CN110774761A - 液体喷射头、液体喷射设备和液体喷射模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及液体喷射头、液体喷射设备和液体喷射模块。液体喷射头包括构造成允许第一液体和第二液体在内部流动的压力室、构造成向第一液体施加压力的压力产生元件、和构造成喷射第二液体的喷射口。在压力室中第一液体在与压力产生元件接触的同时沿着与从喷射口喷射第二液体的喷射方向交叉的交叉方向流动并且第二液体沿着第一液体在所述交叉方向上流动的状态下，通过使压力产生元件向第一液体施加压力而从喷射口喷射第二液体。

Description

液体喷射头、液体喷射设备和液体喷射模块
技术领域
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.H6-305143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.H6-305143描述了这样的方法，该方法通过在喷射喷射介质后向喷射介质和发泡介质施加压力来形成喷射介质和发泡介质的流动，因而稳定液体流动通道中的喷射介质和发泡介质之间的界面。
发明内容
在本公开的第一方面中，提供了一种液体喷射头，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，在压力室中第一液体在与压力产生元件接触的同时沿着与从喷射口喷射第二液体的喷射方向交叉的交叉方向流动并且第二液体沿着第一液体在所述交叉方向上流动的状态下，通过使压力产生元件向第一液体施加压力而从喷射口喷射第二液体。
在本公开的第二方面中，提供了一种液体喷射设备，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，在压力室中第一液体在与压力产生元件接触的同时沿着与从喷射口喷射第二液体的喷射方向交叉的交叉方向流动并且第二液体沿着第一液体在所述交叉方向上流动的状态下，通过使压力产生元件向第一液体施加压力而从喷射口喷射第二液体。
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，在压力室中第一液体在与压力产生元件接触的同时沿着与从喷射口喷射第二液体的喷射方向交叉的交叉方向流动并且第二液体沿着第一液体在所述交叉方向上流动的状态下，通过使压力产生元件向第一液体施加压力而从喷射口喷射第二液体，液体喷射头通过排列多个液体喷射模块而形成。
参考附图，根据对示例性实施例的以下描述，本公开的其他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示出了第一实施例中的液体流动通道和压力室的放大细节；
图5A和5B是表示粘度比与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是表示流量比与水相厚度比之间的关系的曲线图；
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8G是示出了各种水相厚度比下的喷射液滴的图；
图9A至9E是示出了各种水相厚度比下的喷射液滴的更多图；
图10A至10C是示出了各种水相厚度比下的喷射液滴的更多图；
图11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；
图12A和12B是表示含水率与发泡压力之间的关系的曲线图；
图13A至13D示出了第二实施例中的液体流动通道和压力室的放大细节；
图14是第三实施例中的元件板的剖视透视图；
图15A至15C示出了第三实施例中的液体流动通道和压力室的放大细节；
图16A至16H是示意性地示出了第三实施例中的喷射状态的图；
图17A和17B是示出了在第三实施例中改变水相厚度比的情况的图；
图18A至18C示出了第四实施例中的液体流动通道和压力室的放大细节；
图19A至19C是在第四实施例中以各种水相厚度比喷射的状态图；
图20A至20C示出了第五实施例中的液体流动通道和压力室的放大细节；和
图21A和21B是在第五实施例中以各种水相厚度比喷射的状态图。
具体实施方式
然而，在如日本专利公开No.H6-305143中所公开的每次进行喷射操作时通过向喷射介质和发泡介质施加压力来形成这两种介质之间的界面的构造中，在重复喷射操作过程中界面易于不稳定。结果，由于包含在喷射的液滴中的介质组分的波动以及喷射的液滴的量和速度的波动，通过沉积喷射介质而获得的输出的质量可能劣化。
已经做出了本公开以解决上述问题。这样，本公开的一个目的是提供一种能够在进行喷射操作的情况下稳定喷射介质和发泡介质之间的界面、因而保持良好的喷射性能的液体喷射头。
(第一实施例)
(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部署液体喷射模块100的多重布置(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。CPU 500在使用RAM 502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，CPU 500根据存储在ROM 501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、用于控制在液体喷射头1中流动的液体的流量的流量控制单元等。因此，在CPU 500的指令下，这些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方向向液体施加压力。因此，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(参见图1)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方向延伸并且分别逐个地连接到各喷射口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执行控制，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。图3示出了其中每个喷射口位于与相应的压力产生元件12相对(或者换句话说沿着气泡的生长方向)的位置处的构造。然而，本实施例不仅仅限于这种构造。例如，每个喷射口可以位于与气泡的生长方向正交的位置处。
(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方向按此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，与喷射口11连通并且包括压力产生元件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。第一液体31经过压力室18，然后通过第一流出口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。第二液体32经过压力室18，然后通过第二流出口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按此顺序布置。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和第二液体32被位于下方的压力产生元件12加压，并且从底部向上喷射。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。尽管在第一实施例和第二实施例中允许第一液体、第二液体和第三液体沿着相同的方向流动，但是各实施例不限于这种构造。具体地，第二液体可以沿着与第一液体的流动方向相反的方向流动。作为替代，可以以这样的方式设置流动通道，使得第一液体的流动以直角与第二液体的流动交叉。同时，液体喷射头构造成使得在液体流动通道(压力室)的高度方向上第二液体在第一液体的上方流动。然而，本实施例不仅仅限于这种构造。具体地，如第三实施例中那样，第一液体和第二液体这两者都可以与液体流动通道(压力室)的底表面相接触地流动。
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：
Figure BDA0002148858410000091
在(公式2)中，η1表示第一液体的粘度，η2表示第二液体的粘度，Q1表示第一液体的流量(体积流量[um3/us])，Q2表示第二液体的流量(体积流量[um3/us])。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上流动而第二液体主要在喷射口中流动。
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。
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。
(流量比与水相厚度比之间的关系)
图6是示出了在粘度比ηr＝1的情况下和在粘度比ηr＝10的情况下基于(公式2)的流量比Qr与水相厚度比hr之间的关系的图。横轴表示流量比Qr＝Q2/Q1，纵轴表示水相厚度比hr＝h1/(h1+h2)。流量比Qr＝0对应于Q2＝0的情况，其中液体流动通道仅填充第一液体而在液体流动通道中没有第二液体。此时，水相厚度比hr等于1。图6中的点P示出了这种状态。
如果流量比Qr设定为高于点P的位置(即，如果第二液体的流量Q2设定为大于0)，则水相厚度比hr、即第一液体的水相厚度h1变小，而第二液体的水相厚度h2变大。换句话说，仅仅第一液体流动的状态转变为第一液体和第二液体在限定界面的同时平行地流动的状态。此外，在第一液体和第二液体之间的粘度比ηr＝1的情况下和粘度比ηr＝10的情况下均可以确认上述趋势。
换句话说，为了建立其中第一液体和第二液体在限定其间的界面的同时在液体流动通道13中沿着彼此流动的状态，需要满足流量比Qr＝Q2/Q1>0，或者换句话说，需要满足Q1>0且Q2>0。这意味着第一液体和第二液体都沿着相同的方向(即y方向)流动。
(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孔板的厚度设定为T＝6μm的情况下在流动通道(压力室)的高度为H[μm]＝20μm的液体流动通道13中形成粘度比为ηr＝4的第一液体和第二液体的平行流的状态下进行喷射操作的情况下的过渡状态的图。
图7A示出了在向压力产生元件12施加电压之前的状态。这里，图7A示出了界面的位置稳定在通过适当地调节一起流动的第一液体的值Q1和第二液体的值Q2而实现水相厚度比hr＝0.57(即第一液体的水相厚度h1[μm]＝6μm)的位置处的状态。
图7B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起膜状沸腾。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(压力室的高度方向)移动，由此第二液体32被沿着z方向推出喷射口11。
图7C示出了通过膜状沸腾产生的气泡16的体积增大由此第二液体32被沿着z方向进一步推出喷射口11的状态。
图7D示出了气泡16与大气连通的状态。在本实施例中，在气泡16生长到最大之后的收缩阶段，从喷射口11朝向压力产生元件12移动的气-液界面与气泡16连通。
图7E示出了液滴30被喷射的状态。如图7D所示在气泡16与大气连通的时刻从喷射口11射出的液体由于其惯性力而脱离液体流动通道13、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中，通过液体流动通道13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。然后，如图7A中所示，再次形成沿着y方向流动的第一液体和第二液体的平行流。
如上所述，在本实施例中，在第一液体和第二液体作为平行流流动的状态下进行如图7A至7E中所示的喷射操作。为了进一步详细地描述，再次参考图2，CPU 500在保持第一液体和第二液体的恒定流量的同时通过使用液体循环单元504使第一液体和第二液体在液体喷射头1中循环。然后，CPU500在保持上述控制的同时根据喷射数据将电压施加到布置在液体喷射头1中的各个压力产生元件12上。这里，根据要喷射的液体量，第一液体的流量和第二液体的流量可能不是始终恒定的。
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。
本实施例示出了气泡16与压力室18中的大气连通的构造。然而，本实施例不限于这种构造。例如，气泡16可以与喷射口11外侧(大气侧)的大气连通。作为替代，可以允许气泡16消失而不与大气连通。
(喷射的液滴中含有的液体的比)
图8A至8G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8A至8F中，水相厚度比hr每次增加0.10，而从图8F的状态到图8G的状态水相厚度比hr增加0.50。注意，图8A至8G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。
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8A至8G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中的水相厚度比hr而变化。
另一方面，图9A至9E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10A至10C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11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，所需的水相厚度比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11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3)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3)
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4)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4)
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5)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5)
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11，在流动通道(压力室)高度H[μm]＝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3)、(公式4)和(公式5)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此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13(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。
顺便提及，为了以稳定的状态重复上述喷射操作，不论喷射操作的频率如何，均需要在获得目标水相厚度比hr的同时稳定界面的位置。
在此，将再次参考图4A至4C描述用于获得上述状态的具体方法。例如，为了调节液体流动通道13(压力室)中的第一液体的流量Q1，仅需要准备将第一流出口25处的压力设定为低于第一流入口20处的压力的第一压力差产生机构。这样，可以产生从第一流入口20指向第一流出口25(沿着y方向)的第一液体31的流动。同时，仅需要准备将第二流出口26处的压力设定为低于第二流入口21处的压力的第二压力差产生机构。这样，可以产生从第二流入口21指向第二流出口26(沿着y方向)的第二液体32的流动。
此外，通过在保持下式(公式6)中限定的关系的同时控制第一压力差产生机构和第二压力差产生机构，可以在液体流动通道13中以所需的水相厚度比hr形成沿着y方向流动的第一液体和第二液体的平行流，从而不在液体通道中引起任何反向流动：
P2in≥P1in>P1out≥P2out (公式6)。
这里，P1in是第一流入口20处的压力，P1out是第一流出口25处的压力，P2in是第二流入口21处的压力，P2out是第二流出口26处的压力。如果如上所述通过控制第一压力差产生机构和第二压力差产生机构可以在液体流动通道(压力室)中保持预定的水相厚度比hr，则即使界面的位置随着喷射操作而受到干扰，也可以在短时间内恢复优选的平行流，并且可以立即开始下一次喷射操作。
(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，而第二液体用作要从喷射口喷射到外部的喷射介质。根据本实施例的构造，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，因此喷射介质的组分焦化的风险更低。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。
特别地，使用水或类似于水的液体作为第一液体(发泡介质)并使用粘度比水的粘度更高的颜料墨水作为第二液体(喷射介质)、并且仅喷射第二液体的模式是本实施例的有效用途之一。同样在这种情况下，有效的是通过设定流量比Qr＝Q2/Q1来将水相厚度比hr抑制到尽可能低，如图5A所示。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12A和12B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12A中的横轴表示水相对于液体的质量比(以质量百分比计)，图12B中的横轴表示水相对于液体的摩尔比。
根据图12A和12B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12A和12B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，这些墨水在液体流动通道13和压力室18中形成层流而不会混合，只要液体满足其中基于两种液体的粘度和流量计算的雷诺数小于预定值的关系即可。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(乳液)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，通过在液体流动通道(压力室)中保持预定的水相厚度比hr的同时以使第一液体和第二液体稳定地流动的状态驱动压力产生元件12，可以有利且稳定地进行喷射操作。
通过以使液体稳定地流动的状态驱动压力产生元件12，可以在喷射液体时形成稳定的界面。如果在液体的喷射操作期间液体不流动，则界面易于因气泡的产生而受到干扰，并且在这种情况下打印质量也会受到影响。通过如本实施例中所述在允许液体流动的同时驱动压力产生元件12，可以抑制由于气泡的产生引起的界面的紊乱。由于形成了稳定的界面，因此例如喷射的液体中包含的各种液体的含有率是稳定的并且打印质量也得到改善。此外，由于在驱动压力产生元件12之前使液体流动并且即使在喷射期间也使液体连续地流动，因此可以减少在喷射液体之后在液体流动通道(压力室)中再次形成弯液面的时间。同时，在驱动信号输入到压力产生元件12之前，通过使用装载在液体循环单元504中的泵等产生液体的流动。因此，液体至少在即将要喷射液体之前流动。
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
(第二实施例)
本实施例也使用图1至图3中所示的液体喷射头1和液体喷射设备。
图13A至13D是示出了本实施例的液体流动通道13的构造的图。本实施例的液体流动通道13与第一实施例中描述的液体流动通道13的不同之处在于：除了第一液体31和第二液体32之外，还允许第三液体33在液体流动通道13中流动。通过允许第三液体33在压力室中流动，可以使用具有高临界压力的发泡介质作为第一液体，而使用不同颜色的墨水、高浓度树脂EM等中的任意种作为第二液体和第三液体。
在本实施例中，与液体流动通道13的底部相对应的硅基板15包括沿着y方向按此顺序形成的第二流入口21、第三流入口22、第一流入口20、第一流出口25、第三流出口27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基本上位于第一流入口20和第一流出口25之间的中心处。
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，然后流出第一流出口25。同时，通过第二流入口21供应到液体流动通道13的第二液体32沿着y方向(箭头所指的方向)流动，然后流出第二流出口26。通过第三流入口22供应到液体流动通道13的第三液体33沿着y方向(箭头所指的方向)流动，然后流出第三流出口27。也就是说，在液体流动通道13中，在第一流入口20和第一流出口25之间的区段中第一液体31、第二液体32和第三液体33全部均沿着y方向流动。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附近形成弯液面。第三液体33在第一液体31和第二液体32之间流动。
在本实施例中，CPU 500通过使用液体循环单元504而控制第一液体31的流量Q1、第二液体32的流量Q2和第三液体33的流量Q3，并且稳定地形成三层平行流，如图13D所示。然后，在如上所述形成三层平行流的状态下，CPU 500驱动液体喷射头1的压力产生元件12并从喷射口11喷射液滴。这样，即使每个界面的位置随着喷射操作而受到干扰，也在短时间内恢复三层平行流(如图13D所示)，从而可以立即开始下一次喷射操作。结果，可以保持以预定比包含第一液体至第三液体的液滴的良好喷射操作并且获得优良的输出产品。
(第三实施例)
将参考图14至17B描述第三实施例。注意，与第一实施例中的组件相同的组件将由相同的附图标记指代，并且将省略其说明。本实施例的特征在于：在第一液体和第二液体在压力室18内沿着x方向并排流动的状态下驱动压力产生元件12。本实施例也使用图1和2中所示的液体喷射头1和液体喷射设备。
图14是本实施例中的元件板50的剖视透视图。尽管元件板50实际上具有图15A和15B中所示的结构，但是图14在部分地省略了第二流入口21和第二流出口26周围的结构的情况下示出元件板50，以描述元件板50中的流动的大致轮廓。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连接到共用的液体流动通道13。同样在本实施例中，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。更准确地说，液体循环单元504执行控制，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的第二液体被引导到第二公共收集流动通道29。
(第三实施例中的液体流动通道的构造)
图15A至15C是用于描述形成在硅基板15中的液体流动通道13之一的细节的图。图15A是从喷射口11侧(+z方向)观察的液体流动通道的透视图，图15B是示出了沿着图15A中的XVB线截取的剖面的透视图。而且，图15C是沿着图15A中的XVC线截取的剖面的放大图。
硅基板15包括沿着y方向按此顺序形成的第一流入口20、第二流入口21、第二流出口26和第一流出口25。此外，第一流入口20和第二流入口21在沿着x方向彼此偏移的位置处形成在硅基板15中。同样地，第二流出口26和第一流出口25在沿着x方向彼此偏移的位置处形成在硅基板15中。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，第二流入口21连接到第二公共供应流动通道28，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14)。
根据上述构造，从第一公共供应流动通道23通过第一流入口20供应至液体流动通道13的第一液体31沿着y方向(用实线箭头指示)流动，然后从第一流出口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供应到液体流动通道13的第二液体32一度沿着-x方向流动，然后在将其方向改变为y方向(用虚线箭头指示)时流动。之后，将第二液体32从第二流出口26收集到第二公共收集流动通道29中。
在第二流入口21的y方向上的上游侧的位置处，从第一流入口20流入的第一液体占据宽度方向(x方向)上的整个区域。通过使第二液体32从第二流入口21一度沿-x方向流动，可以部分地推动第一液体31的流动而减小该流动的宽度。结果，可以建立第一液体31和第二液体32在液体流动通道中沿x方向并排地流动的状态，如图15A和15C所示。
这里，压力产生元件12和喷射口11以在x方向上彼此偏移的方式形成。更准确地说，压力产生元件12形成在从喷射口11朝向第一液体31的流动偏移的位置处。结果，第一液体31主要在压力产生元件12侧流动，而第二液体32主要在喷射口11侧流动。因此，通过使用压力产生元件12向第一液体31施加压力，可以从喷射口11喷出通过界面加压的第二液体。
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在压力产生元件12上流动，而第二液体32在喷射口11中流动，如上所述。
(在第三实施例中在层流状态下形成平行流的理论条件)
接下来，将参考图15C描述形成其中第一液体和第二液体在x方向上并排地流动的平行流的条件。在图15C中，液体流动通道13的x方向上的距离(流动的宽度)被定义为W。同时，从液体流动通道13的壁表面到第一液体31和第二液体32之间的液-液界面的距离(第二液体的水相厚度)被定义为w2，而从液-液界面到液体流动通道的相对壁表面的距离(第一液体的水相厚度)被定义为w1。这些定义导致W＝w1+w2。此时，关于液体流动通道13和压力室18中的边界条件，与第一实施例一样，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，并且假设液-液界面处的第一液体31和第二液体32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形成在x方向上并排地流动的平行稳定流，则在平行流的区段中前文在(公式2)中描述的四次方程成立。在本实施例中，(公式2)中所示的值H对应于值W，其中的值h1对应于值w1，并且其中的值h2对应于值w2。因此，与第一实施例一样，可以基于粘度比ηr＝η2/η1和流量比Qr＝Q2/Q1(其分别是第一液体的粘度η1和流量Q1相对于第二液体的粘度η2和流量Q2的比)来调节水相厚度比hr＝w1/(w1+w2)。而且，与第一实施例一样，为了建立第一液体和第二液体在限定其间的界面的同时在液体流动通道13中流动的状态，需要满足流量比Qr＝Q2/Q1>0，或者换句话说，需要满足Q1>0且Q2>0。
(第三实施例中的喷射操作中的过渡状态)
接下来，将参考图16A至16H描述第三实施例中的喷射操作中的过渡状态。图16A至16H是示意性地示出了在孔板的厚度设定为T＝6μm的情况下在使粘度比为ηr＝4的第一液体和第二液体在流动通道高度(z方向上的长度)为H[μm]＝20μm的液体流动通道13中流动的状态下进行喷射操作的情况中的过渡状态的图。图16A至16H示出了喷射过程随着时间推移的顺序。这里，通过调节第一液体31和第二液体32的层厚度，仅使第一液体31与压力产生元件12的有效区域接触。同时，喷射口11的内部仅填充第二液体32。如果在这种状态下执行喷射操作，则从与压力产生元件12接触的第一液体31中产生气泡，并且由此产生的气泡16可以从喷射口11喷射液体。尽管填充喷射口的第二液体32在喷射的液滴30中占主导地位，但是喷射的液滴30也包含一定量的被该气泡16推出的第一液体31。被气泡16推出的第一液体31的量可以通过改变水相厚度比hr来调节。
接下来，将参考图17A和17B描述喷射的液滴中包含的第一液体和第二液体之间的比。随着水相厚度比hr(＝w1/(w1+w2))接近0，第一液体31的水相厚度w1变小；而随着水相厚度比hr接近1，第一液体31的水相厚度w1变大。随着水相厚度比hr接近0，由气泡16推出的第一液体31的量变少。因此，喷射的液滴30主要包含占据喷射口11内部的第二液体32。另一方面，在水相厚度比hr合理地较大的情况下，第一液体开始进入喷射口11(如图17A所示)，并且由气泡16推出的第一液体31的量也增加。结果，喷射的液滴30中包含的第一液体31的百分比增大。注意，图17A示出了第一液体31和第二液体32之间的简化界面。
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之间的比随着液体流动通道13中的水相厚度比hr而变化。在第一液体31用作发泡介质且期望第二液体32是喷射液滴30的主要成分的情况下，例如，需要调节水相厚度比hr以使得喷射口11仅由第二液体填充，如图15C中所示。然而，如果水相厚度比hr设定得太低，则压力产生元件12与第二液体32接触的百分比增大(如图17B所示)，这导致担心由于第二液体32的焦化部分粘附到压力产生元件12上而引起发泡的不稳定。此外，如果压力产生元件12与第一液体31的接触面积减小，则发泡能量减小，由此喷射效率降低，因而导致担心发生与之相关的不利影响。因此，为了保持稳定的喷射，需要通过调节水相厚度比hr来抑制与压力产生元件12接触的第二液体32的量。
(第四实施例)
将参考图18A至18C和图19A至19C描述第四实施例。注意，与第一实施例中的组件相同的组件将由相同的附图标记指代，并且将省略其说明。本实施例的特征在于：第一液体31和第二液体32以第二液体32被第一液体31的层夹在中间的方式流动。本实施例也使用图1和2中所示的液体喷射头1和液体喷射设备。图18A是从喷射口11侧(+z方向侧)观察的本实施例的液体流动通道的透视图，图18B是示出了沿着图18A中的XVIIIB线截取的剖面的透视图。此外，图18C是沿着图18A中的XVIIIC线截取的剖面的放大图。
在本实施例中，在第一液体31从第一流入口20流入液体流动通道13并与从第二流入口21流入的第二液体32相遇的情况下，第一液体31以绕过第二液体的流动的方式在第二液体32与流动通道的壁之间流动，如图18A中的箭头A所示。第二液体32从第二流入口21朝向第二流出口26流动。结果，液-液界面以从流动通道的一个壁开始第一液体31、第二液体32和第一液体31的顺序形成，使得第二液体32被第一液体31的层夹在中间，如图18C所示。压力产生元件12以在x方向上相对于喷射口11对称的方式布置在硅基板15上。因此，这两个压力产生元件12与第一液体31的相应层接触，而喷射口11主要由第二液体32填充。如果在这种状态下驱动压力产生元件12，则与各个压力产生元件12接触的第一液体31形成气泡，以使主要包含第二液体32的液滴喷出喷射口。同时，由于压力产生元件12相对于喷射口11对称地布置，因此能够以在x方向上对称的形状射出喷射的液滴30，以实现高质量的打印。根据图18C中所示的界面形式，第二液体32被第一液体31的层夹在中间。就此而言，如(公式2)中限定的水相厚度与流量之间的关系在严格意义上不适用于这种构造。但是，水相厚度倾向于与每个液相的流量成比例地变化。具体地，如果在第一液体31的粘度与第二液体32的粘度大致相同的情况下需要增大第二液体32的相厚度，则可以通过因增大第二液体32的流量而增大流量比Qr来使第二液体32的相厚度变厚。
接下来，将参考图19A至19C描述本实施例中的液体的喷射过程。图19A至19C是示出了在将流动通道的高度设定为14μm、将孔板的厚度设定为6μm、并且将喷射口的直径设定为10μm时改变第一液体31和第二液体32之间的相厚度比的情况下的喷射过程的图。在图19A至19C的每一幅中，从顶部到底部示出了随着时间推移的喷射过程。
图19A示出了在将第二液体32的相厚度调节为小于10μm(喷射口的直径等于10μm)的情况下的喷射过程。第二液体32和第一液体31都存在于喷射口11中。如果在这种状态下进行喷射操作，则可以通过形成与压力产生元件12接触的第一液体31的气泡来喷射液体。由于第一液体和第二液体都存在于喷射口11中，因此喷射的液滴30是这些液体的混合液体。
图19B示出了在将第二液体32的相厚度调节为与喷射口的直径一致(等于10μm)的情况下的喷射过程。如果在这种状态下执行喷射操作，则可以通过形成与压力产生元件接触的第一液体31的气泡来喷射液体。虽然喷射的液滴30主要包含占据喷射口内部的第二液体32，但是一部分第一液体31也由于发泡而作为喷射的液滴的一部分喷射。因此，这种液滴是第二液体与第一液体的混合液体，第一液体的百分比比图19A的情况小。
图19C示出了在第二液体32的相厚度被调节到12μm(其大于喷射口11的直径)的情况下的喷射过程。压力产生元件12位于仅与第一液体接触的位置处，从而通过产生第一液体的气泡可以喷射液体。位于喷射口内部和喷射口周围的第二液体32的一部分被推出喷射口11，由此喷射的液滴30基本上由第二液体32组成。喷射的液滴30中的组分的百分比可以通过调节第二液体32的相厚度来控制，如上所述。特别地，在仅由第二液体形成喷射液滴30的情况下，有效的是将第二液体的相厚度设定为大于喷射口的直径，如图19C所示。然而，如果第二液体32由于其相厚度增加而与压力产生元件12接触，则担心由于第二液体32的焦化部分粘附到任一压力产生元件12上而引起发泡的不稳定。此外，如果每个压力产生元件12与第一液体31的接触面积减小，则发泡能量减小，从而喷射效率降低，因而导致担心发生与之相关的不利影响。因此，优选的是将第二液体32和第一液体31之间的每个液-液界面的位置定位在从喷射口到对应的压力产生元件之间的位置处，如图19C所示。
(第五实施例)
将参考图20至21B描述第五实施例。注意，与第一实施例中的组件相同的组件将由相同的附图标记指代，并且将省略其说明。本实施例的特征在于：第一液体31和第二液体32以第二液体32被第一液体31的层夹在中间的方式流动。在这种情况下，在靠近喷射口11的壁表面上而不是在靠近硅基底15的壁表面上设置两个压力产生元件12。图20A是从喷射口11侧(+z方向侧)观察的本实施例的液体流动通道13的透视图，图20B是示出了沿着图20A中的XXB线截取的剖面的透视图。此外，图20C是沿着图20A中的XXC线截取的剖面的放大图。
本实施例与第四实施例之间的区别之处在于定位压力产生元件12的位置。在本实施例中，压力产生元件12布置在压力室18内并且布置在孔板14上的在x方向上相对于喷射口11对称的位置处。如图20C所示，压力产生元件12与第一液体31的相应层接触，而喷射口11主要由第二液体32填充。如果在这种状态下驱动压力产生元件12，则与压力产生元件12接触的第一液体31形成气泡，从而将主要包含第二液体32的液滴从喷射口11喷出。由于压力产生元件12相对于喷射口11对称地布置，因此能够以在x方向上对称的形状射出喷射的液滴，以实现高质量的打印。
在如第四实施例那样压力产生元件12设置在硅基板15上的情况下，如果喷射口11和每个压力产生元件12之间的距离设定得太大，则存在在第一液体中产生气泡时的压力不能充分地传递到第二液体并且不能适当地喷射液体的情况。另一方面，通过如本实施例那样在孔板14上设置压力产生元件12，则即使喷射口11和每个压力产生元件12之间的距离增大，也可以避免由于产生气泡引起的压力不能充分地传递到第二液体的情况。结果，根据本实施例，可以在不受喷射口11和每个压力产生元件12之间的距离(或者换句话说液体流动通道的高度)的影响的情况下喷射液体。因此，能够增大液体流动通道的高度。因此，本实施例不仅能够稳定地喷射液体，而且还能够通过增大液体流动通道的高度来减少再填充速度的恶化，而再填充速度的恶化在使用非常粘稠液体的情况下通常很成问题。
图21A和21B是示出了在将流动通道的高度设定为14μm、将孔板的厚度设定为6μm、并将喷射口的直径设定为10μm时改变第一液体31和第二液体32之间的相厚度比的情况下的喷射过程的图。在图21A和21B的每一幅中，从顶部到底部示出了随着时间推移的喷射过程。
在图21A中，调节相厚度比，使得喷射口11仅由第二液体32填充，而第一液体31主要与每个压力产生元件12接触。如果在这种状态下执行喷射操作，则喷射的液滴30基本上由第二液体32组成，从而可以使液滴中的第一液体31最小化。图21B示出了第二液体32的相厚度设定为小于喷射口的直径的示例。此时，第一液体31包括在喷射口11中。如果在这种状态下执行喷射操作，则喷射的液滴30主要包含第一液体31，但同时也部分地包含第二液体32。如上所述，通过调节水相厚度比，能够控制待包含在喷射的液滴30中的组分，因而能够根据预期目的而调节含有率。
注意，在第三实施例、第四实施例和第五实施例的任一个中，也可以使第二实施例中描述的第三液体在压力室中流动。此外，喷射方法不限于其中压力产生元件和喷射口位于彼此相对的位置处的构造。还可以采用所谓的侧射模式，其中喷射口位于相对于压力产生元件产生压力的方向成等于或小于90度的角度的位置处。
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。

Claims (20)

1.一种液体喷射头，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；和
喷射口，所述喷射口构造成喷射第二液体，其中
在压力室中第一液体在与压力产生元件接触的同时沿着与从喷射口喷射第二液体的喷射方向交叉的交叉方向流动并且第二液体沿着第一液体在所述交叉方向上流动的状态下，通过使压力产生元件向第一液体施加压力而从喷射口喷射第二液体。
2.根据权利要求1所述的液体喷射头，其中，第一液体和第二液体在压力室中形成层流。
3.根据权利要求1所述的液体喷射头，其中，第一液体和第二液体在压力室中形成平行流。
4.根据权利要求1所述的液体喷射头，其中，第一液体和第二液体在压力室中沿着第二液体的喷射方向并排地流动。
5.根据权利要求1所述的液体喷射头，其中，第一液体和第二液体在压力室中沿着与第二液体的喷射方向交叉并与第一液体和第二液体在压力室中的流动方向交叉的方向并排地流动。
6.根据权利要求4所述的液体喷射头，其中，液体喷射头满足如下定义的表达式：
h1/(h1+h2)≤-0.1390+0.0155H，
其中，H[μm]是压力室在第二液体的喷射方向上的高度，h1[μm]是压力室中的第一液体在第二液体的喷射方向上的厚度，并且h2是压力室中的第二液体在第二液体的喷射方向上的厚度。
7.根据权利要求1所述的液体喷射头，其中，在压力室中，第二液体的流量等于或大于第一液体的流量。
8.根据权利要求1所述的液体喷射头，其中，第一液体不包括在要从喷射口喷射的液体中。
9.根据权利要求4所述的液体喷射头，其中，
第三液体也在压力室中流动，并且
第三液体以第一液体、第三液体和第二液体按列出的顺序布置的方式在压力室中沿着第一液体和第二液体流动。
10.根据权利要求1所述的液体喷射头，其中，第一液体是水和临界压力等于或大于2MPa的水性液体中的任一种。
11.根据权利要求1所述的液体喷射头，其中，第二液体是乳液和包含颜料的水性墨水中的任一种。
12.根据权利要求1所述的液体喷射头，其中，第二液体是固体型紫外线固化墨水。
13.根据权利要求1所述的液体喷射头，还包括：
第一流入口，第一液体通过所述第一流入口流入压力室中；
第一流出口，第一液体通过所述第一流出口从压力室流出；
第二流入口，第二液体通过所述第二流入口流入压力室中；和
第二流出口，第二液体通过所述第二流出口流出压力室。
14.根据权利要求13所述的液体喷射头，其中，第二流入口、第一流入口、第一流出口、和第二流出口通过沿着压力室中的第一液体和第二液体的流动方向按列出的顺序布置而形成。
15.根据权利要求13所述的液体喷射头，其中，第二流入口和第二流出口形成于在与第二液体的喷射方向交叉并与第一液体和第二液体在压力室中的流动方向交叉的方向上偏离第一流入口和第一流出口的位置处。
16.根据权利要求15所述的液体喷射头，其中，压力产生元件形成于在与第二液体的喷射方向交叉并与第一液体和第二液体在压力室中的流动方向交叉的方向上偏离喷射口的位置处。
17.根据权利要求13所述的液体喷射头，其中，第一液体、第二液体和第一液体在以列出的顺序布置的同时沿着与第二液体的喷射方向交叉并与所述流动方向交叉的方向并排地在压力室中流动。
18.根据权利要求1所述的液体喷射头，其中，在压力室中流动的第一液体在压力室和外部单元之间循环。
19.一种液体喷射设备，所述液体喷射设备包括液体喷射头，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；和
喷射口，所述喷射口构造成喷射第二液体，其中
在压力室中第一液体在与压力产生元件接触的同时沿着与从喷射口喷射第二液体的喷射方向交叉的交叉方向流动并且第二液体沿着第一液体在所述交叉方向上流动的状态下，通过使压力产生元件向第一液体施加压力而从喷射口喷射第二液体。
20.一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；和
喷射口，所述喷射口构造成喷射第二液体，其中
在压力室中第一液体在与压力产生元件接触的同时沿着与从喷射口喷射第二液体的喷射方向交叉的交叉方向流动并且第二液体沿着第一液体在所述交叉方向上流动的状态下，通过使压力产生元件向第一液体施加压力而从喷射口喷射第二液体，并且
液体喷射头通过排列多个液体喷射模块而形成。
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