CN102080213A - 一种多运动方式的真空镀膜机行星式工件架 - Google Patents

Abstract

一种多运动方式的真空镀膜机行星式工件架，包括绝缘支撑座、行星式结构的架体、驱动机构、大齿圈及行星架杆上的小齿轮，其特征在于：在架体下部中央留有大口径的抽气口和抽气通道；上、中、下三层托板之间采用倾斜滑道内的滚珠支撑；上下托板间有逆止机构；三层托板及大齿圈之间、小齿轮与行星架杆之间采用销钉连接，通过销钉的插拔实现多种连接组合；通过单一驱动轮的正反转，即可实现工件架整体做单一公转、各个行星架杆做行星式公转+自转、某一架杆在指定靶位前做单一自转并做靶位转换等运动方式，本发明为真空镀膜技术提供一种结构简单、方便快捷的关键部件结构，适合于实验室和多品种、小批量镀膜生产的变化需求。

Description

一种多运动方式的真空镀膜机行星式工件架

技术领域

本发明涉及真空镀膜技术领域，特别涉及一种用于立式多靶真空溅射（或离子）镀膜机中的具有多种运动方式的行星式工件架。

背景技术

在现代科学技术与工业生产中，真空镀膜技术处于非常重要的地位。特别是真空溅射镀膜和真空离子镀膜，是应用极其广泛的物理气相沉积镀膜方法。

在实验室中开展研究工作使用的小型真空镀膜机以及用于小批量多品种镀膜生产的中小型镀膜机，根据不同研究和生产的需求，常常面临随时改变被镀工件品种、数量和镀膜工艺的问题，因此现有类型的真空镀膜机通常设有多个不同靶材、不同规格形状乃至不同工作原理（如直流溅射、射频溅射或电弧离子镀）的镀膜源（溅射靶和电弧源）。同时也要求有与之对应、配套使用的镀膜机工件架为之提供不同形状、数量工件的装卡以及实现工件与镀膜源之间必要的相对运动方式。这些随时变化、各不相同的装卡和运动要求，为镀膜机工件架的设计、制造和使用提出了技术难题。

常用的前开门立式多靶真空镀膜机，通常是在（圆筒形或多边形）真空室的内壁及室门上分布设置多个镀膜源（溅射靶与电弧源），中间摆放立式行星运动工件架，镀膜生产时，开动一个或数个镀膜源，对中间工件架上装卡的工件进行镀膜作业。针对不同形状和数量的被镀工件、以及不同镀膜工艺方法的实际需求，对被镀工件在工件架上的装卡方式以及工件架的运动方式也有不同要求。常见的运动方式有：对于被镀工件各个表面都要求镀膜且一次镀制批量较大的产品，通常采用所有行星架杆上均装满工件，每组架杆均做行星式公转+自转运动，同时启动室体上尽可能多的镀膜靶，对所有工件镀膜；对于工件架上一次只能装载一个的大尺度工件，或被镀工件只要求镀制一侧外表面的情况，则通常采用工件架整体做单一公转运动，各个行星架杆不做自转，无相对运动，同时启动室体上一个或多个镀膜靶对其镀膜；对于一些探索性研究实验，往往是每次仅仅镀制很少几件甚至只有一件工件，通常将其装卡在工件架的一个架杆之上并定位于某一个镀膜靶之前，使该组架杆单独做定位的单一自转，同时启动所定位的镀膜靶对其镀膜；如果要求对此工件连续镀制几层不同材料的薄膜，还要求在镀制完一种薄膜之后，该组架杆连同被镀工件能够转换位置至另一个镀膜靶前，继续做定位的单一自转。

对于上述的多种运动要求，普通镀膜机一般只能采用更换工件架的方法来实现，即针对不同运动要求，轮换安装专门设计、分别制造、功能各异的不同结构的工件架。这不仅增加了设备制造成本，也给实验人员的操作带来不便。更为先进一些的镀膜机可以采用多功能工件架来实现上述运动要求，但这种多功能工件架通常结构十分复杂，而且至少需要二个独立的驱动系统才可能完成上述运动要求。而采用二套驱动系统，不仅设备制造成本成倍增加，也给镀膜真空室的外围设备布置和密封性能保障带来极大困难。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种多运动方式的真空镀膜机行星式工件架，该工件架只用一个驱动轴的正反转驱动，即可分别完成工件架整体做单一公转运动、工件架各组行星架杆做行星式公转+自转运动、工件架单个行星架杆做定位单一自转运动并做位置转换运动，而且其结构简单、操作便捷，通过简单的手工操作定位连接销钉的插、拔，即可实现不同运动方式之间的转换。

本发明所提供的行星式工件架，包括绝缘支撑座、行星式结构的架体和驱动机构，行星式结构的架体包括上、中、下三层托板，上、下托板间设有逆止机构，上托板上均匀分布数量与镀膜靶相同或为其整数倍的多组行星架杆，各组行星架杆上通过轴承和穿钉连接有小齿轮，大齿圈与各个小齿轮同时啮合；采用手工插拔销钉，实现各层托板及大齿圈间的不同组合连接；上、中、下三层托板之间采用倾斜滑道内的滚珠隔离支撑；下托板通过绝缘支撑座固定于底板之上，连接有偏压电极；中托板外圆周为齿轮，与驱动机构的驱动轮相啮合；上托板上固定各组行星架杆；各托板及大齿圈的中心部位设置有大孔，对应底板的抽气口作为抽气通道。

 在工件架上托板的上表面，沿圆周均匀分布了数组行星架杆（其数目优先取为与镀膜真空室内壁上镀膜源数目相等或为其二倍），每一组行星架杆包括采用螺钉固定在上托板之上的轴承座，其内通过推力轴承和角接触轴承定位了下转轴的下部，作为每一组行星架杆的支撑基础。在下转轴的中部，利用一个向心球轴承安放了小齿轮，小齿轮与下转轴之间通过穿钉连接，可以实现同步转动或脱离运动。在下转轴的上部，套装了一个带有套管的大工件托盘，该大工件托盘可以套管向上或向下套装在下转轴的上部，并利用穿钉与下转轴连接，实现同步转动。在每个大工件托盘套管的上半段，可以插入一只架杆，架杆位于下转轴正上方，并利用穿钉与大工件托盘套管连接，从而实现与下转轴的同步转动。在每只架杆之上，可以根据需要套装中套管和上套管，中间夹放小工件托盘，与大工件托盘一同用于摆放待镀工件。所有架杆的最上端，均通过销钉与上转轴相连，并统一固定于架体上板之上，连接成一体构成刚性良好的工件架上部主体。

在工件架内侧，与小齿轮相同高度处，设置了与所有小齿轮同时啮合的大齿圈。大齿圈内侧设有多个螺钉孔和销钉孔，其圆周位置分别与下托板和中托板的内圈位置相配合。当旋紧连接下托板螺钉并将大齿轮连接销钉插入与下托板内圈对应的销钉孔中时，大齿圈与下托板相连接并保持位置固定不动。当旋紧连接中托板螺钉并将大齿圈连接销钉插入与中托板内圈对应的销钉孔中时，大齿圈与中托板相连接并同步转动。上托板与中托板之间也在对应位置开设有连接销钉孔，可以通过插入上中托板连接销钉，使二者连成一体，并做同步转动。本发明通过三层托板与大齿圈相互之间的不同连接组合方式，来实现工件架的不同运动形式，并通过手动作的角度位置指示标记，确定相互对应的位置关系。

在上托板与下托板之间，设置有逆止机构。逆止机构包括两个固定在下托板两侧的逆止架，每个架内用销轴连接一个拨动块，拨动块为偏心形状，在重力作用下，总是自然保持棘齿朝上的状态。在上托板下表面与拨动块位置半径相等的圆周上，用沉头螺钉安装有与架杆数目相同的逆止挡块，每个逆止挡块的安装位置恰好可以保证对应的行星架杆处于某一镀膜靶（溅射靶或电弧靶）之前。当上托板做正向转动时，其下面的各个逆止挡块可以顺利滑过拨动块；而当上托板做反向转动时，拨动块的棘齿会将旋转来的第一个逆止挡块卡住，从而使上托板停止反向转动。在逆止架的前销孔中插入挡销，可以使拨动块保持水平位置，从而消除其逆止作用，使上托板在正反向均能自由转动。

本发明所提供的工件架，可以根据需要按照如下方法实现不同方式的运动：

1、工件架做整体的单一公转运动。当需要镀制大型工件时，单一的大工件托板无法摆放被镀工件，可以采用这种运动形式。这种情况时，取下连结大工件托盘与架杆的穿钉，将整个工件架上部主体从各架杆向上部分脱下；将每个大工件托盘的套管端向下套装在下转轴的上端，并用穿钉连接固定，各个大工件托盘的上表面共同组成一个载物平台，可以将大型被镀工件摆放其上；将小齿轮用穿钉与下转轴连接固定；将大齿圈上的连接下托板螺钉旋松，而将连接中托板螺钉旋紧，同时将大齿圈连接销钉插入大齿圈上与中托板内圈相对应的销钉孔中，使大齿圈与中托板连接在一起保持同步旋转；将上中托板连接销钉插入上托板和中托板对应的螺钉孔中，使上托板和中托板连接在一起同步旋转；在逆止架的前销孔中插入挡销，取消拨动块的逆止作用；启动工件架驱动系统带动中托板做正向旋转，则各个大工件托盘随同上托板一起做整体公转运动，而各个大工件托盘相互之间保持位置不变。

2、各组行星架杆做常规的行星式公转+自转运动。当需要镀制大批量工件时，可以采用这种运动形式。将大齿圈上的连接下托板螺钉旋紧，而将连接中托板螺钉旋松，同时将大齿圈连接销钉插入大齿圈上与下托板内圈相对应的销钉孔中，使大齿圈与下托板固定连接；再将上中托板连接销钉插入上托板和中托板对应的螺钉孔中，使上托板和中托板连接在一起同步旋转；利用穿钉将每个小齿轮与对应的下转轴连接固定同步旋转；在逆止架的前销孔中插入挡销，取消拨动块的逆止作用；启动工件架驱动系统带动中托板做正向或反向旋转，则整个工件架上部主体随同上托板一起做公转运动；同时，与固定不动的大齿圈相啮合的各个小齿轮，在做公转运动时被迫做自转啮合运动，从而带动各组行星架杆做自转运动，形成公转+自转的行星式复合运动。

3、单一行星架杆做定位自转及位置转换运动。在开展研究型镀膜实验时，常常遇到一次只需镀制较少几件甚至只有一件工件的情况，这时通常希望将该工件放置在某一指定的镀膜靶（溅射靶或电弧靶）之前并做单一的自转运动，而不让工件因公转运动而移动离开这个靶，这即是单一架杆在指定位置做定位自转运动。实现这一运动的方法是：将大齿圈上的连接下托板螺钉旋松，而将连接中托板螺钉旋紧，同时将大齿圈连接销钉插入大齿圈上与中托板内圈相对应的销钉孔中，使大齿圈与中托板连接在一起保持同步旋转；将上中托板连接销钉从螺钉孔中拔出，使上托板和中托板可以独立旋转；除了被要求做自转运动的那一组（或几组）行星架杆之外，将其余行星架杆下的小齿轮和下转轴之间的连接穿钉全部拔下，使小齿轮空转而不带动其上的架杆转动；将逆止架中的挡销拔出，启动拨动块的逆止作用；启动工件架驱动系统带动中托板首先做正向旋转，靠摩擦作用可以推动上托板做正向旋转运动；当摆放有被镀工件被要求自转的那组行星架杆随同上托板一起转到将要启动工作的镀膜靶之前时，立即停止工件架驱动机构；然后让工件架驱动机构反转，从而推动中托板做反向转动，并带动大齿圈同步转动；与大齿圈啮合的所有小齿轮随之一起转动，但只有保留连接穿钉的那一组（或几组）行星架杆被带动做自转运动， 其余各组小齿轮空转；由于逆止机构的作用，上托板不能做反向转动，因此没有公转运动。

本发明所提供的行星式工件架，具有如下特点：1、结构合理，支撑布置在工件架的环形圆周上，在底板正中间留有足够大的位置用于布置真空室抽气口，工件架中的三层托板和大齿圈在对应抽气口的上方也预留有大抽气通道，有利于真空室的抽气，并且能够在真空室内形成对称的气体流场分布，避免了一般工件架对真空室抽气的影响；2、运动方式全面，该工件架能够实现同时公转加自转、单纯公转无自转、定位单纯自转（或不自转）以及与之配套的位置转换等一系列运动形式，完全满足各种镀膜研究与生产的工艺要求；3、结构简单，工件架的驱动只采用一套驱动系统和一个驱动轮，即可实现工件架复杂的运动，减少了底板上的空间占用和真空室漏气的危险性，同时大大降低了驱动系统的制造和运行成本；4、操作方便，只需要手工操作简单的定位连接销钉的插、拔动作，就能够快捷地实现工件架不同运动方式间的装换。本发明为真空镀膜机提供了一种运动功能全面、结构简单合理、操作方便快捷的关键结构部件。

附图说明

图1是（各组架杆行星式公转+自转运动）工件架主视图（B-B剖视图）；

图2是（各组架杆公转+自转行星式运动）工件架俯视图（A-A剖视图）；

图3是（工件架整体单一公转运动）工件架主视图；

图4是（某一组架杆在指定靶位前单一自转运动）工件架主视图； 

图5是（某一组架杆在指定靶位前单一自转运动）工件架俯视图（C-C剖视图）； 

图6是工件架逆止机构（启动状态）局部剖视图（D-D剖视图）； 

图7是工件架逆止机构（取消状态）局部剖视图（D-D剖视图）；

图中：1屏蔽罩，2工件架驱动系统，3绝缘支撑座，4下托板，5 螺母，6 绝缘驱动轴，7驱动齿轮，8 上托板，9 轴承座，10 小齿轮，11 大齿圈， 12穿钉， 13 下套管， 14 架杆， 15 小工件托盘， 16 上套管， 17 上转轴， 18 滑动轴承套， 19 滑动轴承压板， 20 圆螺母，21 圆螺母止动垫圈， 22 螺钉， 23 挡片， 24 架体上板， 25 销钉，26 中套管， 27 连接下托板螺钉， 28 大齿圈连接销钉，29 大工件托盘， 30 下转轴， 31 向心球轴承，32 角接触轴承， 33 推力轴承， 34 螺栓， 35 上滚珠保持架， 36 中托板，37 下滚珠保持架， 38 滚珠， 39 逆止架， 40 上中托板连接销钉， 41  连接中托板螺钉， 42 真空室底板， 43 真空室抽气口， 44 偏压电极， 45 真空室体， 46 镀膜靶（溅射靶或电弧靶）， 47 真空室门， 48 逆止挡块， 49 沉头螺钉， 50 拨动块， 51 销轴， 52 前销钉孔， 53 挡销。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明一种多运动方式的真空镀膜机行星式工件架，具体结构如下：在镀膜真空室底板42上，通过数个绝缘支承座3，将工件架的下托板4托起固定；在下托板4之上，由下滚珠保持架37约束的滚珠38托起中托板36，再由上滚珠保持架35约束的滚珠托起上托板8，三层托板之间的滚珠滑道为倾斜面；绝缘支承座3布置在真空室底板42环形圆周上，从而将真空室抽气口43布置在真空室底板42正中央；如图1所示，上托板8、中托板36和下托板4为环形结构，在中央留出抽气通道，对应底板42的抽气口作为抽气通道；下托板4上有偏压电极44，用于连接偏压电源；中托板36的外圆周表面加工成齿轮，与工件架驱动系统2的驱动齿轮7相啮合，工件架驱动系统2通过绝缘驱动轴6带动驱动齿轮7，从而推动中托板36做正、反向旋转；在上托板8的上表面，沿圆周用螺栓34均匀固定了数组轴承座9，见图2，其数目与镀膜靶46数目相等或为其二倍，轴承座9内设置推力轴承33和角接触轴承32，用以定位下转轴30；在下转轴30的中部，利用向心球轴承31安放了小齿轮10，小齿轮10与下转轴30之间通过穿钉12连接；在下转轴30的上部，套装了一个带有套管的大工件托盘29；大工件托盘29可以套管向上或向下套装在下转轴30的上部，二者利用穿钉12连接；在每个大工件托盘29套管的上半段，可以插入一只架杆14，架杆14位于下转轴30正上方，并利用穿钉12与大工件托盘29的套管连接，从而实现与下转轴30的同步转动；在每只架杆14之上，可以根据需要套装几个中套管26和上套管16，中间夹放几个小工件托盘15；所有架杆14的最上端，均通过销钉25与上转轴17相连，并统一固定于架体上板24之上，共同构成工件架上部主体；与所有小齿轮10同时啮合的大齿圈11位于与小齿轮10的相同高度处，其上设有多个螺钉孔和销钉孔，分别与下托板4和中托板36的内圈位置相配合，内部装有连接下托板螺钉27、连接中托板螺钉41和大齿圈连接销钉28；上托板8与中托板36在对应位置开设有连接销钉孔，两者利用上中托板连接销钉40连接；如图6、图7所示，在下托板4两侧固定有逆止架39，其上用销轴51连接拨动块50，在逆止架39的前销孔52中可以插入挡销53；在上托板8的下表面，用沉头螺钉49安装了与架杆14数目相同的逆止挡块48。

本发明可以按照如下方法实现不同方式的运动：

1、工件架整体做单一公转运动。如图3所示，取下连结大工件托盘29与架杆14的穿钉12，将整个工件架上部主体从各架杆向上部分脱下；将各个大工件托盘29的套管端向下套装在下转轴30的上端，并用穿钉12连接固定，共同组成一个载物平台；将小齿轮10用穿钉12与下转轴30连接固定；旋松大齿圈11上的连接下托板螺钉27，旋紧连接中托板螺钉41，同时将大齿圈连接销钉28插入大齿圈11上与中托板36的内圈相对应的销钉孔中；将上中托板连接销钉40插入上托板8和中托板36对应的螺钉孔中；在逆止架39的前销孔52中插入挡销53，见图7；开启工件架驱动系统2带动中托板36旋转，则各个大工件托盘29随同上托板8一起做整体公转运动。

2、各组行星架杆做常规的行星式公转+自转运动。如图1、图2所示，旋紧大齿圈11上的连接下托板螺钉27，旋松连接中托板螺钉41，同时将大齿圈连接销钉28插入大齿圈11上与下托板4的内圈相对应的销钉孔中；再将上中托板连接销钉40插入上托板8和中托板36对应的螺钉孔中；用穿钉12连接每个小齿轮10与对应的下转轴30；在逆止架39的前销孔52中插入挡销53，见图7；开启工件架驱动系统2驱动中托板36旋转，则工件架上的各组行星架杆做公转+自转的行星式复合运动。

3、单一行星架杆做定位自转运动并做位置转换运动。如图4所示，旋松大齿圈11上的连接下托板螺钉27，旋紧连接中托板螺钉41，同时将大齿轮连接销钉28插入大齿圈11上与中托板36的内圈相对应的销钉孔中；拔出上中托板连接销钉40；除了摆放有被镀工件的一组或几组行星架杆之外，拔下其余行星架杆下的小齿轮10和下转轴30之间的连接穿钉12；拔出逆止架39上前销孔52中的挡销53，见图6；启动工件架驱动系统2，带动中托板36首先做正向旋转，同时使上托板8随之做正向旋转；当摆放有被镀工件的那组行星架杆随同上托板8一起转到将要启动工作的镀膜靶46之前时，立即停止工件架驱动系统2；然后让工件架驱动系统2反转，从而带动中托板36做反向转动，则只有摆放有被镀工件的一组或几组行星架杆做定位自转运动， 其余各组小齿轮空转；完成这一靶位的镀膜后，如需转换到其它靶位，则重复执行先正向旋转、后反向旋转的操作。 

Claims (7)

1.一种多运动方式的真空镀膜机行星式工件架，包括绝缘支撑座、行星式结构的架体和驱动机构，其特征在于工件架包括上、中、下三层托板，上、下托板间的逆止机构，数量与镀膜靶相同或为其整数倍的多组行星架杆，各组行星架杆上通过轴承和穿钉连接有小齿轮、与各个小齿轮同时啮合的大齿圈及销钉；采用手工插拔销钉，实现各层托板及大齿圈间的不同组合连接；通过控制唯一驱动轮的正反转，实现工件架整体做单一公转、各组行星架杆做行星式公转+自转、某一架杆在指定靶位前做单一自转并做靶位转换方式的运动。

2.根据权利要求1所述的一种多运动方式的真空镀膜机行星式工件架，其特征在于所述工件架包括上、中、下三层托板，三层托板之间采用倾斜滑道内的滚珠隔离支撑；下托板通过绝缘支撑座固定于底板之上，连接有偏压电极；中托板外圆周为齿轮，与驱动机构的驱动轮相啮合；上托板上固定各组行星架杆；各托板及大齿圈的中心部位设置有大孔，对应底板的抽气口作为抽气通道。

3.根据权利要求1所述的一种多运动方式的真空镀膜机行星式工件架，其特征在于在大齿圈上设有连接下托板螺钉、连接中托板螺钉和连接销钉；在上托板上设有上中托板连接销钉；各组行星架杆的小齿轮与下转轴之间通过穿钉相连接。

4.根据权利要求1所述的一种多运动方式的真空镀膜机行星式工件架，其特征在于在上托板与下托板之间设有逆止机构，包括下托板两侧的逆止架、销轴、拨动块和上托板下面数量与行星架杆相同的逆止挡块。

5.根据权利要求1所述的一种多运动方式的真空镀膜机行星式工件架，其特征在于工件架整体做单一公转运动是：旋松大齿圈上的连接下托板螺钉，利用连接中托板螺钉和大齿圈上连接销钉将大齿圈和中托板相连接，利用上中托板连接销钉连接上托板和中托板，开启驱动系统带动中托板做正向旋转。

6.根据权利要求1所述的一种多运动方式的真空镀膜机行星式工件架，其特征在于各组行星架杆做行星式公转+自转运动是：利用大齿圈上的连接下托板螺钉和连接销钉连接大齿圈和下托板，用销钉连接上托板和中托板，用穿钉连接小齿轮与对应的下转轴，在逆止架的前销孔中插入挡销，驱动系统带动中托板做正向旋转。

7.根据权利要求1所述的一种多运动方式的真空镀膜机行星式工件架，其特征在于某一架杆在指定靶位前做单一自转并做靶位转换运动是：利用大齿圈上的连接中托板螺钉和连接销钉连接大齿圈和中托板，拔出上中托板连接销钉；保留摆放有被镀工件的工作架杆上小齿轮与下转轴之间的穿钉，拔出其余各组架杆上的穿钉；拔出逆止架上前销孔中的挡销；开启驱动系统带动中托板做正向旋转，带动摆放有被镀工件的工作架杆转换至指定靶位前，完成靶位转换运动；驱动系统带动中托板做反向旋转时，工作架杆在指定靶位前做单一自转运动。

Images