液体喷射头、液体喷射设备和液体喷射模块的制作方法

本公开涉及液体喷射头、液体喷射模块和液体喷射设备。

背景技术：

日本专利公开no.h06-305143公开了一种液体喷射单元，其构造成使用作喷射介质的液体和用作发泡介质的液体在界面上彼此接触，并且随着在接收传递的热能的发泡介质中产生的气泡的生长而喷射介质。日本专利公开no.h06-305143描述了通过向喷射介质和发泡介质中的一者或两者施加压力来形成喷射介质和发泡介质的流动。

技术实现要素：

在本公开的第一方面中，提供了一种液体喷射头，其包括：压力室，所述压力室构造成允许第一液体和第二液体在内部流动；压力产生元件，所述压力产生元件构造成向第一液体施加压力；喷射口，所述喷射口构造成喷射第二液体，其中，第一液体和与第一液体相比在更靠近喷射口的一侧流动的第二液体在压力室中彼此接触地流动，并且在压力室中流动的第一液体和第二液体满足：

0.0<0.44(q2/q1)^-0.322(η2/η1)^-0.109<1.0，

其中η1是第一液体的粘度，η2是第二液体的粘度，q1是第一液体的流量(体积流量[um³/us])，q2是第二液体的流量(体积流量[um³/us])。

在本公开的第二方面中，提供了一种液体喷射设备，其包括液体喷射头，所述液体喷射头包括：压力室，所述压力室构造成允许第一液体和第二液体在内部流动；压力产生元件，所述压力产生元件构造成向第一液体施加压力；喷射口，所述喷射口构造成喷射第二液体，其中，第一液体和与第一液体相比在更靠近喷射口的一侧流动的第二液体在压力室中彼此接触地流动，并且在压力室中流动的第一液体和第二液体满足：

0.0<0.44(q2/q1)^-0.322(η2/η1)^-0.109<1.0，

其中η1是第一液体的粘度，η2是第二液体的粘度，q1是第一液体的流量，q2是第二液体的流量。

在本公开的第三方面中，提供了一种用于构造液体喷射头的液体喷射模块，所述液体喷射头包括：压力室，所述压力室构造成允许第一液体和第二液体在内部流动；压力产生元件，所述压力产生元件构造成向第一液体施加压力；喷射口，所述喷射口构造成喷射第二液体，其中，第一液体和与第一液体相比在更靠近喷射口的一侧流动的第二液体在压力室中彼此接触地流动，在压力室中流动的第一液体和第二液体满足：

0.0<0.44(q2/q1)^-0.322(η2/η1)^-0.109<1.0，

其中η1是第一液体的粘度，η2是第二液体的粘度，q1是第一液体的流量，q2是第二液体的流量，并且液体喷射头通过排列多个液体喷射模块而形成。

参照附图，根据下文对示例性实施例的描述，本发明的其它特征将变得显而易见。

附图说明

图1是喷射头的透视图；

图2是用于说明液体喷射设备的控制构造的框图；

图3是液体喷射模块中的元件板的剖视透视图；

图4a至4d示出了形成在元件板中的液体流动通道和压力室的放大细节；

图5a和5b是表示粘度比和水相厚度比之间的关系、以及压力室的高度与流速之间的关系的曲线图。

图6是示出了用于形成平行流的精确解与近似解之间的相关性的曲线图。

图7a至7e是示意性地示出了喷射操作中的过渡状态的图；

图8a至8e是示意性地示出了喷射操作中的过渡状态的更多图；

图9a至9e是示意性地示出了喷射操作中的过渡状态的更多图；

图10a至10g是示出了各种水相厚度比下的喷射液滴的图；

图11a至11e是示出了各种水相厚度比下的喷射液滴的更多图；

图12a至12c是示出了各种水相厚度比下的喷射液滴的更多图；

图13是表示流动通道(压力室)的高度与水相厚度比之间的关系的曲线图；和

图14a和14b是表示含水率和发泡压力之间的关系的曲线图。

具体实施方式

然而，日本专利公开no.h06-305143没有具体公开喷射介质和发泡介质的物理性质与用于稳定界面的流量的相关性，因此未能阐明控制喷射介质和发泡介质的流动的方法。因此，由于喷射介质和发泡介质的组合以及其它因素而不能很好地形成界面，因此导致难以提高喷射性能(例如喷射量和喷射速度)，并且难以执行稳定的喷射操作。

已经做出了本公开以解决上述问题。这样，本发明的一个目的是提供一种能够适当地控制喷射介质和发泡介质之间的界面并且能够进行稳定的喷射操作的液体喷射头。

(液体喷射头的构造)

图1是可用于本实施例中的液体喷射头1的透视图。本实施例中的液体喷射头1通过沿着x方向排列多个液体喷射模块100而形成。每个液体喷射模块100包括喷射元件排列在其上的元件板10、和用于向各个喷射元件供应电力和喷射信号的柔性配线板40。柔性配线板40连接到共同使用的电气配线板90，所述电气配线板90设置有电力供应端子和喷射信号输入端子的阵列。每个液体喷射模块100可以容易地附接到液体喷射头1以及从液体喷射头1拆卸。因此，任何期望的液体喷射模块100可以容易地从外部附接到液体喷射头1或者从液体喷射头1拆卸，而无需拆开液体喷射头1。

假定如上所述通过沿着纵向方向多重布置液体喷射模块100(通过多个液体喷射模块的阵列)而形成液体喷射头1，则即使喷射元件中的某一个引起喷射失败，也仅需要更换喷射失败中涉及的液体喷射模块。因此，可以在制造过程中提高液体喷射头1的产量，并且降低更换液体喷射头的成本。

(液体喷射设备的构造)

图2是示出了适用于本实施例的液体喷射设备2的控制构造的框图。cpu500在使用ram502作为工作区域的同时根据存储在rom501中的程序而控制整个液体喷射设备2。例如，cpu500根据存储在rom501中的程序和参数对要从外部连接的主机设备600接收的喷射数据执行规定的数据处理，从而产生喷射信号以使得液体喷射头1能够执行喷射。然后，液体喷射头1根据喷射信号而被驱动，同时用于沉积液体的目标介质通过驱动传送马达503而沿预定方向移动。因此，从液体喷射头1喷射的液体沉积在沉积目标介质上以进行粘附。

液体循环单元504是构造成使液体循环并将液体供应到液体喷射头1并且对液体喷射头1中的液体进行流动控制的单元。液体循环单元504包括用于存储液体的子罐、用于使液体在子罐和液体喷射头1之间循环的流动通道、泵、阀机构等。因此，在cpu500的指令下，这些泵和阀机构被控制成使得液体以预定的流量在液体喷射头1中流动。

(元件板的构造)

图3是设置在每个液体喷射模块100中的元件板10的剖视透视图。元件板10通过在硅(si)基板15上堆叠孔板14(喷射口形成构件)而形成。在孔板14中，用于喷射液体的喷射口11沿x方向成行地排列。在图3中，沿x方向排列的喷射口11喷射相同类型的液体(例如，从公共的子罐或公共的供应口供应的液体)。图3示出了孔板14也设置有液体流动通道13的示例。替代地，元件板10可以采用其中液体流动通道13通过使用不同的部件(流动通道形成构件)形成并且设置有喷射口11的孔板14放置在该部件上的构造。

压力产生元件12(图3中未示出)在与相应的喷射口11相对应的位置处布置在硅基板15上。每个喷射口11和相应的压力产生元件12位于彼此相对的位置处。在响应于喷射信号而施加电压的情况下，压力产生元件12沿着与液体的流动方向(y方向)正交的z方向向至少第一液体施加压力。相应地，至少第二液体从与压力产生元件12相对的喷射口11以液滴的形式喷射。柔性配线板40经由布置在硅基板15上的端子17向压力产生元件12供应电力和驱动信号。

孔板14设置有沿着y方向延伸并且分别连接到各喷射口11的多个液体流动通道13。同时，沿着x方向排列的液体流动通道13连接到共用的第一公共供应流动通道23、第一公共收集流动通道24、第二公共供应流动通道28和第二公共收集流动通道29。第一公共供应流动通道23、第一公共收集流动通道24、第二公共供应流动通道28和第二公共收集流动通道29中的液体的流动由参考图2描述的液体循环单元504控制。更确切地说，液体循环单元504控制泵，使得从第一公共供应流动通道23流入液体流动通道13的第一液体被引导至第一公共收集流动通道24，而从第二公共供应流动通道28流入液体流动通道13中的第二液体被引导至第二公共收集流动通道29。

图3示出了这样的示例，其中沿着x方向排列的喷射口11和液体流动通道13、以及用于向这些喷射口和通道供应墨水和从这些喷射口和通道收集墨水且共同使用的第一公共供应流动通道23、第二公共供应流动通道28和第一公共收集流动通道24、第二公共收集流动通道29被限定为一组，并且沿着y方向排列两组这些部件。

(流动通道和压力室的构造)

图4a至4d是用于说明在元件板10中形成的每个液体流动通道13和每个压力室18的详细构造的图。图4a是从喷射口11侧(从+z方向侧)来看的透视图。图4b是沿着图4a中所示的ivb-ivb线截取的剖视图。同时，图4c是图3中所示的元件板中的每个液体流动通道13附近的放大图。此外，图4d是图4b中的喷射口附近的放大图。

与液体流动通道13的底部相对应的硅基板15包括沿着y方向以列出的顺序形成的第二流入口21、第一流入口20、第一流出口25和第二流出口26。此外，包括喷射口11和压力产生元件12的压力室18基本上位于液体流动通道13中的第一流入口20和第一流出口25之间的中心处。第二流入口21连接到第二公共供应流动通道28，第一流入口20连接到第一公共供应流动通道23，第一流出口25连接到第一公共收集流动通道24，并且第二流出口26连接到第二公共收集流动通道29(参见图3)。

在上述构造中，从第一公共供应流动通道23通过第一流入口20供应到液体流动通道13的第一液体31沿着y方向(箭头所指的方向)流动，然后经过压力室18，并且通过第一流出口25收集到第一公共收集流动通道24中。同时，从第二公共供应流动通道28通过第二流入口21供给到液体流动通道13的第二液体32沿着y方向(箭头所指的方向)流动，然后经过压力室18，并且通过第二流出口26收集到第二公共收集流动通道29中。即，在液体流动通道13中，第一液体和第二液体在第一流入口20和第一流出口25之间的区段中都沿着y方向流动。

在压力室18中，压力产生元件12与第一液体31接触，而暴露于大气的第二液体32在喷射口11的附近形成弯液面。第一液体31和第二液体32在压力室18中流动，使得压力产生元件12、第一液体31、第二液体32和喷射口11以列出的顺序布置。具体地，假设压力产生元件12位于下侧而喷射口11位于上侧，则第二液体32在第一液体31的上方流动。第一液体31和第二液体32以流层状态流动。此外，第一液体31被位于下方的压力产生元件12加压，并且第二液体32从底部向上喷射。注意，这一上下方向对应于压力室18和液体流动通道13的高度方向。

在本实施例中，根据第一液体31的物理性质和第二液体32的物理性质调节第一液体31的流量和第二液体32的流量，使得第一液体31和第二液体32在压力室中彼此接触地流动，如图4d所示。上述两种液体的模式不仅包括其中两种液体沿相同的方向流动的平行流(如图4d中所示)，而且还包括其中第二液体沿着与第一液体的流动相反的方向流动的相反流、和其中第一液体的流动与第二液体的流动交叉的那种流。在下文中，作为示例将描述这些模式中的平行流。

在平行流的情况下，优选的是保持第一液体31和第二液体32之间的界面不受干扰，或者换句话说，在压力室18内建立第一液体31和第二液体32的流动的层流状态。具体地，在试图控制喷射性能以保持预定喷射量的情况下，优选的是以其中界面稳定的状态驱动压力产生元件。然而，该实施例不仅仅限于这种构造。即使压力室18内的流动将转变为其中两种液体之间的界面会受到一定程度的干扰的湍流状态，也仍然可以在能够保持其中至少第一液体主要在压力产生元件12侧流动而第二液体主要在喷射口11侧流动的状态下驱动压力产生元件12。下面的描述将主要集中在其中压力室内的流动处于平行流的状态和处于层流的状态的示例。

(与层流同时形成平行流的条件)

首先将描述在管中形成液体的层流的条件。表示粘性力和界面力之比的雷诺数通常被称为流动评价指数。

现在，将液体的密度定义为ρ，将液体的流速定义为u，将液体的代表长度定义为d，将粘度定义为η，并且将液体的表面张力定义为γ。在这种情况下，雷诺数可以用下式(公式1)表示：

re＝ρud/η(公式1)

这里，已知的是，随着雷诺数re变得更小，更可能形成层流。更确切地说，已知的是，在雷诺数re小于约2200的情况下，圆形管内的流动形成层流，而在雷诺数re大于约2200的情况下，圆形管内的流动变成湍流。

在流动形成层流的情况下，流线变得平行于流动的行进方向而不互相交叉。因此，在接触的两种液体构成层流的情况下，液体可以形成平行流，同时稳定地限定这两种液体之间的界面。

这里，考虑到一般的喷墨打印头，在液体流动通道(压力室)中在喷射口附近，流动通道的高度(压力室的高度)h[μm]处于约10μm至100μm的范围内。就此而言，在水(密度ρ＝1.0×10³kg/m³，粘度η＝1.0cp)以100mm/s的流速供给到喷墨打印头的液体流动通道中的情况下，雷诺数re为re＝ρud/η≈0.1～1.0<<2200。结果，可以认为在其中形成层流。

这里，即使本实施例的液体流动通道13和压力室18具有如图4a至4d所示的矩形横截面，液体喷射头中的液体流动通道13和压力室18的高度和宽度也足够小。因此，液体流动通道13和压力室18可以被视为圆形管的情况，或者更具体地，液体流动通道和压力室18的高度可以被视为圆形管的直径。

(在层流状态下形成平行流的理论条件)

接下来，将参考图4d描述在液体流动通道13和压力室18中形成其中两种类型的液体之间界面稳定的平行流的条件。首先，从硅基板15到孔板14的喷射口表面的距离被定义为h[μm]，并且从喷射口表面到第一液体31与第二液体32之间的液-液界面的距离(第二液体的相厚度)被定义为h2[μm]。同时，从该液-液界面到硅基板15的距离(第一液体的相厚度)被定义为h1[μm]。这些定义使得h＝h1+h2。

关于液体流动通道13和压力室18中的边界条件，假设液体流动通道13和压力室18的壁表面上的液体的速度为零。此外，假设第一液体31和第二液体32在液-液界面处的速度和剪切应力具有连续性。基于这种假设，如果第一液体31和第二液体32形成双层且平行的稳定流，则在下式(公式2)中定义的四次方程在平行流区段中成立：

在(公式2)中，η1[cp]表示第一液体的粘度，η2[cp]表示第二液体的粘度，q1[mm³/s]表示第一液体的流量，并且q2[mm³/s]表示第二液体的流量。换句话说，第一液体和第二液体以根据各液体的在满足上述四次方程式(公式2)的范围内的流量和粘度建立位置关系的方式流动，由此形成具有稳定界面的平行流。在本实施例中，优选的是在液体流动通道13中或者至少在压力室18中形成第一液体和第二液体的平行流。在如上所述地形成平行流的情况下，第一液体和第二液体仅仅由于在其间的液-液界面上的分子扩散而涉及混合，并且液体在y方向上平行地流动而几乎不引起任何混合。注意，液体的流动并不始终必须在压力室18中的某个区域中建立层流状态。在这种情况下，至少在压力产生元件上方的区域中的液体的流动优选建立层流状态。

即使在使用不混溶的溶剂(例如油和水)作为第一液体和第二液体的情况下，例如，只要满足(公式2)，则无论不混溶性如何都形成稳定的平行流。同时，即使在油和水的情况下，如果由于压力室中的流动的轻微湍流状态而干扰界面，则优选的是至少第一液体主要在压力产生元件侧流动而第二液体主要在喷射口侧流动。

图5a是表示基于(公式2)在将流量比qr＝q2/q1变为几个等级时粘度比ηr＝η2/η1与第一液体的相厚度比hr＝h1/(h1+h2)之间的关系的曲线图。尽管第一液体不限于水，但是“第一液体的相厚度比”在下文中将被称为“水相厚度比”。横轴表示粘度比ηr＝η2/η1，纵轴表示水相厚度比hr＝h1/(h1+h2)。随着流量比qr变得更高，水相厚度比hr变得更低。同时，在流量比qr的每个等级处，随着粘度比ηr变得更高，水相厚度比hr变得更低。换句话说，通过控制第一液体和第二液体之间的粘度比ηr和流量比qr，可以将液体流动通道13(压力室)中的水相厚度比hr(第一液体和第二液体之间的界面的位置)调节为规定值。另外，在将粘度比ηr与流量比qr进行比较的情况下，图5a教导了与粘度比ηr相比流量比qr对水相厚度比hr产生更大的影响。

这里，关于水相厚度比hr＝h1/(h1+h2)，在满足0<hr<1(条件1)的情况下，在液体流动通道(压力室)中形成第一液体和第二液体的平行流。然而，如稍后描述的，本实施例构造成允许第一液体主要用作发泡介质、并且允许第二液体主要用作喷射介质、并且按期望的比例稳定包含在喷射液滴中的第一液体和第二液体。考虑到这种情况，水相厚度比hr优选等于或低于0.8(条件2)、或者更优选等于或低于0.5(条件3)。

注意，图5a中所示的条件a、条件b和条件c分别表示以下条件：

条件a)：在粘度比ηr＝1且流量比qr＝1的情况下，水相厚度比hr＝0.50；

条件b)：在粘度比ηr＝10且流量比qr＝1的情况下，水相厚度比hr＝0.39；和

条件c)：在粘度比ηr＝10且流量比qr＝10的情况下，水相厚度比hr＝0.12。

图5b是分别示出关于上述条件a、b和c在液体流动通道13(压力室)的高度方向(z方向)上的流速分布的曲线图。横轴表示通过将条件a中的最大流速值定义为1(基准)来进行标准化的标准化值ux。纵轴表示在液体流动通道13(压力室)的高度h被定义为1(基准)的情况下距底表面的高度。在指示各个条件的每条曲线上，用标记指示第一液体和第二液体之间的界面的位置。图5b示出了界面的位置根据各条件而变化，诸如条件a中的界面的位置高于条件b和条件c中的界面的位置。该变化是由于以下事实：在具有互相不同的粘度的两种液体在分别形成层流(并且在整体上也形成层流)的同时在管中平行地流动的情况下，这两种液体之间的界面形成在其中由液体之间的粘度差异引起的压力差与由界面张力引起的拉普拉斯压力相平衡的位置处。

(在层流状态下形成平行流的实验条件)

本公开的发明人已经基于可用于喷墨打印设备中的墨水的类型和流量在流量比qr(＝q2/q1)和粘度比ηr(＝η2/η1)的实际范围内不同地改变流量比qr和粘度比ηr时针对几种情况对水相厚度比hr进行了实际测量。然后，基于这几种情况，获得了用于从流量比qr和粘度比ηr获取水相厚度比hr的以下近似式(公式3)：

hr＝0.44(q2/q1)^-0.322(η2/η1)^-0.109(公式3)

这里，在0.1≤qr≤100且1≤ηr≤20的范围内验证了(公式3)的有效性。如上所述，由于在喷墨打印设备的实际范围内获得流量比和粘度比，因此得出(公式3)的前提是压力室中的两种液体的流动是层流状态下的平行流。但是，(公式3)在压力室中的流动处于稍微湍流状态的情况下以及在两种液体以彼此交叉的方式流动的情况下也成立。

(理论条件和实验条件之间的相关性)

图6是示出了基于(公式2)的精确解和基于(公式3)的近似解之间的相关性的图。横轴表示水相厚度比hr的精确解，纵轴表示水相厚度比hr的近似解。这里，关于在上述范围内不同地改变流量比qr和粘度比ηr的多种情况，绘制了近似解相对于精确解的值。作为基于多个绘制值寻找相关系数y的结果，获得了非常接近1的相关值y＝0.987。

换句话说，即使不使用如(公式2)中所示的四次方程，只要可以基于(公式3)控制流量比qr和粘度比ηr，就可以将水相厚度比hr调节到优选的范围内。而且，如已经参考图5a描述的，在将粘度比ηr与流量比qr进行比较的情况下，显然流量比qr对水相厚度比hr的影响比粘度比ηr的影响更大。另外，虽然粘度比ηr根据液体的类型而是固定的，但是可以通过控制用于使液体循环的泵等来调节流量比qr。总之，本说明书的发明人已经发现，为了通过使用两种不同的液体在液体流动通道13(压力室)中形成这两种液体的稳定流动，有效的是通过基于(公式3)控制这两种液体之间的流量比qr来调节水相厚度比hr。

这里，第一液体和第二液体可以在液体流动通道和压力室中的任何位置处形成液-液界面，只要满足形成平行流的上述条件即可。具体地，如上所述，在压力产生元件12位于下方而喷射口11位于上方的情况下，第一液体可以在较下侧(压力产生元件侧)流动而第二液体可以在较上侧(喷射口侧)流动(参见图4d)。作为替代，第一液体和第二液体可以在上下方向上的相同高度处流动，并且液-液界面可以沿着高度方向形成。换句话说，第一液体和第二液体可以在x方向上并排流动。在这种情况下，(公式3)中的值hr表示第一液体在x方向上的厚度。

现在，将再次讨论允许第一液体主要用作发泡介质且允许第二液体主要用作喷射介质的水相厚度比hr的上述三个条件1至3。在这种情况下，在也考虑上述(公式3)的情况下，为了满足条件1，需要满足(公式4)；为了满足条件2，需要满足(公式5)；为了满足条件3，需要满足(公式6)：

0<0.44(q2/q1)^-0.322(η2/η1)^-0.109<1.0(公式4)；

0<0.44(q2/q1)^-0.322(η2/η1)^-0.109≤0.8(公式5)；和

0<0.44(q2/q1)^-0.322(η2/η1)^-0.109≤0.5(公式6)

(喷射操作中的过渡状态)

接下来，将描述在其中形成平行流的液体流动通道13和压力室18中的喷射操作中的过渡状态。图7a至7e是示意性地示出了在流动通道(压力室)的高度为h[μm]＝20μm的液体流动通道13中的喷射操作中的过渡状态的图。同时，图8a至8e是示意性地示出了在流动通道(压力室)的高度为h[μm]＝33μm的液体流动通道13(压力室)中的喷射操作中的过渡状态的图。此外，图9a至9e是示意性地示出了在流动通道(压力室)的高度为h[μm]＝10μm的液体流动通道13(压力室)中的喷射操作中的过渡状态的图。注意，这些图中的每个喷射液滴是基于通过在将第一液体的粘度设定为1cp、第二液体的粘度设定为8cp、以及液滴的喷射速度设定为11m/s时进行模拟获得的结果而示出的。

图7a、8a和9a中的每一个均示出了在向压力产生元件12施加电压之前的状态。第一液体31和第二液体32形成在y方向上平行地流动的平行流。

图7b、8b和9b示出了刚刚开始向压力产生元件12施加电压的状态。本实施例中的压力产生元件12是电热转换器(加热器)。更准确地说，压力产生元件12响应于喷射信号在接收到电压脉冲时快速地产生热量，并且在与之接触的第一液体中引发膜状沸腾。图7b示出了通过膜状沸腾产生气泡16的状态。随着气泡16的产生，第一液体31和第二液体32之间的界面沿着z方向移动，由此沿着z方向(压力室的高度方向)将第二液体32推出喷射口11。

图7c、8c和9c中的每一幅均示出了继续向压力产生元件12施加电压的状态。气泡16的体积通过膜状沸腾而增大，并且第二液体32处于沿着z方向被进一步推出喷射口11的状态。

此后，随着继续进一步向压力产生元件12施加电压，气泡16在图7d和9d中所示的液体流动通道13(压力室)内的生长过程中与大气连通。这是因为图7d和9d的每一幅中所示的液体流动通道13不具有非常大的流动通道(压力室)高度h。另一方面，在图8d中所示的具有相对大的高度h的液体流动通道13(压力室)中，气泡在不与大气连通的情况下放气。

图7e、图8e和9e示出了喷射液滴(被喷射液滴)30的状态。如图7d和9d所示在气泡16与大气连通的时刻或者如图8d所示在气泡16放气的时刻从喷射口11射出的液体由于其惯性力而脱离液体流动通道13(压力室)、并且以液滴30的形式沿着z方向飞行。同时，在液体流动通道13(压力室)中，通过液体流动通道13(压力室)的毛细作用力从喷射口11的两侧供应被喷射所消耗的液体量，由此在喷射口11处再次形成弯液面。

注意，上述喷射操作可以在液体正流动的状态下以及在液体暂时停止的状态下进行，这是因为只要第一液体31和第二液体32之间的界面保持在稳定的位置处，则无论是否进行流动，都可以在稳定状态下进行喷射操作。

例如，在液体正流动的状态下进行喷射操作的情况下，液体的流动可能不利地影响喷射性能。然而，在一般的喷墨打印头中，每个液滴的喷射速度处于每秒几米到每秒十几米的量级，这远高于液体流动通道(压力室)中的处于每秒几毫米到每秒几米的量级的流速。因此，即使在第一液体和第二液体正在每秒几毫米到每秒几米的范围内流动的状态下进行喷射操作，对喷射性能的不利影响也很小。

另一方面，在液体暂时停止的状态下进行喷射操作的情况下，第一液体和第二液体之间的界面的位置可能随着喷射操作而波动。为此，希望在保持第一液体和第二液体流动的同时进行喷射。注意，第一液体和第二液体之间的界面不会由于紧接在液体流动停止之后的扩散效应而混合。即使流动停止，在停止时段是足以进行喷射操作的短时段的情况下也维持第一液体和第二液体之间的界面，从而可以在这种状态下进行喷射操作。于是，如果在完成喷射操作之后以满足(公式3)的流量重新开始液体的流动，则液体流动通道13(压力室)中的平行流将保持处于稳定的状态。

然而，假设该实施例在前一状态下、即在液体正流动的状态下进行喷射操作，以便将扩散的影响抑制到尽可能小并且消除对通断开关控制的需要。

(喷射的液滴中含有的液体的比)

图10a至10g是用于比较在流动通道(压力室)高度为h[μm]＝20μm的液体流动通道13(压力室)中逐步地改变水相厚度比hr的情况下喷射的液滴的图。在图10a至10f中，水相厚度比hr每次增加0.10，而从图10f的状态到图10g的状态水相厚度比hr增加0.50。

随着图4d中所示的水相厚度比hr(＝h1/(h1+h2))更接近0，第一液体31的水相厚度比h1更低，并且随着水相厚度比hr更接近1，第一液体31的水相厚度比h1更高。因此，尽管在喷射的液滴30中主要包含靠近喷射口11的第二液体32，但是包含在喷射的液滴30中的第一液体31的比例也随着水相厚度比hr更接近1而增大。

在图10a至10g的其中流动通道(压力室)高度设定为h[μm]＝20μm的情况下，如果水相厚度比hr＝0.00、0.10或0.20，则在喷射的液滴30中仅包含第二液体32，而在喷射的液滴30中不包含第一液体31。然而，在水相厚度比hr＝0.30或更高的情况下，除了第二液体32之外，第一液体31也包含在喷射液滴30中。在水相厚度比hr＝1.00的情况(即，不存在第二液体的状态)下，在喷射的液滴30中仅包含第一液体31。如上所述，包含在喷射的液滴30中的第一液体31和第二液体32之间的比根据液体流动通道13(压力室)中的水相厚度比hr而变化。

另一方面，图11a至11e是用于比较在流动通道(压力室)高度为h[μm]＝33μm的液体流动通道13中逐步地改变水相厚度比hr的情况下喷射的液滴30的图。在这种情况下，如果水相厚度比hr＝0.36或更低，则在喷射的液滴30中仅包含第二液体32。同时，在水相厚度比hr＝0.48或更高的情况下，除了第二液体32之外，第一液体31也包含在喷射的液滴30中。

同时，图12a至12c是用于比较在流动通道(压力室)高度为h[μm]＝10μm的液体流动通道13中逐步地改变水相厚度比hr的情况下喷射的液滴30的图。在这种情况下，即使在水相厚度比hr＝0.10的情况下，第一液体31也包含在喷射的液滴30中。

图13是表示在包含于喷射的液滴30中的第一液体31的比r固定的情况下将该比r设定为0％、20％和40％时流动通道(压力室)高度h与水相厚度比hr之间的关系的曲线图。在任一比r中，随着流动通道(压力室)高度h变大，可容许的水相厚度比hr变得更高。注意，所包含的第一液体31的比r是作为第一液体31在液体流动通道13(压力室)中流动的液体与喷射液滴的比。就此而言，即使第一液体和第二液体中的每一个均包含相同的组分(例如水)，包含在第二液体中的水部分当然也不包括在上述比中。

在喷射的液滴30仅仅包含第二液体32而消除了第一液体(r＝0％)的情况下，流动通道(压力室)高度h[μm]与水相厚度比hr之间的关系绘制了如图13中的实线所示的轨迹。根据由本公开的发明人进行的研究，可以通过下式(公式7)中示出的流动通道(压力室)高度h[μm]的线性函数而估计水相厚度比hr：

hr＝-0.1390+0.0155h(公式7)

此外，在允许喷射的液滴30包含20％的第一液体(r＝20％)的情况下，可以通过下式(公式8)中示出的流动通道(压力室)高度h[μm]的线性函数而估计水相厚度比hr：

hr＝+0.0982+0.0128h(公式8)

此外，在允许喷射的液滴30包含40％的第一液体(r＝40％)的情况下，根据发明人的研究，可以通过下式(公式9)中示出的流动通道(压力室)高度h[μm]的线性函数而估计水相厚度比hr：

hr＝+0.3180+0.0087h(公式9)

例如，为了使喷射的液滴30不包含第一液体，在流动通道(压力室)高度h[μm]等于20μm的情况下，需要将水相厚度比hr调节到0.20或更低。同时，在流动通道(压力室)高度h[μm]等于33μm的情况下，需要将水相厚度比hr调节到0.36或更低。此外，在流动通道(压力室)高度h[μm]等于10μm的情况下，需要将水相厚度比hr调节到接近零(0.00)。

但是，如果水相厚度比hr设定得太低，则必须相对于第一液体的粘度和流量增大第二液体的粘度η2和流量q2。这种增大引起了对与压力损失增大相关的不利影响的担心。例如，再次参考图5a，为了实现水相厚度比hr＝0.20，在粘度比ηr等于10的情况下，流量比qr等于5。同时，在使用相同的墨水时(即，在相同的粘度比ηr的情况下)，如果水相厚度比设定为hr＝0.10，则流量比qr等于15，以使得确定地不喷射第一液体。换句话说，为了将水相厚度比hr调节到0.10，需要将流量比qr增大到高达将水相厚度比hr调节到0.20的情况下的流量比的三倍，并且这种增大可能引起对压力损失增大和与之相关的不利影响的担心。

因此，在尽可能减少压力损失的同时仅喷射第二液体32的尝试中，优选的是在满足上述条件的同时将水相厚度比hr的值调节为尽可能大。为了详细地描述这一情况再次参考图13，在流动通道(压力室)高度h＝20μm的情况下，优选的是将水相厚度比hr的值调节到小于0.20并且尽可能接近0.20。同时，在流动通道(压力室)高度h[μm]＝33μm的情况下，优选的是将水相厚度比hr的值调节到小于0.36并且尽可能接近0.36。

注意，上述(公式7)、(公式8)和(公式9)限定了适用于一般的液体喷射头(即喷射的液滴的喷射速度在10m/s至18m/s的范围内的液体喷射头)的数值。另外，这些数值基于压力产生元件和喷射口位于彼此相对的位置处并且第一液体和第二液体流动以使得压力产生元件、第一液体、第二液体和喷射口按列出的顺序布置在压力室中的假设。

如上所述，根据本实施例，通过将液体流动通道(压力室)中的水相厚度比hr设定为预定值并且因而稳定界面，能够稳定地进行以预定的比例包含第一液体和第二液体的液滴的喷射操作。

(第一液体和第二液体的具体示例)

在上述实施例的构造中，阐述了各个液体所需的功能，例如第一液体用作引起膜状沸腾的发泡介质，而第二液体用作要被喷射至大气的喷射介质。根据该实施例的构造，与现有技术相比，能够更大地增大第一液体和第二液体中包含的组分的自由度。现在，将基于具体示例详细地描述这种构造中的发泡介质(第一液体)和喷射介质(第二液体)。

本实施例中的发泡介质(第一液体)需要在电热转换器产生热量的情况下在发泡介质中引发膜状沸腾并且需要快速地增大所产生的气泡的尺寸，或者换句话说，本实施例中的发泡介质(第一液体)需要具有可以有效地将热能转换为发泡能量的高临界压力。水特别适合于这种介质。尽管水的分子量小(为18)，但是水具有高的沸点(100℃)和高的表面张力(在100℃下为58.85dynes/cm)，因此具有约22mpa的高临界压力。换句话说，水在膜状沸腾时引起极高的沸腾压力。通常，通过使水包含着色材料(例如染料或颜料)而制备的墨水适于用于通过使用膜状沸腾来喷射墨水的喷墨打印设备中。

然而，发泡介质不限于水。其他材料也可以用作发泡介质，只要这种材料具有2mpa或更高(或优选5mpa或更高)的临界压力即可。除水之外的发泡介质的示例包括甲醇和乙醇。也可以使用这些醇中的任意种和水的混合物作为发泡介质。此外，可以使用通过使水包含如上所述的着色材料(例如染料和颜料)以及其他添加剂而制备的材料。

另一方面，与发泡介质不同，本实施例中的喷射介质(第二液体)不需要满足用于引起膜状沸腾的物理性质。同时，焦化材料粘附到电热转换器(加热器)上易于由于损坏加热器表面的平整度或降低加热器的导热性而使发泡效率劣化。然而，喷射介质不与加热器直接接触，因此不存在使喷射介质的组分焦化的风险。具体地，关于本实施例中的喷射介质，与用于传统热敏头的墨水相比，放宽了引起膜状沸腾或避免焦化的物理性质的条件。因此，本实施例中的喷射介质享有包含在其中的组分的更大自由度。因此，喷射介质可以更有效地包含适于喷射后的目的的组分。

例如，在本实施例中，可以使喷射介质有效地包含由于颜料易于焦化在加热器上而在以前未使用的颜料。同时，除了具有极低临界压力的水性墨水之外的液体也可以用作本实施例中的喷射介质。此外，还可以使用很难用传统的热敏头处理且具有特殊功能的各种墨水，例如紫外线固化墨水、导电墨水、电子束(eb)固化墨水、磁性墨水和固体墨水也可以用作喷射介质。同时，本实施例中的液体喷射头还可以通过使用任何血液、培养细胞等作为喷射介质而用于除了成像之外的各种应用中。液体喷射头还适用于包括生物芯片制造、电子电路印刷等的其他应用。由于对第二液体没有限制，因此第二液体可以采用与作为第一液体的示例引用的液体中的一种相同的液体。例如，即使两种液体都是含有大量水的墨水，仍然可以根据诸如使用模式的情况而使用墨水中的一种作为第一液体，而另一种墨水作为第二液体。

(需要两种液体的平行流的喷射介质)

在已经确定要喷射的液体的情况下，可以基于要喷射的液体的临界压力而确定使两种液体以形成平行流的方式在液体流动通道(压力室)中流动的必要性。例如，可以将第二液体确定为要喷射的液体，而同时可以仅在要喷射的液体的临界压力不足的情况下制备用作第一液体的发泡材料。

图14a和14b是表示在二甘醇(deg)与水混合的情况下在膜状沸腾时含水率与发泡压力之间的关系的图。图14a中的横轴表示水相对于液体的质量比(以质量百分比计)，图14b中的横轴表示水相对于液体的摩尔比。

根据图14a和14b显而易见的是，随着含水率(含量百分比)降低，膜状沸腾时的发泡压力变低。换句话说，随着含水率变低，发泡压力降低得更多，结果喷射效率降低。但是，水的分子量(18)显著小于二甘醇的分子量(106)。因此，即使水的质量比为约40wt％，水的摩尔比也约为0.9，并且发泡压力比保持在0.9。另一方面，如果水的质量比低于40wt％，则发泡压力比随着摩尔浓度急剧下降，如根据图14a和14b显而易见的。

结果，在水的质量比低于40wt％的情况下，优选的是分开地制备第一液体作为发泡介质并且在液体流动通道(压力室)中形成这两种液体的平行流。如上所述，在已经确定要喷射的液体的情况下，可以基于要喷射的液体的临界压力(或者基于在膜状沸腾时的发泡压力)而确定在流动通道(压力室)中形成平行流的必要性。

(紫外线固化墨水作为喷射介质的示例)

作为示例将描述可用作本实施例中的喷射介质的紫外线固化墨水的优选组分。紫外线固化墨水属于100％固体型。这种紫外线固化墨水可以分为由聚合反应组分形成且不含溶剂的墨水、和含有溶剂型水或作为稀释剂的溶剂的墨水。近年来积极使用的紫外线固化墨水是由非水光聚合反应组分(其为单体或低聚物)形成且不含任何溶剂的100％固体型紫外线固化墨水。关于组分，示例性的紫外线固化墨水包含作为主要组分的单体，并且还包含少量的光聚合引发剂、着色材料、和包括分散剂、表面活性剂等的其它添加剂。一般而言，这种墨水的组分包括处于80wt％至90wt％的范围内的单体、处于5wt％至10wt％的范围内的光聚合引发剂、处于2wt％至5wt％的范围内的着色材料、和剩余的其它添加剂。如上所述，即使在传统热敏头难以处理的紫外线固化墨水的情况下，也可以使用这种紫外线固化墨水作为本实施例中的喷射介质并且通过进行稳定的喷射操作而将墨水喷出液体喷射头。与现有技术相比，这使得能够打印图像坚牢性和耐擦性优异的图像。

(使用混合液体作为喷射液滴的示例)

接下来，将描述在第一液体31和第二液体32以预定比混合的状态下喷射被喷射液滴30的情况。例如，在第一液体31和第二液体32是具有彼此不同颜色的墨水的情况下，这些墨水能够在液体流动通道13和压力室18中稳定地流动而不会混合，只要这两种液体的粘度和流量满足(公式2)或(公式3)限定的关系即可。换句话说，通过控制液体流动通道和压力室中的第一液体31和第二液体32之间的流量比qr，可以调节水相厚度比hr并且因而将喷射的液滴中的第一液体31和第二液体32之间的混合比调节到所需的比。

例如，假设第一液体是无色墨水而第二液体是青色墨水(或品红色墨水)，则可以通过控制流量比qr而以各种着色材料浓度喷射浅青色墨水(或浅品红色墨水)。作为替代，假设第一液体是黄色墨水而第二液体是品红色墨水，则可以通过控制流量比qr而以逐步不同的各种色相水平喷射红色墨水。换句话说，如果喷射通过以期望的混合比混合第一液体和第二液体而制备的液滴是可行的，则通过适当地调节混合比，可以比现有技术更大地扩大在打印介质上表达的颜色再现的范围。

此外，本实施例中的构造在使用需要在喷射之后立即混合在一起而不是在即将要喷射之前混合液体的两类液体的情况下也是有效的。例如，在图像打印中存在这样的情况：希望同时在打印介质上沉积具有优异显色性的高浓度颜料墨水和具有优异图像坚牢性(例如耐擦性)的树脂乳液(树脂em)。然而，颜料墨水中包含的颜料组分和树脂em中包含的固体组分倾向于在接近的颗粒间距离处形成聚集，从而导致分散性劣化。就此而言，如果高浓度em用作本实施例的第一液体而高浓度颜料墨水用作本实施例的第二液体，并且通过基于(公式2)或(公式3)控制这些液体的流速来形成平行流，则这两种液体在喷射后互相混合并且在打印介质上聚集在一起。换句话说，可以在高分散性的情况下保持理想的喷射状态，并且在液滴沉积后获得具有高显色性以及高坚牢性的图像。

注意，在如上所述想要喷射后进行的混合的情况下，不论压力产生元件的模式如何，本实施例均发挥了在压力室中产生两种液体的流动的效果。换句话说，本实施例在使用压电元件作为压力产生元件的构造(例如其中首先不担心临界压力的限制或焦化的问题)的情况下也有效地起作用。

如上所述，根据本实施例，基于在(公式4)至(公式6)中限定的近似公式来调节流量比qr，以将具有粘度η1的第一液体和具有粘度η2的第二液体设定到预定的水相厚度比hr。这使得可以通过将液体流动通道(压力室)中的水相厚度比hr设定为预定值而将界面稳定在预定的位置处，并且稳定地进行以恒定的百分比包含第一液体和第二液体的液滴的喷射操作。

在压力室中流动的第一液体和第二液体可以在压力室和外部单元之间循环。如果不进行循环，则已经在液体流动通道和压力室中形成平行流但未被喷射的大量任意第一液体和第二液体将保留在内部。因此，第一液体和第二液体与外部单元的循环使得可以使用未被喷射的液体以再次形成平行流。

(其他实施例)

在本公开中，液体喷射头和液体喷射设备不仅仅限于构造成喷射墨水的喷墨打印头和喷墨打印设备。液体喷射头、液体喷射设备和与其相关的液体喷射方法适用于包括打印机、复印机、配备有电信系统的传真机、以及文字处理器(其包括打印机单元)的各种设备，并且适用于与各种处理设备集成地组合的其他工业打印设备。特别地，由于可以使用各种液体作为第二液体，因此本发明也适用于包括生物芯片制造、电子电路印刷等的其他应用。

虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，以涵盖所有这些修改以及等同的结构和功能。