磁界角計測装置，回転角計測装置およびそれを用いた回転機，システム，車両および車両駆動装置
【課題】磁気抵抗素子をブリッジ構成で用いた回転角計測装置において、異常が発生すると正しい角度が出力されないので、それを用いた上位システムも機能停止するという課題があった。
【解決手段】ブリッジ６０，６１をそれぞれ構成するハーフブリッジのうち、正しい方のハーフブリッジの出力信号に基づいた磁界角度（回転角度）を信号１５１として出力する。
【解決手段】ブリッジ６０，６１をそれぞれ構成するハーフブリッジのうち、正しい方のハーフブリッジの出力信号に基づいた磁界角度（回転角度）を信号１５１として出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗素子（以後、ＭＲ（Magnetoresistive）素子と称す）を用いて構成された磁界角計測装置、およびそれを用いた回転角計測装置に関する。
【０００２】
また、本明細書において、位置センサとは、回転体の位置（回転角）を検出する回転角センサや、並進運動をする移動体の位置センサなどを指す。
【背景技術】
【０００３】
回転体の回転角や位置を計測する回転角計測センサまたは位置センサでは、回転体に磁石などの磁界発生体を取り付け、磁界角計測センサでその磁界の方向を計測する。
【０００４】
なお、本明細書において、位置センサとは、回転体の位置（回転角）を検出する回転角センサや、並進運動をする移動体の位置センサなどを指す。
【０００５】
このような磁界角計測センサとして磁気抵抗素子を用いたものが知られている。磁気抵抗素子とは、素子に印加される磁界の方向や強度に応じて電気抵抗値が変化するものである。
【０００６】
磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）には、異方性磁気抵抗層素子（Anisotropic Magneto-resistance、以下「ＡＭＲ素子」）や、巨大磁気抵抗効果素子（Giant Magnetoresistance、以下「ＧＭＲ素子」と呼ぶ）、トンネル磁気抵抗素子（Tunneling Magnetoresistance、以下「ＴＭＲ素子」）などが知られている。以下、ＧＭＲ素子を用いた磁界検出装置を例に、従来技術の概要を記す。
【０００７】
ＧＭＲ素子の基本構成を図２に示す。ＧＭＲ素子は、第１の磁性層（固定磁性層、あるいはピン磁性層）１３と第２の磁性層（自由磁性層）１１とを有し、両者の磁性層の間に非磁性層（スペーサ層）１２を挟み込んだ構成をとる。ＧＭＲ素子に外部磁界３０を印加すると、固定磁性層の磁化方向は変化せず固定されたままであるのに対し、自由磁性層の磁化方向２０は外部磁界の方向に応じて変化する。
【０００８】
本明細書では、固定磁性層の磁化方向２２の角度をピン角（pin angle）と呼び、θpで表す。
【０００９】
ＧＭＲ素子の両端に電圧を印加すると素子抵抗に応じた電流が流れるが、その素子抵抗の大きさは固定磁性層の磁化方向（ピン角）θpと自由磁性層の磁化方向θfとの差Δθ＝θf−θpに依存して変化する。したがって、固定磁性層の磁化方向θpが既知であれば、この性質を利用してＧＭＲ素子の抵抗値を測ることで自由磁性層の磁化方向θf、すなわち外部磁界の方向を検出することができる。
【００１０】
ＧＭＲ素子の抵抗値がΔθ＝θf−θpにより変化するメカニズムは以下の通りである。
【００１１】
薄膜磁性膜中の磁化方向は、磁性体中の電子のスピンの方向と関連している。したがって、Δθ＝０の場合は自由磁性層中の電子と固定磁性層の電子とでは、スピンの向きが同一方向である電子の割合が高い。逆にΔθ＝１８０°の場合には両者の磁性層中の電子は、スピンの向きが互いに逆向きの電子の割合が高い。
【００１２】
図３は自由磁性層１１，スペーサ層１２，固定磁性層１３の断面を模式的に示したものである。自由磁性層１１および固定磁性層１３中の矢印は多数電子のスピンの向きを模式的に示したものである。図３（Ａ）はΔθ＝０の場合であり、自由磁性層１１と固定磁性層１３のスピンの向きが揃っている。図３（Ｂ）はΔθ＝１８０°の場合であり、自由磁性層１１と固定磁性層１３のスピンの向きが逆向きになっている。（Ａ）のθ＝０の場合、固定磁性層１３から出た右向きスピンの電子は、自由磁性層１１中でも同じ向きの電子が多数を占めているため自由磁性層１１中での散乱が少なく、電子軌跡８１０のような軌跡を通る。一方、（Ｂ）のΔθ＝１８０°の場合は、固定磁性層１３から出た右向きスピンの電子は、自由磁性層１１に入ると逆向きスピンの電子が多いため、散乱を強く受け、電子軌跡８１１のような軌跡を通る。このようにΔθ＝１８０°の場合では電子散乱が増えるため、電気抵抗が増加する。
【００１３】
Δθ＝０〜１８０°の中間の場合は、図３（Ａ），（Ｂ）の中間の状態になる。ＧＭＲ素子の抵抗値は
【００１４】
【数１】
となることが知られている。Ｇ／ＲはＧＭＲ係数と呼ばれ、数％〜数１０％である。
【００１５】
このように電子スピンの向きによって、電流の流れ方（すなわち電気抵抗）を制御できることから、ＧＭＲ素子はスピンバルブ素子とも呼ばれる。
【００１６】
また、膜厚が薄い磁性膜（薄膜磁性膜）では、面の法線方向の反磁界係数が極端に大きいため、磁化ベクトルは法線方向（膜厚方向）に立ち上がることはできず、面内に横たわっている。ＧＭＲ素子を構成する自由磁性層１１，固定磁性層１３はいずれも十分薄いため、それぞれの磁化ベクトルは面内方向に横たわっている。
【００１７】
磁気センサとして用いる場合は、図４に示したように、４個のＧＭＲ素子Ｒ1（５１−１）〜Ｒ4（５１−４）を使ってホイートストン・ブリッジ６０を構成する。ここで、Ｒ1（５１−１），Ｒ3（５１−３）の固定磁性層の磁化方向をθp＝０とし、Ｒ2，Ｒ4の固定磁化層の磁化方向をθp＝１８０°と設定する。自由磁性層の磁化方向θfは外部磁界で決まるので４個のＧＭＲ素子で同一となるため、Δθ2＝θf−θp2＝θf−θp1−π＝Δθ1＋πの関係が成り立つ。ここで、Δθ1は、θp＝０を基準としているので、Δθ1＝θと置き換える。したがって、（数１）式からわかるように、Ｒ1，Ｒ3では（ｎ＝１，３）：
【００１８】
【数２】
となり、Ｒ2，Ｒ4では（ｎ＝２，４）：
【００１９】
【数３】
となる。
【００２０】
図４のブリッジ回路６０に励起電圧ｅ0を印加した時の端子Ｖc1，Ｖc2間の差電圧ΔＶ＝Ｖc2−Ｖc1は以下のようになる：
【００２１】
【数４】
これに（数２），（数３）式を代入し、ｎ＝１〜４についてＲn0が等しいと仮定し、Ｒ0＝Ｒn0とおくと：
【００２２】
【数５】
となる。このように、信号電圧Δｖはcosθに比例するので、磁界の方向θを検出することができる。また、このブリッジ回路は、cosθに比例した信号を出力するのでＣＯＳブリッジと呼ぶ。
【００２３】
固定磁化層の方向をＣＯＳブリッジと９０度変えたブリッジ６１を考える。すなわち、θp＝９０°，２７０°のＧＭＲ素子でブリッジを構成する。上記と同様に計算すると信号電圧ΔＶs（＝Ｖs2−Ｖs1）は：
【００２４】
【数６】
というようにsinθに比例するので、このブリッジ６１をＳＩＮブリッジと呼ぶ。ＣＯＳブリッジとＳＩＮブリッジの２つの出力信号の比の逆正接を計算することで、磁界ベクトルの方向θm（磁界角度）が求まる。
【００２５】
【数７】
【００２６】
このように磁気抵抗素子は磁界方向を直接検出するという特徴がある。
【００２７】
特に自動車や産業用機械，ロボットなどで使用する回転角センサでは、センサ出力値として間違った値を出力される事態を避けなければならない。回転角センサに異常が生じた場合にそれを検出する方法が、例えば特許文献１に開示されている。
【００２８】
特許文献１では、ブリッジの２つの出力Ｖ1とＶ2の和（Ｖ1＋Ｖ2）が所定の範囲を超えた場合に、センサが故障と判定し、センサから誤った角度情報が出力されないような処置をとる。このようにして、そのセンサを用いた車などの安全性を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２９】
【特許文献１】特開２００５−４９０９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
近年、電気自動車などの車両の電動化が進んでいる。
【００３１】
また、電子的な信号のみで動作させる「Ｘ−by−Wire」に代表される電子化も進んでいる。例えば、電動パワーステアリングの例を挙げると、完全に電子化されたSteer−by−Wireシステムにおいては、運転者がハンドルで与えた指令信号は、いったん電子的な信号（角度情報など）に変換され、それがステアリング制御装置に伝達され、電子的な信号に応じた制御でステアリング駆動モータを動作させる。
【００３２】
このように、電動化，電子化された車両システムにおいては、例えばモータの制御を行っている回転角センサに異常が発生して、センサ動作が停止すると、そのモータが動作できなくなるため、車両システム自体が動作できなくなるという問題があった。
【００３３】
このような問題の発生を防ぐために、回転角センサを２つ設置しておき、一方のセンサに異常が発生した場合に他方のセンサを動作させるなどの冗長センサ構成を用いるなどの対応をしている。しかしながら、冗長構成を用いるとコストアップするという課題や、システムの小型化に支障が生じるなどの課題があった。
【００３４】
また、自動車で代表される車両の例を挙げたが、産業用機械や、ロボットなどの分野においても、回転角センサが故障した際にシステム全体が停止してしまうという同様な課題があった。
【００３５】
本発明の目的は、センサに異常が発生した場合でもシステムの動作を継続可能な計測結果を出力可能で、かつシステムの小型化に寄与できる磁界角計測装置又は回転角計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３６】
上記の課題は、下記の構成により解決することができる。
【００３７】
磁気抵抗素子で構成されるＣＯＳブリッジ及びＳＩＮブリッジと、ＣＯＳブリッジの出力信号とＳＩＮブリッジの出力信号とを受けて磁界角度を検出する検出部とを備え、前記検出部は、ＣＯＳブリッジまたはＳＩＮブリッジのおのおのの、いずれか一方のハーフブリッジに異常が発生した場合に、正常な方のハーフブリッジから出される信号に基づいて角度信号を出力するようにする。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、磁界角計測装置または回転角計測装置に異常が発生した場合でも、正しい角度情報の出力を継続することが可能になった。
【００３９】
これにより、磁界角計測装置または回転角計測装置に異常が発生した場合でも、車両などの上位システムを稼働させることが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明による第１の実施例の磁界角計測装置の構成を示す図である。
【図２】ＧＭＲ素子の構成を示す図である。
【図３】ＧＭＲ素子の抵抗変化のメカニズムを説明する図である。
【図４】磁気抵抗素子で構成されたブリッジの構成を示す図である。
【図５】ＭＲブリッジ部の構成例を示す図である。
【図６】ＧＭＲ素子の配線パターンを示す図である。
【図７】本発明の実施例２で用いる冗長化部の構成を示す図である。
【図８】本発明の実施例２の磁界角計測装置の構成を示す図である。
【図９】本発明の実施例３の磁界角計測装置の構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施例３のスイッチ切替の組み合わせを示す表である。
【図１１】本発明の実施例４の磁界角計測装置の構成を示す図である。
【図１２】本発明の実施例５の回転角計測装置の構成を示す図である。
【図１３】本発明の実施例６の回転機の構成を示す図である。
【図１４】本発明の実施例６の回転機の構成を示す図である。
【図１５】本発明の実施例７のＥＰＳの構成を示す図である。
【図１６】本発明の実施例８の構成を示す図である。
【図１７】本発明の実施例９の車両駆動装置を示す図である。
【図１８】本発明の実施例１０の車両駆動装置を示す図である。
【図１９】本発明のデータ出力信号の構成例を示す図である。
【図２０】本発明の磁界角計測装置のパッケージ構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００４２】
第１の実施例では磁気抵抗素子として巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ素子）を用いた例を示す。
【００４３】
図１は、本実施例による磁界角検出装置の構成図である。
【００４４】
磁界角検出装置は、ＣＯＳブリッジ６０とＳＩＮブリッジ６１と、検出部３０２とで構成される。ＣＯＳブリッジ６０とＳＩＮブリッジ６１を合わせてＭＲブリッジ部７０と呼ぶ。ここで、「ＭＲ」は磁気抵抗素子（Magneto-Resistance）の略である。
【００４５】
ＣＯＳブリッジ６０は、４個のＧＭＲ素子５１で構成されており、図４に記載のようにＧＭＲ素子５１の固定層のスピン方向（ピン角）を適切に設定することで、ブリッジの信号電圧（Ｖc2−Ｖc1）が磁界角度θの余弦cosθに比例するようになっている。また、ＳＩＮブリッジ６１も同様に、４個のＧＭＲ素子５２で構成されており、ＧＭＲ素子５２のピン角を適切に設定することで、ブリッジの信号電圧（Ｖs2−Ｖs1）が磁界角度θの正弦sinθに比例するようになっている。
【００４６】
言い換えると、ブリッジの信号電圧（Ｖc2−Ｖc1）が磁界角度θの余弦cosθに比例するものがＣＯＳブリッジ６０と定義され、信号電圧（Ｖs2−Ｖs1）が磁界角度θの正弦sinθに比例するものがＳＩＮブリッジ６１と定義される。この際、２つの信号がそれぞれcosθとsinθとに比例するように、磁界角θの基準角度を適切に設定する。
【００４７】
また、後に詳述する通り、異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲ素子）を用いた磁界角検出装置においては、ＣＯＳブリッジとＳＩＮブリッジは以下のように定義される。実効磁界角θeff＝２θを定義し、ブリッジの信号電圧（Ｖc2−Ｖc1）が実効磁界角度θeff＝２θの余弦cos（θeff）に比例するものがＣＯＳブリッジと定義され、信号電圧（Ｖs2−Ｖs1）が実効磁界角度θeffの正弦sin（θeff）に比例するものがＳＩＮブリッジと定義される。この際、２つの信号がcos（θeff）とsin（θeff）に比例するように、磁界角度の基準角度を適切に選択する。ＡＭＲ素子を用いた場合に関しては、後の実施例で詳述する。
【００４８】
検出部３０２は、各ブリッジの信号電圧Ｖc1，Ｖc2，Ｖs1，Ｖs2を入力し、それらの信号を用いて磁界角度θを求めて出力する。正常動作時においては、（数２）〜（数７）の関係を用いて磁界角度を求める。
【００４９】
図１に示したように、ＣＯＳブリッジ６０とＳＩＮブリッジ６１には励起電圧ｅ0を印加し、他方の端子をアース電位（Ground電位、図では「ＧＮＤ」と表記）に設定した。これは通常のブリッジと同様の結線である。励起電圧ｅ0は、本実施例では５Ｖに設定した。
【００５０】
また、図１ではＭＲブリッジ部７０と検出部３０２間の結線の図示を省略したが、励起電圧ｅ0を供給する電源部は検出部３０２内に設けた。また、アース電位も検出部３０２から両ブリッジに供給した。本明細書の、他の図でも、ＭＲブリッジ部７０と検出部３０２間での励起電位とアース電位の結線の図示を省略したが、上記の通り、適切に結線をする。
【００５１】
なお、励起電圧ｅ0とアース電位とを供給する電源部は検出部３０２とは別に設けてもよい。また、励起電圧を供給する電源部は定電圧の代わりに定電流電源を用いてもよい。
【００５２】
図５は、本実施例で用いたＧＭＲ素子ブリッジが収められたセンサ素子パッケージ２６５の構成を示す。センサ素子パッケージ２６５内には、ＧＭＲ素子５１が形成されたウエハ２６０が収められている。ウエハ２６０にはＣＯＳブリッジ６０とＳＩＮブリッジ６１が形成されている。それぞれのブリッジは、４個のＧＭＲ素子５１，５２を用いてホイートストンブリッジを構成している。ウエハ２６０上のパッド２６２とセンサ素子パッケージ２６５の対応する端子とは、ワイヤボンディングで接続されている。
【００５３】
ＧＭＲ素子５１の配線パターンの例を図６（Ａ）に示した。ＧＭＲ素子５１の配線パターンは、所望の抵抗値になるように、配線の幅と長さの比（アスペクト比）が設定されている。
【００５４】
次に、ＧＭＲ素子５１が正常な場合の検出部３０２の動作について述べる。
【００５５】
ＧＭＲ素子５１が正常な場合には、
ΔＶc21＝Ｖc2−Ｖc1
ΔＶs21＝Ｖs2−Ｖs1
とすると、（数５），（数６）より次式を得る：
【００５６】
【数８】
したがって、
【００５７】
【数９】
により磁界角度θが求まる。磁界角度θは角度出力として出力端子９０を通じて外部に出力される。
【００５８】
ここで、θ＝atan２（ｙ，ｘ）は、引数ｘ，ｙが正か負かに応じて、θ＝０〜３６０°（または−１８０〜１８０°）の値を適切に出力する関数である。例えば、ｘ，ｙともに正の場合は、atan２（ｙ，ｘ）＝ArcTan（ｙ／ｘ）であり、ｘ，ｙともに負の場合は、atan２（ｙ，ｘ）＝ArcTan（ｙ／ｘ）＋１８０°である。
【００５９】
本明細書においては、「異常（fault）」と「故障（failure）」という用語を次のように使い分ける。
【００６０】
「異常（fault）」とは、システムの内部状態の特性が正常な許容値を超えた状態を表す。
【００６１】
「故障（failure）」とは、システムがその機能の実現が継続的にできなくなった事態を指す。
【００６２】
ここで、システムとは、磁界角計測装置や回転角計測装置、あるいはそれを用いた回転機や、車両駆動装置などを指す。また、本明細書では、上記定義の「故障」と同じ意味で「機能停止」という言葉も用いる。
【００６３】
次に、ＧＭＲ素子に異常が発生した場合の動作を述べる。
【００６４】
ＧＭＲ素子に異常発生する要因を述べる。ＧＭＲ素子の故障原因には局所的な抵抗増大がある。これは、ＧＭＲ素子が数ｎｍ（ナノメートル）程度の厚さの薄膜で構成したものなので、過大な電流が流れたりした際に、ＧＭＲ素子の一部が欠損することがある。
【００６５】
図６（Ｂ）にこれを模式的に示す。図６は、ブリッジを構成する４つのＧＭＲ素子５１のうち、１つを模式的に示したものである。ＧＭＲ素子５１である配線は、図２にそくして述べたように、自由磁性層１１，スペーサ層１２，固定磁性層１３とを含む。（Ａ）は正常な状態のＧＭＲ素子５１で矢印は電流が流れる方向を示す。（Ｂ）はパターンの一部が欠損により細くなったＧＭＲ素子５１で、電流通路のうち欠損部５３（細くなった部分）が高抵抗化してしまう。
【００６６】
一例として、図４に示したＳＩＮブリッジ６１のなかのＧＭＲ素子Ｒ1（５２−１）が図６（Ｂ）のように素子の一部に欠損部５３が発生した場合を考える。この場合、抵抗増加の原因は欠損により細くなったため配線断面積が減少して抵抗が増えるためである。すなわち、細くなった部分（欠損部５３）が局部的にバルク抵抗値が上昇するためである。これに対し、磁気抵抗効果は、図３に即して述べたように、配線１０１全体における自由磁性層１１−スペーサ層１２界面および固定磁性層１３−スペーサ層１２界面での散乱に起因するものであるから、前述の局部的なバルク抵抗増加が起こっても磁気抵抗効果による変化量はあまり影響を受けない。したがって、配線の欠損により増加する抵抗成分は磁界方向に依存しない成分である。そこで、磁界方向非依存項の増加率をｂ倍として、定式化すると：
【００６７】
【数１０】
【００６８】
【数１１】
他の故障原因として、ワイヤボンディングの劣化がある。一例として、図５のＶs1端子２６３とウエハ・パッド２６２とを結線するワイヤの接続が劣化して接続不良が生じると、センサ素子パッケージ２６５のＶs1端子の信号電圧は不定になる。
【００６９】
ここで、ＣＯＳブリッジ６０を第１のハーフブリッジＨＢc1と第２のハーフブリッジＨＢc2との２つのハーフブリッジで構成されると見なして考える。ここで、第１のハーフブリッジＨＢc1は、ＧＭＲ素子Ｒ1（５１−１），信号出力Ｖc1，ＧＭＲ素子Ｒ4（５１−４）で構成される。第２のハーフブリッジＨＢc2は、ＧＭＲ素子Ｒ2（５１−２），信号出力Ｖc2，ＧＭＲ素子Ｒ3（５１−３）で構成される。
【００７０】
ＳＩＮブリッジ６１についても同様に、第１のハーフブリッジＨＢs1と第２のハーフブリッジＨＢs2とで構成されると見なす。ここで、第１のハーフブリッジＨＢs1は、ＧＭＲ素子Ｒ1（５２−１），信号出力Ｖs1，ＧＭＲ素子Ｒ4（５２−４）で構成される。第２のハーフブリッジＨＢs2は、ＧＭＲ素子Ｒ2（５２−２），信号出力Ｖs2，ＧＭＲ素子Ｒ3（５２−３）で構成される。
【００７１】
本発明においては、上記のようにＳＩＮブリッジ６１を構成する２つのハーフブリッジＨＢs1，ＨＢs2の一方に異常が発生した場合に、正常な方のハーフブリッジの信号を用いて磁界角度θを求める。具体例で述べると、ハーフブリッジＨＢs1で異常が発生した場合には、正常な方のハーフブリッジＨＢs2の出力信号Ｖs2を用いて磁界角度を求める。
【００７２】
また、ＣＯＳブリッジ６０を構成する２つのハーフブリッジＨＢc1，ＨＢc2の一方で異常が発生した場合には、正常な方のハーフブリッジの出力信号を用いて磁界角度を求める。
【００７３】
具体的には以下のようにする。ＧＭＲ素子Ｒs3とＲs4とで構成されるハーフブリッジＨＢs2が出力する信号Ｖs2と励起電圧ｅ0の１／２の電圧（以下、「中間電圧Ｖm」と呼ぶ）との差をとってから、２倍したものをΔＶs2mとすると、以下のようになる：
【００７４】
【数１２】
すなわち、（数８）と比較してわかるように、ΔＶs2mは、ＳＩＮブリッジ６１の正常時の出力信号ΔＶs21と等しくなる。したがって、以下のようにして、正しい磁界角度θが求まる。
【００７５】
【数１３】
【００７６】
このようにして求めた磁界角度θを検出器から出力する。このようにして、本発明の磁界角計測装置８０の検出部３０２は、ＧＭＲ素子に異常が発生した場合でも、正しい磁界角度θの出力を継続することができる。このため、磁界角度計測装置を組み込んだ上位システムは動作を停止することなく、継続することができる。
【００７７】
上記の説明では、ＧＭＲ素子Ｒs1，Ｒs4で構成されるハーフブリッジＨＢs1で異常が発生した場合の例を述べた。ＧＭＲ素子Ｒs2，Ｒs3で構成されるハーフブリッジＨＢs2の方で異常が発生した場合には、
【００７８】
【数１４】
を用いて
【００７９】
【数１５】
として磁界角度θを計算すればよい。また、ＣＯＳブリッジ６０のＧＭＲ素子に異常が発生した場合も同様にして正しい磁界角度θを求められる。
【００８０】
上記のように、正常な方なハーフブリッジの出力信号を用いて磁界角度を算出する磁界角計測装置８０の動作状態を、「バックアップ動作モード」と呼ぶことにする。これと対比して、ＣＯＳブリッジ６０，ＳＩＮブリッジ６１とも異常がなく、信号ΔＶc21とΔＶs21とを用いて磁界角度を算出する動作状態を「通常動作モード」と呼ぶことにする。
【００８１】
バックアップ動作モードでは、（数１２）からわかるように計測値Ｖs2を２倍している。したがって、計測値に含まれるノイズも２倍になるので、通常動作モードと比べると、計測値のＳ／Ｎ比が低下する。このため、磁界角度θは計測精度が通常動作モード時よりやや低下する場合がある。このように、バックアップ動作モードでは、計測精度は劣化する場合があるが、正しい磁界角度θを出力する。
【００８２】
次に、（１）ＧＭＲ素子に異常が発生したことの検出方法と、（２）どのハーフブリッジに異常が発生したかの同定方法を順に述べる。
【００８３】
まず、（数１２）と同様にして、各ハーフブリッジの出力電圧Ｖc1，Ｖc2，Ｖs1，Ｖs2と中間電圧Ｖmとの差信号を２倍または−２倍した量を、以下の通りに定義する。
【００８４】
【数１６】
【００８５】
なお、（数１２）からわかるように、（数１６）の各式において最後の等号はそれぞれのハーフブリッジが正常な場合にのみ成り立つ。
【００８６】
（数１６）で定義した量は、それぞれの値が正常時において、差動信号ΔＶc21またはΔＶs21と同じ値になるように、係数±２の極性を適宜設定している。
【００８７】
（数１６）からわかるように、正常時においてはΔＶc1m＝ΔＶc2mおよびΔＶs1m＝ΔＶs2mが成立する。したがって、ΔＶc1mとΔＶc2mとが等しく無い場合は、ＣＯＳブリッジ６０の中で異常が発生したことがわかる。同様にして、ΔＶs1mとΔＶs2mとが等しく無い場合は、ＳＩＮブリッジ６１の中で異常が発生したことがわかる。
【００８８】
このようにして、ＣＯＳブリッジ６０で異常が発生したか、あるいはＳＩＮブリッジ６１で異常が発生したかを検出できる。
【００８９】
次に、あるブリッジで異常が発生した場合に、そのブリッジを構成するいずれのハーフブリッジで異常が発生したかを同定する工程を述べる。すなわち、正常なハーフブリッジを同定する工程である。ここでは、一例として、ＧＭＲ素子Ｒs1，Ｒs4で構成されるハーフブリッジＨＢs1に異常が発生した場合を想定する。その他の場所で異常が発生した場合も同様な手順で異常場所の同定ができることは明らかである。
【００９０】
３角関数の恒等式「(cosθ)2＋(sinθ)2＝１」を考慮すると、（数８），（数１６）とから、正常動作時には以下の関係が成り立つ。
【００９１】
【数１７】
【００９２】
（数１７）はハーフブリッジが正常動作の場合にのみ成立する。したがって、関係式（数１７）が成立しないハーブブリッジで異常が発生したと同定できる。
【００９３】
実際には、測定ノイズなどの影響を除くため、以下のように判定する。まず、次の残差量を計算する：
【００９４】
【数１８】
ここで、ｊ＝１または２であり、ＳＩＮブリッジ６１を構成する２つのハーフブリッジの信号ΔＶs1mとΔＶs2mに対応して、ΔRes（１）とΔRes（２）を求める。残差量ΔRes（ｊ）は、正常なブリッジの信号電圧（ΔＶc21）の２乗と、他方のブリッジのハーフブリッジの信号電圧と中間電圧Ｖmの差を２倍したもの（ΔＶsjm）を２乗したものとの和を、定数値から減算したものである。この残差量の絶対値が大きい方が異常発生箇所であると判定する。
【００９５】
このようにして、Ｒs1，Ｒs4で構成されるハーフブリッジＨＢs1で異常が発生したことが同定できるので、正常な方のハーフブリッジＨＢs2の出力信号Ｖs2を用いて、ΔＶs2mを計算し、（数１３）で磁界角度θを計算すればよい。このようにして、正しい磁界角度が計算される。
【実施例２】
【００９６】
本発明の第２の実施例では、異常箇所の同定と冗長動作を行う、好ましい回路構成の例を述べる。
【００９７】
本実施例の磁界角検出装置では、検出部３０２内に冗長化部３１１を有する。冗長化部３１１の構成を図７に示す。
【００９８】
冗長化部３１１は、第１のハーフブリッジ６５−１（ＨＢq1）の出力信号Ｖq1と第２のハーフブリッジ６５−２（ＨＢq2）の出力信号Ｖq2、および中間電圧Ｖmを入力する。ここで、ｑ＝ｃまたはｓであり、それぞれＣＯＳブリッジ６０，ＳＩＮブリッジ６１に対応した添字である。以下、添字「ｑ」はこの意味で用いる。
【００９９】
中間電圧Ｖmは励起電圧ｅ0の１／２である、ｅ0／２に等しい。
【０１００】
中間電圧Ｖmの生成回路は、励起電圧ｅ0を基準にしたレシオメトリック（ratiometric）な回路であることが好ましい。レシオメトリックとは、励起電圧ｅ0が変化した場合でも、生成電圧Ｖmがｅ0の一定の比率に保たれる回路を意味する。Ｖm生成回路をレシオメトリックにする効果は後述する。
【０１０１】
本実施例では、中間電圧Ｖmは、励起電圧ｅ0を抵抗Ｒ1（３３１−１），Ｒ2（３３１−２）で電圧分割して生成する。抵抗Ｒ1（３３１−１），Ｒ2（３３１−２）の抵抗値は等しくする。このようにすることで、レシオメトリック（ratiometric）になるので、励起電圧ｅ0が変動した場合でも中間電圧Ｖmはｅ0の１／２に保たれる。
【０１０２】
中間電圧Ｖmを生成する回路（図７では抵抗Ｒ1，Ｒ2（３３１−１，３３１−２））は、検出部３０２内に設ければよい。あるいは、励起電圧ｅ0を生成する電源部を検出部３０２とは別に設ける場合には、電源部内に中間電圧生成回路を設けてもよい。
【０１０３】
これらの信号を入力すると、冗長化部３１１は出力信号ΔＶq21，ΔＶq1m，ΔＶq2m、および異常検出信号ＦＤqを出力する。ΔＶq21は（数８）で定義される量であり、ΔＶq1m，ΔＶq2mは（数１６）で定義される量である。
【０１０４】
次に、冗長化部３１１の内部構成を述べる。
【０１０５】
２つのハーフブリッジ出力信号の差動増幅をしてΔＶq21＝（Ｖq2−Ｖq1）を出力する。これは正常動作時に使用する信号である。
【０１０６】
第１のハーブリッジ信号Ｖq1は、中間電圧Ｖmとの差動増幅し、反転増幅により（−２）倍に増幅する。このようにして、ΔＶq1m＝２（Ｖq1−Ｖm）が得られる。第２のハーブリッジ信号Ｖq2は、中間電圧Ｖmとの差動増幅し、非反転増幅により（＋２）倍に増幅する。このようにして、ΔＶq2m＝２（Ｖq2−Ｖm）が得られる。
【０１０７】
異常検出信号ＦＤqは、ΔＶq1mとΔＶq2mとの差分出力を異常判定部に入力することで異常検出信号を生成する。（ΔＶq1m−ΔＶq2m）は、正常動作時には０になるので、異常判定部ではコンパレータ回路により、ある閾値を超えたら異常検出信号を生成するようにしている。
【０１０８】
本実施例の冗長化部３１１の構成には以下の２つのポイントがある。
【０１０９】
第１に、ハーフブリッジの出力信号と中間電圧Ｖmとの差動信号を増幅していることである。
【０１１０】
特に、前述の通り、中間電圧Ｖm生成回路をレシオメトリックにしているので、励起電圧ｅ0が変動した場合でも、ｅ0とＶmの比率は一定に保たれる。（数８），（数１６）からわかるように、ΔＶq21，ΔＶq1m，ΔＶq2mのいずれの信号も励起電圧ｅ0に比例する。（数１３）に示したように、磁界角度θを算出する際には、これらの信号の比をとるので、励起電圧ｅ0が変動しても磁界角度θの値には影響しない。このように、ハーフブリッジの出力信号と中間電圧Ｖmとの差動信号を増幅することにより、励起電圧が変動しても出力信号への影響が低減されるという効果がある。
【０１１１】
第２に、ハーフブリッジ出力信号と中間電圧の差動信号との増幅の極性を変えていることである。一方は反転増幅し、他方は非反転増幅している。これにより、（数１６）と（数８）からわかるように、正常動作時にはΔＶq21，ΔＶq1m，ΔＶq2mが等しい値を与えるので、検出部３０２の信号処理が簡略化される。
【０１１２】
第２の実施例での検出部３０２の構成を図８を用いて述べる。
【０１１３】
検出部３０２は、ＣＯＳブリッジ６０の出力信号を入力する冗長化部３１１−１と、ＳＩＮブリッジ６１の出力信号を入力する冗長化部３１１−２とを備える。それぞれの冗長化部の出力信号は、信号処理部３０３に入力される。信号処理部３０３には、本実施例ではマイコンを用いたが、これに限定されるわけではない。
【０１１４】
信号処理部３０３に入力される信号は、ΔＶc21，ΔＶc1m，ΔＶc2m，ＦＤcおよびΔＶs21，ΔＶs1m，ΔＶs2m，ＦＤsである。したがって、これらの信号を用いて、第１の実施例と同じ方法で、異常箇所の同定を行い、異常発生時にも正しい磁界角度θを出力することができる。
【０１１５】
以上、ＣＯＳブリッジ６０とＳＩＮブリッジ６１のいずれか一方で異常が発生した場合を述べた。
【０１１６】
次に、ＣＯＳブリッジ６０とＳＩＮブリッジ６１の両方で異常発生した場合を述べる。ＣＯＳブリッジ６０とＳＩＮブリッジ６１のそれぞれで１つのハーフブリッジが正常な場合は下記の方法で正しい磁界角度θを出力することができる。
【０１１７】
この場合、ＣＯＳブリッジ６０，ＳＩＮブリッジ６１のそれぞれの異常検出信号ＦＤc，ＦＤsが発信され、２つのブリッジで異常が発生したことが検知できる。この場合、それぞれのブリッジ６０，６１において正しい方のハーフブリッジを同定し、次のようにして正しい磁界角θを求める。
【０１１８】
【数１９】
【０１１９】
ここで、ＣＯＳブリッジ中の正しいハーフブリッジはｉ０（＝１または２）であり、ＳＩＮブリッジ中の正しいハーフブリッジはｊ０（＝１または２）である。
【０１２０】
次に、正しい方のハーフブリッジを同定する工程を述べる。まず、以下の４つの量を求める。
【０１２１】
【数２０】
【０１２２】
ここで、ｉ，ｊは１または２であり、ハーフブリッジＨＢc1，ＨＢs1またはＨＢc2，ＨＢs2に対応した番号である。（ｉ，ｊ）の全ての組み合わせについて（数２０）を求めるので、４個のΔRes２（ｉ，ｊ）を計算することになる。４個のハーフブリッジのうち正常なハーフブリッジどうしの組み合わせでは、「(cosθ)2＋(sinθ)2＝１」の関係により（数２０）はゼロになる。実際には、信号にノイズ成分が含まれることを考慮し、（数２０）で定義される量ΔRes２（ｉ，ｊ）がある一定の閾値以下になる組み合わせ（ｉ0，ｊ0）を見つける。
【０１２３】
正しいハーフブリッジを同定する工程を完了したら、（数１９）により正しい角度を求める。
【実施例３】
【０１２４】
本発明の第３の実施例での磁界角検出装置を図９を用いて述べる。
【０１２５】
図９は本実施例での検出器の構成を示したものである。冗長化部３１１−１，冗長化部３１１−２の出力信号を切替スイッチ３１３−１（ＳＷ１），３１３−２（ＳＷ２）にそれぞれ入力する。これにより、信号処理部３０３のアナログ信号入力端子の個数を２個に低減できる。アナログ入力端子は、通常アナログ−デジタル変換器（以下ＡＤＣと呼ぶ、Analog-Digital Converter）を用いるので、ロジック信号入力端子と比較して高価であり、使用個数を減らすことが望まれていた。
【０１２６】
本実施例での切替スイッチ３１３の切替状態を図１０を用いて説明する。
【０１２７】
まず、正常動作時では、切替スイッチＳＷ１（３１３−１）は１ａの位置に接続し、切替スイッチＳＷ２（３１３−２）は２ａの位置に接続する。このようにすると、ΔＶc21とΔＶs21とが信号処理部３０３に入力されるので、（数９）に従って磁界角度θを求め、磁界角度信号θとして出力する。出力される磁界角度信号は、デジタル信号でも、アナログ信号でも、いずれでもよい。
【０１２８】
次に、ＳＩＮブリッジ６１に異常が発生した場合の切替スイッチ３１３の動作を図１０（Ａ）に示す。
【０１２９】
ＳＩＮブリッジ６１に異常が発生すると、異常検出信号ＦＤsが有効になるので、ＳＩＮブリッジ６１に異常があることを検知できる。すると、図１０（Ａ）の（ｉｉ）に示したように、切替スイッチＳＷ１（３１３−１）を１ｄに、ＳＷ２（３１３−２）を２ｂに設定する。こうすると、信号処理部３０３にはΔＶs2mとΔＶs1mとが入力されるので、（数１７）を用いて異常発生したハーフブリッジを同定する。これ以降は、切替スイッチ３１３を図１０（Ａ）の（iii）または（iv）の位置に設定して、バックアップ動作に移行する。（iii）か（iv）のいずれに設定するかは、異常発生場所の同定結果に応じて、正常な方のハーフブリッジの信号が信号処理部３０３に入力されるように設定する。このようにして、（数１３）または（数１５）に基づいて、正しい磁界角度を出力する。
【０１３０】
ＣＯＳブリッジ６０に異常が発生した場合は、図１０（Ｂ）にしたがって、切替スイッチ３１３を切り替える。
【０１３１】
最後に、ＣＯＳブリッジ６０とＳＩＮブリッジ６１の両方に異常が発生した場合を述べる。この場合は図１０（Ｃ）にしたがって切替スイッチ３１３を切り替える。
【０１３２】
次に、ＣＯＳブリッジ６０とＳＩＮブリッジ６１の両方から異常検出信号ＦＤcとＦＤsが発せられた場合の処理を述べる。
【０１３３】
この場合は、図１０（Ｃ）にしたがって、切替スイッチ３１３を切り替える。図１０（ｃ）のステップ（ii）〜（ｖ）の４つのステップ毎に、（数２０）式で定義される残差量Δres２（ｉ，ｊ）を計算し、正常なハーフブリッジをＣＯＳ，ＳＩＮブリッジ内でそれぞれ見つける。そして、正常な組み合わせが見つかったら、（ii）〜（ｖ）のいずれかに設定して、（数１９）式を用いて正しい磁界角度θを算出する。
【実施例４】
【０１３４】
本発明を用いた第４の実施例の磁界角計測装置８０を図１１を用いて述べる。
【０１３５】
本実施例の磁界角計測装置では、検出部３０２は磁界角度θを出力するとともに、異常伝達信号１５５と停止伝達信号１５６をそれぞれ出力端子９１と９２に出力する。異常伝達信号１５５（Fault Signal）は、磁界角計測装置の中で異常発生を検知したが、バックアップ動作モードで動作することで正しい角度θを出力していることを伝達する信号である。
【０１３６】
一方、停止伝達信号１５６（Failure Signal）は、磁界角計測装置内での異常の程度が深刻なために正しい角度を出力していない、すなわち磁界角計測装置としての機能を停止していることを通知する信号である。停止伝達信号１５６が発せられるケースは、例えば、ＣＯＳブリッジ６０を形成する２つのハーフブリッジが２本とも異常になった場合である。
【０１３７】
本実施例では、実施例１と同様の方法で磁界角計測装置内の異常を検出し、バックアップ動作モードに移行する。そして、バックアップ動作モードで動作中は、異常伝達信号１５５を発する。
【０１３８】
図１１では、異常伝達信号１５５と停止伝達信号１５６とを別の出力端子で出力している。異常伝達信号１５５と停止伝達信号１５６とは、１本の信号線にまとめてもよい。１本にまとめる具体的な方法例としては、信号電圧レベルを複数用意することで２種類の信号状態を伝達する方法、あるいは、デジタル信号を用いて異常伝達信号１５５と停止伝達信号１５６とのそれぞれに対応するエラーコードを出力する方法などがある。
【０１３９】
また、角度出力１５１と異常伝達信号１５５と停止伝達信号１５６とを１本の信号線にまとめてもよい。具体的には、角度θを表すデジタル信号とは識別可能な、エラーコード信号を２種類あらかじめ決めておき、そのエラーコードを異常伝達信号１５５と停止伝達信号１５６とに割り当てればよい。
【０１４０】
異常伝達信号１５５と角度出力１５１とを同一の信号線で出力する具体例を図１９を用いて述べる。
【０１４１】
本例では、異常伝達信号と角度出力を１６ビット長のデジタルデータの形で出力する。このデジタルデータの構成を図１９に示した。本データは、第１ビット〜第１２ビットに角度情報５９１が含まれ、第１５ビットに停止伝達信号５９３のフラグ、第１６ビットに異常伝達信号５９３のフラグが含まれる。このデータ構造のデータが磁界角計測装置８０の検出部３０２から出力される。このようにすると、このデータを受信したシステムでは、磁界角度θの情報とともに、磁界角計測装置が通常モードで動作しているのかバックアップ動作モードで動作しているのかを知ることができる。
【０１４２】
このように、出力信号線の本数を減らすことで、低コストな磁界角度計測装置が実現できる。さらに、デジタルデータで信号を出力することで、ノイズ耐性を高めることができる。
【０１４３】
図１９に図示したように、角度信号５９１と異常伝達信号５９３をセットにして、ひとまとまりのデータとして出力する構成とすることにより、データ受信側は角度信号５９１の計測品質を同時に知ることができ、適切な処理を行えるという効果がある。
【０１４４】
本実施例では、図１９のデータ構造の信号をシリアル通信で送信する。伝送クロック周波数を１６ＭＨｚとして、１μｓで図１９のデータを送信できる。このように、角度信号５９１と異常伝達信号５９３とを実質的に同時に送信できる。
【０１４５】
このように、異常伝達信号を出力すると、磁界角計測装置が組み込まれている上位システムでは、磁界角形速装置の動作状態を把握できるので、その動作状態に応じた処置をとることができる。具体的な処置は、磁界角形速装置が使用されるシステムによって異なるが、例えば、バックアップ動作モードで動作中は、システムの機能や性能に制限をかけることで安全性を高めるという処置が行える。
【０１４６】
図２０は、図１の構成または、図１１の構成の磁界角計測装置８０のパッケージ構成の例を示した図である。
【０１４７】
ＭＲブリッジ部７０にはＣＯＳブリッジ６０とＳＩＮブリッジ６１が収められている。ＭＲブリッジ部７０と検出部３０２との間には６本の配線があり、その構成は、励起電圧ｅ0とアース電位ＧＮＤの２本と、ハーフブリッジ出力信号４本（Ｖc1，Ｖc2，Ｖs1，Ｖs2）である。検出部３０２からの出力信号は磁界角度出力１５１と異常伝達信号出力１５５である。なお、磁界角度出力１５１と異常伝達信号出力１５５とは、図１９に示したように、デジタルデータの形でひとかたまりのデータにまとめ、１本の信号線で出力してもよい。その他、検出部３０２には、外部からの外部から供給される電源電圧端子（Ｖcc）とアース電位端子とがある。
【０１４８】
図２０の構成の内部構成は図１１の構成になっている。
【０１４９】
図２０の構成においては、ＭＲブリッジ部７０と検出部３０２とをそれぞれ樹脂などの材料でモールドしている。このパッケージ構成においては、モールド部でのストレスや残留応力などの原因により、ＭＲブリッジと検出部３０２間の配線が断線することがある。
【０１５０】
従来の構成では、４本のハーフブリッジ出力信号のうち１本でも断線すると、正しい磁界角度が出力されなくなっていた。これに対し、本発明を用いた構成では、４本のハーフブリッジ出力信号のうち１本が断線した場合には、断線していない方のハーフブリッジ出力信号を用いて磁界角度を算出することで、正しい磁界角度θが出力される。
【実施例５】
【０１５１】
本発明の第５の実施例として、回転角計測装置８２を図１２を用いて述べる。
【０１５２】
回転角計測装置８２は、磁束発生体であるセンサ磁石２０２と磁界角計測装置８０とで構成される。センサ磁石２０２は回転体１２１に設置されており、回転体１２１は回転中心線２２６を回転中心として回転する。
【０１５３】
センサ磁石２０２は磁束発生体であるから、図１２に図示した方向の磁界を発生する。回転体１２１が回転すると、磁界角計測装置８０の位置の磁界方向も回転する。したがって、磁界角度を計測することで、回転体１２１の回転角θrが計測できる。
【０１５４】
本実施例で用いる磁界角計測装置８０は実施例１の磁界角計測装置８０と同様の構成にする。これにより、回転角計測装置８２に含まれる磁気抵抗素子のハーフブリッジのうち１個で異常が発生しても、正常時と比べて計測精度は多少低下するが、正しい回転角度θrが得られる。したがって、回転角計測装置８２が含まれる上位システムの機能を継続することができるという効果がある。
【実施例６】
【０１５５】
図１３を用いて、本発明の第６の実施例として、磁界角計測装置を用いた回転機を述べる。回転機にはモータと発電機とがあるが、ここではモータを例に述べる。
【０１５６】
図１３は本実施例の回転機の断面図を示す。本実施例はモータ部１００と回転角検出部２００とで構成される。
【０１５７】
モータ部１００は、複数の固定磁極と複数の回転磁極との磁気的作用により複数の回転磁極が回転することにより回転トルクを発生するものであって、複数の固定磁極を構成するステータ１１０及び複数の回転磁極を構成するロータ１２０から構成される。ステータ１１０は、ステータコア１１１と、ステータコア１１１に装着されたステータコイル１１２から構成されている。ロータ１２０は、ステータ１１０の内周側に空隙を介して対向配置され、回転可能に支持されている。本実施例では、モータ１００として、三相交流式の表面磁石型同期モータを用いている。
【０１５８】
筐体は、円筒状のフレーム１０１と、フレーム１０１の軸方向両端部に設けられた第１ブラケット１０２および第２ブラケット１０３から構成されている。第１ブラケット１０１の中空部には軸受１０６が、第２ブラケット１０３の中空部には軸受１０７がそれぞれ設けられている。これらの軸受は回転軸１２１を回転可能なように支持している。
【０１５９】
フレーム１０１と第１ブラケット１０２との間にはシール部材（図示せず）が設けられている。シール部材は、環状に設けられたＯリングであり、フレーム１０１と第１ブラケット１０２によって軸方向及び径方向から挟み込まれて圧縮する。これにより、フレーム１０１と第１ブラケット１０２との間を封止でき、フロント側を防水できる。また、フレーム１０１と第２ブラケット１０３との間もシール部材（図示せず）により防水されている。
【０１６０】
ステータ１１０は、ステータコア１１１と、ステータコア１１１に装着されたステータコイル１１２から構成され、フレーム１０１の内周面に設置されている。ステータコア１１１は、複数の珪素鋼板を軸方向に積層して形成した磁性体（磁路形成体）であり、円環状のバックコアと、バックコアの内周部から径方向内側に突出して、周方向に等間隔に配置された複数のティースから構成されている。
【０１６１】
複数のティースのそれぞれには、ステータコイル１１２を構成する巻線導体が集中的に巻回されている。複数の巻線導体は、ステータコイル１１２の一方のコイルエンド部（第２ブラケット１０３側）の軸方向端部に並置された結線部材によって相毎に電気的に接続され、さらには３相巻線として電気的に接続されている。３相巻線の結線方式にはΔ（デルタ）結線方式とＹ（スター）結線方式がある。本実施例では、Δ（デルタ）結線方式を採用している。
【０１６２】
ロータ１２０は、回転軸１２１の外周面上に固定されたロータコアと、ロータコアの外周表面に固定された複数のマグネットと、マグネットの外周側に設けられたマグネットカバーとを備えている。マグネットカバーは、マグネットのロータコアからの飛散を防止するためのものであって、ステンレス鋼（俗称ＳＵＳ）などの非磁性体から形成された円筒部材又は管状部材である。
【０１６３】
次に、回転角検出部２００の構成を説明する。
【０１６４】
回転角検出部２００は、磁界角計測装置２０１（以下、磁界センサ・モジュール２０１と呼ぶ）とセンサ磁石２０２とで構成されている。回転角検出部２００はハウジング２０３と第２ブラケット１０３とで囲まれた空間に設置されている。センサ磁石２０２は回転軸１２１と連動して回転する軸に設置されており、回転軸１２１が回転位置を変えると、それに応じて発生する磁界方向が変化する。この磁界方向を磁界センサ・モジュール２０１で検出することにより回転軸１２１の回転角（回転位置）を計測できる。
【０１６５】
磁界センサ・モジュール２０１は、回転軸１２１の回転中心線２２６上に磁界センサ・モジュール２０１のＭＲブリッジ部７０が配置されるように設置すると、センサ磁石２０２が発生する磁界の空間分布に誤差が少なくなるので好ましい配置である。
【０１６６】
センサ磁石２０２は、２極着磁された２極磁石、あるいは４極以上に着磁された多極磁石である。
【０１６７】
磁界センサ・モジュール（磁界角計測装置）は、本発明の実施例４に記載の磁界角計測装置８０を用いた。
【０１６８】
磁界センサ・モジュール２０１はハウジング２０３に設置されている。ハウジング２０３は磁束方向に影響を与えないように、アルミニウムや樹脂など磁化率の絶対値が０．１以下の材料で構成するのが好ましい。本実施例では樹脂で構成した。
【０１６９】
なお、磁界センサ・モジュール２０１はモータ部に対して固定されていればよく、ハウジング２０３以外の構成要素に固定してももちろん構わない。モータ部に対して固定されていれば、回転軸１２１の回転角が変化してセンサ磁石２０２の方向が変化した場合、磁界センサ２０１部での磁界方向変化を検出することで回転軸１２１の回転角を検出することができるからである。
【０１７０】
磁界センサ・モジュール２０１にはセンサ配線２０８が接続されている。センサ配線２０８により磁界センサ２０１の出力信号を伝送する。
【０１７１】
次に、本実施例の回転機の制御構成を図１４を用いて述べる。
【０１７２】
磁界角計測装置８０の出力信号は、回転機制御コントローラ（回転機制御ＥＣＵ）４１１に入力される。回転機制御コントローラに入力される信号は、磁界角度（回転角）θと異常伝達信号と停止伝達信号の３種である。これら３種の信号は、３本の信号線を用いて個別に伝送してもよいし、先に述べたように、例えばデジタル信号の形で、１本の信号線上で時分割的に伝送してもよい。
【０１７３】
また、異常伝達信号を回転機制御コントローラで使用しないのであれば、回転機制御コントローラに入力する信号は、回転角θ信号のみでもよい。
【０１７４】
回転機制御コントローラは、入力された回転角θを基にして、回転機に与えるべき適切な駆動電圧を計算し、回転機駆動部４１２に信号を出力し、回転機駆動部４１２から出力された駆動波形により回転機１００が駆動される。
【０１７５】
回転機制御コントローラでの回転機制御方法には各種あるが、本実施例ではベクトル制御による方法を用いた。
【０１７６】
本実施例によれば、磁界角計測装置８０を構成するＭＲブリッジ部７０の一部のハーフブリッジに異常が発生した場合でも、バックアップ動作モードに移行して正しい角度が回転機制御コントローラに入力されるので、回転機はその機能動作を継続できるという効果がある。
【０１７７】
また、バックアップ動作モード時には、回転機制御コントローラに異常伝達信号が入力される。この場合、回転機制御コントローラは、本回転機が組み込まれている上位のシステムに異常伝達信号を送信する。上位システムでは、回転機から送信された異常伝達信号に基づき、システムの機能を制限するなど、適切な処置を行うことができる。
【０１７８】
なお、図１４においては、ＭＲブリッジ部７０と検出部３０２とを磁界角計測装置８０の内部に配置することによりセンサ磁石２０２の近傍に配置する構成を示したが、本実施例はこの構成に限定するものではない。他の構成例として、検出部３０２内の信号処理部３０３を回転機制御コントローラの近傍に配置してもよいし、また、信号処理部３０３を回転機制御コントローラ内に組み込んでもよい。
【０１７９】
信号処理部３０３をマイコンで構成する場合には、信号処理部３０３の機能を回転機制御コントローラに取り込むことで、使用するマイコンを減らせるので、低コストな回転機を実現できるという効果がある。
【０１８０】
なお、図１３，図１４の説明では、回転機としてモータの例を示した。本明細書では、「回転機」とはモータのみでなく、「発電機」、すなわち機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する機械も含む。発電機の場合であっても、図１３と図１４と同様の構成で本発明の効果が得られる。
【実施例７】
【０１８１】
本発明による第７の実施例として電動パワーステアリング（Electric Power-Assisted Steering、ＥＰＳと略す）の例を図１５に示した。
【０１８２】
ハンドル５０１に機械的に連結したステアリング・シャフト５０３は、ギアなどで構成された連結部５０４を介して回転軸１２１と連動した動きをする。回転軸１２１はモータ１００の回転軸であり、一方の端にセンサ磁石２０２が設置されている。センサ磁石２０２の近傍には磁界角計測装置８０（以下、磁界センサ・モジュール２０１と呼ぶ）が設置されており、回転軸１２１の回転角を計測してＥＣＵ４１１に送信する。ＥＣＵ４１１は、ステアリング・コラム５０２内に設置されたトルク・センサ（図示せず）からの信号と、磁界センサ・モジュール２０１からの回転角信号θとから、適切なモータ駆動量を算出し、モータ駆動部４１２に信号を送信する。これによりモータ１００は回転軸１２１を介してステアリング・シャフト５０３の動きをアシストする。
【０１８３】
本実施例において、磁界角計測装置８０には本発明の実施例４に記載の磁界角計測装置を用いた。これにより、ＭＲブリッジを行使するハーフブリッジに異常が発生した場合でも、正しい磁界角（回転角）が出力されるので、電動パワーステアリングとしての機能を継続できるという効果がある。
【０１８４】
これは、油圧システムや機械系によるバックアップが無いステア・バイ・ワイヤ（Steer-by-Wire）システムにおいて、特に重要な機能である。
【実施例８】
【０１８５】
本発明を用いた第８の実施例である車両５８０を図１６を用いて述べる。
【０１８６】
本実施例は、電動パワーステアリング・システムが用いられた車両５８０である。電動パワーステアリングで使用している磁界角計測装置８０は、本発明の第４の実施例の回転角計測装置である。
【０１８７】
磁界角計測装置８０に異常が発生した場合、異常の種類によりバックアップ動作モードに移行して異常伝達信号が発せられる。あるいは、バックアップ動作モードが不可能な異常の場合には、停止伝達信号が発せられる。
【０１８８】
この停止伝達信号は、電動パワーステアリング・システム（ＥＰＳシステム）５８２の上位システム５８１に伝達される。あるいは、電動パワーステアリング・システム（ＥＰＳシステム）５８２の電子コントロールユニット（ＥＣＵ）を経由して、上位システム５８１に伝達してもよい。あるいは、図１６には図示していないが、ＥＰＳシステム５８２以外のシステム・レイヤーを経由して上位システム５８１に伝達してもよい。
【０１８９】
異常伝達信号が上位システム５８１に伝達されると、上位システム５８１は下記の動作の全て、またはいくつかの組み合わせの動作を行う。
【０１９０】
第１は、運転席の表示システム５８４に異常を表示したり、アラームベルなど音により異常が発生したことを運転者に伝える。こうすることで、車両５８０は動作は可能であるが、できるだけ速やかに車両修理ステーションなどに行くように運転者に指示する。
【０１９１】
第２は、上位システム５８１は機能制限モードに移行する。機能制限モードでは、車両５８０の最高速度を制限するなど、機能を制限して安全性を高め、かつ修理ステーションに移動するために必要な動作を提供する。本実施例では、車両駆動システム５８６に機能制限を行い、最高速度を制限するようにする。
【０１９２】
第３に、上位システム５８１は、無線発信システム５８５を用いて車両修理ステーション５８８に異常発生を伝達する。これにより、車両修理ステーション５８８は、該当車両が来た際に速やかに修理を行うことができる。また、該当車両が一定期間経過後も修理に来ない場合には、車両所有者に修理を促すことができる。
【０１９３】
このようにして、本実施例の車両５８０によれば、磁界角計測装置８０に異常が発生してバックアップ動作モードに移行した場合、車両修理ステーションに移動するための機能を提供する一方で、最高速度などの性能や機能を制限することで、安全性を高める。また、異常発生を複数の手段と、運転者や修理ステーションなど複数の関係者に伝達することで、速やかに異常を修理することを促すという効果がある。
【実施例９】
【０１９４】
本発明の第９の実施例を図１７を用いて説明する。本実施例は回転角計測装置を用いたハイブリッド自動車駆動装置の例である。
【０１９５】
図１７は自動車の動力として内燃機関エンジンと電気モータとを組み合わせたハイブリッド自動車駆動装置の模式図である。エンジン５５３の出力回転軸と発電機５５２，駆動モータ５５１とは同軸上に配置されており、それぞれは動力分配機構５５４の働きで適切に動力が伝達される。動力分配の仕方は、車両の走行状態，加速指令状態，バッテリーの充電状態などの情報に基づいて適切に設定される。また、動力分配機構５５４から動力シャフト５５８に動力を伝達する動力結合機構５５７が設けられている。
【０１９６】
駆動モータ５５１には、本発明の実施例６に記載の回転機を用いた。駆動モータ５５１は実施例６に記載したように、モータ部１００と回転角検出部２００とで構成される。回転角検出部２００は駆動モータ５５１の回転角を検出する駆動モータ回転角センサ５６０を構成する。
【０１９７】
発電機５５２には発電機回転角センサ５６２が設置されている。発電機の回転シャフトにはセンサ磁石５６３が設置されており、センサ磁石５６３が発生する磁界の方向を発電機回転角センサ５６２で計測する。発電機回転角センサ５６２には、実施例１に記載の磁界角計測装置を用いた。
【０１９８】
本実施例の構成によれば、回転角計測装置８２のＭＲブリッジ部７０に異常が発生した場合に、正常な方のハーフブリッジを用いることで正しい回転角θが出力されるので、バックアップ動作モードで動作可能になる。これにより、車両全体が停止することが防げるという効果がある。
【０１９９】
また、本実施例において、駆動モータや発電機回転角センサ５６２に異常が発生して、バックアップ動作モードになった場合に、異常伝達信号を上位システムに伝達すると更に好ましい。
【０２００】
上位システムは、異常伝達信号を受け取ると、車両の最高速度を制限するなどの処置をとることで、安全の確保をとる。さらに、異常状態を運転者に通知するアラーム発信や、車両修理ステーションへの通信による異常通知などにより、速やかに修理を行うなどの処置を行えるという効果がある。
【０２０１】
また、異常発生時の機能制限として、発電機による回生ブレーキ機能の制限も有用である。発電機回転角センサがバックアップモードになった場合には、発電機による回生ブレーキ機能を停止し、ブレーキ機能は油圧システムなどを用いた機械的なブレーキでまかなうようにする。このようにすることで、発電機の機能不良に起因するブレーキ不足など危険な状態を発生させず、安全性を確保できるという効果がある。
【実施例１０】
【０２０２】
上記の実施例ではハイブリッド自動車の駆動装置の例を示したが、本発明の第１０の実施例として、電気自動車の駆動装置の例を図１８を用いて述べる。
【０２０３】
図１８は自動車の動力電気モータ用いた電気自動車駆動装置の模式図である。駆動モータ５５１と発電機５５２とは同軸上に配置されており、それぞれは動力分配機構５５４の働きで適切に動力が伝達される。動力分配の仕方は、車両の走行状態，加速指令状態，バッテリーの充電状態などの情報に基づいて適切に設定される。
【０２０４】
駆動モータ５１１には、本発明の実施例６に記載の回転機を用いた。駆動モータ５１１は実施例６に記載したように、モータ部１００と回転角検出部２００とで構成される。
【０２０５】
発電機５５２には発電機回転角センサ５６２が設置されている。発電機の回転シャフトにはセンサ磁石５６３が設置されており、センサ磁石５６３が発生する磁界の方向を発電機回転角センサ５６２で計測する。発電機回転角センサ５６２には、実施例１に記載の磁界角計測装置を用いた。
【０２０６】
本実施例の構成によれば、回転角計測装置８２のＭＲブリッジ部７０に異常が発生した場合に、正常な方のハーフブリッジを用いることで正しい回転角θが出力されるので、バックアップ動作モードで動作可能になる。これにより、車両全体が停止することが防げるという効果がある。
【０２０７】
電気自動車においては駆動モータが機能停止すると車両が完全に停止してしまうので、本発明の効果は特に有効である。
【０２０８】
以上では、ＭＲブリッジ部７０の磁気抵抗素子としてＧＭＲ素子を用いた例を述べた。
【０２０９】
本発明は、ＧＭＲ素子に限定されるものではなく、他の磁気抵抗素子にも適用可能である。ここでは、異方性磁気抵抗素子（Anisotropic Magneto-resistance、ＡＭＲ素子）を用いた例を述べる。
【０２１０】
ＡＭＲ素子では、電流の流れる方向を示す角度α（以下、電流方向αと呼ぶ）と磁界角度をθmとすると、その素子の抵抗値が次式にしたがって変化する。
【０２１１】
【数２１】
【０２１２】
但し、ここで、最後の式では、磁界角度θの基準角度を電流方向αに設定した。なお、電流方向αは、配線のパターン形状により設定できる。
【０２１３】
図４のＣＯＳブリッジ６０において、ＭＲ素子Ｒ1とＲ3の電流方向をα＝０とし、ＭＲ素子Ｒ4とＲ2の電流方向をα＝９０°に設定する。すると、信号電圧ΔＶc21＝Ｖc2−Ｖc1は以下のようになる。
【０２１４】
【数２２】
【０２１５】
図４のＳＩＮブリッジ６１では、ＭＲ素子Ｒ1とＲ3の電流方向をα＝４５°とし、ＭＲ素子Ｒ4とＲ2の電流方向をα＝１３５°に設定する。すると、信号電圧ΔＶs21＝Ｖs2−Ｖs1は以下のようになる。
【０２１６】
【数２３】
【０２１７】
したがって、
【０２１８】
【数２４】
により磁界角度θが求まる。
【０２１９】
ここで、実効磁界角度θeffを、θeff＝２θと定義する。すると、ＡＭＲ素子で構成したブリッジ回路の信号出力は、ＣＯＳブリッジ６０がcos（θeff）に比例し、ＳＩＮブリッジ６１がsin（θeff）に比例する。
【０２２０】
このように、ＡＭＲ素子を用いた磁界角計測装置については、有効磁界角θeff＝２θと定義し、有効磁界角θeffの余弦cos（θeff）に比例する信号を出力するブリッジをＣＯＳブリッジ６０、有効磁界角θeffの正弦sin（θeff）に比例する信号を出力するブリッジをＳＩＮブリッジ６１と定義する。この際、２つの信号がcos（θeff）とsin（θeff）に比例するように、磁界角度の基準角度を適切に選択する。
【０２２１】
すなわち、ＧＭＲ素子のブリッジ回路の式（数８）と（数９）とほぼ対応した形になる。
【０２２２】
次に各ハーフブリッジの信号電圧と中間電圧Ｖm＝ｅ0／２との差電圧を求めると次式を得る。
【０２２３】
【数２５】
【０２２４】
これは（数１６）と対応している。
【０２２５】
ここで、ＳＩＮブリッジ６１で異常が発生した場合を考える。この場合正常な方のハーフブリッジの信号ΔＶsjm（ｊ＝１または２）を用いて：
【０２２６】
【数２６】
として磁界角度θが求まる。
【０２２７】
次に、正常な方のハーフブリッジを同定する工程を具体的に述べる。関係式「(cosθeff)2＋(sinθeff)2＝１」が成り立つので、次式で定義される残差量：
【０２２８】
【数２７】
（ｊ＝１または２）を計算し、これが閾値以下になるハーフブリッジが正常である方のハーフブリッジであると同定できる。
【０２２９】
したがって、ＧＭＲ素子を用いて述べた上記の実施例は、ＡＭＲ素子を用いた場合にも有効であることは明らかである。
【符号の説明】
【０２３０】
５１，５２ ＧＭＲ素子
５３ 欠損部
６０ ＣＯＳブリッジ
６１ ＳＩＮブリッジ
６５ ハーフブリッジ
７０ ＭＲブリッジ部
７１，７２ ハーフブリッジ出力端子
８０ 磁界角計測装置
８２ 回転角計測装置
１００ モータ部
１１０ ステータ
１１１ ステータコア
１１２ ステータコイル
１２０ ロータ
１２１ 回転体
１５１ 角度出力
１５５ 異常伝達信号
１５６ 停止伝達信号
２００ 回転角検出部
２０２ センサ磁石
２２６ 回転中心線
２６０ ウエハ
２６２ ウエハ・パッド
２６５ センサ素子パッケージ
３０２ 検出部
３０３ 信号処理部
３１１ 冗長化部
３１３ 切替スイッチ
３３１ 抵抗
４１１ 電子制御コントロールユニット
４１２ 駆動部
５０１ ハンドル
５０２ ステアリング・コラム
５０３ ステアリング・シャフト
５０４ 連結部
５５１ 駆動モータ
５５２ 発電機
５５３ エンジン
５５４ 動力分配機構
５５７ 動力結合機構
５５８ 動力シャフト
５６０ 駆動モータ回転角センサ
５６２ 発電機磁界角センサ
５６３ センサ磁石
５８０ 車両
５８１ 上位システム
５８２ ＥＰＳシステム
５８３ 車両駆動システム
５８４ 運転席表示システム
５８５ 無線発信システム
５８８ 車両修理ステーション
５９１ 角度情報データ
５９２ 異常信号データ
５９３ 停止信号データ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗素子（以後、ＭＲ（Magnetoresistive）素子と称す）を用いて構成された磁界角計測装置、およびそれを用いた回転角計測装置に関する。
【０００２】
また、本明細書において、位置センサとは、回転体の位置（回転角）を検出する回転角センサや、並進運動をする移動体の位置センサなどを指す。
【背景技術】
【０００３】
回転体の回転角や位置を計測する回転角計測センサまたは位置センサでは、回転体に磁石などの磁界発生体を取り付け、磁界角計測センサでその磁界の方向を計測する。
【０００４】
なお、本明細書において、位置センサとは、回転体の位置（回転角）を検出する回転角センサや、並進運動をする移動体の位置センサなどを指す。
【０００５】
このような磁界角計測センサとして磁気抵抗素子を用いたものが知られている。磁気抵抗素子とは、素子に印加される磁界の方向や強度に応じて電気抵抗値が変化するものである。
【０００６】
磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）には、異方性磁気抵抗層素子（Anisotropic Magneto-resistance、以下「ＡＭＲ素子」）や、巨大磁気抵抗効果素子（Giant Magnetoresistance、以下「ＧＭＲ素子」と呼ぶ）、トンネル磁気抵抗素子（Tunneling Magnetoresistance、以下「ＴＭＲ素子」）などが知られている。以下、ＧＭＲ素子を用いた磁界検出装置を例に、従来技術の概要を記す。
【０００７】
ＧＭＲ素子の基本構成を図２に示す。ＧＭＲ素子は、第１の磁性層（固定磁性層、あるいはピン磁性層）１３と第２の磁性層（自由磁性層）１１とを有し、両者の磁性層の間に非磁性層（スペーサ層）１２を挟み込んだ構成をとる。ＧＭＲ素子に外部磁界３０を印加すると、固定磁性層の磁化方向は変化せず固定されたままであるのに対し、自由磁性層の磁化方向２０は外部磁界の方向に応じて変化する。
【０００８】
本明細書では、固定磁性層の磁化方向２２の角度をピン角（pin angle）と呼び、θpで表す。
【０００９】
ＧＭＲ素子の両端に電圧を印加すると素子抵抗に応じた電流が流れるが、その素子抵抗の大きさは固定磁性層の磁化方向（ピン角）θpと自由磁性層の磁化方向θfとの差Δθ＝θf−θpに依存して変化する。したがって、固定磁性層の磁化方向θpが既知であれば、この性質を利用してＧＭＲ素子の抵抗値を測ることで自由磁性層の磁化方向θf、すなわち外部磁界の方向を検出することができる。
【００１０】
ＧＭＲ素子の抵抗値がΔθ＝θf−θpにより変化するメカニズムは以下の通りである。
【００１１】
薄膜磁性膜中の磁化方向は、磁性体中の電子のスピンの方向と関連している。したがって、Δθ＝０の場合は自由磁性層中の電子と固定磁性層の電子とでは、スピンの向きが同一方向である電子の割合が高い。逆にΔθ＝１８０°の場合には両者の磁性層中の電子は、スピンの向きが互いに逆向きの電子の割合が高い。
【００１２】
図３は自由磁性層１１，スペーサ層１２，固定磁性層１３の断面を模式的に示したものである。自由磁性層１１および固定磁性層１３中の矢印は多数電子のスピンの向きを模式的に示したものである。図３（Ａ）はΔθ＝０の場合であり、自由磁性層１１と固定磁性層１３のスピンの向きが揃っている。図３（Ｂ）はΔθ＝１８０°の場合であり、自由磁性層１１と固定磁性層１３のスピンの向きが逆向きになっている。（Ａ）のθ＝０の場合、固定磁性層１３から出た右向きスピンの電子は、自由磁性層１１中でも同じ向きの電子が多数を占めているため自由磁性層１１中での散乱が少なく、電子軌跡８１０のような軌跡を通る。一方、（Ｂ）のΔθ＝１８０°の場合は、固定磁性層１３から出た右向きスピンの電子は、自由磁性層１１に入ると逆向きスピンの電子が多いため、散乱を強く受け、電子軌跡８１１のような軌跡を通る。このようにΔθ＝１８０°の場合では電子散乱が増えるため、電気抵抗が増加する。
【００１３】
Δθ＝０〜１８０°の中間の場合は、図３（Ａ），（Ｂ）の中間の状態になる。ＧＭＲ素子の抵抗値は
【００１４】
【数１】
となることが知られている。Ｇ／ＲはＧＭＲ係数と呼ばれ、数％〜数１０％である。
【００１５】
このように電子スピンの向きによって、電流の流れ方（すなわち電気抵抗）を制御できることから、ＧＭＲ素子はスピンバルブ素子とも呼ばれる。
【００１６】
また、膜厚が薄い磁性膜（薄膜磁性膜）では、面の法線方向の反磁界係数が極端に大きいため、磁化ベクトルは法線方向（膜厚方向）に立ち上がることはできず、面内に横たわっている。ＧＭＲ素子を構成する自由磁性層１１，固定磁性層１３はいずれも十分薄いため、それぞれの磁化ベクトルは面内方向に横たわっている。
【００１７】
磁気センサとして用いる場合は、図４に示したように、４個のＧＭＲ素子Ｒ1（５１−１）〜Ｒ4（５１−４）を使ってホイートストン・ブリッジ６０を構成する。ここで、Ｒ1（５１−１），Ｒ3（５１−３）の固定磁性層の磁化方向をθp＝０とし、Ｒ2，Ｒ4の固定磁化層の磁化方向をθp＝１８０°と設定する。自由磁性層の磁化方向θfは外部磁界で決まるので４個のＧＭＲ素子で同一となるため、Δθ2＝θf−θp2＝θf−θp1−π＝Δθ1＋πの関係が成り立つ。ここで、Δθ1は、θp＝０を基準としているので、Δθ1＝θと置き換える。したがって、（数１）式からわかるように、Ｒ1，Ｒ3では（ｎ＝１，３）：
【００１８】
【数２】
となり、Ｒ2，Ｒ4では（ｎ＝２，４）：
【００１９】
【数３】
となる。
【００２０】
図４のブリッジ回路６０に励起電圧ｅ0を印加した時の端子Ｖc1，Ｖc2間の差電圧ΔＶ＝Ｖc2−Ｖc1は以下のようになる：
【００２１】
【数４】
これに（数２），（数３）式を代入し、ｎ＝１〜４についてＲn0が等しいと仮定し、Ｒ0＝Ｒn0とおくと：
【００２２】
【数５】
となる。このように、信号電圧Δｖはcosθに比例するので、磁界の方向θを検出することができる。また、このブリッジ回路は、cosθに比例した信号を出力するのでＣＯＳブリッジと呼ぶ。
【００２３】
固定磁化層の方向をＣＯＳブリッジと９０度変えたブリッジ６１を考える。すなわち、θp＝９０°，２７０°のＧＭＲ素子でブリッジを構成する。上記と同様に計算すると信号電圧ΔＶs（＝Ｖs2−Ｖs1）は：
【００２４】
【数６】
というようにsinθに比例するので、このブリッジ６１をＳＩＮブリッジと呼ぶ。ＣＯＳブリッジとＳＩＮブリッジの２つの出力信号の比の逆正接を計算することで、磁界ベクトルの方向θm（磁界角度）が求まる。
【００２５】
【数７】
【００２６】
このように磁気抵抗素子は磁界方向を直接検出するという特徴がある。
【００２７】
特に自動車や産業用機械，ロボットなどで使用する回転角センサでは、センサ出力値として間違った値を出力される事態を避けなければならない。回転角センサに異常が生じた場合にそれを検出する方法が、例えば特許文献１に開示されている。
【００２８】
特許文献１では、ブリッジの２つの出力Ｖ1とＶ2の和（Ｖ1＋Ｖ2）が所定の範囲を超えた場合に、センサが故障と判定し、センサから誤った角度情報が出力されないような処置をとる。このようにして、そのセンサを用いた車などの安全性を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２９】
【特許文献１】特開２００５−４９０９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
近年、電気自動車などの車両の電動化が進んでいる。
【００３１】
また、電子的な信号のみで動作させる「Ｘ−by−Wire」に代表される電子化も進んでいる。例えば、電動パワーステアリングの例を挙げると、完全に電子化されたSteer−by−Wireシステムにおいては、運転者がハンドルで与えた指令信号は、いったん電子的な信号（角度情報など）に変換され、それがステアリング制御装置に伝達され、電子的な信号に応じた制御でステアリング駆動モータを動作させる。
【００３２】
このように、電動化，電子化された車両システムにおいては、例えばモータの制御を行っている回転角センサに異常が発生して、センサ動作が停止すると、そのモータが動作できなくなるため、車両システム自体が動作できなくなるという問題があった。
【００３３】
このような問題の発生を防ぐために、回転角センサを２つ設置しておき、一方のセンサに異常が発生した場合に他方のセンサを動作させるなどの冗長センサ構成を用いるなどの対応をしている。しかしながら、冗長構成を用いるとコストアップするという課題や、システムの小型化に支障が生じるなどの課題があった。
【００３４】
また、自動車で代表される車両の例を挙げたが、産業用機械や、ロボットなどの分野においても、回転角センサが故障した際にシステム全体が停止してしまうという同様な課題があった。
【００３５】
本発明の目的は、センサに異常が発生した場合でもシステムの動作を継続可能な計測結果を出力可能で、かつシステムの小型化に寄与できる磁界角計測装置又は回転角計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３６】
上記の課題は、下記の構成により解決することができる。
【００３７】
磁気抵抗素子で構成されるＣＯＳブリッジ及びＳＩＮブリッジと、ＣＯＳブリッジの出力信号とＳＩＮブリッジの出力信号とを受けて磁界角度を検出する検出部とを備え、前記検出部は、ＣＯＳブリッジまたはＳＩＮブリッジのおのおのの、いずれか一方のハーフブリッジに異常が発生した場合に、正常な方のハーフブリッジから出される信号に基づいて角度信号を出力するようにする。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、磁界角計測装置または回転角計測装置に異常が発生した場合でも、正しい角度情報の出力を継続することが可能になった。
【００３９】
これにより、磁界角計測装置または回転角計測装置に異常が発生した場合でも、車両などの上位システムを稼働させることが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明による第１の実施例の磁界角計測装置の構成を示す図である。
【図２】ＧＭＲ素子の構成を示す図である。
【図３】ＧＭＲ素子の抵抗変化のメカニズムを説明する図である。
【図４】磁気抵抗素子で構成されたブリッジの構成を示す図である。
【図５】ＭＲブリッジ部の構成例を示す図である。
【図６】ＧＭＲ素子の配線パターンを示す図である。
【図７】本発明の実施例２で用いる冗長化部の構成を示す図である。
【図８】本発明の実施例２の磁界角計測装置の構成を示す図である。
【図９】本発明の実施例３の磁界角計測装置の構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施例３のスイッチ切替の組み合わせを示す表である。
【図１１】本発明の実施例４の磁界角計測装置の構成を示す図である。
【図１２】本発明の実施例５の回転角計測装置の構成を示す図である。
【図１３】本発明の実施例６の回転機の構成を示す図である。
【図１４】本発明の実施例６の回転機の構成を示す図である。
【図１５】本発明の実施例７のＥＰＳの構成を示す図である。
【図１６】本発明の実施例８の構成を示す図である。
【図１７】本発明の実施例９の車両駆動装置を示す図である。
【図１８】本発明の実施例１０の車両駆動装置を示す図である。
【図１９】本発明のデータ出力信号の構成例を示す図である。
【図２０】本発明の磁界角計測装置のパッケージ構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００４２】
第１の実施例では磁気抵抗素子として巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ素子）を用いた例を示す。
【００４３】
図１は、本実施例による磁界角検出装置の構成図である。
【００４４】
磁界角検出装置は、ＣＯＳブリッジ６０とＳＩＮブリッジ６１と、検出部３０２とで構成される。ＣＯＳブリッジ６０とＳＩＮブリッジ６１を合わせてＭＲブリッジ部７０と呼ぶ。ここで、「ＭＲ」は磁気抵抗素子（Magneto-Resistance）の略である。
【００４５】
ＣＯＳブリッジ６０は、４個のＧＭＲ素子５１で構成されており、図４に記載のようにＧＭＲ素子５１の固定層のスピン方向（ピン角）を適切に設定することで、ブリッジの信号電圧（Ｖc2−Ｖc1）が磁界角度θの余弦cosθに比例するようになっている。また、ＳＩＮブリッジ６１も同様に、４個のＧＭＲ素子５２で構成されており、ＧＭＲ素子５２のピン角を適切に設定することで、ブリッジの信号電圧（Ｖs2−Ｖs1）が磁界角度θの正弦sinθに比例するようになっている。
【００４６】
言い換えると、ブリッジの信号電圧（Ｖc2−Ｖc1）が磁界角度θの余弦cosθに比例するものがＣＯＳブリッジ６０と定義され、信号電圧（Ｖs2−Ｖs1）が磁界角度θの正弦sinθに比例するものがＳＩＮブリッジ６１と定義される。この際、２つの信号がそれぞれcosθとsinθとに比例するように、磁界角θの基準角度を適切に設定する。
【００４７】
また、後に詳述する通り、異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲ素子）を用いた磁界角検出装置においては、ＣＯＳブリッジとＳＩＮブリッジは以下のように定義される。実効磁界角θeff＝２θを定義し、ブリッジの信号電圧（Ｖc2−Ｖc1）が実効磁界角度θeff＝２θの余弦cos（θeff）に比例するものがＣＯＳブリッジと定義され、信号電圧（Ｖs2−Ｖs1）が実効磁界角度θeffの正弦sin（θeff）に比例するものがＳＩＮブリッジと定義される。この際、２つの信号がcos（θeff）とsin（θeff）に比例するように、磁界角度の基準角度を適切に選択する。ＡＭＲ素子を用いた場合に関しては、後の実施例で詳述する。
【００４８】
検出部３０２は、各ブリッジの信号電圧Ｖc1，Ｖc2，Ｖs1，Ｖs2を入力し、それらの信号を用いて磁界角度θを求めて出力する。正常動作時においては、（数２）〜（数７）の関係を用いて磁界角度を求める。
【００４９】
図１に示したように、ＣＯＳブリッジ６０とＳＩＮブリッジ６１には励起電圧ｅ0を印加し、他方の端子をアース電位（Ground電位、図では「ＧＮＤ」と表記）に設定した。これは通常のブリッジと同様の結線である。励起電圧ｅ0は、本実施例では５Ｖに設定した。
【００５０】
また、図１ではＭＲブリッジ部７０と検出部３０２間の結線の図示を省略したが、励起電圧ｅ0を供給する電源部は検出部３０２内に設けた。また、アース電位も検出部３０２から両ブリッジに供給した。本明細書の、他の図でも、ＭＲブリッジ部７０と検出部３０２間での励起電位とアース電位の結線の図示を省略したが、上記の通り、適切に結線をする。
【００５１】
なお、励起電圧ｅ0とアース電位とを供給する電源部は検出部３０２とは別に設けてもよい。また、励起電圧を供給する電源部は定電圧の代わりに定電流電源を用いてもよい。
【００５２】
図５は、本実施例で用いたＧＭＲ素子ブリッジが収められたセンサ素子パッケージ２６５の構成を示す。センサ素子パッケージ２６５内には、ＧＭＲ素子５１が形成されたウエハ２６０が収められている。ウエハ２６０にはＣＯＳブリッジ６０とＳＩＮブリッジ６１が形成されている。それぞれのブリッジは、４個のＧＭＲ素子５１，５２を用いてホイートストンブリッジを構成している。ウエハ２６０上のパッド２６２とセンサ素子パッケージ２６５の対応する端子とは、ワイヤボンディングで接続されている。
【００５３】
ＧＭＲ素子５１の配線パターンの例を図６（Ａ）に示した。ＧＭＲ素子５１の配線パターンは、所望の抵抗値になるように、配線の幅と長さの比（アスペクト比）が設定されている。
【００５４】
次に、ＧＭＲ素子５１が正常な場合の検出部３０２の動作について述べる。
【００５５】
ＧＭＲ素子５１が正常な場合には、
ΔＶc21＝Ｖc2−Ｖc1
ΔＶs21＝Ｖs2−Ｖs1
とすると、（数５），（数６）より次式を得る：
【００５６】
【数８】
したがって、
【００５７】
【数９】
により磁界角度θが求まる。磁界角度θは角度出力として出力端子９０を通じて外部に出力される。
【００５８】
ここで、θ＝atan２（ｙ，ｘ）は、引数ｘ，ｙが正か負かに応じて、θ＝０〜３６０°（または−１８０〜１８０°）の値を適切に出力する関数である。例えば、ｘ，ｙともに正の場合は、atan２（ｙ，ｘ）＝ArcTan（ｙ／ｘ）であり、ｘ，ｙともに負の場合は、atan２（ｙ，ｘ）＝ArcTan（ｙ／ｘ）＋１８０°である。
【００５９】
本明細書においては、「異常（fault）」と「故障（failure）」という用語を次のように使い分ける。
【００６０】
「異常（fault）」とは、システムの内部状態の特性が正常な許容値を超えた状態を表す。
【００６１】
「故障（failure）」とは、システムがその機能の実現が継続的にできなくなった事態を指す。
【００６２】
ここで、システムとは、磁界角計測装置や回転角計測装置、あるいはそれを用いた回転機や、車両駆動装置などを指す。また、本明細書では、上記定義の「故障」と同じ意味で「機能停止」という言葉も用いる。
【００６３】
次に、ＧＭＲ素子に異常が発生した場合の動作を述べる。
【００６４】
ＧＭＲ素子に異常発生する要因を述べる。ＧＭＲ素子の故障原因には局所的な抵抗増大がある。これは、ＧＭＲ素子が数ｎｍ（ナノメートル）程度の厚さの薄膜で構成したものなので、過大な電流が流れたりした際に、ＧＭＲ素子の一部が欠損することがある。
【００６５】
図６（Ｂ）にこれを模式的に示す。図６は、ブリッジを構成する４つのＧＭＲ素子５１のうち、１つを模式的に示したものである。ＧＭＲ素子５１である配線は、図２にそくして述べたように、自由磁性層１１，スペーサ層１２，固定磁性層１３とを含む。（Ａ）は正常な状態のＧＭＲ素子５１で矢印は電流が流れる方向を示す。（Ｂ）はパターンの一部が欠損により細くなったＧＭＲ素子５１で、電流通路のうち欠損部５３（細くなった部分）が高抵抗化してしまう。
【００６６】
一例として、図４に示したＳＩＮブリッジ６１のなかのＧＭＲ素子Ｒ1（５２−１）が図６（Ｂ）のように素子の一部に欠損部５３が発生した場合を考える。この場合、抵抗増加の原因は欠損により細くなったため配線断面積が減少して抵抗が増えるためである。すなわち、細くなった部分（欠損部５３）が局部的にバルク抵抗値が上昇するためである。これに対し、磁気抵抗効果は、図３に即して述べたように、配線１０１全体における自由磁性層１１−スペーサ層１２界面および固定磁性層１３−スペーサ層１２界面での散乱に起因するものであるから、前述の局部的なバルク抵抗増加が起こっても磁気抵抗効果による変化量はあまり影響を受けない。したがって、配線の欠損により増加する抵抗成分は磁界方向に依存しない成分である。そこで、磁界方向非依存項の増加率をｂ倍として、定式化すると：
【００６７】
【数１０】
【００６８】
【数１１】
他の故障原因として、ワイヤボンディングの劣化がある。一例として、図５のＶs1端子２６３とウエハ・パッド２６２とを結線するワイヤの接続が劣化して接続不良が生じると、センサ素子パッケージ２６５のＶs1端子の信号電圧は不定になる。
【００６９】
ここで、ＣＯＳブリッジ６０を第１のハーフブリッジＨＢc1と第２のハーフブリッジＨＢc2との２つのハーフブリッジで構成されると見なして考える。ここで、第１のハーフブリッジＨＢc1は、ＧＭＲ素子Ｒ1（５１−１），信号出力Ｖc1，ＧＭＲ素子Ｒ4（５１−４）で構成される。第２のハーフブリッジＨＢc2は、ＧＭＲ素子Ｒ2（５１−２），信号出力Ｖc2，ＧＭＲ素子Ｒ3（５１−３）で構成される。
【００７０】
ＳＩＮブリッジ６１についても同様に、第１のハーフブリッジＨＢs1と第２のハーフブリッジＨＢs2とで構成されると見なす。ここで、第１のハーフブリッジＨＢs1は、ＧＭＲ素子Ｒ1（５２−１），信号出力Ｖs1，ＧＭＲ素子Ｒ4（５２−４）で構成される。第２のハーフブリッジＨＢs2は、ＧＭＲ素子Ｒ2（５２−２），信号出力Ｖs2，ＧＭＲ素子Ｒ3（５２−３）で構成される。
【００７１】
本発明においては、上記のようにＳＩＮブリッジ６１を構成する２つのハーフブリッジＨＢs1，ＨＢs2の一方に異常が発生した場合に、正常な方のハーフブリッジの信号を用いて磁界角度θを求める。具体例で述べると、ハーフブリッジＨＢs1で異常が発生した場合には、正常な方のハーフブリッジＨＢs2の出力信号Ｖs2を用いて磁界角度を求める。
【００７２】
また、ＣＯＳブリッジ６０を構成する２つのハーフブリッジＨＢc1，ＨＢc2の一方で異常が発生した場合には、正常な方のハーフブリッジの出力信号を用いて磁界角度を求める。
【００７３】
具体的には以下のようにする。ＧＭＲ素子Ｒs3とＲs4とで構成されるハーフブリッジＨＢs2が出力する信号Ｖs2と励起電圧ｅ0の１／２の電圧（以下、「中間電圧Ｖm」と呼ぶ）との差をとってから、２倍したものをΔＶs2mとすると、以下のようになる：
【００７４】
【数１２】
すなわち、（数８）と比較してわかるように、ΔＶs2mは、ＳＩＮブリッジ６１の正常時の出力信号ΔＶs21と等しくなる。したがって、以下のようにして、正しい磁界角度θが求まる。
【００７５】
【数１３】
【００７６】
このようにして求めた磁界角度θを検出器から出力する。このようにして、本発明の磁界角計測装置８０の検出部３０２は、ＧＭＲ素子に異常が発生した場合でも、正しい磁界角度θの出力を継続することができる。このため、磁界角度計測装置を組み込んだ上位システムは動作を停止することなく、継続することができる。
【００７７】
上記の説明では、ＧＭＲ素子Ｒs1，Ｒs4で構成されるハーフブリッジＨＢs1で異常が発生した場合の例を述べた。ＧＭＲ素子Ｒs2，Ｒs3で構成されるハーフブリッジＨＢs2の方で異常が発生した場合には、
【００７８】
【数１４】
を用いて
【００７９】
【数１５】
として磁界角度θを計算すればよい。また、ＣＯＳブリッジ６０のＧＭＲ素子に異常が発生した場合も同様にして正しい磁界角度θを求められる。
【００８０】
上記のように、正常な方なハーフブリッジの出力信号を用いて磁界角度を算出する磁界角計測装置８０の動作状態を、「バックアップ動作モード」と呼ぶことにする。これと対比して、ＣＯＳブリッジ６０，ＳＩＮブリッジ６１とも異常がなく、信号ΔＶc21とΔＶs21とを用いて磁界角度を算出する動作状態を「通常動作モード」と呼ぶことにする。
【００８１】
バックアップ動作モードでは、（数１２）からわかるように計測値Ｖs2を２倍している。したがって、計測値に含まれるノイズも２倍になるので、通常動作モードと比べると、計測値のＳ／Ｎ比が低下する。このため、磁界角度θは計測精度が通常動作モード時よりやや低下する場合がある。このように、バックアップ動作モードでは、計測精度は劣化する場合があるが、正しい磁界角度θを出力する。
【００８２】
次に、（１）ＧＭＲ素子に異常が発生したことの検出方法と、（２）どのハーフブリッジに異常が発生したかの同定方法を順に述べる。
【００８３】
まず、（数１２）と同様にして、各ハーフブリッジの出力電圧Ｖc1，Ｖc2，Ｖs1，Ｖs2と中間電圧Ｖmとの差信号を２倍または−２倍した量を、以下の通りに定義する。
【００８４】
【数１６】
【００８５】
なお、（数１２）からわかるように、（数１６）の各式において最後の等号はそれぞれのハーフブリッジが正常な場合にのみ成り立つ。
【００８６】
（数１６）で定義した量は、それぞれの値が正常時において、差動信号ΔＶc21またはΔＶs21と同じ値になるように、係数±２の極性を適宜設定している。
【００８７】
（数１６）からわかるように、正常時においてはΔＶc1m＝ΔＶc2mおよびΔＶs1m＝ΔＶs2mが成立する。したがって、ΔＶc1mとΔＶc2mとが等しく無い場合は、ＣＯＳブリッジ６０の中で異常が発生したことがわかる。同様にして、ΔＶs1mとΔＶs2mとが等しく無い場合は、ＳＩＮブリッジ６１の中で異常が発生したことがわかる。
【００８８】
このようにして、ＣＯＳブリッジ６０で異常が発生したか、あるいはＳＩＮブリッジ６１で異常が発生したかを検出できる。
【００８９】
次に、あるブリッジで異常が発生した場合に、そのブリッジを構成するいずれのハーフブリッジで異常が発生したかを同定する工程を述べる。すなわち、正常なハーフブリッジを同定する工程である。ここでは、一例として、ＧＭＲ素子Ｒs1，Ｒs4で構成されるハーフブリッジＨＢs1に異常が発生した場合を想定する。その他の場所で異常が発生した場合も同様な手順で異常場所の同定ができることは明らかである。
【００９０】
３角関数の恒等式「(cosθ)2＋(sinθ)2＝１」を考慮すると、（数８），（数１６）とから、正常動作時には以下の関係が成り立つ。
【００９１】
【数１７】
【００９２】
（数１７）はハーフブリッジが正常動作の場合にのみ成立する。したがって、関係式（数１７）が成立しないハーブブリッジで異常が発生したと同定できる。
【００９３】
実際には、測定ノイズなどの影響を除くため、以下のように判定する。まず、次の残差量を計算する：
【００９４】
【数１８】
ここで、ｊ＝１または２であり、ＳＩＮブリッジ６１を構成する２つのハーフブリッジの信号ΔＶs1mとΔＶs2mに対応して、ΔRes（１）とΔRes（２）を求める。残差量ΔRes（ｊ）は、正常なブリッジの信号電圧（ΔＶc21）の２乗と、他方のブリッジのハーフブリッジの信号電圧と中間電圧Ｖmの差を２倍したもの（ΔＶsjm）を２乗したものとの和を、定数値から減算したものである。この残差量の絶対値が大きい方が異常発生箇所であると判定する。
【００９５】
このようにして、Ｒs1，Ｒs4で構成されるハーフブリッジＨＢs1で異常が発生したことが同定できるので、正常な方のハーフブリッジＨＢs2の出力信号Ｖs2を用いて、ΔＶs2mを計算し、（数１３）で磁界角度θを計算すればよい。このようにして、正しい磁界角度が計算される。
【実施例２】
【００９６】
本発明の第２の実施例では、異常箇所の同定と冗長動作を行う、好ましい回路構成の例を述べる。
【００９７】
本実施例の磁界角検出装置では、検出部３０２内に冗長化部３１１を有する。冗長化部３１１の構成を図７に示す。
【００９８】
冗長化部３１１は、第１のハーフブリッジ６５−１（ＨＢq1）の出力信号Ｖq1と第２のハーフブリッジ６５−２（ＨＢq2）の出力信号Ｖq2、および中間電圧Ｖmを入力する。ここで、ｑ＝ｃまたはｓであり、それぞれＣＯＳブリッジ６０，ＳＩＮブリッジ６１に対応した添字である。以下、添字「ｑ」はこの意味で用いる。
【００９９】
中間電圧Ｖmは励起電圧ｅ0の１／２である、ｅ0／２に等しい。
【０１００】
中間電圧Ｖmの生成回路は、励起電圧ｅ0を基準にしたレシオメトリック（ratiometric）な回路であることが好ましい。レシオメトリックとは、励起電圧ｅ0が変化した場合でも、生成電圧Ｖmがｅ0の一定の比率に保たれる回路を意味する。Ｖm生成回路をレシオメトリックにする効果は後述する。
【０１０１】
本実施例では、中間電圧Ｖmは、励起電圧ｅ0を抵抗Ｒ1（３３１−１），Ｒ2（３３１−２）で電圧分割して生成する。抵抗Ｒ1（３３１−１），Ｒ2（３３１−２）の抵抗値は等しくする。このようにすることで、レシオメトリック（ratiometric）になるので、励起電圧ｅ0が変動した場合でも中間電圧Ｖmはｅ0の１／２に保たれる。
【０１０２】
中間電圧Ｖmを生成する回路（図７では抵抗Ｒ1，Ｒ2（３３１−１，３３１−２））は、検出部３０２内に設ければよい。あるいは、励起電圧ｅ0を生成する電源部を検出部３０２とは別に設ける場合には、電源部内に中間電圧生成回路を設けてもよい。
【０１０３】
これらの信号を入力すると、冗長化部３１１は出力信号ΔＶq21，ΔＶq1m，ΔＶq2m、および異常検出信号ＦＤqを出力する。ΔＶq21は（数８）で定義される量であり、ΔＶq1m，ΔＶq2mは（数１６）で定義される量である。
【０１０４】
次に、冗長化部３１１の内部構成を述べる。
【０１０５】
２つのハーフブリッジ出力信号の差動増幅をしてΔＶq21＝（Ｖq2−Ｖq1）を出力する。これは正常動作時に使用する信号である。
【０１０６】
第１のハーブリッジ信号Ｖq1は、中間電圧Ｖmとの差動増幅し、反転増幅により（−２）倍に増幅する。このようにして、ΔＶq1m＝２（Ｖq1−Ｖm）が得られる。第２のハーブリッジ信号Ｖq2は、中間電圧Ｖmとの差動増幅し、非反転増幅により（＋２）倍に増幅する。このようにして、ΔＶq2m＝２（Ｖq2−Ｖm）が得られる。
【０１０７】
異常検出信号ＦＤqは、ΔＶq1mとΔＶq2mとの差分出力を異常判定部に入力することで異常検出信号を生成する。（ΔＶq1m−ΔＶq2m）は、正常動作時には０になるので、異常判定部ではコンパレータ回路により、ある閾値を超えたら異常検出信号を生成するようにしている。
【０１０８】
本実施例の冗長化部３１１の構成には以下の２つのポイントがある。
【０１０９】
第１に、ハーフブリッジの出力信号と中間電圧Ｖmとの差動信号を増幅していることである。
【０１１０】
特に、前述の通り、中間電圧Ｖm生成回路をレシオメトリックにしているので、励起電圧ｅ0が変動した場合でも、ｅ0とＶmの比率は一定に保たれる。（数８），（数１６）からわかるように、ΔＶq21，ΔＶq1m，ΔＶq2mのいずれの信号も励起電圧ｅ0に比例する。（数１３）に示したように、磁界角度θを算出する際には、これらの信号の比をとるので、励起電圧ｅ0が変動しても磁界角度θの値には影響しない。このように、ハーフブリッジの出力信号と中間電圧Ｖmとの差動信号を増幅することにより、励起電圧が変動しても出力信号への影響が低減されるという効果がある。
【０１１１】
第２に、ハーフブリッジ出力信号と中間電圧の差動信号との増幅の極性を変えていることである。一方は反転増幅し、他方は非反転増幅している。これにより、（数１６）と（数８）からわかるように、正常動作時にはΔＶq21，ΔＶq1m，ΔＶq2mが等しい値を与えるので、検出部３０２の信号処理が簡略化される。
【０１１２】
第２の実施例での検出部３０２の構成を図８を用いて述べる。
【０１１３】
検出部３０２は、ＣＯＳブリッジ６０の出力信号を入力する冗長化部３１１−１と、ＳＩＮブリッジ６１の出力信号を入力する冗長化部３１１−２とを備える。それぞれの冗長化部の出力信号は、信号処理部３０３に入力される。信号処理部３０３には、本実施例ではマイコンを用いたが、これに限定されるわけではない。
【０１１４】
信号処理部３０３に入力される信号は、ΔＶc21，ΔＶc1m，ΔＶc2m，ＦＤcおよびΔＶs21，ΔＶs1m，ΔＶs2m，ＦＤsである。したがって、これらの信号を用いて、第１の実施例と同じ方法で、異常箇所の同定を行い、異常発生時にも正しい磁界角度θを出力することができる。
【０１１５】
以上、ＣＯＳブリッジ６０とＳＩＮブリッジ６１のいずれか一方で異常が発生した場合を述べた。
【０１１６】
次に、ＣＯＳブリッジ６０とＳＩＮブリッジ６１の両方で異常発生した場合を述べる。ＣＯＳブリッジ６０とＳＩＮブリッジ６１のそれぞれで１つのハーフブリッジが正常な場合は下記の方法で正しい磁界角度θを出力することができる。
【０１１７】
この場合、ＣＯＳブリッジ６０，ＳＩＮブリッジ６１のそれぞれの異常検出信号ＦＤc，ＦＤsが発信され、２つのブリッジで異常が発生したことが検知できる。この場合、それぞれのブリッジ６０，６１において正しい方のハーフブリッジを同定し、次のようにして正しい磁界角θを求める。
【０１１８】
【数１９】
【０１１９】
ここで、ＣＯＳブリッジ中の正しいハーフブリッジはｉ０（＝１または２）であり、ＳＩＮブリッジ中の正しいハーフブリッジはｊ０（＝１または２）である。
【０１２０】
次に、正しい方のハーフブリッジを同定する工程を述べる。まず、以下の４つの量を求める。
【０１２１】
【数２０】
【０１２２】
ここで、ｉ，ｊは１または２であり、ハーフブリッジＨＢc1，ＨＢs1またはＨＢc2，ＨＢs2に対応した番号である。（ｉ，ｊ）の全ての組み合わせについて（数２０）を求めるので、４個のΔRes２（ｉ，ｊ）を計算することになる。４個のハーフブリッジのうち正常なハーフブリッジどうしの組み合わせでは、「(cosθ)2＋(sinθ)2＝１」の関係により（数２０）はゼロになる。実際には、信号にノイズ成分が含まれることを考慮し、（数２０）で定義される量ΔRes２（ｉ，ｊ）がある一定の閾値以下になる組み合わせ（ｉ0，ｊ0）を見つける。
【０１２３】
正しいハーフブリッジを同定する工程を完了したら、（数１９）により正しい角度を求める。
【実施例３】
【０１２４】
本発明の第３の実施例での磁界角検出装置を図９を用いて述べる。
【０１２５】
図９は本実施例での検出器の構成を示したものである。冗長化部３１１−１，冗長化部３１１−２の出力信号を切替スイッチ３１３−１（ＳＷ１），３１３−２（ＳＷ２）にそれぞれ入力する。これにより、信号処理部３０３のアナログ信号入力端子の個数を２個に低減できる。アナログ入力端子は、通常アナログ−デジタル変換器（以下ＡＤＣと呼ぶ、Analog-Digital Converter）を用いるので、ロジック信号入力端子と比較して高価であり、使用個数を減らすことが望まれていた。
【０１２６】
本実施例での切替スイッチ３１３の切替状態を図１０を用いて説明する。
【０１２７】
まず、正常動作時では、切替スイッチＳＷ１（３１３−１）は１ａの位置に接続し、切替スイッチＳＷ２（３１３−２）は２ａの位置に接続する。このようにすると、ΔＶc21とΔＶs21とが信号処理部３０３に入力されるので、（数９）に従って磁界角度θを求め、磁界角度信号θとして出力する。出力される磁界角度信号は、デジタル信号でも、アナログ信号でも、いずれでもよい。
【０１２８】
次に、ＳＩＮブリッジ６１に異常が発生した場合の切替スイッチ３１３の動作を図１０（Ａ）に示す。
【０１２９】
ＳＩＮブリッジ６１に異常が発生すると、異常検出信号ＦＤsが有効になるので、ＳＩＮブリッジ６１に異常があることを検知できる。すると、図１０（Ａ）の（ｉｉ）に示したように、切替スイッチＳＷ１（３１３−１）を１ｄに、ＳＷ２（３１３−２）を２ｂに設定する。こうすると、信号処理部３０３にはΔＶs2mとΔＶs1mとが入力されるので、（数１７）を用いて異常発生したハーフブリッジを同定する。これ以降は、切替スイッチ３１３を図１０（Ａ）の（iii）または（iv）の位置に設定して、バックアップ動作に移行する。（iii）か（iv）のいずれに設定するかは、異常発生場所の同定結果に応じて、正常な方のハーフブリッジの信号が信号処理部３０３に入力されるように設定する。このようにして、（数１３）または（数１５）に基づいて、正しい磁界角度を出力する。
【０１３０】
ＣＯＳブリッジ６０に異常が発生した場合は、図１０（Ｂ）にしたがって、切替スイッチ３１３を切り替える。
【０１３１】
最後に、ＣＯＳブリッジ６０とＳＩＮブリッジ６１の両方に異常が発生した場合を述べる。この場合は図１０（Ｃ）にしたがって切替スイッチ３１３を切り替える。
【０１３２】
次に、ＣＯＳブリッジ６０とＳＩＮブリッジ６１の両方から異常検出信号ＦＤcとＦＤsが発せられた場合の処理を述べる。
【０１３３】
この場合は、図１０（Ｃ）にしたがって、切替スイッチ３１３を切り替える。図１０（ｃ）のステップ（ii）〜（ｖ）の４つのステップ毎に、（数２０）式で定義される残差量Δres２（ｉ，ｊ）を計算し、正常なハーフブリッジをＣＯＳ，ＳＩＮブリッジ内でそれぞれ見つける。そして、正常な組み合わせが見つかったら、（ii）〜（ｖ）のいずれかに設定して、（数１９）式を用いて正しい磁界角度θを算出する。
【実施例４】
【０１３４】
本発明を用いた第４の実施例の磁界角計測装置８０を図１１を用いて述べる。
【０１３５】
本実施例の磁界角計測装置では、検出部３０２は磁界角度θを出力するとともに、異常伝達信号１５５と停止伝達信号１５６をそれぞれ出力端子９１と９２に出力する。異常伝達信号１５５（Fault Signal）は、磁界角計測装置の中で異常発生を検知したが、バックアップ動作モードで動作することで正しい角度θを出力していることを伝達する信号である。
【０１３６】
一方、停止伝達信号１５６（Failure Signal）は、磁界角計測装置内での異常の程度が深刻なために正しい角度を出力していない、すなわち磁界角計測装置としての機能を停止していることを通知する信号である。停止伝達信号１５６が発せられるケースは、例えば、ＣＯＳブリッジ６０を形成する２つのハーフブリッジが２本とも異常になった場合である。
【０１３７】
本実施例では、実施例１と同様の方法で磁界角計測装置内の異常を検出し、バックアップ動作モードに移行する。そして、バックアップ動作モードで動作中は、異常伝達信号１５５を発する。
【０１３８】
図１１では、異常伝達信号１５５と停止伝達信号１５６とを別の出力端子で出力している。異常伝達信号１５５と停止伝達信号１５６とは、１本の信号線にまとめてもよい。１本にまとめる具体的な方法例としては、信号電圧レベルを複数用意することで２種類の信号状態を伝達する方法、あるいは、デジタル信号を用いて異常伝達信号１５５と停止伝達信号１５６とのそれぞれに対応するエラーコードを出力する方法などがある。
【０１３９】
また、角度出力１５１と異常伝達信号１５５と停止伝達信号１５６とを１本の信号線にまとめてもよい。具体的には、角度θを表すデジタル信号とは識別可能な、エラーコード信号を２種類あらかじめ決めておき、そのエラーコードを異常伝達信号１５５と停止伝達信号１５６とに割り当てればよい。
【０１４０】
異常伝達信号１５５と角度出力１５１とを同一の信号線で出力する具体例を図１９を用いて述べる。
【０１４１】
本例では、異常伝達信号と角度出力を１６ビット長のデジタルデータの形で出力する。このデジタルデータの構成を図１９に示した。本データは、第１ビット〜第１２ビットに角度情報５９１が含まれ、第１５ビットに停止伝達信号５９３のフラグ、第１６ビットに異常伝達信号５９３のフラグが含まれる。このデータ構造のデータが磁界角計測装置８０の検出部３０２から出力される。このようにすると、このデータを受信したシステムでは、磁界角度θの情報とともに、磁界角計測装置が通常モードで動作しているのかバックアップ動作モードで動作しているのかを知ることができる。
【０１４２】
このように、出力信号線の本数を減らすことで、低コストな磁界角度計測装置が実現できる。さらに、デジタルデータで信号を出力することで、ノイズ耐性を高めることができる。
【０１４３】
図１９に図示したように、角度信号５９１と異常伝達信号５９３をセットにして、ひとまとまりのデータとして出力する構成とすることにより、データ受信側は角度信号５９１の計測品質を同時に知ることができ、適切な処理を行えるという効果がある。
【０１４４】
本実施例では、図１９のデータ構造の信号をシリアル通信で送信する。伝送クロック周波数を１６ＭＨｚとして、１μｓで図１９のデータを送信できる。このように、角度信号５９１と異常伝達信号５９３とを実質的に同時に送信できる。
【０１４５】
このように、異常伝達信号を出力すると、磁界角計測装置が組み込まれている上位システムでは、磁界角形速装置の動作状態を把握できるので、その動作状態に応じた処置をとることができる。具体的な処置は、磁界角形速装置が使用されるシステムによって異なるが、例えば、バックアップ動作モードで動作中は、システムの機能や性能に制限をかけることで安全性を高めるという処置が行える。
【０１４６】
図２０は、図１の構成または、図１１の構成の磁界角計測装置８０のパッケージ構成の例を示した図である。
【０１４７】
ＭＲブリッジ部７０にはＣＯＳブリッジ６０とＳＩＮブリッジ６１が収められている。ＭＲブリッジ部７０と検出部３０２との間には６本の配線があり、その構成は、励起電圧ｅ0とアース電位ＧＮＤの２本と、ハーフブリッジ出力信号４本（Ｖc1，Ｖc2，Ｖs1，Ｖs2）である。検出部３０２からの出力信号は磁界角度出力１５１と異常伝達信号出力１５５である。なお、磁界角度出力１５１と異常伝達信号出力１５５とは、図１９に示したように、デジタルデータの形でひとかたまりのデータにまとめ、１本の信号線で出力してもよい。その他、検出部３０２には、外部からの外部から供給される電源電圧端子（Ｖcc）とアース電位端子とがある。
【０１４８】
図２０の構成の内部構成は図１１の構成になっている。
【０１４９】
図２０の構成においては、ＭＲブリッジ部７０と検出部３０２とをそれぞれ樹脂などの材料でモールドしている。このパッケージ構成においては、モールド部でのストレスや残留応力などの原因により、ＭＲブリッジと検出部３０２間の配線が断線することがある。
【０１５０】
従来の構成では、４本のハーフブリッジ出力信号のうち１本でも断線すると、正しい磁界角度が出力されなくなっていた。これに対し、本発明を用いた構成では、４本のハーフブリッジ出力信号のうち１本が断線した場合には、断線していない方のハーフブリッジ出力信号を用いて磁界角度を算出することで、正しい磁界角度θが出力される。
【実施例５】
【０１５１】
本発明の第５の実施例として、回転角計測装置８２を図１２を用いて述べる。
【０１５２】
回転角計測装置８２は、磁束発生体であるセンサ磁石２０２と磁界角計測装置８０とで構成される。センサ磁石２０２は回転体１２１に設置されており、回転体１２１は回転中心線２２６を回転中心として回転する。
【０１５３】
センサ磁石２０２は磁束発生体であるから、図１２に図示した方向の磁界を発生する。回転体１２１が回転すると、磁界角計測装置８０の位置の磁界方向も回転する。したがって、磁界角度を計測することで、回転体１２１の回転角θrが計測できる。
【０１５４】
本実施例で用いる磁界角計測装置８０は実施例１の磁界角計測装置８０と同様の構成にする。これにより、回転角計測装置８２に含まれる磁気抵抗素子のハーフブリッジのうち１個で異常が発生しても、正常時と比べて計測精度は多少低下するが、正しい回転角度θrが得られる。したがって、回転角計測装置８２が含まれる上位システムの機能を継続することができるという効果がある。
【実施例６】
【０１５５】
図１３を用いて、本発明の第６の実施例として、磁界角計測装置を用いた回転機を述べる。回転機にはモータと発電機とがあるが、ここではモータを例に述べる。
【０１５６】
図１３は本実施例の回転機の断面図を示す。本実施例はモータ部１００と回転角検出部２００とで構成される。
【０１５７】
モータ部１００は、複数の固定磁極と複数の回転磁極との磁気的作用により複数の回転磁極が回転することにより回転トルクを発生するものであって、複数の固定磁極を構成するステータ１１０及び複数の回転磁極を構成するロータ１２０から構成される。ステータ１１０は、ステータコア１１１と、ステータコア１１１に装着されたステータコイル１１２から構成されている。ロータ１２０は、ステータ１１０の内周側に空隙を介して対向配置され、回転可能に支持されている。本実施例では、モータ１００として、三相交流式の表面磁石型同期モータを用いている。
【０１５８】
筐体は、円筒状のフレーム１０１と、フレーム１０１の軸方向両端部に設けられた第１ブラケット１０２および第２ブラケット１０３から構成されている。第１ブラケット１０１の中空部には軸受１０６が、第２ブラケット１０３の中空部には軸受１０７がそれぞれ設けられている。これらの軸受は回転軸１２１を回転可能なように支持している。
【０１５９】
フレーム１０１と第１ブラケット１０２との間にはシール部材（図示せず）が設けられている。シール部材は、環状に設けられたＯリングであり、フレーム１０１と第１ブラケット１０２によって軸方向及び径方向から挟み込まれて圧縮する。これにより、フレーム１０１と第１ブラケット１０２との間を封止でき、フロント側を防水できる。また、フレーム１０１と第２ブラケット１０３との間もシール部材（図示せず）により防水されている。
【０１６０】
ステータ１１０は、ステータコア１１１と、ステータコア１１１に装着されたステータコイル１１２から構成され、フレーム１０１の内周面に設置されている。ステータコア１１１は、複数の珪素鋼板を軸方向に積層して形成した磁性体（磁路形成体）であり、円環状のバックコアと、バックコアの内周部から径方向内側に突出して、周方向に等間隔に配置された複数のティースから構成されている。
【０１６１】
複数のティースのそれぞれには、ステータコイル１１２を構成する巻線導体が集中的に巻回されている。複数の巻線導体は、ステータコイル１１２の一方のコイルエンド部（第２ブラケット１０３側）の軸方向端部に並置された結線部材によって相毎に電気的に接続され、さらには３相巻線として電気的に接続されている。３相巻線の結線方式にはΔ（デルタ）結線方式とＹ（スター）結線方式がある。本実施例では、Δ（デルタ）結線方式を採用している。
【０１６２】
ロータ１２０は、回転軸１２１の外周面上に固定されたロータコアと、ロータコアの外周表面に固定された複数のマグネットと、マグネットの外周側に設けられたマグネットカバーとを備えている。マグネットカバーは、マグネットのロータコアからの飛散を防止するためのものであって、ステンレス鋼（俗称ＳＵＳ）などの非磁性体から形成された円筒部材又は管状部材である。
【０１６３】
次に、回転角検出部２００の構成を説明する。
【０１６４】
回転角検出部２００は、磁界角計測装置２０１（以下、磁界センサ・モジュール２０１と呼ぶ）とセンサ磁石２０２とで構成されている。回転角検出部２００はハウジング２０３と第２ブラケット１０３とで囲まれた空間に設置されている。センサ磁石２０２は回転軸１２１と連動して回転する軸に設置されており、回転軸１２１が回転位置を変えると、それに応じて発生する磁界方向が変化する。この磁界方向を磁界センサ・モジュール２０１で検出することにより回転軸１２１の回転角（回転位置）を計測できる。
【０１６５】
磁界センサ・モジュール２０１は、回転軸１２１の回転中心線２２６上に磁界センサ・モジュール２０１のＭＲブリッジ部７０が配置されるように設置すると、センサ磁石２０２が発生する磁界の空間分布に誤差が少なくなるので好ましい配置である。
【０１６６】
センサ磁石２０２は、２極着磁された２極磁石、あるいは４極以上に着磁された多極磁石である。
【０１６７】
磁界センサ・モジュール（磁界角計測装置）は、本発明の実施例４に記載の磁界角計測装置８０を用いた。
【０１６８】
磁界センサ・モジュール２０１はハウジング２０３に設置されている。ハウジング２０３は磁束方向に影響を与えないように、アルミニウムや樹脂など磁化率の絶対値が０．１以下の材料で構成するのが好ましい。本実施例では樹脂で構成した。
【０１６９】
なお、磁界センサ・モジュール２０１はモータ部に対して固定されていればよく、ハウジング２０３以外の構成要素に固定してももちろん構わない。モータ部に対して固定されていれば、回転軸１２１の回転角が変化してセンサ磁石２０２の方向が変化した場合、磁界センサ２０１部での磁界方向変化を検出することで回転軸１２１の回転角を検出することができるからである。
【０１７０】
磁界センサ・モジュール２０１にはセンサ配線２０８が接続されている。センサ配線２０８により磁界センサ２０１の出力信号を伝送する。
【０１７１】
次に、本実施例の回転機の制御構成を図１４を用いて述べる。
【０１７２】
磁界角計測装置８０の出力信号は、回転機制御コントローラ（回転機制御ＥＣＵ）４１１に入力される。回転機制御コントローラに入力される信号は、磁界角度（回転角）θと異常伝達信号と停止伝達信号の３種である。これら３種の信号は、３本の信号線を用いて個別に伝送してもよいし、先に述べたように、例えばデジタル信号の形で、１本の信号線上で時分割的に伝送してもよい。
【０１７３】
また、異常伝達信号を回転機制御コントローラで使用しないのであれば、回転機制御コントローラに入力する信号は、回転角θ信号のみでもよい。
【０１７４】
回転機制御コントローラは、入力された回転角θを基にして、回転機に与えるべき適切な駆動電圧を計算し、回転機駆動部４１２に信号を出力し、回転機駆動部４１２から出力された駆動波形により回転機１００が駆動される。
【０１７５】
回転機制御コントローラでの回転機制御方法には各種あるが、本実施例ではベクトル制御による方法を用いた。
【０１７６】
本実施例によれば、磁界角計測装置８０を構成するＭＲブリッジ部７０の一部のハーフブリッジに異常が発生した場合でも、バックアップ動作モードに移行して正しい角度が回転機制御コントローラに入力されるので、回転機はその機能動作を継続できるという効果がある。
【０１７７】
また、バックアップ動作モード時には、回転機制御コントローラに異常伝達信号が入力される。この場合、回転機制御コントローラは、本回転機が組み込まれている上位のシステムに異常伝達信号を送信する。上位システムでは、回転機から送信された異常伝達信号に基づき、システムの機能を制限するなど、適切な処置を行うことができる。
【０１７８】
なお、図１４においては、ＭＲブリッジ部７０と検出部３０２とを磁界角計測装置８０の内部に配置することによりセンサ磁石２０２の近傍に配置する構成を示したが、本実施例はこの構成に限定するものではない。他の構成例として、検出部３０２内の信号処理部３０３を回転機制御コントローラの近傍に配置してもよいし、また、信号処理部３０３を回転機制御コントローラ内に組み込んでもよい。
【０１７９】
信号処理部３０３をマイコンで構成する場合には、信号処理部３０３の機能を回転機制御コントローラに取り込むことで、使用するマイコンを減らせるので、低コストな回転機を実現できるという効果がある。
【０１８０】
なお、図１３，図１４の説明では、回転機としてモータの例を示した。本明細書では、「回転機」とはモータのみでなく、「発電機」、すなわち機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する機械も含む。発電機の場合であっても、図１３と図１４と同様の構成で本発明の効果が得られる。
【実施例７】
【０１８１】
本発明による第７の実施例として電動パワーステアリング（Electric Power-Assisted Steering、ＥＰＳと略す）の例を図１５に示した。
【０１８２】
ハンドル５０１に機械的に連結したステアリング・シャフト５０３は、ギアなどで構成された連結部５０４を介して回転軸１２１と連動した動きをする。回転軸１２１はモータ１００の回転軸であり、一方の端にセンサ磁石２０２が設置されている。センサ磁石２０２の近傍には磁界角計測装置８０（以下、磁界センサ・モジュール２０１と呼ぶ）が設置されており、回転軸１２１の回転角を計測してＥＣＵ４１１に送信する。ＥＣＵ４１１は、ステアリング・コラム５０２内に設置されたトルク・センサ（図示せず）からの信号と、磁界センサ・モジュール２０１からの回転角信号θとから、適切なモータ駆動量を算出し、モータ駆動部４１２に信号を送信する。これによりモータ１００は回転軸１２１を介してステアリング・シャフト５０３の動きをアシストする。
【０１８３】
本実施例において、磁界角計測装置８０には本発明の実施例４に記載の磁界角計測装置を用いた。これにより、ＭＲブリッジを行使するハーフブリッジに異常が発生した場合でも、正しい磁界角（回転角）が出力されるので、電動パワーステアリングとしての機能を継続できるという効果がある。
【０１８４】
これは、油圧システムや機械系によるバックアップが無いステア・バイ・ワイヤ（Steer-by-Wire）システムにおいて、特に重要な機能である。
【実施例８】
【０１８５】
本発明を用いた第８の実施例である車両５８０を図１６を用いて述べる。
【０１８６】
本実施例は、電動パワーステアリング・システムが用いられた車両５８０である。電動パワーステアリングで使用している磁界角計測装置８０は、本発明の第４の実施例の回転角計測装置である。
【０１８７】
磁界角計測装置８０に異常が発生した場合、異常の種類によりバックアップ動作モードに移行して異常伝達信号が発せられる。あるいは、バックアップ動作モードが不可能な異常の場合には、停止伝達信号が発せられる。
【０１８８】
この停止伝達信号は、電動パワーステアリング・システム（ＥＰＳシステム）５８２の上位システム５８１に伝達される。あるいは、電動パワーステアリング・システム（ＥＰＳシステム）５８２の電子コントロールユニット（ＥＣＵ）を経由して、上位システム５８１に伝達してもよい。あるいは、図１６には図示していないが、ＥＰＳシステム５８２以外のシステム・レイヤーを経由して上位システム５８１に伝達してもよい。
【０１８９】
異常伝達信号が上位システム５８１に伝達されると、上位システム５８１は下記の動作の全て、またはいくつかの組み合わせの動作を行う。
【０１９０】
第１は、運転席の表示システム５８４に異常を表示したり、アラームベルなど音により異常が発生したことを運転者に伝える。こうすることで、車両５８０は動作は可能であるが、できるだけ速やかに車両修理ステーションなどに行くように運転者に指示する。
【０１９１】
第２は、上位システム５８１は機能制限モードに移行する。機能制限モードでは、車両５８０の最高速度を制限するなど、機能を制限して安全性を高め、かつ修理ステーションに移動するために必要な動作を提供する。本実施例では、車両駆動システム５８６に機能制限を行い、最高速度を制限するようにする。
【０１９２】
第３に、上位システム５８１は、無線発信システム５８５を用いて車両修理ステーション５８８に異常発生を伝達する。これにより、車両修理ステーション５８８は、該当車両が来た際に速やかに修理を行うことができる。また、該当車両が一定期間経過後も修理に来ない場合には、車両所有者に修理を促すことができる。
【０１９３】
このようにして、本実施例の車両５８０によれば、磁界角計測装置８０に異常が発生してバックアップ動作モードに移行した場合、車両修理ステーションに移動するための機能を提供する一方で、最高速度などの性能や機能を制限することで、安全性を高める。また、異常発生を複数の手段と、運転者や修理ステーションなど複数の関係者に伝達することで、速やかに異常を修理することを促すという効果がある。
【実施例９】
【０１９４】
本発明の第９の実施例を図１７を用いて説明する。本実施例は回転角計測装置を用いたハイブリッド自動車駆動装置の例である。
【０１９５】
図１７は自動車の動力として内燃機関エンジンと電気モータとを組み合わせたハイブリッド自動車駆動装置の模式図である。エンジン５５３の出力回転軸と発電機５５２，駆動モータ５５１とは同軸上に配置されており、それぞれは動力分配機構５５４の働きで適切に動力が伝達される。動力分配の仕方は、車両の走行状態，加速指令状態，バッテリーの充電状態などの情報に基づいて適切に設定される。また、動力分配機構５５４から動力シャフト５５８に動力を伝達する動力結合機構５５７が設けられている。
【０１９６】
駆動モータ５５１には、本発明の実施例６に記載の回転機を用いた。駆動モータ５５１は実施例６に記載したように、モータ部１００と回転角検出部２００とで構成される。回転角検出部２００は駆動モータ５５１の回転角を検出する駆動モータ回転角センサ５６０を構成する。
【０１９７】
発電機５５２には発電機回転角センサ５６２が設置されている。発電機の回転シャフトにはセンサ磁石５６３が設置されており、センサ磁石５６３が発生する磁界の方向を発電機回転角センサ５６２で計測する。発電機回転角センサ５６２には、実施例１に記載の磁界角計測装置を用いた。
【０１９８】
本実施例の構成によれば、回転角計測装置８２のＭＲブリッジ部７０に異常が発生した場合に、正常な方のハーフブリッジを用いることで正しい回転角θが出力されるので、バックアップ動作モードで動作可能になる。これにより、車両全体が停止することが防げるという効果がある。
【０１９９】
また、本実施例において、駆動モータや発電機回転角センサ５６２に異常が発生して、バックアップ動作モードになった場合に、異常伝達信号を上位システムに伝達すると更に好ましい。
【０２００】
上位システムは、異常伝達信号を受け取ると、車両の最高速度を制限するなどの処置をとることで、安全の確保をとる。さらに、異常状態を運転者に通知するアラーム発信や、車両修理ステーションへの通信による異常通知などにより、速やかに修理を行うなどの処置を行えるという効果がある。
【０２０１】
また、異常発生時の機能制限として、発電機による回生ブレーキ機能の制限も有用である。発電機回転角センサがバックアップモードになった場合には、発電機による回生ブレーキ機能を停止し、ブレーキ機能は油圧システムなどを用いた機械的なブレーキでまかなうようにする。このようにすることで、発電機の機能不良に起因するブレーキ不足など危険な状態を発生させず、安全性を確保できるという効果がある。
【実施例１０】
【０２０２】
上記の実施例ではハイブリッド自動車の駆動装置の例を示したが、本発明の第１０の実施例として、電気自動車の駆動装置の例を図１８を用いて述べる。
【０２０３】
図１８は自動車の動力電気モータ用いた電気自動車駆動装置の模式図である。駆動モータ５５１と発電機５５２とは同軸上に配置されており、それぞれは動力分配機構５５４の働きで適切に動力が伝達される。動力分配の仕方は、車両の走行状態，加速指令状態，バッテリーの充電状態などの情報に基づいて適切に設定される。
【０２０４】
駆動モータ５１１には、本発明の実施例６に記載の回転機を用いた。駆動モータ５１１は実施例６に記載したように、モータ部１００と回転角検出部２００とで構成される。
【０２０５】
発電機５５２には発電機回転角センサ５６２が設置されている。発電機の回転シャフトにはセンサ磁石５６３が設置されており、センサ磁石５６３が発生する磁界の方向を発電機回転角センサ５６２で計測する。発電機回転角センサ５６２には、実施例１に記載の磁界角計測装置を用いた。
【０２０６】
本実施例の構成によれば、回転角計測装置８２のＭＲブリッジ部７０に異常が発生した場合に、正常な方のハーフブリッジを用いることで正しい回転角θが出力されるので、バックアップ動作モードで動作可能になる。これにより、車両全体が停止することが防げるという効果がある。
【０２０７】
電気自動車においては駆動モータが機能停止すると車両が完全に停止してしまうので、本発明の効果は特に有効である。
【０２０８】
以上では、ＭＲブリッジ部７０の磁気抵抗素子としてＧＭＲ素子を用いた例を述べた。
【０２０９】
本発明は、ＧＭＲ素子に限定されるものではなく、他の磁気抵抗素子にも適用可能である。ここでは、異方性磁気抵抗素子（Anisotropic Magneto-resistance、ＡＭＲ素子）を用いた例を述べる。
【０２１０】
ＡＭＲ素子では、電流の流れる方向を示す角度α（以下、電流方向αと呼ぶ）と磁界角度をθmとすると、その素子の抵抗値が次式にしたがって変化する。
【０２１１】
【数２１】
【０２１２】
但し、ここで、最後の式では、磁界角度θの基準角度を電流方向αに設定した。なお、電流方向αは、配線のパターン形状により設定できる。
【０２１３】
図４のＣＯＳブリッジ６０において、ＭＲ素子Ｒ1とＲ3の電流方向をα＝０とし、ＭＲ素子Ｒ4とＲ2の電流方向をα＝９０°に設定する。すると、信号電圧ΔＶc21＝Ｖc2−Ｖc1は以下のようになる。
【０２１４】
【数２２】
【０２１５】
図４のＳＩＮブリッジ６１では、ＭＲ素子Ｒ1とＲ3の電流方向をα＝４５°とし、ＭＲ素子Ｒ4とＲ2の電流方向をα＝１３５°に設定する。すると、信号電圧ΔＶs21＝Ｖs2−Ｖs1は以下のようになる。
【０２１６】
【数２３】
【０２１７】
したがって、
【０２１８】
【数２４】
により磁界角度θが求まる。
【０２１９】
ここで、実効磁界角度θeffを、θeff＝２θと定義する。すると、ＡＭＲ素子で構成したブリッジ回路の信号出力は、ＣＯＳブリッジ６０がcos（θeff）に比例し、ＳＩＮブリッジ６１がsin（θeff）に比例する。
【０２２０】
このように、ＡＭＲ素子を用いた磁界角計測装置については、有効磁界角θeff＝２θと定義し、有効磁界角θeffの余弦cos（θeff）に比例する信号を出力するブリッジをＣＯＳブリッジ６０、有効磁界角θeffの正弦sin（θeff）に比例する信号を出力するブリッジをＳＩＮブリッジ６１と定義する。この際、２つの信号がcos（θeff）とsin（θeff）に比例するように、磁界角度の基準角度を適切に選択する。
【０２２１】
すなわち、ＧＭＲ素子のブリッジ回路の式（数８）と（数９）とほぼ対応した形になる。
【０２２２】
次に各ハーフブリッジの信号電圧と中間電圧Ｖm＝ｅ0／２との差電圧を求めると次式を得る。
【０２２３】
【数２５】
【０２２４】
これは（数１６）と対応している。
【０２２５】
ここで、ＳＩＮブリッジ６１で異常が発生した場合を考える。この場合正常な方のハーフブリッジの信号ΔＶsjm（ｊ＝１または２）を用いて：
【０２２６】
【数２６】
として磁界角度θが求まる。
【０２２７】
次に、正常な方のハーフブリッジを同定する工程を具体的に述べる。関係式「(cosθeff)2＋(sinθeff)2＝１」が成り立つので、次式で定義される残差量：
【０２２８】
【数２７】
（ｊ＝１または２）を計算し、これが閾値以下になるハーフブリッジが正常である方のハーフブリッジであると同定できる。
【０２２９】
したがって、ＧＭＲ素子を用いて述べた上記の実施例は、ＡＭＲ素子を用いた場合にも有効であることは明らかである。
【符号の説明】
【０２３０】
５１，５２ ＧＭＲ素子
５３ 欠損部
６０ ＣＯＳブリッジ
６１ ＳＩＮブリッジ
６５ ハーフブリッジ
７０ ＭＲブリッジ部
７１，７２ ハーフブリッジ出力端子
８０ 磁界角計測装置
８２ 回転角計測装置
１００ モータ部
１１０ ステータ
１１１ ステータコア
１１２ ステータコイル
１２０ ロータ
１２１ 回転体
１５１ 角度出力
１５５ 異常伝達信号
１５６ 停止伝達信号
２００ 回転角検出部
２０２ センサ磁石
２２６ 回転中心線
２６０ ウエハ
２６２ ウエハ・パッド
２６５ センサ素子パッケージ
３０２ 検出部
３０３ 信号処理部
３１１ 冗長化部
３１３ 切替スイッチ
３３１ 抵抗
４１１ 電子制御コントロールユニット
４１２ 駆動部
５０１ ハンドル
５０２ ステアリング・コラム
５０３ ステアリング・シャフト
５０４ 連結部
５５１ 駆動モータ
５５２ 発電機
５５３ エンジン
５５４ 動力分配機構
５５７ 動力結合機構
５５８ 動力シャフト
５６０ 駆動モータ回転角センサ
５６２ 発電機磁界角センサ
５６３ センサ磁石
５８０ 車両
５８１ 上位システム
５８２ ＥＰＳシステム
５８３ 車両駆動システム
５８４ 運転席表示システム
５８５ 無線発信システム
５８８ 車両修理ステーション
５９１ 角度情報データ
５９２ 異常信号データ
５９３ 停止信号データ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気抵抗素子で構成されるＣＯＳブリッジと、ＳＩＮブリッジと、検出部とで構成される磁界角度計測装置であって、
前記検出部は、ＣＯＳブリッジまたはＳＩＮブリッジのおのおのの、いずれか一方のハーフブリッジに異常が発生した場合に、正常な方のハーフブリッジから出される信号に基づいて角度信号を出力する磁界角計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の磁界角計測装置において、正常なハーフブリッジを同定する手段を有する磁界角計測装置。
【請求項３】
請求項２に記載の磁界角計測装置において、前記正常な方のハーフブリッジから出される信号に基づいて角度信号を出力する際に、前記検出部が異常伝達信号を出力する磁界角計測装置。
【請求項４】
請求項３に記載の磁界角計測装置において、前記異常伝達信号とは別に停止伝達信号を有する磁界角計測装置。
【請求項５】
請求項３に記載の磁界角計測装置において、前記異常伝達信号は、前記角度信号と同一の信号線を用いてデジタル信号で出力されることを特徴とする磁界角計測装置。
【請求項６】
回転体に取り付けられた磁束発生体と、請求項１に記載の磁界角計測装置とを有する回転角計測装置であって、前記磁束発生体が生成する磁界の方向を計測することで前記回転体の回転角を計測する回転角計測装置。
【請求項７】
ロータとステータを有する回転機であって、前記ロータと連動して回転する磁束発生体と、請求項１に記載の磁界角計測装置とを有し、前記磁束発生体が発生する磁界の方向を前記磁界角計測装置で計測する回転機。
【請求項８】
請求項３に記載の磁界角計測装置が組み込まれたシステムであって、前記システムは通常動作モードと機能制限モードとを有し、前記機能制限モードでは前記システムの機能の一部を制限するものであって、前記磁界角計測装置が前記異常伝達信号を出力した場合に、前記機能制限モードで動作するシステム。
【請求項９】
請求項３に記載の磁界角計測装置を用いた車両であって、前記車両は通常動作モードと機能制限モードとを有し、前記磁界角計測装置が前記異常伝達信号を出力した場合に、前記機能制限モードで動作する車両。
【請求項１０】
請求項９に記載の車両であって、前記機能制限モードでの車両の最高速度が前記通常動作モードでの最高速度よりも小さいことを特徴とする車両。
【請求項１１】
請求項７に記載の回転機を有する車両駆動装置。
【請求項１２】
請求項７に記載の回転機をモータとして有する車両駆動装置であって、前記磁界角計測装置が前記正常な方のハーフブリッジから出される信号に基づいて角度信号を出力する際に、前記検出部が異常伝達信号を出力し、前記異常伝達信号が出力された際に前記モータの最高速度を制限する車両駆動装置。
【請求項１３】
発電機とモータとを有する車両駆動装置であって、前記発電機に請求項３に記載の磁界角計測装置が設置されており、前記磁界角計測装置が前記異常伝達信号を出力している場合には、前記発電機による回生ブレーキ機能を制限することを特徴とする車両駆動装置。
【請求項１４】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁界角計測装置であって、前記磁気抵抗素子は巨大磁気抵抗素子であることを特徴とする磁界角計測装置。
【請求項１５】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁界角計測装置であって、前記磁気抵抗素子は異方性磁気抵抗素子であることを特徴とする磁界角計測装置。
【請求項１６】
請求項１に記載の磁界角計測装置であって、前記検出部は前記ハーフブリッジの出力信号と、前記ハーフブリッジへの励起電圧の１／２の電圧である中間電圧との差動検出器を有することを特徴とする磁界角計測装置。
【請求項１７】
請求項１に記載の磁界角計測装置であって、前記異常が、前記一方のハーフブリッジと前記検出部との間の断線であることを特徴とする磁界角計測装置。
【請求項１８】
請求項２に記載の磁界角計測装置において、前記正常な方のハーフブリッジから出される信号に基づいて角度信号を出力する際に、前記検出部が異常伝達信号を出力する磁界角計測装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の磁界角計測装置において、前記異常伝達信号とは別に停止伝達信号を有する磁界角計測装置。
【請求項２０】
請求項１８に記載の磁界角計測装置において、前記異常伝達信号は、前記角度信号と同一の信号線を用いてデジタル信号で出力されることを特徴とする磁界角計測装置。
【請求項２１】
請求項１６に記載の磁界角計測装置であって、前記中間電圧は前記励起電圧からレシオメトリックな回路で生成することを特徴とする磁界角計測装置。
【請求項２２】
磁気抵抗素子で構成されるＣＯＳブリッジと、ＳＩＮブリッジと、検出部とで構成される磁界角度計測装置の角度算出方法であって、
前記検出部は、ＣＯＳブリッジまたはＳＩＮブリッジのおのおのの、いずれか一方のハーフブリッジに異常が発生した場合に、正常な方のハーフブリッジから出される信号に基づいて角度信号を算出する磁界角計測装置の角度算出方法。
【請求項１】
磁気抵抗素子で構成されるＣＯＳブリッジと、ＳＩＮブリッジと、検出部とで構成される磁界角度計測装置であって、
前記検出部は、ＣＯＳブリッジまたはＳＩＮブリッジのおのおのの、いずれか一方のハーフブリッジに異常が発生した場合に、正常な方のハーフブリッジから出される信号に基づいて角度信号を出力する磁界角計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の磁界角計測装置において、正常なハーフブリッジを同定する手段を有する磁界角計測装置。
【請求項３】
請求項２に記載の磁界角計測装置において、前記正常な方のハーフブリッジから出される信号に基づいて角度信号を出力する際に、前記検出部が異常伝達信号を出力する磁界角計測装置。
【請求項４】
請求項３に記載の磁界角計測装置において、前記異常伝達信号とは別に停止伝達信号を有する磁界角計測装置。
【請求項５】
請求項３に記載の磁界角計測装置において、前記異常伝達信号は、前記角度信号と同一の信号線を用いてデジタル信号で出力されることを特徴とする磁界角計測装置。
【請求項６】
回転体に取り付けられた磁束発生体と、請求項１に記載の磁界角計測装置とを有する回転角計測装置であって、前記磁束発生体が生成する磁界の方向を計測することで前記回転体の回転角を計測する回転角計測装置。
【請求項７】
ロータとステータを有する回転機であって、前記ロータと連動して回転する磁束発生体と、請求項１に記載の磁界角計測装置とを有し、前記磁束発生体が発生する磁界の方向を前記磁界角計測装置で計測する回転機。
【請求項８】
請求項３に記載の磁界角計測装置が組み込まれたシステムであって、前記システムは通常動作モードと機能制限モードとを有し、前記機能制限モードでは前記システムの機能の一部を制限するものであって、前記磁界角計測装置が前記異常伝達信号を出力した場合に、前記機能制限モードで動作するシステム。
【請求項９】
請求項３に記載の磁界角計測装置を用いた車両であって、前記車両は通常動作モードと機能制限モードとを有し、前記磁界角計測装置が前記異常伝達信号を出力した場合に、前記機能制限モードで動作する車両。
【請求項１０】
請求項９に記載の車両であって、前記機能制限モードでの車両の最高速度が前記通常動作モードでの最高速度よりも小さいことを特徴とする車両。
【請求項１１】
請求項７に記載の回転機を有する車両駆動装置。
【請求項１２】
請求項７に記載の回転機をモータとして有する車両駆動装置であって、前記磁界角計測装置が前記正常な方のハーフブリッジから出される信号に基づいて角度信号を出力する際に、前記検出部が異常伝達信号を出力し、前記異常伝達信号が出力された際に前記モータの最高速度を制限する車両駆動装置。
【請求項１３】
発電機とモータとを有する車両駆動装置であって、前記発電機に請求項３に記載の磁界角計測装置が設置されており、前記磁界角計測装置が前記異常伝達信号を出力している場合には、前記発電機による回生ブレーキ機能を制限することを特徴とする車両駆動装置。
【請求項１４】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁界角計測装置であって、前記磁気抵抗素子は巨大磁気抵抗素子であることを特徴とする磁界角計測装置。
【請求項１５】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁界角計測装置であって、前記磁気抵抗素子は異方性磁気抵抗素子であることを特徴とする磁界角計測装置。
【請求項１６】
請求項１に記載の磁界角計測装置であって、前記検出部は前記ハーフブリッジの出力信号と、前記ハーフブリッジへの励起電圧の１／２の電圧である中間電圧との差動検出器を有することを特徴とする磁界角計測装置。
【請求項１７】
請求項１に記載の磁界角計測装置であって、前記異常が、前記一方のハーフブリッジと前記検出部との間の断線であることを特徴とする磁界角計測装置。
【請求項１８】
請求項２に記載の磁界角計測装置において、前記正常な方のハーフブリッジから出される信号に基づいて角度信号を出力する際に、前記検出部が異常伝達信号を出力する磁界角計測装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の磁界角計測装置において、前記異常伝達信号とは別に停止伝達信号を有する磁界角計測装置。
【請求項２０】
請求項１８に記載の磁界角計測装置において、前記異常伝達信号は、前記角度信号と同一の信号線を用いてデジタル信号で出力されることを特徴とする磁界角計測装置。
【請求項２１】
請求項１６に記載の磁界角計測装置であって、前記中間電圧は前記励起電圧からレシオメトリックな回路で生成することを特徴とする磁界角計測装置。
【請求項２２】
磁気抵抗素子で構成されるＣＯＳブリッジと、ＳＩＮブリッジと、検出部とで構成される磁界角度計測装置の角度算出方法であって、
前記検出部は、ＣＯＳブリッジまたはＳＩＮブリッジのおのおのの、いずれか一方のハーフブリッジに異常が発生した場合に、正常な方のハーフブリッジから出される信号に基づいて角度信号を算出する磁界角計測装置の角度算出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１２−１３７４５７（Ｐ２０１２−１３７４５７Ａ）
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９１５４５（Ｐ２０１０−２９１５４５）
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
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