FR2575415A1 - Tete thermique pour l'impression sur papier sensible a la chaleur et son procede de fabrication - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UNE TETE THERMIQUE AYANT COMME COUCHE RESISTANTE UN FILM MINCE EN TA-SI-O. LA COUCHE RESISTANTE 3 DE LA TETE THERMIQUE SELON L'INVENTION CONTIENT PLUS DE 45 ET AU PLUS 75 MOL D'OXYDE DE SILICIUM, EXPRIME EN SIO. APPLICATION: IMPRESSION AVEC UN BON RENDEMENT THERMIQUE SUR PAPIER SENSIBLE A LA CHALEUR.
Description
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257541s La présente invention concerne une tête thermique
comportant comme couche résistante un film mince de Ta-Si-O.
On utilise une tête thermique ayant une couche résis-
tante sous forme d'un film mince dans une unité de sortie=de conver-
sion électrothermique utilisée dans l'impression sur un papier sensible à la chaleur. La tête thermique classique est fabriquée de la manière suivante. On prépare un substrat à résistance éLevée, par
exemple en alumine, dont une face est recouverte d'une mince couche-
de verre. On forme sur la couche mince de verre une couche résistante et des couches de liaison conductrice pour alimenter la couche résistante, selon une technique classique connue de fabrication d'un film mince. On forme, si nécessaire, un film protecteur sur la couche résistante et les couches de liaison conductrice. Ensuite, on dispose des éléments directionnels, tels que des transistors ou des diodes, pour assurer la liaison entre les conducteurs communs et les conducteurs individuels. Une plaque de refroidissement peut être formée pour donner un effet de dissipation de chaleur. Des matériaux typiques avec lesquels on peut fabriquer La couche résistante dans
une tête thermique sont Ta-N, NiCr ou Ta-SiO2.
Dans une tête thermique ayant une couche résistante faite de l'un des matériaux ci-dessus, une impulsion de courant est fournie par une source extérieure de courant à la couche résistante et la chaleur produite par la couche résistante est envoyée à un papier sensible à la chaleur qui passe du blanc au noir et produit ainsi l'impression. La figure 4 des dessins annexés est une vue en coupe d'une tête thermique classique, illustrant la direction dans
laquelle circule la chaleur produite par la couche résistante. Lors-
que le courant s'écoule à travers la couche résistante 3 par appli-
cation d'une impulsion de tension, la résistance 3 est chauffée par effet Joule. La chaleur produite par la résistance 3 est divisée en un flux de chaleur qp dirigé vers le papier sensible à la
chaleur (non représenté) à travers une couche protectrice arnti-
usure 6, un flux de chaleur qB dirigé vers la couche vitrifiée 2 et le substrat d'alumine I et un flux de chaleur q3 dirigé vers les couches de liaison conductrice 5. En général, le rendement thermique des points de chauffage dans la tête thermique est d'autant meilleur que le flux qp est plus grand et les flux qS et qB sont
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plus petits. Dans une tête thermique classique, le flux qp peut être réduit de manière indésirable jusqu'à environ 20%. Cette valeur de rendement thermique ne peut pas produire une impression
de qualité.
Le brevet des EUA n 4 105 892,au nom de Tashiro et autres,décrit un film amorphe mince de Ta-Si-0, contenant 7 à 53 mot %
de SiO2. Tashiro et autres décrivent la reproductibilité et-l'uni-
formité de l'élément de résistance, mais ne décrivent pas d'amélio-
rations du rendement thermique des points de chauffage.
La description du brevet japonais n 57-61581 décrit
une cible utilisée dans la formation d'une couche résistante en film mince. La cible est un corps fritté obtenu par frittage de tantale et d'un dioxyde de silicium. La teneur en tantale est de 63 à
mol %. Takeno et autres-décrivent la reproductibilité et l'uni-
formité de l'élément résistant, mais ne décrivent pas le rendement
thermique des points de chauffage.
Un objet principal de la présente invention est de proposer, en vue de la qualité de l'impression, une tête thermique
possédant un bon rendement thermique.
Un autre objet de l'invention est de proposer une
tête thermique dont la couche résistante fonctionne comme une résis-
tance à effet Joule élevé avec un faible courant.
Un autre objet de la présente invention est de proposer un système compact simple, comprenant une tête thermique et un appareil tel qu'un moteur à impulsions et une source de lumière associé à La tête thermique, la tête thermique et l'appareil associé
utilisant une source d'énergie commune.
Un autre objet encore de l'invention est de proposer une tête thermique dont la couche résistante a une résistance
beaucoup plus élevée que celle de la couche de liaison conductrice.
Comme ta majeure partie de l'énergie électrique fournie à la tête est utilisée par la couche résistante, la chute de tension prcv-cquée par la couche de liaison conductrice est beaucoup plus faible que celle provoquée par la couche résistante. Donc, pour autant que l'unité comprenant la couche résistante et la couche de liaison conductrice est commandée par une tension constante, les variations
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de la tension appliquée à la couche résistante sont négligeables et
l'on peut réaliser un enregistrement de haute qualité.
En vue d'atteindre les objets ci-dessus de la présente invention, la couche résistante a une composition Ta-Si-O et une teneur en oxyde de silicium,exprimée en SiO2, qui, sous forme
d'une cible frittée, est de plus de 45 mol % et pas plus de 75 mol %.
Une cible ayant cette composition est produite par pulvérisation
cathodique sous vide avec une pression partielle d'argon de 1,346-
,738 Pa.
La couche résistante dans la tête thermique est faite d'un film mince de composition ci-dessus, de sorte que la conduction thermique de la couche résistante vers le papier sensible à la chaleur puisse être produite efficacement pour atteindre les
objets décrits ci-dessus.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la
description qui va suivre en référence aux dessins annexés, dans
lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe schématique illustrant la partie principale d'une tête thermique selon un mode de mise en oeuvre de l'invention;
- la figure 2 est un graphique illustrant les résul-
tats d'essais qui expliquent la relation entre l'énergie nécessaire et la densité optique dans diverses couches résistantes énumérées dans le tableau 2; - la figure 3 est un graphique représentant les résultats d'essais qui expliquent l'énergie nécessaire pour obtenir une densité optique de 1,0 en fonction de la teneur en oxyde de silicium, exprimée en mol % de SiO2, de la couche résistante; et - la figure 4 est une vue en coupe illustrant la direction d'écoulement de la chaleur lorsque la couche résistante
commence à émettre de la chaleur.
On décrit ci-après une tête thermique selon un mode de mise en oeuvre de la présente invention en référence aux dessins annexés. La figure 1 est une vue en coupe d'une tête thermique selon un mode de mise en oeuvre de la présente invention. Dans la tête thermique, la couche vitrifiée 2, d'une épaisseur de 60 pm, est formée sur un substrat d'alumine 1 et La couche résistante 3, d'une épaisseur de 300 nm, est formée sur la couche 2. La couche résistante 3 est faite d'un film mince d'un mélange de tantale (Ta), de silicium (Si), d'oxygène (0) et de produits intermédiaires de ceux-ci. La teneur en oxyde de siLicium,exprimée en SiO2, est de plus de 45 mol % et au plus 75 mol %, la teneur en silicium et composés de silicium, tels que Ta-Si, monoxyde de silicium, dioxyde de silicium, etc., étant calculée sur la base de SiO2. Une couche de métal d'adhérence, tel que chrome ou titane, est formée sur la couche résistante 3, sauf
dans la zone de l'élément chauffant 4. Les couches de liaison conduc-
trice 5, par exemple des couches d'or ayant une épaisseur de 2 à 3 pim, sont formées sur la couche de métal d'adhérence. Une couche protectrice 6 en Ta205, de quelques im d'épaisseur, est formée sur les faces
supérieures de l'élément chauffant 4 et des couches de liaison conduc-
trice 5.
La couche résistante 3 est formée de la manière suivante. On mélange Ta et SiO et on fritte le mélange pour préparer une cible frittée. La teneur en SiO2 de la cible est supérieure à 45 mol % et au plus égale à 75 mol %. La cible frittée est pulvérisée sous vide par pulvérisation cathodique de radiofréquence pour former la couche résistante 3 sur la couche vitrifiée 2 du support 1. La pression partielle de l'argon dans le vide est de 1,346 à 10,768 Pa, et de préférence de 3,365 à 6,73 Pa. Lorsque la pression partielle d'argon est réglée dans la gamme ci-dessus, la composition de la cible frittée est semblable à celle de la couche résistante. De plus, même si les quantités des composants respectifs de la cible frittée sont différentes de celles de la couche résistante, leurs proportions restent constantes. De cette manière, la composition de la couche résistante peut facilement être réglée. En particulier, lorsque la pression partielle d'argon est de 4,038 Pa, la composition de la cible frittée est la même que celle de la couche résistante. Le
tableau I ci-après indique les conditions de la pulvérisation catho-
dique de radiofréquence.
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Tableau 1
Pression (du vide) 2,692.104 Pa Pression partielle d'argon 4,038 Pa Onde transmise 1 kW Pression HF Puissance réfléchie 20 W ou moins Intervalle entre électrodes 100 mm (type en ligne) En utilisant des cibles frittées de compositions différentes, on forme des couches résistantes dans les conditions de pulvérisation cathodique en radiofréquence dans les conditions
indiquées dans le tableau 1 pour préparer différentes têtes thermiques.
Les caractéristiques de ces têtes thermiques sont rassemblées dans le tableau 2 suivant. Les dimensions, les conditions d'impulsions, la sensibilité de coloration du papier sensible à-la chaleur et la vitesse d'alimentation du papier sont indiquées dans le
tableau 3.
Tableau 2
Résistance Résistance Résistivité Analyse de la N (kQ) pelliculaire (Q. cm) résistance kg/Ci chauffante Ta/SiO2(mol % de SiO2) -3 Exemple 1 9 6,6 198 x 103 62 Exemple 2 5 3,7 111 x 10-3 60 Exemple 3 1,1 0,80 24 x 103 50 -3 Exemple 0,3 0,22 6,6 x 10- 45 comparatif 4 Exemple 0,13 0,10 3,0 x 10 340 comparatif 5
Tableau 3
Epaisseur du film résistant 300 nm Dimensions de la résistance 75 p de large, 55 p de long (direction longitudinale) Impulsions 0,5 ms de marche par période de 2 ms Papier sensible à la chaleur TP50K -4HX (nom de marque de
la Société Jujoseishi K.K.
Vitesse d'alimentation du papier 27,5 mm/s Comme il ressort du tableau 2, la résistance des couches résistantes dépend de leurs résistivités respectives. La résistance des couches résistantes augmente lorsque la teneur en SiO2 augmente. Lorsque la teneur en SiO2 est de 45 mol % ou plus, la résistance de la couche de liaison conductrice est sans influence
sur les têtes thermiques. Ainsi donc, lorsque l'on effectue l'enre-
gistrement sur un papier sensible à la chaleur en utilisant des têtes thermiques contenant les couches résistantes de la présente
invention, on peut éviter des variations de densité dans l'informa-
tion enregistrée.
On a fait fonctionner effectivement des têtes ther-
miques ayant les différentes compositions indiquées dans le tableau 2 pour contr6ler les densités optiques et les résultats sont rassemblés dans la figure 2. Les courbes A1 à A5 de la figure 2 correspondent aux exemples 1 à 3 et aux exemples comparatifs 4 et 5 du tableau 2,
respectivement.
La figure 2 démontre que l'on peut obtenir une information enregistrée de densité optique élevée avec une faible
puissance lorsque la tête thermique a une couche résistante de résis-
tance élevée. La figure 2 et le tableau 2 montrent que l'on peut obtenir une densité optique plus élevée, c'est-à-dire un bon rendement thermique, avec une faible énergie lorsque la couche résistante est faite d'une matière de résistivité élevée. Lorsque la teneur en SiO2 (en mol %) dans la couche résistante est augmentée, la résistivité augmente et la conductivité thermique diminue. On donne ci-après
une description plus détaillée en référence à la figure 4. Lorsque
la résistivité de la couche résistante Ta-Si-O augmente, tandis que les matières et les dimensions du support d'alumine, des couches de liaison conductrice et de la couche protectrice restent les mêmes, la résistance thermique augmente. Lorsque la résistance thermique augmente, le flux thermique qS en direction des couches de liaison conductrice diminue, et donc le flux thermique qp augmente, par rapport au flux thermique qp. La figure 3 montre la relation entre la teneur en SiO (en mol %) dans la couche résistante et l'énergie (V2/R) par point appliquée à la couche résistante à une densité optique de 1,0 dans chaque courbe caractéristique de la figure 2. On notera que les valeurs caractéristiques pendant un essai selon l'invention ont été ajoutées à celles de la figure 2. Les conditions d'essais sont
conformes à celles du tableau 3.
L'énergie nécessaire à la couche résitante pour imprimer des données avec une certaine densité n'est pas inversement
proportionnelle à la résistivité du matériau de l'élément. La résis-
tivité du matériau est proportionnelle à sa résistance thermique.
La figure 3 montre que l'énergie nécessaire peut être réduite à un minimum lorsque la teneur en SiO2 dans le film mince Ta-Si-O est de plus de 45 mol % et au plus 75 mol %. Les couches résistantes faites de compositions Ta-Si-O dont les teneurs en SiO2 sont de 45 mol % ou moins exigent pratiquement la même énergie élevée. Par exemple, dans un film Ta- SiO2 contenant 20 mol % de SiO2 (résistivité de 2 à 4 mQ.cm), une énergie de 0,33(V /R)par point est nécessaire pour obtenir une densité optique de 1,0. Un film de Ta-SiO2 contenant 0 mol % de SiO2 (résistivité de 0,2 à 0, 4 mQ.cm) exige une énergie
de 0,34 (V2/R) par point pour obtenir une densité optique de 1,0.
Il n'y a pas de grande différence entre les énergies exigées par ces films. Lorsque la teneur en SiO2 est de 45 mol % ou moins et la
résistivité du film est diminuée, une énergie plus élevée est néces-
saire et, par conséquent, une source d'énergie plus grande. Il en résulte que l'épaisseur de la couche de liaison conductrice doit être augmentée pour résister au courant émis par la source d'énergie élevée et, de manière semblable, l'intensité des impulsions de courant de commande doit également être augmentée. Invariablement, la tête thermique résultante, caractérisée par une résistivité réduite, est
de grande taille et coûteuse.
Par contre, lorsque la teneur en SiO2 dans la couche résistante Ta-Si-O est de plus de 75 mol % pour augmenter la résisti- vité, la quantité d'énergie nécessaire ne diminue pas. Ceci est dû à ce que le flux thermique qS diminue à peine et le flux thermique qp augmente à peine, puisque le flux thermique qui dépend de la forme de la couche résistante de la figure 4 est limitatif. On notera que,
dans des couches résistantes en Ta-Si-O, la résistivité est propor-
tionnelle à la résistance thermique lorsque la composition des couches
résistantes reste inchangée.
Comme il ressort de la description ci-dessus, lorsque
la teneur en SiO2 dans la couche résistante est de plus de 45 mol % et au plus de 75 mol %, la résistivité de La couche résistante en Ta-Si-O augmente et sa résistance thermique augmente également. Il en résulte que le flux thermique qS à la figure 4 diminue et le flux thermique qp augmente relativement, de sorte que la proportion du flux thermique dirigé vers le papier sensible à la chaleur augmente,
ce qui facilite une bonne impression avec un bon rendement thermique.
En vue de réduire au minimum les couches de liaison conductrice, le courant d'impulsions de commande, etc. et réduire par conséquent la dimension globale de la tête thermique, l'énergie appliquée à chaque couche résistante dans la tête thermique doit de préférence être de 0,1 (V2/R) par point ou moins. Pour satisfaire cette caractéristique, il est nécessaire que la teneur en SiO2 soit
de préférence de plus de 53 mol % et au plus de 75 mol %.
IL est entendu que l'invention n'est pas limitée aux modes de mise en oeuvre préférés de l'invention décrits ci-dessus à titre d'illustration et que l'homme de l'art peut y apporter diverses
modifications sans toutefois s'écarter du cadre de l'invention.
R E V E N D I CATIONS
1. Tête thermique ayant comme couche résistante un film mince en Ta-Si-O, pour l'impression sur un papier sensible à la chaleur, caractérisée en ce que ladite couche résistante contient plus de 45 mol % et au pLus 75 mol % d'oxyde de silicium, exprimé
en SiO2.
2. Tête thermique selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite couche résistante contient plus de 53 mol % et au
plus 75 mol % d'un oxyde de silicium, exprimée en SiO2.
3. Procédé de fabrication d'une tête thermique utilisant comme couche résistante un film mince de Ta-Si-O, ladite tête thermique étant utilisée pour l'impression sur un papier sensible à la chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: mélange de tantale et de SiO2 et frittage du méLange pour préparer une cible frittée dont la teneur en oxyde de silicium, exprimée en SiO2, soit de plus de 45 mol % et au plus 75 mol %; et pulvérisation cathodique de ladite cible frittée sous vide à une pression partielle d'argon de 1,346-10,768 Pa pour
préparer une couche résistante d'un film mince de Ta-Si-O.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite cible frittée contient plus de 53 mol % et au plus 75 mol %
de l'oxyde de silicium, exprimée en SiO2.
5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce
que la pression partielle d'argon est de 3,365-6,730 Pa.-
6. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite cible frittée contient plus de 53 mol % et au plus 75 mol % de l'oxyde de silicium et la pression partielle d'argon dans le vide
est de 3,365-6,730 Pa.
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