JPH06281903A

JPH06281903A - 磁気光学素子及び磁界測定装置

Info

Publication number: JPH06281903A
Application number: JP5069631A
Authority: JP
Inventors: Nobuki Itou; 伸器伊藤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-03-29
Filing date: 1993-03-29
Publication date: 1994-10-07
Anticipated expiration: 2015-02-14
Also published as: JP3008721B2

Abstract

(57)【要約】【目的】磁界に対して高い測定精度の磁気光学素子を
提供すること。【構成】一般式（化１）で表わされる希土類鉄ガーネ
ット結晶であり、組成範囲においてXの値を0.8≦X≦1.
3、かつYの値を0.2≦Y≦0.4、かつZの値を0.1≦Z≦0.
9、かつWの値を0≦W≦0.3とし、またＲ元素を少なくと
も１種類以上の希土類元素とすることにより、磁界に対
して直線性のよい磁気光学素子となる。また、この磁気
光学素子を用いて磁界測定装置を構成する。【効果】この磁気光学素子は、5.0 Oeから200 Oeの磁
界範囲で測定精度が±1.0％以下である。【化１】

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ファラデー効果を有す
る磁気光学素子とそれを用いて磁界を検出し、その磁界
強度を測定する磁界測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、特に電力分野において、電線の周
りに発生する磁界強度を光を用いて測定する方法とし
て、ファラデー効果を有する磁気光学素子と光ファイバ
を組み合わせた磁界測定装置が提案され、実用化されつ
つある。電流が流れている導体の周りの磁界強度を測定
して電流を検知する方法は、光を媒体とするために絶縁
性が良好であり、電磁誘導ノイズを受けないなどの特徴
を持ち、送配電設備への適用が考えられている。

【０００３】図７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。図７において、磁界Ｈ中に磁気光
学素子１９が配置されている。この磁気光学素子１９に
偏光子１８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。図７はファラデー回転が負符号を示す場合を示し
ている。回転を受けた直線偏光は偏光子１８と透過偏光
方向を４５度に異ならしめた検光子２０を通過し、回転
角θの大きさが光量変化に変換される。この磁気光学変
換部を構成するために、一般に図６のように構成される
センサヘッド部が使用される（National Technical Rep
ort Vol.38 No.2 P.127 (1992) 参照）。

【０００４】このような原理を応用した磁界測定装置を
用いたものとして、送配電線路における複数点に磁界測
定器を配置して、各測定器からの電気出力を演算器に入
力し、その波形の和あるいは差を取って参照信号とし、
例えば送配電線路における零相電流を検出して事故の判
定を行なうものが提案されている。

【０００５】しかしながら、磁界測定装置に用いられる
磁気光学素子にフェリ磁性希土類鉄ガーネット結晶を使
用した場合、希土類鉄ガーネット結晶に特有の磁区構造
によって、結晶を透過した光は回折される。回折光は図
５に示すように中心から０次光１１、１次光１２、２次
光１３、・・・と定義される。図６に示すように構成さ
れたセンサヘッド部では、出射側レンズ２２での回折光
の観測条件がほぼ０次光観測であるために、その出力は
（数１）で示される（日本応用磁気学会誌 Vol.14, No.
4 P.642 (1990) 参照）。

【０００６】

【数１】

【０００７】ここで、θ_Fは材料が磁気的に飽和したと
きのファラデー回転角であり、θ_F＝Ｆ・Ｌと表され
る。また、Ｆは材料固有のファラデー回転係数で、Ｌは
光路長（素子長）である。Ｍは、磁界が印加されたとき
の材料の磁化であり、Ｍ_Sは、材料が磁気的に飽和した
ときの磁化（飽和磁化）である。

【０００８】上述の様なセンサヘッド部に用いられてい
る磁気光学素子として、一般式（化５）で示され、Xの
値がX=1.3、かつYの値がY=0.1、かつZの値がZ=0.1、か
つWの値がW=0.6である希土類鉄ガーネット結晶が開示さ
れている（電子情報通信学会技術研究報告 OQE92-105
(1992) 参照）。この従来の技術においては、ＹをＢｉ
やＧｄで置換することにより温度特性の良い磁気光学素
子を実現している。この従来例で用いられている結晶の
化学式を（化５）に示す。

【０００９】

【化５】

【００１０】しかしながら、この磁気光学素子を用いて
磁界測定装置を構成した場合には、図４に示すように、
5.0 Oe〜190 Oeの範囲で±2.0%以下の磁界測定の直線性
誤差が示されており、磁界測定装置の精度に実用上問題
がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術で述べたよ
うに、磁界測定装置に用いられる磁気光学素子にＢｉ置
換希土類鉄ガーネット結晶を使用した場合、フェリ磁性
体であるガーネット結晶に光を透過すると、ガーネット
結晶の磁区構造によって、光の回折が生じ、出射側の光
学系に結晶を透過した回折光が完全に集光しないため
に、磁界強度に対する測定精度が悪くなるという問題点
があった。

【００１２】本発明はかかる点を鑑みてなされたもので
あり、磁界に対する測定精度を向上し、かつ室温付近で
の温度特性が良く、高感度のＢｉ置換希土類鉄ガーネッ
ト結晶を実現し、この結晶を磁気光学素子として用いた
直線性の高い磁界測定装置を提供することを目的として
いる。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は上記問題点を解
決するため、一般式（化１）においてXの値を0.8≦X≦
1.3、かつYの値を0.1≦Y≦0.3、かつZの値を0≦Z≦1.
0、かつWの値を0≦W＜0.3としたＢｉ置換希土類鉄ガー
ネット結晶、または一般式（化２）において、Xの値を
0.8≦X≦1.3、かつYの値を0.1≦Y≦0.2としたＢｉ置換
希土類鉄ガーネット結晶を磁気光学素子として提供する
ものである。

【００１４】また、本発明は、上記の磁気光学素子を用
いた磁気光学変換部で磁界強度の変化を検知する磁界測
定装置を構成するものである。

【００１５】

【作用】本発明は、上述の磁気光学素子を用いることに
よって、より広い磁界範囲で測定精度が高い磁気光学素
子を提供するものであり、その作用を以下に説明する。

【００１６】式１を展開すると、（数２）のように表さ
れる。

【００１７】

【数２】

【００１８】ここで、Ｍ＝χＨであり、χは磁化率であ
る。さらに、式２に印加磁界が交流磁界であることを考
慮し、Ｈ＝Ｈ₀sinωtを代入し変形すると、出力の交流
成分は、（数３）のように表される。

【００１９】

【数３】

【００２０】と表される。（数３）より、出力を表す式
にsin2ωtの項が含まれ、その係数には磁界強度の２乗
項Ｈ₀ ²がかかることがわかる。したがって、交流磁界に
対しては、sinωtの基本波に対する２倍波の存在が磁界
に対する直線性の歪みの原因になっている。よって、印
加磁界の強度Ｈ₀が大きくなるほど２倍波の振幅がＨ₀の
２乗に比例して大きくなり、出力の線形性が悪化するこ
とになる。

【００２１】本発明は、このような観点から磁気光学素
子の磁区構造が消滅する磁界、すなわち、ガーネット結
晶の磁気的飽和に要する磁界Ｈsを組成制御によって大
きくすることにより、直線性歪みの原因となる２倍波の
振幅の係数Ｂを小さくし、磁界に対する測定精度を改良
することを可能とする。

【００２２】

【実施例】以下本発明の実施例について図面を参照しな
がら説明する。

【００２３】Ｂｉ₂Ｏ₃−ＰｂＯ−Ｂ₂Ｏ₅系フラックスを
用いてＣａ−Ｍｇ−Ｚｒ置換型Ｇｄ ₃Ｇａ₅Ｏ₁₂基板上に
一般式（化１）で示されるＢｉ置換希土類鉄ガーネット
結晶をＬＰＥ法で結晶成長した。（表１）に実施例を示
す。数値は各元素に対する組成比を表す。

【００２４】次に、図３に本発明による磁気光学素子を
用いた磁界測定装置の実施例を示す磁気光学変換部１
は、測定磁界（Ｈ）中もしくは図３に示すように測定磁
界を強くするために設けた周回積分コア６のギャップ中
に配置される。３は、光伝送路を形成する光ファイバで
ある。２は光信号発生手段であり、波長0.8μｍ帯のＬ
ＥＤまたは1.3μｍ帯、1.5μｍ帯のＬＤを用いる。４は
磁気光学変換部１を透過した後の光を検知し電気信号に
変換する検知手段であり、Ｇｅ−ＰＤ、ＳｉＰＩＮ−
ＰＤ等を用いるが、今回は0.8μｍ帯のＬＥＤを用いた
ので、ＳｉＰＩＮ−ＰＤを用いた。５は信号処理用電
気回路である。

【００２５】磁気光学変換部１は図６のように構成され
ており、磁気光学素子１９の端面に設けた偏光子１８と
磁気光学素子１９のもう一方の端面の検光子２０は透過
偏光方向が互いに４５度傾くように設置している。偏光
子１８、検光子２０としては、偏光ビームスプリッタを
用いた。本実施例では偏光子１８及び検光子２０を偏光
ビームスプリッタとしたが、グラントンプソンプリズム
やガラス製偏光板を用いることも可能であった。特に、
ガラス製偏光板を偏光子１８と検光子２０に用いた磁気
光学変換部は、変換部自体を小型化できるので周回積分
コア６のギャップを狭くすることができ、磁界測定装置
の感度を上げることができた。１７および２２はレンズ
であり、磁気光学変換部に入射する光を平行光または磁
気光学変換部を透過した光を収束光にするためのもので
ある。

【００２６】（表１）に示す磁気光学素子を、上述のよ
うに構成した磁界測定装置の磁気光学変換部に用いて、
5.0 Oeから200 Oeの磁界範囲で直線性誤差を測定した結
果を（表１）に示している。交流磁界の周波数は、60Hz
である。（表１）中の直線性特性に＃印を付した試料
は、本発明の範囲外のものである。

【００２７】この（表１）でＮｏ.５の試料について磁
界に対する直線性の測定データを図１に示している。

【００２８】

【表１】

【００２９】本発明の磁気光学素子は、一般式（化１）
で示されるが、結晶組成が、Xの値が0.8≦X≦1.3、かつ
Yの値が0.2≦Y≦0.4、かつZの値が0.1≦Z≦0.9、かつW
の値が0≦W≦0.3の範囲では、5.0 Oeから200 Oeの磁界
範囲で直線性誤差が±1.0％以下に収まっている。従来
例の図４と比較すると著しく直線性が改善されることが
わかる。

【００３０】また、表１中のサンプルＮｏ.５と上述の
従来例について、室温で磁気光学素子の磁気飽和に要す
る磁界Ｈsを測定した結果を（表２）に示す。

【００３１】

【表２】

【００３２】このことから、Ｆｅ元素を非磁性元素で置
換しないフェリ磁性希土類鉄ガーネット結晶ほどＨsが
大きく、（数３）に示す係数Ｂの値が小さくなり、磁界
に対する直線性が改善されることがわかる。また、本発
明の実施例は、交流磁界について記述されているが、直
流磁界についても同様に考えられ、図６に示すような構
成の磁気光学変換部の場合、Ｈsの大きい磁気光学素子
を用いるほど、磁界に対する直線性は改善される。

【００３３】（表１）の磁気光学素子は、温度特性も考
慮するために、Ｇｄ元素を置換した磁気光学素子につい
て示している。したがって、これらの磁気光学素子を磁
界測定装置に使用して、その出力の温度変動を-20℃か
ら+80℃の温度範囲で評価した結果は、すべて±1.0%以
下である。一方、温度特性を考慮しない場合には、Ｇｄ
元素を置換しない一般式（化６）で示される磁気光学素
子を直線性の良い装置として磁界測定装置に使用するこ
ともできる。

【００３４】

【化６】

【００３５】一般式（化６）で示される磁気光学素子を
作製し、磁界測定装置として構成した場合の直線性誤差
の測定結果を表３に示す。数値は各元素に対する組成比
を表す。

【００３６】

【表３】

【００３７】この磁気光学素子は、一般式（化６）で示
されるが、結晶組成が、Xの値が0.6≦X≦1.3、かつYの
値が0.1≦Y≦0.2の範囲では、5.0 Oeから200 Oeの磁界
範囲で直線性誤差が±1.0％以下に収まっており、温度
特性は悪いものの磁界に対する直線性誤差は充分に使用
可能である特性を示している。

【００３８】本実施例では、格子整合性をとるために置
換する元素としてＬａを用いた例について記述したが、
一般式（化１）または（化２）のＲ元素に１種類以上の
希土類元素を用いることも可能であった。その際、Ｂｉ
置換希土類鉄ガーネット結晶の飽和磁化に対して影響の
ない非磁性元素であることが良好な結果を与える。ま
た、ガーネット結晶基板に格子定数の異なるＣａ−Ｍｇ
−Ｚｒ置換型Ｇｄ₃Ｇａ₅Ｏ₁₂結晶基板以外のものを用い
た場合も、格子整合性をとるために一般式（化１）また
は（化２）のＲ元素に１種類以上の希土類元素を置換し
て、直線性の良いＢｉ置換希土類鉄ガーネット結晶を成
長することができた。

【００３９】なお、この直線性の改善は0.8μｍ帯の光
源だけでなく、希土類鉄ガーネット結晶を透過する1.3
μｍ帯や1.5μｍ帯の他の波長についても認められた。
また、周波数60Hzだけでなく、0から数100Hz程度まで直
線性よく磁界を測定することができた。

【００４０】さらに、以上はＣａ−Ｍｇ−Ｚｒ置換型Ｇ
ｄ₃Ｇａ₅Ｏ₁₂基板上に磁気光学素子を成長させたもので
あるが、Ｎｄ₃Ｇａ₅Ｏ₁₂基板上にも成長条件を変えて成
長し、同様な結果が得られた。また、気相成長法を用い
てこれらの基板上にエピタキシャル成長させることも可
能である。ただし、いずれの成長法においても成長条件
によって、一般式（化１）で示され、その結晶組成にお
いてXの値が0.8≦X≦1.3、かつYの値が0.2≦Y≦0.4、か
つZの値が0.1≦Z≦0.9、かつWの値が0≦W≦0.3の範囲で
ある磁気光学素子や一般式（化２）で示され、結晶組成
がXの値が0.6≦X≦1.3、かつYの値が0.1≦Y≦0.2の範囲
である磁気光学素子が、エピタキシャル成長せずに多結
晶体として形成されることもあるが、そのような多結晶
体の磁気光学素子でも光吸収損失が少し大きくなるもの
の充分に使用可能である。

【００４１】

【発明の効果】以上述べてきたことから明かな様に、本
発明の磁気光学素子とそれを用いた磁界測定装置によれ
ば、従来よりも広い磁界範囲にわたって高精度に測定す
ることが可能となり、その工業的価値は大なるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による磁気光学素子を用いた磁界測定装
置の出力の直線性誤差を示す図

【図２】本発明による磁気光学素子を用いた磁界測定装
置の出力の直線性誤差を示す図

【図３】本発明による磁気光学素子を用いた磁界測定装
置の実施例の概略図

【図４】従来の磁気光学素子を用いた磁界測定装置の出
力の直線性誤差を示す図

【図５】フェリ磁性ガーネット結晶による光の回折現象
を説明した模式図

【図６】磁気光学変換部の構成図

【図７】ファラデー効果を用いた磁界の測定原理を示す
図

【符号の説明】

１磁気光学変換部２光源３、２４光ファイバ４光検出部５信号処理用電気回路６コア７電線８、１５入射光９フェリ磁性希土類鉄ガーネット結晶１０スクリーン１１０次光１２１次光１３２次光１４３次光１６ホルダー１７、２２レンズ１８偏光子１９磁気光学素子２０検光子２１全反射ミラー２３出射光２５フェルール

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【手続補正書】

【提出日】平成６年３月７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００６】

【数１】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下記一般式（化１）で示されるＢｉ置換希
土類鉄ガーネット結晶において、Xの値を0.8≦X≦1.3、
かつYの値を0.2≦Y≦0.4、かつZの値を0.1≦Z≦0.9、か
つWの値を0≦W≦0.3としたことを特徴とする磁気光学素
子。【化１】Ｒは希土類元素から選択される少なくとも１種類の元素
である。
【請求項２】下記一般式（化２）で示されるＢｉ置換希
土類鉄ガーネット結晶において、Xの値を0.6≦X≦1.3か
つYの値を0.1≦Y≦0.2としたことを特徴とする磁気光学
素子。【化２】Ｒは希土類元素から選択される少なくとも１種類の元素
である。
【請求項３】Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット結晶を、ガー
ネット結晶基板上にエピタキシャル成長させて形成する
ことを特徴とする請求項１または２記載の磁気光学素
子。
【請求項４】ガーネット結晶基板がＣａ−Ｍｇ−Ｚｒ置
換型Ｇｄ₃Ｇａ₅Ｏ₁₂基板またはＮｄ₃Ｇａ₅Ｏ₁₂基板であ
ることを特徴とする請求項３記載の磁気光学素子。
【請求項５】偏光子と、前記偏光子に対して、透過偏光
方向を互いに異ならしめた検光子と、前記偏光子と前記
検光子の間に配置され、一般式が下記（化３）または
（化４）で示される磁気光学素子とからなる磁気光学変
換部と、前記磁気光学素子の一端に、前記偏光子をはさ
んで設けられた第１の光伝送路と、前記第１の光伝送路
に光を入射する光発生手段と、前記磁気光学素子の一端
であって、前記第１の光伝送路に対向する面に、前記検
光子をはさんで設けられた第２の光伝送路と、前記第２
の光伝送路からの光出力を検知し、電気信号に変換する
光検知手段と、前記光検知手段からの電気信号を処理す
る信号処理部を備え、前記磁気光学変換部を磁界中に配
置し、前記入射光が前記磁気光学変換部を透過すること
でおこる出力光の強度変化を、前記信号処理部が検出す
ることにより、磁界強度を直線性よく測定することを特
徴とする磁界測定装置。【化３】Ｒは希土類元素から選択される少なくとも１種類の元素
である。【化４】Ｒは希土類元素から選択される少なくとも１種類の元素
である。