DE3005548A1

DE3005548A1 - Tintenschreiber

Info

Publication number: DE3005548A1
Application number: DE19803005548
Authority: DE
Inventors: Michihisa Suga; Mitsuo Tsuzuki
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1979-02-14
Filing date: 1980-02-14
Publication date: 1980-09-04
Also published as: US4281333A; US4403223A; DE3005548C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Tintenschreiber mit Steuerung der Tintenzufuhr, bei dem die Tintentröpfchen jeweils dann herausgespritzt werden, wenn ein Treiberpuls an einem piezoelektrischen Bauteil anliegt, das an einer Wand einer Tintenkammer befestigt ist.

Verschiedene Tintenschreiber sind in einem Aufsatz von Fred J. Kamphoefner unter dem Titel "Ink Jet Printing" in der Zeitschrift"IEEE Transactions on Electron Devices" Bd. ED-19, Nr. 4, April 1972, S. 584 bis 593 beschrieben worden. Ein Tintenschreiber mit Steuerung der Tintenzufuhr ist beispielsweise in den US-PSen 3 946 398 und 4 106 032 beschrieben worden. Die Hauptvorteile des Tintenschreibers mit Steuerung der Tintenzufuhr bestehen darin, daß er außerordentlich einfach aufgebaut ist, daß alle aus der Tintenkammer herausgespritzten Tröpfchen ohne Herausziehen auf eine Druckfläche projeziert werden und daß die Tröpfchengröße durch Steuerung der Energie des Treiberpulses variiert werden kann, der an dem piezoelektrischem Bauteil anliegt, so daß eine

halbe Tönung aufgezeichnet werden kann. 25

Bei dem bekannten Tintenschreiber mit Steuerung der Tintenzufuhr kann jedoch eine elektrostatische Ablenkung der Tintentröpfchen nicht erfolgen, da die Tröpfchen in ihrer Größe unterschiedlich sind. Wenn das Ablenkfeld auf Tröpfchen mit unterschiedlicher Größe (Gewicht) einwirkt, so hängt die sich ergebende Ablenkung von der Tröpfchengröße (Tröpfchengewicht) ab.

Ferner ist die Geschwindigkeit der Tröpfchen in dem Tintenschreiber mit gesteuerter Tintenzufuhr niedriger als bei anderen Typen. Tröpfchen, die sich in ihrer Größe voneinan-

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der unterscheiden, können nicht gleichmäßig beschleunigt werden. Die niedrigere Geschwindigkeit der Tröpfchen beeinflußt direkt die Stabilität des Schreibvorgangs.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Tintenschreiber mit gesteuerter Tintenzufuhr zu schaffen, bei dem die Tintentröpfchen elektrostatisch abgelenkt werden können. Diese Aufgabe wird insbesondere durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst. Der erfindungsgemäße Tintenschreiber gestattet die Wiedergabe außerordentlich feiner Muster und Buchstaben.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: 15

Figur 1 eine Querschnittsansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausfuhrungsform,

Figur 2 eine Prinzipdarstellung der Erfindung, Figuren 3 und 4 Blockdiagramme für zwei Beispiele erfindungsgemäßer Generatoren zur Erzeugung des Treiberpulses und der Ladespannung, insbesondere für die Ausführungsform gemäß Figur 1,

Figuren 5A bis 5D und 6A bis 6D Diagramme zur Darstellung der an verschiedenen Bauteilen des zweiten in Figur 4 dargestellten Beispiels auftretenden Signale,

Figur 7 ein Blockdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels eines Generators, insbesondere für die erste Ausführungsform gemäß Figur 1,

Figuren 8A, 8B, 8C, 9A und 9B Diagramme von Signalen, die an verschiedenen Bauteilen des dritten Beispiels gemäß Figur 7 anliegen,

Figur 10 eine Querschnittsansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform,

Figuren 11 und 12 Blockdiagramme für ein erstes bzw. ein zweites Beispiel eines Generators, insbesondere für die zweite Ausführungsform gemäß Figur 10 und

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Figuren 13A bis 13E Diagramme von Signalen, die an verschiedenen Bauteilen des zweiten Beispiels gemäß Figur anliegen.

Die erste Ausführungsform gemäß Figur 1 weist einen Schreibkopf 10 mit einer mit leitfähiger Tinte gefüllten Tintenkammer 11 auf, die von einem Tintenvorratsbehälter 12 über ein Versorgungsrohr 13 versorgt wird; an der einen Seite der Tintenkammer ist eine Düse 14 angeordnet, und an der gegenüberliegenden Seite der Tintenkammer ist ein piezoelektrisches Bauteil 15 befestigt. Das Volumen der Kammer 11 wird jedesmal dann vermindert, wenn das piezoelektrische Bauteil 15 durch einen Treiberpuls P_n elektrisch erregt wird, der von einem Generator 20 zum Erzeugen des Treiberpulses und der Ladespannung zugeführt wird. Der Schreibkopf 10 arbeitet gesteuert nach Bedarf und spritzt einfach jedesmal dann ein Tintentröpfchen 16 heraus, wenn durch Anliegen des Treiberpulses P_n vom Generator 20 an dem piezoelektrischen Bauteil 15 ein Druckimpuls auf die leitfähige Tinte in der Kammer 11 ausgeübt wird. Die Tröpfchengröße wird in Abhängigkeit von der Energie des TreiberpulsesP_n variiert, beispielsweise mit der Pulsbreite und/oder Pulsamplitude.

Die erste Ausfuhrungsform weist ferner Ladeelektroden 30, an denen eine Ladespannung V von dem Generator 20 anliegt, erste Beschleunigungselektroden 40, an denen eine erste Beschleunigungsspannung von einer ersten Beschleunigungsspannungsquelle 41 anliegt, Ablenkelektroden 50, an denen eine Ablenkspannung E von einer Ablenkspannungsquelle 51 anliegt, soweit zweite Beschleunigungselektroden 60 auf, an denen eine zweite Beschleunigungsspannung von einer zweiten Spannungsquelle 61 anliegt.

Das aus dem Schreibkopf 10 herausgeschleuderte Tintentröpfchen 16 mit dem Gewicht m wird beim Durchlauf zwischen den Ladeelektroden 30 mit einer Ladung q versehen, die proportional zur Ladespanriung V ist. Das geladene Tintentröpfchen 16

L J

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wird durch die ersten Beschleunigungselektroden 40 beschleunigt und bewegt sich dann durch einen Raum zwischen den Ablenkelektroden 50 und wird dort in Abhängigkeit vom Gewicht m, der Ladung q und der Ablenkspannung E abgelenkt. Das abgelenkte Tintentröpfchen 16 wird durch die zweiten Beschleunigungselektroden 60 erneut beschleunigt und dann auf eine Druckoder¹ Schreibfläche aus Papier 70 aufgebracht.

Gemäß Figur 2 wird das Tintentröpfchen 16 bei Durchlauf durch den Ablenkraum zwischen den Ablenkelektroden 50 um einen Winkel θ abgelenkt, so daß das Tröpfchen 16 eine Geschwindigkeitskomponente V in Y-Richtung erhält. Das um einen Winkel θ abgelenkte Tröpfchen 16 wird dann auf die Schreibfläche des Papiers 70 gerichtet, so daß man dort eine Ablenkung D erhält. Diese Ablenkung D wird in der nachstehenden Weise wiedergegeben :

D = I. tan θ = 1 . -^ (1)

wobei 1 = Abstand zwischen den Ablenkelektroden 50 und der

Schreibfläche des Papiers 70 und

V = Geschwindigkeitskomponente des abgelenkten Tropfchens in der X-Richtung am Ausgang der Ablenkelektroden 50.
25

Da angenommen werden kann, daß die Änderung der Geschwindigkeitskomponente V in X-Richtung aufgrund des Durchlaufs des Tröpfchens l6 durch den Ablenkbereich vernachlässigbar ist, kann die V -Komponente (in Y-Richtung) folgendermaßen dargestellt werden:

^{m V}x
wobei l_d = Länge des Ablenkbereichs.

Daher könne die Ablenkung D folgendermaßen umgeschrieben werden:

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BAD ORIGINAL

	— 6	-"	1 .	χ	3005548
ν	-	q E	V		(3)
X	m

Um für eine gleichmäßige Ablenkung D zu sorgen, selbst wenn das Gewicht m des Tröpfchens 16 unter der Bedingung verändert wird, daß die Ablenkspannung E an den Ablenkelektroden 50 anliegt, muß sichergestellt werden, daß das Verhältnis g/m auf einem bestimmten Wert unter der Bedingung gehalten wird, daß die Fluktuation der Geschwindigkeitskomponente V der Tröpfchen 16 aufgrund der Variation der Tropf-

Ji

chengröße vernachlässigbar ist. D.h. die Ladung q muß proportional zum Gewicht m des Tröpfchens 16 verändert werden.

Daraus ergibt sich, daß die sich in ihrer Tröpfchengröße voneinander unterscheidenden Tröpfchen elektrostatisch abgelenkt werden können, wenn die Ladung q proportional zum Gewicht m variiert wird. Ferner ist ersichtlich, daß derartige Tröpfchen unter diesen Bedingungen gleichförmig beschleunigt werden können. Dieses Prinzip wird bei der Erfindung angewendet.

Gemäß Figur 1 erzeugt der Generator 20 bei Anliegen eines Gliedeingangssignals PS am Anschluß 21 den Treiberpuls P und die Ladespannung V , so daß die Ladung q, die proportional zur Ladespannung V ist, proportional zum Tröpfchengewicht m verändert wird, wobei diese Steuerung durch die Energie des Treiberpulses P bestimmt wird.

Gemäß Figur 3 weist das erste Beispiel 2OA des Generators 20 einen Ladespannungsgenerator 101 zum Erzeugen der Ladespannung V , die proportional zur Größe L des Bildsignals- PS ist, und einen Treiberpulsgenerator 102 zum Erzeugen des Treiberpulses P_D auf. Die Pulsbreite und/oder die Pulsamplitude

des Treiberpulses P werden so in Abhängigkeit von der Bildsignalgröße L gesteuert, daß dessen Energie C, die das Tropf-

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chengewicht m festlegt, proportional zur Bildsignalgröße L ist. Da sowohl die Ladespannung V als auch die Energie C des Treiberpulses P proportional zur Bildsignalgröße L sind, kann das Verhältnis V /C auf einem festen Wert gehalten werden. Daher kann auch das Verhältnis q/m konstant gehalten werden, selbst wenn die Tröpfchengröße in Abhängigkeit von der Bildsignalgröße L variiert wird. Dies bedeutet, daß die sich in ihrer Größe voneinander unterscheidenden Tröpfchen 16 durch die Beschleunigungselektroden 40 und 60 gleichmäßig beschleunigt und durch die Ablenkelektroden 50 gleichmäßig abgelenkt werden können. Die Ablenkung D hängt von der Ablenkspannung E ab, die durch ein Ablenksteuersignal DS von einer Ablenksignalquelle 52 gesteuert wird (Figur 1).

Gemäß den Figuren 4 bis 6 weist das zweite Beispiel 2OB des Generators 20 einen Taktimpulsgenerator 103 zum Erzeugen eines Taktimpulses CP gemäß den Figuren 5A oder 6A sowie einen Ladespannungsgenerator 104 zum Erzeugen einer sägezahnförmigen Ladespannung V gemäß Figur 5B oder einer stufenförmigen Ladespannung V gemäß Figur 6B auf, die den Ladeelektroden 30

zugeführt wird. Der Taktimpuls CP wird ferner einem Impulsamplitudenmodulator 105 zugeführt, dem auch das Bildsignal PS zugeführt wird und der gemäß den Figuren 5C oder 6C ein PAM-Signal erzeugt. Das PAM-Signal wird einem Amplitudenkomponentenextraktor 106 zugeführt, um in Abhängigkeit von der Amplitudenkomponente des PAM-Signals ein Steuersignal'zu erzeugen. Dieses Steuersignal sowie das PAM-Signal von dem Modulator 105 werden einer variablen Verzögerungsleitung 107 zugeführt, die bei Empfang des Steuersignals das PAM-Signal in Abhängigkeit von der Amplitudenkomponente des PAM-Signals um eine gewisse Periode verzögert und gemäß den Figuren 5D oder 6D ein verzögertes PAM-Signal erzeugt.

Dieses verzögerte PAM-Signal wird als Treiberpuls P_n dem piezoelektrischen Bauteil 15 (Figur 1) zugeführt, wodurch die Tröpfchen 16 in ihrer Größe proportional zur Amplitudenkom-

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ponente bei jeder Rückflanke des verzögerten PAM-Signals aus der Düse 14 herausgespritzt werden. Gemäß den Figuren 5B und 5D oder 6B und -6D hängt die Größe der Ladespannung V an der Rückflanke des verzögerten PAM-Signals von der Verzögerungszeit, d.h. von der Amplitudenkomponente ab. Die La- = dung q des Tröpfchens wird daher in Abhängigkeit von der Amplitudenkomponente, d.h. vom Tröpfchengewicht m, verändert.

Falls das Tröpfchengewicht m (Tröpfchengröße) nicht linear von der Impulsamplitude des Treiberpulses P abhängt, muß zumindest die Wellenform der Ladespannung V oder der Eingang gegenüber der Ausgangscharakteristik des Amplitudenkomponentenextraktors 106 modifiziert werden, um das Tropfchenge- · wicht gegenüber der Pulsamplitudencharakteristik in überein-Stimmung zu bringen.

Gemäß den Figuren 7 und 8 weist das dritte Beispiel 2OC des Generators 20 einen Taktimpulsgenerator 108 und einen Ladespannungsgenerator 109 auf, die einen Taktimpuls CP und eine Ladespannung V gemäß den Figuren 8A und 8B erzeugen und die mit den Generatoren 103 bzw. 104 übereinstimmen. Der Taktimpuls CP und das Bildsignal PS werden einem Pulsbreitenmodulator 110 zugeführt, um ein PWM-Signal gemäß Figur 8C zu erzeugen. Die Pulsbreite des PWM-Signals hängt von der Größe L des Bildsignals ab. Gemäß den Figuren 8B und 8C wird die Ladespannung V gemäß Figur 8B zum Zeitpunkt entsprechend der

Rückflanke des PWM-Signals in Abhängigkeit von der Pulsbreite variiert.

Das PWM-Signal wird als Treiberpuls P dem piezoelektrischen Bauteil 15 zugeführt, um an jeder Rückflanke des PWM-Signais ein Tröpfchen herauszuspritzen. Jedesmal wenn ein Tröpfchen herausgespritzt wird, liegt die zu der Pulsbreite des PWM-Signals proportionale Ladespannung an dem herausgespritzten Tröpfchen an, so daß die Ladung g in Abhängigkeit von der Pulsbreite, d.h., von dem Tröpfchengewicht m, variiert wird.

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Wenn gemäß der Kurve 111 in Figur 9A die Charakteristik des Tröpfchengewichts m gegenüber der Impulsbreite w nicht linear ist, so muß ein Signal mit einer Wellenform ähnlich der Kurve 111 als Ladespannung V gemäß Figur 9B verwendet werden.

Die in Figur 10 dargestellte zweite Ausführungsform weist einen Schreibkopf 10, einen Generator 20' für den Treiberpuls und die Ladespannung, Ladeelektroden 30 sowie Ablenkelektroden 50 auf. Der Kopf 10 sowie die Elektroden 30 und stimmen mit denen der ersten Ausführungsform gemäß Figur 1 überein. Eine Modifikation besteht darin, daß das Ablenksteuersignal DS nicht der Ablenkspannungsquelle 51 sondern dem Generator 20^f zugeführt wird und daß die Beschleunigungselektroden 40 und 60 weggelassen sind.

Der Generator 20' erzeugt die Ladespannung V ' und den Treiberpuls P₁^, wobei die Ladespannung V ' proportional sowohl zur Energie C als auch zum Ablenksteuersignal DS verändert wird. Dadurch ist das Verhältnis q/m des Tröpfchens 16, das aus der Düse 14 in Abhängigkeit vom Treiberpuls P_ herausgespritzt und dann in Abhängigkeit von der Ladespannung V ' aufgeladen wird, proportional zum Ablenksteuersignal DS. Die so aufgeladenen Tröpfchen 16 werden dann durch den Ablenkbereich zwischen den Ablenkelektroden 50 hindurchgeführt, denen eine feste Ablenkspannung von der Quelle 51 zugeführt wird, so daß das Tröpfchen 16 proportional zum Ablenksteuersignal DS abgelenkt werden kann.

Der Generator 20' weist gemäß Figur 11 einen Generator 20, der identisch zu den Generatoren 20A, 20B oder 20C in der ersten Ausführungsform ist, sowie einen variablen Verstärker 200 auf, dem die Spannung V und das Ablenksteuersignal DS von der Quelle 52 bzw. vom Generator 20 zugeführt wird. Die Spannung V wird durch das Signal DS gesteuert, um die modifizierte Ladespannung V ' zu erzeugen, die proportional .sowohl zur Energie C des Treiberpulses P_ als auch zum Ablenk-

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Steuersignal DS ist.

Gemäß den Figuren 12 und 13 weist das zweite Beispiel des Generators 20' einen Generator 20B¹ auf, der zu dem in Figur 4 dargestellten Generator 2OB identisch ist. Der Generator 20B¹ weist einen Taktimpulsgenerator 103 zum Erzeugen des Taktimpulses CP gemäß Figur 13A, einen Ladespannungsgenerator 104' zum Erzeugen der Ladespannung V gemäß Figur 13C/ einen

PAM-Modulator 105' zum Erzeugen des PAM-Signals gemäß Figur 13D, einen Amplitudenkomponentenextraktor 106' sowie eine variable Verzögerungsleitung 107* auf. Die Bauelemente 103' bis 107' sind mit den entsprechenden Bauelementen 103 bis 107 gemäß Figur 4 identisch.

Das zweite Beispiel des Generators 20^l weist ferner einen Rechenkreis 201 auf, dem das Amplitudenkomponentensignal und das Ablenksteuersignal DS (Figur 13B) vom Extraktor 106' bzw. von der Ablenksignalquelle 52 zugeführt wird. Der Rechenkreis 201 erzeugt ein Verzögerungssteuersignal in Form des Produkts des Amplitudenkomponentensignals und des Ablenksteuersignals DS.

Das Verzögerungssteuersignal wird der variablen Verzögerungsleitung 107· zum Steuern der Verzögerungszeit zugeführt. Im ersten Fall, wo das Ablenksteuersignal DS gemäß RI in Figur 13B0 ist, ist auch die Verzögerungszeit T₁ in' Figur 13E 0, d.h. das PAM-Signal wird ohne Verzögerung durch die variable Verzögerungsleitung 107' geführt, so daß das unverzögerte PAM-Signal D1 (Figur 13E) erzeugt und als Treiberpuls P ' dem piezoelektrischen Bauteil 15 zugeführt wird. Gemäß den Figuren 13C und 13E ist die Ladespannung V zu dem Zeitpunkt 0, wenn das unverzögerte PAM-Signal D1 an dem piezoelektrischen Bauteil 15 anliegt, d.h. an der Rückflanke des Signals D1, so daß das herausgespritzte Tröpfchen 16 nicht geladen und dann durch den Ablenkbereich ohne Ablenkung geführt wird.

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In zweiten und dritten Fällen, wo das Ablenksteuersignal DS nicht O ist (vgl. R2 und R3 in Figur 13), wird die Verzögerungszeit in Abhängigkeit von dem Amplitudenkomponentensxgnal innerhalb der Perioden T„ bzw. T- gemäß Figur 13E variiert, so daß die verzögerten PAM-Signale D2 und D3 erzeugt und als Treiberpulse P ' dem piezoelektrischen Bauteil 15 zugeführt werden. Gemäß den Figuren 13C und 13E werden an den RÜckflanken der verzögerten PAM-Signale D2 und D3 die Tröpfchen herausgespritzt und durch die Ladespannung V aufgeladen, die von der Energie anhängt, d.h. von der Impulsamplitude des Treiberpulses und der Ablenksteuerung.

Bei der zweiten Ausführungsform wird die den Ablenkelektroden 50 zugeführte Ablenkspannung konstant gehalten. Dadurch können gemeinsame Ablenkelektroden selbst bei Einsatz eines Schreibkopfes mit Mehrfachdüsen verwendet werden.

Bei den beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird die Ladespannung V in Abhängigkeit von der Energie des Treiberpulses P_ (bei der ersten Ausführungsform) oder in Abhängigkeit sowohl von der Energie als auch von dem Ablenksteuersignal DS (bei der zweiten Ausführungsform) verändert. Somit wird die Ladung q in Abhängigkeit von der Tröpfchengröße (Tröpfchengewicht m) oder sowohl von der Größe als auch der Ablenksteuerung unter der Bedingung verändert, daß die Fluktuation der Geschwindigkeit V des Tröpfchens 16

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aufgrund der Variation der Tröpfchengröße als vernachlässigbar angesehen werden kann.

Falls diese Vernachlässigung jedoch nicht möglich ist, muß die Ladung q, d.h. die Ladespannung V , weiter von dem Quadrat der Geschwindigkeit, d.h. V ², abhängen. Die Geschwin-

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digkeit V wird als Funktion der Tröpfchengröße verändert,

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d.h. die an dem piezoelektrischen Bauteil 15 anliegende Amplitude und Pulsbreite des Treiberpulses P . Daher wird zunächst die Geschwindigkeit V entsprechend der Amplitude und

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der Pulsbreite ermittelt, und das Quadrat der Geschwindig-

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keit, d.h. V ist in einem Digitalspeicher (ROM) gespeichert/ dessen Adressen der Kombination der Amplitude und der Pulsbreite des Treiberpulses P-. entsprechen. In Abhängigkeit von dem Treiberpuls wird der gespeicherte Wert ausgelesen und dann dem Ladespannungsgenerator 101 (oder 104, oder 109 oder 104*) oder dem variablen Verstärker 200 zugeführt, um die Ladespannung V (oder V ') zu steuern.

Die Ladespannungsgeneratoren 101, 104, 104' und 109 können einen digitalen Speicher ROM aufweisen, in dem verschiedene Spannungswerte unter Adressen gespeichert sind, die durch die Amplitude und die Pulsbreite des Treiberpulses P bestimmt sind; die Spannungswerte werden in Abhängigkeit vom Produkt, der Tröpfchengröße und dem Quadrat der Geschwindig-

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keit (V ) vorher ermittelt.

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Claims

Patentanspruch

Tintenschreiber zum Beschreiben eines Aufzeichnungsmediunis mittels Tröpfchen aus leitfähiger Tinte, gekennzeichnet durch

(a) eine mit der leitfähigen Tinte gefüllte Tintenkammer (11) mit einer Düse (14) und einem an der einen Wand der Kammer (11) befestigten, piezoelektrischen Bauteil (15), wobei die Kammer (11) in Abhängigkeit von einem an dem piezoelektrischen Bauteil (15) angelegten Treiberpuls P_D die Tropfchen (16) aus der Düse (14) herausspritzt, deren Größe von der Energie des Treibarpulses P_D abhängt,

(b) eine Ladeeinrichtung (30) zum Aufladen der aus der Düse (14) herausgespritzten Tröpfchen (16) in Abhängigkeit von einer Ladespannung V und durch

(c) einen Generator (2o) zum Erzeugen des Treiberpulses P_n und der Ladespannung V , die von der Energie des Treiberpulses P_n abhängt.

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