JPS61221655A - 磁界または電圧電界センサ - 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 本発明は磁気光学素子のファラデー効果、電気光学素子
のポッケルス効果を利用して、磁界または電圧電界ある
いはそれらのいずれかを測定するセンサに関するもので
ある。

従来例の構成とその問題点 最近、磁界や電圧電界を光を用いて非接触で測定する方
法として磁気光学効果や電気光学効果を利用する方法が
提案されている。特に、電流が流れている導体の周りの
磁界を測定して電流を検知する方法は磁界センサの電流
センサへの応用として良く知られている。これらの方法
は光を媒体とするため絶縁性が良好である。電磁誘導ノ
イズを受けない等々の特長を持つ。

第１図（ａ）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１図において磁界Ｈ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に偏光子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に比例して回転を受ける０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示される０Ｐ
ｏｕｔ　＝：　Ｋ、　（１＋　ｓｉｎ　２θ）−・−・
（１）ココテθ＝’ｌ／Ｈｌ　、　Ｐｏｕｔは光出力、
Ｋ１は比例定数、θはファラデー回転角（度）、Ｖはヴ
エルデ定数と呼ばれるもので、単位は（ｄｏｇ／ｃｙｌ
−０ｅ）であり、磁気光学素子の感度を示すものである
０第１図中）はポッケルス効果を用いた電圧センサの基
本原理を示すものである。長さ！、厚さｄの電気光学素
子４には厚さ方向に測定電圧Ｖが印加されている。この
電気光学素子４に偏光子２で直線偏光とされた光を通過
させる。ポッケルス効果により、直線偏光は印加電圧Ｖ
に比例した量だけ位相変化を受は楕円偏光となるが、り
板５で直線偏光となり、偏光子２と透過偏光方向を平行
又は垂直に配置された検光子３を通過して、位相変化の
大きさが光量変化に変換される０その時の光出力は次式
で示されるＯ ■Ｒは半波長電圧と呼ばれるものであり、電気光学素子
の感度を示すものである。

また、この様な磁界センサを応用した電流センサと電圧
センサをそれぞれ併置して（電流）×（電圧）すなわち
電力センサを構成する方法も提案されている。

しかしながら、磁気光学素子や電気光学素子を始め他の
光学部品を別個に配置して構成するため、小型化、軽量
化、低価格化がむつかしい０又、同一特性のものを多数
個用意するばあい、特性のバラツキもさけられないもの
である０また、同一基板上に磁気光学素子、電気光学素
子を格子定数を合せて得る時には、素子材料が限定され
、感度を犠牲にする事が多く、素子が大型化せざるを得
ない場合が多い。

発明の目的 本発明は上記の欠点を鑑みてなされたものであり、同一
基板上に磁界センサ、電圧電界センサを設けて、小型軽
食で低価格な磁界または電圧電界センサを提供するばか
りでなく、従来よりも高感度なセンサを提供するもので
ある０ 発明の構成 本発明は、共通基板上に磁気光学素子と電気光学素子と
、偏光素子と波長板とを設けた磁界または電圧電界セン
サにおいて、共通基板に格子定数ａｏｔ−有する希土類
１−ネット化合物からなる第１の結晶を用い、磁気光学
素子として第１の結晶の格子定数ａ。と一致する格子定
数を有する希土類ガーネット化合物からなる第２の結晶
を用い、電気光学素子として、第１の結晶の格子定数ａ
。

と一致するかまたは整数倍または整数分の−となる格子
定数を有する正方晶系に属する電気光学結晶からなる第
３の結晶を用いたものであり、望ましくはたとえば、第
１の結晶にＧｄ、　（Ｓｃ：ｃＧａ、ｘ）０．２（１．
１９≦Ｘ≦１．５９）　　からなる結晶を、第２の結晶
に（ＢｉｙＧｄ、ア）　Ｆｅ５０．２（０．５３≦Ｙ≦
１．４０）からなる結晶を、第３の結晶に、（ＫｚＮａ
ｌ−２）　Ｂａ２Ｎｂ５０．５　（０．７０≦２≦０．
９８　）からなる結晶を用いる。

項障帥＃＃炉津 本発明においては、例えばＢｉが入った希土類鉄ガーネ
ット結晶のような高感度な磁気光学結晶と、さらに代表
的な電気光学結晶であるＬ　１Ｎｂｏ　５よりも高感度
で、双晶がなく光学的に良質な電気光学結晶例えば正方
晶系に属する（　ＫｚＮａ　＋−ｚ　）Ｂａ２Ｎｂ５０
１５を、共通基板上に格子定数を合わせて結晶成長させ
る事を可能ならしめたものによる。

実施例の説明 以下に本発明を実施例で説明する０本実施例では、共通
基板となる第１の結晶にＧｄ５（ＳｃｘＧａ５−〇）０
１２（１．１９≦Ｘ≦１．５９）、第２の結晶に（Ｂｉ
ｙＧｄ、ｙ）　Ｆｅ５０．２（０．５３≦Ｙ≦１．４０
）カらなる結晶を、第３の結晶に（Ｋｚ　Ｎａ　＋　−
ｚ　）　Ｂ　ａｚ　Ｎｂ　５Ｏ１５（０．７０≦Ｚ≦０
．９８）からなる結晶を用いる場合を示す。

まず磁気光学結晶である希土類鉄ガーネットにおいてＢ
ｉを固溶すれば、その固溶量に比例して７アラデー効果
が増加する事が知られている。特にＢ　ｉ５　Ｆ　ｅ　
５０　＋　２とＧｄ５Ｆｏ５０．２の固溶体においては
、Ｂｉの固溶限界は（ＢｉｘＧｄ５−ｚ　）　”　５０
１２においてｘ＝１・４とされている。Ｇｄ　ｓ　Ｆｅ
５０１２はすべての希土類鉄ガーネットとの固溶体の中
でＢ１５Ｆｅ５０．２に対する固溶限界が最も大きく、
（Ｂ１１ＡＧｄ４．６）Ｆ　ｅ　ｓ　Ｏ＋　２は最大の
ファラデー効果を持つ。従って高感度な磁界センサ用の
磁気光学素子として最適・　である。

次に電気光学結晶について述べる０従来ポツケルス効果
を持つものとしてＬｉ１ｉｂ０５　、　ＬｉＴａＯ３が
有名であった。しかしながら、最近では、これらのポッ
ケルス効果の２倍程度の大きさを持つ（Ｋ、Ｎａ　１．
）　Ｎｂ５０．５なる結晶が発見されている。

特に、０．７０≦２≦０．９８の範囲にあるものは、結
晶系が正方晶系に属するものであり、従来この系の結晶
で問題とされていた双晶の発生がない事が長所としてあ
げられる。双晶は光伝搬損失の最大原因である。

また、正方晶系はａ軸す軸が同じ格子定数（ａ。

＝ｂｏ）を持つために、共通基板である希土類ガーネッ
ト化合物（立方晶系、ａｏ＝ｂｏ＝ｃｏ）に、容易にエ
ピタキシャル結晶成長させる事が出来る特長を持つ。

次にこの様な長所を持つ結晶を共通基板上に設ける場合
、エピタキシャル結晶成長を行うが、三者の格子定数の
一致が最も重要な条件となる。ここでは共通基板として
希土類ガーネット化合物音用いるが、立方晶系に属し、
ガーネット構造を持つ結晶であり、格子定数ａ。が広範
囲に変られる特長を持つ。又、光導波回路を形成する場
合、共通基板の屈折率が導波層より小さい事が条件とな
るが、希土類ガーネット化合物を用いれば、屈折率も広
範囲に設定する事が出来る。

第２図にＧｄ５（Ｅ３ｃ！Ｇ、ｍ　ｓ−ｘ　）　Ｏｌ、
　、　（ＢｉｙＧｄ、−、）Ｆｅ　５０１２　ｔ　（Ｋ
ｚＮａ、−ｚ　）　Ｂａ２　Ｎｂ５０１５のそれぞれ組
成Ｘ、７．Ｚの変化に対する格子定数の変化を示す。

斜線で示した領域におけるそれぞれの組成範囲でエピタ
キシャル結晶成長が可能であり、格子定数ａｇの範囲は
１２．５０４≦ａｏ≦１２・６４５である０この格子定
数に対応するＸ、７．Ｚの値は、１．１９≦Ｉ≦１．５
９　、０．５３≦ｙ≦１．４０．０．７０≦２≦０．９
８である。本実施例では、特に、Ｘ＝１．５９　、ｙ＝
１．４０．ｚ＝０．９８とした場合の磁界または電圧電
界センサを示す０次表にこれらの物理定数、特性値を示
す。

格子定数はａ、＝＝１２．５４５で一致している。屈折
率は共通基板（ｎ＝１．７４）よりも、それぞれ磁気光
学素子、電気光学素子が大きく、光導波回路が作製可能
である。また共通基板であるＧｄ５（５ｃｘＧａ　５−
、　）　０．２を引き上げ法ＣＯ２法）で得る場合、一
般にＳｃとＧａ０間に偏析が生じるため、成長方向にＳ
ｃとＧａの濃度分布が生じ、格子定数ａｏにも分布が生
じる。しかしながら、偏析係数は、Ｓｃの濃度Ｉに依存
し、Ｘが１．５９付近で、偏析係数に、Ｃかに８ａ＝＝
１．０となる。したがって、この場合、成長方向にＳｃ
の濃度分布が生じる事なく格子定数ａ（１も一定となる
。従って、ＣＺ法による基板作製における歩留は極端に
向上し、”！”１．５９Ｇａ３．４１０＋２なる共通基
板を使用する事は、低価格化の点で有益な事である。

（以下余白） 第３図に前記衣に示したそれぞれの結晶を用いた光導波
型電流電圧センサの一例を示す。この実施例は電流電圧
をそれぞれ独立に同時に測定するセンサノ実施例である
。”３”１．５９”Ｌ４１０１２からなる共通基板６の
（１１１）面に、Ｂｔｌ、４Ｇｄ、、６Ｆｅ５０．２か
らなる磁気光学素子１がマスクを用いたエピタキシャル
成長もしくは、成長後のエツチングにより必要な導波路
中を持たせて形成されている。

同様にに１９Ｂ”ａ０２　”ａ２　Ｎｂ５０１５からな
る電気光学素子４がＣ軸を成長方向として形成されてい
る０磁気光学素子の両端には、透過偏光方向を互いに４
ｔｆ’異ならしめた偏光子２、検光子３を配置する。

ここでは五Ｅ、ムＵ等の金属膜を蒸着して用いている０
磁気元学素子のまわりに、電流コイルを設置しである。

以上の様にして電流センサ部を構成している。

電気光学素子の両端には、偏光子２、検光子３が偏光透
過方向を平行又は垂直にして配置しである０λ／４板５
は、偏光子２と電気光学素子４の間又は検光子３と電気
光学素子４の間に配置されである。λ／４板は使用する
光に対して透明な物質であれば特に制限はないが、ここ
でＦｉｃａｓ　による波長板を用いた。リード８は、電
気光学結晶４に設けられた電極９に取り付けられている
。ここでは、印加電圧方向２ｃ軸方向に取り、電気光ス
効果を利用している。

感度はＡ、＊　Ｊ２　＋　ｄの具体的な寸法によるが、
例えば波長０．８μｍの光源を用いた時、磁気光学素子
１の長さｉ１２．５μｍとし、電流コイルを磁気光学素
子１に密着して一回まいた時には、±１％の精度で測定
できる範囲は磁界強度で０．０１〜１０ｅであり、５０
ｍムから５ムの電流値に対応する。さらに高感度化する
には、磁気光学素子１の長さ１１′ｆｔ長くするか電流
コイルの巻数を増す事によって可能であり、任意の測定
範囲が設定できる。電気光学素子４の長さ１２を４００
μｍ１厚さｄｉ５μｍとした時、波長０．８μｍの光源
を用いた時、半波長電圧Ｖ、は１００Ｖとなる。同様に
ｄ／１２比を変化させる事によって半波長電圧は広範囲
に設定できる。

本実施例は電流電圧センサをパラレルに連結したものを
示したが、シリーズに連結して直接電力を測定する事も
出きる。第４図にその実施例を示す。磁気光学素子１と
電気光学素子４を直結し、その両端に透過偏光方向を平
行にした偏光子２、検光子３と、光学的バイアスを４６
りとなる様にλ／４板５を配置しである。同様にＡ＋＝
１２．５ａｍ　、　　１２＝４ｏｏａｍ　ｔ　ｄ＝５μ
ｍとした時、測定できる電力はＩ　ｋｖムを±１％以内
で精度良く測定できる。又、測定範囲はｌｌ、　ｄ／β
２　を変化させて広範囲に変える事ができる。

また光導波型磁界または電圧電界センサに限らず、第６
図に示す様なバルク型センサにも適用できる。この場合
は結晶成長方向に垂直に光を通過させるものであり、光
学的配置はまったく同様にして得られる。

なお、実施例においては、共通基板には（ｒｄ３（Ｓｃ
、Ｇａ　Ｅ−Ｗ　）　Ｏ，、（１．１９≦Ｉ≦１．ＳＳ
）を用いたが、希土類ガーネット化合物なら制限はない
０’！　＊磁気ｉ学ｉ子にハ（ＢｉｙＧｄｓ−ｙ　）　
Ｆ”５Ｏｔｚ（０．５３≦ｙ≦１．４０　）を用いたが
、共通基板の格子定数ａ。に一致する希土類ガーネット
化合物なら制限はない。また電気光学素子には（Ｋ！Ｎ
ａ１−ｚＢａ２Ｗｂ５０．５（０．７０≦２≦０．９８
　）を用いたが共通基板の格子定数ａｏ　と一致するか
または整数倍または整数分の−となる格子定数を持つ正
方晶系に属する電気光学結晶なら制限はない。

また特に光の入射手段、集光手段を特に述べなかったが
、光ファイバー、セルフォックレンズを用いた集光系、
プリズム、グレーテング、等を用いた入射手段、集光手
段等、通常の手段が適用できる。

また使用する光源の波長についても、各素子が透明なら
ば制限はない。

発明の効果 以上述べたことから明らかなように、本発明の磁界また
は電圧電界センサによれば、共通基板上に各センサを設
ける事ができ、小型軽量で低価格化が達成でき、さらに
、従来にない高感度なセンサが提供され、その工業的価
値は大なるものである。

【図面の簡単な説明】

）　　第１図［ａ）　、　（ｂ）はそれぞれ従来の磁界
センサ、電圧電界センサの原理を説明するための図、第
２図は共通基板、磁気光学素子、電気光学素子の格子定
数の組成依存を示す図、第３図、第４図、第５図はそれ
ぞれ本発明の実施例のセンサの概略斜視図である。 １・・・・・・磁気光学素子、２・・・・・・偏光子、
３・・・・・・検光子、４・・・・・・電気光学素子、
５・・・・・・波長板、６・・・・・・共通基板、７・
・・・・・電流コイル、８・・・・・・リード線、９・
・・・・・電極。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 ２ｓ　２　図 ｋｉＮｔｕ−ｘｉ旬Ｎｂｉり１５ 第３図 第５図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）共通基板上に磁気光学素子と電気光学素子と、偏
   光素子と波長板とを設け、前記共通基板に格子定数ａ＿
   ０を有する希土類ガーネット化合物からなる第１の結晶
   を用い、磁気光学素子として前記第１の結晶の格子定数
   ａ＿０と一致する格子定数を有する希土類ガーネット化
   合物からなる第２の結晶を用い、電気光学素子として前
   記第１の結晶の格子定数ａ＿０と一致するかまたは整数
   倍または整数分の１となる格子定数を有する正方晶系に
   属する電気光学結晶からなる第３の結晶を用いた事を特
   長とする磁界または電圧電界センサ。
2. （２）第１の結晶にＧｄ＿３（ＳｃｘＧａ＿５＿−＿ｘ
   ）Ｏ＿１＿２（１．１９≦Ｘ≦１．５９）からなる結晶
   を、第２の結晶に（Ｂｉ＿ｙＧｄ＿３＿−＿ｙ）Ｆｅ＿
   ５Ｏ＿１＿２（０．５３≦Ｙ≦１．４０）からなる結晶
   を、第３の結晶に（ＫｚＮａ＿１＿−＿ｚ）Ｂａ＿２Ｎ
   ｂ＿５Ｏ＿１＿５（０．７０≦Ｚ≦０．９８）からなる
   結晶を用いる事を特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載の磁界または電圧電界センサ。