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Die
Erfindung betrifft einen Stromsensor zum Messen eines Stromes, der
durch eine Stromleitung fließt,
sowie ein Verfahren zum Montieren eines derartigen Stromsensors.
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Es
ist ein herkömmlicher
Stromsensor bekannt, der eine Brückenschaltung
verwendet, welche vier magnetische Widerstandselemente aufweist,
die symmetrisch angeordnet sind. Ein derartiger Stromsensor ist
beispielsweise aus der JP-A-8-211 138/1996 bekannt.
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Bei
dem herkömmlichen
Stromsensor und der dort verwendeten Konfiguration besteht das Problem,
daß Meßfehler
wegen des Verlustes der Balance zwischen der linken Seite und der
rechten Seite der Brückenschaltung
auftreten können,
die spiegelsymmetrisch angeordnet sind, und zwar dann, wenn eine
Dehnung oder Belastung isotrop auf einem Montagesubstrat auftritt,
auf dem die vier magnetischen Widerstandselemente montiert sind,
beispielsweise wegen Temperaturänderungen
oder dergleichen.
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Außerdem besteht
das weitere Problem, daß es
schwierig ist, eine Messung von großen Strömen durchzuführen.
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Desweiteren
sind dort keinerlei Gegenmaßnahmen
getroffen, um die Einwirkungen von äußeren elektrischen Feldern
zu verhindern, so daß das
Problem auftritt, daß die
Meßgenauigkeit
reduziert ist, wenn sich eine Rauschen verursachende Quelle in der
Nähe befindet.
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Die
Erfindung hat zum Ziel, derartige Probleme auszuräumen. Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Stromsensor sowie
ein Verfahren zum Montieren eines derartigen Stromsensors anzugeben,
mit denen es möglich
ist, Meßfehler
aufgrund von isotropen Dehnungen oder Belastungen wegen Temperaturänderungen
oder dergleichen auszuräumen
oder zumindest zu reduzieren.
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Der
erfindungsgemäße Stromsensor
weist eine erste Halbbrückenschaltung
in einem ersten Bereich, abgeteilt durch eine Mittellinie eines
Montagesubstrats, sowie eine zweite Halbbrückenschaltung auf, die einem
zweiten Bereich angeordnet ist. Die erste und die zweite Halbbrückenschaltung
sind in gleicher Weise ausgebildet und punktsymmetrisch um den Mittelpunkt
des Montagesubstrats angeordnet.
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Auch
wenn eine Dehnung oder Belastung isotrop bei dem Montagesubstrat
der magnetischen Widerstandselemente aufgrund von entsprechenden Temperaturen
oder dergleichen auftreten, so unterliegen die erste Halbbrückenschaltung
und die zweite Halbbrückenschaltung
dem Einfluß der
Dehnung oder Belastung in gleichem Maße wie die gesamte Brückenschaltung.
Somit kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung
ein derartiger Effekt ausgeglichen und beseitigt sowie Meßfehler
reduziert werden, die von isotropen Dehnungen oder Belastungen herrühren und
von entsprechenden Temperaturen oder dergleichen hervorgerufen werden.
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Die
Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale
und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen
in
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1 eine
Draufsicht zur Erläuterung
der Stromdetektoreinheit eines Stromsensors gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 eine
schematische Darstellung zur Erläuterung
der Konfiguration der Stromdetektoreinheit des Stromsensors gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung;
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3a und 3b Diagramme
zur Erläuterung der
Magnetisierungsrichtung in einem ferromagnetischen Material und
der Stromrichtung des durch das ferromagnetische Material fließenden Stromes,
und zwar mit bzw. ohne ein äußeres magnetisches
Feld;
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4 eine
Charakteristik zur Erläuterung von Änderungen
des Widerstandes des ferromagnetischen Materials in Abhängigkeit
von einem Winkel θ zwischen
der Magnetisierungsrichtung und der Stromrichtung;
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5 eine
Darstellung zur Erläuterung
einer Magneto-Widerstandskopf-Elektrodenstruktur;
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6 eine
schematische Darstellung zur Erläuterung
eines Verfahrens zum Montieren des Stromsensors gemäß der ersten
Ausführungsform der
Erfindung;
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7 einen
Querschnitt durch die Anordnung gemäß 6 längs der
Linie A-A;
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8 eine
Draufsicht zur Erläuterung
der Stromdetektoreinheit eines Stromsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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9 eine
schematische Darstellung zur Erläuterung
eines Verfahrens zur Montage des Stromsensors gemäß der zweiten
Ausführungsform
der Erfindung; und in
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10 einen
Querschnitt zur Erläuterung
eines Stromsensors gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung.
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Erste Ausführungsform
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1 zeigt
eine Draufsicht zur Erläuterung der
Stromdetektoreinheit eines Stromsensors gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung. In 1 besteht die Stromdetektoreinheit 1 aus
Schaltungskomponenten, die auf einem Montagesubstrat 2 angeordnet
sind, und zwar punktsymmetrisch bezüglich des Mittelpunktes 4 auf
einer Mittellinie 3 des Montagesubstrats 2.
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Es
sind vier magnetische Widerstandselemente, nämlich erste bis vierte magnetische
Widerstandselemente 5a–5d,
parallel zueinander bezüglich
der Mittellinie 3 des Montagesubstrats 2 angeordnet.
Eine Magneto-Widerstandskopf-Elektrodenstruktur (barber pole electrode
structure) ist in einer derartigen Weise ausgebildet, daß die magnetischen Widerstandselemente 5a und 5d magnetische
Widerstandseigenschaften besitzen, bei denen die Widerstände bei
einer Zunahme der Magnetfelder in einander entgegengesetzten Richtungen
zunehmen, und daß die
magnetischen Widerstands element 5b und 5c magnetische
Widerstandseigenschaften besitzen, bei denen die Widerstände bei
einer Zunahme der magnetischen Felder in zueinander entgegengesetzten
Richtungen abnehmen.
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Die
vier magnetischen Widerstandselemente 5a–5d bestehen
jeweils aus drei magnetischen Widerstandselementen, die in einer
kurbelförmigen
Gestalt ausgebildet sind. Somit kann die Ausdehnung entlang der
Länge der
Leitung, die dem Magnetfeld ausgesetzt ist, die Erfassung von Schwankungen des
Magnetfeldes erleichtern.
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Verbindungs-Stromleitungen 6 sorgen
für die Bildung
der Brückenschaltung,
indem sie die vier magnetischen Widerstandselemente 5a–5d verbinden.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Konfiguration der
Stromdetektoreinheit des Stromsensors gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung. In 2 wird von den vier magnetischen
Widerstandselementen 5a–5d eine Brückenschaltung 8 gebildet,
die so konfiguriert ist, daß sie
aus einer Parallelschaltung von einer Halbbrückenschaltung in Form einer
ersten Halbbrückenschaltung 7a,
die aus einer Reihenschaltung von den magnetischen Widerstandselementen 5a und 5b besteht,
und einer weiteren Halbbrückenschaltung
in Form einer zweiten Halbbrückenschaltung 7b gebildet
ist, die aus einer Reihenschaltung von den magnetischen Widerstandselementen 5c und 5d besteht.
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Ein
Verbindungsbereich in Form eines ersten Verbindungsbereiches 9a ist
mit der Verbindungs-Stromleitung 6 parallel zu den magnetischen Widerstandselementen 5a und 5c der
Brückenschaltung 8 geschaltet,
und ein Verbindungsbereich in Form eines zweiten Verbindungsbereiches 9b ist
mit der Verbindungs-Stromleitung 6 parallel zu den magnetischen
Widerstandselementen 5b und 5d der Brückenschaltung 8 geschaltet.
Die Verbindungsbereiche 9a und 9b werden verwendet,
um die Brückenschaltung 8 mit
einer Spannung zu versorgen.
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Ein
Verbindungsbereich in Form eines dritten Verbindungsbereiches 9c ist
mit der Verbindungs-Stromleitung 6 parallel zu den magnetischen Widerstandselementen 5a und 5b der
Brückenschaltung 8 geschaltet,
und ein Verbindungsbereich in Form eines vierten Verbindungsbereiches 9d ist
mit der Verbindungs-Stromleitung 6 parallel zu den magnetischen
Widerstandselement 5c und 5d der Brückenschaltung 8 geschaltet.
Die Verbindungsbereiche 9c und 9d werden verwendet,
um die Spannung von der Brückenschaltung 8 zu
detektieren.
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Wie
in 1 dargestellt, ist eine Kompensationsleitung 16 oberhalb
oder unterhalb oder sowohl oberhalb als auch unterhalb der vier
magnetischen Widerstandselemente 5a–5d des Montagesubstrats 2 angeordnet,
und zwar über
eine Isolierschicht. Die Kompensationsleitung 16 ist mit
ihrem ersten Ende mit einem Verbindungsbereich in Form einem fünften Verbindungsbereich 9e und
mit ihrem zweiten Ende mit einem weiteren Verbindungsbereich in
Form eines sechsten Verbindungsbereiches 9f verbunden.
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Wie
nachstehend noch näher
erläutert,
ist außerdem
eine Steuerschaltung vorgesehen, welche nicht nur die Verbindungsbereiche 9a und 9b mit Spannung
versorgt, sondern auch die Verbindungsbereiche 9e und 9f mit
einem Steuerstrom versorgt, der dem Magnetfeld entgegewirkt, das
in der Nähe der
vier magnetischen Widerstandselemente 5a–5d erzeugt
wird, und zwar in Abhängigkeit
von der Spannung der Brückenschaltung 8,
die von den Verbindungsbereichen 9c und 9d detektiert
wird.
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Ein
magnetischer Widerstandselementbereich 10a ist an dem Verbindungsteil
der Verbindungs-Stromleitung 6 mit dem Verbindungsbereich 9a zwischen
den magnetischen Widerstandselementen 5a und 5c vorgesehen,
um eine Einstellung des Widerstandes der magnetischen Widerstandselemente 5a und 5c zu
ermöglichen.
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In
gleicher Weise ist ein magnetischer Widerstandselementbereich 10b an
dem Verbindungsteil der Verbindungs-Stromleitung 6 mit
dem Verbindungsbereich 9b zwischen den magnetischen Widerstandselementen 5b und 5d vorgesehen,
um eine Einstellung des Widerstandes der magnetischen Widerstandselemente 5b und 5d zu
ermöglichen.
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Somit
ist die Konfiguration gemäß 1 aus Schaltungskomponenten
aufgebaut, die auf dem Montagesubstrat 2 mit Punktsymmetrie
bezüglich des
Mittelpunktes 4 des Montagesubstrats 2 angeordnet
sind, wie es vorstehend beschrieben ist.
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Genauer
gesagt, die Halbbrückenschaltungen 7a und 7b,
die aus den vier magnetischen Widerstandselementen 5a–5d und
den Verbindungs-Stromleitungen 6 aufgebaut sind und die
Brückenschaltung 8 bilden,
sind punktsymmetrisch um den Mittelpunkt 4 angeordnet.
Die Verbindungsbereiche 9a und 9b sind punktsymmetrisch
um den Mittelpunkt 4 angeordnet. Die Verbindungsbereiche 9c und 9d sind
punktsymmetrisch um den Mittelpunkt 4 angeordnet.
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Weiterhin
sind die Verbindungsbereiche 9e und 9f punktsymmetrisch
um den Mittelpunkt 4 angeordnet. Die magnetischen Widerstandselementbereiche 10a und 10b sind
punktsymmetrisch zu dem Mittelpunkt 4 angeordnet.
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Die
Verbindungs-Stromleitung 6, welche den Verbindungsbereich 9c und
die magnetischen Widerstandselemente 5a und 5b verbindet,
sowie die Verbindungs-Stromleitung 6, welche den Verbindungsbereich 9d und
die magnetischen Widerstandselemente 5c und 5d verbindet,
sind punktsymmetrisch zu dem Mittelpunkt 4 angeordnet.
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Im
folgenden wird der Betrieb der Anordnung erläutert. Dabei wird zunächst der
Basisbetrieb der magnetischen Widerstandselemente beschrieben.
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Die
magnetischen Widerstandselemente verwenden den Effekt, daß der Widerstand
des ferromagnetischen Materials sich in Abhängigkeit von dem Winkel zwischen
der Magnetisierungsrichtung des ferromagnetischen Materials und
der Stromrichtung des durch das ferromagnetische Material fließenden Stromes ändert.
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3a zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der
Magnetisierungsrichtung in dem ferromagnetischen Material und der
Stromrichtung des durch das ferromagnetische Material fließenden Stromes,
wenn kein externes Magnetfeld angelegt ist. 3b zeigt ein
Diagramm zur Erläuterung
der Magnetisierungsrichtung in dem ferromagnetischen Material und
der Stromrichtung des durch das ferromagnetische Material fließenden Stromes,
wenn ein externes Magnetfeld angelegt ist. 4 zeigt
eine Charakteristik zur Erläuterung
der Änderungen
des Widerstandes des ferromagnetischen Materials gegenüber dem Winkel θ zwischen
der Magnetisierungsrichtung und der Stromrichtung.
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Wie
aus 3a und 3b ersichtlich,
wird die Magnetisierungsrichtung in dem ferromagnetischen Material
durch die Intensität
und die Richtung des äußeren Magnetfeldes
beeinflußt.
Somit kann das äußere Magnetfeld
aus dem Widerstand des ferromagnetischen Materials ermittelt werden.
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Wie
außerdem
aus 4 ersichtlich, besitzt der Widerstand eine maximale
Schwankung gegenüber
der Magnetisierungsrichtung, wenn der Winkel θ gleich 45° ist. Außerdem ändert sich, wenn der Winkel θ einen Wert
von 45° besitzt,
der Widerstand nahezu linear gegenüber den Änderungen des Winkels θ.
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Um
daher das Magnetfeld unter Verwendung der magnetischen Widerstandselemente
zu detektieren, werden Maßnahmen
getroffen, um dafür
zu sorgen, daß der
Winkel θ einen
Wert von 45° besitzt, wenn
das externe Magnetfeld Null ist. Ein derartiges Verfahren besteht
darin, eine Magneto-Widerstandskopf-Elektrodenstruktur zu verwenden.
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5 zeigt
schematisch eine geeignete derartige Magneto-Widerstandskopf-Elektrodenstruktur.
Bei der Anordnung gemäß 5 sind
Aluminiumelektroden 11 vorgesehen, die unter einem Winkel von
45° geneigt
gegenüber
der Axialrichtung des magnetischen Widerstandselementes vorgesehen
sind.
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Wie
aus 5 ersichtlich, sind die Elektroden des Magneto-Widerstandskopfes
so vorgesehen, daß sie
die Stromrichtung des durch die Oberfläche des magnetischen Widerstandselementes
fließenden
Stromes um 45° neigen.
Da die Potentiale in den einzelnen Aluminiumelektroden 11 gleich
sind, fließt
der Strom in der Richtung senkrecht zu den Aluminiumelektroden 11.
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Wenn
das ferromagnetische Material in der axialen Richtung magnetisiert
ist, dann kann der Winkel θ zwischen
der Magnetisierungsrichtung und der Stromrichtung auf einen Wert
von 45° gebracht
werden, wenn das äußere Magnetfeld
Null ist.
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In
der Stromdetektoreinheit 1 gemäß 1 sind die
drei magnetischen Widerstandselemente 5a mit den Aluminiumelektroden 11 und
einem Neigungswinkel von –45° gegenüber der
Stromrichtung versehen. In gleicher Weise sind die drei magnetischen
Widerstandselemente 5c mit den Aluminiumelektroden 11 und
einem Neigungswinkel von –45° gegenüber der
Stromrichtung versehen.
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Außerdem sind
die drei magnetischen Widerstandselemente 5b mit den Aluminiumelektroden 11 unter
einem Neigungswinkel von +45° gegenüber der
Stromrichtung versehen. In gleicher Weise sind die drei magnetischen
Widerstandselemente 5d mit den Aluminiumelektroden 11 unter
einem Neigungswinkel von +45° gegenüber der
Stromrichtung versehen.
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Die
Ausbildung der Magneto-Widerstandskopf-Elektrodenstruktur macht
es möglich,
die folgende Konfiguration zu realisieren. Bei der Anordnung gemäß 1 wird
angenommen, daß ein äußeres Magnetfeld
an die magnetischen Widerstandselemente 5a und 5b von
der linken Seite der Mittellinie 3 angelegt wird, und daß ein äußeres Magnetfeld
an die magnetischen Widerstandselemente 5c und 5d von
der rechten Seite der Mittellinie 3 angelegt wird.
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In
diesem Falle wird eine solche Konfiguration realisiert, bei der
die magnetischen Widerstandselemente 5a und 5d magnetische
Widerstandseigenschaften besitzen, bei denen die Widerstände bei
einer Zunahme des äußeren Magnetfeldes
zunehmen und bei denen die Widerstände bei einer Abnahme des äußeren Magnetfeldes
abnehmen. Ferner haben die magnetischen Widerstandselemente 5b und 5c entgegengesetzte
magnetische Widerstandseigenschaften, bei denen die Widerstände bei
einer Zunahme des äußeren Magnetfeldes
abnehmen und bei denen die Widerstände bei einer Abnahme des äußeren Magnetfeldes
zunehmen. Obwohl Aluminium für
die Elektroden verwendet wird, können
selbstverständlich
auch andere metallische Materialien verwendet werden, die einen
geringen spezifischen Widerstand besitzen.
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Im
folgenden wird ein Verfahren zum Montieren des Stromsensors erläutert.
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6 zeigt
eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Verfahrens zum
Montieren des Stromsensors gemäß der ersten
Ausführungsform der
Erfindung; und 7 zeigt einen Querschnitt durch
die Anordnung gemäß 6 längs der
Linie A-A.
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Wie
aus 6 und 7 ersichtlich, wird die Stromdetektoreinheit 1 gemäß 1 auf
einer isolierenden Basis 12 montiert. In diesem Falle ist
die Stromdetektoreinheit 1 an der isolierenden Basis 12 in
einem einzigen Verbindungsbereich 14 in der Nähe des Mittelpunktes 4 fixiert.
Außerdem
wird die Steuerschaltung 13 auf der Basis 12 montiert.
Wie bereits erwähnt,
versorgt die Steuerschaltung 13 die Verbindungsbereiche 9a und 9b der
Stromdetektoreinheit 1 mit der Spannung für die Brückenschaltung 8.
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Außerdem liefert
die Steuerschaltung 13 in Abhängigkeit von der Spannung der
Brückenschaltung 8,
die über
den Verbindungsbereichen 9c und 9d detektiert
wird, den Verbindungsbereichen 9e und 9f der Stromdetektoreinheit 1 einen
solchen Steuerstrom, der dem Magnetfeld entgegenwirkt, das in der Nähe der vier
magnetischen Widerstandselemente 5a–5d erzeugt wird.
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Außerdem wird
die isolierende Basis 12 auf der zu messenden Stromleitung 15 montiert.
Hierbei wird angenommen, daß die
zu messende Stromleitung 15 eine U-förmige Struktur besitzt. In
diesem Falle ist die zu messende U-förmige Stromleitung 15 in
der Weise montiert, daß ihre
beiden zu messenden Stromzweige eine Symmetrie bezüglich der
Mittellinie 3 der Stromdetektoreinheit 1 besitzen
und daß die Axialrichtung
der beiden zu messenden Stromzweige der Stromleitung 15 nahezu
parallel zu der Mittellinie 3 verläuft.
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Als
nächstes
wird das Verfahren zur Strommessung mit dem vorstehend beschriebenen
Stromsensor näher
erläutert.
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Unter
der Voraussetzung, daß die
Basis 12 auf der zu messenden U-förmigen Stromleitung 15 gemäß 6 montiert
ist und daß kein
Strom durch die zu messende Stromleitung 15 fließt, wird
eine spezifisierte Spannung zwischen den Verbindungsbereichen 9a und 9b der
Stromdetektoreinheit 1 gemäß 1 von der
Steuerschaltung 13 aus angelegt.
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In
diesem Falle werden die variablen magnetischen Widerstandselementbereiche 10a und 10b mit
einem Laser oder dergleichen in der Weise geschnitten oder angepaßt, daß die Spannung,
die zwischen den Verbindungsbereichen 9c und 9d der Stromdetektoreinheit 1 von
der Steuerschaltung 13 detektiert wird, zu Null wird.
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Somit
sind die Widerstände
der vier magnetischen Widerstandselemente 5a–5d fein
eingestellt und abgestimmt, und die Brückenschaltung 8 ist
ausgeglichen. Die Ausgleichsbearbeitung der Brückenschaltung 8 unter
Verwendung der variablen magnetischen Widerstandselementbereiche 10a und 10b kann
durchgeführt
werden, bevor der Versand des Stromsensors erfolgt.
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Als
nächstes
wird ein Strom durch die zu messende, U-förmige Stromleitung 15 hindurchgeschickt.
Der durch die U-förmige,
zu messende Stromleitung 15 hindurchfließende Strom
erzeugt Magnetfelder im Uhrzeigersinn bezüglich der Stromrichtung um
die beiden Stromzweige der zu messenden Stromleitung 15 im
Verhältnis
zu der Größe des Stromes.
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Dementsprechend
werden in der Stromdetektoreinheit 1 gemäß 1 beispielsweise
die magnetischen Widerstandselement 5a und 5b mit
dem äußeren Magnetfeld
von der linken Seite zu der Mittellinie 3 beaufschlagt,
und die magnetischen Widerstandselemente 5c und 5d werden
mit dem äußeren Magnetfeld
von der rechten Seite zu der Mittellinie 3 beaufschlagt.
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Wie
bereits erwähnt,
ist die Konfiguration in einer derartigen Weise realisiert, daß die magnetischen
Widerstandselemente 5a und 5d magnetische Widerstandseigenschaften
besitzen, bei denen die Widerstände
bei einer Zunahme des äußeren Magnetfeldes
zunehmen und die Widerstände
bei einer Abnahme des äußeren Magnetfeldes
abnehmen, und daß die
magnetischen Widerstandselemente 5b und 5c entgegengesetzte
magnetische Widerstandseigenschaften besitzen, bei denen die Widerstände bei
einer Zunahme des äußeren Magnetfeldes
abnehmen und die Widerstände
bei einer Abnahme des äußeren Magnetfeldes
zunehmen.
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Daher
nehmen in Abhängigkeit
von einer Zunahme des Stromes, der durch die zu messende U-förmige Stromleitung 15 fließt, die
Widerstände
der magnetischen Widerstände 5a und 5d zu,
während die
Widerstände
der magnetischen Widerstandselemente 5b und 5c abnehmen.
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Im
Gegensatz dazu nehmen in Abhängigkeit von
einer Abnahme des Stromes, der durch die zu messende, U-förmige Stromleitung 15 fließt, die
Widerstände
der magnetischen Widerstandselemente 5a und 5d ab,
und die Widerstände
der magnetischen Widerstandselemente 5b und 5c nehmen
zu.
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In
Abhängigkeit
von der Größe des durch
die zu messende, U-förmige
Stromleitung 15 fließenden Stromes
geht die Balance der Brückenschaltung 8 verloren.
In diesem Falle versorgt die Steuerschaltung 13, in Abhängigkeit
von der Spannung, die zwischen den Verbindungsbereichen 9c und 9d der Stromdetektoreinheit 1 detektiert
wird, die Verbindungsbereiche 9e und 9f der Stromdetektoreinheit 1 mit
einem Steuerstrom, welcher dem Magnetfeld entgegenwirkt, das in
der Nähe
von den vier magnetischen Widerstandselementen 5a–5d erzeugt
wird.
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Genauer
gesagt, die Steuersteuerschaltung 13 stellt den Wert des
Steuerstromes in einer solchen Art und Weise ein, daß die Spannung,
die zwischen den Verbindungsbereichen 9c und 9d detektiert
wird, zu Null wird. Die Kompensationsleitung 16, die mit den
Verbindungsbereichen 9e und 9f verbunden ist, erzeugt
ein solches Magnetfeld, welches das Magnetfeld auslöscht oder
aufhebt, das in der Nähe
von den vier magnetischen Widerstandselementen 5a–5d erzeugt
wird, und zwar in Abhängigkeit
von dem Wert des Steuerstromes, das heißt dem Magnetfeld, das dem
Wert des Stromes entspricht, der durch die zu messende, U-förmige Stromleitung fließt.
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Somit
kann die verlorene Balance der Brückenschaltung 8, entsprechend
dem Wert des Stromes, der durch die zu messende, U-förmige Stromleitung 15 fließt, mit
Hilfe des Steuerstromes wiederhergestellt werden, der von der Steuerschaltung 13 geliefert
wird.
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Dementsprechend
kann der Wert des Steuerstromes, der von der Steuerschaltung 13 zu
den Verbindungsbereichen 9e und 9f geliefert wird,
in Form der Größe des Stromes
detektiert werden, der durch die zu messende, U-förmige Stromleitung 15 fließt, oder in
Form eines Wertes, der eine Korrelation mit dem Wert des Stromes
besitzt, der durch die zu messende, U-förmige Stromleitung 15 fließt.
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Hinsichtlich
eines störenden
Magnetfeldes, das durch eine andere Ursache als die zu messende, U-förmige Stromleitung 15 hervorgerufen
wird, gilt dabei, daß es
aufgrund der Tatsache, daß es
den gleichen Phaseneinfluß auf
die einzelnen Halbbrückenschaltungen 7a und 7b besitzt,
aufgehoben wird und keinen schädlichen
Einfluß auf
die Meßgenauigkeit
besitzt.
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Bei
einer derartigen Konfiguration sind die beiden Halbbrückenschaltungen 7a und 7b,
welche aus den vier magnetischen Widerstandselementen 5a–5d und
den Verbindungs-Stromleitungen 6 aufgebaut sind, welche
die Brückenschaltung 8 gemäß 1 bilden,
punktsymmetrisch um den Mittelpunkt 4 angeordnet. Die Verbindungsbereiche 9a und 9b sind
punktsymmetrisch um den Mittelpunkt 4 angeordnet. Die Verbindungsbereiche 9c und 9d sind punktsymmetrisch
um den Mittelpunkt 4 angeordnet.
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Weiterhin
sind die Verbindungsbereiche 9e und 9f punktsymmetrisch
um den Mittelpunkt 4 angeordnet. Die magnetischen Widerstandselementbereiche 10a und 10b sind
punktsymmetrisch um den Mittelpunkt 4 angeordnet. Die Verbindungs-Stromleitung 6,
welche den Verbindungsbereich 9c und die magnetischen Widerstandselemente 5a und 5b verbindet,
sowie die Verbindungs-Stromleitung 6, welche den Verbindungsbereich 9d und
die magnetischen Widerstandselemente 5c und 5d verbindet,
sind punktsymmetrisch um den Mittelpunkt 4 angeordnet.
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Außerdem ist
der Stromsensor, wie in 7 dargestellt, in einer derartigen
Weise montiert, daß die
Stromdetektoreinheit 1 an der Basis 12 an einem einzigen
Verbindungsbereich 14 in der Nähe des Mittelpunktes 4 befestigt
ist.
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Wenn
daher die Temperatur oder dergleichen eine Dehnung oder Belastung
isotrop in dem Montagesubstrat 2 der magnetischen Widerstandselemente 5a–5d hervorruft,
so werden die erste Halbbrückenschaltung 7a und
die zweite Halbbrückenschaltung 7b durch
die Dehnung oder Belastung in gleichem Maße wie die Brückenschaltung 8 in
ihrer Gesamtheit beeinflußt.
Daher können
ihre Wirkungen ausgeglichen bzw. kompensiert werden, und Meßfehler
aufgrund von isotropen Dehnungen oder Beanspruchungen augrund Temperatureinflüssen oder
dergleichen können
reduziert werden.
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Obwohl
die vorstehende erste Ausführungsform
in der Weise beispielhaft erläutert
worden ist, daß sie
vier magnetische Widerstandselemente 5a–5d besitzt, die jeweils drei
magnetische Widerstandselemente in Form einer kurbelförmigen Gestalt besitzen,
besteht keinerlei Einschränkung
auf die Anzahl von drei magnetischen Widerstandselementen. Es kann
auch ein einziges derartiges magnetisches Widerstandselement oder
aber eine Vielzahl von solchen magnetischen Widerstandselementen
verwendet werden.
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Außerdem besteht
keinerlei Einschränkung auf
eine kurbelförmige
Gestalt. Solange sie beispielsweise eine Leitungslänge zur
Aufnahme des Magnetfeldes besitzen, um die Detektierung von Schwankungen
des Magnetfeldes senkrecht zu der Mittellinie 3 des Montagesubstrats 2 zu
erleichtern, kann auch eine andere Gestalt und Formgebung ähnliche
Vorteile bieten.
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Obwohl
die oben beschriebene erste Ausführungsform
beispielhaft sechs Verbindungsbereiche 9a–9f besitzt,
die an der Oberseite und der Unterseite der magnetischen Widerstandselemente 5a–5d angeordnet
sind, besteht keinerlei Einschränkung
hinsichtlich der Oberseite und der Unterseite.
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Beispielsweise
können
die Verbindungsbereiche, solange sie punktsymmetrisch um den Mittelpunkt 4 herum
angeordnet sind, an beliebigen anderen Orten auf der rechten Seite
und der linken Seite oder im Zentrum der magnetischen Widerstandselemente 5a–5d angeordnet
werden, solange dies ähnliche
Vorteile bietet.
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Obwohl
bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform das Verfahren in
der Weise beschrieben worden ist, daß der Wert eines Stromes gemessen
wird, der durch eine U-förmige
Stromleitung 15 fließt,
ist die Erfindung selbstverständlich nicht
auf eine derartige U-förmige
Stromleitung 15 beschränkt.
Selbstverständlich
kann die Anwendung auch bei zwei beliebigen, zu messenden Stromleitungen
erfolgen, die parallel zueinander angeordnet sind und durch die
Ströme
mit gleichen Stromstärken
in entgegengesetzten Richtungen fließen, so daß sich gleiche Vorteile erzielen
lassen.
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Wie
bereits erwähnt,
ist die erste Ausführungsform
der Erfindung so konfiguriert, daß die erste Halbbrückenschaltung 7a auf
der ersten Seite eines Montagesubstrats angeordnet ist, die von
der Mittellinie 3 in zwei Teile geteilt ist, während die
zweite Halbbrückenschaltung 7b auf
der anderen Seite angeordnet ist. Die beiden Halbbrückenschaltungen 7a und 7b sind
dabei punktsymmetrisch bezüglich
des Mittelpunktes 4 auf dem Montagesubstrat 2 angeordnet.
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Auch
wenn daher Dehnungen oder Belastungen isotrop in dem Montagesubstrat 2 für die magnetischen
Widerstandselemente 5a–5d auftreten, was
durch entsprechende Temperaturen hervorgerufen wird, so unterliegen
die beiden Halbbrückenschaltungen 7a und 7b dem
Einfluß der
Dehnung oder Belastung in gleicher Weise wie die Brückenschaltung 8.
Es ist daher möglich,
den entsprechenden Effekt auszugleichen und zu beseitigen und Meßfehler
aufgrund von derartigen isotropen Dehnungen oder Belastungen durch
entsprechende Temperaturen zu vermeiden.
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Die
erste Ausführungsform
ist weiterhin derart konfiguriert, daß die Kompensationsleitung 16 an der
Oberseite oder an der Unterseite oder sowohl an der Oberseite als
auch an der Unterseite von den magnetischen Widerstandselementen 5a–5d unter
Verwendung der zwischengeschalteten Isolierschicht angebracht ist,
und daß in
Abhängigkeit
von der Spannung der Brückenschaltung 8,
die zwischen den Verbindungsbereichen 9c und 9d detektiert
wird, die Steuerschaltung 13, die die Verbindungsbereiche 9e und 9f mit
einem solchen Steuerstrom versorgt, der dem Magnetfeld entgegenwirkt,
welches in der Nähe von
den magnetischen Widerstandselementen 5a–5d erzeugt
wird. Diese Konfiguration vom Ausgleichstyp mit einem solchen Aufbau
verbessert die Meßgenauigkeit
beträchtlich.
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Weiterhin
sind die Verbindungsbereiche 9a und 9b in gleicher
Weise ausgebildet und punktsymmetrisch bezüglich des Mittelpunktes 4 des
Montagesubstrats 2 angeordnet. Die Verbindungsbereiche 9c und 9d sind
in gleicher Weise ausgebildet und punktsymmetrisch bezüglich des
Mittelpunktes 4 des Montagesubstrats 2 angeordnet.
Die Verbindungsbereiche 9e und 9f sind in gleicher
Weise ausgebildet und punktsymmetrisch bezüglich des Mittelpunktes 4 des Montagesubstrats 2 angeordnet.
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Auch
wenn daher Dehnungen oder Beanspruchungen isotrop in dem Montagesubstrat 2 aufgrund
von Temperatureinflüssen
oder dergleichen auftreten, werden der Verbindungsbereich 9a und der
Verbindungsbereich 9b in gleicher Weise durch die Dehnung
oder Beanspruchung beeinflußt,
während
der Verbindungsbereich 9c und der Verbindungsbereich 9d in
gleicher Weise durch die Dehnung oder Belastung beeinflußt werden.
Außerdem werden
der Verbindungsbereich 9e und der Verbindungsbereich 9f in
gleicher Weise durch die Dehnung oder Belastung beeinflußt. Die
vorstehend beschriebene erste Ausführungsform gemäß der Erfindung
ist daher in der Lage, Meßfehler
aufgrund von isotropen Dehnungen oder Beanspruchungen aufgrund von
Temperatureinflüssen
zu reduzieren und weitgehend zu vermeiden.
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Weiterhin
sind die magnetischen Widerstandselemente 5a–5d so
konfiguriert, daß sie
parallel zu der Mittellinie 3 des Montagesubstrats 2 angeordnet
sind. Die vorstehend beschriebene erste Ausführungsform ist somit verwendbar
für die
Strommessung bei einer zu messenden, U-förmigen Stromleitung 15.
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Außerdem ist
die erste Ausführungsform
gemäß der Erfindung
derart aufgebaut, daß sie
magnetische Widerstandselementbereiche 10a und 10b aufweist,
deren Widerstände
an den beiden Verbindungsteilen der ersten Halbbrückenschaltung 7a und der
zweiten Halbbrückenschaltung 7b einstellbar sind.
Dies ermöglicht
eine Feineinstellung der Widerstände
der magnetischen Widerstandselemente 5a–5d, so daß die Meßgenauigkeit
weiter verbessert wird.
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Die
erste Ausführungsform
gemäß der Erfindung
ist weiterhin derart aufgebaut, daß die beiden Stromzweige der
zu messenden Stromleitung 15 in Form der U-förmigen Stromleitung 15 symmetrisch bezüglich der
Mittellinie 3 des Montagesubstrats 2 des Stromsensors
angeordnet sind. Dabei ist die axiale Richtung der beiden Stromzweige
der Stromleitung 15 etwa parallel zu der Mittellinie 3 des
Montagesubstrats 2, und der Stromsensor ist am Mittelpunkt 4 des
Montagesubstrats 2 befestigt.
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Daher
ist die erste Ausführungsform
gemäß der Erfindung
in der Lage, Meßfehler
aufgrund von isotropen Dehnungen oder Belastungen aufgrund von Temperatureinflüssen oder
dergleichen zu reduzieren. Die Meßgenauigkeit für einen
Strom, der durch eine derartige zu messende Stromleitung 15 fließt, kann
erheblich verbessert werden.
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Zweite Ausführungsform
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8 zeigt
eine Draufsicht zur Erläuterung einer
Stromdetektoreinheit des Stromsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung. In 8 sind vier magnetische Widerstandselemente
in Form von ersten bis vierten magnetischen Widerstandselementen 25a–25d senkrecht
zu der Mittellinie 3 des Montagesubstrats 2 angeordnet.
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Ferner
ist eine Magneto-Widerstandskopf-Elektrodenstruktur in einer derartigen
Weise vorgesehen, daß die
magnetischen Widerstandselemente 25a und 25d solche
magnetischen Widerstandseigenschaften besitzen, bei denen die Widerstände bei
einer Zunahme der Magnetfelder in zueinander entgegengesetzten Richtungen
zunehmen, während
die magnetischen Widerstandselemente 25b und 25c solche
magnetischen Widerstandseigenschaften besitzen, bei denen die Widerstände bei einer
Zunahme der Magnetfelder in zueinander entgegengesetzten Richtungen
abnehmen.
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Verbindungs-Stromleitungen 26 bilden
eine entsprechende Brückenschaltung,
indem sie die vier magnetischen Widerstandselemente 25a–25d miteinander
verbinden.
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Bei
der Konfiguration gemäß 8 sind
die einzelnen Gegenstücke
auf dem Montagesubstrat 2 in gleicher Weise ausgebildet
und punktsymmetrisch bezüglich
des Mittelpunktes 4 des Montagesubstrats 2 angeordnet.
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Genauer
gesagt, die Halbbrückenschaltungen 7a und 7b,
die aus den vier magnetischen Widerstandselementen 25a–25d und
den Verbindungs-Stromleitungen 26 aufgebaut sind, welche
die Brückenschaltung 8 bilden,
sind punktsymmetrisch um den Mittelpunkt 4 herum angeordnet.
Die Verbindungsbereiche 9a und 9b sind punktsymmetrisch
um den Mittelpunkt 4 angeordnet. Die Verbindungsbereiche 9c und 9d sind
punktsymmetrisch um den Mittelpunkt 4 angeordnet.
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Weiterhin
sind die Verbindungsbereiche 9e und 9f punktsymmetrisch
um den Mittelpunkt 4 herum angeordnet. Die magnetischen
Widerstandselementbereiche 10a und 1Ob sind punktsymmetrisch zu
dem Mittelpunkt 4 angeordnet. Die Verbindungs-Stromleitung 26,
welche den Verbindungsbereich 9c und die magnetischen Widerstandselemente 25a und 25b verbindet,
sowie die Verbindungs-Stromleitung 26, welche den Verbindungsbereich 9d und
die magnetischen Widerstandselemente 25c und 25d miteinander
verbindet, sind punktsymmetrisch um den Mittelpunkt 4 herum
angeordnet.
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Da
die übrige
Konfiguration die gleiche ist wie bei der Anordnung gemäß 1,
erscheint eine erneute Beschreibung an dieser Stelle entbehrlich.
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Im
folgenden wird der Betrieb der Anordnung näher erläutert.
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Bei
der oben beschriebenen ersten Ausführungsform sind beispielswiese
vier magnetische Widerstandselemente 5a–5d parallel zu der
Mittellinie 3 des Montagesubstrats 2 angeordnet,
wie es 1 zeigt. Bei einer solchen Anordnung sind aber
die magnetischen Widerstandselemente 5a–5d unempfindlich
gegenüber
einem Magnetfeld parallel zu der Mittellinie 3.
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Um
eine Empfindlichkeit gegenüber
einem Magnetfeld parallel zu der Mittellinie 3 zu erzielen, sind
die vier magnetischen Widerstandselemente 25a–25d senkrecht
zu der Mittellinie 3 des Montagesubstrats 2 angeordnet,
wie es 8 zeigt.
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Das
Verfahren zur Montage eines derartigen Stromsensors wird nachstehend
näher erläutert.
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9 zeigt
eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Montage eines Stromsensors
gemäß der zweiten
Ausführungsform
der Erfindung. Wie im Zusammenhang mit 6 und 7 erläutert, wird
die Stromdetektoreinheit 1 gemäß 8 auf der
isolierenden Basis 12 angeordnet. In diesem Falle wird
die Stromdetektoreinheit 1 auf der Basis 12 an einem
einzigen Verbindungsbereich 14 in der Nähe von dem Mittelpunkt 4 befestigt.
Außerdem
wird die Steuerschaltung 13 auf der Basis 12 montiert.
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Gemäß 9 hat
eine zu messende Stromleitung 27 einen asymmetrischen Nebenschluß oder Shunt 28.
An der Stelle, an der die magnetische Kraft in einem hohlen Bereich 29 vom
Nebenschluß 28 der zu
messenden Stromleitung 27 zu Null wird, ist die Stromdetektoreinheit 1 gemäß 8 in
einer derartigen Weise montiert, daß die Mittellinie 3 an
dem Punkt angebracht ist, in dem die magnetische Kraft zu Null wird,
und daß die
Axialrichtung der zu messenden Stromleitung 27 nahezu senkrecht
zu der Mittellinie 3 auf dem Montagesubstrat 2 verläuft.
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Bei
der Strommessung der zu messenden Stromleitung 27 mit dem
asymmetrischen Nebenschluß 28 sowie
dem hohlen Bereich 29, der von der zu messenden Stromleitung 27 und
dem Nebenschluß 28 gebildet
wird, gibt es einen Punkt, an dem das Magnetfeld, das von dem Strom
erzeugt wird, der durch die zu messende Stromleitung 27 und
den Nebenschluß 28 fließt, aufgehoben
und zu Null wird.
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Wenn
dementsprechend die Montage der Stromdetektoreinheit 1 in
einer solchen Weise erfolgt, daß die
Mittellinie 3 an der Stelle liegt, an der die magnetische
Kraft zu Null wird, so ist es möglich, die
Meßgenauigkeit
im Hinblick auf den Strom zu verbessern, der durch die zu messende
Stromleitung 27 vom Nebenschlußtyp fließt.
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Ferner
wird die Stromdetektoreinheit 1 an der zu messenden Stromleitung 27 vom
Nebenschlußtyp
montiert, die einen asymmetrischen Nebenschluß 28 besitzt. Wenn
daher ein Nebenschlußverhältnis von
dem Strom, der durch die zu messende Stromleitung 27 fließt, und
dem Strom, der durch den Nebenschluß 28 fließt, beispielsweise
den Wert 9:1 besitzt, so ist es ausreichend, nur 1/10 von dem Strom
zu messen, ver glichen mit dem Fall, in welchem der durch die zu
messende Stromleitung 27 fließende Strom direkt fließt. Dies
ermöglicht
eine Miniaturisierung bei der Kapazität und dergleichen in der Steuerschaltung 13.
Mit anderen Worten, es kann ein großer Strom mit einem kleineren
Stromsensor gemessen werden.
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Bei
einer solchen Konfiguration sind die Halbbrückenschaltungen 7a und 7b,
welche aus den vier magnetischen Widerstandselementen 25a–25d und
den Verbindungs-Stromleitungen 26 aufgebaut sind,
welche die Brückenschaltung 8 gemäß 8 bilden,
punktsymmetrisch um den Mittelpunkt 4 herum angeordnet.
Die Verbindungsbereiche 9a und 9b sind punktsymmetrisch
um den Mittelpunkt 4 herum angeordnet. Die Verbindungsbereiche 9c und 9d sind
punktsymmetrisch um den Mittelpunkt 4 herum angeordnet.
Verbindungsbereiche 9e und 9f sind punktsymmetrisch
um den Mittelpunkt 4 herum angeordnet.
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Außerdem sind
die magnetischen Widerstandselementbereiche 10a und 10b punktsymmetrisch
zu dem Mittelpunkt 4 angeordnet. Die Verbindungs-Stromleitung 26,
welche den Verbindungsbereich 9c und die magnetischen Widerstandselemente 25a und 25b verbindet,
sowie die Verbindungs-Stromleitung 26, welche den Verbindungsbereich 9d und
die magnetischen Widerstandselemente 25c und 25d verbindet,
sind punktsymmetrisch um den Mittelpunkt 4 herum angeordnet.
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Außerdem ist,
wie 7 zeigt, der Stromsensor in einer solchen Weise
montiert, daß die Stromdetektoreinheit 1 an
der Basis 12 an dem einzigen Verbindungsbereich 14 befestigt
ist, und zwar in der Nähe
des Mittelpunktes 4.
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Auch
wenn daher Temperatureinwirkungen oder dergleichen Dehnungen oder
Belastungen isotrop in dem Montagesubstrat 2 für die magnetischen Widerstandselemente 25a–25d hervorrufen,
so werden die Halbbrückenschaltung 7a und
die Halbbrückenschaltung 7b in
gleicher Weise durch die Dehnung oder Beanspruchung beeinflußt wie die
Brückenschaltung 8 in
ihrer Gesamtheit. Daher werden ihre Wirkungen ausgeglichen und aufgehoben,
und Meßfehler
aufgrund von isotropen Dehnungen oder Belastungen aufgrund von Temperatureinflüssen können reduziert
werden.
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Während die
oben beschriebene erste Ausführungsform
eine Reihe von Vorteilen bietet, ist die vorstehend beschriebene
zweite Ausführungsform so
konfiguriert, daß die
magnetischen Widerstandselemente 25a–25d senkrecht zu
der Mittellinie 3 des Montagesubstrats 2 angeordnet
sind. Damit ist die zweite Ausführungsform
verwend bar bei der Strommessung von einer zu messenden Stromleitung 27 vom
Nebenschlußtyp.
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Die
zweite Ausführungsform
ist weiterhin derart aufgebaut, daß der Stromsensor an dem Mittelpunkt 4 des
Montagesubstrats 2 in der Weise befestigt ist, daß die Mittellinie 3 des
Montagesubstrats 2 der Stromdetektoreinheit 1 an
der Stelle vorgesehen wird, an der die Magnetkraft in dem hohlen
Bereich 29 des Nebenschlusses 28 der zu messenden Stromleitung 27 vom
Nebenschlußtyp
zu Null wird. Außerdem
ist die axiale Richtung der zu messenden Stromleitung 27 nahezu
senkrecht zu der Mittellinie 3 des Montagesubstrats 2 vorgesehen.
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Mit
der zweiten Ausführungsform
können
daher nicht nur Meßfehler
aufgrund von isotropen Dehnungen oder Belastungen infolge von Temperatureinwirkungen
reduziert werden, sondern auch die Meßgenauigkeit für den Strom
verbessert werden, der durch die zu messende Stromleitung 27 vom
Nebenschlußtyp
fließt,
so daß die
Messung von großen Strömen erleichtert
wird.
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Dritte Ausführungsform
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10 zeigt
einen Querschnitt durch einen Stromsensor gemäß einer dritten Ausführungsform der
Erfindung. Wie in 10 dargestellt, bedeckt eine
Abschirmungsschicht oder Abschirmungsabdeckung 31 gegen
elektrische Felder die Stromdetektoreinheit 1 unter Zwischenschaltung
einer Isolierschicht 32. Im übrigen ist die Konfiguration
die gleiche wie bei der Anordnung gemäß 7, so daß eine erneute
Beschreibung an dieser Stelle entbehrlich ist.
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Im
folgenden wird der Betrieb der Anordnung beschrieben.
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Wie
aus 10 ersichtlich, ist die Stromdetektoreinheit 1,
um sie vor Störungen
durch elektrische Felder abzuschirmen, mit der Abschirmungsschicht
oder Abschirmungsabdeckung 31 gegen elektrische Felder
bedeckt, und zwar unter Zwischenschaltung der Isolierschicht 32.
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Die
Abschirmungsschicht 31 gegen elektrische Felder, die aus
einem elektrisch leitenden, nicht-magnetisierbaren Material besteht,
ist geerdet, obwohl dies in 10 nicht
eigens dargestellt ist. Obwohl nur die Stromdetektoreinheit 1 bei
der hier interessierenden dritten Ausführungsform abgedeckt ist, kann
eine gehäuseförmige Abschirmung
gegenüber elektrischen
Feldern auch in der Weise verwendet werden, daß sie die gesamte Anordnung
einschließlich
der Basis 12 bedeckt.
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Wenn
man eine derartige Abschirmungsschicht oder Abschirmungsabdeckung 31 gegen elektrische
Felder verwendet, so wird der Stromsensor unempfindlich gegenüber elektrischen
Störungen und
Rauschen an dem Ort der Montage; damit ist es möglich, eine Abschirmung gegenüber Störungen durch
elektrische Felder zu erzielen, so daß die Meßgenauigkeit bei der Strommessung
verbessert wird.
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Auch
wenn die dritte Ausführungsform
in der Weise beschrieben ist, daß dabei die Stromdetektoreinheit 1 gemäß der ersten
Ausführungsform
mit der Abschirmungsschicht oder der Abschirmungsabdeckung 31 gegen
elektrische Felder abgedeckt ist, so ist es selbstverständlich auch
möglich,
die Stromdetektoreinheit 1 gemäß der zweiten Ausführungsform in ähnlicher
Weise mit einer Abschirmungsschicht oder Abschirmungsabdeckung 31 gegen
elektrische Felder zu versehen, um ähnliche Vorteile zu erzielen.