压电泵在喷墨打印机连供系统上应用研究

喷墨打印机的连续供墨系统简称连供，它是近些年在喷墨打印机领域才出现的新的供墨方式[1,2].连续供墨系统，它采用外置墨盒再用导管与打印机的内置墨盒相连，这样墨水瓶就源源不断地向墨盒提供墨水.连续供墨系统最大的好处是实惠，价格比原装墨水便宜很多.其次供墨量大，加墨水方便.

喷墨打印机的连供系统大都应用了虹吸原理，也就是在两个装有液体并由虹吸管连接起来的容器中，液体总是从压强高的容器中流入到压强低的容器中，因此从连供系统的原理可以知道，连供系统是由外墨盒(墨瓶)、软管及支架等附件、内墨盒(墨囊)等三大部分组成.如果外置墨盒的墨水液面低于打印喷头的水平面时，由于输墨管线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，空气可以从打印喷头的进入打印墨盒内，此时打印墨盒内的墨水中会有微小的气泡产生，这些墨水中的微小气泡会引起打印断线.另外如果打印机被长时间放置在高温、干燥、阳光直射的环境中，同样会引起输墨管线和打印喷头中的墨水的加速挥发、干燥、菌化和氧化，对于很细而又透明输墨管线更是如此[3-5].

为解决内墨盒内的墨水向外墨盒的回流和透明输墨管线由于打印机长时间不用引起的墨水凝结堵塞管路问题，文中采用在连供系统的管路中安装带有截止阀的压电泵的方式，以解决上述问题，并对压电泵进行了结构设计与性能测试.

1　压电泵驱动的喷墨打印机连供系统设计

依靠虹吸原理进行工作的连供系统称作被动式连供系统，安装上压电泵泵送单元的连供系统称作主动式连供系统，整个系统如图1所示，试验选用的打印机为佳能ip2780喷墨打印机.其中整个压电泵的泵送单元包括带有截止阀的微型单腔泵、压电泵控制器及3～5 V的直流电源.压电泵的进口与外墨盒相连，出口与内墨盒相连，在平时正常打印机工作的情况下，压电泵处于关闭状态，这时墨水的输送仍然通过虹吸原理来实现，但因为有压电泵被动截止阀的存在，能有效避免内墨盒内的墨水向外墨盒的回流现象发生，而当打印机长时间不用引起的墨水凝结堵塞管路时，可开启压电泵系统，靠泵产生的压力将管路打通，保证墨水的正常输送.

图1　压电泵驱动的主动式喷墨打印机连供系统

2　压电泵与泵用控制器设计

压电泵是利用压电陶瓷的逆压电效应使压电振子产生变形，再由变形产生泵腔的容积变化实现流体输出的新型流体泵.因为压电泵在工作过程中无电动机，也无旋转部件，仅利用压电陶瓷片为其动力驱动源，因此具有体积小、重量轻、低能耗、低噪音、无电磁辐射和干扰，启动过程无冲击电流、无过热现象、易于自动控制等优点，所以它是一款典型的低碳、节能、环保的新型流体设备和高科技产品，也是微型泵领域一项革命性的技术成果.压电泵具有广泛的应用前景，可应用于家电设备(如即热式饮水机、咖啡机、LED路灯)、计算机冷却装置、医疗设备、农业滴灌、仪器仪表、科学实验、机械(如计量泵、注液泵)、军工等领域[6-9].

图2　压电泵与泵用控制器

图3　泵用截止阀

图1中所用的内墨盒带有三个容腔，每个容腔能容纳墨水约6.8 mL，由于内墨盒单个容腔容积较小，因此设计选用的压电泵为单腔泵(如图2所示)，功率为0.05 W，空载输出流量0～20 mL/min，最大输出压力约为11 kPa，结构尺寸(mm)为φ25×t5.泵用截止阀为轮式平板阀，是一种薄片阀，如图3所示.阀的中间圆形片是阀的执行部分，周边固定环将阀固定，固定环和圆形片的连接折叠弹簧梁起到弹簧作用.这种阀的优点是开启时阀体的执行部分整体平动，能减少泵工作时流量损失，提高阀的单向截止性能，并具有较好的承载能力，且安装时占用腔体空间较小，利于泵的紧凑设计.

2.1　单腔压电泵的输出流量与压力计算

根据压电泵的工作原理，压电泵属于容积泵，在完全理想的工作状态下，单腔压电泵应满足泵的流量同频率成线性关系，即

Qth=2ΔVthf×60 m3/min

(1)

式中，f为压电振子的工作频率； ΔVth为振子单向振动时泵腔容积变化量.由文献[10]可得

(2)

式中，d31为压电常数，d为压电薄膜直径，t为压电薄膜厚度，U为驱动电压.

压电驱动器理论上所产生的压力为

(3)

式中，g31为压电电压常数；为压电薄膜的弹性模量.

2.2　单腔压电泵驱动能力确定

在带有压电泵的连供系统中，其工作原理如图4所示.为保证当外墨盒的液面远远低于内墨盒液面时，墨水也能够向内墨盒中流动，压电泵必须保证提供足够的驱动能力，取外墨盒的1液面和内墨盒的进口2为研究对象，由伯努利方程可得[11]：

(4)

式中，W为压电泵的输出能量；ΔH为1、2截面之间高度差；p1为截面1处压力，u1为截面1处墨水流速；p2为截面2处压力，u2为截面2处墨水流速；∑hf为流动过程中能量损失.

因为外墨盒的液面比管路的截面大得多，因此可认为u1≈0，则当u2=0时压电泵的最小输出能量为：

(5)

只有所设计的压电泵最小输出能量满足公式(5)时，连供系统才能很好的工作.

压电泵的控制器是拨盘式控制器(如图2)，它的一端线路与3～5 V的直流电源连接，另一端与压电泵连接，输出电压可在0～110 V间通过拨盘进行调整，输出电信号的频率也可以进行调整.

图4　连供系统工作原理图

3　压电泵的输出性能测试

为防止内墨盒内的墨水向外墨盒的回流现象发生，要求压电泵出口阀必须承受一定高度液体的反向回流能力，经过试验测试，所用压电泵的出口阀反向截止水柱高度为65 cmH2O，如果将压电泵靠近内墨盒安置，这样截止高度足以够用.而为解决打印机长时间不用引起的墨水凝结堵塞管路时，压电泵必须能够输出足够大的输出压力及输出流量，保证能够打通堵塞管路及在短时间内将内墨盒灌满.图5、图6是压电泵的输出流量与输出压力随电信号工作频率变化曲线.

图5　输出流量随频率变化曲线

从图5的压电泵输出流量随驱动电信号工作频率变化曲线可以看出，当压电泵没有和连供装置的管路连接在一起，在背压为零时，40～400 Hz工作频率范围内，最大输出流量可达20 mL/min-1，而当与连供装置的管路连接在一起，在背压为零时，最大输出流量可达8 mL/min-1，足以使内墨盒的单个容腔在短时间内灌满墨水.

从图6输出压力随频率变化曲线可以看出，压电泵的最大输出压力可达110 cmH2O，约为11 kPa，可保证在管路阻塞时打通管路实现墨水的流动.另外，在系统工作时要求泵具有一定的自吸能力，以保证管路的进口端与压电泵的进口处存在一定高度时，墨水能够进入泵腔实现输送的目的.所用压电泵在工作频率范围内，最小自吸高度可达70 cm.

图6　输出压力和自吸高度随频率变化曲线

4　结　　论

将压电泵应用到喷墨打印机的连供系统，可很好的解决喷墨打印机存在的以下两方面问题：

(1)由于压电泵采用有阀结构，可很好的解决外置墨盒的墨水液面低于打印喷头的水平面时，内置墨盒中的墨水向外置墨盒回流问题.

(2)当打印机被长时间放置在高温、干燥、阳光直射的环境中，引起输墨管线中的墨水的加速挥发、干燥、菌化和氧化而阻塞管路问题.

另外，所用压电泵及驱动电源尺寸较小，产品价格低廉，对于在实践中进行推广应用，有现实意义.