(57)【要約】【課題】液流路内に流入させた複数の液体を分離して回収することができる液体吐出ヘッド、液体吐出モジュール、液体吐出装置、インクジェット記録装置、および液体吐出方法を提供すること。【解決手段】第２の液体３２が吐出される方向を下方から上方としたときに、圧力室１８において、第１の液体３１の上方に第２の液体３２が流動する。基板１５は、圧力室１８よりも第１の液体３１が流れる方向の下流側に、液流路１３から第１の液体３１を流出させるための第１の流出口２５を有する。液流路１３内の、第1の流出口２５を介して圧力室１８がある側と反対側の基板１５にある壁４１であって、第１の流出口２５を挟んで圧力室１８がある側の基板１５の表面よりも高い位置にある部分を含む壁４１を有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
第１の液体と第２の液体が流動するように前記基板上に形成され、圧力室を有する液流路と、
前記圧力室内の前記第１の液体を加圧する圧力発生素子と、
前記第２の液体を吐出する吐出口と、
を備える液体吐出ヘッドにおいて、
前記第２の液体が吐出される方向を下方から上方としたときに、前記圧力室において、前記第１の液体の上方に前記第２の液体が流動し、
前記基板は、前記圧力室よりも前記第１の液体が流れる方向の下流側に、前記液流路から前記第１の液体を流出させるための第１の流出口を有し、
前記液流路内の、第1の流出口を介して圧力室がある側と反対側の前記基板にある壁であって、前記第１の流出口を挟んで前記圧力室がある側の前記基板の表面よりも高い位置にある部分を含む壁を有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記第１の液体および前記第２の液体の前記圧力室における流れは層流である請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記第１の液体および前記第２の液体の前記圧力室における流れは平行流である請求項１または請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
前記基板は、前記第１の流出口よりも前記第２の液体が流れる方向の下流側に、前記液流路から前記第２の液体を流出させるための第２の流出口を有する請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項５】
前記壁は、前記第１の液体と前記第２の液体とが接触する界面が当たる位置に設けられている請求項１から４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項６】
前記壁は、前記基板の表面から突出する壁である請求項１から５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項７】
前記壁は、前記第１の流出口の少なくとも一部の上方に位置するように、前記第１の液体が流れる方向の上流側に向かって突出する突出部を含む請求項６に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項８】
前記突出部は、前記第１の液体と前記第２の液体との界面が当たる位置に設けられることを特徴とする請求項７に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項９】
前記基板は、前記第１の流出口の前記第１の液体が流れる方向の上流側に、前記基板の表面が掘り込まれた掘り込み部を有する請求項１から８のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項１０】
前記圧力室の中を流れる第１の液体は、前記圧力室の外部との間で循環される請求項１から９のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項１１】
請求項１から１０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。
【請求項１２】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドを有することを特徴とする液体吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体吐出ヘッド、液体吐出モジュールおよび液体吐出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、吐出口に連通する液流路内に、吐出媒体となる液体と発泡媒体となる液体とを界面を介して分離した状態で保持し、発熱素子によって発泡媒体を発泡させることにより、吐出口から吐出媒体を吐出させる構成が記載されている。吐出媒体の吐出動作に伴って移動する界面の位置は、吐出媒体と発泡媒体の流れにより制御される。液流路内から吐出媒体を流出させる流出口と、液流路内から発泡媒体を流出させる流出口は、液流路内においてずれて位置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】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においては、吐出媒体の吐出動作に伴って、界面の位置が、吐出媒体の流出口と発泡媒体の流出口との間の位置からずれる。このため、吐出媒体と発泡媒体を、各々に対応する流出口から分離して回収することが難しい。
【０００５】
本発明の目的は、液流路内に流入させた複数の液体を良好に分離して回収することができる液体吐出ヘッド、液体吐出モジュール、液体吐出装置、インクジェット記録装置、及び液体吐出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の液体吐出ヘッドは、基板と、第１の液体と第２の液体が流動するように前記基板上に形成され、圧力室を有する液流路と、前記圧力室内の前記第１の液体を加圧する圧力発生素子と、前記第２の液体を吐出する吐出口と、を備える液体吐出ヘッドにおいて、前記第２の液体が吐出される方向を下方から上方としたときに、前記圧力室において、第１の液体の上方に前記第２の液体が流動し、前記基板は、前記圧力室よりも前記第１の液体が流れる方向の下流側に、前記液流路から前記第１の液体を流出させるための第１の流出口を有し、前記液流路内の、第1の流出口を介して圧力室がある側と反対側の前記基板にある壁であって、前記第１の流出口を挟んで前記圧力室がある側の前記基板の表面よりも高い位置にある部分を含む壁を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、液流路内に流入させた複数の液体を良好に分離して回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の実施形態における液体吐出ヘッドの斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における液体吐出装置の制御系のブロック図である。
【図３】図１における液体吐出モジュールの断面図である。
【図４】図１の素子基板における液流路及び圧力室の拡大断面図である。
【図５】図１の素子基板における液流路及び圧力室の説明図である。
【図６】液体の粘度比と水相厚比との関係、及び液流路（圧力室）内の高さと流速との関係の説明図である。
【図７】本発明の第１の実施形態における第１の流出口の他の例の説明図である。
【図８】本発明の第１の実施形態における第１の流出口のさらに他の例の説明図である。
【図９】本発明の第２の実施形態における液流路の拡大断面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態における液流路の拡大断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態における第１の流出口の他の例の説明図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態における第１の流出口のさらに他の異なる例の説明図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態における液流路の拡大断面図である。
【図１４】本発明の比較例における液流路及び圧力室の拡大断面図である。
【図１５】本発明の比較例における液流路及び圧力室の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
（第１の実施形態）
（液体吐出ヘッドの構成）
図１は、本実施形態における液体吐出ヘッド１の斜視図である。本実施形態の液体吐出ヘッド１は、液体吐出モジュール１００がｘ方向に複数配列（複数個が配列）されて構成される。個々の液体吐出モジュール１００は、複数の吐出素子が配列された素子基板１０と、個々の吐出素子に電力と吐出信号を供給するためのフレキシブル配線基板４０と、を有している。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。
【００１１】
このように、液体吐出モジュール１００を長手方向に複数配列させて構成される液体吐出ヘッド１であれば、何れかの吐出素子に吐出不良が生じた場合であっても、吐出不良が生じた液体吐出モジュールのみを交換すればよい。よって、液体吐出ヘッド１の製造工程における歩留まりを向上させるとともに、ヘッド交換時のコストを抑えることができる。
【００１２】
（液体吐出装置の構成）
図２は、本発明に使用可能な液体吐出装置２の制御構成を示すブロック図である。ＣＰＵ５００は、ＲＯＭ５０１に記憶されているプログラムに従い、ＲＡＭ５０２をワークエリアとして使用しながら、液体吐出装置２の全体を制御する。ＣＰＵ５００は、例えば、外部に接続されたホスト装置６００より受信した吐出データに、ＲＯＭ５０１に記憶されているプログラム及びパラメータに従って所定のデータ処理を施し、液体吐出ヘッド１が液体を吐出するための吐出信号を生成する。この吐出信号に従って液体吐出ヘッド１を駆動しながら、搬送モータ５０３を駆動して液体の付与対象媒体を所定の方向に搬送することにより、液体吐出ヘッド１から吐出された液体を液体の付与対象媒体に付着させる。液体吐出装置２がインクジェット記録装置を構成する場合、インクジェット記録ヘッドとしての液体吐出ヘッド１がインクを吐出し、液体吐出ヘッド１と記録媒体とを相対移動させるために搬送モータ５０３が記録媒体を搬送する。
【００１３】
液体循環ユニット５０４は、液体吐出ヘッド１に対して液体を循環させながら供給し、液体吐出ヘッド１における液体の流動制御を行うためのユニットである。液体循環ユニット５０４は、液体を貯留するサブタンク、サブタンクと液体吐出ヘッド１との間で液体を循環させる流路、複数のポンプ、及び液体吐出ヘッド１内を流れる液体の流量を調整するための流量調整ユニットなどを備えている。このような液体循環ユニット５０４は、ＣＰＵ５００の指示の下、液体吐出ヘッド１において液体が所定の流量で流れるように、上記複数の機構を制御する。
【００１４】
（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（吐出口形成部材）１４が積層されて構成されている。オリフィスプレート１４には、液体を吐出するための吐出口１１がｘ方向に複数配列されている。図３では、ｘ方向に配列された吐出口１１は、同種類の液体（例えば、共通のサブタンク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を別の部材（流路壁部材）で形成し、その上に吐出口１１が形成されたオリフィスプレート１４を設けた構成であってもよい。
【００１５】
シリコン基板１５上の、個々の吐出口１１に対応する位置には、圧力発生素子１２（図３では不図示）が配されている。吐出口１１と圧力発生素子１２とは、対向する位置に設けられている。圧力発生素子１２は、吐出信号に応じて電圧が印加されると、液体を流動方向（ｙ方向）と交差するｚ方向へ加圧して、圧力発生素子１２と対向する吐出口１１から液体を液滴として吐出する。圧力発生素子１２に対する電力及び駆動信号は、シリコン基板１５上に配された端子１７を介して、フレキシブル配線基板４０（図１参照）から供給される。基板１５は、ここではシリコン基板を用いているが、他の部材で形成された基板であってもよい。また、基板１５がシリコン基板である場合、シリコン基板に酸化膜（層）や絶縁膜（層）などが設けられていても、それらを含めて基板（シリコン基板）とする。
【００１６】
基板上（シリコン基板１５上）の、シリコン基板１５とオリフィスプレート１４との間には、ｙ方向に延在して、吐出口１１の夫々に個別に連通する、液体が流れる複数の液流路１３が形成されている。この液体は、後述する第１の液体と第２の液体とを含む。ｘ方向に配列される複数の液流路１３は、第１の共通供給流路２３、第１の共通回収流路２４、第２の共通供給流路２８、及び第２の共通回収流路２９に対して、共通に接続される。第１の共通供給流路２３、第１の共通回収流路２４、第２の共通供給流路２８、及び第２の共通回収流路２９における液体の流れは、図２の液体循環ユニット５０４によって制御される。具体的には、第１の共通供給流路２３から液流路１３に流入した第１の液体が第１の共通回収流路２４に向かって流れ、第２の共通供給流路２８から液流路１３に流入した第２の液体が第２の共通回収流路２９に向かって流れるように、ポンプが制御される。
【００１７】
図３では、このようなｘ方向に配列する吐出口１１及び液流路１３と、これらに共通してインクを供給したり回収したりする第１、第２の共通供給流路２３、２８、及び第１、第２の共通回収流路２４、２９の組が、ｙ方向に２列配置された例を示している。
【００１８】
（液流路及び圧力室の構成）
図４及び図５は、素子基板１０に形成された１つの液流路１３及び圧力室１８の構成を詳しく説明するための図である。図４（ａ）は、吐出口１１の側（＋ｚ方向側）から見た透視図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＩＶｂ−ＩＶｂ線に沿う断面図である。図５（ａ）は、図４（ａ）における液流路１３の斜視図である。図５（ｂ）は、図４（ｂ）における吐出口１１の近傍部分の拡大図である。図５（ｃ）は、図４（ｂ）における第１の流出口２５の近傍部分（図４（ｂ）のＶｃの部分）の拡大図である。
【００１９】
液流路１３の底部に相当するシリコン基板１５には、液流路１３に連通する第２の流入口２１、第１の流入口２０、第１の流出口２５、及び第２の流出口２６が、ｙ方向においてこの順に形成されている。吐出口１１と圧力発生素子１２とを有する圧力室１８は、液流路１３中で第１の流入口２０と第１の流出口２５のほぼ中央に配されている。第２の流入口２１は第２の共通供給流路２８に、第１の流入口２０は第１の共通供給流路２３に、第１の流出口２５は第１の共通回収流路２４に、第２の流出口２６は第２の共通回収流路２９に、それぞれ接続される（図３参照）。
【００２０】
第１の流入口２０は、液流路１３を液体が流れる方向の上流側から、液流路１３に第１の液体３１を流入させる。第１の共通供給流路２３から第１の流入口２０を通して供給される第１の液体３１は、矢印Ａ１のように液流路１３に流入してから、液流路１３内を矢印Ａ方向に流れる。その後、第１の液体３１は、圧力室１８を通り、矢印Ａ２のように第１の流出口２５から流出して、第１の共通回収流路２４に回収される（図５参照）。第２の流入口２１は、第１の流入口２０よりも、液流路１３を液体が流れる方向の上流側に配置されている。第２の共通供給流路２８から第２の流入口２１を通して供給される第２の液体３２は、矢印Ｂ１のように液流路１３に流入してから、液流路１３内を矢印Ｂ方向に流れる。その後、第２の液体３２は、圧力室１８を通り、矢印Ｂ２のように第２の流出口２６から流出して、第２の共通回収流路２９に回収される（図５参照）。第１の流入口２０と第１の流出口２５との間の液流路１３においては、第１の液体３１と第２の液体３２の両方が共にｙ方向に流動する。その際、圧力室１８の中では、第１の液体３１は、圧力発生素子１２が位置する圧力室１８の内面（図５（ｂ）中下側の底面）に接し、第２の液体３２は、吐出口１１にメニスカスを形成する。
【００２１】
また、圧力室１８の中では、圧力発生素子１２と、第１の液体３１と、第２の液体３２と、吐出口１１とが、この順で並ぶように、第１の液体３１と第２の液体３２とが流れている。すなわち、圧力発生素子１２がある側を下方、吐出口１１がある側を上方とすると、第１の液体３１の上方に第２の液体３２が流れており、これらの液体は互いに接触している。そして、第１の液体３１は、下方の圧力発生素子１２によって加圧され、少なくとも第２の液体が下方から上方に向けて吐出される。なお、この上下の方向が、圧力室１８及び液流路１３の高さ方向である。
【００２２】
第１の液体３１と第２の液体３２とは特に限定されるものではないが、第１の液体３１としては、例えば、水、または染料や顔料のような色材を水に含有させたインクを用いることができる。また、第２の液体３２としては、例えば、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を用いることができる。
【００２３】
本実施形態では、第１の液体３１と第２の液体３２が、図５（ｂ）に示すように、圧力室の中で互いに接触しながら液流路に沿って流れるように、第１の液体３１と第２の液体の物性に応じて、それらの流量を調整する。なお、本実施形態および後述する第２の実施形態における第１および第２の液体、および後述する第３の実施形態における第１、第２、および第３の液体の流れは、いずれも同じ方向に流動する平行流となっているが、本発明はこれに限られることはない。すなわち、本実施形態において、第１の液体の流動方向に対して第２の液体が反対向きに流動してもよい。また、第１の液体の流れと第２の液体の流れが交差するように、流路を設けてもよい。また、液流路（圧力室）の高さ方向において、第１の液体の上に第２の液体が流動するように液体吐出ヘッドを構成したが、これに限られない。後述する第２および第３の実施形態においても同様である。以下、この中で平行流を例にとって説明する。
【００２４】
平行流の場合、第１の液体３１と第２の液体３２の界面が乱れないこと、すなわち第１の液体３１と第２の液体３２が流動する圧力室１８内の流れが層流状態であること、が好ましい。特に、所定の吐出量を維持するなど、吐出性能を制御しようとする場合には、界面が安定している状態で圧力発生素子を駆動することが好ましい。但し、本発明はこれに限定されるものではない。圧力室１８内の流れが乱流状態となって２つの液体の界面が多少乱れたとしても、少なくとも圧力発生素子１２の側を主として第１の液体が流動し、吐出口１１の側を主として第２の液体が流動している状態であれば、圧力発生素子１２を駆動してもよい。以下では、圧力室内の流れが平行流であって、かつ、層流状態となっている例を中心に説明する。
【００２５】
（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。
【００２６】
ここで、液体の密度をρ、流速をｕ、代表長さをｄ、粘度をηとすると、レイノルズ数Ｒｅは（式１）で表すことができる。
Ｒｅ＝ρｕｄ／η  ・・・（式１）
【００２７】
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。
【００２８】
流れが層流になるということは、流線が流れの進行方向に対して互いに平行となり交わらないということである。したがって、接触する２つの液体がそれぞれ層流であれば、２つの液体の界面が安定している平行流を形成することができる。ここで、一般的なインクジェット記録ヘッドについて考えると、液流路（圧力室）における吐出口近傍の流路（圧力室）高さＨ［μｍ］は１０〜１００μｍ程度である。よって、インクジェット記録ヘッドの液流路に水（密度ρ＝１．０×１０３ｋｇ/ｍ3、粘度η＝１．０ｃＰ）を流速１００ｍｍ／ｓで流した場合、レイノルズ数はＲｅ＝ρｕｄ／η≒０．１〜１．０＜＜２２００となり、層流が形成されるとみなすことができる。
【００２９】
なお、図４に示すように、液流路１３や圧力室１８の断面が矩形であったとしても、液体吐出ヘッドでは液流路１３や圧力室１８の高さや幅は十分小さい。このため、液流路１３や圧力室１８は円管と同等に、すなわち液流路１３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。
【００３０】
（層流状態の平行流の理論的な形成条件）
次に、図５（ｂ）を参照しながら、液流路１３及び圧力室１８の中で２種類の液体の界面が安定している平行流を形成する条件について説明する。シリコン基板１５と、オリフィスプレート１４の吐出口１１の開口面（吐出口面）と、の間の距離、すなわち圧力室１８の高さをＨ［μｍ］とする。また、第１の液体３１と第２の液体３２の界面（液液界面）と、吐出口面と、の間の距離（第２の液体の相厚）をｈ2［μｍ］とし、その界面とシリコン基板１５との間の距離（第１の液体の相厚）をｈ1［μｍ］とする。したがって、Ｈ＝ｈ1＋ｈ2となる。
【００３１】
ここで、液流路１３及び圧力室１８内の境界条件として、液流路１３及び圧力室１８の壁面における液体の速度はゼロとする。また、第１の液体３１と第２の液体３２の界面における速度とせん弾応力は、連続性を有するものと仮定する。この仮定において、第１の液体３１と第２の液体３２が２層の平行な定常流を形成している場合、平行流区間では（式２）の４次方程式が成立する。
【００３２】
【数１】
2020023150.tif 000003
【００３３】
なお、（式２）において、η1は第１の液体３１の粘度、η2は第２の液体３２の粘度、Ｑ1は第１の液体３１の流量、Ｑ2は第２の液体３２の流量をそれぞれ示す。すなわち、上記の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。本発明では、この第１の液体と第２の液体の平行流を、液流路１３内、少なくとも圧力室１８内で形成することが好ましい。このような平行流が形成された場合、第１の液体と第２の液体は、その液液界面において分子拡散による混合が起こるのみであり、実質的に交じり合うことなくｙ方向に平行に流れる。なお、本発明は、圧力室１８内の一部の領域における液体の流れが層流状態となっていなくてもよい。少なくとも圧力発生素子上の領域を流れる液体の流れが層流状態となっていることが好ましい。
【００３４】
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。
【００３５】
図６（ａ）は、（式２）において、流量比Ｑr＝Ｑ2/Ｑ1を複数段階に異ならせた場合の、粘度比ηr＝η2/η1と第１の液体の相厚比ｈr＝ｈ1/（ｈ1＋ｈ2）との関係の説明図である。なお、第１の液体は水に限定されないが、「第１の液体の相厚比」を以下「水相厚比」と称する。横軸は粘度比ηr＝η2/η1、縦軸は水相厚比ｈr＝ｈ1/（ｈ1＋ｈ2）をそれぞれ示す。流量比Ｑrが大きくなるほど、水相厚比ｈrが小さくなる。また、いずれの流量比Ｑrにおいても、粘度比ηrが大きくなるほど、水相厚比ｈrが小さくなる。したがって、液流路１３における水相厚比ｈr（第１の液体と第２の液体の界面位置に対応）は、第１の液体と第２の液体の粘度比ηr及び流量比Ｑrを制御することによって、所定の値に調整することができる。また図６（ａ）から、粘度比ηrと流量比Ｑrとを比較した場合に、流量比Ｑrは、粘度比ηrよりも水相厚比ｈrに大きく影響することが分かる。
【００３６】
図６（ａ）中の状態Ａ、Ｂ、Ｃは、それぞれ以下の状態を示す。
状態Ａ：粘度比ηr＝１、流量比Ｑr＝１、水相厚比ｈr＝０．５０
状態Ｂ：粘度比ηr＝１０、流量比Ｑr＝１、水相厚比ｈr＝０．３９
状態Ｃ：粘度比ηr＝１０、流量比Ｑr＝１０、水相厚比ｈr＝０．１２
【００３７】
図６（ｂ）は、液流路１３（圧力室）の高さ方向（ｚ方向）における流速分布を上記状態Ａ、Ｂ、Ｃのそれぞれについて示した図である。横軸は、状態Ａの流速最大値を１（基準）として規格化した規格化値Ｕｘを示す。縦軸は、液流路１３（圧力室）の高さＨを１（基準）とした場合の底面からの高さを示している。夫々の状態を示す曲線においては、第１の液体と第２の液体の界面位置をマーカーで示している。状態Ａの界面位置が状態Ｂ及び状態Ｃの界面位置よりも高いなど、界面位置が状態によって変化することが分かる。その理由は、異なる粘度を有する２種類の液体が層流となって管内を平行に流れる場合、これら２つの液体の界面は、これら液体の粘度差に起因する圧力差と界面張力に起因するラプラス圧が釣り合う位置に形成されるためである。
【００３８】
（吐出動作時の液体の流れ）
第１の液体と第２の液体がそれぞれ流れることにより、それらの粘度比ηrと流量比Ｑrに応じた位置（水相厚比ｈrに対応）に液面（液液界面）が形成される。その界面の位置を維持したまま、吐出口１１から液体を吐出することができれば、安定した吐出動作を実現することができる。このような安定した吐出動作を実現するための構成として、以下の２つが挙げられる。
構成１：第１の液体と第２の液体が流れている状態で液体を吐出する構成
構成２：第１の液体と第２の液体が静止している状態で液体を吐出する構成
【００３９】
構成１により、所定の界面位置を維持しつつ液体を安定的に吐出することが可能である。その理由は、一般的な液滴の吐出速度（数ｍ/ｓから十数ｍ/ｓ）は、第１の液体と第２の液体の流速（数ｍｍ/ｓ〜数ｍ/ｓ）よりも大きく、吐出動作中に第１の液体と第２の液体を流し続けても液体の吐出に与える影響は小さいからである。
【００４０】
また、構成２によっても、所定の界面位置を維持しつつ液体を安定的に吐出することが可能である。その理由は、界面における液体の拡散の影響によって、第１及び第２の液体は直ちに混合されるわけではなく、それらの液体の非混合状態が極短時間では維持されるからである。したがって、液体の吐出の直前に、それらの液体の流れを止めて静止させた状態において界面が維持されているため、その界面の位置を維持したまま液体を吐出することが可能である。ただし、界面における液体の拡散による第１及び第２の液体の混合の影響を小さく抑えることできること、及び液体の流動と停止のための高度な制御が不必要であることから、第１形態の方が好ましい。
【００４１】
（液体の吐出モード）
界面の位置（水相厚比ｈrに対応）を変化させることによって、吐出口から吐出される液滴（吐出液滴）に含まれる第１の液体の割合を変化させることができる。液体の吐出モードは、吐出液滴の種類に応じて２つに大きく分けることができる。
モード１：第２の液体のみを吐出するモード
モード２：第２の液体に第１の液体を含めて吐出するモード
【００４２】
モード１は、例えば、圧力発生素子１２として電気熱変換体（ヒータ）を用いるサーマル式の液体吐出ヘッド、つまり液体の性質に大きく依存する発泡現象を利用する液体吐出ヘッドを用いる場合に有効となる。このような液体吐出ヘッドにおいては、ヒータの表面に生じる液体のコゲによって液体の発泡が不安定化するおそれがあり、また非水系インクなどの液体を吐出させることが困難である。しかし、モード１を利用して、第１の液体として、ヒータの表面にコゲが生じ難く発泡に適した発泡液を用い、第２の液体として種々の機能をもつ機能液を用いることにより、ヒータの表面のコゲを抑制しつつ、非水系インクなどの液体を吐出させることができる。
【００４３】
モード２は、サーマル式の液体吐出ヘッドにおいてのみならず、圧力発生素子１２として圧電素子を用いる液体吐出ヘッドにおいて、高濃度固形分のインクなどの液体を吐出するために有効となる。より具体的には、色材である顔料の含有量が多い高濃度顔料インクを記録媒体上に吐出する場合に、有効となる。一般に、顔料インクにおける顔料を濃度化することにより、その高濃度顔料インクによって普通紙などの記録媒体に記録した画像の発色を向上させることができる。さらに、高濃度顔料インクに樹脂ＥＭ（エマルジョン）を添加することにより、樹脂ＥＭの膜化により記録画像の擦過性などを向上させることができる。しかし、顔料及び樹脂ＥＭなどの固形分は、それらの増加により粒子間距離が近接化して凝集しやすくなり、分散しにくくなる。特に、顔料は樹脂ＥＭよりも分散させにくい。そのため、顔料または樹脂ＥＭのいずれか一方の量を少なくすることにより、具体的には、顔料／樹脂ＥＭ量を略４／１５または８／４ｗｔ％とすることにより、それらを分散させる。しかし、モード２を利用して、第１の液体として高濃度樹脂ＥＭインクを用い、第２の液体として高濃度顔料インクを用いることにより、高濃度樹脂ＥＭインクと高濃度顔料インクを所定割合で吐出させることができる。その結果、高濃度顔料インクと高濃度樹脂ＥＭインクを記録媒体に付与して（顔料／樹脂ＥＭ量が略８／１５ｗｔ％）、画像を記録することができ、１つのインクでは実現しにくい画像、つまり擦過性などが優れた高品位の画像を記録することが可能となる。
【００４４】
（液体の分離回収）
次に、第１の流出口２５による第１の液体３１の回収、及び第２の流出口２６による第２の液体３２の回収について説明する。
【００４５】
図１４及び図１５は、第１の液体３１及び第２の液体３２の回収方法の比較例を説明するための図である。図１４（ａ）は、吐出口１１の側（＋ｚ方向側）から見た透視図、図１４（ｂ）は、第１の液体３１の水相厚ｈ1が比較的大きい場合における図１４（ａ）のＸＩＶｂ−ＸＩＶｂ線に沿う断面図、図１４（ｃ）は、図１４（ｂ）のＸＩＶｃ部分の拡大図である。図１５（ａ）は、第１の液体３１の水相厚ｈ1が比較的小さい場合における図１４（ｂ）と同様の断面図、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）のＸＶｂ部分の拡大図である。
【００４６】
粘度比ηrと流量比Ｑrが一定の場合、水相厚比ｈrは一定となる。そのため、液流路（圧力室）１３の高さＨが同じである限り、第１の液体３１の水相厚ｈ1は、一定の厚みを維持して流れる。その第１の液体３１が流出口２５から流出する形態としては、次のような２つの形態がある。
流出形態１：第１の流出口２５から、第１の液体３１のみが流出する形態（図１４（ｃ）参照）
流出形態２：第１の流出口２５から、第１の液体３１と第２の液体３２が混在して流出する形態（図１５（ｂ）参照）
【００４７】
流出形態１のように第１の液体３１のみを流出させるためには、図１４（ｃ）のように、第１の液体３１の水相厚ｈ1と、第１の流出口２５のｙ方向の幅と、を略等しくする必要がある。しかし、前述したモード１のように第２の液体のみを吐出する場合には、第１の液体３１の水相厚ｈ1を薄くする必要があり、それに合わせて第１の流出口２５のｙ方向の幅を小さくすると、第１の液体３１の供給性が低下する。したがって、第１の液体３１の水相厚ｈ1と、第１の流出口２５のｙ方向の幅とを同程度に設定することは難しい。そのため、図１５（ｂ）のように、第１の液体３１の水相厚ｈ1と、第１の流出口２５のｙ方向の幅とが異なって、流出形態２のように、第１の液体３１と第２の液体３２とが混在して第１の流出口２５から流出することになる。すなわち、第１の液体３１と第２の液体３２との分離回収が良好に行われていない。
【００４８】
そこで、本実施形態においては、図４及び図５に示すように、液流路１３の底面（内面）となる基板１５の表面１５Ａの中で、第１の流出口２５の液体が流れる方向（ｙ方向）の下流側の位置に、分離壁４１を設ける。即ち、分離壁４１は、液流路内において、第１の流出口２５を介して圧力室がある側と反対側の基板にある。分離壁４１は、第１の流出口２５よりも液体が流れる方向（ｙ方向）の上流側の基板１５の表面１５Ａよりも、高い位置にある部分を有する壁である。即ち、分離壁４１は、第１の流出口２５を挟んで圧力室がある側の基板の表面よりも高い位置にある部分を含む。「高い位置にある部分を有する」とは、分離壁４１全てが、第１の流出口２５よりも液体が流れる方向の上流側の基板１５の表面１５Ａより高い必要はないことを意味する。前述したように、第１の液体３１と第２の液体３２とは、液流路１３及び圧力室１８の中で、第１の液体３１の上に第２の液体３２が積層するように、互いに接しながら流れる。第１の液体３１と第２の液体３２とが接する界面は、水平方向に延在している。分離壁４１は、第１の液体３１を第１の流出口２５に導くための壁であり、上述したように第１の流出口２５の周部における液体が流れる方向（ｙ方向）の下流側に位置するように、基板１５の表面１５Ａ上に設けられている。本例の場合、分離壁４１は、表面１５Ａから突出し、液体が流れる方向の上流側の端部が第１の流出口２５の下流側の開口端上にあるように設けられている。また、分離壁４１は、第１の流出口２５と第２の流出口２６との間に延在するように設けられている。分離壁４１の上面の位置は、上流側の基板１５の表面（液流路１３の内面）１５Ａよりも、図５（ｃ）中の距離Ｚだけ高い位置にある。このような分離壁４１を設けることにより、第１の液体３１は、分離壁４１に当たって第１の流出口２５に導かれる傾向になる。一方、第２の液体３２は、分離壁４１に当たらずに、液体が流れる方向の下流側に流れて、第２の流出口２６に導かれる傾向になる。すなわち、第１の液体３１と第２の液体３２とを、良好に分離して効率よく回収することができる。これは、第１の液体３１の水相厚ｈ1が薄い場合であっても同様である。また、分離壁４１は、吐出動作によって界面が最も乱れる吐出口付近ではなく、吐出口から離れた位置（第１の流出口を挟んで吐出口がある側とは反対側）にある。そのため、吐出口付近の界面の乱れにあまり影響されることなく、第１の液体を第１の流出口に導くことができる。これは、界面の乱れが最も大きい吐出口付近から離れるにつれて、界面の乱れが小さくなるからである。
【００４９】
本例における第１の流出口２５のｘ方向の幅は、図４（ａ）のように、液流路１３のｘ方向の幅よりも広い。しかし、第１の流出口２５の幅は、液流路１３の幅と同等、もしくは液流路１３の幅より狭くてもよく、このような場合においても第１の液体３１と第２の液体３２とを効率よく分離して回収することができる。このような分離回収の効率の観点からは、本例のように、第１の流出口２５の幅が液流路１３の幅より広いことが好ましい。
【００５０】
また、分離壁４１は、第１の流出口２５と第２の流出口２６との間の全領域に渡って延在するように設ける必要はなく、図７のように、その領域の一部にのみに設けてもよい。このような構成によっても、第１の液体３１と第２の液体３２とを効率よく分離して回収することができる。ただし、第１の液体３１と第２の液体３２の分離回収の効率向上のためには、図７のように、第１の流出口２５の周部における液体の流れ方向（ｙ方向）の下流側の少なくとも近傍位置に、分離壁４１を設けることが好ましい。分離壁４１は、基板１５の一部（例えば、シリコン基板のシリコンや、シリコン基板上の膜）で形成してもよいし、基板１５とは別の部材（例えば樹脂層や金属層）で形成してもよい。
【００５１】
次に、分離壁を設ける別の例として、掘り込み部を設ける例を説明する。図８に示す基板１５は、表面１５Ａの中で、第１の流出口２５よりも液体が流れる方向の上流側に掘り込み部４２を設けている。すなわち、掘り込み部４２は、第１の流出口２５の周部における液体の流れ方向（ｙ方向）の上流側に位置する。掘り込み部４２の位置は、基板１５の表面１５Ａよりも、図８（ａ）中の距離Ｚだけ低い位置に設定する。第１の流出口２５の液体が流れる方向の下流側には、基板１５の表面１５Ａに掘り込み部を設けていない。これにより、第１の流出口２５よりも液体が流れる方向の下流側に、第１の流出口２５よりも液体の流れる方向の上流側の基板１５の表面１５Ａよりも高い位置にある部分（例えば、第１の流出口２５の下流側の基板１５の側壁）ができる。すなわち、第１の流出口２５の周部において、ｙ方向の下流側の部分は、ｙ方向の上流側の部分よりも相対的に距離Ｚだけ高くなり、分離壁４１となっている。言い換えれば、第１の流出口を介して圧力室がある側と反対側の基板に分離壁４１があることになり、この分離壁４１は、第１の流出口を挟んで圧力室がある側の基板の表面よりも高い位置にある。このような構成によっても、第１の液体３１と第２の液体３２とを効率よく分離して回収することができる。なお、掘り込み部４２は、例えば、基板１５の酸化膜のエッチング処理や、基板１５をドライエッチングすることによって形成することが可能である。掘り込み部４２は、図４及び図５で説明した分離壁４１と共に用いてもよい。
【００５２】
以上のようにして分離回収した第１の液体３１や第２の液体３２は、再び圧力室の中に戻して使用することが好ましい。すなわち、圧力室の中を流れる第１の液体３１や第２の液体３２は、圧力室の外部との間で循環することが好ましい。
【００５３】
（第２の実施形態）
図９及び図１０は、本発明の第２の実施形態の説明図である。図９（ａ）は、液流路１３の断面図、図９（ｂ）は、その液流路１３の斜視図、図９（ｃ）は、図９（ａ）のＩＸｃ部分の拡大図である。図９と図１０は、第１の液体３１の水相厚ｈ1のみが異なる。
【００５４】
（水相厚と分離壁との関係）
本実施形態における分離壁４１には、図９および図１０のように、液体が流れる方向（ｙ方向）の上流側に向かって突出する突出部４３が設けられている。
【００５５】
突出部４３は、分離壁４１から液体が流れる方向（ｙ方向）の上流側に向かって突出している。このため、第１の液体３１が第１の流出口２５から流出する前に、第１の液体３１と第２の液体３２の界面（液液界面）が突出部４３に衝突する。その界面は、位置が安定した状態のまま突出部４３に衝突するため、第１の液体３１および第２の液体３２の分離回収の効率が向上する。すなわち、図９のように、界面を突出部４３に衝突させることにより、第１の液体３１が第１の流出口２５からより選択的に流出し、第２の液体３２が第２の流出口２６からより選択的に流出しやすくなる。一方、図１０のように、界面が突出部４３に衝突せずに、その突出部４３の上を通過した場合には、第１の液体３１と第２の液体３２が混在して第２の流出口２６から流出する。図１０に示す例でも、分離壁４１が設けられている分、第１の液体３１と第２の液体３２とを分離して回収することはできるが、分離壁４１の突出部４３は、第１の液体３１と第２の液体３２の界面が衝突する位置に配置することが好ましい。なお、このことは突出部４３が設けられていない場合であっても同様であり、分離壁４１は、第１の液体３１と第２の液体３２の界面が衝突する位置に配置することが好ましい。
【００５６】
さらに、界面の位置が変動した場合における第１および第２の液体の分離回収のロバスト性を確保するために、界面の位置は、突出部４３の厚さＷの方向の中心部分に衝突する位置に制御することが好ましい。界面の位置は、前述したように粘度比ηrと流量比Ｑrに対する水相厚比ｈrに対応する。しかし、粘度比ηrは、第１の液体３１および第２の液体３２の長期の使用により変化し、また流量比Ｑrは、第１の液体３１および第２の液体３２を流動させるためのポンプによる流量の脈動により変化する。そのため、界面位置の変動に対する第１の液体３１および第２の液体３２の分離回収のロバスト性は重要である。
【００５７】
このようなロバスト性を確保するためには、突出部４３の厚さＷを大きくすることが有効となる。しかし、厚さＷを大きくすることは、第２の流出口２６から流出する前の第２の液体３２が流れる液流路１３の部分の高さの低下をもたらし、第２の液体３２の供給性の低下を招く。したがって、このような観点から、厚さＷは適切な大きさに設定する必要がある。また、突出部４３の形状は、図１１（ａ），（ｂ）のように、先端が鋭角を成す形状であってもよい。
【００５８】
（水相厚と突出部の突出量との関係）
図１２（ａ），（ｂ），（ｃ）は、分離壁４１の突出部４３の突出量（第１の流出口２５の上方からｙ方向の上流側に突出する長さ）Ｌが異なる場合の説明図である。突出量Ｌが異なる図１２（ａ），（ｂ），（ｃ）のいずれの場合においても、図９（ｃ）の場合と同様に、第１および第２の液体の界面が突出部４３に衝突する。図１２（ａ）の突出部４３は、第１の流出口２５の上方全体を覆う位置から、さらにｙ方向の上流側に突出量Ｌだけ突出する。図１２（ｂ）の突出部４３の吐出量Ｌはゼロであり、その突出部４３が第１の流出口２５の上方全体を丁度覆う位置にある。図１２（ｃ）の突出部４３は、第１の流出口２５の上方全体は覆わず、第１の液体３１の水相厚ｈ1に相当するＬ´分だけ、第１の流出口２５の液体が流れる方向の上流側の端部から後退した位置にある。
【００５９】
図１２（ａ），（ｂ）の場合、界面は位置が安定したまま突出部４３に衝突するため、第１および第２の液体の分離回収の効率が向上する。しかし、突出部４３が第１の流出口２５の上方全体覆うため、第２の流出口２６から流出する前の第２の液体３２が流れる液流路１３の部分の高さの低下をもたらし、第２の液体３２の供給性の低下を招く。したがって、第２の液体３２の供給性の観点からは、突出部４３の突出量Ｌは短い方が好ましい。第１の液体３１および第２の液体３２の分離回収の効率と、第２の液体３２の供給性とを両立させるためには、突出部４３の位置は、第１の液体３１の水相厚ｈ1を考慮することが好ましい。即ち、図１２（ｃ）のように、突出部４３の位置は、第１の流出口２５の液体が流れる方向の上流側の端部からＬ´だけ後退しており、Ｌ´≧ｈ1となることが好ましく、Ｌ´＝ｈ1となることがより好ましい。
【００６０】
（第３の実施形態）
本実施形態においても、図１〜図３に示した液体吐出ヘッド１および液体吐出装置を使用する。
【００６１】
図１３は、本実施形態における液流路１３の構成を示す図である。第１の実施形態で説明した液流路１３と異なる点は、液流路１３に第１の液体３１と第２の液体３２に加えて第３の液体３３を流していることである。第２の液体を圧力室内に流動させることにより、前述したような、臨界圧力の大きい発泡媒体を第１の液体とし、第２の液体および第３の液体には異なる色のインクや高濃度樹脂ＥＭ等を採用することができる。
【００６２】
本実施形態の液流路１３においては、図１３のように、前述した第１の実施形態における第１の液体３１と第２の液体３２の層流状態の平行流に加えて、第３の液体３３によっても層流状態の平行流を形成するように、それらの液体が流動可能である。液流路１３の内面（底面）に相当するシリコン基板１５の表面１５Ａには、第２の流入口２１、第３の流入口２２、第１の流入口２０、第１の流出口２５、第３の流出口２７、第２の流出口２６が、ｙ方向においてこの順に形成されている。吐出口１１と圧力発生素子１２を含む圧力室１８は、液流路１３の中で第１の流入口２０と第１の流出口２５との間のほぼ中央に配されている。
【００６３】
第１の液体３１および第２の液体３２は、前述した実施形態と同様に、第１および第２の流入口２０および２１から液流路１３に流入され、ｙ方向に流動した後、圧力室１８を通って第１および第２の流出口２５および２６から流出される。第３の流入口２２を通して流入される第３の液体３３は、矢印Ｃ１のように液流路１３に導入されてから、液流路１３内を矢印Ｃ方向に流れる。その後、第３の液体３３は、圧力室１８を通って、矢印Ｃ２のように第３の流出口２７から導出されて回収される。したがって、液流路１３内において、第１の流入口２０と第１の流出口２５との間には、第１の液体３１と第２の液体３２と第３の液体３３が共にｙ方向に流動する。その際、圧力室１８の中で、第１の液体３１は、圧力発生素子１２が位置する圧力室１８の内面（基板１５の表面１５Ａ）に接し、第２の液体３２は、吐出口１１にメニスカスを形成し、第３の液体は、第１の液体３１と第２の液体３２との間を流動する。
【００６４】
本実施形態においても、前述した第１の実施形態と同様に、基板１５上に、第１の流出口２５の周部における液体の流動方向（ｙ方向）の下流側に位置する分離壁４１Ａを設けている。さらに、基板１５上に、第３の流出口２７の周部におけるｙ方向の下流側に位置する分離壁４１Ｂを設けている。これらの分離壁４１Ａ，４１Ｂは、前述した第１の実施形態の分離壁４１と同様に機能する。すなわち、分離壁４１Ａは、第１の液体３１と第３の液体３３とを効率よく分離し、分離壁４１Ｂは、第３の液体３３と第２の液体３２とを効率よく分離する。これらの分離壁４１Ａ，４２Ｂは、少なくとも一方を設けてもよく、また前述した第２の実施形態と同様の突出部を設けてもよい。また、液流路１３内に４種類以上の液体を積層しているように流す場合も同様である。
【００６５】
本実施形態において、ＣＰＵ５００は、液体循環ユニット５０４を介して第１の液体３１の流量Ｑ1、第２の液体の流量Ｑ2、第３の液体の流量Ｑ3を制御して、図１３（ｄ）に示すような三層の平行流を定常的に形成する。このような三層の平行流が形成された状態において、液体吐出ヘッド１の圧力発生素子１２を駆動することにより、吐出口１１から液滴を吐出させることができる。このような吐出動作によって界面位置が乱れたとしても短時間で３つの液体による三層の平行流が復元され、次の吐出動作を直ちに開始することができる。この結果、第１の液体、第２の液体、および第３の液体を所定の割合で含む液滴の吐出動作を良好に実行して、その液滴が付与された好適な出力物を得ることができる。
【００６６】
（他の実施形態）
圧力室の中を流れる第１の液体や第２の液体は、圧力室の外部との間で循環してもよい。循環を行わない場合には、液流路及び圧力室の中で平行流を形成した第１の液体及び第２の液体のうち、吐出されなかった液体が多く発生してしまう。このため、第１の液体や第２の液体を外部との間で循環させると、吐出されなかった液体を再び平行流を形成するために使用することができる。
【００６７】
また、本発明の液体吐出ヘッド及び液体吐出装置は、インクを吐出するインクジェット記録ヘッド及びインクジェット記録装置に限定されない。本発明の液体吐出ヘッド及び液体吐出装置は、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサなどの装置、さらには、各種処理装置と複合的に組み合わせた産業記録装置に適用可能である。特に、第２の液体として様々なものが用いられるので、バイオチップ作製及び電子回路印刷などの用途としても用いることもできる。
【符号の説明】
【００６８】
１１  吐出口
１２  圧力発生素子
１３  液流路
１５Ａ  表面（液流路の内面）
２５  第１の流出口
２６  第２の流出口
３１  第１の液体
３２  第２の液体
４１  分離壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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