WO1998055315A1 - Systeme de commande de projection de liquide electriquement conducteur - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un système de commande de projection d'un liquide électriquement conducteur (3) et émis sous forme d'un jet sous pression (4) par au moins une buse (2), comprenant des moyens pour fractionner le jet de liquide en gouttes, des moyens pour charger électriquement lesdites gouttes et des moyens pour appliquer un champ électrique de déflexion auxdites gouttes chargées. Ce système comprend: un premier (8) et un deuxième (6) élément monolithique présentant chacun une surface continue, disposés de façon que les surfaces continues soient en vis-à-vis et définissent entre elles un espace (5) dans lequel le jet sous pression (4) est émis par ladite buse (2), lesdits éléments (6, 8) incluant des moyens permettant d'établir continûment des potentiels sur lesdites surfaces continues pour obtenir ladite charge électrique des gouttes et ledit champ électrique de déflexion, des moyens électroniques (31 à 36) de commande desdits potentiels et de contrôle de l'intensité des courants électriques pouvant circuler sur lesdites surfaces continues.
Description
SYSTEME DE COMMANDE DE PROJECTION DE LIQUIDE ELECTRIQUEMENT CONDUCTEUR
La présente invention concerne un système de commande de projection de liquide électriquement conducteur. Un tel système est en particulier utilisable dans une tête d'impression à jet d'encre utilisant le procédé du jet continu- Dans un système de commande de projection de liquide ayant un ou plusieurs jets continus utilisé dans les imprimantes à jet d'encre, chaque jet de liquide électriquement conducteur est fractionné en gouttes. Les gouttes sont chargées électriquement et leur trajet est ensuite défléchi par un champ électrique qui, en fonction d'une information à reproduire, dévie chaque goutte soit vers une gouttière de récupération de l'encre, soit vers le support où l'encre doit être déposée.
Dans les imprimantes à jet continu, l'encre est mise sous pression en amont d'une buse d'éjection. A la sortie de la buse, il y a émission d'un jet continu. Ce jet continu est traité par le système de commande de projection de liquide grâce à plusieurs organes assurant diverses fonctions. Le jet est d'abord divisé en gouttes par un organe commandé par un signal de fractionnement. Simultanément, les gouttes se séparant du jet continu se chargent électriquement sous l'effet du champ électrique établi entre l'électrode de charge et le liquide. Elles passent ensuite dans un champ électrique de déflexion généré entre deux électrodes ou plaques de déflexion pour y être déviées en fonction de la valeur de ce champ électrique. En sortie du système de commande de projection de liquide, les gouttes d'encre sont soit récupérées pour retourner au circuit d'alimentation en encre, soit déposées sur le support.
En pratique, les systèmes de commande de projection de liquide mis en service sur les imprimantes présentent un certain nombre d'inconvénients. Ils nécessitent de nombreuses pièces réalisées et positionnées avec précision. Ces pièces sont complexes et doivent être séparées par des distances dites de sécurité et/ou par des blindages et par des espaces vides ou isolants assurant la séparation des fonctions, ce qui allonge inutilement le trajet des gouttes. Les pièces réalisant chaque fonction créent des surfaces discontinues qui provoquent des élévations locales de champ électrique dans l'espace intérieur, propices aux décharges électriques. Ces surfaces sont en outre difficiles à nettoyer lors de l'élimination des résidus de matière à l'intérieur de la tête d'impression. Les pièces réalisant chaque fonction étant supportées par des isolants, leurs surfaces peuvent se charger électriquement de façon variable et le liquide subit alors des champs électriques parasites. Il en résulte des déflexions aléatoires des gouttes. Avec de tels systèmes de commande, les tensions électriques mises en oeuvre peuvent atteindre 10 kV.
Dans l'état de l'art actuel, il est souvent fait appel à des déflexions de gouttes dans l'espace à pression atmosphérique. Les gouttes étant chargées électriquement au préalable, elles subissent une force proportionnelle à leur charge et au champ électrique. Ce champ électrique est obtenu par deux plaques conductrices proches de la trajectoire des gouttes et soumise à une différence de potentiel entre elles. Il a été proposé, dans le document GB-A-2 249 995, de revêtir l'une des plaques de déflexion d'un revêtement diélectrique afin d'éviter les décharges électrostatiques accidentelles et/ou pour adapter le
potentiel de l'espace libre où passent les gouttes. Selon le document US-A-4 845 512, ce revêtement diélectrique pourrait avoir une polarisation électrique permanente (électret) afin de générer le potentiel électrique ou une partie de celui-ci. Ceci se ferait sans connexion électrique. Dans cet environnement, la projection de liquide et la présence de gaz soumis à des champs électriques assez intenses créent des particules de matières et des charges en mouvement dans l'espace libre. La projection et les forces électriques entraînent ces éléments libres (particules et charges) sur les parois se trouvant autour du jet. En particulier ces éléments s'agglutinent sur la surface libre de l'isolant soumis au champ électrique et sont attirés par les charges opposées. Ainsi, ils viennent compenser les charges de l' électret ou de l'électrode revêtue préalablement d'isolant. Par conséquent, le champ utile dans l'espace libre se réduit progressivement au profit d'une croissance du champ électrique dans le diélectrique. L'efficacité de la déflexion se réduit en relation avec la réduction du champ électrique dans l'espace libre.
Le document WO 94/16896 préconise l'emploi de matière plastique électriquement conductrice pour réaliser un système de commande de projection de liquide électriquement conducteur. Cela permet de réduire le coût, le nombre de pièces annexes comme les blindages et de simplifier le câblage. La matière plastique électriquement conductrice capte aussi les charges électriques. Cette matière plastique peut être du polyacétylène qui est un polymère conducteur intrinsèque. De préférence, il s'agit d'une résine plastique telle que le Nylon®, le polyester, l'acétal contenant des fibres conductrices (de carbone, d'acier inoxydable) revêtues de nickel. L'hétérogénéité d'une
résine fibreuse s'accroît en surface, particulièrement avec une fabrication moulée. La partie isolante de la matière plastique fibreuse étant plutôt en surface, les charges statiques peuvent s'y accumuler. L'effet escompté de la conductivité diminue donc en surface et les dérives de déflexion apparaissent comme cela est annoncé dans les documents US-A-4 845 512 et GB-A-2 249 995. Pour améliorer l'homogénéité de surface, il est possible d'usiner les surfaces fonctionnelles des pièces incriminées, mais cela augmente leur coût de fabrication.
Par ailleurs, l'utilisation de liquide volatil dans la constitution de l'encre provoque de la condensation. Progressivement, au gré de la ventilation interne de l'imprimante, des tensions partielles des divers gaz environnants et des gradients de température, les parties proches du jet d'encre se tapissent de liquide. Cela provoque des phénomènes de conduction sur les parois des électrodes de déflexion et la réduction de l'entrefer entre jet et électrodes. On note alors une dérive de la déflexion des gouttes au cours de l'utilisation du système de commande de projection.
Pour remédier à ce problème il a été proposé, dans le document US-A-5 001 497, de chauffer l'électrode de déflexion concernée au moyen d'une résistance électrique pour vaporiser le liquide déposé. L'emploi d'une telle résistance a été critiqué dans le document GB-A-2 249 995 à cause de la chaleur dégagée par cette résistance et à cause de la valeur du courant nécessaire à son bon fonctionnement.
Un phénomène nuisible dans ces têtes d'impression à jet d'encre provient de l'interaction possible entre gouttes en vol. Un bon système de commande de
projection se doit de procurer un trajet des gouttes faible pour lutter contre ce phénomène.
Certains constructeurs ont choisi de ne pas revêtir les plaques conductrices de déflexion avec un matériau diélectrique. Afin d'éviter les décharges électrostatiques accidentelles, ils placent des résistances dans le circuit d'alimentation électrique des plaques de déflexion afin de limiter le courant de décharge dans le circuit. Plusieurs types de décharge électrique peuvent survenir dans le fonctionnement d'une imprimante.
Le premier type de décharge est donné dans le cas d'une tension appliquée entre deux plateaux bien polis. Le champ électrique est identique partout et les conditions d'ionisation par choc se réalisent uniformément en moyenne. L'agitation thermique provoque, en un lieu, à un moment donné, une élévation brutale du courant qui passe alors d'une valeur quasi nulle à une valeur gigantesque s'il n'y a pas de résistances dans le circuit. L'énergie stockée est utilisée presque totalement en un bref instant lié à la forme du condensateur de stockage, et cette forme définissant le régime électromagnétique du transitoire de décharge. La puissance volumique dissipée est gigantesque et se concentre très localement. Dans le cas de l'utilisation de plaques métalliques raccordées par environ trois mètres de câble à l'alimentation haute tension, l'énergie stockée peut dépasser 1 mJ.
Dans d'autres cas, les fuites électriques sont des sources particulières dans l'espace (pointes conductrices, défauts d'isolation, corps étrangers) où le champ suffisamment fort localement génère une source d'ions ou d'électrons. Le débit de cette source se régule plus ou moins à l'aide de la charge d'espace créée. On obtient d'abord un courant stable suivant
vraisemblablement la loi de Langmuir, et ensuite apparaissent des fluctuations du courant, celui-ci restant fini. Ce second cas de décharge cause des variations du champ déflecteur, et aussi des variations de la charge de la goutte. Ceci réduit la précision des imprimantes à jet d'encre.
Pour résoudre les problèmes liés au premier type de décharge, il est connu de placer des résistances de protection également pour la sécurité des personnes et du matériel (le revêtement des électrodes risque 1 ' électroérosion à terme), le risque d'incendie. L'emplacement de ces résistances doit se faire pour morceler l'énergie électrique stockée. Surtout, il faut réduire l'énergie stockée dans les lieux à risques comme l'espace de déflexion. Il y a communément, de l'ordre de 20 μJ stockée, dans cet espace.
Un premier objet de la présente invention est de réduire le nombre de composants mécaniques et électriques d'un système de commande de projection de liquide.
Un second objet de la présente invention est de supprimer les discontinuités des surfaces internes du système de commande de projection de liquide.
Un troisième objet de la présente invention est de réduire le parcours des gouttes soumises aux interactions entre elles dans le système de commande de projection de liquide.
Un quatrième objet de la présente invention est d'intégrer les circuits électriques nécessaires au système de commande de projection de liquide dans un même composant.
Ces objets sont atteints par la présente invention qui concerne un système de commande de projection d'un liquide électriquement conducteur et émis sous forme d'un jet sous pression par au moins une buse,
comprenant des moyens pour fractionner le jet de liquide en gouttes, des moyens pour charger électriquement lesdites gouttes et des moyens pour appliquer un champ électrique de déflexion auxdites gouttes chargées, comprenant :
- deux éléments présentant chacun une surface continue, disposés de façon que les surfaces continues soient en vis-à-vis et définissent entre elles un espace dans lequel le jet sous pression est émis par ladite buse, lesdits éléments incluant des moyens permettant d'établir continûment des potentiels sur lesdites surfaces continues pour obtenir ladite charge électrique des gouttes et ledit champ électrique de déflexion, - des moyens électroniques de commande desdits potentiels et de contrôle de l'intensité des courants électriques pouvant circuler sur lesdites surfaces continues .
Avantageusement, la surface continue du premier élément est conductrice et possède des moyens de liaison électrique à l'un desdits potentiels, la surface continue du deuxième élément est constituée par une face d'un support isolant, cette face étant équipée de pistes conductrices possédant des moyens de liaison électriques à des potentiels choisis parmi lesdits potentiels, un revêtement résistif, ayant une valeur de résistance carrée comprise entre 5 MΩ et 100 MΩ, s 'étendant continûment sur ladite face.
La surface continue du premier élément peut également être recouverte d'un revêtement résistif continu.
Le premier et le deuxième élément peuvent présenter également des moyens permettant de fractionner le jet de liquide en gouttes et d'incliner le jet. Ces moyens permettent d'appliquer un champ
électrique sur le jet et peuvent inclure des moyens résistifs et des moyens capacitifs. Dans ce cas, les moyens résistifs sont avantageusement constitués par une partie du revêtement résistif qui présente, de préférence, des discontinuités dans certaines portions afin d'accroître l'efficacité du fractionnement du jet. Les moyens capacitifs peuvent comprendre ledit revêtement supporté par une couche isolante, cette couche isolante servant de diélectrique et étant supportée par des moyens conducteurs supportés par ledit support isolant.
L'invention sera mieux comprise et d'autres détails et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels :
- la figure 1 représente, en vue longitudinale, la partie mécanique d'un système de commande de projection d'encre selon la présente invention, - la figure 2 est une vue selon le plan II-II de la figure 1,
- la figure 3 est une vue de détail agrandie de la partie mécanique représentée à la figure 1,
- la figure 4 est un diagramme montrant l'évolution d'un potentiel électrique le long d'une surface d'un dispositif de projection d'encre selon l'art antérieur,
- la figure 5 est un diagramme montrant l'évolution d'un potentiel électrique le long d'une surface d'un dispositif de projection d'encre selon 1 ' invention,
- les figures 6 et 7 sont des schémas explicatifs de deux modes de commande de la stimulation dynamique du jet d'encre.
A titre d'exemple, la suite de la description va porter sur un système de commande de projection d'encre pour tête d'impression à jet continu. L'encre peut être émise selon un ou plusieurs jets qui sont fractionnés en gouttes. Les gouttes d'encre, chargées électriquement, sont ensuite défléchies par un champ électrique pour aboutir soit vers un circuit de récupération et de recyclage de l'encre, soit vers un support sur lequel l'encre doit être déposée. Comme le montre la figure 1, de l'encre 3, contenue dans une cavité 1, est émise sous pression par une buse 2 . Le jet d'encre 4, émis par la buse 2, est projeté dans l'espace 5 défini par les surfaces continues présentées par deux éléments 6 et 8, ces surfaces se trouvant en vis-à-vis. Plusieurs jets d'encre, tel que le jet 4, peuvent être émis par plusieurs buses entre ces surfaces continues, comme le montre la figure 2.
L'élément 6 comporte un support isolant plan 60, par exemple en alumine, dont la face située vers l'espace 5 supporte des pistes conductrices 62 à 66 et un revêtement résistif 67. Les pistes conductrices 62 à 66 relient électriquement le revêtement résistif 67 à des générateurs de tension, respectivement 32 à 36, destinés à fournir des potentiels de commande, respectivement U2 à Ug. L'autre face du support 60 peut également supporter des pistes conductrices, par exemple 71, 72, 73, des revêtements résistifs, par exemple le revêtement résistif 74, le revêtement diélectrique 76 et des composants électriques ou électroniques, par exemple le composant 75 (voir la figure 2) .
Les composants électriques ou électroniques déposés sur le support 60 peuvent être des circuits intégrés analogiques ou logiques, des transistors des
diodes, des condensateurs, un transformateur. Ils permettent de réaliser les élévations de tensions, les mesures de courant et de tension, les générations de signaux nécessaires au fractionnement du jet d'encre (le cas échéant) et à la charge des gouttes, les générations des tensions d'alimentation.
Les liaisons électriques entre les deux faces principales du support 60 peuvent se faire par des trous métallisés, tels que le trou métallisé 77. Ceci est la description d'un élément monolithique constitué dans la masse d'isolant électrique, lequel est habituellement utilisé comme support de composants électroniques. Ces composants réalisent les fonctions d'interface de commande en amont, vers les électrodes de projection de liquide.
L'élément 8, dans l'exemple décrit, comporte un support continu 81, par exemple en alumine, ou en une autre matière isolante, recouvert d'un revêtement résistif continu 82. Un générateur de tension 31 permet de fournir un potentiel Ui au revêtement résistif continu 82. L'élément 8 peut aussi être constitué simplement de métal ou d'une autre matière conductrice offrant une surface continue. Le générateur de tension 31 est alors directement raccordé au matériau de cet élément.
Le jet d'encre 4, qui entre dans le système de commande de projection selon l'invention, possède un potentiel électrique Ujet qui sera pris comme potentiel de référence pour simplifier les explications. Ce jet d'encre peut être préalablement doté d'une perturbation cinématique suivant le temps et conduisant à la séparation du jet en gouttes après un laps de temps, par exemple grâce à un résonateur inclus dans la cavité 1. Il peut être au contraire dépourvu de perturbation cinématique en sortant de la buse, auquel cas le
fractionnement en gouttes est réalisé par le système de commande de projection selon l'invention.
On va décrire maintenant, en relation avec la figure 3, la manière dont on peut réaliser le fractionnement du jet en gouttes grâce au système de commande de projection selon l'invention. Le support isolant 60 supporte, dans sa partie située à proximité de la buse d'éjection d'encre, trois électrodes 11, 12 et 13 disposées successivement dans la direction du jet d'encre et recouvertes d'une couche isolante 15. Les pistes conductrices 62 (voir aussi la figure 1) sont déposées sur la couche isolante 15, de manière à encadrer les électrodes 11 et 12. Le revêtement résistif 67 recouvre à la fois les pistes conductrices 62 et la couche isolante 15. Ce revêtement résistif 67 présente des discontinuités (c'est-à-dire des interruptions) sur trois petites portions 16 régulièrement espacées, correspondant à la partie amont (au sens de l'avancement du jet) des pistes conductrices 62, ceci pour éviter la propagation du signal d'origine U sur le revêtement 67 à contresens du jet.
Les électrodes 11, 12 et 13 sont portées au potentiel Uje , l'électrode 81 au potentiel U^ et les pistes conductrices 62 au potentiel U2 • A l'entrée, le jet d'encre 4 subit deux forces attractives issues des potentiels U2 et U]_ . Ces deux forces s'opposent. Leur différence produit l'inclinaison du jet incident de façon constante et/ou de façon dynamique si le potentiel U2 est variable. Cela fournit au jet une perturbation cinématique suivant le temps conduisant à la séparation ultérieure du jet en gouttes. Le jet progressant ensuite dans le système de commande de projection de liquide a son inclinaison et sa perturbation qui s'amplifient. Du fait de
l'établissement du potentiel U2 sur le revêtement résistif 67, la force issue du potentiel U2 évolue progressivement et est remplacée par une force issue des signaux U3 puis U4 fournis aux pistes conductrices 63 et 64. La perturbation dynamique du potentiel U2 suivant le temps s'atténue rapidement par la présence de la couche isolante 15 comme on le verra ensuite. L'inclinaison statique donnée d'abord par le potentiel U2 évolue ensuite progressivement suivant le potentiel U3. La force issue du potentiel U]_ évolue essentiellement par la modification de la distance entre le jet et la position du potentiel U]_ .
La perturbation cinématique donnée par le signal de fractionnement réduit le diamètre du jet en certains lieux sous l'action des forces superficielles. Ceci évolue jusqu'à l'annulation de ce diamètre. C'est le fractionnement du jet, ou la brisure. C'est le moment de l'échantillonnage de la charge électrique de la goutte formée suivant les potentiels U3, U4 et U]_ associés aux distances entre le liquide et ces potentiels. Dans l'exemple décrit ici, les potentiels U3 et U4 sont égaux et représentent le signal de commande de charge. Cela donne une certaine indépendance de la charge électrique de la goutte vis-à-vis du lieu de fractionnement.
Depuis l'entrée dans le système, le jet ou les gouttes sont constamment défléchies sous l'action des forces issues des potentiels environnants et des charges des gouttes et du jet. Les gouttes chargées ensuite évoluent vers un espace où le champ de déflexion reste important et devient constant suivant le temps. On s'éloigne de l'influence de la commande de charge fournie par les potentiels U3 et U4. L'espace libre entre les potentiels du revêtement résistif 67 et Ui est défini croissant suivant les besoins de
l'imprimante à définir. En pratique, cela évite que les gouttes ne s'approchent de façon instable des surfaces internes du système. La définition des potentiels apportés au revêtement résistif 67 est prédéfinie pour garantir un fonctionnement sans décharges électriques, et sans risque pour la cohésion des gouttes. Ainsi les gouttes obtenues par le signal de fractionnement ont, en sortie du système selon l'invention, des trajectoires commandées par le signal de charge alimentant les potentiels U3, U4 et par le signal d'inclinaison alimentant le potentiel U2.
Les différents potentiels statiques utilisés dans le système de commande de projection d'encre selon l'invention sont obtenus par des circuits électriques à la portée de l'homme de l'art concerné. A titre indicatif, on peut utiliser un transistor hacheur définissant un potentiel basse tension aux bornes du primaire d'un transformateur élévateur de tension et possédant plusieurs secondaires. Des diodes branchées aux secondaires du transformateur fournissent des tensions redressées positives et négatives de même amplitude. Cela permet d'obtenir les tensions d'alimentation de deux amplificateurs fournissant les potentiels U2- U3 et U4. Le potentiel U^ est obtenu de manière analogue. Les potentiels U5 et Ug peuvent être obtenus à l'aide de cellules multiplicatrices formées de diodes et de capacités et qui permettent d'obtenir des multiples de la tension crête à crête apparaissant à un secondaire du transformateur. Pour maîtriser la précision et vérifier le fonctionnement du système, un organe de contrôle est prévu, cet organe recevant les mesures des tensions représentant la résultante du comportement en tension dans la déflexion X. Ainsi, les mesures servent à modifier soit la basse tension alimentant l'ensemble ou
le rythme du hacheur, soit les informations envoyées pour obtenir les potentiels U3, U4 ou U2 • Ceci permet d'obtenir la constance de la déflexion X vis-à-vis des variations des circuits d'obtention des tensions électriques.
En raison de l'utilisation d'un revêtement résistif dans la partie du système selon l'invention correspondant aux plaques de déflexion de l'art connu, il n'y a pas de stockage d'énergie électrostatique susceptible de se décharger brutalement dans cette partie. Les résistances de protection utilisées dans certains dispositifs de l'art connu sont supprimées. L'emploi, dans le système selon l'invention, de revêtements résistifs et l'existence de courants parasites ne modifie par la déflexion des gouttes compte tenu des moyens mis en oeuvre ci-dessus pour maîtriser la précision.
Dans la présente invention, on utilise une épaisseur d'air variable entre l'entrée du jet et la sortie des gouttes. On utilise l'augmentation du champ électrique possible à faible distance. Cela est bien connu et est illustré par la courbe de Paschen définissant la tension donnant une ionisation non contrôlable, dans un gaz sous pression, entre deux plateaux conducteurs écartés d'une distance donnée. Cela, combiné à la déflexion réelle des gouttes chargées, permet de fournir la courbure particulière de la surface à engendrer. La réduction de l'espace libre donne une diminution substantielle de l'amplitude des tensions de commande à efficacité de déflexion accrue. La présente invention permet de faire chuter les tensions employées à 2300 V en comparaison d'une conception classique utilisant 8000 V.
Un autre avantage lié aux faibles distances vient de la réduction de la "charge historique". Celle-ci
vient de l'influence de la goutte déjà chargée sur la charge acquise par la goutte quittant le jet. La valeur de la charge historique peut être donnée par le coefficient a dans la formule de transfert de charge :
q(n) = -Ce[v(n) - a . v (n-1 ) - ... ]
q(n) : succession de charges de gouttes,
Ce : capacité entre la goutte et l'électrode de charge, v(n) : succession des tensions de charges de gouttes.
Comme cela est exprimé dans la formule, on peut aussi énoncer la charge suivant la tension actuelle de l'électrode de charge et suivant la tension à la formation de la goutte précédente. La valeur de a est donnée essentiellement par le rapport entre la capacité entre deux gouttes en vol et Ce. Ici la distance entre la goutte et l'électrode est plus réduite. Ce s'élève et ainsi a se réduit. L'élaboration de la charge des gouttes devient moins sensible à ce phénomène.
Lors d'un démarrage de l'imprimante, même satisfaisant, de petits dépôts d'encre sont inévitables à l'intérieur du système de projection. On risque aussi des dysfonctionnements plus importants si accidentellement du liquide se dépose sur le revêtement résistif ou sur les rares lieux ou l'isolant apparaît entre deux conducteurs surfaciques.
Dans l'art antérieur, ainsi que cela est illustré sur la figure 4, un dépôt d'encre provoque l'existence d'un courant perturbateur qui le traverse. Le diagramme des potentiels U est mis en regard d'un ensemble d'électrodes 22, 23 et 24 portées respectivement à des potentiels U22' u23 et 24 et séparées par des parties isolantes 25 et 26. La surface 27 de la partie isolante 25 est facilement polluée par des charges électriques
parasites. Si un dépôt d'encre 28 se produit entre les électrodes 23 et 24, un courant perturbateur i va circuler dans le dépôt d'encre au-dessus de la partie isolante 26. On obtient le diagramme des potentiels indiqué avec des variations de potentiel correspondant à des champs électriques intenses, notamment pour la partie isolante 25. Les potentiels et les courants sont alors modifiés et les mesures permettent d'alerter l'organe de contrôle. Suivant des critères prédéfinis, le système peut décider des modifications de commandes ou d'arrêter les fermetures périodiques du hacheur. On peut attendre, suivant le type d'encre, le séchage de l'encre et la modification de la résistance du dépôt parasite, et remettre en fonctionnement le hacheur pour une nouvelle mesure de la perturbation.
Selon la présente invention, une très faible proportion de surface libre d'isolant peut être atteinte par l'encre. Cela est illustré par la figure 5 qui reprend le principe de l'invention : présence d'un support isolant 60 supportant des pistes conductrices 62, 63 et 64 et d'un revêtement résistif continu 67. Les pistes conductrices 62, 63 et 64 sont portées respectivement aux potentiels U2, U3 et U4. La présence d'un dépôt d'encre 18 entre les pistes conductrices 63 et 64 provoque la circulation d'un faible courant perturbateur i entre les pistes 63 et 64. Le revêtement résistif 67 permet de définir et de réduire le champ électrique sur l'isolant. Ainsi, on organise la chute de potentiel entre les électrodes. Le diagramme des potentiels associé montre bien que le champ électrique superficiel est faible entre les pistes conductrices.
L'isolant n'est plus accessible au champ statique de l'espace libre, les charges s'écoulent en surface, sans prendre le temps de perturber la déflexion du liquide.
Ce principe permet de définir les potentiels continus intermédiaires sur les surfaces entre les potentiels imposés par les pistes conductrices, comme on peut le voir sur la figure 5. Un dépôt mineur donne un courant perturbateur plus faible et s'il l'est suffisamment, il n'entraîne pas une dégradation de la précision de l'imprimante, ni d'alerte majeure vers l'organe de contrôle.
Le revêtement résistif déposé sur le support isolant 60, et éventuellement sur l'électrode 81, peut avoir une résistance carrée de 5 MΩ à 100 MΩ.
L'encre utilisée par les imprimantes à jet d'encre comporte un liquide volatil qui crée de la condensation, particulièrement sur les surfaces proches du jet d'encre. Progressivement, dans les imprimantes de l'art connu, au gré de la ventilation interne, des tensions partielles des divers gaz, des gradients de température, les surfaces proches du jet d'encre se tapissent de liquide, ce qui provoque de la conduction sur les parois. On remarque alors une dérive de la déflexion des gouttes.
Dans le cas de la présente invention cela impose un domaine de valeur de la résistance carrée du revêtement résistif. L'utilisation d'un tel revêtement permet avantageusement d'obtenir le potentiel de surface voulu et 1 'échauffement local de cette même surface. Ainsi, les surfaces proches du jet d'encre peuvent être chauffées modérément à l'aide des différences de potentiel utilisées pour commander le mouvement de l'encre. On peut définir une puissance de dissipation suffisante pour élever d'environ 1 degré les surfaces vis-à-vis de l'encre. On peut prévoir la résistance carrée permettant d'abord la détection des dysfonctionnements liés à la perturbation des grandeurs électriques lors de dépôts parasites d'encre. Ensuite,
on dispose les chemins de dissipation de la chaleur issue du revêtement résistif et des composants électriques proches.
Le procédé selon l'invention emploie une surface continue commune aux fonctions, de l'entrée du jet à la sortie des gouttes. Cela permet de réduire et même de supprimer les élévations locales du champ électrique dues à l'emploi de rayons de courbure faibles. Ainsi on peut suivre plus finement les limites de décharges restreignant le fonctionnement et accroître l'efficacité de la déflexion. On peut ainsi supprimer les décharges du second type régulées par la loi de Langmuir exposées plus haut. Dans le système selon l'invention, les potentiels des fonctions fractionnement, charge, déflexion, sont générés de façon continue sur une surface continue pour contrôler le champ électrique superficiel d'interface entre les fonctions .
La dimension suivant l'axe de déflexion débute à l'entrée du jet avec des valeurs de l'ordre de plusieurs diamètres de jet. Les limites des champs électriques sont accrues par la petitesse des dimensions utilisées. Les champs électriques de la présente invention sont supérieurs au 1,5 MV/m utilisé dans les imprimantes classiques. Ils peuvent atteindre 6 MV/m. Les facteurs limitants viennent du déséquilibre de la surface liquide par la pression électrique contrariant la pression superficielle. Pour un même résultat de déflexion désiré, la distance utile du parcours du liquide nécessaire peut être réduite.
Comme indiqué plus haut, on utilise des tensions beaucoup plus faibles. Ainsi les potentiels entre les trois fonctions sont réduits, et les distances nécessaires pour aménager les interfaces ou "distances de sécurité" entre fonctions sont aussi réduites.
On obtient une réduction importante du parcours global des gouttes. Ainsi la durée de transit de gouttes est réduite. Les impulsions données par les forces d'interactions se réduisent de la même façon. La liste des potentiels autour du jet d'encre est par ordre, à partir de la buse d'émission d'encre (voir les figures 1 et 3) :
- Ujet, U_, U2, U3 et U4 : plutôt des potentiels variables, de faibles valeurs commandant la trajectoire du jet et la charge de la goutte,
- U5 et Ug : plutôt des potentiels constants, de fortes valeurs, amplifiant la trajectoire initiale de la goutte.
A partir de ces potentiels, on peut résumer les diverses façons de commander les potentiels et donner leurs conséquences. On supposera que le jet d'encre émis est plus proche de l'électrode de potentiel Ui que de l'élément à multipotentiel U2 à Ug.
Selon un premier mode de commande, Ujet=0, Uι=0, U2=0, U3=U , U5=-400 V et Ug=-1200 V. U4 est le signal de commande échantillonné lors de la brisure. Pour une tension U4 de +100 V, la goutte est chargée négativement et prend une trajectoire donnant X positif. La goutte longe la limite de surface supérieure. Pour une tension U4 de -350 V, la goutte est chargée positivement et prend une trajectoire donnant X négatif. La goutte longe la limite de surface inférieure .
Selon un deuxième mode de commande, Ujet=0, U2=0, U3=-300 V, U4=-350 V, U5=-400 V et ϋg=-1000 V. Ui est le signal de commande échantillonné lors de la brisure. Pour une tension U]_ de +300 V, la goutte est chargée négativement, et prend une trajectoire donnant X positif. La goutte longe la limite de surface supérieure. Pour une tension U]_ de -50 V, la goutte est
chargée positivement et prend une trajectoire donnant X négatif. La goutte longe la limite de surface inférieure.
Selon un troisième mode de commande, U]_=200 V, U2=0, U3=-300 V, U4=-350 V, U5=-400 V et Ug=-1000 V. Ujet est le signal de commande échantillonné lors de la brisure. Pour une tension Ujet de -50 V, la goutte est chargée négativement et prend une trajectoire donnant X positif. La goutte longe la limite de surface supérieure. Pour une tension Ujet de +200 V, la goutte est chargée positivement et prend une trajectoire donnant X négatif. La goutte longe la limite de surface inférieure .
Bien sûr d'autres combinaisons sont possibles, particulièrement si toutes les tensions exprimées précédemment sont multipliées par -1 et si on modifie l'hypothèse de la proximité entre le jet et le potentiel U . Les combinaisons les plus caractéristiques ont été mentionnées. Cela est guidé par la détermination de la charge échantillonnée par la goutte. La goutte chargée est soumise ensuite à un champ quasiment constant.
Le premier mode de commande donne la combinaison préférée, adaptable au multijet. Les potentiels de jets et de U]_, U2, U5, Ug sont communs aux différents jets. La tension de commande est comparativement d'excursion plus élevée.
Le deuxième mode de commande donne la combinaison préférée, adaptable au monojet si on souhaite garder la simplicité du potentiel U]_ . Il est possible de remplacer 1 ' équipotentiel U]_ par un second circuit monolithique. Celui-ci réalise devant chaque brisure une tension spécifique de charge à la manière des potentiels U3, U4. Sur le reste de la surface, on
définit un potentiel constant, encadrant les commandes de charge .
Le troisième mode de commande donne une variante, adaptable au monojet. Le potentiel de commande de charge de goutte est celui du jet. La tension de commande est comparativement d'excursion plus faible. La réalisation est simple, la buse est au potentiel de commande. L'alimentation en encre de la buse est faite sous tube isolant. A titre d'exemple, si la longueur du tube isolant est de 0,5 m, sa section interne de 2 mm2 et si la résistivité de l'encre est de 8 Ω. , la résistance de charge de la commande vaut alors 2 MΩ, ce qui représente une faible perturbation pour le générateur de commande de charge. Le potentiel U2 permet de modifier par sa valeur statique l'inclinaison du jet incident ou/et de défléchir dynamiquement le jet et/ou de propager une perturbation tenant lieu d'information de séparation du liquide. Déjà dans les brevets US-A-5 001 497 et US-A-5 070 341, le principe de déflexion de jet continu est réalisé. Cela permet de défléchir des portions de liquide ultérieurement non chargées électriquement. Dans le procédé, selon l'invention, l'essentiel de la déflexion résulte de la force appliquée sur la goutte chargée. Le potentiel U2 statique sert de réglage pour compenser les erreurs d'alignement des jets. Les moyens de réalisation de l'électrode de commande et le comportement électrique sont dans la présente invention particulièrement avantageux. Pour en revenir à la figure 3, la définition des dépôts résistifs, conducteur et isolant définit une propagation du potentiel U2(t) dans la direction d'avancement du jet. Ainsi le potentiel dynamique du dépôt résistif, significativement proche en amplitude
et phase de U2 est présent sur une étendue variable suivant la fréquence désirée de formation des gouttes.
L'étendue de pénétration du signal est donnée par la formule : (cd.ω. rd) " pour une amplitude supérieure à la moitié du signal dynamique et une phase inférieure à 0,2 π* Radian. Dans cette formule :
- cd est la capacité répartie entre le revêtement résistif et le dépôt conducteur au potentiel Uje en F/m, donnée par la couche isolante 15, - rd est la résistance répartie du revêtement résistif en Ω/m,
- ω est la pulsation du fractionnement.
La valeur de cd est de l'ordre de 150 nF/m et celle de rd est de 2,5 GΩ/m. Pour une fréquence de 100 kHz, on obtient une étendue de pénétration de 78 μm.
En statique (à la pulsation nulle) , la totalité du revêtement résistif est au potentiel statique U2 et permet d'obtenir une déflexion statique importante pour régler l'inclinaison du jet.
A très hautes fréquences, la largeur en potentiel dynamique équivalente de l'électrode est celle du conducteur au potentiel U2 • On définit cette largeur pour obtenir le maximum du fractionnement pour la fréquence la plus élevée pour la formation des gouttes, du moins pour la plus petite distance entre deux gouttes futures consécutives.
Pour accroître l'efficacité de fractionnement, il est intéressant de créer des discontinuités en amont des dépôts conducteurs au potentiel U2 • Ainsi, en aval de ces dépôts, le signal U2(t) sur le revêtement résistif se retarde suivant le temps, et ainsi les crêtes de ce signal accompagnent le liquide du jet. Ce phénomène ne peut se produire dans le sens opposé au jet, et rapidement le signal sur le dépôt résistif en
amont réduit l'efficacité du fractionnement. On prévoit plusieurs séquences associées aux conducteurs au potentiel U2 espacées d'une ou plusieurs distances entre deux gouttes. Ce principe de fractionnement permet de stimuler efficacement pour différentes gammes de fréquence de formation des gouttes.
On peut préciser deux modes de commande de la stimulation dynamique du jet. Un premier mode s'apparente au procédé décrit dans le brevet US-A-4 220 958. Son principe est d'utiliser une "électrode pompe" avoisinant la colonne de fluide, connectée à une source d'énergie électrique pour établir un champ électrique variable, développant une force normale sur la colonne de fluide, pour provoquer la formation de gouttes à espacement sensiblement constant. Comme le montre la figure 6, la longueur d'une électrode d'application du potentiel U2(t) est d'environ un demi-espacement entre gouttes. La période de la tension U2(t) est celle de la formation des gouttes.
Selon la présente invention, la longueur effective de l'électrode établissant un champ électrique variable pour développer une force normale sur le jet est aussi de l'ordre d'un demi-espacement entre gouttes. Cependant, cette longueur effective de l'électrode est réalisée par la sommation d'une électrode fixe conductrice à laquelle s'ajoute une longueur diffuse liée à la propagation du signal variable U2 sur le dépôt résistif couplé au dépôt capacitif. Le procédé selon l'invention permet une certaine adaptation de la longueur effective de l'électrode établissant un champ électrique variable sur le jet. Pour une même construction de l'électrode, la variation de la longueur effective de l'électrode en fonction de
la fréquence du signal U2(t) permet de stimuler effectivement sur une plus grande bande de fréquence.
Dans le brevet US-A-4 220 958, comme dans le brevet US-A-4 658 269, il n'est développé qu'un aspect symétrique des forces normales autour du jet. Un second mode de commande de la stimulation dynamique du jet est décrit dans le brevet US-A-5 001 497. Selon ce dernier brevet, un aspect dissymétrique de la force électrique sur le jet permet de le défléchir. Celui-ci rencontre ensuite la surface du collecteur-section pour sélectionner les "saucisses" de liquide à imprimer vis-à-vis du liquide à récupérer.
Selon la présente invention, on crée une déflexion du jet par l'action du champ électrique émis par l'électrode résistive pour étirer le jet dans les points d'inflexion de sa trajectoire. La tension superficielle poursuit l'écoulement du liquide de ces points d'inflexion pour ensuite donner les futures brisures entre gouttes. L'avantage de ce mode de commande est de définir des dimensions de l'électrode deux fois plus grande dans la direction de l'avancement du jet. Si le dimensionnement proposé dans le brevet US-A-4 220 958 était d'un demi-espacement de goutte pour son électrode, le mode présent d'attaque du jet demande un espacement de goutte. Comme le montre la figure 7, la période de la tension U;(t) est alors le double de celle de la formation des gouttes. Sous la référence 50, on a représenté les points d'inflexion de la trajectoire du jet d'encre. La technique de lithographie utilisée pour la réalisation des électrodes conductrices et résistive pour alors être plus grossière. Cela procure un avantage puisque la dimension de largeur de la piste conductrice doit être plus petite que l'espacement entre gouttes. On peut choisir un demi-espacement entre
gouttes pour la largeur de la piste conductrice, la piste résistive prenant la suite pour transmettre le potentiel U2.
Pour un jet d'encre brisé à 80 kHz, d'une vitesse de 20 m/s, l'espacement entre gouttes est alors de 250 μm. La dimension de largeur de la piste est alors de 125 μm. Cette valeur est facile à obtenir par les techniques de sérigraphie de dépôt d'encre conductrice de type couche épaisse de l'industrie électronique.
Claims
1. Système de commande de projection d'un liquide électriquement conducteur (3) et émis sous forme d'un jet sous pression (4) par au moins une buse (2), comprenant des moyens pour fractionner le jet de liquide en gouttes, des moyens pour charger électriquement lesdites gouttes et des moyens pour appliquer un champ électrique de déflexion auxdites gouttes chargées, caractérisé ce qu'il comprend :
- un premier (8) et un deuxième (6) élément monolithique présentant chacun une surface continue, disposés de façon que les surfaces continues soient en vis-à-vis et définissent entre elles un espace (5) dans lequel le jet sous pression (4) est émis par ladite buse (2), lesdits éléments (6, 8) incluant des moyens permettant d'établir continûment des potentiels sur lesdites surfaces continues pour obtenir ladite charge électrique des gouttes et ledit champ électrique de déflexion,
- des moyens électroniques (31 à 36) de commande desdits potentiels et de contrôle de l'intensité des courants électriques pouvant circuler sur lesdites surfaces continues.
2. Système de commande de projection selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface continue du premier élément (8) est conductrice et possède des moyens de liaison électrique à l'un (U]_) desdits potentiels, la surface continue du deuxième élément (6) est constituée par une face d'un support isolant (60), cette face étant équipée de pistes conductrices (62 à 66) possédant des moyens de liaison électriques à des potentiels (U2 à Ug) choisis parmi lesdits potentiels, un revêtement résistif (67), ayant
une valeur de résistance carrée comprise entre 5 MΩ et 100 MΩ, s 'étendant continûment sur ladite face.
3. Système de commande de projection selon la revendication 2, caractérisé en ce que la surface continue du premier élément (8) est également recouverte d'un revêtement résistif continu (82) .
4. Système de commande de projection selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits éléments (6, 8) présentent également des moyens permettant de fractionner le jet de liquide en gouttes et d'incliner le jet.
5. Système de commande de projection selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens permettant de fractionner et d'incliner ledit jet sont des moyens permettant d'appliquer un champ électrique sur ledit jet.
6. Système de commande de projection selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens permettant d'appliquer un champ électrique sur ledit jet incluent des moyens résistifs et des moyens capacitifs .
7. Système de commande de projection selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens capacitifs comprennent ledit revêtement résistif (67) supporté par une couche isolante (15), cette couche isolante servant de diélectrique et étant supportée par des moyens conducteurs (11, 12, 13) supportés par ledit support isolant (60) .
8. Système de commande de projection selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que les moyens résistifs sont constitués par une partie du revêtement résistif (67) .
9. Système de commande de projection selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite partie du revêtement résistif (67) présente des discontinuités
dans certaines portions (16) afin d'accroître l'efficacité du fractionnement du jet.
10. Système de commande de projection selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le premier (8) ou le deuxième (6) élément monolithique supporte au moins l'un des moyens électroniques (31 à 36) de commande et de contrôle.
11. Système de commande de projection selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'élément monolithique supportant l'un au moins des moyens électroniques (31 à 36) de commande et de contrôle comporte un support isolant identique au support de composants électroniques.
12. Application du système de commande de projection selon l'une quelconque des revendications précédentes à une imprimante à jet d'encre.
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