KR100203375B1 - 자기광학소자 및 광자계센서 - Google Patents

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KR100203375B1
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모리시타 요이찌
마쯔시다 덴기 산교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 패러데이효과를 가진 자기광학소자와 이것을 사용한 광자계센서에 관한 것으로서, 자기광학소자는, 일반식 (1)로 표시되는 희토류철가닛결정이고, 조성범위에서 x의 값을 1.001X11.30, 또한 Y의 값을 0.421Y10.60, 또한 Z의 값을 0.011Z10.05, 또한 W의 값을 0.401W10.62로 하고, 자계에 대해서 온도특성이 좋은 자기광학소자가 된다. 또, 이 자기광학소자를 사용해서 회절광을 고차까지 수광할 수 있는 광학계를 사용하여 광자계센서를 구성한다. 이 자기광학소자와 센서광학계를 사용한 광자계센서는, 자기광학소자의 포화자계까지의 측정범위예서, 계측오차가 1.0%이하이고, 종래에 없는 높은 자계측정정밀도를 실현하는 것이다.
(BiXGdYRZY3-X-Y-Z)(Fe5-WGaW)O12··· (1)

Description

자기광학소자 및 광자계센서
제 1도는 본 발명의 광자계센서의 실시예와 광선추적을 표시한 도면.
제 2도는 본 발명의 자기광학소자를 사용한 광자계센서의 감도의 온도의존성을 표시한 도면.
제 3도는 본 발명의 자기광학소자와 광자계센서를 사용한 센서의 출력의 직선성을 표시한 도면.
제 4도는 본 발명의 광자계센서에 있어서, 직선성의 막두께의 존성을 표시한 도면.
제 5도는 종래의 광자계센서의 구성과 광선추적을 표시한 도면.
제 6도는 종래의 광자계센서의 온도특성을 표시한 도면.
제 7도는 종래의 광자계센서의 직선성을 표시한 도면.
제 8도는 종래의 광자계센서의 구성을 표시한 도면.
제 9도는 희토류철가닛결정에 의한 광의 회절현상을 설명한 모식도.
제 10도는 본 발명의 광자계센서의 다른 실시예를 표시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 자기광학소자 2 : 편광자
3 : 검광자 4 : 전체반사미러
5a : 입력쪽 볼렌즈 5b : 출력쪽 볼렌즈
6a : 입력광파이버 6b : 출력광파이버
8 : 스크린 9 : O차광
10 : 1차광 11 : 2차광
12 : 3차광
본 발명은 패러데이효과를 가진 자기광학소자와 이것을 사용해서 자계를 검출하고, 그 자계강도를 측정하는 광자계센서에 관한 것이다.
전류의 주위에 발생하는 자계강도를 광을 사용해서 측정하는 방법으로서, 패러데이효과를 가진 자기광학소자와 광파이버를 조합한 광자계센서가 있다. 이와같은 광자계센서는, 절연성이 높고 전자유도노이즈의 영향을 받지 않는 등의 이점에서, 전력분야의 고압배전선의 사고검지용 센서로서 이미 실용화되어 있다. 최근, 계측기로서의 요구성능이 보다 높아지고 있고, 고정밀도이고 소형인 광자계센서가 요구되고 있다.
패러데이효과를 이용한 광자계센서를 구성하기 위하여, 일반적으로 제 8도와 같이 콜리메이트광학계로 구성되는 센서헤드부가 사용된다(Nationnal Technical Report Vol.38 no. 2 p.127(1992)참조). 제 8도에는, 자계 H중에 자기광학소자(1)가 배치되어 있다. 콜리메이트렌즈에는 0.25피치의 분포굴절률렌즈(7a),(7b)가 사용되고 있다. 입력광파이버(6a)로부터 입사한 광은, 콜리메이트렌즈(7a)에 의해서 평행광이 되고, 편광자(2)에 의해서 직선편광이 되고, 자기광학소자(1)를 통과한다. 패러데이효과에 의해 편광면은 자계강도에 비례해서 회전을 받는다. 회전을 받은 직선편광은 편광자(2)와 투과편광방향을 45°로 다르게 한 검광자(3)를 통과하고, 전체반사미러(4)에서 반사된 후, 콜리메이트렌즈(7b)에서 집광되고, 출력광파이버(6b)에 결상한다. 이와 같은 센서광학계는, 검광자를 고정하고 있고, 그 검광자로부터 광출력을 1포트만 이용하는 비차동고정검광자법이라고 불린다. 이 광자계센서에서는, 자계강도의 변화가 광량변화로 변환되어서 계측이 가능하게 된다. 이와 같은 콜리메이트광학계로 구성되는 센서헤드부에 사용되고 있는 자기광학소자로서, 일반식 (식(3))으로 표시되는 희토류철가닛결정이 개시되어 있다(전자정보통신학회기술연구보고 OQE92-105(1992)참조). 이 종래예에서 사용되고 있는 결정의 화학식을 식(3)에 표시한다.
Bi1.3Gd0.1La0.1Y1.5Fe4.4Ga0.6O12… (3)
한편, 광자계센서에 사용되는 자기광학소자에 희토류철가닛결정을 사용한 경우, 가닛결정에 특유의 자구구조에 의해서, 결정을 통과한 광은 희절된다. 가닛결정의 자구구조가 메이즈자구일 경우에는, 회절광은 제 9도에 표시한 바와 같이 동심원상에 관측되고, 중식으로부터 O차광(9), 1차광(11)…라고 정의된다. 제 8도에 표시한 바와 같은 콜리메이트광학계로 구성된 센서헤드부에서는, 출력광파이버(6b)에서의 회절광의 관측조건이 0차광관측이기 때문에, 그 출력은 [식 1]로 표시되고, 인가자계가 커짐에 따라서 센서출력의 비선형성이 커지고, 직선성이 악화한다는 문제점이 있었다(일본응용자기학회지 Vol.14, NO.4 P642(1990)참조).
[수학식 1]
Vo=(1/2)[coseF+(M/Ms)sin1xF]2
여기서, eF는 자기포화상태에서의 패러데이회전각이고, eF=F·L로 표시된다. F는 재료고유의 패러데이회전계수이고, L은 소자의 광로길이다. M은 재료의 자화이고, Ms는 포화자화이다. 한편, 비차동고정검광자법을 사용해서, 회절광의 전체차수를 수광하는 광학계로 구성된 광자계센서의 출력은 [식 2]로 표시되고, 비선형항이 포함되지 않으므로 인가자계에 대해서 출력이 단순비례한다. 그러나, 회절광의 전체차수를 수광하는 소형이고 고정밀도의 광자계센서는 이제까지 실현되고 있지 않다.
[수학식 2]
Va11=(1/2)[1+(M/Ms)sin21xF]
그래서, 센서출력의 비선형성을 해결하기 위하여, 제 5도에 표시한 바와 같은 볼렌즈(5a),(5b)를 사용해서 집광광학계를 형성하고, 회절광의 2차광까지 수광해서 직선성을 개선하는 방법이 제안되고 있다(전기학회계측연구회자료 자료번호 IM-94~93, P31(1994)참조). 제 5도의 광자계센서가, 제 8도의 콜리메이트광학계를 사용한 광자계센서와 다른 점은, 볼렌즈(5a),(5b)를 사용함으로써 센서헤드내에서 집광광학계를 형성하고 있는 점이다. 제 5도중의 복수의 궤적은, 광산추적의 계산결과를 표시하고 있다. 이와 같이 센서헤드를 집광광학계로 함으로써, 자기광학소자에 의해서 회절된 광을 2차광까지 수광하는 것이 가능하게 되어 있다. 이 방법에서는, 제 7도의 표시한 바와 같이 약 25 Oe로부터 300 Oe까지의 자계범위에 서 1.0%이하의 양호한 직선성이 실현되고 있다. 그러나, 25 Oe이하의 약자계를 측정하기에는 비오차가 크고, 실용상의 문제를 가지고 있다.
또, 제 5도에 표시한 광자계센서에, 종래의 식 (3)으로 표시되는 콜리메이트 광학계에 적용되는 자기광학소자를 사용해도 직선성은 양호하나, 온도특성이 크게 변화한다는 문제가 있었다. 이 종래의 광자계센서의 온도특성을 제 6도에 표시한다. -20°C~+80°C의 온도범위에서, -4.5%로부터 +6.3%정도의 온도변화를 표시하는 것을 알 수 있다.
종래의 기술에서 설명한 바와 같이, 이제까지 직선성과 온도특성을 모두 만족하는 측정정밀도가 높은 광자계센서는 없었다. 본 발명은 이러한 점을 감안해서 이루어진 것이고, 자계에 대한 직선성을 향상하고, 또한 실온부근에서의 온도특성이 좋고, 고감도의 자기광학소자를 실현하고, 이것을 사용해서 측정정밀도가 높은 광자계센서를 실현하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여, 자기광학소자에 의해서 회절된 광을 고차광까지 수광하는 센서광학계를 실현해서, 넓은 측정범위에 대해서 직선성을 개량하고, 또한 그 센서광학계에 대해서 특유의 재료조성을 알아내어 온도특성을 개량한다.
즉, 하기 일반식 (4)에서 X의 값을 1.001X11.30, 또한 Y의 값을 0.421Y10.60, 또한 Z의 값을 0.011Z10.05, 또한 W의 값을 0.401W10.62로 한 희토류철가닛재료, 또는 하기 일반식 (5)에서 X의 값을 1.101X11.30, 또한 Y의 값을 1.001Y11.80, 또한 Z의 값을 01Y10.60으로 한 희토류철가닛재료를 자기광학소자로서 제공하는 것이다.
(BiXGdYRZY3-X-Y-Z)(Fe5-WGaW)O12… (4)
(BiXGdYRZY3-X-Y-Z)Fe5O12… (5)
또, 상기 자기광학소자를 사용해서, 고차의 회절광까지 수광하는 광자계센서를 구성하는 것이다.
또, 본 발명에서는 고차의 회절광까지 수광하는 광자계센서의 직선성에 대해서, 자기광학소자의 막두께의존성을 알아냈다. 자기광학소자의 막두께를 50Lm이상으로 함으로써, 약자계의 직선성을 크게 개량할 수 있다. 또, 이 자기광학소자를 사용해서 구성하는 광자계센서에 있어서, 자기광학소자와 입출력의 광파이버단부가 렌즈를 통하여 선대칭인 공통초점광학계로 함으로써, 더욱 넓은 자계범위에 대해서 뛰어난 직선성을 실현하는 것이다.
본 발명의 자기광학소자는, 종래의 콜리메이트광학계에 사용하기 위한 자기광학소자에 대신해서, 고차의 회절광까지 수광하는 광학계에 사용하기 위한 것이다. 광자계센서의 직선성을 개량하기 위하여 고차의 회절광까지 수광할 수 있는 광학계를 센서헤드에 채용한 경우, 종래의 O차광을 수광하는 광자계센서용 자기광학소자는 조성제어에 의한 온도특성이 적절하지 않고, 온도가 높아짐에 따라서 감도가 높아져 사용할 수 없다. 자기광학소자의 온도특성이 광자계센서의 온도특성에 직접 반영된다. 따라서, 본 발명의 자기광학소자를 사용함으로써, 광자계센서는 실온부근의 온도변화에 대해서 안정적인 출력을 부여하는 것이 가능하다.
한편, n차의 회절광의 편향각 α(n)은 [수학식 3]으로 표시되고, 자기광학소자의 자구폭이 커지면 편향각이 작아진다.
[수학식 3]
sinα(n)=nλ/p
여기서, λ는 사용하는 광의 파장이고, p는 자구의 피치, 즉 자구폭의 2배의 값이다. 일반적으로, 자기광학소자가 희토류철가닛재료일 경우, 소자의 막두께가 두꺼워짐에 따라서 자구폭은 커진다. 따라서, 자기광학소자의 막두께를 적절하게 조절함으로써, 소자의 자구에 의해서 희절되는 광의 편향각을 변화시킬 수 있고, 출력광파이버에 의해서 수광되는 희절광의 차수가 커지고, 약자계에서 광자계센서의 직선성을 개량하는 것이 가능하게 된다.
또, 그 자기광학소자와 입출력의 광파이버선단부의 광학적인 위치관계가 공통초점의 광학계이고, 또한 소자에 대해서 선대치으이 광학계로 함으로써, 출력광파이버단부에 의해서 수광되는 회절광의 차수가 더욱 커지고, 보다 넓은 자계범위에서 측정정밀도가 높은 광자계센서를 제공할 수 있다.
이상 설명해 온 것으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 자기광학소자와 센서광학계에 의하면, 종래보다도 넓은 자계범위에 걸쳐서, 양호한 직선성과 뛰어난 온도특성을 실현하고, 고정밀도로 자계를 계측할 수 있는 광자계센서를 제공하는 것이 가능하게 된다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해서 도면과 표를 참조하면서 설명한다.
[실시예 1]
Bi2O3-PbO-B2O5계 플럭스를 사용해서 Ca-Mg-Zr치환형 Gd3Ga5O12기판상에 일반식 (4)로 표시되는 희토류철가닛결정을 LPE법에 의해서 결정성장했다. (표 1)에 실시예를 표시한다. 수치는 각 원소에 대한 조성비를 표시한다. (표 1)에 표시한 자기광학소자의 온도특성을 평가하기 위하여, 자기광학소자를 제 5도에 표시한 광자계센서에 구성해서, 자기광학소자의 포화자계이하의 자계범위에서 감도의 온도변화를 측정했다. 센서감도의 변화율을 (표 1)에 표시하고 있다. 교류자계의 주파수는 60Hz이다. (표 1)중의 온도특성에 #표시를 한 시료는, 본 발명의 범위밖의 것이다. 또, (표 1)에서 *표시를 한 시료에 대해서는 온도변화의 측정데이터를 제 2도에 표시하고 있다.
본 발명의 자기광학소자는 일반식 (4)로 표시되나, 결정조성이 X의 값이 1.001X11.30, 또한 Y의 값이 0.421Y10.60, 또한 Z의 값이 0.011Z10.05, 또한 W의 값이 0.401W10.62에서는, -20°C로부터 +80°C의 온도범위에서는, 감도의 온도변화가 3%이하(1+1.5%이하)로 되고 있다. 종래예의 제 6도와 비교하면 현저하게 온도특성이 개선되는 것을 알 수 있다. (표 1)의 자기광학소자는, 제 5도에 표시되는 집광광학계를 사용한 광자계센서에 사용되고 있으므로, 그 출력의 직선성을 평가하면, 희토류철가닛결정이 포화하는 자계의 약 500 Oe까지 2.0%이하의 뛰어난 직선성을 표시하는 거시 확인되었다.
이와 같은 양호한 결과를 얻기 위한 기본적인 이론은 다음과 같은 것이다. 자기광학소자에 의한 회절광의 O차광만을 수광하는 광학계로 구성되는 광자계센서는, 그 출력이 [수학식 1]에 의해서 주어진다. [수학식 1]에서, M=χH에서 자화율 χ는 일정하다고 가정하여, 교류자계에 대해서 고려하기 위하여 H=HINsinwt를 대입해서 변형하면, 센서출력의 직류성분 VODC와 교류성분 VOAC는 다음식과 같이 표시된다. 단, 여기서 비례정수는 1로 하여 규격화되어 있다.
[수학식 4]
VODC=A+(1/2)CHIN 2
[수학식 5]
VOAC=BHINsinwt+(1/2)CHIN 2sinwt(2wt-π/2)
여기서, 정수 A,B,C는
[수학식 6]
A=cos21xF/2, B=(cos1xFsin1xF)/Hs, C=sin21xF/2Hs2
이다. 변조도 mO는 VOAC/VODC로 정의되므로, [수학식 4]와 [수학식 5]로부터 구해진다. 출력기본파 w에 대한 변조도 는 온도 T의 함수로서 다음식과 같이 표시된다.
[수학식 7]
mO(T)=B(T)HIN/A(T)+C(T)HIN 2/2)
한편, 자기광학소자에 의한 회절광의 전체차수를 수광하는 광학계로 구성되는 광자계센서는, 그 출력이 [수학식 2]에 의해서 주어지고, 출력의 직류성분 Va11DC와 교류성분 Va11AC는 다음식과 같이 표시된다.
[수학식 8]
Va11DC=1/2
[수학식 9]
Va11AC=DHIN, D=sin21xF/HS
따라서, 변조도 ma11은 온도 T의 함수로서 다음식과 같이 표시된다.
[수학식 10]
ma11(T)=2D(T)HIN
[수학식 7]과 [수학식 10]으로부터, 광자계센서의 감도의 온도특성은 자기광학소자의 회절광의 수광조건에 크게 의존하는 것을 알 수 있다. 즉, 종래의 O차광만을 수광하는 센서광학계에서, [수학식 7]로 표시되는 변조도의 온도변화가 작아지도록 조성을 개량한 자기광학소자에서도, 전체차수를 수광하는 센서광학계에 적용하면, 그 변조도는 [수학식 10]에 따르므로, 감도의 온도특성이 크게 변화하게 된다.
그러나, 전체차수를 수광하는 센서광학계에 적용하기 위하여 본 실시예의 (표 1)에 표시한 바와 같이, 자기광학소자의 조성을 적절하게 조절하면, 그 변조도는 [수학식 10]에 따르므로, 인가자계 HIN의 크기가 변화해도 변조도의 온도특성은 변화하지 않는다. 즉, 직선성이 온도에 따라서 변화하지 않는 고정밀도의 광자계센서를 실현할 수 있다. 한편, O차광만을 수광하는 광자계센서에서는 [수학식 7]에 따른 변조도는 자계의 제곱항을 포함함으로, 인가자계 HIN의 크기가 변하면 온도특성이 변화하게 된다.
따라서, 희토류철가닛결정을 자기광학소자로 하는 광자계센서의 측정정밀도를 높이기 위하여, 고차의 회절광을 수광하는 센서광학계를 채용하는 경우에는, 필연적으로 본 발명과 마찬가지 방법으로 희토류철가닛결정의 조성을 개량할 필요가 있다. 실시예 1의 (표 1)과 같이 희토류원소에 대해서 치환하는 원소가 Bi+Gd+La+Y의 조합뿐만 아니라, 이제까지 개시되고 있는 온도특성을 제어하기 쉬운 치환의 조합, 예를들면 Bi+Gd+Y, Bi+Gd, Bi+Yb+Tb, Bi+Eu+Ho, Bi+Nd+Tb, Bi+Ho+Tb, Bi+Er+Pb등의 희토류원소의 조합이나, 이 위에 Fe원소를 Ga, Al, Sc, In, Pt로부터 선택되는 적어도 1종류의 원소로 치환한 원소의 조합을 가진 희토류철가닛결정에 대해서도 본원과 마찬가지의 방법으로, 감도의 온도특성을 저감하고, 직선성의 좋은 광자계센서를 구성하는 것도 가능하다.
[실시예 2]
그래서, 상기한 희토류원소의 조합중 Bi+Gd+Y의 조합을 가지고, Fe원소에 대해서 비자성원소가 치환되지 않고 포화자계 Hs가 큰 자기광학소자의 실시예에 대해서, (표 2)에 표시된다. (표 1)과 마찬가지로, Bi2O3-PbO-B2O5계 플럭스를 사용해서 Ca-Mg-Zr치환형 Gd3Ga5O12기판상에 일반식 (5)로 표시되는 희토류철가닛결정을 LPE법에 의해서 결정성장했다. 수치는 각 원소에 대한 조성비를 표시한다. (표 2)에 표시한 자기광학소자의 온도특성을 평가하기 위하여, 제 5도에 표시한 광자계센서를 구성해서, 자기광학소자의 포화자계이하의 자계범위에서, 감도의 온도변화를 측정했다. 센서감도의 변화율을 (표 2)에 표시하고 있다. 교류자계의 주파수는 60Hz이다. (표 2)중의 온도특성에 #표시를 한 시료는, 본 발명의 범위 밖의 것이다.
본 발명의 자기광학소자는 일반식 (5)로 표시되나, 결정조성의 X의 값이 1.101X11.30, 또한 Y의 값이 1.001Y11.80, 또한 Z의 값이 01Z10.06에서는, -20°C로부터 +80°C의 온도범위에서는, 감도의 온도변화가 3%이하(1+1.5%이하)로 되고 있다. 종래예의 제 6도와 비교하면 온도특성이 개선되는 것을 알 수 있다. (표 2)의 자기광학소자는, 제 5도에 표시되는 집광광학계를 사용한 광자계센서에 사용되고 있으므로, 그 출력의 직선성을 평가하면, 희토류철가닛결정이 포화하는 약 1500Oe의 자계범위까지 2.0%이하의 뛰어난 직선성을 나타내는 것이 확인되었다.
또한, 본 실시예 1 및 2에서는, 격자정합성을 취하기 위하여 치환하는 원소로서 La를 사용한 예에 대해서 기술했으나, 일반식 (4) 또는 (5)의 R원소에 1종류이상의 희토류원소를 사용하는 것도 가능했다. 그때, 희토류철가닛결정의 포화자화에 대해서 영향이 없는 비자성원소인 것이 양호한 결과를 준다. 또, 가닛결정기판에 격자정수가 다른 La-Mg-Zr치환형 Gd3Ga5O12결정기판 이외의 것을 사용한 경우도, 격자정합성을 취하기 위하여 일반식 (4) 또는 (5)의 R원소에 1종류이상의 희토류원소를 치환해서, 직선성과 온도특성이 좋은 희토류철가닛결정을 성장할 수 있었다.
또한, 이 직선성과 온도특성의 개선은 0.8μm대의 광원뿐만 아니라, 희토류철가닛결정을 투과하는 1.3μm대나 1.5μm대의 다른 파장에 대해서도 확인되었다. 또, 주파수 60Hz뿐만 아니라, DC자계로부터 수 100KHz정도까지 양호한 정밀도로 자계를 측정할 수 있었다. 또, 이상은 Ca-Mg-Zr치환형 Gd3Ga5O12기판상에 자기광학소자를 성장시킨 것이지만, Nd3Ga5O12기판상에도 성장조건을 바꾸어서 성장하고, 마찬가지 결과가 얻어졌다. 또, 기상성장법을 사용해서 이들 기판상에 에피텍셜성장시키는 것도 가능하다.
단 어느 성장법에 있어서도 성장조건에 의해서, 일반식 (4)로 표시되고, 그 결정조성에서 X의 값이 1.001X11.30, 또한 Y의 값이 0.421Y10.60, 또한 Z의 값이 0.011Z10.05, 또한 W의 값이 0.401W10.62의 범위인 희토류철가닛재료나, 일반식 (5)로 표시되고, 결정조성이 X의 값이 1.101X11.30, 또한 Y의 값이 1.001Y11.80, 또한 Z의 값이 01Z10.06의 범위인 희토류철가닛재료가, 에픽택셜성장하지 않고 다결정체로서 형성되는 경우도 있으나, 이와 같은 다결정체의 자기광학소자에서도 광흡수손실이 약간 커지지만 충분히 사용가능하다.
[실시예 3]
이하 본 발명의 제 3실시예에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 제 4도는 본 발명의 제 3실시예를 표시한 약자계에서의 광자계센서의 직선성에 대해서, 그 막두께의존성을 표시한 도면이다. 즉, 제 5도에 표시한 바와 같은 회절광을 고차까지 수광할 수 있는 광자계센서의 약자계에서의 직선성은, 사용하는 자기광학소자의 막두께에 크게 의존하는 것을 표시하고 있다. 자기광학소자의 막두께가 두꺼워짐에 따라서 약자계의 비오차가 극단적으로 개량되어 가는 것을 알 수 있다.
이것은 이미 설명한 바와 같이, 자기광학소자의 막두께를 조정함으로써, 자기광학소자에서의 회절광의 편향각을 변화시킬 수 있고, 광자계센서의 광학계에서 출력광파이버단부에 의해서 수광할 수 있는 회절광의 차수를 증대할 수 있는 것이, 원인이 되고 있다. 제 4도에서 미소자계에서 비오차가 정의 무한대로 커지는 것은, 광자계센서의 신호처리회로의 출력에, O자계상태에서도 회로의 노이즈성분이 포함되기 때문이다. 제 4도로부터 약 5 Oe이하의 자계에서 1+2.0%이하의 정밀도로 측정하기 위해서는 50μm이상의 막두께를 가진 자기광학소자를 사용하면 되는 것을 알 수 있다.
특히, 막두께가 두꺼운 75μm의 자기광학소자를 사용한 경우에는, 가장 직선성이 양호하고, 2%이하의 비오차를 표시할 뿐이다. 이 직선성의 막두께의존성은 막두께가 커져도 또한 확인되었다. 제 4도에서 사용한 자기광학소자는, 식 ④ 또는 ⑤로 표시되는 희토류철가닛재료이나, 이 막두께의존성은 자구를 가진 자기광학소자의 전부에 적용할 수 있다고 생각된다.
[실시예 4]
이하 본 발명의 제 4실시예에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 제 1도는 본 발명의 제 4실시예를 표시한 광자계센서를 표시한 도면이다. 제 1도의 자기광학소자에는, 식 (4) 또는 식 (5)로 표시되는 희토류철가닛재료를 사용하고 있다. 제 1도중의 복수의 궤적은, 광산추적의 계산결과를 표시하고 있다. 직선성을 개량하기 위해서는, 고정검광자법의 검광자로부터의 광출력을 2포트 사용하는 차동구성의 센서광학계도 생각할 수 있다.
그러나, 여기서도 제 5도와 마찬가지로 실용적인 관점에서 입출력의 광파이버를 각 1개로 하기 위하여, 광출력을 1포트로 한 비차동구성을 채용했다. 광선추적으로부터 알 수 있는 바와 같이, 제 1도의 본 실시예가 종래의 광자계센서인 제 5도와 다른 점은, 검광자(3)로서 유리제편광판을 사용해서, 입력광파이버(6a)와 자기광학소자(1), 자기광학소자(1)와 출력광파이버(6b)의 광학적배치가, 렌즈를 통하여 공통초점계로 구성되고, 자기광학소자를 중심으로해서 거의 선대칭으로 구성되어 있는 점이다. 이와 같이 자기광학소자에 대해서 선대칭인 공통초점의 광학계를 구성함으로써, 자구를 가진 자기광학소자의 회절광을 고차광가지 수광할 수 있다. 이들 실시예와 광선추적의 결과로부터, 센서광학계의 광삽입손실이 최소가 되는 조건은, 편광자(2)와 전체반사미러(4)가 가로, 세로 5mm의 사각형이고, 유리재질 BK7의 볼렌즈(5a),(5b)의 직경이 3mm일 경우, 제 1도에 표시한 y의 거리가 1.0mm일 때 X가 1.0~1.4mm인 것을 알 수 있었다. 그때의 광삽입손실은 -13dB이었다. 본 실시예에 의한 광자계센서의 직선성을 제 3도에 표시한다. 제 3도로부터 명백한 바와 같이, 본 실시예에 의한 광자계센서는, 종래의 제 7도보다도 넓은 자계범위에서 뒤어난 직선성을 보이고, 300 Oe까지의 자계범위에서 비오차가 겨우 1%이하인 것을 알 수 있다. 또한, 이와 같은 공통초점광학계를 실현하는 광학계이면, 각 구성부품에 사이즈가 작은 것을 사용해서, 소형의 광자계센서를 구성해도 마찬가지로 고정밀도의 측정결과를 얻는 것이 가능하다.
또, 입력광파이버(6a)와 자기광학소자(1), 자기광학소자(1)와 출력광파이버(6b)의 광학적 배치가, 렌즈를 통하여 공통초점계로 구성되고, 자기광학소자를 중심으로 해서 거의 선대칭으로 구성되는 직선형의 광자계센서의 실시예를 제 10도에 표시한다. 제 10도에서는, 직선형으로 하기 위하여 편광자(2)와 검광자(3)에 유리제편광판을 사용하고 있다. 이 실시예에서도, 자기광학소자로부터의 회절광을 고차광가지 수광할 수 있고, 제 3도와 마찬가지로 양호한 직선성을 얻을 수 있다. 제 10도의 실시예에서는, 제 1도보다도 각 구성부품을 사이즈가 작은 것을 사용하고 있고, 볼렌즈(5a),(5b)에 BK7의 직경이 2mm인 것을 사용하고, 자기광학소자(1), 편광자(2), 검광자(3)에 직경이 2mm인 원판을 사용하고 있다. 이 경우, 집광광학계로 구성되는 센서의 광삽입손실이 최소가 되는 조건은, 볼렌즈(5a)와 편광자(2)의 거리와 볼렌즈(5b)와 검광자(3)의 거리가 모두 1.5mm일 경우, 입력광파이버(6a)와 볼렌즈(5a)의 거리와 볼렌즈(5b)와 출력광파이버(6b)의 거리가 모두 1.44mm~1.8mm인 것을 알 수 있었다. 이때의 광삽입손실은 -13dB이었다.
또한, 본 발명에서 표시한 광자계센서를 틈새있는 코어와 조합하면, 종래에 없는 측정정밀도가 높은 광변류기등의 광학식 전류측정장치를 실현하는 것이 가능하게 되고, 공업적으로 광범위에 걸친 응용성을 가진 장치를 제공할 수 있다.

Claims (10)

  1. 일반식 (BiXGdYRZY3-X-Y-Z)(Fe5-WGaW)O12(여기서, R은 희토류원소로부터 선택되는 적어도 1종류의 원소임)으로 표시되는 희토류철가닛재료에 있어서, X의 값을 1.001X11.30, 또한 Y의 값을 0.421Y10.60, 또한 Z의 값을 0.011Z10.05, 또한 W의 값을 0.401W10.62로 한 것을 특징으로 하는 자기광학소자.
  2. 일반식 (BiXGdYRZY3-X-Y-Z)Fe5O12(여기서, R은 희토류원소로부터 선택되는 적어도 1종류의 원소임)으로 표시되는 희토류철가닛재료에 있어서, X의 값을 1.101X11.30, 또한 Y의 값을 1.001Y11.80, 또한 Z의 값을 01Z10.06으로 한 것을 특징으로 하는 자기광학소자.
  3. 제 1항에 있어서, 희토류철가닛재료를 가닛결정기판상에 에피택셜성장시켜서 형성하는 것을 특징으로 하는 자기광학소자.
  4. 제 3항에 있어서, 가닛결정기판이 Ca-Mg-Zr치환형 Gd3Ga5O12기판인 것을 특징으로 하는 자기광학소자.
  5. 제 1항에 있어서, 희토류철가닛재료의 막두께가 50μm이상인 것을 특징으로 하는 자기광학소자.
  6. 적어도 광의 진행방향을 따라서, 편광자와, 자기광학소자와, 상기 편광자에 대해서 투과편광방향을 서로 다르게 한 검광자를 배치해서 피측정자계를 출력광강도로서 검지하는 광자계센서에 있어서, 상기 자기광학소자의 일단부에, 상기 편광자를 사이에 끼워서 설치된 제 1렌즈와, 상기 자기광학소자의 일단부이고, 상기 제 1렌즈에 대향하는 면에, 상기 검광자를 사이에 끼워서 설치된 제 2렌즈를 통하여, 상기 제 1렌즈에 광을 입력하는 입력광파이버와 상기 자기광학소자 및 상기 제 2렌즈의 광을 출력하는 출력광파이버와 상기 자기광학소자의 광학적인 배치가, 공통초점광학계로 구성되고, 상기 입력광파이버와 상기 출력광파이버가 상기 자기광학소자에 대해서 선대칭으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 광자계센서.
  7. 제 6항에 있어서, 자기광학소자가 희토류철가닛재료인 것을 특징으로 하는 광자계센서.
  8. 제 2항에 있어서, 희토류철가닛재료를 가닛결정기판상에 에피택셜성장시켜서 형성하는 것을 특징으로 하는 자기광학소자.
  9. 제 8항에 있어서, 가닛결정기판이 Ca-Mg-Zr치환형 Gd3Ga5O12기판인 것을 특징으로 하는 자기광학소자.
  10. 제 2항에 있어서, 희토류철가닛재료의 막두께가 50μm이상인 것을 특징으로 하는 자기광학소자.
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