JP2783012B2 - 光磁界センサの磁気光学膜 - Google Patents
光磁界センサの磁気光学膜Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、磁気光学素子のファラ
デー効果を利用して磁界強度を測定する光磁界センサに
使用される磁気光学膜に関し、特に電力を供給する配電
線の周囲に発生する磁界強度を測定しその電流の大きさ
を検知するようにした光磁界センサ用の磁気光学膜に関
する。
デー効果を利用して磁界強度を測定する光磁界センサに
使用される磁気光学膜に関し、特に電力を供給する配電
線の周囲に発生する磁界強度を測定しその電流の大きさ
を検知するようにした光磁界センサ用の磁気光学膜に関
する。
【０００２】
【従来の技術】近年、発電所から末端の電力消費者まで
の電力輸送路において、変電所，送電線及び配電線等に
流れる電流の大きさを測定してその異常を発見する電流
センサとして、電流が流れる導線の周囲に発生する磁界
を磁気光学効果を利用して測定し、電流値を求めるよう
にした光磁界センサを用いる計画が進んでいる。そして
特に変電所や高圧送電線など大電流を扱い、また事故時
の被害が広い範囲に及ぶ場合等、既に一部で実用化が開
始されている。
の電力輸送路において、変電所，送電線及び配電線等に
流れる電流の大きさを測定してその異常を発見する電流
センサとして、電流が流れる導線の周囲に発生する磁界
を磁気光学効果を利用して測定し、電流値を求めるよう
にした光磁界センサを用いる計画が進んでいる。そして
特に変電所や高圧送電線など大電流を扱い、また事故時
の被害が広い範囲に及ぶ場合等、既に一部で実用化が開
始されている。
【０００３】かかる電流計測用の光磁界センサは、一般
に野外で使用されるため、環境特に温度の変化に対して
安定した感度を備えていることが重要であり、例えば−
２０〜＋８０°Ｃの温度範囲でその感度の変動率（ＳR
＝ΔＳ／Ｓ（％））が±１％以内であることが要求され
ている。なお、ここに感度とは、磁界の変化に対するセ
ンサ出力の変化率をいう。そして上記のように大電流を
扱う変電所や高圧送電線などで使用される光磁界センサ
では、感度は小さいが（１×１０-4／ Oe （エルステッ
ド）以下）、大きな磁界に対して磁気飽和が生じない鉛
ガラス，ＺｎＳｅ，ＢＧＯ，ＢＳＯ等の常磁性材料又は
反磁性材料が磁気光学材料として用いられている。そし
てこれらの材料は、温度に対する感度の変動も小さく、
良好な結果が得られている。
に野外で使用されるため、環境特に温度の変化に対して
安定した感度を備えていることが重要であり、例えば−
２０〜＋８０°Ｃの温度範囲でその感度の変動率（ＳR
＝ΔＳ／Ｓ（％））が±１％以内であることが要求され
ている。なお、ここに感度とは、磁界の変化に対するセ
ンサ出力の変化率をいう。そして上記のように大電流を
扱う変電所や高圧送電線などで使用される光磁界センサ
では、感度は小さいが（１×１０-4／ Oe （エルステッ
ド）以下）、大きな磁界に対して磁気飽和が生じない鉛
ガラス，ＺｎＳｅ，ＢＧＯ，ＢＳＯ等の常磁性材料又は
反磁性材料が磁気光学材料として用いられている。そし
てこれらの材料は、温度に対する感度の変動も小さく、
良好な結果が得られている。
【０００４】一方、最近では電力消費者に近い小電流を
扱う配電線においてもこの種の光磁界センサを用いる計
画も進んできている。かかる配電線の場合、発生する磁
界が小さいため１×１０-4／ Oe 以上の高い感度が要求
される。このため、上記鉛ガラス，ＺｎＳｅ，ＢＧＯ，
ＢＳＯ等の磁気光学材料では、十分な感度を得ることが
できず、正確な測定を行うことが困難になる。そこで、
このような配電線に対するものとして、磁気感度が高い
磁性ガーネット膜さらにはＢｉ置換型の磁性ガーネット
膜を使用する光磁界センサの開発・研究が行われてい
る。なお、配電線用の光磁界センサは一部を除き、コス
トが安価であることが要求され、また通常では０．８５
μｍ程度の波長の光が用いられる。
扱う配電線においてもこの種の光磁界センサを用いる計
画も進んできている。かかる配電線の場合、発生する磁
界が小さいため１×１０-4／ Oe 以上の高い感度が要求
される。このため、上記鉛ガラス，ＺｎＳｅ，ＢＧＯ，
ＢＳＯ等の磁気光学材料では、十分な感度を得ることが
できず、正確な測定を行うことが困難になる。そこで、
このような配電線に対するものとして、磁気感度が高い
磁性ガーネット膜さらにはＢｉ置換型の磁性ガーネット
膜を使用する光磁界センサの開発・研究が行われてい
る。なお、配電線用の光磁界センサは一部を除き、コス
トが安価であることが要求され、また通常では０．８５
μｍ程度の波長の光が用いられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記磁
性ガーネット膜は強磁性体であるため、特に上記ＺｎＳ
ｅ，ＢＧＯ，ＢＳＯ等の常磁性材料又は反磁性材料と比
較して、飽和磁界Ｈｓやファラデー回転係数θｆなどの
磁気特性や磁気光学特性が温度によって著しく変化し、
このため感度自体も温度の変化により大きく変動せしめ
られるという問題がある。このように従来の磁性材料そ
のままでは、この種の光磁界センサ用の磁性ガーネット
膜を実現することができなかった。
性ガーネット膜は強磁性体であるため、特に上記ＺｎＳ
ｅ，ＢＧＯ，ＢＳＯ等の常磁性材料又は反磁性材料と比
較して、飽和磁界Ｈｓやファラデー回転係数θｆなどの
磁気特性や磁気光学特性が温度によって著しく変化し、
このため感度自体も温度の変化により大きく変動せしめ
られるという問題がある。このように従来の磁性材料そ
のままでは、この種の光磁界センサ用の磁性ガーネット
膜を実現することができなかった。
【０００６】本発明は、この種の光磁界センサにおいて
高い感度を備え、且つこの感度に対する温度の影響をな
くするようにした磁気光学膜を提供することを目的とす
る。
高い感度を備え、且つこの感度に対する温度の影響をな
くするようにした磁気光学膜を提供することを目的とす
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の磁気光学膜は、
Ybx Tby Bi3-x-y Fe 5 O12 の組成の磁性ガーネット膜で
あって、ｘ及びｙが次の（１）式を満足し（但し、０．
８≦ｘ≦１．１）、且つ膜厚が１０〜３０μｍであるこ
とを特徴とする。 １．８２−１．２７ｘ≦ｙ≦２．０２−１．２７ｘ （１）
Ybx Tby Bi3-x-y Fe 5 O12 の組成の磁性ガーネット膜で
あって、ｘ及びｙが次の（１）式を満足し（但し、０．
８≦ｘ≦１．１）、且つ膜厚が１０〜３０μｍであるこ
とを特徴とする。 １．８２−１．２７ｘ≦ｙ≦２．０２−１．２７ｘ （１）
【０００８】
【作用】先ずここで、磁性ガーネット膜を使用した光磁
界センサの感度Ｓは、該磁性ガーネット膜の膜厚をＬと
すると、次の（２）式によって表される。 Ｓ＝ｓｉｎ（２θｆ・Ｌ）／Ｈｓ （２） 上記（２）式中、飽和磁界Ｈｓ及びファラデー回転係数
θｆは温度によって変化し、従って（２）式において温
度変化に対する sin（２θｆ・Ｌ）とＨｓの変化の仕方
を同一にすることにより、それらの比である上記（２）
式によって表される感度は温度が変化しても一定になる
ようにすることができる。また、磁性ガーネット膜の組
成が決まれば、ファラデー回転係数θｆ及び飽和磁界Ｈ
ｓの各温度変化率も決定されるため、感度Ｓの温度に対
する変動率ＳR は磁性ガーネット膜の組成に依存するこ
とになる。そしてまた、かかる変動率ＳRは、感度Ｓが
θｆ・Ｌのｓｉｎ関数を問題とするため、膜厚Ｌにも依
存する。即ち、同一組成の磁性ガーネット膜でも、変動
率ＳR は膜厚Ｌによって変化する。
界センサの感度Ｓは、該磁性ガーネット膜の膜厚をＬと
すると、次の（２）式によって表される。 Ｓ＝ｓｉｎ（２θｆ・Ｌ）／Ｈｓ （２） 上記（２）式中、飽和磁界Ｈｓ及びファラデー回転係数
θｆは温度によって変化し、従って（２）式において温
度変化に対する sin（２θｆ・Ｌ）とＨｓの変化の仕方
を同一にすることにより、それらの比である上記（２）
式によって表される感度は温度が変化しても一定になる
ようにすることができる。また、磁性ガーネット膜の組
成が決まれば、ファラデー回転係数θｆ及び飽和磁界Ｈ
ｓの各温度変化率も決定されるため、感度Ｓの温度に対
する変動率ＳR は磁性ガーネット膜の組成に依存するこ
とになる。そしてまた、かかる変動率ＳRは、感度Ｓが
θｆ・Ｌのｓｉｎ関数を問題とするため、膜厚Ｌにも依
存する。即ち、同一組成の磁性ガーネット膜でも、変動
率ＳR は膜厚Ｌによって変化する。
【０００９】本発明によれば、上記の点を考慮して磁性
ガーネット膜の組成設計を行い、さらに変動率ＳR を小
さくする膜厚Ｌを求めることにより、この種の光磁界セ
ンサに好適な磁気光学膜を得ることができる。そして特
に、希土類元素を変えたときのＢｉ置換鉄ガーネットの
飽和磁化及びファラデー回転係数θｆ並びにそれらの温
度に対する変化の試験結果から、(Yb Tb Bi)3 Fe 5 O12
系の材料が好適であることが判明した。
ガーネット膜の組成設計を行い、さらに変動率ＳR を小
さくする膜厚Ｌを求めることにより、この種の光磁界セ
ンサに好適な磁気光学膜を得ることができる。そして特
に、希土類元素を変えたときのＢｉ置換鉄ガーネットの
飽和磁化及びファラデー回転係数θｆ並びにそれらの温
度に対する変化の試験結果から、(Yb Tb Bi)3 Fe 5 O12
系の材料が好適であることが判明した。
【００１０】
【実施例】以下、図１及び図２に基づき本発明による光
磁界センサの磁気光学膜の一実施例を説明する。本発明
の磁気光学膜は、YbX TbY Bi3-X-Y Fe 5 O12 の組成で成
るが、この磁性ガーネット膜は液相エピタキシャル法に
より上記 Yb X TbY Bi3-X-Y Fe 5 O12 におけるｘ及びｙ
を変えて組成が異なる種類のものが製作された。即ち、
先ず白金ルツボ中にＰｂＯ，Ｂｉ2 ０3 ，Ｂ2 ０3 をフ
ラックスとしてＹｂ2 ０3 ，Ｔｂ2 ０3 ，Ｆｅ2 ０3 を
溶かし込んだ融液を作成した。そして該融液を温度７７
０〜７９０°Ｃに加熱しながら、その融液表面にガドリ
ニウム・ガリウムガーネット単結晶基板（以下、ＧＧＧ
基板という）を付着させて１００ｒｐｍで回転させるこ
とにより、上記ＧＧＧ基板の片面に厚さ７０μｍのYbX
TbY Bi3-X-Y Fe 5 O12 磁性ガーネット膜を成長させた。
磁界センサの磁気光学膜の一実施例を説明する。本発明
の磁気光学膜は、YbX TbY Bi3-X-Y Fe 5 O12 の組成で成
るが、この磁性ガーネット膜は液相エピタキシャル法に
より上記 Yb X TbY Bi3-X-Y Fe 5 O12 におけるｘ及びｙ
を変えて組成が異なる種類のものが製作された。即ち、
先ず白金ルツボ中にＰｂＯ，Ｂｉ2 ０3 ，Ｂ2 ０3 をフ
ラックスとしてＹｂ2 ０3 ，Ｔｂ2 ０3 ，Ｆｅ2 ０3 を
溶かし込んだ融液を作成した。そして該融液を温度７７
０〜７９０°Ｃに加熱しながら、その融液表面にガドリ
ニウム・ガリウムガーネット単結晶基板（以下、ＧＧＧ
基板という）を付着させて１００ｒｐｍで回転させるこ
とにより、上記ＧＧＧ基板の片面に厚さ７０μｍのYbX
TbY Bi3-X-Y Fe 5 O12 磁性ガーネット膜を成長させた。
【００１１】上記の場合、融液中のＹｂ2 ０3 とＴｂ2
０3 の含有割合を変えることにより、上記ｘ及び上記ｙ
が相違する異なる組成の試料が製作される。なお、液相
エピタキシャル法では、磁性ガーネット膜の格子定数と
上記ＧＧＧ基板の格子定数（１２．４９６Ａ）とがほぼ
一致している必要があるため、これらｘ，ｙには前記
（１）式を満足する条件が加わる。従ってｘ，ｙのうち
ｘが決まればｙも一義的に決定される。また、作成した
磁性ガーネット膜の膜厚Ｌを７０μｍとしたが、これは
該膜厚Ｌが７０μｍ以上では波長０．８５μｍの光の場
合にその損失が大きくなり、事実上、磁性ガーネット膜
を光磁界センサに使用し得ないためである。
０3 の含有割合を変えることにより、上記ｘ及び上記ｙ
が相違する異なる組成の試料が製作される。なお、液相
エピタキシャル法では、磁性ガーネット膜の格子定数と
上記ＧＧＧ基板の格子定数（１２．４９６Ａ）とがほぼ
一致している必要があるため、これらｘ，ｙには前記
（１）式を満足する条件が加わる。従ってｘ，ｙのうち
ｘが決まればｙも一義的に決定される。また、作成した
磁性ガーネット膜の膜厚Ｌを７０μｍとしたが、これは
該膜厚Ｌが７０μｍ以上では波長０．８５μｍの光の場
合にその損失が大きくなり、事実上、磁性ガーネット膜
を光磁界センサに使用し得ないためである。
【００１２】次に上記ｘ及び上記ｙが相違する各磁性ガ
ーネット膜毎に３０個ずつ試料として取り出し、各々研
磨によってＬ＝５〜６５μｍとなるように形成した。つ
まり、各上記ｘの組成に対して５〜６５μｍの範囲で３
０種類の膜厚の試料を製作した。さらに各試料のＧＧＧ
基板面及び磁性ガーネット膜面に波長０．８５μｍ用の
ＳｉＯ2 単層で成る無反射コートを施した。
ーネット膜毎に３０個ずつ試料として取り出し、各々研
磨によってＬ＝５〜６５μｍとなるように形成した。つ
まり、各上記ｘの組成に対して５〜６５μｍの範囲で３
０種類の膜厚の試料を製作した。さらに各試料のＧＧＧ
基板面及び磁性ガーネット膜面に波長０．８５μｍ用の
ＳｉＯ2 単層で成る無反射コートを施した。
【００１３】次に、上記のように製作された磁気光学膜
の温度変化に対する感度の試験結果について説明する。
上記磁性ガーネット膜の各試料に対して温度−２０〜＋
８０°Ｃの温度範囲でその感度を測定するが、ここで図
１は、かかる試験を行うための測定系の構成例を示して
いる。図において、レーザダイオード１から出射した波
長０．８５μｍの光はレンズ２及び偏光子３を通過して
直線偏光になり、磁性ガーネット膜４に入射する。そし
てこの磁性ガーネット膜４を通過するときに被測定磁界
（以下、単に磁界という）の強さに応じた旋光作用を受
けた光は、さらにレンズ５及び偏光子６を通過して上記
磁界の強さに対応する強度になる。この後、偏光子６か
らシリコンフォトダイオード７へ入射した光の強度が検
出されるようになっている。上記の場合、±３００ Oe
の磁界が光路と平行に加えられると共に、磁性ガーネッ
ト膜４の温度は図示しないペルチェ素子によって変化せ
しめられる。
の温度変化に対する感度の試験結果について説明する。
上記磁性ガーネット膜の各試料に対して温度−２０〜＋
８０°Ｃの温度範囲でその感度を測定するが、ここで図
１は、かかる試験を行うための測定系の構成例を示して
いる。図において、レーザダイオード１から出射した波
長０．８５μｍの光はレンズ２及び偏光子３を通過して
直線偏光になり、磁性ガーネット膜４に入射する。そし
てこの磁性ガーネット膜４を通過するときに被測定磁界
（以下、単に磁界という）の強さに応じた旋光作用を受
けた光は、さらにレンズ５及び偏光子６を通過して上記
磁界の強さに対応する強度になる。この後、偏光子６か
らシリコンフォトダイオード７へ入射した光の強度が検
出されるようになっている。上記の場合、±３００ Oe
の磁界が光路と平行に加えられると共に、磁性ガーネッ
ト膜４の温度は図示しないペルチェ素子によって変化せ
しめられる。
【００１４】そして、各磁性ガーネット膜試料の−２０
〜＋８０°Ｃの温度範囲における感度Ｓを調べ、その変
動率ＳR が±１％以内となる Yb X TbY Bi3-X-Y Fe 5 O
12 におけるｘ及び膜厚Ｌを求めたところ、図２に示さ
れる結果が得られた。即ち、図２のグラフにおいて、直
線ａ，ｂ及びｃによって囲まれた領域の場合、温度−２
０〜＋８０°Ｃの範囲で感度Ｓの変動率ＳR が±１％以
内である。なお、同グラフ中、直線ｄよりも下側の領域
では感度Ｓ自体が既に１×１０-4／ Oe 以下である。つ
まり、上記直線ａ，ｂ，ｃ及びｄによって囲まれた領域
（斜線部分）では、−２０〜＋８０°Ｃの温度範囲にお
ける感度Ｓの変動率ＳR が±１％以内となり、且つ感度
Ｓ自体が１×１０-4〜４×１０-4／ Oe となる。
〜＋８０°Ｃの温度範囲における感度Ｓを調べ、その変
動率ＳR が±１％以内となる Yb X TbY Bi3-X-Y Fe 5 O
12 におけるｘ及び膜厚Ｌを求めたところ、図２に示さ
れる結果が得られた。即ち、図２のグラフにおいて、直
線ａ，ｂ及びｃによって囲まれた領域の場合、温度−２
０〜＋８０°Ｃの範囲で感度Ｓの変動率ＳR が±１％以
内である。なお、同グラフ中、直線ｄよりも下側の領域
では感度Ｓ自体が既に１×１０-4／ Oe 以下である。つ
まり、上記直線ａ，ｂ，ｃ及びｄによって囲まれた領域
（斜線部分）では、−２０〜＋８０°Ｃの温度範囲にお
ける感度Ｓの変動率ＳR が±１％以内となり、且つ感度
Ｓ自体が１×１０-4〜４×１０-4／ Oe となる。
【００１５】従って、YbX TbY Bi3-X-Y Fe 5 O12 磁性ガ
ーネット膜において、かかる領域に対応するｘの範囲が
０．８〜１．１であり且つ該磁性ガーネット膜の膜厚Ｌ
が１０〜３０μｍであるときには、温度−２０〜＋８０
°Ｃの範囲で感度Ｓの変動率ＳR が±１％以内となり、
感度Ｓ自体が１×１０-4〜４×１０-4／ Oe となるか
ら、このような磁性ガーネット膜を使用する光磁界セン
サは温度がかなり変化しても微小な磁界を高い精度で安
定して測定することがきる。
ーネット膜において、かかる領域に対応するｘの範囲が
０．８〜１．１であり且つ該磁性ガーネット膜の膜厚Ｌ
が１０〜３０μｍであるときには、温度−２０〜＋８０
°Ｃの範囲で感度Ｓの変動率ＳR が±１％以内となり、
感度Ｓ自体が１×１０-4〜４×１０-4／ Oe となるか
ら、このような磁性ガーネット膜を使用する光磁界セン
サは温度がかなり変化しても微小な磁界を高い精度で安
定して測定することがきる。
【００１６】
【発明の効果】上述したように本発明の磁気光学膜は高
い感度を備え、且つこの感度は温度の変化に対して極め
て安定しており、特に配電線等の電流値検出の場合等に
おいて過酷な環境下でしかも微小磁界を高い精度で測定
し得るこの種の光磁界センサを実現することができる等
の利点がある。
い感度を備え、且つこの感度は温度の変化に対して極め
て安定しており、特に配電線等の電流値検出の場合等に
おいて過酷な環境下でしかも微小磁界を高い精度で測定
し得るこの種の光磁界センサを実現することができる等
の利点がある。
【図１】本発明の磁気光学膜に対する感度試験ための感
度測定系の構成例を示す図である。
度測定系の構成例を示す図である。
【図２】本発明の磁気光学膜に対する感度測定結果によ
る膜組成と膜厚との関係を示すグラフである。
る膜組成と膜厚との関係を示すグラフである。
１ レーザダイオード ２ レンズ ３ 偏光子 ４ 磁性ガーネット膜 ５ レンズ ６ 偏光子 ７ シリコンフォトダイオード
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G02F 1/09 - 1/095 G01R 33/032 G01R 15/24 C30B 29/28
Claims (1)
- 【請求項１】 磁気光学効果を利用した磁界センサに使
用される磁気光学膜において、Ybx Tby Bi3-x-y Fe 5 O
12 の組成の磁性ガーネット膜であって、上記ｘ及び上
記ｙが下記の条件式を満足し（但し、０．８≦ｘ≦１．
１）、且つ膜厚が１０〜３０μｍであることを特徴とす
る磁気光学膜。 １．８２−１．２７ｘ≦ｙ≦２．０２−１．２７ｘ
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27958691A JP2783012B2 (ja) | 1991-10-25 | 1991-10-25 | 光磁界センサの磁気光学膜 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27958691A JP2783012B2 (ja) | 1991-10-25 | 1991-10-25 | 光磁界センサの磁気光学膜 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05119288A JPH05119288A (ja) | 1993-05-18 |
| JP2783012B2 true JP2783012B2 (ja) | 1998-08-06 |
Family
ID=17613053
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27958691A Expired - Fee Related JP2783012B2 (ja) | 1991-10-25 | 1991-10-25 | 光磁界センサの磁気光学膜 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2783012B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3193945B2 (ja) * | 1995-03-17 | 2001-07-30 | 松下電器産業株式会社 | 磁気光学素子及び光磁界センサ |
-
1991
- 1991-10-25 JP JP27958691A patent/JP2783012B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05119288A (ja) | 1993-05-18 |
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Legal Events
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