DE10017120C1

DE10017120C1 - Vorrichtung zur Exposition eines ringförmigen Gegenstandes in einem Teilchenstrom

Info

Publication number: DE10017120C1
Application number: DE2000117120
Authority: DE
Inventors: Ralf Kaufmann; Anselm Steegers
Original assignee: Jostra AG
Current assignee: Cemecon AG
Priority date: 2000-04-06
Filing date: 2000-04-06
Publication date: 2002-02-07
Anticipated expiration: 2020-04-07

Abstract

Die vorliegende Erfindung gibt eine Vorrichtung an, mit der alle Oberflächenelemente eines ringförmigen Gegenstandes einem aus einer Richtung kommenden Strom aus Materie- oder Energieteilchen ohne eine Abschattung ausgesetzt werden können. Die Vorrichtung umfasst einen oder mehrere rotierende Bolzen, an denen lösbar jeweils ein Befestigungsbügel angebracht ist, in den der ringförmige Gegenstand eingehängt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, mit der alle Oberflä chenelemente eines ringförmigen Gegenstandes einem geradlini gen Strom aus Materie- oder Energieteilchen ausgesetzt werden können.

Bei der Beschichtung eines ringförmigen Gegenstandes mit ver schiedenen Materieteilchen oder der Bestrahlung dieses Gegen standes mit einem Strom von Energieteilchen oder Energiequan ten, wie beispielsweise einem Photonenstrom oder einer Gamma strahlung, ist es schwierig, alle Oberflächenelemente gleich mäßig dem Strom aus Materie- oder Energieteilchen auszusetzen und die gegenseitigen Abschattungen durch die Oberflächenele mente und eine Halte- bzw. Aufnahmevorrichtung zu minimieren. Diese Schwierigkeit erhöht sich, wenn der ringförmige Gegen stand kompliziertere Oberflächenstrukturen, wie Bohrungen, Nuten oder Aussparungen aufweist.

Es sind verschiedene Vorrichtungen zur Exposition der Ober flächen von Gegenständen bei Beschichtungs- oder Bestrahlungs einrichtungen, wie PVD-Anlagen (Physical Vapor Deposition Anlage) mit Magnetron-Sputter-Einheiten aus dem Stand der Technik bekannt.

Beispielsweise sind in der US 5,618,388 mehrere Expositions vorrichtungen für PVD-Anlagen mit Magnetron-Sputter-Einheiten beschrieben, die die einzelnen Oberflächenelemente eines Ge genstandes dem anströmenden Beschichtungsmaterial unter ver schiedenen Rotationsbewegungen kinematisch so aussetzen, dass auf dem Gegenstand homogene harte Dünnschichten erzeugt wer den. Darüber hinaus wird in dieser Schrift auch die Verwendung beweglicher Quellen des Beschichtungsmaterials und von Vor richtungen, wie Blenden, optischen Linsen, elektrischen und magnetischen Feldgeneratoren, zur räumlichen Ablenkung, Streu ung oder Fokussierung der Materialströme beschrieben.

In der DE 36 85 873 T2 ist eine Expositionsvorrichtung be schrieben, die aus mehreren, um ihre Mittelachse rotierenden Tellern besteht. Die Mittelachsen dieser Teller schneiden sich in der zentral fest angeordneten Quelle für das Beschichtungs material. Ferner werden in dieser Schrift Expositionsvorrich tungen zur Beschichtung der Mantelflächen schlauchförmiger Gefäßprothesen und zur Beschichtung von umlaufenden Draht- oder Polymerfäden für medizinische Zwecke beschrieben.

In den deutschen Offenlegungsschriften DE 197 35 961 A1 und DE 197 35 962 A1 werden Anordnungen beschrieben, bei dem ein ring- oder rohrförmiger Gegenstand auch auf seinen inneren Oberflächen mit einer Hartstoffschicht überzogen werden kann. Die dort beschriebenen Anordnungen eigenen sich jedoch nur zur Verwendung mit Plasma-CVD-(Chemical Vapor Deposition)-Be schichtungsverfahren.

In der DE 38 20 040 C1 wird die Beschichtung von bügelförmigen Werkstücken in einem Metallisierungsbad beschrieben, wobei sich die Metallionen auf räumlich gekrümmten Feldlinien aus allen Richtungen auf das Substrat zubewegen. Zur Beschichtung aller Oberflächenabschnitte wird die Wirkung der Gravitation ausgenutzt sowie eine im Eingriff wechselnde Halterung beschrieben. Diese Halterung bewirkt, dass auch kleine Flächen elemente des Substrates im Eingriffsbereich der Halterung zeitweise zur Beschichtung aufgedeckt werden. Die Halterung führt außerdem eine Pendelbewegung aus. Eine Exposition aller Flächenelemente eines Werkstücks zu einer festen räumlichen Richtung der Beschichtungsteilchen ist hier jedoch nicht die Aufgabenstellung gewesen.

In der GB 872,508 ist eine weitere Beschichtung in einem Me tallisierungsbad mittels einer Halterung beschrieben, die Drahtbügel zum Einhängen von Werkstücken aufweist. Die Halte rung der bekannten Vorrichtung ist jedoch feststehend.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen eignen sich lediglich zur Beschichtung von planen und gekrümmten Außenflächen von Gegenständen. Sollen mit diesen Vorrichtungen komplizierter gestaltete Gegenstände beschichtet werden, so müsste der Beschichtungsprozess gegebenenfalls mehrfach unter brochen werden, um den zu beschichtenden Gegenstand in anderen Lagen wieder neu einzuspannen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich tung anzugeben, mit der alle Oberflächenelemente eines ring förmigen Gegenstandes einem geradlinigen Strom aus Materie- oder Energieteilchen ausgesetzt werden können. Dabei sollen auch ringförmige Gegenstände, die kompliziertere Oberflächen strukturen, wie Bohrungen, Nuten oder Aussparungen aufweisen, dem Strom aus Materie- und Energieteilchen so ausgesetzt wer den können, dass keine Abschattung von Oberflächenteilen auf tritt.

Die gestellte Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Die Unteransprüche geben bevorzugte Weiterbildungen an.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der ringförmige zu beschichtende oder zu bestrahlende Gegenstand, der dem Strom aus Materie- oder Energieteilchen ausgesetzt werden soll, in einen Befestigungsbügel eingehängt. Dieser Befestigungsbügel, der beispielsweise in Form einer Drahtschlaufe ausgebildet werden kann, ist lösbar an einem rotierenden Bolzen befestigt. Wenn sich nun der Bolzen langsam dreht, so wird der ringförmi ge Gegenstand durch die Drehung des Bolzens und durch die Wirkung der Gravitationskraft eine Bewegung ausführen, bei der er sich einerseits um seine Mittelachse und gleichzeitig um eine weitere Achse dreht, die etwa zwischen 20° und 70° zu seiner Mittelachse geneigt ist und annähernd senkrecht zur Anströmrichtung des Materials bzw. der Energie steht, wenn die Rotationsachse des Bolzens annähernd waagrecht, d. h. senk recht zur Richtung der Gravitation, und parallel zur Anström richtung des Stroms aus Materie- und Energieteilchen ausge richtet ist. Durch die durch den rotierenden Bolzen verursach te Taumelbewegung des ringförmigen Gegenstandes werden sukzes sive und zyklisch alle Oberflächenelemente dieses Gegenstandes dem Strom aus Materie- und Energieteilchen ausgesetzt. Dabei treten nahezu keine Abschattungen von Oberflächenelementen des ringförmigen Gegenstandes gegenüber dem Strom aus Materie- und Energieteilchen durch die Halteelemente auf.

Um eine störungsfreie Bewegung des ringförmigen Gegenstandes im Zusammenwirken mit dem Befestigungsbügel und der Drehung des Bolzens zu erzielen, haben sich experimentell gewisse Abmessungen des Befestigungsbügels im Bezug auf die Abmessun gen des ringförmigen Gegenstandes als vorteilhaft erwiesen. Diese werden im nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiel noch näher erläutert.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung zur Exposition aller Oberflächenelemente eines ringförmigen Gegenstandes in einen Strom aus Materie- oder Energieteilchen wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Dabei werden in allen Zeichnungen glei che Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor richtung;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines einzelnen Befestigungsbügels, in den ein ringförmiger Gegenstand eingehängt ist;

Fig. 3 eine Schnittansicht durch den rotierenden Bolzen, um ein Ausführungsbeispiel einer lösbaren Befestigung des Befestigungsbü gels am rotierenden Bolzen darzustellen;

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines einzelnen Befestigungsbügels in der Win kelstellung γ = 0° mit eingehängtem ring förmigen Gegenstand aus der Anströmrich tung des Stroms der Materie- oder Energie teilchen, und somit auf die exponierte Oberfläche des ringförmigen Gegenstandes, wobei der ringförmige Gegenstand in einem Winkel von etwa 45° zur Anströmrichtung geneigt ist;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung des Befestigungsbügels der Fig. 4 in der Win kelstellung γ = 45°, wobei sich der ring förmige Gegenstand durch sein Eigengewicht so gedreht hat, dass ein Teil seiner Man telfläche zur Anströmrichtung steht;

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung des Befestigungsbügels der Fig. 4 in der Win kelstellung γ = 100°, wobei der ringförmi ge Gegenstand durch sein Eigengewicht un ter einer leichten Drehung entlang des Befestigungsbügels in Richtung des Bolzens rutscht;

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung des Befestigungsbügels der Fig. 4 in der Win kelstellung γ = 180°, wobei der ringförmi ge Gegenstand am Balzen hängt und sich räumlich geneigt vor der Anströmrichtung nach links dreht;

Fig. 8 eine perspektivische Darstellung des Befestigungsbügels der Fig. 4 in der Win kelstellung γ = 270°, wobei der ringförmi ge Gegenstand am Bolzen hängt und sich räumlich geneigt vor der Anströmrichtung nach links gedreht hat;

Fig. 9 eine perspektivische Darstellung des Befestigungsbügels der Fig. 4 in der Win kelstellung γ = 300°, wobei der ringförmi ge Gegenstand am Bolzen hängt und sich durch sein Eigengewicht so dreht, dass wieder ein Teil seiner Mantelfläche zur Anströmrichtung steht; und

Fig. 10 eine perspektivische Darstellung des Befestigungsbügels der Fig. 4 in der Win kelstellung γ = 340°, wobei der ringförmi ge Gegenstand vom Bolzen abrutscht und zum Ende des Befestigungsbügels in eine Posi tion fällt, die der Fig. 4 entspricht.

Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Ausführungs form der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Exposition aller Oberflächenelemente eines ringförmigen Gegenstandes in einen Strom aus Materie- oder Energieteilchen. Die Vorrichtung be steht aus einem Vorrichtungsrahmen 14, an dem sowohl die Vor richtung zur Befestigung des oder der ringförmigen zu exponierenden Gegenstände 1 als auch die Emissionsquelle 19 des Stroms aus Materie- oder Energieteilchen befestigt ist. Die Vorrichtung zur Befestigung des ringförmigen Gegenstandes 1 umfasst einen Befestigungsbügel 3, in den der zu exponierende ringförmige Gegenstand 1 eingehängt wird. Der Befestigungs bügel 3 ist lösbar an einem rotierenden Bolzen 4 befestigt. Der rotierende Balzen 4 ist stirnseitig auf einer Antriebs welle 5 beispielsweise mittels eines Gewindes befestigt. Dies ermöglicht ein einfaches Bestücken der gesamten Anlage.

Die Antriebswelle 5 ist in einer Buchse 13 im Gehäuse 8 einer Antriebsvorrichtung gelagert. Die Antriebsvorrichtung kann aus einer zentralen Antriebswelle 9, die sich um eine Achse 11 in einer Drehrichtung 10 dreht, und aus Umlenk- und Verteilvor richtungen, um die Bewegung der zentralen Antriebswelle 9 auf die einzelnen Antriebswellen 5 der rotierenden Bolzen 4 zu übertragen, bestehen. Diese Umlenkung und Verteilung der Rota tionsbewegung der zentralen Antriebswelle 9 kann beispiels weise über eine hier nicht dargestellte Schneckenwelle und eine der Zahl der rotierenden Bolzen 4 entsprechende Anzahl von Zahnradabtrieben erzielt werden.

Die dargestellte Ausführungsform zeigt eine Anlage, bei der drei ringförmige Gegenstände 1 an drei Befestigungsbügeln 3 befestigt werden. Es können jedoch beliebig viele Befesti gungsbügel 3 über- und nebeneinander angeordnet werden.

Die Rotationsachsen 12 der Antriebswellen 5 sind vorzugsweise annähernd parallel zur Anströmrichtung 2 des Stroms aus Mate rie- oder Energieteilchen ausgerichtet.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte perspektivische Darstellung eines einzelnen Befestigungsbügels 3, in den der zu exponie rende ringförmige Gegenstand 1 eingehängt ist. Der Befesti gungsbügel 3 muss im Verhältnis zu den Abmessungen des ringförmigen zu exponierenden Gegenstands 1 eine Form, eine Aus richtung und Abmessungen aufweisen, die ein störungsfreies Gleiten des ringförmigen Gegenstandes 1 im Befestigungsbü gel 3, wenn der Befestigungsbügel 3 durch den rotierenden Bolzen 4 gedreht wird, ermöglichen. Eine vorteilhafte Ausfüh rungsform des Befestigungsbügels 3 ist in Fig. 2 dargestellt. Der Befestigungsbügel 3 ist dabei ausgehend vom Bolzen 4 vier telkreisförmig in der Rotationsrichtung 7 des rotierenden Bolzens 4 um den Biegeradius R gebogen. Experimentelle Unter suchungen haben gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn der Biegeradius R etwa dem halben mittleren Innendurchmesser D des ringförmigen Gegenstandes 1 entspricht, und wenn das Verhält nis der Höhe H des ringförmigen Gegenstandes 1 zur Breite B des Befestigungsbügels 3 ungefähr der Wurzel aus 2 (ca. 1,4) entspricht. Damit kann während der Rotation des Bolzens 4 eine Bewegung des ringförmigen Gegenstandes 3 relativ zum Strom aus Materie- oder Energieteilchen erzielt werden, bei der im Ver lauf von drei bis fünf Zyklen alle Oberflächenelemente des ringförmigen Gegenstandes 1 der Emissionsquelle 19 des Stroms aus Materie- oder Energieteilchen zugewandt werden, sodass die Oberflächenelemente zuverlässig aus der Strömungsrichtung 2 beschichtet oder bestrahlt werden können. Die Rotation des Bolzens 4 muss dabei so langsam erfolgen, dass Fliehkräfte am ringförmigen Gegenstand 1 vernachlässigbar sind und dass die Bewegung des ringförmigen Gegenstandes 1 ausschließlich den Gesetzen der Schwerkraft (die in allen Zeichnungsfiguren durch einen von oben nach unten laufenden Vektor g dargestellt ist) und der Wechselwirkung mit dem Befestigungsbügel 3 und dem rotierenden Bolzen 4 unterliegt.

Die so ausgebildete erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich am besten zur Exposition von ringförmigen Gegenständen 1, bei denen das Verhältnis von Ringinnendurchmesser zu Ringaußen durchmesser größer als 70% und das Verhältnis der Höhe des Rings zum Außendurchmesser des Rings kleiner als 40% aber größer als 10% ist.

Fig. 4, 5, 6, 7, 8, 9 und 10 zeigen in der genannten Folge die verschiedenen Phasen der Exposition der Oberflächenelemente des ringförmigen Gegenstandes 1 aus der Richtung 2 des Stroms aus Materie- oder Energieteilchen. Die zeitlich gegen den Uhrzeigersinn größer werdende Winkelstellung des rotierenden Bolzens 4 und des mit ihm verbundenen Befestigungsbügels 3 wird dabei als Winkel γ zwischen der vertikalen, parallel zur Gravitationsrichtung g liegenden ersten Radialachse 20 des Bolzens 4 und einer zweiten Radialachse 21 des Bolzens 4, die aus der Sicht der Anströmung 2 das gebogene Ende des Befesti gungsbügels 3 schneidet, definiert. Der ringförmige Gegen stand 1 vollführt während eines vollständigen Zyklus des ro tierenden Bolzens 4, wie er in den Fig. 4 bis 10 dargestellt ist, auch eine Drehung 15 um seine eigene Mittelachse, sodass, wie experimentelle Versuche zeigten, im Verlauf von drei bis fünf Zyklen alle Oberflächenelemente des ringförmigen Gegen standes 1 der Emissionsquelle 19 des Stroms aus Materie- oder Energieteilchen zugewandt werden.

Insgesamt liefert die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung, die auf eine relativ einfache Weise alle Oberflächenelemente eines ringförmigen Gegenstandes einem gerichteten Strom aus Materie- oder Energieteilchen zuwendet, sodass alle Oberflä chenelemente des ringförmigen Gegenstandes ohne eine Abschat tung in gleichmäßiger Weise beschichtet oder bestrahlt werden können.

Bezugszeichenliste

1

ringförmiger Gegenstand

2

Richtung des Stroms aus Materie- oder Energieteilchen

3

Befestigungsbügel

4

rotierender Bolzen

5

Antriebswelle für rotierenden Bolzen

6

Klemmschraube

7

Rotationsrichtung des Bolzens

8

Gehäuse

9

zentrale Antriebswelle

10

Drehrichtung der zentralen Antriebswelle

11

Achse der zentralen Antriebswelle

12

Achse der Antriebswelle

5

13

Buchse der Antriebswelle

5

14

Vorrichtungsrahmen

15

Drehung des ringförmigen Gegenstandes um seine eigene Mittelachse

16

Richtungspfeil

17

Presssitz im Bolzen

4

18

Bohrung im Bolzen

4

19

Emissionsquelle des Stroms aus Materie- oder Energieteilchen

20

erste Radialachse des Bolzens

4

21

zweite Radialachse des Bolzens

4

g Gravitationsrichtung
H Höhe des ringförmigen Gegenstands
D Innendurchmesser des ringförmigen Gegenstands
B Breite des Befestigungsbügels
R Biegeradius des Befestigungsbügels

Claims

1. Vorrichtung zur Exposition aller Oberflächenelemente eines ringförmigen Gegenstandes (1) in einen geradlinig aus einer räumlich feststehenden Richtung (2) ankommenden Strom aus Materie- oder Energieteilchen, dadurch gekenn zeichnet, dass die Vorrichtung mindestens einen Befestigungsbügel (3), der an einem rotierenden Bolzen (4) lösbar befestigt ist und in den der ringförmige Gegen stand (1) eingehängt ist, umfasst.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse (12) des rotierenden Bolzens (4) senk recht zur Richtung der Gravitationskraft (g) steht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass die Rotationsachse (12) des rotierende Bol zens (4) annähernd parallel zur Richtung (2) des ankommen den Stroms aus Materie- oder Energieteilchen steht.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Rotationsgeschwindigkeit des rotierende Bolzens (4) so niedrig ist, dass auf den an ihm befestigten Befestigungsbügel (3) und dem darin einge hängten ringförmigen Gegenstand (1) nahezu keine Flieh kräfte ausgeübt werden.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass der Befestigungsbügel (3) aus gehend vom rotierenden Bolzen (4) in der Rotationsrich tung (7) des Bolzens (4) viertelkreisförmig mit einem Radius (R) gebogen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius (R), um den der Befestigungsbügel (3) viertel kreisförmig in der Rotationsrichtung (7) des Bolzens (4) gebogen ist, etwa dem halben Innendurchmesser (D) des ringförmigen Gegenstandes (1) entspricht.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Breite (B) des Befesti gungsbügels (3) etwa der durch die Wurzel von 2 geteilten Höhe (H) des ringförmigen Gegenstandes (1) entspricht.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Innendurch messer zum Außendurchmesser des ringförmigen Gegenstan des (1) größer als 70% und das Verhältnis der Höhe zum Außendurchmesser des ringförmigen Gegenstandes (1) kleiner als 40% aber größer als 10% ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass der Befestigungsbügel (3) mit einem Ende mittels eines Presssitzes (17) fest und mit dem anderen Ende mittels des in eine Bohrung (18) mit Spiel eingeschobenen und mit einer Klemmschraube (6) arretier baren Endteils lösbar befestigt ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mehrere rotie rende Balzen (4), die von einer gemeinsamen Antriebswel le (9) angetrieben werden, umfasst.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass es sich beim Strom aus Materie- oder Energieteilchen um einen Strom aus Partikeln, Molekü len, Ionen, Atomen, Elektronen, Nukleonen, Photonen oder um eine Gammastrahlung handelt.