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Gegenstand
der Erfindung ist eine Vorrichtung zum simultanen beidseitigen Schleifen
eines scheibenförmigen Werkstücks.
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Vorrichtungen,
die zum gleichzeitigen Schleifen beider Seiten von scheibenförmigen
Werkstücken, beispielsweise Halbleiterscheiben oder im
Besonderen Siliziumscheiben, eingesetzt werden, sind im Stand der
Technik bekannt. Sie werden in der Regel als Doppelseitenschleifmaschinen
bezeichnet. Eine verbreitete Variante des Doppelseitenschleifens ist
ein im Englischen als „double disk grinding" oder kurz „DDG"
bezeichnetes Verfahren.
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DDG-Maschinen
nach dem Stand der Technik, wie sie beispielsweise in
JP2000-280155A und
JP2002-307303A beschrieben
sind, weisen zwei einander gegenüber liegende Schleifräder
auf, deren Rotationsachsen kollinear angeordnet sind. Während des
Schleifvorgangs wird ein zwischen den Schleifrädern positioniertes
scheibenförmiges Werkstück auf beiden Seiten gleichzeitig
durch die beiden um ihre Achse rotierenden Schleifräder
bearbeitet, während es durch eine ringförmige
Halte- und Rotationseinrichtung in seiner Position gehalten und
gleichzeitig um die eigene Achse gedreht wird. Während
des Schleifvorgangs werden die beiden Schleifräder in axialer
Richtung zugestellt, bis die gewünschte Enddicke des Werkstücks
erreicht ist.
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Die
Halte- und Rotationseinrichtung kann beispielsweise Reibräder
umfassen, die am Rand des Werkstücks angreifen. Sie kann
aber auch eine Einrichtung sein, die das Werkstück ringförmig
umgibt, und die in eine ggf. am Umfang des Werkstücks vorhandene
Rille, Nut oder Einkerbung (engl. „notch") eingreift. Eine
derartige Einrichtung wird i. d. R. als „notch finger"
bezeichnet. Um die gesamte Fläche des Werkstücks
zu bearbeiten, wird das Werkstück relativ zu den Schleifrädern
so geführt, dass die abrasiven Schleifsegmente der Schleifräder
eine Kreisbahn beschreiben, welche ständig über
das Werkstückzentrum verläuft.
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Das
Werkstück ist dabei in der Regel nicht fest fixiert, sondern
wird durch zwei zu beiden Seiten des Werkstücks angebrachte
Vorrichtungen zur hydrostatischen Lagerung, im Folgenden „Hydropads" genannt,
axial in Position gehalten. Derartige Vorrichtungen sind in
JP2000-280155A beschrieben.
Gemäß dem Stand der Technik werden die dem Werkstück
zugewandten Oberflächen der zwei Hydropads eben gestaltet
und parallel zueinander ausgerichtet. Jedes Hydropad umfasst mehrere
hydrostatische Lager, zwischen denen Nuten zum Abführen
des für die hydrostatische Lagerung eingesetzten Mediums
(im Folgenden als „Hydrolagermedium" bezeichnet) sowie
des Schleifkühlmittels angeordnet sind.
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In
die Hydropads sind jeweils ein oder mehrere Messsensoren integriert,
welche während des Schleifvorgangs eine Messung des Abstands
zwischen der Oberfläche der Hydropads und der Werkstückoberfläche
ermöglichen. Diese Abstandsmessung wird üblicherweise
mit Hilfe von Staudruckdüsen als pneumatische Staudruckmessung
durchgeführt. Die Staudruckdüsen sind als einfache
Bohrungen in den Rändern der hydrostatischen Lager, die die
Führungsflächen bilden, ausgeführt. Um
den Abstand zwischen den Hydropads und dem Werkstück möglichst
nahe am Ort der Schleifbearbeitung messen zu können, sind
die Staudruckdüsen in der Regel nahe an dem Rand der Hydropads
angebracht, der den Schleifrädern benachbart ist.
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Diese
Abstandsmessung ist Teil eines Regelkreises, der für die
Zentrierung des Werkstücks zwischen den Hydropads sorgt.
Das Stellglied dieses Regelkreises ist das Schleifradpaar, welches
in Abhängigkeit vom Ergebnis der Staudruckmessung axial
zur eigenen Rotationsachse derart verschoben wird, dass der gemessene
Staudruck und damit der Abstand des Werkstücks vom Hydropad
auf beiden Seiten des Werkstücks gleich werden.
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Die
Hydropads dienen also dazu, eine Halbleiterscheibe während
des Schleifprozesses in Doppelseitenschleifmaschinen axial zu führen.
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In
DE 10 2004 011 996
B4 sind geeignete Vorrichtungen zum simultanen beidseitigen
Schleifen eines scheibenförmigen Werkstücks beansprucht, die
zwei kollinear angeordnete Schleifräder, zwei sich gegenüberstehende
Hydropads (Vorrichtungen zur hydrostatischen Lagerung des Werkstücks),
beinhaltend Staudruckdüsen zur Messung des Abstands zwischen
dem Werkstück und dem Hydropad, umfassen, wobei die dem
Werkstück zugewandte Oberfläche jedes der beiden
Hydropads derart nicht-planar gestaltet ist, dass der Abstand zwischen
der Oberfläche und dem Werkstück an dem Rand der
Hydropads einen minimalen Wert annimmt, der den Schleifrädern
zugewandt ist, und dieser Abstand mit zunehmender Entfernung zu
den Schleifrädern zunimmt.
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Die
Hydropads sollten möglichst aus hartem Material gefertigt
werden. Dazu findet sich in
US 2007/179659 A1 ein entsprechender Hinweis.
Die Verwendung von prinzipiell geeigneten Metallen bzw. Metallbeschichtungen
wie z. B. Aluminium, Zink, Chrom (z. B. mittels Hartverchromung
von Stahl, Gusseisen, Kupfer, Aluminium), Titan, Kupfer, Nickel, Eisen
usw. als Hydropad-Material ist allerdings problematisch, da eine
etwaige Kontamination der Siliziumscheiben mit metallischen Verunreinigungen
zu unerwünschten Dotierungen im Silizium und zu Leckströmen
in p-n Übergängen darauf gefertigter Bauelemente
führt. Daher werden insbesondere die Prozessbäder
bei Reinigungs- und Ätzschritten sowie Bearbeitungsschritte,
bei denen Hilfsstoffe, die evtl. kontaminiert sein könnten,
bezüglich metallischer Kontaminationen überwacht.
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Bislang
wurden im nicht-veröffentlichten Stand der Technik Hydropads
aus dem Werkstoff Aluminium verwendet und die Hydropadoberfläche mit
einer Hardcoat-Beschichtung versehen. Z. B. wurden von den Erfindern
Hydropads aus AlMg2.5 (auch „Perafuman 253") nach DIN
1712-3 bzw. DIN 1725-1 untersucht. Dieser
Aluminiumwerkstoff wurde gemäß Military Specification
MIL-A-8625F mit einer anodisierten Hardcoatbeschichtung versehen.
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Es
hat sich allerdings gezeigt, dass diese anodisierte Hardcoatschicht
zu Spannungen im Material und somit zu einer geometrischen Verformung
der Hydropads führt, so dass die hohen Geometrieanforderungen
an die Hydropads nur sehr schwer eingehalten werden können.
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Ein
weiterer Nachteil besteht darin, dass während des Betriebes
der Doppelseitenschleifmaschine die Hydropads einem Verschleiß unterliegen und
die schützende Hardcoatschicht mit der Zeit abgetragen
wird. Diese Hydropads müssen dann ersetzt werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung bestand darin, Nachteile der im Stand der
Technik verwendeten Hydropads zu vermeiden.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum simultanen
beidseitigen Schleifen eines scheibenförmigen Werkstücks
(1), umfassend zwei im Wesentlichen kreisförmige
Schleifräder (3) mit kollinear angeordneten Rotationsachsen
(9), wobei sich die Schleifflächen (10)
der Schleifräder (3) in axialer Richtung bezogen
auf die Rotationsachsen (9) gegenüber stehen,
und zwei sich ebenfalls gegenüber stehende Vorrichtungen
(2) zur hydrostatischen Lagerung des scheibenförmigen
Werkstücks (1), die jeweils wenigstens ein hydrostatisches
Lager und jeweils wenigstens eine Staudruckdüse (4)
zur Messung des Abstands zwischen dem Werkstück (1)
und der Vorrichtung zur hydrostatischen Lagerung (2) umfassen,
wobei die dem Werkstück (1) zugewandte Oberfläche
(7) jeder der beiden Vorrichtungen zur hydrostatischen
Lagerung (2) derart nicht-planar gestaltet ist, dass der
Abstand zwischen der Oberfläche (7) und dem Werkstück
(1) an dem Rand (8) der Vorrichtungen zur hydrostatischen
Lagerung (2) einen minimalen Wert annimmt, der den Schleifrädern
(3) zugewandt ist, und dieser Abstand mit zunehmender Entfernung
zu den Schleifrädern (3) zunimmt, dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorrichtungen zur hydrostatischen Lagerung aus Titan bestehen
und nicht beschichtet sind.
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Eine
Lösung des Problems konnte durch den Einsatz von Titan
als Werkstoff für Hydropads gefunden werden.
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Die
Befürchtung, Titan könnte eine Metallbelastung
für den Wafer darstellen, hat sich als unbegründet
herausgestellt. Die Oberfläche der geätzten Halbleiterscheibe
zeigte keine erhöhten Titan-Werte, was vermutlich daran
liegt, dass Titanhydropads eine natürliche Oxidschicht
umfassen.
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Titan
hat den Vorteil, dass im Gegensatz zu Aluminium eine Hardcoat-Beschichtung
nicht notwendig ist, da sich gezeigt hat, dass es von vollentsalztem
Wasser nicht angegriffen wird.
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Als
letzter Bearbeitungsschritt bei der Herstellung von Titan-Hydropads
kann somit das Schleifen der Oberfläche stattfinden.
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Ein
nachträglicher geometrischer Verzug ist damit ausgeschlossen.
Entsprechende Geometrieanforderungen an die Hydropads können
durch diesen abschließenden Bearbeitungsschritt eingehalten werden.
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Weiterhin
ist denkbar, Hydropads aus Keramik herzustellen. Dieses Material
kann ebenso geschliffen werden und eine Metallbelastung der Wafer ist
auch hier ausgeschlossen.
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Im
Fall eines ideal ebenen Werkstücks ist auch der Abstand
zwischen der Oberfläche der Hydropads und dem Werkstück
an dem Ort minimal, an dem der Abstand zwischen der Oberfläche
der Hydropads und der Mittelebene zwischen den Schleifrädern
minimal ist. Der Einfachheit halber wird die erfindungsgemäße
Vorrichtung im Folgenden mit Bezug auf ein ideal ebenes Werkstück
beschrieben.
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Die
dem Werkstück zugewandten Flächen der Hydropads
sind derart beschaffen, dass der Abstand zwischen Werkstück
und Hydropads am Ort der Staudruckdüsen, die in der Regel
nahe an den Schleifrädern angeordnet sind, möglichst
gering ist, da die Störanfälligkeit mit dem Messabstand
zunimmt. Andererseits wird der Einfluss der Werkstückkrümmung
auf die Lage des Werkstücks im hydrostatischen Lager auf
Grund der Hebelwirkung mit zunehmendem Abstand vom Schleifrad immer
größer. Der Abstand der Hydropads vom Werkstück
nimmt daher erfindungsgemäß mit steigendem Abstand
zum Schleifrad bzw. zu den in der Regel nahe dem Rand des Schleifrads
angeordneten Staudruckdüsen zu. Um dies zu gewährleisten,
ist erfindungsgemäß die dem Werkstück
zugewandte Oberfläche der Hydropads nicht eben ausgeführt.
Beispielsweise kann die Oberfläche der Hydropads kegelförmig
oder konvex ausgeführt werden, wobei sich im günstigsten
Fall der Punkt der größten Annäherung
an das Werkstück, d. h. beispielsweise die Spitze des Kegels, imaginär
im Schleifradzentrum befindet. Die Oberfläche der Hydropads
kann auch derart mit Stufen versehen sein, dass die Anforderung
erfüllt ist, dass der Abstand der Hydropads vom Werkstück
mit steigendem Abstand zum Schleifrad bzw. zu den in der Regel nahe
dem Rand des Schleifrads angeordneten Staudruckdüsen zunimmt.
Die Oberfläche der Hydropads ist vorzugsweise derart gestaltet,
dass der Abstand zwischen dem Hydropad und der fertig geschliffenen
Oberfläche des Werkstücks in der Nähe der
Schleifräder und damit der Staudruckdüsen im Bereich
zwischen 50 und 200 μm (besonders bevorzugt zwischen 80
und 120 μm) und weit davon entfernt im Bereich zwischen
150 und 250 μm (besonders bevorzugt zwischen 130 und 170 μm)
liegt.
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Die
dem Werkstück zugewandte Oberfläche eines Hydropads
umfasst gemäß dem Stand der Technik ein oder mehrere
hydrostatische Lager. Jedes hydrostatische Lager weist einen eingetieften Bereich
(sog. „Tasche") auf, in dem das Hydrolagermedium zugeführt
wird. Die Taschen sind durch breite Ränder oder Stege voneinander
getrennt. Diese Stege bilden die Führungsflächen
der hydrostatischen Lager. Der im Zusammenhang mit der vorliegenden
Erfindung verwendete Begriff „Oberfläche des Hydropads"
bezieht sich auf diese Führungsflächen und nicht
auf die Oberfläche im Bereich der Taschen. Als „Oberfläche
des Hydropads" wird also die einhüllende Fläche
bezeichnet, die alle dem Werkstück zugewandten Flächen
der Stege umfasst, nicht aber die zurückspringenden Flächen
im Bereich der Taschen.
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Die
Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch eine Vorrichtung zum
simultanen beidseitigen Schleifen eines scheibenförmigen
Werkstücks (1), umfassend zwei im Wesentlichen
kreisförmige Schleifräder mit kollinear angeordneten
Rotationsachsen (9), wobei sich die Schleifflächen
(10) der Schleifräder (3) in axialer
Richtung bezogen auf die Rotationsachsen (9) gegenüber
stehen, und zwei sich ebenfalls gegenüber stehende Vorrichtungen
(2) zur hydrostatischen Lagerung des scheibenförmigen
Werkstücks (1), die jeweils wenigstens ein hydrostatisches
Lager und jeweils wenigstens eine Staudruckdüse (4)
zur Messung des Abstands zwischen dem Werkstück (1)
und der Vorrichtung zur hydrostatischen Lagerung (2) umfassen,
wobei in der Nähe jeder Staudruckdüse (4)
zumindest eine Bohrung (6) angebracht ist, durch die Flüssigkeit
und ggf. Schleifabrieb aus der Umgebung der Staudruckdüse
(4) abgeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorrichtungen zur hydrostatischen Lagerung aus Titan bestehen
und nicht beschichtet sind.
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Die
Staudruckdüsen werden während des Schleifvorgangs
turbulent von einem Gemisch aus Hydrolagermedium, Schleifkühlmittel
und Werkstückspänen umspült. Dieses stellt
einen erheblichen Störfaktor für die Messung dar.
Um dieses Problem zu lösen, wird dieses Gemisch erfindungsgemäß auf möglichst
kurzem Weg aus dem kritischen Bereich in der Umgebung der Staudruckdüsen
abgeleitet. Die Abführung erfolgt direkt durch eine Bohrung,
die parallel zur Staudruckbohrung in unmittelbarer Nähe derselben
angebracht ist. Die störende Flüssigkeit wird
durch diese Bohrung, durch das Hydropad hindurch aus dem kritischen
Bereich entfernt.
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Um
die Wirkung zu verbessern, werden vorzugsweise mehrere Bohrungen
in der Umgebung der Staudruckdüse angebracht. Vorzugsweise
sind die Bohrungen äquidistant zu den jeweils benachbarten Bohrungen
und zur Staudruckdüse angebracht.
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Bevorzugt
ist es auch, die erfindungsgemäße Form der Hydropads
(siehe oben) mit den Bohrungen und ggf. den ringförmigen
Nuten zur Abführung von Flüssigkeit aus der Umgebung
der Staudruckdüsen zu kombinieren.
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Eine
andere Möglichkeit, die Wirkung zu verbessern, besteht
darin, die Bohrung an der Oberfläche des Hydropads, die
dem Werkstück zugewandt ist, in einer Nut enden zu lassen,
die die Staudruckdüse ringförmig umgibt. Dies
ist ebenfalls bevorzugt. Die Nut ist vorzugsweise kreisförmig
ausgeführt, sie kann aber auch eine andere geometrische
Form haben.
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Weiterhin
ist es bevorzugt, dass die dem Werkstück zugewandte Oberfläche
jeder der beiden Vorrichtungen zur hydrostatischen Lagerung wenigstens
eine Nut aufweist, die an dem den Schleifrädern abgewandten
Rand der Vorrichtung zur hydrostatischen Lagerung beginnt, in Richtung
zu dem den Schleifrädern zugewandten Rand hin verläuft
und endet, bevor sie diesen letzteren Rand erreicht.
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Durch
diese Maßnahme wird erreicht, dass möglichst wenig
Schleifkühlmittel aus dem Bereich der Schleifräder
zwischen die Hydropads und das Werkstück und damit in den
Bereich um die Staudruckdüsen gelangt. Die Menge der die
Messung störenden Flüssigkeit wird durch diese
Maßnahme reduziert und somit die Genauigkeit der Messung
verbessert.
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Besonders
bevorzugt ist es, die letztgenannte Maßnahme mit der erfindungsgemäßen
Form der Hydropads (siehe oben) und den Bohrungen und ggf. den ringförmigen
Nuten zur Abführung von Flüssigkeit aus der Umgebung
der Staudruckdüsen zu kombinieren.
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Im
Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
anhand von Figuren beschrieben:
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1 zeigt
schematisch ein scheibenförmiges Werkstück, das
zwischen zwei erfindungsgemäßen kegelförmigen
Hydropads gelagert ist und von zwei Schleifrädern mit kollinear
angeordneten Rotationsachsen bearbeitet wird. Die Darstellung ist
ein Schnitt entlang einer Ebene, die die Achse des Werkstücks
und die Achsen der Schleifräder enthält.
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2 zeigt
eines der in 1 dargestellten Hydropads sowie
das entsprechende Schleifrad in der Draufsicht.
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3 stellt
eine bevorzugte Ausführungsform einer Staudruckdüse
in der Draufsicht dar, wobei eine kreisförmige Nut in das
Hydropad eingearbeitet ist, die die Staudruckdüse umgibt.
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4 zeigt
die in 3 dargestellte Staudruckdüse im Querschnitt.
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1 und 2 zeigen
schematisch ein scheibenförmiges Werkstück (1),
das zwischen zwei erfindungsgemäßen kegelförmigen
Hydropads (2) gelagert ist und von zwei Schleifrädern
(3) mit kollinear angeordneten Rotationsachsen (9)
bearbeitet wird. Die Position der Staudruckdüsen (4)
liegt knapp oberhalb des Werkstückzentrums, d. h. nahe
am Rand (8) der Hydropads (2). Mit Hilfe der Staudruckdüsen
(4) wird der Abstand zwischen den fixen Hydropads (2)
und der Werkstückoberfläche gemessen. Der Abstand
zwischen dem Werkstück (1) und der Oberfläche
(7) des Hydropads (2), die dem Werkstück
(1) zugewandt ist, ist an dem Rand (8) des Hydropads
(2), der dem Schleifrad (3) zugewandt ist, und
damit auch am Ort der Staudruckdüse (4), sehr klein
und nimmt mit zunehmendem Abstand zum Schleifrad (3) zu.
Als „Oberfläche (7) des Hydropads (2)"
wird die einhüllende Fläche bezeichnet, die alle dem
Werkstück (1) zugewandten Flächen der
Stege umfasst, nicht aber die zurückspringenden Flächen im
Bereich der Taschen (11).
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Außerdem
weist die dem Werkstück (1) zugewandte Oberfläche
(7) jeder der beiden Vorrichtungen zur hydrostatischen
Lagerung (2) vorzugsweise (wie in den 1 und 2 dargestellt)
mehrere Nuten (12) auf, die an dem den Schleifrädern
(3) abgewandten Rand (13) beginnen, in Richtung
zu dem den Schleifrädern (3) zugewandten Rand
(8) hin verlaufen und enden, bevor sie diesen Rand (8)
erreichen. Diese Nuten (12) dienen der Abführung
des Hydrolagermediums. Da die Nuten (12) nicht bis zum Rand
(8) verlaufen, gelangt nur wenig Schleifkühlmittel
aus dem Bereich der Schleifräder (3) zwischen
die Hydropads (2) und das Werkstück (1)
und damit in den Bereich um die Staudruckdüsen (4),
wodurch die Genauigkeit der Abstandsmessung erhöht wird.
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3 und 4 stellen
eine bevorzugte Ausführungsform einer Staudruckdüse
(4) dar. Kreisförmig um die Staudruckdüse
(4) ist eine Nut (5) in das Hydropad (2)
eingebracht. In dieser Nut (5) wird das pneumatische Medium
aus der Staudruckdüse (4) sowie das angrenzende
Hydrolagermedium gesammelt und durch eine Bohrung (6) durch
das Hydropad (2) abgeführt. In der Bohrung (6)
sowie in der Nut (5) ist dadurch ein Druck vorhanden, der
annähernd dem normalen Umgebungsdruck entspricht. Auf diese
Weise bleibt die Staudruckmessung weitgehend unbeeinflusst von den
Fremdmedien.
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Durch
die erfindungsgemäßen Titan-Hydropads lässt
sich geometrischer Verzug der Hydropads vermeiden, da die Oberflächenbearbeitung
der letzte Bearbeitungsschritt in der Herstellung ist.
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Titan
wird von vollentsalztem Wasser, welches zur Kühlung in
der Schleifmaschine verwendet wird, nicht angegriffen und geschädigt.
Daher erhöht sich die Nutzungsdauer der Hydropads erheblich.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass Hydropads aus Titan nachbearbeitet
werden können, was bei den Hydropads aus dem Stand der
Technik (Al + Hardcoat-Beschichtung) nicht der Fall war.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2000-280155
A [0003, 0005]
- - JP 2002-307303 A [0003]
- - DE 102004011996 B4 [0009]
- - US 2007/179659 A1 [0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - DIN 1712-3 [0011]
- - DIN 1725-1 [0011]