Gocce in volo sono state fotografate mentre si spostavano attraverso l'apparato di deflessione diuna stampante a getto d'inchiostro. L'inchiostro fuoriesce dall'ugello all'estrema sinistra con ungetto continuo, che si suddivide rapidamente in gocce di un diametro di circa 60 micrometri. Nelpunto in cui il getto si suddivide, alle gocce selezionate viene data una carica elettrostatica tramitel'elettrodo situato immediatamente a destra dell'ugello. Le grandi strutture metalliche al centrodella fotografia rappresentano le piastre di deflessione a cui viene applicata una differenza dipotenziale di circa 3000 voli. Nel campo elettrico esistente tra queste piastre le gocce che hanno

acquisito una carica vengono deflesse verso l'alto proporzionalmentealla loro carica. Le gocce non cariche continuano deflesse fino a unraccoglitore posto sulla destra, dove l'inchiostro inutilizzato viene rac-colto per essere rimesso in circolo. Solo le gocce deflesse raggiungono lacarta, che in una stampante in funzione verrebbe sistemata a destra delraccoglitore e perpendicolarmente al piano dell'immagine. Le goccesono emesse con una frequenza di 117 000 al secondo e si muovono a

una velocità di circa 18 metri al secondo. Le gocce deflesse cadono al dilà delle loro posizioni originarie nella sequenza a causa della resistenzaareodinamica. La fotografia sembra mostrare un solo gruppo di gocce,ma in effetti sovrappone le immagini di parecchie centinaia di gruppiilluminati nelle stesse posizioni della loro traiettoria da lampi successividi un stroboscopio. La fotografia è stata scattata da Cari E. Lindbergdella Office Products Division della IBM di Lexington, Kentucky.

L

'invenzione dei caratteri mobili più di500 anni fa ha trasformato l'artedella stampa tramite la scomposi-

zione della parola scritta nei suoi elementidi base: le lettere dell'alfabeto. Altre tec-nologie nuove di stampa hanno contribui-to a progredire nella stessa direzione sud-dividendo ciascun carattere in una serie dipunti. Entrambe queste innovazioni han-no il vantaggio di una grande versatilità.Con i caratteri mobili lo stesso gruppo dicaratteri può servire molte e molte volteper comporre testi nuovi; con la tecnicadella stampa a matrice di punti anche ledimensioni e la forma dei caratteri stessipossono essere fatte variare a piacere.

La stampa a getto d'inchiostro è unadelle nuove tecnologie a matrice di punti.Mentre la maggior parte dei dispositivi distampa tradizionali funzionano pressandol'immagine inchiostrata della lettera con-tro la carta, la stampante a getto d'inchio-stro «colora» ciascun carattere. Un gettod'inchiostro che fuoriesca da un ugellomicroscopico viene suddiviso in piccolegocce che vengono quindi dirette versoposizioni specifiche sulla carta. La solarappresentazione preesistente del caratte-re è quella elettronica che viene impiegataper controllare la traiettoria delle gocce.

In teoria si potrebbe costruire una mac-china di stampa a getto d'inchiostro, in cuimolte migliaia di getti controllati in modoindipendente potrebbero stampare unarivista o un giornale direttamente da unarappresentazione elettronica del testo edelle illustrazioni. Per ora, tuttavia, con leattuali tecnologie si è costretti a stamparesu scala più modesta. La stampante a gettod'inchiostro serve come dispositivo diuscita per un elaboratore o per un sistemadi elaborazione di parole. É in applicazionidi questo tipo che la versatilità costituisceun requisito molto importante. Raramen-te sono necessarie migliaia di copie identi-che di un solo testo; invece la macchina èchiamata molto spesso a produrre una oalcune copie di molti documenti diversi.

maggior parte della stampa in uscitadai calcolatori è fatta tramite mac-

chine molto simili alle macchine per scri-vere ordinarie. Sono chiamate stampanti

segni lasciati da singole gocce d'inchio-stro. Poiché le gocce sono di solito mol-to più piccole degli aghi di una stampan-te a matrice a impatto la risoluzione del-l'immagine stampata può essere moltopiù elevata. Nel tipo più comune distampante a matrice a impatto ciascuncarattere viene formato selezionandoparte dei 35 punti nella matrice 5 x 7con il risultato che molte forme familiaridi lettere possono essere solo approssi-mate. Poiché di solito non è possibilesistemare più di tre o quattro aghi permillimetro, i singoli punti rimangonodistinti. Le gocce generate da una stam-pante a getto d'inchiostro sono sufficien-temente piccole e possono essere siste-mate in modo abbastanza accurato daprodurre una risoluzione equivalente auna matrice di 1000 punti per carattere.Esse possono essere intervallate a di-stanza così breve da averne 10 per mil-limetro e si sovrappongono leggermentecosicché non rimane alcuno spazio bian-co tra i punti. La qualità dell'immaginestampata risultante è paragonabile aquella prodotta da una macchina perscrivere con nastro in tessuto.

Un altro vantaggio potenziale dellastampa a getto d'inchiostro è la sua silen-ziosità. Il rumore non era considerato unfattore importante quando un calcolatoree le sue unità periferiche erano tantograndi da richiedere uno spazio tutto loro,ma oggi un calcolatore è spesso installatoin un normale ufficio, in cui il rumoredella maggior parte delle stampanti aimpatto può essere fastidioso. Il meccani-

smo a getto d'inchiostro è virtualmentesilenzioso. Poiché è soprattutto un dispo-sitivo elettronico dovrebbe anche esseremaggiormente affidabile rispetto ai com-ponenti elettromeccanici di una stampan-te a impatto. Bisogna sottolineare, tutta-via, che gran parte del rumore e moltiguasti meccanici di una stampante sonodovuti al meccanismo che trasporta la car-ta e che questo meccanismo è essenzial-mente immutato anche nella tecnologia agetto d'inchiostro.

Forse il vantaggio più notevole dellastampante a getto d'inchiostro è la suacapacità di cambiare quasi istantanea-mente le dimensioni e la forma dei carat-teri. Non sarebbe più difficile stamparecaratteri greci o arabi di quanto lo siastampare l'alfabeto latino e possono per-fino essere riprodotte lingue non alfabeti-che come il cinese. In effetti non vi sonopraticamente limitazioni alla forma delmateriale da stampare. Qualsiasi puntopuò essere segnato con una goccia o esse-re lasciato in bianco; per mutuare un ter-mine da un altro campo della scienza deicalcolatori, la stampante è in grado di«indirizzare» tutti i punti della pagina.

Sono stati ideati parecchi metodi distampa a getto d'inchiostro: qui ne esa-mineremo tre. Nel primo metodo un sin-golo flusso di gocce viene guidato elettro-staticamente, nel secondo viene guidatoelettromagneticamente. Il terzo schemautilizza getti d'inchiostro multipli, chevengono diretti in modo indipendente sul-la carta o in un condotto, o raccoglitore,dove viene raccolto l'inchiostro inutilizza-

to. Tutte e tre queste tecnologie si basanosu un flusso di gocce continuo e sincroniz-zato. Vi sono altri metodi di stampa agetto d'inchiostro in cui le gocce vengonoemesse su richiesta, ma non li esamine-remo in questa sede.

Ia maggior parte dei principi fisici che

sono alla base del funzionamento diuna stampante a getto d'inchiostro è stataindividuata nel XIX secolo. Tuttavia fusolo agli inizi degli anni sessanta che l'in-gegnosa idea fondamentale per la realiz-zazione pratica di una stampante fu illu-strata da Richard G. Sweet della StanfordUniversity. In una estesa serie di esperi-menti Sweet dimostrò che si poteva im-primere una carica elettrica alle gocce chesi formavano da un flusso continuo difluido. Inoltre egli scoprì che anche quan-do le gocce venivano prodotte alla veloci-tà di 100 000 al secondo, si poteva deter-minare la carica di ciascuna goccia inmodo indipendente. La traiettoria seguitada ciascuna goccia poteva quindi esserecontrollata facendo passare tutte le gocceattraverso un campo elettrico uniforme.

Per Sweet lo scopo immediato di questiesperimenti era la costruzione di unooscillografo ad alta velocità, uno strumen-to che registrasse segnali elettrici in rapi-do cambiamento. Questa tecnica ha tro-vato da allora altre applicazioni, tra cuialcune in campi molto lontani, quali laclassificazione delle cellule nei campionidi sangue. La stampa dei caratteri alfabe-tici è una delle applicazioni più ovvie, chelo stesso Sweet fu tra i primi ad analizzare.

Stampa a getto di inchiostroQuesta tecnica che, per formare caratteri di stampa utilizza minuscolegocce di inchiostro, schizzate da un ugello e pilotate in volo, èparticolarmente adatta per le esigenze di stampa di un calcolatore

di Larry Kuhn e Robert A. Myers

a impatto e usano tutte lo stesso meccani-smo di base: si fa battere contro la cartal'immagine preformata di una lettera, so-litamente attraverso un nastro inchiostra-to. Le lettere possono essere montate susingoli martelletti, come nelle macchineper scrivere convenzionali, o possonoessere sistemate su un disco o sulla super-ficie di una pallina. La maggior parte dellemacchine stampano un solo carattere pervolta a una velocità che va dai 15 ai 50caratteri al secondo circa. Macchine piùveloci stampano una intera riga per voltae possono produrre fino a 50 righe al se-condo.

La stampante a matrice di punti im-

piega un meccanismo significativamentediverso. In una versione elettromeccani-ca della stampante a matrice sette o ottoaghi di carburo di tungsteno intervallati abreve distanza sono sistemati in lineaverticale. Ciascun ago è accoppiato a unsolenoide magnetico che può condurrel'estremità dell'ago a un nastro inchio-strato e alla carta. Quando la macchina èin funzione, la linea degli aghi viene fattascorrere sulla pagina man mano che ven-gono attivate combinazioni diverse disolenoidi, formando così lettere, altricaratteri e spazi.

In una stampante a getto d'inchiostroi punti che compongono la matrice sono

94 95

La testina di stampa elettrostatica guida ciascuna goccia su una posizio-ne della carta determinata dalla carica della goccia. Il testo da stampareè memorizzato in forma elettronica ed è infine convertito in una sequen-za di tensioni applicate all'elettrodo di carica. Ne deriva che a ogni gocciadel flusso viene data una carica corrispondente a una di queste tensioni.Dopo avere lasciato il generatore di gocce e l'elettrodo di carica le goc-

ce passano tra le piastre di deflessione che portano una tensione costan-te elevata. Nel campo elettrico frate piastre una goccia viene defiessa diun angolo proporzionale alla sua carica; così può essere diretta aqualsiasi posizione lungo un segmento verticale di lunghezza ugualeall'altezza di un carattere. Lo spostamento nella dimensione orizzonta-le è dato trasportando l'intera testina di stampa attraverso la pagina.

TESTO

FORMAZIONEELETTRONICA

DIGITALEDEI CARATTERI

TENSIONEDI CARICAMODULATAANALOGICA(MASSIMO200 VOLT)

— ELETTRODO DI CARICA

TENSIONEDI DEFLESSIONE

COSTANTE(3000 VOLT)

GENERATORE DI GOCCE

PIASTRE DI DEFLESSIONE

•

4—

\

CARTA

RACCOGLITORE

rE-34COLLETTORE

DELL'INCHIOSTRO

•

,UGELLO

-~~14 • 4 •

CRISTALLOPIEZOELETTRICO I

Il generatore di gocce emette un getto continuo d'inchiostro la cui suddivisione in gocce èsincronizzata da un segnale esterno. L'inchiostro è spinto attraverso un ugello di circa 20-40micrometri di diametro con una pressione pari ad alcune volte quella atmosferica. In condizioninormali un tale getto si disintegrerebbe in uno spruzzo casuale, ma il segnale di sincronizzazionecrea gocce che sono uniformi per dimensione, velocità e spaziatura. La sincronizzazione è ottenutanella maggior parte dei casi tramite una variazione periodica della pressione, la quale vieneprodotta per mezzo di un cristallo piezoelettrico montato su un lato del collettore d'inchiostro.

La formazione delle gocce è regolata dalla tensione superficiale che amplifica la leggera ondula-zione della superficie del getto creata dal segnale di sincronizzazione. Nelle regioni in cui il getto èdi sezione piccolissima le forze risultanti dalla tensione superficiale sono grandissime e quindi esseriducono ulteriormente il diametro fino a che il flusso si suddivide in singole gocce. La microfoto-grafia è stata fatta da Jean Claude Chastang dei Manufacturing Research Laboratories della IBMa Yorktown Heights, N. Y. Quelle piccole sono gocce «satelliti» che devono essere eliminate.

•TENSIONE

DI CARICA MODULATA

ELETTRODO DI CARICA7:-

GENERATORE DI GOCCE

La carica elettrica acquisita da ciascuna goccia in un flusso può essere controllata in modo in-dipendente. Un potenziale applicato all'elettrodo di carica attira elettroni (segni meno) attraversol'inchiostro fino all'estremità del getto. Quando una goccia si separa, una carica proporzionale allatensione dell'elettrodo viene intrappolata in essa. Le cariche di gocce vicine, però, possono altera-re la carica di una goccia in formazione, e si deve regolare la tensione per compensare tali effetti.

Un modo per costruire una stampante,per esempio, è quello di montare il gene-ratore di gocce e i vari elettrodi per lacarica e la deflessione delle gocce su di uncarrello mobile: la testina di stampa. Ilcampo di deflessione guida poi le gocce suvarie posizioni lungo una linea verticalementre l'intera testina di stampa vienefatta scorrere lungo la pagina in sensoorizzontale. Se le gocce si formano a unavelocità di 100 000 al secondo e un carat-tere tipico è formato da circa 100 gocce,allora la velocità massima di stampa do-vrebbe essere di circa 1000 caratteri alsecondo. La velocità effettiva è tuttaviamolto più bassa, poiché non ogni gocciapuò essere utilizzata; in effetti in unastampante in funzione solo circa il 2 percento delle gocce raggiunge la carta.

Una stampante di questo tipo fu pro-dotta commercialmente per la prima vol-ta dalla A. B. Dick Company. La Interna-tional Business Machines Corporation daallora ha messo a punto una stampanteche utilizza gli stessi sistemi di guida dellegocce per ottenere un'immagine dei ca-ratteri che sia dal punto di vista qualitati-vo uguale a quella di una macchina perscrivere. Poiché conosciamo soprattuttola stampante IBM, che è ora indicatacome modello 6640, nel resto dell'artico-lo faremo riferimento a questa.

Il primo requisito di una stampante agetto d'inchiostro è un flusso di gocce bendefinito. L'intervallo tra le gocce deveessere uniforme, le gocce devono esseretutte delle stesse dimensioni, devono spo-starsi tutte nella stessa direzione e allastessa velocità. Quasi tutti i getti di liqui-do. come per esempio l'acqua che esce daun tubo per annaffiare il giardino, si sud-divideranno spontaneamente in gocce,ma di solito le gocce sono casuali sia perdimensioni che per distanza reciproca. Aifini di una stampa affidabile il flusso deveessere sincronizzato, ma ciò non è difficileda ottenere. È necessario solo imprimereun'ondulazione periodica sulla superficiedel getto che fuoriesce; le gocce allora siformano con la stessa frequenza dell'on-dulazione.

Nella IBM 6640 il getto d'inchiostro ècreato stringendo l'inchiostro con unapressione moderata (alcune volte la pres-sione atmosferica) attraverso una apertu-ra di circa 35 micrometri di diametro. Si èritenuto opportuno applicare il segnale disincronizzazione come una piccola varia-zione di pressione. Una parete del collet-tore che racchiude l'inchiostro pressuriz-zato è accoppiata a un cristallo piezoelet-trico; quando un segnale elettrico dellafrequenza selezionata viene applicato alcristallo, questo vibra in maniera moltosimile alla membrana di un tamburo. Lafrequenza di sincronizzazione è di circa117 000 cicli al secondo. Il getto esce dal-l'ugello a una velocità di 17, 5 metri alsecondo e quindi l'intervallo tra le gocce èdi circa 150 micrometri.

Non è affatto ovvio perché un flusso diliquido dovrebbe suddividersi in

gocce. La spiegazione va ricercata nelconcetto di tensione superficiale, la quale

costringe qualsiasi liquido libero ad as-sumere la forma per cui l'area della super-ficie laterale è minima. Semplici calcolimostrano che un cilindro di fluido con unvolume fisso può ridurre la sua area su-perficiale formando gocce, se l'intervallotra le gocce è maggiore della circonferen-za di base del cilindro. Se la superficie delgetto è leggermente ondulata la forza chederiva dalla tensione superficiale è mas-sima nelle zone di forte curvatura. Lezone leggermente rigonfie tendono quin-di a dilatarsi ulteriormente formando unastrozzatura che alla fine si rompe. In effet-ti il getto di fluido è un amplificatore dialtissimo guadagno che amplifica gran-demente qualsiasi perturbazione impres-sa al flusso. In un getto non sincronizzato,si hanno gocce casuali per amplificazionedi vibrazioni casuali e variazioni nel flussodel fluido. Poiché il meccanismo di ampli-ficazione ha un guadagno, il flusso puòessere sincronizzato per mezzo di un se-gnale di ampiezza piccolissima, il qualegenera una perturbazione superficialedell'ordine di alcuni decimi di microme-tro.

Il comportamento dei getti di fluido èstato analizzato da alcuni studiosi del XIXsecolo e un resoconto particolarmenteelegante è stato fatto sull'argomento daLord Rayleigh. I teorici del XIX secolonon furono in grado, però, di analizzarealcuni effetti insidiosi che non possonoessere ignorati nella progettazione di unastampante. In particolare, le non linearità

del processo di amplificazione distorconola superficie del getto e danno origine agoccioline molto più piccole, chiamatesatelliti, tra le gocce volute. Poiché le goc-cioline satelliti possono contaminare latestina di stampa o provocare segni sullacarta in posizioni non volute, devono es-sere soppresse. Negli ultimi anni sono sta-ti intrapresi parecchi tentativi per spiega-re teoricamente la formazione delle goccesatelliti ma senza completo successo. Perquesto motivo la progettazione di un ge-neratore di gocce viene portata avanti pertentativi.

Una carica elettrica viene applicata allegocce tramite un piccolo elettrodo checirconda la regione in cui le gocce si divi-dono dal getto. Si applica una tensione traquesto elettrodo di carica e il generatoredi gocce. Se la tensione è positiva, gli elet-troni sono attirati all'estremità del flussod'inchiostro per attrazione elettrostaticae, quando una goccia si stacca, porta consé alcuni di questi elettroni. Una volta chela goccia si è separata dal getto è elettri-camente isolata e la carica non può anda-re persa, anche quando la tensione sull'e-lettrodo di carica cambia. La carica su unagoccia è proporzionale alla tensione del-l'elettrodo di carica. Questa tensione èlimitata ad alcune centinaia di volt; sefosse molto più grande, la repulsione tragocce cariche adiacenti diventerebbe in-controllabile. Inoltre, man mano che latensione aumenta, la repulsione tra cari-che entro una goccia finisce col superare

la tensione superficiale del liquido e lagoccia «scoppia».

Dopo aver lasciato l'elettrodo di caricale gocce passano nel campo elettrico

delle piastre di deflessione. L'intensitàdel campo è determinata dalla distanzatra le piastre e dalla tensione a esse appli-cata; un limite superiore è dato dalla in-tensità del campo a cui avviene la forma-zione dell'arco tra le piastre. In teoria allegocce potrebbero essere date cariche po-sitive o negative, cosicché esse sarebberodeflesse o verso l'alto o verso il bassodalla tensione fissa delle piastre di defles-sione. In pratica è più semplice progettarecircuiti di comando che diano a tutte legocce una carica della stessa polarità co-sicché esse vengano deflesse tutte nellastessa direzione. Qui supporremo che tut-te le gocce abbiano una carica negativa (ocarica zero) e che le piastre di deflessionesiano sistemate in modo tale che tutte legocce dotate di carica vengano deflesseverso l'alto.

La generazione dei caratteri cominciaspecificando elettronicamente sulla cartale posizioni che vanno segnate dalle goc-ce. Questa specificazione può esserememorizzata in un dispositivo di memoriaa semiconduttori, come una memoria disola lettura, e richiamata a richiesta. Loschema dei numeri binari in memoria vie-ne poi decodificato e usato per specificarela sequenza delle tensioni applicate all'e-lettrodo di carica. Se la testina di ttampa

96 97

POMPASERBATOIO

L___

SCHERMO ANTISPRUZZO -17_1

FILTRO

•

RACCOGLITORE

RACCOGLITOREDI BOLLE

CARTA

SFOGO

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VAL-VOLA

RACCOGLITOREDI BOLLE SERBATOIO

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ERRORE DI REGISTRAZIONE•

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L'errore di collocazione delle gocce è causato soprattutto da disturbiaerodinamici ed elettrostatici mentre le gocce sono in volo. In un flussocontinuo di gocce dirette verso Io stesso punto, come il raccoglitore,ciascuna goccia si muove sulla scia delle precedenti; tutte le gocce sonoquindi soggette alla stessa resistenza che è inferiore a quella che agiscesulla goccia di testa. Se una sola goccia viene deflessa fuori dal flusso(a), non è più protetta dalle gocce precedenti e quindi rallenta lavelocità. Poiché la goccia deflessa trascorre un tempo più lungo nelcampo creato dalle piastre di deflessione, essa viene deflessa di un

angolo maggiore e la sua traiettoria la porta a una posizione sulla cartapiù alta di quella voluta. Quando vengono deflesse due gocce consecu-tive, la goccia di testa lascia una scia che permette alla goccia di coda diraggiungerla. Se le due gocce non hanno una carica elev ala (b), possonofondersi, cosicché appare una goccia più grande dove se ne volevanodue più piccole. Se le due gocce hanno carica elevata (c), esse siavvicinano l'una all'altra e poi diffondono per effetto della repulsioneelettrostatica, andando a finire infine su posizioni imprevedibili, spessoanche molto lontane dalla posizione che si voleva che raggiungessero.

si muove sulla pagina da sinistra a destra, iprimi segnali applicati all'elettrodo di ca-rica devono dare come risultato defles-sioni appropriate alla colonna dei puntisul margine sinistro del carattere. Manmano che la testina di stampa si muove, isegnali devono essere dati al momentogiusto per ciascuna colonna successiva.

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Poiché il flusso delle gocce non può essereaperto e chiuso rapidamente, alcune goc-ce devono essere scartate laddove sononecessari spazi vuoti.

La traiettoria di una goccia può esserecalcolata in prima approssimazione sup-ponendo che la deflessione sia proporzio-nale alla tensione che appariva sull'elet-

trodo di carica nel momento in cui la goc-cia si è formata. Se la tensione è zero e lagoccia non acquista alcuna carica, il suopercorso non sarà influenzato dal campoelettrico tra le piastre di deflessione. Lagoccia continuerà in linea retta. NellaIBM 6640 e in altre stampanti di progettosimile, a queste gocce non deflesse non è

permesso raggiungere la carta, ma ven-gono raccolte in un condotto. L'inchio-stro dal condotto viene riportato in unserbatoio e infine viene fatto circolare dinuovo nella testina di stampa. Quandouna tensione viene applicata all'elettrodola goccia acquista una carica e viene de-flessa sulla carta. Maggiore è la tensione,maggiore sarà la carica e più netta la de-flessione impressa alla goccia.

L'idea di variare la carica delle gocce edi farle passare attraverso un campo dideflessione costante, idea che costituìl'innovazione di Sweet, può sembrare incerto modo fuori dall'ordinario. Sembre-rebbe più naturale dare a ogni goccia lastessa carica e variare la tensione tra lepiastre di deflessione. Questo metodo èimpiegato, per esempio, nel tubo a raggicatodici di un oscilloscopio o di un ricevi-tore televisivo, dove gli oggetti deflessinon sono gocce cariche ma singoli elet-troni. La ragione per cui tale sistema nonfunzionerebbe in una stampante a gettod'inchiostro può essere compresa se con-sideriamo le forze che agiscono su unagoccia o su di un elettrone nel campo dideflessione. Una goccia tipica ha una ca-rica che corrisponde a un milione di elet-troni in eccesso e la forza elettrostaticache agisce sulla goccia supera dello stessofattore la forza di un singolo elettrone. Ladeflessione indotta da quella forza, tutta-via, dipende non solo dalla carica ma an-che dalla massa. Per l'elettrone il rappor-to tra carica e massa è 1,76 x 10 8 cou-lomb per grammo, mentre per una gocciad'inchiostro è di circa 10- 6 coulomb pergrammo. Quindi per una data forza delcampo la deflessione di una goccia tipica èinferiore alla deflessione di un eletttronedi un fattore 10' 4 circa.

A causa del basso rapporto tra carica emassa una goccia d'inchiostro è un proiet-tile estremamente lento ed è difficile daguidare. Caratteri di dimensioni adeguatepossono essere formati solo rendendo lepiastre di deflessione più lunghe possibili,cosicché ciascuna goccia trascorra untempo sufficiente sotto l'influenza delcampo di deflessione. Poiché, però, laseparazione tra le gocce è piccola, moltegocce si trovano nello stesso momento nelcampo di deflessione. Se le gocce, quindi,dovessero essere guidate variando la ten-sione di deflessione, le loro traiettorienon potrebbero essere determinate inmodo indipendente.

I'assunzione fatta sopra che la defles-

sione della goccia è proporzionalealla tensione di carica è solo un'approsi-mazione e, in molti casi, non delle miglio-ri. Parecchi fattori possono alterare latraiettoria di una goccia. I più importantisono correlati alle interazioni che sì verificano tra gocce vicine.

Un tipo di disturbo ha luogo all'elet-trodo di carica, dove la carica acquisita dauna goccia può essere influenzata dallecariche delle gocce che precedono nelflusso. La carica di una data goccia è de-terminata dall'intero campo elettrico checirconda la goccia. L'influenza di maggiorrilievo su questo campo è data dalla ten-

La rimessa in circolo dell'inchiostro è necessaria in una stampante a getto d'inchiostro poiché lamaggior parte delle gocce non raggiunge la carta, ma è raccolta in un condotto. Il circuito del-l'inchiostro mostrato in figura è quello della stampante IBM 6640.1 componenti entro il rettango-lo tratteggiato sono montati sulla testina di stampa mobile. Sono inclusi nel circuito parecchi filtricosì da trattenere eventuali impurità che potrebbero occludere l'ugello. Il getto deve essere avvia-to e fermato rapidamente per evitare sgocciolamenti dell'inchiostro sull'elettrodo di carica o sullepiastre di deflessione; a questo scopo la testina di stampa è fornita di una valvola ad azione rapidache devia l'inchiostro in eccesso verso un serbatoio. I componenti non sono mostrati in scala.

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Il campione dei caratteri stampati dalla IBM 6640 è paragonabile per qualità a quelli prodotti con unamacchina per scrivere con nastro intessuto. ! caratteri sono mostrati nelle loro reali dimensioni, in alto.Nei caratteri ingranditi in basso sono distinguibili i singoli punti, in particolare nelle curve e nellediagonali, dove la disposizione delle gocce depositate dà origine a una imperfezione «a gradini».

OP

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99

La testina di stampa magnetica a getto d'inchiostro utilizza per inchio-stro un fluido ferromagnetico. Le gocce dell'inchiostro possono essereguidate in due dimensioni per mezzo di campi magnetici non uniformi,o gradienti di campo. La posizione verticale è controllata dal gradientedi campo del magnete deflettore; poiché questo magnete è piuttostolungo, in ogni momento si trovano sotto la sua influenza parecchie

gocce. La deflessione nel piano orizzontale serve puramente a selezio-nare quali gocce raggiungeranno la carta e quali gocce invece sarannointercettate dal raccoglitore a lama di coltello. Il magnete selettore èabbastanza corto per cui è in grado di influenzare solamente una goc-cia per volta. Come accade anche in una stampante elettrostatica icaratteri vengono formati spostando la testina di stampa sulla pagina.

FORMAZIONEELETTRONICA

DIGITALE\ DEI CARATTERI

CIRCUITIDI SELEZIONEDELLE GOCCE

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MAGNETE DEFLETTORE

GENERATORE DI GOCCE

CARTA

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RACCO-GLITORE

INCHIOSTROMAGNETICO

7.)MAGNETE SELETTORE

TESTOSCANSIONE

ELETTRONICADEL RETICOLO

Il gradiente di campo magnetico è necessario per deviare una goccia difluido ferromagnetico. In un campo uniforme (ossia con gradientezero) una goccia sarebbe soggetta a forze uguali e opposte. In un

gradiente di campo la goccia è attirata verso la regione dove il campo èpiù intenso. Un campo non uniforme può essere generato da un magne-te con i poli rastremati: esso è più intenso dove i poli sono più vicini.

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•ITEMPO = 1

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TEMPO = 5• • • •

MAGNETE ATTIVATO

TEMPO = 2

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TEMPO = 3

• • • •

TEMPO = 4

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elettrostatica tra gocce che portano unacarica. È stato provato che questi effettisono fattori importanti nella limitazionedella velocità e nella risoluzione dellastampa a getto d'inchiostro.

Per una goccia che si muove attraversoaria ferma la resistenza aerodinamica èuna forza centinaia di volte superiore allagravità ed è paragonabile in grandezzaalle forze elettriche create dal campo dideflessione. Quando tutte le gocce in unflusso continuo sono dirette verso lo stes-so punto (come il raccoglitore), ogni goc-cia lascia una scia che protegge le gocceche la seguono e riduce così la resistenzaaerodinamica che agisce su di esse.Quando una sola goccia viene deflessafuori dal flusso, tuttavia, deve farsi stradaattraverso l'aria ferma ed è perciò sostan-zialmente rallentata. Uno dei risultati diquesta decelerazione è che la goccia im-piega un tempo maggiore nel campo dideflessione di quanto farebbe altrimenti eraggiunge la carta al di sopra della posi-zione voluta.

La distorsione dell'immagine stampatapuò essere più grave quando vengonodeviate fuori dal flusso continuo due goc-ce successive. La prima goccia della cop-pia risente pienamente della resistenzaaerodinamica, ma la scia che essa lasciaprotegge la seconda goccia e le permettedi raggiungere la prima. Se le due goccenon hanno una carica elevata (o per esse-re precisi se il prodotto delle loro carichenon è grande), esse possono fondersi. Neconsegue che se si volevano due gocceallineate verticalmente, si otterrà inveceuna goccia più grande in una posizioneintermedia. Se le due gocce hanno unacarica elevata allora quando esse si avvi-cinano l'una all'altra ha origine una repul-sione elettrostatica. Invece di fondersi legocce rimbalzano allontanandosi e fini-scono su posizioni imprevedibili, spessodistanti rispetto alla posizione voluta.

In teoria si potrebbero in parte com-pensare questi effetti regolando la tensio-ne di carica, ma la regolazione relativa auna goccia qualsiasi dipende in modocomplesso dalle traiettorie di molte altregocce. Poiché l'attuale comprensione teo-rica delle interazioni tra gocce è limitata,è stato necessario basarsi su metodi empi-rici. L'espediente più comune è lasciaregocce di «guardia» non cariche, che fini-scono nel raccoglitore, tra coppie di goccecariche e deflesse. Non utilizzando nep-pure la metà delle gocce disponibili que-sta tecnica riduce gli errori di registrazio-ne, ma riduce anche la velocità di stampa.

Per la costruzione di una stampante agetto d'inchiostro che funzioni occorremolto di più dei principi fisici che regola-no la generazione e il posizionamento del-le gocce. Per esempio la giusta composi-zione dell'inchiostro non è un'operazionebanale. L'inchiostro deve essere privo digrumosità che ostruiscano l'ugello. Acausa dell'evaporazione e delle fluttua-zioni di temperatura le proprietà dell'in-chiostro variano, e questo rende necessa-rie regolazioni periodiche della pressionee della temporizzazione degli eventi elet-tronici. Nella IBM 6640 queste regola-

zioni sono fatte automaticamente tramiteun sistema che «avverte» sia il bersagliodel getto d'inchiostro che l'istante in cuiavviene la formazione della goccia. Ogni-qualvolta il getto viene avviato o fermato,esiste il rischio che un getto che goccia o sipiega contamini gli elettrodi della testinadi stampa, rischio che è minimizzato dauna valvola ad azione rapida. Una condi-zione difficilmente ottenibile è che l'in-chiostro, il sistema che garantisce il suorifornimento e l'ugello non interagiscanochimicamente. Considerazioni di questotipo sono i fattori di maggior rilievo nellaprogettazione di una macchina che devefunzionare in modo affidabile e commer-cialmente valido.

Una tecnologia a getto d'inchiostro al-ternativa, che potrebbe evitare al-

cune complessità del dispositivo elettro-statico, è un sistema magnetico di defles-sione delle gocce messo a punto da Geor-ge J. Fan e Richard A. Toupin, che lavo-rano nel nostro laboratorio presso il

TEMPO 6

TEMPO = 7 •

MAGNETE DISATTIVATO

TEMPO = 8

Thomas J. Watson Research Center dellaIBM a Yorktown Heights, N. Y. Compo-nente essenziale del sistema è un inchio-stro magnetico, che fa parte di una classedi liquidi, chiamati ferrofluidi, ottenutinegli anni sessanta dai ricercatori dellaAvco Corporation. Un fluido di questotipo è una sospensione di minute particel-le di magnetite, la forma magneticamenteattiva dell'ossido di ferro. Il fluido nonpuò trattenere una magnetizzazione per-manente, ma è fortemente attratto da unmagnete.

Una goccia d'inchiostro ferrofluido chesi muove può essere deflessa facendolapassare attraverso un gradiente di campomagnetico. Il percorso della goccia nonsarebbe influenzato da un campo unifor-me, ma in un campo non uniforme la goc-cia è attirata verso la regione del campo dimaggior forza. È facile creare un tale gra-diente di campo; in un magnete a forma diC con espansioni polari rastremate, peresempio, il campo è più forte dove i polisono più vicini.

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sione positiva applicata all'elettrodo dicarica, ma anche qualsiasi altra carica nel-le vicinanze avrà un suo effetto. In parti-colare, se la goccia precedente ha unacarica negativa elevata, essa ridurrà latensione positiva netta che agisce sullagoccia che si sta formando. La carica por-

tata via dalla nuova goccia sarà quindiminore di quella voluta. L'azione corret-tiva consiste nel variare la tensione appli-cata per compensare le interazioni indut-tive tra gocce vicine. Per calcolare la cor-retta tensione di carica non è dunque suf-ficiente sapere dove una goccia dovrà

colpire la carta, bisogna anche tenere inconsiderazione la «storia» delle gocceprecedenti.

Si può avere una distorsione ancor piùfanfastidiosa del carattere stampato acausa delle influenze aerodinamiche sullatraiettoria della goccia e della repulsione

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MAGNETE DI DEFLESSIONE CARTA

Il reticolo di gocce viene creato dal sistema magnetico di deflessione. Qui si suppone che lalunghezza del magnete di deflessione sia sei volte l'intervallo tra le gocce e il magnete vengaattivato ciclicamente, cosicché esso trascorre sette periodi-goccia durante i quali è attivato seguitida sette periodi in cui è disattivato. Quando il magnete viene attis ato (1), la goccia che sta appenaemergendo dall'area compresa tra i poli non è influenzata dal gradiente di campo e procede versola carta in linea retta. Quando emerge la goccia successiva (2), essa ha trascorso un periodo-gocciasotto l'influenza del gradiente di campo e quindi subisce una piccola deflessione. La gocciasuccessiva trascorre due periodi nel campo e, quindi, viene deflessa due volte tanto. Per ognigoccia successiva fino alla settima la deflessione aumenta dello stesso fattore; per la settima gocciail campo è attivato per tutto il tempo in cui la goccia si trova tra le espansioni polari, cosicché non èpossibile una deflessione maggiore. Il risultato della deflessione progressivamente crescente è unacolonna verticale di punti sulla carta. Perché la colonna formi un carattere, gocce selezionatevengono cancellate deviandole verso un raccoglitore che si trova fuori dal piano dell'illustrazione.

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Nella testina di stampa binaria una fila di ugelli è stata incisa nel siliciocon tecniche simili a quelle impiegate nella costruzione di dispositivimicroelettronici. In questa immagine, ottenuta con un microscopioelettronico a scansione, gli ugelli sono visti dalla parte del collettore

d'inchiostro. La forma degli ugelli è determinata dall'orientamentodei piani di atomi nel wafer monocristallino di silicio e per questaragione può essere controllata con elevata precisione. Ogni ugello ha laforma di una piramide tronca; l'inchiostro fuoriesce dalla base minore.

La testina di stampa binaria utilizza getti multipli d'inchiostro e guidaciascuna goccia verso una di due sole possibili destinazioni. Se unagoccia non è carica, essa procede diritta verso la carta; se alla gocciaviene invece data una carica essa viene deviata nel raccoglitore. Gliugelli sono sistemati su una colonna verticale e condividono un solocollettore in pressione e un solo segnale di sincronizzazione. A ogniflusso d'inchiostro, tuttavia, corrisponde un elettrodo di carica separa-to, cosicché le gocce possono essere selezionate singolarmente per la

stampa o per la cancellazione. Tutte le gocce passano attraverso un paiocomune di piastre di deflessione dove le gocce a cui è stata data unacarica elettrica vengono spinte nel raccoglitore dal bordo a coltello.Poiché la stampa è fatta con gocce non cariche, si elimina la maggiorparte delle interazioni elettrostatiche tra gocce in volo. Inoltre poichésono necessarie solo piccole deflessioni, le tensioni applicate agli elet-trodi possono essere ridotte e quindi può essere ridotta anche la distan-za tra gli ugelli e la carta, minimizzando così gli effetti aereodinamici.

0HiesSEGNALEDI SINCRONIZ-ZAZIONE

-44)

GENERATORE DI GOCCEELETTRODIDI CARICA

INDIRIZZABILISINGOLARMENTE PIASTRE DI DEFLESSIONE

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• • - • •

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CARTA

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RACCO-GLITORE

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Una stampante magnetica a getto d'in-chiostro utilizza un generatore di goccesincronizzato molto simile a quello di unastampante elettrostatica, ma il generatorefunziona di solito con una frequenza digocce di circa la metà. L'apparato perdeflettere le gocce e formare i caratteri èdel tutto diverso dai corrispondenti di-spositivi elettrostatici. Per un dato gra-diente di campo la deflessione è propor-zionale al momento magnetico netto dellagoccia, che non può essere controllato inmodo indipendente da goccia a goccia; ilmomento magnetico per volume unitariodi fluido è una proprietà fissa dell'inchio-stro. Per questa ragione le gocce non pos-sono essere selezionate individualmenteper la deflessione. Un'alternativa all'o-rientamento delle singole gocce consistenel creare un reticolo di posizioni dellegocce, molto simile al disegno delle lineedi scansione elettronica di una immaginetelevisiva e nel fornire i mezzi per lasciarebianche le posizioni selezionate.

Supponiamo che le gocce passino at-traverso un gradiente di campo creato daun elettromagnete le cui espansioni polarisono lunghe esattamente sette periodi--goccia. Il gradiente è stabilito in modotale che le gocce siano deflesse verso l'altoprima di procedere verso la carta. Se il

campo è attivato proprio mentre una goc-cia lascia l'influenza del magnete, essacontinuerà nella sua traiettoria originalesenza essere influenzata dal campo. Lagoccia successiva sarà stata esposta algradiente di campo per un periodo-gocciaprima che essa lasci il magnete e. quindi,sarà deflessa di un angolo piccolo. La goc-cia successiva sarà stata esposta al gra-diente due volte tanto e, quindi, sarà de-flessa di due volte tanto. La deflessioneaumenta in modo uniforme per ciascunagoccia successiva fino all'ottava; per que-st'ultima goccia il campo è in funzione pertutto il tempo in cui la goccia si trova tra leespansioni polari, e quindi la sua defles-sione è la massima possibile.

Sulla pagina stampata questa sequenzadi otto gocce crea una linea verticale for-mata da otto punti intervallati in modouniforme; spostando orizzontalmente latestina di stampa sulla pagina, il disegnopuò essere ripetuto un numero infinito divolte. La sola cosa necessaria per creare icaratteri è un mezzo in grado di scartareselettivamente alcune gocce. Le goccesulle posizioni da lasciare vuote devonoessere intercettate prima che raggiunganola carta; la stessa cosa devono fare le seigocce che seguono ciascuna scansioneverticale ascendente. La ragione per cui è

necessario intercettare le sei gocce dicoda dipende dal fatto che quando ilmagnete viene disattivato dopo l'ottavagoccia, la deflessione non torna immedia-tamente a zero. Quando il campo vienerimosso, esso ha già influenzato la nonagoccia per sei periodi-goccia, la decimagoccia per cinque periodi e così via. Legocce da otto a quattordici sono quindiscartate e comincia una nuova scansionecon la goccia quindici.

Il mezzo per eliminare dalla sequenzale gocce selezionate è un altro deflettoremagnetico. Poiché devono essere selezio-nate gocce singole, la lunghezza delleespansioni polari deve essere minore, in-feriore a un periodo-goccia, e in questocaso è accettabile poiché una piccola de-viazione è necessaria. Il piccolo magneteselettore è orientato ad angolo retto ri-spetto al magnete di deflessione cosicchéle gocce che esso designa vengono spintefuori dal piano di scansione della griglia.Il selettore è sistemato a monte del ma-gnete deflettore e quindi le gocce che essoinfluenza passano ancora attraverso ilgradiente di deflessione; prima di rag-giungere la carta, tuttavia, esse sono in-tercettate da un raccoglitore a lama dicoltello e rimesse in circolo. Le gocce cherimangono nel piano della griglia oltre-

passano il raccoglitore e vanno sulla carta.Una caratteristica importante della

stampante magnetica è che la massimadeflessione possibile è essenzialmenteindipendente dalle dimensioni della goc-cia. In una stampante elettrostatica unagoccia più grande ha una massa maggiore,ma può portare poca carica in più e quindiviene deflessa meno. La forza che agiscesu di una goccia magnetica, d'altra parte,è proporzionale alla massa della goccia,dato che una goccia più grande contienepiù magnetite. Per questo una stampantea getto d'inchiostro magnetica potrebbefunzionare in modo efficace con le goccedi grandi dimensioni richieste per unastampante a matrice a bassa risoluzione.

Un'altra proprietà della stampantemagnetica è la deflessione di cia-

scuna goccia in due dimensioni. Unastampante con due assi di deflessione po-trebbe formare caratteri non selezionan-do i punti da una matrice fissa, ma dise-gnando curve e segmenti di retta. Fan e isuoi collaboratori hanno presentato unastampante magnetica che disegna caratte-ri in questo modo.

Allo scopo di migliorare la velocità delprocesso a getto d'inchiostro abbiamoanche studiato stampanti in cui una ma-trice di ugelli opera in parallelo, un'altraconfigurazione ipotizzata da Sweet. Que-sta tecnologia che utilizza la deflessioneelettrostatica si chiama stampa binaria o a«ugello-per-punto». La testina di stampaconsiste di molti ugelli sistemati a brevedistanza l'uno dall'altro alimentati coninchiostro da un collettore comune e sin-cronizzati da un solo elemento piezoelet-trico. Il getto proveniente da ciascun ugel-lo passa attraverso un elettrodo di caricache può essere indirizzato singolarmente;poi le gocce provenienti da tutti i gettipassano attraverso un paio di piastre dideflessione comuni. Ciascun elettrodo dicarica ha solo due possibili stati: attivato odisattivato. Se una goccia è carica essaviene deflessa in un raccoglitore e l'in-chiostro viene rimesso in circolo; altri-menti la goccia arriva non deflessa sullacarta. Questo tipo di stampa è chiamatobinario per il fatto che una goccia può

avere soltanto due possibili destinazioni.La Mead Corporation ha costruito una

stampante ad alta velocità basata su que-sto principio. Circa 600 ugelli sono alli-neati per tutta la larghezza della pagina(circa 13 centimetri) e la carta viene fattascorrere continuamente sotto di essi. Cia-scun elettrodo di carica viene attivato odisattivato nella sequenza necessaria aformare un'intera riga di punti. Il disposi-tivo è in grado di stampare fino a 45 000righe al minuto ma ha una risoluzioneproporzionalmente bassa. Finora è statoimpiegato soprattutto per la stampa di«corrispondenza al calcolatore» comeannunci pubblicatari da spedire per postacontenenti nomi o altre informazioni di-versi in ogni copia.

Al centro di ricerche IBM abbiamostudiato la progettazione di una stampan-te a ugello-per-punto in cui una testina distampa mobile riproduce in serie caratteriad alta risoluzione. Questa stampantebinaria presenta un certo numero di van-taggi rispetto alla stampante elettrostati-ca analogica descritta prima. Le gocceprovenienti da una matrice binaria diugelli sono meno influenzate dalle intera-zioni elettrostatiche e aereodinamichecosicché la collocazione delle gocce vienecontrollata più facilmente. Anche i circui-ti necessari al controllo delle gocce sonomolto semplificati. D'altra parte, la co-struzione degli ugelli e degli elettrodi dicarica costituisce un'impresa molto diffi-cile.

La sostituzione di dispositivi analogicicon quelli binari è una tendenza ben con-solidata nell'industria elettronica in gene-rale, resa possibile dalla scoperta cheanche circuiti molto complessi possonoessere costruiti in maniera poco costosaquando il circuito è disegnato sulla super-ficie di un wafer ottenuto da un solo cri-stallo di silicio. Noi e le nostre consociateabbiamo adottato la stessa tecnica per lafabbricazione dei componenti essenzialidella testina di stampa binaria.

La fabbricazione della matrice di ugellirichiede grande precisione. In una serietipica circa 40 ugelli, ciascuno con undiametro che va da 20 a 40 micrometri,devono essere montati insieme su di una

riga la cui lunghezza è all'incirca ugualeall'altezza di un carattere dattiloscritto.La distanza tra gli ugelli deve essere uni-forme; e, ciò che è più importante, i gettiche fuoriescono da essi devono essereperfettamente paralleli. Per esempio se lacarta è solo a un centimetro dall'ugello,una deviazione dall'allineamento paralle-lo inferiore a un grado darebbe luogo a unerrore di collocazione della goccia di circa20 micrometri, che è approssimativamen-te il massimo errore tollerabile nellastampa di alta qualità. Una velocità uni-forme è importante tanto quanto una di-rezione uniforme ma è più difficile da ot-tenere. Se le gocce non hanno uguali tem-pi di transito tra l'ugello e la pagina, allorail movimento della testina di stampa ri-spetto alla carta dà origine a errori dicollocamento delle gocce.

Sono stati esaminati parecchi metodiper la costruzione degli ugelli, inclusi laperforazione con la luce laser o con unfascio di elettroni e l'assemblaggio di unfascio di sottili capillari di vetro. L'ugelloper la IBM 6640 è ottenuto tramite perfo-razione meccanica. Per la matrice binariaabbiamo formato gli ugelli incidendochimicamente dei fori in un wafer di sili-cio, un metodo che è stato proposto, informa un po' diversa, da Charles Chiou edai suoi collaboratori del laboratorioIBM di San José, California. Molte copiedel disegno da incidere possono esseretracciate su un solo wafer per mezzo dellafotolitografia. L'incisione stessa può esse-re effettuata in lotti di parecchi wafer cia-scuno. Nella fase finale i wafer sono ta-gliati in chip, ciascuno dei quali contieneuna matrice di ugelli. Il silicio è stato scel-to non per qualche proprietà intrinsecache lo rende un materiale particolarmen-te adatto agli ugelli, ma perché esiste unatecnologia estremamente sofisticata perla fabbricazione di strutture microscopi-che di silicio molto precise.

Un ugello inciso ha la forma di unapiramide tronca, la cui base maggiore co-stituisce l'ingresso dell'ugello da una par-te del wafer e la base minore l'uscita. I latidella piramide sono definiti dai piani degliatomi nel cristallo e, quindi, il loro orien-tamento è in teoria fissato entro alcuni

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SEMICONDUTTORE DI TIPO n

SCANALATURAINCISA

SEMICONDUTTORE DI TIPO p

Anche la matrice di elettrodi di carica è stata incisa nel silicio ma con un diverso orientamentocristallografico. Come risultato i fori hanno una forma diversa: essi sono scanalature invece chepiramidi. Poiché ogni flusso di gocce deve essere guidato in modo indipendente dagli altri, ciascunelettrodo di carica deve essere isolato elettricamente. Ciò è fatto trattando le pareti dellescanalature in modo da renderle semiconduttori di tipo p, mentre il materiale di base è unsemiconduttore di tipo n. Quando si applica una tensione trasversale, ciascuna scanalatura agisceda diodo e la corrente non può passare da un elettrodo a un altro. Infine dovrebbe essere possibilecostruire un circuito integrato sulla superficie del chip per decodificare i segnali per gli elettrodi.

Flussi multipli di gocce d'inchiostro fuoriescono da una matrice di ugelli incisi nel silicio. L'im-magine è molto ingrandita. infatti le dimensioni reali della matrice sono approssimativamentequelle dell'altezza di un carattere di una macchina per scrivere. I flussi di gocce hanno parecchieproprietà che sono importanti in una stampante binaria o a «ugello per punto». Le gocce sonouniformi per dimensioni e spaziatura e i flussi scorrono perfettamente paralleli. La velocità del-le gocce è a sua volta pressoché uniforme; infatti la sola distorsione significativa è una tenden-za delle gocce periferiche a muoversi più lentamente delle gocce che si trovano al centro.

diametri atomici. Una sottile pellicola,quale può essere uno strato di biossido disilicio, viene applicata alla matrice diugelli per proteggerla dalla corrosione.

Il getto emerge dall'ugello con una se-zione trasversale quadrata. ma rapida-mente acquisisce una sezione circolare.All'inizio non era noto quale effetto l'ori-fizio quadrato poteva avere sulla forma-zione del flusso di gocce, ma si è visto chela forma si è rivelata di scarsa importanza.Poiché gli angoli del quadrato hanno unacurvatura elevata, essi vengono immedia-tamente appiattiti dalla tensione superfi-ciale. A causa dell'inerzia vi sono delledistorsioni, cosicché ogni angolo del qua-drato si sviluppa in una concavità, ma l'o-scillazione che ne deriva è smorzata trop-po rapidamente perché essa influenzi laformazione delle gocce. Ai fini dellastampante il getto che fuoriesce da unugello quadrato è virtualmente identico aun getto che esce da un ugello rotondo.

Sono state costruite e sottoposte a pro-va matrici anche di 40 ugelli. I getti hannoeccellenti caratteristiche direzionali,dovute alla struttura cristallina del silicio,che determina la forma e l'orientamentodegli ugelli. Il bordo affilato dell'aperturacontribuisce anche all'uniformità creandoun punto stabile di distacco per il fluido.Le velocità rigidamente sincronizzate deigetti sono un'indicazione che tutti gliugelli sono delle stesse dimensioni.

Anche la costruzione degli elettrodi dicarica presenta considerevoli diffi-

coltà, a causa del fatto che ciascun elet-trodo della matrice deve essere isolatoelettricamente cosicché possa essere atti-vato o disattivato indipendentemente datutti gli altri elettrodi. Inoltre potrebbepresentare serie difficoltà attaccare ognisingolo filo a ciascun elettrodo e collegar-lo a un modulo elettronico distante. Unodi noi (Kuhn) ha suggerito perciò cheanche la matrice di elettrodi di carica siafatta su un singolo chip di silicio. I circuitiintegrati potrebbero essere creati sullostesso chip come gli elettrodi stessi e du-rante le stesse fasi di lavorazione. I segnalidiretti ai vari elettrodi potrebbero alloraessere inviati lungo un solo filo in formacodificata. Un circuito su chip codifiche-rebbe i segnali e li distribuirebbe alle sin-gole destinazioni.

I fori piramidali usati come ugelli nonsono adatti agli elettrodi di carica, ma sipossono creare fori di altre forme inci-dendo il silicio con un diverso orienta-mento cristallografico. Abbiamo decisodi incidere lunghe scanalature con le pa-reti lunghe parallele. I fori sono stati incisisu spessi wafer di silicio che sono statidrogati con una impurezza donatrice dielettroni, trasformando il materiale in unsemiconduttore di tipo n, il quale ha uneccesso di elettroni. Le pareti di ciascunascanalatura sono state poi trattate con unaltro drogante per renderle semicondut-tori di tipo p, i quali hanno una deficienzadi elettroni, cioè un eccesso di «buche».La giunzione tra gli strati di tipo n e quellidi tipo p rappresenta un diodo; quando siapplica una tensione appropriata alla

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NEL NUMERO DI GIUGNO:

— INTERVISTA CON AURELIO PECCEI

— SINDROME ELETTRONUCLEARE

— CRONACA DI UN' APOCALISSE MANCATA

— LA MEDICINA PSICOSOMATICA

— FIAT LUX... BIG BANG!

— IL MITO DEI GIGANTI

— EBLA

TuoEPIcirJ

LE

CtuasarOuasarQuasarVF\SILI-DI SCII-VA ALTFR\ATIVA

giunzione, ciascuna scanalatura viene iso-lata elettricamente da quelle vicine. Inol-tre la superficie di tipop serve come stratoconduttore per l'elettrodo.

Una testina di stampa può essere as-siemata con questi componenti montandola matrice di ugelli su un collettore con undispositivo di pilotaggio piezoelettricoche fornisce il segnale di sincronizzazio-ne. La matrice di elettrodi di carica è poicollegata a massa a una piastra con uncircuito stampato, che mantiene la matri-ce stessa nell'allineamento corretto congli ugelli e porta anche i segnali di pilotag-gio agli elettrodi. Rudimentali esperi-menti di stampa sono stati eseguiti consimili prototipi. Sia gli ugelli sia gli elet-trodi di carica sono sistemati in modo chela distanza da un centro all'altro è di 0,3millimetri. Il diametro del getto è di circa25 micrometri e la sua velocità è di circa12,5 metri al secondo.

Sarebbe possibile estendere i metodi difabbricazione che si usano con il silicioanche a un altro componente della testinadi stampa binaria. La sincronizzazione delflusso di gocce per mezzo di un trasdutto-re elettromeccanico quale un cristallopiezoelettrico non è soddisfacente permatrici molto lunghe di ugelli poiché gliugelli distanti potrebbero non ricevere lastessa eccitazione meccanica. Il problemapuò essere evitato tramite una sincroniz-zazione diretta, non meccanica, del flussocon un segnale elettrico. Se una tensioneoscillante si presenta su un elettrodo vici-no al getto emergente, un'immagine spe-culare della carica dell'elettrodo vieneindotta nel getto di fluido, che viene per-ciò attratto verso l'elettrodo. Il risultato èuna deformazione periodica sulla superfi-cie del getto, che è esattamente il generedi segnale necessario per la formazionesincronizzata delle gocce.

Un metodo per fornire tale segnale disincronizzazione è quello di fabbricare unelettrodo per ciascun ugello nel substratodi silicio della matrice di ugelli. Si è dimo-strato che la sincronizzazione è possibilecon tali matrici di ugelli, ma nei nostriesperimenti non è stata abbastanza forteper una stampa affidabile. Il fattore limi-tante è la forza elettrica dello strato iso-lante di ossido sulla superficie del chipdell'ugello, che limita la tensione che sipuò applicare all'elettrodo di sincronizza-zione. Con un miglioramento nella tecno-logia di rivestimento dovrebbe essere rea-lizzabile la testina di stampa a getto d'in-chiostro completamente elettronica.

C'è una soddisfacente simmetria nellosviluppo della stampa totalmente elettro-nica. E stata la proliferazione dei calcola-tori negli ultimi quindici anni, e più recen-temente dei dispositivi microelettronici, acreare il bisogno di macchine che stampi-no rapidamente e in modo leggibile undocumento a richiesta. La tecnologia elet-tronica è essenziale per tutte questestampanti, comprese perfino quelle elet-tromeccaniche, e costituisce la base es-senziale del meccanismo a getto d'inchio-stro. Con l'adozione dei metodi di lavora-zione dei semiconduttori per la fabbrica-zione di stampanti, il ciclo si è chiuso.

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