JPH01312483A - 磁界測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は磁気光学素子によるファラデー回転を観測して
磁界を検出し、その磁界強度を測定する装置に関するも
のである。

従来の技術 最、近、磁界強度を光を用いて測定する方法として、フ
ァラデー効果を利用する方法が提案されている。例えば
欠間らによる文献　ＩＥ３ＱＥ−１８１６１９（１９８
２）がある。

特に電流が流れている導体の周りの磁界強度を測定して
電流を検知する方法は、光を媒体とするために絶縁性が
良好である、電磁誘導ノイズを受けないなどの特徴を持
ち、送配電没頭への適用が考えられている。

第９図にファラデー効果を用いた磁界の測定方法の原理
図を示す。第２図において磁界ｒ（中に磁気光学素子１
が配置されている。この磁気光学素子１（こ偏光子２で
直線偏光とされた光を通過させる。ファラデー効果によ
り偏光面は磁界強度Ｈに比例し２て回転を受ける。回転
を受けた偏光は偏光子２と透過偏光方向を４５°異なら
しめた検光子３を通過し、回転角θの大きさが光量変化
に変換される。その時の光出力は次式で与えられる。

Ｐ　ｏｕｔ＝　Ｋ　（１＋　ｓ　ｉｎ　２θ）　　　　
−−−−・−（１）θ　＝ＣＨｅ ここで、Ｐ　ｏ＋、＋ｔは光出力、Ｋは比例定数、θは
ファラデー回転角［度］、Ｃは感度定数で単位はＥ度／
　ｃｍ　Ｏｅ　］であり、磁気光学素子の感度を示すも
のである。

この様な原理を応用した磁界測定装置を応用したものと
して、複数点に磁界測定器を配置して、各測定器からの
電気出力を演算器に入力し、その波形の和あるいは差を
取って参照信号とし、例えば零相電流を検出して事故の
判定を行なう様なものが提案されている。

さて、この様な磁界測定装置に用いられる磁気光学素子
としては、代表的なものとして、一般弐Ｙ３Ｆｅｓｏ＋
２で示されるＹＩＧ結晶がある。しかしながら、第８図
に示す様に感度定数Ｃの温度変化は大きく、使用温度付
近の一２０℃〜１２０°Ｃの温度範囲で＋１６％もの変
化を示し、精度が周囲温度の変化に対して太き（変化す
るという実用上の問題点がある。これを解決するものと
して、一般式Ｔｂｘ　Ｙ３−Ｘ　Ｆ　ｅｓ　０１２で示
されＸの値が０．３≦ｘ≦０．９である希土類鉄ガーネ
ット結晶を磁気光学素子として用いるものがある。この
磁気光学素子を用いた装置における測定精度の温度変化
は一２５℃〜１２０℃で±１％とかなり改善されている
。

一方、Ｂｉで置換した希土類鉄ガーネット結晶のファラ
デー回転能は大きく、磁気光学素子として用いる事によ
って、磁界測定装置の感度も向上し、又量産性も向上す
る利点が有るが、実現された例がない。

発明が解決しようとする課題 従来の技術で述べてきた様に、磁界測定装置に用いられ
る磁気光学素子については、感度が大きくとれるＢｉ置
換希土類鉄ガーネットにおいて、実用上問題のない、感
度定数の温度変化を持つ磁気光学素子が得られていない
のが現状である。また、その製造上の問題点として、従
来のＹＩＧの様なりｉを含まない希土類鉄ガーネット結
晶の場合、長さ２園程度の素子が必要であるため、ブラ
ックス法やＦＺ法の製造方法をとっていたために、製造
時間が長く、測定装置の量産性が損なわれるといった問
題があった。しかしながら、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネッ
ト結晶において、感度定数の温度変化が小さいものを提
供すれば、必要な素子の厚みも５０〜３００１．ｔｍ程
度で良く、量産性に富んだＬＰＥ法、気相法を用いる事
ができる。

さらに、磁気光学素子の厚みが薄（できる事によって、
従来吸収係数が大きくて、使用不可能であった０、８μ
ｍ帯の波長を持つ光源を用いる事ができる。従って、フ
ァラデー効果の大きな短波長側で使用する事により、低
価格な光源及び受光器を用いる事ができ、さらに低価格
化が実現するものである。

本発明は、かかる点を鑑みてなされたものであり、感度
定数が大きく、さらにその温度変化が実用上問題となら
ないＢｉ置換型希土類鉄ガーネットを実現し、この結晶
を磁気光学素子として用いた磁界測定装置を提供するも
のであり、さらに量産性を向上させ、低価格化も実現さ
せることを目的としている。

課題を解決するための手段 本発明は上記問題点を解決するため、透過偏光方向を互
いに異ならしめた偏光子と検光子との間に一般式Ｂ　ｉ
　ｘＧ　ｄｙＹ３−（ｘ＋ｙ）　Ｆ　ｅ　５０１２（１
，０≦ｘ≦１．４．０．１≦ｙ≦０．７）で示されるＢ
ｉ置換希土類鉄ガーネット結晶よりなる磁気光学素子を
配置した磁気光学変換部と、前記磁気光学変換部の両端
に設けられた光伝送路と、前記光伝送路に光を入射する
光発生手段と、前記入射光が前記磁気光学変換部を透過
した後の光出力を検知して電気信号に変換する検知手段
と、前記検知手段からの電気信号を処理する電気回路を
備え、前記磁気光学変換部を磁界中に配置する事により
、磁界強度を検知する磁界測定装置であり、さらに、磁
気光学変換部を被測定磁界の数だけ具備し、それぞれの
前記号に変換する検知手段を被測定磁界の数だけ設け、
各々の前記検知手段がらの電気信号を加減算する信号処
理回路を備え、複数の被測定磁界中に各々の磁気光学変
換部を配置することにより、磁界強度の変化を検知する
磁界測定装置であり、望むら（は、Ｃａ−Ｍｇ−Ｚｒ置
換型Ｇｄ５ＧａｓＯ＋２基板又はＮｄ３Ｇａ５ｏ１２基
板上にエピタキシャル成長してなる磁気光学素子を用い
るものであり、波長０．７μｍから０．９μｍの間に発
光ピーク波長を持つ光発生手段を用いるものである。

作用 本発明は上記の構成により、高感度で測定精度の温度変
化が小さく、量産性に富んだ磁界測定装置を与えるもの
である。この理由を以下に実施例で詳細に述べる。

実施例 本発明に用いる磁気光学素子は、一般式％式％ あるが、この結晶の感度定数の温度変化を第３図に示す
。０．１≦ｙ≦０．７の範囲では、−２０゜〜８０℃の
温度範囲で±１％以内に収まっており、特（こＢ　ｉ　
＋、３Ｇ　ｄｏ、４３Ｙ＋２７Ｆ　ｅ５０＋２１こおい
ては、±０．５％以内という良好な特性を示している。

この様な良好な結果を得る前に、この組成範囲で、感度
定数の温度変化が小さくなる事を提案したが、その理由
を以下に述べる。

希土類鉄ガーネットは強磁性体であり、ファラデー効果
は第４図の様にある・一定の磁界で飽和する。磁界測定
には、外部磁界に対して直線的に変化する部分を用いる
。この場合、外部磁界に対する回転角θは、 θ−θｐ　　（Ｈ／　Ｍｓ　）　ｅ　　　　　　−・”
（２）θＦ　＝ファラデー回転能 Ｍｓ　：飽和磁化 ｅ：結晶長 で示される。従って感度定数Ｃ及びその温度仏性は、 Ｃ（Ｔ）−θＦ　（Ｔ）／　Ｍｓ　（Ｔ）　　　−−（
３）と定規できる。（３）式からもわかる様に、感度定
数の温度変化は、θＰとＭｓの双方の温度変化によって
決定される。

第５図にＢ　ｉ　ＸＧ　ｄｙＹｘ−＜ｘ＋ｙ＋　Ｆ　ｅ
５ｏ１２のθＦの温度変化を示す。測定結果は室温のθ
Ｆで規格化して示しである。Ｇｄのｆｆ１ｎに対してθ
Ｐの温度変化は変化していない。これは、Ｂｉ置換ｆｆ
（ｘ（この場合ｘ＝１．０〜１．３）によって決まって
いるからである。第６図に、ＢｉｙＧｄｙＹ３−（ｘ＋
ｙ）Ｆｅ５０＋２のＭＳの温度変化を示す。ＭＳはＧｄ
の量ｙを増加する事により室温付近での温度変化が小さ
くなっている。従って、Ｂ　１ｘｙｉ−ｙＦ’ｅ５　ｏ
１２の系の感度定数の温度変化をＧｄの添加で改善する
事ができた。その結果を第７図に示す。第３図にも示し
た様に、Ｂ　ｉ　１．３Ｇｄｏ、＋３Ｙ＋、２７Ｆｅ５
０１２においては、±０．５％以下の良好な温度変化を
示している。これらの結晶は量産性の良いＬＰＥ法でＣ
ａ−Ｍｇ−Ｚｒ置換Ｇｄ５Ｇａｓｏ＋２基板上に成長さ
せたものである。又その感度定数はＣ＝１，４°／　ｃ
ｍ　Ｏｅ　（λ＝１．３μｍ）、及びＣ＝　５　、０　
’　／　ｃｒｎ　Ｏｅ　（λ＝０．８５．ｔｚｍ）と従
来のＹＩＧに比較して大きく、λ＝０．８５μｍの場合
の様に短波長光源を用いる事により、さらに感度が向上
する。従って、この磁気光学素子を用いる事によって、
高感度で、温度安定１１．量産性に優れた磁界測定装置
が実現できるものである。

第１図に本発明による一実施例を示す。磁気光素子子１
はＢ　ｉ　１，３Ｇ　ｄ（＋４ｚＹ１．２７Ｆ　ｅｓｏ
＋２で、厚み９０　μｒｎのものをＣａ−Ｍ　ｇ−Ｚ　
ｒ置換Ｇｄ５Ｇａｓｏ＋２基板上に１ビタキシヤル成長
したものを用いた。２は磁気光学素子］の端面に設けた
偏光子であり、３は磁気光学素子のもう一方の端面に、
偏光子２に対して透過偏光方向が４５゛傾（ように設置
した検光子である。偏光子２．検光子３としては、グラ
ン［・ムソンプリズム又は偏光ビームスプリッタを用い
た。磁気光学素子１゜偏光子２．検光子３より構成され
ろ磁気光学変換部は、測定磁％！　（）−１）中に配置
され１イ）。４はセルフｒ　ツクレンズで、磁気光学変
換部に入射する光叉は磁気光学変換部を透過した光を平
ｔ１光源にするためのちのである１、５は光伝送路を形
成するオブチ゛カルファイバである。６は光発生手段で
あり、Ｑ　、　８　ｌノｍ帯又は１　、３　ｔｔ　ｍ帯
のＬＥＤ又はＬＤを用いる。今回はλ−０、８５／ｌ　
ｔｎのピーク波長を持つ発光ダイオ゛−ドを用いた。、
７は素子１を通ｉｇｌた後の光を検知し電気信号に変換
する検知手段であり、（；〈・−ＰＤ、５ｉ−ＰＩＮ　
　ＰＤ等を用いるが、今回は０．８５μｍのＬ　Ｌ’、
　Ｄを用いるので、５ｉ−ＰＩＮ−ＰＤを用いた。８は
電気回路である。この様な構成において、磁界強度を測
定したところ、１５００ｅ以下の磁界を周囲温度−２０
°〜＋８０℃の範囲で、±１％以下の精度で測定する事
が出来た。

また、第２図に示すように、電気回路８を除（同じ構成
の磁気光学変換部９を備えた磁界測定装置ｗを３個用い
、電気信号処理回路に加算減算処理回路１０を用いて３
つの被測定磁界を測定した結果、ｊ３つの被測定磁界強
度の和及び差を精度良（測定する事ができた８第２図に
おいで、５−ａ。

５−ｂ　＊　５−〇！まオブブーイ力月ファイバ、６−
ａ　。

６−ｂ、６−ｃは光源、７−ａ＋　７　　ｂ、　７　　
ｃは光検出器、９−ａ　、　９−ｂ　、　９−ｃは磁気
光学変換部である。

発明の効呆 以上述べてきたことから明らかな様に、本発明の磁界測
定装置によれば、感度良くか一つ周囲温度の変化に影響
されずに高精度に測定できるｔ）のであ７〕、その王卒
的（Ｉｌｌ１１１１′ｆは大へろもσ）である。

【図面の簡単な説明】

品 第１７．第；２図は本発明による磁′：Ｏ８辿１定装置
のそ＋ｔそれ実施例の概略図、第；３ｖ、第）図は本発
明に用いた磁気光学素子の感度定数Ｕ）温度変化を説明
する図、第４図は希］二類鉄カーネットのファラデー効
果を説明する図、第５図はθ」・の温度変化を；ｊミす
図、第６図はＭＳの温度変化を示す図、第８［４はｆ江
東のＹ　！　Ｇ　（Ｙ：＋Ｆ　ｅｓＯＢ）の感度定数の
温度変化を示す図、第９図はファラデー効果を用いた磁
界の測定原理を示す図である。 １・・・・・磁気光学素子、２・・・・・・偏光イ、３
・・・・・・検＝ｙｔ　ｒ、４・・・・・・セルフォッ
クレンズ、５・・・・・・オプティカルファイバ、６・
・・・・・光源、７・・・・・・光検出器、８・・・・
・・電気回路、９・・・・・・磁気光学変換部、１０・
・・・・・電気演算回路。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はか１名第２図 第３図 １０　　　　　　　　　　　　２゜ Ｇａ　、ｉ掻ｔ（Ｙ） Ｓ 外部ムｌｈＨ 第５図 、Ｓ　屓　（ＴＥＭρεＦＩＡＴＬＩＲε〕（１第８図 Ｏ＋００ 温　　度　（＋Ｃ） 第９図 ＤＥＶＩＡＴＩＯＮ　（％ｊ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）透過偏光方向を互いに異ならしめた偏光子と検光
   子との間に一般式Ｂｉ＿ｘＧｄ＿ｙＹ＿３＿−＿（＿ｘ
   ＿＋＿ｙ＿）Ｆｅ＿５Ｏ＿１＿２（１．０≦ｘ≦１．４
   、０．１≦ｙ≦０．７）で示されるＢｉ置換希土類鉄ガ
   ーネット結晶よりなる磁気光学素子を配置した磁気光学
   変換部と、前記磁気光学変換部の両端に設けられた光伝
   送路と、前記光伝送路に光を入射する光発生手段と、前
   記入射光が前記磁気光学変換部を透過した後の光出力を
   検知し、電気信号に変換する検知手段と、前記検知手段
   からの電気信号を処理する電気回路を備え、前記磁気光
   学変換部を磁界中に配置することにより、磁界強度を検
   出する事を特徴とする磁界測定装置。
2. （２）前項記載の磁気光学変換部を被測定磁界の数だけ
   具備し、それぞれの前記磁気光学変換部を透過した後の
   光出力を検知し、電気信号に変換する検知手段を被測定
   磁界の数だけ設け、各々の前記検知手段からの電気信号
   を加減算する信号処理回路を備えた事を特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の磁界測定装置。
3. （３）Ｃａ−Ｍｇ−Ｚｒ置換型Ｇｄ＿３Ｇａ＿５Ｏ＿１
   ＿２基板上又はＮｄ＿３Ｇａ＿５Ｏ＿１＿２基板上に、
   Ｂｉ＿ｘＧｄ＿ｙＧｄ＿３＿−＿（＿ｘ＿＋＿ｙ＿）Ｆ
   ｅ＿５Ｏ＿１＿２で示され、ｘの値が１．０≦ｘ≦１．
   ４及びｙの値が０．１≦ｙ≦０．７であるＢｉ置換希土
   類鉄ガーネット結晶をエピタキシャル成長して得られる
   、磁気光学素子を用いる事を特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の磁界測定装置。
4. （４）波長０．７μｍから０．９μｍの間に発光ピーク
   波長を持つ光発生手段を用いる事を特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の磁界測定装置。