JP2004109086A - 光磁界センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】大電流領域、すなわち磁界強度の高い領域においても、感度が高く、５００〜６５０ｎｍといった可視光領域の波長を有する光を用いても感知可能な光磁界センサを提供することにある。
【解決手段】常磁性体からなるファラデー回転子と、偏光子と、検光子と、光照射手段と、光感知手段とを具備する光磁界センサであって、前記常磁性体からなるファラデー回転子が少なくともＴｂとＡｌとを含む常磁性体ガーネット単結晶からなることを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】常磁性体からなるファラデー回転子と、偏光子と、検光子と、光照射手段と、光感知手段とを具備する光磁界センサであって、前記常磁性体からなるファラデー回転子が少なくともＴｂとＡｌとを含む常磁性体ガーネット単結晶からなることを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【従来の技術】
近年、電力分野において、落雷等による送電線の異常電流検知用センサとして、磁気光学材料を用いた光磁界センサが注目されている。これは送電線周囲に発生する磁界を、磁気光学効果の一種であるファラデー効果を用いて検知するものあり、磁界の大きさによって、ファラデー回転子のファラデー回転角が変化することを利用するものである。以下に具体的に説明する。一般的にファラデー効果を有するファラデー回転子に対してレーザー光を照射し、レーザー光の進行方向と同一方向に磁界が発生すると、磁界の強度に比例して入射したレーザー光の偏光面が回転することが知られている。このような性質を利用し、光の進行方向に沿ってファラデー回転子の前後に、異なる偏光面を有する偏光子を設けることによって、一方の偏光子を介してファラデー回転子に入射したレーザー光の光量と、ファラデー回転子を通過し、他方の偏光子を出射するレーザー光の光量に差が生じることになる。この光量の差をフォトディテクタ等の光感知手段にて検知することによって、異常電流の大きさを検知することが可能となる。
【０００２】
このようなファラデー効果を利用した光磁界センサは、高感度であり、かつ小型・軽量化が可能であるほかに、光を媒体とするため防爆性に優れ、遠隔操作も可能である。さらに、光の伝搬に光ファイバを用いているため、耐電磁誘導、雑音性、及び絶縁性に優れており、電気式磁界センサにはない優れた特徴を有している。
【０００３】
上記のような光磁界センサに用いられるファラデー回転子の磁性材料の特性として、ヴェルデ定数（Ｖ：（ｄｅｇ／（Ｏｅ・ｃｍ））が大きいことが求められている。ヴェルデ定数とは単位長さ単位印加磁場あたりのファラデー回転角を意味し、偏光した光の回転角度を示すファラデー回転角（θ）、ファラデー回転子を通る光の移動距離（ｄ）、及びファラデー回転子にかかる磁界強度（Ｈ）から、θ＝ＶＨｄの関係で表される。このことから、ヴェルデ定数が大きいほど、ファラデー回転角が大きくなる。その結果、磁場強度の変化により、磁場のかかるファラデー回転角の変化する割合も大きくなるため、レーザー光の入射光と出射光の光量の差が大きくなり、より高感度の光磁界センサを得ることが可能となる。
【０００４】
このような特性を示す磁性体材料として、特開平５−７２３０７号公報に示されるような強磁性体のイットリウム鉄ガーネット（Ｙ３Ｆｅ５Ｏ１２：以下ＹＩＧと略す）の単結晶が用いられていた。ＹＩＧ単結晶はヴェルデ定数が１．５×１０−１ｄｅｇ／（Ｏｅｍ）と大きく、高感度な光磁界センサを実現できるという利点があった。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−７２３０７号公報 （３頁〜４頁）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平５−７２３０７号公報に記載されるＹＩＧ単結晶は、ある磁場強度まではファラデー回転角が大きくなるが、ある磁場強度を過ぎるとファラデー回転角が一定になり磁気飽和するという問題があった。このため、大電流を検知する光磁界センサのファラデー回転子として用いた場合、正確な電流検知を行うことができないという問題を有していた。また、ＹＩＧ単結晶は、光の波長領域が１１００ｎｍ〜５０００ｎｍの赤外線領域の光しか透過できず、６５０ｎｍという可視光域のプラスチックファイバを用いることができないため莫大なコストがかかるという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、上述の問題点を解決するべくなされたもので、大電流領域、すなわち磁界強度の高い領域においても、感度が高く、５００〜６５０ｎｍといった可視光領域の波長を有する光を用いても感知可能な光磁界センサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願第１の発明の光磁界センサは、常磁性体からなるファラデー回転子と、偏光子と、検光子と、光照射手段と、光感知手段とを具備する光磁界センサであって、前記常磁性体からなるファラデー回転子が少なくともＴｂとＡｌとを含む常磁性体ガーネット単結晶からなることを特徴とする。
【０００９】
本発明者らは、ヴェルデ定数が高く、ファラデー回転角が飽和しない上に、５００〜６５０ｎｍという可視光領域の波長を透過可能なファラデー回転子として、ＴｂとＡｌとを含むテルビウム・アルミニウム系常磁性体ガーネット（Ｔｂ３Ａｌ５Ｏ１２；以下、ＴＡＧと略す）が適していることを見出し、このＴＡＧ単結晶を光磁界センサのファラデー回転子として用いることを可能としたのである。より具体的に説明すると、そもそもＴＡＧ単結晶は分解溶融型化合物であるため、出発原料を溶融した溶融組成から、直接ガーネット相であるＴＡＧ単結晶を得られず、ＴＡＧ単結晶のほかにペロブスカイト相のＴｂＡｌＯ３が混在してしまうという問題を有していた。しかし、本発明者らは鋭意検討した結果、ＣＯ２ガスレーザーを用いて、融帯に強力な光エネルギーを与えることにより、光磁界センサに適したＴＡＧ単結晶を得ることに成功したのである。このようなＴＡＧ単結晶をファラデー回転子とした光磁界センサを用いることによって、ファラデー回転角が飽和せず、大電流においても感度が高く、かつ５００〜６５０ｎｍという可視光領域の波長を有する光を用いても感知可能な光磁界センサを得ることができる。
【００１０】
また、本願第２の発明の光磁界センサは、常磁性体からなるファラデー回転子と、偏光子と、検光子と、光照射手段と、光感知手段とを具備する光磁界センサであって、前記常磁性体からなるファラデー回転子が円柱状であり、前記ファラデー回転子の円柱の直径をＡ、ファラデー回転子の一端面から他端面までの距離をＢとした時、０＜Ａ≦２かつ１≦Ｂ／Ａ≦１０であることが好ましい。このような形状のファラデー回転子を用いることによって、ファラデー回転子の一端面から他端面までの長さ、すなわちファラデー回転子を通る光の移動距離が大きくなるため、ファラデー回転子のファラデー回転角を大きくすることができる。これにより、さらに高感度な光磁界センサを得ることができる。また、ファラデー回転子の一端面から他端面までの距離が大きい方が、ファラデー回転子内における反磁界を小さくすることができる。すなわち、ファラデー回転子は磁性体であるため、ファラデー回転子に外部から磁化が印加されると、ファラデー回転子内には外部磁界とは逆方向に磁界（反磁界）が生じる。すると、実際には外部磁界から反磁界を差し引いた磁界分を検知することになり感度が悪くなるという問題が生じる。そこで、第２の発明のようにファラデー回転子の一方の端面から他方の端面までの距離を大きくすることによって、ファラデー回転子内に生じる反磁界の影響を抑制することができる。
【００１１】
また、本願第３の発明の光磁界センサは、前記ファラデー回転子が、少なくともＴｂと、Ａｌと、Ｃｅ及びＰｒの少なくとも一方と、を含む常磁性ガーネット単結晶からなることが好ましい。このようなファラデー回転子を用いた場合、ヴェルデ定数がより大きくなるため、さらにファラデー回転角を大きくすることができる。その結果、より高感度な光磁界センサを得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光磁界センサの一実施形態について図１を用いて説明する。なお、ここでいう光軸とは光の伝搬路を説明するための一般的な意味で用いられる。また、ここでいう入射とは、光源から照射された光が最初に光磁界センサに入る向きを示し、出射とはその光が光磁界センサから出てくる向きを示す。図１は本発明の光磁界センサの概略構成図を示している。この光磁界センサ１は、ファラデー回転子２と偏光子３と検光子４と光照射手段５、光感知手段６とを具備している。
【００１３】
ここで、ファラデー回転子２の入射側に偏光子３を設け、ファラデー回転子２の出射側に検光子４が光軸方向に並列に配置され、偏光子３及び検光子４は、ファラデー回転子２を通る光軸がその偏光面を通過するよう、それぞれの偏光面が光軸に対して垂直となるように設けられている。また、光照射手段５は偏光子３に光を入射できる位置に設けられていればよい。すなわち、光照射手段５は必ずしもファラデー回転子２を通る光軸に沿って設けられる必要がなく、例えば光照射手段５と偏光子３との間に全反射ミラー７ａを設けることによって光を反射させてその光路を変えることも可能である。このように光照射手段５と偏光子３との間に全反射ミラー７ａを設けることで、光磁界センサ１としては小型化が可能となる。また、光照射手段５と偏光子３との間に設けられる全反射ミラー７ａと同様の理由で、検光子４と光感知手段６との間に全反射ミラー７ｂを設けてもよい。さらに、全反射ミラー７ａと偏光子３、及び全反射ミラー７ｂと検光子４との間に、それぞれ集光レンズ８ａ及び８ｂを設けることが可能である。この場合、集光レンズ８ａを設けることによって、ファラデー回転子２に効率良く光を入射させることができる。また、集光レンズ８ｂを設けることによって、光感知手段６に効率良く光を送ることができる。
【００１４】
ここで用いられるファラデー回転子２は、少なくともＴｂとＡｌとを含むテルビウム・アルミニウム系常磁性ガーネット単結晶からなる。具体的には、Ｔｂ３Ａｌ５Ｏ１２、またはＴｂ３Ａｌ５Ｏ１２のＴｂサイトをＣｅ、Ｐｒ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、及びＴｍ等の希土類元素で置換したものを用いてもよいが、ヴェルデ定数が大きく、４００〜６５０ｎｍという可視光領域においても好適な光透過率を得るにはＴｂ３Ａｌ５Ｏ１２が好ましい。さらに好ましくは、Ｃｅ及びＰｒの少なくともいずれか一方をＴＡＧ単結晶のＴｂサイトに置換したものが好ましい。この場合、近紫外光域にファラデー効果増大に寄与する吸収端が存在するという理由でヴェルデ定数が大きくなることがわかった。これにより、ファラデー回転角が大きくなるため、光磁界センサ１の感度を高めることができる。
【００１５】
また、ファラデー回転子２の形状は、例えば棒状、薄板状、及び薄膜状等の形状を用いることができるが、中でも円柱状であることが好ましい。これは得られた単結晶の形状が円柱状であるため、加工が容易であり、かつ電流によって生じた磁場がファラデー回転子２内に均一にかかりやすいためである。
【００１６】
また、ファラデー回転子２のサイズは、目的とするセンサの種類や、ファラデー回転子２となるＴＡＧ系単結晶のヴェルデ定数をもとに設定すればよいが、ファラデー回転子２の円柱の直径をＡｍｍ、ファラデー回転子２の一端面から他端面までの距離をＢｍｍとした時、０＜Ａ≦２かつ１≦Ｂ／Ａ≦１０であることが好ましい。なお、ここでいうファラデー回転子２の端面とは、ファラデー回転子２の光軸に対して垂直な面であり、光が入射及び出射する面を示す。このような構成にすることで、ファラデー回転角を大きくすることができ、光磁界センサ１としての感度を高めることができる。なお、Ａが２よりも大きいと、外部磁界がファラデー回転子２内に均一に印加されないという問題が生じる。また、Ｂ／Ａが１よりも小さいと、ファラデー回転子２の一端面から他端面までの距離が短く、反磁界が大きくなるため好ましくない。また、Ｂ／Ａが１０よりも大きい場合、ファラデー回転子２を移動する光の距離が長くなり、光透過率が低下するため好ましくない。
【００１７】
また、本発明の偏光子３、及び検光子４の各入出射面が、ファラデー回転子２を通過する光軸に対して垂直となり、かつ光軸方向に沿ってファラデー回転子２の前後に設けられている。そして、偏光子３の偏光面と、検光子４の偏光面とが４５°の角度をなすように配置されていることが好ましい。この関係を図３を用いて説明する。図３の横軸は偏光子３と検光子４とがなす角度を示し、縦軸が検光子４から出射される光量を示す。この曲線の各角度における接線を引いたとき、その接線の傾きが光量の透過率を示すが、図３より４５°の角度の時に一番効率よく磁場変動を透過可能な光量に変換できることがわかる。また、偏光子３及び検光子４として、延伸ポリマー、もしくはルチル及び方解石（ＣａＣＯ３）等からなる単結晶偏光子等を用いることができる。また、細い金属製ワイヤを複数個用意し、隣合う各ワイヤが一定方向に平行となるように並べて板状にしたものを用いることもできる。
【００１８】
また、光照射手段５として、ルビーレーザ、Ｈｅ―Ｎｅレーザ、Ａｒレーザ、Ｈｅ―Ｃｄレーザ、ＩｎＧａＮ半導体レーザ等を用いることができるが、これに限るものではない。この中でもＨｅ―Ｎｅレーザは波長が６３３ｎｍと可視光域に対応でき、プラスチックファイバの波長領域に近いため、より好適に用いられる。また、光感知手段６として、フォトディテクタを用いることが好ましい。その他にもＳｉ、ＩｎＧａＡｓ等の受光素子を用いることができるがこれに限るものではない。
【００１９】
また、本発明の全反射ミラー７ａ及び７ｂは、その反射面が入射光、かつファラデー回転子２の光軸に対して４５°の角度で配置されることが好ましい。このような構成にすることによって、例え光源がファラデー回転子２の光軸方向に沿って設けられていなくても、入射した光が漏れなくファラデー回転子２の中心に向かって入射され、より正確な磁場強度の感知が可能となる。なお、全反射ミラー７ａ及び７ｂとしてＡｌ、Ａｕ等を用いることが好ましく、その中でもＡｌが好ましい。Ａｌは可視光に対して反射率が最も高い材料であるため、光エネルギーの損失を極力小さくできる。
【００２０】
また、本発明の集光レンズ８ａはビームウェストがファラデー回転子２の中心を通るように、調整されて配置されている。これは入射する光がファラデー回転子２に最も効率よく入射できるようにするためである。集光レンズ８ａ及び８ｂとしては、両凸レンズ、ボールレンズ等を用いることができるが、これに限るものではない。
【００２１】
ここで、ファラデー回転子の側部に磁場を発生させる永久磁石を取り付けた羽根車が配置されていると仮定し、磁場がファラデー回転子の光軸に対して平行Ｔに印加されている場合の上記光磁界センサの作用を説明する。まず、光照射手段５から照射された光は、全反射ミラー７ａにおいて、反射された光がファラデー回転子２を通る光軸と平行となるように９０°反射される。そして、反射された光は集光レンズ８ｂにより集光され、偏光子３を介して偏光子３と同じ偏光面を有する光が、ファラデー回転子２に入射される。ここで、ファラデー回転子２の中心を通る光軸と平行となるように、磁界が印加されている。これにより、入射された光の偏光面はファラデー効果によりファラデー回転子２の中で光の進行方向に対して、ファラデー回転角の大きさほど回転する。そして、ファラデー回転子２を出射した光は、検光子４を介して検光子４と同じ偏光面を有する光だけ出射されることになる。検光子４を出射した光は集光レンズ８ｂを介して光の幅を広げていき、その光線を全反射ミラー７ｂにおいて、光軸に対して９０°反射される。さらに反射した光は感知手段６において、その光量を感知されることになる。
【００２２】
また、以下に本発明の光磁界センサの別の実施形態について図２を用いて説明する。図２は本発明の別の光磁界センサの概略構成図を示している。この光磁界センサ１１は、ファラデー回転子１２と偏光子１３と光照射手段１５と光感知手段１６と全反射ミラー１７と集光レンズ１８と偏光プリズム１９とから構成されている。ここではファラデー回転子１２のうち、光が入射する一端面に偏光子１３が並設されており、他端面に全反射ミラー１７が蒸着されている。そして光照射手段１５からファラデー回転子１２までの間に、光軸方向に沿って偏光プリズム１９と集光レンズ１８とが配置されている。このような構成にすることにより、図１で示す一つの実施の形態よりも、構成数を少なくすることができ、より小型の光磁界センサ１１を提供することができる。
【００２３】
この場合のファラデー回転子１２、偏光子１３、全反射ミラー１７、及び集光レンズ１８は図１に示す一実施の形態と同様のものを用いることができる。また、ここにおける偏光プリズム１９は、入射してきた入射光に対しては直進するが、全反射ミラー１７によって反射してきた反射光は入射光に対して直角方向に反射させるように配置される。このように配置することで、入射光と反射光とを分離することができ、正確な光量を測定できる。偏光プリズム１９としては方解石等を用いることができる。
【００２４】
ここで、図２で示される別の実施形態である光磁界センサ１１の作用を具体的に説明する。なお、ファラデー回転子の側部に磁場を生じさせる永久磁石付き羽根車が配置されていると仮定し、磁場がファラデー回転子の光軸に対して平行に印加されている場合の図２に示す光磁界センサの作用を具体的に説明する。ここで光照射手段１５から照射された光は、まず偏光プリズム１９を通過する。ここで光は光軸に平行な方向に通過する。そして、偏光プリズム１９を通過した光は集光レンズ１８を介して集光され、偏光子１３が併設されたファラデー回転子１２に入射する。ここで偏光子１３と同じ偏光面を有する光が通過する。そして、ファラデー回転子１２のなかで、ファラデー効果によりその偏光面をファラデー回転角の大きさ分だけ回転されることになる。この回転された偏光面を有する光が、ファラデー回転子１２の他端面に形成された全反射ミラー１７によって１８０°反射され、ファラデー回転子１２を再度通過することになる。ここで反射光は、入射光とは逆向きに磁界を感じファラデー効果の非相反性により、さらに入射光の光軸に対してファラデー回転角の大きさ分だけ偏光面が回転されることになる。そして偏光子１３を介し、偏光子１３と同じ偏光面を有する反射光が出射される。そして偏光子１３から出射された反射光は、再度集光レンズ１８を介して光線幅を広げながら直線光となり、偏光プリズム１９に入射する。ここで、偏光プリズム１９に入射した反射光は光軸方向に対して直角方向に反射され、光感知手段１６により光量を感知される。
【００２５】
（実施例１）
以下、本願発明の一実施の形態をより具体的に説明する。
１．ＴＡＧ単結晶の作製
まず、常磁性ガーネット多結晶の出発原料として、Ｔｂ４Ｏ７（純度９９．９％）及びＡｌ２Ｏ３（純度９９．９９％）を用意しＴｂ３Ａｌ５Ｏ１２となるように秤量する。この混合量、及び組成比は、所望のヴェルデ定数に合わせて適宜変更することができる。次に調合した出発原料の混合粉末に純水を加えて玉石とともに約２４時間混合し、混合された混合粉末を脱水した後に乾燥機で乾燥させる。そして乾燥された混合粉末をメッシュに通して混合粉末の粒度を調整し、電気炉を用いて１２００℃で２時間の仮焼を行う。この仮焼して得られた混合粉末を粉砕した後、混合粉末に有機バインダ及び溶剤を加えて玉石とともに数時間混合した後、スラリー状の混合物を得る。この混合物を成形機で円柱状に成形した後、電気炉において１６００℃２時間で焼成し、円柱状のＴＡＧ多結晶体を得る。次に、得られた円柱状のＴＡＧ多結晶体と種結晶としてＴＡＧ単結晶とを用意して、ＣＯ２レーザーＦＺ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｚｏｎｅ）装置に設置し、大気中雰囲気においてＣＯ２レーザー光を照射してＴＡＧ多結晶体の端部を加熱し溶融させ、ＴＡＧ多結晶体の溶融部分と種結晶の端部とを接合させる。続いて、ＴＡＧ多結晶体の端部と種結晶の端部との接合部においてＣＯ２レーザー光を照射するとともに、ＴＡＧ多結晶体をさらに加熱溶融させて溶融物を得、冷却させることにより、ＴＡＧ単結晶を得られる。
【００２６】
２．光磁気センサの作製
次に上記のようにして得られたファラデー回転子の長さ１ｍｍ、かつ断面の直径が１ｍｍの円柱状に加工した。ここで、ファラデー回転子の直径に対する一端面から他端面までの長さは（Ｂ／Ａ）は１であった。次に、ルチルからなる偏光子及び検光子と、合成石英からなる集光レンズを２つ用意し、光の入射方向から順に集光レンズ、偏光子、ファラデー回転子、検光子、及び集光レンズとなるように、光軸方向に沿って配置した。光照射手段と集光レンズとの間、及び光感知手段となるフォトディテクタと集光レンズとの間に全反射ミラーを設け、光照射手段から照射された光が全反射ミラーにおいて９０°反射され、反射された光がファラデー回転子と平行となるような位置に光照射手段を設けた。また、ファラデー回転子から出射された光が全反射ミラーによって９０°反射する位置に光感知手段を設けた。このように図１に示される構成を有する光磁界センサを実施例１とした。
【００２７】
また、上記のような構成の実施例１以外に、以下のような実施例２、３、及び比較例１〜３の光磁界センサを作製した。
（実施例２）
ファラデー回転子として（Ｔｂ２．８Ｃｅ０．２）Ａｌ５Ｏ１２で表されるＴＡＧ系単結晶を用いた以外は実施例１と同様の構成の光磁界センサを作製し、これを実施例２とした。（なお、Ｔｂの一部をＣｅで置換したＴＡＧ系単結晶は可視光域が５２５〜６８０ｎｍに適したものである。）
（実施例３）
ファラデー回転子として（Ｔｂ２．８Ｐｒ０．２）Ａｌ５Ｏ１２で表されるＴＡＧ系単結晶を用いた以外は実施例１と同様の構成の光磁界センサを作製し、これを実施例３とした。
（比較例１）
ファラデー回転子としてＹ３Ｆｅ５Ｏ１２単結晶を用いた以外は実施例１と同様の構成の光磁界センサを作成し、これを比較例１とした。
（比較例２）
ファラデー回転子としてファラデーガラスを用いた以外は実施例１と同様の構成の光磁界センサを作成し、これを比較例２とした。
（比較例３）
ファラデー回転子としてＢｉ１２ＧｅＯ２０で表される単結晶を用いた以外は実施例１と同様の構成の光磁界センサを作成し、これを比較例３とした。
上記のようにして得られた実施例１〜３、及び比較例１〜３について、以下のような特性評価を行った。
まず、実施例１〜３、及び比較例１〜３において用いられたファラデー回転子のヴェルデ定数を測定した。各長さ（ｔ）が１ｍｍのファラデー回転子に磁場（Ｈ）を１ｋＯｅ印加しながら、ランプコート分光器を用いて波長領域が４００〜６８０ｎｍのレーザー光をファラデー回転子に照射した。このレーザー光に平行となるように磁場を印加しながら、出射されたファラデー回転角（θ）を測定し、Ｖ＝θ／（ｔ×Ｈ）の式に代入してヴェルデ定数を求めた。その結果を表１に示す。
【００２８】
次に、実施例１〜３、及び比較例１〜３のそれぞれの光磁界センサについて磁場変動を測定した。まず、各光磁界センサのファラデー回転子の側部に、先端に磁石を有する羽根車を設置し、この羽根車をモータにより回転させることによって、磁場の変動を生じさせた。このときの磁場変動を図４に示す。そして、Ｈｅ−Ｎｅレーザ（波長が６３３ｎｍ）を用いて各光磁界センサのレーザ光を照射した。このとき、磁場変動に合わせてファラデー回転子から出射される光量の変化を、フォトディテクタを用いて測定した。このときの光量の変化を、実施例１〜３、及び比較例１〜３の順に図５〜図１０に示す。
【００２９】
【表１】
【００３０】
表１から、実施例１〜３については５２５〜６８０ｎｍという可視光領域において、高いヴェルデ定数を有していることがわかる。特に、ＴＡＧ単結晶のＴｂサイトにＣｅ、もしくはＰｒを置換した、実施例２及び実施例３はヴェルデ定数が高くなっていることがわかる。また、実施例１及び実施例３については、４００〜５００ｎｍという可視光領域の光にも十分に対応できることが明らかである。一方、比較例１は、ファラデー回転子に４００〜６５０ｎｍの光を照射しても、ＹＩＧ単結晶が光を吸収してしまい、ファラデー回転角を測定することができなかった。また、比較例２は実施例１の約１／２、比較例３は実施例１の約７０％のヴェルデ定数しか得られなかった。
【００３１】
また、磁場変動を示す図４、及び実施例１の光磁界センサが感知する光量を示す図５において、ファラデー回転子にかかる磁化変動を示す曲線と、フォトディテクタが感知する光量を示す曲線とが同じ波形を示すことがわかる。このことから、磁場変動を漏れなく光量に変換していることがわかる。また、実施例１はヴェルデ定数が大きく、光量の差も大きいため、光磁界センサとして感度が高いことがわかる。また、実施例２を示す図６及び実試料３を示す図７も実施例１と同様に光量の差が大きく、光磁界センサとして感度が高いことがわかる。一方、比較例１を示す図８は、磁場の大きさが３５０Ｏｅを超えると、磁気飽和に達するためファラデー回転角が一定になり、３５０Ｏｅ以上の磁場の大きさになると光量も一定になる。また、比較例２を示す図９、及び比較例３を示す図１０においては、ともに常磁性材料をファラデー回転子として用いているが、磁場変動に対して得られる光量が少ないため、光磁界センサとしては性能が劣ることがわかる。
なお、実施例１については円柱状のファラデー回転子の端面の直径が１ｍｍ、ファラデー回転子の一端面から他端面までの長さが１ｍｍであるため、反磁界の影響を抑制できている。
【００３２】
【発明の効果】
以上述べたように、本願第１の発明である光磁界センサを用いることによって、大電流においても感度が高く、かつ５００〜６５０ｎｍという可視光領域の波長を有する光を用いても感知可能な光磁界センサを得ることができる。
また、本願第２の発明である磁器光学センサを用いることによって、ファラデー回転子にかかる磁場が大きくなるため、さらにファラデー回転角を大きくすることができる。これにより、より高感度な光磁界センサを得ることができる。
また、本願第３の発明である磁器光学センサを用いることによって、ファラデー回転子の端面から端面までの長さ、すなわちファラデー回転子を通る光の移動距離が大きくなるため、ファラデー回転子のファラデー回転角を大きくすることができ、かつファラデー回転子が有する反磁界の影響を抑制することができる。これにより、さらに高感度な光磁界センサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる一実施形態の光磁界センサの概略構成図である。
【図２】本発明にかかる別の実施形態の光磁界センサの概略構成図である。
【図３】本発明における偏光子と検光子とがなす角度と、偏光子及び検光子を通過する光量との相関図である。
【図４】実施例１〜３、及び比較例１〜３における磁場−時間特性図である。
【図５】実施例１の光量−時間特性図である。
【図６】実施例２の光量−時間特性図である。
【図７】実施例３の光量−時間特性図である。
【図８】比較例１の光量−時間特性図である。
【図９】比較例２の光量−時間特性図である。
【図１０】比較例３の光量−時間特性図である。
【符号の説明】
１ 光磁界センサ
２ ファラデー回転子
３ 偏光子
４ 検光子
５ 光照射手段
６ 光感知手段
７ 全反射ミラー
８ 集光レンズ
１１ 光磁界センサ
１２ ファラデー回転子
１３ 偏光子
１５ 光照射手段
１６ 光感知手段
１７ 全反射ミラー
１８ 集光レンズ
１９ 偏光プリズム
Ｐ 光の通過経路
【従来の技術】
近年、電力分野において、落雷等による送電線の異常電流検知用センサとして、磁気光学材料を用いた光磁界センサが注目されている。これは送電線周囲に発生する磁界を、磁気光学効果の一種であるファラデー効果を用いて検知するものあり、磁界の大きさによって、ファラデー回転子のファラデー回転角が変化することを利用するものである。以下に具体的に説明する。一般的にファラデー効果を有するファラデー回転子に対してレーザー光を照射し、レーザー光の進行方向と同一方向に磁界が発生すると、磁界の強度に比例して入射したレーザー光の偏光面が回転することが知られている。このような性質を利用し、光の進行方向に沿ってファラデー回転子の前後に、異なる偏光面を有する偏光子を設けることによって、一方の偏光子を介してファラデー回転子に入射したレーザー光の光量と、ファラデー回転子を通過し、他方の偏光子を出射するレーザー光の光量に差が生じることになる。この光量の差をフォトディテクタ等の光感知手段にて検知することによって、異常電流の大きさを検知することが可能となる。
【０００２】
このようなファラデー効果を利用した光磁界センサは、高感度であり、かつ小型・軽量化が可能であるほかに、光を媒体とするため防爆性に優れ、遠隔操作も可能である。さらに、光の伝搬に光ファイバを用いているため、耐電磁誘導、雑音性、及び絶縁性に優れており、電気式磁界センサにはない優れた特徴を有している。
【０００３】
上記のような光磁界センサに用いられるファラデー回転子の磁性材料の特性として、ヴェルデ定数（Ｖ：（ｄｅｇ／（Ｏｅ・ｃｍ））が大きいことが求められている。ヴェルデ定数とは単位長さ単位印加磁場あたりのファラデー回転角を意味し、偏光した光の回転角度を示すファラデー回転角（θ）、ファラデー回転子を通る光の移動距離（ｄ）、及びファラデー回転子にかかる磁界強度（Ｈ）から、θ＝ＶＨｄの関係で表される。このことから、ヴェルデ定数が大きいほど、ファラデー回転角が大きくなる。その結果、磁場強度の変化により、磁場のかかるファラデー回転角の変化する割合も大きくなるため、レーザー光の入射光と出射光の光量の差が大きくなり、より高感度の光磁界センサを得ることが可能となる。
【０００４】
このような特性を示す磁性体材料として、特開平５−７２３０７号公報に示されるような強磁性体のイットリウム鉄ガーネット（Ｙ３Ｆｅ５Ｏ１２：以下ＹＩＧと略す）の単結晶が用いられていた。ＹＩＧ単結晶はヴェルデ定数が１．５×１０−１ｄｅｇ／（Ｏｅｍ）と大きく、高感度な光磁界センサを実現できるという利点があった。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−７２３０７号公報 （３頁〜４頁）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平５−７２３０７号公報に記載されるＹＩＧ単結晶は、ある磁場強度まではファラデー回転角が大きくなるが、ある磁場強度を過ぎるとファラデー回転角が一定になり磁気飽和するという問題があった。このため、大電流を検知する光磁界センサのファラデー回転子として用いた場合、正確な電流検知を行うことができないという問題を有していた。また、ＹＩＧ単結晶は、光の波長領域が１１００ｎｍ〜５０００ｎｍの赤外線領域の光しか透過できず、６５０ｎｍという可視光域のプラスチックファイバを用いることができないため莫大なコストがかかるという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、上述の問題点を解決するべくなされたもので、大電流領域、すなわち磁界強度の高い領域においても、感度が高く、５００〜６５０ｎｍといった可視光領域の波長を有する光を用いても感知可能な光磁界センサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願第１の発明の光磁界センサは、常磁性体からなるファラデー回転子と、偏光子と、検光子と、光照射手段と、光感知手段とを具備する光磁界センサであって、前記常磁性体からなるファラデー回転子が少なくともＴｂとＡｌとを含む常磁性体ガーネット単結晶からなることを特徴とする。
【０００９】
本発明者らは、ヴェルデ定数が高く、ファラデー回転角が飽和しない上に、５００〜６５０ｎｍという可視光領域の波長を透過可能なファラデー回転子として、ＴｂとＡｌとを含むテルビウム・アルミニウム系常磁性体ガーネット（Ｔｂ３Ａｌ５Ｏ１２；以下、ＴＡＧと略す）が適していることを見出し、このＴＡＧ単結晶を光磁界センサのファラデー回転子として用いることを可能としたのである。より具体的に説明すると、そもそもＴＡＧ単結晶は分解溶融型化合物であるため、出発原料を溶融した溶融組成から、直接ガーネット相であるＴＡＧ単結晶を得られず、ＴＡＧ単結晶のほかにペロブスカイト相のＴｂＡｌＯ３が混在してしまうという問題を有していた。しかし、本発明者らは鋭意検討した結果、ＣＯ２ガスレーザーを用いて、融帯に強力な光エネルギーを与えることにより、光磁界センサに適したＴＡＧ単結晶を得ることに成功したのである。このようなＴＡＧ単結晶をファラデー回転子とした光磁界センサを用いることによって、ファラデー回転角が飽和せず、大電流においても感度が高く、かつ５００〜６５０ｎｍという可視光領域の波長を有する光を用いても感知可能な光磁界センサを得ることができる。
【００１０】
また、本願第２の発明の光磁界センサは、常磁性体からなるファラデー回転子と、偏光子と、検光子と、光照射手段と、光感知手段とを具備する光磁界センサであって、前記常磁性体からなるファラデー回転子が円柱状であり、前記ファラデー回転子の円柱の直径をＡ、ファラデー回転子の一端面から他端面までの距離をＢとした時、０＜Ａ≦２かつ１≦Ｂ／Ａ≦１０であることが好ましい。このような形状のファラデー回転子を用いることによって、ファラデー回転子の一端面から他端面までの長さ、すなわちファラデー回転子を通る光の移動距離が大きくなるため、ファラデー回転子のファラデー回転角を大きくすることができる。これにより、さらに高感度な光磁界センサを得ることができる。また、ファラデー回転子の一端面から他端面までの距離が大きい方が、ファラデー回転子内における反磁界を小さくすることができる。すなわち、ファラデー回転子は磁性体であるため、ファラデー回転子に外部から磁化が印加されると、ファラデー回転子内には外部磁界とは逆方向に磁界（反磁界）が生じる。すると、実際には外部磁界から反磁界を差し引いた磁界分を検知することになり感度が悪くなるという問題が生じる。そこで、第２の発明のようにファラデー回転子の一方の端面から他方の端面までの距離を大きくすることによって、ファラデー回転子内に生じる反磁界の影響を抑制することができる。
【００１１】
また、本願第３の発明の光磁界センサは、前記ファラデー回転子が、少なくともＴｂと、Ａｌと、Ｃｅ及びＰｒの少なくとも一方と、を含む常磁性ガーネット単結晶からなることが好ましい。このようなファラデー回転子を用いた場合、ヴェルデ定数がより大きくなるため、さらにファラデー回転角を大きくすることができる。その結果、より高感度な光磁界センサを得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光磁界センサの一実施形態について図１を用いて説明する。なお、ここでいう光軸とは光の伝搬路を説明するための一般的な意味で用いられる。また、ここでいう入射とは、光源から照射された光が最初に光磁界センサに入る向きを示し、出射とはその光が光磁界センサから出てくる向きを示す。図１は本発明の光磁界センサの概略構成図を示している。この光磁界センサ１は、ファラデー回転子２と偏光子３と検光子４と光照射手段５、光感知手段６とを具備している。
【００１３】
ここで、ファラデー回転子２の入射側に偏光子３を設け、ファラデー回転子２の出射側に検光子４が光軸方向に並列に配置され、偏光子３及び検光子４は、ファラデー回転子２を通る光軸がその偏光面を通過するよう、それぞれの偏光面が光軸に対して垂直となるように設けられている。また、光照射手段５は偏光子３に光を入射できる位置に設けられていればよい。すなわち、光照射手段５は必ずしもファラデー回転子２を通る光軸に沿って設けられる必要がなく、例えば光照射手段５と偏光子３との間に全反射ミラー７ａを設けることによって光を反射させてその光路を変えることも可能である。このように光照射手段５と偏光子３との間に全反射ミラー７ａを設けることで、光磁界センサ１としては小型化が可能となる。また、光照射手段５と偏光子３との間に設けられる全反射ミラー７ａと同様の理由で、検光子４と光感知手段６との間に全反射ミラー７ｂを設けてもよい。さらに、全反射ミラー７ａと偏光子３、及び全反射ミラー７ｂと検光子４との間に、それぞれ集光レンズ８ａ及び８ｂを設けることが可能である。この場合、集光レンズ８ａを設けることによって、ファラデー回転子２に効率良く光を入射させることができる。また、集光レンズ８ｂを設けることによって、光感知手段６に効率良く光を送ることができる。
【００１４】
ここで用いられるファラデー回転子２は、少なくともＴｂとＡｌとを含むテルビウム・アルミニウム系常磁性ガーネット単結晶からなる。具体的には、Ｔｂ３Ａｌ５Ｏ１２、またはＴｂ３Ａｌ５Ｏ１２のＴｂサイトをＣｅ、Ｐｒ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、及びＴｍ等の希土類元素で置換したものを用いてもよいが、ヴェルデ定数が大きく、４００〜６５０ｎｍという可視光領域においても好適な光透過率を得るにはＴｂ３Ａｌ５Ｏ１２が好ましい。さらに好ましくは、Ｃｅ及びＰｒの少なくともいずれか一方をＴＡＧ単結晶のＴｂサイトに置換したものが好ましい。この場合、近紫外光域にファラデー効果増大に寄与する吸収端が存在するという理由でヴェルデ定数が大きくなることがわかった。これにより、ファラデー回転角が大きくなるため、光磁界センサ１の感度を高めることができる。
【００１５】
また、ファラデー回転子２の形状は、例えば棒状、薄板状、及び薄膜状等の形状を用いることができるが、中でも円柱状であることが好ましい。これは得られた単結晶の形状が円柱状であるため、加工が容易であり、かつ電流によって生じた磁場がファラデー回転子２内に均一にかかりやすいためである。
【００１６】
また、ファラデー回転子２のサイズは、目的とするセンサの種類や、ファラデー回転子２となるＴＡＧ系単結晶のヴェルデ定数をもとに設定すればよいが、ファラデー回転子２の円柱の直径をＡｍｍ、ファラデー回転子２の一端面から他端面までの距離をＢｍｍとした時、０＜Ａ≦２かつ１≦Ｂ／Ａ≦１０であることが好ましい。なお、ここでいうファラデー回転子２の端面とは、ファラデー回転子２の光軸に対して垂直な面であり、光が入射及び出射する面を示す。このような構成にすることで、ファラデー回転角を大きくすることができ、光磁界センサ１としての感度を高めることができる。なお、Ａが２よりも大きいと、外部磁界がファラデー回転子２内に均一に印加されないという問題が生じる。また、Ｂ／Ａが１よりも小さいと、ファラデー回転子２の一端面から他端面までの距離が短く、反磁界が大きくなるため好ましくない。また、Ｂ／Ａが１０よりも大きい場合、ファラデー回転子２を移動する光の距離が長くなり、光透過率が低下するため好ましくない。
【００１７】
また、本発明の偏光子３、及び検光子４の各入出射面が、ファラデー回転子２を通過する光軸に対して垂直となり、かつ光軸方向に沿ってファラデー回転子２の前後に設けられている。そして、偏光子３の偏光面と、検光子４の偏光面とが４５°の角度をなすように配置されていることが好ましい。この関係を図３を用いて説明する。図３の横軸は偏光子３と検光子４とがなす角度を示し、縦軸が検光子４から出射される光量を示す。この曲線の各角度における接線を引いたとき、その接線の傾きが光量の透過率を示すが、図３より４５°の角度の時に一番効率よく磁場変動を透過可能な光量に変換できることがわかる。また、偏光子３及び検光子４として、延伸ポリマー、もしくはルチル及び方解石（ＣａＣＯ３）等からなる単結晶偏光子等を用いることができる。また、細い金属製ワイヤを複数個用意し、隣合う各ワイヤが一定方向に平行となるように並べて板状にしたものを用いることもできる。
【００１８】
また、光照射手段５として、ルビーレーザ、Ｈｅ―Ｎｅレーザ、Ａｒレーザ、Ｈｅ―Ｃｄレーザ、ＩｎＧａＮ半導体レーザ等を用いることができるが、これに限るものではない。この中でもＨｅ―Ｎｅレーザは波長が６３３ｎｍと可視光域に対応でき、プラスチックファイバの波長領域に近いため、より好適に用いられる。また、光感知手段６として、フォトディテクタを用いることが好ましい。その他にもＳｉ、ＩｎＧａＡｓ等の受光素子を用いることができるがこれに限るものではない。
【００１９】
また、本発明の全反射ミラー７ａ及び７ｂは、その反射面が入射光、かつファラデー回転子２の光軸に対して４５°の角度で配置されることが好ましい。このような構成にすることによって、例え光源がファラデー回転子２の光軸方向に沿って設けられていなくても、入射した光が漏れなくファラデー回転子２の中心に向かって入射され、より正確な磁場強度の感知が可能となる。なお、全反射ミラー７ａ及び７ｂとしてＡｌ、Ａｕ等を用いることが好ましく、その中でもＡｌが好ましい。Ａｌは可視光に対して反射率が最も高い材料であるため、光エネルギーの損失を極力小さくできる。
【００２０】
また、本発明の集光レンズ８ａはビームウェストがファラデー回転子２の中心を通るように、調整されて配置されている。これは入射する光がファラデー回転子２に最も効率よく入射できるようにするためである。集光レンズ８ａ及び８ｂとしては、両凸レンズ、ボールレンズ等を用いることができるが、これに限るものではない。
【００２１】
ここで、ファラデー回転子の側部に磁場を発生させる永久磁石を取り付けた羽根車が配置されていると仮定し、磁場がファラデー回転子の光軸に対して平行Ｔに印加されている場合の上記光磁界センサの作用を説明する。まず、光照射手段５から照射された光は、全反射ミラー７ａにおいて、反射された光がファラデー回転子２を通る光軸と平行となるように９０°反射される。そして、反射された光は集光レンズ８ｂにより集光され、偏光子３を介して偏光子３と同じ偏光面を有する光が、ファラデー回転子２に入射される。ここで、ファラデー回転子２の中心を通る光軸と平行となるように、磁界が印加されている。これにより、入射された光の偏光面はファラデー効果によりファラデー回転子２の中で光の進行方向に対して、ファラデー回転角の大きさほど回転する。そして、ファラデー回転子２を出射した光は、検光子４を介して検光子４と同じ偏光面を有する光だけ出射されることになる。検光子４を出射した光は集光レンズ８ｂを介して光の幅を広げていき、その光線を全反射ミラー７ｂにおいて、光軸に対して９０°反射される。さらに反射した光は感知手段６において、その光量を感知されることになる。
【００２２】
また、以下に本発明の光磁界センサの別の実施形態について図２を用いて説明する。図２は本発明の別の光磁界センサの概略構成図を示している。この光磁界センサ１１は、ファラデー回転子１２と偏光子１３と光照射手段１５と光感知手段１６と全反射ミラー１７と集光レンズ１８と偏光プリズム１９とから構成されている。ここではファラデー回転子１２のうち、光が入射する一端面に偏光子１３が並設されており、他端面に全反射ミラー１７が蒸着されている。そして光照射手段１５からファラデー回転子１２までの間に、光軸方向に沿って偏光プリズム１９と集光レンズ１８とが配置されている。このような構成にすることにより、図１で示す一つの実施の形態よりも、構成数を少なくすることができ、より小型の光磁界センサ１１を提供することができる。
【００２３】
この場合のファラデー回転子１２、偏光子１３、全反射ミラー１７、及び集光レンズ１８は図１に示す一実施の形態と同様のものを用いることができる。また、ここにおける偏光プリズム１９は、入射してきた入射光に対しては直進するが、全反射ミラー１７によって反射してきた反射光は入射光に対して直角方向に反射させるように配置される。このように配置することで、入射光と反射光とを分離することができ、正確な光量を測定できる。偏光プリズム１９としては方解石等を用いることができる。
【００２４】
ここで、図２で示される別の実施形態である光磁界センサ１１の作用を具体的に説明する。なお、ファラデー回転子の側部に磁場を生じさせる永久磁石付き羽根車が配置されていると仮定し、磁場がファラデー回転子の光軸に対して平行に印加されている場合の図２に示す光磁界センサの作用を具体的に説明する。ここで光照射手段１５から照射された光は、まず偏光プリズム１９を通過する。ここで光は光軸に平行な方向に通過する。そして、偏光プリズム１９を通過した光は集光レンズ１８を介して集光され、偏光子１３が併設されたファラデー回転子１２に入射する。ここで偏光子１３と同じ偏光面を有する光が通過する。そして、ファラデー回転子１２のなかで、ファラデー効果によりその偏光面をファラデー回転角の大きさ分だけ回転されることになる。この回転された偏光面を有する光が、ファラデー回転子１２の他端面に形成された全反射ミラー１７によって１８０°反射され、ファラデー回転子１２を再度通過することになる。ここで反射光は、入射光とは逆向きに磁界を感じファラデー効果の非相反性により、さらに入射光の光軸に対してファラデー回転角の大きさ分だけ偏光面が回転されることになる。そして偏光子１３を介し、偏光子１３と同じ偏光面を有する反射光が出射される。そして偏光子１３から出射された反射光は、再度集光レンズ１８を介して光線幅を広げながら直線光となり、偏光プリズム１９に入射する。ここで、偏光プリズム１９に入射した反射光は光軸方向に対して直角方向に反射され、光感知手段１６により光量を感知される。
【００２５】
（実施例１）
以下、本願発明の一実施の形態をより具体的に説明する。
１．ＴＡＧ単結晶の作製
まず、常磁性ガーネット多結晶の出発原料として、Ｔｂ４Ｏ７（純度９９．９％）及びＡｌ２Ｏ３（純度９９．９９％）を用意しＴｂ３Ａｌ５Ｏ１２となるように秤量する。この混合量、及び組成比は、所望のヴェルデ定数に合わせて適宜変更することができる。次に調合した出発原料の混合粉末に純水を加えて玉石とともに約２４時間混合し、混合された混合粉末を脱水した後に乾燥機で乾燥させる。そして乾燥された混合粉末をメッシュに通して混合粉末の粒度を調整し、電気炉を用いて１２００℃で２時間の仮焼を行う。この仮焼して得られた混合粉末を粉砕した後、混合粉末に有機バインダ及び溶剤を加えて玉石とともに数時間混合した後、スラリー状の混合物を得る。この混合物を成形機で円柱状に成形した後、電気炉において１６００℃２時間で焼成し、円柱状のＴＡＧ多結晶体を得る。次に、得られた円柱状のＴＡＧ多結晶体と種結晶としてＴＡＧ単結晶とを用意して、ＣＯ２レーザーＦＺ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｚｏｎｅ）装置に設置し、大気中雰囲気においてＣＯ２レーザー光を照射してＴＡＧ多結晶体の端部を加熱し溶融させ、ＴＡＧ多結晶体の溶融部分と種結晶の端部とを接合させる。続いて、ＴＡＧ多結晶体の端部と種結晶の端部との接合部においてＣＯ２レーザー光を照射するとともに、ＴＡＧ多結晶体をさらに加熱溶融させて溶融物を得、冷却させることにより、ＴＡＧ単結晶を得られる。
【００２６】
２．光磁気センサの作製
次に上記のようにして得られたファラデー回転子の長さ１ｍｍ、かつ断面の直径が１ｍｍの円柱状に加工した。ここで、ファラデー回転子の直径に対する一端面から他端面までの長さは（Ｂ／Ａ）は１であった。次に、ルチルからなる偏光子及び検光子と、合成石英からなる集光レンズを２つ用意し、光の入射方向から順に集光レンズ、偏光子、ファラデー回転子、検光子、及び集光レンズとなるように、光軸方向に沿って配置した。光照射手段と集光レンズとの間、及び光感知手段となるフォトディテクタと集光レンズとの間に全反射ミラーを設け、光照射手段から照射された光が全反射ミラーにおいて９０°反射され、反射された光がファラデー回転子と平行となるような位置に光照射手段を設けた。また、ファラデー回転子から出射された光が全反射ミラーによって９０°反射する位置に光感知手段を設けた。このように図１に示される構成を有する光磁界センサを実施例１とした。
【００２７】
また、上記のような構成の実施例１以外に、以下のような実施例２、３、及び比較例１〜３の光磁界センサを作製した。
（実施例２）
ファラデー回転子として（Ｔｂ２．８Ｃｅ０．２）Ａｌ５Ｏ１２で表されるＴＡＧ系単結晶を用いた以外は実施例１と同様の構成の光磁界センサを作製し、これを実施例２とした。（なお、Ｔｂの一部をＣｅで置換したＴＡＧ系単結晶は可視光域が５２５〜６８０ｎｍに適したものである。）
（実施例３）
ファラデー回転子として（Ｔｂ２．８Ｐｒ０．２）Ａｌ５Ｏ１２で表されるＴＡＧ系単結晶を用いた以外は実施例１と同様の構成の光磁界センサを作製し、これを実施例３とした。
（比較例１）
ファラデー回転子としてＹ３Ｆｅ５Ｏ１２単結晶を用いた以外は実施例１と同様の構成の光磁界センサを作成し、これを比較例１とした。
（比較例２）
ファラデー回転子としてファラデーガラスを用いた以外は実施例１と同様の構成の光磁界センサを作成し、これを比較例２とした。
（比較例３）
ファラデー回転子としてＢｉ１２ＧｅＯ２０で表される単結晶を用いた以外は実施例１と同様の構成の光磁界センサを作成し、これを比較例３とした。
上記のようにして得られた実施例１〜３、及び比較例１〜３について、以下のような特性評価を行った。
まず、実施例１〜３、及び比較例１〜３において用いられたファラデー回転子のヴェルデ定数を測定した。各長さ（ｔ）が１ｍｍのファラデー回転子に磁場（Ｈ）を１ｋＯｅ印加しながら、ランプコート分光器を用いて波長領域が４００〜６８０ｎｍのレーザー光をファラデー回転子に照射した。このレーザー光に平行となるように磁場を印加しながら、出射されたファラデー回転角（θ）を測定し、Ｖ＝θ／（ｔ×Ｈ）の式に代入してヴェルデ定数を求めた。その結果を表１に示す。
【００２８】
次に、実施例１〜３、及び比較例１〜３のそれぞれの光磁界センサについて磁場変動を測定した。まず、各光磁界センサのファラデー回転子の側部に、先端に磁石を有する羽根車を設置し、この羽根車をモータにより回転させることによって、磁場の変動を生じさせた。このときの磁場変動を図４に示す。そして、Ｈｅ−Ｎｅレーザ（波長が６３３ｎｍ）を用いて各光磁界センサのレーザ光を照射した。このとき、磁場変動に合わせてファラデー回転子から出射される光量の変化を、フォトディテクタを用いて測定した。このときの光量の変化を、実施例１〜３、及び比較例１〜３の順に図５〜図１０に示す。
【００２９】
【表１】
表１から、実施例１〜３については５２５〜６８０ｎｍという可視光領域において、高いヴェルデ定数を有していることがわかる。特に、ＴＡＧ単結晶のＴｂサイトにＣｅ、もしくはＰｒを置換した、実施例２及び実施例３はヴェルデ定数が高くなっていることがわかる。また、実施例１及び実施例３については、４００〜５００ｎｍという可視光領域の光にも十分に対応できることが明らかである。一方、比較例１は、ファラデー回転子に４００〜６５０ｎｍの光を照射しても、ＹＩＧ単結晶が光を吸収してしまい、ファラデー回転角を測定することができなかった。また、比較例２は実施例１の約１／２、比較例３は実施例１の約７０％のヴェルデ定数しか得られなかった。
【００３１】
また、磁場変動を示す図４、及び実施例１の光磁界センサが感知する光量を示す図５において、ファラデー回転子にかかる磁化変動を示す曲線と、フォトディテクタが感知する光量を示す曲線とが同じ波形を示すことがわかる。このことから、磁場変動を漏れなく光量に変換していることがわかる。また、実施例１はヴェルデ定数が大きく、光量の差も大きいため、光磁界センサとして感度が高いことがわかる。また、実施例２を示す図６及び実試料３を示す図７も実施例１と同様に光量の差が大きく、光磁界センサとして感度が高いことがわかる。一方、比較例１を示す図８は、磁場の大きさが３５０Ｏｅを超えると、磁気飽和に達するためファラデー回転角が一定になり、３５０Ｏｅ以上の磁場の大きさになると光量も一定になる。また、比較例２を示す図９、及び比較例３を示す図１０においては、ともに常磁性材料をファラデー回転子として用いているが、磁場変動に対して得られる光量が少ないため、光磁界センサとしては性能が劣ることがわかる。
なお、実施例１については円柱状のファラデー回転子の端面の直径が１ｍｍ、ファラデー回転子の一端面から他端面までの長さが１ｍｍであるため、反磁界の影響を抑制できている。
【００３２】
【発明の効果】
以上述べたように、本願第１の発明である光磁界センサを用いることによって、大電流においても感度が高く、かつ５００〜６５０ｎｍという可視光領域の波長を有する光を用いても感知可能な光磁界センサを得ることができる。
また、本願第２の発明である磁器光学センサを用いることによって、ファラデー回転子にかかる磁場が大きくなるため、さらにファラデー回転角を大きくすることができる。これにより、より高感度な光磁界センサを得ることができる。
また、本願第３の発明である磁器光学センサを用いることによって、ファラデー回転子の端面から端面までの長さ、すなわちファラデー回転子を通る光の移動距離が大きくなるため、ファラデー回転子のファラデー回転角を大きくすることができ、かつファラデー回転子が有する反磁界の影響を抑制することができる。これにより、さらに高感度な光磁界センサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる一実施形態の光磁界センサの概略構成図である。
【図２】本発明にかかる別の実施形態の光磁界センサの概略構成図である。
【図３】本発明における偏光子と検光子とがなす角度と、偏光子及び検光子を通過する光量との相関図である。
【図４】実施例１〜３、及び比較例１〜３における磁場−時間特性図である。
【図５】実施例１の光量−時間特性図である。
【図６】実施例２の光量−時間特性図である。
【図７】実施例３の光量−時間特性図である。
【図８】比較例１の光量−時間特性図である。
【図９】比較例２の光量−時間特性図である。
【図１０】比較例３の光量−時間特性図である。
【符号の説明】
１ 光磁界センサ
２ ファラデー回転子
３ 偏光子
４ 検光子
５ 光照射手段
６ 光感知手段
７ 全反射ミラー
８ 集光レンズ
１１ 光磁界センサ
１２ ファラデー回転子
１３ 偏光子
１５ 光照射手段
１６ 光感知手段
１７ 全反射ミラー
１８ 集光レンズ
１９ 偏光プリズム
Ｐ 光の通過経路
Claims (3)
- 常磁性体からなるファラデー回転子と、
偏光子と、検光子と、光照射手段と、光感知手段とを具備する光磁界センサであって、
前記常磁性体からなるファラデー回転子が少なくともＴｂとＡｌとを含む常磁性体ガーネット単結晶からなることを特徴とする光磁界センサ。 - 常磁性体からなるファラデー回転子と、偏光子と、検光子と、光照射手段と、光感知手段とを具備する光磁界センサであって、
前記常磁性体からなるファラデー回転子が円柱状であり、前記ファラデー回転子の円柱の直径（ｍｍ）をＡ、ファラデー回転子の一端面から他端面までの距離（ｍｍ）をＢとしたとき、０＜Ａ≦２かつ１≦Ｂ／Ａ≦１０であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光磁界センサ。 - 前記常磁性体からなるファラデー回転子が、少なくともＴｂと、Ａｌとを含む常磁性ガーネット単結晶であって、前記Ｔｂの一部がＰｒ及びＣｅの少なくとも一方で置換されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光磁界センサ。
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