知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2021-190613(P2021-190613A)
(43)【公開日】2021年12月13日
(54)【発明の名称】垂直型熱電発電素子及びこれを用いた電子機器
(51)【国際特許分類】
H01L 37/00 20060101AFI20211115BHJP
H02N 11/00 20060101ALI20211115BHJP
【ＦＩ】
H01L37/00
H02N11/00 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
【全頁数】18
(21)【出願番号】特願2020-96025(P2020-96025)
(22)【出願日】2020年6月2日
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２９年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業「スピントロニック・サーマルマネージメント」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】301023238
【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構
(72)【発明者】
【氏名】内田 健一
(72)【発明者】
【氏名】王 建
(72)【発明者】
【氏名】高橋 有紀子
(57)【要約】
【課題】磁性体材料に、光を照射するだけで自在に熱起電力出力を制御する垂直型熱電発電素子を提供する。【解決手段】全光型磁化反転と異常ネルンスト効果を示す磁性体２０と、磁性体２０の磁化方向を制御できる光照射手段３５を備え、温度勾配形成部３０によって磁性体２０に温度勾配を形成すると共に、磁性体２０の温度勾配形成方向が磁性体２０の磁化方向と直交する方向であり、磁性体２０の温度勾配形成方向と磁性体２０の磁化方向とに直交する方向に磁性体２０の長手方向導電パターンが形成されており、光照射手段３５で磁性体２０の磁化分布を制御することによって、異常ネルンスト効果によって生成された熱起電力出力を制御・増強できることを特徴とする。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
全光型磁化反転と異常ネルンスト効果を示す磁性体と、
前記磁性体の磁化方向を制御できる光照射手段を備え、
温度勾配形成部によって前記磁性体に温度勾配を形成すると共に、前記磁性体の温度勾配形成方向が前記磁性体の磁化方向と直交する方向であり、
前記磁性体の温度勾配形成方向と、前記磁性体の磁化方向とに直交する方向に前記磁性体の長手方向導電パターンが形成されており、
前記光照射手段で前記磁性体の磁化分布を制御することにより、異常ネルンスト効果によって生成された熱起電力出力を制御・増強できることを特徴とする垂直型熱電発電素子。
前記磁性体の磁化方向を制御できる光照射手段を備え、
温度勾配形成部によって前記磁性体に温度勾配を形成すると共に、前記磁性体の温度勾配形成方向が前記磁性体の磁化方向と直交する方向であり、
前記磁性体の温度勾配形成方向と、前記磁性体の磁化方向とに直交する方向に前記磁性体の長手方向導電パターンが形成されており、
前記光照射手段で前記磁性体の磁化分布を制御することにより、異常ネルンスト効果によって生成された熱起電力出力を制御・増強できることを特徴とする垂直型熱電発電素子。
【請求項2】
前記磁性体は、強磁性体、フェリ磁性体、反強磁性体、または少なくとも強磁性体、フェリ磁性体、反強磁性体の１種類を含む積層構造から成ることを特徴とする請求項１に記載の垂直型熱電発電素子。
【請求項3】
前記強磁性体は、Ｐｔ／Ｃｏの多層膜を有し、当該多層膜の全体として強磁性体として振る舞うことを特徴とする請求項２記載の垂直型熱電発電素子。
【請求項4】
前記光照射手段は、偏光を制御できる偏光照射手段であり、
前記偏光照射手段で前記磁性体に円偏光を照射したとき、前記磁性体の円偏光の照射された領域で、異常ネルンスト効果によって生成された熱起電力出力を制御できることを特徴とする請求項１乃至３に記載の垂直型熱電発電素子。
前記偏光照射手段で前記磁性体に円偏光を照射したとき、前記磁性体の円偏光の照射された領域で、異常ネルンスト効果によって生成された熱起電力出力を制御できることを特徴とする請求項１乃至３に記載の垂直型熱電発電素子。
【請求項5】
前記光照射手段は、前記磁性体の初期磁化方向に対して、前記磁性体の磁化方向を反転させるパルスレーザー光を照射することを特徴とする請求項１乃至３に記載の垂直型熱電発電素子。
【請求項6】
前記磁性体はミアンダ形状のサーモバイル構造を有するものであって、
前記磁性体の温度勾配形成方向は、前記ミアンダ形状の巨視的な結線方向と一致し、
前記磁性体の長手方向導電パターンは、前記ミアンダ形状の振れ幅方向と一致する長手方向を有し、
前記磁性体の磁化方向は、前記磁性体の長手方向導電パターンの厚み方向と一致することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の垂直型熱電発電素子。
前記磁性体の温度勾配形成方向は、前記ミアンダ形状の巨視的な結線方向と一致し、
前記磁性体の長手方向導電パターンは、前記ミアンダ形状の振れ幅方向と一致する長手方向を有し、
前記磁性体の磁化方向は、前記磁性体の長手方向導電パターンの厚み方向と一致することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の垂直型熱電発電素子。
【請求項7】
前記磁性体の長手方向導電パターンは、
前記長手方向導電パターンの厚み方向上向きに磁化された上向き磁化部と、
前記長手方向導電パターンの厚み方向下向きに磁化された下向き磁化部と、
前記上向き磁化部の長手方向導電パターンにおける当該長手方向の一端を折返して、隣接する下向き磁化部の長手方向導電パターンにおける当該長手方向の一端に接続する第１の屈曲部と、
前記下向き磁化部の長手方向導電パターンにおける当該長手方向の他端を折返して、隣接する上向き磁化部の長手方向導電パターンにおける当該長手方向の他端に接続する第２の屈曲部と、
温度勾配形成方向の最も低温側に位置する前記長手方向導電パターンが接続される第１の電極部と、
温度勾配形成方向の最も高温側に位置する前記長手方向導電パターンが接続される第２の電極部と、
を有することを特徴とする請求項６に記載の垂直型熱電発電素子。
前記長手方向導電パターンの厚み方向上向きに磁化された上向き磁化部と、
前記長手方向導電パターンの厚み方向下向きに磁化された下向き磁化部と、
前記上向き磁化部の長手方向導電パターンにおける当該長手方向の一端を折返して、隣接する下向き磁化部の長手方向導電パターンにおける当該長手方向の一端に接続する第１の屈曲部と、
前記下向き磁化部の長手方向導電パターンにおける当該長手方向の他端を折返して、隣接する上向き磁化部の長手方向導電パターンにおける当該長手方向の他端に接続する第２の屈曲部と、
温度勾配形成方向の最も低温側に位置する前記長手方向導電パターンが接続される第１の電極部と、
温度勾配形成方向の最も高温側に位置する前記長手方向導電パターンが接続される第２の電極部と、
を有することを特徴とする請求項６に記載の垂直型熱電発電素子。
【請求項8】
前記磁性体はミアンダ形状のサーモバイル構造を有するものであって、
前記磁性体の温度勾配形成方向は、前記磁性体の長手方向導電パターンの厚み方向と一致し、
前記磁性体の長手方向導電パターンは、前記ミアンダ形状の振れ幅方向と一致する長手方向を有し、
前記磁性体の磁化方向は、前記ミアンダ形状の巨視的な結線方向と一致することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の垂直型熱電発電素子。
前記磁性体の温度勾配形成方向は、前記磁性体の長手方向導電パターンの厚み方向と一致し、
前記磁性体の長手方向導電パターンは、前記ミアンダ形状の振れ幅方向と一致する長手方向を有し、
前記磁性体の磁化方向は、前記ミアンダ形状の巨視的な結線方向と一致することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の垂直型熱電発電素子。
【請求項9】
前記磁性体の長手方向導電パターンは、幅方向正側磁化部と幅方向反側磁化部が交互に配置されたものであって、
前記幅方向正側磁化部は、一方に位置する長手方向導電パターンの幅方向の正側に磁化されたものであり、
前記幅方向反側磁化部は、前記一方に位置する前記長手方向導電パターンと対となる位置に配置された他方の長手方向導電パターンの幅方向の反側に磁化されたものであり、
前記幅方向反側磁化部の長手方向導電パターンにおける当該長手方向の一端を折返して、隣接する幅方向正側磁化部の長手方向導電パターンにおける当該長手方向の一端に接続する第１の屈曲部と、
前記幅方向正側磁化部の長手方向導電パターンにおける当該長手方向の他端を折返して、隣接する幅方向反側磁化部の長手方向導電パターンにおける当該長手方向の他端に接続する第２の屈曲部と、
前記巨視的な結線方向の最も矢尻側に位置する前記長手方向導電パターンが接続される第１の電極部と、
前記巨視的な結線方向の最も矢筈側に位置する前記長手方向導電パターンが接続され第２の電極部と、
を有することを特徴とする請求項８に記載の垂直型熱電発電素子。
前記幅方向正側磁化部は、一方に位置する長手方向導電パターンの幅方向の正側に磁化されたものであり、
前記幅方向反側磁化部は、前記一方に位置する前記長手方向導電パターンと対となる位置に配置された他方の長手方向導電パターンの幅方向の反側に磁化されたものであり、
前記幅方向反側磁化部の長手方向導電パターンにおける当該長手方向の一端を折返して、隣接する幅方向正側磁化部の長手方向導電パターンにおける当該長手方向の一端に接続する第１の屈曲部と、
前記幅方向正側磁化部の長手方向導電パターンにおける当該長手方向の他端を折返して、隣接する幅方向反側磁化部の長手方向導電パターンにおける当該長手方向の他端に接続する第２の屈曲部と、
前記巨視的な結線方向の最も矢尻側に位置する前記長手方向導電パターンが接続される第１の電極部と、
前記巨視的な結線方向の最も矢筈側に位置する前記長手方向導電パターンが接続され第２の電極部と、
を有することを特徴とする請求項８に記載の垂直型熱電発電素子。
【請求項10】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の垂直型熱電発電素子を用いた電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は垂直型熱電発電素子及びこれを用いた電子機器に関し、特に材料に光を照射することで熱から電気エネルギーを直接回収する垂直型熱電発電素子及びこれを用いた電子機器に関する。
【背景技術】
【0002】
熱から電気エネルギーを直接回収する発電方法として熱発電と呼ばれるものがある。これは自動車等の内燃機関、工場や製鉄所、パソコンやサーバー機などで発生する身近な廃熱を利用する方法や、温泉熱、太陽熱、地中熱などの自然界の熱を利用する方法が知られている。主に熱を電気に変える熱電変換素子は、「温度差を有する材料の両端に起電力が生じる」というゼーベック効果を主な駆動原理としている。この原理を利用した発電装置は温度差が大きいほど発電量は大きくなる。また、小型化が可能なうえ、可動部分もなく発電装置の長寿命化が期待できる。
【0003】
しかし、現在使われている非磁性体の金属や半導体におけるゼーベック効果を利用した発電素子は温度差の方向と起電力を取り出す方向が同じであるため立体的な構造を作ることが余儀なくされ、製造工程が複雑になり大型化や高集積化に伴う製造コストに問題を抱えている。
【0004】
そこで、物質の磁性を利用した発電原理による熱電変換素子が、例えば非特許文献１、２で提案されている。物質の磁性を用いた発電原理は、材料に与えた温度勾配とその磁化の外積方向に熱起電力が現れる異常ネルンスト効果を利用したもので、強磁性体材料や、強磁性体と常磁性体の多層構造、反強磁性体マンガン合金（Ｍｎ３Ｓｎ）などが用いられる。磁性体を使用した場合の熱電素子によれば、温度差と磁化と起電力が互いにすべて垂直方向を取るため、熱起電力を発生させる素子構造自体の単純化が可能である。
【0005】
しかしながら、特許文献１、２で提案された素子では、大きさまたは符号の異なる異常ネルンスト係数もしくは異なる保磁力を持つ磁性材料を接合させて組み合わせて使用するため、素子を隙間なくチップ内に並べるといった微細加工が必要なこと、複数の素子作製プロセスが必要なことから製造コストを下げにくいといった問題がある。また、異なる物質の接合に基づく複雑な構造では、素子の大面積化が困難になり、耐久性も低下する恐れがある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】“Large anomalous Nernst effect at room temperature in a chiral antiferromagnet”, Muhammad Ikhlas et. al., Nature Physics (2017), DOI番号: 10.1038/NPHYS4181
【非特許文献2】“Iron-based Binary Ferromagnets for Transverse Thermoelectric Conversion”, Akito Sakai et. al., Nature（2020年4月27日オンライン版）, DOI：10.1038/s41586-020-2230-z
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明の目的は、従来のゼーベック効果に基づく熱電発電とは全く異なる原理で、光照射によって磁性材料の磁化方向を制御することで、自在に熱起電力出力を制御できる垂直型熱電発電素子及びこれを用いた電子機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
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、異常ネルンスト効果を用いることで、磁化による熱起電力出力制御が可能になり、電圧方向の反転などが行えることと、および異常ネルンスト効果と、全光型磁化反転技術を組み合わせることで、本発明を完成させた。なお、全光型磁化反転技術には、強磁性体やフェリ磁性体に光を照射することで磁化反転を誘起する現象で、光磁気記録の原理である照射する光の円偏光のヘリシティ（右回り／左回り円偏光）に依存して磁化の向きを自在に制御する類型と、磁場等で規定した初期磁化方向に対して、パルスレーザー光を照射すると磁化が反転するもので、円偏光に依存しない類型とがある。
【0009】
〔１〕本発明の垂直型熱電発電素子は、例えば図１に示すように、全光型磁化反転と異常ネルンスト効果を示す磁性体２０と、磁性体２０の磁化方向を制御できる光照射手段３５を備え、温度勾配形成部３０によって磁性体２０に温度勾配を形成すると共に、磁性体２０の温度勾配形成方向が磁性体２０の磁化方向と直交する方向であり、磁性体２０の温度勾配形成方向と磁性体２０の磁化方向とに直交する方向に磁性体２０の長手方向導電パターンが形成されており、光照射手段３５で磁性体２０の磁化分布を制御することによって、異常ネルンスト効果によって生成された熱起電力出力を制御できることを特徴とする。
【0010】
〔２〕好ましくは、磁性体２０は、強磁性体、フェリ磁性体、反強磁性体、または少なくとも強磁性体、フェリ磁性体、反強磁性体の１種類を含む積層構造から成るとよい。〔３〕好ましくは、前記強磁性体は、Ｐｔ／Ｃｏの多層膜を有し、当該多層膜の全体として強磁性体として振る舞うとよい。
【0011】
〔４〕本発明の垂直型熱電発電素子において、好ましくは、光照射手段３５は、偏光を制御できる偏光照射手段であり、前記偏光照射手段で磁性体２０に円偏光を照射したとき、磁性体２０の円偏光の照射された領域で、異常ネルンスト効果によって生成された熱起電力出力を制御できるとよい。〔５〕本発明の垂直型熱電発電素子において、好ましくは、光照射手段３５は、磁性体２０の初期磁化方向に対して、磁性体２０の磁化方向を反転させるパルスレーザー光を照射するものであるとよい。
【0012】
〔６〕本発明の垂直型熱電発電素子において、好ましくは、例えば図１に示すように、磁性体１０はミアンダ形状のサーモバイル構造を有するものであって、磁性体２０の温度勾配形成方向は、前記ミアンダ形状の巨視的な結線方向（ｘ方向）と一致し、磁性体２０の長手方向導電パターンは、前記ミアンダ形状の振れ幅方向と一致する長手方向（ｙ方向）を有し、磁性体２０の磁化方向は、磁性体２０の長手方向導電パターンの厚み方向（ｚ方向）と一致するとよい。〔７〕本発明の垂直型熱電発電素子〔６〕において、好ましくは、磁性体１０の長手方向導電パターンは、長手方向導電パターンの厚み方向上向きに磁化された上向き磁化部２１と、長手方向導電パターンの厚み方向下向きに磁化された下向き磁化部２２と、上向き磁化部２１の長手方向導電パターンにおける当該長手方向の一端を折返して、隣接する下向き磁化部２２の長手方向導電パターンにおける当該長手方向の一端に接続する第１の屈曲部２３と、下向き磁化部２２の長手方向導電パターンにおける当該長手方向の他端を折返して、隣接する上向き磁化部２１の長手方向導電パターンにおける当該長手方向の他端に接続する第２の屈曲部２４と、温度勾配形成方向の最も低温側に位置する前記長手方向導電パターンが接続される第１の電極部２５と、温度勾配形成方向の最も高温側に位置する前記長手方向導電パターンが接続される第２の電極部２６と、を有するとよい。
【0013】
〔８〕本発明の垂直型熱電発電素子において、好ましくは、例えば図６に示すように、磁性体８０はミアンダ形状のサーモバイル構造を有するものであって、磁性体８０の温度勾配形成方向は、磁性体８０の長手方向導電パターンの厚み方向（ｚ方向）と一致し、磁性体８０の長手方向導電パターンは、前記ミアンダ形状の振れ幅方向と一致する長手方向（ｙ方向）を有し、磁性体８０の磁化方向は、前記ミアンダ形状の巨視的な結線方向（ｘ方向）と一致するとよい。〔９〕本発明の垂直型熱電発電素子〔８〕において、好ましくは、磁性体８０の長手方向導電パターンは、幅方向正側磁化部８１と幅方向反側磁化部８２が交互に配置されたものであって、幅方向正側磁化部８１は、一方に位置する長手方向導電パターンの幅方向の正側に磁化されたものであり、幅方向反側磁化部８２は、前記一方に位置する前記長手方向導電パターンと対となる位置に配置された他方の長手方向導電パターンの幅方向の反側に磁化されたものであり、幅方向反側磁化部８２幅方向正側磁化部８１の長手方向導電パターンにおける当該長手方向の一端を折返して、隣接する幅方向正側磁化部８１の長手方向導電パターンにおける当該長手方向の一端に接続する第１の屈曲部８３と、幅方向正側磁化部８１の長手方向導電パターンにおける当該長手方向の他端を折返して、隣接する幅方向反側磁化部８２の長手方向導電パターンにおける当該長手方向の他端に接続する第２の屈曲部８４と、前記巨視的な結線方向の最も矢尻側に位置する前記長手方向導電パターンが接続される第１の電極部８５と、前記巨視的な結線方向の最も矢筈側に位置する前記長手方向導電パターンが接続される第２の電極部８６と、を有するとよい。
〔１０〕〔１〕乃至〔９〕のいずれか１に記載の垂直型熱電発電素子を用いた電子機器。
【発明の効果】
【0014】
本発明の垂直型熱電発電素子によれば、磁性体において発現する熱電効果である「異常ネルンスト効果」と「全光型磁化反転技術」を組み合わせることで、磁性体材料に光を照射することで磁化方向を制御して、サーモパイル構造を適切に構成して、熱起電力を昇圧できる。また、本発明の垂直型熱電発電素子は単一の強磁性材料で構成されており、製造プロセスが比較的単純で済み、低コストでの製造が可能で量産化・大面積化・高密度化に適する。本発明の垂直型熱電発電素子を用いた電子機器によれば、光照射で磁化分布を変えることによって、熱電変換特性の再構成や局所的に磁化分布を変えることによる熱電発電の出力制御が行える。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本発明の一実施形態を示す簡略化されたサーモパイル形状の熱電発電（ＴＥＧ）デバイスの概念的構成を示す斜視図である。
【図2】本発明の一実施形態を示すＣｏ／Ｐｔ多層膜における磁化カーブと光誘起磁化反転特性、およびＣｏ／Ｐｔ多層膜のみから構成されるサーモパイルベース熱電発電（ＴＥＧ）デバイスにおける磁化分布の磁気光学設計図である。
【図3】本発明の一実施形態を示す、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜サーモパイルベースＴＥＧデバイスを一様に磁化させた際に測定された熱起電力の温度差（ΔＴ）依存性の説明図である。
【図4】本発明の一実施形態を示す、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜サーモパイルベースＴＥＧデバイスにおいて異常ネルンスト信号が昇圧されるように光で磁化分布をデザインした場合における熱起電力のΔＴ依存性の説明図である。
【図5】従来の異常ネルンスト効果に基づく熱電変換装置を説明する概念的構成を示す斜視図で、（Ａ）は比較例１、（Ｂ）は比較例２を示している。
【図6】本発明の他の実施形態を示す簡略化されたサーモパイル形状の熱電発電（ＴＥＧ）デバイスの概念的構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、本明細書で用いる技術用語の定義を記載する。（１）全光型磁化反転技術（All optical switching of magnetization）
強磁性体やフェリ磁性体に光を照射することで磁化反転を誘起する現象で、光磁気記録の原理である。照射する光の円偏光のヘリシティ（右回り／左回り円偏光）に依存して磁化の向きを自在に制御可能である。ＡＯＳは全光型反転（All optical switching）の略語である。例えば、Ｆｅ１−ＸＴｂＸフェリ磁性合金薄膜（ferrimagnet alloy thin film）であって、ＡＯＳに最適化された組成・構造のものが用いられる。円偏光を照射した箇所のみ局所的に磁化反転し、直線偏光の場合は多磁区を形成する。なお、反強磁性体についても、ＡＯＳを発生するものが知られており、例えばＴｍＦｅＯ３がある。ＩｒＭｎ／［Ｃｏ／Ｐｔ］Ｎ（Ｎは積層数）のような構造において、反強磁性体ＩｒＭｎによる交換バイアス効果を利用してＡＯＳの磁化反転特性を制御することもできる。
【0017】
（２）ネルンスト効果（Nernst effect）と異常ネルンスト効果（anomalous Nernst effect）ネルンスト効果とは、導体や磁性体に互いに垂直な方向の磁場（磁化）と温度差を与えることで、磁場（磁化）と温度勾配の両者に垂直な方向に起電力が生じる現象をいう。自発的に磁化や仮想磁場を持つ特殊な磁性体ではゼロ磁場でもネルンスト効果が発生し、これを異常ネルンスト効果と呼ぶ。異常ネルンスト効果があれば、ゼーベック効果と同様に温度差のみで起電力が発生する。
【0018】
（３）サーモバイル（thermopile）は、熱電堆とも呼ばれ、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する電気部品である。ゼーベック効果に対するサーモパイルは複数の熱電対（thermocouple）を直列に、又は複数の熱電対からなる直列回路を並列に接続したものである。熱電対は、２種類の導電体線の先端同士を接触させて回路を作り、接合点に発生する熱起電力を生じさせるものであり、例えば温度計に使用される。ゼーベック効果の場合、異なる２種の金属や半導体を接合すると、それぞれの熱電能の違いから、２つの接合点の間の異なる温度に応じた起電力が発生することを応用するものである。（４）ゼーベック効果（Seebeck effect）は、金属や半導体の温度差が電圧に直接変換される現象で、熱電効果の一種である。
【実施例】
【0019】
図１は、本発明の一実施形態を示す簡略化されたサーモパイル形状の熱電発電（ＴＥＧ）デバイスの概念的構成を示す斜視図である。サーモパイル状の接点は、単一の磁性体で構成された帯状又は線状の薄膜体よりなる金属導体線の接続点で、磁化方向の向きは、全光学ヘリシティ依存スイッチング（ＡＯ−ＨＤＳ）によって隣接するストリップである磁性体２０の長手方向導電パターン間で交互に切り替えられる。
【0020】
図において、本発明の垂直型熱電発電素子は、基板１０、磁性体２０よりなると共に、磁性体２０とは別に温度勾配形成部３０及び光照射手段３５を備える。基板１０は、表面に磁性体２０が形成されるもので、例えばガラス基板や、シリコン基板、酸化マグネシウム基板、サファイア基板のような薄膜作製に用いられる典型的な絶縁体材料に加えて、セラミックス基板や樹脂製基板でもよい。
【0021】
磁性体２０は全光型磁化反転と異常ネルンスト効果を示すものあればよく、例えば、ＧｄＸＦｅ１−Ｘ−ＹＣｏＹ（０．２０≦Ｘ≦０．２８、０．０３≦Ｙ≦０．１０）、ＴｂＸＣｏ１−Ｘ（０．０８≦Ｘ≦０．３４）、ＴｂＸＦｅ１−Ｘ（０．１９≦Ｘ≦０．３４）、ＴｂＸＦｅ１−Ｘ−ＹＣｏＹ（０．２０≦Ｘ≦０．４０、０．０８≦Ｙ≦０．３０）、ＦｅＰｔ等を用いることができる。磁性体２０は、ミアンダ形状に配置されているもので、上向き磁化部２１、下向き磁化部２２、第１の屈曲部２３、第２の屈曲部２４、第１の電極部２５、第２の電極部２６で構成されている。ミアンダ形状なので、磁性体２０の巨視的な温度勾配方向は磁性体２０の巨視的な結線方向と大略一致し（図１のｘ方向）、磁性体２０の振れ幅方向は磁性体２０の微視的な長手方向導電パターンの熱起電力方向若しくは電場方向と大略一致（図１のｙ方向）する。磁性体２０の厚み方向（図１のｚ方向）は、ミアンダ形状の巨視的な方向と、細部の微視的な方向とで一致する。ここで、磁性体２０の巨視的な結線方向は、磁性体２０が第１の電極部２５と第２の電極部２６の間で結線される方向を、基板１０全体の形状、特に矩形形状の基板１０の縁方向を基準に定めたものをいう。
【0022】
上向き磁化部２１は、磁性体２０の長手方向導電パターンであって、紙面上向き（z軸方向矢尻側）に磁化された磁性体よりなる。下向き磁化部２２は、磁性体２０の長手方向導電パターンであって、紙面下向き（z軸方向矢筈側）に磁化された磁性体よりなる。上向き磁化部２１と下向き磁化部２２は、交互に平行な状態で基板１０上に配置されており、第１の屈曲部２３と第２の屈曲部２４によって、ミアンダ形状に配置されている。第１の屈曲部２３は、上向き磁化部２１の長手方向導電パターンにおけるｙ軸の一端を折返して、隣接する下向き磁化部２２の長手方向導電パターンにおけるｙ軸の一端に接続する導電パターンである。第２の屈曲部２４は、下向き磁化部２２の長手方向導電パターンにおけるｙ軸の他端を折返して、隣接する上向き磁化部２１の長手方向導電パターンにおけるｙ軸の他端に接続する導電パターンである。
【0023】
第１の電極部２５は、最も低温側の部位に位置する上向き磁化部２１が接続されるもので、ここでは上向き磁化部２１の最近接部位が接続されており、マイナス電極板となっている。第２の電極部２６は、最も高温側の部位に位置する上向き磁化部２１が接続されるもので、ここでは上向き磁化部２１の最近接部位が接続されており、プラス電極板となっている。なお、第１の電極部２５と第２の電極部２６に接続される長手方向導電パターンは、温度勾配形成部３０により形成される基板１０の最も低温側３４と最も高温側３２に位置するものが接続されるものであり、上向き磁化部２１となるか下向き磁化部２２となるかは、基板１０の幅と磁性体２０の長手方向導電パターンのミアンダ形状の折り返し数によって定まる。
さらに、第１の電極部２５と第２の電極部２６は、マイナスの極性かプラスの極性となるかは、磁性体２０の長手方向導電パターンの磁化方向によって定まるものである。従って、図１に示すような上向き磁化部２１と下向き磁化部２２の配置であれば、第１の電極部２５がマイナス電極板となり、第２の電極部２６がプラス電極板となるが、上向き磁化部２１と下向き磁化部２２の配置が図１に示すものと逆であれば、第１の電極部２５がプラス電極板となり、第２の電極部２６がマイナス電極板となる。また、逆符号の異常ネルンスト係数を有する磁性体を用いた場合は、逆符号の起電力が発生する。
【0024】
磁性体２０の長手方向導電パターンの微視的な形状は、例えば大略直方体状であって、幅方向をｘ軸、長手方向をｙ軸、厚み方向をｚ軸とする。磁性体２０の磁化Ｍの方向は、例えば磁性体２０の厚み方向ｚとする。温度勾配がｘ方向に付いている場合は、磁性体２０における電流の方向は磁性体２０の長手方向ｙとなる。熱電変換電力の表示部２８は、第２の電極部２６から第１の電極部２５に流れる熱電エネルギーを模式的に表示するもので、特に図５に示す比較例１、２との対比に用いている。
【0025】
温度勾配形成部３０は、磁性体２０に温度勾配を形成可能に設けられるもので、例えば電熱器のような熱源装置や自動車等の内燃機関、工場や製鉄所、パソコンやサーバー機などで発生する廃熱源が用いられる。磁性体２０における温度勾配∇Ｔ又は／及び熱流Ｊｑの方向は、例えば磁性体２０の微視的な幅方向ｘとする。ここでは、基板１０における磁性体２０のパターンの幅方向ｘの端面において、一方側が高温側３２となり、他方側が低温側３４となる。光照射手段３５は、偏光を制御できるもので、例えばレーザ発振器と偏光板が用いられる。光照射手段３５が照射する円偏光の方向は、例えば磁性体２０の厚み方向ｚの成分を含むものとし、磁性体２０の表面に照射される。右の円偏光（σ＋）が長手方向導電パターンに照明されることで、上向き磁化部２１を形成する。左の円偏光（σ−）が長手方向導電パターンに照明されることで、下向き磁化部２２を形成する。
【0026】
このように構成された装置においては、図１に示すように、光照射手段３５で磁性体２０に円偏光を照射したとき、ミアンダ形状の振れ幅方向に応じて、磁性体２０の円偏光の照射された領域である長手方向導電パターン毎に、上向き磁化部２１と下向き磁化部２２とを定める。上向き磁化部２１と下向き磁化部２２を交互に配置することによって、異常ネルンスト効果によって生成された熱起電力を昇圧できる。即ち、異常ネルンスト効果によって、磁性体２０の磁化Ｍと温度勾配∇Ｔ又は／及び熱流Ｊｑの外積方向に、電流Ｊｃ（異常ネルンスト効果による電場ＥＡＮＥ）が生成される。なお、磁性体が磁化していれば、外部磁場は不要である。
【0027】
図２は本発明の一実施形態を示すＣｏ／Ｐｔ多層膜サーモパイルベースの熱電発電（ＴＥＧ）デバイスにおける磁気構成の磁気光学設計図で、（Ａ）は［Ｃｏ／Ｐｔ］４多層膜の層構成図、（Ｂ）は［Ｃｏ／Ｐｔ］４サンプルの磁化Ｍ曲線（磁化の磁場Ｈ依存性）、（Ｃ）は室温でホールクロス形状での［Ｃｏ／Ｐｔ］４サンプルのホール抵抗ＲＨ、（Ｄ）は［Ｃｏ／Ｐｔ］４多層膜サーモパイルベースの熱電発電（ＴＥＧ）デバイスの概略図、（Ｅ）〜（Ｈ）は図２（Ｄ）に示す磁性体パターン部の要部拡大部で、右（σ＋）および左（σ−）の円偏光で照明された［Ｃｏ／Ｐｔ］４サンプルの磁気光学カー効果顕微鏡画像である。明るいコントラストは、薄膜面に垂直な上方向に沿った磁化Ｍの領域を表し、暗いコントラストは、薄膜面に垂直な下方向に沿った磁化Ｍの領域を表している。
【0028】
ここでは、本実施形態の磁性体パターン部６０として、図２（Ａ）に示すように、サファイア基板６１の上に、下地層６２としてタンタル（Ｔａ）５．０ｎｍおよびプラチナ（Ｐｔ）４．３ｎｍ、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜６３としてコバルト（Ｃｏ）０．３ｎｍとプラチナ（Ｐｔ）０．７ｎｍを交互に４ペア積層した８層膜、上部酸化防止層６４としてプラチナ（Ｐｔ）３．０ｎｍを積層したものである。この強磁性Ｃｏ／Ｐｔ多層膜６３は、垂直磁気異方性を示すと共に、ＡＯＳを示すことは既知である。
【0029】
強磁性Ｃｏ／Ｐｔ多層膜の磁化カーブは、図２（Ｂ）に示すように、薄膜面に垂直な方向に磁界を与えた場合には、保磁力２．５ｋＯｅ（≒２００［ｋＡ／ｍ］）、飽和磁化１．５ｘ１０３［ｅｍｕ・ｃｍ−３］を有する大略矩形の磁気ヒステリシス曲線となっている。他方、薄膜面内方向に磁界を与えた場合には、磁気ヒステリシスは小さく、磁界の強さＨとして±１ｋＯｅの範囲内では磁化Ｍとして±０．１５ｘ１０３［ｅｍｕ・ｃｍ−３］まで急峻な変化をし、磁界の強さＨとして中央部±１ｋＯｅの範囲外である±１２ｋＯｅまでの領域では、その両端で磁化Ｍとして±０．６ｘ１０３［ｅｍｕ・ｃｍ−３］程度とする緩慢な傾きを有する直線状の変化をする。
【0030】
図２（Ｃ）に示すように、磁界の強さＨを−１５ｋＯｅ（≒−１．２ｘ１０３［ｋＡ／ｍ］）から＋１５ｋＯｅ（≒＋１．２ｘ１０３［ｋＡ／ｍ］）まで往復走査したところ、ホール抵抗ＲＨとして±０．２８［Ω］の大略矩形の曲線領域を有する磁気ヒステリシス曲線が得られた。図２（Ｃ）に示す異常ホール効果の測定により、ＡＯＳの効率を評価した。無磁場下で円偏光を照射することにより、９０％以上の磁化が反転したことが確認された。図２（Ｃ）右下に示す基板斜視図のように、磁性体パターンが配置された基板において、サーモパイルは、単一の強磁性体材料のみで構成され、磁化方向の向きは、ＡＯＳによって隣接するストリップ間で交互に切り替えられる。
【0031】
［Ｃｏ／Ｐｔ］４多層膜サーモパイルベースの熱電発電（ＴＥＧ）デバイスは、図２（Ｄ）に示す平面図のような、磁性体パターン部の配置となっている。なお、図２（Ｄ）に示す磁性体パターン部の各部の符号は、図１に示すサーモパイル形状の熱電発電（ＴＥＧ）デバイスの対応する構成要素と同一符号を用いている。磁性体パターン部２Ｅ、２Ｆ、２Ｇ、２Ｈは図２（Ｅ）〜（Ｈ）に示す拡大図の概括的な位置を示している。
【0032】
図２（Ｅ）〜（Ｈ）は、図２（Ｄ）に示す磁性体パターン部の要部拡大部で、右（σ＋）および左（σ−）の円偏光で照明された［Ｃｏ／Ｐｔ］４サンプルの磁気光学カー効果顕微鏡画像である。図２（Ｅ）は、図２（Ｄ）に示す磁性体パターン部２Ｅの拡大図で、第１の屈曲部２３近傍の上向き磁化部２１と下向き磁化部２２との接続部を示している。図２（Ｆ）は、図２（Ｄ）に示す磁性体パターン部２Ｆの拡大図で、下向き磁化部２２を示している。図２（Ｇ）は、図２（Ｄ）に示す磁性体パターン部２Ｇの拡大図で、第１の屈曲部２３近傍の上向き磁化部２１と下向き磁化部２２との接続部を示している。図２（Ｈ）は、図２（Ｄ）に示す磁性体パターン部２Ｈの拡大図で、上向き磁化部２１を示している。
【0033】
図３は本発明の一実施形態を示す、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜サーモパイルベースＴＥＧデバイスを一様に磁化させた際に測定された熱起電力の温度差（ΔＴ）依存性の説明図である。図３（Ａ）は上向きの磁化方向、図３（Ｂ）は下向きの磁化方向での、異常ネルンスト効果の模式的説明図である。なお、図３（Ａ）、（Ｂ）において図示する構成要素の符号に関しては、後で説明する図５（Ｂ）に準拠している。即ち、磁性体５０は、順方向導電パターン５１、逆方向導電パターン５２、第１の屈曲部５３、第２の屈曲部５４、第１の電極部５５、第２の電極部５６で構成されていると共に、熱電変換電力の表示部としての電圧計５９を有している。このように構成された装置においては、隣接する順方向導電パターン５１と逆方向導電パターン５２よりなるストリップ間で熱起電力が打ち消しあうため、大きな異常ネルンスト効果による熱起電力は得られない。図３（Ａ）（Ｂ）においてはストリップが奇数本あるため、正味１本分の熱起電力のみが得られ、その符号は磁化反転により反転する。図３（Ｃ）は異なる磁化方向に対する熱起電力のΔＴ依存性であり、磁化方向に依存する異常ネルンスト効果成分と、磁化方向に依存しないゼーベック効果に由来するバックグラウンド成分が重畳した結果である。図３（Ｄ）は、図３（Ｃ）における磁化方向に依存する成分（異常ネルンスト効果）と依存しない成分（ゼーベック効果）を分離した結果である。
【0034】
図３（Ｃ）に示すように、上向きの磁化方向（図３（Ａ））では、温度勾配形成部３０により形成される基板１０の低温側３４と高温側３２の温度差ΔＴが９Ｋの場合、正味熱起電力は２１μＶとなる。他方、下向きの磁化方向（図３（Ｂ））では、温度勾配形成部３０により形成される基板１０の低温側３４と高温側３２の温度差ΔＴが９Ｋの場合、正味熱起電力は２７μＶとなる。熱起電力の大きさは、いずれの磁化方向においてもΔＴに比例する。図３（Ｄ）に示すように、計算されたゼーベックオフセット電圧は、温度勾配形成部３０により形成される基板１０の低温側３４と高温側３２の温度差ΔＴが９Ｋの場合、２４μＶである。従って、ゼーベック係数は、２．７０μＶ／Ｋとなる。温度勾配に垂直な異常ネルンスト効果（ＡＮＥ）の寄与は、温度勾配形成部３０により形成される基板１０の低温側３４と高温側３２の温度差ΔＴが９Ｋの場合、−３μＶである。従って、異常ネルンスト効果による単位温度差当たりの熱起電力は、−０．３５μＶ／Ｋとなる。
【0035】
図４は本発明の一実施形態を示す、異なる磁化構成で設計されたＣｏ／Ｐｔ多層膜サーモパイルベースＴＥＧデバイスで測定された熱起電力のΔＴ依存性の説明図である。図４（Ａ）、（Ｂ）は光（σ＋）および左（σ−）の円偏光でＡＯＳを介して設計された交互の磁化方向を持つＣｏ／Ｐｔ多層膜サーモパイルを示している。ここで、図４（Ａ）は図２（Ｄ）に示す磁性体パターン部の上向き磁化部２１と下向き磁化部２２と同一の配列、図４（Ｂ）は図２（Ｄ）に示す磁性体パターン部の上向き磁化部２１と下向き磁化部２２とは逆の配列を示している。図４（Ｃ）は異なる磁化構成での対応する正味熱起電力、図４（Ｄ）は異なる磁化構成で計算された異常ネルンスト効果（ＡＮＥ）に由来する熱起電力成分を示している。
【0036】
図４（Ａ）は、図３（Ａ）に示す上向きの磁化方向の長手方向導電パターンに対して、一つおきに左の円偏光（σ−）を照射して、下向きの磁化方向の長手方向導電パターンを形成したものである。図４（Ｂ）は、図３（Ｂ）に示す下向きの磁化方向の長手方向導電パターンに対して、一つおきに右の円偏光（σ＋）を照射して、上向きの磁化方向の長手方向導電パターンを形成したものである。
【0037】
図４（Ｃ）に示すように、右の円偏光（σ＋）を照射した場合（図４（Ｂ））では、温度勾配形成部３０により形成される基板１０の低温側３４と高温側３２の温度差ΔＴが９Ｋの場合、正味熱起電力は５２μＶとなる。他方、左の円偏光（σ−）を照射した場合（図４（Ａ））では、温度勾配形成部３０により形成される基板１０の低温側３４と高温側３２の温度差ΔＴが９Ｋの場合、正味熱起電力は−５μＶとなる。熱起電力の大きさは、いずれの場合においてもΔＴに比例する。
【0038】
図４（Ｄ）に示すように、異常ネルンスト効果による単位温度差当たりの熱起電力は、右の円偏光（σ＋）を照射した場合と左の円偏光（σ−）を照射した場合のそれぞれに対して、３．１８μＶ／Ｋと−３．３１μＶ／Ｋとなる。これらの値の絶対値の差は実験誤差の範疇であり、符号反転は異常ネルンスト効果による熱起電力が磁化反転により反転することを反映している。この結果は、図３（Ｄ）に示す均一な磁化を持つＣｏ／Ｐｔ多層サーモパイルと比較して、約９．５倍の増強比を示している。図４で用いたＣｏ／Ｐｔ多層膜サーモパイルベースＴＥＧデバイスは計１３本の長手方向導電パターンから形成されているため、理想的には１３倍の増強比が得られるはずであるが、実験的に見積もられた増強比は理想値より低くなっている。これはＡＯＳの効率が１００％ではないことなどが要因であり、素子作製条件の最適化によって１３倍までは増強可能である。長手方向導電パターンの本数を増やせば、それに応じて理想増強比をさらに上げることができる。即ち、ミアンダ形状に配置された長手方向導電パターンに対して、右の円偏光（σ＋）又は／及び左の円偏光（σ−）を長手方向導電パターンに照明することで、上向き磁化部２１と下向き磁化部２２を交互に配列することで、温度勾配形成部３０により形成される基板１０の低温側３４と高温側３２の温度差ΔＴによって、大きな異常ネルンスト効果による熱起電力が得られる。
【0039】
図５は従来の異常ネルンスト効果による熱電変換装置を説明する図で、（Ａ）は比較例１、（Ｂ）は比較例２を示している。なお、図５（Ａ）、（Ｂ）において、図１と同一作用をするものには同一符号を付して説明を省略する。図５（Ａ）に示す比較例１では、サーモパイルは、異常ネルンスト係数が異なる２つの磁性体ＦＭ１、ＦＭ２で構成される。２つの強磁性体は同一方向に磁化している（＋ｚ方向または−ｚ方向に沿ったＭ）。即ち、磁性体４０は、第１の磁性材料部４１、第２の磁性材料部４２、第１の屈曲部４３、第２の屈曲部４４、第１の電極部４５、第２の電極部４６で構成されている。
第１の磁性材料部４１は、磁性体４０の長手方向導電パターンであって、紙面上向き（z軸方向矢尻側）に磁化された磁性体材料ＦＭ１よりなる。第２の磁性材料部４２は、磁性体４０の長手方向導電パターンであって、紙面上向きに磁化された磁性体材料ＦＭ２よりなる。第１の磁性材料部４１と第２の磁性材料部４２は、交互に平行な状態で基板１０上のｙ軸に沿って配置されており、第１の屈曲部４３と第２の屈曲部４４によって、ミアンダ形状に配置されている。
【0040】
第１の屈曲部４３は、第１の磁性材料部４１の長手方向導電パターンにおけるｙ軸の一端を折返して、隣接する第２の磁性材料部４２の長手方向導電パターンにおけるｙ軸の一端に接続する導電パターンである。第２の屈曲部４４は、第２の磁性材料部４２の長手方向導電パターンにおけるｙ軸の他端を折返して、隣接する第１の磁性材料部４１の長手方向導電パターンにおけるｙ軸の他端に接続する導電パターンである。第１の電極部４５と第２の電極部４６は、図１に示す第１の電極部２５と第２の電極部２６と同様である。比較例１によれば、第１の磁性材料部４１と第２の磁性材料部４２は、交互に平行な状態で基板１０上に配置されており、磁性体材料ＦＭ１、ＦＭ２の異常ネルンスト係数が異なれば一様磁化でサーモパイルとして機能するが、異なる磁性体材料ＦＭ１、ＦＭ２で製造されており、製造工程が複雑になる。
【0041】
図５（Ｂ）に示す比較例２では、サーモパイルは、磁化方向（図に示す＋ｚ方向）が同じである１つの強磁性体のみで構成される。即ち、磁性体５０は、順方向導電パターン５１、逆方向導電パターン５２、第１の屈曲部５３、第２の屈曲部５４、第１の電極部５５、第２の電極部５６で構成されている。順方向導電パターン５１は、磁性体５０の長手方向導電パターンであって、紙面上向き（＋z方向）に磁化された磁性体よりなる。逆方向導電パターン５２は、磁性体５０の長手方向導電パターンであって、紙面上向きに磁化された磁性体よりなる。順方向導電パターン５１と逆方向導電パターン５２は、交互に平行な状態で基板１０上のｙ軸に沿って配置されており、第１の屈曲部５３と第２の屈曲部５４によって、ミアンダ形状に配置されている。
【0042】
第１の屈曲部５３は、順方向導電パターン５１におけるｙ軸の一端を折返して、隣接する逆方向導電パターン５２におけるｙ軸の一端に接続する導電パターンである。第２の屈曲部５４は、逆方向導電パターン５２におけるｙ軸の他端を折返して、隣接する順方向導電パターン５１におけるｙ軸の他端に接続する導電パターンである。第１の電極部５５と第２の電極部５６は、図１に示す第１の電極部２５と第２の電極部２６と同様である。比較例２の長手方向導電パターンの配置は、図３（Ａ）、（Ｂ）の配置と同様である。比較例２の場合は、磁化方向が同じである１つの強磁性体のみで構成されるため、異常ネルンスト効果により得られる熱起電力が順方向導電パターン５１と逆方向導電パターン５２とで打ち消しあうため、サーモパイルとして機能しない。
【0043】
図６は、本発明の他の実施形態を示す簡略化されたサーモパイル形状の熱電発電（ＴＥＧ）デバイスの概念的構成を示す斜視図である。本発明の他の実施例として、原理的には磁性体２０の長手方向導電パターンがｙ方向に形成されている場合に、温度勾配がｚ方向、磁化がｘ方向でもｙ方向に異常ネルンスト効果による熱起電力が生じるため、熱電変換素子として機能する。
【0044】
図において、本発明の垂直型熱電発電素子は、基板１０、磁性体８０よりなると共に、磁性体８０とは別に温度勾配形成部７０及び光照射手段３７を備える。基板１０は、表面に磁性体８０が形成されるもので、例えばガラス基板や、シリコン基板、酸化マグネシウム基板、サファイア基板のような薄膜作製に用いられる典型的な絶縁体材料に加えて、セラミックス基板や樹脂製基板でもよい。
【0045】
磁性体８０は全光型磁化反転と異常ネルンスト効果を示すものあればよく、例えば、ＧｄＸＦｅ１−Ｘ−ＹＣｏＹ（０．２０≦Ｘ≦０．２８、０．０３≦Ｙ≦０．１０）、ＴｂＸＣｏ１−Ｘ（０．０８≦Ｘ≦０．３４）、ＴｂＸＦｅ１−Ｘ（０．１９≦Ｘ≦０．３４）、ＴｂＸＦｅ１−Ｘ−ＹＣｏＹ（０．２０≦Ｘ≦０．４０、０．０８≦Ｙ≦０．３０）、ＦｅＰｔ等を用いることができる。磁性体８０は、ミアンダ形状に配置されているもので、幅方向正側磁化部としての右向き磁化部８１、幅方向反側磁化部としての左向き磁化部８２、第１の屈曲部８３、第２の屈曲部８４、第１の電極部８５、第２の電極部８６で構成されている。ミアンダ形状なので、磁性体８０の巨視的な温度勾配方向は磁性体８０の厚みと大略一致し（図６のｚ方向）、磁性体８０の振れ幅方向は磁性体８０の微視的な長手方向導電パターンの熱起電力方向もしくは電場方向と大略一致（図６のｙ方向）する。磁性体８０の巨視的な結線方向（図６のｘ方向）は、磁性体８０の磁化方向Ｍであり、右向き磁化部８１と左向き磁化部８２とがある。ここで、磁性体８０の巨視的な結線方向は、磁性体８０が第１の電極部８５と第２の電極部８６の間で結線される方向を、基板１０全体の形状、特に矩形形状の基板１０の縁方向を基準に定めたものをいう。
【0046】
右向き磁化部８１は、磁性体８０の長手方向導電パターンであって、紙面右向き（＋ｘ方向）に磁化された磁性体よりなる。左向き磁化部８２は、磁性体８０の長手方向導電パターンであって、紙面左向き（−ｘ方向）に磁化された磁性体よりなる。右向き磁化部８１と左向き磁化部８２は、交互に平行な状態で基板１０上に配置されており、第１の屈曲部８３と第２の屈曲部８４によって、ミアンダ形状に配置されている。第１の屈曲部８３は、左向き磁化部８２の長手方向導電パターンにおけるｙ軸の一端を折返して、隣接する右向き磁化部８１の長手方向導電パターンにおけるｙ軸の一端に接続する導電パターンである。第２の屈曲部８４は、右向き磁化部８１の長手方向導電パターンにおけるｙ軸の他端を折返して、隣接する左向き磁化部８２の長手方向導電パターンにおけるｙ軸の他端に接続する導電パターンである。
【0047】
第１の電極部８５は、紙面の最も右側の部位に位置する左向き磁化部８２が接続されるもので、ここでは左向き磁化部８２の最近接部位が接続されており、マイナス電極板となっている。第２の電極部８６は、紙面の最も左側の部位に位置する左向き磁化部８２が接続されるもので、ここでは左向き磁化部８２の最近接部位が接続されており、プラス電極板となっている。なお、第１の電極部８５と第２の電極部８６に接続される長手方向導電パターンは、温度勾配形成部７０により形成される基板１０の最も低温側７４と最も高温側７２に位置するものが接続されるものであり、右向き磁化部８１となるか左向き磁化部８２となるかは、基板１０の幅と磁性体８０の長手方向導電パターンのミアンダ形状の折り返し数によって定まる。また、温度勾配∇Ｔは高温側に向かう方に向くベクトルなので、図中の∇Ｔにマイナス符号を付してある。
さらに、第１の電極部８５と第２の電極部８６は、マイナスの極性かプラスの極性となるかは、磁性体８０の長手方向導電パターンの磁化方向によって定まるものである。従って、図６に示すような右向き磁化部８１と左向き磁化部８２の配置であれば、第１の電極部８５がマイナス電極板となり、第２の電極部８６がプラス電極板となるが、右向き磁化部８１と左向き磁化部８２の配置が図６に示すものと逆であれば、第１の電極部８５がプラス電極板となり、第２の電極部８６がマイナス電極板となる。また、巨視的な結線方向の矢尻側は、プラス電極板からマイナス電極板に電流が流れる方向をいう。巨視的な結線方向の矢筈側は、矢尻側と逆になる。逆符号の異常ネルンスト係数を有する磁性体を用いた場合は、逆符号の起電力が発生する。
【0048】
磁性体８０の長手方向導電パターンの微視的な形状は、例えば大略直方体状であって、幅方向をｘ軸、長手方向をｙ軸、厚み方向をｚ軸とする。磁性体８０の磁化Ｍの方向は、例えば磁性体８０の幅方向ｘとする。温度勾配がｚ方向に付いている場合は、磁性体８０における電流の方向は磁性体８０の長手方向ｙとなる。熱電変換電力の表示部８８は、第２の電極部８６から第１の電極部８５に流れる熱電エネルギーを模式的に表示するものである。
【0049】
温度勾配形成部７０は、磁性体８０に温度勾配を形成可能に設けられるもので、例えば電熱器のような熱源装置や自動車等の内燃機関、工場や製鉄所、パソコンやサーバー機などで発生する廃熱源が用いられる。磁性体８０における温度勾配∇Ｔ又は／及び熱流Ｊｑの方向は、例えば磁性体８０の厚み方向ｚとする。ここでは、基板１０における磁性体８０のパターンの厚み方向ｚの表面において、裏面側が高温側７２となり、表面側が低温側７４となる。光照射手段３７は、偏光を制御できるもので、例えばレーザ発振器と偏光板が用いられる。光照射手段３７が照射する円偏光の方向は、例えば磁性体８０の幅方向ｘの成分を含むものとし、磁性体８０の表面に照射される。右の円偏光（σ＋）が長手方向導電パターンに照明されることで、左向き磁化部８２を形成する。左の円偏光（σ−）が長手方向導電パターンに照明されることで、右向き磁化部８１を形成する。
【0050】
このように構成された装置においては、図６に示すように、光照射手段３７で磁性体８０に円偏光を照射したとき、ミアンダ形状の振れ幅方向に応じて、磁性体８０の円偏光の照射された領域である長手方向導電パターン毎に、右向き磁化部８１と左向き磁化部８２とを定める。右向き磁化部８１と左向き磁化部８２を交互に配置することによって、異常ネルンスト効果によって生成された熱起電力を昇圧できる。即ち、異常ネルンスト効果によって、磁性体８０の磁化Ｍと温度勾配∇Ｔ又は／及び熱流Ｊｑの外積方向に、電流Ｊｃ（異常ネルンスト効果による電場ＥＡＮＥ）が生成される。なお、強磁性体が磁化していれば、外部磁場は不要である。
【0051】
なお、本発明の実施例として、図１や図６に示す実施形態を示したが、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。例えば、図1に示す実施例では磁性体の温度勾配形成方向（ｘ方向）が磁性体の磁化方向（ｚ方向）と直交する方向であり、磁性体の温度勾配形成方向と、磁性体の磁化方向とに直交する方向（ｙ方向）に磁性体の長手方向導電パターンが形成されている配置を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、薄膜面内方向に向いている磁化を全光型磁化反転技術で反転させることも可能である。また、本発明の垂直型熱電発電素子を用いた電子機器としては、情報携帯端末、情報処理用コンピュータ、集積回路を搭載した音響電子機器や映像電子機器、セットトップボックス等、各種の電子機器が対象となる。
【産業上の利用可能性】
【0052】
以上詳細に説明したように、本発明の垂直型熱電発電素子によれば、光照射で磁化分布を変えることによって、従来素子と比較して、単一材料から構成される簡便なサーモパイル構造において異常ネルンスト効果による大きな熱起電力を得ることが可能となり、熱電発電素子や熱センサーとして利用が期待される。また、本発明の垂直型熱電発電素子を用いた電子機器によれば、ムーアの法則の下、微細化が継続的に進行している電子デバイスに対して、熱電発電素子による給電が可能になり、電力事情が万全でない環境での使用にも適する。
【符号の説明】
【0053】
１０ 基板２０、４０、５０、８０ 磁性体
２１ 上向き磁化部（磁化方向がｚ軸の矢尻側）
２２ 下向き磁化部（磁化方向がｚ軸の矢筈側）
２３、４３、５３、８３ 第１の屈曲部
２４、４４、５４、８４ 第２の屈曲部
２５、４５、５５、８５ 第１の電極部（マイナス電極板）
２６、４６、５６、８６ 第２の電極部（プラス電極板）
２８、４８、５８、８８ 熱電変換電力の表示部
３０、７０ 温度勾配形成部
３２、７２ 高温側
３４、７４ 低温側
３５、３７ 光照射手段
４１ 第１の磁性材料部
４２ 第２の磁性材料部
５１ 順方向導電パターン
５２ 逆方向導電パターン
６０ 磁性体パターン部
６１ サファイア基板
６２ 下地層
６３ Ｃｏ／Ｐｔ多層膜（ＡＯＳあり）
６４ 上部酸化防止層
８１ 幅方向正側磁化部（右向き磁化部）
８２ 幅方向反側磁化部（左向き磁化部）
σ＋、σ− 光照射手段
ｘ 磁性体の長手方向導電パターンの幅方向（ミアンダ形状の巨視的な結線方向）
ｙ 磁性体の長手方向導電パターンの形成方向（ミアンダ形状の振れ幅方向）
ｚ 磁性体の長手方向導電パターンの厚み方向