(57)【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、前記ピン先端部と前記ピンブランク材に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。
【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、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、前記ピン先端部と前記ピンブランク材に熱処理を施すことを特徴とする。
【００１０】
また、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。
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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