(57)【要約】磁性体層２と、複数の電極５、６とを含む熱電変換部を有している。磁性体層２は、磁化を有している。複数の電極５、６は、スピン軌道相互作用を有する材料から成り、磁性体層２の磁化方向に交差する方向に延在するように磁性体層２上に形成されている。熱電変換部は、磁性体層２の層面上の任意の箇所が加熱されることにより、磁性体層２中の有効温度を変調してスピンゼーベック効果を誘起する。この結果、熱電変換部は、加熱された位置に応じた電圧を位置情報として、複数の電極５、６から発生する。
2012153642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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から成り、前記磁性体層の磁化方向に交差する方向に延在するように該磁性体層上に形成された複数の電極とを含む熱電変換部を有し、
前記熱電変換部は、前記磁性体層の層面上の任意の箇所が加熱されることにより、該磁性体層中の有効温度を変調してスピンゼーベック効果を誘起し、前記複数の電極から加熱された位置に応じた電圧を位置情報として発生することを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】
前記熱電変換部と別体に、前記磁性体層の層面上の任意の箇所を加熱する加熱手段をさらに有する請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項３】
前記複数の電極は、相互に平行に配置されている請求項１または２に記載の位置検出装置。
【請求項４】
前記複数の電極は、互いに直角をなす第１の電極群と第２の電極群とから成るマトリクス状に配置されている請求項１または２に記載の位置検出装置。
【請求項５】
前記複数の電極はそれぞれ、前記磁性体層の磁化方向に対して４５度をなしている請求項１乃至４のいずれか一項に記載の位置検出装置。
【請求項６】
前記熱電変換部上に前記磁性体層に対応して形成され、電磁波を吸収することで発熱する電磁波吸収層を含み、前記磁性体層の層面上の任意の箇所に対応する箇所に印加される電磁波に基づいて発熱することにより、前記磁性体層の層面上の任意の箇所を加熱する電磁波検知部をさらに有する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の位置検出装置。
【請求項７】
前記熱電変換部上に前記磁性体層に対応して形成され、摩擦されることで発熱する摩擦熱発生層を含み、前記磁性体層の層面上の任意の箇所に対応する箇所に印加される摩擦に基づいて発熱することにより、前記磁性体層の層面上の任意の箇所を加熱する摩擦検知部をさらに有する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の位置検出装置。
【請求項８】
前記熱電変換部上に前記磁性体層に対応して形成され、特定の浮遊体が付着することで化学反応によって発熱する浮遊体検知層を含み、任意の面位置に付着される浮遊体に起因する化学反応に基づいて発熱することにより、前記磁性体層の層面上の任意の箇所を加熱する浮遊体検知部をさらに有する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の位置検出装置。
【請求項９】
前記磁性体層に対して定常温度勾配が印加されるように構成されている請求項１乃至８のいずれか一項に記載の位置検出装置。
【請求項１０】
前記磁性体層中の有効温度として、格子温度またはマグノン温度を変調する請求項１乃至９のいずれか一項に記載の位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱の生成した位置を検出する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
２次元的な位置情報を検出可能な装置または素子は、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。
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が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。
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付くと、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および特許文献２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を利用した基本的なデバイスである、熱／スピン流変換素子、スピントロニクスデバイスを開示している。
また、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。
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１３００７０号公報
【特許文献２】特開２００９−２９５８２４号公報
【特許文献３】特開２０１０−０５５４５３号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ  ８１，２１４４１８
【発明の概要】
【０００５】
それ故、本発明の課題は、外部電源が不要な位置検出装置を提供することである。
本発明によれば、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から成り、前記磁性体層の磁化方向に交差する方向に延在するように該磁性体層上に形成された複数の電極とを含む熱電変換部を有し、前記熱電変換部は、前記磁性体層の層面上の任意の箇所が加熱されることにより、該磁性体層中の有効温度を変調してスピンゼーベック効果を誘起し、前記複数の電極から加熱された位置に応じた電圧を位置情報として発生することを特徴とする位置検出装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
図１は、本発明による位置検出装置の第１の実施形態を示す斜視図である。
図２は、図１に示された位置検出装置の待機状態を示す図である。
図３は（ａ）及び（ｂ）で構成され、図１に示された位置検出装置の入力動作を示す図である。
図４は（ａ）〜（ｈ）で構成され、第１の実施形態において位置Ａ〜Ｈがそれぞれ加熱された場合の、電極ｘ１〜ｘ７での起電力分布を示す図である。
図５は、第１の実施形態において電極ｘ３と電極ｘ４の間の地点が加熱された場合の熱起電力生成について説明する図である。
図６は、（ａ）〜（ｃ）で構成され、第１の実施形態における磁性体面内での温度分布、熱起電力分布を示す図である。
図７は、本発明の実施例１の位置検出装置を示す図である。
図８は、（ａ）及び（ｂ）で構成され、本発明による位置検出装置の第２の実施形態を示す斜視図である。
図９は、図８に示された位置検出装置を示す図である。
図１０は、（ａ）及び（ｂ）で構成され、本発明による位置検出装置の第３の実施形態を示す図である。
図１１は、本発明の実施例３の実施形態である位置検出装置を示す図である。
図１２は、（ａ）及び（ｂ）で構成され、本発明による位置検出装置の第４の実施形態を示す図である。
図１３は、本発明の実施例４の実施形態である位置検出装置を示す図である。
図１４は、（ａ）及び（ｂ）で構成され、本発明による位置検出装置の第５の実施形態を示す図である。
図１５は、本発明の実施例５の位置検出装置を示す図である。
図１６は、（ａ）及び（ｂ）で構成され、本発明による位置検出装置の第６の実施形態を示す図である。
図１７は、（ａ）及び（ｂ）で構成され、図１６に示された位置検出装置の入力動作を示す図である。
図１８は、本発明の実施例６の位置検出装置を示す図である。
図１９（ａ）及び（ｂ）で構成され、本発明による位置検出装置の第７の実施形態を示す図である。
図２０（ａ）及び（ｂ）で構成され、図１９に示された位置検出装置の入力動作を示す図である。
図２１は、本発明の実施例７の実施形態である位置検出装置を示す図である。
図２２は、（ａ）及び（ｂ）で構成され、本発明による位置検出装置の第８の実施形態を示す図である。
図２３は、（ａ）及び（ｂ）で構成され、図２２に示された位置検出装置の入力動作を示す図である。
図２４は、本発明の実施例８の実施形態である位置検出装置を示す図である。
図２５は、本発明の関連技術としての、スピンゼーベック効果の動作原理を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明の位置検出装置は、平面上の加熱された箇所または平面上の発熱した箇所の２次元座標を特定する装置であって、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。本位置検出装置は、基本的に、スピンゼーベック効果を用いる位置検出素子（熱電変換部）を有している。
さらに、本発明は、位置検出素子（熱電変換部）と、これとは別体に設けられ、熱電変換部の平面上の任意の箇所を加熱する加熱手段とを有するシステム的な位置検出装置、もしくは、熱電変換部と、これと一体に形成され、熱エネルギー以外の種々のエネルギーを受けて平面上の任意の箇所が発熱するエネルギー態様のインターフェース手段とを有する位置検出装置をも提案する。
本発明による位置検出装置は、外部電源が不要である。
即ち、本明細書で示す構造により、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イメージセンサなどを実現することができる。また、塗布プロセスや印刷プロセスなどを利用することが可能で、低コスト基板への大面積実装にも適している。
第１の実施形態
［原理］
まず、特許文献１で示されているスピンゼーベック効果の基本的な構成・原理を図２５に示した。基本的な素子構造は、基板上に成膜した磁化を有する磁性体層と、磁性体層の端部に配置された電極とからなる。このような構造に対して面内方向の温度勾配を印加した場合、電極と磁性体層の間の界面にスピン流が誘起される。このスピン流を、電極における逆スピンホール効果によって電流（起電力）に変換することで、「温度差から熱起電力を生成する熱電変換」が可能となる。
非特許文献１（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ  ８１，２１４４１８）で示されている微視的なスピンゼーベック理論では、このスピン流は、「格子温度Ｔｐ」と「マグノン温度Ｔｍ」の間の温度差によって駆動されていると理解することができる。ここで、格子温度とは熱による格子振動（フォノン）の大きさを表すパラメータ（通常の意味での「温度」）で、マグノン温度とはスピンの熱ゆらぎの大きさを表すパラメータに相当する。素子の両端に温度差ΔＴを印加すると、磁性体中の熱伝導率が一様の場合、格子温度（通常の「温度」）は図１８に示すように線形変化するのに対し、スピンの熱運動を表すマグノン温度の場合、（１）強磁性体やフェリ磁性体中では多くのスピンが相互作用して強調運動する、（２）イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）などの磁性絶縁体におけるマグノンは環境（熱浴）との相互作用が小さい（熱浴に対して非平衡のまま伝播する）、という２つの理由から、格子温度とは異なる分布を持つ。特に、マグノンと環境との相互作用が小さい状況では、マグノンはフォノン散乱を受けずに、熱浴とは非熱平衡の状態で磁性体中を移動できることから、最も単純な近似では、マグノン温度は磁性体全体の温度分布を平均した一定の値を持つと考えてもよい。
この結果、図２５に示されるように、格子温度Ｔｐが線形変化する一方で、マグノン温度Ｔｍが一定値となることから、素子の両端では大きな格子−マグノン温度差ΔＴｍｐ＝Ｔｐ−Ｔｍが生じることになる。したがって、磁性体層の端部に電極を配置すると、この温度差ΔＴｍｐを駆動源として、磁性体層から電極へと界面スピン流がポンピングされ、スピンゼーベック信号が生じることになる。
尚、最大の熱起電力を取り出す発電用途では、上記文献のように磁性体の端部に電極を配置するのが最も効果的だが、上記の格子−マグノン温度差ΔＴｍｐは磁性体の端部以外の場所でも有限の値を持つことから、端部以外の場所でも電極で熱起電力を取り出すことが原理的に可能である。
［構成］
本発明においては、このスピンゼーベック効果を利用する。
図１に、第１の実施形態である位置検出装置の基本装置構造に示す。本位置検出装置は、基板４と、磁性体層２と、磁性体層２上にメッシュ状に配置された複数のＸ位置検出用電極５およびＹ位置検出用電極６と、これら電極間の電気的絶縁のための絶縁層７、および、それら全体を保護するカバー層３とを含む熱電変換部を有している。ここで、２次元位置を検出するためのＸ位置検出用電極５およびＹ位置検出用電極６とは、それぞれＹ方向およびＸ方向に細長い線状の形状を有しており、互いに略直交する方向に配置されているものとする。図１においては一例として、Ｘ位置検出用電極５とＹ位置検出用電極６をそれぞれ７本ずつ配置している（ここでは左上から、それぞれ電極ｘ１〜ｘ７、電極ｙ１〜ｙ７と定義する）。
磁性体層２は、膜面（図１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、Ｘ位置検出用電極５の長手方向（Ｙ方向）に対しても、Ｙ位置検出用電極６の長手方向（Ｘ方向）に対しても、有限な角度をもつ方向に磁化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ものとする。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。
磁性体層２の材料としては、（１）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、（２）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。金属や半導体では伝導電子による熱伝導が大きくなることから、本実施形態においてはより熱伝導率の小さい磁性絶縁体を用いる。特に、多結晶やナノ結晶の磁性絶縁体材料を用いれば、効果的なフォノン散乱によってフォノン熱伝導を抑制し、さらに高い感度・分解能を得ることが可能となる。
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。このような磁性体層２は、例えば有機金属堆積法（ＭＯＤ法）、ゾルゲル法、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）などの方法により、基板４上に成膜する。これらの塗布・印刷ベースの成膜法を用いれば、大面積基板にも一括成膜することが可能で、生産性の高い製造が可能となる。
また、ＹＩＧ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、タッチパネルのような透明な位置入力デバイスとしての応用にも適している。
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装置が得られる。
Ｘ位置検出用電極５や、Ｙ位置検出用電極６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（１０％以下）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Ｘ位置検出用電極５、Ｙ位置検出用電極６は、光リソグラフィなどでパターニングした後、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で作製することもできる。尚、Ｘ位置検出用電極５とＹ位置検出用電極６の間の導通を防ぐために、これらが交差する位置に、絶縁層７を挟む。絶縁層７も、ポリイミドなどの材料を用いて印刷法で形成できることから、塗布・印刷ベースのプロセスで全てを形成することも可能である。
ここで、スピン流を高い効率で電気に変換するために、電極の厚さは、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。また、本実施形態のように熱起電力を電圧計で読み取る用途では、金属膜が薄いほどより大きな電圧出力が得られるため、電極の厚さは、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としては、Ｘ位置検出用電極５およびＹ位置検出用電極６を保護可能できる材料・構造であれば、詳細は問わない。例えば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、印刷・塗布プロセスでカバー層を作成することができる。ただし、感度が重要となる用途では、入力された熱を磁性体層２に効果的に伝えるために、面直方向に熱伝導率の大きな材料か、膜厚が小さくても装置の保護が可能となるような材料を用いることが望ましく、膜厚は２００μｍ以下が望ましい。
基板４としては、周囲環境からの流入する熱や温度揺らぎによる雑音や誤動作を極力防ぐために、熱伝導率が小さな材料を用いるか、厚みが十分大きな構造を用いることが好ましい。より具体的には、基板４の面直方向の熱抵抗が、その他の層（磁性体層２＋カバー層３）の面直方向の熱抵抗よりも十分大きくなるように設計する。
上記の観点から、基板４では伝導電子による熱伝導の無い絶縁体材料を用いることが望ましく、さらに熱伝導率の小さなガラス等のアモルファス絶縁体や、ポリイミド等の有機樹脂材料を用いることが特に望ましい。また、基板４の厚さは少なくとも５０μｍ以上であることが望ましい。尚、磁性体層２を直接固定して安定して利用できるような用途・利用環境の下では、基板４は無くてもよい。
［動作］
この位置検出装置の動作方法を、図２を参照して説明する。位置情報を検出するには、Ｘ位置検出用電極５やＹ位置検出用電極６のそれぞれに生じる熱起電力（電位差または電流）を評価する必要がある。評価方法は様々だが、図２においては、全てのＸ位置検出用電極５およびＹ位置検出用電極６のそれぞれで、片側をグラウンド（基準電位）に設置し、もう片側を、電圧を測定・記録可能なＸ位置記録装置１１、およびＹ位置記録装置１２に接続する。これによって、スピンゼーベック効果によって電極の一端とグラウンドとの間に生じる熱起電力（Ｖｘ１〜Ｖｘ７，Ｖｙ１〜Ｖｙ７）を、電圧信号として外部に記録できるようにする。
このスピンゼーベック現象は、微視的には前述のように、格子―マグノン温度差ΔＴｍｐによって駆動される。したがって、熱起電力（Ｖｘ１〜Ｖｘ７，Ｖｙ１〜Ｖｙ７）の大きさは、その幅や長さ等のパラメータが一定の下では、この温度差ΔＴｍｐに比例すると考えてよい。
まず、図２に示すように温度勾配が印加されない定温度状態では、格子温度とマグノン温度は等しい一定値を取る。このため、格子―マグノン温度差ΔＴｍｐによるスピン流は駆動されず、熱起電力も生じない（Ｖｘ１〜Ｖｘ７＝Ｖｙ１〜Ｖｙ７＝０Ｖ）。
ここで、図３に示されるように、位置検出素子（熱電変換部）とは別体に、位置情報入力手段としての外部からの加熱手段１０によって磁性体層２の一部を加熱すると、格子温度が局所的に変化し、その周辺に温度勾配が生じることにより、スピンゼーベック効果に起因するスピン流が誘起される。このスピン流は、最も近いＸ位置検出用電極５及びＹ位置検出用電極６へと流れ込み、これらの電極における逆スピンホール効果によって、磁性体層２の磁化方向に対して垂直方向の起電力へと変換される。この起電力を外部の電位計で計測することによって、発熱が生じた２次元座標を特定することができる。尚、本発明における「加熱」としては、「冷却」をも、負の加熱として含むものとする。
加熱位置に応じた熱起電力生成の具体例を、図４に示した。図４（ａ）〜４（ｈ）の上段では、それぞれ異なるＸ位置（Ａ〜Ｈ）において加熱が生じた場合の、加熱点を含むｘｚ面での断面図を示している。一方、図４（ａ）〜４（ｈ）の下段のグラフ中では、このｘｚ断面の磁性体層における格子温度Ｔｐ、マグノン温度Ｔｍの分布を、ｘ位置を横軸として示している。ここで、熱伝導率が磁性体層２中で一様とし、端部では一定の熱流が逃がされるという境界条件を仮定している。この図が示すように、格子温度は加熱が生じた点で大きな値を持つ一方、マグノン温度は磁性体全体の平均値で均一な値を持つと仮定していることから、格子温度とマグノン温度の間に温度差が生じる。
これによって電極／磁性体界面でスピン流が駆動され、Ｘ位置検出用電極５（電極ｘ１〜ｘ７）のそれぞれにおいて格子−マグノン温度差に比例した熱起電力が生成される。尚、図４においては加熱が生じた部分を含むＸＺ断面での格子温度・マグノン温度分布、およびそれに起因する熱スピン流について具体的に示しているが、実際のＸ位置検出用電極５、Ｙ位置検出用電極６の両端に生じる出力電圧は、磁性体層全体におけるこのようなスピンゼーベック効果を積算した信号が現れる（図５参照）。ただし、加熱点から離れたＸＺ断面では、さほど大きな温度勾配は生じないことから、測定に寄与する熱起電力も小さい。
ここで、図４（ａ）〜４（ｈ）を比べると分かるように、加熱が生じた位置によって、電極ｘ１〜ｘ７で生じる起電力分布が大きく異なる。したがって、起電力分布をＸ位置記録装置１１で測定・記録し、それから格子温度分布を解析・推定することによって、加熱が生じたＸ位置を決定することができる。
尚、図４においては代表的な位置検出例のみを示しているが、実際にはより細かい（高分解能な）位置検出も可能である。例えば図６に示されるように、電極ｘ３と電極ｘ４との間のある点が加熱された場合を考える。このとき、熱起電力Ｖｘ３とＶｘ４に着目すると、（ａ）電極ｘ３に近い点が加熱された場合はＶｘ３＞Ｖｘ４、（ｂ）電極ｘ４に近い点が加熱された場合はＶｘ３＜Ｖｘ４となり、（ｃ）電極ｘ４に近い点が加熱された場合はＶｘ３＝Ｖｘ４となる。このように、Ｖｘ３とＶｘ４の大きさを調べることで、電極ｘ３と電極ｘ４との間において、より細かい位置の特定が可能となる。
以上、Ｘ位置の測定手順について説明したが、同様の格子−マグノン温度差分布はＹ方向についても生じることから、図４に示すような熱起電力分布の測定はＹ位置検出用電極６（電極ｙ１〜ｙ７）においても同時に行うことができる。これにより、上記と同様の手順により、加熱が生じたｙ位置を検知し、Ｙ位置記録装置１２に記録することができる。
尚、図４においては加熱地点を最高温度とする直線状の温度分布を仮定したが、本発明で検出できる温度分布は、これに限定されない。例えば、熱源によって加熱される部分が有限な大きさを有していてもよい。また、温度分布は複数の極大、極小ピークを有する場合でも、同様の方法で検出することができる。
このようにして、Ｘ位置記録装置１１とＹ位置記録装置１２で測定されたＸ、Ｙ位置情報から、加熱が生じた２次元位置を特定することができる。加熱手段１０としては、熱を持つものであれば何でも利用できることから、体温を持つ指や、先端が加熱されたペンなどで位置情報の入力が可能となる。待機時に電圧等のバイアス印加が不要であることから、待機電力の極めて小さなユーザーインターフェースなどに利用できる。
尚、本実施形態での位置入力の動作原理は、磁性体層の温度分布を局所的に変化させることであることから、加熱手段１０の代わりに冷却手段を用いてもよい。例えば、位置検出装置をＩＴ機器などの高温熱源に貼り付けて予め加熱しておき、外部から室温の冷却手段を近付けることでも、局所的に温度分布を変化させることが可能となる。
【実施例１】
【０００８】
図７に、本発明の具体的な実施例を示す。
本実施例においては、磁性体層２としてはＹサイトの一部をＢｉで置換したイットリウム鉄ガーネット（以降、Ｂｉ：ＹＩＧ。組成はＢｉＹ２Ｆｅ５Ｏ１２）膜を用いる。Ｘ位置検出用電極５およびＹ位置検出用電極６にはＰｔを用いる。ここで、Ｂｉ：ＹＩＧ膜の厚さは５μｍ、Ｐｔ電極の厚さは２０ｎｍとする。また、一つ一つのＰｔ電極はライン形状を有しており、ライン幅を１００μｍ、電極同士の間隔を１ｍｍとする。
基板４としては膜厚３００μｍの石英ガラス基板を、カバー層３としては膜厚５０μｍのアクリル樹脂を用いる。絶縁層７にはポリイミド樹脂を用いる。熱電変換部と別体の加熱手段１０としては、先端が４０℃に加熱されたペンを用いる。
Ｂｉ：ＹＩＧからなる磁性体層２は、エアロゾルデポジション法により成膜する。Ｂｉ：ＹＩＧ原料には、直径３００ｎｍのＢｉ：ＹＩＧ微粒子を用いる。このＢｉ：ＹＩＧ微粒子をエアロゾル発生容器に詰めておき、ガラス基板４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、Ｂｉ：ＹＩＧ微粒子が成膜チャンバ内へと引き込まれ、ノズルを通して基板上に吹き付けられる。このときの基板での衝突エネルギーによって微粒子が粉砕・再結合し、ガラス基板４上にＢｉ：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、基板上に均一なＢｉ：ＹＩＧ磁性体層２を膜厚５μｍで成膜する。
その後、必要に応じて磁性体層２の表面を研磨した後、Ｐｔ電極５、６、及び絶縁層７を、全てインクジェット法により成膜する。具体的には、インクジェット装置によってＰｔを含有するインクをライン状に塗布して乾燥させ、Ｐｔ電極６を作製した後、これがＰｔ電極５と交差する位置に、ポリイミド絶縁層７をインクジェットで堆積させる。その後、Ｐｔ電極５を同様にインクジェット成膜する。
最後に、これらの上に、アクリル材料としてポリメタクリル酸メチルを溶かした有機溶液を塗布し、１００℃程度の高温で乾燥させ、厚さ５０μｍのカバー層３を作成する。
＜第２〜第５の実施形態＞
第１の実施形態においては、位置情報の入力を行う位置情報入力手段として、位置検出素子（熱電変換部）とは個別の、熱電変換部の平面上の任意の箇所を加熱する加熱手段１０を利用した。しかし、本発明は、このようなシステム的な装置に限定されるものではなし。即ち、本発明は、各種エネルギー形態の外部トリガーを受けて平面上の任意の箇所が発熱するエネルギー態様インターフェース手段を、位置情報入力手段として位置検出素子（熱電変換部）と一体に備え（内蔵させれば）、各種エネルギー形態の外部トリガーによって位置情報の入力を実現できる。
実際、熱は最も一般的なエネルギー形態であり、電磁波や振動などの様々なエネルギーも、最終的に熱になることが多い。さらには、物質間の化学反応や相変化などでも熱が生成される。
そこで、第１の実施形態で示した熱センサアレイ（位置検出素子）を応用すれば、様々な形態のセンサアレイを構成することができる。以下では、電磁波センサアレイ、接触（摩擦熱）検知センサ、ガスセンサアレイなどへの応用について示す。
第２の実施形態
［電磁波センサアレイ］
図８に、第２の実施形態である電磁波センサアレイの斜視図を示す。第１の実施形態の位置検出装置との違いは、位置検出素子（熱電変換部）の電極／磁性体層の上に、絶縁材料からなるスペーサー層２２を挟んで、電磁波吸収層２１を含む電磁波検知部が配置された点である。
このような構造の電磁波センサアレイに対し、図８に示すように外部から電磁波２０が照射されると、電磁波２０が電磁波吸収層２１によって吸収され、その位置で発熱が生じる。この発熱による熱起電力を、Ｘ位置記録装置１１およびＹ位置記録装置１２で測定・記録することで、電磁波が照射された２次元位置を特定することができる。
ここで、電磁波吸収層２１としては、電磁波２０をよく吸収して発熱する材料を用いる。具体的な材料の選択は波長に依存するが、例えば赤外線であれば金黒膜（金の超微粒子膜）やニッケル・クロム合金膜など、可視光であればＣＩＧＳ（Ｃｕ（Ｉｎ、Ｇａ）Ｓｅ２）膜やフラーレン膜などが利用できる。また、カーボンブラックやカーボンナノチューブなどからなるカーボン膜などは、塗布・印刷による成膜にも適しており、赤外〜可視域の広い範囲で利用できる。
スペーサー層２２は、電極５，６での熱起電力生成動作を妨げないための絶縁層の役割を果たす。電磁波吸収層２１自体が絶縁体である場合は、スペーサー層２２は無くてもよい。
カバー層３には、電磁波２０をできるだけ透過する材料を用いる。必要に応じて、カバー層３の上部に波長フィルタを設けることで、特定の波長のみを検出するようにすることもできる。また、カバー層３の上部に部分反射鏡を設けて、カバー層３の厚みを最適化することで、特定の波長に対して機能する共振器を構成し、電磁波検出感度を向上することもできる。具体的には、検出すべき電磁波の波長をλ、カバー層の材料の屈折率をｎとしたとき、カバー層の膜厚ｔｃをｔｃ＝λ／（４ｎ）となるように設定する。
尚、感度が重要となる用途では、これら電磁波吸収層２１、スペーサー層２２、カバー層３としては、入力された熱を磁性体層２に効果的に伝えるために、面直方向に熱伝導率の大きな材料か、膜厚が小さくても装置の保護が可能となるような材料を用いることが望ましく、膜厚はそれぞれ１００μｍ以下が望ましい。感度・分解能を両立するさらに望ましい形態としては、面直方向に高い熱伝導を有し、面内方向に低い熱伝導を有する材料・構造を採用する。具体的には、面直方向に配向したカーボンファイバー等のフィラーを埋め込んだ材料を用いたり、面内でピクセルごとに材料を分割した（切り込みを入れた）構造を利用したりして、異方的な伝熱構造を実現する。
以上の原理により、非常に簡単な装置構成により、外部電源不要なイメージセンサなどへの応用が可能となる。
【実施例２】
【０００９】
図９に、本発明の具体的な実施例を示す。
本実施例においては、磁性体層２としてはＹサイトの一部をＢｉで置換したイットリウム鉄ガーネット（以降、Ｂｉ：ＹＩＧ。組成はＢｉＹ２Ｆｅ５Ｏ１２）膜を用いる。Ｘ位置検出用電極５およびＹ位置検出用電極６にはＰｔを用いる。ここで、Ｂｉ：ＹＩＧ膜の厚さは５μｍ、Ｐｔ電極の厚さは２０ｎｍとする。また、一つ一つのＰｔ電極はライン形状を有しており、ライン幅を１００μｍ、電極同士の間隔を１ｍｍとする。
ここでは電磁波２０として、波長１０μｍ程度の赤外線を利用する。電磁波吸収層２１としては、この波長の電磁波を効率的に吸収できるカーボンブラック膜を利用する。膜厚は２００ｎｍとする。基板４としては膜厚３００μｍの石英ガラス基板を、スペーサー層としては膜厚２００ｎｍのポリイミド層を、カバー層３としては膜厚５０μｍのアクリル樹脂を用いる。絶縁層７にはポリイミド樹脂を用いる。
Ｂｉ：ＹＩＧからなる磁性体層２は、エアロゾルデポジション法により実施例１と同様な方法により成膜する。その後、必要に応じて磁性体層２の表面を研磨した後、Ｐｔ電極５、６、及び絶縁層７を、全てインクジェット法で成膜する。その後、膜厚２００ｎｍのポリイミド層２２を原料溶液の塗布・乾燥により成膜する。さらにその上に、電磁波吸収層である膜厚２００ｎｍのカーボンブラック膜２１を、原材料のスピンコートにより全体に塗布成膜する。最後に、これらの上に、アクリル材料としてポリメタクリル酸メチルを溶かした有機溶液を塗布し、１００℃程度の高温で乾燥させ、厚さ５０μｍのカバー層３を作成する。  このような構成の赤外線センサアレイを活用することにより、非常に簡単な構成で、監視用の赤外線カメラやサーモグラフィなどを構成することができる。
第３の実施形態
［接触検知センサ（摩擦熱センサ）アレイ］
図１０に、本発明の第３の実施形態である接触検知センサ（もしくは摩擦熱センサ）の斜視図を示す。この装置は、第１の実施形態で示した位置検出装置において、カバー層３の代わりに、摩擦熱発生層３１を含む摩擦検知部を有している。第２の実施形態同様、必要に応じてスペーサー層２２を挿入する。
このような構造の接触検知センサに対し、図１０のように、摩擦印加手段（摩擦熱発生手段）３０で摩擦熱発生層３１の一部を擦るなどして接触させると、この摩擦熱発生層３１の接触部において発熱が生じる。この熱を、第１の実施形態で説明した位置検出装置によって検知することで、接触が生じた２次元位置を測定・記録することができる。
摩擦熱発生層３１の表面は、摩擦印加手段３０との接触によって発熱が生じるよう、表面を適切に加工する。また、表面で発生した熱を効率よく磁性体層２へ伝えるため、摩擦熱発生層３１は、保護膜として機能する範囲でできるだけ薄くするか、熱伝導率の高い材料で構成することが望ましい。
このような装置により、外部電源が不要で待機電力ゼロのユーザーインターフェースが実現される。例えばペンで摩擦熱発生層３１を擦ることによる文字入力などが可能となる。
尚、摩擦熱の発生方法については、ここで示した方法に限られない。他の形態としては、例えば摩擦熱発生層３１として外部からの圧力や振動によって摩擦熱を発生する機械部品で構成することで、荷重や衝撃を摩擦印加手段３０として用いた位置検出装置を構成することもできる。
【実施例３】
【００１０】
図１１に、本発明の具体的な実施例を示す。
本実施例においては、磁性体層２としてはＹサイトの一部をＢｉで置換したイットリウム鉄ガーネット（以降、Ｂｉ：ＹＩＧ。組成はＢｉＹ２Ｆｅ５Ｏ１２）膜を用いる。Ｘ位置検出用電極５およびＹ位置検出用電極６にはＰｔを用いる。ここで、Ｂｉ：ＹＩＧ膜の厚さは５μｍ、Ｐｔ電極の厚さは２０ｎｍとする。また、一つ一つのＰｔ電極はライン形状を有しており、ライン幅を１００μｍ、電極同士の間隔を１ｍｍとする。
ここでは摩擦熱発生層３１として、表面に小さな凹凸を有して粗面となっているアルミナ膜を用いる。膜厚は２００ｎｍとする。摩擦印加手段３０には先端がアルミナでコートされたペンを用いる。基板４としては膜厚３００μｍの石英ガラス基板を、絶縁層７にはポリイミド樹脂を用いる。
Ｂｉ：ＹＩＧからなる磁性体層２は、エアロゾルデポジション法により実施例１と同様な方法により成膜する。その後、必要に応じて磁性体層２の表面を研磨した後、Ｐｔ電極５、６、及び絶縁層７を、全てインクジェット法により成膜する。さらにその上に、直径１μｍのアルミナ微粒子をエアロゾルデポジション法により付着・堆積し、アルミナ膜３１を形成する。このとき、アルミナ膜３１の表面には、原料微粒子のサイズを反映して、数百μｍオーダーの適度な凹凸を有しているため、特に粗面加工の必要はない。
第４の実施形態
［浮遊体センサアレイ］
図１２に、本発明の第４の実施形態である浮遊体センサアレイの斜視図を示す。第１の実施形態との違いは、電極／磁性体層の上に、絶縁材料であるスペーサー層２２を介して配置された浮遊体吸着用の浮遊体検知膜４１を含む浮遊体検知部を有している点にある。
この浮遊体検知膜４１としては、例えば特定の浮遊体４０が吸着した場合に、発熱を伴う化学反応を生じる触媒など、公知の化学材料を用いることができる。その他、触媒を含有する多孔質体を含む膜を用いることもできる。スペーサー層２２は、電極５，６での熱起電力生成動作を妨げないための絶縁層の役割を果たすが、用いる浮遊体検知膜４１によっては必ずしも必要ない。また、ガスによっては、磁性体層２もしくは電極５、６を直接浮遊体検知膜として利用することもできる。
このような構造の浮遊体センサアレイに対し、外部からガスなどの浮遊体４０が飛来した場合、浮遊体検知膜４１に吸着した地点で化学反応に伴う発熱が生じ、磁性体層２の一部が加熱される。この熱を、第１の実施形態で説明した位置検出装置によって検知することで、浮遊体が吸着した２次元位置を測定・記録することができる。
これにより、簡便な構成で、外部電源不要な大面積浮遊体センサアレイなどが実現できる。尚、実際には、浮遊体４０は気体に限らず、液体や固体（粉塵）などを想定してもよい。また、浮遊体検知の原理についても、浮遊体吸着に伴って発熱が生じるものであれば、詳細は問わない。
【実施例４】
【００１１】
図１３に、本発明の具体的な実施例を示す。
本実施例においては、磁性体層２としてはＹサイトの一部をＢｉで置換したイットリウム鉄ガーネット（以降、Ｂｉ：ＹＩＧ。組成はＢｉＹ２Ｆｅ５Ｏ１２）膜を用いる。Ｘ位置検出用電極５およびＹ位置検出用電極６にはＰｔを用いる。ここで、Ｂｉ：ＹＩＧ膜の厚さは５μｍ、Ｐｔ電極の厚さは２０ｎｍとする。また、一つ一つのＰｔ電極はライン形状を有しており、ライン幅を１００μｍ、電極同士の間隔を１ｍｍとする。
ここでは浮遊体４０として水素を想定し、浮遊体検知膜４１としては膜厚１００ｎｍのＰｔ膜を用いる。基板４としては膜厚３００μｍの石英ガラス基板を、スペーサー層２２としては膜厚２００ｎｍのポリイミド層を、カバー層３としては膜厚５０μｍのアクリル樹脂を用いる。絶縁層７にはポリイミド樹脂を用いる。
Ｂｉ：ＹＩＧからなる磁性体層２は、エアロゾルデポジション法により実施例１と同様な方法により成膜する。その後、必要に応じて磁性体層２の表面を研磨した後、Ｐｔ電極５、６、及び絶縁層７を、全てインクジェット法により成膜する。さらにその上に、膜厚２００ｎｍのポリイミド層を塗布・乾燥させて成膜した後、Ｐｔ膜４１をスパッタにより成膜する。最後に、アクリル材料を溶かした有機溶液をＰｔ膜上に塗布し、１００℃程度の高温で乾燥させ、厚さ５０μｍのアクリル樹脂層３を成膜する。
第５の実施形態
［圧力センサアレイ］
図１４に、本発明の第５の実施形態である位置検出装置を示す。これまでの実施形態との違いは、磁性体層２の上に、ドットスペーサ５３を介して配置された上部発熱層５１及び下部発熱層５２から成る発熱層を含む圧力検知部を有している点にある。
ここで、上部発熱層５１と下部発熱層５２としては、互いに接することで発熱を生じるような材料の組み合わせを用いる。また、少なくとも上部発熱層５１およびカバー層３は、弾性を有している。さらに、ドットスペーサ５３は、待機時にこれらを空間的に隔離する役割を果たす。
これに対して外部から圧力印加手段５０が加わると、上部発熱層５１が下方に歪み、上部発熱層５１と下部発熱層５２と部分的に接触する。この結果、接触した部分のみ局所的な発熱が生じることから、この熱を第１の実施形態で説明した位置検出装置によって検知することで、圧力が加わった２次元位置を測定・記録することができる。
上部発熱層５１と下部発熱層５２が接触することによる発熱の原理としては、以下のように様々なものが利用できる。
例えば、化学反応する２つの材料を、上部発熱層５１および下部発熱層５２に利用することができる。これにより、これらが接触した場所で化学反応が生じ、局所的な反応熱が生じる。
また、上部発熱層５１と下部発熱層５２の間に外部からバイアス電圧を印加した状態で待機させ、上部発熱層５１と下部発熱層５２が接触した場所でのみ電流が流れるような構成にしてもよい。この場合、この部分の電気抵抗によるオーミック発熱を位置入力に利用できる。
さらに、上部発熱層５１を下部発熱層５２に押し付けた際の圧力（もしくは歪み）をトリガーとして発熱を生じさせることもできる。例えば、圧力印加に起因する化学反応や相変化に伴って生じる反応熱・潜熱などを、同様の方法で測定することで位置検出が可能となる。
この他、下記実施例に示すように上部発熱層５１と下部発熱層５２が接触した際の摩擦熱を利用することもできる。
【実施例５】
【００１２】
図１５に、本発明の具体的な実施例を示す。
本実施例においては、磁性体層２としてはＹサイトの一部をＢｉで置換したイットリウム鉄ガーネット（以降、Ｂｉ：ＹＩＧ。組成はＢｉＹ２Ｆｅ５Ｏ１２）膜を用いる。Ｘ位置検出用電極５およびＹ位置検出用電極６にはＰｔを用いる。ここで、Ｂｉ：ＹＩＧ膜の厚さは５μｍ、Ｐｔ電極の厚さは２０ｎｍとする。一つ一つのＰｔ電極はライン形状を有しており、ライン幅を１００μｍ、電極同士の間隔を１ｍｍとする。基板４としては膜厚３００μｍの石英ガラス基板を、カバー層３としては膜厚５０μｍのアクリル樹脂を用いる。絶縁層７にはポリイミド樹脂を用いる。
上部発熱層５１としては膜厚２００ｎｍのＦｅを、下部発熱層５２としては膜厚２００ｎｍのアルミナを用いる。これらは、アクリルウレタン樹脂からなる直径１０μｍのドットスペーサ５３によって、空間的に分離して配置されている。
ここで、圧力印加用ペン５０によってＦｅ層５１がアルミナ層５２に押し当てられると、この部分での衝突に伴って、摩擦熱が発生する。この発熱に伴う熱起電力をＰｔ電極で検出することにより、位置情報の入力が可能となる。
＜第６、第７の実施形態＞
第１〜第５の実施形態（第５の実施形態のうちのバイアス電圧を必要とする構成を除く）においては、外部の熱または熱勾配が存在しない平衡状態での待機の下で、外部から熱が加わる位置を、Ｙ，Ｘ方向に並列する複数の電極から成るマトリックス電極に生じる熱起電力を通して検出していた。このような装置を用いれば、外部電源のない状況下でも、待機電力ゼロで利用できるインターフェースが利用できる。ただし、外部からの熱流入や熱揺らぎが大きい状況では、そのようなマトリックス電極で微小な熱を高いＳ／Ｎで検出することは困難となる。
一方、身の回りには、体温やディスプレイ、ＩＴ機器など、様々な定常熱源や定常温度勾配が存在する。このバイアス的な温度勾配を有効活用すれば、定常的に熱の流れが生じる状況下であっても、有用なインターフェースを構成することができる。以下の実施形態においては、予め定常温度勾配が生じる状況で利用可能な位置検出装置について説明する。
第６の実施形態
［定常温度勾配式、熱センサアレイ］
図１６に、本発明の第６の実施形態である位置検出装置の斜視図を示す。
位置検出装置は、基板４と、磁性体層２と、磁性体層２上にマトリックス状に配置された複数のＸＹ位置検出用電極８と、これらが交差する点での電気的絶縁のための絶縁層７、および、それら全体を保護するカバー層３とを含む熱電変換部を有している。ここで、２次元位置を検出するためのＸＹ位置検出用電極８は、図に示したＸＹ面において４５°もしくは１３５°方向に伸びた細長い線状の形状を有している。
磁性体層２は、膜面（図１６のＸＹ面）に平行な一方向の磁化を有しているものとする。第１の実施形態と同様に、磁化方向は、電極８の２つの長手方向に対して有限な角度を有しているものとする。特に図１６の構成においては、Ｘ方向もしくはＹ方向に磁化していることが望ましい。この実施形態においては、Ｙ方向に磁化しているものとする。
磁性体層２の材料としては、熱伝導率の小さな材料ほど効率良く熱電効果を作用するため、本実施形態においてはガーネットフェライト等の磁性絶縁体を用いる。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装置が得られる。
ＸＹ位置検出用電極８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。ここで、スピン流を高い効率で電気に変換するために、電極の厚さは、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。
次に、この位置検出装置の動作方法について説明する。まず、このような位置検出装置に対し、定常的な面内温度勾配を印加する。温度勾配方向は、ＸＹ位置検出用電極８の２つの長手方向に対して有限な角度をもつことが望ましい。特に図１７に示す構成においては、Ｘ方向もしくはＹ方向に温度勾配が印加されることが好ましい。この実施形態においては図１７（ａ）のように、装置のＹ方向に温度勾配が生じた状況を考える。即ち、装置の＋ｙ側が高温側、−ｙ側が低温側と仮定する。
このような定常温度勾配を作り出す熱源としては、例えばディスプレイ上での煙突効果（画面の上の方が温まる現象）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、熱源自身に空間的な温度勾配が無くても、例えば位置検出装置の一端を温かい（もしくは冷たい）熱源に、他端を熱浴系に近接させることで、位置検出装置において同様の面内温度勾配を作り出すことができる。
この状況では、図１７（ａ）の上段図の点線で示されるように、磁性体層２の高温側から低温側に渡って定常的なスピン流が駆動される。このスピン流が、ＸＹ位置検出用電極８に流れ込み、熱起電力を生じさせる。
このスピンゼーベック現象は、微視的には前述のように、格子温度ＴｐとマグノンＴｍ温度の差ΔＴｍｐによって駆動される。ＸＹ位置検出用電極８において生じる熱起電力の大きさは、その幅や長さ等のパラメータが一定の下では、この温度差ΔＴｍｐに比例すると考えてよい。したがって、図１７（ａ）に示すような定常温度勾配下では、格子温度とマグノン温度の間に空間依存した定常的な温度差が生ずることから、ＸＹ位置検出用電極８においてもこれに比例した定常的な熱起電力が生じる。
図１７（ａ）においては、特に装置の点線で囲った部分に関して、磁性体層２における格子温度Ｔｐ、マグノン温度Ｔｍの分布を、ｘ位置を横軸として示している。ここで、熱伝導率が磁性体層２中で一様とし、端部では一定の熱流が逃がされるという境界条件を仮定している。この図が示すように、格子温度Ｔｐは温度勾配に対応して線形変化する分布を有する一方、マグノン温度Ｔｍは磁性体全体の平均値で均一な値を持つと仮定していることから、格子温度とマグノン温度の間に位置に依存した温度差が生じる。
したがって、この磁性体層の直上の電極では、この温度差に比例した定常的な熱起電力が生じることになる。尚、図１７（ａ）においては点線で囲った部分のみを具体的に示しているが、実際のＸＹ位置検出用電極８の両端に生じる起電力は、磁性体層全体におけるこのようなスピンゼーベック効果を積算した信号が現れる。
ここで、例えば図１７（ｂ）に示されるように、外部からの加熱・冷却手段６０によって、磁性体層２のＣ点が加熱もしくは冷却されると、これによって温度分布に変化が生じ、スピンゼーベック効果に起因する熱起電力生成分布が変調される。これによる熱起電力分布の変化は、加熱または冷却が生じた地点によって大きく異なる。したがって、この起電力分布をＸＹ位置記録装置１３で測定・記録し、それから温度分布を解析・推定することによって、加熱や冷却が生じた２次元位置を決定することができる。
尚、第１の実施形態と同様に、複数電極の起電力の大きさを定量的に比較することによって、細かい（高分解能な）位置決定も可能である。
【実施例６】
【００１３】
図１８に、本発明の具体的な実施例を示す。
本実施例においては、磁性体層２としてはＹサイトの一部をＢｉで置換したイットリウム鉄ガーネット（以降、Ｂｉ：ＹＩＧ。組成はＢｉＹ２Ｆｅ５Ｏ１２）膜を用いる。ＸＹ位置検出用電極８にはＰｔを用いる。ここで、Ｂｉ：ＹＩＧ膜の厚さは５μｍ、Ｐｔ電極の厚さは２０ｎｍとする。また、一つ一つのＰｔ電極はライン形状を有しており、ライン幅を１００μｍ、電極同士の間隔を１ｍｍとする。
加熱・冷却手段６０として、ここでは先端が４０℃に加熱されたペンを用いる。基板４としては膜厚３００μｍの石英ガラス基板を、カバー層３としては膜厚５０μｍのアクリル樹脂を用いる。絶縁層７にはポリイミド樹脂を用いる。装置の高温側は３０℃に、低温側は２０℃に設定され、装置内では温度勾配が生じている。
Ｂｉ：ＹＩＧからなる磁性体層２は、エアロゾルデポジション法により成膜する。Ｂｉ：ＹＩＧ原料には、直径３００ｎｍのＢｉ：ＹＩＧ微粒子を用いる。このＢｉ：ＹＩＧ微粒子をエアロゾル発生容器に詰めておき、ガラス基板４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、Ｂｉ：ＹＩＧ微粒子が成膜チャンバ内へと引き込まれ、ノズルを通して基板上に吹き付けられる。このときの基板での衝突エネルギーによって微粒子が粉砕・再結合し、ガラス基板４上にＢｉ：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、基板上に均一なＢｉ：ＹＩＧ磁性体層２を膜厚５μｍで成膜する。
その後、必要に応じて磁性体層２の表面を研磨した後、Ｐｔ電極８及び絶縁層７を、全てインクジェット法により成膜する。具体的には、インクジェット装置によってＰｔを含有するインクを図中右手前から左奥に延びるライン状に塗布してＰｔ電極８の一部を作製した後、これがＰｔ電極８の残部と交差する位置に、ポリイミド絶縁層７をインクジェットで堆積させる。その後、図中左手前から右奥に延びるＰｔ電極８の残部をインクジェット成膜する。
最後に、アクリル材料を溶かした有機溶液をＰｔ電極上に塗布し、１００℃程度の高温で乾燥させ、厚さ５０μｍのカバー層３を作成する。
第７の実施形態
［定常温度勾配式、圧力センサアレイ］
図１９に示す第７の実施形態においては、外部からの圧力を用いて位置入力を可能とする。ここでは、電極／磁性体層の上部に、ドットスペーサ５３を介して、上部熱浴層７１を含む圧力検知部が配置されている。待機時には、電極／磁性体層と上部熱浴層とは、ドットスペーサ５３を挟んで空間的に分離している。
ここで、ドットスペーサ５３としては、有機樹脂などの熱伝導率が小さな材料を用いる。これにより、電極／磁性体層と上部熱浴層との間では、待機時には熱の移動が小さく、互いに異なる温度分布を取り得るものとする。
ここでは具体的として、図２０（ａ）に示されるように、電極／磁性体層が面内温度勾配（ｙ方向）を有する高温熱源に貼り付けられた状況を考える。また、ドットスペーサ５３を挟んだ上部熱浴層７１は、熱源から離れているため、これよりも温度が低いものとする。
この状況で、図２０（ｂ）のように、外部からある一点に圧力印加手段７０が印加されると、この部分で電極／磁性体層に、熱浴としての上部熱浴層７１が接触して熱移動が生じる。即ち、上部熱浴層７１によって電極／磁性体層が局所的に冷却される（負の加熱がなされる）。これに伴う温度分布の変化を、第６の実施形態と同様の方法で電極８の熱起電力変化から検出することができる。
第６の実施形態と同様に、上記の熱起電力分布の変化は、圧力印加手段７０が印加された地点によって大きく異なる。したがって、この起電力分布をＸＹ位置記録装置１３で測定・記録し、それから温度分布を解析・推定することによって、圧力が印加された２次元位置を決定することができる。
尚、図２０においては面内（ｙ方向）にも温度勾配が存在する状況を仮定したが、この位置検出装置は、待機時に電極／磁性体層と上部熱浴層７１との間に温度分布差があれば動作可能であることから、温度勾配の利用場面は本実施形態に限られない。例えば、面直（ｚ方向）温度勾配を用いても動作させることができる。また、上部熱浴層７１が電極／磁性体層よりも高温度の状況でも、同様の動作が可能となる。
【実施例７】
【００１４】
図２１に、本発明の具体的な実施例を示す。
本実施例においては、磁性体層２としてはＹサイトの一部をＢｉで置換したイットリウム鉄ガーネット（以降、Ｂｉ：ＹＩＧ。組成はＢｉＹ２Ｆｅ５Ｏ１２）膜を用いる。ＸＹ位置検出用メッシュ８にはＰｔを用いる。ここで、Ｂｉ：ＹＩＧ膜の厚さは５μｍ、Ｐｔ電極の厚さは２０ｎｍとする。一つ一つのＰｔ電極はライン形状を有しており、ライン幅を１００μｍ、電極同士の間隔を１ｍｍとする。基板４としては膜厚３００μｍの石英ガラス基板を、カバー層３としては膜厚５０μｍのアクリル樹脂を用いる。絶縁層７にはポリイミド樹脂を用いる。
上部熱浴層７１としては膜厚２００ｎｍのポリエチレンテレフタレートを用いる。この層は、アクリルウレタン樹脂からなる直径１０μｍのドットスペーサ５３によって、Ｐｔ／Ｂｉ：ＹＩＧ層から空間的に分離して配置されている。
待機時には、外部熱源によって、Ｐｔ／Ｂｉ：ＹＩＧ層の高温側（＋ｙ側）の温度は３０℃に、低温側（−ｙ側）は２０℃に設定されている。上部熱浴層はドットスペーサによって断熱され、全体に渡って温度が２０℃になっている。
この状態で、圧力印加ペン７０によって上部熱浴層７１がＰｔ／Ｂｉ：ＹＩＧ層に押し当てられると、この部分を中心に、Ｐｔ／Ｂｉ：ＹＩＧ層の温度分布が変化する。即ち、接触部でＰｔ／Ｂｉ：ＹＩＧ層から上部熱浴層に熱が流れ、局所的に冷却される。この温度分布変化に伴う熱起電力変化をＰｔ電極で検出することにより、位置情報の入力が可能となる。
第８の実施形態
［マグノン温度変調式、局所磁場センサアレイ等］
第１〜第７の実施形態においては、外部からの磁性体層の加熱、即ち格子温度の変調を利用した位置検出手法について説明してきたが、第６、第７の実施形態のごとく定常温度勾配を利用できる状況では、外部からの加熱で格子温度Ｔｐ（通常の意味での温度）を変える代わりに、他の様々な自由度によってマグノン温度Ｔｍ（マグノンの熱運動の激しさを表す有効温度パラメータ）の方を変調することでも、位置検出応用が可能となる。
前述したように、マグノンと環境との相互作用が小さい状況では、マグノンはフォノン系と非熱平衡の状態で磁性体中を移動できることから、マグノン温度は単純近似で磁性体全体の温度分布を平均した一定値をもつと仮定した。しかし、外部からこれらのマグノンの散乱を局所的に促進するような変調手段を行使することで、マグノン温度Ｔｍを変えることができる。そして、この方法でも、スピンゼーベック効果の熱起電力を変調できる。
図２２においては、そのような位置検出装置の実施形態を示した。基本的な装置構成は図１６に示された第６の実施形態とほぼ同じであり、面内温度勾配が存在する状況下での定常スピン流を利用する。第６の実施形態との構成上の唯一の違いは、加熱・冷却手段５０の代わりにマグノン変調手段８０を用いる点にある。
図２３（ａ）および（ｂ）においては、（ａ）変調手段６０による変調前と、（ｂ）変調時の、点線で囲った磁性体部分の格子温度Ｔｐとマグノン温度Ｔｍの分布（中段）、および、その直近の電極での熱起電力Ｖの生成分布（下段）について示した。マグノン変調手段８０を磁性体層２に近付けることで、磁性体層２におけるマグノン散乱確率が局所的に上昇し、マグノン温度が変化する。
具体的には図２３（ａ）および（ｂ）の中段に示されるように、特に装置の点線で囲った部分に関して、磁性体層２における格子温度Ｔｐ、マグノン温度Ｔｍの分布を、ｘ位置を横軸として示している。ここで、熱伝導率が磁性体層２中で一様とし、端部では一定の熱流が逃がされるという境界条件を仮定している。
この図が示すように、（ａ）と（ｂ）のどちらの場合も格子温度Ｔｐは、温度勾配に対応して線形変化する。
一方、マグノン温度Ｔｍは、マグノン変調手段８０の有無によって大きな影響を受ける。即ち、（ａ）変調前のＴｍは磁性体全体を平均した均一な値を持つのに対し、（ｂ）Ｃ点変調時はこの地点においてマグノン散乱が増強されるため、この地点を境にマグノン温度Ｔｍの空間的相関が弱まり、磁性体全面にわたってマグノン温度分布が変化する。この結果、下段に示す電極での熱起電力分布にも、マグノン変調手段８０の有無によって大きな変化が生じる。
図２３（ｂ）においてはＣ点におけるマグノン変調を仮定したが、その他の点が変調された際は、図２３（ｂ）とは異なるマグノン温度分布が生じ、ＸＹ位置検出用電極８では異なる熱起電力分布が生成される。（尚、図２３（ｂ）においては点線で囲った部分のみを切り出して示したが、実際のＸＹ位置検出用電極８の両端に生じる熱起電力は、磁性体層全体におけるこのようなスピンゼーベック効果を積算した信号となる。）このように、変調が生じた地点によって異なる熱起電力分布を生成することから、これまでの実施形態同様、この起電力分布をＸＹ位置記録装置１３で測定・記録し、それから温度分布を解析・推定することによって、変調が生じた２次元位置を決定することができる。
尚、マグノン変調手段８０としては、局所的な電場・磁場や、局所的な圧力、電磁波を利用することができる。これにより、マグノンが感じる有効ポテンシャルが実効的に変調される結果、この地点での散乱頻度が増大する。
【実施例８】
【００１５】
図２４に、局所磁場によるマグノン変調を利用した本発明の具体的な実施例を示す。
本実施例においては、磁性体層２として、Ｙサイトの一部をＢｉで置換したイットリウム鉄ガーネット（以降、Ｂｉ：ＹＩＧ。組成はＢｉＹ２Ｆｅ５Ｏ１２）膜を用いる。ＸＹ位置検出用電極８には、Ｐｔを用いる。ここで、Ｂｉ：ＹＩＧ膜の厚さは５μｍ、Ｐｔ電極の厚さは２０ｎｍとする。また、一つ一つのＰｔ電極はライン形状を有しており、ライン幅を１００μｍ、電極同士の間隔を１ｍｍとする。
マグノン変調手段８０としては、先端にパーマロイを付着させたペンを用いる。基板４としては膜厚３００μｍの石英ガラス基板を、カバー層３としては膜厚５０μｍのアクリル樹脂を用いる。絶縁層７にはポリイミド樹脂を用いる。装置の高温側は３０℃に、低温側は２０℃に設定され、装置内では温度勾配が生じている。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
以上説明した幾つかの実施形態、実施例に限定されることなく、本発明は、特許請求の範囲に記載された技術範囲内であれば、種々の変形が可能であることは云うまでもない。
尚、以上説明した実施例の一部または全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。
（付記１）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から成り、前記磁性体層の磁化方向に交差する方向に延在するように該磁性体層上に形成された複数の電極とを含む熱電変換部を有し、前記熱電変換部は、前記磁性体層の層面上の任意の箇所が加熱されることにより、該磁性体層中の有効温度を変調してスピンゼーベック効果を誘起し、前記複数の電極から加熱された位置に応じた電圧を位置情報として発生することを特徴とする位置検出装置。
（付記２）前記熱電変換部と別体に、前記磁性体層の層面上の任意の箇所を加熱する加熱手段をさらに有する付記１の位置検出装置。
（付記３）前記複数の電極は、相互に平行に配置されている付記１または２の位置検出装置。
（付記４）前記複数の電極は、互いに直角をなす第１の電極群と第２の電極群とから成るマトリクス状に配置されている付記１または２の位置検出装置。
（付記５）前記複数の電極はそれぞれ、前記磁性体層の磁化方向に対して４５度をなしている付記１〜４のいずれかの位置検出装置。
（付記６）前記熱電変換部上に前記磁性体層に対応して形成され、電磁波を吸収することで発熱する電磁波吸収層を含み、前記磁性体層の層面上の任意の箇所に対応する箇所に印加される電磁波に基づいて発熱することにより、前記磁性体層の層面上の任意の箇所を加熱する電磁波検知部をさらに有する付記１〜５のいずれかの位置検出装置。
（付記７）前記熱電変換部上に前記磁性体層に対応して形成され、摩擦されることで発熱する摩擦熱発生層を含み、前記磁性体層の層面上の任意の箇所に対応する箇所に印加される摩擦に基づいて発熱することにより、前記磁性体層の層面上の任意の箇所を加熱する摩擦検知部をさらに有する付記１〜５のいずれかの位置検出装置。
（付記８）前記熱電変換部上に前記磁性体層に対応して形成され、特定の浮遊体が付着することで化学反応によって発熱する浮遊体検知層を含み、任意の面位置に付着される浮遊体に起因する化学反応に基づいて発熱することにより、前記磁性体層の層面上の任意の箇所を加熱する浮遊体検知部をさらに有する付記１〜５のいずれかの位置検出装置。
（付記９）前記熱電変換部上に前記磁性体層に対応して形成され、圧力を受けることで発熱する発熱層を含み、前記磁性体層の層面上の任意の箇所に対応する箇所に印加される圧力に基づいて発熱することにより、前記磁性体層の層面上の任意の箇所を加熱する圧力検知部をさらに有する付記１〜５のいずれかの位置検出装置。
（付記１０）前記発熱層は、前記熱電変換部上に前記磁性体層に対応して形成された下部発熱層と、弾性を有し、前記下部発熱層にスペーサーを介して積層された上部発熱層とにより構成され、前記上部発熱層が圧力を受けて前記下部発熱層に接触することで該下部発熱層および該上部発熱層のうちの少なくとも下部発熱層が発熱する付記９の位置検出装置。
（付記１１）前記磁性体層に対して定常温度勾配が印加されるように構成されている付記１〜１０のいずれかの位置検出装置。
（付記１２）電子機器に搭載される位置検出装置であって、前記磁性体層に対する定常温度勾配の上端側が電子機器の発熱部材に接する一方、下端側が電子機器の熱浴部材に接している付記１１の位置検出装置。
（付記１３）前記磁性体層中の有効温度として、格子温度またはマグノン温度を変調する付記１〜１２のいずれかの位置検出装置。
この出願は、２０１１年５月９日に出願された日本出願特願第２０１１−１０４５４４号を基礎とする優先権を主張し、その開示のすべてをここに取り込む。
【図１】
2012153642.tif 000003
【図２】
2012153642.tif 000004
【図３】
2012153642.tif 000005
【図４】
2012153642.tif 000006
【図５】
2012153642.tif 000007
【図６】
2012153642.tif 000008
【図７】
2012153642.tif 000009
【図８】
2012153642.tif 000010
【図９】
2012153642.tif 000011
【図１０】
2012153642.tif 000012
【図１１】
2012153642.tif 000013
【図１２】
2012153642.tif 000014
【図１３】
2012153642.tif 000015
【図１４】
2012153642.tif 000016
【図１５】
2012153642.tif 000017
【図１６】
2012153642.tif 000018
【図１７】
2012153642.tif 000019
【図１８】
2012153642.tif 000020
【図１９】
2012153642.tif 000021
【図２０】
2012153642.tif 000022
【図２１】
2012153642.tif 000023
【図２２】
2012153642.tif 000024
【図２３】
2012153642.tif 000025
【図２４】
2012153642.tif 000026
【図２５】
2012153642.tif 000027
【国際調査報告】
2012153642.tif 000028
2012153642.tif 000029