特許 7551331 液体吐出ヘッド、液体吐出装置、液体吐出モジュールおよび液体吐出ヘッドの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-06

(45)【発行日】2024-09-17

(54)【発明の名称】液体吐出ヘッド、液体吐出装置、液体吐出モジュールおよび液体吐出ヘッドの製造方法

(51)【国際特許分類】

   B41J 2/14 20060101AFI20240909BHJP

   B41J 2/16 20060101ALI20240909BHJP

【ＦＩ】

B41J2/14 201

B41J2/14 603

B41J2/14 605

B41J2/16 507

B41J2/16 509

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2020084708

(22)【出願日】2020-05-13

(65)【公開番号】P2021178459

(43)【公開日】2021-11-18

【審査請求日】2023-05-10

(73)【特許権者】

【識別番号】000001007

【氏名又は名称】キヤノン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100126240

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 琢磨

(74)【代理人】

【識別番号】100223941

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 佳子

(74)【代理人】

【識別番号】100159695

【弁理士】

【氏名又は名称】中辻 七朗

(74)【代理人】

【識別番号】100172476

【弁理士】

【氏名又は名称】冨田 一史

(74)【代理人】

【識別番号】100126974

【弁理士】

【氏名又は名称】大朋 靖尚

(72)【発明者】

【氏名】岸川 慎治

【審査官】高松 大治

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－０２３１４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０１０７８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０２５７９９４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／００９８８８７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－１４９０１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２６６９２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０８６５６７４７（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開平０７－１５６３８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１６０７３１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ４１Ｊ ２／０１－２／２１５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
第１の液体と第２の液体が互いに接しながら流動する圧力室と、
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、
を有する液体吐出ヘッドにおいて、
前記基板には、前記基板を貫通する流路であって、前記圧力室に前記第１の液体を供給する第１の流路と、前記圧力室に前記第２の液体を供給する第２の流路とが、それぞれ形成されており、
前記第２の液体の粘度は、前記第１の液体の粘度よりも大きく、
前記第２の流路の断面積の平均値は、前記第１の流路の断面積の平均値よりも大きく、
前記液体吐出ヘッドは、前記基板上に、前記圧力室と連通する液流路を有し、
前記第２の流路は、前記液流路に前記第２の液体を流入させる第２の流入流路と、前記第２の流入流路に前記第２の液体を供給する第２の共通供給流路と、を含み、
前記第１の流路は、前記液流路に前記第１の液体を流入させる第１の流入流路と、前記第１の流入流路に前記第１の液体を供給する第１の共通供給流路と、を含み、
前記第２の共通供給流路の断面積は、前記第１の共通供給流路の断面積よりも大きいことを特徴とする液体吐出ヘッド。

【請求項2】

前記基板上に形成され、前記圧力室と連通する液流路を有し、
前記第２の流路は、前記液流路に前記第２の液体を流入させる第２の流入流路と、前記第２の流入流路に前記第２の液体を供給する第２の共通供給流路と、を含み、
前記第１の流路は、前記液流路に前記第１の液体を流入させる第１の流入流路と、前記第１の流入流路に前記第１の液体を供給する第１の共通供給流路と、を含み、
前記第２の流入流路の断面積は、前記第１の流入流路の断面積よりも大きい請求項１に記載の液体吐出ヘッド。

【請求項3】

基板と、
第１の液体と第２の液体が互いに接しながら流動する圧力室と、
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、
を有する液体吐出ヘッドにおいて、
前記基板には、前記基板を貫通する流路であって、前記圧力室に前記第１の液体を供給する第１の流路と、前記圧力室に前記第２の液体を供給する第２の流路とが、それぞれ形成されており、
前記第２の液体の粘度は、前記第１の液体の粘度よりも大きく、
前記第２の流路の断面積の平均値は、前記第１の流路の断面積の平均値よりも大きく、
前記液体吐出ヘッドは、前記基板上に、前記圧力室と連通する液流路を有し、
前記第２の流路は、前記液流路に前記第２の液体を流入させる第２の流入流路と、前記第２の流入流路に前記第２の液体を供給する第２の共通供給流路と、を含み、
前記第１の流路は、前記液流路に前記第１の液体を流入させる第１の流入流路と、前記第１の流入流路に前記第１の液体を供給する第１の共通供給流路と、を含み、
前記第２の共通供給流路の前記第２の液体が流動する方向における長さは、前記第１の共通供給流路の前記第１の液体が流動する方向における長さよりも長いことを特徴とする液体吐出ヘッド。

【請求項4】

前記基板には、前記基板を貫通する流路であって、前記圧力室から前記第１の液体を回収する第３の流路と、前記圧力室から前記第２の液体を回収する第４の流路とが、それぞれ形成されており、
前記第４の流路の断面積の平均値は、前記第３の流路の断面積の平均値よりも大きい請求項１ないし３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。

【請求項5】

前記第３の流路は、前記液流路から前記第１の液体を流出させる第１の流出流路と、前記第１の流出流路から前記第１の液体を回収する第１の共通回収流路と、を含み、
前記第４の流路は、前記液流路から前記第２の液体を流出させる第２の流出流路と、前記第２の流出流路から前記第２の液体を回収する第２の共通回収流路と、を含み、
前記第２の流出流路の断面積は、前記第１の流出流路の断面積よりも大きい請求項４に記載の液体吐出ヘッド。

【請求項6】

前記第３の流路は、前記液流路から前記第１の液体を流出させる第１の流出流路と、前記第１の流出流路から前記第１の液体を回収する第１の共通回収流路と、を含み、
前記第４の流路は、前記液流路から前記第２の液体を流出させる第２の流出流路と、前記第２の流出流路から前記第２の液体を回収する第２の共通回収流路と、を含み、
前記第２の共通回収流路の断面積は、前記第１の共通回収流路の断面積よりも大きい請求項４または５に記載の液体吐出ヘッド。

【請求項7】

前記第３の流路は、前記液流路から前記第１の液体を流出させる第１の流出流路と、前記第１の流出流路から前記第１の液体を回収する第１の共通回収流路と、を含み、
前記第４の流路は、前記液流路から前記第２の液体を流出させる第２の流出流路と、前記第２の流出流路から前記第２の液体を回収する第２の共通回収流路と、を含み、
前記第２の共通回収流路の前記第２の液体が流動する方向における長さは、前記第１の共通回収流路の前記第１の液体が流動する方向における長さよりも長い請求項４ないし６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。

【請求項8】

前記第２の流路の断面積の大きさは、前記第１の流路の断面積の１．１倍以上である請求項１ないし７のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。

【請求項9】

前記第２の流路の断面積の大きさは、前記第１の流路の断面積の３倍以下である請求項１ないし８のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。

【請求項10】

請求項１ないし９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。

【請求項11】

請求項１ないし９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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液体吐出ヘッド、液体吐出装置、液体吐出モジュールおよび液体吐出ヘッドの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

液体を吐出する液体吐出ヘッドは素子基板を有しており、素子基板には液体を吐出する吐出口や、吐出口から液体を吐出するための圧力を発生する圧力発生素子等が形成されている。特許文献１には、吐出媒体となる液体と発泡媒体となる液体を界面で接触させ、熱エネルギの付与によって発泡媒体内に生成させた泡の成長に伴って吐出媒体を吐出させる液体吐出ヘッドが開示されている。特許文献１によれば、吐出媒体を吐出した後に、吐出媒体と発泡媒体を加圧して流れを形成することにより、吐出媒体と発泡媒体の界面を液流路内で安定させる方法が説明されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平６－３０５１４３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１のように、２つの液体（吐出媒体と発泡媒体）の流れを形成するためには、素子基板の基板に、基板を貫通する２つの流路を形成しなければならない。そして、このような素子基板の構成の中で液体のリフィル性能を向上させようと単に流路の断面積を大きくすると、基板の強度が低下し、基板が破損する恐れがある。

【0005】

本発明は、上記課題を鑑み、液体のリフィル性能を向上させつつも、基板の強度の低下を抑制することができる液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題は、以下の本発明によって解決される。即ち本発明は、基板と、第１の液体と第２の液体が互いに接しながら流動する圧力室と、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、を有する液体吐出ヘッドにおいて、前記基板には、前記基板を貫通する流路であって、前記圧力室に前記第１の液体を供給する第１の流路と、前記圧力室に前記第２の液体を供給する第２の流路とが、それぞれ形成されており、前記第２の液体の粘度は、前記第１の液体の粘度よりも大きく、前記第２の流路の断面積の平均値は、前記第１の流路の断面積の平均値よりも大きく、前記液体吐出ヘッドは、前記基板上に、前記圧力室と連通する液流路を有し、前記第２の流路は、前記液流路に前記第２の液体を流入させる第２の流入流路と、前記第２の流入流路に前記第２の液体を供給する第２の共通供給流路と、を含み、前記第１の流路は、前記液流路に前記第１の液体を流入させる第１の流入流路と、前記第１の流入流路に前記第１の液体を供給する第１の共通供給流路と、を含み、前記第２の共通供給流路の断面積は、前記第１の共通供給流路の断面積よりも大きいことを特徴とする。また、基板と、第１の液体と第２の液体が互いに接しながら流動する圧力室と、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、を有する液体吐出ヘッドにおいて、前記基板には、前記基板を貫通する流路であって、前記圧力室に前記第１の液体を供給する第１の流路と、前記圧力室に前記第２の液体を供給する第２の流路とが、それぞれ形成されており、前記第２の液体の粘度は、前記第１の液体の粘度よりも大きく、前記第２の流路の断面積の平均値は、前記第１の流路の断面積の平均値よりも大きく、前記液体吐出ヘッドは、前記基板上に、前記圧力室と連通する液流路を有し、前記第２の流路は、前記液流路に前記第２の液体を流入させる第２の流入流路と、前記第２の流入流路に前記第２の液体を供給する第２の共通供給流路と、を含み、前記第１の流路は、前記液流路に前記第１の液体を流入させる第１の流入流路と、前記第１の流入流路に前記第１の液体を供給する第１の共通供給流路と、を含み、前記第２の共通供給流路の前記第２の液体が流動する方向における長さは、前記第１の共通供給流路の前記第１の液体が流動する方向における長さよりも長いことを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、液体のリフィル性能を向上させつつも、基板の強度の低下を抑制することができる液体吐出ヘッドを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】吐出ヘッドの斜視図である。

【図2】液体吐出装置の制御構成を説明するためのブロック図である。

【図3】液体吐出モジュールにおける素子基板の断面斜視図である。

【図4】液流路及び圧力室の拡大詳細図である。

【図5】粘度比と水相厚比の関係、及び流路（圧力室）の高さと流速の関係を示す図である。

【図6】流量比と水相厚比の関係を示す図である。

【図7】吐出動作の過渡状態を模式的に示す図である。

【図8】水相厚比を変化させた場合の吐出液滴を示す図である。

【図9】水相厚比を変化させた場合の吐出液滴を示す図である。

【図10】水相厚比を変化させた場合の吐出液滴を示す図である。

【図11】流路（圧力室）の高さと水相厚比の関係を示す図である。

【図12】第１の実施形態の素子基板の断面図である。

【図13】第２の実施形態の素子基板の断面図である。

【図14】第３の実施形態の素子基板の断面図である。

【図15】第４の実施形態の素子基板の断面図である。

【図16】他の実施形態の素子基板の断面図である。

【図17】第１の実施形態の素子基板の製造工程を示す図である。

【図18】第１の実施形態の素子基板の製造工程のフローチャートである。

【図19】比較例における素子基板の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

（液体吐出ヘッドの構成）
図１は、本発明で使用可能な液体吐出ヘッド１の斜視図である。本実施形態の液体吐出ヘッド１は、複数の液体吐出モジュール１００がｘ方向に配列されて構成される。個々の液体吐出モジュール１００は、複数の圧力発生素子１２（図４参照）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とを有している。フレキシブル配線基板４０のそれぞれは、電力供給端子と吐出信号入力端子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。

【0010】

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（複数個が配列）させて構成される液体吐出ヘッド１であれば、何れかの圧力発生素子１２等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１００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。

【0011】

（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およびパラメータに従って所定のデータ処理を施し、液体吐出ヘッド１が吐出可能な吐出信号を生成する。そして、この吐出信号に従って液体吐出ヘッド１を駆動しながら、搬送モータ５０３を駆動して液体の付与対象媒体を所定の方向に搬送することにより、液体吐出ヘッド１から吐出された液体を付与対象媒体に付着させる。

【0012】

液体循環ユニット５０４は、液体吐出ヘッド１に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の間で液体を循環させる流路や、複数のポンプ、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。そして、ＣＰＵ５００の指示の下、液体吐出ヘッド１において液体が所定の流量で流れるように、上記複数の機構を制御する。

【0013】

（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（吐出口形成部材）が積層されて構成されている。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や供給口から供給される液体）を吐出する。ここではオリフィスプレート１４が液流路１３も形成した例を示しているが、液流路１３は別の部材（流路壁部材）で形成し、その上に吐出口１１が形成されたオリフィスプレート１４が設けられた構成であってもよい。液流路１３は、基板上に形成されている。

【0014】

シリコン基板（以下、単に基板とも称す）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。吐出信号に応じて電圧が印加されると、圧力発生素子１２は、液体を流動方向（ｙ方向）と交差するｚ方向へ加圧し、圧力発生素子１２と対向する吐出口１１から、液体が液滴として吐出される。圧力発生素子１２への電力や駆動信号は、基板１５上に配された端子１７を介して、フレキシブル配線基板４０（図１参照）より供給される。

【0015】

オリフィスプレート１４には、ｙ方向に延在し、吐出口１１の夫々に個別に接続する複数の液流路１３が形成されている。また、ｘ方向に配列する複数の液流路１３は、第１の共通供給流路２３、第１の共通回収流路２４、第２の共通供給流路２８及び第２の共通回収流路２９と、共通して接続されている。第１の共通供給流路２３、第１の共通回収流路２４、第２の共通供給流路２８及び第２の共通回収流路２９における液体の流れは、図２で説明した液体循環ユニット５０４によって制御されている。具体的には、第１の共通供給流路２３から液流路１３に流入した第１の液体が第１の共通回収流路２４に向かい、第２の共通供給流路２８から液流路１３に流入した第２の液体が第２の共通回収流路２９に向かうように制御されている。第１の共通供給流路２３、第１の共通回収流路２４、第２の共通供給流路２８及び第２の共通回収流路２９は、ｘ方向に配列する複数の液流路１３と接続されている。

【0016】

図３では、このようなｘ方向に配列する吐出口１１および液流路１３の組が、ｙ方向に２列配置された例を示している。なお、図３においては、圧力発生素子１２と対向する位置、すなわち気泡の成長方向に吐出口が配置される構成を示したが、本実施形態はこれに限られることはない。例えば、気泡の成長方向と直交するような位置に吐出口を設けてもよい。

【0017】

（液流路及びの構成）
図４（ａ）～（ｄ）は、基板１５の表面上に形成された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）に示すＩＶｂ－ＩＶｂの断面図である。また、図４（ｃ）は図３で示した素子基板１０における１つの液流路１３近傍の拡大図である。更に、図４（ｄ）は、図４（ｂ）における吐出口近傍の拡大図である。

【0018】

液流路１３の底部に相当する基板１５には、第２の流入流路２１、第１の流入流路２０、第１の流出流路２５、第２の流出流路２６が、ｙ方向においてこの順に形成されている。そして、吐出口１１と連通し、圧力発生素子１２を含む圧力室１８は、液流路１３中で第１の流入流路２０と第１の流出流路２５のほぼ中央に配されている。ここで、圧力室１８とは、圧力発生素子１２を内部に備え、圧力発生素子１２によって発生した圧力が作用する液体を格納している空間のことである。または、圧力室１８とは、圧力発生素子１２から吐出口１１までの長さをａとしたときに、圧力発生素子１２の中心を中心する半径ａの円の内側にある空間のことである。第２の流入流路２１は第２の共通供給流路２８に、第１の流入流路２０は第１の共通供給流路２３に、第１の流出流路２５は第１の共通回収流路２４に、第２の流出流路２６は第２の共通回収流路２９に、それぞれ接続している（図３参照）。

【0019】

以上の構成のもと、第１の共通供給流路２３より第１の流入流路２０を介して液流路１３に供給された第１の液体３１は、ｙ方向（矢印で示す方向）に流動し、圧力室１８を経由した後、第１の流出流路２５を介して第１の共通回収流路２４に回収される。また、第２の共通供給流路２８より第２の流入流路２１を介して液流路１３に供給された第２の液体３２は、ｙ方向（矢印で示す方向）に流動し、圧力室１８を経由した後、第２の流出流路２６を介して第２の共通回収流路２９に回収される。即ち、液流路１３のうち、第１の流入流路２０と第１の流出流路２５の間では第１の液体と第２の液体の両方が共にｙ方向に流動する。

【0020】

圧力室１８の中では、圧力発生素子１２は第１の液体３１と接触し、吐出口１１の近傍では大気に曝された第２の液体３２がメニスカスを形成している。圧力室１８の中では、圧力発生素子１２と、第１の液体３１と、第２の液体３２と、吐出口１１とが、この順で並ぶように、第１の液体３１と第２の液体３２とが流れている。即ち、圧力発生素子１２がある側が下方、吐出口１１がある側が上方とすると、第１の液体３１上に第２の液体３２が流れている。そして、第１の液体３１及び第２の液体３２は、下方の圧力発生素子１２によって加圧され、下方から上方に向けて吐出される。尚、この上下の方向が、圧力室１８及び液流路１３の高さ方向である。

【0021】

本実施形態では、第１の液体３１と第２の液体３２が、図４（ｄ）に示すように、圧力室１８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の流量と第２の液体の流量を、第１の液体３１の物性および第２の液体３２の物性に応じて調整する。なお、第１の実施形態及び第２の実施形態において、第１の液体３１及び第２の液体３２は同じ方向にそれぞれ流動させているが、本発明はこれに限られることはない。すなわち、第１の液体３１の流動方向に対して第２の液体３２が反対向きに流動してもよい。また、第１の液体３１の流れと第２の液体３２の流れが直交するように、流路を設けてもよい。また、液流路（圧力室）の高さ方向において、第１の液体３１の上に第２の液体３２が流動するように液体吐出ヘッド１を構成したが、本発明はこれに限られることはない。すなわち、液流路（圧力室）の底面に第１の液体３１及び第２の液体３２が共に接するように流動してもよい。

【0022】

このような２つの液体の流れとしては、図４（ｄ）に示すような２つの液体が同じ方向に流動する平行流だけでなく、第１の液体の流動方向に対して第２の液体が反対向きに流動する対向流、第１の液体の流れと第２の液体の流れが交差する液体の流れがある。以下、この中で平行流を例にとって説明する。

【0023】

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１２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。

【0024】

（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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

流れが層流になるということは、流線が流れの進行方向に対して互いに平行となり交わらないことになる。従って、接触する２つの液体がそれぞれ層流であれば、２つの液体の界面が安定している平行流を形成することができる。ここで、一般的なインクジェット記録ヘッドについて考えると、液流路（圧力室）における吐出口近傍の流路高さ（圧力室の高さ）Ｈ［μｍ］は１０～１００μｍ程度である。よって、インクジェット記録ヘッドの液流路に水（密度ρ＝１．０×１０３ｋｇ／ｍ３、粘度η＝１．０ｃＰ）を流速１００ｍｍ／ｓで流した場合、レイノルズ数はＲｅ＝ρｕｄ／η≒０．１～１．０＜＜２２００となり、層流が形成されるとみなすことができる。

【0028】

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

【0029】

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。

【0030】

ここで、液体の密度をρ、流速をｕ、代表長さをｄ、粘度をη、表面張力をγとすると、レイノルズ数Ｒｅは（式１）で表すことが出来る。

【0031】

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。

【0032】

流れが層流になるということは、流線が流れの進行方向に対して互いに平行となり交わらないことになる。従って、接触する２つの液体がそれぞれ層流であれば、２つの液体の界面が安定して形成された平行流を形成することができる。

【0033】

ここで、一般的なインクジェット記録ヘッドについて考えると、液流路（圧力室）における吐出口近傍の流路高さ（圧力室の高さ）Ｈ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／ｍ^３、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。

【0034】

なお、図４に示すように、本実施形態の液流路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。この為、液流路１３や圧力室１８は円管と同等に、即ち液流路や圧力室１８の高さを円管の直径として扱うことができる。

【0035】

（層流状態の平行流の理論的な形成条件）
次に、図４（ｄ）を参照しながら、液流路１３及び圧力室１８の中で２種類の液体の界面が安定している平行流を形成する条件について説明する。まず、基板１５からオリフィスプレート１４の吐出口面までの距離をＨ［μｍ］とする。そして、吐出口面から第１の液体３１と第２の液体３２との液液界面までの距離（第２の液体の相厚）をｈ_２［μｍ］、液液界面から基板１５までの距離（第１の液体の相厚）をｈ_１［μｍ］とする。即ち、Ｈ＝ｈ_１＋ｈ_２となる。

【0036】

ここで、液流路１３及び圧力室１８内の境界条件として、液流路１３及び圧力室１８の壁面における液体の速度はゼロとする。また、第１の液体３１と第２の液体３２との液液界面の速度とせん弾応力は、連続性を有するものと仮定する。この仮定において、第１の液体３１と第２の液体３２とが２層の平行な定常流を形成しているとすると、平行流区間では（式２）に示す４次方程式が成立する。

【0037】

【数1】

【0038】

尚、（式２）において、η_１は第１の液体３１の粘度、η_２は第２の液体３２の粘度、Ｑ_１は第１の液体３１の流量、Ｑ_２は第２の液体３２の流量をそれぞれ示す。すなわち、上記の４次方程式（式２）の成立範囲において、第１の液体と第２の液体は、それぞれの流量と粘度に応じた位置関係となるように流動し、界面が安定した平行流が形成される。本実施形態では、この第１の液体と第２の液体の平行流を、液流路１３内、少なくとも圧力室１８内で形成することが好ましい。このような平行流が形成された場合、第１の液体と第２の液体は、その液液界面において分子拡散による混合が起こるのみであり、実質的に交じり合うことなくｙ方向に平行に流れる。なお、本実施形態は、圧力室１８内の一部の領域における液体の流れが層流状態となっていなくてもよい。少なくとも圧力発生素子上の領域を流れる液体の流れが層流状態となっていることが好ましい。

【0039】

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。

【0040】

図５（ａ）は、（式２）に基づいて、粘度比η_ｒ＝η_２／η_１と第１の液体の相厚比ｈ_ｒ＝ｈ_１／（ｈ_１＋ｈ_２）との関係を、流量比Ｑ_ｒ＝Ｑ_２／Ｑ_１を複数段階に異ならせた場合について示した図である。尚、第１の液体は水に限定されないが、「第１の液体の相厚比」を以下「水相厚比」と称する。横軸は粘度比η_ｒ＝η_２／η_１、縦軸は水相厚比ｈ_ｒ＝ｈ_１／（ｈ_１＋ｈ_２）をそれぞれ示している。流量比Ｑ_ｒが大きくなるほど、水相厚比ｈ_ｒは小さくなっている。また、いずれの流量比Ｑ_ｒについても、粘度比η_ｒが大きくなるほど水相厚比ｈ_ｒは小さくなっている。即ち、液流路１３（圧力室）における水相厚比ｈ_ｒ（第１の液体と第２の液体との界面位置）は、第１の液体と第２の液体との粘度比η_ｒ及び流量比Ｑ_ｒを制御することによって所定の値に調整することができる。その上で、図５（ａ）によれば、粘度比η_ｒと流量比Ｑ_ｒとを比較した場合、流量比Ｑ_ｒの方が粘度比η_ｒよりも水相厚比ｈ_ｒに大きく影響することがわかる。

【0041】

尚、水相厚比ｈ_ｒ＝ｈ_１／（ｈ_１＋ｈ_２）については、０＜ｈ_ｒ＜１（条件１）が満たされていれば、液流路（圧力室）の中において第１の液体と第２の液体との平行流は形成されていることになる。但し、後述するように、本実施形態では第１の液体を主に発泡媒体として機能させ、第２の液体を主に吐出媒体として機能させるようにし、吐出液滴に含まれる第１の液体と第２の液体とを所望の割合に安定させるようにしている。このような状況を考慮すると、水相厚比ｈ_ｒは、０．８以下（条件２）であることが好ましく、０．５以下（条件３）であることがさらに好ましい。

【0042】

ここで、図５（ａ）に示す状態Ａ、状態Ｂ、状態Ｃは、それぞれ以下の状態を示す。
状態Ａ）粘度比η_ｒ＝１及び流量比Ｑ_ｒ＝１の場合で水相厚比ｈ_ｒ＝０．５０
状態Ｂ）粘度比η_ｒ＝１０及び流量比Ｑ_ｒ＝１の場合で水相厚比ｈ_ｒ＝０．３９
状態Ｃ）粘度比η_ｒ＝１０及び流量比Ｑ_ｒ＝１０の場合で水相厚比ｈ_ｒ＝０．１２
図５（ｂ）は、液流路１３（圧力室）の高さ方向（ｚ方向）における流速分布を上記状態Ａ、Ｂ、Ｃのそれぞれについて示した図である。横軸は状態Ａの流速最大値を１（基準）として規格化した規格化値Ｕｘを示している。縦軸は、液流路１３（圧力室）の高さＨを１（基準）とした場合の底面からの高さを示している。夫々の状態を示す曲線においては、第１の液体と第２の液体との界面位置をマーカーで示している。状態Ａの界面位置が状態Ｂや状態Ｃの界面位置よりも高いなど、界面位置が状態によって変化することがわかる。これは、異なる粘度を有する２種類の液体がそれぞれ層流となって（全体としても層流で）管内を平行に流れる場合、これら２つの液体の界面は、これら液体の粘度差に起因する圧力差と界面張力とに起因するラプラス圧が釣り合う位置に形成されるためである。

【0043】

（流量比と水相厚比の関係）
図６は、（式２）のもと、流量比Ｑ_ｒと水相厚比ｈ_ｒの関係を、粘度比がη_ｒ＝１の場合とη_ｒ＝１０の場合について示す図である。横軸は流量比Ｑ_ｒ＝Ｑ_２／Ｑ_１を示し、縦軸は水相厚比ｈ_ｒ＝ｈ_１／（ｈ_１＋ｈ_２）を示している。流量比Ｑ_ｒ＝０とはＱ_２＝０の場合に相当し、液流路は第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点がこの状態を示している。

【0044】

Ｐ点の位置よりＱ_ｒを大きく（即ち第２の液体の流量Ｑ_２を０よりも大きく）すると、水相厚比ｈ_ｒ即ち第１の液体の水相厚ｈ_１は小さくなり、第２の液体の水相厚ｈ_２は大きくなる。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。そしてこのような傾向は、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。

【0045】

すなわち、液流路１３において第１の液体と第２の液体が界面を介して沿うように流れる状態となるためには、Ｑ_ｒ＝Ｑ_２／Ｑ_１＞０であること、つまり Ｑ_１＞０ 且つ Ｑ_２＞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方向へ同一方向に流動していることを意味している。

【0046】

（吐出動作の過渡状態）
次に、平行流が形成された液流路１３及び圧力室１８における吐出動作の過渡状態について説明する。図７（ａ）～（ｅ）は、粘度比がη_ｒ＝４の第１の液体と第２の液体で平行流を形成した状態で吐出動作を行った場合の過渡状態を模式的に示す図である。なお、図７（ａ）～（ｅ）に示す液流路１３（圧力室）の高さＨは、Ｈ［μｍ］＝２０μｍ、オリフィスプレートの厚みＴは、Ｔ［μｍ］＝６μｍである。

【0047】

図７（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。ここでは、共に流動する第１の液体のＱ_１と第２の液体のＱ_２を調整することにより、水相厚比がη_ｒ＝０．５７（即ち第１の液体の水相厚がｈ_１［μｍ］＝６μｍ）となる位置で界面位置が安定した状態を示している。

【0048】

図７（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。即ち、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、接触する第１の液体中に膜沸騰を生じさせる。図では、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（圧力室の高さ方向）に移動し、第２の液体３２は吐出口１１よりｚ方向に押し出されている。

【0049】

図７（ｃ）は、膜沸騰によって発生した泡１６の体積が増大し、第２の液体３２は吐出口１１より更にｚ方向に押し出された状態となっている。

【0050】

図７（ｄ）は、泡１６が大気に連通した状態を示している。本実施形態においては泡１６が最大に成長した後の収縮段階において、吐出口１１から圧力発生素子１２側に移動した気液界面と泡１６とが連通する。

【0051】

図７（ｅ）は、液滴３０が吐出された状態を示している。図７（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より突出している液体は、その慣性力によって液流路１３から離脱し、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の毛細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７（ａ）に示すような、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。

【0052】

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で、図７（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の液体の流量および第２の液体の流量を一定に保ちつつこれら液体を吐出ヘッド１内で循環させる。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。

【0053】

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。

【0054】

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。

【0055】

（吐出液滴に含まれる液体の割合）
図８（ａ）～（ｇ）は、流路（圧力室）高さがＨ［μｍ］＝２０μｍ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を比較する図である。図８（ａ）～（ｆ）は水相厚比ｈ_ｒを０．１０ずつ増大させ、図８（ｆ）から（ｇ）においては水相厚比ｈ_ｒを０．５０増大させている。なお、図８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。

【0056】

図４（ｄ）で示す水相厚比ｈ_ｒ（＝ｈ_１／（ｈ_１＋ｈ_２））が０に近いほど第１の液体３１の水相厚ｈ_１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ｈ_１は大きい。このため、吐出液滴３０に主として含まれるのは、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の割合も増加する。

【0057】

流路（圧力室）高さがＨ［μｍ］＝２０μｍである図８（ａ）～（ｇ）の場合、水相厚比がｈ_ｒ＝０．００、０．１０、０．２０では第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以降では第２の液体３２とともに第１の液体３１も吐出液滴３０に含まれ、水相厚比がｈ_ｒ＝１．００（即ち第２の液体が存在しない状態）では第１の液体３１のみが吐出液滴３０に含まれる状態となる。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における水相厚比ｈ_ｒによって変化する。

【0058】

一方、図９（ａ）～（ｅ）は、流路（圧力室）高さがＨ［μｍ］＝３３μｍ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以降では第２の液体３２とともに第１の液体３１も吐出液滴３０に含まれている。

【0059】

また、図１０（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に含まれてしまっている。

【0060】

図１１は、吐出液滴３０に第１の液体３１が含まれる割合Ｒを固定した場合の流路（圧力室）高さＨと水相厚比ｈ_ｒの関係を、上記割合Ｒを０％、２０％、４０％とした場合について示す図である。いずれの割合Ｒにおいても、流路（圧力室）高さＨが大きいほど求められる水相厚比ｈ_ｒも大きくなる。なお、ここで言う第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（圧力室）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無論含まれない。

【0061】

吐出液滴３０に第２の液体３２のみを含ませ第１の液体を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の関係は図の実線で示す軌跡となる。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］の一次関数で近似することができる。

【0062】

【数2】

【0063】

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］の一次関数で近似することができる。

【0064】

【数3】

【0065】

更に、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］の一次関数で近似することができる。

【0066】

【数4】

【0067】

例えば、吐出液滴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。更に、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。

【0068】

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η_２や流量Ｑ_２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５（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では流量比はＱ_ｒ＝５となる。また、同じインク（即ち同じ粘度比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。即ち、水相厚比ｈ_ｒを０．１０に調整する場合は、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、圧力損失の増加およびこれに伴う弊害が懸念される。

【0069】

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１１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［μｍ］＝２０μｍの場合、水相厚比ｈ_ｒは０．２０よりも小さく、且つなるべく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、且つなるべく０．３６に近い値に調整することが好ましい。

【0070】

尚、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。

【0071】

このように、本実施形態によれば、液流路１３（圧力室）における水相厚比ｈ_ｒを所定の値に設定し界面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。

【0072】

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関わらず安定させておくことが求められる。

【0073】

ここで、再度図４（ａ）～（ｃ）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（圧力室）における第１の液体の流量Ｑ_１を調整するためには、第１の流出流路２５の圧力が第１の流入流路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。このようにすれば、第１の流入流路２０から第１の流出流路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の流出流路２６の圧力が第２の流入流路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。このようにすれば、第２の流入流路２１から第２の流出流路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。

【0074】

そして、液路内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れば、液流路１３において所望の水相厚比ｈ_ｒでｙ方向に流動する第１の液体と第２の液体の平行流を形成することができる。

【0075】

Ｐ２ｉｎ≧Ｐ１ｉｎ＞Ｐ１ｏｕｔ≧Ｐ２ｏｕｔ （式６）
ここで、Ｐ１ｉｎは第１の流入流路２０の圧力、Ｐ１ｏｕｔは第１の流出流路２５の圧力、Ｐ２ｉｎは第２の流入流路２１の圧力、Ｐ２ｏｕｔは第２の流出流路２６の圧力、をそれぞれ示している。このように、第１及び第２の圧力差生成機構を制御することにより液流路（圧力室）において所定の水相厚比ｈ_ｒを維持することができれば、吐出動作に伴って界面位置が乱れても、短時間で好適な平行流を復元し次の吐出動作を即座に開始することが可能となる。

【0076】

（第１の液体と第２の液体の具体例）
以上説明した本実施形態の構成では、第１の液体は膜沸騰を生じさせるための発泡媒体、第２の液体は吐出口から外部に吐出するための吐出媒体、というようにそれぞれに求められる機能が明確になる。本実施形態の構成によれば、第１の液体および第２の液体に含有させる成分の自由度を従来よりも高めることができる。以下、このような構成における発泡媒体（第１の液体）と吐出媒体（第２の液体）について、具体例を挙げて詳しく説明する。

【0077】

本実施形態の発泡媒体（第１の液体）としては、電気熱変換体が発熱した際に発泡媒体中に膜沸騰が生じ、生成された気泡が急激に増大すること、即ち熱エネルギを効率的に発泡エネルギに変換可能な高い臨界圧力を有することが求められる。このような媒体としては、特に水が好適である。水は、分子量が１８と小さいにも関わらず高い沸点（１００℃）と高い表面張力（１００℃で５８．８５ｄｙｎｅ／ｃｍ）を有し、約２２ＭＰａと大きな臨界圧力を有する。即ち、膜沸騰時における発泡圧力も非常に大きい。一般に、膜沸騰を利用してインクを吐出する方式のインクジェット記録装置においても、染料や顔料のような色材を水に含有させたインクを好適に用いている。

【0078】

但し、発泡媒体は水に限定されるものではない。臨界圧力が２ＭＰａ以上であれば（好ましくは５ＭＰａ以上であれば）、発泡媒体としての機能を果すことはできる。水以外の発泡媒体の例としては、例えばメチルアルコールやエチルアルコールが挙げられ、水にこれら液体を混合させたものを発泡媒体として用いることもできる。また、上述のように染料や顔料などの色材や、その他の添加剤などを水に含有させたものも用いることができる。

【0079】

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が、吐出媒体はヒータに直に接触しないので、含有する成分が焦げるおそれも少ない。即ち、本実施形態の吐出媒体においては、従来のサーマルヘッドのインクに比べ膜沸騰を生じさせたりコゲを回避したりするための物性条件が緩和され、含有成分の自由度が増し、結果として吐出後の用途に適した成分をより積極的に含有させることが可能となる。

【0080】

例えば、ヒータ上で焦げ易いことを理由に従来は使用されていなかった顔料を、本実施形態では吐出媒体に積極的に含有させることができる。また、臨界圧力が非常に小さな水性インク以外の液体も、本実施形態では吐出媒体として使用することができる。更に、紫外線硬化型インク、導電性インク、ＥＢ（電子線）硬化型インク、磁性インク、ソリッド型インクなど、従来のサーマルヘッドでは対応困難であった特別な機能を有する様々なインクを、吐出媒体として用いることが可能となる。また、吐出媒体として血液や培養液中の細胞などを用いれば、本実施形態の液体吐出ヘッドを画像形成以外の様々な用途に利用することもできる。バイオチップ作製や電子回路印刷などの用途にも有効である。

【0081】

特に、第１の液体（発泡媒体）を水又は水に類似した液体、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５（ａ）で示したように、流量比Ｑ_ｒ＝Ｑ_２／Ｑ_１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。尚、第２の液体については制限がないので、第１の液体で挙げたような液体と同じ液体を用いることもできる。例えば２つの液体がいずれも水を多く含有したインクであっても、例えば使用の形態といった状況に応じて、一方のインクを第１の液体、他方のインクを第２の液体として用いることができる。

【0082】

（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。構成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。その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という構成である。このように、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、本実施形態の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や耐擦過性に優れた画像を印刷することが可能となる。

【0083】

（吐出液滴を混合液とする例）
次に、吐出液滴３０に、第１の液体３１と第２の液体３２を所定の割合で混合した状態で吐出す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に基づいて算出したレイノルズ数が所定の値より小さい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の中で混色することなく層流となる。即ち、液流路及び圧力室の中における第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。

【0084】

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（或はマゼンタインク）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（或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。即ち、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、印刷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。

【0085】

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、画像印刷においては、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（樹脂エマルジョン）を印刷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（エマルジョン）とし、第２の液体を高濃度顔料インクとしながら、これら液体の流速を制御することによって平行流を形成すれば、２つの液体は吐出後の印刷媒体上で混合し凝集する。即ち、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。

【0086】

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。即ち、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、臨界圧力の制限や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。

【0087】

以上説明したように、本実施形態によれば、第１の液体と第２の液体を液流路（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。

【0088】

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ができる。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。

【0089】

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。この為、第１の液体や第２の液体を外部との間で循環させると、吐出されなかった液体を再び平行流を形成する為に使用することができる。

【0090】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、第１の流入流路２０と第１の共通供給流路２３をまとめて表す場合には、第１の流路３と称する。また、第２の流入流路２１と第２の共通供給流路２８をまとめて表す場合には、第２の流路４と称する。

【0091】

（第１の実施形態）
図１２は、本発明の第１の実施形態にかかる素子基板１０の断面図であって、第１の流入流路２０および第２の流入流路２１周辺の拡大図である。即ち、図３に示す素子基板１０の吐出口１１から図面左側の部分の拡大図である。図１２に示すように、第１の流路３および第２の流路４は、基板１５を貫通する流路である。

【0092】

第１の実施形態では、第２の流路４のうち、第２の流入流路２１のｙ方向（第２の液体３２が第２の流路内を流動する方向と直交する方向）における幅を、第１の流入流路２０のｙ方向の幅よりも大きくしている。即ち、第２の流入流路２１の断面積の平均値を、第１の流入流路２０の断面積の平均値よりも大きくしている。これにより、液体の粘度が大きい第２の液体３２が流動する流路の流抵抗が小さくなるため、第２の液体のリフィルの性能が向上する。換言すると、２つの流路を同一液体が流れたと仮定した際、流抵抗は第２の流路の方が第１の流路３よりも小さい。

【0093】

なお、第１の流路の断面積は、圧力室に第１の液体を供給する流量を主に参考にして適切な値に設定している。したがって、第２の流路の断面積もこれと同様な断面積にすると、第２の液体の粘度の方が第１の液体の粘度よりも大きい分、第２の液体のリフィルの効率が第１の液体のリフィルよりも劣る。

【0094】

さらに、本発明は、第２の流路４の断面積のみを大きくしているため、第１の流路３および第２の流路４の両方の流路の断面積を大きくする場合に比べて、基板１５を貫通する貫通孔（第１の流路３および第２の流路４）の容積が小さい。このため、素子基板１０の強度を保つことができる。したがって、本実施形態では、第２の流路４の断面積を第１の流路３の断面積よりも大きくしながらも、第１の流路の断面積は、適切な値から変更させないことにより、基板の強度を保ちつつも、第２の液体のリフィルを向上させることができる。

【0095】

第１の流路３の断面積の平均値とは、第１の液体３１が第１の流路３内で流動する方向（ｚ方向）における第１の流路３の一端部から他端部に向かって等間隔に取得した３０点での断面積の平均値のことである。同様に、第２の流路４の断面積の平均値とは、第２の液体３２が第２の流路４内で流動する方向（ｚ方向）における第２の流路４の一端部から他端部に向かって等間隔に取得した３０点での断面積の平均値のことである。

【0096】

第２の流路４の断面積の平均値は、第１の流路３の断面積の平均値の１．１倍以上である。なお、第２の流路４の断面積を大きくしすぎると、基板１５の強度が低下し、素子基板１０が破損する恐れがある。そのため、第２の流路４の断面積の平均値は、第１の流路３の断面積の平均値の１０倍以下であることが好ましく、より好ましくは４倍以下である。

【0097】

（第２の実施形態）
第２の実施形態について、図１３を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態の同様の箇所については同一の符号を付し、説明は省略する。図１３は、本発明の第２の実施形態にかかる素子基板１０ａの断面図であって、図１２に相当する部分の図である。本実施形態は、第２の流路４のうち、第２の共通供給流路２８のｙ方向の幅を、第１の共通供給流路２３のｙ方向の幅よりも大きくしている。これにより、第２の共通供給流路２８の断面積の平均値を、第１の共通供給流路２３の断面積の平均値よりも大きくしている。即ち、第２の共通供給流路２８の断面積の平均値が大きくなった分、第２の流路４の断面積の平均値は、第１の流路３の断面積の平均値よりも大きくなっている。

【0098】

本実施形態により、第２の共通供給流路２８の流抵抗が低下し、第２の液体３２のリフィル性能が向上する。さらに、第２の共通供給流路２８の断面積のみを大きくすることにより、素子基板１０ａの強度が保たれ、素子基板１０ａの破損を抑制することができる。また、第２の流入流路２１よりもｚ方向の長さが長い第２の共通供給流路２８の断面積を大きくすることで、本実施形態の第２の流路４の断面積の平均値は、第１の実施形態における第２の流路４の断面積の平均値よりも大きくなる。これにより、本実施形態によれば、第１の実施形態よりも流抵抗が小さくなり、第２の液体３２のリフィルの性能が向上する。

【0099】

（第３の実施形態）
第３の実施形態について、図１４を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態の同様の箇所については同一の符号を付し、説明は省略する。図１４は、本発明の第３の実施形態にかかる素子基板１０ｂの断面図であって、図１２に相当する部分の図である。本実施形態においては、第２の流入流路２１および第２の共通供給流路２８のｙ方向の幅（断面積）は大きくしないが、第２の共通供給流路２８の高さ（ｚ方向の長さ）を第１の共通供給流路２３の高さよりも高くしている。即ち、各流路（第２の流入流路２１および第２の共通供給流路２８）の断面積は大きくしていないが、断面積の大きな第２の共通供給流路２８が形成される領域が大きくなっている。これにより第２の流路４の断面積の平均値は、第１の流路３の断面積の平均値よりも大きくなり、同一の液体が流動したと仮定したときの流抵抗が第２の流路４の方が小さくなる。なお、基板の強度の低下が懸念されるが、第１の共通供給流路２３の高さは高くしないため、基板が破損するほどの強度の低下は抑制することができる。また、第２の流入流路２１よりも断面積の大きい第２の共通供給流路２８のｚ方向の長さを大きくすることで、本実施形態の第２の流路４の断面積の平均値は、第１の実施形態における第２の流路４の断面積の平均値よりも大きくなる。これにより、本実施形態によれば、第１の実施形態よりも流抵抗が小さくなり、第２の液体３２のリフィルの性能が向上する。

【0100】

よって、本実施形態においても、第２の液体３２のリフィルの性能を向上させつつ、素子基板１０ｂの破損を抑制することができる。

【0101】

（第４の実施形態）
第４の実施形態について、図１５を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態の同様の箇所については同一の符号を付し、説明は省略する。図１５は、本発明の第４の実施形態にかかる素子基板１０ｃの断面図であって、図１２に相当する部分の図である。本実施形態では、第２の共通供給流路２８のｚ方向に直交する面の断面積を第１の共通供給流路２３のｚ方向に直交する面の断面積よりも大きくし、かつ、第２の共通供給流路２８のｚ方向の高さを第１の共通供給流路２３のｚ方向の高さよりも大きくしている。これにより、第２の流路４の流抵抗を低下させることができるため第２の液体３２のリフィルの性能を向上させつつ、素子基板１０ｃの破損を抑制することができる。また、第２の流入流路２１よりもｚ方向の長さが長い第２の共通供給流路２８の断面積を大きくし、かつ、そのｚ方向の長さを大きくすることで、第２の流路４の断面積の平均値は、上述した各実施形態における第２の流路４の断面積の平均値よりも大きくなる。これにより、本実施形態によれば、上述した各実施形態よりも流抵抗が小さくなり、第２の液体３２のリフィルの性能が向上する。

【0102】

（その他の実施形態）
第５の実施形態について、図１６を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態の同様の箇所については同一の符号を付し、説明は省略する。図１５は、本発明の第４の実施形態にかかる素子基板１０ｃの断面図であって、図１２に相当する部分の図である。上記の実施形態においては、圧力室１８よりも上流側の流路に着目して適宜流路の断面積を設定したが、本発明は、圧力室１８よりも下流側の流路に着目してもよい。即ち、液流路１３から液体を流出させる第１の流出流路２５と第２の流出流路２６、第１の流出流路２５から第１の液体３１を回収する第１の共通回収流路２４および第２の流出流路２６から第２の液体３２を回収する第２の共通回収流路２９に着目してもよい。以下、第１の流出流路２５および第１の共通回収流路２４をまとめて示す場合には第３の流路５と称し、第２の流出流路２６および第２の共通回収流路２９をまとめて示す場合には第４の流路６と称する。

【0103】

図１６（ａ）は、第２の流入流路２１に加え、第２の流出流路２６の断面積の平均値を大きくした場合の素子基板１０ｄを示す。図１６（ｂ）は、第２の共通供給流路２８に加え、第２の共通回収流路２９の断面積の平均値を大きくした場合の素子基板１０ｄを示す。図１６（ｃ）は、第２の共通供給流路２８に加え、第２の共通回収流路２９の高さを高くした場合の素子基板１０ｄを示す。図１６（ｄ）は、第２の共通供給流路２８に加え、第２の共通回収流路２９の断面積を大きくし、かつ、高さを高くした場合の素子基板１０ｄを示す。図１６（ａ）～（ｄ）に示すように、第４の流路６の断面積の平均値を第３の流路５の断面積の平均値よりも大きくすることにより、第２の液体３２が回収しやすくなり、ひいては、第２の液体のリフィルの性能も向上する。また、上記の各実施形態と同様に、第２の液体３２が流動する方の流路の断面積のみを大きくすることにより、素子基板１０ｄの強度を保つことができ、素子基板１０ｄの破損を抑制することができる。

【0104】

（製造方法）
第１の実施形態における素子基板１０の製造工程を、図１７及び図１８を用いて説明する。図１７（ａ）～（ｉ）は、各製造工程における素子基板１０の断面図である。図１８は、図１７に示す製造工程のフローチャートである。

【0105】

まず、圧力発生素子１２を有するシリコン基板１５を用意する（図１７（ａ）、ステップＳ１）。次に、シリコン基板１５の裏面にフォトレジスト４３をパターニングする（図１７（ｂ）、ステップＳ２）。次に、パターニングされたフォトレジスト４３をエッチングマスクとしてシリコン基板１５のエッチングを行い（第１のエッチング工程）、エッチング後にフォトレジスト４３を除去する（図１７（ｃ）、ステップＳ３）。ステップＳ３は、シリコン基板１５の圧力発生素子がある側の面の裏面側からエッチングを行っている。ステップＳ３のエッチングにより、第１の共通供給流路２３および第２の共通供給流路２８が形成される。その後、シリコン基板１５の表面にフォトレジスト４３をパターニングする（図１７（ｄ）、ステップＳ４）。次に、パターニングされたフォトレジスト４３をエッチングマスクとしてシリコン基板１５のエッチングを行い（第２のエッチング工程）、エッチング後にフォトレジスト４３を除去する（図１７（ｅ）、ステップＳ５）。ステップＳ５にエッチングにより、第１の流入流路２０および第２の流入流路２１が形成される。この際、第２の流入流路２１の断面積の平均値が第１の流入流路２０の断面積の平均値よりも大きくなるように、シリコン基板１５のエッチングを行う。この際、例えば、シリコン基板１５の表面にパターニングされたエッチングマスクとしてのフォトレジスト４３のマスクの開口の幅を変える、或いは、エッチングレートを変える等により、第２の流入流路２１の断面積を大きくすることができる。以上までの工程により、シリコン基板１５を貫通する第１の流路３および第２の流路４を形成する。

【0106】

次に、シリコン基板１５上に樹脂層４４を形成する（図１７（ｆ）、ステップＳ６）。樹脂層４４は、例えばネガ型の感光性樹脂を用いる。樹脂層４４は、例えばポリエチレンテレフタラートから成る１００μｍ厚の支持体上に樹脂を２０ｃｃ滴下し、次にスピンコートにより層を形成し１００℃２０分のベーク処理を加えることで作製する。その後、シリコン基板１５に対して樹脂層４４をラミネートすることで支持体からシリコン基板１５へ転写する。ラミネート条件は、例えばラミネート圧３００ｋＰａ、ラミネート温度７０℃、ラミネート速度１ｍｍ／ｓｅｃである。

【0107】

次に、樹脂層４４を、フォトマスクを用いて露光し、現像処理することでオリフィスプレート１４の一部を形成する（図１７（ｇ）、ステップＳ７）。次に、ステップＳ６およびステップＳ７と同様の処理を行い、吐出口１１を有するオリフィスプレート１４を形成する（図１７（ｈ）、ステップＳ８）。以上の工程により、第１の実施形態における素子基板１０を作製する。

【0108】

他の実施形態の素子基板は、エッチングの深さと幅を変更することにより、適宜作製することができる。

【0109】

（比較例）
本発明の比較例について図１９を参照しながら説明する。本発明と同様の箇所については同一の符号を付し、説明は省略する。図１９は、比較例の素子基板１０ｅを示す。比較例においては、第１の流路３の断面積の平均値と第２の流路４の断面積の平均値とが等しい。したがって、第１の流路３と第２の流路４を同一液体が流動したと仮定したとき、第１の流路３と第２の流路４の流抵抗は略同じとなる。特に、第２の液体３２は第１の液体３１の粘度よりも大きいため、第２の液体３２が流動する第２の流路４は流抵抗が大きい。そのため、第２の液体３２のリフィルは第１の液体３１のリフィルよりも効率が低下する。

【0110】

そこで、液体にリフィルの性能を向上させようと第１の流路３および第２の流路４の断面積を一様に大きくすると、基板１５を貫通する貫通孔（流路）の容積が大きくなるため、素子基板１０ｅの強度が低下する。素子基板１０ｅの強度が低下すると、素子基板１０ｅが破損する恐れがある。

【0111】

そこで、上述したように、本発明においては、単に基板１５を貫通する流路の断面積を大きくするのではなく、リフィルと強度のバランスを鑑み、流抵抗が大きく、リフィルの性能が芳しくない第２の液体３２が流動する第２の流路４の断面積のみを大きくする。これにより、特にリフィルの性能が芳しくない第２の液体３２のリフィルの性能を向上させることができつつも、基板１５を貫通する貫通孔（流路）の容積を抑えることができるので、素子基板が破損してしまうことを抑制することができる。

【符号の説明】

【0112】

１ 液体吐出ヘッド
３ 第１の流路
４ 第２の流路
１１ 吐出口
１２ 圧力発生素子
１５ 基板
１８ 圧力室
３１ 第１の液体
３２ 第２の液体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】