WO2012090768A1 - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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鈴木　睦三
深津　克明
隆史 松村
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Astemo Ltd
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Hitachi Automotive Systems Ltd
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
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    • H02K11/21—Devices for sensing speed or position, or actuated thereby
    • H02K11/215—Magnetic effect devices, e.g. Hall-effect or magneto-resistive elements

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic field angle measuring device configured using a magnetoresistive element (hereinafter referred to as an MR (Magnetoresistive) element), and a rotation angle measuring device using the same.
  • MR Magnetoresistive element
  • the position sensor refers to a rotation angle sensor that detects the position (rotation angle) of a rotating body, a position sensor of a moving body that performs translational movement, and the like.
  • a magnetic field generator such as a magnet is attached to the rotating body, and the direction of the magnetic field is measured by the magnetic field angle measurement sensor.
  • the position sensor refers to a rotation angle sensor that detects the position (rotation angle) of a rotating body, a position sensor of a moving body that performs translational movement, and the like.
  • a sensor using a magnetoresistive element is known as such a magnetic field angle measurement sensor.
  • a magnetoresistive element is an element whose electric resistance value changes according to the direction and strength of a magnetic field applied to the element.
  • the magnetoresistive effect element includes an anisotropic magnetoresistive layer element (Anisotropic Magneto-resistance, hereinafter referred to as “AMR element”), a giant magnetoresistive effect element (Giant Magnetoresistance, hereinafter referred to as “GMR element”), Tunneling magnetoresistive elements (Tunneling Magnetoresistance, hereinafter referred to as “TMR elements”) are known.
  • AMR element anisotropic magnetoresistive layer element
  • GMR element giant magnetoresistive effect element
  • TMR elements Tunneling magnetoresistive elements
  • the basic configuration of the GMR element is shown in FIG.
  • the GMR element has a first magnetic layer (pinned magnetic layer or pinned magnetic layer) 13 and a second magnetic layer (free magnetic layer) 11, and a nonmagnetic layer (spacer layer) between the two magnetic layers. ) 12 is sandwiched.
  • an external magnetic field 30 is applied to the GMR element, the magnetization direction of the fixed magnetic layer remains unchanged and fixed, while the magnetization direction 20 of the free magnetic layer changes according to the direction of the external magnetic field.
  • the angle of the magnetization direction 22 of the pinned magnetic layer is referred to as a pin angle and is represented by ⁇ p .
  • FIG. 3 schematically shows cross sections of the free magnetic layer 11, the spacer layer 12, and the pinned magnetic layer 13. As shown in FIG. The arrows in the free magnetic layer 11 and the pinned magnetic layer 13 schematically indicate the direction of spin of many electrons.
  • G / R is called a GMR coefficient and is several percent to several tens percent.
  • the GMR element is also called a spin valve element because the current flow (that is, electric resistance) can be controlled by the direction of electron spin.
  • the demagnetizing coefficient in the normal direction of the surface is extremely large, so the magnetization vector cannot rise in the normal direction (thickness direction), and in-plane Lying on. Since both the free magnetic layer 11 and the pinned magnetic layer 13 constituting the GMR element are sufficiently thin, the respective magnetization vectors lie in the in-plane direction.
  • the Wheatstone bridge 60 is configured by using four GMR elements R 1 (51-1) to R 4 (51-4).
  • the difference voltage ⁇ V V c2 ⁇ V c1 between the terminals V c1 and V c2 when the excitation voltage e 0 is applied to the bridge circuit 60 of FIG. 4 is as follows:
  • This bridge circuit is called a COS bridge because it outputs a signal proportional to cos ⁇ .
  • the bridge 61 Since it is proportional to sin ⁇ , the bridge 61 is called a SIN bridge.
  • the direction ⁇ m (magnetic field angle) of the magnetic field vector can be obtained.
  • the magnetoresistive element is characterized by directly detecting the magnetic field direction.
  • Patent Document 1 discloses a method of detecting an abnormality in a rotation angle sensor when the abnormality occurs.
  • Patent Document 1 when the sum (V 1 + V 2 ) of the two outputs V 1 and V 2 of the bridge exceeds a predetermined range, it is determined that the sensor is faulty so that incorrect angle information is not output from the sensor. Take appropriate action. In this way, the safety of a vehicle or the like using the sensor can be improved.
  • the digitization represented by “X-by-Wire” which operates only with electronic signals is also progressing.
  • the command signal given by the driver with the steering wheel is once converted into an electronic signal (such as angle information). This is transmitted to the steering control device, and the steering drive motor is operated by the control according to the electronic signal.
  • An object of the present invention is to provide a magnetic field angle measurement device or a rotation angle measurement device capable of outputting a measurement result capable of continuing the operation of the system even when an abnormality occurs in the sensor and contributing to downsizing of the system. is there.
  • an angle signal is output based on a signal output from the normal half bridge.
  • GMR element giant magnetoresistive element
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a magnetic field angle detection device according to the present embodiment.
  • the magnetic field angle detection device includes a COS bridge 60, a SIN bridge 61, and a detection unit 302.
  • the COS bridge 60 and the SIN bridge 61 are collectively referred to as an MR bridge unit 70.
  • MR is an abbreviation for magneto-resistive element.
  • the COS bridge 60 is composed of four GMR elements 51. By appropriately setting the spin direction (pin angle) of the fixed layer of the GMR element 51 as shown in FIG. V c2 ⁇ V c1 ) is proportional to the cosine cos ⁇ of the magnetic field angle ⁇ .
  • the SIN bridge 61 includes four GMR elements 52. By appropriately setting the pin angle of the GMR element 52, the signal voltage (V s2 -V s1 ) of the bridge is changed to the magnetic field angle ⁇ . It is proportional to the sine sin ⁇ of.
  • the one in which the bridge signal voltage (V c2 ⁇ V c1 ) is proportional to the cosine cos ⁇ of the magnetic field angle ⁇ is defined as the COS bridge 60, and the signal voltage (V s2 ⁇ V s1 ) is the sine sin ⁇ of the magnetic field angle ⁇ . What is proportional is defined as the SIN bridge 61.
  • the reference angle of the magnetic field angle ⁇ is appropriately set so that the two signals are proportional to cos ⁇ and sin ⁇ , respectively.
  • the COS bridge and the SIN bridge are defined as follows.
  • a case where (V s2 ⁇ V s1 ) is proportional to the sine sin ( ⁇ eff ) of the effective magnetic field angle ⁇ eff is defined as a SIN bridge.
  • the reference angle of the magnetic field angle is appropriately selected so that the two signals are proportional to cos ( ⁇ eff ) and sin ( ⁇ eff ).
  • an AMR element is used will be described in detail in a later embodiment.
  • the detection unit 302 receives the signal voltages V c1 , V c2 , V s1 , and V s2 of each bridge, and calculates and outputs the magnetic field angle ⁇ using these signals. During normal operation, the magnetic field angle is obtained using the relationship of (Equation 2) to (Equation 7).
  • the excitation voltage e 0 was applied to the COS bridge 60 and the SIN bridge 61, and the other terminal was set to the ground potential (Ground potential, expressed as “GND” in the figure). This is the same connection as a normal bridge.
  • the excitation voltage e 0 was set to 5 V in this example.
  • connection between the MR bridge unit 70 and the detection unit 302 is not shown, but a power supply unit that supplies the excitation voltage e 0 is provided in the detection unit 302.
  • the ground potential was also supplied from the detection unit 302 to both bridges.
  • the connection between the excitation potential and the ground potential between the MR bridge unit 70 and the detection unit 302 is omitted, but the connection is appropriately performed as described above.
  • the power supply unit that supplies the excitation voltage may use a constant current power supply instead of the constant voltage.
  • FIG. 5 shows the configuration of the sensor element package 265 in which the GMR element bridge used in this embodiment is housed.
  • a wafer 260 on which the GMR element 51 is formed is accommodated.
  • a COS bridge 60 and a SIN bridge 61 are formed on the wafer 260.
  • Each bridge constitutes a Wheatstone bridge using four GMR elements 51 and 52.
  • the pads 262 on the wafer 260 and the corresponding terminals of the sensor element package 265 are connected by wire bonding.
  • the wiring pattern of the GMR element 52 has a wiring width / length ratio (aspect ratio) set to have a desired resistance value.
  • the magnetic field angle ⁇ is obtained.
  • the magnetic field angle ⁇ is output to the outside through the output terminal 90 as an angle output.
  • atan2 (y, x) ArcTan (y / x)
  • atan2 (y, x) ArcTan (y / x) +180 °.
  • fault and “failure” are used as follows.
  • fault represents a state in which the characteristics of the internal state of the system exceed the normal allowable value.
  • “Failure” refers to a situation where the system is unable to perform its functions continuously.
  • the system refers to a magnetic field angle measurement device, a rotation angle measurement device, a rotating machine using the same, a vehicle drive device, or the like.
  • the term “function stop” is also used in the same meaning as “failure” defined above.
  • the factors that cause abnormalities in GMR elements are described.
  • the cause of failure of the GMR element is a local resistance increase. This is because the GMR element is composed of a thin film having a thickness of several nanometers (nanometers), and therefore, when an excessive current flows, a part of the GMR element may be lost.
  • FIG. 6 schematically shows one of the four GMR elements 52 constituting the bridge.
  • the wiring that is the GMR element 52 includes the free magnetic layer 11, the spacer layer 12, and the fixed magnetic layer 13, as described with reference to FIG.
  • (A) is the GMR element 52 in a normal state, and an arrow indicates a direction in which a current flows.
  • (B) is a GMR element 52 in which a part of the pattern is narrowed due to a defect, and the defect part 53 (thinned part) in the current path is increased in resistance.
  • the cause of the increase in resistance is that the cross-sectional area of the wiring is reduced and the resistance is increased because the resistance is reduced due to the defect. In other words, this is because the bulk resistance value locally increases in the narrowed portion (the missing portion 53).
  • the magnetoresistive effect is caused by scattering at the free magnetic layer 11-spacer layer 12 interface and the fixed magnetic layer 13-spacer layer 12 interface in the entire wiring 52, as described with reference to FIG.
  • the resistance component that increases due to wiring loss is a component that does not depend on the magnetic field direction. So, formulating the rate of increase of the magnetic field direction independent term as b times:
  • Another cause of failure is deterioration of wire bonding.
  • the connection of a wire connecting the V s1 terminal 263 and the wafer pad 262 in FIG. 5 deteriorates and a connection failure occurs, the signal voltage at the V s1 terminal of the sensor element package 265 becomes indefinite.
  • the COS bridge 60 is constituted by two half bridges of the first half bridge HB c1 and the second half bridge HB c2 .
  • the first half bridge HB c1 is composed of a GMR element R 1 (51-1), a signal output V c1 , and a GMR element R 4 (51-4).
  • the second half bridge HB c2 is, GMR element R 2 (51-2), constituted by the signal output V c2, GMR element R 3 (51-3).
  • the SIN bridge 61 is considered to be composed of the first half bridge HB s1 and the second half bridge HB s2 .
  • the first half-bridge HB s1 is composed of a GMR element R 1 (52-1), the signal output V s1, GMR element R 4 (52-4).
  • the second half bridge HB s2 includes a GMR element R 2 (52-2), a signal output V s2 , and a GMR element R 3 (52-3).
  • the magnetic field angle ⁇ is obtained using the signal of the normal half bridge. More specifically, when an abnormality occurs in the half bridge HB s1 , the magnetic field angle is obtained using the output signal V s2 of the normal half bridge HB s2 .
  • the magnetic field angle is obtained using the output signal of the normal half bridge.
  • the magnetic field angle ⁇ obtained in this way is output from the detector.
  • the detection unit 302 of the magnetic field angle measurement device 80 of the present invention can continue to output the correct magnetic field angle ⁇ even when an abnormality occurs in the GMR element. For this reason, the host system incorporating the magnetic field angle measurement device can be continued without stopping the operation.
  • the magnetic field angle ⁇ may be calculated as follows. Further, when an abnormality occurs in the GMR element of the COS bridge 60, the correct magnetic field angle ⁇ can be obtained in the same manner.
  • the operation state of the magnetic field angle measurement apparatus 80 that calculates the magnetic field angle using the normal half-bridge output signal is referred to as a “backup operation mode”.
  • the COS bridge 60 and the SIN bridge 61 are not abnormal, and the operation state in which the magnetic field angle is calculated using the signals ⁇ V c21 and ⁇ V s21 is referred to as “normal operation mode”.
  • the measured value V s2 is doubled as can be seen from (Equation 12). Therefore, the noise included in the measurement value is also doubled, so that the S / N ratio of the measurement value is reduced as compared with the normal operation mode. For this reason, the magnetic field angle ⁇ may have a slightly lower measurement accuracy than in the normal operation mode. As described above, in the backup operation mode, the measurement accuracy may deteriorate, but the correct magnetic field angle ⁇ is output.
  • the difference signal between the output voltage V c1 , V c2 , V s1 , V s2 of each half bridge and the intermediate voltage V m is doubled or -2 times as follows. Define as follows.
  • the amount defined by (Equation 16) is appropriately set with the polarity of the coefficient ⁇ 2 so that each value becomes the same value as the differential signal ⁇ V c21 or ⁇ V s21 when normal.
  • Equation 17 is valid only when the half bridge is operating normally. Therefore, it can be identified that an abnormality has occurred in the herb bridge in which the relational expression (Equation 17) does not hold.
  • ⁇ Res (1) and ⁇ Res (2) are obtained corresponding to the signals ⁇ V s1m and ⁇ V s2m of the two half bridges constituting the SIN bridge 61.
  • the residual amount ⁇ Res (j) is obtained by doubling the square of the normal bridge signal voltage ( ⁇ V c21 ) and the difference between the half bridge signal voltage of the other bridge and the intermediate voltage V m ( ⁇ V sjm ). Is the sum of the squared and subtracted from the constant value. The one where the absolute value of the residual amount is larger is determined as the abnormality occurrence location.
  • the magnetic field angle detection device of this embodiment includes a redundancy unit 311 in the detection unit 302.
  • the configuration of the redundancy unit 311 is shown in FIG.
  • Redundancy unit 311 inputs the output signal V q1 of the first half-bridge 65-1 (HB q1) output signal V q2 of the second half-bridge 65-2 (HB q2), and the intermediate voltage V m .
  • q c or s, which are subscripts corresponding to the COS bridge 60 and the SIN bridge 61, respectively.
  • the subscript “q” is used in this sense.
  • Intermediate voltage V m is 1/2 of the excitation voltage e 0, equal to e 0/2.
  • the generation circuit for the intermediate voltage V m is preferably a ratiometric circuit based on the excitation voltage e 0 .
  • the ratiometric even if the excitation voltage e 0 is changed, generates voltage V m which means the circuit is kept to a constant ratio of e 0. The effect of making the V m generation circuit ratiometric will be described later.
  • the intermediate voltage V m is generated by dividing the excitation voltage e 0 by resistors R 1 (331-1) and R 2 (331-2).
  • the resistance values of the resistors R 1 (331-1) and R 2 (331-2) are made equal.
  • a circuit that generates the intermediate voltage V m (resistors R 1 and R 2 (331-1, 331-2) in FIG. 7) may be provided in the detection unit 302.
  • a power supply unit that generates the excitation voltage e 0 is provided separately from the detection unit 302, an intermediate voltage generation circuit may be provided in the power supply unit.
  • the redundancy unit 311 When these signals are input, the redundancy unit 311 outputs output signals ⁇ V q21 , ⁇ V q1m , ⁇ V q2m , and an abnormality detection signal FD q .
  • ⁇ V q21 is a quantity defined by ( Equation 8)
  • ⁇ V q1m and ⁇ V q2m are quantities defined by ( Equation 16).
  • the abnormality detection signal FD q generates an abnormality detection signal by inputting a difference output between ⁇ V q1m and ⁇ V q2m to the abnormality determination unit. Since ( ⁇ V q1m ⁇ V q2m ) is 0 during normal operation, the abnormality determination unit generates an abnormality detection signal when a certain threshold value is exceeded by a comparator circuit.
  • the configuration of the redundancy unit 311 of this embodiment has the following two points.
  • the differential signal between the half-bridge output signal and the intermediate voltage V m is amplified.
  • the intermediate voltage V m generation circuit is ratiometric as described above, the ratio of e 0 and V m is kept constant even when the excitation voltage e 0 varies.
  • any of the signals ⁇ V q21 , ⁇ V q1m , and ⁇ V q2m is proportional to the excitation voltage e 0 .
  • the ratio of these signals is taken. Therefore, even if the excitation voltage e 0 varies, the value of the magnetic field angle ⁇ is not affected.
  • the differential signal between the output signal of the half bridge and the intermediate voltage V m there is an effect that the influence on the output signal is reduced even if the excitation voltage varies.
  • the detection unit 302 includes a redundancy unit 311-1 for inputting the output signal of the COS bridge 60 and a redundancy unit 311-2 for inputting the output signal of the SIN bridge 61.
  • the output signal of each redundancy unit is input to the signal processing unit 303.
  • a microcomputer is used as the signal processing unit 303, but the present invention is not limited to this.
  • Signals input to the signal processing unit 303 are ⁇ V c21 , ⁇ V c1m , ⁇ V c2m , FD c and ⁇ V s21 , ⁇ V s1m , ⁇ V s2m , FD s . Therefore, by using these signals, an abnormal part can be identified by the same method as in the first embodiment, and a correct magnetic field angle ⁇ can be output even when an abnormality occurs.
  • the correct magnetic field angle ⁇ can be output by the following method.
  • the abnormality detection signals FD c and FD s of the COS bridge 60 and the SIN bridge 61 are transmitted, and it can be detected that an abnormality has occurred in the two bridges.
  • the correct half bridge is identified in each of the bridges 60 and 61, and the correct magnetic field angle ⁇ is obtained as follows.
  • a magnetic field angle detection apparatus according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • FIG. 9 shows the configuration of the detector in this example.
  • the output signals of the redundancy unit 311-1 and the redundancy unit 311-2 are input to the changeover switches 313-1 (SW1) and 313-2 (SW2), respectively.
  • SW1 and SW2 changeover switches 313-1 and 313-2 (SW2), respectively.
  • ADC analog-digital converter
  • ADC Analog-Digital Converter
  • the selector switch SW1 (313-1) is connected to the position 1a, and the selector switch SW2 (313-2) is connected to the position 2a.
  • ⁇ V c21 and ⁇ V s21 are input to the signal processing unit 303, so the magnetic field angle ⁇ is obtained according to (Equation 9) and output as the magnetic field angle signal ⁇ .
  • the output magnetic field angle signal may be either a digital signal or an analog signal.
  • FIG. 10A shows the operation of the changeover switch 313 when an abnormality occurs in the SIN bridge 61.
  • the changeover switch SW1 (313-1) is set to 1d, and SW2 (313-2) is set to 2b.
  • the selector switch 313 is set to the position (iii) or (iv) in FIG.
  • the changeover switch 313 is switched according to FIG.
  • the residual amount ⁇ res2 (i, j) defined by the equation (20) is calculated, and a normal half bridge is converted into COS, Find each in the SIN bridge.
  • a normal combination is found, it is set to any one of (ii) to (v), and the correct magnetic field angle ⁇ is calculated using equation (19).
  • a magnetic field angle measuring device 80 of the fourth embodiment using the present invention will be described with reference to FIG.
  • the detection unit 302 outputs the magnetic field angle ⁇ , and outputs the abnormality transmission signal 155 and the stop transmission signal 156 to the output terminals 91 and 92, respectively.
  • the abnormality transmission signal 155 (Fault Signal) is a signal for transmitting that the occurrence of an abnormality is detected in the magnetic field angle measuring apparatus but the correct angle ⁇ is output by operating in the backup operation mode.
  • the stop transmission signal 156 (Failure Signal) indicates that the correct angle is not output because the degree of abnormality in the magnetic field angle measuring device is serious, that is, the function as the magnetic field angle measuring device is stopped. It is a signal to notify.
  • the case where the stop transmission signal 156 is issued is, for example, when both of the two half bridges forming the COS bridge 60 become abnormal.
  • an abnormality in the magnetic field angle measuring device is detected by the same method as in the first embodiment, and the mode is shifted to the backup operation mode. During operation in the backup operation mode, an abnormality transmission signal 155 is issued.
  • the abnormality transmission signal 155 and the stop transmission signal 156 are output at different output terminals.
  • the abnormality transmission signal 155 and the stop transmission signal 156 may be combined into one signal line.
  • a specific method example to be combined into one a method of transmitting two kinds of signal states by preparing a plurality of signal voltage levels, or an abnormal transmission signal 155 and a stop transmission signal 156 using a digital signal, respectively. There is a method to output an error code corresponding to.
  • the angle output 151, the abnormality transmission signal 155, and the stop transmission signal 156 may be combined into one signal line.
  • two types of error code signals that can be distinguished from the digital signal representing the angle ⁇ are determined in advance, and the error codes may be assigned to the abnormality transmission signal 155 and the stop transmission signal 156.
  • the abnormality transmission signal and angle output are output in the form of 16-bit digital data.
  • the configuration of this digital data is shown in FIG.
  • This data includes the angle information 591 in the first to twelfth bits, the stop transmission signal 592 in the 15th bit, and the abnormality transmission signal 593 in the 16th bit.
  • Data having this data structure is output from the detection unit 302 of the magnetic field angle measurement device 80. In this way, the system that has received this data can know whether the magnetic field angle measuring device is operating in the normal mode or the backup operation mode, along with information on the magnetic field angle ⁇ .
  • a low-cost magnetic field angle measuring device can be realized by reducing the number of output signal lines. Furthermore, noise tolerance can be increased by outputting a signal as digital data.
  • the data receiving side can simultaneously know the measurement quality of the angle signal 591. There is an effect that appropriate processing can be performed.
  • the signal having the data structure shown in FIG. 19 is transmitted by serial communication.
  • the data of FIG. 19 can be transmitted in 1 ⁇ s with a transmission clock frequency of 16 MHz.
  • the angle signal 591 and the abnormality transmission signal 593 can be transmitted substantially simultaneously.
  • the host system incorporating the magnetic field angle measurement device can grasp the operation state of the magnetic field angle measurement device, and therefore can take measures according to the operation state.
  • the specific treatment differs depending on the system in which the magnetic field angle measurement device is used. For example, during operation in the backup operation mode, it is possible to perform a treatment for improving safety by limiting the function and performance of the system.
  • FIG. 20 is a diagram showing an example of the package configuration of the magnetic field angle measuring device 80 having the configuration of FIG. 1 or the configuration of FIG.
  • the MR bridge unit 70 contains a COS bridge 60 and a SIN bridge 61. There are six wirings between the MR bridge unit 70 and the detection unit 302.
  • the configuration includes two excitation voltages e 0 and ground potential GND, and four half-bridge output signals (V c1 , V c2 , V s1 , V s2 ).
  • Output signals from the detection unit 302 are a magnetic field angle output 151 and an abnormal transmission signal output 155. As shown in FIG. 19, the magnetic field angle output 151 and the abnormality transmission signal output 155 may be combined into a single piece of data in the form of digital data and output through a single signal line.
  • the detection unit 302 includes a power supply voltage terminal (V cc ) supplied from the outside and a ground potential terminal.
  • the internal configuration of the configuration of FIG. 20 is the configuration of FIG.
  • the MR bridge unit 70 and the detection unit 302 are each molded with a material such as resin.
  • the wiring between the MR bridge and the detection unit 302 may be disconnected due to a stress or residual stress in the mold part.
  • the correct magnetic field angle is not output.
  • the magnetic field angle is calculated by using the half-bridge output signal that is not disconnected. The correct magnetic field angle ⁇ is output.
  • a rotation angle measuring device 82 will be described with reference to FIG.
  • the rotation angle measuring device 82 includes a sensor magnet 202 that is a magnetic flux generator and a magnetic field angle measuring device 80.
  • the sensor magnet 202 is installed on the rotating body 121, and the rotating body 121 rotates around the rotation center line 226.
  • the sensor magnet 202 Since the sensor magnet 202 is a magnetic flux generator, it generates a magnetic field in the direction shown in FIG. When the rotating body 121 rotates, the magnetic field direction at the position of the magnetic field angle measuring device 80 also rotates. Therefore, the rotation angle ⁇ r of the rotating body 121 can be measured by measuring the magnetic field angle.
  • the magnetic field angle measuring device 80 used in the present embodiment has the same configuration as the magnetic field angle measuring device 80 of the first embodiment. Thus, even if abnormality occurs in one of the half-bridge of a magnetoresistive element included in the rotation angle measurement device 82, but measurement accuracy is slightly reduced as compared to normal, resulting correct rotation angle theta r . Therefore, there is an effect that the function of the host system including the rotation angle measuring device 82 can be continued.
  • the rotating machine includes a motor and a generator.
  • the motor will be described as an example.
  • FIG. 13 shows a cross-sectional view of the rotating machine of this embodiment.
  • the motor unit 100 and the rotation angle detection unit 200 are configured.
  • the motor unit 100 generates rotational torque by rotating a plurality of rotating magnetic poles by a magnetic action of a plurality of fixed magnetic poles and a plurality of rotating magnetic poles, and includes a stator 110 and a plurality of stators constituting the plurality of fixed magnetic poles. It is comprised from the rotor 120 which comprises this rotating magnetic pole.
  • the stator 110 includes a stator core 111 and a stator coil 112 attached to the stator core 111.
  • the rotor 120 is opposed to the inner peripheral side of the stator 110 via a gap and is rotatably supported.
  • a three-phase AC type surface magnet type synchronous motor is used as the motor 100.
  • the housing includes a cylindrical frame 101 and a first bracket 102 and a second bracket 103 provided at both axial ends of the frame 101.
  • a bearing 106 is provided in the hollow portion of the first bracket 101, and a bearing 107 is provided in the hollow portion of the second bracket 103. These bearings support the rotating shaft 121 so as to be rotatable.
  • a seal member (not shown) is provided between the frame 101 and the first bracket 102.
  • the seal member is an O-ring provided in an annular shape, and is sandwiched and compressed by the frame 101 and the first bracket 102 from the axial direction and the radial direction. Thereby, between the flame
  • the space between the frame 101 and the second bracket 103 is also waterproofed by a seal member (not shown).
  • the stator 110 includes a stator core 111 and a stator coil 112 attached to the stator core 111, and is installed on the inner peripheral surface of the frame 101.
  • the stator core 111 is a magnetic body (magnetic path forming body) formed by laminating a plurality of silicon steel plates in the axial direction.
  • the stator core 111 protrudes inward in the radial direction from the annular back core and the inner peripheral portion of the back core. It consists of a plurality of teeth arranged at equal intervals in the direction.
  • a winding conductor constituting the stator coil 112 is intensively wound around each of the plurality of teeth.
  • the plurality of winding conductors are electrically connected for each phase by a connecting member juxtaposed in the axial end of one coil end portion (on the second bracket 103 side) of the stator coil 112, and further, a three-phase winding.
  • Three-phase winding connection methods include a ⁇ (delta) connection method and a Y (star) connection method. In this embodiment, a ⁇ (delta) connection method is adopted.
  • the rotor 120 includes a rotor core fixed on the outer peripheral surface of the rotating shaft 121, a plurality of magnets fixed on the outer peripheral surface of the rotor core, and a magnet cover provided on the outer peripheral side of the magnet.
  • the magnet cover is for preventing scattering of the magnet from the rotor core, and is a cylindrical member or a tubular member formed of a non-magnetic material such as stainless steel (popular name SUS).
  • the rotation angle detector 200 includes a magnetic field angle measurement device 201 (hereinafter referred to as a magnetic field sensor module 201) and a sensor magnet 202.
  • the rotation angle detection unit 200 is installed in a space surrounded by the housing 203 and the second bracket 103.
  • the sensor magnet 202 is installed on a shaft that rotates in conjunction with the rotating shaft 121. When the rotating shaft 121 changes its rotational position, the direction of the magnetic field generated changes accordingly. By detecting this magnetic field direction with the magnetic field sensor module 201, the rotation angle (rotation position) of the rotating shaft 121 can be measured.
  • the sensor magnet 202 is a two-pole magnet magnetized with two poles, or a multi-pole magnet magnetized with four or more poles.
  • the magnetic field sensor module used the magnetic angle measuring device 80 described in Example 4 of the present invention.
  • the magnetic field sensor module 201 is installed in the housing 203.
  • the housing 203 is preferably made of a material having an absolute value of magnetic susceptibility of 0.1 or less, such as aluminum or resin, so as not to affect the direction of magnetic flux. In this embodiment, it is made of resin.
  • the magnetic field sensor module 201 may be fixed to the motor unit, and may be fixed to components other than the housing 203. If fixed to the motor unit, when the rotation angle of the rotating shaft 121 changes and the direction of the sensor magnet 202 changes, the rotation of the rotating shaft 121 is detected by detecting the change in the magnetic field direction at the magnetic field sensor 201 unit. This is because the corner can be detected.
  • the sensor wiring 208 is connected to the magnetic field sensor module 201. An output signal of the magnetic field sensor 201 is transmitted by the sensor wiring 208.
  • the output signal of the magnetic field angle measuring device 80 is input to a rotating machine control controller (rotating machine control ECU) 411.
  • a rotating machine control controller rotating machine control ECU
  • These three types of signals may be transmitted individually using three signal lines, or as described above, for example, in the form of digital signals, transmitted in a time-sharing manner on one signal line. May be.
  • the signal input to the rotating machine controller may be only the rotation angle ⁇ signal.
  • the rotating machine controller calculates an appropriate driving voltage to be applied to the rotating machine based on the inputted rotation angle ⁇ , outputs a signal to the rotating machine drive unit 412, and is output from the rotating machine drive unit 412.
  • the rotating machine 100 is driven by the drive waveform.
  • the rotating machine controller even when an abnormality occurs in a part of the half bridges of the MR bridge unit 70 constituting the magnetic field angle measuring device 80, the correct angle is input to the rotating machine controller by shifting to the backup operation mode. Therefore, the rotating machine has an effect that its functional operation can be continued.
  • an abnormal transmission signal is input to the rotating machine controller.
  • the rotating machine control controller transmits an abnormality transmission signal to a host system in which the rotating machine is incorporated.
  • the host system can take appropriate measures such as limiting the function of the system based on the abnormality transmission signal transmitted from the rotating machine.
  • FIG. 14 shows a configuration in which the MR bridge unit 70 and the detection unit 302 are arranged in the vicinity of the sensor magnet 202 by being arranged inside the magnetic field angle measuring device 80, but the present embodiment has this configuration. It is not limited.
  • the signal processing unit 303 in the detection unit 302 may be disposed in the vicinity of the rotating machine control controller, or the signal processing unit 303 may be incorporated in the rotating machine control controller.
  • the signal processing unit 303 is configured by a microcomputer, the number of microcomputers to be used can be reduced by incorporating the function of the signal processing unit 303 into the rotating machine control controller, so that there is an effect that a low-cost rotating machine can be realized.
  • FIGS. 13 and 14 an example of a motor as a rotating machine is shown.
  • rotor includes not only a motor but also a “generator”, that is, a machine that converts mechanical energy into electrical energy. Even in the case of a generator, the effects of the present invention can be obtained with the same configuration as in FIGS. 13 and 14.
  • FIG. 15 shows an example of electric power steering (abbreviated as Electric Power-Assisted Steeling, EPS) as a seventh embodiment according to the present invention.
  • EPS Electric Power-Assisted Steeling
  • the steering shaft 503 mechanically connected to the handle 501 moves in conjunction with the rotary shaft 121 via a connecting portion 504 formed of a gear or the like.
  • the rotating shaft 121 is a rotating shaft of the motor 100, and the sensor magnet 202 is installed at one end.
  • a magnetic field angle measurement device 80 (hereinafter referred to as a magnetic field sensor module 201) is installed in the vicinity of the sensor magnet 202, and measures the rotation angle of the rotary shaft 121 and transmits it to the ECU 411.
  • the ECU 411 calculates an appropriate motor drive amount from a signal from a torque sensor (not shown) installed in the steering column 502 and a rotation angle signal ⁇ from the magnetic field sensor module 201 to drive the motor.
  • the signal is transmitted to the unit 412.
  • the motor 100 assists the movement of the steering shaft 503 via the rotating shaft 121.
  • the magnetic field angle measuring device described in the fourth embodiment of the present invention is used as the magnetic field angle measuring device 80.
  • the correct magnetic field angle rotation angle
  • a vehicle 580 according to the eighth embodiment using the present invention will be described with reference to FIG.
  • This embodiment is a vehicle 580 using an electric power steering system.
  • the magnetic field angle measuring device 80 used in the electric power steering is the rotation angle measuring device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the abnormality transfer signal is issued by shifting to the backup operation mode depending on the type of abnormality.
  • a stop transmission signal is issued in the case of an abnormality in which the backup operation mode is impossible.
  • This stop transmission signal is transmitted to the host system 581 of the electric power steering system (EPS system) 582.
  • EPS system electric power steering system
  • it may be transmitted to the host system 581 via the electronic control unit (ECU) of the electric power steering system (EPS system) 582.
  • ECU electronice control unit
  • the information may be transmitted to the upper system 581 via a system layer other than the EPS system 582.
  • the host system 581 When the abnormality transmission signal is transmitted to the host system 581, the host system 581 performs all or some combination of the following operations.
  • an abnormality is displayed on the driver's seat display system 584, or the driver is informed that an abnormality has occurred due to a sound such as an alarm bell.
  • the vehicle 580 can operate, but instructs the driver to go to a vehicle repair station or the like as soon as possible.
  • the host system 581 shifts to the function restriction mode.
  • functions such as limiting the maximum speed of the vehicle 580 are limited to increase safety and provide the necessary operations to move to the repair station.
  • the vehicle drive system 586 is functionally limited to limit the maximum speed.
  • the host system 581 transmits an abnormality occurrence to the vehicle repair station 588 using the wireless transmission system 585.
  • the vehicle repair station 588 can quickly repair the vehicle when the vehicle arrives. If the vehicle does not come in for repair after a certain period of time, the vehicle owner can be urged to repair.
  • the function for moving to the vehicle repair station is provided. Improve safety by limiting performance and functions such as speed.
  • a ninth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • a present Example is an example of the hybrid vehicle drive device using a rotation angle measuring device.
  • FIG. 17 is a schematic diagram of a hybrid vehicle drive device combining an internal combustion engine and an electric motor as power for the vehicle.
  • the output rotation shaft of the engine 553, the generator 552, and the drive motor 551 are arranged on the same axis, and the power is appropriately transmitted by the function of the power distribution mechanism 554.
  • the power distribution method is appropriately set based on information such as the vehicle running state, the acceleration command state, and the battery charging state. Further, a power coupling mechanism 557 for transmitting power from the power distribution mechanism 554 to the power shaft 558 is provided.
  • the drive motor 551 As the drive motor 551, the rotating machine described in Example 6 of the present invention was used.
  • the drive motor 551 includes the motor unit 100 and the rotation angle detection unit 200 as described in the sixth embodiment.
  • the rotation angle detection unit 200 constitutes a drive motor rotation angle sensor 560 that detects the rotation angle of the drive motor 551.
  • the generator 552 is provided with a generator rotation angle sensor 562.
  • a sensor magnet 563 is installed on the rotating shaft of the generator, and the direction of the magnetic field generated by the sensor magnet 563 is measured by the generator rotation angle sensor 562.
  • the generator rotation angle sensor 562 the magnetic field angle measuring device described in the first embodiment was used.
  • the correct rotation angle ⁇ is output by using the normal half bridge. It becomes possible to operate with. This has the effect of preventing the entire vehicle from stopping.
  • the host system When the host system receives an abnormal transmission signal, it takes safety measures by limiting the maximum speed of the vehicle. Furthermore, there is an effect that it is possible to take measures such as prompt repair by issuing an alarm for notifying the driver of an abnormal state or notifying the abnormality by communication to the vehicle repair station.
  • FIG. 18 is a schematic diagram of an electric vehicle driving apparatus using a power electric motor of an automobile.
  • the drive motor 551 and the generator 552 are arranged on the same axis, and the power is appropriately transmitted by the function of the power distribution mechanism 554.
  • the power distribution method is appropriately set based on information such as the vehicle running state, the acceleration command state, and the battery charge state.
  • the drive motor 511 As the drive motor 511, the rotating machine described in Example 6 of the present invention was used.
  • the drive motor 511 includes the motor unit 100 and the rotation angle detection unit 200 as described in the sixth embodiment.
  • the generator 552 is provided with a generator rotation angle sensor 562.
  • a sensor magnet 563 is installed on the rotating shaft of the generator, and the direction of the magnetic field generated by the sensor magnet 563 is measured by the generator rotation angle sensor 562.
  • the generator rotation angle sensor 562 the magnetic field angle measuring device described in the first embodiment was used.
  • the correct rotation angle ⁇ is output by using the normal half bridge. It becomes possible to operate with. This has the effect of preventing the entire vehicle from stopping.
  • the present invention is not limited to the GMR element, but can be applied to other magnetoresistive elements.
  • an example using an anisotropic magnetoresistive element (Anisotropic-Magneto-resistance, AMR element) will be described.
  • the reference angle of the magnetic field angle ⁇ is set to the current direction ⁇ .
  • the current direction ⁇ can be set by the pattern shape of the wiring.
  • the signal output of the bridge circuit composed of AMR elements is such that the COS bridge 60 is proportional to cos ( ⁇ eff ) and the SIN bridge 61 is proportional to sin ( ⁇ eff ).
  • a bridge that outputs a signal proportional to the cosine cos ( ⁇ eff ) of the effective magnetic field angle ⁇ eff is a COS bridge.
  • a bridge that outputs a signal proportional to the sine sin ( ⁇ eff ) of the effective magnetic field angle ⁇ eff is defined as a SIN bridge 61.
  • the reference angle of the magnetic field angle is appropriately selected so that the two signals are proportional to cos ( ⁇ eff ) and sin ( ⁇ eff ).
  • the shape substantially corresponds to the equations (Equation 8) and (Equation 9) of the bridge circuit of the GMR element.
  • the magnetic field angle ⁇ is obtained as follows.

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Abstract

　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問題があるが、これを解決するため、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し、前記検出部が、ＣＯＳブリッジまたはＳＩＮブリッジのおのおのを構成するハーフブリッジのうち、いずれか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。

Description

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
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
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。
　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。
　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）：
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
となり、Ｒ2，Ｒ4では（ｎ＝２，４）：
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
となる。
　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：
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
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：
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
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。
　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：
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　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。
　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。
　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。
特開２００５－４９０９７号公報
　近年、電気自動車などの車両の電動化が進んでいる。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　上記の課題は、下記の構成により解決することができる。
　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。
　本明細書は本願の優先権の基礎である日本国特許出願２０１０－２９１５４５号の明細書および／または図面に記載される内容を包含する。
　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。
　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。
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。 ＧＭＲ素子の構成を示す図である。 ＧＭＲ素子の抵抗変化のメカニズムを説明する図である。 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。 ＭＲブリッジ部の構成例を示す図である。 ＧＭＲ素子の配線パターンを示す図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 本発明の実施例６の回転機の構成を示す図である。 本発明の実施例６の回転機の構成を示す図である。 本発明の実施例７のＥＰＳの構成を示す図である。 本発明の実施例８の構成を示す図である。 本発明の実施例９の車両駆動装置を示す図である。 本発明の実施例１０の車両駆動装置を示す図である。 本発明のデータ出力信号の構成例を示す図である。 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。
　以下、本発明の実施例を説明する。
　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。
　図１は、本実施例による磁界角検出装置の構成図である。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　ＧＭＲ素子５２の配線パターンの例を図６（Ａ）に示した。ＧＭＲ素子５２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。
　次に、ＧＭＲ素子５２が正常な場合の検出部３０２の動作について述べる。
　ＧＭＲ素子５２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：
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
したがって、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
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。
　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。
　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。
　「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。
　「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。
　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。
　次に、ＧＭＲ素子に異常が発生した場合の動作を述べる。
　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。
　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５２のうち、１つを模式的に示したものである。ＧＭＲ素子５２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５２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５２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。
　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５２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：
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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：
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　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。
　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、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
を用いて
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
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。
　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。
　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。
　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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
　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。
　（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。
　（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。
　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。
　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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
　（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。
　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：
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　中間電圧Ｖmは励起電圧ｅ0の１／２である、ｅ0／２に等しい。
　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。
　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。
　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。
　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。
　次に、冗長化部３１１の内部構成を述べる。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
　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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000020
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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５９２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。
　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。
　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。
　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。
　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、磁界角計測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、磁界角計測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。
　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。
　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。
　図２０の構成の内部構成は図１１の構成になっている。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。本実施例では、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。
　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、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。
　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。
　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（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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000021
　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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000022
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000023
　したがって、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000024
により磁界角度θが求まる。
　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。
　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。
　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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000025
　これは（数１６）と対応している。
　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：
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000026
として磁界角度θが求まる。
　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：
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000027
（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。
　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。
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　停止信号データ
５９３　異常信号データ
　本明細書で引用した全ての刊行物、特許および特許出願をそのまま参考として本明細書にとり入れるものとする。

Claims (22)

  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  11. 　請求項７に記載の回転機を有する車両駆動装置。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
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