(57)【要約】【課題】本発明はインパクトプリンタに用いるプリンタヘッドにおいて、プリンタヘッドの長寿命化に寄与できるプリントハンマの製造方法にを提供することにある。【解決手段】ピン先端部とピンブランク材を溶接した後、ピンブランク材に形成される熱影響部を高温の加熱処理により変成させ、更に、熱処理を行って、硬度の向上を図ることにより、プリントハンマの疲労強度を改善し、安価で耐久性の高いプリンタヘッドを提供する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
打撃部に用いるピン先端部と、該ピン先端部を保持するピンブランク材とを接合して一体化されるプリントハンマを具備したプリンタヘッドを有し、当該プリンタヘッドの打撃力によりインクリボンを介して印字用紙に文字を形成するインパクトプリンタにおいて、
前記ピン先端部とピンブランク材とを溶接した後、熱処理を施すことを特徴とするインパクトプリンタ用プリンタヘッドの製造方法。
【請求項２】
請求項１記載のインパクトプリンタ用プリンタヘッドの製造方法において、
ピンブランク材は炭素を含む鉄合金より選ばれることを特徴とするインパクトプリンタ用プリンタヘッドの製造方法。
【請求項３】
請求項１または２のいずれかに記載のインパクトプリンタ用プリンタヘッドの製造方法において、
前記熱処理は、ピン先端部の材料の軟化点以下であって、オーステナイト領域の温度領域で処理されることを特徴とするインパクトプリンタ用プリンタヘッドの製造方法。
【請求項４】
請求項３記載のインパクトプリンタ用プリンタヘッドの製造方法であって、
前記熱処理の工程後、急冷する工程と、４００から６００℃の範囲で第２の熱処理を実施する工程を経ることを特徴とするインパクトプリンタ用プリンタヘッドの製造方法。
【請求項５】
請求項３記載のインパクトプリンタ用プリンタヘッドの製造方法において、
前記熱処理の工程後、べーナイト組織が得られる温度域に保持する工程を経ることを特徴とするインパクトプリンタ用プリンタヘッドの製造方法。
【請求項６】
請求項５記載のインパクトプリンタ用プリンタヘッドの製造方法であって、
前記べーナイト組織が得られる温度域は４００から６００℃の範囲であることを特徴とするインパクトプリンタ用プリンタヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インパクトプリンタヘッドに関し、更に詳しくは印字ピンの耐久性を向上させた長寿命化が実現可能なヘッドに関するものである。
【０００２】
本発明はインパクトプリンタのプリンタヘッドに関し、更に詳しくはプリンタヘッドの印字ピンの耐久性を向上させた長寿命化が実現可能なプリンタヘッドの製造方法に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
インパクトプリンタはコンピュータの高性能化、大容量化が進むにつれて高速印字化が要求されると同時に最盛期に向けて益々低価格競争が厳しくなっている。このインパクトプリンタに採用されているプリンタヘッドには他社との差別化のため長寿命化と製造原価の低減が要求される。本課題に対して、ピン先端部を保持するピンブランク材には安価な炭素鋼が用いられ、一方、長寿命化（耐摩耗性）が要求されるピン先端部には硬度（ビッカース硬度）が２４００にも達するＷＣ−Ｃｏ系粉末合金、あるいは易加工性を重視して硬度が８００前後のイリジウムまたは白金族系の高硬度材が用いられて、両者は溶接法で接合されている。
【０００４】
ピンブランク材となる炭素鋼は加工性を考慮して硬度が３００前後に調質されたものが用いられる。しかし、ピン先端部とは多くの場合、溶接で接合されるため、溶接の過程で、炭素鋼は７００℃前後に一定時間保持される領域ができて、硬度が溶解品と同等の２００以下に戻る（この領域を熱影響部ＨＡＺ：Ｈｅａｔ  Ａｆｆｅｃｔｅｄ  Ｚｏｎｅという）。そのため、時として折損するという欠点があった。
【０００５】
これまでは、ピンに作用する応力分布を推定しながら、ＨＡＺの位置が高応力場にかからないように溶接入熱を調整していた。従って、ＨＡＺに気を使って溶接条件を設定すると、ピン先端部の材料との溶接条件が不適切になり、溶接部から折損するという不具合が生じ、他方、溶接部を強固にしようとすると、ＨＡＺが高応力場の位置に移る等の不具合が生じ、適正範囲が狭く、製造歩留まりが悪かった。
【０００６】
なお、熱処理でピンを強靭にしようとする案は従来からも行なわれている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１においては、熱容量が大きい印字レバーにろう付けをする際に発生する問題を対策することを課題としている。すなわち、熱容量が大きい印字レバーにろう付けするため、ろう付け後、冷却速度が遅くなり、ピン材料が軟化してしまう。そこで、ろう付け後、冷却ガスを吹き付けるか、あるいはレーザービームのように局所過熱できるようにして冷却速度を速める。炭素鋼（ＪＩＳ  ＳＫ材）を例にとると、冷却速度を速めた場合、金属材料学から周知のようにいわゆる焼き入れの状態になり、マルテンサイト変態し、硬くもろくなる。そこで、一般的には数百℃に加熱して硬さを下げ、靭性を出す焼戻しをする。このようにしてピンの寿命をのばすものである。
【０００７】
【特許文献１】
特開平６−４００４９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述した従来技術の手法で改良しても、ピンの長手方向に硬度の低下している領域が存在してしまう。そこで、本発明では、炭素鋼を溶接した場合、溶接部の周辺に熱影響部が現れ、機械強度が低下し、信頼性が損なわれるという問題を解消し、強度が低下しないプリンタヘッドを提供することが課題である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明では、従来、感に頼っていた調整をなくすべく、理論に沿った手法を提供する。すなわち、溶接後、一旦、オーステナイト領域温度の８００℃前後まで加熱し、ピン先端部とピンブランク材とを焼きなまし、均一の状態（均質化処理）に戻す。その後、追工程を経て硬度を４００から５００にする。このような処理を施すことによって、高強度（長寿命）のピン先端材料を得ることができる。
【００１０】
本発明を生み出すにあたり、本発明者らは、より具体的に溶接前後の材料の組織と温度、硬度の関係を検討した。本例では、ピン先端部の材料と、球状化処理して機械加工を施し、硬度を３００にしたピンブランク材とを溶接したものについて検討した。ピンブランク材は７００℃前後で炭化物（Ｆｅ３Ｃ、セメンタイト）を球状化処理をした材料が用いられる。なお、本ピンブランク材を完全に機械加工による硬化を除去した場合の硬度は２００である。この材料とピン先端部のＩｒを溶接すると、図９に示すように、ピンブランク材の各部位は、最高温度は鉄が溶ける温度１４００−１５００℃熱影響までの温度履歴を受け、図１０に示すピン先端部及びピンブランク材の各部位に下記（ａ）から（ｃ）に示すような位置に典型的変化が生じる。
（ａ）溶接で溶融／半溶融した部位
（ｂ）最高７００−７５０℃に加熱された部位
（ｃ）最高でも７００℃以下
すなわち、ピンブランク材は溶接部から離れると共に最高温度が他端の室温まで徐々に下がる。各位置で経験する最高温度は、例えば半無限体を仮定して、フィックの拡散方程式を解いて得られるような指数関数的に減少する。
【００１１】
この温度履歴をＦｅ−Ｃ状態図で関係づけると図１１のようになる。
溶接で熱影響を受ける熱影響部（ＨＡＺ）といわれる領域は（ａ）から（ｂ）の範囲である。まず（ａ）から（ｂ）の範囲に加熱されると、球状化炭化物は分解してオーステナイトと称されるＦｅの組織中に溶け込む（固溶するという）。溶接終了と共に急冷されるとマルテンサイト変態が生じ、硬度７００−９００と硬く脆くなる。（ｂ）の領域にあると球状化炭化物が分解するほどにエネルギをが加えられないので単に歪みを除去するだけになる。この領域では単に母材の軟化が進行するのみで硬度も加工前の２００前後まで低下する。完全焼きなまし温度領域と言われている。（ｃ）は球状化処理温度以下の温度領域である、従って、この温度以下では歪み解放が生じるが基本的な組織変化はなく、硬度は溶接前の３００前後である。
【００１２】
上述した硬度の関係を本発明に適用すれば以下の様になる。つまり、完全焼きなまし温度の７００℃前後の硬度２００まで連続的に低下する。７００℃以下では焼き入れの効果がなく、素材の硬度３００を保持する。ここで、問題となるのは、図４に示したように、最高温度が７００℃前後になって、硬度が素材の２００程度に低下する領域がでることである。溶接学ではこの領域を熱影響部と称する。本発明では、応力がかかるピンブランク材に弱点があると破断してしまう危険が生じる。この欠点（熱影響部）を解消するのが本発明の目的である。
【００１３】
具体的には、まず、一旦、８００℃以上に加熱してピン全体の金属学的組織をオーステナイトとする。この処理によって、前出の熱影響部も他の部分とおなじように均一組織になる。次いで、熱処理後に追工程を実施するが、本発明では２通りの処理方法を提案する。
【００１４】
まず、第１の方法は、焼き入れ−焼戻し処理法である。オーステナイト状態から急冷すると、組織はマルテンサイトといわれる硬いがもろい組織に変化する（この組織は溶接して急冷を受けた溶接部近傍の組織と同じであるため硬い）。このままでは材料にねばりがなく、繰り返し負荷に耐えられないので、ねばりをだすため焼戻し処理をする。本例では材料の硬さから４００−６００℃とした。このようにすることで、最終的にピン先端材を除いて硬度が均一なピンブランク材を提供することができる。
【００１５】
第２の方法はベーナイト処理法といわれる方法である。溶接後、オーステナイト領域温度の８００℃前後まで加熱し、溶接熱影響で強度が低下した領域を組織学的にオーステナイトからなる均一状態（均質化処理）に戻した後、冷却して４００−６００℃に保持して恒温変態をさせベーナイト組織にし、硬度を３４０−５００にする。このような処理を施すことで靭性のある組織が得られ、高強度（長寿命）のピン先材を提供できる。
【００１６】
前述の工程の代表例をあげれば、これらの工程上の差異がより一層明確になる。すなわち、第１の方法は、均質化処理（８５０℃）―急冷（９０℃）―焼戻し（５８０℃）−急冷（室温）という熱処理工程であり、一方、第２の方法は、均質化処理（８５０℃）―恒温変態処理（５８０℃）−放冷（室温）という熱処理工程である。第１の方法あるいは第２の方法のいずれの方法を採用しても最終的には目的の硬度を達成できるので、採用にあたっては、熱処理炉の性能、援用できる従来技術等を加味して決定すればよい。このようにして、最終的にピン先端材を除いて硬度が均一なピンブランク材を提供しようとするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について図面を用いて説明する。
【００１８】
図６は本発明で製造されるインパクトプリンタのプリンタヘッドの概略を示す側面断面図である。図において、１はピン先端部７を保持するピンブランク材である。なお、ピン先端部７とピンブランク材１とは溶接され、プリントハンマが形成される。また、２はスプリング、３はマグネット、４は釈放用電磁コイル、５はインクリボン、６は印字用紙、８はポールである。
【００１９】
図６は動作中の一瞬を捉えた図である。印字待機時、スプリング２はマグネット３の磁力により、ポール８に吸着されている。そして、印刷時には、釈放用電磁コイル４を導通することによってマグネット３の磁力を打ち消すことにより、スプリング２の反発力でスプリング２及びそれに接合されているピン先端部７が釈放され、インクリボン５を介して印字用紙６に印字する。印字後、釈放電磁コイル４の導通が無くなると、スプリング２はポール８に吸着される。
【００２０】
上記構成のプリンタヘッドにおいて、ピン先端部７には白金族系合金（Ｏｓ（オスミウム）またはＩｒ（イリジウム）を主成分とする合金または純金属）のような耐摩耗材が用いられ、ピンブランク材１には炭素鋼を主体とした材料が使用される。
【００２１】
まず初めに、プリンタに搭載して印字中に破壊されたピン先端部の破壊モードを調べた。図１はプリンタヘッドのピン先端部近傍の概略を示した側面断面図である。ピンブランク材１（本実験では炭素鋼ＪＩＳ  ＳＫ５を使用）とピン先端部７（本実験ではイリジウムを使用）とを溶接法にて溶接すると、溶接部境界９が形成される。また、ピンブランク材１には中間に熱影響部１０が形成されている。この状態で印字をを繰り返すとピンが破壊（折損）される。破断面を調べた結果、破壊は疲労破壊モードであることがわかった。また、破壊進行方向は、図中、矢印１１の方向であることが判明した。
【００２２】
図２は、実際にプリンタヘッドを印字した場合に、破壊の生じたピン先端部の破面調査から求めた負荷方向を元に、ピン先端部７が印字用紙を打撃する力を決めて応力計算法（ＣＡＥ）から算出した応力分布である。ピンブランク材１の根元で最大応力となり、ピン径が狭まるところまで短調に減少し、狭径部のピン先端部７で上昇することがわかる。
【００２３】
通常、材料の疲労強度を求めるには多大の時間と労力を要す。そこで、本発明では既知の疲労強度と比較的容易に測定できる硬度との関係に注目した。まず炭素鋼における疲労強度と硬度の関係を図３に示す。図３から、材料の硬度を測ることで疲労強度を推定することができる。そこで、溶接後のピンブランク材１及びピン先端部７の間の硬度分布を測定した。結果を、図４に示す。ピン先端部７は硬度（ビッカース）６００と一定で熱影響部１０まで連続的に下がり、熱影響部１０で２００と最小値を示す。その後、ピンブランク材１の硬度は３００と一定になる。問題は、この熱影響部１０の疲労強度が図３からの換算で３０ｋｇ／ｍｍ２と低くなることである。すなわち、熱影響部１０の位置が、図２において、応力３０ｋｇ／ｍｍ２以上になる位置にある（例えば図２において点ａ）と繰り返し印字中に折損する不具合が生じる。しかしながら、炭素鋼は熱処理で硬度を変えること、換言すれば疲労強度をかえることができる。そこで、本発明では熱処理条件と硬度の関係を求め、最適な熱処理方法を検討した。
【００２４】
まず、本発明の熱処理及び追工程の第１の方法（焼き入れ−焼戻し法）について述べる。
溶接後に形成される熱影響部１０を解消する必要がある。そのためには、炭素鋼をオーステナイト領域まで加熱する。この温度域は概略７５０から１４００℃であるが、ピン先端部（イリジウム）の軟化温度を考慮して８５０℃とした。なお、軟化温度を考慮する理由は、ピンの軟化温度８００〜９００℃よりも高温にすると、急激に硬度が低くなり、破壊され易くなるためである。そして、ピン先端部７とピンブランク材１を溶接してピンブランクに熱影響部１０を形成させた後、８５０℃に加熱し、急冷した。その後、４００から６００℃で２５℃間隔で１０分焼戻しした試料を作製した。これらの材料のうち、代表として６００℃で焼戻しした材料の硬度分布を図５に示す。ピンブランク材１の全長に渡り硬度は一定である。従って、本発明のように熱処理すれば、熱影響部１０の影響を解消でき、かつピンブランク材１の強度も増強できるので、疲労強度が向上することが期待できる。なお、６１０℃で熱処理をしたものは軟化が進んで低強度になり、３５０度℃以下では硬度が高く、機械加工が困難であった。従って、適正な熱処理温度の範囲は４００から６００℃である。
【００２５】
次に、ピン先端部７の材料として、Ｏｓ系合金を用いた場合についての実験を行なった。この場合、ピン先端部７の軟化点は１５００℃以上である。従って、材料の結晶が粗大化しない程度の炭素鋼のオーステナイト領域上限まで加熱できる。そこで、１０００℃で熱処理した。
【００２６】
具体的には、まず、ピン先端部７とピンブランク材１を溶接してピンブランク材１に熱影響部１０を形成させた後、１０００℃に過熱し、急冷した。その後、４００から６００℃で２５℃間隔で１０分焼戻しした試料を作成した。これらの試料においても、前述のイリジウムの場合と同様に、ピンブランク材１の全長に渡り、硬度は一定であった。従って、本発明のように熱処理すれば、熱影響部１０の影響を解消でき、かつピンブランク材１の強度も増強できるので、疲労強度が向上することが期待できる。
【００２７】
本発明で製作されたプリンタヘッドを、図８に示す実機に搭載して、耐久性、印字性能を比較検討した。図８において、２０はプリンタヘッド、２１はプラテン、２２はプリンタヘッドを往復移動させるシャトル機構である。検討結果を図７に示す。従来品１３に比べ、本発明のプリンタヘッド１２は１０万回の打撃テスト後においても折損はなく、本発明の優位性が実証できた。
【００２８】
次に、本発明の熱処理及び追工程の第２の方法について検討した結果を述べる。
第１の方法と同様に、炭素鋼をオーステナイト領域まで加熱する。この温度域は概略７５０−１４００℃であるが、結晶粒の粗大化防止とピン先端材（イリジウム）の軟化温度を考慮して８５０℃とした。まず、ピン先端部７とピンブランク１を溶接してピンブランク１に熱影響部を形成させた後、８５０℃に加熱し、引き続き６００℃まで冷却し、ベーナイト変態が終了する時間、およそ２００秒間、６００℃の温度を維持した（なお、本時間は変態温度により異なる）。その後、更に冷却した。この試料の硬度分布は概略図５と同じであり、ピンブランク材１の全長に渡り硬度は一定である。従って、本発明のように熱処理すれば、熱影響部の影響を解消でき、かつピンブランク１の強度も増強できるので、疲労強度が向上することが期待できる。なお、６１０℃で熱処理をしたものは軟化が進み低硬度（３００以下）になり、３９０℃以下では硬度が５６０と高く、機械加工が困難であった。従って、適正な熱処理温度範囲は４００−６００℃である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、耐久性のあるプリンタヘッドを作成することができ、インパクトプリンタの長寿命化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】プリンタヘッドのプリントハンマ近傍を示す拡大断面図。
【図２】ＣＡＥによるプリントハンマへの負荷力分布を示す図。
【図３】疲労強度と硬度の関係を示す図。
【図４】従来の製造方法により製作されたプリントハンマの硬度分布図
【図５】本発明の製造方法により作成されたプリントハンマの硬度分布図
【図６】プリンタヘッドの概略を示す側面断面図
【図７】プリントハンマの耐久試験の結果を示す図
【図８】インパクトプリンタの概略を示す斜視図
【図９】溶接前後の各部位での温度の経時変化を示すグラフ。
【図１０】プリントハンマの熱影響について説明する模式図
【図１１】Ｆｅ−Ｃ状態図。
【符号の説明】
１はピンブランク材、２はスプリング、３はマグネット、４は釈放用電磁コイル、５はインクリボン、６は印字用紙、７はピン先端部、８はポール、９は溶接境界部、１０は熱影響部、１１は負荷方向を示す矢印である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2004284342.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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