Brevet FR2785021A1 — publié le 20000428

i DISPOSITIF POUR CONTROLER LE DEPLACEMENT D'UN FLUIDE SOUS L'ACTION D'UN GAZ La présente invention concerne un dispositif pour contrôler le déplacement d'un fluide, dispositif susceptible d'être utilisé notamment dans une imprimante à jet d'encre. Dans la technique de l'impression à jet d'encre, les préoccupations majeures consistent à améliorer la qualité ainsi que la vitesse de l'impression.10 Les technologies d'impression développées aujourd'hui ont quasiment toutes comme objectif de produire des copies de haute qualité le plus rapidement possible. Dans le cas des technologies jet d'encre, pour arriver à imprimer rapidement, les différents constructeurs multiplient à la15 surface des têtes le nombre de buses capables d'éjecter des gouttes d'encre afin d'imprimer en parallèle un plus grand nombre de points sur le support récepteur. Néanmoins, le nombre de buses à la surface de la tête est limité, soit à cause des problèmes relatifs à la20 dissipation thermique dans les méthodes consistant à porter l'encre à haute température, soit à cause des problèmes relatifs à l'instabilité dimensionnelle due aux vibrations engendrées par l'utilisation de technologies piézo-électriques.25 L'une des technologies classiques pour la réalisation de têtes à jet d'encre consiste à porter pendant un temps très court l'encre se trouvant dans un canal à une température élevée, typiquement 300 à 400 C. Cela induit une vaporisation locale de l'encre qui engendre30 l'expulsion sous forme de goutte de la partie liquide de l'encre se trouvant entre la zone de vaporisation et la surface de la tête à jet d'encre. Cette méthode requiert dans le volume même de la tête à jet d'encre de l'énergie thermique qu'il faut ensuite dissiper.35 D'autres techniques, par exemple celle décrite dans la demande de brevet W096/32284, consistent à amener un fluide en contact avec un élément chauffant de forme 2 annulaire se trouvant à la périphérie de l'ouverture d'un canal reliant un réservoir contenant le fluide avec l'ouverture à la surface de la tête à jet d'encre. Une pression est appliquée sur le réservoir afin de permettre5 à l'encre d'être véhiculée à travers le canal et de se répandre sur la surface annulaire chauffante de la tête à jet d'encre. Lorsque l'élément chauffant de la tête à jet d'encre est porté à une température d'environ 130 C, il s'ensuit une modification importante de la tension de10 surface de la goutte d'encre se trouvant en contact avec l'élément chauffant. Cette modification de tension de surface engendre une diminution du rayon de courbure du ménisque de la goutte d'encre permettant ainsi à celle-ci de couler librement à travers le canal et de former une15 goutte de dimension appropriée pour l'impression désirée. Une fois formée, cette goutte est alors éjectée par un moyen qui peut être un champ électrostatique entre la tête à jet d'encre et le média d'impression, par exemple une feuille de papier. Cette technique, qui a pour avantage d'abaisser considérablement la température nécessaire à l'éjection d'un volume d'encre unitaire, est donc plus appropriée à la fabrication de têtes à jet d'encre à haute intégration. En théorie, il est nécessaire de ne chauffer que la surface du ménisque de la goutte d'encre pour25 obtenir la modification du rayon de courbure de celle-ci et donc son éjection; mais, en pratique il est nécessaire de chauffer l'ensemble du volume de la goutte d'encre, ce qui nécessite un apport d'énergie beaucoup plus élevé pour l'éjection d'une goutte d'encre. En revanche, l'ensemble30 du volume de la goutte d'encre est chauffé, une partie de l'énergie fournie à la goutte d'encre est toujours contenue dans celle-ci lors de l'éjection; ceci facilite la dissipation de cette énergie qui ne reste donc pas confinée dans la tête à jet d'encre.35 Un des objets de l'invention est de fournir un dispositif pour contrôler le déplacement de fluide, par exemple de l'encre, qui minimise la quantité d'énergie à 3 mettre en oeuvre pour éjecter une goutte de ce fluide et permet d'éjecter avec précision un volume déterminé de fluide. Le dispositif pour contrôler le déplacement d'un fluide selon la présente invention, est caractérisé en ce qu'il comprend des électrodes et un électrolyte solide conducteur des ions O0- en présence d'un courant électrique et d'une température tels que l'électrolyte extrait de l'oxygène de l'air, et cet oxygène agit pour contrôler le10 déplacement du fluide. L'invention concerne également un procédé pour contrôler le déplacement d'un fluide, ce procédé utilisant un électrolyte solide dont les propriétés conductrices des ions 02- sont sélectionnables sous l'action d'un courant15 électrique et de la température pour extraire de l'oxygène de l'air, et cet oxygène agit comme moyen pour contrôler le déplacement de ce fluide. Le procédé comprend les étapes suivantes: (i) le chauffage et la mise sous tension de l'électrolyte solide de façon à y établir un champ électrique; l'électrolyte solide transfère alors de l'oxygène dans une enceinte et le volume d'oxygène est utilisé pour contrôler le déplacement du fluide; (ii) l'inversion de la polarité de l'électrolyte solide; le transfert d'oxygène est donc supprimé; (iii) la répétition des opération (i) et (ii) un grand nombre de fois, par exemple plusieurs centaines ou plusieurs milliers de fois par seconde. L'invention concerne aussi une tête à jet de fluide pour impression comprenant: a) au moins un moyen d'alimentation en fluide pour impression; b) au moins un canal terminé par une buse ouverte vers l'extérieur; caractérisée en ce qu'elle comprend en outre: c) un moyen de déplacement du fluide pour impression comprenant un électrolyte solide dont les propriétés conductrices des ions O2- sont sélectionnables sous l'action d'un courant électrique et de la température. L'électrolyte solide utilisé selon l'invention est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique 5 227 257. Cet électrolyte est une substance dérivée de Bi4V2O011 comprenant une structure de phase gamma et dont les10 éléments Bi et/ou V ont été remplacés par des éléments de substitution de façon à permettre la conductivité des ions 02- sans altérer la phase gamma. Cet électrolyte solide a la formule: (Bi2-xMx02) (VI-yM'y,0z) o M représente un ou plusieurs métaux de substitution de Bi, ayant un nombre d'oxydation inférieur ou égal à 3, M' représente un ou plusieurs éléments de substitution de V, choisis dans la classe constituée par les métaux alcalins, les métaux alcalino-terreux, les métaux de transition, les métaux des groupes IIIa à Va, les métaux des groupes IIIb à Vb, les terres rares; Les valeurs limites de x, y, x étant fonction de la nature des M et M'; et x plus y est plus grand que zéro. Pour utiliser ces électrolytes solides selon l'invention, il faut les connecter à une source de courant et les chauffer à une température inférieure à 500 C et de préférence comprise entre 150 et 300 C, température à30 laquelle il devient conducteur. Lorsque l'électrolyte solide devient conducteur, et qu'une différence de potentiel lui est imposée, chaque face de la cellule se comporte comme une électrode. L'oxygène moléculaire se dissocie à la surface de la cathode en formant des ions 02-35 qui traversent l'électrolyte solide et se recombinent en oxygène moléculaire en arrivant sur l'autre face qui se comporte comme une anode. Si on inverse la polarité, on inverse immédiatement la migration des ions 02-- Cette inversion est quasiment instantanée, de sorte qu'en alternant successivement la polarité, on peut inverser plusieurs centaines ou plusieurs milliers de fois par5 seconde, la migration des ions O2-. Ces électrolytes solides sont décrits dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 5 227 257 et sont désignés dans la littérature sous la dénomination générique Bimevox, ou selon le métal associé au Bismuth, sous les10 dénominations Bicuvox, Bicovox, Biznvox, etc. La Figure 1 représente schématiquement une portion d'une tête à jet de fluide pour impression, pourvue des moyens de contrôle du déplacement du fluide selon l'invention.15 La Figure 2 représente schématiquement un mode de réalisation d'un dispositif comprenant des moyens pour contrôler le déplacement d'un fluide selon l'invention. La Figure 3 représente un autre mode de réalisation d'un dispositif pour contrôler le déplacement d'un fluide selon l'invention. D'une manière générale, en faisant référence à la Figure 1, une technique utilisée pour contrôler le déplacement d'un fluide selon la présente invention consiste à introduire un volume d'oxygène dans une25 enceinte (101) au moyen d'un élément (100) à base de bimevox, à utiliser la pression de gaz ainsi produite dans l'enceinte (101) pour déformer une membrane (102) qui elle même provoque par sa déformation un déplacement d'un fluide contenu dans une enceinte (103) contiguë à (101).30 Un système de valves (104a) et (104b) complète le dispositif en permettant un déplacement d'une quantité prédéterminée de fluide au rythme des pulsations de la membrane, elles-mêmes commandées par l'extraction d'oxygène dans l'élément (100).35 Le mode de réalisation représenté à la Figure 2 constitue un dispositif pour contrôler le déplacement de fluide comprenant un mélangeur avec une entrée d'un 6 premier fluide (204) et une entrée d'un second fluide (205). La chambre du mélangeur comprend un élément de bimevox (200) pourvu sur chaque face d'une membrane souple (202a) et (202b), pouvant délimiter des volumes d'oxygène (201a) et (201b), respectivement. Le dispositif est représenté dans la configuration o l'élément (200) a formé une bulle d'oxygène dans l'enceinte (201a) délimitée par la membrane (202a). De ce fait, la bulle d'oxygène obstrue l'accès (204). Dans la configuration suivante (non10 représentée), la polarité de l'élément (200) est inversée de sorte qu'une bulle d'oxygène est libérée dans l'enceinte délimitée (201b) par la membrane souple (202b), obstruant l'accès de fluide (205), pendant que l'accès (204) est libéré. La Figure 3 représente un dispositif pour contrôler le déplacement d'un fluide selon l'invention, qui est une micropompe actionnée par des bulles d'oxygène produit par un élément (300) comportant trois éléments ou cartouches de bimevox (300a), (300b), (300c). A chaque cartouche est20 associée une membrane souple (301a), (301b), (301c) capable de contenir une bulle d'oxygène produite par la cartouche de bimevox associée. Par exemple, lorsqu'on génère une bulle d'oxygène dans l'enceinte délimitée par la membrane (301a), l'étape suivante consiste à activer la25 cartouche (300b) en même temps qu'on inverse la polarité de la cartouche (300a). Ainsi, la bulle formée en (301a) disparaît en même temps que se forme une nouvelle bulle d'oxygène dans l'enceinte délimitée par la membrane (301b). La poursuite de ce cycle d'opération engendre la circulation du fluide dans l'enceinte (303). Une telle micropompe peut par exemple trouver application dans le domaine médical. Un élément à base de bimevox tel que (100) dans la figure 1 ou les éléments correspondants dans les figures 2 ou 3, comporte en général une pastille d'électrolyte solide en contact avec des électrodes elles-mêmes reliées à une source de courant électrique. L'ensemble électrolyte 7 solide/électrodes doit être associé à un moyen de chauffage permettant de faire fonctionner le bimevox à la température requise. Cette température est comprise entre 150 et 500 C. Cette température de fonctionnement permet une dissipation de la chaleur produite par les techniques usuelles, d'autant plus que le moyen de chauffage du bimevox est isolé du fluide à déplacer par l'enceinte o est produit le gaz. Selon un mode de réalisation, on réalise, par compactage une pastille de bimevox dans laquelle sont insérées deux grilles métalliques affleurant sur chaque face de la pastille et jouant le rôle d'électrodes. Selon un mode préféré de réalisation ces grilles sont réalisées avec un métal noble tel que l'or. On peut réaliser ceci15 par dépôt chimique en phase vapeur (en présence d'un plasma). Un tel électrolyte solide peut fonctionner en dessous de 500 C, sous une tension de 1 à 30 V, avantageusement 1 à 15 V et sous une densité de courant de 100 à 1500 mA/cm2, par exemple sous 200 mA/cm2, avec des cycles d'inversion très rapides de la polarité, comme on l'a indiqué ci-dessus. La présence de la membrane permet d'empêcher que l'oxygène extrait par l'électrolyte solide soit en contact avec le fluide à déplacer, dans la mesure o ce dernier25 est oxydable. Dans la mesure o ce fluide serait résistant à l'oxydation, la présence de la membrane peut devenir facultative, les bulles de gaz permettant de contrôler le déplacement du fluide. Les fluides sont notamment les encres utilisées dans les dispositifs d'impression à jet d'encre. Ces encres sont des compositions comprenant de l'eau, des solvants, des colorants solubles dans l'eau, des agents tensio- actifs, des antiseptiques, des agents anti-mousse, des bactéricides ou des fongicides, etc. Leur viscosité, 35 variable, peut être comprise, pour les encres aqueuses, entre 2 cp et 8 cp, et peut être ajustée, en fonction des constituants, avec des agents épaississants. Des compositions typiques sont par exemple décrites dans Progress and Trends in Ink-jet Printing Technology de Hue P. Le, Journal of Imaging Science and Technology 42; pages 49-62 (1998). REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour contrôler le déplacement d'un fluide caractérisé en ce qu'il comprend des électrodes et un électrolyte solide conducteur des ions O - en présence d'un courant électrique et d'une température tels que l'on établit un champ électrique dans l'électrolyte solide qui extrait de l'oxygène de l'air, et cet oxygène agit pour contrôler le déplacement due fluide. 2 - Dispositif selon la revendication 1, comprenant un organe (100) qui contient ledit électrolyte solide, une chambre (101)contiguë à l'organe (100), pour recueillir l'oxygène extrait par l'électrolyte solide lorsque le champ est appliqué, une membrane (102) constituant l'une des parois de la chambre (101) et déformable sous la pression d'un gaz, une chambre (103) contenant le fluide à déplacer, la membrane (102) constituant une paroi commune aux chambres (101) et (103), des moyens permettant l'admission du fluide dans la chambre (103) et son éjection hors de cette chambre. 3 - Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la polarité de l'électrolyte solide peut être alternée, de sorte que la pression de l'oxygène extrait par l'organe (200) contenant ledit électrolyte solide est utilisée pour déformer alternativement deux membranes (202a) et (202b) libérant alternativement l'accès de deux fluides (204) et (205), de façon à mélanger ces deux fluides, en vue du déplacement dudit mélange. 4 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'électrolyte solide comprend un dérivé de Bi4V2O11 à phase gamma ou au moins l'un des éléments Bi ou V est remplacé au moins en partie par un autre élément de telle façon que la structure de la phase gamma de Bi4V201i est maintenue ainsi que l'équilibre des charges. - Dispositif selon la revendication 4, dans lequel l'électrolyte solide comprend un composé de formule: (Bi2-xM O2) (V]-yyM'yOz) o M représente un ou plusieurs métaux de substitution de Bi, ayant un nombre d'oxydation inférieur ou égal à 3, M' représente un ou plusieurs éléments de substitution de V, choisis dans la classe constituée par les métaux alcalins, les métaux alcalino-terreux, les métaux de transition, les métaux des groupes IIIa à Va, les éléments des groupes IIIb à Vb, les terres rares; les valeurs limites de x, y, x étant fonction de la nature des M et M'; et x plus y est plus grand que zéro. 6 - Tête à jet de fluide pour impression, comprenant: a) au moins un moyen d'alimentation en fluide pour impression; b) au moins un canal terminé par une buse ouverte vers l'extérieur; et c) au moins un dispositif pour contrôler le déplacement du fluide pour impression conforme à l'une des revendications 1 à 5. 7 - Procédé pour contrôler le déplacement d'un fluide comprenant: (i) le chauffage et la mise sous tension un électrolyte solide conducteur des ions 02-, de façon à établir un champ électrique dans l'électrolyte solide qui extrait de l'oxygène de l'air dans une enceinte et l'oxygène agit pour contrôler le déplacement du fluide; (ii) l'inversion de la polarité de l'électrolyte solide et supprimer la pression d'oxygène dans l'enceinte et (iii) la répétition un grand nombre de fois du cycle des opérations (i) et (ii). 8 - Procédé selon la revendication 7, dans lequel on répète les opérations (i) et (ii) au moins plusieurs centaines de fois par seconde. 9 - Procédé selon l'une des revendications 7 ou 8, dans lequel on chauffe l'électrolyte solide à une température entre 150 et 500 C pour les opérations (i) et (ii). 10 - Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, dans lequel on met l'électrolyte sous une tension entre 1 et 30 V et une densité de courant entre 100 et 1500 mA/cm2.