Brevet FR2678549A1 — publié le 19930108

PROCEDE ET DISPOSITIF D'IMPRESSION HAUTE-RESOLUTION DANS UNE IMPRIMANTE A JET D'ENCRE CONTINU. La présente invention concerne un procédé d'impression haute-résolution mis en oeuvre dans une imprimante à jet d'encre continu stimulé, ainsi qu'un dispositif mettant en oeuvre ce procédé. Un procédé connu, décrit dans le brevet US 4068 241 d'Hitachi, se fonde sur l'apparition de petites gouttes, dites satellites, issues d'un court filament d'encre apparaissant à l'extrémité amont ou aval d'une goutte principale en fonction de la valeur de l'amplitude de la stimulation conduisant à la brisure du jet d'encre. Avant déflexion, le jet d'encre est constitué alors d'une suite alternée de gouttes principales et de gouttes satellites, le rapport des diamètres valant approximativement trois Les gouttes satellites sont ensuite défléchies selon une technique de déflexion de type "binaire": à chaque buse du système ne correspond qu'un seul point du motif à imprimer En conséquence, de nombreux mouvements relatifs entre la tête d'impression et le support sont nécessaires pour recouvrir une surface donnée, ce qui constitue un inconvénient. Quant aux gouttes principales non ou faiblement chargées, elles sont récupérées et recyclées par une gouttière vers le circuit d'encre. De plus, ce procédé d'impression présente un autre inconvénient dû à sa forte sensibilité au processus de stimulation du jet d'encre Il est difficile de maîtriser la reproductibilité des caractéristiques du dispositif de stimulation sans ajuster individuellement la réponse mécanique de chaque dispositif. Dans la demande de brevet EP 0365454, déposée par la Demanderesse, est décrite une méthode d'impression haute-résolution mise en oeuvre dans une imprimante à jet d'encre continu stimulé, au moyen de gouttes satellites. Un jet d'encre continu est fractionné en gouttes GN sensiblement équidistantes et équidimentionnelles Lors du passage d'une goutte principale Gn dans des électrodes de charge, l'application d'une tension électrique Vn appropriée permet, sous certaines conditions précises d'exploitation du jet, de détacher le filament amont de cette goutte principale Gn et donc de créer une goutte satellite Sn On applique, pendant le temps de formation de la goutte principale suivante Gn+I, une tension Vn+l d'amplitude sensiblement égale à Vn de façon à ce que la goutte satellite Sn reste suffisamment longtemps dans le jet entre les gouttes Gn et Gn+l pour traverser le champ électrique de déflexion situé en aval et être ainsi déviée vers le support d'impression Les gouttes principales peu déviées sont recyclées dans le circuit d'encre. La mise en oeuvre de ce procédé présente plusieurs inconvénients Tout d'abord, la spécificité des conditions requises pour l'exploitation désirée du jet d'encre D'autre part, la fréquence d'utilisation des gouttes satellites ne vaut que le tiers de cette employée pour la stimulation du jet: en effet, la goutte Gn+l, dont la charge électrique est sensiblement égale à celle de la goutte Gn, génère elle aussi une goutte satellite non utilisée pour l'impression, puisque la valeur de sa charge ne correspond généralement pas à un point du motif à imprimer De plus, le confinement électrostatique proposé place la goutte satellite en situation d'équilibre instable, nuisant à la précision de la déflexion Ce problème se trouve d'ailleurs aggravé par la longueur du trajet effectué par ces gouttes satellites qui passent entre les électrodes de charge puis dans le champ électrique de déflexion. Le but de la présente invention est de pallier ces inconvénients en proposant un procédé d'impression par jet d'encre continu, générant des micro-gouttes autrement qu'en agissant sur l'amplitude ou la fréquence de l'excitation conduisant à la brisure du jet et n'utilisant pas de moyen de déflexion supplémentaire en dehors de celle créée par l'interaction entre les gouttes dans le jet. Pour cela, l'objet de l'invention est un procédé d'impression haute résolution comportant une première étape de fractionnement du jet d'encre en gouttes, au voisinage d'un dispositif de charge électrostatique des gouttes, créant un champ électrique asymétrique par rapport à l'axe du jet, une seconde étape de création d'une micro-goutte unique à l'extrémité amont d'une goutte principale par application d'une tension VM déterminée dans le dispositif de charge et enfin une étape de déflexion de la micro-goutte destinée à l'impression par application d'une autre tension de charge Vc, inférieure à la tension VM, sur la goutte principale suivant immédiatement la micro-goutte L'invention concerne également un dispositif d'impression haute résolution dans une imprimante à jet d'encre continu stimulé mettant en oeuvre le procédé décrit ci- dessus comprenant: un réservoir d'encre sous pression doté d'au moins une buse d'éjection du jet d'encre selon la direction, des moyens de stimulation du jet fixant son point de brisure en gouttes d'encre au voisinage d'un dispositif de charge électrostatique connecté à un circuit d'alimentation, un circuit de détection connecté à un circuit de traitement des informations captées, placé au voisinage des gouttes d'encre, après leur charge électrostatique par le dispositif, et une gouttière de récupération des gouttes non utilisées pour l'impression, aboutissant au circuit d'alimentation générale en encre, caractérisé en ce que le dispositif de charge comporte une électrode unique créant un champ électrique asymétrique par rapport à l'axe du jet d'encre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'exemples particuliers de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins ci-annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue schématique d'un exemple de réalisation d'un dispositif d'impression dans une imprimante à jet d'encre continu stimulé, dans lequel est mis en oeuvre le procédé selon l'invention; la figure 2 a est un schéma illustrant le processus de création des micro-gouttes selon l'invention; la figure 2 b est un diagramme illustrant la forme des tensions électriques de charge appliquées aux gouttes d'encre principales, en vue de la création des micro-gouttes d'impression; la figure 3 a est un schéma illustrant le processus de création et de déflexion des micro- gouttes selon l'invention; la figure 3 b est un diagramme illustrant la forme des tensions électriques de charge appliquées aux gouttes d'encre, selon le procédé de l'invention;- les figures 4 a à 4 c sont des schémas d'exemples de réalisation du dispositif de charge des gouttes d'encre, selon l'invention. Les éléments portant les mêmes références dans les différentes figures remplissent les mêmes fonctions en vue des mêmes résultats. La figure 1 est une vue schématique d'un exemple de réalisation d'un dispositif d'impression dans une imprimante haute résolution à jet d'encre continu, mettant en oeuvre le procédé selon l'invention. Il comporte un réservoir ( 3) d'encre sous pression doté d'une buse d'éjection ( 2) d'o s'échappe un jet d'encre ( 1) Un circuit résonateur ( 4), relié électriquement à un circuit de modulation ( 5) stimule le jet d'encre ( 1) et fixe son point de brisure ( 6) Au voisinage de ce point de brisure, on place un dispositif de charge électrique ( 7) connecté à son circuit d'alimentation ( 8), ce dispositif ayant la particularité d'induire un champ électrique asymétrique par rapport à l'axe (D) du jet Afin de réaliser de façon permanente la synchronisation entre la fragmentation du jet d'encre ( 1) en gouttes ( 11) et l'application des tensions de charge sur ces gouttes, un circuit de détection ( 9) est placé au voisinage du trajet des gouttes d'encre et est relié à un circuit ( 10) de traitement des informations captées. Les gouttes d'encre principales ( 11), non utilisées pour l'impression, sont récupérées dans une gouttière ( 12) et renvoyées par une canalisation vers le circuit ( 13) d'alimentation générale en encre. Quant aux micro-gouttes ( 14) dont on va voir le procédé de génération et de déflexion, elles poursuivent leur trajectoire jusqu'au support d'impression ( 15) Le procédé d'impression selon l'invention utilise une propriété que possède une goutte de liquide conducteur, démontrée par Lord Rayleigh en 1882 (voir Adrian G. Bailey dans Electrostatic Spraying of Liquids Research Studies Press Ltd 1988) il existe une limite supérieure à la quantité de charge que peut recevoir une goutte de liquide conducteur Cette limite est appelée limite de Rayleigh dans le cas o la goutte ne subit aucune influence extérieure Au-delà de cette valeur limite de charge, la goutte, appelée goutte-mère, devient instable et éjecte une ou plusieurs micro-gouttes fortement chargées, ce qui a pour effet de ramener sa charge sous la valeur critique de Rayleigh. Le procédé selon l'invention contrôle et utilise ce phénomène d'instabilité électrostatique d'une goutte de liquide conducteur dans le cas d'un jet d'encre continu et stimulé dans le but d'obtenir de façon parfaitement répétitive, l'éjection d'une micro-goutte unique à l'extrémité amont d'une goutte-mère. Le schéma illustrant ce processus de création des micro-gouttes selon l'invention est donné par la figure 2 a. Au voisinage du point de brisure ( 6) du jet d'encre ( 1), le dispositif d'électrodes de charge ( 7) produit un champ électrique non symétrique par rapport à l'axe (D) du jet et assigne aux gouttes- mères ( 20, 22 et 24) une charge électrique VM de valeur déterminée afin d'expulser chacune une micro-goutte, savoir les micro-gouttes ( 26 et 27) respectivement associées aux gouttes- mères ( 22 et 24), la micro-goutte issue de la goutte ( 20) n'étant plus visible Entre-temps, les gouttes principales ( 21, 23, et 25) ne reçoivent aucune charge électrique, de sorte que les forces de répulsion électrostatique existant entre les gouttes-mères ( 22 et 24) et les micro-gouttes associées ( 26 et 27) respectivement, conduisent celles-ci à être très rapidement captées par les gouttes principales non chargées ( 23 et 25) respectivement En raison de l'asymétrie induite par la géométrie du dispositif de charge ( 7), une simple électrode plane sur la figure 2 a -, le point de capture ( 28) d'une micro-goutte ( 26) par la goutte principale ( 23) immédiatement derrière se trouve légèrement dévié de l'axe (D) du jet d'encre. Les valeurs des tensions électriques, transmises au dispositif de charge ( 7) par son circuit d'alimentation ( 8), sont représentées sur la figure 2 b. En vis-à-vis de chaque goutte de la figure 2 a est portée la tension de charge qui lui est affectée: VM pour les gouttes-mères et zéro pour les gouttes principales. Suivant le procédé de l'invention, la déflexion des micro-gouttes servant à l'impression est obtenue en chargeant électriquement, de manière appropriée, la goutte principale qui suit immédiatement chaque goutte-mère ayant créé une micro-goutte: une telle goutte principale est appelée goutte de déflexion En effet, à partir d'une valeur minimum Vcmin de la tension électrique appliquée à la goutte de déflexion, la répulsion électrostatique créée entre cette goutte et la micro-goutte la précédant, dans le jet d'encre, est suffisante pour éjecter cette dernière de l'axe (D) du jet, dans le sens défini par l'asymétrie du champ électrique créé par l'électrode de charge ( 7) Une variation continue de l'angle de la déflexion ainsi obtenue peut être contrôlée par variation de la quantité de charge appliquée à la goutte de déflexion. S'il existe une tension minimum Vcmin de charge des gouttes de déflexion pour obtenir la déflexion des micro-gouttes d'impression, il existe également une tension maximum Vcmax au-delà de laquelle la forte interaction électrostatique entre les gouttes de déflexion et les gouttes-mères empêche alors l'expulsion des micro-gouttes par ces dernières, bien que la tension VM appliquée aux gouttes-mères soit supérieure à la tension de Rayleigh, strictement définie en l'absence de toute influence De plus, cette tension Vc, appliquée aux gouttes de déflexion est choisie inférieure à la tension de Rayleigh, de sorte qu'elles n'expulsent pas de micro-gouttes inutilisables, procurant une bonne vitesse d'impression au procédé selon l'invention. La figure 3 a est le schéma illustrant le processus de création et de déflexion des gouttes d'impression et la figure 3 b est le diagramme illustrant les valeurs des tensions de charge appliquées aux gouttes du jet d'encre, selon l'invention. Le jet d'encre ( 1) est brisé en gouttes principales ( 30 à 35) Les gouttes ( 30, 32 et 34) sont chargées électriquement par une tension VM supérieure à la tension de Rayleigh pour créer des micro- gouttes ( 36, 37 et 38) respectivement Deux de ces micro-gouttes ( 36 et 37) sont défléchies respectivement par les gouttes de déflexion ( 31 et 33) qui sont respectivement chargées par les tensions (Vc 3 l et Vc 33) La goutte principale ( 35) n'étant pas chargée électriquement, elle absorbera la micro-goutte ( 38) issue de la goutte ( 34). On remarquera que l'angle de déflexion des micro-gouttes dépend de la tension Vc qui est appliquée aux gouttes de déflexion Ainsi la tension de charge (Vc 33)de la goutte ( 33), plus élevée que celle (Vc 31) de la goutte ( 31), explique la forte déflexion de la micro-goutte ( 37) par rapport à celle de la micro-goutte ( 36). Quant aux gouttes-mères ( 30, 32 et 34), aux gouttes de déflexion ( 31 et 33) et à la goutte ( 35) non chargée, étant non déviées vers le support, elles seront récupérées par la gouttière et recyclées dans le circuit d'encre. On constate donc que l'impression d'un point déterminé du support ( 15) nécessite la participation de deux gouttes du jet d'encre associées à la séquence suivante: tension de charge de valeur sur-critique VM, supérieure à la tension de Rayleigh, pour créer la micro-goutte d'impression, puis tension de charge de valeur sous-critique Vc comprise entre Vcmin et Vcmax, pour défléchir cette micro-goutte. Sur les figures 4 a à 4 c sont représentés schématiquement des exemples de réalisation du dispositif de charge des gouttes d'encre, selon trois géométries différentes mais induisant toutes un champ électrique non symétrique par rapport à l'axe (D) du jet d'encre ( 1). Selon le premier exemple de la figure 4 a, l'électrode ( 70) a la forme d'un demi-cylindre d'axe confondu avec l'axe (D) du jet d'encre ( 1) i l'influence électrostatique est forte entre cette électrode ( 70) et le jet ( 1), permettant le fonctionnement de l'imprimante avec de faibles tensions de charge des gouttes d'encre. Selon le second exemple de la figure 4 b, l'électrode ( 71) a la forme d'une plaque unique rectangulaire, d'axe longitudinal parallèle à l'axe (D) du jet ( 1). L'influence électrostatique entre l'électrode ( 71) et le jet ( 1) est moins élevée que dans le cas précédent mais la forme simple et le faible encombrement de l'électrode en facilite la réalisation et l'intégration à haute densité. Le troisième exemple, selon la figure 4 c, représente une solution de compromis entre l'efficacité de la première géométrie et la simplicité de la seconde L'électrode de charge ( 72) est constituée de deux demi-plans se coupant suivant une direction parallèle à l'axe (D) du jet d'encre. Le procédé d'impression selon l'invention présente l'avantage de permettre un impact des gouttes d'encre sur le support à imprimer beaucoup plus petit que le diamètre de la buse d'éjection, accroissant par conséquent la résolution de l'imprimante. Il permet également une haute intégration du système de projection de liquide avec de moindres tolérances en comparaison de ses performances. De plus, n'utilisant pas de moyen de déflexion supplémentaire, en dehors de celle créée par l'interaction électrostatique entre les gouttes du jet, le procédé permet de réduire le nombre d'éléments de la tête de projection de liquide et de simplifier chacun de ces éléments une seule électrode de charge suffit -. Un autre avantage réside dans l'impression des seules micro-gouttes avec une faible sensibilité aux variations de l'amplitude de stimulation du jet d'encre, puisque ces micro-gouttes ne sont pas générées par action sur l'amplitude ou la fréquence de l'excitation conduisant à la brisure du jet d'encre. Un autre avantage important du procédé selon l'invention est de permettre l'impression des gouttes d'encre en mode trame, contrairement aux procédés décrits dans l'art antérieur, c'est-à-dire qu'un seul jet d'encre permet l'impression de plusieurs lignes de points correspondant à la modulation de la déflexion desdites gouttes. Grâce à l'invention, il est possible d'envisager des applications industrielles intéressantes Tout d'abord le diamètre extrêmement petit des micro-gouttes d'impression autorise la conception d'une imprimante utilisable dans tous les domaines requérant une qualité d'impression quasi-photographique Un prototype d'imprimante réalisé par la Demanderesse a permis d'obtenir des micro-gouttes d'impression de diamètre il inférieur à 10 microns pour un diamètre de buse d'éjection valant 35 microns. De plus, la possibilité de moduler sélectivement l'angle de déflexion de chaque micro-goutte d'impression permettra, grâce à un algorithme de commande approprié, une impression de très grande qualité sur des supports de forme complexe. Le marché de la décoration industrielle, nécessitant à la fois une haute résolution et une grande vitesse d'impression, peut également être abordé puisque le faible nombre et la simplicité des éléments requis pour le procédé d'impression selon l'invention autorisent leur intégration à haute densité au sein de modules multijet. L'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit, comprenant bien évidemment les équivalents techniques des moyens et de leurs combinaisons si elles sont effectuées dans l'esprit de l'invention et mises en oeuvre dans le cadre des revendications suivantes C'est ainsi que l'invention peut être mise en oeuvre dans un dispositif d'impression à plusieurs jets d'encre continu simultanés qui seraient éjectés par un même nombre de buses associées à un même réservoir. REVENDICATIONS 1 Procédé d'impression haute résolution mis en oeuvre dans une imprimante à jet d'encre continu stimulé, comportant une première étape de fractionnement du jet ( 1) sortant d'une buse ( 2) en gouttes ( 11) au voisinage d'un dispositif de charge électrostatique ( 7) des gouttes ( 11), caractérisé en ce qu'il comprend les autres étapes successives suivantes: création dans ledit dispositif de charge électrostatique ( 7) d'un champ électrique asymétrique par rapport à un axe de propagation (D) du jet ( 1) de la buse ( 2), création d'une micro-goutte ( 14) unique à l'extrémité amont d'une goutte principale ( 11) par application audit dispositif de charge électrostatique ( 7) d'une tension de charge (VM) déterminée, supérieure à la tension de Rayleigh lors de l'apparition de cette goutte principale ( 11), et déflexion de la micro-goutte ( 14) destinée à l'impression par application d'une tension de charge (Vc), inférieure à la tension de charge (VM) et à la tension de Rayleigh, sur la goutte principale qui suit immédiatement la micro-goutte créée. 2 Procédé d'impression selon la revendication 1 caractérisé en ce que la tension de charge (Vc), servant à la déflexion de ladite micro-goutte ( 14) est modulable en amplitude en fonction de la trajectoire choisie pour ladite micro-goutte vers un support d'impression. 3 Dispositif d'impression haute résolution dans une imprimante à jet d'encre continu stimulé mettant en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 2, comprenant un réservoir ( 3) d'encre sous pression doté d'au moins une buse ( 2) d'éjection du jet d'encre ( 1) selon la direction (D), des moyens ( 4, 5) de stimulation du jet ( 1) fixant son point de brisure ( 6) en gouttes d'encre ( 11) au voisinage d'un dispositif de charge électrostatique ( 7) connecté à un circuit d'alimentation ( 8), un circuit de détection ( 9) connecté à un circuit ( 10) de traitement des informations captées, placé au voisinage des gouttes d'encre, après leur charge électrostatique par le dispositif ( 7), et une gouttière ( 12) de récupération des gouttes non utilisées pour l'impression, aboutissant au circuit ( 13) d'alimentation générale en encre, caractérisé en ce que le dispositif de charge ( 7) comporte une électrode unique créant un champ électrique asymétrique par rapport à l'axe (D) du jet d'encre ( 1). 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'électrode de charge ( 70) a la forme d'un demi-cylindre d'axe parallèle à l'axe (D) du jet d'encre ( 1). Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'électrode de charge ( 71) a la forme d'une plaque parallèle à l'axe (D) du jet d'encre ( 1). 6 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'électrode de charge ( 71) a la forme de deux demi-plans se coupant selon une direction parallèle à l'axe (D) du jet d'encre ( 1).