DE3045932A1

DE3045932A1 - Verfahren und einrichtung zum erzeugen eines strahles aus fluessigkeitstroepfchen

Info

Publication number: DE3045932A1
Application number: DE19803045932
Authority: DE
Inventors: Carl Hellmuth Lund Hertz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-12-07
Filing date: 1980-12-05
Publication date: 1981-06-11
Also published as: FR2471278A1; FR2471278B1; US4346387A; CA1158706A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung vorteilhafte Einrichtungen zur Durchführung solcher Verfahren.

In den letzten fünfzehn Jahren sind für elektrisch steuerbare Flüssigkeitsstrahlen viele neue Anwendungsgebiete erschlossen worden. Dies gilt besonders für die Schreib- oder Drucktechnik, in der feine, elektrisch gesteuerte Tinten- oder Farbflüssigkeitsstrahlen für das Schreiben von alphanumerischen Zeicheni Bildern und anderen graphischen Darstellungen verwendet werden. Da die von einem Tintenstrahlschreiber hergestellten Aufzeichnungen, wie Schriftzeichen, durch elektrische Steuersignale steuerbar sind, die den Flüssigkeits-

strahl beeinflussen, eigenen sich solche Schreibeinrichtungen besonders gut für ein schnelles Ausdrucken beispielsweise alphanumerischer Zeichen, die von einem Computer ausgegeben werden.

Es sind mehrere verschiedene Tintenstrahlschreibverfahren und -einrichtungen bekannt, von denen zwei mit einem kontinuierlichen Strahl einer elektrisch leitfätiigen Flüssigkeit arbeiten. Diese Verfahren sind z.B. in der US-PS 35 96 275 (Sweet) bzw. der US-PS 34 16 152 (Hertz und Simonsson) beschrieben. Es ist ferner aus der US-PS 32 98 030 (Lewis) und der US-PS 37 37 914 (Hertz) bekannt, daß mit Abwandlungen der ursprünglich von Sweet einerseits und Hertz u.a. andererseits vorgeschlagenen Verfahren auch alphanumerische Zeichen aufgezeichnet werden können. In beiden Fällen wird dabei die Richtung des Tintenstrahles während des Druckvorganges geändert. Bei den Lewis und von Sweet angegebenen Verfahren wird dabei eine stationäre Düse verwendet, während das von Hertz angegebenp Verfahren mit einer mechanisch hin- und herbewegten Düse arbeitet, wie es schon aus der früheren US-PS 25 66 443 (Elmquist) bekannt ist. Bei beiden bekannten Verfahren wird die Tatsache ausgenutzt, daß ein Strahl einer elektrisch leitenden Flüssigkeit, der aus einer Düse kontinuierlich unter hohem Druck austritt, an einem sogenannten Tröpfchenbildungspunkt in diskrete Tröpfchen zerfällt. Die elektrische Ladung auf den gebildeten Tröpfchen kann durch eine elektrische Signalspannung an einer Steuerelektrode bestimmt werden, die in unmittelbarer Nachbarschaft des Tröpfchenbildungspunktes angeordnet ist.

Die bekannten Verfahren haben jedoch beide erhebliche Mängel, die ihre Anwendungen begrenzen und behindern. Bei dem von Sweet und Lewis angegebenen Verfahren sollen die Tröpfchen mit Hilfe eines transversalen elektrischen Gleichfeldes auf bestimmte Stellen eines z.B. aus Papier bestehenden Aufzeichnungsträgers gelenkt werden. Um dies zu erreichen, müssen jedoch die Masse und die elektrische Ladung der Tröpfchen sehr exakt bestimmt werden. Die Masse der Tröpfchen läßt sich zwar durch mechanische Ultraschallschwingungen von einem Schwingkristall verhältnismäßig leicht konstant halten, es ist jedoch sehrschwierig, die Ladung auf den Tröpfchen im Augenblick ihrer Bildung genau zu steuern

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(IBM J. Res. Dev. 2Λ No. 1, 1977). Man hat schon auf verschiedene Weise versucht, diesem Problem Herr zu werden, bisher ist jedoch noch keine einfache und zuverlässige Lösung gefunden worden.

Bei dem aus der US-PS 37 37 914 (Hertz) bekannten Tintenstrahlschreiber wird der oszillierende Flüssigkeitsstrahl durch ein mechanisches Hin- und Herbewegen der Düse erzeugt. Da das schwingende System eine verhältnismäßig niedrige obere Frequenzgrenze hat, ist die Druckoder Schreibgeschwindigkeit bei diesem Verfahren relativ niedrig. Außerdem ist es aus manchen Gründen vorteilhaft, den Flüssigkeitsstrahl entsprechend einer Sägezahnfunktion anstatt einer Sinusschwingung senkrecht zu seiner Laufrichtung hin- und herzubewegen. In diesem Falle kann dann mehr Schreibflüssigkeit den Aufzeichnungsträger erreichen und es gibt weniger Probleme bei der Synchronisierung der elektrischen Signale mit der mechanischen Schwingung der Strahl richtung. Diese Probleme sind in einer Veröffentlichung von Rolf Erikson "Ink Jet Printing with Mechanically Deflected Jet Nozzles" (Report 1/75, Dept. Electr. Measurements, Lund Institute of Technology) diskutiert. Außerdem ist es schwierig, eine mechanisch hin- und herbewegte Düse zu verwenden, wenn ein sogenannter Verbund- oder Mischstrahl erzeugt werden soll, wie es aus der US-PS 41 96 437 (Hertz) bekannt ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher in erster Linie die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Steuerung der elektrischen Ladung auf Flüssigkeitströpfchen, die sich aus einem Flüssigkeitsstrahl an einem Tröpfchenbildungspunkt bilden, anzugeben. Weiterhin soll durch die Erfindung ein Verfahren dieser Art angegeben werden, das dazu verwendet werden kann, den Flüssigkeitströpfchenstahl mit einer hohen Frequenz senkrecht zur Strahlrichtung in einem gewünschten Muster oder Verlauf hin- und herzubewegen. Ferner soll durch die Erfindung ein Verfahren angegeben werden, mit dem die Intensität des Tröpfchenstrahles moduliert werden kann, um alphanumerische Zeichen aufzuzeichnen oder Balken- oder Strichcodezeichen zu drucken. Durch die Erfindung soll außerdem ein Verfahren zum Steuern der elektrischen Ladung auf

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Flüssigkeitströpfchen angegeben werden, das sehr flexibel in der Anwendung auf die verschiedensten Tintenstrahl systeme, einschließlich Mischstrahlsysteme ist.

Ein weiteres wesentliches Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Einrichtung zum Steuern der elektrischen Ladung auf Flüssigkeitströpfchen anzugeben, die sich an einem Tröpfchenbildungspunkt aus einem Flüssigkeitsstrahl bilden. Ferner soll eine Einrichtung angegeben werden, mit der es möglich ist, einen Flüssigkeitströpfchenstrahl mit hoher Frequenz zu oszillieren, ohne daß eine präzise Steuerung der elektrischen Ladung auf den einzelnen Tröpfchen im Augenblick ihrer Bildung noch eine mechanische Hin- und Herbewegung der Düse, aus der der die Tröpfchen bildende Flüssigkeitsstrahl austritt erforderlich sind. Weiterhin soll eine Einrichtung angegeben werden, die zur Modulation der Intensität eines Flüssigkeitströpfchenstrahls in einem Tintenstrahlschreiber oder -drucker verwendet werden kann, um Zeichen oder Strichcode (Barcode) zu drucken. Durch die Erfindung sollen ferner Tintenstrahldrucker und Systeme durch Verwendung der vorliegenden Einrichtungen verbessert werden.

Diese Aufgaben werden bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie vorteilhafte Einrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung enthält mehrere Verfahrensschritte, wobei einer oder mehrere dieser Schritte in bestimmter Beziehung mit anderen Schritten stehen, und die vorliegenden Einrichtungen weisen konstruktive Merkmale, Kombinationen und Anordnungen von Elementen auf, die sich für die Durchführung der Schritte des vorliegenden Verfahrens eignen, wie im folgenden anhand von nichteinschränkenden Ausführungsbeispielen erläutert werden soll.

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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Erzeugen eines Stromes oder Strahles von Flussigkeitströpfchen, die eine elektrische Ladung vorgegebenen Betrages und vorgegebener Polarität tragen, geschaffen , wobei ein Strahl einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit erzeugt wird, der an einem Tröpfchenbildungspunkt unter Bildung von Flüssigkeitströpfchen zerfällt, ferner ein elektrisches Feld vorgesehen wird, durch das die Tröpfchen gerichtet werden und das einen elektrischen Potentialgradienten aufweist, und die Stelle oder der Ort des Tröpfchenbildungspunktes im elektrischen Feld längs des Gradienten und damit die elektrische Ladung auf den Tröpfchen gesteuert wird.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Tintenstrahl-Schreibverfahren odeij-Druckverfahren geschaffen, bei welchem eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit unter Druck durch eine Düse gepreßt wird, um einen Strahl aus der flüssigkeit zu bilden, der an einem Tröpfchenbildungspunkt in einen Strahl aus Flüssigkeitströpfchen zerfällt, der Flüssigkeitsstrahl durch ein elektrisches Feld gerichtet wird, das einen Potentialgradienten aufweist, der Ort des Tröpfchenbildungspunkts im elektrischen Feld längs des Gradienten gesteuert wird, so daß auf die Tröpfchen elektrische Ladungen vorgegebener Polarität und vorgegebenen Betrages aufgebracht werden, und die Flugrichtung der geladenen Tröpfchen elektrisch derart gesteuert wird, daß ausgewählte Tröpfchen auf eine Empfangsfläche in einem vorgegebenen Muster gerichtet werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung verläuft der Gradient des elektrischen Feldes längs der Wanderungsrichtung des Flüssigkeitsstrahls.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Einrichtung zum Erzeugen eines Strahles von Flüssigkeitströpfchen, auf denen sich bestimmte elektrische Ladungen befinden, geschaffen, welche in Kombination eine Düsenanordnung, eine Anordnung zum Ausstoßen eines Flüssigkeitsstrahles unter Druck aus der Düsenanordnung in einer solchen Weise, daß

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der Flüssigkeitsstrahl an einem Tröpfchenbildungspunkt in Tröpfchen zerfällt und dadurch einen Strahl aus flüssigen Tröpfchen bildet, eine Tröpfchensteuerelektrodenanordnung, die ein elektrisches Feld definiert, durch das der Flüssigkeitsstrahl gerichtet ist und in dem sich der Tröpfchenbildungspunkt befindet, wobei das elektrische Feld einen elektrischen Potentialgradienten aufweist, und eine Anordnung zur Steuerung des Ortes des Tröpfchenbildungspunktes innerhalb des elektrischen Feldes längs des Gradienten und damit der elektrischen Ladung auf den Tröpfchen vorgesehen sind.

Gemäß einer v/eiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird eine Einrichtung zum Tintenstrahl schreiben oder Tintenstrahlsdrucken geschaffen, welche in Kombination eine Düsenanordnung, eine Anordnung zur Bildung eines elektrischen Tröpfchenaufladungsfeldes, das einen elektrischen Potentialgradienten aufweist, eins Anordnung, durch die eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit von einer Flüssigkeitsquelle durch eine Leitungsanordnung und eine Düse unter Druck gefördert wird, um einen Flüssigkeitsstrahl zu bilden, der durch das elektrische Feld läuft, und an einem sich in diesem elektrischen Feld befindenden Tröpfchenbildungspunkt in Flüssigkeitströpfchen zerfällt, eine Anordnung zum Steuern des Ortes des Tröpfchenbildungspunktes innerhalb des elektrischen Feldes längs des Gradienten, um auf die Tröpfchen elektrische Ladungen vorgegebener Polarität und vorgegebener Größe aufzubringen, eine Empfangsflächenanordnung, und eine Tröpfchenlenkelektrodenanordnung zur Steuerung der Flugrichtung der Tröpfchen, durch die gewünschte Tröpfchen in einem vorgegebenen Muster auf die Empfangsflächenanordnung richtbar sind, enthält.

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Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung und anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 wie die elektrische Ladung auf einem Flüssigkeitströpfchen von der Position des Tröpfchenbildungspunktes in einem
elektrischen Feld abhängt;

Figur 2 und 3 eine perspektivische Ansicht bzw. eine Querschnittansicht einer Einrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die sowohl eine Tröpfchensteuervorrichtung als auch eine Ablenkplattenanordnung enthält;

Figur 4 und 5 Querschnittsansichten alternativer Elektrodensysteme, die bei der Realisierung der Erfindung Verwendung finden können;

Figur 6 eine Querschnittsansicht einer Abwandlung eines Teiles

der Einrichtung gemäß Fig. 2 und 3, insbesondere der Tröpfchensteuerelektroden- und der Ablenkelektrodenanordnung;

Figur 7 und 8 eine perspektivische Ansicht bzw. Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der die
örter der Tropfenbildungspunkte auf einem Bogen liegen und die eine Vorrichtung zum mechanischen Oszillieren der
Richtung des Tröpfchenstrahles in einem variierenden elektrischen Feld aufweist, und

Figur 9 eine schematische Darstellung des sogenannten Compound-

oder Verbundstrahlprinzips auf das Verfahren und die Einrichtung gemäß der Erfindung.

Bei den oben diskutierten bekannten Verfahren nach Sweet bzw. Hertz et al wird die elektrische Ladung auf den Tröpfchen am Tröpfchenbildungspunkt durch den Wert einer elektrischen Signalspannung bestimmt, die an einer typischerweise ringförmigen Steuerelektrode liegt, welche

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sich nahe beim Tröpfchenbildungspunkt befindet oder diesen umgibt. (Dies ist auch in der Veröffentlichung von Kamphoefner "Ink Jet Printing" IEEE Transactions on Electron Devices ED-19, April 1972, Seite 584 beschrieben).

Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren werden der Betrag und die Polarität der Ladung bei dem vorliegenden Verfahren durch die geometrische Position des Tröpfchertildungspunktes bezüglich eines elektrischen Feldes bestimmt. Das Feld wird vorzugsweise zwischen zwei Elektroden erzeugt. Die schematischen Darstellung A, B und C in Fig. 1 zeigen, wie das Prinzip der vorliegenden Erfindung realisiert werden kann.

In Fig. 1A ist eine Düse 2 dargestellt, aus der ein Strahl 1 aus einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit austritt und in bekannter Weise an einem Tröpfchenbildungspunkt 4 in getrennte Tröpfchen 3 zerfällt. Der Strahl 1 wird kontinuierlich erzeugt, indem der Düse zwei die Flüssigkeit durch eine Leitung 5 unter konstantem Druck zugeführt wird. Der Flüssigkeitsstrahl 1 ist durch die Mitte von zwei ringförmigen Elektroden 6 und 7 gerichtet, deren koaxiale Mittellinien im wesentlichen mit der Richtung des Flüssigkeitsstrahls zusammenfallen. Für die folgende genauere Erläuterung ist es wichtig, sich daran zu erinnern, daß die örter des Tröpfchenbildungspunktes längs der Ausbreitungsrichtung des Flüssigkeitsstrahles 1 liegen und sich innerhalb der Elektroden 6 und 7 oder zwischen diesen Elektroden befinden können, wie es in den Figuren 1A bis IC dargestellt ist.

Wenn die Elektroden 6 und 7 an zwei Spannungsquellen mit den Spannungen +V. bzw. -Vp verbunden werden, entsteht zwischen den Elektroden 6 und 7 und teilweise innerhalb dieser Elektroden ein elektrisches Feld 8. Der Flüssigkeitsstrahl 1 wird derart in das Feld 8 eingeführt, daß der Tröpfchenbildungspunkt innerhalb dieses Feldes liegt. Die Flüssigkeit, aus der Flüssigkeitsstrahl 1 besteht, ist, wie es bei Flüssigkeitsstrahlschreibern üblich ist, elektrisch leitfähig und steht über eine Elektrode 9 in der Leitung 5 mit Masse in Verbindung. Als Folge

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davon werden sowohl der Tröpfchenbildungspunkt 4 als auch die Tröpfchen 3 elektrisch geladen.

Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren nach Sweet und Hertz et al hängt der Wert der Ladung der Tröpfchen nicht nur vom Wert, der Signal spannungen V₁ und V_? ab, sondern auch von der Lage des Tröpfchenbildungspunktes 4 bezüglich der ringförmigen Elektroden 6 und 7 und damit auch bezüglich seiner Position im elektrischen Feld 8.

Das Prinzip, auf dem das Verfahren und die Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung basieren, soll anhand des folgenden typischen Beispiels, das jedoch nicht einschränkend auszulegen ist, näher erläutert werden. Man nehme beispielsweise an das V.+100 Volt und Vp-100 Volt einer konstanten Gleichspannung bezüglich Masse sind. Wenn der Tröpfchenbildungspunkt 4 in der Mitte zwischen den beiden Elektroden 6 und 7 liegt, wie es in Fig. 1A dargestellt ist, werden die Tröpfchen überhaupt nicht aufgeladen, da das elektrische Potential am Tröpfchenbildungspunkt bezüglich Masse gleich Null ist. Wenn der Tröpfchenbildungspunkt 4 jedoch in die Elektrode 6 verschoben wird, wie es Fig. 1B zeigt, werden die Tröpfchen wegen des positiven Potentials der Elektrode 6 stark negativ aufgeladen. Aus Fig. 1C ist ersichtlich, daß das Entgegengesetzte Eintritt, wenn der Tröpfchenbildungspunkt in der Elektrode 7 liegt. In diesem Falle werden die Tröpfchen positiv aufgeladen, da an der Elektrode 7 eine negative Spannung bezüglich Masse liegt.

Bei dem obigen Beispiel ändert sich das Potential des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden 6 und 7 längs der Achse des Flüssigkeitsstrahls 1 kontinuierlich von einem positiven Wert auf einen negativen Wert. Da die tatsächliche elektrische Ladung der Tröpfchen davon abhängt, wo die Tröpfchen gebildet werden, d.h. vom Ort des Tröpfchenbildungspunktes 4, kann die Ladung der Tröpfchen dadurch kontinuierlich geändert werden, daß man den Tröpfchenbildungspunkt längs der Achse des Flüssigkeitsstrahls verschiebt. Es sei bemerkt, daß die vorstehende Erläuterung etwas vereinfacht ist, da das elektrische Feld 8 zwischen den Elektroden 6 und 7 durch den ununterbrochenen Teil des Flüssigkeitsstrahls etwas verzerrt wird, der sich vom Auslaß der Düse 2 bis zum Tröpfchenbildungspunkt erstreckt. Da die Flüssigkeit elektrisch leitfähig ist und sich auf Masse-

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potential befindet, kann sie die Verteilung der elektrischen Feldlinien zwischen den Elektroden beeinflussen. In der Praxis ändert dies jedoch nichts Wesentliches an der obigen Erläuterung. Zur Vereinfachung der folgenden Beschreibung der Erfindung sollunter dem Begriff "elektrisches Feld 8" immer das Feld verstanden werden, in dem sich der Tröpfchenbildungspunkt befindet und die Feld verzerrende Wirkung des Flüssigkeitsstrahls 1 wird vernachlässigt.

Der Abstand zwischen der Düse 2 und dem Tröpfchenbildungspunkt 4 ist konstant, wenn die Geschwindigkeit, die Viskosität und die Oberflächenspannung der Flüssigkeit im Strahl sich nicht ändern. Man könnte daher den Tröpfchenbildungspunkt mechanisch ändern, indem man die Düse 2 längs der Achse des Flüssigkeitsstrahls hin- und herbewegt. Wegen der Masse der Düse 2 und der Leitung 5 ist es jedoch nicht möglich, eine solche Bewegung mit größeren Frequenzen zu bewirken,und es ist daher zweckmäßiger, den Tröpfchenbildungspunkt auf andere Weise zu verschieben. Beispiele, wie dies geschehen kann, werden im folgenden erläutert.

Es ist bekannt, daß die Bildung von Tröpfchen aus einem Flüssigkeitsstrahl durch mechanische Schwingungen gesteuert werden kann, die auch den Flüssigkeitsstrahl 1 durch die Düse 2 zur Einwirkung gebracht werden. Dies läßt sich am einfachsten mit Hilfe eines piezoelektrischen Kristalles 10 erreichen, der in effektivem mechanischen Kontakt mit der Leitung δ steht. Wenn an die Elektroden des Kristalles 10 eine elektrische Wechselspannung angelegt wird, führt dieser in bekannter Weise mechanische Schwingungen oder Vibrationen aus. Diese Vibrationen werden durch die Leitung 5 auf die Düse 2 sowie den Strahl 1 übertragen und beeinflussen den Prozeß der Tröpfchenbildung, wenn die Vibrationsfrequenz ungefähr gleich der Eigenfrequenz der Tröpfchenbildung des Flüssigkeitsstrahles ist. Der Einfluß der Schwingungen auf den Flüssigkeitsstrahl bewirkt, daß die Tröpfchenbildungsfrequenz gleich der Schwingungsfrequenz wird und Fördert den Tröpfchenbildungsprozeß selbst. Das resultierende Ergebnis besteht darin, daß die Tröpfchenbildung näher an der Düse stattfindet, wenn auf die Flüssigkeit in der Leitung mechanische Schwingungen zur Einwirkung gebracht werden, als wenn dies nicht der Fall ist. Es wurde festgestellt, daß die Lage des Tröpfchenbildungs-

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Punktes von der Amplitude dieser mechanischen Schwingungen abhängt und daß es daher möglich ist, die Position des Tröpfchenbildungspunktes 4 durch die Amplitude des den Kristall 10 anregenden Wechselspannungssignales zu bestimmen.

Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird daher von der oben erwähnten Tatsache Gebrauch gemacht, daß die Position des Tröpfchenbildungspunktes 4 in einem elektrischen Feld 8 durch eine geeignete Wahl der Amplitude der Wechselspannung gesteuert v/erden kann, die den Kristall 10 anregt. Dies macht es möglich, die Ladung auf den Tröpfchen 3 zu steuern. Da die Tröpfchen wegen der Kristall schwingungen alle die gleiche Masse haben, können Sie bei ihrem Flug zu einer Empfangsfläche 11, z.B. einem Aufzeichnungspapier, in einem im wesentlichen senkrecht zur Richtung des Flüssigkeitsstrahles verlaufenden elektrischen Ablenkfeld derart abgelenkt werden, daß sie die Empfangsfläche 11 an gewünschten Punkten treffen. Die Richtung des Tröpfchenstrahles oder der Tröpfchenfolge kann also über die Amplitude der Wechselspannung gesteuert werden.

In den Figuren 2 und 3 ist eine Ausführungsform einer Einrichtung gemäß der Erfindung zur Steuerung der Richtung eines Flüssigkeitsbzw. Tröpfchenstrahles dargestellt. Eine Flüssigkeit von einem Vorrat wird durch eine Pumpe 13 unter Druck durch die Düse 2 gefördert, so daß aus dieser ein Flüssigkeitsstrahl 1 mit hoher Geschwindigkeit austritt. Unter dem Einfluß mechanischer Schwingungen vom Kristall 10 bricht der Flüssigkeitsstrahl 1 am Tröpfchenbildungspunkt 4 in gleichmäßig beabstandete Tröpfchen 3 gleicher Masse auf. In Abhängigkeit von der Amplitude der mechanischen Schwingungen wird der Tröpfchenbildungspunkt irgendwo auf der Mittellinie oder Achse der beiden ringförmigen oder zylindrischen Elektroden 6 und 7 liegen, die ihrerseits mit zwei Spannungsquellen 14 bzw. 15 verbunden sind. In Fig. 2 sind diese Spannungsquellen beispielsweise so ausgebildet, daß die Elektrode auf einem konstanten positiven Potential +V. und die Elektrode 7 auf einem konstanten negativen Potential -V« liegt. Es ist.jedoch, wie noch gezeigt

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werden wird, auch möglich, andere Polaritäten und/oder veränderliche Spannungen zu verwenden. Wie oben erläutert wurde, bestimmt die Position des Tröpfchenbildungspunktes 4 die Größe der elektrischen Ladung auf den Tröpfchen.

Wie in Fig. 2 und 3 dargestellt ist, fliegen die Tröpfchen 3, die dadurch, daß sie an einem bestimmten Ort im elektrischen Feld 8 gebildet wurden, eine bestimmte Ladung aufweisen, längs eines Weges, der durch ein elektrisches Feld 20 verläuft, das zwischen Ablenkelektroden 16 und erzeugt wird, welche ihrerseits mit einer Spannungsquelle 18 bzw. 19 verbunden sind. Das Ablenkfeld 20 verläuft im wesentlichen senkrecht zur Flugrichtung des Tröpfchenstrahles. Bei dem vorliegenden Beispiel liegt die Ablenkelektrode 16 auf einer konstanten, stark positiven Spannung +V_d und die Elektrode 17 auf einer konstanten, stark negativen Spannung -V.. Diese Polaritäten und Spannungen können selbstverständlich geändert werden. Während die Tröpfchen 3 durch das elektrische Feld 20 fliegen können sie abgelenkt werden, wobei die Größe und Richtung der Ablenkung von der ^welligen Ladung des betreffenden Tröpfchens abhängt. Da diese Ladung wiederum von der Position des Tröpfchenbildungspunktes und damit von der Amplitude der den Kristall 10 regenden Wechselspannung abhängt, kann der Tröpfchenstrahl durch die Steuerung dieser Wechselspannung auf einen bestimmten Punkt der Empfangsfläche 11 gelenkt werden.

Es ist ferner selbstverständlich möglich, bestimmte Tröpfchen, die die Empfangsfläche 11 nicht erreichen sollen, in eine Tröpfchenabfangvorrichtung 21 zu leiten. Die in Fig. 3 dargestellte Tröpfchenabfangvorrichtung 21 enthält ein Röhrchen, das über eine Saugpumpe 22 mit einem Behälter 23 zum Sammeln der Flüssigkeit verbunden ist. DerBehälter 23 kann mit dem Flüssigkeitsvorrat 12 verbunden sein, so daß die Schreibflüssigkeit oder Tinte,die das Aufzeichnungspapier nicht erreicht, rezirkuliert wird. Alternativ kann die Abfangvorrichtung auch eine rasiermesserscharfe Tröpfchenabfangvorrichtung enthalten, die die Flüssigkeit in ein Sammelröhrchen leitet, wie es in der US-PS 39 16 421 beschrieben ist.

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Die Amplitude der mechanischen Schwingungen, die auf die Flüssigkeit in der Leitung 5 zur Einwirkung gebracht wird und damit die letztliche Anordnung der Tröpfchen auf der Empfangsfläche 11 wird durch einen Modulator 24 gesteuert. Die Amplitude der Wechselspannung, die den Kristall erreicht, wird durch den Modulator 24 bestimmt und hängt von einer Signalspannung von einer Signalquelle 25 ab. Die Wechselspannung wird durch einen Oszillator 26 mit einer Frequenz erzeugt, die zumindest annähernd gleich der Resonanzfrequenz des Kristalles 10 und der spontanen Tröpfchenbildungsfrequenz des Flüssigkeitsstrahles 1 ist. Durch eine geeignete Formung des Steuersignals von der Signalquelle können die Tröpfchen daher auf bestimmte Punkte der Empfangsfläche 11 oder in die Tröpfchenabfangvorrichtung 21 gelenkt werden. Wenn die Empfangsfläche mit konstanter Geschwindigkeit im wesentlichen senkrecht zur Achse des Flüssigkeitsstrahls 1 und zum Ablenkfeld bewegt wird, wie es in Fig. 2 durch einen Pfeil angedeutet ist, kann man mit dem Tröpfchenstrahl eine beliebige Kurve, z.B. eine Sägezahnkurve, auf der Empfangsfläche schreiben oder alphanumerische Zeichen oder andere Figuren, z.B. Strichcode aufzeichnen. Das Verfahren und die Einrichtung gemäß der Erfindung lassen sich auf die verschiedenste Weise realisieren und abv/andeln, wie im folgenden beispielsweise gezeigt werden wird.

Für ein einwandfreies Arbeiten einer Einrichtung der in den Figuren und 3 dargestellten Art ist es offensichtlich wichtig, daß die Amplitude der durch den Kristall 10 erzeugten mechanischen Schwingungen den zeitlichen Änderungen der Signalspannung ohne wesentliche Verzögerung folgt. Da Schwingkristalle, wie der Kristall 10, zum Nachschwingen neigen, ist diese Forderung nicht ohne weiteres erfüllt. Dieses Problem läßt sich jedoch dadurch lösen, daß man an dem Kristall 10 eir. Unterlageoder Beschichtungsmaterial 27 anbringt, wie es für die Dämpfung von Kristallen, die für Ultraschallechoverfahren verwendet werden, üblich ist. Die Verwendung eines solchen Unterlagematerials hat außerdem den Vorteil, daß die Resonanzkurve des Kristalls verbreitert und die Erregung des Kristalles in einem breiten Frequenzband möglich wird. Dieses Merkmal kann zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Einrichtung gemäß Fig. 2 und verwendet werden, da durch eine Frequenzänderung die Größe der Flüssigkeits-

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tröpfchen 3 geändert werden kann. Da kleinere Tröpfchen, die eine kleinere Masse haben, im elektrischen Feld 20 stärker abgelenkt werden, als größere Tröpfchen, kann man den Ablenkwinkel des Tröpfchenstrahls durch Steuerung der Amplitude und der Frequenz des den Schwingkristall anregenden Wechselstromes ändern. Die Änderungen der Amplitude und der Frequenz können gleichzeitig oder getrennt durchgeführt werden.

Wenn die Tröpfchen 3 mit hoher Geschwindigkeit auf die Empfangsfläche 11 auftreffen, entsteht ein Flüssigkeitsnebel, der dazu neigt, sich auf den Elektroden 16 und 17 sowie auf den Halterungen dieser Elektroden abzusetzen. Um dies zu vermeiden, ist zwischen den Ablenkelektroden 16 und 17 einerseits und der Empfangsfläche 11 andererseits eine geerdete Abschirmung 28 angeordnet, die im wesentlichen verhindert, daß der Flüssigkeitsnebel zum Elektrodensystem gelangt. Es ist trotzdem vorteilhaft, die Elektroden 6,7, 16 und 17 sowie die Abschirmung 28 aus einem porösen Material herzustellen, das eventuell auftreffende Flüssigkeitströpfchen aufsaugt. Die Flüssigkeit kann dann mit Hilfe einer Saugpumpe aus dem porösen Material abgesaugt werden, wie es im Prinzip aus der US-PS 3 416 153 (Hertz et al) bekannt ist.

Das folgende Beispiel soll eine typische Arbeitsweise der in den Figuren 2 und 3 dargestellten Einrichtung erläutern: Der Flüssigkeitsstrahl 1 hat einen Durchmesser von 15 pm und eine Geschwindigkeit von 30 ms" und er zerfallt in etwa 800 000 Tröpfchen pro Sekunde synchron mit den vom Kristall 10 erzeugten 800 kHz-Schwingungen. Der Abstand zwischen der Mündung der Düse 2 und der Empfangsfläche 11 beträgt etwa 30 mm. Die beiden ringförmigen Elektroden 6 und 7 sind etwa 2mm lang und etwa 1 mm voneinander entfernt. Ihr Innendurchmesser beträgt jeweils 1 mm und sie liegen an einem Gleichpotential von +70 Volt bzw. -70 Volt. Der Abstand zwischen den Ablenkelektroden 16 und 17 beträgt in der unmittelbaren Nachbarschaft der Elektrode 7 etwa 3 bis 4 mm. Dieser Abstand kann jedoch zu dem als Empfangsfläche 11 dienenden Papierstreifen hin zunehmen. Die Längen der Elektroden 16 und 17 betragen etwa 20 mm und sie liegen

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an einem Potential von +3,5 kV bzw. -3,5 kV. Mit dieser Anordnung kann der Strahl um etwa - 5 Grad aus seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt werden. Die im vorstehenden angegebenen speziellen Parameter können bei Verwendung eines Systems der gleichen Konstruktion, wie sie dargestellt und beschrieben wurde, je nach Durchmesser und Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstrahls 1 in verhältnismäßig weiten Grenzen geändert werden.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der Punkt, an dem der Flüssigkeitströpfchenstrahl schließlich auf die Empfangsfläche 11 trifft, ausschließlich durch das elektrische Signal bestimmt, das die Amplitudenmodulation des Erregungsstromes für den Kristall steuert. Eine Abwandlung des- oben beschriebenen Ausführungsbeispiels erlaubt es jedoch, diesen Ort durch ein anderes Signal zu bestimmen, das unabhängig von diesem ersten Signal von der Signalquelle 25 ist. Diese Abwandlung ist aufgrund der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Erkenntnis möglich, daß eine Änderung der elektrischen Ladung auf den Tröpfchen 3 durch gesteuerte Änderung der Stelle des Tröpfchenbildungspunktes im elektrischen Feld 8, in dem die Tröpfchen gebildet werden, möglich ist. Dies bedeutet, daß die geometrische Position des Tröpfchenbildungspunktes 4 oder des elektrischen Feldes 8 oder beide geändert werden können, um die Ladung auf den Tröpfchen 3 zu ändern. Bei der obigen Beschreibung und den obigen Ausführungsbeispielen war angenommen worden, daß sich die Elektrode 9 und dementsprechend auch der Strahl 1 auf Massepotential befinden. Wenn jedoch die Elektrode, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, mit einer neuen Signalquell e 29 verbunden wird, deren Potential mit der Zeit geändert werden kann, läßt sich mit dieser neuen Signalquelle ebenfalls die Ladung auf den Tröpfchen 3 beeinflussen. Dies hat seine Ursache darin, daß die Ladung auf den Tröpfchen durch die Potentialdifferenz zwischen dem elektrischen Feld 8 am Tröpfchenbildungspunkt und den Elektroden 6 und 7 bestimmt wird. Diese Potentialdifferenz kann offensichtlich durch das Signal von der Signalquelle 25 oder das Signal von der Signalquelle 29 oder durch eine Kombination dieser Signale direkt gesteuert werden. Eine ähnliche Steuerung durch ein anderes Signal kann erreicht werden, wenn die beiden Potentialquellen 14 und 15,

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die das elektrische Feld zwischen den Elektroden 6 und 7 beeinflussen, durch eine äußere Signalquelle steuerbar sind. Alternativ kann der als Mittelabgriff dargestellte Masseanschluß am Widerstand 30 von Hand oder elektrisch so verändert werden, daß sich die Potentialdifferenz zwischen dem Flüssigkeitsstrahl 1 und dem elektrischen Feld 8 zwischen den Elektroden 6 und 7 am Tröpfchenbildungspunkt 4 ändert.

Da ungesteuerte von äußeren Einflüssen verursachte Änderungen von Betriebsparametern, wie kleine Schwankungen des Flüssigkeitsdruckes in der Leitung 5, der piezoelektrischen Eigenschaften des Kristalles 10, der Viskosität der die Tröpfchen bildenden Flüssigkeit und dergleichen eine Verschiebung des Tröpfchenbildungspunktes bewirken können, kann es zweckmäßig sein, eine Servosteueranordnung oder Regelung in das die Einrichtung gemäß der Erfindung enthaltende Flüssigkeits- oder Tintenstrahl system einzubauen, um solche von außen verursachten Betriebsschwankungen so klein wie möglich zu halten oder ganz zu beseitigen. Die Verwendung einer solchen Servosteuerung oder Regelung sowie die Wahl der optimalen Betriebsparameter für das jeweilige System kann dem Fachmann überlassen bleiben. Die Verwendung einer weiteren Signalquelle, nämlich der Signalquellen 29, zur Beeinflussung der Trajektorien der Tröpfchen 3 hat verschiedene Vorteile. So ist es beispielsweise möglich, die Modulation der Intensität der Schreibspur unabhängig von der durch die Signalquelle 25 bestimmten Kurvenform zu modulieren. Eine Intensitätsmodulatioη kann auch so bewirkt werden, wie aus der US-PS 3 416 153 (Hertz et al) bekannt ist. Man kann also dadurch, daß man auf die Tröpfchen eines sonst geradlinigen Strahles eine relativ große Ladung aufbringt, bewirken, daß sich der Strahl in einen Spray oder Nebel aus geladenen Tröpfchen auflöst, die im Ablenkfeld 20 so weit abgelenkt werden, daß sie in die Abfangsvorrichtung 21 gerichtet werden.

Alternativ kann die Modulation der Intensität durch Verwendung einer porösen Blende bewirkt werden, wie es in der US-PS 34 16 153 (Hertz et al) beschrieben ist. Wenn die Abschirmung 28 durch eine solche

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Blende ersetzt wird, deren öffnung genau auf der Achse des ungeladenen FlUssigkeitsstrahls liegt, wird jedes Tröpfchen 3, das eine elektrische Ladung trägt, auf die Blende auftreffen und am Erreichen der Empfangsfläche 11 gehindert. Dies bedeutet, daß nur diejenigen Tröpfchen, die frei von jeder elektrischen Ladung sind, für die Bildung des Musters oder der Aufzeichnung auf der Empfangsfläche verwendet werden. Ein Signal von der Quelle 25 und/oder eine Änderung des elektrischen Feldes 8 am Tröpfchenbildungspunkt durch irgendeinen der oben beschriebenen Mechanismen kann also dazu verwendet werden, die Intensität des Strahls an der Empfangsfläche 11 zu modulieren. Verwendet man das in der US-PS 34 16 153 Hertz et al beschriebene Verfahren, so können die Elektroden 16 und 17 sowie die Abfangvorrichtung 21 gänzlich entfallen.

Es ist selbstverständlich möglich, die Form des Elektrodensystems zu ändern ohne vom Grundprinzip der Erfindung abzuweichen, nämlich den Tröpfchenbildungspunkt relativ zum elektrischen Feld zu bewegen. In den Figuren 4, 5 und 6 sind alternative Abwandlungen dargestellt.

Bei der Einrichtung gemäß Fig. 4 sind die Elektroden 7 und 17 zu einer Einheit 31 vereinigt, was die Konstruktion vereinfacht. Die Elektroden 6 und 31 sind dann an eine Gleichspannung von +100 Volt bzw. -100 Volt angeschlossen und die Ablenkelektrode 16 ist mit einer hohen positiven Spannung, z.B. +5 kV verbunden. Das Elektrodensystem mit den Elektroden 6 und 31 ähnelt dem kombinierten Elektrodensystem, das in der US-PS 39 16 421 beschrieben ist. In Fig. 4 bildet ein Teil der Signalsteuerelektrode einen Teil der Tröpfchenablenk- oder Richtungselektrodenanordnung, bleibt jedoch funktionell von dieser verschieden.

Fig. 5 zeigt, daß die Elektroden 6 und 7 voll ständig entfallen können, wenn die Ablenkelektroden 32 und 33 asymmetrisch geformt sind, so daß ein elektrischer Feldgradient längs der Achse des Strahles 1 erzeugt wird. Wenn der Tröpfchenbi'idungspunkt längs dieses Feldgradienten in der oben beschriebenen Weise nach vorne bzw. hinten bewegt wird, ändert sich die Ladung der Tröpfchen und damit ihre Bahn im elektrischen

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Feld 20. Bei Verwendung der Anordnung gemäß Fig. 5 ist es wichtig, daß die plattenförmigen Ablenkelektroden 32 und 33 geeignete geometrische Formen haben und auf dem Betrag nach ungefähr gleichen, in der Polarität jedoch entgegengesetzten Potentialen liegen, so daß das elektrische Potential an einem Punkt längs der Richtung des Strahls den Wert Null hat. Dies ist erforderlich, um den Tröpfchenbildungspunkt des normalerweise auf Massepotential liegenden Flüssigkeitsstrahls an eine Stelle bringen zu können, an der das Potential des elektrischen Feldes Null ist, so daß die Tröpfchen 3 nicht aufgeladen werden und dementsprechend das elektrische Feld 20 geradlinig durchlaufen können.

Fig. 6 zeigt schließlich, daß es möglich ist, die Elektroden 6 und 7 und/oder die Ablenkelektroden 16 und 17 (Fig. 2 und 3) in mehrere kleinere Elektroden zu unterteilen. Dies kann aus Gründen vorteilhaft sein, die für die beiden Typen von elektroden verschieden sind. Der Ersatz der Elektroden 6 und 7 der Einrichtung gemäß Fig. 2 und 3 durch eine Anzahl von Elektrodenringen ergibt ein Elektrodensystem, in dem das die ladung auf den Tröpfchen 3 erzeugende elektrische Feld besser definiert ist. Die Potentiale der verschiedenen Elektroden 34 können unabhängig voneinander mit Hilfe von Schleifern eines Widerstandes 35 eingestellt werden, an dem die Spannung einer Spannungsquelle 36 abfällt. Alternativ können diese Spannungen auch elektronisch gesteuert werden. Man kann auf diese Weise die Feldverteilung längs der Achse des Strahles 11, die für die Bestimmung des Ortes der Tröpfchenbildung wichtig ist, in optimaler Weise wählen. Die Elektroden 34 können auch durch eine leitfähige Spule aus einem Material mit hohen elektrischem Widerstand ersetzt werden. Wenn die beiden Enden einer solchen Spule mit der Spannungsquelle 36 verbunden werden, entsteht in der Spule ein praktisch linearer Potential abfall längs ihrer Achse, auf der der Ort des Tröpfchenbildungspunktes nach vorne bzw. nach hinten bewegt werden kann.

In Fig. 6 sind auch die Ablenkelektroden 16 und 17 (Fig. 2 und 3) unterteilt dargestellt, um zu zeigen, daß auch dies in gewissen Fällen vorteilhaft sein kann. Infolge der gekrümmten Form der Strahl bahn ist es manchmal not-

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wendig, die Elektroden 16 und 17 bezüglich der Achse des Strahls zu neigen, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Dies bedeutet, daß die Feldstärke des Ablenkfeldes 20 längs der Achse des Strahls in Richtung zur Empfangsfläche 11 kleiner wird. Wenn man die Ablenkelektroden 16 und 17 in, z.B. drei kleinere Elektroden 16a bis 16c bzw. 17a bis 17c unterteilt, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, läßt sich das Feld 20 im wesentlichen konstant halten, wenn die Potentiale der Elektroden 16a bis 16c und 17a bis 17c in geeigneter Weise gewählt werden, z.B. mit Hilfe von Widerstandsketten und Spannungsteilern 40a bzw. 40b.

Gemäß wieder einer anderen Ausgestaltung der Erfindung, die bei dem Verfahren und der Einrichtung, die anhand der Figuren 2 und 3 erläutert wurden, verwendet werden kann, wird eine Hilfselektrode, die mit einer Wechselspannungsquelle verbunden ist, deren Frequenz gleich der Tröpfchenbildungsfrequenz ist, so angeordnet, daß sie eine Spannung sehr nahe bei der Düse 2 zur Einwirkung bringt (siehe z.B. auch die US-PS 35 96 275). Indem man die Amplitude der dieser Elektrode zugeführten Wechselspannung mittels eines Eingangssignales steuert, kann man ebenfalls den Tröpfchenbildungspunkt und damit die Ladung auf den Tröpfchen des Strahles steuern.

Fig. 7 und 8 sind eine schematische perspektivische Ansicht bzw. Seitenansicht einer weiteren Einrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform wird die Leitung 5 durch irgendeine geeignete Einrichtung (siehe z.B. die US-PS 25 66 443, Elmquist) um ihre Achse 41 gedreht, so daß der Düse 2 und damit dem Flüssigkeitsstrahl 1 eine Schwingungsbewegung erteilt wird. Diese Schwingungsbewegung hat zur Folge, daß sich der Tröpfchenbildungspunkt auf einem Bogen bewegt. Bei Steuerung des elektrischen Feldes längs dieses Bogens wird die Ladung auf den Tröpfchen vom Ort des jeweiligen Tröpfchenbildungspunktes bei der Bildung des betreffenden Tröpfchens abhängen. Es ist also möglich, die Urter der Tröpfchenbildung auf einen Bogen zu legen. Bei dieser Ausführungsform kann das elektrische Feld z.B. durch eine Anzahl von Elektrodenpaaren 37a bis 37d gesteuert werden. Die beiden Elektroden des Elektrodenpaares 37a sind jeweils mit einer Spannungsquelle, z.B. 38a bzw. 39a verbunden.

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Die Spannungsquellen 38a und 39a bestimmen das Potential längs des Bogens von Tröpfchenbildungspunkten zwischen den beiden Elektroden.

In derselben Weise sind die Elektrodenpaare 37b bis 37d mit entsprechenden Spannungsquellen 38c bis 38d und 39c bis 39d verbunden, die das Potential an der Stelle des Bogens zwischen den jeweiligen Elektrodenpaaren 37b bis 37d bestimmen. Die Spannungsquellen 38b, 38c, 39b und 39c sind in Fig.

der Einfachheit halber nicht dargestellt.

Wie aus Fig. 7 und 8 ersichtlich ist, ändert sich das elektrische Potential generell längs des vom Tröpfchenbildungspunkt 4 durchlaufenen Bogens, wenn die Düse zwei um die Achse 41 gedreht wird. Dies bedeutet, daß die Ladung auf den Tröpfchen 3 von der Position des Tröpfchenbildungspunktes in dem Augenblick der Bildung der Tröpfchen längs des gebogenen Potentialgradienten entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung abhängt.

Pas Prinzip der vorliegenden Erfindung hängt also nicht von der Form und der Anzahl der Elektroden ab, zwischen denen das elektrische Feld 8 erzeugt wird. Die Form dieser Elektroden kann den Erfordernissen des jeweiligen Falles angepaßt werden. In entsprechender Weise können die Beträge und Polaritäten der elektrischen Spannungen, die an diese Elektroden und über die Elektrode 9 in der Leitung 5 an einen Flüssigkeitsstrahl 1 gelegt werden sowie die Signalquelle oder Signalquellen, die zur Verschiebung des Tröpfchenbildungspunktes verwendet werden, von System zu System passend gewählt werden. Die Erfindung läßt sich also auch noch auf andere Weise als oben erläutert wurde, realisieren.

Figur 9 zeigt die Verwendung eines Misch- oder Verbundstrahles (wie er im Prinzip aus der US-PS 41 96 437 ) bekannt ist, bei einer Einrichtung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens. Bei der dargestellten Einrichtung tritt ein primärer Treibflüssigkeitsstrahl 42 unter hohem Druck aus der Düse 2 aus. Die Düse 2 ist in einer nahezu stationären sekundären Flüssigkeit 43 angeordnet, weiche durch eine Pumpe 45 von einem nicht dargestellten Vorrat in ein Gehäuse 46 gefördert wird.

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Das Gehäuse 46 hat eine Öffnung 48, in der die Sekundärflüssigkeit durch ihre Oberflächenspannung gehalten wird, so daß eine dünne Schicht der Sekundärflüssigkeit mit einer freien Strahlaustrittsfläche gebildet wird. Der primäre Flüssigkeitsstrahl 42 nimmt bei seinem Weg durch die Sekundärflüssigkeit 43 etwas von der Sekundärflüssigkeit mit, so daß ein sogenannter Misch- oder Verbundstrahl entsteht, der durch die öffnung 48 austritt und den Tröpfchen 3 aus einer Mischung der beiden Flüssigkeiten zerfällt. Der Ort des Tröpfchenbildungspunktes des Verbundstrahles läßt sich bezüglich eines elektrischen Feldes in der oben beschriebenen Weise bewegen. Ein Misch- oder Verbundstrahl kann bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen und Modifikationen verwendet werden. Es fällt auch in den Rahmen der vorliegenden Erfindung, eine Mehrzahl von Flüssigkeitsstrahlsystemen nebeneinander anzuordnen und die Tröpfchenbildungspunkte der verschiedenen Flüssigkeitsstrahlen unabhängig voneinander durch elektrische Signale zu steuern, wie es oben für einen einzelnen Strahl beschrieber: wurde.

Außer Tinte oder Farbe, die sich für ein Aufzeichnungssystem eignet, können viele andere Fluide oder Flüssigkeiten verwendet werden, um den Flüssigkeitsstrahl zu erzeugen und in der beschriebenen Weise gesteuert zu werden. Die Empfangsfläche 11 kann durch die verschiedensten Materialien gebildet werden, wie Papier, Glas, Metall, Kunststoff oder dergleichen. Die anhand der Figuren 1 bis 9 beschriebenen Einrichtungen sind also keine erschöpfende Darstellung der Realisierungsmöglichkeiten der Erfindung.

Die oben erläuterten Maßnahmen zur Steuerung der den einzelnen Tröpfchen erteilten Ladungen können gegebenenfalls einzeln und in beliebiger Kombination angewendet werden. Die Richtung, in der der Tröpfchenbildungspunkt relativ zum elektrischen Feld verschoben wird, braucht selbstverständlich nicht genau parallel zum Feldgradienten zu verlaufen (was jedoch im allgemeinen den besten Wirkungsgrad ergibt), es genügt, wenn der ff.'lfJfjrrifJienl f-iiu- Komponente ausreichender Größe parallel zur relativer l'eweguricjsr ichtung des Fröpfchenbi Idungspunktes hat.

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BAD ORIGINAL

Claims

PATENTANWA LTe DR. DIETER V. BEZOLD DIPL. ING. PETER SCHÜTZ DIPL. ING. WOLFGANG HEUSLER MAHIA-TMERESIA-STRASSE 22 POSTFACH BC) O2 60 D-8OOO MUENCHEN β6 3 0 4 b 9 SW-PA 7910088 AT: 7. Dezember 1979 SW-PA 8000880-9 AT: 5. Februar 1980 ZUGELASSEN BEIM EUROPAISCHEN PATENTAMT EUROPEAN PATENT ATTORNEYS MANDATAIRES CN BREVKTS EUROPfENS TELEFON 069/4 70 60 06 TELEX S22 638 TELEGRAMM SOMBEZ 10932 Dr.v.B/Schä Carl Hellmuth Hertz Skolbänksvä'gen 8, S-223 67 Lund, Schweden Verfahren und Einrichtung zum Erzeugen eines Strahles aus Flüssigkeitströpfchen Patentansprüche

1. Verfahren zum Erzeugen eines Strahles aus Flüssigkeitströpfchen, die elektrische Ladungen bestimmter Größe und Polarität tragen, bei welchem

a) ein Strahl aus einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit erzeugt wird,, der an einem Tröpfchenbildungspunkt unter Bildung von Flüssigkeitströpfchen zerfällt, und

b) ein elektrisches Feld mit einem Potentialgradienten erzeugt wird, durch das die Flüssigkeitströpfchen fliegen,

dadurch

gekennzeichnet,
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daß

c) der Ort des Tröpfchenbildungspunktes (4) innerhalb des elektrischen Feldes (8) längs des Potentialgradienten und dadurch die elektrische Ladung der Tröpfchen gesteuert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Potentialgradient längs eines Bogens definiert ist und daß der Flüssigkeitsstrahl derart hin- und herbewegt wird, daß die örter des Tröpfchenbildungspunktes auf dem Bogen liegen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Potentialgradient längs des Weges des durch das Feld verlaufenden Flüssigkeitsstrahles verläuft.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn-

z e i c h η e t, daß auf die den Flüssigkeitsstrahl bildende Flüssigkeit mechanische Schwingungen zur Einwirkung gebracht werden, deren Frequenz wenigstens annähernd gleich der Frequenz ist, mit der sich die Tröpfchen bilden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Steuerung der Lage des Tröpfchenbildungspunktes die Amplitude gesteuert wird, mit der die mechanischen Schwingungen zur Einwirkung gebracht werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzei chnet, daß beim Steuern der Lage des Tröpfchenbildungspunktes die Potentialdifferenz zwischen der Flüssigkeit und dem elektrischen Feld gesteuert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzei chnet, daß bei der Änderung der Potentialdifferenz eine variable elektrische Ladung an die Flüssigkeit angelegt wird.

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8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzei chnet, daß bei der Änderung der Potentialdifferenz das Potential des elektrischen Feldes geändert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zei chn e t, daß bei der Steuerung der Lage des Tröpfchenbildungspunktes die Potentialdifferenz zwischen der den Strahl bildenden Flüssigkeit und dem elektrischen Feld geändert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichn et, daß der Flüssigkeitsstrahl durch eine dünne Schicht einer anderen Sekundärflüssigkeit, die eine freie Strahlaustrittsfläche hat, gerichtet wird, um einen zusammengesetzten oder Verbund-Flüssigkeitsstrahl zu bilden, bevor der Tröpfchenbildungspunkt erreicht wird (Fig. 9).

11. Verfahren zum Erzeugen eines Strahles aus Tröpfchen einer Schreibflüssigkeit zum Tintenstrahl schreiben, bei welchem

a) eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit unter Druck

durch eine Düse gepreßt wird, um einen Flüssigkeitsstrahl zu erzeugen, der an einem Tröpfchenbildungspunkt in einen Strahl aus Flüssigkeitströpfchen zerfällt,

b) der Flüssigkeitsstrahl durch ein elektrisches Feld mit einem elektrischen Potentialgradienten gerichtet wird,

dadurch gekenn zeichnet, daß

c) der Ort des Tröpfchenbildungspunktes in dem elektrischen Feld längs des Gradienten und dadurch die Polarität und der Betrag der elektrischen Ladungen auf den einzelnen Tröpfchen gesteuert werden, und

d) die Flugrichtung der geladenen Tröpfchen derart elektrisch gesteuert wird, daß gewünschte Tröpfchen in einem gewünschten Muster auf eine Empfangsfläche gerichtet werden.

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12. Verfahren nach Anspruch 11, dad urch gekenn-

z e i c h η et, daß der elektrische Potentialgradient längs eines Bogens verläuft und daß der Düse eine derartige Oszillationsbewegung erteilt wird, daß die örter des Tröpfchenbildungspunktes auf dem Bogen liegen.

13. Verfahren zum Erzeugen eines Tröpfchenstrahles zum Tintenstrahldrucken, bei welchem

a) eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit unter Druck durch eine Düse unter Bildung eines Flüssigkeitsstrahles gepreßt wird, der an einem Tröpfchenbildungspunkt in einen Strahl aus Flüssigkeitströpfchen zerfällt,

dadur ch gekenn zeichn et, daß

b) der Flüssigkeitsstrahl durch ein elektrisches Feld gerichtet wird, das einen elektrischen Potentialgradienten längs des vom Flüssigkeitsstrahl im Feld durchlaufenen Weges aufweist, um auf die Tröpfchen elektrische Ladung vorgegebener Polarität und Größe aufzubringen,

c) die Lage des Tröpfchenbildungspunktes im elektrischen Feld längs des Gradienten und damit die auf die Tröpfchen aufgebrachten elektrischen Ladungen vorgegebener Polarität und Größe gesteuert werden und

d) die Flugrichtung der geladenen Tröpfchen derart elektrisch gesteuert wird, daß gewünschte Tröpfchen in einem gewünschten Muster auf eine Enipfangsf lache auf treffen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennz e i c h η e t, daß auf die der Düse zugeführte Flüssigkeit mechitnische Schwingungen mit einer Frequenz, die ungefähr gleich der Frequenz ist, mit die Tröpfchen gebildet werden, zur Einwirkung gebracht werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekenn-

zei chnet, daß bei der Steuerung der Lage des Tröpfchenbildungspunktes die Amplitude gesteuert wird, mit der die mechanischen Schwingungen

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zur Einwirkung gebracht werden.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, d a d u r ch gekennze ichn et, daß bei der Steuerung der Lage des Tröpfchenbildungspunktes die Frequenz gesteuert wird, mit der die mechanischen Schwingungen zur Einwirkung gebracht werden.

17. Verfahren nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Steuerung der Lage des Tröpfchenbildungspunktes die Potentialdifferenz zwischen der Flüssigkeit und dem elektrischen Feld geändert wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadu rch gekennze i c h η et, daß bei der Änderung der Potentialdifferenz eine variable elektrische Ladung an die Flüssigkeit angelegt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzei chnet, daß bei der Änderung der Potential differenz das Potential des elektrischen Feldes geändert wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, d a d u r ch gekennzei chnet, daß bei der Steuerung der Lage des Tröpfchenbildungspunktes die Potentialdifferenz zwischen der Flüssigkeit und dem elektrischen Feld geändert wird.

21. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß man die elektrisch geladenen Tröpfchen bei der elektrischen Steuerung ihrer Flugrichtung derart durch ein elektrisches Ablenkfeld fliegen läßt, daß Betrag und Richtung der Ablenkung der Tröpfchen von ihrer jeweiligen elektrischen Ladung abhängen.

22. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennze i chn e t, daß man die elektrisch geladenen Tröpfchen bei der elektrischen Steuerung ihrer Flugrichtung durch ein elektrisches Feld fliegen läßt, das eine Zerstäubung der Tröpfchen mit Ausnahme der ladungsfreien Tröpfchen

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bewirkt, und daß die zerstäubten Tröpfchen aufgefangen werden.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichn e t, daß

man den Flüssigkeitsstrahl durch eine dünne Schicht einer anderen^, sekundären Flüssigkeit treten läßt, die eine freie Strahlaustrittsfläche aufweist und mit dem Flüssigkeitsstrahl einen Verbundstrahl bildet, bevor der Tröpfchenbildungspunkt erreicht wird (Fig. 9).

24. Einrichtung zum Erzeugen eines Strahles aus Flussigkeitströpfchen, die bestimmte elektrische Ladungen tragen, mit

a) einer Düsenanordnung (2),

b) eine Anordnung (13) zum Ausstoßen eines Flüssigkeitsstrahles (1) unter Druck aus der Düsenanordnung (2), der an einem Tröpfchenbildungspunkt (4) in Tröpfchen (3) zerfällt, die einen Tröpfchenstrahl bilden und

c) einer Tröpfchensteuerelektrodenanordnung (6,7) zum Erzeugen eines elektrischen Feldes, durch das der Flüssigkeitsstrahl verläuft und in dem sich der Tröpfchenbildungspunkt befindet und das einen elektrischen Potentialgradienten aufweist,

gekennzeichnet durch

d) eine Anordnung zur Steuerung des Ortes des Tröpfchenbildungspunktes (4) in dem elektrischen Feld längs des Gradienten zur Steuerung der elektrischen Ladung auf den Tröpfchen (3).

25. Einrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Potential gradient des Feldes längs eines Bogens definiert ist und daß eine Vorrichtung vorgesehen ist, die den Flüssigkeitsstrahl derart hin- und herbewegt, daß die örter des Tröpfchenbildungspunktes auf dem Bogen liegen (Fig. 7).

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26. Einrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennz e i chnet, daß der Potentialgradient des Feldes (8) längs des Weges verläuft, auf dem der Flüssigkeitsstrahl durch das Feld läuft.

27. Einrichtung nach Anspruch 24, gekennzei chnet durch eine Vorrichtung, die auf die den Flüssigkeitsstrahl bildende Flüssigkeit mechanische Schwingungen zur Einwirkung bringt, deren Frequenz wenigstens annähernd gleich der Frequenz ist, mit der sich die Tröpfchen bilden.

28. Einrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzei chnet, daß die Vorrichtung zum Steuern der Lage des Tröpfchenbildungspunktes eine Anordnung (24) zur Änderung der Amplitude der auf die Flüssigkeitseinwirkung gebrachten mechanischen Schwingungen enthält.

29. Einrichtung nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Steuerung der Lage des Tröpfchenbildungspunktes eine Anordnung zur Änderung der Frequenz, mit der die mechanischen Schwingungen zur Einwirkung gebracht werden, enthält.

30. Einrichtung nach Anspruch 24, 27, 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Steuern des Ortes des Tröpfchenbildungspunktes eine Anordnung zur Änderung der Potentialdifferenz zwischen der Flüssigkeit und dem elektrischen Feld enthält.

31. Einrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzei chnet, daß die Anordnung zum Ändern der Potentialdifferenz eine Anordnung zum Anlegen einer veränderlichen elektrischen Ladung an die Flüssigkeit enthält.

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32. Einrichtung nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekenn zeichne t, daß die Anordnung zur Änderung der Potentialdifferenz eine Anordnung zur Änderung des Potentials des elektrischen Feldes enthält.

33. Einrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Steuern des Tröpfchenbildungspunktes eine Anordnung zur Änderung der Potentialdifferenz zwischen der den Strahl bildenden Flüssigkeit und dein elektrischen Feld enthält.

34. Einrichtung nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (26), die den Flüssigkeitsstrahl (42) durch eine andere sekundäre Flüssigkeit (43), die eine freie Strahlaustrittsfläche aufweist, treten läßt, so daß sich ein Verbundstrahl bildet, bevor der Tröpfchenbildungspunkt (47) erreicht ist (Fig. 9).

35. Einrichtung zum Erzeugen eines Strahles aus Flüssigkeitströpfchen zum Tintenstrahldrucken mit

a) einer Düsenanordnung,

b) einer Anordnung zur Bildung eines zur Aufladung

der Tröpfchen dienenden elektrischen Feldes, in dem ein elektrischer Potentialgradient herrscht,

c) eine Anordnung, die eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit von einer Flüssigkeitsquelle durch eine Leitung und durch die Düse drückt, so daß aus dieser ein Flüssigkeitsstrahl austritt, der durch das elektrische Feld geht und an einem innerhalb des elektrischen Feldes liegenden Tröpfchenbildungspunkt in einzelne Tröpfchen zerfällt,

d) eine Empfangsflächenanordnung, und

e) eine Elektrodenanordnung zur Steuerung der Flugrichtung der Tröpfchen, mit der gewünschte Tröpfchen in einem vorgegebenen Muster auf die Empfangsflächenanordnung gerichtet werden können,

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gekenn zeichnet durch

f) eine Anordnung zum Steuern des Ortes des Tröpfchenbildungspunktes in dem elektrischen Feld längs des Gradienten, so daß die Tröpfchen elektrische Ladungen gewünschter Polarität und gewünschter Größe annehmen.

36. Einrichtung nach Anspruch 35, dadurc h gekennzeichnet, daß die Anordnung (37a bis 37d) zur Bildung des die Tröpfchen aufladenden elektrischen Feldes ein Feld mit einem elektrischen Potentialgradienten längs eines Bogens erzeugt und daß eine Vorrichtung vorgesehen ist, die die Düse derart hin- und herzubewegen gestattet, daß die örter des Tröpfchenbildungspunktes auf dem Bogen liegen (Fig. 7).

37. Einrichtung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zum Erzeugen des die Tröpfchen

(3) elektrisch aufladenden elektrischen Feldes mehrere Paare beabstandeter Elektroden (37a bis 37d) enthält, die in einer bogenförmigen Konfiguration angeordnet sind und jeweils zwischen sich einen Teil des elektrischen Feldes einschließen.

38. Einrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Potentialgradient im wesentlichen längs des Weges verläuft, auf dem Flüssigkeitsstrahl durch das Feld geht und daß die örter des Tröpfchenbildungspunktes auf diesem Wege liegen.

39. Einrichtung nach Anspruch 38, .dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zum Erzeugen des die Tröpfchen aufladenden elektrischen Feldes mehrere ringförmige Elektroden (6, 7) sowie eine Spannungsquellenanordnung (14, 15) zur Erzeugung des elektrischen Potentialgradienten enthält.

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40. Einrichtung nach Anspruch 39, dadurch gekennzei chnet, daß eine Signalquellenanordnung zur Steuerung der Spannungsquellenanordnung und damit der Größe des Potentials längs des Gradienten vorgesehen ist.

41. Einrichtung nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Bildung des die Tröpfchen aufladenden Feldes und die Elektrodenanordnung zur Steuerung der Richtung der Tröpfchen kombiniert sind.

42. Einrichtung nach Anspruch 38, dadurch gekennz e i chnet, daß der Leitung (5) eine Anordnung

(10) zugeordnet ist, die auf die der Düse (2) zugeführte Flüssigkeit mechanische Schwingungen zur Einwirkung zu bringen gestattet, deren Frequenz wenigstens annähernd gleich der Frequenz ist, mit der sich die Tröpfchen bilden.

43. Einrichtung nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichne t, daß die Vorrichtung zur Steuerung der Lage des Tröpfchenbildungspunktes (4) eine Anordnung (24) zur Steuerung der Amplitude der zur Einwirkung gebrachten mechanischen Schwingungen enthält.

44. Einrichtung nach Anspruch 42 oder 43, dadurch gekennzeichne t, daß die Vorrichtung zum Steuern der Lage des Tröpfchenbildungspunktes (4) eine Anordnung zur Änderung der Frequenz, mit der die mechanischen Schwingungen zur Einwirkung gebracht werden, enthält.

45. Einrichtung nach Anspruch 43, dadurch gekennzei chnet, daß die Anordnung zum Ändern der Amplitude eine Quelle (25) für ein veränderliches Signal enthält.

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46. Einrichtung nach Anspruch 43, da durch gekenn-

z e i c h η e t, daß die Vorrichtung zum Steuern der Lage des Tröpfchenbildungspunktes eine Anordnung (29) zur Änderung der Potentialdifferenz zwischen der Flüssigkeit und dem elektrischen Feld enthält.

47. Einrichtung nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Änderung der Potential differenz eine Anordnung zum Anlegen eine veränderlichen elektrischen Ladung an die Flüssigkeit enthält.

48. Einrichtung nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zum Anlegen einer elektrischen Ladung an die Flüssigkeit eine Quelle für ein veränderliches Signal enthält.

49. Einrichtung nach Anspruch 43, dadurc h gekenn-

z e i ch η e t, daß die Anordnung zur Änderung der Potentialdifferenz eine Anordnung zur Änderung des Potentiales des elektrischen Feldes enthält.

50. Einrichtung nach Anspruch 49, dadurch geken nz e ichnet, daß die Anordnung zur Änderung des Potentials des elektrischen Feldes eine Quelle für ein veränderliches elektrisches Signal enthält.

51. Einrichtung nach Anspruch 43, dad urch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Steuern der Lage des Tröpfchenbildungspunktes eine Anordnung zur Änderung der Potentialdifferenz zwischen der Flüssigkeit und dem elektrischen Feld enthält.

52. Einrichtung nach Anspruch 35, dadurch geken n-

z e i ch η e t, daß die Elektrodenanordnung zur Änderung der Flugrichtung der Tröpfchen eine Vorrichtung zur Bildung eines elektrischen Äblenkfeldes enthält, so daß die Größe und die Richtung der Ablenkung der Tröpfchen von deren elektrischen Ladung abhängt.

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53. Einrichtung nach Anspruch 52, dadurch gekennz e i ch η e t, daß die Anordnung zum Erzeugen des elektrischen Ablenkfeldes beabstandete Elektroden (16, 17) und eine Anordnung (18, 19) zum Erzeugen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen diesen Elektroden enthält und daß eine geerdete Abschirmanordnung (28) zwischen diesen Elektroden (16,17) und der Empfangsfläche (11) vorgesehen ist.

54. Einrichtung nach Anspruch 52, dad urch gekennzeichnet, daß die Anordnung zum Erzeugen des elektrischen Ablenkfeldes mehrere Paare beabstandeter Elektroden (16a, 17a; 16b, 17b; 16c, 17c) enthält, daß der Abstand zwischen den Elektroden der aufeinanderfolgenden Paare mit zunehmendem Abstand vom Tröpfchenbildungspunkt größer wird, und daß eine Anordnung vorgesehen ist, die zwischen den Elektroden jedes Paares eine elektrische Potentialdifferenz solcher Größe erzeugt, daß das Potential längs der Flugrichtung der Tröpfchen durch das elektrische Ablenkfeld im wesentlichen konstant bleibt (Fig. 6).

55. Einrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichne t, daß die die Tröpfchen richtende bzw. beeinflussende Elektrodenanordnung eine Anordnung zum Erzeugen eines elektrischen Feldes aufweist, das ein Zerstreuen und das Sammeln aller Tröpfchen mit Ausnahme von ladungsfreien Tröpfchen, bewirkt.

56. Einrichtung nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnugn zum Erzeugen eines elektrischen Feldes beabstandete poröse Elektroden enthält, denen eine Vakuumpumpenanordnung zugeordnet ist, durch die die zerstäubten Tröpfchen zu einer Sammelvorrichtung abgesaugt werden.

57. Einrichtung nach Anspruch 35, ge kennzeichnet durch eine Vorrichtung (46), die den Flüssigkeitsstrahl durch eine dünne Schicht einer anderen Sekundärflüssigkeit, die eine freie Strahlaustrittsflache aufweist, so daß vor dem Erreichen des Tröpfchenbildungspunktes ein Mischstrahl entsteht, treten läßt.

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