JP2011069635A - 回転角センサ、モータ、回転角検出装置、及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成にて高精度の回転角検出が可能であるとともに磁極数の変更に対しても高い柔軟性を有する磁気式の回転角センサを提供すること。
【解決手段】回転角センサは、周方向に沿って複数の磁極が形成されたマグネットロータと、そのマグネットロータの同心円上に均等角度間隔で配置された３つのセンサデバイス３３とを備える。また、各センサデバイス３３は、スピン固定層の磁化方向が逆向きとなるように直列接続された一対のスピンバルブ型磁気抵抗素子３７ａ，３７ｂを有する３つのハーフブリッジ回路３８（３８ｕ，３８ｖ，３８ｗ）を備える。そして、各センサデバイス３３は、そのマグネットロータの回転に伴う磁束変化に基づき各ハーフブリッジ回路３８が出力するセンサ信号Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗが、互いに電気角で１２０°の位相差を有するように構成される。
【選択図】図５

Description

本発明は、スピンバルブ型磁気抵抗素子を用いた磁気式の回転角センサ、その回転角センサを備えたモータ及び回転角検出装置、並びに電動パワーステアリング装置に関するものである。

電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）等、円滑な回転と高い静粛性とが要求される用途では、通常、各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）コイルに対し、それぞれ１２０°（電気角）の位相差を設けて正弦波通電を行なうことにより、そのモータの作動が制御される。このため、従来、そのモータレゾルバ（モータ回転角センサ）には、高精度の回転角検出が可能な巻線式のレゾルバを用いるのが一般的となっていた（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、巻線式のレゾルバには、その巻線を有するがゆえのデメリットとして、小型化が難しく、製造コストが高いという問題がある。そこで、近年、こうした巻線式のレゾルバに代わり得る高精度の回転角検出が可能な磁気式の回転角センサが提案されるようになっている。

例えば、特許文献２には、ホール素子をセンサ要素としてセンサデバイスを形成するとともに、当該センサデバイスを磁石回転子の周方向に沿って複数箇所に配置し、各センサデバイスが出力する複数のセンサ信号を用いた補正を行なうことにより、その検出精度を高める方法が提案されている。

また、特許文献３の回転角検出装置は、スピン固定層の磁化方向が逆向きとなるように直列に接続された一対のスピンバルブ型磁気抵抗素子を有するフルブリッジ回路を形成するとともに、このフルブリッジ回路を二つ用いることにより、磁石回転子の回転に伴う磁束変化に基づいて、電気角で９０°の位相差を有する二相のセンサ信号を出力可能なセンサデバイスを形成する。尚、この例においては、そのスピンバルブ型磁気抵抗素子として巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ：Giant Magnetic Resistance）を用いたフルブリッジ回路が形成されている。そして、このような構成を有する二つのセンサデバイスを、磁石回転子の周方向において電気角換算で９０×ｎ°（「ｎ」は整数）離れた位置に配置する構成が開示されている。

即ち、このような構成を採用することで、各センサデバイスが出力する位相の異なる二つのセンサ信号は、それぞれ他方のセンサデバイスが出力する二つのセンサ信号と位相が重複することになる。従って、その位相が重複した双方のセンサ信号を当該重複する位相毎に平均化することにより波形歪みを除去することが可能になる。そして、その整形後の二相の本信号に基づいて回転角を検出することにより、その検出精度を大幅に向上させることができる。

特開平１１−１６００９９号公報 特開２００３−７５１０８号公報 特許第４２７３３６３号明細書

しかし、このような構成を採用するとしてもなお、解決すべき課題は残されている。即ち、通常、磁気式の回転角センサをモータレゾルバに用いる場合、その用途に応じて磁石回転子の磁極数が変更される。具体的には、高トルクが要求される用途では多極化される一方、高速回転が要求される用途では比較的少ない磁極数が設定されやすい。しかしながら、このような磁極数の変更に対し、上記のような電気角換算で９０×ｎ°という二つのセンサデバイスの位置関係は必ずしも一様ではない。そのため、上記従来の構成では、その磁極数の変更に併せて、各センサデバイスの配置をも変更しなければならないという問題があり、この点において、なお改善の余地を残すものとなっていた。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、簡素な構成にて高精度の回転角検出が可能であるとともに磁極数の変更に対しても高い柔軟性を有する磁気式の回転角センサ、その回転角センサを備えたモータ及び回転角検出装置、並びに電動パワーステアリング装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、周方向に沿って複数の磁極が形成された磁石回転子と、前記磁石回転子の回転に伴う磁束変化に基づくセンサ信号を出力するセンサデバイスとを備えた回転角センサにおいて、前記磁石回転子の同心円上に均等角度間隔で配置された３つの前記センサデバイスを備え、前記各センサデバイスは、スピン固定層の磁化方向が逆向きとなるように直列接続された一対のスピンバルブ型磁気抵抗素子を有する３つのブリッジ回路を備えるとともに、該各ブリッジ回路の出力する前記センサ信号が、互いに電気角で１２０°の位相差を有するように構成されること、を要旨とする。

即ち、センサデバイスにおいて、そのセンサ要素となるスピンバルブ型磁気抵抗素子を用いたブリッジ回路は、半導体プロセスを用いて形成可能である。そのため、これらが出力する各センサ信号間の位相差は、高精度に電気角で１２０°に管理することができる。そして、機械角１２０°の均等角度間隔で磁石回転子の同心円上に配置された各センサデバイスは、その磁石回転子の磁極数に関わらず、電気角換算での間隔が１２０×ｎ°となる。

従って、上記構成によれば、各センサデバイスが出力する三相のセンサ信号を、それぞれ他のセンサデバイスが出力するセンサ信号の何れかと重複させることができ、その重複する位相毎に平均化することにより、磁石回転子の回転に応じた歪みのない三相の正弦波形を得ることができる。その結果、簡素な構成にて、より高精度の回転角検出が可能になるとともに、その磁極数の変更に対しても高い柔軟性を持たせることができる。加えて、各センサデバイスの何れかに故障が生じた場合でも、その多重化の利点を活かして、残る二つのセンサデバイスが出力する各センサ信号により回転角検出を継続することができる。その結果、その信頼性を向上させることができる。

請求項２に記載の発明は、前記スピンバルブ型磁気抵抗素子は、トンネル磁気抵抗効果型素子であること、を要旨とする。
上記構成によれば、そのスピンバルブ型磁気抵抗素子として巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ）を用いる場合よりも信号強度を高めることができる。その結果、より高精度の検出ができるようになる。

請求項３に記載の発明は、前記ブリッジ回路は、ハーフブリッジ回路であること、を要旨とする。
上記構成によれば、その構成の簡素化により、装置の小型化及び低コスト化を図ることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の回転角センサを備えたモータであること、を要旨とする。
上記構成によれば、より高精度の回転角検出が可能になる。その結果、そのトルクリップルを低減して、より円滑なモータ回転と高い静粛性を実現することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の回転角センサと、前記回転角センサから入力される前記センサ信号に基づき前記磁石回転子と一体に回転する回転軸の回転角を検出する検出手段とを備え、前記検出手段は、前記回転角センサから入力される各センサ信号を重複する位相毎に平均化することにより生成される三相の本信号に基づいて前記回転角を検出する回転角検出装置であること、を要旨とする。

上記構成によれば、各センサデバイスが出力する三相のセンサ信号を、それぞれ他のセンサデバイスが出力するセンサ信号の何れかと重複させることができ、その重複する位相毎に平均化することにより得られる磁石回転子の回転に応じた歪みのない三相の正弦波形に基づいて、その回転角検出を行なうことができる。その結果、簡素な構成にて、より高精度の回転角検出が可能になるとともに、その磁極数の変更に対しても高い柔軟性を持たせることができる。加えて、各センサデバイスの何れかに故障が生じた場合でも、その多重化の利点を活かして、残る二つのセンサデバイスが出力する各センサ信号により回転角検出を継続することができる。その結果、その信頼性を向上させることができる。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の回転角検出装置によりモータの回転角を検出する電動パワーステアリング装置であること、を要旨とする。
上記構成によれば、モータのトルクリップルを低減して、高い静粛性と優れた操舵フィーリングを実現することができる。

本発明によれば、簡素な構成にて高精度の回転角検出が可能であるとともに磁極数の変更に対しても高い柔軟性を有する磁気式の回転角センサ、その回転角センサを備えた及び回転角検出装置、並びに電動パワーステアリング装置を提供することができる。

電動パワーステアリング装置の概略構成図。 モータの概略構成図。 （ａ）モータレゾルバ（回転角センサ）の平面図、（ｂ）断面図。 （ａ）（ｂ）一対のスピンバルブ型磁気抵抗素子を用いたハーフブリッジ回路の構成及びそのセンサ要素としての作用を示す説明図。 センサデバイスの概略構成図。 （ａ）（ｂ）（ｃ）センサデバイスが出力する三相のセンサ信号の波形図。 各センサデバイスが出力するセンサ信号間の位相の重複を示す波形図。 重複する位相毎の平均化により波形歪みが除去された本信号の波形図。 別例のセンサデバイスの概略構成図。 別例のセンサデバイスの概略構成図。 別例のセンサデバイスの概略構成図。 別例のセンサデバイスの概略構成図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、本実施形態の電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）１において、ステアリング２が固定されたステアリングシャフト３は、ラックアンドピニオン機構４を介してラック軸５と連結されており、ステアリング操作に伴うステアリングシャフト３の回転は、ラックアンドピニオン機構４によりラック軸５の往復直線運動に変換される。尚、本実施形態のステアリングシャフト３は、コラムシャフト３ａ、インターミディエイトシャフト３ｂ、及びピニオンシャフト３ｃを連結してなる。そして、このステアリングシャフト３の回転に伴うラック軸５の往復直線運動が、同ラック軸５の両端に連結されたタイロッド６を介して図示しないナックルに伝達されることにより、転舵輪７の舵角、即ち車両の進行方向が変更される。

また、ＥＰＳ１は、操舵系にステアリング操作を補助するためのアシスト力を付与する操舵力補助装置としてのＥＰＳアクチュエータ１０と、該ＥＰＳアクチュエータ１０の作動を制御する制御手段としてのＥＣＵ１１とを備えている。

本実施形態のＥＰＳアクチュエータ１０は、駆動源であるモータ１２が減速機構１３を介してコラムシャフト３ａと駆動連結された所謂コラム型のＥＰＳアクチュエータとして構成されている。尚、本実施形態では、減速機構１３には、周知のウォーム＆ホイールが採用されている。また、モータ１２には、ブラシレスモータが採用されており、同モータ１２は、ＥＣＵ１１から三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の駆動電力の供給を受けることにより回転する。そして、ＥＰＳアクチュエータ１０は、同モータ１２の回転を減速してコラムシャフト３ａに伝達することにより、そのモータトルクをアシスト力として操舵系に付与する構成となっている。

一方、ＥＣＵ１１には、トルクセンサ１４及び車速センサ１５が接続されている。そして、ＥＣＵ１１は、これらトルクセンサ１４及び車速センサ１５により検出される操舵トルクτ及び車速Ｖに基づいて、操舵系に付与すべきアシスト力（目標アシスト力）を演算、詳しくは、その検出される操舵トルクτ（の絶対値）が大きいほど、また車速Ｖが低いほど、より大きなアシスト力を操舵系に付与すべく目標アシスト力を演算する。

また、ＥＣＵ１１は、モータ１２に設けられたモータレゾルバ１７が出力するセンサ信号に基づいて、同モータ１２の回転角（電気角）θを検出する。即ち、本実施形態では、これらモータレゾルバ１７（後述する回転角センサ３５）及びＥＣＵ１１により、回転角検出装置が構成されている。そして、上記目標アシスト力に相当するモータトルクを発生させるべく、その検出される回転角θに基づいて、モータ１２の各相に対して正弦波通電を行なうことにより、同モータ１２を駆動源とするＥＰＳアクチュエータ１０の作動、即ち操舵系に付与するアシスト力を制御する構成となっている。

次に、本実施形態のモータ及びモータレゾルバに用いた回転角センサの構成について説明する。
図２に示すように、本実施形態のモータ１２は、略円筒状に形成されたハウジング２０の内周に固定されたステータ２１と、同ステータ２１の径方向内側において回転自在に支承されたロータ２２とを備えてなる。

ステータ２１は、ハウジング２０の内周から径方向内側に向って延設された複数のティース２３にモータコイル２４を巻回してなる。また、ロータ２２は、回転軸２５とともに一体回転するモータコア２６の外周にマグネットを固定することにより形成される。詳しくは、ロータ２２は、その周方向に沿って極性（Ｎ／Ｓ）の異なる磁極が交互に形成されるように着磁されたリングマグネット２７をモータコア２６に外嵌することにより形成されている。そして、同ロータ２２は、その回転軸２５がハウジング２０に設けられた軸受２８，２９に軸支されることにより、上記ステータ２１の径方向内側において回転自在に支承されている。

即ち、このようにブラシレスモータとして構成された本実施形態のモータ１２は、モータコイル２４への通電によりステータ２１側に回転磁界が形成されることにより、その回転磁界とリングマグネット２７が形成する界磁磁束との関係に基づいてロータ２２が回転する。また、本実施形態のモータ１２では、上記回転軸２５の一端をハウジング２０の外部に突出させることにより出力部３０が形成されている。そして、本実施形態では、この出力部３０を介して、そのロータ２２の回転により生ずるモータトルクを外部に出力することが可能となっている。

また、本実施形態では、回転軸２５には、その上記モータコア２６よりも軸方向、出力部３０側（同図中、上側）に、円盤状（円環状）に形成された磁石回転子としてのマグネットロータ３１が固定されている。そして、上記モータレゾルバ１７は、このマグネットロータ３１が回転軸２５とともに一体回転することにより生ずる磁束変化に基づいて、モータ１２の回転角θを検出するように構成されている。

詳述すると、本実施形態では、ハウジング２０内には、その軸方向、上記モータコア２６とマグネットロータ３１との間の位置に、電子回路基板３２が収容されている。そして、同電子回路基板３２上（図２中、上側に面する実装面３２ａ）には、その対向する位置に配置された上記マグネットロータ３１の回転に伴い、その磁束変化に応じたセンサ信号を出力するセンサデバイス３３が実装されている。

具体的には、図３（ａ）（ｂ）に示すように、所定の径方向幅を有して円環状に形成されたマグネットロータ３１には、その周方向に沿って極性（Ｎ／Ｓ）の異なる磁極が交互に形成されている。そして、本実施形態では、このマグネットロータ３１は、そのＮ極及びＳ極を合わせた磁極数が「１０」に設定されている。尚、この図３（ａ）（ｂ）においては、説明の便宜上、回転軸２５に対してマグネットロータ３１を一体回転可能に支持する部材の記載が省略されている。

一方、電子回路基板３２上には、その実装面３２ａに対向配置された上記マグネットロータ３１の同心円上、詳しくは、その径方向幅の略中央部に相当する径方向位置（図３（ａ）中、破線に示す同心円Ｌ上）に、均等角度間隔（１２０°間隔）で３つのセンサデバイス３３ａ，３３ｂ，３３ｃが配置されている。そして、本実施形態のモータでは、これらマグネットロータ３１及びセンサデバイス３３（３３ａ，３３ｂ，３３ｃ）により、上記モータレゾルバ１７を構成する磁気式の回転角センサ３５が形成されている。

さらに詳述すると、本実施形態のセンサデバイス３３（３３ａ，３３ｂ，３３ｃ）は、スピン固定層の磁化方向が逆向きとなるように直列接続された一対のスピンバルブ型磁気抵抗素子を有するブリッジ回路をセンサ要素として、その対向配置されたマグネットロータ３１の回転に伴い正弦波状に変化するセンサ信号を出力するように構成されている。

即ち、スピンバルブ型磁気抵抗素子は、スピン固定層の固定された磁化方向に対して、スピン自由層の磁化方向が通過磁束の向きに応じて変化することで、その抵抗値が変化する。具体的には、その通過磁束の向きがスピン固定層の磁化方向に近いほど、その抵抗値が低下する特性を有している。また、図４（ａ）（ｂ）に示すように、そのスピン固定層の磁化方向（各図中、実線の各矢印が示す方向）が逆向きとなるように一対のスピンバルブ型磁気抵抗素子３７ａ，３７ｂを直列接続し、ハーフブリッジ回路３８を形成することで、その接続点３８ａの電圧は、両者の抵抗値に基づく分圧となる。

つまり、その通過磁束の向きに応じてハーフブリッジ回路３８を構成する二つのスピンバルブ型磁気抵抗素子３７ａ，３７ｂの抵抗値が変化することで、その接続点３８ａの電圧もまた変動する。そして、その接続点３８ａの電圧をセンサ信号として出力端子３８ｂから出力することにより、同ハーフブリッジ回路３８がセンサ要素として機能するのである。

具体的には、図４（ａ）（ｂ）に示されるハーフブリッジ回路３８では、電源端子３８ｃ側のスピンバルブ型磁気抵抗素子３７ａは、そのスピン固定層の磁化方向が上記接続点３８ａ側から電源端子３８ｃ側に向う方向となるように配置されている。そのため、このスピンバルブ型磁気抵抗素子３７ａの抵抗値は、図４（ａ）に示すように、その通過する磁束の向き（各図中、破線の矢印が示す方向）が接地端子３８ｄ側から電源端子３８ｃ側に向う方向である場合に最小化する。

また、接地端子３８ｄ側のスピンバルブ型磁気抵抗素子３７ｂは、そのスピン固定層の磁化方向が上記接続点３８ａ側から接地端子３８ｄ側に向う方向となるように配置されている。そのため、このスピンバルブ型磁気抵抗素子３７ｂの抵抗値は、図４（ｂ）に示すように、その通過する磁束の向きが電源端子３８ｃ側から接地端子３８ｄ側に向う方向である場合に最小化する。

従って、このハーフブリッジ回路３８から出力されるセンサ信号のレベル（出力電圧）は、両スピンバルブ型磁気抵抗素子３７ａ，３７ｂを通過する磁束の向きが、図４（ａ）に示される方向（同図中、上向き）である場合に最大となり、その通過磁束の向きが、図４（ｂ）に示される方向である場合（同図中、下向き）である場合に最小となる。

本実施形態の回転角センサ３５では、このようなハーフブリッジ回路３８を備えた各センサデバイス３３（３３ａ，３３ｂ，３３ｃ）が、上記のようにマグネットロータ３１の同心円上に配置される（図３（ａ）参照）。そして、マグネットロータ３１の回転に伴って、そのハーフブリッジ回路３８を通過する磁束の向きが回転することにより、各センサデバイス３３（３３ａ，３３ｂ，３３ｃ）が、それぞれ正弦波状に変化するセンサ信号を出力するようになっている。

さらに詳述すると、図５に示すように、本実施形態のセンサデバイス３３は、図４（ａ）（ｂ）に示すハーフブリッジ回路３８と同様の構成を有する３つのハーフブリッジ回路３８ｕ，３８ｖ，３８ｗを備えている。

本実施形態では、これらのハーフブリッジ回路３８ｕ，３８ｖ，３８ｗは、その接地端子３８ｄ側に配置された各スピンバルブ型磁気抵抗素子３７ｂの一端がスター結線により三相接続されている。また、これらのハーフブリッジ回路３８ｕ，３８ｖ，３８ｗは、その接続点Ｎを中心として均等角度間隔（１２０°間隔）で配置されている。そして、本実施形態では、これにより、これらの各ハーフブリッジ回路３８ｕ，３８ｖ，３８ｗの出力する各センサ信号Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗが、互いに電気角で１２０°の位相差を有するように構成されている。

尚、本実施形態では、これらのハーフブリッジ回路３８ｕ，３８ｖ，３８ｗにおいては、その一対のスピンバルブ型磁気抵抗素子３７ａ，３７ｂとして、トンネル磁気抵抗効果型素子（ＴＭＲ：Tunnel Magnetic Resistance）が用いられている。そして、本実施形態のセンサデバイス３３では、半導体プロセスにより上記各ハーフブリッジ回路３８ｕ，３８ｖ，３８ｗが形成されている。

図３（ａ）に示すように、本実施形態では、各センサデバイス３３ａ，３３ｂ，３３ｃは、電子回路基板３２上において、それぞれ、その直線状に延びるハーフブリッジ回路３８ｕの延伸方向が、マグネットロータ３１の径方向外側に向う方向に一致するように配置されている。尚、この場合における「ハーフブリッジ回路３８ｕの延伸方向」とは、図５中に示されるハーフブリッジ回路３８ｕにおいて、その接続点Ｎから電源端子３８ｃに向う方向である。そして、本実施形態の回転角センサ３５では、これにより、各センサデバイス３３ａ，３３ｂ，３３ｃが出力する三相のセンサ信号（Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１）（Ｖｕ２，Ｖｖ２，Ｖｗ２）（Ｖｕ３，Ｖｖ３，Ｖｗ３）の位相が、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、それぞれ、電気角で１２０×ｎ°（「ｎ」は整数）ずつずれるようになっている。

即ち、図３（ａ）に示すように、マグネットロータ３１が時計回り方向に回転する場合、センサデバイス３３ａを基準とすると、その他のセンサデバイス３３ｂ，３３ｃは、それぞれセンサデバイス３３ａからその回転方向進行側に１２０°（機械角）ずつ離れた位置に配置されている。このため、これら各センサデバイス３３ａ，３３ｂ，３３ｃの電気角換算での間隔は、マグネットロータ３１の磁極数に関わらず、１２０×ｎ°となる。従って、センサデバイス３３ｂが出力する各センサ信号Ｖｕ２，Ｖｖ２，Ｖｗ２、及びセンサデバイス３３ｃが出力する各センサ信号Ｖｕ３，Ｖｖ３，Ｖｗ３は、センサデバイス３３ａが出力する各センサ信号Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１に対し、その位相が、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、電気角で１２０×ｎ°ずつずれるのである。

本実施形態のＥＣＵ１１には、このような各センサ信号Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１，Ｖｕ２，Ｖｖ２，Ｖｗ２，Ｖｕ３，Ｖｖ３，Ｖｗ３が入力される。そして、これら各センサ信号に基づいて、そのモータ１２の回転角θを検出する構成となっている。

次に、本実施形態のＥＣＵ１１による回転角θの検出方法について説明する。
上記のように、センサデバイス３３ａが出力する各センサ信号Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１、センサデバイス３３ｂが出力する各センサ信号Ｖｕ２，Ｖｖ２，Ｖｗ２、及びセンサデバイス３３ｃが出力する各センサ信号Ｖｕ３，Ｖｖ３，Ｖｗ３は、その位相が、それぞれ電気角で１２０×ｎ°ずつずれている。

即ち、これら各センサデバイス３３ａ，３３ｂ，３３ｃが出力する三相のセンサ信号は、図７に示すように、それぞれ、他のセンサデバイスが出力するセンサ信号の何れかと重複する位相を有するものとなっている。

具体的には、センサデバイス３３ａのＵ相センサ信号（Ｖｕ１）は、センサデバイス３３ｂのＶ相センサ信号（Ｖｖ２）及びセンサデバイス３３ｃのＷ相センサ信号（Ｖｗ３）に対して、互いに重複する位相を有している。また、センサデバイス３３ａのＶ相センサ信号（Ｖｖ１）は、センサデバイス３３ｂのＷ相センサ信号（Ｖｗ２）及びセンサデバイス３３ｃのＵ相センサ信号（Ｖｕ３）に対して、互いに重複する位相を有している。そして、センサデバイス３３ａのＷ相センサ信号（Ｖｗ１）は、センサデバイス３３ｂのＷ相センサ信号（Ｖｕ２）及びセンサデバイス３３ｃのＶ相センサ信号（Ｖｖ３）に対して、互いに重複する位相を有している。

本実施形態において検出手段を構成するＥＣＵ１１は、そのモータレゾルバ１７（回転角センサ３５）から入力される各センサ信号Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１，Ｖｕ２，Ｖｖ２，Ｖｗ２，Ｖｕ３，Ｖｖ３，Ｖｗ３を、その重複する位相毎に仕分けする。そして、当該位相毎に、以下の（１）〜（３）式を用いて平均化することにより、図８に示すように、波形歪みが除去された三相の本信号Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗを得る。

Ｓｕ＝（Ｖｕ１＋Ｖｖ２＋Ｖｗ３）／３ ・・・（１）
Ｓｖ＝（Ｖｖ１＋Ｖｗ２＋Ｖｕ３）／３ ・・・（２）
Ｓｗ＝（Ｖｗ１＋Ｖｕ２＋Ｖｖ３）／３ ・・・（３）
即ち、磁気式の回転角センサにおいては、その磁石回転子が形成する空間磁束密度分布の歪み、或いはセンサ要素を構成する個々の磁気検出素子間温度特性のばらつき等に起因した出力波形の歪みが問題となる。そこで、本実施形態では、その重複する位相毎に平均化することで、その波形歪みを補正する。そして、その補正が施された後の三相の本信号Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗに基づいて、モータ１２（回転軸２５）の回転角θを演算する。

具体的には、先ず、次の（４）式により本信号Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗの振幅Ａを演算する。
Ａ＝√（（２／３）×（Ｓｕ＾２＋Ｓｖ＾２＋Ｓｗ＾２）） ・・・（４）
尚、この（４）式において「＾２」は「二乗」の意味である。

そして、本実施形態のＥＣＵ１１は、上記（４）式により得られる振幅Ａ、及び各本信号Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗの値に基づいて、以下の（５）〜（７）式を解くことにより、モータ１２の回転角θを演算する。

Ｓｕ＝Ａ×ＳＩＮ（θ） ・・・（５）
Ｓｖ＝Ａ×ＳＩＮ（θ＋２／３π） ・・・（６）
Ｓｗ＝Ａ×ＳＩＮ（θ＋４／３π） ・・・（７）
また、本実施形態のＥＣＵ１１は、各センサデバイス３３ａ，３３ｂ，３３ｃについて、それぞれが出力する三相のセンサ信号Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを用いた次の（８）式により得られる二乗平均Ｂを監視することにより、その故障判定を実行する。

Ｂ＝√（Ｖｕ＾２＋Ｖｖ＾２＋Ｖｗ＾２） ・・・（８）
そして、何れかのセンサデバイスに故障が生じた場合には、残る二つのセンサデバイスが出力する各センサ信号Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを用いることにより、その回転角検出を継続する構成となっている。

以上、本実施形態によれば、以下のような作用・効果を得ることができる。
（１）回転角センサ３５は、周方向に沿って複数の磁極が形成されたマグネットロータ３１と、そのマグネットロータ３１の同心円上に均等角度間隔で配置された３つのセンサデバイス３３（３３ａ，３３ｂ，３３ｃ）とを備える。また、各センサデバイス３３は、スピン固定層の磁化方向が逆向きとなるように直列接続された一対のスピンバルブ型磁気抵抗素子３７ａ，３７ｂを有する３つのハーフブリッジ回路３８（３８ｕ，３８ｖ，３８ｗ）を備える。そして、各センサデバイス３３は、そのマグネットロータ３１の回転に伴う磁束変化に基づき各ハーフブリッジ回路３８が出力するセンサ信号Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗが、互いに電気角で１２０°の位相差を有するように構成される。

即ち、センサデバイス３３において、そのセンサ要素となるスピンバルブ型磁気抵抗素子３７ａ，３７ｂを用いた各ハーフブリッジ回路３８（３８ｕ，３８ｖ，３８ｗ）は、半導体プロセスを用いて形成可能である。このため、これらが出力する各センサ信号Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ間の位相差は、高精度に電気角で１２０°に管理することができる。そして、機械角１２０°の均等角度間隔でマグネットロータ３１の同心円上に配置された各センサデバイス３３ａ，３３ｂ，３３ｃは、同マグネットロータ３１の磁極数に関わらず、その電気角換算での間隔が１２０×ｎ°となる。

従って、上記構成によれば、各センサデバイス３３ａ，３３ｂ，３３ｃが出力する三相のセンサ信号を、それぞれ他のセンサデバイスが出力するセンサ信号の何れかと重複させることができ、その重複する位相毎に平均化することにより、マグネットロータ３１の回転に応じた歪みのない三相の正弦波形を得ることができる。その結果、簡素な構成にて、より高精度の回転角検出が可能になるとともに、その磁極数の変更に対しても高い柔軟性を持たせることができる。加えて、各センサデバイス３３ａ，３３ｂ，３３ｃの何れかに故障が生じた場合でも、その多重化の利点を活かして、残る二つのセンサデバイスが出力する各センサ信号により回転角検出を継続することができる。その結果、その信頼性を向上させることができる。

（２）センサ要素を構成するスピンバルブ型磁気抵抗素子３７ａ，３７ｂには、トンネル磁気抵抗効果型素子（ＴＭＲ）が用いられる。
上記構成によれば、そのセンサ要素となるブリッジ回路をフルブリッジ化することなく、十分な信号強度を得ることができる。そして、これにより、その構成の簡素化が可能になるとともに、そのスピンバルブ型磁気抵抗素子として巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ）を用いた場合との比較においても、より高精度の検出ができるようになる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、本発明をＥＰＳ用のモータ１２に設けられたモータレゾルバ１７を構成する回転角センサ３５に具体化したが、モータレゾルバ以外の回転角センサに適用してもよい。また、ＥＰＳに適用する場合においても、本実施形態のＥＰＳ１のような所謂コラム型に限らず、所謂ラックアシスト型や所謂ピニオン型等、その他の形式のＥＰＳに具体化してもよい。

・上記実施形態では、センサ要素を構成するスピンバルブ型磁気抵抗素子３７ａ，３７ｂとして、トンネル磁気抵抗効果型素子（ＴＭＲ）を用いたが、巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ）を用いる構成であってもよい。

・上記実施形態では、各ハーフブリッジ回路３８（３８ｕ，３８ｖ，３８ｗ）において、電源端子３８ｃ側のスピンバルブ型磁気抵抗素子３７ａは、そのスピン固定層の磁化方向が上記接続点３８ａ側から電源端子３８ｃ側に向う方向となるように配置される。そして、接地端子３８ｄ側のスピンバルブ型磁気抵抗素子３７ｂは、そのスピン固定層の磁化方向が上記接続点３８ａ側から接地端子３８ｄ側に向う方向となるように配置されることとした。

しかし、これに限らず、両者のスピン固定層の磁化方向が逆向きとなれば、例えば、図９に示すセンサデバイス４０のように、その各ハーフブリッジ回路３８（３８ｖ，３８ｕ，３８ｗ）を形成する両スピンバルブ型磁気抵抗素子３７ａ，３７ｂにおいて、そのスピン固定層の磁化方向が、共に、その接続点３８ａに向う方向となるようにしてもよい。

また、図１０に示すセンサデバイス４１のように、各ハーフブリッジ回路３８（３８ｕ，３８ｖ，３８ｗ）の延伸方向（同図中、接続点Ｎからそれぞれ電源端子３８ｃに向う方向）に対して、各スピンバルブ型磁気抵抗素子３７ａ，３７ｂにおけるスピン固定層の磁化方向が直交するようにしてもよい。

・上記実施形態では、ハーフブリッジ回路３８（３８ｕ，３８ｖ，３８ｗ）をセンサ要素としてセンサデバイス３３を構成した。しかし、これに限らず、フルブリッジ回路をセンサ要素としてセンサデバイスを構成してもよい。このように、フルブリッジ回路３８ｕｕ，３８ｖｖ，３８ｗｗをセンサ要素とすることで、その信号強度を高めることができる。そして、これにより、その検出精度の更なる向上を図ることができるようになる。

具体的には、例えば、図１１に示すセンサデバイス４２では、スピンバルブ型磁気抵抗素子３７ａ，３７ｂの直列回路と、スピンバルブ型磁気抵抗素子３７ａ´，３７ｂ´の直列回路とを並列接続することにより、３つのフルブリッジ回路３８ｕｕ，３８ｖｖ，３８ｗｗが形成されている。更に、各フルブリッジ回路３８ｕｕ，３８ｖｖ，３８ｗｗにおいて、並列配置されたスピンバルブ型磁気抵抗素子３７ａ，３７ａ´、及びスピンバルブ型磁気抵抗素子３７ｂ，３７ｂ´は、そのスピン固定層の磁化方向が、各直列回路の延伸方向（同図中、接続点Ｎからそれぞれ電源端子３８ｃに向う方向）に沿って逆向きとなるように配置されている。そして、この例においては、これにより、各フルブリッジ回路３８ｕｕ，３８ｖｖ，３８ｗｗは、上記の各直列回路の接続点３８ａ，３８ａ´から延びる二つの出力端子３８ｂ，３８ｂ´の差動出力を、そのセンサ信号として出力することが可能となっている。

尚、各フルブリッジ回路３８ｕｕ，３８ｖｖ，３８ｗｗを構成する各スピンバルブ型磁気抵抗素子３７ａ，３７ｂ，３７ａ´，３７ｂ´の配置については、図１２に示すセンサデバイス４３のように、そのスピン固定層の磁化方向が、各直列回路の延伸方向（同図中、接続点Ｎからそれぞれ電源端子３８ｃに向う方向）と直交する方向であってもよいことはいうまでもない。

次に、以上の実施形態から把握することのできる技術的思想を効果とともに記載する。
（イ）周方向に沿って複数の磁極が形成された磁石回転子と、前記磁石回転子の同心円上に均等角度間隔で配置された３つの前記センサデバイスとを備え、前記各センサデバイスは、スピン固定層の磁化方向が逆向きとなるように直列接続された一対のスピンバルブ型磁気抵抗素子を有する３つのブリッジ回路を備えるとともに、前記磁石回転子の回転に伴う磁束変化に基づき該各ブリッジ回路の出力する前記センサ信号が、互いに電気角で１２０°の位相差を有するように構成された回転角センサを用いて、前記磁石回転子と一体に回転する回転軸の回転角を検出する回転角検出方法であって、前記各センサデバイスが出力する各センサ信号を重複する位相毎に仕分けし、その重複する位相毎に平均化することにより生成される三相の本信号に基づいて前記回転角を検出すること、を特徴とする回転角検出方法。これにより、簡素な構成で高精度の回転角検出が可能になるとともに磁極数の変更に対して高い柔軟性を確保することができる。

１…電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）、２…ステアリング、３…ステアリングシャフト、１０…ＥＰＳアクチュエータ、１１…ＥＣＵ、１２…モータ、１７…モータレゾルバ、２５…回転軸、２６…モータコア、２７…リングマグネット、３１…マグネットロータ、３３（３３ａ，３３ｂ，３３ｃ），４０，４１，４２，４３…センサデバイス、３５…回転角センサ、３７ａ，３７ｂ…スピンバルブ型磁気抵抗素子、３８（３８ｕ，３８ｖ，３８ｗ）…ハーフブリッジ回路、３８ｕｕ，３８ｖｖ，３８ｗｗ…フルブリッジ回路、Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ，Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１，Ｖｕ２，Ｖｖ２，Ｖｗ２，Ｖｕ３，Ｖｖ３，Ｖｗ３…センサ信号、Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗ…本信号、θ…回転角。

Claims (6)

1. 周方向に沿って複数の磁極が形成された磁石回転子と、前記磁石回転子の回転に伴う磁束変化に基づくセンサ信号を出力するセンサデバイスとを備えた回転角センサにおいて、
   前記磁石回転子の同心円上に均等角度間隔で配置された３つの前記センサデバイスを備え、
   前記各センサデバイスは、スピン固定層の磁化方向が逆向きとなるように直列接続された一対のスピンバルブ型磁気抵抗素子を有する３つのブリッジ回路を備えるとともに、該各ブリッジ回路の出力する前記センサ信号が、互いに電気角で１２０°の位相差を有するように構成されること、を特徴とする回転角センサ。
2. 請求項１に記載の回転角センサにおいて、
   前記スピンバルブ型磁気抵抗素子は、トンネル磁気抵抗効果型素子であること、
   を特徴とする回転角センサ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の回転角センサにおいて、
   前記ブリッジ回路は、ハーフブリッジ回路であること、
   を特徴とする回転角センサ。
4. 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の回転角センサを備えたモータ。
5. 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の回転角センサと、前記回転角センサから入力される前記センサ信号に基づき前記磁石回転子と一体に回転する回転軸の回転角を検出する検出手段とを備え、前記検出手段は、前記回転角センサから入力される各センサ信号を重複する位相毎に平均化することにより生成される三相の本信号に基づいて前記回転角を検出すること、を特徴とする回転角検出装置。
6. 請求項５に記載の回転角検出装置によりモータの回転角を検出する電動パワーステアリング装置。

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