JPH0766044B2 - 磁界センサ - Google Patents

磁界センサ

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JPH0766044B2
JPH0766044B2 JP61089407A JP8940786A JPH0766044B2 JP H0766044 B2 JPH0766044 B2 JP H0766044B2 JP 61089407 A JP61089407 A JP 61089407A JP 8940786 A JP8940786 A JP 8940786A JP H0766044 B2 JPH0766044 B2 JP H0766044B2
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magnetic
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thin film
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専治 島貫
俊自 野村
知久 山下
進 橋本
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/032—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect
    • G01R33/0322—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect using the Faraday or Voigt effect

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は磁性体の磁気光学効果を利用した磁界センサに
関し、特に広い範囲の磁界を高精度で測定することが可
能な磁界センサを提供するものである。
（従来の技術） 電力分野では、大容量化する電力系統を効率よく運営し
たり、自動化するために、変電所等の高電圧設備をデジ
タル制御・保護するシステムが必要となっている。この
ためには、高電圧設備における高電圧送変機器等の電流
・電圧を制御・計測する電流・電圧センサが不可欠であ
る。また、各種電力設備・機器をモニターする電圧計や
電流計においては、電圧や電流を高感度かつ高精度で測
定する電圧・電流センサが不可欠である。そして、変電
所や各種電力設備・機器等の縮小化、低コスト化及び高
信頼化の実現のためには、電流・電圧センサは高電圧下
で高絶縁であること、電磁障害に強いこと、小型化、高
性能化が要求されている。
従来、電流の制御・計測は、電流によって生じる磁界を
鉄心と巻線とを有する大型の巻線型変成器を用いて電流
・電圧に変換することによって行なわれていた。しか
し、この変成器では巻線や鉄心を用いているため、広い
空間を必要とし、小型化が困難であり、また高電圧下の
絶縁性や電磁障害に問題があった。
近年、上述した変成器の難点を解決するために、磁性ガ
ーネット単結晶やZnSe単結晶が大きな磁気光学効果（フ
ァラデー効果）を有し、かつ光吸収が少ないことを利用
し、これらと光ファイバーとを組合わせた光磁界センサ
が報告されている（例えば、National Technical Repor
t,Vol.29,No.5,Oct.1983,pp.70〜80、計装Vol.26,No.1
1,Oct.1983,pp.56〜60、特開昭58-139082）。
この光磁界センサは光源部（例えば発光ダイオード）、
大きいファラデー効果を有する磁界ガーネット単結晶
（例えば(Y・Tb)3Fe5O12、(Y・Sm・Lu・Ca)3(Fe・Ge)5O12、
〔Y0.3Sm0.5Lu1.4Ca0.6Gd0.2〕 (Fe4.4Ge0.6)O12)及び偏光子を含む磁界検出部、光源部
から放射されて磁界検出部を通過した光を受光・計測す
る光計測部ならびに前記光源部、磁界検出部及び光計測
部を光学的に結合する光ファイバーを用いた光伝送路か
らなるものである。
この磁界センサは第７図に示す如く、光源１、偏光子
２、薄膜状のファラデー素子（磁性ガーネット）３、偏
光子４及び受光素子５が順次配列され、これらの間が図
示しない光ファイバーやレンズ等で光学的に結合されて
いるものである。なお、ファラデー素子３はその磁化容
易軸の方向が薄膜面に垂直で、薄膜面内では迷路状の磁
区を形成している。このファラデー素子３はその磁化容
易軸が測定磁界方向６と平行となるように、薄膜面が測
定磁界方向に垂直に配置されている（特開昭58-13908
2、特開昭58-27071、特開昭58-27072）。また、光はフ
ァラデー素子３の薄膜面に垂直に伝送される。更に、偏
光子２及び４の偏光軸は互いに45°回転した角度となる
ように配置されている。
この光磁界センサの原理を説明する。まず、光源１から
放射された光は偏光子２で直線偏光となり、ファラデー
素子３を通過する。いま、ファラデー素子３に印加され
る磁界が０の場合、ファラデー素子３は消磁状態にあ
り、光の伝送方向に磁化成分がないので、光の偏波面は
回転しない。そして、偏光子２及び４の偏光軸は互いに
45°回転した角度となるように配置されているので光源
１からの光は受光素子５によって検出される。この場
合、光の減少は前記各構成部材での光の減衰分だけであ
る。
一方、ファラデー素子３に磁界Ｈが印加された場合、フ
ァラデー素子３には磁界Ｈによって光の伝送方向の磁化
成分Ｍが誘起され、ファラデー素子３を通過する直線偏
光の偏波面は前記Ｍに比例した角度θ、すなわち θ＝θＦ・ｌ・M/Ms （ただし、θＦ：ファラデー回転係数、l:ファラデー素
子の光路長、Ms:ファラデー素子の飽和磁化）だけ回転
する。一般に、磁性ガーネットでは上述した磁化成分Ｍ
は、反磁界相当の磁界 Hd＝Ｎ・４πMs （ただは、N:反磁界係数）まで磁界Ｈに対して直線的に
変化するので、回転角θもＨに対して比例する。ここ
で、光源１から放射された光の強度をPoとし、偏光子２
と偏光子４との偏光軸を互いに45°回転した角度となる
ように配置した場合（第７図）、前記各構成部材での光
の減衰を無視すると、偏光子４からの出射光は受光素子
５で検出され、その光の強度Ｐは、 Ｐ＝αPocos2（θ−π/4） となる（αは光吸収係数）。通常θの値は極めて小さ
く、θ＜＜１と考えられるので、前式は Ｐ＝αPo（１＋２θ）/2 となる。したがって、Ｐを測定すればθを知ることがで
きる。ところで、前述したようにθは磁界Ｈに比例する
ので、光の強度Ｐを測定することによって磁界Ｈを求め
ることができる。この回転角θが大きくなればなるほ
ど、偏光子４を通過し、受光素子で検出される光強度Ｐ
の変化が大きくなる。このようにして、上記磁界センサ
では光強度Ｐの変化により磁界Ｈの大きさを測定でき
る。
しかし、上記磁界センサでは、薄膜状の磁性ガーネット
単結晶はその磁化容易軸の方向が薄膜面に垂直に向き、
薄膜面内では迷路状の磁区を形成していること、及び磁
性ガーネット単結晶の磁化容易軸が測定磁界方向と平行
となるように配置され、磁壁の移動による磁化変化を利
用して磁界の測定を行なっていることから以下のような
問題が生じる。すなわち、通過する光のビーム径が小さ
いと、磁区パターンの不均一性や磁区幅の影響を受け易
くなる。このため、磁性ガーネット単結晶の形状や方向
によっては、測定磁界がダイナミックに変化すると、同
一測定磁界に対してもθが変動し易く、磁界を高精度に
測定することが困難であるという問題がある。また、飽
和磁化が大きいと反磁界エネルギーも大きくなり、印加
される測定磁界により磁化が面内に向き易いので、一般
に飽和磁化を大きくすることができない。この結果、高
磁界の測定が困難であるという問題がある。
そこで、高磁界を測定する場合には、磁性ガーネット単
結晶の代わりに非磁性のZnSeが用いられるが、このZnSe
は磁気光学効果が小さく、感度が低いという問題があ
る。
また、上記磁界センサで小さい磁界を高感度かつ高精度
に測定する場合、前述した磁区幅の影響を受けやすいと
いう問題に加えて、上記磁界センサではファラデー素子
として用いられる磁性ガーネット単結晶の形状や磁化方
向のために測定感度（Ｓ）は Ｓ＝θＦ・l/Ms で表わされ、Msにより制限を受けて高感度化が困難であ
るという問題がある。
（発明が解決しようとする問題点） 本発明は上記問題点を解決するためになされたものであ
り、広い範囲の磁界を高精度であるいは小さい磁界を高
感度かつ高精度で測定することが可能な磁界センサを提
供することを目的とする。
［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明の磁界センサは、光源部と、磁気光学効果を有す
る磁性体からなる磁気光学素子及び偏光子を含む磁界検
出部と、前記光源部から放射されて磁界検出部を通過し
た光を計測する光計測部とを具備した磁界センサにおい
て、前記磁気光学素子が、その磁化容易軸が測定磁界本
発明に対して垂直となるように配置されたことを特徴と
するものである。
本発明の磁界センサの構成をより具体的に説明すると、
磁気光学素子が薄膜形状を有しかつその磁化容易軸が
薄膜面内にあり、磁気光学素子の薄膜面が測定磁界方向
に垂直に配置され、光が磁気光学素子の薄膜面に垂直に
伝送されるもの、磁気光学素子が薄膜形状を有しかつ
その磁気容易軸が薄膜面内にあり、磁気光学素子の薄膜
面が測定磁界方向に平行に配置され、光が磁気光学素子
の薄膜面内をこれに平行に伝送されるもの、磁気光学
素子が薄膜形状を有しかつその磁化容易軸が薄膜面に垂
直な一方向を向き、磁気光学素子の薄膜面が測定磁界方
向に平行に配置され、光が磁気光学素子の薄膜面に垂直
に伝送されるもの、又は磁気光学素子が薄膜形状を有
しかつその磁化容易軸が薄膜面に垂直であり、磁気光学
素子の薄膜面が測定磁界方向に平行に配置され、光が磁
気光学素子の薄膜面内をこれに平行に伝送されるものが
挙げられる。
以上の、、、で使用される磁性体は一軸磁気異
方性を有することが望ましい。又はのように磁性体
の磁化容易軸が薄膜面内にあるものについては、磁気光
学素子を構成する磁性体の薄膜面に垂直な異方性磁界HK
と飽和磁化４πMsとが、HK＜４πMsという関係を満たせ
ばよい。のように磁性体の磁化容易軸が薄膜面に垂直
な一方向に向くものについては、磁性体の薄膜面に垂直
な異方性磁界HK及び保磁力Hcと飽和磁化４πMsとが、HK
≧４πMsかつHc＞４πMsという関係を満たせばよい。
のように磁性体の磁化容易軸の方向が薄膜面に垂直方向
であるものについては、磁性体の薄膜面に垂直な異方性
磁界HKと飽和磁化４πMsとが、HK＞４πMsという関係を
満たせばよい。
上記のような磁性体としては、例えば以下の一般式で表
わされる磁性ガーネットが用いられ、組成を適当に変化
させることにより上記各条件を満たす磁性体とすること
ができ、上記〜のいずれかの構成の磁界センサに用
いることができる。
すなわち、一般式R3Fe5O12（ただし、ＲはＹ、La、Ce、
Nd、Pr、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luから
選ばれる少なくとも１種の元素）にて表わされる組成を
有する磁性ガーネット、一般式〔BixR3-x〕Fe5O12（た
だし、ＲはＹ、La、Ce、Nd、Pr、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、
Ho、Er、Tm、Yb、Luから選ばれる少なくとも１種の元
素、0.01≦ｘ≦2.5）にて表わされる組成を有する磁性
ガーネット、あるいは一般式〔BixR3-x〕 (Fe5-y-zMyNz)O12（ただし、ＲはＹ、Ca、Sr、La、Ce、
Nd、Pr、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luから
選ばれる少なくとも１種の元素、ＭはGa、Al、Ge、Si、
Ｖ、Sbから選ばれる少なくとも１種の元素、ＮはTi、C
r、Mn、Ni、Co、Zr、Hf、Sn、Mg、In、Ta、Nb、Scから
選ばれる少なくとも１種の元素、0.01≦ｘ≦2.5、0.01
≦ｙ≦2.0、0.01≦ｚ≦1.0）にて表わされる組成を有す
る磁性ガーネットが用いられる。
上記のような一般式で表わされる磁性ガーネットを構成
する各元素の作用、含有量の限定理由を以下に説明す
る。
Biは磁気光学効果を向上させ、磁界センサの感度を増加
させる作用を有する。Biの含有量を示すｘの範囲を0.01
≦ｘ≦2.5としたのは、ｘが0.01未満では磁気光学効果
の増加が認められず、一方ｘが2.5を超えると単結晶の
育成が困難あるいは歩留りが悪くなり、また単結晶中の
欠陥等が多くなって実用に供することができなくなるた
めである。
第３の一般式〔BixR3-x〕（Fe5-y-zMyNz）O12でFeの一
部と置換されるＭは非磁性元素であり、垂直磁気異方性
を減少させて磁化容易軸を薄膜面内に向けさせるか、又
は飽和磁化を減少させて磁化容易軸を薄膜面に垂直に向
けさせる作用を有する。Ｍの含有量を示すｙの範囲を0.
01≦ｙ≦2.0としたのは、ｙが0.01未満では上記のよう
な効果が得られず、一方ｙが2.0を超えると磁気光学効
果が減少するためである。
同様に第３の一般式でFeの一部と置換されるＮは薄膜面
内又は薄膜面に垂直な磁化を増大させ、より高い磁界の
測定を可能にさせる作用を有する。Ｎの含有量を示すｚ
の範囲を0.01≦ｚ≦1.0としたのは、ｚが0.01未満では
上記効果が得られず、一方ｚが1.0を超えると磁気光学
効果が低下するためである。
上記のような一般式で表わされる磁性ガーネットはBiを
含むため、磁気光学効果が非常に大きく、磁界に対する
感度が優れており、微少な磁界も測定できる。また、Ｍ
成分（Ga、Al、Ge、Si、Ｖ、Sb）やＮ成分（Ti、Cr、M
n、Ni、Co、Zr、Hf、Sn、Mg、In、Ta、Nb、Sc）を含む
ので、高い磁界の測定が可能である。特に、Ｎ成分のう
ちCoはこの効果が著しい。
以上のように組成を適宜調整することより、、、
では広い範囲の磁界を高精度で、またでは小さい磁界
を高感度かつ高精度で測定することが可能になる。
また、本発明において、一般式 R3Fe5O12、一般式〔BixR3-x〕 Fe5O12又は一般式〔BixR3-x〕 (Fe5-y-zMyNz)O12にて表わされる磁性ガーネットは、Ｒ
のうちGd、Tb、Dyの含有量、Ｍの含有量ｙ及びＮの含有
量ｚを調整することによって広い温度範囲にわたってフ
ァラデー回転角を一定にすることができる。
本発明において用いられる磁性ガーネット薄膜の厚さは
光の透過率とファラデー回転角の大きさとを考慮して決
定される。又はの構成の磁界センサのように光が磁
性体の薄膜面に垂直に伝送されるものでは、通常１〜40
0μｍ、更に好ましくは４〜100μｍであるが、複数枚の
薄膜を重ねて用いてもよい。一方、又はの構成の磁
界センサのように光が磁性体の薄膜面に平行に伝送され
るものでは、通常10μｍ以上、更に好ましくは40μｍ以
上であるが、複数枚の薄膜を光の伝送方向に並べて用い
てもよい。また、薄膜の代わりに最大で厚さ5mm程度ま
での板状のものでもよい。特に、上記のように組成を調
整した、ファラデー回転角の温度特性の異なる磁性ガー
ネット薄膜を複数枚用いると、温度変化に対して安定し
た性能を得ることができ、広い温度範囲で高精度の磁界
測定が可能である。
また、本発明におい用いられる磁性ガーネット薄膜の形
状は円形、矩形等いずれの形状でもよく、特定の形状を
とる必要はない。薄膜又は薄板の厚さ（ｔ）と長さ（特
に最短長ｌ）との比はt/l≦0.5であることが望ましい。
本発明において用いられる上述したような磁性ガーネッ
トは単結晶でも多結晶でもよいが、通常光吸収の少ない
単結晶の方が好ましい。この単結晶の一般的な育成方法
としては、PbO、PbF2、Bi2O3、MoO3、V2O5等の酸化物を
フラックスとして用いるフラックス法及び液相エピタキ
シャル法（LPE法）、又は化学蒸着法（CVD法）、浮遊帯
溶融法（FZ法）、溶融引上げ法（TSSG）もしくは水熱法
等が挙げられる。
なお、現在最も多く用いられているフラックス法や液相
エピタキシャル法で育成される磁性ガーネット単結晶で
は一軸性の成長誘導異方性（一軸磁気異方性）が生じや
すい。
例えば、フラックス法で育成される磁性ガーネットの単
結晶が一軸磁気異方性を持っている場合、一軸磁気異方
性が生じている方向（この方向が磁化容易軸になる）に
水平に切断して磁性ガーネット薄膜を作製すれば、又
はの構成の磁界センサにそれぞれ用いることができ
る。また、一軸磁気異方性が生じている方向に垂直に切
断して磁性ガーネット薄膜を作製すれば、又はの構
成の磁界センサにそれぞれ用いることができる。このよ
うに一軸磁気異方性が生じている方向に水平又は垂直に
切断して磁性ガーネット薄膜を作製した場合、、、
及びの磁界センサではいずれも磁化容易軸と測定磁
界方向が互いに垂直な関係になっている。
なお、磁性ガーネット単結晶薄膜では、組成によっても
異なるが、その磁化容易軸は＜111＞方向、＜110＞方
向、＜100＞方向のうちいずれか１つの方向にある。こ
のような一軸磁気異方性がある場合、、又はの構
成の磁界センサでは磁化の変化が磁化回転によるため、
測定磁界の限界（Hs）は異方性磁界HK（＝2KU/Ms、ただ
し、KU：一軸磁気異方性エネルギー、Ms:飽和磁化）、
又は反磁界（Ｎ・４πMs）と異方性磁界HKとの和とな
り、高磁界の測定が可能である。
すなわち、KUは組成を調整することにより最大〜105erg
/cm3程度の大きさまで変えられ、Msは同様に０〜160Gau
ssの範囲で調整できるので、Hsは最大数10KOeの値とな
り、高磁界の測定が可能である。特に、構成元素として
Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Biを含む場合には大きいKUを与え
ることができる。また、の構成の磁界センサでは、磁
化の変化は磁化回転によるが、反磁界の影響がないの
で、測定磁界の限界（Hs）をMsより小さくでき、測定感
度Ｓ（＝θＦ・l/Hs）は大きくなり、小さい磁界を高感
度かつ高精度に測定できる。
LPE法では基板として通常｛111｝面をもつガドリニウム
・ガリウム・ガーネットGd3Ga5O12（GGG）基板を用い、
この基板上に所望の磁性ガーネット単結晶をエピタキシ
ャル成長させて薄膜を作製する。この場合、得られた磁
性ガーネット単結晶膜の磁化容易軸方向が＜111＞方向
であれば、又はの構成がとれる。また、磁化容易軸
方向が＜110＞方向であれば、磁化容易軸を薄膜面内と
することができ、又はの構成がとれる。また、磁化
容易軸方向が＜111＞方向又は＜100＞方向であれば、
｛110｝面の基板を用いることで、前記と同様に磁化容
易軸を薄膜面内とすることができる。
また、LPE法により、例えばBi含有量の多い磁性ガーネ
ット単結晶を育成するような場合、GGG基板の代わり
に、磁性ガーネット単結晶との格子定数のミスマッチが
少ない Nd3Ga5O12、Sm3Ga5O12あるいはこれらの誘導体の単結晶
基板を用いることが好ましい。
また、本発明の磁界センサにおいて、磁性ガーネットの
磁化容易軸と測定磁界方向とは完全に垂直になっている
ことが望ましいが、垂直になっていなくても相対的に測
定感度が変化するだけであるので、本発明の目的は十分
達成できる。
更に、の構成のように測定感度を大きくする場合、一
軸磁気異方性を減少させることが望ましい。また、の
構成で一軸磁気異方性の大きさを制御することが必要な
場合及び磁性ガーネット単結晶の特定の方位面を使用す
る場合は、その面に垂直に生じている一軸磁気異方性を
減少させることが望ましい。このように、薄膜面に対し
て垂直に一軸磁気異方性をもつ磁性ガーネット単結晶に
ついては、焼鈍することによりこの一軸磁気異方性を減
少させ、磁化方向を薄膜面内に向けることができる。こ
の焼鈍の温度は900〜1500℃であることが望ましい。こ
れは焼鈍温度が900℃未満では一軸磁気異方性の減少が
認められず、一方1500℃を超えると光吸収係数が増加
し、磁界センサの感度が低下するためである。
（作用） このような磁界センサによれば、磁気光学素子（ファラ
デー素子）の磁化容易軸方向が測定磁界方向と垂直方向
であるので、測定磁界方向の磁化成分は磁界回転機構に
より生じ、この磁化成分は測定磁界の大きさに比例して
低磁界から高磁界まで直線的に変化する。また、磁気光
学素子が迷路状の磁区を形成していない場合は勿論のこ
と、迷路状の磁区を形成している場合でも磁区パターン
の不均一性や磁区幅の影響を避けることができるので、
高精度に磁界を測定することができる。
（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
実施例１〜４ 第１図は本発明に係る磁界センサの構成図である。第１
図において、光源11、偏光子12、薄膜状のファラデー素
子13、偏光子14及び受光素子15が順次配列され、これら
の間は図示しない光ファイバーやレンズ等で光学的に結
合されている。
この磁界センサでは、ファラデー素子13の磁化容易軸は
薄膜面内にあり、その磁化容易軸方向が測定磁界方向16
に対して垂直となるように、薄膜面が測定磁界方向16に
垂直に配置される。また、光ファラデー素子13の薄膜面
に垂直に伝送される。
なお、第２図に示すようにファラデー素子13を通過する
光ビーム17はファラデー素子13の磁壁18を横切らないよ
うなっている。ただし、光ビーム17がファラデー素子13
の磁壁18を横切ってもさしつかえない。また、偏光子12
と偏光子14とはその偏光軸が互いに45°回転した角度と
なるように配置され、測定磁界Ｈ＝０のとき出力信号Ｐ
＝０となるように信号処理される。
例えば、本発明の磁界センサは高電圧送変機器等の電流
の測定に用いられるので、測定磁界は交流磁界であるの
で、光の信号の直流成分（Pd）を回路処理で除去すれ
ば、出力信号（交流成分）としての光の強度Ｐはファラ
デー回転角θ及び磁界Ｈと比例関係となり、測定磁界Ｈ
＝０のとき、出力信号Ｐ＝０となる。
この磁界センサの原理を説明する。まず、光源11より放
射された光は、図示しない光ファイバーを経由して偏光
子12を通過して直線偏光となる。次に、この直線偏光は
ファラデー素子13の薄膜面に垂直に入射する。ファラデ
ー素子13に測定磁界Ｈが印加された場合、これに比例し
て磁化回転機構により光の伝送方向と同一方向の磁化Ｍ
が発生し、直線偏光はファラデー素子13通過後、この磁
化に比例して角度θ θ＝θＦ・ｌ・M/Ms （ただし、θＦ：ファラデー回転係数、l:ファラデー素
子の光路長、Ms:磁性ガーネットの飽和磁化）だけ回転
する。角度θだけ回転した直線偏光は偏光子14を通過
し、光ファイバーを経由して受光素子15に導かれ、出力
信号Ｐが得られる。そして、Ｐ＝αPo（１＋２θ）/2の
関係からθを知ることができ、さらにθが測定磁界Ｈに
比例することから測定磁界Ｈを求めることができる。
なお、後述の第１表における実施例１〜４の組成の磁性
ガーネット膜では、飽和磁化（Ms）、磁気異方性磁界
（HK）及びファラデー回転角（θＦ）は異なっていた
が、すべて容易磁化方向が薄膜面内であった。
実施例５〜９ 第３図は本発明に係る他の磁界センサの構成図である。
第３図において、光源21、偏光子22、薄膜状のファラデ
ー素子23、偏光子24及び受光素子25が順次配列され、こ
れらの間は図示しない光ファイバーやレンズ等で光学的
に結合されている。
この磁界センサでは、ファラデー素子23の磁化容易軸方
向は受光部面に垂直な一方向に向き、その磁化容易軸方
向が測定磁界方向26に対して垂直となるように、薄膜面
が測定磁界方向26に平行に配置される。また、光はファ
ラデー素子23の薄膜面に垂直に伝送される。
なお、偏光子22と偏光子24とはその偏光軸が互いにファ
ラデー素子23の厚さに応じた任意の角度だけ回転するよ
に配置され、測定磁界Ｈ＝０のとき出力信号Ｐ＝０とな
るように信号処理される。第３図図示の磁界センサにお
いても、磁界の測定は第１図図示の磁界センサと同様な
原理で行なわれる。
なお、後述の第１表における実施例５〜９の組成の磁性
ガーネット膜では、飽和磁化（Ms）、磁気異方性磁界
（HK）及びファラデー回転角（θＦ）は異なっていた
が、すべて容易磁化方向が薄膜面に垂直方向になり、磁
化が一方向を向いていた。
実施例10〜14 第４図は本発明に係る更に他の磁界センサの構成図であ
る。第４図において、光源31、偏光子32、薄膜状のファ
ラデー素子33、偏光子34及び受光素子35が順次配列さ
れ、これらの間は図示しない光ファイバーやレンズ等で
光学的に結合されている。
この磁界センサでは、ファラデー素子33の磁化容易軸方
向は薄膜面に垂直であり、その磁化容易軸方向が測定磁
界方向36に対して垂直となるように、薄膜面が測定磁界
方向36に平行に配置される。また、光はファラデー素子
33の薄膜面をこれに平行に伝送される。
なお、第５図に示すように、ファラデー素子33を通過す
る光ビーム37はファラデー素子33の磁壁38をどのように
横切ってもよい。また、偏光子32と偏光子34とはその偏
光軸が互いに45°回転した角度となるように配置され、
測定磁界Ｈ＝０のとき出力信号Ｐ＝０となるように信号
処理される。第４図図示の磁界センサにおいても、磁界
の測定は第１図図示の磁界センサと同様な原理で行なわ
れる。
なお、後述の第１表における実施例10〜14の組成の磁性
ガーネット膜では、飽和磁化（Ms）、磁気異方性磁界
（HK）及びファラデー回転角（θＦ）は異なっていた
が、すべて容易磁化方向が薄膜面に垂直方向になってい
た。
実施例15〜19 第６図は本発明に係る更に他の磁界センサの構成図であ
る。第６図において、光源41、偏光子42、薄膜状のファ
ラデー素子43、偏光子44及び受光素子45が順次配列さ
れ、これらの間は図示しない光ファイバーやレンズ等で
光学的に結合されている。
この磁界センサでは、ファラデー素子43の磁化容易軸は
薄膜面内にあり、その磁化容易軸方向が測定磁界方向46
に対して垂直となるように、薄膜面が測定磁界方向46に
平行に配置される。また、光はファラデー素子43の薄膜
面内をこれに平行に伝送される。
なお、偏光子42と偏光子44とはその偏光軸が互いに45°
回転した角度となるように配置され、測定磁界Ｈ＝０の
とき出力信号Ｐ＝０となるように信号処理される。第６
図図示の磁界センサにおいても、磁界の測定は第１図図
示の磁界センサと同様な原理で行なわれる。
上述した各磁界センサにおいて、それぞれ光源として波
長λ＝1.3μｍのLED、偏光子としてルチルTiO2単結晶、
受光素子としてInGaAsのフォトダイオード（PIN-PD）を
用いた。また、ファラデー素子として下記表に示す組成
を有する実施例１〜19の磁性ガーネット薄膜（第１図図
示の磁界センサについては実施例１〜４、第３図図示の
磁界センサについては実施例５〜９、第４図図示の磁界
センサについては実施例10〜14、第６図図示の磁界セン
サについては実施例15〜19）からなるものを用いてファ
ラデー素子に所定の方向に磁界を印加して出力Ｐの変化
を調べた。
なお、上記各磁性ガーネット薄膜は以下のようにして作
製された。実施例１〜４及び15〜19の磁性ガーネット薄
膜は、磁化容易軸が薄膜面内になるように｛110｝面も
しくは｛111｝面をもつ厚さ0.5mmのGd3Ga5O12、 Nd3Ga5O12もしくは (GdCa)3(MgZrGa)5O12単結晶基板上にLPE法で育成したも
の又はフラックス法で育成した単結晶を一軸磁気異方性
を示す方向に平行に切断して得たものである。実施例５
〜14の磁性ガーネット薄膜は、磁化容易軸が薄膜面に垂
直になるように｛111｝面をもつ厚さ0.5mmのGd3Ga
5O12、 Nd3Ga5O12もしくは (GdCa)3(MgZrGa)5O12単結晶基板上にLPE法で育成したも
の又はフラックス法で育成した単結晶を一軸磁気異方性
を示す方向に垂直に切断して得たものである。
また、これらの磁性ガーネット薄膜の厚さは、実施例１
〜９については40〜400μｍ、実施例10〜19については2
00〜700μｍである。
これらと比較するために、ファラデー素子として従来報
告されている非磁性のZnSe単結晶（膜厚5mm）（比較例
１）ならびに下記表に示す組成を有する比較例２（膜厚
100μｍ）、比較例３（膜厚100μｍ）及び比較例４（膜
厚500μｍ）の磁性ガーネット薄膜からなるものを用
い、第７図図示の従来の磁界センサを作製し、上記と同
様な測定を行なった。
以上の実施例１〜14及び比較例１〜３の各磁界センサの
出力、分解能及び測定磁界範囲を下記第１表にまとめて
示す。また、実施例15〜19及び比較例４の各磁界センサ
の測定感度を下記第２表にまとめて示す。
更に、実施例１、４及び10ならびに比較例１及び２の磁
界センサについて印加磁界とファラデー回転角との関係
を第８図に、実施例15及び比較例４の磁界センサについ
て印加磁界とファラデー回転角との関係を第９図にそれ
ぞれ示す。
上記表から明らかなように、実施例１〜14の磁界センサ
では比較例１〜３の磁界センサよりも高い出力及び優れ
た分解能を示し、測定磁界範囲も非常に広いことがわか
る。また、実施例15〜19の磁界センサは比較例４の磁界
センサよりも高い測定感度を示すことがわかる。
また、第８図及び第９図に示すように、実施例１、４、
10、15の磁界センサでは印加磁界に対するファラデー回
転角は最大測定磁界まで直線的に変化することがわか
る。
なお、フラックス法で育成した薄板状単結晶（厚さ0.2
〜1mm）でも同様の結果が得られた。
また、本発明の磁界センサにおける構成及び磁性体は光
ヘテロダイン式位相検出器（特開昭59-19875、特開昭59
-52774）を用いた磁界センサにも利用できるため、高感
度の磁界測定が可能である。
［発明の効果］ 以上詳述した如く本発明によれば、広い範囲の磁界を高
出力で、又は高感度かつ高精度に測定することが可能な
磁界センサを提供できるものである。
【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の実施例における磁界センサの構成図、
第２図は同磁界センサでの光の伝送方向、ファラデー素
子の磁化容易軸方向及び測定磁界方向の関係を示す説明
図、第３図は本発明の他の実施例における磁界センサの
構成図、第４図は本発明の他の実施例における磁界セン
サの構成図、第５図は同磁界センサでの光の伝送方向、
ファラデー素子の磁化容易軸方向及び測定磁界方向の関
係を示す説明図、第６図は本発明の他の実施例における
磁界センサの構成図、第７図は従来の磁界センサの構成
図、第８図は本発明の実施例１、４、10及び比較例１、
２の磁界センサにおける印加磁界とファラデー回転角と
の関係を示す線図、第９図は本発明の実施例15及び比較
例４の磁界センサにおける印加磁界とファラデー回転角
との関係を示す線図である。 11、21、31、41……光源、12、14、22、24、32、34、4
2、44……偏光子、13、23、33、43……ファラデー素
子、15、25、35、45……受光素子、16、26、36、46……
測定磁界方向、17、37……光ビームの伝送方向、18、38
……磁壁。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 橋本 進 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭56−93062（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−139082（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−186065（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−218971（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−17875（ＪＰ，Ａ)

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】光源部と、磁気光学効果を有する磁性体か
    らなる磁気光学素子及び偏光子を含む磁界検出部と、前
    記光源部から放射されて磁界検出部を通過した光を計測
    する光計測部とを具備した磁界センサにおいて、磁気光
    学素子が薄膜形状を有しかつその磁化容易軸が薄膜面内
    にあり、磁気光学素子の薄膜面が測定磁界方向と垂直に
    配置され、光が磁気光学素子の薄膜面に垂直に伝送され
    ることを特徴とする磁界センサ。
  2. 【請求項２】光源部と、磁気光学効果を有する磁性体か
    らなる磁気光学素子及び偏光子を含む磁界検出部と、前
    記光源部から放射されて磁界検出部を通過した光を計測
    する光計測部とを具備した磁界センサにおいて、磁気光
    学素子が薄膜形状を有しかつその磁化容易軸が薄膜面に
    垂直な一方向を向き、磁気光学素子の薄膜面が測定磁界
    方向と平行に配置され、光が磁気光学素子の薄膜面に垂
    直に伝送されることを特徴とする磁界センサ。
  3. 【請求項３】光源部と、磁気光学効果を有する磁性体か
    らなる磁気光学素子及び偏光子を含む磁界検出部と、前
    記光源部から放射されて磁界検出部を通過した光を計測
    する光計測部とを具備した磁界センサにおいて、磁気光
    学素子が薄膜形状を有しかつその磁化容易軸が薄膜面に
    垂直であり、磁気光学素子の薄膜面が測定磁界方向と平
    行に配置され、光が磁気光学素子の薄膜面内をこれに平
    行に伝送されることを特徴とする磁界センサ。
  4. 【請求項４】磁気光学素子を構成する磁性体が一軸磁気
    異方性を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項
    乃至第３項いずれか記載の磁界センサ。
  5. 【請求項５】磁気光学素子を構成する磁性体の薄膜面に
    垂直な異方性磁界HKと飽和磁化４πMsとが Hk ＜ 4πMs の関係を満たすことを特徴とする特許請求の範囲第１項
    記載の磁界センサ。
  6. 【請求項６】磁気光学素子を構成する磁性体の薄膜面に
    垂直な異方性磁界HK及び保磁力Hcと飽和磁化４πMsとが HK ≧ 4πMsかつHc ＞ 4πMs の関係を満たすことを特徴とする特許請求の範囲第２項
    記載の磁界センサ。
  7. 【請求項７】磁気光学素子を構成する磁性体の薄膜面に
    垂直な異方性磁界HKと飽和磁化４πMsとが HK ＞ 4πMs の関係を満たすことを特徴とする特許請求の範囲第３項
    記載の磁界センサ。
  8. 【請求項８】磁性体が一般式 R3Fe5O12 （ただし、ＲはＹ、La、Ce、Nd、Pr、Sm、Eu、Gd、Tb、
    Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luから選ばれる少なくとも１種の
    元素） にて表わされる組成を有する磁性ガーネットであること
    を特徴とする特許請求の範囲第４項乃至第７項いずれか
    記載の磁界センサ。
  9. 【請求項９】磁性体が一般式 〔BixR3-x〕Fe5O12 （ただし、ＲはＹ、La、Ce、Nd、Pr、Sm、Eu、Gd、Tb、
    Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luから選ばれる少なくとも１種の
    元素、0.01≦ｘ≦2.5） にて表わされる組成を有する磁性ガーネットであること
    を特徴とする特許請求の範囲第４項乃至第７項いずれか
    記載の磁界センサ。
  10. 【請求項１０】磁性体が一般式 〔BixR3-x〕(Fe5-y-zMyNz)O12 （ただし、ＲはＹ、Ca、Sr、La、Ce、Nd、Pr、Sm、Eu、
    Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luから選ばれる少なくと
    も１種の元素、 ＭはGa、Al、Ge、Si、Ｖ、Sbから選ばれる少なくとも１
    種の元素、 ＮはTi、Cr、Mn、Ni、Co、Zr、Hf、Sn、Mg、In、Ta、N
    b、Scから選ばれる少なくとも１種の元素、 0.01≦ｘ≦2.5、0.01≦ｙ≦2.0、0.01≦ｚ≦1.0） にて表わされる組成を有する磁性ガーネットであること
    を特徴とする特許請求の範囲第４項乃至第７項いずれか
    記載の磁界センサ。
  11. 【請求項１１】磁性体がファラデー回転角の温度特性の
    異なる複数枚の磁性ガーネット薄膜からなることを特徴
    とする特許請求の範囲第８項乃至第10項いずれか記載の
    磁界センサ。
  12. 【請求項１２】磁性体の厚さｔと最短長ｌとがt/l≦0.5
    の関係を満たすことを特徴とする特許請求の範囲第８項
    乃至第10項いずれか記載の磁界センサ。
  13. 【請求項１３】磁性体を構成する磁性ガーネットが900
    〜1500℃で焼鈍されたことを特徴とする特許請求の範囲
    第８項乃至第10項いずれか記載の磁界センサ。
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