(57)【要約】【課題】超電導層への水分の侵入を抑えるとともに、外部からの機械的あるいは化学的なダメージを受け難い構造を有することにより、臨界電流密度の低下を抑制し、良好な超電導特性を有する超電導線材とその簡便な製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係る超電導線材１００は、長尺状の第一基材１の一方の面に、中間層２、超電導層３、保護層４の順に重ねて配してなる第一基体１０と、該保護層４に重なり、安定化材から構成された長尺状の第二基材５からなる第二基体２０とを少なくとも備え、前記第二基体２０の前記保護層４と対向する面には、その長手方向に連続する凹部が配されており、該凹部の内底面が前記保護層４と導電性の接合部材６を介して接合され、かつ、前記超電導層３は、その側面が全て該凹部内に収まるように配されたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長尺状の第一基材の一方の面に、中間層、超電導層、保護層の順に重ねて配してなる第一基体と、該保護層に重なり、安定化材から構成された長尺状の第二基材からなる第二基体と、を少なくとも備える超電導線材であって、
前記第二基体の前記保護層と対向する面には、その長手方向に連続する凹部が配されており、該凹部の内底面が前記保護層と導電性の接合部材を介して接合され、かつ、前記超電導層は、その側面が全て該凹部内に収まるように配されたことを特徴とする超電導線材。
【請求項２】
前記第一基材の他方の面は、前記第二基体の前記凹部が形成された面に対して、同じ高さか、あるいは低く構成されていることを特徴とする請求項１に記載の酸化物超電導線材。
【請求項３】
前記接合部材が、さらに、前記超電導層の側面も覆うように配されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導線材。
【請求項４】
長尺状の第一基材の一方の面に、中間層、超電導層、保護層の順に重ねて配してなる第一基体と、該保護層に重なり、安定化材から構成された長尺状の第二基材からなる第二基体と、を少なくとも備える超電導線材の製造方法であって、
前記第一基材の一方の面に、中間層、超電導層、保護層を順に重ねて設け、前記第一基体を形成する工程Ａと、
前記第二基材の長手方向に凹部を設け、前記第二基体を形成する工程Ｂと、
前記第二基体に設けた前記凹部の内底面と前記第一基体を構成する前記保護層の表面との間に接合部材を挟み重ねて配置する工程Ｃと、
加熱及び加圧処理を施し、両者を接合する工程Ｄと、
を少なくとも有することを特徴とする超電導線材の製造方法。
【請求項５】
前記工程Ｄの前に、予備加熱を行う工程Ｅを有することを特徴とする請求項４に記載の超電導線材の製造方法。
【請求項６】
前記工程Ｃにおいて、前記第一基材の他方の面が、前記第二基体の前記凹部が形成された面に対して、同じ高さか、あるいは低くなるように配置することを特徴とする請求項４または５に記載の超電導線材の製造方法。
【請求項７】
前記工程Ｄにおいて、前記接合部材が、少なくとも前記凹部内底面とともに、前記超電導層の側面部も覆うように加熱及び加圧処理を施すことを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の超電導線材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導電力ケーブル、超電導マグネット、超電導エネルギー貯蔵装置、超電導発電装置、医療用ＭＲＩ装置、超電導電流リードなどへの応用開発が進められている長尺状の超電導線材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザー蒸着法やＣＶＤ法などの成膜法により、テープ状の基材上に酸化物超電導層を形成して超電導導体を形成することがなされている。そして、この種の成膜法によって形成した薄膜状の酸化物超電導層は、従来知られている酸化物超電導体の構成元素の粉末導体よりも高い臨界電流密度（Ｊｃ）を示すことが知られている。また、この種の超電導導体は、液体窒素温度（７７Ｋ）で冷却して超電導状態とした上で磁場を作用させた場合に、磁場による超電導特性の劣化割合も少ないとされているので、この種のテープ状の酸化物超電導導体を用いてコイル加工を施し、小型で軽量の超電導マグネットを製造する試みがなされている。
【０００３】
金属テープなどの長尺の基材の上に酸化物超電導層を直接成膜すると、結晶配向性が乱れて良好な超電導特性が得られないという問題があるため、従来、金属テープの上に結晶を面内配向させた中間層、例えばＭｇＯやＳｒＴｉＯ３  、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７  、ＣｅＯ２  、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などの中間層を形成し、この中間層上に酸化物超電導層を成膜することで、金属テープなどの長尺の基材上に結晶配向性の優れた酸化物超電導層を配する構成が用いられている。
このような中間層を金属テープと酸化物超電導層の間に形成することにより、熱膨張係数の差異に起因する熱歪の蓄積を緩和することもでき、酸化物超電導層と金属テープとの間の元素拡散も抑制できるため、特性の優れた酸化物超電導層を備えた酸化物超電導導体を得ることができる。
【０００４】
ところが、超電導コイルを製造するために長尺状の酸化物超電導体に曲げ加工を施すと、超電導層に歪みが負荷されることにより臨界電流密度が低下し、ひいては超電導特性が劣化するという問題があった。
そこで本発明者らは、ハステロイなどからなる金属テープの上に中間層、酸化物超電導体の中でもＲｅＢａＣｕＯ系（ＲｅはＧｄ、Ｙ、Ｈｏ、Ｓｎなどの希土類元素）の超電導体からなる超電導層を順に形成し、この超電導層上に良導電性の安定化金属層を形成することで超電導特性の優れた長尺状の超電導導体を製造する試みを種々行っている。
【０００５】
このような試みの中から本発明者らは、例えば特許文献１では、安定化金属層の材料および厚さを最適化することにより、曲げ加工を施した際にも超電導層に歪みがかかりにくく超電導特性の劣化を生じにくい構成を見いだした。
図３は従来の酸化物超電導導体の一構成例を示す模式図である。酸化物超電導導体２００は、ハステロイテープなどの長尺状の基材２０１上に中間層２０２、ＹＢａＣｕＯ系の超電導体からなる超電導層２０３、良導電性の安定化層２０４が順次積層されている。
しかしながら、この構成では水分によりダメージを受けやすい超電導層２０３の側面が外部に露呈しているため、製造工程中などに水分が侵入することにより超電導特性の低下を引き起こす虞がある。
【０００６】
一方、例えば特許文献２および３には、超電導層を金属テープで挟み、該金属テープの間を半田などの接合部材で充填して接合する構成が記載されている。このような構成では超電導層の側面は外部に露呈されないが、充分な接合強度を得るためには超電導線材を厚み方向から加圧、接着する工程が必要となる。その場合、超電導線材の厚み方向に加わる圧力により超電導層がダメージを受け、超電導特性の劣化が生じる虞がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平７−７３７５８号公報
【特許文献２】特許第３９４９９６０号公報
【特許文献３】特開２００８−２４３５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、超電導層への水分の侵入を抑えるとともに外部からの機械的あるいは化学的なダメージを受け難い構造を有することにより、臨界電流密度の低下の抑制を図ることができ、ひいては良好な超電導特性を有する超電導線材を提供することを第一の目的とする。
また、本発明は、上述した良好な超電導特性を有する超電導線材を、簡便にかつ安定して形成できる超電導線材の製造方法を提供することを第二の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る超電導線材は、長尺状の第一基材の一方の面に、中間層、超電導層、保護層の順に重ねて配してなる第一基体と、該保護層に重なり、安定化材から構成された長尺状の第二基材からなる第二基体と、を少なくとも備え、前記第二基体の前記保護層と対向する面には、その長手方向に連続する凹部が配されており、該凹部の内底面が前記保護層と導電性の接合部材を介して接合され、かつ、前記超電導層は、その側面が全て該凹部内に収まるように配されたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の請求項２に係る超電導線材は、請求項１において、前記第一基材の他方の面は、前記第二基体の前記凹部が形成された面に対して、同じ高さか、あるいは低く構成されていることを特徴とする。
本発明の請求項３に係る超電導線材は、請求項１または２において、前記接合部材が、さらに、前記超電導層の側面も覆うように配されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項４に係る超電導線材の製造方法は、長尺状の第一基材の一方の面に、中間層、超電導層、保護層の順に重ねて配してなる第一基体と、該保護層に重なり、安定化材から構成された長尺状の第二基材からなる第二基体と、を少なくとも備える製造方法であって、前記第一基材の一方の面に、中間層、超電導層、保護層を順に重ねて設け、前記第一基体を形成する工程Ａと、前記第二基材の長手方向に凹部を設け、前記第二基体を形成する工程Ｂと、前記第二基体に設けた前記凹部の内底面と前記第一基体を構成する前記保護層の表面との間に接合部材を挟み重ねて配置する工程Ｃと、加熱及び加圧処理を施し、両者を接合する工程Ｄと、を少なくとも有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項５に係る超電導線材の製造方法は、請求項４において、前記工程Ｄの前に、予備加熱を行う工程Ｅを有することを特徴とする。
本発明の請求項６に係る超電導線材の製造方法は、請求項４または５において、前記工程Ｃを行う際に、前記第一基材の他方の面が、前記第二基体の前記凹部が形成された面に対して、同じ高さか、あるいは低くなるように配置することを特徴とする。
本発明の請求項７に係る超電導線材の製造方法は、請求項４乃至６のいずれか１項において、前記工程Ｄを行う際に、前記接合部材が、少なくとも前記凹部内底面とともに、前記超電導層の側面部も覆うように加熱及び加圧処理を施すことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る超電導線材（請求項１）は、超電導層の側面が全て第二基体に配された凹部内に収まるように配置されていることにより、超電導層の側面全域が凹部をなす安定化材で囲まれた、あるいは外部から見えない状態となり、ひいては超電導層の側面全域が外部から遮蔽された構成を実現できる。このような構成は、超電導層への水分の侵入を抑え、超電導層への化学的なダメージを防ぐことができるとともに、超電導層に対する外部からの機械的な影響を抑制する効果ももたらす。これにより、臨界電流密度の低下の抑制が図れるため、本発明は、良好な超電導特性を有する超電導線材の提供に寄与する。
【００１４】
本発明に係る超電導線材の製造方法（請求項４）は、超電導層を含む積層体である第一基体と、安定化材からなり凹部が配された第二基体とを別々に形成し、両者を接合するという工程を用いることにより、まず両者を別体として個別に最適な条件で作製した後、適切な条件で一体化させることができる。ゆえに本発明によれば、簡便な方法で、かつ安定して超電導線材を形成することが可能な製造方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る一実施形態の超電導線材の一例を示す斜視図。
【図２】本発明に係る一実施形態の超電導線材の製造装置の一例を示す模式図。
【図３】従来の酸化物超電導テープの一実施形態を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１（ａ）は、本発明の超電導線材１００の一実施形態を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の一部を抜き出して示した斜視図である。
本実施形態に係る超電導線材１００は、長尺状の第一基材１の一方の面に、中間層２、超電導層３、保護層４の順に重ねて配してなる第一基体１０と、該保護層４に重なり、安定化材から構成された長尺状の第二基材５からなる第二基体２０とからなる。さらに前記第二基体２０にはその長手方向に連続する凹部が配されており、該凹部の内底面と前記保護層４とが導電性の接合部材６を介して接合され、かつ、前記超電導層３の側面が全て該凹部内に収まるように配されている。
【００１７】
第一基材１は、一般に超電導線材１００の基材として十分な機械的強度と柔軟性、耐熱性、耐酸化性を有する金属材料からなるテープ状基材、例えばハステロイなどが用いられる。それ以外にも、ステンレス鋼、銅などに代表される各種金属材料から、あるいは、各種のガラスまたはセラミックスなどから構成されるもののいずれを用いても良い。第一基材１の長さ、幅、厚さは、製造する超電導線材１００の用途などに応じて適宜設定することができるが、本実施例では幅２〜１０ｍｍ、より好ましくは５〜１０ｍｍのものを用いるものとする。
中間層２としては、後に中間層２の上に形成される超電導層の結晶に近い結晶構造（例えば、立方晶系の結晶構造）を有し、超電導層の熱膨張率に近い熱膨張率を有する薄膜が好ましい。よって、中間層２を構成する材料は、ＭｇＯやＳｒＴｉＯ３  、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７  、ＣｅＯ２  、ＹＳＺなどのセラミックス系の材料が好ましい。
【００１８】
超電導層３を構成する材料は、ＲｅＢａＣｕＯ系（ＲｅはＧｄ、Ｙ、Ｈｏ、Ｓｎなどの希土類元素）なる組成などに代表される臨界温度の高い酸化物超電導体が好適に用いられる。
保護層４は、用途に応じて、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｕなどの貴金属あるいはそれらの合金からなり、第二基材５は、ＣｕやＡｌなどのように貴金属よりも安価な良導電性金属材料や、ＮｉＣｒ、ＮｉＣｕなどの高抵抗体が用いられる。また接合部材６としては、例えば半田が用いられるが、本発明はこれに限定されるものではなく、他にも導電性を有する材料であれば良い。
【００１９】
本発明の超電導線材１００の構造によれば、超電導層３の側面が全て第二基体２０に設けられた凹部内に収まるように配置される、すなわち、超電導層３の側面全域が凹部をなす安定化材で覆われることにより、超電導層３が外部から遮蔽された構成が実現できる。このような構成にすることで、超電導層３への水分の侵入を抑え、超電導層３への化学的なダメージを防ぐことができる。これにより、臨界電流密度の低下の抑制が図れ、良好な超電導特性を有する超電導線材が得られる。
【００２０】
さらに本発明の超電導線材１００において、前記第一基材１の他方の面は、前記第二基体２０の前記凹部が形成された面に対して、同じ高さか、あるいは低く配されることが好ましい。このように超電導層３を含む第一基体１０の側面全てが前記凹部内に収まる構成とすると、超電導層３への水分の侵入抑制効果をさらに向上させ、化学的なダメージを受け難い構造となるとともに、第一基体１０と第二基体２０とを接合するために厚み方向に加圧された場合にも、超電導層３が外圧による機械的なダメージを受け難い構造となる。これにより、さらに臨界電流密度の低下が抑制可能となり、良好な超電導特性を有する超電導線材が得られる。
この際、接合部材６は、少なくとも前記凹部内底面とともに、前記超電導層３の側面部まで、より好ましくは第一基体１０の側面全てを覆うように配されていることがさらに好ましい。このような構成とすることで、超電導層３の側面全てが接合部材６で覆われて外部への露呈を防ぐため、超電導層３への水分の侵入抑制効果をさらに高めることができる。
【００２１】
本実施形態に係る超電導線材の製造方法は、長尺状の第一基材１の一方の面に、中間層２、超電導層３、保護層４を順に重ねて設け、第一基体１０を形成する工程Ａと、安定化材から構成された長尺状の第二基材５の長手方向に凹部を設け、前記第二基体２０を形成する工程Ｂと、前記第二基体２０に設けた前記凹部の内底面と前記第一基体１０を構成する前記保護層４の表面との間に接合部材６を挟み重ねて配置する工程Ｃと、加熱及び加圧処理を施し、両者を接合する工程Ｄと、を少なくとも有することを特徴とする。
【００２２】
以下、本発明の超電導線材１００を製造する方法の一実施例について説明する。
長尺状の第一基材１の一方の面に、拡散バリアとしての中間層２を成膜法により形成する。この中間層２の形成方法としては、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、化学気相成長法（ＣＶＤ）などのいずれの成膜法を用いても良いが、中間層は面内配向を有する結晶性の良い膜を得るため、長尺状の基材上に均質な膜を連続的に長時間成膜することが可能なＩＢＡＤ法で作製する。
【００２３】
次に、中間層２上に超電導層３を形成する。この場合も前記と同様に種々の成膜法を用いることができるが、同じく均質な膜を連続的に長時間成膜することが可能なレーザ蒸着法を用いることが好ましい。この際の母材としては、例えばＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘなる組成の酸化物あるいは酸化物超電導体ターゲットを使用し、基材を７００〜１０００℃程度の所望の温度に加熱して、酸素を含む減圧雰囲気中で成膜処理を行えば良い。さらに超電導層３の上に、下地安定化層としての役割も担う保護層４を数μｍ〜数１０μｍ程度の厚さになるよう成膜法により形成し、第一基体１０を形成する工程Ａが完了する。この場合も前記と同様に種々の成膜法を用いることができる。
【００２４】
次に、Ｃｕなどの安定化材からなる第二基材５の長手方向に凹部を設け、前記第二基体２０を形成する工程Ｂを行う。この凹部は、例えば、押出成形や機械的な研削により形成することができる。なお、これらの凹部を形成する方法はこれに限定されるものではなく、酸やアルカリ等の溶液を用いたウェットエッチング、サンドブラスト、レーザ等の物理的加工も可能である。
【００２５】
その後、メッキ法により、例えば半田などの導電性の金属材料からなる接合部材６を前記凹部内に均一に形成し、該凹部の内底面と前記第一基体１０を構成する前記保護層４の表面とを対向して配置する工程Ｃを行う。なお、工程Ｃはメッキ法に限定されるものではなく、例えば蒸着法やスパッタ法、ＣＶＤ法などを用い、凹部内底面に均一に、あるいは該凹部内（内底面及び側面）に均一に、導電性の金属材料からなる接合部材６を形成しても良い。
【００２６】
さらに、加熱処理及び加圧処理を施しながら前記第一基体１０と前記第二基体２０を接合する工程Ｄを行うことにより、充分な接合強度を有し超電導特性に優れた超電導線材１００を得ることができる。この際、例えば図２に示すような構造の製造装置を用いて、個別の搬出ロールＡ，Ｂに巻回されてなる第一基体１０および第二基体２０を、それぞれ矢印αと矢印βの方向へ送り出し、誘導ロールＣ１、Ｃ２により両者を重ねた状態としつつ矢印γの方向へ進行させて、後段に位置する金属ロールで加圧しながら両者を接合した後、矢印δの方向へ導出し、次いで巻取ロールＥに巻回して収納することにより、所望の超電導線材１００を作製する方法を用いることができる。
【００２７】
このように、超電導層３を含む積層体である第一基体１０と、安定化材からなり凹部が配された第二基体２０とを別々に形成し、両者を接合するという工程を用いることにより、まず両者を別体として個別に最適な条件で作製した後、適切な条件で一体化させることができる。よって、簡便な方法で安定して超電導線材を形成することが可能となる。
この接合の際には、少なくとも第二基体２０に設けられた凹部の内底面と第一基体１０との接触領域に、接合部材６ａ（６）を配置すれば良い。ただし、前記凹部内底面とともに超電導層３の側面部まで、さらには第一基体１０の側面も全て覆うように接合部材６ｂ（６）を設けることがより好ましい。これにより、第一基体１０の側面が外部から一段と遮蔽された構成となるため、超電導層３への外部からの機械的あるいは化学的な影響を回避する効果を向上させることが可能となる。
【００２８】
さらに本発明の超電導線材の製造方法において、前記工程Ｄの前に、予備加熱を行う工程Ｅを行うことがより好ましい。この熱処理により、超電導積層体である第一基体１０または安定化材からなる第二基体２０の歪みを緩和できるため、各部材による歪みの影響を受け難く安定した特性の超電導線材１００を提供することが可能となる。
【００２９】
また工程Ｃにおいて、前記第一基体１０を構成する前記第一基材１の表面が、前記第二基体２０の前記凹部が形成された面に対して、同じ高さか、あるいは低くなるように配置することがさらに好ましい。これにより、加圧処理の際に超電導層３に直接大きい圧力が加わることなく第一基体１０と第二基体２０とを接合できる。また、コイル状に加工する場合も同様に超電導層３にかかる圧力を軽減できるため、超電導層３がダメージを受け難く、良好な超電導特性の超電導線材を簡便に形成することができる。ゆえに、この配置は、量産時の歩留まりの向上に著しく寄与する。
【００３０】
なお、上述した、金属基板上にＩＢＡＤ法で中間層を形成した後、超電導体を設ける手法に代えて、例えば、金属基板の結晶方位を圧延により揃えて、その結晶方位が揃った面上にＩＢＡＤ法以外の成膜法で中間層を形成した後、超電導体を設ける手法を採用してもよい。後者の手法とした場合でも、本発明に係る作用・効果は得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、超電導積層体が、安定化材からなる長尺状の基体に形成された凹部内に収まるように配され、超電導層の側面が安定化材または接合部材により覆われた構成とすることにより、超電導層への水分の侵入を抑えるとともに外部からの機械的あるいは化学的なダメージを受け難く、臨界電流密度の低下の抑制を図れる超電導線材及びその製造に利用することが可能であり、例えば、従来銅などの金属製導体で製造されていたコイルなどのうち、超電導線材に置き換えが予測される超電導モータ、超電導マグネットをはじめとする様々なデバイス等への応用が期待できる。
【符号の説明】
【００３２】
１  第一基材、２  中間層、３  超電導層、４  保護層、  ５  第二基材、６  接合部材、１０  第一基体、２０  第二基体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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