KR102526041B1 - 액체 토출 헤드, 액체 토출 장치, 및 액체 토출 모듈 - Google Patents

액체 토출 헤드, 액체 토출 장치, 및 액체 토출 모듈 Download PDF

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캐논 가부시끼가이샤
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Abstract

액체 토출 헤드는 제1 액체 및 제2 액체가 내부에서 유동하는 것을 허용하는 압력실, 제1 액체에 압력을 가하는 압력 발생 소자, 및 제2 액체를 토출하는 토출구를 포함한다. 제1 액체 및 제1 액체보다 상기 토출구에 가까운 측에서 유동하는 제2 액체는 압력실에서 서로 접촉하는 상태로 유동한다. 압력실에서 유동하는 제1 액체 및 제2 액체는
0.0 < 0.44(Q2/Q1)-0.322(η2/η1)-0.109 < 1.0을 충족하며,
여기서, η1은 제1 액체의 점도이고, η2는 제2 액체의 점도이고, Q1는 제1 액체의 유량이며, Q2는 제2 액체의 유량이다.

Description

액체 토출 헤드, 액체 토출 장치, 및 액체 토출 모듈{LIQUID EJECTION HEAD, LIQUID EJECTION APPARATUS, AND LIQUID EJECTION MODULE}
본 개시물은 액체 토출 헤드, 액체 토출 모듈 및 액체 토출 장치에 관한 것이다.
일본 특허 공개 평06-305143호는, 토출 매체로서의 액체와 발포 매체로서의 액체를 계면에서 서로 접촉시키고, 전달된 열 에너지를 받는 발포 매체에서 발생되는 기포의 성장에 의해 토출 매체를 토출하도록 구성되는 액체 토출 유닛을 개시하고 있다. 일본 특허 공개 평06-305143호는 토출 매체 및 발포 매체 중 하나 또는 양자 모두에 압력을 가함으로써 토출 매체 및 발포 매체의 유동을 형성하는 것을 기재한다.
본 개시물의 제1 양태에서는, 제1 액체 및 제2 액체가 내부에서 유동하는 것을 허용하도록 구성되는 압력실; 상기 제1 액체에 압력을 가하도록 구성되는 압력 발생 소자; 및 상기 제2 액체를 토출하도록 구성되는 토출구를 포함하고, 상기 제1 액체 및 상기 제1 액체보다 상기 토출구에 가까운 측에서 유동하는 상기 제2 액체는 상기 압력실에서 서로 접촉하는 상태로 유동하고, 상기 압력실에서 유동하는 상기 제1 액체 및 상기 제2 액체는
0.0 < 0.44(Q2/Q1)-0.322(η2/η1)-0.109 < 1.0을 충족하고,
여기서, η1은 상기 제1 액체의 점도이고, η2는 상기 제2 액체의 점도이고, Q1는 상기 제1 액체의 유량(체적 유량 [um3/us])이며, Q2는 상기 제2 액체의 유량(체적 유량 [um3/us])인 액체 토출 헤드가 제공된다.
본 개시물의 제2 양태에서는, 액체 토출 헤드를 포함하는 액체 토출 장치가 제공되며, 상기 액체 토출 헤드는, 제1 액체 및 제2 액체가 내부에서 유동하는 것을 허용하도록 구성되는 압력실; 상기 제1 액체에 압력을 가하도록 구성되는 압력 발생 소자; 및 상기 제2 액체를 토출하도록 구성되는 토출구를 포함하고, 상기 제1 액체 및 상기 제1 액체보다 상기 토출구에 가까운 측에서 유동하는 상기 제2 액체는 상기 압력실에서 서로 접촉하는 상태로 유동하고, 상기 압력실에서 유동하는 상기 제1 액체 및 상기 제2 액체는
0.0 < 0.44(Q2/Q1)-0.322(η2/η1)-0.109 < 1.0을 충족하고,
여기서, η1은 상기 제1 액체의 점도이고, η2는 상기 제2 액체의 점도이고, Q1는 상기 제1 액체의 유량이며, Q2는 상기 제2 액체의 유량이다.
본 개시물의 제3 양태에서, 액체 토출 헤드를 구성하기 위한 액체 토출 모듈이 제공되며, 상기 액체 토출 헤드는, 제1 액체 및 제2 액체가 내부에서 유동하는 것을 허용하도록 구성되는 압력실; 상기 제1 액체에 압력을 가하도록 구성되는 압력 발생 소자; 및 상기 제2 액체를 토출하도록 구성되는 토출구를 포함하고, 상기 제1 액체 및 상기 제1 액체보다 상기 토출구에 가까운 측에서 유동하는 상기 제2 액체는 상기 압력실에서 서로 접촉하는 상태로 유동하고, 상기 압력실에서 유동하는 상기 제1 액체 및 상기 제2 액체는
0.0 < 0.44(Q2/Q1)-0.322(η2/η1)-0.109 < 1.0을 충족하고,
여기서, η1은 상기 제1 액체의 점도이고, η2는 상기 제2 액체의 점도이고, Q1는 상기 제1 액체의 유량이고, Q2는 상기 제2 액체의 유량이며, 상기 액체 토출 헤드는 상기 복수의 액체 토출 모듈을 배열함으로써 형성된다.
본 발명의 추가적인 특징은 첨부된 도면을 참고한 예시적인 실시형태에 대한 이하의 설명으로부터 명확해질 것이다.
도 1은 토출 헤드의 사시도이다.
도 2는 액체 토출 장치의 제어 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 액체 토출 모듈의 소자 기판의 단면 사시도이다.
도 4a 내지 도 4d는 소자 기판에 형성된 액체 유로 및 압력실의 확대 상세도이다.
도 5a 및 도 5b는 점도비와 수상 두께비 사이의 관계 및 압력실의 높이와 유속 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 평행 유동을 형성하기 위한 엄밀해와 근사해 사이의 상관관계를 도시하는 그래프이다.
도 7의 (a) 내지 (e)는 토출 동작의 과도 상태를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 8의 (a) 내지 (e)는 토출 동작의 과도 상태를 개략적으로 도시하는 추가의 도면이다.
도 9의 (a) 내지 (e)는 토출 동작의 과도 상태를 개략적으로 도시하는 추가의 도면이다.
도 10의 (a) 내지 (g)는 다양한 수상 두께비에서의 토출 액적을 도시하는 도면이다.
도 11의 (a) 내지 (e)는 다양한 수상 두께비에서의 토출 액적을 도시하는 추가의 도면이다.
도 12의 (a) 내지 (c)는 다양한 수상 두께비에서의 토출 액적을 도시하는 추가의 도면이다.
도 13은 유로(압력실)의 높이와 수상 두께비 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 14a 및 도 14b는 물 함유율과 발포 압력 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
그럼에도 불구하고, 일본 특허 공개 평06-305143호는, 토출 매체 및 발포 매체의 물성과, 계면을 안정시키기 위한 유량과의 상관관계에 대해서 구체적으로 개시하지 않으며, 따라서 토출 매체와 발포 매체의 유동을 제어하는 방법이 불분명하다. 이 때문에, 토출 매체 및 발포 매체의 조합 및 다른 요인에 따라서는 계면을 양호하게 형성할 수 없고, 따라서 토출량 및 토출 속도 등의 토출 성능의 향상 및 안정된 토출 동작의 실행에 어려움이 초래된다.
본 개시물은 상술한 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것이다. 따라서, 본 발명의 목적은, 토출 매체와 발포 매체와의 사이의 계면을 적절하게 제어하고, 안정된 토출 동작을 행하는 것이 가능한 액체 토출 헤드를 제공하는 것이다.
(액체 토출 헤드의 구성)
도 1은 본 실시형태에서 이용가능한 액체 토출 헤드(1)의 사시도이다. 본 실시형태의 액체 토출 헤드(1)는 복수의 액체 토출 모듈(100)을 x 방향으로 배열함으로써 형성된다. 각각의 액체 토출 모듈(100)은 토출 소자가 배열되는 소자 기판(10) 및 각각의 토출 소자에 전력 및 토출 신호를 공급하기 위한 플렉시블 배선 기판(40)을 포함한다. 플렉시블 배선 기판(40)은, 전력 공급 단자와 토출 신호 입력 단자의 어레이가 제공된, 공통으로 사용되는 전기 배선 기판(90)에 연결되어 있다. 각각의 액체 토출 모듈(100)은 액체 토출 헤드(1)에 대해 용이하게 부착가능 및 분리가능하다. 따라서, 임의의 원하는 액체 토출 모듈(100)이 액체 토출 헤드(1)를 분해할 필요 없이 용이하게 외부로부터 액체 토출 헤드(1)에 부착되거나 액체 토출 헤드로부터 분리될 수 있다.
상술한 바와 같이 길이 방향에서의 액체 토출 모듈(100)의 복수의 배열에 의해(복수의 모듈의 배열에 의해) 형성되는 액체 토출 헤드(1)가 주어지는 경우, 토출 소자 중 어느 하나가 토출 불량을 일으키는 경우에도, 토출 불량에 관련된 액체 토출 모듈만을 교체하면 된다. 따라서, 액체 토출 헤드(1)의 제조 공정 동안 그 수율을 향상시킬 수 있으며 헤드의 교체 비용을 감소시킬 수 있다.
(액체 토출 장치의 구성)
도 2는 본 실시형태에 적용가능한 액체 토출 장치(2)의 제어 구성을 도시하는 블록도이다. CPU(500)는, ROM(501)에 저장되어 있는 프로그램에 따라, RAM(502)을 워크 에어리어로서 사용하면서, 액체 토출 장치(2)의 전체를 제어한다. CPU(500)는, 예를 들어 외부 접속 호스트 장치(600)로부터 수신한 토출 데이터에, ROM(501)에 저장되어 있는 프로그램 및 파라미터에 따라서 규정된 데이터 처리를 실시하여, 액체 토출 헤드(1)가 토출을 행할 수 있게 하는 토출 신호를 생성한다. 그리고, 이 토출 신호에 따라서 액체 토출 헤드(1)를 구동하는 한편, 반송 모터(503)를 구동하여 액체를 퇴적하기 위한 대상 매체를 미리결정된 방향으로 반송한다. 따라서, 액체 토출 헤드(1)로부터 토출된 액체는 부착을 위해 퇴적 대상 매체에 퇴적된다.
액체 순환 유닛(504)은, 액체 토출 헤드(1)에 대하여 액체를 순환시키고 공급하며, 액체 토출 헤드(1)에서의 액체의 유동 제어를 행하도록 구성되는 유닛이다. 액체 순환 유닛(504)은, 액체를 저류하는 서브-탱크, 서브-탱크와 액체 토출 헤드(1) 사이에서 액체를 순환시키는 유로, 펌프, 밸브 기구 등을 포함한다. 따라서, CPU(500)의 지시 하에, 액체 토출 헤드(1)에서 액체가 미리결정된 유량으로 유동하도록, 이들 펌프 및 밸브 기구가 제어된다.
(소자 기판의 구성)
도 3은 각각의 액체 토출 모듈(100)에 제공된 소자 기판(10)의 단면 사시도이다. 소자 기판(10)은, 실리콘(Si) 기판(15) 위에 오리피스 플레이트(14)(토출구 형성 부재)를 적층함으로써 형성된다. 오리피스 플레이트(14)에는, 액체를 토출하는 토출구(11)가 x 방향으로 열로 배열된다. 도 3에서는, x 방향으로 배열된 토출구(11)는 동일한 종류의 액체(예를 들어, 공통 서브-탱크 및 공통 공급구로부터 공급되는 액체)를 토출한다. 도 3은 오리피스 플레이트(14)에 액체 유로(13)도 제공된 예를 도시한다. 대신에, 소자 기판(10)은, 액체 유로(13)를 다른 부재(유로 형성 부재)를 사용하여 형성하고 그 위에 토출구(11)가 형성된 오리피스 플레이트(14)를 배열하는 구성을 채용해도 된다.
실리콘 기판(15) 상에는, 각각의 토출구(11)에 대응하는 위치에, 압력 발생 소자(12)(도 3에서는 도시되지 않음)가 배치된다. 각각의 토출구(11)와 대응하는 압력 발생 소자(12)는 서로 대향하는 위치에 위치된다. 토출 신호에 응답하여 전압이 인가되는 경우, 압력 발생 소자(12)는 액체의 유동 방향(y 방향)에 직교하는 z 방향으로 적어도 제1 액체에 압력을 가한다. 따라서, 압력 발생 소자(12)에 대향하는 토출구(11)로부터 적어도 제2 액체가 액적의 형태로 토출된다. 플렉시블 배선 기판(40)은 실리콘 기판(15)에 배치된 단자(17)를 통해 압력 발생 소자(12)에 전력 및 구동 신호를 공급한다.
오리피스 플레이트(14)에는, y 방향으로 연장되고, 토출구(11)에 각각 연결되는 복수의 액체 유로(13)가 제공된다. 한편, x 방향으로 배열되는 액체 유로(13)는, 제1 공통 공급 유로(23), 제1 공통 회수 유로(24), 제2 공통 공급 유로(28) 및 제2 공통 회수 유로(29)에 공통으로 연결된다. 제1 공통 공급 유로(23), 제1 공통 회수 유로(24), 제2 공통 공급 유로(28) 및 제2 공통 회수 유로(29)에서의 액체의 유동은 도 2를 참조하여 설명되는 액체 순환 유닛(504)에 의해 제어된다. 더 구체적으로는, 액체 순환 유닛(504)은 제1 공통 공급 유로(23)로부터 액체 유로(13)에 유입되는 제1 액체가 제1 공통 회수 유로(24)를 향하고, 제2 공통 공급 유로(28)로부터 액체 유로(13)에 유입되는 제2 액체가 제2 공통 회수 유로(29)를 향하도록 펌프를 제어한다.
도 3은, x 방향으로 배열되는 토출구(11) 및 액체 유로(13)와, 이들 토출구 및 유로에 대해 잉크를 공급 및 회수하기 위해 공통으로 사용되는 제1 및 제2 공통 공급 유로(23 및 28) 및 제1 및 제2 공통 회수 유로(24 및 29)가 한 세트로서 형성되고, 이들 구성의 2개의 세트가 y 방향으로 배열되는 예를 나타낸다.
(유로 및 압력실의 구성)
도 4a 내지 도 4d는 소자 기판(10)에 형성된 각각의 액체 유로(13) 및 각각의 압력실(18)의 상세한 구성을 설명하는 도면이다. 도 4a는 토출구(11) 측으로부터(+z 방향측으로부터) 본 사시도이며, 도 4b는 도 4a에 도시된 IVB-IVB 선을 따라 취한 단면도이다. 한편, 도 4c는 도 3로 나타낸 소자 기판에서의 각각의 액체 유로(13) 근방의 확대도이다. 또한, 도 4d는 도 4b의 토출구 근방의 확대도이다.
액체 유로(13)의 저부에 대응하는 실리콘 기판(15)은, 제2 유입구(21), 제1 유입구(20), 제1 유출구(25), 및 제2 유출구(26)를 포함하며, 이들은 y 방향에서 이 열거 순서로 형성된다. 또한, 토출구(11) 및 압력 발생 소자(12)를 포함하는 압력실(18)은 실질적으로 액체 유로(13)에서 제1 유입구(20)와 제1 유출구(25) 사이의 중심에 위치된다. 각각 제2 유입구(21)는 제2 공통 공급 유로(28)에 연결되고, 제1 유입구(20)는 제1 공통 공급 유로(23)에 연결되고, 제1 유출구(25)는 제1 공통 회수 유로(24)에 연결되며, 제2 유출구(26)는 제2 공통 회수 유로(29)에 연결된다(도 3 참조).
상술한 구성에서, 제1 유입구(20)를 통해 제1 공통 공급 유로(23)로부터 액체 유로(13)에 공급된 제1 액체(31)는 y 방향(화살표로 나타낸 방향)으로 유동한 후, 압력실(18)을 통과하며, 제1 유출구(25)를 통해 제1 공통 회수 유로(24)에 회수된다. 한편, 제2 유입구(21)를 통해 제2 공통 공급 유로(28)로부터 액체 유로(13)에 공급된 제2 액체(32)는 y 방향(화살표로 나타낸 방향)으로 유동한 후, 압력실(18)을 통과하며, 제2 유출구(26)를 통해 제2 공통 회수 유로(29)에 회수된다. 즉, 액체 유로(13)에서, 제1 액체 및 제2 액체의 양자 모두는 제1 유입구(20)와 제1 유출구(25) 사이의 구간에서 y 방향으로 유동한다.
압력실(18)에서, 압력 발생 소자(12)는 제1 액체(31)와 접촉하는 한편, 대기에 노출된 제2 액체(32)는 토출구(11) 근방에 메니스커스를 형성한다. 제1 액체(31) 및 제2 액체(32)는, 압력 발생 소자(12), 제1 액체(31), 제2 액체(32), 및 토출구(11)가 이 열거 순서로 배열되도록 압력실(18) 내를 유동한다. 구체적으로는, 압력 발생 소자(12)가 하측에 위치되고 토출구(11)가 상측에 위치되는 것으로 하면, 제2 액체(32)는 제1 액체(31) 위에서 유동한다. 제1 액체(31) 및 제2 액체(32)는 층류 상태로 유동한다. 또한, 제1 액체(31)는 하방에 위치되는 압력 발생 소자(12)에 의해 가압되며 제2 액체(32)는 저부로부터 상방으로 토출된다. 이 상하 방향이 압력실(18) 및 액체 유로(13)의 높이 방향에 대응한다는 것에 유의한다.
본 실시형태에서는, 제1 액체(31)의 유량 및 제2 액체(32)의 유량은, 제1 액체(31) 및 제2 액체(32)가 도 4d에 도시하는 바와 같이 압력실에서 서로 접촉하여 유동하도록, 제1 액체(31)의 물성 및 제2 액체(32)의 물성에 따라 조정된다. 상술한 2개의 액체의 모드는, 도 4d에 도시한 바와 같이 2개의 액체가 동일한 방향으로 유동하는 평행 유동뿐만 아니라 제2 액체가 제1 액체의 유동의 반대 방향으로 유동하는 대향 유동 그리고 제1 액체의 유동이 제2 액체의 유동에 교차하는 액체의 유동도 포함한다. 이하, 이들 모드 중 평행 유동을 일례로서 설명할 것이다.
평행 유동의 경우, 제1 액체(31)와 제2 액체(32) 사이의 계면을 흐트러뜨리지 않는 것, 즉 제1 액체(31)와 제2 액체(32)가 유동하는 압력실(18) 내에 층류 유동의 상태를 달성하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 미리결정된 토출량을 유지하도록 토출 성능을 제어하고자 하는 경우에는, 계면이 안정되어 있는 상태에서 압력 발생 소자를 구동하는 것이 바람직하다. 그럼에도 불구하고, 본 실시형태는 이 구성으로만 한정되는 것은 아니다. 압력실(18) 내의 유동이 난류 상태로 천이되어 2개의 액체 사이의 계면이 다소 흐트러지는 경우에도, 적어도 제1 액체가 주로 압력 발생 소자(12) 측에서 유동하고 제2 액체가 주로 토출구(11) 측에서 유동하는 상태를 유지할 수 있는 경우에는 압력 발생 소자(12)는 여전히 구동될 수 있다. 이하의 설명은 압력실 내의 유동이 평행 유동의 상태 및 층류 유동의 상태에 있는 예에 주로 집중된다.
(층류 유동과 동시에 평행 유동을 형성하는 조건)
먼저 관 내에서 액체의 층류 유동을 형성하는 조건에 대해 설명한다. 일반적으로, 점성력과 계면력 사이의 비를 나타내는 레이놀즈 수(Re)가 유동 평가 지표로서 알려져 있다.
이제, 액체의 밀도는 ρ로 규정되고, 그 유속은 u로 규정되고, 그 대표 길이는 d로 규정되고, 점도는 η로 규정되며, 그 표면 장력은 γ로 규정된다. 이 경우, 레이놀즈 수는 이하의 (식 1)로 나타낼 수 있다:
Re = ρud/η (식 1).
여기서, 레이놀즈 수(Re)가 작을수록, 층류 유동이 형성되기 쉬운 것이 알려져 있다. 더 구체적으로는, 예를 들어 레이놀즈 수(Re)가 2200 정도보다 작은 경우 원형 관 내의 유동은 층류 유동으로 형성되고, 레이놀즈 수(Re)가 2200 정도보다 큰 경우 원형 관 내의 유동은 난류 유동이 되는 것이 알려져 있다.
유동이 층류 유동으로 형성되는 경우에, 유선은 서로 교차하지 않고 유동의 이동 방향에 평행해진다. 따라서, 접촉하고 있는 2개의 액체가 층류 유동을 구성하는 경우, 액체는 2개의 액체 사이에 계면을 안정적으로 형성하는 평행 유동을 형성할 수 있다.
여기서, 일반적인 잉크젯 기록 헤드의 관점에서, 액체 유로(압력실)에서의 토출구 근방의 유로의 높이(H[μm])(압력실의 높이)는 약 10 내지 100 μm의 범위에 있다. 이와 관련하여, 잉크젯 기록 헤드의 액체 유로에 물(밀도 ρ = 1.0 × 103 kg/m3, 점도 η=1.0 cP)을 100 mm/s의 유속으로 공급하는 경우에, 레이놀즈 수(Re)는 Re =ρud/η
Figure 112019078098624-pat00001
0.1 내지 1.0 << 2200이 된다. 결과적으로, 내부에 층류 유동이 형성된 것으로 간주할 수 있다.
여기서, 본 실시형태의 액체 유로(13)와 압력실(18)이 도 4a 내지 도 4d에 도시된 바와 같이 직사각형 단면을 갖는 경우에도, 액체 토출 헤드에서의 액체 유로(13) 및 압력실(18)의 높이 및 폭은 충분히 작다. 이 때문에, 액체 유로(13) 및 압력실(18)은 원형 관의 경우에서와 같이 다루어질 수 있거나, 더 구체적으로는 액체 유로 및 압력실(18)의 높이는 원형 관의 직경으로서 다루어질 수 있다.
(층류 유동 상태의 평행 유동을 형성하기 위한 이론적인 조건)
이어서, 도 4d를 참조하여, 액체 유로(13) 및 압력실(18)에서 2 종류의 액체 사이의 계면이 안정되어 있는 평행 유동을 형성하는 조건에 대해서 설명한다. 우선, 실리콘 기판(15)으로부터 오리피스 플레이트(14)의 토출구면까지의 거리를 H[μm]로 규정하며, 토출구면으로부터 제1 액체(31)와 제2 액체(32) 사이의 액-액 계면까지의 거리(제2 액체의 상 두께)를 h2 [μm]로 규정한다. 한편, 액-액 계면으로부터 실리콘 기판(15)까지의 거리(제1 액체의 상 두께)를 h1 [μm]로 규정한다. 이들 규정은 약 H = h1 + h2가 된다.
액체 유로(13) 및 압력실(18) 내의 경계 조건으로서, 액체 유로(13) 및 압력실(18)의 벽면에서의 액체의 속도는 제로인 것으로 한다. 또한, 액-액 계면에서의 제1 액체(31)와 제2 액체(32)의 속도 및 전단 응력은 연속성을 갖는 것으로 한다. 이 가정에 기초하여, 제1 액체(31) 및 제2 액체(32)가 2-층 및 평행 정상 유동을 형성하는 경우, 평행 유동의 구간에서는 이하(식 2)에서 규정된 바와 같은 4차 방정식이 성립한다:
Figure 112019078098624-pat00002
(식 2)에서, η1 [cP]는 제1 액체의 점도를 나타내고, η2 [cP]는 제2 액체의 점도를 나타내고, Q1 [mm3/s]은 제1 액체의 유량을 나타내며, Q2 [mm3/s]는 제2 액체의 유량을 나타낸다. 즉, 제1 액체와 제2 액체는 상술한 4차 방정식(식 2)을 충족하는 범위 내에서 각각의 액체의 유량과 점도에 따른 위치 관계를 성립하도록 유동하며, 이에 의해 안정된 계면을 갖는 평행 유동을 형성한다. 본 실시형태에서는, 제1 액체와 제2 액체의 평행 유동을 액체 유로(13) 내에 또는 적어도 압력실(18) 내에 형성하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이 평행 유동이 형성되는 경우, 제1 액체 및 제2 액체는 그 사이의 액-액 계면에서의 분자 확산에 의한 혼합에 관여될 뿐이며, 액체는 실질적으로 어떠한 혼합도 일으키지 않고 y 방향으로 평행하게 유동한다. 액체의 유동은 압력실(18) 내의 소정 영역에서는 항상 층류 유동 상태를 성립해야 하는 것은 아니라는 것에 유의한다. 이와 관련하여, 적어도 압력 발생 소자 위의 영역에서의 액체의 유동은 층류 유동의 상태를 성립하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 오일 및 물 같은 불혼합성 용매를 제1 액체 및 제2 액체로서 사용하는 경우에도, (식 2)가 충족되는 한 불혼합성에 관계없이 안정된 평행 유동이 형성된다. 한편, 오일 및 물의 경우에도, 압력실 내의 유동이 다소 난류 상태인 것에 의해 계면이 흐트러지는 경우, 적어도 제1 액체는 주로 압력 발생 소자 측에서 유동하고 제2 액체는 주로 토출구 측에서 유동하는 것이 바람직하다.
도 5a는, (식 2)에 기초하여 유량비(Qr = Q2/Q1)를 여러 개의 레벨로 변화시키는 상태에서의 점도비(ηr = η2/η1)와 제1 액체의 상 두께비(hr = h1/(h1 + h2)) 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 제1 액체는 물로 한정되지 않지만, "제1 액체의 상 두께비"를 이하 "수상 두께비"라 칭한다. 횡축은 점도비(ηr = η2/η1)를 나타내며 종축은 수상 두께비(hr = h1/(h1 + h2))를 나타낸다. 유량비(Qr)가 커짐에 따라 수상 두께비(hr)가 작아진다. 한편, 유량비(Qr)의 각 레벨에서, 점도비(ηr)가 커질수록 수상 두께비(hr)는 작아진다. 즉, 액체 유로(13)(압력실)에서의 수상 두께비(hr)(제1 액체와 제2 액체 사이의 계면의 위치)는 제1 액체와 제2 액체 사이의 점도비(ηr) 및 유량비(Qr)를 제어함으로써 규정된 값으로 조정될 수 있다. 또한, 점도비(ηr)를 유량비(Qr)와 비교하는 경우, 도 5a는 유량비(Qr)는 점도비(ηr)보다 수상 두께비(hr)에 크게 영향을 미친다는 것을 알려준다.
여기서, 수상 두께비(hr = h1/(h1 + h2)에 대해서는, 0 < hr < 1(조건 1)이 충족되는 경우, 액체 유로(압력실)에 제1 액체 및 제2 액체의 평행 유동이 형성된다. 그러나, 후술하는 바와 같이, 본 실시형태는 제1 액체가 주로 발포 매체로서 기능하는 것을 허용하고 제2 액체가 주로 토출 매체로서 기능하는 것을 허용하며, 토출 액적에 포함되는 제1 액체 및 제2 액체를 원하는 비율로 안정시키도록 구성된다. 이러한 상황을 고려하면, 수상 두께비(hr)는, 0.8 이하(조건 2)인 것이 바람직하고, 0.5 이하(조건 3)인 것이 더 바람직하다.
도 5a에 도시된 조건 A, 조건 B 및 조건 C는 각각 이하의 조건을 나타낸다는 것에 유의한다:
조건 A) 점도비(ηr) = 1 및 유량비(Qr) = 1인 경우 수상 두께비(hr) = 0.50;
조건 B) 점도비(ηr) = 10 및 유량비(Qr) = 1인 경우 수상 두께비(hr) = 0.39; 및
조건 C) 점도비(ηr) = 10 및 유량비(Qr) = 10인 경우 수상 두께비(hr) = 0.12.
도 5b는 액체 유로(13)(압력실)의 높이 방향(z 방향)에서의 유속 분포를 각각 상술한 조건 A, B 및 C과 관련하여 나타내는 그래프이다. 횡축은 조건 A의 최대 유속 값을 1(기준)로서 규정함으로써 규격화되는 규격화 값(Ux)을 나타낸다. 종축은 액체 유로(13)(압력실)의 높이(H)가 1(기준)로서 규정된 경우의 저면으로부터의 높이를 나타낸다. 각각의 조건을 나타내는 커브 각각에서, 제1 액체와 제2 액체 사이의 계면의 위치는 마커로 표시된다. 도 5b는 조건 A의 계면 위치가 조건 B 및 조건 C의 계면의 위치보다 높게 위치되는 등 조건에 따라 계면의 위치가 변화하는 것을 나타낸다. 변화는 서로 상이한 점도를 갖는 2 종류의 액체가 각각 층류 유동을 형성하면서(그리고 또한 전체로서 층류 유동을 형성하면서) 관 내를 평행하게 유동하는 경우, 이들 2개의 액체 사이의 계면은 액체 사이의 점도차에 기인하는 압력차가 계면 장력에 기인하는 라플라스 압력과 균형을 이루는 위치에 형성된다는 사실로 인한 것이다.
(층류 유동 상태의 평행 유동을 형성하기 위한 실험적인 조건)
본 개시물의 발명자들은, 잉크젯 기록 장치로 사용가능한 잉크의 종류 및 유량에 기초하는 유량비(Qr(=Q2/Q1)) 및 점도비(ηr(= η2/η1))의 현실적인 범위 내에서 유량비(Qr) 및 점도비(ηr)를 다양하게 변경하면서 복수의 경우에 대해서 수상 두께비(hr)의 실측을 행했다. 그리고, 이들 복수의 경우에 기초하여, 유량비(Qr) 및 점도비(ηr)로부터 수상 두께비(hr)를 구하는 이하의 근사식(식 3)을 취득했다:
hr = 0.44(Q2/Q1)-0.322(η2/η1)-0.109 (식 3).
여기서, 0.1 ≤ Qr ≤ 100 및 1 ≤ ηr ≤ 20의 범위에서 (식 3)의 유효성을 확인했다. 상술한 바와 같이, 잉크젯 기록 장치에서의 현실적인 범위 내에서 유량비와 점도비가 취득되기 때문에, 압력실 내에서의 2개의 액체의 유동이 층류 유동 상태의 평행 유동인 것을 전제로 (식 3)이 유도된다. 그럼에도 불구하고, (식 3)은 압력실 내의 유동이 다소의 난류 상태인 경우 및 2개의 액체가 서로 교차하도록 유동하는 경우에도 유효하다.
(이론적인 조건과 실험적인 조건 사이의 상관관계)
도 6은 (식 2)에 기초하는 엄밀해와 (식 3)에 기초하는 근사해 사이의 상관관계를 나타내는 도면이다. 횡축은 수상 두께비(hr)의 엄밀해를 나타내며, 종축은 수상 두께비(hr)의 근사해를 나타낸다. 여기서, 유량비(Qr)와 점도비(ηr)를 상기 범위 내에서 다양하게 변경하는 복수의 경우에 대해서, 엄밀해에 대한 근사해의 값을 플롯한다. 복수의 플롯 값에 기초하여 상관 계수(y)를 구한 결과, 극히 1에 가까운 상관 값(y = 0.987)이 얻어진다.
즉, (식 2)에 나타내는 바와 같은 4차 방정식을 사용하지 않는 경우에도, (식 3)에 기초하여 유량비(Qr)와 점도비(ηr)를 제어할 수 있는 한, 수상 두께비(hr)를 바람직한 범위 내에서 조정하는 것이 가능하다. 또한, 도 5a를 참고하여 설명한 바와 같이, 점도비(ηr)를 유량비(Qr)와 비교하면, 유량비(Qr)가 점도비(ηr)보다 수상 두께비(hr)에 끼치는 영향이 큰 것을 알 수 있다. 또한, 점도비(ηr)는 액체의 종류에 따라 고정되는 한편, 유량비(Qr)는 액체를 순환시키는 펌프 등을 제어함으로써 조정된다. 결론적으로, 본 명세서의 발명자들은, 2개의 다른 액체를 사용해서 액체 유로(13)(압력실)에 안정된 2개의 액체의 유동을 형성하기 위해서는, 2개의 액체 사이의 유량비(Qr)를 (식 3)에 기초하여 제어함으로써 수상 두께비(hr)를 조정하는 것이 유효하다는 지견에 이르렀다.
여기서, 상술한 평행 유동의 형성 조건을 충족하는 한, 액체 유로 및 압력실에서 제1 액체와 제2 액체가 어디서든 액-액 계면을 형성할 수 있다. 구체적으로는, 상술한 바와 같이, 압력 발생 소자(12)가 하방에 위치되고, 토출구(11)가 상방에 위치되는 경우에, 제1 액체는 하방(압력 발생 소자) 측에서 유동할 수 있으며, 제2 액체는 상방(토출구) 측에서 유동할 수 있다(도 4d 참조). 대안적으로, 제1 액체 및 제2 액체는 상하 방향에서 동일한 높이에서 유동할 수 있으며, 액-액 계면이 높이 방향을 따라 형성될 수 있다. 즉, 제1 액체와 제2 액체는 x 방향에서 나란히 유동할 수 있다. 이 경우, (식 3)의 hr은 제1 액체의 x 방향에서의 두께를 나타낸다.
이제, 제1 액체가 주로 발포 매체로서 기능하는 것을 허용하고 제2 액체가 주로 토출 매체로서 기능하는 것을 허용하기 위한 상술한 수상 두께비(hr)의 3개의 조건(1 내지 3)을 다시 고려한다. 이 경우, 상술한 (식 3)도 고려하면, 조건 1을 충족하기 위해서는 (식 4)가 충적될 필요가 있고, 조건 2를 충족하기 위해서는 (식 5)가 충족될 필요가 있으며, 조건 3을 충족하기 위해서는 (식 6)이 충족될 필요가 있다:
0 < 0.44(Q2/Q1)-0.322(η2/η1)-0.109 < 1.0 (식 4);
0 < 0.44(Q2/Q1)-0.322(η2/η1)-0.109 ≤ 0.8 (식 5); 및
0 < 0.44(Q2/Q1)-0.322(η2/η1)-0.109 ≤ 0.5 (식 6).
(토출 동작의 과도 상태)
이어서, 평행 유동이 형성된 액체 유로(13) 및 압력실(18)에서의 토출 동작의 과도 상태에 대해서 설명한다. 도 7의 (a) 내지 (e)은 유로(압력실)의 높이가 H[μm] = 20 μm인 액체 유로(13)에서의 토출 동작의 과도 상태를 개략적으로 도시하는 도면이다. 한편, 도 8의 (a) 내지 (e)는 유로(압력실)의 높이가 H[μm] = 33 μm인 액체 유로(13)(압력실)에서의 토출 동작의 과도 상태를 개략적으로 도시하는 도면이다. 또한, 도 9의 (a) 내지 (e)는 유로(압력실)의 높이가 H[μm] = 10 μm인 액체 유로(13)(압력실)에서의 토출 동작의 과도 상태를 개략적으로 도시하는 도면이다. 이들 도면의 토출 액적 각각은, 제1 액체의 점도를 1 cP로, 제2 액체의 점도를 8 cP로, 그리고 액적의 토출 속도를 11 m/s로 설정하여 시뮬레이션을 행하여 얻은 결과에 기초하여 도시된다는 것에 유의한다.
도 7의 (a), 도 8의 (a) 및 도 9의 (a) 각각은 압력 발생 소자(12)에 전압이 인가되기 전의 상태를 나타낸다. 제1 액체(31) 및 제2 액체(32)는 y 방향으로 평행하게 유동하는 평행 유동을 형성한다.
도 7의 (b), 도 8의 (b) 및 도 9의 (b)는 압력 발생 소자(12)에 전압이 인가되기 시작한 상태를 나타낸다. 본 실시형태의 압력 발생 소자(12)는 전기열 변환체(히터)이다. 더 구체적으로는, 압력 발생 소자(12)는 토출 신호에 응답하여 전압 펄스를 받으면 급격하게 열을 발생시키고, 접촉하고 있는 제1 액체의 막 비등을 일으킨다. 도 7의 (b)는 막 비등에 의해 기포(16)가 생성된 상태를 나타낸다. 기포(16)의 생성과 함께, 제1 액체(31)와 제2 액체(32) 사이의 계면은 z 방향으로 이동하고, 이에 의해 제2 액체(32)는 토출구(11)로부터 z 방향(압력실의 높이 방향)으로 압출된다.
도 7의 (c), 도 8의 (c) 및 도 9의 (c) 각각은 압력 발생 소자(12)에 대한 전압의 인가가 계속되는 상태를 나타낸다. 막 비등에 의해 기포(16)의 체적이 증대되고, 제2 액체(32)는 토출구(11)로부터 z 방향으로 더 압출된 상태에 있다.
그 후, 압력 발생 소자(12)에 대한 전압의 인가를 더 지속하면, 도 7의 (d) 및 도 9의 (d)에 나타내는 액체 유로(13)(압력실)에서는 기포(16)가 성장 과정에서 대기와 연통한다. 이는, 도 7의 (d) 및 도 9의 (d) 각각에 나타내는 액체 유로(13)가 유로(압력실)의 높이(H)가 그리 크지 않기 때문이다. 한편, 비교적 큰 높이(H)를 갖는 도 8의 (d)에 도시된 액체 유로(13)(압력실)에서는, 기포는 대기에 연통하지 않고 수축한다.
도 7의 (e), 도 8의 (e), 및 도 9의 (e)는 액적(토출 액적)(30)이 토출되는 상태를 나타낸다. 도 7의 (d) 및 도 9의 (d)에 도시된 바와 같은 기포(16)의 대기와의 연통 타이밍 또는 도 8의 (d)에 도시된 바와 같은 기포(16)의 수축 타이밍에 토출구(11)로부터 돌출되어 있는 액체는, 그 관성력에 의해 액체 유로(13)(압력실)로부터 이탈하고 토출 액적(30) 형태로 z 방향으로 비상한다. 한편, 액체 유로(13)(압력실)에서는, 토출에 의해 소비된 양의 액체가 액체 유로(13)(압력실)의 모관력에 의해 토출구(11)의 양측으로부터 공급되어, 토출구(11)에는 다시 메니스커스가 형성된다.
상술한 토출 동작은 액체가 유동하는 상태 및 액체가 일시적으로 정지되어 있는 상태에서 일어날 수 있는데, 이는 제1 액체(31)와 제2 액체(32) 사이의 계면이 안정된 위치에 유지되는 한 유동이 활성화되어 있는지의 여부에 관계 없이 토출 동작을 안정된 상태에서 행할 수 있기 때문이라는 것에 유의한다.
예를 들어, 액체가 유동하고 있는 상태에서 토출 동작을 행하는 경우, 액체의 유동이 토출 성능에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 그러나, 일반적인 잉크젯 기록 헤드에서, 각각의 액적의 토출 속도는 몇 m/s 내지 십몇 m/s의 오더이며, 이는 몇 mm/s 내지 몇 m/s의 오더인 액체 유로(압력실) 내의 유속보다 훨씬 더 높다. 따라서, 제1 액체와 제2 액체가 몇 mm/s 내지 몇 m/s의 범위에서 유동하는 상태에서 토출 동작이 행해져도, 토출 성능에 대한 부정적인 영향의 위험은 거의 없다.
한편, 액체가 일시적으로 정지되어 있는 상태에서 토출 동작이 실행되는 경우, 토출 동작에 의해 제1 액체와 제2 액체 사이의 계면의 위치가 변동할 수 있다. 이런 이유로, 제1 액체 및 제2 액체를 유동하게 하는 상태에서 토출을 행하는 것이 바람직하다. 제1 액체와 제2 액체 사이의 계면은 액체의 유동의 정지 직후에 확산 영향에 의해 혼합되는 것은 아니라는 것에 유의한다. 유동이 정지되어도, 정지 기간이 토출 동작을 행하는데 적당한 단기간인 경우에는 제1 액체와 제2 액체 사이의 계면은 유지되어, 그 상태에서 토출 동작을 행할 수 있다. 그리고, 토출 동작의 완료 후에 (식 3)을 충족하는 유량에서 액체의 유동이 재개되는 경우, 액체 유로(13)(압력실)에서의 평행 유동은 안정된 상태에서 유지될 것이다.
그러나, 확산의 영향을 가능한 한 작게 억제하고 온-오프 전환 제어에 대한 필요성을 제거하기 위해서, 본 실시형태에서는 전자의 상태, 즉 액체가 유동하는 상태에서 토출 동작을 행하는 것으로 한다.
(토출 액적에 포함되는 액체의 비율)
도 10의 (a) 내지 (g)는 H[μm]=20μm의 유로(압력실) 높이를 갖는 액체 유로(13)(압력실)에서 수상 두께비(hr)가 단계적으로 변화되는 경우의 토출 액적을 비교하는 도면이다. 도 10의 (a) 내지 (f)에서, 수상 두께비(hr)는 0.10씩 증대되는 반면, 도 10의 (f)의 상태 내지 도 10의 (g)의 상태에서는 수상 두께비(hr)는 0.50씩 증대된다.
도 4d에 나타낸 수상 두께비(hr(= h1/(h1 + h2))가 0에 가까울수록 제1 액체(31)의 수상 두께비(h1)는 작아지고, 수상 두께비(hr)가 1에 가까울수록 제1 액체(31)의 수상 두께비(h1)는 커진다. 따라서, 토출구(11)에 가깝게 위치된 제2 액체(32)는 토출 액적(30)에 주로 포함되는 한편, 수상 두께비(hr)가 1에 접근할수록, 토출 액적(30)에 포함되는 제1 액체(31)의 비율도 증가한다.
유로(압력실) 높이가 H[μm] = 20μm으로 설정되는 도 10의 (a) 내지 (g)의 경우, 수상 두께비(hr) = 0.00, 0.10, 또는 0.20이면 제2 액체(32)만이 토출 액적(30)에 포함되고, 제1 액체(31)는 토출 액적(30)에 포함되지 않는다. 그러나, 수상 두께비(hr) = 0.30 이상인 경우에는, 제2 액체(32) 이외에 제1 액체(31)도 토출 액적(30)에 포함된다. 수상 두께비(hr) = 1.00(즉, 제2 액체가 존재하지 않는 상태)인 경우, 제1 액체(31)만이 토출 액적(30)에 포함된다. 상술한 바와 같이, 토출 액적(30)에 포함되는 제1 액체(31)와 제2 액체(32) 사이의 비율은 액체 유로(13)(압력실)에서의 수상 두께비(hr)에 따라서 변화한다.
한편, 도 11의 (a) 내지 (e)는, H[μm] = 33 μm의 유로(압력실) 높이를 갖는 액체 유로(13)에서 수상 두께비(hr)가 단계적으로 변화하는 경우의 토출 액적(30)을 비교하는 도면이다. 이 경우, 수상 두께비(hr) = 0.36 이하인 경우에는, 제2 액체(32)만이 토출 액적(30)에 포함된다. 한편, 수상 두께비(hr) = 0.48 이상인 경우, 제2 액체(32) 이외에 제1 액체(31)도 토출 액적(30)에 포함된다.
한편, 도 12의 (a) 내지 (c)는, H[μm] = 10 μm의 유로(압력실) 높이를 갖는 액체 유로(13)에서 수상 두께비(hr)가 단계적으로 변화하는 경우의 토출 액적(30)을 비교하는 도면이다. 이 경우, 수상 두께비(hr) = 0.10인 경우에도, 제1 액체(31)는 토출 액적(30)에 포함된다.
도 13은, 토출 액적(30)에 포함되는 제1 액체(31)의 비율(R)을 0%, 20%, 및 40%로 설정한 상태로 비율(R)을 고정하는 경우의 유로(압력실) 높이(H)와 수상 두께비(hr) 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 어느 비율(R)에서도, 유로(압력실) 높이(H)가 클수록 허용가능한 수상 두께비(hr)도 커진다. 포함되는 제1 액체(31)의 비율(R)은 토출 액적에 대한, 제1 액체(31)로서 액체 유로(13)(압력실)에서 흐르고 있던 액체의 비율이라는 것에 유의한다. 이와 관련하여, 제1 액체 및 제2 액체 각각이 물과 같은 동일한 성분을 포함하는 경우에도, 제2 액체에 포함된 물의 부분은 당연히 상술한 비에 포함되지 않는다.
토출 액적(30)이 제2 액체(32) 만을 포함하고 제1 액체를 제거하는 경우(R=0%), 유로(압력실) 높이(H[μm])와 수상 두께비(hr) 사이의 관계는 도 11의 실선에 의해 표현된 바와 같은 궤적을 그린다. 본 개시물의 발명자들에 의해 실행된 검토에 따르면, 수상 두께비(hr)는 이하의 (식 7)에 나타내는 유로(압력실) 높이(H[μm])의 1차 함수에 의해 근사될 수 있다:
hr = -0.1390 + 0.0155H (식 7).
또한, 토출 액적(30)이 제1 액체를 20% 포함하도록 허용되는 경우(R = 20%), 수상 두께비(hr)는 이하의 (식 8)에 나타내는 유로(압력실) 높이(H[μm])의 1차 함수에 의해 근사될 수 있다.
hr = +0.0982 + 0.0128H (식 8).
또한, 토출 액적(30)이 제1 액체를 40% 포함하도록 허용되는 경우(R = 40%), 본 발명자들에 의한 검토에 따르면 수상 두께비(hr)는 이하의 (식 9)에 나타내는 유로(압력실) 높이(H[μm])의 1차 함수에 의해 근사될 수 있다:
hr = +0.3180 + 0.0087H (식 9).
예를 들어, 토출 액적(30)이 제1 액체를 포함하지 않도록 하기 위해서, 유로(압력실) 높이(H[μm])가 20 μm인 경우, 수상 두께비(hr)는 0.20 이하로 조정될 필요가 있다. 한편, 유로(압력실) 높이(H[μm])가 33μm인 경우, 수상 두께비(hr)는 0.36 이하로 조정될 필요가 있다. 또한, 유로(압력실) 높이(H[μm])가 10μm인 경우, 수상 두께비(hr)는 거의 제로(0.00)로 조정될 필요가 있다.
그럼에도 불구하고, 수상 두께비(hr)가 과도하게 낮게 설정되는 경우, 제1 액체에 대한 제2 액체의 점도(η2) 및 유량(Q2)을 증가시킬 필요가 있다. 이러한 증가는 압력 손실의 증가와 연관된 부정적인 효과의 문제를 초래한다. 예를 들어, 다시 도 5a를 참조하면, 수상 두께비(hr = 0.20)를 실현하기 위해서, 점도비(ηr)가 10인 경우에 유량비(Qr)는 5이다. 한편, 동일한 잉크(즉, 동일한 점도비(ηr)의 경우)를 사용하면서, 제1 액체를 토출시키지 않는 것의 확실성을 얻기 위해서, 수상 두께비를 hr = 0.10로 설정하면 유량비(Qr)는 15이 된다. 즉, 수상 두께비(hr)를 0.10으로 조정하기 위해서는, 수상 두께비(hr)를 0.20에 조정하는 경우에 비하여 유량비(Qr)를 3배로 하는 것이 필요하고, 이러한 증가는 압력 손실 및 이에 연관된 부정적인 효과를 증가시키는 문제를 초래한다.
따라서, 압력 손실을 가능한 한 작게 감소시키면서, 제2 액체(32)만을 토출시키고자 하는 경우, 수상 두께비(hr)의 값을 상술한 조건을 충족시키면서 가능한 크게 조정하는 것이 바람직하다. 다시 도 13을 참조하여 이를 구체적으로 설명하면, 유로(압력실) 높이(H) =20 μm인 경우, 수상 두께비(hr)의 값을 0.20 미만 및 가능한 한 0.20에 가깝게 조정하는 것이 바람직하다. 한편, 유로(압력실) 높이(H[μm]) = 33μm인 경우, 수상 두께비(hr)의 값을 0.36 미만 및 가능한 한 0.36에 가깝게 조정하는 것이 바람직하다.
상술한 (식 7), (식 8), 및 (식 9)은 일반적인 액체 토출 헤드, 즉 토출 액적의 토출 속도가 10 m/s 내지 18 m/s의 범위인 액체 토출 헤드에 적용가능한 수치를 규정한다는 것에 유의한다. 또한, 이들 수치는 압력 발생 소자와 토출구가 서로 대향하는 위치에 위치되고, 압력실에서 압력 발생 소자, 제1 액체, 제2 액체 및 토출구가 이 열거 순서로 배열되도록 제1 액체와 제2 액체가 유동한다는 전제에 기초한다.
상술한 바와 같이, 본 실시형태에 따르면, 액체 유로(압력실)에서의 수상 두께비(hr)를 미리결정된 값으로 설정하고 이에 의해 계면을 안정시킴으로써, 제1 액체와 제2 액체를 미리결정된 비율로 포함하는 액적의 토출 동작을 안정적으로 행하는 것이 가능하다.
(제1 액체와 제2 액체의 구체예)
이상 설명한 실시형태의 구성에서는, 제1 액체는 막 비등을 발생시키기 위한 발포 매체로서의 역할을 하고 제2 액체는 대기로 토출되는 토출 매체로서의 역할을 하는 것처럼 각각의 액체에 의해 요구되는 기능이 명확해진다. 본 실시형태의 구성에 따르면, 제1 액체 및 제2 액체에 함유되는 성분의 자유도를 종래 기술의 것보다 증가시킬 수 있다. 이제, 이 구성에서의 발포 매체(제1 액체)와 토출 매체(제2 액체)에 대해서 구체예에 기초하여 상세하게 설명한다.
본 실시형태의 발포 매체(제1 액체)는, 전기열 변환체가 열을 발생시키는 경우에 발포 매체에 막 비등을 일으키고, 생성된 기포의 크기를 급격하게 증대시키는, 즉 열 에너지를 발포 에너지로 효율적으로 변환할 수 있는 높은 임계 압력을 갖는 것이 요구된다. 이러한 매체에는 물이 특히 적합하다. 물은 18의 작은 분자량에도 불구하고 높은 비점(100℃)과 높은 표면 장력(100℃에서 58.85 다인/cm)을 갖고, 따라서 약 22 MPa의 높은 임계 압력을 갖는다. 즉, 물은 막 비등 시에 극도로 높은 비등 압력을 초래한다. 일반적으로, 막 비등을 이용해서 잉크를 토출하도록 설계되는 잉크젯 기록 장치에서, 염료나 안료와 같은 색재를 물에 함유시켜 준비한 잉크가 적합하게 사용된다.
그러나, 발포 매체는 물로 한정되지 않는다. 다른 재료가 2MPa 이상(또는 바람직하게는 5MPa 이상)의 임계 압력을 갖는 한은 이러한 재료도 발포 매체로서 기능할 수 있다. 물 이외의 발포 매체의 예는 메틸 알코올 및 에틸 알코올을 포함한다. 물과 이들 알코올 중 임의의 것의 혼합물을 발포 매체로서 사용하는 것도 가능하다. 또한, 상술한 바와 같은 염료 및 안료 등의 색재와 기타의 첨가제를 물에 함유시켜 준비한 재료를 사용하는 것이 가능하다.
한편, 본 실시형태의 토출 매체(제2 액체)는 발포 매체와 달리 막 비등을 발생시키기 위한 물성을 충족하는 것이 요구되지 않는다. 한편, 전기열 변환체(히터)에 스코치 재료가 부착되면, 히터 표면의 평활성의 손상 또는 그 열전도율의 저하에 의해 발포 효율이 저하되기 쉽다. 그러나, 토출 매체는 히터에 직접 접촉하지 않고, 따라서 그 성분의 스코치 위험이 없다. 구체적으로는, 본 실시형태의 토출 매체와 관련하여, 종래의 서멀 헤드를 위한 잉크의 것에 비해 막 비등을 발생시키거나 스코치를 회피하기 위한 물성의 조건이 완화된다. 따라서, 본 실시형태의 토출 매체는 내부에 함유되는 성분의 큰 자유도를 누린다. 그 결과, 토출 매체는 토출 후의 용도에 적합한 성분을 보다 적극적으로 함유할 수 있다.
예를 들어, 본 실시형태에서는, 안료는 히터 상에 스코칭되기 쉬웠기 때문에 종래에는 사용되지 않았던 안료를 토출 매체에 적극적으로 함유시킬 수 있다. 한편, 본 실시형태에서는, 임계 압력이 매우 작은 수성 잉크 이외의 액체도 토출 매체로서 사용할 수 있다. 또한, 자외선 경화형 잉크, 전기 전도성 잉크, 전자-빔(EB) 경화형 잉크, 자성 잉크, 및 솔리드형 잉크 같은 종래의 서멀 헤드에서는 거의 다루어질 수 없는 특별한 기능을 갖는 다양한 잉크를 토출 매체로서 사용하는 것도 가능하다. 한편, 토출 매체로서 혈액, 배양액 중의 세포 등 중 임의의 것을 사용함으로써 본 실시형태의 액체 토출 헤드를 화상 형성 이외의 다양한 응용에 이용할 수도 있다. 액체 토출 헤드는 바이오칩 제작, 전자 회로 인쇄 등을 포함하는 다른 응용에도 적응될 수 있다. 제2 액체에 대해서는 제한이 없으므로, 제2 액체는 제1 액체의 예로서 언급한 것과 동일한 액체를 채용할 수 있다. 예를 들어, 2개의 액체가 모두 대량의 물을 함유하는 잉크인 경우에도, 사용 모드와 같은 상황에 따라 잉크 중 하나를 제1 액체로서 다른 잉크를 제2 액체로서 사용할 수 있다.
(2개의 액체의 평행 유동을 요구하는 토출 매체)
토출할 액체가 결정되어 있는 경우, 2개의 액체를 액체 유로(압력실)에서 평행 유동을 형성하도록 유동시킬 필요가 있는지는 토출되는 액체의 임계 압력에 따라서 결정될 수 있다. 예를 들어, 토출해야 할 액체의 임계 압력이 불충분할 경우에만, 토출해야 할 액체로서 제2 액체를 결정할 수 있고 제1 액체로서 발포 매체를 준비할 수 있다.
도 14a 및 도 14b는 물에 디에틸렌 글리콜(DEG)을 혼합시킨 경우의 물 함유율과 막 비등 시의 발포 압력 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 14a의 횡축은 액체에 대한 물의 질량 비율(질량%)을 나타내고, 도 14b의 횡축은 액체에 대한 물의 몰 비율을 나타낸다.
도 14a 및 도 14b로부터 알 수 있는 바와 같이, 물 함유율(함유 비율)이 낮을수록 막 비등 시의 발포 압력이 낮아진다. 즉, 물 함유율이 낮아질수록 발포 압력이 저하되고, 결과적으로 토출 효율이 저하된다. 그럼에도 불구하고, 물의 분자량(18)은 디에틸렌 글리콜의 분자량(106)에 비하여 상당히 작다. 따라서, 물의 질량 비율이 약 40 wt%인 경우에도, 그 몰 비율은 약 0.9이며 발포 압력비는 0.9로 유지된다. 한편, 물의 질량 비율이 40 wt% 미만으로 떨어지는 경우, 도 14a 및 도 14b로부터 알 수 있는 바와 같이, 발포 압력비는 몰 농도와 함께 급격하게 저하된다.
결과적으로, 물의 질량 비율이 40 wt% 미만으로 떨어지는 경우에는, 발포 매체로서 제1 액체를 별도로 준비하고, 액체 유로(압력실)에서 이들 2개의 액체의 평행 유동을 형성하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 토출해야 할 액체가 결정되어 있는 경우, 유로(압력실)에 평행 유동을 형성할 필요가 있는지는 토출해야 할 액체의 임계 압력(또는 막 비등 시의 발포 압력)에 따라서 결정될 수 있다.
(토출 매체의 일례로서의 자외선 경화형 잉크)
일례로서 본 실시형태의 토출 매체로서 사용될 수 있는 자외선 경화형 잉크의 바람직한 성분을 예로서 설명한다. 자외선 경화형 잉크는 100% 솔리드형이다. 이러한 자외선 경화형 잉크는, 용제 없이 중합 반응 성분으로 형성되는 잉크와 용제형인 물 또는 용제를 희석제로서 함유하는 잉크로 분류될 수 있다. 근년 많이 활발하게 사용되고 있는 자외선 경화형 잉크는 용제를 함유하지 않는 비수계 광중합성 반응 성분(모노머 혹은 올리고머임)으로 형성되는 100% 솔리드형 자외선 경화형 잉크이다. 성분에 대해서는, 이러한 자외선 경화형 잉크는, 모노머를 주요 성분으로서 함유하고, 또한 광중합 개시제, 색재, 분산제, 계면활성제 등을 포함하는 다른 첨가제를 소량 함유한다. 광범위하게 말하면, 이들 잉크의 성분은 80 내지 90 wt%의 모노머, 5 내지 10 wt%의 광중합 개시제, 2 내지 5 wt%의 색재, 및 나머지 기타 첨가제를 포함한다. 상술한 바와 같이, 종래의 서멀 헤드에 의해서는 거의 다루어지기 힘들었던 자외선 경화형 잉크의 경우에도, 본 실시형태에서는 이러한 잉크를 토출 매체로서 사용하고 안정된 토출 동작을 실행함으로써 액체 토출 헤드로부터 잉크를 토출하는 것이 가능하다. 이에 의해, 종래 기술에 비해 화상 견고성과 내찰과성이 우수한 화상을 기록하는 것이 가능해진다.
(토출 액적으로서 혼합액을 사용하는 예)
이어서, 제1 액체(31)와 제2 액체(32)를 미리결정된 비율로 혼합한 상태에서의 토출 액적(30)의 토출의 경우에 대해서 설명한다. 예를 들어, 제1 액체(31) 및 제2 액체(32)가 서로 상이한 색을 갖는 잉크인 경우에, 이들 잉크는 2개의 액체의 점도 및 유량이 (식 2) 또는 (식 3)에 의해 규정되는 관계를 만족하는 한 액체 유로(13) 및 압력실(18)에서 혼합되지 않고 안정적으로 유동할 수 있다. 즉, 액체 유로 및 압력실에서의 제1 액체(31)와 제2 액체(32) 사이의 유량비(Qr)를 제어함으로써, 수상 두께비(hr) 및 나아가서는 토출 액적에서의 제1 액체(31)와 제2 액체(32) 사이의 혼합비를 원하는 비율로 조정할 수 있다.
예를 들어, 제1 액체가 클리어 잉크이고, 제2 액체가 시안 잉크(또는 마젠타 잉크)인 것으로 하면, 유량비(Qr)를 제어함으로써 다양한 색재의 농도에서 라이트 시안 잉크(또는 라이트 마젠타 잉크)를 토출할 수 있다. 대안적으로, 제1 액체가 옐로우 잉크이고 제2 액체가 마젠타인 것으로 상정하면, 유량비(Qr)를 제어함으로써 상이한 단계의 다양한 색상 레벨에서 레드 잉크를 토출할 수 있다. 즉, 제1 액체와 제2 액체를 원하는 혼합비로 혼합하여 준비한 액적을 토출할 수 있는 경우, 혼합비를 적절히 조정함으로써 기록 매체에 표현되는 색 재현 범위를 종래 기술보다 확대할 수 있다.
또한, 본 실시형태의 구성은 토출 직전까지 액체를 혼합하지 않고 토출 직후에 혼합하는 것이 바람직한 2 종류의 액체를 사용하는 경우에도 효과적이다. 예를 들어, 화상 기록에서는, 발색성이 우수한 고농도 안료 잉크와 내찰과성과 같은 화상 견고성이 우수한 수지 에멀젼(수지 EM)을 기록 매체에 동시에 퇴적시키는 것이 바람직한 경우가 있다. 그러나, 안료 잉크에 포함되는 안료 성분과 수지 EM에 포함되는 고형 성분은 입자간 거리가 근접하면 응집하게 되고 따라서 분산성이 저하되는 경향이 있다. 이와 관련하여, 본 실시형태의 제1 액체로서 고농도 EM을 사용하고 그 제2 액체로서 고농도 안료 잉크를 사용하며, (식 2) 또는 (식 3)에 기초하여 이들 액체의 유속을 제어함으로써 평행 유동을 형성하는 경우, 2개의 액체는 토출 후에 기록 매체 상에서 서로 혼합되고 함께 응집한다. 즉, 높은 분산성 아래에서 바람직한 토출 상태를 유지하고, 액적의 퇴적 후에 높은 발색성과 높은 견고성을 갖는 화상을 얻는 것이 가능하다.
이러한 토출 후의 혼합이 상술한 바와 같이 의도되는 경우에는, 본 실시형태는 압력 발생 소자의 모드에 관계없이 압력실 내에서 2개의 액체의 유동을 발생시키는 효과를 발휘한다는 것에 유의한다. 즉, 예를 들어, 임계 압력의 제한 및 스코치의 문제가 처음부터 염려되지 않는, 압력 발생 소자로서 압전 소자를 사용하는 구성의 경우에도 본 실시형태는 효과적으로 기능하다.
상술한 바와 같이, 본 실시형태에 따르면, 점도(η1)를 갖는 제1 액체 및 점도(η2 )를 갖는 제2 액체를 미리결정된 수상 두께비(hr)로 설정하기 위해서 (식 4) 내지 (식 6)에서 규정된 근사식에 기초하여 유량비(Qr)를 조정한다. 이에 의해, 액체 유로(압력실)에서의 수상 두께비(hr)를 미리결정된 값으로 설정함으로써 계면을 미리결정된 위치에 안정시키고, 제1 액체와 제2 액체를 일정한 비율로 포함하는 액적의 토출 동작을 안정적으로 행하는 것이 가능해진다.
압력실에서 유동하는 제1 액체 및 제2 액체는 압력실과 외부 유닛 사이에서 순환할 수 있다. 순환이 실시되지 않는 경우에는, 액체 유로 및 압력실에서 평행 유동을 형성하고 토출되지 않은 제1 액체 및 제2 액체 중 임의의 것이 대량으로 내부에 남게 된다. 따라서, 외부 유닛에 의한 제1 액체 및 제2 액체의 순환에 의해 토출되지 않은 액체를 다시 평행 유동을 형성하기 위해 사용할 수 있게 된다.
(다른 실시형태)
본 개시물에서, 액체 토출 헤드 및 액체 토출 장치는 잉크를 토출하도록 구성되는 잉크젯 기록 헤드 및 잉크젯 기록 장치에만 한정되지 않는다. 액체 토출 헤드, 액체 토출 장치 및 이와 연관된 액체 토출 방법은, 프린터, 복사기, 통신 시스템을 갖는 팩시밀리, 및 프린터 유닛을 포함하는 워드프로세서를 포함하는 다양한 장치, 및 다양한 처리 장치와 일체로 조합되는 산업 기록 장치에 적용가능하다. 특히, 제2 액체로서 다양한 액체를 사용할 수 있기 때문에, 본 발명은 바이오칩 제작, 전자 회로 인쇄 등을 포함하는 다른 용도에도 적응될 수 있다.
본 발명을 예시적인 실시형태를 참고하여 설명하였지만, 본 발명은 개시된 예시적인 실시형태로 한정되지 않음을 이해해야 한다. 이하의 청구항의 범위는 이러한 모든 변형과 동등한 구조 및 기능을 포함하도록 최광의로 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 액체 토출 헤드이며,
    제1 액체 및 제2 액체가 내부에서 유동하는 것을 허용하도록 구성되는 압력실;
    상기 제1 액체에 압력을 가하도록 구성되는 압력 발생 소자; 및
    상기 제2 액체를 토출하도록 구성되는 토출구를 포함하고,
    상기 액체 토출 헤드는, 상기 압력실에서 상기 제1 액체와 접촉하는 상태로 상기 제2 액체를 상기 제1 액체보다 상기 토출구에 가까운 측에서 유동시키도록 구성되고,
    상기 압력실에서 유동하는 상기 제1 액체 및 상기 제2 액체는,
    0.0 < 0.44(Q2/Q1)-0.322(η2/η1)-0.109 < 1.0을 충족하고,
    여기서, η1은 상기 제1 액체의 점도이고, η2는 상기 제2 액체의 점도이고, Q1는 상기 제1 액체의 유량이며, Q2는 상기 제2 액체의 유량인, 액체 토출 헤드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압력실에서 유동하는 상기 제1 액체 및 상기 제2 액체는,
    0.0 < 0.44(Q2/Q1)-0.322(η2/η1)-0.109 ≤ 0.8을 충족하는, 액체 토출 헤드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압력실에서 유동하는 상기 제1 액체 및 상기 제2 액체는,
    0.0 < 0.44(Q2/Q1)-0.322(η2/η1)-0.109 ≤ 0.5를 충족하는, 액체 토출 헤드.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 토출 헤드는, 상기 제1 액체 및 상기 제2 액체가 상기 압력실에서 층류 유동(laminar flow)을 형성시키도록 구성된, 액체 토출 헤드.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 토출 헤드는, 상기 제1 액체 및 상기 제2 액체가 상기 압력실에서 평행 유동을 형성시키도록 구성된, 액체 토출 헤드.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 토출구로부터 토출되는 토출 액적에서의 상기 제1 액체의 비율은 20% 미만인, 액체 토출 헤드.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 발생 소자 및 상기 토출구는 서로 대향하는 위치에 위치되고,
    상기 제1 액체 및 상기 제2 액체는, 상기 압력 발생 소자, 상기 제1 액체, 상기 제2 액체, 및 상기 토출구가 이 열거 순서로 배열되도록, 상기 압력실에서 유동하는, 액체 토출 헤드.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 액체 토출 헤드는,
    h1/(h1+h2) ≤ +0.3180 + 0.0087H를 충족하며,
    여기서, H[μm]는 상기 압력실의 높이이고, h1은 상기 제2 액체의 토출 방향에서의 상기 압력실 내의 상기 제1 액체의 두께이며, h2는 상기 제2 액체의 상기 토출 방향에서의 상기 압력실 내의 상기 제2 액체의 두께인, 액체 토출 헤드.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 액체 토출 헤드는,
    h1/(h1+h2) ≤ +0.0982 + 0.0128H를 충족하며,
    여기서, H[μm]는 상기 압력실의 높이이고, h1은 상기 제2 액체의 토출 방향에서의 상기 압력실 내의 상기 제1 액체의 두께이며, h2는 상기 제2 액체의 상기 토출 방향에서의 상기 압력실 내의 상기 제2 액체의 두께인, 액체 토출 헤드.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 액체 토출 헤드는,
    h1/(h1+h2) ≤ -0.1390 + 0.0155H를 충족하며,
    여기서, H[μm]는 상기 압력실의 높이이고, h1은 상기 제2 액체의 토출 방향에서의 상기 압력실 내의 상기 제1 액체의 두께이며, h2는 상기 제2 액체의 상기 토출 방향에서의 상기 압력실 내의 상기 제2 액체의 두께인, 액체 토출 헤드.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 액체는 2 MPa 이상의 임계 압력을 갖는 액체인, 액체 토출 헤드.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 액체는 안료를 포함하는 수성 잉크 및 에멀젼 중 하나인, 액체 토출 헤드.
  13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 액체는 솔리드형 자외선 경화형 잉크인, 액체 토출 헤드.
  14. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력실에서 유동하는 상기 제1 액체는 상기 압력실과 외부 유닛 사이에서 순환하는, 액체 토출 헤드.
  15. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 액체 토출 헤드를 구성하기 위한 액체 토출 모듈이며,
    상기 액체 토출 헤드는 복수의 상기 액체 토출 모듈을 배열함으로써 형성되는, 액체 토출 모듈.
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