DE2942280A1

DE2942280A1 - Tintenstrahlschreiber

Info

Publication number: DE2942280A1
Application number: DE19792942280
Authority: DE
Inventors: Augustus Warren Winfield
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1978-11-09
Filing date: 1979-10-19
Publication date: 1980-05-22
Also published as: US4312007A; CA1132175A; GB2034947B; AU5248279A; FR2440833A1; GB2034947A

Description

Int. Az.: Case 1367 % 9. Oktober 1979

Hewlett-Packard Company

TINTENSTRAHLSCHREIBER

Die Erfindung betrifft einen Tintenstrahlschreiber gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Piezo-elektrisch betätigte Tintenstrahl-Schreibköpfe sind bekannt (z.B. US-PS 3 747 120 und US-PS 3 940 773). Aus der US-PS 4 072 958 ist überdies eine Methode zur Steuerung eines solchen Schreibkopfes im Zusammenhang mit einer Faksimile-Linrichtung bekannt. Die wesenl.l ichcn Lehren der yenanuten Vorveröffentlichungen sind dabei folgende.

Die von einem elektrisch angesteuerten piezo-elektrischen Kristall ausgeführte mechanische Bewegung wird zum Antrieb einer Membran benutzt, welche ihrerseits eine kleine Menge Tinte aus einer Kammer durch eine kleine öffnung drückt, derart, dai3 die ausgestossene Tinte auf ein Blatt Papier in der Nähe der öffnung auftrifft. Die Geometrie der Kammer, die Große der öffnung und die Art des Kristalls können so ausgewählt werden, daß bei jeder Periode der mechanischen Bewegung des Kristalls genau ein Tropfen Tinte ausgestossen wird. Wird der Kristall nicht angeregt, verhindert die Ober-

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flächenspannung, daß Tinte durch die öffnung austritt.

Bei Schreibern dieses Typs tritt das Problem auf, daß falsche Tintentropfen infolge ungewollter Resonanzen der Tinte in der Kammer auftreten können. Die Resonanzen werden sowohl durch verschiedene Datenmuster als auch durch Erhöhung der Tropfenerzeugungsgeschwindigkeit verschlimmert. Die falschen Tropfen haben die Wirkung, daß die Qualität des geschriebenen Bildes sichtbar verschlechtert wird. Um mit diesem Problem fertig zu werden, wird gemäß US-PS 4 072 958 vorgeschlagen, den Schreibkopf kontinuierlich auf einem Pegel anzuregen, der unterhalb eines Schwellwertes für das Ausstossen von Tropfen liegt, wobei der Tropfenausstoß durch synchronisierte Erhöhung der Anregungsamplitude erfolgt. Ein Nachteil dieser Methode besteht in dem Erfordernis, daß die Erzeugung des Tropfens mit einem Oszillator mit Hilfe eines NuI ldurchgangsdetektors synchronisiert, werden muß. Mögliche Veränderungen der Trommelgeschwindigkeit werden dabei nicht berücksichtigt.

Aus weiter unten erwähnten Gründen war es erwünscht, ein Steuerschema für den Schreibkopf zu verwenden, das eine kontinuierliehe Veränderung der Winkelgeschwindigkeit der Trommel toleriert. Bei dem Steuerschema der letztgenannten Patentschrift wurde jedoch versucht, ohne Berücksichtigung der Veränderungen

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der Trommel geschwindigkeit auszukommen. Dabei war die Plazierung der Tropfen auf dem Papier völlig unakzeptabel, obwohl der Schreibkopf selbst gut arbeitete.

Es wurde dann folgende Variation eingeführt. Die Frequenz der kontinuierlichen Anregung auf niedrigem Pegel wurde so geregelt, daß sie den Veränderungen der Winkelgeschwindigkeit der Trommel folgte. Immer wenn Tropfen benötigt wurden, wurde eine Amplitudenmodulation an den Nulldurchgangspunkten benutzt, um die Anregung auf Pegel zu erhöhen, die für einen

1Ü Tintenausstoß ausreichten. Durch dieses Schema war eine Korrektur der l'osi Lionsijoti.Hiigki· i L der I rupf onpla/ ieruiuj möglich, jedoch stellte sich heraus, daß die Qualität der Tropfen (Größe, Tendenz zur Erzeugung falscher Tropfen) sehr schwer zu steuern war. Der Hauptgrund für diese Schwierigkeit hängt mit der Tatsache zusammen, daß die Anregungsschwelle für Tropfenausstoß und der optimale Wert der Anregung für den Tropfenausstoß sich in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz andern. Nun war es aber gerade diese Frequenz, die in Abhängigkeit von der Änderung der Winkelgeschwindigkeit der rotierenden zylindrischen Trommel verändert wurde.

Das Ergebnis dieser Experimente war die Aufgabe der Versuche, eine Daueranregung auf niedrigem Pegel mit Amplitudenmodulation zu benutzen. Es war zu schwierig, eine wirksame Steuerung zu

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erreichen, so daß eine wesentliche Verschlechterung der Qualität des Druckergebnisses zu vermeiden war, wenn kontinuierliche Veränderungen der Winkelgeschwindigkeit der Trommel vorhanden waren.

Der Erfindung gemäß dem Patentanspruch liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tintenstrahlschreiber zu schaffen, der auch unter ungünstigen Bedingungen (z.B. ungewollte Resonanzen, unregelmäßiger Trommelantrieb) ein sauberes Schriftbild liefert.

Erfindungsgeinäß wird zur Ansteuerung des Schreibkopfes ein triggerbarer Einzelzyklus-Sinusgenerator benutzt. Der Einzelzyklus-Sinusgenerator wird mittels eines Datenstroms getriggert, welcher mit der Rotation der Trommel synchronisiert ist. Die Synchronisation wird benötigt, da für den Antrieb der Trommel ein Schrittmotor benutzt wird, der zwar eine genaue mittlere Winkelgeschwindigkeit liefert, bei dem jedoch kleine Abweichungen in der Momentanwinkelgeschwindigkeit auftreten, die sonst zu einer merklichen Verschlechterung des Schreibergebnisses führen können.

Ά) L)as gebräuchlichste Verfahren zum Trommelantrieb besteht in der Zufuhr eines kontinuierlichen Drehmomentes im Gegensatz zum Impulsdrehnioment bei Verwendung eines Schrittmotors. Es

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liegt an der Impulsnatur des aufgebrachten Drehmomentes, daß die Änderungen in der Winkelgeschwindigkeit der Trommel auftreten. Die nachteiligen Effekte dieser Änderungen lassen sich jedoch durch Synchronisation beseitigen, und der Schrittmotor läßt sich mit Vorteil für die Positionierung der Trommel auf vorgewählte Positionen benutzen, während automatisch Papier zugeführt wird. Außerdem bieten Schrittmotoren eine hohe Zuverlässigkeit und verursachen wenig Funkstörungen, was sie bei der Auswahl des Trommelantriebs attraktiv macht.

Die Benutzung eines triggerbaren Einzelzyklus-Sinusgenerators zur Schreibkopfansteuerung hat folgende Vorteile. Da die Periode des den Schreibkopf ansteuernden Signals konstant ist, bleibt auch der Optimalwert der Anregung relativ konstant, auch wenn das Signal in unregelmäßigen Abständen zugeführt wird.

Kurz gesagt, der Schreibkopf "sieht" bei jedem Tropfen die gleiche Art und Weise der Ansteuerung und reagiert darauf im wesentlichen auf konstante Weise, sogar wenn die äußeren Umstände der Trommel geschwindigkeit und des Datenmusters sich ändern.

2Ü Die Kombination von Synchronisation und triggerbarer Ansteuerung bewirkt sowohl eine Genauigkeit bei der Tropfenpositionierung als auch Tropfen guter Qualität.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen

Figur 1 einen Längsschnitt durch einen typischen piezo-elektrisch betriebenen Tintenstrahl-Schreibkopf, der sich für die

Anwendung im Zusammenhang mit der Erfindung eignet;

Figur 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Tintenstrahl-Schreibers mit einem Schreibkopf gemäß Figur 1 und den Synchronisations- und Anregungsprinzipien gemäß der Erfindung; und

Figur 3 ein vereinfachtes Signalkurvendiagramm zur Erläuterung der Betriebsweise des Tintenstrahl Schreibers gemäß Figur 2.

Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Tintenstrahl-Schreibkopf 25, der elektrisch angesteuert und piezo-elektrisch betrieben wird. Eine Tintendruckkamnier 3 wird durch einen Hohlraum in einem Gehäuse 31 und eine Metallmembran 2 gebildet, welche dünn genug ist, daß sie durch einen piezo-elektrischen Kristall 1 ausgebogen werden kann, der auf ihr befestigt ist. Am piezo-elektrischen Kristall 1 sind in der dargestellten Weise elektrische Leiter angeschlossen, derart, daß sich der Kristall ausbiegt, wenn ihm ein elektrisches Signal zugeführt

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Int. Az.: Case 1367 - 8 -

wird. Die Richtung der Ausbiegung läßt sich durch entsprechende Polarität der angelegten Spannung steuern. Wenn sich der Kristall in der einen Richtung ausbiegt, wird Tinte durch eine Auslaßöffnung 4 gepresst. Wenn sich der Kristall in der anderen Richtung ausbiegt, wird Tinte in ein Nachfüllreservoir 5 und außerdem in die Tintendruckkammer 3 gesaugt. Eine Tintenzuleitung 7 sorgt für Nachschub von Tinte aus einem nicht dargestellten Reservoir zu einem Tinteneinlaß 6, von wo aus die Tinte dem Nachfüllreservoir 5 zur Verfugung steht.

JO Die Geometrie der inneren Tintendruckkammer 3 und die Abmessungen des Auslaßöffnung 4 sind bei gegebener Volumenänderung in der Druckkammer 3 aufgrund der Wirkung des Kristalls 1 so gewählt, daß bei jeder Ausbiegung des Kristalls 1 ein einziges Tintentröpfchen ausgestoßen wird. Die Amplitude des den Kristall 1 ansteuernden Signals ist ebenfalls wichtig. Größere Amplituden bewirken größere Ausbiegungen. Somit muß außer der Geometrie des Tintenstrahl-Schreibkopfes auch die Amplitude des Ansteuerungssignals optimiert werden.

Figur 2 zeigtein vereinfachtes I31ockschaltbild eines synchrony, nisierten Tintenstrahlschreiber. Dieser arbeitet wie folgt.

Eine Hauptoszillatoranordnung 8 enthält einen Oszillator und einen Frequenzteiler und erzeugt ein Signal "HAUPTTAKT" (A).

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ORIGINAL INSPECTED

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Dieses Signal dient zur allgemeinen Festlegung der Geschwindigkeit, mit der sich eine zylindrische Trommel 11 dreht. "HAUPTTAKT" wird einer Trommel steuerung 9 zugeführt, deren Funktion darin besteht, jeden Impuls von "HAUPTTAKT" in den nächstfolgenden Schritt eines Schrittmotors 10 für den Antrieb der Trommel 11 umzusetzen. Der Schrittmotor 10 ist mit der zylindrischen Trommel 11 mechanisch verbunden und versetzt sie in eine im wesentlichen gleichförmige Drehbewegung. Aufgrund der Natur des Schrittmotors sind jedoch kleine lokale Abweichungen in der Winkelgeschwindigkeit der zylindrischen Trommel möglich.

Auf die Trommel 11 ist Papier 12 aufgewickelt, welches beschrieben werden soll. Die Drehung der Trommel bewirkt eine Lä'ngsverschiebung zwischen Papier und einem Schreibkopf 25, während mittels einer Schraubspindel 30 der Schreibkopf 25 in Querrichtung relativ zum Papier 12 verschiebbar ist.

Ein Drehmelder 13 dient als digitales Tachometer zur kontinuierlichen Messung der Winkelgeschwindigkeit der Trommel 11. Ein wichtiger Aspekt dieser Messung ist die Möglichkeit, Änderungen in der Winkelgeschwindigkeit zu registrieren, auch wenn es sich nur um wenige Grad Abweichung in der Rotation handelt. Der im vorliegenden Ausführungsbeispiel benutzte Drehmelder hat zwei Ausgangskanäle mit gegenseitiger Phasenverschiebung von 90¹¹

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Int. Az.: Case 1367 - 10 -

und 720 Impulsen pro Umdrehung. Einem dieser Kanäle wird ein Signal "RANDTAKT" (C) entnommen. Die beiden Kanäle werden in einem EXKLUSIV-ODER-Glied 14 miteinander verknüpft, so daß ein Signal "PUNKTTAKT" (B) mit 1440 Impulsen pro Umdrehung entsteht. "PUNKTTAKT" repräsentiert sowohl die Winkelgeschwindigkeit der Trommel 11 als auch die Plätze der verschiedenen Tropfenpositionen längs des zylindrischen Verschiebeweges des Papiers.

Zu schreibende Daten werden einem Pufferspeicher 16 zugeführt.

Es kann sich sowohl um Daten für Zeichen als auch um Daten für graphische Darstellungen handeln. Der Pufferspeicher 16 muß zumindest eine vollständige Zeile von Zeichen speichern können, bzw. im Falle von Daten für graphische Darstellungen eine vollständige Reihe von Schriftpunkten, die jeder aus einem oder mehreren Tintentropfen gebildet werden.

Vom Pufferspeicher 16 gelangen die Daten zu einem Tropfenstromgenerator 22, dessen Funktion darin besteht, eine Folge von logischen Werten zu erzeugen, die die Tropfen darstellen, die für die laufende zu druckende horizontale Reihe benötigt werden. Im Fall von Zeichen führt der Tropfenstromgenerator eine Zeichen-/Tropfenreihe-Umwandlung durch, die im wesentlichen ähnlich der Umwandlung bei thermischen Druckern ist. Im Fall von graphischen Daten wird vom Pufferspeicher 16 ein beliebiger

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Int. Az.: Case 1367 - 11 -

Datenstroin für Schreibpunkte bereitgestellt, von denen jeder in eine entsprechende Anzahl von Tropfen verwandelt werden muß. Das Ausgangssignal des Tropfenstromgenerators 22 ist mit "TROPFENDATEN" (H) bezeichnet. "TROPFENDATEN" besteht aus einer Reihe von logischen Werten, von denen jeder einer Tropfenposition entspricht und von denen jeder festlegt, ob bei dieser Position ein Tropfen auftreffen soll oder nicht. Änderungen in den logischen Werten von "TROPFENDATEN" werden mit dem wiederkehrenden Auftreten der Kante des Druckraums auf dem Papier synchronisiert, wenn sich die zylindrische Trommel 11 dreht. Außerdem sind sie mit "PUNKTTAKT" synchronisiert. Die Ränder der Drucksache sind daher gerade, und Tropfen in ähnlichen Positionen in aufeinanderfolgend geschriebenen Zeilen sind miteinander ausgerichtet, auch wenn Abweichungen in der Winkelgeschwindigkeit der zylindrischen Trommel 11 vorhanden sind. Die Synchronisation erfolgt wie im folgenden beschrieben.

Das Signal "RANDTAKT" wird mittels eines Teilers 15 durch dividiert. Der Teiler 15 ist ein Zähler, der auf eine vorprogrammierte Zählung voreingestellt werden kann. Der Zähler zählt herunter und gibt einen Ausgangsimpuls ab, wenn die Zählung bei Null ankommt. Dann stellt sich der Zähler automatisch zurück auf den vorprogrammierten Zählwert, und der Prozess wiederholt sich. Der Ausgangsimpuls des Teilers 15

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wird in einem UND-Glied 17 mit einem Signal "DATEN GÜLTIG" (D) verknüpft, welches vom Pufferspeicher 16 kommt. Das UND-Glied 17 erzeugt ein Signal "VORDERKANTE" (E). Dieses Signal setzt ein Flipflop 18. Die Bedeutung des gesetzten Flipflops 18 besteht darin, daß die Vorderkante bzw. der Anfangsrand des Druckraums auf dem Papier unter den Schreibkopf gekommen ist, und daß außerdem gültige Daten zum Schreiben verfügbar sind. Wenn das Flipflop 18 gesetzt ist, ist sein Q-Ausgang "1". Dieses Ausgangssignal ist mit "AUF SEITE" (F) bezeichnet.

"AUF SEITE" wird in einem UND-Glied 19 mit "PUNKTTAKT" verknüpft, wobei ein Signal "DATENTAKT" (G) entsteht. "DATENTAKT" ist das Taktsignal für die Synchronisierung der Erzeugung der logischen Werte von "TROPFENDATEN" durch den Tropfenstromgenerator.

Zusätzlich wird "AUF SEITE" in einem UND-Gatter 20 mit "PUNKTTAKT" verknüpft, wodurch ein Signal "OKGO" (J) entsteht. "OKGO" wird mittels eines Teilers 21 (der ähnlich wie der Teiler 15 aufgebaut ist) durch 1152 dividiert, wodurch ein Signal "HINTERKANTE" (K) entsteht, welches den Zweck hat, das Flipflop 18 zurückzustellen. "HINTERKANTE" zeigt an,daß das hintere Ende bzw. der andere Rand des Druckrauins unter den Schreibkopf gekommen ist und daß mit Schreiben aufgehört werden soll. Durch die Rückstellung des Flipflops 18 verschwindet "AUF SEITE" und demzufolge auch "DATENTAKT". Dadurch wird wiederum der Tropfenstromgenerator 22 gehemmt, weitere Ausgangsimpulse zu erzeugen.

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Ein zusätzlicher Aspekt des Betriebs des Tintenstrahl Schreibers gemäß Figur 2 betrifft ein Initialisierungssignal "INIT". Dieses Signal wird von einer nicht dargestellten Schaltung geliefert, die den gesamten Schreibbetrieb startet, sobald ein neues Blatt Papier eingelegt worden ist. Die Details der Erzeugung dieses Signals liegen außerhalb des vorliegenden Erfindungsgedankens, jedoch sind seine Wirkungen hier wesentlich, sobald es erzeugt ist.

"INIT" richtet den gesamten Synchronisationsprozess mit dem Anfangsrand des Papiers aus. Auf "INIT" hin positioniert die Trommelsteuerung 9 die Trommel 11 so, daß der Anfangsrand sich unter der Ausstossöffnung des Tintenstrahl-Schreibkopfes 25 befindet. Außerdem positioniert eine Schraubspindel-Steuerung 28 auf das Signal "INIT" hin den Schreibkopf 25 an das obere Ende der Seite. Die Teiler 15 und 21 werden zurückgestellt, ebenso das Flipflop 18. Die Trommel drehung beginnt, nachdem "INIT" verschwunden ist. Wenn die Trommel 11 sich zu drehen beginnt und auf Geschwindigkeit beschleunigt, verfolgt das Synchronisierungsschema richtig die Position des Druckraums unter dem Schreibkopf 25.

Das Signal "OKGO" wird auch einem Zeilenfüllungsgenerator 27 zugeführt, der wiederum eine Anzahl von Impulsen an die Schraubspindel-Steuerung 28 abgibt. Der Zeilenfüllungsgene-

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rator 27 erzeugt eine Anzahl von Schritten für die Schraub-

zu Spindelsteuerung für jede Zeile von/druckenden Punkten. Die Schraubspindelsteuerung 28 erzeugt einen Schritt in einem die Schraubspindel 30 antreibenden Schrittmotor 29 bei jedem Impuls, den sie vom Zeilenfüllungsgenerator 27 empfängt. Der Schrittmotor 29 dreht die Schreibspindel 30, welche ihrerseits den Schreibkopf 25 quer über das Papier bewegt.

Das synchronisierte Ausgangssignal des Tropfenstromgenerators 22, d.h. "TROPFENDATEN" wird dem triggerbaren Einzelzyklus-Sinusgenerator 23 zugeführt. Dessen Funktion besteht darin, einen einzelnen Zyklus einer Sinuskurve bei jedem logischen Wert von "TROPFENDATEN" zu erzeugen, welcher einen Tropfen repräsentiert. Triggerbare Einzelzyklus-Sinusgeneratoren sind an sich bekannt. Ein Beispiel ist der Funktionsgenerator 3310 von Hewlett-Packard.

Die Periodendauer der vom triggerbaren Einzelzyklus-Sinusgenerator 23 erzeugten Sinuskurve muß so kurz sein, daß ein kontinuierliches Schreiben von Punkten in aufeinanderfolgenden Punktpositionen möglich ist. Eine Formel für die Mindestfrequenz bezogen auf Trommel durchmesser, gewünschte Trommel drehzahl und gewünschte Anzahl von Tropfen pro Längeneinheit läßt sich wie folgt angeben:

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_f _ Zyklen _ Tropfen _ /Tropfen \ /Umdrehung] min ~ sec sec ~ \ Umdr. / ^ sec J

/Tropfen^

I cnry

(cm \ /Umdrehung\ UnicfreTiTjngy \J see /

JPiSO) (*■ Iron«, ,) (äÜJjÖÜü)

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Tintenstrahl-Schreibkopf von einzelnen Zyklen der Frequenz 20 kHz angesteuert. Das erlaubt eine Drehgeschwindigkeit der 7,5 cm im Durchmesser messenden zylindrischen Trommel von 832 Umdrehungen pro Minute. Bei dieser Drehzahl und allen niedrigeren Drehzahlen werden gute Ergebnisse erzielt.

Das Ausgangssignal "SINUS" (I) des triggerbaren Einzelzyklus-Sinusgenerators 23 wird einem Hochspannungsverstärker 24 zugeführt, dessen Ausgang mit dem Tintenstrahl-Schreibkopf 25 verbunden ist.

Im Signalkurvendiagramm der Figur 3 ist die Betriebsweise des Tintenstrahlschreibers gemäß Figur 2 erläutert. Das Signal "PUNKTTAKT" (B) ist in zwei Arten dargestellt. Die gestrichelte Version stellt dar, was man erhalten würde, wenn die Rotation der Trommel 11 absolut konstant wäre. Das tatsächlich erhaltene

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Signal ist durch die durchgezogene Linie dargestellt. Vergleicht man beide miteinander, lassen sich die Abweichungen leicht erkennen. Die sich ergebenden Abweichungen in der Periode von "DATENTAKT" (G) sind an den mit 32 und 33 bezeichneten Stellen erkennbar. Die Änderung in der Frequenz von "DATENTAKT" synchronisiert den Tropfenstromgenerator auf Änderungen in der Winkelgeschwindigkeit der rotierenden Trommel.

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Claims

P ATENTANSP RUCH

Tintenstrahlschreiber mit einem piezo-elektrisch betätigten Tintenstrahl-Schreibkopf, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zyklus eine"Relativbewegung zwischen einem Aufzeichnungsmedium (12) und dem Schreibkopf (25) durch eine Vielzahl von Zyklen eines Synchronisiersignals (G) repräsentiert ist und daß eine Schaltung (22, 23) vorgesehen ist, die sowohl zu schreibende Daten als auch das Synchronisiersignal empfängt und dem Schreibkopf ein Ausgangssignal (I) zuführt, welches aus einer Reihe von Einzelzyklen eines im wesentlichen sinusförmigen Signals besteht, wobei jeder Einzelzyklus entsprechend dem Informationsgehalt der Daten auftritt und mit den Zyklen des Synchronisiersignals (G) synchronisiert ist.

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