JPH05196905A - 磁気光学膜 - Google Patents

磁気光学膜

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JPH05196905A
JPH05196905A JP4009390A JP939092A JPH05196905A JP H05196905 A JPH05196905 A JP H05196905A JP 4009390 A JP4009390 A JP 4009390A JP 939092 A JP939092 A JP 939092A JP H05196905 A JPH05196905 A JP H05196905A
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宣夫 中村
Yosuke Asahara
陽介 浅原
Shuji Osumi
修司 大住
Satoaki Asakura
聡章 朝倉
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁気光学効果を利用した光磁界センサにおい
て、高い感度を備え且つ温度に対する感度の変動が小さ
い磁気光学膜を提供する。 【構成】 磁気光学膜を、YbX TbY Bi3-X-Y Fe3 O12
組成で成り、xが0.6〜0.8の範囲内においてx及
びyが下記の条件式を満足し且つ膜厚が110〜150
μmの磁性ガーネット膜により構成する。 1.82−1.27x≦y≦2.02−1.27x

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、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。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。そして上記のように大電流を扱う変電
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(1×10-4/ Oe 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
画が進められている。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は難しい。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、更には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0.85μm程
度の波長の光が用いられる。又、この場合、通常では光
源及び光検出器は磁気検出素子の近くに設置されるが、
一部では光源又は光検出器を遠方に設置して広範囲に渡
る電流値の監視・異常検出を行う場合がある。この場
合、光源として使用される光の波長は、光を長距離伝送
する必要性から、光通信用の1.3μmである。
【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。特に、上述した長距
離伝送用の波長1.3μmの光を用いる場合、磁性ガー
ネット膜として好適に利用できるものはなかった。
【0006】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高い感度を備え
且つ、特に波長1.3μmの光を用いたときの温度に対
する感度の変動が小さい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 Fe3 O12 の組成で成り、xが0.6〜
0.8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110〜150μmの磁性ガーネッ
ト膜であることを特徴としている。 1.82−1.27x≦y≦2.02−1.27x (1)
【0008】
【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。
【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 Fe3 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 Fe3 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 Fe3 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 3 ,B2 3 をフ
ラックスとしてYb2 3 ,Tb2 3 ,Fe2 3
溶かし込んだ融液を製作した。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190μmのYb
X TbY Bi3-X-Y Fe3 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 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(12.496A)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。又、作成した磁性
ガーネット膜の膜厚Lを190μmとしたが、これは該
膜厚Lが190μm以上では、波長1.3μmの光を用
いる場合には前記式(2)における(θf・L)が45
度以上となるためである。前記式(2)より明らかなよ
うに、(θf・L)が45度以上となっても感度Sの向
上に対しては意味が無い。
【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40個ずつ試料として取り出し、各々研
磨によってL=100〜190μmとなるように形成し
た。つまり、各上記xの組成に対して100〜190μ
mの範囲で40種類の膜厚の試料を製作した。更に各試
料のGGG基板面及び磁性ガーネット膜面に波長1.3
μm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1.3μm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 Fe3 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1×10-4〜9×10-4/ Oe となる。
【0015】従って、YbX TbY Bi3-X-Y Fe3 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
0.6〜0.8であり且つ該磁性ガーネット膜の膜厚L
が110〜150μm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1×10-4〜9×10-4/ 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。
【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

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  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 Fe3 O
    12 の組成で成り、上記xが0.6乃至0.8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110乃至150μmの磁性ガーネット膜であるこ
    とを特徴とする磁気光学膜。 1.82−1.27x≦y≦2.02−1.27x
JP00939092A 1992-01-22 1992-01-22 磁気光学膜 Expired - Fee Related JP3269101B2 (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106597053A (zh) * 2017-01-24 2017-04-26 福州大学 一种直通光路线性光学电流传感器及电流检测方法

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