DE2927394A1 - Federkopf, insbesondere fuer tintenstrahlschreiber - Google Patents

Description

DIPL. ING. HEINZ BARDcHLE DIPL. CHEM. DR. PETER FÜftNISS

PATENTANWÄLTE

Aktenzeichen:

Anmelder: Dennison Manufacturing Company 300 Howard Street Framingham, Mass. 01701 U.S.A.

München, ß. Juli 1979

Unser Zeichen: 2918

Federkopf, insbesondere für Tintenstrahlschreiber

S0988WQ772

Kanzlei: Herrnstraße 15, München 22

DIPL. ING. HEINZ BARD-IHLc -^- München, 5. Juli 1979

DIPL. CHEM. DR. PETER FÜRNISS

PATENTANWÄLTE ζ 9 *") ? 7 3 9 4

Aktenzeichen: Unser Zeichen: 2918

Anmelder: Dennison Manufacturing Company

Titel: Federkopf, insbesondere für Tintenstrahlschreiber

Die Erfindung bezieht sich auf einen Federkopf, wie er insbesondere bei Tintenstrahlschreibern verwendet wird^gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Das Tintenstrahlschreiben ist eine Vervielfältigungsmethode, bei welcher Tinte auf ein Aufnahmemittel geschleudert wird. Einige der allgemein verwendeten Tintenstrahlschreibmethoden benützen eine Abtastdüse. Das Ausstrahlen der Tinte wird durch die Einwirkung einer Pumpe, welche die Tinte durch eine-Abtastdüse hindurchzwingt, vorgenommen, und die Abbildung erfolgt durch das Hervorrufen eines sinusartigen Linienzuges der geschleuderten Tinte. Letzteres Resultat wird durch das Schwingen der Düse mit einer gegebenen Frequenz und durch Bewegen eines Aufnahmemediums in einer transversalen Richtung zu der Schwingungsrichtung erhalten. Die Geschwindigkeit der Zeichenerzeugung ist im allgemeinen proportional mit der Frequenz der Düsenschwingung und daher erfordert eine höhere Frequenz der Düsenoszillation ein größeres Ausmaß des Tintenflusses für Abbildungen von gleichmäßiger Qualität;

Die Düsenschwingung wurde durch eine Vielzahl von Methoden erreicht. Das Tintenstrahlschreibsystem von Hertz erzeugt z.B. die Düsenoszillation durch die Verwendung eines Galvanometers, Das Galvanometer ist jedoch sehr teuer und nicht imstande, lückenlos eine Hochgeschwindigkeitsschwingung zu erzeugen.

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Kanalei: Hernistraße 45, München 22

Alternative Methoden für die Erzeugung der Düsenschwingung basieren auf der Verwendung von Magnetspulenantrieben anstelle eines Galvanometers. Diese Methoden sind ebenfalls ungeeignet zum Ausführen des Hochgeschwindigkeitsschreibens und sind zusätzlich mechanisch kompliziert und teuer.- Wieder eine andere Tintenstrahlschreibmethode verwendet zur Erzeugung der Düsenschwingung eine schwingende Blattfeder. Obwohl diese Methode sowohl billiger als auch weniger kompliziert ist, als die Galvanometer- oder Magnetspulenantriebsmethode, so ist sie doch außerstande, ein Schreiben von hoher Qualität mit einer größeren Geschwindigkeit als 100 Zeichen pro Sekunde vorzunehmen. Darüberhinaus ist sogar bei dieser Geschwindigkeit die Schreibqualität nicht übereinstimmend. Desweiteren erfordert das Schreiben in einer annehmbaren Qualität mit Hilfe eines schwingenden Blattfedersystemes, daß das Aufzeichnungsmittel innerhalb von 1/8 Zoll an dem Elektrodenzusammenbau, welcher zum Steuern des Fluges des Tintentropfen verwendet wird, vorbeigeführt wird. Als Folge davon ist das Schreiben auf gekrümmten oder ausgebuchtetaiOberflächen schwierig und oft unmöglich.

In dem vibrierenden Blattfedersystem können die beiden Probleme der Ungleichmäßigkeit der Schreibqualität und der niedrigen, effektiven Reichweite des Tintenstrahlstromes auf die wahllose Separierung des Tintenströmes in Einzeltropfen zurückgeführt werden. In den bekannten Systemen wurden verschiedene Einrichtungen verwendet mit der Absicht, die Tintentropfenbildung zu regelnj insbesondere stellen diese Einrichtungen Versuche dar, die Moment der Auflösung des Tintenstromes in Tropfen, der Größe der Tintentropfen und die Tropfenverteilung zu steuern. Eine allgemein in dieser Hinsicht verwendete Methode erfordert die Erzeugung einer Pulsierung "as Tintenstromes mit einer gesteuerten Frequenz. Dieses ist einige Male mit Hilfe eines Umformers ausgeführt worden, welcher in dem

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kapillaren Aufbau aufgenommen wurde und der separiert durch eine Membrane, in engem Kontakt mit dem Tintenstrom, gebracht wurde. Diese Einrichtungen haben jedoch den Nachteil, daß die Schwingung,durch welche die Tintenstrompulsationen erzeugt werden, sowohl Quer- als auch Längskomponenten haben im bezug auf die Achsen des Kapillarrohres. Diese interferieren daher in einem geringen Ausmaß mit der Queroszillation der Düse, durch welche das Abtastmuster für das Schreiben geschaffen wird. Dieser Effekt ist besonders betont bei höheren Schreibgeschwindigkeiten (größeren Frequenzen der Düsenqueroszillation).

Das Vermögen, mit höheren Geschwindigkeiten zu schreiben, steht in Wechselwirkung mit einer höheren, erreichbaren Frequenz der Zeichenerzeugung, welche wiederum abhängig ist von der Resonanzfrequenz der Blattfeder. Die im Zusammenhang mit den,eine Abtastdüse verwendeten, bekannten Tintenstrahlsysteinen erwähnten Geschwindigkeitsbegrenzungen besitzen eine charakteristische, obere Frequenzgrenze für die Düsenoszillation von ca. 1 kHz. Bei einem Schwingblattfedersystem erfordert eine höhere Resonanzfrequenz eine kürzere Metallblattfeder. Desweiteren ist, um das Erfordernis eines hohen Stromes in einem elektromagetischen Mittel für die Erzeugung der Blattfederoszillation zu vermeiden, eine dünne Blattfeder erwünscht. Die bekannten Schwingblattfedersysteme besitzen eine Blattfeder mit diesen Eigenschaften nicht, da so ein System einen kompakteren Aufbau benötigt und viel engere Aufbautoleranzen voraussetzen, um Störresonanzen zu vermeiden, welche mit der hohen Frequenz der Blattfederosζillation interferieren können.

Beachte: Der Ausdruck "Düse" wurde bisher für das ganze Rohr, durch welches Tinte geschleudert wird, verwendet; die Ausführung, den Federkopfzusammenbau nach der Erfindung betreffend, übernimmt jedoch die ebenso akzeptierte Verwendung für eine

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Ausbildung, welche das Ende des Rohres abschließt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Federkopf für einen Tintenstrahlschreiber zu schaffen, mit einer erhöhten Schreibgeschwindigkeit, mit einer erhöhten Geschwindigkeit der Zeichenerzeugung, in dessen Aufbau eine kurze, dünne Vibrationsmetallblattfeder aufgenommen ist, und mit einem bedeutend kompakteren Aufbau, welcher mit einer kürzeren Vibrationsblattfeder vereinbar ist. Desweiteren soll der Schreiber eine verbesserte Qualität des Schriftbildes bei einer höheren Schreibgeschwindigkeit besitzen, als auch eine verbesserte, effektive Reichweite des Tintenstrahlstromes aufweisen. Auch soll das Schreiben in einer annehmbaren Qualität auf Material mit einem größeren Abstand von der Tintenstrahldüse möglich sein und das Schreiben auf gekrümmten oder ausgebuchteten Materialien möglich sein. Desweiteren soll der Tintenfluß durch die Erzeugung einer gleichmäßigen Tintentropfgröße und eines gleichmäßigen Tropfenabstandes geregelt werden und auch die Stelle der Tintenstrahlauflösung gesteuert werden. Es sollen zu diesem Zwecke Mittel verwendet werden, welche nicht interferieren werden mit der Queroszillation der Tintenstrahldüse.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit einem Federkopf für einen Tintenstrahlschreiber mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Der Federkopf nach der Erfindung enthält demnach ein mit Tinte durchflossenes Kapillarrohr, welches an seinem einen Ende durch einen Kapillarrohrträger festgehalten wird und welches entlang eines Abschnittes seiner Länge an einer Metallblattfeder befestigt ist. Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist das entgegengesetzte Ende des Kapillarrohres durch eine Düse, welche den Tintenfluß bestimmt, abgeschlossen. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Metallblattfeder durch

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eine Blattfederklemimmg, welche am Mittelteil des Kapillarrohres vorgesehen ist, festzuhalten.

Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung ist die Metallblattfeder und das Kapillarrohr durch eine Spule und einen Permanentmagnetaufbau hindurchgeführt, durch welche eine Schwingung sowohl der Blattfeder als auch des Kapillarrohres in einer im wesentlichen transversalen Richtung zu den Achsen des Kapillarrohres erzeugt wird.

Erfindungsgemäß gibt es zusätzlich zu diesen makroskopischen, vertikalen Schwingungen der Blattfeder und des angeschlossenen Kapillarrohres auch eine makroskopische Längsvibration. Die makroskopische Längsvibration wird durch einen überschallum-

xx former erzeugt, welcher an der Basis der Blattfeder und des angeschlossenen Kapillarrohres bestimmten erfindungsgemäß den Punkt, an welchem der Tintenstrom von der Kapillardüse in Tropfen aufgelöst wird und bestimmten die Gleichmäßigkeit der Tropfen. Die von der Düse ausgeströmte Tinte tritt dann durch einen elektrischen Aufbau, welcher ausgewählten Tintentropfen den Durchgang gestattet, um ein erwünschtes Muster auf dem zu beschriftenden Objekt zu bilden.

Gemäß einem besonderen Ausführungsbeispiel des Federkopfes nach der Erfindung ist der überschallumformer von einem piezoelektrischen Keramikelement umschlossen, welches an einem metallischen Flügelfortsatz der Blattfeder angehangen ist. Das piezoelektrische Keramikelement ist makroskopischen Oszillationen ausgesetzt als Antwort auf eine angewendete Spannungsdifferenz, wobei diese Oszillationen an den beträchtlich dünneren, angeschlossenen Metallflügel weitergegeben werden. Die Längskomponente der Oszillationen des Metallflügels wird dann durch die Metallblattfeder aufgenommen. Das piezo-elektrische Keramikelement kann verschiedene Formen aufweisen, es kann z.B. von unten her gesehen einen runden, oder eine rechteckigen Querschnitt aufweisen.

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xx befestigt ist.. Diese mikroskopische Längsvibration _ _g _ der Blattfeder.... .

Weitere Merkmale des Federkopfes nach der Erfindung werden im folgenden in Verbindung mit dem in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiel erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht des Federkopfes nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Ansicht auf den Spulenbereich des Federkopfes nach der Erfindung,

Fig. 3A eine Ansicht des Ultraschallumformerbereiches gemäß einem besonderen Ausführungsbeispiel des Federkopfes nach der Erfindung, von der Seite gesehen, und

Fig. 3B eine Ansicht von unten auf den Ultraschallumformerbereich gemäß Fig. 3A.

Der Federkopf 10 ist zusammengesetzt aus einer Metallblattfeder 20, einer Blattfederklemmung 22, einem Ultraschallumformer 25, einem Kapillarrohr 30, einem Kapillarrohrträger 32, einer Düse 35, einem Permanentmagneten 40, und einer Spule 45. Das Kapillarrohr 30 wird an seinem Ende durch einen Kapillarträger 32 festgehalten und wird an seinem anderen Ende durch eine Düse 35 angeschlossen, welche für gewöhnlich ein gezogener Teil des Kapillarrohres ist. Ein nicht dargestellter Filter ist in bekannter Weise in dem Kapillarrohr vorgesehen, um eine Infiltration von unerwünschten Teilchen zu verhindern. Das Kapillarrohr 30 führt durch die Blattfederklemmung 22, welche an ihrem Mittelteil vorgesehen ist, und ist entlang seiner restlichen Länge an der Metallblattfeder 20 angekoppelt, wobei die Blattfeder wiederum durch die Blattfederklemmung 22 festgehalten wird» Die Verwendung von separaten Kapillarrohrträger und Blattfederklemmung, ein Aufbau, welcher beim Stand

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der Technik besonders kombiniert ist,, ermöglicht die Verwendung einer kurzen Schwingungs-Metallblattfeder (dies ist eine Blattfeder, welche wesentlich kürzer ist als das Kapillarrohr)- Die Tinte 60 fließt durch das Kapillarrohr 30 und wird durch die Düse 35 ausgeströmt. Die Tinte 60 wird durch das Kapillarrohr 30 durch den von einer nicht dargestellten Pumpe erzeugten Flüssigkeitsdruck hindurchgezwungen.

Eine senkrechte Vibration der Blattfeder 20 und des angeschlossenen Kapillarrohres 30 wird, wie durch die Pfeile 30.5 in Fig. 2 dargestellt, durch die Wechselwirkung einer Magnetisierung der Blattfeder 20 entlang ihrer Länge mit einem nicht dargestellten ,.magnetischen Feld, erzeugt. Die Blattfeder 20 :_ wird durch die Spule 45 magnetisiert, durch welche die Blatte feder 20 und das Kapillarrohr 30 hindurchgehen. Das magnetische Feld wird durch den Permanentmagneten 40 erzeugt. Die Wechselwirkung zwischen den in der Metallblattfeder 20 induzierten, magnetischen Moment und dem Feld des Permanentmagneten erzeugt an der Blattfeder 20 ein Drehmoment, welches diese zwingt, sich in Richtung eines der Pole 40+ oder 40-des Permanentmagneten 40 zu biegen, wie in Fig. 2 dargestellt. Wenn der Strom in der Spule 45 reversiert wird, so wird ein umgekehrtes Drehmoment erzeugt und die Blattfeder 20 wird in Richtung des anderen Poles gezwungen. Wenn der Spulenstrom mit einer Frequenz nahe der untersten Resonanz der Blattfeder 20 die, wie ein in der Blattfederklemmung 22 verankerter, frei tragender Ausleger anzusehen ist, wechselt, wird eine Bewegung mit großer Amplitude (von der Größe eininger Millimeter) erzeugt.

Zusätzlich zu dieser makroskopischen, vertikalen Schwingung 30 ο5 wird eine makroskopische Längsschwingung dargestellt in der Fig. 2 durch die Pfeile 20.5, entlang der Länge der Blattfeder 20 durch den Ultraschallumformer 25 erzeugt. Der ültraschallumformer 25 ist an einem festestehenden Teil der Blattfeder 20 an einem Punkt jenseits der Blattfederklemmung

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22 angebracht. Die makroskopische Längsschwingung 20.5 der Blattfeder 20 erzeugt eine entsprechende Längsschwingung 35.5 des angeschlossenen Kapillarrohres 30 und der Düse 35. Die Schwingung 35.5 der Düse 35 bestimmt den Punkt, an welchem der von der Düse 35 ausgeströmte Tintenstrom 60 sich in Tropfen auflöst, wie unter 35.5 in Fig. 2 dargestellt. Diese Schwingung sichert gleichfalls eine Gleichförmigkeit der Tropfengröße, welche ihrerseits die effektive Distanz, über welche der Tintenstrom 60 sich bewegen wird, erhöht. Der zulässige Abstand zwischen dem Federkopf 10 und dem nicht dargestellten, zu beschriftenden Gegenstand wird dadurch erhöht.

Die Verwendung eines ültraschallumformers für diese Zwecke ist nicht neu; der Ultraschallumformer nach der Erfindung besitzt jedoch neue Charakteristiken und Vorteile. Der Ultraschallumformer 25 nach der Erfindung verursacht nicht direkt die Schwankung des Tintenstrahles oder die Schwankung durch eine Membrane, wie dies in bekannter Weise getan wird, sondern er übermittelt makroskopische Längsimpulse an dem Tintenstrom 60 durch die Zwischenschwankung der Metallblattfeder und des Kapillarrohres 30 mit.

Dies kann in vorteilhafter Weise durch das Anbringen des piezQ-elektrischen Keramikelementes an dem feststehenden Teil der Metallblattfeder 20 hinter der Blattfederklemmung 22 erreicht werden, so daß die Queroszillation 30.5 der Blattfeder die Arbeit des Elementes 25 nicht behindert. Solch ein Element 25 kann unterschiedliche Formen aufweisen, jedoch alle weisen die Eigenart auf, daß sie genaue Längsschwingungen an die Metallblattfeder 20 weitergibt, Schwingungen, welche in der Amplitude makroskopisch sind im Vergleich mit den typischen, einige Millimeter großen Queroszillationen 30.5 der miteinander verbundenen Metallblattfeder 20 und Kapillarrohr 20. Auf diese Weise interferieren die Längsschwingungen 20.5

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und 35.5 nur unbedeutend mit den Querschwingungen 30.5.

Ein besonderes Ausführungsbeispiel des Ultraschallumformers 25 nach der Erfindung ist in den Fig. 3A und 3B dargestellt, bei welchem das piezo-elektrische Keramikelement 25 eine zylindrische Form besitzt. Die Seitenansicht, Fig. 3A, zeigt einen relativ dicken Umformer 25, angehängt an einen dünnen Metallflügel 27 an dem Ende der Metallblattfeder 20. Die unproportionale Dicke des Umformers (welche in vorteilhafter Weise acht- bis zehnmal der Dicke der Metallblattfeder 20 und des Flügels 27 ist) veranlaßt den Flügel 27, jede Schwingung in der horizontalen Ebene (der Interferenzebene) des Umformers 25 schnell aufzunehmen. Die Schwingungen des Umformers 25 resultieren von dem piezo-elektrischen Effekt einer nicht dargestellten Spannung, welche zwischen dem Flügel 27 und der Bodenfläche des Umformers 25 angelegt wird. Dies verursacht eine radiale Ausdehnung und Zusammenziehung des zylindrischen Umformers 25.

Die Ansicht von unten in der Fig. 3B zeigt den Übertragungsprozess der Schwingung. Das piezo-elektrische Keramikelement 25 mit rundem Querschnitt, hat ungefähr die gleiche Größe wie der Flügel 27, welcher einen quadratischen Querschnitt mit abgeschnittenen Ecken besitzt. Die radialen Ausdehnungsund Zusammenziehungsoszillationen des Umformers 25, dargestellt durch die Pfeile 25.5, werden auf den angekoppelten Metallflügel 27 übertragen, um ähnliche Oszillationen zu erzeugen. Die in der Mitte der einen Seite des Metällflügels 27 angeschlossene Metallblattfeder 20 nimmt nur die Oszillationen des Flügels 27 auf, welche entlang der Achse der Blattfeder orientiert sind. Dies hat beinahe reine Längsschwingungen 20.5 der Metallblattfeder 20 zur Folge. Die teilweise dargestellte Blattfederklemmung 22 ist vorzugsweise aus einem Kunststoff gebildet, welcher den makroskopischen Längsvibrationen 20.5 erlauben wird, ungedämpft hindurchzugehen,, ohne

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irgendwelche, unechte Resonanzen (diese wären beispielsweise bei Verwendung einer metallischen Klemmung vorhanden).

Das Schreiben findet statt, wenn ausgewählte Tintentropfen 60.5, die bei ihrem Durchgang durch einen nicht dargestellten Elektrodenzusammenbau abgeschirmt worden sind, das zu beschriftende Objekt erreichen und das gewünschte Muster bilden.

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Claims (11)

DIPLINCHEINZBARDHHLc München, ß. Juli 1979 DIPL. CHEM. DR. PETER FÜRN1SS PATENTANWÄLTE Aktenzeichen: Unser Zeichen: 2918 Anmelder: Dennison Manufacturing Company Titel: Federkopf, insbesondere für Tintenstrahlschreiber PATENTANSPRÜCHE

1. Federkopf, insbesondere für einen Tintenstrahlschreiber mit ~y~~^y einem Kapillar rohr und einer mit diesem verbundenen Blatt-

- feder, dadurch gekennzeichnet/ daß in den miteinander verbundenen Blattfeder (20) und Kapillarrohr (30) eine makroskopische Oszillation (30.5) in einer im wesentlichen zu den Achsen des Kapillarrohres (30> transversalen Richtung hervorgerufen wird.

2. Federkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattfeder (20) aus Metall ist.

3. Federkopf nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Blattfeder (20) auf ihrer ganzen Länge mit einem Bereich des Kapillarrohres (30) bis an dessen Ausgangsende verbunden ist.

4. Federkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche/ dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen in dem Mittelteil des
Kapillarrohres (30) eine Klemmung zu seiner Befestigung an der Blattfeder (20) vorgesehen ist.

5. Federkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

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gekennzeichnet, daß eine mikroskopische Längsschwingung (20.5) in den miteinander verbundenen Blattfeder (20) und Kapillarrohr (30) zwischen einem Träger für das Kapillarrohr (32) und einer Klemmung (22) für die Blattfeder hervorgerufen wird.

6. Federkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ultraschallumformer (25) zum Hervorrufen von Längsschwingungen an der Blattfeder (20) angekoppelt ist.

7. Federkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallumformer (25) an einem von dem Ausgang des Kapillarrohres (30) entfernten Ende der Blattfeder (20) angekoppelt ist und durch einen metallischen Flügelfortsatz (27) der Blattfeder (20) gebildet wird und die gleiche Dicke, jedoch eine größere Breite als diese besitzt, und daß ein piezo-elektrisches Keramikelement von größerer Dicke als die des Flügelfortsatzes (27) auf dessen Unterseite, mit einer zwischen dem Flügelfortsatz (27) und einer unteren Fläche des piezoelektrischen Keramikelementes angelegten Spannungsdifferenz zur Erzeugung einer mikroskopischen Oszillation des Elementes mit einer Längskomponente, welche durch den Flügelfortsatz (27) an die Blattfeder (20) übertragen wird.

8. Federkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das piezo-elektrische Keramikelement (25) in seinem Querschnitt rund ist.

9. Federkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das piezo-elektrische Keramikelement (25) in seinem Querschnitt rechteckig ist.

10. Federkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

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gekennzeichnet, daß die makroskopische Oszillation (30.5) der miteinander verbundenen Blattfeder (20) und Kapillarrohr (30) durch eine magnetische Spule (45) erzeugt wird, welche die miteinander verbundenen Blattfeder (20) und Kapillarrohr (30) nahe an dem Düsenende (35) des Kapillarrohres (30) umschließt und daß ein Wechselstrom durch diese hindurchfließt mit der niedersten Resonanzfrequenz der Blattfeder (20), welche als ein freitragender Ausleger angesehen wird, um ein magnetisches Moment innerhalb der Blattfeder (20) hervorzurufen, und daß ein Permanentmagnet (40), welcher Pole aufweist, die die Magnetspule (45) eingabein, verwendet wird, um ein Drehmoment an der metallischen Blattfeder (20) durch die Wechselwirkung seines Feldes mit dem in der Blattfeder (20) erzeugten, magnetischen Moment,hervorzurufen.

11. Federkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattfeder (20) an dem Kapillarrohr (30) über eine Klemmung (22) aus Kunststoff befestigt ist.

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