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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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EP 0 793 075 A1 beschreibt eine monolithisch integrierte Sensorschaltung, bei der eine Stromrichtung durch eine Hallplatte um 90 Grad änderbar ist.
DE 10 2006 061 883 A1 beschreibt einen Magnetsensor und ein Verfahren zur Erfassung eines Magnetfelds.
DE 10 2005 051 306 A1 beschreibt eine vertikale Hallvorrichtung und ein Verfahren zur Einstellung einer Offsetspannung einer vertikalen Hallvorrichtung.
EP 1 211 517 A2 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung eines Halleffekts.
DE 10 2005 030 612 A1 beschreibt eine Halteeinrichtung für ein Sensorsignal, ein Verfahren zum Weiterleiten eines Sensorsignals und ein entsprechendes Computerprogramm.
EP 0 525 235 A1 beschreibt einen kompensierten Hallsensor in monolithisch integrierter Schaltungstechnik mit einer mitintegrierten Stromversorgungseinrichtung.
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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. Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination nach Anspruch 1 gelöst. 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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Besonders vorteilhaft weist die Referenzstromquelle zwei Konstantstromquellen auf, die dazu ausgebildet sind, den Hall-Sensor dem erfindungsgemäßen Prinzip folgend mit Referenzströmen verschiedener Stromrichtungen, bezogen auf eine erste Raumrichtung, 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 5 angegeben. 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:
- 1 ein schematisches Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung,
- 2 einen Hall-Sensor der Sensorvorrichtung gemäß 1 im Detail,
- 3 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung, und
- 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 lref1 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.
