JP3950636B2

JP3950636B2 - セリウム希土類鉄ガーネット結晶及びその製造方法並びにその単結晶を用いた磁界センサ

Info

Publication number: JP3950636B2
Application number: JP2001030136A
Authority: JP
Inventors: 貞雄樋口
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2001-02-06
Filing date: 2001-02-06
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2021-02-06
Also published as: JP2002234797A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セリウム希土類鉄ガーネット結晶およびその単結晶の製造方法並びにその単結晶を磁気光学素子として用いた磁界センサに関する。さらに詳述すると、本発明は微小な磁界でもファラデー効果が得られるガーネット結晶及びそれを磁気光学素子として利用する磁界センサ並びにガーネット単結晶の製造方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電流や磁束を測定する磁界センサとしては、従来、図５に示すように、偏光子と磁気光学素子（ファラデー媒体あるいは磁気光学物質とも呼ばれる）と検光子とを組み合わせ、レーザ光（LASER Light）等の光が偏光子Ｐを透過して直線偏光（Polarized Light）となり、その後、磁場中の磁気光学素子１を透過する際にファラデー効果によって偏光面を回転させ、検光子Ａを通過する光の強度を検出器（ディテクタ）Ｄで検出して磁界の大きさを検出するものが一般に知られている。
【０００３】
この磁界センサでは、検出器Ｄにより光量を検出することにより、ファラデー回転角の変化が測定でき、これから磁界の大きさを知ることができるものである。ここで、磁気光学素子１としては、ＹＩＧ（Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２）が一般的であるが、近年、ファラデー効果を高めるものとしてセリウム希土類鉄ガーネット結晶（CeRIG）を用いたものも知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような磁気光学素子１を用いた磁界センサの場合、磁界Ｈａ中における磁化の方向が図示するように揃っていないため、被測定磁界をかけたとき逆向きの磁化２を反転させるための力が必要となってしまうことから、その分だけ感度が劣ってしまう問題がある。
【０００５】
本発明は、微小な磁界でも測定可能な磁界センサ並びにそれを可能とする磁気光学素子として利用できるセリウム希土類鉄ガーネット結晶およびその単結晶の製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、本発明者等は、図１に示すように、磁気光学素子１にあらかじめ光の伝搬方向と直交する方向の磁界Ｈｂを印加し、磁気光学素子１の磁化の方向を揃えておくことを考えた。予め磁界Ｈｂをかければ、被測定磁界が印加される時には磁化の方向が一方向に揃っているので、弱い測定磁界をかけても精度よく回転するようになるので検出感度が向上することが期待できる。
【０００７】
しかしながら、垂直な磁界Ｈｂを予めかけておくと、磁界をかけた方向とこれに垂直な方向とで複屈折率が変わることに起因してコットン・ムートン効果が生じ、図１に示すように楕円偏光が生じ、検光子Ａの検出感度が悪くなるという別の問題が起きる。つまり、直線偏光した光が今度は楕円偏光となってしまうため、検光子Ａが楕円偏光の４５゜成分までひろってしまい検出感度が劣ってしまう。
【０００８】
そこで、本発明者等が種々研究・検討した結果、ジスプロシウム（元素記号：Ｄｙ）を微量加えると、コットン・ムートン効果を抑制させることができることを知見するに至った。
【００１１】
本願発明はかかる知見に基づくもので、請求項１記載の発明は、種子結晶と原料棒との間に液相を形成して原料棒を液相中に溶かして種子結晶上に単結晶として析出させるフローティング・ゾーン法によってCe_3-xDy_xFe₅O₁₂ （ただし０＜ｘ＜３）の単結晶を製造する方法において、液相のCe：Dy：Feの成分比を
Ce＝０〜１０
Dy＝０〜５０
Fe＝５０〜８５
とするようにしている。
【００１２】
液相がこの成分の場合、原料棒中のセリウム希土類鉄ガーネット結晶が一度溶融してから液相を介して種子結晶上に組成比を変えずに析出して単結晶を生成する。
【００１３】
また、請求項２記載の発明は、偏光子と磁気光学素子と検光子と検出器とを備え、磁気光学素子にかかる光の伝搬方向への磁界Ｈａの大きさに応じてファラデー効果によって偏光面を回転させて光量を検出するようにした磁界センサにおいて、磁気光学素子に組成比Ce_3-xDy_xFe₅O₁₂ （ただし０＜ｘ＜３）のセリウム希土類鉄ガーネット単結晶を用い、かつ光の伝搬方向と垂直な方向に磁界Ｈｂがあらかじめ加えられているようにしている。
【００１４】
この場合には、磁気光学素子は予め光の伝播方向と垂直な方向に印加されている磁界Ｈｂによって磁化方向が揃えられ同じ方向を向いている。しかも、この垂直磁界Ｈｂの印加によるコットン・ムートン効果即ち伝搬方向および垂直方向の複屈折率の相違分をジスプロシウム（Ｄｙ）の添加により相殺して抑制するようにしている。したがって、被測定磁界Ｈａが印加されると、その磁界の大きさに応じて偏光面が回転し、それを反映した直線偏光のみが検光子を通過して検出器で検出される。この検出器で検出される光の強度変化は磁界の変化に比例する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００１６】
図１に本発明の磁界センサの一実施形態を示す。この磁界センサは、偏光子Ｐと磁気光学素子１と検光子Ａと検出器Ｄとを備え、磁気光学素子１にかかる光の伝搬方向への磁界Ｈａの大きさに応じてファラデー効果によって偏光面を回転させて光量を検出するようにしたものであり、磁気光学素子１に組成比Ce_3-xDy_xFe₅O₁₂ （ただし０＜ｘ＜３）のセリウム希土類鉄ガーネット単結晶を用い、かつ光の伝搬方向と垂直な方向に磁界Ｈｂがあらかじめ加えられていることを特徴としている。
【００１７】
ここで、磁気光学素子１としてのセリウム希土類鉄ガーネット単結晶（以下「CeRIG」ともいう）は、本実施形態では、
Ce_3-xDy_xFe₅O₁₂ （ただし０＜ｘ＜３）
で表される組成比からなるようにし、セリウム(Ce)の一部をジスプロシウム(Dy)に置換した構造としている。
【００１８】
このようなセリウム希土類鉄ガーネット結晶中の組成別の光の複屈折率（本実施形態の説明中では以下「Δｎ」という）に着目する。磁界をかけた方向の方が複屈折率が大きくなる場合をΔｎ＞０とすると、セリウムのΔｎは負の値であるのに対し、ジスプロシウムのΔｎは正の値を有している。そこで、組成ｘの値として、ガーネット結晶構造を成立させる範囲（０＜ｘ＜３）でセリウムによる負の値とジスプロシウムによる正の値とが相殺される値を選ぶようにすれば、本組成のセリウム希土類鉄ガーネット結晶における複屈折率（Δｎ）をゼロにすることができる。ジスプロシウム(Dy)の置換量ｘは、好ましくは２．５以上３未満、最も好ましくは２．９程度である。
【００１９】
この磁気光学素子１に利用される組成比Ce_3-xDy_xFe₅O₁₂（ただし０＜ｘ＜３）のセリウム希土類鉄ガーネット単結晶は、例えば公知のフローティング・ゾーン法によって製造される。
【００２０】
フローティング・ゾーン法は、種子結晶と原料棒との間に液相を形成して原料棒を液相中に溶かして種子結晶上に単結晶として析出させるものである。ここで、本実施形態の原料棒３は焼結棒からなり、この焼結棒に用いるCeRIGは、組成が Ce_3-xDy_xFe₅O₁₂ という条件になるように焼結して形成されたものである。この場合、焼結棒の組成比ｘの範囲は、０＜ｘ＜３である。また、結晶成長を行う液相５については、Ce：Dy：Feの成分比を、
Ce＝０〜１０
Dy＝０〜５０
Fe＝５０〜８５
としている。この液相のCe：Dy：Feの成分比は好ましくはCeとDyとFeの全ての元素を含むことであるが、場合によってはCeは含まれなくとも良い場合がある。
【００２１】
フローティング・ゾーン法によるCe_3-xDy_xFe₅O₁₂（ただし０＜ｘ＜３）のセリウム希土類鉄ガーネット単結晶の製造方法は、まず、特に図示しないが例えば４個の楕円鏡の一端の焦点にハロゲンランプを設置し、もう一方の焦点に結晶組成とほぼ同一の原料棒３と種子結晶４を図２に示すように上下に離して設置し、種子結晶４の上に原料棒３とは組成の異なる液相５を作るための原料を設置する。この時点で液相５は固体であっても構わない。また、原料棒３および種子結晶４は石英管で囲い、好ましくは0.1〜50rpmの速度で回転させる。石英管内は酸素、窒素、アルゴンまたは純空気で大気圧の雰囲気にする。続いてハロゲンランプの出力を０Ｗ〜1000Ｗまで調節し、液相５を加熱し溶かしてから原料棒３の位置を下げ、図３に示すように溶けた液相５を介して原料棒３と種子結晶４を接合する。そうしたら、図４に示すように原料棒３を下端から溶融させつつ、ランプを固定したまま原料棒３と種子結晶４とを同時に同速度で下降させる。下降速度は、好ましくは0.1〜20mm／ｈ（毎時）、より好ましくは約１mm／ｈ程度である。原料棒３の成分は、溶融した後に種子結晶上に再結晶して単結晶を析出し、徐々に結晶成長する。成長したこの結晶６をカッターなどでディスク状にスライスしてから研磨して磁気光学素子１とする。
【００２２】
以上のような組成の磁気光学素子１を利用した本実施形態の磁界センサによると、光の伝搬方向に磁界をかけることに加え、図１に示すように光の伝搬方向と垂直な方向の磁界Ｈｂがあらかじめ印加されることにより磁気光学素子１の磁化の方向が一定の向きに揃えられるので感度が良くなり、被測定磁界Ｈａが小さくとも偏光面を回転させて精度良く磁界を測定できる。
【００２３】
また、この磁界センサでは、垂直磁界Ｈｂを与えていることからコットン・ムートン効果によって図示するような楕円偏光が生じ得るが、垂直方向の磁界Ｈｂを与えたことによる伝搬方向との複屈折率の相違分は、 Ce_3-xDy_xFe₅O₁₂という組成のセリウム希土類鉄ガーネット結晶中においてコットン・ムートン効果がゼロになるジスプロシウムの組成を選び相殺することによって楕円偏光となるのを防止することが可能となる。
【００２４】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【００２６】
以上の説明より明らかなように、請求項１記載の発明によると、液相の Ce ： Dy ： Fe の成分比を
Ce ＝０〜１０
Dy ＝０〜５０
Fe ＝５０〜８５
とすることで、原料棒中のセリウム希土類鉄ガーネット結晶が一度溶融してから液相を介して種子結晶上に組成比を変えずに析出して単結晶を生成する。
【００２７】
また、請求項２記載の発明の磁界センサによると、光の伝搬方向と垂直な方向に磁界Ｈｂをあらかじめ加え磁界中のスピンの向きが揃うように一定にしたことから、たとえ弱い測定磁界をかけた場合でも精度よく回転させて感度をよくすることができる。
【００２８】
しかも、この場合、垂直方向の磁界Ｈｂを加えたことによる伝搬方向および垂直方向の複屈折率の相違分を Ce_3-xDy_xFe₅O₁₂という組成のセリウム希土類鉄ガーネット結晶で形成した磁気光学素子によって相殺するようにしたことから、楕円偏光となって検出感度が劣るのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁界センサの原理図である。
【図２】フローティング・ゾーン法によるセリウム希土類鉄ガーネット単結晶の製造開始工程を示す図である。
【図３】フローティング・ゾーン法によるセリウム希土類鉄ガーネット単結晶の加熱工程を示す図である。
【図４】フローティング・ゾーン法によるセリウム希土類鉄ガーネット単結晶の結晶成長工程を示す図である。
【図５】従来の磁界センサの原理図である。
【符号の説明】
１磁気光学素子
２磁化（スピン）
３原料棒
４種子結晶
５液相
Ｐ偏光子
Ａ検光子
Ｄ検出器

Claims

種子結晶と原料棒との間に液相を形成して前記原料棒を前記液相中に溶かして前記種子結晶上に単結晶として析出させるフローティング・ゾーン法によって Ce _3-x Dy _x Fe ₅ O ₁₂ （ただし０＜ｘ＜３）の単結晶を製造する方法において、前記液相の Ce ： Dy ： Fe の成分比を
Ce ＝０〜１０
Dy ＝０〜５０
Fe ＝５０〜８５
とすることを特徴とするセリウム希土類鉄ガーネット単結晶の製造方法。
偏光子と磁気光学素子と検光子と検出器とを備え、前記磁気光学素子にかかる光の伝搬方向への磁界Ｈａの大きさに応じてファラデー効果によって偏光面を回転させて光量を検出するようにした磁界センサにおいて、前記磁気光学素子に組成比 Ce _3-x Dy _x Fe ₅ O ₁₂ （ただし０＜ｘ＜３）のセリウム希土類鉄ガーネット単結晶を用い、かつ光の伝搬方向と垂直な方向に磁界Ｈｂがあらかじめ加えられていることを特徴とする磁界センサ。