DE69304368T2

DE69304368T2 - IC-gesteuerter Gleichstrommotor

Info

Publication number: DE69304368T2
Application number: DE69304368T
Authority: DE
Inventors: Sandro Cerato; De Martiis Carlo Cognetti; Isao Kaneda; Kohei Yonemura
Original assignee: SGS Thomson Microelectronics SRL; Nidec Corp
Current assignee: STMicroelectronics SRL; Nidec Corp
Priority date: 1992-01-24
Filing date: 1993-01-25
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2013-01-26
Also published as: EP0558181B1; JPH05207718A; EP0558181A1; US5357160A; DE69304368D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichstrommotor und im spezielleren einen Gleichstrommotor, der von einem integrierten Schaltkreis (IC) gesteuert wird.
Ein Spindelmotor, einer von verschiedenen Arten von Gleichstrommotoren, weist ein Gehäuse auf, das einen Ständer umfaßt, sowie einen Rotor, der drehbar auf dem Gehäuse gestützt und dem Ständer zugewandt ist.
Bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor sind Permanentmagneten auf dem Rotor montiert und Wicklungszweige auf dem Ständer montiert. Geregelter Gleichstrom wird den Wicklungszweigen des Ständers zugeführt, um den Rotor zu drehen. Um den Strom zu regeln, der durch die Wicklungszweige fließt, während die Rotation des Rotors überwacht wird, wird allgemein ein Steuerungs-IC verwendet. Der Steuerungs-IC ist auf einer IC-Leiterplatte montiert und an diese angeschlossen. Die IC-Leiterplatte und der Motor sind durch Verdrahtungen, wie eine flexible Leiterplatte, miteinander verbunden. Diese IC-Leiterplatte ist auch an eine externe Stromquelle und eine Steuerschaltung angeschlossen.
Bei einem bekannten Aufbau eines Gleichstrommotors ist das Gehäuse mit einem Durchgangsloch in seinem Zentrumsbereich ausgebildet. Rillen sind in der Seitenwand des Durchgangslochs ausgebildet, um Wicklungszweige innerhalb der Rillen zu montieren. Der Rotor hat eine in seinem Zentrumsbereich ausgebildete Welle. Die Rotorwelle wird von Lagern innerhalb des Durchgangslochs des Gehäuses abgestützt. Permanentmagneten sind an der kreisförmigen Außenwand des Rotors montiert, die drehbar innerhalb eines in der Rille ausgebildeten Raums untergebracht ist.
Die EP-A-163142 beschreibt ein Beispiel für einen Gleichstrommotor, der von einem IC- Chip gesteuert wird. Der Chip ist auf einer flexiblen Leiterplatte montiert, die am Gehäuse des Motors montiert ist. Die Leiterplatte umfaßt ein Verdrahtungsmuster, an das der IC elektrisch angeschlossen ist.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Gleichstrommotor bereitzustellen, durch den die gesamte Größe des Gleichstrommotorsystems einschließlich eines Steuerungs-ICs reduziert werden kann.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Gleichstrommotor mit einer vereinfachten Struktur bereitzustellen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Gleichstrommotor bereitgestellt, der ein Gehäuse, einen Rotor, der drehbar vom Gehäuse gestützt wird, eine flexible Leiterplatte, die ein Verdrahtungsmuster enthält und fix am Gehäuse montiert ist, und einen IC-Chip umfaßt, der auf der flexiblen Leiterplatte montiert und einer im Gehäuse ausgebildeten Ausnehmung zugewandt angeordnet ist, wobei der IC- Chip elektrisch mit dem Verdrahtungsmuster verbunden ist.
Die flexible Leiterplatte ist fix am Gehäuse des Motors montiert, und der IC-Chip ist der Ausnehmung des Gehäuses zugewandt auf der Platte montiert.
Es ist daher möglich, die Gesamtgröße des Motorsystems zu reduzieren.
Die Verwendung der flexiblen Leiterplatte mit der Metallschicht zum Halten des IC- Chips ermöglicht es, daß vom IC-Chip erzeugte Wärme über die Metallschicht nach außen abstrahlen kann, wobei die Wärmeabstrahlung des IC-Chips verbessert wird.
Das Verbinden von Stiften der Wicklungszweige mit den Verdrahtungsmustern der flexiblen Leiterplatte verringert die Gesamtgröße des Motorsystems weiter und ermöglicht eine einfache elektrische Verbindung zwischen den Verdrahtungsmustern der Platte und den Wicklungszweigen.
Die Verwendung eines auf der flexiblen Leiterplatte montierten Verbinders für die elektrische Verbindung zwischen dem IC-Chip und einer externen Stromquelle macht die Verbindung mit dem Motor einfach.

IN DEN BEILIEGENDEN ZEICHNUNGEN:

ist Fig. 1 eine Querschnittansicht, die eine Ausführungsform eines Gleichstrommotors gemäß vorliegender Erfindung zeigt,
ist Fig. 2 eine Unteransicht des in Fig. 1 gezeigten Gleichstrommotors,
ist Fig. 3 eine schematische Darstellung im Querschnitt, die den Montagezustand eines Gleichstrommotors auf einem Gehäuse einer Festplatte zeigt.
Eine Ausführungsform des Gleichstrommotors gemäß vorliegender Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 ist ein Aufriß von vorne im Schnitt, der eine Ausführungsform eines bürstenlosen Motors für Festplatten gemäß vorliegender Erfindung zeigt, und Fig. 2 ist eine Unteransicht davon. Fig. 2 zeigt die Schnittlinie 1-1 von Fig. 1.
Auf die Fig. 1 und 2 Bezug nehmend stützt ein Gehäuse 2 aus Aluminium mit Hilfe von Lagern 4 und 6 drehbar ein Nabenelement 8, das als Rotor dient.
Ein Hohlzylinder 10 ist im Gehäuse 2 in dessen Zentrumsbereich ausgebildet. Die Innenwand 32 des Hohlzylinders 10 bildet ein Durchgangsloch (eine Ausnehmung) 32, das durch das Gehäuse 2 hindurchgeht, wobei das Durchgangsloch 32 einen Durchmesser von etwa 8 mm aufweist. Ein Ständer 16 ist fix an der Außenwand 14 des Hohlzylinders 10 von Gehäuse 2 montiert. Der Ständer 16 weist Ständerkerne 18 und Wicklungszweige 20 auf, die auf die Ständerkerne 18 gewickelt sind. Jeder Ständerkern 16 ist aus einer Vielzahl von aufeinanderlaminierten Siliziumstahlplatten konstruiert.
Das Nabenelement 8 besteht aus magnetischem rostfreiem Stahl und weist eine Welle 24 aus einem massiven Zylinder in seinem mittleren Bereich und eine Umfangswand 26 an seiner äußeren Peripherie auf. Die Welle 24 hat bei dieser Ausführungsform einen Durchmesser von 4 mm. An der Innenfläche 26a der Umfangswand 26 sind Rotormagneten 28 montiert, die dem Ständer 16 zugewandt sind. Jeder Rotormagnet 28 besteht aus plastischem Magnetmaterial (mit der Bezeichnung Neody-bond), das Neodym enthält. Eine Magnetscheibe 30 ist an der Außenfläche 26b der Umfangswand 26 montiert. Die Welle 24 wird von den Lagern 4 und 6 drehbar innerhalb des Durchgangslochs 32 des Gehäuses 2 gestützt, um so das Nabenelement 8 relativ zum Gehäuse 2 drehbar zu stützen. Die Rotormagneten 28, der Stator 16 und das Nabenelement 8 bilden einen magnetischen Kreis.
Die Innenwand 32 des Hohlzylinders 10 des Gehäuses 2 ist in axialer Richtung länger als Welle 24. Daher ist ein Raum 32a vorgesehen, der durch die Innenwand 12 des Hohlzylinders 10 und die Bodenfläche der Welle 24 begrenzt ist. Der Raum 32a hat eine Abmessung von beispielsweise 8 mm Durchmesser und 0,7 mm Höhe.
Das Gehäuse 2 ist mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern 34 ausgebildet (im Fall einer Dreiphasen-Dreieckschaltung beispielsweise drei Löcher). Ein Isolierring 22 aus Harz ist zwischen dem Gehäuse 2 und den Wicklungszweigen 20 eingefügt. Der Isolierring 22 ist mit Durchgangslöchern ausgebildet, deren Position den Durchgangslöchern 34 entspricht. Der Ring 22 bildet die elektrische Isolierung für die Wicklungszweige 20 vom Gehäuse 2. An der Seite des Ständers 16 ist ein Verbindungsstift 36 aus Kupferlegierung für jede Wicklungszuleitung des Wicklungszweiges 20 vorgesehen und an seinem oberen Ende elektrisch an die Wicklungszuleitung angeschlossen. Der Verbindungsstiff 36 ist mit einem (nicht gezeigten) Isolierschlauch an seinem oberen Endabschnitt versehen und zwischen Windungen der Spulenwicklung fixiert. Das untere Ende eines jeden Verbindungsstiftes 36 ist auf eine weiter unten im Detail erörterte Weise elektrisch an ein Verdrahtungsmuster auf einer flexiblen Leiterplatte 40 angelötet
Die flexible Leiterplatte 40 weist ein Verdrahtungsmuster 44 und Isolationsschutzschichten 42 und 46 auf, zwischen denen das Verdrahtungsmuster 44 in Sandwichanordnung angeordnet ist. Das Verdrahtungsmuster 44 besteht aus Kupferfolie oder dergleichen und hat eine Dicke von etwa 35 µm. Jede Isolationsschicht 42, 46 besteht aus Polyimid und hat eine Dicke von etwa 35 µm. Die obere Isolationsschicht 42 der flexiblen Leiterplatte 40 ist mit Epoxyharzkleber fix an der Bodenfläche 38 des Gehäuses 2 befestigt.
In der lsolationsschicht 42 der flexiblen Leiterplatte 40 sind an Positionen, die dem Durchgangsloch 32 des Gehäuses 2 zugewandt wird, Öffnungen ausgebildet. Ein Metallmuster 50 aus Kupfer oder dergleichen, das durch eine der Öffnungen freiliegt, weist einen Motorantriebs- und Steuerungs-IC-Chip 48 auf, der unter Verwendung von Silberpaste darauf montiert ist. Der IC-Chip 48 weist Abmessungen von beispielsweise 4 mm im Quadrat und 300 µm Dicke auf. Das Metallmuster 50 ist in der gleichen Schicht von Verdrahtungsmustern 44 ausgebildet, die am peripheren Bereich des Metallmusters 50 angeordnet sind. Die Verdrahtungsmuster 44 liegen ebenfalls durch in der Isolationsschicht 42 ausgebildete Öffnungen frei. Der IC-Chip 48 und die Verdrahtungsmuster 44 sind durch Golddrähte 51 miteinander verbunden. Das Metallmuster 50 und die Verdrahtungsmuster 44 weisen vorbestimmte Gestalten auf und sind an eine externe Masseleitung, Stromleitung, Verbindungsstifte 36 und dergleichen angeschlossen.
Der IC-Chip 48 und die Verdrahtungen 51 sind mit Expoxyharz 52 umformt, das einen Teil des innerhalb des Gehäuses 2 ausgebildeten Raums 32a einnimmt. Die Dicke des Epoxyharzbereichs 52 über der Isolationsschicht 42 beträgt beispielsweise 0,5 mm. Der IC-Chip 48 versorgt die Wicklungszweige 20 mit Strom und regelt diesen und arbeitet beispielsweise mit einer Betriebsspannung von 5V und einem Maximalstrom von 1A. Wegen des Stromverbrauchs des IC-Chips 48 wird Wärme erzeugt. Diese vom IC-Chip 48 erzeugte Wärme wird jedoch über die Metallschicht bzw. das Muster 50 nach außen abgestrahlt, weil die Metalschicht 50 aus Kupfer oder dergleichen einen hohen Wärmeübertragungskoeffizienten aufweist. Vom IC-Chip 48 erzeugte Wärme wird auch über das Harz 52 nach oben in den Raum 32a und über die Welle 24 des Nabenelements 8 oder den Hohlzylinder 10 des Gehäuses 10 aus dem Motor abgestrahlt. Das Metallmuster 50 kann ein isoliertes Muster oder ein an die Masseleitung angeschlossenes Muster sein.
Da die Deckfläche des IC-Chips 48 mit der Nabe 8 aus magnetischem rostfreiem Stahl bedeckt ist, die elektrisch leitend und magnetisch ist, ist der IC-Chip 48 von Magnetinduktion des Ständers 16 und der Permanentmagneten 28 des Rotors abgeschirmt.
Der IC-Chip 48 ist auch durch das Metallmuster 50, den Epoxyharzbereich 52 und die Isolationsschichten 42 und 46 abgedichtet, sodaß er nicht von äußeren atmosphärischen Bedingungen beeinflußt wird.
Die an die Wicklungszweige 20 angeschlossenen Verbindungsstifte 36 sind über den Isolationsring 22 und die Durchgangslöcher 34 direkt an Verdrahtungsmuster 44 (44a, 44b, 44c, siehe Fig. 2) auf der flexiblen Leiterplatte 40 angeschlossen. Beim Verbinden der Verbindungsstifte 36 mit den Verdrahtungsmustern 44 werden die Bodenenden der Verbindungsstifte 36 beispielsweise kreisförmig mit Lot bedeckt, und die flexible Leiterplatte 40 wird an der Bodenfläche 38 des Gehäuses 2 angeordnet, sodaß die kreisförmigen Enden der Stifte 36 in die Löcher 54 eintreten, die im Isolationsfilm 42 der Platte 40 ausgebildet sind.
Die flexible Leiterplatte 40 weist einen Stecker 58 zum Anschließen an eine externe Stromquelle und einen Steuerstromkreis auf (nicht gezeigt). Wenn der Stecker 58 an die Stromquelle und den Steuerstromkreis angeschlossen ist, werden dem IC-Chip 48 über Verdrahtungsmuster 44d bis 44h und Drähte 51 Strom und Steuerungssignale zugeführt.
Fig. 3 zeigt den Montagezustand des Motors auf einem Gehäuse einer Festplatte. Die Seitenwand des Gehäuses 2 ist fest in eine Öffnung 61 des Metallgehäuses 60 eingepaßt, und das Gehäuse 2 ist durch eine Schraube 64 fix am Gehäuse 60 montiert. Für allgemeine Informationen über eine solche Festplatte wird auf die am 25. Juni 1991 eingereichte US-Patentanmeldung S.N. 07/720.905 verwiesen, die durch Verweis hierin aufgenommen ist.
Statt des Vorsehens des Steckers 58 an der flexiblen Leiterplatte 40 zum Anschließen an die externe Stromquelle oder dergleichen können für ein solches Verbinden Leitungsdrähte verwendet werden.
Anstatt des Anschweißens der Bodenfläche des IC-Chips an das Metallmuster kann der IC-Chip mit Anschlüssen anstelle von Anschlußflächen versehen sein und Flip-Chip- Verbindung mit auf Verdrahtungsmustern ausgebildeten Zuleitungen vorhanden sein.
Weiters kann der IC-Chip in einer zusätzlich im Gehäuse ausgebildeten Ausnehmung montiert sein, obwohl die Verwendung des Freiraums, in den die Welle 24 des Nabenelements 8 eingesetzt wird, den Herstellungsvorgang erleichtern bzw. vereinfachen kann.

Claims

1. Gleichstrommotor, umfassend:

ein Gehäuse (2);

einen Rotor (8), der drehbar durch das Gehäuse (2) gestützt wird;

eine flexible Leiterplatte (40), die ein Verdrahtungsmuster (44) enthält und fix am Gehäuse (2) montiert ist; und

einen IC-Chip (48), der auf der flexiblen Leiterplatte (40) montiert und elektrisch mit dem Verdrahtungsmuster (44) verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, daß der IC-Chip (48) einer im Gehäuse (2) ausgebildeten Ausnehmung (32) zugewandt angeordnet ist.

2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, worin der Rotor (8) eine Welle (24) besitzt, die drehbar durch ein Lager (4, 6) innerhalb der Ausnehmung (32) abgestützt wird.

3. Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, worin die flexible Leiterplatte (40) weiters eine Metallschicht (50) zum Montieren des IC-Chips (48) enthält, wobei die Metallschicht (50) vom Verdrahtungsmuster (44) auf der Leiterplatte (40) isoliert ist.

4. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, 2 oder 3, weiters umfassend einen um den IC- Chip (48) geformten Harzbereich (52).

5. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend einen Verbindungsstift (36), wobei ein Ende des Stifts mit einer Motorwicklung (20) verbunden ist und das andere Ende mit dem Verdrahtungsmuster (44) auf der flexiblen Leiterplatte (40) verbunden ist und wobei das Verdrahtungsmuster mit dem IC-Chip (48) verbunden ist.

6. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend einen Verbinder (58), der mit der flexiblen Leiterplatte (40) verbunden und zum Anschluß einer externen Stromquelle ausgebildet ist.