KR960015986B1 - 자장측정장치 - Google Patents

Abstract

내용없음.

Description

자장측정장치

제1도는 파라데이효과의 이용으로 자장의 강도를 측정하는 방법의 원리를 나타낸 개략도.

제2도는 온도에 따른 YIG의 감도상수의 변화를 나타낸 그래프.

제3도는 온도에 따른 Bi_xGd_yY_3-(x+y)Fe₅O₁₂의 감도상수의 변화에 관한 Gd 농도의 의존도를 나타낸 그래프.

제4도는 희토류 철 가아넷 결정의 파라데이효과를 나타낸 그래프.

제5도는 Bi_xGd_yY_3-(x+y)Fe₅O₁₂의 파라데이회전각 θ_F에 관한 변화를 나타낸 그래프.

제6도는 온도에 따른 Bi_xGd_yY_3-(x+y)Fe₅O₁₂의 포화자화의 변화를 나타낸 그래프.

제7도는 온도에 따른 Bi_xGd_yY_3-(x+y)Fe₅O₁₂의 감도상수변화를 나타낸 그래프.

제8도는 자기광학변환기를 포함한 본 발명의 자장측정장치를 나타낸 개략도.

제9도는 온도에 따른 제8도의 자장측정장치의 측정정확도의 의존성을 나타낸 그래프.

제10도는 3개의 자기광학변환기 및 산술연산용 전기회로를 포함하는 본 발명의 다른 자장측정장치를 나타낸 개략도이다.

본 발명은 자기광학소자를 사용하여 파라데이회전을 관찰함으로써 자장의 강도를 결정하는 장치에 관한 것이다.

최근, 자장의 강도를 결정하는 광학적 방법으로서 파라데이효과를 이용하는 방법이, 예를 들어 큐마 외 IEEE, QE-18, 1619(1982)에 의해 제안되었다. 특히, 전류가 흐르는 도전체 주위의 자장강도를 측정하여 전류를 검출하는 방법은 매체로서 빛을 사용하기 때문에 절연성이 우수하며 전자기유도 노이즈를 받지 않으므로, 전력전송의 처리에 적용가능하다.

제1도는 파라데이효과를 이용하여 자장을 측정하는 방법의 원리를 도시한 것으로서, 자기광학소자(1)는 자장(H)내에 위치된다. 편광자(2)에 의해 선형적으로 편광된 광은 자기광학소자(1)를 통과한다. 광의 편광면은 파라데이효과로 인한 자장강도(H)에 비례하는 각도로 회전한다. 파라데이효과에 의해 회전된 편광된 빛은 편광자(2)의 편광방향과 45° 다른 편광방향을 갖는 검광자(3)를 통과하고, 회전각 θ는 광량변화로 인해 변환된다. 이 경우 광출력은 다음 식으로 주어진다.

Pout=K(1+sin2θ) ……………………………………………………… (1)

θ=CHl

여기서 Pout는 광출력을 표시하고, K는 비례상수, θ는 파라데이 회전각(도), 그리고 C는 자기광학소자의 강도를 나타내는 도/cm·Oe의 단위를 갖는 감도상수를 표시한다. 이러한 원리에 기초한 자장측정장치를 응용한 것으로서, 다수지점에 배치된 자장측정장치로부터의 신호를 파형이 가감되어 기준신호를 발생하게 되는 산술연산장치에 제공함으로써, 예를 들어 영상(zero-phase)전류를 검출하여 사고의 발생을 판정하는 것이 제안되었다.

이러한 자장측정장치에 사용되는 일반적인 자기광학소자는 일반식 Y₃Fe₅O₁₂로 표시되는 YIG 결정이다. 그러나, 제2도에 도시된 바와 같이, YIG의 감도상수 C는 온도에 따라 크게 변화하는데, 작업온도 부근의 -12℃∼120℃의 온도범위에서 16% 정도로 크게 증가하여, 그 결과 주위온도의 변화에 따라 측정정확도가 크게 벗어나는 실제적인 문제가 있다.

이러한 문제를 제거하기 위해, 일반식 Tb_xY_3-xFe₅O₁₂로 표현되고 x가 0.3≤x≤0.9인 희토류 철 가아넷 결정이 자기광학소자로서 사용된다. 이러한 자기광학소자를 사용하는 장치에서는, -25℃∼120℃ 온도범위에서의 온도에 따른 변화가 ±1%로서 측정정확도가 상당히 개선되었다.

한편, Bi(비스무트)로 치환된 희토류 철 가아넷 결정은 큰 파라데이효과를 가지며, 자기광학소자용으로 사용되면, 자장측정장치의 감도를 개선할 수 있다. 그러나, 현재, 실용적으로 우수한 특성을 가지며 온도에 의존하지 않는 감도상수를 갖는 Bi 치환 희토류 철 가아넷 결정은 아직 실용되지 않았다.

약 2㎜의 길이를 갖는 자장측정소자가 요구되기 때문에, Bi를 포함하지 않는 YIG와 같은 희토류 철 가아넷 결정은 플럭스방법이나 FZ 방법에 의해 제조되므로, 제조시간이 길고 측정장치의 대량생산을 어렵게 한다. 더구나, Bi를 포함하지 않는 희토류 철 가아넷 결정을 자기광학소자로서 사용하는 자장측정장치는 고가의 광원 및 1.3㎛ 폭으로 설계된 광검출기를 구비하여야 하므로 자장측정장치가 비싸진다.

상술한 선행기술의 많은 단점과 결함을 개선한 본 발명의 자장측정장치는 : 편광자, 검광자, 및 일반식 Bi_xGd_yY_3-(x+y)Fe₅O₁₂(1.0≤x≤1.4, 0.1≤y≤0.7)로 표현되고 서로 다른 편광방향을 갖는 상기 편광자와 검광자의 사이에 위치되는 Bi 치환 희토류 철 가아넷, 결정으로 만들어진 자기광학소자를 구비하는 자기광학변환기, 상기 자기광학변환기의 양측에 제공되는 광전송로, 상기 광전송로에 광을 공급하는 광발생장치, 상기 자기광학변환기를 통과하는 입사광에 의해 발생되는 광출력을 검출하여 상기 광출력을 전기신호로 변환하는 광발생장치, 및 상기 광발생장치로부터 공급되는 전기신호를 처리하는 전기회로를 포함하여 이루어지고 ; 자장내의 상기 자기광학변환기는 측정될 자장내에 위치되어 자장의 강도를 결정하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에서, 자장측정장치는 : 측정될 자장의 수와 동일한 수와 복수의 자기광학변환기, 측정될 자장의 수와 동일한 수이며 광출력을 전기신호로 변환하는 복수의 광검출장치, 및 상기 각각의 검출장치로부터 수신된 전기신호를 가감하는 신호처리회로를 포함하여 이루어지고 ; 상기 자기광학변환기는 측정될 자장내에 위치되어 각각의 자장의 강도를 결정한다.

바람직한 실시예에서, 자기광학소자는 Ca-Mg-Zr 치환 Gd₃Ga₅O₁₂또는 Nd₃Ga₅O₁₂기판상에 에픽택시얼성장되어 이루어진 결정으로 만들어진다.

바람직한 실시예에서, 광발생장치의 스펙트럼밴드는 0.7㎛∼0.9㎛ 범위의 파장에서 피크를 갖는다.

그러므로, 본 발명은 : (1) 온도에 따라 거의 변화하지 않는 고감도상수를 갖는 Bi 치환 희토류 철 가아넷 결정이 자기광학소자용으로 사용된 고감도 및 고정확도를 갖는 자장측정장치를 제공하고 ; (2) 자기광학소자가 액상에픽택시(epitaxy)에 의해 형성되고 저가의 광원 및 0.8㎛ 밴드용 광검출장치가 사용되어 저가에서 상기 자장측정장치의 대량생산을 이룰 수 있는 자장측정장치를 제공할 수 있다.

다음에, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 목적 및 장점을 더욱 명백하게 설명한다.

본 발명에 사용된 자기광학소자는 일반식 Bi_xGd_yY_3-(x+y)Fe₅O₁₂로 표현되는 재료로 형성된다. 이 결정의 감도상수의 온도에 대한 변화가 제3도에 나타나 있다. Y의 값이 0.1 내지 0.7의 범위(즉, 0.1≤Y≤0.7)에 있을때, -20℃ 내지 80℃ 사이의 온도범위에서의 변화는 ±1%이다. 특히, Bi_1.3Gd_0.43Y_1.27Fe₅O₁₂에 있어서는, ±0.5% 만큼 낮은 온도의존도를 갖는 우수한 특성을 나타낸다. 이에 대한 이유는 아래와 같다.

희토류 철 가아넷 결정은 페리자성물질이며, 파라데이효과는 제4도에 나타난 것처럼 특정의 자장강도에서 포화된다. 자장측정을 위해서는, 외부자장에 대해 선형적인 변화를 나타내는 제4도의 특성곡선의 부분이 사용된다. 이 경우, 외부자장에 기인한 파라데이 회전각 θ는 아래와 같이 주어진다.

θ=θ_F(H/M_S)l …………………………………………………………… (2)

여기서 θ_F는 특정 파라데이 회전각을, M_S는 포화자화, 그리고 l은 결정의 길이를 표시한다.

따라서, 감도상수 C와 그것의 온도 의존은 아래와 같이 정의된다.

C(T)=θ_F(T)/M_S(T)…………………………………………………… (3)

식(3)에서 볼 수 있는 바와 같이, 온도에 대한 감도상수의 의존도는 온도에 따른θ_F와 M_S의 변화에 의해 결정된다.

제5도는 온도에 따른 Bi_xGd_yY_3-(x+y)Fe₅O₁₂의 θ_F에서의 변화를 도시한다. 측정결과는 실온에서의 θ_F에 대해 규격화된다. 온도에 따른 θ_F의 변화는 Gd의 양 y에 둔감하다. 이것은 Bi 치환량 x(이 경우 x=1.0∼1.3)에 의해 결정되기 때문이다.

제6도는 온도에 따른 Bi_xGd_yY_3-(x+y)Fe₅O₁₂의 M_S의 변화를 나타낸다. 실온 부근의 온도에서의 M_S의 변화는 Gd의 양의 증가에 따라 감소된다.

결과적으로, Bi_xY_3-yFe₅O₁₂그룹에 속하는 물질의 감도상수의 온도의존도는 Gd의 첨가에 의해 유리하게 개선된다. 이 결과가 제7도에 도시된다. 제3도에 나타낸 것처럼, Bi_1.3Gd_0.43Y_l.27Fe₅O₁₂는 ±0.5% 이내의 양호한 온도의존도를 나타낸다. 이러한 결정은 양산성이 좋은 액상에픽택시얼성장에 의해 Ca-Mg-Zr 치환 Gd₃Ga₅O₁₂기판에 성장된다. 이것은 종래의 YIG 결정의 감도상수 보다 더 큰 1.4°/㎝·Oe(λ=1,3㎛) 또는 5.0°/㎝·Oe(λ=0.85㎛)의 감도상수 C를 갖는다.

이때의 감도는, λ=0.85㎛의 경우처럼 보다 짧은 파장을 갖는 광원을 사용함으로써 더욱 개선된다. 결과적으로, 자기광학소자를 사용함으로써, 고감도, 높은 온도안정성, 및 우수한 양산성을 갖는 자장측정장치를 제공할 수 있다.

[실시예 1]

제8도는 본 발명의 자장측정을 도시하며, 편광자(2), 검광자(3), 및 일반식 Bi_xGd_yY_3-(x+y)Fe₅O₁₂(1.0≤x≤l.4 ; 0.1≤y≤0.7)로 표현되고 서로 다른 편광방향을 가진 편광자 및 검광자의 사이에 위치되는 Bi 치환 희토류 철 가아넷 결정으로 구성된 자기광학소자(1)를 구비하는 자기광학변환기(100), 자기광학변환기(100)의 양측에 설치된 광전송로(5), 광전송로(5)에 광을 공급하는 광발생장치(6), 자기광학변환기(100)를 통과하는 입사광에 의해 발생되는 광출력을 검출하여, 광출력을 전기신호로 변환하는 광검출장치(7), 및 광검출장치(7)로부터 공급된 전기신호를 처리하는 전기회로(8)를 포함하여 이루어지고 ; 자장에 있는 자기광학변환기(100)는 측정될 자장내에 위치되어 자장의 강도를 결정한다. 자기광학소자(1)는 Ca-Mg-Zr 치환 Gd₃Ga₅O₁₂기판에 두께 90㎛인 Bi_1.3Gd_0.43Y_1.27Fe₅O₁₂의 에픽택시얼성장에 의해 만들어진다.

편광자(2)는 자기광학소자(1)의 단부에 설치된다. 검광자(3)는, 편광자(2)의 편광방향에 대해 편광방향이 45°로 기울어지는 구성으로, 자기광학소자(1)의 다른 단부에 설치된다.

편광자(2) 및 검광자(3)용으로, 그랜-톰슨프리즘 또는 편광비임 분말기가 사용된다. 자기광학소자(1), 편광자(2) 및 검광자(3)를 포함하는 자기광학변환기(100)는 측정될 자장(H)내에 위치된다 렌즈(4)는 자기광학변환기(100)에 입사하는 광 또는 자기광학변환기(100)를 통과하는 광을 평행하게 한다. 광전송로(5)는 광섬유로 형성된다.

광발생장치(6)는 0.8㎛ 또는 1.3㎛ 파장밴드의 빛을 생성하는 LED 또는 레이저 다이오드로 구성된다. 파장 λ=0.85㎛에서 피크인 스팩트럼 밴드를 갖는 LED가 본 실시예에서 사용되었다. 검출장치(7)는 소자(1)를 통과하는 빛을 검출하여 전기신호로 변환한다. 보통 Ge-PD, Si-PIN-PD 등과 같은 물질이 검출장치(7)를 만드는데 사용되지만, 본 실시예에서는 0.85㎛ 파장의 LED가 사용되었으므로 Si-PIN-PD가 사용되었다. 이러한 자장측정장치로 150Oe 이하의 자장의 강도가 측정되었고, -20℃∼80℃의 온도범위에서 ±1% 이내의 측정정확도가 얻어졌다. 제9도는 일정한 교류에 의해 생성된 30Oe의 자장에 대한 측정오차의 주위 온도의존도를 도시한다. -20℃∼80℃의 주위온도 변화에 대하여, 변화량은 ±0.5% 이내로 제한된다.

[실시예 2]

제10도는 본 발명의 다른 자장측정장치를 나타낸 것인데, 실시예 1의 자기광학변환기(100)(제8도)와 동일한 3개의 자기광학변환기소자(9-a), (9-b), (9-c)의 각각으로 구성된 자기광학변환기(9), 실시예 1의 광전송로(5)(제 8 도)와 동일한 세쌍의 광전송로소자(5-a), (5-b), (5-c)를 포함하는 광전송로(50), 실시예 1의 광발생장치(6)(제8도)와 동일한 세개의 광발생장치소자(6-a), (6-b), (6-c)를 포함하는 광발생장치(60), 및 실시예 1의 광검출장치(7)(제8도)와 동일한 3개의 광검출장치소자(7-a), (7-b), (7-c)를 포함하는 광검출장치(70)를 포함한다.

이러한 자장측정장치는 실시예 1의 전기회로(8)(제8도) 대신에 사용된 광검출장치(70)로부터의 전기신호를 처리하기 위해 산술연산처리회로(10)를 포함한다. 이러한 장치의 사용으로, 3개의 상이한 자장 Ha, Hb 및 Hc 강도의 측정의 가감을 매우 정확하게 할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 자장측정장치는 주위온도의 변화에 관계없이 고감도 및 고정확성의 자장강도측정이 가능하므로, 산업상 큰 장점을 제공한다.

본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않는 다양한 변형례도 가능하다는 것은 명백하며 이 분야에서 통상의 기술을 가진자에 의해 용이하게 이루어질 수 있다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 명세서의 내용을 제한하려는 것이 아니며, 더욱이 본 발명의 분야에서 통상의 기술을 가진자에 의해 동등하게 처리되어질 모든 특징들을 포함한다.

Claims (5)

1. 편광자, 검광자, 및 일반식 Bi_xGd_yY_3-(x+y)Fe₅O₁₂(1.0≤x≤1.4 ; 0.l≤y≤0.7)로 표현되고 서로 다른 편광방향을 갖는 상기 편광자 및 상기 검광자의 사이에 위치되는 Bi 치환 희토류 철 가아넷 결정으로 만들어진 자기광학소자를 구비하는 자기광학변환기, 상기 자기광학변환기의 양측에 설치되는 광전송로, 상기 광전송로에 광을 공급하는 광발생장치, 상기 자기광학변환기를 통과하는 입사광에 의해 발생되는 광출력을 검출하여 상기 광출력을 전기신호로 변환하는 광검출장치, 및 상기 광검출장치로부터 공급되는 상기 전기신호를 처리하는 전기회로를 포함하여 이루어지고 ; 자장내의 상기 자기광학변환기는 측정될 자장내에 위치되어 상기 자장의 강도를 결정하는 것을 특징으로 하는 자장측정장치.
2. 제1항에 있어서, 측정될 자장의 수와 동일한 수의 복수의 자기광학변환기, 측정될 자장의 수와 동일한 수이며 상기 광출력을 전기신호로 변환하는 복수의 광검출장치, 및 상기 각각의 검출장치로부터 수신된 상기 전기신호를 가감하는 신호처리회로를 포함하여 이루어지고 ; 상기 자기광학변환기는 측정될 자장내에 위치되어 상기 각각의 자장의 강도를 결정하는 것을 특징으로 하는 자장측정장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 자기광학소자는 Ca-Mg-Zr 치환 Gd₃Ga₅O₁₂또는 Nd₃Ga₅O₁₂기판상에 에픽택시얼성장되는 결정으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 자장측정장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 광발생장치의 스펙트럼밴드는 0.7㎛∼0.9㎛ 범위의 파장에서 피크를 갖는 것을 특징으로 하는 자장측정장치.
5. 제1항에 있어서, 온도에 따른 상기 결정의 파라데이 회전각의 변화 및 온도에 따른 상기 결정의 포화자화도의 변화 사이의 차이는 ±0.025%/deg 이하인 것을 특징으로 하는 자장측정장치.

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