JP7271319B2 - 液体吐出ヘッド、液体吐出モジュール、液体吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体吐出ヘッド、液体吐出モジュール、および液体吐出装置に関する。

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とを界面で接触させ、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。また、特許文献１には、吐出媒体と発泡媒体との片方或いは両方を加圧して流れを形成することが記載されている。

特開平６－３０５１４３号公報

しかしながら、特許文献１には、二種類の液体の合流部の構成について詳細な記載がない。そのため、圧力室を含む液流路への液体の流入部の形状によっては、液流路において、液流路に液体が流れる方向と直交する幅方向（水平方向）に発泡媒体と吐出媒体とが並ぶように流れる界面が形成される場合がある。この場合、吐出口に吐出媒体となる液体が接しないことがあるため、吐出媒体となる液体の吐出が安定的に行われない虞がある。

本発明は上記課題に鑑み、圧力室において、発泡媒体となる液体と吐出媒体となる液体とを、吐出口から吐出媒体を吐出する方向である高さ方向に並ぶようにして流動させることにより、吐出媒体となる液体の吐出の安定化を図ることを目的とする。

本発明の液体吐出ヘッドは、第１の液体を加圧する圧力発生素子を有する基板と、第２の液体を吐出する吐出口が形成された部材と、前記吐出口と前記圧力発生素子とを含む圧力室と、前記基板と前記部材とによって形成され、前記圧力室が含まれ、少なくとも前記第１の液体と前記第２の液体とが流れる液流路と、を有する液体吐出ヘッドであって、前記基板は、前記圧力室よりも前記液流路において液体が流れる方向の上流側に、前記第１の液体を前記液流路に流入させる第１の流入口と、前記第１の流入口よりも前記上流側に、前記第２の液体を前記液流路に流入させる第２の流入口と、前記第１の流入口と前記第２の流入口との間に、前記第１の流入口よりも前記液流路において液体が流れる方向の下流側の前記基板の表面よりも高い位置にある部分を有する壁と、を有しており、前記圧力室では、前記圧力発生素子に接して流動する前記第１の液体と、前記第１の液体よりも前記吐出口に近い側を流動する前記第２の液体とが流動することを特徴とする液体吐出ヘッドである。

本発明によれば、圧力室において吐出媒体と発泡媒体とを高さ方向に並ぶように流動させることにより、吐出媒体となる液体の吐出の安定化を図ることができる。

液体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。 素子基板に形成された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。 比較例における素子基板に形成された液流路及び圧力室の拡大詳細図である。 液流路における液体の速度分布を説明するための図である。 合流壁を説明するための液流路及び圧力室の拡大詳細図である。 液流路における液体の速度分布を説明するための図である。 合流壁を説明するための液流路及び圧力室の拡大詳細図である。 合流壁のクリアランスを説明する図である。 掘り込み部を説明するための液流路及び圧力室の拡大詳細図である。 合流壁を説明するための液流路及び圧力室の拡大詳細図である。 合流壁のクリアランスおよび合流壁高を説明するための図である。 素子基板に形成された液流路及び圧力室の拡大詳細図である。 素子基板に形成された液流路及び圧力室の拡大詳細図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッド及び液体吐出装置について説明する。

＜第１の実施形態＞
（液体吐出ヘッドの構成）
図１は、本実施形態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、液体吐出モジュール１００がｘ方向に複数配列（複数個が配列）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と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と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、本実施形態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に対し液体を循環させながら供給し、液体吐出ヘッド１における液体の流量調整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との間で液体を循環させる流路や、複数のポンプ、弁機構などを備えている。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、上記複数のポンプや弁機構を制御する。

（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）の基板１５上にオリフィスプレート（吐出口形成部材）１４が積層されて構成されている。オリフィスプレート１４には、液体を吐出する吐出口１１がｘ方向に沿って複数個並んでいる。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。

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、図４に図示）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、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、ポンプが駆動制御されている。

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。

（液流路及び圧力室の構成）
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）のＩＶｂ－ＩＶｂ線に沿う断面図である。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と圧力発生素子１２とを含む圧力室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）に流動した後、圧力室１８を通り、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）に流動した後、圧力室１８を通り、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との間では、第１の液体と第２の液体との両方が共に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上方に第２の液体３２が流れている。そして、第１の液体３１は、下方の圧力発生素子１２によって加圧され、少なくとも第２の液体３２が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とが、図４（ｄ）に示すように、圧力室の中で互いに接触しながら液流路に沿って流れるように、第１の液体３１と第２の液体の物性に応じて、それらの流量を調整する。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とすると、レイノルズ数Ｒｅは（式１）で表すことができる。
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いる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。

尚、図４に示すように、液流路１３や圧力室１８の断面が矩形であったとしても、液流路１３や圧力室１８は円管と同等に、即ち液流路１３や圧力室１８の有効形を円管の直径としてみなすことができる。

（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、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］とする。そして、吐出口面から第１の液体３１と第２の液体３２との液液界面までの距離（第２の液体の相厚）をｈ₂［μｍ］、液液界面から基板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と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とが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。

尚、（式２）において、η₁は第１の液体３１の粘度、η₂は第２の液体３２の粘度、Ｑ₁は第１の液体３１の流量、Ｑ₂は第２の液体３２の流量をそれぞれ示す。すなわち、上記の４次方程式（式２）の成立範囲において、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。本実施形態では、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、本実施形態は、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）との関係を、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の液体との界面位置）は、第１の液体と第２の液体との粘度比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５（ａ）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。

尚、水相厚比ｈ_r＝ｈ₁／（ｈ₁＋ｈ₂）については、０＜ｈ_r＜１（条件１）が満たされていれば、液流路（圧力室）の中において第１の液体と第２の液体との平行流は形成されていることになる。但し、後述するように、本実施形態では第１の液体を主に発泡媒体として機能させ、第２の液体を主に吐出媒体として機能させるようにし、吐出液滴に含まれる第１の液体と第２の液体とを所望の割合に安定させるようにしている。このような状況を考慮すると、水相厚比ｈ_rは、０．８以下（条件２）であることが好ましく、０．５以下（条件３）であることが更に好ましい。

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の液体と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と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。

（吐出時の液液界面の流れ）
第１の液体と第２の液体とがそれぞれ流れることにより、それらの粘度比η_rと流量比Ｑ_rとに応じた位置（水相厚比ｈ_rに対応）に液面（液液界面）が形成される。その界面の位置を維持したまま、吐出口１１から液体を吐出することができれば、安定した吐出動作を実現することができる。このような安定した吐出動作を実現するための構成として、以下の２つが挙げられる。
構成１：第１の液体と第２の液体とが流れている状態で液体を吐出する構成
構成２：第１の液体と第２の液体とが静止している状態で液体を吐出する構成

構成１により、所定の界面位置を維持しつつ液体を安定的に吐出することが可能である。その理由は、一般的な液滴の吐出速度（数ｍ／ｓから十数ｍ／ｓ）は、第１の液体と第２の液体との流速（数ｍｍ／ｓ～数ｍ／ｓ）よりも大きく、吐出動作中に第１の液体と第２の液体とを流し続けても液体の吐出に与える影響は小さいからである。

また、構成２によっても、所定の界面位置を維持しつつ液体を安定的に吐出することが可能である。その理由は、界面における液体の拡散の影響によって、第１および第２の液体は直ちに混合されるわけではなく、それらの液体の非混合状態が極短時間では維持されるからである。水中の低分子の典型的な拡散係数Ｄ＝１０^-9ｍ²／ｓにおいて、一般的なインクジェットの駆動周波数の数十μｓの場合、０．２～０．３μｍしか拡散しない。したがって、液体の吐出の直前に、それらの液体の流れを止めて静止させた状態において界面が維持されているため、その界面の位置を維持したまま液体を吐出することが可能である。

ただし、界面における液体の拡散による第１および第２の液体の混合の影響を小さく抑えることできること、および液体の流動と停止とのための高度な制御が不必要であることから、構成１の形態の方が好ましい。

（液体の吐出モード）
界面の位置（水相厚比ｈ_rに対応）を変化させることによって、吐出口から吐出される液滴（吐出液滴）に含まれる第１の液体の割合を変化させることができる。液体の吐出モードは、吐出液滴の種類に応じて２つに大きく分けることができる。
モード１：第２の液体のみを吐出するモード
モード２：第２の液体に第１の液体を含めて吐出するモード

モード１は、例えば、圧力発生素子１２として電気熱変換体（ヒータ）を用いるサーマル式の液体吐出ヘッド、つまり液体の性質に大きく依存する発泡現象を利用する液体吐出ヘッドを用いる場合に有効となる。このような液体吐出ヘッドにおいては、ヒータの表面に生じる液体のコゲによって液体の発泡が不安定化するおそれがあり、また非水系インクなどの液体を吐出させることが困難である。しかし、モード１を利用して、第１の液体として、ヒータの表面にコゲが生じ難く発泡に適した発泡液を用い、第２の液体として種々の機能をもつ機能液を用いることにより、ヒータの表面のコゲを抑制しつつ、非水系インクなどの液体を吐出させることができる。

モード２は、サーマル式の液体吐出ヘッドにおいてのみならず、圧力発生素子１２として圧電素子を用いる液体吐出ヘッドにおいて、高濃度固形分のインクなどの液体を吐出するために有効となる。より具体的には、色材である顔料の含有量が多い高濃度顔料インクを記録媒体上に吐出する場合に有効となる。一般に、顔料インクにおける顔料を高濃度化することにより、その高濃度顔料インクによって普通紙などの記録媒体に記録した画像の発色を向上させることができる。さらに、高濃度顔料インクに樹脂ＥＭ（エマルジョン）を添加することにより、樹脂ＥＭの膜化により記録画像の擦過性などを向上させることができる。しかし、顔料および樹脂ＥＭなどの固形分は、それらの増加により粒子間距離が近接化して凝集しやすくなり、分散しにくくなる。したがって、顔料および樹脂ＥＭのそれぞれを高濃度でインク中に含有させることは難しくなる。特に、顔料は樹脂ＥＭよりも分散させにくい。そのため、従来においては、顔料または樹脂ＥＭのいずれか一方の量を少なくすることによりそれらを分散させてきた。具体的には、インク中に含まれる顔料および樹脂ＥＭをインクに対して例えばそれぞれを４ｗｔ％および１５ｗｔ％または８ｗｔ％および４ｗｔ％とすることにより、それらを分散させてきた。

しかしながら、上述したモード２を利用することにより、第１の液体として高濃度樹脂ＥＭインクを用い、第２の液体として高濃度顔料インクを用いることができる。このため、顔料インクと樹脂ＥＭインクをそれぞれ高濃度で吐出させることができる。その結果、高濃度顔料インクと高濃度樹脂ＥＭインクを記録媒体に付与することにより１つのインクでは実現しにくい画像、つまり発色がよく擦過性なども優れた高品位の画像を記録することが可能となる。具体的には、モード２を用いることにより、例えば、顔料インクの濃度として８～１２ｗｔ％、樹脂ＥＭの濃度として１５～２０ｗｔ％、というような高濃度の顔料インクと樹脂ＥＭを、それぞれ記録媒体に付与することができる。

（流入側の合流部の構成）
図６（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の図であり、圧力室１８において第１の液体および第２の液体がｘ方向に並ぶような液液界面が形成されている比較例を示す図である。図６（ａ）は吐出口１１の側（＋ｚ方向側）から見た透視図、図６（ｂ）～（ｄ）は、図６（ａ）のＶＩｂ－ＶＩｂ、ＶＩｃ－ＶＩｃおよびＶＩｄ－ＶＩｄのそれぞれの断面線に沿う断面図である。

液体が圧力室１８の中を流れる方向（図６（ａ）の矢印の方向）及び圧力発生素子１２から吐出口１１に向かう方向（高さ方向）に直交する方向（以下、幅方向と称する）における、第１の流入口２０の長さをＬとする。また、液流路１３の幅方向の長さをＷとする。図６（ａ）に示すとおり第１の流入口２０の長さＬは液流路１３の長さＷより短く、Ｌ＜Ｗの関係となっている（図６（ａ）参照）。この構成の場合、図６（ｃ）のように、第１の液体３１は第１の流入口２０から液流路１３の幅方向の中央の領域に流入し、第２の液体３２は液流路１３の液体が流れる方向に対して左右にある液流路１３を形成する壁面１４１に沿って流れる。

図７（ａ）は図６（ｃ）と同じ断面図に第１の液体３１の速度分布をベクトルで示した図である。第１の流入口２０において、第１の液体３１の速度分布ｖ１は、液体の速さが第１の流入口２０の壁面でゼロであり第１の流入口２０の中央部では最大となる分布をもつ。第１の流入口２０を出たｚ方向における第１の液体３１の速度分布はｖ１からｖｔ１に変わる。

図７（ｂ）は、図６（ａ）における第１の流入口２０付近の拡大図であり、液流路１３内の第１の液体３１の速度分布および第２の液体３２の速度分布をベクトルで示した図である。第１の流入口２０を出た第１の液体３１の速度分布ｖｔ１は、液流路１３において速度分布ｕｔ１へ変化し、速度分布がｕｔ１へ変化した第１の液体３１は液流路１３を流れる。このように第１の流入口２０から液流路１３に接続する屈曲部では第１の液体３１の速度分布が変化する。

一方、液流路１３における第１の流入口２０よりも液体が流れる方向の上流側において、第２の液体３２の速度分布はｕ２の状態にある。速度分布ｕ２の第２の液体３２が、速度分布ｕ１の第１の液体３１と合流する。液流路１３内の第１の液体３１は、液流路１３の壁面１４１と第１の流入口２０との間は流れにくいため、第２の液体３２が壁面１４１と第１の流入口２０との間を流れる。このため、第２の液体３２は、第１の液体３１を挟むように流れることから、液流路１３においては、水平方向（幅方向）に第１の液体３１と第２の液体３２とが並ぶような液液界面が形成されやすくなる。

第１の液体３１と第２の液体３２とが液流路１３の水平方向（幅方向）に並ぶように液液界面が形成された状態を維持して、第２の液体３２および第１の液体３１は圧力室１８まで流れる。即ち、第１の液体３１と第２の液体３２とは液流路１３の高さ方向に積層された平行流とならない。

図６（ｃ）のような液液界面が形成された場合、図６（ｄ）に示すように圧力室１８において圧力発生素子１２の上では、圧力発生素子１２から吐出口１１まで概ね第１の液体３１が占めるように流れる。このため、吐出される液体は概ね第１の液体３１となり、記録形成に必要な第２の液体３２を主として吐出させることが難しくなる。

図８は、本実施形態における素子基板１０に形成された１つの液流路および圧力室１８を説明するための図である。図８（ａ）は吐出口１１の側（＋ｚ方向側）から見た透視図、図８（ｂ）は、図８（ａ）のＶＩＩＩｂ－ＶＩＩＩｂ断面線に沿う断面図である。図８（ｃ）は本実施形態の素子基板における１つの液流路１３近傍の拡大図である。更に図８（ｄ）および（ｅ）は、図８（ａ）のＶＩＩＩｄ－ＶＩＩＩｄおよびＶＩＩＩｅ－ＶＩＩＩｅのそれぞれの断面線に沿う断面図である。図６と同様に第１の流入口２０の幅方向の寸法Ｌは液流路１３の幅方向の長さＷより短い構成（Ｌ＜Ｗ）となっている。

第１の流入口２０よりも、液流路１３に液体が流れる方向（ｙ方向）の上流側の基板１５の表面（液体と接する面）には合流壁４１が設けられている。合流壁４１は、基板１５の表面から突出するように設けられている。合流壁４１は、第１の流入口２０よりも液体が流れる方向の下流側の基板１５の表面よりも、高い位置にある部分を有する壁である。「高い位置にある部分を有する」とは、合流壁４１全てが、第１の流入口２０よりも液体が流れる方向の下流側の基板１５の表面より高い必要はないことを意味する。即ち、合流壁４１は、第１の流入口２０から液流路１３に接続する屈曲部における第１の液体３１からみて、ｙ方向における上流側（図８（ｂ）では左側）に位置する壁である。合流壁４１があることにより、第１の液体３１と第２の液体３２との合流部において、第２の液体３２は、第１の液体３１より高い（＋Ｚ方向）位置で流動するように導かれることになる。

図９（ａ）は図８（ｄ）と同じ断面図に第１の液体３１の速度分布をベクトルで示した図である。第１の流入口２０における第１の液体３１の速度分布ｖ１は、液体の速さが第１の流入口２０の壁面でゼロ、中央部で最大となる速度分布である。速度分布ｖ１の流れをもつ第１の液体３１が第１の流入口２０から出ると、第１の液体３１の速度分布はｖｔ１に変化する。合流壁４１の影響により第２の液体３２は第１の液体３１より高い位置で流動するように導かれる。このため、本実施形態では合流壁４１よりも低い位置において、第１の液体３１の液流路１３における速度分布ｖｔ１は、液流路１３の壁面１４１方向へ広がる流れをもつ分布となる。

図９（ｂ）は、図８（ａ）における第１の流入口２０付近の拡大図であり、本実施形態における液流路１３内の第１の液体３１の速度分布および第２の液体３２の速度分布をベクトルで示した図である。本実施形態の第１の流入口２０から液流路１３に接続する屈曲部では、合流壁４１が液流路１３内に存在していることによって、液流路１３全体に広がろうとする速度分布ｕｔ３の流れをもつ第１の液体３１が流れる。また、合流壁４１が液流路１３内に設けられていることにより、上流から流れる第２の液体３２は合流壁４１上を流れる。このため、速度分布ｕ２の流れをもつ第２の液体３２は、合流壁４１から－ｚ方向における液流路１３の壁面１４１と第１の流入口２０との間には流れ難くなる。したがって、上述した屈曲部において液流路１３全体に広がろうとする第１の液体３１は、第１の流入口２０の下流側の端部において液流路１３全体に広がって流動する速度分布ｕ３をもつ流れとなる。

このため、本実施形態では、第１の液体３１と第２の液体３２とが液流路１３の高さ方向に並ぶような液液界面を安定的に形成することができる。よって本実施形態の圧力室１８では、第１の液体３１が圧力発生素子１２側に流れ第２の液体３２が吐出口１１側に流れる。その結果、第１の液体３１に発泡媒体を使用し、第２の液体３２に記録形成に必要な機能を持つ記録媒体を用いるような場合、記録形成に必要な第２の液体３２を主として吐出口から吐出させることができる。

特に、合流壁４１の高さ方向の長さ（図８（ｂ）における距離Ｚ）は長いほど、第１の液体３１と第２の液体３２とが液流路１３の高さ方向に並ぶような液液界面を実現する上では有効である。一方、第２の液体３２が流れる合流壁４１上の液流路の高さ方向の長さＡ２は、合流壁４１のない部分の液流路の高さ方向の長さＡ１に比べて小さくなる。よって、合流壁４１の高さ方向の長さＺが長くなると、合流壁４１上を流れる第２の液体３２の圧損が増加することになり、第２の液体３２の供給が困難になる。特に、第２の液体３２に記録形成に必要な機能を持つ記録媒体を使用し、第２の液体３２を安定的に吐出できるように第１の液体３１として発泡媒体である水を使用する場合、第２の液体３２は、第１の液体３１に比べて高粘度になる。したがって、第２の液体の合流壁の高さは液流路の高さの１／２以下が好ましい。

また、図８（ａ）に示すように、本実施形態では合流壁４１の幅方向の長さは液流路１３の幅方向の長さＷと同等であるがこれに限定されるものではない。合流壁４１の幅方向の長さは液流路１３の幅方向の長さＷより短い形態でもよい。ただし、第１の液体３１と第２の液体３２とが液流路１３の高さ方向に並ぶような液液界面を形成するためには、合流壁４１の幅方向の長さは、液流路１３の幅方向の長さＷと同等にすることが好ましい。ここで同等とは、液流路１３の幅方向の長さＷを１としたときに、合流壁４１の幅方向の長さが０．９～１．０の範囲内にあることをいう。

尚、合流壁４１は、基板１５の一部（例えばシリコン基板のシリコンまたは、シリコン基板上の膜）で形成してもよいし、基板１５とは別の部材（例えば樹脂層または金属層）で形成してもよい。

図１０は、合流壁４１の他の例を説明するための図である。図１０（ａ）は吐出口１１の側（＋ｚ方向側）から見た透視図、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＸｂ－Ｘｂ断面線に沿う断面図である。図１０（ｃ）は本実施形態の素子基板における１つの液流路１３近傍の拡大図である。合流壁４１は、液流路１３に液体が流れる方向における上流側の第１の流入口２０の開口端上から、液流路１３に液体が流れる方向における下流側の第２の流入口２１の開口端上の間の基板１５上に、連続して延在するような構成でもよい。

図１１は、基板１５における合流壁４１の位置を説明するための図である。図１１（ａ）は吐出口１１の側（＋ｚ方向側）から見た透視図、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＸＩｂ－ＸＩｂ断面線に沿う断面図である。

液流路１３において液体が流れる方向（ｙ方向）における合流壁４１の下流側の端部と、液流路１３において液体が流れる方向における上流側の第１の流入口２０の開口端と、の距離をクリアランスＬｅとする。合流壁４１のクリアランスＬｅは以下の関係であることが好ましい。
Le≦(0.550Re+0.379exp(-0.148Re)+0.260)×De （式３）
Ｒｅ：レイノルズ数
Ｄｅ：相当直径（４Ａｆ／Ｗｐ）
Ａｆ：流路断面積
Ｗｐ：濡れ縁長さ

式３は、液流路１３のような管路に液体が流入した場合、その液体の流れが完全に発達するまでの助走距離を基準にして求められた式である。一般的なインクジェット記録ヘッドについて考えると、流路断面積Ａｆ＝２２４μｍ²、濡れ縁長さＷｐ＝６０μｍであり、相当直径Ｄｅは１４．９μｍ程度である。よって、レイノルズ数Ｒｅ＝０．１～１．０の場合、式３の右辺の値は十数μｍ程度になる。このため、第１の流入口のクリアランスＬｅはＬｅ＝０またはＬｅ≒０、つまり液流路１３に液体が流れる方向における上流側の第１の流入口２０の開口端上に、液流路１３に液体が流れる方向における下流側の合流壁４１の端部が位置する構成が好ましい。

クリアランスＬｅが式３を満たさない場合、クリアランスＬｅの領域に流入する第２の液体３２の流れが、クリアランスＬｅの領域において液流路１３の壁面１４１の方向へ広がる。このため第２の液体３２の流れによって、液流路１３の壁面１４１の方向へ広がる第１の液体３１の流れは阻害される。このためクリアランスＬｅが式３を満たさない場合、圧力室１８において図６で示したように第１の液体３１と第２の液体３２とがｘ方向に並ぶような液液界面が形成されやすくなる。

図８および図１０で説明した液流路１３に液体が流れる方向における下流側の合流壁４１の端部は、液流路１３に液体の流れる方向における上流側の第１の流入口２０の開口端上にある。このため図８および図１０で説明した合流壁４１のクリアランスＬｅは、Ｌｅ＝０の合流壁４１である。

図１２は、合流壁を設ける別の例として、掘り込み部を設ける例を説明するための図である。図１２（ａ）は吐出口１１の側（＋ｚ方向側）から見た透視図、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＸＩＩｂ－ＸＩＩｂ断面線に沿う断面図である。

図１２に示す基板１５の表面には、第１の流入口２０よりも液体が流れる方向の下流側に掘り込み部４２を設けている。掘り込み部４２は、基板１５の表面１５１よりも、図１２（ｂ）の距離Ｚだけ低い位置になるように形成されている。第１の流入口２０よりも液流路１３に液体が流れる方向の上流側には、表面１５１に掘り込み部を設けていない。これにより、液流路１３において、第１の流入口２０よりも液流路１３に液体が流れる方向の上流側の基板１５の表面には、第１の流入口２０よりも液体が流れる方向の下流側の基板１５の表面よりも高い位置にある部分ができる。即ち、第１の流入口２０の周部において、－ｙ方向の上流側の部分は、＋ｙ方向の下流側の部分よりも相対的に距離Ｚだけ高くなっている。従って、掘り込み部４２によって、第１の流入口２０よりも液流路１３に液体が流れる方向の上流側の基板１５は合流壁と同様に機能することになる。この場合においても、合流壁は、屈曲部における第１の液体３１からみて、ｙ方向における上流側（図１２（ｂ）では左側）に位置する壁である。このため、このような構成によっても、第１の液体３１と第２の液体３２とが液流路１３の高さ方向に並ぶような液液界面を安定的に形成させることができる。

尚、例えば基板１５の酸化膜のエッチング処理や、基板１５をドライエッチングすることによって掘り込み部４２を形成することが可能である。掘り込み部４２は、図１０および図１１で説明した合流壁４１と共に用いてもよい。

以上説明したように本実施形態によれば、第１の液体３１と第２の液体３２とが圧力室１８において高さ方向（鉛直方向）に並んで流れるような液液界面を形成させることができる。このため圧力発生素子１２と接するのは第１の液体３１であり、吐出口側には第２の液体３２があることから、圧力発生素子１２によって第１の液体３１を発泡させることにより、第２の液体３２を吐出させることができる。

尚、圧力室１８の中を流れる第１の液体や第２の液体は、圧力室１８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１３及び圧力室１８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際に使用することができる。

（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の液体は大気中に吐出するための吐出媒体、というように、主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。

例えば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、例えば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す。このため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。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。

＜第２の実施形態＞
本実施形態は、圧力室１８において第１の液体３１と第２の液体３２とが高さ方向（鉛直方向）に積層して流れる液体吐出ヘッド１の別の形態を説明する。本実施形態については、第１の実施形態からの差分を中心に説明する。特に明記しない部分については第１の実施形態と同じ構成である。

（水相厚と合流壁の関係）
図１３は、本実施形態における素子基板１０に形成された１つの液流路および圧力室１８を説明するための図である。図１３（ａ）は吐出口１１の側（＋ｚ方向側）から見た透視図、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＸＩＩＩｂ－ＸＩＩＩｂ断面線に沿う断面図である。また、図１３（ｃ）は素子基板における１つの液流路１３近傍の拡大図である。

本実施形態では、図１３（ｂ）に示すように、第１の流入口２０よりも第２の液体３２が流れる方向の上流側において、基板１５が液体と接する表面１５１に、合流壁４１が設けられている。合流壁４１は図８で示したようなクリアランスＬｅ＝０の合流壁である。

本実施形態の特徴部分は、合流壁４１に、液体が流れる方向の下流に向かって突出する突出部４３が設けられていることである。合流壁４１と突出部４３とは一体として形成されており、突出部４３は第１の流入口２０に対向するように形成されている。合流壁４１に突出部４３が設けられていることにより、第１の流入口２０と突出部４３との間の流路において第２の液体３２が流入することを抑制することができる。このため、第１の流入口２０と突出部４３との間の流路においては第１の液体３１が主に流動することになり、突出部４３の下流側の流路においても、第１の液体３１と第２の液体３２を高さ方向に並ぶように流動させることができる。なお、図１３のように合流壁４１の幅方向の長さは液流路の幅方向の長さＷと同じ長さであることが好ましい。

（水相厚と突出部の突出量との関係）
図１４（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）は、図１３（ｂ）の合流壁４１付近の拡大図であり、合流壁４１の突出部４３の突出量を説明するための図である。突出部４３の下流側（+ｙ方向）の端部と、第１の流入口２０の下流側（+ｙ方向）の開口端と、の距離をクリアランスＣ３とする。また突出部４３の下流側の端部が第１の流入口２０の下流側の端部よりも上流にある状態のクリアランスはマイナス（Ｃ３＜０）と定義する。

図１４（ａ）は、突出部４３のクリアランスＣ３がマイナス（Ｃ３＜０）の状態の例を示す図である。この例では、突出部４３は第１の流入口２０の全体を覆わない。図１４（ｂ）は、合流壁４１のクリアランスＣ３がゼロ（Ｃ３＝０）の状態の例を示す図である。この例では、突出部４３は第１の流入口２０の全て覆っている。また、図１４（ｃ）は、突出部４３のクリアランスＣ３がプラス（Ｃ３＞０）の状態の例を示す図である。この例では、突出部４３は第１の流入口２０を全て覆い、突出部４３の先端は第１の流入口２０の下流側の流路まで達している。

圧力室１８において第１の液体３１と第２の液体３２とが鉛直方向に積層して流れるような液液界面を形成する観点では、第１の流入口２０をすべて被覆する構成であるクリアランスＣ３は０以上（Ｃ３≧０）の状態が好ましい。図１４（ａ）に示すように突出部４３のクリアランスＣ３がマイナス（Ｃ３＜０）の場合、クリアランスが０以上（Ｃ３≧０）の場合に比べて、吐出される液体に第１の液体３１が含まれやすくなる。しかし第２の液体３２を安定的に吐出することは可能である。従って、吐出口１１から吐出する液体に含まれる第１の液体３１を低減させたいとき、クリアランスＣ３は０以上（Ｃ３≧０）とするように突出部４３を形成する。また、吐出口１１から吐出する液体に第１の液体３１を含ませる必要がある場合にはクリアランスＣ３をマイナス（Ｃ３＜０）とするよう突出部４３を形成する。

図１４（ｃ）、（ｄ）および（ｅ）は、突出部４３の有する高さ方向における位置である合流壁高ｂが異なる場合を説明するための図である。図１４（ｃ）は、合流壁高ｂが、第１の液体３１の相の厚さｈ₁と略等しくなるような例を示す図である。図１４（ｄ）は、第１の液体３１の相の厚さｈ₁に比べて合流壁高ｂが小さい例を示す図である。図９（ｅ）は、第１の液体３１の相の厚さｈ₁に比べて合流壁高ｂが大きい例を示す図である。

粘度比および流量比が一定の場合、水相厚比ｈ_rは一定である。このため、第１の液体３１の相の厚みｈ₁は、液流路１３の高さ方向の長さが同じである限り一定の厚さを維持する。このため、図１４（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）のいずれの突出部４３の構成であっても、圧力室１８における第１の液体３１の相の厚みｈ₁は同じになる。

第２の液体３２に記録形成に必要な機能を持つ記録媒体を使用し、第２の液体３２を安定的に吐出できるように第１の液体３１として発泡媒体である水を使用する場合、第２の液体３２は、第１の液体３１に比べて高粘度になる。この場合、第２の液体３２の供給性を高めることが好ましい。合流壁高ｂが大きくなると合流壁４１上にある上段流路１３２の高さ方向の長さは小さくなる。この場合、上段流路１３２を流れる第２の液体３２の流量が制限されることになる。このため、第２の液体３２に記録形成に必要な機能を持つ記録媒体を使用し、第１の液体３１として発泡媒体である水を使用する場合、合流壁高ｂは小さい構成が好ましい。

以上説明したように本実施形態によっても、第１の液体３１と第２の液体３２とが圧力室１８において高さ方向（鉛直方向）に並んで流れるような液液界面を形成させることができる。このため圧力発生素子１２と接するのは第１の液体３１であり、吐出口側には第２の液体３２があることから、圧力発生素子１２によって第１の液体３１を発泡させることにより、第２の液体３２を吐出させることができる。

＜第３の実施形態＞
本実施形態においても、図１～図３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１５は、本実施形態における液流路１３の構成を示す図である。前述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２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。

図１５（ａ）は、吐出口１１の側（＋ｚ方向側）から見た透視図、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）のＸＶｂ－ＸＶｂ断面線に沿う断面図である。本実施形態の液流路１３においては、前述した実施形態における第１の液体３１と第２の液体３２の層流状態の平行流に加えて、第３の液体３３によっても層流状態の平行流を形成するように、それらの液体が流動可能である。液流路１３の内面（底面）に相当する基板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。吐出口１１と圧力発生素子１２とを含む圧力室１８は、液流路１３の中で第１の流入口２０と第１の流出口２５との間のほぼ中央に配されている。

第１の液体３１および第２の液体３２は、前述した実施形態と同様に、第１の流入口２０および第２の流入口２１から液流路１３に流入され、ｙ方向に流動した後、圧力室１８を通って第１の流出口２５および第２の流出口２６から流出される。第３の流入口２２を通して流入される第３の液体３３は、液流路１３に導入されてから、液流路１３内をｙ方向に流動した後、圧力室１８を通って第３の流出口２７から導出されて回収される。したがって、液流路１３内において、第１の流入口２０と第１の流出口２５との間には、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。その際、圧力室１８の中で、第１の液体３１は、圧力発生素子１２が位置する圧力室１８の内面に接し、第２の液体３２は、吐出口１１にメニスカスを形成し、第３の液体は、第１の液体３１と第２の液体３２との間を流動する。

本実施形態においても、前述した第１の実施形態と同様に、第１の流入口２０よりも液体が流れる方向の上流側の基板に合流壁４１１が設けられている。さらに、本実施形態では、第３の流入口２２よりも液体が流れる方向の上流側の基板に合流壁４１２が設けられている。これらの合流壁４１１，４１２は、前述した第１の実施形態の合流壁４１と同様に機能する。図１５（ｃ）は図１５（ｂ）の圧力室近傍の拡大図である。合流壁４１１，４１２を設けることにより、圧力室１８において第１の液体３１と第２の液体３２と第３の液体３３とが鉛直方向に積層して流れるようにすることができる。他にも、前述した第２の実施形態と同様の合流壁４１を設けてもよい。また、液流路１３内に４種類以上の液体を積層しているように流す場合も同様である。

＜その他の実施形態＞
前述の実施形態では、第１の流入口２０の幅方向の長さＬは液流路１３の幅方向の長さＷより短い（Ｌ＜Ｗ）構造であるものとして説明した。しかし、第１の流入口２０の幅方向の長さＬが液流路１３の幅方向の長さＷと同等（Ｌ＝Ｗ）、または第１の流入口２０の幅方向の長さＬが液流路１３の幅方向の長さＷより長い（Ｌ＞Ｗ）形態もある。このような形態であっても、合流壁４１を設けることにより、圧力室１８において第１の液体３１と第２の液体３２とが高さ方向に積層して流れるような液液界面を形成させる上で有効である。

図１６は、上述した第１の流入口２０の幅方向の長さＬが、液流路１３の幅方向の長さＷより長い構造（Ｌ＞Ｗ）の形態を示す図である。図１６（ａ）は、吐出口１１の側（＋ｚ方向側）から見た透視図、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のＸＶＩｂ－ＸＶＩｂ断面線に沿う断面図である。なお、図１６は、Ｌ＞Ｗである構造に第２の実施形態における合流壁４１及び突出部が設けられている形態を示す図であるが、第１の実施形態のような合流壁４１のみが液流路に設けられている形態であってもよい。

本発明の液体吐出ヘッドおよび液体吐出ヘッドを備えた液体吐出装置は、インクを吐出するインクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録装置に限定されない。本発明の液体吐出ヘッド、液体吐出装置、および液体吐出方法は、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサなどの装置、さらには、各種処理装置と複合的に組み合わせた産業記録装置に適用可能である。特に第２の液体として様々なものが用いられるので、バイオチップ作製および電子回路印刷などの用途としても用いることもできる。

１２ 圧力発生素子
１１ 吐出口
１８ 圧力室
１３ 液流路
３１ 第１の液体
３２ 第２の液体
２０ 第１の流入口
４１ 合流壁

Claims (18)

1. 第１の液体を加圧する圧力発生素子を有する基板と、
   第２の液体を吐出する吐出口が形成された部材と、
   前記吐出口と前記圧力発生素子とを含む圧力室と、
   前記基板と前記部材とによって形成され、前記圧力室が含まれ、少なくとも前記第１の液体と前記第２の液体とが流れる液流路と、を有する液体吐出ヘッドであって、
   前記基板は、
   前記圧力室よりも前記液流路において液体が流れる方向の上流側に、前記第１の液体を前記液流路に流入させる第１の流入口と、
   前記第１の流入口よりも前記上流側に、前記第２の液体を前記液流路に流入させる第２の流入口と、
   前記第１の流入口と前記第２の流入口との間に、前記第１の流入口よりも前記液流路において液体が流れる方向の下流側の前記基板の表面よりも高い位置にある部分を有する壁と、を有しており、
   前記圧力室では、前記圧力発生素子に接して流動する前記第１の液体と、前記第１の液体よりも前記吐出口に近い側を流動する前記第２の液体とが流動する
   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２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記壁の前記下流側の端部は、前記第１の流入口の前記上流側の開口端上にある
   請求項１から３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記壁は、前記第２の流入口の前記下流側の開口端上から前記第１の流入口の前記上流側の開口端上まで連続して延在している
   請求項１から４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記壁は、
   前記第１の流入口と前記第２の流入口との間の前記基板の表面から突出している
   請求項１から４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記圧力発生素子から前記吐出口に向かう方向である高さ方向の前記壁の長さは、前記液流路における前記高さ方向の長さの１／２以下の長さである
   請求項１から６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記基板は、
   前記第１の流入口よりも前記下流側に、前記基板の表面が掘り込まれた掘り込み部を有し、
   前記壁は、掘り込み部よりも、表面が高い位置にある前記第１の流入口と前記第２の流入口との間の前記基板である
   請求項１から６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
9. 前記壁は、前記下流側に向かって前記壁から突出する突出部を有する
   請求項１から８のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
10. 前記液流路において液体が流れる方向および前記圧力発生素子から前記吐出口に向かう方向に直交する幅方向における前記液流路の長さは、前記第１の流入口の前記幅方向の長さより小さい
    請求項１から９のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
11. 前記液流路において液体が流れる方向および前記圧力発生素子から前記吐出口に向かう方向に直交する幅方向における前記液流路の長さは、前記第１の流入口の前記幅方向の長さより大きい
    請求項１か９のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
12. 前記圧力室の中を流れる前記第１の液体は、前記圧力室の外部との間で循環される
    請求項１から１１のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
13. 前記圧力室では、前記第１の液体及び前記第２の液体と、接しながら流動する第３の液体が流動している
    請求項１から１２のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
14. 前記第１の液体は、５ＭＰａ以上の臨界圧力を有する液体である
    請求項１から１３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
15. 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１から１４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
16. 前記第２の液体は、ソリッド型インクまたは紫外線硬化型インクである
    請求項１から１４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
17. 請求項１から１６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。
18. 請求項１から１６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドと、
    前記液流路における前記液体の流動を制御する制御手段と、
    前記圧力発生素子を駆動する駆動手段と、
    を備えることを特徴とする液体吐出装置。

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