JPH02297083A - 高感度光磁界センサ - 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） 本発明は磁性ガーネット材料の磁気光学効果を利用した
光磁界センサに関し、特に配電線の地絡事故検出等に用
いられる高感度で磁気光学特性の良好な光磁界センサに
関するものである。

（従来の技術） 高電圧・高電流が使用される電力分野などでは、その電
流・電圧を制御するための測定器として従来電気式の測
定器が用いられていた。このため、測定器自体が地絡・
短絡事故の原因となることを防ぐため、非常に大型で、
絶縁信頼性の高いことが必要となり、コストが高く設置
に広い場所を必要とする等の問題があった。

近年、上述した測定器の問題点を解消するため、磁気光
学効果を持つファラデー素子（例えば磁性ガーネット材
料）と光ファイバを組み合わせた光磁界センサが開示さ
れている（Ｋ、ＫＹ［ＩＭＡ　ｅｔ、　ａｌ、。

ＩＥＢＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、　　Ｖｏｌ、　　ＱＥ−１８，
Ｎｏ、　１０．１６１９　（１９８２））。

この光磁界センサは、発光ダイオード等からなる光源部
と、例えば磁性ガーネット材料からなるファラデー素子
を偏光子と検光子との間に介在させて構成される磁界検
出部と、光源部から出射して磁界検出部を通過した光を
受光し計測する測定回路部と、これらの各部間を光学的
に結合する光ファイバを用いた光電送路とからなるもの
であるＱそのため、磁界検出部と測定回路部とは光ファ
イバにより光学的に結合されているだけで電気的には絶
縁されているため絶縁信頼性が高く、また電送部が光フ
ァイバのため電磁誘導を受けない等のため測定精度も十
分な磁界検出器を低コストで簡単な設備により設置可能
となった。

ここで、磁性ガーネット材料は、ファラデーガラス、ビ
スマスシリコンオキサイド等のファラデー素子の中でも
特に大きな磁界検出感度（ベルデ定数）を持つことが知
られている。従って、光磁界センサの特性を改良するた
めに、ファラデー効果を有する磁性ガーネット材料に様
々な工夫がなされている。

例えば、特開昭６２−１５０１８５号公報、特開昭６２
−１８８９８２号公報においては、磁性ガーネット単結
晶材料の面方位を規定することにより、高精度の磁界検
出を可能とすることが提案されている。また、特開昭６
３−１６３８１５号公報においては、カルシウムを添加
することにより磁性ガーネット多結晶体を透明化し、高
精度の磁界検出を可能とすることが提案されている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上述した磁性ガーネット単結晶材料では
、その製造法として一般的にＦＺ法、ＬＰＥ法、フラッ
クス法等を用いているが、これらの方法はガーネットの
融液から単結晶を成長させるため、高価な装置を必要と
し、量産性に乏しく、材料特性のばらつきが生じ易い等
の問題があった。

また、上述したカルシウムを添加することにより透明化
した磁性ガーネット多結晶体は、量産性については上述
した単結晶材料より優れているものの、以下のような問
題があった。まず、カルシウムを添加することにより、
磁気光学特性すなわちファラデー回転角およびベルデ定
数が小さくなり、センサ感度が低下してしまう問題があ
った。

次に、カルシウムの電荷を補償するためさらにバナジウ
ムを添加する必要があり、製造段階で混合する元素が多
種類となるため、焼結体内部が不均質になりやすく、セ
ンサの磁気光学特性にばらつきが生じやすい問題もあっ
た。

なお、これらの磁性ガーネット材料を配電機器の地絡事
故検出用の光磁界センサとして使用する場合、その特性
として磁気光学素子の感度と素子の均質性が問題となる
。配電機器の地絡事故検出においては、機器の劣化によ
り流れる数１０ｍＡ程度の地絡事故電流を検出するため
、約０．０１０ｅ以下の磁界を検出することが要求され
る。また、配電機器の接地線に取りつけるため、センサ
部分を軽量化した鉄心などを用いない構成が望ましく、
特に高感度の磁性ガーネット材料が要求されている。

本発明の目的は上述した課題を解消して、高感度で出力
の安定性が高く、さらに均質な磁界検出特性を持つ光磁
界センサを提供しようとするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明の高感度光磁界センサは、光源部と、偏光子、検
光子の間に磁気光学素子を介在させて構成される磁界検
出部と、光源部から出射して磁界検出部を通過した光を
受光する受光部と、各部を制御するとともに受光部で受
光した光を計測する測定制御部と、光源部と磁界検出部
との間および磁界検出部と受光部との間を光学的に結合
する光ファイバを用いた光電送路とからなる光磁界セン
サにおいて、前記光学素子として、ベルデ定数３ｄｅｇ
　／　ｃｍ　・Ｏｅ以上、厚さ３００　μｍ以上、光透
過率１０％以上の特性を有し、その組成が Ｂｌｘ　Ｒｅ５−Ｘ　Ｆｅ５−ｙＺｙ、ｏ＋ｚ　（Ｒｅ
はイツトリウムまタハ希土類元素、Ｘ＝０．７〜１．５
　、　　Ｙ＝０．３〜１．２、Ｚはガク２ウムまたはア
ルミニウム）で表されるガーネット型フェライト多結晶
体を用いることを特徴とするものである。

（作　用） 上述した構成の光磁界センサによれば、磁気光字素子と
して、所定の磁気光学特性を有するＢｌｘ　Ｒｅ＋−Ｘ
　Ｆｅ５−ｙ　Ｚｙ　０１２　（Ｒｅはイツト１７ウム
マタハ希土類元素、Ｘ＝０．７〜１．５　、Ｙ＝０．３
〜１．２、Ｚはガリウムまたはアルミニウム）組成のガ
ーネット型フェライト多結晶体を使用しているため、そ
の磁気光学特性を均質でかつ非常に高感度にでき、配電
機器の地絡事故検出に必要な約０．０１００ｅ以下の磁
界検出が可能となり、その結果数１０ｍＡ程度の地絡事
故電流の検出が可能となる。

以下、本発明で用いられる磁性ガーネ−，）型フェライ
ト多結晶体の磁気光学特性、組成および製造法について
それぞれ限定した理由について説明する。

まず磁気光学特性については、配電機器の接地線に流れ
る５Ｑ　ｍＡの地絡電流を約１０＋ｒ＋ｍ離れた位置に
光磁界センサを置いて検出する場合、その部分の磁界は
約０．０１０ｅとなる。このため、光磁光検出器におい
て十分な検出が可能なＯ，ＯＯ１ｄｅｇ以上のファラデ
ー回転角を得ようとすると、ベルデ定数が３　ｄｅｇ／
　Ｃｍ　・００以上、厚さ３００μｍ以上の素子が必要
となる。これは、素子の特性としてファラデー回転角が
以下の式、 ｅＦ＝Ｖ−Ｌ−Ｈ ここで、ｅＦ＝ファラデー回転角（ｄｅｇ）Ｖ　：ベル
デ定数（ｄｅｇ／　ａｍ、　０ｅ）Ｌ　：素子厚さ（ａ
ｍ） Ｈ：磁場（Ｏｅ） で表せることにより理解できる。

磁性ガーネット光透過率については、ガーネット内部で
の光の吸収と、表面での反射による減衰が考えられる。

内部での吸収については、光の吸収係数をαとした場合
に以下の式、 −αＬ Ｉ／Ｉｏ　＝ｅ ここで、Ｉ　：出射光量 Ｉｏ二人射光量　（反射を除く） で表される。この効果は、光の吸収係数と素子厚さの積
の指数関数となるため、十分な感度を得るため素子厚を
増すには、吸収係数を小さくする必要がある。また反射
の効果については、ＡＲコート等の処理により１％程度
にすることが可能であるため、ここでは考慮しないが、
磁性ガーネットの場合屈折率の関係で約３０％程の反射
が起こることが知られている。光透過率について１０％
以上と限定した理由については、透過率が高い方が受光
・計測する光計測部に戻る光量が多いため高感度の測定
が可能であり、１０％以下の透過率では、０．０１００
ｅ　　以下の磁界検出が難しいと考えられるからである
。

磁気光学素子の組成が、Ｂｉｘ　Ｒｅ５−ｘ　Ｆｅ５−
ｙ　Ｚｙ　０１２（Ｒｅはイツ）　ＩＪウムまたは希土
類元素、Ｘ＝０．７〜１．５　、　　Ｙ＝０．３〜１．
２　、　　Ｚ＝Ｇａ、　Ａｊ７）で表されるガーネット
型フェライト多結晶体を用いる理由については、一般に
希土類鉄ガーネットの希土類位置をビスマス置換するこ
とにより、ファラデー回転角を大幅に増大させられる効
果と、さらに鉄位置をＧａやＡｌで置換する事により飽
和磁化を減少させる効果が知られており、この組合せに
よって現在考えられるファラデー材料において、唯一３
ｄｅｇ／ａｍ・００以上のベルデ定数が得られる材料で
あると考えられるからである。

また、磁気光学素子のガーネット型フェライト多結晶体
の製造法として、組成を±０．０５モル％以下の変動範
囲の等量組成に制御した後、ＨＩＰ処理して透明化した
方法を用いると好ましい。その理由については、当量組
成では、ＨＩＰ処理により、９９．９９％以上に高密度
化し、赤外光に対し透明化するのに対し、組成が±０．
０５モル％以上等量組成よりずれた材料は、ＨＩＰ処理
によっても十分透明化せず、光磁界センサ素子として用
いることが難しいためである。また、Ｆ（ＩＰ処理前の
多結晶体は密度が９９．８％程度で光学素子としての使
用は不可能であった。

（実施例） 第１図は本発明の光磁界センサの一構成を示す図である
。第１図において、１は光を出射する光源、２−１．２
−２は光電送路を構成する光ファイバ、３は偏光子４、
ファラデー素子５、検光子６からなる磁界検出部、７は
光源１から出射して光ファイバ２−１、磁界検出部３お
よび光ファイバ２−２を通過した光を受光する受光素子
、８は各部の制御を行なうとともに受光素子７で受光し
た光を計測する測定制御部である。

この光磁界センサの原理について説明する。まず、光源
１　（たとえば１．３μｍの波長のＬＥＤ）から出射し
た光は、光ファイバ２−１を通して磁界検出部３の偏光
子４を通過して直線偏光になる。この直線偏光が、外部
磁界を印加したファラデー素子５を通過する場合、その
磁界の大きさに比例したファラデー回転を受ける。この
ため、検光子６から出射する光量は、磁界の大きさに比
例した変動を受けたものとなる。

測定制御部８については、光ファイバ２−２を通して受
光素子７に入った出射光を、光量に比例した電圧に変換
した後、その直流分と交流分を分離してから測定磁界に
換算する割り算回路を使用した。これにより、出射光の
強度の変動を、測定磁界に比例する電圧値として読み取
ることができる。

なお測定制御部８については、この割り算回路方式以外
にも種々の方式が知られているが、本発明による光磁界
センサはこれらの電気回路の形式のいかんにかかわらず
効果がある。

光磁界センサの検出部分に用いる磁気光学素子の製造方
法としては、フラックス法等による単結晶材料や、カル
シウムを添加して透明化した多結晶材料が知られている
ことは既に述べた。しかしながら、これらの磁気光学素
子には、先に述べたような欠点があり、上記の配電用地
絡短絡検出用の光磁界センサに使用するのには問題があ
る。

以下に、本発明に用いる配電機器用地絡事故検出器の光
磁界センサの磁気光学素子として十分な感度を持ち、し
かも磁気光学特性の揃ったビスマス、アルミニウム（ガ
リウム）置換希土類鉄ガーネット多結晶を得る方法を示
す。

まず、原料粉末を製造する方法として、３価の硝酸鉄と
硝酸ビスマスと硝酸アルミニウム（硝酸ガリウム）およ
び、イツトリウムまたは希土類金属の硝酸塩を含む混合
水溶液を原料とし、この金属塩混合水溶液を塩基の水溶
液中に滴下することにより共沈させた水酸化物を水溶液
から分離後、乾燥・仮焼・粉砕する方法を用いる。塩化
物や硫酸塩を用いない理由は、これらの塩が共沈水酸化
物中に存在すると、特にビスマスの様に低融点の酸化物
を含む場合には、これらの陰イオンの遊離が律則段階と
なり、ガーネット化温度が高温度化し、後のプロセスに
よっても十分に高密度化する焼結体を得られないからで
ある。

共沈剤として用いる塩基としては、アンモニア水または
水酸化テトラメチルアンモニウム等の金属イオンを含ま
ない塩基を用いる方法がよく、さらに混合水溶液中に炭
酸イオンを共存させ、他の陰イオンが共沈するのを防ぐ
ことも効果がある。

このようにして製造したビスマス含有量の若干異なる２
種類の粉末を、所定比で混合することにより、粉末の組
成を目標値に対して±０．０５モル％以下の変動範囲に
制御し、成形・焼成した後、熱間静水圧プレスして高密
度化することにより、気孔率０．０１％以下で波長１．
３μｍでの光吸収係数が５０　ｃｍ″″以下であるビス
マス、アルミニウム（ガリウム）置換ＹＩＧ多結晶を得
る。さらに細かく組成を制御し、焼成条件・ＨＩＰ条件
を検討することにより、最も良いものでは光吸収係数が
１ｃｍ−’以下の素子も可能である。

この素子は、配電機器の地絡事故検出に用いる光磁界セ
ンサ素子として、十分な感度と最低検出磁界をもち、素
子特性の揃ったものであった。

以下、実際の例について説明する。

実施例Ｉ ＢＩ　１．　ＯＹ２．　ｏＦｅ４．　ｓＡ　１０．５０
１２の組成を挟むようにビスマス置換量を若干変えた、
硝酸ビスマス、硝酸イツトリウム、硝酸鉄、硝酸アルミ
ニウムを混合した水溶液二種類を用意し、それぞれをア
ンモニア水溶液中に滴下し、目的組成の水酸化物の共沈
粉末を得た。これを分離、乾燥後、７５０℃で仮焼し、
粉砕してほぼ１００％ガーネット化した微細粉末を得た
。この二種類の粉末を０．０５モルずつ組成をずらして
網金、プレス成形し、酸素雰囲気下９５０℃で１０時間
焼成した。この焼成体を５Ｘ５ｘ５ｍｍの大きさに加工
し、アルゴン雰囲気下１０００気圧、９５０℃でＨＩＰ
処理した。その結果、第１表に示すように、等量組成で
ある１種類のサンプルが透光性（吸収係数２）の多結晶
体となった。

なおこの多結晶体は、平均粒子径が１〜２μｍで均一な
粒子径を持つものであった。この組成の多結晶体を大量
に調合し、同様の処理により透光性多結晶体を製造した
。

この材料を３Ｘ５ｍｍの大きさで１００．３００．５０
０１０００　μｍの厚さに加工し、両面を光学研磨した
。

この素子についてファラデー回転角、ベルデ定数、飽和
磁化、光透過率の磁気光学特性を測定した後、第１図に
示すような形で光磁界センサとして組み込み、５０Ｈｚ
で６０００の交流磁界を印加して、割り算回路方式の電
気回路部分からの出力電圧の出力温度特性、出力安定性
および最小検出磁界を測定した。その結果について第２
表に示す。

第１表 実施例２ Ｂｌ、、０Ｙ２−　ｏＦｅ、、ｏＧａ、　００１２の組
成を挟むようにビスマス置換量を若干変えた、硝酸ビス
マス、硝酸イツトリウム、硝酸鉄、硝酸ガリウムを混合
した水溶液二種類を用意し、それぞれをアンモニア水溶
液中に滴下し、目的組成の水酸化物の共沈粉末を得た。

これを分離、乾燥後、８００℃で仮焼し、粉砕してほぼ
１００％ガーネット化した微細粉末を得た。この二種類
の粉末を０．０５モルずつ組成をずらして調合、プレス
成形し、酸素雲囲気下で９５０℃で１０時間焼成した。

この焼成体を５Ｘ５Ｘ５ｍｍの大きさに加工し、アルゴ
ン雰囲気下で１５００気圧、９５０℃でＨＩＰ処理した
。その結果、第３表に示すような、等量組成である１種
類のサンプルが透光性（吸収係数２）の多結晶体となっ
た。なおこの多結晶体は、平均粒子径が１〜２μｍで均
一な粒子径を持つものであった。この組成の多結晶体を
大量に調合し、同様の処理により透光性多結晶体を製造
した。

この材料を３Ｘ５ｍｍの大きさで１００．３００．５０
０゜１０００、３０００μｍの厚さに加工し、両面を光
学研磨した。この素子についてファラデー回転角、ベル
デ定数、飽和磁化、光透過率の磁気光学特性を測定した
後、第１図に示すような形で光磁界センサとして組み込
み、５０Ｈｚで６００ｅの交流磁界を印加して、割り算
回路方式の測定制御部からの出力電圧の出力温度特性、
出力安定性および最小検出磁界を測定した。その結果に
ついて第４表に示す。

第３表 比較例１ 組成を８＋、、ＯＹ２．　ｏＦｅ４．ａＡβ０．２０＋
２とした以外は実施例１と同様な方法で透光性多結晶体
を製造した。結果を第５表に示す。

得られた多結晶体について、実施例１と同様にファラデ
ー回転角、ベルデ定数、飽和磁化、光透過率等を測定し
た。結果を第６表に示す。

第５表 上述した実施例１．２および比較例１の結果から、ベル
デ定数３　ｄｅｇ　／　ｃｍ　・Ｏｅ　　以上、厚さ３
００μｍ以上のガーネット型フェライト多結晶体を使用
すると好適なことがわかる。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明の高感度光磁界
センサによれば、所定の磁気光学特性を有するＢＩＸ　
Ｒｅ＋−ＮＦｅｓ−ｙ　ＺＹ　０１２　（Ｒｅはイツト
リウムまたは希土類元素、Ｘ＝０．７〜１．５Ｙ＝０．
３〜１，２．Ｚはガリウムまたはアルミニウム）組成の
ガーネット型フェライト多結晶体を使用しているため、
その磁気光学特性を均質でかつ非常に高感度にでき、配
電機器の地絡事故検出に必要な約０．０１０ｅ以下の磁
界検出が可能となり、その結果数１０　ｍＡ程度の地絡
事故電流の検出が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光磁界センサの一構成を示す図である
。 １・・・光源　　　　　　　２−Ｌ　２−２・・・光フ
ァイバ３・・・磁界検出部 ５・・・ファラデー素子 ７・・・受光素子 特 許 出 願 人 特 許 出 願 人

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、光源部と、偏光子、検光子の間に磁気光学素子を介
   在させて構成される磁界検出部と、光源部から出射して
   磁界検出部を通過した光を受光する受光部と、各部を制
   御するとともに受光部で受光した光を計測する測定制御
   部と、光源部と磁界検出部との間および磁界検出部と受
   光部との間を光学的に結合する光ファイバを用いた光電
   送路とからなる光磁界センサにおいて、前記光学素子と
   して、ベルデ定数３ｄｅｇ／ｃｍ・Ｏｅ以上、厚さ３０
   ０μｍ以上、光透過率１０％以上の特性を有し、その組
   成がＢｉ＿ＸＲｅ＿３＿−＿ＸＦｅ＿５＿−＿ＹＺ＿Ｙ
   Ｏ＿１＿２（Ｒｅはイットリウムまたは希土類元素、Ｘ
   ＝０．７〜１．５、Ｙ＝０．３〜１．２、Ｚはガリウム
   またはアルミニウム）で表されるガーネット型フェライ
   ト多結晶体を用いることを特徴とする高感度光磁界セン
   サ。