FR3088242A1 - Procede et dispositif de formation de gouttes a l'aide d'une cavite a facteur de qualite degrade - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un générateur de gouttes pour une tête d'impression d'une imprimante à jets continus, comportant : - au moins un conduit (28) d'amenée d'encre dans une chambre de stimulation (38), laquelle a un facteur de qualité Q inférieur à 2 et au moins une fréquence fr de résonance ; - des moyens de stimulation (34, 35, 35a) d'une paroi de ladite chambre de stimulation (38) ; - au moins une buse (4) d'éjection d'un jet (40).

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE FORMATION DE GOUTTES À L'AIDE D'UNE CAVITÉ À FACTEUR DE QUALITÉ DÉGRADÉ

DESCRIPTION

ART ANTERIEUR

L'invention concerne le domaine des têtes d'impression pour imprimantes à jet d'encre industrielles, par exemple les têtes d'impression multi-jets d'une imprimante à jets continus.

Les têtes d'impression ont une cavité de formation des jets (ou des gouttes) de taille relativement limitée, par exemple 50 pmx50 pmx 50 pm. il se pose le problème de fabriquer des cavités de formation des jets (ou des gouttes) de taille plus importante.

Avec certaines de ces têtes d'impression, par exemple celle décrite dans FR 2851495, on cherche à former, à partir d'un jet, une goutte « unique » ou individuelle, non accompagnée ou non voisine d'autres gouttes dans un jet continu. Selon ce document la fonction de transfert du système de stimulation est de préférence exempte de pics de résonance dans la bande passante du jet.

Un autre problème est de générer des gouttes avec une coupure, par rapport au jet dont elle est issue, qui soit nette, en particulier sans entraîner la génération de goutte parasite.

Un autre problème apparaît lorsque Ton souhaite, avec une cavité unique, alimenter plusieurs jets d'une même tête d'impression.

On constate, en effet, que l'activation des moyens de stimulation génère souvent une multitude de signaux parasites, sous forme de « rebonds » qui viennent créer une coupure entraînant la génération de gouttes parasites et/ou la génération de bruit dans une ou des cavités voisines ou dans au moins une portion voisine d'une cavité unique alimentant plusieurs jets.

Il se pose donc le problème de trouver un autre procédé et un autre dispositif de formation de gouttes qui permette de résoudre un ou plusieurs de ces problèmes.

EXPOSE DE L'INVENTION

L'invention a d'abord pour objet un générateur de gouttes pour une tête d'impression d'une imprimante à jets continus, comportant :

- au moins un conduit d'amenée d'encre dans une chambre de stimulation, laquelle a un facteur de qualité Q inférieur à 2 et au moins une fréquence f_r de résonance, par exemple typiquement comprise entre 30 kHz (ou 50 kHz) et 300 kHz ;

- des moyens de stimulation d'une paroi de ladite chambre de stimulation;

- une buse d'éjection d'un jet.

De préférence, la chambre de stimulation, ou une tête d'impression qui comporte ladite chambre de stimulation, est reliée à des moyens de mise sous pression permettant, pour au moins une viscosité de l'encre, par exemple comprise entre 1 cps et 10 cps ou 10 cps (ou même 20 cps), de générer un jet ayant une fréquence de coupure (F_c) supérieure à la fréquence de résonance f_r de la cavité

Selon une réalisation, le générateur comporte une couche, par exemple en Kapton, qui amortit les oscillations des moyens de stimulation transmises à la cavité. Cette couche est disposée entre les moyens de stimulation d'une paroi et cette paroi.

Selon une autre réalisation, au moins une partie de la chambre de stimulation du générateur selon l'invention est en inox recuit. C'est par exemple la paroi qui est munie des moyens de stimulation.

De préférence, les signaux de stimulation, par exemple en forme de créneaux, sont séparés par une durée comprise entre, d'une part, 5 ps ou 10 ps et d'autre part 30 ps ou même 40 ps.

Les moyens de stimulation sont de préférence aptes à appliquer à la chambre de stimulation des signaux de stimulation, dont le spectre comporte au moins ladite fréquence f_r de résonance.

De préférence, la chambre de stimulation a une longueur comprise entre 5000 pm et 500 pm (par exemple mesurée dans le sens d'écoulement de l'encre dans la chambre), une largeur (par exemple mesurée perpendiculairement au sens d'écoulement de l'encre dans la chambre), comprise entre 2000 μιτι et 200 μιτι et une épaisseur (mesurée selon un axe parallèle à l'axe d'écoulement du ou des jet(s)) comprise entre 500 μιτι et 10 μητ

L'invention concerne également une tête d'impression multi-jets d'une imprimante à jets continus comportant :

- une pluralité de buses de formation de jets, chaque buse étant associée à une chambre de stimulation selon l'invention;

- des moyens, par exemple au moins une électrode, de déviation de chaque jet ;

- une fente de sortie, ouverte sur l'extérieur de la tête d'impression et permettant la sortie des gouttes ou tronçons d'encre destinées à l'impression,

- une gouttière de récupération des gouttes ou des tronçons non destinés à l'impression.

L'invention concerne également un procédé de formation de gouttes individuelles à l'aide d'une tête d'impression multi-jets telle que ci-dessus, dans lequel:

- on produit au moins un jet, par exemple ayant une fréquence de coupure supérieure à la fréquence de résonance f_r de la cavité;

- on applique aux moyens de stimulation au moins un signal de d'activation, dont le spectre comporte au moins ladite fréquence f_r de résonance.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

Des exemples de réalisation de l'invention seront maintenant décrits en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1 représente une vue cavalière schématique d'une tête d'impression faisant principalement apparaître les composants de la tête d'impression situés en aval des buses,

- les figures 2A et 2B représente en coupe des générateurs de gouttes, auxquels l'invention peut être appliquée ;

- la figure 3 représente un exemple d'une fonction de transfert de la cavité de la figure précédente, avec son pic de résonance,

- les figures 4A-4C représentent divers schémas temporels et fréquentiels, qui permettent d'expliquer la mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention ;

- la figure 5 représente des exemples de mesures d'admittance, dans l'air et dans l'encre ;

- la figure 6 représente la bande passante d'un jet, des résonances de la cavité, et la fréquence de résonance du jet;

- la figure 7 représente une vue schématique d'une cavité d'une tête d'impression à laquelle l'invention peut être appliquée ;

- La figure 8 représente les blocs principaux d'une imprimante à jet d'encre pouvant mettre en œuvre l'invention.

Dans les figures des éléments techniques similaires ou identiques sont désignés par les mêmes numéros de référence.

DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION

Une structure de tête d'impression à laquelle l'invention peut être appliquée est expliquée ci-dessous, en lien avec la figure 1.

Cette tête comprend un générateur de goutte 1. Ce générateur comporte une plaque à buses 2 sur laquelle sont alignées, selon un axe X (contenu dans le plan de la figure), un nombre entier n (n>l) de buses 4_X, dont une première 4i et une dernière buse 4_n. Par exemple l<n< 128, notamment n peut être égal à 32 ou 64.

Les premières et dernières buses (4i, 4_n) sont les buses les plus éloignées l'une de l'autre.

Chaque buse a un axe d'émission d'un jet parallèle à une direction ou un axe Z (situé dans le plan de la figure 1), perpendiculaire à la plaque à buses et à l'axe X mentionné précédemment. Un troisième axe, Y, est perpendiculaire à chacun des deux axes X et Z, les deux axes X et Z s'étendant dans le plan de la figure 1.

Chaque buse est en communication hydraulique avec une chambre pressurisée de stimulation. Le générateur de gouttes comporte autant de chambres de stimulation que de buses. Chaque chambre est équipée d'un actuateur, par exemple un cristal piézo-électrique. Un exemple de conception d'une chambre de stimulation est décrit ci-dessous.

En aval de la plaque à buses se trouvent des moyens, ou bloc de tri, 6 (comportant une ou plusieurs électrodes) qui permettent de séparer les gouttes destinées à l'impression des gouttes ou tronçons de jets qui ne servent pas à l'impression. Cette séparation peut être faite sans charge des gouttes, comme expliqué dans le document FR2851495. Autrement dit, la cavité ne contient alors pas d'électrode de charge des gouttes ou des tronçons d'encre. Ce bloc présente, selon l'axe d'écoulement Z des jets dans la cavité, une hauteur h. h peut être de l'ordre de quelques millimètres, par exemple comprise entre 2 et 10 mm, par exemple encore 4 mm.

Le dispositif de la figure 1 permet notamment d'obtenir une déflexion d'un jet continu par l'intermédiaire de charges localisées, tout en ne chargeant pas l'ensemble du jet. Ce dernier reste neutre dans la zone d'influence des moyens 6 tout en séparant les charges positives des charges négatives. Les moyens 6 peuvent comporter toute combinaison d'électrodes (taille, potentiel, répartition, nombre) permettant de remplir ces deux conditions.

Les gouttes émises ou tronçons de jets, émis par une buse et destinés à l'impression, suivent une trajectoire selon l'axe Z de la buse et vont frapper un support d'impression 8, après être passées par une fente 17 de sortie. Cette fente est ouverte sur l'extérieur de la cavité et permet la sortie des gouttes d'encre destinées à l'impression ; elle est parallèle à la direction X d'alignement des buses, les axes de direction Z des buses passant à travers cette fente, qui se trouve sur la face opposée à la plaque à buses 2. Elle a, selon la direction X, une longueur au moins égale à la distance entre la première et la dernière buse.

La zone de l'espace dans laquelle circule l'encre entre la plaque à buses 2 et la fente 17 de sortie des gouttes destinées à l'impression ou entre la plaque à buses et la gouttière de récupération est aussi appelé « cavité » de la tête. La plaque à buses 2 forme en fait une paroi supérieure de la cavité.

Les gouttes émises ou tronçons de jets, émis par une buse et non destinés à l'impression, sont déviés par les moyens 6 et sont récupéré(e)s par une gouttière de récupération 7 puis recyclés. La gouttière a, dans la direction X, une longueur au moins égale à la distance entre la première et la dernière buse.

Un exemple d'une cavité d'un générateur de gouttes selon l'invention est illustré en coupe en figure 2A; Z est la direction des jets 40 et Y une direction perpendiculaire à Z située dans un plan perpendiculaire au plan contenant les axes des buses 4.

Le chemin hydraulique à l'intérieur du corps 33 du générateur, comporte de l'amont vers l'aval :

- un réservoir 27 ; celui-ci est destiné à contenir de l'encre 26, laquelle est pressurisée lorsque le dispositif est en fonctionnement ; ce réservoir 27 peut être mis en communication (cf flèches 37) avec un circuit d'amenée d'encre non représenté et avec un passage étroit 28 (restriction) ;

- un premier tube de liaison 30, qui met en communication la restriction 28 avec la chambre de stimulation 38, elle-même en communication avec la buse 4 de formation du jet 40 par un second tube (ou colonne) de liaison 31 ; en fonctionnement, la pression de l'encre fournie à la chambre 38 est par exemple comprise entre 1 bar et 12 bar pour une viscosité par exemple comprise entre 3 et 20 cps (par exemple pour T = 20°C et P = 3 bars);

- la buse 4, percée dans une plaque à buse 2 qui peut comporter plusieurs buses alignées selon la direction Y perpendiculaire au plan XZ.

La colonne 31 permet d'assurer une directivité précise du jet, ce qui contribue à un bon fonctionnement dans un dispositif multi-jets.

Une partie de paroi de la chambre 38 est formée par une membrane 34 dont l'épaisseur, suivant l'axe Z, est très inférieure à ses dimensions dans le plan X,Y. Sur la face externe de la membrane 34, extérieure à la chambre 38, est collé un actionneur qui peut être un élément (typiquement : une céramique) piézo-électrique 35, lequel peut être relié à des moyens (non représentés sur la figure) d'alimentation en tension (par exemple un générateur de tension) fournissant des tensions d'activation de l'élément 35 de l'ordre de quelques dizaines de volts, par exemple comprises entre 5 V et 50 V.

Sans la couche 35a (dont la fonction est expliquée ci-dessous), lorsqu'un signal électrique est appliqué à l'élément piézo-électrique 35, le couple membrane 34/ élément piézo-électrique 35 forme un élément vibrant 41 qui se déforme en flexion, ayant pour effet de produire une modulation du volume et de la pression dans la chambre 38 ; il en résulte une modulation de la vitesse moyenne d'éjection de l'encre 26 au niveau de la buse 4. f_r désigne la fréquence de résonance de la cavité mécanique 10 et de sa structure fluidique (incluant le couplage avec l'actionneur 35) ; f_r est par exemple comprise entre 50 kHz et 300 kHz.

L'invention peut également être appliquée à une structure de cavité 10' plus simple, telle que représentée en figure 2B, dans laquelle la chambre de stimulation 38 est directement communication avec la ou les buse(s) 4. Des références numériques identiques à celles de la figure 2A y désignent des mêmes éléments.

Selon la présente invention, on prévoit en outre des moyens qui permettent de réduire le facteur de qualité Q de la cavité 10 à une valeur inférieure à 2, ou même inférieure à 1, de préférence supérieur ou égal à 10¹. On rappelle que, en général, un très bon facteur de qualité est recherché, celui-ci est de l'ordre de 10 pour les têtes d'impression de type CIJ (qui fonctionnent en régime harmonique continu ; Q permettant de minimiser la tension d'alimentation de l'élément 35 en prenant avantage de l'amplification liée à l'effet de résonance). Au contraire, selon la présente invention, on cherche à réduire le facteur de qualité, de préférence dans les limites indiquées cidessus.

Ici, selon une réalisation, ces moyens comportent une couche d'un matériau 35a, par exemple en Kapton, disposés entre la membrane 34 et l'élément piézoélectrique 35 et permettant d'amortir la stimulation induite par les moyens 35.

En variante, on peut mettre en oeuvre d'autres moyens pour réduire le facteur de qualité Q, par exemple en modifiant les dimensions de la cavité 38 pour accroître les frottements visqueux de l'encre dans celle-ci et/ou en utilisant un matériau (par exemple pour la membrane 34), tel que de l'inox recuit, qui amortit plus que l'inox lui-même.

Le facteur de qualité Q peut être obtenu ou mesuré à partir de la fonction de transfert, ou courbe d'admittance (figure 3) en fonction de la fréquence f; l'admittance est l'inverse de l'impédance, égale à elle-même au rapport l/V, avec I = courant (délivré par les moyens d'alimentation en tension) et V = tension appliquée aux moyens 35 , laquelle est sensiblement constante. Cette courbe peut être obtenue avec un dispositif appelé transféromètre. La largeur à mi- hauteur du pic de fréquence (autour de la fréquence de résonance f_r) mesure le facteur de qualité Q. Des exemples de courbes d'admittance mesurées dans l'air, dans le solvant et dans l'encre sont données en figure 5.

Les figures 4A - 4C représentent un exemple de procédé pouvant être mis en œuvre pour générer une goutte unique à l'aide d'une cavité telle que celle de la figure 2A ou 2B :

- on applique des impulsions h, l₂,...aux moyens 35, de préférence en forme de créneaux (figure 4A), les impulsions étant par exemple séparées d'une durée At comprise entre 10 ps et 30 ps. On peut avoir des impulsions ayant une forme de créneau, comme en figure 4A, mais, en variante, chaque impulsion peut avoir une forme différente ou plus complexe, par exemple en forme de trapèze, ou de triangle, ou d'arche de sinusoïde, mais ces autres formes sont moins aux énergétiques que les créneaux de la figure 4A. Chaque goutte est formée par 2 brisures successives du jet (chaque brisure correspond à l'un des 2 créneaux de la figure 4A).

Le point dit de brisure est situé, par rapport à la plaque à buses 2, à une distance qui est par exemple d'environ 1 mm (ou plus généralement comprise entre 0,5 mm et 3 mm).

Cette distance peut varier, en fonction de paramètres tels que le diamètre du jet, la vitesse du jet, la viscosité de l'encre, et l'efficacité de stimulation (cette dernière étant mesurée par l'intensité de l'impulsion appliquée aux moyens 41, cette intensité étant par exemple de l'ordre de 20 V, ou plus généralement comprise entre 10 V et 50 V ; du point de vue fréquentiel, chaque impulsion a la forme illustrée en figure 4B : elle présente une succession d'arches positives de sinusoïde (fonction sinus cardinal (sin x)/x), comportant une succession de pics dont l'intensité maximum est décroissante.

Pour chacune des impulsions de la figure 4A, la modulation de la vitesse moyenne d'éjection du jet en fonction du temps t va avoir l'aspect représenté en figure 4C, sur laquelle on voit un pic principal P (ou modulation principale de la vitesse moyenne d'éjection) suivi de rebonds (ou pics secondaires) Ri, R₂, qui correspondent à des modulations secondaires de la vitesse moyenne d'éjection et qui peuvent être plus ou moins amortis par rapport au pic P (en fait ces pics secondaires reflètent l'amortissement de l'élément 35 (couplé à la chambre de stimulation) suite à chaque impulsion appliquée). Cet amortissement peut être plus ou moins, avec des pics secondaires plus ou moins importants par rapport au pic principal P.

Comme expliqué ci-dessus, on forme des gouttes, ou gouttes individuelles, par exemple dans le cadre de têtes d'impression du type décrit ici en lien avec les figures 1 et 7, en réglant la durée At qui sépare 2 impulsions h, l₂. Ces gouttes peuvent être formées au-dessus de l'ensemble d'électrode(s) 6 ou 14a - 14b (ou avant d'arriver, le long de l'axe Z, en face de cet ensemble), en choisissant les instants d'application des impulsions h, l₂. Chacune des gouttes, non chargées, a une taille inférieure à la hauteur totale h (Le volume de la goutte est calculé comme suit : section du jet x vitesse de jet x temps At : ce produit déterminant le volume du cylindre de jet qui se déforme en sphère i.e. la goutte imprimée) de l'ensemble d'électrode(s) 6 ou 14a-14b et ne sera donc pas déviée par faction de cet ensemble lorsqu'elle sera en face de celuici.

Par contre, si une goutte est formée devant cet ensemble d'électrode(s), elle emporte une charge et est déviée ; en effet la charge de la goutte en question n'est pas maîtrisée car le potentiel sur les électrodes est variable en fonction du temps; la déviation de la goutte conduit alors généralement à polluer la tête d'impression car elle est en position intermédiaire entre la trajectoire dirigée vers gouttière (cas où elle serait proprement récupérée) et la trajectoire d'impression (cas où elle serait proprement imprimée), alors que Ton souhaite, au contraire, qu'elle soit imprimée, donc dirigée vers le support d'impression sans déviation.

Du fait du facteur de qualité Q < 1 ou 2, pour chacune des impulsions de la figure 4A, la modulation de la vitesse du jet en fonction du temps t va avoir l'aspect représenté en figure 4C, sur laquelle on voit un fort amortissement des rebonds Ri, R₂, subis après le pic principal P. Ce facteur de qualité Q < 1 ou 2 limite l'amplitude de ces rebonds.

Cette double modulation de la vitesse du jet va permettre de créer une goutte unique issue du tronçon de jet, isolée par les 2 brisures provoquées par chacune des impulsions (créneau) électriques, sans goutte parasite suivant cette goutte unique : la réduction (obtenue par Q <1 ou 2) de l'intensité des rebonds Ri, R₂ permet d'éliminer des gouttes parasites qui pourraient être produites sur le jet d'encre, dans la continuité de la goutte unique.

Le schéma de la figure 4C correspond à une seule impulsion l'impulsion Il (figure 4A) qui produit la modulation de vitesse de forte amplitude P (figure 4C) associée à une première brisure de jet. Les rebonds RI, R2,...Rn, de plus faible amplitude, perturbent peu la seconde modulation P (non visible sur la figure 4C, mais identique ou similaire à la modulation P représentée) créée par 12. Grâce au faible facteur de qualité du dispositif 10, on empêche la formation de gouttes parasites par les rebonds RI, R2... associés à 12.

Par ailleurs, un jet 40 a une bande passante qui est située en-dessous de la fréquence F_c (caractéristique du jet), dite fréquence de coupure, définie par la relation : k_c = 2rcRF_c/Vj (1)

Dans cette relation R représente le rayon de la buse, tandis que Vj est la vitesse du jet; k_c est un nombre sans dimension (ou nombre d'onde à la limite de l'instabilité capillaire, voir théorie de Rayleigh) qui tient compte notamment de caractéristiques de l'encre et du diamètre de la buse. On détermine la fréquence de coupure pour un facteur k_c de 1. La vitesse Vj est en général comprise entre 10 et 20 m/s (par exemple : 14 m/s).

Selon un aspect de l'invention, on peut dimensionner la cavité et/ou ses moyens d'alimentation en encre de sorte que sa fréquence de résonance f_r se situe dans la bande passante du jet ; autrement dit : f_r < F_c. Les éléments du dispositif 10 de la figure 2A (ou de la figure 2B) se comportent sur le plan vibratoire comme des éléments de type RLC en analogie électrique ; or tout montage RLC comporte une fréquence de résonance qui dépend des paramètres R (facteur de perte), L (inertie) et C (élasticité). La partie à quantifier ici est le facteur R, dont on affine expérimentalement la valeur par la mesure de fonction de transfert, ou de courbe d'admittance, mentionnée ci-dessus.

Un dimensionnement peut résulter du choix des moyens de pompage de l'encre, qui vont permettre d'alimenter la cavité avec une encre, ayant une certaine viscosité, par exemple comprise entre 1 cps et 20 cps, de manière à satisfaire la relation : fr < F_c.

Chacune des gouttes formées a un diamètre de quelques dizaines de micromètres, par exemple compris entre 20 μιτι et 70 μιτι, par exemple encore environ 50 μιτι ; le diamètre de chaque goutte, que l'on peut faire varier, est par exemple d'environ 2 fois le diamètre du jet en sortie de la buse correspondante. Le volume de chaque goutte peut être estimé comme la section de la buse ( π R²) x longueur de tronçon du jet (Vj x At).

Le diamètre de chaque goutte est de préférence inférieur à l'extension, selon l'axe Z, des moyens 6 (figure 1) ou 14a, 14b (figure 6) de déviation. . On peut aussi choisir la durée At (d'une séparation entre deux impulsions successives, figure 4A) pour que la goutte soit entièrement devant ces moyens 6 de déviation (auquel cas la goutte n'est pas défléchie ; un tronçon d'encre est défléchi s'il est d'extension, selon l'axe Z, plus importante que les moyens 6 de déviation).

L'invention est tout à fait compatible avec une impression sur un support situé à une distance de la fente de sortie 17 supérieure à 10 mm, par exemple égale à 30 mm et/ou sur un support qui est transporté, par rapport à la tête d'impression, avec une vitesse qui peut être supérieure à 10 ou 15 m/s et/ou inférieure à 20 m/s.

Ce qui est décrit ci-dessus en lien avec un seul jet peut être mis en oeuvre pour chacun des jets produits par la tête d'impression.

Chacune des gouttes individuelles formées par un procédé ou un dispositif selon l'invention est dirigée vers la fente de sortie 17 et peut être imprimée sur le support d'impression 8 (figures 1, 6).

Entre 2 gouttes destinées à être imprimées sur le support d'impression 5, un tronçon tel que le tronçon 40 représenté en figure 6 va être formé : ce tronçon n'est pas destiné à l'impression et va être dévié dans la gouttière de récupération 7.

La figure 5 représente des mesures d'admittance, en air (la cavité 10 est vide d'encre), en solvant (la cavité 10 contient alors du solvant, de viscosité 1 cps) et enfin dans de l'encre (la cavité 10 contenant de l'encre, de viscosité 6 cps).

Les courbes l_a, l_s et l_e représentent respectivement des mesures faites dans l'air, dans le solvant et dans l'encre. Sur la courbe l_a on voit clairement une résonance à 250 kHz. La courbe l_s comporte aussi cette résonance, mais cette courbe est superposée à celle des mesures dans l'air. Pour la courbe l_e la résonance est complètement amortie (du fait des pertes visqueuses).. Ces diverses courbes montrent la possibilité d'identifier les fréquences de résonance par des mesures d'admittance dans l'air ou dans du solvant.

Par ailleurs, comme expliqué précédemment, il est possible d'adapter le facteur de qualité en optimisant le dimensionnement.

La figure 6 représente, en traits interrompus, la bande passante d'un jet (courbe B_p) en fonction de la fréquence ; la fréquence de résonance du jet (ή) correspond au maximum de cette courbe. Sont également identifiées 2 fréquences de résonance de la cavité (fri et fr₂).

La courbe B_p est liée à l'évolution du taux de brisure; on rappelle que Lb, la longueur de brisure, est égale à :

Lb ⁼ Vj X Tb, où Tb et le temps de brisure, lui-même donné par :

((p x R³/o)/y) x Ln (R/e₀), où :

σ = tension superficielle du jet ;

p = Masse volumique de l'encre ;

R = rayon initial du jet (en sortie de buse);

ε₀= perturbations du rayon en sortie de buse;

y = Taux de croissance du jet.

Pour un taux de croissance élevée, on a un temps de brisure Tb court et une longueur de brisure U qui est courte.

Cette courbe montre donc au moins une résonance de la cavité qui est inférieure à la fréquence de coupure.

Cette courbe est obtenue avec les dimensions suivantes de la cavité (dont la structure est celle de la figure 2A):

R = 24 pm;

Longueur de buse = 50 pm ;

H (hauteur de la chambre de stimulation 38) = 50 pm ;

Longueur de la chambre 38 = 3000 pm ;

Largeur de la chambre 38 = 600 pm ;

Diamètre de la colonne 31: 200 pm ;

Longueur de la colonne 31 :1450 pm ;

Epaisseur du diaphragme 35 = 50 pm.

De plus, l'encre utilisée a une viscosité de 3,5 mPa.S.

Une cavité selon l'invention, avec un facteur de qualité inférieure à 1 ou à 2, permet également d'éviter des « rebonds » multiples, sources de bruit, vers les portions de la cavité qui sont voisines et qui alimentent d'autres jets. En effet, comme expliqué ci-dessus en lien avec les figures 4A -4C, le faible facteur de qualité va permettre d'amortir les rebonds successifs Ri, R₂, qui se produisent après le pic principal P. Le bruit transmis aux portions voisines de la cavité va donc être lui aussi amorti.

Un autre avantage de l'invention est le suivant : la mise en œuvre d'un facteur de qualité faible permet de réaliser une cavité de taille supérieure aux cavités connues. En particulier, il est possible de réaliser une cavité avec longueur de 3000 pm, une largeur de 600 pm, une épaisseur de 50 pm alors que les cavités connues ont des dimensions de l'ordre de 50 pmx50 pmx50 pm.

Les dimensions citées ci-dessus (3000 μιτι x 600 μιτι x 50 μιτι) pour la chambre de stimulation sont indicatives. On peut également avoir, par exemple :

- une longueur comprise entre 5000 μιτι et 1000 μιτι, ou même 500 μιτι ;

- une largeur comprise entre 2000 μιτι et 500 μιτι ou même 200 μιτι;

- une épaisseur comprise entre 500 μιτι et 100 μιτι ou même 10 μιτι.

En ce qui concerne la colonne 31 on peut par exemple avoir :

un diamètre compris entre 500 μιτι et 100 μιτι ;

une longueur comprise entre 500 μιτι et 2500 μιτι.

Le matériau pour réaliser une structure selon l'invention est par exemple l'inox, mais on peut utiliser d'autres métaux, ou de la céramique, ou du verre ou du silicium.

L'invention peut être appliquée à une tête d'impression telle que celle de la figure 1.

La figure 7 représente une autre tête d'impression à laquelle l'invention peut être appliquée.

Cette figure est une vue en coupe réalisée selon un plan parallèle au plan YZ, et contenant l'axe Z d'une buse 4. La tête d'impression comporte ici, comme dans le cas de la figure 1, un ensemble de n buses (n>l), alignées suivant un axe X (perpendiculaire au plan de la figure 7). La représentation de chaque coupe garde la même forme sur la distance allant, selon la direction X (perpendiculaire au plan de la figure 6), de la première buse 4i à la dernière buse 4_n.

Dans cette tête d'impression, le générateur de gouttes selon l'invention peut être équipé d'une électrode 15 de blindage. En fonctionnement cette électrode peut être portée au même potentiel que l'encre. Des gouttes, qui se brisent en face de cette électrode ne sont pas électriquement chargées, elles sont donc neutres.

La tête d'impression est également munie d'un ensemble 6 de deux électrodes 14a, 14b, disposées le long du trajet d'un jet 40 produit par le générateur 1. Les 2 électrodes sont de préférence sensiblement à la même distance de la trajectoire hydraulique définie par l'axe d'un jet non dévié sortant de la buse 4; la zone d'influence des électrodes 14a, 14b s'étend vers le jet 40, sur une courte distance.

Pendant une impression, une telle tête fonctionne de la manière suivante.

Les 2 électrodes 14a, 14b permettent de générer un champ électrique E variable auquel est soumis le jet 40; pour ce faire, elles sont alors alimentées par des potentiels variables.

En particulier, selon une réalisation, les électrodes peuvent être alimentées de sorte que la moyenne temporelle du champ électrique E est nulle, ou quasi nulle ou faible (chaque électrode peut être alimentée par un signal haute tension variable, d'amplitude donnée V_o, de fréquence F et de forme identique mais présentant un déphasage del80° entre elles). Ainsi le jet 40 est neutre électriquement dans la zone d'influence des électrodes 14a, 14b; cependant, les charges positives et négatives distribuées dans le jet 40 par les électrodes sont séparées (un dipôle électrique est donc induit dans le jet) de sorte qu'une déflexion peut être assurée (plus exactement : sous l'action des forces créées par les deux électrodes 14a, 14b le jet 40 est dévié de sa trajectoire hydraulique et tend à se rapprocher des électrodes 14a, 14b). Ainsi, à tout instant, la quantité de charge de signe positif induite sur le jet 40 par l'électrode alimentée par un signal négatif est quasi égale à la quantité de charge de signe négatif induite sur le jet 40 par l'électrode alimentée par un signal positif (le jet reste de charge moyenne nulle). Il n'y a donc pas ou peu de circulation de charges électriques sur de grandes distances dans le jet 40, en particulier entre la buse 4 et la zone d'influence électrique des électrodes.

Dans une mise en œuvre privilégiée, les 2 électrodes ont même géométrie (elles peuvent être de dimension identique h selon l'axe Z, séparées par un isolant électrique), et, lors d'une impression, les signaux électriques pour chaque électrode sont d'amplitude, de fréquence et de forme identiques mais déphasés (en opposition de phase pour le couple d'électrodes).

Le dispositif de la figure 7 permet donc d'obtenir une déflexion d'un jet continu 40 par l'intermédiaire de charges localisées, tout en ne chargeant pas l'ensemble du jet. Ce dernier reste neutre dans la zone d'influence des électrodes 14a, 14b tout en séparant les charges positives des charges négatives. Toute autre combinaison d'électrodes (taille, potentiel, répartition, nombre) permettant de remplir ces deux conditions satisfait à ce principe. Un exemple est illustré en figure 2B de FR 2906755 (non reproduite ici), dans laquelle l'ensemble d'électrodes comprend une alternance d'électrodes portées au même potentiel avec des électrodes portées au potentiel inverse ; les électrodes sont séparées par des isolants, de préférence de dimensions et nature identiques entre eux.

En variante, toutes les autres structures d'électrodes présentées dans le document FR 2906755 peuvent être mises en œuvre, de même que les aspects concernant la réalisation des différentes solutions. En particulier la longueur des tronçons de jet dits défléchis et ne servant pas à imprimer est de préférence supérieure ou égale à la hauteur totale h_c du réseau d'électrodes 14a - 14b (mesurée suivant l'axe Z, voir figure 6; h_c peut être de l'ordre de quelques millimètres, par exemple comprise entre 2 et 10 mm, par exemple encore 4 mm).

L'invention permet de produire des gouttes individuelles, de taille inférieure à la hauteur totale h_c du réseau d'électrodes 14a - 14b, et qui ne seront donc pas déviées par l'action de celui-ci. En particulier, on peut régler la durée At qui sépare 2 impulsions h, l₂, de sorte que les gouttes formées soient entièrement devant l'ensemble des électrodes 14a - 14b.

Une autre tête d'impression à laquelle l'invention peut être appliquée est celle décrite dans le document FR 2851495 ; elle comporte une électrode de charge, et une électrode de déflexion.

Un dispositif selon l'invention est alimenté en encre par un réservoir d'encre non représenté sur les figures. Divers moyens de connexion fluidique peuvent être mis en œuvre pour relier ce réservoir à une tête d'impression selon l'invention, et pour récupérer l'encre qui provient de la gouttière de récupération. Un exemple de circuit complet est décrit dans US 7 192 121 et peut être utilisé en combinaison avec la présente invention.

Quelle que soit la réalisation envisagée, les instructions, pour faire activer les moyens 35 en vue de produire des jets d'encre et/ou les moyens de pompage de la gouttière, sont envoyées par des moyens de contrôle (encore appelés « contrôleur »). Ce sont également ces instructions qui vont permettre de faire circuler de l'encre sous pression en direction des générateurs de gouttes, puis de générer les jets en fonction des motifs à imprimer sur un support 8. Ces moyens de contrôle sont par exemple réalisés sous forme d'un circuit électrique ou électronique ou d'un processeur ou d'un microprocesseur, programmé pour mettre en œuvre un procédé selon l'invention.

C'est ce contrôleur qui pilote les moyens 35 pour produire un ou plusieurs jets d'encre et/ou de solvant, et/ou les moyens de pompage de l'imprimante, et en particulier de la gouttière, et/ou l'ouverture et la fermeture de vannes sur le trajet des différents fluides (encre, solvant, gaz).

Ce contrôleur, ou ces moyens de contrôle, peut assurer également la mémorisation de données et leur éventuel traitement.

Ce contrôleur, ou ces moyens de contrôle, comporte les instructions pour mettre en œuvre un procédé selon la présente invention et/ou pour commander la formation de gouttes selon la présente invention.

Quel que soit le mode de réalisation d'un dispositif ou d'un procédé selon l'invention, des moyens sont prévus pour appliquer les tensions nécessaires aux diverses électrodes, par exemple à l'électrode ou aux électrodes formant les moyens 6 ou 14a, 14b. Il s'agit par exemple d'une ou plusieurs sources de tension pilotée(s) par les moyens formant contrôleur de l'imprimante.

En figure 8 on a représenté les blocs principaux d'une imprimante à jet d'encre qui peut mettre en œuvre un ou plusieurs des modes de réalisation décrits cidessus. L'imprimante comporte une console 300, un compartiment 400 contenant notamment les circuits de mise en condition de l'encre et des solvants, ainsi que des réservoirs pour l'encre et les solvants (en particulier, le réservoir auquel l'encre récupérée par la gouttière est ramené). Généralement le compartiment 400 est dans la partie inférieure de la console. La partie supérieure de la console comporte l'électronique de commande et de contrôle ainsi que des moyens de visualisation. La console est hydrauliquement et électriquement reliée à une tête d'impression 100 par un ombilic 203.

Un portique non représenté permet d'installer la tête d'impression face à un support d'impression 8, lequel se déplace selon une direction matérialisée par une flèche. Cette direction est perpendiculaire à un axe d'alignement des buses.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS

   1. Générateur de gouttes pour une tête d'impression d'une imprimante à jets continus, comportant :

   - au moins un conduit (28) d'amenée d'encre dans une chambre de stimulation (38), laquelle a un facteur de qualité Q inférieur à 2 et au moins une fréquence f_r de résonance ;

   - des moyens de stimulation (34, 35, 35a) d'une paroi de ladite chambre de stimulation (38) ;

   - au moins une buse (4) d'éjection d'un jet (40).
2. 2. Générateur de gouttes selon la revendication 1, comportant une couche (35a) qui amortit les oscillations des moyens de stimulation transmises à la cavité.
3. 3. Générateur de gouttes selon la revendication 2, ladite couche (35a), qui amortit les oscillations, étant en Kapton.
4. 4. Générateur de gouttes selon l'une des revendications 1 à 3, au moins une partie de la cavité étant en inox recuit.
5. 5. Générateur de gouttes selon l'une des revendications 1 à 4, lesdits moyens de stimulation (41, 34, 35) étant aptes à appliquer à ladite chambre de stimulation des signaux de stimulation séparés par une durée comprise entre 5 ps et 40 ps.
6. 6. Générateur de gouttes selon l'une des revendications 1 à 5, lesdits moyens de stimulation (41, 34, 35) étant aptes à appliquer à ladite chambre de stimulation des signaux de stimulation, dont le spectre comporte au moins ladite fréquence f_r de résonance.
7. 7. Générateur de gouttes selon l'une des revendications 1 à 6, ladite fréquence de résonance frétant comprise entre 50 kHz et 300 kHz.
8. 8. Générateur de gouttes selon l'une des revendications 1 à 7, ladite chambre de stimulation (38) ayant :

   - une longueur comprise entre 5000 pm et 500 pm ;

   - une largeur comprise entre 2000 pm et 200 pm;

   - une épaisseur comprise entre 500 pm et 10 pm.
9. 9. Tête d'impression multi-jets d'une imprimante à jets continus comportant :

   - une pluralité de buses (4) de formation de jets, chaque buse étant associée à un générateur de gouttes, ou à une partie d'un générateur de gouttes, selon l'une des revendications 1 à 8;

   - des moyens (6,14a, 14b) de déviation (14a, 14b) de chaque jet ;

   - une fente de sortie (17), ouverte sur l'extérieur de la tête d'impression (5) et permettant la sortie des gouttes ou tronçons d'encre destinés à l'impression ;

   - une gouttière de récupération (70) des gouttes ou des tronçons non destinés à l'impression.
10. 10. Tête d'impression selon la revendication 9, comportant en outre des moyens d'alimentation ou d'encre comportant au moins une pompe permettant, pour au moins une viscosité d'encre comprise entre lcps et 20 cps, une vitesse de jet, lequel comporte une bande passante dont la fréquence de coupure (F_c) est supérieure à la fréquence de résonance f_r de la cavité correspondante.
11. 11. Procédé de formation de gouttes individuelles à l'aide d'une tête d'impression multi-jets selon la revendication 9 ou 10, dans lequel :

    - on produit au moins un jet ayant une fréquence de coupure (Fc) supérieure à la fréquence de résonance f_r de la cavité correspondante,

    - on applique aux moyens de stimulation au moins un signal d'activation, dont le spectre comporte au moins ladite fréquence f_r de résonance.