CH649040A5 - Dispositif pour projeter des gouttelettes d'un liquide electriquement conducteur. - Google Patents

Description

La présente invention se rapporte à un dispositif pour projeter des gouttelettes d'un liquide électriquement conducteur.

Il existe deux types de dispositifs pour projeter des gouttelettes de liquide, notamment d'encre dans les systèmes d'impression à jet d'encre. Un de ces types consiste à fractionner un jet sous pression en gouttelettes et suppose une source de liquide sous pression, une buse pour former un jet, des moyens pour induire des variations de pression à haute fréquence dans l'écoulement en vue de le fractionner, des moyens pour diriger les gouttelettes et des moyens de récupération et de recyclage de l'encre non utilisée. Il s'agit de dispositifs destinés de préférence à de grosses installations du fait qu'ils mettent en œuvre des moyens relativement nombreux et complexes et en raison du débit important d'encre. Ils sont destinés à des machines telles que de grosses imprimantes d'ordinateurs ou de traitement de texte à très haute performance, dont le coût est en rapport avec un tel type de dispositif à jet d'encre.

L'autre de ces types permet de projeter des gouttelettes sur commande et comporte généralement des moyens pour créer une surpression dans une enceinte contenant le liquide à projeter et présentant une ouverture à travers laquelle le liquide est expulsé lorsque la pression dépasse la force de cohésion du ménisque formé par le liquide dans cette ouverture. Un tel dispositif est notamment décrit par le brevet US No 3832579.

Ce type de dispositif a une fréquence de formation de gouttelettes limitée par la vitesse avec laquelle le ménisque peut se reformer après l'expulsion d'une goutte et qui est de l'ordre de 100 x 10"6 s.

Tous les dispositifs à jet d'encre connus utilisent un orifice relié à un réservoir pour projeter les gouttelettes. De tels dispositifs nécessitent un tube par gouttelette dans le cas d'une imprimante à formation simultanée d'une pluralité de gouttelettes. Une matrice de tubes capable de réaliser cette projection simultanée pose des problèmes de réalisation évidents. En outre, les buses à travers lesquelles l'encre est projetée sont susceptibles de se boucher, notamment après une période d'inaction.

Le but de la présente invention est de remédier, au moins en 'partie, aux inconvénients susmentionnés.

A cet effet, cette invention a pour objet un dispositif pour projeter des gouttes d'un liquide électriquement conducteur, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins une électrode dont le diamètre est du même ordre de grandeur que celui des gouttes à projeter, émergeant de la surface d'un support électriquement isolant, une source de courant intermittent dont l'un des pôles est connecté à cette électrode, des moyens pour former une couche dudit liquide d'épaisseur déterminée, recouvrant au moins la surface dudit support de laquelle émerge ladite électrode, et une seconde électrode en contact avec ladite couche et connectée à l'autre pôle de la source de courant intermittent pour former un champ électrique à travers ledit liquide, se concentrant sur la partie de l'électrode émergeant de la surface dudit support.

Les avantages du dispositif objet de l'invention sont nombreux. Les gouttelettes ne sont plus projetées à travers un trou, mais sont détachées de la surface d'une couche de liquide. Dès lors, la vitesse de reformation de la couche devient un facteur moins critique. La formation d'une matrice pour la projection simultanée de gouttelettes peut être réalisée par exemple par une technique de circuit imprimé; la distance entre les électrodes génératrices de gouttelettes peut être réduite par rapport à une matrice de tubes. Il est possible de réaliser l'invention sous la forme d'une structure très plane. Aucun transducteur n'est plus nécessaire pour créer la force apte à projeter les gouttelettes. Le coût de fabrication d'un tel dispositif est sensiblement réduit. De ce fait, les applications envisageables sont extrêmement nombreuses dans la mesure où ce coût est même inférieur à celui des dispositifs moins performants existants. On peut ainsi envisager l'utilisation d'un tel dispositif pour des imprimantes de calculatrices de table, pour le marquage de date et d'heure sur des titres de transport, pour le marquage de date sur des emballages de produits périssables, pour ne citer que quelques applications possibles parmi d'autres.

Le dessin annexé illustre, schématiquement et à titre d'exemple, différentes formes d'exécution du dispositif objet de la présente invention.

La fig. 1 est une vue en coupe d'une forme d'exécution.

Les fig. 2a et 2b illustrent des schémas de circuits d'alimentation du dispositif.

La fig. 3 est une vue en coupe d'une autre forme d'exécution.

La fig. 4 est une vue de dessus de la fig. 3.

La fig. 5 est une vue en perspective avec arrachement d'une troisième forme d'exécution.

La fig. 6 est un schéma d'un circuit d'adressage d'une pluralité d'électrodes.

La fig. 7 est une vue en coupe d'une variante de la fig. 1.

Le dispositif illustré par la fig. 1 comporte un support 1 en forme de bloc cylindrique en un matériau isolant traversé axialement par un fil métallique 2 en un métal bon conducteur du courant électrique relié à l'un des pôles d'une source d'impulsions électriques illustrée par l'une des fig. 2a ou 2b. Ce bloc cylindrique 1 est disposé dans un réservoir 3, contenant de l'encre, en un matériau isolant de l'électricité, présentant une ouverture 4 dans laquelle l'encre contenue dans ce réservoir 3 est retenue par la force de cohésion de son ménisque. Une contre-électrode 5 est disposée quelque part dans le réservoir 3 à distance de l'électrode 2 et reliée à l'autre pôle de la source d'impulsions électriques.

Cette source d'impulsions peut présenter une source à tension élevée E, comme illustré par la fig. 2a, entre 500 et 1500 V par exemple, reliée à l'électrode 2. La contre-électrode 5 est connectée au collecteur d'un transistor haute tension T dont la base est reliée à une source d'impulsions basse tension (non représentée) avec des impulsions de 5 us et 5 V par exemple à travers une résistance R1; une résistance R2 étant connectée entre la base du transistor T et son émetteur. L'autre circuit illustré par la fig. 2b diffère du circuit de la

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fig. 1 par le fait que la source de tension Et est une source basse tension entre 5 et 15 V par exemple, un transformateur élévateur TE est alors disposé entre cette source et les électrodes 2 et 5. Le reste du circuit est identique à celui de la fig. 2a, mais utilise un transistor basse tension.

Dans une forme de réalisation pratique de l'invention, le fil métallique 2 servant d'électrode est constitué par un fil de platine de 20 (im de diamètre disposé dans un bloc cylindrique isolant de 0,5 mm, le diamètre de l'ouverture 4 du réservoir 3 étant de 0,8 mm et la profondeur de la face d'extrémité du bloc isolant 1 au-dessous du niveau de l'ouverture 4 étant approximativement de 0,2 mm.

Les essais ont été réalisés avec une encre électriquement conductrice de divers types fabriquée par IBM, Varian, ainsi que de l'encre mise au point par nos soins.

Le processus physique conduisant à la projection des gouttelettes n'est pas complètement expliqué; toutefois, il est vraisemblable que le processus d'éjection doit être dû à la production de charges libres dans l'encre lors de l'établissement d'un champ électrique au voisinage de l'électrode 2. Comme on le sait, dans une électrolyte, l'apparition de charges libres est consécutive à l'apparition d'un gradient de résistivité. Or, étant donné qu'il y a une forte concentration de champ au voisinage de l'électrode 2 qui est assimilable à une pointe, la concentration du courant produit un chauffage de l'encre à proximité de cette pointe. Il en résulte une diminution de la résistivité, comme pour toute électrolyte dont la température s'élève, entre la portion de l'encre liquide adjacente à l'électrode 2 et le reste de la masse d'encre. Une force électrostatique annulaire est exercée à la surface du liquide, au droit du bord de l'électrode 2, et provoque l'éjection d'une goutte.

Les essais réalisés à l'aide du dispositif susmentionné ont montré que l'épaisseur de la couche de liquide recouvrant l'électrode joue un rôle relativement important dans la mesure où, avec une couche très mince de l'ordre de quelques dizaines de micromètres, on obtient une pulvérisation du liquide alors que, avec une couche de l'ordre de quelques dizièmes de millimètre, on obtient très peu de gouttes parasites. La tension appliquée entre les électrodes 2 et 5 ainsi que la durée d'impulsion jouent un rôle sur la taille des gouttes. On a constaté que les tensions nécessaires peuvent varier entre environ 500 et 4000 V, les essais ayant essentiellement été réalisés avec une alimentation variant entre 500 et 1500 V. La durée des impulsions appliquées a été choisie à 5 jis.

La variante illustrée par la fig. 7 montre un dispositif en tous points semblable à celui de la fig. 1, devant l'ouverture duquel est placé un masque 17 présentant une ouverture centrale disposée vis-à-vis de l'électrode 2 mais dont le diamètre est très sensiblement supérieur à celui de cette électrode et donc également supérieur à la taille des gouttes. Ce masque est destiné à limiter la production de gouttes parasites, notamment aux fréquences de fonctionnement élevées.

Les dimensions des diamètres du bloc cylindrique 1 et de l'ouverture 4 n'ont pas d'influence directe sur le processus de formation des gouttes. La dimension de l'ouverture 4 n'a une importance que dans le cas de l'utilisation d'un réservoir d'encre 3 avec une ouverture 4 disposée dans un plan vertical, étant donné que, dans ce cas, le diamètre de l'ouverture 4 doit permettre à l'encre de former un ménisque stable, capable de résister à la pression statique exercée par le liquide contenu dans le réservoir 3.

Etant donné que les dimensions du bloc cylindrique 1 et de l'ouverture 4 n'ont pas d'influence sur le processus de formation des gouttes, il est donc possible d'imaginer d'autres structures que celle illustrée par la fig. 1.

C'est ainsi que, comme illustré par les fig. 3 et 4, il est possible de former un ruban isolant 6 dans lequel se trouvent les électrodes 2. Le bord du ruban 6 présente une piste conductrice 7. Ce ruban peut être encré par un rouleau encreur (non représenté) pour former un film d'encre 8 à sa surface, ce film recouvrant une face du ruban isolant 6 étant en contact avec les électrodes 2 et la piste conductrice 7, de sorte qu'un champ électrique peut être établi à travers le film d'encre

8 dans les mêmes conditions que dans le cas de la fig. 1. Il est alors possible de former un ruban 6, sans fin, destiné à défiler vis-à-vis de la zone d'impression et de régénérer le film d'encre au fur et à mesure, les électrodes 2 étant reliées sélectivement à la source de courant. Bien entendu, dans un tel cas, il est possible de réaliser plusieurs rangées d'électrodes 2 parallèles.

En variante, comme illustré par la fig. 5, le support isolant peut être formé par un bloc fixe 9 sur une face duquel les électrodes 2 émergent. L'encre est retenue dans un ruban 10 qui peut être constitué, par exemple, en un matériau plastique muni de perforations 11 remplies d'encre par un rouleau encreur (non représenté) et dont la face opposée à celle qui vient en contact avec le support isolant 9 présente une couche métallisée 12 et est destinée à former la contre-électrode.

Bien entendu, la couche métallisée 12 peut être formée de différentes pistes conductrices parallèles s'étendant longitudinalement à la surface du ruban 10.

Le fait que l'encre n'est plus délivrée à travers une buse présente donc de gros avantages, notamment dans un dispositif à projection simultanée de plusieurs gouttes. En effet, la présence de trous nécessite en général des structures tubulaires séparées les unes des autres. La suppression de ces trous permet de rapprocher les électrodes 2 de manière à augmenter la densité de gouttes par unité de surface. Dans ces conditions, et en utilisant un système d'adressage pour alimenter les électrodes 2, on peut imaginer la réalisation de matrices d'électrodes et leur excitation sélective. Il est dès lors possible de former non seulement des caractères, mais également des images, permettant par exemple la transmission d'images et de diagrammes à distance.

Un circuit d'adressage des électrodes 2 peut être par exemple réalisé comme illustré par le schéma de la fig. 6. On reconnaît sur ce schéma les électrodes groupées en n séries pour former les électrodes 2la> 2lb> 2lc> 2ld pour la première série, 22a, 22b, 22c, 22d pour la deuxième série et 2na, 2nb, 2nc et 2nd pour la nième série. Chaque électrode d'une même série est située à la jonction de deux conducteurs 13a, 13b, 13c, 13^, d'une part, et A,, Bla Q et Dj pour la première série, A2, B2, C2, D2 pour la deuxième série et A„, Bn, Cn, Dn pour la nième série. Par conséquent, les électrodes 2la, 22a, 2na sont reliées à un même interrupteur 14a, les électrodes 2lb, 22b, 2nb sont reliées à un même interrupteur 14b, les électrodes 2lc, 22c, 2nc sont reliées à l'interrupteur 14c et les électrodes 2ld, 22d, 2nd sont reliées à l'interrupteur 14d. Les électrodes 2U 22, 2n d'une même série sont reliées à un même interrupteur 15j respectivement 152 et 15n par l'intermédiaire de l'encre conductrice contenue dans n réservoirs 16j respectivement 162,16n. Bien entendu, dans le cas de la fig. 5, les réservoirs 16j à 16n pourraient correspondre aux pistes conductrices 12 formées à la surface du ruban 10.

L'adressage de chaque électrode est obtenu en fermant tout d'abord l'interrupteur 15i et ceux des interrupteurs 14a à 14d correspondant aux électrodes que l'on désire mettre sous tension. Ensuite, on ouvre l'interrupteur 15t et les interrupteurs 14a à 14d et on ferme l'interrupteur 152 et ceux des interrupteurs 14a à 14d correspondant aux électrodes que l'on désire mettre sous tension.

La distance entre les électrodes doit être d'au moins 100 um pour éviter les interactions parasites entre électrodes.'A cette distance entre électrodes actives et non actives, le potentiel de ces dernières est très inférieur au seuil d'activité. Le multiplexage dans le temps des réservoirs ou des électrodes est facile, puisque la durée des impulsions est de l'ordre de 2 à 5 jis avec une fréquence maximale de 104 Hz.

Un tel circuit d'adressage peut être utilisé aussi bien pour une matrice d'électrodes que pour une ligne d'électrodes semblables à celle illustrée par la fig. 5 par exemple.

Comme on a pu le constater, le dispositif objet de l'invention offre de très grands avantages sur la plupart des dispositifs existants. Ces avantages découlent essentiellement du fait que la goutte est projetée à partir d'une couche de liquide ne nécessitant plus de buses et permettant de réaliser des structures planes. Pour un liquide donné, à part l'épaisseur de la couche de liquide, tous les paramètres

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influençant la formation des gouttes sont des paramètres électriques. En outre, le courant électrique agit directement sur le liquide, sans l'intermédiaire d'un transducteur. Aucune résistance parasite ne vient se mettre en série dans le circuit d'alimentation, toute la résistance électrique est concentrée dans la zone utile à fort gradient de champ.

Il y a également lieu de remarquer que la reformation du ménisque est indépendante du diamètre d'une buse et ne dépend plus que des propriétés rhéologiques du liquide. On peut, de ce fait, estimer que la fréquence maximale de formation des gouttes peut être augmentée par rapport à un dispositif à jet d'encre à la demande utilisant une buse.

L'énergie consommée par le dispositif objet de l'invention est très faible. Si on considère, par exemple, une résistance de l'électrode 2 5 de 100000 Q et une tension d'alimentation de 1000 V

1000 V

I = ■

= 0,01 A

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L'énergie consommée pendant ime impulsion de 5 jas=5 x 10~5 J. Cette énergie peut encore être réduite, dans la mesure où la durée 10 d'impulsion a pu être ramenée à s 2 us.

2 feuilles dessins

Claims (4)

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1. Dispositif pour projeter des gouttes d'un liquide électriquement conducteur, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins une électrode dont le diamètre est du même ordre de grandeur que celui des gouttes à projeter, émergeant de la surface d'un support électriquement isolant, une source de courant intermittent dont l'un des pôles est connecté à cette électrode, des moyens pour former une couche dudit liquide d'épaisseur déterminée, recouvrant au moins la surface dudit support de laquelle émerge ladite électrode et une seconde électrode en contact avec ladite couche et connectée à l'autre pôle de la source de courant intermittent pour former un champ électrique à travers ledit liquide, se concentrant sur la partie de l'électrode émergeant de la surface dudit support.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit support électriquement isolant est constitué par un ruban. .

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REVENDICATIONS

3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens pour former la couche dudit liquide sont constitués par un ruban isolant dont une face est destinée à venir en contact avec ledit support électriquement isolant et dont la face opposée est métallisée pour former ladite seconde électrode.

4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte un réservoir dudit liquide, une ouverture traversant une paroi latérale et dont la dimension est choisie pour que le ménisque formé par le liquide équilibre la pression statique exercée par la masse de ce liquide contenue dans ce réservoir, ledit support électriquement isolant étant constitué par un élément cylindrique traversé axialement par ladite électrode et dont la face dans laquelle émerge cette électrode est située en retrait par rapport au bord de ladite ouverture, d'une valeur correspondant à l'épaisseur désirée pour ladite couche de liquide.