(57)【要約】  デジタル液体レベルセンサ（１００、２００）は、非磁性管（１）と、非磁性管（１）の外側に設けられて、非磁性管（１）に沿って軸方向に動くことが可能なフロート（２）と、フロート（２）に固定された永久磁石（６）と、を含む。非磁性管（１）は、さらに、スイッチ部（３）およびエンコード部（４）を含む。スイッチ部（３）は、永久磁石（６）によって発生する磁界の影響を受けてオンになったりオフになったりする少なくとも１つのトンネル磁気抵抗スイッチ（ｓ０〜ｓ７）を含み、エンコード部（４）は、トンネル磁気抵抗スイッチ（ｓ０〜ｓ７）からのオン／オフ信号を受信して且つフロート（２）の位置を表すデジタル信号を出力する、少なくとも１つのエンコーダ（１５）を、含む。本デジタル液体レベルセンサは、小型であり、低コストであり、低消費電力であり、信頼性が高く、高感度であり、高分解能であり、サービス寿命が長く、環境干渉に対する耐性が良好である。さらに、流体レベルをデジタル信号として直接出力することが可能である。【選択図】  図１
2016508598.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体のレベルを測定し、前記流体レベルを表すデジタル信号を出力するデジタル液体レベルセンサであって、
データバスと、
電源端子と、
接地端子と、
液体内で定位置に堅く固定され、液体に浸される非磁性管と、
前記液体に浮かぶフロートであって、前記液体レベルの高さが変化するにつれて前記非磁性管の側面に沿って前記非磁性管の軸方向に上下に動くように、前記非磁性管のそばに配置される、フロートと、
前記フロートに固定された永久磁石と、
少なくとも１つのトンネル磁気抵抗スイッチであって、前記スイッチが、前記永久磁石によって発生する磁界が前記スイッチを開状態または閉状態に動作できるように、選択され、そして、前記永久磁石が、前記永久磁石と同じレベルにある１つ以上の前記トンネル磁気抵抗スイッチを動作するために、十分な大きさおよび方向の磁界を発生させる、トンネル磁気抵抗スイッチと、
少なくとも１つのエンコーダであって、前記フロートの各位置に対して固有のコードを発生させる、エンコーダと、
前記非磁性管内に封入された１つ以上のプリント回路基板であって、前記プリント回路基板上に、前記トンネル磁気抵抗スイッチ、前記エンコーダ、前記データバス、前記電源端子、および前記接地端子が取り付けられており、そして、前記プリント回路基板が互いに相互接続されている、前記プリント回路基板と、
を備える、デジタル液体レベルセンサ。
【請求項２】
前記非磁性管は、１０〜１２０００ｍｍの軸長を有し、１２〜４０ｍｍの外径を有する、請求項１に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【請求項３】
前記フロートは、１０〜２００ｍｍの幅を有し、１０〜２００ｍｍの高さを有する、請求項１に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【請求項４】
前記永久磁石の磁化方向は、前記非磁性管の軸方向に平行であり、前記トンネル磁気抵抗スイッチは、オムニポーラまたはユニポーラのトンネル磁気抵抗スイッチであり、前記トンネル磁気抵抗スイッチの感度方向は、前記非磁性管の軸方向に平行である、請求項１に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【請求項５】
前記永久磁石の磁化方向は、前記非磁性管の軸方向に垂直であり、前記トンネル磁気抵抗スイッチは、オムニポーラ、バイポーラ、またはユニポーラのトンネル磁気抵抗スイッチであり、前記トンネル磁気抵抗スイッチの感度方向は、前記非磁性管の軸方向に垂直である、請求項１に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【請求項６】
前記フロートは、前記非磁性管の周囲に同軸上に配置され、前記フロートの内径は、前記非磁性管の外径より大きい、請求項１に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【請求項７】
前記トンネル磁気抵抗スイッチは、前記プリント回路基板上に等間隔で配置されている、請求項１に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【請求項８】
前記エンコーダは、プライオリティエンコーダである、請求項１に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【請求項９】
前記エンコーダは、２Ｎ個の入力端子とＮ個の出力端子とを有し、Ｎは、整数である、請求項８に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【請求項１０】
前記フロートの位置は、一連の数０、１、…、２Ｎ−１を用いて表され、Ｎは、整数であり、前記一連の数は、前記液体の表面の高さに線形比例する、請求項８に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【請求項１１】
前記エンコーダは、前記プリント回路基板上の部品数を最小限にするために、ＡＳＩＣ、または、例えばＦＰＧＡやＣＰＬＤなどのプログラマブルロジックデバイスとして、実装される、請求項１に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【請求項１２】
前記トンネル磁気抵抗スイッチの数は、２Ｎであり、前記データバスは、少なくともＮビット幅であり、Ｎは、整数である、請求項１に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【請求項１３】
前記トンネル磁気抵抗スイッチのそれぞれの出力端子は、前記エンコーダの入力端子に接続されている、請求項１に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【請求項１４】
前記エンコーダは、前記データバスの対応する端子に電気的に接続された出力インタフェースを有する、請求項１に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【請求項１５】
前記プリント回路基板は、フレキシブルプリント回路基板である、請求項１に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【請求項１６】
前記エンコーダおよび前記トンネル磁気抵抗スイッチは、フレキシブルプリント回路基板によって相互接続された小さな硬いプリント回路基板に配置されている、請求項１に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【請求項１７】
非磁性管と、
前記非磁性管の側面に沿って動くことが可能なフロートと、
前記フロートに固定された永久磁石と、
前記永久磁石によって発生する磁界によって閉開できるトンネル磁気抵抗スイッチを有する磁気スイッチング部を、収容する前記非磁性管と、
前記トンネル磁気抵抗スイッチのそれぞれからのオン／オフ信号をそれぞれ受信し且つ前記フロートの位置を表すデジタル信号を出力する少なくとも１つのエンコーダを、含むエンコード部と、
を備える、デジタル液体レベルセンサ。
【請求項１８】
前記トンネル磁気抵抗スイッチの数は、２Ｎであり、前記トンネル磁気抵抗スイッチは、前記非磁性管の軸に沿う既知の位置に配置されている、請求項１７に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体のレベルを測定するセンサに関し、特に、高精度トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）スイッチおよびエンコーダを使用して、デジタル出力を有する液体レベルセンサを組み立てる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レベルセンサは、容器内の流体のレベルまたは圧力を連続的に測定するために、石油、化学、電力、環境などの分野で広く使用されており、レベルを制御したり、流体レベルに関連付けられるアラームを設定したりするためのシステムにおいて適用されることも多い。現在、これらの装置では、リードスイッチやホールセンサがよく使用されている。リードスイッチを使用する液体レベルセンサの構造はシンプルかつ安価であり、制御または測定に適用可能であり、動作原理は、流体レベルとともに上下に動くことにより磁界を動かしてリードスイッチの状態を変化させる磁気フロートを伴う。この構造では、磁気フロートがリードスイッチの高さにあるときは、磁界によってリードスイッチが閉じられ、閉回路を形成する。磁気フロートが動いてリードスイッチから離れると、リードの機械ばね動作によってスイッチが開き、回路は開いたままになる。リードスイッチは抵抗回路網に接続されており、レベルセンサ出力において測定される電流がフロートの高さに応じて変化する。したがって、この電流信号によって液体レベルが特定される。しかしながら、多くの場合、スイッチが故障して読み取り誤差が発生する可能性があり、また、スイッチは比較的大きいため、このタイプの液体レベルセンサの分解能は限定される。リードスイッチは、衝撃、摩耗、および振動によって破損する場合があり、これによってガラスエンベロープにひびが入る可能性があり、これによってセンサの設置およびはんだ付けが困難になる。さらに、レベルセンサに誘導負荷または容量負荷が取り付けられている場合、レベルセンサの動作寿命に影響がある。さらに、リードスイッチベースのレベルセンサは、出力がアナログであるため、外部電磁干渉の影響を受けずにいられず、アナログ信号をデジタル信号に正確に変換するためには、何らかのデジタル処理回路が必要になることが多い。
【０００３】
ホールセンサベースの液体レベルセンサも動作原理は同様であるが、異なる点は、リードスイッチではなくホールスイッチが使用されることであり、ホールスイッチは、より小さく、設置およびはんだ付けがより容易であり、内部Ａ／Ｄ変換器によるデジタル出力を有するため、電磁干渉の影響をより受けにくい。残念なことにホールスイッチは消費電流が高いため（ミリアンペアオーダー）、バッテリで給電される液体レベルセンサは頻繁な保守および交換が必要となり、作業コストが増える。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、先行技術における上述の問題を克服することと、新規であり、先進的であり、信頼性が高いデジタル液体レベルセンサを提供することと、を目的とする。本発明では、トンネル磁気抵抗スイッチを利用して、フロートの磁界に応じたハイまたはローの出力を生成し、この出力をエンコーダに送信し、エンコーダはデジタルバスに出力されるコードを生成し、このコードは液体レベルを表す。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の技術目標を達成するために、本発明は、以下の技術方式であるデジタル液体レベルセンサによって実現され、
前記センサは、流体のレベルを測定し、そのレベルを表すデジタル値を出力する。本デジタルレベルセンサは、
データバスと、
電源端子と、
接地端子と、
液体内に固定および配置される非磁性管と、
液体に浮かぶフロートであって、液体のレベルが変化するとき非磁性管の軸方向に上下に動くように、非磁性管のそばに配置される、フロートと、
フロートのボディに固定された永久磁石と、
少なくとも１つのトンネル磁気抵抗スイッチであって、トンネル磁気抵抗スイッチが、永久磁石によって発生する磁界に応じて開いたり閉じたりし、永久磁石が、永久磁石と同じレベルにある１つ以上のトンネル磁気抵抗スイッチを開いたり閉じたりするのに十分な大きさおよび方向の磁界を発生させる、トンネル磁気抵抗スイッチと、
少なくとも１つのエンコーダからなるエンコード部であって、フロートの各位置に対して固有のコードを発生させる、エンコード部と、
非磁性管内に封入された１つ以上のプリント回路基板であって、トンネル磁気抵抗スイッチ、エンコーダ、データバス、電源端子、および接地端子が搭載されている、プリント回路基板と、の構成要素からなる。
【０００６】
好ましくは、前記非磁性管の軸長は、１０〜１２０００ｍｍであり、１２〜４０ｍｍの外径を有する。
【０００７】
好ましくは、前記フロートの幅は、１０〜２００ｍｍであり、前記フロートは、１０〜２００ｍｍの高さを有する。
【０００８】
好ましくは、前記永久磁石の磁化方向は、前記非磁性管の磁化方向に平行であり、前記トンネル磁気抵抗スイッチは、オムニポーラまたはユニポーラであり、スイッチの感度方向は、前記非磁性管の軸に平行である。
【０００９】
好ましくは、前記永久磁石の磁化方向は、前記非磁性管に垂直であり、前記トンネル磁気抵抗スイッチは、オムニポーラ、バイポーラ、またはユニポーラであり、前記トンネル磁気抵抗スイッチの感度方向は、前記非磁性管の軸方向に垂直である。
【００１０】
好ましくは、前記フロートは、前記非磁性管に同軸上に配置され、前記フロートの内径は、前記非磁性管の外径より大きい。
【００１１】
好ましくは、前記トンネル磁気抵抗スイッチは、前記プリント回路基板上に等間隔で配置されている。
【００１２】
好ましくは、前記エンコーダは、プライオリティエンコーダである。
【００１３】
好ましくは、前記エンコーダ部は、２Ｎ個の入力端子とＮ個の出力端子とを有し、Ｎは、整数である。
【００１４】
好ましくは、前記フロートの位置は、数０、１、…、２Ｎ−１によって表され、Ｎは、整数であり、前記数は、前記液体の表面の高さに直線関係となる。
【００１５】
好ましくは、前記エンコーダは、前記プリント回路基板上の部品数を最小限にするために、カスタムＡＳＩＣ、または、例えばＦＰＧＡやＣＰＬＤなどのプログラマブルデバイスを、構成される。
【００１６】
好ましくは、２Ｎのトンネル磁気抵抗スイッチのために、前記データバスは、少なくともＮビット幅を含み、Ｎは、整数である。
【００１７】
好ましくは、前記トンネル磁気抵抗スイッチは、前記エンコーダの対応する入力端子に接続されている。
【００１８】
好ましくは、前記エンコーダの出力は、前記データバスの対応するラインに接続される。
【００１９】
好ましくは、前記プリント回路基板は、フレキシブルプリント回路基板である。
【００２０】
好ましくは、エンコーダおよびトンネル磁気抵抗スイッチは、フレキシブルプリント回路基板によって相互接続された小さな硬いプリント回路基板に配置されている。本特許全体を通して小さな硬いプリント回路基板について言及されているが、サイズは、トンネル磁気抵抗スイッチ、エンコーダ、データバス、電源端子、および接地端子を収容するのに必要な大きさまたは小ささであってよい。
【００２１】
デジタルレベルセンサ、
非磁性管と、
非磁性管の外側に沿って軸方向に動くフロートと、
フロートのボディに固定された永久磁石と、を含み、
前記非磁性管は、さらに、
少なくとも１つの磁気抵抗スイッチであって、永久磁石によって発生する磁界の作用に基づいて閉状態または開状態になるスイッチと、
少なくとも１つのエンコーダからなるエンコード部であって、磁気抵抗スイッチからデジタル入力信号を受信し且つフロート位置を表すデジタルコードを出力するエンコード部と、
を含む。
【００２２】
好ましくは、前記レベルセンサは、２Ｎのトンネル磁気抵抗スイッチを備え、前記トンネル磁気抵抗スイッチは、前記非磁性管の軸に沿う既知の位置に配置されている。
【００２３】
先行技術と比較すると、本発明は、トンネル磁気抵抗スイッチを利用してフロートの位置を検出し、プライオリティエンコーダを使用して、トンネル磁気抵抗スイッチからの信号を受信して、フロートの位置を表すコードを計算する。本発明は、小型、低コスト、低消費電力、高い信頼性、高感度、高分解能、長寿命、電磁ノイズ耐性、デジタル出力信号などの有益な効果を有する。
【００２４】
上記説明は本発明の技術的ソリューションの概要に過ぎず、本明細書の内容に従って本発明がどのように実装されうるかがより明確に理解されるように、本発明のいくつかの好ましい実施形態を、これらの実施形態を示す図面とともに、以下で詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
以下では、本発明をさらに明らかにする添付図面について述べており、これらの図面は、本特許出願の一部を成すものであり、本発明を説明するために用いられるが、本発明を限定することを意図されたものではない。
【００２６】
【図１】図１は、本発明による液体レベルセンサの構造の概略図である。
【図２】図２は、実施例１に記載された、本発明の液体レベルセンサの概略図である。
【図３】図３は、本発明の実施例２のトンネル磁気抵抗スイッチ、エンコーダ部、およびデータバスの間の相互接続を示す概略図である。
【図４】図４は、本発明の実施例３のトンネル磁気抵抗スイッチ、エンコーダ部、およびデータバスの間の相互接続を示す概略図である。
【図５】図５は、トンネル磁気抵抗スイッチのユニポーラスイッチング動作を示す図である。
【図６】図６は、トンネル磁気抵抗スイッチのバイポーラスイッチング動作を示す図である。
【図７】図７は、トンネル磁気抵抗スイッチのオムニポーラスイッチング動作を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
添付図面を踏まえた以下の文は、本発明のいくつかの好ましい実装を説明するものである。
【００２８】
実施例１
【００２９】
図１および図２は、本発明の第１の例示的実施形態による液体レベルセンサ１００、２００の構造を示しており、この図は、トンネル磁気抵抗スイッチ３と、液体レベルセンサのデジタル信号出力の生成に使用されるエンコーダ部４と、を概略的に示している。液体レベルセンサの非磁性管１が容器内にあり、容器の底部に対して固定されており、容器内にはフロート２が液体１１の表面に浮かんでおり、フロート２は、非磁性管１に隣接し、非磁性管１の外側に沿って上下に動く。好ましくは、非磁性管１は丸く、フロート２は、非磁性管１と同じ中心軸を共有する。非磁性管１の内側にプリント回路基板５があり、このプリント回路基板は、フレキシブルプリント回路基板であることが好ましい。プリント回路基板５には、トンネル磁気抵抗スイッチ３、エンコーダ４、データバス９、電力線８、およびグランド線７が搭載されている。トンネル磁気抵抗スイッチ、エンコーダ、および電力配線は、一連の複数の小さな硬いプリント回路基板に設置されてもよく、これらの基板は、フレキシブルプリント回路基板または配線によって相互接続されてよい。トンネル磁気抵抗スイッチング部３は、複数のトンネル磁気抵抗スイッチを含み、各スイッチは非磁性管内で固有の位置を有する。フロート２の内部に永久磁石６が固定されており、永久磁石６は、同じレベルにある１つのトンネル磁気抵抗スイッチ３に対して所望のスイッチング作用を引き起こすのに十分な大きさおよび方向の磁界を発生させることが可能であり、永久磁石６の内部の磁化方向１２は、図１に示されるように、非磁性管の軸１３に平行であるか、図２に示されるように、その軸に垂直である。各トンネル磁気抵抗スイッチ３の出力は、エンコーダ部４の対応する入力に接続されており、エンコーダ部４の出力はデータバス９に接続されており、エンコーダの最後の出力１４は、データバスに接続されるか、複数のエンコーダをカスケード接続することに使用されてよい。レベルセンサが液体１１内に置かれるとき、フロート２が液体１１の表面に浮かび、フロート２は、液体レベルが変化するにつれて非磁性管１の長さ方向に上下に動き、フロート２内に位置する永久磁石６が非磁性管１内のその位置で磁界を発生させる。そして、永久磁石６の磁界の位置にあるトンネル磁気抵抗センサ３が閉じるか開き、その結果としてデジタル状態がローまたはハイに変化し、この出力をエンコーダ部４が受信する。エンコーダ部は、２Ｎ個の入力とＮ個の出力を有し、Ｎは整数である。エンコーダ部４は、各入力がトンネル磁気抵抗スイッチ３の出力に接続されており、出力がデータバスに接続されており、結果として、本装置は、流体のレベルを表すデジタル信号を出力する。トンネル磁気抵抗スイッチが２Ｎ個あれば、データバス幅は少なくともＮビットである。
【００３０】
レベルセンサの使用環境および使用条件に応じて、非磁性管が以下の特性を有することが好ましく、たとえば、外径が１２〜４０ｍｍであり、軸長が１０〜１２０００ｍｍであり、直線的であってよく、Ｌ形に曲がっていてもよく、耐食材料で作られ、耐食材料は金属合金または高耐久性プラスチックであってよい。
【００３１】
フロート２と非磁性管は同軸状に配置されることが好ましく、フロート２の内径は、非磁性管１の外径より大きいことが好ましい。フロート２の幅は１０〜２００ｍｍであることが好ましく、高さは１０〜２００ｍｍであることが好ましい。フロート２に永久磁石６が固定されていて、永久磁石は、非磁性管の軸方向に上下に動く。永久磁石６は、フロート２の内部に固定されてよく、フロート２の外部に固定されてもよい。
【００３２】
Ｓ０、Ｓ１、…、Ｓ７で表される複数のトンネル磁気抵抗スイッチがあり、これらの特性は以下のとおりである。すなわち、サイズが小さく、パッケージされた部分の公称サイズが約２ｍｍ×３ｍｍ×１ｍｍであり、低消費電力であって１０マイクロアンペア未満であり、スイッチング点が約１０ガウスである。したがって、本発明のレベルセンサは、小型であり、ワイドレンジであり、長寿命であり、高感度であることが可能である。さらに、トンネル磁気抵抗スイッチの位置は、非磁性管１内に任意の所望の位置および間隔で設定されてよく、これによりレベルセンサは高分解能を有することが可能になる。
【００３３】
レベルセンサ内のトンネル磁気抵抗スイッチの数は、次のように規定されてよい。
【００３４】
Ｎｓ＝２Ｎ−ｍ      （１）
【００３５】
ただし、ｍは未使用エンコーダ入力の数を表し、ｍは値が０、１、２、…、２Ｎ−２Ｎ−１であってよく、Ｎは整数であり、具体的な値はユーザ要件に基づいて設定されてよい。非磁性管１の軸方向に並ぶ各トンネル磁気抵抗スイッチＳ０、Ｓ１、…、Ｓ７は、非磁性管１に沿う既知の軸方向位置に配置されてよい。好ましくは、トンネル磁気抵抗スイッチのそれぞれは、長さＬの非磁性管１の軸に沿って等間隔刻みで配置されており、この刻み幅は非磁性管１の上端から下端までの距離によって決まり、これらの各位置は、両端のスイッチが位置するＤ１およびＤ２と、Ｎｓ個のトンネル磁気抵抗スイッチの各長さＬ’とで表される。たとえば、センサの長さが１０００ｍｍであり、センサの上端および下端から５０ｍｍの場所で囲まれる範囲によって画定される距離に１００個のセンサが均等に広がっているとすると、トンネル磁気抵抗スイッチ同士の間隔ＤＳは次のように規定される。
【００３６】
ＤＳ＝（Ｌ−Ｄ１−Ｄ２−Ｎｓ×Ｌ’）／Ｎｓ＝（１０００−２×５０−１００×２）／１００＝７ｍｍ      （２）
【００３７】
レベルセンサの分解能は７ｍｍであることがわかる。
【００３８】
当業者であれば理解されるように、トンネル磁気抵抗スイッチが非磁性管１内の既知の軸方向位置に、間隔を置いて配置されている限り、非磁性管１の外側に沿って永久磁石６を保持して、トンネル磁気抵抗スイッチ３のオン／オフ状態を変化させるフロート２の位置は、容易に特定可能であり、これによって、自身が浸されている流体のレベルを測定するデジタルレベルセンサが実現される。
【００３９】
実施例２
【００４０】
図３は、実施例１で使用されているトンネル磁気抵抗スイッチおよびプライオリティエンコーダの相互接続を示す概略図である。本発明によれば、トンネル磁気抵抗スイッチからのエンコーダオフ信号により、フロートに取り付けられている永久磁石の位置ごとの固有のコードが生成される。この実施形態では、エンコーダ１５は、８対３プライオリティエンコーダである。プライオリティエンコーダは複数の同時入力信号が可能であり、出力は、入力信号の優先順位に基づいて設定され、最低優先順位の信号は出力に影響せず、最高優先順位の入力信号だけが出力状態を制御する。このタイプのエンコーダの場合は、永久磁石によって発生する磁界によって励起されたトンネル磁気抵抗スイッチが複数あっても、プライオリティエンコーダは、出力決定時に最高優先度の入力信号以外を無視するため、流体レベルに対応するコードを正確かつ一義的に出力することが可能であり、したがって、複数のスイッチが動作されてもコーディングの誤りが発生しない。たとえば、図３に示されるように、トンネル磁気抵抗スイッチング部３のスイッチの数Ｎｓが８以下の場合は、８対３プライオリティエンコーダ１５だけが必要である。図３は、８個のトンネル磁気抵抗スイッチＳ０〜Ｓ７と単一の８対３プライオリティエンコーダ１５とを含むスイッチング部の接続図を示す。この図では、８個のトンネル磁気抵抗スイッチＳ０〜Ｓ７が８対３プライオリティエンコーダ１５と電気的に相互接続されており、動く磁界によってトンネル磁気抵抗スイッチＳ０〜Ｓ７のうちの１つ以上が励起されると、８対３プライオリティエンコーダ１５は、流体レベルを表すコードをデータバス９に出力する。８（＝２３）個のトンネル磁気抵抗スイッチＳ０〜Ｓ７の場合、データバス９の幅は少なくとも３であり、これは異なる８個のコードを表すのに十分である。これらのデジタルコードの一例を表１に示す。表１は、フロートの位置（したがって、液面高さ）とデジタルコード化された数０、１、…、２Ｎ−１との線形マッピングを示しており、Ｎは整数である。
【００４１】
表１は、フロート位置、デジタルコード、および出力された流体レベルの間の関係を示す。
【表１】
2016508598.tif 000003
【００４２】
表１の第１列はタンクの充填レベルをパーセンテージで示しており、第２列は、０から７までの番号が振られたフロート位置を示しており、０は最低レベル位置を表し、７は最高レベル位置を表す。したがって、番号が大きいほど、高いフロート位置を示している。第３列は、信号線Ｄ２／Ｄ１／Ｄ０上のバイナリコードの８つの可能な組み合わせと、ＮＲ出力値とを列挙している。デジタルを表すこれら３つの列は、フロート位置を表す第２列にマッピングされてよく、さらに、流体レベルを表す第１列にマッピングされてよい。たとえば、８対３プライオリティエンコーダ１５の出力が１１０であれば、これは流体レベルが８７．５％であることを意味する。
【００４３】
実施例３
【００４４】
容器内の液体レベルが非常に深く、かつ、高い分解能が必要とされる場合は、トンネル磁気抵抗スイッチの数を増やす必要がある。たとえば、８は超えるが６４は超えない数のトンネル磁気抵抗スイッチを使用する必要がある場合は、単一の８対３プライオリティエンコーダ１５では要件を満たすことができない。１６対４プライオリティエンコーダ、３２対５プライオリティエンコーダ、または６４対６プライオリティエンコーダであれば使用可能であろう。本発明では、これは、同じ機能を実現する複数の８対３プライオリティエンコーダ１６〜２４を縦続接続することにより達成可能である。この図では、トンネル磁気抵抗スイッチング部３において６４個のトンネル磁気抵抗スイッチが使用されている。トンネル磁気抵抗スイッチＳ０〜Ｓ６３は、８対３プライオリティエンコーダ１６、１７、…、２２、２３のそれぞれの８個の入力にそれぞれ接続されており、この最初の８個の８対３プライオリティエンコーダ１６〜２３は、３つの出力端子がそれぞれ、データバスインタフェース２５の対応する各線に接続され、これらは出力Ｄ０〜Ｄ２を表す。最初の８個の８対３プライオリティエンコーダの８つの出力ＮＲ線は、プライオリティ８対３プライオリティエンコーダ２４の対応する入力に接続されており、８対３プライオリティエンコーダの３つの出力は、Ｄ３〜Ｄ５で表されるデータバス２５内の対応する各線に接続されている。６４（＝２６）個のトンネル磁気抵抗スイッチＳ０〜Ｓ６３の場合、データバス２５は、少なくとも線６本分の幅が必要である。６本のデータ線によって表されるバイナリコードと、対応するフロート位置出力とを、６４個列挙したものを表２に示す。表２では、第１列は、流体充填レベルをパーセンテージで表しており、第２列は、０から６３までの番号が振られたフロートの位置であり、０は最低レベル位置を表し、６３は最高レベル位置を表す。ここで、番号が大きいほど、容器内のフロートの位置が高いことを表している。第３列はデジタル信号出力であり、ＮＲは、タンクが完全に一杯であることを意味する数値出力端子であり、Ｄ０〜Ｄ５はバイナリ信号出力を表す。したがって、６個のバイナリ信号出力はフロート位置を表すことが可能であり、したがって、容器内の液体レベルを特定することが可能である。
【００４５】
表２は、フロート位置、デジタル信号、および流体レベルの間の関係を明示的に規定する。
【００４６】
【表２】
2016508598.tif 000004
【００４７】
当業者であれば理解されるように、トンネル磁気抵抗スイッチング部３は、トンネル磁気抵抗スイッチの個数が６４を超えるケースに拡張することも可能であり、これは、より多くのエンコーダを選択およびカスケード接続し、より多くの出力信号をデータバスに追加することによって行われる。もちろん、エンコーダ部４は、専用ＡＳＩＣであってよく、あるいは、コストを抑えながらエンコーダの幅を拡張するために、ＦＰＧＡやＣＰＬＤなどのプログラマブルロジックデバイスであってもよい。
【００４８】
実施例２および３では、本装置からのバイナリ信号出力を用いて、フロート位置、したがって、液体レベルを特定することが容易に可能である。
【００４９】
実施例４
【００５０】
トンネル磁気抵抗スイッチＳ０、Ｓ１、…、は、それぞれがハーフブリッジ高精度プッシュプルＴＭＲ磁気センサチップおよびＣＭＯＳ集積回路を含み、ＣＭＯＳ集積回路は、ＴＭＲ電圧発生器、比較器、シュミットトリガ、およびＣＭＯＳ出力回路を含み、そのデジタル出力電圧を、磁界の変化に基づいて変化させる。この装置は、内部電圧レギュレータを使用する温度補償を含み、これによって動作電圧の範囲を広くすることが可能になる。
【００５１】
本発明の一実施形態では、トンネル磁気抵抗スイッチング部３は、ユニポーラトンネル磁気抵抗スイッチを利用する。永久磁石の磁化の方向は、ユニポーラ磁気抵抗スイッチング部３の感度方向と平行であり、これらの方向は両方とも、非磁性管の軸に平行または垂直であってよい。ユニポーラ磁気抵抗スイッチの出力信号を、図５に概略的に示す。この図では、永久磁石によって与えられる磁界がＢ−２６およびＢ＋２７で示されており、ユニポーラトンネル磁気抵抗スイッチは、この磁界範囲で開いたり閉じたりすることが可能である。たとえば、磁界ＢがＴＭＲ磁気センサの感度方向に平行に印加されて、磁界が動作閾値点ＢＯＰを超えると、ユニポーラスイッチはオフになり、出力は低下する。磁界ＢがＴＭＲ磁気センサの感度方向に平行に印加されて、磁界が閾値ＢＲＰより低い解放点Ｂを通ると、ユニポーラスイッチはオンになり、出力は上昇する。動作点閾値ＢＯＰおよび解放点閾値ＢＲＰは、磁界の極性が同じであるが、解放点ＢＲＰは０Ｇであってよい。動作点と解放点の差は、スイッチＢＨのヒステリシスとして示される。
【００５２】
実施例５
【００５３】
この実施形態では、トンネル磁気抵抗スイッチング部３は、バイポーラトンネル磁気抵抗スイッチを利用する。非磁性管の外側にある永久磁石の磁化は、バイポーラトンネル磁気抵抗スイッチの感度方向に平行であって、かつ、非磁性管の軸方向に垂直であるように位置合わせされた磁化を有する。バイポーラトンネル磁気抵抗スイッチの出力信号を、図６に概略的に示す。この図では、永久磁石６によって与えられる磁界がＢ−２８およびＢ＋２９で示されており、バイポーラトンネル磁気抵抗スイッチは、この磁界範囲で開いたり閉じたりすることが可能である。磁界ＢがＴＭＲ磁気センサの感度方向に平行に印加されて、磁界が動作閾値点ＢＯＰを超えると、バイポーラスイッチはオフになり、出力は低下する。磁界ＢがＴＭＲ磁気センサの感度方向に平行に印加されて、磁界が閾値ＢＲＰより低い解放点Ｂを通ると、バイポーラスイッチはオンになり、出力は上昇する。動作点閾値ＢＯＰおよび解放点閾値ＢＲＰは、磁界の極性が反対であり、いずれも０Ｇであってはならない。動作点と解放点の差は、スイッチＢＨのヒステリシスとして示される。
【００５４】
実施例６
【００５５】
この実施形態では、トンネル磁気抵抗スイッチング部３は、オムニポーラトンネル磁気抵抗スイッチを利用する。非磁性管の外側にある永久磁石の磁化は、ユニポーラトンネル磁気抵抗スイッチの感度方向に平行であって、かつ、非磁性管の軸方向に平行または垂直であるように位置合わせされた磁化を有する。オムニポーラトンネル磁気抵抗スイッチの出力信号を、図７に概略的に示す。この図では、永久磁石によって与えられる磁界がＢ−３０およびＢ＋３１で示されており、オムニポーラトンネル磁気抵抗スイッチは、この磁界範囲で開いたり閉じたりすることが可能である。磁界ＢがＴＭＲ磁気センサの感度方向に平行に印加されて、磁界が動作閾値点ＢＯＰＳまたはＢＯＰＮを超えると、オムニポーラスイッチはオフになり、出力は低下する。磁界ＢがＴＭＲ磁気センサの感度方向に平行に印加されて、磁界が閾値ＢＲＰＳまたはＢＲＰＮより低い解放点Ｂを通ると、オムニポーラスイッチはオンになり、出力は上昇する。動作点閾値ＢＯＰＳと解放点閾値ＢＲＰＳの差は、スイッチＢＨＳのヒステリシスとして示され、そして、動作点閾値ＢＯＰＮと解放点閾値ＢＲＰＮの差は、スイッチＢＨＮのヒステリシスとして示され、いずれの解放点ＢＲＰＳおよびＢＲＰＮも０Ｇであってはならない。
【００５６】
本発明の上述の好ましい実施形態は、本発明の可能な変形形態を限定するものではなく、当業者であれば、本発明の範囲を逸脱しない様々な修正および変更を行うことが可能であろう。等価な機能または改良された機能との置換によって本発明の趣旨および原理の範囲内で行われる修正はすべて、本発明の範囲内に収まる。
【図１】
2016508598.tif 000005
【図２】
2016508598.tif 000006
【図３】
2016508598.tif 000007
【図４】
2016508598.tif 000008
【図５】
2016508598.tif 000009
【図６】
2016508598.tif 000010
【図７】
2016508598.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成27年9月25日(2015.9.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体のレベルを測定し、前記流体レベルを表すデジタル信号を出力するデジタル液体レベルセンサであって、
データバスと、
電源端子と、
接地端子と、
液体内で定位置に堅く固定され、液体に浸される非磁性管と、
前記液体に浮かぶフロートであって、前記液体レベルの高さが変化するにつれて前記非磁性管の側面に沿って前記非磁性管の軸方向に上下に動くように、前記非磁性管のそばに配置される、フロートと、
前記フロートに固定された永久磁石と、
少なくとも１つのトンネル磁気抵抗スイッチであって、前記スイッチが、前記永久磁石によって発生する磁界が前記スイッチを開状態または閉状態に動作できるように、選択され、そして、前記永久磁石が、前記永久磁石と同じレベルにある１つ以上の前記トンネル磁気抵抗スイッチを動作するために、十分な大きさおよび方向の磁界を発生させる、トンネル磁気抵抗スイッチと、
少なくとも１つのエンコーダであって、前記フロートの各位置に対して固有のコードを発生させる、エンコーダと、
前記非磁性管内に封入された１つ以上のプリント回路基板であって、前記プリント回路基板上に、前記トンネル磁気抵抗スイッチ、前記エンコーダ、前記データバス、前記電源端子、および前記接地端子が取り付けられており、そして、前記プリント回路基板が互いに相互接続されている、前記プリント回路基板と、
を備える、デジタル液体レベルセンサ。
【請求項２】
前記非磁性管は、１０〜１２０００ｍｍの軸長を有し、１２〜４０ｍｍの外径を有する、請求項１に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【請求項３】
前記フロートは、１０〜２００ｍｍの幅を有し、１０〜２００ｍｍの高さを有する、請求項１に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【請求項４】
前記永久磁石の磁化方向は、前記非磁性管の軸方向に平行であり、前記トンネル磁気抵抗スイッチは、オムニポーラまたはユニポーラのトンネル磁気抵抗スイッチであり、前記トンネル磁気抵抗スイッチの感度方向は、前記非磁性管の軸方向に平行である、請求項１に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【請求項５】
前記永久磁石の磁化方向は、前記非磁性管の軸方向に垂直であり、前記トンネル磁気抵抗スイッチは、オムニポーラ、バイポーラ、またはユニポーラのトンネル磁気抵抗スイッチであり、前記トンネル磁気抵抗スイッチの感度方向は、前記非磁性管の軸方向に垂直である、請求項１に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【請求項６】
前記フロートは、前記非磁性管の周囲に同軸上に配置され、前記フロートの内径は、前記非磁性管の外径より大きい、請求項１に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【請求項７】
前記トンネル磁気抵抗スイッチは、前記プリント回路基板上に等間隔で配置されている、請求項１に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【請求項８】
前記エンコーダは、プライオリティエンコーダである、請求項１に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【請求項９】
前記エンコーダは、２Ｎ個の入力端子とＮ個の出力端子とを有し、Ｎは、整数である、請求項８に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【請求項１０】
前記フロートの位置は、一連の数０、１、…、２Ｎ−１を用いて表され、Ｎは、整数であり、前記一連の数は、前記液体の表面の高さに線形比例する、請求項８に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【請求項１１】
前記エンコーダは、前記プリント回路基板上の部品数を最小限にするために、ＡＳＩＣ、または、例えばＦＰＧＡやＣＰＬＤなどのプログラマブルロジックデバイスとして、実装される、請求項１に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【請求項１２】
前記トンネル磁気抵抗スイッチの数は、２Ｎであり、前記データバスは、少なくともＮビット幅であり、Ｎは、整数である、請求項１に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【請求項１３】
前記トンネル磁気抵抗スイッチのそれぞれの出力端子は、前記エンコーダの入力端子に接続されている、請求項１に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【請求項１４】
前記エンコーダは、前記データバスの対応する端子に電気的に接続された出力インタフェースを有する、請求項１に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【請求項１５】
前記プリント回路基板は、フレキシブルプリント回路基板である、請求項１に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【請求項１６】
前記エンコーダおよび前記トンネル磁気抵抗スイッチは、フレキシブルプリント回路基板によって相互接続された小さな硬いプリント回路基板に配置されている、請求項１に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【請求項１７】
非磁性管と、
前記非磁性管の側面に沿って動くことが可能なフロートと、
前記フロートに固定された永久磁石と、
前記永久磁石によって発生する磁界によって閉開できるトンネル磁気抵抗スイッチを有する磁気スイッチング部を、収容する前記非磁性管と、
前記トンネル磁気抵抗スイッチのそれぞれからのオン／オフ信号をそれぞれ受信し且つ前記フロートの位置を表すデジタル信号を出力する少なくとも１つのエンコーダを、含むエンコード部と、
を備える、デジタル液体レベルセンサ。
【請求項１８】
前記トンネル磁気抵抗スイッチの数は、２Ｎであり、前記トンネル磁気抵抗スイッチは、前記非磁性管の軸に沿う既知の位置に配置されている、請求項１７に記載のデジタル液体レベルセンサ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体のレベルを測定するセンサに関し、特に、高精度トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）スイッチおよびエンコーダを使用して、デジタル出力を有する液体レベルセンサを組み立てる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レベルセンサは、容器内の流体のレベルまたは圧力を連続的に測定するために、石油、化学、電力、環境などの分野で広く使用されており、レベルを制御したり、流体レベルに関連付けられるアラームを設定したりするためのシステムにおいて適用されることも多い。現在、これらの装置では、リードスイッチやホールセンサがよく使用されている。リードスイッチを使用する液体レベルセンサの構造はシンプルかつ安価であり、制御または測定に適用可能であり、動作原理は、流体レベルとともに上下に動くことにより磁界を動かしてリードスイッチの状態を変化させる磁気フロートを伴う。この構造では、磁気フロートがリードスイッチの高さにあるときは、磁界によってリードスイッチが閉じられ、閉回路を形成する。磁気フロートが動いてリードスイッチから離れると、リードの機械ばね動作によってスイッチが開き、回路は開いたままになる。リードスイッチは抵抗回路網に接続されており、レベルセンサ出力において測定される電流がフロートの高さに応じて変化する。したがって、この電流信号によって液体レベルが特定される。しかしながら、多くの場合、スイッチが故障して読み取り誤差が発生する可能性があり、また、スイッチは比較的大きいため、このタイプの液体レベルセンサの分解能は限定される。リードスイッチは、衝撃、摩耗、および振動によって破損する場合があり、これによってガラスエンベロープにひびが入る可能性があり、これによってセンサの設置およびはんだ付けが困難になる。さらに、レベルセンサに誘導負荷または容量負荷が取り付けられている場合、レベルセンサの動作寿命に影響がある。さらに、リードスイッチベースのレベルセンサは、出力がアナログであるため、外部電磁干渉の影響を受けずにいられず、アナログ信号をデジタル信号に正確に変換するためには、何らかのデジタル処理回路が必要になることが多い。
【０００３】
ホールセンサベースの液体レベルセンサも動作原理は同様であるが、異なる点は、リードスイッチではなくホールスイッチが使用されることであり、ホールスイッチは、より小さく、設置およびはんだ付けがより容易であり、内部Ａ／Ｄ変換器によるデジタル出力を有するため、電磁干渉の影響をより受けにくい。残念なことにホールスイッチは消費電流が高いため（ミリアンペアオーダー）、バッテリで給電される液体レベルセンサは頻繁な保守および交換が必要となり、作業コストが増える。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、先行技術における上述の問題を克服することと、新規であり、先進的であり、信頼性が高いデジタル液体レベルセンサを提供することと、を目的とする。本発明では、トンネル磁気抵抗スイッチを利用して、フロートの磁界に応じたハイまたはローの出力を生成し、この出力をエンコーダに送信し、エンコーダはデジタルバスに出力されるコードを生成し、このコードは液体レベルを表す。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の技術目標を達成するために、本発明は、以下の技術方式であるデジタル液体レベルセンサによって実現され、
前記センサは、流体のレベルを測定し、そのレベルを表すデジタル値を出力する。本デジタルレベルセンサは、
データバスと、
電源端子と、
接地端子と、
液体内に固定および配置される非磁性管と、
液体に浮かぶフロートであって、液体のレベルが変化するとき非磁性管の軸方向に上下に動くように、非磁性管のそばに配置される、フロートと、
フロートのボディに固定された永久磁石と、
少なくとも１つのトンネル磁気抵抗スイッチであって、トンネル磁気抵抗スイッチが、永久磁石によって発生する磁界に応じて開いたり閉じたりし、永久磁石が、永久磁石と同じレベルにある１つ以上のトンネル磁気抵抗スイッチを開いたり閉じたりするのに十分な大きさおよび方向の磁界を発生させる、トンネル磁気抵抗スイッチと、
少なくとも１つのエンコーダからなるエンコード部であって、フロートの各位置に対して固有のコードを発生させる、エンコード部と、
非磁性管内に封入された１つ以上のプリント回路基板であって、トンネル磁気抵抗スイッチ、エンコーダ、データバス、電源端子、および接地端子が搭載されている、プリント回路基板と、の構成要素からなる。
【０００６】
好ましくは、前記非磁性管の軸長は、１０〜１２０００ｍｍであり、１２〜４０ｍｍの外径を有する。
【０００７】
好ましくは、前記フロートの幅は、１０〜２００ｍｍであり、前記フロートは、１０〜２００ｍｍの高さを有する。
【０００８】
好ましくは、前記永久磁石の磁化方向は、前記非磁性管の磁化方向に平行であり、前記トンネル磁気抵抗スイッチは、オムニポーラまたはユニポーラであり、スイッチの感度方向は、前記非磁性管の軸に平行である。
【０００９】
好ましくは、前記永久磁石の磁化方向は、前記非磁性管に垂直であり、前記トンネル磁気抵抗スイッチは、オムニポーラ、バイポーラ、またはユニポーラであり、前記トンネル磁気抵抗スイッチの感度方向は、前記非磁性管の軸方向に垂直である。
【００１０】
好ましくは、前記フロートは、前記非磁性管に同軸上に配置され、前記フロートの内径は、前記非磁性管の外径より大きい。
【００１１】
好ましくは、前記トンネル磁気抵抗スイッチは、前記プリント回路基板上に等間隔で配置されている。
【００１２】
好ましくは、前記エンコーダは、プライオリティエンコーダである。
【００１３】
好ましくは、前記エンコーダ部は、２Ｎ個の入力端子とＮ個の出力端子とを有し、Ｎは、整数である。
【００１４】
好ましくは、前記フロートの位置は、数０、１、…、２Ｎ−１によって表され、Ｎは、整数であり、前記数は、前記液体の表面の高さに直線関係となる。
【００１５】
好ましくは、前記エンコーダは、前記プリント回路基板上の部品数を最小限にするために、カスタムＡＳＩＣ、または、例えばＦＰＧＡやＣＰＬＤなどのプログラマブルデバイスを、構成される。
【００１６】
好ましくは、２Ｎのトンネル磁気抵抗スイッチのために、前記データバスは、少なくともＮビット幅を含み、Ｎは、整数である。
【００１７】
好ましくは、前記トンネル磁気抵抗スイッチは、前記エンコーダの対応する入力端子に接続されている。
【００１８】
好ましくは、前記エンコーダの出力は、前記データバスの対応するラインに接続される。
【００１９】
好ましくは、前記プリント回路基板は、フレキシブルプリント回路基板である。
【００２０】
好ましくは、エンコーダおよびトンネル磁気抵抗スイッチは、フレキシブルプリント回路基板によって相互接続された小さな硬いプリント回路基板に配置されている。本特許全体を通して小さな硬いプリント回路基板について言及されているが、サイズは、トンネル磁気抵抗スイッチ、エンコーダ、データバス、電源端子、および接地端子を収容するのに必要な大きさまたは小ささであってよい。
【００２１】
デジタルレベルセンサ、
非磁性管と、
非磁性管の外側に沿って軸方向に動くフロートと、
フロートのボディに固定された永久磁石と、を含み、
前記非磁性管は、さらに、
少なくとも１つの磁気抵抗スイッチであって、永久磁石によって発生する磁界の作用に基づいて閉状態または開状態になるスイッチと、
少なくとも１つのエンコーダからなるエンコード部であって、磁気抵抗スイッチからデジタル入力信号を受信し且つフロート位置を表すデジタルコードを出力するエンコード部と、
を含む。
【００２２】
好ましくは、前記レベルセンサは、２Ｎのトンネル磁気抵抗スイッチを備え、前記トンネル磁気抵抗スイッチは、前記非磁性管の軸に沿う既知の位置に配置されている。
【００２３】
先行技術と比較すると、本発明は、トンネル磁気抵抗スイッチを利用してフロートの位置を検出し、プライオリティエンコーダを使用して、トンネル磁気抵抗スイッチからの信号を受信して、フロートの位置を表すコードを計算する。本発明は、小型、低コスト、低消費電力、高い信頼性、高感度、高分解能、長寿命、電磁ノイズ耐性、デジタル出力信号などの有益な効果を有する。
【００２４】
上記説明は本発明の技術的ソリューションの概要に過ぎず、本明細書の内容に従って本発明がどのように実装されうるかがより明確に理解されるように、本発明のいくつかの好ましい実施形態を、これらの実施形態を示す図面とともに、以下で詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
以下では、本発明をさらに明らかにする添付図面について述べており、これらの図面は、本特許出願の一部を成すものであり、本発明を説明するために用いられるが、本発明を限定することを意図されたものではない。
【００２６】
【図１】図１は、本発明による液体レベルセンサの構造の概略図である。
【図２】図２は、実施例１に記載された、本発明の液体レベルセンサの概略図である。
【図３】図３は、本発明の実施例２のトンネル磁気抵抗スイッチ、エンコーダ部、およびデータバスの間の相互接続を示す概略図である。
【図４】図４は、本発明の実施例３のトンネル磁気抵抗スイッチ、エンコーダ部、およびデータバスの間の相互接続を示す概略図である。
【図５】図５は、トンネル磁気抵抗スイッチのユニポーラスイッチング動作を示す図である。
【図６】図６は、トンネル磁気抵抗スイッチのバイポーラスイッチング動作を示す図である。
【図７】図７は、トンネル磁気抵抗スイッチのオムニポーラスイッチング動作を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
添付図面を踏まえた以下の文は、本発明のいくつかの好ましい実装を説明するものである。
【００２８】
実施例１
【００２９】
図１および図２は、本発明の第１の例示的実施形態による液体レベルセンサ１００、２００の構造を示しており、この図は、トンネル磁気抵抗スイッチ３と、液体レベルセンサのデジタル信号出力の生成に使用されるエンコーダ部４と、を概略的に示している。液体レベルセンサの非磁性管１が容器内にあり、容器の底部に対して固定されており、容器内にはフロート２が液体１１の表面に浮かんでおり、フロート２は、非磁性管１に隣接し、非磁性管１の外側に沿って上下に動く。好ましくは、非磁性管１は丸く、フロート２は、非磁性管１と同じ中心軸を共有する。非磁性管１の内側にプリント回路基板５があり、このプリント回路基板は、フレキシブルプリント回路基板であることが好ましい。プリント回路基板５には、トンネル磁気抵抗スイッチ３、エンコーダ４、データバス９、電力線８、およびグランド線７が搭載されている。トンネル磁気抵抗スイッチ、エンコーダ、および電力配線は、一連の複数の小さな硬いプリント回路基板に設置されてもよく、これらの基板は、フレキシブルプリント回路基板または配線によって相互接続されてよい。トンネル磁気抵抗スイッチング部３は、複数のトンネル磁気抵抗スイッチを含み、各スイッチは非磁性管内で固有の位置を有する。フロート２の内部に永久磁石６が固定されており、永久磁石６は、同じレベルにある１つのトンネル磁気抵抗スイッチ３に対して所望のスイッチング作用を引き起こすのに十分な大きさおよび方向の磁界を発生させることが可能であり、永久磁石６の内部の磁化方向１２は、図１に示されるように、非磁性管の軸１３に平行であるか、図２に示されるように、その軸に垂直である。各トンネル磁気抵抗スイッチ３の出力は、エンコーダ部４の対応する入力に接続されており、エンコーダ部４の出力はデータバス９に接続されており、エンコーダの最後の出力１４は、データバスに接続されるか、複数のエンコーダをカスケード接続することに使用されてよい。レベルセンサが液体１１内に置かれるとき、フロート２が液体１１の表面に浮かび、フロート２は、液体レベルが変化するにつれて非磁性管１の長さ方向に上下に動き、フロート２内に位置する永久磁石６が非磁性管１内のその位置で磁界を発生させる。そして、永久磁石６の磁界の位置にあるトンネル磁気抵抗センサ３が閉じるか開き、その結果としてデジタル状態がローまたはハイに変化し、この出力をエンコーダ部４が受信する。エンコーダ部は、２Ｎ個の入力とＮ個の出力を有し、Ｎは整数である。エンコーダ部４は、各入力がトンネル磁気抵抗スイッチ３の出力に接続されており、出力がデータバスに接続されており、結果として、本装置は、流体のレベルを表すデジタル信号を出力する。トンネル磁気抵抗スイッチが２Ｎ個あれば、データバス幅は少なくともＮビットである。
【００３０】
レベルセンサの使用環境および使用条件に応じて、非磁性管が以下の特性を有することが好ましく、たとえば、外径が１２〜４０ｍｍであり、軸長が１０〜１２０００ｍｍであり、直線的であってよく、Ｌ形に曲がっていてもよく、耐食材料で作られ、耐食材料は金属合金または高耐久性プラスチックであってよい。
【００３１】
フロート２と非磁性管は同軸状に配置されることが好ましく、フロート２の内径は、非磁性管１の外径より大きいことが好ましい。フロート２の幅は１０〜２００ｍｍであることが好ましく、高さは１０〜２００ｍｍであることが好ましい。フロート２に永久磁石６が固定されていて、永久磁石は、非磁性管の軸方向に上下に動く。永久磁石６は、フロート２の内部に固定されてよく、フロート２の外部に固定されてもよい。
【００３２】
Ｓ０、Ｓ１、…、Ｓ７で表される複数のトンネル磁気抵抗スイッチがあり、これらの特性は以下のとおりである。すなわち、サイズが小さく、パッケージされた部分の公称サイズが約２ｍｍ×３ｍｍ×１ｍｍであり、低消費電力であって１０マイクロアンペア未満であり、スイッチング点が約１０ガウスである。したがって、本発明のレベルセンサは、小型であり、ワイドレンジであり、長寿命であり、高感度であることが可能である。さらに、トンネル磁気抵抗スイッチの位置は、非磁性管１内に任意の所望の位置および間隔で設定されてよく、これによりレベルセンサは高分解能を有することが可能になる。
【００３３】
レベルセンサ内のトンネル磁気抵抗スイッチの数は、次のように規定されてよい。
【００３４】
Ｎｓ＝２Ｎ−ｍ      （１）
【００３５】
ただし、ｍは未使用エンコーダ入力の数を表し、ｍは値が０、１、２、…、２Ｎ−２Ｎ-1であってよく、Ｎは整数であり、具体的な値はユーザ要件に基づいて設定されてよい。非磁性管１の軸方向に並ぶ各トンネル磁気抵抗スイッチＳ０、Ｓ１、…、Ｓ７は、非磁性管１に沿う既知の軸方向位置に配置されてよい。好ましくは、トンネル磁気抵抗スイッチのそれぞれは、長さＬの非磁性管１の軸に沿って等間隔刻みで配置されており、この刻み幅は非磁性管１の上端から下端までの距離によって決まり、これらの各位置は、両端のスイッチが位置するＤ１およびＤ２と、Ｎｓ個のトンネル磁気抵抗スイッチの各長さＬ’とで表される。たとえば、センサの長さが１０００ｍｍであり、センサの上端および下端から５０ｍｍの場所で囲まれる範囲によって画定される距離に１００個のセンサが均等に広がっているとすると、トンネル磁気抵抗スイッチ同士の間隔ＤＳは次のように規定される。
【００３６】
ＤＳ＝（Ｌ−Ｄ１−Ｄ２−Ｎｓ×Ｌ’）／Ｎｓ＝（１０００−２×５０−１００×２）／１００＝７ｍｍ      （２）
【００３７】
レベルセンサの分解能は７ｍｍであることがわかる。
【００３８】
当業者であれば理解されるように、トンネル磁気抵抗スイッチが非磁性管１内の既知の軸方向位置に、間隔を置いて配置されている限り、非磁性管１の外側に沿って永久磁石６を保持して、トンネル磁気抵抗スイッチ３のオン／オフ状態を変化させるフロート２の位置は、容易に特定可能であり、これによって、自身が浸されている流体のレベルを測定するデジタルレベルセンサが実現される。
【００３９】
実施例２
【００４０】
図３は、実施例１で使用されているトンネル磁気抵抗スイッチおよびプライオリティエンコーダの相互接続を示す概略図である。本発明によれば、トンネル磁気抵抗スイッチからのエンコーダオフ信号により、フロートに取り付けられている永久磁石の位置ごとの固有のコードが生成される。この実施形態では、エンコーダ１５は、８対３プライオリティエンコーダである。プライオリティエンコーダは複数の同時入力信号が可能であり、出力は、入力信号の優先順位に基づいて設定され、最低優先順位の信号は出力に影響せず、最高優先順位の入力信号だけが出力状態を制御する。このタイプのエンコーダの場合は、永久磁石によって発生する磁界によって励起されたトンネル磁気抵抗スイッチが複数あっても、プライオリティエンコーダは、出力決定時に最高優先度の入力信号以外を無視するため、流体レベルに対応するコードを正確かつ一義的に出力することが可能であり、したがって、複数のスイッチが動作されてもコーディングの誤りが発生しない。たとえば、図３に示されるように、トンネル磁気抵抗スイッチング部３のスイッチの数Ｎｓが８以下の場合は、８対３プライオリティエンコーダ１５だけが必要である。図３は、８個のトンネル磁気抵抗スイッチＳ０〜Ｓ７と単一の８対３プライオリティエンコーダ１５とを含むスイッチング部の接続図を示す。この図では、８個のトンネル磁気抵抗スイッチＳ０〜Ｓ７が８対３プライオリティエンコーダ１５と電気的に相互接続されており、動く磁界によってトンネル磁気抵抗スイッチＳ０〜Ｓ７のうちの１つ以上が励起されると、８対３プライオリティエンコーダ１５は、流体レベルを表すコードをデータバス９に出力する。８（＝２３）個のトンネル磁気抵抗スイッチＳ０〜Ｓ７の場合、データバス９の幅は少なくとも３であり、これは異なる８個のコードを表すのに十分である。これらのデジタルコードの一例を表１に示す。表１は、フロートの位置（したがって、液面高さ）とデジタルコード化された数０、１、…、２Ｎ−１との線形マッピングを示しており、Ｎは整数である。
【００４１】
表１は、フロート位置、デジタルコード、および出力された流体レベルの間の関係を示す。
【表１】
2016508598.tif 000012
【００４２】
表１の第１列はタンクの充填レベルをパーセンテージで示しており、第２列は、０から７までの番号が振られたフロート位置を示しており、０は最低レベル位置を表し、７は最高レベル位置を表す。したがって、番号が大きいほど、高いフロート位置を示している。第３列は、信号線Ｄ２／Ｄ１／Ｄ０上のバイナリコードの８つの可能な組み合わせと、ＮＲ出力値とを列挙している。デジタルを表すこれら３つの列は、フロート位置を表す第２列にマッピングされてよく、さらに、流体レベルを表す第１列にマッピングされてよい。たとえば、８対３プライオリティエンコーダ１５の出力が１１０であれば、これは流体レベルが８７．５％であることを意味する。
【００４３】
実施例３
【００４４】
容器内の液体レベルが非常に深く、かつ、高い分解能が必要とされる場合は、トンネル磁気抵抗スイッチの数を増やす必要がある。たとえば、８は超えるが６４は超えない数のトンネル磁気抵抗スイッチを使用する必要がある場合は、単一の８対３プライオリティエンコーダ１５では要件を満たすことができない。１６対４プライオリティエンコーダ、３２対５プライオリティエンコーダ、または６４対６プライオリティエンコーダであれば使用可能であろう。本発明では、これは、同じ機能を実現する複数の８対３プライオリティエンコーダ１６〜２４を縦続接続することにより達成可能である。この図では、トンネル磁気抵抗スイッチング部３において６４個のトンネル磁気抵抗スイッチが使用されている。トンネル磁気抵抗スイッチＳ０〜Ｓ６３は、８対３プライオリティエンコーダ１６、１７、…、２２、２３のそれぞれの８個の入力にそれぞれ接続されており、この最初の８個の８対３プライオリティエンコーダ１６〜２３は、３つの出力端子がそれぞれ、データバスインタフェース２５の対応する各線に接続され、これらは出力Ｄ０〜Ｄ２を表す。最初の８個の８対３プライオリティエンコーダの８つの出力ＮＲ線は、プライオリティ８対３プライオリティエンコーダ２４の対応する入力に接続されており、８対３プライオリティエンコーダの３つの出力は、Ｄ３〜Ｄ５で表されるデータバス２５内の対応する各線に接続されている。６４（＝２６）個のトンネル磁気抵抗スイッチＳ０〜Ｓ６３の場合、データバス２５は、少なくとも線６本分の幅が必要である。６本のデータ線によって表されるバイナリコードと、対応するフロート位置出力とを、６４個列挙したものを表２に示す。表２では、第１列は、流体充填レベルをパーセンテージで表しており、第２列は、０から６３までの番号が振られたフロートの位置であり、０は最低レベル位置を表し、６３は最高レベル位置を表す。ここで、番号が大きいほど、容器内のフロートの位置が高いことを表している。第３列はデジタル信号出力であり、ＮＲは、タンクが完全に一杯であることを意味する数値出力端子であり、Ｄ０〜Ｄ５はバイナリ信号出力を表す。したがって、６個のバイナリ信号出力はフロート位置を表すことが可能であり、したがって、容器内の液体レベルを特定することが可能である。
【００４５】
表２は、フロート位置、デジタル信号、および流体レベルの間の関係を明示的に規定する。
【００４６】
【表２】
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【００４７】
当業者であれば理解されるように、トンネル磁気抵抗スイッチング部３は、トンネル磁気抵抗スイッチの個数が６４を超えるケースに拡張することも可能であり、これは、より多くのエンコーダを選択およびカスケード接続し、より多くの出力信号をデータバスに追加することによって行われる。もちろん、エンコーダ部４は、専用ＡＳＩＣであってよく、あるいは、コストを抑えながらエンコーダの幅を拡張するために、ＦＰＧＡやＣＰＬＤなどのプログラマブルロジックデバイスであってもよい。
【００４８】
実施例２および３では、本装置からのバイナリ信号出力を用いて、フロート位置、したがって、液体レベルを特定することが容易に可能である。
【００４９】
実施例４
【００５０】
トンネル磁気抵抗スイッチＳ０、Ｓ１、…、は、それぞれがハーフブリッジ高精度プッシュプルＴＭＲ磁気センサチップおよびＣＭＯＳ集積回路を含み、ＣＭＯＳ集積回路は、ＴＭＲ電圧発生器、比較器、シュミットトリガ、およびＣＭＯＳ出力回路を含み、そのデジタル出力電圧を、磁界の変化に基づいて変化させる。この装置は、内部電圧レギュレータを使用する温度補償を含み、これによって動作電圧の範囲を広くすることが可能になる。
【００５１】
本発明の一実施形態では、トンネル磁気抵抗スイッチング部３は、ユニポーラトンネル磁気抵抗スイッチを利用する。永久磁石の磁化の方向は、ユニポーラ磁気抵抗スイッチング部３の感度方向と平行であり、これらの方向は両方とも、非磁性管の軸に平行または垂直であってよい。ユニポーラ磁気抵抗スイッチの出力信号を、図５に概略的に示す。この図では、永久磁石によって与えられる磁界がＢ−２６およびＢ＋２７で示されており、ユニポーラトンネル磁気抵抗スイッチは、この磁界範囲で開いたり閉じたりすることが可能である。たとえば、磁界ＢがＴＭＲ磁気センサの感度方向に平行に印加されて、磁界が動作閾値点ＢＯＰを超えると、ユニポーラスイッチはオフになり、出力は低下する。磁界ＢがＴＭＲ磁気センサの感度方向に平行に印加されて、磁界が閾値ＢＲＰより低い解放点Ｂを通ると、ユニポーラスイッチはオンになり、出力は上昇する。動作点閾値ＢＯＰおよび解放点閾値ＢＲＰは、磁界の極性が同じであるが、解放点ＢＲＰは０Ｇであってよい。動作点と解放点の差は、スイッチＢＨのヒステリシスとして示される。
【００５２】
実施例５
【００５３】
この実施形態では、トンネル磁気抵抗スイッチング部３は、バイポーラトンネル磁気抵抗スイッチを利用する。非磁性管の外側にある永久磁石の磁化は、バイポーラトンネル磁気抵抗スイッチの感度方向に平行であって、かつ、非磁性管の軸方向に垂直であるように位置合わせされた磁化を有する。バイポーラトンネル磁気抵抗スイッチの出力信号を、図６に概略的に示す。この図では、永久磁石６によって与えられる磁界がＢ−２８およびＢ＋２９で示されており、バイポーラトンネル磁気抵抗スイッチは、この磁界範囲で開いたり閉じたりすることが可能である。磁界ＢがＴＭＲ磁気センサの感度方向に平行に印加されて、磁界が動作閾値点ＢＯＰを超えると、バイポーラスイッチはオフになり、出力は低下する。磁界ＢがＴＭＲ磁気センサの感度方向に平行に印加されて、磁界が閾値ＢＲＰより低い解放点Ｂを通ると、バイポーラスイッチはオンになり、出力は上昇する。動作点閾値ＢＯＰおよび解放点閾値ＢＲＰは、磁界の極性が反対であり、いずれも０Ｇであってはならない。動作点と解放点の差は、スイッチＢＨのヒステリシスとして示される。
【００５４】
実施例６
【００５５】
この実施形態では、トンネル磁気抵抗スイッチング部３は、オムニポーラトンネル磁気抵抗スイッチを利用する。非磁性管の外側にある永久磁石の磁化は、ユニポーラトンネル磁気抵抗スイッチの感度方向に平行であって、かつ、非磁性管の軸方向に平行または垂直であるように位置合わせされた磁化を有する。オムニポーラトンネル磁気抵抗スイッチの出力信号を、図７に概略的に示す。この図では、永久磁石によって与えられる磁界がＢ−３０およびＢ＋３１で示されており、オムニポーラトンネル磁気抵抗スイッチは、この磁界範囲で開いたり閉じたりすることが可能である。磁界ＢがＴＭＲ磁気センサの感度方向に平行に印加されて、磁界が動作閾値点ＢＯＰＳまたはＢＯＰＮを超えると、オムニポーラスイッチはオフになり、出力は低下する。磁界ＢがＴＭＲ磁気センサの感度方向に平行に印加されて、磁界が閾値ＢＲＰＳまたはＢＲＰＮより低い解放点Ｂを通ると、オムニポーラスイッチはオンになり、出力は上昇する。動作点閾値ＢＯＰＳと解放点閾値ＢＲＰＳの差は、スイッチＢＨＳのヒステリシスとして示され、そして、動作点閾値ＢＯＰＮと解放点閾値ＢＲＰＮの差は、スイッチＢＨＮのヒステリシスとして示され、いずれの解放点ＢＲＰＳおよびＢＲＰＮも０Ｇであってはならない。
【００５６】
本発明の上述の好ましい実施形態は、本発明の可能な変形形態を限定するものではなく、当業者であれば、本発明の範囲を逸脱しない様々な修正および変更を行うことが可能であろう。等価な機能または改良された機能との置換によって本発明の趣旨および原理の範囲内で行われる修正はすべて、本発明の範囲内に収まる。
【国際調査報告】
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