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技術 熱電変換素子、熱電変換システム、及び熱電変換素子の製造方法

出願人 日本電気株式会社
発明者 石田真彦桐原明宏河本滋
出願日 2013年4月3日 (6年5ヶ月経過) 出願番号 2014-509187
公開日 2015年12月17日 (3年9ヶ月経過) 公開番号 WO2013-151088
状態 特許登録済
技術分野 ホール/MR素子 熱電素子 特殊な電動機、発電機
主要キーワード 排熱管 温度勾配方向 可塑変形 エネルギー散逸 フェライトめっき法 金属膜材料 スピン流 イットリウム鉄ガーネット
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図面 (20)

課題・解決手段

熱電変換素子は、電線具備する。その電線は、電線の軸方向に延在する第1部材と、第1部材の外周面の少なくとも一部を覆うように軸方向に延在する第2部材と、を備える。第1部材と第2部材の一方は、磁性体である。第1部材と第2部材の他方は、スピン軌道相互作用発現する材料で形成された導電体である。

概要

背景

近年、「スピントロニクス(spintronics)」と呼ばれる電子技術が脚光を浴びている。従来のエレクトロニクスは、電子の1つの性質である「電荷」だけを利用してきたが、スピントロニクスは、それに加えて、電子の他の性質である「スピン」をも積極的に利用する。特に、電子のスピン角運動量の流れである「スピン流(spin-current)」は重要な概念である。スピン流のエネルギー散逸は少ないため、スピン流を利用することによって高効率な情報伝達を実現できる可能性がある。従って、スピン流の生成、検出、制御は重要なテーマである。

例えば、電流が流れるとスピン流が生成される現象が知られている。これは、「スピンホール効果(spin-Hall
effect)」と呼ばれている。また、その逆の現象として、スピン流が流れると起電力が発生することも知られている。これは、「逆スピンホール効果(inverse spin-Hall effect)」と呼ばれている。逆スピンホール効果を利用することによって、スピン流を検出することができる。尚、スピンホール効果も逆スピンホール効果も、「スピン軌道相互作用(spin orbit coupling)」が大きな物質(例:Pt、Au)において有意に発現する。

また、最近の研究により、磁性体における「スピンゼーベック効果(spin-Seebeck effect)」の存在も明らかになっている。スピンゼーベック効果とは、磁性体に温度勾配印加されると、温度勾配と平行方向にスピン流が誘起される現象である(例えば、特許文献1、非特許文献1、非特許文献2を参照)。すなわち、スピンゼーベック効果により、熱がスピン流に変換される(熱スピン流変換)。特許文献1では、強磁性金属であるNiFe膜におけるスピンゼーベック効果が報告されている。非特許文献1、2では、イットリウム鉄ガーネットYIG、Y3Fe5O12)といった磁性絶縁体金属膜との界面におけるスピンゼーベック効果が報告されている。

尚、温度勾配によって誘起されたスピン流は、上述の逆スピンホール効果を利用して電界(電流、電圧)に変換することが可能である。つまり、スピンゼーベック効果と逆スピンホール効果を併せて利用することによって、温度勾配を電気に変換する「熱電変換」が可能となる。

図1は、特許文献1に開示されている熱電変換素子の構成を示している。サファイア基板101の上に熱スピン流変換部102が形成されている。熱スピン流変換部102は、Ta膜103、PdPtMn膜104及びNiFe膜105の積層構造を有している。NiFe膜105は、面内方向の磁化を有している。更に、NiFe膜105上にはPt電極106が形成されており、そのPt電極106の両端は端子107−1、107−2にそれぞれ接続されている。

このように構成された熱電変換素子において、NiFe膜105が、スピンゼーベック効果によって温度勾配からスピン流を生成する役割を果たし、Pt電極106が、逆スピンホール効果によってスピン流から起電力を生成する役割を果たす。具体的には、NiFe膜105の面内方向に温度勾配が印加されると、スピンゼーベック効果により、その温度勾配と平行な方向にスピン流が発生する。すると、NiFe膜105からPt電極106にスピン流が流れ込む、あるいは、Pt電極106からNiFe膜105にスピン流が流れ出す。Pt電極106では、逆スピンホール効果により、スピン流方向とNiFe磁化方向とに直交する方向に起電力が生成される。その起電力は、Pt電極106の両端に設けられた端子107−1、107−2から取り出すことができる。

概要

熱電変換素子は、電線具備する。その電線は、電線の軸方向に延在する第1部材と、第1部材の外周面の少なくとも一部を覆うように軸方向に延在する第2部材と、を備える。第1部材と第2部材の一方は、磁性体である。第1部材と第2部材の他方は、スピン軌道相互作用を発現する材料で形成された導電体である。

目的

本発明の目的は、状況に応じた様々な実装形態が可能な熱電変換素子を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
1件

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請求項1

電線具備し、前記電線は、前記電線の軸方向に延在する第1部材と、前記第1部材の外周面の少なくとも一部を覆うように前記軸方向に延在する第2部材とを備え、前記第1部材と前記第2部材の一方は、磁性体であり、前記第1部材と前記第2部材の他方は、スピン軌道相互作用発現する材料で形成された導電体である熱電変換素子

請求項2

請求項1に記載の熱電変換素子であって、前記磁性体の磁化は、前記軸方向と直交する方向の成分を含んでいる熱電変換素子。

請求項3

請求項2に記載の熱電変換素子であって、前記電線が熱源と熱的に結合するように配置されている際の前記熱源から前記電線へ向かう方向は、第1方向であり、前記磁性体の前記磁化は、前記軸方向及び前記第1方向の両方に直交する方向の成分を含んでいる熱電変換素子。

請求項4

請求項1乃至3のいずれか一項に記載の熱電変換素子であって、更に、第1位置における前記導電体と電気的に接続された第1電極と、前記第1位置とは異なる第2位置における前記導電体と電気的に接続された第2電極とを具備する熱電変換素子。

請求項5

請求項1乃至4のいずれか一項に記載の熱電変換素子であって、前記電線は、更に、前記第2部材の外周面を覆うように前記軸方向に延在する絶縁体を備える熱電変換素子。

請求項6

請求項1乃至5のいずれか一項に記載の熱電変換素子であって、前記電線は、更に、前記第1部材の内側において前記軸方向に延在する芯材を備える熱電変換素子。

請求項7

請求項1乃至5のいずれか一項に記載の熱電変換素子であって、前記第1部材の内部には、前記軸方向に延在する空洞が形成された熱電変換素子。

請求項8

請求項1乃至7のいずれか一項に記載の熱電変換素子であって、前記電線は、曲げられており、互いに隣接する部分を含んでいる熱電変換素子。

請求項9

請求項8に記載の熱電変換素子であって、前記電線が、物体周り巻き付けられている熱電変換素子。

請求項10

請求項1乃至9のいずれか一項に記載の熱電変換素子であって、前記電線の数は複数であり、前記複数の電線同士が並列に接続されている熱電変換素子。

請求項11

請求項1乃至10のいずれか一項に記載の熱電変換素子と、前記熱電変換素子の前記電線と熱的に結合するように配置された熱源とを具備する熱電変換システム

請求項12

請求項11に記載の熱電変換システムであって、前記熱電変換素子の前記電線は、前記熱源の周りに巻き付けられている熱電変換システム。

請求項13

請求項12に記載の熱電変換システムであって、前記熱電変換素子の前記電線は、互いに隣接する部分を含んでいる熱電変換システム。

請求項14

電線を形成するステップを含み、前記電線を形成するステップは、前記電線の軸方向に延在する第1部材を形成するステップと、前記第1部材の外周面の少なくとも一部を覆うように前記軸方向に延在する第2部材を形成するステップとを含み、前記第1部材と前記第2部材の一方は、磁性体であり、前記第1部材と前記第2部材の他方は、スピン軌道相互作用を発現する材料で形成された導電体である熱電変換素子の製造方法。

請求項15

請求項14に記載の熱電変換素子の製造方法であって、更に、前記軸方向と直交する方向の成分を含むように前記磁性体の磁化を設定するステップを含む熱電変換素子の製造方法。

請求項16

請求項15に記載の熱電変換素子の製造方法であって、更に、熱源と熱的に結合するように前記電線を配置するステップを含み、前記熱源から前記電線へ向かう方向は、第1方向であり、前記磁性体の前記磁化を設定するステップにおいて、前記磁性体の前記磁化は、前記軸方向及び前記第1方向の両方に直交する方向の成分を含むように設定される熱電変換素子の製造方法。

技術分野

0001

本発明は、スピンゼーベック効果及び逆スピンホール効果に基づく熱電変換素子、その製造方法、及びその熱電変換素子を利用した熱電変換システムに関する。

背景技術

0002

近年、「スピントロニクス(spintronics)」と呼ばれる電子技術が脚光を浴びている。従来のエレクトロニクスは、電子の1つの性質である「電荷」だけを利用してきたが、スピントロニクスは、それに加えて、電子の他の性質である「スピン」をも積極的に利用する。特に、電子のスピン角運動量の流れである「スピン流(spin-current)」は重要な概念である。スピン流のエネルギー散逸は少ないため、スピン流を利用することによって高効率な情報伝達を実現できる可能性がある。従って、スピン流の生成、検出、制御は重要なテーマである。

0003

例えば、電流が流れるとスピン流が生成される現象が知られている。これは、「スピンホール効果(spin-Hall
effect)」と呼ばれている。また、その逆の現象として、スピン流が流れると起電力が発生することも知られている。これは、「逆スピンホール効果(inverse spin-Hall effect)」と呼ばれている。逆スピンホール効果を利用することによって、スピン流を検出することができる。尚、スピンホール効果も逆スピンホール効果も、「スピン軌道相互作用(spin orbit coupling)」が大きな物質(例:Pt、Au)において有意に発現する。

0004

また、最近の研究により、磁性体における「スピンゼーベック効果(spin-Seebeck effect)」の存在も明らかになっている。スピンゼーベック効果とは、磁性体に温度勾配印加されると、温度勾配と平行方向にスピン流が誘起される現象である(例えば、特許文献1、非特許文献1、非特許文献2を参照)。すなわち、スピンゼーベック効果により、熱がスピン流に変換される(熱スピン流変換)。特許文献1では、強磁性金属であるNiFe膜におけるスピンゼーベック効果が報告されている。非特許文献1、2では、イットリウム鉄ガーネットYIG、Y3Fe5O12)といった磁性絶縁体金属膜との界面におけるスピンゼーベック効果が報告されている。

0005

尚、温度勾配によって誘起されたスピン流は、上述の逆スピンホール効果を利用して電界(電流、電圧)に変換することが可能である。つまり、スピンゼーベック効果と逆スピンホール効果を併せて利用することによって、温度勾配を電気に変換する「熱電変換」が可能となる。

0006

図1は、特許文献1に開示されている熱電変換素子の構成を示している。サファイア基板101の上に熱スピン流変換部102が形成されている。熱スピン流変換部102は、Ta膜103、PdPtMn膜104及びNiFe膜105の積層構造を有している。NiFe膜105は、面内方向の磁化を有している。更に、NiFe膜105上にはPt電極106が形成されており、そのPt電極106の両端は端子107−1、107−2にそれぞれ接続されている。

0007

このように構成された熱電変換素子において、NiFe膜105が、スピンゼーベック効果によって温度勾配からスピン流を生成する役割を果たし、Pt電極106が、逆スピンホール効果によってスピン流から起電力を生成する役割を果たす。具体的には、NiFe膜105の面内方向に温度勾配が印加されると、スピンゼーベック効果により、その温度勾配と平行な方向にスピン流が発生する。すると、NiFe膜105からPt電極106にスピン流が流れ込む、あるいは、Pt電極106からNiFe膜105にスピン流が流れ出す。Pt電極106では、逆スピンホール効果により、スピン流方向とNiFe磁化方向とに直交する方向に起電力が生成される。その起電力は、Pt電極106の両端に設けられた端子107−1、107−2から取り出すことができる。

0008

特開2009−130070号公報

先行技術

0009

Uchida et al., “Spin Seebeck insulator”,Nature Materials, 2010, vol. 9, p.894.
Uchida et al., “Observation of longitudinal spin-Seebeck effect in magnetic insulators”, Applied Physics Letters, 2010, vol.97, p172505.

0010

熱電変換素子が実装される状況(熱源の形状等)としては様々なものがあり得る。しかしながら、図1で示されたような熱電変換素子は、その形状が一定であり、実装形態が限られてしまう。例えば、熱源が円筒形状を有する場合、その円筒外周面図1で示された平面型の熱電変換素子を設置することは困難である。

0011

本発明の目的は、状況に応じた様々な実装形態が可能な熱電変換素子を提供することにある。

0012

本発明の1つの観点において、熱電変換素子は、電線具備する。その電線は、電線の軸方向に延在する第1部材と、第1部材の外周面の少なくとも一部を覆うように軸方向に延在する第2部材と、を備える。第1部材と第2部材の一方は、磁性体である。第1部材と第2部材の他方は、スピン軌道相互作用を発現する材料で形成された導電体である。

0013

本発明に係る熱電変換素子によれば、状況に応じた様々な実装形態が可能となる。

図面の簡単な説明

0014

図1は、特許文献1に記載されている熱電変換素子を概略的に示す斜視図である。
図2は、本発明の第1の実施の形態に係る熱電変換素子を概略的に示している。
図3は、本発明の第1の実施の形態に係る熱電変換素子の電線の断面構造を概略的に示している。
図4は、本発明の第1の実施の形態に係る熱電変換素子の電線の断面構造を概略的に示している。
図5は、本発明の第1の実施の形態に係る熱電変換システムの一例を概略的に示している。
図6は、本発明の第1の実施の形態に係る熱電変換システムの他の例を概略的に示している。
図7は、本発明の第2の実施の形態に係る熱電変換素子の電線の断面構造を概略的に示している。
図8は、本発明の第2の実施の形態に係る熱電変換システムの一例を概略的に示している。
図9は、本発明の第2の実施の形態に係る熱電変換システムの他の例を概略的に示している。
図10は、本発明の第2の実施の形態に係る熱電変換素子の電線の断面形状の変形例を示している。
図11は、本発明の第2の実施の形態に係る熱電変換素子の電線の断面形状の他の変形例を示している。
図12は、本発明の第2の実施の形態に係る熱電変換素子の電線の断面形状の更に他の変形例を示している。
図13は、本発明の第3の実施の形態に係る熱電変換素子の電線の断面構造の一例を概略的に示している。
図14は、本発明の第3の実施の形態に係る熱電変換素子の電線の断面構造の他の例を概略的に示している。
図15は、本発明の第3の実施の形態に係る熱電変換素子の電線の断面構造の更に他の例を概略的に示している。
図16は、本発明の第3の実施の形態に係る熱電変換素子の電線の断面構造の更に他の例を概略的に示している。
図17は、本発明の第3の実施の形態に係る熱電変換素子の電線の断面構造の更に他の例を概略的に示している。
図18は、本発明の第3の実施の形態に係る熱電変換素子の電線の断面構造の更に他の例を概略的に示している。
図19は、本発明の第4の実施の形態に係る熱電変換素子の一例を概略的に示している。
図20は、本発明の第4の実施の形態に係る熱電変換素子の他の例を概略的に示している。
図21は、本発明の第5の実施の形態に係る熱電変換素子の一例を概略的に示している。
図22は、本発明の第5の実施の形態に係る熱電変換素子の他の例を概略的に示している。

実施例

0015

添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

0016

1.第1の実施の形態
図2は、本発明の第1の実施の形態に係る熱電変換素子1を概略的に示している。本実施の形態に係る熱電変換素子1は、電線5を備えている。図2に示されるように、電線5は、細長い形状を有しており、電線5の延在方向は、以下「軸方向S」と参照される。

0017

電線5は、可とう性(flexibility)を有している。ここで、可とう性とは、可塑性(plasticity)と弾性(elasticity)の両方の概念を含む。すなわち、電線5は、可塑変形あるいは弾性変形が可能である。言い換えれば、電線5は曲げることが可能である。尚、電線5は曲げることが可能であるため、軸方向Sは、電線5の各点でローカルに定義され得る(図2参照)。

0018

図3は、電線5の断面構造を概略的に示している。ここでは、軸方向Sに直交する面の断面構造が示されている。以下の説明においても、特に断りのない限り、「断面」とは軸方向Sに直交する断面であるとする。

0019

図3に示されるように、電線5は、第1部材10と第2部材20を備えている。第1部材10は、軸方向Sに延在している。また、第2部材20も、軸方向Sに延在している。更に、第2部材20は、第1部材10の外周面11を覆っている。つまり、第1部材10が内層であり、第2部材20が外層である。言い換えれば、第1部材10は、第2部材20よりも径方向内側に配置されており、第2部材20は、第1部材10よりも径方向外側に配置されている。ここで、径方向とは、電線5の軸中心から軸方向Sに直交するように外側へ向かう方向である。

0020

本実施の形態では、第1部材10と第2部材20のうち一方が、スピンゼーベック効果によって温度勾配からスピン流を生成(駆動)する「磁性体」である。そして、第1部材10と第2部材20のうち他方が、逆スピンホール効果によって上記スピン流から起電力を発生する「導電体」である。

0021

磁性体は、スピンゼーベック効果を発現する材料で形成される。磁性体の材料は、強磁性金属であってもよいし、磁性絶縁体であってもよい。強磁性金属としては、NiFe、CoFe、CoFeBなどが挙げられる。磁性絶縁体としては、イットリウム鉄ガーネット(YIG,Y3Fe5O12)、ビスマス(Bi)をドープしたYIG(Bi:YIG)、ランタン(La)を添加したYIG(LaY2Fe5O12)、イットリウムガリウムガーネット(Y3Fe5−xGaxO12)などが挙げられる。尚、電子による熱伝導を抑えるという観点から言えば、磁性絶縁体を用いることが望ましい。いずれにせよ、この磁性体は、可とう性を有する程度の厚さで形成される。

0022

導電体は、逆スピンホール効果(スピン軌道相互作用)を発現する材料で形成される。より詳細には、導電体の材料は、スピン軌道相互作用の大きな金属材料を含有する。例えば、スピン軌道相互作用の比較的大きなAuやPt、Pd、Ir、その他f軌道を有する金属材料、またはそれらを含有する合金材料を用いる。また、Cuなどの一般的な金属膜材料に、Au、Pt、Pd、Irなどの材料を0.5〜10%程度ドープするだけでも、同様の効果を得ることができる。あるいは、導電体は、ITOなどの酸化物であってもよい。尚、効率の観点から言えば、導電体の厚さを、材料に依存する「スピン拡散長スピン緩和長)」程度に設定することが望ましい。例えば、導電体がPt膜である場合、その厚さを10〜30nm程度に設定することが好ましい。いずれにせよ、この導電体は、可とう性を有する程度の厚さで形成される。

0023

以上に説明された構成により、電線5は、スピンゼーベック効果と逆スピンホール効果を利用した「熱電変換部」としての機能を有することになる。この熱電変換部で生成される電力量は、軸方向Sに沿った長さ、スピンゼーベック係数、熱電変換部にかかる実効温度差、導電体の抵抗などのパラメータ関数として表すことができ、長さ、スピンゼーベック係数、実効温度差について2乗で、抵抗について−1乗で増大する。また、一定の温度差のもとで熱電変換部を直列に接続すれば起電力が増大し、並列に接続すれば電流量が増大する。

0024

尚、第2部材20は第1部材10の外周面11の全てを覆っている必要はない。第1部材10と第2部材20との間でスピン流の授受が発生すればよいので、図4に示されるように、第2部材20が第1部材10の外周面11の一部だけを覆っていてもよい。つまり、第2部材20は、第1部材10の外周面11の少なくとも一部を覆っていればよい。

0025

また、第1部材10と第2部材20とは必ずしも接触していなくてもよい。第1部材10と第2部材20との間でスピン流の授受が発生する限り、第1部材10と第2部材20との間に別の薄膜が介在していてもよい。上述の「第2部材20が第1部材10の外周面11を覆っている」とは、別の膜を介して外周面11を覆っている状態も含む。

0026

本実施の形態によれば、電線5は曲げることができるので、状況(熱源の形状等)に応じた様々な実装形態が可能となる。例えば、図5に示されるように、熱源HSの表面が曲面である場合、電線5をその曲面に沿って曲げてやればよい。また例えば、図6に示されるように、熱源HSが円筒状である場合、電線5をその円筒状の熱源HSの周り巻き付けてやればよい。その巻き数を調整することによって、出力電圧出力電流を容易に制御することもできる。このように、本実施の形態に係る熱電変換素子1は、状況や用途に応じた実装が可能なので、実用性が極めて高い。

0027

尚、図5図6で示された熱電変換素子1と熱源HSを合わせて「熱電変換システム」と呼ぶこともできる。熱源HSは、熱電変換素子1の電線5と熱的に結合するように配置されている。ここで、熱的結合は、直接接触に限られない。熱源HSと電線5との間に熱のやり取りがある限り、熱源HSと電線5の配置関係は任意である。このような熱的結合により、電線5(熱電変換部)では、スピンゼーベック効果と逆スピンホール効果により起電力が発生する。

0028

2.第2の実施の形態
磁性体は、スピンゼーベック効果によって温度勾配∇Tからスピン流Jsを生成(駆動)する。スピン流Jsの方向は、温度勾配∇Tの方向と平行あるいは反平行である。そして、導電体は、逆スピンホール効果によって上記スピン流Jsから起電力を発生する。ここで、発生する起電力の方向は、磁性体の磁化Mの方向と温度勾配∇Tの方向との外積で与えられる(E,V//M×∇T)。

0029

起電力の方向は用途に応じて任意に設定されればよいが、1つの好適な使い方として、電線5の軸方向Sに起電力を発生させることが考えられる。上述の通り、起電力の方向は、少なくとも、磁性体の磁化Mの方向と直交する。従って、軸方向Sに起電力を発生させるためには、磁性体の磁化Mが、少なくとも、軸方向Sと直交する方向の成分を含んでいる必要がある。第2の実施の形態では、このようなケースが説明される。

0030

図7は、第2の実施の形態に係る熱電変換素子1の電線5の断面構造を概略的に示している。ここでは、一例として、内層の第1部材10が導電体であり、外層の第2部材20が磁性体である場合が示されている。また、図7において、X方向及びZ方向は共に軸方向Sと直交しており、更に、X方向とZ方向とは互いに直交している。図7に示されるように、磁性体20の磁化Mは、少なくとも、軸方向Sと直交するX方向の成分を含んでいる。この場合、Z方向に沿った温度勾配∇Tが電線5に印加されると、軸方向Sに起電力が発生する。

0031

図8は、図7で示された電線5が熱源HSと熱的に結合するように配置されている状態を示している。図8において、熱源HSから電線5へ向かう方向はZ方向であり、それが温度勾配∇Tの方向と平行である。そして、磁性体20の磁化Mは、軸方向S及びZ方向(温度勾配方向)の両方に直交するX方向の成分を含んでいる。これにより、軸方向Sに起電力が発生する。

0032

図9は、既出の図6の場合と同様に、電線5が円筒状の熱源HS(例えば排熱管)の周りに巻き付けられている実装形態を示している。その円筒状の熱源HSの延在方向はX方向であり、その径方向はX方向と直交するZ方向である。電線5は、その円筒状の熱源HSの周りに“らせん状”に巻き付けられており、電線5の軸方向Sは、X方向及びZ方向と直交する成分を含んでいる。

0033

図9に示されるように、電線5に含まれる磁性体の磁化Mは、X方向の成分を含んでいる。このような磁化Mは、例えば、電線5を熱源HSの周りに巻き付けた後に全体をX方向に磁化することにより実現される。磁化MがX方向の成分を含んでいるため、図8で示された場合と同様に、軸方向Sに起電力が発生する。

0034

ここで、図9で示されるような実装形態の場合、電線5のうち互いに隣接する部分の磁化M同士が磁気的に結合することに留意されたい。このような隣接部分間の磁気的結合は、磁化Mの安定化に寄与する。すなわち、隣接部分間でX方向の磁化Mが磁気的に結合することにより、全体としてX方向の磁化Mが安定的に維持される。磁化Mの安定化は、熱電変換特性の向上につながり、好適である。図9で示されるような実装形態は、巻き数を調整することによって出力を容易に制御することが出来ることだけでなく、磁化Mの安定性の観点からも好適である。

0035

磁化Mの安定性の観点から、電線5の断面形状に関して、様々な変形例が考えられる。すなわち、電線5が短軸長軸が定義され得るような非等方的な断面形状を有する場合、形状磁気異方性によって、磁化Mは長軸方向に安定しやすくなる。例えば、電線5の断面形状は、図10に示されるように楕円であってもよいし、図11に示されるように長方形であってもよい。また例えば、電線5の断面形状は、図12に示されるようなものであってもよい。

0036

3.第3の実施の形態
熱電変換素子1の電線5の層構成としては、様々なものが考えられる。図13に示される例では、内層の第1部材10が導電体であり、外層の第2部材20が磁性体である。逆に、図14に示される例では、内層の第1部材10が磁性体であり、外層の第2部材20が導電体である。いずれの層構成であっても、電線5は「熱電変換部」として機能する。

0037

また、図15図16に示されるように、軸方向Sに延在する芯材CRが第1部材10の内側に形成されていてもよい。この場合、電線5の最内層が芯材CRであり、第1部材10はその芯材CRの外周面の少なくとも一部を覆うように形成される。芯材CRの材料としては、耐熱性があり、可とう性を有するもの(例えば、金属、炭素繊維ガラス繊維)が用いられる。図15に示される例では、内層の第1部材10が導電体であり、外層の第2部材20が磁性体である。逆に、図16に示される例では、内層の第1部材10が磁性体であり、外層の第2部材20が導電体である。いずれの層構成であっても、電線5は「熱電変換部」として機能する。

0038

あるいは、図17図18に示されるように、芯材CRの代わりに軸方向Sに延在する空洞HLが、第1部材10の内部に形成されていてもよい。この場合、第1部材10は中空である。図17に示される例では、内層の第1部材10が導電体であり、外層の第2部材20が磁性体である。逆に、図18に示される例では、内層の第1部材10が磁性体であり、外層の第2部材20が導電体である。いずれの層構成であっても、電線5は「熱電変換部」として機能する。

0039

更に、図13図18に示されるように、第2部材20よりも更に外層に絶縁体30が形成されていてもよい。より詳細には、絶縁体30は、第2部材20の外周面を覆うように軸方向Sに延在している。この絶縁体30は、保護膜としての役割や、隣接する電線5とのショートを防ぐ役割を果たす。但し、隣り合う電線5同士がショートしたとしても熱電変換素子としての効果は得られるので、絶縁体30が必ず必要なわけではない。例えば、軸方向Sに離れた2か所がショートした場合は、その部分には熱電変換素子が並列に存在することになる。

0040

4.第4の実施の形態
典型的には、熱電変換素子1は、電線5で発生した電力を外部に取り出すための電極も備えている。例えば、図19に示されるように、熱電変換素子1は、電線5に加えて第1電極41と第2電極42を備えている。第1電極41と第2電極42は、電線5の導電体のそれぞれ異なる位置に電気的に接続されている。つまり、第1電極41は、第1位置における導電体と電気的に接続され、第2電極42は、第1位置とは異なる第2位置における導電体と電気的に接続されている。このような一対の電極41、42を用いることにより、電線5で発生した電力を外部に取り出すことができる。

0041

図20に示されるように、電線5の両端に第1コネクタ51及び第2コネクタ52が設けられていてもよい。第1コネクタ51は第1電極41を含んでおり、第2コネクタ52は第2電極42を含んでいる。更に、第1コネクタ51と第2コネクタ52とは、互いに接続可能である。このようなコネクタ51、52を用いることによって、複数の電線5を直列的に接続してもよい。接続する電線5の数を変えることによって、出力電力を調整することができる。

0042

5.第5の実施の形態
図21に示されるように、複数の電線5が並列に接続されることにより、シート状の熱電変換素子1が構成されてよい。この場合、第1電極41が、それぞれの電線5の一端に共通に接続され、第2電極42が、それぞれの電線5の他端に共通に接続される。図22に示される例では、図21で示されたシート状の熱電変換素子1が2枚重ね合わされている。図21図22で示されるシート状の熱電変換素子1によれば、大きな出力電流を得ることが可能となる。また、そのようなシート状の熱電変換素子1を熱源HSに巻き付けるといった実装形態が考えられる。

0043

尚、矛盾しない限りにおいて、既出の実施の形態同士を適宜組み合わせることも可能である。

0044

6.第6の実施の形態
上述の熱電変換素子1の製造方法は、次の通りである。

0045

まず、電線5が形成される。電線5を形成するステップは、電線5の軸方向Sに延在する第1部材10を形成するステップと、第1部材10の外周面11の少なくとも一部を覆うように軸方向Sに延在する第2部材20を形成するステップと、を含む。ここで、第1部材10と第2部材20の一方は磁性体であり、第1部材10と第2部材20の他方は導電体である。

0046

必要に応じて、芯材CR(図15図16参照)や絶縁体30(図13図18参照)が形成されてもよい。

0047

電線5の最内層の部材がガラスや磁性セラミックの場合、「線引炉」と呼ばれる一般的な光ファイバ製造手段を用いることができる(参考:特開2010−13328号公報)。電線5の最内層の部材が金属の場合、一般的な金属細線の製造方法を用いることができる(参考:特開昭63−256218号公報)。

0048

最内層よりも外層にセラミック層を形成する場合、MOD有機金属分解,Metal Organic Decomposition)法を用いた焼結方法、AD(エアロゾル堆積Aerosol Deposition)法を用いた吹き付け方法フェライトめっき法、などを用いることができる。

0049

最内層よりも外層に金属層を形成する場合、一般的な真空蒸着法スパッタリングなど)、ナノコロイド溶液の塗布・焼結(参考:特開平7−188934号公報、特開平9−20980号公報)、などを用いることができる。

0050

いずれの場合であっても、必要な層を順番に形成していけばよいだけであり、従来のような電極のパターンニングは不要である。これは、大量生産に適している。大量生産により、製造コストを大幅に削減することができる。

0051

電線5に含まれる磁性体の磁化Mは、既出の図7図9で示されたように設定されることが好適である。すなわち、磁性体の磁化Mを、軸方向Sと直交する方向の成分を含むように設定することが好適である。そのような磁化Mは、例えば、電線5を熱源HSと熱的に結合するように配置した後、全体を磁化することにより実現される。

0052

以上、本発明の実施の形態が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。

0053

上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。

0054

(付記1)
電線を具備し、
前記電線は、
前記電線の軸方向に延在する第1部材と、
前記第1部材の外周面の少なくとも一部を覆うように前記軸方向に延在する第2部材と
を備え、
前記第1部材と前記第2部材の一方は、磁性体であり、
前記第1部材と前記第2部材の他方は、スピン軌道相互作用を発現する材料で形成された導電体である
熱電変換素子。

0055

(付記2)
付記1に記載の熱電変換素子であって、
前記磁性体の磁化は、前記軸方向と直交する方向の成分を含んでいる
熱電変換素子。

0056

(付記3)
付記2に記載の熱電変換素子であって、
前記電線が熱源と熱的に結合するように配置されている際の前記熱源から前記電線へ向かう方向は、第1方向であり、
前記磁性体の前記磁化は、前記軸方向及び前記第1方向の両方に直交する方向の成分を含んでいる
熱電変換素子。

0057

(付記4)
付記1乃至3のいずれか一項に記載の熱電変換素子であって、
更に、
第1位置における前記導電体と電気的に接続された第1電極と、
前記第1位置とは異なる第2位置における前記導電体と電気的に接続された第2電極と
を具備する
熱電変換素子。

0058

(付記5)
付記1乃至4のいずれか一項に記載の熱電変換素子であって、
前記電線は、更に、
前記第2部材の外周面を覆うように前記軸方向に延在する絶縁体
を備える
熱電変換素子。

0059

(付記6)
付記1乃至5のいずれか一項に記載の熱電変換素子であって、
前記電線は、更に、
前記第1部材の内側において前記軸方向に延在する芯材
を備える
熱電変換素子。

0060

(付記7)
付記1乃至5のいずれか一項に記載の熱電変換素子であって、
前記第1部材の内部には、前記軸方向に延在する空洞が形成された
熱電変換素子。

0061

(付記8)
付記1乃至7のいずれか一項に記載の熱電変換素子であって、
前記電線は、曲げられており、互いに隣接する部分を含んでいる
熱電変換素子。

0062

(付記9)
付記8に記載の熱電変換素子であって、
前記電線が、物体の周りに巻き付けられている
熱電変換素子。

0063

(付記10)
付記1乃至9のいずれか一項に記載の熱電変換素子であって、
前記電線の数は複数であり、
前記複数の電線同士が並列に接続されている
熱電変換素子。

0064

(付記11)
付記1乃至10のいずれか一項に記載の熱電変換素子と、
前記熱電変換素子の前記電線と熱的に結合するように配置された熱源と
を具備する
熱電変換システム。

0065

(付記12)
付記11に記載の熱電変換システムであって、
前記熱電変換素子の前記電線は、前記熱源の周りに巻き付けられている
熱電変換システム。

0066

(付記13)
付記12に記載の熱電変換システムであって、
前記熱電変換素子の前記電線は、互いに隣接する部分を含んでいる
熱電変換システム。

0067

(付記14)
電線を形成するステップを含み、
前記電線を形成するステップは、
前記電線の軸方向に延在する第1部材を形成するステップと、
前記第1部材の外周面の少なくとも一部を覆うように前記軸方向に延在する第2部材を形成するステップと
を含み、
前記第1部材と前記第2部材の一方は、磁性体であり、
前記第1部材と前記第2部材の他方は、スピン軌道相互作用を発現する材料で形成された導電体である
熱電変換素子の製造方法。

0068

(付記15)
付記14に記載の熱電変換素子の製造方法であって、
更に、
前記軸方向と直交する方向の成分を含むように前記磁性体の磁化を設定するステップ
を含む
熱電変換素子の製造方法。

0069

(付記16)
付記15に記載の熱電変換素子の製造方法であって、
更に、
熱源と熱的に結合するように前記電線を配置するステップ
を含み、
前記熱源から前記電線へ向かう方向は、第1方向であり、
前記磁性体の前記磁化を設定するステップにおいて、前記磁性体の前記磁化は、前記軸方向及び前記第1方向の両方に直交する方向の成分を含むように設定される
熱電変換素子の製造方法。

0070

本出願は、2012年4月4日に出願された日本国特許出願2012−085925を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

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