JP7330741B2 - 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 - 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ものである。

特許文献１には、吐出口に連通する液流路内に、吐出媒体となる液体と発泡媒体となる液体とを界面を介して分離した状態で保持し、発熱素子によって発泡媒体を発泡させることにより、吐出口から吐出媒体を吐出させる構成が記載されている。

特開平６－３０５１４３号公報

しかしながら、特許文献１には、液流路に対する液体の流入部の形状について、詳細な記載がない。本発明者らの検討によれば、流入部の形状によっては界面の形態が大きく変化する。例えば、流入部の形状によっては、第１の液体と第２の液体が液流路（圧力室）の高さ方向に並ぶように界面が形成されたり、第１の液体と第２の液体が液流路（圧力室）の幅方向に並ぶように界面が形成されたりする。

従って、本発明の目的は、第１の液体と第２の液体が液流路及び圧力室の高さ方向に並ぶようにして、液体の吐出性能の安定化を図ることにある。

本発明の液体吐出ヘッドは、基板と、第１の液体と第２の液体が流動するように前記基板上に形成され、圧力室を有する液流路と、前記圧力室内の前記第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、を備える液体吐出ヘッドにおいて、前記基板は、前記液流路の中に、前記第１の液体を前記液流路と交差する方向から流入させる第１の流入口と、前記第２の液体を流入させる第２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、を有し、前記第１の流入口は、前記第２の流入口よりも前記圧力室に近い位置にあり、前記液流路の中に流入した前記第１の液体および第２の液体は、前記液流路の中を前記圧力室に向かって流れ、前記第１の液体が前記圧力室の中を流れる方向及び前記第２の液体が前記吐出口から吐出される方向に直交する方向において、前記第１の流入口の長さをＬ、前記第１の流入口上の前記液流路の長さをＷとしたとき、Ｌ≧Ｗの関係が満たされる部分を有し、前記第２の液体が吐出される方向を下方から上方としたときに、前記第１の液体の上方に前記第２の液体が流動していることを特徴とする。

本発明によれば、第１の液体と第２の液体が液流路の高さ方向に並ぶようにして、液体の吐出性能の安定化を図ることができる。

本発明の第１の実施形態における液体吐出ヘッドの斜視図である。 本発明の第１の実施形態における液体吐出装置の制御系のブロック図である。 図１における液体吐出モジュールの断面図である。 図１の素子基板における液流路及び圧力室の拡大断面図である。 図１の素子基板における液流路及び圧力室の説明図である。 液体の粘度比と水相厚比との関係、及び圧力室の高さと流速との関係の説明図である。 流量比と水相厚比との関係の説明図である。 吐出動作の過渡状態の説明図である。 水相厚比を変化させた場合における吐出液滴の説明図である。 水相厚比を変化させた場合における吐出液滴の説明図である。 水相厚比を変化させた場合における吐出液滴の説明図である。 流路（圧力室）の高さと水相厚比との関係の説明図である。 水の含有率と発泡圧力との関係の説明図である。 本発明の第１の実施形態における第１の流入口の説明図である。 本発明の比較例における第１の流入口の説明図である。 本発明の第１の実施形態における第１の流入口の説明図である。 本発明の比較例における第１の流入口の説明図である。 本発明の第１の実施形態における第１の流入口と、第１及び第２の液体の流量と、の関係の説明図である。 本発明の第１の実施形態における第１の流入口の異なる変形例の説明図である。 本発明の第１の実施形態における第１の流入口の更に他の変形例の説明図である。 本発明の第２の実施形態における液流路及び圧力室の拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
（液体吐出ヘッドの構成）
図１は、本実施形態における液体吐出ヘッド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）されることによって構成される。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、を有する。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及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が液体を吐出するための吐出信号を生成する。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液体の付与対象媒体に付着させる。液体吐出装置２がインクジェット記録装置を構成する場合、インクジェット記録ヘッドとしての液体吐出ヘッド１がインクを吐出し、液体吐出ヘッド１と記録媒体とを相対移動させるために搬送モータ５０３が記録媒体を搬送する。

液体循環ユニット５０４は、液体吐出ヘッド１に対して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との間で液体を循環させる流路、複数のポンプ、及び液体吐出ヘッド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。このような液体循環ユニット５０４は、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が積層されて構成されている。オリフィスプレート１４(吐出口形成部材)には、液体を吐出するための吐出口１１がｘ方向に複数配列されている。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、共通のサブタンク及び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も形成する例を示しているが、液流路１３を別の部材（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を設け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。圧力発生素子１２は、吐出信号に応じて電圧が印加されると、液体を流動方向（ｙ方向）と交差するｚ方向へ加圧して、圧力発生素子１２と対向する吐出口１１から液体を液滴として吐出する。圧力発生素子１２に対する電力及び駆動信号は、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）から供給される。基板１５は、ここではシリコン基板を用いているが、他の部材で形成された基板であってもよい。また、基板１５がシリコン基板である場合、シリコン基板に酸化膜（層）や絶縁膜（層）などが設けられていても、それらを含めて基板（シリコン基板）とする。

基板上（シリコン基板１５上）の、シリコン基板１５とオリフィスプレート１４との間には、ｙ方向に延在して、吐出口１１の夫々に個別に連通する、液体が流れる複数の液流路１３が形成されている。この液体は、後述する第１の液体と第２の液体とを含む。ｘ方向に配列される複数の液流路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に対して、共通に接続される。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の液体循環ユニット５０４によって制御される。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に向かって流れ、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に向かって流れるように、ポンプが制御される。

図３では、このようなｘ方向に配列する吐出口１１及び液流路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の組と、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及び図５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。図５（ａ）は、図４（ａ）における液流路１３の斜視図、図５（ｂ）は、図４（ｂ）における吐出口１１の近傍部分の拡大図である。

液流路１３の底部（壁部）に相当するシリコン基板１５には、液流路１３に連通する第２の流入口２１、第１の流入口２０、第１の流出口２５、及び第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とを有する圧力室１８は、液流路１３中において、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、それぞれ接続される（図３参照）。

第１の流入口２０は、液流路１３を液体が流れる方向の上流側から、液流路１３の中（液流路１３内）に、液流路１３と交差（本例の場合は、直交）する方向から第１の液体３１を流入させる。第１の流入口２０は、第２の流入口２１よりも圧力室１８に近い位置にある。第１の共通供給流路２３から第１の流入口２０を通して供給される第１の液体３１は、矢印Ａ１のように液流路１３に流入してから、液流路１３内を矢印Ａ方向に流れる。即ち、第１の液体は、液流路１３の中を圧力室１８に向かって流れる。その後、第１の液体３１は、圧力室１８を通り、矢印Ａ２のように第１の流出口２５から流出して、第１の共通回収流路２４に回収される（図５参照）。第２の流入口２１は、第１の流入口２０よりも、液流路１３を液体が流れる方向の上流側（第１の流入口２０よりも圧力室１８から遠い側）に配置されている。第２の共通供給流路２８から第２の流入口２１を通して供給される第２の液体３２は、矢印Ｂ１のように液流路１３に流入してから、液流路１３内を矢印Ｂ方向に流れる。即ち、第２の液体も、液流路１３の中を圧力室１８に向かって流れる。その後、第２の液体３２は、圧力室１８を通り、矢印Ｂ２のように第２の流出口２６から流出して、第２の共通回収流路２９に回収される（図５参照）。第１の流入口２０と第１の流出口２５との間の液流路１３においては、第１の液体３１と第２の液体３２の両方が共にｙ方向に流動する。その際、圧力室１８の中では、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（図５（ｂ）中下側の底面）に接し、第２の液体３２は、吐出口１１にメニスカスを形成する。また、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。すなわち、圧力発生素子１２がある側を下方、吐出口１１がある側を上方とすると、第１の液体３１の上に第２の液体３２が流れており、これらの液体は互いに接触している。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。なお、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５（ｂ）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と第２の液体の物性に応じて、それらの流量を調整する。なお、本実施形態における第１および第２の液体、および後述する第２の実施形態における第１、第２、および第３の液体の流れは、いずれも同じ方向に流動する平行流となっているが、本発明はこれに限られることはない。すなわち、本実施形態において、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の液体の流れが交差するように、流路を設けてもよい。後述する第２の実施形態においても同様である。

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ということである。したがって、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（圧力室）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、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。このため、液流路１３や圧力室１８は円管と同等に、すなわち液流路や圧力室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５（ｂ）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。シリコン基板１５と、オリフィスプレート１４の吐出口１１の開口面（吐出口面）との間の距離、すなわち圧力室１８の高さをＨ［μｍ］とする。また、第１の液体３１と第２の液体３２の界面（液液界面）と、吐出口面と、の間の距離（第２の液体の相厚）をｈ₂［μｍ］とし、その界面とシリコン基板１５との間の距離（第１の液体の相厚）をｈ₁［μｍ］とする。したがって、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の界面における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場合、平行流区間では（式２）の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６（ａ）は、（式２）において、流量比Ｑ_r＝Ｑ₂/Ｑ₁を複数段階に異ならせた場合の、粘度比η_r＝η₂/η₁と第１の液体の相厚比ｈ_r＝ｈ₁/（ｈ₁＋ｈ₂）との関係の説明図である。なお、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）をそれぞれ示す。流量比Ｑ_rが大きくなるほど、水相厚比ｈ_rが小さくなる。また、いずれの流量比Ｑ_rにおいても、粘度比η_rが大きくなるほど、水相厚比ｈ_rが小さくなる。したがって、液流路１３における水相厚比ｈ_r（第１の液体と第２の液体の界面位置に対応）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。また図６（ａ）から、粘度比η_rと流量比Ｑ_rとを比較した場合に、流量比Ｑ_rは、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分かる。

図６（ａ）中の状態Ａ、Ｂ、Ｃは、それぞれ以下の状態を示す。
状態Ａ：粘度比η_r＝１、流量比Ｑ_r＝１、水相厚比ｈ_r＝０．５０
状態Ｂ：粘度比η_r＝１０、流量比Ｑ_r＝１、水相厚比ｈ_r＝０．３９
状態Ｃ：粘度比η_r＝１０、流量比Ｑ_r＝１０、水相厚比ｈ_r＝０．１２

図６（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を示す。縦軸は、液流路１３（圧力室）の高さＨ［μｍ］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及び状態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分かる。その理由は、異なる粘度を有する２種類の液体が層流となって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。

（吐出動作時の液体の流れ）
第１の液体と第２の液体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及び第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。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及び第２の液体の混合の影響を小さく抑えることできること、及び液体の流動と停止のための高度な制御が不必要であることから、第１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第１の液体の液滴（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、顔料及び樹脂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。特に、顔料は樹脂ＥＭよりも分散させにくい。そのため、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、具体的には、顔料／樹脂ＥＭ量を略４／１５または８／４ｗｔ％とすることにより、それらを分散させる。しかし、モード２を利用して、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により、高濃度樹脂ＥＭインクと高濃度顔料インクを所定割合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して（顔料／樹脂ＥＭ量が略８／１５ｗｔ％）、画像を記録することができ、１つのインクでは実現しにくい画像、つまり擦過性などが優れた高品位の画像を記録することが可能となる。

（流量比と水相厚比との関係）
図７は、（式２）のもと、粘度比がη_r＝１の場合とη_r＝１０の場合における流量比Ｑ_rと水相厚比ｈ_rとの関係の説明図である。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）＝ｈ₁/Hを示す。流量比Ｑ_r＝０はＱ₂＝０の場合に相当し、この場合、液流路及び圧力室は第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点が流量比Ｑ_r＝０の状態に対応する。

Ｐ点の位置からＱ_rを大きくした場合（第２の液体の流量Ｑ₂を０よりも大きくした場合）、水相厚比ｈ_rは小さくなる（第１の液体の相厚ｈ₁が小さくなり、第２の液体の相厚ｈ₂が大きくなる）。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。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及び圧力室１８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＝Ｑ₂/Ｑ₁＞０であること、つまり、Ｑ₁＞０かつ且つ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における吐出動作の過渡状態について説明する。図８（ａ）～（ｅ）は流路高さがＨ［μｍ］＝２０μｍ、オリフィスプレートの厚みがＴ［μｍ］＝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の液体によって平行流を形成した状態において、吐出動作を行った場合の過渡状態の説明図である。

図８（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。第１の液体の流量Ｑ₁と第２の液体の流量Ｑ₂を調整することにより、水相厚比がη_r＝０．５７（すなわち、第１の液体の水相厚がｈ₁［μｍ］＝６μｍ）となる位置に、界面位置が安定した状態となる。

図８（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。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、液流路の内壁を介して接触する第１の液体中に膜沸騰を生じさせる。図８（ｂ）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方向に移動し、第２の液体３２は吐出口１１からｚ方向に押し出される。

図８（ｃ）は、圧力発生素子１２に対する電圧の印加が継続されている状態を示している。膜沸騰によって泡１６の体積は増大し、第２の液体３２は、吐出口１１から更にｚ方向に押し出される。図８（ｄ）は、圧力発生素子１２に対する電圧の印加の更なる継続により、成長した泡１６が大気に連通した状態を示している。

図８（ｅ）は、液滴（吐出液滴）３０が吐出された状態を示している。図８（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より吐出している液体は、その慣性力によって液流路１３から離脱し、吐出液滴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８（ａ）に示すように、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において、図８（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の液体の流量及び第２の液体の流量を一定に保ちつつ、これら液体を液体吐出ヘッド１内において循環させる。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液体吐出ヘッド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よく、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よい。

（吐出液滴に含まれる液体の割合）
図９（ａ）～（ｇ）は、流路（圧力室）高さがＨ［μｍ］＝２０μｍ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を比較するための図である。図９（ａ）～（ｆ）においては、水相厚比ｈ_rを０．１０ずつ増大させ、図９（ｆ）から（ｇ）においては、水相厚比ｈ_rを０．５０増大させた。なお、図９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。

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液体は、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の割合が増加する。

流路高さがＨ［μｍ］＝２０μｍである図９（ａ）～（ｇ）において、水相厚比がｈ_r＝０．００、０．１０、０．２０の場合には、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以上の場合には、第２の液体３２と共に第１の液体３１も吐出液滴３０に含まれ、水相厚比がｈ_r＝１．００（第２の液体が存在しない状態）の場合には、第１の液体３１のみが吐出液滴３０に含まれる。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（圧力室）における水相厚比ｈ_rに応じて変化する。

一方、図１０（ａ）～（ｅ）は、流路高さがＨ［μｍ］＝３３μｍ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３０を比較するための図である。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以上では、第２の液体３２と共に第１の液体３１も吐出液滴３０に含まれる。

また、図１１（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を比較するための図である。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に含まれてしまう。

図１２は、吐出液滴３０に第１の液体３１が含まれる割合Ｒを０％、２０％、４０％に固定した場合における、流路（圧力室）高さＨと水相厚比ｈ_rの関係の説明図である。いずれの割合Ｒにおいても、流路（圧力室）高さＨが大きいほど許容できる水相厚比ｈ_rも大きくなる。なお、ここでいう第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含まれない。

吐出液滴３０に第２の液体３２のみを含ませて、第１の液体は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１２中の実線で表される。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］の一次関数によって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]の一次関数によって近似することができる。

さらに、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]の一次関数によって近似することができる。

例えば、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。さらに、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及び流量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６（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では流量比がＱ_r＝５となる。また、同じインク（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。すなわち、水相厚比ｈ_rを０．１０に調整する場合には、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、圧力損失の増加及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１２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＝２０μｍの場合、水相厚比ｈ_rは０．２０よりも小さく、かつなるべく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、かつなるべく０．３６に近い値に調整することが好ましい。

なお、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及び圧力室１８における水相厚比ｈ_rを所定の値に設定して界面の位置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係らず安定させておくことが求められる。

ここで、再度、図４及び図５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及び圧力室１８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。これにより、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。これにより、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。

液路内及び圧力室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る。これにより、液流路１３及び圧力室１８内において、所望の水相厚比ｈ_rでｙ方向に流動する第１及び第２の液体の平行流を形成することができる。
Ｐ２_in≧Ｐ１_in＞Ｐ１_out≧Ｐ２_out （式６）

ここで、Ｐ１_inは第１の流入口２０の圧力、Ｐ１_outは第１の流出口の圧力、Ｐ２_inは第２の流入口２１の圧力、Ｐ２_outは第２の流出口の圧力をそれぞれ示す。このように、第１及び第２の圧力差生成機構を制御して、液流路及び圧力室において所定の水相厚比ｈ_rを維持することにより、吐出動作に伴って界面位置が乱れたとしても、短時間で好適な平行流を復元して、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において、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であり、それぞれの液体に求められる機能が明確である。本実施形態によれば、第１の液体及び第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、具体例を挙げて説明する。

本実施形態における発泡媒体（第１の液体）としては、電気熱変換体が発熱した際に膜沸騰が生じ、生成された気泡が急激に増大して、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。すなわち、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ない。臨界圧力が２ＭＰａ以上（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、メチルアルコール及び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。結果的に、このような発泡媒体（第１の液体）が圧力発生素子の作用により加圧されて、吐出媒体（第２の液体）が吐出口から吐出されることになる。

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。しかし、吐出媒体はヒータ上に接触しないため、その含有成分が焦げるおそれも少ない。したがって、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、膜沸騰を生じさせるため、及びコゲを回避するための物性条件が緩和され、含有成分の自由度が増大する。その結果、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、本実施形態においては、ヒータ上で焦げ易いことを理由に従来では使用されていなかった顔料を吐出媒体として積極的に含有させることができる。また本実施形態では、臨界圧力が非常に小さな水性インク以外の液体も吐出媒体として使用することができる。さらに、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、例えば、血液及び培養液中の細胞などを用いることにより、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。バイオチップ作製及び電子回路印刷などの用途にも有効である。なお、第２の液体については制限がないので、第１の液体として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。

特に、第１の液体（発泡媒体）を水又は水に類似した液体とし、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６（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。

（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の液体として発泡媒体を用意すればよい。

図１３（ａ）及び（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の説明図である。図１３（ａ）は、横軸は液体に対する水の質量比率（質量％）を示し、同図（ｂ）は、横軸は液体に対する水のモル比率を示す。

図１３（ａ），（ｂ）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る。すなわち、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ため、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を維持する。一方、水の質量比率が４０ｗｔ％よりも小さくなると、図１３（ａ），（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と、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。このような紫外線硬化型インクは、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。それら含有比率は、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である。このように、本実施形態においては、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、それを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及び耐擦過性に優れた画像を記録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として、第１の液体３１と第２の液体３２とを所定の割合で混合させ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が（式２）の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の中において混色することなく層流状態で流れる。すなわち、液流路及び圧力室における第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（あるいはマゼンタインク）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（あるい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。すなわち、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、記録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、画像の記録においては、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と、を記録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とし、第２の液体を高濃度顔料インクとして、これら液体の流速を（式２）に基づいて制御して平行流を形成することにより、２つの液体は、吐出後の記録媒体上で混合し凝集する。したがって、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。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、臨界圧力の制限及び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。

このように本実施形態においては、第１の液体と第２の液体を液流路及び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。

（流入口と流路幅の関係）
図１４（ａ）は、第１の流入口２０部分の上面図であり、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のＸＩＶｂ－ＸＩＶｂ線に沿う断面図、図１４（ｃ）は、図１４（ａ）のＸＩＶｃ－ＸＩＶｃ線に沿う断面図（圧力室の拡大図）である。液体が圧力室の中を流れる方向及び液体が吐出口から吐出される方向に直交する方向（以下、液流路の幅方向とも称する）における、第１の流入口２０の長さをＬとする。また、第１の流入口上の液流路の長さ（幅）をＷとする。そうすると、図１４ではＬ＞Ｗとなっている。したがって、第１の流入口２０は、液流路１３の幅方向の全域に亘って延在する。本実施形態の第１の流入口２０は、液流路１３の幅方向（流動方向（ｙ方向）と直交する方向）に直線的に延在し、その第１の流入口２０の長さＬが液流路１３の長さ（幅）Ｗより大きい。また、第１の流入口２０の両端部は、液流路１３の図１４（ａ）中の上下の壁面の外側に位置する。第１の流入口２０は、その両端部がいずれも対応する液流路１３の壁面と同一位置であってもよい。この場合、Ｌ＝Ｗとなる。あるいは、第１の流入口２０の両端部の一方が対応する液流路１３の壁面と同一位置、かつ、他方が対応する液流路１３の壁面の外側位置にあってもよい。この場合、Ｌ＞Ｗとなる。図４（ａ）の例においては、第１の流入口２０のみならず、第２の流入口２１、第１の流出口２５、及び第２の流出口２６における液流路１３の幅方向の長さが、液流路１３の長さ（幅）Ｗよりも大きい。少なくとも第１の流入口２０の長さＬが、液流路１３の長さ（幅）Ｗ以上であればよい。すなわち、Ｌ≧Ｗであればよい。

第１の液体３１は、このような流入口２０から液流路１３の幅方向の全域に流入される。その結果、図１４（ｃ）のように、液流路１３の高さ方向（圧力発生素子から吐出口に向かう方向）に積層するような第１の液体３１と第２の液体３２の平行流が形成される。すなわち、第１の液体３１の上を、第２の液体３２が沿うようにして流れている。第１の液体３１と第２の液体３２の間の界面は、液流路１３の高さ方向において良好に形成され、圧力室の中で、第１の液体３１は圧力発生素子１２側に位置して流れ、第２の液体３２は吐出口１１側に位置して流れる。したがって、例えば、第１の液体３１として発泡しやすい水を用い、第２の液体３２として、粘度が高く顔料などの固形成分が多い顔料インクを用いることができる。つまり、第２の液体３２に拘わらず、第１の液体を発泡させることにより、第２の液体３２を安定的に吐出することができる。例えば、第２の液体３２がインクの場合には、高画質の画像を記録することができる。

一方、図１５（ａ）は、比較例としての第１の流入口２０部分の上面図であり、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）のＸＶｂ－ＸＶｂ線に沿う断面図、図１５（ｃ）は、図１５（ａ）のＸＶｃ－ＸＶｃ線に沿う断面図である。この比較例において、液体が圧力室の中を流れる方向及び液体が吐出口から吐出される方向に直交する方向における、第１の流入口２０の長さをＬ’とする。また、第１の流入口上の液流路の長さ（幅）をＷとする。このとき、Ｌ’＜Ｗとなる。そのため第１の液体３１は、第１の流入口２０から液流路１３の幅方向中央の限定された領域に流入し、図１５（ｃ）のように、第２の液体３２は、液流路１３の同図中の左右の壁面に沿って流れる。言い換えれば、第１の液体３１と第２の液体３２の間の界面は、液流路１３の幅方向に沿って形成される。すなわち、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ず、圧力室の中では圧力発生素子１２側及び吐出口１１側のそれぞれに位置するように流れる。図１５（ｃ）においては、第１の液体３１が吐出口１１側に位置するため、第２の液体を主として吐出させることが難しくなる。

このように、第１の液体３１と第２の液体３２との合流部の形状（第１の流入口２０上の流路に対する第１の流入口２０の形状）は、界面の形成に大きく影響する。以下、合流部の形状が界面の形成に及ぼす影響について、さらに詳細に説明する。

図１６（ａ）は、図１４（ｂ）と同様の断面における第１の液体３１の速度ベクトルｖ１の説明図である。ベクトルｖ１は、流入口２０の壁面における速度がゼロであり、流入口２０の中央部では最大となる分布をもつ。このような速度分布をもつ第１の液体３１が流れの向きを変えて液流路１３に流入する。そのため、液流路１３の壁面位置である図中のＰ地点の速度と、液流路１３の中央部の速度と、の差が小さいほど、液流路１３への流入部分における第１の液体３１の速度分布は一様となる。図１６（ｂ）は、流入口２０から液流路１３内に流入した初期段階の第１の液体３１の速度分布ｕ１、及び液流路１３内を流れる第２の液体３２の速度分布ｕ２の説明図である。速度分布ｖ１及び速度分布ｕ１が一様に近いほど、第２の液体３２は、第１の液体３１と液流路１３の壁面との間に入り難くなり、図１４（ｃ）のように第１の液体３１から液流路１３の高さ方向に積層するように流れやすくなる。しかしながら、第１及び第２の液体の物性及び流速によっては、Ｌ＞Ｗであっても、速度分布ｖ１及びｕ１が一様ではなくなるほど、図１４（ｃ）のような界面が形成しづらくなる。

したがって、長さＬは、長さ（幅）Ｗよりもなるべく大きくすることが好ましく、流入口２０の形状や、速度分布ｖ１及びｕ１が一様になるようにすることが好ましい。例えば、流入口２０の形状に関しては、長さＬを長辺とするアスペクト比が高い方ほど、流入口２０内の速度分布ｖ１が一様に近づき、液流路１３に流れ出る速度分布ｕ１も一様に近づく。

図１６（ｃ），（ｄ）は、長さＬが長さ（幅）Ｗと同じ場合（Ｌ＝Ｗ）の説明図である。本例の場合、液流路１３の幅方向に直線的に延在する流入口２０の両端部は、いずれも対応する液流路１３の壁面と同一位置にある。図１６（ｄ）のように、液流路１３の壁面と流入口２０との間には第１の液体３１の流れが生じない部分はない。したがって第１の液体３１は、液流路１３の全幅の領域に渡って流れることが可能であり、図１４（ｃ）と同様の界面を形成することができる。しかしながら、速度ベクトルｕ１は壁面では速度が０になるため、物性及び流速の条件などによって、壁面側を第２の液体３２が流れた場合には、図１５（ｃ）のような界面が形成されることになる。従って、図１４（ｃ）に示すように、第１の液体３１と第２の液体３２が、液流路１３の高さ方向で平行流を形成するには、Ｌ＞Ｗとすることが好ましい。

図１７（ａ）は、図１５（ｂ）の比較例と同様の断面における第１の液体３１の速度ベクトルｖ′１の説明図である。ベクトルｖ′１は、流入口２０の壁面における速度がゼロであり、流入口２０の中央部では最大となる分布をもつ。図１７（ｂ）は、流入口２０から液流路１３内に流入した初期段階の第１の液体３１の速度分布ｕ′１、及び液流路１３内を流れる第２の液体３２の速度分布ｕ′２の説明図である。この比較例においては、Ｌ’＜Ｗであるため、速度分布ｖ′１が一様に近くても、図１７（ｂ）のように、液流路１３の壁面と流入口２０との間には第１の液体３１の流れが生じにくい部分がある。第２の液体３２は、図１７（ｂ）中の点線矢印のように、このような液流路１３の壁面と流入口２０との間に入り込み、結果的に、図１５（ｃ）のように、それらの第１の液体３１と液流路１３の壁面との間を流れる。

以上、比較例として、Ｌ’＜Ｗの場合には、第１の液体３１と第２の液体３２とが高さ方向に積層しない例を用いて説明したが、Ｌ’＜Ｗの場合であっても、第1の液体、第２の液体の流量や粘度次第によっては高さ方向に積層された平行流となる場合もある。しかしながら、上述したように、安定して第1の液体と第２の液体とを高さ方向に積層させて流動させるためにはL≧Wであることが好ましい。

（流入口の形状と流量）
次に、本実施形態における第１の流入口２０の長さＬ（≧Ｗ）と、第１の液体３１の流量Ｑ₁及び第２の液体３２の流量Ｑ₂との関係について説明する。図１８（ａ）は、本実施形態における第１の流入口２０部分の上面図であり、図１８（ｂ）は、図１８（ａ）のＸＶＩＩＩｂ－ＸＶＩＩＩｂ線に沿う断面図である。

第１の液体３１と第２の液体３２の粘度が同程度であって、それらの流量がＱ₁≧Ｑ₂である場合、流入口２０からは、充分な量の第１の液体が液流路に流入する。その流入口２０におけるｙ方向の上流側に位置において、第１の液体と第２の液体とが合流するため、それらの界面の形状は、流入口２０におけるｙ方向上流側の形状の影響を大きく受ける。そのため図１８（ａ）のように、少なくともｙ方向の最も上流側に位置する流入口２０の辺部（第１の辺部；点Ｃ１とＣ１′との間の辺部）の長さを、液流路１３の長さ（幅）Ｗよりも大きくすることが好ましい。これにより、第１の液体と第２の液体の合流地点において、第２の液体が第１の液体と液流路１３の壁面との間に入ることを抑制し、図１８（ｂ）のように、それらの界面を水平に形成することができる。

一方、第１の液体３１と第２の液体３２の粘度が同程度であって、それらの流量がＱ₁＜Ｑ₂である場合には、第１の液体は、図１８（ｃ）に示すように、流入口２０から液流路１３内に流入する。この際、第２の液体の流量Ｑ₂が多いために、流入口２０上では第２の液体が第１の液体を押しつぶしたようになる。即ち、第１の液体は流入口２０におけるｙ方向の下流側から液流路１３内に流入したような状態となり、液流路１３内における第１の液体と第２の液体の合流地点は、流入口２０におけるｙ方向の下流側の位置となる。よって、それらの液体の界面の形状は、流入口２０におけるｙ方向下流側の部分の形状の影響を大きく受ける。そのため、少なくともｙ方向の最も下流側に位置する流入口２０の辺部（第２の辺部；点Ｃ２とＣ２′との間の辺部）の長さを、液流路１３の長さ（幅）Ｗよりも大きくすることが好ましい。これにより、第１の液体と第２の液体の合流地点において、第２の液体が第１の液体と液流路１３の壁面との間に入ることを抑制し、図１８（ｃ）のように、それらの界面を水平に形成することができる。例えば、第１の液体を発泡させて、主として第２の液体を吐出する場合には、第２の液体の層厚に対して第１の液体の層厚を薄くするように、それらの液体の流量をＱ₁＜Ｑ₂とすることがある。このような場合には、少なくともｙ方向の下流側に位置する流入口２０の第２の辺部の長さを、液流路１３の長さ（幅）Ｗよりも大きくすることが好ましい。

図１８の例において、ｙ方向の上流側及び下流側に位置する第１の辺部及び第２の辺部の長さ（いずれもＬ）は、いずれも液流路１３の長さ（幅）Ｗよりも大きく、それらの辺部の両端は、いずれも対応する液流路１３の壁面の外側に位置している。

（流入口の変形例）
第１の流入口２０は、上記Ｌ≧Ｗが満たされる部分を有していればよく、必ずしも液流路１３の幅方向に沿って直線的に延在しなくてもよい。また、第１の流入口２０の全ての部分でＬ≧Ｗとなっていなくてもよい。

図１９（ａ），（ｂ）は、第１の流入口２０の異なる変形例の説明図である。図１９（ａ）の流入口２０は、ｙ方向の下流側に向かって凸となる平面形状であり、図１９（ｂ）の流入口２０は、ｙ方向の上流側に向かって凸となる平面形状である。図１９（ｃ），（ｄ）は、図１９（ａ），（ｂ）における流入口２０の平面形状の凸部分の形状が三角形である、他の変形例の説明図である。第１及び第２の液体の流量がＱ₁≧Ｑ₂である場合には、前述したように、ｙ方向の上流側に位置する流入口２０の第１の辺部が長さ（幅）Ｗより長い図１９（ａ），（ｃ）の形状が好ましい。一方、それらの流量がＱ₁＜Ｑ₂である場合には、前述したように、ｙ方向の下流側に位置する流入口２０の第２の辺部が長さ（幅）Ｗより長い図１９（ｂ），（ｄ）の形状が好ましい。また、流入口２０におけるｙ方向の上流側の第１の辺部及び／または下流側の第２の辺部は、必ずしも直線でなくてもよく、例えば、図１９(ｅ)のような曲線であってもよい。

また、流入口２０は、図２０（ａ）のように、流入口２０の辺部が液流路１３の延在方向（ｙ方向）に対して所定の角度α(α≠９０度)をなすように延在する形状であってもよい。液流路１３は、このように辺部が所定の角度αをもつ場合であっても、液流路１３の幅方向の長さＬが液流路１３の長さ（幅）Ｗ以上であるために、第２の液体が第１の液体と液流路の壁面との間に入ることを抑制し、それらの界面を水平に形成することができる。但し、前述したように、流量がＱ₁＜Ｑ₂であって、第１の液体が主として流入口２０におけるｙ方向の下流側から液流路１３内に流入する場合には、第２の液体が第１の液体と液流路１３の壁面との間に入り込むおそれがある。図２０（ｂ）は、このような現象が生じた場合における図２０（ａ）のＸＸｂ－ＸＸｂ線に沿う断面図である。同図のように、流入口２０におけるｙ方向の上流側に第２の液体が入り込み、液流路１３における同図中の左右の少なくとも一端側が第２の液体のみになるおそれがある。また、第１の液体の流速分布に伴い、界面が平面とならずに流速分布に応じた形状となる。しかし、このような界面形状であっても、圧力発生素子１２側に主として第１の液体が位置し、吐出口１１側に第２の液体が位置するため、吐出口１１から主として第２の液体を吐出することができる。

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

図２１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。

本実施形態の液流路１３においては、図２１のように、前述した第１の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ことができる。液流路１３の内面（底面）に相当するシリコン基板１５の上面には、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及び第２の液体３２は、前述した実施形態と同様に、第１及び第２の流入口２０及び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及び第２の流出口２５及び２６から流出される。第３の液体３３は、第３の流入口２２から液流路１３内に流入されてから、液流路１３内を矢印Ｃ方向に流れ、その後、圧力室１８を通って、第３の流出口２７から流出される。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との間においては、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、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（基板１５の上面１５Ａ）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３３は、第１の液体３１と第２の液体３２との間を流動する。

本例においては、前述した第１の実施形態と同様に、液流路１３の幅方向における第１の流入口２０の長さを液流路１３の幅以上に設定すると共に、液流路１３の幅方向における第２の流入口２１の長さも液流路１３の幅以上に設定する。少なくとも第１及び第２の流入口２０，２１の長さＬが長さ（幅）Ｗ以上であればよい（Ｌ≧Ｗ）。このように、第１の流入口２０と同様に第２の流入口２１を構成することにより、液流路１３の幅方向の全域に第２の液体３２を流入して、結果的に、第１の液体３１と第２の液体３２と第３の液体３３の界面のそれぞれを水平に形成することができる。

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を制御して、図２１（ｃ）に示すような３つの液体による三層の平行流を定常的に形成する。このような三層の平行流が形成された状態において、液体吐出ヘッド１の圧力発生素子１２を駆動することにより、吐出口１１から液滴を吐出させることができる。このような吐出動作によって界面位置が乱れたとしても短時間で３つの液体による三層の平行流が復元され、次の吐出動作を直ちに開始することができる。この結果、第１、第２、及び第３の液体を所定の割合で含む液滴の吐出動作を良好に実行して、その液滴が付与された好適な出力物を得ることができる。

（他の実施形態）
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。このため、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ために使用することができる。

また、本発明の液体吐出ヘッド及び液体吐出装置は、インクを吐出するインクジェット記録ヘッド及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及び液体吐出装置は、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、バイオチップ作製及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。

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

Claims (15)

1. 基板と、
   第１の液体と第２の液体が流動するように前記基板上に形成され、圧力室を有する液流路と、
   前記圧力室内の前記第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、
   を備える液体吐出ヘッドにおいて、
   前記基板は、前記液流路の中に、前記第１の液体を前記液流路と交差する方向から流入させる第１の流入口と、前記第２の液体を流入させる第２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、を有し、前記第１の流入口は、前記第２の流入口よりも前記圧力室に近い位置にあり、
   前記液流路の中に流入した前記第１の液体および第２の液体は、前記液流路の中を前記圧力室に向かって流れ、
   前記第１の液体が前記圧力室の中を流れる方向及び前記第２の液体が前記吐出口から吐出される方向に直交する方向において、前記第１の流入口の長さをＬ、前記第１の流入口上の前記液流路の長さをＷとしたとき、Ｌ≧Ｗの関係が満たされる部分を有し、
   前記第２の液体が吐出される方向を下方から上方としたときに、前記第１の液体の上方に前記第２の液体が流動してい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. 前記第１の液体が前記圧力室の中を流れる方向及び前記第２の液体が前記吐出口から吐出される方向に直交する方向における前記第１の流入口の両端部は、いずれも前記第１の流入口上の液流路の壁面と同一位置、あるいは、いずれも前記第１の流入口上の液流路の壁面の外側位置、あるいは、一方が前記第１の流入口上の液流路の壁面と同一位置、かつ、他方が前記第１の流入口上の液流路の壁面の外側位置にある請求項１から３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記第１の流入口は、前記第１の液体が流れる方向と直交する方向に延在する請求項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Ｌと前記Ｗとに関して、Ｌ＞Ｗの関係が満たされる部分を有する請求項１から５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記第１の液体の流量Ｑ₁と、前記第２の液体の流量Ｑ₂と、はＱ₁＜Ｑ₂の関係にあり、
   前記第１の流入口は、前記第１の液体が流れる方向の上流側に位置する第１の辺部と、前記第１の液体が流れる方向の下流側に位置する第２の辺部と、を含み、
   前記第１の辺部及び前記第２の辺部のうち、少なくとも前記第２の辺部は、Ｌ≧Ｗの関係を満たす請求項１から６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記第１の液体の流量Ｑ₁と、前記第２の液体の流量Ｑ₂と、はＱ₁＞Ｑ₂の関係にあり、
   前記第１の流入口は、前記第１の液体が流れる方向の上流側に位置する第１の辺部と、前記第１の液体が流れる方向の下流側に位置する第２の辺部と、を含み、
   前記第１の辺部及び前記第２の辺部のうち、少なくとも前記第１の辺部は、Ｌ≧Ｗの関係を満たす請求項１から６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
9. 前記第１の辺部と前記第２の辺部の少なくとも一方は直線である請求項７または８に記載の液体吐出ヘッド。
10. 前記圧力発生素子と前記吐出口は、前記圧力室を挟んで互いに対向する請求項１から９のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
11. 前記圧力室において、前記圧力室の高さをＨ［μｍ］、前記第１の液体の相厚をｈ₁としたとき、
    

    

    の関係が満たされる請求項１０に記載の液体吐出ヘッド。
12. 前記圧力室の中を流れる第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. 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。
15. 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を有する液体吐出装置。

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