孫曉鋒，于文鑫，祝明威，接　勐，姜德龍

(吉林化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 吉林 132022)

噴墨打印機(jī)的連續(xù)供墨系統(tǒng)簡稱連供，它是近些年在噴墨打印機(jī)領(lǐng)域才出現(xiàn)的新的供墨方式[1,2].連續(xù)供墨系統(tǒng)，它采用外置墨盒再用導(dǎo)管與打印機(jī)的內(nèi)置墨盒相連，這樣墨水瓶就源源不斷地向墨盒提供墨水.連續(xù)供墨系統(tǒng)最大的好處是實(shí)惠，價(jià)格比原裝墨水便宜很多.其次供墨量大，加墨水方便.

噴墨打印機(jī)的連供系統(tǒng)大都應(yīng)用了虹吸原理，也就是在兩個裝有液體并由虹吸管連接起來的容器中，液體總是從壓強(qiáng)高的容器中流入到壓強(qiáng)低的容器中，因此從連供系統(tǒng)的原理可以知道，連供系統(tǒng)是由外墨盒(墨瓶)、軟管及支架等附件、內(nèi)墨盒(墨囊)等三大部分組成.如果外置墨盒的墨水液面低于打印噴頭的水平面時，由于輸墨管線中墨水向外置墨盒的回流的力量大于墨水向打印墨盒自流力量，空氣可以從打印噴頭的進(jìn)入打印墨盒內(nèi)，此時打印墨盒內(nèi)的墨水中會有微小的氣泡產(chǎn)生，這些墨水中的微小氣泡會引起打印斷線.另外如果打印機(jī)被長時間放置在高溫、干燥、陽光直射的環(huán)境中，同樣會引起輸墨管線和打印噴頭中的墨水的加速揮發(fā)、干燥、菌化和氧化，對于很細(xì)而又透明輸墨管線更是如此[3-5].

為解決內(nèi)墨盒內(nèi)的墨水向外墨盒的回流和透明輸墨管線由于打印機(jī)長時間不用引起的墨水凝結(jié)堵塞管路問題，文中采用在連供系統(tǒng)的管路中安裝帶有截止閥的壓電泵的方式，以解決上述問題，并對壓電泵進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能測試.

1　壓電泵驅(qū)動的噴墨打印機(jī)連供系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依靠虹吸原理進(jìn)行工作的連供系統(tǒng)稱作被動式連供系統(tǒng)，安裝上壓電泵泵送單元的連供系統(tǒng)稱作主動式連供系統(tǒng)，整個系統(tǒng)如圖1所示，試驗(yàn)選用的打印機(jī)為佳能ip2780噴墨打印機(jī).其中整個壓電泵的泵送單元包括帶有截止閥的微型單腔泵、壓電泵控制器及3～5 V的直流電源.壓電泵的進(jìn)口與外墨盒相連，出口與內(nèi)墨盒相連，在平時正常打印機(jī)工作的情況下，壓電泵處于關(guān)閉狀態(tài)，這時墨水的輸送仍然通過虹吸原理來實(shí)現(xiàn)，但因?yàn)橛袎弘姳帽粍咏刂归y的存在，能有效避免內(nèi)墨盒內(nèi)的墨水向外墨盒的回流現(xiàn)象發(fā)生，而當(dāng)打印機(jī)長時間不用引起的墨水凝結(jié)堵塞管路時，可開啟壓電泵系統(tǒng)，靠泵產(chǎn)生的壓力將管路打通，保證墨水的正常輸送.

圖1　壓電泵驅(qū)動的主動式噴墨打印機(jī)連供系統(tǒng)

2　壓電泵與泵用控制器設(shè)計(jì)

壓電泵是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)使壓電振子產(chǎn)生變形，再由變形產(chǎn)生泵腔的容積變化實(shí)現(xiàn)流體輸出的新型流體泵.因?yàn)閴弘姳迷诠ぷ鬟^程中無電動機(jī)，也無旋轉(zhuǎn)部件，僅利用壓電陶瓷片為其動力驅(qū)動源，因此具有體積小、重量輕、低能耗、低噪音、無電磁輻射和干擾，啟動過程無沖擊電流、無過熱現(xiàn)象、易于自動控制等優(yōu)點(diǎn)，所以它是一款典型的低碳、節(jié)能、環(huán)保的新型流體設(shè)備和高科技產(chǎn)品，也是微型泵領(lǐng)域一項(xiàng)革命性的技術(shù)成果.壓電泵具有廣泛的應(yīng)用前景，可應(yīng)用于家電設(shè)備(如即熱式飲水機(jī)、咖啡機(jī)、LED路燈)、計(jì)算機(jī)冷卻裝置、醫(yī)療設(shè)備、農(nóng)業(yè)滴灌、儀器儀表、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、機(jī)械(如計(jì)量泵、注液泵)、軍工等領(lǐng)域[6-9].

圖2　壓電泵與泵用控制器

圖3　泵用截止閥

圖1中所用的內(nèi)墨盒帶有三個容腔，每個容腔能容納墨水約6.8 mL，由于內(nèi)墨盒單個容腔容積較小，因此設(shè)計(jì)選用的壓電泵為單腔泵(如圖2所示)，功率為0.05 W，空載輸出流量0～20 mL/min，最大輸出壓力約為11 kPa，結(jié)構(gòu)尺寸(mm)為φ25×t5.泵用截止閥為輪式平板閥，是一種薄片閥，如圖3所示.閥的中間圓形片是閥的執(zhí)行部分，周邊固定環(huán)將閥固定，固定環(huán)和圓形片的連接折疊彈簧梁起到彈簧作用.這種閥的優(yōu)點(diǎn)是開啟時閥體的執(zhí)行部分整體平動，能減少泵工作時流量損失，提高閥的單向截止性能，并具有較好的承載能力，且安裝時占用腔體空間較小，利于泵的緊湊設(shè)計(jì).

2.1　單腔壓電泵的輸出流量與壓力計(jì)算

根據(jù)壓電泵的工作原理，壓電泵屬于容積泵，在完全理想的工作狀態(tài)下，單腔壓電泵應(yīng)滿足泵的流量同頻率成線性關(guān)系，即

Qth=2ΔVthf×60 m3/min

(1)

式中，f為壓電振子的工作頻率；ΔVth為振子單向振動時泵腔容積變化量.由文獻(xiàn)[10]可得

(2)

式中，d31為壓電常數(shù)，d為壓電薄膜直徑，t為壓電薄膜厚度，U為驅(qū)動電壓.

壓電驅(qū)動器理論上所產(chǎn)生的壓力為

(3)

2.2　單腔壓電泵驅(qū)動能力確定

在帶有壓電泵的連供系統(tǒng)中，其工作原理如圖4所示.為保證當(dāng)外墨盒的液面遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于內(nèi)墨盒液面時，墨水也能夠向內(nèi)墨盒中流動，壓電泵必須保證提供足夠的驅(qū)動能力，取外墨盒的1液面和內(nèi)墨盒的進(jìn)口2為研究對象，由伯努利方程可得[11]：

(4)

式中，W為壓電泵的輸出能量；ΔH為1、2截面之間高度差；p1為截面1處壓力，u1為截面1處墨水流速；p2為截面2處壓力，u2為截面2處墨水流速；∑hf為流動過程中能量損失.

因?yàn)橥饽械囊好姹裙苈返慕孛娲蟮枚?，因此可認(rèn)為u1≈0，則當(dāng)u2=0時壓電泵的最小輸出能量為：

(5)

只有所設(shè)計(jì)的壓電泵最小輸出能量滿足公式(5)時，連供系統(tǒng)才能很好的工作.

壓電泵的控制器是撥盤式控制器(如圖2)，它的一端線路與3～5 V的直流電源連接，另一端與壓電泵連接，輸出電壓可在0～110 V間通過撥盤進(jìn)行調(diào)整，輸出電信號的頻率也可以進(jìn)行調(diào)整.

圖4　連供系統(tǒng)工作原理圖

3　壓電泵的輸出性能測試

為防止內(nèi)墨盒內(nèi)的墨水向外墨盒的回流現(xiàn)象發(fā)生，要求壓電泵出口閥必須承受一定高度液體的反向回流能力，經(jīng)過試驗(yàn)測試，所用壓電泵的出口閥反向截止水柱高度為65 cmH2O，如果將壓電泵靠近內(nèi)墨盒安置，這樣截止高度足以夠用.而為解決打印機(jī)長時間不用引起的墨水凝結(jié)堵塞管路時，壓電泵必須能夠輸出足夠大的輸出壓力及輸出流量，保證能夠打通堵塞管路及在短時間內(nèi)將內(nèi)墨盒灌滿.圖5、圖6是壓電泵的輸出流量與輸出壓力隨電信號工作頻率變化曲線.

圖5　輸出流量隨頻率變化曲線

從圖5的壓電泵輸出流量隨驅(qū)動電信號工作頻率變化曲線可以看出，當(dāng)壓電泵沒有和連供裝置的管路連接在一起，在背壓為零時，40～400 Hz工作頻率范圍內(nèi)，最大輸出流量可達(dá)20 mL/min-1，而當(dāng)與連供裝置的管路連接在一起，在背壓為零時，最大輸出流量可達(dá)8 mL/min-1，足以使內(nèi)墨盒的單個容腔在短時間內(nèi)灌滿墨水.

從圖6輸出壓力隨頻率變化曲線可以看出，壓電泵的最大輸出壓力可達(dá)110 cmH2O，約為11 kPa，可保證在管路阻塞時打通管路實(shí)現(xiàn)墨水的流動.另外，在系統(tǒng)工作時要求泵具有一定的自吸能力，以保證管路的進(jìn)口端與壓電泵的進(jìn)口處存在一定高度時，墨水能夠進(jìn)入泵腔實(shí)現(xiàn)輸送的目的.所用壓電泵在工作頻率范圍內(nèi)，最小自吸高度可達(dá)70 cm.

圖6　輸出壓力和自吸高度隨頻率變化曲線

4　結(jié)　　論

將壓電泵應(yīng)用到噴墨打印機(jī)的連供系統(tǒng)，可很好的解決噴墨打印機(jī)存在的以下兩方面問題：

(1)由于壓電泵采用有閥結(jié)構(gòu)，可很好的解決外置墨盒的墨水液面低于打印噴頭的水平面時，內(nèi)置墨盒中的墨水向外置墨盒回流問題.

(2)當(dāng)打印機(jī)被長時間放置在高溫、干燥、陽光直射的環(huán)境中，引起輸墨管線中的墨水的加速揮發(fā)、干燥、菌化和氧化而阻塞管路問題.

另外，所用壓電泵及驅(qū)動電源尺寸較小，產(chǎn)品價(jià)格低廉，對于在實(shí)踐中進(jìn)行推廣應(yīng)用，有現(xiàn)實(shí)意義.

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