(57)【要約】【課題】基材上に超電導層を形成した後で細線化を行う際、超電導層にクラックなどが生じるのを抑えることができる超電導線材の製造方法を提供する。【解決手段】基材１の主面１ａに、基材の長手方向に沿って延びる溝１ｂを形成する溝加工工程と、主面に超電導層３を含む層を形成して超電導積層体５を得る成膜工程と、溝の内側を切ることで超電導積層体を切断する切断工程と、を有する、超電導線材の製造方法。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材の主面に、前記基材の長手方向に沿って延びる溝を形成する溝加工工程と、
前記主面に超電導層を含む層を形成して超電導積層体を得る成膜工程と、
前記溝の内側を切ることで前記超電導積層体を切断する切断工程と、を有する超電導線材の製造方法。
【請求項２】
前記超電導層は、酸化物超電導体によって形成されている、請求項１に記載の超電導線材の製造方法。
【請求項３】
前記溝加工工程と前記成膜工程との間で前記主面を研磨する研磨工程を有する、
請求項１または２に記載の超電導線材の製造方法。
【請求項４】
基材１の厚みをＴ１とし、前記溝の深さをＤＧとするとき、
Ｔ１≧２×ＤＧである、請求項１から３のいずれか１項に記載の超電導線材の製造方法。
【請求項５】
前記成膜工程で形成される層の厚みをＴ２とし、前記溝の深さをＤＧとするとき、
Ｔ２≦ＤＧである、請求項１から４のいずれか１項に記載の超電導線材の製造方法。
【請求項６】
前記切断工程における切りしろが前記溝の幅よりも小さい、
請求項１から５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、超電導線材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、下記特許文献１に示されるような超電導線材が知られている。この超電導線材は、基材と、基材上に設けられた中間層と、中間層上に設けられた超電導層と、超電導層上に設けられた保護層と、を備えている。この種の超電導線材は、製造効率を高めるために、一般的に幅１〜１０ｃｍ程度の基材上に中間層や超電導層などを形成した後、用途に応じて所定の線材幅に切断して細線化することで製造される。
上記細線化の手法として、下記特許文献１では、基材上に各層を形成した後、回転刃で切断する機械スリット加工を開示している。
また、下記特許文献２では、基材上に各層を形成した後、連続レーザーを照射することで焼き切って切断するレーザー加工を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１２４０６号公報
【特許文献２】特開２０１２−１６９０５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、基材上に超電導層などを形成した後で、これを機械スリット加工により切断すると、超電導層にせん断応力や引張りひずみが作用して、超電導層にクラックが生じてしまうおそれがある。
また、基材上に超電導層を形成した後で、これをレーザー加工により切断すると、超電導層にレーザー光が直接照射されて発熱し、超電導層に熱応力や熱ひずみが作用する。この場合にも、超電導層にクラックなどが生じるおそれがある。
超電導層にクラックが生じると、所望の超電導特性が得られなくなってしまう場合がある。また、特に超電導層が脆性を有する材質によって形成されている場合には、製造時に生じたクラックが極微小であり性能上問題の無い範囲内であったとしても、クラックが事後的に成長してしまい、使用時に所望の超電導特性が得られなくなるおそれがある。
【０００５】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、基材上に超電導層を形成した後で細線化を行う際、超電導層にクラックなどが生じるのを抑えることができる超電導線材の製造方法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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の第１態様に係る超電導線材の製造方法は、基材の主面に、前記基材の長手方向に沿って延びる溝を形成する溝加工工程と、前記主面に超電導層を含む層を形成して超電導積層体を得る成膜工程と、前記溝の内側を切ることで前記超電導積層体を切断する切断工程と、を有する。
【０００７】
上記態様に係る超電導線材の製造方法によれば、基材に溝を形成した後で、主面上に超電導層などを成膜する。そして、この溝の内側を切って超電導積層体を切断することで、切断の際に、主面上に形成された超電導層に機械的な応力や熱などが作用するのを抑制することができる。従って、基材上に超電導層を形成した後で細線化したとしても、主面上に形成された超電導層にクラックなどが発生するのを抑えることができる。
【０００８】
ここで、前記超電導層は、酸化物超電導体によって形成されていてもよい。
【０００９】
超電導層が脆性を有する酸化物超電導体によって形成されている場合でも、上記態様の製造方法を採用することにより、細線化の際に超電導層にクラックが発生したり、事後的にクラックが成長したりするのを抑えることができる。
【００１０】
また、上記態様に係る超電導線材の製造方法は、前記溝加工工程と前記成膜工程との間で前記主面を研磨する研磨工程を有していてもよい。
【００１１】
この場合、溝加工工程で生じたバリやドロスなどの残留物を、基材の主面上から除去した後で、この主面上に超電導層などを形成することができる。
【００１２】
また、基材の厚みをＴ１とし、前記溝の深さをＤＧとするとき、Ｔ１≧２×ＤＧであってもよい。
【００１３】
この場合、溝が形成された後の基材の機械的強度を確保することができる。
【００１４】
また、前記成膜工程で形成される層の厚みをＴ２とし、前記溝の深さをＤＧとするとき、Ｔ２≦ＤＧであってもよい。
【００１５】
この場合、成膜工程の際に溝が埋まってしまうのが抑えられ、細線化の際に超電導層に応力などが作用するのを、より確実に回避することができる。
【００１６】
また、前記切断工程における切りしろが前記溝の幅よりも小さくてもよい。
【００１７】
この場合、刃やレーザー光などの切断手段が超電導層に当たり、超電導層にクラックなどが生じてしまうのを、より確実に回避することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の上記態様によれば、基材上に超電導層を形成した後で細線化を行う際、超電導層にクラックなどが生じるのを抑えることができる超電導線材の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】超電導線材の断面図である。
【図２】本実施形態の超電導線材の製造方法を説明する図である。
【図３】従来の超電導線材の製造方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本実施形態に係る超電導線材の製造方法を、図１〜図２を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部を認識可能な大きさとするため縮尺を適宜変更している。
まず、超電導線材の構成について説明する。図１に示すように、超電導線材１０は、超電導積層体５と、超電導積層体５を覆う第２保護層６、第３保護層７、および安定化層８と、を備えている。
超電導積層体５は、基材１、中間層２、超電導層３、および第１保護層４を有している。
【００２１】
ここで本実施形態では、基材１の厚み方向（図のＺ方向）を単に厚み方向といい、基材１の幅方向（図のＸ方向）を単に幅方向という。また、厚み方向における基材１側を下側といい、第１保護層４側を上側という。また、基材１の長手方向（Ｚ方向およびＸ方向に直交する方向）を、単に長手方向という。
【００２２】
（基材）
基材１は、耐熱性の高い金属によって、テープ状に形成されている。基材１がテープ状であることにより、超電導線材１０の全体が可撓性を有している。基材１の材質としては、ニッケル合金などを用いることができる。具体的には、ハステロイ（登録商標）が好適である。または、配向基板と呼ばれる金属の結晶の並びを揃えた（配向させた）ものを基板として用いることができる。配向基板を用いる場合、後述する中間層２を形成せずに、基材１に直接、結晶方位の揃った超電導層３を形成することができる。基材１の厚さは、例えば１０〜５００μｍである。なお本実施形態では、基材１のうち中間層２および超電導層３が形成されている側の面を主面１ａという。
【００２３】
（中間層）
中間層２は、基材１と超電導層３との間に設けられている。中間層２は、基材１側から超電導層３側に向かう順に、拡散防止層、ベッド層、配向層、キャップ層等を有している。なお、これらの層は必ずしも各１層ずつ設けられるとは限らず、一部の層を省略したり、同種の層を２以上繰り返し積層したりしてもよい。
【００２４】
中間層２の拡散防止層は、基材１の成分の一部が拡散し、不純物として超電導層３側に混入することを抑制する機能を有する。拡散防止層は、例えば、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ＧＺＯ（Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７）等から構成される。拡散防止層の厚さは、例えば１０〜４００ｎｍである。
【００２５】
中間層２のベッド層は、基材１と超電導層３との界面における反応を低減し、その上に形成される層の配向性を向上させる機能を有する。ベッド層の材質としては、例えばＹ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、ＣｅＯ２、Ｄｙ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３等が挙げられる。ベッド層の厚さは、例えば１０〜１００ｎｍである。
【００２６】
中間層２の配向層は、その上のキャップ層の結晶配向性を制御するために２軸配向する物質から形成される。配向層の材質としては、例えば、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７、ＭｇＯ、ＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３（ＹＳＺ）、ＳｒＴｉＯ３、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｚｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３等の金属酸化物を用いることができる。配向層はＩＢＡＤ（Ion-Beam-Assisted Deposition）法で形成することが好ましい。
【００２７】
中間層２のキャップ層は、上記配向層の表面に成膜されて、結晶粒が面内方向に自己配向し得る材料からなる。キャップ層の材質としては、例えば、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＹＳＺ、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、ＬａＭｎＯ３等が挙げられる。キャップ層の厚さは、例えば５０〜５０００ｎｍである。
なお、基材１として配向基板を用いた場合、必ずしも中間層２は必要ではなく、中間層２を形成せずに基材１の主面１ａに直接、超電導層３を形成してもよい。
【００２８】
（超電導層）
超電導層３は、酸化物超電導体によって形成されていてもよく、その他の超電導体によって形成されていてもよい。本実施形態の超電導層３は、酸化物超電導層である。酸化物超電導層の材質としては、通常知られている酸化物超電導体の組成を広く適用することができる。例えば、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ（ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｇｄ等の希土類元素を表す）で形成される材料、具体的には、Ｙ１２３（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ）又はＧｄ１２３（ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ）を用いることができる。また、その他の酸化物超電導体、例えば、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａｎ−１ＣｕｎＯ４＋２ｎ＋δ等に代表される、臨界温度の高い他の酸化物超電導体を用いてもよい。超電導層３の厚みは、０．５〜５μｍ程度であって、均一な厚みであることが好ましい。
【００２９】
（第１保護層）
第１保護層４は、事故時に発生する過電流をバイパスしたり、超電導層３とその他の層との間で起こる化学反応を抑制したりする機能を有する。第１保護層４の材質としては、例えば銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、金と銀との合金、その他の銀合金、銅合金、金合金などが挙げられる。第１保護層４は、超電導層３の側面、中間層２の側面、基材１の側面及び裏面の一部または全部を覆っていてもよい。第１保護層４は２種以上の金属又は２層以上の金属層から構成されてもよい。
第１保護層４は、一般的に、スパッタリング法または蒸着法などによって形成される。第１保護層４の厚さは、例えば１〜３０μｍ程度である。
【００３０】
（第２保護層）
第２保護層６は、超電導積層体５を一体に覆っている。第２保護層６は、スパッタリング法または蒸着法などによって形成されている。第２保護層６の材質としては銅などを用いることができる。
【００３１】
（第３保護層）
第３保護層７は、第２保護層６の全周を覆っている。第３保護層７は、スパッタリング法または蒸着法などによって形成されている。第３保護層７の材質としては銀などを用いることができる。
【００３２】
（安定化層）
安定化層８は、銅などの金属により形成されている。安定化層８は、超電導積層体５、第２保護層６、および第３保護層７を一体に覆っている。安定化層８の厚さは、例えば１０〜３００μｍ程度である。
安定化層８は、超電導層３が常電導状態に転移した時に発生する過電流を転流させるバイパス部としての機能を有する。安定化層８の構成材料としては、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀等の金属が挙げられる。
【００３３】
超電導線材１０が超電導限流器に使用される場合は、常電導状態への転移時に発生する過電流を瞬時に抑制する必要があるため、安定化層８に高抵抗金属を用いてもよい。高抵抗金属としては、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ等のＮｉ系合金などが挙げられる。
安定化層８は、電解めっきにより形成することができる。銅の安定化層８を電解めっきにより形成する場合、めっき液としては、硫酸銅水溶液（ＣｕＳＯ４）などが用いられる。
【００３４】
次に、従来の超電導線材の製造方法について説明する。
従来の超電導線材の製造方法では、まず図３（ａ）に示すように、超電導積層体５を用意する。次に、図３（ｂ）に示すように、この超電導積層体５を機械スリット加工やレーザー加工などによって切断し、幅方向に分割して細線化する。このとき、超電導層３には、機械的な圧力や発熱に起因する応力やひずみが作用する。この応力やひずみにより、超電導層３にクラックＣが発生するおそれがある。特に、超電導層３が、脆性を有する酸化物超電導体によって形成されている場合には、このようなクラックＣが生じやすい。
【００３５】
例えば出荷の際に、超電導積層体５の臨界電流（Ｉｃ）を検査することで、超電導層３にクラックＣが生じたことを検出することも考えられる。しかしながら、超電導層３に極微小なクラックＣが生じている場合、検査時にはＩｃの値が正常な範囲内であっても、事後的にクラックＣが成長して大きくなってしまう場合がある。その結果、使用時に超電導特性が、正常な範囲内から逸脱してしまう。特に超電導層３が酸化物超電導体のような脆性を有する材質により形成されている場合、クラックＣが事後的に成長しやすく、このような問題が生じやすい。
【００３６】
そこで本実施形態では、超電導層３にクラックＣが発生するのを防止するため、次のような製造方法によって超電導線材１０を製造する。
【００３７】
（製造方法）
まず、基材１を準備する。
次に、図２（ａ）に示すように、この基材１の主面１ａに、長手方向に沿って延びる複数の溝１ｂを形成する（溝加工工程）。各溝１ｂは、基材１の主面１ａから下側に向けて窪んでいる。
溝１ｂの加工方法は、特に限定されないが、例えば主面１ａに針状の工具を押し当てた状態で、この工具を長手方向に沿って主面１ａ上を進行させてもよい。この場合、工具によって主面１ａが機械的に削り取られて、溝１ｂが形成される。
あるいは、主面１ａに、比較的強度の弱いレーザー光を照射し、このレーザー光を長手方向に沿って主面１ａ上を進行させてもよい。この場合、レーザー光の照射により主面１ａが熱的に融解・蒸発し、溝１ｂが形成される。
【００３８】
形成される溝１ｂの深さＤＧは、基材１の厚みＴ１の半分以下であることが好ましい。すなわち、Ｔ１≧２×ＤＧであるとよい。これにより、溝１ｂが形成された後の基材１の機械的強度を確保することができる。また、溝１ｂの幅ＷＧは、後述する切りしろより大きくすることおよび細線化後の超電導線材の幅を確保することなどを考慮すると、平均値で２０μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。
【００３９】
次に、基材１の主面１ａを研磨する（研磨工程）。これにより、溝加工工程で機械加工を行った際に生じる微小なバリや、レーザー加工を行った際に生じるドロスなどを、主面１ａ上から除去することができる。
次に、基材１の主面１ａを洗浄する（洗浄工程）。これにより、研磨工程後に残留しているバリやドロスなどの残留物を、主面１ａ上から除去することができる。
【００４０】
次に、図２（ｂ）に示すように、溝加工工程によって溝１ｂが形成された基材１の主面１ａ上に、中間層２、超電導層３、および第１保護層４を含む層を形成し、超電導積層体５を得る（成膜工程）。成膜工程では、溝１ｂの内側に超電導積層体５が形成されてもよい。ここで基材１の主面１ａ上に形成される、中間層２、超電導層３、および第１保護層４の厚みの合計値Ｔ２は、溝１ｂの深さＤＧよりも小さいことが好ましい。すなわち、ＤＧ≧Ｔ２であるとよい。これにより、成膜工程で溝１ｂが埋まってしまうのを防ぐことができる。
なお、一般的に厚みＴ２は３μｍ程度であるため、溝１ｂの深さＤＧの値は平均で５μｍ以上であるとよい。
【００４１】
次に、図２（ｃ）に示すように、切断手段Ｍを溝１ｂの上側から溝１ｂ内に進入させて、溝１ｂに沿って溝１ｂの内側を切ることで超電導積層体５を切断する（切断工程）。これにより、超電導積層体５が幅方向に分割されて細線化される。切断手段Ｍは、超電導積層体５を機械的に切断するスリッターの刃であってもよいし、超電導積層体５を融解・蒸発させて切断するレーザー光であってもよい。なお、切断手段Ｍとしてレーザー光を採用する場合には、切断面を安定させてバリなどの発生を抑えるため、連続レーザー照射を用いることが好ましい。
【００４２】
切断工程では、切りしろを溝１ｂの幅ＷＧよりも小さくすることが好ましい。ここで「切りしろ」とは、切断工程の際に除去される部分の幅であり、切断手段Ｍの幅ＷＭと同等の寸法である。例えば切断手段Ｍが刃である場合には、切りしろは刃の幅ＷＭと同等になり、切断手段Ｍがレーザー光である場合には、切りしろはレーザー光の照射幅（スポット径）ＷＭと同等になる。切りしろを溝１ｂの幅ＷＧよりも小さくすることで、刃若しくはレーザー光などの切断手段Ｍが超電導層３に直接当たってしまい、超電導層３にクラックＣが発生するのを抑えることができる。
【００４３】
次に、切断工程によって細線化された各超電導積層体５に、第２保護層６および第３保護層７をスパッタリングによって形成し、安定化層８を電解めっきにより形成することで、図１に示すような超電導線材１０が得られる。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態の超電導線材の製造方法によれば、基材１に溝１ｂを形成した後で、主面１ａ上に超電導層３などを成膜する。そして、この溝１ｂの内側を切って超電導積層体５を切断することで、切断の際に、主面１ａ上に形成された超電導層３に機械的な応力や熱などが作用するのを抑制することができる。従って、基材１上に超電導層３などを形成した後で細線化したとしても、主面１ａ上に形成された超電導層３にクラックＣなどが発生するのを抑えることができる。特に、超電導層３が脆性を有する酸化物超電導体によって形成されている場合でも、この超電導層３にクラックＣが発生したり、事後的にクラックＣが成長したりするのを抑えることができる。
【００４５】
また、溝加工工程と成膜工程との間で基材１の主面１ａを研磨する研磨工程を有しているため、溝加工工程で生じたバリやドロスなどの残留物を除去してから、基材１の主面１ａ上に超電導層３などを形成することができる。
【００４６】
また、切断手段Ｍとしてレーザー光を用いる場合、基材１に予め溝１ｂが形成されていることで、切断工程の際にレーザー光によって切断する対象の厚みが小さくなる。これにより、レーザー光が対象物に照射されることで生じる残留物（ドロス）の発生量を小さくすることができる。さらに、切断に必要なレーザー光の照射エネルギーを小さくすることができ、切断の速度を上げることも可能となるため、製造時のコストダウンおよび製造効率の向上も図ることができる。
【００４７】
また、Ｔ１≧２×ＤＧとすることにより、溝１ｂが形成された後の基材１の機械的強度を確保することができる。
また、ＤＧ≧Ｔ２とすることにより、成膜工程の際に溝１ｂが埋まってしまうのが抑えられ、細線化の際に超電導層３に応力などが作用するのを、より確実に回避することができる。
【００４８】
また、切断工程における切りしろを溝１ｂの幅ＷＧよりも小さくすることで、刃やレーザー光などの切断手段Ｍが超電導層３に当たり、超電導層３にクラックＣなどが生じてしまうのを、より確実に回避することができる。
【００４９】
なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【００５０】
例えば、超電導線材１０の構成は図１の例に限られず、必要に応じて層を追加若しくは省略したり、各層が形成される範囲を変更したりしてもよい。例えば超電導積層体５に含まれる層を追加してもよいし、第１保護層４などを省略してもよい。
また、第２保護層６または第３保護層７などを省略してもよいし、第１保護層４が超電導積層体５の全周を覆っていてもよい。
【００５１】
また、図２（ａ）〜（ｃ）の例では、基材１に２つの溝１ｂを形成し、超電導積層体５を幅方向に三分割したが、溝１ｂを形成する数および超電導積層体５の分割数を適宜増減させてもよい。
【００５２】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００５３】
１…基材  １ａ…主面  １ｂ…溝  ２…中間層  ３…超電導層  ４…第１保護層  ５…超電導積層体  １０…超電導線材  Ｍ…切断手段
【図１】
2019145364.tif 000003
【図２】
2019145364.tif 000004
【図３】
2019145364.tif 000005