner ist es nicht notwendig, daß der piezoelektrische Wandler ein gewölbter Sektor eines Zylinders ist. Stattdessen kann ein Element mit einem rechteckförmigen Querschnitt als Wandler verwendet werden. Es ist nur notwendig, daß der räumliche Aufbau des piezoelektrischen Wandlers so ausgewählt ist, daß er bei Zuführung einer Spannung bei ausgewählter Resonanzfrequenz Schwingungen nur bei der ausgewählten Resonanzfrequenz verursacht, und daß diese Schwingungen symmetrisch sind.

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Bei der Auswahl des räumlichen Aufbaues des Wandlers wird die Frequenz, bei welcher die Tröpfchen zu erzeugen sind, bestimmt. Dann muß das Verhältnis dieser gewünschten Frequenz zur Resonanzfrequenz eines gewölbten Sektors, der frei und nicht gedämpft ist, erhalten werden. Der Grund für diese Frequenzdifferenz zwischen der Resonanzfrequenz eines freien gewölbten Sektors und eines gewölbten Sektors, der mit einer Tintenkammer verwendet wird, ist bedingt durch den Zwang des elastischen Trägers, in dem der Wandler gelagert ist und irgendwelcher Dichtungen, die zwischen dem Wandler und der ,Tragplatte für die Düsen verwendet werden. Ein weiterer, das Verhältnis der Frequenz eines freien, gewölbten Sektors und eines gewölbten Sektors, der in einer Tintenkammer _;verwendet wird, beeinflussender Faktor ist das Einführen ^er Tinte von der Seite des gewölbten Sektors, die der Tintenkammer zugewandt ist.

iWenn die Frequenz erzielt ist, bei welcher der freie, gewölbte j Sektor in Resonanz sein würde, um die gewünschte Frequenz 'der Tröpfchenerzeugung zu erzielen, ist der räumliche Aufbau des gewölbten Sektors bestimmt. Somit sind der Mittel-'radius, die Wanddicke und der Bogenwinkel des gewölbten ;Sektors zusammen ausgewählt, um die notwendige Resonanzfrequenz zu erzeugen.

jWenn der piezoelektrische Wandler kein gewölbter Sektor j eines Zylinders ist, sondern ein rechteckförmiges Element, !muß das gleiche Verhältnis der gewünschten Frequenz der Tröpfchen zur Resonanzfrequenz des Wandlers bestimmt werden. Somit muß unabhängig von seiner Ausgestaltung der piezoelektrische Wandler fähig sein, nur in einem ausgewählten symmetrischen Zustand bei einer ausgewählten Resonanzfrequenz zu schwingen, wenn eine Spannung mit einer ausgewählten Resonanzfrequenz zugeführt wird.

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Wenn auch die Länge des gewölbten Sektors abnimmt, treten die unerwünschten Schwingungen im bogenförmigen Sektor bei hohen Frequenzen auf. Wenn der piezoelektrische Wandler aus einer Mehrzahl von gewölbten Segmenten von relativ kurzer Länge gebildet ist,» treten alle unerwünschten Schwingungen bei Fre- j quenzen oberhalb der Resonanzfrequenz auf _t infolge der relativen Kürze eines jeden gewölbten Segmentes. Dies trifft j auch für einen Wandler zu_r der als ein flaches oder recht- j eckförmiges Element ausgebildet ist. !

Bei einem Äusführungsbeispiel der Erfindung besteht der gewölbte Sektor aus einer Mehrzahl von miteinander verbundenen j

j Segmenten. Beispielsweise könnte der gewölbte Sektor ein j einziges Stück mit an seinem umfang mit gleichem Teilungs- i abstand eingeschnittenen Schlitzen darstellen, um Segmente zu ^! bilden, wobei ein gemeinsamer zentraler Kern die einzelnen Segmente miteinander verbindet. Es können natürlich auch einzelne kurze {Segmente von gewölbten Sektoren miteinander durch ein geeignetes Harz verbunden werden,, wobei die Schwingungen zwischen den Segmenten nur schwach gekoppelt wären.

Erfindungsgemäß bildet den piezoelektrischen Wandler vorzugsweise eine Wand der Tintenkammer. «Jedoch könnte die Tintenkammer eine Wand besitzen, die eher ein sehr dünnes Glied statt der Wandler bildet, der mit dem sehr dünnen Glied in Berührung steht. Es ist notwendig, daß das die Wand bildende und mit dem Wandler in Berührung stehende Glied sehr dünn ist, da seine Masse relativ zur Masse des Wandlers sehr klein sein muß. Wenn dieses Glied zu dick ist und somit eine gegenüber der Wandlermasse große Masse besitzt, würden die Bewegungen des Wandlers verändert werden, so daß die Tröpfchen nicht mit der gewünschten Frequenz erzeugt werden würden.

Aus den Seiten 1251 bis 1253 des IBM Technical Disclosure Bulletins, Vol. 16, Nr. 4 (September 1973), ist wohl ein

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!piezoelektrischer Wandler ersichtlich, den eine halbzylindrisch 'geformte Wandung einer Tintenkammer bildet, jedoch wird das Problem der Resonanzfrequenz nicht erkannt und nicht gelöst. Außerdem wird das Konzept der Erfindung nicht erkannt, nach dem der gewölbte Sektor des piezoelektrischen Wandlers einen Bogenwinkel geringer als 180° annehmen kann und seine Wandstärke und Mittelradius so ausgewählt sind, um eine gewünschte Resonanzfrequenz zu erzeugen. Die Lehre, daß der Wandler auch flach oder rechteckförmig sein kann, !ist ebenfalls hierin nicht geoffenbart.

Weitere Merkmale der Erfindung sind den Unteransprüchen zu ,entnehmen.

i
ι
[Einzelheiten der Erfindung sind nachstehend anhand von in

den Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen beschrieben Es zeigen:

jFig. 1 einen Tintenstrahldruckkopf in auseinanderge— j zogener schaubildlicher Darstellung,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 in Flg. 1,

Fig. 3 einen Schnitt eines anderen Ausführungsbeispieles,

Fig. 4 eine Vorderansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles eines Wandlers,

Fig. 5 eine Seitenansicht des Wandlers der Fig. 4,

Fig. 6 eine Vorderansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles eines Wandlers,

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g. 7 eine Seitenansicht des Wandlers nach Fig. 6,

Fig. 8 einen Schnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel eines Tintenstrahldruckkopfes,

. 9 einen Schnitt eines weiteren Ausführungsbeispieles eines Tintenstrahldruckkopfes,

10 eine Vorderansicht eines weiteren Ausführungs- ! beispiels eines Wandlers und

?ig. 11 eine Seitenansicht des Wandlers nach Fig. 10 ;

. j

Der Tintenstrahldruckkopf 10 besitzt eine Mehrzahl von gleich- j

! I

beabstandeten Düsen 11, die in einer geradlinigen Reihe in der Platte 12 angeordnet sind. Die Platte 12 ist an der Be-Eestigungsplatte 14 angeordnet.

Der Tintenstrahldruckkopf 10 weist ein Paar Endwände 15, 16 auf|,

i ixe von dem Gehäuse 17 getragen werden. Die Endwände 15, 16 und 3as Gehäuse 17 könnten auch, wenn gewünscht, aus einem Stück aestehen. Das Gehäuse 17 weist den gewölbten Schlitz 18 auf, j ler sich über die gesamte Länge der Wand 19 erstreckt, die j ler Befestigungsplatte 14 zugewandt ist, wenn der Tintenstrahl-! iruckkopf 10 zusammengebaut ist.

Der gewölbte Sektor 20 aus einem piezoelektrischen Material ist innerhalb des gewölbten Schlitzes 18 angeordnet. Obwohl ler gewölbte Sektor 20 als 180 einnehmend gezeigt ist, ist auch jeder andere Bogenwinkel möglich und es hängen äer Bogenwinkel, der Mittelradius und die Wanddicke des gewölbten Sektors 20 von der gewünschten Resonanzfrequenz ab, oei welcher die Tintentröpfchen durch den Tintenstrahldruckfcopf 10 zu erzeugen sind.

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Der gewölbte Sektor 20 wird durch den elastischen Träger 21, der beispielsweise aus einem Harz besteht, innerhalb des gewölbten Schlitzes 18 gehalten, der den gleichen Bogenwinkel wie der gewölbte Sektor 20 aufweist. Das Harz besitzt eine hohe akustische Impedanz und isoliert das Gehäuse 17 gegenüber den Schwingungen des gewölbten Sektors 20.

Obwohl das Harz als sich über die gesamte Länge des gewölbten Schlitzes 18 sich erstreckend gezeigt ist, ist dies für eine zufriedenstellende Wirkungsweise nicht notwendig. Es ist lediglich erforderlich, daß das Harz an jedem Ende des gewölbten Sektors innerhalb des gewölbten Schlitzes 18 vorhanden ist, um den gewölbten Sektor 20 gegenüber dem Gehäuse 17 zu isolieren.

Die Dichtungsscheibe 22 ist zwischen der Befestigungsplatte und der Wand 19 des Gehäuses 17 und zwischen der Befestigungsplatte 14 und einer angrenzenden Fläche einer jeden der Endwände 15, 16 angeordnet. Die Dichtungsscheibe 22 liegt auch an den freien Seitenflächen 23, 24 des gewölbten Sektors 20 an, so daß diese die Befestigungsplatte 14 nicht berühren können. Dadurch beeinflußt die Dichtungsscheibe 22 die Reisonanzfrequenz des gewölbten Sektors 20.

Die Dicke der Dichtungsscheibe 22 wird zur Veränderung der Resonanzfrequenz des gewölbten Sektors 20 benutzt. Wenn die Dicke der Dichtungsscheibe 22 abnimmt, nimmt die Resonanzfrequenz des gewölbten Sektors 20 zu. Somit wird die Dicke der Dichtungsscheibe 22 so ausgewählt, um die Resonanzfrequenz des gewölbten Sektors 20 fein abzustimmen.

Wenn der gewölbte Sektor 20 einen bestimmten Bogenwinkel, wie einen halben Zylinder (Fig. 1) aufweist, kann die Resonanzfrequenz des gewölbten Sektors 20 verändert werden durch Veränderung des Mittelradius oder der Wandstärke

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irgendeinen Bogenwinkel annehmen kann, jedoch vorzugsweise j nicht größer als 180° sein soll, kann der Bogenwinkel auch
verändert werden, um die Resonanzfrequenz zu ändern, wenn j !der Bogenwinkel nicht bestimmt ist. In ähnlicher Weise stimmt, ! wie weiter oben erwähnt, die Dicke der Dichtungsscheibe 22 ' die Resonanzfrequenz fein auf das gewünschte Maß ab. |

Der gewölbte Sektor 20, die Befestigungsplatte 14, die Dich- ! tungsscheibe 22 und die Endwände 15 und 16 bilden zusammen die j Tintenkammer 25. Jede der Endwände 15, 16 erstreckt sich über !

die Höhe und Dicke des Gehäuses 17.

Von einem nicht gezeigten Reservoir wird Tinte unter Druck '

der Tintenkammer 25 durch den Durchlaß 26 in der Endwand 15 ; zugeführt. Die Tintenkammer 25 ist voll mit unter Druck ste- j hender Tinte gefüllt, obwohl der besseren Verständlichkeit : halber in Fig. 2 keine Tinte in die Tintenkammer 25 eingezeichnet ist.

Eine Seite der Wechselstromquelle 28 ist mittels der Leitung
29 mit einer Seite des gewölbten Sektors 20 verbunden, während j die andere Seite der Wechselstromquelle 28 geerdet ist. Die ! !innenfläche des gewölbten Sektors 20 wird auf Erdpotential j gehalten mittels der leitfähigen Tinte, die als elektrische | Verbindung dient. Folglich werden durch eine von der Wechselstromquelle 28 gelieferte Spannung von ausgewählter Resonanzfrequenz Schwingungen in der Tintenkammer 25 erzeugt,
die am Eingang einer jeden Düse 11 eine im wesentlichen
gleich große Amplitude aufweisen. Folglich besitzen die
aus den die Düsen 11 verlassenden Tintenströme gebildeten
Tröpfchen eine im wesentlichen gleiche Größe mit einem im
wesentlichen gleichen Abstand auf und haben einen vom Düsenausgang gleich entfernten Aufbrechpunkt„

Es ist erforderlich, die Spannung für die ausgewählte Resonanzfrequenz zu steuern, um die Tröpfchen der Tintenströme

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jfrei von Satellitentröpfchen zu halten. Die Größe der Spannung wird so ausgewählt, daß sie groß genug ist, um eine Antriebskraft für den gewölbten Sektor 20 zu bilden, um eine ausreichende Amplitude der Druckwellen innerhalb der Tintenkammer 25 zu erzeugen, so daß die aus den Tintenströmen erzeugten Tintentröpfchen frei von Satellitentröpfchen sind.

Die Befestigungsplatte 14 (Fig. 2) besitzt geneigte Flächen 33, 34 an gegenüberliegenden Seiten der länglichen öffnung 35, die mit allen Düsen 11 der Platte 12 in Verbindung steht. Somit befinden sich die geneigten Flächen 33, 34 an gegenüberliegenden Seiten einer Linie, welche die Achsen der Düsen 11 verbindet.

Die geneigten Flächen 33, 34 der Befestigungsplatte 14 dienen zum Fokussieren der Druckwellen innerhalb der Tintenkammer in die längliche Öffnung 35. Statt einer einzigen länglichen öffnung, mit der alle Düsen 11 verbunden sind, ist auch eine Mehrzahl von öffnungen verwendbar, von denen eine jede mit je einer Düse 11 verbunden ist.

JDie gewünschte Frequenz, bei welcher die Tröpfchen aus den ITintenströmen der einzelnen Düsen 11 zu bilden sind, wird |zunächst bestimmt. Wenn diese Frequenz erhalten ist, wird , die Frequenz bestimmt, die für den gewölbten Sektor 20 \ erforderlich ist, um zwecks Erzeugung der gewünschten Tropfenerzeugungsfrequenz zu schwingen. Dies hängt ab von der Dicke der Dichtungsscheibe 22 und der Dicke des den elastischen Träger 21 bildenden Harzes. Ist die gewünschte Frequenz des gewölbten Sektors 20 bestimmt, sind der Bogenwinkel, der Mittelradius und die Wanddicke des gewölbten Sektors 20 auszuwählen, um die Resonanzfrequenz zu erzeugen. Der Bogenwinkel, der Mittelradius und die Wanddicke des gewölbten Sektors 20 sind so ausgewählt, daß der gewölbte Sektor 20 nur bei symmetrischen Schwingungen der ausge-

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wählten Art mit der ausgewählten Resonanzfrequenz schwingt, | j wenn die Wechselstromquelle 28 dem gewölbten Sektor 20 eine Spannung bei ausgewählter Resonanzfrequenz liefert.

j Nachdem die räumliche Gestaltung des gewölbten Sektors bestimmt ist, ist die notwendige Spannung der Wechselstromj quelle 28 zu bestimmen, um satellitentröpfchenfreie Tröpfchen zu erzeugen. Pies ist ausführbar nur durch Tests des zusammengebauten Wandlers.

Nachdem die satellitentröpfchenfreie Spannung bestimmt ist, erzeugt der Wandler Tröpfchen der gewünschten Frequenz aus jeder der Düsen 11, wobei die Tröpfchen der einzelnen Düsen im wesentlichen gleiche Größe und einen im wesentlichen gleichen Teilungsabstand aufweisen, frei von Satellitentröpfchen sind und einen von den Düsen gleich entfernten Tröpfchenabreißpunkt aufweisen. Dies ist möglich, da der gewölbte Sektor 20 nur symmetrische Schwingungen der gewählten Resonanzfrequenz innerhalb der Tintenkammer 25 entlang eines Teiles ihrer Länge erzeugt, und zwar an der den Düsen 11 gegenüberliegenden Seite.

In Fig. 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei welchem der Tintenstrahldruckkopf 40 eine geradlinige Reihe von Düsen 41 aufweist, die in der Befestigungsplatte 42 angeordnet sind. Während die Düsen 41 in der gleichen Weise wie die Düsen 11 in der Platte 12 (Fig. 1) angeordnet sind, befinden sich die Düsen 41 in der Befestigungsplatte 42 statt in einer separaten Platte, die an der Befestigungsplatte befestigt ist (Fig. 1)-

Die Befestigungsplatte 42 weist geneigte Fläche 43, 44 auf, in der gleichen Weise wie in Fig. 2 für die Befestigungsplatte 14 gezeigt. Die geneigten Flächen 43, 44 dienen dem gleichen Zweck wie die geneigten Flächen 33, 34 in der Befestigungsplatte 14 (Fig. 2) .

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Der Tintenstrahldruckkopf 40 besitzt ein Paar Endwände (gezeigt, ist nur eine Endwand 45). Das Gehäuse 46, das die Dichtungsscheibe 47 zwischen der Fläche 48 des Gehäuses 46 und einer Fläche der Befestigungsplatte 42 aufweist, trägt die Befestigungsplatte 42 und die Dichtungsscheibe 47. Jede der Endwände erstreckt sich über die gesamte Höhe und Breite des Gehäuses 46 und grenzt an die Dichtungsscheibe 47 an.

Das Gehäuse 46 besitzt in der Wand 48 den ersten gewölbten Schlitz 49 und einen zweiten gewölbten Schlitz 50, der größer als der erste gewölbte Schlitz 49 ist und mit demselben in Verbindung steht. Der gewölbte Sektor 51 aus einem piezoelektrischen Material ist in den zweiten gewölbten Schlitz eingelegt und wird durch den elastischen Träger 52 aus einem Harz festgehalten. Das Harz, das den elastischen Träger 52 bildet, muß fähig sein, den gewölbten Sektor 51 gegenüber dem Gehäuse 46 zu isolieren.

Zwischen den Endwänden (nur die Endwand 45 ist gezeigt) der Befestigungsplatte 42, dem Gehäuse 46 und der Dichtungsscheibe 47 wird die Tintenkammer 53 gebildet. Der gewölbte Sektor 51 bildet eine der Wände der Tintenkammer 53. Durch den elasti-.' sehen Träger 52 werden alle Schwingungen des gewölbten Sektors 51 auf die Tinte innerhalb der Tintenkammer 53 übertragen. Die Tinte wird der Tintenkammer 53 in der gleichen Weise wie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben, zugeführt und ist ¹ zwecks besserer Zeichnungserkennbarkeit in der Tintenkammer 153 nicht eingezeichnet.

Der gewölbte Sektor 51 besitzt einen Bogenwinkel geringer als 180°. Wie weiter oben in Verbindung mit Fig. 1 erwähnt, kann der gewölbte Sektor 51 irgendeinen anderen Bogenwinkel aufweisen, jedoch vorzugsweise nicht größer als 180 . Der Bogenwinkel, der Mittelradius und die Wanddicke des gewölbten

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Sektors 51 bestimmen die Resonanzfrequenz des gewölbten Sektors 51.

In diesem Ausführungsbeispiel steht die Dichtungsscheibe ₍in keinem Kontakt mit dem gewölbten Sektor 51. Demzufolge hat die Dichtungsscheibe 47 keinen Einfluß auf die durch den gewölbten Sektor 51 erzeugte Resonanzfrequenz.

.Das Verfahren zur Herstellung des Wandlers nach Fig. 3 und ;dessen Wirkungsweise sind die gleichen wie die in Verbindung ;mit Fig. 1 und 2 beschriebenen. Der einzige Unterschied ist

der, daß die Dichtungsscheibe 47 keinen Einfluß auf die Resonanzfrequenz des gewölbten Sektors 51 hat, so daß sie :nicht verwendbar 1st für die Feinabstimmung der Resonanzfrequenz.

lln den Fign. 4 ^;ind 5 ist der gewölbte Sektor 60 aus einem !piezoelektrischen Material dargestellt. Dieser Sektor 60 besitzt Schlitze 61, die sich von seinem Umfang in radialer Richtung um eine bestimmte Enfernung nach innen erstrecken. jDiese Schlitze 61 sind von gleicher Dicke und weisen über die Länge des gewölbten Sektors 60 einen gleichen Teilungsabstand auf, um eine Mehrzahl von gewölbten Segmenten 62 von gleicher Dicke zu bilden. Der gewölbte Sektor 60 besitzt den :dünnen zentralen Verbindungsteil 63, der die einzelnen gewölbten Sektoren 62 miteinander verbindet und so einen einzi-

jgen Teil herstellt. Die Schlitze 61 sind mit Harz (nicht ge- i

!zeigt) ausgefüllt, um die Segmente 62 zu unterstützen und ge- :

geneinander zu isolieren, um irgendwelche mechanischen '

Kopplungen zu dämpfen.

'Die Verwendung der Schlitze 61 ergibt einen gewölbten Sektor j

60 von einer Resonanzfrequenz der Schwingungsart, die anders ' !ist als die Resonanzfrequenz der symmetrischen Art und in 'sehr hohe Bereiche verschoben ist, wegen der relativ ge-

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ringen Dicke eines jeden gewölbten Segmentes 62. Dies verhütet irgendwelche unerwünschten Resonanzfrequenzen durch Interferieren mit der gewünschten Resonanzfrequenz des gewölbten Sektors 60.

Der gewölbte Sektor 60 wird gebildet durch Herstellung der Schlitze 61 in dem Zylinder 65 (Fig. 5). Dann wird das Harz in die Schlitze 61 gefüllt, um die Segmente 62 zu stützen. Hierauf wird der Zylinder 65 entlang seiner Achse zerschnitten, um den gewölbten Sektor 60 mit einem gewünschten Bogenwinkel zu bilden.

Der gewölbte Sektor 60 ist in Verbindung mit dem Wandler nach Fig. 1 oder 3 verwendbar. Bei Verwendung des gewölbten Sektors 60 ist es notwendig, die Wechselstromquelle 28 gleichzeitig mit jedem der gewölbten Segmente 62 zu verbinden; andererseits ist die restliche Wirkung des Wandlers nach Fig. 1 oder 3 die gleiche wie zuvor beschrieben.

In den Fign. 6 und 7 ist der gewölbte Sektor 70 gezeigt, der in dem Wandler nach Fig. 1 oder 3 verwendbar ist. Der gewölbte Sektor 70 wird aus einer Mehrzahl von separaten Segmenten von gleicher Dicke gebildet. Die Segmente 71 werden nur durch das Harz 72 miteinander verbunden. Somit isoliert das Harz 72 die Semgnete 71 gegeneinander, um irgendwelche mechanischen Dopplungen zwischen denselben zu dämpfen, während sie diese Segmente miteinander verbinden. Dies stellt sicher, daß alle der nichtsymmetrischen Schwingungsfrequenzen eines jeden ■Segmentes 71 über der ausgewählten Resonanzfrequenz liegen, ibei welcher die Schwingungsart symmetrisch ist.

iWie in den Abwandlungen nach den Fign. 4 und 5 ist es für jedeä [Segment 71 erforderlich, eine Verbindung mit der Wechselstromiquelle 28 zu haben. Somit ist die Wechselstromquelle 28 parallel mit jedem der Segmente 71 des gewölbten Sektors 70 zu ; verbinden.

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In Fig. 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, in welchem der Tintenstrahldruckkopf 75 ein rechteckförmig geformtes Element 76 aus einem piezoelektrischen Material aufweist, das mit der Befestigungsplatte 14 und der Platte 12 der Fig. 2 verwendbar ist. Die Dichtungsscheibe 22 der Fig. ist ebenfalls verwendbar.

Das Element 76 besitzt einen Querschnitt von Rechteckform und statt des Gehäuses 17 der Fig» 2 wird das Gehäuse 77 verwendet. Das Gehäuse 77 besitzt den rechteckigen Schlitz 87,

um das rechteckförmige Element 76 aufzunehmen» Der elastische Träger 97 aus Harz wird in der gleichen Weise wie der elastiche Träger 21 der Fig. 2 verwendet=

Während das Harz sich vorzugsweise über die gesamte Länge des Schlitzes 78 erstreckt, ist zu betonen, daß dies für eine zufriedenstellende Wirkungsweise nicht erforderlich ist. Es ist nur erforderlich, daß das Harz an jedem Ende des rechteckförmigen Elementes 76 innerhalb des Schlitzes 78 angeordnet ist, um das Element 76 gegenüber dem Gehäuse 77 in der gleichen Weise wie in Verbindung mit Fig ο 2 erörtert, isoliert.

Im Gegensatz zur Fig. 2 hat die Dicke der Dichtungsscheibe 22 einen geringen Einfluß auf die Resonanzfrequenz des EIe= !mentes 76. Der Grund hierfür liegt darin,, daß die Enden des ι Elementes 76 nicht an die Dichtungsscheibe 22 angrenzen, wie j die Enden des gewölbten Sektors 20 in Fig- 2„ Der elastische ι 'Träger 79 aus einem Harz grenzt an die Enden des Elementes 76 j j an. Die Charakteristika des Harzes beeinflussen die Resonanz- j

frequenz. Jedoch sind diese Charakteristika nicht abstimmbar : in der Weise wie die Dicke der Dichtungsscheibe 22 in Fig. 2. ! Eher kann die Resonanzfrequenz des Elementes 76 verändert j werden durch Veränderung seiner Querschnittsdimensionen, wobei die längere der beiden Querschnittsdimensionen für die Resonanzfrequenz primär bestimmend ist»

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Das rechteckförmige Element 76, die Befestigungsplatte 14 und die Dichtungsscheibe 22 wirken zusammen, um die Tintenkammer in der gleichen Weise wie die Tintenkammer 25 der Fig. 2 zu bilden. Tinte wird unter Druck der Tintenkammer 80 in der gleichen Weise", wie in Verbindung mit den Fign. 1 und 2, beschrieben, zugeführt.

Durch den elastischen Träger 79 werden alle von dem rechteckförmigen Element 76 erzeugten Schwingungen auf die Tinte innerhalb der Tintenkammer 80 übertragen. Die Tintenkammer 80 ist vollständig mit unter Druck stehender Tinte ge- ; füllt, obowohl der besseren Erkennbarkeit wegen in die Tinten- ^; kammer 80 keine Tinte eingezeichnet ist.

In Fig. 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel veranschaulicht, bei welchem der Tintenstrahldruckkopf 85 in ähnlicher Weise wie in Fig. 3, gebildet ist. Somit enthält der Tintenstrahldruckkopf 85 eine geradlinige Reihe von in der Befestigungsplatte 42 angeordneten Düsen 41 und die Dichtungsscheibe 47.

Jedoch ist in Fig. 9 ein rechteckförmiges Element 86 aus einem piezoelektrischen Material verwendet statt dem gewölbten Sektor 51 der Fig. 3. Das rechteckförmige Element 86 erfordert J ein Gehäuse 87 von einem gegenüber dem Gehäuse 46 der Fig. 3 unterschiedlichem Aufbau. Somit besitzt das Gehäuse 87 einen ersten rechteckförmigen Schlitz 88 und einen zweiten rechteckförmigen Schlitz 89, der größer 1st als der erste Schlitz 88 und mit demselben in Verbindung steht.

Das rechteckförmige Element 86 befindet sich in dem zweiten !Schlitz 89 und wird in demselben durch den elastischen Träger 90 aus einem Harz gehalten. In der gleichen Weise wie in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben, muß das Harz fähig sein, das irechteckförmige Element 86 gegenüber dem Gehäuse 87 zu iso-

'lieren. I

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Die Tintenkammer 91 wird zwischen den Endwänden 45,der Befestigungsplatte 42, dem Gehäuse 87 und der Dichtungsscheibe 47 in ähnlicher Weise wie in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben, gebildet. Das rechteckförmige Element 86 bildet eine der Wände der Tintenkammer 91. Durch den elastischen Träger 90 werden alle Schwingungen des rechteckförmigen Elementes 86 auf die Tinte innerhalb der Tintenkammer 91 übertragen. Die Tinte wird der Tintenkammer 91 in der gleichen Weise wie in Verbindung mit den Fign. 1 und 2 beschrieben, zugeführt, obwohl der Übersichtlichkeit wegen in die Tintenkammer 91 keine Tinte eingezeichnet ist.

Das Verfahren zur Bildung des Wandlers nach Fig. 9 und seine Wirkungsweise sind dieselben wie in Verbindung mit den Fign. und 2 beschrieben. Der einzige Unterschied ist der, da/3 die Dichtungsscheibe 47 keinen Einfluß auf die Resonanzfrequenz des rechteckförmigen Elementes 86 ausübt, so daß sie nicht zur Feinabstimmung der Resonanzfrequenz verwendbar ist.

In den Fign. 10 und 11 ist das rechteckförmige Element 95 geneigt, das in dem Wandler nach den Fign. 8 oder 9 verwendbar ist. Das rechteckförmige Element 95 ist aus einer Mehrzahl von separaten Segmenten 96 von gleicher Dicke gebildet. Die Segmente 96 sind miteinander nur durch das Harz 97 verbunden. Somit isoliert das Harz 97 die Segmente 96 gegeneinander, um irgendwelche mechanischen Kopplungen zu dämpfen. Dies stellt Richer, daß alle nichtsymmetrischen Schwingungsfrequenzen eines jeden Segmentes 96 über der ausgewählten Resonanzfrequenz, welcher die Schwingungsart symmetrisch ist, liegen.

Wie in den Abwandlungen nach den Fign= 4 und 5 und 6 und 7 ist es notwendig, daß jedes Segment 96 mit der Wechselstromquelle verbunden ist in der gleichen Weise wie die Wechsellstromquelle 28 mit dem gewölbten Sektor 20 in Fig„ 1 verbunden [ ist. Somit könnte die Wechselstromqeulle 28 parallel mit jedem Segment 96 des rechteckförmigen Elementes 95 verbunden sein=

^{B0 976} °¹⁸ 8898

Obwohl ein piezoelektrischer Wandler beschrieben wurde, der als gewölbter Sektor oder rechteckförmiges Element ausgebildet ist, ist dies kein Erfordernis für eine einwandfreie Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Wandlers. Es ist nur notwendig, daß die räumliche Ausgestaltung des Elementes so wählbar ist, daß die gewünschte Resonanzfrequenz erzeugbar ist, damit die Schwingungen bei der gewünschten Resonanzfrequenz bezüglich der geradlinigen Reihe von Düsen symmetrisch sind und daß keine nichtsymmetrischen Schwingungen erzeugt werden, wenn die Spannung bei der ausgewählten Resonanzfrequenz dem Element zugeführt wird.

Obowhl der piezoelektrische Wandler als Wand der Tintenkammer dargestellt wurde, ist dies ebenfalls für die einwandfreie Wirkungsweise nicht notwendig. Ein sehr dünnes Glied könnte ebenfalls als Wand der Tintenkammer verwendet werden, die mit dem Wandler in Eingriff steht. Dieses dünne Glied würde eine relativ kleine Masse im Vergleich zur Masse des Wandlers aufweisen und würde die vom Wandler erzeugten Schwingungen nicht verändern, wenn der letztere bei der ausgewählten Resonanzfrequenz schwingt.

Es ist klar, daß irgendein geeignetes piezoelektrisches Material verwendbar ist. Ein Beispiel ist ein piezoelektrisches Material, das in einem zylindrischen Gehäuse als PZT-4 von der Vernitron Gesellschaft vertrieben wird.

Irgendein geeignetes Harz ist für die Isolierung des piezoelektrischen Wandlers gegenüber dem Gehäuse und für das Verbinden der gewölbten Segmente des gewölbten Sektors verwendbar. Die Harzschicht muß eine hohe akustische Wellenimpedanz aufweisen, um das Gehäuse gegenüber den Wandlerschwinijungen zu isolieren. Ein geeignetes Beispiel für ein derartiges Harz wird durch die Adhesive Engineering Company als "Glasshesive 2060" vertrieben.
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j - 23 -

[wenn der gewölbte Sektor aus einem einzigen Element von !einer Länge von ungefähr 25,4 mm gebildet wird, haben Tests anjgezeigt, daß das Zentrum von 6/10 der Gesamtlänge des gewölbjten Sektors symmetrische Schwingungen von einer ausgewählten !Resonanzfrequenz erzeugt. Die geradlinige Reihe von Düsen [muß mit diesem Teil des Wandlers ausgerichtet sein.

list ein 25,4 mm langer gewölbter Sektor aus einer Anzahl von [10 Segmenten gebildet, haben Tests ergeben, daß das Zentrum jvon 9/10 der Gesamtlänge des gewölbten Sektors symmetrische jSchwingungen von der ausgewählten Resonanzfrequenz erzeugen.

,Somit ist eine wesentliche Zunahme in der Länge, zusammen mit !symmetrischen Schwingungen erzielbar bei einem gewölbten Sektor, der aus einer Mehrzahl von gewölbten Segmenten besteht, da die Düsen mit 90 % der Länge des gewölbten Sektors ! !ausgerichtet werden können, so daß nur 5 % der Gesamtlänge ■

! ι

jdes Sektors an jedem Ende keine symmetrischen Schwingungen bei der ausgewählten Resonanzfrequenz ergeben.

Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Treiberschwingungen entlang dem Teil des Wandlers symmetrisch sind, welcher der Düsenreihe gegenüberliegt. Ein anderer Vorteil ist darin zu sehen, daß die Treiberendzustände der Tintenkammer vermieden werden. Schließlich ist es vorteilhaft, daß die aus einer Vielzahl von Tintenströmen durch einen einzigen Treiber erzeugten Tröpfchen frei von Satellitentröpfchen sind.

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34._f

eerseite

Claims

PA T' ENT A NS P R Ü C H E

Tintenstrahldruckkopf mit mehreren in eine Tintenkammer mündenden Düsen, die unter Druck stehende Tinte in Form von Strahlen, die in gleichgroße Tröpfchen aufbrechen, ausstoßen, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (11 bzw. 41) in einer gemeinsamen Ebene mit ihren Achsen parallel zueinander verlaufend, in einer Wand (11 bzw. 42) der Tintenkammer (25 bzw. 53 bzw. 80 bzw. 91) angeordnet sind, die eine Vorrichtung (20 bzw. 51 bzw. 60 bzw. 70 bzw. 76 bzw. 86 bzw. 95) zur periodischen Erzeugung von Druckwellen in der Tinte enthält, wobei diese Druckwellen einheitlich vor den Eingängen sämtlicher Düsen (11 bzw. 41) auftreten.

2. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (11 bzw. 41) in einer eine Wandung der Tintenkammer (25 bzw. 53 bzw. 80 bzw. 91) bildenden Platte (11, 14 bzw. 42) angeordnet sind und daß zu beiden Seiten der die Düsenachsen verbindenden Geraden geneigte Flächen (33, 34 bzw. 43, 44) in zur Strömungsrichtung der Tinte gesehen entgegengesetzter Richtung auseinanderstreben.

3. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (20 bzw. 51 bzw. 60 bzw. 70 bzw. 76 bzw. 86 bzw. 95) zur Erzeugung der Druck-

; wellen ein Element aus piezoelektrischem Material darj stellt, das eine räumliche Ausgestaltung aufweist, durch die ein Schwingen nur von einer ausgewählten symmetrischen Art bei einer ausgewählten Resonanzfrequenz auftritt, wenn eine elektrische Spannung (28) bei der ausgewählten Resonanzfrequenz angelegt wird, daß dieses Element an die Tintenkammer (25 bzw. 53 bzw= 80 bzw. 91) angrenzt und die genannte Spannung, die es erhält,

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für die Bildung von satellitentropfenfreien Tröpfchen ausreicht.

4. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ( 20 bzw. 51 bzw. 60 bzw. 70 bzw. 76 bzw. 86 bzw. 95) aus piezoelektrischem Material eine Wandung der Tintenkammer bildet, die dem Eingang der Düsen (11 bzw. 41) gegenüberliegt.

5. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß .das Element (20 bzw. 51 bzw. 60 bzw. 70 bzw. 76 bzw. 86 bzw. 95) aus piezoelektrischem Material in dem die Tintenkammer bildenden Gehäuse (17 bzw. 46 bzw. 77 bzw. 87) mittels eines elastischen Trägers (21 bzw. 52 bzw. 79 bzw. 90) gelagert ist.

6. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Träger (21 bzw. 52 bzw. 79 bzw. 90) ein Harz verkörpert, das mindestens an beiden Enden des Elementes (20 bzw. 51 bzw. 60 bzw. 70 bzw. 76 bzw. 86 bzw. 95) aus piezoelektrischem Material vorhanden ist.

7. Tintenstrahldruckkopf nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Element aus piezoelektrischem Material ein gewölbter Sektor (20 bzw. 51 bzw. 60 bzw. 70) eines Zylinders verkörpert und daß dieser Sektor einen Mittelradius, Wandstärke und Bogenwinkel aufweist, welche die Schwingung bei der ausgewählten Resonanzfrequenz

ι ergeben.

8. Tintenstrahldruckkopf nach den Ansprüchen 3 und 4, da-

durch gekennzeichnet, daß das Element aus piezoelektri- ; j schem Material einQuader (76 bzw. 86 bzw. 95) darstellt ι von einem Querschnitt mit Abmessungen, die nur ein !

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; symmetrisches Schwingen des Quaders bei der ausge-' wählten Resonanzfrequenz gewährleisten.

J9. Tintenstrahldruckkopf nach den Ansprüchen 7 oder 8, da-
; durch gekennzeichnet, daß der gewölbte Sektor (70) bzw.
^; der Quader (95) aus einer Mehrzahl von Segmenten (71
: bzw. 9'6) gleicher Dicke besteht, die durch ein Harz
zusammengehalten werden.

10. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 7, dadurch gekenni zeichnet, daß der gewölbte Sektor (60) durch radiale

Schlitze (61) in Segmente (62) unterteilt ist, wobei '.

diese Schlitze (61) sich nur so weit erstrecken, daß ^!

ein Kern (63) stehenbleibt und daß die Schlitze (61) ^; mit einem Harz ausgefüllt sind.

11. Tintenstrahldruckkopf nach den Ansprüchen 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der die Düsen (11) auf-:

' nehmenden Platte (14, 11) und den freien Stirnflächen
; (23, 24) des gewölbten Sektors (20) eine flexible

Dichtungsscheibe (22) eingeklemmt ist, deren Dicke so
i ausgewählt ist, um die ausgewählte Resonanzfrequenz :

des Sektors (20) fein abzustimmen.

112. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 3, dadurch gekenn- j

zeichnet, daß das aus einem piezoelektrischen Material '

ι bestehende Element (20 bzw. 51 bzw. 60 bzw. 70 bzw. 76 |

j bzw. 86 bzw. 95) eine Länge aufweist, die größer ist \

■-' als die die Achsen der Düsen (11 bzw. 41) verbindende i

Strecke. '

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