JP2013152225A - 磁気光学効果素子を有する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電流を精度よく検出するための装置を提供する。
【解決手段】装置１は、第１の面１１を含む磁性膜１０と、レーザー光源３１から出射され直線偏光された第１の光２１および第２の光２２を、第１の面１１の第１の領域１１ａに対して垂直方向１５ａから見て直交する方向から第１の領域１１ａに導く第１の導光部９１と、磁性膜１０により磁気カー効果が与えられた第１の光２３および第２の光２４のそれぞれのＰ偏光成分２３ｐおよび２４ｐを光強度を検出するフォトダイオード６１および６２に導く第２の導光部９２とを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、光により磁界の変動を検出する装置に関し、特に、電流変化による磁界変動の検出に適した装置に関するものである。

近年、ＣＯ２削減に有効な化石燃料などを用いる内燃機関とモーターを併用するハイブリッド自動車の普及が進んでおり、内燃機関を持たない電気自動車の開発も活発に行われている。これらには、インバーターを用いた可変速交流電動機が用いられており、トルク制御や回転数制御のために正確なモーター電流検出が必要である。非特許文献１には、現在、電流検出には主としてホール素子を利用した磁界／電流変換センサーが使われているが、自動車内にはイグニッションやインバーターなど様々なノイズ源があり、これらが誘導によってコモンモードノイズとして電気ケーブル内に重畳し、電流センシングに悪影響をおよぼす恐れがあることが記載されている。そのため、非特許文献１には、外部からの電磁障害の影響を受けない光をプローブとする電流センシングの方法として、磁性体の磁気Ｋｅｒｒ効果（磁気カー効果）を利用した光プローブ電流センサーが記載されている。

曽根原誠、他７名、「Ｆｅ−Ｓｉ／Ｍｎ−Ｉｒ交換結合単磁区磁性薄膜のＫｅｒｒ効果を用いた光プローブ電流センサの基礎検討」、信州大学スピンデバイステクノロジーセンター活動報告書（平成２０年度）、ｐ．２７−２８

各種電子機器や家電製品、電気／ハイブリッド自動車などの電気を使う製品には、低コストで精度よく電流量を検出する装置が求められている。非特許文献１に開示された技術においては、直線偏光のレーザー光（シングルビーム）を磁性薄膜に入射し、磁性薄膜からの反射光を、１／４波長板およびプリズムビームスプリッター（ＰＢＳ）を通すことによりＰ波とＳ波とに分離してフォトダイオードに入射しているため、１／４波長板やＰＢＳなどの高価な光学部品が必要である。

本発明の態様の１つは、第１の面を含む磁気光学効果素子と、レーザー光源から出射され直線偏光された第１の光および第２の光を第１の面の第１の領域に対して異なる角度で導く第１の導光部であって、異なる角度は第１の領域に対して垂直方向から見て異なる第１の角度成分を含む、第１の導光部と、磁気光学効果素子による磁気光学効果が反映された第１の光および第２の光のそれぞれの第１の偏光成分を光強度を検出する検出ユニットに導く第２の導光部とを有する装置である。

この装置では、異なる方向から第１の領域に入射させた第１の光および第２の光を含む複数の光（光線）により、磁気光学効果素子における磁気カー効果またはファラデー効果による偏光方向の変化をモニタリングできる。このため、一方の偏光成分の強度を検出すればよく、シングルビームの場合のように１つの出力光を２つの偏光成分に分離する必要がないので、１／４波長板やＰＢＳなどの光学部品を省略できる。さらに、複数の光により磁気光学効果素子における偏光方向をモニタリングするので、信号強度が増加しＳ／Ｎ比を改善できる。

第１の導光部は、第１の光および第２の光を、第１の角度成分が直角になるように第１の領域に導く導入路を含むことが望ましい。第１の光と第２の光とを直交するように第１の領域に照射することにより、磁気光学効果素子における偏光方向に対し無相関となる。したがって、第１および第２の光により信号強度は２倍、ノイズ成分は√２倍となるため、Ｓ／Ｎ比を√２倍に向上できる。

さらに、第１の導光部は、第１の光および第２の光を、第１の領域の第１の点に導く導入路を含むことが望ましい。磁気光学効果素子の所定の一点における偏光方向の変化を第１および第２の光により検出するので、磁気光学効果素子回りの磁場変動およびその磁場変動の要因となっている現象、たとえば、電流量変化をより精度よく検出しやすい。

磁気光学効果素子はカー効果素子であり、第２の導光部は、カー効果素子の第１の領域で反射された第１の光および第２の光のそれぞれの第１の偏光成分を検出ユニットに導く導出路を含むことが望ましい。磁気光学効果素子の第１の領域は単磁区構造であることが望ましい。磁気カー効果を得やすく出力を向上させやすい。第１の導光部は、第３の導光部から入射した第１の光および第２の光を第１の領域に向けて折り曲げる入射側の反射面を含み、第２の導光部は、磁気光学効果が反映された第１の光および第２の光を第３の導光部に向けて折り曲げる出射側の反射面を含むことが望ましい。

第３の導光部は、第１の光および第２の光のそれぞれを第１の領域に導く第１の入射側の光導波路および第２の入射側の光導波路と、磁気光学効果が反映された第１の光および第２の光のそれぞれの第１の偏光成分を検出ユニットに導く第１の出射側の光導波路および第２の出射側の光導波路とを含むことが望ましい。

この装置は、さらに、レーザー光源から出射された光から第１の光および第２の光を生成する光学ユニットを有することが望ましい。第１の光および第２の光のレーザー光源は異なっていてもよく、共通であってもよい。１つのレーザー光源を時分割して第１の光および第２の光を生成してもよく、光学ユニットは、レーザー光源から出射された光を第１の光および第２の光に分離する光分離ユニットを含んでいてもよい。

この装置は、さらに、レーザー光源と、検出ユニットと、検出ユニットにより検出された第１の光および第２の光の強度を比較して磁気光学効果による偏光方向の変化を判断する比較ユニットとを有することが望ましい。磁気光学効果素子は電流量の変化により磁場が変動する位置に配置されていることが望ましい。磁気光学効果素子に電流量の変化による磁場の変動を伝達する部材を有することが望ましい。

本発明の異なる態様の１つは、上記の装置と、装置の少なくとも１つの検出ユニットが検出した情報によりモーターの駆動力を制御する制御ユニットとを有する電気自動車である。電磁ノイズの影響を抑制した高精度の電流検出が可能な電気自動車を提供できる。

本発明に係る装置を搭載した電気自動車の概要を模式的に示す図。 装置の概要を模式的に示す図。 装置の詳細な構成を示す展開図。 磁気モーメントの向きにより第１の領域に入射した光が受ける磁気モーメントの大きさを示す図であり、（ａ）はデュアルビームタイプの磁気モーメントの大きさを示す図、（ｂ）はシングルビームタイプの磁気モーメントの大きさを示す図。 異なる磁気モーメントの向きにより第１の領域に入射した光が受ける磁気モーメントの大きさを示す図であり、（ａ）はデュアルビームタイプの磁気モーメントの大きさを示す図、（ｂ）はシングルビームタイプの磁気モーメントの大きさを示す図。 さらに異なる磁気モーメントの向きにより第１の領域に入射した光が受ける磁気モーメントの大きさを示す図であり、（ａ）はデュアルビームタイプの磁気モーメントの大きさを示す図、（ｂ）はシングルビームタイプの磁気モーメントの大きさを示す図。 さらに異なる磁気モーメントの向きにより第１の領域に入射した光が受ける磁気モーメントの大きさを示す図であり、（ａ）はデュアルビームタイプの磁気モーメントの大きさを示す図、（ｂ）はシングルビームタイプの磁気モーメントの大きさを示す図。 さらに異なる磁気モーメントの向きにより第１の領域に入射した光が受ける磁気モーメントの大きさを示す図であり、（ａ）はデュアルビームタイプの磁気モーメントの大きさを示す図、（ｂ）はシングルビームタイプの磁気モーメントの大きさを示す図。 非特許文献１に開示された光プローブ電流センサーの概略構成を示す図。 シングルビームの光強度の測定結果を示す図。 異方性磁場に対する測定磁場の強度比と磁気モーメントの回転角度との関係を示す図。 デュアルビームの光強度の測定結果を示す図。 異方性磁場に対する測定磁場の強度比とデュアルビームのそれぞれの光強度の差との関係を示す図。 異方性磁場に対する測定磁場の強度比とシングルビームおよびデュアルビームの光強度との関係を示す図。 異なる装置の概要を示す図であり、（ａ）は異なる装置の概要を模式的に示す図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ断面図。 さらに異なる装置の概要を示す図であり、（ａ）はさらに異なる装置の概要を模式的に示す図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ断面図（ｃ−ｃ断面図）。

図１に、本発明に係る装置を搭載した電気自動車の概要を模式的に示している。この電気自動車１００は、バッテリー２と、バッテリー２から供給される直流電流を交流電流に変換するインバーター３と、インバーター３から供給される交流電流により駆動するモーター（交流電動機）４と、インバーター３およびモーター４を電気的に接続するケーブル（被測定電流線）９９を流れる電流量（被測定電流量）９９ａを検出する装置（電流計）１と、装置１の検出結果（情報）に基づいてモーター４のトルクや回転数などを制御するための信号５ａをインバーター３に供給する制御ユニット５とを有する。

図２に、装置１の概要を模式的に示している。この装置１は、第１の面１１を含む磁気光学効果素子（カー効果素子、磁性膜）１０と、カー効果素子１０に照射する光を生成する光生成部９０と、光生成部９０からの光をカー効果素子１０に導く第１の導光部９１と、カー効果素子１０により反射された光を検出部９４に導く第２の導光部９２と、検出部９４により電気信号に変換された光の強度を比較してカー効果素子１０における偏光方向の変化を判断する比較部９５とを含む。

光生成部９０は、レーザー光源３１と、レーザー光源３１から出射された光２０を直線偏光に変換する偏光子（グラントムソン偏光プリズム）３２と、直線偏光された光２０を偏光面の向きを変えずに光量を半分にした第１の光２１および第２の光２２に分離する光分離ユニット（光分岐器）３３とを含む。第１の光２１および第２の光２２をカー効果素子１０に伝達する第１の導光部９１は、プリズム４０内に形成され、第１の光（入射光）２１および第２の光（入射光）２２をそれぞれカー効果素子１０の第１の面（平面）１１の第１の領域１１ａに導く導入路９３ａおよび９３ｂを含む。

カー効果素子１０の第１の面１１の第１の領域１１ａにより反射された第１の反射光２３および第２の反射光２４を検出部９３に導く第２の導光部９２は同じプリズム４０内に形成され、カー効果素子１０により磁気カー効果が与えられた第１の反射光２３および第２の反射光２４をそれぞれ検出部９３に導く導出路９４ａおよび９４ｂを含む。

本例のカー効果素子１０は、膜状（磁性膜）であり、磁界（磁場）内に配置されると、磁場の強さにより反射する光の偏光方向が変わる。たとえば、第１の面１１の第１の領域１１ａに入射する直線偏光された第１の光２１および第２の光２２を、楕円偏光された第１の反射光２３および第２の反射光２４として反射させる。典型的な磁性膜１０は、Ｍｎ−Ｉｒ／Ｆｅ交換結合膜である。Ｍｎ−Ｉｒ／Ｆｅ交換結合膜は、強磁性のＦｅ層と、反強磁性のＭｎ−Ｉｒ層とを重ね合わせた強磁性体／反強磁性体結合薄膜である。このため、強磁性体のＦｅ層と反強磁性体のＭｎ−Ｉｒ層との界面では交換結合エネルギーによって強磁性体中に交換バイアス磁場が発生し、磁気モーメントが一方向に揃い単磁区化する。したがって、一軸磁気異方性かつ一方向磁気異方性となるので、磁壁の影響が無くなり、磁気カー効果が顕著に表れて測定感度（出力）を高くすることができる。このため、磁性膜１０としては、単磁区構造の交換結合膜を用いることが望ましく、たとえばＭｎ−Ｉｒ／Ｆｅ交換結合膜、ＮｉＯ／Ｆｅ交換結合膜、ＣｏＯ／Ｃｏ交換結合膜、その他単磁区構造を有し磁気カー効果を有する磁性膜を用いることができる。

導入路９３ａおよび９３ｂは、それぞれ第１の領域１１ａに対して垂直方向１５ａから入射した第１の光２１および第２の光２２を第１の領域１１ａに向けて折り曲げて入射させる反射面４１ａおよび４１ｂを含む。また、導出路９４ａおよび９４ｂは、第１の領域１１ａで反射した第１の反射光２３および第２の反射光２４を第１の領域１１ａに対して垂直方向１５ａに折り曲げて出射させる反射面４２ａおよび４２ｂを含む。したがって、第１の光２１および第２の光２２は、磁性膜１０の第１の面１１に対し垂直に配置された第３の導光部９３を介して磁性膜１０に対して入出力される。この例では、反射面４１ａ、４１ｂ、４２ａおよび４２ｂは、プリズム４０の全反射面が用いられているが、反射面４１ａ〜４２ｂは、反射性の高い金属などがコーティングされた反射面（ミラー面であってもよい）。

検出部９４は、第１の領域１１ａで反射した第１の反射光２３および第２の反射光２４のそれぞれのＰ偏光成分のみを透過させる偏光フィルター（Ｐ波フィルター）５１および５２と、それぞれのＰ偏光成分２３ｐおよび２４ｐの強度を検出する検出ユニット（フォトダイオード、受光素子）６１および６２とを有する。

比較部９５は、検出部９４のフォトダイオード６１および６２により電気信号に変換されたＰ偏光成分２３ｐおよび２４ｐの強度の差分を出力する差動増幅器（差動増幅回路）３４を含む。

この装置１では、導入路９３ａおよび９３ｂに配置された反射面４１ａおよび４２ａと、導出路９４ａおよび９４ｂに配置された反射面４１ｂおよび４２ｂとにより、第１の領域１１ａに対し同じ方向、本例では垂直方向１５ａから入射する第１の光２１および第２の光２２を、第１の領域１１ａに垂直方向１５ａに出射し、垂直方向１５ａに戻している。このため、光生成部９０、第１の導光部９１、磁性膜１０、第２の導光部９２、検出部９４および比較部９５を一体になるようコンパクトに組み合わせることができる。

図３に、装置１の光学的な構成を示している。磁性膜１０は、平面である第１の面１１を備えた薄膜であり、方形であっても円形であってもよく、その他の多角形であってもよい。この例においては、第１の面１１の中央に第１の領域１１ａを設定し、その第１の領域１１ａのほぼ中央の第１の点１１ｐを目指して第１および第２の光２１および２２を照射している。第１の光２１および第２の光２２は、第１の点１１ｐを目指して照射する代わりに、磁性膜１０に印加される磁場（磁界）７０の変化に対して等価な磁気カー効果を得られる第１の領域１１ａ内の適当な場所（ポイント）を目指して（フォーカスして）照射してもよい。典型的な磁場７０は、導体あるいは被測定電流線９９を流れる電流量９９ａにより生じるものであり、装置１は磁界／電流センサーである。磁性膜１０は、電流が流れる導体９９に直に取り付けられてもよく、導体９９の近傍に配置されていてもよく、さらに、導体９９を取り巻くように配置されるフェライトコア（磁性体、不図示）に挟まれたり、フェライトコアに取り付けられていてもよい。

また、この装置１は、一般的な磁界（磁気）センサーとして用いることも可能であり、回転センサー（エンコーダ）、角度センサー、移動体探知、磁性体探知などの多方面に応用できる。

この装置１の第１の導光部９１は、第１の光２１および第２の光２２、すなわちツインビーム（デュアルビーム）を、第１の領域１１ａに対して垂直方向１５ａから見て直交する方向から第１の領域１１ａに入射させ、第１の領域１１ａの第１の点１１ｐで反射させる。磁性膜１０に印加される磁界（磁場）７０の方向が変わらず、大きさだけが変化すると、磁性膜１０の第１の領域１１ａにおいて反射する光の偏光方向（偏光面）が磁気カー効果により磁界７０の大きさに比例して回転する。すなわち、磁場７０による磁性膜１０の磁気モーメント７９の向きの変化により入射した直線偏光の反射光は回転するので、磁性膜１０の第１の領域１１ａで反射した第１の光２１および第２の光２２の偏光方向（偏光面）は磁気モーメント７９の向きの変化により、それぞれ回転する。

光生成部９０の偏光子３２により第１の光２１および第２の光２２がＰ偏光に揃えられ、第１の光２１および第２の光２２が直交し、標準状態の磁性膜（磁性体）１０の磁気モーメント７９の向きに対してそれぞれ４５度になるように照射されると、磁気カー効果を備えた磁性膜１０においては、磁気モーメント７９の影響を受けたそれぞれの反射光２３および２４は反対方向に同角度だけ回転する。このため、反射光２３および２４の一方の成分、たとえばＰ偏光成分２３ｐおよび２４ｐをＰ波フィルター５１および５２を通して検出すると、等しい強度が得られ、比較するとゼロになる。磁場７０の強度が標準状態から変化すると、磁気モーメント７９が回転し、磁気カー効果により第１の領域１１ａにおける反射光２３および２４の回転角度が磁気モーメント７９の回転角度に比例して変化する。したがって、それぞれの反射光２３および２４のＰ偏光成分２３ｐおよび２４ｐの強度が変化し、反射光２３および２４のＰ偏光成分２３ｐおよび２４ｐの強度を比較することにより磁気モーメント７９の回転角度が判明し、それにより磁場７０の強度の変化（変動）およびその要因、たとえば電流量の変化を測定できる。

本例の装置１においては、Ｐ偏光成分２３ｐおよび２４ｐの強度は、検出部９４のフォトダイオード６１および６２により電気信号に変換され、比較部９５の差動増幅器（差動増幅回路）３４により光強度（信号強度）の差分として出力される。

第１の光２１および第２の光２２は、第１の領域１１ａの第１の点（位置）１１ｐに入射している。このため、第１の光２１および第２の光２２を共通の第１の点１１ｐで反射させることにより、第１の点１１ｐにおける磁界７０の面内磁気カー効果の影響を受ける。すなわち、第１の反射光２３および第２の反射光２４は、同じ条件の面内磁気カー効果を受けて偏光面が回転し、それぞれの反射光２３および２４のＰ偏光成分２３ｐおよび２４ｐを比較することにより磁性膜１０に印加される電場の強度を精度よく検出できる。なお、偏光フィルター５１および５２は、第１の反射光２３および第２の反射光２４のそれぞれのＳ偏光成分のみを透過させるＳ波フィルターであってもよい。

図４〜図８に、被測定電流線９９を流れる電流量９９ａが発生させる磁界の強さ７０により磁性膜１０の磁気モーメント（偏光方向）７９が回転し、それにより、直線偏光、たとえばＰ偏光の光が第１の領域１１ａで反射した光が回転し、反射した光のＰ偏光の強度が変化する様子を示している。それぞれの図の（ａ）は本発明に係るデュアルビームタイプの第１の光２１および第２の光２２のそれぞれの反射光（第１の反射光２３および第２の反射光２４）の第１の偏光成分（たとえばＰ偏光成分）２３ａおよび２４ａの強度が変化する様子を示している。それぞれの図の（ｂ）は非特許文献１に開示された従来のシングルビームタイプの光１０１の反射光が磁気モーメント７９により受ける影響を示している。

図４（ａ）に示すように、本例の装置１においては、たとえば、電流が流れていない状態で、磁性膜１０は磁気モーメント７９が被測定電流線９９と同じ方向を向くようにセット（初期状態、標準状態）される。上述したように、第１の反射光２３および第２の反射光２４のＰ偏光成分２３ｐおよび２４ｐの強度が等しくなる。初期状態の磁気モーメント７９と被測定電流線９９との位置はこれに限定されない。磁気モーメント７９の初期状態における第１の反射光２３および第２の反射光２４のＰ偏光成分２３ｐおよび２４ｐの強度差を初期状態として、後の状態の第１および第２の反射光２３および２４のＰ偏光成分２３ｐおよび２４ｐの強度差を比較すれば磁気モーメント７９の回転角度は判明する。

以下では、磁気モーメント７９に対して平行する方向に入射した直線偏光（Ｐ偏光）の反射光のＰ偏光成分の強度を基準「１」とする。標準状態の磁気モーメント７９の向きに対して４５度ずつ傾いた方向にデュアルビーム２１および２２を、相互に直角になるように入射させると、第１の入射光２１および第２の入射光２２のそれぞれの反射光２３および２４はそれぞれ磁気モーメント７９の４５度方向の成分の影響を受けて回転する。このため、第１の点１１ｐの反射光２３および２４のＰ偏光成分２３ｐおよび２４ｐは、磁気モーメント７９の４５度方向の成分の影響を受けて強度が√２／２で等しくなる。

一方、図４（ｂ）に示すように、シングルビーム１０１で測定する場合は、たとえば、第１の点１１ｐに、被測定電流線９９と同じ方向を向いた磁気モーメント７９に対して９０度傾いた方向からＰ偏光させた入射ビーム１０１を入射する。第１の点１１ｐで反射した反射ビーム１０２は偏光角度が９０度回転するのでＳ偏光になり、反射ビーム１０２のＰ偏光成分１０２ｐはゼロになる。

図５（ａ）に示すように、被測定電流線９９に電流が流れ、被測定電流線９９と垂直方向に磁場７０が発生したとする。このとき、磁気モーメント７９が、標準状態に対して第１の反射光２３の方向に１５度傾いたとすると、デュアルビーム２１および２２を用いた場合は、第１の反射光２３は、磁気モーメント７９に対して３０度傾いた縦カー効果の影響を受けてＰ偏光成分２３ｐの強度は√３／２になる。第２の反射光２４は、磁気モーメント７９に対して６０度傾いた縦カー効果を受け、Ｐ偏光成分２４ｐの強度は１／２になる。したがって、第１の反射光２３のＰ偏光成分２３ｐと第２の反射光２４のＰ偏光成分２４ｐとの差は、（√３−１）／２になる。

シングルビーム１０１で測定する場合は、図５（ｂ）に示すように、反射ビーム１０２は、磁気モーメント７９に対して７５度傾いた縦カー効果を受けるので、シングルビーム１０１の反射ビーム１０２のＰ偏光成分１０２ｐの光強度は（√６−√２）／４になる。

図６（ａ）に示すように、被測定電流線９９を流れる電流量が増加すると、それによる磁場７０の強度が増大し、磁気モーメント７９が標準状態に対して４５度傾いたとする。デュアルビーム２１および２２を用いた場合は、第１の反射光２３は、磁気モーメント７９に対して０度傾いた縦カー効果の影響を受けてＰ偏光成分２３ｐの強度は１になる。第２の反射光２４は、磁気モーメント７９に対して９０度傾いた縦カー効果を受け、Ｐ偏光成分２４ｐの強度は０になる。したがって、第１の反射光２３のＰ偏光成分２３ｐと第２の反射光２４のＰ偏光成分２４ｐとの差は、１になる。

シングルビーム１０１で測定する場合は、図６（ｂ）に示すように、反射ビーム１０２は、磁気モーメント７９に対して４５度傾いた縦カー効果を受けるので、Ｐ偏光成分１０２ｐの光強度は√２／２になる。

図７（ａ）に示すように、被測定電流線９９を流れる電流量がさらに増加し、それによる磁場７０の強度が増大して、磁気モーメント７９が標準状態に対して７５度傾いたとする。デュアルビーム２１および２２を用いた場合は、第１の反射光２３は、磁気モーメント７９に対して３０度傾いた縦カー効果の影響を受けてＰ偏光成分２３ｐの強度は√３／２になる。第２の反射光２４は、磁気モーメント７９に対して６０度傾いた縦カー効果を受け、Ｐ偏光成分２４ｐの強度は１／２になり、位相差は逆転する。したがって、第１の反射光２３のＰ偏光成分２３ｐと第２の反射光２４のＰ偏光成分２４ｐとの差は、（√３＋１）／２になる。

シングルビーム１０１で測定する場合は、図７（ｂ）に示すように、反射ビーム１０２は、磁気モーメント７９に対して１５度傾いた縦カー効果を受けるので、Ｐ偏光成分１０２ｐの光強度は（√６＋√２）／４になる。

図８（ａ）に示すように、さらに、被測定電流線９９を流れる電流量が増加し、磁気モーメント７９の向きが磁場７０と一致し、標準状態に対して９０度傾いたとする。デュアルビーム２１および２２を用いた場合は、第１の反射光２３は、磁気モーメント７９に対して４５度傾いた縦カー効果の影響を受けてＰ偏光成分２３ｐの強度は√２／２になる。第２の反射光２４は、磁気モーメント７９に対して４５度傾いた縦カー効果を受け、Ｐ偏光成分２４ｐの強度は√２／２になり、位相差は逆転する。したがって、第１の反射光２３のＰ偏光成分２３ｐと第２の反射光２４のＰ偏光成分２４ｐとの差は√２になる。

シングルビーム１０１で測定する場合は、図８（ｂ）に示すように、反射ビーム１０２は、磁気モーメント７９に対して０度傾いた、すなわち、平行な縦カー効果を受ける。このため、反射ビーム１０２のＰ偏光成分１０２ｐの強度は１になる。

このように、図４〜図８のいずれのケースにおいても、ツインビーム（デュアルビーム）２１および２２を用いて磁場７０の強度および電流量を測定することにより、シングルビーム１０１を用いて磁場７０の強度および電流量を測定する場合の√２倍の感度を得ることができる。Ｓ／Ｎ比で説明すると、直交する２本の光線２１および２２を用いて磁場を測定することにより、信号強度が２倍になり、直交する２本の光線２１および２２の相関がないのでノイズは√２倍になる。したがって、デュアルビーム２１および２２を採用した装置１により、Ｓ／Ｎ比をシングルビームタイプの√２倍に向上できる。

本例では、第１の角度成分が直角になるように第１の光２１および第２の光２２を第１の領域１１ａに導いているが、第１の光２１および第２の光２２は、第１の角度成分が０°、すなわち平行を除く角度で照射するようにしてもよく、シングルビームタイプに比べてＳ／Ｎ比を向上できる。さらに、第１の光２１および第２の光２２に第３の光を加えたトリプルビームを異なる方向から第１の領域１１ａに入射させることにより、いっそうＳ／Ｎ比を向上させることも可能である。３軸以上の多軸（マルチビーム）によるビーム数の増加に伴いＳ／Ｎ比は向上するが、構造が煩雑となるため、本例の２軸（デュアルビーム）タイプが好ましい。

特に、シングルビームを用いた装置において縦カー効果による反射光の回転量が小さい場合は、Ｐ偏光成分の強度とＳ偏光成分の強度とを比較しても一方の偏光成分、たとえば上記においてはＰ偏光成分の強度変化に依存する。したがって、縦カー効果による反射光の回転量が小さい磁気光学効果素子（磁性膜）１０を使用した装置１においては、デュアルビーム方式を採用し、一方の偏光成分（Ｐ偏光成分）の差分を取ることにより感度を大幅に向上できる。

図４〜図８に示されるように、デュアルビームタイプのＰ偏光成分２３ｐの光強度Ｐ１と、Ｐ偏光成分２４ｐの光強度Ｐ２と、Ｐ偏光成分２３ｐおよび２４ｐの光強度の差Ｐｄとは、以下の式（１）〜（３）により表されることが推定される。なお、Ｐｍａｘは各Ｐ偏光成分の光強度の最大値を示し、θは磁化容易軸に対する磁気モーメント７９の回転角度、本例では被測定電流線９９と同じ方向を向くようにセットされた磁気モーメント７９の初期状態に対する回転角度を示している。
Ｐ１＝Ｐｍａｘ・ｃｏｓ（θ−（π／４）） ・・・・・（１）
Ｐ２＝Ｐｍａｘ・ｃｏｓ（θ＋（π／４）） ・・・・・（２）
Ｐｄ＝Ｐ１−Ｐ２＝√２・Ｐｍａｘ・ｓｉｎθ ・・・・・（３）

さらに、シングルビームタイプのＰ偏光成分１０２ｐの光強度Ｐｓは、以下の式（４）により表されることが推定される。
Ｐｓ＝Ｐｍａｘ・ｃｏｓ（（π／２）−θ）＝Ｐｍａｘ・ｓｉｎθ・・・・・（４）

図９に、非特許文献１に開示された光プローブ電流センサー２００の概略構成を示している。本発明者らは、電流センサー２００を用いて、シングルビームおよびデュアルビームのそれぞれの光強度の測定実験を行った。電流センサー２００は、レーザー光源２０１と、レーザー光源２０１から出射された光を直線偏光に変換するグラントムソン偏光プリズム２０２と、磁場の強さにより反射する光の偏光方向を変えるＭｎ−Ｉｒ／Ｆｅ交換結合膜（磁性膜、カー効果素子）２０３と、カー効果素子２０３により磁気カー効果が与えられた光の位相を９０度変える１／４波長板２０４と、１／４波長板２０４により位相変換された光をＰ波およびＳ波に分離するプリズムビームスプリッター（ＰＢＳ）２０５と、Ｐ波およびＳ波のそれぞれの光強度を検出するフォトダイオード２０６ａおよび２０６ｂと、２つのフォトダイオード２０６ａ（２０６ｂ）により電気信号に変換された光強度の差分を出力する差動増幅回路２０７とを備えている。

本実験で用いたＭｎ−Ｉｒ／Ｆｅ交換結合膜２０３は、５層構造の磁性薄膜であり、ＳｉＯ２（ガラス）基板の上に順に積層された、Ｒｕ層（１ｎｍ）と、Ｆｅ層（１０ｎｍ）と、Ｍｎ_８０−Ｉｒ_２０層（１０ｎｍ）と、Ｆｅ層（５０ｎｍ）と、ＳｉＯ２層（４０ｎｍ）とを含む。なお、カッコ内の数値は層厚（膜厚）を示し、元素の添え字で示した各合金組成の単位はａｔ％である。この交換結合膜２０３は、Ｆｅ層（強磁性膜）の軟磁気特性を向上させるためにＲｕ層を下地層としてＳｉＯ２基板の上に成膜し、上部Ｆｅ層およびＭｎ−Ｉｒ層の界面において交換結合現象を発生させるために下部Ｆｅ層をＲｕ層の上に成膜し、上部Ｆｅ層の上に酸化防止のための保護層としてＳｉＯ２層を成膜することにより製造されている。なお、交換結合膜２０３の製造には、ＲＦ３元スパッタ装置（アネルバ(株)製：ＳＰＦ−３１３改）を使用した。本実験で使用した測定機器を下記に示す。
レーザー光源２０１：エドモンド・オプティクス・ジャパン製（１１２５Ｐ）
グラントムソン偏光プリズム２０２：エドモンド・オプティクス・ジャパン製（４７０４６−１）
１／４波長板２０４：エドモンド・オプティクス・ジャパン製（４３７００−１）
プリズムビームスプリッター２０５：エドモンド・オプティクス・ジャパン製（４７１２５−１）
フォトダイオード２０６ａ（２０６ｂ）：浜松ホトニクス製（２３８６−４４Ｋ）
差動増幅回路（計装アンプ）２０７：テキサス・インスツルメンツ製（ＩＮＡ１１８）

図１０に、シングルビームの光強度Ｐｓの測定結果を示している。シングルビームの光強度Ｐｓの測定は、入射ビーム１０１のＭｎ−Ｉｒ／Ｆｅ交換結合膜２０３への入射角度が、初期状態における磁気モーメント７９の向きに対して９０度になるように照射して行った。図１０では、交換結合膜２０３に印加される磁場（測定磁場）Ｈ（横軸）と、シングルビームの光強度Ｐｓ（縦軸）との関係を示している。なお、点線３０１は上記式（４）による光強度Ｐｓの計算値（理論値）を示し、黒丸でプロットされた各点３０２は光強度Ｐｓの測定値（実験値）を示している。また、Ｍｎ−Ｉｒ／Ｆｅ交換結合膜２０３の異方性磁場Ｈｋは２０（Ｏｅ）であり、交換バイアス磁場Ｈｅｘは２０（Ｏｅ）である。図１０に示されるように、測定磁場（印加磁場）Ｈが−１００〜＋１００（Ｏｅ）の範囲で計算値と測定値とがほぼ一致することが確認された。さらに、シングルビームのＰ偏光成分１０２ｐの光強度Ｐｓは、測定磁場Ｈが±１００（Ｏｅ）のときに最大値Ｐｍａｘ（±２０ｎＷ程度）となることが確認された。

図１１に、交換結合膜２０３に印加される磁場Ｈを異方性磁場Ｈｋで正規化した強度比Ｈ／Ｈｋ（横軸）と、磁化容易軸に対する磁気モーメント７９の回転角度θ（縦軸）との関係を示している。図１１に示されるように、異方性磁場Ｈｋに対する測定磁場Ｈの強度比Ｈ／Ｈｋが±２のとき（測定磁場Ｈが±４０（Ｏｅ）のとき）の回転角度θは±４５度程度であり、強度比Ｈ／Ｈｋが±１０のとき（測定磁場Ｈが±２００（Ｏｅ）のとき）の回転角度θは±９０度程度であることが確認された。

図１２に、デュアルビームの光強度Ｐ１およびＰ２の測定結果を示している。デュアルビームの光強度Ｐ１およびＰ２の測定は、第１の光２３および第２の光２４の交換結合膜２０３への入射角度が、初期状態における磁気モーメント７９の向きに対してそれぞれ４５度になるように照射して行った。図１２では、交換結合膜２０３に印加される磁場（測定磁場）Ｈ（横軸）と、デュアルビームのそれぞれの光強度Ｐ１およびＰ２（縦軸）との関係を示している。なお、一点鎖線３０３は上記式（１）によるＰ偏光成分２３ｐの光強度Ｐ１の計算値を示し、白丸でプロットされた各点３０４は光強度Ｐ１の測定値を示し、二点鎖線３０５は上記式（２）によるＰ偏光成分２４ｐの光強度Ｐ２の計算値を示し、黒丸でプロットされた各点３０６は光強度Ｐ２の測定値を示している。図１２に示されるように、測定磁場Ｈが−２００〜＋２００（Ｏｅ）の範囲で計算値と測定値とがほぼ一致することが確認された。

図１３に、異方性磁場Ｈｋに対する測定磁場Ｈの強度比Ｈ／Ｈｋ（横軸）と、デュアルビームの光強度Ｐ１およびＰ２の差Ｐｄ（縦軸）との関係を示している。なお、実線３０７はＰ偏光成分２３ｐおよび２４ｐの光強度の差Ｐｄ（Ｐ１−Ｐ２）を示し、一点鎖線３０３はＰ偏光成分２３ｐの光強度Ｐ１を示し、二点鎖線３０５はＰ偏光成分２４ｐの光強度Ｐ２を示している。図１３に示されるように、デュアルビームのＰ偏光成分２３ｐ（２４Ｐ）の光強度Ｐ１およびＰ２の差Ｐｄは、強度比Ｈ／Ｈｋが±１０のとき（測定磁場Ｈが±２００（Ｏｅ）のとき）に最大値Ｐｍａｘ（±２８ｎＷ程度）となることが確認された。

図１４に、異方性磁場Ｈｋに対する測定磁場Ｈの強度比Ｈ／Ｈｋ（横軸）と、シングルビームおよびデュアルビームの光強度（縦軸）との関係を示している。なお、実線３０７はデュアルビームのＰ偏光成分２３ｐおよび２４ｐの光強度の差Ｐｄを示し、点線３０１はシングルビームのＰ偏光成分１０２ｐの光強度Ｐｓを示している。図１４に示されるように、強度比Ｈ／Ｈｋが−１０〜＋１０の範囲（測定磁場Ｈが−２００〜＋２００（Ｏｅ）の範囲）で、デュアルビームの光強度の差Ｐｄがシングルビームの光強度Ｐｓの√２倍となることが確認された。したがって、デュアルビーム２１および２２を用いて磁場７０の強度および電流量を測定することにより、シングルビーム１０１を用いて磁場７０の強度および電流量を測定する場合の√２倍の感度（出力）が得られることが確認された。このため、デュアルビーム２１および２２を採用した装置１により、Ｓ／Ｎ比をシングルビームタイプの√２倍に向上できることが確認された。

図１５に、デュアルビーム２１および２２を用いた異なる装置（光プローブ磁気センサー、光プローブ電流センサー、以降では電流センサー）１ａの概要を示している。図１５（ａ）は装置１ａの概要を模式的に示す図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ断面図である。

この電流センサー１ａは、第１の入射光２１、第２の入射光２２、第１の反射光２３および第２の反射光２４を導くために多芯光ファイバー８０を含む。多芯光ファイバー８０は、たとえば４芯であり、２芯をレーザー光源（レーザーダイオード）３１ａおよび３１ｂから出射された第１の光２１および第２の光２２を偏光子３２に導く入射側光ファイバー８０ａとして用いている。また、多芯光ファイバー８０の残りの２芯を、反射光２３および２４を偏光フィルター（Ｐ波フィルター）５１および５２を通したＰ偏光成分２３ｐおよび２４ｐを、検出ユニットであるフォトダイオード６１および６２に導く出射側光ファイバー８０ｂとして用いている。なお、上記実施形態と共通の構成については共通の符号を付して説明を省略する。以降の実施形態についても同様である。

この光プローブ電流センサー１ａにおいても、Ｓ／Ｎ比をシングルビームタイプの√２倍に向上できる。さらに、多芯光ファイバー８０により、測定対象となるケーブル９９または導体に密着または近接配置される磁性膜１０と、レーザーダイオード３１ａおよび３１ｂを含む光生成部９０と、フォトダイオード６１および６２を含む検出部９４とを適当な距離を開けて配置できる。たとえば、光生成部９０および検出部９４をノイズの影響を受けにくいノイズから隔離されたスペースに設置することも可能である。また、フレキシブルに曲げられる多芯光ファイバー８０を用いて磁性膜１０を含む電流センサー１ａの先端部１ｘと、レーザーダイオード３１ａおよび３１ｂなどを含む電流センサー１ａの基部１ｙとを接続することにより、狭い場所に設置された導体あるいは導線に先端部１ｘを近づけて、所望の場所を流れる電流量を精度良く測定できる。したがって、電気自動車１００の被測定電流線９９と制御ユニット５との距離にフレキシブルに対応可能な電流センサー１ａを提供できる。

多芯光ファイバー８０を介して供給される第１の入射光２１および第２の入射光２２は、異なるレーザーダイオード３１ａおよび３１ｂから出力されたものであってもよく、上記の装置１と同様に、同一のレーザーダイオード３１から出力されたものであってもよい。

図１６に、さらに異なる電流センサー１ｂの概要を示している。図１６（ａ）は電流センサー１ｂの概略構成を示す斜視図であり、図１６（ｂ）は電流センサー１ｂをプリント基板１１０に配置してプリント基板１１０の配線１０９を流れる電流をモニタリングする例を、断面図を用いて示している。

この電流センサー１ｂは、第１の入射光２１を第１の領域１１ａに導く第１の入射側光導波路８１ａと、第２の入射光２２を第１の領域１１ａに導く第２の入射側光導波路８２ａと、第１の領域１１ａで反射した第１の反射光２３をフォトダイオード６１に導く第１の出射側光導波路８１ｂと、第１の領域１１ａで反射した第２の反射光２４をフォトダイオード６２に導く第２の出射側光導波路８２ｂと、４つの光導波路８１ａ、８２ａ、８１ｂおよび８２ｂが互いに直交する位置に設けられた薄い直方体状（板状）の光学ブロック１０５とを有する。

光学ブロック１０５は、第１および第２の入射側光導波路８１ａおよび８２ａにより導かれた第１の入射光２１および第２の入射光２２を直線偏光に変換する偏光子３２と、第１の領域１１ａに対して平行方向１５ｂから入射した第１の入射光２１および第２の入射光２２を第１の領域１１ａに向けて折り曲げて入射させる反射面４１ａおよび４１ｂと、第１の領域１１ａで反射した第１の反射光２３および第２の反射光２４を第１の領域１１ａに対して平行方向１５ｂに折り曲げて出射させる反射面４２ａおよび４２ｂと、第１の反射光２３および第２の反射光２４のそれぞれのＰ偏光成分２３ｐおよび２４ｐを透過させるＰ波フィルター５１および５２とを有する。この光プローブ電流センサー１ｂにおいても、Ｓ／Ｎ比をシングルビームタイプの√２倍に向上できる。

なお、本発明はこれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に規定されたものを含む。また、磁気光学効果素子１０は、カー効果素子に限らず、透過光の偏光状態（偏光面）が変化（回転）するファラデー素子を用いたものであってもよい。また、本発明に係る装置１、１ａおよび１ｂは、電気自動車に限らず、ハイブリッドカーや各種電子機器・家電製品などの電流および／または磁界の検出の用途に適用できる。

１、１ａ、１ｂ 装置
１０ 磁気光学効果素子、 １１ 第１の面、 １１ａ 第１の領域

Claims (13)

1. 第１の面を含む磁気光学効果素子と、
   レーザー光源から出射され直線偏光された第１の光および第２の光を前記第１の面の第１の領域に対して異なる角度で導く第１の導光部であって、前記異なる角度は前記第１の領域に対して垂直方向から見て異なる第１の角度成分を含む、第１の導光部と、
   前記磁気光学効果素子による磁気光学効果が反映された前記第１の光および前記第２の光のそれぞれの第１の偏光成分を光強度を検出する検出ユニットに導く第２の導光部とを有する、装置。
2. 請求項１において、
   前記第１の導光部は、前記第１の光および前記第２の光を、前記第１の角度成分が直角になるように前記第１の領域に導く導入路を含む、装置。
3. 請求項１または２において、
   前記第１の導光部は、前記第１の光および前記第２の光を、前記第１の領域の第１の点に導く導入路を含む、装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
   前記磁気光学効果素子はカー効果素子であり、
   前記第２の導光部は、前記カー効果素子の前記第１の領域で反射された前記第１の光および前記第２の光のそれぞれの前記第１の偏光成分を前記検出ユニットに導く導出路を含む、装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   前記磁気光学効果素子の前記第１の領域は単磁区構造である、装置。
6. 請求項１ないし５のいずれかにおいて、
   前記第１の導光部は、第３の導光部から入射した前記第１の光および前記第２の光を前記第１の領域に向けて折り曲げる入射側の反射面を含み、
   前記第２の導光部は、前記磁気光学効果が反映された前記第１の光および前記第２の光を前記第３の導光部に向けて折り曲げる出射側の反射面を含む、装置。
7. 請求項６において、
   前記第３の導光部は、前記第１の光および前記第２の光のそれぞれを前記第１の領域に導く第１の入射側の光導波路および第２の入射側の光導波路と、
   前記磁気光学効果が反映された前記第１の光および前記第２の光のそれぞれの前記第１の偏光成分を前記検出ユニットに導く第１の出射側の光導波路および第２の出射側の光導波路とを含む、装置。
8. 請求項１ないし７のいずれかにおいて、さらに、
   前記レーザー光源から出射された光から前記第１の光および前記第２の光を生成する光学ユニットを有する、装置。
9. 請求項８において、
   前記光学ユニットは、前記レーザー光源から出射された光を前記第１の光および前記第２の光に分離する光分離ユニットを含む、装置。
10. 請求項１ないし９のいずれかにおいて、さらに、
    前記レーザー光源と、
    前記検出ユニットと、
    前記検出ユニットにより検出された前記第１の光および前記第２の光の強度を比較して前記磁気光学効果による偏光方向の変化を判断する比較ユニットとを有する、装置。
11. 請求項１ないし１０のいずれかにおいて、
    前記磁気光学効果素子は電流量の変化により磁場が変動する位置に配置されている、装置。
12. 請求項１ないし１０のいずれかにおいて、さらに、
    前記磁気光学効果素子に電流量の変化による磁場の変動を伝達する部材を有する、装置。
13. 請求項１１または１２に記載の装置と、
    前記装置の少なくとも１つの前記検出ユニットが検出した情報によりモーターの駆動力を制御する制御ユニットとを有する、電気自動車。

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