(57)【要約】      （修正有）【課題】９５０ｎｍ以下の波長の光源を用いても、高い光検出感度を有する磁界センサ用のファラデー回転子を提供する。【解決手段】磁界センサ用ファラデー回転子１２は、組成として、Ｐｒ２Ｏ３を含有するガラスからなる。希土類鉄ガーネット結晶は１１００ｎｍ以下で、鉄イオンに由来する大きな吸収を持つため、可視光域の光を透過することができない。一方、Ｐｒ２Ｏ３を含有したガラスは、６２０〜９５０ｎｍの範囲で透過率が高いため、９５０ｎｍ以下の波長の光源１０を用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成として、Ｐｒ２Ｏ３を含有するガラスからなることを特徴とする磁界センサ用ファラデー回転子。
【請求項２】
ガラスがＰｒ２Ｏ３を１５モル％以上含有することを特徴とする請求項１に記載の磁界センサ用ファラデー回転子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のファラデー回転子、偏光子、光源及び検出器を備えることを特徴とする磁界センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁界センサ用ファラデー回転子に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁界を測定するセンサには、伝搬する光の偏光面が磁界により回転するファラデー効果を利用して磁界を測定するセンサがある。偏光の回転角度は、磁界の強さによって変化するため、光の回転角度の変化を検知することで、磁界の強さを測定することができる。
【０００３】
磁界センサには、反射型と透過型の２種類の方式がある。反射型は、光源及び検出器、偏光子、ファラデー回転子、ミラーの順に配置してなる。一方、透過型は、光源、偏光子、ファラデー回転子、検光子、光検出器の順に配置してなる。
【０００４】
従来では、このような磁界センサに用いられるファラデー回転子としては、ＹＩＧ（イットリウム鉄ガーネット）に代表されるような、希土類鉄ガーネット結晶が用いられていた（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平３−２２５９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ＹＩＧ等の希土類鉄ガーネット結晶からなるファラデー回転子を用いた磁界センサでは、入手が容易で安価な８３０ｎｍや８５０ｎｍの発光ダイオードや、６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザー等の９５０ｎｍ以下の波長の光源を用いると光の検出感度が低いという問題があった。
【０００７】
以上に鑑み、本発明は、９５０ｎｍ以下の波長の光源を用いても、高い光検出感度を有する磁界センサ用のファラデー回転子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の磁界センサ用ファラデー回転子は、組成として、Ｐｒ２Ｏ３を含有するガラスからなることを特徴とする。希土類鉄ガーネット結晶は１１００ｎｍ以下で、鉄イオンに由来する大きな吸収を持つため、可視光域の光を透過することができない。一方、Ｐｒ２Ｏ３を含有したガラスは、６２０〜９５０ｎｍの範囲で透過率が高いため、上述したような９５０ｎｍ以下の波長の光源を用いた磁界センサに好適である。
【０００９】
また、希土類鉄ガーネット結晶は強磁性であるため、強い磁界では磁気飽和してしまい、ファラデー回転角が磁界の強さに比例しなくなるという問題があった。一方、本発明に用いられるＰｒ２Ｏ３を含有したガラスは常磁性体であるため、強い磁界においても磁気飽和せず、ファラデー回転角は磁界の強さに比例する。
【００１０】
ガラスがＰｒ２Ｏ３を１５モル％以上含有することが好ましい。材料のファラデー回転角の性能を示すベルデ定数はＰｒ２Ｏ３の含有量が多いほど大きくなるため、Ｐｒ２Ｏ３を１５モル％以上含有するガラスを用いることによりファラデー回転子を小型化することができ、その結果、センサを小型化することが可能となる。
【００１１】
本発明の磁界センサは、上記のファラデー回転子、偏光子、光源及び検出器を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、９５０ｎｍ以下の波長の光源を用いても、高い光検出感度を有する磁界センサ用のファラデー回転子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】反射型磁界センサの基本構造を示す模式的断面図である。
【図２】無容器浮遊法によりガラスを作製するための製造装置の一例を示す模式的断面図である。
【図３】透過型磁界センサの基本構造を示す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
まず、反射型磁界センサの原理、構造について図１を用いて説明する。
【００１５】
図１は、反射型磁界センサの基本構造を示す模式的断面図である。
【００１６】
反射型磁界センサ１は、磁界の変化を光信号にて検出するセンサであり、光源１０、偏光子１１、ファラデー回転子１２、ミラー１３の順に配置してなる。具体的には、光源１０からの入力光が偏光子１１を通過し、直線偏光となって、ファラデー回転子１２へ入射される。入射された光は、ファラデー回転子１２の端面に備わったミラー１３によって反射され検出光となり、再度ファラデー回転子１２と偏光子１１を通過し、光検出器１４により検出される。磁界の無い状態ではファラデー回転が起こらないため、入力光の偏光面の角度は維持されたまま検出光となり、偏光子１１を光損失無く通過する。磁界が印加されると、ファラデー回転子１２を通過する検出光の偏光面の角度が変化するため、偏光子１１を通過する際に光損失が発生する。このときの入力光と検出光の光強度の差から、磁界の大きさの情報を得ることができる。なお、ファラデー回転子１２に光が入射される際、空気界面による散乱が起こるため、入射される面には、反射防止膜１５が設けられることが好ましい。
【００１７】
以下に各要素ごとに説明する。
【００１８】
（磁界センサ用ファラデー回転子１２）
磁界センサ用ファラデー回転子１２は、通常円柱状であり、組成として、Ｐｒ２Ｏ３を含有するガラスからなることを特徴とする。以下に、このようにガラス組成を限定した理由を説明する。なお、以下の各成分の含有量に関する説明において、特に断りのない限り、「％」は「モル％」を意味する。
【００１９】
Ｐｒ２Ｏ３はベルデ定数の絶対値を大きくしてファラデー効果を高める成分である。Ｐｒ２Ｏ３の含有量は１５％以上、２０％以上、２５％以上、３０％以上、３５％以上、４０％以上、５０％以上、特に５１％以上であることが好ましい。Ｐｒ２Ｏ３の含有量が多すぎると、ガラス化が困難になる傾向があるため、７５％以下、７０％以下、特に６９％以下であることが好ましい。
【００２０】
Ｐｒを含有するガラスは、Ｐｒが主にＰｒ３＋とＰｒ４＋の状態で存在している。Ｐｒ３＋は波長６２０〜９５０ｎｍの範囲で光吸収が比較的少ないのに対し、Ｐｒ４＋は可視光の波長域で幅広い光吸収を持つため、光透過率低下の原因となる。よって、全Ｐｒに対するＰｒ３＋の割合は、モル％で５５％以上、６０％以上、７０％以上、８０％以上、９０％以上、特に９５％以上であることが好ましい。
【００２１】
なお、本発明におけるＰｒ２Ｏ３の含有量は、ガラス中に存在するＰｒを全て３価の酸化物に換算して表したものである。
【００２２】
本発明に使用されるガラスには、上記成分以外にも、以下に示す種々の成分を含有させることができる。
【００２３】
Ｂ２Ｏ３はガラス骨格となり、ガラス化範囲を広げる成分である。ただし、Ｂ２Ｏ３はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、Ｂ２Ｏ３の含有量は０〜８５％、０〜７５％、０〜６０％、０〜５０％、１〜４０％、特に１〜３５％であることが好ましい。
【００２４】
Ｐ２Ｏ５はガラス骨格となり、ガラス化範囲を広げる成分である。ただし、Ｐ２Ｏ５はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、Ｐ２Ｏ５の含有量は０〜８５％、０〜７５％、０〜６０％、０〜５０％、１〜４０％、特に１〜３５％であることが好ましい。
【００２５】
なお、Ｂ２Ｏ３とＰ２Ｏ５の合量は０〜８５％、０〜７５％、０〜６０％、０〜５０％、１〜４０％、特に２〜３５％であることが好ましい。
【００２６】
Ａｌ２Ｏ３は中間酸化物としてガラス骨格を形成し、ガラス化範囲を広げる成分である。ただし、Ａｌ２Ｏ３はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、Ａｌ２Ｏ３の含有量は０〜８５％、０〜７５％、０．１〜６０％、０．２〜５０％、０．５〜４０％、特に１〜３５％であることが好ましい。
【００２７】
ＳｉＯ２はガラス骨格となり、ガラス化範囲を広げる成分である。ただし、ＳｉＯ２はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、ＳｉＯ２の含有量は０〜８５％、０〜７５％、０〜６０％、０〜５０％、１〜４０％、特に１〜３５％であることが好ましい。
【００２８】
Ｌａ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３はガラス化の安定性を向上させる効果があるが、その含有量が多すぎるとかえってガラス化しにくくなる。よって、Ｌａ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３の含有量は各々１０％以下、特に５％以下であることが好ましい。
【００２９】
Ｔｂ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３はガラス化の安定性を向上させるとともに、ベルデ定数の向上にも寄与する。ただし、その含有量が多すぎるとかえってガラス化しにくくなる。よって、Ｔｂ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３の含有量は各々１５％以下、特に１０％以下であることが好ましい。なお、Ｔｂ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３の含有量は、ガラス中に存在する各成分を全て３価の酸化物に換算して表したものである。
【００３０】
ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯはガラス化の安定性と化学的耐久性を高める効果がある。ただし、ベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、これらの成分の含有量は各々０〜１０％、特に各々０〜５％であることが好ましい。
【００３１】
Ｇａ２Ｏ３はガラス形成能を高め、ガラス化範囲を広げる効果を有する。ただし、その含有量が多すぎると失透しやすくなる。また、Ｇａ２Ｏ３はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、Ｇａ２Ｏ３の含有量は０〜６％、特に０〜５％であることが好ましい。
【００３２】
フッ素はガラス形成能を高め、ガラス化範囲を広げる効果を有する。ただし、その含有量が多すぎると溶融中に揮発して組成変動を引き起こしたり、ガラス化の安定性に影響を及ぼす恐れがある。従って、フッ素の含有量（Ｆ２換算）は０〜１０％、０〜７％、特に０〜５％であることが好ましい。
【００３３】
還元剤としてＳｂ２Ｏ３を添加することができる。ただし、着色を避けるため、あるいは環境への負荷を考慮して、Ｓｂ２Ｏ３の含有量は０．１％以下であることが好ましい。
【００３４】
本発明に使用されるガラスは、波長６２０〜９５０ｎｍの範囲で良好な光透過性を示す。具体的には、波長８５０ｎｍにおける光路長１ｍｍでの透過率は６０％以上、６５％以上、７０％以上、７５％以上、特に８０％以上であることが好ましい。
【００３５】
また、本発明に使用されるガラスは、波長３５０〜４１０ｎｍの範囲で良好な光透過特性を示す。具体的には、波長４００ｎｍにおける光路長１ｍｍでの光透過率は５０％以上、５５％以上、６０％以上、６５％以上であることが好ましい。
【００３６】
本発明に使用されるガラスは、例えば無容器浮遊法により作製することができる。図２は、無容器浮遊法によりガラスを作製するための製造装置の一例を示す模式的断面図である。以下、図２を参照しながら、本発明に使用されるガラスの製造方法について説明する。
【００３７】
ガラスの製造装置２は成形型２０を有する。成形型２０は溶融容器としての役割も果たす。成形型２０は、成形面２０ａと、成形面２０ａに開口している複数のガス噴出孔２０ｂとを有する。ガス噴出孔２０ｂは、ガスボンベなどのガス供給機構２１に接続されている。このガス供給機構２１からガス噴出孔２０ｂを経由して、成形面２０ａにガスが供給される。ガスの種類は特に限定されず、例えば、空気や酸素であってもよいし、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、水素を含有した還元性ガスであってもよい。
【００３８】
製造装置２を用いてガラスを製造するに際しては、まず、ガラス原料塊２２を成形面２０ａ上に配置する。ガラス原料塊２２としては、例えば、原料粉末をプレス成型等により一体化したものや、原料粉末をプレス成型等により一体化した後に焼結させた焼結体や、目標ガラス組成と同等の組成を有する結晶の集合体等が挙げられる。
【００３９】
次に、ガス噴出孔２０ｂからガスを噴出させることにより、ガラス原料塊２２を成形面２０ａ上で浮遊させる。すなわち、ガラス原料塊２２を、成形面２０ａに接触していない状態で保持する。その状態で、レーザー光照射装置２３からレーザー光をガラス原料塊２２に照射する。これによりガラス原料塊２２を加熱溶融してガラス化させ、溶融ガラスを得る。その後、溶融ガラスを冷却することにより、ガラスを得ることができる。ガラス原料塊２２を加熱溶融する工程と、溶融ガラス、さらにはガラス材の温度が少なくとも軟化点以下となるまで冷却する工程においては、少なくともガスの噴出を継続し、ガラス原料塊２２、溶融ガラス、さらにはガラス材と成形面２０ａとの接触を抑制することが好ましい。なお、磁界を印加することにより発生する磁力を利用してガラス原料塊２２を成形面２０ａ上に浮遊させてもよいし、音波を利用してガラス原料塊２２を成形面２０ａ上に浮遊させてもよい。また、加熱溶融する方法としては、レーザー光を照射する方法以外にも、輻射加熱であってもよい。なお、本発明の磁界センサ用ファラデー回転子４は、得られたガラスを切削、研磨等の加工を施し、所望の形状にすることにより得られる。
【００４０】
（偏光子１１）
偏光子１１の材質は、セラミックス、ガラス、高分子材料のいずれでも構わないが、偏光消光比の大きい材料が好ましい。具体的には、２０ｄＢ以上、３０ｄＢ以上、４０ｄＢ以上、特に５０ｄＢ以上の消光比を有する材料が好ましい。
【００４１】
（ミラー１３）
ミラー１３は、磁界センサの小型化のために、薄膜であることが好ましい。反射率を上げるために、金属膜または誘電体多層膜（高屈折率層と低屈折率層が交互に積層された多層膜）であることがさらに好ましい。金属膜としては、アルミニウム、金、銀、銅、プラチナ、クロム等が挙げられる。誘電体多層膜を構成する材料としては、酸化ニオブ、酸化チタン、酸化ランタン、酸化タンタル、酸化イットリウム、酸化ガドリニウム、酸化タングステン、酸化ハフニウムまたは酸化アルミニウム等の酸化物、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム等のフッ素化物、窒化珪素等の窒化物、シリコン、ゲルマニウム、硫化亜鉛等が挙げられる。なお、薄膜の形成方法としては、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法等を使用できる。
【００４２】
（反射防止膜１５）
反射防止膜１５としては、誘電体多層膜が挙げられる。誘電体多層膜を構成する材料及び薄膜の形成方法は、上記と同様である。なお、反射防止膜としては多層膜以外にも酸化ケイ素等からなる単層膜も使用できる。
【００４３】
（光源１０）
光源１０としては、入手が容易で安価な入手が容易で安価な８３０ｎｍや８５０ｎｍの発光ダイオードや、６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザー等であることが好ましい。
【００４４】
次に、透過型磁界センサの原理、構造について図３を用いて説明する。
【００４５】
図３は、透過型磁界センサの基本構造を示す模式的断面図である。
【００４６】
透過型磁界センサ３は、光源１０、偏光子１１、ファラデー回転子１２、検光子１６、光検出器１４の順に配置してなる。具体的には、光源１０からの入力光が偏光子１１を通過し、直線偏光となって、ファラデー回転子１２へ入射される。入射された光は、ファラデー回転子１２、検光子１６を通り検出光となる。次に、検光子１６を回転させ、光検出器１４により検出光の強度を測定し、その強度が最大なる時の回転角度を測定する。測定した回転角度から磁界の大きさの情報を得ることができる。なお、空気界面による光の散乱を防止するため、ファラデー回転子１２の入射面及び出射面には、反射防止膜１５が設けられることが好ましい。
【００４７】
なお、光源、偏光子、ファラデー回転子、検光子、検出器の順に並ぶ透過型磁界センサであってもよいが、小型化を考慮すると、光源及び検出器、偏光子、ファラデー回転子、ミラーによって構成される反射型磁界センサの方が好ましい。
【００４８】
本発明の磁界センサは、磁界の大きさを検知するだけでなく、様々な用途に使用することができる。例えば、スイッチ（冷蔵庫、パソコン等の開閉スイッチ）、電流センサ、エンコーダ（自動車のモーター等の位置、回転検出）、スマートフォン等の電子コンパス、及び、圧力、振動、温度、衝撃、変形等を検知するセンサとして使用可能である。
【実施例】
【００４９】
以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００５０】
（実施例１）
５５Ｐｒ２Ｏ３−９Ｐ２Ｏ５−３０Ｂ２Ｏ３−６Ａｌ２Ｏ３（モル％）のガラス組成になるように調合した原料をプレス成型し、７００〜１４００℃で６時間焼結することによりガラス原料塊を作製した。
【００５１】
次に、乳鉢を用いてガラス原料塊を粗粉砕し、０．０５〜１．５ｇの小片とした。得られたガラス原料塊の小片を用いて、図２に準じた装置を用いた無容器浮遊法によってガラス（直径約１〜１０ｍｍ）を作製した。なお、熱源としては１００Ｗ  ＣＯ２レーザー発振器を用いた。また、ガラス原料塊を浮遊させるためのガスとして窒素ガスを用い、流量１〜３０Ｌ／分で供給した。
【００５２】
得られたガラスを切削、研磨等により直径３ｍｍ、長さ１０ｍｍの円柱状のファラデー回転子を得た。得られたファラデー回転子を用いて、図１に示した構成のように反射型磁界センサを作製した。
【００５３】
ファラデー回転子の光が入射される面には、光の散乱を防ぐために反射防止膜を施し、もう一方の面には、ミラーとしての機能を持たせるために、誘電体多層膜を施した。
【００５４】
磁界強度を変えながら、８５０ｎｍの光を入射し、検出光の光強度を測定した。磁界の無い状態での検出光の光強度を１００％としたところ、１０００  Ｏｅの磁界を印加した場合の光強度は３５％となった。２０００  Ｏｅの磁界では光強度は１６％となった。磁界強度の変化によって光強度が変化するため、磁界センサとして機能することが分かった。
【００５５】
（実施例２）
実施例１と同様のファラデー回転子を用い、図３に示す透過型磁界センサを作製した。なお、ファラデー回転子の両端に反射防止膜を施した。
【００５６】
磁界の強度を変えながら、検光子を回転させ、検出光の強度が最大になった時の回転角度（偏光角度）を測定した。磁界の無い状態では、透過光の偏光角度は０°であったが、２０００  Ｏｅの磁界では９．８°の回転が起こり、５０００  Ｏｅの磁界では２４．５°の回転となった。磁界強度に比例して回転角が変化するため、磁界センサとして機能することが分かった。
【００５７】
（比較例）
ファラデー回転子をＹＩＧ単結晶にしたこと以外は実施例１と同様にして反射型磁界センサを作製した。その結果、波長８５０ｎｍではファラデー回転子に光が透過せず、光を検出することができなかった。
【符号の説明】
【００５８】
１  反射型磁界センサ
２  ガラスの製造装置
３  透過型磁界センサ
１０  光源
１１  偏光子
１２  ファラデー回転子
１３  ミラー
１４  光検出器
１５  反射防止膜
１６  検光子
２０：成形型
２０ａ：成形面
２０ｂ：ガス噴出孔
２１：ガス供給機構
２２：ガラス原料塊
２３：レーザー光照射装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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