JP3269102B2 - 磁気光学膜 - Google Patents

磁気光学膜

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JP3269102B2 JP00939192A JP939192A JP3269102B2 JP 3269102 B2 JP3269102 B2 JP 3269102B2 JP 00939192 A JP00939192 A JP 00939192A JP 939192 A JP939192 A JP 939192A JP 3269102 B2 JP3269102 B2 JP 3269102B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【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。
【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、この測定磁界の大きさ
から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。大電流を扱う変電所や高圧送電線等の
万一事故が発生した場合にその被害が広範囲に及ぶこと
が考えられる環境下においては既に実用化されており、
又電力消費者に近い小電流を扱う配電線に用いる光磁界
センサについても実用化のための計画が進められてい
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、使用環境,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る。例
えば、−20〜+80°Cの温度範囲でその感度(S)
の変動率(SR =ΔS/S(%))が±1%以内である
ことが要求されている。この光磁界センサの感度及びそ
の温度に対する変動率は、当該センサに用いる磁気光学
材料の感度及びその温度に対する変動率とほぼ等しいた
め、温度に対する感度の変動率が小さい磁気光学材料の
開発が盛んに行われている。尚、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。
【0004】上記大電流を扱う発電所や高圧送電線等で
使用される光磁界センサでは、感度は小さいが(1×1
-4/ Oe 以下)、大きな磁界に対して磁気飽和が生じ
づ且つ温度に対する感度の変動が小さい、鉛ガラス,Z
nSe,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。又、電力消費者
に近い配電線等で使用される光磁界センサでは、かかる
配電線等が扱う電流の大きさに伴って発生する磁界が小
さいため、1×10-4/ Oe 以上の大きい感度が要求さ
れる。このため、これに用いられる磁気光学材料として
は、磁気感度が大きい磁性ガーネット膜、更にはBi置
換形の磁性ガーネット膜が有望であり、かかる磁性ガー
ネット膜を用いた光磁界センサの開発・研究が行われて
いる。尚、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、多くは波長0.85μm
程度の光が用いられる。
【0005】一方、最近では、従来の電柱による地上配
電線から地下配電線へと電力輸送路の移行が進められて
おり、特に大都市や新たに都市開発される衛星都市部
で、この傾向は顕著である。かかる地下配電線に使用さ
れる光磁界センサは、地中で使用されるため、前記の如
く野外で使用されるもの程感度の温度変化に対する変動
率の必要条件は厳しいものではなく、感度の変動率を±
1%以内に抑える必要がある温度範囲は−10〜+60
°C程度と推測される。しかし、地下配電線が付設され
る大都市や開発中の新都市における都市環境を考慮する
と、万一事故が発生した場合にその被害は多くの電力消
費者に及ぶことになり、そのため微弱な電流変化を呈す
る絶縁地絡等の事故発生要因を正確に探知する必要があ
る。従って、地下配電線で使用される光磁界センサで
は、6×10-4/ Oe 以上の大きい感度が望まれてお
り、これに用いられる磁気光学材料として、温度に対す
る感度の変動が小さいと同時に感度自体が大きいことが
必要となる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】然し乍ら、現在のとこ
ろ、温度に対する感度の変動が小さいことと、感度自体
が大きいことの両条件を兼ね備えた磁気光学材料はな
く、使用する環境に応じた所望の感度を備えた光磁界セ
ンサを実現することができなかった。
【0007】本発明は、従来の技術の有するこのような
問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とすると
ころは、この種の光磁界センサにおいて温度に対する感
度の変動が小さく且つ感度自体も大きい磁気光学膜を提
供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の磁気光学膜は、
波長0.85μm帯の光を用いた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であり、YbX TbY
Bi3-X-Y Fe5 O12の組成で成り、xが0.5〜0.7の
範囲内において、x及びyが下記条件式(1)を満足し
且つ膜厚が35〜50μmの磁性ガーネット膜が、ガド
リニウム・ガリウムガーネット単結晶基板上にエピタキ
シャル成長していることを特徴としている。 1.82−1.27x≦y≦2.02−1.27x (1)
【0009】
【作用】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
式(2)によって表される。 S=sin(2θf・L)/Hs (2) 上記式(2)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、従って式(2)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式
(2)によって表される感度は温度が変化しても一定に
保つことができる。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Hs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
R は膜厚Lによって変化する。
【0010】一方、感度自体を大きくするには、上記式
(2)より明らかなように、飽和磁界Hsを小さくすれ
ばよい。しかし、光磁界センサの測定磁界が1000 O
e 程度まで及ぶことを考慮すれば、Hsを1000 Oe
以下に設定することは好ましくない。従って、感度Sを
6×10-4/ Oe 以上にするためには、光磁界センサが
使用される温度範囲内で、上記 sin(2θf・L)が少
なくとも0.6以上となる磁気光学材料で構成すること
が必要となる。
【0011】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 O 12
の材料が好適であることが判明した。
【0012】
【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、Yb X Tb Y Bi 3-X-Y Fe 5 O 12 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 Tb Y Bi 3-X-Y Fe 5 O 12 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,Bi23,B23をフラック
スとしてYb23,Tb23,Fe23を溶かし込んだ
融液を製作した。そして、該融液を温度770〜790
°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Yb X Tb Y Bi
3-X-Y Fe 5 O 12 磁性ガーネット膜を成長させた。
【0013】上記の場合、融液中のYb2 3 とTb2
3 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(12.496Å)とがほぼ
一致している必要があるため、これらx,yには前記式
(1)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。
【0014】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。
【0015】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−10〜+
60°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。
【0016】そして、各磁性ガーネット膜試料の−20
〜+60°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 Tb Y Bi 3-X-Y Fe 5 O 12
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,c及びdによって囲まれた領域の場合、温度−20
〜+60°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6×10-4/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〜+60°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6×10-4〜9×10-4/Oeとなる。
【0017】従って、Yb X Tb Y Bi 3-X-Y Fe 5 O 12 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
0.5〜0.7であり且つ該磁性ガーネット膜の膜厚L
が35〜50μmであるときには、温度−20〜+60
°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6×10-4〜9×10-4/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できる。
【0018】
【発明の効果】上述したように本発明の磁気光学膜は、
大きい感度を備え、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、特に地上及び地下配電線の電流値
検出の場合等において、過酷な環境下で而も微小磁界を
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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【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。
【符号の説明】
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 (56)参考文献 特開 平2−51494(JP,A) 特開 昭62−288199(JP,A) 特開 平3−249565(JP,A) 特開 昭63−110417(JP,A) 特開 平2−271997(JP,A) H.Ishikawa et a l.,Optical and Qua ntum Electronics,V ol.22,No.6(1990),pp. 517−528 K.Nakajima et a l.,IEEE Transactio ns on Magnetics,Vo l.24,No.6(1988),pp.2565 −2567 K.Machida et al., Optoelectronics − Devices and Techno logies,Vol.3,No.1 (1988),pp.99−105 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01R 15/24 G01R 33/032 G02F 1/09 C30B 29/28 CA(STN) INSPEC(DIALOG)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 波長0.85μm帯の光を用いた磁気光
    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 Fe5 O12の組成で成り、上記
    xが0.5乃至0.7の範囲内において該x及び上記y
    が下記の条件式を満足し且つ膜厚が35乃至50μmの
    磁性ガーネット膜が、ガドリニウム・ガリウムガーネッ
    ト単結晶基板上にエピタキシャル成長していることを特
    徴とする磁気光学膜。 条件式 1.82−1.27x≦y≦2.02−1.27x
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Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
H.Ishikawa et al.,Optical and Quantum Electronics,Vol.22,No.6(1990),pp.517−528
K.Machida et al.,Optoelectronics − Devices and Technologies,Vol.3,No.1(1988),pp.99−105
K.Nakajima et al.,IEEE Transactions on Magnetics,Vol.24,No.6(1988),pp.2565−2567

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