Brevet FR2558076A1 — publié le 19850719

EJECTEUR DE GOUTTELETTES L'invention concerne des éjecteurs de gouttelet- tes et, plus particulièrement, un ejecteur de gouttelet- tes qui est particulièrement utile comme tète d'entrai- nement dans une imprimante à jet d'encre "par points à la demande". Les imprimantes à jet d'encre combinent une qua- lité d'impression raisonnable avec des vitesses d'impres- sion assez élevées. Des types communs de têtes d'entrai- nement d'imprimantes généralement disponibles compren- nent des dispositifs à jet continu et des dispositifs à gouttes à la demande. Dans les dispositifs à jet conti- nu, un jet continu de gouttelettes est éjecté d'une tete d'impression et des gouttelettes sélectionnées sont dé- viées jusqu'à un godet de retour; les gouttelettes res- tantes entrent en contact avec une feuille blanche pour former l'image voulue. Par contraste, dans les disposi- tifs à gouttes à la demande, les gouttelettes ne sont formées qu'en fonction des besoins, et chaque gouttelet- te contribue à former l'image. Les dispositifs à gouttes à la demande ont un cer- tain nombre d'avantages inhérents sur les dispositifs à alimentation continue, incluant des exigences d'alimenta- tion en liquide plus simples et l'absence de besoin de charger électriquement les gouttelettes dans un but de commande de volée. Cependant, ils sont vraiment plus lents'que les dispositifs à alimentation continue, et ce- la a limité leur utilité. Un but de l'invention est de fournir un éjecteur de gouttelettes perfectionné. Un autre but de l'invention est de fournir un éjec- teur de gouttelettes perfectionné qui est particulièrement approprié pour une impression à jet d'encre par points à la demande. Un autre but encore de l'invention est de fournir un éjecteur de gouttelettes perfectionné qui fonctionne à des vitesses accrues. Selon la présente invention, un éjecteur de gout- telettes comporte un réservoir de capacité limitée pour y emmagasiner un liquide, le réservoir comportant un ori- fice de sortie pour éjecter de l'encre à partir de celui- ci et un orifice d'entrée par lequel il est rempli de li- quide d'alimentation à partir d'une alimentation princi- pale en liquide. Un transducteur d'entraînement expulse les gouttelettes du réservoir en réponse à des signaux qui lui sont appliqués. Avantageusement, le réservoir comprend un tube cylindrique et le transducteur comprend un cristal pié- zoélectrique qui entoure le tube et qui serre et dilate alternativement l'alésage du tube pour expulser le liqui- de de celui-ci. Un dispositif utile de ce type est indiqué dans le brevet des E.U.A. n 3 683 212 délivré le 8 août 1972 à S.I. Zoltan. Selon la présente invention, un second transducteur règle les communications entre l'orifice de sortie et une alimentation principale en li- quide. Le second transducteur qui sert de transducteur d'obturation bloque l'orifice d'entrée de réservoir pen- dant qu'une gouttelette de liquide est expulsée de l'ori- fice de sortie, et il ouvre ensuite l'orifice d'entrée pour permettre de remplir le réservoir du liquide d'ali- mentation à partir de l'alimentation principale. Cette configuration fournit des avantages impor- tants dans les imprimantes par points à la demande. En particulier, le blocage de l'orifice d'entrée pendant une éjection de gouttelettes empêche une dissipation de la force d'entraînement des gouttelettes qui est autrement provoquée par un reflux du liquide de l'arrière du réser- voir jusqu'à l'alimentation principale. En conséquence, il faut un transducteur plus petit et une énergie d'en- trainement inférieure pour expulser une gouttelette du réservoir. Réciproquement, pour une entrée d'énergie d'entrainement donnée, une plus grande proportion de l'énergie est appliquée pour expulser une gouttelette, qui est donc accélérée jusqu'à des vitesses supérieures et qui contribue ainsi à l'obtention des vitesses d'im- pression plus grandes. Ainsi, dans le cas de têtes d'im- pression par points à la demande actuellement disponi- bles, environ l1O de l'énergie d'entraînement appliquée est seulement transmise à la gouttelette expulsée; le reste est dissipé principalement dans le liquide restant derrière dans la tête d'impression. Par contraste, dans la présente invention, presque toute l'énergie appliquée est transmise à la gouttelette éjectée, ce qui augmente d'une manière importante son moment en réponse à une énergie d'entrée donnée en augmentant ainsi la vitesse d'impression et en facilitant une commande de mise en place. En plus de l'augmentation du rendement et de la vitesse d'impression, en prévoyant une barrière ou obtu- rateur sur entre le réservoir et l'alimentation princi- pale en liquide, on sépare efficacement l'alimentation principale du réservoir pendant une éjection de goutte- lette, et on permet ainsi d'isoler la partie dynamique du réservoir et de la tete d'éjection de la partie dyna- mique de l'alimentation principale. En conséquence, on peut établir les caractéristiques de chacune d'elles dans une large mesure indépendamment des restrictions qui seraient autrement imposées par l'autre. De plus, l'obturateur amortit efficacement les oscillations pré- sentes dans le réservoir et permet ainsi au liquide de revenir à son état de repos en une période plus courte que dans le cas o cet obturateur est absent. En conse- quence, l'intervalle de temps entre les éjections de gout- telettes peut être réduit d'une manière importante, et la vitesse d'impression peut être ainsi augmentée. En contrôlant le temps pendant lequel l'obturateur est ouvert, le réservoir peut etre rempli à partir de 2558076 - l'alimentation principale de manière à s'assurer que le remplissage est réalisé avec une perturbation de dispo- sitif minimale. En particulier, selon la présente inven- tion, le remplissage du réservoir n'a lieu qu'après l'éjection d'une gouttelette. En outre, on peut contrô-. ler exactement le temps de remplissage et le déplacement d'obturateur pour que la quantité de liquide fournie au réservoir soit juste égale à celle qui en est retirée par la goutellette éjectée. En conséquence, les goutte- lettes successives ont une masse constante et une densi- té d'impression constante est ainsi maintenue. En outre, on peut facilement faire varier la densité d'impression d'une manière contrOlable avec la présente invention quand on le veut, par exemple, dans la reproduction gra- phique, entre autres applications. - D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention seront mis en évidence dans la descrip- tion suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: Figure 1 est une vue en coupe verticale d'un éjec- teur de gouttelettes dans son état de repos selon la pré- sente invention; Figures 2, 3 et 4 sont des vues en coupe vertica- le de l'éjecteur de gouttelettes de la Figure 1 dans des phases successives de fonctionnement; et Figure 5 est un schéma de signaux d'entraînement théoriques appliqués aux transducteurs de l'éjecteur, et du déplacement résultant. Sur la Figure 1, un éjecteur de gouttelettes 10 est constitué à partir d'une base 12 comportant un col- lier cylindrique 14 à partir duquel s'étend un tube cy- lindrique 16. Un alésage 18 situé à l'extrémité supérieu- re du tube sert d'orifice de sortie par lequel des gout- telettes de liquide sont éjectées. Un transducteur cy- lindrique 20 entoure le tube 16 et fournit la force re- quise pour éjecter des gouttelettes de celui-ci. Un second transducteur 22 est situé à l'extrémité inférieu- re du collier 14 et vient buter contre la face de base 14a de ce collier. Le transducteur 22, représenté à ti- tre d'exemple sous la forme d'une plaque rectangulaire plate, enjambe l'entrée 24 du collier 14 et la bloque comme le montre la Figure 1. L'entrée 24 sert d'orifice d'entrée pour le tube 16 qui constitue ainsi un réser- voir 26 pour un liquide. Du liquide est fourni à la base 12, et ainsi au tube 16, à partir d'une source d'alimen- tation principale (non représentée) par un tube 30 et une chambre 13. Les transducteurs 20 et 22 sont de préférence des transducteurs piézoélectriques qui sont commandés élec- triquement par un générateur d'impulsions 32 comportant des commandes 34a, 34b, 36a, 36b, 38a et 38b pour régler des paramètres tels que l'amplitude, la durée, et la phase des impulsions électriques appliquées aux transduc- teurs 20 et 22, respectivement. Le transducteur 20 sert de transducteur d'entrai- nement. Quand il est excité par un signal d'entraînement provenant du générateur 32, il serre et comprime ainsi le tube 16 de manière à diminuer le volume du réservoir 26 et à provoquer l'éjection d'une gouttelette à partir de celui-ci. Par contraste, le transducteur 22 sert de transducteur d'obturation. I1 règle l'écoulement de li- quide dans le tube 16 et il permet ainsi de remplir le réservoir 26. En outre, il limite la transmission de for- ces entre le réservoir 26 et l'alimentation principale par l'intermédiaire de la conduite 30 pendant l'éjection d'une gouttelette, et,de la sorte, non seulement il aug- mente l'efficacité de l'opération d'éjection mais il em- peche également une communication d'oscillations entre l'alimentation principale et le réservoir 26 qui retarde- rait autrement le retour du réservoir à son état de repos. On peut maintenant comprendre en détail le fonc- tionnement de l'éjecteur de gouttelettes. Dans l'état de repos de l'éjecteur, les transduc- teurs sont désexcités, comme le montre la Figure l,c'est- à-dire qu'aucune tension de commande ne leur est appli- quée. Dans cet état, le transducteur 20 met l'entrée 24 hors de communication avec le conduit 30. Un léger ménis- que négatif est formé dans l'alésage de sortie 18. Pour commencer l'opération d'éjection, un signal d'entraînement tel qu'une impulsion de tension 40 est appliqué au transducteur 20 pendant un première interval- le de temps, t1. Le transducteur rétrécit de diamètre à la réception de celui-ci et il appuie à son tour vers l'intérieur sur le réservoir 26 pour réduire son diamè- tre. Le liquide se trouvant dans le réservoir subit de la sorte un déplacement 42 qui force le ménisque d'un déplacement ou état négatif à un état positif, comme le montre la Figure 5 en 44. Dans son état d'extension le plus à l'extérieur, la gouttelette de liquide 46 (Figure 3) formant le ménisque se détache du reste du liquide se trouvant dans le réservoir 26 et elle commence son trajet vers le support (par exemple, une feuille de pa- pier) sur lequel un point doit être formé. Le liquide dans le réservoir 26, et donc le liquide formant mainte- nant le nouveau ménisque, reste dans un état déplacé pen- dant le reste du signal d'entralnement appliqué, comme le montre la Figure 5. Quand ce signal se termine, le réservoir 26 revient à son état de repos ainsi que le ménisque. Comme le montre la Figure 5, ce dernier subit une oscillation amortie pendant une période après que l'impulsion d'entraînement soit terminée. Après que l'envoi de l'impulsion d'entraînement au transducteur 20 soit terminé, une impulsion d'entrai- nement 50 est appliquée au transducteur 22. A titre d'exemple, l'impulsion 50 suit la fin de l'impulsion fournie au transducteur 20 de moins d'un quart de cycle. Le transducteur 22 s'étend hors de l'entrée 24 comme on l'a représenté en 52 sur la Figure 5 (dans les dessins, l'extension se fait dans la direction vers le bas comme le montrent les Figures 2-4) et il met le réservoir 26 en communication avec le réservoir principal par l'inter- médiaire du conduit 30. Une petite quantité de liquide 54 pénètre alors dans le réservoir 26 à partir du con- duit 30 et par la chambre 13 pour remplacer la gouttelet- te éjectée. Comme le montre la Figure 5, cela se produit pendant que se produisent des oscillations du ménisque du réservoir 26 après la fin d'application de la tension d'entraînement au transducteur 20. L'éjecteur de goutte- lettes est de la sorte prêt à répéter le cycle pour la goutte suivante. Comme on l'a noté précédemment, le générateur 32 est pourvu de moyens pour établir l'amplitude, la durée et la phase de chacun des signaux appliqués respective- ment aux transducteurs 20,22. Par un réglage convenable de ces quantités, l'utilisateur peut régler les niveaux d'entraînement et la relation entre l'ouverture et la fermeture de l'orifice d'entrée 24 par rapport au temps d'éjection d'une gouttelette de l'alésage 18 de manière à assurer l'éjection des gouttelettes de masse uniforme à une vitesse définie, quelles que soient les variations de la densité et d'autres caractéristiques physiques si- gnificatives du liquide utilisé. L'obtention d'une densi- té de gouttes uniforme est une caractéristique importante des imprimantes à jet d'encre viables. Il est évident que dans certaines applications, on peut souhaiter faire va- rier la masse des gouttelettes, et donc le diamètre des points tels qu'appliqués au support qui reçoit l'encre, d'une manière contrôlée. Par exemple, il est souvent sou- haitable de faire varier la résolution dans beaucoup d'applications graphiques. Cela est facilement obtenu dans la présente invention en faisant varier des quanti- tés telles que le temps de montée et le temps de descen- te des impulsions d'entraînement, ainsi que leur amplitu- de, leur durée et leur phase. D'après ce qui précède, on voit qu'on a fourni un éjecteur de gouttelettes perfectionné. L'éjecteur est de construction simple et il se prête à un étalonnage faci- le pour obtenir une éjection de gouttelettes uniforme et donc une densité d'impression uniforme quand il est utilisé dans une imprimante à jet d'encre. L'éjecteur isole le liquide qui est éjecté d'une communication avec l'alimentation principale pendant la phase d'éjection; cela augmente le rendement de l'opération d'éjection et facilite également l'amortissement des oscillations qui augmenteraient autrement le temps de rétablissement né- cessaire après une éjection de gouttelette et diminue- raient ainsi la vitesse d'éjection admissible. Le rem- plissage de liquide est effectué à un moment défini à la suite de l'éjection de la goutte de manière à réduire au minimum la perturbation du dispositif. Pour séparer l'éjection de gouttelette du remplissage de liquide, on peut rendre le mécanisme d'éjection et la partie dynami- que de l'opération d'éjection d'une efficacité optimale, indépendamment des restrictions physiques du cycle de remplissage. On peut ainsi beaucoup améliorer le contro- le de vitesse de la gouttelette éjectée, et on peut fa- cilement réaliser une variation des diamètres de points et ainsi une variation de résolution d'image. REVEND ICATIONS 1. Ejecteur de gouttelettes pour éjecter d'une manière contrôlable des gouttelettes de liquide à la demande, caractérisé en ce qu'il comprend: A. un réservoir (26) comportant un orifice d'en- trée (24) pour y admettre un liquide et un orifice de sortie (18) pour éjecter des gouttelettes de celui-ci, B. un premier transducteur (20) associé au réser- voir et pouvant fonctionner en réponse à des signaux électriques appliqués à celui-ci pour éjecter une goutte- lette par l'orifice de sortie, et C. un second transducteur (22) associé au réser- voir et pouvant fonctionner en réponse à des signaux électriques appliqués à celui-ci pour régler un trans- fert de liquide par l'orifice d'entrée. 2. Ejecteur de gouttelettes selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le second transducteur (22) restreint l'écoulement par l'orifice d'entrée pendant l'éjection de la gouttelette. 3. Ejecteur de gouttelettes selon la revendica- tion 2, caractérisé en ce que le second transducteur (22) peut fonctionner pour remplir le premier réservoir (26) de liquide après éjection d'une gouttelette de celui-ci. 4. Ejecteur de gouttelettes selon la revendica- tion 3, caractérisé en ce que ledit transducteur (22) est positionné pour bloquer l'orifice d'entrée (24) afin qu'il n'y ait pas d'écoulement de liquide par celui-ci quand il est désexcité, et en ce qu'il peut fonctionner pour ouvrir l'orifice d'entrée en réponse à des signaux qui lui sont appliqués. 5. Ejecteur de gouttelettes selon la revendica- tion 4, caractérisé en ce que ledit transducteur (22) est constitué d'un cristal piézoélectrique. 6. Ejecteur de gouttelettes selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le second transducteur (22) est connecté pour fonctionner en synchronisme avec le premier transducteur (20) pour bloquer l'orifice d'en- trée (24) pendant l'éjection du liquide du réservoir (26) et pour ouvrir ledit orifice à la suite de celle-ci pour remplir le réservoir de liquide. 7. Ejecteur de gouttelettes selon la revendica- tion 6, caractérisé en ce que les premier et second trans- ducteurs (20,22) sont constitués de cristaux piézoélec- triques. 8. Ejecteur de gouttelettes selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le second transducteur (22) est constitué par un transducteur piézoélectrique blo- quant l'orifice d'entrée quand il est à l'état de repos et qui peut être excité électriquement pour ouvrir l'ori- fice d'entrée (24) afin de mettre le liquide en communi- cation avec le réservoir (26). 9. Ejecteur de gouttelettes selon la revendica- tion 8, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen (32) pour exciter sélectivement le second transducteur (22) afin de bloquer l'orifice d'entrée (24) pendant l'éjec- tion du liquide du réservoir (26) et afin d'ouvrir l'ori- fice pour remplir le réservoir de liquide à la suite de l'éjection de liquide de celui-ci. 10. Dispositif pour éjecter d'une manière contrô- lable des gouttelettes de liquide à la demande, caracté- risé en ce qu'il comprend: A. un moyen (16) définissant un premier réservoir (26) comportant un orifice de sortie (18) pour éjecter des gouttelettes de celui-ci, B. un moyen (20) pouvant fonctionner pour éjecter une gouttelette du réservoir, C. un moyen (22) pour mettre sélectivement en com- munication le réservoir avec une autre source de liquide (30,13).