FR2890595A1 - Generation de gouttes pour impression a jet d'encre - Google Patents

Abstract

Pour générer des gouttes, notamment à des fins d'impression à jet d'encre, le générateur selon l'invention fonctionne par stimulation forte sous forme d'impulsions (tau). Ce choix permet une brisure de jet (30) proche de l'éjection (16) et diminue le taux de diaphonie. Un générateur particulièrement adapté est un générateur à stimulation piézoélectrique.

Description

GÉNÉRATION DE GOUTTES POUR IMPRESSION À JET D'ENCRE

DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE

L'invention se situe dans le domaine de la projection de liquide, différente par essence des techniques de pulvérisation, et plus particulièrement de la production contrôlée de gouttelettes calibrées, utilisées par exemple pour l'impression numérique.

L'invention concerne notamment un générateur de gouttes dont la conception et les règles de fonctionnement autorisent une production asynchrone de tronçons de liquide issus de la brisure forcée d'un jet continu de liquide. Un domaine d'application privilégié, néanmoins non exclusif, est l'impression à jet d'encre, cette technique s'inscrivant dans la famille du jet continu par opposition aux techniques de la goutte à la demande.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les techniques liées à l'impression à jet d'encre forment un domaine riche en matière de générateurs de gouttes dédiés à la production contrôlée de gouttes calibrées.

Comme technologie possible, la famille du jet continu requiert la mise en pression de l'encre dans un canon à encre en amont de la tête d'impression afin de former un jet continu de liquide: le canon à encre comporte notamment une chambre destinée à contenir de l'encre à stimuler, et un logement pour un dispositif de stimulation périodique de l'encre. La chambre de stimulation comporte, de l'intérieur vers l'extérieur, au moins un passage d'encre vers une buse calibrée percée dans une plaque à buse: de l'encre sous pression s'échappe au travers de la buse formant ainsi un jet d'encre.

La brisure du jet en gouttelettes est obtenue au moyen d'un dispositif de stimulation dont la fonction est de moduler le rayon du jet; cette fragmentation forcée du jet d'encre est usuellement induite en un point dit de brisure du jet par des vibrations périodiques du dispositif de stimulation placé au niveau l'encre contenue dans le canon à encre en amont de la buse. La modulation est amplifiée sous l'action de la tension superficielle du liquide. Ce phénomène physique, largement exploité dans les imprimantes industrielles à jet continu, a été initialement décrit et modélisé par Lord WS Rayleigh ( On the Instability of Jets , Proceedings of the London Math. Soc. 1879; X: 4-13).

Des moyens variés permettent alors de sélectionner les gouttes qui seront dirigées vers un substrat à imprimer ou vers un dispositif de récupération appelé communément gouttière . Le même jet continu est donc destiné autant à l'impression qu'à la non impression du substrat afin de réaliser les motifs désirés.

Diverses techniques de stimulation peuvent être envisagées. Par exemple, la stimulation Electro-30 Hydro-Dynamique (EHD) décrite dans US 4 220 928 (Crowley) consiste à appliquer une différence de potentiel entre un jet conducteur de l'électricité porté à la masse et une électrode portée à un potentiel variable; la pression électrostatique à la surface du jet le déforme et la modulation de rayon, amplifiée par l'instabilité capillaire, conduit à la rupture du jet.

Une autre approche est la stimulation thermique, décrite par exemple dans US 4 638 328 (Drake) : la perturbation de rayon (ou de vitesse) est imposée et contrôlée par un élément thermo résistif.

Des développements récents sont issus de la technologie de la filière silicium pour fabriquer ce type de générateur thermique de gouttes (voir par exemple US 2003/0222950 de Kodak). Cependant, le corps du générateur de gouttes est une plaquette de silicium, matériau reconnu pour sa fragilité mécanique, une résistance chimique très médiocre en particulier en milieu alcalin, ce qui limite la nature des liquides projetés. De plus, les actionneurs produisant de la chaleur, l'accumulation des calories est susceptible de provoquer un échauffement de la tête modifiant les propriétés de l'encre et les paramètres physiques associés (par exemple la viscosité et donc la vitesse du jet). La maîtrise de cet échauffement est difficile sachant que l'énergie électrique dissipée dans les résistances chauffantes dépend du motif à imprimer. Enfin, l'action créée sur le jet est à sens unique, la résistance chauffante ne pouvant qu'élever la température de l'encre: il n'est pas possible de créer, sur le jet, une perturbation inverse de celle obtenue en chauffant. Ce point limite la finesse de contrôle du processus de formation des gouttes.

Ces deux techniques (EHD & thermique) offrent l'avantage d'être par nature non résonantes: la portion de jet adressée/stimulée est parfaitement définie et permet la production asynchrone de gouttes ou tronçons de calibre différent. L'inconvénient de ces techniques est la faiblesse de leur efficacité ce qui nécessite d'utiliser des niveaux de commande électriques très forts ou de faire appel à des phénomènes physiques complémentaires pour briser efficacement le jet.

A côté de ces approches, la génération dans un système monojet de gouttes à fréquence fixe ayant une masse et une vitesse constantes est également décrite dans le brevet US 3 596 275 (Sweet), où le dispositif de stimulation est un actionneur piézoélectrique. Les principaux avantages de ces types d'actionneurs sont: l'excellent contrôle de la taille des gouttes; la fréquence de fonctionnement élevée; l'efficacité et l'absence de contact électrique direct entre le fluide et l'actionneur.

Pour augmenter la surface d'impression et donc la vitesse, les imprimantes à jet continu peuvent comporter plusieurs buses d'impression fonctionnant simultanément et en parallèle. La technique de stimulation piézoélectrique est largement reprise pour la conception de générateurs multijets avec par exemple un actionneur pour un rideau de jets tel que décrit dans US 3 373 437 (Sweet), ou un actionneur par jet tel que décrit dans WO 01/87616 (Marconi).

EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention se propose, parmi autres avantages, de pallier les inconvénients susmentionnés des générateurs existants et de former des gouttes par brisure d'un jet continu de liquide selon un autre mode de stimulation. L'invention s'applique plus particulièrement à la formation de gouttelettes d'encre et dans une tête d'impression, mais d'autres utilisations sont possibles.

L'invention concerne ainsi l'utilisation d'un nouveau mode de stimulation, par impulsions courtes et fortes, des générateurs de gouttes, et notamment des générateurs de gouttes piézoélectriques utilisés pour l'impression à jet d'encre.

Sous l'un de ses aspects, l'invention se réfère à un procédé de projection d'un liquide, par exemple de l'encre, sous forme de gouttes dans lequel le liquide est mis sous pression dans une chambre munie de buses de sorte qu'il peut sortir sous forme de jet de la chambre; le jet émis par la buse possède un rayon et une vitesse propres. Le procédé selon l'invention comprend également la perturbation du jet par une impulsion de stimulation dont la durée est courte, en particulier très inférieure à 3 fois, et de préférence à 2 ou 1 fois, le rapport diamètre sur vitesse du jet, de sorte que la perturbation génère une brisure du jet. La longueur du jet perturbée par l'impulsion de stimulation est ainsi très inférieure à la longueur d'onde optimale d'instabilité du jet, soit à peu près 9 fois le rayon du jet, et de préférence l'amplitude de la perturbation du diamètre du jet sera supérieure à 20 % du diamètre du jet en sortie de buse.

Le signal de perturbation peut avantageusement être carré, comprendre une succession d'impulsions espacées de périodes modulées de façon à former des gouttes de tailles différentes. Le procédé selon l'invention peut être utilisé pour former un rideau de gouttes issues de jets parallèles; le procédé selon l'invention est particulièrement adapté pour la stimulation d'un actionneur piézoélectrique, dont la polarité est avantageusement adaptée à celle des impulsions.

Sous un autre aspect, l'invention se rapporte à un dispositif de génération d'un rideau de gouttes, en particulier faisant partie d'une tête d'imprimante, adapté au procédé selon l'invention, comprenant une pluralité de chambres de stimulation espacées, alimentées de préférence par un unique réservoir, munies de buses d'éjection opposées à des actionneurs piézoélectriques dont la taille est supérieure à la surface de la chambre de stimulation, pour recouvrir par exemple de 10 à 20 % des parois séparant les différentes chambres. Les actionneurs sont reliés à des moyens pour générer une impulsion de stimulation.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description suivante et en référence aux dessins annexés, donnés à titre uniquement illustratif et nullement limitatifs.

Les figures 1A, 1B et 1C montrent un générateur de gouttes adapté selon l'invention.

La figure 2 illustre la génération de gouttes selon l'invention.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Selon l'invention, le générateur de gouttes est conçu de manière à pouvoir fonctionner en régime de stimulation très forte, par impulsions courtes. De fait, les différents éléments du générateur sont tels que la déformation de la surface libre du jet en sortie de buse est supérieure à 20 % du diamètre moyen du jet continu; en particulier, le générateur est du type piézoélectrique, et les éléments discrets suivants sont dimensionnés pour imposer non pas une modulation mais réellement une déformation de la surface du jet: paroi supportant l'élément piézoélectrique, passage de restriction, volume d'encre confiné dans la chambre, buse.

Un générateur de gouttes 10 particulièrement adapté pour l'invention est illustré en figures 1. De l'encre 12 sous pression alimente un réservoir secondaire 14 interne au générateur 10; le réservoir 14 distribue l'encre 12 à un réseau de buses 16, dont une seule est représentée sur la coupe de la figure 1A. Chaque buse 16 est alimentée par un chemin hydraulique individuel qui comprend une succession de canaux; en particulier, un des canaux 18 a une fonction de restriction, et un deuxième canal 20 est une chambre de stimulation, c'est-à-dire une cavité remplie d'encre 12 dont une des faces, par exemple une membrane 22, se déforme sous l'action d'un actionneur piézoélectrique 24.

Le volume d'encre emprisonné dans la chambre 20 varie en fonction de l'action de l'élément piézoélectrique 24 lui-même piloté par une tension électrique: cette action a pour effet de moduler le rayon du jet de liquide émis par la buse 16. La modulation du rayon du jet permet de contrôler la fragmentation du jet en gouttelettes.

Le générateur est adapté pour délivrer une multitude de jets: la figure 1B illustre la succession de chambres 20a, 20b, 20c associée à une succession de buses 16. De préférence, chaque jet issu du générateur 10 peut être piloté individuellement, de manière similaire, par un élément piézoélectrique 24i associé à chaque chambre 20i, éventuellement par l'intermédiaire d'une membrane 22 unique, ou d'une pluralité de membranes. Les chambres 20i sont par exemple juxtaposées et séparées par une paroi séparatrice 26 qui empêche le liquide de communiquer entre deux chambres adjacentes: voir figure 1C.

En l'absence de stimulation, l'encre 12 s'écoule par chaque buse 16 en formant un jet continu 28 de liquide, cylindrique de diamètre moyen 2ÉR28 et de vitesse V28. Chaque jet 28 est naturellement instable pour des longueurs d'onde A supérieures à une valeur limite: ce critère d'instabilité, établi par Lord WS Rayleigh (Proceedings of the London Math. Soc. 1879; X: 4-13), est respecté si la longueur d'onde A d'oscillation du jet 28 est supérieure ou égale à la circonférence du jet (A ? 2 É n É R28) . Chaque jet 28 se fragmente de façon contrôlée en tronçons 30, qui formeront des gouttelettes 32 au vu des tensions de surface du liquide, lorsqu'un signal électrique dit de stimulation est appliqué sur l'élément piézoélectrique 24, modifiant par là la pression sur le liquide 12: ainsi, tel qu'illustré en figure 2, chaque jet continu 28 de liquide est coupé à la demande par une impulsion de tension de très courte durée appliquée sur l'élément piézoélectrique 24. Cette durée T combinée à la vitesse d'avancement du jet V28 perturbe une portion de jet de longueur 1 (1 = V28ÉT) très inférieure à la longueur d'onde optimale Aopt pour laquelle le jet 28 est le plus instable; la longueur d'onde optimale Aopt est proche de 9-R28 (R28 étant le rayon moyen du jet). En particulier, on choisit T 4,5-R28/V28, ou même T 2 -R28/V28, voire T R28/V28; la longueur de brisure d représente la distance au bout de laquelle la portion de jet 28 stimulée de longueur 1 (zone d'instabilité) produit la coupure du jet. Deux coupures successives produisent ainsi des tronçons de jet 30, 32.

De préférence, l'impulsion T produit un pincement local du jet 28 en combinant correctement la polarité du signal électrique et le sens de polarisation de l'actionneur 24. L'intérêt du pincement est de produire une unique coupure du jet 28 par amincissement progressif de la zone 1 stimulée. Par le niveau de stimulation, l'action de la tension superficielle est rapide, ce qui minimise l'influence des autres propriétés de l'encre 12 sur la longueur instable 1, et permet de former, à une même distance d de la buse 16, des tronçons 30 et des gouttes 32 dérivant de jets 28 à base de solvants 12 aux propriétés physiques très différentes, comme les liquides à base d'eau, d'alcool, d'acétone,_: les réglages de la tête d'impression en cas de changement d'encre s'en trouvent diminués d'autant.

A titre d'exemple d'application, la durée du créneau sera de T = 2 ps, pour un jet de diamètre 2-R28 = 35}gym, animé d'une vitesse moyenne V28 = 10 m/s. La longueur de portion de jet stimulée sera de 1 = 20}gym (à comparer la longueur d'onde optimale de 160}gym).

De préférence, selon l'invention, le signal de stimulation ne comporte que deux niveaux de tensions, à savoir le niveau de référence 0 et l'amplitude A du signal de durée T. Le signal de stimulation est quant à lui constitué d'une succession d'impulsions, notamment carrées, espacées d'un intervalle de temps T, sachant que z T. Cette période T combinée à la vitesse d'avancement du jet V28 délimite un tronçon de jet 30 de longueur L = V28ÉT, qui détermine la taille des gouttes 32 formées ensuite par l'évolution du tronçon 30. Préférentiellement, la longueur L du tronçon 30 est supérieure à la longueur d'onde optimale Xopt É L'actionneur 24 induisant la perturbation sur le jet est de nature piézoélectrique: il utilise des moyens électriques de commande basse tension, typiquement inférieure à 30 V. De plus, grâce au mode d'actionnement selon l'invention, chaque impulsion de durée T produit une rupture forcée, ou brisure, du jet 28, dont le lieu de brisure est unique ou presque, distant de d de la plaque à buse 16 quelle que soit la taille des gouttes 32 considérées; il s'agit d'un régime de stimulation très forte qui procure une distance de brisure d faible: en particulier, d < _ 5ÉAopt. De plus, l'efficacité de la stimulation est telle que l'actionneur 24 produit une déformation du jet supérieure à 20 % du diamètre du jet 2ÉR28 au niveau de la buse d'éjection 16: la déformation de la surface libre du jet 28 est donc clairement visible dès la sortie de la buse 16.

Combinée aux conditions précédentes, le signal d'impulsions de stimulation sectionne ponctuellement le jet continu 28 sans production de satellites gouttelettes d'encre parasites. Par ni répétition ce mode de stimulation, l'impulsion de

T

permet de découper à tronçons cylindriques que de l'intervalle la demande le jet continu 28 en 30 dont la longueur L ne dépend de temps T qui sépare deux 25 impulsions successives T: la durée T peut varier à la demande d'une impulsion à une autre, générant ainsi des tronçons 30 plus ou moins longs.

Par ailleurs, pour minimiser la diaphonie, d'origine mécanique, entre les jets adjacents ou proches (par exemple issus de deux chambres 20a, 20b contiguës), il est nettement avantageux de produire une succession de gouttes 32 au moyen d'une série 30 d'impulsions plutôt que par un signal analogique de fréquence 1/T. En effet, en régime d'impulsions, le coefficient d'amortissement ainsi que la rigidité des matériaux tendent à augmenter avec la fréquence. Pour un dispositif 10 multijets, le régime de stimulation selon l'invention procure ainsi une excellente robustesse vis-à-vis de la diaphonie. De fait, le lieu de brisure induit par la diaphonie (brisure des jets 28 dont l'actionneur 24 est au repos, mais l'actionneur adjacent 24i est actif) est distant d'au moins 25 longueurs d'ondes optimales Appt de la plaque à buse (orifice d'éjection 16) ; la distance de brisure d étant très courte, de l'ordre de 5 longueurs d'ondes optimales Aopt, ces phénomènes de diaphonie sont très faibles et sans effet notable pour l'exploitation du procédé.

Afin de réduire encore davantage et d'équilibrer le taux de diaphonie, les éléments actionneurs 24i sont de largeur légèrement supérieure à la largeur de la chambre correspondant 20i de façon à prendre appui sur les parois latérales 26 les séparant, et ainsi favoriser le travail en flexion de l'actionneur 24. Par ailleurs, il est préférable de s'abstenir d'avoir une largeur d'actionneur piézoélectrique 24i identique à celle de la chambre 20i car un léger décalage latéral de la chambre 20 par rapport à l'actionneur 24 modifie significativement le taux de diaphonie. La meilleure homogénéité du taux de diaphonie est obtenue en faisant légèrement déborder l'actionneur 24 sur les parois 26 qui cloisonnent les chambres 20, par exemple d'une distance de l'ordre de 10 à 20 % de la largeur de la paroi séparatrice 26, en particulier 15 %.

Grâce au générateur selon l'invention, le taux de diaphonie est minimisé de sorte qu'en multijets l'action sur un jet ne perturbe que très peu les jets voisins; l'électronique de pilotage des jets se trouve donc simplifiée car le signal de commande ne doit pas être corrigé en fonction de la configuration d'éjection des voisins.

Le dispositif proposé permet ainsi de générer un rideau de jets 28, typiquement 100 jets situés dans un même plan, au pas de 250 pm. Les jets, animés d'une vitesse de 10 m/s, sont issus de buses 16 de diamètre 35 pm par lesquelles s'écoule un liquide 12 sous pression. Chaque jet 28, piloté par un actionneur piézoélectrique 24 indépendant, est fragmenté en tronçons 30 de longueur prédéfinie.

Grâce au générateur de gouttes selon l'invention, de nombreux avantages sont obtenus, tout en remédiant aux inconvénients cités dans l'art antérieur.

- Il est possible de découper, à une cadence élevée, un jet continu 28 en tronçons 30 dont la longueur L est ajustable à la demande. La taille des gouttes 32 produites, qui résulte de la contraction du tronçon 30, peut ainsi varier dans une très large plage et cela très finement. Ceci offre pour avantages: ^ dans le cas d'une impression, comme les impacts de gouttes 32 sont de taille variable, les niveaux de gris, ou appréciation visuelle en différents niveaux de clarté, sont augmentés; selon une variante, il est possible d'adapter le volume de la goutte 32 pour maintenir un diamètre d'impact constant sur des supports de natures très variées, comme des media absorbants, non absorbants, fibreux,"" - Le pilotage par des impulsions électriques T de faible énergie et de courte durée de l'actionneur piézoélectrique 24 produit très peu de chaleur, ce qui évite toute dénaturation de la qualité de l'encre 12.

- La circulation permanente du liquide 12 dans le générateur de gouttes 10 stabilise la température de fonctionnement en dissipant efficacement la faible énergie thermique éventuellement produite par l'actionneur 24, ce qui augmente encore la fiabilité et la reproductibilité du générateur de gouttes 10.

- Le niveau du couplage entre les actionneurs voisins 24i est faible de sorte que, pour un dispositif multijets 10, la brisure d'un jet 28 est indépendante du contexte de jets voisins. Contrairement à la technologie de la goutte à la demande, la diaphonie ne perturbe pas les conditions d'éjection et de formation des gouttes d'où un fonctionnement simple et robuste du générateur de gouttes 10.

- L'efficacité de la stimulation se traduit par une longueur de brisure d très courte du jet 28 ce qui, d'une part, réduit les contraintes de directivité des jets/gouttes, et d'autre part minimise l'influence des propriétés de l'encre 12.

- A contrario des technologies actuelles, le phénomène classique d'instabilité capillaire n'est pas exploité, le fonctionnement du générateur de gouttes 10 tolère des encres 12 aux propriétés physicochimiques très variées, en particulier des jets d'encres à forte viscosité peuvent être brisés efficacement.

Claims (14)

REVENDICATIONS

1. Procédé de projection d'un liquide sous forme de gouttes comprenant: la mise sous pression du liquide (12) dans une chambre (20) munie d'au moins une buse de sortie (16) de sorte qu'au moins un jet (28), ayant un rayon moyen (R28) sort à une certaine vitesse (V28) du réservoir par une buse (16) ; - la perturbation du jet (28) par une impulsion de stimulation (T) de sorte que le jet (28) est brisé en un point de brisure de jet, la durée (T) de l'impulsion étant inférieure à quatre fois et demie le rapport rayon sur vitesse du jet (i 4,5ÉR28/V28) .

2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'amplitude de la déformation du diamètre du jet (28) est, à la sortie de la buse (16), supérieure à 20 % du diamètre du jet (2R28)

3. Procédé selon l'une des revendications 1 à 2 comprenant la perturbation du jet (28) par une pluralité d'impulsions de stimulation successives, espacées chacune d'une période de temps (T).

4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel la longueur (L) du tronçon (30) créé par la période de temps (T) est supérieure à la longueur d'onde optimale (Aopt) .

5. Procédé selon l'une des revendications 3

à 4 dans lequel la période de temps (T) séparant chaque impulsion varie de façon à créer des gouttes (32) de diamètre différent.

6. Procédé selon l'une des revendications 1

à 5 dans lequel chaque impulsion (z) est d'amplitude constante (A).

7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel la perturbation du jet (28) s'effectue par l'intermédiaire de l'activation de moyens piézoélectriques (24) placés au niveau de la chambre (20).

8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel la polarité des impulsions de stimulation est combinée au sens de polarisation des moyens piézoélectriques (24) de sorte que la perturbation du jet (28) est un amincissement local du jet (28).

9. Procédé de génération d'un rideau de jets de gouttes comprenant la projection simultanée indépendante de gouttes par un procédé selon l'une des

revendications 1 à 8.

10. Procédé d'impression à jet d'encre comprenant une génération de gouttes par un procédé de projection selon l'une des revendications 1 à 8, ou un procédé de génération selon la revendication 9.

11. Dispositif (10) générateur d'un rideau de gouttes de liquide spécialement adapté pour un procédé selon la revendication 9 comprenant une pluralité de chambres adjacentes (20) de liquide sous pression séparées entre elles par une paroi (26), chaque chambre (20) alimentant en liquide (12) une buse d'éjection (16) pour former un jet continu de liquide (28), chaque chambre comprenant une paroi opposée (22) à la buse (16) qui supporte un actionneur piézoélectrique (24) pour perturber le jet (28) et ainsi générer des tronçons de jet (30) de longueur (L) ajustable, la surface de l'actionneur piézoélectrique (24) étant telle que l'actionneur (24) recouvre une partie au moins de chaque paroi séparatrice {26) de la chambre (20), et des moyens pour générer une impulsion basse tension reliés à chaque actionneur (24).

12. Dispositif selon la revendication 11 dans lequel l'actionneur (24) recouvre de 10 à 20 % de 20 l'épaisseur de chaque paroi séparatrice (26).

13. Dispositif selon l'une des revendications 11 à 12 comprenant en outre un unique réservoir (14) d'encre alimentant la pluralité de chambres (20).

14. Tête d'impression à jet d'encre comprenant un dispositif selon l'une des revendications 11 à 13.