(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピンと先端部材よりなる印字ヘッド部を板バネの自由端に取り付けてなる印字ハンマを有するドットラインプリンタにおいて、
前記印字ヘッド部の前記ピンと前記先端部材とはビッカース硬さ４００以下の材料で一体成形されたものであり、前記先端部材はビッカース硬さが５００以上となるように硬化処理を施し、かつ前記先端部材のインクリボンまたは用紙と直接接触する打撃面に、窒素または炭素を固溶したＣｒ系硬化層、あるいは窒素または炭素の化合物からなるＣｒ系硬化層を形成する一方、前記ピンの前記板バネと接続される部分はビッカース硬さ４００以下であることを特徴とするドットラインプリンタ用印字ハンマ。
【請求項２】
請求項１記載のドットラインプリンタ用印字ハンマにおいて、
前記、Ｃｒ系硬化層はビッカース硬さ１０００以上で、その厚さが３μｍ以上であることを特徴とするドットラインプリンタ用印字ハンマ。
【請求項３】
請求項１記載のドットラインプリンタ用印字ハンマにおいて、
前記先端部材は焼入れ可能なＦｅ系より選ばれ、熱処理、あるいは加工硬化で硬化させたものであることを特徴とするドットラインプリンタ用印字ハンマ。
【請求項４】
ピンと先端部材よりなる印字ヘッド部を板バネの自由端に取り付けてなる印字ハンマを有するドットラインプリンタにおいて、
前記印字ヘッド部の前記ピンと前記先端部材とをビッカース硬さ４００以下の材料で一体成形し、前記先端部材のみに硬化処理を施して、該先端部材のビッカース硬さを５００以上とし、かつ前記先端部材のインクリボンまたは用紙と直接接触する打撃面に、ビッカース硬さ１０００以上の窒素または炭素を固溶したＣｒ系硬化層、あるいは窒素または炭素の化合物からなるＣｒ系硬化層を形成した後、前記板バネと前記ピンとをかしめることを特徴とするドットラインプリンタ用印字ハンマの製造方法。
【請求項５】
請求項４記載のドットラインプリンタ用印字ハンマの製造方法において、
前記板バネにかしめられる部分の前記ピンの硬さはビッカース硬さ４００以下とすることを特徴とするドットラインプリンタ用印字ハンマの製造方法。
【請求項６】
請求項４または５記載のドットラインプリンタ用印字ハンマの製造方法において、
前記硬化処理は高周波焼入れまたは抵抗加熱による部分焼入れであることを特徴とするドットラインプリンタ用印字ハンマの製造方法。
【請求項７】
請求項４記載のドットラインプリンタ用印字ハンマの製造方法において、
前記Ｃｒ系硬化層は物理的蒸着により形成されることを特徴するドットラインプリンタ用印字ハンマの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はラインプリンタ用の印字ヘッドに係り、特に耐磨耗性に優れたラインプリンタ用のドット印字ヘッドおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ドットラインプリンタ用の印字ヘッドの先端部材は、白金族系またはＷＣ系あるいは工具鋼系で形成されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ドットラインプリンタは、インパクト方式とインクジェットによるノンインパクト方式の２つに大別されるが、インパクト方式は帳票などの多部紙を印刷する方式として需要が多い。
【０００４】
以下、図面を参照して構造を説明する。
【０００５】
図１はドットラインプリンタの印字機構部の構成を示す縦断面図である。
【０００６】
印字ヘッド１２は、ピン３と先端部材１０で構成されている。また、ハンマ１は板バネ２の自由端に印字ヘッド１２を装着して構成されたものであり、該ハンマ１は永久磁石４、リアヨーク５、フロントヨーク６及びスペーサ７からなる磁気回路構造によって、リアヨーク５の先端の吸着部８に吸引保持される。この吸着部８近傍のリアヨーク５には、印字時に板バネ１を釈放し、駆動するための釈放コイル９が巻回されている。また、ハンマ１の下端（固定端）はフロントヨーク６とスペーサ７間に固定されている。
【０００７】
印字の際は、釈放コイル９に電流を流して板バネ２を吸着部８から釈放し、板バネ２の復元力で印字ヘッド１２の打撃面１３を図示しないインクリボンを介して印字用紙を打撃させ、ドットを形成する。
【０００８】
これらの機構において問題となることは、インクリボンを介して印字用紙を打撃し、ドットを形成する印字ヘッド先端部の寿命、すなわち耐磨耗性である。
【０００９】
従来、シリアルタイプのプリンタの印字ヘッドにおいては鋼材が使用され、更に先端部の耐磨耗性を向上する目的で、超硬（以下ＷＣとする）、タングステン（以下Ｗとする）を接合したり、鋼材の表面に浸炭窒化，窒化チタン（以下ＴｉＮとする）イオンプレーティングを処理したりして使用していた。
【００１０】
しかし、上記の材料や処理では、特にラインプリンタにおける印字速度の高速化に対し、寿命の点で要求を満足できない。すなわち、印字ヘッド先端部の磨耗、欠けなどにより印字の濃淡の発生、あるいは脱ドットを生じてしまい、目標寿命の各印字ヘッド１５億回打撃に対し、３億回以下で印字品質が低下してしまうのが実情だった。
【００１１】
この理由は、印字ヘッド先端部が直接インクリボンと接することに起因する。すなわち、印字ヘッドの先端部は硬さのみではなく、インク耐蝕性も必要であること、またＴｉＮ膜はビッカース硬さ２０００程度あり、耐蝕性も優れているものの靭性に乏しく、印字ヘッドのような打撃部品では、欠け・剥離が発生し、効果が少ないことによる。
【００１２】
一方、用紙によってはその仕様目的により、カオリナイト、石英、タルク等の填料の含有量が通常の紙重量の５ｗｔ％以下に対し、２５ｗｔ％程度含まれているものもある。このような用紙の填料は、直接印字ヘッド先端部が用紙に接触しない場合でも、インクリボンと用紙の接触により、インクリボンが填料を印字ヘッド先端部に搬送してしまい、磨耗させる。特に、填料の含有量が多いほど、印字ヘッド先端部を磨耗させる。
【００１３】
インク耐蝕性に優れた白金族系の材料を印字ヘッド先端部に用いた場合、填料が通常の５ｗｔ％以下であれば１５億ドット印字の目標を満足できる。しかし、５ｗｔ％以上では急激に磨耗量が増加し、寿命が低下する。これは、填料の含有量が５％以下の場合は、印字ヘッドの先端部の硬さがビッカース硬さ４５０以上で、インク耐蝕性及び靭性に優れていれば寿命を満足できるが、填料の含有量が増加するとさらに高い硬さが要求されるためである。
【００１４】
そこで、ビッカース硬さが１０００以上あり、インク耐蝕性及び靭性に優れたクロム（以下Ｃｒとする）に窒素（以下Ｎとする）または炭素（以下Ｃとする）を固溶あるいは化合させた膜を印字ヘッド先端部に用いることが考えられる。
【００１５】
しかし、上記膜をビッカース硬さ３００以下の鉄系の印字ヘッド材に直接形成した場合、あるいは従来の先端部材であるビッカース硬さ４５０の白金族系の材料に形成した場合、いずれも母材の変形・陥没により、膜が破壊され、寿命を満足し得ない。
【００１６】
また、白金族系の合金の組み合わせと添加元素によりビッカース硬さ１０００以上とすることも可能ではあるが、これらは非常に脆い合金となるため、ドットラインプリンタのように先端をドット径に合わせて精密に加工する場合、欠けが発生し現実的でない。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を達成するために、ピンと先端部材よりなる印字ヘッド部を板バネの自由端に取り付けてなる印字ハンマを有するドットラインプリンタにおいて、前記印字ヘッド部の前記ピンと前記先端部材とはビッカース硬さ４００以下の材料で一体成形されたものであり、前記先端部材はビッカース硬さが５００以上となるように硬化処理を施し、かつ前記先端部材のインクリボンまたは用紙と直接接触する打撃面に、窒素または炭素を固溶したＣｒ系硬化層、あるいは窒素または炭素の化合物からなるＣｒ系硬化層を形成する一方、前記ピンの前記板バネと接続される部分はビッカース硬さ４００以下であることを特徴とする。
【００１８】
このように、先端部材のビッカース硬さを５００以上としないと、硬化層を形成しても繰り返しの打撃により微小な陥没を生じ、硬化層のワレ・剥離につながる。また、ドットラインプリンタの打撃力は、多部紙の枚数・紙質により異なるものの、０．８ｋｇｆ以上である。先端の径は、現在、主に使用されている１６０ｄｐｉ以上では、印字するドット径との関係で０．２ｍｍ以下となる。つまり、２５ｋｇｆ／ｍｍ２以上の応力が発生する。従って、先端部材の疲労限は２５ｋｇｆ／ｍｍ２以上を必要とする。
【００１９】
なお、印字ヘッドのピンは加工性が要求されるため、ビッカース硬さ３００以下の炭素鋼を用いることが多い。これを所定の形状に加工し、先端部を熱処理、あるいはＷＣを接合するなどしてビッカース硬さ５００以上とする。
【００２０】
好ましくは、前記硬化層のビッカース硬さが１０００以上、その被膜厚さが３μｍ以上であるとよい。
【００２１】
上記硬化層は物理的蒸着法で形成できる。成膜条件により、所望に応じ、厚さ、硬さを任意に選択できる。スパッタリング法の場合、プラズマ中のグロー放電を利用して、被膜を均一に形成する。ターゲット用Ｃｒは市販品を用いて良く、できればＣｒ純度が９９．９％以上が望ましい。窒素源としては窒素ガス、アンモニウムガスを利用することができ、更にこれらのガスは単独あるいはアルゴンガスと混合しても良い。
【００２２】
Ｃｒ中の窒素または炭素の含有量が多くなるとその硬化層の硬さは高くなるが、所望の硬さを得るには雰囲気のガス量を調節するとよい。硬化層の窒素含有量が０．６ｗｔ％以上であれば、ビッカース硬さ１０００以上となる。同様に炭素含有量が０．１５ｗｔ％以上であれば、ビッカース硬さ１０００以上となる。
【００２３】
硬化層の硬さに関しては、填料の含有量が５％を超える用紙に対して、１５億ドット以上の寿命を得るためには、用紙の填料に含まれる石英等のビッカース硬さ８００〜９００よりも硬い１０００以上が必要である。
【００２４】
硬化層の厚さは任意に制御可能であるが、打撃によるワレを防ぐこと及び磨耗に対する寿命を満足させるために３μｍ以上必要であり、好ましくは３〜３０μｍである。
【００２５】
硬化層の厚さを３０μｍ以上では処理時間が長くなり、ターゲットの消耗も大きいことからコスト高となる。また、厚く形成し過ぎても耐磨耗性の点から実用的でない。しかも、印字ヘッド先端部は高い寸法精度が要求されるので、必要以上に厚く形成することは膜厚のバラツキが大きくなり好ましくない。
【００２６】
硬化層を形成する場所は耐磨耗性を必要とする印字ヘッドの先端部であり、局部的に硬化層を形成する場合は形成する部分以外をマスキングする。
【００２７】
一方、印字ヘッド先端部はインクリボンと直接接触するので、インク耐蝕性も問題になるが、本発明の硬化層は非常に緻密な組織を呈しており、耐蝕性にも優れている。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を参照して説明する。
〔実施例１〕
本実施例では、印字ヘッド１２の先端部材１０とピン３を炭素工具鋼ＳＫ５で一体化し、その最先端部に先端部材１０以外をマスキングして、Ｃｒに窒素を固溶させた硬化層１１を形成した印字ハンマ１を作製した。
【００２９】
このとき、印字ヘッド１２は、板バネ２にかしめ等で結合する前に、印字ヘッド１２の先端部のみに図示しないコイルをセットし、高周波加熱と空冷で焼入れ硬化させ、ビッカース硬さ８００とし、焼戻し温度を調節して、先端部材１０の硬さを７００、５００、４００としたものを作製した。
【００３０】
図２にこれらの印字ヘッドの硬さ分布を示す。
【００３１】
硬化層の作製条件は、９９．９ｗｔ％の純度のＣｒターゲットを用い、ターゲット電圧５ＫＶを印加し、Ａｒ＋０．９ｗｔ％窒素ガスを１２０ｃｃ／分流入し、Ｃｒと窒素の硬化層を時間を調整して１０μｍの厚さに形成した。その時の硬化層のビッカース硬さは１５００である。
【００３２】
高周波による部分焼入れのため、印字ヘッド１２後端のかしめ部１４はビッカース硬さ３００と変化せず、板バネに問題なくかしめることができる。かしめが可能なビッカース硬さは４００以下なので、印字ヘッド１２全体を焼入れ・焼戻しした場合、ビッカース硬さ４００より高いものは板バネとのかしめによる結合ができなくなる。
【００３３】
本例では、印字ヘッド１２の先端部のみを硬くする熱処理法に高周波焼入れとしたが、抵抗加熱方式あるいは加工硬化によっても同様の効果が得られる。
【００３４】
これらのハンマをドットラインプリンタによって、打撃力０．８ｋｇｆで各印字ヘッド１５億回打撃の磨耗試験を行った結果を図３に示す。用紙は填料が２５ｗｔ％含有されているものを用いた。
【００３５】
印字品質上問題となる印字ヘッド先端部の磨耗量は２０μｍ以上である。その結果、先端部材がビッカース硬さ５００以上の場合、磨耗量は２μｍ以下で目標寿命を満足できた。一方、ビッカース硬さ４００のものは９千万回打撃でワレを生じ、寿命を満足できなかった。
【００３６】
〔実施例２〕
本実施例ではビッカース硬さ３００の炭素工具鋼ＳＫ５を用いたピン２および先端部材の１０の先端部に、ビッカース硬さ１１００のＷＣ１１を抵抗溶接で接合した後、ピン２を炭素工具鋼ＳＫ５を用いた板バネ１にかしめで結合し、印字ハンマ１を作製した。次に、印字ハンマ１の印字ヘッド１２の先端部材１０以外をマスキングして、印字ヘッド１２の先端部材１０にスパッタリング法でＣｒにＮを固溶させた硬化層Ｃｒ−Ｎを形成した。
【００３７】
硬化層の作製条件は、Ｃｒターゲットを用いてターゲット電圧５ＫＶを印加し、Ａｒ＋０．９ｗｔ％窒素ガスを１２０ｃｃ／分流入し、３μｍの厚さに形成した。その時の硬化層のビッカース硬さは，１５００である。そして、Ｃｒに０．１５ｗｔ％の炭素を含有させ、Ｃｒと炭素の化合物としたものを作製した。この硬化層ＣｒＣは、厚さは３μｍ、ビッカース硬さ１０００である。
【００３８】
同様に比較例として、従来方式のＴｉＮの硬化層で厚さ３μｍ、ビッカース硬さ２０００としたもの、硬質Ｃｒめっきの硬化層で厚さ１０μｍ、ビッカース硬さ９００としたものを作製した。
【００３９】
これらのハンマをドットラインプリンタによって、打撃力０．８ｋｇｆで各印字ヘッド１５億回打撃の磨耗試験を行った結果を図４に示す。なお、用紙は填料が２５ｗｔ％含有されているものを用いた。
【００４０】
印字品質上問題となる印字ヘッド先端部の磨耗量は２０μｍ以上である。この図から明らかなように、ＴｉＮと硬質Ｃｒめっきは磨耗量が３０μｍ以上と大きく、印字ヘッドの耐磨耗処理として要求を満足できなかった。特に、ＴｉＮは初期の印字回数で部分的に硬化層の剥離が見られた。また、硬質Ｃｒめっきは耐蝕性の点で劣り、インクリボンと直接接触する印字ヘッド部では磨耗が大きくなった。
【００４１】
一方、Ｃｒに窒素を固溶させた硬化層Ｃｒ−ＮとＣｒと炭素の化合物の硬化層ＣｒＣは磨耗量が２μｍ以下と少なく、目標寿命を満足できることを確認した。
【００４２】
〔実施例３〕
本実施例では、硬化層の厚さと硬さが磨耗量に及ぼす影響を求めた。
【００４３】
実施例２と同じ印字ヘッドの構成とし、硬化層はＣｒターゲットを用いて、ターゲット電圧５ＫＶを印加し、Ａｒ＋０．９ｗｔ％窒素ガスを１２０ｃｃ／分流入して形成した。ここで、Ｃｒと窒素の硬化層を処理時間を調整して１、３、１０、２０μｍの厚さに形成した。その時の硬化層のビッカース硬さは１５００である。
【００４４】
また、硬さをかえるため、流入ガスの組成をＡｒ＋０．６ｗｔ％窒素、Ａｒ＋０．５ｗｔ％窒素としたものも作製した。ビッカース硬さはそれぞれ１０００、８００で、厚さは３μｍである。
【００４５】
磨耗試験条件は実施例２と同様である。
【００４６】
図５に硬化層厚さと磨耗量の関係を示す。硬化層厚さが１μｍのものは打撃によりワレを発生したが、３μｍ以上では磨耗量は２μｍ程度少なく目標寿命を満足できる。
【００４７】
図６に硬化層の硬さと磨耗量の関係を示す。ビッカース硬さ８００のものは用紙の填料に含まれるビッカース硬さ８００〜９００の石英等の物質により２５μｍと大きく磨耗した。しかし、ビッカース硬さ１０００以上のものは磨耗量は３μｍ以下と少なく目標寿命を満足できた。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、印字ヘッドの先端部材をビッカース硬さ５００以上とし、インクリボンまたは用紙と直接接触する面にＣｒ層を形成させると同時に窒素または炭素を固溶またはそれらの化合物からなる硬化層を形成させることにより、填料を５％以上含む用紙に対しても印字品質を劣化させることなく、１５億ドットの打撃が可能である。本硬化層は、硬さ、インク耐蝕性、靭性に優れているので、様々な用紙、インク及び環境において優れた耐磨耗性が得られる。下地の印字ヘッド先端部材もビッカース硬さ５００以上であるので、硬化層が陥没してわれることもない。
【００４９】
また、本発明の場合、印字ヘッド先端部材に特殊な材料を用いる必要はない。特に、従来白金族系の材料を用いる場合、高価な上に難加工材である問題があった。しかしながら、本発明の場合、例えばピンと先端部材を一体化し、素材のビッカース硬さ３００のままで所定の形状に加工し、その後先端部を熱処理してビッカース硬さ５００以上とし、硬化層を形成すれば良いので、形状加工が安易になる効果が大きい．
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明を適用したドットラインプリンタの印字ヘッドの縦断面図。
【図２】  本発明を適用したドットラインプリンタ用印字ヘッドのピンの高周波焼入れによる硬さ分布を示したグラフ。
【図３】  本発明を適用したドットラインプリンタ用印字ヘッドの硬化層の下地となる先端部材硬さと磨耗量の関係を示したグラフ。
【図４】  本発明を適用したドットラインプリンタ用印字ヘッドの磨耗量と他の硬化層を用いた場合の磨耗量の対比を示すグラフ。
【図５】  本発明を適用したドットラインプリンタ用印字ヘッドの硬化層厚さと磨耗量の関係を示したグラフ。
【図６】  本発明を適用したドットラインプリンタ用印字ヘッドの硬化層硬さと磨耗量の関係を示したグラフ。
【符号の説明】
１はハンマ、２は板バネ、３はピン、４は永久磁石、５はリアヨーク、６はフロントヨーク、７はスペーサ、８は吸着部、９は釈放コイル、１０は先端部材、１１は硬化層、１２は印字ヘッド、１３は打撃面、１４はかしめ部。
【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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