JP2011106935A

JP2011106935A - 回転角計測装置

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Abstract

【課題】ピン角ズレに起因する補正を少ない演算量で補正可能な回転角計測装置を提供することにある。
【解決手段】回転角計測装置は、磁界センサ３０１と、信号処理部３０３Ｍとを有する。磁界センサは、固定磁化層を有する磁気抵抗素子で構成されたブリッジを２つ有する。信号処理部３０３Ｍの比算出部３８１は、出力信号Ｖｘ，Ｖｙの比Ｖｙ／Ｖｘを算出する。パラメータ補正部３８２は、比算出部が算出した比Ｖｙ／Ｖｘから、予め検出された補正パラメータβを減算する。ａｔａｎ処理部３８３は、パラメータ補正部で算出された値に対して、逆正接処理を行い、磁界角度θを算出する。
【選択図】図８

Description

本発明は、固定磁化層を有する磁気抵抗効果素子（ＭＲ（Magnetoresistive）素子）を用いて構成された回転角検出装置に係り、特に、ピン角誤差を補正可能な回転角検出装置に関する。

このようなＭＲ素子を用いた回転角検出装置は、例えば、特許文献１などにより知られている。

磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）には、巨大磁気抵抗効果素子（Giant Magnetoresistance；ＧＭＲ素子）や，トンネル磁気抵抗素子（Tunneling Magnetoresistance；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して、その概要を説明する。

図１は、ＧＭＲ素子の基本構成を示している。

ＧＭＲ素子は、第１の磁性層１３（固定磁性層、あるいはピン磁性層）と第２の磁性層１１（自由磁性層）とを有し、両者の磁性層の間に非磁性層１２（スペーサ層）を挟み込んだ構成をとる。ＧＭＲ素子に外部磁界を印加すると、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。

ここでは、固定磁性層の磁化方向角度をピン角（pin angle）と呼び、θｐで表す。

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。

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。

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。

図２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ている。自由磁性層１１および固定磁性層１３に示す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２（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２（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。

図２（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の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、図２（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８１０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。

Δθ＝０〜１８０°の中間の場合は、図２（ａ）及び図２（ｂ）の中間の状態になる。ＧＭＲ素子の抵抗値Ｒは、

となる。ここで、Ｇ／ＲはＧＭＲ係数と呼ばれ、数％〜数１０％である。

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。

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。

図３（ａ）は、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６０Ａを構成し、磁界センサとして用いる場合の構成を示している。

ここで、ＧＭＲ素子Ｒ１（５１−１）、Ｒ３（５１−３）の固定磁性層の磁化方向をθｐ＝０とし、ＧＭＲ素子Ｒ２（５１−２）、Ｒ４（５１−４）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、式（１）からわかるように、ＧＭＲ素子Ｒ１、Ｒ３では、

ただし、（ｎ＝１、３）となり、
ＧＭＲ素子Ｒ２、Ｒ４では、

ただし、（ｎ＝２、４）となる。

図３（ａ）のブリッジ回路６０Ａに励起電圧ｅ０を印加した時の端子Ｖ１、Ｖ２間の差電圧Δｖ＝Ｖ２−Ｖ１は以下の式（４）のようになる。

これに、式（２）、式（３）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、

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ブリッジと称する。

また、図３（ｂ）は、固定磁化層の方向を図３（ａ）のＣＯＳブリッジと９０度変えたブリッジ６０Ｂを示している。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は、

とｓｉｎθに比例するので、ブリッジ６０ＢをＳＩＮブリッジと称する。

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、

と求まる。

このように、磁気抵抗素子は、磁界方向を直接検出することができるという特徴がある。

磁気抵抗素子の抵抗の磁界依存項は、式（１）に示したように固定磁化層の磁化方向（ピン角）θｐと外部磁界の角度θｍとの差Δθ＝θｍ−θｐで決まる。言い換えれば、ピン角θｐが基準角度となる。したがって、ピン角の設定に誤差（ズレ）があると、式（５）、式（６）が成り立たなくなり、式（７）にしたがって求めた角度は、正しい磁界角度θｍを示さなくなる。

一例として、図３（ａ）に示したＣＯＳブリッジのＧＭＲ素子Ｒ２、Ｒ４のピン角が０．５°ずれ、図３（ｂ）に示したＳＩＮブリッジのＧＭＲ素子Ｒ２、Ｒ４のピン角が−１°ずれた場合を考える。

図４は、前述の場合における、各ブリッジからの信号Ｖｘ、Ｖｙから式（７）にしたがって求めた角度θ１と、真の磁界角度θｍとの差（測定誤差）を示している。測定誤差は真の磁界角度θｍに依存して変化し、約１°の振幅である。このように、１°のピン角ずれが約１°の角度計測誤差となる。したがって、例えば±０．２°の計測精度を得るためには、全てのピン角を０．２°程度の精度で設定する必要がある。

図３の例のように、磁界センサ内に複数のピン角設定を有する磁界センサの製造方法は、例えば、磁気抵抗素子（図３の各Ｒｉ（ｉ＝１〜４）に対応する）を方向を変えて配置する方法や、固定磁化層を成膜する際に印加する外部磁界の方向を変える方法などがある。しかし、いずれの方法であっても、全てのピン角を０．２°程度の高精度で設定することは極めて困難である。

これに対し、このピン角誤差による角度計測誤差を補正する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特許文献２では、回転角θとその時の磁界センサによる計測角度θ（ｍｅａｓ）とを測定し、両者の誤差Δφ（θ）を回転角θの関数として求める。すなわち、

である。

ここで、図４に示したように、誤差Δφ（θ）は、１８０度周期の形になるので、式（８）で示すように、

と、補正関数ＳＩ（θ，α）を定義する。

そして、次式（１０）で定義される関数Ｅ１（α）が最小になるようなパラメータαを求める。

ここで、積分は、θ＝０〜３６０度の１周期の積分である。

このようにして２倍波成分の誤差を除去すると、４倍波成分が残る。そこで、次に、式（１１）で示すように、

と、４倍波の補正関数Ｓ２（θ，β）を定義する。

そして、次式（１２）で定義される関数Ｅ２（β）が最小になるように、

パラメータβを求める。

磁界センサの動作時は、以上のように求めた補正関数を用いて、次式（１３）により、

と補正する。

特許第３７９９２７０号公報特開２００６−１９４８６１号公報

以上のように、固定磁化層を有する磁気抵抗素子を用いた磁界計測装置では、固定磁化層の磁化方向（ピン角度）の設定誤差があると、計測角度に誤差が発生するという課題があった。

それに対して、特許文献２記載の補正方法では、３つの問題点がある。（１）第１に、補正パラメータα、βを取得する際に、α、βを変えながら積分Ｅ１、Ｅ２を繰り返してＥ１、Ｅ２を最小化するので、計算量が多大になる。（２）第２に、補正関数Ｓ１、Ｓ２が２θ、４θの関数なので補正時に磁界の角度の絶対値が必要になり、エンコーダなどの角度が既知の調整装置が必要になる。（３）第３に、高速動作が必要とされるセンサ動作時の補正式（１３）が、演算量が多い三角関数計算を複数含むため演算処理量が多く、高速なマイコンなどを必要とする。

すなわち、ピン角ズレに起因する計測誤差を補正する従来の方法では、補正に要する演算処理量が多い、という問題があった。

本発明の目的は、ピン角ズレに起因する補正を少ない演算量で補正可能な回転角計測装置を提供することにある。

本明細書では関数SQRT(y) は「yの平方根」を表すものとする。
（１）上記目的を達成するために、本発明は、磁界センサと、信号処理部とを有し、前記磁界センサは、固定磁化層を有する磁気抵抗素子で構成されたブリッジを２つ有し、前記信号処理部は、第１の前記ブリッジの出力信号Ｖｘと、第２の前記ブリッジの出力信号Ｖｙとが入力し、磁界方向角度θを出力する回転角計測装置であって、前記信号処理部において、前記出力信号Ｖｘの絶対値｜Ｖｘ｜が前記出力信号Ｖｙの絶対値｜Ｖｙ｜より大きい又は等しい時、比Ｖｙ／Ｖｘとｔａｎθとの差が、非ゼロの一定値である。
かかる構成により、ピン角ズレに起因する補正を少ない演算量で補正可能なものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記一定値をｘとすると、一定値ｘは、（１／SQRT（１−ｘ^２））×（Ｖｙ／Ｖｘ）−ｔａｎθ＝ｘを満たすとともに、前記一定値ｘは前記θによらないものである。なお，本明細書では関数SQRT(y) は「yの平方根」を表す。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記信号処理部は、前記出力信号Ｖｘ，Ｖｙの比Ｖｙ／Ｖｘを算出する比算出部と、該比算出部が算出した前記比Ｖｙ／Ｖｘから、予め検出された補正パラメータβを減算するパラメータ補正部と、該パラメータ補正部で算出された値に対して、逆正接処理を行い、磁界角度θを算出するａｔａｎ処理部とを備えるようにしたものである。

（４）上記（３）において、好ましくは、前記パラメータ補正部は、算出された値を、Ｂｘ＝SQRT（１−β^２）で除算するようにしたものである。

（５）上記（３）において、好ましくは、前記第１の前記ブリッジの出力信号Ｖｘと第２の前記ブリッジの出力信号Ｖｙとから、それぞれ、予め検出されたオフセットｂｘ，ｂｙを減算するオフセット減算処理部を備え、該オフセット減算処理部の出力を、前記信号処理部の前記比算出部の入力とするようにしたものである。

（６）上記（３）において、好ましくは、前記信号処理部は、前記比算出部が算出した前記比Ｖｙ／Ｖｘに対して、磁界方向が１回転する期間について平均値から、前記補正パラメータβを算出する平均値処理部を備えるようにしたものである。

（７）上記（６）において、好ましくは、前記比算出部が算出した前記比Ｖｙ／Ｖｘに対して、前記比Ｖｙ／Ｖｘを引数とする窓関数Ｗ（ｒ）を乗算する窓関数処理部を備え、該窓関数処理部の出力に対して、前記平均値処理部は、磁界方向が１回転する期間について平均値を算出するようにしたものである。

（８）上記（７）において、好ましくは、前記窓関数Ｗ（ｒ）は、偶関数である。

（９）上記（７）において、好ましくは、前記パラメータ補正部は、算出された値を、Ｂｘ＝SQRT（１−β^２）で除算するようにしたものである。

（１０）上記（１）において、好ましくは、前記磁気抵抗素子は巨大磁気抵抗素子である。

（１１）また、上記目的を達成するために、本発明は、磁界センサと、信号処理部とを有し、前記磁界センサは、固定磁化層を有する磁気抵抗素子で構成されたブリッジを２つ有し、前記信号処理部は、第１の前記ブリッジの出力信号Ｖｘと、第２の前記ブリッジの出力信号Ｖｙとが入力し、磁界方向角度θを出力する回転角計測装置であって、前記信号処理部は、前記出力信号の比Ｖｙ／Ｖｘに対して、磁界方向が１回転する期間について平均値から、前記補正パラメータβを算出する平均値処理部を備えるようにしたものである。
かかる構成により、ピン角ズレに起因する補正を少ない演算量で補正可能なものとなる。

（１２）上記（１１）において、好ましくは、前記比算出部が算出した前記比Ｖｙ／Ｖｘに対して、前記比ｒ（＝Ｖｙ／Ｖｘ）を引数とする窓関数Ｗ（ｒ）を乗算する窓関数処理部を備え、該窓関数処理部の出力に対して、前記平均値処理部は、磁界方向が１回転する期間について平均値を算出するようにしたものである。

（１３）上記（１１）において、好ましくは、前記第１の前記ブリッジの出力信号Ｖｘと第２の前記ブリッジの出力信号Ｖｙとから、それぞれ、予め検出されたオフセットｂｘ，ｂｙを減算するオフセット減算処理部を備え、該オフセット減算処理部の出力を、前記信号処理部の前記比算出部の入力とするようにしたものである。

（１４）上記（１３）において、好ましくは、前記平均値処理部は、磁界を一定角速度で２回転回ったときの、１回転目で前記オフセット電圧ｂｘ，ｂｙを求め、２回転目で、前記オフセット減算部は、信号Ｖｘ，Ｖｙからそれぞれオフセット電圧ｂｘ，ｂｙを減算した値Ｖｘ’＝Ｖｘ−ｂｘ，Ｖｙ’＝Ｖｙ−ｂｙを算出し、前記平均値処理部は、値Ｖｘ’，Ｖｙ’に対して、前記ピン角ズレ量βを求めるようにしたものである。

（１５）上記（１１）において、好ましくは、前記磁気抵抗素子は巨大磁気抵抗素子である。

本発明によれば、ピン角ズレに起因する補正を少ない演算量で補正可能となる。

巨大磁気抵抗素子の構成を示す模式図である。巨大磁気抵抗素子中での電子の挙動を説明する模式図である。巨大磁気抵抗素子を用いた回転角計測装置で用いる磁界センサ内のセンサブリッジを示す模式図である。ピン角に誤差がある場合の、計測角度に含まれる誤差を示す図である。本発明の第１の実施形態による、ピン角ズレαを調べるための回転角計測装置の第１の構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態による回転角計測装置に用いる磁界センサの構成図である。本発明の第１の実施形態による回転角計測装置に用いる磁界センサ内の各ブリッジの位相ずれを示す模式図である。本発明の第２の実施形態による、ピン角ズレαを補正するための回転角計測装置の第１の構成を示すブロック図である。本発明の第２の実施形態による回転角計測装置におけるピン角ズレ量αの推定精度の説明図である。本発明の第２の実施形態による回転角計測装置におけるピン角ズレ量αの推定精度の説明図である。本発明の第３の実施形態による、ピン角ズレαを調べ、そのピン角ズレαを補正するための回転角計測装置の第１の構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態による回転角計測装置における信号の比ｒ＝Ｖｙ／Ｖｘの波形の説明図である。本発明の第３の実施形態による、ピン角ズレαを調べるための回転角計測装置の第２の構成を示すブロック図である。本発明の第３の実施形態による回転角計測装置の窓関数処理部で使用する窓関数の説明図である。本発明の第３の実施形態による回転角計測装置の窓関数処理部で使用する窓関数の説明図である。本発明の第３の実施形態による回転角計測装置におけるピン角ズレ量αの推定精度の説明図である。本発明の第３の実施形態による回転角計測装置におけるピン角ズレ量αの推定精度の説明図である。本発明の第３の実施形態による回転角計測装置におけるピン角ズレ量αの推定精度の説明図である。本発明の第４の実施形態による、ピン角ズレαを調べ、そのピン角ズレαを補正するための回転角計測装置の第２の構成を示すブロック図である。本発明の第５の実施形態による、ピン角ズレαを補正するための回転角計測装置の第２の構成を示すブロック図である。本発明の第５の実施形態による回転角計測装置におけるピン角ズレ量αの推定精度の説明図である。本発明の第５の実施形態による回転角計測装置におけるピン角ズレ量αの推定精度の説明図である。本発明の第６の実施形態による、ピン角ズレαを調べ、そのピン角ズレαを補正するための回転角計測装置の第３の構成を示すブロック図である。本発明の第７の実施形態による回転角計測装置の構成を示すブロック図である。本発明の第８の実施形態による、ピン角ズレαを補正するための回転角計測装置の第３の構成を示すブロック図である。本発明の各実施形態による回転角計測装置を用いたモータシステムの構成図である。本発明の各実施形態による回転角計測装置を用いたモータシステムの構成図である。本発明の各実施形態による回転角計測装置を用いた電動パワーステアリングシステムの構成図である。本発明の各実施形態による回転角計測装置を用いた磁界センサの製造時の検査システムの説明図である。

以下、図５〜図７を用いて、本発明の第１の実施形態による回転角計測装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図５を用いて、本実施形態による、ピン角ズレαを調べるための回転角計測装置の第１の構成について説明する。
図５は、本発明の第１の実施形態による、ピン角ズレαを調べるための回転角計測装置の第１の構成を示すブロック図である。

本実施形態の回転角計測装置２０１Ｄは、磁界センサ３０１と、検出回路部３０２Ｄとで構成される。検出回路部３０２Ｄは、信号処理部３０３Ｄを有する。磁界センサ３０１は、ＧＭＲ素子で構成された２つのブリッジ（ＣＯＳブリッジ６０Ａと、ＳＩＮブリッジ６０Ｂ）を有している。差動増幅器３５１Ａは、ＣＯＳブリッジのＶ１，Ｖ２端子の差電圧を検出して、差信号Ｖｘを出力する。ここで、Ｖｘ＝−ΔＶｃ＝−（Ｖ２−Ｖ１）になるようにする。また、差動増幅器３５１Ｂは、ＳＩＮブリッジのＶ１，Ｖ２端子の差電圧を検出して、差信号Ｖｙを出力する。ここで、Ｖｙ＝ΔＶｓである。
本明細書では，この差信号Ｖｘ，Ｖｙをそれぞれのブリッジの出力信号と呼ぶ。

ここで、図６を用いて、本実施形態による回転角計測装置に用いる磁界センサの構成について説明する。
図６は、本発明の第１の実施形態による回転角計測装置に用いる磁界センサの構成図である。

本実施形態で用いる磁界センサは、図６（ａ）に示すＣＯＳブリッジ６０Ａと、図６（ｂ）に示すＳＩＮブリッジ６０Ｂとから構成されている。

ＣＯＳブリッジ６０Ａを構成する磁気抵抗素子Ｒ１（５１−１），Ｒ３（５１−３）のピン角は、θｐ＝０と設定され、磁気抵抗素子Ｒ２（５１−２），Ｒ４（５１−４）のピン角は、θｐ＝１８０°とに設定されている。

ＳＩＮブリッジ６０Ｂを構成する磁気抵抗素子Ｒ１（５２−１），Ｒ３（５２−３）のピン角は、θｐ＝９０°と設定され、磁気抵抗素子Ｒ２（５２−２），Ｒ４（５２−４）のピン角は、θｐ＝２７０°に設定されている。

前述の通り、実際の磁界センサには、ピン角設定に誤差が含まれる。各磁気抵抗素子のピン角ズレ（誤差）をαｉ（ｉ＝１〜４）とする。すなわち、図６に示したように、ＣＯＳブリッジの各ピン角は、θｐ＝０−α１、１８０°−α２とし、ＳＩＮブリッジの各ピン角は、θｐ＝９０−α３、２７０°−α４とする。

ピン角の設定は、例えば、固定磁化層を成膜する際に外部磁界を印加することで磁化方向θｐを設定することにより行われる。したがって、各ブリッジ内の同じピン角の磁気抵抗素子のピン角ズレαｉは同一になる。したがって、図６のように、ピン角設定が４種の誤差αｉを持つとしたモデルは、一般性を失わない。

本実施形態では、図６のようにピン角に誤差を有する磁界センサを用いた回転角計測装置において、ピン角ズレに起因する誤差を検出するようにしている。また、後述の他の回転角計測装置では、さらに、出力回転角度から、検出したピン角ズレに起因する誤差を補正するようにしている。

そこで、最初に、４種のピン角ズレαｉ（ｉ＝１〜４）が１種のピン角ズレαの問題に帰着することについて説明する。

最初に、図６（Ａ）に示したＣＯＳブリッジ内の２種類のピン角の誤差の影響を説明する。

磁気抵抗素子Ｒ１は、式（２）において、ｎ＝１とすると、

となり、磁気抵抗素子Ｒ２は、式（３）において、ｎ＝２とすると、

であるから、ブリッジの出力信号ΔＶｃは次式（１６）のように、

となる。

ここで、磁界方向依存の部分を展開して整理すると、次式（１７）

を得ることができる。

ここで、式（１７）において、Ａ＝ｃｏｓα１＋ｃｏｓα２、Ｂ＝ｓｉｎα１＋ｓｉｎα２、ｒ＝SQRT（Ａ^２＋Ｂ^２）とおくと、

となる。なお，本明細書では関数SQRT(y) は「yの平方根」を表す。

次に、式（１８）の振幅ｒを見積もる。α１＝α２の場合（すなわち、ブリッジ内ピン角ズレがない場合）、ｒ＝２である。また、ブリッジ内ピン角ズレが４°の場合、例えばα１＝＋２°、α２＝−２°では、ｒ＝２×０．９９９４であり０．０６％の振幅差しかない。これは実験的に検知できないレベルであり、ピン角ズレ４°の場合、実質的に振幅変化はない。α１＝＋５°、α２＝−５°（ピン角ズレが１０°）の場合でも、ｒ＝２×０．９９６であり実質的に振幅変化がないレベルである。したがって、ブリッジ内ピン角ズレが１０°以下の場合、振幅変化は実質的にはなく、位相変化のみ考えればよいことになる。

位相変化を示す式（１８）は、以下のように変形できる。

したがって、

となる。

すなわち、ブリッジ内ピン角ズレがあるＣＯＳブリッジの出力信号は、２つのピン角誤差の平均値を角度原点とする座標系で考えればよいことがわかる。ＳＩＮブリッジ出力についても同様である。

以下の説明では、この座標系の角度原点を「ブリッジの固定磁化層基準角度」と称する。

以上の結果からわかるように、ＣＯＳブリッジ６０Ａの角度原点は式（２０)で表されるαｃになり、ＳＩＮブリッジ６０Ｂの角度原点はαｓ＝（α３＋α４）／２に移動する。

図７は、この様子を模式的に示している。図７において、点線で示したものは、実効的な座標軸である。この実効的な座標軸のｘ軸７０がブリッジの固定磁化層基準角度である。

図７を参照して、ＣＯＳブリッジの信号ＶｘとＳＩＮブリッジの信号Ｖｙの比は、次式になる。

なお、α＝αｓ−αｃである。

このようにして、４種のピン角誤差αｉ（ｉ＝１〜４）を含む場合でも、式（２０），式（２１）で表されるピン角αで補正できる。

ここで、θ＝θ’＋αｃとしているのでαｃが未知であるが、αｃは回転センサを適用する機器のシステム原点と回転角計測装置の原点との対応付けをとることで容易に求まる。

以上の結果から、図６に示した、ピン角ズレα１，α２を有するＣＯＳブリッジと、ピン角ズレα３，α４を有するＳＩＮブリッジからの信号は、以下の式（２２），式（２３）のように定式化できる。

ここで、Ｃは比例定数であり、α＝αｓ−αｃであり、αｃ＝（α１＋α２）／２であり、αｓ＝（α３＋α４）／２である。

ここで、Ｖｘ＝−ΔＶｃ、Ｖｙ＝ΔＶｓとおき、ＶｘとＶｙの比Ｒｙｘを求めると、

となる。ここで、分子のｓｉｎ関数を展開すると、

と得られる。

ここで、ｔａｎθが奇関数であるからθ＝０〜３６０°の範囲で式（２５)の平均をとると第１項はゼロになり、ｓｉｎαが求まる。これを、式であらわすと、

となる。

ここで、average（）は、第１引数を第２引数の区間で平均値計算する処理を表す。平均をとる区間［０，２π）は、「０から開始して２πの直前まで」を示す。２πを含めないのは、θ＝０と２重に算入するのを避けるためである。

式（２６）により、求めようとしているピン角ズレ量αが得られる。ここでは、β＝ｓｉｎαとしている。後述するように、ＧＭＲ回転センサの動作時に、ピン角ズレ量αから補正処理をする際には、β＝ｓｉｎαを用いる。したがって、実際の補正処理ではβを求めればよく、逆正接計算は不要である。

式（２５）の関係からわかるように、式（２６）は比Ｒｙｘの重心を求めている。したがって、式（２５）においては、θに関して等間隔にサンプリングして式（２６）の平均処理をすればよい。例えば、磁界発生器を一定角速度で回転させた状態で、Ｒｙｘを一定時間間隔でサンプリングすればよい。

なお、実際の補正係数算出にあたっては、式（２５）、式（２６)でＶｘ＝０付近でＲｙｘが無限大に発散するので、絶対値の大小関係で場合分けをする。すなわち、

とする。式（２７)では、区間［０，２π）のうち半数のサンプリング点を取り込むので、式（２３)のｔａｎθの奇関数性から、式（２７)の値はβ＝ｓｉｎαに等しいものである。

ここで、再び、図５を用いて、信号処理部３０３Ｄの構成及び動作について説明する。
ＣＯＳブリッジの出力信号Ｖｘ，すなわち差動増幅器３５１Ａの出力信号Ｖｘを信号処理部３０３Ｄへの入力信号Ｖｘとし，ＳＩＮブリッジの出力信号Ｖｙ，すなわち差動増幅器３５１Ｂの出力信号Ｖｙを信号処理部３０３Ｄへの入力信号Ｖｙとする。

信号処理部３０３Ｄは、比算出部３８１と、平均値処理部３８６と、期間判定器３８７と、パラメータ記憶部３９０とを備えている。

比算出部３８１は、信号処理部３０３Ｄへの入力信号Ｖｘ，Ｖｙを入力して、比Ｖｙ／Ｖｘを算出する。具体的には、信号Ｖｘ，ＶｙをマイコンのＡＤ変換器に入力して、マイコン内に比算出部３８１を設ければよいものである。なお、比Ｖｙ／Ｖｘの演算にあたっては、式（２７）に示したように、絶対値比較による分岐処理を行うことで、計算誤差を小さくできる。

次に、平均値処理部３８６は、比ｒ＝Ｖｙ／Ｖｘを入力して、平均値処理をする。平均値処理は、磁界方向が１回転する期間について行う。１回転する区間を検出するために、期間判定器３８７を用いて期間判定を行う。具体的には、信号Ｖｘの電圧が開始時電圧と等しい値を２回通過するまでの１区間として期間判定を行う。信号Ｖｘはｃｏｓθに比例するので、２回同じ値を通過することは１周期であることに対応する。式（２７）に示したように、この平均値がピン角ズレαの正弦β（＝ｓｉｎα）に等しい。
なお，平均値処理をする期間は，磁界方向が複数回回転する期間であってもよい。平均値処理期間が３６０°の整数倍，すなわち［０，２Ｎrπ）であれば，（２５）式の第１項はゼロになるので，得られた平均値はピン角ズレαの正弦β（＝ｓｉｎα）に等しい。ここで，Ｎrは１以上の整数であり，磁界方向が回転する周回数である。また，複数回回転させると平均値処理をするデータのサンプリング点数が増えるのでβ値の算出精度が向上するという効果がある。

このようしてに得られたβ値（ピン角ズレαの正弦値）をパラメータ記憶部３９０に記憶する。

以上のようにして、ピン角ズレαを求めることで、本実施形態のパラメータ取得工程は、次の特徴を有する。

（ａ）ピン角ズレ量αを求める工程（図５）で、ブリッジ内ピン角ズレがあるＣＯＳブリッジの出力信号は、２つのピン角誤差の平均値を角度原点とする座標系で考えればよいため、角度原点が不要である。したがって、エンコーダは不要であり、一定速度で磁石を回転させて一定時間間隔でサンプリングすれば良い。このため、応用システムに組み込んだ状態でのオンサイト補正も可能である。

（ｂ）三角関数演算は不要なため、演算量が少ない。

（ｃ）パラメータ・フィッティングを行わないので、α値が一義的に求まる。

以上説明のように、本実施形態によれば、回転角計測装置のピン角ズレにより発生する誤差を補正する際に、校正用のエンコーダを用いることなく実現できるようになる。

また、ピン角ズレの算出を少ない演算量で補正をすることができるようになる。

以下、図８〜図１０を用いて、本発明の第２の実施形態による回転角計測装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図８を用いて、本実施形態による、ピン角ズレαを補正するための回転角計測装置の第１の構成について説明する。
図８は、本発明の第２の実施形態による、ピン角ズレαを補正するための回転角計測装置の第１の構成を示すブロック図である。

図８は、回転センサとして動作中の補正処理を実行する回路構成であり、図５の構成にて求めたズレ量αの正弦β（＝ｓｉｎα）を用いて回転角計測値を補正する。

本実施形態の回転角計測装置２０１Ｍは、磁界センサ３０１と検出回路部３０２Ｍとで構成される。検出回路部３０２Ｍは、信号処理部３０３Ｍを有する。磁界センサ３０１は、ＧＭＲ素子で構成された２つのブリッジ（ＣＯＳブリッジと、ＳＩＮブリッジ）を有している。差動増幅器３５１Ａは、ＣＯＳブリッジのＶ１，Ｖ２端子の差電圧を検出して、差信号Ｖｘを出力する。同様に、差動増幅器３５１Ｂは、ＳＩＮブリッジのＶ１，Ｖ２端子の差電圧を検出して、差信号Ｖｙを出力する。本明細書では，この差信号Ｖｘ，Ｖｙをそれぞれのブリッジの出力信号と呼ぶ。ブリッジの出力信号Ｖｘ，Ｖｙは信号処理部３０３Ｍへの入力信号Ｖｘ，Ｖｙとなる。

比算出部３８１は、信号処理部３０３Ｍへの入力信号Ｖｘ，Ｖｙを入力して、比Ｖｙ／Ｖｘを求める。具体的には、信号Ｖｘ，ＶｙをマイコンのＡＤ変換器に入力して、マイコン内に比算出部３８１を設ければよい。次に、パラメータ補正部３８２は、パラメータ記憶部３９０に保管された補正パラメータβを読み出し、補正処理を行う。具体的には、パラメータβを比Ｖｙ／Ｖｘから減算する。次に、ａｔａｎ処理部３８３は、逆正接処理を行い、磁界角度θを算出する。

ａｔａｎ処理部３８３は、

の演算により、ピン角ズレを補正した角度値θを算出する。ここで、式（２８）の処理は、次式のようにθ＝０〜３６０°に亘る４象限の値を適切に出力する処理を示すものとする。すなわち、次式（２９）と等価とする。

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。

ａｔａｎ処理部３８３は、式（２９）の処理を行う。

式（２８)は、式（２５)でｃｏｓα＝１と近似したことと等価である。本発明者の検討によれば、これは｜α｜≦４°において有効である。この点は、後にデータを用いて説明する。

すなわち、図８の回路による補正方法は、磁界センサ中の各ブリッジの固定磁化層基準角度の差αが４度以下の場合に適用すると、十分な精度が得られるので特に好ましいものである。

以上のようにして、本実施形態の補正方法におけるセンサ動作時の補正処理は、次の特徴を有する。

（ａ）補正処理で追加した演算はβ値の減算のみであり、リアルタイム性が要求されるセンサ動作時の補正演算処理の負担が極めて少ない。

（ｂ）補正値βは磁界角度θに依存しないので、補正処理では角度原点を必要としない。したがって、角度原点にズレがある場合でも角度出力の相対値は正しい値を出力する。

本実施形態の特徴は、図８および式（２８)から明らかなように、ＣＯＳブリッジ、ＳＩＮブリッジからの出力信号Ｖｘ，Ｖｙの比から一定値（β）を減算することでピン角ズレによる誤差分が補正された、より正しい角度値θを得ることにある。β値が負の場合は一定値を加算することになる。

なお、以上及び以下の説明において、ブリッジからの出力信号Ｖｘとは、ブリッジのＶ１，Ｖ２端子の差信号Ｖｘ＝Ｖ１−Ｖ２、または、差信号に適当な増幅率を乗じた信号を指す。これは、図８において、差動増幅器３５１Ａの出力信号に対応する。ＳＩＮブリッジの出力信号Ｖｙは、差信号Ｖｙ＝Ｖ２−Ｖ１、または差信号に適当な増幅率を乗じた信号である。

本実施形態における回転角計測装置が出力する角度をθとすると、式（２８）が示すように、ｔａｎθは（Ｖｙ／Ｖｘ−β）である。したがって、ＣＯＳブリッジ，ＳＩＮブリッジの出力信号の比Ｖｙ／Ｖｘと回転角計測装置の出力値θの正接ｔａｎθとの差は、回転角度によらない非ゼロの（すなわちゼロでない）一定値（β）になる。すなわち、図８に示した信号処理部３０３Ｍの入出力の関係に着目すると、その入力信号はＶｘ及びＶｙである。一方、その出力はθである。そして、入力信号の比Ｖｙ／Ｖｘと，出力角度θの正弦ｔａｎθとの差はβである。ここで，βは式（２８）からわかるように，回転角度によらない非ゼロの一定値である。信号処理部３０３Ｍへの入力信号の比Ｖｙ／Ｖｘと回転角計測装置の出力値θの正接ｔａｎθとの差は、回転角度によらない非ゼロの（すなわちゼロでない）一定値（β）ということは、これは図８および式（２８）で表された補正方法と等価である。

なお、β＝０は補正処理がない場合に相当するので、本実施形態の処理を行った場合は、β値は非ゼロの一定値になる。

式（２８）、式（２９）の関係は正しいが、Ｖｘがゼロに近づくと比Ｖｙ／Ｖｘは発散する。そのため、有限桁数で計算した場合には、計算誤差が大きくなる。また、回路の動作検証時には測定誤差の影響が拡大する。そこで、｜Ｖｘ｜＜｜Ｖｙ｜の場合には、比ｒ２＝Ｖｘ／Ｖｙを用いて、式（２４）を以下の式（３０）のように変換する。

すなわち、図８の回路の動作検証には、｜Ｖｘ｜≧｜Ｖｙ｜の場合には式（２８)を用い、｜Ｖｘ｜＜｜Ｖｙ｜の場合には式（３０)を用いればよい。このようにすると、計算誤差や測定誤差の影響を最小限にして動作検証ができる。なお、式（２９）のａｔａｎ２関数を用いた関係式は、ａｔａｎ２関数の内部アルゴリズムに｜Ｖｘ｜，｜Ｖｙ｜の大小関係による処理分岐を含むので、いずれの場合も成立する。

なお、図８では、差動増幅器３５１Ａ，３５１Ｂを検出回路部３０２Ｍに含めた構成を示したが、磁界センサ３０１に差動増幅器３５１Ａ，３５１Ｂを含めて、出力信号Ｖｘ，Ｖｙを結線で伝送して検出回路部３０２Ｍに入力する構成にしても良い。このような構成だと、差動増幅器の出力を低インピーダンスにすることにより、外部ノイズの影響を受けにくい構成になる。

次に、図９及び図１０を用いて、本実施形態による回転角計測装置におけるピン角ズレ量αの推定精度について説明する。
図９及び図１０は、本発明の第２の実施形態による回転角計測装置におけるピン角ズレ量αの推定精度の説明図である。

シミュレーションにより、ピン角ズレαを含むＶｘ，Ｖｙ信号を生成し、その信号に図８に示した処理をしてピン角ズレの推定値αｅを求める。このようにして推定誤差（αｅ−α）を求めた。

図９は、シミュレーション結果を示している。図９は、ピン角誤差αを０〜２°の範囲で変えて、そのときの推定誤差（αｅ−α）をプロットしたものである。磁界方向を１回転させる間に信号をサンプリングする点数（サンプリング点数）Ｎをパラメータとして推定誤差量を求めた。サンプリング点Ｎ＝５０の場合、α＜２°であればα値は正しく推定されている。しかし、サンプリング点数Ｎを１００点に増やすと、α≧１°で約１°の推定誤差が生じている。

次に、図１０は、初期角度θｓｔａｒｔを変えた際の推定誤差を調べた結果を示している。初期角度θｓｔａｒｔとは、サンプリング範囲を［θｓｔａｒｔ，２π＋θｓｔａｒｔ）に設定することを示す。ここで、サンプリング点Ｎ＝１００とした。その結果は、図１０に示すように、初期角度θｓｔａｒｔを５°にすると、ズレ量α＜１°の場合でも推定誤差が０．５°以上になり、推定誤差が増大している。実際の補正係数算出処理では磁界方向の原点は不明であるから、どのようなθｓｔａｒｔ値に対しても正確にα値推定ができる必要がある。初期角度θｓｔａｒｔを４°以下の場合には、推定誤差が小さく、実用の範囲内である。この点については、図２２を用いて後述する。

以上説明のように、本実施形態によれば、ピン角設定に誤差を含む磁界センサを用いても、正確な回転角度を計測することが可能となる。

また、磁界センサ製造時のピン角設定の許容誤差が増えるので、製造しやすくなる。

さらに、ピン角ズレに起因する補正を少ない演算量で補正をすることができるようになる。

また、回転角計測装置のピン角ズレにより発生する誤差の補正を、校正用のエンコーダを用いることなく実現できるようになる。

次に、図１１を用いて、本発明の第３の実施形態による、ピン角ズレαを調べ、そのピン角ズレαを補正するための回転角計測装置の第１の構成について説明する。
図１１は、本発明の第３の実施形態による、ピン角ズレαを調べ、そのピン角ズレαを補正するための回転角計測装置の第１の構成を示すブロック図である。なお、図１１において、図５及び図８と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態の回転角計測装置２０１ＤＭは、磁界センサ３０１と検出回路部３０２ＤＭとで構成される。検出回路部３０２ＤＭは、信号処理部３０３ＤＭを有する。磁界センサ３０１は、ＧＭＲ素子で構成された２つのブリッジ（ＣＯＳブリッジと、ＳＩＮブリッジ）を有している。差動増幅器３５１Ａは、ＣＯＳブリッジのＶ１，Ｖ２端子の差電圧を検出して、差信号Ｖｘを出力する。同様に、差動増幅器３５１Ｂは、ＳＩＮブリッジのＶ１，Ｖ２端子の差電圧を検出して、差信号Ｖｙを出力する。

信号処理部３０３ＤＭは、ピン角ズレαを検出するための信号処理部３０３Ｄと、検出したピン角ズレαを補正するための信号処理部３０３Ｍとを備えている。信号処理部３０３Ｄは、図５にて説明した構成を有し、信号処理部３０３Ｍは、図８にて説明した構成を有する。すなわち、信号処理部３０３Ｄは、比算出部３８１と、平均値処理部３８６と、期間判定器３８７と、パラメータ記憶部３９０とを備えている。信号処理部３０３Ｄの動作は、図５にて説明したとおりである。信号処理部３０３Ｍは、比算出部３８１と、パラメータ補正部３８２と、ａｔａｎ処理部３８３と、パラメータ記憶部３９０とを備えている。信号処理部３０３Ｍの動作は、図８にて説明したとおりである。

次に、図１２〜図１８を用いて、本発明の第３の実施形態による回転角計測装置の構成及び動作について説明する。
図９及び図１０にて説明したように、第１の実施形態の方法（図５）では、十分な精度でピン角ズレを推定できる範囲がある程度限られている。

そこで、本発明者は、この推定精度を劣化させる原因を鋭意検討した結果、以下の点が明らかになった。

ここで、図１２を用いて、第１の実施形態による回転角計測装置における信号の比ｒ＝Ｖｙ／Ｖｘの波形について説明する。
図１２は、本発明の第１の実施形態による回転角計測装置における信号の比ｒ＝Ｖｙ／Ｖｘの波形の説明図である。

図１２に示すように、信号の比ｒ＝Ｖｙ／Ｖｘの波形は、式（２７）にしたがって、｜Ｖｘ｜と｜Ｖｙ｜の絶対値の大小関係で場合分けをしているので、プロットされない区間がある。式（２７）は図１２に示した形の比ｒ＝ｒ（θ）の平均を算出するわけである。図１２からわかるように、比ｒ（θ）は対称性が良いために、平均値処理では中間的な値は正負間で相殺する。そのため、平均値は、図１２に○で示したｒ（θ）の極大・極小値の数点のデータで実質的に支配される。ｒ（θ）の極大・極小値はθのわずかな変化で大きく変わるため、信号Ｖｘ，Ｖｙのサンプリング点数など、処理条件により大きな影響をうける。この結果、式（２６）で算出したβ値が影響を受け、ピン角ズレ推定値αｅに誤差が生じる。

次に、図１３を用いて、本実施形態による、ピン角ズレαを調べるための回転角計測装置の第２の構成について説明する。
図１３は、本発明の第３の実施形態による、ピン角ズレαを調べるための回転角計測装置の第２の構成を示すブロック図である。

本実施形態は、ピン角ズレαの推定精度を高めたものである。

回転角計測装置２０１ＤＡは、磁界センサ３０１と、検出回路部３０２ＤＡとで構成される。検出回路部３０２ＤＡは、信号処理部３０３ＤＡを有する。磁界センサ３０１は、ＧＭＲ素子で構成された２つのブリッジ（ＣＯＳブリッジとＳＩＮブリッジ）を有している。差動増幅器３５１Ａは、ＣＯＳブリッジのＶ１，Ｖ２端子の差電圧をで検出して、差信号Ｖｘを出力する。同様に、差動増幅器３５１Ｂは、ＳＩＮブリッジのＶ１，Ｖ２端子の差電圧を検出して、差信号Ｖｙを出力する。本明細書では，この差信号Ｖｘ，Ｖｙをそれぞれのブリッジの出力信号と呼ぶ。ブリッジの出力信号Ｖｘ，Ｖｙは信号処理部への入力信号Ｖｘ，Ｖｙとなる。

比算出部３８１は、信号処理部への入力信号Ｖｘ，Ｖｙを入力して、比Ｖｙ／Ｖｘを求める。具体的には、信号Ｖｘ，ＶｙをマイコンのＡＤ変換器に入力して、マイコン内に比算出部３８１を設ければよいものである。なお、比Ｖｙ／Ｖｘの演算にあたっては、絶対値｜Ｖｘ｜と｜Ｖｙ｜の大小比較による分岐処理を行うことで、計算誤差を小さくできる。

次に、窓関数処理部３８５は、比ｒ＝Ｖｙ／Ｖｘを入力して、図１４にて後述する適切な窓関数を適用する。平均値処理部３８６は、窓関数処理した信号を入力して平均値処理をする。平均値処理は磁界方向が１回転する期間について行う。１回転する区間を検出するために期間判定器３８７を用いて期間判定を行う。具体的には、期間判定器３８７は、Ｖｘ信号電圧が開始時電圧と等しい値を２回通過するまでの区間として期間判定を行う。Ｖｘ信号はｃｏｓθに比例するので、２回同じ値を通過することは１周期であることに対応する。式（２７）に示した通り、この平均値がピン角ズレαの正弦β（＝ｓｉｎα）に等しいものである。
なお，平均値処理をする期間は，磁界方向が複数回回転する期間であってもよい。平均値処理期間が３６０°の整数倍，すなわち［０，２Ｎrπ）であれば，（２５）式の第１項はゼロになるので，得られた平均値はピン角ズレαの正弦β（＝ｓｉｎα）に等しい。ここで，Ｎrは１以上の整数であり，磁界方向が回転する周回数である。また，複数回回転させると平均値処理をするデータのサンプリング点数が増えるのでβ値の算出精度が向上するという効果がある。

このようしてに得られたβ値は、パラメータ記憶部３９０に保管される。

次に、図１４及び図１５を用いて、本実施形態による回転角計測装置の窓関数処理部３８５で使用する窓関数Ｗ（ｒ）について説明する。
図１４及び図１５は、本発明の第３の実施形態による回転角計測装置の窓関数処理部で使用する窓関数の説明図である。

窓関数処理部３８５で使用する窓関数Ｗ（ｒ）の具体例として、次式（３１）を用いている。

図１４は、式（３１）で表された窓関数Ｗ（ｒ）の関数形を示している。図１３の処理回路３０３ＤＡの窓関数処理部３８５に適用する窓関数の条件は以下の２つである。

（ａ）ｒ＝０に関して対称な偶関数であること。

（ｂ）入力範囲の両端ほど値が小さくなる関数形であること。

図１４に示したように、式（３１)の窓関数Ｗ（ｒ）は、条件（ａ），（ｂ）を満たしている。

図１５は、比ｒに式（２６）の窓関数Ｗ（ｒ）を乗じた「ｒ×Ｗ（ｒ）」を磁界角度θに対してプロットしたものである。窓関数を乗ずることにより、比ｒにあった不連続点がなくなり、θに関して滑らかな波形になっていることがわかる。このため、例えば、サンプリング点数やサンプリング開始角度などの条件が変化しても、ｒ×Ｗ（ｒ）の平均値はほとんど変化しなくなる。すなわち、窓関数を適用することで、安定な（ロバストな）推定方法が得られるので、一層好ましいものとなる。

窓関数を適用してロバスト化した処理回路である図１５の処理を数式で示すと、次式（３２）となる。

ここで、係数Ａは窓関数を導入したことで生じる変換係数であり、式（３１)の窓関数を用いた場合は、Ａ＝５．５である。窓関数の形を変えると係数Ａも変わる。

次に、図１６〜図１８を用いて、本実施形態による回転角計測装置におけるピン角ズレ量αの推定精度について説明する。
図１６〜図１８は、本発明の第３の実施形態による回転角計測装置におけるピン角ズレ量αの推定精度の説明図である。

図１５または式（３２）に示した構成でピン角ズレαを推定した時の推定誤差について説明する。推定誤差（αｅ−α）を求める方法は前述の通りである。

図１６は、ピン角ズレαの推定誤差（αｅ−α）を、サンプリング点数Ｎを変えて調べた結果である。サンプリング点数Ｎが５０点の場合、ピン角ズレαが大きくなるにつれて推定誤差も増えている。一方、Ｎ＝１００点だと推定誤差は±０．１°以内であり、十分な精度が得られる。Ｎ＝２００点にすると更に精度が向上し誤差量は０．０３°以下になる。また、推定精度±０．２°を得るには、Ｎ≧１００とすればよいことがわかる。

図１７は、初期角度θｓｔａｒｔ依存性を調べた結果である。サンプリング範囲を［θｓｔａｒｔ、３６０°＋θｓｔａｒｔ）に変えてピン角ズレを推定したものである。θｓｔａｒｔ＝０〜２，２２°と変えても推定誤差は±０．１°の範囲で収まっており、窓関数Ｗ（ｒ）の導入により安定に推定できるようになったことがわかる。

図１８は、ノイズの影響を調べた結果である。Ｖｘ，Ｖｙ信号にノイズを重畳した影響を調べている。信号電圧Ｖｘ，Ｖｙに、ｃｏｓまたはｓｉｎ成分に対して振幅比ｂ（％）のノイズ成分が重畳させ、そのノイズを含む信号（Ｖｘ，Ｖｙ）からピン角ズレαの推定値αｅを求める。図１８は、その推定誤差を示している。ノイズが振幅比ｂ＝０．５％の場合は推定誤差は±０．１°以下であり、ｂ＝１％の場合は±０．２５°以下である。ｂ＝２％とノイズ振幅が大きくなると推定誤差は±１％に増大する。図１８から、ノイズが０．５％以下であれば十分な精度でピン角ズレを推定できることがわかる。

以上の結果から、図１３の構成、すなわち、比変数ｒ＝Ｖｙ／Ｖｘに窓関数Ｗ（ｒ）を乗じたものを平均値算出することで、ピン角誤差αの正弦β＝ｓｉｎαを求める構成は、各種の信号取得条件が変化しても安定に（ロバストに）正しい推定値αｅを与えることができる。

式（３２)で示したパラメータ推定処理方法では、磁界角度θは１回転で良いが、複数回転，すなわちＮｒ回転（Ｎｒ＞１）としても良い。Ｎｒ回転とすると、サンプリング点数が実質的に増えるので、パラメータ推定の精度が向上するので、さらに好ましい。

次に、図１９を用いて、本発明の第４の実施形態による、ピン角ズレαを調べ、そのピン角ズレαを補正するための回転角計測装置の第２の構成について説明する。
図１９は、本発明の第４の実施形態による、ピン角ズレαを調べ、そのピン角ズレαを補正するための回転角計測装置の第２の構成を示すブロック図である。なお、図１９において、図８及び図１３と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態の回転角計測装置２０１ＤＭＡは、磁界センサ３０１と検出回路部３０２ＤＭＡとで構成される。検出回路部３０２ＤＭＡは、信号処理部３０３ＤＭＡを有する。磁界センサ３０１は、ＧＭＲ素子で構成された２つのブリッジ（ＣＯＳブリッジと、ＳＩＮブリッジ）を有している。差動増幅器３５１Ａは、ＣＯＳブリッジのＶ１，Ｖ２端子の差電圧を検出して、差信号Ｖｘを出力する。同様に、差動増幅器３５１Ｂは、ＳＩＮブリッジのＶ１，Ｖ２端子の差電圧を検出して、差信号Ｖｙを出力する。

信号処理部３０３ＤＭＡは、ピン角ズレαを検出するための信号処理部３０３ＤＡと、検出したピン角ズレαを補正するための信号処理部３０３Ｍとを備えている。信号処理部３０３ＤＡは、図１３にて説明した構成を有し、信号処理部３０３Ｍは、図８にて説明した構成を有する。すなわち、信号処理部３０３ＤＡは、比算出部３８１と、窓関数処理部３８５と、平均値処理部３８６と、期間判定器３８７と、パラメータ記憶部３９０とを備えている。信号処理部３０３Ｄの動作は、図１３にて説明したとおりである。信号処理部３０３Ｍは、比算出部３８１と、パラメータ補正部３８２と、ａｔａｎ処理部３８３と、パラメータ記憶部３９０とを備えている。信号処理部３０３Ｍの動作は、図８にて説明したとおりである。

次に、図２０〜図２２を用いて、本発明の第５の実施形態による回転角計測装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図２０を用いて、本実施形態による、ピン角ズレαを補正するための回転角計測装置の第２の構成について説明する。
図２０は、本発明の第５の実施形態による、ピン角ズレαを補正するための回転角計測装置の第２の構成を示すブロック図である。

図２０は、回転センサとして動作中の補正処理を実行する回路構成であり、図１３の構成にて求めたズレ量αの正弦β＝ｓｉｎαを用いて回転角計測値を補正する。この構成では、ピン角誤差が大きい場合にも精度良く補正することができる。

式（２８）による補正がピン角誤差｜α｜≦４°の場合に有効である。本実施形態では、｜α｜＞４°でも有効に補正することができる。

回転角計測装置２０１ＭＡは、磁界センサ３０１と検出回路部３０２ＭＡとで構成される。検出回路部３０２ＭＡは、信号処理部３０３ＭＡを有する。磁界センサ３０１は、ＧＭＲ素子で構成された２つのブリッジ（ＣＯＳブリッジと、ＳＩＮブリッジ）を有している。差動増幅器３５１Ａは、ＣＯＳブリッジのＶ１，Ｖ２端子の差電圧を検出して、差信号Ｖｘを出力する。同様に、差動増幅器３５１Ｂは、ＳＩＮブリッジのＶ１，Ｖ２端子の差電圧を検出して、差信号Ｖｙを出力する。本明細書では，この差信号Ｖｘ，Ｖｙをそれぞれのブリッジの出力信号と呼ぶ。ブリッジの出力信号Ｖｘ，Ｖｙは信号処理部への入力信号Ｖｘ，Ｖｙとなる。

比算出部３８１は、信号処理部への入力信号Ｖｘ，Ｖｙを入力して、比Ｖｙ／Ｖｘを求める。具体的には、信号Ｖｘ，ＶｙをマイコンのＡＤ変換器に入力して、マイコン内に比算出部３８１を設ければよい。次に、パラメータ補正部３８２は、比ｒに対して、βを減算した後、係数Ｂｘで除算する。なお、パラメータβ、Ｂｘはパラメータ記憶部３９０から読み出す。

次に、ａｔａｎ処理部３８３は、逆正接処理を行い、磁界角度θを算出する。

ここで、具体的に説明する。式（２５）から、次式（３３）を得る。

なお、Ｂｘ＝SQRT（１−β^２）である。

ここで、式（３３）は、Ｖｘ，Ｖｙの正負を考慮して０〜３６０°の４象限の値を適切に出力するようにする。すなわち、次式（３４）により、

と表せる。

パラメータ補正部３８２は、式（３３）の括弧内を算出する。ａｔａｎ処理部３８３は、式（３４）で表したように０〜３６０°の出力する処理である。

図２０から明らかなように、本実施形態における回転角計測装置２０１Ｍが出力する角度をθとすると、ｔａｎθと磁界センサ３０１の出力信号Ｖｘ，Ｖｙとの間には以下の関係がある。

ここで、ｘ＝βは、回転角θによらない非ゼロの（すなわちゼロでない）一定値である。

式（３３）、式（３４）の関係は正しいが、Ｖｘがゼロに近づくと比Ｖｙ／Ｖｘは発散する。そのため、有限桁数で計算した場合には、計算誤差が大きくなる。また、回路の動作検証時には測定誤差の影響が拡大する。そこで、｜Ｖｘ｜＜｜Ｖｙ｜の場合には比ｒ２＝Ｖｘ／Ｖｙを用いて式（３３）を下記のように変換する。

ここで、ｒ２＝（Ｖｘ／Ｖｙ）である。

すなわち、図２０の回路の動作検証には、｜Ｖｘ｜≧｜Ｖｙ｜の場合には式（３３)を用い、｜Ｖｘ｜＜｜Ｖｙ｜の場合には式（３６)を用いればよい。このようにすると、計算誤差や測定誤差の影響を最小限にして動作検証ができる。なお、式（３４）のａｔａｎ２関数を用いた関係式は、ａｔａｎ２関数の内部アルゴリズムに｜Ｖｘ｜，｜Ｖｙ｜の大小関係による処理分岐を含むので、いずれの場合も成立する。

次に、図２１及び図２２を用いて、本実施形態による回転角計測装置におけるピン角ズレ量αの推定精度について説明する。
図２１及び図２２は、本発明の第５の実施形態による回転角計測装置におけるピン角ズレ量αの推定精度の説明図である。

図２１（ａ）は、ピン角誤差αが４°の場合に、図８の補正回路で補正した場合（図中Ａ）と図２０の補正回路で補正した場合（図中Ｂ）とについて、補正後の回転角θの誤差をプロットしたものである。図２１（ｂ）は、ピン角誤差αが２０°の場合に、図８の補正回路で補正した場合（図中Ａ）と図２０の補正回路で補正した場合（図中Ｂ）とについて、補正後の回転角θの誤差をプロットしたものである。

図２１（ａ）はα＝４°の場合であり、図８の補正回路の場合、すなわち、β値の補正のみの場合で誤差が最大で０．０７°となっており、十分な精度が得られている。一方、図２１（ｂ）はα＝２０°の場合であり、この場合は図８の補正回路では誤差が最大１．７°であり、誤差が大きくなっている。しかし、図２０の補正回路を用いると、図２１（ｂ）の曲線Ｂに示されているように誤差はゼロであり、十分な精度が得られる。

図２２は、このようにして求めた、種々のピン角ズレ量と、各補正方式による出力角度θの最大誤差との関係を示している。図中、曲線Ａは図８の補正回路を用いた結果であり、曲線Ｂは図２０の補正回路を用いた場合である。この図からわかるように、図８の補正回路は、α≦４°の場合に誤差が０．１°以下に収まっており、十分な精度が得られる。一方、α＞４°の場合は、図２０の補正方式（曲線Ｂ）を用いることで十分な精度を確保できることがわかる。

以上説明のように、本実施形態によれば、ピン角設定に誤差を含む磁界センサを用いても、ピン角の推定誤差を小さくして、正確な回転角度を計測することが可能となる。

次に、図２３を用いて、本発明の第６の実施形態による、ピン角ズレαを調べ、そのピン角ズレαを補正するための回転角計測装置の第３の構成について説明する。
図２３は、本発明の第６の実施形態による、ピン角ズレαを調べ、そのピン角ズレαを補正するための回転角計測装置の第３の構成を示すブロック図である。なお、図２３において、図１３及び図２０と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態の回転角計測装置２０１ＤＭＢは、磁界センサ３０１と検出回路部３０２ＤＭＢとで構成される。検出回路部３０２ＤＭＢは、信号処理部３０３ＤＭＢを有する。磁界センサ３０１は、ＧＭＲ素子で構成された２つのブリッジ（ＣＯＳブリッジと、ＳＩＮブリッジ）を有している。差動増幅器３５１Ａは、ＣＯＳブリッジのＶ１，Ｖ２端子の差電圧を検出して、差信号Ｖｘを出力する。同様に、差動増幅器３５１Ｂは、ＳＩＮブリッジのＶ１，Ｖ２端子の差電圧を検出して、差信号Ｖｙを出力する。本明細書では，この差信号Ｖｘ，Ｖｙをそれぞれのブリッジの出力信号と呼ぶ。ブリッジの出力信号Ｖｘ，Ｖｙは信号処理部への入力信号Ｖｘ，Ｖｙとなる。

信号処理部３０３ＤＭＢは、ピン角ズレαを検出するための信号処理部３０３ＤＡと、検出したピン角ズレαを補正するための信号処理部３０３ＭＡとを備えている。信号処理部３０３ＤＡは、図１３にて説明した構成を有し、信号処理部３０３ＭＡは、図２０にて説明した構成を有する。すなわち、信号処理部３０３ＤＡは、比算出部３８１と、窓関数処理部３８５と、平均値処理部３８６と、期間判定器３８７と、パラメータ記憶部３９０とを備えている。信号処理部３０３Ｄの動作は、図１３にて説明したとおりである。信号処理部３０３ＭＡは、比算出部３８１と、パラメータ補正部３８２と、ａｔａｎ処理部３８３と、パラメータ記憶部３９０とを備えている。信号処理部３０３ＭＡの動作は、図２０にて説明したとおりである。

次に、図２４を用いて、本発明の第７の実施形態による回転角計測装置の構成について説明する。
図２４は、本発明の第７の実施形態による回転角計測装置の構成を示すブロック図である。

ＧＭＲセンサを用いた回転角計測装置の計測精度の誤差要因には、ピン角ズレによる誤差の要因の他に、信号オフセットも誤差を発生する場合がある。本実施形態は、この誤差要因をも除去して高精度な計測を可能にするものである。

信号オフセットは、ＧＭＲ素子の角度非依存項Ｒｎ０のバラツキにより発生するものである。ＧＭＲセンサの出力信号Ｖｘ，Ｖｙに含まれ得る信号オフセットについて説明する。

ＧＭＲ素子の抵抗を磁界非依存項Ｒｎ０と磁界依存項ΔＲと分離して、

と表すと、ＧＭＲブリッジの出力信号ΔＶは次式（３８）で表される。

ここで、Ｃは、

である。

式（３８)において、磁界非依存の抵抗成分が互いに等しければ、Ｒ１０×Ｒ３０＝Ｒ２０×Ｒ４０が成立するので信号ΔＶにオフセットは生じないが、抵抗値のバラツキによりＲ１０×Ｒ３０≠Ｒ２０Ｒ４０となると、磁界方向に依存性しないオフセット成分が発生する。

オフセットがあると式（２２)，式（２３）は成立しないので、式（２７)あるいは式（３２)の補正アルゴリズムは成立しない。したがって、これらの補正アルゴリズムの適用に先立って、信号オフセットを除去する必要がある。

式（３７)からわかるように、オフセットがある場合は、式（２２)，式（２３）は、次式（４０），式（４１）で表される。

ここで、ｃｏｓ関数とｓｉｎ関数は１周期積分すると正負が打ち消しあうので、磁界方向を０〜３６０°に回転させて平均値をとると、オフセット電圧ＶＣｏｆｓ，ＶＳｏｆｓが求まる。すなわち、

により、算出できる。

したがって、以下の補正手順により、抵抗バラツキ起因のオフセット電圧とピン角ズレの両方を補正できる。
（ａ）磁界を一定角速度で２回転まわし、
（ｂ）１回転目でＶｘ、Ｖｙのオフセット電圧ｂｘ、ｂｙを式（４２），式（４３で求める。

（ｃ）２回転目で、Ｖｘ，Ｖｙからそれぞれｂｘ，ｂｙを減算した値Ｖｘ’＝Ｖｘ−ｂｘ，Ｖｙ’＝Ｖｙ−ｂｙを算出して、Ｖｘ’，Ｖｙ’に対して、式（２７）あるいは式（３２）のアルゴリズムでピン角ズレ量βを求める。

（ｄ）Ｂｘ＝SQRT（１−β^２）により、β値からＢｘを計算する。
なお，上記では，オフセット電圧ｂｘ，ｂｙの検出工程に磁界方向を１回転させ，ピン角ズレ量（補正パラメータ）βの検出工程に磁界方向を１回転させた例を述べた。ここで，磁界方向を（ｎ＋ｍ）回転以上回転させ，オフセット電圧ｂｘ，ｂｙの検出工程に磁界方向をｎ回転させ（ｎ＞１），その後で，ピン角ズレ量（補正パラメータ）βの検出工程に磁界方向をｍ回転させ（ｍ＞１）てもよい。オフセット電圧の検出工程と補正パラメータβの検出工程の間に磁界方向が回転していても構わないので，磁界方向の回転方向は合計（ｎ＋ｍ）回となる。オフセット電圧の検出工程と補正パラメータβの検出工程のそれぞれで，磁界方向を複数回転回すと，サンプリング点数が増えるので，各パラメータの取得精度が向上する利点がある。

図２４に示す回路は、磁界センサが信号オフセットとピン角誤差とを有する場合に、ピン角ズレαを調べるために用いられる回路構成である。

本実施形態の回転角計測装置２０１ＤＢは、磁界センサ３０１と、検出回路部３０２ＤＢとで構成される。検出回路部３０２ＤＢは、信号処理部３０３ＤＢを有する。磁界センサ３０１は、図６にて説明したように、ＧＭＲ素子で構成された２つのブリッジ（ＣＯＳブリッジと、ＳＩＮブリッジ）を有している。差動増幅器３５１Ａは、ＣＯＳブリッジのＶ１，Ｖ２端子の差電圧を検出して、差信号Ｖｘを出力する。ここで、Ｖｘ＝−ΔＶｃ＝−（Ｖ２−Ｖ１）になるようにする。また、差動増幅器３５１Ｂは、ＳＩＮブリッジのＶ１，Ｖ２端子の差電圧を検出して、差信号Ｖｙを出力する。ここで、Ｖｙ＝ΔＶｓである。本明細書では，この差信号Ｖｘ，Ｖｙをそれぞれのブリッジの出力信号と呼ぶ。ブリッジの出力信号Ｖｘ，Ｖｙは信号処理部への入力信号Ｖｘ，Ｖｙとなる。

比算出部３８１は、信号処理部への入力信号Ｖｘ，Ｖｙを入力して、比Ｖｙ／Ｖｘを算出する。具体的には、信号Ｖｘ，ＶｙをマイコンのＡＤ変換器に入力して、マイコン内に比算出部３８１を設ければよいものである。なお、比Ｖｙ／Ｖｘの演算にあたっては、式（２７）に示したように、絶対値比較による分岐処理を行うことで、計算誤差を小さくできる。

次に、窓関数処理部３８５は、比ｒ＝Ｖｙ／Ｖｘを入力して、図１４にて説明した適切な窓関数を適用する。

平均値処理部３８６は、窓関数処理した信号を入力して平均値処理をする。磁界回転の１回転目で、信号出力Ｖｘ，Ｖｙの平均処理を行い、式（４２），式（４３）にしたがって、それぞれのオフセットｂｘ，ｂｙを求めてパラメータ記憶部３９０に保管する。磁界回転の２回転目では、出力信号Ｖｘ，Ｖｙをオフセット減算処理部３５３Ａ，３５３Ｂにおいて、記憶部３９０に保管されたオフセットｂｘ，ｂｙを用いて、それぞれを減算する。

オフセットが補正された信号Ｖｘ’＝Ｖｘ−ｂｘ，Ｖｙ’＝Ｖｙ−ｂｙを信号処理部３０３ＤＢの入力信号とする。信号処理部３０３ＤＢへの入力信号Ｖｘ’，Ｖｙ’に対して、比算出部３８１，窓関数処理部３８５，平均値処理部３８６で前述のように処理することで、ピン角ズレαの正弦β（＝ｓｉｎα）が得られる。

このようしてに得られたβ値は、パラメータ記憶部３９０に保管される。
なお，上記では，オフセット電圧ｂｘ，ｂｙの検出工程に磁界方向を１回転させ，ピン角ズレ量（補正パラメータ）βの検出工程に磁界方向を１回転させた例を述べた。ここで，磁界方向を（ｎ＋ｍ）回転以上回転させ，オフセット電圧ｂｘ，ｂｙの検出工程に磁界方向をｎ回転させ（ｎ＞１），その後で，ピン角ズレ量（補正パラメータ）βの検出工程に磁界方向をｍ回転させ（ｍ＞１）てもよい。オフセット電圧の検出工程と補正パラメータβの検出工程の間に磁界方向が回転していても構わないので，磁界方向の回転方向は合計（ｎ＋ｍ）回となる。オフセット電圧の検出工程と補正パラメータβの検出工程のそれぞれで，磁界方向を複数回転回すと，サンプリング点数が増えるので，各パラメータの取得精度が向上する利点がある。

以上のように、本実施形態では、ＧＭＲセンサの素子バラツキ起因の誤差を、３つのパラメータβ，ｂｘ，ｂｙの減算処理、および係数１／Ｂｘの乗算処理のみで補正できる。これらの処理は計算負荷が少ないので、安価な汎用マイコンで容易に実行できる。

次に、図２５を用いて、本発明の第８の実施形態による回転角計測装置の構成及び動作について説明する。
図２５は、本発明の第８の実施形態による、ピン角ズレαを補正するための回転角計測装置の第３の構成を示すブロック図である。

図２５は、回転センサとして動作中の補正処理を実行する回路構成であり、図２４の構成にて求めたオフセットｂｘ，ｂｙ及びズレ量αの正弦β（＝ｓｉｎα）を用いて回転角計測値を補正する。

本実施形態の回転角計測装置２０１ＭＢは、磁界センサ３０１と検出回路部３０２ＭＢとで構成される。検出回路部３０２ＭＢは、オフセット減算処理部３５３Ａ，３５３Ｂと、信号処理部３０３Ｍを有する。磁界センサ３０１は、ＧＭＲ素子で構成された２つのブリッジ（ＣＯＳブリッジと、ＳＩＮブリッジ）を有している。差動増幅器３５１Ａは、ＣＯＳブリッジのＶ１，Ｖ２端子の差電圧を検出して、差信号Ｖｘを出力する。同様に、差動増幅器３５１Ｂは、ＳＩＮブリッジのＶ１，Ｖ２端子の差電圧を検出して、差信号Ｖｙを出力する。

オフセット減算処理部３５３Ａ，３５３Ｂは、それぞれ、出力信号Ｖｘ，Ｖｙから、記憶部３９０に保管されたオフセットｂｘ，ｂｙを減算する。オフセットを補正したＶｘ’＝Ｖｘ−ｂｘ，Ｖｙ’＝Ｖｙ−ｂｙを信号処理部３０３Ｍの入力信号とする。

入力信号Ｖｘ’，Ｖｙ’は信号処理部３０３Ｍに入力され，比算出部３８１において比Ｖｙ’／Ｖｘ’を求める。具体的には、信号Ｖｘ’，Ｖｙ’をマイコンのＡＤ変換器に入力して、マイコン内に比算出部３８１を設ければよい。次に、パラメータ補正部３８２は、パラメータ記憶部３９０に保管された補正パラメータβを読み出し、補正処理を行う。具体的には、パラメータβを比Ｖｙ’／Ｖｘ’から減算する。次に、ａｔａｎ処理部３８３は、逆正接処理を行い、磁界角度θを算出する。ａｔａｎ処理部３８３は、式（２９）の処理を行う。

以上説明のように、本実施形態によれば、ピン角設定に誤差を含む磁界センサを用いても、オフセット誤差も補正して、ピン角の推定誤差を小さくして、正確な回転角度を計測することが可能となる。

以上説明した各実施形態では、比Ｖｙ／Ｖｘをもとにして信号処理をする方法を説明してきたが、Ｖｘ／Ｖｙをもとにして信号処理をしてもよいものである。式（２８），式（３３）は、実際の処理ではそれぞれ式（２９），式（３４)で処理をする。式（２９），式（３４)中のａｔａｎ２（ｙ，ｘ）の処理においては、ＡｒｃＴａｎ（ｙ／ｘ）として角度を算出する以外にも、ＡｒｃＣｏｔ（ｘ／ｙ）として処理しても角度が得られる。｜ｘ｜＞｜ｙ｜の場合はＡｒｃＴａｎ（ｙ／ｘ）の方が計算精度が良く、｜ｘ｜＜｜ｙ｜の場合はＡｒｃＣｏｔ（ｘ／ｙ）の方が計算精度が良い。

次に、図２６及び図２７を用いて、前述の各実施形態による回転角計測装置を用いたモータシステムの構成について説明する。
図２６及び図２７は、本発明の各実施形態による回転角計測装置を用いたモータシステムの構成図である。

本例のモータシステムは、モータ部１００と、回転角検出部２００とで構成される。

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る。モータ部１００は、複数の固定磁極を構成するステータ１１０と、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。

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が設けられ、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１０３，１０７は、回転軸１２１を回転可能なように支持している。

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。

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。

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。本例では、Δ（デルタ）結線方式を採用している。

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１２２ａ、１２２ｂとを備えている。マグネットカバー１２２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。

次に、回転角検出部２００の構成を説明する。

回転角検出部２００は、回転角計測装置２０１ＤＭ（以下、「磁界センサ・モジュール２０１ＤＭ」と称する）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２０１ＤＭ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。

磁界センサ・モジュール２０１ＤＭは、回転軸１２１の回転中心線２２６上に設置すると、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。

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。

磁界センサ・モジュール２０１ＤＭは、図８に示したように、磁界センサ３０１と検出回路部３０２Ｍとで構成される。検出回路部３０２Ｍは、信号処理部３０３Ｄを有する。

磁界センサ３０１は、磁界の方向に応じて出力信号が変化するものであり、ＧＭＲ素子で構成する。

磁界センサ・モジュール２０１ＤＭは、磁界センサの設置場所の磁界の方向θｍを、磁界センサが持つ基準角度θｍ０を基準として検出する。すなわち、θ＝θｍ−θｍ０に対応する信号を出力する。本例で用いた磁界センサ３０１は２個のＧＭＲ素子で構成されており、それぞれｃｏｓ（θｍ−θｍ０）、およびｓｉｎ（θｍ−θｍ０＋α）に比例した信号を出力する。ここで、αはピン角ズレである。

磁界センサ・モジュール２０１ＤＭ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が１．１以下の材料で構成するのが好ましい。本実施例ではアルミニウムで構成した。

なお、磁界センサ・モジュール２０１ＤＭ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３０１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。

磁界センサ・モジュール２０１ＤＭ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３０１の出力信号を外部に伝送する。

磁界センサ・モジュール２０１ＤＭは、図１１に示したように、磁界センサ３０１と検出回路部３０２ＤＭとで構成される。磁界センサ３０１には、複数個のＧＭＲ型素子がブリッジ構成で入っている。磁界センサ３０１は、図６に示した構成である。検出回路部３０２ＤＭは、ＧＭＲ素子に印加する電圧を供給する駆動回路部と、ＧＭＲ素子からの信号を検出・増幅する差動増幅器３５１と、その出力信号を処理する信号処理部３０３ＤＭで構成される。信号処理部３０３ＤＭは、図１１に示した構成を有している。

ここで、図２７を用いて、補正パラメータを取得する時の構成について述べる。磁界センサ・モジュール２０１ＤＭからの信号は、電子コントロール・ユニット４１１（ＥＣＵと略記する）に入力される。ＥＣＵ４１１は、駆動部４１２に制御コマンドを送信する。駆動部４１２は、モータ部１００のステータ１１０に適切な電圧波形を出力することで、ロータ１２１の回転速度や回転軸位置などを制御する。

補正パラメータを取得する際は、ＥＣＵ４１１が駆動部４１２に一定角速度でロータ１２１を回転させるコマンドを送信することで、ロータ１２１が一定速度で回転する。この際、磁界センサ・モジュール２０１ＤＭの信号処理部３０３Ｄは、図１３の構成を取ることで、補正パラメータを取得し、パラメータ記憶部３９０に記憶する。

なお、磁界センサ・モジュール２０１ＤＭを磁界センサ３０１のみで構成し、検出回路部３０２ＤをＥＣＵ４１１の内部に構成してもよい。

また、本例では、ある時間間隔毎に補正パラメータを更新処理することも可能である。これにより、回転角計測装置を長期間にわたって使用することで補正パラメータが経時変化を示す場合でも、更新処理された補正パラメータを使うことで正確な計測結果を維持できる。

なお、磁界センサ・モジュール２０１ＤＭの構成としては、図１９に示した回転角計測装置２０１ＤＭＡや、図２３に示した回転角計測装置２０１ＤＭＢの構成とすることもできる。さらに、図２９にて後述する装置を用いて、予め、補正パラメータを取得した場合には、磁界センサ・モジュール２０１ＤＭの構成としては、図８に示した回転角計測装置２０１Ｍや、図２０に示した回転角計測装置２０１ＭＡや、図２５に示した回転角計測装置２０１ＭＢの構成とすることもできる。この際、記憶装置３９０には、予め取得した補正パラメータが記憶されている。

次に、図２８を用いて、前述の各実施形態による回転角計測装置を用いた電動パワーステアリングシステムの構成について説明する。
図２８は、本発明の各実施形態による回転角計測装置を用いた電動パワーステアリングシステムの構成図である。

図２８に示す電動パワーステアリング（Electric Power-Assisted Steering）において、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、回転角計測装置２０１ＤＭ（以下、「磁界センサ・モジュール２０１ＤＭ」と称する）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２０１ＤＭからの回転角信号とから、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。

電動パワーステアリング装置のシステムとしての角度原点（システム原点）にシステムを設定し、その状態での回転軸１２１の回転角θｒ０を読み出す。具体的には、ハンドル５０１を適切な位置に設定した状態で、磁界センサ・モジュール２０１ＤＭの信号を測定して磁界角度θｍを求め、システム原点に対応する磁界角度回転角θｍ０を、電動パワーステアリング装置の制御装置（電子コントロール・ユニットＥＣＵ）４１１に記憶・保管する。

回転角検出装置のシステムへの設置時に組み付け誤差があった場合でも、システム原点に対応する磁界角θｍ０値がわかっていれば誤差の補償ができる。

パワーステアリング装置などのシステムにおいて必要な情報は、システムとしての角度θｓｙｓ、すなわちハンドルの回転角である。本例によれば、磁界センサ・モジュール２０１ＤＭの出力信号から得られる磁界角度θｍから、システムとしての角度θｓｙｓが正確に得られる。

次に、図２９を用いて、前述の各実施形態による回転角計測装置を用いた磁界センサ３０１の製造時の検査システムについて説明する。
図２９は、本発明の各実施形態による回転角計測装置を用いた磁界センサの製造時の検査システムの説明図である。

本例では、補正パラメータの取得を磁界センサ３０１の製造時の検査工程で行う。図２９に示したように、ＧＭＲ素子を含む磁界センサ３０１をステージ上に配置しておき、均一磁界を発生する磁界発生体２０２を回転させながら、各磁界センサの（Ｖｘ，Ｖｙ）信号を測定し、図５に示した回転角計測装置２０１Ｄや、図１３に示した回転角計測装置２０１ＤＡや、図２４に示した回転角計測装置２０１ＤＢを用いて、式（３２)の方法、および式（４２)，式（４３）の方法で各センサ毎に補正パラメータを取得する。これにより、それぞれの磁界センサ３０１毎にピン角ズレ値α（またはその正弦β＝ｓｉｎα）、信号オフセットｂｘ，ｂｙ、そして式（４２)，式（４３）で定義されるＢｘ値がわかる。

このようにして補正パラメータを取得した磁界センサ３０１を回転角計測装置２０１ＭＡに組込む。この回転角計測装置２０１ＭＡの信号処理部３０３ＭＡは、図２０の構成とし、パラメータ記憶部３９０に補正パラメータβ、Ｂｘを記録する。このようにすると、回転角計測装置２０１ＭＡは、ピン角設定誤差の影響を低減できるので、高精度な測定が可能になる。

なお、以上の説明では、磁界センサとしてＧＭＲ素子を用いているが、磁界センサとしてＴＭＲ素子（トンネル磁気抵抗素子；Tunneling Magneto-Resistance element）を用いた回転角計測装置に対しても有効である。ＴＭＲ素子は、図２においてスペーサ１２として絶縁層を用いたものであり、固定磁化層の磁化方向（ピン角）θｐと自由磁化層の磁化方向θｆとのなす角度に応じて抵抗値が変化する（自由磁化層の磁化方向は外部磁界の方向に揃う）。したがって、本発明が適用することで同様の効果が得ることができる。

１１…自由磁性層
１２…スペーサ
１３…固定磁性層
５１，５２…ＧＭＲ素子
６０Ａ，６０Ｂ…ブリッジ
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…回転軸
２００…回転角検出部
２０１Ｄ，２０１ＤＡ，２０１ＤＢ，２０１ＤＭ，２０１ＤＡ，２０１ＤＢ，２０１ＤＭ，２０１ＤＭＡ，２０１ＤＭＢ…回転角計測装置
２０２…磁界発生体
３０１…磁界センサ
３０２Ｄ，３０２ＤＡ，３０２ＤＢ，３０２ＤＭ，３０２ＤＡ，３０２ＤＢ，３０２ＤＭ，３０２ＤＭＡ，３０２ＤＭＢ…検出回路部
３０３Ｄ，３０３ＤＡ，３０３ＤＢ，３０３ＤＭ，３０３ＤＡ，３０３ＤＢ，３０３ＤＭ，３０３ＤＭＡ，３０３ＤＭＢ…信号処理部
３５１…差動増幅器
３５３…オフセット減算処理部
３８１…比算出部
３８２…パラメータ補正部
３８３…ａｔａｎ処理部
３８５…窓関数処理部
３８６…平均値処理部
３８７…期間判定器
３９０…パラメータ記憶部
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

Claims

磁界センサと、信号処理部とを有し、
前記磁界センサは、固定磁化層を有する磁気抵抗素子で構成されたブリッジを２つ有し、
前記信号処理部は、第１の前記ブリッジの出力信号Ｖｘを入力信号Ｖｘとし、第２の前記ブリッジの出力信号Ｖｙを入力信号Ｖｙとし、磁界方向角度θを出力する回転角計測装置であって、
前記信号処理部において、前記入力信号の比Ｖｙ／Ｖｘとｔａｎθとの差が、非ゼロの一定値であることを特徴とする回転角計測装置。
磁界センサと、信号処理部とを有し、
前記磁界センサは、固定磁化層を有する磁気抵抗素子で構成されたブリッジを２つ有し、
前記信号処理部は、第１の前記ブリッジの出力信号Ｖｘを入力信号Ｖｘとし、第２の前記ブリッジの出力信号Ｖｙを入力信号Ｖｙとし、磁界方向角度θを出力する回転角計測装置であって、
前記信号処理部において、前記入力信号の比Ｖｙ／Ｖｘとｔａｎθと間で，（１／SQRT（１−ｘ^２））×（Ｖｙ／Ｖｘ）−ｔａｎθ＝ｘを満たす，非ゼロの一定値ｘがあり，かつｘはθによらない一定値であることを特徴とする回転角計測装置。
請求項１ないし２に記載の回転角計測装置において、
前記信号処理部は、
前記入力信号Ｖｘ，Ｖｙの比Ｖｙ／Ｖｘを算出する比算出部と、
該比算出部が算出した前記比Ｖｙ／Ｖｘから、予め検出された補正パラメータβを減算するパラメータ補正部と、
該パラメータ補正部で算出された値に対して、逆正接処理を行い、磁界角度θを算出するａｔａｎ処理部とを
備えることを特徴とする回転角計測装置。
請求項３記載の回転角計測装置において、
前記パラメータ補正部は、算出された値（Ｖｙ／Ｖｘ−β）を、Ｂｘ＝SQRT（１−β^２）で除算することを特徴とする回転角計測装置。
請求項３記載の回転角計測装置において、
前記第１の前記ブリッジの出力信号Ｖｘと第２の前記ブリッジの出力信号Ｖｙとから、それぞれ、予め検出されたオフセットｂｘ，ｂｙを減算するオフセット減算処理部を備え、
該オフセット減算処理部の出力（Ｖｘ−ｂｘ），（Ｖｙ−ｂｙ）を、それぞれ前記信号処理部の前記入力信号とすることを特徴とする回転角計測装置。
請求項１ないし２に記載の回転角計測装置において、
前記信号処理部は、
前記入力信号の比Ｖｙ／Ｖｘに対して、磁界方向が１回転もしくは複数回転する期間についての平均値から、前記補正パラメータβを算出する平均値処理部を備えることを特徴とする回転角計測装置。
請求項６記載の回転角計測装置において、
前記比算出部が算出した前記比Ｖｙ／Ｖｘに対して、前記比ｒ（＝Ｖｙ／Ｖｘ）を引数とする窓関数Ｗ（ｒ）を乗算する窓関数処理部を備え、
該窓関数処理部の出力に対して、前記平均値処理部は、磁界方向が１回転もしくは複数回転する期間について平均値を算出することを特徴とする回転角計測装置。
請求項７記載の回転角計測装置において、
前記窓関数Ｗ（ｒ）は、偶関数であることを特徴とする回転角計測装置。
請求項７記載の回転角計測装置において、
前記パラメータ補正部は、算出された値を、Ｂｘ＝SQRT（１−β^２）で除算することを特徴とする回転角計測装置。
請求項１記載の回転角計測装置において、
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回転角計測装置。
磁界センサと、信号処理部とを有し、
前記磁界センサは、固定磁化層を有する磁気抵抗素子で構成されたブリッジを２つ有し、
前記信号処理部は、第１の前記ブリッジの出力信号Ｖｘを入力信号Ｖｘとし、第２の前記ブリッジの出力信号Ｖｙを入力信号Ｖｙとし、磁界方向角度θを出力する回転角計測装置であって、
前記信号処理部は、前記入力信号の比Ｖｙ／Ｖｘの、磁界方向が１回転もしくは複数回転する期間についての平均値から、前記補正パラメータβを算出する平均値処理部を備えることを特徴とする回転角計測装置。
請求項１１記載の回転角計測装置において、
前記比算出部が算出した前記比Ｖｙ／Ｖｘに対して、前記比ｒ（＝Ｖｙ／Ｖｘ）を引数とする窓関数Ｗ（ｒ）を乗算する窓関数処理部を備え、
該窓関数処理部の出力に対して、前記平均値処理部は、磁界方向が１回転する期間について平均値を算出することを特徴とする回転角計測装置。
請求項１１記載の回転角計測装置において、
前記第１の前記ブリッジの出力信号Ｖｘと第２の前記ブリッジの出力信号Ｖｙとから、それぞれ、予め検出されたオフセットｂｘ，ｂｙを減算するオフセット減算処理部を備え、
該オフセット減算処理部の出力を、前記信号処理部の前記比算出部の入力とすることを特徴とする回転角計測装置。
請求項１３記載の回転角計測装置において、
前記平均値処理部は、１以上の整数値ｎ，ｍに対し，磁界を一定角速度で（ｎ＋ｍ）回転以上回転させる期間のうち、ｎ回転させる期間で前記オフセット電圧ｂｘ，ｂｙを求め、
ｍ回転させる期間で、前記オフセット減算部は、信号Ｖｘ，Ｖｙからそれぞれ前記オフセット電圧ｂｘ，ｂｙを減算した値Ｖｘ’＝Ｖｘ−ｂｘ，Ｖｙ’＝Ｖｙ−ｂｙを算出し、
前記平均値処理部は、値Ｖｘ’，Ｖｙ’に対して、前記補正パラメータβを求めることを特徴とする回転角計測装置。
請求項１１記載の回転角計測装置において、
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回転角計測装置。