TWI759618B - 液體噴射頭，液體噴射設備及液體噴射模組 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及液體噴射頭、液體噴射設備和液體噴射模組。液體噴射頭包括：壓力室，其被建構成允許第一液體和第二液體在其內部流動、壓力產生元件，其被建構來向第一液體施加壓力、和噴射口，其被建構來噴射第二液體。在該第一液體流動於一與該第二液體和該壓力產生元件相接觸時該第二液體從噴射口噴射出的方向交叉的方向上並且該第二液體和該第一液體一起在壓力室中流動於該交叉的方向上的狀態下，藉由促使該壓力產生元件向該第一液體施加壓力來使該第二液體從該噴射口被噴射出。

Description

液體噴射頭，液體噴射設備及液體噴射模組
本揭露內容係關於液體噴射頭、液體噴射設備和液體噴射模組。
日本專利公開案第H6-305143號揭露了一種液體噴射單元，其被建構成使得用作為噴射介質的液體和用作為起泡介質的液體在介面上彼此接觸，並且隨著在接收傳遞的熱能的起泡介質中產生的氣泡的生長而噴射介質。日本專利公開案第H6-305143號描述了在噴射了噴射介質後向噴射介質和起泡介質施加壓力來形成噴射介質和起泡介質的流動的方法，因而穩定了液體流動通道中的噴射介質和起泡介質之間的介面。
本揭露內容的第一態樣提供了一種液體噴射頭，其包括：壓力室，所述壓力室被建構成允許第一液體和第二液體在其內部流動；壓力產生元件，所述壓力產生元件被建構來向第一液體施加壓力；噴射口，所述噴射口建構來噴射第二液體，其中，在該第一液體流動於一與該第二液體和該壓力產生元件相接觸時該第二液體從噴射口噴射出的方向交叉的方向上並且該第二液體和該第一液體一起在壓力室中流動於該交叉的方向上的狀態下，藉由促使該壓力產生元件向該第一液體施加壓力來使該第二液體從該噴射口被噴射出。
本揭露內容的第二態樣提供了一種液體噴射設備，其包括液體噴射頭，所述液體噴射頭包括：壓力室，所述壓力室被建構成允許第一液體和第二液體在其內部流動；壓力產生元件，所述壓力產生元件被建構來向第一液體施加壓力；噴射口，所述噴射口建構來噴射第二液體，其中，在該第一液體流動於一與該第二液體和該壓力產生元件相接觸時該第二液體從噴射口噴射出的方向交叉的方向上並且該第二液體和該第一液體一起在壓力室中流動於該交叉的方向上的狀態下，藉由促使該壓力產生元件向該第一液體施加壓力來使該第二液體從該噴射口被噴射出。
本揭露內容的第三態樣提供了一種用於建構液體噴射頭的液體噴射模組，所述液體噴射頭包括：壓力室，所述壓力室構造成允許第一液體和第二液體在其內部流動；壓力產生元件，所述壓力產生元件建構來向第一液體施加壓力；噴射口，所述噴射口被建構來噴射第二液體，其中，在該第一液體流動於一與該第二液體和該壓力產生元件相接觸時該第二液體從噴射口噴射出的方向交叉的方向上並且該第二液體和該第一液體一起在壓力室中流動於該交叉的方向上的狀態下，藉由促使該壓力產生元件向該第一液體施加壓力來使該第二液體從該噴射口被噴射出，該液體噴射頭係藉由將多個液體噴射模組排列成陣列而被形成。
本發明的其它特徵從下面參考附圖的示範性實施例的描述中將變得顯而易見。
然而，在日本專利公開案第H6-305143號中所公開的每次進行噴射操作時藉由向噴射介質和起泡介質施加壓力來形成這兩種介質之間的介面的構造中，在重複噴射操作過程中介面易於不穩定。因此，藉由沉積噴射介質而獲得的輸出的品質會因為包含在噴射的液滴中的介質成分的波動以及噴射的液滴的量和速度的波動而被劣化。
本揭露內容被提出來解決上述問題。因此，本發明的一個目的是提供一種液體噴射頭，它能夠在進行噴射操作的情況下穩定噴射介質和起泡介質之間的介面，因而保持良好的噴射性能。 (第一實施例) (液體噴射頭的構造)
圖1是可用於此實施例中的液體噴射頭1的透視圖。此實施例的液體噴射頭1係藉由將多個液體噴射模組100在x方向上排列為陣列而形成。每一液體噴射模組100包括元件板10，其上排列了噴射元件陣列、和用於向各個噴射元件供應電力和噴射訊號的柔性配線板40。柔性配線板40連接到共同使用的電氣配線板90，所述電氣配線板90設置有電力供應端子和噴射訊號輸入端子的陣列。每一液體噴射模組100可以容易地附接到液體噴射頭1以及從液體噴射頭1拆卸。因此，任何所想要的液體噴射模組100可以容易地從外部附接到液體噴射頭1或者從液體噴射頭1拆卸，而無需拆開液體噴射頭1。
假定如上所述藉由沿著縱長方向多重設置液體噴射模組100(藉由多個液體噴射模組的陣列)而形成液體噴射頭1，則即使噴射元件中的某一個引起噴射失敗，也僅需要更換噴射失敗中涉及到的液體噴射模組。因此，可以在製造過程中提高液體噴射頭1的產量，並且降低更換液體噴射頭的成本。 (液體噴射設備的構造)
圖2示出了適用於本實施例的液體噴射設備2的控制構造的方塊圖。CPU 500在使用RAM 502作為工作區域的同時根據儲存在ROM 501中的程式來控制整個液體噴射設備2。例如，CPU 500根據儲存在ROM 501中的程式和參數對要從外部連接的主機設備600接收的噴射資料執行規定的資料處理，藉以產生噴射訊號以使得液體噴射頭1能夠實施噴射。然後，在用於沉積液體的目標介質被驅動傳送馬達503移動於預定方向上的同時，液體噴射頭1根據噴射訊號被驅動。因此，從液體噴射頭1噴射出的液體沉積在沉積目標介質上以進行黏附。
液體循環單元504是一被建構成使液體循環並將液體供應到液體噴射頭1並且對液體噴射頭1中的液體進行流動控制的單元。液體循環單元504包括用於儲存液體的子罐、用於使液體在子罐和液體噴射頭1之間循環的流動通道、泵、流動的液體的流量的流量控制單元用於控制在液體噴射頭1中等等。因此，在CPU 500的指令下，這些機構被控制使得液體以預定的流量在液體噴射頭1中流動。 (元件板的構造)
圖3是設置在每一液體噴射模組100中的元件板10的剖面透視圖。元件板10係藉由在矽(Si)基板15上堆疊孔板14(噴射口形成構件)而形成。在圖3中，被排列在x方向上的噴射口11噴射相同類型的液體(例如，從公共的子罐或公共的供應口供應的液體)。圖3示出了孔板14也設置有液體流動通道13的例子。替代地，元件板10可以採用一種構造，在此構造中液體流動通道13係藉由使用不同的部件(流動通道形成構件)來形成並且設置有噴射口11的孔板14放置在該部件上。
壓力產生元件12(圖3中未示出)是在與相應的噴射口11相對應的位置處被設置在矽基板15上。每一噴射口11和相應的壓力產生元件12位於彼此相對的位置處。在回應噴射訊號而施加電壓的情況下，壓力產生元件12在一與液體的流動方向(y方向)正交的z方向上對液體施加壓力。因此，液體從與壓力產生元件12相對的噴射口11以液滴的形式被噴射出。柔性配線板40(見圖1)經由設置在矽基板15上的端子17向壓力產生元件12供應電力和驅動訊號。
孔板14設置有延伸在y方向上並且被逐一地連接到各噴射口11的多個液體流動通道13。同時，在x方向上被排列成陣列的液體流動通道13被連接到共用的第一公共供應流動通道23、第一公共收集流動通道24、第二公共供應流動通道28和第二公共收集流動通道29。第一公共供應流動通道23、第一公共收集流動通道24、第二公共供應流動通道28和第二公共收集流動通道29中的液體的流動由參考圖2描述的液體循環單元504控制。更確切地說，液體循環單元504執行控制，使得從第一公共供應流動通道23流入液體流動通道13的第一液體被引導至第一公共收集流動通道24，而從第二公共供應流動通道28流入液體流動通道13中的第二液體則被引導至第二公共收集流動通道29。
圖3示出了一例子，在此例子中，在x方向上被排列成陣列的噴射口11和液體流動通道13、以及用來向這些噴射口和通道供應墨水和從這些噴射口和通道收集墨水且被共同使用的第一公共供應流動通道23、第二公共供應流動通道28和第一公共收集流動通道24、第二公共收集流動通道29被界定為一組、並且有兩組這些部件被排列在y方向上。圖3示出了每一噴射口被設置在與相應的壓力產生元件12相對的位置或換言之在氣泡長大方向上的構造。然而，此實施例並不侷限於此構造。例如，每一噴射口可被設置在與氣泡生長方向垂直的位置。 (流動通道和壓力室的構造)
圖4A至4D是用於說明在元件板10中形成的每一液體流動通道13和每一壓力室18的詳細構造的圖式。圖4A是從噴射口11側(從+z方向側)觀看的透視圖且圖4B是沿著圖4A中所示的IVB-IVB線截取的剖面圖。同時，圖4C是圖3中所示的元件板中的每一液體流動通道13附近的放大圖。此外，圖4D是圖4B中的噴射口附近的放大圖。
與液體流動通道13的底部相對應的矽基板15包括以此被提到的順序被形成在y方向上的第二流入口21、第一流入口20、第一流出口25和第二流出口26。此外，與噴射口11連通並且包括壓力產生元件12的該壓力室18基本上位於液體流動通道13中的第一流入口20和第一流出口25之間的實質中心處。第二流入口21連接到第二公共供應流動通道28，第一流入口20連接到第一公共供應流動通道23，第一流出口25連接到第一公共收集流動通道24，並且第二流出口26連接到第二公共收集流動通道29(參見圖3)。
在上述構造中，從第一公共供應流動通道23經由第一流入口20被供應到液體流動通道13的第一液體31流動於y方向(箭頭所指的方向)上。第一液體31經過壓力室18，並且經由第一流出口25被收集到第一公共收集流動通道24中。同時，從第二公共供應流動通道28經由第二流入口21被供給到液體流動通道13的第二液體32流動於y方向(箭頭所指的方向)上。第二液體32經過壓力室18，並且經由第二流出口26被收集到第二公共收集流動通道29中。亦即，在液體流動通道13中，第一液體和第二液體在第一流入口20和第一流出口25之間的區段中都流動於y方向上。
在壓力室18中，壓力產生元件12與第一液體31接觸，而曝露於大氣的第二液體32在噴射口11的附近形成彎月形(meniscus)液面。第一液體31和第二液體32在壓力室18中流動，使得壓力產生元件12、第一液體31、第二液體32和噴射口11以該被提到的順序被設置。具體地，假設壓力產生元件12位於下側而噴射口11位於上側，則第二液體32在第一液體31的上方流動。第一液體31和第二液體32以流層狀態流動。此外，第一液體31和第二液體32被位於下方的壓力產生元件12加壓，並且從底部向上噴射。應指出的是，這一上下方向對應於壓力室18和液體流動通道13的高度方向。
在此實施例中，根據第一液體31的物理性質和第二液體32的物理性質來調整第一液體31的流量和第二液體32的流量，使得第一液體31和第二液體32在壓力室中彼此接觸地流動，如圖4D所示。儘管在第一實施例和第二實施例中允許第一液體、第二液體和第三液體流動於相同的方向上，但是各實施例不限於這種構造。具體地，第二液體可以流動於與第一液體的流動方向相反的方向上。或者，可以用藉由使得第一液體的流動以直角與第二液體的流動交叉這樣的方式設置流動通道。同時，液體噴射頭被建構成使得在液體流動通道(壓力室)的高度方向上第二液體在第一液體的上方流動。然而，本實施例不僅僅侷限於這種構造。具體地，如第三實施例中那樣，第一液體和第二液體這兩者都可以與液體流動通道(壓力室)的底表面相接觸地流動。
上述兩種液體的模式不僅包括兩種液體流動於相同的方向上的平行流(如圖4D中所示)，而且還包括第二液體流動於與第一液體的流動相反的方向上的相反流、和第一液體的流動與第二液體的流動交叉的那種液體流。在下文中，這些模式中的平行流將作為例子被描述。
在平行流的情況下，較佳的是，保持第一液體31和第二液體32之間的介面不受干擾，或換言之，在壓力室18內建立第一液體31和第二液體32的流動的層流狀態。具體地，在試圖控制噴射性能以保持預定噴射量的情況下，在介面穩定的狀態下驅動壓力產生元件是較佳的。然而，此實施例並不僅限於這種構造。即使壓力室18內的流動將轉變為兩種液體之間的介面會受到一定程度的干擾的紊流狀態，也仍然可以在能夠保持著至少第一液體主要在壓力產生元件12側流動而第二液體主要在噴射口11側流動的狀態下驅動壓力產生元件12。下面的描述將主要集中在壓力室內的流動處於平行流的狀態和處於層流的狀態的例子。 (與層流同時形成平行流的條件)
首先將描述在管中形成液體的層流的條件。代表黏性力和介面力之比的雷諾數通常被稱為流動評價指數。
現在，將液體的密度定義為ρ，將液體的流速定義為u，將液體的代表長度定義為d，將黏度定義為η，並且將液體的表面張力定義為γ。在這種情況下，雷諾數可以用下式(公式1)表示：
Figure 02_image001
在此處，已知的是，當雷諾數Re變得愈小，層流愈可能被形成。更確切地說，已知的是，在雷諾數Re 小於約2200的情況下，圓形管內的流動被形成為層流，而在雷諾數Re 大於約2200的情況下，圓形管內的流動變成紊流。
在流動被形成為層流的情況下，流線變得平行於流動的行進方向而不互相交叉。因此，在相接觸的兩種液體構成層流的情況下，液體可以形成平行流，同時穩定地界定這兩種液體之間的介面。
在此處，考慮到一般的噴墨列印頭，在液體流動通道(壓力室)中在噴射口附近，流動通道的高度(壓力室的高度)H[μm]係在約10μm至100μm的範圍內。就此而言，在水(密度ρ=1.0×103 kg/m3 ，黏度η=1.0 cP)以100 mm/s的流速供給到噴墨列印頭的液體流動通道中的情況下，雷諾數Re 為Re =ρud/η≈ 0.1~1.0 ＜＜2200。因此，層流可被認定形成在其中。
在此處，即使本實施例的液體流動通道13和壓力室18具有如圖4A至4D所示的矩形橫截面，液體噴射頭中的液體流動通道13和壓力室18的高度和寬度也足夠小。因此，液體流動通道13和壓力室18可以被視為圓形管的情況，或者更具體地，液體流動通道和壓力室18的高度可以被視為圓形管的直徑。 (在層流狀態下形成平行流的理論條件)
接下來，將參考圖4D描述在液體流動通道13和壓力室18中形成兩種類型的液體之間有穩定的界面的平行流的條件。首先，從矽基板15到孔板14的噴射口表面的距離被定義為H[μm]，並且從噴射口表面到第一液體31與第二液體32之間的液-液介面的距離(第二液體的相厚度)被定義為h2 [μm]。同時，從該液-液介面到矽基板15的距離(第一液體的相厚度)被定義為h1 [μm]。這些定義使得H=h1 +h2 。
關於液體流動通道13和壓力室18中的邊界條件，液體流動通道13和壓力室18的壁表面上的液體的速度被假設為零。此外，第一液體31和第二液體32在液-液介面處的速度和剪切應力被假設為具有連續性。基於這種假設，如果第一液體31和第二液體32形成雙層且平行的穩定流，則在下面的式子(公式2)中定義的四次方程在平行流區段中成立：
Figure 02_image003
在(公式2)中，η1 表示第一液體的黏度，η2 表示第二液體的黏度，Q1 表示第一液體的流量(體積流量[um3 /us])，並且Q2 表示第二液體的流量(體積流量[um3 /us])。換言之，第一液體和第二液體係以根據各液體的在滿足上述四次方程式(公式2)的範圍內的流量和黏度建立位置關係的方式流動，由此形成具有穩定介面的平行流。在本實施例中，在液體流動通道13中或者至少在壓力室18中形成第一液體和第二液體的平行流是較佳的。在如上所述地形成平行流的情況下，第一液體和第二液體僅僅由於在其間的液-液介面上的分子擴散而涉及混合，並且液體在y方向上平行地流動而幾乎不引起任何混合。應指出的是，液體的流動並不始終必須在壓力室18中的某個區域中建立層流狀態。在這種情況下，至少在壓力產生元件上方的區域中的液體的流動較佳地建立層流狀態。
即使在使用不混溶的溶劑(譬如，油和水)作為第一液體和第二液體的情況下，例如，只要滿足(公式2)，則無論不混溶性如何都會形成穩定的平行流。同時，即使在油和水的情況下，如果由於壓力室中的流動的輕微紊流狀態而干擾介面，則至少第一液體主要在壓力產生元件側流動而第二液體主要在噴射口側流動是較佳的。
圖5A是顯示基於(公式2)在將流量比Qr = Q2 /Q1 變為幾個等級時黏度比ηr =η2 /η1 與第一液體的相厚度比hr =h1 /(h1 +h2 )之間的關係的曲線圖。儘管第一液體不限於水，但是“第一液體的相厚度比”在下文中將被稱為“水相厚度比”。橫軸表示黏度比ηr =η2 /η1 ，縱軸表示水相厚度比hr =h1 /(h1 +h2 )。隨著流量比Qr 變得更高，水相厚度比hr 變得更低。同時，在流量比Qr 的每一等級(level)處，隨著黏度比ηr 變得更高，水相厚度比hr 變得更低。換言之，藉由控制第一液體和第二液體之間的黏度比ηr 和流量比Qr ，液體流動通道13(壓力室)中的水相厚度比hr (第一液體和第二液體之間的介面的位置)可被調整至規定值。另外，在將黏度比ηr 與流量比Qr 進行比較的情況下，圖5A所教示的是，流量比Qr 對水相厚度比hr 的影響比黏度比ηr 對水相厚度比hr 的影響更大。
應指出的是，圖5A中所示的條件A、條件B和條件C分別代表以下條件： 條件A)：在黏度比ηr =1且流量比Qr =1的情況下，水相厚度比hr =0.50； 條件B)：在黏度比ηr =10且流量比Qr =1的情況下，水相厚度比hr =0.39；和 條件C)：在黏度比ηr= 10且流量比Qr =10的情況下，水相厚度比hr =0.12。
圖5B是分別示出關於上述條件A、B和C在液體流動通道13(壓力室)的高度方向(z方向)上的流速分佈的曲線圖。橫軸表示藉由將條件A中的最大流速值定義為1(基準)來進行標準化的標準化值Ux 。縱軸表示在液體流動通道13(壓力室)的高度H被定義為1(基準)的情況下距底面的高度。在顯示各別條件的每條曲線上，標記被用來指出介於第一液體和第二液體之間的介面的位置。圖5B顯示出的是，介面的位置係根據各條件而變化，譬如條件A中的介面的位置高於條件B和條件C中的介面的位置。該變化是由於以下事實：在具有互相不同的黏度的兩種液體在分別形成層流(並且在整體上也形成層流)的同時在管中平行地流動的情況下，這兩種液體之間的介面被形成在由液體之間的黏度差異引起的壓力差與由介面張力引起的拉普拉斯壓力相平衡的位置處。 (流量比與水相厚度比之間的關係)
圖6是一顯示出在黏度比ηr =1的情況下和在黏度比ηr =10的情況下基於(公式2)的流量比Qr 與水相厚度比hr 之間的關係的圖。橫軸表示流量比Qr =Q2 /Q1 ，縱軸表示水相厚度比hr =h1 /(h1 +h2 )。流量比Qr =0對應於Q2 =0的情況，其中液體流動通道僅填充第一液體而在液體流動通道中沒有第二液體。此時，水相厚度比hr 等於1。圖6中的點P示出了這種狀態。
如果流量比Qr 設定為高於點P的位置(即，如果第二液體的流量Q2 設定為大於0)，則水相厚度比hr 、即第一液體的水相厚度h1 變小，而第二液體的水相厚度h2 變大。換句話說，僅僅第一液體流動的狀態轉變為第一液體和第二液體在限定介面的同時平行地流動的狀態。此外，在第一液體和第二液體之間的黏度比ηr = 1的情況下和黏度比ηr = 10的情況下均可以確認上述趨勢。
換言之，為了建立該第一液體和第二液體在界定它們之間的介面的同時在液體流動通道13中伴隨彼此一起流動的狀態，需要滿足流量比Qr =Q2 /Q1 ＞0，或者，換言之，需要滿足Q1 ＞0且Q2 ＞0。這意味著第一液體和第二液體都流動於相同的方向(即y方向)上。 (噴射操作中的過渡狀態)
接下來，將描述在液體流動通道13和壓力室18內形成有平行流的噴射操作中的過渡狀態。圖7A至7E是一示意性地示出了在孔板的厚度設定為T=6 μm的情況下在流動通道(壓力室)的高度為H[μm]=20 μm的液體流動通道13中形成黏度比為ηr =4的第一液體和第二液體的平行流的狀態下進行噴射操作的情況下的過渡狀態的圖式。
圖7A示出了在向壓力產生元件12施加電壓之前的狀態。在此處，圖7A顯示一狀態，該狀態是該介面穩定在一個可藉由適當地調整一起流動的第一液體的數值Q1 和第二液體的數值Q2來達成水相厚度比hr =0.57(即第一液體的水相厚度h1 [μm]=6 μm)的位置。
圖7B顯示出剛剛開始向壓力產生元件12施加電壓的狀態。本實施例的壓力產生元件12是電熱轉換器(加熱器)。更準確地說，壓力產生元件12在接收到電壓脈衝時快速地產生熱量以回應該噴射訊號，並且在與之接觸的第一液體中引起膜狀沸騰。圖7B顯示的是藉由膜狀沸騰產生氣泡16的狀態。隨著氣泡16的產生，第一液體31和第二液體32之間的介面移動於z方向(壓力室的高度方向)上，由此第二液體32在z方向上推出噴射口11。
圖7C顯示出被膜狀沸騰產生的氣泡16的體積被增大的狀態，第二液體32藉此在z方向被進一步推出噴射口11。
圖7D顯示出氣泡16與大氣連通的狀態。在本實施例中，一從噴射口11朝向壓力產生元件12移動的氣-液介面在氣泡16長大至最大之後的收縮階段與氣泡16連通。
圖7E顯示出液滴30被噴射的狀態。在如圖7D所示之氣泡16與大氣連通的時刻從噴射口11被射出的液體由於其慣性力而脫離液體流動通道13並且以液滴30的形式飛行於z方向上。同時，在液體流動通道13中，被噴射所消耗的液體量係藉由液體流動通道13的毛細作用力從噴射口11的兩側供應，在噴射口11處的半月形液面因而再次被形成。然後，如圖7A中所示，再次形成流動於y方向上的第一液體和第二液體的平行流。
如上所述，在本實施例中，如圖7A至7E中所示的噴射操作是在第一液體和第二液體以平行流流動的狀態下進行的。為了進一步詳細地描述，再次參考圖2，CPU 500在保持第一液體和第二液體的恆定流量的同時，藉由使用液體循環單元504讓第一液體和第二液體循環於液體噴射頭1中。然後，CPU 500在保持上述控制的同時根據噴射資料將電壓施加到設置在液體噴射頭1中的各個壓力產生元件12上。在此處，第一液體的流量和第二液體的流量可能不是始終衡定的，這取決於將被噴射的液體量。
在液體正在流動的狀態下進行噴射操作的情況中，液體的流動可能不利地影響噴射性能。然而，在一般的噴墨列印頭中，每一液滴的噴射速度處於每秒幾公尺到每秒十幾公尺的量級，這遠高於液體流動通道中的處於每秒幾毫米到每秒幾米的量級的流速。因此，即使在第一液體和第二液體正在以每秒幾毫米到每秒幾米的範圍內流動的狀態下進行噴射操作，對噴射性能的不利影響也很小。
本實施例示出了氣泡16與壓力室18中的大氣連通的構造。然而，本實施例不限於這種構造。例如，氣泡16可以與噴射口11外側(大氣側)的大氣連通。或者，氣泡16可以被允許消失而不與大氣連通。 (噴射的液滴中含有的液體的比)
圖8A至8G是用於比較在流動通道(壓力室)高度為H[μm]=20 μm的液體流動通道13(壓力室)中逐步地改變水相厚度比hr的情況下被噴出的液滴的圖式。在圖8A至8F中，水相厚度比hr 每次增加0.10，而從圖8F的狀態到圖8G的狀態水相厚度比hr 增加0.50。應指出的是，圖8A至8G中的每個噴射液滴是根據在將第一液體的黏度設定為1cP、第二液體的黏度設定為8 cP、以及液滴的噴射速度設定為11 m/s的同時進行模擬所獲得的結果而示出的。
當圖4D中所示的水相厚度比hr (=h1 /(h1 +h2 ))愈接近0，第一液體31的水相厚度比h1 愈低，並且當水相厚度比hr 愈接近1，第一液體31的水相厚度比h1 愈低。因此，儘管在被噴出的液滴30中主要包含靠近噴射口11的第二液體32，但是包含在被噴出的液滴30中的第一液體31的比例也隨著水相厚度比hr 更接近1而被增大。
在圖8A至8G所示之流動通道(壓力室)高度設定為H[μm]=20 μm的情況下，如果水相厚度比hr =0.00、0.10或0.20，則在被噴出的液滴30中僅包含第二液體32而且在被噴出的液滴30中不包含第一液體31。然而，在水相厚度比hr =0.30或更高的情況下，除了第二液體32之外，第一液體31也包含在噴射液滴30中。在水相厚度比hr =1.00的情況(即，不存在第二液體的狀態)下，在被噴出的液滴30中僅包含第一液體31。如上所述，包含在被噴出的液滴30中的第一液體31和第二液體32之間的比係根據液體流動通道13中的水相厚度比hr 而改變。
另一方面，圖9A至9E是用於比較在流動通道(壓力室)高度為H[μm]=33 μm的液體流動通道13中逐步地改變水相厚度比hr 的情況下的被噴出的液滴30的圖式。在這種情況下，如果水相厚度比hr =0.36或更低，則在被噴出的液滴30中僅包含第二液體32。同時，在水相厚度比hr =0.48或更高的情況下，除了第二液體32之外，第一液體31也被包含在被噴出的液滴30中。
同時，圖10A至10C是用於比較在流動通道(壓力室)高度為H[μm]=10 μm的液體流動通道13中逐步地改變水相厚度比hr 的情況下的被噴出的液滴30的圖式。在這種情況下，即使在水相厚度比hr =0.10的情況下，第一液體31也被包含在被噴出的液滴30中。
圖11是代表包含於被噴出的液滴30中的第一液體31的比例R是固定的情況下將該比例R設定為0%、20%和40%時流動通道(壓力室)高度H與水相厚度比hr 之間的關係的曲線圖。在任一比例R中，隨著流動通道(壓力室)高度H變大，可容許的水相厚度比hr 變得更高。應指出的是，被包含的第一液體31的該比例R是已經流動在液體流動通道13(壓力室)中流動之作為該第一液體31的液體與被噴射液滴之間的比例。就此而言，即使第一液體和第二液體中的每一者均包含相同的成分(例如水)，包含在第二液體中的水的部分當然不包括在上述的比例中。
在被噴出的液滴30僅僅包含第二液體32而消除了第一液體(R=0%)的情況下，流動通道(壓力室)高度H [μm]與水相厚度比hr 之間的關係繪製了如圖11中的實線所示的軌跡。根據由本揭露內容的發明人進行的研究，水相厚度比hr 可以透過下面的(公式3)中示出的流動通道(壓力室)高度H[μm]的線性函數估算出來：
Figure 02_image005
此外，在允許被噴出的液滴30包含20%的第一液體(R=20%)的情況下，水相厚度比hr 可以透過下面的(公式4)中示出的流動通道(壓力室)高度H[μm]的線性函數估算出來：
Figure 02_image007
此外，在允許被噴出的液滴30包含40%的第一液體(R=40%)的情況下，根據發明人的研究，水相厚度比hr 可以透過下面的(公式5)中示出的流動通道(壓力室)高度H[μm]的線性函數估算出來：
Figure 02_image009
例如，為了使被噴出的液滴30不包含第一液體，在流動通道(壓力室)高度H[μm]等於20μm的情況下，需要將水相厚度比hr 調整到0.20或更低。同時，在流動通道(壓力室)高度H[μm]等於33μm的情況下，需要將水相厚度比hr 調整到0.36或更低。此外，在流動通道(壓力室)高度H[μm]等於10μm的情況下，需要將水相厚度比hr 調整到接近零(0.00)。
但是，如果水相厚度比hr 設定得太低，則必須相對於第一液體的黏度和流量增大第二液體的黏度η2 和流量Q2 。這種增大引起了對與壓力損失增大相關的不利影響的疑慮。例如，再次參考圖5A，為了實現水相厚度比hr =0.20，在黏度比ηr 等於10的情況下，流量比Qr 等於5。同時，在使用相同的墨水時(即，在相同的黏度比ηr 的情況下)，如果水相厚度比設定為hr =0.10，則流量比Qr 等於15，用以獲得不噴出第一液體的確定性。換言之，為了將水相厚度比hr 調整到0.10，需要將流量比Qr 增大到高達將水相厚度比hr 調整到0.20的情形的流量比的三倍，並且這種增大可能引起對壓力損失增大和與之相關的不利影響的疑慮。
因此，在盡可能減少壓力損失的同時僅噴射第二液體32的嘗試中，較佳的是，在滿足上述條件的同時將水相厚度比hr 的數值調整為盡可能地大。為了詳細地描述這一情況再次參考圖11，在流動通道(壓力室)高度H =20μm的情況下，較佳的是，將水相厚度比hr 的數值調整到小於0.20並且盡可能接近0.20。同時，在流動通道(壓力室)高度H[μm]=33μm的情況下，較佳的是，將水相厚度比hr 的數值調整到小於0.36並且盡可能接近0.36。
應指出的是，上述(公式3)、(公式4)和(公式5)界定了適用於一般的液體噴射頭(即被噴出的液滴的噴射速度在10 m/s至18 m/s的範圍內的液體噴射頭)的數值。另外，這些數值係基於壓力產生元件和噴射口位於彼此相對的位置處並且第一液體和第二液體流動使得壓力產生元件、第一液體、第二液體和噴射口按此被提到的順序被設置在壓力室中的假設。
如上所述，根據此實施例，藉由將液體流動通道13(壓力室)中的水相厚度比hr 設定為預定值並且因而穩定介面，能夠穩定地進行包含預定的比例的第一液體和第二液體的液滴的噴射操作。
順帶一提地，為了以穩定的狀態重複上述噴射操作，不論噴射操作的頻率如何，均需要在獲得目標水相厚度比hr 的同時穩定介面的位置。
在此處，將再次參考圖4A至4C描述用於獲得上述狀態的具體方法。例如，為了調整液體流動通道13(壓力室)中的第一液體的流量Q1，只需要準備一用來將第一流出口25處的壓力設定為低於第一流入口20處的壓力的第一壓力差產生機構。以此方式，即可產生從第一流入口20朝向第一流出口25(在y方向上)的第一液體31的流動。同時，只需要準備一用來將第二流出口26處的壓力設定為低於第二流入口21處的壓力的第二壓力差產生機構。以此方式，即可產生從第二流入口21朝向第二流出口26(在y方向上)的第二液體32的流動。
此外，藉由在保持下面的(公式6)中所界定的關係的同時控制第一壓力差產生機構和第二壓力差產生機構，就可以在液體流動通道13中以所需的水相厚度比hr 來形成流動於y方向上的第一液體和第二液體的平行流，而不在液體通道中引起任何反向流動：
Figure 02_image011
在此處，P1in 是第一流入口20處的壓力，P1out 是第一流出口25處的壓力，P2in 是第二流入口21處的壓力，P2out 是第二流出口26處的壓力。如果如上所述藉由控制第一壓力差產生機構和第二壓力差產生機構可以在液體流動通道(壓力室)中保持預定的水相厚度比hr ，則即使介面的位置在噴射操作時受到干擾，也可以在短時間內恢復較佳的平行流，並且可以立即開始下一次噴射操作。 (第一液體和第二液體的具體例子)
在上述實施例的構造中，闡述了各個液體所需的功能，像是第一液體用作為引起膜狀沸騰的起泡介質，而第二液體用作為要被噴射至大氣的噴射介質。根據該實施例的構造，與現有技術相比，能夠更大地增大第一液體和第二液體中包含的成分的自由度。現在，將根據具體例子詳細地描述這種構造中的起泡介質(第一液體)和噴射介質(第二液體)。
本實施例中的起泡介質(第一液體)需要在電熱轉換器產生熱量的情況下在起泡介質中引發膜狀沸騰並且需要快速地增大所產生的氣泡的尺寸，或者換句話說，本實施例中的起泡介質(第一液體)需要具有可以有效地將熱能轉換為起泡能量的高臨界壓力。水特別適合於這種介質。儘管水的分子量小(為18)，但是水具有高的沸點(100℃)和高的表面張力(在100℃下為58.85 dynes/cm)，因此具有約22MPa的高臨界壓力。換言之，水在膜狀沸騰時引起極高的沸騰壓力。通常，透過讓水包含著色材料(例如染料或顏料)而製備的墨水適於用在透過使用膜狀沸騰來噴射墨水的噴墨列印設備中。
然而，起泡介質不限於水。其他材料也可以用作起泡介質，只要這種材料具有2MPa或更高(或較佳地5MPa或更高)的臨界壓力即可。除水之外的起泡介質的例子包括甲醇和乙醇。也可以使用水與這些醇中的任一種的混合物作為起泡介質。此外，可以使用讓水包含如上所述的著色材料(例如染料和顏料)以及其他添加劑所製備的材料。
另一方面，與起泡介質不同，本實施例中的噴射介質(第二液體)不需要滿足用於引起膜狀沸騰的物理性質。同時，被燒焦的材料黏附到電熱轉換器(加熱器)上易於因為損壞加熱器表面的平整度或降低加熱器的導熱性而使起泡效率劣化。然而，噴射介質不與加熱器直接接觸，因此不存在使噴射介質的成分被燒焦的風險。具體地，關於本實施例中的噴射介質，與用於傳統熱敏頭的墨水相比，放寬了引起膜狀沸騰或避免被燒焦的物理性質的條件。因此，本實施例中的噴射介質享有包含在其內的成分的更大自由度。因此，噴射介質可以更有效地包含適於噴射後的目的的成分。
例如，在本實施例中，可以使噴射介質有效地包含因為顏料易於在加熱器上燒焦在以前未被使用的顏料。同時，除了具有極低臨界壓力的水性墨水之外的液體也可以用作為本實施例中的噴射介質。此外，還可以使用很難用傳統的熱敏頭處理且具有特殊功能的各種墨水，例如紫外線固化墨水、導電墨水、電子束(EB)固化墨水、磁性墨水和固體墨水也可以用作噴射介質。同時，本實施例中的液體噴射頭還可以藉由使用任何血液、培養細胞等作為噴射介質而用於除了成像之外的各種應用中。液體噴射頭還適用於包括生物晶片製造、電子電路印刷等的其他應用。
尤其是，使用水或類似於水的液體作為第一液體(起泡介質)並使用黏度比水的黏度更高的顏料墨水作為第二液體(噴射介質)、並且僅噴射第二液體的模式是本實施例的有效用途之一。同樣在這種情況下，藉由如圖5A所示地將流量比Qr =Q2 /Q1 設定成儘可能低，即可有效地抑制水相厚度比hr 。由於對第二液體沒有限制，因此第二液體可以採用與作為第一液體的例子引用的液體中的一種相同的液體。例如，即使兩種液體都是含有大量水的墨水，仍然可以根據諸如使用模式的情況而使用墨水中的一種作為第一液體，而另一種墨水作為第二液體。 (需要兩種液體的平行流的噴射介質)
在已經確定要噴射的液體的情況下，可以基於要被噴射的液體的臨界壓力來確定讓兩種液體以形成平行流的方式在液體流動通道(壓力室)中流動的必要性。例如，可以將第二液體確定為要被噴射的液體，而同時可以僅在要被噴射的液體的臨界壓力不足的情況下製備用作為第一液體的起泡材料。
圖12A和12B是代表在二甘醇(DEG)與水混合的情況下在膜狀沸騰時含水率與起泡壓力之間的關係的圖表。圖12A中的橫軸代表水相對於液體的質量比(以質量百分比計)，圖12B中的橫軸代表水相對於液體的莫耳比。
從圖12A和12B明顯看出的是，隨著含水率(含量百分比)降低，膜狀沸騰時的起泡壓力變低。換言之，隨著含水率變低，起泡壓力降低得更多，結果噴射效率降低。但是，水的分子量(18)顯著小於二甘醇的分子量(106)。因此，即使水的質量比為約40wt%，水的莫耳比也約為0.9，並且起泡壓力比保持在0.9。另一方面，如果水的質量比低於40wt%，則起泡壓力比和莫耳濃度一起急劇下降，如從圖12A和12B中輕易可見的。
結果是，在水的質量比低於40wt%的情況下，較佳的是，分開地製備第一液體作為起泡介質並且在液體流動通道(壓力室)中形成這兩種液體的平行流。如上所述，在要被噴射的液體已被確定的情況下，可以根據要被噴射的液體的臨界壓力(或者根據在膜狀沸騰時的起泡壓力)來確定在流動通道(壓力室)中形成平行流的必要性。 (紫外線固化墨水作為噴射介質的例子)
一可被用作為此實施例中的噴射介質的例子的紫外線固化墨水的較佳的成分將被當作一個例子來描述。紫外線固化墨水屬於100%固體類型。這種紫外線固化墨水可以分為由聚合反應成分形成且不含溶劑的墨水、和含有作為溶劑的水或作為稀釋劑的溶劑的墨水。近年來積極使用的紫外線固化墨水是由非水光聚合反應成分(其為單體或低聚物)形成且不含任何溶劑的100%固體類型的紫外線固化墨水。關於成分，示範性的紫外線固化墨水包含作為主要成分的單體，並且還包含少量的光聚合引發劑、著色材料、和包括分散劑、表面活性劑等的其它添加劑。一般而言，這種墨水的成分包括在80wt%至90wt%的範圍內的單體、在5wt%至10wt%的範圍內的光聚合引發劑、在2wt%至5wt%的範圍內的著色材料、和剩餘的其它添加劑。如上所述，即使在傳統熱敏頭難以處理的紫外線固化墨水的情況下，也可以使用這種紫外線固化墨水作為本實施例中的噴射介質並且透過進行穩定的噴射操作而將墨水噴出液體噴射頭。這使得列印出比現有技術在堅軔性和耐磨性方面更具優異性的圖像成為可能。 (使用混合液體作為噴射液滴的例子)
接下來，第一液體31和第二液體32以預定比混合的狀態下噴射被噴射液滴30的情況將被描述。例如，在第一液體31和第二液體32是具有彼此不同顏色的墨水的情況下，這些墨水能夠在液體流動通道13和壓力室18中穩定地流動而不會混合，只要該等液體滿足根據這兩種液體的黏度和流量計算出來的雷諾數小於預定值的關係即可。換言之，藉由控制液體流動通道和壓力室中的第一液體31和第二液體32之間的流量比Qr ，就可以調整水相厚度比hr 並且被噴出的液滴中的第一液體31和第二液體32之間的混合比可因而被調整到所需的比例。
例如，假設第一液體是無色墨水而第二液體是青色墨水(或淺洋紅色墨水)，則可以藉由控制流量比Qr 來用各種著色材料濃度噴射淺青色墨水(或淺洋紅色墨水)。或者，假設第一液體是黃色墨水而第二液體是洋紅色墨水，則可以通過控制流量比Qr 來以逐步不同的各種色相水準噴射紅色墨水。換言之，如果噴射以所想要的混合比例混合第一液體和第二液體所製備的液滴是可行的話，則藉由適當地調整混合比，就可以比現有技術更大地擴大在列印介質上被表現的顏色再現的範圍。
此外，本實施例中的構造在使用需要在噴射之後立即混合在一起而不是在即將要噴射之前混合液體的兩種液體的情況中也是有效的。例如，在圖像列印中存在的情況是：希望同時在列印介質上沉積具有優異顯色性的高濃度顏料墨水和具有優異圖像堅軔性(例如耐模性)的樹脂乳化劑(emulsion)(樹脂EM)。然而，顏料墨水中包含的顏料成分和樹脂EM中包含的固體成分傾向於在靠近的粒間距離(interparticle distance)形成聚集，因而導致分散性劣化。就此而言，如果高濃度EM用作本實施例的第一液體而高濃度顏料墨水用作本實施例的第二液體，並且藉由控制這些液體的流速來形成平行流的話，則這兩種液體在噴射後會互相混合並且在列印介質上聚集在一起。換言之，在高分散性的情況下保持理想的噴射狀態並且在液滴沉積後獲得具有高顯色性以及高堅軔性的圖像是可能的。
應指出的是，在如上所述想要噴射後進行混合的情況下，不論壓力產生元件的模式如何，本實施例均發揮了在壓力室中產生兩種液體的流動的效果。換言之，本實施例在使用壓電元件作為壓力產生元件的構造(例如先不考慮臨界壓力的限制或被燒焦的問題)的情況下也可有效地發揮作用。
如上所述，根據本實施例，藉由在液體流動通道(壓力室)中保持預定的水相厚度比hr 的同時，用使第一液體和第二液體穩定地流動的狀態來驅動壓力產生元件12可以有利且穩定地進行噴射操作。
藉由在液體是穩定地流動的狀態中驅動壓力產生元件12，因而穩定的介面可在噴射液體時被形成。如果在液體的噴射操作期間液體不流動，則介面易於因氣泡的產生而受到干擾，並且在這種情況下列印品質也會受到影響。藉由如本實施例中所述在允許液體流動的同時驅動壓力產生元件12，因為氣泡的產生所引起的介面的紊亂可因而被抑制。由於穩定的介面被形成，因此例如噴射的液體中包含的各種液體的含有率是穩定的並且列印品質也得到改善。此外，由於在驅動壓力產生元件12之前使液體流動並且即使在噴射期間也使液體連續地流動，因此可以減少在噴射液體之後在液體流動通道(壓力室)中再次形成彎月液面的時間。同時，在驅動訊號被輸入到壓力產生元件12之前，液體的流動係藉由使用裝載在液體循環單元504中的泵等來產生。因此，液體至少在即將要噴射液體之前是流動的。
在壓力室中流動的第一液體和第二液體可以在壓力室和外部單元之間循環。如果不進行循環的話，則已經在液體流動通道和壓力室中形成平行流但未被噴射的大量任意第一液體和第二液體將留在內部。因此，第一液體和第二液體與外部單元的循環使得使用未被噴射的液體再形成平行流成為可能。 (第二實施例)
此實施例也使用圖1至圖3中所示的液體噴射頭1和液體噴射設備。
圖13A至13D是示出了此實施例的液體流動通道13的構造的圖式。此實施例的液體流動通道13與第一實施例中描述的液體流動通道13的不同之處在於：除了第一液體31和第二液體32之外，還允許第三液體33在液體流動通道13中流動。藉由允許第三液體33在壓力室中流動，可以在用不同顏色的墨水、高濃度樹脂EM等中的任一者作為第二液體和第三液體的同時，用具有高臨界壓力的起泡介質來作為第一液體。
在此實施例中，與液體流動通道13的底部相對應的矽基板15包括第二流入口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，它們係依照此被提到的順序被形成在y方向上。此外，包括噴射口11和壓力產生元件12的壓力室18係位於第一流入口20和第一流出口25之間的實質中心處。
經由第一流入口20而被供應到液體流動通道13的第一液體31流動於y方向(箭頭所指的方向)上，然後流出第一流出口25。同時，經由第二流入口21而被供應到液體流動通道13的第二液體32流動於y方向(箭頭所指的方向)上，然後流出第二流出口26。經由第三流入口22而被供應到液體流動通道13的第三液體33流動於y方向(箭頭所指的方向)上，然後流出第三流出口27。亦即，在液體流動通道13中，第一液體31、第二液體32和第三液體33在第一流入口20和第一流出口25之間的區段中皆流動於y方向上。在曝露於大氣中的第二液體32於噴射口11附近形成彎月液面的同時，壓力產生元件12與第一液體31相接觸。第三液體33流動於第一液體31和第二液體32之間。
在此實施例中，CPU 500藉由使用液體循環單元504來控制第一液體31的流量Q1、第二液體32的流量Q2和第三液體33的流量Q3，並且穩定地形成三層平行流，如圖13D所示。然後，在如上所述形成三層平行流的狀態下，CPU 500驅動液體噴射頭1的壓力產生元件12並從噴射口11噴射液滴。以此方式，即使每個介面的位置在噴射操作時受到干擾，也在短時間內恢復三層平行流(如圖13D所示)，用以可以立即開始下一次噴射操作。因此，可以保持以預定比包含第一液體至第三液體的液滴的良好噴射操作並且獲得優良的輸出產品。 (第三實施例)
第三實施例將參考圖14至17B來描述。應指出的是，與第一實施例中的元件相同的組成元件將用相同的附圖標記來代表，並且將省略其說明。本實施例的特徵在於：壓力產生元件12是在第一液體和第二液體在壓力室18內並排地流動於x方向上的狀態下被驅動。本實施例也使用圖1和2中所示的液體噴射頭1和液體噴射設備。
圖14是本實施例中的元件板50的剖面透視圖。儘管元件板50實際上具有圖15A和15B中所示的結構，但是圖14在部分地省略了第二流入口21和第二流出口26周圍的結構的情況下示出元件板50，以描述元件板50中的流動的大致輪廓。第一公共供應流動通道23、第一公共收集流動通道24、第二公共供應流動通道28和第二公共收集流動通道29被連接到共用的液體流動通道13。同樣在本實施例中，第一公共供應流動通道23、第一公共收集流動通道24、第二公共供應流動通道28和第二公共收集流動通道29中的液體的流動是被參考圖1描述的液體循環單元504所控制。更精確地，液體循環單元504實施控制，使得在從第二公共供應流動通道28流入液體流動通道13的第二液體被引導到第二公共收集流動通道29的同時，從第一公共供應流動通道23流入液體流動通道13的第一液體被引導至第一公共收集流動通道24。 (第三實施例中的液體流動通道的構造)
圖15A至15C是用於描述形成在矽基板15中的液體流動通道13的一者的細部的圖式。圖15A是從噴射口11側(+z方向)觀看的液體流動通道的透視圖，圖15B是示出了沿著圖15A中的XVB線所取的剖面的透視圖。再者，圖15C是沿著圖15A中的XVC線所取的剖面的放大圖。
矽基板15包括第一流入口20、第二流入口21、第二流出口26和第一流出口25，它們以此被提到的順序形成在y方向上。此外，第一流入口20和第二流入口21在x方向上彼此偏移的位置處被形成在矽基板15中。同樣地，第二流出口26和第一流出口25在x方向上彼此偏移的位置處被形成在矽基板15中。第一流入口20被連接到第一公共供應流動通道23、第一流出口25被連接到第一公共收集流動通道24、第二流入口21被連接到第二公共供應流動通道28、且第二流出口26被連接到第二公共收集流動通道29(參見圖14)。
根據上述構造，從第一公共供應流動通道23經由第一流入口20被供應至液體流動通道13的第一液體31流動於y方向(用實線箭頭指示)上，然後從第一流出口25被收集到第一公共收集流動通道24中。同時，從第二公共供應流動通道28被供應到液體流動通道13的第二液體32一度流動於-x方向上，然後在改變其方向的同時流至y方向(用虛線箭頭指示)。之後，第二液體32從第二流出口26被收集到第二公共收集流動通道29中。
在第二流入口21的y方向上的上游側的位置處，從第一流入口20流入的第一液體佔據寬度方向(x方向)上的整個區域。藉由造成第二液體32從第二流入口21一度流動於-x方向，可以部分地推動第一液體31的流動而減小該流動的寬度。因此，可以建立第一液體31和第二液體32在液體流動通道中並排地流動於x方向上的狀態，如圖15A和15C所示。
在此處，壓力產生元件12和噴射口11係以彼此偏移於x方向上的方式被形成。更精確地，壓力產生元件12形成在從噴射口11朝向第一液體31的流動偏移的位置處。因此，第一液體31主要流動在壓力產生元件12側，而第二液體32主要流動在噴射口11側。因此，藉由使用壓力產生元件12施加壓力至第一液體31，可以將第二液體(其經由該介面被加壓)從噴射口11噴出。
在本實施例中，第一液體31的流量和第二液體32的流量係依據第一液體31的物理性質和第二液體32的物理性質被調整，使得如上所述地，第一液體31流動在壓力產生元件12上，而第二液體32流動在噴射口11上。 (在第三實施例中在層流狀態下形成平行流的理論條件)
接下來，將參考圖15C描述形成第一液體和第二液體並排地流動於x方向上的平行流的條件。在圖15C中，液體流動通道13在x方向上的距離(流動的寬度)被定義為W。同時，從液體流動通道13的壁表面到第一液體31和第二液體32之間的液-液介面的距離(第二液體的水相厚度)被定義為w2 ，而從液-液介面到液體流動通道的相對壁表面的距離(第一液體的水相厚度)被定義為w1 。這些定義造成W=w1 +w2 。現在，關於液體流動通道13和壓力室18中的邊界條件，與第一實施例一樣，假設液體流動通道13和壓力室18的壁表面上的液體的速度為零，並且假設液-液介面處的第一液體31和第二液體32的速度和剪切應力具有連續性。基於這種假設，如果第一液體31和第二液體32形成在x方向上並排地流動的平行穩定流的話，則前面的(公式2)中所描述的四次方程在平行流的區段中是成立。在本實施例中，(公式2)中所示的數值H對應於數值W，其中的數值h1 對應於數值w1 ，並且其中的數值h2 對應於數值w2 。因此，與第一實施例一樣，可以根據黏度比ηr =η2 /η1 和流量比Qr =Q2 /Q1 (其分別是第一液體的黏度η1 和流量Q1 相對於第二液體的黏度η2 和流量Q2 的比)來調整水相厚度比hr = w1 /(w1 +w2 )。而且，與第一實施例一樣，為了建立第一液體和第二液體在限定它們之間的介面的同時在液體流動通道13中流動的狀態，流量比Qr =Q2 /Q1 ＞0需要被滿足，或者換言之，Q1 ＞0且Q2 ＞0需要被滿足。 (第三實施例中的噴射操作中的過渡狀態)
接下來，將參考圖16A至16H描述第三實施例中的噴射操作中的過渡狀態。圖16A至16H是示意性地示出了在孔板的厚度設定為T=6 μm的情況下在使黏度比為ηr =4的第一液體和第二液體在流動通道高度(z方向上的長度)為H[μm]=20 μm的液體流動通道13中流動的狀態下進行噴射操作的情況中的過渡狀態的圖。圖16A至16H顯示隨著時間推移的順序的噴射過程。在此處，藉由調整第一液體31和第二液體32的層厚度，只有第一液體31與壓力產生元件12的有效區域接觸。同時，噴射口11的內部僅填充第二液體32。如果在這種狀態下實施噴射操作的話，則氣泡係從與壓力產生元件12接觸的第一液體31中被產生，並且由此產生的氣泡16將液體從噴射口11噴出。儘管填充噴射口的第二液體32在被噴出的液滴30中占主要部分，但是被噴出的液滴30也包含被該氣泡16推出的一定數量的第一液體31。被氣泡16推出的第一液體31的量可以藉由改變水相厚度比hr 來調整。
接下來，將參考圖17A和17B來描述被噴出的液滴中包含的第一液體和第二液體之間的比例。當水相厚度比hr (=w1 /(w1 +w2 ))接近0時，第一液體31的水相厚度w1 較小；而當水相厚度比hr 接近1時，第一液體31的水相厚度w1 較大。當水相厚度比hr 接近0時，被氣泡16推出的第一液體31的量變少。因此，被噴出的液滴30主要包含佔據噴射口11內部的第二液體32。另一方面，在水相厚度比hr 合理地較大的情況下，第一液體開始進入噴射口11(如圖17A所示)，並且被氣泡16推出的第一液體31的量也增加。因此，被噴出的液滴30中包含的第一液體31的百分比增大。應指出的是，圖17A示出了第一液體31和第二液體32之間簡化的介面。
如上所述，包含在噴射的液滴30中的第一液體31和第二液體32之間的比例係隨著液體流動通道13中的水相厚度比hr 而改變。例如，在第一液體31被用作為起泡介質且第二液體32被預期是噴射液滴30的主要成分的情況下，水相厚度比hr 必需被調整，使得噴射口11僅被第二液體填充，如圖15C中所示。然而，如果水相厚度比hr 被設定得太低的話，則壓力產生元件12與第二液體32接觸的百分比增大(如圖17B所示)，這導致關於因第二液體32的被燒焦部分黏附到壓力產生元件12上而引起起泡的不穩定的疑慮。此外，如果壓力產生元件12與第一液體31的接觸面積被減小，起泡能量亦被減小，噴射效率因而被降低，導致關於發生與之相關的不利影響的疑慮。因此，為了保持穩定的噴射，必需藉由調整水相厚度比hr 來抑制與壓力產生元件12接觸的第二液體32的量。 (第四實施例)
將參考圖18A至18C和圖19A至19C描述第四實施例。應指出的是，與第一實施例中的元件相同的元件將用相同的元件符號來標示，並且將省略其說明。本實施例的特徵在於：第一液體31和第二液體32係以一種該第二液體32被第一液體31的層夾在中間的方式流動。本實施例也使用圖1和2中所示的液體噴射頭1和液體噴射設備。圖18A是本實施例的液體流動通道從噴射口11側(+z方向側)觀看的透視圖，圖18B是示出了沿著圖18A中的XVIIIB線所取的剖面透視圖。此外，圖18C是沿著圖18A中的XVIIIC線所取的剖面的放大圖。
在此實施例中，在第一液體31從第一流入口20流入液體流動通道13並與從第二流入口21流入的第二液體32相遇的情形中，第一液體31以繞過第二液體的流動的方式流動於第二液體32與流動通道的壁之間，如圖18A中的箭頭A所示。第二液體32從第二流入口21朝向第二流出口26流動。因此，液-液介面以從流動通道的一個壁開始，以第一液體31、第二液體32和第一液體31的順序被形成於它們之間，使得第二液體32被第一液體31的層夾在中間，如圖18C所示。壓力產生元件12以在x方向上相對於噴射口11對稱的方式被設置在矽基板15上。因此，在噴射口11主要被由第二液體32填充的同時，這兩個壓力產生元件12與第一液體31的個別層相接觸。如果壓力產生元件12在這種狀態下被驅動的話，則與個別壓力產生元件12接觸的第一液體31形成氣泡，用以將主要包含第二液體32的液滴射出該噴射口。同時，由於壓力產生元件12被設置成相對於噴射口11對稱，因此能夠以在x方向上對稱的形狀射出該被噴出的液滴30，以實現高品質的列印。根據圖18C中所示的介面的形式，第二液體32被第一液體31的層夾在中間。就此而言，(公式2)中所界定的水相厚度與流量之間的關係在嚴格意義上不適用於這種構造。但是，水相厚度傾向於與每一液相的流量成比例地變化。詳言之，如果在第一液體31的黏度與第二液體32的黏度大致相同的情況下第二液體32的相厚度需要被增大的話，則可以藉由增大流量比Qr(其係因增大第二液體32的流量而增大)來使第二液體32的相厚度變厚。
接下來，將參考圖19A至19C描述本實施例中的液體的噴射過程。圖19A至19C是示出了在將流動通道的高度設定為14 μm、將孔板的厚度設定為6 μm、並且將噴射口的直徑設定為10 μm時改變第一液體31和第二液體32之間的相厚度比的情況下的噴射過程的圖式。在圖19A至19C的每一圖式中，從上到下示出了隨著時間推移的噴射過程。
圖19A示出了在將第二液體32的相厚度調整為小於10 μm(噴射口的直徑等於10 μm)的情況下的噴射過程。第二液體32和第一液體31都存在於噴射口11中。如果在這種狀態下進行噴射操作的話，則可以藉由形成與壓力產生元件12接觸的第一液體31的氣泡來噴射出液體。由於第一液體和第二液體都存在於噴射口11中，因此被噴出的液滴30是這些液體的混合液體。
圖19B示出了在將第二液體32的相厚度調整為與噴射口的直徑一致(等於10 μm)的情況下的噴射過程。如果在這種狀態下實施噴射操作的話，則可以藉由形成與壓力產生元件接觸的第一液體31的氣泡來噴射出液體。雖然被噴出的液滴30主要包含佔據噴射口內部的第二液體32，但是一部分第一液體31也因為起泡的關係而被噴射成為該被噴出的液滴的一部分。因此，這種液滴是第二液體與第一液體的混合液體，第一液體的百分比比圖19A的情況小。
圖19C示出了在第二液體32的相厚度被調整到12 μm(其大於噴射口11的直徑)的情況下的噴射過程。壓力產生元件12被設置在僅與第一液體接觸的位置處，使得液體可藉由產生第一液體的氣泡而被噴射出。位於噴射口內部和噴射口周圍的第二液體32的一部分被推出噴射口11，該被噴出的液滴30因而主要是由第二液體32組成。被噴出的液滴30中的成分的百分比可如上所述地藉由調整第二液體32的相厚度來控制。尤其是，在僅由第二液體形成被噴射液滴30的情況下，將第二液體的相厚度設定為大於噴射口的直徑是有效的，如圖19C所示。然而，如果第二液體32與壓力產生元件12接觸是由於第二液體32的相厚度增大的話，則存在著源於第二液體32的燒焦部分黏附到任一壓力產生元件12上所引起起泡的不穩定的疑慮。此外，如果每個壓力產生元件12與第一液體31的接觸面積被減小的話，則起泡能量被減小，噴射效率因而被降低，進而導致發生與之相關的不利影響疑慮。因此，較佳的是將第二液體32和第一液體31之間的每一液-液介面的位置設置在從噴射口到對應的壓力產生元件之間的位置處，如圖19C所示。 (第五實施例)
第五實施例將參考圖20至21B來描述。應指出的是，與第一實施例中的元件相同的元件將由相同的元件符號來標示，並且將省略其說明。本實施例的特徵在於：第一液體31和第二液體32係以第二液體32被第一液體31的層夾在中間的方式流動。在這種情況下，兩個壓力產生元件12被設置在靠近噴射口11的壁表面上而不是在靠近矽基底15的壁表面上。圖20A是從噴射口11側(+z方向側)觀看的本實施例的液體流動通道13的透視圖，圖20B是示出了沿著圖20A中的XXB線所取的剖面透視圖。此外，圖20C是沿著圖20A中的XXC線所取的剖面的放大圖。
本實施例與第四實施例之間的區別之處在於壓力產生元件12被設置的位置。在本實施例中，壓力產生元件12被設置在壓力室18內並且被設置在孔板14上在x方向上相對於噴射口11對稱的位置處。如圖20C所示，壓力產生元件12與第一液體31的相應層接觸，而噴射口11主要被填充第二液體32。如果壓力產生元件12在這種狀態下被驅動的話，則與壓力產生元件12接觸的第一液體31形成氣泡，用以將主要包含第二液體32的液滴噴出該噴射口11。由於壓力產生元件12相對於噴射口11被對稱地設置，因此能夠以在z方向上對稱的形狀射出該被噴出的液滴，以實現高品質的列印。
如果壓力產生元件12和第四實施例一樣被設置在矽基板15上的話，則如果噴射口11和每個壓力產生元件12之間的距離被設定得太大，會存在在第一液體中產生氣泡時的壓力不能被充分地傳遞到第二液體並且液體不能被適當地噴射的情況。另一方面，藉由如本實施例那樣將壓力產生元件12設置在孔板14上，則即使噴射口11和每一壓力產生元件12之間的距離被增大，也可以避免歸因於氣泡的產生的壓力不能被充分地傳遞到第二液體的情況。因此，根據本實施例，在不受噴射口11和每個壓力產生元件12之間的距離(或者換句話說液體流動通道的高度)的影響的情況下噴射液體是可能的。因此，增大液體流動通道的高度是可能的。因此，本實施例不僅能夠穩定地噴射液體，而且還能夠藉由增大液體流動通道的高度來減少再填充速度的惡化，而再填充速度的惡化在使用非常黏稠液體的情況下通常會造成問題。
圖21A和21B是示出了在將流動通道的高度設定為14 μm、將孔板的厚度設定為6 μm、並將噴射口的直徑設定為10 μm的同時改變第一液體31和第二液體32之間的相厚度比的情況下的噴射過程的圖式。在圖21A和21B的每一圖中，從上到下示出了隨著時間推移的噴射過程。
在圖21A中，相厚度比被調整，使得噴射口11僅填充了第二液體32且第一液體31主要與每個壓力產生元件12接觸。如果在這種狀態下實施噴射操作的話，則被噴出的液滴30基本上由第二液體32組成，使得液滴中的第一液體31被最小化。圖21B示出了第二液體32的相厚度被設定為小於噴射口的直徑的例子。在此處，第一液體31被包含在噴射口11中。如果在這種狀態下實施噴射操作的話，則被噴出的液滴30主要包含第一液體31，但同時也部分地包含第二液體32。如上所述，藉由調整水相厚度比，能夠控制將被包含在噴射的液滴30中的成分並因而能夠根據所想要的目的來調整內容物比例。
應指出的是，也可以使第二實施例中描述的第三液體流動在第三實施例、第四實施例和第五實施例的任一者的壓力室中。此外，噴射方法不限於壓力產生元件和噴射口被設置在彼此相對的位置處的構造中。還可以採用所謂的側射模式，在側射模式中，噴射口被設置在相對於壓力產生元件產生壓力的方向成等於或小於90度的角度的位置處。
雖然已經參照示範性實施例描述了本發明，但是應當理解的是，本發明不限於所揭露的示範性實施例。以下的申請專利範圍的範圍應被賦予最寬泛的解釋，以涵蓋所有這些修改以及等效的結構和功能。
1:液體噴射頭 100:液體噴射模組 10:元件板 40:柔性配線板 90:電子配線板 2:液體噴射設備 500:CPU 501:ROM 502:RAM 600:主機設備 503:傳送馬達 504:液體循環單元 14:孔板 15:矽基板 11:噴射口 13:液體流動通道 12:壓力產生元件 17:端子 23:第一公共供應流動通道 24:第一公共收集流動通道 28:第二公共供應流動通道 29:第二公共收集流動通道 20:第一流入口 21:第二流入口 25:第一流出口 26:第二流出口 18:壓力室 32:第二液體 31:第一液體 hr:水相厚度比 Qr:流率比 ηr:黏度比 16:氣泡 H:流動通道高度 30:被噴出的液滴
圖1是噴射頭的透視圖；
圖2是用來說明液體噴射設備的控制構造的方塊圖；
圖3是液體噴射模組中的元件板的剖面透視圖；
圖4A至4D示出了第一實施例中的液體流動通道和壓力室的放大細節；
圖5A和5B是表示黏度比和水相厚度比之間的關係、以及壓力室的高度與流速之間的關係的曲線圖；
圖6是代表流量比與水相厚度比之間的相關性的曲線圖；
圖7A至7E是示意性地示出了噴射操作中的過渡狀態的圖式；
圖8A至8G是示出了各種水相厚度比下的噴射液滴的圖式；
圖9A至9E是示出了各種水相厚度比下的噴射液滴的更多圖式；
圖10A至10C是示出了各種水相厚度比下的噴射液滴的更多圖式；
圖11是表示流動通道(壓力室)的高度與水相厚度比之間的關係的曲線圖；
圖12A和12B是表示含水率和起泡壓力之間的關係的曲線圖；
圖13A至13D示出了第二實施例中的液體流動通道和壓力室的放大細節；
圖14是第三實施例中的元件板的剖視透視圖；
圖15A至15C示出了第三實施例中的液體流動通道和壓力室的放大細節；
圖16A至16H是示意性地示出了第三實施例中的噴射狀態的圖式；
圖17A和17B是示出了在第三實施例中改變水相厚度比的情況的圖式；
圖18A至18C示出了第四實施例中的液體流動通道和壓力室的放大細節；
圖19A至19C是在第四實施例中以各種水相厚度比噴射的狀態的圖式；
圖20A至20C示出了第五實施例中的液體流動通道和壓力室的放大細節；和
圖21A和21B是在第五實施例中以各種水相厚度比噴射的狀態的圖式。
12:壓力產生元件
15:矽基板
31:第一液體
32:第二液體
H:流動通道高度
T:厚度

Claims (20)

  1. 一種液體噴射頭，包含：壓力室，該壓力室被建構成允許第一液體和第二液體在其內部流動；壓力產生元件，該壓力產生元件被建構來向該第一液體施加壓力；噴射口，該噴射口被建構來噴射該第二液體；第一流入口，該第一液體經由該第一流入口流入該壓力室中；及第二流入口，該第二液體經由該第二流入口流入該壓力室中，其中該液體噴射頭被建構成在該第一液體流動於一與該第二液體和該壓力產生元件相接觸時該第二液體從噴射口噴射出的方向交叉的流動方向上並且該第二液體和該第一液體一起在壓力室中流動於該流動方向上而且該第一液體和該第二液體被穩定地流動的狀態下，藉由促使該壓力產生元件向該第一液體施加壓力來從該噴射口噴射出該第二液體。
  2. 如申請專利範圍第1項之液體噴射頭，其中，該液體噴射頭被建構成促使該第一液體和該第二液體在該壓力室中形成層流。
  3. 如申請專利範圍第1項之液體噴射頭，其中，該液體噴射頭被建構成促使該第一液體和該第二液體在該壓力室中形成平行流。
  4. 如申請專利範圍第1項之液體噴射頭，其中，該液體噴射頭被建構成促使該第一液體和該第二液體在該壓力室內並排地流動於該第二液體的該噴射的方向上。
  5. 如申請專利範圍第1項之液體噴射頭，其中，該第一液體和該第二液體在該壓力室內並排地流動於和該第二液體的該噴射的方向交叉且和該第一液體和該第二液體在該壓力室內的流動方向交叉的方向上。
  6. 如申請專利範圍第4項之液體噴射頭，其中，液體噴射頭滿足定義如下的運算式：h1/(h1+h2)
    Figure 108126892-A0305-02-0052-1
    -0.1390+0.0155H，其中，H[μm]是該壓力室在該第二液體的該噴射的方向上的高度，h1[μm]是該壓力室中的該第一液體在該第二液體的該噴射的方向上的厚度，並且h2是該壓力室中的該第二液體在該第二液體的該噴射的方向上的厚度。
  7. 如申請專利範圍第1項之液體噴射頭，其中，該液體噴射頭被建構成在該壓力室中，促使該第二液體的流量等於或大於該第一液體的流量。
  8. 如申請專利範圍第1項之液體噴射頭，其中，該液體噴射頭被建構來防止該第一液體被包括在將要從該噴射口被噴射出的液體中。
  9. 如申請專利範圍第4項之液體噴射頭，其中，一第三液體亦流動於該壓力室中，且該第三液體以一種該第一液體、該第三液體和該第二液體按此被提到的順序設置的方式和該第一液體與該第二液體一起流動於該壓力室中。
  10. 如申請專利範圍第1項之液體噴射頭，其中，該第一液體是水和臨界壓力等於或大於2MPa的水性液體中的任一者。
  11. 如申請專利範圍第1項之液體噴射頭，其中，第二液體是乳化劑(emulsion)和包含顏料的水性墨水中的任一者。
  12. 如申請專利範圍第1項之液體噴射頭，其中，該第二液體是固體類型的紫外線固化墨水。
  13. 如申請專利範圍第1項之液體噴射頭，其進一步包含： 第一流出口，該第一液體經由該第一流出口流出該壓力室；及第二流出口，該第二液體經由該第二流出口流出該壓力室。
  14. 如申請專利範圍第13項之液體噴射頭，其中，該第二流入口、該第一流入口、該第一流出口、和該第二流出口係藉由按此被提到的順序設置在該壓力室中的該第一液體和該第二液體的該流動方向上而被形成。
  15. 如申請專利範圍第13項之液體噴射頭，其中，該第二流入口和該第二流出口被形成於在一與第二液體的該噴射的方向交叉並與該第一液體和該第二液體在該壓力室中的該流動方向交叉的方向上與該第一流入口和該第一流出口相偏離的位置處。
  16. 如申請專利範圍第15項之液體噴射頭，其中，該壓力產生元件被形成於在一與該第二液體的該噴射的方向交叉並與該第一液體和該第二液體在該壓力室中的該流動方向交叉的方向上與該噴射口相偏離的位置處。
  17. 如申請專利範圍第13項之液體噴射頭，其中，在該第一液體、該第二液體和該第一液體以此被提到的順序配置的同時，該第一液體、該第二液體和該第一液體係在壓力 室中內並排地流動於與該第二液體的該噴射的方向交叉並與該流動方向交叉的方向上。
  18. 如申請專利範圍第1項之液體噴射頭，其中，在該壓力室中流動的該第一液體被循環在該壓力室和外部單元之間。
  19. 一種液體噴射設備，該液體噴射設備包括液體噴射頭，該液體噴射頭包含：壓力室，該壓力室被建構成允許第一液體和第二液體在其內部流動；壓力產生元件，該壓力產生元件被建構來向該第一液體施加壓力；噴射口，該噴射口被建構來噴出該第二液體；第一流入口，該第一液體經由該第一流入口流入該壓力室中；及第二流入口，該第二液體經由該第二流入口流入該壓力室中，其中該液體噴射頭被建構成在該第一液體流動於一與該第二液體和該壓力產生元件相接觸時該第二液體從噴射口噴射出的方向交叉的流動方向上並且該第二液體和該第一液體一起在壓力室中流動於該流動方向上而且該第一液體和該第二液體被穩定地流動的狀態下，藉由促使該壓力產生元件向該第一液體施加壓力來從該噴射口噴射出該第二液 體。
  20. 一種用來建構液體噴射頭的液體噴射模組，該液體噴射頭包含：壓力室，該壓力室構造成允許第一液體和第二液體在其內部流動；壓力產生元件，該壓力產生元件被建構來向該第一液體施加壓力；噴射口，該噴射口被建構來噴出該第二液體；第一流入口，該第一液體經由該第一流入口流入該壓力室中；及第二流入口，該第二液體經由該第二流入口流入該壓力室中，其中該液體噴射頭被建構成在該第一液體流動於一與該第二液體和該壓力產生元件相接觸時該第二液體從噴射口噴射出的方向交叉的流動方向上並且該第二液體和該第一液體一起在壓力室中流動於該流動方向上而且該第一液體和該第二液體被穩定地流動的狀態下，藉由促使該壓力產生元件向該第一液體施加壓力來從該噴射口噴射出該第二液體，並且該液體噴射頭係藉由將多個液體噴射模組排列成陣列來形成。
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