(57)【要約】【課題】加熱装置の性能を向上する。【解決手段】加熱装置１０は、基板１１と、基板１１上に配置された複数の第１磁性体部１３からなる発熱部１２とを有し、複数の第１磁性体部１３は、パターン化された配列構造を有し、交流磁場により、複数の第１磁性体部１３のうちの一部が選択的に発熱する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に配置された複数の第１磁性体部からなる発熱部とを有し、
前記複数の第１磁性体部は、パターン化された配列構造を有し、
交流磁場により、前記複数の第１磁性体部のうちの一部が選択的に発熱する、加熱装置。
【請求項２】
請求項１記載の加熱装置において、
前記基板内には、複数の第２磁性体部と、制御電極とが設けられ、
前記複数の第２磁性体部のそれぞれは、前記複数の第１磁性体部のそれぞれと磁気的相互作用をし、かつ、前記制御電極によって磁化状態が変調され、
前記複数の第２磁性体部のそれぞれの磁化状態により、前記複数の第１磁性体部のそれぞれが、前記交流磁場によって発熱するかどうかが変化する、加熱装置。
【請求項３】
請求項２記載の加熱装置において、
前記複数の第２磁性体部のそれぞれの保磁力は、前記複数の第１磁性体層のそれぞれの保磁力よりも大きい、加熱装置。
【請求項４】
請求項３記載の加熱装置において、
前記複数の第２磁性体部のそれぞれは、平面視において、前記複数の第１磁性体部のそれぞれと重なっている、加熱装置。
【請求項５】
請求項４記載の加熱装置において、
前記制御電極は、棒状に形成された複数の第１電極および複数の第２電極を含み、
前記複数の第１電極のそれぞれと前記複数の第２電極のそれぞれとは、平面視において交差している、加熱装置。
【請求項６】
請求項５記載の加熱装置において、
前記複数の第２磁性体部のそれぞれは、平面視において、前記複数の第１電極のそれぞれと前記複数の第２電極のそれぞれとの交差部に重なっている、加熱装置。
【請求項７】
請求項６記載の加熱装置において、
前記複数の第２磁性体部のそれぞれと前記複数の第１電極のそれぞれとは接触しており、
前記複数の第１電極のそれぞれは、ｆ軌道に電子を有する非磁性金属からなる、加熱装置。
【請求項８】
請求項６記載の加熱装置において、
前記複数の第２磁性体部のそれぞれの上部には、非磁性体絶縁体からなる絶縁層が形成され、
前記制御電極は、複数の第３電極をさらに含み、
前記複数の第１電極のそれぞれおよび前記複数の第３電極のそれぞれは、ｆ軌道に電子を有する非磁性金属からなり、
前記複数の第３電極のそれぞれは、平面視において前記複数の第１電極のそれぞれと平行であり、
前記第２磁性体部および前記絶縁層は、前記第１電極と前記第３電極との間に挟持されている、加熱装置。
【請求項９】
請求項６記載の加熱装置において、
平面視において、前記複数の第２磁性体部のそれぞれの中心は、前記交差部の中心と一致していない、加熱装置。
【請求項１０】
請求項２記載の加熱装置において、
前記複数の第１磁性体部のそれぞれと前記複数の第２磁性体部のそれぞれとの間には、断熱部が設けられ、
前記断熱部の熱伝導率は、前記複数の第１磁性体部のそれぞれの熱伝導率および前記複数の第２磁性体部のそれぞれの熱伝導率のいずれよりも低い、加熱装置。
【請求項１１】
請求項１記載の加熱装置において、
前記基板内には、複数の磁場発生部が設けられ、
前記複数の磁場発生部は、パターン化された配列構造を有し、
前記複数の磁場発生部のそれぞれが発生する交流磁場により、前記複数の第１磁性体部のそれぞれが発熱する、加熱装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の加熱装置において、
前記複数の磁場発生部のそれぞれは、平面視において一部が欠けた円環状に形成された環状電極と、前記環状電極に交流電流を流す交流電源とを含み、
前記複数の第１磁性体部のそれぞれは、平面視において、前記環状電極と重なっている、加熱装置。
【請求項１３】
請求項１記載の加熱装置と、細胞を含む培養液を保持する容器とを有し、
前記容器は、前記発熱部の上部に配置されている、細胞培養装置。
【請求項１４】
請求項１３記載の細胞培養装置において、
前記複数の第１磁性体部のそれぞれの上部には、上限臨界溶液温度または下限臨界溶液温度を有する温度応答性材料からなる温度応答部が形成され、
前記温度応答部は、前記容器内において前記培養液と接触している、細胞培養装置。
【請求項１５】
請求項１４記載の細胞培養装置において、
前記複数の第１磁性体部のそれぞれの上面は、前記培養液と反応しない保護膜により被覆されている、細胞培養装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱装置およびこれを用いた細胞培養装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、サブミクロンスケールにおけるパターニングなどの時間的および空間的な制御技術は重要である。例えば、局所的な温度制御や細胞の局所的な配置制御などは、医療分野や電気・電子工学など様々な分野において利用可能な技術である。
【０００３】
例えば、特許文献１には、基板表面に親水性領域と疎水性領域のパターンを形成させることによって、細胞の基板への接着強度に強弱をつけて細胞のパターニングを行うことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１０３８５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者は、加熱装置およびこれを用いた細胞培養装置の構成を詳細に検討している。加熱装置の構成を工夫することにより、加熱装置およびこれを用いた細胞培養装置の性能の向上が望まれる。
【０００６】
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一実施の形態による加熱装置は、複数の第１磁性体部からなる発熱部を有し、前記複数の第１磁性体部は、パターン化された配列構造を有し、交流磁場により、前記複数の第１磁性体部のうちの一部が選択的に発熱する。
【発明の効果】
【０００８】
一実施の形態によれば、加熱装置および細胞培養装置の性能を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施の形態に係る加熱装置を示す斜視模式図である。
【図２】一実施の形態に係る加熱装置を示す透視斜視模式図である。
【図３】一実施の形態に係る加熱装置の要部を示す透視斜視模式図である。
【図４】一実施の形態に係る加熱装置を示す要部断面図である。
【図５】一実施の形態に係る加熱装置を示す要部断面図である。
【図６】一実施の形態に係る加熱装置において、外部磁場を印加した場合の第１磁性体層中を貫通する磁束密度を表すグラフである。
【図７】一実施の形態の加熱装置において、第２磁性体層が面直方向上向きに磁化ベクトルを有する場合に、外部磁場を印加した場合の磁性体中を貫通する磁束密度を表すグラフである。
【図８】一実施の形態の加熱装置において、第２磁性体層が面直方向下向きに磁化ベクトルを有する場合に、外部磁場を印加した場合の磁性体中を貫通する磁束密度を表すグラフである。
【図９】一実施の形態に係る加熱装置の要部断面図である。
【図１０】一実施の形態に係る細胞培養装置の斜視透視模式図である。
【図１１】一実施の形態に係る細胞培養装置の断面模式図である。
【図１２】一実施の形態に係る細胞培養装置の要部断面図である。
【図１３】一実施の形態に係る細胞培養装置の動作を示す要部断面模式図である。
【図１４】一実施の形態に係る細胞培養装置において、培養された細胞を示す平面模式図である。
【図１５】一実施の形態に係る細胞培養装置において、培養された細胞を示す平面模式図である。
【図１６】第２の変形例に係る加熱装置の要部断面図である。
【図１７】第３の変形例に係る加熱装置の要部を示す透視斜視模式図である。
【図１８】第３の変形例に係る加熱装置の要部断面図である。
【図１９】第２の実施の形態に係る加熱装置を示す平面模式図である。
【図２０】第２の実施の形態に係る加熱装置において、図１９の領域Ａを示す拡大平面模式図である。
【図２１】第２の実施の形態に係る加熱装置を示す要部断面図である。
【図２２】第２の実施の形態に係る加熱装置を示す要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
【００１１】
（検討事項）
＜加熱装置について＞
以下、実施の形態を説明する前に、本発明者が検討した事項について説明する。
【００１２】
前述したように、局所的な温度制御は、様々な分野で利用可能な技術であるが、これを実現することは難しい。本発明者は、検討例として、複数の導電体からなる発熱部を有する加熱装置において、複数の導電体がパターン化された配列構造を有する加熱装置を検討した。検討例の加熱装置であれば、発熱体であるそれぞれの導電体に電流を流すことで任意の導電体を加熱することができ（抵抗加熱）、局所的な温度制御が可能になる。
【００１３】
しかし、それぞれの導電体に電流を流すためには、それぞれの導電体に同じく導電体である配線や電極を接続する必要がある。導電体の熱伝導は、主に伝導電子が担うため、加熱された導電体から配線や電極へと熱が拡散してしまうという問題がある。その結果、導電体の加熱効率を高めることが難しくなるばかりか、導電体の温度制御が難しいという問題も生じる。特に、サブミクロンスケールにおいては、これらの問題は顕著に現れる。
【００１４】
以上より、加熱方法や被加熱体の構成を工夫することにより、局所的に加熱可能な装置を提供することが望まれる。
【００１５】
＜細胞培養装置について＞
前述したように、上記特許文献１に記載された技術によれば、細胞のパターニングが可能である。しかし、上記特許文献１に記載された技術では、予め所定の領域を親水性または疎水性にすることはできるが、後発的に親水性領域を疎水性領域に（または、疎水性領域を親水性領域に）変更することは難しい。さらには、リアルタイムに、すなわち任意の時間に親水性領域を疎水性領域に（または、疎水性領域を親水性領域に）変更することは非常に困難である。そのため、細胞培養状況を適宜観察しながら、動的に細胞培養環境を変化させることができない。
【００１６】
以上より、構成を工夫することにより、動的に細胞培養環境を変化させることができる細胞培養装置を提供することが望まれる。
【００１７】
（実施の形態１）
［加熱装置］
＜実施の形態１の加熱装置の構成＞
以下、第１の実施の形態（以下、実施の形態１）の加熱装置について、図１〜図５を用いて説明する。図１は、実施の形態１に係る加熱装置を示す斜視模式図である。図２は、実施の形態１に係る加熱装置を示す透視斜視模式図である。図３は、実施の形態１に係る加熱装置の要部を示す透視斜視模式図である。図４および図５は、実施の形態１に係る加熱装置を示す要部断面図である。図４は、図３に示すｙ−ｚ方向の要部断面図、図５は、図３に示すｘ−ｚ方向の要部断面図である。
【００１８】
図１に示すように、実施の形態１の加熱装置１０は、基板１１と、基板１１上に配置された複数の第１磁性体部１３からなる発熱部１２と、交流磁場を発生する磁場発生部（図示せず）とを有している。複数の第１磁性体部１３は、基板１１上にパターン化された配列構造を有している。詳細は後述するが、第１磁性体部１３は、前記磁場発生部が発生する交流磁場（外部磁場）により、第１磁性体部１３に磁気ヒステリシス損失が生じることによって発熱する。そのため、複数の第１磁性体部１３は、それぞれが独立した発熱体として作用する。この点は、後述する他の実施形態および変形例の加熱装置において共通する。なお、以下で説明する部材以外の配線、層間絶縁膜、コンタクトプラグおよびパッドなどの図示は省略する。
【００１９】
以下、実施の形態１の加熱装置１０に特有の構成について詳細に説明する。図２〜図５に示すように、実施の形態１の加熱装置１０は、基板１１と、発熱部１２と、磁場発生部６１とを有している。実施の形態１の発熱部１２は、複数の第１磁性体層（第１磁性体部）１３を含んでいる。複数の第１磁性体層１３は、パターン化された配列構造を有している。具体的には、複数の第１磁性体層１３は、アレイ状に配列されている。そして、第１磁性体層１３は、平面視において長方形状に形成されている。図２に示すように、実施の形態１の加熱装置１０では、磁場発生部６１が発生する外部磁場ＭＦｅｘにより、第１磁性体層１３に磁気ヒステリシス損失が生じることによって発熱する。
【００２０】
第１磁性体層１３を構成する材料は特に限定されるものではないが、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）またはクロム（Ｃｒ）の少なくとも１つの元素を含むことが好ましい。また、この材料にサマリウム（Ｓｍ）やネオジム（Ｎｄ）等の希土類元素を含んでいてもよい。また、この材料は、鉄やニッケルの合金でもよく、フェライトのような酸化物であってもよい。この材料のキュリー温度は室温より高いことが好ましい。磁性体はキュリー温度以上になると強磁性的な特徴が失われるため、キュリー温度以上に加熱させることが困難になるためである。ただし、キュリー温度を加熱上限の温度と設定することで、発熱体である第１磁性体層１３が設定以上の温度に加熱されることを防ぐこともできる。
【００２１】
また、第１磁性体層１３は、ナノ粒子の集合体（複合体）であってもよい。この場合は、ナノ粒子のブロッキング温度以下では、熱ゆらぎによって超常磁性的な振る舞いをすることを利用し、ブロッキング温度を加熱上限の温度と設定することもできる。
【００２２】
また、図２〜図５に示すように、実施の形態１の基板１１は、複数の第２磁性体層（第２磁性体部）１４と、複数の断熱層１５と、制御電極１６と、絶縁層１７とにより構成されている。
【００２３】
第２磁性体層１４は、第１磁性体層１３と同数個設けられ、１つの第２磁性体層１４が１つの第１磁性体層１３との間で磁気相互作用をするように構成されている。従って、複数の第２磁性体層１４も、パターン化された配列構造を有している。また、第２磁性体層１４の保磁力は、第１磁性体層１３の保磁力よりも大きい。
【００２４】
第２磁性体層１４を構成する材料は特に限定されるものではないが、第１磁性体層１３と同様に、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）またはクロム（Ｃｒ）の少なくとも１つの元素を含むことが好ましい。また、この材料にサマリウム（Ｓｍ）やネオジム（Ｎｄ）等の希土類元素を含んでいてもよい。また、この材料は、鉄やニッケルの合金でもよく、フェライトのような酸化物であってもよい。
【００２５】
また、断熱層１５は、第２磁性体層１４上に配置されている。そのため、断熱層１５は、第１磁性体層１３と第２磁性体層１４との間に配置されている。第２磁性体層１４および断熱層１５は、それぞれ平面視において長方形状に形成され、かつ、第１磁性体層１３と平面視において重なっている。また、断熱層１５は、第１磁性体層１３の熱伝導率および第２磁性体層１４の熱伝導率のいずれよりも低い熱伝導率の絶縁体からなる。また、絶縁層１７は、基板１１において、第２磁性体層１４、断熱層１５および制御電極１６以外の部分を充填するように形成されている。
【００２６】
また、制御電極１６は、第２磁性体層１４の磁化状態を変調するためのものである。実施の形態１の制御電極１６は、棒状に形成された複数の上部電極（第１電極）１６ａおよび複数の下部電極（第２電極）１６ｂにより構成されている。実施の形態１では、上部電極１６ａの上面は、第２磁性体層１４の下面と接触している。上部電極１６ａと下部電極１６ｂとの間には絶縁層１７が配置され、上部電極１６ａと下部電極１６ｂとは接触していない。
【００２７】
また、実施の形態１の上部電極１６ａと下部電極１６ｂとは、それぞれ平面視において交差しており、より好ましくは直交している。そして、平面視において、上部電極１６ａと下部電極１６ｂとの交差部に重なるように、発熱部１２が配置されている。より具体的には、ｍ本の上部電極１６ａと、ｎ本の下部電極１６ｂとが存在する場合、発熱部１２はｍ×ｎの二次元マトリクス状に配置されることになる。
【００２８】
なお、平面視において、上部電極１６ａと下部電極１６ｂとの交差部の面積が第２磁性体層１４の面積よりも大きすぎると、複数の第２磁性体層１４の磁化反転を同時に起こしてしまう可能性がある。同様に、平面視において、上部電極１６ａと下部電極１６ｂとの交差部の面積が第２磁性体層１４の面積よりも小さすぎると、第２磁性体層１４の磁化反転を起こすことができない可能性がある。そのため、平面視において、上部電極１６ａと下部電極１６ｂとの交差部の面積は、第２磁性体層１４の面積と同じであることが好ましい。従って、平面視において、上部電極１６ａの幅、下部電極１６ｂの幅および第２磁性体層１４の１辺の長さは、全て等しいことが好ましい。
【００２９】
詳細は後述するが、実施の形態１の上部電極１６ａは、第２磁性体層１４に対して、スピン軌道トルク誘起磁化反転を起こさせるためのものである。そのため、実施の形態１の上部電極１６ａは、他の軌道（ｓ軌道、ｐ軌道、ｄ軌道）よりもスピン軌道相互作用が大きいｆ軌道に電子を有する非磁性金属からなる。ｆ軌道に電子を有する非磁性金属は、例えば、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）またはビスマス（Ｂｉ）であり、好ましくは白金またはタンタルである。一方、実施の形態１の下部電極１６ｂの材料は、特に限定されず、例えば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）からなる。
【００３０】
なお、実施の形態１の第１磁性体層（第１磁性体部）１３は、基板１１上に配置されている場合を例に説明したが、例えば第１磁性体層１３が絶縁層１７に覆われており、全体が１つの基板として構成されていてもよい。
【００３１】
また、実施の形態１の断熱層１５は、第１磁性体層１３および第２磁性体層１４と同数個設けられている場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、第２磁性体層１４を全て覆うように１つの断熱層１５として一体に形成されていてもよい。
【００３２】
また、実施の形態１の上部電極１６ａの上面は、それぞれ第２磁性体層１４の下面と接触している場合を例に説明したが、上部電極１６ａと第２磁性体層１４との間に非磁性重金属からなる導電体層が配置されていてもよい。
【００３３】
＜実施の形態１の加熱装置の動作原理＞
以下、実施の形態１の加熱装置１０の動作原理のうち、発熱部１２の発熱機構について、図６〜図９を用いて説明する。図６は、実施の形態１の加熱装置１０において、第１磁性体層１３および第２磁性体層１４に対して外部磁場を印加した場合の第１磁性体層１３中を貫通する磁束密度を表すグラフである。図７は、実施の形態１の加熱装置１０において、第２磁性体層１４が面直方向上向きに磁化ベクトルを有する場合に、第１磁性体層１３および第２磁性体層１４に対して外部磁場を印加した場合の磁性体中を貫通する磁束密度を表すグラフである。図８は、実施の形態１の加熱装置１０において、第２磁性体層１４が面直方向下向きに磁化ベクトルを有する場合に、第１磁性体層１３および第２磁性体層１４に対して外部磁場を印加した場合の磁性体中を貫通する磁束密度を表すグラフである。図９は、実施の形態１に係る加熱装置１０の要部断面図である。
【００３４】
図６〜図８のグラフは、横軸を外部磁場の強さ、縦軸を第１磁性体層１３中および第２磁性体層１４中を貫通する磁束密度の大きさとしている。前述したように、第１磁性体層１３の保磁力Ｈｃ１は、第２磁性体層１４の保磁力Ｈｃ２よりも小さい。
【００３５】
ここで、図６に示すように、磁場の大きさ｜Ｈｅｘ｜が第１磁性体層１３の保磁力Ｈｃ１よりも大きい外部磁場（交流磁場）ＭＦｅｘ（最小値：−Ｈｅｘ、最大値：＋Ｈｅｘ）を定義する。第１磁性体層１３に対して、この外部磁場ＭＦｅｘを印加すると、第１磁性体層１３が磁化反転する。この際、ａ→ｂ→ｃ→ｄ→ｅ→ｆ→ａ・・・という環状の経路（ヒステリシスループ）を描く。そのため、第１磁性体層１３が交流磁場により磁化反転する際に、このヒステリシスループに囲まれた部分の面積に比例するエネルギーが熱として放出される（ヒステリシス損失）。このように、実施の形態１の加熱装置１０に含まれる第１磁性体層１３は外部磁場の存在により、発熱体として機能する。
【００３６】
ここで、図７に示すように、第２磁性体層１４が面直方向上向きに磁化ベクトルを有する状態（第２磁性体層１４ａとする）で、第１磁性体層１３に対して交流磁場を印加すると、第１磁性体層１３は交流磁場だけでなく第２磁性体層１４ａが作る磁場の影響も受ける。その結果、第１磁性体層１３のヒステリシスループは、原点Ｏから−Δｘだけシフトする。同様に、図８に示すように、第２磁性体層１４が面直方向下向きに磁化ベクトルを有する状態（第２磁性体層１４ｂとする）で、第１磁性体層１３に対して交流磁場を印加すると、第２磁性体層１４ｂが作る磁場の影響も受け、第１磁性体層１３のヒステリシスループは、原点Ｏから＋Δｘだけシフトする。
【００３７】
そこで、図７および図８に示すように、外部磁場ＭＦｅｘを磁場の大きさ｜Ｈｅｘ｜はそのままで、原点Ｏから＋Δｘだけシフトさせた外部磁場ＭＦｅｘ１（最小値：−Ｈｅｘ＋Δｘ、最大値：Ｈｅｘ＋Δｘ）を定義する。図７に示すように、発熱部１２が面直方向上向きに磁化ベクトルを有する第２磁性体層１４ａを含む場合、外部磁場ＭＦｅｘ１を第１磁性体層１３に対して印加すると、第１磁性体層１３は磁化反転せず発熱しなくなる。一方で、図８に示すように、発熱部１２が面直方向下向きに磁化ベクトルを有する第２磁性体層１４ｂを含む場合、外部磁場ＭＦｅｘ１を第１磁性体層１３に対して印加すると、第１磁性体層１３は磁化反転し発熱する。その結果、図９に示すように、第１磁性体層１３から熱が放出される（図９中Ｈ１）。このように、実施の形態１の加熱装置１０では、第２磁性体層１４の磁化状態によって、第１磁性体層１３が発熱するかどうかが変化する。
【００３８】
なお、実施の形態１の加熱装置１０では、第２磁性体層１４の保磁力Ｈｃ２を外部磁場ＭＦｅｘ１の大きさ（最大値：＋Ｈｅｘ＋Δｘ）よりも大きくしているため、第１磁性体層１３に外部磁場ＭＦｅｘ１を印加している際に、第２磁性体層１４は磁化反転しない。そのため、加熱装置１０の加熱動作中は、第２磁性体層１４の磁化状態が維持される。
【００３９】
次に、実施の形態１の加熱装置１０において、第２磁性体層１４の磁化状態を変化させる方法について、図３〜図５を用いて説明する。
【００４０】
図３〜図５に示すように、実施の形態１の加熱装置１０は、基板１１内に複数の上部電極１６ａと複数の下部電極１６ｂとが設けられ、上部電極１６ａと下部電極１６ｂとの交差部に発熱部１２（第２磁性体層１４）が配置されている。そして、上部電極１６ａの上面は、第２磁性体層１４の下面と接触しており、上部電極１６ａは、第２磁性体層１４に対して、スピン軌道トルク誘起磁化反転を起こすように構成されている。
【００４１】
ここで、スピン軌道トルクとは、例えば非磁性重金属（上部電極１６ａ）と強磁性体（第２磁性体層１４）とが積層された構造（積層方向に対して反転対称性の破れた構造）において、非磁性重金属の面内方向に電流（図３中Ｉ１）を導入すると、強磁性体には面内方向に偏極したスピンが蓄積し、その角運動量が磁化に受け渡されることで磁化にトルクが働くという磁気相互作用の一つである。電流の極性を変化させるとトルクの方向が逆になるため、逆方向に磁化を反転できる。
【００４２】
なお、第２磁性体層１４の磁化ベクトルが面直方向に沿った向きである場合、スピンの向きと磁化方向とが直交するため、スピン軌道トルクによって蓄積されるスピン単独では磁化反転方向が決まらない。そのため、トルクの対称性を破るために外部から定常的な磁場を印加する必要がある。すなわち、電流Ｉ１を流す上部電極１６ａ上に存在する複数の第２磁性体層１４が同時に磁化反転することはない。
【００４３】
ここで、実施の形態１の加熱装置１０では、上部電極１６ａの下方に下部電極１６ｂを配置しているため、下部電極１６ｂに電流Ｉ２を流すことで、下部電極１６ｂの周囲に磁場が発生する（図３および図５に示す磁場ＭＦ１）。その結果、電流Ｉ１を流す上部電極１６ａと電流Ｉ２を流す下部電極１６ｂとの交差部に位置する第２磁性体層１４は、上部電極１６ａによるスピン軌道トルクおよび下部電極１６ｂによる磁場によって、磁化反転される。
【００４４】
なお、下部電極１６ｂに電流を流すことで発生する磁場の大きさを、第２磁性体層１４の保磁力Ｈｃ２よりも小さくすることが肝要である。なぜならば、下部電極１６ｂに電流を流すことで発生する磁場の大きさが第２磁性体層１４の保磁力Ｈｃ２よりも大きいと、１つの下部電極１６ｂ上に存在する複数の第２磁性体層１４が同時に磁化反転してしまうからである。
【００４５】
また、第２磁性体層１４の磁化ベクトルが面内方向に沿った向きである場合には、スピン軌道トルクのみで第２磁性体層１４の磁化ベクトルを反転させることができるが、同様の理由により、上部電極１６ａに流す電流を小さくして、この上部電極１６ａ上に存在する複数の第２磁性体層１４が同時に磁化反転しないようにすることが肝要である。
【００４６】
＜実施の形態１の加熱装置の特徴および効果＞
図１〜図５に示すように、実施の形態１の加熱装置１０の特徴の一つは、複数の第１磁性体層（第１磁性体部）１３からなる発熱部１２と、交流磁場を発生させる磁場発生部６１とを有していることである。そして、複数の第１磁性体層１３は、パターン化された配列構造を形成している。
【００４７】
実施の形態１の加熱装置１０は、このような構成を有することで、局所的に加熱可能な装置となる。以下、その理由について説明する。
【００４８】
検討事項で説明したように、複数の導電体からなる発熱部を有する加熱装置では、発熱体である導電体に電流を流すために導電体である配線や電極を接続する必要があり、熱拡散の観点から、発熱体の加熱効率が高めることが難しくなるばかりか、発熱体の温度制御が難しいという問題が生じていた。
【００４９】
一方、実施の形態１の加熱装置１０は、複数の第１磁性体層１３からなる発熱部１２を有し、交流磁場によるヒステリシス損失によって発熱させている。このように、実施の形態１の加熱装置１０では、発熱体である第１磁性体層１３に直接配線等を接続せずに第１磁性体層１３を発熱させているため、発熱体に導電体を用いた加熱装置に比べて、発熱体の加熱効率を高めることができ、発熱体の温度制御を容易に行うことができる。
【００５０】
特に、図９に示すように、実施の形態１の加熱装置１０では、発熱部１２の第１磁性体層１３と、基板１１の第２磁性体層１４との間に断熱層１５が配置されている。このように構成することで、第１磁性体層１３に発生した熱のうち、基板１１内の第２磁性体層１４や制御電極１６等に発散する成分（図９中Ｈ２）を小さくすることができ、発熱体の加熱効率をさらに高めることができる。
【００５１】
また、実施の形態１の加熱装置１０は、発熱体である第１磁性体層１３との間で磁気相互作用をする第２磁性体層１４を含んでいる。こうすることで、実施の形態１の加熱装置１０では、第２磁性体層１４の磁化状態によって第１磁性体層１３を外部磁場によって発熱させるかどうかを選択することができる。
【００５２】
ここで、第２磁性体層１４の磁化状態を変調させるために、例えば、単に第２磁性体層１４の保磁力Ｈｃ２よりも大きい外部磁場を第２磁性体層１４に印加すると、基板１１上に配列された全ての第２磁性体層１４の磁化状態が変化してしまう。この点、実施の形態１の加熱装置１０は、第２磁性体層１４の磁化状態を変調する制御電極１６を有している。制御電極１６は、複数の上部電極１６ａと複数の下部電極１６ｂとにより構成され、平面視において、上部電極１６ａと下部電極１６ｂとの交差部に重なるように、第１磁性体層１３と第２磁性体層１４とが配置されている。こうすることで、実施の形態１の加熱装置１０では、電流を流す上部電極１６ａと電流を流す下部電極１６ｂとの交差部に位置する第２磁性体層１４が、上部電極１６ａによるスピン軌道トルクおよび下部電極１６ｂによる磁場によって、磁化反転される。その結果、複数の上部電極１６ａおよび複数の下部電極１６ｂから電流を流す上部電極１６ａおよび下部電極１６ｂを選択することにより、基板１１上に配列された任意の場所の第２磁性体層１４の磁化状態を変化させることができる。
【００５３】
以上より、実施の形態１の加熱装置１０では、基板１１上に配列された任意の場所の第２磁性体層１４の磁化状態を変調させることで、複数の第１磁性体層１３のうち、交流磁場によって加熱される第１磁性体層１３を選択することができる。その結果、実施の形態１の加熱装置１０では、任意の発熱部１２（第１磁性体層１３）のみを交流磁場によって加熱することができる。
【００５４】
さらに、実施の形態１の加熱装置１０では、第２磁性体層１４の保磁力を交流磁場の大きさよりも大きくしているため、第１磁性体層１３に交流磁場を印加している際に、第２磁性体層１４は磁化反転しない。そのため、実施の形態１の加熱装置１０の加熱動作中は、第２磁性体層１４の磁化状態を維持することができる。
【００５５】
［細胞培養装置］
＜実施の形態１の細胞培養装置の構成＞
以下、実施の形態１の加熱装置１０の適用例である細胞培養装置について図１０〜図１５を用いて説明する。図１０は、実施の形態１に係る細胞培養装置の斜視透視模式図である。図１１は、実施の形態１に係る細胞培養装置の断面模式図である。図１２は、実施の形態１に係る細胞培養装置の要部断面図である。
【００５６】
図１０および図１１に示すように、実施の形態１の細胞培養装置２０は、加熱装置１０と、加熱装置１０上に配置された容器２１と、容器２１内に配置された培養液２２と、培養液２２内に載置された細胞２３とにより構成されている。実施の形態１の細胞培養装置２０に含まれる加熱装置１０の構成は、前述した実施の形態１の加熱装置１０の構成と同様であるため、繰り返しの説明を省略する。容器２１は、複数の発熱部１２を覆うように、かつ、基板１１の制御電極１６と干渉しないように配置されている。なお、発熱部１２は、容器２１内の培養液２２および細胞２３と直接接触するように構成されている。
【００５７】
図１２に示すように、実施の形態１の細胞培養装置２０の発熱部１２は、前述の実施の形態１の加熱装置１０の発熱部１２と基本的には同じ構成である。ただし、第１磁性体層１３の上面は、培養液２２と反応しない保護膜１８により被覆されている。そして、保護膜１８の上面には、温度応答部１９が形成されている。温度応答部１９は、温度応答性材料からなる。従って、実施の形態１の細胞培養装置２０の発熱部１２は、第１磁性体層１３と、第１磁性体層１３の上面を被覆する保護膜１８と、保護膜１８の上面に形成された温度応答部１９とにより構成されている。
【００５８】
保護膜１８は、第１磁性体層１３を培養液２２から保護できるように化学的に耐性のある材料からなる。従って、保護膜１８は、金や白金からなることが好ましい。また、保護膜１８として、金表面にチオール基（−ＳＨ）を有する分子をＡｕ−Ｓ結合させ形成した自己組織化単分子膜を採用することもできる。この場合は、自己組織化単分子膜と後述の温度応答性高分子とを反応させることができ、保護膜１８が第１磁性体層１３と温度応答部１９との接着性を高める役割を担う。
【００５９】
また、温度応答部１９を構成する温度応答性材料として、例えば温度変化により水に対する溶解度が劇的に変化する温度応答性高分子が挙げられる。温度応答性高分子には、例えば、低温で水に対して可溶であるのに対して、下限臨界溶液温度（lower critical solution temperature：ＬＣＳＴ）まで昇温すると不溶化して白濁・沈殿し、冷却すると再溶解するという可逆的な挙動を示す高分子がある。また、温度応答性高分子には、例えば、高温で水に対して可溶であるのに対して、上限臨界溶液温度（upper critical solution temperature：ＨＣＳＴ）以下では不溶化して白濁・沈殿するという挙動を示す高分子がある。ＬＣＳＴを示す温度応答性高分子の例としては、ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）、ポリ（Ｎ−アルキルアクリルアミド）、ポリ（Ｎ−ビニルアルキルエーテル）がある。特に、ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）は、ＬＣＳＴが３２℃であり、室温近傍で性質変化を示すため、温度応答性材料として好ましい。
【００６０】
なお、ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）は、ＬＣＳＴ以下の温度では、アミド結合部位と水との強い相互作用により高分子鎖は水和されて引き伸ばされランダムコイル状の立体配座をとる（親水性）。一方、ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）は、ＬＣＳＴよりも高い温度では、脱水和が進行し、疎水性相互作用により高分子鎖が凝集したグロビュール状態となる（疎水性）。
【００６１】
また、実施の形態１の細胞培養装置２０に含まれる磁場発生部（図示せず）は、実施の形態１の加熱装置に含まれる磁場発生部６１と基本的には同じ構成であるが、この磁場発生部が発生する交流磁場は、細胞２３に影響のない範囲の大きさであることが望ましい。
【００６２】
＜実施の形態１の細胞培養装置の特徴および効果＞
実施の形態１の細胞培養装置２０は、以上で説明した構成を有することで、動的に細胞培養環境を変化させることができる。以下、その理由について、図１３〜図１５を用いて説明する。図１３は、実施の形態１に係る細胞培養装置の動作を示す要部断面模式図である。図１４および図１５は、実施の形態１に係る細胞培養装置において、培養された細胞を示す平面模式図である。
【００６３】
図１３は、実施の形態１の細胞培養装置２０に含まれる発熱部１２を拡大した断面図であり、前述の図４に対応する断面図である。そして、図１３では、細胞培養装置２０の時間ｔ１〜ｔ３における時間変化を表している。
【００６４】
図１３に示すように、基板１１上に複数の発熱部１２のうちの発熱部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄが配置されているとする。そして、温度応答部１９は、ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）等のＬＣＳＴ（３２℃）を有する温度応答性高分子からなる。初期状態では、発熱部１２ａ〜１２ｄの温度はＬＣＳＴよりも低いものとする。
【００６５】
まず、時間ｔ１の状態では、発熱部１２ａ〜１２ｃに含まれる第２磁性体層１４は面直方向上向きに磁化ベクトルを有する状態（第２磁性体層１４ａ）であり、発熱部１２ｄに含まれる第２磁性体層１４は面直方向下向きに磁化ベクトルを有する状態（第２磁性体層１４ｂ）であるとする。そのため、この状態で前述した図７および図８に示す外部磁場ＭＦｅｘ１を発熱部１２ａ〜１２ｄの第１磁性体層１３に印加すると、発熱部１２ａ〜１２ｃの第１磁性体層１３は磁化反転せず発熱しない一方、発熱部１２ｄの第１磁性体層１３は磁化反転し発熱する。その結果、発熱部１２ａ〜１２ｃの温度応答部１９はＬＣＳＴよりも低い温度であるため、引き伸ばされたランダムコイル状の立体配座をとり、親水性となる（この状態の温度応答部１９を温度応答部１９ａとする）。一方、発熱部１２ｄの温度応答部１９はＬＣＳＴよりも高い温度となり、高分子鎖が凝集したグロビュール状態となり、疎水性となる（この状態の温度応答部１９を温度応答部１９ｂとする）。
【００６６】
次に、時間ｔ１から時間ｔ２に至る過程において、発熱部１２ｃの上部電極１６ａおよび下部電極１６ｂに電流を流し、発熱部１２ｃに含まれる第２磁性体層１４を磁化反転させる（第２磁性体層１４ａ→第２磁性体層１４ｂ）。また、時間ｔ１から時間ｔ２に至る過程において、発熱部１２ｄの上部電極１６ａおよび下部電極１６ｂに電流を流し、発熱部１２ｄに含まれる第２磁性体層１４を磁化反転させる（第２磁性体層１４ｂ→第２磁性体層１４ａ）。
【００６７】
次に、時間ｔ２の状態では、発熱部１２ａ，１２ｂ，１２ｄが第２磁性体層１４ａの状態、発熱部１２ｃが第２磁性体層１４ｂの状態であるため、外部磁場ＭＦｅｘ１を発熱部１２ａ〜１２ｄの第１磁性体層１３に印加すると、発熱部１２ａ，１２ｂ，１２ｄの第１磁性体層１３は磁化反転せず発熱しない一方、発熱部１２ｃの第１磁性体層１３は磁化反転し発熱する。その結果、発熱部１２ａ，１２ｂ，１２ｄの温度応答部１９は親水性の温度応答部１９ａ、発熱部１２ｃの温度応答部１９は疎水性の温度応答部１９ｂとなる。
【００６８】
次に、時間ｔ２から時間ｔ３に至る過程において、発熱部１２ｂの上部電極１６ａおよび下部電極１６ｂに電流を流し、発熱部１２ｂに含まれる第２磁性体層１４を磁化反転させる（第２磁性体層１４ａ→第２磁性体層１４ｂ）。また、時間ｔ２から時間ｔ３に至る過程において、発熱部１２ｃの上部電極１６ａおよび下部電極１６ｂに電流を流し、発熱部１２ｃに含まれる第２磁性体層１４を磁化反転させる（第２磁性体層１４ｂ→第２磁性体層１４ａ）。
【００６９】
次に、時間ｔ３の状態では、発熱部１２ａ，１２ｃ，１２ｄが第２磁性体層１４ａの状態、発熱部１２ｂが第２磁性体層１４ｂの状態であるため、外部磁場ＭＦｅｘ１を発熱部１２ａ〜１２ｄの第１磁性体層１３に印加すると、発熱部１２ａ，１２ｃ，１２ｄの第１磁性体層１３は磁化反転せず発熱しない一方、発熱部１２ｂの第１磁性体層１３は磁化反転し発熱する。その結果、発熱部１２ａ，１２ｃ，１２ｄの温度応答部１９は親水性の温度応答部１９ａ、発熱部１２ｂの温度応答部１９は疎水性の温度応答部１９ｂとなる。
【００７０】
以上より、実施の形態１の細胞培養装置２０では、任意の位置の発熱部１２を任意の時間に加熱することによって、各発熱部１２に設けられた温度応答部１９の親水性／疎水性を動的に変化させることができる。
【００７１】
以下、実施の形態１の細胞培養装置２０における細胞のパターニング方法について説明する。一般に、細胞は疎水性表面に接着しやすく、親水性表面に接着しにくい。その結果、例えば、実施の形態１の細胞培養装置２０において、いずれの発熱部１２も加熱すると、全ての発熱部１２に備わる温度応答部１９は疎水性の温度応答部１９ｂとなり、全ての温度応答部１９ｂに細胞２３が接着し、図１４に示すようなパターンを形成することができる。一方、例えば、実施の形態１の細胞培養装置２０において、一部の発熱部１２のみ加熱すると、加熱された発熱部１２に備わる温度応答部１９のみが疎水性の温度応答部１９ｂとなり、加熱されていない発熱部１２に備わる温度応答部１９は親水性の温度応答部１９ａのままとなる。従って、一部の温度応答部１９ｂにのみ細胞２３が接着し、それ以外の温度応答部１９ａには細胞２３が接着しない。その結果、図１５に示すようなパターンを形成することができる。
【００７２】
このようにして、実施の形態１の細胞培養装置２０では、細胞のパターニングが可能であり、さらには、加熱する発熱部１２の位置および数を変化させることによって、細胞２３の接着パターンを変化させることができる。以上より、実施の形態１の細胞培養装置２０では、細胞のパターニングを動的に変化させることができる。
【００７３】
また、前述の図９に示すように、実施の形態１の細胞培養装置２０では、発熱部１２の第１磁性体層（第１磁性体部）１３と、基板１１の第２磁性体層１４との間に断熱層１５が配置されている。そのため、第１磁性体層１３に発生した熱のうち、基板１１内の第２磁性体層１４や制御電極１６等に発散する成分（図９中Ｈ２）を小さくすることができると共に、保護膜１８上に形成された温度応答性材料からなる温度応答部１９に熱（図９中Ｈ１）を効率よく伝えることができる。
【００７４】
図９および図１０に示すように、実施の形態１の細胞培養装置２０では、容器２１に培養液２２が静置されている場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図示しないが、容器２１にチューブやポンプ等を接続し、培養液２２を灌流させることができるように構成することもできる。
【００７５】
また、実施の形態１の細胞培養装置２０において、実施の形態１の加熱装置１０を用いて構成する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、後述の実施の形態２の加熱装置５０を用いて構成してもよい。
【００７６】
（変形例１）
以下、実施の形態１の第１の変形例（以下、変形例１）の加熱装置について説明する。変形例１の加熱装置の構成は、図２〜図５に示す実施の形態１の加熱装置１０の構成と基本的には同様であるため、図示および繰り返しの説明を省略する。
【００７７】
ただし、変形例１の加熱装置では、上部電極（第１電極）１６ａの上面は、第２磁性体層１４の下面と接触している必要はなく、上部電極１６ａの材料も限定されない点が、実施の形態１の加熱装置１０と変形例１の加熱装置との相違点である。
【００７８】
ここで、変形例１の加熱装置において、第２磁性体層１４の磁化ベクトルの向きを変更する方法について説明する。変形例１の加熱装置では、実施の形態１の加熱装置１０と同様に、上部電極１６ａと下部電極１６ｂとの両方に電流を流す。ただし、上部電極１６ａのみに電流を流すことで発生する磁場の大きさ、および、下部電極１６ｂのみに電流を流すことで発生する磁場の大きさのいずれも、第２磁性体層１４の保磁力Ｈｃ２よりも小さくし、かつ、電流を流した上部電極１６ａと電流を流した下部電極１６ｂとの交差部に発生する磁場の大きさを第２磁性体層１４の保磁力Ｈｃ２よりも大きくなるようにする。こうすることで、電流を流した上部電極１６ａと電流を流した下部電極１６ｂとの交差部に位置する第２磁性体層１４のみを磁化反転させることができる。
【００７９】
以上より、変形例１の加熱装置では、実施の形態１の加熱装置１０と同様に、上部電極１６ａとの間の磁気相互作用および下部電極１６ｂとの間の磁気相互作用の重ね合わせによってはじめて第２磁性体層１４の磁化が反転するように構成することで、基板１１上に配列された任意の場所の第２磁性体層１４の磁化状態を変化させることができる。
【００８０】
変形例１の加熱装置では、実施の形態１の加熱装置１０のようにスピン軌道トルクによる磁気相互作用を用いていないため、上部電極１６ａの上面が第２磁性体層１４の下面と接触している必要はなく、基板１１のレイアウトの自由度が高い点と、上部電極１６ａの材料が限定されない点で、実施の形態１よりも有利である。
【００８１】
一方、実施の形態１の加熱装置１０では第２磁性体層１４の磁化反転にスピン軌道トルクによる磁気相互作用を用いているため、上部電極１６ａおよび下部電極１６ｂに流す電流を小さくすることができる点で、変形例１よりも有利である。
【００８２】
（変形例２）
以下、実施の形態１の第２の変形例（以下、変形例２）の加熱装置について説明する。図１６は、変形例２に係る加熱装置の要部断面図である。図１６は、図５に相当する要部断面図であり、ｘ−ｚ方向の要部断面図である。
【００８３】
変形例２の加熱装置３０の構成は、図２〜図５に示す実施の形態１の加熱装置１０の構成と基本的には同様であるため、繰り返しの説明を省略する。
【００８４】
ただし、図１６に示すように、変形例２の加熱装置３０において、制御電極１６は、上部電極（第１電極）１６ａと下部電極（第２電極）１６ｃとにより構成され、平面視において、第２磁性体層（第２磁性体部）１４の中心Ｏｃは、上部電極１６ａと下部電極１６ｃとの交差部の中心Ｘｃと一致していない。すなわち、下部電極１６ｃは、第２磁性体層１４の中心Ｏｃに対して、図１６中のｘ方向において距離Ｘｃだけシフトしている点が、変形例２の加熱装置３０と実施の形態１の加熱装置１０との相違点である。
【００８５】
図５に示すように、実施の形態１の加熱装置１０において、下部電極１６ｂの幅方向中央と第２磁性体層１４の中心とは図５のｘ方向において一致していた。そのため、下部電極１６ｂが作る磁場ＭＦ１のうち、主にｘ軸に平行な成分が第２磁性体層１４に作用する。
【００８６】
一方、図１６に示すように、変形例２の加熱装置３０において、下部電極１６ｃの幅方向中央Ｘｃと第２磁性体層１４の中心Ｏｃとは、図１６中のｘ方向においてシフトしているため、下部電極１６ｃが作る磁場ＭＦ２のうち、ｘ軸に平行な成分だけでなくｚ軸に平行な成分も主成分として第２磁性体層１４に作用する。
【００８７】
以上より、変形例２の加熱装置３０では、前述したように第２磁性体層１４を磁化反転させる際に、第２磁性体層１４の磁化ベクトルの向き等の磁化状態に自由度をもたせることができる点で、実施の形態１の加熱装置１０よりも有利である。一方、図５に示すように、実施の形態１の加熱装置１０では、下部電極１６ｂの幅方向中央と第２磁性体層１４の中心とは図５のｘ方向において一致しているため、加熱装置の設計や製造が容易である点で、変形例２の加熱装置１０よりも有利である。
【００８８】
（変形例３）
以下、実施の形態１の第３の変形例（以下、変形例３）の加熱装置について、図１７および図１８を用いて説明する。図１７は、変形例３に係る加熱装置の要部を示す透視斜視模式図である。図１８は、変形例３に係る加熱装置の要部断面図である。図１７は、図３に相当する透視斜視模式図である。図１８は、図１７に示すｙ−ｚ方向の要部断面図であり、図４に相当する要部断面図である。
【００８９】
変形例３の加熱装置４０の構成は、図２〜図５に示す実施の形態１の加熱装置１０の構成と基本的には同様であるため、繰り返しの説明を省略する。
【００９０】
ただし、図１６に示すように、変形例２の加熱装置３０において、制御電極１６は、上部電極（第１電極）１６ａと、上部電極（第３電極）１６ｄと、下部電極（第２電極）１６ｂとにより構成されている。そして、上部電極１６ａと上部電極１６ｄとは、平面視において平行であり、上部電極１６ａ，１６ｄと下部電極１６ｂとは、平面視において交差しており、好ましくは直交している。
【００９１】
また、変形例３の加熱装置３０において、第２磁性体層１４の上面には絶縁層１７ａが形成されている。そして、第２磁性体層１４および絶縁層１７ａは、上部電極１６ａと上部電極１６ｄとの間には挟持されている。その結果、基板１１内には、その厚さ方向に沿って上部電極１６ｄ、第２磁性体層１４、絶縁層１７ａおよび上部電極１６ａという積層構造が形成されている。
【００９２】
変形例３の第２磁性体層１４は、強い磁気交換相互作用を有する材料、すなわち強磁性体材料からなり、好ましくは鉄やコバルトなどの金属またはその合金からなり、より好ましくはＣｏＦｅＢからなる。絶縁層１７ａは、非磁性絶縁体からなり、好ましくは非磁性金属酸化物からなり、より好ましくは酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる。一方、上部電極１６ａ，１６ｄおよび下部電極１６ｃの材料は特に限定されず、例えば銅やアルミニウムからなる。以上の点が、変形例３の加熱装置４０と実施の形態１の加熱装置１０との相違点である。
【００９３】
ここで、変形例３の加熱装置４０において、第２磁性体層１４の磁化ベクトルの向きを変更する方法について説明する。変形例３の加熱装置４０において、上部電極１６ａと上部電極１６ｄとの間に電圧を印加すると、第２磁性体層１４と絶縁層１７ａとの界面に電圧が印加されることになる。これにより、第２磁性体層１４と絶縁層１７ａとの界面の磁気異方性が変化し、第２磁性体層１４の保磁力Ｈｃ２を変化させることができる。
【００９４】
前述したように、下部電極１６ｂのみに電流を流すことで発生する磁場の大きさは、第２磁性体層１４の保磁力Ｈｃ２よりも小さいため、下部電極１６ｂにのみ電流を流した場合は、第２磁性体層１４の磁化は反転しない。しかし、上部電極１６ａと上部電極１６ｄとの間に電圧を印加して、第２磁性体層１４の保磁力Ｈｃ２を小さくすることで、下部電極１６ｂに電流を流すことで発生する磁場により第２磁性体層１４を磁化反転させることができる。
【００９５】
すなわち、電圧を印加した上部電極１６ａ，１６ｄと電流を流した下部電極１６ｂとの交差部に位置する第２磁性体層１４のみを磁化反転させることができる。
【００９６】
特に、変形例３の加熱装置４０では、１〜２ｎｍ程度、好ましくは１．３ｎｍの厚さのＣｏＦｅＢからなる第２磁性体層１４上にＭｇＯからなる絶縁層１７ａを積層することによって、第２磁性体層１４が面直方向（第２磁性体層１４の厚さ方向）に磁気異方性を有する。そのため、第２磁性体層１４の厚さ方向に沿って形成された上部電極１６ａ，１６ｄ間に電圧を印加すると、第２磁性体層１４の磁化状態を効率よく変調することができる。
【００９７】
変形例３の加熱装置４０では、上部電極１６ａ，１６ｄに流れる電流をさらに小さくすることができる点で、実施の形態１の加熱装置１０よりも有利である。
【００９８】
一方、実施の形態１の加熱装置１０では、構造を単純化することができ、加熱装置の設計や製造が容易である点で、変形例３よりも有利である。
【００９９】
（実施の形態２）
＜実施の形態２の加熱装置の構成＞
以下、第２の実施の形態（以下、実施の形態２）の加熱装置について、図１９〜図２２を用いて説明する。図１９は、実施の形態２に係る加熱装置を示す平面模式図である。図２０は、実施の形態２に係る加熱装置において、図１９の領域Ａを示す拡大平面模式図である。図２１および図２２は、実施の形態２に係る加熱装置を示す要部断面図である。図２１は、図１９に示すｘ−ｚ方向の要部断面図、図２２は、図１９に示すｙ−ｚ方向の要部断面図である。
【０１００】
図１９に示すように、実施の形態２の加熱装置５０は、基板５１と、発熱部５２と、複数の磁場発生部６２とを有しており、複数の磁場発生部６２は、基板５１内にパターン化された配列構造を有している点が、実施の形態１の加熱装置１０との相違点である。以下、実施の形態２の加熱装置５０の具体的な構成について説明する。
【０１０１】
図２１および図２２に示すように、発熱部５２は、複数の磁性体部（第１磁性体部）５３を含んでいる。複数の磁性体部５３は、基板５１上にパターン化された配列構造を有している。具体的には、複数の磁性体部５３は、基板５１上にアレイ状に配列されている。複数の磁性体部５３と複数の磁場発生部６２とは、同じ数設けられており、それぞれが平面視において重なっている。従って、複数の磁場発生部６２は、基板５１中にアレイ状に配置されている。
【０１０２】
複数の磁性体部５３のそれぞれは、複数の磁場発生部６２のそれぞれが発生する交流磁場（外部磁場）により、磁性体部５３に磁気ヒステリシス損失が生じることによって発熱する。実施の形態２の磁性体部５３は、平面視において、円形状に形成されている。
【０１０３】
ここで、実施の形態２の磁場発生部６２の詳細な構成について説明する。図２０は、図１９の領域Ａの拡大図であるが、発熱部５２（磁性体部５３）等を省略している。図２０〜図２２に示すように、実施の形態２の磁場発生部６２は、上部電極５６ａと、下部電極５６ｂと、柱状電極５４ａ，５４ｂと、ループ電極（環状電極）５４ｃと、交流電源ＲＦとを含んでいる。
【０１０４】
ループ電極５４ｃは、平面視において、一部が欠けた円環状に形成されている。ループ電極５４ｃの直径は、磁性体部５３の直径よりも大きく、ループ電極５４ｃは平面視において磁性体部５３と重なっている。そして、ループ電極５４ｃの端部（円環の切り欠かれた部分に相当）は、柱状電極５４ａ，５４ｂにそれぞれ接続されている。柱状電極５４ａは上部電極５６ａに接続され、柱状電極５４ｂは下部電極５６ｂに接続されている。そして、上部電極５６ａおよび下部電極５６ｂは、交流電源ＲＦに接続されている。
【０１０５】
また、上部電極５６ａと下部電極５６ｂとは、平面視において交差しており、より好ましくは直交している。そして、平面視において、上部電極５６ａと下部電極５６ｂとの交差部に重なるように、ループ電極５４ｃおよび発熱部５２（磁性体部５３）が配置されている。より具体的には、ｍ本の上部電極５６ａと、ｎ本の下部電極５６ｂとが存在する場合、ループ電極５４ｃおよび発熱部５２はｍ×ｎの二次元マトリクス状に配置されることになる。
【０１０６】
また、図２１および図２２に示すように、断熱層５５は、磁性体部５３と平面視において重なるように、ループ電極５４ｃと磁性体部５３との間に配置されている。絶縁層５７は、基板５１において、磁場発生部６２および断熱層５５以外の部分を充填するように形成されている。断熱層５５は、磁性体部５３の熱伝導率およびループ電極５４ｃの熱伝導率のいずれよりも低い熱伝導率の絶縁体からなる。
【０１０７】
＜実施の形態２の加熱装置の特徴および効果＞
図１９〜図２２に示すように、実施の形態２の加熱装置５０の特徴の一つは、複数の発熱部５２と、交流磁場を発生させる複数の磁場発生部６２とを有していることである。そして、発熱部５２は、交流磁場によって加熱される磁性体部５３を含んでいる。特に、複数の発熱部５２と複数の磁場発生部６２とは、同数個設けられている。実施の形態２の加熱装置５０は、このような構成を有することで、局所的に加熱可能な装置となる。以下、その理由について、図１９〜図２２を用いて説明する。
【０１０８】
まず、実施の形態２の加熱装置５０の発熱機構について説明する。図２０〜図２２に示すように、交流電源ＲＦにより上部電極５６ａと下部電極５６ｂとの間に電圧を印加すると、柱状電極５４ａ，５４ｂを経てループ電極５４ｃに電流が流れる。そのため、ループ電極５４ｃの径方向内方にはｚ方向に沿った交流磁場が発生する。ループ電極５４ｃと磁性体部５３とは平面視において重なっているため、磁性体部５３にはこの交流磁場が作用する。その結果、実施の形態１の発熱部１２（第１磁性体層１３）と同様に、磁性体部５３に磁気ヒステリシス損失が生じることによって発熱する。
【０１０９】
そして、実施の形態２の加熱装置５０では、上部電極５６ａと下部電極５６ｂとは、平面視において交差しており、上部電極５６ａと下部電極５６ｂとの交差部に重なるように、ループ電極５４ｃおよび発熱部５２（磁性体部５３）が配置されている。そのため、電流を流した上部電極５６ａと電流を流した下部電極５６ｂとの交差部に位置する磁性体部５３のみを加熱することができる。
【０１１０】
前述したように、実施の形態１の加熱装置１０では、複数の発熱部１２の全てに対して交流磁場を作用させる一方、第２磁性体層１４の磁化状態を変調させることで、交流磁場によって加熱される第１磁性体層１３と、交流磁場によって加熱されない第１磁性体層１３とを変更し、任意の発熱部１２（第１磁性体層１３）のみを加熱するように構成されている。
【０１１１】
それに対して、実施の形態２の加熱装置５０では、１つの発熱部５２に対して１つの磁場発生部６２を設け、任意の発熱部５２に対して交流磁場を作用させることで、任意の発熱部５２（磁性体部５３）のみを発熱させることができるように構成されている点で、実施の形態１の加熱装置１０と異なっている。
【０１１２】
従って、実施の形態２の加熱装置５０では、発熱部５２の構成を簡易化することができる点で、実施の形態１の加熱装置１０よりも有利である。一方、実施の形態１の加熱装置１０では、磁場発生部６１の構成を簡易化することができる点で、実施の形態２の加熱装置５０よりも有利である。
【０１１３】
（実施例）
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【０１１４】
＜実施例の加熱装置の構成＞
実施例の加熱装置は、実施の形態２の加熱装置５０に対応するものであるため、繰り返しの説明を省略する。ただし、細胞培養装置に適用可能とするため、発熱部５２に含まれる磁性体部５３の上面は、保護膜により被覆され、この保護膜の上面には、温度応答部が形成されている場合を例に説明する。
【０１１５】
＜実施例の加熱装置の製造方法＞
まず、上面上に酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜が形成されたシリコン（Ｓｉ）基板上にフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、幅５μｍ、長さ５００μｍの突条部が５μｍ間隔で５０列形成されたレジストパターンを形成した。その後、酸化シリコン膜上およびレジストパターン上に、スパッタリング法により、銅からなる導体膜を３００ｎｍの厚さで堆積した。続いて、化学的機械研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）法により、前記溝の外部の導体膜を除去し、前記溝内に導体膜からなる下部電極アレイを形成した。その後、アッシングによりレジストパターンを除去した。続いて、塗布ガラス（Spin On Glass：ＳＯＧ）法を用いて、下部電極アレイを覆うように、酸化シリコン膜上に埋設性の良い酸化シリコン膜を形成した。
【０１１６】
次に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、酸化シリコン膜に下部電極アレイに達するコンタクトホールを形成する。続いて、このコンタクトホール内を埋めるように、スパッタリング法によりタングステンからなる導体膜を堆積した。その後、コンタクトホールの外部の不要な導体膜をＣＭＰ法により除去し、柱状電極を形成した。その後、ＳＯＧ法を用いて、さらに酸化シリコン膜を形成した。
【０１１７】
次に、前述した下部電極アレイと同様の方法で、上部電極アレイおよび柱状電極を形成した。その後、ＳＯＧ法を用いて、さらに酸化シリコン膜を形成した後、ＣＭＰ法により平坦化すると共に、柱状電極の表面を露出させた。その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、レジストパターンを形成した。続いて、レジストパターン上に、スパッタリング法により、銅からなる導体膜を堆積し、ＣＭＰ法およびアッシングを経てループ電極を形成した。その後、ＳＯＧ法を用いて、ループ電極を覆うように、酸化シリコン膜上に酸化シリコン膜を形成した。
【０１１８】
次に、平面視においてループ電極の内方に、スパッタリング法によりニッケル鉄（ＮｉＦｅ）を堆積させ、２次元配列された磁性体部を形成した。
【０１１９】
次に、磁性体部の上面に、スパッタリング法により金を堆積させ、保護膜を形成した。続いて、保護膜の上面に、ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）をスピンコート法により塗布し、温度応答部を形成した。
【０１２０】
＜実施例の加熱装置の評価方法＞
実施例において、磁性体部等の結晶構造は、Ｘ線回折（X-ray Diffraction：ＸＲＤ）によって容易に確認できる。また、透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope：ＴＥＭ）により格子像を観察することや、電子線回折像においてスポット状パターンやリング状パターンから単結晶または多結晶の結晶構造および積層構造を確認することもできる。
【０１２１】
また、磁性体部等の状態密度の情報は、紫外光電子分光法（Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy：ＵＰＳ）やＸ線光電子分光法（X-ray Photoelectron Spectroscopy：ＸＰＳ）等によって確認することができる。また、磁性体部等の組成分布は、ＸＰＳ、電子線マイクロアナライザ（Electron Probe Micro Analyzer：ＥＰＭＡ）、エネルギー分散型Ｘ線分析（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy：ＥＤＸ）、二次イオン質量分析法（Secondary Ion Mass Spectrometry：ＳＩＭＳ）等を用いて確認することができる。また、磁性体部等の組成分布は、誘導結合プラズマ（Inductively Coupled Plasma：ＩＣＰ）による発光分析や質量分析等の手法を用いても確認することができる。
【０１２２】
また、電極等の電気伝導率およびキャリア密度等は、４端子法を用いた電気測定およびホール効果測定によって確認することができる。
【０１２３】
また、発熱部のパターン配列は、走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）や光学顕微鏡等を用いて確認することができる。
【０１２４】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【０１２５】
１０，３０，４０，５０  加熱装置
１１，５１  基板
１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，５２  発熱部
１３  第１磁性体層（第１磁性体部）
１４，１４ａ，１４ｂ  第２磁性体層（第２磁性体部）
１５，５５  断熱層
１６  制御電極
１６ａ，５６ａ  上部電極（第１電極）
１６ｂ，１６ｃ，５６ｂ  下部電極（第２電極）
１６ｄ  上部電極（第３電極）
１７，１７ａ，５７  絶縁層
１８  保護膜
１９，１９ａ，１９ｂ  温度応答部
２０  細胞培養装置
２１  容器
２２  培養液
２３  細胞
５３  磁性体部（第１磁性体部）
５４ａ，５４ｂ  柱状電極
５４ｃ  ループ電極（環状電極）
６１，６２  磁場発生部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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