GENERATEUR DE GOUTTES ROBUSTE

Abstract

 On décrit un dispositif de formation et d'éjection de gouttes d'un jet d'encre d'une machine d'impression à CIJ, ce dispositif comportant :
a) une cavité destinée à contenir une encre et comportant une extrémité munie d'une buse (10) d'éjection de gouttes d'encre,
b) des moyens (21, 22, 32, 41, 42), formant actionneur, en contact avec la cavité,
dispositif dans lequel la modulation de vitesse de jet, en sortie de buse (10) a une valeur ΔVj(f_t), à la fréquence de travail, et ne varie pas, à température égale à 15°C et à 35°C, dans une gamme de fréquence de ± 5 kHz autour de la fréquence de travail f_t, en dehors de l'intervalle compris entre 0,25 ΔVj(f_t) et 4 ΔV(f_t).
Pour ce faire l'impédance acoustique de la cavité est adaptée pour limiter son influence sur la modulation de vitesse de jet.

Description

DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

[0001] L'invention concerne l'amélioration du fonctionnement d'une tête d'impression d'une imprimante CIJ pour la rendre plus robuste vis-à-vis des variations environnementales (en particulier de la température) rencontrées lors de l'utilisation industrielle de ce type d'imprimante.

[0002] Cette amélioration passe par une augmentation de la robustesse de la fonction de stimulation du générateur de gouttes vis à vis de la température.

[0003] Les imprimantes à jet d'encre continu (CIJ) sont bien connues dans le domaine du codage et du marquage industrielle de produits divers, par exemple pour marquer des codes barre ou la date de péremption sur des produits alimentaires directement sur la chaine de production et à grande cadence. Ce type d'imprimante trouve également application dans le domaine de la décoration où les possibilités d'impression graphique de la technologie sont exploitées.

[0004] Les imprimantes CIJ génèrent en continu, des jets de gouttes dont certaines sont sélectionnées et orientées vers le support à imprimer alors que les autres sont récupérées pour être recyclées. Ces imprimantes possèdent plusieurs sous-ensembles type comme le montre la figure 1:

Tout d'abord, une tête d'impression 1, généralement déportée par rapport au corps de l'imprimante 3; elle est reliée à celui-ci par un ombilic 2 souple rassemblant les liaisons hydrauliques et électriques nécessaires au fonctionnement de la tête en lui donnant une souplesse qui facilite l'intégration sur la ligne de production.

[0005] Le corps de l'imprimante 3 (encore appelé pupitre ou cabinet) contient habituellement trois sous-ensembles :

• un circuit d'encre 4 dans la partie basse du pupitre (zone 4'), dont la finalité principale est d'une part, de fournir de l'encre à la tête à une pression stable et d'une qualité adéquate, et d'autre part de prendre en charge l'encre des jets non utilisée pour l'impression.
• un contrôleur 5 situé dans le haut du pupitre (zone 5'), capable de gérer les séquencements d'actions et de réaliser les traitements permettant l'activation des différentes fonctions du circuit d'encre et de la tête.
• une interface 6 qui donne à l'opérateur le moyen de mettre l'imprimante en oeuvre et d'être informé sur son fonctionnement.

[0006] Cette description peut s'appliquer aux imprimantes jets continus (CIJ) dites binaires ou jet continu multi-défléchi.

[0007] Les imprimantes CIJ binaires sont équipées d'une tête dont le générateur de gouttes possède une multitude de jets dont les gouttes ne peuvent être orientées que vers 2 trajectoires : trajectoire d'impression ou trajectoire de récupération.

[0008] Dans les imprimantes à jet continu multi-défléchi, chaque goutte d'un jet unique (ou de quelques jets espacés) peut être défléchie sur diverses trajectoires correspondant à des commandes différentes. Une succession de gouttes subissant des commandes différentes peuvent ainsi réaliser un balayage de la zone à imprimer suivant une direction qui est la direction de déflexion, l'autre direction de balayage de la zone à imprimer est couverte par déplacement relatif de la tête d'impression et du support à imprimer 8. Généralement les éléments sont agencés de telle sorte que ces 2 directions soient sensiblement perpendiculaires.

[0009] Les têtes d'imprimante à jet d'encre continu dévié possèdent divers sous-ensembles fonctionnels. La figure 2 schématise en particulier une tête d'impression d'une imprimante CIJ multi-défléchi. Elle est constituée :

• de moyens 10, 63 de génération d'un jet de gouttes appelé générateur de gouttes ou corps de stimulation,
• de moyens 62 de récupération de l'encre non utilisée pour l'impression,
• de moyens 65 de déflexion des gouttes destinées à l'impression,
• de moyens permettant de contrôler et maîtriser le processus de déflexion des gouttes (synchronisation de la formation des gouttes avec les commandes de déflexion).

[0010] En se référant à la figure 2 qui schématise une tête d'impression CIJ multi-défléchie, on trouve un générateur de gouttes 60 dans lequel une cavité est alimentée en encre électriquement conductrice. Cette encre, maintenue sous pression, par le circuit d'encre 4, en général extérieur à la tête, s'échappe de la cavité par, au moins une buse 10 calibrée formant ainsi au moins un jet d'encre 7.

[0011] Un dispositif de stimulation périodique 63 est associée à la cavité en contact avec l'encre en amont de la buse 10 ; il transmet, à l'encre, une modulation périodique (de pression) qui provoque une modulation de vitesse et de rayon du jet en sortie de la buse. Lorsque le dimensionnement des éléments est adéquat, cette modulation s'amplifie dans le jet sous l'effet des forces de tension superficielle responsables de l'instabilité capillaire du jet, jusqu'à la rupture du jet. Cette rupture est périodique et se produit à une distance précise de la buse en un point dit de "brisure" 13 du jet, distance qui dépend de l'énergie de stimulation.

[0012] Dans le cas où un dispositif de stimulation, appelé actionneur, dont l'organe moteur est une céramique piézo-électrique, se trouve au contact de l'encre de la cavité en amont de la buse, l'énergie de stimulation est directement liée à l'amplitude du signal électrique de pilotage de la céramique. L'art antérieur enseigne d'autres moyens de stimulation du jet (thermique, électro-hydrodynamique, acoustique, ...) mais la stimulation à l'aide de céramiques piézo-électriques reste la plus répandue pour son efficacité et sa relative facilité de mise en oeuvre.

[0013] En son point de brisure 13, le jet, qui était continu en sortant de la buse, se transforme en un train 11 de gouttes d'encre identiques et régulièrement espacées. Les gouttes se forment à une fréquence temporelle identique à la fréquence du signal de stimulation et pour une énergie de stimulation donnée, tout autre paramètre étant stabilisé par ailleurs (en particulier la viscosité de l'encre), il existe une relation de phase précise (constante) entre le signal de stimulation périodique et l'instant de brisure, lui-même périodique et de même fréquence que le signal de stimulation. C'est-à-dire qu'à un instant précis de la période du signal de stimulation correspond un instant précis dans la dynamique de séparation de la goutte du jet.

[0014] Sans action supplémentaire (c'est le cas où les gouttes ne sont pas utilisées pour l'impression), le train de gouttes chemine suivant une trajectoire 7 colinéaire à l'axe d'éjection des gouttes (trajectoire nominale du jet) qui rejoint, par construction géométrique de la tête d'impression, la gouttière 62 de récupération. Cette gouttière 62 de récupération des gouttes non imprimées capte l'encre non utilisée qui retourne vers le circuit d'encre 4 afin d'être recyclée.

[0015] Pour imprimer, les gouttes sont défléchies et écartées de la trajectoire nominale 7 du jet. Elles échappent alors à la gouttière et suivent des trajectoires obliques 9 qui rencontrent le support à imprimer 8 aux différents points d'impact désirés. Toutes ces trajectoires sont dans un même plan. Le placement des gouttes sur la matrice d'impacts de gouttes à imprimer sur le support, pour former des caractères, par exemple, est obtenu par la combinaison d'une déflexion individuelle des gouttes dans le plan de déflexion de la tête avec le déplacement relatif entre la tête et le support à imprimer (en général perpendiculaire au plan de déflexion). Dans la technologie d'impression à jet continu dévié, la déflexion est obtenue en chargeant électriquement les gouttes et en les faisant passer dans un champ électrique. Pratiquement, les moyens de déflexion des gouttes comprennent une électrode de charge 64 individuelle pour chaque jet, située au voisinage du point de brisure 13 du jet. Elle est destinée à charger sélectivement chacune des gouttes formée à une valeur de charge électrique prédéterminée qui est en général différente d'une goutte à l'autre. Pour ce faire, l'encre étant maintenue à un potentiel fixe dans le générateur de gouttes 60, un créneau de tension d'une valeur déterminée, véhiculé par le signal de commande, est appliqué à l'électrode de charge 64, cette valeur étant différente à chaque période goutte.

[0016] Dans le signal de commande de l'électrode de charge, l'instant d'application de la tension se fait un peu avant le fractionnement du jet pour profiter de la continuité électrique du jet et attirer une quantité de charges donnée, fonction de la valeur de la tension, en bout de jet. Cette tension de charge variable permettant la déflexion est comprise, typiquement, entre 0 et 300 Volts. La tension est ensuite maintenue pendant le fractionnement pour stabiliser la charge jusqu'à l'isolement électrique de la goutte détachée. La tension reste appliquée encore un peu après pour tenir compte des aléas d'instant de brisure.

[0017] On cherche donc à synchroniser l'instant d'application de la tension avec le processus de fractionnement du jet. En cas de désynchronisation, la goutte concernée n'est pas chargée correctement, sa charge est plus faible, voire nulle.

[0018] Les moyens de déflexion des gouttes comprennent également un ensemble de 2 plaques de déflexion 65 placées de part et d'autre de la trajectoire des gouttes en aval de l'électrode de charge. Ces 2 plaques sont portées à un potentiel relatif fixe élevé produisant un champ électrique Ed sensiblement perpendiculaire à la trajectoire des gouttes, capable de défléchir les gouttes chargée électriquement qui s'engagent entre les plaques. L'amplitude de la déflexion est fonction de la charge, de la masse et de la vitesse de ces gouttes.

[0019] Afin de maîtriser la déflexion des gouttes pour l'impression, on cherche à produire une brisure de qualité dans le domaine de variation des conditions environnementales prévu au cahier des charges.

[0020] On cherche donc à s'assurer :

• d'une part, que la brisure se trouve dans le champ de l'électrode de charge donc à une distance déterminée de la buse (position de brisure),
• et, d'autre part, que la brisure du jet se fasse de manière stable et fiable (qualité de brisure : qui sera précisée plus bas). Ceci se fait par un réglage optimal de la stimulation qui se réalise pratiquement en agissant sur l'énergie de stimulation. Dans une majorité des cas de l'art antérieur, l'énergie de stimulation est contrôlée par le niveau Vs du signal de tension périodique appliqué au stimulateur (composant piézo-électrique).

[0021] Une brisure est considérée stable et fiable (de bonne qualité), lorsqu'elle permet de garantir une charge optimale des gouttes dans un domaine de fonctionnement de l'imprimante caractérisé en particulier, par une plage de température (conditionnant la viscosité de l'encre) pour une encre donnée.

[0022] Concrètement, juste avant la brisure, la goutte est reliée par une queue à la goutte suivante en cours de formation (voir figure 3A). La forme de cette queue détermine la qualité de la brisure. Les formes les plus caractéristiques d'une brisure à problème sont les suivantes (mais de nombreuses situations intermédiaires plus ou moins stables peuvent exister) :

• queue très fine (voir fig.3B) qui risque de se briser de manière instable (les forces de cohésion de tension superficielle deviennent faibles par rapport aux forces électrostatiques). Lorsqu'il existe un champ électrique très important entre 2 gouttes successives chargées à des valeurs très différentes (cas d'une forte charge suivi par une charge faible), un phénomène d'effet de pointe au niveau de la queue crée des forces électrostatiques telles que des particules de matière chargées sont arrachées à la queue très fine de la goutte fortement chargée et rejoignent la goutte faiblement chargée en transférant des charges. En conséquence, les gouttes n'ont plus leur charge nominale, la déflexion s'en trouve perturbée et la qualité d'impression se dégrade.
• queue possédant un lobe entre 2 rétrécissements (voir fig.3C), qui peut se briser en 2 endroits et créer un satellite isolé de la goutte, lequel embarque une partie des charges destinées à la goutte concernée :

  *si sa vitesse est plus rapide que le jet (satellite rapide), le satellite et ses charges vont rejoindre la goutte concernée et reconstituer une situation nominale sans conséquence notoire sur la qualité d'impression,

  *si la vitesse du satellite est identique à celle du jet (satellite infini) ou ne rejoint pas la goutte concernée avant sa déflexion, celle-ci sera mal chargée et les satellites seront violement défléchis au risque d'encrasser la tête d'impression,

  *s'il rejoint la goutte suivante (satellite lent) il va transférer des charges de la goutte concernée à la suivante et perturber la déflexion.

[0023] La forme de la brisure, outre les caractéristiques rhéologiques de l'encre, est liée au niveau de stimulation (intensité d'excitation). La forme de la brisure détermine la qualité de la brisure, c'est-à-dire son aptitude à garantir la charge correcte des gouttes.

[0024] En général, elle se modifie, lorsque l'excitation augmente, pour passer d'une brisure à satellites, puis à une brisure sans satellite. Le satellite est défini comme une goutte secondaire issue de la brisure de la goutte principale.

[0025] En augmentant encore le niveau de stimulation, la brisure retourne à un régime de satellites. En même temps, la position de la brisure par rapport à la buse évolue suivant la courbe de la figure 4.

[0026] Cette dernière représente le profil de la caractéristique f donnant la distance de brisure (L_b) entre la buse 10 et le point de brisure 13, en fonction de la tension de stimulation VS (L_b = f (VS)). Cette courbe sera appelée par la suite : courbe de stimulation. Celle-ci est établie en effectuant un balayage des valeurs de la tension d'excitation de stimulation VS et en déterminant Lb pour chaque valeur de VS.

[0027] Lorsque l'excitation de stimulation augmente (à partir d'une valeur faible), la distance buse/brisure (L_b), qui part d'une valeur élevée (brisure naturelle du jet), diminue et passe par un minimum appelé « point de rebroussement », puis s'allonge à nouveau. La forme et la position réelle de cette courbe dépend de nombreux paramètres, en particulier de la nature de l'encre et de la température. La tête d'impression est conçue pour que la partie fonctionnelle de cette courbe se trouve, au moins en partie, dans le champ de l'électrode de charge malgré la variabilité des paramètres mentionnés. D'autre part, il existe une zone fonctionnelle liée à la qualité de brisure dans laquelle l'impression est satisfaisante (la charge des gouttes est correcte). L'intersection de la zone correctement positionnée dans les électrodes et de la zone fonctionnelle de qualité de brisure correspond à la plage opérationnelle de stimulation. Cette plage de stimulation se caractérise par un point d'entrée (Pe) à gauche, et un point de sortie (Ps) à droite comme indiqué sur la figure 4. Le système de stimulation sera satisfaisant si la plage opérationnelle de stimulation est suffisamment bien définie quelles que soient les conditions d'utilisation de l'imprimante.

[0028] Au moins deux modes de fonctionnement distincts de stimulation piézoélectrique sont utilisés dans les imprimantes jet d'encre de l'état de l'art : il s'agit des modes de stimulation résonnante et non-résonnante.

[0029] La stimulation non résonnante est relativement difficile à mettre en oeuvre et demande une énergie conséquente car l'actionneur doit fournir la totalité de l'énergie nécessaire pour créer le déplacement de la portion de l'actionneur en contact avec l'encre afin de générer la modulation de pression en amont de la buse. En contrepartie, ce mode est relativement tolérant aux variabilités des conditions d'excitation.

[0030] Comparativement, la stimulation résonnante possède un rendement bien plus avantageux dans le cadre d'une stimulation périodique qui conduit à la brisure périodique d'un jet en gouttes à une fréquence fixe, comme c'est souvent le cas dans les procédés d'impression de type jet continu. En effet, dans ce cas il est très efficace de concevoir un actionneur comme un système oscillant ou vibratoire, accordé sensiblement sur la fréquence d'émission des gouttes; une faible excitation périodique peut alors entretenir une onde stationnaire amplifiée qui générera l'amplitude de déplacement nécessaire à la modulation de pression en amont de la buse.

[0031] Dans des conditions raisonnables de mise en oeuvre, une céramique piézoélectrique simple (utilisée en mode D33, le champ électrique créé entre 2 électrodes déposés sur la céramique produisant alors un étirement ou une contraction longitudinal(e) de celle-ci en fonction de la direction de polarisation et de la polarité du signal électrique) ne peut pas être utilisée à elle seule comme actionneur car elle n'aurait pas une amplitude de déformation suffisante (de l'ordre du nanomètre seulement) pour créer la modulation de vitesse d'éjection d'encre attendue ; on l'accoler donc à une pièce, appelé résonateur, servant à l'amplification de mouvement. L'ensemble céramique/résonateur est appelé actionneur.

[0032] On a pu constater que, pour certaines encres et dimensionnements du générateur de gouttes, l'efficacité de la stimulation n'est pas stable en fonction de la température.

[0033] Cela peut aller jusqu'à l'impossibilité de faire fonctionner l'imprimante à certaines températures distinctes d'au moins 15°C ou 20°C, et/ou dans certains domaines de température, en particulier à 5°C ou à 15°C, et à 35°C et/ou à 45°C (et/ou 50°C) et/ou entre ces différentes valeurs prises deux à deux, notamment entre 15°C et 35°C ou entre 5°C et 45°C (ou même 50°C).

[0034] En effet, sous certaines conditions, la stimulation devient complètement inefficace et la plage opérationnelle de stimulation se déplace et/ou s'atrophie jusqu'à, dans certains cas, disparaître, ce qui rend impossible le réglage de la machine.

[0035] On peut tenter, dans certains cas, d'adapter le réglage de la stimulation en fonction du domaine prévisible d'évolution de la température pendant la session de production dans laquelle l'imprimante est utilisée. Mais ceci n'est pas toujours possible.

[0036] Enfin, si l'on souhaite compenser cette instabilité, il faut mettre en oeuvre des moyens supplémentaires (asservissement de température à la tête, par exemple), ce qui impose un coût lui aussi supplémentaire.

[0037] Il se pose donc le problème de trouver un dispositif et un procédé, qui permettent un fonctionnement satisfaisant à aux moins 2 températures différentes d'au moins 15°C ou 20°C, notamment, d'une part à 5°C (et/ou à 15°), et d'autre part à 35°C, et/ou à 45°C et/ou à 50°C, de préférence entre deux quelconques de ces valeurs, notamment entre 15°C et 35°C ou entre 5°C et 45°C (ou même 50°C).

[0038] Un autre problème, dans un système mettant en oeuvre un actuateur mécanique résonant, la résonance de l'actuateur se couple à la résonance du fluide, notamment par le fait que le rapport des célérités acoustiques, d'une part dans le matériau utilisé pour le résonateur (par exemple de l'inox) et d'autre part dans le fluide (environ 5000 m/s dans le résonateur, environ 1250 m/s dans le fluide) est de l'ordre de 4, soit un quart de longueur d'onde. Les conséquences de ce rapport sont le couplage mentionné ci-dessus.

EXPOSÉ DE L'INVENTION

[0039] L'invention vise à résoudre ces problèmes.

[0040] Selon l'invention un dispositif de formation et d'éjection de gouttes d'un jet d'encre d'une machine d'impression à CIJ comporte :

a) une cavité destinée à contenir une encre et comportant une extrémité munie d'une buse d'éjection de gouttes d'encre,

b) des moyens, formant actionneur, en contact avec la cavité.

[0041] Dans un tel dispositif, l'impédance acoustique de la cavité, à proximité de la buse, a une valeur Z_T(f_t), à la fréquence de travail de la cavité et de l'actionneur.

[0042] De préférence, cette impédance acoustique ne varie pas, ou varie peu, dans une gamme de fréquence de ± 5 kHz autour de la fréquence de travail f_t, de telle sorte que la variation de la modulation de vitesse dans la buse reste comprise entre, d'une part, 0.25 (ou 0.5), et, d'autre part, 2 (ou 4), fois la modulation de vitesse à la température de référence (pour 25°c par exemple), et ce à au moins 2 températures positives distantes d'au moins 10°C ou 20°C, notamment à 15°C et à 35°C, de préférence également à 5°C, et/ou à 10°C et/ou à 20°C, de préférence encore à 45°C ou même à 50°C, de préférence encore à toute température comprise dans un intervalle de température qui contient au moins l'intervalle [15°C - 35°C], ou même au moins l'intervalle [5°C - 50°C].

[0043] Un tel dispositif selon l'invention permet de déplacer les fréquences de résonance et d'antirésonance, dues à la cavité à encre, de manière que leur dérive en fonction de la température ne les amène pas à croiser la fréquence de stimulation du jet, à au moins 15°C et 30°C (ou à 35°C), de préférence également à 5°C, et/ou à 10°C et/ou à 20°C, de préférence encore à 45°C ou même à 50°C, de préférence encore à toute température comprise dans une plage comprise entre 15° et 35° et plus généralement entre 5° et 50°C. Ces températures et/ou ces gammes de température sont en effet celles des spécifications de fonctionnement de nombreuses imprimantes.

[0044] De préférence, ladite cavité est telle que le rapport entre la longueur de l'actuateur (ou de l'actionneur) mécanique et la longueur de la, ou d'une, portion de la cavité destinée à accueillir une colonne de fluide, est strictement supérieure à 4; ce rapport peut être par exemple compris entre 4 et 6 ou 4 et 10 ou 100.

[0045] Selon un premier mode de réalisation la forme interne de la cavité peut comporter :

• une première zone cylindrique, ayant un premier diamètre, et une première longueur, mesurée suivant un axe longitudinal de ladite cavité,
• une deuxième zone cylindrique ayant un deuxième diamètre, différent du premier diamètre, et une deuxième longueur, mesurée suivant un axe longitudinal de ladite cavité.

[0046] On créée ainsi une cavité possédant au moins 2 sections cylindriques de diamètres différents, de manière à déplacer les modes propres fréquentiels de la cavité à encre pour des célérités de son dans les encres habituelles. Des sections cylindriques de diamètres différents permettent de réaliser une variation de la longueur de fluide.

[0047] Les moyens formant actionneur, par exemple une céramique piezoélectrique, peuvent être directement en contact avec le volume interne de la cavité.

[0048] Les moyens formant l'actionneur peuvent comporter un élément résonateur. L'actionneur est alors résonnant.

[0049] Selon une réalisation, cet élément résonateur comporte un corps de résonateur disposé dans les cavités.

[0050] Selon une autre réalisation, les parois de la cavité forment au moins une partie du résonateur.

[0051] Le résonateur peut être de nature métallique ou minérale par exemple en acier inoxydable, ou en aluminium, ou en béryllium, ou en laiton, ou en cuivre, ou en diamant, ou en verre, ou en or, ou en fer, ou en plomb, ou en TMMA, ou en argent, ou en titane.

[0052] Le corps de résonateur peut comporter une première partie ayant un premier diamètre et une deuxième partie ayant un deuxième diamètre, différent du premier.

[0053] L'invention concerne également un dispositif de formation et d'éjection de gouttes d'un jet d'encre d'une machine d'impression à CIJ, ce dispositif comportant :

a) une cavité destinée à contenir une encre et comportant une extrémité munie d'une buse d'éjection de gouttes d'encre,

b) des moyens, formant résonateur, en contact avec la cavité, en matériau choisi parmi l'aluminium, le béryllium, le laiton, le cuivre, le diamant, le verre, l'or, le fer, le plomb, le TMMA, l'argent, ou le titane.

[0054] La longueur de la cavité en encre est en général comparable à la longueur du résonateur sous collerette cette dernière étant choisie pour permettre la résonance mécanique de l'actionneur.

[0055] Les propriétés physiques du résonateur sont ajustées pour permettre la résonance du dispositif à une fréquence donnée.

[0056] Le choix d'un matériau autre que l'inox, et éventuellement de la longueur du barreau et donc de la cavité d'encre, permet de déplacer les fréquences de résonance et d'antirésonance, indésirables dans l'encre, en dehors du domaine utile (résonance de l'actionneur).

[0057] Le choix d'un tel matériau pour les moyens formant le résonateur permet donc de supprimer, encore, des résonances parasites dues à un liquide contenu dans la cavité.

[0058] Les moyens formant le résonateur peuvent comporter un élément piézo-électrique.

[0059] Le résonateur peut être inséré dans un corps de résonateur de section constante ou variable dans le sens longitudinal.

[0060] Ce corps de résonateur peut comporter une première partie ayant un premier diamètre et une deuxième partie ayant un deuxième diamètre, différent du premier.

[0061] Les deux modes de réalisation peuvent être combinées pour optimiser l'implémentation finale.

[0062] Dans l'un ou l'autre des deux modes de réalisation, un dispositif de formation et d'éjection de gouttes selon l'invention peut contenir une encre, par exemple une encre dans laquelle la célérité du son est comprise entre 800 et 2000 m/s.

[0063] L'invention concerne également une machine d'impression de type à jet d'encre continu (CIJ), cette machine comportant :

• une tête d'impression, munie d'un dispositif de formation et d'éjection de gouttes d'un jet d'encre selon l'un des modes de réalisation décrit ci-dessus,
• un circuit d'encre,
• des moyens de contrôle de la circulation de l'encre et de la tête d'impression.

[0064] L'invention concerne également un procédé de formation de gouttes d'encre, dans lequel on met en oeuvre un dispositif tel que décrit ci-dessus ou une machine telle que décrite ci-dessus.

[0065] L'invention permet de conserver le principe de stimulation résonante avec ses avantages (efficacité, coût).

[0066] Elle peut s'appliquer à différents types d'implémentation de générateur de gouttes.

[0067] La combinaison des 2 modes de réalisation présentés (cavité présentant plusieurs impédances acoustiques, et matériau spécifique choisi pour le résonateur) permet de limiter certains inconvénients propres à chaque mode ; elle permet notamment d'obtenir un compromis entre:

• un encombrement satisfaisant, puisqu'il est lié à la longueur du barreau (dépendant entre autre de la célérité du son),
• une facilité de nettoyage de la cavité, en rapport avec la complexité et volume mort d'encre dans la cavité.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

[0068] 

• La figure 1 est un schéma de la structure d'une imprimante à jet continu dévié,
• la figure 2 est un schéma d'une tête d'impression d'une imprimante à jet continu dévié,
• les figures 3A - 3C représentent diverses configurations de brisure, la figure 3A représentant une brisure de bonne qualité, la figure 3B une brisure à queue fine (avec risque d'arrachement de matière) et la figure 3C une brisure à lobe (avec risque de satellites),
• la figure 4 est une courbe indiquant l'évolution de la distance de brisure en fonction de l'excitation de la stimulation,
• les figures 5A - 5E représentent des structures de corps de stimulation 20, 30, 40, 50 et 60 auxquels peut être appliquée l'invention,
• la figure 6 est une courbe d'efficacité de stimulation, donnant la longueur de brisure en fonction de la fréquence d'excitation du jet,
• les figures 7A - 7B représentent des résultats obtenus avec un corps de stimulation du type de la figure 5D,
• la Figure 8 illustre un modèle schématique d'un corps de stimulation,
• la Figure 9 est une analogie électrique du schéma équivalent d'un dispositif de stimulation,
• les figures 10A - 10B représentent la réponse en fréquence d'un corps de stimulation pour 2 températures d'encre différentes,
• la figure 11 représente d'autres résultats complémentaires ;
• les figures 12A-C représentent des résultats de tests obtenus avec un autre type de corps de stimulation,
• la figure 13A représente l'évolution de l'impédance acoustique en fonction de la fréquence et la figure 13B représente l'évolution de la modulation de la vitesse du jet en fonction de la fréquence,
• les figures 14A-E représentent des structures de corps de stimulation mettant en oeuvre l'invention,
• les figures 15A - 15C représentent des résultats de tests obtenus avec un corps de stimulation avec l'invention,
• la figure 16 rassemble des données de vitesse ultrasonore pour différentes encres, en fonction de la température,
• la figure 17 est une représentation schématique des moyens de contrôle d'une imprimante à jet d'encre

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

[0069] On a représenté en figures 5A, 5B, 5C, 5D et 5E, cinq types de réalisation d'actionneur de stimulation dans un corps de stimulation 20, 30, 40, auxquels peut être appliquée l'invention. Certains (figures 5A, 5D) comportent un résonateur qui est destiné à plonger dans l'encre lorsque celle-ci est présente dans la cavité.

[0070] Le corps de stimulation 20 de la figure 5A comporte une enveloppe 25 dont le volume interne a, de préférence, une forme cylindrique et s'étend selon un axe XX'.

[0071] Le corps 20 comporte en outre un actionneur comprenant une céramique 21, en un matériau piézoélectrique, de forme cylindrique selon l'axe XX'. L'actionneur est monté dans l'enveloppe 25 du corps de modulation 20.

[0072] Cette céramique est métallisée sur ses 2 faces 210, 212, perpendiculaires à l'axe XX'. Elle est solidarisée, coaxialement, à un barreau métallique cylindrique 22. Par exemple la solidarisation est réalisée par collage avec une colle, qui peut avantageusement être une colle conductrice.

[0073] Selon la réalisation illustrée, ce barreau comporte une collerette circulaire 23 sur laquelle est fixée la face 212 de la céramique.

[0074] L'enveloppe 25 peut être munie d'une portée ou d'une surface d'appui interne 250, qui est perpendiculaire à l'axe XX' du cylindre et qui est munie d'un orifice 252 par lequel le barreau métallique cylindrique 22 peut être introduit. Une surface d'appui 230 de la collerette circulaire 23 peut ainsi venir s'appuyer sur la surface d'appui interne 250.

[0075] Des moyens mécaniques, non représentés, permettent de centrer et de brider la collerette 23 (donc l'actionneur) sur la surface 250.

[0076] Le volume interne de l'enveloppe 25, situé sous la surface 250 et la collerette, définit une cavité 24 isolée.

[0077] En fonctionnement, la cavité est alimentée en encre sous pression par un conduit 26.

[0078] Une buse 10, d'où sort le jet est placée au fond de la cavité 24, et l'ensemble est calculé pour que la face active 222 en bout du barreau 22 se retrouve au-dessus et proche de la buse 10, de préférence à une distance de quelques dixièmes de mm, par exemple entre 2/10^èmemm et 5/10^èmemm.

[0079] Chacun des éléments internes (actionneur, enveloppe 25, buse 10) du corps de modulation est de section circulaire et ces différents éléments sont placés coaxialement les uns par rapport aux autres, sur l'axe XX'.

[0080] Pour des raisons pratiques, le barreau 22 est, de préférence :

• de dureté importante (façonnable par usinage),
• en un matériau conducteur ou métallisé, pour reporter le zéro de tension électrique appliquée à l'encre sur une des électrodes de la céramique 21,
• insensible à la corrosion s'il est en contact avec l'encre.

[0081] Un matériau qui peut être utilisé est l'inox, qui présente toutes les caractéristiques citées ci-dessus.

[0082] Par construction, la surface d'appui 27 de la collerette 23 correspond à un noeud de vibration de l'actionneur, ce qui évite les pertes d'efficacité par transmission de l'énergie dans la structure du corps de modulation.

[0083] D'autre part, il est préférable que l'extrémité 220 du barreau 22, qui se trouve au-dessus de la buse 10, bénéficie d'une amplitude de mouvement maximum qui correspond à un ventre de vibration.

[0084] En pratique, l'actionneur peut être accordé de manière à ce que la résonance se situe au voisinage de la fréquence de travail (dite fréquence « gouttes », ou encore fréquence avec laquelle on veut générer les gouttes), mais pas exactement identique pour ne pas rendre le système trop sensible aux variations des conditions de mise en oeuvre de l'actionneur (tolérances mécaniques d'un actionneur à l'autre par exemple). L'accord se fait en général dans l'air, à une fréquence décalée de la fréquence de travail, pour tenir compte du glissement de fréquence lié à la différence d'impédance existant lorsque le barreau se trouve dans des milieux différents (encre par exemple).

[0085] Dans cet exemple, la partie du barreau 22 sous la collerette 23 est installée dans la cavité 24 (corps du générateur de gouttes) dont la longueur est sensiblement identique à celle du barreau 22.

[0086] En fonctionnement, l'électrode 210 de la céramique 21 est reliée à des moyens 27 de mise sous tension. Le corps 25 peut être relié à une masse 29 qui sera reportée sur l'électrode 212 par l'intermédiaire de la collerette 230.

[0087] La figure 5B décrit un deuxième mode de réalisation de corps de modulation résonnant 30.

[0088] Son fonctionnement est proche de celui décrit ci-dessus en lien avec la figure 5A.

[0089] On retrouve une cavité 34, de forme intérieure cylindrique, délimitée par deux surfaces d'extrémité 320, 322, perpendiculaires à l'axe XX'. De l'encre sous pression est amenée dans cette cavité par un conduit 36. Une 1^ère extrémité de cette cavité tubulaire est fermée par la cloison 322 perpendiculaire à l'axe XX'. Une buse 10 est formée dans la 2^ème cloison 320 d'extrémité, pour laisser sortir un jet selon l'axe XX'.

[0090] C'est l'enveloppe 32, qui délimite la cavité 34, qui réalise la fonction assurée par le barreau 22 du premier mode de réalisation. Elle est excitée par une céramique piézoélectrique 31 solidarisée par moyen mécanique ou par collage sur la cloison 322. L'ensemble céramique - enveloppe forme un résonateur, la cloison 322 étant à un noeud de vibration, l'amplitude maximum de déplacement se trouvant au niveau de la plaque 320, munie de la buse 10. La longueur L de l'enveloppe est donc choisie pour créer une onde stationnaire au voisinage de la fréquence de travail, dans la longueur de l'enveloppe 32. Dans ce cas, l'influence de l'impédance ramenée par l'encre présente dans la cavité est à prendre en compte pour accorder l'ensemble à la bonne fréquence.

[0091] En fonctionnement, une électrode de l'actionneur (pour actionner la céramique 31) est reliée à des moyens 37 de mise sous tension. L'enveloppe 32 peut être reliée à une masse 39.

[0092] La figure 5C décrit un troisième mode de réalisation, dans lequel une céramique piézoélectrique 41 est annulaire et est placée dans une gorge 48 d'une enveloppe circulaire 42 possédant une cavité tubulaire 44. La cavité est fermée en haut par une cloison 422 et, en bas, se trouve une plaque 420 munie d'une buse 10 d'éjection de gouttes. L'alimentation en encre se fait par un conduit 46.

[0093] Au montage, la céramique 41 est bridée entre les flans 48a et 48b de la gorge. Sous l'effet d'un champ électrique périodique créé entre des électrodes, disposées en couronne sur les faces de l'élément céramique 41, perpendiculaires à son axe, celui-ci se déforme longitudinalement et transmet cette vibration à l'enveloppe 42 à laquelle elle est solidarisée. Cette excitation est transmise à la buse 10 puis au jet. Comme dans le mode de réalisation de la figure 5B, c'est l'enveloppe qui joue le rôle du résonateur.

[0094] En fonctionnement, l'actionneur 41 est relié à des moyens 47 de mise sous tension, cette électrode est isolée électriquement de l'enveloppe 42. L'enveloppe 42 peut être reliée à une masse 49.

[0095] La figure 5D décrit un quatrième mode de réalisation, qui est en fait une variante du premier mode décrit ci-dessus. Des références numériques identiques à celles de la figure 5A y désignent des éléments identiques ou correspondants. Les références 51 et 52 désignent respectivement la céramique piézoélectrique et le résonateur.

[0096] À la différence de la structure de la figure 5A, le résonateur 52 comporte, à partir de la collerette 53, 3 sections 52₁, 52₂ et 52₃ de diamètres différents : une première 52₁ de diamètre légèrement inférieur au diamètre de l'orifice dans lequel l'actionneur est inséré, une deuxième 52₂ de diamètre inférieur et qui va permettre de délimiter un volume 54 dans laquelle l'encre sera stockée, une troisième 52₃ de diamètre encore inférieur et elle termine le conduit qui va amener l'encre à la buse. En fait, la différence entre le premier diamètre et le diamètre de la paroi de l'enveloppe 25 dans laquelle l'actionneur est inséré permet de faire circuler l'encre, injectée par le conduit latéral 26. Ce type d'actionneur est en général utilisé pour générer des gouttes de taille dite « moyenne » et sa forme est optimisée pour les conditions de fonctionnement (en particulier la fréquence de travail) dans un encombrement donné imposé par la mécanique mise en oeuvre sur la tête d'impression. Sur cette figure, on a repéré des zones A, B, C qui sont utilisées dans la suite de la description.

[0097] La partie du barreau sous la collerette 53 23 est installée dans la cavité (corps du générateur de gouttes) dont la longueur est, là encore, sensiblement identique à celle du résonateur 52 de la cavité 54.

[0098] Les explications déjà données ci-dessus en liaison avec la figure 5A et en particulier celles concernant la connexion des moyens de mise sous tension et la fréquence de travail de l'actionneur, sont applicables ici.

[0099] La tête d'impression peut avoir une configuration mécanique qui est commune pour plusieurs type de générateurs de gouttes qui produisent des gouttes de taille différente (pour simplifier : grosse, moyenne et éventuellement, petite) donc qui fonctionnent à des fréquences différentes. L'encombrement et les entrées/sorties peuvent donc être identiques pour tous les types de générateur; la longueur de cavité peut aussi être très voisine pour ces différents types. Pour que les différents types de résonateur puissent fonctionner à des fréquences différentes tout en conservant une longueur entre collerette et buse sensiblement identique, on peut agir sur la forme du barreau. En conséquence, le barreau pour une tête G (fréquence la plus basse) est un simple cylindre dont la longueur est la plus importante (figure 5A par exemple), et celui d'une tête M (fréquence plus haute) a une forme plus complexe (2 diamètres, figure 5D par exemple) qui permet de garder une longueur sensiblement identique à la tête G en fonctionnant à une fréquence plus haute.

[0100] Mais le problème à résoudre, exposé dans la présente demande, et en particulier ci-dessous, qui est que des résonnances parasites générées dans la colonne de liquide interfèrent avec la stimulation en fonction de la température, reste le même. Le caractère parasite de ces résonances n'a pas été mis en évidence dans l'art antérieur, notamment dans les documents JP 2006-076039 ou JP-2005-081643, ou encore US 5063393 ou JP-S58-3874.

[0101] La figure 5E représente un autre type de dispositif auquel l'invention peut être appliquée. Des références numériques identiques à celles de la figure 5B y désignent des mêmes éléments.

[0102] On retrouve une cavité 34, de forme intérieure cylindrique, délimitée, du côté de la buse 10, par une surface d'extrémité 320 perpendiculaire à l'axe XX'. De l'encre sous pression est amenée dans cette cavité par un conduit 36.

[0103] L'autre extrémité de cette cavité tubulaire est en contact direct avec un actionneur, ici une céramique piézoélectrique 31 (elle-même maintenue par une bride périphérique sur la paroi de la cavité)

[0104] Sur cette figure la cavité est de forme allongée, selon l'axe XX'. Mais elle peut aussi être courbée.

[0105] En fonctionnement, une électrode de l'actionneur 31 est reliée à des moyens 37 de mise sous tension. L'enveloppe 32 peut être reliée à une masse 39.

[0106] Dans ce dispositif, l'enveloppe 32, qui délimite la cavité 34, ne réalise pas de fonction telle que celle assurée par le barreau 22 du premier mode de réalisation. L'ensemble céramique - enveloppe ne forme pas un résonateur. L'encre est directement mise en vibration par l'actionneur 31 et des résonnances se forment dans la cavité à la fréquence de travail.

[0107] Ce type de dispositif présente les mêmes problèmes que ceux présentés ci-dessus, en particulier pour les autres dispositifs tels que ceux des figures 5A- 5D.

[0108] D'une manière générale, la fréquence de travail optimale d'un jet est déterminée par les différents paramètres définissant ce dernier. Parmi ces paramètres, on compte :

• le diamètre de la buse (pouvant être compris entre 40 µm et80 µm),
• la vitesse de jet (pouvant être comprise entre 18 et 24 m/s),
• les paramètres physico-chimiques de l'encre : tension superficielle (par exemple comprise entre 20 et 60 mN/m), viscosité dynamique (par exemple comprise entre 2 et 10 cps) et masse volumique (par exemple comprise entre 800 et 1400 Kg/m³).

[0109] La fréquence de fonctionnement peut être ajustée à l'aide des moyens 27, 37, 47 permettant d'appliquer une tension à l'élément piézo-électrique.

[0110] L'efficacité de stimulation est représentée par la longueur de brisure L_b en fonction de la fréquence d'excitation du jet.

[0111] L_b peut être mesurée en observant le jet avec une caméra et un éclairage stroboscopique synchronisé sur la période goutte (ceci permet de figer l'image des gouttes en formation). On mesure ensuite la distance entre la buse et la brisure par déplacement micrométrique de la caméra.

[0112] Une autre technique est décrite dans le document WO 2012/2107560 (voir notamment la description en lien avec les figures 5A - 5C de ce document), ou encore dans WO 2011/012641, lorsque les gouttes sont chargées (à fréquence de formation des gouttes constante).

[0113] D'une manière générale, on considère que, plus la longueur de brisure est faible, plus grande est l'efficacité de stimulation. La courbe de la figure 6 représente l'évolution de L_b en fonction de la fréquence d'excitation du jet. On appelle fréquence de résonance du jet la fréquence pour laquelle l'amplification de la modulation de vitesse ou de rayon est la plus importante. En général on ajuste la fréquence de l'actionneur à proximité de cette fréquence. En effet, le jet étant défini par son diamètre, sa vitesse de sortie de la buse et le fluide qui le constitue (responsable de l'instabilité capillaire du jet par le biais de la tension superficielle de ce fluide), le jet se comporte comme un système résonnant à une fréquence privilégiée donnée. Lorsqu'il est excité périodiquement par une modulation de vitesse, l'instabilité capillaire la répercute en une variation périodique du diamètre du jet qui sera amplifiée jusqu'à la rupture du jet. La longueur L_b où se situe cette rupture en fonction de la fréquence d'excitation est représentative de la résonance du jet pour une tension de stimulation donnée.

[0114] Selon ce qui est indiqué ci-dessus, la fréquence d'excitation optimale v₀ est celle qui correspond au minimum absolu de la longueur L_b.

[0115] Cependant, on a pu constater que les courbes réelles l'évolution de Lb en fonction de la fréquence d'excitation du jet, dont des exemples sont représentées en figures 12A-12C (qui seront commentées plus en détail ci-dessous), ne présentent pas la forme idéale de la figure 6. Ces courbes réelles montrent que la réponse en fréquence réelle est perturbée par des événements fréquentiels additionnels.

[0116] Plus précisément, on a pu mettre en évidence que, lors du fonctionnement de l'un quelconque des corps de stimulation, 3 systèmes de résonance sont mis en jeux : la résonance du jet, la résonance de l'actionneur ou résonateur et la résonance de la cavité fluide du générateur de gouttes. En d'autres termes, certains comportements fréquentiels ont été observés, qui ne correspondent ni à la résonance de l'actionneur ni à la résonance du jet.

[0117] L'instabilité du jet est excitée par l'actionneur, qui assure ainsi sa fonction de stimulation. L'actionneur est de préférence conçu pour que les deux fréquences de résonance, celle du jet et celle de l'actionneur, soient proches.

[0118] Par rapport à ces 2 résonances, la résonance de la cavité fluide est une résonance parasite. Elle entraîne la formation, dans l'encre, d'une onde stationnaire qui est très sensible à la température. Cette onde stationnaire vient se superposer à l'excitation de l'actionneur.

[0119] Pour la famille des actionneurs dits « résonnants », la fréquence de résonance de l'actionneur dépend de la célérité des ondes acoustiques dans le matériau du barreau du résonateur et du dimensionnement de celui-ci. Dans le cas de la structure de la figure 5A, la longueur du résonateur est telle que, à la fréquence de résonance, on ait un noeud de vibration au niveau de la collerette de maintien et un ventre à l'extrémité.

[0120] Le résonateur (ou l'enveloppe dans les modes de réalisation des figures 5B et 5C) est en général en inox, matériau dans lequel la célérité du son est de l'ordre de C_inox = 5790 m/s.

[0121] Les propriétés de certaines encres sont telles que la célérité des ondes dans l'encre est à peu près 4 fois moins importante que dans l'inox (C_encre ≈ 1200 m/s). Il en résulte que la cavité en encre constitue également un résonateur dans laquelle peut se développer une onde stationnaire dont la fréquence de résonnance ou d'antirésonnance sera proche de la fréquence de résonance de l'actionneur.

[0122] La célérité des ondes dans l'inox (ou, plus généralement, dans le matériau constitutif du barreau) est très peu sensible à la température alors que celle des ondes dans l'encre est très sensible à la température (variation entre -3 et -4 m/s par °C). Des données concernant l'évolution de cette célérité en fonction de la température sont rassemblées en figure 16 pour des encres à base de solvant MEK (MethylEthylKetone), Alcool ou eau. Sur cette figure, les données de la célérité du son dans une encre #1 (dont le solvant est du MEK) et #2 (dont le solvant est de l'alcool) montrent une assez forte variabilité. La variabilité est plus faible pour une encre #3, avec une base « eau ».

[0123] Les modes de résonance dans le résonateur et dans la cavité sont très proches et évoluent de manières différentes en fonction de la température. Les modes de résonance et d'antirésonance de la cavité fluide peuvent donc se déplacer en fonction de la température, en croisant le mode du résonateur qui, lui, ne varie que très peu en fonction de la température. Il est en résulte des perturbations de la stimulation dans certaines plages de température.

[0124] Une première étude menée sur ce problème concerne le cas d'un générateur de gouttes muni d'un corps de stimulation du type de la figure 5D.

[0125] On a représenté en figure 7A la courbe I, qui représente l'évolution de Ve, c'est-à-dire de la tension d'entrée de la plage de stimulation, en fonction de la température. Comme on le voit sur cette courbe, en entrée de plage, la tension de stimulation reste stable, autrement dit elle est le reflet de l'efficacité de la stimulation. Par contre, cette tension tend à augmenter significativement pour un balayage de basse à haute température à partir de 25°C.

[0126] Sur cette même figure, la courbe II représente l'évolution de Vs, c'est-à-dire de la tension de sortie de la plage de stimulation, en fonction de la température. On constate un pic sur cette courbe II, à environ 25° C.

[0127] La courbe III représente l'évolution de Vs/Ve, c'est-à-dire le rapport tension d'entrée/tension de sortie de la plage de stimulation, en fonction de la température. Ce rapport est représentatif d'une robustesse de la stimulation: plus il est grand, plus l'imprimante sera facile à régler car une tension unique de stimulation permet de former des gouttes de qualité sur toute la plage de température. On constate ici qu'à partir d'environ 25° C, la dérive est très importante.

[0128] La courbe IV représente l'évolution de la tension au point de rebroussement Vr. Celle-ci est initialement stable, puis, comme la tension d'entrée, augmente en fonction de la température, à partir d'environ 25° C.

[0129] On a pu établir des courbes qui représentent l'évolution de la longueur de brisure Lb en fonction de la température (de 5° C à 45° C, par pas de 5° C) et de la tension de stimulation. Ces courbes sont représentées en figure 7B.

[0130] À partir de ces courbes, on a cherché à déterminer comment évolue l'efficacité de la stimulation en fonction de la température. Pour cela, à une tension donnée, il apparaît que la longueur de brisure Lb peut varier d'un facteur 2 en fonction de la température. En s'appuyant sur la théorie de l'instabilité capillaire on obtient l'expression :

Avec :

Lb : longueur de brisure

a : rayon de jet en sortie de buse

Vj : vitesse moyenne de jet

ΔVj : modulation de vitesse de jet (résultat du processus de stimulation)

γ : taux de croissance adimensionnel des modulations sensiblement constant sur la plage de travail (en particulier la plage de température)

We : nombre de Weber

[0131] La modulation de vitesse varie exponentiellement avec la longueur de brisure et donc la stimulation varie dans des proportions bien plus importantes qu'un facteur 2.

[0132] La finalité étant de comparer des niveaux de modulation à différentes températures, on montre que l'efficacité de stimulation s'écroule entre 20°C et 40°C. L'influence de la température peut faire varier de quelques % les paramètres d'entrée (typiquement par la tension superficielle, ...), ce qui est sans rapport avec les ordres de grandeurs sur l'efficacité de stimulation.

[0133] Pour expliquer cette variation brutale d'efficacité, on peut envisager :

• une non-linéarité, non identifiée à ce jour (peu probable),
• ou un phénomène de résonance.

[0134] On peut donc s'intéresser au corps de stimulation, en recherchant les résonances dans le solide et le liquide :

En première approximation on peut raisonnablement considérer que les matériaux du résonateur par exemple la céramique et l'inox pour le barreau sont stables sur une plage de quelques dizaines de degrés. La charge ramenée par l'encre, sur l'actionneur, ne permet pas d'expliquer l'évolution drastique sur l'efficacité de la stimulation.

[0135] Dans le liquide (partout où l'encre est présente), il peut exister un phénomène de résonance acoustique, dès lors que la plus grande dimension est de l'ordre de la longueur d'onde.

[0136] A 83 kHz et pour une célérité de l'ordre de 1200 m/s (dans une encre de base MEK), la longueur d'onde vaut typiquement 15 mm, ce qui est plus court mais néanmoins comparable en ordre de grandeur à la hauteur du corps de stimulation (ici d'environ 21 mm, dans un exemple de géométrie de la figure 5D).

[0137] On peut établir une relation qui exprime la dépendance entre la modulation générée par l'actionneur piézoélectrique et ΔVj, la modulation de vitesse de jet, en incluant le phénomène de propagation dans l'encre. On peut déterminer la fonction de transfert complète et rechercher l'existence de fréquence de résonance liée à l'encre et à proximité de la fréquence de travail. Ces fréquences (résonance ou zéro de transmission (anti-résonnance)) seront ensuite soumises à une étude de sensibilité en fonction de la température. Il est intéressant de vérifier si ces fréquences dérivent, ou/et croisent la fréquence de travail (imposée par l'actionneur).

[0138] Le générateur de gouttes peut être interprété schématiquement afin d'en lister les principaux éléments fonctionnels. La Figure 8 (et son équivalent, en terme de circuit électrique, représenté en figure 9) présente la version simplifiée du générateur de gouttes en faisant ressortir 4 éléments :

• le terme source : l'actionneur piézo-électrique qui module le débit d'encre (qui est le débit entrant),
• les termes de perte: il s'agit des débits sortants qui équilibrent le débit entrant. Il y a là 3 termes : la cale d'encre 520 sous l'actionneur 52, la buse 50 et la partie haute 550 du corps de stimulation dans laquelle peut se propager une onde acoustique.

[0139] Le corps de résonateur, par exemple en Inox, est considéré comme non déformable : les parois admettent une condition de vitesse nulle que ce soit en écoulement ou en propagation.

[0140] On va repréciser le comportement physique des éléments fonctionnels du générateur de gouttes et les équations qui y sont associées. A cette fin, on détermine les impédances de chacun des éléments.

[0141] La chute de pression au travers de la buse 50 est décrite par les équations de Navier Stokes. En régime sinusoïdal, le mouvement de la masse d'encre emprisonnée dans la buse est limité par les termes d'inertie. L'impédance de la buse sera notée Z_b :

Avec :

L_buse : longueur de la buse

S_b : section de la buse

ρ : masse volumique de l'encre

ω : pulsation à la fréquence de travail

[0142] La cale d'encre 520 sous l'actionneur concerne la colonne en entrée de buse (cette colonne est située dans la plaque à buse amovible mais avant la zone 521 qui la raccorde à la buse 50) et le « disque » d'encre situé sous la face active de l'actionneur. Pour la colonne, le diamètre est par exemple de 500 µm, à comparer au diamètre de buse, là encore pris à titre d'exemple, de 50 µm. La vitesse de l'encre dans la cale est donc très faible (facteur 100) comparé à la buse. Le fluide peut donc être considéré comme immobile (pas d'effet inertie). L'impédance de la cale se résume donc à son terme de compressibilité noté Z_c :

[0143] Où Ke est la compressibilité et Ve le volume d'encre de la zone 521.

[0144] Le guide d'onde 550 est un élément acoustique délimité par la face active du résonateur; il remonte jusqu'au niveau de l'épaulement 53 sur lequel est en appui le résonateur. Cette zone est noyée de liquide, on considère donc l'anneau de liquide compris entre le résonateur et le fourreau du corps de stimulation.

[0145] On rappelle que la colonne de liquide admet des variations de section, l'impédance de cette colonne, par tronçon, est donnée par la formule de la théorie des lignes (en analogie électrique):

[0146] Où Z_BC est l'impédance ramenée en entrée du tronçon AB d'impédance acoustique Z_b terminée une impédance de charge Z_AB.

[0147] L'actionneur piézo-électrique admet, quant à lui, un comportement résonant que l'on peut modéliser par l'approximation à constante localisée (analogie masse-ressort). Au regard des impédances relatives de l'actionneur par rapport au fluide, l'actionneur est dominant : au premier ordre, la fréquence de résonance de l'ensemble de stimulation est calée sur la résonance du ½ Langevin (le résonateur) dans l'air.

[0148] Comme la fréquence de travail est fixe (83.3 kHz) on ne considèrera pas, pour plus de lisibilité du modèle, cette résonance mécanique. L'ensemble résonant est donc assimilé à une source de débit, il s'agit du volume d'encre brassé en bout de résonateur : Q.

[0149] Les termes d'impédance élémentaires étant définis pour le débit de sortie, il est possible de déterminer la pression P en bout de barreau. La chute de pression dans la buse rapportée à son impédance Z_buse donne le débit en fonction de la fréquence ou encore la modulation de vitesse de jet pour une section de buse donnée.

[0150] Les formules précédentes ont permis de tracer la courbe (figure 10A) de réponse en fréquence à une température de 5°C, à savoir le module de la modulation de vitesse de jet en fonction de la fréquence. L'unité de vitesse est normalisée, ce qui permet, en relatif, de localiser les fréquences pour laquelle la stimulation est renforcée (phénomène de résonance) ou bien affaiblie (zéro de transmission, anti-résonance).

[0151] On constate sur cette figure que, dans la gamme de fréquence d'intérêt, à savoir 80 - 90 kHz, il existe deux fréquences remarquables F1 et F2 qui vont influer sur le niveau d'efficacité de la stimulation à 83.3 kHz. Cet encombrement fréquentiel ne pose pas de problème si ces fréquences sont stables dans l'environnement de fonctionnement de l'imprimante ; tout au plus le niveau de stimulation peut être différent d'une imprimante à l'autre.

[0152] Mais ces fréquences F1, F2, évoluent en fonction de la température qui semble être le paramètre perturbateur de robustesse pour la stimulation. Des simulations avec le logiciel « MathCad » permettent d'identifier la célérité de l'encre comme paramètre fortement influent. A température ambiante (voir le Handbooks of Physics 1990-1991 - 71ième édition - pages 14-32 et les mesures de célérité dans des encres réelles de la courbe figure 16), la célérité de l'encre varie typiquement de -3 à -4 m/s par °C.

[0153] On a réalisé la même simulation sur une plage de température de 45°C, telle qu'explorée expérimentalement, ce qui a permis de mettre en évidence un décalage en fréquence de F1, F2 de 10 kHz environ (Figure 10B). Le signe de dépendance de la célérité en fonction de la température est important car le glissement en température rend la fréquence F2 gênante, pendant que F1 sort de la zone de fréquence de travail.

[0154] Ce décalage en fréquence peut paraître assez faible ; néanmoins, combiné à la proximité de F1 et de F2 autour de 83.3 kHz, on comprend qu'il est possible d'avoir des variations importantes des niveaux de stimulation lorsque F2 croise la fréquence de travail.

[0155] Les essais rapportés ci-dessus ont permis de mettre en évidence un phénomène de résonance acoustique au sein de la cavité de fluide. Ce phénomène est dépendant de la vitesse de propagation des ondes acoustiques au sein de l'encre ; une dépendance, en fonction de température, apparaît donc, qui positionne les événements, en fréquence, de manière plus ou moins proche de la fréquence de travail.

[0156] Des résultats complémentaires (mesures réelles) ont été réalisés, avec le même type d'accords de stimulation. Ces mesures mettent en oeuvre un corps de stimulation identique à la situation simulée précédente, avec des réglages équivalents; les résultats sont présentés en figure 11.

[0157] Pour ces mesures, on a réalisé, avec une faible tension (stimulation faible), la mesure de la longueur de brisure Lb pendant un balayage en fréquence, ceci à différentes températures (5°C - 45°C), afin de visualiser les événements sur la plage 70 - 100 kHz. La longueur de brisure Lb est mesurée. Ces mesures sont réalisées sur la plage en température de 5°C à 45°C, avec un pas de 10°C, en utilisant les paramètres suivants :

• encre base MEK pigmentaire blanche,
• vitesse de jet : 20m/s
• signal de stimulation (créneau 50% de rapport cyclique) généré par un appareil de laboratoire,
• corps de stimulation standard (avec la structure de la figure 5D) équipé d'un actionneur piézo-électrique dont la fréquence de résonance est proche de la fréquence de fonctionnement (qui est la fréquence de génération des gouttes).

[0158] Les résultats illustrés en figure 11 montrent de nombreux événements autour de la fréquence de travail 83.3khz. Les courbes se croisent en fonction de la température et le minimum absolu de longueur de brisure dérive significativement en fonction de la température. Ce fonctionnement dégrade la robustesse de la stimulation.

[0159] Ces résultats complémentaires confirment les perturbations observées et déjà rapportées ci-dessus. Par ailleurs, elles illustrent bien la difficulté à - voire l'impossibilité de - maintenir un fonctionnement stable d'un dispositif générateur de gouttes à au moins 2 températures positives distantes d'au moins 15°C ou de 20°C, par exemple d'une part à 5°C et/ou 15°C et, d'autre part, à 30°C et/ou à 35°C et/ou à 45°C, plus généralement dans une gamme de température allant d'une part de 5° C ou de 15°C à, d'autre part, 35°C ou à 45° C ou même 50°C.

[0160] D'autres travaux ont confirmé l'hypothèse de l'influence des perturbations liées aux résonances présentes dans la cavité fluide. Des mesures réelles ont été réalisées sur un générateur de gouttes de tête G dont la simplicité mécanique (cavité et barreau de résonateur sont alors cylindriques, du type de celui de la figure 5A) permet de calculer plus facilement le comportement résonant de la cavité fluide.

[0161] On a ainsi procédé à des tests complémentaires pour un corps de stimulation du type de celui de la figure 5A.

[0162] Plus précisément, on a étudié la longueur de brisure, en fonction de la fréquence, en stimulation faible, pour 3 températures différentes. La tension de stimulation étant de 7 Volt, elle permet d'être toujours en présence d'un satellite « lent » et ainsi, selon la théorie linéaire de l'instabilité capillaire, de lier directement la longueur de brisure à l'efficacité de stimulation.

[0163] Les températures testées ont été de 5°C, 25°C, et 45°C.

[0164] L'encre utilisée est une encre base MEK pigmentaire blanche pressurisée pour atteindre une vitesse de jet constante de 20 m/s. Les tests n'ont pas été réalisés à longueur d'onde constante ; de ce fait la vitesse du jet n'est pas réajustée en fonction de la fréquence, et on obtient une enveloppe de type parabolique, qui reflète le phénomène physique d'instabilité capillaire dont on tiendra compte dans l'exploitation des résultats.

[0165] Sur les figures 12A-C, on a représenté les points issus de la mesure de Lb, et les fréquences de résonance et d'anti-résonance dans la cavité, calculées numériquement à partir de la configuration mécanique du générateur et des célérités du son dans l'encre aux différentes températures. Les zéros de transmission (anti-résonnance) sont identifiés par des barres verticales. Les pics Pc (Figure 12A et B), ou Pc₁, Pc₂ (Figure 12C) représentent les pics de résonance dans le liquide.

Pour 5°C (figure 12A) :

[0166] Le modèle théorique a été ajusté avec une célérité dans l'encre de c = 1170 m/s. La fréquence de résonance de l'actionneur est d'environ 64 kHz. Le modèle donne, en outre, 2 zéros de transmission, correspondant à 46 kHz et 74 kHz. Pour 46kHz, on retrouve bien la baisse d'efficacité associée ; mais, pour 74 kHz, il n'a pas été possible de relever les valeurs, la brisure étant dans le « bruit » de la brisure naturelle.

[0167] Le modèle prédit également un pic de résonance vers 57 kHz nettement observé sur la courbe de longueur de brisure. Le phénomène de résonance à 64 kHz est également mis en évidence, il est prépondérant en termes d'amplitude car imposé par l'actionneur.

Pour 25°C (figure 12B) :

[0168] Le modèle théorique a été ajusté avec c = 1100 m/s, soit une pente de - 3.5m/s/°C. Les 2 zéros de transmission sont localisés à environ 42 kHz et 69 kHz. Ceci est bien confirmé par les données expérimentales qui se traduisent, à ces fréquences, par une sous-efficacité de stimulation. Une résonance acoustique dans la cavité encre est également bien mise en évidence aux alentours de 53 kHz. La résonance de l'actionneur, est également bien visible, mais la résolution n'est pas suffisante pour localiser précisément ce minimum de longueur de brisure qui se trouve probablement entre 63 kHz et 64 kHz.

Pour 50°C (figure 12C) :

[0169] Le modèle théorique a été ajusté avec c = 1030 m/s, soit une pente de - 3.5m/s/°C. Le premier zéro se trouve légèrement avant 40kHz et le second à 65 kHz. Ce dernier est très proche de la fréquence de travail et vient donc se superposer au pic de résonance de l'actionneur situé à 64kHz.

[0170] Pour résoudre les anomalies observées ci-dessus, on propose d'ajuster l'impédance acoustique du système, plus particulièrement celle de la cavité fluide, à proximité de la buse 10.

[0171] Cette impédance acoustique varie en fonction de la fréquence, notamment lorsque celle-ci varie autour de la fréquence de travail.

[0172] On a représenté, en figure 13A, l'évolution typique de cette impédance acoustique (à proximité ou au niveau de, la buse 10), en fonction de la fréquence et pour une température donnée. La fréquence de travail du système (autrement dit : de la cavité et de l'actionneur) est identifiée par f_t et on désigne par Z_T(f_t), la valeur de ladite impédance acoustique à cette fréquence de travail. Cette fréquence de travail est définie par la cavité et par le résonateur dans le cas des figures 5A - 5D. Dans le cas de la figure 5E, elle est définie par la géométrie du cylindre en Inox 32.

[0173] Comme on le voit en figure 13A l'impédance acoustique varie de manière régulière ou lisse autour de f_t. Mais, lorsque des perturbations, du type expliqué ci-dessus, apparaissent, un ou des pics P₁, P₂, de résonance ou d'anti-résonance, apparaissent sur ce graphique, en particulier au voisinage de la fréquence de travail, par exemple dans un intervalle de ± 10 kHz ou de ± 5 kHz autour de cette dernière.

[0174] Cette variation d'impédance a pour conséquence de faire varier l'amplitude de la modulation de vitesse de jet (ou encore efficacité de stimulation) dans la buse et donc la longueur de brisure.

[0175] En outre, le graphique de la figure 13A évolue en fonction de la température. Des pics tels que les pics p1, p2, non présents dans l'intervalle de fréquence visé, à une certaine température, par exemple à 5°C ou à 15°C, peuvent apparaître, dans ce même intervalle de fréquence, à une autre température, par exemple à 30°C ou à 35°C.

[0176] Selon l'invention, on définit une gamme [f₁, f₂] de fréquence, de ± 10 kHz ou de ± 5 kHz, autour de la fréquence de travail f_t. Le système est tel que, lorsque la fréquence varie dans cette gamme, la valeur de la modulation de vitesse dans la buse à une température T, rapportée à la modulation de vitesse dans la buse à 25°C, ne varie pas en dehors d'un intervalle compris entre, d'une part, 0,25 (ou 0,5) et, d'autre part, 2 (ou même 4), et ce à, d'une part, 15°C et, d'autre part, à 35°C, de préférence également à 5°C, et/ou à 10°C et/ou à 20°C, de préférence encore également à 45°C ou même à 50°C, de préférence encore à toute température comprise dans une gamme de température allant au moins de 15°C (ou de 10°C ou de 5°C) à au moins 35°C (ou à 40°C ou à 45°C ou à 50°C). Un exemple de cet intervalle de modulation de la vitesse est représenté par des traits gras horizontaux sur la figure 13B. On évite ainsi :

• d'une part la présence, dans un intervalle proche de f_t, de pics (tels que P'1 et P'2 sur la figure 13B) traduisant des perturbations,
• d'autre part une dérive de tels pics, vers f_t, en fonction de la température.

[0177] On note que l'impédance peut être calculée selon la formule déjà mentionnée ci-dessus. De ce calcul nous pouvons déduire la modulation de vitesse de jet et ses variations sous l'effet de la température.

[0178] Cette modulation de vitesse peut aussi être estimée ou déduite de la mesure des variations de L_b (dont, par ailleurs, la formule a été donnée ci-dessus) en fonction de la fréquence, à tension d'excitation constante. En effet, une variation de L_b traduit une variation d'impédance.

[0179] En variante, il est possible de mesurer ou d'estimer les variations de pression, en fonction de la fréquence. Au niveau de la buse 10, ces variations de pression représentent ou traduisent les variations de L_b ainsi que les variations d'impédance acoustique (i.e. de modulation de vitesse de jet).

[0180] La solution proposée ci-dessus peut être obtenue en modifiant la configuration du volume interne du corps de stimulation, destiné à recevoir l'encre, en lui donnant une forme permettant de réaliser une variation d'impédance acoustique.

[0181] Autrement dit, le volume interne comporte au moins une première partie, ayant une première impédance acoustique, et au moins une deuxième partie, ayant une deuxième impédance acoustique, différente de la première impédance acoustique.

[0182] Par exemple, on peut introduire dans les cavités un élément, ou des moyens, permettant de réaliser cette variation d'impédance. Les modes de réalisation de cette solution sont représentés en figures 14A-14E.

[0183] Le dispositif de la figure 14A (respectivement 14B, 14C, 14D, 14E) correspond à celui de la figure 5A (respectivement 5B, 5C, 5D, 5E) avec des mêmes références numériques pour y désigner les mêmes éléments. Sur chacune de ces figures 14, une bague 27, 37, 47, 57, de forme annulaire, a été introduite dans le volume interne de la cavité. Le diamètre extérieur de cette bague est sensiblement égal au diamètre intérieur des enveloppes 25, 32, 42, tandis que son diamètre intérieur ne fait pas obstacle à l'écoulement du fluide. Le matériau pour cette bague est de préférence le même que celui du résonateur, par exemple de l'inox.

[0184] Sur ces figures, la bague est représentée dans la partie inférieure de la cavité. En variante, elle pourrait être disposée dans une autre partie, par exemple selon la disposition représentée en traits interrompus sur chacune de ces figures. Elle aurait alors le même rôle de modification de l'impédance acoustique de la cavité.

[0185] Plus généralement, on constate également, sur ces figures, que la forme interne de la cavité comporte :

• une première zone cylindrique 25₁, 32₁, 42₁, 52₁, 62₁ d'un premier diamètre, et d'une première longueur, mesurée suivant un axe longitudinal de ladite cavité,
• une deuxième zone cylindrique 25₂, 32₂, 42₂, 52₂,62₂, d'un deuxième diamètre, différent du premier diamètre, et d'une deuxième longueur, mesurée suivant un axe longitudinal de ladite cavité.

[0186] Dans le cas où la bague de chacune des figures 14 est positionnée selon la position indiquée en traits interrompus, la première zone cylindrique et la deuxième zone cylindrique sont différentes de celles mentionnées ci-dessus.

[0187] Comme on va le montrer ci-dessous, les différences, ou les variations, d'impédance acoustique, induites, dans les exemples des figures 14, par les différents diamètres dans la cavité, permettent d'éliminer, de la zone de fréquence de travail, les fréquences parasites qui résultent des résonances propres à la cavité contenant le liquide et ainsi de stabiliser la modulation de vitesse.

[0188] Les diamètres différents permettent de réaliser une variation de la longueur de fluide. Dans le cas des structures des figures 14A et 14D, dans lesquelles le résonateur plonge dans la cavité destinée à recevoir le fluide, on créée un rapport, entre la longueur La de l'actuateur (ou de l'actionneur) mécanique (comportant l'élément piézo-électrique 21, 51, la collerette 23, 53 et la partie 22, 52, qui est en contact avec le fluide) et la longueur L_f de la, ou d'une, portion de la cavité destinée à accueillir une colonne de fluide, de préférence strictement supérieur à 4; ce rapport peut être par exemple compris entre 4 et 6 ou 4 et 10 ou 100. Dans le cas de la figure 14D, la longueur L_f correspond à la longueur de la portion de la zone B non occupée par la bague 57. Même si une colonne de fluide subsiste, dont la longueur est non modifiée par la présence de la bague, la modification de la longueur d'une partie de la cavité, destinée à accueillir le fluide, permet d'éliminer, de la zone de fréquence de travail, les fréquences parasites.

[0189] Des tests ont été réalisés, avec une structure de corps de stimulation selon la figure 14D, avec une bague dont la longueur, au terme de l'étude, était de 3.6 mm. Les résultats sont illustrés sur les figures 15A-15C :

• la figure 15A représente l'évolution des tensions Ve, Vs, Vr et du rapport Vs/Ve, en fonction de la température ; cette figure 15A montre qu'il y a une variation quasiment linéaire des consignes piézo-électriques. Elle se compare donc très avantageusement aux résultats qui ont été commentés ci-dessus en liaison avec la figure 7A,
• la figure 15B représente la longueur de brisure L_b, en fonction de la tension d'activation, à différentes températures (5°C - 45° C, avec un pas de 10°C, à 5°C, 15°C, 25°C, 35°C, 45°C); on constate que les courbes sont empilées correctement, dans un bon ordre ; là encore, la comparaison avec les courbes de la figure 7B est très avantageuse,
• la figure 15C représente la longueur de brisure L_b, en fonction de la fréquence, à différentes températures (5°C - 45° C, avec un pas de 10°C, à 5°C, 15°C, 25°C, 35°C, 45°C) ; les courbes sont empilées correctement, dans un bon ordre en fonction de la température, et ne se croisent pas. Ce résultat est très supérieur à ce qu'on a observé sur la figure 11 où l'ordre est incorrect et où les courbes se croisent.

[0190] Des tests complémentaires ont été réalisés avec une encre de type « base MEK standard » puis avec une encre de type «base Alcool». Les résultats obtenus sont similaires avec les 2 encres précédentes et conforte le caractère optimum de la bague 3.6mm.

[0191] La présence de la bague permet de diminuer le volume de la cavité en encre ce qui facilite le rinçage du générateur de gouttes lors des opérations de maintenance.

[0192] Les tests ci-dessus montrent que l'invention permet d'obtenir un fonctionnement robuste dans toute la gamme de température envisagée et d'encre (au travers de la célérité). L'invention permet d'éliminer tout événement perturbateur sur l'efficacité de stimulation. On note une nette amélioration sur la plupart des courbes obtenues, c'est-à-dire que l'on passe d'un fonctionnement aléatoire à un fonctionnement bien maitrisé.

[0193] Le mode de réalisation de l'invention avec l'insertion d'une bague dans la cavité du corps de modulation peut être remplacé par l'usinage direct de la fonction bague dans le corps de modulation qui devient alors monobloc et qui présente des variations de section, en ayant ainsi un profil identique ou similaire à ce qui est représenté en figures 14A-14E.

[0194] Selon une autre réalisation, on exploite les différences de célérité des ondes sonore dans divers matériaux autre que l'inox. On remplace donc le matériau inox utilisé pour le résonateur par l'un de ces autres matériaux.

[0195] Cette solution permet de satisfaire aux conditions énoncées ci-dessus en liaison avec la figure 13B.

[0196] Cette solution permet en outre de modifier la longueur du résonateur tout en gardant la même fréquence de fonctionnement. Le choix d'un autre matériau s'accompagne d'une modification de la longueur du résonateur qui en première approche est proportionnelle au ratio des célérités;

[0197] Si la célérité est plus grande que dans l'inox, le barreau (cas des figures 5A et 5D ou 14A et 14D) sous collerette du résonateur sera allongé; inversement, si la célérité est plus faible, le barreau sous collerette sera raccourci. La longueur de la cavité résonante contenant le fluide pourra donc être modifiée, par exemple selon l'enseignement précédent selon la présente invention :

• la modulation de vitesse de jet, en sortie de la buse, ayant une valeur ΔVj(f_t) à la fréquence de travail de la cavité et de l'actionneur, et cette modulation de vitesse de jet, à la température de 15°C et à la température de 35°C, ne variant pas, dans une gamme de fréquence de ± 5 kHz autour de la fréquence de travail f_t, en dehors de l'intervalle compris entre 0,25ΔVj(f_t) et 4ΔVj(f_t),
• et/ou le rapport entre la longueur de l'actuateur (ou de l'actionneur) mécanique et la longueur de la, ou d'une, portion de la cavité destinée à accueillir une colonne de fluide, étant strictement supérieur à 4; ce rapport peut être par exemple compris entre 4 et 6 ou 4 et 10 ou 100.

[0198] Dans ce cas, les fréquences de résonance et d'anti-résonnance de la cavité fluide seront déplacées et rejetées en dehors de la zone de fonctionnement de la stimulation.

[0199] Le tableau I rassemble des données relatives à la vitesse des ondes sonores dans ces autres matériaux.

Tableau I

Matériau	Vitesse
	(m/s)	(ft/s)
Aluminium	6420	21063
Béryllium	12890	42530
Laiton	3475	11400
Cuivre	4600	15180
Diamant	12000	39400
Verre	3962	13000
Verre Pyrex	5640	18500
Or	3240	10630
Fer	5130	16830
Plomb	1158	3800
Lucite	2680	8790
Argent	3650	12045
Acier	6100	20000
Acier inox	5790	19107
Titane	6070	20031

[0200] Si l'un de ces autres matériaux est retenu pour le barreau du résonateur, alors les effets de perturbation des ondes sonores dans l'encre ne se manifesteront pas.

[0201] Plus généralement, tous les matériaux métalliques - autres que l'inox - ou minéraux peuvent convenir.

[0202] Ce choix permet éventuellement, en outre, de réduire la longueur du résonateur, et donc la longueur de la cavité, ce qui permet, encore plus, d'éviter les résonances parasites telles qu'exposées ci-dessus.

[0203] Que la structure du corps de stimulation soit celle de l'une des figures 5A-5D ou 14A-14D, les effets de perturbation dus à la résonance dans la cavité contenant l'encre n'auront pas lieu.

[0204] Un dispositif ou une imprimante à jet d'encre pour mettre en oeuvre un procédé de formation de gouttes d'encre, avec un dispositif selon l'un des modes de réalisation détaillée ci-dessus, est du type qui a déjà été décrit ci-dessus en liaison avec les figures 1 et 2.

[0205] Un tel dispositif comporte donc :

• un générateur de gouttes 60 contenant de l'encre électriquement conductrice, maintenue sous pression, par un circuit d'encre, et émettant au moins un jet d'encre,
• une électrode de charge 64 pour chaque jet d'encre, l'électrode possédant une fente au travers de laquelle passe le jet,
• un ensemble constitué de deux plaques de déflexion 65 placées de part et d'autre de la trajectoire du jet et en aval de l'électrode de charge,
• une gouttière 62 de récupération de l'encre du jet non utilisée pour l'impression afin d'être retournée vers le circuit d'encre et ainsi être recyclée.

[0206] Le fonctionnement de ce type de jet a déjà été décrit ci-dessus en liaison avec les figures 1 et 2. On rappellera simplement ici que l'encre contenue dans le générateur de gouttes s'échappe d'au moins une buse 10 calibrée formant ainsi au moins un jet d'encre. Sous l'action d'un dispositif de stimulation périodique placé en amont de la buse (non représenté), constitué par exemple d'une céramique piézo-électrique placée dans l'encre, le jet d'encre se brise à intervalles temporels réguliers, correspondant à la période du signal de stimulation, en un lieu précis du jet en aval de la buse. Cette fragmentation forcée du jet d'encre est usuellement induite en un point dit de « brisure » 13 du jet par les vibrations périodiques du dispositif de stimulation.

[0207] Outre les moyens ci-dessus, un tel dispositif peut en outre comporter des moyens 5 pour contrôler et réguler le fonctionnement de chacun de ces moyens pris individuellement, et les tensions appliquées. Ces moyens 5 sont décrits ci-dessous de manière plus précise en liaison avec la figure 17.

[0208] Sur cette figure, un ensemble de moyens 5 formant contrôleur comporte des circuits, qui permettent d'envoyer à la tête d'impression les tensions permettant de piloter cette dernière et notamment les tensions à appliquer aux électrodes ainsi que la tension d'excitation piézo-électrique.

[0209] Cet ensemble 5 peut en outre recevoir des signaux descendants, provenant de la tête, en particulier les signaux mesurés à l'aide d'un capteur de position et/ou de vitesse des gouttes, et peut les traiter et les utiliser pour le contrôle de la tête et du circuit d'encre. En particulier, pour traiter les signaux issus d'un tel capteur, il peut comporter des moyens d'amplification analogiques d'un signal de ce capteur, des moyens de numérisation de ce signal (conversion A/N transformant le signal en liste d'échantillons numériques), des moyens pour le débruiter (par exemple un ou des filtres numériques des échantillons), des moyens pour en rechercher le maximum (le maximum de la liste d'échantillons).

[0210] Cet ensemble contrôleur 5 peut communiquer avec des moyens 500 pour envoyer et/pour recevoir des fluides vers et en provenance de la tête d'impression.

[0211] Cet ensemble contrôleur 5 peut communiquer avec l'interface utilisateur 6 pour informer un utilisateur sur l'état de l'imprimante et les mesures réalisées, en particulier, du type de celles décrites ci-dessus. Il comporte des moyens de mémorisation pour mémoriser les instructions relatives aux traitements des données, par exemple pour effectuer un procédé ou mettre en oeuvre un algorithme du type décrit ci-dessus.

[0212] Selon un exemple de réalisation, le contrôleur 5 comporte une unité centrale embarquée, qui comprend elle-même un microprocesseur, un ensemble de mémoires non volatiles et RAM, des circuits périphériques, tous ces éléments étant couplés à un bus. Des données peuvent être stockées dans les zones mémoire, notamment des données pour mettre en oeuvre un procédé selon la présente invention ou pour contrôler un dispositif selon la présente invention.

[0213] Les moyens 6 permettent à un utilisateur d'interagir avec une imprimante selon l'invention, par exemple en effectuant la configuration de l'imprimante pour adapter son fonctionnement aux contraintes de la ligne de production (cadence, vitesse d'impression, ...) et plus généralement de son environnement, et/ou la préparation d'une session de production pour déterminer, en particulier le contenu de l'impression à réaliser sur les produits de la ligne de production, et/ou en présentant les informations temps réel du suivi de production (état des consommables, nombre de produits marqués, ...). Ces moyens 6 peuvent comporter des moyens de visualisation.

[0214] Des moyens peuvent en outre être prévus pour alimenter ou porter les différentes électrodes aux tensions souhaitées. Ces moyens comportent notamment des sources de tension.

[0215] Un corps de stimulation selon l'invention, et un procédé de fonctionnement d'un corps de stimulation selon l'invention, tel que décrit ci-dessus, appliqué à une imprimante du type décrit en liaison avec les figures 1 et 2, dont le fonctionnement a été rappelé ci-dessus, permet de réaliser une stimulation robuste, qui ne présente pas les problèmes présentés dans l'introduction à la présente demande en liaison avec les dispositifs connus. En particulier, la stimulation est beaucoup plus stable, à au moins 2 températures distantes d'au moins 15°C ou plus, notamment à 15°C et à 30°C (ou à 35°C), de préférence également à 5°C, et/ou à 10°C et/ou à 20°C, de préférence encore à 40°C ou 45°C ou même à 50°C, de préférence encore à toute température comprise dans une plage comprise entre 15° et 35° et plus généralement entre 5° et 50°C.

[0216] Avec un dispositif et un procédé selon l'invention, les fréquences « parasites » se trouvent écartées, qu'elle que soit la température dans l'une des gammes évoquées ci-dessus, du domaine de fréquences de fonctionnement utilisé. Par exemple, ce domaine de fonctionnement est compris entre 50kHz et 150kHz suivant le diamètre et la vitesse du jet choisis.

Revendications

1. Dispositif de formation et d'éjection de gouttes d'un jet d'encre d'une machine d'impression à CIJ, ce dispositif comportant :

a) une cavité (25, 32, 42) destinée à contenir une encre et comportant une extrémité munie d'une buse (10) d'éjection de gouttes d'encre,

b) des moyens (21, 22, 32, 41, 42), formant actionneur, en contact avec la cavité,

dispositif dans lequel la modulation de vitesse de jet, en sortie de la buse (10), a une valeur ΔVj(f_t) à la fréquence de travail de la cavité et de l'actionneur, et cette modulation de vitesse de jet, à la température de 15°C et à la température de 35°C, ne varie pas, dans une gamme de fréquence de ± 5 kHz autour de la fréquence de travail f_t, en dehors de l'intervalle compris entre 0,25ΔVj(f_t) et 4ΔVj(f_t).

2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la modulation de vitesse de jet, en sortie de la buse (10), ne varie pas, également aux températures de 5°C et de 45°C et/ou de 50°C, dans une gamme de fréquence de ± 5 kHz autour de la fréquence de travail f_t, en dehors de l'intervalle 0,25ΔVj(f_t) et 4ΔVj(f_t).

3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le volume interne de la cavité en encre comporte au moins une première partie, ayant une première impédance acoustique, et au moins une deuxième partie, ayant une deuxième impédance acoustique, différente de la première impédance acoustique.

4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, la forme interne de la cavité comportant :

- une première zone cylindrique (25₁, 32₁, 42₁, 52₁, 62₁), ayant un premier diamètre, et une première longueur, mesurée suivant un axe longitudinal de ladite cavité,

- une deuxième zone cylindrique (25₂, 32₂, 42₂, 52₂, 62₂) ayant un deuxième diamètre, différent du premier diamètre, et une deuxième longueur, mesurée suivant un axe longitudinal de ladite cavité.

5. Dispositif selon la revendication 4, la cavité ayant une forme interne cylindrique, de diamètre égale audit premier diamètre, et étant munie d'un anneau cylindrique (27, 37, 47) dont le diamètre interne est égal audit deuxième diamètre.

6. Dispositif selon la revendication 4, la cavité étant délimitée par une paroi ayant une première portion cylindrique, de diamètre interne égal audit premier diamètre, et ayant une deuxième portion cylindrique, dont le diamètre interne est égal audit deuxième diamètre.

7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, l'actionneur étant directement en contact avec le volume interne de ladite cavité.

8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, l'actionneur comportant des moyens formant résonateur.

9. Dispositif selon la revendication 8, les moyens formant résonateur comportant un élément (21, 31, 41) piézo-électrique.

10. Dispositif selon la revendication 8 ou 9, les moyens formant résonateur comportant un corps (22, 52) de résonateur disposé dans ladite cavité.

11. Dispositif selon la revendication 10, ledit corps (22, 52) de résonateur étant en acier inoxydable, ou en aluminium, ou en béryllium, ou en laiton, ou en cuivre, ou en diamant, ou en verre, ou en or, ou en fer, ou en plomb, ou en TMMA, ou en argent, ou en titane.

12. Dispositif selon la revendication 10 ou 11, ledit corps (52) de résonateur comportant une première partie (52₁) ayant un premier diamètre et une deuxième partie (52₂) ayant un deuxième diamètre, différent du premier.

13. Dispositif selon la revendication 8, le volume interne de la cavité étant délimité par une paroi (32, 42) formant résonateur.

14. Machine d'impression de type à jet d'encre continu, cette machine comportant :

- une tête d'impression (1), munie d'un dispositif de formation et d'éjection de gouttes d'un jet d'encre selon l'une des revendications 1 à 13,

- un circuit d'encre (4),

- des moyens (5) de contrôle de la circulation de l'encre et de la tête d'impression.

15. Procédé de formation de gouttes d'encre, dans lequel on met en oeuvre un dispositif selon l'une des revendications 1 à 13 ou une machine selon la revendication 14.

Dessins