(57)【要約】  本発明は、ピストンの性能および／または実用寿命を改善するための方法に関する。本方法では、コーティングプロセスの間、ターゲット１０１を有する少なくとも１つのＰＶＤコーティング源であって、コーティング室の壁上に配置される前記コーティング源は少なくとも一時的に作動される。蒸着されるべきターゲット表面１０３は、少なくとも大部分で垂直軸に平行に配置される。コーティングされるべき表面区分１４４，１４５Ａ，１４５Ｂは、保持装置を用いてコーティング領域のターゲット表面（１０３）の前部に少なくとも一時的に配置される。本方法では、基板受容領域１３０は、回転システムによって基板受容領域の回転軸Ｇ周りに少なくとも周期的に回転される。回転システムは、結合システム１２６として同時に設計され、または結合システム１２６上に配置され、または結合システム１２６の一部として設計される。回転軸Ｇは、垂直軸とともに角度αを形成し、角度αは、１０°より大きく１８０°より小さい。これによりコーティング材料１０２は少なくとも一度、個々の表面部分１４４，１４５Ａ，１４５Ｂのそれぞれの部分に到達する。
2018507960.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンの能力および／または実用寿命を増大させるための方法であって、
ａ．結合システム（１２６）によって基板保持装置上に配置される基板容器（１３０）に、コーティングされるべき表面部分（１４４，１４５Ａ，１４５Ｂ）を有する少なくとも１つのピストン（１４０）を固定するステップと、
ｂ．コーティング室のコーティング領域の中へコーティングされるべき前記ピストンを有する前記基板保持装置を配置するステップと、
ｃ．前記コーティングされるべき表面部分（１４４，１４５Ａ，１４５Ｂ）をコーティングするステップとを備え、前記方法は、
ｄ．コーティングの間に、ターゲット（１０１）を有する前記コーティング室の壁上に配置される少なくとも１つのＰＶＤコーティング源は、少なくとも周期的に作動され、蒸着されるべきターゲット表面（１０３）は、垂直軸に対して少なくとも大部分で平行に配置され、前記コーティングされるべき表面部分（１４４，１４５Ａ，１４５Ｂ）は、前記保持装置の助けによって少なくとも時々、前記コーティング領域で前記ターゲット表面（１０３）の前部の位置に保持され、
ｅ．結合システム（１２６）として同時に設計される、または前記結合システム（１２６）の一部として実行される回転システムによって、前記基板容器（１３０）は、それ自体の回転軸（Ｇ）に少なくとも周期的に回転させられ、前記回転軸（Ｇ）は、前記垂直軸に対して１０°よりも大きく１８０°よりも小さい角度αを有し、前記個々の表面部分（１４４，１４５Ａ，１４５Ｂ）のそれぞれの部分は、少なくとも一度コーティング材料（１０２）で到達されることを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記ピストン（１４０）は、コーティングされるべきアンダーカット（１４５Ｂ）を有する内部燃焼エンジンのためのピストンであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記基板容器（１３０）は、コーティングされるべきではない前記ピストン（１４０）の表面を覆うように設計され、これによりそれらのコーティングを防ぐことを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の方法。
【請求項４】
前記基板容器は、カップの形状に設計されることを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の方法。
【請求項５】
前記基板保持装置は、コーティングされるべきピストン（１４０）を有する複数の容器（１３０）を備え、それぞれの個々のピストンは３つの軸周りに回転され、第３の回転軸はそれぞれ、各基板容器（１３０）のそれ自体の回転軸（Ｇ）を有することを特徴とする、本発明の１つに記載の方法。
【請求項６】
前記保持装置は以下の要素、
−それ自体の垂直軸に回転可能なカルーセル（１００）と、
−前記カルーセル（１００）上にそれら自体の垂直軸に径方向かつ回転可能に配置され、高さ方向に配置される本体（１２５）を有する、少なくとも１つ、好ましくは複数のツリー（１１０）とを備え、前記ツリー（１１０）上には、少なくとも１つ、好ましくは複数の基板容器（１３０）が配置され、
前記カルーセルの前記回転は第１の回転（１．Ｒ）に対応し、前記本体（１２５）を有する前記ツリーの前記回転は第２の回転（２．Ｒ）に対応し、それぞれの基板容器（１３０）のそれら自体の回転軸（Ｇ）の前記回転は第３の回転（３．Ｒ）に対応することを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記角度αは、コーティングの間またはコーティングの後に、粒子堆積によって層欠陥を回避する目的のために９０°よりも大きくなるように選択されることを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の方法。
【請求項８】
前記第３の回転（３．Ｒ）は、ねじ式リングを介してそれぞれ実施され、前記ねじ式リングは、前記結合システム（１２６）の一部であることを特徴とする、先行する請求項５〜７の１つに記載の方法。
【請求項９】
前記基板容器（１３０）は、バヨネットサポートによって前記本体（１２５）に結合されることを特徴とする、先行する請求項６〜８の１つに記載の方法。
【請求項１０】
前記基板容器（１３０）の前記ピストン（１４０）は固定装置によって落ちることを防がれることを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の方法。
【請求項１１】
少なくとも１つのブラケットまたはバヨネットホルダまたは磁石が固定装置として用いられることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
出願の分野
本発明は、ピストン、特に内部燃焼エンジンのためのピストンの性能および実用寿命を増大させるための方法に関する。ピストンの特定の表面部分、特にピストンの基面は、層でコーティングされており、層はＰＶＤ法によって少なくとも部分的に堆積される。本発明は、ＰＶＤ法によってピストン、特にピストン表面をコーティングするための保持装置にも関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術
燃焼エンジンのピストンの特定の表面のコーティングは、先行技術から知られる。
【０００３】
たとえば、ドイツ特許出願公開１０３２０９７９Ａ１は、ピストン表面の耐摩耗性保護のための方法を開示する。明確には、粗さＲａ＜１．５μｍを有する摩耗保護層を塗布することが提案される。摩耗保護層は、少なくともピストンの第１または最上の環状溝の領域にプラズマ電子的に製造される。
【０００４】
ドイツ特許出願公開１０２０１２０２５２８３Ａ１は、断熱コーティングでピストンをコーティングすることを提案し、フレーム溶射とゾル−ゲル法との組み合わせによって断熱コーティングを塗布するための方法を開示する。
【０００５】
内部燃焼エンジンのためのピストンの利点ならびに増大された性能および実用寿命に関する増え続ける要求のために、このようなピストンの所望な表面上に、たとえば摩耗保護層および断熱層を堆積するためのＰＶＤ法の使用が望ましいだろう。しかしながら、この目的のためのＰＶＤ法の使用は、まだ確立されていない。
【０００６】
一方で、これは熱的に安定で耐酸化性のＰＶＤ層が最近まで製造のための準備ができていなかったという事実のためであり、他方で、これはＰＶＤプロセスによって複雑な幾何学的表面および／または不規則な表面を有する構成要素にコーティングをするときに習得される必要がある難しさのためである。現代の燃焼エンジンのためのピストンは、今日、典型的には、複雑な幾何学的な表面および不規則な表面を有する。さらに、ピストン底面などのこのようなピストン表面のコーティングは、主要課題である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的
本発明の目的は、ＰＶＤプロセスによって複雑化された形状を有するピストン表面の工業的なコーティングを可能にする方法および基板保持装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
特に、本発明に従う方法および保持装置は、複雑化されたピストン基部形状が同じバッチにおいて多数でコーティングされることを可能にすることが意図される。
【０００９】
さらに、本発明に従う方法および保持装置は、酸化物層または酸化物含有層が堆積されることを可能にすることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の説明
この目的は、以下に説明されるような保持装置を用いてピストンをコーティングするための、請求項１に従う方法を提供することによる本発明によって達成される。
【００１２】
さらなる説明のよりよい理解のために、図１〜図５が参照される。
図１は、ピストンピンのためのガイド１４２と、複雑化された表面形状を有するピストン表面１４４＋１４５とを備える、鋼鉄のピストン１４０を模式的に示す。ピストン表面１４４＋１４５は、本発明の目的のためにアンダーカット１４５Ｂを備える表面を有する。図１ａにおける鋼鉄のピストンの断面Ｏ−Ｏは、図１ｂに模式的に図示される。
【００１３】
ＰＶＤプロセスによって表面をコーティングするとき、対応するターゲット１０１を備える使用されたＰＶＤコーティング源によって蒸着される材料１０２が、ターゲット表面１０３から離れて大抵は直線上に、好ましくは図２に示されるように、ターゲットの蒸着されるべき表面に対して約９０°の角度で、動くことを考慮に入れなければならない。本発明の文脈において、蒸着された材料１０２は、コーティング材料１０２とも呼ばれる。ＰＶＤコーティングプロセスの間、またはＰＶＤコーティング源が作動中であるとき、コーティング材料１０２は、ターゲットから取り去られ、真空コーティング室のコーティング領域を形成することが理解されるべきである。用いられるＰＶＤコーティングプロセスが反応性プロセスである場合は、コーティングされるべき表面上に成長されるＰＶＤ層は、ターゲットからのコーティング材料１０２を備えるだけでなく、この場合、基板上に堆積されたＰＶＤ層は、コーティング室に存在する反応性ガスとターゲットから取り去られるコーティング材料１０２との間の反応から生じることも理解されるべきである。ＰＶＤ法は、スパッタリング法またはＨＩＰＩＭＳ法、好ましくはアーク蒸着法であり得る。１つ以上のＰＶＤコーティング源がＰＶＤ層の堆積のために用いられることが可能である。ＰＶＤ法において用いられる全てのＰＶＤコーティング源は、必ずしも同じである必要はないが、異なるターゲット材料を備え得、同時に異なって作動され、また異なるパラメータで作動され得る。加えて、本発明の目的のためのＰＶＤプロセスは、組み合わせられたプロセスでもあり得る。たとえば、組み合わされたＰＶＤ＋ＰＡＣＶＤ法であってもよい。
【００１４】
ＰＶＤ法によるターゲットからのコーティング材料１０２の堆積のための前述の条件が理由で、コーティングプロセスの間のコーティング室内における、構成要素の幾何学的配置またはコーティングされるべき構成要素表面は、基板表面の部分がコーティングされるか否か、および基板表面のどの部分がコーティングされるかということに関して決定的に重要である。
【００１５】
図２は、たとえば、コーティングされるべき基板表面１４５がコーティング材料１０２のみによって本質的に達成される配置構成を示す。コーティング材料１０２は、基本的に、ターゲットの蒸着されるべき表面に対して主に９０°未満の角度でターゲット表面１０３から、また基板表面の上方のターゲット領域から、離れて動く。この場合において、少な過ぎるコーティング材料１０２は、コーティングされるべき表面１４５に到達するであろう。さらに、このような配置構成においては、一方でコーティングされるべき表面１４４＋１４５上の層の割合は低すぎるであろう。他方で、リセス１４５Ａとアンダーカット１４５Ｂの表面は、これらの面積が幾何学的配置のために実際的に陰にされたままであるため、事実上コーティングされない、または不完全にコーティングされるままであるだろう。
【００１６】
図３は、例として、コーティングされるべき基板表面１４４＋１４５がターゲット表面１０３に対して本質的に平行に配置される、さらなる配置構成を示す。より多くのコーティング材料１０２がターゲットからコーティングされるべき基板表面１４４＋１４５上へ到達し、この方法でより多くのコーティング材料１０２がこれらの表面に施される。しかしながら、発明者は、この配置構成を用いるとき、コーティングされるべき表面領域１４５Ａはよくコーティングされるが、コーティングされるべき表面領域１４５Ｂはコーティングされない、または部分的にしかコーティングされないことを発見した。さらに、この配置構成でコーティングすることによるピストンの所望の保護も、満足に保障され得ない。
【００１７】
上記に述べた２つの表面領域１４５Ａおよび１４５Ｂを満足にコーティングするために、発明者らは、図４に模式的に図示される、第３の配置構成を試した。この配置構成においては、コーティングされるべき基板表面１４５は、まず、それぞれ図４ａおよび図４ｂに示されるように、垂直軸に対して角度αでターゲットの前に斜めに配置された。この接続において、発明者らは、表面領域１４５Ａの満足なコーティング、および表面領域１４５Ｂの部分１４５Ｂ’の満足なコーティングがあることを発見した。図４ｂに模式的に図示されるようにコーティングする間、発明者がコーティングされるべき基板をそれら自身の回転軸周りに動かしたときのみ、表面領域１４５Ｂの追加部分１４５Ｂ’’のコーティングが起こった。したがって、全ての所望な表面領域、すなわち１４４，１４５Ａおよび１４５Ｂは、満足にコーティングされることができた。
【００１８】
基板移動におけるこの努力は、他のコーティングプロセスに対して、ＰＶＤ層を塗布する利点によって正当化される。
【００１９】
ＰＶＤ技術は、気相からの非反応性物理堆積プロセスおよび反応性物理堆積プロセスの両方を含む。高温で安定である層がＰＶＤ技術によって比較的低い基板温度で堆積され得ることが特に重要である。これは、たとえばＣｒＮおよびＴｉＮまたはＴｉＡｌＮなどの窒化物、さらにより公表された方法では、たとえば安定なエスコラ石構造の酸化クロム、あるいはコランダム構造の酸化アルミニウム、あるいはコランダム構造またはＣｒ−ＮおよびＣｒ−ＯもしくはＣｒ−ＯＮからなる多層構造の混晶としての酸化アルミニウムクロムなどの酸化層の両方に当てはまる。このような酸化物層または酸化物を含む層は、ある場合では１０００℃よりもかなり上に対して、酸化への高い耐性を示すが、ＰＶＤ法によって５００℃よりもかなり下の基板温度で合成され得る。これは、比較的費用のかからない基板材料上でもこのような層の使用を可能にする。一方で、高温での塗布のために特別に選択される高価な基板材料は、ＰＶＤ層を有する低コスト材料に置き換えられることができる。
【００２０】
ＰＶＤコーティングのさらなる利点は、多数の基板がＰＶＤコーティングプロセスで同時にコーティングされることができるということである。これは、基板あたりのコーティングコストを低減し、同時にターゲット材料のよりよい利用を可能にする。
【００２１】
しかしながら、重要なことは、特に、基板が上記に記載されたように配置され、および動かされるＰＶＤコーティングは、複雑化された表面幾何学的形状、空洞およびアンダーカットを有する表面でさえもコーティングすることを可能にするという事実である。これは、新たな基板幾何学的形状に適合されなければならない製造プロセスに対して明確な利点を有する。それは、それぞれの基板が熱溶射の場合のように個々に処理されるから、または本方法が塗布溶接の場合のようにそれぞれの基板幾何学的形状のために特別に適合されるのみであるからのいずれかである。
【００２２】
基板幾何学的形状における小さな変更は、中でも新たなプロセス調整を要求せず、すなわちＰＶＤ技術はこの点における高い柔軟性によって特徴付けられる。
【００２３】
図５は、本発明に従う配置構成および基板保持装置を備えるＰＶＤコーティング室の好ましい実施形態の模式的な描写を示す。コーティング源またはプラズマ源１０１は、コーティング室（図示せず）の内壁上に配置され、そこからコーティング材料１０２が提供される。コーティング材料１０２は、コーティングされるべき基板１４０の表面に直接施されることとなる、または反応性ガスと少なくとも部分的に反応することとなり、基板１４０のコーティングされた表面に施されることとなる。
【００２４】
コーティングされるべき構成要素１４０は、本発明に従って回転可能に配置された回転プレート１２０ａおよび／または１２０ｂに保持される。回転プレート１２０ａおよび／または１２０ｂは、同様に、好ましくはコーティング室の中心領域に配置される、カルーセル１００上のツリー１１０に配置される。この接続で、第１の回転運動１．Ｒが実施され、コーティングされるべき基板１４０の第２の回転運動２．Ｒは回転可能なカルーセル１００によって、および回転可能な回転プレート１２０ａおよび／または１２０ｂによってそれぞれ達成される。
【００２５】
本発明に従う基板保持装置の好ましい実施形態に従えば、回転プレート１２０ａ，１２０ｂは、本体１２５と、少なくとも基板容器１３０と、少なくとも１つの基板容器を基部本体１２５に接続するための結合システム１２６とを備える。結合システム１２６は、回転システムとして設計され、第３の回転運動３．Ｒで、基板容器１３０をそれ自身の回転軸Ｇに移動させる。
【００２６】
明確には、本発明は、ピストン、特に内部燃焼エンジンのためのピストンの能力および／または実用寿命を増大するための方法を開示する。本方法は、
ａ．結合システム１２６によって基板保持装置上に配置される基板容器１３０に、コーティングされるべき表面部分１４４，１４５Ａ，１４５Ｂを有する少なくとも１つのピストン１４０を固定するステップと、
ｂ．コーティング室のコーティング領域の中へコーティングされるべきピストンを有する基板保持装置を配置するステップと、
ｃ．コーティングされるべき表面部分１４４，１４５Ａ，１４５Ｂをコーティングするステップとを備え、
本方法はさらに、
ｄ．コーティングの間に、ターゲット１０１を有するコーティング室の壁上に配置される少なくとも１つのＰＶＤコーティング源は、少なくとも周期的に作動され、蒸着されるべきターゲット表面１０３は、垂直軸に対して少なくとも大部分で平行に配置され、コーティングされるべき表面部分１４４，１４５Ａ，１４５Ｂは、保持装置の助けによって少なくとも時々、コーティング領域におけるターゲット表面１０３の前部の位置に保持され、
ｅ．結合システム１２６に配置される、または結合システムの一部である回転システムによって、基板容器１３０は、それ自体の回転軸Ｇに少なくとも周期的に回転させられ、回転軸Ｇは、垂直軸に対して１０°よりも大きく１８０°よりも小さい角度αを有し、個々の表面部分１４４，１４５Ａ，１４５Ｂのそれぞれの部分は、少なくとも一度コーティング材料１０２で到達されることを特徴とする。
【００２７】
この回転運動は、ターゲットから取り除かれ、ターゲット表面に対して約９０°の角度で直線的に蒸着するコーティング材料１０２が、少なくとも一度、ピストンのコーティングされるべき表面部分１４４，１４５Ａ，１４５Ｂのそれぞれの個々の部分１４４，１４５Ａ，１４５Ｂ’，１４５Ｂ’’に到達することを保証する。これにより、ピストンの選択された表面１４４および１４５を完全にかつ満足にコーティングする。
【００２８】
本発明のさらなる好ましい変形に従えば、基板容器１３０は、コーティングされるべきでないピストン１４０の表面が基板容器１３０それ自体によって覆われるように設計される。
【００２９】
角度α＞４５°のためのさらなる好ましい変形においては、基板は固定装置を介して基板容器に固定され、基板は落ちることを防がれる。これは、コーティングされるべき基板が基板表面下方向、すなわち角度α＞９０°で整列するコーティングに特に関連する。
【００３０】
より明確には、本発明は、ピストンの能力および／または実用寿命を増大させるための方法を開示する。本方法は、  
ａ．結合システム１２６によって基板保持装置上に配置される基板容器１３０に、コーティングされるべき表面部分１４４，１４５Ａ，１４５Ｂを有する少なくとも１つのピストン１４０を固定するステップと、
ｂ．コーティング室のコーティング領域の中へコーティングされるべきピストンを有する基板保持装置を配置するステップと、
ｃ．コーティングされるべき表面部分１４４，１４５Ａ，１４５Ｂをコーティングするステップとを備え、
本方法では、
ｄ．コーティングの間に、ターゲット１０１を有するコーティング室の壁上に配置される少なくとも１つのＰＶＤコーティング源は、少なくとも周期的に作動され、蒸着されるべきターゲット表面１０３は、垂直軸に対して少なくとも大部分で平行に配置され、コーティングされるべき表面部分１４４，１４５Ａ，１４５Ｂは、保持装置の助けによって少なくとも時々、コーティング領域におけるターゲット表面１０３の前部の位置に保持され、
ｅ．結合システム１２６として同時に設計される、または結合システム上に配置される、または結合システム１２６の一部として実行される回転システムによって、基板容器１３０は、それ自体の回転軸Ｇに少なくとも周期的に回転させられ、回転軸Ｇは、垂直軸に対して１０°よりも大きく１８０°よりも小さい角度αを有し、個々の表面部分１４４，１４５Ａ，１４５Ｂのそれぞれの部分は少なくとも一度コーティング材料１０２で到達される。
【００３１】
上記に説明されたような方法であって、ピストン１４０は、コーティングされるべきアンダーカット１４５Ｂを有する内部燃焼エンジンのためのピストンである。
【００３２】
上記に説明されたような方法であって、基板容器１３０は、コーティングされるべきでないピストン１４０の表面を覆うように設計され、これによりそれらのコーティングを防ぐ。
【００３３】
上記に説明されたような方法であって、基板容器はカップ形状である。
上記に説明されたような方法であって、基板保持装置は、コーティングされるべきピストン１４０を有する複数の容器１３０を備え、それぞれの個々のピストンは３つの軸周りに回転され、第３の回転軸は、各基板容器１３０のそれぞれのそれ自体の回転軸Ｇである。
【００３４】
上記に説明されたような方法であって、保持装置は、
−それ自体の垂直軸に回転可能なカルーセル１００と、
−カルーセル１００上にそれら自体の垂直軸に径方向かつ回転可能に配置され、高さ方向に配置される本体１２５を有する、少なくとも１つ、好ましくは複数のツリー１１０とを備え、ツリー１１１の上には、少なくとも１つ、好ましくは複数の基板容器１３０が配置され、
カルーセルの回転は第１の回転１．Ｒに対応し、本体１２５を有するツリーの回転は第２の回転２．Ｒに対応し、各基板容器１３０のそれら自体の回転軸Ｇの回転は第３の回転３．Ｒに対応する。
【００３５】
上記に説明されたような方法であって、第３の回転３．Ｒは、結合システム１２６の一部であるねじ式リングを介してそれぞれ実施される。
【００３６】
上記に説明されたような方法であって、基板容器１３０は、バヨネットサポートによって本体１２５に接続される。
【００３７】
上記に説明されたような方法であって、基板容器１３０のピストン１４０は、固定装置によって落ちることを防がれる。
【００３８】
上記に説明されたような方法であって、少なくとも１つのブラケットまたは１つのバヨネットホルダが、固定装置として用いられる。
【図１ａ】
2018507960.tif 000003
【図１ｂ】
2018507960.tif 000004
【図２】
2018507960.tif 000005
【図３】
2018507960.tif 000006
【図４ａ】
2018507960.tif 000007
【図４ｂ】
2018507960.tif 000008
【図５】
2018507960.tif 000009
【誤訳訂正書】
【提出日】平成29年10月31日(2017.10.31)
【誤訳訂正１】
【訂正対象書類名】特許請求の範囲
【訂正対象項目名】全文
【訂正方法】変更
【訂正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンの能力および／または実用寿命を増大させるための方法であって、
ａ．結合システム（１２６）によって基板保持装置上に配置される基板容器（１３０）に、コーティングされるべき表面部分（１４４，１４５Ａ，１４５Ｂ）を有する少なくとも１つのピストン（１４０）を固定するステップと、
ｂ．コーティング室のコーティング領域の中へコーティングされるべき前記ピストンを有する前記基板保持装置を配置するステップと、
ｃ．前記コーティングされるべき表面部分（１４４，１４５Ａ，１４５Ｂ）をコーティングするステップとを備え、前記方法は、
ｄ．コーティングの間に、ターゲット（１０１）を有する前記コーティング室の壁上に配置される少なくとも１つのＰＶＤコーティング源は、少なくとも周期的に作動され、蒸着されるべきターゲット表面（１０３）は、垂直軸に対して少なくとも大部分で平行に配置され、前記コーティングされるべき表面部分（１４４，１４５Ａ，１４５Ｂ）は、前記保持装置の助けによって少なくとも時々、前記コーティング領域で前記ターゲット表面（１０３）の前部の位置に保持され、
ｅ．結合システム（１２６）として同時に設計される、または前記結合システム（１２６）の一部として実行される回転システムによって、前記基板容器（１３０）は、それ自体の回転軸（Ｇ）に少なくとも周期的に回転させられ、前記回転軸（Ｇ）は、前記垂直軸に対して１０°よりも大きく１８０°よりも小さい角度αを有し、前記個々の表面部分（１４４，１４５Ａ，１４５Ｂ）のそれぞれの部分は、少なくとも一度コーティング材料（１０２）で到達されることを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記ピストン（１４０）は、コーティングされるべきアンダーカット（１４５Ｂ）を有する内部燃焼エンジンのためのピストンであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記基板容器（１３０）は、コーティングされるべきではない前記ピストン（１４０）の表面を覆うように設計され、これによりそれらのコーティングを防ぐことを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の方法。
【請求項４】
前記基板容器は、カップの形状に設計されることを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の方法。
【請求項５】
前記基板保持装置は、コーティングされるべきピストン（１４０）を有する複数の容器（１３０）を備え、それぞれの個々のピストンは３つの軸周りに回転され、第３の回転軸はそれぞれ、各基板容器（１３０）のそれ自体の回転軸（Ｇ）を有することを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の方法。
【請求項６】
前記保持装置は以下の要素、
−それ自体の垂直軸に回転可能なカルーセル（１００）と、
−前記カルーセル（１００）上にそれら自体の垂直軸に径方向かつ回転可能に配置され、高さ方向に配置される本体（１２５）を有する、少なくとも１つ、好ましくは複数のツリー（１１０）とを備え、前記ツリー（１１０）上には、少なくとも１つ、好ましくは複数の基板容器（１３０）が配置され、
前記カルーセルの前記回転は第１の回転（１．Ｒ）に対応し、前記本体（１２５）を有する前記ツリーの前記回転は第２の回転（２．Ｒ）に対応し、それぞれの基板容器（１３０）のそれら自体の回転軸（Ｇ）の前記回転は第３の回転（３．Ｒ）に対応することを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記角度αは、コーティングの間またはコーティングの後に、粒子堆積によって層欠陥を回避する目的のために９０°よりも大きくなるように選択されることを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の方法。
【請求項８】
前記第３の回転（３．Ｒ）は、ねじ式リングを介してそれぞれ実施され、前記ねじ式リングは、前記結合システム（１２６）の一部であることを特徴とする、先行する請求項５〜７の１つに記載の方法。
【請求項９】
前記基板容器（１３０）は、バヨネットサポートによって前記本体（１２５）に結合されることを特徴とする、先行する請求項６〜８の１つに記載の方法。
【請求項１０】
前記基板容器（１３０）の前記ピストン（１４０）は固定装置によって落ちることを防がれることを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の方法。
【請求項１１】
少なくとも１つのブラケットまたはバヨネットホルダまたは磁石が固定装置として用いられることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【誤訳訂正２】
【訂正対象書類名】明細書
【訂正対象項目名】全文
【訂正方法】変更
【訂正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
出願の分野
本発明は、ピストン、特に内部燃焼エンジンのためのピストンの性能および実用寿命を増大させるための方法に関する。ピストンの特定の表面部分、特にピストンの基面は、層でコーティングされており、層はＰＶＤ法によって少なくとも部分的に堆積される。本発明は、ＰＶＤ法によってピストン、特にピストン表面をコーティングするための保持装置にも関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術
燃焼エンジンのピストンの特定の表面のコーティングは、先行技術から知られる。
【０００３】
たとえば、ドイツ特許出願公開１０３２０９７９Ａ１は、ピストン表面の耐摩耗性保護のための方法を開示する。明確には、粗さＲａ＜１．５μｍを有する摩耗保護層を塗布することが提案される。摩耗保護層は、少なくともピストンの第１または最上の環状溝の領域にプラズマ電子的に製造される。
【０００４】
ドイツ特許出願公開１０２０１２０２５２８３Ａ１は、断熱コーティングでピストンをコーティングすることを提案し、フレーム溶射とゾル−ゲル法との組み合わせによって断熱コーティングを塗布するための方法を開示する。
【０００５】
内部燃焼エンジンのためのピストンの利点ならびに増大された性能および実用寿命に関する増え続ける要求のために、このようなピストンの所望な表面上に、たとえば摩耗保護層および断熱層を堆積するためのＰＶＤ法の使用が望ましいだろう。しかしながら、この目的のためのＰＶＤ法の使用は、まだ確立されていない。
【０００６】
一方で、これは熱的に安定で耐酸化性のＰＶＤ層が最近まで製造のための準備ができていなかったという事実のためであり、他方で、これはＰＶＤプロセスによって複雑な幾何学的表面および／または不規則な表面を有する構成要素にコーティングをするときに習得される必要がある難しさのためである。現代の燃焼エンジンのためのピストンは、今日、典型的には、複雑な幾何学的な表面および不規則な表面を有する。さらに、ピストン底面などのこのようなピストン表面のコーティングは、主要課題である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的
本発明の目的は、ＰＶＤプロセスによって複雑化された形状を有するピストン表面の工業的なコーティングを可能にする方法および基板保持装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
特に、本発明に従う方法および保持装置は、複雑化されたピストン基部形状が同じバッチにおいて多数でコーティングされることを可能にすることが意図される。
【０００９】
さらに、本発明に従う方法および保持装置は、酸化物層または酸化物含有層が堆積されることを可能にすることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１ａ】鋼鉄のピストンを模式的に示す図である。
【図１ｂ】図１ａにおける鋼鉄のピストンの断面Ｏ−Ｏを模式的に示す図である。
【図２】コーティングされるべき基板表面がコーティング材料のみによって本質的に達成される配置構成を示す図である。
【図３】コーティングされるべき基板表面がターゲット表面に対して本質的に平行に配置される、さらなる配置構成を示す図である。
【図４ａ】第３の配置構成を模式的に示す図である。
【図４ｂ】第３の配置構成を模式的に示す図である。
【図５】本発明に従う配置構成および基板保持装置を備えるＰＶＤコーティング室の好ましい実施形態の模式的な描写である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の説明
この目的は、以下に説明されるような保持装置を用いてピストンをコーティングするための、請求項１に従う方法を提供することによる本発明によって達成される。
【００１２】
さらなる説明のよりよい理解のために、図１〜図５が参照される。
図１は、ピストンピンのためのガイド１４２と、複雑化された表面形状を有するピストン表面１４４＋１４５とを備える、鋼鉄のピストン１４０を模式的に示す。ピストン表面１４４＋１４５は、本発明の目的のためにアンダーカット１４５Ｂを備える表面を有する。図１ａにおける鋼鉄のピストンの断面Ｏ−Ｏは、図１ｂに模式的に図示される。
【００１３】
ＰＶＤプロセスによって表面をコーティングするとき、対応するターゲット１０１を備える使用されたＰＶＤコーティング源によって蒸着される材料１０２が、ターゲット表面１０３から離れて大抵は直線上に、好ましくは図２に示されるように、ターゲットの蒸着されるべき表面に対して約９０°の角度で、動くことを考慮に入れなければならない。本発明の文脈において、蒸着された材料１０２は、コーティング材料１０２とも呼ばれる。ＰＶＤコーティングプロセスの間、またはＰＶＤコーティング源が作動中であるとき、コーティング材料１０２は、ターゲットから取り去られ、真空コーティング室のコーティング領域を形成することが理解されるべきである。用いられるＰＶＤコーティングプロセスが反応性プロセスである場合は、コーティングされるべき表面上に成長されるＰＶＤ層は、ターゲットからのコーティング材料１０２を備えるだけでなく、この場合、基板上に堆積されたＰＶＤ層は、コーティング室に存在する反応性ガスとターゲットから取り去られるコーティング材料１０２との間の反応から生じることも理解されるべきである。ＰＶＤ法は、スパッタリング法またはＨＩＰＩＭＳ法、好ましくはアーク蒸着法であり得る。１つ以上のＰＶＤコーティング源がＰＶＤ層の堆積のために用いられることが可能である。ＰＶＤ法において用いられる全てのＰＶＤコーティング源は、必ずしも同じである必要はないが、異なるターゲット材料を備え得、同時に異なって作動され、また異なるパラメータで作動され得る。加えて、本発明の目的のためのＰＶＤプロセスは、組み合わせられたプロセスでもあり得る。たとえば、組み合わされたＰＶＤ＋ＰＡＣＶＤ法であってもよい。
【００１４】
ＰＶＤ法によるターゲットからのコーティング材料１０２の堆積のための前述の条件が理由で、コーティングプロセスの間のコーティング室内における、構成要素の幾何学的配置またはコーティングされるべき構成要素表面は、基板表面の部分がコーティングされるか否か、および基板表面のどの部分がコーティングされるかということに関して決定的に重要である。
【００１５】
図２は、たとえば、コーティングされるべき基板表面１４５がコーティング材料１０２のみによって本質的に達成される配置構成を示す。コーティング材料１０２は、基本的に、ターゲットの蒸着されるべき表面に対して主に９０°未満の角度でターゲット表面１０３から、また基板表面の上方のターゲット領域から、離れて動く。この場合において、少な過ぎるコーティング材料１０２は、コーティングされるべき表面１４５に到達するであろう。さらに、このような配置構成においては、一方でコーティングされるべき表面１４４＋１４５上の層の割合は低すぎるであろう。他方で、リセス１４５Ａとアンダーカット１４５Ｂの表面は、これらの面積が幾何学的配置のために実際的に陰にされたままであるため、事実上コーティングされない、または不完全にコーティングされるままであるだろう。
【００１６】
図３は、例として、コーティングされるべき基板表面１４４＋１４５がターゲット表面１０３に対して本質的に平行に配置される、さらなる配置構成を示す。より多くのコーティング材料１０２がターゲットからコーティングされるべき基板表面１４４＋１４５上へ到達し、この方法でより多くのコーティング材料１０２がこれらの表面に施される。しかしながら、発明者は、この配置構成を用いるとき、コーティングされるべき表面領域１４５Ａはよくコーティングされるが、コーティングされるべき表面領域１４５Ｂはコーティングされない、または部分的にしかコーティングされないことを発見した。さらに、この配置構成でコーティングすることによるピストンの所望の保護も、満足に保障され得ない。
【００１７】
上記に述べた２つの表面領域１４５Ａおよび１４５Ｂを満足にコーティングするために、発明者らは、図４に模式的に図示される、第３の配置構成を試した。この配置構成においては、コーティングされるべき基板表面１４５は、まず、それぞれ図４ａおよび図４ｂに示されるように、垂直軸に対して角度αでターゲットの前に斜めに配置された。この接続において、発明者らは、表面領域１４５Ａの満足なコーティング、および表面領域１４５Ｂの部分１４５Ｂ’の満足なコーティングがあることを発見した。図４ｂに模式的に図示されるようにコーティングする間、発明者がコーティングされるべき基板をそれら自身の回転軸周りに動かしたときのみ、表面領域１４５Ｂの追加部分１４５Ｂ’’のコーティングが起こった。したがって、全ての所望な表面領域、すなわち１４４，１４５Ａおよび１４５Ｂは、満足にコーティングされることができた。
【００１８】
基板移動におけるこの努力は、他のコーティングプロセスに対して、ＰＶＤ層を塗布する利点によって正当化される。
【００１９】
ＰＶＤ技術は、気相からの非反応性物理堆積プロセスおよび反応性物理堆積プロセスの両方を含む。高温で安定である層がＰＶＤ技術によって比較的低い基板温度で堆積され得ることが特に重要である。これは、たとえばＣｒＮおよびＴｉＮまたはＴｉＡｌＮなどの窒化物、さらにより公表された方法では、たとえば安定なエスコラ石構造の酸化クロム、あるいはコランダム構造の酸化アルミニウム、あるいはコランダム構造またはＣｒ−ＮおよびＣｒ−ＯもしくはＣｒ−ＯＮからなる多層構造の混晶としての酸化アルミニウムクロムなどの酸化層の両方に当てはまる。このような酸化物層または酸化物を含む層は、ある場合では１０００℃よりもかなり上に対して、酸化への高い耐性を示すが、ＰＶＤ法によって５００℃よりもかなり下の基板温度で合成され得る。これは、比較的費用のかからない基板材料上でもこのような層の使用を可能にする。一方で、高温での塗布のために特別に選択される高価な基板材料は、ＰＶＤ層を有する低コスト材料に置き換えられることができる。
【００２０】
ＰＶＤコーティングのさらなる利点は、多数の基板がＰＶＤコーティングプロセスで同時にコーティングされることができるということである。これは、基板あたりのコーティングコストを低減し、同時にターゲット材料のよりよい利用を可能にする。
【００２１】
しかしながら、重要なことは、特に、基板が上記に記載されたように配置され、および動かされるＰＶＤコーティングは、複雑化された表面幾何学的形状、空洞およびアンダーカットを有する表面でさえもコーティングすることを可能にするという事実である。これは、新たな基板幾何学的形状に適合されなければならない製造プロセスに対して明確な利点を有する。それは、それぞれの基板が熱溶射の場合のように個々に処理されるから、または本方法が塗布溶接の場合のようにそれぞれの基板幾何学的形状のために特別に適合されるのみであるからのいずれかである。
【００２２】
基板幾何学的形状における小さな変更は、中でも新たなプロセス調整を要求せず、すなわちＰＶＤ技術はこの点における高い柔軟性によって特徴付けられる。
【００２３】
図５は、本発明に従う配置構成および基板保持装置を備えるＰＶＤコーティング室の好ましい実施形態の模式的な描写を示す。コーティング源またはプラズマ源１０１は、コーティング室（図示せず）の内壁上に配置され、そこからコーティング材料１０２が提供される。コーティング材料１０２は、コーティングされるべき基板１４０の表面に直接施されることとなる、または反応性ガスと少なくとも部分的に反応することとなり、基板１４０のコーティングされた表面に施されることとなる。
【００２４】
コーティングされるべき構成要素１４０は、本発明に従って回転可能に配置された回転プレート１２０ａおよび／または１２０ｂに保持される。回転プレート１２０ａおよび／または１２０ｂは、同様に、好ましくはコーティング室の中心領域に配置される、カルーセル１００上のツリー１１０に配置される。この接続で、第１の回転運動１．Ｒが実施され、コーティングされるべき基板１４０の第２の回転運動２．Ｒは回転可能なカルーセル１００によって、および回転可能な回転プレート１２０ａおよび／または１２０ｂによってそれぞれ達成される。
【００２５】
本発明に従う基板保持装置の好ましい実施形態に従えば、回転プレート１２０ａ，１２０ｂは、本体１２５と、少なくとも基板容器１３０と、少なくとも１つの基板容器を基部本体１２５に接続するための結合システム１２６とを備える。結合システム１２６は、回転システムとして設計され、第３の回転運動３．Ｒで、基板容器１３０をそれ自身の回転軸Ｇに移動させる。
【００２６】
明確には、本発明は、ピストン、特に内部燃焼エンジンのためのピストンの能力および／または実用寿命を増大するための方法を開示する。本方法は、
ａ．結合システム１２６によって基板保持装置上に配置される基板容器１３０に、コーティングされるべき表面部分１４４，１４５Ａ，１４５Ｂを有する少なくとも１つのピストン１４０を固定するステップと、
ｂ．コーティング室のコーティング領域の中へコーティングされるべきピストンを有する基板保持装置を配置するステップと、
ｃ．コーティングされるべき表面部分１４４，１４５Ａ，１４５Ｂをコーティングするステップとを備え、
本方法はさらに、
ｄ．コーティングの間に、ターゲット１０１を有するコーティング室の壁上に配置される少なくとも１つのＰＶＤコーティング源は、少なくとも周期的に作動され、蒸着されるべきターゲット表面１０３は、垂直軸に対して少なくとも大部分で平行に配置され、コーティングされるべき表面部分１４４，１４５Ａ，１４５Ｂは、保持装置の助けによって少なくとも時々、コーティング領域におけるターゲット表面１０３の前部の位置に保持され、
ｅ．結合システム１２６に配置される、または結合システムの一部である回転システムによって、基板容器１３０は、それ自体の回転軸Ｇに少なくとも周期的に回転させられ、回転軸Ｇは、垂直軸に対して１０°よりも大きく１８０°よりも小さい角度αを有し、個々の表面部分１４４，１４５Ａ，１４５Ｂのそれぞれの部分は、少なくとも一度コーティング材料１０２で到達されることを特徴とする。
【００２７】
この回転運動は、ターゲットから取り除かれ、ターゲット表面に対して約９０°の角度で直線的に蒸着するコーティング材料１０２が、少なくとも一度、ピストンのコーティングされるべき表面部分１４４，１４５Ａ，１４５Ｂのそれぞれの個々の部分１４４，１４５Ａ，１４５Ｂ’，１４５Ｂ’’に到達することを保証する。これにより、ピストンの選択された表面１４４および１４５を完全にかつ満足にコーティングする。
【００２８】
本発明のさらなる好ましい変形に従えば、基板容器１３０は、コーティングされるべきでないピストン１４０の表面が基板容器１３０それ自体によって覆われるように設計される。
【００２９】
角度α＞４５°のためのさらなる好ましい変形においては、基板は固定装置を介して基板容器に固定され、基板は落ちることを防がれる。これは、コーティングされるべき基板が基板表面下方向、すなわち角度α＞９０°で整列するコーティングに特に関連する。
【００３０】
より明確には、本発明は、ピストンの能力および／または実用寿命を増大させるための方法を開示する。本方法は、  
ａ．結合システム１２６によって基板保持装置上に配置される基板容器１３０に、コーティングされるべき表面部分１４４，１４５Ａ，１４５Ｂを有する少なくとも１つのピストン１４０を固定するステップと、
ｂ．コーティング室のコーティング領域の中へコーティングされるべきピストンを有する基板保持装置を配置するステップと、
ｃ．コーティングされるべき表面部分１４４，１４５Ａ，１４５Ｂをコーティングするステップとを備え、
本方法では、
ｄ．コーティングの間に、ターゲット１０１を有するコーティング室の壁上に配置される少なくとも１つのＰＶＤコーティング源は、少なくとも周期的に作動され、蒸着されるべきターゲット表面１０３は、垂直軸に対して少なくとも大部分で平行に配置され、コーティングされるべき表面部分１４４，１４５Ａ，１４５Ｂは、保持装置の助けによって少なくとも時々、コーティング領域におけるターゲット表面１０３の前部の位置に保持され、
ｅ．結合システム１２６として同時に設計される、または結合システム上に配置される、または結合システム１２６の一部として実行される回転システムによって、基板容器１３０は、それ自体の回転軸Ｇに少なくとも周期的に回転させられ、回転軸Ｇは、垂直軸に対して１０°よりも大きく１８０°よりも小さい角度αを有し、個々の表面部分１４４，１４５Ａ，１４５Ｂのそれぞれの部分は少なくとも一度コーティング材料１０２で到達される。
【００３１】
上記に説明されたような方法であって、ピストン１４０は、コーティングされるべきアンダーカット１４５Ｂを有する内部燃焼エンジンのためのピストンである。
【００３２】
上記に説明されたような方法であって、基板容器１３０は、コーティングされるべきでないピストン１４０の表面を覆うように設計され、これによりそれらのコーティングを防ぐ。
【００３３】
上記に説明されたような方法であって、基板容器はカップ形状である。
上記に説明されたような方法であって、基板保持装置は、コーティングされるべきピストン１４０を有する複数の容器１３０を備え、それぞれの個々のピストンは３つの軸周りに回転され、第３の回転軸は、各基板容器１３０のそれぞれのそれ自体の回転軸Ｇである。
【００３４】
上記に説明されたような方法であって、保持装置は、
−それ自体の垂直軸に回転可能なカルーセル１００と、
−カルーセル１００上にそれら自体の垂直軸に径方向かつ回転可能に配置され、高さ方向に配置される本体１２５を有する、少なくとも１つ、好ましくは複数のツリー１１０とを備え、ツリー１１１の上には、少なくとも１つ、好ましくは複数の基板容器１３０が配置され、
カルーセルの回転は第１の回転１．Ｒに対応し、本体１２５を有するツリーの回転は第２の回転２．Ｒに対応し、各基板容器１３０のそれら自体の回転軸Ｇの回転は第３の回転３．Ｒに対応する。
【００３５】
上述されたような方法であって、角度αは、コーティングの間またはコーティングの後に、粒子堆積によって層欠陥を回避する目的のために９０°よりも大きくなるように選択される。
【００３６】
上記に説明されたような方法であって、第３の回転３．Ｒは、結合システム１２６の一部であるねじ式リングを介してそれぞれ実施される。
【００３７】
上記に説明されたような方法であって、基板容器１３０は、バヨネットサポートによって本体１２５に接続される。
【００３８】
上記に説明されたような方法であって、基板容器１３０のピストン１４０は、固定装置によって落ちることを防がれる。
【００３９】
上記に説明されたような方法であって、少なくとも１つのブラケットまたは１つのバヨネットホルダが、固定装置として用いられる。
【国際調査報告】
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2018507960.tif 000011
2018507960.tif 000012
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2018507960.tif 000014
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