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Druckvorrichtung für Abstempel- oder Frankiermaschine oder
dergleichen
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Die Erfindung betrifft eine Tintenstrahldruckvorrichtung
zum Bedrucken von Versandobjekten im schnellen Durchlauf,
insbesondere in einer Maschine zum Entwerten, Frankieren
oder allgemeiner zum Stempeln.
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Eine derartige Anordnung, wie sie z.B. aus dem Dokument GB-
A-2 110 854 oder FR-A-2158636 bekannt ist, hat Druckköpfe,
die mit Tintenstrahldüsen versehen sind zum Führen und
Fördem des Objekts bzw. der zu bedruckenden Unterlage vor den
Düsen und Detektoreinrichtungen, die den Vorschub der
Unterlage erfassen und die Abgabe von Tinte durch die Düsen
auslösen.
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Bei einer Entwertungsvorrichtung soll ein postalischer,
normierter Aufdruck mit den Abmessungen 80mm x 25mm in der
oberen rechten Ecke von Postsendungen gedruckt werden. In
einer Frankiermaschine kann die Breite der zu bedruckenden
Zone einen weitaus größeren Wert erreichen, ohne daß sich
etwas an den später erläuterten Bedingungen und Lösungen
ändert. Die Verarbeitungsgeschwindigkeit muß mehrere Meter
pro Sekunde erreichen können, und hierzu ermöglichen es die
Druckköpfe, die die Technik "Tropfen bei Bedarf" mit
piezoelektrischem Schalter verwenden, eine Lineargeschwindigkeit
zu erreichen, die bis zu 2 mis bei einer Schreibdichte von
4-6 Punkten pro mm [d.h. 100 - 150 dpi (wobei dpi die
Abkürzung für "punkte pro Inch ist)] erreichen kann.
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Um mit einem Tintenstrahl mit hoher Leistung richtig zu
funktionieren, müssen präzise gesteuert werden:
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- den Abstand zwischen den Düsen, die die Tropfen
erzeugen, und der Oberfläche des Papiers, und
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- die Abgabe der Tintentropfen in Abhängigkeit vom Vorschub
des Papiers, um Bildverzerrungen zu vermeiden.
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Letztere Bedingung muß auf jeden Fall erfüllt werden,
jedoch mit noch höherer Genauigkeit bei Drucksystemen, bei
denen der Abstand der Düsen größer als der Abstand der
Punkte ist, was dazu zwingt, die Linie der Düsen schräg zur
Vorschubrichtung des Papiers anzuordnen.
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Es ist ersichtlich, daß es bei diesen Bedingungen notwendig
ist, die Abgabezeitpunkte der verschiedenen Düsen
gegeneinander zu versetzen, um ihre räumliche Versetzung infolge
der Schrägstellung zu kompensieren. Diese räumliche
Versetzung liegt in der Größenordnung einiger hundert
Elementarschritte (der Abstand zwischen zwei benachbarten
Tropfen), und um eine sichtbare Verzerrung zu vermeiden, muß
der Fehler bzgl. der Versetzung unter 1% liegen.
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Um den Abstand zwischen den Düsen und dem Papier zu
steuern, hat man in Betracht gezogen, eine Auflageplatte für
ebene Objekte, die gegenüber den Düsen etwas vorsteht, und
ein Förderbandsystem zu verwenden, das das Objekt auf
seiner Rückseite hält und es gegen die Auflageplatte drückt.
Ein derartiges System hat zwei Nachteile:
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- es ist nicht möglich, das Papier gegen eine Führung
unmittelbar nach dem Aufdruck anzudrücken, da eine
erhebliche Gefahr des Verschmierens besteht,
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- wenn die Dicke des Objekts nicht gleichmäßig ist, führt
dies zu Unregelmäßigkeiten bei der Auflage, was die
Druckqualität ändert.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine zufriedenstellende
Lösung für dieses fundamentale Problem zu geben.
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Gemäß der Erfindung, wie sie in Anspruch 1 definiert ist,
weisen die Führungs- und Fördermittel der Druckvorrichtung
eine Einrichtung auf, die das Objekt im Abstand von den
Düsen hält, und zwar durch Saugwirkung mittels
Druckluftstrahlen, die nach dem Bernulliprinzip wirken; auf diese
Weise trennt ein "Luftkissen" die bedruckte Papierf läche
von den benachbarten Gegenständen, wodurch jede Gefahr
eines Verschmierens vermieden wird. Eine solche Lösung
unterscheidet sich vollständig von den bekannten Lösungen, bei
denen mit Saugmitteln verbundene perforierte Gurte eine
Saugwirkung erzeugen, die den Träger gegen den Gurt
andrückt, ohne eine selbständige Regelung eines
einzuhaltenden Abstandes, wie bei der vorliegenden Erfindung.
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Vorteilhafterweise besteht die Einrichtung zum
Abstandshalten des Trägers aus mit Löchern versehenen Platinen, die im
wesentlichen am Umfang und in der Nähe der Düsengruppe
angeordnet sind, und zwar in einer Ebene, die sehr nahe der
Ebene der Düsen liegt; bei einer Abwandlung können die
Löcher in den die Düsen aufweisenden Druckköpfen integriert
sein, und es ist vorteilhaft, Mittel zum Auffangen der
ausgestoßenen Luft vorzusehen (z.B. Sammelrinnen und
Sauglöcher).
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus der nachstehenden Beschreibung, unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen. In diesen zeigt:
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Fig. 1 eine schematische Vorderansicht einer
Druckvorrichtung gemäß der Erfindung;
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Fig. 2 eine schematische teilweise Seitenansicht der
Druckvorrichtung von Fig. 1,
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Fig. 3 in schematischer perspektivischer Darstellung eine
erste Abwandlung der Erfassungsvorrichtung der
Vorrichtung von Fig. 2,
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Fig. 4 in schematischer perspektivischer Darstellung eine
zweite Abwandlung der Erfassungsvorrichtung der
Vorrichtung von Fig. 2,
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Fig. 5 die teilweise Vorderansicht eines abgewandelten
Druckkopfes gern. einer Abwandlung der Erfindung und
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Fig. 6 einen schematischen Querschnitt des Kopfes der
Fig. 5.
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Die Druckvorrichtung gem. der Erfindung umfaßt
Tintenstrahl-Druckköpfe 1, die derart angeordnet sind, daß sie
auf eine Unterlage oder auf ein Versandobjekt 2 beim
Durchlauf einen genormten Poststempelabdruck drucken können, der
durch die gestrichelten Linien 3 gezeigt ist.
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Das Objekt 2 wird von kontinuierlichen
Antriebseinrichtungen vorbeibewegt, die z.B. aus zwei endlosen Bändern 4, die
das Objekt einklemmen, oder auch aus einem Band und einem
Druckschuh bestehen. Das Band läuft in üblicher Weise über
freie Rollen und über von einem Motorsystem angetriebene
Rollen.
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Eine horizontale Führungsschiene 20 führt den unteren Rand
2 des zu bedruckenden Objekts.
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Gemäß der gezeigten Ausführungsform werden Druckköpfe 1
verwendet, die von Dataproducts unter der Bezeichnung
"Ultrajet 96/32" hergestellt werden. Diese Köpfe haben 32
Tintenstrahldüsen 5, die 1,483 mm beabstandet sind. Neigt
man die Düsen bzgl. der Papiervorschubrichtung, ist es
möglich, den Abstand zwischen zwei benachbarten Punkten auf
dem Papier und damit gleichzeitig den Abstand der 32 Spuren
und die Gesamthöhe des Druckes zu verändern, um die
gewünschte Dichte von 128 Punkten pro Zoll (etwa fünf Punkte
pro mm) zu erhalten.
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Es ist außerdem leicht, zu berechnen, daß man bei
Verwendung von vier Köpfen, die um 32º03' geneigt und derart
übereinandergestapelt sind, daß die Spuren von vier Köpfen
um 0,195 mm versetzt sind, man einen Aufdruck von 160 mm x
25 mm erhalten kann, der somit den verschiedenen
Postvorschriften entspricht. Die entsprechenden Abstände sind in
Fig. 1 angegeben. Jeder Kopf 1 erfaßt eine Höhe von 24,415
mm, auf der er die 32 Düsen einzeln ansteuern kann, um 32
Punkte mit einem Abstand von 24,415/31 = 0,78 mm zu bilden.
Die vier Köpfe sind in der Höhe leicht um 0,195 mm
gegeneinander versetzt. Sie ergänzen sich somit, um durch
Verschachtelung 128 Punktlinien zu bilden, die um 0,195 mm
beabstandet sind. Wie Fig. 3 zeigt, ist die Gesamtheit der
Druckköpfe 1 an einem Trag- und Halteelement 22 angeordnet.
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Um die Druckköpfe herum sind mehrere Platinen oder Stege 6
angeordnet, die von öffnungen 7 durchsetzt sind, deren
ebene Vorderseite etwas oberhalb der Ebene der
Tintenstrahldüsen 5 liegt. Die Offnungen der Stege 6 stehen mit
einer nicht gezeigten Druckluftquelle durch übliche
Elektroventile in Verbindung, die es ermöglichen, einen
Luftstrahl oder -strom zu geeigneten Zeitpunkten in den
Öffnungen zu erzeugen. Diese Luftströme erzeugen, wenn sich ein
Blatt Papier in geringem Abstand von den Platinen oder
Stegen 6 befindet, eine Saugwirkung, die das Blatt in sehr
geringem Abstand von der Vorderseite der Stege stabilisiert.
Diese Wirkung und der Gleichgewichtsabstand hängen von der
Luftgeschwindigkeit (Bernoulli-Effekt) ab und können somit
auf den gewünschten Wert reguliert werden. Wie Fig. 2
zeigt, hält die Vorrichtung gemäß der Erfindung zwischen
der zu bedruckenden Seite des Objekts 2 und der vorderen
Platine der Düsen und der Stege (im wesentlichen der
Vordersteite des Trag- und Halteelements 22) eine kontaktfreie
Strecke aufrecht, die die von den Düsen 5 abgegebenen
Tintenstrahlen 25 durchlaufen.
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Genauer gesagt wird die unter Druck von den Öffnungen 7
abgegebene Luft bei Vorhandensein eines Papierblattes 2
gezwungen, abrupt die Richtung zu ändern und längs
divergierender Bahnen in dem zwischen dem Papier 2 und der
Oberfläche der Stege 6 eingeschlossenen Raum zu zirkulieren Wenn
die Anfangsbedingungen derart sind, daß dieser Raum
ziemlich gering ist, so daß der für den Durchgang der Luft
verfügbare Querschnitt ausreichend reduziert ist, bewirkt die
Erhöhung der Geschwindigkeit der Luft einen Abfall ihres
Druckes entsprechend der Bernoulli-Gleichung, die für ein
kompressibles Fluid bei Abwesenheit einer Volumen- oder
Feldkraft die vereinfachte Form hat:
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in der V die lokale Geschwindigkeit des Fluids, dp die
Druckänderung, die lokale spezifische Masse und C eine
Konstante ist. Diese Wirkung erzeugt eine Saugkraft, die,
wenn der Abstand Papier/Steg ausreichend gering ist, die
entgegengesetzte Wirkung infolge des Druckes des
Luftstrahls, der aus der Öffnung oder den Öffnungen austritt,
bei weitem übersteigt. Außerdem ändert sich diese
Saugwirkung umgekehrt mit diesem Abstand, was diesen Abstand
stabilisiert und ein Mittel zum Führen des Papiers schafft,
ohne daß ein körperlicher Kontakt besteht.
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In Fig. 1 sind die Führungsstege 6 um die eigentlichen
Druckköpfe 1 herum angeordnet. Bei einer Abwandlung der
Erfindung sind die Öffnungen 7' in den Köpfen 1' selbst nahe
den Tintenstrahlöf fnungen 5, angeordnet, was das System
kompakter und gleichzeitig effizienter macht. Wenn die
Öffnungen 7' sehr dicht beieinanderliegen, wurde beobachtet,
daß der Luftaustritt parallel zur Oberfläche der vorderen
Platine des Kopfes den Luftstrahl mehr oder weniger
zerstreuen
und die Druckqualität stören kann. Um diesen
Nachteil zu beseitigen, sind Auffangrinnen 23 in dieser Platine
ausgebildet. Diese Rinnen 23 sind mit Öffnungen 24
verbunden, die in dieser Platine ausgebildet sind, die wiederum
mit einer Pumpe verbunden sind, die die störenden
Luftstrahlen zurücksaugt.
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Die Detektoreinrichtungen zum Detektieren des Objekts 2,
die in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, hat eine Reihe 8 von
optischen Zellen 9. Die Zellen 9 sind in einer Anzahl von
etwa 1200 in einem Abstand von etwa 0,2 mm vorhanden. Die
Herstellung dieser Linie von Zellen kann auf
unterschiedliche Arten unter Verwendung maßstabsgerechter "Komponenten"
erfolgen, jedoch wird am besten ein integrierter Meßfühler,
der mit C.C.D. (ladungsgekoppelter Detektor) bezeichnet
wird, verwendet, der auf einem einzigen chip 1728 bis 2432
Zellen vereinigt, die in versetzter Reihe angeordnet sind.
Unter Berücksichtigung der Abmessungen des Chips kann man
ein optisches System verwenden, um die Abbildung des
Briefes auf den Meßfühler zu projizieren. Auf jeden Fall hat
dieses Netz von Zellen den Zweck, Schritt für Schritt den
Vorschub des Briefes derart zu verfolgen, daß die Abgabe
jedes Punktes mit Genauigkeit erfolgt. Es ist eine
Drucklänge von 80 mm vorhanden, und in Richtung von oben nach
unten des zu realisierenden Aufdrucks, unter
Berücksichtigung des Versatzes zwischen den verschiedenen Düsen, muß
ein Versatz von 159,63 mm eingehalten werden, d.h. eine
Gesarntnachlauflänge des Briefes von 240 mm, wobei die
geforderte Auflösung 25/128 = 0,1953 mm ist. Man benötigt daher
240/0,1953 Zellen, d.h. 1229.
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Gegenüber dem System von Aufnahmezellen 9 befindet sich
eine Leuchtstoffröhre, deren Achse parallel zur Linie 8 der
Meßfühler 9 angeordnet ist.
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Ein derartiges System, wie es oben beschrieben wurde,
beseitigt jedes Problem der Druckqualität, das sich aufgrund
der Unregelmäßigkeit der Vorschubgeschwindigkeit oder der
Druckunterlage ergeben könnte, wenigstens, soweit man die
Flugzeit der Tintentropfen vernachlässigen kann. Es gibt
jedoch Anwendungsfälle, für die dieses System als zu
kostspielig beurteilt werden kann. Für diesen Fall bevorzugt
man eine Abwandlung, die darin besteht, die Abstände der
Zellen in einem ganzzahligen Verhältnis zu vervielfachen.
Wenn man z.B. nur eine Zelle alle drei Schritte bzw.
Abstände anordnet, (d.h. bei dem vorliegenden Beispiel einen
Abstand der Zellen gleich 3 x 0,1953 = 0,5859 mm), wird der
Austrittszeitpunkt jedes Tintentropfens aufeinanderfolgend
und abwechselnd durch die Erfassung des vorderen Randes der
Druckunterlage durch eine Zelle und durch eine Zeitbasis
bestimmt, die eine Interpolation zwischen den von zwei
benachbarten Zellen abgegebenen Signalen durchführt. Diese
Interpolation kann von verschiedenen in der Elektronik
bekannten Prinzipien Gebrauch machen, z.B. dem
phasengesteuerten Oszillator, der es ermöglicht, die Frequenz
eines quasi periodischen Signals zu vervielfachen, oder auch
von der Technik der digitalen Zeitbasis, die Signale
liefert, die diejenigen ersetzen, die von unterdrückten Zellen
ausgegeben werden wirden, wobei diese Zeitbasis ständig
durch den Zeitabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden,
von den Zellen kommenden Signalen geregelt wird. Die
Anwendung dieser Methoden ermöglicht es, die Kosten der
Meßfühler zu verringern, macht jedoch dagegen das System
gegenüber Geschwindigkeitsänderungen etwas empfänglicher.
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Gemäß einer Abwandlung der Objekt-Detektoreinrichtung 2
wird die Lagebestimmung dieses Objekts durch Verfolgung
seines vorderen Randes mittels eines feinen Strahlenbündels
erreicht.
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In diesem Fall ist anstelle und am Ort der Linie der
optischen Meßfühluhr 9, die in Fig. 1 gezeigt ist, ein
transparentes Fenster 12 vorhanden, hinter dem die Einrichtung
angeordnet ist, die nun beschrieben wird.
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Diese in Fig. 3 gezeigte Einrichtung umfaßt:
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- einen Laser 13, der ein enges Strahlenbündel 14 mit sehr
geringer Divergenz abgibt, dessen Durchmesser in der
Größenordnung von 0,2 - 0,5 mm liegt;
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- einen diesem Laser nahe beigeordneten photoelektrischen
Empfänger 15 (im folgenden Meßfühler genannt), dessen
optische Achse mit der des Lasers 13 übereinstimmt. In der
Praxis wird, wie in der Fig. gezeigt ist, die
theoretische Übereinstimmung der optischen Achsen durch eine
physikalische Trennung des abgehenden Strahlenbündels 14
und des zurückkehrenden Strahlenbündels 18 mittels eines
halbreflektierenden Spiegels 26 erreicht, der in das vom
Laser 23 emittierte Strahlenbündel eingefügt ist, (und
gegebenenfalls weiterer Umlenkspiegel wie der Spiegel
27);
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- einen Drehspiegel 16, der von einem Schrittmotor 17
angetrieben wird und der auf einer dem Laser 13 und dem
Empfänger 15 gemeinsamen optischen Achse sitzt, und so
angeordnet ist, daß das Strahlenbündel des Lasers durch das
transparente Fenster die Brief-Durchlaufzone abtasten
kann;
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- eine Korrekturlinse 18, die dazu bestimmt ist, die
Verschiebung des Laserstrahlenbündels in Abhängigkeit von
der Drehung des Schrittmotors (die Beziehung
Spiegelwinkel/lineare Verschiebung) zu linearisieren, und einen
Umlenkspiegel 19;
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- ein elektronisches System 20 zur Steuerung des
Schrittmotors 17, Verstärkerschaltungen und Schaltungen zur
Bearbeitung des Signals des photoelektrischen Empfängers
sowie Speisekreisenschaltungen für den Laser 13.
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Die Anordnung funktioniert wie folgt: zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Briefen wird die Anfangsposition des
Laserpunktes am Ende des transparenten 12 auf der Seite
eingestellt, wo der Brief 2 erwartet wird. In dieser Position
trifft das Strahlenbündel auf kein Hindernis, und der
Meßfühler empfängt folglich nichts. Wenn ein Brief 2
vorrückt, schneidet sein vorderer Rand das Strahlenbündel in
einem bestimmten Zeitpunkt. Der Meßfühler 15 empfängt nun
folglich das zurückgestreute Licht, und das Steuersystem
des Motors beginnt, den Motor 17 um einen Schritt
vorzurücken. Der Meßfühler empfangt nichts mehr, und der Motor
bleibt somit in der eingenommenen Position, bis der Brief
wieder die neue Position des Strahlenbündels erreicht. Auf
diese Weise genügt es, die Anzahl der Schritte zu zählen,
mit denen der Motor 17 beaufschlagt wird, um mit
Genauigkeit die Position des Briefes 2 zu markieren.
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Bei einer weiteren, in Fig. 4 gezeigten Abwandlung ist der
ebene Drehspiegel durch eine spiralförmige Reflexionsf läche
16 ersetzt, deren Achse die des Schrittmotors 17 ist. Die
Achse des System Lasers 13 und Meßfühlers 15 ist parallel
zu dieser Achse derart angeordnet, daß durch Drehen des
Motors 17' die Lichtstrahlen das Durchlauffenster für die
Briefe abtasten. Bei dieser Abwandlung ist es nicht
notwendig, eine Linearitätskorrekturlinse vorzusehen. Ein
elektronisches System 21' steuert den Motor 17' und die
Schaltungen des Lasers 13 und des Meßfühlers 15. In Fig. 4 wurde
zur Vereinfachung das System zur Trennung des Lichtstrahls
und zur Umlenkung weggelassen, das in Fig. 3 für den Laser
und seinen zugeordneten Meßfühler gezeigt ist.
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Die Abstands- und Schrittangaben in Fig. 1 dienen nur zur
Erläuterung.