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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Schaftlager nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein
solches Schaftlager, das insbesondere gasdicht ist und in dem ein
Schaft sowohl rotierbar als auch transversal verschieblich ist,
ist beispielsweise in
DE 38
03 411 A1 beschrieben. Bei diesem Schaftlager mit einem
Stator und einem Rotor ist ein Schaft transversal verschieblich
und rotierbar durch den Rotor durchgeführt und der Rotor ist im Stator
gelagert. Der Zwischenraum zwischen dem Rotor und dem Stator ist
mit einer magnetisierbaren Emulsion abgedichtet, und ein Faltenbalgen
umgibt einen Teil des Schafts. Der Faltenbalgen ist an seinem einen
Ende am Rotor befestigt und an seinem dem Rotor abgewandten Ende
mit dem Schaft abdichtend verbunden. Die transversale Verschieblichkeit
des Schaftes ist durch eine Arretierung zwischen dem Schaft und
dem Rotor auf einen vorbestimmten Bereich begrenzt.
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Weiterhin ist aus DE-Z: antriebstechnik
35 (1996) Nr. 1, S. 47-49, ein Lager bekannt, das einen Stator und
einen Rotor sowie einen Schaft aufweist, der transversal verschieblich
und rotierbar durch den Rotor durchgeführt ist, wobei der Rotor im
Stator gelagert ist. Der Zwischenraum zwischen dem Rotor und dem
Stator ist mit einer ferromagnetischen Flüssigkeit abgedichtet. Weiterhin
umgibt ein Faltenbalgen einen Teil des Schaftes, wobei der Balgen
an seinem einen Ende am Rotor befestigt und an seinem anderen Ende
mit dem Schaft abdichtend verbunden ist.
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Schaftlager, welche der Rotation
eines stabförmigen
Schafts oder einer Spindel bei deren gleichzeitiger Halterung dienen,
werden in vielen Gebieten der Technik eingesetzt. Falls ein solches
Lager zugleich in einem Durchtrittsloch zwischen zwei Kompartimenten,
in denen unterschiedliche Druckbedingungen herrschen, eingesetzt
werden soll, muß dieses
Lager zudem besondere Bedingungen bezüglich seiner Dichtigkeit erfüllen. Hierfür werden
spezielle Maßnahmen
ergriffen, welche einen Durchtritt von Gasen oder Flüssigkeiten
durch das Lager hindurch oder durch den Zwischenraum zwischen Lager
und Kompartimentabgrenzung hindurch verhindern sollen. Gerade bei
Vakuumanlagen sind hierbei besonders hohe Anforderungen an den Grad
der Dichtigkeit zu stellen.
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Wenn darüber hinaus der Schaft im Lager nicht
nur rotieren soll, sondern ebenfalls eine transversale Verschieblichkeit
notwendig ist, sind weitere konstruktive Maßnahmen notwendig, um diese
Dichtigkeit auch bei der Transversalverschiebung zu gewährleisten.
So werden beispielsweise bei Plasmaabscheidungsprozessen Vakuumkammern
verwendet, in denen ein Drehteller über einer Heizplatte angeordnet
ist. Auf dem Drehteller sind die zu behandelnden Werkstücke angeordnet.
Dieser Drehteller ist mit einer Spindel verbunden, welche aus dem
evakuierten Bereich der Plasmaabscheidungsanlage herausgeführt wird
und die mit einem außerhalb
des Vakuumbereichs gelegenen Antrieb verbunden ist, der den Drehteller
rotieren kann und ihn bedarfsweise hebt bzw. senkt, um ihn in Kontakt
mit der Heizplatte zu bringen. Die Spindel ist dabei in einem Lager
gelagert. Die Abdichtung dieses Lagers zum Vakuum der Vakuumkammer
hin erfolgt hierbei mit einer T-Ringdichtung. Das Ma terial dieser
Dichtung ermüdet
jedoch auf Grund hoher Umgebungstemperaturen und Einflüssen durch
die Prozeßgase
schnell. Gerade nach Längeren
Standzeiten kommt es daher oft zu Leckagen und/oder zu Stockungen
in der Vertikal- wie auch der Rotationsbewegung der Spindel an der
Dichtungsstelle. Ein Ersatz der T-Ringdichtung wäre daher wünschenswert.
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Seit einiger Zeit sind sogenannte
ferrofluide Dichtungen bekannt, bei denen eine Dichtung dadurch
erzielt wird, daß sich
zwischen einem rotierenden Element und einem feststehenden Element
der Dichtung eine magnetisierbare (ferrofluide) Emulsion befindet.
Diese wird durch ringförmig
um das rotierbare Element angeordnete Magnete magnetisiert, was
zu einer zuverlässigen
Abdichtung des Zwischenraums zwischen rotierbarem Element und statischem
Element führt.
Auf Grund ihrer Anordnung könnte
man die ringförmige
magnetische Emulsion daher als flüssigen O-Ring bezeichnen. Ferrofluide Dichtungen
haben jedoch den Nachteil, lediglich bei rotierenden Bewegungen
eine Dichtigkeit zu erzielen.
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Bei einer transversalen Verschiebung,
beispielsweise eines Schafts in einem Lager, bricht hingegen die
Dichtung zusammen und damit möglicherweise
auch ein abzudichtendes Vakuum. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Schaftlager bereitzustellen, dessen Dichtigkeit,
beispielsweise gegenüber
einem Vakuum, sowohl bei Rotationsbewegung als auch bei Transversalverschiebung
eines zu lagernden Schafts gewährleistet
bleibt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Schaftlager gemäß dem unabhängigen Patentanspruch
1 sowie der Verwendung des erfindungsgemäßen Schaftlagers als Spindeldurchführung in
einer Plasmaabscheidungsanlage gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 9.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
und Aspekte ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der
Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
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Der Schaftlager stellt eine zuverlässige Abdichtung
sowohl bei Rotationsbewegungen als auch bei transversalen Verschiebungen
eines darin gelagerten Schafts sicher. Es macht das Prinzip der
ferrofluiden Dichtung bei Schaftlagerungen anwendbar, bei denen
der Schaft auch transversal verschieblich sein muß.
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Der Schaft ist so durch das Lager
hindurchgeführt,
daß eine
ferrofluide Abdichtung gegenüber einer
vom Schaft mitgenommenen, lediglich rotierenden Hohlwelle möglich ist,
während
transversale Bewegungen des Schafts innerhalb der Hohlwelle erfolgen
und mittels eines hermetisch an der Hohlwelle und am Schaft angeordneten
Faltenbalgens abgedichtet werden.
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Bei dem Schaftlager mit einem Stator
und einem Rotor ist also ein Schaft transversal verschieblich und
rotierbar durch den Rotor durchgeführt und der Rotor im Stator
gelagert, wobei der Zwischenraum zwischen Rotor und Stator mit einer
magnetisierbaren Emulsion abgedichtet ist und weiterhin ein Faltenbalgen
zumindest einen Teil des Schafts umgibt und der Balgen an seinem
einen Ende am Rotor befestigt ist und an seinem dem Rotor abgewandten Ende
mit dem Schaft abdichtend verbunden ist.
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Die transversale Verschieblichkeit
des Schafts durch eine Arretierung zwischen Schaft und Rotor auf
einen vorbestimmten Bereich begrenzt. Die Arretierung weist einen
Vorsprung im Rotor und eine Vertiefung im Schacht auf, in die der
Vorsprung eingreifen kann. Vorzugsweise ist dieser Vorsprung eine durch
den Rotor hindurch reichende Schraube und die Vertiefung eine längliche Nut,
deren Breite im wesentlichen der Schraubenbreite und deren Länge im wesentlichen
dem Bereich der Verschieblichkeit entspricht. Der Faltenbalgen weist
vorzugsweise einen am Rotor befestigten Balgenanschlußring, einen
tubusförmigen
dehn- und komprimierbaren
Balgen und einen Balgenfrontring auf. Der dehn- und komprimierbare
Balgen kann beispielsweise aus Edelstahl bestehen. Der Faltenbalgen
ist vorzugsweise an seinem dem Rotor abgewandten Ende mittels eines Rückhalterings
mit dem Schaft abdichtend verbunden. Alternativ kann der Faltenbalgen
an seinem dem Rotor abgewandten Ende am Schaft abdichtend angeschweißt sein.
Im Schaftlager kann weiterhin ein ringförmiger Magnet angeordnet sein,
der die magnetisierbare Emulsion magnetisieren kann. Die Lagerung
des Rotors im Stator erfolgt vorzugsweise mittels eines Kugellagers
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Die vorliegende Erfindung umfaßt weiterhin die
Verwendung des Schaftlagers als Spindeldurchführung in einer Plasmaabscheidungsanlage,
die einen Drehhebeantrieb und eine Vakuumkammer aufweist. Das Lager
ist dabei vorzugsweise so orientiert, daß der Faltenbalgen sich in
der Vakuumkammer der Plasmaabscheidungsanlage befindet. Die Spindel
ist im Schaftlager vorzugsweise durch den Dreh- und Hebemechanismus
rotierbar und transversal verschieblich.
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Im folgenden wird die Erfindung im
einzelnen beschrieben, wobei auf die Figuren Bezug genommen wird,
in denen folgendes dargestellt ist. Es zeigt:
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1 eine
vorbekannte Plasmaabscheidungsanlage im Querschnitt; und
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2 das
erfindungsgemäße Schaftlager.
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Die in 1 gezeigte
Plasmaabscheidungsanlage soll beispielhaft das Problem der Abdichtung von
Schäften
zeigen, welche durch eine Durchtrittsöffnung zwischen zwei Bereichen
unterschiedlicher Gas-Drücke
hindurchgeführt
werden. Darge stellt ist eine Plasmaabscheidungsanlage mit einer
Vakuumkammer 1 und einer darunter angeordneten Evakuierkammer 4.
Die beiden Kammern stehen über
einen Verbindungsstutzen 5 miteinander in Verbindung. Die
Evakuierung der Kammern erfolgt über
einen Pumpenanschluß 6.
In der Vakuumkammer 1 ist ein rotierbarer Wafer-Drehteller 2 angeordnet,
auf dem die zu bearbeitenden Werkstücke, beispielsweise Wafer,
abgelegt werden. Unter dem Wafer-Drehteller 2 befindet
sich eine Heizplatte 3. Diese dient dazu, den Werkstücken auf
dem Wafer-Drehteller eine notwendige Prozeßtemperatur zu verleihen. Während eines
Prozeßvorgangs
ruht der Wafer-Drehteller unmittelbar auf der Heizplatte 3.
Der Drehteller wird von einer Seite aus mit Werkstücken beschickt
und danach jeweils um einen vorgegebenen Winkel weitergedreht, um
Platz für
die Bestückung
mit dem nächsten
Werkstück
zu schaffen. Nach Abschluß der
Bearbeitung hat jedes Werkstück praktisch
einen Vollkreis zurückgelegt,
bevor es aus der Vakuumkammer wieder entnommen wird. Um den Wafer-Drehteller 2 frei
um den vorbestimmten Winkel drehen zu können, wird er mittels des Tellerschafts 10 zunächst angehoben,
um dann um den vorbestimmten Winkel rotiert zu werden. Zu diesem Zwecke
steht der Wafer-Drehteller 2 über den Tellerschaft 10 in
Verbindung mit einer unter den Vakuumkammern angeordneten Drehhebeanordnung 9.
Der Tellerschaft 10 ist durch ein in der Evakuierkammer 4 angeordnetes
Schaftgehäuse 8 hindurchgeführt, welches
auf der Durchtrittsseite des Tellerschafts durch die Evakuierkammer
ein Schaftlager 7 aufweist und am Durchtritt von Schaftgehäuse 8 zur
Evakuierkammer 4 ein zweites Schaftgehäuselager 11 aufweist. Die
Abdichtung des nicht evakuierten Lagergehäuses 8 (Atmosphäre) gegenüber der
Evakuierkammer 4 erfolgt mittels einer T-Ringdichtung 12,
die unterhalb des Schaftgehäuselagers 11 im
Schaftgehäuse angeordnet
ist und den Tellerschaft 10 ringförmig umgibt. Diese T-Ringdichtung
weist die im Stand der Technik bekannten Nachteile auf.
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Das in 2 dargestellte
erfindungsgemäße Schaftlager
ersetzt das in 1 gezeigte
Schaftgehäuse.
Es kann somit mit der Außenwandung
der Evakuierkammer 4 verbunden sein oder alternativ, sofern
ein anderer Evakuiermechanismus zur Verfügung gestellt wird, an der
Vakuumkammerwandung 1a der Vakuumkammer 1 selbst.
In 2 wird die zweite
Alternative dargestellt, bei der das erfindungsgemäße Schaftlager
an der Vakuumkammerwandung 1a befestigt ist. Das Schaftlager
besteht aus einem Stator, der auch als Lagergehäuse 17 bezeichnet
wird und der fest mit der Vakuumkammerwandung 1a verbunden
ist sowie aus einem Rotor 20, der auch als Hohlwelle bezeichnet
werden kann. Der Schaft 10 ist durch diesen Rotor 20 transversal
verschieblich hindurchgeführt.
Bei Rotation des Schafts 10 dreht sich der Rotor 20 mit
dem Schaft 10 mit. Das Lager weist eine zur Atmosphärenseite
hinweisende Seite 18 und eine zur Vakuumkammer 1 hinweisende Vakuumseite 19 auf.
Das Lager liegt mit der Vakuumseite 19 auf der Vakuumkammerwandung 1a auf
und kann mit dieser z.B. verschraubt sein. Die Dichtigkeit zwischen
Vakuumkammer und Umgebung wird mittels einer in die Vakuumseite 19 eingelassenen
statischen O-Ring-Dichtung
gewährleistet.
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An dem erfindungsgemäßen Schaftlager sind
gleichzeitig zwei Abdichtungsmechanismen vorgesehen, die einerseits
eine Abdichtung bei Rotation des Schafts, andererseits eine Abdichtung
bei dessen transversaler Verschiebung sicherstellen. Zum einen wird
in den Zwischenraum zwischen Stator 17 und Rotor 20 eine
magnetisierbare Emulsion eingebracht, die bei einer Rotationsbewegung
des Rotors im Stator durch ihre Magnetisiertheit eine zuverlässige Abdichtung
des Zwischenraums zwischen Rotor 20 und Stator 17 bewirkt.
Da zwischen dem Rotor 20 und dem Stator 17 keine
Transversalverschiebungen stattfinden, sondern ausschließlich Rotationsbewegungen,
kann somit innerhalb des eigentlichen Schaftlagers eine zuverlässige Abdichtung
des Vakuums erreicht werden.
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Der zweite Abdichtmechanismus bewirkt eine
zuverlässige
Abdichtung zwischen dem Schaft 10 und dem Rotor 20.
Er besteht aus einem Faltenbalgen, welcher fest mit dem Rotor einerseits und
dem Schaft andererseits verbunden ist. Es handelt sich hierbei also
um eine mechanisch wirkende Abdichtung des Zwischenraums zwischen
Schaft 10 und Rotor 20.
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Die verwendete magnetisierbare Emulsion soll
gegen die mit ihr in Kontakt kommenden Substanzen widerstandsfähig sein.
Dies betrifft insbesondere chemische Abscheidungsprozesse, bei denen agressive
Substanzen in der Vakuumkammer enthalten sind. Dem Fachmann sind
hierfür
eine Reihe geeigneter, magnetisierbarer Substanzen bekannt, z.B. Fluorkohlenwasserstoffe
oder Ester. Damit die zwischen Stator 17 und Rotor 20 befindliche
ferrofluide Emulsion diesen Zwischenraum zuverlässig abzudichten vermag, muß sie magnetisiert
sein. Dies wird durch Magnete reicht, die im Zwischenraum oder in unmittelbarer
Nähe des
Zwischenraums im wesentlichen kreisförmig um den Rotor herum angeordnet sind.
In 2 ist ein ringförmiger Dauermagnet 26 mit
insgesamt drei Ringwülsten
gezeigt. Zwischen der Rotoraußenwand
und diesen Ringwülsten
verbleiben nur schmale Spalten mit einem besonders stark wirkenden
Magnetfeld, die mit magnetisierbarer Emulsion gefüllt sind
und die O-ringartige Abdichtung des Zwischenraums zwischen Stator 17 und
Rotor 20 bewirken.
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Es ist jedoch auch vorstellbar, lediglich
eine Ringwulst zu verwenden oder den oder die Magnete in etwas größerem Abstand
vom Rotor 20 zu beabstanden, sofern die magnetische Kraft
noch hinreichend ist, die im Zwischenraum befindliche magnetisierbare
Emulsion zu magnetisieren. Des weiteren können Elektromagnete an Stelle
von Dauermagneten verwendet werden, um beispielsweise die Dichtleistung
gezielt an das anliegende Vakuum anpassen zu können. Auch kann mehr als eine
Anordnung von Magneten verwendet werden.
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Der den Zwischenraum zwischen Schaft 10 und
Rotor 20 abdichtende Faltenbalgen besteht in der vorliegenden
Ausführungsform
aus einem am Rotor 20 befestigten Balgenanschlußring 23,
einem Balgen 25 und einem am Schaft anliegenden Balgenfron tring 24,
der mit einem eng schließenden
Rückhaltering 27 mit
dem Schaft abdichtend verbunden ist. Da der gesamten Faltenbalgen
mit dem Schaft 10 und dem Rotor 20 mitrotiert,
kann der Rückhaltering 27 auf
seine Abdichtungsfunktion hin optimiert werden, da keine Gleitung
zwischen Schaft 10 und Rückhaltering 27 erfolgen
wird. Der eigentliche Balgen 25 kann beispielsweise aus
Edelstahl gefertigt sein, ist vorteilhafterweise tubusförmig und
derart in Falten oder Rillen gepreßt oder sonstwie geformt worden, daß er sich
bei transversalen Verschiebungen des Schafts dehnen oder zusammenziehen
kann. Er gleicht damit in seiner Funktion aus dem fotografischen
Bereich bekannten Balgen, wie beispielsweise Nahaufnahmebalgeneinrichtungen.
Der Balgen kann neben einer zylinderförmigen Ausgestaltung auch andere
Fromen haben, die geeignet sind, eine Kompression und Expansion
mitzumachen, beispielsweise konusförmig.
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Die Befestigung des Balgenanschlußrings 23 am
Rotor 20 kann beispielsweise durch Verschweißen erfolgen.
Wichtig ist, daß zwischen
den Teilen Rotor 20, Balgenanschlußring 23, Balgen 25, Balgenfrontring 24 und
Rückhaltering 27 ein
gasdichter Verschluß hergestellt
ist. Dies kann in dem Fachmann bekannter Weise durch Verschweißen, spezielles
Verkleben, oder, wie im Falle von Rotor und Balgenanschlußring, durch
einstöckiges
Ausformen erfolgen.
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Alternativ zur Verwendung eines Rückhalterings 27 kann
der Balgenfrontring 24 beispielsweise auch am Schaft 10 verschweißt sein.
Auch hier ist wieder maßgeblich,
daß ein
gasdichter Abschluß zwischen
dem Balgenfrontring und dem Schaft zustande kommt.
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Um ein Zerreißen oder andere Beschädigungen
des Faltenbalgens zu vermeiden, sollte die transversale Verschieblichkeit
des Schafts 10 begrenzt werden. Hierzu kann beispielsweise
ein Vorsprung im Rotor vorgesehen sein, der in eine entsprechende Vertiefung
im Schaft 10 eingreift, so daß der Schaft 10 in beide
Richtungen nur bis zu dem Punkt verschoben werden kann, an dem der
Vorsprung gegen die Endwände
der Vertiefung stößt. In der
in 2 gezeigten Ausführungsform
wird als Vorsprung eine Mitnehmerschraube 22 verwendet,
welche in den Rotor 20 eingeschraubt ist und in dem vom
Rotor 20 gebildeten Hohlraum nach innen hineinragt. Die
Vertiefung ist in dieser Ausführungsform
eine Mitnehmernut 29 im Schaft 10, deren Länge dem
gewünschten
Verschieblichkeitsbereich entspricht und deren Breite im wesentlichen
der Schraubenbreite entspricht. Auf diese Weise kann ein Spiel zwischen dem
Schaft 10 und dem Rotor 20 minimiert werden, wenn
beide gemeinsam rotieren.
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Es ist jedoch auch möglich, den
Vorsprung im Schaft 10 anzubringen und dann eine Vertiefung im
Rotor 20 vorzusehen, in die dieser Vorsprung eingreifen
kann. Maßgeblich
für die
Ausführung
dieses Merkmals muß jedenfalls
sein, daß Schaft
und Rotor stets gemeinsam rotieren, jedoch lediglich der Schaft transversal
verschiebbar ist, während
der Rotor im wesentlichen keine transversalen Bewegungen machen
darf. Um ein leichtgängiges
Rotieren des Rotors 20 im Stator 17 zu ermöglichen,
können
entsprechende Lagerungen vorgenommen werden. Beispielsweise können Gleitlager
vorgesehen sein oder, wie im in der 2 gezeigten
Beispiel, ein Kugellager mit Kugeln 21. Auch ist es vorstellbar,
daß mehrere
Kugellager verwendet werden oder Kugel- und Gleitlager kombiniert
werden können.
Schließlich sollten
Rotor und Stator so aufeinander abgestellt sein, daß aus den
Abschlüssen
keine magnetsierbare Emulsion austreten kann. Dies kann beispielsweise
erreicht werden, indem Vorsprünge
am Rotor und am Stator vorgesehen werden, die lediglich einen so kleinen
Zwischenspalt zwischen Rotor und Stator im Bereich der Vorsprünge verbleiben
lassen, daß ein Durchtritt
von magnetisierbarer Emulsion nicht möglich ist. Die Lagerschalen
eines verwendeten Kugellagers können
entweder einstückig
mit dem Rotor, beziehungsweise dem Stator ausgeführt sein, oder es kann zwischen
Rotor und Stator ein vollständiges Kugellager
inklusive der Lagerschalen eingesetzt werden. Letzeres hat den Vorteil,
daß auf
indu striell verfügbare
Standardkugellager zurückgegriffen
werden kann.
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Zusammengefaßt kann gesagt werden, daß das erfindungsgemäße Schaftlager
eine besondere vorteilhafte Abdichtung bei Rotations- und Transversalverschiebungen
erzielt, indem die zwei Bewegungen unterschiedlichen Bereichen des
Schaftlagers zugewiesen werden, und damit jeder der Bewegungen eine
optimale Abdichtung durch spezielle Maßnahmen zugeordnet werden kann.
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- 1
- Vakuumkammer
- 1a
- Vakuumkammerwandung
- 2
- Waferdrehteller
- 3
- Heizplatte
- 4
- Evakuierkammer
- 5
- Verbindungstutzen
- 6
- Pumpenanschluß (für Vakuum)
- 7
- Schaftlager
- 8
- Schaftgehäuse
- 9
- Dreh-/Anhebeanordnung
- 10
- Tellerschaft
- 11
- Schaftgehäuselager
- 12
- T-Ring-Dichtung
- 15
- Schaftnut
zur Kopplung mit Dreh-/Anhebeanordnung
- 16
- Schaftgewinde
zur Kopplung mit Drehteller
- 17
- Lagergehäuse/Stator
- 18
- Atmosphärenseite
des Lagergehäuses
- 19
- Vakuumseite
des Lagergehäuses
- 20
- Lagerrotor
(Hohlwelle)
- 21
- Kugeln
des Kugellagers
- 22
- Mitnehmerschraube
- 23
- Balgenanschlußring
- 24
- Balgenfrontring
- 25
- Balgen
- 26
- Ferrofluid-Ringmagnet
- 27
- Rückhaltering
- 28
- Statischer
O-Ring
- 29
- Mitnehmernut