(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石又は電磁石からなり浮上する磁石部と、前記磁石部の浮上方向において、前記磁石部と対向する部分を含むように配置された超電導バルク体と、から構成される超電導軸受において、
前記超電導バルク体は、
多結晶状で一体の超電導バルク体と、
前記多結晶状で一体の超電導バルク体に対して複数個に分割されて配置された単結晶状の超電導バルク体と、
を備え、
前記多結晶状で一体の超電導バルク体は、リング状又は直線状であり、
前記単結晶状の超電導バルク体は、
前記多結晶状で一体の超電導バルク体がリング状の場合には、当該多結晶状で一体の超電導バルク体において前記浮上方向と直交する外周面又は内周面のうち少なくともいずれか一方に固定され、
前記多結晶状で一体の超電導バルク体が直線状の場合には、当該多結晶状の超電導バルク体において前記浮上方向と直交する方向の両側に固定され、
前記磁石部の浮上方向において、前記磁石部と対向する部分には、前記多結晶状で一体の超電導バルク体のみが配置されていることを特徴とする、超電導軸受。
【請求項２】
前記単結晶状の超電導バルク体は、さらに前記多結晶状で一体の超電導バルク体の底面に固定されていることを特徴とする、請求項１に記載の超電導軸受。
【請求項３】
前記単結晶状の超電導バルク体は、組成式がＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙ（ＲＥはＹ及び希土類元素からなる群から選ばれる１種又は２種以上の元素であり、ｙは酸素量で、６．８≦ｙ≦７．１）の結晶相中に、組成式がＲＥ２ＢａＣｕＯ５の結晶相が分散した酸化物超電導バルク体からなることを特徴とする、請求項１または２に記載の超電導軸受。
【請求項４】
前記多結晶状で一体の超電導バルク体は、ＲＥ、Ｂａ、Ｃｕ、Ｏからなる多結晶状の酸化物超電導バルク体、Ｂｉ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｃｕ、Ｏからなる多結晶状の酸化物超電導バルク体、あるいはＭｇ及びＢからなる多結晶状の金属超電導バルク体のいずれかであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導軸受。
【請求項５】
前記多結晶状で一体の超電導バルク体の最大長は、１５０ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の超電導軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導バルク体を利用した超電導軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
塊状（バルク状）の超電導体は、磁束のピン止め効果を利用することによって、永久磁石や電磁石等の磁石と組み合わせると、複雑なフィードバック制御システムなしでも磁石上での安定浮上が実現可能になることから、非接触な軸受としての応用が期待されている。以下、このようなバルク状の超電導体を利用した軸受を超電導軸受と呼ぶ。超電導軸受は、非接触な安定浮上が可能なことから、クリーンルームなどでの塵挨の出ないクリーンな軸受やフライホイール式電力貯蔵装置用の超低損失な軸受、宇宙衛星に搭載される極低温で動作する検出機器用の軸受などへの適用が提案されている。
【０００３】
超電導軸受に用いられる超電導バルク体には、臨界温度（Ｔｃ）が高く、磁場中での臨界電流密度（Ｊｃ）が高い超電導バルク体が望ましい。ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物超電導体（ＲＥはＹ又は希土類元素から選ばれる１種又は２種以上の元素）の臨界温度Ｔｃは９０Ｋ程度と高いが、酸化物の一般的な製法である焼結法で作製されるバルク体は多数の結晶粒からなる多結晶状の超電導バルク体である。超電導バルク体が多結晶である場合には、結晶粒界が超電導電流を阻害するため、臨界電流密度Ｊｃは７７Ｋで１．０×１０３Ａ／ｃｍ２以下であり、低い値である。
【０００４】
一方、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物超電導体の臨界温度Ｔｃは１１０Ｋ程度と高いが、酸化物の一般的な製法である焼結法で作製されるバルク体は、同様に多結晶状の超電導バルク体である。したがって、超電導バルク体が多結晶である場合、結晶粒界が超電導電流を阻害するため、臨界電流密度Ｊｃは７７Ｋで１．０×１０３Ａ／ｃｍ２以下であり、低い値である。また、Ｍｇ−Ｂ系の金属超電導体は酸化物超電導体に比べると結晶粒界が超電導電流を阻害する程度は小さいが、臨界温度Ｔｃが４０Ｋ程度と低い値である。
【０００５】
これらの超電導体で結晶粒界がない単結晶状のバルク体を作製することは難しいが、例えば特許文献１で開示されているように、溶融結晶成長プロセスを適用することにより、単結晶状のＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙ（ｙは酸素量で、６．８≦ｙ≦７．１）中にＲＥ２ＢａＣｕＯ５が微細分散した組織を有する超電導バルク体を得ることができる。かかる超電導バルク体は、７７Ｋ、１Ｔにおいて臨界電流密度Ｊｃが１．０×１０４Ａ／ｃｍ２以上という磁場中でも高い特性を示す。臨界電流密度Ｊｃが高いと、磁束に対するピン止め力も強く、超電導軸受の最大の特長である安定浮上が実現し易い。したがって、超電導軸受には、臨界温度Ｔｃと臨界電流密度Ｊｃとが高い単結晶状のＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物超電導バルク体が適していると考えられ、それを用いた応用開発が進んでいる。応用開発の進展と共に、より大きな超電導軸受が求められるようになってきている。
【０００６】
ピン止め力の強い酸化物超電導バルク体は、上述したように単結晶状であるが、単結晶状試料は大型化が難しく、例えば、現在のところ、単結晶化可能な超電導バルク体の最大長は１５０ｍｍ程度である。したがって、単結晶化可能な最大長を超える大型の超電導軸受を製作する場合には、複数個の超電導バルク体を組み合せて１つの軸受を構成することになる。複数個の超電導バルク体を用いても非接触な支持は可能であるため、接触式の機械的な軸受に比べると、超電導軸受の軸受損失は十分に小さい。しかし、フライホイール式電力貯蔵装置のように非常に低い軸受損失を要求される応用には、個々の超電導バルク体間の継ぎ目部での極僅かな磁場の乱れも軸受損失要因となり、軸受損失の一層の低減が求められる
【０００７】
そこで、特許文献２では、個々の要素部材としての超電導バルク体が積層構造を形成し、かつ隣り合う層ごとに要素部材間の境界面の位置がずれている軸受構造が提案されている。すなわち、軸受を構成する超電導バルク体をいわゆる煉瓦積みすることによって、個々の超電導バルク体間の継ぎ目部での極僅かな磁場の乱れを低減し、軸受損失の更なる低減を図ることができる。さらに特許文献３では、個々の超電導バルク体の接合面が、接合面に接する面のうちいずれかの面と直交しないように構成された軸受構造が提案されている。すなわち、軸受を構成する超電導バルク体の接合面を斜めにすることによって、個々の超電導バルク体間の継ぎ目部での極僅かな磁場の乱れを低減し、軸受損失の更なる低減を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特公平４−４０２８９号公報
【特許文献２】特開２００１−２４８６４２号公報
【特許文献３】特開２００４−０３９９４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、個々の超電導バルク体を煉瓦積みにしたり、接合面を斜めにしたりすることは、大型で軸受損失が小さい超電導軸受を実現する有効な手段である。しかしながら、個々の超電導バルク体を煉瓦積みにしたり、接合面を斜めにしたりすることは、個々の超電導バルク体の製作・加工を精度よく行う必要があるだけなく、個々の超電導バルク体を用いて軸受を組み立てる際にも精度よく行う必要があり、非常に手間がかかるという課題があった。
【００１０】
ここで、多結晶状の超電導バルク体を用いれば、大型軸受用の超電導バルク体も比較的簡便に製造可能である。上述したように、多結晶状の超電導バルク体の臨界電流密度Ｊｃは低く、磁束に対するピン止め力も弱いため、浮上支持できる重量を小さいものに限定すれば、多結晶状の超電導バルク体でも超電導軸受に適用可能と考えられる。しかしながら、ピン止め力が弱いということは、超電導バルク体の浮上方向に対して直交する横方向の安定支持力も弱いことを意味する。すなわち、単に多結晶状の超電導バルク体だけを用いて超電導軸受を構成したとしても、横方向の安定浮上が得られないという課題があった。
【００１１】
一方、単結晶状のＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙのような酸化物超電導体は、比重が６．５〜７ｇ／ｃｍ３程度と大きいため、大型の軸受の場合には、格段に重くなるという課題もあった。
【００１２】
そこで、本発明では、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、浮上安定性に優れ、簡便に製造可能な、新規かつ改良された大型の超電導軸受を提供することを目的とする。
【００１３】
また、本発明の別の目的としては、本発明の一形態において、従来よりも軽量化することができる超電導軸受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】
【００１４】
本発明の超電導バルク体を利用した超電導軸受は、以下のとおりである。
（１）永久磁石又は電磁石からなり浮上する磁石部と、前記磁石部の浮上方向において、前記磁石部と対向する部分を含むように配置された超電導バルク体と、から構成される超電導軸受において、
前記超電導バルク体は、
多結晶状で一体の超電導バルク体と、
前記多結晶状で一体の超電導バルク体に対して複数個に分割されて配置された単結晶状の超電導バルク体と、
を備え、
前記多結晶状で一体の超電導バルク体は、リング状又は直線状であり、
前記単結晶状の超電導バルク体は、
前記多結晶状で一体の超電導バルク体がリング状の場合には、当該多結晶状で一体の超電導バルク体において前記浮上方向と直交する外周面又は内周面のうち少なくともいずれか一方に固定され、
前記多結晶状で一体の超電導バルク体が直線状の場合には、当該多結晶状の超電導バルク体において前記浮上方向と直交する方向の両側に固定され、
前記磁石部の浮上方向において、前記磁石部と対向する部分には、前記多結晶状で一体の超電導バルク体のみが配置されていることを特徴とする、超電導軸受。
（２）前記単結晶状の超電導バルク体は、さらに前記多結晶状で一体の超電導バルク体の底面に固定されていることを特徴とする、（１）に記載の超電導軸受。
（３）前記単結晶状の超電導バルク体は、組成式がＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｙ（ＲＥはＹ及び希土類元素からなる群から選ばれる１種又は２種以上の元素であり、ｙは酸素量で、６．８≦ｙ≦７．１）の結晶相中に、組成式がＲＥ２ＢａＣｕＯ５の結晶相が分散した酸化物超電導バルク体からなることを特徴とする、（１）または（２）に記載の超電導軸受。
（４）前記多結晶状で一体の超電導バルク体は、ＲＥ、Ｂａ、Ｃｕ、Ｏからなる多結晶状の酸化物超電導バルク体、Ｂｉ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｃｕ、Ｏからなる多結晶状の酸化物超電導バルク体、あるいはＭｇ及びＢからなる多結晶状の金属超電導バルク体のいずれかであることを特徴とする、（１）〜（３）のいずれか１項に記載の超電導軸受。
（５）前記多結晶状で一体の超電導バルク体の最大長は、１５０ｍｍ以上であることを特徴とする、（１）〜（４）のいずれか１項に記載の超電導軸受。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように本発明によれば、浮上安定性に優れ、簡便に製造できる大型の超電導軸受を提供することができる。また、本発明の別の目的として、本発明の一形態においては、従来よりも軽量化することができる超電導軸受を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１Ａ】超電導軸受を用いた回転体の一般的な構造の一例を示す説明図である。
【図１Ｂ】超電導軸受を用いた回転体の一般的な構造の他の例を示す説明図である。
【図１Ｃ】超電導軸受の一般的な構造を示す概念図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る超電導軸受の構成を示す概念図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る超電導軸受の構成を示す概念図である。
【図４】同実施形態に係る超電導バルク体の別の態様を示す概略平面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る超電導軸受の超電導バルク体の態様を示す概略平面図である。
【図６】本発明の第４の実施形態に係る超電導軸受の構成を示す概略断面図である。
【図７】本発明の第５の実施形態に係る超電導軸受の構成を示す概略断面図である。
【図８】本発明の第６の実施形態に係る超電導軸受の構成を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１８】
まず、図１Ａ〜図１Ｃに基づいて、一般的な超電導軸受の構造について説明する。図１Ａ及び図１Ｂには、超電導軸受を用いた回転体の一般的な構造を示している。図１Ａの上図は側面であり、下図は底面図である。図１Ｂの上図は、下図のＡ−Ａ切断線における断面図であり、下図は底面図である。なお、以下の説明は、一般的な超電導軸受の構造に関するものであるが、後述する本発明に係る超電導バルク体もこのような軸受構造に適用することができる。
【００１９】
図１Ａに示す構造体１０は、回転体１２の回転軸１４の両端に超電導軸受１１、１５が設けられている。構造体１０においては、両端の超電導軸受１１、１５によって回転体１２が浮上支持されている。なお、図１Ａでは、超電導軸受１１、１５が回転軸１４の両端に取り付けられているが、回転体１２の重量や安定性によっては、超電導軸受１１、１５は回転軸１４の上端または下端のどちらか一方に取り付けられてもよい。一般に、上端に取り付けられた超電導軸受１１は磁束のピン止め効果による吸引浮上、下端に取り付けられた超電導軸受１５は磁束のピン止め効果による反発浮上を利用することが多い。
【００２０】
また、図１Ｂに示す構造体２０は、回転体２２に取り付けられた超電導軸受２１によって回転体２２が浮上支持される構成となっている。図１Ｂの構造体２０は、円板状の回転体２２の一面にリング状の超電導軸受２１が設けられている。回転体２２が扁平な構造の場合には、図１Ｂのように回転体２２に直接超電導軸受２１を取り付けた方が浮上支持し易い。図１Ａのような構造体１０は、軸受部とは独立に回転体１２の部分を大きくできるため、フライホイール式電力貯蔵装置などに適していると考えられる。図１Ｂのような構造の超電導軸受２１は、回転体２２の部分の上にウェハーや観測機器を載せることができるため、クリーンルームでのスピンコータのような機器や宇宙衛星に搭載される観測機器などに適していると考えられる。
【００２１】
図１Ｃは、超電導軸受３０の構造概念図である。超電導軸受３０は、主に磁石部３１と超電導バルク体部３２とからなる。磁石部３１は、磁束源となる永久磁石あるいは電磁石とそれを固定・保持する部分とからなる。磁石部３１は永久磁石あるいは電磁石のどちらを用いてもよいが、永久磁石の方が外部電源と接続する必要がないため構造が簡便になる。超電導バルク体部３２は、磁石部３１から発生した磁束線に対してピン止め効果を発揮する超電導バルク体とそれを固定・保持する冷却容器からなり、超電導バルク体は別途設けた冷却機構によって冷却される。超電導バルク体を固定・保持する冷却容器は冷却効率を高めるため、銅やアルミ等の熱伝導率の高い部材を用いて製作され、超電導バルク体と冷却容器との間に真空グリースやエポキシ系樹脂等を塗布したり、インジウムのシート等を挿入したりして密着性を高めることで、熱接触性を更に高めることができる。
【００２２】
このような超電導軸受は真空雰囲気中に設置されるが、風損を増大させない程度、例えば１０Ｐａ以下の希ヘリウムガス等を導入してもよい。また、図１Ａ及び図１Ｂでは省略してあるが、冷却前の超電導軸受には浮上支持機能がないので、超電導バルク体が十分に冷却されるまでの間、回転体を保持する機構も別途必要である。さらに、図１Ａ〜図１Ｃの例では、磁石部と超電導バルク体部とを同一サイズで示してあるが、必ずしも同一サイズである必要はなく、磁石部と超電導バルク体部のそれぞれのサイズは用途・目的により適宜設計によって決めることができる。例えば、磁石部から発生する磁束は広がる傾向にあるので、磁石部からの磁束をより有効に利用したい場合には、磁石部のサイズよりも超電導バルク体部のサイズを大きくすればよい。また、図１Ｃの例では、磁石部３１を上側部に、超電導バルク体部３２を下側にして示してあるが、磁束のピン止め効果を利用すれば、その逆の構造も可能である。
【００２３】
以下に、本発明の各実施形態について、図２〜図８に沿って説明する。なお、本発明において、磁石部と対向する面に配置されている多結晶状の超電導バルク体の最大長は、例えば、後述する第１〜第５の実施形態のように円板またはリング形状の超電導バルク体の場合には、その外直径が最大長となり、第６の実施形態のようにリニア軸受のような矩形形状の超電導バルク体の場合には、その対角線の長さが最大長になる。
【００２４】
（第１の実施形態）
図２は、本発明の第１の実施形態における超電導軸受１００Ａの一例を示す概念図である。図２の上図は、下図のＢ−Ｂ切断線における断面図であり、下図は底面図である。図２に示す超電導軸受１００Ａは、永久磁石あるいは電磁石からなる超電導軸受の磁石部１１０Ａと、磁石部１１０Ａと対向する部分を含むように配置された超電導バルク体１２０Ａとからなる。磁石部１１０Ａ及び超電導バルク体１２０Ａは、いずれもリング状に形成されている。超電導バルク体１２０Ａは、内周側に配置された多結晶状の超電導バルク体１２１と、多結晶状の超電導バルク体１２１の外周に配置された単結晶状の超電導バルク体１２３とからなる。多結晶状の超電導バルク体１２１は、磁石部１１０Ａと対向して配置される。
【００２５】
磁石部１１０Ａに対向する面の超電導バルク体が多結晶状の超電導バルク体１２１であるため、単結晶状の超電導バルク体１２３に比べて、大型サイズでも簡便に一体で製造できる。一体の超電導バルク体であれば、要素部材としての超電導バルク体間の継ぎ目がないため、継ぎ目部に起因する磁場の乱れによる軸受損失要因を排除できる。その結果、超電導軸受本来の超低損失な軸受を実現できる。さらに、多結晶状の超電導バルク体１２１の外周部にピン止め力の強い単結晶状の超電導バルク体１２３を配置することによって、ピン止め力の弱い多結晶状の超電導バルク体１２１だけで軸受を構成した場合に比べて、横方向の浮上安定性を格段に強化できる。単結晶状の超電導バルク体１２３は、浮上安定性を強化するためのものであるため、多結晶状の超電導バルク体１２１と異なり、一体である必要はない。例えば、図２に示す単結晶状の超電導バルク体１２３は、円周方向に同一サイズの８つの要素部材から構成されている。さらに、浮上安定性を強化可能であればよいため、単結晶状の超電導バルク体１２３は、動径方向の厚さが薄くてもよい。
【００２６】
本実施形態で用いる単結晶状の超電導バルク体１２３は、単結晶状のＲＥ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ相（１２３相）中に直径２０μｍ以下のＲＥ２ＢａＣｕＯ５相（２１１相）等に代表される非超電導相が分散した組織を有するものであればよく、特に、非超電導相が微細分散した組織を有するもの（以下、「ＱＭＧ材料」ともいう。）が望ましい。ここで、単結晶状というのは、完璧な単結晶でなく、小傾角粒界等の実用に差し支えない欠陥を有するものも包含する。１２３相及び２１１相におけるＲＥは、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕからなる希土類元素及びそれらの組み合わせである。Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄを含む１２３相は１：２：３の化学量論組成から外れ、ＲＥのサイトにＢａが一部置換した状態になることもある。また、非超電導相である２１１相においても、Ｌａ、Ｎｄは、Ｙ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕとは幾分異なり、金属元素の比が非化学量論的組成であったり、結晶構造が異なったりすることが知られている。このような単結晶状の酸化物超電導バルク体１２３は、セラミックスの一般的な製法である焼結法ではなく、焼結温度よりも高い溶融温度以上に成形体を昇温して半溶融状態にした後、徐冷中に結晶成長させるという溶融結晶成長法で製造される。
【００２７】
ＱＭＧ材料中の２１１相の微細分散は、臨界電流密度（Ｊｃ）向上の観点から極めて重要である。Ｐｔ、Ｒｈ又はＣｅの少なくとも一つを微量添加することで、半溶融状態（２１１相と液相からなる状態）での２１１相の粒成長を抑制し、結果的に材料中の２１１相を約１μｍ程度に微細化する。添加量は、微細化効果が現れる量及び材料コストの観点から、Ｐｔ：０．２〜２．０質量％、Ｒｈ：０．０１〜０．５質量％、Ｃｅ：０．５〜２．０質量％であることが望ましい。添加されたＰｔ、Ｒｈ、Ｃｅは１２３相中に一部固溶する。また、固溶できなかった元素は、ＢａやＣｕとの複合酸化物を形成し、材料中に点在することになる。１２３相中の２１１相の割合は、臨界電流密度Ｊｃ特性及び機械強度の観点から、５〜３５体積％が望ましい。また、材料中には、５０〜５００μｍ程度のボイド（気泡）を５〜２０体積％含むことが一般的であり、さらにＡｇ添加した場合、添加量によって１〜５００μｍ程度のＡｇ又はＡｇ化合物を０体積％超２５体積％以下含む。
【００２８】
また、結晶成長後の超電導バルク体の酸素欠損量（ｘ）は、０．５〜０．８程度で半導体的あるいは絶縁材料的な抵抗率の温度変化を示す。これを各ＲＥ系により３５０℃〜６００℃で１００時間程度、酸素雰囲気中においてアニールすることにより酸素が超電導バルク体中に取り込まれ、酸素欠損量（ｘ）は０．２以下となり、良好な超電導特性を示す。このとき、超電導相中には双晶構造ができる。しかしながら、この点を含めここでは単結晶状と呼ぶことにする。酸化物超電導バルク体を超電導軸受として利用するには、結晶成長後の酸化物超電導バルク体を円板形状、四角形状、扇形状、瓦形状等の所定の形状に加工し、加工後に酸化物超電導バルク体の酸素アニールを行うことになる。
【００２９】
本実施形態に係る多結晶状の超電導バルク体１２１は、ＲＥ、Ｂａ、Ｃｕからなる多結晶状の酸化物超電導バルク体、Ｂｉ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｃｕからなる多結晶状の酸化物超電導バルク体、あるいはＭｇ、Ｂからなる多結晶状の金属超電導バルク体のいずれかである。ＲＥ、Ｂａ、Ｃｕからなる多結晶状の酸化物超電導バルク体やＢｉ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｃｕからなる多結晶状の酸化物超電導バルク体は、上述した単結晶状の酸化物超電導バルク体と異なり溶融結晶成長法で製作する必要はなく、構成元素の酸化物あるいは炭酸化物などの初期原料の粉末を所定の比率（例えば、ＲＥ系の場合には、ＲＥ：Ｂａ：Ｃｕ＝１：２：３、Ｂｉ系の場合には、Ｂｉ：Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕ＝２：２：２：３など）で混合、仮焼を行った後、成形体を８５０℃〜９５０℃程度の温度で焼結させることで製造される。このように多結晶状の酸化物超電導バルク体は、セラミックスの一般的な製法である焼結法で製造できるので、溶融結晶成長で製造しなければならない単結晶状の酸化物超電導バルク体に比べて簡便に製造できる。
【００３０】
また、Ｍｇ、Ｂからなる多結晶状の金属超電導バルク体は、Ｍｇ粉末とＢ粉末を１：２の比率で混合して成形したものを焼結して製造すればよいが、Ｍｇの融点が６５０℃でＢの融点が２０７６℃と大きく異なる。このため、焼結過程でＭｇが先に気化して散逸することによって組成がずれる可能性があるので、密閉した状態で焼結される。密度の高い焼結体を得るために、焼結過程において、熱間等方圧加圧（ＨＩＰ；Ｈｏｔ  Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ  Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）などの圧力を加える手段を適用してもよい。なお、Ｍｇ及びＢからなる多結晶状の金属超電導バルク体とは、Ｍｇ及びＢを主成分とする金属超電導バルク体であって、炭素やＳｉＣなどの炭素化合物、あるいはベンゼンやリンゴ酸などの有機物などのピン止め点となる添加物を含んでいてもよい。また、多結晶状の超電導バルク体として、Ｍｇ、Ｂからなる多結晶状の金属超電導バルク体を用いた場合、Ｍｇ、Ｂからなる多結晶状の金属超電導バルク体の比重は酸化物超電導バルク体の比重の３分の１から４分の１程度と軽量なので、大型の軸受でも軽量化が可能となる。
【００３１】
これらの多結晶状の超電導バルク体１２１は、臨界温度Ｔｃ及び臨界電流密度Ｊｃが低く、単独で用いた場合に従来は超電導軸受に適さないと考えられていた材料である。実際、超電導軸受を工業的に比較的よく使用されている沸点７７Ｋの液体窒素を冷媒として使用した場合、その温度（７７Ｋ）での浮上力は非常に小さく実用的でない。しかし、超電導特性は低温化するほど向上するので、４０Ｋ以下の極低温領域で使用する軸受に対しては、ピン止め力の強い単結晶状の超電導バルク体に比べれば低いものの、実用レベルの数ｋｇ程度の浮上力は確保できる。
【００３２】
また、超電導バルク体１２０Ａのうち、磁石部１１０Ａに対向する面に配置された超電導バルク体の最大長が１５０ｍｍ以上である大型の超電導軸受であっても、多結晶状の超電導バルク体１２１であれば、比較的簡便に継ぎ目なく一体に製造でき、継ぎ目部に起因する磁場の乱れによる軸受損失要因を排除できる。しかし、４０Ｋ以下の極低温領域で浮上力は確保できても、多結晶状の超電導バルク体１２１では十分な浮上安定を確保することは難しい。そこで、多結晶状の超電導バルク体１２１の浮上安定性の低さを補うために、ピン止め力の強い単結晶状の超電導バルク体１２３が多結晶状の超電導バルク体１２１の外周に配置される。その際、単結晶状の超電導バルク体１２３においては、製造可能なサイズで複数個に分けて製造し、分割配置することができる。なお、本実施形態に係る超電導バルク体は、図１Ｂの軸受構造を本発明に適用した場合にも同様の構成とすることができる。
【００３３】
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る超電導軸受１００Ｂの構成を示す概念図である。図２に示した超電導軸受１００Ａは、単結晶状の超電導バルク体１２３は多結晶状の超電導バルク体１２１の外周側に配置されていたが、本実施形態に係る超電導軸受１００Ｂは、図３に示すように単結晶状の超電導バルク体１２３が多結晶状の超電導バルク体１２１の内周側に配置されている。
【００３４】
超電導バルク体１２０Ｂ上に浮上している磁石部１１０Ｂの横方向（超電導バルク体の浮上方向（Ｚ方向）に対して直交する方向）の安定性のためには、すなわち浮上している磁石部１１０Ａが超電導バルク体１２０Ｂの外側に外れないためには、一見すると外周側にピン止め力の強い単結晶状の超電導バルク体１２３を配置することが有効のように考えられる。しかし、単結晶状の超電導バルク体１２３を多結晶状の超電導バルク体１２１の内周側に配置しても、同様に横方向の安定性は確保可能である。単結晶状の超電導バルク体１２３を多結晶状の超電導バルク体１２１の内周側に配置することによって、単結晶状の超電導バルク体１２３を多結晶状の超電導バルク体１２１の外周側に配置するよりも単結晶状の超電導バルク体１２３の使用量を少なくすることができる。単結晶状の超電導バルク体１２３は溶融結晶成長プロセスによって製造する必要があるので、その使用量を少なくできることは製造を簡便にできることになる。
【００３５】
さらに、単結晶状の超電導バルク体１２３を多結晶状の超電導バルク体１２１の内周側に配置することによって、単結晶状の超電導バルク体１２３のサイズを小さくできる。すなわち、超電導バルク体１２０Ｂのうち、磁石部１１０Ｂと対向する面に配置された多結晶状の超電導バルク体１２１の最大長（ここでは外直径）が１５０ｍｍ以上であっても、内周側に配置された単結晶状の超電導バルク体１２３の最大長（ここでは外直径）が１５０ｍｍ未満であれば、図４に示す超電導バルク体１２０Ｃのように、多結晶状の超電導バルク体１２１の内周側に配置する単結晶状の超電導バルク体１２３も分割せずに継ぎ目なく一体にすることもできる。
【００３６】
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係る超電導軸受の超電導バルク体１２０Ｄの態様を示す概略平面図である。本実施形態に係る超電導軸受は、図２に示した第１の実施形態に係る超電導軸受１００Ａの超電導バルク体１２０Ａの代わりに図５に示す超電導バルク体１２０Ｄを設けたものである。いずれの超電導バルク体１２０Ａ、１２０Ｄも多結晶状の超電導バルク体１２１の外周側に単結晶状の超電導バルク体１２３が配置されているが、単結晶状の超電導バルク体１２３の構成が相違する。すなわち、単結晶状の超電導バルク体１２３は、第１の実施形態では複数個の要素部材を連続的に配置して構成していたが、本実施形態では要素部材を離散的に配置している。
【００３７】
磁石部１１０Ａと対向している多結晶状の超電導バルク体１２１は軸受損失を極限まで低減するために連続的に配置する必要があるが、横方向の安定性の機能を有する単結晶状の超電導バルク体１２３については必ずしも連続的に配置する必要はない。したがって、本実施形態のように、要素部材を離散的に配置して単結晶状の超電導バルク体１２３を構成することで、連続的に配置するよりも単結晶状の超電導バルク体１２３の使用量を少なくすることができる。単結晶状の超電導バルク体１２３は溶融結晶成長プロセスによって製造する必要があるので、その使用量を少なくできることは製造を簡便にできることになる。なお、単結晶状の超電導バルク体１２３を離散的に配置する場合の要素部材の数やその配置の仕方は、図５の例に限定されるものではない。
【００３８】
（第４の実施形態）
図６は、本発明の第４の実施形態に係る超電導軸受１００Ｅの構成を示す概略断面図である。本実施形態に係る超電導軸受１００Ｅは、図２に示した第１の実施形態に係る超電導軸受１００Ａの超電導バルク体１２０Ａと比較して、多結晶状の超電導バルク体１２１の外周側に加え、底面側にも単結晶状の超電導バルク体１２５を配置した点で相違する。
【００３９】
上述したように、多結晶状の超電導バルク体１２１はピン止め力が弱いため、実用的な浮上力を得るためには、４０Ｋ以下の極低温領域まで冷却して使用する必要がある。そこで、さらに浮上力を向上させるため、本実施形態に係る超電導バルク体１２０Ｅのように、多結晶状の超電導バルク体１２１の底面側に単結晶状の超電導バルク体１２３を配置することが有効になる。この場合、磁石部１１０Ｅと対向する上側の多結晶状の超電導バルク体１２１が厚いと、底面側に配置した単結晶状の超電導バルク体１２５の効果がなくなるので、多結晶状の超電導バルク体１２１の厚さは５ｍｍ以下が好ましい。
【００４０】
また、大型の軸受の場合、単結晶状の超電導バルク体を一体で製造することは難しい。このため、多結晶状の超電導バルク体１２１の底面側に配置される単結晶状の超電導バルク体１２５は、複数の要素部材を並べて配置し構成され、継ぎ目が存在することになる。しかし、当該単結晶状の超電導バルク体１２５の要素部材間の継ぎ目部の上には多結晶状の超電導バルク体１２１が存在している。これにより、単結晶状の超電導バルク体１２５の要素部材間の継ぎ目部は軸受損失を増大する要因にならず、超電導軸受本来の超低損失な軸受を実現できる。
【００４１】
（第５の実施形態）
図７は、本発明の第５の実施形態に係る超電導軸受１００Ｆの構成を示す概略断面図である。本実施形態に係る超電導軸受１００Ｆは、図２に示した第１の実施形態に係る超電導軸受１００Ａの超電導バルク体１２０Ａと比較して、多結晶状の超電導バルク体１２１の外周側の単結晶状の超電導バルク体１２３を浮上方向にずらして配置した点で相違する。
【００４２】
すなわち、図２に示したように、第１の実施形態に係る超電導バルク体１２０Ａでは、多結晶状の超電導バルク体１２１と、その外周側に配置された単結晶状の超電導バルク体１２３とを、浮上方向（Ｚ方向）において同じ高さに配置していた。これに対して、本実施形態に係る超電導バルク体１２０Ｆでは、図７に示すように、単結晶状の超電導バルク体１２３が多結晶状の超電導バルク体１２１よりも高い位置、すなわち磁石部１１０Ｆ側に配置されている。このように、ピン止め力の強い単結晶状の超電導バルク体１２３を多結晶状の超電導バルク体１２１よりも磁石部１１０Ｆ側に配置することによって、磁石部１１０Ｆが軸受から外れるような動きに対して、元の位置に戻そうとする力がより強く働くようになり、浮上安定性がより優れた超電導軸受１００Ｆが実現できる。
【００４３】
（第６の実施形態）
図８は、本発明の第６の実施形態に係る超電導軸受１００Ｇの構成を示す概略断面図である。上記第１〜第５の実施形態は、回転体を支持する回転軸受に関するものであったが、本実施形態に係る超電導軸受１００Ｇは、図８に示すように、直線方向に移動するものを支持するリニア軸受に関するものである。リニア軸受であっても、基本的な構造は回転軸受と同じである。
【００４４】
すなわち、本実施形態に係る超電導軸受１００Ｇは、直線状の磁石部１１０Ｇと、磁石部１１０Ｇと対向する部分を含むように配置された直線状の超電導バルク体１２０Ｇとからなる。超電導バルク体１２０Ｇは、磁石部１１０Ｇと対向する位置に配置された多結晶状の超電導バルク体１２１と、多結晶状の超電導バルク体１２１の幅方向（Ｘ方向）両側に配置された単結晶状の超電導バルク体１２３、１２５とからなる。なお、上記第１〜第５の実施形態に示した回転軸受の場合には、単結晶状の超電導バルク体１２３は多結晶状の超電導バルク体１２１の外周側または内周側のうち少なくともいずれか一方に配置されていればよいが、本実施形態に係るリニア軸受の場合には、浮上安定性を確保するためには、多結晶状の超電導バルク体１２１の必ず両側に単結晶状の超電導バルク体１２３、１２５を配置する必要がある。単結晶状の超電導バルク体１２３、１２５の配置は、回転軸受と同様、連続的配置でも離散的配置でもよく、さらに浮上力を向上させるために、多結晶状の超電導バルク体１２１の底面側に配置してもよい。
【００４５】
なお、将来的に、最大長が１５０ｍｍを超える単結晶状の超電導バルク体を製造可能となった場合にも、本発明による、簡便に製造可能な大型の超電導軸受を提供でき、また、本発明の一形態においては、従来よりも軽量化された超電導軸受を提供できるという点で、本発明の有用性は変わらない。
【実施例】
【００４６】
（実施例１）
本実施例では、図２に示した多結晶状の超電導バルク体の外周側に単結晶状の超電導バルク体を連続的に配置した超電導軸受について、浮上安定性を検証した。
【００４７】
超電導軸受の製作は以下のように行った。まず、市販されている純度９９．９質量％のイットリウム（Ｙ）、バリウム（Ｂａ）、銅（Ｃｕ）のそれぞれの酸化物の粉末を、Ｙ：Ｂａ：Ｃｕ＝１：２：３のモル比で秤量し、この秤量粉を２時間かけて十分混練してから、大気中にて１１７３Ｋで８時間仮焼した。次に、金型を用いて仮焼粉をリング形状に成形し、この成形体を１１７３Ｋで８時間焼結させ、外直径１５０ｍｍ、内直径９０ｍｍ、高さ２０ｍｍのリング形状の多結晶状の酸化物超電導バルク体を得た。
【００４８】
次に、市販されている純度９９．９質量％のガドリニウム（Ｇｄ）、バリウム（Ｂａ）、銅（Ｃｕ）のそれぞれの酸化物の粉末を、Ｇｄ：Ｂａ：Ｃｕ＝１．６：２．３：３．３のモル比で秤量し、それに白金を０．５質量％及び銀を１０質量％加えた。この秤量粉を２時間かけて十分混練してから、大気中にて１１７３Ｋで８時間仮焼した。次に、金型を用いて仮焼粉を円板形状に成形した。この成形体を１４２３Ｋまで加熱して溶融状態にし、３０分間保持した後、降温途中で種付けを行い、１２７８Ｋ〜１２５２Ｋの温度領域を１００時間かけて徐冷し結晶成長させ、直径５０ｍｍ、高さ２０ｍｍの単結晶状の超電導バルク体を得た。そして、この直径５０ｍｍの単結晶状の超電導バルク体８個を多結晶状の超電導バルク体の外周に接するように扇形状の要素部材に加工し、酸素気流中において７２３Ｋで１００時間熱処理した。
【００４９】
その後、外直径１５０ｍｍのリング形状の多結晶状の酸化物超電導バルク体の外周に、動径方向長さ１０ｍｍの扇形状の単結晶状の超電導バルク体の要素部材を周方向に連続的に８個配置し、リング状の超電導バルク体を形成した。そして、当該超電導バルク体を、外直径１４０ｍｍ、内直径１００ｍｍ、高さ１０ｍｍのリング形状で、表面磁束密度が０．４ＴのＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系永久磁石と組み合わせ、超電導軸受を製作した。こうして製作された超電導軸受に対して回転実験を行った。回転実験では、冷凍機を用いて超電導バルク体を４０Ｋに冷却した状態で、磁石部に設けたエアタービンに圧縮空気を吹き付けることで回転駆動を行った。その結果、本実施例の構成の超電導軸受は１０００ｒｐｍまで安定的に回転できた。
【００５０】
比較のため、まず、外周部に単結晶状の超電導バルク体が配置されていない、多結晶状の超電導バルク体のみからなる超電導バルク体を用いて、同様の回転試験を行った。その結果、回転している途中で磁石部が超電導軸受から外れ、浮上安定性が低いことが確認できた。
【００５１】
また、別の比較のために、磁石部に対向している面の外直径１５０ｍｍのリング形状の酸化物超電導バルク体を単結晶状の超電導バルク体で構成して同様の回転試験を行った。その結果、超電導軸受は１０００ｒｐｍまで安定的に回転できた。しかし、直径１５０ｍｍの単結晶状の酸化物超電導バルク体を溶融結晶成長法で製作する過程で、１２７８Ｋ〜１２５２Ｋの温度領域を３００時間かけて徐冷し結晶成長させたので、８時間で焼結させた多結晶状の酸化物超電導バルク体に比べて、製作に要する時間が大幅に長くなった。さらに、多結晶状の超電導バルク体は一度の焼結で製作が可能であったが、直径１５０ｍｍの単結晶状の酸化物超電導バルク体は、大型サイズのため結晶成長の途中に外周部近傍で種結晶以外からの核生成が起き多結晶化したため一度では製作できなかった。実際には、２度製作を繰り返した後に３度目に単結晶化に成功した。
【００５２】
以上の結果から、本発明の構造を有する超電導軸受とすることで、浮上安定性に優れ、簡便に製造できる大型の超電導軸受を提供することができる。
【００５３】
（実施例２）
本実施例では、図４に示した多結晶状の超電導バルク体の内周側に一体の単結晶状の超電導バルク体を配置した超電導軸受について、浮上安定性を検証した。
【００５４】
超電導軸受の製作は以下のように行った。まず、市販されている純度９９．９質量％のマグネシウム（Ｍｇ）及び硼素（Ｂ）の粉末をＭｇ：Ｂ＝１：２のモル比で秤量し、この秤量粉を１時間かけて十分混練した。この混合粉をステンレス製の金型に入れ密閉し、金型ごと電気炉に入れ、１１２３Ｋで６時間焼結させ、外直径１６０ｍｍ、内直径１１０ｍｍ、高さ１５ｍｍのリング形状の多結晶状の超電導バルク体を得た。ここで得られたＭｇ、Ｂからなる多結晶状の金属超電導バルク体を、以下「Ｍｇ−Ｂ系の多結晶状の超電導バルク体」ともいう。
【００５５】
次に、市販されている純度９９．９質量％のガドリニウム（Ｇｄ）、バリウム（Ｂａ）、銅（Ｃｕ）のそれぞれの酸化物の粉末を、Ｇｄ：Ｂａ：Ｃｕ＝２：２．５：３．５のモル比で秤量し、それにＣｅＯ２を１質量％及び銀を１５質量％加えた。この秤量粉を２時間かけて十分混練してから、大気中にて１１７３Ｋで８時間仮焼した。次に、金型を用いて仮焼粉を円板形状に成形した。この成形体を１４２３Ｋまで加熱して溶融状態にし、３０分間保持した後、降温途中で種付けを行い、１２７８Ｋ〜１２５２Ｋの温度領域を２００時間かけて徐冷し結晶成長させ、直径１１０ｍｍ、高さ１５ｍｍの単結晶状の超電導バルク体を得た。そして、この単結晶状の超電導バルク体を、その外周が上述の多結晶状の超電導バルク体の内周に接するようなリング形状に加工し、酸素気流中において７２３Ｋで１００時間熱処理した。
【００５６】
その後、外直径１６０ｍｍ、内直径１１０ｍｍのリング形状の多結晶状の超電導バルク体の内周に、動径方向長さ５ｍｍのリング形状の単結晶状の超電導バルク体を配置し、超電導バルク体を形成した。そして、当該超電導バルク体を、外直径１５０ｍｍ、内直径１２０ｍｍ、高さ１５ｍｍのリング形状で、表面磁束密度が０．５ＴのＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系永久磁石と組み合わせ、超電導軸受を製作した。こうして製作された超電導軸受に対して回転実験を行った。回転実験では、液体ヘリウムの蒸発ガスを用いて超電導バルク体を２０Ｋに冷却した状態で、磁石部の設けたエアタービンに圧縮空気を吹き付けることで回転駆動を行った。その結果、本実施例の構成の超電導軸受は１０００ｒｐｍまで安定的に回転できた。
【００５７】
比較のため、内周部に単結晶状の超電導バルク体が配置されていない、多結晶状の超電導バルク体のみからなる超電導バルク体を用いて、同様の回転試験を行った。その結果、回転している途中で磁石部が超電導軸受から外れた。これより、多結晶状の超電導バルク体のみからなる超電導バルク体を用いた場合には、浮上安定性が低いことが確認された。
【００５８】
磁石部に対向している面の外直径１６０ｍｍのリング形状の超電導バルク体は大型であるため、単結晶状の超電導バルク体のみでの製造は困難である。しかし、以上の結果から、本発明の実施例のように、容易に製造可能な多結晶状の超電導バルク体の内周側に単結晶状の超電導バルク体を設けるだけで、浮上安定性に優れ、簡便に製造できる大型の超電導軸受を提供することができる。
【００５９】
さらに、多結晶状の超電導バルク体を、本実施例のように、Ｍｇ−Ｂ系の多結晶状の超電導バルク体で製造することで、超電導バルク体を軽量化することができる。例えば、本実施例の多結晶状の超電導バルク体を酸化物系超電導バルク体で製造した場合、その重量は１０３０ｇであったのに対して、Ｍｇ−Ｂ系の多結晶状の超電導バルク体で製造した場合にはその重量は２３０ｇとなり、超電導軸受における多結晶状の超電導バルク体の部分の重量を約１／４にすることができた。また、超電導バルク体全体の重量でみると、内周側に単結晶状の酸化物超電導体が配置され、外周側に多結晶状の酸化物超電導バルク体が配置された超電導バルク体の重量は１１９０ｇであったが、本実施例のように外周側の多結晶状の超電導バルク体をＭｇ−Ｂ系の多結晶状の超電導バルク体とすると、超電導バルク体の重量は３９０ｇとなった。すなわち、超電導軸受における超電導バルク体の全重量を約１／３にすることができた。本結果より、多結晶状の超電導バルク体として、酸化物超電導バルク体よりも比重の軽いＭｇ−Ｂ系の多結晶状の超電導バルク体を用いることで、より軽量で大型の超電導軸受を提供できることも明らかになった。
【００６０】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００６１】
１０、２０                構造体
１１、１５、２１、３０    超電導軸受
１２、２２                回転体
１４                      回転軸
３１                      磁石部
３２                      超電導バルク体部
１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｅ、１００Ｆ、１００Ｆ  超電導軸受
１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｅ、１１０Ｆ、１１０Ｇ  磁石部
１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ、１２０Ｄ、１２０Ｅ、１２０Ｆ、１２０Ｇ  超電導バルク体
１２１                    多結晶状の超電導バルク体
１２３、１２５            単結晶状の超電導バルク体
【図１Ａ】
0006746981.tif 000002
【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
0006746981.tif 000004
【図２】
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【図３】
0006746981.tif 000006
【図４】
0006746981.tif 000007
【図５】
0006746981.tif 000008
【図６】
0006746981.tif 000009
【図７】
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【図８】
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