CH677755A5 - - Google Patents
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Description
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CH 677 755 A5
Description
Là présente invention se rapporte à un procédé pour propulser des gouttelettes d'un liquide conducteur de l'électricité, selon lequel on dispose dans ce liquide l'extrémité d'une première électrode dont la section est approximativement de l'ordre de grandeur de celles des gouttelettes, cette extrémité affleurant un support isolant recouvert dudit liquide, on dispose dans ce liquide, une seconde électrode dont une surface sensiblement plus grande que celle de ladite extrémité de la première électrode est en contact avec lui, et on relie ces deux électrodes aux bornes d'un générateur d'impulsions pour provoquer un échauffement résistif du liquide à proximité immédiate de ladite extrémité, apte à vaporiser un certain volume dudit liquide susceptible de produire une force capable de propulser une gouttelette de ce liquide.
Une structure susceptible de mettre en œuvre un tel procédé est décrite dans le EP-B1 0 106 802. L'étude du mode d'alimentation d'une telle structure a montré que les résultats et tes rendements varient sensiblement suivant le mode d'alimentation choisi. C'est ainsi que, dans le FR 2 092 577 on a proposé de relier deux électrodes plongées dans de l'encre liquide à une source de haute tension pour former un circuit de décharge de manière à créer une étincelle qui engendre une surpression à l'intérieur du liquide, provoquant son éjection à travers une ouverture. Un tel mode d'alimentation comporte des inconvénients liés à l'utilisation d'une source à haute tension le principal inconvénient provenant cependant du faible rendement résultant de ce mode de propulsion des gouttelettes de liquide.
L'utilisation de tensions beaucoup plus basses a montré qu'il est également possible de propulser des gouttelettes de liquide en engendrant au sein du liquide une force consécutive à la vaporisation d'un certain volume de liquide au voisinage de l'extrémité d'une électrode affleurant la surface d'un support isolant recouvert du liquide dont on veut propulser des gouttelettes. L'étude détaillée du phénomène a montré sur la base de mesures, qu'il existe une certaine plage de tensions pour lesquelles un certain volume de liquide est vaporisé. Toutefois, la seule vaporisation de ce liquide obéissant à la loi d'Ohm n'est pas suffisante pour produire l'énergie de propulsion nécessaire de là gouttelette. On a constaté alors que si la tension est suffisante, dès que le courant tend à s'interrompre, il se rétablit brusquement consécutivement à ce qu'on peut interpréter comme une sorte de ionisation de la vapeur du liquide,
Si ce mode de propulsion s'est révélé efficace et d'un rendement relativement bon par rapport à d'autres modes de propulsion de gouttelettes à la demande, utilisés en particulier dans les systèmes d'impression à jet d'encre, on a également constaté une mauvaise reproductibiIité de la phase que l'on peut appeler «ionisante» du processus de propulsion, qui se traduit par une grande disparité de la taille des gouttelettes, qui peut varier du simple au double en tout cas, entre la projection de deux gouttelettes successives. 11 est bien évident qu'une telle variation n'est pas souhaitable, notamment lorsque ces gouttelettes sont destinées à former des caractères dans un système d'impression à jet d'encre.
Le but de la présente invention est de remédier, au moins en partie aux inconvénients sus-mentionnés.
A cet effet, la présente invention a pour objet un procédé pour propulser des gouttelettes d'un liquide conducteur de l'électricité selon la revendication 1.
Les essais effectués à l'aide de ce procédé ont montré qu'il permet de contrôler la taille des gouttelettes propulsées dans des limites, suffisant notamment aux besoins d'une imprimante.
Le dessin annexé illustre, schématiquement et à titre d'exemple, une forme d'éxécution et des variantes d'un dispositif et de son circuit d'alimentation, pour la mise en oeuvre du procédé objet de la présente invention.
La fig. 1 est une vue en coupe d'un dispositif pour la mise en œuvre de ce procédé.
Les fig. 2 et 3 sont deux diagrammes tension-courant en fonction du temps entre les électrodes»
La fig. 4 et un schéma d'un circuit d'alimentation du dispositif de la fig. 1.
Les fig. 5 et 6 sont deux schémas de deux variantes du circuit de la fig. 4.
Le dispositif illustré par la fig. 1, correspond à celui qui est décrit et illustré dans le EP-B1 0 106 802 auquel on pourra se référer pour davantage de détails. Ce dispositif comporte une première électrode 1 constituée par un mince fit d'un métal bon conducteur de l'électricité et en un métal résistant à la corrosion, noyé dans un support isolant 2. L'extrémité de cette électrode 1 affleure la surface de ce support 2. Une membrane 3 qui peut être métallique est percée d'une ouverture 4, disposée coaxialement à l'électrode 1 et servant à la projection de gouttelettes d'un liquide 5, qui remplit l'espace entre la membrane 3 et le support isolant 2 constituant le réservoir du liquide. Une seconde électrode 6, dont la surface en contact avec le liquide est sensiblement supérieure à celle de l'extrémité de l'électrode 1, est disposée quelque part dans le volume de liquide 5.
A titre d'exemple, des tests ont été réalisés avec une membrane 3 de 40 um à 50 um d'épaisseur, l'ouverture 4 ayant un diamètre de 80 um à 100 um la membrane 3 étant à 40 um du support 2, l'électrode 1 étant constituée par un fit d'acier inoxydable ou de platine de 20 um de diamètre. D'autres dimensionne-ments et différents matériaux ont été utilisés de même qu'on a mis l'électrode 1 à une polarité positive ou négative changeant ainsi le sens du courant. En considérant le fait que l'encre conductrice se comporte comme un électrolyte, si la polarité de l'électrode 1 est positive, elle reçoit de l'oxygène et est ainsi soumise à un risque élevé de corrosion. Dans le cas inverse, l'électrode 1 devient la cathode et elle reçoit de l'hydrogène ou du métal. Ces tests ont été réalisés avec des encres dont les résistivités se situent
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entre 40 Ohm-cm et 560 Ohm-cm et la tension d'alimentation des électrodes s'est située entre 100 et 700 volts.
Lorsque la tension est relativement basse, c'est-à-dire dans les conditions sus-mentionnées, de l'ordre de 100V, on constate une diminution du courant, comme le montre la courbe du diagramme de la fig. 2b. Cette diminution du courant devrait correspondre à la vaporisation de l'encre en contact avec l'extrémité de l'électrode 1. L'énergie produite par cette phase de chauffage purement résistive est insuffisante pour provoquer l'éjection d'une gouttelette de liquide. Par ailleurs, le changement de phase du liquide à proximité de l'extrémité de l'électrode 1 explique la chute du courant mesurée.
Lorsqu'on augmente la tension d'alimentation des électrodes 1 et 6, on voit apparaître, après une chute du courant (fig. 3b) une brusque augmentation de ce courant accompagné d'une tension à peu près stable (fig. 3a) voir diminuant. Ce phénomène qui a été observé de façon régulière n'obéit plus du tout à la loi d'Ohm et peut être assimilé à un courant consécutif à une sorte d'ionisation de la vapeur de liquide. Les observations effectuées au cours des nombreux essais ont permis d'affirmer que cette seconde phase, provoquant un surchauffage consécutivement à l'établissement d'un courant ionique, semble absolument indispensable pour obtenir l'énergie capable de provoquer la projection d'une gouttelette de liquide.
Parmi tous les nombreux paramètres intervenant dans le processus de projection de gouttelettes, la phase de surchauffage obtenue grâce à une augmentation de courant constitue celui qui influe le plus sur le résultat obtenu. Toutefois, ce courant est fortement dépendant du niveau de ionisation, de sorte que l'énergie correspondante peut être très variable. Par conséquent, la formation et la dimension des gouttelettes peut également varier dans les mêmes proportions, ce qui constitue un inconvénient important de ce processus de projection de gouttelettes, la régularité étant évidemment un facteur de qualité, notamment dans le cadre d'un processus d'impression.
C'est précisément ce problème que l'invention a pour objet de résoudre en limitant le courant et par conséquent l'énergie durant cette seconde phase du processus de projection de gouttelettes, afin de stabiliser la formation des gouttelettes et d'en réduire et régulariser la taille.
La fig. 4, illustre le circuit du générateur d'impulsions électriques utilisé pour produire les courtes impulsions de tension d'une durée de 5 à 10 micro-secondes et d'une tension de préférence entre 400 et 600 volts.
Pour produire les impulsions à partir d'une source basse tension de 10 à 20 volts, ce circuit comporte un transformateur élévateur TR dont le rapport entre le secondaire S400 et le primaire P10 est ici de 40, à savoir 400 spires pour le secondaire et 10 pour le primaire.
Le primaire P10 de ce transformateur est alimenté en impulsions par un générateur G qui délivre des impulsions de la durée désirée, ici de 5 à 10 us à la base d'un transistor à effet de champ T1.
En vue de faire travailler le transformateur avec des impulsions symétriques, le circuit d'alimentation du primaire P10 du transformateur TR comporte trois diodes en série D1, D2, D3 avec une résistance R12Ö0 et un condensateur C2(iF. Ces diodes en série avec la résistance R1200 produisent une polarisation d'environ 1,5 V stockée dans le condensateur C2nF. Lorsque l'impulsion du générateur G amplifiée par le transistor T1 se termine, le condensateur C2^iF se décharge avec un courant de sens inverse dirigé dans le sens de la flèche CD qui passe par la résistance R120 et repolarise le transformateur TR pour la prochaine impulsion du générateur G.
Pour rendre le courant aux bornes du secondaire S400 indépendant de la charge qui peut être très variable dans la vapeur de liquide ionisée, comme on l'a expliqué précédemment, un circuit de limitation de courant est associé au secondaire S400.
La partie de ce circuit comprenant une résistance R1M en série avec une résistance R5K en parallèle avec une diode Zener est connectée à la base d'un transistor T2. Grâce à la diode Zener, la tension de polarisation e0 de ce transistor est maintenue constante. Son émetteur est alors à un potentiel e'0 correspondant à la tension e0 moins la tension du transistor qui est ici de 0,2 V. La tension e0 correspond à:
e'o = R3 -1
e'0 e0 - 0,2
donc, I = =
R3 R3
En choisissant convenablement la valeur de e0 qui est donnée par la diode Zener DZ, et la valeur de la résistance R3 on obtient un courant l0 constant. Par exemple avec:
e0 = 1,2 volts R3 = 100 Ohms la == 10 mA
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on peut obtenir le même courant de 10 mA avec et> = 10,2 volts et R3 = 1000 ohms. Grâce à cette limitation du courant d'alimentation des électrodes 1 et 6, l'énergie W dans la décharge est limitée à une valeur fixe:
T
W = J vidt o
V=tension d'ionisation -3V0
T
W = V0 f idt
Si l'on veut définir l'énergie, il faut utiliser un circuit fournissant, a priori, une tension plus élevée que Vo, par exemple Vo+50 ou 100 volts et mettre en série sur la source donnant cette tension, le circuit décrit ci-dessus, limitant le courant à une valeur fixe f0, de sorte que
W = VoloT
Une autre solution donnant un résultat moins précis mais qui peut être suffisant, consisterait à utiliser une impédance série, par exemple une résistance égale à la résistance de l'électrode 1.
Le circuit de la fig. 4 a été testé avec succès en limitant la valeur du courant Io à 30 ma. A cet effet on a réalisé des tests comparatifs avec et sans limitation de courant. On a mesuré d'une part l'énergie de la phase 2 de surchauffage produisant la projection des gouttelettes et le diamètre des gouttelettes obtenues. Les tests ont été réalisés avec un dispositif comportant une électrode 1 de 12 jim de diamètre, en platine et une ouverture 4 de 80 jxm de diamètre et de 40 um de longueur. Le tableau ci-dessous indique les résultats obtenus dans les deux cas:
avec limitation du courant sans limitation du courant
Energie de dimension surGhauffage gouttelettes
(mîcrojoules) ftim)
30 100-120
30-80 100-200
Ces résultats montrent bien que la limitation de l'énergie de surchauffage correspondant à la deuxième phase du processus de projection des gouttelettes permet d'obtenir une bonne régularité de la taille des gouttelettes, alors que sans cette limitation, cette taille varie du simple au double. II est évident, notamment dans le cadre d'un dispositif d'impression à jet d'encre à la demande, que cette maîtrise de la taille des gouttelettes constitue un facteur de qualité essentiel. Bien entendu, une quantité d'autres paramètres interviennent dans le processus de formation des gouttelettes. Toutefois ces paramètres n'ont pas une influence marquante sur la régularité de la taille des gouttelettes. Par conséquent, ces autres paramètres interviennent avant tout dans le choix initial au moment de la conception du dispositif de projection. Par contre, et quels que soient les paramètres adoptés, l'instabilité du processus de projection intervient et est inhérente à ce processus, tant que l'énergie de la phase de surchauffage de la vapeur de liquide n'est pas limitée. Il s'avère donc que, dans le contexte du procédé de propulsion de gouttelettes décrit, cette limitation est un élément déterminant de régularité inhérent au fait que seule la phase de surchauffage de la vapeur de liquide est capable de produire une énergie suffisante pour projeter des gouttelettes, mais que le courant dans ce milieu en phase vapeur est extrêmement variable d'une fois à l'autre, engendrant des niveaux d'énergie susceptibles de varier dans un rapport approximatif de 1 à 3.
Il existe évidemment d'autres moyens pour limiter ou définir l'énergie pendant l'impulsion de propulsion d'une gouttelette. C'est ainsi que l'on peut utiliser un élément de stockage d'énergie intermédiaire tel qu'un condensateur ou une inductance.
Un circuit permettant de limiter ou de définir l'énergie délivrée à l'aide d'un condensateur C est illustré par la fig» 5. Une résistance R est choisie pour que le condensateur C se charge lentement à une tension V choisie supérieure à la tension d'ionisation V0. Lorsque le transìstor T conduit, le condensateur C se décharge dans le liquide conducteur propulser entre les électrodes 1 et 6, au moyen du courant 1
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jusqu'au moment où la tension devient inférieure à la tension d'ionisation V0. A ce moment, le transistor T cesse de conduire et le courant I se coupe. L'énergie délivrée est alors égaie à:
1/2 C (V2-V20)
La fig. 6 illustre le cas d'un circuit utilisant une inductance L pour limiter l'énergie délivrée.
Entre les impulsions de propulsion des gouttelettes, le transistor T conduit et un courant I » V/R s'établit dans l'inductance L. Pour produire l'impulsion apte à propulser une gouttelette de liquide à travers l'ouverture 4, le transistor T est alors coupé, provoquant au point A du circuit une élévation de tension suffisante pour rétablir le courant à travers le liquide vaporisé grâce à l'ionisation. Le courant de décharge de l'inductance L continue jusqu'à ce que toute l'énergie stockée ait disparu. L'énergie fournie correspond alors à: 1/2 LI2.
Claims (6)
1. Procédé pour propulser des gouttelettes d'un liquide conducteur de l'électricité, selon lequel on dispose dans ce liquide l'extrémité d'une première électrode dont la section est approximativement de l'ordre de grandeur de celle des gouttelettes, cette extrémité affleurant un support isolant recouvert dudit liquide, on dispose dans ce liquide une seconde électrode dont une surface sensiblement plus grande que celle de ladite extrémité de la première électrode est en contact avec lui, et on relie ces deux électrodes aux bornes d'un générateur d'impulsions pour provoquer un échauffement résistif du liquide à proximité immédiate de ladite extrémité, apte à vaporiser un certain volume dudit liquide susceptible de produire une force capable de propulser une gouttelette de ce liquide, caractérisé par le fait qu'une fois ledit volume de liquide vaporisé, tendant à engendrer une coupure du courant, on fixe le potentiel à une valeur apte à ioniser la vapeur dudit volume de liquide vaporisé et on limite simultanément le courant traversant ce volume de liquide vaporisé au-dessous d'un seuil déterminé, pour produire au sein de ce volume une énergie contrôlée de surchauffage.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on choisit la tension de l'impulsion d'alimentation au-dessus de la tension d'ionisation de la vapeur dudit liquide pour provoquer automatiquement cette ionisation après la chute du courant consécutive à la vaporisation dudit volume de liquide.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que pour limiter le courant de l'impulsion d'alimentation on définit une tension constante sur la base d'un transistor et on met en série une résistance avec son émetteur, dont la valeur est choisie pour que le courant apparaissant au collecteur et qui correspond au quotient du potentiel de l'émetteur par cette résistance, ne dépasse pas une valeur déterminée.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'on connecte la base du transistor entre deux résistances en série reliant les deux bornes de la source d'impulsion et que l'on dispose une diode Zener en parallèle avec la résistance qui va de la base du transistor à la borne négative de ladite source.
5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que pour limiter l'énergie de l'impulsion d'alimentation, on dispose un condensateur entre la première et la seconde électrode, on contrôle la décharge de ce condensateur à l'aide d'un transistor dont le seuil de conduction est fixé au-dessus de la tension d'ionisation de ladite vapeur et sa charge à l'aide d'une résistance.
6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que pour limiter l'énergie de l'impulsion d'alimentation, on place une inductance en série avec un transistor disposé entre les deux électrodes, on ferme ce transistor pour charger l'inductance entre les impulsions d'alimentation puis, au moment d'une impulsion, on coupe ce transistor pour faire monter la tension à la sortie de l'inductance à une valeur supérieure à la tension d'ionisation dudit volume de liquide vaporisé permettant au courant de se rétablir et à l'inductance de se décharger.
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1989
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- 1989-10-02 US US07/415,913 patent/US5001496A/en not_active Expired - Fee Related
- 1989-10-04 JP JP1257984A patent/JPH02150358A/ja active Pending
Patent Citations (3)
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Also Published As
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|---|---|
| EP0363325A1 (fr) | 1990-04-11 |
| JPH02150358A (ja) | 1990-06-08 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PL | Patent ceased | ||
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