JP2018080066A - 磁界センサ用ファラデー回転子 - Google Patents

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【課題】1100nm以下の波長の光源を用いても、高い光検出感度を有する磁界センサ用のファラデー回転子を提供する【解決手段】モル%の酸化物換算で、Tb2O3を30%以上含有するガラスからなることを特徴とする磁界センサ用ファラデー回転子。【選択図】図1

Description

本発明は、磁界センサ用ファラデー回転子に関する。
磁界を測定するセンサには、伝搬する光の偏光面が磁界により回転するファラデー効果を利用して磁界を測定するセンサがある。偏光の回転角度は、磁界の強さによって変化するため、光の回転角度の変化を検知することで、磁界の強さを測定することができる。
磁界センサには、反射型と透過型の2種類の方式がある。反射型は、光源及び検出器、偏光子、ファラデー回転子、ミラーの順に配置してなる。一方、透過型は、光源、偏光子、ファラデー回転子、検光子、光検出器の順に配置してなる。
従来では、このような磁界センサに用いられるファラデー回転子としては、YIG(イットリウム鉄ガーネット)に代表されるような、希土類鉄ガーネット結晶が用いられていた(例えば、特許文献1参照)。
特公平3−22595号公報
しかしながら、YIG等の希土類鉄ガーネット結晶からなるファラデー回転子を用いた磁界センサでは、入手が容易で安価な830nmや850nmの発光ダイオードや、633nmのHe−Neレーザー等の1100nm以下の波長の光源を用いると光の検出感度が低いという問題があった。
以上に鑑み、本発明は、1100nm以下の波長の光源を用いても、高い光検出感度を有する磁界センサ用のファラデー回転子を提供することを目的とする。
本発明の磁界センサ用ファラデー回転子は、モル%の酸化物換算で、Tbを30%以上含有するガラスからなることを特徴とする。希土類鉄ガーネット結晶は1100nm以下で、鉄イオンに由来する大きな吸収を持つため、1100nm以下の光を透過することができない。一方、Tbを含有したガラスは、400〜1100nmの範囲で透過率が高いため、上述したような1100nm以下の波長の光源を用いた磁界センサに好適である。
また、希土類鉄ガーネット結晶は強磁性であるため、強い磁界では磁気飽和してしまい、ファラデー回転角が磁界の強さに比例しなくなるという問題があった。一方、本発明に用いられるTbを含有したガラスは常磁性体であるため、強い磁界においても磁気飽和せず、ファラデー回転角は磁界の強さに比例する。
さらに、材料のファラデー回転角の性能を示すベルデ定数はTbの含有量が多いほど大きくなるため、Tbを30モル%以上含有するガラスを用いることによりファラデー回転子を小型化することができ、その結果、センサを小型化することが可能となる。
本発明の磁界センサは、上記のファラデー回転子、偏光子、光源及び検出器を備えることを特徴とする。
本発明によれば、1100nm以下の波長の光源を用いても、高い光検出感度を有する磁界センサ用のファラデー回転子を提供することができる。
反射型磁界センサの基本構造を示す模式的断面図である。 無容器浮遊法によりガラスを作製するための製造装置の一例を示す模式的断面図である。 透過型磁界センサの基本構造を示す模式的断面図である。
まず、反射型磁界センサの原理、構造について図1を用いて説明する。
図1は、反射型磁界センサの基本構造を示す模式的断面図である。
反射型磁界センサ1は、磁界の変化を光信号にて検出するセンサであり、光源10、偏光子11、ファラデー回転子12、ミラー13の順に配置してなる。具体的には、光源10からの入力光が偏光子11を通過し、直線偏光となって、ファラデー回転子12へ入射される。入射された光は、ファラデー回転子12の端面に備わったミラー13によって反射され検出光となり、再度ファラデー回転子12と偏光子11を通過し、光検出器14により検出される。磁界の無い状態ではファラデー回転が起こらないため、入力光の偏光面の角度は維持されたまま検出光となり、偏光子11を光損失無く通過する。磁界が印加されると、ファラデー回転子12を通過する検出光の偏光面の角度が変化するため、偏光子11を通過する際に光損失が発生する。このときの入力光と検出光の光強度の差から、磁界の大きさの情報を得ることができる。なお、ファラデー回転子12に光が入射される際、空気界面による散乱が起こるため、入射される面には、反射防止膜15が設けられることが好ましい。
以下に各要素ごとに説明する。
(磁界センサ用ファラデー回転子12)
磁界センサ用ファラデー回転子12は、通常円柱状であり、モル%の酸化物換算で、Tbを30%以上含有するガラスからなることを特徴とする。以下に、このようにガラス組成を限定した理由を説明する。なお、以下の各成分の含有量に関する説明において、特に断りのない限り、「%」は「モル%」を意味する。
Tbはベルデ定数の絶対値を大きくしてファラデー効果を高める成分である。Tbの含有量は30%以上であり、35%以上、40%以上、45%以上、48%以上、50%以上、51%以上であることが好ましい。Tbの含有量が少なすぎると、ベルデ定数の絶対値が小さくなり、十分なファラデー効果が得られにくくなる。一方、Tbの含有量が多すぎると、ガラス化が困難になる傾向があるため、75%以下、70%以下、特に69%以下であることが好ましい。
Tbを含有するガラスは、Tbが主にTb3+とTb4+の状態で存在している。Tb3+は波長400〜1100nmの範囲で光吸収が比較的少ないのに対し、Tb4+は波長400〜1100nmの範囲で幅広い光吸収を持つため、光透過率低下の原因となる。よって、全Tbに対するTb3+の割合は、モル%で55%以上、60%以上、70%以上、80%以上、90%以上、特に95%以上であることが好ましい。
なお、本発明におけるTbの含有量は、ガラス中に存在するTbを全て3価の酸化物に換算して表したものである。
本発明に使用されるガラスには、上記成分以外にも、以下に示す種々の成分を含有させることができる。
はガラス骨格となり、ガラス化範囲を広げる成分である。ただし、Bはベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、Bの含有量は0〜60%、0〜55%、0〜50%、0〜45%、1〜40%、特に1〜35%であることが好ましい。
はガラス骨格となり、ガラス化範囲を広げる成分である。ただし、Pはベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、Pの含有量は0〜60%、0〜55%、0〜50%、0〜45%、1〜40%、特に1〜35%であることが好ましい。
Alは中間酸化物としてガラス骨格を形成し、ガラス化範囲を広げる成分である。ただし、Alはベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、Alの含有量は0〜45%、0.1〜40%、0.5〜30%、0.8〜25%、特に1〜20%であることが好ましい。
SiOはガラス骨格となり、ガラス化範囲を広げる成分である。ただし、SiOはベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、SiOの含有量は0〜60%、0〜55%、0〜50%、0〜45%、1〜40%、特に1〜35%であることが好ましい。
La、Gd、Yb、Yはガラス化の安定性を向上させる効果があるが、その含有量が多すぎるとかえってガラス化しにくくなる。よって、La、Gd、Yb、Yの含有量は各々10%以下、特に5%以下であることが好ましい。
Dy、Eu、Ceはガラス化の安定性を向上させるとともに、ベルデ定数の向上にも寄与する。ただし、その含有量が多すぎるとかえってガラス化しにくくなる。よって、Dy、Eu、Ceの含有量は各々15%以下、特に10%以下であることが好ましい。なお、Dy、Eu、Ceの含有量は、ガラス中に存在する各成分を全て3価の酸化物に換算して表したものである。
MgO、CaO、SrO、BaOはガラス化の安定性と化学的耐久性を高める効果がある。ただし、ベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、これらの成分の含有量は各々0〜10%、特に各々0〜5%であることが好ましい。
Gaはガラス形成能を高め、ガラス化範囲を広げる効果を有する。ただし、その含有量が多すぎると失透しやすくなる。また、Gaはベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、Gaの含有量は0〜6%、特に0〜5%(ただし5%は含まない)であることが好ましい。
フッ素はガラス形成能を高め、ガラス化範囲を広げる効果を有する。ただし、その含有量が多すぎると溶融中に揮発して組成変動を引き起こしたり、ガラス化の安定性に影響を及ぼす恐れがある。従って、フッ素の含有量(F換算)は0〜10%、0〜7%、特に0〜5%であることが好ましい。
還元剤としてSbを添加することができる。ただし、着色を避けるため、あるいは環境への負荷を考慮して、Sbの含有量は0.1%以下であることが好ましい。
本発明に使用されるガラスは、波長400〜1100nmの範囲で良好な光透過性を示す。具体的には、波長633nmにおける光路長1mmでの透過率は60%以上、65%以上、70%以上、75%以上、特に80%以上であることが好ましい。また、波長532nmにおける光路長1mmでの透過率は30%以上、50%以上、60%以上、70%以上、特に80%以上であることが好ましい。さらに、波長1064nmにおける光路長1mmでの透過率は60%以上、70%以上、75%以上、特に80%以上であることが好ましい。
本発明に使用されるガラスは、例えば無容器浮遊法により作製することができる。図2は、無容器浮遊法によりガラスを作製するための製造装置の一例を示す模式的断面図である。以下、図2を参照しながら、本発明に使用されるガラスの製造方法について説明する。
ガラスの製造装置2は成形型20を有する。成形型20は溶融容器としての役割も果たす。成形型20は、成形面20aと、成形面20aに開口している複数のガス噴出孔20bとを有する。ガス噴出孔20bは、ガスボンベなどのガス供給機構21に接続されている。このガス供給機構21からガス噴出孔20bを経由して、成形面20aにガスが供給される。ガスの種類は特に限定されず、例えば、空気や酸素であってもよいし、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、水素を含有した還元性ガスであってもよい。
製造装置2を用いてガラスを製造するに際しては、まず、ガラス原料塊22を成形面20a上に配置する。ガラス原料塊22としては、例えば、原料粉末をプレス成型等により一体化したものや、原料粉末をプレス成型等により一体化した後に焼結させた焼結体や、目標ガラス組成と同等の組成を有する結晶の集合体等が挙げられる。
次に、ガス噴出孔20bからガスを噴出させることにより、ガラス原料塊22を成形面20a上で浮遊させる。すなわち、ガラス原料塊22を、成形面20aに接触していない状態で保持する。その状態で、レーザー光照射装置23からレーザー光をガラス原料塊22に照射する。これによりガラス原料塊22を加熱溶融してガラス化させ、溶融ガラスを得る。その後、溶融ガラスを冷却することにより、ガラスを得ることができる。ガラス原料塊22を加熱溶融する工程と、溶融ガラス、さらにはガラス材の温度が少なくとも軟化点以下となるまで冷却する工程においては、少なくともガスの噴出を継続し、ガラス原料塊22、溶融ガラス、さらにはガラス材と成形面20aとの接触を抑制することが好ましい。なお、磁界を印加することにより発生する磁力を利用してガラス原料塊22を成形面20a上に浮遊させてもよいし、音波を利用してガラス原料塊22を成形面20a上に浮遊させてもよい。また、加熱溶融する方法としては、レーザー光を照射する方法以外にも、輻射加熱であってもよい。なお、本発明の磁界センサ用ファラデー回転子4は、得られたガラスを切削、研磨等の加工を施し、所望の形状にすることにより得られる。
(偏光子11)
偏光子11の材質は、セラミックス、ガラス、高分子材料のいずれでも構わないが、偏光消光比の大きい材料が好ましい。具体的には、20dB以上、30dB以上、40dB以上、特に50dB以上の消光比を有する材料が好ましい。
(ミラー13)
ミラー13は、磁界センサの小型化のために、薄膜であることが好ましい。反射率を上げるために、金属膜または誘電体多層膜(高屈折率層と低屈折率層が交互に積層された多層膜)であることがさらに好ましい。金属膜としては、アルミニウム、金、銀、銅、プラチナ、クロム等が挙げられる。誘電体多層膜を構成する材料としては、酸化ニオブ、酸化チタン、酸化ランタン、酸化タンタル、酸化イットリウム、酸化ガドリニウム、酸化タングステン、酸化ハフニウムまたは酸化アルミニウム等の酸化物、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム等のフッ素化物、窒化珪素等の窒化物、シリコン、ゲルマニウム、硫化亜鉛等が挙げられる。なお、薄膜の形成方法としては、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法等を使用できる。
(反射防止膜15)
反射防止膜15としては、誘電体多層膜が挙げられる。誘電体多層膜を構成する材料及び薄膜の形成方法は、上記と同様である。なお、反射防止膜としては多層膜以外にも酸化ケイ素等からなる単層膜も使用できる。
(光源10)
光源10としては、入手が容易で安価な830nmや850nmの発光ダイオードや、633nmのHe−Neレーザーであることが好ましい。
次に、透過型磁界センサの原理、構造について図3を用いて説明する。
図3は、透過型磁界センサの基本構造を示す模式的断面図である。
透過型磁界センサ3は、光源10、偏光子11、ファラデー回転子12、検光子16、光検出器14の順に配置してなる。具体的には、光源10からの入力光が偏光子11を通過し、直線偏光となって、ファラデー回転子12へ入射される。入射された光は、ファラデー回転子12、検光子16を通り検出光となる。次に、検光子16を回転させ、光検出器14により検出光の強度を測定し、その強度が最大なる時の回転角度を測定する。測定した回転角度から磁界の大きさの情報を得ることができる。なお、空気界面による光の散乱を防止するため、ファラデー回転子12の入射面及び出射面には、反射防止膜15が設けられることが好ましい。
なお、光源、偏光子、ファラデー回転子、検光子、検出器の順に並ぶ透過型磁界センサであってもよいが、小型化を考慮すると、光源及び検出器、偏光子、ファラデー回転子、ミラーによって構成される反射型磁界センサの方が好ましい。
本発明の磁界センサは、磁界の大きさを検知するだけでなく、様々な用途に使用することができる。例えば、スイッチ(冷蔵庫、パソコン等の開閉スイッチ)、電流センサ、エンコーダ(自動車のモーター等の位置、回転検出)、スマートフォン等の電子コンパス、及び、圧力、振動、温度、衝撃、変形等を検知するセンサとして使用可能である。
以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
60Tb−9P−26B−5Al(モル%)のガラス組成になるように調合した原料をプレス成型し、700〜1400℃で6時間焼結することによりガラス原料塊を作製した。
次に、乳鉢を用いてガラス原料塊を粗粉砕し、0.05〜1.5gの小片とした。得られたガラス原料塊の小片を用いて、図2に準じた装置を用いた無容器浮遊法によってガラス(直径約1〜10mm)を作製した。なお、熱源としては100W COレーザー発振器を用いた。また、ガラス原料塊を浮遊させるためのガスとして窒素ガスを用い、流量1〜30L/分で供給した。
得られたガラスを切削、研磨等により直径3mm、長さ10mmの円柱状のファラデー回転子を得た。得られたファラデー回転子を用いて、図1に示した構成のように反射型磁界センサを作製した。
ファラデー回転子の光が入射される面には、光の散乱を防ぐために反射防止膜を施し、もう一方の面には、ミラーとしての機能を持たさせるために、誘電体多層膜を施した。
磁界強度を変えながら、633nmの光を入射し、検出光の光強度を測定した。磁界の無い状態での検出光の光強度を100%としたところ、1000 Oeの磁界を印加した場合の光強度は82%となった。2000 Oeの磁界では光強度は43%となった。磁界強度の変化によって光強度が変化するため、磁界センサとして機能することが分かった。
(実施例2)
実施例1と同様のファラデー回転子を用い、図3に示す透過型磁界センサを作製した。なお、ファラデー回転子の両端に反射防止膜を施した。
磁界の強度を変えながら、検光子を回転させ、検出光の強度が最大になった時の回転角度を測定した。磁界の無い状態では、透過光の偏光角度は0°であったが、2000 Oeの磁界では24.5°の回転が起こり、5000 Oeの磁界では61.3°の回転となった。磁界強度に比例して回転角が変化するため、磁界センサとして機能することが分かった。
(比較例)
ファラデー回転子をYIG単結晶にしたこと以外は実施例1と同様にして反射型磁界センサを作製した。波長633nmでは光が透過せず、光を検出することができなかった。830nm、850nmでも同様に光を検出することができなかった。
1 反射型磁界センサ
2 ガラスの製造装置
3 透過型磁界センサ
10 光源
11 偏光子
12 ファラデー回転子
13 ミラー
14 光検出器
15 反射防止膜
16 検光子
20:成形型
20a:成形面
20b:ガス噴出孔
21:ガス供給機構
22:ガラス原料塊
23:レーザー光照射装置

Claims (2)

  1. モル%の酸化物換算で、Tbを30%以上含有するガラスからなることを特徴とする磁界センサ用ファラデー回転子。
  2. 請求項1に記載のファラデー回転子、偏光子、光源及び検出器を備えることを特徴とする磁界センサ。
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