RU2555699C1 - Device for spattering of thin film coatings on spherical rotor of electrostatic gyroscope - Google Patents
Device for spattering of thin film coatings on spherical rotor of electrostatic gyroscope Download PDFInfo
- Publication number
- RU2555699C1 RU2555699C1 RU2014122347/02A RU2014122347A RU2555699C1 RU 2555699 C1 RU2555699 C1 RU 2555699C1 RU 2014122347/02 A RU2014122347/02 A RU 2014122347/02A RU 2014122347 A RU2014122347 A RU 2014122347A RU 2555699 C1 RU2555699 C1 RU 2555699C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotation
- rotor
- axis
- angle
- inner frame
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при изготовлении роторов электростатических гироскопов.The invention relates to the field of precision instrumentation and can be used in the manufacture of rotors of electrostatic gyroscopes.
Сферический ротор (сплошной или полый тонкостенный), изготавливаемый, как правило, из бериллия, является основным узлом чувствительного элемента электростатического гироскопа (ЭСГ). Точность и уровень изготовления ротора во многом определяют качество и эксплуатационные характеристики гироскопов и систем, в которых эти гироскопы используются. Особенностью технологического процесса изготовления ротора ЭСГ является необходимость обеспечения требований по точности сферы (номинальный диаметр и некруглость) и по величине дисбаланса до десятых и сотых долей микрометра. При этом одной из наиболее важных технологических операций является нанесение на сферическую поверхность ротора тонкопленочного функционального покрытия, например, методом конденсации с ионной бомбардировкой или магнетронного напыления.A spherical rotor (solid or hollow thin-walled), made, as a rule, from beryllium, is the main node of the sensitive element of an electrostatic gyroscope (ESG). The accuracy and level of manufacture of the rotor largely determine the quality and performance of the gyroscopes and systems in which these gyroscopes are used. A feature of the manufacturing process of the ESG rotor is the need to provide requirements for the accuracy of the sphere (nominal diameter and non-circularity) and for the size of the imbalance to tenths and hundredths of a micrometer. In this case, one of the most important technological operations is the application of a thin-film functional coating onto the spherical surface of the rotor, for example, by condensation with ion bombardment or magnetron sputtering.
Таким покрытием может быть нитрид титана, обладающий износостойкостью, обеспечивающей посадки ротора при его скорости вращения до 180000 оборотов в минуту, позволяющий формировать на покрытии методом лазерного маркирования растровый рисунок для съема с ротора информационного сигнала. При этом к покрытию, помимо очевидных требований по адгезии к основе и структурной однородности, предъявляются жесткие требования по точности - разнотолщинность, которая выражается, в конечном счете, как некруглость ротора и не должна превышать сотых долей микрометра. Кроме того, может предъявляться требование по заданной конфигурации ротора, например его выполнение в виде эллипсоида вращения, вытянутого вдоль оси вращения. Это обусловлено тем, что для тонкостенного варианта ротора при вращении на рабочих оборотах исходная эллипсоидальная конструкция под действием центробежных сил трансформируется в правильную сферу. Разность полуосей эллипсоида вращения может составлять 1,5-4,0 микрометра. Указанную конфигурацию также можно получать в процессе напыления, обеспечивая монотонное изменение толщины покрытия на поверхности ротора по заданному закону. Очевидно, что это требует возможности управления процессом напыления в части регулирования толщины покрытия, причем требования по точности на уровне сотых долей микрометра сохраняются.Such a coating can be titanium nitride, which has wear resistance, which ensures the landing of the rotor at its rotation speed of up to 180,000 rpm, which allows forming a raster pattern on the coating by laser marking for acquiring an information signal from the rotor. At the same time, in addition to the obvious requirements for adhesion to the substrate and structural homogeneity, stringent requirements are imposed on the accuracy - the thickness difference, which is expressed, ultimately, as the non-circularity of the rotor and should not exceed hundredths of a micrometer. In addition, there may be a requirement for a given configuration of the rotor, for example, its implementation in the form of an ellipsoid of revolution, elongated along the axis of rotation. This is due to the fact that for a thin-walled version of the rotor, when rotating at working speeds, the initial ellipsoidal structure under the action of centrifugal forces is transformed into the correct sphere. The difference between the semiaxes of the ellipsoid of revolution can be 1.5-4.0 micrometers. The specified configuration can also be obtained in the process of spraying, providing a monotonic change in the thickness of the coating on the surface of the rotor according to a given law. Obviously, this requires the ability to control the spraying process in terms of controlling the thickness of the coating, and the accuracy requirements at the level of hundredths of a micrometer remain.
Процесс получения покрытий с указанной точностью связан с обеспечением строго одинаковых условий напыления на всех участках ротора, а это обуславливает необходимость постоянного вращения ротора по отношению к потоку напыляемого материала. Данная проблема решается созданием устройств, позволяющих поворачивать ротор относительно потока напыляемого материала, вращая его, по меньшей мере, относительно двух осей. При этом значимыми факторами являются взаимная ориентация указанных осей вращения и соотношение угловых скоростей вращения. Возможность получения покрытий переменной толщины связана с регулированием значимых параметров процесса напыления в строго определенных диапазонах соотношений.The process of obtaining coatings with the indicated accuracy is associated with ensuring exactly the same spraying conditions in all parts of the rotor, and this necessitates a constant rotation of the rotor with respect to the flow of the sprayed material. This problem is solved by creating devices that allow you to rotate the rotor relative to the flow of the sprayed material, rotating it at least with respect to two axes. Significant factors are the mutual orientation of the indicated axes of rotation and the ratio of the angular velocities of rotation. The possibility of obtaining coatings of variable thickness is associated with the regulation of significant parameters of the spraying process in strictly defined ranges of ratios.
Известно устройство для напыления тонкопленочных функциональных покрытий на сферический ротор электростатического гироскопа [С.Н. Беляев, А.Г. Щербак. Средства оснащения процессов напыления покрытий на узлы гироприборов, имеющих форму тел вращения // Навигация и управление движением / Материалы юбилейной Х конференции молодых ученых. - СПб: ГНЦ РФ «ЦНИИ «Электроприбор», 2009, с. 68-73], в котором в процессе напыления фиксация сферического ротора ЭСГ осуществляется пружинной скобой и двумя встречно-поджатыми упорами, закрепленными на двух соосных стержнях. Ось стержней проходит через геометрический центр ротора и является основной осью его вращения. Кроме того, в процессе напыления предусматривается изменение угла наклона основной оси вращения ротора к оси однородного потока напыляемого материала. Это обеспечивается за счет того, что один стержень закреплен в неподвижном шарнире, а второй зафиксирован в шарнире на диске, также вращающемся вокруг своей оси. При этом эксцентриситет закрепления шарнира относительно центра диска подобран так, чтобы суммарный угол отклонения оси вращения ротора относительно оси вращения диска составлял 90°. Это позволяет ориентировать всю поверхность напыляемой сферы в зоне потока напыляемого материала за счет дополнительного вращения стержней с напыляемым ротором.A device for spraying thin-film functional coatings on a spherical rotor of an electrostatic gyroscope [S.N. Belyaev, A.G. Scherbak. Means of equipping the processes of spraying coatings on the nodes of gyroscopes having the form of bodies of revolution // Navigation and Motion Control / Materials of the jubilee X conference of young scientists. - St. Petersburg: State Research Center of the Russian Federation Central Research Institute Electropribor, 2009, p. 68-73], in which, in the process of spraying, the fixation of the ESG spherical rotor is carried out by a spring clip and two counter-pressed stops fixed on two coaxial rods. The axis of the rods passes through the geometric center of the rotor and is the main axis of its rotation. In addition, during the spraying process, a change in the angle of inclination of the main axis of rotation of the rotor to the axis of the uniform flow of the sprayed material is provided. This is due to the fact that one rod is fixed in a fixed hinge, and the second is fixed in a hinge on a disk that also rotates around its axis. In this case, the eccentricity of fixing the hinge relative to the center of the disk is selected so that the total angle of deviation of the axis of rotation of the rotor relative to the axis of rotation of the disk is 90 °. This allows you to orient the entire surface of the sprayed sphere in the flow zone of the sprayed material due to the additional rotation of the rods with the sprayed rotor.
Данное техническое решение имеет следующие недостатки. Прежде всего, это невысокая точность получаемого покрытия в части его разнотолщинности, поскольку в процессе напыления ротора циклически изменяется его расстояние и от источника напыляемого материала (мишени), и от оси симметрии потока напыляемого материала, т.е. ротор находится в зонах, где может быть разная плотность потока напыляемого материала. Также имеют место технические сложности, связанные с обеспечением необходимой кинематики ротора в рабочем объеме, поскольку величина перемещений ротора ограничена зоной потока напыляемого материала, т.е. возможны противоречия между необходимыми и допустимыми значениями перемещений ротора в процессе напыления. Кроме того, дополнительные проблемы у данного аналога заключаются в необходимости учитывать экранирующее влияние пружинной скобы, в которой закреплен ротор. Для уменьшения эффекта экранирования, что крайне важно, скобу необходимо удалять от ротора, т.е. увеличивать ее размеры. А это усугубляет указанные выше сложности обеспечения требуемой кинематики.This technical solution has the following disadvantages. First of all, this is the low accuracy of the resulting coating in terms of its thickness difference, since during the spraying of the rotor, its distance from the source of the sprayed material (target) and from the axis of symmetry of the flow of sprayed material cyclically changes, i.e. the rotor is located in areas where there may be different flux densities of the sprayed material. There are also technical difficulties associated with providing the necessary kinematics of the rotor in the working volume, since the amount of rotor movements is limited by the flow zone of the sprayed material, i.e. possible contradictions between the necessary and permissible values of the rotor displacements during the spraying process. In addition, additional problems with this analogue are the need to take into account the shielding effect of the spring clip in which the rotor is mounted. To reduce the effect of shielding, which is extremely important, the bracket must be removed from the rotor, i.e. increase its size. And this exacerbates the above difficulties of providing the required kinematics.
Известно устройство для плазменного напыления шаровых поверхностей [Патент РФ №2070606], где напыляемые детали закрепляют на основании, установленном на приводном валу, содержащее рабочую камеру с размещенными в ней плазмотроном и механизмом перемещения деталей, который выполнен в виде закрепленного на приводном валу основания. Основание посредством штанг и шарниров связано с держателями деталей, которые взаимодействуют с кольцевыми направляющими, имеющими в зоне действия плазмотрона, т.е. потока напыляемого материала, винтовую поверхность. При вращении основания держатель с деталью набегает на винтовую поверхность направляющих, при этом соединенный с ними шарнир под действием центробежных сил изгибается в одном направлении, так как направляющие установлены на разных уровнях. Достигая вершины подъема, шарниры выравниваются, благодаря установке направляющих на одинаковом уровне. При сбегании держателя с деталью, в результате установки направляющих на разном уровне и в противоположном направлении по сравнению с зоной набегания, шарниры также изгибаются в противоположном направлении. Это обеспечивает последовательное напыление вначале одной, а затем другой боковой части шаровой поверхности детали.A device for plasma spraying of ball surfaces is known [RF Patent No. 2070606], where the sprayed parts are fixed on a base mounted on a drive shaft, containing a working chamber with a plasma torch and a mechanism for moving parts, which is made in the form of a base mounted on a drive shaft. The base by means of rods and hinges is connected with the holders of the parts, which interact with the annular guides having in the zone of action of the plasma torch, i.e. sprayed material flow, screw surface. When the base rotates, the holder with the part runs onto the helical surface of the guides, while the joint connected to them under the action of centrifugal forces bends in one direction, since the guides are installed at different levels. Reaching the top of the lift, the hinges align, thanks to the installation of rails at the same level. When the holder runs off with the part, as a result of the installation of the guides at a different level and in the opposite direction compared to the run-in zone, the hinges also bend in the opposite direction. This provides sequential spraying first of one and then the other side of the spherical surface of the part.
Можно отметить следующие недостатки данного аналога.The following disadvantages of this analogue can be noted.
1. Практическую невозможность получить покрытие с разнотолщинностью в десятые и сотые доли микрометра, что требуется для ротора ЭСГ, поскольку схема ориентации детали относительно потока напыляемого материала включает использование таких элементов, как винтовые направляющие, которые в принципе не могут обеспечить необходимую точность позиционирования.1. The practical impossibility of obtaining a coating with a thickness of tenths and hundredths of a micrometer, which is required for the ESG rotor, since the orientation of the part relative to the flow of the sprayed material involves the use of elements such as screw guides, which in principle cannot provide the necessary positioning accuracy.
2. Чрезмерную сложность функционирования устройства, обусловленную использованием в процессе напыления помимо винтовых направляющих и шарнирных сочленений таких трудно контролируемых процессов, как действие центробежных сил, задающих углы поворота детали.2. The excessive complexity of the operation of the device due to the use in the process of spraying in addition to screw guides and articulated joints of such difficult to control processes as the action of centrifugal forces that specify the rotation angles of the part.
3. Невысокое качество напыленного покрытия, в том числе и по равномерности, связанное с тем, что в процессе напыления детали изменяется ее расстояние от источника напыляемого материала (мишени), т.е. деталь находится в зонах с разной плотностью потока напыляемого материала.3. The low quality of the sprayed coating, including uniformity, due to the fact that during the spraying of a part its distance from the source of the sprayed material (target) changes, ie the part is located in areas with different flow densities of the sprayed material.
4. Кроме того, в данной конструкции существует теневая зона, прилегающая к держателям, в которой толщина покрытия заведомо меньше, чем на других участках сферы, что неприемлемо по отношению к прецизионным деталям и узлам гироскопических приборов.4. In addition, in this design there is a shadow zone adjacent to the holders, in which the coating thickness is obviously less than in other parts of the sphere, which is unacceptable in relation to precision parts and components of gyroscopic devices.
Не решают проблемы напыления тонкопленочных покрытий на прецизионные сферические изделия и технические решения, основанные на использовании нескольких источников напыления материала, например установка для напыления покрытий (патент Японии №6099803), в которой вокруг вращающегося держателя деталей размещены попарно противолежащие мишени магнетронных распылителей. В данном случае имеют место и теневой эффект, и неравнозначные условия напыления от различных мишеней. Такие же недостатки присущи и другим известным установкам - устройство для расположения образца в герметичной камере (патент Франции №2115822), манипулятор для сферических объектов (авт. св. СССР №1366385), вакуумная установка для нанесения покрытий (патент РФ №2058427).They do not solve the problem of spraying thin-film coatings on precision spherical products and technical solutions based on the use of several sources of material spraying, for example, a coating spraying machine (Japanese Patent No. 6099803), in which opposite magnetron sputter targets are placed in pairs around a rotating part holder. In this case, both the shadow effect and the unequal spraying conditions from various targets take place. The same disadvantages are inherent in other known installations - a device for positioning a sample in a sealed chamber (French patent No. 21585822), a manipulator for spherical objects (ed. St. USSR No. 1366385), a vacuum coating system (RF patent No. 2058427).
По наибольшему числу общих существенных признаков в качестве прототипа принято устройство для нанесения покрытий в вакуумных установках (патент РФ №2038416), содержащее камеру, внутри которой расположен испаритель и механизм вращения подложкодержателя с подложкой, выполненный в виде двух подвижных рамок, установленных одна в другую в опорах с возможностью независимого вращения каждой рамки от своего электродвигателя, причем электродвигатель внешней рамки неподвижно закреплен на корпусе камеры, а на внутренней рамке закреплены второй дополнительный электродвигатель и электродвигатель с установленным на валу подложкодержателем.According to the largest number of common essential features, the prototype is a device for coating in vacuum installations (RF patent No. 2038416), containing a chamber inside which an evaporator is located and a substrate holder rotation mechanism with a substrate, made in the form of two movable frames installed one into the other supports with the possibility of independent rotation of each frame from its electric motor, and the electric motor of the outer frame is fixedly mounted on the camera body, and the second one is fixed on the inner frame A complete electric motor and an electric motor with a substrate holder mounted on the shaft.
При включении электродвигателей подложка, выполненная, например, в форме шара, начинает вращаться в рамках относительно трех координатных осей. При этом происходит напыление всех поверхностей подложки. Выбранный закон распределения толщин реализуется за счет различных частот вращения электродвигателей.When the motors are turned on, the substrate, made, for example, in the form of a ball, begins to rotate within relatively three coordinate axes. In this case, all surfaces of the substrate are sprayed. The selected law of the distribution of thicknesses is implemented due to the different rotational speeds of the electric motors.
Приведенное устройство-прототип имеет следующие недостатки.The above prototype device has the following disadvantages.
1. Чрезмерная сложность конструкции устройства, связанная с его значительными габаритами и большой массой вследствие необходимости размещения в вакуумной камере электродвигателей, токоподводов, узлов, обеспечивающих вращение. Кроме того, в условиях использования конденсации с ионной бомбардировкой как наиболее эффективного метода получения качественных покрытий, необходимо наличие элементов изоляции приводов от опорного (ускоряющего) напряжения, подаваемого на напыляемую деталь.1. The excessive complexity of the design of the device associated with its significant size and large mass due to the need to place in a vacuum chamber electric motors, current leads, nodes, providing rotation. In addition, in conditions of using ion-bombardment condensation as the most effective method for obtaining high-quality coatings, it is necessary to have drive isolation elements from the reference (accelerating) voltage supplied to the sprayed part.
2. Массивные и имеющие большие габариты элементы конструкции устройства (электродвигатели, оси, рамки), пересекая в процессе вращения поток напыляемого материала, приводят к экранированию поверхности детали, т.е. создают теневые эффекты, существенно ухудшающие равномерность покрытия и форму сферы, которые являются важнейшими показателями качества покрытия в отношении ротора ЭСГ.2. Massive and large-sized structural elements of the device (electric motors, axes, frames), crossing the flow of sprayed material during rotation, lead to screening of the surface of the part, i.e. create shadow effects that significantly worsen the uniformity of the coating and the shape of the sphere, which are the most important indicators of the quality of the coating in relation to the rotor of the ECG.
3. Невысокое качество покрытия, обусловленное возможной нестабильностью работы электродвигателей и избыточного количества элементов кинематики, находящихся в зоне температур 300°C-400°C.3. The low quality of the coating, due to the possible instability of the electric motors and an excessive number of kinematic elements in the
4. Получение покрытий требуемой конфигурации (переменного профиля) в данном случае обеспечивается выбором различных частот вращения электродвигателей. Такая схема практически неприемлема для получения нужной формы ротора с точностью в сотые доли микрометра вследствие сложности подбора и, главное, сохранения стабильности в процессе напыления как частот вращения электродвигателей, так и их соотношения.4. Obtaining coatings of the required configuration (variable profile) in this case is ensured by the choice of different speeds of electric motors. Such a scheme is practically unacceptable for obtaining the desired rotor shape with an accuracy of hundredths of a micrometer due to the difficulty of selecting and, most importantly, maintaining stability during the deposition of both the rotational speeds of the electric motors and their ratio.
Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции и расширение технологических возможностей устройства для напыления тонкопленочных функциональных покрытий на сферические роторы электростатического гироскопа.The present invention is to simplify the design and expand the technological capabilities of the device for spraying thin-film functional coatings on spherical rotors of an electrostatic gyroscope.
Технический результат - повышение точности и качества нанесения тонкопленочных покрытий заданной конфигурации.EFFECT: increased accuracy and quality of applying thin-film coatings of a given configuration.
Согласно изобретению указанная задача решается тем, что рамки выполнены в виде концентричных полуколец, игольчатые упоры закреплены в диаметрально разнесенных точках на концах полукольца внутренней рамки; оси вращения рамок и ось игольчатых упоров пересекаются в одной точке, совпадающей с центром ротора, закрепленного в указанных упорах, при этом ось вращения внутренней рамки наклонена к оси вращения наружной рамки под углом α=35°-80°; привод вращения внутренней рамки выполнен в виде поворотно-шагового механизма, содержащего стержень, жестко связанный с корпусом камеры и расположенный за пределами зоны напыления, и зубчатое колесо, закрепленное на валу вращения внутренней рамки с внешней стороны наружной рамки. Опорный элемент этого вала выполнен в виде цилиндрического шарнира, установленного в наружной рамке с возможностью перемещения по окружности ее полукольца, причем количество и конфигурация зубьев колеса поворотно-шагового механизма определены из условия поворота внутренней рамки при контакте колеса со стержнем на угол β, составляющий 30°-90°.According to the invention, this problem is solved in that the frames are made in the form of concentric half rings, the needle stops are fixed at diametrically spaced points at the ends of the half rings of the inner frame; the axis of rotation of the frames and the axis of the needle stops intersect at one point coinciding with the center of the rotor fixed in the indicated stops, while the axis of rotation of the inner frame is inclined to the axis of rotation of the outer frame at an angle α = 35 ° -80 °; the rotation drive of the inner frame is made in the form of a rotary-step mechanism containing a rod rigidly connected to the camera body and located outside the spray zone, and a gear wheel mounted on the rotation shaft of the inner frame from the outer side of the outer frame. The supporting element of this shaft is made in the form of a cylindrical hinge mounted in the outer frame with the ability to move around the circumference of its half-ring, and the number and configuration of the teeth of the wheel of the rotary-step mechanism are determined from the condition of rotation of the inner frame when the wheel contacts the shaft by an angle β of 30 ° -90 °.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлен общий вид устройства, на фиг. 2 - схема позиционирования и ориентации ротора относительно потока напыляемого материала, на фиг. 3 - взаимная ориентация осей вращения ротора, представляющих собой диагонали вписанной в сферу ротора призмы, и на фиг. 4 - графические зависимости соотношений угла между осью вращения наружной рамки и осью вращения внутренней рамки и угла поворота зубчатого колеса с внутренней рамкой при его контакте со стержнем для различных величин некруглости ротора.The invention is illustrated in the drawing, where in FIG. 1 shows a general view of the device, FIG. 2 is a diagram of the positioning and orientation of the rotor relative to the flow of the sprayed material, FIG. 3 shows the relative orientation of the rotor axes, which are the diagonals of a prism inscribed in the sphere of the rotor, and FIG. 4 is a graph showing the relationship between the angle of rotation between the axis of rotation of the outer frame and the axis of rotation of the inner frame and the angle of rotation of the gear wheel with the inner frame when it comes in contact with the shaft for various rotor non-circularities.
На фиг. 1, 2, 3 и 4 обозначены:In FIG. 1, 2, 3 and 4 are indicated:
1 - корпус вакуумной камеры устройства для напыления;1 - the housing of the vacuum chamber of the device for spraying;
2 - размещенный в камере 1 испаритель напыляемого материала (мишень);2 - placed in the chamber 1 evaporator of the sprayed material (target);
3 - сферический ротор, на поверхность которого производится напыление тонкопленочного функционального покрытия;3 - a spherical rotor, on the surface of which a thin-film functional coating is sprayed;
4 - однородный поток напыляемого материала;4 - a uniform flow of sprayed material;
5, 6 - наружная и внутренняя рамки механизма вращения ротора 3, выполненные в виде концентричных полуколец;5, 6 - outer and inner frames of the mechanism of rotation of the
7 - игольчатые упоры для фиксации ротора 3, соосно закрепленные в диаметрально разнесенных точках на концах полукольца внутренней рамки 6;7 - needle stops for fixing the
8 - привод вращения (электродвигатель) наружной рамки 5, установленный на основании камеры 1;8 - rotation drive (electric motor) of the outer frame 5, mounted on the base of the camera 1;
9 - вал, закрепленный на рамке 5 и связывающий ее с приводом вращения 8;9 - a shaft mounted on a frame 5 and connecting it with a rotation drive 8;
10 - вал вращения, жестко связанный с внутренней рамкой 6;10 - shaft of rotation, rigidly connected with the inner frame 6;
11 - цилиндрический шарнир, закрепленный в наружной рамке 5 с возможностью перемещения по окружности ее полукольца и являющийся опорным элементом вала вращения 10 внутренней рамки 6;11 - a cylindrical hinge, mounted in the outer frame 5 with the possibility of movement around the circumference of its half ring and which is a supporting element of the rotation shaft 10 of the inner frame 6;
12 - зубчатое колесо поворотно-шагового механизма, закрепленное на валу вращения 10 внутренней рамки 6;12 - the gear of the rotary-step mechanism, mounted on the rotation shaft 10 of the inner frame 6;
13 - стержень поворотно-шагового механизма, жестко связанный с корпусом камеры 1;13 - the rod of the rotary-step mechanism, rigidly connected with the camera body 1;
14, 15 - направления перемещения цилиндрического шарнира 11 по окружности полукольца внутренней рамки 6;14, 15 - the direction of movement of the cylindrical hinge 11 around the circumference of a semicircle of the inner frame 6;
16 - окружность, которая образована пересечением плоскости, перпендикулярной оси вала 10 (O3O4) внутренней рамки 6, со сферической поверхностью ротора 3, и на которой лежат точки (a, b, c, d), при поворотах рамки 6 с ротором 3 последовательно занимающие позиции на оси потока 4, соответствующие минимальному расстоянию до испарителя 2, т.е. отвечающие условию перпендикулярного падения потока 4 на поверхность ротора 3;16 - a circle that is formed by the intersection of a plane perpendicular to the axis of the shaft 10 (O 3 O 4 ) of the inner frame 6, with the spherical surface of the
17 - окружность на сферической поверхности ротора 3, которая симметрична окружности 16 и на которой лежат точки (a1, b1, c1, d1);17 - a circle on the spherical surface of the
18 - окружность, перпендикулярная оси вала 9, центр которой совпадает с геометрическим центром ротора 3 и в которой лежит ось потока 4;18 - a circle perpendicular to the axis of the
19, 20 - параллельные плоскости, перпендикулярные оси вращения наружной рамки 5, которые равноудалены от геометрического центра ротора 3 и которые имеют внешние точки касания с окружностями 16 (a, b, c, d) и 17 (a1, b1, c1, d1), причем эти точки касания симметричны относительно центра ротора 3 и на окружностях 16 и 17 соответствуют позициям, наиболее близким к оси вращения наружной рамки 5;19, 20 - parallel planes perpendicular to the axis of rotation of the outer frame 5, which are equidistant from the geometric center of the
21 - шаровой слой, образованный плоскостями 19 и 20;21 - a spherical layer formed by
22, 23 - плоскости, перпендикулярные оси вращения O3O4 внутренней рамки 6 и равноудаленные от геометрического центра ротора 3, с размещением в окружностях, которые образуются при пересечении этих плоскостей со сферой ротора 3 вершин (e, f, g, h, e1, f1, g1, h1) правильной многогранной призмы, вписанной в сферу ротора 3, при этом диагонали (g,e1, f,h1, e,g1, h, f1) призмы поочередно после каждого циклического поворота ротора 3 вокруг оси вращения внутренней рамки 6 совмещаются с осью вращения наружной рамки 5;22, 23 - planes perpendicular to the axis of rotation O 3 O 4 of the inner frame 6 and equidistant from the geometric center of the
O1O2 - ось постоянного вращения вала 9 с наружной рамкой 5;O 1 O 2 - axis of constant rotation of the
O3O4 - ось циклического вращения вала 10 с внутренней рамкой 6;O 3 O 4 - the axis of cyclic rotation of the shaft 10 with the inner frame 6;
O5O6 - ось игольчатых упоров 7;O 5 O 6 - axis of the needle stops 7;
О - геометрический центр ротора 3, в котором пересекаются оси O1O2, O3O4 и O5O6;O is the geometric center of the
О* - центр окружности 16, на которой лежат точки a, b, c, d;О * is the center of
α - угол между осью вращения O1O2 наружной рамки 5 и осью вращения O3O4 внутренней рамки 6;α is the angle between the axis of rotation O 1 O 2 of the outer frame 5 and the axis of rotation O 3 O 4 of the inner frame 6;
β - угол поворота зубчатого колеса 12 с валом 10 и внутренней рамкой 6 при контакте колеса 12 со стержнем 13;β is the angle of rotation of the gear wheel 12 with the shaft 10 and the inner frame 6 when the wheel 12 contacts the shaft 13;
а, b, с, d и а1, b1, c1, d1 - точки на поверхности ротора 3, лежащие на окружностях 16 и 17 соответственно, со смещением одна относительно другой на каждой окружности на угол 90°;a, b, c, d and a 1 , b 1 , c 1 , d 1 - points on the surface of the
a2 - точка на окружности, образованной пересечением плоскости 20 со сферой ротора 3, диаметрально противоположная точке a1;a 2 is a point on the circle formed by the intersection of the
c2 - точка на окружности, образованной пересечением плоскости 19 со сферой ротора 3, диаметрально противоположная точке с;c 2 is a point on the circle formed by the intersection of the
е, f, g, h и e1, f1, g1, h1 - точки на поверхности ротора 3, лежащие на окружностях, образованных пересечением плоскостей 22 и 23 со сферой ротора 3, и представляющие собой вершины правильной многогранной призмы (e, f, g, h, e1, f1, g1, h1,), вписанной в сферу ротора 3;e, f, g, h and e 1 , f 1 , g 1 , h 1 are points on the surface of
ab - дуга на сферической поверхности ротора с центром в точке О*, являющаяся частью окружности 16;ab is an arc on the spherical surface of the rotor centered at the point O *, which is part of
а* - точка, соответствующая середине дуги ab;a * is the point corresponding to the middle of the arc ab;
с* - точка пересечения оси O1O2 со сферой ротора 3;c * is the point of intersection of the axis O 1 O 2 with the sphere of the
γ - угловое смещение точек с и с* на сфере ротора 3;γ is the angular displacement of points c and c * on the sphere of
Ω - коэффициент, равный отношению Δ/Y, где Δ - некруглость ротора и Y - толщина напыленного покрытия;Ω is a coefficient equal to the ratio Δ / Y, where Δ is the non-circularity of the rotor and Y is the thickness of the sprayed coating;
I - область выбора соотношений углов α и β для варианта получения равномерной толщины покрытия по всей поверхности ротора 3;I is the selection area of the ratio of angles α and β for the option of obtaining a uniform coating thickness over the entire surface of the
II - область выбора соотношений углов α и β для варианта формирования переменной толщины покрытия с большей толщиной в зоне образуемого шарового слоя 21, высота которого заведомо меньше диаметра ротора 3.II - the selection region of the ratio of angles α and β for the option of forming a variable coating thickness with a larger thickness in the zone of the formed
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.The proposed device operates as follows.
1) Сферический ротор 3 с помощью игольчатых упоров 7 фиксируют во внутренней рамке 6, выполненной в виде полукольца (фиг. 1). Игольчатые упоры 7 имеют крайне малую площадь контакта с ротором 3, исключающую возможность появления дефектов покрытия в этом месте, тем более что на поверхности ротора 3 предполагаются позиции, где выполняются лазерные метки, растровый рисунок и т.д., с которыми места контакта игольчатых упоров могут совмещаться. Упоры 7 диаметрально разнесены, т.е. их ось O5O6 проходит через центр О ротора. Ориентация оси О5О6 относительно осей O1O2 и O3O4 зависит от конкретных требований к ротору, например заданной переменной толщины покрытия относительно динамической оси ротора, и для рассматриваемого изобретения не является принципиальной. Очевидным является расположение центра ротора 3 на оси однородного потока 4 при том, что зона напыления (на фиг. 1 не обозначена) превышает диаметр ротора 3, а также выбор длины игольчатых упоров 7 такой, чтобы при вращении вокруг оси O1O2 нижняя часть рамки не экранировала ротор 3 от потока 4 материала, испаряемого с мишени 2.1) The
2) Внутреннюю рамку 6 ориентируют таким образом, чтобы угол между осью постоянного вращения O1O2 вала 9 наружной рамки 5 и осью циклического вращения O3O4 вала 10 внутренней рамки 6 составлял величину α. Конкретное значение угла α определяется техническими требованиями к изделию в части параметров тонкопленочного покрытия. Необходимая ориентация внутренней рамки 6 (т.е. требуемая величина угла α) обеспечивается посредством перемещения цилиндрического шарнира 11, закрепленного в наружной рамке 5, по окружности ее полукольца в направлении 14 или 15. Практически это может быть реализовано, например, посредством выполнения в полукольце наружной рамки 5 сквозного паза, в котором может перемещаться и жестко фиксироваться с помощью крепежных элементов шарнир 11, являющийся опорным элементом вала 10 поворотно-шагового механизма. Это определяет необходимость концентричности полуколец наружной 5 и внутренней 6 рамок, поскольку таким образом обеспечивается возможность при перемещении шарнира 11 вдоль полукольца рамки 6 сохранять условие пересечения осей O1O2, O3O4 и O5O6 в одной точке - геометрическом центре О ротора 3, что является весьма важным для функционирования устройства.2) The inner frame 6 is oriented so that the angle between the axis of constant rotation O 1 O 2 of the shaft 9 of the outer frame 5 and the axis of cyclic rotation O 3 O 4 of the shaft 10 of the inner frame 6 is α. The specific value of the angle α is determined by the technical requirements for the product in terms of the parameters of the thin-film coating. The necessary orientation of the inner frame 6 (i.e., the required angle α) is achieved by moving the cylindrical hinge 11 fixed in the outer frame 5 around the circumference of its half ring in the direction 14 or 15. In practice, this can be realized, for example, by performing in the half ring the outer frame 5 of the through groove, in which the hinge 11, which is the supporting element of the shaft 10 of the rotary-step mechanism, can be moved and rigidly fixed using fasteners. This determines the need for concentricity of the semicircles of the outer 5 and inner 6 frames, since in this way it is possible to move the hinge 11 along the semicircle of the frame 6 to maintain the condition of the intersection of the O 1 O 2 , O 3 O 4 and O 5 O 6 axes at one point - the geometric
При сборке ротора в устройстве, исходя из решаемой задачи, задают угол поворота β ротора 3 с рамкой 6 вокруг оси O3O4 посредством выбора конфигурации зубчатого колеса 12 и положения стержня 13 поворотно-шагового механизма, который срабатывает после каждого поворота наружной рамки 5 вокруг оси O1O2 на угол 360°. Задавая углы наклона и количество зубьев колеса 12, можно варьировать угол поворота β вокруг оси O3O4 в пределах от 30° до 90°. Этот диапазон в полной мере обеспечивает возможные требования по размерным параметрам напыленного покрытия. Для наглядности на фиг. 2 и фиг. 3 угол β принят равным 90°.When assembling the rotor in the device, based on the problem being solved, the angle of rotation β of the
3) Начальное положение ротора 3 и изменение его ориентации относительно оси однородного потока 4 напыляемого материала при функционировании устройства представлено на фиг. 2. В этом положении точка а располагается на оси потока 4 и на окружности 16 и является максимально приближенной к источнику распыления 2 точкой ротора 3, т.е. ось потока 4 перпендикулярна плоскости, касательной к ротору 3 в точке а. Это соответствует наибольшей скорости осаждения материала покрытия для данных условий. При включении привода 8 и вращении вала 9 с рамками 5, 6 и ротором 3 вокруг оси O1O2 точка а перемещается по окружности 18, и при повороте на 180° на ее первоначальную позицию попадает точка c1, диаметрально противоположная точке а и лежащая на окружности 17. При дальнейшем вращении вокруг оси O1O2 через 180° точка а попадает в исходную позицию. В этот момент времени (после поворота рамки 5 на 360°) зубчатое колесо 12 входит в контакт со стержнем 13 и срабатывает поворотно-шаговый механизм, обеспечивающий поворот колеса 12, жестко связанного с валом 10, вместе с рамкой 6 и ротором 3 на заданный угол β, принятый, как указывалось, равным 90°. Этот поворот осуществляется относительно наружной рамки 5, в которой закреплен цилиндрический шарнир 11, являющийся опорным элементом вала 10. При этом ротор 3 проворачивается относительно оси O3O4, и на позицию, которую занимала точка а, перемещается точка d, на ее место становится точка с, а сама точка а перемещается в позицию точки b. Очевидно, что перемещение точек происходит по траектории, определяемой окружностью 16. Соответственно имеет место перемещение точек a1, b1, c1 и d1 по окружности 17.3) The initial position of the
Следует отметить, что циклический поворот ротора 3 вокруг оси O3O4 происходит за определенное время, в течение которого ротор продолжает вращаться и вокруг оси O1O2. Но, поскольку угол поворота вокруг оси O1O2, за который ротор повернется на угол β вокруг оси O3O4, составляет 1-3°, а ротор в целом совершает несколько десятков оборотов, можно считать изменение позиции ротора 3 при повороте вокруг оси O3O4 одномоментным и влияние этого фактора на точность формируемого покрытия не учитывать. Диаметр D1 окружностей 16 и 17 можно определить из выражения:It should be noted that the cyclic rotation of the
где Dp - диаметр ротора 3.where D p is the diameter of the
Высота Dш шарового слоя 21 определяется зависимостью;The height D W of the
где Dш - высота шарового слоя 21, заключенного между параллельными плоскостями 19 и 20.where D W - the height of the
Согласно выражению (1), при уменьшении угла α значение диаметра D1 увеличивается, а увеличение диаметра D1 приводит к увеличению расстояния между точками а и b, b и с, с и d, которые определяют смену позиций ротора при повороте на угол β. На фиг. 2 это расстояние обозначено дугой ab, являющейся частью окружности 16. Отсюда следует, что углы α и β связаны определенной зависимостью, т.е. для обеспечения равномерности покрытия при уменьшении угла α необходимо уменьшать величину угла β. Этот фактор, с учетом обеспечения равномерности покрытия на всей поверхности ротора 3, можно определить как значимый для процесса напыления в целом.According to expression (1), with a decrease in the angle α, the value of the diameter D 1 increases, and an increase in the diameter D 1 leads to an increase in the distance between the points a and b, b and c, c and d, which determine the change of rotor positions when turning through angle β. In FIG. 2, this distance is indicated by the arc ab, which is part of the
При втором повороте ротора 3 вокруг оси O3O4 на 90° (после следующего поворота на 360° вокруг оси O1O2) в исходную позицию точки а на оси потока 4 перемещается точка с, при третьем - точка b и т.д. Очевидно, что на каждые четыре полных оборота вокруг оси O1O2 ротор 3 совершает один оборот вокруг оси O3O4.The second rotation of the
Таким образом, чем больше сферическая поверхность шарового слоя 21, тем более высокая равнозначность условий напыления и, как следствие, более высокая равномерность покрытия. Из выражения (2) следует, что оптимальным значением угла α является 45°, когда высота Dш шарового слоя 21 равна диаметру Dp ротора 3, т.е. вся поверхность ротора 3 находится в зоне, множество точек которой поочередно занимают позиции на оси потока 4, что обеспечивает наиболее высокую однородность и равномерность покрытия. Увеличение угла α до значения, большего или меньшего чем 45°, для изменения диаметра Dш возможно при необходимости формирования на роторе покрытия переменной толщины. При этом очевидно, что угол α, равный 45°, является средней (оптимальной) величиной в диапазоне значений углов α, который меняется в зависимости от конкретных требований к ротору и условий процесса напыления.Thus, the larger the spherical surface of the
Следует отметить, что чем меньше величина угла β циклического поворота ротора 3 вокруг оси О3О4, тем большее количество точек зоны шарового пояса 21 будут поочередно проходить позицию пересечения оси потока 4 со сферой ротора 3, т.е. позицию точки а. Оптимальные соотношения величин углов α и β можно определить, исходя из общих положений теории вакуумного напыления и технических требований к формируемому покрытию.It should be noted that the smaller the angle β of the cyclic rotation of the
4) Можно показать (фиг. 3), что на каждом новом повороте на 360° вокруг оси O1O2 в результате поворота вокруг оси O3O4 у ротора 3 появляется новая (по отношению к телу ротора) ось вращения, совмещаемая на данный момент с осью O1O2. Определить эти оси вращения можно, обозначив вписанный в сферу ротора 3 многогранник, который для варианта поворота ротора вокруг оси O3O4 на 90° через каждые 360° поворота вокруг оси O1O2 будет представлять собой правильную четырехгранную призму (фиг. 3). Вершинами этой призмы являются точки е, f, g, h и e1, f1, g1, h1, лежащие на окружностях, образованных пересечением плоскостей 19 и 20, перпендикулярных оси O3O4 и равноудаленные от центра О ротора 3, со сферой ротора. При этом диагонали призмы eg1, ge1, hf1 и fh1 поочередно после каждого циклического поворота ротора 3 вокруг оси O3O4 совмещаются с осью O1O2, выполняя функцию новой оси вращения и задавая изменение ориентации участков поверхности ротора к потоку 4 напыляемого материала. В общем случае число граней многогранника (и соответственно количество осей вращения) определяется зависимостью 360°/β,4) It can be shown (Fig. 3) that at each new rotation of 360 ° around the O 1 O 2 axis as a result of rotation around the O 3 O 4 axis, a new (in relation to the rotor body) rotation axis appears on the
Таким образом, в процессе напыления у ротора 3 последовательно меняются оси вращения относительно потока 4 напыляемого материала. А поскольку эти оси вращения имеют пространственную ориентацию (например, для куба при α=45° и β=90° все оси взаимно перпендикулярны), то в целом вращение ротора 3 осуществляется в трехмерной системе координат, причем ориентация участков ротора в этих координатах задается и регулируется изменением угла между осями постоянного и циклического вращения, а также величиной угла циклического поворота ротора.Thus, during the spraying process at the
5) Определяя точность формируемого покрытия для схемы, представленной на фиг. 1-3, целесообразно оперировать величиной отклонения от сферической формы (некруглостью) ротора в двух сечениях:5) Determining the accuracy of the formed coating for the circuit shown in FIG. 1-3, it is advisable to operate with the deviation from the spherical shape (non-circularity) of the rotor in two sections:
- перпендикулярного оси O1O2 - экваториального сечения;- perpendicular axis O 1 O 2 - equatorial section;
- перпендикулярного оси O3O4 - меридионального сечения.- perpendicular axis O 3 O 4 - meridional section.
Можно считать, что равномерность толщины покрытия в экваториальном сечении ротора в условиях вращения с постоянной скоростью вокруг оси О1O2 обеспечивается на достаточно высоком уровне.We can assume that the uniformity of the coating thickness in the equatorial section of the rotor under conditions of rotation with a constant speed around the axis O 1 O 2 is provided at a sufficiently high level.
Поскольку принято одномоментное изменение ориентации ротора 3 относительно потока 4 в результате циклического поворота вокруг оси O3O4 на угол β, когда точка а перемещается на позицию, в которой до этого была точка b, то для выявления значимых факторов процесса напыления и их влияния на равномерность формируемого покрытия, определяемую некруглостью ротора, на поверхности ротора можно выделить дугу ab с центром в точке О*, т.е. дуга ab является частью окружности 22 (фиг. 3). Точка а* соответствует середине дуги ab.Since the momentary change in the orientation of the
Согласно известным положениям процесса напыления [Ю.В. Кунченко, В.В. Кунченко. Модель формирования слоистой структуры покрытий, получаемых методом вакуумно-дугового осаждения // Физическая инженерия поверхности - Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина, 2005, т. 3, №3-4, стр. 199-207, http://www.pse.scpt.org.ua/en/jornal/3-4_05/4.pdfl толщина покрытия Yx в данной точке при напылении на криволинейные поверхности, к которым можно отнести и сферические, определяется выражением:According to the known provisions of the spraying process [Yu.V. Kunchenko, V.V. Kunchenko. The model of the formation of the layered structure of coatings obtained by vacuum-arc deposition // Physical surface engineering - Kharkov National University named after V.N. Karazina, 2005, vol. 3, No. 3-4, pp. 199-207, http://www.pse.scpt.org.ua/en/jornal/3-4_05/4.pdfl coating thickness Y x in this point when spraying on curved surfaces, which can be attributed to spherical, is determined by the expression:
где φ - угол (на фиг. 1-3 не обозначен) между направлением потока и нормалью к плоскости, касательной к сферической поверхности в данной точке, Y - толщина покрытия в позиции, соответствующей точке а (фиг. 2), где ось потока 4 перпендикулярна плоскости, касательной к ротору 3 в точке а, т.е. угол φ=0°.where φ is the angle (not shown in Fig. 1-3) between the flow direction and the normal to the plane tangent to the spherical surface at a given point, Y is the coating thickness in the position corresponding to point a (Fig. 2), where the axis of the
Очевидно, что для схемы, представленной на фиг. 1-3, существует взаимосвязь углов α, β и φ, определив которую можно технически корректно осуществлять выбор таких значимых параметров процесса напыления, какими являются углы α и β.Obviously, for the circuit shown in FIG. 1-3, there is a relationship between the angles α, β and φ, having determined which it is possible to technically correctly select such significant parameters of the deposition process as the angles α and β.
Следует учитывать, что угол α задает конфигурацию шарового слоя 21 на роторе 3, т.е. некруглость ротора 3 в меридиональном сечении, а угол β - равномерность покрытия по толщине в пределах сформированного шарового слоя 21, т.е. приоритетным параметром процесса напыления на сферу является значение угла α.It should be noted that the angle α defines the configuration of the
На основе положений векторной алгебры [Лурье А.И. Аналитическая механика // М.: Физматлит, 1961, 824 с.], используя матрицу поворота в трехмерной системе координат на угол β вокруг оси O3O4, можно получить координаты вектора Ob, в который переходит вектор Оа при повороте и который является нормалью к плоскости, касательной к сфере ротора в точке b. Скалярно умножая единичный вектор направления потока на полученный вектор нормали, для точки b получаем угол φ между направлением потока и нормалью к плоскости, определяемый выражением:Based on the provisions of vector algebra [A. Lurie Analytical mechanics // M .: Fizmatlit, 1961, 824 pp.], Using the rotation matrix in a three-dimensional coordinate system at an angle β around the axis O 3 O 4 , we can obtain the coordinates of the vector Ob, into which the vector Oa goes during rotation and which is normal to the plane tangent to the sphere of the rotor at point b. Scalarly multiplying the unit flow direction vector by the normal vector obtained, for point b we obtain the angle φ between the flow direction and the normal to the plane, defined by the expression:
Соответственно, для точки а* (для дуги аа*) получаем:Accordingly, for the point a * (for the arc aa *) we obtain:
Рассматривая совместно два цикла напыления: первый, когда на оси потока 4 находится точка b, и второй, когда на этой оси размещается точка а, с учетом приведенной зависимости (3) можно определить толщину покрытия в точках а, b и а*. Очевидно, что чем меньше угол β, тем короче длина дуги ab, соответственно меньше угол φ, и имеет место более равномерная толщина покрытия.Considering two spraying cycles together: the first, when point b is located on the axis of
Считая, что для точек а и b за два цикла напыления суммарная толщина покрытия составит величину Y1:Assuming that for points a and b in two spraying cycles, the total coating thickness will be Y 1 :
а для точки а* - величину Y2:and for the point a * - the value of Y 2 :
можно определить величину некруглости Δ ротора, как разницу:the rotor non-circularity Δ can be determined as the difference:
При шаговом изменении позиций напыления, обеспечиваемой рассматриваемой схемой, разница толщин в смежных областях выделенной дуги ab, т.е. с одной стороны в точках а и b, где толщина одинакова, и с другой стороны в точке а*, будет характеризовать некруглость Δ ротора в меридиональном сечении.With a step change in the spraying positions provided by the considered scheme, the thickness difference in adjacent areas of the selected arc ab, i.e. on the one hand at points a and b, where the thickness is the same, and on the other hand at point a *, will characterize the non-circularity Δ of the rotor in the meridional section.
С учетом изложенного для определения угла φ целесообразно ввести параметр Ω=Δ/Y и, используя выражения (6) и (7), можно представить зависимость:In view of the above, to determine the angle φ it is advisable to introduce the parameter Ω = Δ / Y and, using expressions (6) and (7), we can represent the dependence:
Очевидно, что полученные аналитические зависимости могут быть только составной частью конечных выражений для определения таких параметров процесса напыления, как углы α и β, причем эти выражения являются полуэмпирическими и обусловлены конкретными условиями процесса напыления.Obviously, the obtained analytical dependences can only be an integral part of the final expressions for determining such parameters of the deposition process as angles α and β, and these expressions are semi-empirical and are determined by the specific conditions of the deposition process.
Решение зависимости (9) выполнено в графическом виде, где представлено изменение величины угла β от угла α при заданных реальных значениях, Ω=Δ/Y (фиг. 4).The dependence (9) was solved in a graphical form, which shows the change in the value of angle β from angle α for given real values, Ω = Δ / Y (Fig. 4).
Соответственно, для угла α, оптимальная величина которого, как показано выше, составляет 45°, можно установить диапазон значений с учетом того, что при изменении угла α обеспечивается сохранение в соседних точках ротора разности толщин покрытия, определяемое согласно выражению (3), в допустимых пределах. Наглядно это можно представить при угле α>45°, рассматривая дугу сс*) на примере точек с и с* (фиг. 2), где точка с лежит на границе шарового пояса 21 (находится на окружностях 16 и 19), а точка с* соответствует пересечению оси O1O2 со сферой ротора. В позиции, когда точка с находится на оси потока 4, для точки с* угол γ между направлением потока 4 и нормалью к плоскости, касательной к сферической поверхности в точке с*, равен углу сОс*. При этом точка с* находится за пределами шарового пояса и не занимает место на оси потока 4.Accordingly, for the angle α, the optimum value of which, as shown above, is 45 °, a range of values can be established taking into account the fact that when the angle α is changed, the difference in coating thicknesses, which is determined according to expression (3), is maintained at limits. This can be visualized at an angle α> 45 °, considering the arc cc *) using the example of points c and c * (Fig. 2), where point c lies on the boundary of the ball zone 21 (located on
По аналогии с приведенными выражениями (3) и (8) можно записать Δ=Yc-Yc*=Y-Y·cosφc*=Y-(1-cosγ), откуда следует γ=arcos(1-Δ/Y).By analogy with the above expressions (3) and (8), we can write Δ = Y c -Y c * = YY · cosφ c * = Y- (1-cosγ), which implies γ = arcos (1-Δ / Y).
Определяя значения γ для реального соотношения Ω=Δ/Y, равного 0,05 при Δ=0,02 мкм и h=0,4 мкм, получаем выражение для угла γ: γ≤18,2°. Отсюда по построению можно аналитически определить диапазон значений угла α. Т.к. α=1/2(90+γ), то этот диапазон будет составлять а≈36°-54°. При этом для углов α>54° будет иметь место формирование покрытия переменной толщины с большей толщиной Y в зоне образуемого шарового слоя 21, высота Dш которого заведомо меньше диаметра Dp ротора 3. Очевидно, что ориентация покрытия переменной толщины относительно, например, динамической оси вращения ротора задается углом наклона оси O5O6 относительно оси потока 4.Determining the values of γ for the real ratio Ω = Δ / Y equal to 0.05 at Δ = 0.02 μm and h = 0.4 μm, we obtain the expression for the angle γ: γ≤18.2 °. Hence, by construction, one can analytically determine the range of values of the angle α. Because α = 1/2 (90 + γ), then this range will be a≈36 ° -54 °. Moreover, for angles α> 54 °, a coating of variable thickness with a larger thickness Y will form in the zone of the formed
Углы α<36° в рамках данного описания не рассматриваются, поскольку в этом случае также формируется переменная толщина покрытия, однако методика расчета будет иной, учитывающей то, что зона ротора, где образуется покрытие большей толщины, ориентируется иначе, чем для углов α>54°. Для настоящего изобретения конкретная схема функционирования устройства не является принципиальной.Angles α <36 ° are not considered in the framework of this description, since in this case a variable coating thickness is also formed, however, the calculation procedure will be different, taking into account the fact that the rotor zone where the coating is thicker is oriented differently than for angles α> 54 °. For the present invention, the specific operation of the device is not fundamental.
Как указывалось, конечные зависимости для выявления оптимального соотношения углов α и β будут полуэмпирическими с учетом того, что имеет место исходная некруглость ротора, которая должна учитываться. При этом для указанных углов целесообразно оперировать диапазонами значений или величинами, которые нежелательно превышать.As indicated, the final dependencies to identify the optimal ratio of angles α and β will be semi-empirical, taking into account the fact that the initial non-circularity of the rotor takes place, which should be taken into account. Moreover, for these angles, it is advisable to operate with ranges of values or values that are undesirable to exceed.
6) Приведенная выше схема представлена исходя из условия получения максимально равномерного покрытия. Вместе с тем возможны технические ситуации, когда требуется нанесение тонкопленочного покрытия с заданной переменной толщиной. В данном случае подбором углов α и β можно задать зоны напыления, где, в соответствии с приведенными выше зависимостями, будут формироваться слои с различной толщиной hx с плавным и монотонным изменением толщины. На фиг. 4 обозначены полученные расчетные области выбора соотношений углов α и β для различных схем формирования покрытий:6) The above diagram is presented on the basis of the conditions for obtaining the most uniform coverage. At the same time, technical situations are possible when thin-film coating with a given variable thickness is required. In this case, by choosing the angles α and β, you can set the deposition zone, where, in accordance with the above dependences, layers with different thicknesses h x with a smooth and monotonous change in thickness will be formed. In FIG. Figure 4 shows the obtained calculation areas for choosing the ratio of the angles α and β for various coating formation schemes:
- равномерной толщины покрытия по всей поверхности ротора 3 (область I);- uniform coating thickness over the entire surface of the rotor 3 (region I);
- переменной толщины покрытия с большей толщиной в зоне образуемого шарового слоя 21, высота Dш которого заведомо меньше диаметра Dp ротора 3, при этом очевидно, что соотношение углов α и β в зоне II соответствует равномерной толщине только в пределах данного шарового слоя, определяемого конкретными значениями угла α.- a variable coating thickness with a larger thickness in the zone of the formed
Уточнение этих областей производится эмпирическим путем, исходя из реальных условий технологического процесса.The refinement of these areas is carried out empirically, based on the real conditions of the technological process.
Привязка профиля покрытия к функциональным элементам ротора, например к динамической оси вращения или вектору дисбаланса, осуществляется соответствующим позиционированием ротора при его фиксации в игольчатых упорах и ориентацией оси упоров относительно осей вращения ротора. В целом практическая реализация перечисленных возможных вариантов формирования тонкопленочных функциональных покрытий обеспечивается возможностью регулирования величин углов α и β в пределах: α=35°-80° и β=30°-90°.The binding of the coating profile to the functional elements of the rotor, for example, to the dynamic axis of rotation or the imbalance vector, is carried out by the corresponding positioning of the rotor when it is fixed in the needle stops and the orientation of the axis of the stops relative to the axis of rotation of the rotor. In general, the practical implementation of the listed possible options for the formation of thin-film functional coatings is provided by the ability to control the values of the angles α and β in the range: α = 35 ° -80 ° and β = 30 ° -90 °.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет существенно упростить конструкцию устройства в целом, поскольку в нем используется только один внешний привод вращения ротора, а последовательное изменение положения ротора в трехмерной системе координат задается поворотно-шаговым механизмом, который последовательно по заданной программе изменяет ориентацию осей вращения ротора относительно потока напыляемого материала. При этом функционирование поворотно-шагового механизма задается при работе внешнего привода, а характер функционирования определяется выбором конструкции входящих узлов. Фактически управляемыми параметрами устройства являются номинальные значения и соотношение углов ориентации основной и дополнительной осей вращения ротора, что улучшает условия эксплуатации устройства.Thus, the proposed technical solution can significantly simplify the design of the device as a whole, since it uses only one external rotor rotation drive, and a sequential change in the position of the rotor in a three-dimensional coordinate system is set by a rotary-step mechanism, which sequentially changes the orientation of the rotor axes according to a given program relative to the flow of the sprayed material. In this case, the operation of the rotary-step mechanism is set during operation of the external drive, and the nature of the operation is determined by the choice of design of the incoming nodes. Actually controlled parameters of the device are the nominal values and the ratio of the angles of orientation of the main and additional axes of rotation of the rotor, which improves the operating conditions of the device.
Существенно расширяются технологические возможности устройства для напыления тонкопленочных функциональных покрытий на сферические роторы электростатического гироскопа. Это связано с возможностью получения покрытий с минимальными отклонениями по заданной толщине (до сотых долей микрометра), а также с заданным переменным профилем. Кроме того, существенно уменьшаются возможные негативные эффекты, обусловленные экранированием напыляемого сферического объекта элементами устройства. В рассматриваемом изобретении внешняя рамка устройства, имеющая достаточно малые габариты, пересекает ось потока только один раз за оборот на 360°. Тогда как в устройстве-прототипе напыляемая сфера экранируется большим числом узлов и вращающихся механизмов.The technological capabilities of the device for spraying thin-film functional coatings onto spherical rotors of an electrostatic gyroscope are substantially expanded. This is due to the possibility of obtaining coatings with minimal deviations in a given thickness (up to hundredths of a micrometer), as well as with a given variable profile. In addition, the possible negative effects due to the shielding of the sprayed spherical object by the elements of the device are significantly reduced. In the present invention, the external frame of the device, having a sufficiently small size, crosses the flow axis only once per 360 ° revolution. Whereas in the prototype device, the sprayed sphere is shielded by a large number of nodes and rotating mechanisms.
Таким образом, поставленная задача решена.Thus, the task is solved.
Предлагаемое устройство было опробовано при изготовлении сферических роторов электростатических гироскопов с получением положительных результатов. Получены тонкопленочные функциональные покрытия с отклонениями по толщине 0,02-0,04 микрометра при толщине покрытий 0,6-0,9 микрометра, что подтверждает получаемый технический результат - повышение точности и качества нанесения тонкопленочных покрытий заданной конфигурации.The proposed device was tested in the manufacture of spherical rotors of electrostatic gyroscopes with positive results. Thin-film functional coatings with deviations in thickness of 0.02-0.04 micrometers with a coating thickness of 0.6-0.9 micrometers are obtained, which confirms the technical result obtained - improving the accuracy and quality of applying thin-film coatings of a given configuration.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014122347/02A RU2555699C1 (en) | 2014-06-02 | 2014-06-02 | Device for spattering of thin film coatings on spherical rotor of electrostatic gyroscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014122347/02A RU2555699C1 (en) | 2014-06-02 | 2014-06-02 | Device for spattering of thin film coatings on spherical rotor of electrostatic gyroscope |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2555699C1 true RU2555699C1 (en) | 2015-07-10 |
Family
ID=53538500
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014122347/02A RU2555699C1 (en) | 2014-06-02 | 2014-06-02 | Device for spattering of thin film coatings on spherical rotor of electrostatic gyroscope |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2555699C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2638870C1 (en) * | 2016-07-05 | 2017-12-18 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Method for manufacturing rotor of electrostatic gyroscope and device for implementation of this method |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU351929A1 (en) * | Ф. Д. Путиловский, Р. Сайфуллин, И. С. Смышл ев, В. С. Титов, С. К. Хуснутдинова, М. Г. Шакиров , И. Г. Шнейдер | THE METHOD OF OBTAINING COATINGS THROUGH EVAPORATION IN A VACUUMEAT ^^. ^^ - ':? RV', 'b ^ i ^ v ^^ *' ^] :: '^; -. | ||
| RU2038416C1 (en) * | 1992-09-03 | 1995-06-27 | Евгений Николаевич Ивашов | Device for plating in vecuum apparatuses |
| WO2013158067A1 (en) * | 2012-04-16 | 2013-10-24 | The Timken Company | Method and table assembly for applying coatings to spherical components |
| RU2507306C1 (en) * | 2012-09-04 | 2014-02-20 | Открытое акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Sputtering unit of coatings onto precision parts of assemblies of gyroscopic instruments |
-
2014
- 2014-06-02 RU RU2014122347/02A patent/RU2555699C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU351929A1 (en) * | Ф. Д. Путиловский, Р. Сайфуллин, И. С. Смышл ев, В. С. Титов, С. К. Хуснутдинова, М. Г. Шакиров , И. Г. Шнейдер | THE METHOD OF OBTAINING COATINGS THROUGH EVAPORATION IN A VACUUMEAT ^^. ^^ - ':? RV', 'b ^ i ^ v ^^ *' ^] :: '^; -. | ||
| RU2038416C1 (en) * | 1992-09-03 | 1995-06-27 | Евгений Николаевич Ивашов | Device for plating in vecuum apparatuses |
| WO2013158067A1 (en) * | 2012-04-16 | 2013-10-24 | The Timken Company | Method and table assembly for applying coatings to spherical components |
| RU2507306C1 (en) * | 2012-09-04 | 2014-02-20 | Открытое акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Sputtering unit of coatings onto precision parts of assemblies of gyroscopic instruments |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2638870C1 (en) * | 2016-07-05 | 2017-12-18 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Method for manufacturing rotor of electrostatic gyroscope and device for implementation of this method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Pétri | A unified polar cap/striped wind model for pulsed radio and gamma-ray emission in pulsars | |
| US6906441B2 (en) | Spherical motor using oscillatory magnetic fields | |
| RU2555699C1 (en) | Device for spattering of thin film coatings on spherical rotor of electrostatic gyroscope | |
| CN104379803B (en) | For applying a layer to the method on spherical component and table assembly | |
| WO2018147122A1 (en) | Coating device and method for manufacturing coated article | |
| CN108508234B (en) | Orthogonal Electrostatically suspended accelerometer sensitive structure | |
| US3678764A (en) | Gyroscope having vibrating gimbals | |
| JP2018193617A (en) | Method for manufacturing coating, and opto-electronic semiconductor component having coating | |
| Lipa et al. | High precision measurement of gyro rotor sphericity | |
| CN110438463A (en) | A kind of method and its coating apparatus solving coated product horizontal homogeneity | |
| US20110293835A1 (en) | Apparatus, tool and methods for depositing annular or circular wedge coatings | |
| RU2507306C1 (en) | Sputtering unit of coatings onto precision parts of assemblies of gyroscopic instruments | |
| CN106971806B (en) | Three-dimensional Braunbeck driving coil of nuclear magnetic resonance gyroscope | |
| JP2019528581A (en) | Substrate processing equipment | |
| RU2638870C1 (en) | Method for manufacturing rotor of electrostatic gyroscope and device for implementation of this method | |
| US20170321664A1 (en) | Method and apparatus for a gimbal propulsion system | |
| RU2678707C1 (en) | Method of manufacturing sensitive element of cryogenic gyroscope | |
| RU2592748C1 (en) | Method for making electrostatic gyroscope rotor | |
| Shao et al. | Calibration method for a vision guiding-based laser-tracking measurement system | |
| CN205725520U (en) | Macro and micro servo rotation platform based on bionical feeler and thermal expansion | |
| Xu et al. | Influence of elasticity modulus on the natural frequency in hemispherical resonator | |
| Marcelja et al. | Precision spheres for the Gravity Probe B experiment | |
| Conley Jr et al. | APS deposition facility upgrades and future plans | |
| Malykin | The relation of Thomas precession to Ishlinskii's theorem as applied to the rotating image of a relativistically moving body | |
| US3451274A (en) | Electrostatically supported inertial device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200603 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20220314 |