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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum Anlegen eines
Stroms an einen kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckkopf
das die ordnungsgemäße Ausrichtung
eines Tropfenstroms am Ende eines Druckvorgangs aufrecht erhält.
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Es
wurden bereits viele unterschiedliche Arten digital gesteuerter
Drucksysteme entwickelt, und viele davon werden derzeit auch hergestellt.
Diese Drucksysteme arbeiten mit den unterschiedlichsten Betätigungsmechanismen,
unterschiedlichsten Druckmaterialien und unterschiedlichsten Aufzeichnungsmedien.
Zu den derzeit verwendeten digitalen Drucksystemen gehören zum
Beispiel: Elektrofotografische Laserdrucker, elektrofotografische LED-Drucker,
Punktmatrix-Impact-Drucker,
Thermopapier-Drucker, Film-Aufzeichnungsgeräte, Thermowachs-Drucker, Farbdiffusions-Thermotransferdrucker
und Tintenstrahldrucker. Bis heute haben diese elektronischen Drucksysteme
aber die mechanischen Druckmaschinen noch nicht in wesentlichem Umfang
ersetzt, obwohl dieses herkömmliche
Verfahren einen sehr teuren Aufbau erfordert und nur selten wirtschaftlich
rentabel ist, wenn nicht einige tausend Kopien einer bestimmten
Seite zu drucken sind. Es besteht daher ein Bedarf an verbesserten
digital gesteuerten Drucksystemen, die in der Lage sind, Farbbilder
hoher Qualität
mit hoher Geschwindigkeit preisgünstig
unter Verwendung von Normalpapier herzustellen.
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Heute
ist der Tintenstrahldruck als herausragende Option im Bereich des
digital gesteuerten elektronischen Drucks anerkannt, zum Beispiel
wegen seiner berührungsfreien
Arbeitsweise, geringen Geräuschentwicklung,
der Verwendung von Normalpapier und weil keine Tonerübertragung
und Fixierung stattfindet. Tintenstrahldruckmechanismen lassen sich
unterteilen in solche, die mit einem kontinuierlichen Tintenstrahl
arbeiten, und solche, bei denen Tintentropfen nach Bedarf abgegeben
werden. Der kontinuierliche Tintenstrahldruck ist mindestens seit 1929
bekannt – siehe
US-A-1 941 001, erteilt an Hansell.
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Bei
herkömmlichen
kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckköpfen sind elektrostatische Ladeeinrichtungen
in der Nähe
des Punkts angeordnet, an dem die Tropfen in einem Strom ausgebildet werden.
Auf diese Weise können
einzelne Tropfen geladen werden. Anschließend können die geladenen Tropfen
durch vorgesehene Umlenkplatten umgelenkt werden, die zwischen sich
einen großen
Potentialunterschied aufweisen. Mittels einer Auffangrinne (gelegentlich
auch "Abfangeinrichtung" genannt) können die
geladenen Tropfen abgefangen werden, während die nicht geladenen Tropfen
frei auf das Aufzeichnungsmedium auftreffen können.
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Ein
neuartiger kontinuierlich arbeitender Tintenstrahldrucker ist in
der Europäischen
Patentanmeldung
EP
0 911 168 A2 der Eastman Kodak Company beschrieben und
beansprucht. Diese Drucker arbeiten nicht mit elektrostatischen
Ladetunnels, sondern mit einer asymmetrischen Heizung, um die Tintentropfen
auf die gewünschte
Position auf dem Empfangsmedium zu lenken. Bei diesem neuen Gerät ist für jede der
Tintendüsenöffnungen
ein Tropfengenerator vorgesehen, der aus einem Heizelement mit einem
selektiv betätigbaren
Abschnitt besteht, welcher nur einem Teil des Umfangs der Düsenöffnung zugeordnet
ist. Durch periodische Aktivierung des Heizelements mittels einer
Folge gleichmäßiger elektrischer
Stromimpulse wird asymmetrisch Wärme
an den Tropfenstrom angelegt, um die Richtung des Tropfenstroms
zwischen einer druckenden Richtung und einer nicht druckenden Richtung
zu steuern.
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Zwar
haben diese kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldrucker bewiesen,
dass sie viele nachgewiesene Vorteile gegenüber mit elektrostatischen Ladetunnels
arbeitenden herkömmlichen
Tintenstrahldruckern haben, die Erfinder haben jedoch erkannt, dass
diese Drucker noch in einigen Bereichen verbessert werden können. Insbesondere
haben die Erfinder erkannt, dass am Ende eines Druckvorgangs der
nächste
bzw. die nächsten
in Auffangrichtung gerichteten Tropfen unter Umständen statt
dessen auf das Druckmedium gerichtet werden. Obwohl die Ursache
dieser Fehlleitung von Tropfen noch nicht vollständig verstanden wird, gehen
die Anmelder davon aus, dass die Hauptursache in der nicht verzögerungsfreien
thermischen Reaktion des erwärmten Bereichs
der Düse
bei der Abkühlung
auf Raumtemperatur liegt. Da der Betrag der Tropfenumlenkung direkt
mit der Temperatur der Tinte zusammenhängt und da die erwärmte Hälfte der
Tintenstrahldüse nicht
schlagartig abkühlt,
vermuten die Anmelder, dass am Ende eines Druckvorgangs wegen der
Restwärme
der Tintenstrahldüse
der erste gebildete Folgetropfen in Richtung von der Tintenauffangrinne weg
und zum Druckmedium hin fehlgelenkt wird. Ob der zweite und der
dritte Folgetropfen ebenfalls fehlgeleitet werden, ist abhängig von
der Restwärme
des Druckkopfs in der Nähe
der Düsen,
der Viskosität und
den thermischen Eigenschaften der Tinte und anderen thermischen
und flüssigkeitsdynamischen Faktoren.
Fehlgeleitete Tropfen dieser Art können jedoch dem Ziel, mit den
betreffenden Vorrichtungen Bilder hoher Qualität zu drucken, entgegenwirken.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein kontinuierlich arbeitendes Tintenstrahldruckverfahren
bereitzustellen, das die Druckauflösung dadurch maximiert, dass
die Fehlleitung von Tintentopfen am Ende eines Druckvorgangs verhindert
wird.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Tintenstrahldruckverfahren
bereitzustellen, das die Fehlleitung von Tintentropfen verhindert
und in einem asymmetrischen Thermodrucker ohne irgendwelche konstruktiven
Veränderungen
des Druckers einsetzbar ist.
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Beide
Aufgaben werden erreicht durch das erfindungsgemäße Verfahren, das allgemein
die Maßnahme
vorsieht, nach der Erzeugung des letzten operativen Wärmeimpulses
durch das erste Heizelement mittels eines zweiten, dem ersten Heizelement gegenüber liegenden
Heizelements einen korrigierenden Umlenk-Wärmeimpuls anzulegen.
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Der
korrigierende Umlenk-Wärmeimpuls kann
zwar dieselbe Dauer und Stärke
aufweisen wie die durch das erste Heizelement erzeugten Wärmeimpulse,
vorzugsweise ist seine Dauer in der bevorzugten Ausführungsform
aber geringfügig
länger. Der
korrigierende Umlenk-Wärmeimpuls
wird vorzugsweise zu einer Zeitperiode erzeugt, die im Wesentlichen
einer halben Wellenlänge
der elektrischen Impulsfrequenz, ±50%, entspricht.
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Das
zweite Heizelement muss nach der Erzeugung des letzten operativen
Wärmeimpulses durch
das erste Heizelement mindestens einen die Umlenkung korrigierenden
Wärmeimpuls
erzeugen; es liegt aber durchaus im Rahmen der Erfindung, dass das
zweite Heizelement anschließend noch
einen zweiten und einen dritten die Umlenkung korrigierenden Wärmeimpuls
erzeugen kann.
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Die
spezielle Stromstärke
und Frequenz der zur Betätigung
des ersten und des zweiten Heizelements angelegten elektrischen
Impulse ist je nach dem verwendeten besonderen Druckermodell unterschiedlich.
Normalerweise weist jeder der Wärme
erzeugenden elektrischen Impulse eine Spannung zwischen 4 und 6
Volt und eine Stromstärke
von 8 und 12 mA auf.
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Außerdem kann
die Periode der Impulserzeugung zwischen 5 und 7 Mikrosekunden betragen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
vereinfachtes schematisches Blockdiagramm einer für die Ausführung der
Erfindung geeigneten beispielhaften Druckvorrichtung;
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2(a) eine Querschnittsansicht einer Düse mit in
Betrieb befindlicher Umlenkung durch ein asymmetrisches Heizelement;
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2(b) eine Draufsicht einer Düse mit einem
Paar auf gegenüberliegenden
Seiten angeordneter Heizelemente;
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3(a)–3(d) den Unterschied in der Flugbahn thermisch
entladener Tropfen bei Anwendung bzw. Nichtanwendung des Verfahrens;
und
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4(a) und 4(b) die
für die
Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
an die gegenüberliegenden
Heizelemente angelegten elektrischen Impulsfolgen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird ausgeführt
durch ein kontinuierlich arbeitendes Tintenstrahl-Drucksystem, das
die gewünschte
Tintentropfenumlenkung durch asymmetrisches Anle gen von Wärme um eine
Tintenstrahldüse
herum bewirkt. Zum konkreten Verständnis des Verfahrens soll im Folgenden
zunächst
das Tintenstrahldrucksystem 1 beschrieben werden, das die
Verfahrensschritte ausführt.
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In 1 weist
ein kontinuierlich arbeitendes Tintenstrahldrucksystem 1 mit
asymmetrischem Heizelement eine Bildquelle 10 auf, etwa
einen Scanner oder Computer, der Rasterbilddaten, Umrissbilddaten
in Form einer Seitenbeschreibungssprache oder andere digitale Bilddaten
liefert. Die Bilddaten werden in einer Bildverarbeitungseinheit 12,
die die Bilddaten auch in einem Speicher speichert, in Raster-Bitmap-Bilddaten
umgewandelt. Eine Heizelement-Steuerschaltung 14 liest
Daten aus dem Bildspeicher aus und legt elektrische Impulse an ein
Heizelement 50 an, das Wärme an eine zum Druckkopf 16 gehörende Düse anlegt.
Diese Impulse werden jeweils derart zum richtigen Zeitpunkt an die
richtige Düse
angelegt, dass aus einem kontinuierlichen Tintenstrom gebildete
Tropfen an der richtigen, durch die Daten im Bildspeicher bestimmten
Position Punkte auf einem Aufzeichnungsmedium 18 ausbilden.
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Das
Aufzeichnungsmedium 18 wird mittels eines Aufzeichnungsmedium-Transportsystems 20 bezüglich des
Druckkopfs 16 bewegt, wobei das Transportsystem durch ein
Steuersystem 22 für
den Transport des Aufzeichnungsmediums elektronisch gesteuert wird,
das seinerseits von einer Mikrosteuerung 24 gesteuert wird.
In 1 ist das Transportsystem für das Aufzeichnungsmedium nur
schematisch dargestellt, wobei zahlreiche unterschiedliche mechanische
Ausführungsformen
möglich
sind. Zum Beispiel könnte
eine Übertragungswalze
als Transportsystem 20 für das Aufzeichnungsmedium dienen, um
die Übertragung
der Tintentropfen auf das Aufzeichnungsmedium 18 zu erleichtern.
Diese Übertragungswalzentechnologie
ist dem Fachmann bekannt. Bei seitenbreiten Druckköpfen ist
es jedoch am zweckmäßigsten,
das Aufzeichnungsmedium 18 an einem stationären Druckkopf
entlang zu führen. Bei
abtastenden Drucksystemen ist es dagegen normalerweise zweckmäßiger, den
Druckkopf in einer relativen Rasterbewegung entlang einer Achse
(der Nebenabtastrichtung) und das Aufzeichnungsmedium entlang einer
dazu orthogonalen Achse (der Hauptabtastrichtung) zu bewegen.
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In
einem Behälter 28 befindet
sich unter Druck stehende Tinte. Im nicht druckenden Zustand können die
kontinuierlichen Tintenstrahl-Tropfenströme das Aufzeichnungsmedium 18 nicht
erreichen, weil der Tropfenstrom von einer Auffangrinne 17 (auch
in 2(a) dargestellt) blockiert wird,
die auch das Recyceln eines Teils der Tinte mittels einer Rückführeinheit 19 ermöglicht.
Die Tintenrückführeinheit 19 arbeitet
die Tinte auf und führt
sie in den Behälter 28 zurück. Tintenrückführeinheiten
dieser Art sind dem Fachmann bekannt. Der für den optimalen Betrieb geeignete
Tintendruck ist abhängig
von einer Reihe von Faktoren, unter anderem der Geometrie und den
thermischen Eigenschaften der Düsen
und den thermischen Eigenschaften der Tinte. Durch Anlegen eines
durch den Tintendruckregler 26 gesteuerten Drucks an den
Tintenbehälter 28 kann
ein konstanter Tintendruck erreicht werden.
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Die
Tinte wird der Rückseite
des Druckkopfs 16 durch eine Tintenkanaleinheit 30 zugeführt. Vorzugsweise
fließt
die Tinte über
in ein Siliciumsubstrat des Druckkopfs 16 geätzte Schlitze
und/oder Öffnungen
zur Druckkopfvorderseite, wo eine Vielzahl von Düsen und Heizelementen angeordnet
sind. Wenn der Druckkopf 16 aus Silicium hergestellt ist,
ist es möglich,
Steuerschaltungen 14 für
die Heizelemente in den Druckkopf zu integrieren.
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2(a) zeigt eine Querschnittsansicht einer
Spitze einer Düse
im Betriebszustand. Der kontinuierlich arbeitende Tintenstrahl-Druckkopf 16 gemäß 1 besteht
aus einer Anordnung derartiger Düsen.
In ein Substrat 42, das im Beispiel aus Silicium besteht,
sind ein Tintenförderkanal 40 sowie
eine Vielzahl von Düsenöffnungen 46 geätzt. Der
Förderkanal 40 und
die Düsenöffnungen 46 können durch anisotropes
Silicium-Nassätzen
hergestellt sein, wobei zur Ausbildung der Düsenöffnungen eine p+-Ätzsperrschicht
verwendet wird. Die Tinte 70 im Förderkanal 40 steht
unter einem über
atmosphärischem Druck
liegenden Druck und bildet einen Tintenstrom 60 aus. In
einem Abstand über
der Düsenöffnung 46 bricht
der Strom 60 aufgrund der an ein Heizelement 50 angelegten
Wärme in
eine Vielzahl von Tropfen auf.
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Gemäß 2(b) weist das Heizelement 50 nun
ein Paar sich gegenüberliegender
halbkreisförmiger
Elemente 51a, 51b auf, die annähernd den gesamten Düsenumfang
umgeben. In beiden Ausführungsformen
werden über
elektrische Verbindungen 59a, 59b, 61a und 61b elektrische
Impulse von der Treiberschaltung 14 an die Heizelemente 51a bzw. 51b angelegt.
Während
eines Druckvorgangs wird der Strom 60 durch asymmetrisches
Anlegen von auf der linken Seite der Düsenbohrung durch den Heizelementeabschnitt 51a erzeugter
Wärme periodisch umgelenkt.
Diese Technik unterscheidet sich von der Technik kontinuierlich
arbeitender Drucker mit elektrostatischer Stromumlenkung, bei der
geladene Tropfen, die zuvor von ihren jeweiligen Tropfenströmen abgetrennt
wurden, umgelenkt werden. Durch die Umlenkung des Stroms 60 können nicht
umgelenkte Tropfen 67 durch eine Unterbrechungseinrichtung,
etwa eine Auffangeinrichtung 17, daran gehindert werden,
das Aufzeichnungsmedium 18 zu erreichen. Bei einem alternativen
Druckschema kann die Auffangeinrichtung 17 so platziert
werden, dass sie die umgelenkten Tropfen 66 abfängt und
die nicht umgelenkten Tropfen 67 das Aufzeichnungsmedium 18 erreichen
können.
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Die
Heizelemente 51a, 51b der Heizeinrichtung 50 können aus
mit 30 Ohm/Quadrat dotiertem Polysilicium bestehen. Allerdings sind
auch andere Widerstandsheizungs-Materialien denkbar. Um den Wärmeverlust
an das Substrat zu minimieren, ist das Heizelement 50 vom
Substrat 42 durch eine thermisch und elektrisch isolierende
Schicht 56 getrennt.
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Die
Düsenbohrung 46 kann
derart geätzt sein,
dass die Düsenaustrittsöffnung von
Isolierschichten 56 begrenzt wird. Die mit der Tinte in
Berührung
stehenden Schichten können
zum Schutz mittels einer Dünnfilmschicht 64 passiviert
sein. Um die ungewollte Ausbreitung von Tinte über die Vorderseite des Druckkopfs
zu vermeiden, kann die Druckkopfoberfläche mit einer hydrophobisierenden Schicht 68 beschichtet
sein.
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Die
Heizelemente-Steuerschaltung 14 führt der Heineinrichtung 50 gemäß 2(a) den elektrischen Strom in Form einer
Folge elektrischer Impulse zu. Dabei kann die Heizelemente-Steuerschaltung 14 derart
programmiert sein, dass sie zur Durchführung der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens den
halbkreisförmigen
Heizelementen 51a, 51b der Heizeinrichtung 50 den
Strom getrennt in Form von Impulsen gleicher Amplitude, Breite und
Frequenz zuführt.
Jedes Mal, wenn einem der Elemente 51a und 51b des
Heizelements 50 ein elektrischer Stromimpuls zugeführt wird,
wird ein Tintentropfen umgelenkt.
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In 3(a) und 3(b) ist
eine Reihe abgelenkter Tropfen 66 dargestellt, die von
der weiter oben beschriebenen Düse
am Ende eines Druckvorgangs unter Einsatz nur des linken Heizelements 51a erzeugt
wurden. Die elektrische Impulsfolge, die das Heizelement 51a periodisch
aktiviert, ist links vom Tropfenstrom dargestellt. Diese Impulse
bewirken eine erfolgreiche Umlenkung der Tropfen 66 von
der Auffangrinne 17 weg in Richtung auf das Druckmedium 18.
Nachdem jedoch der letzte operative Impuls 68 durch das
Heizelement 51a geleitet wurde, bewirken die in den Materialien
der linken Seite der Düsenbohrung 46 noch
vorhandene Restwärme
und die in der Tinte noch vorhandene Restwärme eine Teilumlenkung mindestens
des ersten, möglicherweise auch
des zweiten und dritten folgenden Tropfens in Richtung des Druckmediums 18.
Der gewünschte Abstand "c" zwischen den Tropfen, die auf das Druckmedium 18 bzw.
die Auffangrinne 17 auftreffen sollen, wird nicht aufrecht
erhalten. Wie in 3(a) zu erkennen
ist, wird der erste nach dem letzten operativen Impuls 68 auftretende
teilabgelenkte Tropfen 71 wahrscheinlich entweder auf das
Druckmedium oder auf die vordere Kante der Auffangrinne 17 auftreffen,
wodurch die teilabgelenkten Tropfen 71 in kleinere Tropfen
aufbrechen (spritzen) und in unvorhersehbarer Weise auf das Aufzeichnungsmedium 18 gelangen.
Auch der zweite und der dritte teilabgelenkte Tropfen 71 können ebenso
auf der Kante der Auffangrinne auftreffen und spritzen. In jedem
Fall leidet dadurch die Bildqualität.
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3(c) und 3(d) zeigen
eine Reihe nicht abgelenkter Tropfen 71', die erfindungsgemäß durch die
auf der linken Seite dieser Figur dargestellten elektrischen Impulse
erzeugt wurden. Bei diesem Beispiel wird kurz nach dem letzten operativen
Impuls 68, der an das linke Heizelement 51a angelegt wurde,
ein korrigierender Umlenkimpuls 92 derselben Spannung und
Stromstärke
an das rechte Heizelement 51b angelegt. Der dadurch auf
die gegenüberliegende
Seite der Düsenbohrung 46 wirkende Wärmeimpuls
wirkt der auf der Seite der Düse
noch vorhandenen, durch das Heizelement 51a erzeugten Restwärme entgegen
und bewirkt, dass alle Tropfen 71' einer nicht abgelenkten Bahn folgen
und direkt in die Auffangrinne 17 gelangen, so dass der
gewünschte
Abstand (c) zwischen abgelenkten und nicht abgelenkten Tropfen aufrecht
erhalten wird. Im Folgenden werden verschiedene elektrische Parameter
der durch das Heizelement 51b geleiteten Impulse besprochen.
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In 4(a) und 4(b) sind
sowohl die elektrischen Parameter der Impulse als auch die Beziehung zwischen
den operativen Impulsen und dem korrigierenden Umlenkimpuls dargestellt.
Im einzelnen weisen die operativen Impulse normalerweise eine Amplitude
zwischen 4 und 6 Volt und eine Stromstärke von etwa 10 mA auf. Diese
Impulse können
jeweils am Ende oder zu Beginn gleicher Zeitperioden t1,
t2, t3 und t4 erzeugt werden. Die Zeitperiode kann zwischen
5 und 10 Mikrosekunden betragen. Aus 4 ist
ersichtlich, dass nach Erzeugung des letzten operativen Impulses 68 ein
korrigierender Umlenkimpuls 92 erzeugt wird, der durch
das gegenüberliegende Heizelement 51b fließt und in
der vorstehend beschriebenen Weise einen korrigierenden Wär meimpuls
erzeugt. Der korrigierende Umlenkimpuls 92 weist vorzugsweise
etwa dieselbe Spannung und Stromstärke auf wie die operativen
Impulse und hat, wie angegeben, eine etwas längere Dauer. Der korrigierende
Umlenkimpuls 92 kann zu einer Zeitperiode t5 erzeugt
werden, die gleich den Zeitperioden t1,
t2, t3 und t4 für
die Erzeugung von an das Heizelement 51a anzulegenden Impulsen
ist. Alternativ kann die Zeitperiode t5 bis
zu 50 % länger
oder kürzer
sein als die anderen Zeitperioden. Derzeit wird in der Praxis der korrigierende
Umlenkimpuls 92 zwischen 4 und 10 Mikrosekunden nach dem
letzten operativen Impuls 68 erzeugt.
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Für die Praxis
der Erfindung ist eine Tintenstrom-Anordnung nicht erforderlich;
zur Erhöhung der
Druckraten kann eine Vorrichtung mit einer Anordnung von Tintenströmen jedoch
wünschenswert sein.
In diesem Fall lässt
sich die Umlenkung und Modulation der einzelnen Ströme in derselben
Weise, wie dies vorstehend für
nur einen Tintenstrom beschrieben wurde, einfach und in räumlich kompakter Weise
bewerkstelligen, da die Umlenkung nur auf dem Anlegen eines kleinen
Potentials beruht, das durch die herkömmliche integrierte Schaltungstechnologie,
z.B. die CMOS-Technologie, in einfacher Weise bereitgestellt werden
kann.