Brevet FR2697889A1 — publié le 19940513

PROCEDE D'OBTURATION DE BUSE D'EJECTION ET DISPOSITIF METTAIT EN OEUVRE UN TEL PROCEDE L'invention concerne un procédé d'obturation d'une buse d'éjection d'un jet de fluide afin d'isoler du milieu ambiant, le fluide restant dans la buse lorsque le jet est arrêté sans pour cela gêner son redémarrage. Elle concerne également tout dispositif de mise en oeuvre d'un tel procédé et son application notamment aux buses utilisées dans les imprimantes à jet d'encre. En effet, le passage du mode arrêt au mode impression pose le problème du colmatage de la buse lorsque l'encre a eu le temps de sécher dans celle-ci à la suite d'arrêts prolongés. Pour permettre l'impression à grande vitesse sur des supports présentant des difficultés d'adhérence, il est nécessaire que l'encre sèche rapidement après sa projection sur ces supports; en revanche, son séchage doit être évité au maximum au niveau de la buse, d'où la nécessité d'obturer celle-ci entre deux phases de fonctionnement. Pour pallier les risques de colmatage de buses, plusieurs solutions ont été proposées dont les principales sont exposées ci-après. Les brevets US 4228442 de NCR Co et US 4223324 de Matsushita Electric Industrial Co décrivent des dispositifs dont le principe est d'humidifier l'environnement de la buse au moyen de mèches ou par de l'air saturé en vapeur. Cependant, la technique du jet continu dévié nécessite des tensions de déflexion élevées. Pour éviter que l'ambiance humide, ainsi créée, ne provoque des arcs électriques, il est nécessaire d'assécher la tête durant le mode d'impression. Par exemple, des moyens de chauffage par courant électrique sont prévus chez Matsushita lorsque la température ambiante tombe en dessous de 150C. Cela entraine la conception de dispositifs élaborés, les complications qu'ils impliquent augmentent les coûts de fabrication et les risques de pannes. Dans son brevet US 4283730, Ronald E. Graf analyse la mouillabilité des surfaces par des liquides métalliques en fonction de champs électriques appliqués sur des électrodes. Pour éviter le séchage de telles encres, il propose d'enfermer son dispositif dans une enceinte surchargée en vapeurs de solvant, des moyens de chauffage évitant leur condensation. Le brevet EP 0054905 de Matsushita propose un moyen de fermeture électromagnétique de la buse d'éjection pour éviter que l'air ambiant n'y pénètre, ceci dans le cas où l'encre d'impression est un fluide magnétique. L'auteur y explique comment il résout les problèmes du circuit d'alimentation pour un fluide magnétique. Le brevet US 4199767 d'IBM décrit un moyen d'obturation de buse. Celui-ci comprend une plaque pouvant se déplacer devant la buse grâce à un champ magnétique. Une idée similaire est présentée dans l'IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol 18, N012, May 1976. Cependant, dans les systèmes mettant en contact deux parties solides pour obturer un orifice, il est nécessaire de prévoir des forces électromagnétiques suffisantes pour décoller les contacts à la suite d'un arrêt prolongé, un résidu d'encre aux alentours de ces contacts ayant pu sécher. Le surdimensionnement résultant peut être contraignant pour réduire les dimensions de telles têtes d'écriture. D'autre part, les particules magnétiques contenues dans un tel fluide sont susceptibles d'éroder et d'obstruer les buses tel que cela est expliqué dans le brevet FR 2212782 d'IBM.La solution proposée dans ce brevet, si elle est adaptée dans les applications nécessitant des fluides à particules ferromagnétiques, est inadaptée dans les applications nécessitant des fluides diamagnétiques, c'est-à-dire où il n'existe aucun champ rémanent en l'absence d'induction, tel que par exemple pour les ferrofluides. La présente invention a pour objet de pallier ces inconvénients et concerne un procédé d'obturation de l'ajutage d'une buse de projection d'encre à l'aide d'un autre liquide non miscible ou peu miscible avec l'encre. En phase d'arrêt de la machine équipée d'un tel dispositif, on réalise ainsi un joint étanche qui isole l'encre de l'atmosphère, ce qui évite le séchage de l'encre. Le liquide d'obturation est choisi pour que son taux d'évaporation soit faible et qu'après évaporation, ce liquide ne laisse aucun dépôt solide. Au redémarrage de la machine, on retire le film fluide de devant l'ajutage pour permettre une projection propre de l'encre. Elle concerne plus précisément un procédé d'obturation d'au moins une buse d'éjection d'un jet d'un fluide; caractérisé en ce qu'il consiste à former, contre l'ajutage de la buse, un film d'un fluide d'obturation dès que le jet est arrêté et à éliminer ce film dès que l'émission du jet reprend. Elle concerne également un dispositif d'obturation mettant en oeuvre le procédé adapté à une tête d'éjection d'un premier fluide contenu dans un réservoir soumis à une pression variable, l'éjection du jet se faisant à travers l'ajutage d'au moins une buse d'axe (xy); caractérisé en ce qu'il est constitué d'un réseau capillaire solidaire de la plaque porte-buse de la tête, ledit réseau comprenant au moins une cavité-capillaire percée d'au moins un orifice centré par rapport à l'axe (xy) de la buse qui lui fait face et relié à un tube d'alimentation par où transite le fluide d'obturation, ce dernier étant soumis à une pression créant une différence de pression égale à plus ou moins (SP) par rapport à la pression régnant en amont de la buse, différence de pression telle, que sous l'effet d'un (EP) positif, le fluide d'obturation remplisse la cavité et forme un film d'obturation en équilibre avec le milieu ambiant à travers l'orifice, et en équilibre avec le premier fluide remplissant la buse lorsque le jet est arrêté; et telle que sous l'effet d'un (SP) négatif, le fluide d'obturation se retire de la cavité, le film s'escamotant et libérant le passage du jet selon l'axe (xy) à travers l'orifice de ladite cavité dès que le jet est remis en marche. Enfin, l'invention s'applique notamment aux imprimantes à jet d'encre caractérisée en ce que le réseau capillaire est solidaire de la plaque porte-buse de la tête d'impression de l'imprimante, le réglage de la différence de la pression (EP) étant obtenu à l'aide d'un circuit électronique intégré au circuit .de commande du jet ou tout autre asservissement. L'invention sera mieux comprise à l'aide des explications qui vont suivre et des figures jointes parmi lesquelles: - la figure I montre une vue partielle schématique d'une imprimante à jet d'encre équipée d'un réseau capillaire destiné à mettre en oeuvre le procédé conforme à l'invention; - les figures 2 et 3 illustrent schématiquement une variante de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention, respectivement vue de dessus et en développé; - les figures 4 et 5 représentent une autre variante de réalisation d'un dispositif selon l'invention applicable à une imprimante multibuse; - la figure 6 illustre un autre mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Pour plus de clarté, les mêmes éléments portent les mêmes références dans la suite de la description. L'invention concerne un procédé destiné à prévenir le séchage dans la buse d'éjection du fluide emprisonné dans cette buse à l'arrêt de l'éjection. Elle concerne également tout dispositif mettant en oeuvre ce procédé. Elle a donc pour objet d'éviter les risques de colmatage des buses d'éjection d'un fluide par évaporation trop rapide dudit fluide bloqué dans la buse après l'arrêt de la machine, fluide résiduel qui constitue ainsi un bouchon s'opposant au redémarrage correct du processus d'éjection. L'invention s'applique plus particulièrement aux imprimantes à jet d'encre pour lesquelles le problème se pose avec acuité lorsqu'il s'agit de projeter une encre à séchage rapide par exemple sur un support non poreux. Pour éviter, qu'au niveau de la buse, se produise une évaporation trop rapide des solvants, ce qui causerait un bouchage des buses, il faut donc, dès le passage en mode arrêt de l'imprimante, isoler l'orifice de la buse du milieu ambiant. Pour obtenir ce résultat, le procédé conforme à l'invention consiste d'une part, dès l'arrêt de la machine, à créer un film fluide centré sur l'axe d'éjection du jet, en contact avec l'orifice de la buse et mettant à l'abri du milieu extérieur l'encre emprisonnée dans celle-ci; d'autre part, dès le redémarrage de la machine, à provoquer le retrait dudit film pour libérer le passage du jet d'encre. Selon une caractéristique de l'invention, la formation du film d'obturation et son retrait sont obtenus en asservissant aux cycles d'arrêt et de démarrage de l'imprimante un mouvement par capillarité d'avance et de recul du fluide d'obturation. Le choix du fluide tient compte de la géométrie et de l'état de surface du réseau capillaire dans lequel il évolue ainsi que des tensions capillaires mises en jeu sans oublier le caractère de non miscibilité entre le fluide projeté et le fluide d'obturation. On sait, selon les lois régissant les phénomènes de capillarité, qu'il s'établit un équilibre entre deux fluides à des pressions respectives PO et Pi en tout point de la surface de séparation de deux fluides si cette surface possède les rayons de courbures R1 et R2 selon l'équation PO - Pi = roi (1/R1 + 1/R2) dans laquelle roi est un coefficient caractéristique de la structure moléculaire à la frontière des deux fluides en présence. roi est appelé tension superficielle du corps o en présence du corps i. Si, de plus, ces deux fluides sont en contact avec une paroi solide, l'équilibre tient compte du coefficient de mouillabilité du solide selon la relation: Pi - Po = 2roi cos e/r r étant le rayon du conduit capillaire dans l'hypothèse où ce conduit est assimilable à un tube de section circulaire, et e l'angle que fait le ménisque, c'est-à-dire la surface de séparation entre les deux fluides, avec la paroi solide. Le procédé selon l'invention consiste à contrôler, en fonction de la pression de fonctionnement du circuit d'alimentation en encre de l'imprimante, le comportement d'un fluide d'obturation confiné dans un réseau capillaire en agissant soit: - sur la tension superficielle riO des liquides en présence, par un réglage de température; - sur le coefficient de mouillabilité e des surfaces des parois, par application de champs électriques; - sur le diamètre d'un ou plusieurs capillaires par compression et dilatation des parois extérieures, par exemple au moyen d'éléments piézo-électriques; - soit par réglage de la pression appliqué sur le fluide d'obturation. La figure 1 illustre schématiquement un dispositif qui, dans un exemple non limitatif, est une imprimante à jet d'encre, équipé d'un réseau capillaire destiné à mettre en oeuvre le procédé conforme à l'invention. Pour plus de clarté, seule une portion du circuit d'alimentation en encre (e) de l'imprimante est schématisée. Il s'agit du réservoir d'éjection d'encre (15) équipé de sa plaque (150) porte-buse, dans laquelle la buse est symbolisée par son ajutage (1) dont le diamètre est égal à (2a). Conformément à l'invention, un réseau capillaire (100) est rendu solidaire ou fait partie intégrante de la plaque (150) porte-buse et est constitué d'une cavité (3) de dimension (2c), elle-même reliée. à un tube d'alimentation (4) en fluide d'obturation (f) de diamètre (2d). Cette cavité (3) comporte un trou de section circulaire de diamètre (2b) ou une autre géométrie comme illustrée au moyen des figures suivantes. En tout état de cause, sa structure présente des caractéristiques telles que les mouvements du fluide d'obturation soient soumis, dans le réseau (100), aux phénomènes de capillarité. La cavité (3) est donc percée d'un second ajutage (2) de diamètre (2b) centré par rapport à l'axe (xy) face au premier ajutage de buse (1) de manière qu'en mode de fonctionnement de l'imprimante, cette cavité (3) vide de liquide d'obturation ne gêne en rien le bon écoulement du jet. A l'instant où l'imprimante passe en mode arrêt, le jet d'encre (10) doit s'arrêter. Pour éviter le risque d'écoulement, une pression (P1) est établie à l'intérieur du réservoir (15), telle qu'un ménisque (6) se forme dans l'ajutage de la buse (1). Cette pression répond à la relation P1 = Po + (reo cos ei/a) où: PO est la pression ambiante; reO est la tension superficielle de l'encre par rapport au milieu ambiant; ei est l'angle que fait le ménisque (6) avec la paroi de l'ajutage de buse (1); a est le rayon de cet ajutage (1). Conformément à l'invention, en concomitance avec cette mise en pression (P1) génératrice du ménisque (6), une pression (P2) est appliquée sur le fluide d'obturation qui progresse alors par capillarité dans le tube (4) puis dans la cavité (3) jusqu'au moment où, remplissant celle-ci, se forme au niveau du second ajutage (2) le ménisque (7). La pression (P2) répond à la relation P2 = Po + (rfO cos e2/b) où: PO est la pression du milieu ambiant; rfO est la tension superficielle entre le fluide d'obturation et le milieu ambiant; 92 est l'angle que fait le ménisque (7) avec la paroi de l'ajutage (2); b est le rayon de l'ajutage (2). Dans cette configuration et conformément à l'invention, le fluide (f) remplissant la cavité (3) constitue un film fluide dont la fonction est d'isoler l'encre (e) restant dans l'ajutage de la buse (1) après l'arrêt de l'imprimante. Ce fluide d'obturation (f) est choisi dans la gamme des produits à tension superficielle adéquate, aussi peu volatile que possible et non miscible avec l'encre (e), ou tout au moins faiblement miscible. Quand l'imprimante est remise en marche, il faut qu'en même temps le film d'obturation soit évacué pour libérer le passage du jet à travers la cavité (3) et son ajutage (2). Pour cela, dès la mise en pression de l'encre dans le réservoir (15), la pression du fluide d'obturation est abaissée de la valeur (P2) à la valeur (P4). Le film évacue la cavité (3) et se retire dans le tube (4) en formant le ménisque (9). La valeur de cette pression (P4) est donnée par la relation P4 = PO + (rfO cos e4/d) où: Po est égale à la pression ambiante; rfO est la tension superficielle entre le fluide d'obturation et le milieu ambiant; e4 est l'angle que fait le ménisque (9) avec la paroi du tube (4); d est le rayon du tube (4). Lors d'un cycle suivant, à la baisse de pression dans le réservoir (15) lors du nouvel arrêt, le passage de la pression (P4) à la pression (P2) plus élevée permet à nouveau le remplissage par capillarité de la cavité (3), la formation du ménisque (7) et donc la création du film protecteur selon l'invention isolant l'encre du milieu ambiant. En fait, en agissant sur la pression appliquée au fluide d'obturation et en fonction de la géométrie de la cavité (3) et du tube (4) d'alimentation, le fluide d'obturation pourra occuper, lors de son retrait, la position d'équilibre optimal. Par exemple, au lieu d'assurer le ménisque (9) tel que décrit précédemment, s'il s'avère préférable d'établir un ménisque (8) dans la cavité (3) elle-même, il suffira qu'une pression (P3) soit choisie telle qu'elle réponde à la relation: P3 = PO + (rfO cos 63/c) où: PO est la pression ambiante; rfO est la tension superficielle entre le fluide d'obturation et le milieu ambiant; e3 est l'angle que fait le ménisque (8) avec la paroi de la cavité (3); c est le rayon de celle-ci. Les pressions (P2, P3, P4) sont contrôlées par un régulateur de pression piloté de manière connue, par exemple par un circuit électronique. La différence de pression (+ SP) en fonction de la pression du réservoir d'éjection (15) conditionne le mouvement de mise en place et de retrait du film d'obturation selon l'invention. Dans le cas d'une imprimante à jet d'encre, ce circuit peut être intégré au circuit général de contrôle de l'émission du jet. Une variante de réalisation d'un réseau capillaire conforme à l'invention est illustrée aux figures 3 et 4 qui sont respectivement une vue de dessus et une vue en développé d'une variante de réalisation d'un réseau capillaire (100) conforme à l'invention. Des canaux capillaires (3a, 3b... 3n) convergent vers un ajutage (2) centré sur l'axe (xy) du jet, donc de la buse (1). Le plan supérieur (30) est en contact avec la plaque (150) porte-buse. Dans le plan inférieur (300) sont creusés les canaux (3a) à (3n). L'espace libre (d) est tel, que dans tous les cas, ces canaux à section rectangulaire puissent être assimilés à des conduits capillaires. Dans ces conditions, l'ensemble de ces canaux débouchant dans un tube d'alimentation (4), le contrôle des pressions (P2, P3, P4) en fonction de la pression (P1) régnant dans le réservoir d'encre (15) assure la formation ou le retrait du film d'obturation comme décrit précédemment. Ces pressions (P2, P3, P4) ne sont pas limitatives. Elles peuvent varier de (P2) à (Pn) selon la géométrie du réseau capillaire. La figure 4 représente une autre variante de réalisation d'un réseau capillaire (100) adapté à une imprimante comportant une pluralité de buses. La figure 5 est une vue de dessus d'un élément de l'invention venant s'adapter sous la plaque porte-buse illustrée à la figure 4. L'exemple non limitatif décrit se rapporte à une tête multibuse d'impression à quatre jets. Le réservoir (15) contenant l'encre (e) est muni sur sa face inférieure d'une plaque porte-buse (150) dans laquelle sont percés les différents ajutages (la, lb, lc, ld) d'éjection des jets (10a, 10b, 10c, 10d). Le réseau capillaire (100) se présente dans ce cas sous la forme d'un élément (40) comportant un orifice oblong (42) assimilable à une fente située sous la rangée de buses et de dimensions telles qu'elle laisse passer sans contrainte les jets (10a, 10b, 10c, 10d) lorsqu'elle n'est pas obturée. Pour la compréhension des figures, les dimensions ne sont pas respectées: l'ouverture oblongue (42) est en fait une fente suffisamment large pour laisser passer les jets d'encre, mais suffisamment fine pour que, selon l'invention, le liquide d'obturation (f) puisse par capillarité et sous l'effet des différences de pression (+ EP) remplir le réseau (100) ou, au contraire, libérer le passage des jets.L'élément (40) est pourvu sur l'un de ses flancs d'une protubérance (44) percée d'un tube capillaire (4) d'alimentation en fluide d'obturation du réseau. Ce tube capillaire (4) débouche sur la cavité capillaire (3) présentant une structure arborescente débouchant en autant d'orifices (43) répartis sur la périphérie de la fente (42). Ceci permet à l'arrêt de l'émission des jets de remplir l'orifice oblong (42) et de créer conformément à l'invention un film fluide d'obturation par les forces de tension superficielles. L'isolement est ainsi réalisé entre les ajutages de buses (la, lb, lc, ld) avec l'atmosphère, ce qui évite le bouchage des buses et le séchage de l'encre dans le réservoir (15).Cette structure arborescente de la cavité capillaire (3) permet une meilleure répartition du fluide d'obturation au niveau de l'orifice oblong, c'est-à-dire de la fente (42). A la mise en marche de l'imprimante, les conditions de pression imposées au niveau du tube d'alimentation (4) favorisent la retreinte du fluide d'obturation et permettent le libre passage des jets (10a... 10d) à travers l'orifice (42) libéré. La cavité capillaire (3) peut être intégralement percée dans l'épaisseur de l'élément (40) décrit partiellement sous forme de canaux sur la surface de cet élément (40) en regard avec la plaque porte-buse. Comme le montre la vue écorchée en perspective de la figure 6, cela permet la réalisation d'un espace libre (d) entre la face interne inférieure de l'élément (.40) et la face supérieure de l'élément (40) solidaire de la plaque porte-buse (non représentée sur cette figure). Comme dans l'exemple d'une imprimante monobuse précédemment décrit, c'est le contrôle de la différence de pression (+ EP) entre la pression (P1) régnant dans le réservoir d'encre et la pression (P1, P2... Pn) régnant dans le réseau capillaire qui assure la formation du film au niveau de la fente ou son retrait selon que l'impression est en mode arrêt ou en mode de fonctionnement. L'invention est notamment applicable aux imprimantes à jet d'encre, le dispositif d'obturation étant rendu solidaire de la plaque porte-buse de la tête d'impression. La fonction de pilotage des pressions (P2, P3... Pn) peut être intégrée au circuit électronique commandant le fonctionnement de la tête d'impression de l'imprimante. REVENDICATIONS 1. Procédé d'obturation d'au moins une buse d'éjection d'un jet d'un fluide (e); caractérisé en ce qu'il consiste à former, contre l'ajutage de la buse, un film d'un fluide d'obturation (f) dès que le jet est arrêté et à éliminer ce film dès que l'émission du jet reprend. 2. Procédé d'obturation selon la revendication 1; caractérisé en ce que la formation du film et son retrait sont obtenus par un mouvement du fluide d'obturation dans un réseau capillaire. 3. Procédé d'obturation selon l'une des revendications précédentes; caractérisé en ce que le mouvement du fluide d'obturation est contrôlé au moyen d'une différence de pression égale à plus ou moins (EP) créée entre la pression (P1) à laquelle se trouve soumis le fluide d'impression (e) et la pression (P2, P3, P4... Pn) à laquelle se trouve soumis le fluide d'obturation (f) dans le réseau capillaire. 4. Dispositif d'obturation mettant en oeuvre le procédé selon l'une des revendications precédentes adapté à une tête d'éjection d'un premier fluide contenu dans un réservoir (15) soumis à une pression variable (P1), l'éjection du jet se faisant à travers l'ajutage d'au moins une buse (1) d'axe (xy); caractérisé en ce qu'il est constitué d'un réseau capillaire (100) solidaire de la plaque porte-buse (150) de la tête, ledit réseau comprenant au moins une cavité-capillaire (3) percée d'au moins un orifice (2) centré par rapport à l'axe (xy) de la buse (1) qui lui fait face et relié à un tube d'alimentation (4) par où transite le fluide d'obturation (f), ce dernier étant soumis à une pression (P2...Pn) créant une différence de pression égale à plus ou moins (EP) par rapport à la pression (P1) régnant en amont de la buse (1), différence de pression telle, que sous l'effet d'un (SP) positif, le fluide d'obturation (f) remplisse la cavité (3) et forme un film d'obturation en équilibre avec le milieu ambiant à travers l'orifice (2), et en équilibre avec le premier fluide remplissant la buse (1) lorsque le jet est arrêté; et telle que sous l'effet d'un (EP) négatif, le fluide d'obturation se retire de la cavité (3), le film s'escamotant et libérant le passage du jet selon l'axe (xy) à travers l'orifice (2) de ladite cavité (3) dès que le jet est remis en marche. 5. Dispositif d'obturation selon la revendication 4; caractérisé en ce que la cavité capillaire (3) du réseau (100) est constituée d'une pluralité de cavités (3a...3n) convergeant vers l'ajutage (2) d'axe (xy) placé dans l'alignement de la buse (1). 6. Dispositif d'obturation selon la revendication 5; caractérisé en ce qu'un espace capillaire (d) est prévu entre la face supérieure (30) du réseau capillaire (100) et le fond des canaux (3a ...3n). 7. Dispositif d'obturation selon la revendication 4 adapté à une tête multibuse; caractérisé en ce qu'il est constitué d'un élément (40) solidaire de la plaque porte-buse (150) comportant un orifice assimilable à une fente capillaire (42) située sous une rangée de buses (la, lb, lc, ld) de la tête multibuse, cet élément (40) étant muni sur l'un de ses flancs d'une protubérance (44) percée du tube d'alimentation (4) relié à une cavité capillaire (3) d'épaisseur (d) présentant une structure arborescente débouchant en autant d'orifices (43) répartis sur la périphérie de la fente (42), la géométrie de cette dernière et son positionnement par rapport aux buses (la, lb, lc, ld) étant tels, que sous l'effet d'une différence de pression (SP) positive, le liquide d'obturation (f) remplisse la cavité capillaire (3) et se trouve en équilibre avec le milieu extérieur au niveau de la fente (42) et, sous l'effet d'une différence de pression (6P) négative, le liquide d'obturation (f) se retire de la cavité capillaire (3) libérant le passage des jets (10a, 10b, 10c, 10d) à travers ladite fente (42). 8. Application du procédé et du dispositif selon l'une des revendications précédentes aux imprimantes à jet d'encre; caractérisée en ce que le réseau capillaire (100) est solidaire de la plaque porte-buse de la tête d'impression de l'imprimante, le réglage de la différence de la pression (SP) étant obtenu à l'aide d'un circuit électronique intégré au circuit de commande du jet.