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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung mit mindestens einem Hall-Sensor
und mit einer Referenzstromquelle zur Versorgung des Hall-Sensors mit
einem Referenzstrom.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Betriebsverfahren für eine derartige
Sensorvorrichtung.
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Hall-Sensoren
zur berührungslosen
Erfassung von Positionen sind bekannt und werden beispielsweise
in Getrieben für
Kraftfahrzeuge oder anderen mechanischen Systemen eingesetzt, bei
denen ein Abstand bzw. eine Position zueinander relativ beweglicher
Komponenten erfasst werden soll. Das Funktionsprinzip von Hall-Sensoren
basiert darauf, dass dem Hall-Sensor ein Referenzstrom in einer ersten
Raumrichtung aufgeprägt
wird, und dass sich an dem Hall-Sensor entlang einer zweiten Raumrichtung
aufgrund der Lorentzkraft eine auch als Hall-Spannung bezeichnete
Spannung einstellt, wenn der Hall-Sensor einem entsprechenden Magnetfeld
ausgesetzt wird.
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Um
Fehlerursachen bei dem Betrieb der Hall-Sensoren oder entsprechender
Sensorvorrichtungen festzustellen, werden oftmals externe Diagnoseschaltungen
eingesetzt, welche beispielsweise Kurzschlüsse oder Leitungsunterbrechungen
in der Sensorvorrichtung erkennen können. Diese Diagnoseschaltungen
erhöhen
den Herstellungsaufwand und die Fertigungskosten und verhindern
die Bereitstellung einer klein bauenden Sensorvorrichtung.
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Offenbarung der Erfindung
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Demgemäß ist es
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensorvorrichtung und ein
Betriebsverfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern,
dass eine flexible Diagnosemöglichkeit
gegeben ist, die gleichzeitig die Herstellung klein bauender Sensorvorrichtungen
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird bei der Sensorvorrichtung der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Referenzstromquelle dazu ausgebildet ist, eine Stromrichtung
des Referenzstroms durch den Hall-Sensor zu verändern. Die erfindungsgemäße Ausbildung
der Referenzstromquelle ermöglicht
somit vorteilhaft eine Stromrichtungsumkehr des Referenzstroms durch
den Hall-Sensor, so dass eine der Sensorvorrichtung zugeordnete Auswerteeinheit
vorteilhaft in Abhängigkeit
der Stromrichtung beziehungsweise der Stromrichtungsumkehr eine
entsprechende Änderung
der Hall-Spannung feststellen kann, die sich bei einem ordnungsgemäß arbeitenden
Hall-Sensor einstellen müsste.
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Das
erfindungsgemäße Prinzip
kann besonders einfach auch bei bereits bestehenden Sensorvorrichtungen
zum Einsatz kommen. Diese müssen lediglich
dahingehend geändert
werden, dass die erfindungsgemäße Stromrichtungsumkehr
möglich
ist. Eine gegebenenfalls bestehende Auswerteeinheit kann hierbei
zur Überwachung
der Hall-Spannung beziehungsweise
ihrer Änderung
während
der Stromrichtungsumkehr weiter verwendet werden.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung
weist die Referenzstromquelle eine Konstantstromquelle auf, und
ferner ist eine steuerbare Schaltermatrix vorgesehen, über die
ein erster und zweiter Anschluss der Konstantstromquelle wahlweise
mit einem ersten und zweiten Anschluss des Hall-Sensors verbindbar ist, um die Stromrichtung
des Referenzstroms durch den Hall-Sensor zu verändern. Die erfindungsgemäße Verwendung
einer Konstantstromquelle erfordert einen besonders geringen schaltungstechnischen
Aufwand.
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Bei
einer weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante können steuerbare
Schalter, insbesondere Halbleiterschalter, verwendet werden, um die
erfindungsgemäße steuerbare
Schaltermatrix aufzubauen. Derartige Halbleiterschalter sind besonders
vorteilhaft monolithisch zusammen mit den restlichen Komponenten
des Hall-Sensors beziehungsweise der Sensorvorrichtung integrierbar,
wodurch sich eine besonders klein bauende Konfiguration ergibt.
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Eine
andere ebenfalls besonders vorteilhafte Erfindungsvariante ist dadurch
gekennzeichnet, dass die Referenzstromquelle zwei Konstantstromquellen aufweist,
die dazu ausgebildet sind, den Hall-Sensor dem erfindungsgemäßen Prinzip
folgend mit Referenzströmen
verschiedener Stromrichtungen zu beaufschlagen, wobei mindestens
eine der Konstantstromquellen aktivierbar und deaktivierbar ist.
Dadurch ist einerseits vorteilhaft die Möglichkeit gegeben, den Hall-Sensor
erfindungsgemäß alternierend mit
Referenzströmen
unterschiedlicher Stromrichtung zu betreiben. Ferner besteht vorteilhaft
die Möglichkeit,
den Hall-Sensor gleichzeitig mit mehreren Referenzströmen unterschiedlicher
Stromrichtungen zu betreiben. Durch die entsprechende Superposition
der Referenzströme
in dem Hall-Sensor lassen sich damit vorteilhaft unterschiedliche
Empfindlichkeitsstufen der Sensorvorrichtung realisieren, weil sich
je nach der Wahl der Stromstärken
der verschiedenen Referenzströme
ein unterschiedlicher Summenstrom durch den Hall-Sensor ergibt.
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Das
heißt,
neben der erfindungsgemäßen Möglichkeit
zur Diagnose der Sensorvorrichtung basierend auf der Stromrichtungsumkehr
ist gleichzeitig eine Messbereichserweiterung des Hall-Sensors durch
die Verwendung der mehreren Referenzstromquellen gegeben.
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Besonders
vorteilhaft kann einer weiteren Erfindungsvariante zufolge eine
integrierte Auswerteeinheit vorgesehen sein, die dazu ausgebildet
ist, eine Hall-Spannung des Hall-Sensors
auszuwerten. Die Auswertung der Hall-Spannung kann beispielsweise
einen oder mehrere Schwellwertvergleiche umfassen oder auch zunächst eine
Umwandlung der Hall-Spannung
in ein digitales Signal, beispielsweise mittels eines Schmitt-Triggers
oder eines Komparators oder dergleichen.
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Besonders
vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Auswerteeinheit auch dazu
ausgebildet, einen Vorzeichenwechsel der Hall-Spannung zu erkennen, der
sich bei der erfindungsgemäßen Stromrichtungsumkehr
ergibt.
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Als
eine weitere Lösung
der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren gemäß Patentanspruch
6 angegeben. Erfindungsgemäß wird der Hall-Sensor
hierbei zumindest zeitweise mit Referenzströmen unterschiedlicher Stromrichtung
beaufschlagt, und in Abhängigkeit
der sich hierbei ergebenden Hall-Spannung wird auf einen Betriebszustand
der Sensorvorrichtung, insbesondere auf eine Fehlfunktion, geschlossen.
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Speziell
dann, wenn der Hall-Sensor mit Referenzströmen unterschiedlicher Stromrichtungen beaufschlagt
wird, und wenn sich bei dem Wechsel der Stromrichtung der Referenzströme kein
Wechsel der Polarität
der Hall-Spannung ergibt, kann auf eine Fehlfunktion des Hall-Sensors
beziehungsweise der Sensorvorrichtung geschlossen werden. Eine derartige
Fehlfunktion kann beispielsweise daher rühren, dass eine oder mehrere
Signalleitungen der Sensorvorrichtung beziehungsweise des Hall-Sensors unterbrochen
sind beziehungsweise einen Kurzschluss nach Masse oder zu einem
einer Betriebsspannung entsprechenden Potential aufweisen.
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Erfindungsgemäß kann ebenfalls
vorteilhaft eine Änderung
der Hall-Spannung ausgewertet werden, und wenn sich bei der erfindungsgemäßen Stromrichtungsumkehr
keine Änderung
der Hall-Spannung ergibt, kann ebenfalls auf eine Fehlfunktion geschlossen
werden.
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Bei
einer besonders flexibel einsetzbaren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens
ist vorgesehen, dass der Betriebszustand des Hall-Sensors periodisch überprüft wird,
das heißt insbesondere
auch während
eines Normalbetriebs des Hall-Sensors.
Erfindungsgemäß wird während dieser Überprüfung, insbesondere
während
der hiermit verbundenen Umkehr der Stromrichtung durch den Hall-Sensor,
ein Zustand eines an einem Ausgang der Sensorvorrichtung anliegenden
Ausgangssignals auf dem Wert festgehalten, den es vor dem Start
der Überprüfung hatte.
Dadurch ist vorteilhaft die Möglichkeit
gegeben, während
der verhältnismäßig kurzen
erfindungsgemäßen Überprüfungsphase nicht
den Betrieb einer nachgeordneten Vorrichtung zu stören, die
das Ausgangssignal der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung auswertet.
Das heißt,
die erfindungsgemäße Überprüfung des
Hall-Sensors mittels der Stromrichtungsumkehr und einer entsprechenden
Auswertung durch eine Auswerteeinheit ist vollkommen transparent
für eine
der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung
nachgeordnete Vorrichtung.
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Weitere
Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind.
Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder
in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung
sowie unabhängig
von ihrer Formulierung beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung
beziehungsweise in der Zeichnung.
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In
der Zeichnung zeigt:
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1 ein
schematisches Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung,
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2 einen
Hall-Sensor der Sensorvorrichtung gemäß 1 im Detail,
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3 eine
weitere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung,
und
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4 noch
eine weitere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung.
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1 zeigt
schematisch eine erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 100,
welche einen Hall-Sensor 110 aufweist. Der Hall-Sensor 110 wird
durch die in die Sensorvorrichtung 100 integrierte Referenzstromquelle 120 in an
sich bekannter Weise mit einem Referenzstrom Iref beaufschlagt.
Eine sich hierbei ebenfalls in bekannter Weise ergebende Hall-Spannung
UHall wird durch die gleichermaßen
in die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung 100 integrierte
Auswerteeinheit 130 ausgewertet.
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Erfindungsgemäß ist die
Referenzstromquelle 120 dazu ausgebildet, eine Stromrichtung
des Referenzstroms Iref durch den Hall-Sensor 110 zu verändern. Dadurch stellt sich bei einem ordnungsgemäß arbeitenden
Hall-Sensor 110 ein Vorzeichenwechsel der Hall-Spannung UHall ein,
der durch die Auswerteeinheit 130 erkannt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die
Stromrichtungsumkehr durch ein Eingangssignal, insbesondere ein Logiksignal,
gesteuert, das der Referenzstromquelle 120 über den
Eingangsanschluss 100a zuführbar ist. Dadurch ist vorteilhaft
die Möglichkeit
gegeben, die erfindungsgemäße Stromrichtungsumkehr
von einer Komponente, die extern zu der Sensorvorrichtung 100 ausgebildet
ist, anzustoßen.
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Alternativ
hierzu kann auch vorgesehen sein, dass die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung 100 eine
interne Ablaufsteuerung, beispielsweise realisiert mittels eines
Zustandsautomaten oder eines Mikrocontrollers oder dergleichen aufweist,
welche ihrerseits die erfindungsgemäße Stromrichtungsumkehr steuert.
Die Ablaufsteuerung kann vorteilhaft auch in die Auswerteeinheit 130 integriert
sein.
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Die
erfindungsgemäße Auswerteeinheit 130 kann
in einem besonders einfachen Anwendungsfall allein eine analog-digital-Umwandlung
der Hall-Spannung UHall vornehmen, beispielsweise mittels eines
Schmitt-Triggers oder eines Komparators oder dergleichen. In diesem
Fall liegt an dem Ausgangsanschluss 100b der Sensorvorrichtung 100 ein
entsprechendes Logiksignal an, das den Zustand der Hall-Spannung
UHall repräsentiert.
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Besonders
vorteilhaft ist einer weiteren Erfindungsvariante zufolge die Auswerteeinheit 130 jedoch
auch dazu ausgebildet, das Vorzeichen der Hall-Spannung UHall beziehungsweise
einen entsprechenden Vorzeichenwechsel der Hall-Spannung UHall auszuwerten.
Dadurch kann innerhalb der Sensorvorrichtung 100 direkt
ein Funktionszustand der Sensorvorrichtung 100 überwacht
werden.
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Beispielsweise
kann erfindungsgemäß dann auf
einen Fehler beziehungsweise eine Fehlfunktion der Sensorvorrichtung 100 beziehungsweise
des Hall-Sensors 110 geschlossen werden, wenn sich bei einer
durch die erfindungsgemäße Referenzstromquelle 120 durchgeführten Stromrichtungsumkehr des
Referenzstroms Iref keine hiermit korrespondierende Vorzeichenänderung
der Hall-Spannung UHall ergibt.
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Falls
beispielsweise bei einer derartigen Stromrichtungsumkehr des Referenzstroms
Iref durch den Hall-Sensor 110 gar keine Änderung
der Hall-Spannung UHall durch die Auswerteeinheit 130 feststellbar
ist, kann erfindungsgemäß darauf
geschlossen werden, dass entweder eine Leitung, welche den Hall-Sensor 110 mit
dem Referenzstrom Iref versorgt, unterbrochen ist, oder auch eine
dem Hall-Sensor 110 nachgeordnete Signalleitung, welche
die Hall-Spannung UHall der Auswerteeinheit 130 in der
in 1 abgebildeten Weise zuführt.
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2 zeigt
eine Detailansicht des Hall-Sensors 110 der Sensorvorrichtung 100 gemäß 1.
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Wie
aus 2 ersichtlich, ist die Referenzstromquelle 120 so
mit Anschlüssen 110a, 110b des Hall-Sensors 110 verbunden,
dass die Referenzstromquelle 120 dem Hall-Sensor 110 den
Referenzstrom Iref entlang der in 2 durch
den Pfeil x symbolisierten ersten Raumrichtung x aufprägen kann.
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Beispielsweise
kann in einer ersten Betriebsart die Polarität des Referenzstroms Iref so
gewählt werden,
dass der Referenzstrom Iref gemäß 2 in positiver
x-Richtung, das heißt
in 2 von links nach rechts durch den Hall-Sensor 110 fließt. Eine
erfindungsgemäße Stromrichtungsumkehr
ist in diesem Fall dadurch realisierbar, dass der Referenzstrom
Iref in einer zweiten Betriebsart dem Hall-Sensor 110 entlang
der negativen x-Richtung aufgeprägt wird.
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Bei
dieser Stromrichtungsumkehr muss sich entsprechend den vorstehenden Überlegungen
ein Vorzeichenwechsel der mittels der Auswerteeinheit 130 ausgewerteten
Hall-Spannung UHall ergeben. Das Voltmeter 131 in 2 repräsentiert
hierbei symbolisch auch weitere, nicht in 2 abgebildete Komponenten
zur detaillierteren Auswertung der Hall-Spannung UHall, die beispielsweise
einen oder mehrere Schwellwertvergleiche beziehungsweise eine Auswertung
des Vorzeichens der Vorspannung UHall ermöglichen.
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Die
Referenzstromquelle 120 weist bei der in 2 abgebildeten
Ausführungsform
der Erfindung eine Konstantstromquelle 121 auf. Zur Realisierung der
erfindungsgemäßen Stromrichtungsumkehr weist
die Referenzstromquelle 120 ferner die in 3 abgebildeten
Schalter 122a, 122b auf, über die der erste und zweite
Anschluss 121a, 121b der Konstantstromquelle 121 wahlweise
mit dem ersten und zweiten Anschluss 110a, 110b des
Hall-Sensors 110 verbindbar ist.
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Die
Schalter 122a, 122b können erfindungsgemäß besonders
vorteilhaft als Halbleiterschalter ausgebildet sein, die monolithisch
integrierbar sind in die Sensorvorrichtung 100.
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Die
vorstehend anhand der 1 bis 3 beschriebene
Erfindungsvariante weist einen besonders einfachen Aufbau auf, da
sie lediglich eine Konstantstromquelle 121 und die Schaltermatrix 122a, 122b erfordert.
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Eine
weitere Erfindungsvariante zur Erzielung der erfindungsgemäßen Stromrichtungsumkehr ist
in 4 angegeben. Diese Erfindungsvariante weist zwei
Konstantstromquellen 125a, 125b auf, die wahlweise über die
ihnen zugeordneten Schalter 125a', 125b' in der in 4 abgebildeten
Weise mit dem Hall-Sensor 110 verbindbar sind. Die elektrischen
Anschlüsse
der beiden Konstantstromquellen 125a, 125b sind
in 4 analog zu dem unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen
Ausführungsbeispiel
der Erfindung so mit dem Hall-Sensor 110 verbunden, dass
der Hall-Sensor 110 mit den Referenzströmen Iref1, Iref2 entlang der
ersten Raumrichtung x beaufschlagbar ist, wobei sich wiederum in
der zweiten Raumrichtung, vergleiche die y-Achse gemäß 2,
die auszuwertende Hall-Spannung UHall ergibt.
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Der
besondere Vorteil der Erfindungsvariante gemäß 4 besteht
darin, dass unter Verwendung der beiden Konstantstromquellen 125a, 125b die
erfindungsgemäße Stromrichtungsumkehr
durch den Hall-Sensor 110 realisierbar ist, indem jeweils nur
einer der Schalter 125a, 125b' geöffnet beziehungsweise geschlossen
ist.
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Ferner
kann die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung
nach 4 auch so betrieben werden, dass gleichzeitig
beide Schalter 125a', 125b' geschlossen
sind, wodurch sich ein aus der Superposition der Referenzströme Iref1,
Iref2 ergebender Summenstrom durch den Hall-Sensor 110 ergibt.
Bei einer entsprechenden Wahl der beiden Referenzströme Iref1,
Iref2, können
besonders vorteilhaft durch entsprechende Stellungen der Schalter 125a', 125b' unterschiedliche
Summenströme,
gegebenenfalls auch mit unterschiedlicher Stromrichtung durch den Hall-Sensor 110,
realisiert werden, wodurch gleichsam eine Messbereichserweiterung
des Hall-Sensors 110 gegeben ist.
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Beispielsweise
kann der erste Referenzstrom Iref1 so gewählt sein, dass sein Betrag
einem Viertel des Betrags des zweiten Referenzstroms Iref2 entspricht,
wobei wiederum beide Referenzströme Iref1,
Iref2 jeweils eine unterschiedliche Stromrichtung bezogen auf die
erste Raumrichtung x aufweisen. In diesem Fall ist durch alleiniges
Beaufschlagen des Hall-Sensors 110 mit
nur einem der beiden Referenzströme
Iref1, Iref2 die erfindungsgemäße Stromrichtungsumkehr,
die zur Überwachung
des Funktionszustands der Sensorvorrichtung 100 dient, möglich. Durch
einen gleichzeitigen Betrieb des Hall-Sensors 110 mit beiden
Referenzströmen
Iref1, Iref2 ergibt sich ein Summenstrom durch den Hall-Sensor 110,
der im Gegensatz zu dem ersten Referenzstrom Iref1 den dreifachen
Betrag der Stromstärke
aufweist und somit zu einer anderen Empfindlichkeit des Hall-Sensors 110 gegenüber einem
anliegenden Magnetfeld führt,
wie sie bei dem Betrieb des Hall-Sensors 110 allein mit
dem ersten Referenzstrom Iref1 oder auch allein mit dem zweiten Referenzstrom
Iref2 gegeben ist.
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Wie
bereits vorstehend mehrfach beschrieben, wird erfindungsgemäß dann auf
eine Fehlfunktion geschlossen, wenn der Hall-Sensor mit Referenzströmen unterschiedlicher
Stromrichtungen beaufschlagt wird, und wenn bei dem Wechsel der
Stromrichtung der Referenzströme
kein Wechsel der Polarität
der Hall-Spannung stattfindet.
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Alternativ
oder ergänzend
kann die Hall-Spannung auch auf eine Änderung ihres Betrags untersucht
werden. Bei typischen Fehlern wie beispielsweise einem Kurzschluss
einer Verbindungsleitung nach Masse oder auch zu einem Schaltungsknotenpunkt,
der ein Potential aufweist, das einer Betriebsspannung der Sensorvorrichtung 100 entspricht,
ergibt sich bei der Beaufschlagung des Hall-Sensors 110 mit
Referenzströmen
unterschiedlicher Stromrichtung und/oder Stromstärke in vielen Fällen gar
keine Änderung
der Hall-Spannung,
so dass durch eine entsprechende Auswertung der Hall-Spannung eine
derartige Fehlfunktion erkennbar ist.
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Besonders
vorteilhaft wird der Betriebszustand des Hall-Sensors 110 erfindungsgemäß periodisch überprüft, und
während
der Überprüfung, insbesondere
während
der hiermit verbundenen Umkehr der Stromrichtung durch den Hall-Sensor 110, wird
ein Zustand eines an dem Ausgang 100b (1)
anliegenden Ausgangssignals auf dem Wert festgehalten, den es vor
dem Start der Überprüfung hatte.
Dadurch ist vorteilhaft gewährleistet,
dass eine der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 100 nachgeordnete
Vorrichtung (nicht gezeigt), die das an dem Ausgangsanschluss 100b anliegende
Ausgangssignal verarbeitet, nicht gestört wird durch die erfindungsgemäße Überprüfung, die üblicherweise während einer
verhältnismäßig kurzen
Zeit abgeschlossen werden kann.
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Sofern
während
der erfindungsgemäßen Überprüfung keine
Fehlfunktion der Sensorvorrichtung 100 festgestellt wird,
wird anschließend,
das heißt
nach der Überprüfung, das
an dem Ausgang 100b anliegende Ausgangssignal nicht mehr
auf dem vorherigen Wert festgehalten, sondern es wird nunmehr wieder
das aktuell von der Auswerteeinheit 130 in Abhängigkeit
der Hall-Spannung UHall gebildete Signal ausgegeben, wodurch die
nachgeordnete Vorrichtung schnellstmöglich wieder mit einem tatsächlichen
Sensorsignal der Sensorvorrichtung 100 versorgt wird.
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Die
erfindungsgemäße Sensorvorrichtung 100 kann
generell überall
dort angewendet werden, wo eine berührungslose Positionserfassung
erforderlich oder zweckmäßig ist.
Insbesondere kann die Sensorvorrichtung 100 für Positionsabfragen
bei Cabrioverdecken, bei Verschlusskontrollen von Schiebedächern von
Kraftfahrzeugen, bei Lenkstockschaltern, bei berührungslosen Bedienschaltern
im Innenraumbereich, bei Endlagenschaltern von Fensterheben und
dergleichen verwendet werden. Weitere Einsatzbereiche bestehen in
einer Abfrage eines Klappmechanismus von Mobiltelefonen oder auch
der Überwachung
von Endlagen von Kolben bei Kolbenmaschinen.