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Die Erfindung betrifft eine Stützeinrichtung für eine Magnetronanordnung mit einem rotierenden Target, die eine vereinfachte Abdichtung zwischen verschiedenen Druckverhältnissen oder/und Atmosphären, beispielsweise einer in der Anlagenkammer einer Substratbehandlungsanlage herrschenden Prozessatmosphäre und der außerhalb der Anlagenkammer herrschenden Atmosphäre, ermöglicht.
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Unter einer Substratbehandlungsanlage wird dabei eine Anlage zur Durchführung technischer Behandlungen an Substraten, wie beispielsweise Ätz-, Beschichtungs- oder Umwandlungsprozessen usw., verstanden. Derartige Anlagen weisen üblicherweise eine Prozesskammer sowie eine oder mehrere Behandlungseinrichtungen, wie Beschichtungsquellen oder Ätzeinrichtungen auf. Weitere Anlagenkomponenten, wie Transporteinrichtungen, Speichereinrichtungen, Heizeinrichtungen, Kühleinrichtungen, Gaszufuhreinrichtungen und Gasabsaugeinrichtungen usw. können ebenfalls vorgesehen sein, von denen einige eine Antriebseinrichtung aufweisen.
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In der Vakuumbeschichtungstechnologie sind Magnetronanordnungen mit einem rotierenden Target bekannt, bei denen ein meist rohrförmiges Target eine Magnetanordnung umschließt, wobei das rohrförmige Target drehbar gelagert und antreibbar ist, so dass das Targetmaterial gleichmäßig abgetragen wird. Das rohrförmige Target wird üblicherweise in der Vakuumkammer einer Vakuumbeschichtungsanlage zwischen zwei Endblöcken befestigt, die so konstruiert sind, dass sie jeweils die drehbare Lagerung des rohrförmigen Targets ermöglichen. Meist sind hierbei den beiden Endblöcken unterschiedliche Funktionen zugewiesen. Einer der Endblöcke ist üblicherweise als Versorgungsendblock zur Versorgung des Magnetrons mit Kühlwasser und elektrischer Energie und der andere Endblock als Antriebsendblock für die Einleitung eines Drehmoments zur Erzeugung der Rotation des rohrförmigen Targets ausgeführt.
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Bekannte Antriebsendblöcke weisen hierzu eine elektromechanische Antriebseinrichtung in Form eines Elektromotors mit Getriebe auf, welcher beispielsweise über Kegelräder, Stirnräder oder Zahnriemen das Drehmoment einleitet. Diese Antriebseinrichtung muss potentialfrei sein und daher gegenüber dem Target und meist auch gegenüber der Vakuumkammer isoliert eingebaut werden. Daher ist bei bekannten Antriebsendblöcken die Antriebseinrichtung unter Verwendung von Isolatoren so in den Antriebsendblock eingebaut, dass sich der Elektromotor üblicherweise atmosphärenseitig außerhalb der Vakuumkammer befindet und ein Getriebe oder Teile eines Getriebes oder anderer Drehmomentübertragungseinrichtungen wie Riemenantriebe und dergleichen innerhalb des Antriebsendblocks angeordnet sind. Abhängig von der Höhe der elektrischen Prozessspannung kann der Aufwand für die Potentialtrennung sehr groß sein, um zuverlässig zu erreichen, dass die an rohrförmigen Targets anliegende Prozessspannung nicht auf die Antriebseinrichtung oder die Vakuumkammer überschlägt. Ein Beispiel für einen derartigen Endblock ist aus der Patentanmeldung
EP 1 365 436 A2 bekannt.
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In den Patentanmeldungen
DE 10 2008 033 904 A1 und
DE 10 2009 056 241 A1 wird eine Stützeinrichtung für eine Magnetronanordnung mit einem rotierenden Target vorgeschlagen, die ein Gehäuse mit einer in dem Gehäuse angeordneten, drehbar gelagerten Antriebswelle aufweist, die an ihrem von außerhalb des Gehäuses zugänglichen Ende zur unmittelbaren oder mittelbaren Verbindung mit dem rotierenden Target ausgebildet ist und die an ihrem innerhalb des Gehäuses liegenden Ende zur Einleitung eines Drehmoments ausgebildet ist, wobei ein Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor zur Erzeugung eines Drehmoments innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Dabei kann gemäß einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass der Elektromotor koaxial zur Antriebswelle angeordnet ist oder/und dass das Drehmoment direkt auf die Antriebswelle übertragen wird.
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Aus
DE 44 05 747 A1 ist eine magnetfeldunterstützte Zerstäubungsanordnung bekannt mit einem Anordnungsgehäuse, worauf stirnseitig eine Targetanordnung montierbar ist, im Anordnungsgehäuse einer diesbezüglich um eine Achse drehbeweglich gelagerten Magnetträgeranordnung sowie einem elektromotorischen Antrieb mit einem mit dem Anordnungsgehäuse drehfest verbundenen Antriebsgehäuse und einem darin drehgelagerten Rotor, der seinerseits auf die Magnetträgeranordnung wirkt, wobei das Antriebsgehäuse das Anordnungsgehäuse bildet und der Rotor drehfest mit der Magnetträgeranordnung verbunden ist.
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Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik soll eine verbesserte Stützeinrichtung angegeben werden, die eine vereinfachte Abdichtung zwischen verschiedenen Atmosphären, beispielsweise einer in der Anlagenkammer einer Substratbehandlungsanlage herrschenden Prozessatmosphäre mit dort herrschender Zusammensetzung, Druck und Temperatur, und der außerhalb der Anlagenkammer herrschenden Atmosphäre, ermöglicht.
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Unter einer Stützeinrichtung sollen dabei Endblöcke, insbesondere Antriebsendblöcke der oben beschriebenen Art, d. h. Einrichtungen, die im Innern der Vakuumkammer angeordnet sind, aber auch anders gestaltete Stützeinrichtungen, die beispielsweise atmosphärenseitig außerhalb der Vakuumkammer angeordnet sind, verstanden werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Stützeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung offenbart.
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Vorgeschlagen wird eine Stützeinrichtung für eine Magnetronanordnung mit einem in einer Anlagenkammer angeordneten rotierenden Target, die eine drehbar gelagerte Antriebswelle umfasst, die an einem ersten Ende zur Verbindung mit dem rotierenden Target ausgebildet ist und an einem zweiten Ende zur Einleitung eines Drehmoments ausgebildet ist, und weiter eine Antriebseinrichtung mit einem Stator und einem Rotor zur Erzeugung eines Drehmoments umfasst, wobei der Rotor mit der Antriebswelle zur Übertragung des Drehmoments verbunden ist und der Rotor den innerhalb der Anlagenkammer herrschenden Druckverhältnissen ausgesetzt ist und der Stator den außerhalb der Anlagenkammer herrschenden Druckverhältnissen ausgesetzt ist.
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Die vorgeschlagene Lösung hat zur Folge, dass sich der Rotor in der Atmosphäre befindet, die in der Anlagenkammer herrscht. Der Stator hingegen ist außerhalb der Anlagenkammer angeordnet. Dadurch kann auf Wellendichtungen, die bei herkömmlichen Stützeinrichtungen für Magnetronanordnungen mit rotierenden Targets verwendet werden, verzichtet werden. Es besteht eine hermetische Trennung zwischen Rotor und Stator der Antriebseinrichtung, die typischerweise ein Elektromotor ist. Im einfachsten Fall ist der Rotor innerhalb der Anlagenkammer angeordnet, der Stator außerhalb der Anlagenkammer angeordnet und der Rotor wird durch Induktion durch eine Kammerwand hindurch angetrieben.
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In einer Ausgestaltung weist die Antriebseinrichtung ein den Rotor und den Stator der Antriebseinrichtung hermetisch voneinander trennendes Trennelement auf, welches gasdicht mit einer Kammerwand der Anlagenkammer oder einer Gehäusewand eines Endblockgehäuses verbunden ist.
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Hierdurch werden keine Wellendichtungen benötigt; es gibt kein Leckagerisiko. Das Trennelement kann dabei stoffschlüssig, beispielsweise durch Schweißen, mit der Kammerwand verbunden sein oder kraftschlüssig, beispielsweise mittels Schraubverbindungen an der Kammerwand angeflanscht oder auf sonstige Weise angebracht sein. Weiter kann vorgesehen sein, dass das Trennelement aus nicht magnetischem Material, beispielsweise elektrisch nichtleitendem Material gefertigt ist.
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Das Trennelement kann beispielsweise eine ebene Scheibe sein, die gasdicht in eine Öffnung der Kammerwand oder Gehäusewand eingesetzt ist. Der Rotor kann als eine an der Antriebswelle angebrachte Scheibe ausgeführt sein. Ein solcher scheibenförmiger Rotor kann außerdem an seinem Umfang gezahnt sein oder/und Öffnungen aufweisen.
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Alternativ kann sich das Trennelement je nach Ausgestaltung von der Kammerwand nach außen oder nach innen erstrecken, d. h. das Trennelement bildet eine Ausstülpung oder Einstülpung der Kammerwand.
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Im Fall einer Ausstülpung ist der Rotor zumindest teilweise im Innern der Ausstülpung angeordnet und der Stator an deren Außenseite. Der an der Außenseite der Ausstülpung angeordnete Stator erzeugt ein elektromagnetisches Feld, welches den in der Ausstülpung angeordneten Rotor antreibt. Der Rotor kann dabei beispielsweise glockenförmig gestaltet sein.
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Im Fall einer Einstülpung ist der Stator zumindest teilweise im Innern der Einstülpung angeordnet und der Rotor an deren Außenseite. Dabei kann die Einstülpung zusätzlich so ausgeführt sein, dass sie eine Einbuchtung aufweist, in welche die Antriebswelle zumindest teilweise eintaucht. Beispielsweise kann in der Einbuchtung die Antriebswelle drehbar gelagert sein.
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Der Rotor kann direkt auf der Antriebswelle angeordnet sein, so dass die Antriebswelle gleichzeitig die Rotorwelle der Antriebseinrichtung ist. In diesem Fall ist der Rotor zur Übertragung des Drehmoments direkt, d. h. unmittelbar mit der Antriebswelle verbunden.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Rotor eine Rotorwelle aufweist, die mit der Antriebswelle zur Übertragung des Drehmoments verbunden ist. Dabei kann weiter vorgesehen sein, dass zwischen Rotor und Antriebswelle ein Getriebe, beispielsweise ein Planetengetriebe, angeordnet ist. In diesem Fall ist die Rotorwelle zur Übertragung des Drehmoments über das Getriebe, d. h. mittelbar mit der Antriebswelle verbunden.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass die Antriebswelle aus elektrisch nichtleitendem Werkstoff, beispielsweise einem keramischen Werkstoff, gefertigt ist, um eine Potentialtrennung zwischen Target und Antriebseinrichtung zu erreichen. Hierzu kann auch vorgesehen sein, dass die Antriebswelle mittels einer Kupplung, die beispielsweise aus zwei zusammenpassenden Anschlusselementen bestehen kann, mit dem Target verbunden ist, wobei die Kupplung oder eines der Anschlusselemente alternativ oder zusätzlich zur Antriebswelle aus elektrisch nichtleitendem Werkstoff, beispielsweise einem keramischen Werkstoff, gefertigt ist.
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Nachfolgend wird die vorgeschlagene Stützeinrichtung anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel,
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel,
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3 ein drittes Ausführungsbeispiel,
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4 ein viertes Ausführungsbeispiel,
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5 ein fünftes Ausführungsbeispiel, und
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6 ein sechstes Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen Stützeinrichtung.
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Bei den Ausführungsbeispielen ist jeweils in einer Anlagenkammer 1 einer Substratbehandlungseinrichtung eine Magnetroneinrichtung mit einem rotierenden Target 3 angeordnet, das ein Targetrohr 31 und ein an dessen Ende angeordnetes Anschlusselement 32 aufweist. Zum Abstützen und Antreiben des Targets 3 dient die Antriebseinrichtung 2, die je nach Ausführungsbeispiel an einer vertikalen Kammerwand 11 der Anlagenkammer 1 oder einem Gehäuse 5 eines herkömmlichen Endblocks, der seinerseits an einer horizontalen Kammerwand der Anlagenkammer angebracht ist, befestigt ist.
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In allen Ausführungsbeispielen ist die Antriebswelle 41, die mit dem Target 3 verbunden wird, gleichzeitig die Rotorwelle 24 der Antriebseinrichtung 2. Selbstverständlich könnten bei jedem dieser Ausführungsbeispiele ohne Abweichung von der Erfindung die Rotorwelle 24 und die Antriebswelle 42 separate Bauteile sein, die miteinander zur Übertragung eines Drehmoments verbunden sind, sei es nun unmittelbar oder mittelbar, beispielsweise durch ein dazwischen angeordnetes Getriebe zur Drehzahlanpassung.
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Bei dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß 1 ist eine Stützeinrichtung 2 an der Außenseite einer vertikalen Kammerwand 11 angebracht. Die Kammerwand 11 weist eine Öffnung 12 auf. Um diese Öffnung 12 herum ist ein Trennelement 21 gasdicht mit der Kammerwand 11 verbunden. Das Trennelement 21 hat die Form eines einseitig verschlossenen Hohlzylinders und weist an seiner offenen Seite einen umlaufenden Flansch 211 auf, der der gasdichten Verbindung mit der Kammerwand 11 dient. Diese kann auf bekannte Weise beispielsweise durch Schrauben erfolgen, wobei zwischen Flansch 211 und Kammerwand 11 ein Dichtungselement angeordnet sein kann, welches in den Figuren nicht dargestellt ist. Das Trennelement 21 ragt aus der Anlagenkammer 1 hinaus, d. h. es bildet eine Ausstülpung der Kammerwand 11.
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Im Trennelement 21 ist ein Rotor 22 angeordnet, der auf einer Rotorwelle 24 angebracht ist. Die Rotorwelle 24 ist bei diesem Ausführungsbeispiel gleichzeitig die Antriebswelle 41 für das Target 3 und ist im Trennelement 21 in zwei Drehlagern 43 drehbar gelagert. Dadurch ist die Antriebswelle 41 an ihrem im Trennelement 21 angeordneten Ende zur Einleitung eines Drehmoments ausgebildet. An ihrem anderen Ende, das in die Anlagenkammer 1 hineinragt, weist die Antriebswelle 41 ein Anschlusselement 42 auf, das mit dem Anschlusselement 32 des Targets 3 verbunden ist, so dass die Antriebswelle 41 an diesem Ende zur Verbindung mit einem rotierenden Target 3 ausgebildet ist.
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An der Außenseite des Trennelements 21 und damit außerhalb der Anlagenkammer 1 ist der Stator 23 angeordnet, der durch Wicklungen gebildet ist, die ein elektromagnetisches Feld erzeugen, so dass der Rotor 22 induktiv durch das Trennelement 21 hindurch in Rotation versetzt wird. Der Stator ist nach außen hin durch eine Abdeckkappe 25 abgedeckt.
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Das Trennelement 21 stellt eine hermetische Trennung zwischen Rotor 22 und Stator 23 her, so dass sich der Rotor 22 innerhalb und der Stator 23 außerhalb der in der Anlagenkammer herrschenden Atmosphäre befindet.
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Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine ganz ähnliche Konfiguration. Jedoch ist in diesem Fall das Trennelement 21 im Gehäuse 5 eines klassischen Endblocks angeordnet, der an einer horizontalen Kammerwand 11 angeordnet ist. Das Gehäuse 5 weist eine Öffnung 51 auf, durch die sich die Antriebswelle 41, die auch hier wieder zugleich als Rotorwelle 24 dient, in die Anlagenkammer 1 hinein erstreckt. Die Antriebswelle 41 ist wiederum mittels eines Anschlusselements 42 mit dem Anschlusselement 32 des Targets 3 verbunden.
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Der Rotor 22 und der Stator 23 befinden sich im Gehäuse 5 des Endblocks, jedoch sind sie durch das Trennelement 21 hermetisch voneinander getrennt. In diesem Ausführungs- beispiel ist der Stator nach außen nicht gekapselt.
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Die Ausführungsbeispiele der 3 und 4 unterscheiden sich von den in 1 und 2 gezeigten hauptsächlich dadurch, dass die Antriebswelle 41, die auch hier gleichzeitig die Rotorwelle 24 der Antriebseinrichtung 2 darstellt, weil der Rotor direkt darauf befestigt ist, nur mittig in Drehlagern 43 gelagert ist und dass der Rotor 22 die Form eines einseitig verschlossenen Hohlzylinders hat. Durch die mittige Lagerung, d. h. durch die Positionierung der Drehlager 43, die hier nahe am offenen Ende des Trennelements 21 angeordnet sind, ergeben sich Vorteile hinsichtlich der Fertigung der Antriebseinrichtung.
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In 3 ist die Antriebseinrichtung 2 an einer vertikalen Kammerwand 11 der Anlagenkammer 1, in 4 hingegen an einem Gehäuse 5 eines herkömmlichen Endblocks angeordnet.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Trennelement 21 eine in einer Öffnung einer Kammerwand 11 gasdicht angeordnete Scheibe ist, wobei der Stator 23 direkt an diesem Trennelement 21 angebracht und nach außen durch eine Abdeckkappe 25 abgedeckt ist.
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Das Trennelement 21 weist an seiner Innenseite eine Lageraufnahme auf, in die das Drehlager 43 eingesetzt ist. Selbstverständlich könnte die Lagerung des Targets 3 auch an anderer Stelle, beispielsweise zwischen Rotor 22 und Anschlusselement 42, oder zwischen Anschlusselement 32 und Targetrohr 31 erfolgen, so dass das Drehlager 43 nicht zwischen Rotor 22 und Trennelement 21 angeordnet wäre.
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Auf der Antriebswelle 42 ist der Rotor 22 befestigt, der im Wesentlichen die Form einer Scheibe hat, welche mit einem geringen Spalt parallel zur Kammerwand 11 bzw. zum darin angebrachten Trennelement 21 angeordnet ist.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Rotor 22 in der Anlagenkammer 1 und der Stator 23 außerhalb der Anlagenkammer 1 angeordnet; das Trennelement 21 ist hingegen Bestandteil der Kammerwand 11.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 ist das Trennelement 21 so an der Innenseite der Kammerwand 11 angebracht, dass der Flansch 211 die Öffnung 12 umgibt, jedoch ragt das Trennelement 21 in die Anlagenkammer 1 hinein, d. h. es bildet eine Einstülpung der Kammerwand 11.
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In dem Trennelement 21 ist der Stator 23 angeordnet. Durch die Öffnung 12 ist der Stator gut zugänglich.
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Am geschlossenen Ende des ansonsten hohlzylindrischen Trennelements 21 ist eine Einbuchtung vorgesehen, in die das Ende der Antriebswelle 41 hineinragt. In der Einbuchtung sind die Drehlager 43 angeordnet, in denen die Antriebswelle 41 drehbar gelagert ist.
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Der Rotor 22 hat im Wesentlichen die Form eines einseitig verschlossenen Hohlzylinders. Er ist auf der Antriebswelle 41, die damit gleichzeitig die Rotorwelle 24 ist, befestigt und greift glockenartig über das Trennelement 21, so dass das vom Stator 23 erzeugte elektromagnetische Feld den Rotor 22 in Drehung versetzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anlagenkammer
- 11
- Kammerwand
- 12
- Öffnung
- 2
- Stützeinrichtung
- 21
- Trennelement
- 211
- Flansch
- 22
- Rotor
- 23
- Stator
- 24
- Rotorwelle
- 25
- Abdeckkappe
- 3
- rotierendes Target
- 31
- Targetrohr
- 32
- Anschlusselement
- 41
- Antriebswelle
- 42
- Anschlusselement
- 43
- Drehlager
- 5
- Gehäuse
- 51
- Öffnung
