(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性薄膜と、
超電導薄膜線路と、
前記導電性薄膜と前記超電導薄膜線路とを前記超電導薄膜線路の主面上に設けられた電流注入領域を介して接続する配線と、
を備え、
前記超電導薄膜線路の幅方向にみて、前記電流注入領域の幅は、前記超電導薄膜線路の幅よりも狭いことを特徴とする超電導限流素子。
【請求項２】
前記電流注入領域と前記配線との間に設けられたコンタクト層をさらに備え、
前記超電導薄膜線路の幅方向にみて、前記コンタクト層の幅は、超電導薄膜線路の幅よりも狭いことを特徴とする請求項１記載の超電導限流素子。
【請求項３】
前記超電導薄膜線路と前記配線との間に設けられた絶縁膜をさらに備え、
前記絶縁膜は、前記超電導薄膜線路の幅方向にみて前記超電導薄膜線路の幅よりも狭いコンタクトホールを有することを特徴とする請求項１記載の超電導限流素子。
【請求項４】
前記絶縁膜と前記超電導薄膜線路との間に設けられたコンタクト層をさらに備えたことを特徴とする請求項３記載の超電導限流素子。
【請求項５】
導電性薄膜と、
超電導薄膜線路と、
前記超電導薄膜線路の主面上に設けられたコンタクト層と、
前記コンタクト層を介して前記導電性薄膜と前記超電導薄膜線路とを接続する配線と、
を備え、
前記超電導薄膜線路の長手方向にみた前記コンタクト層の長さは、超電導薄膜線路の中央部において短く、線路端部において長く形成されたことを特徴とする超電導限流素子。
【請求項６】
前記導電性薄膜および前記超電導薄膜線路を電気絶縁性材料により被覆したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の超電導限流素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電力システムなどにおいて過大電流を制限するために用いられる超電導限流素子に関し、より詳しくは、本発明は、過電流により限流素子が常伝導転移した際の超電導薄膜線路の断線を防止し、素子の許容電圧を向上させた超伝導限流素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超電導薄膜を用いた限流素子は、過電流に対して外部トリガなしで１ミリ秒以内の高速動作するという優れた特徴を持つが、現状では素子に印加できる電圧（以下では「許容電圧」と呼ぶ）が電力系統に比べ小さく、許容電圧向上が課題となっている。また、実際のシステムにおいては省スペース、低コスト化の観点から、コンパクトな素子が望ましい。
【０００３】
そのための施策のひとつとして、素子の単位長さ当たりの許容電圧を向上させることが有効である。しかしながら、素子に印加する電圧が大きすぎると、超電導薄膜が過電流により超電導状態から常伝導状態に転移した際、熱衝撃より基板に亀裂が生じ超電導薄膜が断線してしまうことがあった。これにより素子の単位長さ当たりの許容電圧が制限されていた。
【０００４】
これに対して、本発明者は、断線を防止するために、基体上に作製した導電性薄膜と、基体上に作製された超電導薄膜とを断続的に設けたコンタクト層を介して並列接続した限流素子を提案した（例えば、特開平１１−２０８４５号公報）。この構造によれば、超電導薄膜に加わる熱負荷を導電性薄膜に分散することができ、単位長さ当たりの許容電圧を大幅に向上できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者がその後、さらに独自の試作評価を行った結果、この素子においてもさらに印加電圧を大きくしていくと超電導薄膜の断線が生じる場合があることが分かった。そして、この断線は、超電導薄膜線路上のコンタクト層の近傍で生じることが多く、また、超電導薄膜線路の端から断線が始まっていることが多いことが判明した。
【０００６】
以下、断線の過程について、本発明者が独自に得た知見について図面を参照しつつ説明する。
【０００７】
図１９は、本発明者が本発明に至る過程で試作した素子の構成を表す概念図である。すなわち、同図（ａ）はその平面図、同図（ｂ）はそのＡ−Ａ’線断面図である。
【０００８】
図１９に表した限流素子は、基体１０１の上に導電性薄膜１０２が設けられ、その上に複数のストライプ状の配線１０６Ａが設けられ、これらの配線と直交する方向にストライプ状の基体１０３、超電導薄膜線路１０４、コンタクト層１０５が積層され、さらにその上を覆うように配線１０６Ｂが設けられた構成を有する。ここで、コンタクト層１０５は、超電導薄膜線路１０４と配線１０６Ｂとの電気的コンタクトを確保する役割を有する。
【０００９】
図２０は、配線１０６Ｂを取り除いた状態を表す平面図である。同図から分かるように、コンタクト層１０５は、配線１０６Ａ及び１０６Ｂのパターンと一致するように選択的に設けられている。すなわち、断続的に設けられたコンタクト層１０５の形状は矩形であり、その幅は超電導薄膜線路１０４の幅と同じである。
【００１０】
このような限流素子において、電流は、矢印Ｉで表した方向に流される。そして、電流量が臨界値（臨界電流）Ｉｃ以下の場合は、電流はストライプ状の超電導薄膜線路１０４を流れる。しかし、電流量が臨界値Ｉｃを超えると、超電導薄膜線路１０４は常伝導状態に遷移して抵抗が増大し、結果として電流を制限することができる。この限流動作の際には、素子に供給される電流は超電導薄膜線路１０４からコンタクト層１０５、配線１０６Ｂ及び１０６Ａを介して導電性薄膜１０２に分散され、熱負荷を低減することができる。
【００１１】
しかし、超電導薄膜線路１０４の超電導特性を面内方向において完全に均一とすることは困難である。このため臨界電流Ｉｃに「ばらつき」がある。
【００１２】
図２１は、このように臨界電流Ｉｃにばらつきがある場合の電流の経路を例示した概念図である。すなわち、同図は、超電導薄膜線路１０４の臨界電流Ｉｃが小さい領域Ａと大きい領域Ｂとが分布した例を表す。
【００１３】
このような限流素子に過電流が流れると、臨界電流Ｉｃの小さい領域Ａが先に常伝導転移し、電流のほとんどは導電性薄膜へ分流する。一方、Ｉｃの大きな領域Ｂはこの時点では超電導状態であるため、電流は超電導薄膜線路１０４を流れる。したがって電流の経路は図中の矢印で示すようになる。
【００１４】
しかし、この限流素子では図２０に表したように断続的に設けられたコンタクト層１０５の形状が矩形であり、その幅は超電導薄膜線路１０４の幅と同じであった。そのため、超電導薄膜線路１０４に流れ込む際、線路端に電流が集中する。そして、この電流集中に起因して領域Ｂが常伝導転移した際、線路端の熱衝撃が線路中央部より大きくなる。そのためコンタクト層の近傍で超電導薄膜線路１０４に断線が生じる場合が多いことが判明した。
【００１５】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものである。すなわち、その目的は、電流集中による断線を防止するためになされたもので、電流集中を緩和する、あるいは電流集中しても線路端の熱衝撃が小さくなるようにし、許容電圧を向上させた限流素子を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の超電導限流素子は、導電性薄膜と、超電導薄膜線路と、前記導電性薄膜と前記超電導薄膜線路とを前記超電導薄膜線路の主面上に設けられた電流注入領域を介して接続する配線と、を備え、前記超電導薄膜線路の幅方向にみて、前記電流注入領域の幅は、前記超電導薄膜線路の幅よりも狭いことを特徴とする。
【００１７】
本発明はＩｃに「ばらつき」がある場合に効果が大きい。すなわち、Ｉｃに「ばらつき」があると超電導薄膜線路の一部が常伝導状態に遷移し、超電導薄膜線路から導電性薄膜に電流が分流する。そして、常伝導状態に遷移した領域を迂回して導電性薄膜から超電導状態の超電導薄膜線路へ電流が注入される。
【００１８】
これまでの限流素子においては、電流注入領域が超電導薄膜線路の端まで設けられていたため線路端に電流および熱衝撃が集中しやすかったが、本実施形態により電流集中を緩和することができる。
【００１９】
ここで、前記電流注入領域と前記配線との間に設けられたコンタクト層をさらに備え、前記超電導薄膜線路の幅方向にみて、前記コンタクト層の幅は、超電導薄膜線路の幅よりも狭いものとすることができる。つまり、コンタクト層のパターン形状により電流注入領域を規定することができる。
【００２０】
または、前記超電導薄膜線路と前記配線との間に設けられた絶縁膜をさらに備え、前記絶縁膜は、前記超電導薄膜線路の幅方向にみて前記超電導薄膜線路の幅よりも狭いコンタクトホールを有するものとしても良い。つまり、絶縁膜のコンタクトホールの形状により電流注入領域を規定することができる。
【００２１】
この場合に、絶縁膜と前記超電導薄膜線路との間に設けられたコンタクト層をさらに備えたものとしても良い。
【００２２】
また、本発明の第２の実施の形態によれば、導電性薄膜と、超電導薄膜線路と、前記超電導薄膜線路の主面上に設けられたコンタクト層と、前記コンタクト層を介して前記導電性薄膜と前記超電導薄膜線路とを接続する配線と、を備え、前記超電導薄膜線路の長手方向にみた前記コンタクト層の長さは、超電導薄膜線路の中央部において短く、線路端部において長く形成されたことを特徴とする超電導限流素子が提供される。
【００２３】
この実施形態によれば、、超電導薄膜線路端に電流集中が生じた状態で常伝導状態に転移した場合においても線路端の熱負荷を低減することが可能である。
【００２４】
さらに、この実施形態と前述した第１実施形態とを組み合わせて実施するとさらに効果的である。
【００２５】
また、前述したいずれの実施形態においても、前記導電性薄膜および前記超電導薄膜線路を電気絶縁性材料により被覆することができる。これにより、素子の温度が許容限度以上に上昇することを防止し、超電導薄膜が断線を防止して許容電圧を向上させることができる。
【００２６】
なお、本願明細書において、「電流注入領域」とは、超伝導薄膜線路の主面に対して配線から電流が実質的に流入する領域をいい、線路の側面は含まない。また、超電導薄膜線路と配線との間にコンタクト層などが設けられている場合も含む。
【００２７】
ここで、本発明の限流素子を構成する超電導薄膜としては、ＲＥ・Ｍ２・Ｃｕ３・Ｏ７−ｘ系の酸化物超伝導体（ここで、ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ等から選ばれる少なくとも一種類の元素を、ＭはＢａ、ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも一種類の元素を表す。また、添字ｘは酸素欠損を表し、通常は１以下の数である。）、Ｂｉ系、Ｔｌ系等の酸化物超電導体を使用できる。
【００２８】
また、本発明において、超電導薄膜の作製方法としては蒸着法、レーザーアブレーション法、スパッタ法、ＣＶＤ法等の各種薄膜形成法が適用可能である。また、超電導薄膜を作製する基体としは酸化物および絶縁層で被覆された金属を使用できる。酸化物としてはＳｒＴｉＯ３、ＬａＡｌＯ３、Ａｌ２Ｏ３、ＹＳＺ、ＬａＳｒＧａＯ４、ＭｇＯ等が使用でき、中でも熱伝導率が高く超電導薄膜と熱膨張係数の近い材料が好ましい。また、ハステロイ等のＮｉ合金、Ｎｉ、ＡｇおよびＡｇ合金、各種クラッド材に電気絶縁のためのＹＳＺ、Ｙ２Ｏ３、ＣｅＯ２等の酸化物層で被覆したものも基体として用いることができる。
【００２９】
一方、超電導薄膜と並列接続する導電性薄膜の材料はＡｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｃｏ等の材料およびこれらの合金が適用可能であり、所望の抵抗に応じて材料を選択する。そして導電性薄膜の基体としてはＡｌＮ、アルミナ、ＳｉＣ、Ｓｉ等の高熱伝導率を持つ材料が適用可能である。
【００３０】
一方、コンタクト層の材料としては、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、Ｐｔ（白金）、Ｉｎ（インジウム）等の超電導薄膜と反応しにくい金属が適用可能である。また、コンタクト層の厚さは電流バイパス時の発熱を抑制するために厚いほうがよく少なくとも５０ｎｍ以上好ましくは１μｍ以上さらに好ましくは１０μｍ以上が良い。またコンタクト層以外の超電導薄膜線路の上に、抵抗調整のための上記金属等の層を設けてもよい。厚さは所望の抵抗を得るために０〜１０μｍ程度の間で設定する。
【００３１】
さらに外部との電気絶縁性を高めるために超電導薄膜線路の上およびコンタクト層、抵抗調整用金属層、導電性薄膜の上に絶縁性被膜を設けることが望ましい。絶縁被膜の材料としては超電導薄膜の基体と同様の酸化物のほか、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＴｉＮ（窒化チタン）、ＳｉＣ（炭化シリコン）、ＢＮ（窒化ボロン）、ダイアモンド、Ｙ２Ｏ３等が適用可能である。
【００３２】
あるいは熱伝導率の大きい絶縁グリース（例えば商品名：アピエゾングリース、シリコングリース等）を用いても良い。大面積の素子の場合、グリースのほうが作業性、コストの面で有利である。このような熱伝導率の高いグリースで被覆する場合には、熱容量が大きいほうが限流素子の温度上昇を抑制できるため、厚みは少なくとも０．１ｍｍ以上、さらに好ましくは１ｍｍ以上、さらに好ましくは５ｍｍ以上設けると良い。許容温度上昇以下に抑制するためには、限流素子の動作時間が長いほど絶縁性被膜の厚さを大きくしたほうが良い。
【００３３】
また、超電導薄膜線路と導電性薄膜との接続に用いる配線の材料にはＩｎ、Ｉｎ合金、はんだなど、圧着あるいは加熱により電気的に接続できるものが適用可能である。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００３５】
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる限流素子の構成を概念的に例示する説明図である。すなわち、同図（ａ）はその要部平面図、同図（ｂ）はそのＡ−Ａ’線断面図である。
【００３６】
図１に例示した限流素子も、図１９〜図２１に関して前述したものと類似した積層構造を有する。すなわち、基体１の上に導電性薄膜２が設けられ、その上に複数のストライプ状の配線６Ａが設けられ、これらの配線と直交する方向にストライプ状の基体３、超電導薄膜線路４が積層され、さらにその上を覆うように配線６Ｂが設けられた構成を有する。ここで、超電導薄膜線路４と配線６Ｂとの間には図示しないコンタクト層５を設けても良い。
【００３７】
本発明の第１の実施の形態においては、配線６Ｂから超電導薄膜線路４に対して電流が流れ込む電流注入領域Ｃのパターン形状を制限する。より具体的には、電流注入領域Ｃの幅Ｗ１は、超電導薄膜線路４の幅Ｗ２よりも狭い。電流は、この電流注入領域Ｃを介して超電導薄膜線路４に流入する。このようにすることにより、分流用の導電性薄膜２から超電導薄膜線路４へ電流が転流する際の線路端部の電流集中を緩和することができる。
【００３８】
すなわち、導電性薄膜２から配線６Ｂを介して超電導薄膜線路４に流入する電流の経路は、電流注入領域Ｃを介して図１に矢印で表した如くとなる。つまり、線路４の中央付近から電流が導入されるため、超電導薄膜線路４の端における電流集中を緩和することができる。その結果として、図２１に関して前述したような超電導薄膜線路４の端における電流集中は解消され、熱衝撃による線路４の断線を防止することができる。これにより、限流素子の単位長さ当たりの許容電圧を向上することができる。
【００３９】
本発明者の検討によれば、線路端での電流の集中量を低減するためには、電流注入領域Ｃの幅Ｗ１を超電導薄膜線路４の幅Ｗ２の８０％以下とすること好ましく、７０％以下とするとさらに好ましいことが分かった。
【００４０】
一方、電流注入領域の幅Ｗ１を小さくしすぎると、超電導薄膜線路４との間の接触部の抵抗が増大して発熱が無視できなくなる。このため、幅Ｗ１は、線路の幅Ｗ２の３０％以上とすることが好ましい。また、後に実施例としても詳述するように、電流注入領域Ｃのパターン形状は楕円の他にも、例えば、円形、矩形、多角形、その他各種の形状を適宜採用することができる。
【００４１】
本発明において、電流注入領域Ｃを規定する方法としては、後に詳述するように、線路４と配線６Ｂとの間にコンタクト層を設け、そのパターン形状を規定する方法や、さらに絶縁膜を設け、その絶縁膜に開口したコンタクトホールを電流注入領域とする方法などがある。
【００４２】
図２は、後に第１実施例として詳述する具体例を表す概念図である。すなわち、同図（ａ）はその平面図、同図（ｂ）はそのＡ−Ａ’線断面図である。
【００４３】
図２に例示した具体例も、図１９〜図２１に関して前述したものと類似した積層構造を有する。すなわち、基体１の上に導電性薄膜２が設けられ、その上に複数のストライプ状の配線６Ａが設けられ、これらの配線と直交する方向にストライプ状の基体３、超電導薄膜線路４、コンタクト層５が積層され、さらにその上を覆うように配線６Ｂが設けられた構成を有する。ここで、コンタクト層５は、超電導薄膜線路４と配線６Ｂとの電気的コンタクトを確保する役割を有する。
【００４４】
この限流素子において、電流は、矢印Ｉで表した方向に流される。そして、配線６Ｂと超電導薄膜線路４との間の電気的なコンタクトは、コンタクト層５により確保されている。本具体例においては、このコンタクト部の幅、線路４の幅よりも小さくする。
【００４５】
図３は、配線６Ｂを取り除いた状態を例示する平面図である。同図に表した具体例においては、超電導薄膜線路４の中央付近に楕円形状のコンタクト層５が設けられ、コンタクト層５の幅Ｗ１が超電導薄膜線路１０４の幅Ｗ２より小さくされている。そして、図２に示すように配線６Ｂを用いて導電性薄膜２と超電導薄膜線路４とが接続される。
【００４６】
本具体例によれば、線路４と配線６Ｂとの電流注入領域をコンタクト層５の形状により決定することができる。そして、線路４の中央付近から電流が導入されるため、超電導薄膜線路４の端における電流集中を緩和することができる。
【００４７】
また、これとは別に、後に第４乃至第５の実施例として詳述するように、配線６Ｂと超電導薄膜線路４との間に絶縁性の薄膜を挿入し、この薄膜に開口した所定のパターンのコンタクトホールによって配線６Ｂと線路４とを接続するものとしても良い。
【００４８】
一方、本発明の第２の実施の形態として、電流が集中した場合の超電導薄膜線路端の熱負荷を低減するために、超電導薄膜線路の長手方向（電流供給方向Ｉ）のコンタクト層の長さを、超電導薄膜線路の中央部より線路端において大きくしても良い。これにより電流が集中しやすい部分に低抵抗金属があるために熱負荷を低減することができる。この実施形態に関しては、後に第５の実施例として詳述する。
【００４９】
（実施例）
以下、本発明の実施の形態について、実施例を参照しつつさらに詳細に説明する。
【００５０】
（第１の実施例）
まず、本発明の第１の実施例について説明する。
【００５１】
本実施例においては、図２及び図３に表した構造の限流素子を試作した。
【００５２】
図４は、本実施例にかかる限流素子の製造手順を表す工程断面図であり、図２（ｂ）に対応する断面図である。同図においては、図１乃至図３に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５３】
本実施例においては、まず、幅５０ｍｍ、長さ１４０ｍｍのＡｌＮ多結晶基板１の上に５００ｎｍ厚のＮｉ（ニッケル）薄膜２をスパッタ法で作製し、線幅２ｍｍのＩｎ（インジウム）線６Ａを１０ｍｍ間隔で圧着した。両端の１０ｍｍの部分は電流導入端子とした。
【００５４】
一方、幅１０ｍｍ、長さ１２０ｍｍのＡｌ２Ｏ３単結晶基板３の上にスパッタ法によりＣｅＯ２バッファ層（図示せず）を厚さ３０ｎｍ堆積した後、ＹＢＣＯ（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ：イットリウム・バリウム・銅・酸素）薄膜４を３００ｎｍの膜厚になるようにレーザーアブレーション法により作製した。
【００５５】
次に、図２及び図３に関して前述したように、ＹＢＣＯ薄膜線路４の幅Ｗ２より小さい短径３ｍｍ、長経７ｍｍの楕円形状のＡｇ電極５を厚さ１０μｍ、スパッタ法によりマスクを用いて作製した。そして、Ａｇ電極５とＹＢＣＯ薄膜４の接触抵抗低減のために４００℃、３０分のアニールを行った。
【００５６】
次に、図４（ａ）に表したようにＡｌ２Ｏ３単結晶基板３をＡｌＮ多結晶基板１の上に載置し、図４（ｂ）に表したようにＹＢＣＯ薄膜線路４上のＡｇ電極部５とＩｎ線６ＡとをＩｎ線６Ｂを用いて並列接続した。これにより、線路４とＮｉ薄膜２とが電気的に接続される。
【００５７】
このように作製したＹＢＣＯ薄膜限流素子は液体窒素温度において５０Ａｒｍｓの連続通電が可能であった。この素子を液体窒素中で冷却し図５に表す試験回路に接続し５０Ｈｚ、５００Ｖｒｍｓの条件で、限流特性を調べた。
【００５８】
図６は、本実施例による限流素子の典型的な限流特性を表すグラフである。すなわち、同図の上半分は電流特性、下半分は電圧特性を表す。電流特性において破線で表した曲線は限流素子がない場合の電流波形を表し、実線は、この条件において限流素子に流れる電流を表す。
【００５９】
図６から分かるように、ピーク電流が１２００Ａの短絡電流が流れるところを、本実施例の限流素子は２００Ａで限流し始め、最大でも４００Ａに抑制できる。また、限流素子の単位長さ当たりの許容電圧は６０Ｖ／ｃｍであった。このような試験を２０回繰り返したところ図６と同様な限流特性が再現性良く得られた。
【００６０】
限流特性を評価した後、限流素子を液体窒素から取り出して室温まで昇温した後、テスターにより抵抗を調べたところ試験前と同様の１Ωを示した。また、光学顕微鏡によりその表面を観察したところ、断線や焼損などの損傷がないことが確認された。
【００６１】
（第２の実施例）
次に、本発明の第２の実施例について説明する。本実施例においては、矩形の電流注入領域を有する限流阻止を試作した。
【００６２】
図７は、本実施例にかかる限流素子の製造途中の状態を表す概念図であり、また、図８は、完成状態の限流素子の要部を表す概念図である。いずれの図においても、（ａ）はその平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ’線断面図である。
【００６３】
また、図７及び図８においても、図１乃至図４に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６４】
本実施例においては、第１実施例と同様な寸法、方法でＹＢＣＯ薄膜４を作製した後、図７に素子の一部を示すように７ｍｍ×３ｍｍの矩形のＡｇ電極５をマスクを用いて厚さ１０μｍスパッタし４００℃、３０分のアニールを行った。そして、図８に示すようにＩｎ線６Ｂを配線することより、線路４と、ＡｌＮ基板１の上のＮｉ薄膜２とを並列接続した。
【００６５】
すなわち、本実施例の素子においては、図７に表したように、電流注入領域として作用するコンタクト層５が矩形に形成され、且つ超電導薄膜線路４の幅方向にみた時に、コンタクト層５の幅は、線路４の幅よりも狭い。このようにコンタクト層５を形成した場合にも、導電性薄膜２から超電導薄膜線路４に電流が流入する際の線路端での電流の集中を防ぐことができる。
【００６６】
この素子に５０Ｈｚ、５００Ｖｒｍｓの条件で限流特性を調べた結果、短絡電流１２００Ａのところ、５００Ａ以下に抑制できることが分かった。また、単位長さ当たりの許容電圧は６０Ｖ／ｃｍであった。そして、同様な試験条件で２０回繰り返し試験した後、液体窒素から取り出し素子表面の観察を行ったところ、断線などの損傷を受けていないことが分かった。
【００６７】
（比較例）
第１実施例と同様な方法でＹＢＣＯ薄膜を作製した後、図１９及び図２０に表したようにＹＢＣＯ薄膜線路１０４の端まで１０ｍｍ×３ｍｍのＡｇ電極１０５をスパッタ法によりマスクを用いて厚さ１０μｍ設け、４００℃、３０分のアニールを行った。そして、図１９に表したようにＡｌＮ基板１０１の上のＮｉ薄膜１０２とＩｎ線１０６Ｂを用いて並列接続した。
【００６８】
この素子に５０Ｈｚの交流を電圧を増加させながら繰り返し試験を行い、限流特性を調べた。印加電圧４００Ｖｒｍｓ（単位長さ当たりの印加電圧：４７Ｖ／ｃｍ）の条件にて、１回目は過電流を抑制したが、２回目には臨界電流より小さい電流においても電圧発生が観測され、限流素子の電気抵抗が増大していることが分かった。そこで、限流素子を液体窒素から取り出し表面観察した結果、目視においてもＡｇ電極１０５の近傍においてＹＢＣＯ線路１０４に断線が生じていることが分かった。
【００６９】
（第３の実施例）
次に、本発明の第３の実施例について説明する。
【００７０】
本実施例も、第１実施形態の具体例として実施したものである。
【００７１】
図９〜図１１は、本実施例にかかる限流素子の製造工程を表す概念図であり、いずれの図においても、（ａ）はその平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ’線断面図である。図９〜図１１においても、図１乃至図８に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００７２】
本実施例においては、第１実施例と同様な寸法、方法でＹＢＣＯ薄膜４を作製した後、図９に示すようにＹＢＣＯ薄膜線路４の端まで１０ｍｍ×３ｍｍの大きさで厚さ１０μｍのＡｇ電極５をマスクを用いてスパッタ法により作製した。そして接触抵抗低減のために４００℃、３０分のアニールを行った。
【００７３】
次に、図１０に表したような楕円形状の開口を有する厚さ１０μｍのＣｅＯ２薄膜７をスパッタ法によりマスクを用いて作製した。このＣｅＯ２薄膜７は絶縁膜として作用する。
【００７４】
そして、図１１に表したように、Ｉｎ線６Ｂを形成して、線路４と、ＡｌＮ基板１の上のＮｉ薄膜２とを並列接続した。
【００７５】
本実施例の限流素子においては、絶縁膜であるＣｅＯ２薄膜７に設けられた楕円形状のコンタクトホールを介して線路４に電流が注入するため、ＹＢＣＯ薄膜線路４の端での電流集中を解消することができる。
【００７６】
この素子を液体窒素で冷却し図５に表した試験回路を用いて５０Ｈｚ、５００Ｖｒｍｓの条件で限流特性を調べたところ、５００Ａ以下に抑制できることが分かった。また、同条件で２０回の繰り返し試験の結果も同様な特性を示した。次に、液体窒素から取り出し表面を観察した結果、断線などの損傷を受けていないことが分かった。
【００７７】
（第４の実施例）
次に、本発明の第４の実施例について説明する。
【００７８】
図１２〜図１５は、本実施例にかかる限流素子の製造工程を表す概念図であり、いずれの図においても、（ａ）はその平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ’線断面図である。図１２〜図１５においても、図１乃至図１１に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００７９】
本実施例においては、第１実施例と同様な寸法、方法でＹＢＣＯ薄膜４を作製した後、図１２に表したように、ＹＢＣＯ薄膜４全面に厚さ４０ｎｍのＡｇ薄膜５Ａをスパッタ法により作製した。なお、このＡｇ薄膜５ＡとＹＢＣＯ薄膜線路４の臨界温度直上９０Ｋの抵抗は１０Ωとなり、ＹＢＣＯ薄膜線路４のみの場合の臨界温度直上の抵抗２０Ωの２分の１となった。
【００８０】
次に、図１３に表したようにスパッタ法によりマスクを用いて、厚さ１０μｍの楕円形状の第２のＡｇ電極５Ｂを設けた。ここで、第２のＡｇ電極５Ｂの幅Ｗ１は、線路４の幅Ｗ２よりも短いものとする。
【００８１】
次に、マスクを交換して図１４に表した示すように第２のＡｇ電極５Ｂ以外の部分に絶縁のためにＣｅＯ２薄膜７を厚さ１０μｍ設けた。
【００８２】
そして、図１５に表したようにＩｎ線６Ｂを配線し、楕円形状のＡｇ電極５ＢとＡｌＮ基板１の上のＮｉ薄膜２とを並列接続した。
【００８３】
この限流素子を液体窒素で冷却し、図５の試験回路を用いて５０Ｈｚ、４００Ｖｒｍｓの条件で限流特性を調べた。その結果、４００Ａ以下に抑制できることが分かった。同条件で２０回、試験を繰り返した場合も同様の特性が得られた。その後、限流素子を液体窒素から取り出し表面観察した結果、断線などの損傷を受けていないことが確認された。
【００８４】
（第５の実施例）
次に、本発明の第５の実施例について説明する。
【００８５】
本実施例は、本発明の第２の実施形態の具体例として実施したものである。
【００８６】
図１６は、本実施例にかかる限流素子の製造途中の状態を表す概念図であり、また、図１７は、完成状態の限流素子の要部を表す概念図である。いずれの図においても、（ａ）はその平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ’線断面図である。
【００８７】
また、図１６及び図１７においても、図１乃至図１５に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００８８】
本実施例においても、第１実施例と同様な方法でＹＢＣＯ薄膜４を作製した後、ＹＢＣＯ薄膜４の上に図１６に示すようにＹＢＣＯ薄膜線路の中央部から端部に向かって連続的に幅が大きくなるパターン形状を有するＡｇ電極５をスパッタ法によりマスクを用いて作製した。これにより電流が集中しやすい部分に低抵抗金属があるために熱負荷を低減することができる。ここで、電極５の厚さは１０μｍとした。そして４００℃、３０分のアニールを行った後、図１７に示すようにＩｎ線６Ｂを用いて、線路４とＡｌＮ基板１の上のＮｉ薄膜２とを並列接続した。
【００８９】
この素子に５０Ｈｚ、５００Ｖｒｍｓの条件で限流特性を調べたところ、短絡電流１２００Ａを６００Ａに抑制可能であることが分かった。また、単位長さ当たりの許容電圧は６０Ｖ／ｃｍであった。そして、同様な条件で２０回繰り返し試験したところ、いずれの場合も過電流を抑制し限流動作を確認した。この限流素子を試験後に液体窒素から取り出し光学顕微鏡にて表面観察をしたところ、断線や焼損などの損傷はないことが分かった。
【００９０】
（第６の実施例）
次に、本発明の第６の実施例について説明する。
【００９１】
図１８は、本実施例にかかる限流素子の製造工程を表す概念図であり、同（ａ）はその平面図、同図（ｂ）はそのＡ−Ａ’線断面図である。図１８においても、図１乃至図１３に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００９２】
本実施例においては、第１実施例と同様の超電導限流素子において、図１８に表したように超電導薄膜線路４および導電性薄膜２を絶縁性グリース（商品名：アピエゾングリース）８により被覆した。その厚さは約２ｍｍとした。
【００９３】
この限流素子について、第１実施例より大きい６００Ｖｒｍｓの条件で限流特性を調べたところ、限流素子がない場合の短絡電流１４００Ａを４００Ａに抑制できることが分かった。単位長さ当たりの許容電圧は７０Ｖ／ｃｍであった。また、素子抵抗から素子の最大温度上昇を見積もると約２５０Ｋであった。このような試験を２０回繰り返した後に限流素子を液体窒素から取り出し、トルエン等の有機溶剤によりグリースを取り除き、表面を光学顕微鏡で観察したところ、超電導薄膜の断線や焼損などは見られなかった。
【００９４】
（比較例）
第１実施例の素子を絶縁性グリースで被覆せずに、６００Ｖｒｍｓの条件で限流試験を行った際、放電による光が観測された。そのときの素子に発生した最大電圧から抵抗を見積り、素子温度に換算すると、約３５０Ｋであった。そこで、限流素子を液体窒素から取り出し表面観察した結果、目視においても超電導薄膜および導電性薄膜に多数の断線が観測された。
【００９５】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
【００９６】
例えば、基板、導電性薄膜、超電導薄膜線路、コンタクト層、配線などの各種の要素の材料や寸法は、当業者が適宜変更して本発明と同様の効果を得ることができる。
【００９７】
また、前述した各実施例は、組み合わせることも可能であり、例えば、第５実施例に関して前述したコンタクト層５のパターン形状と、第３実施例に関して前述した絶縁膜７のパターン形状を組み合わせて、実施することも可能である。さらに、この際に、コンタクト層５や絶縁膜７のコンタクトホールのパターン形状は図示したものには限定されず、その他、各種の形状を用いることができる。
【００９８】
また、第６実施例は、第１実施例にかかる限流素子に限られず、その他第２乃至第５実施例のいずれの限流素子についても同様に適用して同様の効果を得ることができる。
【００９９】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、限流素子の超電導薄膜線路に対する電流注入領域を制御することにより、線路に流入する電流経路を調節し、線路の端における電流集中を緩和することができる。
【０１００】
また、本発明によれば、コンタクト層のパターン形状を工夫することにより、電流が集中する部分の線路の熱負荷を低減できる。
【０１０１】
さらに、本発明によれば、絶縁性被覆を設けることにより、超電導薄膜および導電性薄膜の温度上昇を抑制できる。
【０１０２】
すなわち、本発明によれば、超電導薄膜の断線を防止することができ、許容電圧の向上が可能となり、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の限流素子の構成を概念的に例示する説明図である。すなわち、同図（ａ）はその平面図、同図（ｂ）はそのＡ−Ａ’線断面図である。
【図２】本発明の限流素子の具体例を表す概念図である。すなわち、同図（ａ）はその平面図、同図（ｂ）はそのＡ−Ａ’線断面図である。
【図３】配線６Ｂを取り除いた状態を例示する平面図である。
【図４】本発明の第１実施例にかかる限流素子の製造手順を表す工程断面図であり、図２（ｂ）に対応する断面図である。
【図５】試験回路を表す概念図である。
【図６】第１実施例による限流素子の典型的な限流特性を表すグラフである。
【図７】本発明の第２実施例にかかる限流素子の製造途中の状態を表す概念図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ’線断面図である。
【図８】第２実施例の完成状態の限流素子の要部を表す概念図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ’線断面図である。
【図９】本発明の第３実施例にかかる限流素子の製造工程を表す概念図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ’線断面図である。
【図１０】本発明の第３実施例にかかる限流素子の製造工程を表す概念図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ’線断面図である。
【図１１】本発明の第３実施例にかかる限流素子の製造工程を表す概念図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ’線断面図である。
【図１２】本発明の第４実施例にかかる限流素子の製造工程を表す概念図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ’線断面図である。
【図１３】本発明の第４実施例にかかる限流素子の製造工程を表す概念図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ’線断面図である。
【図１４】本発明の第４実施例にかかる限流素子の製造工程を表す概念図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ’線断面図である。
【図１５】本発明の第４実施例にかかる限流素子の製造工程を表す概念図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ’線断面図である。
【図１６】本発明の第５実施例にかかる限流素子の製造途中の状態を表す概念図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ’線断面図である。
【図１７】第５実施例の完成状態の限流素子の要部を表す概念図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ’線断面図である。
【図１８】本発明の第６実施例にかかる限流素子の製造工程を表す概念図であり、同（ａ）はその平面図、同図（ｂ）はそのＡ−Ａ’線断面図である。
【図１９】本発明者が本発明に至る過程で試作した素子の構成を表す概念図であり、同図（ａ）はその平面図、同図（ｂ）はそのＣ−Ｃ’線断面図である。
【図２０】配線１０６Ｂを取り除いた状態を表す平面図である。
【図２１】臨界電流Ｉｃにばらつきがある場合の電流の経路を例示した概念図である。
【符号の説明】
１、１０１  導電性薄膜の基体
２、１０２  導電性薄膜
３、１０３  超電導薄膜の基体
４、１０４  超電導薄膜線路
５、１０５  コンタクト層
６、１０６  配線
７  絶縁性薄膜
８  電気絶縁性被膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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