JP2018028499A - 磁界センサ素子及び磁界センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の磁性ガーネットに代わる温度特性に優れた新規のファラデー効果磁気光学薄膜を利用して電流値を測定できる、小型でシンプルな光学系の磁界センサ素子及び磁界センサ装置を提供する。【解決手段】光ファイバ２０と、光ファイバ２０の端面２７に設けられた、金属磁性体２１を含む光透過膜３０と、光透過膜２０上に設けられた反射膜４０とを有する磁界センサ素子１０により上記課題を解決した。光透過膜３０については、金属磁性体３１からなる薄膜と誘電体膜とを有するようにしてもよいし、金属磁性体の微粒子を誘電体中に含むグラニュラー膜としてもよい。金属磁性体としては、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉから選ばれる１又は２以上を含み、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂ、Ｐ、Ｃ等のファラデー効果調整元素を含んでいてもよい。また、光ファイバ２０は、偏波保持光ファイバであることが好ましい。【選択図】図１

Description

本発明は、磁界センサ素子及び磁界センサ装置に関し、さらに詳しくは、金属磁性体のファラデー効果を利用して電流値を測定することができる、小型でシンプルな光学系を備える磁界センサ素子及び磁界センサ装置に関する。

ハイブリット自動車や電気自動車では、ＤＣ−ＤＣコンバータやインバータ等を備えるパワーコントロールユニットによって、バッテリの充放電管理とモーター制御等が行われている。また、減速時の運動エネルギーを発電機によってバッテリに回生する制御を行っている。なお、運動エネルギーを回生するシステム（Kinetic Energy-Recovery System）は、ブレーキング時のエネルギーを回収・蓄積し、再利用するシステムの総称である。これらの自動車では、そのような複雑な制御を行うために複数な電流センサが用いられている。

パワーコントロールユニットに代表されるパワーエレクトロニクス回路では、パワー半導体のスイッチングによって電力の変換や制御を行うため、直流から高い周波数まで測定可能な電流センサが必要である。電流センサとしては、例えば、（ア）主回路に低抵抗を直列に挿入して電流に比例する電圧を検出するシャント抵抗、（イ）電流配線を貫通させたトロイダル磁気ヨークのエアギャップ内に半導体ホール素子を設置して電流に比例するエアギャップ磁界をホール起電力として検出するホール素子、が広く用いられている。シャント抵抗は、簡便である反面、主回路に直接入るために電力損失が増加する。また、電流に比例するシャント抵抗の両端電圧を主回路から絶縁して制御回路に伝送させる必要があり、主回路の電圧が高い場合はシャント抵抗電圧の絶縁増幅器に高電圧絶縁を考慮した設計が必要になる。一方、ホール素子のような磁界センサによって電流磁界を検出する方法は、主回路から絶縁されて電流が測定されるので、センサ信号を制御回路に直接入力することができる。

パワーエレクトロニクス回路内では、パワー半導体によるスイッチング動作のために電磁ノイズが多く発生する。そのため、各種のセンサには十分なノイズ対策が求められる。特に、自動車や電気鉄道では、安心・安全な運行のためにセンサには高い信頼性と高い電磁ノイズ耐性が求められる。前述したシャント抵抗やホール素子のいずれもセンサ信号は金属導体配線で伝送されるため、伝送途中で混入する電磁ノイズの影響を排除するために十分なノイズシールド対策が必要であるとともに、混入したノイズを抑制するためノイズフィルタを備える等の対策が必要である。

しかしながら、一般に、電子機器のノイズ対策が試行錯誤的に行われるのと同様に、パワーエレクトロニクス回路においても対症療法的に対策しているのが実情であり、電磁ノイズの影響を受けないセンサの実現が要望されている。

電磁ノイズの影響を受けないセンサとして、光信号を用いた方法が提案されている。例えば、非特許文献１には、光ファイバを伝搬する光の偏光面が電流磁界によって回転するファラデー効果を利用した変電施設用大電流センサが提案されている。この大電流センサでは、光ファイバ内のファラデー効果が小さいため、光ファイバを電線に巻き回して偏光面の回転角を大きくしている。また、特許文献１には、磁性ガーネットのファラデー効果を利用した磁気光学効果型磁界センサが提案され、高周波電磁界計測装置として実用化されている。

ファラデー効果以外の現象を利用して電流磁界を検出する光学式電流センサも提案されている。例えば、特許文献２に記載の磁界検出による光プローブ電流センサ装置は、発光部及び受光部と、センサ部と、２つの光ファイバコアと、信号処理部とを備え、センサ部は、面内磁気カー効果を生じる磁性体と、磁性体からの反射光をＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分岐する偏光子とを含んでいる。そして、一方の光ファイバコアは、分岐されたＳ偏光成分の光を伝搬し、他方の光ファイバコアは、分岐されたＰ偏光成分の光を伝搬し、受光部は、それぞれの光信号を第１及び第２電気信号に変換し、信号処理部は、第１電気信号で第２電気信号を除算する第１除算回路と、第２電気信号で第１電気信号を除算する第２除算回路と、第１及び第２除算回路のそれぞれの出力値を差動増幅して出力する差動増幅回路とを含むというものである。

また、改良ファラデー効果型の磁界感応素子も幾つか提案されている。例えば、特許文献３に記載の多層膜磁界感応素子は、磁気光学材料と誘電体材料よりなり、周期的に繰り返し構造を有する多層膜であって、繰り返し周期が多層膜の中心を対称として反転した構造の多層膜ファラデー回転子よりなるものであり、外部から印加される磁界によって透過率または反射率が変化する性能を有するというものである。具体的には、多層膜は、Ｍ層をビスマス置換イットリウム鉄ガーネットとし、Ｇ層をＳｉＯ_２とし、［ＭＧ］_ｎ［２Ｍ］［ＧＭ］_ｎのような多層構造であり、その多層膜を、光ファイバよりなる入出力ポートを有する屈折率分布型ロッドレンズに装着し、その多層膜による光の反射率から外部磁界の強度を測定できるというものである。

高橋正雄，他「光ファイバの磁気光学効果を用いた電流センサの受配電機器への適用」，まぐね，Ｖｏｌ．１，Ｎｏ．３，ｐｐ．１１８−１２２，２００６．

国際公開ＷＯ２００７／０００９４７ 特開２０１４−１４５７１９号公報 特開２０００−２０６２１８号公報

非特許文献１と特許文献１で提案された各センサは、電磁ノイズの影響を受けないパワーエレクトロニクス回路用電流センサとして大きな可能性を持っているが、ハイブリッド自動車や電気自動車への搭載を考えた場合、高い電磁ノイズ耐性に加えて、−４０℃〜＋１５０℃の広い温度範囲で動作すること、センサが小型軽量であること、が求められる。電線に光ファイバを巻き回す光ファイバセンサ（非特許文献１）は小型化が難しくて車載応用は困難であり、磁性ガーネットを用いたファラデー効果型センサ（特許文献１）は磁性ガーネット結晶のキュリー温度が２００℃〜３００℃であるために高温での動作が困難である。このように、光をプローブにした従来型ファラデー効果型電流センサは、高い電磁ノイズ耐性を有するものの、広い温度範囲で動作可能で小型軽量を併せ持つセンサは未だ実現されていない。

特許文献２で提案された光プローブ電流センサ装置は、光Ｋｅｒｒ効果を利用した電流センサであり、磁性体に対して斜めに光を入出力する必要がある。そのため、この光プローブ電流センサ装置は、２系統の光学系が必要となり、光学系の構成が複雑になっている。また、この光プローブ電流センサ装置では、光Ｋｅｒｒ回転角が数百Ａ時に０．０７ｄｅｇ程度しか回転しないため、偏波保持光ファイバを伝送媒体として利用する場合、偏光分離した光が伝搬中にクロストーク内に潜ってしまって検出できない。そのため、磁性体に対して斜めに入射させた光は、磁性体で反射した直後に偏光分離させる必要があり、偏光分離するための光学素子をセンサヘッド近傍に配置することが必要となり、光学系が大型化すると共に部品のアライメント調整が必要になって組み立てコストが増加してしまう。

また、特許文献１や特許文献３で提案されたファラデー効果型磁界感応素子は、キュリー温度が低い磁性ガーネットを利用するため、温度特性に劣る。また、特許文献３の磁界感応素子では、多層膜として、Ｂｉ_１Ｙ₂Ｆｅ₅Ｏ_１２からなるビスマス置換イットリウム鉄ガーネットをＭ層とし、ＳｉＯ_２をＧ層としており、化合物の正確な組成制御が必要である。さらに、この磁界感応素子は、多層膜を屈折率分布型ロッドレンズに成膜し、そのロッドレンズに入力用光ファイバと出力用光ファイバとを光学的に接続しているため、部品数が多く、２系統の光学系が必要となる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、従来の磁性ガーネットに代わる温度特性に優れた新規のファラデー効果磁気光学薄膜を利用して電流値を測定できる、小型でシンプルな光学系の磁界センサ素子及び磁界センサ装置を提供することにある。

（１）本発明に係る磁界センサ素子は、光ファイバと、前記光ファイバの端面に設けられた、金属磁性体を含む光透過膜と、前記光透過膜上に設けられた反射膜とを有することを特徴とする。

この発明によれば、光ファイバを伝搬した光が光透過膜を透過し、さらに反射膜で反射した後に再度光透過膜を透過するので、磁界の存在下において、光透過膜が含む金属磁性体のファラデー効果により光の偏光面の回転角を大きくすることができる。その結果、存在する磁界をセンシングすることができる。なお、その磁界が導体を流れる電流によって生じている場合には、流れる電流の電流値を測定することができる。さらに、金属磁性体は、従来の磁性ガーネットのような酸化物や化合物ではないのでキュリー温度が高く、温度特性に優れたものとなり、ハイブリッド自動車や電気自動車等のように広い温度範囲で使用されるパワーエレクトロニクス回路用電流センサ等として使用することができる。

本発明に係る磁界センサ素子において、前記光透過膜が、前記金属磁性体からなる薄膜と誘電体膜とを有する。

この発明によれば、金属磁性体からなる薄膜（金属磁性体薄膜という。）と誘電体膜とを有する光透過膜内を光が透過することにより、その金属磁性体薄膜のファラデー効果により光の偏光面の回転角を大きくすることができる。なお、前記光透過膜としては、前記薄膜と前記誘電体膜とが交互に積層されている、又は、前記薄膜を挟んで前記誘電体膜が配置されているように構成できる。特に金属磁性体薄膜と誘電体膜とが交互に積層されていることで、複数積層された金属磁性体薄膜のファラデー効果により光の偏光面の回転角を大きくすることができる。

本発明に係る磁界センサ素子において、前記誘電体膜の厚さは、前記光透過膜に入射する光の波長の１／４±２０％の範囲内であるように構成できる。

この発明によれば、誘電体膜の厚さを上記範囲内にすることにより、ファラデー効果を大きくすることができる。

本発明に係る磁界センサ素子において、前記光透過膜が、前記金属磁性体の微粒子を誘電体中に含むグラニュラー膜である。

この発明によれば、光透過膜が金属磁性体の微粒子（金属磁性体微粒子という。）を誘電体中に含むグラニュラー膜であるので、そのグラニュラー膜に含まれる複数の金属磁性体微粒子のファラデー効果により光の偏光面の回転角を大きくすることができる。

本発明に係る磁界センサ素子において、前記金属磁性体が、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉから選ばれる１又は２以上を含む。この発明によれば、金属磁性体がＦｅ、Ｃｏ及びＮｉから選ばれる１又は２以上を含むので、そのファラデー効果により光の偏光面の回転角を大きくすることができる。

本発明に係る磁界センサ素子において、前記金属磁性体が、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂ、Ｐ、Ｃ等のファラデー効果調整元素を含む。

この発明によれば、金属磁性体に前記元素を含ませることにより、磁性体の磁気ヒステリシスの影響を小さくし軟磁性を向上できるとともにファラデー効果による光の偏光面の回転角を調整することができる。

本発明に係る磁界センサ素子において、前記光透過膜の厚さが、前記入射する光の波長λの１／２である。

この発明によれば、光透過膜の厚さが入射する光の波長λの１／２であるので、ファブリペロー共振させることができる。

本発明に係る磁界センサ素子において、前記光ファイバが、偏波保持光ファイバである。

この発明によれば、偏波保持光ファイバとすることより、直線偏光を一定強度に保持した状態で伝搬して光透過膜に入射させ、反射膜で反射して再度光透過膜を透過した戻り光を一定強度に保持した状態で伝搬することができる。

本発明に係る磁界センサ素子において、前記光透過膜は、電流値の測定対象の導体に電流が流れた際に生じる磁界の方向と前記光透過膜の膜面の法線方向とが一致する位置に配置されている。

この発明によれば、そうした位置に配置された光透過膜は、光透過膜の法線方向と生じた磁界方向とが一致するので、光透過膜に含まれる金属磁性体の磁界方向が、磁界によって最大９０°回転してファラデー効果を生じさせることができる。

（２）本発明に係る磁界センサ装置は、上記本発明に係る磁界センサ素子と、前記磁界センサ素子が有する光ファイバに直線偏光を導入する発光装置と、前記磁界センサ素子が有する光ファイバから導出された戻り光を受光する受光装置とを有することを特徴とする。

本発明に係る磁界センサ装置において、前記受光装置は、前記戻り光をＳ偏光成分及びＰ偏光成分に分離する偏光分離素子と、前記Ｓ偏光成分及び前記Ｐ偏光成分を受光して電気信号に変換する受光素子と、前記電気信号を処理する信号処理部とを有するように構成できる。

本発明に係る磁界センサ装置において、前記発光装置は、発光素子と、該発光素子から発した光を直線偏光にする偏光子とを有するように構成できる。

本発明に係る磁界センサ装置において、１つ又は２つの前記磁界センサ素子からなるセンサヘッドを有する。

本発明に係る磁界センサ装置において、前記センサヘッドを構成する前記磁界センサ素子の前記光透過膜が、電流値の測定対象の導体に電流が流れた際に生じる磁界の方向と前記光透過膜の膜面の法線方向とが一致する位置となるように配置されている。

本発明によれば、従来の磁性ガーネットに代わる温度特性に優れた新規のファラデー効果磁気光学薄膜を利用して電流値を測定できる、小型でシンプルな光学系の磁界センサ素子及び磁界センサ装置を提供することができる。

特に本発明によれば、光透過膜が含む金属磁性体のファラデー効果により光の偏光面の回転角を大きくすることができる。その結果、存在する磁界をセンシングすることができる。さらに、金属磁性体は、従来の磁性ガーネットのような酸化物や化合物ではないのでキュリー温度が高く、温度特性に優れたものとなり、ハイブリッド自動車や電気自動車等のように広い温度範囲で使用されるパワーエレクトロニクス回路用電流センサ等として使用することができる。

本発明に係る磁界センサ素子の一例を示す模式図である。 光透過膜によって偏光回転角が増幅する原理の説明図である。 導体に電流が流れて生じる磁界の方向と磁性膜の磁界の方向との関係を示す説明図である。 金属磁性体薄膜を有する光透過膜の一例を示す断面構成図である。 金属磁性体薄膜を有する光透過膜の他の一例を示す断面構成図である。 グラニュラー膜を有する光透過膜の一例を示す断面構成図である。 グラニュラー膜を有する光透過膜の他の一例を示す断面構成図である。 光ファイバの断面形態を示す説明図であり、（Ａ）はシングルモード光ファイバの例であり、（Ｂ）は偏波保持光ファイバの例である。 本発明に係る磁界センサ装置の全体構成図である。 信号処理部のブロック図である。 １つのセンサヘッドを持つ磁界センサ素子の具体例であり、（Ａ）は丸線導体を測定するセンサヘッド形態であり、（Ｂ）は矩形導体を測定するセンサヘッド形態である。 １つのセンサヘッドを持つ磁界センサ素子の具体例であり、（Ａ）は丸線導体を測定するセンサヘッド形態であり、（Ｂ）は矩形導体を測定するセンサヘッド形態である。 ２つのセンサヘッドを持つ磁界センサ素子によって外部磁場等の磁界の影響をキャンセルする原理を示す説明図である。 ２つのセンサヘッドを持つ磁界センサ素子の具体例であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は矩形導体用測定ヘッドの側面図であり、（Ｃ）は丸線導体用測定ヘッドの側面図である。 ２つのセンサヘッドを持つ磁界センサ素子で導体を測定する具体例であり、（Ａ）は矩形導体用測定ヘッドで矩形導体を測定した例であり、（Ｂ）は丸線導体用測定ヘッドで丸線導体を測定した例である。 磁性膜のファラデー回転角を測定する装置の模式図である。 光の波長に対する磁性膜のポテンシャル透過率の計算結果である。 光の波長に対するファラデー回転角の計算結果である。

本発明に係る磁界センサ素子及び磁界センサ装置について、図面を参照しつつ説明する。本発明は、その要旨の範囲で以下の説明及び図面に限定されない。

［磁界センサ装置］
本発明に係る磁界センサ装置１は、図９に示すように、磁界センサ素子１０と発光装置５０と受光装置６０とを有する。この磁界センサ装置１において、磁界センサ素子１０は、光ファイバ２０と、光ファイバ２０の端面（先端側の端面）２７に設けられた光透過膜３０と、光透過膜３０上に設けられた反射膜４０とを有している。また、発光装置５０は、発光素子５１と偏光子５２とを有している。また、受光装置６０は、偏光子６２と偏光分離素子６４と受光素子６６（６６Ｓ，６６Ｐ）と信号処理部６７とを有している。磁界センサ装置１は、さらに、ハーフミラー５３を有し、そのハーフミラー５３は、発光装置５０からの光を光ファイバ２０に導入するとともに、磁界センサ素子１０からの戻り光を受光装置６０に送るように機能する。

こうして構成された磁界センサ装置１では、光ファイバ２０を伝搬した光が光透過膜３０を透過し、さらに反射膜４０で反射した後に再度光透過膜３０を透過するので、磁界の存在下において、光透過膜３０が含む金属磁性体３１のファラデー効果により光の偏光面の回転角を大きくすることができる。その結果、存在する磁界をセンシングすることができる。なお、その磁界が導体を流れる電流によって生じている場合には、流れる電流の電流値を測定することができる。さらに、金属磁性体３１は、従来の磁性ガーネットのような酸化物や化合物ではないのでキュリー温度が高く、温度特性に優れたものとなり、ハイブリッド自動車や電気自動車等のように広い温度範囲で使用されるパワーエレクトロニクス回路用電流センサ等として使用することができる。

以下、磁界センサ素子及び磁界センサ装置の各構成要素を詳しく説明する。

＜磁界センサ素子＞
磁界センサ素子１０は、図１に示すように、光ファイバ２０と、光ファイバ２０の端面（先端側の端面）２７に設けられた、金属磁性体３１を含む光透過膜３０と、光透過膜３０上に設けられた反射膜４０とを有している。

この磁界センサ素子１０では、（１）直線偏光が光ファイバ２０で伝搬され、（２）伝搬された直線偏光が光透過膜３０に入射すると、光透過膜３０が有する金属磁性体３１によるファラデー効果により、偏光面の回転角が大きくなる。（３）大きく回転した光は光ファイバ２０に戻り光として伝搬され、その後にＰ偏光成分とＳ偏光成分に分離され、受光素子でそれぞれの強度の大きさが求められる。

（光透過膜）
光透過膜３０は、図１に示すように、光ファイバ２０の先端側の端面２７に設けられている。この光透過膜３０は、光透過性であるとともに、金属磁性体３１を含んでいる。光透過膜３０は、平坦に端面加工された光ファイバ２０の端部２７に設けられていることが好ましい。

（金属磁性体）
金属磁性体３１は、図２に示すように、光ファイバ２０で伝搬された直線偏光を、ファラデー効果により偏光面の回転角を大きくするように作用する。金属磁性体３１は、そうした挙動を生じる性質を有する膜であればよく、その種類は特に限定されないが、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びこれらの合金を挙げることができる。その合金としては、例えば、ＦｅＮｉ合金、ＦｅＣｏ合金、ＦｅＮｉＣｏ合金、ＮｉＣｏ合金を挙げることができる。ファラデー回転角はベルデ定数で定義されているが、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの単位長さあたりの旋光角（ファラデー回転角）は、表１に示すように、従来のファラデー回転子に適用されている磁性ガーネットに比べると、２桁〜３桁近く大きい。したがって、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉやこれらの合金である金属磁性体３１を用いることにより、図２及び図３に示すファラデー効果を生じるので好ましく適用できる（後述の図１８の結果も参照。）。なお、表１中、「室温」とは、２５℃である。

なお、ファラデー効果は、金属磁性体３１の磁界の方向Ｈ２と平行な直線偏光を金属磁性体３１に透過させたときに、偏光面が回転する現象のことであり、偏光面の回転をファラデー回転という。ファラデー回転による回転角は、光Ｋｅｒｒ効果（最大カー回転角は１°以下と小さい。）により生じる回転角の１０倍〜１００倍程度大きくなる。

上記した金属磁性体３１は、いずれもキュリー温度が高い。キュリー温度は強磁性体が常磁性体に変化する転移温度であり、例えば、Ｆｅ：１０４３℃、Ｃｏ：１３８８℃、Ｎｉ：６２７℃である。磁性ガーネットを用いる従来のファラデー効果型磁界センサでは、ガーネット材料のキュリー温度が２００℃〜３００℃程度であり、−４０〜１５０℃の広い温度範囲で動作が要求される自動車用センサの温度範囲に近い。そのため、キュリー温度に近い高温でのセンサ動作が困難になることや、センサ感度が周囲温度に大きく影響されることもある。

金属磁性体３１には、さらに、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂ、Ｐ、Ｃ等の元素を含んでいてもよい。これらの元素は、金属磁性体３１の磁気特性を制御する調整元素として作用し、特に軟磁性を向上させる調整元素として作用する。なかでも、Ｓｉ、Ｂ、Ｐは良好な軟磁性が期待されるアモルファス合金を得るために含有させることが好ましく、これらの合計含有量は、１０質量％〜２０質量％程度であることが好ましい。

図３は、導体８１に電流が流れて生じる磁界の方向Ｈ１と金属磁性体３１の磁界の方向Ｈ２との関係を示す説明図である。本発明において、光透過膜３０は、電流値の測定対象の導体８１に電流が流れた際に生じる磁界の方向Ｈ１と、光透過膜３０の膜面となる金属磁性体３１の法線方向Ａとが一致する位置に配置されている。こうした位置に配置された光透過膜３０は、光透過膜３０の膜面の法線方向Ａと生じた磁界方向Ｈ１とが一致するので、光透過膜３０に含まれる金属磁性体３１の磁界の方向Ｈ２が、磁界（方向Ｈ１）によって最大９０°回転してファラデー効果を生じさせることができる。

具体的には、金属磁性体３１は、図３に示すように、導体８１に電流が流れた場合に発生する磁界の方向Ｈ１が金属磁性体３１の法線方向Ａになるように、金属磁性体３１の辺（金属磁性体薄膜の周縁の辺のこと）が導体８１に沿って配置されている。言い換えれば、導体８１は、金属磁性体３１の辺に沿うとともに金属磁性体３１の面内方向の延長上に位置するように配置されている。このように配置された導体８１と金属磁性体３１において、図３（Ａ）では、電流は導体８１中を流れておらず、磁界（印加磁界）は発生していない。光ファイバ２０を伝搬した直線偏光は、この金属磁性体３１に入射しても、ファラデー効果は起こらず、直線偏光のままである。

一方、図３（Ｂ）では、電流が導体８１中を流れており、電流によって磁界が発生している。発生した磁界の方向Ｈ１は、金属磁性体３１の法線方向Ａと同じ方向になり、金属磁性体３１の磁界の方向Ｈ２が磁界の方向Ｈ１と同じになる。磁界の大きさは、導体８１を流れる電流の量によって変化する。磁界の方向Ｈ１と同じ磁界の方向Ｈ２の金属磁性体３１に直線偏光が入射すると、金属磁性体３１を透過する直線偏光は、ファラデー効果が起こって偏光面が回転する。導体８１中の電流値が大きくなって磁界が大きくなると、偏光面の回転角が大きくなる。

この磁界センサ素子１０では、導体８１を流れる電流によって生じた磁界により、光ファイバ２０を伝搬した直線偏光は金属磁性体３１を透過する間に回転角が大きくなり、その後、反射膜４０で反射した光は再び金属磁性体３１を透過する間に回転角がさらに大きくなる。偏光回転角の増幅により、その回転分の光強度が大きくなる。その結果、光ファイバ２０の特性であるクロストークに潜るおそれがなくなるため、金属磁性体３１の近傍に偏波分離のための光学素子を配置しなくてもよくなる。こうして、光ファイバ２０と、金属磁性体３１を含む光透過膜３０と、反射膜４０とで構成される磁界センサ素子１０のヘッド部は、小型化が可能になる。

金属磁性体３１は、図４及び図５に示すような金属磁性体薄膜３１ａであってもよいし、図５に示すようなグラニュラー膜３３であってもよい。金属磁性体３１の厚さは、金属磁性体薄膜３１ａであるかグラニュラー膜３３であるかにより異なり、特に限定されない。金属磁性体薄膜３１ａの場合は、例えば、１ｎｍ以上、５０ｎｍ以下の程度であり、グラニュラー膜３３の場合は、例えば、０．５μｍ以上、５０μｍ以下の程度である。なお、図４では、光ファイバ２０を構成するコア２１とクラッド２２の図示は、図４では記載を省略しているが、図５では記載している。

（金属磁性体薄膜）
金属磁性体薄膜３１ａは、金属磁性体３１で構成された薄膜である。この金属磁性体薄膜３１ａを有する光透過膜３０は、図４及び図５に示すように、金属磁性体薄膜３１ａと誘電体層３２とを積層させて構成されている。具体的には、図４に示すように、金属磁性体薄膜３１ａと誘電体膜３２とが交互に積層されていてもよいし、図５に示すように、金属磁性体薄膜３１ａを挟んで誘電体膜３２ａ，３２ｂが配置されていてもよい。こうした積層形態とする理由は、金属磁性体薄膜３１ａとすることにより光透過膜３０のトータル厚さを薄くして光の波長の１／２にすることができ、ファブリペロー共振させることができること、さらに、金属磁性体薄膜３１ａにすることにより光透過率の低下を抑制できること、誘電体膜３２は光透過率が良いこと、等である。

図４に示す光透過膜３０は、金属磁性体薄膜３１ａと誘電体膜３２との多層膜であり、光ファイバ２０の端面２７上に、金属磁性体薄膜３１ａ、誘電体膜３２、金属磁性体薄膜３１ａ、誘電体膜３２、金属磁性体薄膜３１ａ、誘電体膜３２の順で６層構成されている例である。金属磁性体薄膜３１ａの種類は上記したとおりであり、例えばＦｅやＣｏ等を挙げることができ、誘電体膜３２としては、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）膜等を挙げることができる。誘電体膜３２として酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）膜を好ましく適用する理由は、それ自身の光透過性が良いため、磁性膜３１ａの入射界面での反射を抑制して透過光を増加させるため、である。また、金属磁性体薄膜３１ａと誘電体膜３２とで計６層とした理由は、多数の光学的界面を形成して多重反射によってファラデー効果を大きくするためである。

金属磁性体薄膜３１ａと誘電体膜３２のそれぞれの厚さは、膜の種類や積層数等によって異なるが、金属磁性体薄膜３１ａをＦｅ又はＣｏとし、誘電体膜３２を酸化タンタルとした計６層の光透過膜３０の場合には、一例として、金属磁性体薄膜３１ａの厚さを１０ｎｍとし、誘電体膜３２の厚さを９４ｎｍとし、合計３１２ｎｍとすることができる。このときの光透過率は約２％であった。なお、ＦｅやＣｏ等の金属磁性体自体は光を透過しないと考えられているが、数十ｎｍ程度の極薄い金属磁性体薄膜３１ａとすることにより光を透過させることができ、光透過性を維持できる厚さとしては、１ｎｍ以上、６０ｎｍ以下の範囲を挙げることができる。

図５に示す光透過膜３０は、金属磁性体薄膜３１ａを挟んだ両側に多層の誘電体膜３２ａ，３２ｂが配置されている多層膜である。この光透過膜３０は、光ファイバ２０の端面２７上に、第１誘電体膜３２ａ、第２誘電体膜３２ｂ、第１誘電体膜３２ａ、第２誘電体膜３２ｂ、第１誘電体膜３２ａ、金属磁性体薄膜３１ａ、第１誘電体膜３２ａ、第２誘電体膜３２ｂ、第１誘電体膜３２ａ、第２誘電体膜３２ｂ、第１誘電体膜３２ａの順で１１層積層されている。このとき、金属磁性体薄膜３１ａとしてＦｅ、第１誘電体膜３２ａとしてＴａ_２Ｏ_５膜、第２誘電体膜３２ｂとしてＳｉＯ_２膜等を挙げることができる。なお、金属磁性体薄膜３１ａのＦｅに代えて上記した他の種類の金属磁性体薄膜３１ａ（ＣｏやＮｉや合金等）を適用してもよい。また、第１誘電体膜３２ａのＴａ_２Ｏ_５膜に代えて他の誘電体膜（ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２等）を適用してもよいし、第２誘電体膜３２ｂのＳｉＯ_２膜に代えて他の誘電体膜（Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＦ_２等）を適用してもよい。

なお、誘電体膜３２ａ，３２ｂからなる多層膜は、金属磁性体薄膜３１ａとファイバコア２１との屈折率差によって生じる界面反射を抑制し、金属磁性体薄膜３１ａへの光透過量を増加させることができるという理由により設けられている。このときの誘電体膜３２としては、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）膜、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）膜、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）膜、五酸化二ニオビウム（Ｎｂ_２Ｏ_５）膜、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）膜、二酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）膜、三酸化二アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）膜、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）膜等を挙げることができる。

図５に示す光透過膜３０において、第１誘電体膜３２ａとしてＴａ_２Ｏ_５膜、第２誘電体膜３２ｂとしてＳｉＯ_２膜とし、金属磁性体薄膜３１ａの両側にそれぞれ５層の誘電体膜３２ａ，３２ｂを設ける理由は、金属磁性体薄膜３１ａとコア２１との間で生じる界面反射を抑制するため、両者のアドミッタンス整合をとるのに最適な組み合わせだからである。

金属磁性体薄膜３１ａと誘電体膜３２のそれぞれの厚さは、膜の種類や積層数等によって異なるが、金属磁性体薄膜３１ａをＦｅ又はＣｏとし、誘電体膜３２として計６層の酸化タンタル膜とした場合には、一例として、金属磁性体薄膜３１ａの厚さを６５ｎｍとし、誘電体膜３２ａ、３２ｂの厚さを光の波長の１／４の厚さとすることができる。このときの透過率は約２０％であった。なお、金属磁性体薄膜３１ａとなるＦｅやＣｏ等は光を透過しないと考えられているが、極薄い膜（数十ｎｍ）とすることにより光を透過させることができ、その厚さとしては、１ｎｍ〜１３０ｎｍの範囲を挙げることができる。

ここで、誘電体膜３２ａ、３２ｂの厚さを光の波長λの１／４の厚さとしたが、光の波長λの１／４±２０％の範囲内としてもよい。特に、意図的に１／４λからずらした厚さにすることにより、ファラデー効果をさらに大きくすることができる。ファラデー効果が大きくなるのは、金属磁性体薄膜３１ａに弱い光局在化が起こることに由来する。例えば、金属磁性体薄膜３１ａを挟む誘電体膜３２のうち、光ファイバ２０側の誘電体膜３２の厚さを＋１０％とし、反射膜４０側の誘電体膜３２の厚さを−１０％とする例を挙げることができる。意図的に厚さをずらす範囲は、使用する光の波長λの１／４の厚さに対して、±１％以上、±２０％以下の範囲が効果的である。

（光透過膜の厚さ）
光透過膜３０の厚さは、光ファイバ２０で伝搬される光の波長λの１／２であることが好ましい。光透過膜３０の厚さが光のλ／２であることにより、ファブリペロー共振器となる。ファブリペロー共振器とは、光が通過する経路の両端に結晶の劈開などで形成した２枚の反射面を対向させた共振器のことであり、本発明では、光ファイバ２０の端面２７に設けられた光透過膜３０上に反射膜４０を設けることにより、光透過膜３０を透過した光を反射させ、光透過膜３０内で光を往復させている。こうした光は光透過膜３０内で共振し、定在波ができる。したがって、光透過膜３０の厚さは、光透過膜３０を構成する各層の種類や透過率を考慮し、さらに光の波長との関係を考慮して任意に設定される。

（グラニュラー膜）
光透過膜３０は、グラニュラー膜３３を有するものであってもよい。グラニュラー膜３３は、図６に示すように、誘電体３３ａと、その誘電体３３ａ中に分散している金属磁性体微粒子３１ｂとを有している。グラニュラー膜３３を有する光透過膜３０は、図７（Ａ）に示すように単層のグラニュラー膜３３からなる光透過膜３０であってもよいし、図７（Ｂ）に示すようにグラニュラー膜３３と誘電体膜３２とが積層してなる光透過膜３０であってもよい。グラニュラー膜３３はそれ単層で用いてもよいが、誘電体膜３２との多層膜とすることで多重反射によって、より大きなファラデー回転角を得ることができる。このとき、使用波長の１／４の厚さで交互積層し、多層膜中心付近のグラニュラー膜の厚さを１／２λや３／４λとすれば（図７（Ｂ）を参照）、より効果的である。

グラニュラー膜３３を構成する金属磁性体微粒子３１ｂは、上記と同様、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びこれらの合金であればよく、その平均粒径は、１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以下の範囲内であることが好ましい。金属磁性体微粒子３１ｂは、グラニュラー膜３３を透過する光を多重反射することになり、光ファイバ２０で伝搬された直線偏光を、その金属磁性体微粒子３１ｂによって多数回の多重反射することになる。その結果、ファラデー効果による偏光面の回転角をより大きくすることができる。なお、平均粒径は、Ｘ線回折や透過電子顕微鏡によって測定できる。

グラニュラー膜３３は、金属磁性体微粒子３１ｂと誘電体３３ａとが安定した相分離状態となっており、化学的に安定したＭｇＦ_２等をマトリックスに用いることで金属磁性体微粒子３１ｂとの相分離が容易である。また、グラニュラー膜３３は、形状異方性の緩和効果もあり、分散する金属磁性体微粒子３１ｂが球状又はほぼ球状であることにより、反磁界係数が減少するという効果もある。また、透明性の増大とＩｎｄｅｘ調整の点でも有利であり、金属磁性体微粒子３１ｂのサイズが光の波長よりも小さいため、長波長域でより透明になり易いという利点がある。

グラニュラー膜３３は、同時蒸着や同時スパッタリングによって作製することができる。また、グラニュラー膜３３は、誘電体膜３２中に金属磁性体微粒子３１ｂが光の波長より小さいサイズで存在することによって、透明性が極めて増大する。また、分散される金属磁性体微粒子３１ｂが球状に近づくことによって、光路方向の形状異方性が緩和される効果がある。グラニュラー構造に用いられる誘電体３３ａは、金属磁性体薄膜３１ａとともに適用する誘電体膜３２と同様、ＳｉＯ_２をはじめとする酸化物のほか、ＭｇＦ_２のようなフッ化物等を用いることができる。誘電体３３ａと金属磁性体微粒子３１ｂとの良好な相分離をするためには、フッ化物の方がより好ましい。

（光透過膜の光透過性）
一般に、金属材料は光を透過しないが、１０ｎｍオーダーの極薄超薄膜、あるいは、１０ｎｍオーダーの微粒子構造を採用することで透過率を上げることができる。また、センサ感度に関係する金属磁性体３１の磁気異方性が薄膜形状（金属磁性体薄膜３１）、微粒子形状（金属磁性体微粒子３１ｂ）に依存する反磁界で決定される。そのため、センサ感度の温度特性は金属磁性体３１の磁化の温度特性のみに依存し、キュリー温度の高い磁性膜材料を採用することで広い温度範囲でセンサ感度を一定にできる。

光透過膜３０は、光ファイバ２０を伝搬した直線偏光を透過するとともに、反射膜４０で反射した後の光を再び透過する程度の光透過性を有している。光透過膜３０の光透過性は、光透過膜３０の形態に関わらず、透過率で１％以上であることが好ましい。透過率が１％未満では、光が減衰して十分な強度の光を透過することができないことがある。透過率は高ければよく、特に上限はないが、通常、上限としては１００％程度である。透過率は、分光光度計やスペクトルアナライザによって測定することができる。

（反射膜）
反射膜４０は、図１、図４〜図７に示すように、光透過膜３０の上に設けられる。反射膜４０は、光透過膜３０内を透過した光を反射するために設けられており、その種類としては、例えば、Ａｇ膜、Ａｕ膜、Ａｌ膜、誘電体多層膜ミラー等を挙げることができる。この反射膜４０を光透過膜３０上に設けることにより、ファラデー効果により偏光回転を大きくすることができる。特に反射率の高いＡｇ膜や耐食性が高いＡｕ膜が成膜上簡便で好ましい。

反射膜４０の厚さは、光を反射できる厚さであることが好ましく、膜の種類にもよるが、Ａｇ膜の場合は４０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。反射膜４０の厚さの下限は、膜の種類ごとに十分な反射率を確保できる厚さであればよく、その反射率としては９８％以上となる厚さであることが好ましく、Ａｇ膜の場合は上記５０ｎｍ以上であることが好ましい。

（光ファイバ）
光ファイバ２０は、発光装置５０からの直線偏光を光透過膜３０まで伝搬し、その光透過膜３０を透過して反射膜４０で反射した戻り光を受光装置６０まで伝搬する。

光ファイバ２０としては、図８（Ａ）に示すシングルモード光ファイバであってもよいが、図８（Ｂ）に示す偏波保持光ファイバであることが好ましい。図８（Ｂ）に示す偏波保持光ファイバ２０は、光透過膜３０で大きく回転した戻り光を、光ファイバ２０の直交する２軸の直線偏光保持軸からズレた位置で伝搬するので、直線偏光が崩れ、直交する２軸の直線偏波保持軸それぞれに一定の割合の光強度を持って伝搬することができる。その結果、その後の偏光分離素子により、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とを容易に光強度分離することができ、受光素子によりその強度の大きさを容易に求めることができる。

偏波保持光ファイバ２０としては、図８（Ｂ）に示すような一対の応力付与部２３（２３ａ，２３ｂ）を有するものを挙げることができる。応力付与部２３は必ずしも一対である必要はなく、偏波面保持光ファイバであればよい。偏波保持光ファイバ２０は、直交する２つの偏波面をもつモードが存在しない光ファイバであり、例えばコア２１に非軸対称な応力を与えた一対の応力付与部２３ａ，２３ｂを有しており、２つの偏波モード間に伝搬定数差を生じさせ、それぞれの偏波モードからもう一方の偏波モードへの結合を抑制して偏波保持能力を向上させた光ファイバを例示することができる。

具体的には、偏波保持ファイバ２０は、図８（Ｂ）に示すように、中心のコア２１と、クラッド２２と、一対の応力付与部２３と、被覆材２６とで構成されている。コア２１及び応力付与部２３はクラッド２２に包まれており、被覆材２６は例えば樹脂層からなり、クラッド２の外周に設けられている。１対の応力付与部２３（２３ａ，２３ｂ）は、コア２１から離間し、コア２１を中心にして互いに対称な位置に対向配置されている。コア２１は断面円形であり、クラッド２２はコア２１の外周上に同心円状に設けられ、応力付与部２３はクラッド２内に設けられている。

偏波保持光ファイバ２０は、一対の応力付与部２３ａ，２３ｂがそれぞれ断面円形であるパンダ（ＰＡＮＤＡ：Polarization-maintaining AND Absorption-reducing）型である。その断面形態は、図８（Ｂ）に示すように、直交する２つの偏波軸、すなわちＳｌｏｗ軸２４とＦａｓｔ軸２５とを有する。Ｓｌｏｗ軸２４は、一対の応力付与部２３ａ，２３ｂのそれぞれの中心と、コア２１の中心とを通る直線で示される。Ｆａｓｔ軸２５は、Ｓｌｏｗ軸２４に直交し、コア２１の中心を通る直線で示される。偏波保持光ファイバ２０では、一方の軸に偏光を入光したとき、直交する他方の軸に光が漏れだすことをクロストークといい、漏れ出し量を消光比と呼ぶ。偏波保持光ファイバ２０の適用にあたって、偏波保持光ファイバ２０のビート長よりも短いコヒーレンス長の光源を使用することにより、光の強度変動を抑制することができ、安定した測定が可能となる。

偏波保持光ファイバやシングルモード光ファイバ等の光ファイバ２０の直径は特に限定されないが、１２５μｍのものが一般的に使用されている。光ファイバ２０の長さは、磁界センサ素子１０の形態や磁界センサ装置１の形態によって任意に選択することができる。

＜磁界センサ装置の全体構成＞
磁界センサ装置１は、図９に示すように、磁界センサ素子１０と、磁界センサ素子１０が有する光ファイバ２０に直線偏光を導入する発光装置５０と、磁界センサ素子１０が有する光ファイバ２０から導出された戻り光を受光する受光装置６０とで構成されている。

この磁界センサ装置１では、磁界センサ素子１０が有する光ファイバ２０の後端側の端面２８は、発光素子５１を含む発光装置５０に光学的に接合されているとともに、受光素子６６等を含む受光装置６０にも光学的に接合されている。この接続形態により、発光装置５０では、発光素子５１からの光を偏光子５３で直線偏光とする。直線偏光は、光ファイバ２０を経由して光透過膜３０を透過し、反射膜４０で反射し、再び光透過膜３０を透過して戻り光となる。この戻り光は、光ファイバ２０を経由して、受光装置６０に入る。受光装置６０では、戻り光をＳ偏光成分及びＰ偏光成分に分離する偏光分離素子６４と、Ｓ偏光成分及び前記Ｐ偏光成分を受光して電気信号に変換する受光素子６６と、電気信号を処理する信号処理部７０とを有している。

＜発光装置＞
発光装置５０は、磁界センサ素子１０が有する光ファイバ２０に直線偏光を導入する装置であり、発光素子５１と、発光素子５１から発した光を直線偏光にする偏光子５２とを有している。偏光子５２は光を直線偏光し、その直線偏光は、磁界センサ素子１０を構成する光ファイバ２０に導入される。

発光素子５１としては、例えば、半導体レーザ又は発光ダイオード等を適用することができる。具体的には、ファブリペローレーザー、スーパールミネッセンスダイオード等を好ましく用いることができる。

偏光子５２は、発光素子５１から発した光を直線偏光にするための光学素子であり、その種類は特に限定されず、各種のものを用いることができる。

直線偏光の光ファイバ２０への導入は、光カプラ、サーキュレータ、ハーフミラー等によって行われる。図９中の符号５３はハーフミラーであり、このハーフミラー５３は、偏光子５２で偏光された直線偏光を光ファイバ２０に導入するとともに、光ファイバ２０のコア２１を伝搬してきた戻り光を光源側とは別系統に伝搬させる光学素子である。なお、ハーフミラー５３に代えて、光ファイバを結合分岐するための光カプラであってもよいし、光を分割するビームスプリッタであってもよいし、光サーキュレータであってもよい。

直線偏光は、光ファイバ２０の後端側の端面２８からコア２１に入射する。光ファイバ２０として偏波保持光ファイバを適用した場合は、Ｓｌｏｗ軸２４、Ｆａｓｔ軸２５のいずれか一方を伝搬する。

＜受光装置＞
光ファイバ２０のコア２１を伝搬してきた戻り光は、例えば図９に示すハーフミラー５３を経由し、光源とは別経路で伝搬して受光装置６０に到達する。

受光装置６０は、磁界センサ素子１０が有する光ファイバ２０から導出された戻り光を受光する装置である。この受光装置６０は、図９に示すように、戻り光をＳ偏光成分６５Ｓ及びＰ偏光成分６５Ｐに分離する偏光分離素子６４と、Ｓ偏光成分６５Ｓ及びＰ偏光成分６５Ｐを受光する受光素子６６（６６Ｓ，６６Ｐ）と、受光した光を電気信号に変換する信号処理部７０とを有している。

（１／２λ板）
図９の例では、受光装置６０内に１／２λ板（ＨＷＰ）６２が設けられている。この１／２λ板６２は、位相差をλ／２（１８０°）与え、光を回転させて出射させるものであり、複屈折材料等を利用した一般的なものを適用できる。この１／２λ板６２は、偏光分離素子６４の手前側に設けられていればよい。また、同様の位相差を与えるため、λ／２板の代わりに、λ／４板を磁界センサ素子１０に配置しても同様の効果が得られる。このとき、λ／４板は、光透過膜３０と反射膜４０との間に挿入されることが望ましく、λ／４板の内部を光が往復することで反射型のλ／２板として機能する。

（偏光分離素子）
偏光分離素子６４は、戻り光のＳ偏光成分６５Ｓ及びＰ偏光成分６５Ｐをそれぞれ分岐する光学素子である。図９の例では１／２λ板６２が偏光分離素子６４に導入する前の導入経路に設けられており、戻り光がその１／２λ板６２で位相変調され、位相変調された光が、偏光分離素子６４でＳ偏光成分６５ＳとＰ偏光成分６５Ｐとにそれぞれ分岐されて伝搬する。

偏光分離素子６４としては、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を好ましく挙げることができる。偏光ビームスプリッタは、プリズム型、平面型、ウェッジ基板型、光導波路型等の各種のものを適用することができる。なお、プリズム型は、例えば直角プリズムを２つ貼り合わせ、接合面には誘電体多層膜や金属薄膜のコーティングを施してあるタイプ（キューブビームスプリッター）であり、光導波路型は、例えばガラス基板表層に形成された導波路のコア層上に誘電体交互多層膜を外部クラッド層として積層して偏光分離機能をもたせたＹ分岐導波路型素子等を挙げることができる。本発明では、光導波路型の偏光分離素子６４を用い、受光装置６０を構成する他の光学素子も光導波路型とすることにより、部品点数の低減と小型化を実現することができる。

（受光素子）
受光素子６６は、偏光分離素子６４で分岐したＳ偏光成分６５ＳとＰ偏光成分６５Ｐとをそれぞれ受光して光電変換する光学素子であり、ＰＩＮフォトダイオード等を好ましく挙げることができる。

（信号処理部）
信号処理部７０では、光電変換された電気信号から２つの偏光の強度を回路により差分検出し、その数値を電流値に置き換える。すなわち、偏光分離されたＰ偏光成分６５ＰとＳ偏光成分６５Ｓは、電気信号１、電気信号２に変換される。信号処理部７０は、電気信号１、電気信号２を除算する除算回路７２と、電気信号２で電気信号１を除算する除算回路７３と、除算回路のそれぞれの出力値を差動増幅回路７４で差動増幅して最終的に電流値に変換する。

信号処理部７０は種々の形態とすることができるが、図１０の例に示すように、フォトダイオード６６Ｐ，６６Ｓと、増幅器７１Ｐ，７１Ｓと、除算回路（アナログＩＣ）７２，７３と、差動増幅回路７４とを備える構成とすることができる。

信号処理部７０において、光量ＬｐのＰ偏光成分はフォトダイオード６６Ｐで電気信号Ｅｐに変換され、その電気信号Ｅｐは増幅器７１Ｐで増幅される。また、光量ＬｓのＳ偏光成分もフォトダイオード６６Ｓで電気信号Ｅｓに変換され、その電気信号Ｅｓは増幅器７１Ｓで増幅される。増幅された電気信号Ｅｐ，Ｅｓは、電気信号Ｅｐで電気信号Ｅｓを除算する除算回路７２の出力値として、差動増幅回路７４のマイナス側へ入力される。また、増幅された電気信号Ｅｐ，Ｅｓは、電気信号Ｅｓで電気信号Ｅｐを除算する除算回路７３の出力値として、差動増幅回路７４のプラス側へ入力される。そして、差動増幅回路７４の出力値を得る。

以上説明したように、磁界センサ装置１では、光透過膜３０に入射した直線偏光は、金属磁性体３１によるファラデー効果により偏光面の回転角が大きくなる。その光が戻り光として伝搬するので、従来のように偏光分離した光が伝搬中にクロストーク内に潜って検出できないことがなく、ファラデー効果を利用した電流値の測定を小型でシンプルな光学系で実現することができる。さらに、従来の光Ｋｅｒｒ効果を用いた電流センサと比較して小型化することができる。また、測定部であるセンサヘッドから受光装置６０までの光路がほぼ導波路内で処理することも可能になることから、光学的なアライメントが不要となり、組み立てコストを抑制することができる。また、光ファイバを用いるため電気的ノイズに強いという効果がある。

磁界センサ素子１０及び磁界センサ装置１は、パワーケーブル、航空機、自動車、回路基板、半導体基板等の電子・電気機器用の電流検出用センサとして利用可能である。特に、電気自動車やハイブリッド自動車等において、速度制御やトルク制御で参照される電流を、正確に検出するために用いることもできる。具体的には、電気自動車等のエンジンルーム内に取り付けた場合には、磁界センサ素子１０を光ファイバで引き回して所定箇所に設置することができ、配線ケーブルの電流検出に利用することができるとともに、広い温度範囲でセンサ感度が一定となるためセンサ出力の温度補償を必要としない。

＜センサヘッドの具体例＞
図１１は、１センサヘッド型の磁界センサ素子８０Ａの具体例である。図１２は、２センサヘッド型の磁界センサ素子８０Ｂの具体例である。図１１（Ａ）及び図１２（Ａ）は、丸線導体８１ａに流れる電流を測定するための１又は２センサヘッド型の磁界センサ素子８０の構造形態であり、図１１（Ｂ）及び図１２（Ｂ）は、矩形導体８１ｂに流れる電流を測定するための１又は２センサヘッド型の磁界センサ素子８０の構造形態である。これらセンサヘッド型の磁界センサ素子８０は、磁気ヨークを用いなくても外乱磁界の影響をキャンセルすることができるという利点がある。

なお、図１２（Ａ）（Ｂ）に示す２センサヘッド型磁界センサ素子８０Ｂでは、一方の磁界センサ素子１０Ａと他方の磁界センサ素子１０Ｂとは、距離Ｌだけ離れて配置されている。その距離は、２つの磁界センサ素子１０Ａ，１０Ｂの間で測定される導体８１の大きさに応じて任意に設計される。２つの磁界センサ素子１０Ａ，１０Ｂは、金属磁性体３１を含む光透過膜３０の距離Ｌを一定に保持するための保持材８２と、光ファイバ２０を保護するための保護材８３とで一体化されている。なお、符号８４は、被覆材であり、一体化された２センサヘッド型磁界センサ素子８０Ｂを必要に応じて被覆している。

保持材８２としては、ジルコニア（酸化ジルコニウム）、アルミナ（酸化アルミニウム）、ガラス等、寸法安定性と強度がある絶縁素材を挙げることができる。保護材８３としては、ステンレススチール鋼、プラスチック等、加工が容易な高強度部材等を挙げることができる。被覆材８４としては、樹脂コーティング材、ゴム等を挙げることができる。

図１３は、２センサヘッド型磁界センサ素子８０Ｂにおいて、外乱磁界の影響をキャンセルする原理を示す説明図である。図１３に示すように、矩形導体８１ｂに電流が流れると、磁界が生じて光透過膜３０が有する金属磁性体３１の法線方向Ａが金属磁性体３１の磁界の方向Ｈ２となる。このとき、様々な磁界（電線が無数に敷設された）が存在する場所のように、外乱磁界が金属磁性体３１に加わると、その外乱磁界の方向Ｈ３によって金属磁性体３１の印加磁界が電流磁界の方向Ｈ２からずれることがある。その場合であっても、図１３に示すように、矩形導体８１ｂの両側に２つのセンサヘッドを配置し、それぞれのセンサのファラデー効果応答を差動出力する構成によって、同相外乱磁界の影響をキャンセルできる。その結果、様々な外乱磁界Ｈ３が存在する測定環境であっても、磁気ヨークを用いなくても外乱磁界Ｈ３の影響をキャンセルすることができる。なお、図１３中、Ｐはセンサヘッドの電流磁界Ｈ２によるファラデー効果応答であり、Δｐは外乱磁界Ｈ３による外乱応答である。

図１４は、他の２センサヘッド型の磁界センサ素子８０Ｃの例であり、２つの磁界センサ素子１０Ａ，１０Ｂが導体を挟持可能に対向配置されたクリップ構造の例である。図１４中、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は矩形導体用測定ヘッドの側面図であり、（Ｃ）丸線導体用測定ヘッドの側面図である。これら測定ヘッドは、レバー部８５（８５ａ，８５ｂ）と、クリップ部８７（８７ａ，８７ｂ），８８（８８ａ，８８ｂ）とを有する２つのセンサヘッド９０Ａ，９０Ｂとを有し、それら２つのセンサヘッド９０Ａ，９０Ｂは、スプリング付きの蝶番部８６で接続されて開閉可能になっている。

図１４（Ｂ）に示す矩形導体用のクリップ部８７ａ，８７ｂは、その構造が矩形導体８１ｂ（図１５（Ａ）参照）の矩形形状と同じ矩形形状になっており、その矩形導体８１ｂの表面に接して電流測定し易くなっている。一方、図１４（Ｃ）に示す丸線導体用のクリップ部８７ａ，８７ｂも、その構造が丸線導体８１ａ（図１５（Ｂ）参照）の矩形形状と同じ矩形形状になっており、矩形導体８１ａの表面に接して電流測定し易くなっている。

図１５は、図１４に示す２センサヘッド型磁界センサ素子８０Ｃで導体を測定する具体例であり、（Ａ）は矩形導体用の２センサヘッド型磁界センサ素子８０Ｃで矩形導体８１ｂを測定した例であり、（Ｂ）は丸線導体用の２センサヘッド型磁界センサ素子８０Ｃで丸線導体８１ａを測定した例である。

これら２センサヘッド型の磁界センサ素子８０ａ，８０ｂは、光源を含む発光装置５０と受光装置６０とが別体となる構成であるため、取りまわしの自由度が大きいという利点がある。また、小型であるため、極小部でのピンポイントの電流計測が可能となる。また、センサヘッド９０Ａ，９０Ｂは、光透過膜３０や光ファイバ２０を保護する支持材８２や保護材８３を有するので、部品構成がシンプルで、例えばＳｉＣを用いたパワー半導体を計測するような耐熱要求があった場合でも、ヘッド部分は有機接着剤を使用した構成ではなく、熱に強い固定方法として例えばＡｕＳｎを利用した固定方法が可能となり、種々の要求に対して容易に実現できる。また、光の空間伝搬がほとんどなく、導波路内で処理できることから、光学軸調整が不要のためＡｓｓｙコストを抑えることができる。

なお、センサヘッド９０Ａ，９０Ｂの大きさは特に限定されないが、一例としては、全長３０ｍｍ〜５０ｍｍ程度で、太さが１０ｍｍ程度のスケールとすることができる。

＜磁性膜の特性の測定例＞
図１６は、磁界センサ素子１０に用いる金属磁性体３１のファラデー回転角を測定する装置１００の模式図である。この測定装置１００は、光源１０１から光を発し、その光は、グラントムソン偏光プリズム１０２と全反射ミラー１０３を経て測定対象の金属磁性体３１を透過する。透過した光は、全反射ミラー１０４、１／２λ板１０５、偏光ビームスプリッタ１０６を経由し、分岐されたＰ偏光成分とＳ偏光成分は、それぞれ集光レンズ１０７ａ，１０７ｂを経てフォトダイオード１０８ａ，１０８ｂで受光される。このとき、光は金属磁性体３１の法線方向Ａから入射して透過するが、その法線方向Ａと同じ方向の磁界Ｈ１を印加できるように電磁石１１０ａ，１１０ｂを配置した。電磁石１１０ａ，１１０ｂは、金属磁性体３１を挟むように法線方向Ａに配置した。したがって、この電磁石間に生じさせる磁界Ｈ１を変化させることにより、金属磁性体３１のファラデー効果によるファラデー回転角を測定することができる。

試料として、ガラス基板（厚さ約１ｍｍ）３９上に種々の厚さの金属磁性体３１の極薄膜を設け、その上に酸化ケイ素膜（厚さ４８ｎｍ）を設けたものを準備した。金属磁性体３１の種類は、ＦｅとＣｏの２種とし、その厚さは、３０ｎｍ、５０ｎｍ、７０ｎｍとした。光源として波長６３３ｎｍのＨｅ-Ｎｅレーザ光を用いた。

図１７は、光の波長に対する金属磁性体の極薄膜のポテンシャル透過率の計算結果である。Ｆｅ及びＣｏの光学定数から計算されたポテンシャル透過率は、膜厚が薄いほど高くなり、さらに長波長になるにしたがって高くなる。この結果より、厚さ７０ｎｍのＦｅと厚さ６０ｎｍのＣｏについて、ファラデー回転角の計算を行った。なお、ポテンシャル透過率は、光吸収の強い金属薄膜が最大どれくらいの透過率を持つことができるかを示す指標であり、金属磁性体に隣接する誘電体層によって得られる最大透過率であり、理論計算から求めた。

図１８は、金属磁性体３１としてＦｅ（厚さ７０ｎｍ）とＣｏ（厚さ６０ｎｍ）が磁化飽和したときの、光の波長に対するファラデー回転角を計算した結果である。ファラデー回転角は、約１５００ｎｍ付近で最大になっており、特にＦｅ（厚さ７０ｎｍ）では約５°のファラデー回転角が見込める。このことから、光通信で一般的な１５５０ｎｍの波長を適用し、さらに反射構造にすることでファラデー回転角を１０°程度まで向上させることができ、磁界センサ素子として高精度化することが可能となる。

表２及び表３は、光透過膜３０を構成する金属磁性体３１と誘電体膜３２の種類と厚さとを変化させたときのファラデー回転角と透過率と反射率である。ファラデー回転角は、金属磁性体膜の膜面垂直方向に１０ｋＯｅ（８００ｋＡ／ｍ）の磁界を印加して測定しており、Ｆｅ膜の場合で飽和回転角の４６％になり、Ｃｏ膜の場合で飽和回転角の５６％になる。表２及び表３中、θ_Ｆｄｅｇ．はファラデー回転角（磁界１０ｋＯｅ）の測定値を表し、θ_Ｆ’ｄｅｇ．は表１の単位長さあたりの飽和旋光角データから計算した計算値である。ファラデー回転角の測定は、図１６に示す測定装置で行い、上記同様、光源として波長６３３ｎｍのレーザ光を用いた。

表２は金属磁性体３１としてＦｅを用いた場合である。Ｎｏ．１は、ガラス基板３９上に、厚さ１０ｎｍのＦｅ膜（金属磁性体３１）と厚さ５０ｎｍのＳｉＯ_２膜（誘電体膜３２）とで構成された光透過膜を設けた例であり、Ｎｏ．２は、ガラス基板３９上に、厚さ２０ｎｍのＦｅ膜（金属磁性体３１）と厚さ５０ｎｍのＳｉＯ_２膜（誘電体膜３２）とで構成された光透過膜を設けた例であり、Ｎｏ．３は、ガラス基板３９上に、厚さ３０ｎｍのＦｅ膜（金属磁性体３１）と厚さ５０ｎｍのＳｉＯ_２膜（誘電体膜３２）とで構成された光透過膜を設けた例であり、Ｎｏ．４は、ガラス基板３９上に、厚さ１０ｎｍのＦｅ膜（金属磁性体３１）と厚さ１０ｎｍのＳｉＯ_２膜（誘電体膜３２）とを３回繰り返して積層して合計６層で構成された光透過膜を設けた例であり、Ｎｏ．５は、ガラス基板３９上に、厚さ５ｎｍのＦｅ膜（金属磁性体３１）と厚さ５ｎｍのＳｉＯ_２膜（誘電体膜３２）とを６回繰り返して積層して合計１２層で構成された光透過膜を設けた例である。

一方、表３は金属磁性体３１としてＣｏを用いた場合である。Ｎｏ．６は、ガラス基板３９上に、厚さ３０ｎｍのＣｏ膜（金属磁性体３１）と厚さ５０ｎｍのＳｉＯ_２膜（誘電体膜３２）とで構成された光透過膜を設けた例であり、Ｎｏ．７は、ガラス基板３９上に、厚さ１０ｎｍのＣｏ膜（金属磁性体３１）と厚さ１０ｎｍのＳｉＯ_２膜（誘電体膜３２）とを３回繰り返して積層して合計６層で構成された光透過膜を設けた例であり、Ｎｏ．８は、ガラス基板３９上に、厚さ１０ｎｍのＣｏ膜（金属磁性体３１）と厚さ９４ｎｍのＳｉＯ_２膜（誘電体膜３２）とを３回繰り返して積層して合計６層で構成された光透過膜を設けた例である。

表２の結果より、金属磁性体３１としてＦｅを用いた場合は、最大で１．６３ｄｅｇ．までファラデー回転角を大きくすることができた。特に、ＳｉＯ_２と積層した場合、Ｆｅ／ＳｉＯ_２界面での屈折率差によって積層膜内部で多重反射が発生し、ファラデー効果が増強される。例えば、厚さ３０ｎｍのＦｅ膜単体に比べて、（厚さ１０ｎｍのＦｅ／厚さ１０ｎｍのＳｉＯ_２）×３層、（厚さ５ｎｍのＦｅ／厚さ５ｎｍのＳｉＯ_２）×６層の順にファラデー回転角が大きくなる。なお、厚さ１０ｎｍのＦｅ単層膜、厚さ２０ｎｍのＦｅ単層膜、厚さ３０ｎｍのＦｅ単層膜のいずれの場合も、ファラデー回転角の実測値は計算値より大きい。これは、酸化防止層として形成したトップＳｉＯ_２層とＦｅ膜界面での反射と、Ｆｅ膜とガラス基板界面での反射とにより、Ｆｅ膜で多重ファラデー効果が生じていることが理由である。反射率は、ＦｅとＳｉＯ_２の屈折率差に起因するものであり、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５では透過率とおおよそ逆の傾向になっている。

表３の結果より、金属磁性体３１としてＣｏを用いた場合も、最大で１．５７ｄｅｇ．までファラデー回転角を大きくすることができた。Ｆｅを用いた場合と同様に、ＳｉＯ_２との積層によってファラデー効果を増強できるだけでなく、ＳｉＯ_２膜厚を変えることでもファラデー効果を大きくすることができることを示している。なお、Ｎｏ．７とＮｏ．８とを比較すると、同じ厚さのＣｏ膜を用いたとしても、ＳｉＯ_２の厚さを変えることで反射率を大きく低減できることがわかる。

１ 磁界センサ装置
１０（１０Ａ，１０Ｂ） 磁界センサ素子
２０ 偏波保持光ファイバ
２１ コア
２２ クラッド
２３（２３ａ，２３ｂ） 応力付与部
２４ Ｓｌｏｗ軸
２５ Ｆａｓｔ軸
２６ 被覆材
２７ 端面（先端側の端面）
２８ 端面（後端側の端面）
３０ 光透過膜
３１ 金属磁性体
３１ａ 金属磁性体薄膜
３１ｂ 金属磁性体微粒子
３２ 誘電体膜
３２ａ，３２ｂ ２種の誘電体膜
３３ グラニュラー膜
３３ａ 誘電体
３９ ガラス基板
４０ 反射膜

５０ 発光装置
５１ 発光素子
５２ 偏光子
５３ ハーフミラー
５４ 光結合部
６０ 受光装置
６２ λ／２板
６４ 偏光分離素子（偏光分離ビームスプリッタ
６５Ｐ Ｐ偏光成分
６５Ｓ Ｓ偏光成分
６６（６６Ｐ，６６Ｓ） 受光素子（フォトダイオード）
７０ 信号処理部
７１Ｐ，７１Ｓ 増幅器
７２，７３ 除算回路
７４ 差動増幅回路
８０ センサヘッド型磁界センサ素子
８０Ａ １センサヘッド型磁界センサ素子
８０Ｂ，８０Ｃ ２センサヘッド型磁界センサ素子
８１ 被測定導体
８１ａ 丸線導体
８１ｂ 矩形導体
８２ 保持材
８３ 保護材
８４ 被覆材
８５（８５ａ，８５ｂ） レバー部
８６ 蝶番部
８７（８７ａ，８７ｂ） クリップ部
９０（９０Ａ，９０Ｂ） センサヘッド
１００ 磁性膜測定装置
１０１ 光源
１０２ 偏光プリズム
１０３，１０４ 全反射ミラー
１０５ λ／２板
１０６ 偏光ビームスプリッタ
１０７（１０７ａ，１０７ｂ） 集光レンズ
１０８（１０８ａ，１０８ｂ） フォトダイオード
１１０（１１０ａ，１１０ｂ） 電磁石

Ｈ 磁界（印加磁界）
Ｈ１ 磁界の方向
Ｈ２ 磁性膜の磁界方向
Ｈ３ 外乱磁界の磁界方向
Ａ 金属磁性体の法線方向
Ｌ 距離

Claims (14)

1. 光ファイバと、前記光ファイバの端面に設けられた、金属磁性体を含む光透過膜と、前記光透過膜上に設けられた反射膜とを有する、ことを特徴とする磁界センサ素子。
2. 前記光透過膜が、前記金属磁性体からなる薄膜と誘電体膜とを有する、請求項１に記載の磁界センサ素子。
3. 前記誘電体膜の厚さは、前記光透過膜に入射する光の波長の１／４±２０％の範囲内である、請求項２に記載の磁界センサ素子。
4. 前記光透過膜が、前記金属磁性体の微粒子を誘電体中に含むグラニュラー膜である、請求項１に記載の磁界センサ素子。
5. 前記金属磁性体が、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉから選ばれる１又は２以上を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁界センサ素子。
6. 前記金属磁性体が、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂ、Ｐ、Ｃ等のファラデー効果調整元素を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁界センサ素子。
7. 前記光透過膜の厚さが、前記入射する光の波長λの１／２である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の磁界センサ素子。
8. 前記光ファイバが、偏波保持光ファイバである、請求項１〜７のいずれか１項に記載の磁界センサ素子。
9. 前記光透過膜は、電流値の測定対象の導体に電流が流れた際に生じる前記光透過膜上での磁界の方向と、前記光透過膜の膜面の法線方向とが一致する位置に配置される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の磁界センサ素子。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の磁界センサ素子と、前記磁界センサ素子が有する光ファイバに直線偏光を導入する発光装置と、前記磁界センサ素子が有する光ファイバから導出された戻り光を受光する受光装置とを有することを特徴とする磁界センサ装置。
11. 前記受光装置は、前記戻り光をＳ偏光成分及びＰ偏光成分に分離する偏光分離素子と、前記Ｓ偏光成分及び前記Ｐ偏光成分を受光して電気信号に変換する受光素子と、前記電気信号を処理する信号処理部とを有する、請求項１０に記載の磁界センサ装置。
12. 前記発光装置は、発光素子と、該発光素子から発した光を直線偏光にする偏光子と、を有する、請求項１０又は１１に記載の磁界センサ装置。
13. １つ又は２つの前記磁界センサ素子からなるセンサヘッドを有する、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の磁界センサ装置。
14. 前記センサヘッドを構成する前記磁界センサ素子の前記光透過膜が、電流値の測定対象の導体に電流が流れた際に生じる前記光透過膜上での磁界の方向と、前記光透過膜の膜面の法線方向とが一致する位置となるように配置されている、請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の磁界センサ装置。