(57)【要約】【課題】発電効率に優れた低コストの熱電変換素子を提供すること。【解決手段】熱電変換素子１は、筒状の磁性体２と、磁性体２の外周面２１、内周面２２、及び内部の少なくともいずれかに配設され、スピン軌道相互作用を有する材料を含む起電体３と、を有する。磁性体２は、軸方向Ａに磁化されていると共に、径方向に温度勾配ΔＴを形成することができるよう構成されている。起電体３は、磁性体２の周方向Ｐに沿って螺旋状に形成されている。【選択図】図１
2015185573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の磁性体（２）と、
該磁性体（２）の外周面（２１）、内周面（２２）、及び内部の少なくともいずれかに配設され、スピン軌道相互作用を有する材料を含む起電体（３）と、を有し、
上記磁性体（２）は、軸方向（Ｍ）に磁化されていると共に、径方向に温度勾配（ΔＴ）を形成することができるよう構成されており、
上記起電体（３）は、上記磁性体（２）の周方向（Ｐ）に沿って螺旋状に形成されていることを特徴とする熱電変換素子（１）。
【請求項２】
上記起電体（３）は、上記磁性体（２）の外周面（２１）に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換素子（１）。
【請求項３】
上記磁性体（２）は、円筒形状を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電変換素子（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性体と起電体とからなる熱電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱エネルギーを電力に変換する熱電変換素子としては、例えば、ゼーベック効果を利用したものがある。かかる熱電変換素子は、例えば、ｐ型半導体とｎ型半導体とを組み合わせた熱電対を多数直列に接続してモジュール化することで、電圧を取出している。このように、充分な電圧を取出すためには、多数の半導体を直列接続する必要があり、部品点数が多くなるという問題がある。
【０００３】
これに対し、近年、スピンゼーベック効果を利用した熱電変換素子が種々開発されている。例えば、特許文献１に記載の熱電変換素子は、磁性体と、該磁性体の表面に配設した起電体とからなる。そして、複数の起電体同士を直列に接続すると共に、各起電体の起電力生成効率（スピンホール効果）を、各起電体に生じる起電力の向きに応じて異ならせることにより、充分な電圧を取出すことができるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１０９３６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の熱電変換素子は、上述のように、起電力生成効率の異なる複数種類の起電体を設ける必要がある。そのため、熱電変換素子の製造工数が増加すると共に製造工程が複雑となり、低コスト化が困難となる。また、起電力生成効率が異なる起電体を直列接続するということは、直列接続された起電体全体の起電力生成効率を高くすることが困難となり、発電効率を向上させ難いという課題もある。
【０００６】
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、発電効率に優れた低コストの熱電変換素子を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、筒状の磁性体と、
該磁性体の外周面、内周面、及び内部の少なくともいずれかに配設され、スピン軌道相互作用を有する材料を含む起電体と、を有し、
上記磁性体は、軸方向に磁化されていると共に、径方向に温度勾配を形成することができるよう構成されており、
上記起電体は、上記磁性体の周方向に沿って螺旋状に形成されていることを特徴とする熱電変換素子にある。
【発明の効果】
【０００８】
上記熱電変換素子は、筒状の磁性体を有し、起電体が筒状の磁性体の周方向に沿って螺旋状に形成されている。そして、磁性体は、軸方向に磁化されている。それゆえ、磁性体の径方向に温度勾配が形成されることにより、起電体の各部には、筒状の磁性体の周方向に沿った一つの方向に、起電力が生成されることとなる。つまり、起電体の各部には、起電体の一端から他端へ向かう同じ方向の起電力が生成されることとなり、全体として大きな電圧を効率よく得ることができる。したがって、上記熱電変換素子は、発電効率を向上させることができる。
【０００９】
また、上述のように、螺旋状に形成された起電体の各部に生成される起電力は、同じ方向となるため、特に起電体を部分的に異なる起電力生成効率の材料や構造等とする必要もない。そのため、熱電変換素子の製造工数を低減すると共に製造工程を簡素化することができ、熱電変換素子の低コスト化を実現することができる。
【００１０】
以上のごとく、本発明によれば、発電効率に優れた低コストの熱電変換素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１における、熱電変換素子の斜視図。
【図２】図１のII−II線矢視断面図。
【図３】実施例１における、熱電変換素子の断面図であって、磁化方向、温度勾配の向き、及び起電力の向きを記入した説明図である。
【図４】実施例１における、熱電変換素子の製造方法の一例を示す斜視図。
【図５】実施例１における、熱電変換素子の製造方法の他の例を示す斜視図。
【図６】実施例２における、熱電変換素子の斜視図。
【図７】図６のVII−VII線矢視断面図。
【図８】実施例３における、熱電変換素子の断面図。
【図９】実施例４における、熱電変換素子の断面図。
【図１０】実施例１における、熱電変換素子の斜視図。
【図１１】図１０のXI−XI線矢視断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
上記磁性体は、予め磁化されていてもよいし、磁場中に配置されることにより磁場が印加されるよう構成されていてもよい。そして、予め磁性体が磁化されている場合には、その磁気モーメントの方向が筒状の磁性体の軸方向となっている。また、磁性体に磁場が印加される場合には、その磁場の方向を筒状の磁性体の軸方向とする。
なお、本明細書において、「軸方向」、「径方向」、「周方向」とは、特に断らない限り、それぞれ筒状の磁性体の軸方向、径方向、周方向をいうものとする。また、「周方向に沿って」とは、起電体の向き（電流の流れる方向）が周方向となる成分を有することを意味し、周方向に対して斜めの状態をも含む。
【実施例】
【００１３】
（実施例１）
上記熱電変換素子の実施例につき、図１〜図５を用いて説明する。
本例の熱電変換素子１は、図１、図２に示すごとく、筒状の磁性体２と、磁性体２の外周面２１に配設され、スピン軌道相互作用を有する材料を含む起電体３と、を有する。
磁性体２は、軸方向Ａに磁化されている。図１における矢印Ｍが磁化方向を表す。また、磁性体２は、径方向に温度勾配ΔＴを形成することができるよう構成されている。
そして、起電体３は、磁性体２の周方向Ｐに沿って螺旋状に形成されている。
【００１４】
本例において、磁性体２は、円筒形状を有する。すなわち、磁性体２は、軸方向Ａに貫通した円柱形状の軸孔２４を有する。この軸孔２４の直径は、磁性体２の径方向の厚みよりも大きい。また、磁性体２としては、例えばイットリウム鉄ガーネット（Ｙ3Ｆｅ5Ｏ12）等の磁性絶縁体を用いることが好ましいが、特に磁性絶縁体に限定されるものではなく、例えば、パーマロイ等の強磁性金属を用いることもできる。
【００１５】
磁性体２は、例えば、予め軸方向Ａに磁化されているものを用いてもよいし、磁場中に配置されることで軸方向Ａに磁場が印加された状態となっていてもよい。すなわち、前者の場合、例えば、磁性体２は強磁性体であって、軸方向Ａの磁気モーメントを有する永久磁石の状態となっていてもよい。後者の場合、例えば、磁性体２は常磁性体であってもよく、外部磁場を磁性体２の軸方向Ａにかけて熱電変換素子１を用いることとなる。
【００１６】
また、起電体３は、スピン軌道相互作用を有する材料を含むものからなり、例えば、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の金属材料、又はこれらの合金材料を用いることができる。また、起電体３は、スピンホール抵抗が例えば２×１０-7Ωｃｍ以上の材料からなることが好ましい。
【００１７】
起電体３は螺旋状に形成されているが、軸方向Ａに隣り合う起電体３の部位同士の間は、互いに電気的に絶縁される程度に充分な間隔を設けている。或いは、軸方向Ａに隣り合う起電体３の部位同士の間に絶縁層を介在させてもよい。
また、軸方向Ａと起電体３とのなす角度θ（図４参照）は、起電力を大きくするという観点では、９０°に近いことが好ましいが、特に限定されるものではない。角度θは、例えば４５°≦θ＜９０°とすることが好ましく、８０°≦θ＜９０°とすることがさらに好ましい。
【００１８】
本例の熱電変換素子１を製造するにあたっては、例えば、図４に示すごとく、円筒形状の磁性体２を作製した後、該磁性体２の外周面２１に、スパッタ法、印刷法等により、起電体３を形成することにより得ることができる。
【００１９】
あるいは、図５に示すごとく、まず、長方形状の板状の磁性体２０の表面に複数の起電体パターン３０をパターン形成する。その後、板状の磁性体２０を、起電体パターン３０が外側になるようにするとともに、その２つの辺２０１、２０２を当接させるように筒状に丸める、複数の起電体パターン３０の端縁同士を適宜接続する。このようにして、筒状の磁性体２の外周面２１に螺旋状の起電体３が設けられた熱電変換素子１を得ることもできる。
【００２０】
また、本例の熱電変換素子１を使用する際は、例えば、磁性体２の軸孔２４に高温の流体を流通させることにより、磁性体２の内側と外側との温度差（温度勾配ΔＴ）を形成する。高温の流体としては、例えば、内燃機関の排ガス等の気体や、温水等の液体を用いることができる。あるいは、磁性体２の外側が高温、内側が低温となるように、温度勾配ΔＴを設けてもよい。例えば、磁性体２の軸孔２４に低温の流体を流通させることにより、磁性体２の内側と外側との間の温度差（温度勾配ΔＴ）を形成することもできる。
【００２１】
次に、本例の作用効果につき説明する。
例えば、軸孔２４に高温の流体を流通させることにより、磁性体２の内側と外側との間に、径方向に温度勾配ΔＴを形成することができる。これにより、磁性体２において、スピンゼーベック効果により、温度勾配ΔＴの方向（磁性体２の径方向）に平行な方向にスピンの流れ（スピン流）が誘起される。このスピン流は、磁性体２の外周面２１に配設された起電体３に流れ込む。起電体３に流れ込んだスピン流は、起電体３中において逆スピンホール効果によって、温度勾配ΔＴの方向（磁性体２の径方向）及び磁性体２の磁化方向Ｍの双方に直交する方向（磁性体２の周方向Ｐ）の電子の流れ、すなわち電流（起電力Ｖ）に変換される。この起電力Ｖは、図３に示すごとく、起電体３の各部において生じるが、本例の熱電変換素子１の場合、各部において生じる起電力Ｖの方向は、起電体３の一端から他端へ向かう同じ向きに生じることとなる。
【００２２】
すなわち、上記熱電変換素子１は、筒状の磁性体２を有し、起電体３が筒状の磁性体２の周方向Ｐに沿って螺旋状に形成されている。そして、磁性体２は、軸方向Ａに磁化方向Ｍを有する。それゆえ、磁性体２の径方向に温度勾配ΔＴが形成されることにより、起電体３の各部には、筒状の磁性体２の周方向Ｐに沿った一つの方向に、起電力Ｖが生成されることとなる。つまり、起電体３の各部には、起電体３の一端から他端へ向かう同じ方向の起電力Ｖが生成されることとなり、全体として大きな電圧を効率よく得ることができる。したがって、熱電変換素子１は、発電効率を向上させることができる。
【００２３】
また、上述のように、螺旋状に形成された起電体３の各部に生成される起電力Ｖは、同じ方向となるため、特に起電体３を部分的に異なる起電力生成効率の材料や構造等とする必要もない。そのため、熱電変換素子１の製造工数を低減すると共に製造工程を簡素化することができ、熱電変換素子１の低コスト化を実現することができる。
【００２４】
また、起電体３は、磁性体２の外周面２１に配設されている。そのため、例えば磁性体２の軸孔２４に排ガス等の流体を流通させる場合等に、起電体３が汚染される等、熱源からの悪影響を防ぐことができる。
【００２５】
また、磁性体２は、円筒形状を有するため、起電体３のいずれの部位においても、磁性体２の径方向と起電体３とのなす角度を直角に近い角度としやすくなる。その結果、起電体３に生じる起電力Ｖを効率よく得ることができる。
【００２６】
以上のごとく、本例によれば、発電効率に優れた低コストの熱電変換素子を提供することができる。
【００２７】
（実施例２）
本例は、図６、図７に示すごとく、起電体３が筒状の磁性体２の内周面２２に配設された熱電変換素子１の例である。
すなわち、筒状の磁性体２の軸孔２４の周囲に形成された内周面２２に、起電体３が周方向Ｐに沿って螺旋状に形成されている。一方、磁性体２の外周面２１には、起電体３を設けていない。
【００２８】
本例の熱電変換素子１は、例えば、以下のようにして作製することができる。すなわち、図５に示すごとく、板状の磁性体２０の表面に起電体パターン３０を形成した後、起電体パターン３０が内側になるように筒状に丸める。これにより、筒状の磁性体２の内周面２２に起電体３が設けられた熱電変換素子１を得ることができる。
その他は、実施例１と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。
【００２９】
本例の場合には、磁性体２の内側と外側との間に、径方向に温度勾配ΔＴを形成することにより、スピンゼーベック効果によるスピン流が磁性体２に誘起され、磁性体２の径方向内側に向かうスピン流が起電体３に流れ込む。起電体３に流れ込んだスピン流は、起電体３中において逆スピンホール効果によって、磁性体２の周方向Ｐの起電力Ｖに変換される。
このようにして、本例の場合にも、起電体に効率よく起電力Ｖを生じさせることができる。その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００３０】
（実施例３）
本例は、図８に示すごとく、起電体３を、磁性体２の外周面２１と内周面２２との双方に配設した例である。
本例の熱電変換素子１は、例えば、以下のようにして作製することができる。すなわち、板状の磁性体２０の両主面にそれぞれ起電体パターン３０（図５参照）を形成した後、板状の磁性体２０を筒状に丸める。これにより、筒状の磁性体２の外周面２１と内周面２２とに起電体３が設けられた熱電変換素子１を得ることができる。
【００３１】
その他は、実施例１又は実施例２と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１又は実施例２において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１又は実施例２と同様の構成要素等を表す。
【００３２】
本例の場合には、磁性体２の径方向外側に向かうスピン流が、磁性体２の外周面２１に設けられた起電体３に流れ込み、磁性体２の径方向内側に向かうスピン流が、磁性体２の内周面２２に設けられた起電体３に流れ込む。したがって、磁性体２の径方向に温度勾配ΔＴを形成することにより、磁性体２の外周面２１の起電体３と、内周面２２の起電体３との双方に、それぞれ起電力Ｖが生じる。
このようにして、本例によれば、磁性体２の外周面２１に設けた起電体３と、内周面２２に設けた起電体３との双方に起電力Ｖを効率的に生じさせることができる。その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００３３】
（実施例４）
本例は、図９に示すごとく、磁性体２の内部に起電体３を配設した例である。
すなわち、本例の熱電変換素子１においては、磁性体２の内部に起電体３が埋め込まれた状態となっている。この場合にも、起電体３は、軸孔２４の周りに周方向Ｐに沿って螺旋状に形成されている。
【００３４】
本例の熱電変換素子１は、例えば、以下のようにして作製することができる。すなわち、図５に示すごとく、板状の磁性体２０の表面に起電体パターン３０を形成した後、上記板状の磁性体２０と他の板状の磁性体とによって起電体パターン３０を挟み込む。その後、この積層体を筒状に丸めることにより、筒状の磁性体２の内部に起電体３が埋め込まれた状態の熱電変換素子１を得ることができる。
その他は、実施例１と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。
【００３５】
本例の場合には、磁性体２における起電体３よりも外周側の部位には、磁性体２の外周面２１と起電体３の配設箇所との間の温度勾配に起因してスピン流が誘起され、磁性体２における起電体３よりも内周側の部位には、磁性体２の内周面２２と起電体３の配設箇所との間の温度勾配に起因してスピン流が誘起される。それゆえ、例えば、磁性体２の内周側と外周側との間に温度差を形成することにより、起電体３の内周側と外周側との双方の磁性体２から、スピン流が起電体３に流れ込み、起電体３に起電力Ｖが生じる。
このようにして、本例の場合にも、起電体３に効率よく起電力Ｖを生じさせることができる。その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００３６】
（実施例５）
本例は、図１０、図１１に示すごとく、筒状の磁性体２を、外形が略四角柱形状となる四角筒形状とした例である。
そして、この四角筒形状の外周面２１に、起電体３を螺旋状に配設してある。なお、本例においては、磁性体２は、軸方向Ａに直交する断面において、外周面２１及び内周面２２が、図１０に示すごとく、略正方形状となっている。
【００３７】
その他は、実施例１と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。
本例の場合にも、実施例１と同様の作用効果を奏する。
【００３８】
本発明の熱電変換素子は、上記実施例に限られず、種々の態様を取ることができる。例えば、実施例５の態様と実施例２〜４のいずれかの態様とを組み合わせた態様とすることもできる。また、筒状の磁性体の形状も、円筒状、四角筒形状のほか、楕円筒状、多角形筒状等、種々の形状を採用することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１  熱電変換素子
２  磁性体
２１  外周面
２２  内周面
３  起電体
Ａ  軸方向
Ｍ  磁化方向
Ｐ  周方向
ΔＴ  温度勾配
【図１】
2015185573.tif 000003
【図２】
2015185573.tif 000004
【図３】
2015185573.tif 000005
【図４】
2015185573.tif 000006
【図５】
2015185573.tif 000007
【図６】
2015185573.tif 000008
【図７】
2015185573.tif 000009
【図８】
2015185573.tif 000010
【図９】
2015185573.tif 000011
【図１０】
2015185573.tif 000012
【図１１】
2015185573.tif 000013