JP5854192B2

JP5854192B2 - 位置検出装置

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Publication number: JP5854192B2
Application number: JP2011176035A
Authority: JP
Inventors: 明宏桐原; 石田　真彦; 真彦石田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2011-08-11
Filing date: 2011-08-11
Publication date: 2016-02-09
Anticipated expiration: 2031-08-11
Also published as: JP2013041325A

Description

本発明は、熱の生成した位置を検出する装置に関する。

２次元的な位置情報を検出可能な素子は、タッチパネルなどのユーザーインターフェースや、センサ・カメラなどの画像・情報取得装置など、様々なデバイスで活用されており、今後もクラウド社会におけるサイバー空間と実空間との間の接点として、ますます重要なものになると考えられる。

例えば、タッチパネルに関しては、抵抗膜方式、静電容量方式、赤外線方式など、多くの方式が提案・実証されている。

抵抗膜方式では、上部導電膜と下部導電膜を近接配置し、これらのいずれか一方にバイアス電圧を印加した状態で待機させておく。ここで、外部からタッチによる圧力が加わると、タッチしたポイントで上部導電膜と下部導電膜とが接触・通電することから、その地点での電位を計測することで、座標を決定することができる。

一方、静電容量方式では、パネル上に配置された電極もしくは導電膜に、駆動電圧を適切に印加した状態で待機させておく。ここで、指などでパネルをタッチすると、これが静電容量の変化を生じさせることから、これに付随した電圧変化を多地点で読み取ることで、タッチされたポイントを検出することができる。

また、赤外線方式では、パネル上の一端に赤外線発光素子（ＬＥＤ）、他端に赤外線受光素子（フォトトランジスタ）を、それぞれアレイ状に配置し、赤外線を連続的に走査した状態で待機させておく。ここで、外部から指などが近づくと、これによって赤外線が遮断され、該当する位置のフォトトランジスタがＯＦＦになることから、タッチされたポイントを検出することができる。

特許文献１及び２には、後述するごとく、本発明においても利用するスピンゼーベック効果などを利用した熱／スピン流変換素子、スピントロニクスデバイスが開示されている。

特許文献３には、抵抗膜式タッチパネルの一例が開示されている。また、非特許文献１には、スピンゼーベック理論について開示されている。

特開２００９−１３００７０号公報特開２００９−２９５８２４号公報特開２０１０−０５５４５３号公報

ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＢ８１，２１４４１８

しかし、抵抗膜方式、静電容量方式、赤外線方式等のタッチパネル方式では、位置を検出するためにバイアス電圧印加や光学的走査等のプローブ駆動手段に外部電源を必要とすることから、待機電力が大きくなる。このため、電力供給が難しい場面では利用が制限され、電池を用いた場合でも、その交換などの保守・管理負担が避けられない。将来的なセンサネットワークやユビキタス端末など、屋内・屋外問わず様々な場面での利用が期待される状況においては、電源が不要、もしくは実効的な発電機能が組み込まれた位置検出手段が求められる。

そこで、本発明の目的は、外部電源が不要な位置検出装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の位置検出装置は、磁化を有する磁性体層と、スピン軌道相互作用を有する材料を含む位置検出電極群と、位置情報入力手段とからなる。位置検出装置の駆動バイアス源としては、磁性体層に印加された温度勾配によって熱起電力を生成するスピンゼーベック効果を用いる。これにより、位置検出電極群中にバイアス電場が印加された状態を位置検出装置の待機状態とする。この状態で、位置検出電極群の実効等価回路の一部を局所変調することで、位置情報を入力する。

具体的には、外部からの種々の入力手段による静電容量変調や抵抗変調によって、位置検出電極群の実効的な等価回路特性を変調することで、位置検出電極群における起電力分布が変化させる。この変調信号を読み取ることで、入力手段が行使された２次元位置情報の検出が可能となる。

本発明で示した構造により、外部電源が不要な位置検出装置が可能となり、簡便な構成による低待機電力のタッチパネルやタッチパッドなどを実現することができる。

スピンゼーベック効果の原理を説明する図である。本発明の第１の実施の形態である位置検出装置を示す図で、（ａ）は斜視図，（ｂ）は平面図である。本発明の第１の実施の形態で利用する位置検出電極構造を説明する図で、（ａ）は平面図，（ｂ）は（ａ）のＸ位置検出電極を示す平面図，（ｃ）は（ａ）のＹ位置検出電極を示す平面図、（ｄ）は（ａ）の部分平面図、（ｅ）は（ｄ）における位置検出電極の部分６２の拡大斜視図である。本発明の第１の実施の形態の待機状態における、スピンゼーベック起電力による駆動バイアス生成原理を説明する図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は上から見た図、（ｄ）は（ｃ）の符号６３で示す部分の電極の等価回路である。本発明の第１の実施の形態における位置検出動作を説明する図で、（ａ）は待機状態を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の一部分の断面図、（ｃ）は（ｂ）の符号６４で示す位置検出電極５３・ｘ３の等価回路を示す図、（ｄ）は位置情報の入力後の状態を示す図、（ｅ）は（ｄ）の断面図，（ｆ）は符号６４´部分の位置検出電極５３・ｘ３の等価回路を示す図である。本発明の第１の実施の形態の実施例を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は部分６５を示す断面図、（ｃ）は（ａ）の平面図、（ｄ）は（ｃ）の部分６６の拡大図、（ｅ）は（ｄ）の符号６７に相当する斜視図である。本発明の第２の実施の形態である位置検出装置を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は外部磁場の時間依存性、（ｃ）は磁化の時間依存性を示す図、（ｄ）はスピンゼーベック効果（生成電場）の時間依存性を示す図である。本発明の第２の実施の形態における熱起電力の変調（反転）の磁化方向依存性について説明する図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は電極の等価回路を示す図、（ｄ）は本発明の第２の実施の形態における熱起電力の変調（反転）の磁化方向依存性について説明する図で、（ｅ）は平面図、（ｆ）は（ｅ）の電極の等価回路を示す図である。本発明の第３の実施の形態である位置検出装置を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。本発明の第３の実施の形態における位置検出動作を説明する図で、（ａ）は待機状態を示す図、（ｂ）は（ａ）の断面図、（ｃ）は部分６８の位置検出電極５３・ｘ３の等価回路を示す図、（ｄ）は位置情報の入力状態を示す斜視図、（ｅ）は（ｄ）の位置部分を示す断面図，（ｆ）は（ｅ）の部分６９の位置検出電極５３・ｘ３の等価回路図である。本発明の第３の実施の形態の実施例を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の部分７１を示す図、（ｃ）は（ａ）の部分７２を示す断面図で、（ｄ）は平面図、（ｅ）は部分７３を示す図で、（ｆ）は部分７４の斜視図である。本発明の位置検出装置の第４の実施の形態を示す図で、（ａ）は位置情報の入力状態を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の部分７５の待機状態を示す断面図、（ｃ）は（ａ）の部分７５の入力時の状態を示す断面図である。本発明の第４の実施の形態である位置検出装置の位置入力動作を説明する図で、（ａ）は待機状態を示す斜視図で、（ｂ）は（ｃ）の等価回路を示す図で、（ｃ）は待機状態を示す部分断面図、（ｄ）は位置情報の入力状態を示す斜視図、（ｅ）は（ｆ）の等価回路図で、（ｆ）は入力状態を示す部分断面図である。本発明の第４の実施の形態の実施例を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は部分７８を示す断面図である。

本発明の位置検出装置は、２次元平面において外部入力手段が行使された箇所を特定する装置であって、これを駆動するためのバイアス電源として、磁性体中の温度勾配から熱起電力を生成するスピンゼーベック効果を用いる。

本発明の位置検出装置は、いずれの実施形態においても、このスピンゼーベック効果によるバイアス電圧生成部（熱電変換部）を有している。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態では、静電容量型位置検出装置について説明する。

［原理］
本発明の位置検出素子は、発熱部分の２次元座標を特定する素子であって、温度勾配から熱起電力を生成するスピンゼーベック効果を用いる。

図１は、特許文献１などで示されているスピンゼーベック効果の基本的な構成・原理を示す図である。図１に示すように、基本的な素子構造は、図示しない基板上に成膜した磁化Ｍを有する磁性体層２と、その上部に配置された金属ワイヤ膜からなる金属電極５０とを有する。このような構造に対して面直方向の温度勾配を図面ｚ方向に印加した場合、金属電極５０と磁性体層２の間の界面４５に矢印２１に示すスピン流Ｊ_ｓが誘起される。このスピン流Ｊ_ｓを、金属電極５０における逆スピンホール効果によって、電気的な起電力信号に変換することで、「温度勾配から熱起電力を生成する熱電変換」が可能となる。

図１では、熱電変換の具体例として、素子の上面２ａと底面４ａの間に温度差ΔＴを印加した場合を示している。この場合、スピンゼーベック効果によって、金属電極５０／磁性体層２の界面４５において、電子とマグノンの有効温度差Ｔｍｅによってスピン流Ｊ_ｓが駆動される。この界面４５で生成されたスピン流Ｊ_Ｓは、金属電極５０内において、逆スピンホール効果によって、電場Ｅ _ＩＳＨＥに変換され、金属電極５０の端部５１，５２間には起電力信号Ｖが生じる。ここで、電場Ｅ_ＩＳＨＥとスピン流Ｊ_ｓ、磁化Ｍとの関係は、以下の式で与えられる。
Ｅ_ＩＳＨＥ＝（θ_ＳＨρ）Ｊ_ｓ×Ｍ／│Ｍ│

ここで、θ_ＳＨはスピンホール角（電流−スピン流間の変換効率に相当）、ρは金属電極５０のシート抵抗を表す。この式が示すように、熱誘起された電場Ｅ_ＩＳＨＥは、スピン流Ｊ_ｓと磁化Ｍの両方に垂直な方向に生じる。従って、金属電極５０に生じる熱起電力Ｖも、スピン流Ｊ_ｓ及び温度勾配の方向（ｚ方向）と磁化方向（ｘ方向）にそれぞれ垂直な方向（ｙ方向）において、大きな値を有する。

本発明では、このスピンゼーベック効果を駆動バイアス源として用いることで、外部電源が不要な位置検出装置を実装する。

［構成］
図２は第１の実施の形態による静電容量型位置検出装置の基本素子構造を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施の形態では、位置情報の入力手段として、静電容量の変調を用いており、この容量変化を測定する静電容量検出装置１１，１２を有することで位置検出機能を実現する。

この素子の最小構成単位は、磁性体層２と、磁性体層２の上部にさらに設けられた位置検出電極群５とを備えてなる。位置検出電極群５は、Ｘ位置検出電極５３（ｘ１〜ｘ８）とＹ位置検出電極５４（ｙ１〜ｙ８）とを有する。これらの積層構造は、熱源４の近傍に配置されており、積層面に垂直な方向（面直方向Ｚ）に定常的な温度勾配が印加されている。また、必要に応じて熱源４と磁性体層２との間にバッファ層６を挿入し、素子を保護するカバー層３を用いる。

図３（ａ）は、図２（ｂ）の位置検出電極群５を示す平面図で、図３（ｂ）は図３（ａ）のＸ位置検出電極５３を示す図、図３（ｃ）は、Ｙ位置検出電極５４を示す図、図３（ｄ）は図３（ａ）の部分６１における位置検出電極の拡大図、図３（ｅ）は図３（ｄ）における位置検出電極の部分６２の拡大斜視図である。図３（ａ），（ｂ），（ｃ），及び（ｄ）に詳しく示すように、本発明の第１の実施の形態において、２次元位置を電気的に検出するための位置検出電極群５は、図面のｙ方向に伸びた複数の（ここでは８本の）Ｘ位置検出電極５３・ｘ１〜ｘ８と、図面のｘ方向に伸びた複数の（ここでは８本の）Ｙ位置検出電極５４・ｙ１〜ｙ８とからなるマトリックス構造を有する。なお、ここでは、それぞれのＸ位置検出電極５３を左からｘ１〜ｘ８、Ｙ位置検出電極５４を上からｙ１〜ｙ８と定義している。

このようにマトリックス状に配置された位置検出電極群５を用いることで、加熱された２次元位置座標を正確に把握することが容易になる。

さらに、図３（ａ）乃至（ｃ）に示すように、菱形をつなげた電極形状の採用は、単純な線形状電極のマトリックス配置と比較して、以下の３つ点で望ましい。

（１）電極が磁性体と接する面積を最大化し、磁性体中で熱駆動されるスピン流のエネルギーを最大限に有効活用する。
（２）十分な電極面積を確保することで、後述する静電容量変調手段による容量変調を十分大きなものとし、高感度化を図る。
（３）Ｘ位置検出電極５３とＹ位置検出電極５４とが重なる面積を小さくして、これらの間の信号干渉による位置検出分解能の低下を防ぐ。

以上の点から、図３のような形状の位置検出電極群５を用いることは特に望ましい。ただし、これ以外の形状でも位置検出動作は可能であり、ここで示した構造に必ずしも限定されない。

なお、本実施の形態では、図３（ｄ）及び（ｅ）に示すように、Ｘ位置検出電極５３・ｘ１〜ｘ８と、Ｙ位置検出電極５４・ｙ１〜ｙ８とが交わる交差点において、絶縁層７を挿入することで、これらの間の電気的導通に伴う信号干渉を防いでいる。高分解能の位置検出が求められる用途では、このような電極間の電気絶縁を行うことが望ましい。ただし、電極の抵抗が高い場合には、絶縁層７がなくても動作は可能である。

以下では、これらの各構成要素において、望ましい材料・構造・作製方法などについて説明する。

磁性体層２は、膜面（図２のｘｙ面）に平行な一方向の磁化を有しているものとする。スピンゼーベック効果の発現に必要な対称性を満たすために、磁性体層２は、位置検出電極群５におけるＹ位置検出電極５４・ｙ１〜ｙ８の長手方向（ｘ方向）に対しても、Ｘ位置検出電極５３・ｘ１〜ｘ８の長手方向（ｙ方向）に対しても、有限な角度をもつ方向に磁化Ｍを有するものとする。具体的には、ＸＹ面内で３０〜６０°、１２０〜１５０°、−３０〜−６０°、−１２０〜−１５０°のいずれかの範囲内の磁化方向を有することが望ましい。特に、Ｘ方向とＹ方向の中間（ｘｙ面内の４５°、１３５°、−４５°、−１３５°のいずれか）に磁化方向を有することが最も望ましい。

位置検出電極群５に生じる熱起電力信号によって高い分解能を有する位置検出機能を実現するためには、これに接する磁性体層２として、電気伝導性の低い材料を採用することが望ましい。加えて、（イ）熱が逃げるのを防いで（温度差を保持して）高感度な熱起電力を生成する、（ロ）熱拡散を抑制して高い位置検出分解能を実現する、という２つの目的から、熱伝導率の小さい材料を用いることが望ましい。以上の理由から、本発明の実施の形態では、伝導電子による導電性が無く、熱伝導も小さな磁性絶縁体を用いる。

磁性体層２の具体的な材料としては、例えば、ガーネットフェライト、スピネルフェライトなどの酸化物磁性材料を適用することができる。このようなガーネット磁性体は、引き上げ法やブリッジマン法といった融液からの結晶成長法などで作製できるほか、液相エピタキシャル成長法によっても結晶薄膜が作製できる。また、例えば有機金属堆積法（ＭＯＤ（Metal Organic Deposition）法）、ゾルゲル法、エアロゾルデポジション法（ＡＤ（Aerosol Deposition）法）といった塗布・印刷ベースの成膜方法によっても、基板上に成膜することができる。このような生産性の高い成膜法を用いれば、大面積基板にも一括成膜することが可能で、低コストな位置検出装置の実装が可能となる。

また、ＹＩＧ（Yttrium Iron Garnet：イットリウム鉄ガーネット）などのガーネット膜は広い波長範囲で透過性が高いことから、タッチパネル素子のように、ディスプレイ等と組み合わせて用いる透明な位置入力デバイスとしての応用に特に適している。

さらに、磁性体層２として保磁力を有する磁性材料を用いれば、一旦外部磁場などで磁化方向を初期化しておくことで、ゼロ磁場の下でも動作可能な素子が得られる。

位置検出電極群５は、逆スピンホール効果を用いて熱起電力を取り出すために、スピン軌道相互作用を有する材料を含んでいる。例えば、スピン軌道相互作用の比較的大きなＡｕやＰｔ、Ｐｄ、Ｉｒなどの金属材料、またはそれらを含有する合金材料を用いる。また、Ｃｕなどの低コスト・低抵抗金属に、上記のようなスピン軌道相互作用を有する不純物を少量（１〜１０％程度）ドープした材料でも、熱起電力を取り出すことができる。

このような位置検出電極群５は、金属マスク法や光リソグラフィ法などのパターニングプロセスと併用して、スパッタや蒸着などの方法で成膜する。また、インクジェット法やスクリーン印刷法などの方法でも作製できる。

ここで、スピン流を高い効率で無駄なく電気に変換するためには、位置検出電極群５の厚さは、少なくとも金属材料のスピン拡散長以上に設定するのが好ましい。例えば、Ａｕであれば５０ｎｍ以上、Ｐｔであれば１０ｎｍ以上に設定するのが望ましい。ただし、本実施の形態のように熱起電力を電圧信号として電位計で読み取る用途では、シート抵抗ρが大きいほうが望ましく、このため位置検出電極群５が薄いほどより大きな電圧出力が得られる。これら両方を考慮すると、位置検出電極群５の厚さは、金属材料のスピン拡散長程度が最も望ましい。

例えば、Ａｕであれば５０〜１００ｎｍ程度、Ｐｔであれば１０〜３０ｎｍ程度に設定する。

カバー層３の材料・構造としては、以下の２点を満たすことが望ましい。

（１）位置検出電極群５（Ｘ位置検出電極５３・Ｙ位置検出電極５４）と磁性体の積層構造からなる熱起電力生成部を保護する材料・構造。
（２）外部からの静電容量変調手段による静電容量変化が十分に達成できるような高誘電率材料もしくは薄い膜厚構造。

上記の条件を満たすために、カバー層３の厚さは０．０１ｍｍ以上かつ１ｍｍ以下が望ましい。

具体的な材料としては、石英ガラスや合成サファイアなどの酸化物材料などが利用できる。また、アクリル系樹脂やポリイミドなどの有機樹脂材料を用いれば、塗布・印刷プロセスで作製することもできる。

熱源４は、Ｘ位置検出電極５３、Ｙ位置検出電極５４、及び磁性体層２に温度勾配を印加するためのものであり、室温より高い温度を有する物体であれば、詳細は問わない。例えば、ディスプレイや、ＩＴ機器の側面、太陽光が当たる建築物の壁や窓など、様々なものが利用できる。また、室温より低い温度を有する冷熱源を用いてもよい。

〔基本動作および検出方法の説明〕
次に、本発明における位置情報の検出方法について説明する。本実施の形態では、位置情報の入力手段として静電容量の変調を用いており、この容量変化ΔＣを、静電容量検出装置１１、１２を用いて測定することで、位置検出機能を実現する。

まず、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は位置検出装置に入力手段が行使されていない待機状態を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は平面図、（ｄ）は（ｃ）の部分６３の電極の等価回路である。図４（ａ）の斜視図に示すように、位置検出電極群５／磁性体層２には、熱源４に近接させることによって定常的な温度勾配ΔＴが印加された状態となっている。これによるスピンゼーベック効果の結果、図４（ｂ）の断面図のように、加熱地点近傍の位置検出電極群５／磁性体層２界面において、スピン流Ｊ_Ｓが誘起される。このスピン流Ｊ_Ｓは、位置検出電極群５における逆スピンホール効果を通して、図４（ｃ）のように電場Ｅ_ＩＳＨＥを生成し、電気的に測定可能な起電力信号へと変換される。

これは、等価回路としては図４（ｄ）のように、スピンゼーベック効果による電流源と、電極材料に依存する内部抵抗とを並列配置したものとして表現できる。

本発明では全ての実施の形態を通して、このスピンゼーベック効果による熱起電力を、本発明の位置検出装置における実効的なバイアス電源として利用する。

位置情報の検出を可能にするために、位置検出電極群５における静電容量を、静電容量検出装置１１、１２によって評価する。入力手段が行使されない待機状態においても、静電容量検出装置１１，１２によって、位置検出電極群５における静電容量の測定・記録を継続的に行うが、この場合の静電容量値は通常一定値を示す。

図５は位置検出装置の動作説明に供せられる図で、（ａ）は待機状態を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の断面図、（ｃ）は（ｂ）の部分６４の位置検出電極５３・ｘ３の等価回路図、（ｄ）は位置情報を入力したときの状態を示す斜視図で、（ｅ）は（ｄ）の部分断面図、（ｆ）は（ｅ）の部分６４′の位置検出電極５３・ｘ３の等価回路図である。

ここで、図５（ａ）の待機状態から、図５（ｄ）のように、静電容量変調手段１０が素子に近接させると、位置検出電極群５と静電容量変調手段１０との間に追加的な静電容量ΔＣが生じる結果、静電容量検出装置１１、１２で測定される静電容量値に変化が生じる。

簡単な静電容量変化の評価法としては、例えば、各位置検出電極における出力電圧値の測定などを採用することができる。静電容量ΔＣの追加による素子の等価回路変化に伴って、スピンゼーベック起電力によって位置検出電極群５に生じる電圧分布も変化する。したがって、この電気特性変化を、静電容量検出装置１１、１２によって検出・記録することで、入力手段が行使された２次元位置情報を決定するための参照信号が得られる。

このような静電容量変調においては、Ｘ位置検出電極５３・ｘ１〜ｘ８およびＹ位置検出電極５４・ｙ１〜ｙ８の中で、静電容量変調手段１０による入力が行われた座標に近い電極ほど大きな容量変化を受ける。

従って、例えば、Ｘ位置検出電極５３・ｘ１〜ｘ８の中で、どの電極が大きな容量変化を示したかを調べることで、入力が行われたｘ座標を推定できる。同様に、Ｙ位置検出電極５４・ｙ１〜ｙ８の容量評価結果から、入力のｙ座標を推定できる。このように、それぞれの電極における静電容量変化の大きさを相対比較することによって、２次元位置情報の決定が可能となる。

なお、このような位置検出動作を行う際、容量変化を高感度でプローブするためには、印加するバイアスはパルスであるか、交流（ＡＣ）成分を有することが望ましい。本実施の形態では、静電容量変調手段１０を素子に接触させた際の素子の温度変化によって、スピンゼーベック効果によるバイアス起電力の大きさが変調されることから、これによるＡＣバイアス成分を利用することで、容量変化測定を可能にしている。

この方法で検出できる情報は、単純な２次元位置座標のみに限られない。例えば容量変調が生じた場所の空間的な広がりについても、複数の電極の信号から推定することができる。また、多地点で同時に静電容量変化が生じた場合についても、複数の電極における容量評価によって各地点の位置情報の推定が可能で、多重入力が可能な位置検出装置としても利用できる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態では、バイアス変調手段を有する静電容量型位置検出装置について説明する。

第１の実施の形態で述べたように、静電容量変化を検出して位置入力動作を行うには、バイアスが交流成分を有することが望ましい。本実施の形態では、図７（ａ）に示すように、外部磁場Ｈを素子に対して印加し、その向きを変調することによって、磁化Ｍの方向を周期的に反転させ、交流バイアスを生成する。

図７（ｂ）は外部磁場の時間依存性、図７（ｃ）は磁化の時間依存性、図７（ｄ）はスピンゼーベック効果（生成電場）の時間依存性を夫々示している。

図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、及び（ｄ）に示すように、ｘ軸とｙ軸の中間方向（外部磁場Ｈが正の場合は４５°方向で、外部磁場Ｈが負の場合は−１３５°方向）に、外部磁場Ｈを印加しており、外部磁場Ｈが正と負の値を交互に取るように、その大きさを連続的に変化させている。外部磁場Ｈが磁性体層２の保磁力を超えると、磁性体層２の磁化Ｍは、外部磁場Ｈの向き（４５°もしくは−１３５°）に揃うように向きを変える。

前述したように、スピンゼーベック効果および逆スピンホール効果に基づいて生成される電場Ｅ_ＩＳＨＥの方向は、磁化方向に依存する。このため、磁化の向きが反転すると、電場Ｅ_ＩＳＨＥの符号も反転する。

この結果、図８に示すように、実効的な等価回路における電流源の方向、すなわち起電力の方向も、外部磁場Ｈによって反転する。図７（ａ）、（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）に示すように外部磁場Ｈを周期的に反転させると、図８（ａ）〜（ｃ）と図８（ｄ）〜（ｆ）の状態を交互に繰り返すことになる。従って、外部磁場Ｈを用いて磁化方向を変調することによって、バイアス起電力は交流となる。この交流バイアスを用いることで静電容量変化をより高い感度で検出することが可能となる。

なお、本実施の形態では、外部磁場で磁化を変調することで交流成分を作り出しているが、交流バイアス生成法はこれに限られない。例えば、温度や振動（歪み）など、別のパラメータを変調することで交流成分を生成してもよい。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態による抵抗変化型位置検出装置について説明する。

上記の実施の形態では、素子の等価回路特性の中で、特に静電容量のパラメータを変調することによって、位置情報の入力を行った。しかし、スピンゼーベック効果を駆動バイアスとして用いる場合、位置情報入力機能の実装は、上記の静電容量方式に限られず、他の回路パラメータを変えることによっても実現できる。本実施の形態では具体例として、素子の抵抗パラメータを変化させることで、位置入力を行う。

図９（ａ）及び（ｂ）は本発明の抵抗変化型位置検出装置の概略を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。

図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、本発明の第１の実施の形態と同様に、位置検出電極群５／磁性体層２部分に定常温度勾配ΔＴを印加することにより、位置検出電極内に起電力を生成させ、これを駆動バイアスとして用いる。第１の実施の形態との違いは、カバー層３を無くした点と、入力手段として抵抗変調手段３０を用いている点にある。

抵抗変調手段３０は、上記の抵抗パラメータ変調のために、素子に接触させる表面に導電性を有する材料を含むことが望ましい。

図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、及び（ｆ）は、抵抗変化型位置検出装置の動作原理を示す図で、（ａ）は待機状態、（ｂ）は（ａ）の断面図、（ｃ）は（ｂ）の一部分６８の位置検出電極５３・ｘ３の等価回路図、（ｄ）は位置情報の入力状態を示す斜視図、（ｅ）は（ｄ）の一部分を示す断面図、（ｆ）は（ｅ）の部分６９の位置検出電極５３・ｘ３の等価回路図である。本実施の形態では、位置情報の入力方法として外部手段による電極部分の抵抗変化を用いており、この抵抗変化ΔＲを、抵抗変化検出装置１３、１４を用いて測定することで、位置検出機能を実現する。

ここでは、熱源４に起因するスピンゼーベック効果の結果、電極には熱起電力が定常的に印加された状態になっており、これを実効的なバイアス電源として利用する。

位置情報の検出を可能にするために、位置検出電極群５における抵抗変化を、抵抗変化検出装置１３、１４によって評価する。具体的には、スピンゼーベック効果に基づく熱起電力（電圧）分布の変化を観測することで、実効的な抵抗測定が可能となる。

図１０（ａ）のように、入力手段が行使されない待機状態においても、抵抗変化検出装置１３，１４によって抵抗値の測定・記録は継続的に行うが、この場合の抵抗値は通常一定値を示す。ただし、スピンゼーベック効果によって、位置検出電極群５／磁性体層２の境界面にスピン流Ｊ _Ｓが形成される。

ここで、図１０（ｄ）のように、表面に導電性を有する抵抗変調手段３０を、位置検出電極群５に対して接触させると、位置検出電極群５における抵抗状態が局所的に変化する。具体的には、外部から導電性物体が電極膜に接触する結果、この部分の実効的な電極膜厚が局所的に増大し、抵抗が低下する。この効果は、等価回路的には、追加的な抵抗ΔＲが、電極の内部抵抗に対して並列に加わったものとみなすことができる。このように電極等価回路が変化する結果、熱起電力による電圧分布も変化する。したがって、この電気特性変化を、抵抗変化検出装置１３、１４によって検出・記録することで、入力手段が行使された２次元位置情報を決定するための参照信号を得ることができる。

なお、本実施形態では、抵抗変化に基づく位置検出を行っていることから、バイアス起電力が完全に直流であっても動作上の問題は生じない。

（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態である抵抗変化型位置検出装置について説明する。第３の実施形態と同様の原理を用いているが、本実施の形態も、構成・動作上の異なる点として、抵抗変調手段３０で直接電極の抵抗を変調するのではなく、圧力印加手段４０を用いて、抵抗変調層４１を電極に押し付けることによって、入力を行う。

図１２（ａ）は本発明の第４の実施の形態である抵抗変化型位置検出装置を示す斜視図で、（ｂ）は（ａ）の一部分７５の待機状態を示す断面図で、（ｃ）は（ａ）の一部分７５の入力時の状態を示す断面図である。

図１２（ａ）に示すように、第４の実施の形態による素子の基本構成は第３の実施の形態と同じだが、位置検出電極群５の上に、ドットスペーサ４２を介して、抵抗変調層４１を配置している。

抵抗変調層４１は、位置検出電極群５の等価回路を変化させるためのものであり、金属や半導体などの導電材料を表面に含むことが望ましい。ただし、圧力印加によって歪むような弾力性を有する材料特性が必要で、歪みに対する耐性（壊れにくさ）も求められる。

ドットスペーサ４２は、待機状態において抵抗変調層４１と位置検出電極群５とを隔離するために用いるものであり、絶縁体材料で構成されることが望ましい。例えばガラスビーズなどのアモルファス酸化物や、アクリルウレタン、ポリイミドなどの有機樹脂材料が利用できる。

図１２（ｂ）に示すように、圧力が印加されない待機状態では、位置検出電極群５と抵抗変調層４１とはドットスペーサ４２によって隔離されているために、これらの間は電気的な絶縁状態にある。ここで、図１２（ｃ）に示すように、外部から圧力印加手段４０によって素子上面に圧力が印加されると、抵抗変調層４１が下方に歪むことによって、これと位置検出電極群５とが局所的に導通する。本実施の形態では、これによる位置検出電極群５内での回路特性の変化を利用して、位置入力動作を実現する。

図１３（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），及び（ｅ）は具体的な動作例を示している。

図１３（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）の状態から、図１３（ｄ），（ｅ），（ｆ）に示すように、上面に圧力が印加され、素子の抵抗状態が変化することから、出力電圧分布も変化する。これを検出することで位置情報の入力が可能となる。

以上説明したように、本発明による位置検出装置では、スピンゼーベック効果を用いて熱発電した起電力を駆動バイアス電源として利用することから、ＩＴ機器などの発熱や、太陽光などによる環境熱を用いれば、外部電源が不要な位置検出手段を提供できる。これにより、簡便な構成による低待機電力のタッチパネルやタッチパッドなどへの応用が可能となる。

以下、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
次に、本発明の具体的な実施例を、図６を参照して説明する。

図６は本発明の実施例１に係る位置検出装置を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の一部分６５を示す断面図、（ｃ）は平面図、（ｄ）は（ｃ）の一部分６６の拡大図、（ｅ）は（ｄ）の一部分６７の拡大斜視図である。

ここでは、サイズ３０×３０ｍｍ^２の素子を示している。磁性体層２としては膜厚１μｍのイットリウム鉄ガーネット（以後、ＹＩＧと呼ぶ。組成はＹ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２）を、位置検出電極群５の材料としては膜厚１０ｎｍのＰｔをそれぞれ用いている。バッファ層６には厚さ０．１ｍｍのガラス（合成石英板）を、カバー層３には厚さ０．１ｍｍの合成サファイア板を採用した。なお、熱源４としては、ここでは表面温度が４０℃に加熱されているガラス材を用いている。

ＹＩＧからなる磁性体層２は、バッファ層６上にエアロゾルデポジション法により成膜する。ＹＩＧ原料には、直径７００ｎｍのＹＩＧ微粒子を用いる。このＹＩＧ微粒子をエアロゾル発生容器に詰めておき、基板に相当するバッファ層６は成膜チャンバ内のホルダーに固定する。この状態で成膜チャンバとエアロゾル発生容器との間に圧力差を生じさせることで、ＹＩＧ微粒子が成膜チャンバ内へと引き込まれ、ノズルを通してバッファ層６上に吹き付けられる。このときのバッファ層６での衝突エネルギーによって微粒子が粉砕・再結合し、ＹＩＧ多結晶が形成される。基板ステージを２次元的にスキャンすることで、均一なＹＩＧ磁性体層２を膜厚１μｍで成膜する。ＹＩＧ表面は、Ｐｔとの良好な界面を得るために、研磨を行っている。

（実施例２）
図１１は本発明の第３の実施の形態に対応する具体的な実施例２を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は一部７１の断面図、（ｃ）は（ａ）の一部７２を示す断面図、（ｄ）は平面図、（ｅ）は（ａ）の一部分７３の拡大図、（ｆ）は（ｅ）の一部分を示す斜視図である。素子サイズは３０×３０ｍｍ^２で、磁性体層２としては膜厚１μｍのＹＩＧを、位置検出電極群５の材料としては膜厚１０ｎｍのＰｔをそれぞれ用いている。熱源４としては、ここでは表面温度が４０℃に加熱されているガラス材を用いている。これらは、第１の実施形態で示した実施例と同様の方法で作製する。電極構造やサイズ等についても、第１の実施の形態の場合と同様の構造を採用する。

図１１（ａ）及び（ｂ）に示すように、抵抗変調手段３０としては、ガラス３１の先端に銅（Ｃｕ）３２をコートした構造を用いる。ここではＣｕ３２の厚さが２００ｎｍ、先端の幅が０．３ｍｍのものを用いている。これを位置検出電極群５に押し付けることで、電極の抵抗状態が変化する。具体的な電極周辺の等価回路としては、追加的な抵抗ΔＲ＝１０〜３００Ωが並列に付加される。これによる出力電圧分布の変化を抵抗変化検出装置１３、１４で検出することで、位置情報の検出が可能となる。

（実施例３）
図１４は本発明の第４の実施の形態を更に具体化した実施例３を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は一部分７８の断面図である。図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、素子サイズは、３０×３０ｍｍ^２で、磁性体層２としては膜厚１μｍのＹＩＧを、位置検出電極群５の材料としては膜厚１０ｎｍのＰｔをそれぞれ用いている。熱源４としては、ここでは表面温度が４０℃に加熱されているガラス材を用いている。これらは、第１の実施形態で示した実施例と同様の方法で作製する。

カバー層３には膜厚０．１ｍｍのアクリル樹脂を、ドットスペーサ４２としては直径１０μｍの球状のアクリルウレタン樹脂を、抵抗変調層４１としては膜厚２００ｎｍのＣｕ層を、それぞれ用いる。

外部から圧力を印加して、抵抗変調層４１であるＣｕ層を位置検出電極に押し付けることで、電極の抵抗状態が変化する。具体的な電極周辺の等価回路としては、追加的な抵抗ΔＲ＝１０〜１００Ωが並列に付加される。これによる出力電圧分布の変化を抵抗変化検出装置１３、１４で検出することで、位置情報の検出が可能となる。

電極構造やサイズ等についても、実施例１の場合と同様の構造を採用する。

本発明に係る位置検出装置は、２次元的な位置情報を検出可能な素子として、タッチパネルなどのユーザーインターフェースや、センサ・カメラなどの画像・情報取得装置など、様々なデバイスに適用される。

２磁性体層
３カバー層
４熱源
５位置検出電極群
６バッファ層
７絶縁層
１１、１２静電容量検出装置
１３、１４抵抗変化検出装置
３０抵抗変調手段
３１ガラス
３２銅（Ｃｕ）
４０圧力印加手段
４１抵抗変調層
４２ドットスペーサ
５３Ｘ位置検出電極
５４Ｙ位置検出電極

Claims

磁化を有する磁性体層と、スピン軌道相互作用を有する材料を含む複数の電極と、位置情報入力手段と、を含む位置検出装置であって、前記位置検出装置の駆動バイアス源として前記磁性体層に印加された温度勾配によって熱起電力を生成するスピンゼーベック効果を用い、前記電極周辺の実効等価回路の一部を前記位置情報入力手段によって局所変調することで、位置情報を入力することを特徴とする位置検出装置。
請求項１に記載の位置検出装置において、前記複数の電極が、互いに略垂直な２つの方向にマトリクス状に配置されていることを特徴とする位置検出装置。
請求項２に記載の位置検出装置において、前記磁性体層の磁化方向が、前記２つの電極配置方向の中間方向であることを特徴とする位置検出装置。
請求項１から３のいずれか一項に記載の位置検出装置において、前記位置情報入力手段として、素子の静電容量を変調することで、位置情報を入力することを特徴とする位置検出装置。
請求項４に記載の位置検出装置において、前記駆動バイアスを変調することを特徴とする位置検出装置。
請求項５に記載の位置検出装置において、前記駆動バイアスを、前記磁化方向を変化させることによって変調することを特徴する位置検出装置。
請求項１から３のいずれか一項に記載の位置検出装置において、前記位置情報入力手段として、素子の抵抗を変調することで、位置情報を入力することを特徴とする位置検出装置。
請求項１から７のいずれか一項に記載の位置検出装置において、前記電極の周縁部に、電気回路特性を読み取るための複数の端子を有することを特徴とする位置検出装置。