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Die
Erfindung betrifft einen Tintenstrahldruckkopf mit mehreren Druckkammern,
von denen jede einerseits, über
eine Tintenzufuhrleitung, mit einem gemeinsamen Tintenreservoir
und andererseits mit einer Düse
in Fluidverbindung steht, wobei für jede Druckkammer ein Aktor
dazu vorgesehen ist, die darin enthaltene Tinte unter Druck zu setzen,
um in Übereinstimmung
mit einem Drucksignal ein Tintentröpfchen aus der Düse auszustoßen.
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EP-A-1
022 140 beschreibt einen Tintenstrahldruckkopf nach dem Funktionsprinzip "Tropfen auf Anforderung" (drop-on-demand)
der oben genannten Art, bei dem die Düsen in zwei parallelen Reihen
angeordnet ist, so daß mehrere
Pixelzeilen eines Bildes gleichzeitig gedruckt werden können. Die
zu den Düsen
beider Reihen gehörenden
Druckkammern sind als langgestreckte Tintenkanäle konfiguriert, die in entgegengesetzten
Oberflächen
eines gemeinsamen Substrats ausgebildet sind und parallel zueinander
verlaufen. Die stromabwärtigen
Enden der Tintenkanäle
konvergieren jeweils in die zugehörige Düse, wohingegen die stromaufwärtigen Enden der
Tintenkanäle
beider Reihen durch ihre jeweiligen Tintenzufuhrleitungen mit dem
gemeinsamen Tintenreservoir verbunden sind. Die Aktoren werden durch piezoelektrische
Elemente gebildet, die längs
jedes Tintenkanals angeordnet sind. Wenn ein Tintentröpfchen aus
einer bestimmten Düse
ausgestoßen
werden soll, so wird der zugehörige
Aktor erregt, so daß das
piezoelektrische Element zunächst
kontrahiert, damit Tinte durch die Tintenzufuhrleitung eingesaugt wird,
und das piezoelektrische Element wird dann wieder expandieren, so
daß die
in dem Tintenkanal enthaltene flüssige
Tinte unter Druck gesetzt wird und eine akustische Druckwelle sich
in Richtung auf die Düse
ausbreitet.
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Ein
Problem, das bei Druckköpfen
dieser Art angetroffen wird, ist das Auftreten von Übersprechen zwischen
den verschiedenen Düsen.
Ein hauptsächlicher
Grund für
dieses Übersprechen
ist die Ausbreitung von akustischen Wellen in dem Festkörpermaterial
der piezoelektrischen Aktoren und in dem gemeinsamen Substrat, in
dem die Tintenkanäle
gebildet sind. Wie im Stand der Technik bekannt ist, kann diese
Art von Übersprechen
z.B. dadurch unterdrückt werden,
daß eine
geeignete Gestaltung für
das Substrat und die Tintenkanäle
gewählt
wird und eine geeignete Stützstruktur
für die
piezoelektrischen Aktoren bereitgestellt wird.
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Eine
andere Quelle von Übersprechen
kann in der Ausbreitung von akustischen Wellen durch die flüssige Tinte
in dem Tintenzufuhrsystem bestehen. Um Übersprechen dieser Art zu vermeiden,
schlägt EP-A-0
726 151 einen Druckkopf vor, bei dem die Tintenzufuhrleitungen,
die die Druckkammer mit dem gemeinsamen Tintenreservoir verbinden,
akustisch angepaßte
Sätze von
Einlaßfiltern,
Einlaßports
und Einlaßkanälen umfassen,
die so ausgelegt sind, daß durch
akustische Anpassung die Ausbreitung von akustischen Wellen von
den verschiedenen Druckkammern in das Tintenreservoir vermieden
wird. Bei dem in diesem Dokument beschriebenen Druckkopf wird das
Tintenreservoir durch eine geschlossene Kammer gebildet, die auf
einer Seite durch eine nachgiebige Wand begrenzt ist. Der Zweck
dieser nachgiebigen Wand besteht darin, Druckfluktuationen in dem
Tintenreservoir während
der Anlaufphase des Druckkopfes weiter zu minimieren, bis sich ein stetiger
Tintenfluß ausgebildet
hat.
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Es
hat sich jedoch gezeigt, daß die
gedruckten Bilder, die mit einem Tintenstrahldrucker des oben beschriebenen
Typs erhalten werden, unter bestimmten Bedingungen noch gewisse
unerwünschte Artefakte
aufweisen, die die Bildqualität
beeinträchtigen.
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US-B-6
431 689 offenbart den Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es
ist somit eine Aufgabe der Erfindung, einen Tintenstrahldruckkopf
mit mehreren Düsen
zu schaffen, der eine verbesserte Bildqualität ergibt.
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Gemäß der Erfindung
wird diese Aufgabe durch einen Tintenstrahldruckkopf nach den Ansprüchen 1 bis
4 gelöst.
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Die
Erfinder haben festgestellt, daß die
oben erwähnten
Artefakte auf eine neue Art von Übersprechen
zurückgeführt werden
können,
die im Stand der Technik noch nicht berücksichtigt worden ist und die sich
wie folgt erläutern
läßt: Im Idealfall
sollte sich die Tintenzufuhrleitung, die die Druckkammer mit dem Tintenreservoir
und folglich mit den anderen Druckkammern in der Reihe oder den
Reihen verbindet, sich wie ein offenes Ende der Druckkammer verhalten,
so daß akustische
Wellen, die sich in Richtung auf das Tintenreservoir ausbreiten,
nahezu vollständig
und mit Phasenumkehr reflektiert werden. Wenn dann z.B. der piezoelektrische
Aktor seinen Saughub ausführt
und sich eine negative Druckwelle in Richtung auf das Tintenreservoir
ausbreitet, wird diese Druckwelle reflektiert und als positive Druckwelle
zurückkehren,
die sich in Richtung auf die Düse
ausbreitet. Diese positive Druckwelle wird dann weiter verstärkt, wenn
der Aktor seinen Kompressionshub ausführt.
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In
einem herkömmlichen
Druckkopf ist die Tintenzufuhrleitung so konfiguriert, d.h., akustisch angepaßt, daß diese
Anforderung erfüllt
wird. Aufgrund der praktisch vollständigen Reflexion der akustischen
Wellen an der Tintenzufuhrleitung sollten diese Wellen folglich
daran gehindert werden, sich weiter in das Tintenreservoir und in
die anderen Druckkammern auszubreiten. Aufgrund von konstruktiven Beschränkungen
kann die Tintenzufuhrleitung jedoch nur eine begrenzte Querschnittsfläche haben.
Trotz dieses beschränkten
Querschnitts wird die Tintenzufuhrleitung wie gewünscht als
ein offenes Ende wirken, wenn nur ein einziger Aktor erregt wird.
Wenn jedoch in Übereinstimmung
mit der zu druckenden Bildinformation mehrere benachbarte Aktoren
gleichzeitig erregt werden, so bildet die beschränkte Fläche, wo die Tintenzufuhrleitungen
der verschiedenen Druckkammern gemeinsam an das Tintenreservoir angeschlossen
sind, einen Flaschenhals für
die Tinte, die in die Druckkammern strömt. Infolgedessen kann die
Tintenzufuhrleitung nicht mehr als ein ideales offenes Ende wirken,
und die akustischen Wellen, die sich in Richtung auf das Tintenreservoir
ausbreiten, werden nur teilweise reflektiert, und ein Teil der akustischen
Energie wird in das Tintenreservoir und in die anderen Druckkammern übertragen
und verursacht Übersprechen.
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Gemäß der Erfindung
ist der Dämpfer
für akustische
Wellen so angeordnet, daß er
das Reflexions- und Transmissionsverhalten der Tintenzufuhrleitung
so steuert, daß in
diesem Fall die Tintenzufuhrleitungen trotz des erhöhten Bedarfs
an Tinte immer noch als nahezu ideale offene Enden wirken. Auf diese
Weise können
die akustischen Wellen unabhängig
von dem zu druckenden Pixelmuster daran gehindert werden, in das
Tintenreservoir einzutreten und Übersprechen
zu verursachen, so daß die
Bildqualität
verbessert wird.
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Die
Erfindung ist besonders nützlich
im Fall einer Druckkopfgestaltung, bei der die Tintenzufuhrleitungen,
die von dem Tintenreservoir zu den verschiedenen Druckkammern einer
Reihe führen,
einen begrenzten Einlaßkanal
oder Verteiler aufweisen, durch den die mehreren Druckkammern gemeinsam
mit dem Tintenreservoir verbunden sind. Der Dämpfer für akustische Wellen ist dann
so angeordnet, daß er
akustische Wellen dämpft,
die andernfalls infolge des erhöhten
Bedarfs an Tinte in diesem Kanal erzeugt würden und sich dann in benachbarte Druckkammern
und auch in das Tintenreservoir ausbreiten würden. Durch Unterdrückung von
Druckfluktionen in diesem Einlaßkanal
können
sich die Tintenzufuhrleitungen sämtlich
wie offene Enden verhalten, und ein Übersprechen innerhalb der Reihe,
d.h. Übersprechen
zwischen den Druckkammern, die zu derselben Reihe gehören, kann
zuverlässiger
vermieden werden.
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Im
Fall eines mehrreihigen Druckkopfes, bei dem die Druckkammern von
wenigstens zwei Düsenreihen
an dasselbe Tintenreservoir angeschlossen sind, hat die Erfindung
darüber
hinaus den weiteren bemerkenswerten Vorteil, daß das Übersprechen von Reihe zu Reihe,
d.h., Übersprechen
zwischen den verschiedenen Reihen, ebenfalls wirksam unterdrückt werden
kann. Andernfalls könnte
ein solches Übersprechen
von Reihe zu Reihe beispielsweise in einem Druckkopf für heißschmelzende
Tinte leicht auftreten, bei dem ein Tintenreservoir, das auf Atmosphärendruck
gehalten wird und bis zu einem gewissen Pegel mit geschmolzener
Tinte gefüllt
ist, oberhalb der Druckkammern angeordnet und über einen jeweiligen Einlaßkanal mit
den Druckkammern jeder Reihe verbunden ist. Würden die Druckfluktuationen in
den Einlaßkanälen nicht
gedämpft,
so würde
sich eine Druckwelle von einem der Einlaßkanäle, in dem ein hoher Bedarf
für Tinte
auftritt, in das Tintenreservoir ausbreiten und würde dann
an dem Luft/Flüssigkeits-Meniskus
im Tintenreservoir reflektiert und sich in den Tintenkanal für die andere
Reihe ausbreiten, wo sie Übersprechen
verursachen würde.
Dank des akustischen Dämpfers
gemäß der Erfindung
kann dieses Phänomen
wirksam unterdrückt
werden.
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Nützliche
Einzelheiten der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird der akustische Dämpfer
durch ein nachgiebiges Element gebildet, das in jeder der Tintenzufuhrleitungen angeordnet
ist. Vorzugsweise ist das nachgiebige Element in einem Einlaßkanal vorgesehen,
der einen gemeinsamen Teil der Tintenzufuhrleitungen derselben Reihe
bildet.
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Das
nachgiebige Element kann z.B. durch ein flexibles Blatt gebildet
werden, das einen Teil der Wand des Tintenzufuhrkanals bildet und
als Reaktion auf Änderungen
des Druckes der flüssigen
Tinte ausgelenkt werden kann und dadurch Druckfluktuationen dämpft.
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In
einer häufig
benutzten Druckkopfgestaltung werden die Druckkammern durch eine
Reihe von parallelen Tintenkanälen
gebildet, die durch ein gemeinsames flexibles Blatt abgedeckt sind,
und die Aktoren sind als elektromechanische Aktoren ausgebildet,
die so angeordnet sind, daß sie
die Teile des flexiblen Blattes auslenken, die die verschiedenen Tintenkanäle bedecken.
Dann kann ein hinreichend großer
Teil dieses flexiblen Blattes, der nicht starr mit den Aktoren verbunden
ist, als akustischer Dämpfer gemäß der Erfindung
dienen. Auf diese Weise läßt sich
die Erfindung mit nur einer geringfügigen Änderung in der herkömmlichen
Druckkopfgestaltung realisieren. Der Teil des flexiblen Blattes,
der als nachgiebiges Element des Dämpfers dient, kann eine Aufwölbung aufweisen,
die in einem gewissen Ausmaß von
der Oberfläche
des Aktors abgehoben ist, so daß sie
in der Lage ist, nicht nur in der Richtung vom Aktor weg ausgelenkt
zu werden, um negative Druckwellen zu absorbieren, sondern auch
in Richtung auf den Aktor, um positive Druckwellen zu absorbieren.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen zeigen:
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1 eine
perspektivische Explosionsdarstellung, teilweise aufgebrochen, eines
Tintenstrahldruckkopfes gemäß der Erfindung;
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2 einen
Schnitt längs
der Linie II-II in 1; und
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3 eine
vergrößerte Einzelheit
des in 2 gezeigten Schnittes.
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1 zeigt
die wesentlichen Teile eines Tintenstrahldruckkopfes für heißschmelzende
Tinte, der einen symmetrischen Aufbau hat und ein Substrat 10 aufweist,
das beispielsweise aus Graphit hergestellt ist und in seinem oberen
Teil ein nach oben offenes Tintenreservoir 12 bildet. Ein
unterer Teil des Substrats 10 ist als eine Kanalplatte 14 mit
entgegengesetzten Seitenflächen
konfiguriert, von denen in 1 nur eine
sichtbar ist. Jede der Seitenflä chen weist
eine Reihe 16 von parallelen Tintenkanälen 18 auf, die in 1 nur
schematisch dargestellt sind. Die Tintenkanäle 18 sind in die
Oberfläche
der Kanalplatte 14 eingeschnitten, und ihre unteren Enden
sind verjüngt,
so daß sie
Düsen 20 bilden,
durch welche Tintentröpfchen
auszustoßen
sind. Auf diese Weise wird eine Reihe von Düsen 20 auf jeder Seite
der Kanalplatte 14 gebildet. Die symmetrische Anordnung der
Reihen 16 von Tintenkanälen 18 und
Düsen 20 auf
beiden Seiten der Kanalplatte 14 ist in 2 zu sehen.
Jede der Reihen 16 von Tintenkanälen 18 ist mit einem
flexiblen Blatt 22 bedeckt, das an die Rippen der Kanalplatte 14 angeklebt
ist, die die einzelnen Tintenkanäle 18 trennen.
So sind die offenen, nach außen
weisenden Seiten aller Tintenkanäle 18 und
der Düsen 20 durch
die Blätter 22 abgeschlossen.
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An
die äußere Oberfläche jedes
Blattes 22 ist ein Aktorblock 24 angeklebt. Der
Aktorblock 24 besteht aus einer piezoelektrischen Keramik
und hat eine kammförmige
Struktur, die eine Vielzahl paralleler, vertikal verlaufender piezoelektrischer
Finger 26 bildet, und weist (nicht gezeigte) Elektroden
auf, die jedem der Finger 26 zugeordnet sind. Eine flexible Leiterfolie 28 ist
an der äußeren Oberfläche jedes
der Aktorblöcke 24 angebracht
und mit elektrischen Leitungen zum individuellen Erregen der piezoelektrischen
Finger 26 versehen.
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Die
Aktorblöcke 24 sind
durch eine Kappe 30 geschützt, die auf das untere Ende
der Kanalplatte 14 aufgesetzt und mit den unteren Rändern der
Blätter 22 und
der unteren Stirnfläche
der Kanalplatte 14 verklebt ist.
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In 2 verläuft die
Schnittebene durch die piezoelektrischen Finger 26 der
Aktorblöcke 24.
Man sieht, daß diese
Finger 26 in Richtung auf das flexible Blatt 22 vorspringen
und jeweils an einem Teil des Blattes anliegen, der einen der Tintenkanäle 18 bedeckt.
Die oberen Enden der Tintenkanäle 18 jeder Reihe 16 sind
durch einen geneigten Einlaßkanal 32 mit
dem Tintenreservoir 12 verbunden. Die oberen Enden der
Einlaßkanäle 32,
in der Ebene des Bodens des Tintenreservoirs 12, können mit
einem Filterelement 34 bedeckt sein, das verhindert, daß Festpartikel
in die Tintenkanäle 18 eintreten
und die Düsen 20 verstopfen.
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Wie
aus 1 hervorgeht, ist in den Wänden des Tintenreservoirs 12 ein
Behältnis 36 zur
Aufnahme eines weiteren (gröberen)
Filterelements gebildet. Obgleich dies in der Zeichnung nicht gezeigt
ist, nimmt das Tintenreservoir 12 außerdem ein Heizelement zum
Erhitzen der heißschmelzenden
Tinte auf, um diese im flüssigen
Zustand zu halten. Der Meniskus der flüssigen Tinte in dem Tintenreservoir 12 ist in 2 mit 38 bezeichnet.
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Wenn
der Druckkopf in Betrieb ist, werden den einzelnen piezoelektrischen
Fingern 26 über
die Leiterfolie 28 elektrische Signale zugeführt, so
daß die
piezoelektrischen Finger Expansions- und Retraktionshübe auf den
zugehörigen
Tintenkanal 18 zu und von diesem weg ausführen, so
daß das
Blatt 22, das diesen Tintenkanal bedeckt, durchgebogen
wird und die in dem Tintenkanal enthaltene Tinte unter Druck gesetzt
wird und ein Tintentröpfchen
durch die Düse 20 ausgestoßen wird.
So dienen die Tintenkanäle 18 als
Druckkammern, um die Tinte unter Druck zu setzen. Genaugenommen
wird, wenn ein Tintentröpfchen
ausgestoßen
werden soll, der zugehörige piezoelektrische
Finger 26 zunächst
zurückgezogen, so
daß Tinte
durch den Einlaßkanal 32 eingesaugt wird.
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Wie
in 1 zu sehen ist, verläuft der Tintenkanal 32 quer
zu den Tintenkanälen 18,
und sein Querschnitt ist deutlich größer als der der Tintenkanäle 18.
Wenn sich eine negative Druckwelle in der flüssigen Tinte vom Tintenkanal 18 in
Richtung auf den Einlaßkanal 32 ausbreitet,
wirkt somit der Übergang
zwischen dem Tintenkanal und dem Einlaßkanal wie ein offenes Ende,
an dem die akustische Welle nahezu vollständig reflektiert wird, und
zwar mit Phasenumkehr. Infolgedessen wird sich dann eine positive
Druckwelle durch den Tintenkanal 18 in Richtung auf die
Düse 20 ausbreiten.
Zu einem geeigneten Zeitpunkt wird der piezoelektrische Finger 26 wieder
expandiert, so daß die
positive Druckwelle verstärkt
wird. Positive Druckwellen, die sich in Richtung auf den Einlaßkanal 32 ausbreiten,
werden ebenfalls an dem Übergang
reflektiert, so daß in
dem Einlaßkanal 32 keine
wesentlichen Druckfluktuationen auftreten sollten.
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Wenn
jedoch mehrere benachbarte Tintenkanäle 18 simultan erregt
werden, kann der Bedarf an Tinte in dem zugehörigen Bereich des Einlaßkanals 32 so
groß werden,
daß der
Tintenstrom durch den begrenzten Querschnitt des Einlaßkanals 32 beschränkt wird.
Infolgedessen wirken die Übergänge zwi schen
den Tintenkanälen 18 und
dem Einlaßkanal 32 nicht
mehr als ideale offene Enden, und die von den Tintenkanälen 18 eintreffenden
akustischen Wellen werden nicht mehr vollständig reflektiert, sondern teilweise
durch den Einlaßkanal 32 hindurch
in das Tintenreservoir 12 durchgelassen. Eine mittig auf
der Bodenwand des Tintenreservoirs 12 gebildete Schwelle 40 (2)
würde die
direkte Ausbreitung der durchgelassenen Welle von einem Einlaßkanal 32 zum
anderen verhindern. Die Druckwellen, die sich durch die flüssige Tinte
in dem Tintenreservoir 12 ausbreiten, würden jedoch an dem Meniskus 38 reflektiert
und könnten
dann in den anderen Einlaßkanal 32 eintreten,
wie durch eine strichpunktierte Linie in 2 angedeutet
wird. Wenn keine Gegenmaßnahmen
getroffen würden,
so könnte
die Ausbreitung von akustischen Wellen von einem Einlaßkanal 32 zum
anderen ein Übersprechen
von Reihe zu Reihe verursachen.
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Um
diese Art von Übersprechen
zu vermeiden, sieht die vorliegende Erfindung einen akustischen
Dämpfer 42 vor,
der die akustischen Transmissions- und Reflexionseigenschaften der Tintenzufuhrleitungen
kontrolliert, die das Tintenreservoir 12 mit den Tintenkanälen 18 der
beiden Reihen 16 verbinden. Wie in 3 gezeigt
ist, wird in der vorliegenden Ausführungsform ein solcher Dämpfer 42 durch einen
Teil des flexiblen Blattes 22 gebildet, der das stromabwärtige Ende
des Einlaßkanals 32 und
die oberen (stromaufwärtigen)
Endabschnitte der Tintenkanäle 18 abschließt. In diesem
Teil ist das Blatt 22 nicht starr mit den piezoelektrischen
Fingern 26 verbunden, sondern bildet statt dessen eine
kleine Aufwölbung 44,
die etwas in den Einlaßkanal 32 vorspringt
und sich quer zu den Tintenkanälen 18 über die
gesamte Länge
des Einlaßkanals 32 erstreckt.
In der Aufwölbung 44 ist
somit das Blatt 22 durch einen kleinen Zwischenraum von
dem piezoelektrischen Finger 26 getrennt, so daß er in
Bezug auf den Einlaßkanal 32 frei
nach innen und außen
ausgelenkt werden kann. Der Rest des Blattes 22 ist mit
Hilfe einer Klebeschicht 46, die jedoch in der Nähe der Aufwölbung 44 unterbrochen
ist, an die piezoelektrischen Finger 26 angeklebt. Am äußersten
oberen Ende des Aktorblockes 24 ist nur ein sehr schmaler Streifen
des Klebers 48 angebracht. Somit können etwaige Druckwellen, die
in dem Einlaßkanal 32 erzeugt
werden mögen,
durch die Auslenkbewegung des Teils des Blattes 22 gedämpft werden,
der den Dämpfer 42 bildet.
Dieser Teil des Blattes dient als ein nachgiebiges Element, das
etwaige Druckfluktuationen im Einlaßkanal 32 ausgleicht
und sicherstellt, daß sich
der Übergang
zwischen dem Tintenkanal 18 und dem Einlaßkanal 32 stets
wie ein offenes Ende verhält,
mit vollständiger
Reflexion von akustischen Wellen in der Tinte, selbst im Fall eines
erhöhten
Bedarfs an tinte in dem Einlaßkanal 32.
Infolgedessen werden sich keine Druckwellen durch den Einlaßkanal 32 hindurch
in das Tintenreservoir 12 und in den Einlaßkanal 32 der
anderen Reihe ausbreiten, und Übersprechen
von Reihe zu Reihe wird beseitigt. Ähnlich hilft der Dämpfer 42 auch,
das Übersprechen zwischen
benachbarten Tintenkanälen
derselben Reihe zu vermindern.
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In
einer modifizierten Ausführungsform
kann die Länge
des Aktorblockes 24 reduziert sein, so daß er nur
die Tintenkanäle 18 aber
nicht das Ende des Einlaßkanals 32 überdeckt.
Dann würde
das Blatt 22 das stromabwärtige Ende des Einlaßkanals 32 frei überspannen
und wäre
somit frei, als ein nachgiebiges Element zu wirken.
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In
noch einer anderen Ausführungsform kann
das stromabwärtige
Ende des Zufuhrkanals 32 durch ein starres Element abgeschlossen
sein, und der Dämpfer 42 kann
in den oberen Enden der Tintenkanäle 18 angrenzend an
den Einlaßkanal 32 gebildet
werden. Der Dämpfer 32 kann
auch durch andere Mittel gebildet werden, z.B. durch ein Stück eines
schwammartigen Materials, das in dem und in der Nähe des Einlaßkanals 32 angeordnet
ist, durch eine absichtlich in dem Einlaßkanal 32 gebildete
Falle zum Auffangen von Luftblasen und dergleichen.