(57)【要約】【課題】レゾルバや磁気抵抗素子の異常検出に留まらず、そのシステムに及ぼす影響が重大か否かを判断してシステムの可用性を高める。【解決手段】回転角度センサ異常検出装置は、磁界センサ２０１とマイコン１０を有する。磁界センサ２０１は、回転軸が回転することにより生じる磁界変化を検出し、回転軸の回転角の正弦と余弦にそれぞれ応じた信号を出力する。マイコン１０は、誤り検出機能１２において、リサージュ軌跡振幅判定１２１とリサージュ軌跡象限判定１２２を実行することで、磁界センサ２０１より出力される各信号のリサージュ波形に基づいて磁界センサ２０１の異常を検出する。【選択図】図１４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸が回転することにより生じる磁界変化を検出し、前記回転軸の回転角の正弦に応じた正弦信号と、前記回転軸の回転角の余弦に応じた余弦信号とを出力する磁界センサと、
前記磁界センサより出力される前記正弦信号および前記余弦信号のリサージュ波形に基づいて、前記磁界センサの異常を検出する異常検出手段とを備えることを特徴とする回転角度センサ異常検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の回転角度センサ異常検出装置において、
前記磁界センサは、前記磁界変化に応じて抵抗値が変化する複数の磁気抵抗素子を用いて構成されることを特徴とする回転角度センサ異常検出装置。
【請求項３】
請求項２に記載の回転角度センサ異常検出装置において、
前記磁気抵抗素子は、巨大磁気抵抗効果を有する巨大磁気抵抗素子であることを特徴とする回転角度センサ異常検出装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転角度センサ異常検出装置において、
前記異常検出手段は、前記リサージュ波形の振幅と、前記リサージュ波形が通過する象限とに基づいて、前記磁界センサの異常を検出することを特徴とする回転角度センサ異常検出装置。
【請求項５】
請求項４に記載の回転角度センサ異常検出装置において、
前記異常検出手段は、前記リサージュ波形の振幅が所定の第１の検出域内にあり、かつ所定時間内に前記リサージュ波形が通過しない象限がある場合に、前記磁界センサの異常を検出することを特徴とする回転角度センサ異常検出装置。
【請求項６】
請求項４に記載の回転角度センサ異常検出装置において、
前記異常検出手段は、前記リサージュ波形の振幅が所定の第１の検出域内にあり、かつ所定時間内に前記リサージュ波形がいずれか一つの象限を通過しない場合に、当該象限に隣接する二つの象限におけるリサージュ波形に基づいて当該象限のリサージュ波形を補間し、補間後のリサージュ波形が原点を囲まないときに、前記磁界センサの異常を検出することを特徴とする回転角度センサ異常検出装置。
【請求項７】
請求項６に記載の回転角度センサ異常検出装置において、
前記異常検出手段は、前記隣接する二つの象限におけるリサージュ波形の軌跡同士を直線で結ぶことにより当該象限のリサージュ波形を補間し、
前記直線のｙ切片の正負に基づいて前記補間後のリサージュ波形が原点を囲むか否かを判断することを特徴とする回転角度センサ異常検出装置。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか一項に記載の回転角度センサ異常検出装置において、
前記異常検出手段は、前記リサージュ波形の振幅が所定の第２の検出域内にある場合は、所定時間内に前記リサージュ波形が通過しない象限があるか否かに関わらず、前記磁界センサの異常を検出することを特徴とする回転角度センサ異常検出装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の回転角度センサ異常検出装置と、
前記回転軸と連結されたモータと、
前記回転軸に設置された磁石と、
前記モータを駆動するモータ駆動回路と、
前記回転角の検出結果に基づいて前記モータ駆動回路による前記モータの駆動を制御するモータ駆動制御回路とを備え、
前記回転角度センサ異常検出装置が有する前記磁界センサは、前記回転軸の回転に従って前記磁石の回転位置が変化することにより生じる磁界変化を検出し、
前記異常検出手段により前記磁界センサの異常が検出されると、その検出結果に応じて前記モータの駆動を禁止することを特徴とするモータ制御システム。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の回転角度センサ異常検出装置と、
前記回転軸と連結されたモータと、
前記回転軸に設置された磁石と、
前記モータを駆動するモータ駆動回路と、
前記モータとコラムシャフトを介して機械的に接続される車輪の舵取り機構と、
前記コラムシャフトと機械的に接続されるステアリングホイールと、
前記ステアリングホイールを介して入力される操作を検出するトルクセンサと、
前記トルクセンサによる前記操作の検出結果と前記回転角の検出結果とに基づいて、前記モータ駆動回路による前記モータの駆動を制御するモータ駆動制御回路とを備え、
前記回転角度センサ異常検出装置が有する前記磁界センサは、前記回転軸の回転に従って前記磁石の回転位置が変化することにより生じる磁界変化を検出し、
前記異常検出手段により前記磁界センサの異常が検出されると、その検出結果に応じて前記モータの駆動を禁止することを特徴とする電動パワーステアリング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転角度センサの異常を検出する装置と、この装置を有するモータ制御システムおよび電動パワーステアリングとに関する。
【背景技術】
【０００２】
サーボ制御系では回転角を検出しフィードバック制御を実施するために回転角度センサが必要である。またブラシレスモータ制御においてはモータの回転角に応じてモータのコイルに電流を通電させる必要があるために、サーボ制御系に限らず回転角度センサが必要である。回転角度センサとして従来からレゾルバが、その単純な構成に起因する堅牢さ、耐環境性から広く用いられている。
【０００３】
また電動パワーステアリング、x-by-wire特にsteer-by-wire、fly-by-wireなどに適用するサーボ制御系では安全性、信頼性が要求されるために、故障検出機能が要求される。たとえば特許文献１には、sin2θ＋cos2θ＝１というレゾルバの出力である三角関数の性質を利用してレゾルバの故障を検出することが記載されている。また特許文献２には、判定域を正多角形として演算を簡略化することが記載されている。さらに特許文献３には、レゾルバの代わりに巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）などの磁気抵抗素子を用いて回転角度を検出することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２８０８９０号公報
【特許文献２】特開２００５−３０８６３４号公報
【特許文献３】特開２００５−４９０９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１、２に開示される従来技術によれば、レゾルバからのあるいはレゾルバへの信号が断線すると、レゾルバからの信号が異常となりsinθ、cosθの間の関係が成立しなくなるためsin2θ＋cos2θの値が１よりはずれるため故障として検出しマイクロコンピュータに通知することが可能となる。
【０００６】
以上述べた従来技術では、異常の検出だけでなくさらにその異常が実際のシステムの動作に及ぼす影響の重軽の判断という面で更なる考慮が望ましい。システムの動作に重大な影響を及ぼす故障であるかどうかの判断は、安全性を確保しながらシステムをすぐには動作停止にせずにシステムの可用性（availability）を高める上で重要である。特に、車重の大きな自動車に適用される電動パワーステアリングでは、制御異常により危険な事象が発生しない限りモータによるアシストを継続することは、安全確保の見地から望ましいことである。しかし、上記従来技術によれば、このような判断を行っていないため、制御を継続した方が好ましい状況であっても故障と判断されてしまい、制御を停止してしまうことがある。特に、特許文献３に開示される従来技術では、たとえば磁気抵抗素子において制御に影響がない程度の僅かな焼損が発生した場合であっても、制御を停止してしまうおそれがある。
【０００７】
そこで本発明では、レゾルバや磁気抵抗素子の異常検出に留まらず、そのシステムに及ぼす影響が重大か否かを判断してシステムの可用性を高める技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による回転角度センサ異常検出装置は、回転軸が回転することにより生じる磁界変化を検出し、回転軸の回転角の正弦に応じた正弦信号と、回転軸の回転角の余弦に応じた余弦信号とを出力する磁界センサと、磁界センサより出力される正弦信号および余弦信号のリサージュ波形に基づいて、磁界センサの異常を検出する異常検出手段とを備える。
本発明によるモータ制御システムは、回転角度センサ異常検出装置と、回転軸と連結されたモータと、回転軸に設置された磁石と、モータを駆動するモータ駆動回路と、回転角の検出結果に基づいてモータ駆動回路によるモータの駆動を制御するモータ駆動制御回路とを備える。このモータ制御システムにおいて、回転角度センサ異常検出装置が有する磁界センサは、回転軸の回転に従って磁石の回転位置が変化することにより生じる磁界変化を検出する。このモータ制御システムは、異常検出手段により磁界センサの異常が検出されると、その検出結果に応じてモータの駆動を禁止する。
本発明による電動パワーステアリングは、回転角度センサ異常検出装置と、回転軸と連結されたモータと、回転軸に設置された磁石と、モータを駆動するモータ駆動回路と、モータとコラムシャフトを介して機械的に接続される車輪の舵取り機構と、コラムシャフトと機械的に接続されるステアリングホイールと、ステアリングホイールを介して入力される操作を検出するトルクセンサと、トルクセンサによる操作の検出結果と回転角の検出結果とに基づいてモータ駆動回路によるモータの駆動を制御するモータ駆動制御回路とを備える。この電動パワーステアリングにおいて、回転角度センサ異常検出装置が有する磁界センサは、回転軸の回転に従って磁石の回転位置が変化することにより生じる磁界変化を検出する。この電動パワーステアリングは、異常検出手段により磁界センサの異常が検出されると、その検出結果に応じてモータの駆動を禁止する。
【発明の効果】
【０００９】
以上述べたように本発明によれば、安全性を確保しながらシステムの可用性を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態によるレゾルバ異常検出装置の基本的構成例を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態によるリサージュ軌跡振幅判定の処理内容を説明するための図である。
【図３】リサージュ軌跡象限判定の検出原理を説明するための図である。
【図４】本発明の一実施形態によるリサージュ軌跡象限判定の処理内容を説明するための図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態によるリサージュ軌跡振幅判定の処理内容を説明するための図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態によるレゾルバ異常検出装置の基本的構成例を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態によるリサージュ軌跡振幅判定の処理内容を説明するための図である。
【図８】本発明によるレゾルバ異常検出装置をモータ制御システムに適用した例を示す図である。
【図９】本発明によるレゾルバ異常検出装置を電動パワーステアリングに適用した例を示す図である。
【図１０】本発明の第４の実施の形態によるリサージュ軌跡象限判定の処理内容を説明するための図である。
【図１１】リサージュ軌跡が通過した象限ごとの各場合による判定結果をまとめた一覧表である。
【図１２】本発明の第４の実施の形態によるリサージュ軌跡象限判定の方法を図１に示した装置に適用した場合のレゾルバ異常の判定結果をまとめた一覧表である。
【図１３】本発明の第４の実施の形態によるリサージュ軌跡象限判定の方法を図６に示した装置に適用した場合のレゾルバ異常の判定結果をまとめた一覧表である。
【図１４】本発明の第５の実施の形態による回転角度センサ異常検出装置の基本的構成例を示す図である。
【図１５】本発明の第５の実施の形態による回転角度センサ異常検出装置を適用した回転角度検出装置の構成を示す断面図である。
【図１６】磁界センサに用いられるＧＭＲ素子の基本構成を示す図である。
【図１７】ＧＭＲ素子における自由磁性層、スペーサ層および固定磁性層の断面を模式的に示した図である。
【図１８】磁界センサが有するブリッジ回路の構成を示す図である。
【図１９】回転角度検出装置の構成を示すブロック図である。
【図２０】ＧＭＲ素子において故障が発生したときの様子を模式的に示した図である。
【図２１】本発明の第５の実施の形態における磁界センサの出力信号によるリサージュ軌跡を示す図である。
【図２２】信号上限・下限判定回路の一例を示す図である。
【図２３】本発明による回転角度センサ異常検出装置をモータ制御システムに適用した例を示す図である。
【図２４】本発明による回転角度センサ異常検出装置を電動パワーステアリングに適用した例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
−第１の実施の形態−
本発明の一実施の形態を、本発明の原理とともに、以下に説明する。
（１）レゾルバからの信号の振幅を監視し、sin2θ＋cos2θの値が１より外れていないか監視する。
（２）（１）で、sin2θ＋cos2θの値が１より外れている場合には、sinθ、cosθをそれぞれ直交座標上に、座標（sinθ，cosθ）をプロットし、所定の時間内に４つの象限すべてに座標（sinθ，cosθ）のプロットが存在する場合には正常、そうでない場合には異常とみなしモータ駆動禁止とする。
【００１２】
レゾルバの異常により起因するシステムへの影響は、モータの磁極位置検出誤差によるトルク変動である。磁極位置検出誤差とトルク変動の関係は次式で示される。
【００１３】
τｍ＝Ｋ・ｉｑ・cosθｅ
但し
τｍ：モータ出力トルク
Ｋ：トルク定数
ｉｑ：ｑ軸電流
θｅ：磁極位置検出誤差
この式より、−９０°＜θｅ＜＋９０°の範囲内であれば磁極位置検出誤差によりトルク変動が発生しても、制御性、操作性が悪化するに留まることがわかる。さらに、θｅ＜−９０°またはθｅ＞＋９０°となるとcosθｅの値が負となり、ｉｑとτｍの符号が逆転するため、モータを回転させようとする方向と逆方向に回る状態になることがわかる。フィードバック制御系でこのような状態が発生するとフィードバックの極性が逆転するため、ネガティブフィードバックがポジティブフィードバックとなり制御系が発散してしまうことになる。このような状態が例えば電動パワーステアリング装置で発生すると、勝手にステアリングをまわしてしまうセルフステアなどの現象となる。このような現象は絶対に避けなければならない。
【００１４】
レゾルバが正常なときにはsinθ，cosθ直交座標上での座標（sinθ，cosθ）のプロット、すなわちリサージュ軌跡は図３の軌跡Ａのように原点Ｏを中心とした単位円を描き、レゾルバに故障が発生した場合には軌跡Ｂ、軌跡Ｃのように単位円から外れることが知られている。さらにレゾルバの故障解析の結果、−９０°＜θｅ＜＋９０°のときにはリサージュ軌跡の内部に原点Ｏを含み、θｅ＜−９０°またはθｅ＞＋９０°の場合にはリサージュ軌跡の内部に原点Ｏを含まないことがわかった。
【００１５】
ここで、原点Ｏをリサージュ軌跡の内部に含むということはリサージュ軌跡が４象限すべてを通過することになり、原点Ｏをリサージュ軌跡の内部に含まないことはリサージュ軌跡が４象限の内いずれかの象限を通過しないことになる。
【００１６】
従って、sinθ，cosθ直交座標上に、座標（sinθ，cosθ）をプロットし、所定の時間内に４つの象限すべてに座標（sinθ，cosθ）のプロットが存在する場合には正常、そうでない場合には異常とみなすことができる。但し、電動パワーステアリングの場合、直進時にはθがほぼ一定で、所定の時間内に座標（sinθ，cosθ）のプロットが４つの象限すべてを通過しない場合が起こりうるので、これだけでは異常と判定できず、他の診断、例えば上記（１）の診断と組み合わせて判定すべきである。
【００１７】
以下図に従い、本発明の一実施形態について説明を加える。
【００１８】
図１は本発明の一実施形態によるレゾルバ異常を検出する装置の基本的構成例を示す図である。レゾルバ１は励磁信号生成部２からの励磁信号ｆ（ｔ）が１次巻線に印加すると、レゾルバ１とモータ５に取り付けられた回転軸７の回転角度θに応じて、信号ｆ（ｔ）sinθ、ｆ（ｔ）cosθが２次巻線に誘起される。なお、励磁信号生成部２、モータ５、回転軸７は図１には図示していないが図８、図９に示してある。レゾルバ１の２次巻線に誘起された信号ｆ（ｔ）sinθ、ｆ（ｔ）cosθはＡ／Ｄ変換器１１でデジタル信号に変換され、誤り検出機能１２に入力される。誤り検出機能１２では他の診断１２９とともにリサージュ軌跡振幅判定１２１とリサージュ軌跡象限判定１２２を実行する。リサージュ軌跡振幅判定１２１で検出域１と判断されかつリサージュ軌跡象限判定１２２で異常と判定されたときにはモータ駆動禁止と判断される。また、他の診断１２９で異常と判断された場合もモータ駆動禁止と判断される。
【００１９】
また、誤り検出機能１２はマイコン１０内でソフトウェアで実現され、Ａ／Ｄ変換器１１もマイコン１０内蔵のものを用いるのがハードウェア量を削減できるので望ましい。
【００２０】
以上述べた装置によれば、システムの動作の安全性に影響を及ぼさないレゾルバの故障と、システムの動作の安全性に影響を及ぼすレゾルバの故障とを区別することができ、システムの動作の安全性に影響を及ぼさないレゾルバの故障の場合には動作継続が可能となり、安全性を確保しながらシステムの可用性を高めることが可能となる。なお、システムの動作の安全性に影響を及ぼさないレゾルバの故障の場合には警告ランプを点灯させたりモータの駆動出力を制限したりすることも可能である。
【００２１】
図２はリサージュ軌跡振幅判定１２１における処理内容を説明するための図である。
【００２２】
信号ｆ（ｔ）sinθ、ｆ（ｔ）cosθからsinθ，cosθ直交座標上に、座標（sinθ，cosθ）をプロットし、そのプロットが検出域１にかかった場合には異常とみなす。
【００２３】
なお、本実施形態において、検出域１は例えば単位円（ｆ（ｔ）の振幅で正規化すれば単位円となる。本実施例ではｆ（ｔ）の振幅も含めて半径ｒ０の円としている。）の内外に一定の幅を持たせて設定してある。この一定の幅は、レゾルバや電子回路の個体差や、温度特性、経時劣化を考慮して決定すればよい。なお、図２では、正常時の半径の中心値をｒ０、上限をｒ１、下限をｒ２としている。
【００２４】
図３はリサージュ軌跡象限判定１２２の検出原理を説明するための図である。レゾルバが正常なときにはsinθ，cosθ直交座標上に座標（sinθ，cosθ）のプロット、すなわちリサージュ軌跡は図３の軌跡Ａのように単位円を描き、レゾルバに故障が発生した場合には軌跡Ｂ、軌跡Ｃのように単位円から外れることが知られている。さらにレゾルバの故障解析の結果、−９０°＜θｅ＜＋９０°のときにはリサージュ軌跡の内部に原点Ｏを含み、θｅ＜−９０°またはθｅ＞＋９０°の場合にはリサージュ軌跡の内部に原点Ｏを含まないことがわかっている。
【００２５】
図４はリサージュ軌跡象限判定１２２における処理内容を説明するための図である。軌跡ＡおよびＢのように所定の時間内に４つの象限すべてを通過する場合には正常とみなし、軌跡Ｃのように２つの象限しか通過しない場合には異常とみなす。
【００２６】
なお、各象限にあるかどうかは、以下のようにsinθ、cosθの正負から判断できる。
【００２７】
第１象限：  sinθ＞０，cosθ＞０
第２象限：  sinθ＜０，cosθ＞０
第３象限：  sinθ＜０，cosθ＜０
第４象限：  sinθ＞０，cosθ＜０
【００２８】
また、所定の時間内に４つの象限すべてを通過しているかの判定は、例えば、各象限を通過した時刻を夫々記憶しておき、現在時刻との差が所定の時間以内であるかどうかで判断することができる。
【００２９】
以上説明した第１の実施の形態では、リサージュ軌跡象限判定１２２において、図４に示す軌跡ＡおよびＢのように所定の時間内にリサージュ軌跡が４つの象限すべてを通過した場合はレゾルバ１が正常であるとみなし、軌跡Ｃのように２つの象限しか通過しない場合は異常であるとみなすこととした。しかし、車両直進時には限られた範囲の電気角でしか回転軸７が回転しないため、正常であるのに異常であるとする誤判定を引き起こす可能性がある。このような誤判定を避けるため、本実施形態では、リサージュ軌跡振幅判定１２１とリサージュ軌跡象限判定１２２とを組み合わせている。
【００３０】
また、レゾルバ１が異常であると判定してモータ５による操舵アシストを停止した後、リサージュ軌跡が４つの象限すべてを通過した場合には、これを正常とみなして操舵アシストを再開するようにしてもよい。このようにすれば、たとえ誤判定により直進時に操舵アシストが停止されても、その後に人力で操舵を行うことにより、電気角で３６０°分回転軸７を回転させてリサージュ軌跡が４つの象限すべてを通過すれば、操舵アシストが再開される。
【００３１】
−第２の実施の形態−
本実施形態では、図２に示した検出域１に換えて、リサージュ軌跡振幅判定１２１の検出域を正方形とした場合の例を説明する。図５は本実施形態におけるリサージュ軌跡振幅判定１２１での処理内容を説明するための図である。本実施形態によれば、sinθ、cosθの絶対値が所定の範囲内にあるかどうかの判定だけで異常を検出することができるので、第１の実施の形態において図３で説明したように検出域を円とする場合よりも演算量を削減することができる。この場合には以下の論理式で判断ができる。
【００３２】
｜sinθ｜＜ｂかつ｜cosθ｜＜ｂ、
かつ
｜sinθ｜＞ａかつ｜cosθ｜＞ａ
ならば正常、
それ以外ならば異常。
【００３３】
同様にして、他に検出域を正多角形にすることも可能である。
【００３４】
−第３の実施の形態−
本実施形態では、リサージュ軌跡振幅判定１２１の検出域を検出域１、検出域２と２段階にした場合の例を説明する。図６は本実施形態によるレゾルバ異常を検出する装置の基本的構成例を示す図である。図７は本実施形態におけるリサージュ軌跡振幅判定１２１での処理内容を説明するための図である。図６ではリサージュ軌跡振幅判定１２１で検出域２と判定された場合にはリサージュ軌跡象限判定１２２の結果に関わらずモータ駆動禁止とし、検出域１と判定された場合には、リサージュ軌跡象限判定１２２でも異常と判定された場合にモータ駆動禁止とする。
【００３５】
検出域２は図７に示すように検出域１よりも振幅の小さな領域（半径ｒ３の円内）に設定されている。本実施形態では、レゾルバからの信号の振幅が小さくなり、Ｓ／Ｎが低下してθｅ＜−９０°またはθｅ＞＋９０°となる場合にモータ駆動禁止を禁止するようにしている。
【００３６】
本実施形態のように検出域を２段階にする方法は、図７に示すようにリサージュ軌跡振幅判定１２１の検出域を円形とした場合に限らない。第２の実施の形態で説明したようにリサージュ軌跡振幅判定１２１の検出域を正方形や正多角形とした場合にも同様に適用可能である。
【００３７】
−第４の実施の形態−
本実施形態では、リサージュ軌跡象限判定１２２における誤判定の確率をより低くする方法を説明する。図１０は本実施形態によるリサージュ軌跡象限判定１２２における処理内容を説明するための図である。ここでは、リサージュ軌跡が４つの象限のうち１つの象限を通過していない場合に、当該象限に隣接する２つの象限の軌跡同士を直線で結ぶことにより、当該象限の軌跡を補間する。そして、補間した分を加えた軌跡が原点を囲むかどうかでレゾルバの正常、異常を判断する。
【００３８】
具体的には、当該象限に隣接する２つの象限の軌跡同士を結んだ直線をｙ＝ａｘ＋ｂと表すと、この直線のｙ切片を表すｂの正負から、補間分を加えた軌跡が原点を囲むかどうかを判断できる。すなわち、隣接する２つの象限の軌跡をそれぞれＰ１（ｘ１、ｙ１）、Ｐ２（ｘ２、ｙ２）とすると、これらを結ぶ直線の傾きａとｙ切片ｂは以下の式（１）、（２）によって求められる。
ａ＝（ｙ２−ｙ１）／（ｘ２−ｘ１）                  （１）
ｂ＝（ｘ２ｙ１−ｘ１ｙ２）／（ｘ２−ｘ１）          （２）
【００３９】
図１１はリサージュ軌跡が通過した象限ごとの各場合による判定結果を一覧表にまとめたものである。この一覧表の最上段に示すCase 1では、リサージュ軌跡が４象限を通過した場合の判定結果を示している。この場合は、リサージュ軌跡を補間することなくレゾルバが正常であると判断できる。
【００４０】
２段目に示すCase 2と３段目に示すCase 3では、第１象限以外の３象限を通過した場合の判定結果を示している。この場合は、第１象限に隣接する第２象限と第４象限の軌跡を結ぶ直線のｙ切片ｂがいずれも正である場合(Case 2)にはレゾルバが正常であるとみなし、そうでない場合(Case 3)にはレゾルバが異常であるとみなす。なお、第２象限と第４象限の軌跡がそれぞれ複数ある場合には、より第１象限に近い軌跡を用いた直線のｙ切片ｂにより判定を行う。すなわち第２象限では、ｙ座標が最大の軌跡を用いる。なおここで、ｘ座標が最大（絶対値が最小）の軌跡を用いないのは、座標の絶対値が小さい、つまり信号強度が小さいことによる誤差が大きくなるのを防ぐためである。同様にして、第４象限ではｘ座標が最大の軌跡を用いる。
【００４１】
４段目に示すCase 4と５段目に示すCase 5では、第２象限以外の３象限を通過した場合の判定結果を示している。この場合は、第２象限に隣接する第１象限と第３象限の軌跡を結ぶ直線のｙ切片ｂがいずれも正である場合(Case 4)にはレゾルバが正常であるとみなし、そうでない場合(Case 5)にはレゾルバが異常であるとみなす。なお、第１象限と第３象限の軌跡がそれぞれ複数ある場合は、より第２象限に近い軌跡を用いた直線のｙ切片ｂにより判定を行う。すなわち第１象限ではｙ座標が最大の軌跡を用いることとし、第３象限ではｘ座標が最小（絶対値が最大）の軌跡を用いることとする。
【００４２】
６段目に示すCase 6と７段目に示すCase 7では、第３象限以外の３象限を通過した場合の判定結果を示している。この場合は、第３象限に隣接する第４象限と第２象限の軌跡を結ぶ直線のｙ切片ｂがいずれも負である場合(Case 6)にはレゾルバが正常であるとみなし、そうでない場合(Case 7)にはレゾルバが異常であるとみなす。なお、第４象限と第２象限の軌跡がそれぞれ複数ある場合は、より第３象限に近い軌跡を用いた直線のｙ切片ｂにより判定を行う。すなわち第４象限ではｙ座標が最小（絶対値が最大）の軌跡を用いることとし、第２象限ではｘ座標が最小（絶対値が最大）の軌跡を用いることとする。
【００４３】
８段目に示すCase 8と９段目に示すCase 9では、第４象限以外の３象限を通過した場合の判定結果を示している。この場合は、第４象限に隣接する第３象限と第１象限の軌跡を結ぶ直線のｙ切片ｂがいずれも負である場合(Case 8)にはレゾルバが正常であるとみなし、そうでない場合(Case 9)にはレゾルバが異常であるとみなす。なお、第３象限と第１象限の軌跡がそれぞれ複数ある場合は、より第４象限に近い軌跡を用いた直線のｙ切片ｂにより判定を行う。すなわち第３象限ではｙ座標が最小（絶対値が最大）の軌跡を用いることとし、第１象限ではｘ座標が最大の軌跡を用いることとする。
【００４４】
１０段目に示すCase 10では、リサージュ軌跡が４象限のうち２つ以上の象限を通過しなかった場合の判定結果を示している。この場合は、リサージュ軌跡を補間することなくレゾルバが異常であると判断できる。
【００４５】
図１２は、以上説明したような本実施形態によるリサージュ軌跡象限判定１２２の判定方法を図１に示した装置に適用した場合の、リサージュ軌跡振幅判定１２１とリサージュ軌跡象限判定１２２の組合せによるレゾルバ異常の判定結果を一覧表にまとめたものである。なお、リサージュ軌跡振幅判定１２１は、第１または第２の実施の形態で説明したような判定方法を用いて、レゾルバ１が正常であるか異常であるかを判断するものとする。この一覧表の最上段に示すCase 0では、リサージュ軌跡振幅判定１２１によりリサージュ軌跡が図２または図５に示す検出域１内にないと判定された場合の判定結果を示している。この場合は、リサージュ軌跡象限判定１２２の判定結果に関わらず、レゾルバが正常であると判断できる。
【００４６】
２段目に示すCase 1から１１段目に示すCase 10では、リサージュ軌跡振幅判定１２１によりリサージュ軌跡が図２または図５に示す検出域１内にあると判定された場合の、リサージュ軌跡が通過した象限ごとの判定結果をそれぞれ示している。ここでは図１１で説明したようなリサージュ軌跡象限判定１２２の判定結果に従って、レゾルバが正常であるか異常であるかが判断される。すなわち、リサージュ軌跡が通過しなかった象限に隣接する２つの象限を結ぶ直線のｙ切片ｂの正負に基づいて、レゾルバが正常であるか異常であるかが判断される。
【００４７】
また図１３は、本実施形態によるリサージュ軌跡象限判定１２２の判定方法を図６に示した装置に適用した場合の、リサージュ軌跡振幅判定１２１とリサージュ軌跡象限判定１２２の組合せによるレゾルバ異常の判定結果を一覧表にまとめたものである。なお、リサージュ軌跡振幅判定１２１は、第３の実施の形態で説明したような判定方法を用いて、レゾルバ１が正常であるか異常であるかを判断するものとする。この一覧表の最上段に示すCase 0では、リサージュ軌跡振幅判定１２１によりリサージュ軌跡が図７に示す検出域１内にないと判定された場合の判定結果を示している。この場合は、図１２で説明したのと同様に、リサージュ軌跡象限判定１２２の判定結果に関わらず、レゾルバが正常であると判断できる。
【００４８】
最下段に示すCase 11では、リサージュ軌跡振幅判定１２１によりリサージュ軌跡が図７に示す検出域２内にあると判定された場合の判定結果を示している。この場合は、リサージュ軌跡象限判定１２２の判定結果に関わらず、レゾルバが異常であると判断できる。
【００４９】
２段目に示すCase 1から１１段目に示すCase 10では、リサージュ軌跡振幅判定１２１によりリサージュ軌跡が図７に示す検出域１内にあり、かつ検出域２内にないと判定された場合の、リサージュ軌跡が通過した象限ごとの判定結果をそれぞれ示している。ここでは図１２と同様に、図１１で説明したようなリサージュ軌跡象限判定１２２の判定結果に従って、レゾルバが正常であるか異常であるかが判断される。すなわち、リサージュ軌跡が通過しなかった象限に隣接する２つの象限を結ぶ直線のｙ切片ｂの正負に基づいて、レゾルバが正常であるか異常であるかが判断される。
【００５０】
図８は、以上説明した第１〜第４の実施の形態によるレゾルバ異常検出装置のいずれかをモータ制御システムに適用した例を示す図である。
【００５１】
マイコン１０はモータドライバ４を制御し、モータドライバ４はモータ５を駆動する。モータ５の回転軸７はレゾルバ１と制御対象６に接続されている。レゾルバ１は回転軸７を介してモータ５の回転角度（磁極位置）を検出して、その結果に基づき、マイコン１０はモータドライバ４によりモータ５を駆動して制御する。また、モータ５は回転軸７を介して制御対象６を制御する。
【００５２】
誤り検出機能１２は、第１〜第４の実施の形態において説明したレゾルバ異常検出方法のいずれかを実行する。誤り検出機能１２によりモータ駆動禁止停止になった場合には制御システムはモータ５の駆動を停止する。この場合モータ５の駆動を停止する方法はいくつか考えられるが、モータドライバ４への制御信号を遮断する方法、モータドライバ４への電源供給を停止する方法、モータドライバ４からモータ５への出力を遮断する方法などがある。
【００５３】
図９は、以上説明した第１〜第４の実施の形態によるレゾルバ異常検出装置のいずれかを電動パワーステアリングに適用した例を示す図である。
【００５４】
モータ５は、減速ギア、コラムシャフト、ピニオン、ラックを介して、制御対象６として作用する車輪の舵取り機構に機械的に接続されている。この舵取り機構において、コラムシャフトはステアリングホイール８、トルクセンサ９に機械的に接続されている。ステアリングホイール８を介しての運転者からの操作入力はトルクセンサ９によって検出され、トルクセンサ９の検出信号はマイコン１０に入力され、マイコン１０はトルクセンサ９によって検出された運転者の操作トルク（操舵力）に応じてモータ５の出力トルクを制御することにより、運転者の操舵を補助する。
【００５５】
−第５の実施の形態−
以上説明した各実施の形態では、レゾルバの診断方法について説明したが、回転角度センサの診断方法に対しても本発明を適用することが可能である。その方法を本発明の第５の実施の形態として以下に説明する。図１４は、本実施形態による回転角度センサの異常を検出する装置の基本的構成例を示す図である。本装置は、第１の実施の形態として図１に示した装置におけるレゾルバ１の代わりに、回転軸７の回転に応じて発生する磁界変化を回転角度の変化として検出することで回転角度センサとして作用する磁界センサ２０１を備えている。この磁界センサ２０１の異常を検出してモータの駆動を禁止する。
【００５６】
磁界センサ２０１は、回転軸７（図２３、２４参照）に設置された磁石による磁界が回転軸７の回転に応じて変化すると、磁気抵抗効果（magnetoresistance, ＭＲ）を利用して、その磁界変化を抵抗値の変化として検出する。磁界センサ２０１は、余弦センサ２０１Ａと正弦センサ２０１Ｂにより構成される。余弦センサ２０１Ａは、回転軸７の回転角度θの余弦成分cosθに応じた電圧信号Ｖｃ１、Ｖｃ２をマイコン１０へ出力する。一方、正弦センサ２０１Ｂは、回転軸７の回転角度θの正弦成分sinθに応じた電圧信号Ｖｓ１、Ｖｓ２をマイコン１０へ出力する。
【００５７】
マイコン１０は、余弦センサ２０１Ａからの電圧信号Ｖｃ１、Ｖｃ２の差分と、正弦センサ２０１Ｂからの電圧信号Ｖｓ１、Ｖｓ２の差分とを検出する。これらの差分はＡ／Ｄ変換器１１でデジタル信号にそれぞれ変換された後、回転角度θの正弦成分sinθと余弦成分cosθの値を算出するのに用いられる。なお、sinθ、cosθの算出方法は後で説明する。誤り検出機能１２は、算出されたsinθとcosθの値に基づいて、前述の各実施の形態において説明したいずれかの方法によりリサージュ軌跡振幅判定１２１とリサージュ軌跡象限判定１２２を実行すると共に、他の診断１２９も行う。その結果、リサージュ軌跡振幅判定１２１で検出域１と判断されかつリサージュ軌跡象限判定１２２で異常と判定されたときにはモータ駆動禁止と判断される。また、他の診断１２９で異常と判断された場合もモータ駆動禁止と判断される。
【００５８】
本実施系形態の装置によれば、第１〜第４の実施の形態におけるレゾルバ故障の場合と同様に、システムの動作の安全性に影響を及ぼさない回転角度センサの故障と、システムの動作の安全性に影響を及ぼす回転角度センサの故障とを区別することができる。すなわち、システムの動作の安全性に影響を及ぼさない回転角度センサの故障の場合には動作継続が可能となり、安全性を確保しながらシステムの可用性を高めることが可能となる。なお、システムの動作の安全性に影響を及ぼさない回転角度センサの故障の場合には警告ランプを点灯させたりモータの駆動出力を制限したりすることも可能である。
【００５９】
図１５は、上記の回転角度センサ異常検出装置を適用した回転角度検出装置の構成を示す断面図である。この回転角度検出装置は、モータ部１００と回転角検出部２００とで構成される。
【００６０】
モータ部１００は、複数の固定磁極と複数の回転磁極との間の磁気的作用に応じて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、複数の回転磁極を構成するロータ１３０および筐体から構成される。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１３０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。本実施形態では、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。
【００６１】
モータ部１００の筐体は、円筒状のフレーム１０１と、フレーム１０１の軸方向の両端部にそれぞれ設けられた第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１０２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７を回転可能なように支持している。
【００６２】
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にそれぞれ圧縮された状態で挟み込まれている。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、同様のシール部材（図示せず）により防水されている。
【００６３】
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。
【００６４】
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。なお、３相巻線の結線方式にはΔ（デルタ）結線方式とＹ（スター）結線方式があるが、本実施形態ではΔ（デルタ）結線方式を採用している。
【００６５】
ロータ１３０は、回転軸７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、ステンレス鋼などの非磁性体から形成された円筒状または管状の形状を有する部材である。
【００６６】
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、磁界センサ２０１、センサ磁石２０２およびハウジング２０３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７と連動して回転する軸に設置されており、回転軸７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。
【００６７】
センサ磁石２０２は、２極に着磁された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。
【００６８】
磁界センサ２０１は、磁界の方向に応じて出力信号が変化するものであり、磁気抵抗素子を用いて構成される。磁気抵抗素子は、磁界に応じて抵抗値が変化する現象（磁気抵抗効果）を生じる素子である。このような磁気抵抗効果としては、たとえば、異方性磁気抵抗効果（anisotropic magnetoresisitance, AMR）、トンネル磁気抵抗効果（tunneling magnetoresistance, TMR）、巨大磁気抵抗効果（giant magnetoresistance, GMR）などが知られている。本実施形態では、これらのうち巨大磁気抵抗効果を生じる巨大磁気抵抗素子（GMR素子）を磁界センサ２０１に用いた例を説明する。
【００６９】
磁界センサ２０１は、予め設定された基準角度を基準として、その設置場所における磁界の方向を検出し、検出結果に応じた信号を出力する。すなわち、回転軸７の回転角度θに対応する信号を出力する。本実施形態で用いた磁界センサ２０１は、後述するように複数個のＧＭＲ素子でそれぞれ構成された２組のブリッジ回路を有している。各ブリッジ回路は、それぞれcosθおよびsinθに比例した信号を出力する。
【００７０】
磁界センサ２０１はハウジング２０３に固定されている。ハウジング２０３は磁束方向に影響を与えないように、その磁化率が所定値以下、たとえばアルミニウムや樹脂などの磁化率が１．１以下の材料で構成するのが好ましい。本実施形態ではアルミニウムで構成した例を説明する。
【００７１】
磁界センサ２０１は、モータ部１００に対してその位置が固定されるように配置する必要がある。これは、回転軸７の回転角が変化してセンサ磁石２０２の方向が変化したときに、磁界センサ２０１で磁界方向の変化を検出することで回転軸７の回転角を検出できるようにするためである。本実施形態では、回転軸７の回転軸中心線２２６上に磁界センサ２０１が配置されている。このようにすると、センサ磁石２０２が形成する磁界の歪みを抑えて回転角度の計測精度を向上できるので好ましい。なお、ハウジング２０３以外の構成要素に磁界センサ２０１を固定しても構わない。
【００７２】
磁界センサ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。
【００７３】
次に磁界センサ２０１の構成について説明する。磁界センサ２０１に用いられるＧＭＲ素子の基本構成を図１６に示す。ＧＭＲ素子は、自由磁性層２１、スペーサ層２２および固定磁性層２３が図に示すように重なり合って構成されている。自由磁性層２１と固定磁性層２３は所定の磁化方向θfとθpにそれぞれ磁化された磁性層であるのに対して、スペーサ層２２は磁化されていない非磁性層である。スペーサ層２２は、自由磁性層２１と固定磁性層２３の間に挟みこまれている。ＧＭＲ素子に外部から磁界を印加すると、固定磁性層２３の磁化方向は変化せず固定されたままであるのに対して、自由磁性層２１の磁化方向θfは符号２０に示すように外部磁界の方向に応じて変化する。なお、固定磁性層２３はピン磁性層とも呼ばれる。
【００７４】
ＧＭＲ素子の両端に電圧を印加すると、所定の素子抵抗に応じた電流が流れる。この素子抵抗の大きさは、固定磁性層２３の磁化方向θpと自由磁性層２１の磁化方向θfとの差分Δθ＝θf−θpに依存して変化する。したがって、固定磁性層２３の磁化方向θpが既知であれば、ＧＭＲ素子の抵抗値を測ることで、この性質を利用して自由磁性層２１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。
【００７５】
ＧＭＲ素子の抵抗値がΔθ＝θf−θpにより変化するメカニズムを以下に説明する。薄膜状の自由磁性層２１と固定磁性層２３における磁化方向は、各磁性層に含まれる磁性体中の電子のスピン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２１中の電子と固定磁性層２３中の電子とでは、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°の場合は、両磁性層中の電子では、スピンの向きが互いに逆向きの電子の割合が高い。
【００７６】
図１７は上記のＧＭＲ素子における自由磁性層２１、スペーサ層２２および固定磁性層２３の断面を模式的に示したものである。自由磁性層２１および固定磁性層２３中の各矢印は、それぞれの磁性層において多数を占める電子のスピン方向を模式的に示したものである。
【００７７】
図１７（ａ）はΔθ＝０の場合であり、自由磁性層２１と固定磁性層２３のスピンの向きが揃っている。この場合、固定磁性層２３から出た右向きスピンの電子は、自由磁性層２１中でも同じスピン方向の電子が多数を占めているため、自由磁性層２１中での散乱が少ない。その結果、固定磁性層２３からの電子は、電子軌跡８１０のような軌跡を通ってＧＭＲ素子内を移動することができる。
【００７８】
一方、図１７（ｂ）はΔθ＝１８０°の場合であり、自由磁性層２１と固定磁性層２３のスピンの向きが逆向きになっている。この場合、固定磁性層２３から出た右向きスピンの電子は、自由磁性層２１に入ると逆向きスピンの電子が多いため、散乱を強く受ける。その結果、固定磁性層２３からの電子は、電子軌跡８２０のような軌跡を通ってＧＭＲ素子内を移動する。このようにΔθ＝１８０°の場合では電子散乱が増えるため、Δθ＝０°の場合と比較して電気抵抗が増加する。
【００７９】
Δθが０°と１８０°の間にある場合は、図１７（ａ）と図１７（ｂ）の中間の状態となる。このときの抵抗値は、Δθが０°に近づくほど小さくなり、１８０°に近づくほど大きくなる。
【００８０】
ＧＭＲ素子の抵抗値をＲとすると、このＲの大きさは以下の式（３）によって表される。式（３）において、Ｒ’0、Ｒ0およびＧはいずれも所定の定数である。
【００８１】
【数１】
2011095094.tif 000003
（３）
【００８２】
式（３）によって表される抵抗値Ｒの変化率、すなわちＧ／Ｒ0は、ＧＭＲ係数と呼ばれる。このＧＭＲ係数の大きさが数％〜数１０％程度のものが一般的にＧＭＲ素子として知られている。
【００８３】
以上説明したように、ＧＭＲ素子では電子スピンの向きによって電流の流れ方（電気抵抗）を制御できる。このことから、ＧＭＲ素子はスピンバルブ素子とも呼ばれる。
【００８４】
なお、一般的に膜厚が薄い磁性膜（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。上記のＧＭＲ素子を構成する自由磁性層２１と固定磁性層２３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。
【００８５】
磁界センサ２０１は、以上説明したようなＧＭＲ素子を４個ずつ用いてそれぞれ構成したホイートストン・ブリッジ回路を２組有している。このホイートストン・ブリッジ回路の構成を図１８に示す。図１８において、左側のブリッジ回路３０をCOSブリッジと呼び、右側のブリッジ回路４０をSINブリッジと呼ぶ。COSブリッジ３０とSINブリッジ４０は、図１４の余弦センサ２０１Ａと正弦センサ２０１Ｂにそれぞれ対応する。
【００８６】
COSブリッジ３０は、符号３１〜３４にそれぞれ示すＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４により構成される。素子Ｒ１と素子Ｒ３の固定磁性層の磁化方向はそれぞれθp=0に設定されており、素子Ｒ２と素子Ｒ４の固定磁性層の磁化方向はそれぞれθp=180°に設定されている。一方、自由磁性層の磁化方向θfは前述のように外部磁界の方向によって決まるため、外部から磁界が印加されている状態では素子Ｒ１〜Ｒ４で同一となる。すなわち、回転軸７の回転角度θを外部磁界の方向とすると、素子Ｒ１〜Ｒ４における自由磁性層の磁化方向はいずれもθf＝θと表すことができる。
【００８７】
したがって、素子Ｒ１、Ｒ３における固定磁性層の磁化方向θpと自由磁性層の磁化方向θfとの差分をΔθ1とし、素子Ｒ２、Ｒ４における固定磁性層の磁化方向θpと自由磁性層の磁化方向θfとの差分をΔθ2とすると、以下の式（４）の関係が成り立つ。
Δθ1＝θf−θp＝θ，Δθ2＝θf−θp＝θ＋π      （４）
【００８８】
前述の式（３）と式（４）に基づいて、素子Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値は以下の式（５）により表される。
【００８９】
【数２】
2011095094.tif 000004
（ｎ＝１，３）
2011095094.tif 000005
（ｎ＝２，４）      （５）
【００９０】
図１８のCOSブリッジ３０に励起電圧e0を印加した時の端子Ｖ１の電圧Ｖｃ１と端子Ｖ２の電圧Ｖｃ２との差分をΔＶｃ=Ｖｃ２−Ｖｃ１と表すと、上記の式（５）に基づいてΔＶｃを以下の式（６）のように表すことができる。
【００９１】
【数３】
2011095094.tif 000006
（６）
【００９２】
ここでｎ＝１〜４についてＲn0が等しいとすると、前述の式（５）においてRn0=R0と置き換えることができる。すると、式（６）を以下の式（７）のように書き換えることができる。式（７）により、COSブリッジ３０から出力される電圧Ｖｃ１と電圧Ｖｃ２に基づいて、cosθに比例した信号を得られることが分かる。
【００９３】
【数４】
2011095094.tif 000007
（７）
【００９４】
一方、SINブリッジ４０は、符号４１〜４４にそれぞれ示すＧＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４により構成される。素子Ｒ１と素子Ｒ３の固定磁性層の磁化方向はそれぞれθp=90°に設定されており、素子Ｒ２と素子Ｒ４の固定磁性層の磁化方向はそれぞれθp=270°に設定されている。このSINブリッジ４０に励起電圧e0を印加した時の端子Ｖ１の電圧Ｖｓ１と端子Ｖ２の電圧Ｖｓ２との差分をΔＶｓ=Ｖｓ２−Ｖｓ１と表すと、ΔＶｓを以下の式（８）のように表すことができる。式（８）により、SINブリッジ４０から出力される電圧Ｖｓ１と電圧Ｖｓ２に基づいて、sinθに比例した信号を得られることが分かる。
【００９５】
【数５】
2011095094.tif 000008
（８）
【００９６】
式（７）、（８）により、２つのブリッジの出力信号の比をとるとtanθになることが分かる。すなわち、回転角度θは以下の式（９）から求めることができる。
【００９７】
【数６】
2011095094.tif 000009
（９）
【００９８】
なお、式（９）では、ΔＶｃの絶対値が小さくなるとArcTan関数内の分母が小さくなるため、ΔＶｃの誤差の影響が大きくなり、その結果θの算出精度が悪くなるという問題がある。このような問題に対処するため、ΔＶｃとΔＶｓの絶対値の大小関係を判定する。その結果、｜ΔＶｃ｜が｜ΔＶｓ｜より大きい場合には、上記式（９）により回転角度θを求めることとする。
【００９９】
一方、｜ΔＶｃ｜が｜ΔＶｓ｜より小さい場合には、以下の式（１０）を式（９）の代わりに用いて回転角度θを求める。
【０１００】
【数７】
2011095094.tif 000010
（１０）
【０１０１】
以上説明したように、ΔＶｃとΔＶｓの絶対値の大小関係に応じて式（９）と（１０）を使い分けることで、ΔＶｃの絶対値が小さくなることによる計算誤差の拡大を防ぐことができる。
【０１０２】
また、式（９）ではArcTan関数を用いているため、±９０°の範囲でしか回転角度θを求めることができず、０〜３６０°の全角度範囲にわたって回転角度θを計測することができないという問題がある。このような問題に対処するため、ΔＶｓとΔＶｃの符号に基づいて、θが第何象限に入っているかを判定する象限判定を行う。この象限判定の結果と、上記の式（９）と（１０）の使い分けとを組み合わせることで、０〜３６０°の全角度範囲にわたって回転角度θを正しく求めることができる。
【０１０３】
図１９は磁界センサ２０１を含む回転角度検出装置の構成を示すブロック図である。回転角度検出装置は、磁界センサ２０１と、マイコン１０、検出回路１４Ａおよび１４Ｂ、正極性出力回路１５、負極性出力回路１６により構成される。
【０１０４】
磁界センサ２０１は、図１４で説明したように、上記のCOSブリッジ３０とSINブリッジ４０を用いてそれぞれ構成される余弦センサ２０１Ａと正弦センサ２０１Ｂを有する。これらの各センサには、正極性出力回路１５から出力される5Vの直流電圧が前述の励起電圧e0として供給されると共に、負極性出力回路１６からのグランド電圧（アース電位）が供給される。これらの供給電圧に基づいて、回転角度θの余弦成分cosθに応じた電圧信号Ｖｃ１、Ｖｃ２と、回転角度θの正弦成分sinθに応じた電圧信号Ｖｓ１、Ｖｓ２とが、余弦センサ２０１Ａと正弦センサ２０１Ｂから検出回路１４Ａ、１４Ｂを介してマイコン１０へそれぞれ出力される。なお、磁界センサ２０１を励起しない期間、すなわち回転角度θを検出しない期間では、正極性出力回路１５と負極性出力回路１６の出力電圧を等しくしてもよい。
【０１０５】
検出回路１４Ａは、余弦センサ２０１Ａからの電圧信号Ｖｃ１、Ｖｃ２に基づいて、前述の式（７）で表される差分ΔＶｃを差動検出する。検出回路１４Ｂは、正弦センサ２０１Ｂからの電圧信号Ｖｓ１、Ｖｓ２に基づいて、前述の式（８）で表される差分ΔＶｓを差動検出する。こうして検出された差分ΔＶｃ、ΔＶｓはそれぞれ１０倍程度に増幅された後、マイコン１０へそれぞれ出力される。マイコン１０では、入力された差分ΔＶｃ、ΔＶｓがＡ／Ｄ変換器１１Ａ、１１Ｂによりデジタル信号に変換された後、演算部１３に入力される。なお、Ａ／Ｄ変換器１１Ａ、１１Ｂは図１４のＡ／Ｄ変換器１１に対応するものである。演算部１３は、この差分ΔＶｃ、ΔＶｓに基づいて、前述のように式（９）、（１０）を用いて回転角度θを求める。演算部１３において求められた回転角度θは、マイコン１０より外部へ出力される。
【０１０６】
演算部１３はまた、図１４の誤り検出機能１２に対応する処理も実行する。すなわち、差分ΔＶｃ、ΔＶｓに基づいて、前述の式（７）、（８）を用いてsinθとcosθの値を求める。そして、求めたsinθとcosθの値に基づいて、前述のようなリサージュ軌跡振幅判定とリサージュ軌跡象限判定を実行することにより、モータの駆動を禁止するか否かを判断する。この判断結果は、回転角度θと同様にマイコン１０より外部へ出力される。
【０１０７】
次に、磁界センサ２０１のＧＭＲ素子を用いた故障検出の原理を説明する。磁界センサ２０１を構成するＧＭＲ素子は、数ｎｍ程度の厚さの薄膜により構成されている。そのため、過大な電流が流れたりするとＧＭＲ素子の一部が焼損し、故障を生じる可能性がある。このような故障が起きるとＧＭＲ素子において局所的な抵抗増大が生じる。このＧＭＲ素子の抵抗増大を検出することで、磁界センサ２０１の故障検出が行われる。
【０１０８】
図２０は、磁界センサ２０１において前述のようなブリッジ回路を構成している４つのＧＭＲ素子のうちの１つにおいて故障が発生したときの様子を模式的に示した図である。配線２１０はＧＭＲ素子によって形成された配線パターンであり、その内部を矢印に示す方向に電流が流れる。図２０において、（ａ）は故障が発生していない正常な状態における配線２１０の様子を示している。一方（ｂ）は、配線２１０の一部が焼損して符号２１１に示すように細くなった様子を示している。この焼損部２１１が高抵抗化することで、ＧＭＲ素子において局所的な抵抗増大が生じる。
【０１０９】
一例として、図１８に示したSINブリッジ４０のなかのＧＭＲ素子Ｒ１において焼損が発生した場合を考える。この場合、焼損部２１１の配線パターンが図２０のように細くなって断面積が減少することで、局部的な抵抗値（バルク抵抗値）が上昇する。その結果、ＧＭＲ素子Ｒ１の全体の抵抗値が上昇する。一方、ＧＭＲ素子Ｒ１における磁気抵抗効果は、配線２１０全体における各層（自由磁性層２１、スペーサ層２２および固定磁性層２３）間の界面における電子の散乱に起因するものである。そのため、焼損部２１１において前述のように局部的なバルク抵抗値の増加が起きても、磁気抵抗効果による抵抗値の変化量はあまり影響を受けない。すなわち、配線の焼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。この磁界方向非依存項の増加率をｂ倍とすると、前述の式（５）から、ＧＭＲ素子Ｒ１の抵抗値は以下の式（１１）のように表すことができる。
【０１１０】
【数８】
2011095094.tif 000011
（１１）
【０１１１】
この場合のSINブリッジ４０における端子Ｖ１、Ｖ２間の差分ΔＶｓ=Ｖｓ２−Ｖｓ１は、Rn0=R0とすると、以下の式（１２）で表される。
【０１１２】
【数９】
2011095094.tif 000012
（１２）
【０１１３】
本実施形態における磁界センサ２０１の出力信号によるリサージュ軌跡を図２１に示す。このリサージュ軌跡は、式（１２）により表されるsinθに比例する差分ΔＶｓと、前述の式（７）により表されるcosθに比例する差分ΔＶｃとに基づくものである。
【０１１４】
図２１のリサージュ軌跡から以下の（ａ）〜（ｃ）のことが分かる。
（ａ）b<5  の時は、リサージュ波形は原点を含む。すなわち、角度ズレは９０度より小さい。
（ｂ）b=5  の時は、リサージュ波形は原点上を通る。
（ｃ）b>5  の時は、リサージュ波形は原点を通らない。すなわち、角度ズレは９０度より大きい。
【０１１５】
以上の結果を踏まえて、マイコン１０では、（ΔＶｃ、ΔＶｓ）のリサージュ軌跡をモニターし、これが原点を含まなくなった場合に、前述のリサージュ軌跡象限判定１２２において磁界センサ２０１が異常であると判定する。
【０１１６】
なお、以上説明した実施の形態において、差分ΔＶｃ、ΔＶｓが所定の上限と下限から外れているか否かを検知することにより異常を検出する信号上限・下限判定回路を回転角度検出装置内に設けるようにしてもよい。この信号上限・下限判定回路の一例を図２２に示す。この図２２に示す回路では、分割抵抗３９１Ａ〜３９１Ｃの各抵抗値に応じて設定される異常検出範囲の上限値および下限値と、磁界センサ２０１のCOSブリッジ３０からの差分出力ΔＶｃ=Ｖｃ２−Ｖｃ１とを、コンパレータ３９３Ａ、３９３Ｂで比較する。コンパレータ３９３Ａ、３９３Ｂの出力は論理和回路（OR回路）３９４に入力される。論理和回路３９４は、ΔＶｃが上限値または下限値のいずれかを越えた場合に異常検出信号を出力する。これにより、ΔＶｃがある一定範囲（異常検出範囲）を超えていないかを判定する。
【０１１７】
上記の説明ではCOSブリッジ３０の出力信号ΔＶｃについて述べたが、SINブリッジ４０の出力信号ΔＶｓについても同様に判定する。このとき信号ΔＶｃ、ΔＶｓを増幅してからコンパレータ３９３Ａ、３９３Ｂに入力してもよい。この場合は、上限・下限値を増幅率に応じて適切に設定する。
【０１１８】
なお、図２２の回路では、たとえば異常検出範囲を、励起電圧e0と各ブリッジ回路のｇ端子電圧（たとえば０Ｖ）との中点電位を中心として±１Ｖの範囲に設定する。また、励起電圧e0を５Ｖに、eｎを−２Ｖにそれぞれ設定する。
【０１１９】
以上説明した信号の上限・下限判定と、図２１に示したリサージュ軌跡による象限管理基準（クライテリア）との関係を述べる。上述の通り、リサージュ波形の象限管理基準で異常信号が報知されるのは、b>5の場合、すなわち抵抗値が５倍よりも大きく増加した場合である。一方、抵抗値が５倍になると、差分ΔＶｃまたはΔＶｓの変化幅は前述の中点電位より＋0.8Vまたは−0.8Vであるため、図２８の回路において異常判定されない。すなわち、信号上限・下限判定基準よりもリサージュ波形象限管理基準の方がより厳しく異常を判定する。
【０１２０】
このように信号上限・下限判定基準とリサージュ波形象限管理基準とを組み合わせることで、早期に回転角検出装置の異常を検出することができるので好ましい。
【０１２１】
また、図２２に示す信号上限・下限判定回路では、前述したように、磁気抵抗素子ブリッジの励起電圧e0を基準電圧として、分割抵抗３９１Ａ〜３９１Ｃにより異常検出範囲の上限値と下限値を設定している。式（７）に示したように、信号電圧ΔＶｃは励起電圧e0に比例するので、このような構成にすると励起電圧e0が変動した場合もそれに比例した異常検出範囲で異常検出できるので好ましい。
【０１２２】
以上説明した本実施形態では、磁気抵抗素子としてＧＭＲ素子を用いた場合を述べたが、他の磁気抵抗素子、例えば異方性磁気抵抗効果素子（ＡＭＲ素子）や、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）などの磁気抵抗素子でも本発明が同様に有効であることは言うまでもない。なお、ＴＭＲを用いた場合には、磁界センサ２０１にＴＭＲ素子で構成したブリッジ構成を設ける。
【０１２３】
以上説明したように、本実施形態ではレゾルバ１の代わりに磁界センサ２０１を用いることとしたので、レゾルバの場合と比べて装置の小型化、軽量化を図ることができる。また、レゾルバの場合に要求される高い製作精度や組立精度が不要になると共に、磁界センサ２０１の大きさをロータ軸の太さに関わらず一定とすることができるため、装置の低コスト化を実現することができる。
【０１２４】
図２３は、以上説明した第５の実施の形態による回転角度センサ異常検出装置をモータ制御システムに適用した例を示す図である。また図２４は、以上説明した第５の実施の形態による回転角度センサ異常検出装置を電動パワーステアリングに適用した例を示す図である。これらの図に示す例では、図８、９のレゾルバ１、励磁信号生成部２および変換トリガ生成部３を磁界センサ２０１に変えている点以外は、図８、９と同じである。
【０１２５】
以上説明した第５の実施の形態によれば、第１の実施の形態において説明したのと同様の作用効果を奏することができる。さらに加えて、レゾルバの代わりに磁界センサを用いているため、装置の小型化、軽量化、低コスト化を図ることができる。
【０１２６】
なお、以上説明した第５の実施の形態では、第１の実施の形態におけるレゾルバ１の代わりに磁界センサ２０１を備えた例を説明したが、これと同様に、第２〜第４の実施の形態におけるレゾルバ１を磁界センサ２０１に置き換えても良い。この場合も、第２〜第４の実施の形態で説明したのと同様の作用効果を奏することができる。その上、レゾルバを用いた第２〜第４の実施の形態と比べて、装置の小型化、軽量化、低コスト化を図ることができる。
【０１２７】
以上説明した各実施の形態および各種の変形例はあくまで一例である。したがって、本発明はこれらの内容や構成に何ら限定されるものではない。
【符号の説明】
【０１２８】
１  レゾルバ
２  励磁信号生成部
３  変換トリガ生成部
４  モータドライバ
５  モータ
６  制御対象
７  回転軸
８  ステアリングホイール
９  トルクセンサ
１０  マイコン
１１  Ａ／Ｄ変換器
１２  誤り検出機能
１３  演算部
１４Ａ，１４Ｂ  検出回路
１５  正極性出力回路
１６  負極性出力回路
２０  外部磁界方向
２１  自由磁性層
２２  スペーサ層
２３  固定磁性層
３０  ＣＯＳブリッジ
４０  ＳＩＮブリッジ
１００  モータ部
１０１  フレーム
１０２  第１ブラケット
１０３  第２ブラケット
１０６，１０７  軸受
１１０  ステータ
１１１  ステータコア
１１２  ステータコイル
１２１  リサージュ軌跡振幅判定
１２２  リサージュ軌跡象限判定
１２３  ＡＮＤ（論理積）
１２４  ＯＲ（論理和）
１３０  ロータ
２００  回転角検出部
２０１  磁界センサ
２０２  センサ磁石
２０３  ハウジング
【図１】
2011095094.tif 000013
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2011095094.tif 000019
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2011095094.tif 000022
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2011095094.tif 000026
【図１５】
2011095094.tif 000027
【図１６】
2011095094.tif 000028
【図１７】
2011095094.tif 000029
【図１８】
2011095094.tif 000030
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
2011095094.tif 000034
【図２３】
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【図２４】
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