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PROCEDE D'IMPRESSION HAUTE RESOLUTION
AU MOYEN DE GOUTTES D'ENCRE SATELLITES,
MIS EN OEUVRE 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 et, plus particulièrement,
un procédé d'impression haute résolution dans lequel sont utilisées des gouttes
satellites contrôlées par la charge électrique pour l'impression.
La technique conventionnelle d'écriture par projection d'encre utilisant
un jet continu de gouttelettes calibrées, fournies par un système de modulation,consiste à charger électrostatiquement ces gouttelettes au moyen d'une électrodeappropriée. Le passage de ces gouttes chargées de manière variable entre des
électrodes portées à une forte différence de potentiel électrique conduit à une
déflexion des gouttes proportionnelle à leur charge. Cette déflexion combinée
avec le déplacement du support permet l'impression matricielle de caractères
ou de graphismes.
Dans ces imprimantes à jet d'encre du type à jet continu, l'encre
pressurisée est éjectée par une buse sous forme d'un jet dont on provoque la
fragmentation en une suite de gouttelettes auxquelles une charge est ensuite
appliquée de façon sélective, et qui sont dirigées vers le support d'impression
ou vers la gouttière. Divers procédés peuvent être employés pour commander
et synchroniser la formation des gouttes, consistant à faire vibrer la buse, ou
à provoquer des perturbations de la pression de l'encre au niveau de la buse en
incorporant notamment un résonateur excité par une céramique piézoélectrique
en amont de la buse. Du fait de la perturbation, le jet se fragmente à la fréquence
de perturbation en gouttelettes uniformes, souvent accompagnées de gouttelettes
plus petites appelées gouttes satellites.
Dans les imprimantes conventionnelles, les gouttes principales sont
utilisées pour l'impression, et la présence de ces gouttes satellites doit être
contrôlée. En effet, lors de l'application de la charge des gouttes, les satellites
ont une charge massique plus élevée que les gouttes principales. Si ceux-ci passent
dans le champ de déflexion, il subissent des déflexions importantes et provoquent
soit une salissure des électrodes de déflexion conduisant à des défauts d'isolation
électrique, soit des impacts parasites sur le support imprimé.
~r,
20~)~0~6
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L'art connu - voir l'article de BOGY dans "Annual Review of Fluid
Mechanics" 1979- montre que si l'on fixe les propriétés physiques de l'encre, labuse, la fréquence de la perturbation, la vitesse du jet, le dispositif résonateur
et la forme du signal d'excitation appliqué au résonateur, il est possible de contrôler
5 la formation des gouttes par l'amplitude de la perturbation appliquée au résonateur.
Il est possible, en particulier, d'inhiber la formation des gouttelettes satellites
en choisissant une ampiitude adaptée à la perturbation.
Dans le brevet US n~ 4 068 241 d'Hitachi, est décrite une invention qui
consiste à utiliser les gouttes satellites pour l'impression. Selon que l'on veut
10 imprimer une gouttelette satellite ou non, l'amplitude du signal appliqué au
résonateur est modulée à la fréquence de formation des gouttes, afin de former
ou d'inhiber la goutte satellite. Toutes les gouttes (principales et satellites) sont
chargées électriquement au moment de leur formation par influence électrostatique,
grâce à l'application d'une tension de charge continue- à l'électrode de charge.15 Elles sont ensuite défléchies dans un charnp électrique fixe. Les gouttes principales
dont la charge massique est faib]e sont peu défléchies et récupérées dans la
gouttière. Les gouttes satellites dont la charge massique est plus forte ont unetrajectoire plus défléchie et vont frapper de leur impact le support à imprimer.Cette tec
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harge.15 Elles sont ensuite défléchies dans un charnp électrique fixe. Les gouttes principales
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hnologie permet une haute résolution d'impression - la taille des satellites
20 et les impacts résultants étant très petits- en évitant l'utilisation d'une buse
de petit diamètre dont la fabrication est toujours délicate. Ceci permet aussi
de s'affranchir des problèmes de colmatage de la buse lors de son utilisation.
En pratique, la mise en oeuvre de cette technologie reste difficile. En
effet, le procédé de contrôle de la formation des satellites par l'amplitude du
2 5 signal appliqué au résonateur est délicat, à cause de la difficulté de ma;triser
correctement la reproductibilité de fabrication des résonateurs. Il est généralement
nécessaire de calibrer chaque résonateur pour conna;tre son rendement
électromécanique. De plus, l'application d'une tension de charge continue sur
l'électrode de charge peut conduire à des phénomènes d'électrolyse et de corrosion
30 dans la cavité baignée par l'encre en amont de la buse.
D'autre part, l'impression par ce procédé est du type "binaire", en ce
sens qu'une gouttelette satellite est soit imprimée, soit inhibée et recyclée à la
gouttière avec le reste du jet, permettant ainsi un seul niveau de déflexion. Pour
imprimer sur une grande surface, il est nécessaire d'effectuer de nombreux
35 déplacements relatifs entre la tête d'impression et le support à imprimer. Onpeut aussi juxtaposer plusieurs buses, à un pas égal à la résol-ution à l'impression,
2000016
mais ceci pose des problèmes de miniaturisation difficiles
à surmonter. En particulier, le couplage acoustique entre
les résonateurs des différentes buses, très proches les uns
des autres, perturbe généralement la formation des gouttes
et rend le contrôle des satellites très délicat.
Le principal objet de l'invention consiste à
utiliser des gouttelettes satellites pour l'impression, tout
en s'affranchissant des inconvénients mentionnés ci-dessus.
Guidés par une approche expérimentale, nous avons
mis en évidence des conditions permettant de créer des
gouttelettes satellites grâce à l'application de tensions de
charge appropriées sur l'électrode de charge.
Selon l'invention, il est également possible de
contrôler la trajectoire des gouttelettes satellites depuis
le lieu de leur formation jusque sur le support imprimé en
conjugant l'application de séquences de tensions de charge
appropriées sur l'électrode de charge et l'action d'un champ
électrique de déflexion. Il est en outre possible de
défléchir une succession de gouttelettes satellites avec des
trajectoires différentes vers le support. Comme dans les
imprimantes classiques utilisant les gouttes principales
pour l'impression, on obtient alors l'impression de trames
de points correspondant à différentes trajectoires de
gouttes issues de la même buse, et l'impression de
caractères et de graphismes ne nécessite alors qu'un simple
mouvement relatif entre la tête d'impression et ledit
support, combiné avec l'impression de trames successives.
La présente invention vise un procédé d'impression
haute résolution au moyen de gouttes d'encre satellites, mis
en oeuvre dans une imprimante à jet d'encre continu dans
laquelle un jet d'encre continu sortant d'une buse est
fractionné par un moyen de fractionnement en gouttelettes
sensiblement équidistantes et équidimensionnelles, dans une
électrode de charge où lesdites gouttelettes sont
.~
2000016
.
3a
sélectivement chargées électrostatiquement, lesdites
gouttelettes passant ensuite entre des électrodes de
déflexion où elles sont déviées en fonction de leur densité
de charge, caractérisé en ce qu'il consiste à provoquer
S l'apparition d'une goutte satellite à partir d'une goutte,
en aval du lieu de fractionnement du jet, par application
d'une première tension de charge appropriée dans l'électrode
de charge pendant la formation de ladite goutte, et à
empêcher la coalescence d'une goutte satellite ainsi formée
destinée à l'impression avec la goutte suivante, jusqu'à ce
que ladite goutte satellite destinée à l'impression soit
défléchie entre les électrodes de déflexion, par application
à l'électrode de charge pendant la formation de la goutte
suivante d'une seconde tension de charge sensiblement égale
à la première tension de charge, la valeur donnée à la
première tension de charge, et par conséquence à la seconde
tension, étant choisie également en fonction de l'amplitude
de déflexion désirée pour ladite goutte satellite destinée
~ , . .
a 1 lmpresslon.
Les caractéristiques de l'invention mentionnées
ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement
à la lecture de la description suivante d'un exemple de
réalisation, faite en relation avec les dessins joints,
parmi lesquels:
la Fig. 1 est une vue schématique représentant les
principaux éléments électriques et mécaniques d'une tête
d'impression dans une imprimante à jet d'encre dans laquelle
est mis en oeuvre le procédé de l'invention,
les Figs. 2a à 2c représentent schématiquement la
formation et le comportement de gouttes satellites obtenues
par un moyen connu,
la Fig. 3 montre schématiquement la forme de gouttes
obtenues dans le cas où le fractionnement du jet ne produit
pas de gouttes satellites,
.~ '
2aoool6
3b
les Figs. 4a et 4b sont des diagrammes illustrant des
tensions de charge par rapport au temps servant, dans le
premier cas, à engendrer des gouttes satellites et, dans le
second cas, à engendrer et d'utiliser des gouttes satellites
pour l'impression,
Les Figs. 5a à 5e illustrent schématiquement des
~tatA ~ jet, e~ ont
20û~916
et en aval du lieu de fractionnement correspondant aux
intervalles de temps successifs représentés à la Fig.4a,
les figs.6a à 6e illustrent schématiquement des états du
jet en amont et en aval du lieu de fractionnement
correspondant aux intervalles de temps successifs
représentés à la Fig.4b,
la fig.7 représente trois courbes représentatives de la
relation entre la tension de charge minimale nécessaire
à la formation d'une goutte satellite et la tension
efficace d'excitation du résonateur, pour trois vitesses
de jet différentes,
la fig.8 est un diagramme illustrant les rapports
respectifs entre les diamètres d'une goutte et d'une
goutte satellite et le diamètre de la buse, en fonction
d'un paramètre qui sera défini dans la suite, et, dans
des conditions particulières, en fonction de la vitesse
du jet, et
la fig.9 est une vue schématique illustrant le
fonctionnement d'une imprimante dans laquelle est mis en
oeuvre le procédé de l'invention, et montrant notamment
la différence d'amplitude de déflexion des gouttes
satellites par rapport aux gouttes principales.
La tête d'impression 1 représentée à la Fig.1 est une
tête d'impression à jet d'encre du type à jet continu.
Elle présente essentiellement une buse 2 alimentée en
encre sous pression par un circuit d'encre 3 et créant
un jet continu J. Sous l'influence de la vibration d'un
résonateur 4 alimenté par un circuit de modulation 5, le
jet continu J se fractionne au centre d'une électrode de
charge 6 en une suite continue de gouttelettes.
L'électrode de charge est connectée à un circuit de
charge 7. Les gouttes passent ensuite dans un
détecteur 8, utilisé comme détecteur de phase et de
vitesse de gouttes. Le détecteur 8 peut faire partie
~; '
. ~.
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4 bis
d'un dispositif de régulation de l'encre et de son
fonctionnement du type décrit dans la demande de brevet
canadienne enregistrée sous le n~ 614,147, déposée au
nom d'IMAJE (SA) le 28 septembre 1989. Les gouttes
chargées sont ensuite défléchies par un champ électrique
constant maintenu entre des électrodes de déflexion 9.
Les gouttes non ou peu chargées sont récupérées par une
gouttière 10, alors que les autres poursuivent leur vol
vers un support d'enregistrement, non montré. Les
gouttes récupérées par la gouttière 10 sont recyclées au
circuit d'encre 3.
En l'absence d'effets électriques, le ph~nomène de
fragmentation du jet en gouttelettes G est à l'heure
actuelle bien caractérisé expérimentalement, même si la
théorie permettant de décrire complètement ce
comportement reste très difficile à mettre au point.
L'art -onnu cité p
/
. .
200~0~6
-
particulier que les paramètres tels que l'amplitude du signal d'excitation du
résonateur, la longueur d'onde de la perturbation définie par )~= Vjet/f (où Vjet
représente la vitesse de jet et f la fréquence d'excitation du résonateur), ou la
présence de différentes harmoniques dans le signal d'excitation peuvent conduireà la formation de gouttelettes satellites S telles que représentées à la Fig. 2.En fonction des combinaisons de ces paramètres, les gouttelettes satellites, situées
entre les gouttes principales, peuvent être "rapides", Fig. 2a, c'est-à-dire qu'elles
ont une vitesse plus élevée que celle des gouttes principales; "lentes", Fig. 2b,
lorsque leur vitesse est plus faible que celle des gouttes principales, ou "infinies",
Fig. 2c, lorsque leur vitesse est égale à celle des gouttes principales.
La Fig. 3 illustre schématiquement la forme du jet, au lieu de brisure,
obtenue dans des conditions optimales de fonctionnement d'une imprimante
classique, c'est-à-dire d'une imprimante dans laquelle on utilise les gouttes
principales G pour l'impression. Le ligament fluide X reliant les gouttes principales
immédiatement en amont du lieu de brisure ne donne pas lieu à la formation d'unegoutte satellite, mais conduit à l'apparition d'unepetite queue Y sur la goùtteprincipale qui vient de se former. On obtient ces conditions optimales en agissant
sur l'un au moins des paramètres cités ci-dessus (amplitude du signal d'excitation,
longueur d'onde d'excitation, harmoniques dans le signal d'excitation).
Selon l'invention, lors de l'application d'une tension de charge Vn appropriée
à une goutte Gn en formation, et pour les mêmes valeurs des autres paramètres
que pour le cas représenté à la Fig. 3, on obtient la formation d'une goutte satellite
Sn. La tension Vn appliquée à la goutte Gn en formation est représentée sur lc
diagramme de la Fig. 4a où les intervalles de temps successifs limités par les
2 5 instants tn, tn+1, etc . correspondent à la période du signal d'excitation, c'est-
à-dire à la formation des gouttes successives Gn, Gn+1, etc.
Pendant la période jusqu'à l'instant tn, qui correspond à la formation
de la goutte Gn, c'est-à-dire à l'état représenté à la Fig. 5a, lors de l'application
de la tension de charge Vn (la tension de charge étant négative dans le cas choisi),
des charges électriques de signe opposé, représentées schématiquement par des
- signes + à la Fig. 5a, apparaissent à l'extrémité du jet continu J. Lors de la brisure
du jet, c'est-à-dire après l'instant tn, la goutte Gn se détache et emporte avecelles ces charges électriques, qu'elle conserve le long de la trajectoire. Cettesituation est représentée à la Fig. 5b. On remarquera alors qu'en l'absence de
tension de charge appliquée entre les instants tn et tn+1, les charges positivesportées par la goutte Gn induisent des charges de signe opposé sur la goutte en
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.
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cours de formation Gn+1. Pour des conditions de vitesse de jet, d'amplitude et
de forme du signal d'excitation, de propriétés physiques de l'encre données,
caractéristiques de l'invention et décrites dans la suite, la queue Yn de la goutte
Gn formée a une taille suffisante pour que la répulsion entre les charges électriques
présentes sur la surface de la goutte Gn conduise à une rupture entre la queue
Yn et le corps de la goutte Gn, entrainant la création d'une gouttelette satellite
Sn, Fig. 5c. Cette gouttelette satellite Sn, sous les effets conjugués des forces
de répulsion liées aux charges positives restées sur la goutte principale Gn et
des forces d'attraction résultant des charges négatives portées par la goutte Gn+1,
se rapproche rapidement de cette dernière, Fig. 5d, et coalesce avec elle peu
de temps après sa création, Fig. 5e. Dans ce cas, la coalescence rapide du satellite
Sn avec la goutte Gn+1 ne permet pas d'utiliser le satellite pour l'impression.
Selon une caractéristique de l'invention, on inhibe ce phénomène de
coalescence en appliquant pendant le temps de formation de la goutte suivante
Gn+1, c'est-à-dire entre les instànts tn et tn+1, une tension Vn+1 d'amplitude
sensiblement égale à Vn, de manière à charger électriquement la goutte Gn+1
avec des charges de même signe que celles portées par le satellite Sn. La tension
Vn+l est représentée sur le diagramme de la Fig. 4b. De cette manière, comme
on le voit aux Figs. 6c à 6e, la gouttelette satellite Sn reste suffisamment longtemps
dans le jet entre les gouttes principales Gn et Gn+1 pour traverser le champ
électrique déflecteur situé en aval et être déviée vers le support d'impression.L'impression d'une goutte satellite Sn se caractérise donc par une succession dedeux créneaux de tension de charge consécutifs Vn et Vn+1 d'amplitudes
sensiblement égales. La tension Vn+1 nécessaire au contrôle du satellite Sn conduit
généralement à la formation d'un satellite Sn+1, représenté à la Fig. 6d, pour
les mêmes raisons que celles évoquées dans le cas du satellite Sn à la Fig. 5. Ce
satellite Sn+l n'est cependant pas imprimé en l'absence de tension Vn+2 pendant
la formation de la goutte Gn+2 car il coalesce rapidement avec cette dernière.
Même si l'analyse théorique du processus de formation et de contrôle
des gouttes satellites décrit plus haut est limitée, la réalisation expérimentale
du procédé est très reproductible. Elle nécessite, de préférence, une faible viscosité
de l'encre, avantageusement inférieure à 3 centipoises, une grande amplitude
- d'excitation du résonateur, et une vitesse du jet relativement élevée.
Dans un exemple de réalisation particulier mettant en oeuvre une buse
de diamètre de 50 microns, une fréquence goutte de 83,333 kHz, une forme du
signal d'excitation triangulaire et une encre dont la viscosité est de trois centipoises,
2Q(~t~Ol~
-
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la relation entre la tension de charge minimale Vcmin nécessaire à la création
d'une goutte satellite et la tension efficace d'excitation Vpiézo du résonateur
est représentée à la Fig. 7. Les courbes C1, C2 et C3 apparaissant sur la Fig. 7correspondent respectivement à trois vitesses de jet: 19 m/s pour la courbe C1,
20 m/s pour la courbe C2 et 21 m/s pour la courbe C3. Pour ces différentes vitesses
de jet, les tailles relatives des satellites par rapport aux gouttes principales sont
de l'ordre de 1/3, environ. Ces résultats sont en bon~accord avec les résultats
publiés dans la littérature technique à ce jour (voir Lafrance P., "Physics of fluids",
volume 18 (1975), page 428~ et présentés schématiquement à la Fig. 8. Les courbes
R1 et R2 sont représentatives respectivement des rapports entre les diamètres
des gouttes principales et des gouttes satellites et le diamètre de la buse, en
fonction d'un paramètre k défini comme suit:
k =~1~
OU 0B est le diamètre de la buse et ~la longueur d'onde de la perturbation (A= Vjet/f
où Vjet représente la vitesse du jet et f la fréquence d'excitation du résonateur).
Pour un diamètre de buse fixé à 50 microns et une fréquence d'excitation du
résonateur de 83,333 kHz, sont également représentées sur le diagramme de la
Fig. 8, sur un axe d'abcisses secondaire, des vitesses du jet en m/s. On peut ainsi
constater que la taille des satellites est beaucoup plus sensible à la vitesse du
jet que celle des gouttes principales. Ceci permet éventuellement, en fonction
du diamètre d'impact à imprimer, de choisir la vitesse du jet adaptée.
Pour une tension de charge donnée, les trajectoires suivies par les
gouttelettes satellites sont par ailleurs très différentes de celles des gouttesprincipales. Les déflexions des gouttes sont en effet proportionnelles à l'inverse
du carré de leur diamètre, soit un rapport de 1/9 environ entre l'amplitude de
défexion des gouttes principales et celles des gouttes satellites. Ceci permet donc
d'imprimer les gouttelettes satellites avec plusieurs niveaux de déflexion, en
utilisant des tensions de charge différentes, tout en récupérant les gouttes
principales dans la gouttière. Ceci est illustré à la Fig. 9 qui représente les éléments
essentiels de la tête d'impression de la Fig. 1, ainsi que le plan du support
d'impression en Oy. Dans la partie inférieure de la Fig. 9, le diagramme représente
les créneaux des tensions de charge qui ont été appliquées respectivement par
l'électrode de charge 6 pour la formation des gouttes satellites Sn, Sn+i et Sn+j.
Comme on l'a déjà décrit, lesdits créneaux correspondent aux temps de formation
3 5 des deux gouttes principales entre lesquelles se trouve la goutte satellite, soit
à une double période du signal d'excitation.
2~ 0~)~6
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La mise en oeuvre du procédé objet de l'invention est par ailleurs
relativement simple, car elle ne nécessite qulun petit nombre de -modifications
par rapport aux imprimantes classiques utilisant les gouttes principales pour
l'impression. Divers procédés de régulation et de contrôle de l'imprimante utilisés
5 dans les imprimantes classiques (synchronisation de la charge par détection dephase, contrôle de vitesse de gouttes, régulation de viscosité, ces deux derniers
étant décrits, par exemple dans la demande de brevet n~ 88 12935 déjà citée)
sont utilisables. Seules les tensions de charge sont modifiées, selon que l'on veut
imprimer des gouttes principales ou des gouttes satellites.
On notera qu'il est possible d'envisager un procédé d'impression mixte
dans lequel seraient imprimées de façon sélective des gouttes principales ou desgouttes satellites. Dans un tel procédé, en faisantvarier la tension de charge
de façon appropriée, on pourrait, ou bien provoquer la formation et la charge
de gouttes satellites, ou bien charger des gouttes principales sans apparition de
15 gouttes satellites. En cas d'impression de gouttes principales, la tension entre
les électrodes de déflexion devrait alors être sensiblement augmentée par rapport
à sa valeur pour des gouttes satellites.
