JP2012032234A - 回転角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１チップに複数の磁気検出部が形成された構成において、磁石回転子の磁極の数を増大しなくとも、チップの体格が増大することが抑制された回転角度検出装置を提供する。
【解決手段】磁石回転子と、磁気検出部が半導体基板に形成されて成るセンサチップと、を備える回転角度検出装置であって、磁気検出部は、位相差だけ離れて配置された、第１法線成分検出部と第２法線成分検出部、及び、第１回転成分検出部と第２回転成分検出部を有し、位相差は、２つの法線成分検出部の出力信号の差分を位相差で割った値が、センサチップ周囲の磁界の法線方向に沿う成分を回転方向に微分した値と近似でき、且つ、２つの回転成分検出部の出力信号の差分を位相差で割った値が、センサチップ周囲の磁界の回転方向に沿う成分を回転方向に微分した値と近似できる値となっている。
【選択図】図４

Description

本発明は、磁極対を有する磁石回転子と、磁気信号を電気信号に変換する磁気検出部が半導体基板に形成されて成るセンサチップと、を備える回転角度検出装置に関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されるように、４極以上の磁極（２つ以上の磁極対）を有する磁石回転子と、該磁石回転子から発生された磁束の向きを検知する第１のセンサデバイス及び第２のセンサデバイスと、を備える回転角度検出装置が提案されている。

第１のセンサデバイス及び第２のセンサデバイスそれぞれは、磁化方向が固定された固定層と、磁化方向が磁界の向きに応じて変化する自由層とを有するスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子（以下、単に、抵抗素子と記す）によって構成されている。この抵抗素子は、固定層の磁化方向と自由層の磁化方向（磁界）との成す角度に応じて抵抗値が変化する性質を有し、磁石回転子が電気角（回転角を磁極対で割った角度）だけ回転した場合、この抵抗素子を有するセンサデバイスからは、一周期分の波形信号が出力される。例えば、磁石回転子が２つの磁極対を有する場合、磁石回転子が１回転すると、センサデバイスからは二周期分の波形信号が出力される。

以下、特許文献１の請求項１及び図１０に記載された回転角度検出装置を説明する。第１のセンサデバイスは、４つの抵抗素子によってフルブリッジに構成されたセンサブリッジＸ０１，Ｙ０１を内蔵し、第２のセンサデバイスは、４つの抵抗素子によってフルブリッジに構成されたセンサブリッジＸ０２，Ｙ０２を内蔵している。上記したフルブリッジは、２つの抵抗素子が直列に接続されて成る素子対と、２つの抵抗素子が直列に接続されて成る素子対とが電源とグランドとの間で並列に接続されて成る。そして、各フルブリッジ（センサブリッジＸ０１，Ｘ０２，Ｙ０１，Ｙ０２）を構成する、一方の素子対における電源側の抵抗素子の固定層磁化方向と、他方の素子対における電源側の抵抗素子の固定層磁化方向とが反平行となっており、一方の素子対におけるグランド側の抵抗素子の固定層磁化方向と、他方の素子対におけるグランド側の抵抗素子の固定層磁化方向とが反平行となっている。

センサブリッジＹ０１を構成する抵抗素子の固定層磁化方向が磁石回転子の回転方向に沿うように配置され、この抵抗素子の固定層磁化方向と、センサブリッジＸ０１を構成する抵抗素子の固定層磁化方向とが互いに直交している。また、センサブリッジＹ０２を構成する抵抗素子の固定層磁化方向が回転方向に沿うように配置され、この抵抗素子の固定層磁化方向と、センサブリッジＸ０２を構成する抵抗素子の固定層磁化方向とが互いに直交している。そして、センサブリッジＸ０１の固定層磁化方向とセンサブリッジＸ０２の固定層磁化方向とは、電気角で９０ｄｅｇ位相が異なるように配置されている。

第１のセンサデバイスが、磁石回転子との基準となる感磁方向を有しており、磁気回転子に対する第１のセンサデバイスの回転角度がθとなっている。センサブリッジＸ０１からｃｏｓθに依存する検出信号が出力されるとすると、センサブリッジＹ０１を構成する抵抗素子の固定層磁化方向と、センサブリッジＸ０１を構成する抵抗素子の固定層磁化方向とが互いに直交しているので、センサブリッジＹ０１からは−ｓｉｎθに依存する検出信号が出力される。

また、センサブリッジＸ０１の固定層磁化方向とセンサブリッジＸ０２の固定層磁化方向とは、電気角で９０ｄｅｇ位相が異なるように配置されているので、センサブリッジＸ０２からはｓｉｎθに依存する検出信号が出力される。最後に、センサブリッジＹ０２を構成する抵抗素子の固定層磁化方向と、センサブリッジＸ０２を構成する抵抗素子の固定層磁化方向とが互いに直交しているので、センサブリッジＹ０２からはｃｏｓθに依存する検出信号が出力される。

以上から、センサブリッジＸ０１，Ｙ０１の検出信号におけるθに依存する因子を（Ｘ０１，Ｙ０１）と表現すると、（Ｘ０１，Ｙ０１）＝（ｃｏｓθ，−ｓｉｎθ）となる。また、センサブリッジＸ０２，Ｙ０２の検出信号におけるθに依存する因子を（Ｘ０２，Ｙ０２）と表現すると、（Ｘ０２，Ｙ０２）＝（ｓｉｎθ，ｃｏｓθ）となる。このように、Ｘ０１，Ｙ０２はｃｏｓθに依存し、Ｙ０１，Ｘ０２はｓｉｎθに依存する。したがって、反転したＹ０２の検出信号をＹ０２’とすると、オペアンプによって、Ｘ０１−Ｙ０２’、Ｘ０２−Ｙ０１という演算を実施することで、各検出信号に含まれる、同相の高周波ノイズがキャンセルされたｃｏｓθとｓｉｎθとを得ることができる。これらに基づいて、ｔａｎθを算出した後、逆正接演算を角度演算部で行うことで角度θが算出される。

特許第４２７３３６３号公報

ところで、特許文献１では、第１のセンサデバイスと、第２のセンサデバイスとが、それぞれ異なるチップに形成されている。この構成の場合、複数のチップを用意しなくてはならず、コストが高くなる、という問題が生じる。

この問題を解決するために、第１のセンサデバイスと第２のセンサデバイスそれぞれが、１つのチップに形成された構成を考えることもできる。しかしながら、この構成にて高周波ノイズを除去しようとする場合、上記したように、センサブリッジＸ０１の固定層磁化方向とセンサブリッジＸ０２の固定層磁化方向とを、電気角で９０ｄｅｇ位相が異なるように配置しなければならないために、磁石回転子の磁極の数が少ない場合、電気角が大きくなり、チップの体格が増大する、という問題が生じる。もちろん、磁石回転子の磁極の数が多い場合、電気角が小さくなるので、チップの体格が増大することは抑制される。しかしながら、磁石回転子の磁極の数が多くなると、回転磁界の回転周波数が高くなるために、入力信号に対して角度演算部の処理速度が追いつかなくなる、という新たな問題が生じる。

ところで、上記した磁石回転子が磁石と共に、回転軸に取り付け固定され、その回転軸が、磁石回転子の周囲を囲むように設けられた界磁巻線から発せられる磁束によって回転する場合、上記したチップは、界磁巻線と磁石回転子との間に配置される。この場合、チップには、界磁巻線の磁束と磁石回転子の磁束とが印加されることとなるが、磁石回転子の磁束に基づいて、磁石回転子の回転角度を検出するためには、界磁巻線の磁束を除去しなくてはならない。このように、界磁巻線から発せられる磁束が、ノイズ（以下、誘導ノイズと示す）となる。

上記した回転軸は、誘導ノイズと、回転軸に取り付け固定された磁石が発する磁束との反発力によって回転する。そのため、誘導ノイズの回転方向と磁石回転子の回転磁界の回転方向とが逆向きとなる。したがって、特許文献１に記載のノイズ除去方法にて誘導ノイズを除去する場合、電気センサブリッジＸ０１の固定層磁化方向とセンサブリッジＸ０２の固定層磁化方向とを、電気角で１８０ｄｅｇ位相が異なるように配置しなければならない。このように、誘導ノイズを除去するためには電気角が２倍となるので、更にチップの体格が増大することが懸念される。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、１チップに複数の磁気検出部が形成された構成において、磁石回転子の磁極の数を増大しなくとも、チップの体格が増大することが抑制された回転角度検出装置を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、磁石と共に、回転軸に取り付け固定された、少なくとも１つの磁極対を有する磁石回転子と、磁気を検出する磁気検出部が１つの半導体基板に形成されて成るセンサチップと、を備え、回転軸とセンサチップとが、回転軸を回転させる磁界中に配置され、磁気検出部から出力される電気信号に基づいて、磁石回転子の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、磁気検出部から出力される電気信号に基づいて、磁石回転子の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、磁気検出部は、磁石回転子の回転方向に、所定の位相差だけ離れて設けられた第１磁気検出部と第２磁気検出部と、を有し、第１磁気検出部は、磁石回転子の中心を通り、回転方向に対して交差する法線方向に沿う磁界を主として検出する第１法線成分検出部と、回転方向に沿う磁界を主として検出する第１回転成分検出部と、を有し、第２磁気検出部は、法線方向に沿う磁界を主として検出する第２法線成分検出部と、回転方向に沿う磁界を主として検出する第２回転成分検出部と、を有し、位相差は、第１法線成分検出部の出力信号と、第２法線成分検出部の出力信号との差分を、位相差で割った値が、センサチップ周囲の磁界の法線方向に沿う成分を、回転方向に微分した値と近似でき、且つ、第１回転成分検出部の出力信号と、第２回転成分検出部の出力信号との差分を、位相差で割った値が、センサチップ周囲の磁界の回転方向に沿う成分を、回転方向に微分した値と近似できる値となっており、位相差をΔθ、第１法線成分検出部の出力信号をＳ_１、第２法線成分検出部の出力信号をＳ_２、第１回転成分検出部の出力信号をＣ_１、第２回転成分検出部の出力信号Ｃ_２とし、回転軸を回転させる磁界に依存する値をα、βとすると、次に示す数１及び数２

によって示される演算を行う演算部を有することを特徴とする。

以下、請求項１に記載の発明の作用効果を説明するために、センサチップの周囲に形成される磁界と、その磁界に含まれる、回転軸を回転させる磁束（誘導ノイズ）を除去する演算方法と、について説明する。

請求項１に記載のように、回転軸とセンサチップとが、回転軸を回転させる磁界中に配置されている。回転軸（磁石回転子）は、この磁束と、回転軸に取り付け固定された磁石が発する磁束との反発力によって回転する。そのため、回転軸を回転させる磁束（誘導ノイズ）によって形成される磁界の回転方向と、磁石回転子の磁束によって形成される回転磁界の回転方向とが逆となる。これにより、回転軸を回転させる磁界をＢ_Ｎ、この磁界の回転方向に沿う成分の振幅をＢ_Ｎθ、法線方向に沿う成分の振幅をＢ_ＮＲ、磁石の磁極対の数をＮ_Ｎ、そして、磁石回転子から発せされる磁界をＢ_Ｓ、この磁界の回転方向に沿う成分の振幅をＢ_Ｓθ、法線方向に沿う成分の振幅をＢ_ＳＲ、磁石回転子の磁極対の数をＮ_Ｓ、回転方向における任意の角度をθとすると、下記式が成立する。

以上から、センサチップの周囲に形成される磁界Ｂは、その回転方向に沿う成分をｂ_θ、法線方向に沿う成分をｂ_Ｒとすると、下記式によって表される。

これから、磁界Ｂの回転方向の微小量変化、すなわち、磁界Ｂの回転方向の微分値は、その回転方向に沿う成分をΔ_θｂ_θ、法線方向に沿う成分をΔ_θｂ_Ｒとすると、下記式によって表される。

このように、ｂ_θとΔ_θｂ_Ｒはｃｏｓθに依存し、ｂ_ＲとΔ_θｂ_θとはｓｉｎθに依存する。したがって、誘導ノイズを除去するためには、ある係数をα、βとして、下記式を計算すればよい。

数７、数８それぞれにおける、振幅Ｂ_Ｎθ、Ｂ_ＮＲを有する項が誘導ノイズである。この誘導ノイズを除去するためには、αとβとが、下記式を満たせばよい。

これら、数９、数１０で示したαとβとを、数７、数８に代入すると、下記式が成立する。

以上、示したように、ｂ_θ，ｂ_Ｒ，Δ_θｂ_θ，Δ_θｂ_Ｒ，α，βがわかれば、各検出信号に含まれる、誘導ノイズがキャンセルされたｃｏｓ（Ｎ_Ｓθ）とｓｉｎ（Ｎ_Ｓθ）とを得ることができる。

以下、上記した記載に基づいて、請求項１に記載の発明の作用効果を説明する。請求項１に記載の発明によれば、位相差は、第１法線成分検出部の出力信号と、第２法線成分検出部の出力信号との差分を、位相差で割った値が、センサチップ周囲の磁界Ｂの法線方向に沿う成分ｂ_Ｒを、回転方向に微分した値Δ_θｂ_Ｒと近似でき、且つ、第１回転成分検出部の出力信号と、第２回転成分検出部の出力信号との差分を、位相差で割った値が、センサチップ周囲の磁界の回転方向に沿う成分ｂ_θを、回転方向に微分した値Δ_θｂ_θと近似できる値となっている。

これはつまり、位相差をΔθ、第１法線成分検出部の出力信号をＳ_１、第２法線成分検出部の出力信号をＳ_２、第１回転成分検出部の出力信号をＣ_１、第２回転成分検出部の出力信号Ｃ_２とすると、下記式が成立することを示している。

また、第１法線成分検出部若しくは第２法線成分検出部の出力信号は、磁界Ｂの法線成分ｂ_Ｒに比例し、第１回転成分検出部若しくは第２回転成分検出部の出力信号は、磁界Ｂの回転成分ｂ_θに比例するので、下記式が成立する。

これら数１３〜１６と、数７、数８より、下記に示す関係式が成立する。

以上から、数１７及び数１８それぞれの右辺に示す演算、すなわち、数１及び数２に示す演算を演算部によって行うことで、数１１、数１２に示される、誘導ノイズが除去されたｃｏｓ（Ｎ_Ｓθ）とｓｉｎ（Ｎ_Ｓθ）とを得ることができる。なお、数９、数１０に示されるように、α，βは、振幅Ｂ_Ｎθと振幅Ｂ_ＮＲとの比γと、数Ｎ_Ｎとによって表される。数Ｎ_Ｎは、設計段階で決定される値であり、比γは、回転軸を回転させる磁束を生成する電流によって決定される値であり、測定可能な値である。

上記したように、位相差Δθは、磁石回転子の磁極対の数に依存する電気角に依存せず、微分計算が近似できる値となっている。このため、１つの半導体基板に、第１磁気検出部と第２磁気検出部とを形成しても、センサチップの体格が増大することが抑制される。また、電気角を小さくするために、磁石回転子の磁極の数を増大しなくとも良いので、回転磁界の周波数が高まることが抑制される。

請求項２に記載のように、演算部は、磁気検出部とともに、１つの半導体基板に形成された構成が良い。これによれば、演算部が、磁気検出部が形成された半導体基板とは異なる半導体基板に形成される構成と比べて、回転角度検出装置の体格が増大することが抑制される。

演算部にて、誘導ノイズが除去されたｃｏｓ（Ｎ_Ｓθ）とｓｉｎ（Ｎ_Ｓθ）とが算出された後は、その信号が、請求項３に記載の算出部に入力される。算出部は、演算部の出力信号に基づいて角度θを算出する。

請求項４に記載のように、算出部は、半導体基板に形成された構成が良い。これによれば、算出部が、磁気検出部が形成された半導体基板とは異なる半導体基板に形成される構成と比べて、回転角度検出装置の体格が増大することが抑制される。

請求項５に記載のように、磁石回転子は、１つの磁極対を有する構成が良い。これによれば、回転磁界の回転周波数が高くなることが抑制され、入力信号に対して演算部の処理速度が追いつかなくなる、という不具合が生じることが抑制される。

請求項６に記載のように、第１法線成分検出部、第１回転成分検出部、第２法線成分検出部、及び第２回転成分検出部それぞれが、磁化方向が固定された固定層と、磁化方向が磁界の向きに応じて変化する自由層とを有する磁気抵抗素子である構成を採用することができる。そして、請求項７に記載のように、上記した磁気抵抗素子としては、トンネル磁気抵抗素子を採用することができる。

固定層の磁化方向としては、請求項８に記載のように、第１法線成分検出部及び第２法線成分検出部それぞれの固定層の磁化方向が、磁石回転子の中心から遠ざかる方向を向き、第１回転成分検出部及び第２回転成分検出部それぞれの固定層の磁化方向が、磁石回転子の中心の周りの一方向を向いた構成を採用することができる。若しくは、請求項９に記載のように、第１法線成分検出部及び第２法線成分検出部それぞれの固定層の磁化方向が、磁石回転子の中心に近づく方向を向き、第１回転成分検出部及び第２回転成分検出部それぞれの固定層の磁化方向が、磁石回転子の中心の周りの一方向を向いた構成も採用することができる。

また、各成分検出部の配置としては、請求項１０に記載のように、第１法線成分検出部と第１回転成分検出部とが、法線方向に所定距離離れて配置され、第２法線成分検出部と第２回転成分検出部とが、法線方向に所定距離離れて配置された構成を採用することができる。若しくは、請求項１１に記載のように、第１法線成分検出部、第１回転成分検出部、第２法線成分検出部、及び第２回転成分検出部それぞれが、磁石回転子の中心から等距離に配置された構成を採用することもできる。

請求項１２に記載のように、回転軸としては、自動車のシャフトに適用することができる。

請求項１３に記載のように、回転軸が、フレームに収容されており、センサチップが、フレームに固定された構成が良い。これによれば、センサチップが、上記したフレームとは異なる部材に固定される構成と比べて、構造がシンプルとなる。

第１実施形態に係る回転角度検出装置の概略構成を示す平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 磁気検出部、演算部、及び、算出部の電気的な接続を示すブロック図である。 図１に示すセンサチップと磁石回転子の中心との関係を示す平面図である。 磁気検出部、演算部、及び、算出部の電気的な接続を示すブロック図である。 磁気検出部、演算部、及び、算出部の電気的な接続を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る回転角度検出装置の概略構成を示す平面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。図３は、磁気検出部、演算部、及び、算出部の電気的な接続を示すブロック図である。図４は、図１に示すセンサチップと磁石回転子の中心との関係を示す平面図である。以下においては、後述する磁石回転子１０の回転する方向を回転方向、半導体基板３１の厚さに沿う方向を厚さ方向、該厚さ方向と回転方向とに交差し、且つ、磁石回転子１０の中心Ｏを通る方向を法線方向と示す。

回転角度検出装置１００は、要部として、磁石回転子１０と、センサチップ３０と、演算部５０と、算出部７０と、を有する。図１及び図２に示すように、磁石回転子１０の周囲が、界磁巻線２０によって囲まれ、センサチップ３０が、磁石回転子１０と界磁巻線２０との間に配置されている。これによって、センサチップ３０に、磁石回転子１０と界磁巻線２０それぞれから発せられる磁界が印加されるようになっている。また、図３に示すように、センサチップ３０の磁気検出部３２と演算部５０とが電気的に接続され、演算部５０と算出部７０とが電気的に接続されている。これにより、磁気検出部３２にて検出された電気信号が、演算部５０を介して、算出部７０に出力されるようになっている。

後述するように、センサチップ３０は、磁石回転子１０の磁界の変化を検出することで、磁石回転子１０の回転角度を測定する機能を果たす。しかしながら、上記したように、センサチップ３０には、磁石回転子１０の磁束だけではなく、界磁巻線２０の磁束も印加される。この磁束が、磁石回転子１０の回転角度を検出する上でノイズとなる。本実施形態に係る回転角度検出装置１００は、センサチップ３０の出力信号に含まれる、上記したノイズ（誘導ノイズ）成分を、センサチップ３０の体格が増大することを抑制しつつ、除去できる点を特徴点としている。なお、界磁巻線２０から発せられる磁束によって形成される磁界が、特許請求の範囲に記載の回転軸を回転させる磁界に相当する。

図１及び図２に示すように、磁石回転子１０は円環状を成し、その内環部によって構成された孔に、円柱状のシャフト１１が挿通されている。これによって、磁石回転子１０は、永久磁石から成るロータ１２とともに、自動車のシャフト１１に固定されている。そして、この構成によって、磁石回転子１０の中心Ｏが、シャフト１１に位置している。本実施形態に係る磁石回転子１０は、Ｓ極とＮ極とから成る磁極対を１つ有しており、ロータ１２は、２つの磁極対を有している。界磁巻線２０から発せられる磁束とロータ１２が発する磁束との反発力によって、シャフト１１とともに回転するようになっている。なお、シャフト１１が、特許請求の範囲に記載の回転軸に相当し、ロータ１２が、特許請求の範囲に記載の磁石に相当する。

磁石回転子１０が回転すると、その回転と磁石回転子１０の磁束とによって、回転方向に沿う回転磁界がセンサチップ３０の周囲に形成される。上記したように、シャフト１１（磁石回転子１０）は、界磁巻線２０の磁束とロータ１２が発する磁束との反発力によって回転する。そのため、界磁巻線２０の磁束によって形成される磁界の回転方向と、磁石回転子１０の磁束によって形成される回転磁界の回転方向とは逆向きとなる。なお、図１及び図２では、磁石回転子１０が浮いているように図示したが、実際には、接着剤などを介してシャフト１１に固定されている。同じく、図１及び図２では、センサチップ３０が浮いているように図示したが、実際には、シャフト１１と界磁巻線２０とを収容するフレーム（図示略）に固定されている。

界磁巻線２０は、シャフト１１を回転するための磁界を形成するためのものである。界磁巻線２０は、多数の巻き線（コイル）がステータ２１に固定されて成り、多数の巻き線それぞれに、磁界を発生するための電流が流れるようになっている。ロータ１２の１つの磁極に対して、６つの界磁巻線２０が対応しており、２４個の界磁巻線２０がステータ２１に固定されている。

センサチップ３０は、１つの半導体基板３１に、磁気検出部３２が形成されて成る。磁気検出部３２は、磁石回転子１０の回転方向に、位相差Δθだけ離れて設けられた第１磁気検出部３３と第２磁気検出部３４と、を有する。第１磁気検出部３３は、法線方向に沿う磁界を主として検出する第１法線成分検出部３５と、回転方向に沿う磁界を主として検出する第１回転成分検出部３６と、を有する。第２磁気検出部３４は、法線方向に沿う磁界を主として検出する第２法線成分検出部３７と、回転方向に沿う磁界を主として検出する第２回転成分検出部３８と、を有する。

図４に示すように、第１法線成分検出部３５と第１回転成分検出部３６とが、法線方向に所定距離離れて配置され、第２法線成分検出部３７と第２回転成分検出部３８とが、法線方向に所定距離離れて配置されている。そして、第１法線成分検出部３５と第２法線成分検出部３７とが、中心Ｏから等距離に配置され、第１回転成分検出部３６と第２回転成分検出部３８とが、中心Ｏから等距離に配置されている。

上記した成分検出部３５〜３８それぞれは、磁気信号を電気信号に変換する磁電変換素子である。本実施形態に係る成分検出部３５〜３８それぞれは、磁化方向が固定された固定層と、磁化方向が磁界の向きに応じて変化する自由層とを有する磁気抵抗素子である。図４に示す矢印が、固定層の磁化方向を示しており、法線成分検出部３５，３７の固定層の磁化方向が法線方向に沿い、回転成分検出部３６，３８の固定層の磁化方向が回転方向（厳密に言えば、回転方向の接線方向）に沿っている。そして、法線成分検出部３５，３７の固定層の磁化方向が、中心Ｏから遠ざかる方向を向いており、回転成分検出部３６，３８の固定層の磁化方向が、中心Ｏの周りにおける反時計回りの方向を向いている。

上記した磁気抵抗素子は、固定層の磁化方向と自由層の磁化方向（磁界）との成す角度に応じて抵抗値が変化する性質を有する。したがって、磁石回転子１０が電気角（回転角を磁極対で割った角度）だけ回転した場合、センサチップ３０からは、一周期分の波形信号が出力される。本実施形態に係る磁石回転子１０は、１つの磁極対を有するので、磁石回転子１０が１回転すると、センサチップ３０からは一周期分の波形信号が出力される。

演算部５０は、センサチップ３０と電気的に接続されており、法線成分検出部３５，３７の出力信号Ｓ_１，Ｓ_２や、回転成分検出部３６，３８の出力信号Ｃ_１，Ｃ_２に基づいて、各出力信号Ｓ_１，Ｓ_２，Ｃ_１，Ｃ_２に含まれる界磁巻線２０の磁束（誘導ノイズ）を除去する機能を果たす。これに対して、算出部７０は、演算部５０と電気的に接続されており、演算部５０の出力信号に基づいて、磁石回転子１０の回転角度θを算出する機能を果たす。図３に示すように、演算部５０及び算出部７０は、磁気検出部３２とともに、半導体基板３１に形成されている。

次に、本実施形態に係る回転角度検出装置１００の特徴点を説明する。上記したように、第１磁気検出部３３と第２磁気検出部３４とは、回転方向に位相差Δθだけ離れている。より詳しく言えば、図４に示すように、第１法線成分検出部３５と第２法線成分検出部３７とが位相差Δθ離れ、第１回転成分検出部３６と第２回転成分検出部３８とが位相差Δθ離れている。そして、位相差Δθは、出力信号Ｓ_１と出力信号Ｓ_２との差分を位相差Δθで割った値が、センサチップ３０周囲の磁界Ｂの法線方向に沿う成分ｂ_Ｒを、回転方向に微分した値Δ_θｂ_Ｒと近似でき、且つ、出力信号Ｃ_１と出力信号Ｃ_２との差分を位相差Δθで割った値が、磁界Ｂの回転方向に沿う成分ｂ_θを、回転方向に微分した値Δ_θｂ_θと近似できる値となっている。これはつまり、下記式が成立することを示している。

また、後述する理由により、下記演算を実行することで、誘導ノイズが除去されるので、演算部は、角度θを算出するに当たって、先ず、下記式に示す演算を行う。

上記したαとβは、界磁巻線２０から発せられる磁束（誘導ノイズ）の法線成分の振幅と回転成分の振幅との比γに依存する値である。演算部５０は、界磁巻線２０に電流を流す回路（図示略）と電気的に接続されており、界磁巻線２０に流れる電流量を検出する手段を有する。また、演算部５０は、界磁巻線２０を流れる電流量と、その電流に対応するγとの関係が記憶されたメモリを有する。演算部５０は、界磁巻線２０に流れる電流量を検出した後、上記したメモリから、界磁巻線２０に流れる電流に対応したγを読み出して、数２１，数２２に示した演算を行う。

次に、本実施形態に係る回転角度検出装置１００の作用効果を説明するために、センサチップ３０の周囲に形成される磁界と、その磁界に含まれる界磁巻線２０の磁束（誘導ノイズ）を除去する演算方法と、について説明する。

上記したように、界磁巻線２０の磁束によって形成される磁界の回転方向と、磁石回転子１０の磁束によって形成される回転磁界の回転方向とは逆向きとなる。これにより、界磁巻線２０から発せされる磁界をＢ_Ｎ、この磁界の回転方向に沿う成分の振幅をＢ_Ｎθ、法線方向に沿う成分の振幅をＢ_ＮＲ、ロータ１２の磁極対の数をＮ_Ｎ、そして、磁石回転子１０から発せされる回転磁界をＢ_Ｓ、この磁界の回転方向に沿う成分の振幅をＢ_Ｓθ、法線方向に沿う成分の振幅をＢ_ＳＲ、磁石回転子１０の磁極対の数をＮ_Ｓ、回転方向における任意の角度をθとすると、下記式が成立する。

なお、上記したように、ロータ１２は２つの磁極対を有するので、Ｎ_Ｎ＝２となる。また、磁石回転子１０は１つの磁極対を有するので、Ｎ_Ｓ＝１となる。数２３、数２４から、センサチップ３０の周囲に形成される磁界Ｂは、下記式によって表される。

これから、磁界Ｂの回転方向の微小量変化、すなわち、磁界Ｂの回転方向の微分値は、下記式によって表される。

このように、ｂ_θとΔ_θｂ_Ｒはｃｏｓθに依存し、ｂ_ＲとΔ_θｂ_θとはｓｉｎθに依存する。したがって、誘導ノイズを除去するためには、αとβとを用いて、下記式を計算すればよい。

数２７、数２８それぞれにおける、振幅Ｂ_Ｎθ、Ｂ_ＮＲを有する項が誘導ノイズである。この誘導ノイズを除去するためには、αとβとが、下記式を満たせばよい。

これら、数２９、数３０で示したαとβとを、数２７、数２８に代入すると、下記式が成立する。

以上、示したように、ｂ_θ，ｂ_Ｒ，Δ_θｂ_θ，Δ_θｂ_Ｒ，α，βがわかれば、各検出信号に含まれる、誘導ノイズがキャンセルされたｃｏｓ（Ｎ_Ｓθ）とｓｉｎ（Ｎ_Ｓθ）とを得ることができる。

以下、上記した記載に基づいて、本実施形態に係る回転角度検出装置１００の作用効果を説明する。実施形態で示したように、回転角度検出装置１００では、数１９、数２０に示した関係式が成立する。

また、法線成分検出部３５，３７の出力信号Ｓ_１，Ｓ_２それぞれは、磁界Ｂの法線成分ｂ_Ｒに比例し、回転成分検出部３６，３８の出力信号Ｃ_１，Ｃ_２それぞれは、磁界Ｂの回転成分ｂ_θに比例するので、下記式が成立する。

以上により、下記に示す関係式が成立する。

したがって、数３５及び数３６それぞれの右辺に示す演算、すなわち、数２１及び数２２に示す演算を演算部で行うことで、数３１、数３２に示される、誘導ノイズが除去されたｃｏｓ（Ｎ_Ｓθ）とｓｉｎ（Ｎ_Ｓθ）を得ることができる。これらの信号を得た後は、算出部７０にて、周知公用の逆正接演算、若しくは、トラッキング演算を行うことで、角度θが算出される。なお、トラッキング演算とは、任意の角度をφとして、得られたｓｉｎ（Ｎ_Ｓθ）にｃｏｓφを乗算した値と、得られたｃｏｓ（Ｎ_Ｓθ）にｓｉｎ（φ）を乗算した値との差分をとることでｓｉｎ（Ｎ_Ｓθ−φ）を演算した後、この値が誤差範囲に含まれる程度の微小量になるまで、順次φを変えてループ演算する。このように、角度φを角度θに近づけることで、角度θを求める演算方法である。

ところで、数２９、数３０に示されるように、α，βは、振幅Ｂ_Ｎθと振幅Ｂ_ＮＲとの比γと、数Ｎ_Ｎとによって表される。本実施形態で示したように、数Ｎ_Ｎは２であり、比γは演算部によって検出される。このように、数２１及び数２２それぞれを構成するパラメータが検出されるので、数２１及び数２２に示す演算が可能となっている。

上記したように、位相差Δθは、磁石回転子１０の磁極対の数に依存する電気角に依存せず、微分計算が近似できる値となっている。このため、本実施形態で示したように、１つの半導体基板３１に、第１磁気検出部３３と第２磁気検出部３４とを形成しても、センサチップ３０の体格が増大することが抑制される。また、電気角を小さくするために、磁石回転子１０の磁極の数を増大しなくとも良いので、回転磁界の周波数が高まることが抑制される。

本実施形態では、演算部５０及び算出部７０が、磁気検出部３２とともに、半導体基板３１に形成されている。これによれば、演算部５０及び算出部７０の少なくとも一方が、磁気検出部３２が形成された半導体基板３１とは異なる半導体基板に形成される構成と比べて、回転角度検出装置１００の体格が増大することが抑制される。

本実施形態では、磁石回転子１０が、１つの磁極対を有する。これによれば、回転磁界の回転周波数が高くなることが抑制され、入力信号に対して演算部５０の処理速度が追いつかなくなる、という不具合が生じることが抑制される。

本実施形態では、図示しないフレームに、シャフト１１と界磁巻線２０とが収容され、センサチップ３０が、フレームに固定されている。これによれば、センサチップ３０が、上記したフレームとは異なる部材に固定される構成と比べて、構造がシンプルとなる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態では、成分検出部３５〜３８が、磁化方向が固定された固定層と、磁化方向が磁界の向きに応じて変化する自由層とを有する磁気抵抗素子である例を示した。しかしながら、成分検出部３５〜３８それぞれは、磁気信号を電気信号に変換する磁電変換素子であればよく、上記例に限定されない。磁電変換素子としては、例えば、磁束による抵抗の変動が形状に依存する磁気抵抗素子や、半導体基板の厚さ方向に電流を流す縦型ホール素子を採用することもできる。なお、上記した磁気抵抗素子は、具体的には、トンネル磁気抵抗素子や、巨大磁気抵抗素子である。

本実施形態では、磁石回転子１０が、Ｓ極とＮ極とから成る磁極対を１つ有する例を示した。しかしながら、磁極対の数は上記例に限定されず、例えば、３つでも良い。

本実施形態では、ロータ１２が、磁極対を２つ有する例を示した。しかしながら、磁極対の数は上記例に限定されず、例えば、４つでも良い。なお、この場合、４８個の界磁巻線２０がステータ２１に固定されることとなる。

本実施形態では、図３に示すように、演算部５０及び算出部７０が、磁気検出部３２とともに、半導体基板３１に形成された例を示した。しかしながら、例えば図５に示すように、演算部５０及び算出部７０それぞれが、半導体基板３１に形成されていなくとも良く、図６に示すように、演算部５０のみが、半導体基板３１に形成された構成を採用することもできる。また、実施する可能性は低いかもしれないが、算出部７０のみが、半導体基板３１に形成された構成を採用することもできる。ただ、上記したいずれの構成も、本実施形態で示した構成と比べて、回転角度検出装置１００の体格が増大するので、本実施形態で示した構成が最も好ましい。図５及び図６は、磁気検出部、演算部、及び、算出部の電気的な接続を示すブロック図である。

本実施形態では、第１法線成分検出部３５と第１回転成分検出部３６とが、法線方向に所定距離離れて配置され、第２法線成分検出部３７と第２回転成分検出部３８とが、法線方向に所定距離離れて配置された例を示した。しかしながら、法線方向の配置としては、第１法線成分検出部３５と第２法線成分検出部３７とが、中心Ｏから等距離に配置され、第１回転成分検出部３６と第２回転成分検出部３８とが、中心Ｏから等距離に配置されていれば良く、上記例に限定されない。例えば、成分検出部３５〜３８それぞれを、中心Ｏから等距離に配置しても良い。

本実施形態では、法線成分検出部３５，３７それぞれの固定層の磁化方向が、中心Ｏから遠ざかる方向を向き、回転成分検出部３６，３８それぞれの固定層の磁化方向が、中心Ｏの周りにおける反時計回りの方向を向いている例を示した。しかしながら、法線成分検出部３５，３７それぞれの固定層の磁化方向が、中心Ｏに近づく方向を向き、回転成分検出部３６，３８それぞれの固定層の磁化方向が、中心Ｏの周りにおける時計回りの方向を向いていても良い。

更に言えば、第１法線成分検出部３５の固定層の磁化方向が、中心Ｏから遠ざかる方向を向き、第２法線成分検出部３７の固定層の磁化方向が、中心Ｏに近づく方向を向いており、第１回転成分検出部３６の固定層の磁化方向が、中心Ｏの周りにおける反時計回りの方向を向き、第２回転成分検出部３８の固定層の磁化方向が、中心Ｏの周りにおける反時計回りの方向を向いていても良い。ただ、この変形例の場合、第１法線成分検出部３５の出力信号Ｓ_１と、第２法線成分検出部３７の出力信号との加算Ｓ_２が、上記した各数式に示したＳ_１−Ｓ_２に相当し、第１回転成分検出部３６の出力信号Ｃ_１と、第２回転成分検出部３８の出力信号Ｃ_２との加算が、上記した各数式に示したＣ_１−Ｃ_２に相当する。

１０・・・磁石回転子
２０・・・界磁巻線
３０・・・センサチップ
３１・・・半導体基板
３２・・・磁気検出部
３３・・・第１磁気検出部
３４・・・第２磁気検出部
３５・・・第１法線成分検出部
３６・・・第１回転成分検出部
３７・・・第２法線成分検出部
３８・・・第２回転成分検出部
１００・・・回転角度検出装置

Claims (13)

1. 磁石と共に、回転軸に取り付け固定された、少なくとも１つの磁極対を有する磁石回転子と、
   磁気を検出する磁気検出部が１つの半導体基板に形成されて成るセンサチップと、を備え、
   前記回転軸と前記センサチップとが、前記回転軸を回転させる磁界中に配置され、前記磁気検出部から出力される電気信号に基づいて、前記磁石回転子の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、
   前記磁気検出部は、前記磁石回転子の回転方向に、所定の位相差だけ離れて設けられた第１磁気検出部と第２磁気検出部と、を有し、
   前記第１磁気検出部は、前記磁石回転子の中心を通り、前記回転方向に対して交差する法線方向に沿う磁界を主として検出する第１法線成分検出部と、前記回転方向に沿う磁界を主として検出する第１回転成分検出部と、を有し、
   前記第２磁気検出部は、前記法線方向に沿う磁界を主として検出する第２法線成分検出部と、前記回転方向に沿う磁界を主として検出する第２回転成分検出部と、を有し、
   前記位相差は、前記第１法線成分検出部の出力信号と、前記第２法線成分検出部の出力信号との差分を、前記位相差で割った値が、前記センサチップ周囲の磁界の法線方向に沿う成分を、前記回転方向に微分した値と近似でき、且つ、前記第１回転成分検出部の出力信号と、前記第２回転成分検出部の出力信号との差分を、前記位相差で割った値が、前記センサチップ周囲の磁界の回転方向に沿う成分を、前記回転方向に微分した値と近似できる値となっており、
   前記位相差をΔθ、前記第１法線成分検出部の出力信号をＳ_１、前記第２法線成分検出部の出力信号をＳ_２、前記第１回転成分検出部の出力信号をＣ_１、前記第２回転成分検出部の出力信号Ｃ_２とし、前記回転軸を回転させる磁界に依存する値をα、βとすると、次に示す数１及び数２
   

   

   

   によって示される演算を行う演算部を有することを特徴とする回転角度検出装置。
2. 前記演算部は、前記半導体基板に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転角度検出装置。
3. 前記演算部の出力信号に基づいて、前記磁石回転子の回転角度を算出する算出部を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転角度検出装置。
4. 前記算出部は、前記半導体基板に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の回転角度検出装置。
5. 前記磁石回転子は、１つの磁極対を有することを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の回転角度検出装置。
6. 前記第１法線成分検出部、前記第１回転成分検出部、前記第２法線成分検出部、及び前記第２回転成分検出部それぞれは、磁化方向が固定された固定層と、磁化方向が磁界の向きに応じて変化する自由層とを有する磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の回転角度検出装置。
7. 前記磁気抵抗素子は、トンネル磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項６に記載の回転角度検出装置。
8. 前記第１法線成分検出部及び前記第２法線成分検出部それぞれの固定層の磁化方向が、前記磁石回転子の中心から遠ざかる方向を向き、前記第１回転成分検出部及び前記第２回転成分検出部それぞれの固定層の磁化方向が、前記磁石回転子の中心の周りの一方向を向いていることを特徴とする請求項７に記載の回転角度検出装置。
9. 前記第１法線成分検出部及び前記第２法線成分検出部それぞれの固定層の磁化方向が、前記磁石回転子の中心に近づく方向を向き、前記第１回転成分検出部及び前記第２回転成分検出部それぞれの固定層の磁化方向が、前記磁石回転子の中心の周りの一方向を向いていることを特徴とする請求項７に記載の回転角度検出装置。
10. 第１法線成分検出部と第１回転成分検出部とが、法線方向に所定距離離れて配置され、第２法線成分検出部と第２回転成分検出部とが、法線方向に所定距離離れて配置されていることを特徴とする請求項１〜９いずれか１項に記載の回転角度検出装置。
11. 前記第１法線成分検出部、前記第１回転成分検出部、前記第２法線成分検出部、及び前記第２回転成分検出部それぞれは、前記磁石回転子の中心から等距離に配置されていることを特徴とする請求項１〜９いずれか１項に記載の回転角度検出装置。
12. 前記回転軸は、自動車のシャフトであることを特徴とする請求項１〜１１いずれか１項に記載の回転角度検出装置。
13. 回転軸が、フレームに収容されており、前記センサチップが、前記フレームに固定されていることを特徴とする請求項１〜１２いずれか１項に記載の回転角度検出装置。

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