(57)【要約】【課題】回転動作する回転体の回転角度の演算処理を短時間で行うことができ、かつ当該演算処理を行う演算処理回路における消費電力を小さくすることのできる演算処理装置、当該演算処理装置を備える角度センサ及び当該角度センサを備えるステアリング装置を提供する。【解決手段】互いに信号周波数の異なる第１出力信号及び第２出力信号に基づいて回転角度を算出する演算処理装置は、第１及び第２出力信号に基づき、第１たすきがけ演算を行う第１たすきがけ演算部及び第２たすきがけ演算を行う第２たすきがけ演算部と、第１たすきがけ演算部による演算結果に基づいて第１リサジュー曲線を生成する第１リサジュー曲線生成部と、第２たすきがけ演算部による演算結果に基づいて第２リサジュー曲線を生成する第２リサジュー曲線生成部と、第１リサジュー曲線及び第２リサジュー曲線に基づいて回転角度を算出する回転角度演算部とを備える。【選択図】図２
2019095373.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１磁気センサ素子から出力される第１出力信号と、第２磁気センサ素子から出力され、前記第１出力信号と信号周波数の異なる第２出力信号とに基づいて回転角度を算出する演算処理装置であって、
前記第１出力信号は、互いに位相の異なる２種の信号を含み、
前記第２出力信号は、互いに位相の異なる２種の信号を含み、
前記演算処理装置は、
前記第１出力信号に含まれる一方の信号及び前記第２出力信号に含まれる一方の信号に基づいて第１たすきがけ演算を行う第１たすきがけ演算部と、
前記第１出力信号に含まれる他方の信号及び前記第２出力信号に含まれる他方の信号に基づいて第２たすきがけ演算を行う第２たすきがけ演算部と、
前記第１たすきがけ演算部による演算結果に基づいて第１リサジュー曲線を生成する第１リサジュー曲線生成部と、
前記第２たすきがけ演算部による演算結果に基づいて第２リサジュー曲線を生成する第２リサジュー曲線生成部と、
前記第１リサジュー曲線及び前記第２リサジュー曲線に基づいて前記回転角度を算出する回転角度演算部と
を備えることを特徴とする演算処理装置。
【請求項２】
前記第１出力信号は、第１正弦波信号及び第１余弦波信号を含み、
前記第２出力信号は、前記第１正弦波信号と異なる周波数の第２正弦波信号及び前記第１余弦波信号と異なる周波数の第２余弦波信号を含み、
前記第１たすきがけ演算部は、前記第１正弦波信号及び前記第２余弦波信号を含む第１−１信号セットと、前記第２正弦波信号及び前記第１余弦波信号を含む第１−２信号セットとのそれぞれを用いて、前記第１たすきがけ演算としての加減算処理を行い、
前記第２たすきがけ演算部は、前記第１正弦波信号及び前記第２正弦波信号を含む第２−１信号セットと、並びに前記第１余弦波信号及び前記第２余弦波信号を含む第２−２信号セットとのそれぞれを用いて、前記第２たすきがけ演算としての加算処理を行う
ことを特徴とする請求項１に記載の演算処理装置。
【請求項３】
前記第１たすきがけ演算部は、前記第１−１信号セットを用いた加算処理と、前記第１−２信号セットを用いた減算処理とを、前記第１たすきがけ演算として行う
ことを特徴とする請求項２に記載の演算処理装置。
【請求項４】
前記第１リサジュー曲線と前記第２リサジュー曲線とは、互いに実質的にπ／２周期ずれている
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の演算処理装置。
【請求項５】
回転体と一体的に回転する第１磁界発生部及び第２磁界発生部と、
前記第１磁気センサ素子及び前記第２磁気センサ素子を有する磁気センサ部と、
請求項１〜４のいずれかに記載の演算処理装置と
を備え、
前記第１磁界発生部と前記第２磁界発生部とは、互いに極数の異なる磁石であり、
前記第１磁気センサ素子は、前記第１磁界発生部から発生する磁界に応じて前記第１出力信号を出力し、
前記第２磁気センサ素子は、前記第２磁界発生部から発生する磁界に応じて前記第２出力信号を出力する
ことを特徴とする角度センサ。
【請求項６】
前記第１磁気センサ素子及び前記第２磁気センサ素子のそれぞれは、ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子、ＡＭＲ素子又はホール素子である
ことを特徴とする請求項５に記載の角度センサ。
【請求項７】
ステアリングの操舵機構に動力を与えて前記ステアリングの操舵力を補助する動力発生部と、
前記ステアリングの回転角度を検出する請求項５又は６に記載の角度センサと、
前記角度センサにより検出された前記回転角度に応じて前記動力発生部を駆動させる制御部と
を備えることを特徴とするステアリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサ素子からの出力信号に基づいて回転角度を演算する演算処理装置、角度センサ及びステアリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用のパワーステアリング装置においては、操舵輪の回転角度を角度検出装置によって検出し、検出した回転角度に応じてモータ又は油圧装置を駆動して操舵輪の操舵力を補助することにより、運転者が小さい操舵力で操舵できるようになっている。
【０００３】
このような角度検出装置として、互いに極数の異なる複数の磁石と、各磁石の磁束に応じてセンサ信号を出力する複数の磁気センサ素子と、各磁気センサ素子から出力されるセンサ信号に基づいて回転角度を演算する演算処理装置とを備えるものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１８３１６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１には位置検出装置が開示されている。この位置検出装置において、一方の磁気センサ素子から出力されるセンサ信号に基づいて回転角度（電気角ＥＡ１）が算出され、他方の磁気センサ素子から出力される信号に基づいて回転角度（電気角ＥＡ２）が算出されるが、これらの回転角度（電気角ＥＡ１，ＥＡ２）の位相が回転体の回転に伴い少しずつずれていく現象を利用して、両電気角の差分（ＥＡ１−ＥＡ２）から回転角度（機械角ＭＡ）が演算される。
【０００６】
各センサ素子から出力されるセンサ信号は、回転体の回転角度θを示す正弦波信号（ｓｉｎ信号）と余弦波信号（ｃｏｓ信号）とを含み、回転角度（電気角ＥＡ１，ＥＡ２）は、正弦波信号と余弦波信号とを利用した逆正接演算（ａｔａｎ演算）により算出される。すなわち、一方の磁気センサ素子から出力されるセンサ信号（ｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号）から逆正接（ａｔａｎ）を演算するとともに、他方の磁気センサ素子から出力されるセンサ信号（ｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号）からも同様に逆正接（ａｔａｎ）を演算する必要がある。そのため、逆正接演算処理に必要な演算処理回路の回路規模が大きくなってしまい、演算処理回路を含む角度検出装置における消費電力が大きくなってしまうという問題がある。また、逆正接（ａｔａｎ）演算には多くのクロック数がかかるため、演算処理回路における演算処理時間が長くなってしまうという問題もある。
【０００７】
上記課題に鑑み、本発明は、回転動作する回転体の回転角度の演算処理を短時間で行うことができ、かつ当該演算処理を行う演算処理回路における消費電力を小さくすることのできる演算処理装置、当該演算処理装置を備える角度センサ及び当該角度センサを備えるステアリング装置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】
上記課題を解決するために、本発明は、第１磁気センサ素子から出力される第１出力信号と、第２磁気センサ素子から出力され、前記第１出力信号と信号周波数の異なる第２出力信号とに基づいて回転角度を算出する演算処理装置であって、前記第１出力信号は、互いに位相の異なる２種の信号を含み、前記第２出力信号は、互いに位相の異なる２種の信号を含み、前記演算処理装置は、前記第１出力信号に含まれる一方の信号及び前記第２出力信号に含まれる一方の信号に基づいて第１たすきがけ演算を行う第１たすきがけ演算部と、前記第１出力信号に含まれる他方の信号及び前記第２出力信号に含まれる他方の信号に基づいて第２たすきがけ演算を行う第２たすきがけ演算部と、前記第１たすきがけ演算部による演算結果に基づいて第１リサジュー曲線を生成する第１リサジュー曲線生成部と、前記第２たすきがけ演算部による演算結果に基づいて第２リサジュー曲線を生成する第２リサジュー曲線生成部と、前記第１リサジュー曲線及び前記第２リサジュー曲線に基づいて前記回転角度を算出する回転角度演算部とを備えることを特徴とする演算処理装置を提供する。
【０００９】
上記演算処理装置において、前記第１出力信号は、第１正弦波信号及び第１余弦波信号を含み、前記第２出力信号は、前記第１正弦波信号と異なる周波数の第２正弦波信号及び前記第１余弦波信号と異なる周波数の第２余弦波信号を含み、前記第１たすきがけ演算部は、前記第１正弦波信号及び前記第２余弦波信号を含む第１−１信号セットと、前記第２正弦波信号及び前記第１余弦波信号を含む第１−２信号セットとのそれぞれを用いて、前記第１たすきがけ演算としての加減算処理を行い、前記第２たすきがけ演算部は、前記第１正弦波信号及び前記第２正弦波信号を含む第２−１信号セットと、並びに前記第１余弦波信号及び前記第２余弦波信号を含む第２−２信号セットとのそれぞれを用いて、前記第２たすきがけ演算としての加算処理を行うのが好ましい。
【００１０】
本明細書において「正弦波信号」には、理想的な正弦波の波形により表される信号の他、当該理想的な正弦波の波形に極めて近い波形（ひずみ率：３０％以内）により表される信号（略正弦波信号）も含まれる。また、本明細書において「余弦波信号」には、理想的な余弦波の波形により表される信号の他、当該理想的な余弦波の波形に極めて近い波形（ひずみ率：３０％以内）により表される信号（略余弦波信号）も含まれる。なお、ひずみ率は、フーリエ解析等の手法により信号の理想的な成分と歪み成分とを分離して評価可能なひずみ率測定装置等を用いて測定され得る。また、正弦波信号と余弦波信号とは、互いの位相がずれていることを単に意味するものであって、それらの位相差に制限はないが、好ましくはそれらの位相差が９０ｄｅｇ±２０ｄｅｇの範囲内程度であればよい。
【００１１】
上記演算処理装置において、前記第１たすきがけ演算部は、前記第１−１信号セットを用いた加算処理と、前記第１−２信号セットを用いた減算処理とを、前記第１たすきがけ演算として行うのが好ましい。
【００１２】
上記演算処理装置において、前記第１リサジュー曲線と前記第２リサジュー曲線とは、互いに実質的にπ／２周期ずれているのが好ましい。
本明細書において、「実質的にπ／２周期ずれている」とは、第１リサジュー曲線と第２リサジュー曲線との２つの曲線の周期がπ／２±０．３５（ｒａｄ）の範囲でずれていることを許容する趣旨である。
【００１３】
また、本発明は、回転体と一体的に回転する第１磁界発生部及び第２磁界発生部と、前記第１磁気センサ素子及び前記第２磁気センサ素子を有する磁気センサ部と、上記演算処理装置とを備え、前記第１磁界発生部と前記第２磁界発生部とは、互いに極数の異なる磁石であり、前記第１磁気センサ素子は、前記第１磁界発生部から発生する磁界に応じて前記第１出力信号を出力し、前記第２磁気センサ素子は、前記第２磁界発生部から発生する磁界に応じて前記第２出力信号を出力することを特徴とする角度センサを提供する。
【００１４】
上記角度センサにおいて、前記第１磁気センサ素子及び前記第２磁気センサ素子のそれぞれは、ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子、ＡＭＲ素子又はホール素子であるのが好ましい。
【００１５】
さらに、本発明は、ステアリングの操舵機構に動力を与えて前記ステアリングの操舵力を補助する動力発生部と、前記ステアリングの回転角度を検出する上記角度センサと、前記角度センサにより検出された前記回転角度に応じて前記動力発生部を駆動させる制御部とを備えることを特徴とするステアリング装置を提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、回転動作する回転体の回転角度の演算処理を短時間で行うことができ、かつ当該演算処理を行う演算処理回路における消費電力を小さくすることのできる演算処理装置、当該演算処理装置を備える角度センサ及び当該角度センサを備えるステアリング装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る回転角度検出装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態における磁気検出装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態における第１−１ホイートストンブリッジ回路の回路構成を概略的に示す回路図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態における第１−２ホイートストンブリッジ回路の回路構成を概略的に示す回路図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態における第２−１ホイートストンブリッジ回路の回路構成を概略的に示す回路図である。
【図６】図６は、本発明の一実施形態における第２−２ホイートストンブリッジ回路の回路構成を概略的に示す回路図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態における磁気検出素子としてのＭＲ素子の概略構成を示す斜視図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態における磁気検出素子としてのＭＲ素子の概略構成を示す断面図である。
【図９】図９は、本発明の一実施形態における第１たすきがけ演算部により生成される信号の波形図である。
【図１０】図１０は、本発明の一実施形態における第２たすきがけ演算部により生成される信号の波形図である。
【図１１】図１１は、本発明の一実施形態における第１リサジュー曲線生成部により生成される第１リサジュー曲線を示す波形図である。
【図１２】図１２は、本発明の一実施形態における第２リサジュー曲線生成部により生成される第２リサジュー曲線を示す波形図である。
【図１３】図１３は、本発明の一実施形態に係る回転角度検出装置を備えるステアリング装置の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る回転角度検出装置の概略構成を示す斜視図であり、図２は、本実施形態における磁気検出装置の概略構成を示すブロック図であり、図３〜６は、本実施形態における第１−１ホイートストンブリッジ回路、第１−２ホイートストンブリッジ回路、第２−１ホイートストンブリッジ回路及び第２−２ホイートストンブリッジ回路の回路構成を概略的に示す回路図であり、図７及び図８は、本実施形態における磁気検出素子としてのＭＲ素子の概略構成を示す斜視図及び断面図である。
【００１９】
本実施形態に係る回転角度検出装置１は、互いに極数の異なる第１多極磁石２Ａ及び第２多極磁石２Ｂと、第１多極磁石２Ａ及び第２多極磁石２Ｂのそれぞれに対向して配置される第１磁気検出装置３Ａ及び第２磁気検出装置３Ｂを含む磁気検出装置３とを備える。
【００２０】
第１多極磁石２Ａ及び第２多極磁石２Ｂは、回転軸ＲＡを中心として互いに離間して軸部４に回転可能に設けられており、軸部４の回転に連動するようにして回転軸ＲＡを中心として回転する。
【００２１】
第１多極磁石２Ａ及び第２多極磁石２Ｂは、Ｎ極及びＳ極の一対の極を複数含み、Ｎ極及びＳ極が、互いに交互に放射状（リング状）に配列されている。第１多極磁石２Ａ及び第２多極磁石２Ｂは、それぞれが有する磁化に基づいて磁界を発生させる。本実施形態において、第１多極磁石２Ａと第２多極磁石２Ｂとは、互いに異なる極数を有する。図１に示す態様においては、第１多極磁石２Ａの極数は１５極であり、第２多極磁石２Ｂの極数は１４極であるが、第１多極磁石２Ａ及び第２多極磁石２Ｂの極数はこれに限定されるものではない。また、第１多極磁石２Ａと第２多極磁石２Ｂとの極数の差は、特に制限されるものではない。
【００２２】
第１磁気検出装置３Ａは、第１多極磁石２Ａに対向するように配置されており、第１多極磁石２Ａにより生じる磁界を検出する。第２磁気検出装置３Ｂは、第２多極磁石２Ｂに対向するように配置されており、第２多極磁石２Ｂにより生じる磁界を検出する。本実施形態に係る回転角度検出装置１は、第１磁気検出装置３Ａ及び第２磁気検出装置３Ｂのそれぞれの出力に基づいて、回転移動する軸部４の回転角度θを検出することができる。
【００２３】
磁気検出装置３は、第１磁気検出装置３Ａと、第２磁気検出装置３Ｂと、演算処理部３Ｃとを有する。第１磁気検出装置３Ａは、第１多極磁石２Ａの回転に伴う磁界の変化に基づきセンサ信号を出力する第１磁気センサ部３１Ａと、第１演算部３２Ａとを有する。第２磁気検出装置３Ｂは、第２多極磁石２Ｂの回転に伴う磁界の変化に基づきセンサ信号を出力する第２磁気センサ部３１Ｂと、第２演算部３２Ｂとを有する。第１演算部３２Ａは、第１磁気センサ部３１Ａ及び第２磁気センサ部３１Ｂから出力されるセンサ信号に基づいて第１たすきがけ演算処理を行う第１たすきがけ演算部３２１Ａと、第１リサジュー曲線生成部３２２Ａとを有する。第２演算部３２Ｂは、第１磁気センサ部３１Ａ及び第２磁気センサ部３１Ｂから出力されるセンサ信号に基づいて第２たすきがけ演算処理を行う第２たすきがけ演算部３２１Ｂと、第２リサジュー曲線生成部３２２Ｂとを有する
【００２４】
第１磁気センサ部３１Ａ及び第２磁気センサ部３１Ｂは、それぞれ、少なくとも１つの磁気検出素子を含み、直列に接続された一対の磁気検出素子を含んでいてもよい。この場合において、第１磁気センサ部３１Ａは、直列に接続された第１磁気検出素子対及び第２磁気検出素子対を含む第１−１ホイートストンブリッジ回路３１１Ａ及び第１−２ホイートストンブリッジ回路３１２Ａを有し、第２磁気センサ部３１Ｂは、直列に接続された第１磁気検出素子対及び第２磁気検出素子対を含む第２−１ホイートストンブリッジ回路３１１Ｂ及び第２−２ホイートストンブリッジ回路３１２Ｂを有する。なお、第１磁気センサ部３１Ａ及び第２磁気センサ部３１Ｂは、第１−１ホイートストンブリッジ回路３１１Ａ、第１−２ホイートストンブリッジ回路３１２Ａ、第２−１ホイートストンブリッジ回路３１１Ｂ及び第２−２ホイートストンブリッジ回路３１２Ｂのそれぞれに代えて、第１磁気検出素子対のみを含み、第２磁気検出素子対を含まないハーフブリッジ回路を有していてもよい。
【００２５】
図３に示すように、第１磁気センサ部３１Ａが有する第１−１ホイートストンブリッジ回路３１１Ａは、電源ポートＶ１１と、グランドポートＧ１１と、２つの出力ポートＥ１１１，Ｅ１１２と、直列に接続された第１の一対の磁気検出素子Ｒ１１１，Ｒ１１２と、直列に接続された第２の一対の磁気検出素子Ｒ１１３，Ｒ１１４とを含む。磁気検出素子Ｒ１１１，Ｒ１１３の各一端は、電源ポートＶ１１に接続される。磁気検出素子Ｒ１１１の他端は、磁気検出素子Ｒ１１２の一端と出力ポートＥ１１１とに接続される。磁気検出素子Ｒ１１３の他端は、磁気検出素子Ｒ１１４の一端と出力ポートＥ１１２とに接続される。磁気検出素子Ｒ１１２，Ｒ１１４の各他端は、グランドポートＧ１１に接続される。電源ポートＶ１１には、所定の大きさの電源電圧が印加され、グランドポートＧ１１はグランドに接続される。
【００２６】
図４に示すように、第１磁気センサ部３１Ａが有する第１−２ホイートストンブリッジ回路３１２Ａは、第１−１ホイートストンブリッジ回路３１１Ａと同様の構成を有し、電源ポートＶ１２と、グランドポートＧ１２と、２つの出力ポートＥ１２１，Ｅ１２２と、直列に接続された第１の一対の磁気検出素子Ｒ１２１，Ｒ１２２と、直列に接続された第２の一対の磁気検出素子Ｒ１２３，Ｒ１２４とを含む。磁気検出素子Ｒ１２１，Ｒ１２３の各一端は、電源ポートＶ１２に接続される。磁気検出素子Ｒ１２１の他端は、磁気検出素子Ｒ１２２の一端と出力ポートＥ１２１とに接続される。磁気検出素子Ｒ１２３の他端は、磁気検出素子Ｒ１２４の一端と出力ポートＥ１２２とに接続される。磁気検出素子Ｒ１２２，Ｒ１２４の各他端は、グランドポートＧ１２に接続される。電源ポートＶ１２には、所定の大きさの電源電圧が印加され、グランドポートＧ１２はグランドに接続される。
【００２７】
図５に示すように、第２磁気センサ部３１Ｂが有する第２−１ホイートストンブリッジ回路３１１Ｂは、第１−１ホイートストンブリッジ回路３１１Ａと同様の構成を有し、電源ポートＶ２１と、グランドポートＧ２１と、２つの出力ポートＥ２１１，Ｅ２１２と、直列に接続された第１の一対の磁気検出素子Ｒ２１１，Ｒ２１２と、直列に接続された第２の一対の磁気検出素子Ｒ２１３，Ｒ２１４とを含む。磁気検出素子Ｒ２１１，Ｒ２１３の各一端は、電源ポートＶ２１に接続される。磁気検出素子Ｒ２１１の他端は、磁気検出素子Ｒ２１２の一端と出力ポートＥ２１１とに接続される。磁気検出素子Ｒ２１３の他端は、磁気検出素子Ｒ２１４の一端と出力ポートＥ２１２とに接続される。磁気検出素子Ｒ２１２，Ｒ２１４の各他端は、グランドポートＧ２１に接続される。電源ポートＶ２１には、所定の大きさの電源電圧が印加され、グランドポートＧ２１はグランドに接続される。
【００２８】
図６に示すように、第２磁気センサ部３１Ｂが有する第２−２ホイートストンブリッジ回路３１２Ｂは、第２−１ホイートストンブリッジ回路３１１Ｂと同様の構成を有し、電源ポートＶ２２と、グランドポートＧ２２と、２つの出力ポートＥ２２１，Ｅ２２２と、直列に接続された第１の一対の磁気検出素子Ｒ２２１，Ｒ２２２と、直列に接続された第２の一対の磁気検出素子Ｒ２２３，Ｒ２２４とを含む。磁気検出素子Ｒ２２１，Ｒ２２３の各一端は、電源ポートＶ２２に接続される。磁気検出素子Ｒ２２１の他端は、磁気検出素子Ｒ２２２の一端と出力ポートＥ２２１とに接続される。磁気検出素子Ｒ２２３の他端は、磁気検出素子Ｒ２２４の一端と出力ポートＥ２２２とに接続される。磁気検出素子Ｒ２２２，Ｒ２２４の各他端は、グランドポートＧ２２に接続される。電源ポートＶ２２には、所定の大きさの電源電圧が印加され、グランドポートＧ２２はグランドに接続される。
【００２９】
本実施形態において、第１−１ホイートストンブリッジ回路３１１Ａ、第１−２ホイートストンブリッジ回路３１２Ａ、第２−１ホイートストンブリッジ回路３１１Ｂ及び第２−２ホイートストンブリッジ回路３１２Ｂに含まれるすべての磁気検出素子Ｒ１１１〜Ｒ１２４，Ｒ２１１〜Ｒ２２４として、ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子、ＡＭＲ素子等のＭＲ素子や、ホール素子等の磁気検出素子を用いることができ、特にＴＭＲ素子を用いるのが好ましい。ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子は、磁化方向が固定された磁化固定層と、印加される磁界の方向に応じて磁化方向が変化する自由層と、磁化固定層及び自由層の間に配置される非磁性層とを有する。
【００３０】
具体的には、図７に示すように、ＭＲ素子は、複数の下部電極４１と、複数のＭＲ膜５０と、複数の上部電極４２とを有する。複数の下部電極４１は、基板（図示せず）上に設けられている。各下部電極４１は細長い形状を有する。下部電極４１の長手方向に隣接する２つの下部電極４１の間には、間隙が形成されている。下部電極４１の上面における、長手方向の両端近傍にそれぞれＭＲ膜５０が設けられている。図８に示すように、ＭＲ膜５０は、平面視略円形状であり、下部電極４１側から順に積層された自由層５１、非磁性層５２、磁化固定層５３及び反強磁性層５４を含む。自由層５１は、下部電極４１に電気的に接続されている。反強磁性層５４は、反強磁性材料により構成され、磁化固定層５３との間で交換結合を生じさせることで、磁化固定層５３の磁化の方向を固定する役割を果たす。複数の上部電極４２は、複数のＭＲ膜５０上に設けられている。各上部電極４２は細長い形状を有し、下部電極４１の長手方向に隣接する２つの下部電極４１上に配置され、隣接する２つのＭＲ膜５０の反強磁性層５４同士を電気的に接続する。なお、ＭＲ膜５０は、上部電極４２側から順に自由層５１、非磁性層５２、磁化固定層５３及び反強磁性層５４が積層されてなる構成を有していてもよい。また、磁化固定層５３を、強磁性層／非磁性中間層／強磁性層の積層フェリ構造とし、両強磁性層を反強磁性的に結合させてなる、いわゆるセルフピン止め型の固定層（Synthetic Ferri Pinned層，ＳＦＰ層）とすることで、反強磁性層５４が省略されていてもよい。
【００３１】
ＴＭＲ素子においては、非磁性層５２はトンネルバリア層である。ＧＭＲ素子においては、非磁性層５２は非磁性導電層である。ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子において、自由層５１の磁化の方向が磁化固定層５３の磁化の方向に対してなす角度に応じて抵抗値が変化し、この角度が０°（互いの磁化方向が平行）のときに抵抗値が最小となり、１８０°（互いの磁化方向が反平行）のときに抵抗値が最大となる。
【００３２】
図３〜６において、磁気検出素子Ｒ１１１〜Ｒ１２４，Ｒ２１１〜Ｒ２２４がＴＭＲ素子又はＧＭＲ素子である場合、その磁化固定層５３の磁化方向を塗りつぶした矢印で表す。第１磁気センサ部３１Ａの第１−１ホイートストンブリッジ回路３１１Ａにおいて、磁気検出素子Ｒ１１１〜Ｒ１１４の磁化固定層５３の磁化方向は第１の方向Ｄ１に平行であって、磁気検出素子Ｒ１１１，Ｒ１１４の磁化固定層５３の磁化方向と、磁気検出素子Ｒ１１２，Ｒ１１３の磁化固定層５３の磁化方向とは、互いに反平行方向である。また、第１−２ホイートストンブリッジ回路３１２Ａにおいて、磁気検出素子Ｒ１２１〜Ｒ１２４の磁化固定層５３の磁化の方向は第１の方向Ｄ１に直交する第２の方向Ｄ２に平行であって、磁気検出素子Ｒ１２１，Ｒ１２４の磁化固定層５３の磁化方向と、磁気検出素子Ｒ１２２，Ｒ１２３の磁化固定層５３の磁化方向とは、互いに反平行である。
【００３３】
第２磁気センサ部３１Ｂの第２−１ホイートストンブリッジ回路３１１Ｂにおいて、磁気検出素子Ｒ２１１〜Ｒ２１４の磁化固定層５３の磁化方向は第１の方向Ｄ１に平行であって、磁気検出素子Ｒ２１１，Ｒ２１４の磁化固定層５３の磁化方向と、磁気検出素子Ｒ２１２，Ｒ２１３の磁化固定層５３の磁化方向とは、互いに反平行方向である。また、第２−２ホイートストンブリッジ回路３１２Ｂにおいて、磁気検出素子Ｒ２２１〜Ｒ２２４の磁化固定層５３の磁化の方向は第１の方向Ｄ１に直交する第２の方向Ｄ２に平行であって、磁気検出素子Ｒ２２１，Ｒ２２４の磁化固定層５３の磁化方向と、磁気検出素子Ｒ２２２，Ｒ２２３の磁化固定層５３の磁化方向とは、互いに反平行である。
【００３４】
第１磁気センサ部３１Ａ及び第２磁気センサ部３１Ｂにおいて、軸部４の回転移動に伴う磁界の方向の変化に応じて、出力ポートＥ１１１，Ｅ１１２，Ｅ１２１，Ｅ１２２及び出力ポートＥ２１１，Ｅ２１２，Ｅ２２１，Ｅ２２２の電位差が変化し、磁界強度を表す信号としての第１−１センサ信号Ｓ1-1、第１−２センサ信号Ｓ1-2、第２−１センサ信号Ｓ2-1及び第２−２センサ信号Ｓ2-2が出力される。
【００３５】
差分検出器３３１Ａは、出力ポートＥ１１１，Ｅ１１２の電位差に対応する信号を第１−１センサ信号Ｓ1-1として第１演算部３２Ａ及び第２演算部３２Ｂに出力する。差分検出器３３２Ａは、出力ポートＥ１２１，Ｅ１２２の電位差に対応する信号を第１−２センサ信号Ｓ1-2として第１演算部３２Ａ及び第２演算部３２Ｂに出力する。差分検出器３３１Ｂは、出力ポートＥ２１１，Ｅ２１２の電位差に対応する信号を第２−１センサ信号Ｓ2-1として第１演算部３２Ａ及び第２演算部３２Ｂに出力する。差分検出器３３２Ｂは、出力ポートＥ２２１，Ｅ２２２の電位差に対応する信号を第２−２センサ信号Ｓ2-2として第１演算部３２Ａ及び第２演算部３２Ｂに出力する。
【００３６】
図３及び図４に示すように、第１−１ホイートストンブリッジ回路３１１Ａにおける磁気検出素子Ｒ１１１〜Ｒ１１４の磁化固定層５３の磁化方向と、第１−２ホイートストンブリッジ回路３１２Ａにおける磁気検出素子Ｒ１２１〜Ｒ１２４の磁化固定層５３の磁化方向とは、互いに直交する。この場合、第１−１センサ信号Ｓ1-1の波形は、第１多極磁石２Ａの回転角度θに依存したコサイン（Ｃｏｓｉｎｅ）波形になり、第１−２センサ信号Ｓ1-2の波形は、第１多極磁石２Ａの回転角度θに依存したサイン（Ｓｉｎｅ）波形になる。すなわち、第１−１センサ信号Ｓ1-1は、第１ｃｏｓ信号ということができ、第１−２センサ信号Ｓ1-2は、第１ｓｉｎ信号ということができる。
【００３７】
図５及び図６に示すように、第２−１ホイートストンブリッジ回路３１１Ｂにおける磁気検出素子Ｒ２１１〜Ｒ２１４の磁化固定層５３の磁化方向と、第２−２ホイートストンブリッジ回路３１２Ｂにおける磁気検出素子Ｒ２２１〜Ｒ２２４の磁化固定層５３の磁化方向とは、互いに直交する。この場合、第２−１センサ信号Ｓ2-1の波形は、第２多極磁石２Ｂの回転角度θに依存したコサイン（Ｃｏｓｉｎｅ）波形になり、第２−２センサ信号Ｓ2-2の波形は、第２多極磁石２Ｂの回転角度θに依存したサイン（Ｓｉｎｅ）波形になる。すなわち、第２−１センサ信号Ｓ2-1は、第２ｃｏｓ信号ということができ、第２−２センサ信号Ｓ2-2は、第２ｓｉｎ信号ということができる。なお、第１多極磁石２Ａと第２多極磁石２Ｂとの極数が異なることで、第１ｃｏｓ信号と第２ｃｏｓ信号とは互いに周波数が異なり、第１ｓｉｎ信号と第２ｓｉｎ信号ともまた互いに周波数が異なる。
【００３８】
第１たすきがけ演算部３２１Ａは、第１磁気センサ部３１Ａから出力された第１ｃｏｓ信号（Ｃｏｓθ1）及び第１ｓｉｎ信号（Ｓｉｎθ1）と、第２磁気センサ部３１Ｂから出力された第２ｃｏｓ信号（Ｃｏｓθ2）及び第２ｓｉｎ信号（Ｓｉｎθ2）とに基づいて第１たすきがけ演算処理を行う。具体的には、第１たすきがけ演算部３２１Ａは、第１ｓｉｎ信号（Ｓｉｎθ1）及び第２ｃｏｓ信号（Ｃｏｓθ2）を含む第１−１信号セットを用いた加算処理（Ｓｉｎθ1＋Ｃｏｓθ2）と、第１ｃｏｓ信号（Ｃｏｓθ1）及び第２ｓｉｎ信号（Ｓｉｎθ2）を含む第１−２信号セットを用いた減算処理（Ｃｏｓθ1−Ｓｉｎθ2）とを行う。これにより、図９に示すような振動波形が得られる。
【００３９】
第２たすきがけ演算部３２１Ｂは、第１磁気センサ部３１Ａから出力された第１ｃｏｓ信号（Ｃｏｓθ1）及び第１ｓｉｎ信号（Ｓｉｎθ1）と、第２磁気センサ部３１Ｂから出力された第２ｃｏｓ信号（Ｃｏｓθ2）及び第２ｓｉｎ信号（Ｓｉｎθ2）とに基づいて第２たすきがけ演算処理を行う。具体的には、第１たすきがけ演算部３２１Ａは、第１ｓｉｎ信号（Ｓｉｎθ1）及び第２ｓｉｎ信号（Ｓｉｎθ2）を含む第１−１信号セットを用いた加算処理（Ｓｉｎθ1＋Ｓｉｎθ2）と、第１ｃｏｓ信号（Ｃｏｓθ1）及び第２ｃｏｓ信号（Ｃｏｓθ2）を含む第１−２信号セットを用いた加算処理（Ｃｏｓθ1＋Ｃｏｓθ2）とを行う。これにより、図１０に示すような振動波形が得られる。
【００４０】
第１リサジュー曲線生成部３２２Ａは、第１たすきがけ演算部３２１Ａによる第１たすきがけ演算処理により得られた振動波形（図９参照）を有する第１信号ＳA1に基づいて第１リサジュー曲線（図１１参照）を生成する。第２リサジュー曲線生成部３２２Ｂは、第２たすきがけ演算部３２１Ｂによる第２たすきがけ演算処理により得られた振動波形（図１０参照）を有する第２信号ＳA2に基づいて第２リサジュー曲線（図１２参照）を生成する。このように、第１リサジュー曲線生成部３２２Ａ及び第２リサジュー曲線生成部３２２Ｂにより、単周期の正弦波として表される第１リサジュー曲線（図１１参照）と、単周期の余弦波として表される第２リサジュー曲線（図１２参照）とを生成することができる。第１リサジュー曲線と第２リサジュー曲線とは、互いに周期のずれた曲線であればよく、その周期のずれの程度に制限はないが、実質的にπ／２周期ずれていればよい。
【００４１】
演算処理部３Ｃは、第１リサジュー曲線生成部３２２Ａ及び第２リサジュー曲線生成部３２２Ｂにより生成された第１リサジュー曲線（図１１参照）にて表される信号Ｓ１及び第２リサジュー曲線（図１２参照）にて表される信号Ｓ２に基づいて演算処理を行い、軸部４の回転角度θを算出する。演算処理部３Ｃにより算出された軸部４の回転角度θは、演算処理部３Ｃに含まれる記憶部（図示せず）に記憶される。演算処理部３Ｃは、例えば、マイクロコンピュータ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等により構成される。なお、演算処理部３Ｃと、第１演算部３２Ａと、第２演算部３２Ｂとが、一つのマイクロコンピュータ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等により構成されていてもよい。軸部４の回転角度θは、例えば下記式で示すアークタンジェント計算によって算出され得る。
θ＝ａｔａｎ（Ｓ１／Ｓ２）
【００４２】
なお、３６０°の範囲内で、上記式における回転角度θの解には、１８０°異なる２つの値がある。しかし、信号Ｓ１，Ｓ２の正負の組み合わせにより、回転角度θの真の値が、上記式における２つの解のいずれかであるかを判別することができる。すなわち、信号Ｓ１が正の値のときは、回転角度θは０°よりも大きく１８０°よりも小さい。信号Ｓ１が負の値のときは、回転角度θは１８０°よりも大きく３６０°よりも小さい。信号Ｓ２が正の値のときは、回転角度θは０°以上９０°未満及び２７０°より大きく３６０°以下の範囲内である。信号Ｓ２が負の値のときは、回転角度θは９０°よりも大きく２７０°よりも小さい。演算処理部３Ｃは、上記式と、信号Ｓ１，Ｓ２の正負の組み合わせの判定とにより、３６０°の範囲内で回転角度θを算出する。
【００４３】
上記構成を有する回転角度検出装置１において、軸部４の回転に伴い第１多極磁石２Ａ及び第２多極磁石２Ｂが回転すると、第１多極磁石２Ａ及び第２多極磁石２Ｂの磁界が変化する。その磁界の変化に応じて第１磁気センサ部３１Ａ及び第２磁気センサ部３１Ｂの磁気検出素子Ｒ１１１〜Ｒ１２４，Ｒ２１１〜Ｒ２２４の抵抗値が変化し、それぞれの出力ポートＥ１１１，Ｅ１１２，Ｅ１２１，Ｅ１２２，Ｅ２１１，Ｅ２１２，Ｅ２２１，Ｅ２２２の電位差に応じて第１ｃｏｓ信号（Ｃｏｓθ1）及び第１ｓｉｎ信号（Ｓｉｎθ1）と、第２ｃｏｓ信号（Ｃｏｓθ2）及び第２ｓｉｎ信号（Ｓｉｎθ2）とが出力される。そして、第１たすきがけ演算部３２１Ａ及び第２たすきがけ演算部３２１Ｂにより、それぞれ、第１たすきがけ演算処理及び第２たすきがけ演算処理が行われ、第１リサジュー曲線生成部３２２Ａ及び第２リサジュー曲線生成部３２２Ｂにより、それぞれ、単周期の正弦波及び余弦波にて表される第１リサジュー曲線及び第２リサジュー曲線が生成される。その後、演算処理部３Ｃにより、軸部４の回転角度θが算出される。
【００４４】
このように、本実施形態に係る回転角度検出装置１によれば、演算処理部３Ｃによる１回の逆正接（ａｔａｎ）演算処理により回転角度θを算出することができるため、演算処理回路の回路規模を大きくする必要がなく、回転角度検出装置１における消費電力を小さくすることができる。また、多くのクロック数がかかる逆正接（ａｔａｎ）演算処理を１回行えばよいため、回転角度θを短時間で算出することができる。
【００４５】
次に、本実施形態に係る回転角度検出装置を用いた電動パワーステアリング装置の構成について説明する。図１３は、本実施形態に係る回転角度検出装置を用いた電動パワーステアリング装置の概略構成図である。
【００４６】
電動パワーステアリング（Electric Power-Assisted Steering）装置において、ハンドル５０１に機械的に連結されているステアリング・シャフト５０３は、ギアなどで構成されている連結部５０４を介して軸部４と連動した動きをする。軸部４はモータ１００の回転軸ＲＡであり、一方の端部に第１多極磁石２Ａ及び第２多極磁石２Ｂと、磁気検出装置３（第１磁気検出装置３Ａ、第２磁気検出装置３Ｂ及び演算処理部３Ｃ）とを備える回転角度検出装置１が設けられている。回転角度検出装置１は、軸部４の回転角度θを算出して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、回転角度検出装置１からの回転角度θに関する信号とから、適切なモータ駆動量を算出し、モータ駆動部４１２に信号を送信する。これにより、モータ１００は、軸部４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。
【００４７】
電動パワーステアリング装置のシステムとしての角度原点（システム原点）にシステムを設定し、その状態での軸部４の回転角度θｒ０を読み出す。具体的には、ハンドル５０１を適切な位置に設定した状態で、回転角度検出装置１により磁界角度θｍを求め、システム原点に対応する磁界角度θｍ０を、電動パワーステアリング装置のＥＣＵ４１１に記憶させる。
【００４８】
回転角度検出装置１の設置時に組み付け誤差があった場合でも、システム原点に対応する磁界角度θｍ０がＥＣＵ４１１に記憶されていることで、当該誤差の補償が可能となる。
【００４９】
電動パワーステアリング装置等のシステムにおいて必要な情報は、システムとしての角度θｓｙｓ、すなわちハンドル５０１の回転角度である。本実施形態によれば、回転角度検出装置１からの出力信号より得られる磁界角度θｍから、システムとしての角度θｓｙｓを精確に得ることができる。
【００５０】
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【符号の説明】
【００５１】
１…回転角度検出装置
２Ａ…第１多極磁石
２Ｂ…第２多極磁石
３…磁気検出装置
３Ａ…第１磁気検出装置
３Ｂ…第２磁気検出装置
３Ｃ…演算処理部
３１Ａ…第１磁気センサ部
３１Ｂ…第２磁気センサ部
３２Ａ…第１演算部
３２Ｂ…第２演算部
３２１Ａ…第１たすきがけ演算部
３２１Ｂ…第２たすきがけ演算部
３２２Ａ…第１リサジュー曲線生成部
３２２Ｂ…第２リサジュー曲線生成部
【図１】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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