CN112297637B - 液体喷射头、液体喷射装置和液体喷射模块 - Google Patents

Abstract

本公开涉及液体喷射头、液体喷射装置和液体喷射模块。该液体喷射头包括：液体通道，第一液体和第二液体流动通过所述液体通道；压力产生元件，所述压力产生元件对所述第一液体加压；以及喷射孔，通过加压沿着与所述第一液体和所述第二液体的流动方向交叉的方向通过所述喷射孔喷射所述第二液体。在所述流动方向上从所述第一液体和所述第二液体在所述液体通道中合流的位置到所述喷射孔的距离大于在所述流动方向上从所述第一液体和所述第二液体相互接触的位置到在所述第一液体和所述第二液体之间获得稳定界面的位置的界面稳定距离。

Description

液体喷射头、液体喷射装置和液体喷射模块

技术领域

本公开涉及液体喷射头、液体喷射装置和液体喷射模块。

背景技术

日本专利特开No.H06-305143公开了一种液体喷射单元，其中，作为喷射介质的液体和作为气泡产生介质的液体在界面处相互接触，借助于通过施加热能而在所述气泡产生介质中产生的气泡的生长来喷射所述喷射介质。根据日本专利特开No.H06-305143，描述了一种方法，其中，在喷射所述喷射介质之后，所述喷射介质和所述气泡产生介质被加压以形成流动，从而使所述喷射介质和所述气泡产生介质之间的界面在液体通道内稳定。

发明内容

通过下文参考附图对示例性实施例的描述，本公开的其他特征将变得明显。

在本发明的第一方面中，提供了一种液体喷射头，所述液体喷射头包括：液体通道，第一液体和第二液体流动通过所述液体通道；压力产生元件，所述压力产生元件对所述第一液体加压；以及喷射孔，通过加压沿着与所述第一液体和所述第二液体的流动方向交叉的方向通过所述喷射孔喷射所述第二液体，其中，在所述流动方向上从所述第一液体和所述第二液体在所述液体通道中合流的位置到所述喷射孔的距离大于在所述流动方向上从所述第一液体和所述第二液体相互接触的位置到在所述第一液体和所述第二液体之间获得稳定界面的位置的界面稳定距离。

在本发明的第二方面中，提供了一种液体喷射装置，所述液体喷射装置包括：液体喷射头，其包括液体通道、压力产生元件和喷射孔，第一液体和第二液体流动通过所述液体通道，所述压力产生元件对所述第一液体加压，通过加压沿着与所述第一液体和所述第二液体的流动方向交叉的方向通过所述喷射孔喷射所述第二液体；流动控制单元，所述流动控制单元控制所述第一液体和所述第二液体在所述液体通道中的流动；以及驱动单元，所述驱动单元驱动所述压力产生元件，其中，在所述流动方向上从所述第一液体和所述第二液体在所述液体通道中合流的位置到所述喷射孔的距离大于在所述流动方向上从所述第一液体和所述第二液体相互接触的位置到在所述第一液体和所述第二液体之间获得稳定界面的位置的界面稳定距离。

在本发明的第三方面中，提供了一种液体喷射模块，所述液体喷射模块通过与一个或多个所述液体喷射模块排列而形成液体喷射头，所述液体喷射模块包括：液体通道，第一液体和第二液体流动通过所述液体通道；压力产生元件，所述压力产生元件对所述第一液体加压；以及喷射孔，通过加压沿着与所述第一液体和所述第二液体的流动方向交叉的方向通过所述喷射孔喷射所述第二液体，其中，在所述流动方向上从所述第一液体和所述第二液体在所述液体通道中合流的位置到所述喷射孔的距离大于在所述流动方向上从所述第一液体和所述第二液体相互接触的位置到在所述第一液体和所述第二液体之间获得稳定界面的位置的界面稳定距离。

通过下文参考附图对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得明显。

附图说明

图1是喷射头的透视图；

图2是用于说明液体喷射装置的控制构造的框图；

图3是液体喷射模块中的元件基板的透视剖视图；

图4A至图4D是用于具体说明第一实施例中的液体通道和压力室的构造的示图；

图5A和图5B是示出了粘度比与水层厚度比之间的关系以及压力室中的高度与流速之间的关系的示图；

图6A至图6E是示意性地示出了喷射操作中的过渡状态的示图；

图7A至图7C是具体说明第一实施例中的界面的形成状态的示图；

图8A和图8B是用于具体说明第二实施例中的液体通道和压力室的构造的示图；

图9A至图9C是具体说明第二实施例中的界面的形成状态的示图；

图10A至图10C是用于与第二实施例中的界面的形成状态进行比较的示图；

图11A至图11C是用于与第二实施例中的界面的形成状态进行比较的示图；以及

图12A至图12D是用于具体说明第三实施例中的液体通道和压力室的构造的示图。

具体实施方式

在日本专利特开No.H06-305143中有关于界面的稳定的描述，但是没有关于执行良好的喷射操作所需的界面的长度(距离)以及形成有界面的区域相对于喷射孔的位置关系的清楚描述。因此，尽管可以根据日本专利特开No.H06-305143形成稳定的界面，但是如果该界面没有形成在相对于喷射孔的优选长度上的优选位置处，喷射操作可能会不稳定。这会导致包含在喷射液滴中的介质成分的变化以及喷射量和喷射速度的变化。因此，有可能损害通过施加喷射介质而获得的输出产品的质量。

为了解决上述问题而提出了本发明。因此，本发明的目的是提供一种液体喷射头，通过在相对于喷射孔的适当长度上的适当位置处形成流经液体通道的液体之间的界面，该液体喷射头能够保持良好的喷射操作。

(第一实施例)

(液体喷射头的构造)

图1是可用于第一实施例的液体喷射头1的透视图。本实施例中的液体喷射头1包括沿x方向排列的多个液体喷射模块100。各个液体喷射模块100具有其中排列有多个喷射元件的元件基板10，以及用于向各个喷射元件提供电力和喷射信号的柔性配线基板40。柔性配线基板40共同连接到电气配线板90，该电气配线板中设置有电力供应端子和喷射信号输入端子。液体喷射模块100可以容易地附接到液体喷射头1上以及从液体喷射头1上拆卸。因此，任一液体喷射模块100都可以从外部容易地附接到液体喷射头1上以及从液体喷射头1上拆卸，而无需拆分液体喷射头1。

如上所述，液体喷射头1包括在纵向方向上排列的多个液体喷射模块100。因此，即使在任何一个喷射元件中发生喷射故障的情况下，也仅需要更换出现喷射故障的液体喷射模块。这样可以提高液体喷射头1的制造工序的产量，并且可以降低头更换的成本。

(液体喷射装置的构造)

图2是示出了可在本实施例中使用的液体喷射装置2的控制构造的框图。CPU500根据存储在ROM501中的程序在将RAM502用作工作区域的同时控制整个液体喷射装置2。在一个示例中，CPU500根据存储在ROM501中的程序和参数对从连接到外部的主机装置600接收的喷射数据执行预定的数据处理从而生成喷射信号，液体喷射头1能够根据该喷射信号执行喷射操作。然后，在根据该喷射信号驱动液体喷射头1的同时，CPU500驱动输送马达503以沿预定方向输送液体施加目标介质，从而使从液体喷射头1喷射的液体附着到施加目标介质上。

液体循环单元504是在使液体循环的同时将液体供给到液体喷射头1并且控制液体在液体喷射头1中的流动的单元。液体循环单元504包括存储液体的副槽、液体在副槽和液体喷射头1之间循环所经过的通道、多个泵、调整流经喷射头1的液体的流量的流量调整单元等。在CPU500的指示下，液体循环单元504控制上述多个机构，使得液体以预定流量流经液体喷射头1。

(元件基板的构造)

图3是设置在各个液体喷射模块100上的元件基板10的透视剖视图。元件基板10包括硅(Si)基板15和层叠在硅基板15上的孔板14(喷射孔形成构件)。在图3中，沿x方向排列的喷射孔11喷射相同种类的液体(例如，从共用的副槽或供给口供给的液体)。这里，示出了孔板14还形成液体通道13的示例。但是，该构造也可以使得液体通道13由另一构件(通道壁构件)形成，形成有穿过其中的喷射孔11的孔板14设置在该构件的顶部上。

压力产生元件12(图3中未示出)设置在硅基板15上与各喷射孔11相对应的位置处。喷射孔11和压力产生元件12设置在彼此相对的位置处。在施加与喷射信号相对应的电压的情况下，每个压力产生元件12在垂直于流动方向(y方向)的z方向上对液体加压。因此，以液滴的形式从与压力产生元件12相对的喷射孔11喷射液体。通过设置在硅基板15上的端子17从柔性布线基板40(图1)向压力产生元件12提供电力和驱动信号。

在孔板14中，形成有沿y方向延伸并分别连接到相应喷射孔11的多个液体通道13。另外，沿x方向排列的多个液体通道13共同连接到第一公共供给通道23、第一公共收集通道24、第二公共供给通道28和第二公共收集通道29。第一公共供给通道23、第一公共收集通道24、第二公共供给通道28和第二公共收集通道29中的液体流由参照图2描述的液体循环单元504控制。具体地，液体流被控制成使得从第一公共供给通道23流入液体通道13的第一液体流向第一公共收集通道24，并且从第二公共供给通道28流入液体通道13的第二液体流向第二公共收集通道29。

图3示出了这样一个示例，其中，沿x方向排列的那些喷射孔11和液体通道13以及用于共同向喷射孔11和液体通道13供给墨并从喷射孔11和液体通道13收集墨的成对的第一公共供给通道23和第二公共供给通道28和成对的第一公共收集通道24和第二公共收集通道29沿y方向布置成两排。注意，尽管图3示出了将喷射孔设置在与压力产生元件12相对的位置(即，沿着气泡生长方向)的构造，但是本实施例不限于该构造。例如，也可以在与气泡生长方向垂直的位置设置喷射孔。

(液体通道和压力室的构造)

图4A至4D是用于具体说明形成在元件基板10中的一个液体通道13和一个压力室18的构造的示图。图4A是从喷射孔11侧(+z方向侧)观察的透明视图，图4B是沿图4A所示的IVB-IVB线截取的剖视图。另外，图4C是图3所示的元件基板10中的一个液体通道13及其周围的放大图。此外，图4D是图4B中的喷射孔及其周围的放大图。

在硅基板15的与液体通道13的底部相对应的部分中，在y方向上依次形成有第二流入口21、第一流入口20、第一流出口25和第二流出口26。此外，与喷射孔11连通并容纳压力产生元件12的压力室18大致在第一流入口20和第一流出口25之间的中点处设置在液体通道13中。在图4A和图4B中，界面形成距离L是第一流入口20和喷射孔11在y方向上的距离。第二流入口21连接到第二公共供给通道28，第一流入口20连接到第一公共供给通道23，第一流出口25连接到第一公共收集通道24，第二流出口26连接到第二公共收集通道29(见图3)。

在以上构造中，从第一公共供给通道23通过第一流入口20供给到液体通道13中的第一液体31沿y方向(由虚线箭头表示的方向)流动，通过压力室18，然后通过第一流出口25收集到第一公共收集通道24中。另一方面，从第二公共供给通道28通过第二流入口21供给到液体通道13中的第二液体32沿y方向(由白色箭头表示的方向)流动，通过压力室18，然后通过第二流出口26收集到第二公共收集通道29中。换句话说，在液体通道13内，第一液体31和第二液体32均沿y方向在第一流入口20和第一流出口25之间一起流动。在本实施例中，在第一液体31和第二液体32均沿y方向一起流动的区域中，将从第一流入口20到喷射孔11的距离表示为界面形成距离L。

在压力室18内部，压力产生元件12与第一液体31接触，并且在喷射孔11周围暴露于大气的第二液体32形成弯月面。在压力室18内部，第一液体31和第二液体32以压力产生元件12、第一液体31、第二液体32和喷射孔11依次排列的方式流动。换句话说，假设压力产生元件12侧为下侧，喷射孔11侧为上侧，那么第二液体32在第一液体31上方流动。进一步地，第一液体31和第二液体32被其下方的压力产生元件12加压，从而从下侧朝向上侧喷射。同时，该上下方向是压力室18和液体通道13的高度方向。

在本实施例中，根据第一液体31的物理性质和第二液体32的物理性质来调整第一液体31的流量和第二液体32的流量，使得第一液体31和第二液体32在压力室内部作为并排移动并相互接触的平行流而流动，如图4D所示。

(平行层流的形成条件)

首先，将描述在管内使液体形成为层流的条件。已知表示粘度和界面张力之比的雷诺数Re是流动评价的综合指标。

这里，设液体的密度、流速、特征长度和粘度分别为ρ、u、d和η。那么，雷诺数Re可以用(公式1)表示。

Re＝ρud/η…(公式1)

这里，已知的是雷诺数Re越小，越容易形成层流。具体地，已知的是例如在雷诺数Re小至2200左右的情况下，圆管内部的流动为层流，而在雷诺数Re大于2200左右的情况下，圆管内部的流动为湍流。

在流动为层流的情况下，这意味着流动线平行于流动的前进方向而不与流动的前进方向交叉。然后，在相接触的两种液体都是层流的情况下，可以形成平行流，在这两种液体之间稳定地形成界面。

这里，在一般喷墨打印头的情况下，围绕喷射孔的每个液体通道(压力室)的通道高度(压力室高度)H[μm]为约10至100μm。然后，在使水(密度ρ＝1.0×10³kg/m³，粘度η＝1.0cP)以100mm/s的流速流经喷墨打印头的液体通道的情况下，雷诺数为Re＝ρud/η≈0.1至1.0<<2200。因此，可以认为形成了层流。

注意，本实施例中的液体通道13和压力室18可以具有矩形横截面，如图4A至4D所示。即使在这种情况下，由于液体喷射头中的液体通道13和压力室18的高度和宽度足够小，因此可以认为液体通道13和压力室18相当于圆管，即，液体通道13和压力腔室18的高度可以被视为圆管的直径。

(平行层流形成的逻辑条件)

接下来，将参照图4D描述在液体通道13和压力室18内形成其间具有稳定界面的两种液体的平行流的条件。首先，设从硅基板15到孔板14的喷射孔表面的距离为H[μm]，并设从喷射孔表面到第一液体31和第二液体32之间的界面的距离(第二液体的层厚度)为h₂[μm]。另外，设从界面到硅基板15的距离(第一液体的层厚度)为h₁[μm]。换句话说，H＝h₁+h₂。

这里，假设液体通道13和压力室18内的边界条件，在该边界条件下压力室18和液体通道13的壁表面处的液体速度为零。还假设第一液体31和第二液体32之间的界面的速度和剪切应力是连续的。在这些假设下，如果第一液体31和第二液体32形成两层恒定的平行流，则(公式2)中描述的四次方程在平行流区域内成立。

[数学式1]

注意，在(公式2)中，η₁表示第一液体的粘度，η₂表示第二液体的粘度，Q₁表示第一液体的流量，Q₂表示第二液体的流量。具体地，在满足上述四次方程(公式2)的范围内，第一液体和第二液体以形成与它们各自的流量和粘度相对应的位置关系的方式进行流动。因此，形成具有稳定界面的平行流。在本实施例中，第一液体和第二液体的这些平行流优选在液体通道13中至少在压力室18中形成。在形成这样的平行流的情况下，第一液体和第二液体仅通过分子扩散在界面处混合，沿y方向彼此平行地流动而基本上不彼此混合。

例如，即使在使用水和油等不混溶的溶剂作为第一液体和第二液体的情况下，只要满足(公式2)，则无论液体是否不混溶，都会形成稳定的平行流。另外，在水和油的情况下，如前所述，即使压力室内的流动稍微紊乱并且界面由此变得紊乱，也优选至少第一液体主要在压力产生元件上方流动而第二液体主要在喷射孔中流动。

图5A是基于(公式2)示出了在流量比Q_r＝Q₂/Q₁逐步变化的情况下粘度比η_r＝η₂/η₁和第一液体的层厚度比h_r＝h₁/(h₁+h₂)之间的关系的示图。注意，尽管第一液体不限于水，但是“第一液体的层厚度比”在下文中将被称为“水层厚度比”。横轴表示粘度比η_r＝η₂/η₁，纵轴表示水层厚度比h_r＝h₁/(h₁+h₂)。流量比Q_r越大，水层厚度比h_r越小。另外，对于每个流量比Q_r，粘度比η_r越大，则水层厚度比h_r越小。具体地，通过控制第一液体和第二液体的粘度比η_r和流量比Q_r，可以将液体通道13(压力室)中的水层厚度比h_r(第一液体和第二液体之间的界面的位置)调整至预定值。然后，根据该示图，粘度比η_r和流量比Q_r之间的比较表明，流量比Q_r对水层厚度比h_r的影响程度大于粘度比η_r对水层厚度比h_r的影响程度。

这里，图5A中所示的状态A、状态B和状态C表示以下状态。

状态A)粘度比η_r＝1并且流量比Q_r＝1时，水层厚度比h_r＝0.50。

状态B)粘度比η_r＝10并且流量比Q_r＝1时，水层厚度比h_r＝0.39。

状态C)粘度比η_r＝10并且流量比Q_r＝10时，水层厚度比h_r＝0.12。

图5B是示出了对于上述状态A、B和C中的每一个状态在液体通道13(压力室)中在其高度方向(z方向)上的流速分布的示图。横轴表示以状态A中的流速的最大值为1(基准)而归一化了的归一化值Ux。纵轴表示当液体通道13(压力室)的高度H为1(基准)时距底面的高度。在表示上述状态的每个曲线上，用标记表示第一液体和第二液体之间的界面位置。可以看出，界面位置从一种状态变化到另一种状态，例如，状态A中的界面位置高于状态B和状态C中的界面位置。这是因为，在具有不同粘度的两种液体作为层流(整体作为层流)在管内彼此平行地流动的情况下，这两种液体之间的界面形成在由这些液体之间的粘度差引起的压力差和由界面张力引起的拉普拉斯压力彼此平衡的位置。

(喷射操作中的过渡状态)

接下来，将描述形成有平行流的液体通道13和压力室18内部的喷射操作中的过渡状态。图6A至图6E是示意性地示出了喷射操作中的过渡状态的示图，该喷射操作是在利用具有η_r＝4的粘度比的第一液体和第二液体在具有H[μm]＝20μm的通道(压力室)高度和T＝6μm的孔板厚度的液体通道13内形成平行流的状态下执行的。

图6A示出了对压力产生元件12施加电压之前的状态。该示图示出了一起流动的第一液体和第二液体的Q₁、Q₂被调整为使得界面位置在水层厚度比η_r＝0.57(即，第一液体的水的厚度h₁[μm]＝6μm)的位置处稳定的状态。

图6B示出了开始向压力产生元件12施加电压的状态。本实施例中的压力产生元件12是电热转换器(加热器)。具体地，在施加与喷射信号相对应的电压脉冲的情况下，压力产生元件12急剧发热，从而在与压力产生元件12接触的第一液体中引起膜沸腾。该示图示出了通过膜沸腾而产生气泡19的状态。通过产生气泡19，第一液体31和第二液体32之间的界面相应地在z方向(压力室的高度方向)上移动，使得第二液体32沿z方向从喷射孔11被推出。

图6C示出了通过膜沸腾产生的气泡19的体积增大，从而将第二液体32沿z方向进一步从喷射孔11推出的状态。

图6D示出了气泡19与大气连通的状态。在本实施例中，在气泡19充分生长之后的收缩阶段，气泡19与已经从喷射孔11移动到压力产生元件12侧的气液界面彼此连通。

图6E示出了已经喷射液滴30的状态。如图6D所示，在气泡19与大气连通时已经从喷射孔11中突出的液体现在利用其自身的惯性离开液体通道13，并以液滴30的形式沿z方向飞行。另一方面，在液体通道13中，通过液体通道13中的毛细力从喷射孔11的两侧供给由喷射消耗的液体量，从而在喷射孔11中再次形成弯液面。然后，再次形成如图6A所示的沿y方向流动的第一液体和第二液体的平行流。

如上所述，在本实施例中，在第一液体31和第二液体32作为平行流流动的情况下执行图6A至6E所示的喷射操作。再次参照图2对此进行具体描述，CPU500使用液体循环单元504使得第一液体和第二液体在喷射头1内循环，同时保持第一液体的流量和第二液体的流量恒定。然后，在继续这种控制的同时，CPU500根据喷射数据将电压施加到设置在喷射头1中的各个压力产生元件12。

注意，在液体流动的情况下执行喷射操作牵涉到液体的流动可能影响喷射性能的问题。然而，一般喷墨打印头的液滴喷射速度处于几米每秒到几十米每秒的数量级，其明显大于液体通道内的处于几毫米每秒到几米每秒的数量级的流速。因此，即使在利用以几毫米每秒到几米每秒的速度流动的第一液体和第二液体执行喷射操作的情况下，也不太可能影响喷射性能。

虽然图6A至图6E示出了气泡19和大气在压力室18内彼此连通的构造，但是该构造也可以使得例如气泡19与大气在喷射孔11的外侧(大气侧)连通或者消失而不与大气连通。

如图6A至图6E中说明的喷射操作可以在液体流动或液体暂时停止的情况下进行。在液体流动的情况下执行喷射操作例如会牵涉到液体的流动可能影响喷射性能的问题。然而，一般喷墨打印头的液滴喷射速度处于几米每秒到几十米每秒的数量级，其明显大于液体通道(压力室)内的处于几毫米每秒到几米每秒的数量级的流速。因此，即使在利用以几毫米每秒到几米每秒的速度流动的第一液体31和第二液体32执行喷射操作的情况下，也不太可能影响喷射性能。

另一方面，在液体停止的状态下执行喷射操作会牵涉到喷射操作可能改变第一液体31和第二液体32之间的界面位置的问题。然而，液体流动的停止不会立即影响第一液体31和第二液体32之间的界面处的扩散。即使在流动停止的情况下，只要停止时间与进行喷射操作所花时间一样短，就可以保持第一液体31和第二液体32之间的界面并在这种状态下执行喷射操作。

在任何一种情况下，只要液体之间的界面保持在稳定位置，则无论第一液体31和第二液体32是否流动，都可以稳定地执行喷射操作。

(界面形成距离与喷射孔位置之间的关系)

接下来，将描述用于在喷射孔11处执行正常的喷射操作的界面的长度(距离)和界面相对于喷射孔的位置。第一液体31和第二液体32并不总是从其相互接触的位置立即形成笔直稳定的界面。从第一液体31和第二液体32相互接触的点开始到获得稳定界面之前可能需要一定的移动距离。在本说明书中，在获得稳定界面之前从第一液体31和第二液体32相互接触的位置起所需的移动距离在下文中将被称为界面稳定距离Le。

界面稳定距离Le基本上可以被认为是进入管状路径的流动形成和稳定所需的进入长度。例如，对于平行流，可以根据下面的公式3算出界面稳定距离Le。

[数学式2]

Le＝De(0.0550Re+0.379exp(-0.148Re)+0.260) (公式3)

这里，Re表示雷诺数，De表示当量直径。利用通道横截面积Af和湿周Wp根据公式4计算当量直径De。

De＝4Af/Wp…(公式4)

换句话说，可以根据公式5算出界面稳定距离Le。

[数学式3]

Le＝4Af(0.0550Re+0.379exp(-0.148Re)+0.260)/Wp

…(公式5)

此外，在说明书中，从第一液体31和第二液体32相互接触的位置到喷射孔11的距离将被称为界面形成距离L。在图4A至图4D所示的本实施例中，界面形成距离L是从第一流入口20到喷射孔11的距离。为了使第一液体31和第二液体32在喷射孔11的位置处形成稳定的界面，界面形成距离L和界面稳定距离Le需要满足L＞Le的关系。

图7A至图7C是具体说明本实施例中的界面的形成状态的示图。这些示图示出了在第一液体31的粘度η₁和第二液体32的粘度η₂相等(η_r＝1)的条件下，第一液体31的流量Q₁和第二液体32的流量Q₂之间的大小关系不同的情况。

图7A示出了第一液体31的流量Q₁和第二液体32的流量Q₂相等(Q₁＝Q₂)的情况。由于粘度比η_r＝1，因此水层厚度比为h_r＝0.5。第一液体31和第二液体32之间的界面从与第一液体31从第一流入口20流入的位置基本相同的位置起具有水层厚度比h_r＝0.5，第一液体31和第二液体32之间的界面以h_r＝0.5的水层厚度比稳定下来。

图7B示出了第一液体31的流量Q₁低于第二液体32的流量Q₂(Q₁<Q₂)的情况。在这种情况下，水层厚度比为h_r＜0.5。在第一液体31从第一流入口20流入并沿y方向移动界面稳定距离Le之后，第一液体31和第二液体32之间的界面以h_r＜0.5的水层厚度比稳定下来。

图7C示出了第一液体31的流量Q₁高于第二液体32的流量Q₂(Q₁>Q₂)的情况。在这种情况下，水层厚度比为h_r>0.5。在第一液体31从第一流入口20流入并沿y方向移动界面稳定距离Le之后，第一液体31和第二液体32之间的界面以h_r>0.5的水层厚度比稳定下来。

在任何一种情况下，在本实施例中，都以获得比稳定第一液体31与第二液体32之间的界面所需的界面稳定距离Le大的界面形成距离L的方式来确定喷射孔11与第一流入口20的相对位置。

总而言之，根据本实施例，第一液体31从其流入的第一流入口20在第一液体31和第二液体32的流动方向(y方向)上设置在喷射孔11的上游位置。这样可以使第一液体31和第二液体32之间的界面在喷射孔11的上游位置处稳定，并且可以在喷射孔11处保持良好的喷射操作。

(第二实施例)

图8A和图8B是示出了第二实施例中的液体通道13的示图。本实施例的液体通道13设置有使第一液体31和第二液体32在分离的状态下沿y方向平行移动的L形合流壁16和分流壁17。合流壁16是设置在第一液体31和第二液体32合流的部分处的壁。分流壁17是使第一液体31和第二液体32彼此分开的壁。具体地，第一液体31和第二液体32以平行状态合流和分流，而不是如第一实施例中那样相对于彼此以一定角度合流和分流。因此，将合流和分流引起的流动中的紊乱保持得较低。

第一液体31和第二液体32在合流壁16的下游端相互接触并合流，从而形成平行流。在本实施例中，合流壁16的高度He为液体通道13的高度的一半，或者He＝(h₁+h₂)/2。第一液体31和第二液体32在通过喷射孔11之后被分流壁17上下分流。

图9A至图9C是具体说明本实施例中的界面的形成状态的示图。这些示图示出了在第一液体31的粘度η₁和第二液体32的粘度η₂相等(η_r＝1)的条件下，第一液体31的流量Q₁和第二液体32的流量Q₂之间的大小关系不同的情况。注意，在图9A至9C的图示中省略了分流壁17。

图9A示出了第一液体31的流量Q₁和第二液体32的流量Q₂相等(Q₁＝Q₂)的情况。由于粘度比η_r＝1，因此水层厚度比为h_r＝0.5。具体地，第一液体31与第二液体32之间的界面的高度与合流壁16的高度基本相等，第一液体31与第二液体32之间的界面从与合流壁16的端部基本相同的位置起以h_r＝0.5的水层厚度比稳定下来。

图9B示出了第一液体31的流量Q₁低于第二液体32的流量Q₂(Q₁<Q₂)的情况。在这种情况下，水层厚度比为h_r＜0.5。具体地，第一液体31与第二液体32之间的界面在沿y方向移动界面稳定距离Le之后在比合流壁16低的位置处稳定下来。

图9C示出了第一液体31的流量Q₁高于第二液体32的流量Q₂(Q₁>Q₂)的情况。在这种情况下，水层厚度比为h_r>0.5。具体地，第一液体31与第二液体32之间的界面在沿y方向移动界面稳定距离Le之后在比合流壁16高的位置处稳定下来。

在任何一种情况下，在本实施例中，界面形成距离L都被设置为大于使第一液体31和第二液体32之间的界面稳定所需的界面稳定距离Le。

图10A至图10C是用于与图9A至图9C所示的本实施例中的界面的形成状态进行比较的示图。图10A至图10C与图9A至图9C的不同之处在于，合流壁16延伸到喷射孔11。具体地，在这些比较示例中，界面形成距离L＝0。

图10A示出了第一液体31的流量Q₁和第二液体32的流量Q₂相等(Q₁＝Q₂)的情况。在这种情况下，如在图9A中，第一液体31与第二液体32之间的界面的高度与合流壁16的高度基本相等，第一液体31与第二液体32之间的界面从与合流壁16的端部基本相同的位置(即，喷射孔11正下方)起以h_r＝0.5的水层厚度比稳定下来。

另一方面，图10B和图10C示出了第一液体31的流量Q₁和第二液体32的流量Q₂不同的情况(Q₁＜Q₂或Q₁＞Q₂)。在这些情况下，第一液体31和第二液体32之间的界面在水层厚度比不为h_r＝0.5的位置处变稳定，并且界面高度与合流壁16的高度He不同。具体地，第一液体31和第二液体32在通过合流壁16的端部之后需要预定的界面稳定距离Le来形成稳定的界面。因此，在图10B和10C的情况下，不满足L＞Le，可能不能执行正常的喷射操作。

第一液体的流量Q₁、第二液体的流量Q₂、以及它们的比例均由液体循环单元504(见图2)控制以保持恒定值。然而，即使在这样的控制下，由于液体循环单元504中的泵的操作的变化等，各个液体通道13中的上述流量也可能会发生不小程度的改变。具体地，即使液体循环单元504执行控制以获得图10A的状态，各个液体通道13也可能会进入图10B的状态或图10C的状态，喷射操作可能会不稳定。

然而，通过将合流壁16的端部定位在喷射孔11的更上游，界面形成距离L大于界面稳定距离Le(L＞Le)，如图9A至图9C所示。具体地，即使第一液体31和第二液体32在各个液体通道13中的流量有一些变化的情况下，在喷射孔11的正下方也会形成稳定的界面，从而能够执行稳定的喷射操作。

图11A至图11C是通过另外示出图10A至图10C中的分流壁17而获得的示图。图11A示出了第一液体31的流量Q₁和第二液体32的流量Q₂相等(Q₁＝Q₂)的情况。在这种情况下，如图10A中那样，第一液体31与第二液体32之间的界面从与合流壁16的端部基本相同的位置(即，喷射孔11的上游侧的正下方)起以h_r＝0.5的水层厚度比稳定下来。然后，第一液体31和第二液体32在分流壁17的前边缘的位置(即，喷射孔11的下游侧的正下方)分流，并且第一液体31流入下部通道，而第二液体32流入上部通道。

图11B示出了第一液体31的流量Q₁低于第二液体32的流量Q₂(Q₁<Q₂)的情况。在这种情况下，水层厚度比为h_r＜0.5。第一液体31与第二液体32之间的界面在从合流壁16的端部沿y方向移动预定的界面稳定距离Le之后在比合流壁16低的位置处变稳定。然后，第一液体31和第二液体32被分流壁17分流，使得仅第二液体32流动通过上部液体通道，第一液体31和第二液体32均存在于下部液体通道中。在下部液体通道中，在再次沿y方向移动预定的界面稳定距离Le’之后，界面以预定的水层厚度比h_r<0.5变稳定。

图11C示出了第一液体31的流量Q₁高于第二液体32的流量Q₂(Q₁>Q₂)的情况。在这种情况下，水层厚度比为h_r>0.5。具体地，第一液体31与第二液体32之间的界面在从合流壁16的端部沿y方向移动预定的界面稳定距离Le之后在比合流壁16高的位置处变稳定。然后，第一液体31和第二液体32被分流壁17分流，使得第二液体32和第一液体31均存在于上部液体通道并且均流经上部液体通道，仅第一液体31流经下部液体通道。在上部液体通道中，在再次沿y方向移动预定的界面稳定距离Le’之后，界面以预定的水层厚度比h_r>0.5变稳定。

在本实施例中，只要分流壁17设置在喷射孔11的外侧，分流壁17的安装位置就不会显著影响喷射孔11处的喷射状态。这是因为界面稳定距离Le’存在于分流壁17的下游。具体地，鉴于要实现正常的喷射操作，分流壁17仅需要设置在喷射孔11的下游即可，分流壁距喷射孔的距离没有限制，不像合流壁16那样。然而，在第一液体31和第二液体32之间的界面在喷射孔11周围不对称的情况下，喷射的液滴30中包含的第二液体的比例可能会不稳定。因此，鉴于上述情况，优选的是将分流壁17设置在尽可能远离喷射孔11的位置。

如上所述，根据本实施例，在第一液体31和第二液体32的流动方向(y方向)上，用于使第一液体31和第二液体32在分流状态下彼此平行地移动的合流壁16的下游端部设置在喷射孔11上游的位置。这样，第一液体31和第二液体32之间的界面在喷射孔11上游的位置变稳定。这样可以在喷射孔11处保持良好的喷射操作。

(第三实施例)

第三实施例也使用图1至图3所示的喷射头1和液体喷射装置。

图12A至图12D是示出了本实施例中的液体通道13的构造的示图。本实施例中的液体通道13与第一实施例中描述的液体通道13的不同之处在于，除了第一液体31和第二液体32之外，还使第三液体33流经液体通道13。通过使第三液体流经液体通道13，可以采用具有高临界压力的气泡产生介质作为第一液体，并采用不同颜色的墨、高浓度树脂乳液(EM)等作为第二液体和第三液体。

在本实施例中，在硅基板15的与液体通道13的底部相对应的部分中，在y方向上依次形成第二流入口21、第三流入口22、第一流入口20、第一流出口25、第三流出口27和第二流出口26。然后，包含喷射孔11和压力产生元件12的压力室18大致设置在第一流入口20和第一流出口25之间的中点处。

通过第一流入口20供给到液体通道13中的第一液体31沿y方向(虚线箭头所示的方向)流动，然后从第一流出口25流出。另外，通过第二流入口21供给到液体通道13中的第二液体32沿y方向(白色箭头所示的方向)流动，然后从第二流出口26流出。通过第三流入口22供给到液体通道13中的第三液体33沿y方向(黑色箭头所示的方向)流动，然后从第三流出口27流出。

换句话说，在液体通道13内，第一液体31、第二液体32和第三液体33沿y方向在第一流入口20和第一流出口25之间一起流动。压力产生元件12与第一液体31接触，在喷射孔11周围暴露于大气的第二液体32形成弯月面，第三液体33在第一液体31与第二液体32之间流动。

在本实施例中，CPU500通过液体循环单元504控制第一液体31的流量Q₁、第二液体32的流量Q₂、以及第三液体33的流量Q₃，以稳定地形成图12D所示的三层平行流。然后，在形成有这种三层平行流的情况下CPU500驱动喷射头1的压力产生元件12，从而从喷射孔11喷射液滴。这样，即使在喷射操作干扰界面位置的情况下，三层平行流也会在短时间内回到如图12D所示的状态，并且可以立即开始下一个喷射操作。

在本实施例中维持良好的喷射操作需要三层稳定的平行流存在于喷射孔11的正下方。因此，在本实施例中，以使得从第一流入口20到喷射孔11的界面形成距离L1为大于第三液体33和第一液体31的界面稳定距离Le1(L1＞Le1)的值的方式确定第一流入口20相对于喷射孔11的位置。这样，第三液体33和第一液体31之间的界面移动预定的界面稳定距离Le1(未示出)，在稳定状态下到达喷射孔11。

注意，液体通道13中第二液体32和第三液体33合流的位置没有特别限制，只要在第一液体31与它们合流的位置的上游即可。但是，如果第二液体32和第三液体33之间的界面在第一液体31与它们合流的位置处不稳定，那么第三液体33和第一液体31之间的界面可能难以稳定。因此，优选的是第二液体32和第三液体33之间的界面在第一液体31与它们合流的位置处已经稳定。因此，在本实施例中，以使得从第三流入口22到第一流入口20的距离L2为大于第二液体32和第三液体33的界面稳定距离Le2的值(L2＞Le2)的方式确定第三流入口22的位置。这样，第二液体32和第三液体33之间的界面移动预定的界面稳定距离Le2(未示出)，在稳定状态下到达第一流入口20。

在上述条件下，在本实施例中，第一液体31、第二液体32和第三液体33如下所述地流经液体通道13。具体地，在第二液体32沿y方向移动期间，第三液体33流入。在第二液体32和第三液体33移动预定的界面稳定距离Le1(未示出)之后，其间的界面变得稳定。然后，在第二液体32和第三液体33保持其间的上述界面的情况下沿y方向移动期间，第一液体31流入。在第二液体32、第三液体33和第一液体31移动预定的界面稳定距离Le2(未示出)之后，第三液体33和第一液体31之间的界面变得稳定。因此，在喷射孔11的正下方获得三层平行流，其中第二液体32与第三液体33之间的界面以及第三液体33与第一液体31之间的界面都稳定。具体地，通过良好的喷射操作，可以从喷射孔11稳定地喷射以预定比例包含第一液体至第三液体的液滴。

(第一液体、第二液体和第三液体的具体示例)

在上述实施例的构造中，第一液体31、第二液体32和第三液体33所需的功能是清楚的：第一液体31是用于引起膜沸腾的气泡产生介质，而第二液体32和第三液体33是要从喷射孔喷射到外部的喷射介质。因此，利用上述实施例的构造，第一液体31、第二液体32和第三液体33中所含成分的自由度比现有技术高。下面将通过采用具体示例来具体描述这种构造中的气泡产生介质(第一液体)和喷射介质(第二液体和第三液体)。

要求上述实施例中的气泡产生介质(第一液体31)使得在电热转换器发热的情况下在气泡产生介质中出现膜沸腾，并且产生的气泡急剧扩大。换句话说，要求气泡产生介质具有能够将热能有效地转化为气泡产生能量的高临界压力。作为这样的介质，水是特别优选的。水虽然分子量小至18，但其具有高沸点(100℃)，高表面张力(100℃下为58.85dyne/cm)，以及约22MPa的高临界压力。换句话说，膜沸腾时的气泡产生压力也非常大。通常，通过利用膜沸腾进行喷墨的类型的喷墨打印装置优选使用由包含色材(例如染料或颜料)的水制成的墨。

但是，气泡产生介质不限于水。临界压力为2MPa以上(优选5MPa以上)的介质可以用作气泡产生介质。作为水以外的气泡产生介质的示例包括甲醇和乙醇，水与这些液体中的任何一种液体的混合物也可以用作气泡产生介质。另外，也可以使用由包含如上所述的色材(例如染料或颜料)或其他添加剂的水制成的介质。

另一方面，上述实施例中的喷射介质(第二液体32和第三液体33)不需要像气泡产生介质一样具有引起膜沸腾的物理性质。另外，电热转换器(加热器)的顶部附着结垢会导致加热器表面的平滑度可能被破坏，和/或导热率可能会降低，从而降低气泡产生效率的问题。但是，由于喷射介质不直接接触加热器，所以容纳在其中的成分不太可能被烧焦。具体地，与传统的热打印头的墨相比，喷射介质对于引起膜沸腾和避免结垢的物理性质的要求没那么严格。这样增加了所包含成分的自由度，因此，使得喷射介质能够积极地容纳适合于喷射后的用途的成分。

例如，在上述实施例中，可以积极地在喷射介质中包含传统上由于容易在加热器上烧焦的原因而未被使用的颜料。另外，在上述实施例中，也可以使用水性墨以外的临界压力非常小的液体作为喷射介质。此外，具有特殊功能、难以与传统的热打印头一起使用的各种墨，例如紫外线固化墨、导电墨、EB(电子束)固化墨、磁性墨和固体墨，也可以用作喷射介质。另外，通过使用血液、培养液中的细胞等作为喷射介质，可以将上述实施例中的液体喷射头用于除成像之外的各种应用。上述实施例中的液体喷射头可以有效地用于诸如生物芯片制造和电子电路印刷的应用中。

特别地，水或类似于水的液体是第一液体(气泡产生介质)，粘度比水高的颜料墨是第二液体和第三液体(喷射介质)，并且仅喷射第二和第三液体的构造是上述实施例的一个有效应用。在这种情况下，如图5A所示，通过使流量比Q_r＝Q₂/Q₁尽可能地小而将水层厚度比h_r保持较低也是有效的。注意，由于作为喷射介质的液体没有限制，所以可以使用与作为第一液体列出的任何液体相同的液体。例如，在上述液体中的每一种液体都是包含大量水的墨的情况下，可以根据例如使用模式的情况使用其中一种墨作为第一液体，使用另一种墨作为第二液体。

(喷射的液滴包含混合液体的示例)

接下来，将描述在第一液体31和第二液体32或第一液体31、第二液体32和另外的第三液体33以预定比例混合的状态下喷射液滴30的情况。例如，在第一液体31和第二液体32是不同颜色的墨的情况下，如果基于两种液体的粘度和流量计算出的雷诺数满足雷诺数小于预定值的关系，则这些墨将在液体通道13和压力室18内形成层流而不会使它们的颜色混合。具体地，通过控制第一液体31和第二液体32在液体通道和压力室中的流量比Q_r，可以将水层厚度比h_r调整到期望的比例，从而将喷射液滴30中第一液体31和第二液体32的混合比调整到期望的比例。

例如，在第一液体是透明墨并且第二液体是青色墨(或品红色墨)的情况下，可以通过控制流量比Q_r来喷射具有各种色材浓度的浅青色墨(或浅品红色墨)。另外，在第一液体是黄色墨，第二液体是品红色墨的情况下，可以通过控制流量比Q_r来喷射色调逐步变化的各种红色墨。具体地，如果可以喷射出第一液体和第二液体以期望的比例混合的液滴，则可以通过调整混合比例使得将在打印介质上表现的颜色再现范围比传统的范围广。

此外，本实施例的构造对于使用两种液体的情况也是有效的，这两种液体优选在即将喷射之前不混合，而是在喷射之后立即混合。例如，在图像印刷中存在以下情况：优选将具有优异的显色性的高浓度颜料墨和具有优异的牢固性(例如优异的耐擦伤性)的树脂乳液(树脂EM)同时施加到印刷介质。然而，颜料墨中包含的颜料成分和树脂EM中包含的固体成分在粒子间的距离较短的情况下容易聚集。因此分散性易于受损。因此，在第一液体是高浓度树脂乳液(EM)而第二液体是高浓度颜料墨并且这些液体的流速被控制成形成它们的平行流的情况下，两种液体在喷射之后混合并聚集在打印介质上。具体地，可以保持具有高分散性的优选喷射状态，并且在着落后可以获得具有高显色性和高度优良的牢固性的图像。

注意，在如上所述的要实现喷射后混合的情况下，无论压力产生元件的形式如何，使两种液体在压力室中流动都是有效的。具体地，即使对于最初不会产生临界压力限制和结垢问题的构造，例如使用压电元件作为压力产生元件的构造，上述实施例也能够有效地发挥作用。

尽管已经参考示例性实施例对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。对下列权利要求的范围应作最广义的解释，从而涵盖所有变型以及等同的结构和功能。

Claims (14)

1.一种液体喷射头，包括：

液体通道，第一液体和第二液体流动通过所述液体通道；

对所述第一液体加压的压力产生元件；以及

喷射孔，通过加压沿着与所述第一液体和所述第二液体的流动方向交叉的方向通过所述喷射孔喷射所述第二液体，

其中，在所述流动方向上从在所述液体通道中所述第一液体和所述第二液体合流的位置到所述喷射孔的距离大于在所述流动方向上从所述第一液体和所述第二液体相互接触的位置到在所述第一液体和所述第二液体之间获得稳定界面的位置的界面稳定距离，

其中，在Re是雷诺数、Af是所述液体通道的横截面面积、Wp是所述液体通道的湿周、Le是所述界面稳定距离的情况下，根据以下公式计算所述界面稳定距离Le，

[数学式1]

Le＝4Af(0.0550Re+0.379exp(-0.148Re)+0.260)/Wp。

2.根据权利要求1所述的液体喷射头，其中，

在所述液体通道中，在所述流动方向上依次设置有用于所述第二液体的流入口、用于所述第一液体的流入口、所述喷射孔、用于所述第一液体的流出口和用于所述第二液体的流出口，并且

所述第一液体和所述第二液体合流的位置是设置有用于所述第一液体的流入口的位置。

3.根据权利要求1所述的液体喷射头，其中，

在所述液体通道中，在所述流动方向上在所述喷射孔的上游设置有合流壁，所述合流壁是使所述第一液体和所述第二液体以彼此分开的状态在所述流动方向上移动的壁，并且

所述第一液体和所述第二液体合流的位置是所述合流壁在所述流动方向上的下游端部的位置。

4.根据权利要求3所述的液体喷射头，其中，在所述液体通道中，在所述流动方向上位于所述喷射孔下游的位置处设置有分流壁，所述分流壁是使所述第一液体和所述第二液体彼此分开的壁。

5.根据权利要求1所述的液体喷射头，其中，所述压力产生元件在所述第一液体和所述第二液体正在流动的状态下对所述第一液体加压。

6.根据权利要求1所述的液体喷射头，其中，所述压力产生元件在所述第一液体和所述第二液体停止的状态下对所述第一液体加压。

7.根据权利要求1所述的液体喷射头，其中，通过驱动所述压力产生元件，利用通过所述第一液体和所述第二液体之间的界面所施加的压力从所述喷射孔喷射所述第二液体。

8.根据权利要求1所述的液体喷射头，其中，从所述喷射孔喷射的液体不包含所述第一液体。

9.根据权利要求1所述的液体喷射头，其中，所述压力产生元件通过响应于对所述压力产生元件施加电压而发热从而在所述第一液体中引起膜沸腾。

10.根据权利要求9所述的液体喷射头，其中，所述第一液体是水或临界压力为2MPa以上的水性液体。

11.根据权利要求9所述的液体喷射头，其中，所述第二液体是包含颜料的水性墨或乳液。

12.根据权利要求9所述的液体喷射头，其中，所述第二液体是紫外线固化型墨。

13.一种液体喷射装置，包括：

液体喷射头，所述液体喷射头包括：

液体通道，第一液体和第二液体流动通过所述液体通道；

压力产生元件，所述压力产生元件对所述第一液体加压；

喷射孔，通过加压沿着与所述第一液体和所述第二液体的流动方向交叉的方向通过所述喷射孔喷射所述第二液体，

流动控制单元，所述流动控制单元控制所述第一液体和所述第二液体在所述液体通道中的流动；以及

驱动单元，所述驱动单元驱动所述压力产生元件，

其中，在所述流动方向上从在所述液体通道中所述第一液体和所述第二液体合流的位置到所述喷射孔的距离大于在所述流动方向上从所述第一液体和所述第二液体相互接触的位置到在所述第一液体和所述第二液体之间获得稳定界面的位置的界面稳定距离，

其中，在Re是雷诺数、Af是所述液体通道的横截面面积、Wp是所述液体通道的湿周、Le是所述界面稳定距离的情况下，根据以下公式计算所述界面稳定距离Le，

[数学式1]

Le＝4Af(0.0550Re+0.379exp(-0.148Re)+0.260)/Wp。

14.一种液体喷射模块，所述液体喷射模块通过与一个或多个所述液体喷射模块排列而形成液体喷射头，所述液体喷射模块包括：

液体通道，第一液体和第二液体流动通过所述液体通道；

压力产生元件，所述压力产生元件对所述第一液体加压；以及

喷射孔，通过加压沿着与所述第一液体和所述第二液体的流动方向交叉的方向通过所述喷射孔喷射所述第二液体，

其中，在所述流动方向上从在所述液体通道中所述第一液体和所述第二液体合流的位置到所述喷射孔的距离大于在所述流动方向上从所述第一液体和所述第二液体相互接触的位置到在所述第一液体和所述第二液体之间获得稳定界面的位置的界面稳定距离，

其中，在Re是雷诺数、Af是所述液体通道的横截面面积、Wp是所述液体通道的湿周、Le是所述界面稳定距离的情况下，根据以下公式计算所述界面稳定距离Le，

[数学式1]

Le＝4Af(0.0550Re+0.379exp(-0.148Re)+0.260)/Wp。

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