CN115287618A - 一种锥面传输功率的旋转阴极端头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锥面传输功率的旋转阴极端头，包括用于连接靶材的驱动轴，驱动轴为导电材料制成，还包括电触头，电触头、驱动轴两者通过锥面电接触配合，且电触头不随驱动轴转动，外部电源依次通过电触头、驱动轴与靶材电连接。本发明的优点为传输的功率更大，结构更可靠。
Description
技术领域
本发明涉及真空镀膜设备领域，具体是一种锥面传输功率的旋转阴极端头。
背景技术
磁控溅射旋转的大面积真空镀膜设备，其工作特点是在工作的过程中靶材处于旋转的状态，因此靶材利用率高，靶面干净打弧数量少。由于靶材处于旋转状态，因此要真空镀膜设备具备电功率的动态传输、冷却水动密封和真空动密封等功能。
近些年来，该行业的发展对实现高功率长期稳定运行的需求越来越强烈，故在真空镀膜设备中一般采用旋转磁控溅射阴极来实现电功率的动态传输、冷却水的动密封和真空动密封的部件，因此，旋转磁控溅射阴极已经成为真空镀膜设备的核心组件。
现有的旋转磁控溅射阴极中，有的采用碳刷实现电功率的动态旋转传输，即通过碳刷与驱动靶材转动的驱动轴上的电环电接触，由此实现靶材通过碳刷与外部电源电连接，碳刷的特点是结构复杂，电接触面积小，无法传输更大的电流，并且磨损产生的碳粉会对端头的动密封和绝缘产生破坏。还有的采用平面铜刷实现电功率的动态旋转传输，但是平面铜刷导向性不好，容易磨偏。
发明内容
本发明的目的是提供一种锥面传输功率的旋转阴极端头，以解决现有技术旋转磁控溅射阴极中电功率动态传输部件存在的传输电流小、易磨偏的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种锥面传输功率的旋转阴极端头，用于使内部有磁棒25的靶材26转动并与外部电源电连接，包括用于连接靶材26以驱动靶材26转动的驱动轴20，所述驱动轴20为导电材料制成，还包括用于实现电连接的电触头2，所述电触头2、驱动轴20两者之中一者成型有锥孔部、另一者成型有锥面，电触头2、驱动轴20之间通过锥面与锥孔部保持电接触，且电触头2不随驱动轴20转动，外部电源依次通过电触头2、驱动轴20与靶材26电连接。
进一步的，所述电触头2的端部成型为锥面，所述驱动轴20内部中空并成型有锥孔部，所述电触头2设于驱动轴20内，且电触头2其锥面与驱动轴20的锥孔部的孔壁保持电接触。
进一步的，所述电触头2、驱动轴20均为导电金属材料制成，其中驱动轴20材料硬度大于电触头2材料硬度。
进一步的，还包括可导电的端头外壳17，所述驱动轴20转动安装于端头外壳17内，驱动轴20一端穿出端头外壳17并与所述靶材26一端固定连接，靶材26另一端安装有端封部，所述端封部与靶材26另一端相对转动配合，或者端封部随靶材26转动；
所述端头外壳17中还固定有可导电的中央支撑1，所述中央支撑1中心固定连接有连接轴1.1，所述连接轴1.1贯穿驱动轴20且连接轴1.1轴端与靶材26内部的磁棒25一端固定连接；所述电触头2非转动套装于连接轴1.1上，且电触头2与中央支撑1电连接，外部电源依次通过端头外壳17、中央支撑1、电触头2、驱动轴20与靶材26电连接。
进一步的，所述电触头2与中央支撑1之间通过若干导电带3电连接。
进一步的，所述电触头2的侧壁螺旋贯穿有限位钉5，所述限位钉5的钉头紧密压接于连接轴1.1外表面，由此通过限位钉5使电触头2无法在连接轴1.1上转动，继而使电触头2不随驱动轴20转动。
进一步的，所述中央支撑1、电触头2之间的连接轴1.1外套装有弹簧4，通过弹簧4提供力使电触头2的锥面与驱动轴20的锥孔部孔壁保持电接触。
进一步的，所述连接轴1.1为中空轴，所述中央支撑1侧面设有孔口与连接轴1.1内部连通；连接轴1.1外壁、驱动轴20内壁之间有环向间隙，且驱动轴20的轴壁中设有第一水道，第一水道一端连通至连接轴1.1、驱动轴20之间环向间隙，第一水道另一端连通至靶材26内部；所述端封部内设有第二水道，第二水道一端连通至靶材26内部，第二水道另一端连通至空心的磁棒25内部，磁棒25内部还与连接轴1.1内部连通；所述端头外壳17上安装有一对水接头10，其中一个水接头一端连通至连接轴1.1、驱动轴20之间环向间隙，另一个水接头连通至中央支撑1侧面孔口。
进一步的，所述端头外壳17内壁、驱动轴20之间有环形空隙，环形空隙内一端固定有真空旋转动密封21，环形空隙内另一端固定有冷却水动密封18，由冷却水动密封18、真空旋转动密封21对端头外壳17、驱动轴20之间环形空隙形成密封。
进一步的，所述驱动轴20上绕过有皮带12，皮带12从端头外壳17穿出并连接于外部皮带轮。
本发明中，驱动轴、电触头之间通过锥面接触配合，并且均为导电金属材料制备而成，利用弹簧的预紧力，使得电触头、驱动轴锥孔部的锥面紧密接触，电触头静止不动作为电功率的输入，驱动轴和靶材连接同步做旋转运动。由于锥面的电接触面积比平面大很多，能够传输更大的电流，因此可实现靶材的动态旋转大功率供电。并且锥度的导向性好，接触面不会磨偏。二者的摩擦面处于流动的冷却水中，产生的热量会被冷却水及时的带走。
其中电触头采用耐磨的金属制备，如铜等，磨损量比碳刷小，电触头的寿命长，驱动轴及其锥孔部采用硬度更高的金属制备。并且，本发明中冷却水通过驱动轴、电触头之间环向间隙能够流动至驱动轴、电触头之间结合旋转面处，由此磨损产生的材料也会被冷却水带走，无污染。
本发明中，电功率的动态传输、冷却水的动密封和真空动密封都集成在一个端头上（即端头外壳上），靶材的另外一端可固定一个端封部，该端封部随靶材一起转动，由此靶材形成悬臂转动结构；或者靶材的另一端相对转动安装于端封部，端封部固定不动，由此也可使靶材形成转动结构。无论哪种转动结构，只需在端头外壳处进行通入冷却水、密封、驱动和电连接即可，简化了整体结构。
与现有技术相比，本发明的优点为传输的功率更大，结构更可靠。
附图说明
图1是本发明实施例一结构示意图。
图2是本发明实施例的中央支撑、电触头装配结构图。
图3是本发明实施例二结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例一
本实施例锥面传输功率的旋转阴极端头，用于使中空的靶材26转动，以及在靶材26转动时使其与外部电源能够电连接。靶材26内部设置有磁棒25，该磁棒25内部中空。用于提供磁控溅射时所需磁力。
如图1所示，本实施例整体固定在工作台11的底部，具体包括可导电的端头外壳17。该端头外壳17为轴线为左右水平方向的筒状，并且端头外壳17的左、右端均为筒口。端头外壳17的顶部通过安装螺钉16固定有导电板15，导电板15上固定有绝缘板14，绝缘板14上固定有端头基座13，端头基座13通过连接螺钉固定于工作台11的底部。导电板15上电连接固定有接电块9，该接电块9依次上穿绝缘板14、端头基座13、工作台11后与外部电源电连接。端头外壳17上还固定有一对水接头10，两个水接头10的上端分别依次上穿导电板15、绝缘板14、端头基座13、工作台11后与外部水源连接。
端头外壳17的内部同轴安装有一对左、右分布的轴承19，具体的轴承19的外圈固定在端头外壳17内壁。端头外壳17中通过轴承19同轴转动安装有驱动轴20，该驱动轴20可导电。具体的驱动轴20的部分轴身固定在两个轴承19的内圈。驱动轴20与端头外壳17之间有环向空隙，环向空隙的左端固定有套在驱动轴20外的冷却水动密封18，环向空隙的右端固定有套在驱动轴20外的真空旋转动密封21，由冷却水动密封18、真空旋转动密封21对端头外壳17、驱动轴20之间环形空隙形成密封。驱动轴20位于两个轴承19之间的轴身上绕过由皮带12，皮带12依次上穿端头外壳17、导电板15、绝缘板14、端头基座13、工作台11后与外部电机驱动的皮带轮连接，由此外部电机可通过皮带12驱动该驱动轴20转动。
驱动轴20的右端从端头外壳17右侧筒口穿出后固定连接有靶材安装法兰22，第一靶材安装法兰22的外沿弹性转动安装有第一靶材锁紧夹23。靶材26轴向呈左右水平，并且靶材26的左、右端均为内部中空对应开口。驱动轴20右端连接的靶材安装法兰22封堵安装于靶材26左端开口中，并通过第一靶材锁紧夹23夹紧靶材26左端开口外沿形成固定。驱动轴20内部靠右位置成型有锥形孔部20.1，该锥形孔部20.1的左侧为锥形孔，驱动轴20右侧轴壁成型有第一水道，第一水道左端与锥形孔部20.1左侧的驱动轴20内部连通，靶材安装法兰22中设有左右贯通的通孔，第一水道右端与靶材安装法兰22的通孔左端孔口连通，靶材安装法兰22的通孔右端孔口连通至靶材26的左端开口，由此通过第一水道、靶材安装法兰22的通孔使驱动轴20内部与靶材26内部连通。
工作台11底部对应靶材26右端开口位置固定有支撑端28，靶材26的右端开口中封堵安装有封头30，该封头30转动安装于支撑端28，并且该封头30外沿弹性转动安装有第二靶材锁紧夹27，通过第二靶材锁紧夹27夹紧靶材26右端开口外沿形成固定，此时由支撑端28、封头30、第二靶材锁紧夹27形成靶材26右端的的端封部，并且此时端封部与驱动轴20右端配合共同支撑靶材26的转动。
封头30内部中空形成第二水道，第二水道一端与靶材26内连通，第二水道另一端设于封头30中心形成中心通孔。靶材26内部的磁棒25同样轴向沿左右水平，并且磁棒25的左、右端均为开口，磁棒25右端开口相对转动安装于封头30的中心通孔中，由此形成对磁棒25右端的支撑，并且磁棒25通过其右端开口与封头30内的第二水道相互连通，进而通过第二水道能够与靶材26内部连通。
端头外壳17的左侧筒口内同轴固定有可导电的中央支撑1，如图2所示，中央支撑1的右侧面中心同轴成型有连接轴1.1。该连接轴1.1内部中空，连接轴1.1的右端为开口，并且连接轴1.1的右端开口向右同轴贯穿驱动轴20及其锥孔部20.1内部后，再穿过靶材安装法兰22并插接于磁棒25左端开口中，由此不仅形成对磁棒25左端的支撑，并且磁棒25左端开口还与连接轴1.1内部连通。中央支撑1的侧面设有孔口1.2，该孔口1.2的一端与连接轴1.1内部连通、另一端与端头外壳17内部连通，由此通过中空的连接轴1.1、中央支撑1侧面的孔口1.2，可使磁棒25内与孔口1.2对应位置的端头外壳17内部连通。
连接轴1.1上同轴环套有电触头2，电触头2的右端设为锥面，中央支撑1、电触头2之间设有多个导电带3，每个导电带3一端通过紧固螺钉8固定于中央支撑1上、另一端通过紧固螺钉固定于电触头2，并且每个导电带3均具备一定的弹性延伸量。电触头2、中央支撑1之间的连接轴1.1外环套有弹簧4，弹簧4一端接触或固定于中央支撑1，弹簧4另一端接触或固定于电触头3左端。电触头2右端的锥面于驱动轴20内锥孔部20.1的锥形内孔壁形状匹配，并且电触头2右端的锥面与锥孔部20.1的锥形内孔壁保持电接触。通过弹簧4的弹力使电触头2的锥面压紧于锥形部20.1的锥形孔内壁，以使它们始终保持紧密电接触。
电触头2的侧壁设有贯穿的销孔7，销孔7内壁有螺纹，销孔7中螺旋销入有限位钉5，并且限位钉5的钉帽与销孔7之间设有平垫6。限位钉5的钉头压紧接触连接轴1.1外壁对应位置，由此通过限位钉5可使电触头2无法在连接轴1.1上转动，进而避免电触头2与驱动轴20锥孔部20.1相接触时在摩擦力作用下随之转动。
在锥孔部20.1左侧方向上，连接轴1.1外壁与驱动轴20内壁之间具有环向间隙。驱动轴20中第一水道左端具体与锥形孔部20.1左侧的连接轴1.1、驱动轴20之间具有环向间隙连通。
端头外壳17上的两个水接头10中，其中一个水接头的下端通过端部外壳17内部与连接轴1.1、驱动轴20之间具有环向间隙连通，另一个水接头下端通过端部外壳17内部与中央支撑1侧面孔口1.2连通，由此可形成水路循环。
本实施例中，驱动轴20转动时，带动靶材26转动，而连接轴1.1、电触头2、磁棒25均保持不动。转动过程中，靶材26通过驱动轴20、电触头2、中央支撑1、端头外壳17、导电板15与接电块9形成电连接，进而通过接电块9与外部电源电连接。
本实施例中，冷却水经其中一个水接头10进入连接轴1.1、驱动轴20之间环向间隙，再从环向间隙进入驱动轴20的第一水道（如图1中路径A所示），然后从靶材安装法兰22的通孔进入靶材26内部（如图1中路径B所示），接着经封头30中的第二水道进入磁棒25内部（如图1中路径C所示），再接着通过连接轴1.1内部进入中央支撑1的侧面孔口（如图1中路径D所示），最终由中央支撑1的侧面孔口进入另一个水接头，两个水接头均与外部冷却水源连通，由此可形成冷却水的循环水路。
因此，本实施例中，给阴极供电的电源的电缆线接在接电块9上，电流先后通过接电块9、导电板15、端头外壳17、中央支撑1、导电带3静态传输到电触头2上，以上部件工作过程均处于静止状态。工作的工程中，驱动部件带动皮带12，皮带12带动驱动轴20转动，驱动轴20的锥面和电触头2的锥面配合，实现电功率从锥面电触头2动态旋转传输到驱动轴20上。驱动轴20和靶材安装法兰22固定连接，靶材安装法兰22和靶材26连接，从而实现电功率动态旋转传输到靶材26上。
本实施例中，锥面电触头2和驱动轴20的锥面角度，根据空间的大小，可以是任意角度，以实现增大电功率旋转接触面积和电触头2的导向定位功能。
本实施例中，冷却水的进出水管分别接到两个水接头10上，冷却水从一个水接头10如图1中路径A所示进入端头外壳17中，再如图1中路径B所示穿过驱动轴20和靶材安装法兰22进入靶材26中，之后如图1中路径C所示进入到磁棒25中，再如图1中路径D所示从端头中通过另一个水接头流出。电触头2和驱动轴20的锥面都处于冷却水的流动路径中，因此可通过冷却水带走热量和磨损产生的材料。
本实施例中，冷却水动密封18实现冷却水通道和轴承19位置大气侧的动态旋转水密封的功能；真空旋转动密封21实现轴承19位置大气侧和靶材26真空侧的动态旋转真空密封的功能。绝缘板14由耐高压的绝缘材料制备，实现端头基座13和导电板15之间的绝缘功能。
实施例二
如图3所示，本实施例与实施例一结构基本相同，区别在于取消实施例一种的支撑端28和封头30，而是在靶材26的右端开口中堵入一个靶材堵头29，该靶材堵头29与封头30一样都在内部设置第二水道，由此可仅在靶材26的左端支撑固定靶材，进而形成靶材26的悬臂结构。
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (10)
1.一种锥面传输功率的旋转阴极端头，用于使内部有磁棒（25）的靶材（26）转动并与外部电源电连接，包括用于连接靶材（26）以驱动靶材（26）转动的驱动轴（20），其特征在于，所述驱动轴（20）为导电材料制成，还包括用于实现电连接的电触头（2），所述电触头（2）、驱动轴（20）两者之中一者成型有锥孔部、另一者成型有锥面，电触头（2）、驱动轴（20）之间通过锥面与锥孔部保持电接触，且电触头（2）不随驱动轴（20）转动，外部电源依次通过电触头（2）、驱动轴（20）与靶材（26）电连接。
2.根据权利要求1所述的一种锥面传输功率的旋转阴极端头，其特征在于，所述电触头（2）的端部成型为锥面，所述驱动轴（20）内部中空并成型有锥孔部，所述电触头（2）设于驱动轴（20）内，且电触头（2）其锥面与驱动轴（20）的锥孔部的孔壁保持电接触。
3.根据权利要求1或2所述的一种锥面传输功率的旋转阴极端头，其特征在于，所述电触头（2）、驱动轴（20）均为导电金属材料制成，其中驱动轴（20）材料硬度大于电触头（2）材料硬度。
4.根据权利要求2所述一种锥面传输功率的旋转阴极端头，其特征在于，还包括可导电的端头外壳（17），所述驱动轴（20）转动安装于端头外壳（17）内，驱动轴（20）一端穿出端头外壳（17）并与所述靶材（26）一端固定连接，靶材（26）另一端安装有端封部，所述端封部与靶材（26）另一端相对转动配合，或者端封部随靶材（26）转动；
所述端头外壳（17）中还固定有可导电的中央支撑（1），所述中央支撑（1）中心固定连接有连接轴（1.1），所述连接轴（1.1）贯穿驱动轴（20）且连接轴（1.1）轴端与靶材（26）内部的磁棒（25）一端固定连接；所述电触头（2）非转动套装于连接轴（1.1）上，且电触头（2）与中央支撑（1）电连接，外部电源依次通过端头外壳（17）、中央支撑（1）、电触头（2）、驱动轴（20）与靶材（26）电连接。
5.根据权利要求4所述的一种锥面传输功率的旋转阴极端头，其特征在于，所述电触头（2）与中央支撑（1）之间通过若干导电带（3）电连接。
6.根据权利要求4所述的一种锥面传输功率的旋转阴极端头，其特征在于，所述电触头（2）的侧壁螺旋贯穿有限位钉（5），所述限位钉（5）的钉头紧密压接于连接轴（1.1）外表面，由此通过限位钉（5）使电触头（2）无法在连接轴（1.1）上转动，继而使电触头（2）不随驱动轴（20）转动。
7.根据权利要求4所述的一种锥面传输功率的旋转阴极端头，其特征在于，所述中央支撑（1）、电触头（2）之间的连接轴（1.1）外套装有弹簧（4），通过弹簧（4）提供力使电触头（2）的锥面与驱动轴（20）的锥孔部孔壁保持电接触。
8.根据权利要求4所述的一种锥面传输功率的旋转阴极端头，其特征在于，所述连接轴（1.1）为中空轴，所述中央支撑（1）侧面设有孔口与连接轴（1.1）内部连通；连接轴（1.1）外壁、驱动轴（20）内壁之间有环向间隙，且驱动轴（20）的轴壁中设有第一水道，第一水道一端连通至连接轴（1.1）、驱动轴（20）之间环向间隙，第一水道另一端连通至靶材（26）内部；所述端封部内设有第二水道，第二水道一端连通至靶材（26）内部，第二水道另一端连通至空心的磁棒（25）内部，磁棒（25）内部还与连接轴（1.1）内部连通；所述端头外壳（17）上安装有一对水接头（10），其中一个水接头一端连通至连接轴（1.1）、驱动轴（20）之间环向间隙，另一个水接头连通至中央支撑（1）侧面孔口。
9.根据权利要求4所述的一种锥面传输功率的旋转阴极端头，其特征在于，所述端头外壳（17）内壁、驱动轴（20）之间有环形空隙，环形空隙内一端固定有真空旋转动密封（21），环形空隙内另一端固定有冷却水动密封（18），由冷却水动密封（18）、真空旋转动密封（21）对端头外壳（17）、驱动轴（20）之间环形空隙形成密封。
10.根据权利要求4所述的一种锥面传输功率的旋转阴极端头，其特征在于，所述驱动轴（20）上绕过有皮带（12），皮带（12）从端头外壳（17）穿出并连接于外部皮带轮。
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