JP2020107772A - サーモパイル型温度制御素子 - Google Patents

Abstract

【課題】異方性磁気ペルチェ効果が生じる磁性体を用いたサーモパイル構造を有する温度制御素子において、冷却・加熱能力を増大させる改良されたサーモパイル型温度制御素子を提供すること。【解決手段】異方性磁気ペルチェ効果による温度変化が生じる導電性磁性体を単位要素とする複数の導電性磁性体１０と、前記複数の導電性磁性体の各々に電流を印加可能に設けられた電流印加手段２０と、前記単位要素の導電性磁性体における発熱・吸熱領域を、実質的に一ヶ所に集める構造で、前記複数の導電性磁性体を集積したことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は電気エネルギーを熱エネルギーに直接変換できるサーモパイル型温度制御素子に関し、特に異方性磁気ペルチェ効果が生じる磁性体を用いたサーモパイル型温度制御素子に関する。

金属や半導体における電流と熱流の相互作用は熱電効果と呼ばれ、温度差から電圧を作り出すゼーベック効果や、電流で加熱・冷却するペルチェ効果が古くから知られている。熱電効果の歴史は、ドイツの物理学者・医師であったトーマス・ゼーベックによって１８２１年にゼーベック効果が発見されたことに端を発する。その１３年後の１８３４年に、フランスの物理学者であったジャン＝シャルル・ペルチェによって初めてペルチェ効果が観測された。ペルチェ効果は金属や半導体に電流を流すとそれに沿って熱流が生じる現象であり、電流から熱流への変換効率（ペルチェ係数）が異なる２種類の物質を接合すると、流す電流の方向に依存して接合界面に発熱または吸熱が起こる。

ペルチェ効果は、電流方向を変えるだけで加熱・冷却をスイッチできる、可動部が無いため静音で信頼性が高い、小型化が可能、などの利点を有しており、熱制御技術として幅広い用途への応用が期待されている。
一方で、次世代電子技術の有力候補であるスピントロニクス分野において、電子のスピン（磁気）の性質と電流・熱流の相互作用が基礎・応用の両面から盛んに研究されている。磁性体においては、スピンの効果によって電流や熱流の流れ方が磁化の方向に影響されることが知られている。そのような現象の代表例として、磁性体の電気抵抗が磁化と電流のなす角度に依存して変化する異方性磁気抵抗効果が挙げられる。同様に、磁性体におけるゼーベック効果も磁化の方向に依存する。その逆過程、すなわちペルチェ効果が磁化方向に依存して変化する現象も、実験的に観測されている。

即ち、特許文献１や非特許文献１に示すように、異方性磁気ペルチェ効果が生じる磁性体においては、磁化が電流に対して平行な場合と直交している場合とで、ペルチェ係数が異なる。この性質を利用すれば、磁性体中に非一様な磁化分布を作ることにより、あたかもペルチェ係数が異なる物質を接合したかのように発熱や吸熱を発生させることができる。すなわち、磁気的な仮想接合によって、物質界面の無い単一の材料において、ペルチェ効果による温度変化を起こすことができる。

他方で、ＬＳＩやμプロセッサのような電子デバイスは、１９６５年に発表されたムーアの法則の下、集積回路上のトランジスタ数は１８か月ごとに２倍になる傾向を５０年間に渡り維持している。そして、集積回路技術の継続的な進歩により、５０年間で集積回路は７桁以上の集積度の向上をみせている。今日、量子コンピューティングの時代に向けて鋭意研究開発が推進されており、トランジスタ一個の大きさが原子１個に近づきつつあり、ムーアの法則もその限界に近づきつつあると言われている。
このような、集積回路の高集積度化は、一方で発熱密度の増大による故障率の増加や信頼性の低下をもたらしている。そこで、従来のヒートシンクや冷媒を用いた冷却では充分な冷却能力が得られにくくなっている。

特開２０１８−１９０７８０号公報

"Observation of anisotropic magneto-Peltier effect in nickel", Ken-ichi Uchida et.al., Nature, DOI：10.1038/s41586-018-0143-x, 掲載日時：日本時間2018 年5 月22 日

本発明の目的は、異方性磁気ペルチェ効果が生じる磁性体を用いたサーモパイル構造を有する温度制御素子において、冷却・加熱能力を増大させる改良されたサーモパイル型温度制御素子を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を進めた結果、磁化と電流の相対角が異なる領域の境界に発熱・吸熱が発生（屈曲部を有する強磁性体が一様に磁化している場合、角に熱源が発生）するという異方性磁気ペルチェ効果の性質を用いて、同符号の温度変化が生じる『角』が一か所に集中するようにすると、異方性磁気ペルチェ効果のサーモパイル化により大きな冷却・加熱能力を得ることができることを見出し、本発明を完成させた。異方性磁気ペルチェ効果を用いれば、異物質接合から構成される従来のペルチェ効果型サーモパイルとは異なり、接合の無い単一物質によってサーモパイルを構成することができる。サーモパイル化によって得られる異方性磁気ペルチェ効果の冷却・加熱能力は、集中させた『角』の個数に比例する。

〔１〕本発明のサーモパイル型温度制御素子は、例えば図１、図２に示すように、異方性磁気ペルチェ効果による温度変化が生じる導電性磁性体を単位要素とする複数の導電性磁性体１０と、前記複数の導電性磁性体の各々に電流を印加可能に設けられた電流印加手段２０と、前記単位要素の導電性磁性体における発熱・吸熱領域を、実質的に一ヶ所に集める構造で、前記複数の導電性磁性体を集積したことを特徴とする。
ここで、『実質的に一ヶ所に集める構造』とは、例えば図１、図２に示すように、前記発熱・吸熱領域と、隣接する単位要素の導電性磁性体における発熱・吸熱領域との間隔が、熱抵抗が無視できる程度に近いことをいう。

〔２〕前記単位要素の導電性磁性体における発熱・吸熱領域の集積は、前記導電性磁性体によって形成される面に対して面内の領域で行われることを特徴とする〔１〕記載のサーモパイル型温度制御素子。
〔３〕前記単位要素の導電性磁性体における発熱・吸熱領域の集積は、前記導電性磁性体によって形成される面に対して垂直の領域で行われることを特徴とする〔１〕又は〔２〕記載のサーモパイル型温度制御素子。

〔４〕前記単位要素の導電性磁性体における磁化方向は、前記発熱・吸熱領域を境界として、前記導電性磁性体の軸方向と実質的に平行方向の磁化方向を有する第一の磁化領域と、前記第一の磁化領域に対して面内又は面外で斜めに傾斜した方向又は直交方向の磁化方向を有することを特徴とする〔１〕乃至〔３〕のいずれか１に記載のサーモパイル型温度制御素子。
〔５〕前記単位要素の導電性磁性体は、前記発熱・吸熱領域を頂点とするＶ字形又はＬ字形を有することを特徴とする〔４〕記載のサーモパイル型温度制御素子。
〔６〕前記単位要素の導電性磁性体を、前記導電性磁性体によって形成される面に対して２本以上有することを特徴とする〔５〕記載のサーモパイル型温度制御素子。

〔７〕本発明のサーモパイル型温度制御素子は、例えば図１１、図１２に示すように、異方性磁気ペルチェ効果による温度変化が生じる導電性磁性体を単位要素とする複数の導電性磁性体（１１０、１４０）と、前記複数の導電性磁性体の各々に電流を印加可能に設けられた電流印加手段１２０と、前記単位要素の導電性磁性体における発熱・吸熱領域１３０を、実質的に直線状に配置された離散的な２か所以上に配置する構造で、前記複数の導電性磁性体を集積したことを特徴とする。
ここで、『実質的に直線状に配置された』とは、例えば図１２に示すように、前記発熱・吸熱領域と、同一の単位要素の導電性磁性体において隣接する発熱・吸熱領域との間隔Ｄに比較して、隣接する単位要素の導電性磁性体において対向する発熱・吸熱領域との間隔ｄが、例えば半分程度であり、従って隣接する単位要素の導電性磁性体の発熱・吸熱領域に対して、同一の単位要素の導電性磁性体の発熱・吸熱領域による熱的影響が無視でき、効率良くサーモパイル構造の中心部で冷却・加熱能力を向上できる程度のものをいう。

〔８〕前記導電性磁性体は単一の物質から成ることを特徴とする〔１〕乃至〔７〕のいずれか１に記載のサーモパイル型温度制御素子。
〔９〕前記導電性磁性体は、強磁性体、フェリ磁性体または反強磁性体から成ることを特徴とする〔１〕乃至〔８〕のいずれか１に記載のサーモパイル型温度制御素子。
〔１０〕前記導電性磁性体は、ニッケルまたは、ニッケルを４０ｗｔ％以上含む合金から成ることを特徴とする〔１〕乃至〔８〕のいずれか１に記載のサーモパイル型温度制御素子。
〔１１〕前記導電性磁性体は、ニッケルまたは、ニッケルを４０ｗｔ％以上含むＮｉ−Ｆｅ合金から成ることを特徴とする〔１〕乃至〔８〕のいずれか１に記載のサーモパイル型温度制御素子。

〔１２〕 〔１〕乃至〔８〕のいずれか１に記載のサーモパイル型温度制御素子を用いた電子機器。

本発明によれば、磁化と電流の相対角が異なる領域の境界に発熱・吸熱が発生（一様に磁化した線状の強磁性体がＶ字形又はＬ字形に屈曲している場合、Ｖ字形又はＬ字形の突端の近傍に熱源が発生）するという異方性磁気ペルチェ効果の性質を用いて、同符号の温度変化が生じる『突端』が実質的に一ヶ所に集中するように、複数の線状体をＶ字状又はＬ字形に折り曲げて形成した発熱／吸熱機構により、従来の単一ワイヤーにおける異方性磁気ペルチェ効果と比較して、大きな温度変化を起こすことができる。

本発明の一実施形態を示す十字型サーモパイルの構成斜視図である。 本発明の一実施形態を示す十字型サーモパイルの平面図である。 本発明の一実施形態を示す５分枝型サーモパイルの説明図である。 本発明の一実施形態を示す６分枝型サーモパイルの説明図である。 （Ａ）はロックインサーモグラフィ測定システムの全体図、（Ｂ）は印加電流と熱画像出力を説明する図である 異方性磁気ペルチェ効果の測定に用いられる、ロックインサーモグラフィ法の信号処理の流れを説明する図である。 本発明の一実施形態を示す十字型サーモパイルの温度変調の説明図である。 ロックイン周波数（入力電流の周波数）依存性の説明図で、各周波数の温度振幅成分と位相成分の熱画像を示してある。 温度振幅成分と位相成分のロックイン周波数（入力電流の周波数）依存性を説明するグラフである。 定常状態における通常のサーモグラフィ法による測定結果の説明図である。 本発明の一実施形態を示すジグザグ型サーモパイルの構成斜視図である。 本発明の一実施形態を示すジグザグ型サーモパイルの平面図である。

以下、本明細書で用いる技術用語の定義を記載する。
（１）異方性磁気ペルチェ効果
異方性磁気ペルチェ効果とは、強磁性体において発現する磁化と電流の相対角に依存するペルチェ効果をいう。磁化と電流の角度が異なる領域間の境界で熱の吸収・放出が発生するので、異物質の接合界面が無くても生じる。ペルチェ係数を磁化の角度だけで異方的に制御することができる。
（２）サーモパイル
サーモパイルは熱エネルギーと電気エネルギーを相互に直接変換する素子である。従来のゼーベック効果・ペルチェ効果を用いたサーモパイルは、複数の熱電対（ゼーベック係数・ペルチェ係数が異なる異物質の接合）を直列あるいは並列に接続したものであり、その出力は熱電対の個数に比例する。本発明は、異方性磁気ペルチェ効果に対するサーモパイル構造を提案するものであり、熱電対構造を作ることなく、電流と磁化の相対角の設計のみで単一物質からサーモパイルを構成できることを特徴とする。

図１は、本発明の一実施形態を示す十字型サーモパイルの構成斜視図である。図２は、本発明の一実施形態を示す十字型サーモパイルの平面図である。
図において、導電性磁性体１０は、例えばニッケル、又はニッケルを４０ｗｔ％以上含むＮｉ−Ｆｅ合金よりなるもので、線状又は薄膜のＶ字形又はＬ字形状をしているものが複数本組み合わせられている。導電性磁性体１０は、Ｖ字形又はＬ字形状の突端１２と、この突端１２付近を境界として第１の磁化方向１４と、第２の磁化方向１６の領域を有している。第１の磁化方向１４では、導電性磁性体１０の突端から一方の端部に向かう方向と平行になっている。第２の磁化方向１６では、導電性磁性体１０の突端から他方の端部に向かう方向に対して直交している。

電流印加手段２０は、導電性磁性体１０に対して、図示する流れ方向２４の電流Ｊｃが流れるように電流を供給する直流電源装置である。配線２２は、単位要素の導電性磁性体１０を直列に接続するもので、例えば銅、アルミニューム、銀等の導電性の線状が用いられる。配線２２を導電性磁性体１０と同一材料にすることも可能であり、これによって完全に一種類の材料のみでサーモパイルを構築することができる。
発熱・吸熱領域３０は、一様に磁化した線状の強磁性体がＶ字形又はＬ字形に屈曲している場合、Ｖ字形又はＬ字形の突端の近傍に熱源が発生するという異方性磁気ペルチェ効果の性質を用いて、同符号の温度変化が生じる『突端』が実質的に一ヶ所に集中するように、複数の線状体をＶ字状に折り曲げて形成した部位である。異方性磁気ペルチェ効果によれば、磁化と電流の相対角が異なる領域の境界に発熱・吸熱が発生する。

図１においては、単位要素の導電性磁性体１０における発熱・吸熱領域３０の集積は、導電性磁性体１０によって形成される面に対して面内の領域で行われている場合を示している。なお、単位要素の導電性磁性体における発熱・吸熱領域３０の集積は、導電性磁性体１０によって形成される面に対して垂直の領域で行われてもよい。この場合は、導電性磁性体１０が積層された状態で組み立てられている。
発熱・吸熱領域３０においては、図１（Ａ）に示す電流Ｊｃの方向２４の場合は、発熱３２となる。これに対して、図１（Ｂ）に示す電流Ｊｃの流れ方向２４の場合は、吸熱３４となる。ただし図１は、ペルチェ係数の異方性の符号がニッケルと同じ場合の振る舞いを示したものであり、ニッケルとは逆符号のペルチェ係数の異方性を示す材料を用いれば、電流方向を固定した際の発熱・吸熱の関係が反転する。
なお、図１において十字型サーモパイル構造の総発熱／吸熱量を｜Ｑ｜と表記しているのは、発熱・吸熱領域３０であることを表記するための便宜であり、図２に示す一本当たりの発熱／吸熱量Ｑとは、定量的な意味では相違している。

このように構成された装置において、一様に磁化した線状の強磁性体がＶ字形又はＬ字形に屈曲している場合、Ｖ字形又はＬ字形の突端の近傍に熱源が発生するという異方性磁気ペルチェ効果の性質を用いて、等方的な磁気特性を有する強磁性金属線１本あたりで最も大きな温度変化を起こすためには、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、磁化と電流の相対角が９０度異なる領域を隣接させる必要がある。一様に磁化させた強磁性体線によりサーモパイル構造を作る場合、最も効率が良いのがＬ字形の強磁性体から構成される十字型であり、外部磁場印加で容易に実現可能できる。一本当たりの発熱／吸熱量をＱとすると、十字型サーモパイル構造の総発熱／吸熱量は線状の数に比例して｜４Ｑ｜となる。

図３は、本発明の一実施形態を示す５分枝型サーモパイルの説明図である。
線状の強磁性体４０がＶ字形に屈曲している場合、Ｖ字形の突端４２から一方の端部に向かう第１の強磁性体分枝４４と、他方の端部に向かう第２の強磁性体分枝４６とで、図３に示す５分枝型サーモパイルでの磁気異方性を組み合わせる構成とすることで、本発明のサーモパイルを実現できる。即ち、第１の強磁性体分枝４４では、磁化方向が突端４２から一方の端部に向かう方向と平行になっている。第２の強磁性体分枝４６では、磁化方向が突端４２から他方の端部に向かう方向に対して直交している。Ｖ字形に屈曲している矢印４８は、直流電源装置（図示せず）より配線（図示せず）を介して線状の強磁性体４０に供給される電流Ｊｃの流れ方向を示している。

磁気異方性を駆使してこのような磁化分布を作ることで、各線状の強磁性体のＶ字形に屈曲している角度は、例えば７２度に揃えることで、９０度に固定する必要がなくなる。よって、集積化した角の数に比例した吸熱／発熱を起こすことが可能になるので、図３のサーモパイル構造において発生する総発熱／吸熱量は｜５Ｑ｜となる。
原理的には２次元の集積化に限定されるものではなく、３次元的に多数集積化しても良い。なお、図３に示す５分枝型の磁化分布は、等方的な強磁性体に一様な外部磁場を印加するだけでは実現できない。

図４は、本発明の一実施形態を示す６分枝型サーモパイルの説明図で、（Ａ）はＶ字形の突端から一方の端部に向かう第１の強磁性体分枝と、他方の端部に向かう第２の強磁性体分枝とで異なる磁化方向を組み合わせる構成、（Ｂ）は一様に磁化させた場合を示している。
線状の強磁性体５０がＶ字形に屈曲している場合、Ｖ字形の突端５２から一方の端部に向かう第１の強磁性体分枝５４と、他方の端部に向かう第２の強磁性体分枝５６とで、図４（Ａ）に示す６分枝型サーモパイルでの磁気異方性を組み合わせる構成とすることで、本発明のサーモパイルを実現できる。即ち、第１の強磁性体分枝５４では、磁化方向が突端５２から一方の端部に向かう方向と平行になっている。第２の強磁性体分枝５６では、磁化方向が突端５２から他方の端部に向かう方向に対して直交している。Ｖ字形に屈曲している矢印５８は、直流電源装置（図示せず）より配線（図示せず）を介して線状の強磁性体５０に供給される電流Ｊｃの流れ方向を示している。
このような磁化分布を作ることで、各線状の強磁性体のＶ字形に屈曲している角度は、例えば６０度に揃えるとよい。よって、集積化した角の数に比例した吸熱／発熱を起こすことが可能になるので、図４（Ａ）に示すサーモパイル構造において発生する総発熱／吸熱量は｜６Ｑ｜となる。

図４（Ｂ）はＶ字形に屈曲している線状の強磁性体を６本集積させた構造を一様に磁化させた場合を示している。
線状の強磁性体６０がＶ字形に屈曲している場合、Ｖ字形の突端６４から一方の端部に向かう第１の強磁性体分枝６５と、他方の端部に向かう第２の強磁性体分枝６６とで、図４（Ｂ）に示す６分枝型サーモパイルにおいて本発明のサーモパイルを実現できる。即ち、線状６１、６２を除く４本の線状６０において、第１の強磁性体分枝６５では、磁化方向が突端６４から一方の端部に向かう方向と斜め方向になっている。第２の強磁性体分枝６６では、磁化方向が突端６４から他方の端部に向かう方向に対して直交している。ここで、線状６０は電流と磁化の相対角度差が９０度ではなくなるため、温度変化が小さくなる（Ｑ＞ｑ）。なお、Ｖ字形に屈曲している矢印６８は、直流電源装置（図示せず）より配線（図示せず）を介して線状の強磁性体６０に供給される電流Ｊｃの流れ方向を示している。
他方、線状６１、６２では、線状の強磁性体がＶ字形に屈曲しているものの、Ｖ字形の突端６４から一方の端部に向かう第１の強磁性体分枝と、他方の端部に向かう第２の強磁性体分枝とで、ペルチェ係数が同じになるため、異方性磁気ペルチェ効果による温度変化を出すことができない。
よって、Ｖ字形又はＬ字形に屈曲している線状の強磁性体を外部磁場で一様に磁化させるという限定条件の下では、４本の線状の強磁性体からなる十字構造が最も効率的である。

図５（Ａ）はロックインサーモグラフィ測定システムの全体図、（Ｂ）は印加電流と熱画像出力である。
ロックインサーモグラフィ測定システムは、測定対象となる試料７０、赤外線カメラ８０、ソースメータ９０、演算制御システム１００で構成されている。ここで、サーモグラフィは、物質表面から放射される赤外線の空間分布を検出する測定方式である。赤外線の放射エネルギーは物質の温度に依存するため、適切な校正を行うことで、物質の温度分布を画像情報として取得できる。

試料７０は、例えば図１〜図４に示された異方性磁気ペルチェ効果を有するサーモパイルである。
赤外線カメラ８０は、物体から放射される赤外線を可視化するためのカメラである。赤外線は、絶対温度の４乗に比例して放射量が増えるため、対象の温度変化を赤外線量の変化として可視化することができる。このような温度分布測定法がサーモグラフィである。赤外線カメラには、主に３〜５μｍ程度の波長域の赤外線を検出する半導体センサーを用いた冷却型と、７〜１４μｍ程度の波長域の赤外線を検出するマイクロボロメーターを用いた非冷却型のいずれかが用いられる。

ソースメータ９０は、精密な電圧および電流の印加と測定の両方の機能を提供するもので、動作としては、電圧源、電流源、電圧計、電流計そして抵抗計として働く。ソースメータ９０は、個別測定器を集める場合に比べて多くの利点を有する。たとえば、ＧＰＩＢ転送の時間を削減して試験時間を短縮でき、リモートプログラミングを単純化できる。また、思わぬ過負荷、加熱などによる損傷から被試験デバイスを保護する。電流および電圧印加の両方がプログラマブルでリードバック機能があるので、デバイスの測定品位を大きく高める利点がある。
演算制御システム１００は、フーリエ解析によって電流と同じ周波数で時間変化する温度変化だけを選択的に抽出して可視化する。

このように構成されたロックインサーモグラフィ測定システムでは、図５（Ｂ）に示すように、ソースメータ９０を用いて、試料７０に周期的に変化する電流を印加しながら、赤外線カメラ８０を用いて表面の温度分布を測定する。
そして、演算制御システム１００によって観測された温度分布データをフーリエ解析することによって、ソースメータ９０で印加した電流と同じ周波数で時間変化する温度変化だけを選択的に抽出して可視化する。これにより高感度な熱電効果の測定を実現できると共に、電流の周波数を上げることによって熱拡散による影響を抑制し、発熱源・吸熱源の位置を特定することができる。

図５（Ａ）、（Ｂ）に示す異方性磁気ペルチェ効果の測定態様により、測定対象物のロックイン熱画像の振幅成分１０２と位相成分１０４を得ている。振幅成分１０２は入力電流に応答して生じる温度変化の大きさの空間分布、位相成分１０４は温度変化の符号と熱拡散による時間遅れの空間分布を表す。
このロックインサーモグラフィ測定システムを用いて、試料７０に電流を流した際に生じる温度変化を詳細に測定し、その磁場依存性と空間分布を調べることで、様々な熱応答現象を分離して評価することができる。

図６は異方性磁気ペルチェ効果の測定態様を示すロックインサーモグラフィ法の説明図で、（Ａ）は赤外線画像、（Ｂ）は印加信号波形、（Ｃ）はフーリエ解析、（Ｄ）はロックイン熱画像の振幅成分、（Ｅ）はロックイン熱画像の位相成分である。
図６（Ａ）に示すような赤外線画像は、例えば図５（Ａ）に示す赤外線カメラを用いた撮像システムと、図６（Ｂ）に示す矩形波の駆動電流Ｊｃを用いて得られる。赤外線画像は、試料７０の赤外線画像で、ソースメータの機能のうち直流電源装置９２から供給される電流Ｊｃに応じて変化する。駆動電流波形は、例えば周波数１０Ｈｚ、駆動電流振幅が±１Ａの矩形波電流信号で、例えば図６（Ａ）に示すように、異方性磁気ペルチェ効果の実証実験に使用される試料７０に印加される。
赤外線カメラ８０で得られる赤外線画像は、Ｘ座標とＹ座標で示される試料７０の平面画像であり、例えば１秒当たり３０フレーム画像のような、画像情報に変換される。そして、赤外線画像情報は、図６（Ｃ）に示すようなフーリエ解析の対象となり、ロックイン熱画像の振幅成分と位相成分に分解される。図６（Ｄ）はロックイン熱画像の振幅成分画像１０３、（Ｅ）はロックイン熱画像の位相成分１０５である。

このような赤外線画像解析によると、入力信号に比例して生じる温度変化の高感度熱イメージング計測が行え、例えば温度分解能として０．１ｍＫが得られる。これにより、ペルチェ効果をはじめとした各種熱電効果（電流に応答する温度変化）の温度・磁場・周波数依存性等の系統的評価が行える。また、多数の試料の同時計測が可能となり、熱電材料のハイスループット材料探索が行えるという効果もある。

図７は、本発明の一実施形態を示す十字型サーモパイルの温度変調の説明図で、（Ａ）は温度振幅画像、（Ｂ）は印加信号波形と温度変化との位相差画像、（Ｃ）は定常状態での赤外線画像、（Ｄ）は磁化方向に対して奇の依存性を示す振幅成分、（Ｅ）は（Ｄ）の位相成分、（Ｆ）は磁化方向に対して偶の依存性を示す振幅成分、（Ｇ）は（Ｆ）の位相成分、（Ｈ）は磁化方向に対して偶の依存性を示す信号から磁化方向に依存しないバックグラウンド信号を減算して、異方性磁気ペルチェ効果に由来する信号のみを取り出した熱画像の振幅成分、（Ｉ）は（Ｈ）の位相成分、である。

次に、本発明の一実施形態である十字型サーモパイルにおける温度変調について説明する。試料７０は、Ｌ字形に屈曲している線状の強磁性体を４本用いて、図１、図２に示すように十字型に配置したものであり、具体的にはＮｉ線を用いて構成した。
測定態様は、試料７０に矩形波交流電流を流しながらロックインサーモグラフィ測定システムを用いて、測定する。Ｎｉが磁化しているときのみ、複数の線状体をＶ字状に折り曲げて形成された尖点を実質的に一ヶ所に集めて形成された中心（各Ｎｉの角）に集中した温度変化が発生するが、これは異方性磁気ペルチェ効果に由来するものである。

図８は、異方性磁気ペルチェ効果のロックイン周波数（入力電流の周波数）依存性の説明図で、各周波数の温度振幅成分と位相成分の画像を示してある。図８において、（Ａ１）〜（Ａ１０）は温度振幅画像、（Ｂ１）〜（Ｂ１０）は印加信号波形と温度変化との位相差で、ロックイン周波数は順に２５．０Ｈｚ、１６．７Ｈｚ、１２．５Ｈｚ、１０．０Ｈｚ、５．０Ｈｚ、２．０Ｈｚ、１．０Ｈｚ、０．５Ｈｚ、０．２Ｈｚ、０．１Ｈｚの場合を示している。ロックイン周波数の低下に伴い、温度変化は単調に増大する。１．０Ａの矩形波振幅を持つ電流を０．２ｍｍ角の断面を持つＮｉ線に印加した際、ほぼ定常状態である０．１Ｈｚにおいては、温度変化は１５０ｍＫに到達する。この結果は磁界の強さＨを±３ｋＯｅ（≒±２４０［ｋＡ／ｍ］）として測定したものであり、十字型サーモパイルを構成しているＮｉ線は磁場方向に一様に磁化している。

図９は、異方性磁気ペルチェ効果による温度変化のロックイン周波数（入力電流の周波数）依存性を説明するグラフで、（Ａ）は図８の温度振幅画像の中心位置（十字構造の中心：領域Ｃ）における値、（Ｂ）は図８の位相画像の領域Ｃにおける値を示している。領域Ｃの位置は、図８（Ａ１）および（Ａ６）で定義した。
低ロックイン周波数帯域（例えば２Ｈｚ以下）では定常状態に近い温度分布を示している。これに対して、高ロックイン周波数帯域（例えば２Ｈｚ超）では熱拡散が抑制された過渡状態の温度分布を示している。高ロックイン周波数帯域における結果より、発熱・吸熱源の位置が十字構造の中心に位置しており、異方性磁気ペルチェ効果から予測される振る舞いと一致していることがわかる。

図１０は、定常状態における通常のサーモグラフィ法による測定結果の説明図である。
サーモパイル構造ならば大きな温度変化を起こすことができるため、ロックインサーモグラフィではなく通常のサーモグラフィでも異方性磁気ペルチェ効果を測定可能であることが示されている。

図１１は、本発明の一実施形態を示すジグザグ型サーモパイルの構成斜視図である。図１２は、本発明の一実施形態を示すジグザグ型サーモパイルの平面図である。前述の十字型サーモパイルにおける異方性磁気ペルチェ効果の議論は、ジグザグ型に対しても同様に成り立つ。

図において、導電性磁性体１１０は、例えばニッケル、又はニッケルを４０ｗｔ％以上含むＮｉ−Ｆｅ合金よりなるもので、線状又は薄膜のジグザグ形状を有している。導電性磁性体１１０は、隣接する導電性磁性体１４０に近い側のジグザグ形状の突端１１２と、この突端１１２付近を境界として第１の磁化方向１１４と第２の磁化方向１６を有すると共に、隣接する導電性磁性体１４０から遠い側のジグザグ形状の突端１１８の領域を有している。第１の磁化方向１１４では、導電性磁性体１１０の突端から一方の端部に向かう方向と平行になっている。第２の磁化方向１１６では、導電性磁性体１１０の突端から他方の端部に向かう方向に対して直交している。

導電性磁性体１４０は、例えばニッケル、又はニッケルを４０ｗｔ％以上含むＮｉ−Ｆｅ合金よりなるもので、線状又は薄膜のジグザグ形状が導電性磁性体１１０のジグザグ形状と対になって組み合わせられている。導電性磁性体１４０は、隣接する導電性磁性体１１０に近い側のジグザグ形状の突端１４２と、この突端１４２付近を境界として第１の磁化方向１４４と第２の磁化方向１６を有すると共に、隣接する導電性磁性体１１０から遠い側のジグザグ形状の突端１４８の領域を有している。第１の磁化方向１４４では、導電性磁性体１４０の突端から一方の端部に向かう方向と平行になっている。第２の磁化方向１４６では、導電性磁性体１４０の突端から他方の端部に向かう方向に対して直交している。

電流印加手段１２０は、導電性磁性体１１０、１４０に対して、図示する流れ方向の電流Ｊｃが流れるように電流を供給する直流電源装置である。配線１２２は、単位要素の導電性磁性体１１０、１４０を直列に接続するもので、例えば銅、アルミニューム、銀等の導電性の線状が用いられる。配線１２２を導電性磁性体１１０、１４０と同一材料にすることも可能であり、これによって完全に一種類の材料のみでサーモパイルを構築することができる。
発熱・吸熱領域１３０は、実質的に直線状に配置された離散的な２か所以上に配置する構造で、導電性磁性体１１０、１４０を集積したものである。ここで、『実質的に直線状に配置された』とは、例えば図１２に示すように、前記発熱・吸熱領域と、同一の単位要素の導電性磁性体において隣接する発熱・吸熱領域との間隔Ｄに比較して、隣接する単位要素の導電性磁性体において対向する発熱・吸熱領域との間隔ｄが、例えば半分程度であり、従って隣接する単位要素の導電性磁性体の発熱・吸熱領域に対して、同一の単位要素の導電性磁性体の発熱・吸熱領域による熱的影響が無視でき、効率良くサーモパイル構造の中心部で冷却・加熱能力を向上できる程度のものをいう。

このように構成された装置においては、導電性磁性体１１０、１４０がジグザグ形状に屈曲していると共に、発熱・吸熱領域１３０が実質的に直線状に配置された離散的な２か所以上に配置する構造を有しているので、直線状に配置された発熱・吸熱領域が得られる。例えば、図１２に示すように、各導電性磁性体１１０、１４０が５か所の屈曲部を有する場合には、屈曲部一ヶ所当たりの発熱／吸熱量をＱとすると、サーモパイル構造の中心に沿った総発熱／吸熱量は屈曲部の数に比例して｜５Ｑ｜となる。

なお、本発明の実施例として、図１〜図４や図１１、図１２に示す実施例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の実施態様が、当業者に自明な範囲で考えられるため、このような自明な範囲も本発明の権利範囲に含まれる。

以上詳細に説明したように、本発明によれば、異方性磁気ペルチェ効果がもたらす新しい熱制御機能として、異なる物質の接合の無い、単一の磁性体による電子冷却素子・温度制御素子を構築することができる。異物質接合から構成される従来のペルチェ素子とは異なり、磁性体の形状や磁化分布を変えることによる、熱電変換特性の再構成や、局所的に磁化させることによる任意箇所の温度変調が可能となる。
異方性磁気ペルチェ効果はエレクトロニクス・スピントロニクスデバイスに適した新しいサーマルマネジメント原理であり、ペルチェ素子の小型化・低コスト化・汎用性向上が期待される。以上の性質を活用すれば、集積回路内部へのペルチェ素子の埋め込み、配線そのものを用いた電子冷却等、従来素子では実現できなかった温度制御デバイスの構築が可能となる。

１０、４０、５０、６０、１１０、１４０ 導電性磁性体
１２、４２、５２、６２、１１２、１４２ 突端（発熱・吸熱領域形成用）
１４、１１４、１４４ 第１の磁化方向
１６、１１６、１４６ 第２の磁化方向
２０、１２０ 電流印加手段（電池）
２２、１２２ 配線
２４、１２４ 電流の流れ方向
３０、１３０ 発熱・吸熱領域
３２、１３２ 発熱での熱の流れ方向
３４、１３４ 吸熱での熱の流れ方向
４４、５４、６４ 第１の強磁性体分枝
４６、５６、６６ 第２の強磁性体分枝
７０ 試料（異方性磁気ペルチェ効果を有する素子）
８０ 赤外線カメラ
９０ ソースメータ
１００ 演算制御システム
Ｊｃ 直流電流
Ｍ 磁化

Claims (12)

1. 異方性磁気ペルチェ効果による温度変化が生じる導電性磁性体を単位要素とする複数の導電性磁性体と、
   前記複数の導電性磁性体の各々に電流を印加可能に設けられた電流印加手段と、
   前記単位要素の導電性磁性体における発熱・吸熱領域を、一ヶ所に集める構造で、前記複数の導電性磁性体を集積したことを特徴とするサーモパイル型温度制御素子。
2. 前記単位要素の導電性磁性体における発熱・吸熱領域の集積は、前記導電性磁性体によって形成される面に対して面内の領域で行われることを特徴とする請求項１記載のサーモパイル型温度制御素子。
3. 前記単位要素の導電性磁性体における発熱・吸熱領域の集積は、前記導電性磁性体によって形成される面に対して垂直の領域で行われることを特徴とする請求項１又は２記載のサーモパイル型温度制御素子。
4. 前記単位要素の導電性磁性体における磁化方向は、前記発熱・吸熱領域を境界として、前記導電性磁性体の軸方向と実質的に平行方向の磁化方向を有する第一の磁化領域と、前記第一の磁化領域に対して面内又は面外で斜めに傾斜した方向又は直交方向の磁化方向を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のサーモパイル型温度制御素子。
5. 前記単位要素の導電性磁性体は、前記発熱・吸熱領域を頂点とするＶ字形又はＬ字形を有することを特徴とする請求項４記載のサーモパイル型温度制御素子。
6. 前記単位要素の導電性磁性体を、前記導電性磁性体によって形成される面に対して２本以上有することを特徴とする請求項５記載のサーモパイル型温度制御素子。
7. 異方性磁気ペルチェ効果による温度変化が生じる導電性磁性体を単位要素とする複数の導電性磁性体と、
   前記複数の導電性磁性体の各々に電流を印加可能に設けられた電流印加手段と、
   前記単位要素の導電性磁性体における発熱・吸熱領域を、直線状に配置された離散的な２か所以上に配置する構造で、前記複数の導電性磁性体を集積したことを特徴とするサーモパイル型温度制御素子。
8. 前記導電性磁性体は単一の物質から成ることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のサーモパイル型温度制御素子。
9. 前記導電性磁性体は、強磁性体、フェリ磁性体または反強磁性体から成ることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のサーモパイル型温度制御素子。
10. 前記導電性磁性体は、ニッケルまたは、ニッケルを４０ｗｔ％以上含む合金から成ることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のサーモパイル型温度制御素子。
11. 前記導電性磁性体は、ニッケルまたは、ニッケルを４０ｗｔ％以上含むＮｉ−Ｆｅ合金から成ることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のサーモパイル型温度制御素子。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のサーモパイル型温度制御素子を用いた電子機器。