Brevet FR2698584A1 — publié le 19940603

DISPOSITIF DE RECUPERATION D'ENCRE, SON PROCEDE DE FABRICATION, ET TETE D'IMPRESSION QUI EN EST EQUIPEE. L'invention concerne un dispositif de récupération d'encre mis en oeuvre dans une tête d'impression comportant une ou plusieurs buses. Elle s'applique plus particulièrement aux imprimantes à jet d'encre continu brisé, notamment de type binaire. L'avantage de telles imprimantes par rapport à celles à jet d'encre dites de type "goutte à la demande" réside dans leur plus grande rapidité d'impression, le jet de liquide n'étant pas à proprement parlé interrompu mais simplement brisé. Une certaine proportion du jet est dirigée vers le support à imprimer, le reste est récupéré puis recyclé dans le circuit d'alimentation de la tête de projection de liquide. Ces imprimantes sont particulièrement adaptées à la décoration d'objets.Pour obtenir une largeur d'impression appréciable et compatible avec une résolution élevée et une grande vitesse d'impression, les têtes d'écriture de ces imprimantes génèrent plusieurs jets de liquide voisins, chaque jet contribuant à la formation de un ou plusieurs points, éventuellement de taille variable sur le support. Un exemple de réalisation d'une imprimante de ce type est décrit dans le brevet FR 1 434 480 de R.G. SWEET et R.C. CUMMING. Dans ce cas, le dispositif d'interception du liquide non imprimé dévie certaines gouttelettes issues du jet et non destinées à l'impression en fonction de leur charge électrique et récupère ces gouttelettes à travers un élément poreux à l'arrière duquel est maintenue une dépression. Un tel système n'est pas adapté aux encres à séchage rapide utilisées sur d'autres matériaux que le papier. En effet, l'encre sèche risque de colmater la paroi poreuse du système d'interception. On peut remplacer cet élément poreux entre chaque utilisation de l'imprimante mais le problème se pose alors en termes de moyens de démontage pratiques et peu onéreux. Dans son brevet US 3 777 307, DUFFIELD décrit un moyen d'interception à surface suffisamment lisse pour éviter les éclaboussures tout en permettant au fluide intercepté de perler en petits ruisseaux acheminés par l'énergie cinétique initiale des gouttes puis par aspiration jusqu'à une cavité de récupération. La déflexion des gouttes se fait comme chez R.G. SWEET par attraction électrostatique à laquelle s'ajoute un effet Coanda. Pour favoriser cet effet, le collecteur est doté d'une forme particulière, avec un angle déterminé. Le respect de cette forme peut causer quelques soucis dans la miniaturisation de telles pièces. De plus, l'efficacité de la récupération des gouttes dépend de leur angle d'incidence par rapport à la surface de récupération, et de leur vitesse d'impact.D'autre part, l'impact des gouttes sur les filets fluides peut provoquer des éclaboussures à la manière de celles observées par des gouttes de pluie percutant la surface d'un étang. Le problème posé est de ne laisser échapper aucune particule fluide destinée à être récupérée. En effet, ces particules risquent de perturber le comportement des gouttes imprimées, voire de polluer le support d'écriture ou l'environnement. Pour favoriser l'écoulement du fluide intercepté, le brevet US 3 813 675 décrit un dispositif de récupération constitué de canaux capillaires réalisés à la surface de l'élément d'interception avec une ouverture béante face à chaque jet pour favoriser la capture des gouttes à récupérer. Pour cela, on enroule du fil autour de l'élément d'interception pour réaliser ces canaux capillaires qui, ainsi, se prolongent jusque dans la cavité d'aspiration. La tension superficielle du liquide permet un mouillage permanent de la surface du bloc d'interception en regard des jets, ce qui favorise la capture des gouttes à récupérer. Cependant, cette forme de capillaires devient inefficace lorsque la vitesse des gouttes est élevée (de l'ordre de 20 m/s). Un autre inconvénient est qu'à l'arrêt de la machine, à cause de sa tension superficielle, des petites quantités d'encre subsistent dans ces canaux. Après séchage, cette encre durcie annule l'effet bénéfique des canaux capillaires. La présente invention a pour objet de pallier ces inconvénients et concerne un dispositif de récupération des gouttelettes d'encre inutilisées, dont les hautes performances sont liées à la géométrie de la gouttière qui fait que chaque goutte récupérée est prise au piège et ne peut en aucun cas rebondir. Elle concerne plus particulièrement un dispositif de récupération d'encre issue d'au moins un jet brisé, se présentant sous la forme d'au moins une gouttière disposée parallèlement à l'axe du jet et destiné à recevoir au moins un jet dévié en vue de sa récupération, caractérisé en ce qu'il comporte une fente dont l'entrée affleure à la surface du dispositif dans laquelle tombe le jet dévié qui lui correspond, cette fente ayant une section transversale de largeur (1) au moins égale au diamètre du jet à récupérer et s'épanouissant en un canal s'étendant sur toute la longueur de la fente, ce canal présentant d'une part une section transversale d'une dimension croissante de la valeur (1) à une valeur maximale (L) nettement supérieure à (1), constituant ainsi un piège pour le jet capturé par la fente, tout en restant un conduit soumis aux lois de la capillarité; d'autre part, un état de surface facilitant l'écoulement de l'encre piégée vers une cavité reliée via un conduit d'évacuation à une source de mise en dépression. L'invention sera mieux comprise à l'aide des explications qui vont suivre et des figures jointes parmi lesquelles - la figure 1 est un exemple de tête d'impression comportant un dispositif de récupération ou gouttière conforme à l'invention, vue en perspective ; - la figure 2 est un dispositif selon l'invention, vu en coupe suivant la ligne 2-2 de la figure 1 - les figures 3 et 4 sont des exemples de profils simplifiés d'un dispositif selon l'invention ; - les figures 5, 6 et 7 illustrent chacune des trois étapes essentielles d'un procédé de réalisation par gravure anisotrope de silicium du dispositif vu selon la ligne 5-5 de la figure 1 - la figure 8 est une variante d'un procédé selon l'invention avec l'évacuation de l'encre récupérée par la face arrière - la figure 9 est une section des capillaires suivant la ligne 7-7 de la figure 8 ;; - la figure 10 est un autre exemple de tête d'impression mettant en oeuvre un dispositif selon l'invention obtenu par électrodéposition ; - la figure 11 est un dispositif selon l'invention, vu en coupe suivant la ligne 9-9 de la figure 10 - les figures 12 et 13 illustrent les deux étapes essentielles du procédé de réalisation par électrodéposition. Comme le montrent la figure 1 et la figure 2 qui est une vue en coupe suivant la ligne 2-2 de la figure 1, une tête d'impression 100 à jet d'encre comprend un module 2 de projection de liquide qui émet une pluralité de jets 8a, 8b...8n à travers des orifices ou buses 6a, 6b...6n. Ces jets se fragmentent en gouttelettes ou en tronçons de liquide qui, soit servent à l'impression sur un support 9, soit sont défléchies par l'intermédiaire d'une électrode 12a, 12b...12n puis interceptées au moyen d'un dispositif 1 destiné à capter puis à acheminer le jet dévié 88a, 88b...88n d'encre non utilisée via un orifice 10 vers une cavité de récupération 3 relié à l'extérieur par un conduit d'évacuation 101. Le dispositif de récupération 1 est muni, conformément à l'invention, sur sa face avant 7 de fentes 5a, 5b...5n parallèles à la trajectoire de chaque jet 8a, 8b...8n non dévié.Ces fentes d'interception assimilées à des fentes capillaires 5a, 5b...5n ont une largeur sensiblement égale ou de préférence légèrement supérieure à un diamètre de jet ou de goutte. En effet, après brisure suivant le principe de RAYLEIGH, le diamètre des gouttes est de l'ordre de deux diamètres de jet. La largeur des fentes 5a, 5b...5n est donc déterminée suivant que le dispositif de récupération 1 est destiné à absorber des gouttes ou des tronçons entiers de jet. Ces fentes délimitent une frontière ouverte entre l'espace extérieur au dispositif de récupération 1 et des canaux longitudinaux 4a, .... . 4n réalisés dans le dispositif 1 qui lui est associé sur toute sa longueur de façon à réaliser une gouttière capillaire. Dans la face avant 7 du dispositif de récupération 1, chaque canal s'épanouit donc à partir d'une fente d'entrée dont les dimensions sont imposées par celles des gouttes mais reste aussi étroite que possible pour prendre la forme d'une enceinte dont la géométrie et les dimensions par rapport à la fente sont telles que toutes les gouttes tombant dans celle-ci se trouvent immédiatement piégées dans le canal capillaire sans pouvoir rebondir vers l'extérieur. D'autre part, la géométrie et la nature, notamment l'état de surface de l'intérieur du canal, sont étudiées pour faciliter ensuite l'écoulement de toutes les gouttes piégées vers la cavité de récupération 3 décrites précédemment. Cette caractéristique essentielle étant respectée, la section de chaque fente et de son canal associé peut être très variée. Deux exemples de réalisation sont illustrés au moyen des figures 3 et 4. La figure 3 qui se rapporte plus spécialement à la tête d'impression illustrée sur les figures 1 et 2, et la figure 4 à la tête d'impression illustrée sur les figures 10 et 11, présentent les mêmes caractéristiques, mais une géométrie différente liée plus particulièrement aux procédés de fabrication des gouttières (fente + canal). Dans les deux cas, la largeur (1) de l'entrée de la fente référencée 5 et 5' (sans indice de manière à simplifier la lecture des dessins), et pour montrer que l'invention peut également s'appliquer à une tête d'impression à un seul jet comme à une pluralité de jets, est comme cela a été dit précédemment, très légèrement supérieure aux diamètres des jets ou des gouttes. Conformément à l'invention, cette fente, dans les deux cas, débouche dans le canal 4 et 4' (également référencée sans indice) qui lui est associé et qui présente une largeur croissante de la valeur (1) à la valeur (L) très nettement supérieure à (1) : le rapport (Lil) étant supérieur à 1 et inférieur à 3.Dans le cas de la figure 3, ce canal 4 présente une section polygonale tandis que dans la figure 4 cette section du canal 4' est circulaire ou plus généralement elliptique, et plus particulièrement se présente sous la forme d'un oméga majuscule, ce qui montre l'étendue des possibilités de réalisation de gouttières selon l'invention ; l'essentiel étant que les gouttes tombant dans la fente se trouvent piégées par les forces de tension superficielles sur les parois intérieures du canal associé, la forme dudit canal étant propre à éviter tout rebondissement du liquide capté à travers la fente. Cette étendue de choix dans la forme des canaux a pour corollaire un éventail très large des procédés de fabrication pouvant être mis en oeuvre pour la fabrication des gouttières dont deux exemples seront décrits ci-dessous. A la base du dispositif de récupération 1, les canaux 4a à 4n sont en communication avec une cavité 3 où est maintenue une légère dépression propre à aspirer le liquide capté par les gouttières et à véhiculer ce liquide vers les organes de récupération de la machine, non représentés sur les figures. L'ouverture juste suffisante des fentes 5a à 5n minimise le contact du liquide capté avec l'atmosphère ambiante et évite ainsi son séchage. Les facteurs qui contribuent à l'acheminement du liquide capté vers la cavité 3 à destination des organes de récupération sont notamment - la vitesse initiale du liquide communiquée par le jet - la vitesse d'aspiration de l'encre à la base du capteur i - la tension superficielle r du liquide qui contraint celui-ci à remplir au maximum les canaux capillaires 4a à 4n. Les gouttes ou les tronçons de liquide non destinés à l'impression sont déviés vers la face avant 7 du dispositif 1, par exemple au moyen d'un champ électrique généré par le dispositif 1 lui-même, ou par les électrodes 12a à 12n situées entre le module de projection 2 et le dispositif 1. Pour chaque jet 8a à 8n, les parties de liquide non destinées à l'impression entrent en contact avec la face avant 7 du dispositif 1 à l'endroit où se trouvent les fentes 5a à 5n. Immédiatement après son interception par la fente concernée, le liquide descend dans le canal correspondant. En fin d'impression, on arrête la projection de liquide du module 2 et on augmente considérablement la dépression SP dans la cavité de récupération 3 de façon à vider le liquide intercepté dans les gouttières qui sont, il faut le rappeler, des conduits capillaires. Un premier procédé de réalisation d'un exemple de géométrie d'une gouttière selon l'invention se rapportant plus précisément à l'exemple de tête d'impression illustrée sur la figure 1, consiste à tailler le dispositif 1 dans une tranche de silicium suivant un procédé de gravure anisotrope expliqué dans l'article de M. ALAVI, S. BUTTGENBACH, A. SCHUMACHER et H.J. WAGNER "Laser Machining of Silicon for fabrication of new microstructures", pages 512 à 515 de IEEE, 1991. Ce procédé consiste dans une première étape, décrite figure 5, à recouvrir la tranche de silicium 20 orienté suivant les axes cristallins ou d'une couche de passivation 21, composée par exemple de SiO2 ou de SI3N4, dans laquelle sont laissées des bandes 22 non recouvertes à l'aide d'un procédé photolithographique. La largeur de ces bandes est la largeur (1) des fentes 5 décrites plus haut. Dans une seconde étape, décrite figure 6, on focalise un rayon laser haute énergie de type Nd : YAG dans chacune des bandes non recouvertes de Si02. On détruit ainsi la structure cristalline du silicium par une fusion locale jusqu'à une profondeur déterminée 23. On plonge ensuite la tranche dans une solution d'attaque (par exemple de potasse) pour effectuer une gravure anisotrope. L'amorphisation préalable par le faisceau laser favorise une gravure isotrope rapide de la zone détruite 23 par la solution d'attaque (KOH). Ceci permet alors une gravure anisotrope suivant la géométrie de la figure 7. On obtient ainsi des microcanaux parallèles dont les parois 24 sont des plans cristallins du cristal de silicium. En utilisant différentes solutions d'attaque, par exemple une solution d'Ethylène Dyamine Pyrocathécol, il est possible de modifier l'énergie de surface du silicium. Il en est de même suivant que l'on passive le silicium avec du SiO2 ou du Si3N4. Ceci permet de contrôler la mouillabilité de la surface des canaux par le liquide intercepté, cette mouillabilité étant déterminée par le choix de la solution d'attaque. Les études les plus récentes sur la mouillabilité du silicium se retrouvent dans les articles K. HERMANSSON et Al. "Wetting properties of silicon surfaces", pages 193-196 de IEE, 1991 et de A. SAYKO et Al. "The effect of Plasma Treatment on the wettability of substrate materials" pages 69-70, de Solid State Technology, May 1989. On termine la réalisation du dispositif 1 en ouvrant l'extrémité inférieure des microcanaux 4a à 4n par un sciage de l'élément dans un plan perpendiculaire à l'axe des capillaires. Ceci permet l'écoulement du liquide par un orifice 10 débouchant dans la cavité de récupération 3, parallèlement à l'axe des canaux. Une solution alternative est décrite en figures 8 et 9. On réalise simultanément une gravure anisotrope des deux faces de la tranche de silicium. La gravure de la face supérieure est identique à celle décrite précédemment. Sur la face inférieure, on réalise par gravure anisotrope la cavité de récupération 3, à l'extrémité des canaux, opposée à la génération de jet de la tête, de façon à réaliser l'orifice 10 débouchant à la base de chaque canal capillaire. En faisant communiquer ces orifices avec une chambre en dépression située à l'arrière du capteur, il est alors possible d'aspirer le liquide contenu dans les canaux capillaires 4a à 4n puis de l'évacuer en vue de sa récupération. La suppression de l'ouverture béante, à l'entrée de la cavité 3, améliore ainsi la récupération du liquide en évitant une absorption simultanée d'air trop importante. La figure 10 et la figure 11 qui est une vue en coupe suivant la ligne 9-9, sont un second exemple de réalisation d'une tête d'impression similaire à la tête illustrée sur la figure 1, avec cependant un réseau de gouttières qui, bien que conformes à l'invention, présentent un profil différent, à savoir une fente de largeur (1) associée à un canal de profil cylindrique dont le diamètre maximal est égal à (L) supérieur à (1), le tout se présentant sous la forme d'un oméga majuscule. On retrouve sur ces figures les mêmes éléments affectés des mêmes indices mais dotés d'un "prime" lorsqu'il s'agit des composants de la gouttière elle-même. Cette tête d'impression 100 comprend donc le module de projection 2 qui émet une pluralité de jets 8a, 8b...8n à travers des orifices ou buses 6a, 6b...6n. Un support 111 porte les électrodes 12a, 12b...12n chargées de dévier les jets. Le dispositif 1' de récupération comporte des gouttières formées d'une fente 5'a, 5'b. . .5'n de largeur (1) débouchant chacune sur un canal de récupération 3'a, 3'b. . .3'n de section circulaire comme cela a déjà été évoqué à la figure 4, et dont la largeur maximale, c'est-à-dire le diamètre (L), est très supérieure à la largeur (1) de la fente à laquelle elle est associée. Les figures 12 et 13 présentent un procédé de réalisation d'un dispositif selon l'invention s'appliquant plus particulièrement à l'exemple de tête d'impression illustrée sur les figures 10 et 11. Celui-ci consiste à bâtir le dispositif par électrodéposition en couche épaisse d'un métal tel que par exemple du nickel. Dans une première étape (figure 12), on dépose une résine photosensible négative 31 sur un substrat métallique, par exemple de l'acier, poli miroir 30. L'épaisseur de cette résine, de quelques centaines de microns, est au moins égale à la longueur des canaux capillaires à réaliser. Dans une seconde étape, la résine est irradiée par un faisceau ultraviolet ou de rayons X à travers un masque représentant la section du dispositif 1' à réaliser suivant la figure 13. Le faisceau doit être parfaitement collimaté, perpendiculairement à la surface qui sépare le masque de la résine. Ceci est nécessaire pour que les génératrices des canaux capillaires soient parfaitement parallèles, que la section de ces canaux soit définie et que leurs axes soient parallèles entre eux. La faible longueur d'onde du rayonnement utilisé permet de limiter les inconvénients des phénomènes de diffraction dans la résine. Dans une troisième étape, dite de développement, la partie non insolée de la résine est éliminée par désagrégation dans un solvant. On obtient ainsi une structure en relief représentant la forme complémentaire 32 du dispositif 1' à réaliser. Dans une quatrième étape, ce moule est rempli de métal, tel que du nickel, par électrodéposition. On élimine ensuite la résine restante pour ne conserver que le dispositif 1' avec ses microcanaux 4'a à 4'n. Il est possible ainsi d'obtenir des canaux cylindriques à section circulaire tels que décrits et représentés. Avec un tel procédé la section peut être quelconque, pourvu que la condition d'équilibre entre les dimensions de la fente et du canal associé soit respectée, conformément à l'invention. D'autres procédés, de type usinage de précision tel que le microperçage ou l'électroérosion, peuvent également être mis en oeuvre mais ils ne permettent pas facilement, comme dans les deux procédés précédents, la réalisation simultanée de plusieurs canaux dont l'une des qualités essentielles est d'éviter les risques d'éclaboussures et d'assurer un écoulement optimal de l'encre interceptée et sa récupération. REVENDICATIONS 1. Dispositif (1, 1') de récupération d'encre issue d'au moins un jet brisé, se présentant sous la forme d'au moins une gouttière disposée parallèlement à l'axe du jet et destiné à recevoir au moins un jet dévié en vue de sa récupération, caractérisé en ce qu'il comporte une fente (5, 5') dont l'entrée affleure à la surface du dispositif (1, 1') dans laquelle tombe le jet dévié qui lui correspond, cette fente (5, 5') ayant une section transversale de largeur (1) au moins égale au diamètre du jet à récupérer et s'épanouissant en un canal (4, 4') s'étendant sur toute la longueur de la fente (5, 5'), ce canal présentant d'une part une section transversale d'une dimension croissante de la valeur (1) à une valeur maximale (L) supérieure à (l), constituant ainsi un piège pour le jet capturé par la fente, tout en restant un conduit soumis aux lois de la capillarité; d'autre part, un état de surface facilitant l'écoulement de l'encre piégée vers une cavité (3, 3') reliée via un conduit d'évacuation (101) à une source de mise en dépression. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la largeur (1) de la section transversale de la fente (5, 5') est comprise entre 1 à 2,5 fois le diamètre du jet à intercepter. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le rapport entre les deux dimensions (L/l) est supérieur à 1 et inférieur à 3. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes ; caractérisé en ce que la section transversale de chaque canal (4) est polygonale. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la section polygonale se présente sous la forme d'un losange dont une des pointes tronquées constitue la fente (5). 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la section de chaque canal (5') est elliptique. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la section de chaque canal (5') se présente sous la forme d'un oméga majuscule. 8. Procédé de fabrication d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est réalisé à partir d'une tranche de silicium (20) et comporte les étapes suivantes - 1 : recouvrement de la tranche (20) orientée selon les axes ou au moyen d'une couche de passivation (21) à l'exception de bandes (22) de largeur (1) correspondant à la largeur des fentes (5) - 2 : focalisation d'un rayon laser haute énergie dans chacune desdites bandes (22) et fusion locale du silicium (20) jusqu'à une profondeur (23) ; - 3 : gravure de la zone détruite (23) au moyen d'une solution d'attaque pour obtenir autant de canaux (4) que de bandes (22) non passivées, les parois de ces dernières se présentant selon les plans cristallins du cristal de silicium. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la mouillabilité de la surface des canaux par le liquide intercepté est déterminée par le choix de la solution d'attaque. 10. Procédé selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce qu'il comprend en étape supplémentaire un sciage dans un plan perpendiculaire à l'axe des canaux (4) pour créer un orifice (10) débouchant dans la cavité de récupération (3). 11. Procédé selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce qu'il comporte une série d'étapes supplémentaires concommitantes avec les trois premières étapes et qui consiste à réaliser sur la face inférieure de la tranche de silicium une gravure anisotrope conduisant à l'obtention des orifices (10) et de la cavité de récupération (3). 12. Procédé de fabrication d'un dispositif (1) selon l'une des revendications 1, 2, 3, 6, 7 caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - dépôt d'une résine photosensible négative (31) sur un substrat métallique sur une épaisseur au moins égale à la longueur des canaux (4') à obtenir - irradiation à travers un masque représentant la section du dispositif (1') ; - élimination de la résine non irradiée au moyen d'un solvant ; - remplissage du moule ainsi obtenu par électrodéposition d'un métal - élimination de la résine restante. 13. Tête d'impression (100) de jets (8a, 8b...8n) d'encre comprenant un module (2) portant les buses d'éjection (6a, 6b...6n), des électrodes de déflexion (12a, 12b...12n), un dispositif de récupération (1) selon l'une des revendications 1 à 7 ; caractérisée en ce que ce dispositif (1) est rendu solidaire du module (2) de telle manière qu'à chaque jet dévié correspond une fente (5a, 5b...5n) destinée à recevoir les jets déviés (88a, 88b...88n), fente associée à un canal (4a, 4b...4n) débouchant via un orifice (10) vers une cavité de récupération (3) reliée par un conduit de récupération (101) à un circuit de remise en dépression de la cavité (3) et de récupération d'encre.