JP7286394B2 - 液体吐出ヘッド、液体吐出モジュール、液体吐出装置および液体吐出方法 - Google Patents

Description

本発明は、液体吐出ヘッド、液体吐出モジュール、液体吐出装置および液体吐出方法に関する。

特許文献１には、吐出媒体となる液体と発泡媒体となる液体を界面で接触させ、熱エネルギの付与によって発泡媒体内に生成された泡の成長に伴って吐出媒体を吐出させる液体吐出ユニットが開示されている。特許文献１によれば、吐出媒体を吐出した後に、吐出媒体と発泡媒体を加圧して流れを形成することにより、吐出媒体と発泡媒体の界面を液流路内で安定させる方法が説明されている。

特開平６－３０５１４３号公報

しかしながら特許文献１のように、吐出動作の度に吐出媒体や発泡媒体を加圧して２液の界面を形成する構成では、繰り返しの吐出動作において界面が不安定になりやすい。結果、吐出される液滴に含まれる媒体成分がばらついたり吐出量や吐出速度がばらついたりして、吐出媒体を付与することによって得られる出力物の品位が損なわれるおそれが生じる。

本発明は、上記問題点を解消するためになされたものである。よってその目的とするところは、吐出動作が行われても吐出媒体と発泡媒体の界面を安定させ、良好な吐出性能を維持することが可能な液体吐出ヘッドを提供することである。

そのために本発明は、第１の液体と第２の液体が流動する圧力室と、前記第１の液体を加圧する圧力発生素子と、前記第２の液体を吐出する吐出口と、前記圧力室に前記第１の液体を流入するための第１の流入口と、前記圧力室から前記第１の液体を流出するための第１の流出口と、前記圧力室に前記第２の液体を流入するための第２の流入口と、前記圧力室から前記第２の液体を流出するための第２の流出口と、を備える液体吐出ヘッドにおいて、前記圧力室において、前記第１の液体は、前記吐出口から前記第２の液体が吐出される方向と交差する方向に前記圧力発生素子に接して流動し、前記第２の液体が、前記交差する方向に前記第１の液体と沿って流動している状態で、前記圧力発生素子が前記第１の液体を加圧することによって、前記第２の液体は前記吐出口から吐出されることを特徴とする。

本発明によれば、吐出動作が行われても吐出媒体と発泡媒体の界面位置を安定させ、良好な吐出性能を維持することが可能となる。

吐出ヘッドの斜視図である。 液体吐出装置の制御構成を説明するためのブロック図である。 液体吐出モジュールにおける素子基板の断面斜視図である。 第１の実施形態における液流路及び圧力室の拡大詳細図である。 粘度比と水相厚比の関係、及び圧力室の高さと流速の関係を示す図である。 流量比と水相厚比の関係を示す図である。 吐出動作の過渡状態を模式的に示す図である。 水相厚比を変化させた場合の吐出液滴を示す図である。 水相厚比を変化させた場合の吐出液滴を示す図である。 水相厚比を変化させた場合の吐出液滴を示す図である。 流路（圧力室）の高さと水相厚比の関係を示す図である。 水の含有率と発泡圧力の関係を示す図である。 第２の実施形態における液流路及び圧力室の拡大詳細図である。 第３の実施形態における素子基板の断面斜視図である。 第３の実施形態における液流路及び圧力室の拡大詳細図である。 第３の実施形態における吐出状態を模式的に示す図である。 第３の実施形態における水相厚比を変化させた図である。 第４の実施形態における液流路及び圧力室の拡大詳細図である。 第４の実施形態における水相厚比を変化させた場合の吐出状態図である。 第５の実施形態における液流路及び圧力室の拡大詳細図である。 第５の実施形態における水相厚比を変化させた場合の吐出状態図である。

（第１の実施形態）
（液体吐出ヘッドの構成）
図１は、本発明で使用可能な液体吐出ヘッド１の斜視図である。本実施形態の液体吐出ヘッド１は、複数の液体吐出モジュール１００がｘ方向に配列されて構成される。個々の液体吐出モジュール１００は、複数の吐出素子が配列された素子基板１０と、個々の吐出素子に電力と吐出信号を供給するためのフレキシブル配線基板４０とを有している。フレキシブル配線基板４０のそれぞれは、電力供給端子と吐出信号入力端子が配された電気配線基板９０に共通して接続されている。液体吐出モジュール１００は、液体吐出ヘッド１に対し簡易的に着脱することができる。よって、液体吐出ヘッド１には、これを分解することなく、任意の液体吐出モジュール１００を外部から容易に取りつけたり取り外したりすることができる。

このように、液体吐出モジュール１００を長手方向に複数配列（複数個が配列）させて構成される液体吐出ヘッド１であれば、何れかの吐出素子に吐出不良が生じた場合であっても、吐出不良が生じた液体吐出モジュールのみを交換すればよい。よって、液体吐出ヘッド１の製造工程における歩留まりを向上させるとともに、ヘッド交換時のコストを抑えることができる。

（液体吐出装置の構成）
図２は、本発明に使用可能な液体吐出装置２の制御構成を示すブロック図である。ＣＰＵ５００は、ＲＯＭ５０１に記憶されているプログラムに従いＲＡＭ５０２をワークエリアとして使用しながら、液体吐出装置２の全体を制御する。ＣＰＵ５００は、例えば、外部に接続されたホスト装置６００より受信した吐出データに、ＲＯＭ５０１に記憶されているプログラムおよびパラメータに従って所定のデータ処理を施し、液体吐出ヘッド１が吐出可能な吐出信号を生成する。そして、この吐出信号に従って液体吐出ヘッド１を駆動しながら、搬送モータ５０３を駆動して液体の付与対象媒体を所定の方向に搬送することにより、液体吐出ヘッド１から吐出された液体を付与対象媒体に付着させる。

液体循環ユニット５０４は、液体吐出ヘッド１に液体を循環させながら供給し、液体吐出ヘッド１における液体の流動制御を行うためのユニットである。液体循環ユニット５０４は、液体を貯留するサブタンク、サブタンクと液体吐出ヘッド１の間で液体を循環させる流路や、複数のポンプ、吐出ヘッド１内を流れる液体の流量を調整するための流量調整ユニットなどを備えている。そして、ＣＰＵ５００の指示の下、液体吐出ヘッド１において液体が所定の流量で流れるように、上記複数の機構を制御する。

（素子基板の構成）
図３は、個々の液体吐出モジュール１００に備えられた素子基板１０の断面斜視図である。素子基板１０は、シリコン（Ｓｉ）基板１５上にオリフィスプレート１４（吐出口形成部材）が積層されて構成されている。図３では、ｘ方向に配列された吐出口１１は、同種類の液体（例えば共通のサブタンクや供給口から供給される液体）を吐出する。ここではオリフィスプレート１４が液流路１３も形成した例を示しているが、液流路１３は別の部材（流路壁部材）で形成し、その上に吐出口１１が形成されたオリフィスプレート１４が設けられた構成であってもよい。

シリコン基板１５上の、個々の吐出口１１に対応する位置には圧力発生素子１２（図３では不図示）が配されている。吐出口１１と圧力発生素子１２とは、対向する位置に設けられている。吐出信号に応じて電圧が印加されると、圧力発生素子１２は、液体を流動方向（ｙ方向）と交差するｚ方向へ加圧し、圧力発生素子１２と対向する吐出口１１から、液体が液滴として吐出される。圧力発生素子１２への電力や駆動信号は、シリコン基板１５上に配された端子１７を介して、フレキシブル配線基板４０（図１参照）より供給される。

オリフィスプレート１４には、ｙ方向に延在し、吐出口１１の夫々に個別に接続する複数の液流路１３が形成されている。また、ｘ方向に配列する複数の液流路１３は、第１の共通供給流路２３、第１の共通回収流路２４、第２の共通供給流路２８及び第２の共通回収流路２９と、共通して接続されている。第１の共通供給流路２３、第１の共通回収流路２４、第２の共通供給流路２８及び第２の共通回収流路２９における液体の流れは、図２で説明した液体循環ユニット５０４によって制御されている。具体的には、第１の共通供給流路２３から液流路１３に流入した第１の液体が第１の共通回収流路２４に向かい、第２の共通供給流路２８から液流路１３に流入した第２の液体が第２の共通回収流路２９に向かうように制御されている。

図３では、このようなｘ方向に配列する吐出口１１および液流路１３と、これらに共通してインクを供給したり回収したりする第１、第２の共通供給流路２３、２８、及び第１、第２の共通回収流路２４、２９の組が、ｙ方向に２列配置された例を示している。なお、図３においては、圧力発生素子１２と対向する位置、すなわち気泡の成長方向に吐出口が配置される構成を示したが、本実施形態はこれに限られることはない。例えば、気泡の成長方向と直交するような位置に吐出口を設けてもよい。

（液流路及びの構成）
図４（ａ）～（ｄ）は、素子基板１０に形成された１つの液流路１３及び圧力室１８の構成を詳しく説明するための図である。図４（ａ）は吐出口１１の側（＋ｚ方向側）から見た透視図、図４（ｂ）は図４（ａ）に示すＩＶｂ－ＩＶｂの断面図である。また、図４（ｃ）は図３で示した素子基板における１つの液流路１３近傍の拡大図である。更に、図４（ｄ）は、図４（ｂ）における吐出口近傍の拡大図である。

液流路１３の底部に相当するシリコン基板１５には、第２の流入口２１、第１の流入口２０、第１の流出口２５、第２の流出口２６が、ｙ方向においてこの順に形成されている。そして、吐出口１１と連通し、圧力発生素子１２を含む圧力室１８は、液流路１３中で第１の流入口２０と第１の流出口２５のほぼ中央に配されている。第２の流入口２１は第２の共通供給流路２８に、第１の流入口２０は第１の共通供給流路２３に、第１の流出口２５は第１の共通回収流路２４に、第２の流出口２６は第２の共通回収流路２９に、それぞれ接続している（図３参照）。

以上の構成のもと、第１の共通供給流路２３より第１の流入口２０を介して液流路１３に供給された第１の液体３１は、ｙ方向（矢印で示す方向）に流動し、圧力室１８を経由した後、第１の流出口２５を介して第１の共通回収流路２４に回収される。また、第２の共通供給流路２８より第２の流入口２１を介して液流路１３に供給された第２の液体３２は、ｙ方向（矢印で示す方向）に流動し、圧力室１８を経由した後、第２の流出口２６を介して第２の共通回収流路２９に回収される。即ち、液流路１３のうち、第１の流入口２０と第１の流出口２５の間では第１の液体と第２の液体の両方が共にｙ方向に流動する。

圧力室１８の中では、圧力発生素子１２は第１の液体３１と接触し、吐出口１１の近傍では大気に曝された第２の液体３２がメニスカスを形成している。圧力室１８の中では、圧力発生素子１２と、第１の液体３１と、第２の液体３２と、吐出口１１とが、この順で並ぶように、第１の液体３１と第２の液体３２とが流れている。即ち、圧力発生素子１２がある側が下方、吐出口１１がある側が上方とすると、第１の液体３１上に第２の液体３２が流れている。そして、第１の液体３１及び第２の液体３２は、下方の圧力発生素子１２によって加圧され、下方から上方に向けて吐出される。尚、この上下の方向が、圧力室１８及び液流路１３の高さ方向である。

本実施形態では、第１の液体３１と第２の液体３２が、図４（ｄ）に示すように、圧力室の中で互いに接触しながら沿うように流れるように、第１の液体３１の流量と第２の液体の流量を、第１の液体３１の物性および第２の液体３２の物性に応じて調整する。なお、第１の実施形態及び第２の実施形態において、第１の液体及び第２の液体及び第３の液体は同じ方向にそれぞれ流動させているが、本発明はこれに限られることはない。すなわち、第１の液体の流動方向に対して第２の液体が反対向きに流動してもよい。また、第１の液体の流れと第２の液体の流れが直交するように、流路を設けてもよい。また、液流路（圧力室）の高さ方向において、第１の液体の上に第２の液体が流動するように液体吐出ヘッドを構成したが、本発明はこれに限られることはない。すなわち、第３の実施形態のように、液流路（圧力室）の底面に第１の液体及び第２の液体が共に接するように流動してもよい。

このような２つの液体の流れとしては、図４（ｄ）に示すような２つの液体が同じ方向に流動する平行流だけでなく、第１の液体の流動方向に対して第２の液体が反対向きに流動する対向流、第１の液体の流れと第２の液体の流れが交差する液体の流れがある。以下、この中で平行流を例にとって説明する。

平行流の場合、第１の液体３１と第２の液体３２の界面が乱れないこと、すなわち第１の液体３１と第２の液体３２が流動する圧力室１８内の流れが層流状態であること、が好ましい。特に、所定の吐出量を維持するなど、吐出性能を制御しようとする場合には、界面が安定している状態で圧力発生素子を駆動することが好ましい。但し、本発明はこれに限定されるものではない。圧力室１８内の流れが乱流状態となって２つの液体の界面が多少乱れたとしても、少なくとも圧力発生素子１２の側を主として第１の液体が流動し、吐出口１１の側を主として第２の液体が流動している状態であれば、圧力発生素子１２を駆動してもよい。以下では、圧力室内の流れが平行流であって、かつ、層流状態となっている例を中心に説明する。

（層流となっている平行流の形成条件）
まず、管内において液体が層流となる条件について説明する。一般に、流れを評価する指標として、粘性力と界面張力の比を表すレイノルズ数Ｒｅが知られている。

ここで、液体の密度をρ、流速をｕ、代表長さをｄ、粘度をη、表面張力をγとすると、レイノルズ数Ｒｅは（式１）で表すことが出来る。
Ｒｅ＝ρｕｄ／η （式１）

ここで、レイノルズ数Ｒｅが小さいほど、層流が形成されやすいことが知られている。具体的には、例えばレイノルズ数Ｒｅが２２００程度より小さいと円管内の流れは層流となり、レイノルズ数Ｒｅが２２００程度より大きいと円管内の流れは乱流となることが知られている。

流れが層流になるということは、流線が流れの進行方向に対して互いに平行となり交わらないことになる。従って、接触する２つの液体がそれぞれ層流であれば、２つの液体の界面が安定して形成された平行流を形成することができる。

ここで、一般的なインクジェット記録ヘッドについて考えると、液流路（圧力室）における吐出口近傍の流路高さ（圧力室の高さ）Ｈ［μｍ］は１０～１００μｍ程度である。よって、インクジェット記録ヘッドの液流路に水（密度ρ＝１．０×１０３ｋｇ/ｍ³、粘度η＝１．０ｃＰ）を流速１００ｍｍ／ｓで流した場合、レイノルズ数はＲｅ＝ρｕｄ／η≒０．１～１．０＜＜２２００となり、層流が形成されるとみなすことができる。

なお、図４に示すように、本実施形態の液流路１３や圧力室１８の断面が矩形であったとしても、液体吐出ヘッドでは液流路１３や圧力室１８の高さや幅は十分小さい。この為、液流路１３や圧力室１８は円管と同等に、即ち液流路や圧力室１８の高さを円管の直径として扱うことができる。

（層流状態の平行流の理論的な形成条件）
次に、図４（ｄ）を参照しながら、液流路１３及び圧力室１８の中で２種類の液体の界面が安定している平行流を形成する条件について説明する。まず、シリコン基板１５からオリフィスプレート１４の吐出口面までの距離をＨ［μｍ］、吐出口面から第１の液体３１と第２の液体３２の液液界面までの距離（第２の液体の相厚）をｈ₂［μｍ］とする。また、液液界面からシリコン基板１５までの距離（第１の液体の相厚）をｈ₁［μｍ］とする。即ち、Ｈ＝ｈ₁＋ｈ₂となる。

ここで、液流路１３及び圧力室１８内の境界条件として、液流路１３及び圧力室１８の壁面における液体の速度はゼロとする。また、第１の液体３１と第２の液体３２の液液界面の速度とせん弾応力は、連続性を有するものと仮定する。この仮定において、第１の液体３１と第２の液体３２が２層の平行な定常流を形成しているとすると、平行流区間では（式２）に示す４次方程式が成立する。

なお、（式２）において、η₁は第１の液体の粘度、η₂は第２の液体の粘度、Ｑ₁は第１の液体の流量、Ｑ₂は第２の液体の流量をそれぞれ示している。即ち、上記４次方程式（式２）の成立範囲で、第１の液体と第２の液体は、それぞれの流量と粘度に応じた位置関係となるように流動し、界面が安定した平行流が形成される。本発明では、この第１の液体と第２の液体の平行流を、液流路１３内、少なくとも圧力室１８内で形成することが好ましい。このような平行流が形成された場合、第１の液体と第２の液体はその液液界面において分子拡散による混合が起こるのみであり、実質的に交じり合うことなくｙ方向に平行に流れる。なお、本発明は、圧力室１８内の一部の領域における液体の流れが層流状態となっていなくてもよい。少なくとも圧力発生素子上の領域を流れる液体の流れが層流状態となっていることが好ましい。

例えば、水と油のような不混和性溶媒を第１の液体と第２の液体として用いる場合であっても、（式２）が満足されれば、互いに不混和であることとは関係なく安定した平行流が形成される。また、水と油の場合であっても、前述したように、圧力室内の流れが多少乱流状態であって界面が乱れたとしても、少なくとも圧力発生素子上を主に第１の液体が流動し、吐出口内を主に第２の液体が流動していることが好ましい。

図５（ａ）は、（式２）に基づいて、粘度比η_r＝η₂/η₁と第１の液体の相厚比ｈ_r＝ｈ₁/（ｈ₁＋ｈ₂）の関係を、流量比Ｑ_r＝Ｑ₂/Ｑ₁を複数段階に異ならせた場合について示した図である。尚、第１の液体は水に限定されないが、「第１の液体の相厚比」を以下「水相厚比」と称する。横軸は粘度比η_r＝η₂/η₁、縦軸は水相厚比ｈ_r＝ｈ₁/（ｈ₁＋ｈ₂）をそれぞれ示している。流量比Ｑ_rが大きくなるほど、水相厚比ｈ_rは小さくなっている。また、いずれの流量比Ｑ_rについても、粘度比η_rが大きくなるほど水相厚比ｈ_rは小さくなっている。即ち、液流路１３（圧力室）における水相厚比ｈ_r（第１の液体と第２の液体の界面位置）は、第１の液体と第２の液体の粘度比η_r及び流量比Ｑ_rを制御することによって所定の値に調整することができる。その上で、図によれば、粘度比η_rと流量比Ｑ_rとを比較した場合、流量比Ｑ_rの方が粘度比η_rよりも水相厚比ｈ_rに大きく影響することがわかる。

ここで、図５（ａ）に示す状態Ａ、状態Ｂ、状態Ｃは、それぞれ以下の状態を示す。
状態Ａ）粘度比η_r＝１及び流量比Ｑ_r＝１の場合で水相厚比ｈ_r＝０．５０
状態Ｂ）粘度比η_r＝１０及び流量比Ｑ_r＝１の場合で水相厚比ｈ_r＝０．３９
状態Ｃ）粘度比η_r＝１０及び流量比Ｑ_r＝１０の場合で水相厚比ｈ_r＝０．１２

図５（ｂ）は、液流路１３（圧力室）の高さ方向（ｚ方向）における流速分布を上記状態Ａ、Ｂ、Ｃのそれぞれについて示した図である。横軸は状態Ａの流速最大値を１（基準）として規格化した規格化値Ｕｘを示している。縦軸は、液流路１３（圧力室）の高さＨを１（基準）とした場合の底面からの高さを示している。夫々の状態を示す曲線においては、第１の液体と第２の液体の界面位置をマーカーで示している。状態Ａの界面位置が状態Ｂや状態Ｃの界面位置よりも高いなど、界面位置が状態によって変化することがわかる。これは、異なる粘度を有する２種類の液体がそれぞれ層流となって（全体としても層流で）管内を平行に流れる場合、これら２つの液体の界面は、これら液体の粘度差に起因する圧力差と界面張力に起因するラプラス圧が釣り合う位置に形成されるためである。

（流量比と水相厚比の関係）
図６は、（式２）のもと、流量比Ｑ_rと水相厚比ｈ_rの関係を、粘度比がη_r＝１の場合とη_r＝１０の場合について示す図である。横軸は流量比Ｑ_r＝Ｑ₂/Ｑ₁を示し、縦軸は水相厚比ｈ_r＝ｈ₁/（ｈ₁＋ｈ₂）を示している。流量比Ｑ_r＝０とはＱ₂＝０の場合に相当し、液流路は第１の液体のみで満たされ第２の液体が存在せず、水相厚比はｈ_r＝１となる。図のＰ点がこの状態を示している。

Ｐ点の位置よりＱ_rを大きく（即ち第２の液体の流量Ｑ₂を０よりも大きく）すると、水相厚比ｈ_r即ち第１の液体の水相厚ｈ₁は小さくなり、第２の液体の水相厚ｈ₂は大きくなる。つまり、第１の液体のみが流れる状態から、第１の液体と第２の液体とが界面を介して平行に流れる状態に移行する。そしてこのような傾向は、第１の液体と第２の液体の粘度比がη_r＝１の場合であってもη_r＝１０の場合であっても、同様に確認することができる。

すなわち、液流路１３において第１の液体と第２の液体が界面を介して沿うように流れる状態となるためには、Ｑ_r＝Ｑ₂/Ｑ₁＞０であること、つまり Ｑ₁＞０ 且つ Ｑ₂＞０が成立していることが求められる。これは、第１の液体と第２の液体が共にｙ方向へ同一方向に流動していることを意味している。

（吐出動作の過渡状態）
次に、平行流が形成された液流路１３及び圧力室１８における吐出動作の過渡状態について説明する。図７（ａ）～（ｅ）は、流路（圧力室）高さがＨ［μｍ］＝２０μｍ、オリフィスプレートの厚みがＴ＝６μｍである液流路１３に、粘度比がη_r＝４の第１の液体と第２の液体で平行流を形成した状態で吐出動作を行った場合の過渡状態を模式的に示す図である。

図７（ａ）は、圧力発生素子１２に電圧が印加される前の状態を示している。ここでは、共に流動する第１の液体のＱ₁と第２の液体のＱ₂を調整することにより、水相厚比がη_r＝０．５７（即ち第１の液体の水相厚がｈ₁［μｍ］＝６μｍ）となる位置で界面位置が安定した状態を示している。

図７（ｂ）は、圧力発生素子１２に電圧が印加され始めた状態を示している。本実施形態の圧力発生素子１２は電気熱変換体（ヒータ）である。即ち、圧力発生素子１２は、吐出信号に応じて電圧パルスが印加されることにより急激に発熱し、接触する第１の液体中に膜沸騰を生じさせる。図では、膜沸騰によって泡１６が生成された状態を示している。泡１６が生成された分、第１の液体３１と第２の液体３２の界面はｚ方向（圧力室の高さ方向）に移動し、第２の液体３２は吐出口１１よりｚ方向に押し出されている。

図７（ｃ）は、膜沸騰によって発生した泡１６の体積が増大し、第２の液体３２は吐出口１１より更にｚ方向に押し出された状態となっている。

図７（ｄ）は、泡１６が大気に連通した状態を示している。本実施形態においては泡１６が最大に成長した後の収縮段階において、吐出口１１から圧力発生素子１２側に移動した気液界面と泡１６とが連通する。

図７（ｅ）は、液滴３０が吐出された状態を示している。図７（ｄ）のように泡１６が大気に連通したタイミングにおいて既に吐出口１１より突出している液体は、その慣性力によって液流路１３から離脱し、液滴３０となってｚ方向へ飛翔する。一方、液流路１３においては、吐出によって消費された分の液体が、液流路１３の毛細管力によって吐出口１１の両側から供給され、吐出口１１には再びメニスカスが形成される。そして、再び図７（ａ）に示すような、ｙ方向に流動する第１の液体と第２の液体の平行流が形成される。

このように、本実施形態においては、第１の液体と第２の液体が平行流として流動している状態で、図７（ａ）～（ｅ）に示す吐出動作を行う。再度図２を参照しながら具体的に説明すると、ＣＰＵ５００は、液体循環ユニット５０４を用いて、第１の液体の流量および第２の液体の流量を一定に保ちつつこれら液体を吐出ヘッド１内で循環させる。そして、そのような制御を持続しながら、ＣＰＵ５００は、吐出データに従って吐出ヘッド１に配された個々の圧力発生素子１２に電圧を印加する。なお、吐出される液体の量によっては、第１の液体の流量および第２の液体の流量は常に一定とは限られない場合もある
なお、液体が流動している状態で吐出動作を行う場合、液体の流動が吐出性能に影響を与えることが懸念される場合がある。しかし、一般的なインクジェット記録ヘッドにおいて、液滴の吐出速度は数ｍ/ｓ～十数ｍ/ｓのオーダーであり、数ｍｍ/ｓ～数ｍ/ｓのオーダーである液流路内の流動速度に比べて遥かに大きい。よって、第１の液体と第２の液体が数ｍｍ/ｓ～数ｍ/ｓで流動した状態で吐出動作が行われても、吐出性能が影響を受けるおそれは少ない。

本実施形態では泡１６と大気とが圧力室１８内で連通する構成を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、泡１６が吐出口１１の外側（大気側）で大気と連通しても良く、また、泡１６が大気と連通することなく消泡する形態であっても良い。

（吐出液滴に含まれる液体の割合）
図８（ａ）～（ｇ）は、流路（圧力室）高さがＨ［μｍ］＝２０μｍの液流路１３（圧力室）において、水相厚比ｈ_rを段階的に変化させた場合の吐出液滴を比較する図である。図８（ａ）～（ｆ）は水相厚比ｈ_rを０．１０ずつ増大させ、図８（ｆ）から（ｇ）においては水相厚比ｈ_rを０．５０増大させている。なお、図８における吐出液滴は、第１の液体の粘度を１ｃＰ、第２の液体の粘度を８ｃＰ、液滴の吐出速度を１１ｍ/ｓとして、シミュレーションを行った際に得られた結果をもとに示したものである。

図４（ｄ）で示す水相厚比ｈ_r（＝ｈ₁/（ｈ₁＋ｈ₂））が０に近いほど第１の液体３１の水相厚ｈ₁は小さく、水相厚比ｈ_rが１に近いほど第１の液体３１の水相厚ｈ₁は大きい。このため、吐出液滴３０に主として含まれるのは、吐出口１１に近い第２の液体３２であるが、水相厚比ｈ_rが１に近づくほど、吐出液滴３０に含まれる第１の液体３１の割合も増加する。

流路（圧力室）高さがＨ［μｍ］＝２０μｍである図８（ａ）～（ｇ）の場合、水相厚比がｈ_r＝０．００、０．１０、０．２０では第２の液体３２のみが吐出液滴３０に含まれ、第１の液体３１は吐出液滴３０に含まれない。しかし、水相厚比がｈ_r＝０．３０以降では第２の液体３２とともに第１の液体３１も吐出液滴３０に含まれ、水相厚比がｈ_r＝１．００（即ち第２の液体が存在しない状態）では第１の液体３１のみが吐出液滴３０に含まれる状態となる。このように、吐出液滴３０に含まれる第１の液体３１と第２の液体３２の割合は、液流路１３における水相厚比ｈ_rによって変化する。

一方、図９（ａ）～（ｅ）は、流路（圧力室）高さがＨ［μｍ］＝３３μｍの液流路１３において、水相厚比ｈ_rを段階的に変化させた場合の吐出液滴３０を比較する図である。この場合、水相厚比がｈ_r＝０．３６までは第２の液体３２のみが吐出液滴３０に含まれ、水相厚比がｈ_r＝０．４８以降では第２の液体３２とともに第１の液体３１も吐出液滴３０に含まれている。

また、図１０（ａ）～（ｃ）は、流路（圧力室）高さがＨ［μｍ］＝１０μｍの液流路１３において、水相厚比ｈ_rを段階的に変化させた場合の吐出液滴３０を比較する図である。この場合、水相厚比がｈ_r＝０．１０であっても、第１の液体３１が吐出液滴３０に含まれてしまっている。

図１１は、吐出液滴３０に第１の液体３１が含まれる割合Ｒを固定した場合の流路（圧力室）高さＨと水相厚比ｈ_rの関係を、上記割合Ｒを０％、２０％、４０％とした場合について示す図である。いずれの割合Ｒにおいても、流路（圧力室）高さＨが大きいほど求められる水相厚比ｈ_rも大きくなる。なお、ここで言う第１の液体３１が含まれる割合Ｒとは、吐出液滴のうち、液流路１３（圧力室）において第１の液体３１として流れていた液体が含まれる割合を示す。よって、第１の液体と第２の液体のそれぞれが例えば水のような同じ成分を含んでいたとしても、第２の液体に含まれていた水については上記割合に無論含まれない。

吐出液滴３０に第２の液体３２のみを含ませ第１の液体を含ませないようにする場合（Ｒ＝０％）、流路（圧力室）高さＨ［μｍ］と水相厚比ｈ_rの関係は図の実線で示す軌跡となる。本発明者らの検討によれば、水相厚比ｈ_rは、（式３）に示す流路（圧力室）高さＨ［μｍ］の一次関数で近似することができる。

また、吐出液滴３０に第１の液体を２０％含ませようとする場合（Ｒ＝２０％）、水相厚比ｈ_rは、（式４）に示す流路（圧力室）高さＨ［μｍ］の一次関数で近似することができる。

更に、吐出液滴３０に第１の液体を４０％含ませようとする場合（Ｒ＝４０％）、本発明者らの検討によれば、水相厚比ｈ_rは、（式５）に示す流路（圧力室）高さＨ［μｍ］の一次関数で近似することができる。

例えば、吐出液滴３０に第１の液体が含まれないようにする場合、流路（圧力室）高さＨ［μｍ］が２０μｍであれば水相厚比ｈ_rは０．２０以下に調整することが求められる。また、流路（圧力室）高さＨ［μｍ］が３３μｍであれば水相厚比ｈ_rは０．３６以下に調整することが求められる。更に、流路（圧力室）高さＨ［μｍ］が１０μｍであれば水相厚比ｈ_rはほぼゼロ（０．００）に調整することが求められる。

但し、水相厚比ｈ_rをあまり小さくすると、第１の液体に対する第２の液体の粘度η₂や流量Ｑ₂を増大させる必要が生じ、圧力損失の増大に伴う弊害が懸念される。例えば、再度図５（ａ）を参照すると、水相厚比ｈ_r＝０．２０を実現する場合、粘度比η_r＝１０では流量比はＱ_r＝５となる。また、同じインク（即ち同じ粘度比η_r）を用いつつ、第１の液体を吐出させないことの確実性を得るために、水相厚比を仮にｈ_r＝０．１０に設定すると、流量比はＱ_r＝１５となる。即ち、水相厚比ｈ_rを０．１０に調整する場合は、水相厚比ｈ_rを０．２０に調整する場合に比べて流量比Ｑ_rを３倍にすることが必要となり、圧力損失の増加およびこれに伴う弊害が懸念される。

以上のことより、圧力損失をなるべく小さく抑えながら、第２の液体３２のみを吐出させようとする場合、水相厚比ｈ_rは上記条件の下、なるべく大きな値に調整することが好ましい。再度図１１を参照して具体的に説明すると、例えば流路（圧力室）高さがＨ［μｍ］＝２０μｍの場合、水相厚比ｈ_rは０．２０よりも小さく、且つなるべく０．２０に近い値に調整することが好ましい。また、流路（圧力室）高さがＨ［μｍ］＝３３μｍの場合、水相厚比ｈ_rは０．３６よりも小さく、且つなるべく０．３６に近い値に調整することが好ましい。

尚、上記（式３）、（式４）、（式５）は、一般的な液体吐出ヘッド、即ち吐出液滴の吐出速度が１０ｍ/ｓ～１８ｍ/ｓの範囲である液体吐出ヘッドにおける数値である。また、圧力発生素子と吐出口とが対向する位置にあり、圧力室の中で、圧力発生素子と第１の液体と第２の液体と吐出口とがこの順で並ぶように、第１の液体と第２の液体とが流れていることを前提とした数値である。

このように、本実施形態によれば、液流路１３（圧力室）における水相厚比ｈ_rを所定の値に設定し界面を安定させることにより、第１の液体と第２の液体が一定の割合で含まれる液滴の吐出動作を安定して行うことが可能となる。

ところで、以上のような吐出動作を安定した状態で繰り返し行うためには、目的の水相厚比ｈ_rを実現しつつ、この界面位置を吐出動作の頻度に関わらず安定させておくことが求められる。

ここで、再度図４（ａ）～（ｃ）を参照しながら、このような状態を実現するための具体的方法を説明する。例えば、液流路１３（圧力室）における第１の液体の流量Ｑ₁を調整するためには、第１の流出口２５の圧力が第１の流入口２０の圧力よりも低くなるような第１の圧力差生成機構を用意すればよい。このようにすれば、第１の流入口２０から第１の流出口２５に（ｙ方向）に向かう第１の液体３１の流れを生成することができる。また、第２の流出口２６の圧力が第２の流入口２１の圧力よりも低くなるような第２の圧力差生成機構を用意すればよい。このようにすれば、第２の流入口２１から第２の流出口２６に（ｙ方向）に向かう第２の液体３２の流れを生成することができる。

そして、液路内で逆流を生じさせないために（式６）の関係を維持した状態で、第１の圧力差生成機構と第２の圧力差生成機構を制御すれば、液流路１３において所望の水相厚比ｈ_rでｙ方向に流動する第１の液体と第２の液体の平行流を形成することができる。
Ｐ２in≧Ｐ１in＞Ｐ１out≧Ｐ２out （式６）

ここで、Ｐ１inは第１の流入口２０の圧力、Ｐ１outは第１の流出口２５の圧力、Ｐ２inは第２の流入口２１の圧力、Ｐ２outは第２の流出口２６の圧力、をそれぞれ示している。このように、第１及び第２の圧力差生成機構を制御することにより液流路（圧力室）において所定の水相厚比ｈ_rを維持することができれば、吐出動作に伴って界面位置が乱れても、短時間で好適な平行流を復元し次の吐出動作を即座に開始することが可能となる。

（第１の液体と第２の液体の具体例）
以上説明した本実施形態の構成では、第１の液体は膜沸騰を生じさせるための発泡媒体、第２の液体は吐出口から外部に吐出するための吐出媒体、というようにそれぞれに求められる機能が明確になる。本実施形態の構成によれば、第１の液体および第２の液体に含有させる成分の自由度を従来よりも高めることができる。以下、このような構成における発泡媒体（第１の液体）と吐出媒体（第２の液体）について、具体例を挙げて詳しく説明する。

本実施形態の発泡媒体（第１の液体）としては、電気熱変換体が発熱した際に発泡媒体中に膜沸騰が生じ、生成された気泡が急激に増大すること、即ち熱エネルギを効率的に発泡エネルギに変換可能な高い臨界圧力を有することが求められる。このような媒体としては、特に水が好適である。水は、分子量が１８と小さいにも関わらず高い沸点（１００℃）と高い表面張力（１００℃で５８．８５ｄｙｎｅ／ｃｍ）を有し、約２２ＭＰａと大きな臨界圧力を有する。即ち、膜沸騰時における発泡圧力も非常に大きい。一般に、膜沸騰を利用してインクを吐出する方式のインクジェット記録装置においても、染料や顔料のような色材を水に含有させたインクを好適に用いている。

但し、発泡媒体は水に限定されるものではない。臨界圧力が２ＭＰａ以上であれば（好ましくは５ＭＰａ以上であれば）、発泡媒体としての機能を果すことはできる。水以外の発泡媒体の例としては、例えばメチルアルコールやエチルアルコールが挙げられ、水にこれら液体を混合させたものを発泡媒体として用いることもできる。また、上述のように染料や顔料などの色材や、その他の添加剤などを水に含有させたものも用いることができる。

一方、本実施形態の吐出媒体（第２の液体）については、発泡媒体のように膜沸騰を生じさせるための物性は要求されない。また、電気熱変換体（ヒータ）上にコゲが付着すると、ヒータ表面の平滑性が損なわれたり熱伝導率が低下したりして発泡効率の低下が懸念されるが、吐出媒体はヒータに直に接触しないので、含有する成分が焦げるおそれも少ない。即ち、本実施形態の吐出媒体においては、従来のサーマルヘッドのインクに比べ膜沸騰を生じさせたりコゲを回避したりするための物性条件が緩和され、含有成分の自由度が増し、結果として吐出後の用途に適した成分をより積極的に含有させることが可能となる。

例えば、ヒータ上で焦げ易いことを理由に従来は使用されていなかった顔料を、本実施形態では吐出媒体に積極的に含有させることができる。また、臨界圧力が非常に小さな水性インク以外の液体も、本実施形態では吐出媒体として使用することができる。更に、紫外線硬化型インク、導電性インク、ＥＢ（電子線）硬化型インク、磁性インク、ソリッド型インクなど、従来のサーマルヘッドでは対応困難であった特別な機能を有する様々なインクを、吐出媒体として用いることが可能となる。また、吐出媒体として血液や培養液中の細胞などを用いれば、本実施形態の液体吐出ヘッドを画像形成以外の様々な用途に利用することもできる。バイオチップ作製や電子回路印刷などの用途にも有効である。

特に、第１の液体（発泡媒体）を水又は水に類似した液体、第２の液体（吐出媒体）を水よりも粘度の高い顔料インクとして第２の液体のみを吐出させる形態は、本実施形態の有効な用途の１つである。このような場合も、図５（ａ）で示したように、流量比Ｑ_r＝Ｑ₂/Ｑ₁をなるべく小さくして水相厚比ｈ_rを抑えることが有効である。尚、第２の液体については制限がないので、第１の液体で挙げたような液体と同じ液体を用いることもできる。例えば２つの液体がいずれも水を多く含有したインクであっても、例えば使用の形態といった状況に応じて、一方のインクを第１の液体、他方のインクを第２の液体として用いることができる。

（２つの液体の平行流が必要とされる吐出媒体）
吐出すべき液体が既に決まっている場合、液流路（圧力室）に２つの液体を平行流となるように流動させる必要があるか否かは、吐出すべき液体の臨界圧力に応じて決定してもよい。例えば、吐出すべき液体の臨界圧力が不十分である場合のみ、吐出すべき液体を第２の液体とし第１の液体としての発泡媒体を用意すればよい。

図１２（ａ）および（ｂ）は、水にジエチレングリコール（ＤＥＧ）を混合させた場合の、水の含有率と膜沸騰時の発泡圧力の関係を示す図である。図１２（ａ）において横軸は液体に対する水の質量比率（質量％）を示し、同図（ｂ）において横軸は液体に対する水のモル比率を示している。

両図から分かるように、水の含有量（含有割合）が少なくなるほど膜沸騰時の発泡圧力が少なくなっている。即ち、水の含有量が少なくなるほど発泡圧力が低下し、吐出効率が低下する。但し、水の分子量（１８）はジエチレングリコールの分子量（１０６）に比べて十分小さいので、水の質量比率が４０ｗｔ％程度であっても、モル比率では０．９程度であり、発泡圧力比は０．９を維持している。一方、水の質量比率が４０ｗｔ％よりも小さくなると、図１２（ａ）および（ｂ）からも分かるように、発泡圧力比はモル濃度と共に急激に低下する。

以上より、水の質量比率が４０ｗｔ％未満の場合は、発泡媒体としての第１の液体を別に用意し、液流路（圧力室）においてこれら２つの液体の平行流を形成することが好ましい。このように、吐出すべき液体が既に決まっている場合、液流路（圧力室）に平行流を形成する必要があるか否かは、吐出すべき液体の臨界圧力（または膜沸騰時の発泡圧力）に応じて決定することができる。

（吐出媒体の一例としての紫外線硬化型インク）
一例として、本実施形態の吐出媒体として使用可能な紫外線硬化型インクの好ましい成分構成について説明する。紫外線硬化型インクは１００％ソリッド型である、溶剤を含まず重合性反応成分からなるインクと、溶剤型である水または溶剤を希釈剤として含むインクに分類することができる。近年多く用いられている紫外線硬化型インクは、溶剤を含まず非水系の光重合性反応成分（モノマーもしくはオリゴマー）からなる１００％ソリッド型紫外線硬化型インクである。構成はモノマーを主要成分として含有し、これに光重合開始剤、色材、分散剤、界面活性剤などのその他添加剤を少量含む。その比率は概ねモノマーが８０～９０ｗｔ％、光重合開始剤が５～１０ｗｔ％、色材が２～５ｗｔ％、残りがその他添加剤という構成である。このように、従来のサーマルヘッドでは対応困難であった紫外線硬化型インクであっても、本実施形態の吐出媒体として用いれば、安定した吐出動作によって液体吐出ヘッドから吐出させることができる。これにより、従来よりも画像の堅牢性や耐擦過性に優れた画像を印刷することが可能となる。

（吐出液滴を混合液とする例）
次に、吐出液滴３０に、第１の液体３１と第２の液体３２を所定の割合で混合した状態で吐出する場合について説明する。例えば、第１の液体３１と第２の液体３２を異なる色のインクとした場合、双方の液体の粘度及び流量に基づいて算出したレイノルズ数が所定の値より小さい関係を満たしていれば、これらインクは液流路１３及び圧力室１８の中で混色することなく層流となる。即ち、液流路及び圧力室の中における第１の液体３１と第２の液体３２の流量比Ｑ_rを制御することにより、水相厚比ｈ_rひいては吐出液滴における第１の液体３１と第２の液体３２の混合比を所望の割合に調整することができる。

例えば、第１の液体をクリアインク、第２の液体をシアンインク（或はマゼンタインク）とすれば、流量比Ｑ_rを制御することにより様々な色材濃度のライトシアンインク（或はライトマゼンタインク）を吐出することができる。また、第１の液体をイエローインク、第２の液体をマゼンタインクとすれば、流量比Ｑ_rを制御することにより、色相が段階的に異なる複数種類のレッドインクを吐出することができる。即ち、第１の液体と第２の液体が所望の割合で混合された液滴を吐出することができれば、その混合比を調整することにより、印刷媒体で表現される色再現範囲を従来よりも拡大することができる。

また、吐出直前まで混合させず吐出直後より混合させることが好ましい２種類の液体を用いる場合にも、本実施形態の構成は有効である。例えば、画像印刷においては、発色性に優れた高濃度顔料インクと、耐擦過性のような堅牢性に優れた樹脂ＥＭ（樹脂エマルジョン）を印刷媒体に同時に付与することが好ましい場合がある。しかしながら、顔料インクに含まれる顔料成分と樹脂ＥＭに含まれる固形分は粒子間距離が近接すると凝集しやすく分散性が損なわれる傾向がある。よって、本実施形態の第１の液体を高濃度樹脂ＥＭ（エマルジョン）とし、第２の液体を高濃度顔料インクとしながら、これら液体の流速を制御することによって平行流を形成すれば、２つの液体は吐出後の印刷媒体上で混合し凝集する。即ち、高い分散性の下で好適な吐出状態を維持しながら、着弾後においては高い発色性と高い堅牢性を有する画像を得ることが可能となる。

なお、このような吐出後の混合を目的とする場合には、圧力発生素子の形態によらず、圧力室内において２つの液体を流動させることの有効性が発揮されることになる。即ち、例えば圧力発生素子としてピエゾ素子を用いる構成のように、臨界圧力の制限やコゲの問題がそもそも提起されないような構成であっても、本発明は有効に機能する。

以上説明したように、本実施形態によれば、第１の液体と第２の液体を液流路（圧力室）において所定の水相厚比ｈ_rを保ちながら定常的に流動させる状態において、圧力発生素子１２を駆動することにより、良好な吐出動作を安定して行うことが可能となる。

液体を定常的に流動させている状態で圧力発生素子１２を駆動することにより、液体の吐出の際には安定した界面を形成することができる。液体の吐出動作の際に液体が流動していないと、気泡の発生により界面が乱れやすく、記録品位にも影響が及ぶ。本実施形態のように、液体を流動させながら圧力発生素子１２を駆動することにより、気泡の発生による界面の乱れを抑制することできる。安定した界面が形成されることにより、例えば、吐出液体に含まれる各種液体の含有割合が安定し、記録品位も良好となる。また、圧力発生素子１２の駆動前から液体を流動させ、吐出の際においても液体を流動させているため、液体を吐出した後に液流路（圧力室）に再びメニスカスを形成するための時間を短縮することができる。また、液体の流動は、圧力発生素子１２の駆動信号が入力される前に、液体循環ユニット５０４に搭載されているポンプなどにより行う。したがって、少なくとも液体の吐出直前には液体は流動している。

圧力室の中を流れる第１の液体や第２の液体は、圧力室の外部との間で循環してもよい。循環を行わない場合には、液流路及び圧力室の中で平行流を形成した第１の液体及び第２の液体のうち、吐出されなかった液体が多く発生してしまう。この為、第１の液体や第２の液体を外部との間で循環させると、吐出されなかった液体を再び平行流を形成する為に使用することができる。

（第２の実施形態）
本実施形態においても、図１～図３に示した吐出ヘッド１および液体吐出装置を使用する。

図１３（ａ）～（ｄ）は、本実施形態における液流路１３の構成を示す図である。第１の実施形態で説明した液流路１３と異なる点は、液流路１３に第１の液体３１と第２の液体３２に加えて第３の液体３３を流していることである。第３の液体を圧力室内に流動させることにより、前述したような、臨界圧力の大きい発泡媒体を第１の液体とし、第２の液体および第３の液体には異なる色のインクや高濃度樹脂ＥＭ等を採用することができる。

本実施形態において、液流路１３の底部に相当するシリコン基板１５には、第２の流入口２１、第３の流入口２２、第１の流入口２０、第１の流出口２５、第３の流出口２７、第２の流出口２６が、ｙ方向においてこの順に形成されている。そして、吐出口１１と圧力発生素子１２を含む圧力室１８は、第１の流入口２０と第１の流出口２５のほぼ中央に配されている。

第１の流入口２０を介して液流路１３に供給された第１の液体３１は、ｙ方向（矢印で示す方向）に流動した後、第１の流出口２５より流出される。また、第２の流入口２１を介して液流路１３に供給された第２の液体３２は、ｙ方向（矢印で示す方向）に流動した後、第２の流出口２６より流出される。第３の流入口２２を介して液流路１３に供給された第３の液体３３は、ｙ方向（矢印で示す方向）に流動した後、第３の流出口２７より流出される。即ち、液流路１３のうち、第１の流入口２０と第１の流出口２５の間は第１の液体３１と第２の液体３２と第３の液体３３が共にｙ方向に流動する。圧力発生素子１２は第１の液体３１と接触し、吐出口１１の近傍では大気に曝された第２の液体３２がメニスカスを形成し、第３の液体３３は第１の液体３１と第２の液体３２との間を流動している。

本実施形態において、ＣＰＵ５００は、液体循環ユニット５０４を介して第１の液体３１の流量Ｑ₁、第２の液体の流量Ｑ₂、第３の液体の流量Ｑ₃を制御し、図１３（ｄ）に示すような三層の平行流を定常的に形成する。そして、そのような三層の平行流が形成された状態で、吐出ヘッド１の圧力発生素子１２を駆動し、吐出口１１より液滴を吐出させる。このようにすれば、吐出動作によって界面位置が乱れたとしても、短時間で図１３（ｄ）に示すような三層の平行流が復元され、次の吐出動作を即座に開始することが可能となる。結果、第１～第３の液体を所定の割合で含む液滴の吐出動作を良好に維持し、好適な出力物を得ることが可能となる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について、図１４ないし図２１を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態と同様の箇所については同一の符号を付し、説明は省略する。本実施形態の特徴は、圧力室１８内を第１の液体と第２の液体がｘ方向に並んで流動している状態で圧力発生素子１２を駆動することである。本実施形態においても、図１～図２に示した液体吐出ヘッド１および液体吐出装置を使用する。

図１４は、本実施形態における素子基板５０の断面斜視図である。実際には後述する図１５に示すような構造であるが、ここでは素子基板５０における流れの全体像を説明するため、第２の流入口２１および第２の流出口２６まわりの構造を一部省略した素子基板５０を示している。液流路１３には、第１の共通供給流路２３、第１の共通回収流路２４、第２の共通供給流路２８及び第２の共通回収流路２９が共通して接続されている。第１の共通供給流路２３、第１の共通回収流路２４、第２の共通供給流路２８及び第２の共通回収流路２９における液体の流れは、本実施形態においても、図１で説明した液体循環ユニット５０４によって制御されている。具体的には、第１の共通供給流路２３から液流路１３に流入した第１の液体が第１の共通回収流路２４に向かい、第２の共通供給流路２８から液流路１３に流入した第２の液体が第２の共通回収流路２９に向かうように制御されている。

（第３の実施形態における液流路の構成）
図１５は、シリコン基板１５に形成された１つの液流路１３の構成を詳しく説明するための図である。図１５（ａ）は吐出口１１の側（＋ｚ方向側）から液流路を見た透視図、図１５（ｂ）は同図（ａ）のＸＶｂ断面を示した斜視図である。更に、図１５（ｃ）は、同図（ａ）におけるＸＶｃ断面の拡大図である。

シリコン基板１５には、第１の流入口２０、第２の流入口２１、第２の流出口２６、第１の流出口２５が、ｙ方向においてこの順に形成されている。そして、第１の流入口２０と第２の流入口２１とはｘ方向にずれてシリコン基板１５に形成されており、第２の流出口２６と第１の流出口２５も同様にｘ方向にずれてシリコン基板１５に形成されている。第１の流入口２０は第１の共通供給流路２３に、第１の流出口２５は第１の共通回収流路２４に、第２の流入口２１は第２の共通供給流路２８に、第２の流出口２６は第２の共通回収流路２９に、それぞれ接続されている（図１４参照）。

このような構成にすることにより、第１の共通供給流路２３から第１の流入口２０を介して液流路１３に供給された第１の液体３１は、ｙ方向（実線矢印で示す）に流動した後、第１の流出口２５から第１の共通回収流路２４に回収される。一方、第２の共通供給流路２８から液流路１３に供給された第２の液体３２は一度-ｘ方向に流動し、その後、流れの向きをｙ方向に変えて流動する（破線矢印で示す）。そして、第２の流出口２６から第２の共通回収流路２９に回収される。

ｙ方向において、第２の流入口２１よりも上流側の位置では、第１の流入口２０より流入した第１の液体が幅方向（ｘ方向）の全領域を占めて流動している。第２の液体３２を第２の流入口２１からまず－ｘ方向に流動させることにより、第１の液体３１の流れを部分的に押しのけ、流れの幅を狭くすることができる。その結果、図１５（ａ）や（ｃ）に示すように、第１の液体３１と第２の液体３２とが液流路のｘ方向に並んで流動する状態を形成することができる。

ここで、圧力発生素子１２と吐出口１１はｘ方向に互いにずれて形成されている。詳しくは、圧力発生素子１２が、吐出口１１に対し第１の液体３１が流動している側にずれて形成されている。これにより、圧力発生素子１２の側では主に第１の液体３１が流動し、吐出口１１の側では主に第２の液体３２が流動する。したがって、第１の液体３１に圧力発生素子１２による圧力を加えることにより、界面を介して加圧された第２の液体を吐出口１１から吐出することができる。

本実施形態では、前述したような、圧力発生素子１２上には第１の液体３１が流動し、吐出口１１には第２の液体が流動するように、第１の液体３１の物性および第２の液体３２の物性に応じて第１の液体３１の流量と第２の液体の流量を調整する。

（第３の実施形態における層流状態の平行流の理論的な形成条件）
次に、第１の液体と第２の液体がｘ方向に並んで流動する平行流を実現するための条件について、図１５（ｃ）を参照しながら説明する。図１５（ｃ）において、液流路１３のｘ方向の距離（流れの幅）をＷとする。また、液流路１３の壁面から第１の液体３１と第２の液体３２の液液界面までの距離（第２の液体の水相厚）をｗ₂、液液界面から反対の液流路壁面までの距離（第１の液体の水相厚）をｗ₁とする。即ち、Ｗ＝ｗ₁＋ｗ₂となる。ここで、第１の実施形態と同様に、液流路１３及び圧力室１８内の境界条件として、液流路１３及び圧力室１８の壁面における液体の速度はゼロとし、第１の液体３１と第２の液体３２の液液界面の速度とせん弾応力は、連続性を有するものと仮定する。この仮定において、第１の液体３１と第２の液体３２がｘ方向に並んで流動する平行な定常流を形成しているとすると、平行流区間では既に説明した（式２）に示す４次方程式が成立する。本実施形態では、（式２）に示すＨがＷに、ｈ₁がｗ₁に、ｈ₂がｗ₂にそれぞれ該当する。よって、第１の実施形態と同様に、第１の液体の粘度η₁および流量Ｑ₁と第２の液体の粘度η₂および流量Ｑ₂の比である粘度比η_r＝η₂／η₁および流量比Ｑ_r＝Ｑ₂／Ｑ₁によって水相厚比ｈ_r＝ｗ₁／（ｗ₁＋ｗ₂）を調整することができる。また、同様に、液流路１３において第１の液体と第２の液体が界面を介して平行に流れる状態となるためには、Ｑ_r＝Ｑ₁／Ｑ₁＞０であること、つまり Ｑ₁＞０ 且つ Ｑ₂＞０が成立していることが求められる。

（第３の実施形態における吐出動作の過渡状態）
次に、第３の実施形態における吐出動作の過渡状態について、図１６を参照しながら説明する。図１６は流路高さ（ｚ方向の長さ）がＨ［μｍ］＝２０μｍ、オリフィスプレートの厚みがＴ＝６μｍである液流路１３に、粘度比がη_r＝４の第１の液体と第２の液体を流動させた状態で、吐出動作を行った場合の過渡状態を模式的に示す図である。図１６では、時間の経過に沿った吐出過程を、（ａ）から（ｈ）に順番に示している。第１の液体３１と第２の液体３２の層厚を調整し、圧力発生素子１２の有効領域には第１の液体３１のみが接するようにした。また、吐出口１１内は第２の液体３２のみで満たされるようにした。この状態で吐出動作を行うと、圧力発生素子１２と接する第１の液体３１が発泡し気泡１６が生じることによって吐出口１１から液体を吐出させることができる。吐出液滴３０は主に吐出口内を満たしていた第２の液体３２が占めているが、気泡１６によって押し出された第１の液体３１もある程度含んでいる。この気泡１６によって押し出される第１の液体３１の量は水相厚比ｈ_rを変化させることで調整することができる。

次に、吐出液滴に含まれる第１の液体および第２の液体の割合について、図１７を参照しながら説明する。水相厚比ｈ_r（＝ｗ₁／（ｗ₁＋ｗ₂））が０に近いほど第１の液体３１の水相厚ｗ₁は小さく、水相厚比ｈ_rが１に近いほど第１の液体３１の水相厚ｗ₁は大きい。水相厚比ｈ_rが０に近い場合、気泡１６によって押し出される第１の液体３１の量は少なくなるため、吐出液滴３０に主として含まれるのは、吐出口１１内を占める第２の液体３２となる。一方、水相厚比ｈ_rがある程度大きい場合、図１７（ａ）に示すように第１の液体が吐出口１１内に入るようになるということと、気泡１６によって押し出される第１の液体３１が増えるために、吐出液滴３０に含まれる第１の液体３１の割合は増える。なお、図１７（ａ）のおいては、第１の液体３１と第２の液体３２との界面を簡略化して示している。

このように、吐出液滴３０に含まれる第１の液体３１と第２の液体３２の割合は、液流路１３における水相厚比ｈ_rによって変化する。例えば、第１の液体３１を発泡媒体として吐出液滴３０の主成分を第２の液体３２としたい場合、図１５（ｃ）に示すように、吐出口１１内を第２の液体のみにするように水相厚比ｈ_rを調整することが求められる。但し、水相厚比ｈ_rをあまり小さくすると、図１７（ｂ）に示すように圧力発生素子１２が第２の液体３２と接する割合が増え、圧力発生素子１２に第２の液体３２による焦げが付着することで発泡が不安定化する懸念が生じる。さらに、圧力発生素子１２と第１の液体３１の接触面積が減ると発泡エネルギが低下することから吐出効率が低下し、それに伴う弊害が生じることも懸念される。よって、安定な吐出を保つためには、水相厚比ｈ_rを調整して圧力発生素子１２と接する第２の液体３２の量を抑えることが求められる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態について、図１８および図１９を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態と同様の箇所については同一の符号を付し、説明は省略する。本実施形態の特徴は、第１の液体３１に第２の液体３２が挟まれるように第１の液体３１および第２の液体が流動していることである。本実施形態においても、図１～図２に示した液体吐出ヘッド１および液体吐出装置を使用する。図１８（ａ）は吐出口１１の側（＋ｚ方向側）から本実施形態にかかる液流路を見た透視図、図１８（ｂ）は同図（ａ）のＸＶＩＩＩｂ断面を示した斜視図である。更に、図１８（ｃ）は、同図（ａ）におけるＸＶＩＩＩｃ断面の拡大図である。

本実施形態においては、第１の液体３１が第１の流入口２０から液流路１３に流入し第２の流入口２１から流入する第２の液体３２と合流する際に、図１８（ａ）に示す矢印Ａのように第２の液体の流れを避けるよう第２の液体３２と流路壁の間を流れる。第２の液体３２は第２の流入口２１から流入し、第２の流出口２６に向かって流れる。その結果、図１８（ｃ）に示すよう第２の液体３２を挟むように流路壁から第１の液体３１、第２の液体３２、第１の液体３１の順に液液界面が形成される。複数の圧力発生素子１２を吐出口１１に対してｘ方向に対称となるようシリコン基板１５に配置することで、２つの圧力発生素子１２はそれぞれ第１の液体３１と接し、吐出口１１は主に第２の液体３２で満たされる。この状態で圧力発生素子１２を駆動すると、それぞれの圧力発生素子１２に接する第１の液体３１が発泡し、吐出口から第２の液体３２を主成分とする液滴を吐出することができる。また、圧力発生素子１２が吐出口１１に対して対称に配置されていることから、吐出液滴３０をｘ方向において対称的な形状で飛ばすことこができ高品位な記録が可能となる。図１８（ｃ）に記載の界面形状では第２の液体３２が第１の液体３１に挟まれる構成となるため式（式２）に示す水相厚と流量の関係が厳密には当てはまらないが、傾向として各液相の流量に比例して水相厚は変化する。つまり、第１の液体３１と第２の液体３２の粘度が同程度である場合に、第２の液体３２の相厚を厚くしたい場合には、第２の液体３２の流量を上げることで流量比Ｑ_rが上がり相厚を厚くする方向へ変化させることができる。

次に、本実施形態における液体の吐出過程について、図１９を参照しながら説明する。図１９（ａ）～（ｃ）は流路高さ１４μｍ、オリフィスプレートの厚みが６μｍ、吐出口の直径を１０μｍとした時に第１の液体３１と第２の液体３２の相厚比を変化させた場合の吐出過程を示した図である。それぞれの図において、時間の経過に伴う吐出過程を、上から下に順番に示している。

図１９（ａ）は、第２の液体３２の相厚が吐出口直径の１０μｍよりも小さくなるよう調整した場合の吐出過程を示している。吐出口１１内には第２の液体３２と第１の液体３１の両方が存在している。この状態で吐出動作を行うと、圧力発生素子１２と接触する第１の液体３１が発泡することで液体を吐出することができる。吐出口１１内に第１の液体と第２の液体の両方が存在することから、吐出液滴３０は両者の混合液体となる。

図１９（ｂ）は、第２の液体３２の相厚を吐出口の直径１０μｍと一致するよう調整した場合の吐出過程を示している。この状態で吐出動作を行うと、圧力発生素子と接する第１の液体が発泡することで液体を吐出することができる。吐出液滴３０は主に吐出口内に存在した第２の液体３２が占めることになるが、発泡によって第１の液体３１も吐出液滴として押し出される。よって吐出液滴は、図１９（ａ）よりも第１の液体が占める割合が少ない第２の液体と第１の液体との混合液体となる。

図１９（ｃ）は、第２の液体３２の相厚を１２μｍとし、吐出口１１の直径よりも大きくなるよう調整した場合の吐出過程を示している。圧力発生素子１２は第１の液体のみと接する位置に配置され、第１の液体が発泡することで液体を吐出することができる。吐出口１１から吐出口内とその近傍にある第２の液体３２が押し出され、吐出液滴３０はほとんど第２の液体３２で占められる。このように第２の液体３２の相厚を調整することで吐出液滴３０に占める成分を調整することができる。特に、吐出液滴３０を第２の液体のみにする場合には図１９（ｃ）で示すように吐出口径よりも相厚を厚くすることが有効である。しかし、第２の液体の相厚を大きくすることで第２の液体３２が圧力発生素子１２に触れると、圧力発生素子１２に第２の液体による焦げが付着し発泡が不安定化する懸念がある。さらに、圧力発生素子１２と第１の液体の接触面積が減ると発泡エネルギが低下することから吐出効率が低下しそれに伴う弊害が懸念される。よって、第２の液体３２と第１の液体３１の液液界面の位置は図１９（ｃ）に示すように、吐出口から圧力発生素子までの間に位置するようにすることが好ましい。

（第５の実施形態）
第５の実施形態について、図２０および図２１を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態と同様の箇所については同一の符号を付し、説明は省略する。本実施形態の特徴は、第１の液体３１に第２の液体３２が挟まれるように第１の液体３１および第２の液体が流動していることである。この際、圧力発生素子１２は、シリコン基板１５の側の壁面ではなく吐出口１１の側の壁面に２つ設けられている。図２０（ａ）は吐出口１１の側（＋ｚ方向側）から本実施形態にかかる液流路１３を見た透視図、図２０（ｂ）は同図（ａ）のＸＸｂ断面を示した斜視図である。更に、図２０（ｃ）は、同図（ａ）におけるＸＸｃ断面の拡大図である。

本実施形態において、第４の実施形態と異なる点は圧力発生素子１２が配置される位置である。本実施形態では、圧力室１８の内部に、複数の圧力発生素子１２を吐出口１１に対してｘ方向に対して対称となる位置のオリフィスプレート１４に配置する。図２０（ｃ）に示すように圧力発生素子１２はそれぞれ第１の液体３１と接し、吐出口１１は主に第２の液体３２で満たされる。この状態で圧力発生素子１２を駆動すると、それぞれの圧力発生素子１２に接する第１の液体３１が発泡し、吐出口１１から第２の液体を主成分とする液滴を吐出することができる。圧力発生素子１２が吐出口１１に対して対称に配置されていることから、吐出液滴をｚ方向に対称に飛ばすことこができ高品位な記録が可能となる。

第４の実施形態のように圧力発生素子１２がシリコン基板１５に設けられている場合には、吐出口１１と圧力発生素子１２との距離を大きくすると、第１の液体に発泡が生じた際の圧力が第２の液体にあまり伝達されずに吐出口から液体が吐出され難い場合がある。一方、本実施形態のように圧力発生素子１２をオリフィスプレート１４に設けることにより、吐出口１１と圧力発生素子１２の距離を大きくしたとしても、発泡による圧力が第２の液体に伝わりにくくなることはない。したがって、本実施形態によれば、吐出口１１と圧力発生素子１２との距離、すなわち液流路高さの影響を受けずに液体を吐出することができるため、液流路高さを大きくすることができる。ゆえに、本実施形態では、安定して液体を吐出できるだけでなく、非常に粘度の高い液体を用いた場合に課題となるリフィル速度の低下を、液流路高さを大きくするにより抑制することができる。

図２１（ａ）および（ｂ）は流路高さを１４μｍ、オリフィスプレートの厚みを６μｍ、吐出口の直径を１０μｍとしたときに第１の液体３１と第２の液体３２の相厚比を変化させた場合の吐出過程を示す図である。図では、時間の経過に伴う吐出過程を、上から下に順番に示している。

図２１（ａ）は吐出口１１内を第２の液体３２のみとし、圧力発生素子１２と接触するのは主に第１の液体３１となるよう相厚比を調整した。この状態で吐出動作を行うと、吐出液滴３０はほとんどが第２の液体３２で占められ、第１の液体３１を非常に少なくすることができる。図２１（ｂ）は第２の液体３２の相厚が吐出口の直径よりも小さい例であり、吐出口１１内に第１の液体３１が含まれている。この状態で吐出動作を行うと、吐出液滴３０は主に第１の液体３１で占められ、一部に第２の液体３２が含まれた状態となる。このように、水相厚比を変化させることで吐出液滴３０に含まれる成分を調整することができ、目的に応じて成分割合を調節することが可能である。

尚、第３の実施形態、第４の実施形態、第５の実施形態においても、第２の実施形態で示した第３の液体を用いた３つ目の液体を圧力室内において流動させることは可能である。また、吐出方法は圧力発生素子と吐出口が対向する位置にある場合だけではなく、圧力発生素子の圧力発生方向に対して９０度以下の角度の位置に吐出口を設けるいわゆるサイドシューターの形式であってもかまわない。

１ 液体吐出ヘッド
１１ 吐出口
１２ 圧力発生素子
１３ 液流路
３１ 第１の液体
３２ 第２の液体

Claims (26)

1. 第１の液体と第２の液体が流動する圧力室と、
   前記第１の液体を加圧する圧力発生素子と、
   前記第２の液体を吐出する吐出口と、
   前記圧力室に前記第１の液体を流入するための第１の流入口と、
   前記圧力室から前記第１の液体を流出するための第１の流出口と、
   前記圧力室に前記第２の液体を流入するための第２の流入口と、
   前記圧力室から前記第２の液体を流出するための第２の流出口と、
   を備える液体吐出ヘッドにおいて、
   前記圧力室において、前記第１の液体は、前記吐出口から前記第２の液体が吐出される方向と交差する方向に前記圧力発生素子に接して流動し、前記第２の液体が、前記交差する方向に前記第１の液体と沿って流動している状態で、前記圧力発生素子が前記第１の液体を加圧することによって、前記第２の液体は前記吐出口から吐出されることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記第１の液体および前記第２の液体の前記圧力室における流れは層流である請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記第１の液体および前記第２の液体の前記圧力室における流れは平行流である請求項１または請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記圧力室において、前記第１の液体と前記第２の液体は、前記第２の液体が吐出される方向に並んで流動している請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記圧力室において、前記第１の液体と前記第２の液体は、前記第２の液体が吐出される方向および前記流動する方向に交差する方向に並んで流動している請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記圧力室の前記第２の液体が吐出される方向の高さをＨ［μｍ］、流動する前記第１の液体の相厚をｈ₁［μｍ］としたとき、
   

   

   が満たされる請求項４に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記圧力室において、前記第２の液体の流量は前記第１の液体の流量よりも大きい請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記吐出口から吐出される液体に前記第１の液体は含まれない請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
9. 前記第２の液体は、前記圧力発生素子が駆動されることにより、前記第１の液体との液液界面を介して受けた圧力によって前記吐出口より吐出される請求項１ないし８のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
10. 前記圧力室において第３の液体がさらに流動し、
    前記圧力室において、前記第１の液体と、前記第３の液体と、前記第２の液体とが、この順で並ぶように、前記第３の液体が前記第１の液体及び前記第２の液体に沿って流動している請求項４に記載の液体吐出ヘッド。
11. 前記圧力発生素子は、電圧が印加されることによって発熱して前記第１の液体に膜沸騰を生じさせる請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
12. 前記第１の液体は、水または２ＭＰａ以上の臨界圧力を有する水性の液体である請求項１１に記載の液体吐出ヘッド。
13. 前記第２の液体は、顔料を含む水性インクまたはエマルジョンである請求項１１または１２に記載の液体吐出ヘッド。
14. 前記第２の液体は、ソリッド型紫外線硬化型インクである請求項１１または１２に記載の液体吐出ヘッド。
15. 前記第２の流入口、前記第１の流入口、前記第１の流出口および前記第２の流出口は、前記圧力室において前記第１の液体および前記第２の液体が流動している方向にこの順に並んで形成されている請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
16. 前記第２の流入口および前記第２の流出口は、前記第２の液体が吐出される方向および前記圧力室において前記第１の液体および前記第２の液体が流動している方向に交差する方向において、前記第１の流入口および前記第１の流出口とずれて形成されている請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
17. 前記圧力発生素子および前記吐出口は、前記交差する方向にずれて形成されている請求項１６に記載の液体吐出ヘッド。
18. 前記吐出口は、前記第２の液体で満たされた状態で駆動される請求項１７に記載の液体吐出ヘッド。
19. 前記第１の液体と前記第２の液体との液液界面の位置は、前記吐出口と前記圧力発生素子との間に形成されている請求項１６ないし請求項１８のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
20. 前記圧力室において、前記第２の液体が吐出される方向および前記流動する方向に交差する方向に、前記第１の液体、前記第２の液体、前記第１の液体の順に並んで流動している請求項１６ないし請求項１８のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
21. 前記圧力発生素子は前記圧力室の内部に複数ある請求項１６ないし請求項２０のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
22. 前記圧力発生素子は、前記第１の流入口、前記第１の流出口、前記第２の流入口および前記第２の流出口が設けられている素子基板に形成されている請求項１６ないし請求項２１のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
23. 前記圧力発生素子は、前記吐出口を形成する吐出口形成部材に設けられている請求項１６ないし請求項２１のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
24. 請求項１ないし請求項２３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドを有する液体吐出装置。
25. 請求項１ないし２３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドを構成するための液体吐出モジュールであって、
    複数配列されることによって前記液体吐出ヘッドが構成されることを特徴とする液体吐出モジュール。
26. 第１の液体と第２の液体が流動する圧力室と、
    前記第１の液体を加圧する圧力発生素子と、
    前記第２の液体を吐出する吐出口と、
    前記圧力室に前記第１の液体を流入するための第１の流入口と、
    前記圧力室から前記第１の液体を流出するための第１の流出口と、
    前記圧力室に前記第２の液体を流入するための第２の流入口と、
    前記圧力室から前記第２の液体を流出するための第２の流出口と、
    を備える液体吐出ヘッドを用いた液体吐出方法であって、
    前記圧力室において、前記第１の液体が、前記吐出口から前記第２の液体が吐出される方向と交差する方向に前記圧力発生素子に接して流動し、かつ、前記第２の液体が、前記交差する方向に前記第１の液体に沿って流動している状態で、前記圧力発生素子を駆動することを特徴とする液体吐出方法。

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