JP3114765B2 - Optical magnetic field sensor - Google Patents
Optical magnetic field sensorInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、ビスマス置換磁性ガー
ネット膜のファラデー効果を利用した光磁界センサに関
する。更に詳しく云えば、本発明は、磁界の強弱を検知
する磁界センサにおいて、小型軽量で、しかも容易に量
産が可能な磁界の強弱を検知する反射型光磁界センサの
改良に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical magnetic field sensor utilizing the Faraday effect of a bismuth-substituted magnetic garnet film. More specifically, the present invention relates to an improvement in a reflection-type optical magnetic field sensor that detects the strength of a magnetic field that is small and lightweight and that can be easily mass-produced.
【0002】[0002]
【従来の技術】現在、一般に汎用されている工業装置や
民生機器などには、モーターや歯車などの回転装置や回
転部分を有しているものが多い。科学技術の進歩と地球
環境保護・省エネルギーに対する社会的要請の高まりか
ら、産業装置、例えば、航空機や船舶などや民生機器、
例えば、乗用車などの制御を、より高度・高精度に実施
して対応しようとの試みがなされるようになってきた。
回転機器・回転装置のより高度・高精度な制御を実現す
るためには、その回転速度〔数〕を連続的に、しかも正
確に測定しなければならない。そのためには、先ず、よ
り正確に回転速度を計測することのできる簡便で、より
軽量な測定装置を開発して、より安価に、しかも、大量
に提供して、社会的要請に答える必要がある。2. Description of the Related Art At present, many industrial devices and consumer devices generally used generally have a rotating device such as a motor or a gear or a rotating portion. Due to the progress of science and technology and the increasing social demands for global environmental protection and energy saving, industrial equipment, such as aircraft and ships, consumer equipment,
For example, attempts have been made to implement control of passenger cars and the like with higher altitude and higher precision.
In order to realize more sophisticated and high-precision control of a rotating device / rotating device, its rotation speed [number] must be continuously and accurately measured. To that end, it is necessary to first respond to social demands by developing a simple and lightweight measuring device that can measure the rotation speed more accurately, providing it inexpensively and in large quantities. .
【0003】回転速度〔数〕を測定する方法として、既
に、電磁誘導を利用する方法〔センサ技術、1986年、12
月号、68ページ〕や磁気光学材料のファラデー効果を利
用した光磁界センサを用いる方法〔アプライド オプテ
イックス(Applied Optics )第28巻、第11号、1992ペー
ジ(1989 年) 〕が提案されている。As a method for measuring the rotational speed [number], a method using electromagnetic induction [sensor technology, 1986, 12
Monthly Issue, p. 68] and a method using an optical magnetic field sensor utilizing the Faraday effect of a magneto-optical material (Applied Optics, Vol. 28, No. 11, p. 1992 (1989)) ] Has been proposed.
【0004】電磁誘導を利用する方法は、既に、航空機
や自動車用エンジンなどの回転速度〔数〕の計測・測定
に用いられている。しかし、電磁誘導を利用した回転速
度計には、計測端子と機器本体との間の伝送線路〔ケー
ブル〕で電磁気的雑音を受け易いと言った重大な欠点が
ある。また、電気回路を用いるため、有機溶剤などの可
燃性物質、即ち、危険物を取り扱う施設、換言すれば、
危険物製造所や危険物取扱所では、防爆対策を実施しな
ければならないと言う重大な問題点がある。The method using electromagnetic induction has already been used for measuring and measuring the rotational speed [number] of an aircraft or an automobile engine. However, the tachometer using electromagnetic induction has a serious drawback that a transmission line (cable) between the measurement terminal and the device body is susceptible to electromagnetic noise. In addition, since an electric circuit is used, a flammable substance such as an organic solvent, that is, a facility that handles dangerous substances, in other words,
Dangerous goods factories and hazardous materials handling plants have a serious problem that they must implement explosion-proof measures.
【0005】磁気光学材料のファラデー効果を利用した
光磁界センサを用いる方法は、光磁界センサに永久磁石
〔磁界〕が接近すると、光磁界センサ中の磁気光学材料
の偏波面が、磁界〔磁石〕の有無によって回転すること
を利用するものである。即ち、光磁界センサ中の磁気光
学材料を透過する光の偏波面の回転を、光強度の変化に
変換して検知・計数して回転速度〔数〕を測定しようと
するものである〔ナショナル テクニカル レポート(N
ational Technical Report) 、第29巻、第5号、70ペー
ジ(1983 年) 、図1参照〕。A method using an optical magnetic field sensor utilizing the Faraday effect of a magneto-optical material is such that when a permanent magnet [magnetic field] approaches the optical magnetic field sensor, the polarization plane of the magneto-optical material in the optical magnetic field sensor changes the magnetic field [magnet]. It uses the fact that it rotates depending on the presence or absence. That is, the rotation of the plane of polarization of light transmitted through the magneto-optical material in the optical magnetic field sensor is converted into a change in light intensity, and the rotation is detected and counted to measure the rotation speed [number] [National Technical Report (N
ational Technical Report), Vol. 29, No. 5, page 70 (1983), see FIG. 1].
【0006】図1において、符号1 は半導体レーザ等か
らなる光源、符号2 は方解石等からなる偏光子、符号3
はセレン化亜鉛等の磁気光学材料からなるファラデー回
転子、符号4 は方解石等からなる検光子である。光源1
から出射された光〔信号光〕は、偏光子2 に入射する。
偏光子2 を透過した信号光は、偏波面が一方向に揃った
直線偏光になっている。この偏光子2 を透過した信号
光、即ち、直線偏光は、ファラデー回転子3に入射す
る。ファラデー回転子3を透過した光の偏波面は、ファ
ラデー効果によって、外部磁界Hex に応じてθF だけ回
転する。ファラデー回転子3 を透過した光は、次いで、
検光子4 に入射して透過する。今、偏光子2 と検光子4
との傾き角度をφとし、ファラデー回転子3 を透過した
光の偏波面の傾き角度をθF と表示すると、検光子4 を
透過した光〔信号光〕の強度Pは、 P=k・cos2(φ−θF) (1) と表される。式(1) において、kは比例定数である。今
仮に、偏光子2 と検光子4 との傾き角度φを45度〔φ
=45゜〕と仮定すると、式(1) は、 P=k・(1+sin2θF)/2 (2) と書き換えることができる。透過光の偏波面の傾き角度
をθF が、十分に小さいときには、式(2) は、 P=k・(1+2θF)/2 (3) と近似することができる。式(3) は、偏光子2 と検光子
4 との傾き角度を45度に設定することによって、透過
光の偏波面の傾き角度、即ち、回転角θF に比例した光
強度が得られること、換言すれば、外部磁界Hex によっ
て生じた偏波面の回転角θF を、検光子4 により光強度
として検出・測定できることを意味している。In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a light source made of a semiconductor laser or the like, reference numeral 2 denotes a polarizer made of calcite or the like, and reference numeral 3
Is a Faraday rotator made of a magneto-optical material such as zinc selenide, and 4 is an analyzer made of calcite or the like. Light source 1
The light (signal light) emitted from the light enters the polarizer 2.
The signal light transmitted through the polarizer 2 is linearly polarized light having a plane of polarization aligned in one direction. The signal light transmitted through the polarizer 2, that is, the linearly polarized light enters the Faraday rotator 3. The polarization plane of the light transmitted through the Faraday rotator 3 rotates by θ F according to the external magnetic field Hex due to the Faraday effect. The light transmitted through the Faraday rotator 3 is then
The light enters the analyzer 4 and is transmitted. Now, polarizer 2 and analyzer 4
Is expressed as φ, and the inclination angle of the polarization plane of the light transmitted through the Faraday rotator 3 is expressed as θ F , the intensity P of the light [signal light] transmitted through the analyzer 4 becomes P = k · cos 2 (φ−θ F ) (1) In the equation (1), k is a proportional constant. Now, suppose that the inclination angle φ between the polarizer 2 and the analyzer 4 is 45 degrees [φ
= 45 °], equation (1) can be rewritten as P = k · (1 + sin2θ F ) / 2 (2) When the inclination angle θ F of the polarization plane of the transmitted light is sufficiently small, Equation (2) can be approximated as P = k · (1 + 2θ F ) / 2 (3). Equation (3) shows that polarizer 2 and analyzer
By setting the inclination angle between 4 to 45 degrees, the inclination angle of the polarization plane of the transmitted light, i.e., the light intensity proportional to the rotation angle theta F is obtained, in other words, polarization caused by the external magnetic field Hex This means that the wavefront rotation angle θ F can be detected and measured by the analyzer 4 as light intensity.
【0007】既に、種々の光磁界センサの方式・構成が
提案されているが、大別すると透過型と反射型とに分類
することができる。透過型の構成では、その構成部品の
性質から、信号光の入射、および、透過の方向が一直線
上に並ぶように配置・配列しなければならない〔図1参
照〕ため、その設置場所に制約があり、その使用目的と
設置場所によっては、設置・採用することができないこ
とは、改めて説明するまでもなく容易に理解されよう。Various types and configurations of optical magnetic field sensors have already been proposed, but they can be broadly classified into a transmission type and a reflection type. In the transmissive configuration, due to the nature of the components, the signal light must be arranged and arranged so that the directions of incidence and transmission of the signal light are aligned (see FIG. 1). It is easy to understand that it cannot be installed or adopted depending on the purpose of use and the installation location, without having to explain it again.
【0008】透過型光磁界センサの欠点を改善する構成
として反射型の光磁界センサが提案されている〔特開昭
56-55811、特公平3-22595 〕。図2は、松井らの提案に
なる反射型光磁界センサヘッドの構成を示す図面〔特開
昭56-55811〕である。図2において、信号光は、光ファ
イバ5aからレンズ6aを経てルチル単結晶等からなる偏光
子7 に導かれる。偏光子7 を透過した信号光は、ファラ
デー回転子8 に入射して直角プリズム9 に至り、直角プ
リズム9 で反射して、再びファラデー回転子8に入射す
る。ファラデー回転子8 を透過した信号光は、検光子10
に入射して透過し、レンズ6bにより出射側の光ファイバ
5bに入射して光検出器に至る。[0008] A reflection type optical magnetic field sensor has been proposed as a configuration for improving the drawbacks of the transmission type optical magnetic field sensor [
56-55811, Tokuhei 3-22595]. FIG. 2 is a drawing (JP-A-56-55811) showing a configuration of a reflection type optical magnetic field sensor head proposed by Matsui et al. In FIG. 2, signal light is guided from an optical fiber 5a to a polarizer 7 made of rutile single crystal or the like via a lens 6a. The signal light transmitted through the polarizer 7 enters the Faraday rotator 8 and reaches the right-angle prism 9, is reflected by the right-angle prism 9, and enters the Faraday rotator 8 again. The signal light transmitted through the Faraday rotator 8 is
And transmitted through the optical fiber, and the optical fiber on the output side by the lens 6b
It is incident on 5b and reaches the photodetector.
【0009】反射型の光磁界センサでは、図2に見られ
るように、信号光の入力用光ファイバと出力用光ファイ
バが、ファラデー回転子8 に対して、同じ側、換言すれ
ば、出力用光ファイバが入力用光ファイバと同じ方向、
更に換言すれば、ファラデー回転子8 は、光磁界センサ
の先端部に配置・設置されている。故に、反射型光磁界
センサは、取付け空間が狭くて透過型光磁界センサが設
置できないような夾雑な、狭い空間にも設置することが
できると言った特徴を有している。しかし、松井らの提
案になる反射型光磁界センサは、図2に見られるよう
に、レンズ6aと偏光子7 、および、レンズ6bと検光子10
を直列に並べて、しかも、並列に配置しなければならな
いため組立作業の自動化が難しく、従って、製造コスト
の低減が困難であるという重大な問題点を残している。In the reflection type optical magnetic field sensor, as shown in FIG. 2, the input optical fiber and the output optical fiber for the signal light are on the same side with respect to the Faraday rotator 8, in other words, for the output. The optical fiber is in the same direction as the input optical fiber,
In other words, the Faraday rotator 8 is disposed and installed at the tip of the optical magnetic field sensor. Therefore, the reflection type optical magnetic field sensor has a feature that it can be installed in a contaminated and narrow space where the installation space is narrow and a transmission type optical magnetic field sensor cannot be installed. However, the reflection type optical magnetic field sensor proposed by Matsui et al., As shown in FIG. 2, has a lens 6a and a polarizer 7, and a lens 6b and an analyzer 10 as shown in FIG.
Must be arranged in series and in parallel, so that it is difficult to automate the assembling work, and therefore, there remains a serious problem that it is difficult to reduce the manufacturing cost.
【0010】松村ら〔特公平3-22595 〕は、松井らの提
案した反射型光磁界センサヘッドの問題点を解決する方
法として、偏光子7 と検光子10とを、一つの偏光子に置
き換える構成〔図3参照〕を提案している。Matsumura et al. (Japanese Patent Publication No. 3-22595) disclose a method of solving the problem of the reflection type optical magnetic field sensor head proposed by Matsui et al. By replacing the polarizer 7 and the analyzer 10 with one polarizer. A configuration (see FIG. 3) is proposed.
【0011】図3において、符号11は半導体レーザ等か
らなる光源、符号12はレンズ、符号13は入射光の一部を
反射させ、一部を透過するハーフミラー、符号14は光フ
ァイバ、符号15はルチル単結晶等からなる偏光子、符号
16は磁気光学材料からなるファラデー回転子、符号17は
金属薄膜等からなる反射膜、符号18と符号19は光検出器
(パワーメータ)である。光源11から出射された信号光
は、レンズ12、ハーフミラー13を経て光ファイバ14に集
光・導かれる。ハーフミラー13に入射した信号光は、ハ
ーフミラー13によって、その一部が反射して光路1に導
かれる。光路1に光検出器18を設置することによって、
光源11から出射された信号光の強度の変動を測定するこ
とができる。光ファイバ14に導かれた信号光は、偏光子
15、および、ファラデー回転子16を透過して反射膜17に
至る。反射膜17に到達した信号光は、反射膜17で反射し
て逆進し、再び、ファラデー回転子16、偏光子15に入射
する。偏光子15を透過した信号光〔反射戻り光〕は、光
ファイバ14に入射する。光ファイバ14に入射した信号光
〔反射戻り光〕は、ハーフミラー13に入射する。ハーフ
ミラー13に入射した信号光〔反射戻り光〕は、ハーフミ
ラー13によって反射して光路2に導かれて光検出器19に
達し、光強度が測定される。In FIG. 3, reference numeral 11 denotes a light source made of a semiconductor laser or the like, reference numeral 12 denotes a lens, reference numeral 13 denotes a half mirror that reflects part of incident light and transmits part of the light, reference numeral 14 denotes an optical fiber, and reference numeral 15 Is a polarizer made of rutile single crystal, etc.
16 is a Faraday rotator made of a magneto-optical material, 17 is a reflection film made of a metal thin film or the like, and 18 and 19 are photodetectors (power meters). The signal light emitted from the light source 11 is condensed and guided to the optical fiber 14 via the lens 12 and the half mirror 13. A part of the signal light incident on the half mirror 13 is reflected by the half mirror 13 and guided to the optical path 1. By installing the photodetector 18 in the optical path 1,
The fluctuation of the intensity of the signal light emitted from the light source 11 can be measured. The signal light guided to the optical fiber 14 is a polarizer
15 and through the Faraday rotator 16 to reach the reflective film 17. The signal light that has reached the reflection film 17 is reflected by the reflection film 17, travels backward, and enters the Faraday rotator 16 and the polarizer 15 again. The signal light (reflected return light) transmitted through the polarizer 15 enters the optical fiber. The signal light (reflected return light) that has entered the optical fiber 14 enters the half mirror 13. The signal light (reflected return light) incident on the half mirror 13 is reflected by the half mirror 13, guided to the optical path 2, reaches the photodetector 19, and the light intensity is measured.
【0012】[0012]
【発明が解決しようとする課題】松村ら〔特公平3-2259
5 〕は、ファラデー回転子〔磁気光学材料〕として、イ
ットリウム・鉄・ガーネット(化学構造式:Y3Fe5O12)
を用いている。イットリウム・鉄・ガーネット(化学構
造式:Y3Fe5O12)は、通常一般に、YIGと称され、融
液法などの公知の方法で容易に製造することができる。
イットリウム・鉄・ガーネット(YIG) は、従来から、フ
ァラデー回転子として使用されてきた常磁性ガラスやセ
レン化亜鉛(ZnSe)等に比べてファラデー効果が大きいと
いう優れた特性を有している。従って、松村らの提案、
即ち、イットリウム・鉄・ガーネット(YIG) を、反射型
光磁界センサのファラデー回転子として使用するとの提
案は、反射型光磁界センサヘッドをより一層小型化、高
性能化する方法の一つであると言える。 [Problems to be solved by the invention] Matsumura et al.
5] is Yttrium / Iron / Garnet (chemical structural formula: Y 3 Fe 5 O 12 ) as a Faraday rotator [magneto-optical material]
Is used. Yttrium / iron / garnet (chemical structural formula: Y 3 Fe 5 O 12 ) is generally called YIG and can be easily produced by a known method such as a melt method.
Yttrium / Iron / Garnet (YIG) has traditionally been
Paramagnetic glass and cells that have been used as Faraday rotators
When the Faraday effect is large compared to zinc lenide (ZnSe), etc.
It has such excellent characteristics. Therefore, the proposal by Matsumura et al.
In other words, yttrium, iron, and garnet (YIG)
Proposal for use as Faraday rotator in optical magnetic field sensor
The idea is to make the reflective optical magnetic field sensor head even smaller and higher
It can be said that this is one of the ways to improve performance.
【0013】イットリウム・鉄・ガーネット(YIG) を、
反射型光磁界センサのファラデー回転子として使用する
との提案は、その特性の点で極めて興味のある提案であ
ると言える。しかし、イットリウム・鉄・ガーネット(Y
IG) の光の透過性に関する性質・特徴を考えるとき、光
磁界センサの磁気光学材料、即ち、ファラデー回転子と
しての実用性に疑問が生じる。即ち、既に、イットリウ
ム・鉄・ガーネット(YIG) が、波長 1.1μm 以上の近赤
外波長領域の光を良く透過し、波長領域 0.8μm 帯の光
を良く吸収すると言う特徴ある性質を有していることが
知られているからである。[0013] Yttrium, iron and garnet (YIG)
The proposal for use as a Faraday rotator in a reflection type optical magnetic field sensor can be said to be a very interesting proposal in terms of its characteristics . However, yttrium, iron, garnet (Y
When considering the properties and characteristics of IG) regarding the light transmittance, there arises a question about the practicality of the magneto-optical sensor as a magneto-optical material, that is, a Faraday rotator. That is, yttrium, iron, and garnet (YIG) already have the characteristic property that they transmit light in the near-infrared wavelength region of 1.1 μm or more well and absorb light in the wavelength region of 0.8 μm well. Because it is known that there is.
【0014】現在、通常一般に、光センサの光源として
は、 0.78 μm 乃至 0.85 μm に中心波長を有する半導
体レーザ(LD)や発光ダイオード(LED) が賞用・汎用され
ている。半導体レーザ(LD)や発光ダイオード(LED) が光
センサの光源として汎用されている理由は、既に、光源
装置として安価に市販されており、しかも、光検出器の
感度も高いからである。従って、光磁界センサの光源と
して、市販の光源装置を使用するのが最も好ましい、換
言すれば、市販の光源装置を使用して、高感度に作動す
る光磁界センサを安価に提供するのが社会的要請に答え
る最良の対応方法であることは言うまでもない。At present, semiconductor lasers (LDs) and light emitting diodes (LEDs) having a center wavelength of 0.78 μm to 0.85 μm are generally used as light sources for optical sensors. Semiconductor lasers (LDs) and light-emitting diodes (LEDs) are widely used as light sources for optical sensors because they are already commercially available at low cost as light source devices and have high photodetector sensitivity. Therefore, it is most preferable to use a commercially available light source device as a light source for the optical magnetic field sensor. In other words, it is a socially necessary to provide a highly sensitive optical magnetic field sensor using a commercially available light source device at low cost. Needless to say, this is the best way to respond to the demands.
【0015】イットリウム・鉄・ガーネット(YIG) が、
波長領域 0.8μm 帯の光を良く吸収すると言うことは、
光源として、市販の光源装置を使用すると、光信号の検
出が困難になる可能性があることを意味している。即
ち、イットリウム・鉄・ガーネット(YIG) には、光磁界
センサ用磁気光学材料、即ち、ファラデー回転子に要求
される物性・性質に、基本的な欠点・欠陥があることを
示している。Yttrium, iron and garnet (YIG)
The fact that it absorbs light in the wavelength region of 0.8 μm well means that
If a commercially available light source device is used as the light source, it means that it may be difficult to detect an optical signal. That is, it is shown that yttrium / iron / garnet (YIG) has fundamental defects / defects in physical properties and properties required for a magneto-optical material for an optical magnetic field sensor, that is, a Faraday rotator.
【0016】本願発明者らは、松村らの提案に強い興味
と危惧とを抱いた。従って、本願発明者らは、イットリ
ウム・鉄・ガーネット(YIG) の欠点・危惧を回避する方
法について、種々の検討を実施した結果、磁気光学材料
として注目されているビスマス置換磁性ガーネットに、
その可能性を見い出した。ビスマス置換磁性ガーネット
は、液相エピタキシャル(LPE) 法で、比較的容易に製造
することができ、しかも、量産性にも優れている。ビス
マス置換磁性ガーネットは、化学構造式 (RBi)3(FeA)5O
12 で表される。ここに、Rは、イットリウムY、或い
は、希土類元素を意味し、Aは、アルミニウムAlやガリ
ウムGaなどを意味する。The inventors of the present application had strong interest and apprehension in Matsumura et al.'S proposal. Accordingly, the present inventors have conducted various studies on methods for avoiding the drawbacks and fears of yttrium / iron / garnet (YIG), and as a result, have found that bismuth-substituted magnetic garnet, which has been attracting attention as a magneto-optical material,
I found that possibility. Bismuth-substituted magnetic garnet can be manufactured relatively easily by liquid phase epitaxy (LPE) and is excellent in mass productivity. Bismuth-substituted magnetic garnet has the chemical formula (RBi) 3 (FeA) 5 O
Represented by 12 . Here, R means yttrium Y or a rare earth element, and A means aluminum Al, gallium Ga or the like.
【0017】ビスマス置換磁性ガーネットのファラデー
回転係数、換言すれば、磁化が飽和された状態における
単位膜厚当たりの偏波面の回転角は、イットリウム・鉄
・ガーネット(YIG) のファラデー回転係数に比べて数倍
以上、更に具体的に言えば、例えば、波長 0.8μm にお
いて約10倍も大きい。従って、磁気光学材料として同じ
効果を期待する場合には、ファラデー回転係数に比例し
て磁気光学材料の膜厚を薄くすることが可能であり、そ
の結果として、光の吸収損失が少なくなり、より小さ
く、小型化することができることを示唆している。即
ち、磁気光学材料の材質を、イットリウム・鉄・ガーネ
ット(YIG) からビスマス置換磁性ガーネットに替えるこ
とによって、素子の膜厚が薄くなり、光の吸収損失が少
なくなり、波長領域 0.8μm 帯の光を光源とする光磁界
センサの開発が可能であることを示唆している。The Faraday rotation coefficient of bismuth-substituted magnetic garnet, in other words, the rotation angle of the polarization plane per unit film thickness in the state where the magnetization is saturated, is smaller than the Faraday rotation coefficient of yttrium / iron / garnet (YIG). More than several times, more specifically, for example, about 10 times larger at a wavelength of 0.8 μm. Therefore, when the same effect is expected as the magneto-optical material, it is possible to reduce the film thickness of the magneto-optical material in proportion to the Faraday rotation coefficient. As a result, light absorption loss is reduced, and It suggests that it can be smaller and smaller. That is, by changing the material of the magneto-optical material from yttrium / iron / garnet (YIG) to a bismuth-substituted magnetic garnet, the film thickness of the element becomes thinner, light absorption loss is reduced, and light in the wavelength region of 0.8 μm band is reduced. This suggests that it is possible to develop an optical magnetic field sensor that uses a light source.
【0018】また、ビスマス置換磁性ガーネットの飽和
磁界〔 500〜1200 Oe 〕は、イットリウム・鉄・ガーネ
ット(YIG) の飽和磁界〔約1800Oe〕の半分程度である。
従って、弱い磁界の測定も可能であると期待される。弱
い磁界の測定が可能であると言うことは、永久磁石と光
磁界センサとの距離・間隔をより長くすることができる
と言うことを意味している。このことは、光磁界センサ
の配置・設置の自由度・フレキシビリティーの向上を意
味しており、光磁界センサの利用分野の拡大の可能性を
示唆するものである。The saturation magnetic field [500 to 1200 Oe] of the bismuth-substituted magnetic garnet is about half of the saturation magnetic field [about 1800 Oe] of yttrium / iron / garnet (YIG).
Therefore, it is expected that a weak magnetic field can be measured. The fact that a weak magnetic field can be measured means that the distance and interval between the permanent magnet and the optical magnetic field sensor can be made longer. This means improvement in the degree of freedom and flexibility of arrangement and installation of the optical magnetic field sensor, and suggests the possibility of expanding the field of use of the optical magnetic field sensor.
【0019】本願発明者らは、上述した検討結果等か
ら、ビスマス置換磁性ガーネットを磁気光学材料、即
ち、ファラデー回転子とする反射型光磁界センサの開発
が可能であるとの確信を得て、更に、種々の基礎実験、
および、開発実験を実施した。本願発明者らは、先ず、
特公平3-22595 明細書の記載に従って、イットリウム・
鉄・ガーネット(YIG) の替わりにビスマス置換磁性ガー
ネットを用いて反射型光磁界センサ〔図3〕を製作し
て、磁界強度を種々に変化させながら光信号の検出実験
を実施した。しかし、外部磁界の印加の有無にかかわら
ず、光信号を、全く検知・検出することが出来なかっ
た。拠って、光信号を検出することが出来ない理由・原
因を究明するために、種々の基礎実験を行なった。その
結果、本願発明者らは、図3に示した反射型光磁界セン
サでは、ファラデー回転素子として多数の磁区を有する
多磁区構造体を用いると、外部磁界の印加の有無にかか
わらず、光の強度に変化が生じないとの結論を得た。The inventors of the present application have obtained the conviction that it is possible to develop a reflection type optical magnetic field sensor using a bismuth-substituted magnetic garnet as a magneto-optical material, that is, a Faraday rotator, based on the above-described examination results. In addition, various basic experiments,
And a development experiment was conducted. The inventors of the present application firstly
Japanese Patent Publication No. 3-22595 Yttrium
A reflection type optical magnetic field sensor (FIG. 3) was manufactured using bismuth-substituted magnetic garnet instead of iron / garnet (YIG), and an optical signal detection experiment was performed while changing the magnetic field strength variously. However, regardless of the presence or absence of the application of an external magnetic field, no optical signal could be detected or detected. Therefore, various basic experiments were performed to determine the reason and cause of the inability to detect the optical signal. As a result, in the reflection type optical magnetic field sensor shown in FIG. 3, when the multi-domain structure having a large number of magnetic domains is used as the Faraday rotator, the inventors of the present application can control the light regardless of whether an external magnetic field is applied. It was concluded that there was no change in strength.
【0020】ここに得られた本願発明者らの実験・検討
結果は、ビスマス置換磁性ガーネットと同じ多磁区構造
体であるイットリウム・鉄・ガーネット(YIG) をファラ
デー回転素子として使用している松村らの実験結果〔特
公平3-22595 、実施例〕と一致しない。本願発明者らに
は、未だ、イットリウム・鉄・ガーネット(YIG) 同じ多
磁区構造体であるビスマス置換磁性ガーネットが、ファ
ラデー回転素子として有効に機能しない、機能しなかっ
た理由がわからない。The results of the experiments and examinations of the present inventors obtained here show that Matsumura et al. Used the same multi-domain structure of yttrium-iron-garnet (YIG) as bismuth-substituted magnetic garnet as a Faraday rotator. Does not agree with the experimental results of [3-22595, Example]. The inventors of the present application do not yet understand why yttrium / iron / garnet (YIG), a bismuth-substituted magnetic garnet having the same multi-domain structure, does not function effectively as a Faraday rotator or does not function.
【0021】本願発明者らは、上述した実験結果を詳細
に再検討すると共に、更に詳細な基礎実験を行なった結
果、反射膜、(111)ビスマス置換磁性ガーネット単
結晶膜、偏光子、光入出力装置から構成し、しかも、光
入出力装置の光入出力用の光路を二つに分離し、ここに
分離した光入力路と光出力路の二つの光路のなす角度が
5度以上になるように設定・配置することによって反射
型の光磁界センサを構成することができるとの知見を得
て、更に、鋭意研究検討を行い、ビスマス置換磁性ガー
ネット製ファラデー回転子を用いる反射型光磁界センサ
として完成させて提案〔特願平4-90976、図4参照〕し
た。The present inventors reexamined the above experimental results in detail and conducted more detailed basic experiments. As a result, the reflection film, the (111) bismuth-substituted magnetic garnet single crystal film, the polarizer, the light input It is composed of an output device, and furthermore, the optical path for optical input / output of the optical input / output device is divided into two, and the angle formed by the two optical paths of the separated optical input path and optical output path becomes 5 degrees or more. That the reflection type optical magnetic field sensor can be configured by setting and arranging it in such a way, and further intensive research and study were conducted, and a reflection type optical magnetic field sensor using a bismuth-substituted magnetic garnet Faraday rotator And proposed [Japanese Patent Application No. 4-90976, FIG. 4].
【0022】図4において、符号20はコーニング社のポ
ーラコア〔商品名〕等の偏光子を、符号21は磁化容易軸
が膜面に垂直な(111)ビスマス置換磁性ガーネット
単結晶膜からなるファラデー回転子を意味し、ここに外
部磁界が印加される。また、符号22は、誘電体多層膜等
からなる反射膜を、符号23はガラスや高分子上に形成さ
れた光導波路、または、光ファイバからなる光入力路
を、符号24は、ガラスや高分子上に形成された光導波
路、或いは、光ファイバからなる光出力路を意味する。
図4の構成からなる反射型光磁界センサでは、半導体レ
ーザなどの光源26から出射された信号光は、レンズ25を
経て、光入力路23に導かれる(レンズ25を省略し、光入
力路23と光源26を直接結合することも可能である)。光
入力路23に入射した信号光は、センサヘッドに至り、偏
光子20、および、ファラデー回転子21を透過して反射膜
22に至る。反射膜22に到達した信号光は、反射膜22で反
射して戻り、ファラデー回転子21、次いで、偏光子20を
透過して光出力路24に入射して光検出器27に至り、光信
号として検出される。即ち、図4の構成からなる反射型
光磁界センサは、光入出力装置の光入出力用の光路は二
つに分離されて、各々独立した光入力路23と光出力路24
として構成されており、しかも、光入力路23と光出力路
24のなす角度αが、5度以上になるように配置・構成さ
れている。In FIG. 4, reference numeral 20 denotes a polarizer such as a polar core (trade name) of Corning, and reference numeral 21 denotes a Faraday rotation made of a (111) bismuth-substituted magnetic garnet single crystal film having an easy axis of magnetization perpendicular to the film surface. And an external magnetic field is applied thereto. Reference numeral 22 denotes a reflection film made of a dielectric multilayer film or the like, reference numeral 23 denotes an optical waveguide formed on glass or a polymer, or an optical input path made of an optical fiber, and reference numeral 24 denotes a glass or high It means an optical waveguide formed on a molecule or an optical output path composed of an optical fiber.
In the reflection type optical magnetic field sensor having the configuration shown in FIG. 4, signal light emitted from a light source 26 such as a semiconductor laser is guided to an optical input path 23 via a lens 25 (the lens 25 is omitted and the optical input path 23 is omitted). And the light source 26 can be directly coupled). The signal light incident on the optical input path 23 reaches the sensor head, passes through the polarizer 20 and the Faraday rotator 21, and passes through the reflection film.
Reaches 22. The signal light that has reached the reflection film 22 is reflected by the reflection film 22 and returns, passes through the Faraday rotator 21, and then passes through the polarizer 20, enters the light output path 24, reaches the photodetector 27, and Is detected as That is, in the reflection type optical magnetic field sensor having the configuration of FIG. 4, the optical path for optical input / output of the optical input / output device is divided into two, and the independent optical input path 23 and independent optical output path 24 are provided.
The optical input path 23 and the optical output path
24 are arranged and configured such that the angle α formed by them becomes 5 degrees or more.
【0023】ここに提案したビスマス置換磁性ガーネッ
ト製ファラデー回転子を用いる反射型光磁界センサは、
現在、光磁界センサに要求されている性能を十分に保有
している。しかし、ここに提案した反射型光磁界センサ
は、図4に見られるように、光入力路と光出力路の二本
の光路を必要とし、更に、光入力路と光出力路の二本の
光路を、約5度以上の角度をもたせて配置しなければな
らないと言った技術的困難と改良の余地を残している。
即ち、ここに提案した反射型光磁界センサは、その構成
条件から、光磁界センサの先端部分、即ち、プローブの
径を5ミリメートル以下にまで小型化することが困難で
ある。従って、ジャイロやタービンなどの回転軸の軸中
心に穿たれた直径数ミリメートルの円筒の中のような、
非常に狭い場所の磁界の測定に供することが出来ない。
また、プローブ〔光磁界センサヘッド〕と光検出器〔磁
界測定装置〕の設置場所との距離が長い場合には、光フ
ァイバのコストが問題になる可能性がある。The reflection type optical magnetic field sensor using the Faraday rotator made of bismuth-substituted magnetic garnet proposed here is
Currently, it has sufficient performance required for optical magnetic field sensors. However, the reflection type optical magnetic field sensor proposed here requires two optical paths, an optical input path and an optical output path, as shown in FIG. 4, and furthermore, two optical paths, an optical input path and an optical output path. This leaves technical difficulties and room for improvement, such that the light path must be positioned at an angle of about 5 degrees or more.
That is, in the reflection type optical magnetic field sensor proposed here, it is difficult to reduce the tip portion of the optical magnetic field sensor, that is, the diameter of the probe to 5 mm or less due to the configuration conditions. Therefore, like a cylinder with a diameter of several millimeters drilled at the center of the rotating shaft of a gyro or turbine,
It cannot be used for measuring a magnetic field in a very narrow place.
If the distance between the probe (optical magnetic field sensor head) and the installation location of the photodetector (magnetic field measuring device) is long, the cost of the optical fiber may become a problem.
【0024】[0024]
【課題を解決するための手段】本願発明者らは、液相エ
ピタキシャル(LPE) 法で比較的容易に製造することがで
き、しかも優れた種々の光学的な特性を有しているビス
マス置換磁性ガーネット製ファラデー回転子を用いる反
射型光磁界センサに残された改良の余地、および、問題
点を解決して、より汎用性に富んだ、より小型で高性能
の反射型光磁界センサを開発するために鋭意改良研究を
行なった。その結果、ビスマス置換磁性ガーネット製の
ファラデー回転子を、偏光子、および、反射膜の法線、
或いは、平面に対して傾斜させて配置することによっ
て、光入力路と光出力路の二本の光路を一本に纏めても
光信号を検出することができるとの知見を得て、更に、
改良研究を行ない本願発明を完成させた。DISCLOSURE OF THE INVENTION The present inventors have developed a bismuth-substituted magnetic material which can be manufactured relatively easily by a liquid phase epitaxy (LPE) method and has excellent various optical characteristics. Develop a more versatile, smaller, and higher-performance reflective optical magnetic field sensor that solves the problems and problems left behind in a reflective optical magnetic field sensor using a garnet Faraday rotator. In order to do so, we conducted intensive improvement research. As a result, a Faraday rotator made of bismuth-substituted magnetic garnet, a polarizer, and the normal of the reflection film,
Alternatively, by arranging the optical path inclining with respect to the plane, the knowledge that an optical signal can be detected even when the two optical paths of the optical input path and the optical output path are combined into one is obtained.
The present inventor has completed the present invention by making improvements.
【0025】本願発明のビスマス置換磁性ガーネット製
ファラデー回転子を用いる反射型光磁界センサヘッド
は、光入出力路、偏光子、ビスマス置換磁性ガーネット
単結晶膜〔ファラデー回転子〕、および、反射膜で構成
されている。なお、ここにファラデー回転子として使用
されるビスマス置換磁性ガーネット単結晶膜とは、(1
11)ビスマス置換磁性ガーネット単結晶膜を意味す
る。The reflection type optical magnetic field sensor head using the bismuth-substituted magnetic garnet Faraday rotator of the present invention comprises an optical input / output path, a polarizer, a bismuth-substituted magnetic garnet single crystal film (Faraday rotator), and a reflection film. It is configured. Here, the bismuth-substituted magnetic garnet single crystal film used as the Faraday rotator is (1)
11) Bismuth-substituted magnetic garnet single crystal film.
【0026】本願発明の反射型光磁界センサヘッドは、
光源装置側から、光入出力路、偏光子、ビスマス置換磁
性ガーネット単結晶膜〔ファラデー回転子〕、反射膜の
順に、換言すれば、光磁界センサヘッドの先端部から、
反射膜、ビスマス置換磁性ガーネット単結晶膜、偏光
子、光入出力路の順に配置されている〔図5参照〕。ま
た、ファラデー回転子であるビスマス置換磁性ガーネッ
ト単結晶膜は、当該ビスマス置換磁性ガーネット単結晶
膜の法線、換言すれば、磁化方向と光入出力路の光軸、
換言すれば、光の進行方向とのなす角度が10度乃至7
0度の範囲内になるように設置されている。The reflection type optical magnetic field sensor head of the present invention is
From the light source device side, the light input / output path, the polarizer, the bismuth-substituted magnetic garnet single crystal film (Faraday rotator), the reflection film, in other words, from the tip of the optical magnetic field sensor head,
A reflection film, a bismuth-substituted magnetic garnet single crystal film, a polarizer, and an optical input / output path are arranged in this order (see FIG. 5). Further, the bismuth-substituted magnetic garnet single crystal film as the Faraday rotator is a normal line of the bismuth-substituted magnetic garnet single crystal film, in other words, the magnetization direction and the optical axis of the optical input / output path,
In other words, the angle between the light and the traveling direction is 10 degrees to 7 degrees.
It is set to be within the range of 0 degrees.
【0027】即ち、図5において、符号28は、ポーラコ
ア等からなる偏光子を、符号29は、光路(軸)に対して
法線から角度βだけ傾けて配置された(111)ビスマ
ス置換希土類磁性ガーネット単結晶膜からなるファラデ
ー回転子〔図6参照〕を、符号30は、金薄膜等からなる
反射膜を、また、符号31は、光ファイバや光導波路など
からなる光入出路である。ここに、反射型光磁界センサ
ヘッドの小型化の観点から、該光入出力路31が、光入力
用の光路であると同時に、反射膜30で反射した信号光を
光検出器に入射させるために分岐・分離する機能を有し
ていても良いことは言うまでもない。That is, in FIG. 5, reference numeral 28 denotes a polarizer made of a polar core or the like, and reference numeral 29 denotes a (111) bismuth-substituted rare earth magnetic element disposed at an angle β from the normal to the optical path (axis). A Faraday rotator (see FIG. 6) made of a garnet single crystal film, reference numeral 30 denotes a reflection film made of a gold thin film or the like, and reference numeral 31 denotes a light input / output path made of an optical fiber, an optical waveguide, or the like. Here, from the viewpoint of miniaturization of the reflection type optical magnetic field sensor head, the light input / output path 31 is an optical path for light input, and at the same time, the signal light reflected by the reflection film 30 is incident on the photodetector. Needless to say, a function of branching / separating the data may be provided.
【0028】上述したように、多磁区構造を有するビス
マス置換磁性ガーネット単結晶膜をファラデー回転子と
する反射型光磁界センサでは、光入出力路31から出射さ
れた光信号が、ビスマス置換磁性ガーネット単結晶29を
透過して反射膜30に至り、反射膜30で反射して、再び、
ビスマス置換磁性ガーネット単結晶29に入射して透過
し、光入出力路31に至るまでの間に、異なる磁区、即
ち、磁区aと磁区bを通過する必要がある。本願発明で
は、図6に例示したように、この目的を、ファラデー回
転子29、即ち、ビスマス置換磁性ガーネット単結晶29を
傾斜させて、光の進行方向、即ち、光軸に対して一定の
角度を持たせることによって達成している。As described above, in the reflection type optical magnetic field sensor using the bismuth-substituted magnetic garnet single crystal film having the multi-domain structure as the Faraday rotator, the optical signal emitted from the optical input / output path 31 is used for the bismuth-substituted magnetic garnet. The light passes through the single crystal 29 to reach the reflection film 30, is reflected by the reflection film 30, and again,
It is necessary to pass through different magnetic domains, that is, magnetic domain a and magnetic domain b, before entering and transmitting the bismuth-substituted magnetic garnet single crystal 29 and reaching the optical input / output path 31. In the present invention, as illustrated in FIG. 6, this purpose is achieved by tilting the Faraday rotator 29, that is, the bismuth-substituted magnetic garnet single crystal 29, so that the light travel direction, that is, a certain angle with respect to the optical axis. Is achieved by having
【0029】既に、光磁界センサによる磁界の検出にお
いて、反射膜以外の反射面、更に具体的に言えば、偏光
子表面やビスマス置換磁性ガーネット単結晶表面などか
らの反射戻り光と光源の光強度の変動等の影響を考慮す
ると、センサヘッドに磁界が印加されていない時と磁界
が印加されてビスマス置換磁性ガーネット単結晶が磁気
的にほぼ飽和された時との光信号強度が、光信号強度の
差ΔPとして少なくとも2dB以上必要であることが知ら
れている〔特願平4-90976〕。In the detection of the magnetic field by the optical magnetic field sensor, the reflected light returned from the reflection surface other than the reflection film, more specifically, the surface of the polarizer or the surface of the bismuth-substituted magnetic garnet single crystal, and the light intensity of the light source. optical signal intensity, the optical signal intensity of the consideration of the influence of fluctuation, and when the time for magnetic field sensor head is not applied and the magnetic field is applied bismuth-substituted iron garnet single crystal is magnetically substantially saturated It is known that a difference ΔP of at least 2 dB is required [Japanese Patent Application No. 4-90976].
【0030】本発明を実施するとき、光信号強度の差Δ
Pが2dB以上になるのは、(111)ビスマス置換磁性
ガーネット単結晶膜の法線と光入出力路の光軸との傾き
角度βを10度以上に選んだときである。光信号強度の
差ΔPは、(111)ビスマス置換磁性ガーネット単結
晶膜の法線と光入出力路の光軸との傾き角度βが大きく
なるに従って大きくなる。しかし、傾き角度βが大きく
なり過ぎると、信号光が、ビスマス置換磁性ガーネット
単結晶表面で全反射されてしまったり、光入出路と反射
膜との距離が長くなって反射膜から戻ってくる光信号が
弱まるなどの支障が生じる。従って、(111)ビスマ
ス置換磁性ガーネット単結晶膜の法線と光入出力路の光
軸との傾き角度βは、10度以上70度以下、より好ま
しくは、20度以上45度以下の範囲に選ぶのが好まし
い。When practicing the present invention, the difference Δ
P becomes 2 dB or more when the inclination angle β between the normal line of the (111) bismuth-substituted magnetic garnet single crystal film and the optical axis of the light input / output path is selected to be 10 degrees or more. The difference ΔP in optical signal intensity increases as the inclination angle β between the normal to the (111) bismuth-substituted magnetic garnet single crystal film and the optical axis of the optical input / output path increases. However, if the inclination angle β is too large, the signal light is totally reflected on the surface of the bismuth-substituted magnetic garnet single crystal, or the light returning from the reflection film due to the increase in the distance between the light entrance / exit path and the reflection film. Problems such as weakening of the signal occur. Therefore, the inclination angle β between the normal line of the (111) bismuth-substituted magnetic garnet single crystal film and the optical axis of the optical input / output path is in the range of 10 ° to 70 °, more preferably 20 ° to 45 °. It is preferable to choose.
【0031】本発明を実施するとき、偏光子は、特に特
殊なものである必要はなく、通常一般に市販されている
ものの中から、所望によって、適宜に選んで用いれば良
い。しかし、厚さが薄いとか、消光比が高いと言った点
で、特に、二色性偏光子が好適である。In practicing the present invention, the polarizer does not need to be particularly special, and may be appropriately selected from those generally commercially available as needed. However, dichroic polarizers are particularly preferred in that they are thin and have a high extinction ratio.
【0032】本発明を実施するとき、ファラデー回転
子、即ち、ビスマス置換磁性ガーネットの組成には、特
に制限はないが、一般式、 R3-X BiX Fe5-Z AZ O12 〔但し、Rは、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、
Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luの群から選ばれる少なくとも一
種であり、Aは、Ga、Sc、Al、Inの群から選ばれる少な
くとも一種であり、しかも、0.3 ≦X< 2.0、0≦Z≦
1.0 である〕で示される磁性ガーネット単結晶の中から
適宜に選ぶのが好ましい。In practicing the present invention, the composition of the Faraday rotator, that is, the bismuth-substituted magnetic garnet is not particularly limited, but may be represented by the general formula: R 3-X Bi X Fe 5- Z AZO 12 [where , R are Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb,
D is at least one selected from the group consisting of Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu; and A is at least one selected from the group consisting of Ga, Sc, Al, and In, and 0.3 ≦ X <2.0, 0 ≦ Z ≦
1.0] is suitably selected from magnetic garnet single crystals represented by the formula:
【0033】本発明のビスマス置換磁性ガーネット単結
晶は、公知の方法によって製造することができる。とり
わけ操作が容易で、しかも量産性に優れた液相エピタキ
シャル(LPE) 法〔スィン ソリッド フィルムズ(Thin
Solid Films), Vol.114, p33(1984)〕を選ぶのが好まし
い。また、液相エピタキシャル法を実施するとき、その
基板としては、公知の何れの基板も使用し得るが、通常
一般には、既に、SGGG基板と称して市販されている格子
定数が 12.490 Å、乃至、12.515Åの非磁性ガーネット
[(GdCa)3(GaMgZr)5O12 ]の中から適宜に選べば良い。The bismuth-substituted magnetic garnet single crystal of the present invention can be produced by a known method. In particular, the liquid phase epitaxial (LPE) method, which is easy to operate and excellent in mass productivity ( Sin Solid Films (Thin Solid Films )
Solid Films) , Vol. 114, p33 (1984)]. When the liquid phase epitaxial method is performed, any known substrate may be used as the substrate, but generally, a lattice constant already commercially available as an SGGG substrate has a lattice constant of 12.490 mm or less. It may be appropriately selected from nonmagnetic garnet [(GdCa) 3 (GaMgZr) 5 O 12 ] of 12.515%.
【0034】本発明を実施するとき、ビスマス置換磁性
ガーネット薄膜形成用の非磁性基板は特に除去する必要
はない。むしろ、ビスマス置換磁性ガーネット単結晶膜
の膜厚が数十μm と非常に薄い場合は、強度の点で支持
体として基板を残しておくのが好ましい。一方、ビスマ
ス置換磁性ガーネットの膜厚が数百μm と非常に厚い場
合は、強度の点で支持体としての必要性がないので、小
型化するという観点から、研磨法によって除去しても良
い。In practicing the present invention, the non-magnetic substrate for forming a bismuth-substituted magnetic garnet thin film does not need to be particularly removed. Rather, when the thickness of the bismuth-substituted magnetic garnet single crystal film is very small, several tens of μm, it is preferable to leave the substrate as a support in terms of strength. On the other hand, when the thickness of the bismuth-substituted magnetic garnet is as large as several hundred μm, it is not necessary to use it as a support in terms of strength.
【0035】本発明を実施するとき、反射膜には特に制
限はない。通常一般に市販されているガラス等に金属を
蒸着した金属薄膜鏡・ミラー、または、ビスマス置換磁
性ガーネット薄膜、或いは、非磁性基板の表面に金、或
いは、アルミニウム等を蒸着した金属薄膜ミラー、若し
くは、SiO2やTiO2等の金属酸化物の多層膜からなる誘電
体多層膜ミラーの中から所望によって適宜に選べば良
い。In practicing the present invention, the reflective film is not particularly limited. Metal thin film mirrors / mirrors in which metal is generally deposited on glass or the like, which are generally commercially available, or bismuth-substituted magnetic garnet thin films, or gold, or metal thin film mirrors in which aluminum is deposited on the surface of a nonmagnetic substrate, or It may be appropriately selected as desired from a dielectric multilayer mirror composed of a multilayer film of a metal oxide such as SiO 2 or TiO 2 .
【0036】本発明を実施するとき、光入出力路は、特
に特殊なものである必要はなく、通常一般に市販されて
いる光ファイバや、或いは、ガラスや高分子フィルム母
材内にパターニングされている光導波路、および、空中
伝搬路などの中から所望によって適宜に選べば良い。通
常一般には、その量産性や小型化の観点から、特に、光
ファイバが好適に用いうる。In practicing the present invention, the light input / output path does not need to be particularly special, and is usually formed by patterning a commercially available optical fiber or glass or polymer film base material. It may be appropriately selected from the existing optical waveguide, the aerial propagation path, and the like as desired. In general, an optical fiber can be preferably used particularly from the viewpoint of mass productivity and miniaturization.
【0037】光入出力路を光ファイバで形成するとき、
光ファイバの種類などには、特に制限はない。しかし、
ここに使用する光ファイバのコア直径を 50 μm 以下に
選ぶと、ビスマス置換磁性ガーネットの磁区幅の影響が
現れて感度が不安定になったり、或いは、光の結合効率
が低下することがある。従って、通常一般的には、市販
のコア径 50 μm 以上の光ファイバの中から適宜に選択
すれば良い。When forming an optical input / output path with an optical fiber,
There is no particular limitation on the type of optical fiber. But,
If the core diameter of the optical fiber used here is selected to be 50 μm or less, the influence of the magnetic domain width of the bismuth-substituted magnetic garnet may appear and the sensitivity may become unstable, or the light coupling efficiency may decrease. Therefore, generally, it is generally sufficient to appropriately select from commercially available optical fibers having a core diameter of 50 μm or more.
【0038】本発明を実施するとき、本願発明のビスマ
ス置換磁性ガーネット製ファラデー回転子を用いる反射
型光磁界センサヘッドと光源、および、光検出器との結
合は、図3に示したハーフミラーを使用する方法、およ
び、図7に例示するような光導波路や光カプラなどの信
号光の分岐器を使用する方法によってなされる。なお、
所望によっては、図7に図示した光ファイバの全て、或
いは、その一部を省略して、換言すれば、光ファイバを
使用することなく、例えば、光導波路に反射型光磁界セ
ンサヘッドを直接接続しても良い。When the present invention is carried out, the reflection type magnetic field sensor head using the Faraday rotator made of bismuth-substituted magnetic garnet of the present invention, the light source, and the photodetector are connected by the half mirror shown in FIG. The method is performed by using a signal light splitter such as an optical waveguide or an optical coupler as illustrated in FIG. In addition,
If desired, all or a part of the optical fiber shown in FIG. 7 is omitted, in other words, without using an optical fiber, for example, a reflection type optical magnetic field sensor head is directly connected to an optical waveguide. You may.
【0039】光磁界測定装置の光源の波長は、ファラデ
ー回転子の感度、光透過率、光源の性能と価格、およ
び、検知器の感度などを総合的に考慮して選択される。
本発明を実施するとき、光源の波長は、 ビスマス置換磁性ガーネットには、ウインドと呼ばれ
る光吸収係数の比較的小さい領域がある ビスマス置換希土類磁性ガーネットのファラデー回転
係数が大きい ビスマス置換磁性ガーネットの膜厚が 30 乃至 100μ
m で製造が容易である 高出力の短波長半導体レーザや発光ダイオードが安価
に市販されている 光検出器の感度が高く、しかも、安価に入手できる などの理由によって、波長 780nm乃至 850nmの近赤外光
を選ぶのが好ましい。また、次善の策として、光ファイ
バ通信で実用化されている 1300nm と 1550nm の波長
帯、または、YAGレーザが使用可能な 1060nm の波長
帯の光を選ぶことも可能である。しかし、光源の波長
が、上記の範囲を逸脱すると、光吸収が大きくなった
り、或いは、ビスマス置換磁性ガーネットのファラデー
回転係数が小さくなるなどの障害が現れるため、信号光
の検出が困難になったり、または、および、ファラデー
回転子の膜厚を厚くしなければならなくなるなどの問題
点が生じるので好ましくない。The wavelength of the light source of the optical magnetic field measuring apparatus is selected in consideration of the sensitivity of the Faraday rotator, the light transmittance, the performance and price of the light source, the sensitivity of the detector, and the like.
In practicing the present invention, the wavelength of the light source is such that the bismuth-substituted magnetic garnet has a region having a relatively small light absorption coefficient called a window, and the Faraday rotation coefficient of the bismuth-substituted rare-earth magnetic garnet is large. Is 30 to 100μ
High-output short-wavelength semiconductor lasers and light-emitting diodes are commercially available at low cost.The sensitivity of photodetectors is high, and the near-infrared light with a wavelength of 780 to 850 nm is available. It is preferable to select external light. As a next best measure, it is also possible to select light in the wavelength band of 1300 nm and 1550 nm which is practically used in optical fiber communication, or in the wavelength band of 1060 nm where a YAG laser can be used. However, if the wavelength of the light source deviates from the above range, light absorption increases, or an obstacle such as a decrease in the Faraday rotation coefficient of the bismuth-substituted magnetic garnet appears, which makes it difficult to detect signal light. And / or a problem that the thickness of the Faraday rotator must be increased is not preferred.
【0040】以下、本発明を実施例によって、その実施
態様と効果を具体的に、かつ詳細に説明するが、以下の
例は、具体的に説明するためのものであって、本発明の
実施態様や発明の範囲を限定するものとしては意図され
ていない。Hereinafter, the present invention will be described specifically and in detail with reference to examples, but the following examples are for the purpose of specifically explaining the present invention, and It is not intended to limit aspects or the scope of the invention.
【0041】[0041]
【実施例】実施例1 本実施例の全体構成を図8に示すが、ほぼ図3と同様で
ある。即ち、図8において、符号39は 0.786μm の半導
体レーザ、符号40はレンズ、符号41はハーフミラー、符
号42は光検出器、符号43はコア径 400μm の光ファイ
バ、符号44はレンズ、符号45はコーニング社製ガラス偏
光子(商品名ポーラコア)、符号46は法線の光路に対す
る傾き角βが10度のファラデー回転子、符号47はガラ
ス表面に金属アルミニウム薄膜を堆積させた反射膜であ
る。ファラデー回転子46は、以下の方法で作製した。容
量 500mlの白金製ルツボに、酸化鉛〔 PbO、4N〕843g
、酸化ビスマス〔 Bi2O3、4N〕978g、酸化第2鉄〔Fe2
O3、4N〕128g、酸化ほう素〔B2O3、5N〕38g 、酸化テル
ビウム〔 Tb4O7、3N〕4.0g、酸化ホルミウム〔 Ho2O3、
3N〕9.0gを仕込んだ。これを精密縦型管状電気炉の所定
の位置に設置し、1000℃に加熱溶融して十分に攪拌して
均一に混合したのち、融液温度 770℃にまで冷却してビ
スマス置換磁性ガーネット単結晶育成用融液とした。こ
こに得られた融液表面に、常法に従って、厚さが 480μ
m で、格子定数が 12.497 ± 0.002Åの2インチの(1
11)ガーネット単結晶[(GdCa)3(GaMgZr)5O12)3 ]基
板の片面を接触させ、融液温度を 770℃に維持しながら
2.0時間のエピタキシャル成長を行った。ここに得られ
た結晶は、Ho1.1Tb0.6Bi1.3Fe5O12 [(HoTbBiIG)単結
晶]の組成を有する(111)ビスマス置換磁性ガーネ
ット単結晶膜で、その膜厚は 46 μm であった。また、
磁化を飽和させた状態でのファラデー回転角θF は、波
長 786nmで 42.5 ゜であった。また、光ファイバ43の両
端面、レンズ44、偏光子45およびファラデー回転子46に
は反射防止膜を施した。光信号強度差は以下のように測
定した。光源39から出射された光[信号光]をレンズ40
により光ファイバ43に結合させ、次いで、光ファイバ43
から出射された光をレンズ44を介して、偏光子45、ファ
ラデー回転子46および反射膜47からなるセンサヘッドに
照射した。そしてセンサヘッドから戻ってきた光信号の
一部を、ハーフミラー41で反射させ、光検出器42で受け
て光強度を測定した。その結果、センサヘッドに磁界を
印加しない状態と、ファラデー回転子が磁気的に飽和す
るのに十分な磁界 1500(Oe) を印加した状態との光強度
の差は、2.5dB であった。Embodiment 1 FIG. 8 shows the overall configuration of this embodiment, which is almost the same as FIG. That is, in FIG. 8, reference numeral 39 denotes a semiconductor laser of 0.786 μm, reference numeral 40 denotes a lens, reference numeral 41 denotes a half mirror, reference numeral 42 denotes a photodetector, reference numeral 43 denotes an optical fiber having a core diameter of 400 μm, reference numeral 44 denotes a lens, and reference numeral 45 denotes Is a glass polarizer (trade name: polar core) manufactured by Corning Incorporated, reference numeral 46 is a Faraday rotator having a tilt angle β of 10 degrees with respect to the optical path of the normal, and reference numeral 47 is a reflection film formed by depositing a metal aluminum thin film on the glass surface. The Faraday rotator 46 was manufactured by the following method. In a platinum crucible with a capacity of 500 ml, 843 g of lead oxide (PbO, 4N)
, Bismuth oxide [Bi 2 O 3 , 4N] 978 g, ferric oxide [Fe 2
O 3, 4N] 128 g, boron oxide [B 2 O 3, 5N] 38 g, terbium oxide [Tb 4 O 7, 3N] 4.0 g, oxide ho le Miumu [Ho 2 O 3,
3N] 9.0 g. This was placed at a predetermined position in a precision vertical tubular electric furnace, heated and melted at 1000 ° C, sufficiently stirred and mixed uniformly, and then cooled to a melt temperature of 770 ° C to obtain a bismuth-substituted magnetic garnet single crystal. A melt for growth was used. On the surface of the melt obtained here, a thickness of 480μ
m and a lattice constant of 12.497 ± 0.002Å
11) One side of a garnet single crystal [(GdCa) 3 (GaMgZr) 5 O 12 ) 3 ] substrate is brought into contact with the substrate while maintaining the melt temperature at 770 ° C.
The epitaxial growth was performed for 2.0 hours. The obtained crystal was a (111) bismuth-substituted magnetic garnet single crystal film having a composition of Ho 1.1 Tb 0.6 Bi 1.3 Fe 5 O 12 [(HoTbBiIG) single crystal], and its film thickness was 46 μm. . Also,
The Faraday rotation angle θ F in a state where the magnetization was saturated was 42.5 ° at a wavelength of 786 nm. Further, an antireflection film was applied to both end faces of the optical fiber 43, the lens 44, the polarizer 45, and the Faraday rotator 46. The optical signal intensity difference was measured as follows. The light [signal light] emitted from the light source 39 is passed through a lens 40.
To the optical fiber 43, and then the optical fiber 43
The light emitted from the lens was irradiated through a lens 44 onto a sensor head including a polarizer 45, a Faraday rotator 46, and a reflection film 47. Then, a part of the optical signal returned from the sensor head was reflected by the half mirror 41 and received by the photodetector 42 to measure the light intensity. As a result, the difference in light intensity between the state in which no magnetic field was applied to the sensor head and the state in which a magnetic field of 1500 (Oe) sufficient to magnetically saturate the Faraday rotator was 2.5 dB.
【0042】実施例2 実施例1におけるファラデー回転子46の法線の光路に対
する傾き角βを20度にした以外は、全て実施例1と同
様に構成した。その結果、センサヘッドに磁界を印加し
ない状態と、ファラデー回転子が磁気的に飽和するのに
十分な磁界 1500(Oe) を印加した状態との光強度の差
は、4.9dB であった。Embodiment 2 The same construction as in Embodiment 1 was adopted except that the inclination angle β of the normal line of the Faraday rotator 46 to the optical path in Embodiment 1 was set to 20 degrees. As a result, the difference in light intensity between the state where no magnetic field was applied to the sensor head and the state where a magnetic field 1500 (Oe) sufficient to magnetically saturate the Faraday rotator was applied was 4.9 dB.
【0043】実施例3 実施例1におけるファラデー回転子46の法線の光路に対
する傾き角βを30度にした以外は、全て実施例1と同
様に構成した。その結果、センサヘッドに磁界を印加し
ない状態と、ファラデー回転子が磁気的に飽和するのに
十分な磁界 1500(Oe) を印加した状態との光強度の差
は、5.9dB であった。Embodiment 3 The same construction as in Embodiment 1 was adopted except that the inclination angle β of the normal line of the Faraday rotator 46 to the optical path in Embodiment 1 was set to 30 degrees. As a result, the difference in light intensity between the state where no magnetic field was applied to the sensor head and the state where a magnetic field 1500 (Oe) sufficient to magnetically saturate the Faraday rotator was applied was 5.9 dB.
【0044】比較例1 実施例1におけるファラデー回転子46の法線の光路に対
する傾き角βを5度にした以外は、全て実施例1と同様
に構成した。その結果、センサヘッドに磁界を印加しな
い状態と、ファラデー回転子が磁気的に飽和するのに十
分な磁界 1500(Oe) を印加した状態との光強度の差は、
1.1dB であった。COMPARATIVE EXAMPLE 1 The structure of the Faraday rotator 46 was the same as that of the first embodiment except that the inclination angle β of the Faraday rotator 46 with respect to the optical path was 5 degrees. As a result, the difference in light intensity between the state where no magnetic field is applied to the sensor head and the state where a magnetic field 1500 (Oe) sufficient to magnetically saturate the Faraday rotator is applied is as follows:
It was 1.1 dB.
【0045】[0045]
【発明の効果】本発明によれば、多磁区構造を有する磁
気光学材料を利用し、磁界の強弱を検知する光磁界セン
サにおいて、小型軽量、低価格での量産が可能な光磁界
センサを構成することができる。According to the present invention, a magneto-optical sensor that uses a magneto-optical material having a multi-domain structure to detect the strength of a magnetic field and that can be mass-produced at a small size, light weight, and low cost is provided. can do.
【図1】ファラデー効果を利用した光磁界センサの動作
原理を示す模式図。FIG. 1 is a schematic diagram showing the operating principle of a photomagnetic field sensor using the Faraday effect.
【図2】特開昭56−55811に開示された反射型光
磁界センサの構成を示した図。FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a reflection type optical magnetic field sensor disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-55811.
【図3】特公平3−22595に開示された反射型光磁
界センサの構成を示した図。FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a reflection type optical magnetic field sensor disclosed in Japanese Patent Publication No. 3-22595.
【図4】特願平4−90976に提案した反射型光磁界
センサの構成を示した図。FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a reflection type optical magnetic field sensor proposed in Japanese Patent Application No. 4-90976.
【図5】本発明における光磁界センサヘッド構成図。FIG. 5 is a configuration diagram of an optical magnetic field sensor head according to the present invention.
【図6】(111)ビスマス置換磁性ガーネット膜から
なるファラデー回転子が、光入出力路に対して傾いてい
る場合の光路と磁区の位置関係を示す図。FIG. 6 is a diagram showing a positional relationship between an optical path and a magnetic domain when a Faraday rotator made of a (111) bismuth-substituted magnetic garnet film is inclined with respect to an optical input / output path.
【図7】本発明からなる光磁界センサヘッドを使用した
光磁界センサの全体構成の一例。FIG. 7 is an example of the entire configuration of a photomagnetic field sensor using a photomagnetic field sensor head according to the present invention.
【図8】実施例1における光磁界センサの全体構成図FIG. 8 is an overall configuration diagram of an optical magnetic field sensor according to the first embodiment.
1 ・・・光源 2 ・・・偏光子 3 ・・・ファラデー回転子 4 ・・・検光子 5a ・・・光ファイバ 5b ・・・光ファイバ 6a ・・・レンズ 6b ・・・レンズ 7 ・・・偏光子 8 ・・・ファラデー回転子 9 ・・・直角プリズム 10 ・・・検光子 11 ・・・光源 12 ・・・レンズ 13 ・・・ハーフミラー 14 ・・・光ファイバ 15 ・・・偏光子 16 ・・・ファラデー回転子 17 ・・・反射膜 18 ・・・光検出器 19 ・・・光検出器 20 ・・・偏光子 21 ・・・ファラデー回転子 22 ・・・反射膜 23 ・・・光入力路 24 ・・・光出力路 25 ・・・レンズ 26 ・・・光源 27 ・・・光検出器 28 ・・・偏光子 29 ・・・ファラデー回転子 30 ・・・反射膜 31 ・・・光入出力路 32 ・・・光入出力路 33 ・・・光磁界センサヘッド 34 ・・・光源 35 ・・・光検出器 36 ・・・光ファイバ 37 ・・・光ファイバ 38 ・・・光導波路 39 ・・・光源 40 ・・・レンズ 41 ・・・ハーフミラー 42 ・・・光検出器 43 ・・・光ファイバ 44 ・・・レンズ 45 ・・・偏光子 46 ・・・ファラデー回転子 47 ・・・反射膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Light source 2 ... Polarizer 3 ... Faraday rotator 4 ... Analyzer 5a ... Optical fiber 5b ... Optical fiber 6a ... Lens 6b ... Lens 7 ... Polarizer 8: Faraday rotator 9: Right angle prism 10: Analyzer 11: Light source 12: Lens 13: Half mirror 14: Optical fiber 15: Polarizer 16・ ・ ・ Faraday rotator 17 ・ ・ ・ Reflection film 18 ・ ・ ・ Photodetector 19 ・ ・ ・ Photodetector 20 ・ ・ ・ Polarizer 21 ・ ・ ・ Faraday rotator 22 ・ ・ ・ Reflection film 23 ・ ・ ・ Light Input path 24: Optical output path 25: Lens 26: Light source 27: Photodetector 28: Polarizer 29: Faraday rotator 30: Reflective film 31: Light Input / output path 32 ・ ・ ・ Optical input / output path 33 ..Optical magnetic field sensor head 34 ... light source 35 ... photodetector 36 ... optical fiber 37 ... optical fiber 38 ... optical waveguide 39 ... light source 40 ... lens 41 ... Half mirror 42 Photodetector 43 Optical fiber 44 Lens 45 Polarizer 46 Faraday rotator 47 Reflective film
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭52−116121(JP,A) 特開 昭62−188982(JP,A) 特開 平6−102331(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01R 33/00 - 33/18 Continuation of the front page (56) References JP-A-52-116121 (JP, A) JP-A-62-188982 (JP, A) JP-A-6-102331 (JP, A) (58) Fields investigated (Int .Cl. 7 , DB name) G01R 33/00-33/18
Claims (1)
反射膜の順に配置された光磁界測定装置において、反射
膜が該光入力路に対してほぼ垂直に配置され、かつファ
ラデー回転子が(111)ビスマス置換磁性ガーネット
単結晶膜であり、該(111)ビスマス置換磁性ガーネ
ット単結晶膜の法線と光入出力路のなす角度が、10度
以上70度以下であることを特長とする反射型の光磁界
センサ。An optical input / output path, a polarizer, a Faraday rotator,
In the optical magnetic field measuring device arranged in the order of the reflection film, the reflection film is arranged substantially perpendicular to the optical input path, and the Faraday rotator is a (111) bismuth-substituted magnetic garnet single crystal film, and the (111) 3.) A reflection type optical magnetic field sensor, wherein the angle between the normal line of the bismuth-substituted magnetic garnet single crystal film and the light input / output path is 10 degrees or more and 70 degrees or less.
Priority Applications (4)
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---|---|---|---|
JP04116141A JP3114765B2 (en) | 1992-05-08 | 1992-05-08 | Optical magnetic field sensor |
DE69320398T DE69320398T2 (en) | 1992-05-08 | 1993-05-05 | Magneto-optical sensor head |
EP93107286A EP0568992B1 (en) | 1992-05-08 | 1993-05-05 | Magnetooptic sensor head |
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Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP04116141A JP3114765B2 (en) | 1992-05-08 | 1992-05-08 | Optical magnetic field sensor |
Publications (2)
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Family
ID=14679762
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP (1) | JP3114765B2 (en) |
Families Citing this family (1)
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---|---|---|---|---|
JP4836534B2 (en) * | 2005-02-24 | 2011-12-14 | 京セラ株式会社 | Faraday rotating mirror manufacturing method |
-
1992
- 1992-05-08 JP JP04116141A patent/JP3114765B2/en not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Publication date |
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JPH06258412A (en) | 1994-09-16 |
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