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Die Erfindung betrifft eine Kontaktier-Anordnung zum elektrischen Kontaktieren einer drehbar gelagerten Welle und eine Lageranordnung zum drehbaren Lagern einer Elektrode.
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Im Allgemeinen können in der Beschichtungstechnologie für verschiedene Prozesse und/oder Vorbehandlungen Elektroden zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann bei einem Sputterprozess (auch als Kathodenzerstäubung oder Sputterdeposition bezeichnet) ein rohrförmiges Target (bzw. eine Rohrkathode) zum Einsatz kommen, von welchem das Beschichtungsmaterial abgesputtert werden kann, bzw. welches zerstäubt wird. Allgemein kann eine rohrförmige Elektrode (Kathode und/oder Anode) während des Prozessierens rotieren. Dies kann beispielsweise einen langzeitstabilen Prozess ermöglichen, z.B. einen langzeitstabilen Beschichtungsprozess. Beim Magnetronsputtern (magnetfeldunterstützter Kathodenzerstäubung) kann beispielsweise eine Rohrkathode genutzt werden, welche während des Sputterprozesses rotiert, wobei innerhalb der Rohrkathode eine Magnetanordnung angeordnet ist, um eine Plasmabildung und somit unter anderem die Sputterrate und/oder andere Prozessparameter des Sputterprozesses zu beeinflussen. Ferner kann eine Magnetronanordnung auch mehrere Rohrkathoden (Rohrtargets) aufweisen, beispielsweise bei einem sogenannten Doppel-Rohrmagnetron (einem so genannten RDM – Rotatable Dual Magnetron).
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird eine Kontaktier-Anordnung zum elektrischen Kontaktieren einer drehbar gelagerten Welle bereitgestellt, z.B. basierend auf Schleifkohlen (oder anderen geeigneten Schleifkörpern), welche an der Außenmantelfläche der Welle schleifen. Ferner wird eine entsprechende Lageranordnung zum drehbaren Lagern einer Elektrode bereitgestellt, wobei die Lageranordnung die drehbar gelagerte Welle aufweist, welche mittels der Kontaktier-Anordnung elektrisch kontaktiert ist, und wobei die Elektrode (z.B. eine rohrförmige Elektrode) an die Welle angekuppelt ist. Beispielsweise kann ein Rohrtarget für ein Magnetron mittels der Lageranordnung mechanisch drehbar gelagert und elektrisch kontaktiert sein, wobei die Lageranordnung beispielsweise einen Aufbau ermöglicht, welcher eine einfache Wartung und/oder Reparatur der Lageranordnung bzw. deren Verschleißteile ermöglicht.
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Anschaulich gesehen können mittels der Lageranordnung (z.B. eines so genannten Endblocks) eine Energieversorgung (z.B. zum Bereitstellen eines vorgegebenen elektrischen Potenzials an der rohrförmigen Elektrode), eine Kühlwasserversorgung (z.B. zum Kühlen der rohrförmigen Elektrode) und/oder eine drehbare Lagerung der rohrförmigen Elektrode (z.B. zum homogenen Zerstäuben der Oberfläche eines rohrförmigen Magnetrontargets) realisiert sein. Eine Lageranordnung, welche neben der mechanischen Lagerung die Energieversorgung und/oder die Kühlwasserversorgung gewährleistet, wird auch als Medienendblock bezeichnet.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein Medienendblock zum drehbaren Lagern einer rohrförmigen Elektrode bereitgestellt, wobei der Medienendblock eine Welle aufweist, an welcher die rohrförmige Elektrode angekuppelt werden kann, wobei die Welle mittels Stromkohlen elektrisch kontaktiert ist, wobei die Stromkohlen mittels eines mehrteiligen Käfigs fixiert bzw. gelagert sind.
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Neben der Anwendung von drehbar gelagerten Elektroden als Kathoden in der Sputtertechnologie können drehbar gelagerte Elektroden als Anoden in einem sogenannten SAD-Prozess (SAD = Spotless arc Activated Deposition) genutzt werden, mittels dessen eine Elektronenstrahl-Hochrate-Bedampfung realisiert werden kann.
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Schleifkohlen können mittels eines Schleifkohlenkäfigs gehalten bzw. gelagert sein oder werden, wobei der Schleifkohlenkäfig und die mittels des Schleifkohlenkäfigs gelagerten Schleifkohlen einen so genannten Schleifbürstenring bzw. Schleifkohlenring bilden, welcher die elektrisch zu kontaktierende Welle ringförmig umgibt. Herkömmlicherweise kann ein Schleifbürstenring auf die Welle aufgesteckt werden, so dass der Schleifkohlenkäfig des Schleifbürstenrings einstückig ausgestaltet sein kann.
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Ein Aspekt verschiedener Ausführungsformen kann anschaulich darin gesehen werden, eine einfache und schnelle Montage bzw. Demontage eines schwimmend gelagerten Schleifbürstenrings auf einer beidseitig zum größeren Durchmesser abgesetzten Welle zu ermöglichen. Ferner wird, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, ein kostengünstig herzustellender Schleifkohlenkäfig bereitgestellt. Ferner wird, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, ein elektrisch isolierendes Material für den Schleifkohlenkäfig verwendet. Ferner kann das Material des Schleifkohlenkäfigs derart eingerichtet sein, dass dieser eine optische Indikation einer thermischen Überlast ermöglicht. Der Schleifkohlenkäfig dient zur Positionierung und Führung mehrerer Stromkohlen auf einer konzentrischen Welle. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird der Schleifkohlenkäfig derart bereitgestellt, dass eine selbstständige Nachstellung der Schleifkohlen (d.h. eine gleichbleibende Flächenpressung) ermöglicht ist. Ferner kann der Schleifkohlenkäfig derart eingerichtet sein, dass eine mechanische Belastung auf den Schleifkohlenkäfig einzig durch das entstehende Drehmoment der angepressten Schleifkohlen auf der drehenden Welle verursacht wird. Der Schleifkohlenkäfig kann zur elektrischen Kontaktierung eines Verschleißkontaktes dienen. Ferner wird der Schleifkohlenkäfig derart bereitgestellt, dass eine Wiederverwendung möglich ist, nachdem beispielsweise die Schleifkohlen ausgetauscht wurden.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Kontaktier-Anordnung zum elektrischen Kontaktieren einer drehbar gelagerten Welle Folgendes aufweisen: einen Schleifkohlenkäfig zum Führen von mehreren Schleifkohlen auf der drehbar gelagerten Welle; wobei der Schleifkohlenkäfig aus mehreren Käfigelementen zusammengesteckt ist, wobei jedes der mehreren Käfigelemente zum Führen mindestens einer Schleifkohle der mehreren Schleifkohlen eingerichtet ist.
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Mit anderen Worten kann eine Anordnung zum elektrischen Kontaktieren einer drehbar gelagerten Welle Folgendes aufweisen: einen Käfig zum Führen von mehreren Schleifelementen auf der drehbar gelagerten Welle; wobei der Käfig aus mehreren Käfigelementen zusammengesteckt ist, wobei jedes der mehreren Käfigelemente zum Führen mindestens eines Schleifelements der mehreren Schleifelemente eingerichtet ist.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kontaktier-Anordnung aufweisend den Schleifkohlenkäfig zum Führen von mehreren Schleifkohlen und die mehreren Schleifkohlen auch als Schleifbürstenring oder Schleifkohlenring bezeichnet werden.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Schleifkohlenkäfig zum Führen von mehreren Schleifkohlen auf der drehbar gelagerten Welle aus mehreren Käfigelementen zusammengesteckt sein oder werden, wobei jedes der mehreren Käfigelemente zum Führen mindestens einer Schleifkohle der mehreren Schleifkohlen eingerichtet ist.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Schleifkohlenkäfig bzw. der Schleifkohlenring derart bereitgestellt sein oder werden, dass dieser die Welle schwimmend kontaktiert. Anschaulich kann zwischen dem Schleifkohlenkäfig und der Welle ein Spalt verbleiben. Ferner kann die Welle mittels eines Lagers in einer Hülse drehbar gelagert sein, wobei zwischen dem Schleifkohlenkäfig und der Hülse ein Spalt verbleiben kann. Somit wird der Schleifkohlenkäfig bzw. der Schleifkohlenring anschaulich bei einer Rotation der Welle nicht aufgrund der Lauftoleranz der Welle mechanisch beansprucht.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann mittels der Kontaktier-Anordnung (z.B. mittels schleifender elektrischer Kontakte) die für das Prozessieren notwendige elektrische Energie über die Welle auf eine an die Welle angekuppelte rohrförmige Elektrode übertragen werden.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Schleifkohlenkäfig mindestens drei Käfigelemente aufweisen zum Führen von mindestens drei Schleifkohlen. Dabei kann jeweils eine Schleifkohle pro Käfigelemente geführt werden. Es versteht sich, dass auch pro Käfigelement zwei oder mehr als zwei entsprechend in der Größe angepasste Schleifkohlen geführt werden können, welche funktionell als eine einzige Schleifkohle angesehen werden können.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die mehreren Käfigelemente einen Kunststoff aufweisen oder aus einem Kunststoff bestehen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die mehreren Käfigelemente einen faserverstärkten Kunststoff aufweisen oder aus einem faserverstärkten Kunststoff bestehen.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Schleifkohlenkäfig aus mehreren gleichen Käfigelementen zusammengesteckt sein oder werden. Beispielsweise können somit mehrere oder alle Käfigelemente mittels eines Spritzgussverfahrens und nur einer Gussform (z.B. aus Kunststoff) kostengünstig hergestellt werden.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die drehbar gelagerte Welle einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufweisen sowie einen zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich angeordneten Schleifbereich, in welchem die mehreren Schleifkohlen beispielsweise mittels des aus den Käfigelementen zusammengesteckten Schleifkohlenkäfigs gehalten werden und an der Welle schleifen, wobei der Außendurchmesser der Welle in dem Schleifbereich kleiner ist als in dem ersten Bereich und in dem zweiten Bereich. Anschaulich kann die Welle ausgehend von dem Schleifbereich in Axialrichtung beidseitig zu einem größeren Durchmesser abgesetzt sein, so dass beispielsweise ein einstückiger Schleifkohlenkäfig nicht einfach axial auf die Welle aufgesteckt werden kann.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Lageranordnung (z.B. ein Endblock oder eine Endblockanordnung) zum drehbaren Lagern einer Elektrode Folgendes aufweisen: eine Hülse, eine Welle, ein Lager (z.B. ein Wälzlager), mittels dessen die Welle in der Hülse drehbar gelagert ist; wobei die Hülse und die Welle derart bereitgestellt sind, dass in Axialrichtung ein Lagerbereich, ein erster Dichtungsbereich, ein Schleifbereich und ein zweiter Dichtungsbereich bereitgestellt sind, wobei das Lager in dem Lagerbereich angeordnet ist, und eine Kontaktier-Anordnung, wie hierin beschrieben, zum elektrischen Kontaktieren der drehbar gelagerten Welle in dem Schleifbereich. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Hülse einstückig sein, wobei die Lageranordnung derart eingerichtet ist, dass die Welle mit der Kontaktier-Anordnung gemeinsam in die Hülse eingesteckt werden kann. Ferner kann auch ein Gehäuse als Hülse verwendet werden oder die Hülse kann als Gehäuse ausgestaltet sein.
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Anschaulich müssen zunächst die Käfigelemente und die entsprechend in den Käfigelementen gehaltenen Schleifkohlen um die Welle zu einem geschlossenen Schleifkohlenkäfig bzw. Schleifkohlenring zusammengesteckt werden, bevor die Welle in der Hülse montiert werden kann.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Montagereihenfolge wie folgt sein: Labyrinthdichtung oder Abstreifer auf der Welle montieren, anschließend das Lager auf der Welle montieren, anschließend Schleifkohlenring auf der Welle montieren, anschließend komplette Welle (mit Dichtung, Lager, und Schleifkohlenring) in das Gehäuse einbringen (z.B. in die Hülse oder direkt in das Endblockgehäuse), und anschließend die Vakuumdichtung in das Gehäuse einbringen (bzw. in den entsprechenden Bereich zwischen Welle und Gehäuse).
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der aus den mehreren Käfigelementen zusammengesteckte Schleifkohlenkäfig zwischen der Welle und der Hülse in dem Schleifbereich schwimmend gelagert sein. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Innendurchmesser des zusammengesteckten Schleifkohlenkäfigs größer sein als der Außendurchmesser der Welle im Schleifbereich. Somit kann beispielsweise ein Spalt im Schleifbereich zwischen der Welle und dem Schleifkohlenkäfig bereitgestellt sein oder werden, wobei der Spalt eine Spaltbreite in einem Bereich von ungefähr 0,5 mm bis ungefähr 5 mm aufweist.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der aus den mehreren Käfigelementen zusammengesteckte Schleifkohlenkäfig mehrere Aussparungen aufweisen, wobei die Lageranordnung ferner eine Haltestruktur aufweist, welche in die mehreren Aussparungen eingreift. Anschaulich kann die Haltestruktur an der Hülse fixiert sein und somit beispielsweise ein Mitdrehen bzw. Verdrehen des Schleifkohlenkäfigs auf der rotierenden Welle verhindern.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Lageranordnung ferner Folgendes aufweisen: eine in dem ersten Dichtungsbereich angeordnete Labyrinthdichtung und eine in dem zweiten Dichtungsbereich angeordnete Vakuumdichtung. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Lageranordnung ferner Folgendes aufweisen: einen in dem ersten Dichtungsbereich angeordneten Abstreifer und eine in dem zweiten Dichtungsbereich angeordnete Vakuumdichtung.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Außendurchmesser der Welle in dem Schleifbereich kleiner sein als in einem Zwischenbereich zwischen dem ersten Dichtungsbereich und dem Schleifbereich. Ferner kann der Außendurchmesser der Welle in dem Schleifbereich kleiner sein als in dem zweiten Dichtungsbereich.
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Ferner kann der Außendurchmesser der Welle in dem Lagerbereich kleiner sein als in dem ersten Dichtungsbereich und/oder kleiner sein als in dem zweiten Dichtungsbereich.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Welle in dem Zwischenbereich einen radialen Vorsprung aufweisen, an welchem die Labyrinthdichtung bzw. der Abstreifer angestellt ist.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Lageranordnung ferner Folgendes aufweisen: eine in dem ersten Dichtungsbereich angeordnete Dichtung (z.B. einen Abstreifer, eine Labyrinthdichtung, oder jede andere geeignete Dichtungsstruktur). Dabei kann die Welle in dem Zwischenbereich einen radialen Vorsprung aufweisen, an welchem die Dichtung angestellt ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
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Es zeigen
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1A einen aus mehreren Käfigelementen zusammengesteckten Schleifkohlenkäfig in einer perspektivischen Ansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
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1B und 1C ein Käfigelement in jeweils einer perspektivischen Ansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
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2A eine Kontaktier-Anordnung in einer perspektivischen Ansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
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2B eine Kontaktier-Anordnung in einer Querschnittsansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
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3A eine Lageranordnung in einer Querschnittsansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
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3B eine Detaildarstellung der Lageranordnung in einer Querschnittsansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
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4 eine Lageranordnung in einer Schnittansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
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5 ein Schleifkohlenring, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, mit einem zusammengesteckten Schleifkohlenkäfig und mehreren Schleifkohlen in einer perspektivisch geschnittenen Ansicht; und
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6 eine Lageranordnung in einer perspektivischen Schnittansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
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In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa "oben", "unten", "vorne", "hinten", "vorderes", "hinteres", "rechts", "links" usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
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Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe "verbunden", "angeschlossen" sowie "gekoppelt" verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
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1A veranschaulicht einen Schleifkohlenkäfig 100 in einer perspektivischen Ansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wobei der Schleifkohlenkäfig 100 aus mehreren Käfigelementen 100k zusammengesteckt ist. Eines dieser Käfigelemente 100k ist in 1B und 1C einzeln dargestellt.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Schleifkohlenkäfig 100 aus mindestens drei Käfigelementen 100k zusammengesteckt sein, z.B. aus drei, vier, fünf, sechs oder mehr als sechs Käfigelementen 100k, z.B. aus zehn oder mehr als zehn Käfigelementen 100k, wobei in 1A ein Schleifkohlenkäfig 100 mit fünf Käfigelementen 100k dargestellt ist.
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Der zusammengesteckte Schleifkohlenkäfig 100 ist ringförmig und weist eine ringförmig umlaufende Nut 100n auf, in welcher beispielsweise ein Federring (100f) oder eine Zugfeder (100f) angeordnet werden kann zum Anpressen der mittels des Schleifkohlenkäfigs 100 gehaltenen Schleifkohlen (vgl. 2A und 3B).
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Ferner weist jedes der Käfigelemente 100k eine Aussparungsstruktur 100a auf mit mindestens einer Aussparung (z.B. mit vier Aussparungen, wie in 1B dargestellt) auf sowie eine zu der Aussparungsstruktur 100a passende Vorsprung-Struktur 100v auf. Dabei sind die Aussparungsstruktur 100a und die Vorsprung-Struktur 100v derart passend zueinander eingerichtet, dass die Käfigelemente 100k mittels der Aussparungsstruktur 100a und der Vorsprung-Struktur 100v zu dem Schleifkohlenkäfig 100 zusammengesteckt werden können. Anschaulich hält der Schleifkohlenkäfig 100 somit zusammen, ohne dass eine zusätzliche Befestigung benötigt wird. Der Federring (100f), welcher beispielsweise in der Nut 100n angeordnet werden kann, presst lediglich die Schleifkohlen auf die Welle und dient nicht zum Zusammenhalten der Käfigelemente 100k.
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Mit anderen Worten können die Käfigelemente 100k jeweils eine Steckverbindungsstruktur aufweisen zum Zusammenstecken der Käfigelemente 100k zu einem ringförmigen Schleifkohlenkäfig 100. Ferner können die Käfigelemente 100k auch als Käfigsegmente 100k bezeichnet werden.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann jedes Käfigelement 100k auf der äußeren Mantelfläche eine halbkreisförmige Aussparung 100h (bzw. auf der Stirnseite eine entsprechend halb-zylinderförmige Aussparung 100h) aufweisen. Somit kann beispielsweise beim Zusammenstecken der Käfigelemente 100k eine Loch 100b gebildet werden. In dieses Loch 100b kann beispielsweise eine Haltestruktur zumindest teilweise eingreifen, um die Lage des zusammengesteckten Schleifkohlenkäfigs 100 auf der Welle zu definieren und/oder um ein von den Schleifkohlen auf den Schleifkohlenkäfig 100 übertragenes Drehmoment abzustützen.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann zumindest eines der Käfigelemente 100k (oder alle Käfigelemente 100k) einen axialen Ausbruch 100z aufweisen, welcher es beispielsweise ermöglicht, die Schleifkohlen zu kontaktieren und somit beispielsweise den Zustand der Schleifkohlen nach einer gewissen Einsatzzeit zu ermitteln, z.B. mittels einer Widerstandsmessung gegen die Welle, z.B. mittels eines Multimeters.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann jedes der Käfigelemente einen Aufnahmeraum aufweisen, in welchem mindestens eine Schleifkohle zumindest teilweise aufgenommen werden kann, so dass die mindestens eine Schleifkohle im Kontakt zu der Welle geführt werden kann.
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Um die Fertigungskosten für ein derartiges Käfigelement 100k möglichst gering zu halten, kann dieses beispielsweise als Kunststoffspritzgussteil ausgeführt sein. Mit anderen Worten können alle Käfigelemente 100k mittels Kunststoffspritzguss hergestellt sein oder werden.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Kunststoff, aus dem die Käfigelemente 100k gebildet sind, Glas aufweisen, z.B. Glasfaser, Glasgewebe, Glaswolle, etc. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Kunststoff, aus dem die Käfigelemente 100k gebildet sind, eine Keramik aufweisen, z.B. Keramikfaser, Keramikgewebe, Keramikwolle, etc.
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Im Gegensatz zu herkömmlichen Kunststoffbauteilen, welche aus Polyetheretherketon (PEEK) bestehen können und welche mittels Zerspanens (z.B. aus einem Vollstab) hergestellt werden, können die Käfigelemente 100k beispielsweise aus Fortron hergestellt sein oder werden. Fortron hat beispielsweise im Vergleich zu PEEK nur leicht geringere Festigkeitswerte bei etwas besseren elektrischen Isolationseigenschaften. Auch die thermische und chemische Beständigkeit von Fortron ist für den Einsatzfall als Käfigelement 100k eines Schleifkohlenkäfigs 100 ausreichend. Ferner kann Fortron in verschiedenen Farben bereitgestellt sein oder werden. Dies ermöglicht bei einer hellen Farbgebung eine thermische Überlast durch Verfärbung des Materials schnell festzustellen. Im vorliegenden Anwendungsfall kann beispielsweise Fortron 4665B6 eingesetzt werden. Der CTI-Wert (der so genannte Comparative Tracking Index), welcher die Kriechstromfestigkeit beschreibt, liegt bei Fortron 4665B6 bei ungefähr 250, bei PEEK dagegen nur bei ungefähr 150.
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Wie vorangehend beschrieben ist, kann die Positionierung der Käfigsegmente relativ zueinander mittels einfacher Steckkontakte erreicht werden (z.B. mittels vier Nasen 100v und vier dazu passender Bohrungen 100a auf jeweils einer der zwei Stirnseiten des Käfigelements 100k), wobei vor dem Zusammenstecken des Schleifkohlenrings um die Welle herum in jedes der Käfigelemente 100k eine Schleifkohle eingesetzt werden kann.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können alle Käfigelemente 100k die gleiche Form und Größe aufweisen. Alternativ können auch verschiedene Käfigelemente 100k verwendet werden, um den Schleifkohlenkäfig 100 zusammenzustecken.
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2A veranschaulicht eine Kontaktier-Anordnung 200, welche eine Welle 202 elektrisch kontaktiert, in einer perspektivischen Ansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen; wobei ferner 2B eine Querschnittsansicht der Kontaktier-Anordnung 200 und der Welle 202 zeigt. Anschaulich ist in den 2A und 2B ein Teil einer Lageranordnung dargestellt, mittels derer eine rohrförmige Elektrode drehbar gelagert werden kann und elektrisch kontaktiert werden kann. Beispielsweise kann die Welle 202 einen Kupplungsabschnitt 202k aufweisen, z.B. mit einer oder mehreren Bohrungen, zum Ankuppeln der rohrförmigen Elektrode an die Welle 202. Ferner kann die Welle 202 eine Hohlwelle 202 sein oder zumindest eine axiale Bohrung derart aufweisen, dass beispielsweise Kühlmittel durch die Welle 202 hindurch zu der angekuppelten rohrförmigen Elektrode geführt werden kann.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kontaktier-Anordnung 200 eingerichtet sein, die drehbar gelagerte Welle 202 elektrisch zu kontaktieren, wobei die Kontaktier-Anordnung 200 zumindest Folgendes aufweisen kann: einen Schleifkohlenkäfig 100 zum Führen von mehreren Schleifkohlen 204 auf der drehbar gelagerten Welle 202; wobei der Schleifkohlenkäfig 100 aus mehreren Käfigelementen 100k zusammengesteckt ist (vgl. 1A bis 1C), wobei jedes der mehreren Käfigelemente 100k zum Führen mindestens einer Schleifkohle 204 der mehreren Schleifkohlen 204 eingerichtet ist. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann jedes der mehreren Käfigelemente 100k zum Führen genau einer Schleifkohle 204 der mehreren Schleifkohlen 204 eingerichtet sein.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kontaktier-Anordnung 200 einen Schleifkohlenkäfig 100 und mehrere mittels des Schleifkohlenkäfigs 100 auf der Welle geführte Schleifkohlen 204 aufweisen, oder mit anderen Worten kann die Kontaktier-Anordnung 200 ein Schleifkohlenring aufweisen oder ein Schleifkohlenring sein.
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Ferner kann die Kontaktier-Anordnung 200 eine Ringfeder 100f aufweisen, welche in der Nut 100n des Schleifkohlenkäfigs 100 angeordnet ist, so dass die Ringfeder 100f jede der Schleifkohlen 204 gegen die Welle drückt. der Schleifkohlenkäfig 100 kann dabei schwimmend gelagert sein, d.h. beispielsweise nicht direkt an der Welle 202 anliegen.
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Ferner kann die Kontaktier-Anordnung 200 Leitungen 210 aufweisen, mittels derer der elektrische Strom in die Schleifkohlen 204 eingekoppelt werden kann. Beispielsweise können je drei Leitungen 210 eine Schleifkohle 204 kontaktieren, wobei jede der Schleifkohlen von genau einem Käfigelement 100k des Schleifkohlenkäfigs 100 geführt wird.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Welle 202 mehrfach abgesetzt sein, so dass beispielsweise weitere Bauteile auf der Welle 202 (oder zwischen Welle und Hülse) angeordnet werden können, z.B. Dichtungen, Lager und Ähnliches.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Welle 202 einen ersten Bereich 202a und einen zweiten Bereich 202b aufweisen sowie einen zwischen dem ersten Bereich 202a und dem zweiten Bereich 202b angeordneten Schleifbereich 202s, in welchem die mehreren Schleifkohlen 204, welche mittels des aus den Käfigelementen 100k zusammengesteckten Schleifkohlenkäfigs 100 gehalten werden, an der Welle 202 schleifen, wobei der Außendurchmesser der Welle 202 in dem Schleifbereich 202s kleiner ist als in dem ersten Bereich 202a und in dem zweiten Bereich 202b. Anschaulich kann die Welle 202 ausgehend von dem Schleifbereich 202s in Axialrichtung beidseitig zu einem größeren Durchmesser abgesetzt sein, so dass der Schleifkohlenkäfig 100 nicht einfach axial auf die Welle 202 aufgesteckt werden kann, sondern aus den mehreren Käfigelementen 100k zusammengesteckt wird. Dadurch, dass die Käfigelemente 100k nach dem Zusammenstecken von selbst zusammenhalten, kann eine einfache Montage und Demontage gewährleistet sein.
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3A veranschaulicht eine Lageranordnung 300 zum drehbaren Lagern einer (z.B. rohrförmigen) Elektrode, wobei die Lageranordnung 300 Folgendes aufweisen kann: eine Hülse 302, eine Welle 202, ein Lager 304, mittels dessen die Welle 202 drehbar in der Hülse 304 gelagert ist, wobei die Hülse 304 und die Welle 202 derart bereitgestellt sind, dass in Axialrichtung 301 ein Lagerbereich 301a, ein erster Dichtungsbereich 301b, ein Schleifbereich 301s und ein zweiter Dichtungsbereich 301c bereitgestellt sind, wobei das Lager 304 in dem Lagerbereich 301a angeordnet ist. Ferner weist die Lageranordnung 300 eine Kontaktier-Anordnung 200 auf zum elektrischen Kontaktieren der drehbar gelagerten Welle 202 in dem Schleifbereich 301s.
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Wie in 3A veranschaulicht ist, kann der Außendurchmesser der Welle 202 in dem Schleifbereich 301s kleiner sein als in einem Zwischenbereich zwischen dem ersten Dichtungsbereich 301b und dem Schleifbereich 301s. Ferner kann der Außendurchmesser der Welle 202 in dem Schleifbereich 301s auch kleiner sein als in dem zweiten Dichtungsbereich 301c. Somit können beispielsweise eine Labyrinthdichtung 312 in den ersten Dichtungsbereich 301b und eine Vakuumdichtung 314 in den zweiten Dichtungsbereich 301c zwischen Hülse 302 und Welle 202 eingesteckt werden. Ferner kann das Lager 304 in den Lagerbereich 301a zwischen Hülse 302 und Welle 202 eingesteckt werden. Wie in 3A veranschaulicht ist, kann die Welle 202 derart mehrfach abgesetzt eingerichtet sein, dass diese in Axialrichtung 301 aus der Hülse 302 herausgezogen werden kann.
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Die Labyrinthdichtung 312 kann beispielsweise zwischen dem Lager 304 (z.B. einem Wälzlager) und der Kontaktier-Anordnung 200 (z.B. dem Schleifkohlenkäfig 100 und den Schleifkohlen 204) angeordnet sein. Somit kann beispielsweise verhindert werden, dass Fett, welches zum Schmieren des Lagers 304 verwendet wird, in den Bereich zum elektrischen Kontaktieren der Welle 202 (z.B. in den Schleifbereich 301s) gelangen kann. Ferner kann die Welle 202 in dem Zwischenbereich zwischen dem ersten Dichtungsbereich 301b und dem Schleifbereich 301s einen radialen Vorsprung 202v aufweisen (vgl. Radialrichtung 301r in 3A), an welchem die Labyrinthdichtung 312 angestellt ist. Beispielsweise kann die Labyrinthdichtung 312 bei der Montage der Lageranordnung 300 in Axialrichtung 301 in den ersten Dichtungsbereich 301b eingesteckt werden.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Hülse 302 das Gehäuse 302 der Verschleißkartusche 300 sein, welche in ein Gehäuse (z.B. in ein Endblockgehäuse) eingesteckt werden kann. Die modulartig zusammengebaute Lageranordnung 300 kann beispielsweise als Verschleißkartusche bezeichnet werden.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Hülse 302 ein als Endblockgehäuse bereitgestellt sein oder die Hülse 302 kann ein Abschnitt eines Endblockgehäuses sein. Somit kann die Welle mit Lager, allen Dichtungen und Schleifkohlenring direkt in einem Endblockgehäuse eingebaut sein oder werden.
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3B veranschaulicht den Schleifbereich 301s der in 3A dargestellten Lageranordnung 300 in einer Detailansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Welle 202 mittels der Kontaktier-Anordnung 200 elektrisch kontaktiert werden. Dabei kann die Kontaktier-Anordnung 200 ferner einen Metallring 318 (z.B. einen Kupferring oder zwei Halbschalen aus Kupfer) aufweisen, welcher mittels der Leitungen 210 die Schleifkohlen 204 elektrisch kontaktiert. Der Metallring 318 kann beispielsweise an der Hülse 302 befestigt sein oder werden.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der aus den mehreren Käfigelementen 100k zusammengesteckte Schleifkohlenkäfig 100 zwischen der Welle 202 und der Hülse 302 in dem Schleifbereich 301s schwimmend gelagert sein. Beispielsweise kann zwischen dem Schleifkohlenkäfig 100 und der Welle 202 ein Spalt bereitgestellt sein. Ferner kann zwischen dem Schleifkohlenkäfig 100 und der Hülse 302 sowie zwischen dem Schleifkohlenkäfig 100 und dem Metallring 318 ein Spalt bereitgestellt sein.
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Ferner kann der aus den mehreren Käfigelementen 100k zusammengesteckte Schleifkohlenkäfig 100 mehrere Aussparungen 100b (auch als Löcher bezeichnet) aufweisen, wobei die Lageranordnung 300 ferner eine Haltestruktur 316 aufweist, welche in die mehreren Aussparungen 100b eingreift. Beispielsweise kann eine Schraube 316 in die Hülse 302 derart eingeschraubt sein, dass sich die Schraube 316 zumindest teilweise in die entsprechende Aussparung 100b hinein erstreckt. Dabei kann der Schleifkohlenkäfig 100 nur lose fixiert sein, d.h. der Außendurchmesser des Gewindes der Schraube kann kleiner sein als der Innendurchmesser der Aussparung 100b in dem Schleifkohlenkäfig 100. Anschaulich kann somit eine Drehmomentstütze bereitgestellt sein, wobei der Schleifkohlenkäfig 100 weiterhin schwimmend gelagert ist, so dass der Schleifkohlenkäfig 100 bei einer Rotation der Welle 202 nur gering belastet wird, durch ein quasistatisches Drehmoment.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Schleifkohlenkäfig 100 steckbar konstruiert sein, wobei dieser auf einer beidseitig zum größeren Durchmesser abgesetzten Welle 202 positioniert ist (vgl. beispielsweise 3A). Dies kann beispielsweise erforderlich sein, da links (in der Ansicht in 3A) neben dem Schleifbürstenring 200 (bzw. Schleifkohlenring) eine Labyrinthdichtung 312 angeordnet ist, welche das Wälzlagerfett daran hindert, zu den Schleifkohlen 204 zu gelangen, was andernfalls dort die Stromübertragung negativ beeinflussen könnte. Ferner sorgt die Labyrinthdichtung 312 auch dafür, dass das Wälzlagerfett nicht durch den entstehenden Kohlestaub verunreinigt wird (anschaulich ist die Labyrinthdichtung 312 eine beidseitig wirkende Dichtung).
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Rechts (in der Ansicht in 3A) neben dem Schleifbürstenring 200 ist auf einem größeren Durchmesser die Vakuumdichtung 314 positioniert. Dabei sorgt die dem Schleifbürstenring 200 zugewandte Dichtlippe der Vakuumdichtung 314 dafür, dass der Kohlestaub nicht zu den anderen geschmierten Dichtlippen gelangen kann und dort das Vakuumfett bzw. die Dichtwirkung negativ beeinflusst.
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Ferner ist der Innendurchmesser des Schleifkohlenkäfigs 100 größer als der Wellendurchmesser am Sitz des Schleifkohlenkäfigs 100, so dass ein Spalt zwischen Schleifkohlenkäfig 100 und Welle 202 bereitgestellt ist (vgl. 3B). Der Außendurchmesser des zusammengesteckten Schleifkohlenkäfigs 100 ist wiederum kleiner als der Innendurchmesser des Hülse 302 bzw. des Gehäuses 302 der Verschleißkartusche 300 (vgl. 3B). Ein Käfigsegment 100k (auch als Käfigelement 100k bezeichnet) hat auf jeder äußeren Mantelfläche eine halbkreisförmige Aussparung 102h was beim Zusammenstecken der Käfigsegmente 100k zu dem Schleifkohlenkäfig 100 eine "Bohrung" 100b ergibt (vgl. 1A bis 1C). In diese Bohrungen 100b des Schleifkohlenkäfigs 100 können beispielsweise Schrauben 316 hineinragen, welche im Gehäuse 302 der Verschleißkartusche 300 verschraubt sind und als Drehmomentstütze dienen, wie beispielsweise in 4 in einer Schnittansicht veranschaulicht ist.
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Dadurch, dass der Durchmesser und die Tiefe der Bohrungen 100b größer bzw. tiefer sind als die hineinragenden Schrauben, wird der Schleifkohlenkäfig 100 locker radial und axial von "außen" mittels der Schrauben 316 geführt (vgl. 3B). Der Schleifkohlenring 200 ist also schwimmend im Endblock gelagert. Es besteht beispielsweise kein Kontakt des Schleifkohlenkäfigs 100 zum äußeren Gehäuse 302 bzw. zur drehenden Welle 202. Diese Anordnung bringt den wesentlichen Vorteil, dass die Stromkohlen 204 der Bewegung der Welle 202 exakt folgen können und es so zu einer optimalen Stromkontaktierung der Welle 202 kommt.
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Das Anpressen der Stromkohlen 204 auf die Welle 202 erfolgt mittels einer Zugfeder 100f deren beide Enden über ein Blech 500b miteinander verbunden sind, wie beispielsweise in 5 in einer perspektivischen Darstellung der Kontaktier-Anordnung 200 veranschaulicht ist. Die Zugfeder 100f liegt beispielsweise am äußeren Umfang der mehreren (z.B. fünf) Stromkohlen an und drückt diese auf die Welle 202. Die Zugfeder 100f trägt nicht dazu bei, den Schleifkohlenkäfig 100 zusammenzuhalten, da die Zugfeder 100f in einer sich ergebenden umlaufenden Nut 100n (vgl. 1A) liegt und keinen Kontakt zum Schleifkohlenkäfig 100 hat (vgl. 3B). Der Schleifkohlenkäfig 100 wird ausschließlich durch die entstehende Kraft des Steckkontaktes (z.B. mittels einer Presspassung) zusammen gehalten.
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Ferner ist in 6 die Verbausituation der Kontaktier-Anordnung 200 in einem Medienendblock 300 (z.B. einem Medienendblock einer Sputter-Vorrichtung) veranschaulicht. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Medienendblock 300 eingerichtet sein, eine rohrförmige Kathode (z.B. ein Sputtertarget) in einer Vakuumkammer drehbar zu lagern.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird eine einfache Montage sowie Demontage des steckbaren Schleifbürstenrings ermöglicht. Ferner kann ein schneller Austausch einzelner Käfigsegmente 100k und/oder einzelner Schleifkohlen 204 erfolgen. Gleichzeitig kann auf Grund von Werkstoffauswahl und Herstellungsverfahren eine erhebliche Kostenreduzierung erreicht werden. Ferner kann eine schwimmende Lagerung des Schleifbürstenrings 200 bereitgestellt sein, was eine ideale Stromkontaktierung der Welle 202 ermöglicht.
