特許 7099775 磁気抵抗センサ・クロスポイント・アレイに基づくデジタル液位センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-07-04

(45)【発行日】2022-07-12

(54)【発明の名称】磁気抵抗センサ・クロスポイント・アレイに基づくデジタル液位センサ

(51)【国際特許分類】

   G01F 23/62 20060101AFI20220705BHJP

【ＦＩ】

G01F23/62 P

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2021552572

(86)(22)【出願日】2020-02-26

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-05-11

(86)【国際出願番号】 CN2020076803

(87)【国際公開番号】W WO2020177595

(87)【国際公開日】2020-09-10

【審査請求日】2021-10-26

(31)【優先権主張番号】201910160547.0

(32)【優先日】2019-03-04

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(73)【特許権者】

【識別番号】514116947

【氏名又は名称】江▲蘇▼多▲維▼科技有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＭＵＬＴＩＤＩＭＥＮＳＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＣＯ．， ＬＴＤ．

【住所又は居所原語表記】Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｄ ＆ Ｅ， Ｎｏ．２ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｒｏａｄ，Ｚｈａｎｇｊｉａｇａｎｇ Ｆｒｅｅ Ｔｒａｄｅ Ｚｏｎｅ，Ｚｈａｎｇｊｉａｇａｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ，２１５６３４ Ｃｈｉｎａ

(74)【代理人】

【識別番号】110000729

【氏名又は名称】特許業務法人 ユニアス国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ディーク、ジェイムズ ゲーザ

(72)【発明者】

【氏名】ヴィスヴァナタン、エラムパリティ

【審査官】森 雅之

(56)【参考文献】

【文献】特許第６２１５９６１（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】中国特許出願公開第１０９７０８７２７（ＣＮ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０８１９５４４２（ＣＮ，Ａ）

【文献】米国特許第４５８９２８２（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｆ２３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁気抵抗センサ・クロスポイント・アレイに基づくデジタル液位センサであって、
ＰＣＢボードと、
該ＰＣＢボード上に設けられた複数のＴＭＲ磁気センサ・チップと、
ＭおよびＮを１以上の整数として該ＰＣＢボード上に設けられたＭ個の行リードおよびＮ個の列リードと、
該ＰＣＢボード上に設けられたマイクロコントローラと、行デコーダおよび列デコーダと、
永久磁石と、
該ＰＣＢボードを取り囲む保護管と、を備え、
該マイクロコントローラは、該行デコーダおよび該列デコーダに電気的に接続され、
該列デコーダは、該列リードを介して該ＴＭＲ磁気センサ・チップに接続され、
該行デコーダは、該行リードを介して該ＴＭＲ磁気センサ・チップに接続され、
各該ＴＭＲ磁気センサ・チップは、複数のＭＴＪ素子を備え、該ＭＴＪ素子はＭ行およびＮ列のＭＴＪ素子アレイの中に電気的に接続され、
ダイオードは、ＭＴＪ素子の各行と行リードまたは列リードとの間で接続され、
該ＴＭＲ磁気センサ・チップは、該行デコーダおよび該列デコーダによりデコードされたデータによって、ならびにＡｄｄｒｅｓｓ＝ｍ＋［Ｍｘ（ｎ－１）］という式に基づいてアドレス指定され、ただし、Ａｄｄｒｅｓｓはアドレス値を表し、ｍは１≦ｍ≦Ｍの範囲で現在行の値を表し、ｎは１≦ｎ≦Ｎの範囲で現在列の値を表し、
該マイクロコントローラは、最も高い作動状態のＭＴＪ素子のアドレスについて該ＴＭＲ磁気センサ・チップのアドレスを走査し、該アドレス値をそれと線形比例関係で液位値に変換し、該液位値を出力インターフェースへ伝達するために用いられ、
該永久磁石は、該ＰＣＢボードの長軸方向に沿って移動するとともに、該永久磁石の近くでＭＴＪ素子の磁場状態を変化させる磁性の浮きに取り付けられ、該磁性の浮きは、該液位センサが沈められている液体の表面に対して浮く、
デジタル液位センサ。

【請求項2】

前記ＴＭＲ磁気センサ・チップごとのＭＴＪ素子の各行の一端は、列リードに接続された１つまたは複数の列リード・パッドに電気的に接続され、
ＭＴＪ素子の各行の他端は、行リード・パッドに電気的に接続される、
請求項１に記載のデジタル液位センサ。

【請求項3】

ＭＴＪ素子の各行は、ＭＴＪ素子、または直列に接続された少なくとも２つのＭＴＪ素子を含むＭＴＪ素子ストリングを含む、
請求項２に記載のデジタル液位センサ。

【請求項4】

前記ＰＣＢボードは、フレキシブルＰＣＢボードである、
請求項１に記載のデジタル液位センサ。

【請求項5】

前記ＴＭＲセンサ・チップは、リード・ボンディングまたはチップ・フリップによって前記ＰＣＢボードに接続され、線形または双極性の応答を有する、
請求項１に記載のデジタル液位センサ。

【請求項6】

前記ダイオードは、前記ＴＭＲ磁気センサ・チップに一体化され、ＭＴＪ素子の各行と該行に設けられた前記行リード・パッドとの間で直列に接続される、
請求項３に記載のデジタル液位センサ。

【請求項7】

前記ダイオードは、前記ＴＭＲ磁気センサ・チップに一体化され、ＭＴＪ素子の各行とそれに電気的に接続された前記列リード・パッドとの間で直列に接続される、
請求項３に記載のデジタル液位センサ。

【請求項8】

行選択ＭＯＳＦＥＴ、列選択ＭＯＳＦＥＴ、および比較回路をさらに備え、
該行選択ＭＯＳＦＥＴのドレインは、行リードに電気的に接続され、
該行選択ＭＯＳＦＥＴのゲートは、前記行デコーダの出力端に接続され、
該行選択ＭＯＳＦＥＴのソースは、第１の抵抗器Ｒ１の一端および該比較回路の第１の入力端に直列に接続され、
該行選択ＭＯＳＦＥＴと第１の抵抗器Ｒ１との間の電気ノードは、出力電圧Ｖ_ｏｕｔとして出力され、
第１の抵抗器Ｒ１の他端は、電源電圧ＶＣＣに接続され、
前記列デコーダは、該列選択ＭＯＳＦＥＴのゲートに電気的に接続され、
２つの第２の抵抗器Ｒ２は、該電源電圧ＶＣＣとグラウンドとの間で直列に接続され、
該２つの第２の抵抗器Ｒ２の中間点は、基準電圧Ｖ_ｒｅｆを出力し、該比較回路の第２の入力端に接続され、
該比較回路の出力端は、前記マイクロコントローラに電気的に接続され、
該比較回路は、出力電圧Ｖ_ｏｕｔが基準電圧Ｖ_ｒｅｆよりも小さいときに高レベル信号値を出力し、出力電圧Ｖ_ｏｕｔが基準電圧Ｖ_ｒｅｆ以上であるときに低レベル信号値を出力し、
前記出力レベル信号値は、アドレス指定されている前記ＴＭＲセンサ・チップ内の前記ＭＴＪ素子の作動値を表す、
請求項２に記載のデジタル液位センサ。

【請求項9】

ＭＴＪ素子が作動されておらず、前記磁性の浮きが最も低いポジションで前記センサを通過するときに、液位をゼロ充填レベル状態に設定するゼロ液位設定装置をさらに備える、
請求項１に記載のデジタル液位センサ。

【請求項10】

永久磁石により発生される磁場が、２つのＭＴＪ素子間の間隔よりも大きいが３つのＭＴＪ素子間の間隔よりも小さい距離で前記ＭＴＪ素子を作動させ、充填レベル値は、２つＭＴＪ素子間に永久磁石を挿入することによって計算される、
請求項１に記載のデジタル液位センサ。

【請求項11】

前記ＴＭＲセンサ・チップは、２つのポートを有する磁気抵抗センサ・チップを選択する、
請求項１に記載のデジタル液位センサ。

【請求項12】

前記ＴＭＲセンサ・チップは、ＣＳＰでパッケージされる、
請求項１に記載のデジタル液位センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、デジタル液位測定システムに関し、より詳細には、磁気抵抗センサ・クロスポイント・アレイに基づくデジタル液位センサに関する。

【背景技術】

【0002】

液位センサが磁場センサを使用することは、先行技術においてよく知られている。ごくありふれたセンサ（例えば、リード・スイッチ）は液体に沈められた管内にリニア・アレイで配置され、永久磁石は浮きに取り付けられ、それによって液面の高さが変化するとき、浮きは管の外側に沿って移動し、次いで、どのスイッチが永久磁石によって閉じられるか決定するために用いられる電子デバイスを使用して液位を決定する。

【0003】

特許のＷＯ２０１５／０３４６５６に関する特許出願では、典型的な例の「Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｌｅｖｅｌ／Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ」が示されており、リード・スイッチのアレイが直列抵抗器アレイに取り付けられ、永久磁石によってリード・スイッチが作動させられると、リード・スイッチが抵抗器アレイの一部をグラウンドに接続して、測定されている液位に線形に比例するようにアレイの抵抗を変化させるようになっている。したがって、抵抗器アレイは、液位を簡単に測定する方法を提供する。この古典的な設計は、リード・スイッチが大きいサイズであることにより低分解能であり、リード・スイッチのガラス・パッケージおよび機械的特性により損傷しやすく、組み立てるのに費用がかかる。さらに、読み出しがインピーダンスであるので、それは雑音と温度に敏感であり、サーモメータは較正が必要とされる。

【0004】

インピーダンス設計の欠点を克服するために、他の液位センサは、開閉を含むリード・スイッチのデジタル状態を検出するように設計される。この設計は、多数のリード・スイッチの問題に対処するのが難しい。一般的な解決策の１つは、各リード・スイッチがリード・アレイにおける行リードと列リードの交差点に位置するクロスポイント・アレイ構造を使用することである。リード・スイッチが開状態において無限の抵抗値を有し、閉状態においてとても小さい抵抗値を有するので、全ての可能な行リードおよび列リードを走査することによってアレイ内でどのスイッチが閉じられているのか検出することが可能である。典型的な例は、「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｌｉｑｕｉｄ Ｌｅｖｅｌ Ｕｓｉｎｇ Ｌｉｑｕｉｄ Ｌｅｖｅｌ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ Ｈａｖｉｎｇ Ｒｅｅｄ Ｓｗｉｔｃｈ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｌｏａｔ」と名称付けられたカナダ特許ＣＡ２，１７９，４５７である。この設計の欠点は、リード・スイッチが脆く、組み立てに費用がかかり、その分解能がその比較的大きいサイズにより制限されることである。さらに、クロスポイント・アレイにおけるリーク電流がエラーを引き起こすので、それは開状態において無限抵抗を有さないセンサに使用できないようになっており、抵抗の変動を伴う２ポート・センサは特に厄介である。リード・スイッチ以外の典型的な３ポート磁気スイッチは、抵抗値の変動よりも電圧出力を与える。

【0005】

リード・スイッチは脆く、製造費用が高価になるので、液位センサ内の磁性の浮きの位置を検出するために磁気抵抗センサまたはホール・センサを使用することが通常望ましい。磁気抵抗スイッチ・センサは、測定を完成するためにリード・スイッチの代替として通常使用される。スイッチ・センサの出力は、線形抵抗器アレイ液位センサの複合に加えられる通常デジタルの電圧であるが、デジタル・アーキテクチャにとても役立つ。磁気抵抗スイッチを用いるデジタル液位センサ設計は、「Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｑｕｉｄ Ｌｅｖｅｌ Ｓｅｎｓｏｒ」と名称付けられた特許出願ＷＯ２０１４／１１４２５９に開示されている。この設計では、レベル・センサのデジタル出力は、エンコーダの数値が最も高い作動させられた磁気抵抗スイッチの位置を表すようにエンコーダに接続される。これは、単純なロバストな設計であるが、全てのデジタル・スイッチが同時に電力供給される必要があるので、高い消費電力によって影響を受ける。この課題を解決するために、クロスポイント・アレイに配置された小型の受動２ポートＭＴＪ素子を、液位センサを開発するために利用することができる。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0006】

先行技術における上記課題を克服するために、本発明は、センサ素子の平均消費電力を減少させ、各センサによる出力を受ける処理用デジタル回路の要求をさらに簡素にするために磁気抵抗センサ・クロスポイント・アレイに基づくデジタル液位センサを提案する。ＭＴＪ素子と共に直列のダイオードを加えることによって、クロスポイント・アレイ・アーキテクチャに複数の小型の受動ＭＴＪ素子ストリングを配置することを可能にする。加えて、受動センサ素子を使用するため、小さいベア・センサのダイスが使用され、チップ・オン・ボード（ＣＯＢ：ｃｈｉｐ ｏｎ ｂｏａｒｄ）技術、または他の小さいチップ・スケール・パッケージ（ＣＳＰ：ｃｈｉｐ ｓｃａｌｅ ｐａｃｋａｇｅ）を用いて液位センサ内に配置することができる。加えて、複数のセンサ素子を単一のチップ上へ配置することにより、センサの測定分解能を向上させることができる。

【0007】

本発明の実施形態は、磁気抵抗センサ・クロスポイント・アレイに基づくデジタル液位センサであって、ＰＣＢボード、該ＰＣＢボード上に設けられた複数のＴＭＲ磁気センサ・チップ、ＭおよびＮを１以上の整数として該ＰＣＢボード上に設けられたＭ個の行リードおよびＮ個の列リードと、
該ＰＣＢボード上に設けられたマイクロコントローラ、行デコーダ、および列デコーダであって、該マイクロコントローラは該行デコーダおよび該列デコーダに電気的に接続され、該列デコーダは該列リードを介して該ＴＭＲ磁気センサ・チップに接続され、該行デコーダは該行リードを介して該ＴＭＲ磁気センサ・チップに接続され、各該ＴＭＲ磁気センサ・チップは複数のＭＴＪ素子を備え、該ＭＴＪ素子はＭ行およびＮ列のＭＴＪ素子アレイの中に電気的に接続され、ダイオードはＭＴＪ素子の各行と行リードまたは列リードとの間で接続され、該ＴＭＲ磁気センサ・チップは該行デコーダおよび該列デコーダによりデコードされたデータによって、ならびにＡｄｄｒｅｓｓ＝ｍ＋［Ｍｘ（ｎ－１）］という式に基づいてアドレス指定され、ただし、Ａｄｄｒｅｓｓはアドレス値を表し、ｍは１≦ｍ≦Ｍの範囲で現在行の値を表し、ｎは１≦ｎ≦Ｎの範囲で現在列の値を表し、
該マイクロコントローラは、最も高い作動状態のＭＴＪ素子のアドレスについて該ＴＭＲ磁気センサ・チップのアドレスを走査し、該アドレス値をそれと線形比例関係で液位値に変換し、該液位値を出力インターフェースへ伝達するために用いられる、該ＰＣＢボード上に設けられたマイクロコントローラ、行デコーダ、および列デコーダと、
永久磁石であって、該ＰＣＢボードの長軸方向に沿って移動するとともに、該永久磁石の近くでＭＴＪ素子の磁場状態を変化させる磁性の浮きに取り付けられ、該磁性の浮きは、該液位センサが沈められている液体の表面に対して浮く、永久磁石と、
該ＰＣＢボードを取り囲む保護管と、を含むデジタル液位センサを提供する。

【0008】

さらに、ＴＭＲ磁気センサ・チップごとのＭＴＪ素子の各行の一端は、列リードに接続された１つまたは複数の列リード・パッドに電気的に接続され、ＭＴＪ素子の各行の他端は、行リード・パッドに電気的に接続される。

【0009】

さらに、ＭＴＪ素子の各行は、ＭＴＪ素子、または直列に接続された少なくとも２つのＭＴＪ素子を含むＭＴＪ素子ストリングを含む。

【0010】

さらに、ＰＣＢボードは、フレキシブルＰＣＢボードである。

【0011】

さらに、ＴＭＲセンサ・チップは、リード・ボンディングまたはチップ・フリップによってＰＣＢボードに接続され、線形または双極性の応答を有する。

【0012】

さらに、ダイオードは、ＴＭＲ磁気センサ・チップに一体化され、ＭＴＪ素子の各行と該行に設けられた行リード・パッドとの間で直列に接続される。

【0013】

さらに、ダイオードは、ＴＭＲ磁気センサ・チップに一体化され、ＭＴＪ素子の各行とそれに電気的に接続された列リード・パッドとの間で直列に接続される。

【0014】

さらに、デジタル液位センサは、行選択ＭＯＳＦＥＴ、列選択ＭＯＳＦＥＴ、および比較回路をさらに含み、該行選択ＭＯＳＦＥＴのドレインは行リードに電気的に接続され、該行選択ＭＯＳＦＥＴのゲートは行デコーダの出力端に接続され、該行選択ＭＯＳＦＥＴのソースは第１の抵抗器Ｒ１の一端および該比較回路の第１の入力端に直列に接続され、該行選択ＭＯＳＦＥＴと第１の抵抗器Ｒ１との間の電気ノードは出力電圧Ｖ_ｏｕｔとして出力され、第１の抵抗器Ｒ１の他端は電源電圧ＶＣＣに接続され、列デコーダは該列選択ＭＯＳＦＥＴのゲートに電気的に接続され、２つの第２の抵抗器Ｒ２は該電源電圧ＶＣＣとグラウンドとの間で直列に接続され、該２つの第２の抵抗器Ｒ２の中間点は基準電圧Ｖ_ｒｅｆを出力し、該比較回路の第２の入力端に接続され、該比較回路の出力端はマイクロコントローラに電気的に接続され、該比較回路は、出力電圧Ｖ_ｏｕｔが基準電圧Ｖ_ｒｅｆよりも小さいときに高レベル信号値を出力し、出力電圧Ｖ_ｏｕｔが基準電圧Ｖ_ｒｅｆ以上であるときに低レベル信号値を出力し、出力レベル信号値はアドレス指定されているＴＭＲセンサ・チップ内のＭＴＪ素子の作動値を表す。

【0015】

さらに、デジタル液位センサは、ＭＴＪ素子が作動されておらず、磁性の浮きが最も低いポジションでセンサを通過するときに、液位をゼロ充填レベル状態に設定するゼロ液位設定装置をさらに含む。

【0016】

さらに、永久磁石により発生される磁場が、２つのＭＴＪ素子間の間隔よりも大きいが３つのＭＴＪ素子間の間隔よりも小さい距離で前記ＭＴＪ素子を作動させ、充填レベル値は、２つＭＴＪ素子間に永久磁石を挿入することによって計算される。

【0017】

さらに、ＴＭＲセンサ・チップは、２つのポートを有する磁気抵抗センサ・チップを選択する。

【0018】

さらに、ＴＭＲセンサ・チップは、ＣＳＰでパッケージされる。

【0019】

本発明の実施形態による磁気抵抗センサ・クロスポイント・アレイに基づくデジタル液位センサは、少数の構成要素を利用するとともに、毎回たった１つのセンサ・チップ素子に電力を供給することによってセンサ素子の消費電力を大きく最小化する。本発明のデジタル液位センサは、信頼でき、迅速で、費用対効果が高いやり方で液位のデジタル測定を成立させる。

【0020】

本発明の実施形態または先行技術の技術的解決策をよりはっきりと示すために、以下に、実施形態または先行技術の説明に使用される必要がある添付図面を簡潔に紹介する。以下の本明細書における添付図面は、本発明のほんのいくつかの実施形態である、当業者は、何ら発明の努力をすることなく、これらの添付図面に従って他の添付図面を得ることもできることが明らかである。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の一実施形態による磁気抵抗センサ・クロスポイント・アレイに基づくデジタル液位センサの部分断面概略図である。

【図2】本発明の一実施形態による磁気抵抗センサ・クロスポイント・アレイに基づくデジタル液位センサの構造図である。

【図3】いくつかのＭＴＪ素子を配置するためのＴＭＲ磁気センサ・チップのオンボード・チップ・レイアウトの概略図である。

【図4】本発明の一実施形態による行パッドおよび列パッドを備えたＴＭＲ磁気センサ・チップの接続構造の概略図である。

【図5】本発明の一実施形態による行パッドおよび列パッドを備えたＴＭＲ磁気センサ・チップの別の接続構造の概略図である。

【図6】本発明の一実施形態による行パッドおよび列パッドを備えたＴＭＲ磁気センサ・チップの別の接続構造の概略図である。

【図7】本発明の一実施形態によるＰＣＢボード・レイアウトの概略図である。

【図8】本発明の一実施形態による別のＰＣＢボード・レイアウトの概略図である。

【図9】本発明の一実施形態によるクロスポイント・アーキテクチャ磁気抵抗センサの行リードおよび列リードの構成および配置のためのスイッチング回路の概略図である。

【図10】本発明の一実施形態によるＰＣＢボードの長軸に沿ったクロスポイント・アーキテクチャ磁気抵抗センサの線形化の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

本発明の目的、技術的解決策、および利点を明確にさせるために、以下、本発明の実施形態の添付図面と併せて本発明の実施形態における技術的解決策をより明確かつより完全に説明する。説明される実施形態は、本発明の実施形態の全てではなく、その一部であることが明らかである。説明を容易にするために、図面には、構造の全部ではなく、本発明に関連したほんの一部が示されていることにも留意されよう。

【0023】

図１は、本発明の一実施形態による磁気抵抗センサ・クロスポイント・アレイに基づくデジタル液位センサの部分断面概略図である。図２は、本発明の一実施形態による磁気抵抗センサ・クロスポイント・アレイに基づくデジタル液位センサの構造図である。図１および図２を参照すると、磁気抵抗センサ・クロスポイント・アレイに基づくデジタル液位センサは、ＰＣＢボード８、ＰＣＢボード８上に設けられた複数のＴＭＲ磁気センサ・チップ１、ならびにＭおよびＮを１以上の整数としてＰＣＢボード８上に設けられたＭ個の行リード（図示せず）およびＮ個の列リード（図示せず）と、
ＰＣＢボード８上に設けられたマイクロコントローラ５と、を備え、このマイクロコントローラ５は、最も高い作動状態のＭＴＪ素子のアドレスについてのＴＭＲ磁気センサ・チップ１のアドレスを走査し、アドレス値をそれと線形比例関係で液位値に変換し、液位値を出力インターフェース４へ伝達するために使用され、
最も高い作動状態の上記ＭＴＪ素子は、作動させられたＭＴＪ素子の中で液位高さに最も近いＭＴＪ素子であり得る。行デコーダ４１および列デコーダ４２は、デジタル論理回路３に含むことができる。デジタル・センサの出力インターフェース４は、ＩＣチップまたはインターフェース・ボードの形態のＩ／Ｏインターフェースであり得る。

【0024】

図１を参照すると、代替として、ＰＣＢボード８はストリップであってもよく、このストリップは、液位センサをストリップの中に作製するのに都合がよいものであり、液位センサによる液位の検出を容易にし、したがってユーザ体験を高める。

【0025】

図１を参照すると、液位センサは、スイッチング回路７をさらに備える。ＴＭＲ磁気センサ・チップ１は、ストリップＣＢボード８上に設けられており、マイクロコントローラ５は、ＴＭＲ磁気センサ・チップ１のアドレス（具体的には、最も高い作動状態のＭＴＪ素子のアドレスについてのＴＭＲ磁気センサ・チップ１ごとに含まれる複数のＭＴＪ素子のアドレス）を走査し、出力インターフェース４（例えば、上述したＩ／Ｏインターフェース）と同時に、作動状態を含めて、ＴＭＲ磁気センサ・チップごとに各ＭＴＪ素子の状態を記録し、この作動状態において、上述したように、最も高い作動状態のＭＴＪ素子が、作動させられたＭＴＪ素子の中で液位高さに最も近いＭＴＪ素子であり得る。

【0026】

ＰＣＢボード８は、フレキシブルＰＣＢボードである。ストリップＣＢボード８は、保護管３１に配置される。一方、永久磁石１０は磁性の浮き１１に取り付けられ、磁性の浮き１１は液位センサが沈められている液体の表面に対して浮き、永久磁石１０および磁性の浮き１１も保護管３１の外側に配置される。永久磁石１０は、ＰＣＢボード８の長軸方向に沿って移動し、永久磁石の近くのＴＭＲ磁気センサ・チップの磁場状態を変化させ、永久磁石も、液体の表面に対して浮いて上下する。

【0027】

ストリップＣＢボードの長軸方向に沿ったＴＭＲ磁気抵抗センサ・チップ１内のＭＴＪ素子の間隔距離、ならびにＴＭＲ磁気抵抗センサ・チップ１のサイズ、および浮いている永久磁石１０のサイズは、液位測定の精度を決定する。マイクロコントローラ５、およびＩ／Ｏインターフェースを有する他のデジタル論理回路は、ストリップＣＢボードの上部に設けられる。行デコーダおよび列デコーダなどのこれらのデジタル論理回路は、ＭＴＪ素子の行リードおよび列リードを選択するように図１に示されたコンプレックス・プログラムマブル・ロジック・デバイス（ＣＰＬＤ：Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）ＩＣ６に対してプログラムすることができる。マイクロコントローラ５は、行デコーダおよび列デコーダによって選択されるリードへアドレス入力を与えるとともに、行デコーダの出力を与え、列デコーダは、特定のＭＴＪ素子を駆動して特定のＭＴＪ素子を作動させるために使用される。作動させられたＴＭＲ磁気センサ・チップの状態は、マイクロコントローラ５によって記録され、作動させられたＭＴＪ素子は、マイクロコントローラ５によって記録される。

【0028】

図３は、いくつかのＭＴＪ素子を配置するためのＴＭＲ磁気センサ・チップのオンボード・チップ・レイアウトの概略図であり、図３に示されるように、オンボード・チップ・パッドは、１６個のＴＭＲ磁気抵抗センサ・チップに対応することができ、１６個のＴＭＲ磁気抵抗センサ・チップは、１６＊１６のＭＴＪ素子を含む設計に使用され得る。パッケージング・パッドは、全部で１６個のＭＴＪ素子の一端をユニバーサルで接続するために列リード・パッド１２を有し、１６個のＭＴＪ素子の各々の他端を接続するために別個の行リード・パッド１３を有する。各行リードは、いくつかの溶接パッド１４を含むこともでき、これらの溶接パッド１４は、ＭＴＪ素子ストリングの単一行を形成するようにリード・ボンディングによって行ごとにＭＴＪ素子ストリングを直列に接続するために使用される。

【0029】

図４は、本発明の一実施形態による行パッドおよび列パッドを備えたＴＭＲ磁気センサ・チップの接続構造の概略図であり、対応するダイオード９の構造は、オンチップ・ダイオードの形態にあり、各ＴＭＲ磁気センサ・チップ上のＭＴＪ素子の各行１６の一端は１つまたは複数の列リード・パッド１２に電気的に接続され、１つまたは複数の列リード・パッド１２は列リードに接続され、ＴＪ素子の各行の他端は行リード・パッド１３に電気的に接続される。

【0030】

本発明のＰＣＢボードは、チップ・オン・ボード（ＣＯＢ）、またはチップ・スケール・パッケージ（ＣＳＰ）技術を使用する。本発明は、ＣＯＢ技術を一例としてとっており、ＴＭＲセンサ・チップによって使用されるＣＯＢパッドは、列リード・パッドと、この列リード・パッドに接続された複数の行リード・パッドとを有する。ＣＯＢパッドの個数は、列要素の個数に対応する。ＭＴＪ素子は、ＴＭＲ磁気センサ・チップ１上に設けられ、パッドは、複数のＭＴＪ素子に対応する。ＴＭＲ磁気センサ・チップに使用されるパッドは、列リード・パッドとＭ行のリード・パッドとを有する。複数のＴＭＲ磁気センサ・チップは、ＰＣＢボードの長軸方向に沿って直接的に配置され、そこに含まれる複数のＭＴＪ素子は、クロスポイント構造で接続される。ＴＭＲ磁気センサ・チップの個数は、ＭＴＪ素子の列数に対応する。

【0031】

図４を参照すると、図４は、１つのＭＴＪ素子を含むＭＴＪ素子の各行を示す。ダイオード９は、ＴＭＲ磁気センサ・チップに一体化され、ＭＴＪ素子の各行と列に設けられた行リード・パッド１３との間で直列に接続される。行リード・パッド１３は、ダイオード９に接続され、ダイオード９は、電流が選択されていないＭＴＪ素子に流れ込むのを防ぐための障壁として働く。

【0032】

図５は、本発明の一実施形態による行パッドおよび列パッドを備えたＴＭＲ磁気センサ・チップの別の接続構造の概略図であり、対応するダイオード９の構造は、オフチップ・ダイオードの形態である。

【0033】

図６は、本発明の一実施形態による行パッドおよび列パッドを備えたＴＭＲ磁気センサ・チップの別の接続構造の概略図である。図６を参照すると、代替として、ダイオード９は、ＴＭＲ磁気センサ・チップに一体化され、ＭＴＪ素子の各行とそれらと電気的に接続された列リード・パッド１２との間に直列に接続される。

【0034】

代替として、ＭＴＪ素子の各行は、ＭＴＪ素子、または直列に接続された少なくとも２つのＭＴＪ素子を含むＭＴＪ素子ストリングを含む。

【0035】

代替として、ＴＭＲセンサ・チップは、リード・ボンディングまたはチップ・フリップによってＰＣＢボードに接続され、線形または双極性の応答を有する。

【0036】

図７は、本発明の一実施形態によるＰＣＢボード・レイアウトの概略図であり、図８は本発明の一実施形態による別のＰＣＢボード・レイアウトの概略図であり、図７および図８に示されるように、図７および図８は、ストリップＣＢボード、およびマイクロコントローラ・ユニット、および他のデジタル論理回路３の完全な概要を示す。アドレス指定は、最も低いＴＭＲセンサ・チップのＭＴＪ素子から最も上のＴＭＲセンサ・チップのＭＴＪ素子へ始まる。言い換えれば、最も低いセンサの開始アドレスはゼロであり、最も上のセンサは、最も高いアドレス・ビットを有する。ストリップＣＢボードは、リニア・センサ素子以外のＴＭＲスイッチ・センサ素子を使用することもできる。浮いている永久磁石１０の磁性の向きは、ＰＣＢボード上で用いられるＴＭＲセンサ内のＭＴＪ素子のスイッチング特性を決定する。図７に示されるように、永久磁石１０の移動方向がデジタル・センサの検出軸に平行である（例えば、図７の永久磁石１０の移動方向はＹ軸方向であり、デジタル・センサの検出軸もＹ軸であり、２つは平行である）場合、単極性のスイッチ・センサが、用いられてもよい。永久磁石１０磁化方向がデジタル・センサの検出軸とは異なる場合（図８の場合に対応するとき、永久磁石１０の磁化方向はＸ軸であり、デジタル・センサの検出軸はＹ軸であり、２つは異なる）、極性スイッチ・センサが用いられてもよい。好ましくは、ＴＭＲセンサ・チップ内のＭＴＪ素子の位置は、Ｘ軸に沿ってＰＣＢボードの中間位置であり、ならびに行リード・パッド、列リード・パッド、およびダイオードのリード・ボンディングは、Ｘ軸に沿ってＰＣＢボードの両側を占める。

【0037】

図２を続けると、本発明の技術的解決策は、行デコーダのためのパッドおよびＴＭＲ磁気センサ・チップの列デコーダ、ならびにＴＭＲ磁気センサ・チップの状態を走査および読み出すためのマイクロコントローラ・ユニットなどの異なる要素ブロックを含む。図２は、１０バイトの２^１０として表され得る１０２４個のＭＴＪ素子を含むデジタル・センサを示す。行リードおよび列リードは、分離され、同じ個数の２^５ビットのラインを共有する。したがって、この場合には、行リードおよび列リードは３２＊３２であり、これは、１０２４個の可能性ある組合せをもたらし得る。各ＭＴＪ素子は、行デコーダおよび列デコーダを用いてアドレス指定される。ＴＭＲ磁気センサ・チップの状態および値の変化は、行リード上で読み出すことができ、比較器は、この値をその基準値とさらに比較し、マイクロコントローラによって後で読み出されるデジタル出力を与える。

【0038】

図９は、本発明の一実施形態によるクロスポイント・アーキテクチャ磁気抵抗センサの行リードおよび列リードの構成および配置のためのスイッチング回路の概略図である。スイッチング回路は、磁気抵抗センサ・クロスポイント・アレイに基づくデジタル液位センサの一部である。図９は、デジタル液位センサとしてクロスポイント・アーキテクチャで構成された３Ｘ３のＭＴＪ素子１６を備えたＰＣＢボード・レイアウトを示す。図９を参照すると、代替として、磁気抵抗センサ・クロスポイント・アレイに基づくデジタル液位センサは、行選択ＭＯＳＦＥＴ４４、列選択ＭＯＳＦＥＴ７、および比較回路２４も示し、行選択ＭＯＳＦＥＴ４４のドレインは、行リードに電気的に接続され、行選択ＭＯＳＦＥＴ７のゲートは、行デコーダ（図示せず）の出力端に接続され、行選択ＭＯＳＦＥＴ４４のソースは、第１の抵抗器Ｒ１の一端および比較回路２４の第１の入力端に直列に接続され、行選択ＭＯＳＦＥＴ４４と第１の抵抗器Ｒ１との間の電気ノードは出力電圧Ｖｏｕｔとして出力され、第１の抵抗器Ｒ１の他端は電源電圧ＶＣＣに接続され、列デコーダ（図示せず）は列選択ＭＯＳＦＥＴ７のゲートに電気的に接続され、２つの第２の抵抗器Ｒ２は電源電圧ＶＣＣとグラウンドの間に直列に接続され、２つの第２の抵抗器Ｒ２の中間点は、基準電圧Ｖｒｅｆを出力し、比較回路２４の第２の入力端に接続され、比較回路の出力端Ｇｏｕｔはマイクロコントローラ（図示せず）に電気的に接続され、比較回路２４は出力電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｒｅｆよりも小さいときに高レベル信号値を出力し、出力電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｒｅｆ以上であるときに低レベル信号値を出力し、出力レベル信号値はアドレス指定されているＴＭＲセンサ・チップ内のＭＴＪ素子の作動値を表す。

【0039】

図１０は、本発明の一実施形態によるＰＣＢボードの長軸に沿ったクロスポイント・アーキテクチャ磁気抵抗センサの線形化の概略図である。図１０に示されるように、図１０は、クロスポイント・アーキテクチャ磁気抵抗センサがストリップＣＢボードの長軸方向に沿ってどのように線状にされるのかを説明し、センサ配線の配置、およびそのそれぞれのスイッチング回路を示す。例えば、３Ｘ３ＭＴＪ素子が、図１０に示されており、３つのＭＴＪ素子ごとに要素ブロックに属する列を形成する。図１０は、３つの要素ブロック４５１、４５２、４５３を含む場合を示し、各要素ブロックは列リードに対応し、各要素ブロックに対応する行は同じ行リードに接続される。要素ブロックごとの各ＭＴＪ素子１６の一端は共に接続され、ＭＴＪ素子１６の他端は対応する行リードに接続され、これは、一例としての図において、それぞれｍ、（ｍ＋１）、および（ｍ＋２）である行リードで、およびそれぞれｎ、（ｎ＋１）、および（ｎ＋２）である列リードで示され、ただし、ｍ≧１、およびｎ≧１である。最終的に列リードはグラウンドに接続され、行リードはＶＣＣに接続される。外部磁場によって行リードを介して引き起こされるセンサ抵抗の変化を検出するために、行リードは基準抵抗器Ｒ１を介して電源ＶＣＣに接続される。ＶＣＣをリードに接続するとともに、行リードをグラウンドに接続することによって、および列リード上でセンサ抵抗の変化を検出するために、基準抵抗器Ｒ１を介してＶＣＣに接続される別の組合せも可能である。３ｘ３のシナリオの計算された連続したアドレス値は、以下の表１に示される通りである。

【0040】

【表1】

【0041】

表１の連続したアドレス値は、現在の行の総数と行の総数の合計に先の列数を乗じるものとの合計を用いて計算され、以下のように表される。

【0042】

ＴＭＲ磁気センサ・チップは、行デコーダおよび列デコーダによってデコードされたデータによって、ならびにアドレス＝ｍ＋［Ｍｘ（ｎ－１）］という式に基づいてアドレス指定され、アドレスはアドレス値を表し、ｍは１≦ｍ≦Ｍの範囲で現在行の値を表し、ｎは１≦ｎ≦Ｎの範囲で現在列の値を表す。マイクロコントローラは、最も高い作動状態のＴＭＲ磁気センサ・チップ１のアドレスについてＴＭＲ磁気センサ・チップ１のアドレスを走査し、アドレスをレベル値に変換し、次いでこのレベル値を出力インターフェースへ伝達する。

【0043】

次に、アドレス値に対応する液体充填レベルの割合を、アドレス値の積を行の総数および列の総数の積で除算したものを用いて計算することができ、これは、

【数1】

のように表すことができる。
ただし、Ｆｉｌｌ ｖａｌｕｅは、充填レベルの値を表し、Ａｄｒｅｓｓ ｖａｌｕｅはアドレス値を表し、Ｔｏｔａｌ Ｃｏｌｕｍｎｓは列の総数を表し、Ｔｏｔａｌ Ｒｏｗｓは行の総数を表す。

【0044】

充填レベルの値は、連続したアドレス値に線形に比例する。センサ素子が作動状態になく、磁性の浮きが磁気センサを通過するとき、液位センサは、ゼロ充填レベルのデフォルト状態に入る。

【0045】

実際の設計では、Ｎ個の列リードおよびＭ個の行リードを選択することによって作動させられるセンサ素子は、も低いポジションを占めるはずであり、（ｎ＋２）および（ｍ＋２）を選択することによって作動させられるセンサ素子は、ＰＣＢボードの最も上のポジションに位置するはずである。上記は、ＭＴＪ素子の３ｘ３アレイが与えられる場合であり、本発明において必要に応じて、様々なアレイが与えられてもよい。

【0046】

本発明の一実施形態による磁気抵抗センサ・クロスポイント・アレイに基づくデジタル液位センサは、ＭＴＪ素子が作動されておらず、磁性の浮きが最も低いポジションでセンサを通過するときに液位をゼロ充填レベル状態に設定するゼロ液位設定装置も含む。

【0047】

代替として、ＴＭＲセンサ・チップは、２つのポートを有する磁気抵抗センサ・チップを選択する。

【0048】

代替として、永久磁石により発生される磁場が、２つのＭＴＪ素子間の間隔よりも大きいが３つのＭＴＪ素子間の間隔よりも小さい距離でＭＴＪ素子を作動させ、充填レベル値は、２つのＭＴＪ素子間に永久磁石を挿入することによって計算される。作動させられたセンサと充填レベルの間の関係は、具体的には、表２に見ることができる。この場合、２つの隣接したＭＴＪ素子が作動させられるとき、マイクロコントローラは、高さが２つのＭＴＪ素子間の等距離の点の高さに等しい高さを有する磁石を挿入することができる。たった１つのＭＴＪ素子が作動させられるとき、液位は単一の作動させられたＭＴＪ素子のポジションにあると推測される。以下、表２は、３Ｘ３ＭＴＪ素子に基づいて作動させられた行センサ素子および列センサ素子の個数、および補間法のアドレス値と充填割合値の間の変換関係を示す。

【0049】

【表2】

【0050】

表２の示された上記場合については、第１の素子が浮磁石によって作動させられるとき、充填値は、永久磁石が第１のセンサに隣接することが起こるゼロから始まり、逆も同じであり、最も高いＭＴＪ素子の場合に１００％の液体充填に到達する。アドレス値は、浮磁石が最も低いセンサ素子または最も上のセンサ素子よりも低い場合については無効とみなされる。

【0051】

表２のアドレス値は、
Ａｄｒｅｓｓ ｖａｌｕｅ＝２＊［ＲＳＡ＋（Ｔｏｔａｌ Ｒｏｗｓ）＊（ＣＳＡ－１）
として表すことができる。
ただし、ＲＳＡは、以下の式に従って計算することができる。

【数2】

【0052】

一方、ＣＳＡは、以下の式に従って計算することができる。

【数3】

ただし、Ｓｕｍ（ｍ）の項は実行している行センサの総数として定義され、Ｓｕｍ（ｎ）の項は実行している列センサの総数として定義され、ＡＣＴＣｏｌｓは作動させられた列センサの総数として定義され、ＡＣＴＲｏｗｓは作動させられた行センサの総数として定義され、Ｃｅｉｌ［ ］は１による単数の丸めを表す。

【0053】

上記アドレス値を充填レベル割合に変換するために、以下の式に従って計算する。

【数4】

ただし、Ｆｉｌｌ ｖａｌｕｅは充填レベルの値を表し、Ａｄｒｅｓｓ ｖａｌｕｅはアドレス値を表し、Ｔｏｔａｌ Ｃｏｌｕｍｎｓは列の総数を表し、Ｔｏｔａｌ Ｒｏｗｓは行の総数を表す。

【0054】

代替として、ＴＭＲセンサ・チップは、ＣＳＰでパッケージされる。

【0055】

発明の努力をすることなく本発明の実施形態に基づいて当業者により得られる全ての他の実施形態は、本発明の保護範囲内に入るものとする。本発明は好ましい実施形態で概略的に説明されているが、当業者は、様々な変更および修正が、それらが本発明の特許請求の範囲を超えない限り、本発明になされてもよいことを理解されよう。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図 】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】