KR20200014230A - 액체 토출 헤드, 액체 토출 모듈 및 액체 토출 장치 - Google Patents

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

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캐논 가부시끼가이샤
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Abstract

제1 유입구는 제1 액체가 액체 유로 내로 유입하게 하고, 제2 유입구는 제2 액체가 액체 유로 내로 유입하게 한다. 제1 및 제2 액체는 압력실을 향해 유동한다. L ≥ W을 충족하는 부분이 있으며, 압력실에서의 제1 액체의 유동 방향 및 토출구로부터의 제2 액체의 토출 방향에 직교하는 방향에서 L은 제1 유입구의 길이이고 W는 제1 유입구 위의 액체 유로의 길이이다. 제2 액체가 저부로부터 상부로 토출되는 경우에, 제2 액체는 제1 액체 위에서 유동한다.

Description

액체 토출 헤드, 액체 토출 모듈 및 액체 토출 장치{LIQUID EJECTION HEAD, LIQUID EJECTION MODULE, AND LIQUID EJECTION APPARATUS}
본 개시물은 액체 토출 헤드, 액체 토출 모듈 및 액체 토출 장치에 관한 것이다.
일본 특허 공개 제H06-305143(1994)호는, 토출구에 연통하는 액체 유로 내에, 토출 매체로서의 액체와 발포 매체로서의 액체를 계면을 개재하여 서로 분리한 상태에서 유지하고, 발열 소자를 사용하여 발포 매체가 기포를 발생시키게 함으로써, 토출구로부터 토출 매체를 토출하는 구성을 개시하고 있다.
본 개시물의 제1 양태에서, 액체 토출 헤드가 제공되며, 상기 액체 토출 헤드는,
기판;
상기 기판 상에 형성되고, 제1 액체와 제2 액체가 내부에서 유동하게 하도록 구성되고, 압력실을 포함하는, 액체 유로;
상기 압력실 내의 상기 제1 액체에 압력을 가하도록 구성되는 압력 발생 소자; 및
상기 제2 액체를 토출하도록 구성되는 토출구를 포함하고,
상기 기판은,
상기 제1 액체가 상기 액체 유로에 교차하는 방향으로 상기 액체 유로 내로 유입하게 하도록 구성되는 제1 유입구, 및
상기 제2 액체가 상기 액체 유로 내로 유입하게 하도록 구성되는 제2 유입구를 포함하고,
상기 제1 유입구는 상기 제2 유입구보다 상기 압력실에 가까운 위치에 위치되고,
상기 액체 유로 내로 유입하는 상기 제1 액체 및 상기 제2 액체는 상기 액체 유로에서 상기 압력실을 향해 유동하고,
상기 제1 유입구의 길이를 L로서 규정하고 상기 제1 유입구 위의 상기 액체 유로의 길이를 W로서 규정하는 경우, 상기 압력실에서의 상기 제1 액체의 유동 방향과 상기 토출구로부터의 상기 제2 액체의 토출 방향에 직교하는 방향에 있어서, 상기 액체 토출 헤드는 L ≥ W로서 규정된 관계를 충족하는 부분을 포함하며,
상기 제2 액체의 상기 토출 방향이 저부로부터 상부로의 방향인 경우, 상기 제2 액체는 상기 제1 액체 위에서 유동한다.
본 개시물의 제2 양태에서, 액체 토출 헤드를 구성하기 위한 액체 토출 모듈이 제공되며,
상기 액체 토출 헤드는,
기판,
상기 기판 상에 형성되고 제1 액체 및 제2 액체가 내부에서 유동하게 하도록 구성되고, 압력실을 포함하는, 액체 유로,
상기 압력실 내의 상기 제1 액체에 압력을 가하도록 구성되는 압력 발생 소자, 및
상기 제2 액체를 토출하도록 구성되는 토출구를 포함하고,
상기 기판은,
상기 제1 액체가 상기 액체 유로에 교차하는 방향으로 상기 액체 유로 내로 유입하게 하도록 구성되는 제1 유입구, 및
상기 제2 액체가 상기 액체 유로 내로 유입하게 하도록 구성되는 제2 유입구를 포함하고,
상기 제1 유입구는 상기 제2 유입구보다 상기 압력실에 가까운 위치에 위치되고,
상기 액체 유로 내로 유입하는 상기 제1 액체 및 상기 제2 액체는 상기 액체 유로에서 상기 압력실을 향해 유동하고,
상기 제1 유입구의 길이를 L로서 규정하고 상기 제1 유입구 위의 상기 액체 유로의 길이를 W로서 규정하는 경우, 상기 압력실에서의 상기 제1 액체의 유동 방향과 상기 토출구로부터의 상기 제2 액체의 토출 방향에 직교하는 방향에 있어서, 상기 액체 토출 헤드는 L ≥ W로서 규정된 관계를 충족하는 부분을 포함하고,
상기 제2 액체의 상기 토출 방향이 저부로부터 상부로의 방향인 경우, 상기 제2 액체는 상기 제1 액체 위에서 유동하며,
상기 액체 토출 헤드는 상기 복수의 액체 토출 모듈을 배열함으로써 형성된다.
본 개시물의 제3 양태에서, 액체 토출 헤드를 포함하는 액체 토출 장치가 제공되며,
상기 액체 토출 헤드는,
기판,
상기 기판 상에 형성되고 제1 액체 및 제2 액체가 내부에서 유동하게 하도록 구성되고, 압력실을 포함하는, 액체 유로,
상기 압력실 내의 상기 제1 액체에 압력을 가하도록 구성되는 압력 발생 소자, 및
상기 제2 액체를 토출하도록 구성되는 토출구를 포함하고,
상기 기판은,
상기 제1 액체가 상기 액체 유로에 교차하는 방향으로 상기 액체 유로 내로 유입하게 하도록 구성되는 제1 유입구, 및
상기 제2 액체가 상기 액체 유로 내로 유입하게 하도록 구성되는 제2 유입구를 포함하고,
상기 제1 유입구는 상기 제2 유입구보다 상기 압력실에 가까운 위치에 위치되고,
상기 액체 유로 내로 유입하는 상기 제1 액체 및 상기 제2 액체는 상기 액체 유로에서 상기 압력실을 향해 유동하고,
상기 제1 유입구의 길이를 L로서 규정하고 상기 제1 유입구 위의 상기 액체 유로의 길이를 W로서 규정하는 경우, 상기 압력실에서의 상기 제1 액체의 유동 방향과 상기 토출구로부터의 상기 제2 액체의 토출 방향에 직교하는 방향에 있어서, 상기 액체 토출 헤드는 L ≥ W로서 규정된 관계를 충족하는 부분을 포함하며,
상기 제2 액체의 상기 토출 방향이 저부로부터 상부로의 방향인 경우, 상기 제2 액체는 상기 제1 액체 위에서 유동한다.
본 개시물의 실시형태에 따르면, 제1 액체와 제2 액체를 액체 유로의 높이 방향으로 배열함으로써 액체 토출 성능을 안정화시킬 수 있다.
본 발명의 추가적인 특징은 첨부된 도면을 참고한 예시적인 실시형태에 대한 이하의 설명으로부터 명확해질 것이다.
도 1은 제1 실시형태의 토출 헤드의 사시도이다.
도 2는 제1 실시형태의 액체 토출 장치의 제어계의 블록도이다.
도 3은 도 1에서의 액체 토출 모듈의 단면 사시도이다.
도 4a는 도 3의 소자 기판에서의 액체 유로의 투시도이며, 도 4b는 도 4a의 IVB-IVB 선을 따라 취한 단면도이다.
도 5a는 도 4a에서의 액체 유로의 사시도이며, 도 5b는 도 4b에서의 토출구 근방 부분의 확대도이다.
도 6a는 액체의 점도비와 수상 두께비 사이의 관계의 설명도이며, 도 6b는 압력실의 높이와 유속 사이의 관계의 설명도이다.
도 7은 유량비와 수상 두께비 사이의 관계의 설명도이다.
도 8의 (a) 내지 (e)는 토출 동작의 과도 상태의 설명도이다.
도 9의 (a) 내지 (g)는 다양한 수상 두께비에서의 토출 액적의 설명도이다.
도 10의 (a) 내지 (e)는 다양한 수상 두께비에서의 토출 액적의 추가의 설명도이다.
도 11의 (a) 내지 (c)는 다양한 수상 두께비에서의 토출 액적의 추가의 설명도이다.
도 12는 유로(압력실)의 높이와 수상 두께비 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 13a는 액체에 대한 물의 질량 백분율(질량%)과 발포 압력 사이의 관계의 설명도이며, 도 13b는 액체에 대한 물의 몰 비율과 발포 압력 사이의 관계의 설명도이다.
도 14a는 제1 실시형태의 제1 유입구 부분의 상면도이고, 도 14b는 도 14a의 XIVB-XIVB 선을 따라 취한 단면도이며, 도 14c는 도 14a의 XIVC-XIVC 선을 따라 취한 단면도이다.
도 15a는 비교예의 제1 유입구 부분의 상면도이고, 도 15b는 도 15a의 XVB-XVB 선을 따라 취한 단면도이며, 도 15c는 도 15a의 XVC-XVC 선을 따라 취한 단면도이다.
도 16a는 제1 실시형태에서의 제1 액체의 속도 벡터의 설명도이고, 도 16b는 제1 실시형태에서의 제1 및 제2 액체의 속도 분포의 설명도이고, 도 16c는 비교예에서의 제1 액체의 속도 벡터의 설명도이며, 도 16d는 비교예에서의 제1 및 제2 액체의 속도 분포의 설명도이다.
도 17a는 도 15a 내지 도 15c에 도시된 비교예에서의 제1 액체의 속도 벡터의 설명도이며, 도 17b는 도 15a 내지 도 15c에 도시된 비교예에서의 제1 및 제2 액체의 속도 분포의 설명도이다.
도 18a는 제1 실시형태의 제1 유입구 부분의 상면도이고, 도 18b 및 도 18c는 각각 도 18a의 XVIIIB-XVIIIB 선을 따라 취한 단면에서 제1 및 제2 액체의 층 두께가 상이한 경우를 나타내는 설명도이다.
도 19a 내지 도 19e는 각각 제1 실시형태의 제1 유입구의 다양한 변형예의 설명도이다.
도 20a는 제1 실시형태의 제1 유입구의 또 다른 변형예의 설명도이며, 도 20b는 도 20a의 XXB-XXB 선을 따라 취한 단면도이다.
도 21a는 제2 실시형태에서의 액체 유로의 투시도이고, 도 21b는 도 21a의 XXIB-XXIB 선을 따라 취한 단면도이며, 도 21c는 도 21b에서의 토출구 부분의 확대도이다.
일본 특허 공개 제H06-305143(1995)호에는 액체 유로에 대한 액체의 유입부의 형상에 대한 상세한 기재가 없다. 본 개시물에 참여한 자들에 의해 행해진 검토에 따르면, 계면의 양태는 유입부의 형상에 따라 크게 변화한다. 예를 들어, 유입부의 형상에 따라서는, 계면은 제1 액체와 제2 액체가 액체 유로(압력실)의 높이 방향으로 배열되도록 형성될 수 있거나 또는 계면은 제1 액체와 제2 액체가 액체 유로(압력실)의 폭 방향으로 배열되도록 형성될 수 있다.
본 개시물의 실시형태는 제1 액체와 제2 액체를 액체 유로 및 압력실의 높이 방향으로 배열함으로써 액체의 토출 성능을 안정화시킨다.
이제, 본 개시물의 실시형태를 도면을 참고하여 설명한다.
(제1 실시형태)
(액체 토출 헤드의 구성)
도 1은 본 실시형태에서의 액체 토출 헤드(1)의 사시도이다. 본 실시형태의 액체 토출 헤드(1)는 복수의 액체 토출 모듈(100)(모듈의 어레이)을 x 방향으로 배열함으로써 형성된다. 각각의 액체 토출 모듈(100)은, 토출 소자가 배열된 소자 기판(10)과, 각각의 토출 소자에 전력과 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 액체 토출 모듈(100)을 길이 방향으로 복수 배열함으로써(복수의 모듈을 배열함으로써) 형성되는 액체 토출 헤드(1)라면, 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 개시물의 실시형태에서 사용가능한 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 액체를 토출하게 하기 위한 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 토출 장치(2)가 잉크젯 기록 장치를 구성하는 경우, 잉크젯 기록 헤드로서의 액체 토출 헤드(1)는 잉크를 토출하는 한편, 액체 토출 헤드(1)에 대해 기록 매체를 이동시키기 위해서 반송 모터(503)가 기록 매체를 반송한다.
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, 액체 토출 헤드(1) 내를 유동하는 액체의 유량을 제어하기 위한 유량 제어 유닛 등을 포함한다. 따라서, 액체 순환 유닛(504)은, CPU(500)의 지시 하에, 액체 토출 헤드(1)에서 액체가 미리결정된 유량으로 유동하도록 이들 기구를 제어한다.
(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)를 적층함으로써 형성된다. 오리피스 플레이트(14)(토출구 형성 부재)에는, 액체를 토출하기 위한 복수의 토출구(11)의 어레이가 x 방향으로 형성되어 있다. 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 압력 발생 소자(12)에 전압이 인가되는 경우에, 압력 발생 소자(12)는 액체의 유동 방향(y 방향)에 직교하는 z 방향으로 액체에 압력을 가한다. 따라서, 압력 발생 소자(12)에 대향하는 토출구(11)로부터 액체가 액적의 형태로 토출된다. 플렉시블 배선 기판(40)(도 1 참조)은 실리콘 기판(15)에 배치된 단자(17)를 통해 압력 발생 소자(12)에 전력 및 구동 신호를 공급한다. 이 경우에 실리콘 기판이 기판(15)으로서 사용되는 경우, 기판은 상이한 부재로 형성될 수 있다. 한편, 기판(15)이 실리콘 기판으로 이루어지는 경우에, 실리콘 기판에 제공되는 산화막(층), 절연막(층) 등은 기판(실리콘 기판)으로서 통칭될 것이다.
y 방향으로 연장되고 토출구(11)에 각각 연결되는 복수의 액체 유로(13)는 실리콘 기판(15)과 기판(실리콘 기판(15)) 상의 오리피스 플레이트(14) 사이에 형성된다. 액체 유로(13) 각각에서 유동하는 액체는 후술하는 제1 액체 및 제2 액체를 포함한다. 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 2의 액체 순환 유닛(504)에 의해 제어된다. 더 구체적으로는, 제1 공통 공급 유로(23)로부터 액체 유로(13)에 유입하는 제1 액체가 제1 공통 회수 유로(24)로 지향되는 한편, 제2 공통 공급 유로(28)로부터 액체 유로(13)로 유동하는 제2 액체는 제2 공통 회수 유로(29)로 지향되도록 펌프가 제어된다.
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, 28) 및 제1 및 제2 공통 회수 유로(24, 29)가 한 세트로서 형성되고, 이들 구성의 2개의 세트가 y 방향으로 배열되는 예를 나타낸다.
(유로 및 압력실의 구성)
도 4a 내지 도 5b는 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 5a는 도 4a에서의 액체 유로(13)의 사시도이며, 도 5b는 도 4b에서의 토출구(11)의 근방의 확대도이다.
액체 유로(13)의 저부(벽부)에 대응하는 실리콘 기판(15)은, 액체 유로(13)와 연통하며 y 방향에서 이 순서로 형성되는 제2 유입구(21), 제1 유입구(20), 제1 유출구(25) 및 제2 유출구(26)를 포함한다. 또한, 토출구(11)와 압력 발생 소자(12)를 포함하는 압력실(18)은 실질적으로 액체 유로(13)에서 제1 유입구(20)와 제1 유출구(25) 사이의 중심에 위치된다. 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).
제1 유입구(20)는, 제1 액체(31)가 액체 유로(13)에서의 액체의 유동 방향의 상류측으로부터 액체 유로(13)에 교차하는(이 예에서는 직교하는) 방향으로 액체 유로(13)로(액체 유로(13)의 내부로) 유동하게 한다. 제1 유입구(20)는 제2 유입구(21)보다 압력실(18)에 더 가까운 위치에 위치된다. 제1 공통 공급 유로(23)로부터 제1 유입구(20)를 통해서 공급되는 제1 액체(31)는 화살표 A1로 나타낸 바와 같이 액체 유로(13) 내로 유입하고 나서 액체 유로(13) 내를 화살표 A 방향으로 유동한다. 구체적으로는, 제1 액체(31)는 압력실(18)을 향해서 액체 유로(13) 내를 유동한다. 그후, 제1 액체(31)는 압력실(18)을 통과하고, 화살표 A2로 나타낸 바와 같이 제1 유출구(25)로부터 유출된다. 그후, 제1 액체(31)는 제1 공통 회수 유로(24)에 의해 회수된다(도 5a 참조). 제2 유입구(21)는 액체 유로(13)에서의 액체의 유동 방향에서 제1 유입구(20)의 상류(제1 유입구(20)보다 압력실(18)로부터 먼 측)의 위치에 위치된다. 제2 공통 공급 유로(28)로부터 제2 유입구(21)를 통해서 공급되는 제2 액체(32)는 화살표 B1로 나타낸 바와 같이 액체 유로(13) 내에 유입하고 나서, 액체 유로(13) 내를 화살표 B 방향으로 유동한다. 구체적으로는, 제2 액체(32)도 액체 유로(13) 내를 압력실(18)을 향해서 유동한다. 그후, 제2 액체(32)는 압력실(18)을 통과하고, 화살표 B2로 나타낸 바와 같이 제2 유출구(26)로부터 유출된다. 그후, 제2 액체(32)는 제2 공통 회수 유로(29)에 의해 회수된다(도 5a 참조). 제1 액체(31) 및 제2 액체(32)의 양자 모두는 제1 유입구(20)와 제1 유출구(25) 사이의 액체 유로(13)의 구간에서 y 방향으로 유동한다. 이 경우, 압력실(18) 내에서는, 제1 액체(31)는 압력 발생 소자(12)가 위치하는 압력실(18) 중 압력실(18)의 내면(도 5b에서 하측의 저면)에 접촉한다. 한편, 제2 액체(32)는 토출구(11)에 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 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 유동하고 이들 액체는 서로 접촉한다. 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, 적어도 제2 액체(32)가 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 5b에 도시하는 바와 같이 압력실에서 서로 접촉하여 유동하도록, 제1 액체(31) 및 제2 액체(32)의 물성에 따라 조정된다. 제1 실시형태에서의 제1 및 제2 액체 및 후술하는 제2 실시형태에서의 제1, 제2 및 제3 액체는 동일한 방향으로 유동하는 평행 유동을 형성하지만, 실시형태는 이러한 모드로 한정되지 않는다. 구체적으로는, 제1 실시형태에서, 제2 액체는 제1 액체의 유동 방향과 반대 방향으로 유동할 수 있다. 대안적으로, 제1 액체의 유동이 제2 액체의 유동에 교차하도록 유로가 제공될 수 있다. 후술하는 제2 실시형태에도 마찬가지로 적용된다.
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 규정되며, 점도는 η로 규정된다. 이 경우, 레이놀즈 수(Re) 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, 접촉하는 2개의 액체가 층류 유동을 구성하는 경우, 액체는 2개의 액체 사이에 안정된 계면을 갖는 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 pat00001
0.1 내지 1.0 << 2200이 된다. 결과적으로, 내부에 층류 유동이 형성된 것으로 간주할 수 있다.
여기서, 도 4a에 도시하는 바와 같이 본 실시형태의 액체 유로(13) 및 압력실(18)이 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(13) 및 압력실(18)의 높이는 원형 관의 직경으로서 다루어질 수 있다.
(층류 유동 상태의 평행 유동을 형성하기 위한 이론적인 조건)
이어서, 도 5b를 참조하여, 액체 유로(13) 및 압력실(18)에서 2 종류의 액체 사이의 계면이 안정되어 있는 평행 유동을 형성하는 조건에 대해서 설명한다. 먼저, 실리콘 기판(15)으로부터 오리피스 플레이트(14)의 토출구(11)의 개구면(토출구면)까지의 거리, 즉 압력실(18)의 높이를 H [μm]로 규정한다. 그후, 제1 액체(31)와 제2 액체(32) 사이의 계면(액-액 계면)과 토출구면 사이의 거리(제2 액체의 상 두께)를 h2 [μm]로 규정한다. 또한, 계면과 실리콘 기판(15) 사이의 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, 제1 액체(31)와 제2 액체(32)의 계면에서의 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 유효하다:
Figure pat00002
(식 2)에서, η1은 제1 액체(31)의 점도를 나타내고, η2는 제2 액체(32)의 점도를 나타내고, Q1은 제1 액체(31)의 유량(체적 유량[um3/us])을 나타내며, Q2는 제2 액체(32)의 유량(체적 유량[um3/us])을 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 소자에서 유동하고 제2 액체 유동은 주로 토출구에서 유동하는 것이 바람직하다.
도 6a는, (식 2)에서 유량비 Qr = Q2/Q1를 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. 따라서, 액체 유로(13)(압력실)에서의 수상 두께비(hr)(제1 액체와 제2 액체 사이의 계면의 위치에 대응)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 비교한 경우, 도 6a는 유량비(Qr)는 점도비(ηr)보다 수상 두께비(hr)에 크게 영향을 미친다는 것을 알려준다.
도 6a의 조건 A, 조건 B 및 조건 C는 이하의 조건을 나타낸다:
조건 A: 점도비(ηr) = 1, 유량비(Qr) = 1, 및 수상 두께비(hr) = 0.50;
조건 B: 점도비(ηr) = 10, 유량비(Qr) = 1, 및 수상 두께비(hr) = 0.39; 및
조건 C: 점도비(ηr) = 10, 유량비(Qr) = 10, 및 수상 두께비(hr) = 0.12.
도 6b는, 액체 유로(13)(압력실)의 높이 방향(z 방향)에서의 유속 분포를 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 [μm])가 1(기준)로서 규정된 경우의 저면으로부터의 높이를 나타낸다. 각각의 조건을 나타내는 커브 각각에서, 제1 액체와 제2 액체 사이의 계면의 위치는 마커로 표시된다. 도 6b는 조건 A의 계면 위치가 조건 B 및 조건 C의 계면의 위치보다 높게 위치되는 등 조건에 따라 계면의 위치가 변화하는 것을 나타낸다. 그 이유는, 서로 상이한 점도를 갖는 2 종류의 액체가 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 형성되기 때문이다.
(토출 동작 동안의 액체의 유동)
제1 액체와 제2 액체는 개별적으로 유동하기 때문에, 그들 사이의 점도비(ηr)와 유량비(Qr)에 대응하는 위치(수상 두께비(hr)에 대응)에 액면(액-액 계면)이 형성된다. 그 계면의 위치를 유지하는 상태에서 토출구(11)로부터 액체가 성공적으로 토출되는 경우, 안정된 토출 동작을 달성하는 것이 가능하다. 이하는 안정된 토출 동작을 달성하기 위한 2개의 가능한 구성이다:
구성 1: 제1 액체와 제2 액체가 유동하는 상태에서 액체를 토출하는 구성; 및
구성 2: 제1 액체와 제2 액체가 정지하고 있는 상태에서 액체를 토출하는 구성.
구성 1은 주어진 계면 위치를 유지하면서 액체를 안정적으로 토출하는 것을 가능하게 한다. 이는, 일반적인 액적의 토출 속도(몇 m/s 내지 십몇 m/s)는 제1 액체와 제2 액체의 유속(몇 mm/s 내지 몇 m/s)보다 빠르고, 토출 동작 동안에 제1 액체와 제2 액체가 유동하는 상태를 유지하는 경우에도 액체의 토출은 거의 영향을 받지 않기 때문이다.
한편, 구성 2는 또한 주어진 계면의 위치를 유지하면서 액체를 안정적으로 토출하는 것을 가능하게 한다. 그 이유는, 계면에서의 액체의 확산 영향에 의해, 제1 액체 및 제2 액체는 즉시 혼합되는 것은 아니고, 액체의 비혼합 상태가 매우 짧은 시간 동안 유지되기 때문이다. 따라서, 액체의 토출 직전에, 액체의 유동이 멈추어서 정지해 있는 상태에서 계면이 유지되기 때문에, 계면의 위치를 유지하면서 액체를 토출할 수 있다. 그러나, 구성 1은 계면에서의 액체의 확산에 의한 제1 및 제2 액체의 혼합의 부정적인 영향을 감소시킬 수 있고 액체의 유동과 정지를 위한 진보된 제어를 행할 필요가 없기 때문에 구성 1이 바람직하다.
(액체의 토출 모드)
계면의 위치(수상 두께비(hr)에 대응)를 조정함으로써, 토출구로부터 토출되는 제2 액체의 액적(토출 액적)에 포함되는 제1 액체의 비율을 변화시킬 수 있다. 이러한 액체 토출 모드는 토출 액적의 종류에 따라 2개의 모드로 크게 분류될 수 있다:
모드 1: 제2 액체만을 토출하는 모드; 및
모드 2: 제1 액체를 포함하는 제2 액체를 토출하는 모드.
모드 1은, 예를 들어 압력 발생 소자(12)로서 전기열 변환체(히터)를 채용하는 열 타입의 액체 토출 헤드, 즉 액체의 성질에 크게 의존하는 발포 현상을 이용하는 액체 토출 헤드를 사용하는 경우에 효과적이다. 이러한 액체 토출 헤드는 히터의 표면에 발생하는 액체의 스코치(scorched) 부분에 의해 액체의 발포를 불안정화시키기 쉽다. 액체 토출 헤드는 또한 비수계 잉크 같은 일부 종류의 액체의 토출에서 어려움이 있다. 그러나, 모드 1을 채용하여 제1 액체로서 기포 발생에 적합하고 히터의 표면에 스코치를 발생시킬 가능성이 적은 발포제를 사용하고 제2 액체로서 다양한 기능을 갖는 기능제 중 임의의 것을 사용하는 경우, 히터의 표면에 스코치가 발생하는 것을 억제하면서 비수계 잉크 같은 액체를 토출할 수 있다.
모드 2는, 서멀식의 액체 토출 헤드를 사용하는 경우뿐만 아니라, 압력 발생 소자(12)로서 압전 소자를 채용하는 액체 토출 헤드를 사용하는 경우에도 높은 고형물 함유량 잉크 같은 액체를 토출하는데 효과적이다. 더 구체적으로는, 모드 2는 색재인 안료의 함유량이 많은 고농도 안료 잉크를 기록 매체 위에 토출하는 경우에 효과적이다. 일반적으로, 안료 잉크에서의 안료의 농도를 증가시킴으로써, 고농도 안료 잉크를 사용하여 보통지 등의 기록 매체에 기록된 화상의 발색성을 향상시킬 수 있다. 또한, 고농도 안료 잉크에 수지 에멀션(수지 EM)을 첨가함으로써, 막으로 형성된 수지 EM에 의해 기록 화상의 내찰과성 등을 향상시킬 수 있다. 그러나, 안료 및 수지 EM 등의 고형 성분의 증가는 가까운 입자간 거리에서 응집을 발생시키기 쉽기 때문에, 분산성을 저하시킬 수 있다. 특히, 안료는 수지 EM보다 분산시키기 어렵다. 그 때문에, 안료 또는 수지 EM은 그들 중 하나의 양을 감소시킴으로써, 더 구체적으로는 수지 EM에 대한 안료의 양 비율을 약 4/15 wt% 또는 8/4 wt%로 설정함으로써 분산된다. 한편, 모드 2를 채용하여 제1 액체로서 고농도 수지 EM 잉크를 사용하고 제2 잉크 액체로서 고농도 안료 잉크를 사용함으로써, 고농도 수지 EM 잉크와 고농도 안료 잉크를 미리결정된 비율로 토출시킬 수 있다. 결과적으로, 고농도 안료 잉크와 고농도 수지 EM 잉크를 기록 매체에 퇴적시켜(약 8/15 wt%의 수지 EM에 대한 안료의 양 비율) 화상을 기록할 수 있고, 이에 의해 단일 잉크에서는 실현하기 어려울 수 있는 고품질 화상, 즉 우수한 내찰과성 등을 갖는 화상을 기록할 수 있다.
(유량비와 수상 두께비 사이의 관계)
도 7은 점도비(ηr) = 1인 경우와 점도비(ηr) = 10인 경우에서의 (식 2)에 기초한 유량비(Qr)와 수상 두께비(hr) 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 횡축은 유량비(Qr = Q2/Q1)를 나타내고, 종축은 수상 두께비(hr = h1/(h1 + h2) = h1/H)를 나타낸다. 유량비(Qr = 0)는 Q2=0의 경우에 대응하고, 여기서 액체 유로 및 압력실은 제1 액체만으로 충전되고 내부에 제2 액체는 존재하지 않는다. 여기서, 수상 두께비(hr)는 1이 된다. 도 7의 P 점은 유량비(Qr) = 0인 상태를 나타낸다.
P 점의 위치보다 비 Qr가 높게 설정되는 경우(제2 액체의 유량(Q2)이 0보다 높게 설정되는 경우), 수상 두께비(hr)는 작아진다(제1 액체의 상 두께(h1)가 작아지고 제2 액체의 상 두께(h2)가 커진다). 즉, 제1 액체만의 유동 상태는 제1 액체와 제2 액체가 계면을 형성하면서 평행하게 유동하는 상태로 천이된다. 또한, 제1 액체와 제2 액체 사이의 점도비가 ηr=1인 경우와 점도비가 ηr=10인 경우의 양 경우에 상술한 경향을 확인할 수 있다. 즉, 제1 액체 및 제2 액체가 그 사이에 계면을 형성하면서 서로 함께 액체 유로(13) 및 압력실(18)에서 평행하게 유동하는 상태를 성립하기 위해서는, 유량비 Qr = Q2/Q1 > 0를 충족하는 것, 즉 Q1 > 0 및 Q2 > 0를 충족하는 것이 필요하다. 이는 제1 액체와 제2 액체가 모두 y 방향으로 유동하고 있는 것을 의미한다.
(토출 동작의 과도 상태)
이어서, 평행 유동이 형성된 액체 유로(13)에서의 토출 동작의 과도 상태에 대해서 설명한다. 도 8의 (a) 내지 (e)는 유로 높이가 H [μm] = 20μm이고 오리피스 플레이트의 두께가 T [μm] = 6μm인 액체 유로(13)에 점도비가 ηr=4인 제1 액체와 제2 액체의 평행 유동을 형성하는 상태에서 토출 동작을 행한 경우의 과도 상태를 도시하는 도면이다.
도 8의 (a)는 압력 발생 소자(12)에 전압이 인가되기 전의 상태를 나타낸다. 여기서, 도 8의 (a)는 함께 유동하는 제1 액체의 유량(Q1)과 제2 액체의 유량(Q2)을 적절하게 조정함으로써 수상 두께비(ηr = 0.57)(즉, 제1 액체의 수상 두께가 h1 [μm]=6μm)를 달성하는 위치에서 계면의 위치가 안정된 상태를 나타낸다.
도 8의 (b)는 압력 발생 소자(12)에 전압이 인가되기 시작한 상태를 나타낸다. 본 실시형태의 압력 발생 소자(12)는 전기열 변환체(히터)이다. 압력 발생 소자(12)는, 토출 신호에 응답하여 전압 펄스를 받으면 급격하게 열을 발생시키고, 액체 유로의 내벽을 통해 접촉하는 제1 액체 중에 막 비등을 일으킨다. 도 8의 (b)는 막 비등에 의해 기포(16)가 생성된 상태를 나타낸다. 기포(16)의 생성에 따라, 제1 액체(31)와 제2 액체(32) 사이의 계면은 z 방향으로 이동하여, 제2 액체(32)는 토출구(11)로부터 z 방향으로 압출된다.
도 8의 (c)는 압력 발생 소자(12)에 대한 전압 인가가 계속되는 상태를 나타낸다. 막 비등에 의해 기포(16)의 체적이 증대되고, 제2 액체(32)는 토출구(11)로부터 z 방향으로 더 압출된다. 도 8의 (d)는 압력 발생 소자(12)에 대한 전압 인가가 더 계속됨으로써, 성장한 기포(16)가 대기와 연통하는 상태를 나타낸다.
도 8의 (e)는 액적(토출 액적)(30)이 토출된 상태를 나타낸다. 도 8의 (d)에 도시된 바와 같이 기포(16)가 대기와 연통하는 타이밍에서 토출구(11)로부터 토출된 액체는, 그 관성력에 의해 액체 유로(13)로부터 이탈하고, 토출 액적(30)의 형태로 z 방향으로 비상한다. 한편, 액체 유로(13)에서는, 토출에 의해 소비된 양의 액체가 액체 유로(13)의 모관력에 의해 토출구(11)의 양측으로부터 공급되어, 토출구(11)에는 다시 메니스커스가 형성된다. 그리고, 도 8의 (a)에 도시하는 바와 같이, y 방향으로 유동하는 제1 액체와 제2 액체의 평행 유동이 다시 형성된다.
상술한 바와 같이, 본 실시형태에서는, 제1 액체와 제2 액체가 평행 유동으로서 유동하고 있는 상태에서, 도 8의 (a) 내지 (e)에 도시된 바와 같은 토출 동작이 일어난다. 다시 도 2를 참조하여 더 구체적으로 설명하면, CPU(500)는, 제1 액체 및 제2 액체의 유량을 일정하게 유지하면서 액체 순환 유닛(504)을 사용하여 제1 액체 및 제2 액체를 액체 토출 헤드(1)에서 순환시킨다. 그리고, CPU(500)는 상술한 제어를 유지하면서 토출 데이터에 따라서 액체 토출 헤드(1)에 배치된 개개의 압력 발생 소자(12)에 전압을 인가한다. 여기서, 토출되는 액체의 양에 따라서는, 제1 액체의 유량 및 제2 액체의 유량은 항상 일정하지 않을 수 있다.
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 내의 유속도보다 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.
본 실시형태는 기포(16)가 압력실(18) 내의 대기와 연통하는 구성을 나타냈다. 그러나, 실시형태는 이 구성으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 기포(16)는 토출구(11)의 외측(대기측)에서 대기와 연통할 수 있다. 대안적으로, 기포(16)는 대기와 연통하지 않고 사라지도록 허용될 수 있다.
(토출 액적에 포함되는 액체의 비율)
도 9의 (a) 내지 (g)는 H [μm] = 20 μm의 유로(압력실) 높이를 갖는 액체 유로(13)(압력실)에서 수상 두께비(hr)가 단계적으로 변화하는 경우의 토출 액적을 비교하기 위한 도면이다. 도 9의 (a) 내지 (f)에서 수상 두께비(hr)는 0.10씩 증대되는 반면, 도 9의 (f)의 상태 내지 도 9의 (g)의 상태에서는 수상 두께비(hr)는 0.50씩 증대된다. 도 9의 (a) 내지 (g)의 토출 액적 각각은 제1 액체의 점도를 1cP로 설정하고, 제2 액체의 점도를 8cP로 설정하며, 액적의 토출 속도를 11 m/s로 설정하여 얻은 결과에 기초하여 도시된다는 것에 유의한다.
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, 토출 액적(30)에 주로 포함되는 액체는 토출구(11)에 가까운 제2 액체(32)이지만, 수상 두께비(hr)가 1에 접근할수록, 토출 액적(30)에 포함되는 제1 액체(31)의 비율이 증가한다.
유로 높이가 H [μm] = 20 μm로 설정되는 도 9의 (a) 내지 (g)의 경우에, 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 10의 (a) 내지 (e)는, H [μm] = 33 μm의 유로 높이를 갖는 액체 유로(13)(압력실)에서 수상 두께비(hr)를 단계적으로 변화시킨 경우의 토출 액적(30)을 비교하기 위한 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 11의 (a) 내지 (c)는 H [μm] = 10 μm의 유로(압력실) 높이를 갖는 액체 유로(13)에서 수상 두께비(hr)를 단계적으로 변화시킨 경우의 토출 액적(30)을 비교하기 위한 도면이다. 이 경우, 수상 두께비(hr) = 0.10인 경우에도, 제1 액체(31)는 토출 액적(30)에 포함된다.
도 12는, 토출 액적(30)에 포함되는 제1 액체(31)의 비율(R)이 0%, 20%, 및 40%로 고정되는 경우에서의, 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 높아진다. 포함되는 제1 액체(31)의 비율(R)은, 제1 액체(31)가 토출 액적에 포함될 때 액체 유로(13)에서 유동하는 액체의 비율을 나타낸다. 이와 관련하여, 제1 액체와 제2 액체 각각이 물과 같은 동일한 성분을 포함하는 경우에도, 제2 액체에 포함된 물의 부분은 상술한 비에 포함되지 않는다.
토출 액적(30)이 제2 액체(32) 만을 포함하고 제1 액체는 제거하는 경우(R=0%), 유로(압력실) 높이(H [μm])와 수상 두께비(hr) 사이의 관계는 도 12의 실선에 의해 표현된다. 본 개시물의 발명자들에 의해 실행된 검토에 따르면, 수상 두께비(hr)는 이하의 (식 3)에 나타내는 유로(압력실) 높이(H [μm])의 1차 함수에 의해 근사될 수 있다:
hr = -0.1390 + 0.0155H (식 3)
또한, 토출 액적(30)이 제1 액체를 20% 포함하도록 허용되는 경우(R=20%), 수상 두께비(hr)는 이하의 (식 4)에 나타내는 유로(압력실) 높이(H [μm])의 1차 함수에 의해 근사될 수 있다.
hr = +0.0982 + 0.0128H (식 4)
또한, 토출 액적(30)이 제1 액체를 40% 포함하도록 허용되는 경우(R = 40%), 본 발명자들에 의한 검토에 따르면 수상 두께비(hr)는 이하의 (식 5)에 나타내는 유로(압력실) 높이(H [μm])의 1차 함수에 의해 근사될 수 있다.
hr = +0.3180 + 0.0087H (식 5)
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 6a를 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 12를 참조하여 이를 구체적으로 설명하면, 유로(압력실) 높이(H [μm]) =20μm인 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 3), (식 4), 및 (식 5)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 순서로 배열되도록 제1 액체와 제2 액체가 유동한다는 전제에 기초한다.
상술한 바와 같이, 본 실시형태에 따르면, 액체 유로(13) 및 압력실(18)에서의 수상 두께비(hr)를 미리결정된 값으로 설정하고 이에 의해 계면의 위치를 안정시킴으로써, 제1 액체와 제2 액체를 미리결정된 비율로 포함하는 액적의 토출 동작을 안정적으로 행하는 것이 가능하다.
그런데, 상술한 토출 동작을 안정된 상태에서 반복하기 위해서는, 목적된 수상 두께비(hr)를 실현하면서, 계면의 위치를 토출 동작의 빈도에 관계없이 안정시키는 것이 필요하다.
여기서, 다시 도 4a 내지 도 5b를 참조하여 상술한 상태를 실현하기 위한 구체적인 방법을 설명한다. 예를 들어, 액체 유로(13) 및 압력실(18)에서의 제1 액체의 유량(Q1)을 조정하기 위해서는, 제1 유출구(25)의 압력을 제1 유입구(20)의 압력보다 낮게 설정하는 제1 압력차 생성 기구를 준비하면 된다. 이에 의해, 제1 유입구(20)로부터 제1 유출구(25)로(y 방향으로) 지향되는 제1 액체(31)의 유동을 생성할 수 있다. 한편, 제2 유출구(26)의 압력을 제2 유입구(21)의 압력보다 낮게 설정하는 제2 압력차 생성 기구를 준비하면 된다. 이에 의해, 제2 유입구(21)로부터 제2 유출구(26)로(y 방향으로) 지향되는 제2 액체(32)의 유동을 생성할 수 있다.
액체 유로 내 및 압력실에서 역류를 발생시키지 않기 위해서, 이하(식 6)에 규정된 관계를 유지하는 상태에서 제1 압력차 생성 기구와 제2 압력차 생성 기구를 제어한다.
P2in ≥ P1in > P1out ≥ P2out (식 6)
이에 의해, 액체 유로(13) 및 압력실(18) 내에서 원하는 수상 두께비(hr)에서 y 방향으로 유동하는 제1 액체 및 제2 액체의 평행 유동을 형성할 수 있다.
여기서, P1in은 제1 유입구(20)의 압력이고, P1out은 제1 유출구(25)의 압력이고, P2in은 제2 유입구(21)의 압력이며, P2out는 제2 유출구(26)의 압력이다. 상술한 바와 같은 제1 및 제2 압력차 생성 기구를 제어함으로써 액체 유로와 압력실에서 미리결정된 수상 두께비(hr)를 유지할 수 있는 경우, 토출 동작에 따라 계면의 위치가 흐트러지는 경우에도 단시간에 바람직한 평행 유동을 회복할 수 있고 다음 토출 동작을 바로 개시할 수 있다.
(제1 액체와 제2 액체의 구체예)
상술한 실시형태에서, 각각의 액체에 의해 요구되는 기능은 막 비등을 발생시키기 위한 발포 매체로서의 제1 액체 및 토출구로부터 외부로 토출되는 토출 매체로서의 제2 액체와 같이 분류된다. 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 증대시키거나, 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 22MPa의 높은 임계 압력을 갖는다. 즉, 물은 막 비등 시에서 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 매체는 메틸 알코올 및 에틸 알코올을 포함한다. 물과 이들 알코올 중 임의의 것의 혼합물을 발포 매체로서 사용하는 것도 가능하다. 또한, 상술한 바와 같이 염료나 안료 등의 색재와 기타의 첨가제를 물에 함유시켜 준비한 재료를 사용하는 것이 가능하다. 결과적으로, 압력 발생 소자의 작용에 의해 상술한 발포 매체(제1 액체)에 압력이 가해지며, 따라서 토출 매체(제2 액체)가 토출구로부터 토출된다.
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 접촉하지 않기 때문에, 그 성분의 스코치 위험은 낮다. 본 실시형태의 토출 매체와 관련하여, 종래의 서멀 헤드를 위한 잉크에 비해, 막 비등을 발생시키고 스코치를 회피하기 위한 물성 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 스코치되기 쉽기 때문에, 이전에는 사용되지 않았던 안료를 토출 매체로서 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 예를 들어 혈액, 배양액 중의 세포 등 중에서 임의의 것을 사용함으로써, 본 실시형태의 액체 토출 헤드를 화상 형성 이외의 다양한 용도에서 이용할 수도 있다. 액체 토출 헤드는 바이오칩 제작, 전자 회로 인쇄 등을 포함하는 다른 용도에도 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.
특히, 물 또는 물과 유사한 액체를 제1 액체(발포 매체)로서 그리고 물보다 점도가 높은 안료 잉크를 제2 액체(토출 매체)로서 사용하고 제2 액체만을 토출하는 모드가 본 실시형태의 유효한 용법 중 하나이다. 이러한 경우에도, 도 6a로 나타낸 바와 같이, 유량비(Qr=Q2/Q1)를 가능한 한 작게 설정함으로써 수상 두께비(hr)를 억제하는 것이 효과적이다.
(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 13a 및 도 13b는 물에 디에틸렌 글리콜(DEG)을 혼합시킨 경우의 물 함유율과 막 비등 시의 발포 압력 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 13a의 횡축은 액체에 대한 물의 질량 비율(질량%)를 나타내고, 도 13b의 횡축은 액체에 대한 물의 몰 비율을 나타낸다.
도 13a 및 도 13b로부터 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 13a 및 도 13b로부터도 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, 용제 없이 중합 반응 성분으로 형성되는 100% 솔리드형 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. 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 토출 액적(30)의 경우에 대해서 설명한다. 예를 들어, 제1 액체(31)와 제2 액체(32)가 서로 상이한 색을 갖는 잉크인 경우, 2개의 액체의 점도 및 유량이 (식 2)에 의해 규정된 관계를 충족하는 한 이들 잉크는 액체 유로(13)와 압력실(18)에서 혼합되지 않고 층류 유동으로서 유동한다. 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 EM을 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, 이들 액체의 유속을 (식 2)에 기초하여 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, 제1 액체와 제2 액체를 액체 유로 및 압력실에서 미리결정된 수상 두께비(hr)를 유지하면서 정상적으로 유동시키는 상태에서, 압력 발생 소자(12)를 구동함으로써, 토출 동작을 양호하게 그리고 안정적으로 실행하는 것이 가능하다.
액체를 정상적으로 유동시키고 있는 상태에서 압력 발생 소자(12)를 구동함으로써, 액체의 토출 시에는 안정된 계면을 형성할 수 있다. 액체의 토출 동작 시에 액체가 유동하지 않는 경우, 기포의 발생에 의해 계면이 흐트러지기 쉽고, 이 경우에는 기록 품질에도 영향이 미칠 수 있다. 본 실시형태에 기재된 바와 같이 액체를 유동시키면서 압력 발생 소자(12)를 구동함으로써, 기포의 발생에 의한 계면의 혼란을 억제할 수 있다. 안정된 계면이 형성되기 때문에, 예를 들어 토출 액체에 포함되는 다양한 액체의 함유율이 안정되고 기록 품질도 향상된다. 또한, 압력 발생 소자(12)를 구동하기 전에 액체를 유동시키고, 토출 동안에도 연속적으로 유동시키기 때문에, 액체를 토출한 후에 액체 유로(압력실)에 다시 메니스커스를 형성하기 위한 시간을 단축할 수 있다. 한편, 액체의 유동은, 압력 발생 소자(12)에 구동 신호가 입력되기 전에 액체 순환 유닛(504)에 탑재되어 있는 펌프 등을 사용하여 생성된다. 결과적으로, 적어도 액체의 토출 직전에는 액체는 유동하고 있다.
(유입구와 유로 폭 사이의 관계)
도 14a는 제1 유입구(20) 부분의 상면도이며, 도 14b는 도 14a의 XIVB-XIVB 선을 따라 취한 단면도이며, 도 14c는 도 14a의 XIVC-XIVC 선을 따라 취한 단면도(압력실의 확대도)이다. 액체가 압력실 내를 유동하는 방향 및 액체가 토출구로부터 토출되는 방향에 직교하는 방향(이하, 액체 유로의 폭 방향이라고도 칭함)의 제1 유입구(20)의 길이를 L로 규정한다. 한편, 제1 유입구(20) 상의 액체 유로의 길이(폭)를 W로 규정한다. 이 경우, 도 14a 및 도 14b에서는 L > W가 유효하다. 따라서, 제1 유입구(20)는 액체 유로(13)의 폭 방향의 전역에 걸쳐서 연장된다. 본 실시형태의 제1 유입구(20)는, 액체 유로(13)의 폭 방향(유동 방향(y 방향)에 직교하는 방향)으로 선형적으로 연장되고, 제1 유입구(20)의 길이(L)는 액체 유로(13)의 길이(폭)(W)보다 크다. 한편, 제1 유입구(20)의 2개의 단부는 도 14a에서 액체 유로(13)의 상위 및 하위 벽면의 외측에 위치된다. 대신에, 제1 유입구(20)의 2개의 단부는 각각 액체 유로(13)의 대응하는 벽면과 동일한 위치에 위치될 수 있다. 이 경우, L = W가 유효하다. 대안적으로, 제1 유입구(20)의 2개의 단부 중 하나는 액체 유로(13)의 대응하는 벽면과 동일한 위치에 위치될 수 있으며, 다른 단부는 액체 유로(13)의 대응하는 벽면의 외측에 위치될 수 있다. 이 경우, L > W가 유효하다. 도 4a의 예에서는, 제1 유입구(20)의 폭 방향의 길이뿐만 아니라, 액체 유로(13)의 폭 방향에서 제2 유입구(21), 제1 유출구(25) 및 제2 유출구(26)의 폭 방향의 길이도 액체 유로(13)의 길이(폭)(W)보다 크다. 적어도 제1 유입구(20)의 길이(L)는 액체 유로(13)의 길이(폭)(W) 이상일 필요가 있다는 것에 유의한다. 즉, 적어도 제1 유입구(20)는 L ≥ W를 충족해야 한다.
제1 액체(31)는 상술한 유입구(20)로부터 액체 유로(13)의 폭 방향의 전역에 공급된다. 그 결과, 도 14c에 도시된 바와 같이, 액체 유로(13)의 높이 방향(압력 발생 소자부터 토출구를 향하는 방향)으로 적층되는 제1 액체(31)와 제2 액체(32)의 평행 유동이 형성된다. 즉, 제2 액체(32)는 제1 액체(31) 위에서 유동한다. 제1 액체(31)와 제2 액체(32) 사이의 계면은 액체 유로(13)의 높이 방향에서 양호하게 형성된다. 압력실 내부에서, 제1 액체(31)는 압력 발생 소자(12) 측의 위치에서 유동하며, 제2 액체(32)는 토출구(11) 측의 위치에서 유동한다. 따라서, 예를 들어 제1 액체(31)로서 발포하기 쉬운 물을 사용하고, 제2 액체(32)로서 점도가 높고 안료 등의 고형 성분이 많은 안료 잉크를 사용할 수 있다. 즉, 제2 액체(32)가 무엇인지와 관계없이, 제1 액체(31)를 발포시킴으로써 제2 액체(32)를 안정적으로 토출할 수 있다. 예를 들어, 제2 액체(32)가 잉크인 경우에는, 고화질 화상을 기록할 수 있다.
한편, 도 15a는 비교예로서의 제1 유입구(20) 부분의 상면도이고, 도 15b는 도 15a의 XVB-XVB 선을 따라 취한 단면도이며, 도 15c는 도 15a의 XVC-XVC 선을 따라 취한 단면도이다. 이 비교예에서, 압력실에서의 액체의 유동 방향 및 토출구로부터의 액체의 토출 방향에 직교하는 방향에서의 제1 유입구(20)의 길이를 L'로서 규정할 것이다. 한편, 제1 유입구 위의 액체 유로의 길이(폭)를 W로 규정한다. 이 경우, L' < W가 유효하다. 따라서, 제1 액체(31)는 제1 유입구(20)로부터 액체 유로(13)의 폭 방향의 중심의 한정된 영역으로 유입하며, 도 15c에 도시된 바와 같이 제2 액체(32)는 액체 유로(13)의 좌우 벽면을 따라 유동한다. 즉, 제1 액체(31)와 제2 액체(32) 사이의 계면은 액체 유로(13)의 폭 방향을 따라서 형성된다. 구체적으로, 제1 액체(31)와 제2 액체(32)는 액체 유로(13)의 높이 방향으로 적층된 평행 유동을 형성하지 않고, 제1 액체가 각각 압력 발생 소자(12) 측 및 토출구(11) 측에 위치하도록 압력실 내를 유동한다. 도 15c에서는 제1 액체(31)가 토출구(11) 측에 위치하기 때문에, 제2 액체(32)를 주로 토출하는 것이 어렵다.
상술한 바와 같이, 제1 액체(31)와 제2 액체(32)의 합류부의 형상(제1 유입구(20) 상의 유로에 대한 제1 유입구(20)의 형상)은 계면의 형성에 크게 영향을 미친다. 이하에서, 합류부의 형상이 계면의 형성에 미치는 영향에 대해서 더 상세하게 설명한다.
도 16a는 도 14b의 것과 마찬가지인 단면에서의 제1 액체(31)의 속도 벡터(v1)의 설명도이다. 벡터(v1)는, 유입구(20)의 각 벽면에서의 속도가 제로이며, 유입구(20)의 중앙부에서는 속도가 최대가 되는 분포를 갖는다. 상술한 속도 분포를 갖는 제1 액체(31)는 유동의 방향을 변경하면서 액체 유로(13)에 유입한다. 따라서, 액체 유로(13)의 각 벽면의 위치를 나타내는 도 16a의 P 지점의 속도와 액체 유로(13)의 중앙부의 속도 사이의 차이가 작아질수록, 제1 액체(31)가 액체 유로(13) 내로 유입하는 부분에서의 제1 액체(31)의 속도 분포는 더 균일해진다. 도 16b는, 유입구(20)로부터 액체 유로(13) 내에 유입하는 초기 단계의 제1 액체(31)의 속도 분포(u1) 및 액체 유로(13) 내를 유동하는 제2 액체(32)의 속도 분포(u2)의 설명도이다. 속도 분포(v1) 및 속도 분포(u1)가 더 균일해짐에 따라 제2 액체(32)는 제1 액체(31)와 액체 유로(13)의 벽면 사이에 인입하기 어려워지며, 따라서 도 14c에 도시된 바와 같이 제2 액체(32)는 액체 유로(13)의 높이 방향에서 제1 액체(31)에 제2 액체(32)가 적층되는 방식으로 유동하기가 더 쉬워진다. 그러나, 제1 및 제2 액체 물성 및 유속에 따라서는, L > W가 유효해도, 속도 분포(v1 및 u1)가 덜 균일해짐에 따라 도 14c에 도시된 바와 같은 계면의 형성이 더 어려워진다.
결과적으로, 유입구(20)의 형상 및 속도 분포(v1 및 u1)를 가능한 균일하게 설정하도록 길이(L)를 길이(폭)(W)보다 크게 설정하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 유입구(20)의 형상에 관해서는, 장변으로서의 길이(L)에 기초하여 결정된 애스펙트비가 클수록 유입구(20) 내의 속도 분포(v1)가 더 균일해지며, 액체 유로(13)로부터의 유동의 속도 분포(u1) 또한 마찬가지로 더 균일해진다.
도 16c 및 도 16d는 길이(L)가 길이(폭)(W)와 동일한 경우(L=W)의 설명도이다. 본 예에서는, 액체 유로(13)의 폭 방향으로 선형적으로 연장되는 유입구(20)의 2개의 단부는 액체 유로(13)의 대응하는 벽면과 동일한 위치에 위치된다. 도 16d에 도시된 바와 같이, 액체 유로(13)의 벽면과 유입구(20) 사이에는 제1 액체(31)의 유동이 발생하지 않는 부분은 없다. 따라서, 제1 액체(31)는 액체 유로(13)의 전체 폭에 걸친 영역에서 유동할 수 있고, 따라서 도 14c의 것과 같은 계면이 형성될 수 있다. 그러나, 속도 벡터(u1)의 속도는 각 벽면에서 제로가 된다. 따라서, 제2 액체(32)가 벽면 측에서 유동하는 경우, 물성, 유속 등의 조건에 따라 도 15c에 도시된 바와 같은 계면이 형성될 수 있다. 따라서, 도 14c에 도시하는 바와 같이 액체 유로(13)의 높이 방향에서 제1 액체(31) 및 제2 액체(32)의 평행 유동을 형성하기 위해서는, L > W를 충족하는 것이 바람직하다.
도 17a는 도 15b의 비교예의 것과 마찬가지인 단면에서의 제1 액체(31)의 속도 벡터(v'1)의 설명도이다. 벡터(v'1)는 유입구(20)의 각 벽면에서의 속도가 제로이며 유입구(20)의 중앙부에서는 속도가 최대가 되는 분포를 갖는다. 도 17b는 유입구(20)로부터 액체 유로(13) 내로 유동하는 초기 단계의 제1 액체(31)의 속도 분포(u'1) 및 액체 유로(13) 내를 유동하는 제2 액체(32)의 속도 분포(u'2)의 설명도이다. 이 비교예에서는 L' < W가 유효하기 때문에, 속도 분포(v'1)가 거의 균일해도, 도 17b에 도시된 바와 같이 액체 유로(13)의 벽면과 유입구(20) 사이에는 제1 액체(31)의 유동이 발생하기 어려운 부분이 있다. 제2 액체(32)는, 도 17b의 점선 화살표로 나타낸 바와 같이, 액체 유로(13)의 벽면과 유입구(20) 사이로 인입하며, 결과적으로 도 15c에 도시된 바와 같이 제1 액체(31)와 액체 유로(13)의 벽면 사이를 유동한다.
위에서 L' < W가 유효한 경우에 제1 액체(31)와 제2 액체(32)가 높이 방향으로 적층되지 않는 예를 사용하여 비교예를 설명하였다. 그러나, L' < W가 유효한 경우에도, 제1 액체 및 제2 액체가 유량 및 그 점도에 따라서는 높이 방향으로 적층된 평행 유동으로 형성되는 경우가 있을 수도 있다. 그럼에도 불구하고, 상술한 바와 같이 제1 액체 및 제2 액체가 높이 방향에서 적층된 상태에서 안정적으로 유동하도록 L ≥ W을 충족하는 것이 바람직하다.
(유입구의 형상 및 유량)
이어서, 본 실시형태에서의 제1 유입구(20)의 길이(L(≥W))와 제1 액체(31)의 유량(Q1) 및 제2 액체(32)의 유량(Q2) 사이의 관계에 대해서 설명한다. 도 18a는 본 실시형태에서의 제1 유입구(20) 부분의 상면도이며, 도 18b는 도 18a의 XVIIIB-XVIIIB 선을 따라 취한 단면도이다.
제1 액체(31)와 제2 액체(32)의 점도가 거의 동일하며 그 유량이 Q1 ≥ Q2을 충족하는 경우, 충분한 양의 제1 액체가 유입구(20)로부터 액체 유로로 유입한다. 유입구(20)의 y 방향의 상류측의 위치에서, 제1 액체와 제2 액체가 합류한다. 따라서, 그 사이의 계면의 형상은 유입구(20)의 y 방향의 상류측의 형상의 영향을 크게 받는다. 이러한 이유로, 도 18a에 도시된 바와 같이, 적어도 y 방향의 가장 상류 측에 위치하는 유입구(20)의 변부(제1 변부; 점 C1와 점 C1' 사이의 변부)의 길이를 액체 유로(13)의 길이(폭)(W)보다 크게 설정하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 제1 액체와 제2 액체의 합류 지점에서 제2 액체가 제1 액체와 액체 유로(13)의 벽면 사이로 인입하는 것을 억제하고, 따라서 도 18b에 도시된 바와 같이 그 사이에 수평 계면을 형성할 수 있다.
한편, 제1 액체(31)와 제2 액체(32)의 점도가 거의 동일하고, 그 유량이 Q1 < Q2를 충족하는 경우, 제1 액체는 도 18c에 도시하는 바와 같이 유입구(20)로부터 액체 유로(13) 내로 유입한다. 이 경우, 제2 액체의 유량(Q2)이 많기 때문에, 유입구(20) 위에서는 제2 액체가 제1 액체를 거의 짖누른다. 즉, 제1 액체는 거의 유입구(20)의 y 방향의 하류 측으로부터 액체 유로(13) 내로 유입하는 상태가 되고, 이에 의해 액체 유로(13) 내에서의 제1 액체와 제2 액체의 합류 지점은 유입구(20)에서의 y 방향의 하류측의 위치에 위치된다. 따라서, 액체 사이의 계면의 형상은 유입구(20)의 y 방향 하류측의 형상에 의해 크게 영향을 받는다. 이런 이유로, 적어도 y 방향의 가장 하류측에 위치하는 유입구(20)의 변부(제2 변부; 점 C2와 점 C2' 사이의 변부)의 길이를 액체 유로(13)의 길이(폭)(W)보다 크게 설정하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 제1 액체와 제2 액체의 합류 지점에서 제2 액체가 제1 액체와 액체 유로(13)의 벽면 사이에 인입하는 것을 억제하고, 따라서 도 18c에 도시된 바와 같이 그 사이에 수평 계면을 형성하는 것이 가능하다. 예를 들어, 제1 액체를 발포시켜서 주로 제2 액체를 토출할 경우에는, 제2 액체의 층 두께보다 제1 액체의 층 두께가 얇아지도록, 이들 액체의 유량을 Q1 < Q2를 충족하도록 설정할 수 있다. 이 경우, 적어도 y 방향의 하류측에 위치하는 유입구(20)의 제2 변부의 길이를 액체 유로(13)의 길이(폭)(W)보다 크게 설정하는 것이 바람직하다.
도 18a의 예에서, y 방향의 상류측 및 하류측에 위치하는 제1 변부 및 제2 변부의 길이(모두 L)는, 모두 액체 유로(13)의 길이(폭)(W)보다 크고, 변부 각각의 양 측부는 액체 유로(13)의 대응하는 벽면 외측에 위치된다.
(유입구의 변형예)
제1 유입구(20)는, 상술한 바와 같이 L ≥ W를 충족하는 부분을 가지면 되고, 항상 액체 유로(13)의 폭 방향으로 선형적으로 연장되어야 하는 것은 아니다. 한편, 제1 유입구(20)는 항상 제1 유입구(20)의 전체 부분에서 L ≥ W를 충족해야 하는 것은 아니다.
도 19a 및 도 19b는 제1 유입구(20)의 다양한 변형예의 설명도이다. 도 19a의 유입구(20)는 y 방향의 하류측으로 돌출하는 평면 형상을 가지며, 도 19b의 유입구(20)는 y 방향의 상류측으로 돌출하는 평면 형상을 갖는다. 도 19c 및 도 19d는 도 19a 및 도 19b에서의 유입구(20)의 평면 형상의 돌출 부분이 삼각형으로 변화되는 다른 변형예의 설명도이다. 제1 및 제2 액체의 유량이 Q1 ≥ Q2을 충족하는 경우에는, 전술한 바와 같이 y 방향의 상류측에 위치하는 유입구(20)의 제1 변부가 길이(폭)(W)보다 긴 도 19a 및 도 19c의 형상이 바람직하다. 한편, 이들의 유량이 Q1 < Q2을 충족하는 경우에, 전술한 바와 같이 y 방향의 하류측에 위치하는 유입구(20)의 제2 변부가 길이(폭)(W)보다 긴 도 19b 및 도 19d의 형상이 바람직하다. 한편, 유입구(20)에서의 y 방향의 상류측의 제1 변부 및/또는 하류측의 제2 변부는 항상 직선이여야 하는 것은 아니다. 예를 들어, 변부는 도 19e에 도시된 바와 같이 곡선으로 형성될 수 있다.
대안적으로, 유입구(20)는, 도 20a에 도시된 바와 같이, 유입구(20)의 변부가 액체 유로(13)의 연장 방향(y 방향)에 대하여 소정의 각도(α)(α ≠ 90°)를 형성하도록 연장되는 형상으로 형성될 수 있다. 액체 유로(13)는, 변부가 소정의 각도(α)를 가지는 경우에도, 액체 유로(13)의 폭 방향의 길이(L)가 액체 유로(13)의 길이(폭)(W) 이상이기 때문에, 제2 액체가 제1 액체와 액체 유로의 벽면 사이에 인입하는 것을 억제하고 그들 사이에 수평 계면을 형성할 수 있다. 그러나, 전술한 바와 같이, 유량이 Q1 < Q2을 충족하며, 제1 액체가 주로 유입구(20)의 y 방향의 하류측으로부터 액체 유로(13) 내로 유입하는 경우에는, 제2 액체가 제1 액체와 액체 유로(13)의 벽면 사이에 인입할 수 있다는 것에 유의한다. 도 20b는, 상술한 현상이 발생하는 경우를 나타내는, 도 20a의 XXB-XXB 선을 따라 취한 단면도이다. 도 20b에 도시된 바와 같이, 유입구(20)의 y 방향의 상류측에 제2 액체가 인입되기 쉽고, 도 20b의 액체 유로(13)의 좌우 측 중 적어도 일단부측은 제2 액체에 의해 점유될 수 있다. 한편, 제1 액체의 유속 분포에 수반하여, 계면이 수평 형상을 형성하는데 실패하고 유속 분포에 대응하는 형상으로 형성될 수 있다. 그러나, 계면이 이러한 형상을 갖는 경우에도, 제1 액체는 압력 발생 소자(12) 측에 주로 위치하고 제2 액체는 토출구(11) 측에 위치하기 때문에, 여전히 토출구(11)로부터 주로 제2 액체를 토출할 수 있다.
(제2 실시형태)
본 실시형태 또한 도 1 내지 도 3에 도시된 액체 토출 헤드(1) 및 액체 토출 장치를 사용한다.
도 21a 내지 도 21c는 본 실시형태의 액체 유로(13)의 구성을 도시하는 도면이다. 본 실시형태의 액체 유로(13)는 제1 실시형태에서 설명한 액체 유로(13)와 상이하다. 본 실시형태에서는, 제1 액체(31) 및 제2 액체(32) 이외에 제3 액체(33)가 액체 유로(13)에서 유동하도록 허용된다. 제3 액체(33)를 압력실 내에서 유동시킴으로써, 임계 압력이 큰 발포 매체를 제1 액체로서 사용하는 한편, 제2 액체 및 제3 액체로서는 상이한 색의 잉크, 고농도 수지 EM 등 중 임의의 것을 사용할 수 있다.
본 실시형태의 액체 유로(13)에서는, 도 21b 및 도 21c에 도시된 바와 같이, 전술한 제1 실시형태에서의 제1 액체(31)와 제2 액체(32)에 의한 층류 유동의 상태에서의 평행 유동 이외에, 제3 액체(33)도 층류 유동의 상태의 평행 유동을 형성할 수 있다. 액체 유로(13)의 내면(저부)에 대응하는 실리콘 기판(15)의 상면에는, 제2 유입구(21), 제3 유입구(22), 제1 유입구(20), 제1 유출구(25), 제3 유출구(27), 및 제2 유출구(26)가 y 방향으로 이 순서로 형성된다. 토출구(11)와 압력 발생 소자(12)를 포함하는 압력실(18)은, 액체 유로(13)에서 제1 유입구(20)와 제1 유출구(25) 사이의 실질적 중심에 위치된다.
제1 액체(31) 및 제2 액체(32)는, 전술한 실시형태와 마찬가지로, 제1 및 제2 유입구(20 및 21)로부터 액체 유로(13)에 유입되고, 그후 압력실(18)을 통해 y 방향으로 유동한 후, 제1 및 제2의 유출구(25 및 26)로부터 유출된다. 제3 액체(33)는, 제3 유입구(22)로부터 액체 유로(13) 내로 유입되고 나서, 압력실(18)을 통해 액체 유로(13) 내를 화살표 C 방향으로 유동하며, 그후 제3 유출구(27)로부터 유출된다. 결과적으로, 액체 유로(13) 내에서, 제1 유입구(20)과 제1 유출구(25) 사이에 제1 액체(31), 제2 액체(32), 및 제3 액체(33)가 함께 y 방향으로 유동한다. 이 경우, 제1 액체(31)는, 압력 발생 소자(12)가 위치하는 압력실(18)의 내면(실리콘 기판(15)의 상면(15A))에 접촉한다. 한편, 제2 액체(32)는 토출구(11)에 메니스커스를 형성하고, 제3 액체(33)는 제1 액체(31)와 제2 액체(32) 사이를 유동한다.
본 실시형태에서는, 전술한 제1 실시형태와 마찬가지로, 액체 유로(13)의 폭 방향에서의 제1 유입구(20)의 길이는 액체 유로(13)의 폭 이상으로 설정되며, 액체 유로(13)의 폭 방향에서의 제2 유입구(21)의 길이도 액체 유로(13)의 폭 이상으로 설정된다. 적어도 제1 및 제2 유입구(20 및 21) 각각의 길이(L)가 길이(폭)(W) 이상이면 된다(L ≥ W). 이와 같이, 제1 유입구(20)과 마찬가지로 제2 유입구(21)를 형성함으로써, 액체 유로(13)의 폭 방향의 전역에 제2 액체(32)가 유입하고, 결과적으로 제1 액체(31)와 제2 액체(32)와 제3 액체(33) 사이의 각각의 계면은 수평하게 형성될 수 있다.
본 실시형태에서, CPU(500)는, 액체 순환 유닛(504)을 사용하여 제1 액체(31)의 유량(Q1), 제2 액체(32)의 유량(Q2), 및 제3 액체(33)의 유량(Q3)을 제어하고, 도 21c에 도시한 바와 같은 3개의 액체가 3층 평행 유동을 정상적으로 형성하게 한다. 그후, 상술한 바와 같이 3층 평행 유동이 형성된 상태에서, CPU(500)는 액체 토출 헤드(1)의 압력 발생 소자(12)를 구동하고 토출구(11)로부터 액적을 토출한다. 상술한 토출 동작에 의해 각각의 계면 위치가 흐트러지는 경우에도, 단시간에 3개의 액체의 3층 평행 유동이 복원되어, 다음 토출 동작을 즉시 개시할 수 있다. 결과적으로, 제1, 제2 및 제3 액체를 미리결정된 비율로 포함하는 액적의 양호한 토출 동작을 실행하고, 그 액적이 퇴적된 양호한 출력물을 얻을 수 있다.
(다른 실시형태)
압력실 내를 유동하는 제1 액체 및 제2 액체는 압력실과 외부 유닛 사이에서 순환할 수 있다. 순환을 행하지 않는 경우에는, 액체 유로 및 압력실에서 평행 유동을 형성한 제1 액체 및 제2 액체 중 임의의 것의 대량의 액체가 토출되지 않고 내부에 유지된다. 따라서, 외부 유닛에 의한 제1 액체 및 제2 액체의 순환은 토출되지 않은 액체를 다시 평행 유동을 형성하기 위해 사용하는 것을 가능하게 한다.
본 실시형태의 액체 토출 헤드 및 액체 토출 장치는 잉크를 토출하도록 구성되는 잉크젯 기록 헤드 및 잉크젯 기록 장치만으로 한정되지 않는다. 본 실시형태의 액체 토출 헤드 및 액체 토출 장치는 프린터, 복사기, 통신 시스템을 갖는 팩시밀리, 및 프린터 유닛을 포함하는 워드프로세서를 포함하는 다양한 장치와 다양한 처리 장치와 일체로 조합되는 산업용 기록 장치에 적용될 수 있다. 특히, 제2 액체로서 다양한 액체를 사용할 수 있기 때문에, 액체 토출 헤드 및 액체 토출 장치는 바이오칩 제작, 전자 회로 인쇄 등을 포함하는 다른 용도에도 적용될 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,
    기판;
    상기 기판 상에 형성되고, 제1 액체와 제2 액체가 내부에서 유동하게 하도록 구성되고, 압력실을 포함하는, 액체 유로;
    상기 압력실 내의 상기 제1 액체에 압력을 가하도록 구성되는 압력 발생 소자; 및
    상기 제2 액체를 토출하도록 구성되는 토출구를 포함하고,
    상기 기판은,
    상기 제1 액체가 상기 액체 유로에 교차하는 방향으로 상기 액체 유로 내로 유입하게 하도록 구성되는 제1 유입구, 및
    상기 제2 액체가 상기 액체 유로 내로 유입하게 하도록 구성되는 제2 유입구를 포함하고,
    상기 제1 유입구는 상기 제2 유입구보다 상기 압력실에 가까운 위치에 위치되고,
    상기 액체 유로 내로 유입하는 상기 제1 액체 및 상기 제2 액체는 상기 액체 유로에서 상기 압력실을 향해 유동하고,
    상기 제1 유입구의 길이를 L로서 규정하고 상기 제1 유입구 위의 상기 액체 유로의 길이를 W로서 규정하는 경우, 상기 압력실에서의 상기 제1 액체의 유동 방향과 상기 토출구로부터의 상기 제2 액체의 토출 방향에 직교하는 방향에 있어서, 상기 액체 토출 헤드는 L ≥ W로서 규정된 관계를 충족하는 부분을 포함하며,
    상기 제2 액체의 상기 토출 방향이 저부로부터 상부로의 방향인 경우, 상기 제2 액체는 상기 제1 액체 위에서 유동하는 액체 토출 헤드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 액체 및 상기 제2 액체는 상기 압력실에서 층류 유동(laminar flow)을 형성하는 액체 토출 헤드.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 액체 및 상기 제2 액체는 상기 압력실에서 평행 유동을 형성하는 액체 토출 헤드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압력실에서의 상기 제1 액체의 상기 유동 방향과 상기 토출구로부터의 상기 제2 액체의 상기 토출 방향에 직교하는 상기 방향에 있어서, (i) 상기 제1 유입구의 2개의 단부는 상기 제1 유입구 위의 상기 액체 유로의 벽면과 동일한 위치에 위치되거나, (ii) 상기 제1 유입구의 상기 2개의 단부는 상기 제1 유입구 위의 상기 액체 유로의 상기 벽면의 외측에 위치되거나, 또는 (iii) 상기 제1 유입구의 상기 2개의 단부 중 하나는 상기 제1 유입구 위의 상기 액체 유로의 대응하는 벽면과 동일한 위치에 위치되고 상기 제1 유입구의 다른 단부는 상기 제1 유입구 위의 상기 액체 유로의 다른 대응하는 벽면의 외측에 위치되는 액체 토출 헤드.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 압력실에서의 상기 제1 액체의 상기 유동 방향과 상기 토출구로부터의 상기 제2 액체의 상기 토출 방향에 직교하는 상기 방향에 있어서, (i) 상기 제1 유입구의 2개의 단부는 상기 제1 유입구 위의 상기 액체 유로의 벽면과 동일한 위치에 위치되거나, (ii) 상기 제1 유입구의 상기 2개의 단부는 상기 제1 유입구 위의 상기 액체 유로의 상기 벽면의 외측에 위치되거나, 또는 (iii) 상기 2개의 단부 중 하나는 상기 제1 유입구 위의 상기 액체 유로의 대응하는 벽면과 동일한 위치에 위치되며 다른 단부는 상기 제1 유입구 위의 상기 액체 유로의 다른 대응하는 벽면의 외측에 위치되는, 액체 토출 헤드.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 유입구는 상기 제1 액체의 상기 유동 방향에 직교하는 방향으로 연장되는 액체 토출 헤드.
  7. 제1항에 있어서, 상기 액체 토출 헤드는 상기 길이 L과 상기 길이 W와 관련하여 L > W로서 규정된 관계를 충족하는 부분을 포함하는 액체 토출 헤드.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 액체의 유량이 Q1이고 상기 제2 액체의 유량이 Q2인 경우, 상기 유량은 Q1 ≤ Q2로서 규정된 관계를 충족하고,
    상기 제1 유입구는, 상기 제1 액체의 상기 유동 방향의 상류측에 위치되는 제1 변부 및 상기 제1 액체의 상기 유동 방향의 하류측에 위치되는 제2 변부를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 변부 중 적어도 상기 제2 변부는 L ≥ W로서 규정된 상기 관계를 충족하는 액체 토출 헤드.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 액체의 유량이 Q1이고 상기 제2 액체의 유량이 Q2인 경우, 상기 유량은 Q1 > Q2로서 규정된 관계를 충족하고,
    상기 제1 유입구는, 상기 제1 액체의 상기 유동 방향의 상류측에 위치되는 제1 변부 및 상기 제1 액체의 상기 유동 방향의 하류측에 위치되는 제2 변부를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 변부 중 적어도 상기 제1 변부는 L ≥ W로서 규정된 상기 관계를 충족하는 액체 토출 헤드.
  10. 제8항에 있어서, 상기 제1 변부 및 상기 제2 변부 중 적어도 하나는 직선인 액체 토출 헤드.
  11. 제1항에 있어서, 상기 압력 발생 소자와 상기 토출구는 상기 압력실을 사이에 두고 서로 대향하는 액체 토출 헤드.
  12. 제3항에 있어서, 상기 압력 발생 소자와 상기 토출구는 상기 압력실을 사이에 두고 서로 대향하는 액체 토출 헤드.
  13. 제11항에 있어서, 상기 압력실은 이하에 의해 규정된 관계를 충족하고,
    h1/(h1+h2) ≤ -0.1390 + 0.0155H,
    여기서, H [μm]는 상기 압력실의 높이이고 h1는 상기 제1 액체의 상 두께인 액체 토출 헤드.
  14. 제12항에 있어서, 상기 압력실은 이하에 의해 규정된 관계를 충족하고,
    h1/(h1+h2) ≤ -0.1390 + 0.0155H,
    여기서, H [μm]는 상기 압력실의 높이이고 h1는 상기 제1 액체의 상 두께인 액체 토출 헤드.
  15. 제1항에 있어서, 상기 압력실에서 유동하는 상기 제1 액체는 상기 압력실과 외부 유닛 사이에서 순환하는 액체 토출 헤드.
  16. 제1항에 있어서, 상기 제1 액체와 상기 제2 액체가 서로 접촉하는 계면이 상기 토출구와 상기 압력 발생 소자 사이의 위치에 형성되는 액체 토출 헤드.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제1 액체가 상기 압력실로부터 유출하게 하도록 구성되는 제1 유출구; 및
    상기 제2 액체가 상기 압력실로부터 유출하게 하도록 구성되는 제2 유출구를 더 포함하는 액체 토출 헤드.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제1 액체가 상기 압력실로부터 유출하게 하도록 구성되는 제1 유출구; 및
    상기 제2 액체가 상기 압력실로부터 유출하게 하도록 구성되는 제2 유출구를 더 포함하는 액체 토출 헤드.
  19. 액체 토출 헤드를 구성하기 위한 액체 토출 모듈이며,
    상기 액체 토출 헤드는,
    기판,
    상기 기판 상에 형성되고, 제1 액체 및 제2 액체가 내부에서 유동하게 하도록 구성되고, 압력실을 포함하는, 액체 유로,
    상기 압력실 내의 상기 제1 액체에 압력을 가하도록 구성되는 압력 발생 소자, 및
    상기 제2 액체를 토출하도록 구성되는 토출구를 포함하고,
    상기 기판은,
    상기 제1 액체가 상기 액체 유로에 교차하는 방향으로 상기 액체 유로 내로 유입하게 하도록 구성되는 제1 유입구, 및
    상기 제2 액체가 상기 액체 유로 내로 유입하게 하도록 구성되는 제2 유입구를 포함하고,
    상기 제1 유입구는 상기 제2 유입구보다 상기 압력실에 가까운 위치에 위치되고,
    상기 액체 유로 내로 유입하는 상기 제1 액체 및 상기 제2 액체는 상기 액체 유로에서 상기 압력실을 향해 유동하고,
    상기 제1 유입구의 길이를 L로서 규정하고 상기 제1 유입구 위의 상기 액체 유로의 길이를 W로서 규정하는 경우, 상기 압력실에서의 상기 제1 액체의 유동 방향과 상기 토출구로부터의 상기 제2 액체의 토출 방향에 직교하는 방향에 있어서, 상기 액체 토출 헤드는 L ≥ W로서 규정된 관계를 충족하는 부분을 포함하고,
    상기 제2 액체의 상기 토출 방향이 저부로부터 상부로의 방향인 경우, 상기 제2 액체는 상기 제1 액체 위에서 유동하며,
    상기 액체 토출 헤드는 복수의 상기 액체 토출 모듈을 배열함으로써 형성되는, 액체 토출 모듈.
  20. 액체 토출 헤드를 포함하는 액체 토출 장치이며,
    상기 액체 토출 헤드는,
    기판,
    상기 기판 상에 형성되고, 제1 액체 및 제2 액체가 내부에서 유동하게 하도록 구성되고, 압력실을 포함하는, 액체 유로,
    상기 압력실 내의 상기 제1 액체에 압력을 가하도록 구성되는 압력 발생 소자, 및
    상기 제2 액체를 토출하도록 구성되는 토출구를 포함하고,
    상기 기판은,
    상기 제1 액체가 상기 액체 유로에 교차하는 방향으로 상기 액체 유로 내로 유입하게 하도록 구성되는 제1 유입구, 및
    상기 제2 액체가 상기 액체 유로 내로 유입하게 하도록 구성되는 제2 유입구를 포함하고,
    상기 제1 유입구는 상기 제2 유입구보다 상기 압력실에 가까운 위치에 위치되고,
    상기 액체 유로 내로 유입하는 상기 제1 액체 및 상기 제2 액체는 상기 액체 유로에서 상기 압력실을 향해 유동하고,
    상기 제1 유입구의 길이를 L로서 규정하고 상기 제1 유입구 위의 상기 액체 유로의 길이를 W로서 규정하는 경우, 상기 압력실에서의 상기 제1 액체의 유동 방향과 상기 토출구로부터의 상기 제2 액체의 토출 방향에 직교하는 방향에 있어서, 상기 액체 토출 헤드는 L ≥ W로서 규정된 관계를 충족하는 부분을 포함하며,
    상기 제2 액체의 상기 토출 방향이 저부로부터 상부로의 방향인 경우, 상기 제2 액체는 상기 제1 액체 위에서 유동하는, 액체 토출 장치.
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