(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基材の片面に電気的に絶縁する絶縁性の中間層を介して超電導層及び導電性金属層を順に積層形成してなる超電導線材と、
前記超電導線材の少なくとも一方の端部において前記超電導線材の前記金属基材と前記導電性金属層を電気的に接続する銀又は銅の良電性金属からなる接続部とを有し、
前記接続部が、前記超電導線材の前記金属基材又は前記導電性金属層の前記中間層に対して反対の面に一端を重ね、他端を板状金属端子の面に重ねて一体に接続される
ことを特徴とする超電導装置。
【請求項２】
前記超電導線材の長手方向の少なくとも１箇所で前記金属基材及び前記導電性金属層を電気的に接続する銀又は銅の良導電性金属である接続板を有する
ことを特徴とする請求項１記載の超電導装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超電導装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導装置は、例えば磁気共鳴画像診断装置（ＭＲＩ）や、超電導磁気エネルギー貯蔵装置（ＳＭＥＳ）、超電導限流器などの種々の用途に用られ、超電導装置の作製に用いられる超電導線材は種々の方法により作製される。近年、磁場中の臨界電流密度特性などに優れた、イットリウム系超電導体に代表される、基材上に高度に２軸配向した超電導薄膜を成長させた超電導線材、いわゆるコーテッドコンダクターの開発が進められており、実用化の段階にまで到達している。
【０００３】
しかしながら、このような超電導線材（コーテッドコンダクター）は、これまでの超電導線材とは構造が異なっており、基材が高抵抗母材であり、かつ基材と超電導層との間に中間層と呼ばれるＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）やＣｅＯ２に代表される酸化物層が形成されている（例えば、特許文献１参照）。この構造の場合、基材と超電導層とは、基本的に絶縁性の中間層により電気的に絶縁された状態になっている。ここで、超電導層のみを電流導入のための接続端子に接続し、基板（基材）を当該接続端子に接続しなかった場合には、基板の電位が固定されず、超電導層と基板との間に大きな電位差が生じる可能性がある。このためにこれまでの技術では、超電導層と基板との間で絶縁破壊が起きる危険性があった。
【特許文献１】特開２０００−１３３０６７号公報（段落００１２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上述した課題を解決すべくなされたものであって、このような超電導線材（コーテッドコンダクター）の中間層を境にして、超電導層と基材とを接続し、基板（基材）の電位を固定することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明の一実施形態である超電導装置は、金属基材の片面に電気的に絶縁する絶縁性の中間層を介して超電導層及び導電性金属層を順に積層形成してなる超電導線材と、前記超電導線材の少なくとも一方の端部において前記超電導線材の前記金属基材と前記導電性金属層を電気的に接続する銀又は銅の良電性金属からなる接続部とを有し、前記接続部が、前記超電導線材の前記金属基材又は前記導電性金属層の前記中間層に対して反対の面に一端を重ね、他端を板状金属端子の面に重ねて一体に接続されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、超電導線材（コーテッドコンダクター）の中間層を境にして、超電導層と金属基材とを接続したので、基板（基材）の電位を固定でき、基材と超電導層との間に想定外の電位差が生じることなく、絶縁破壊の発生の可能性を大きく低減しうる超電導装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に、本発明を実施するための形態について図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る超電導装置の要部構成を模式的に示す図、図２は、図１の破線で囲まれた、超電導線材の端部における、超電導線材と板状金属端子が接続された部分の拡大した断面図である。
【０００８】
図１に示すように、この実施形態に係る超電導装置１、例えば超電導コイルは、超電導線材２が巻枠３に巻回されて作製される。超電導線材２は、その端部において板状金属端子４の一部と一体に接続されている。図２に示すように、超電導線材２は、金属基材５の片面に中間層６を介して超電導層７及び導電性金属層８を順に積層されて形成される。このような超電導線材（コーテッドコンダクター）２は、金属基材５又は導電性金属層８のいずれかの一面で、板状金属端子４の一部に一体に接続されている。超電導線材２は、その反対の面が良導電性金属からなる接続板９のそれぞれの端部により板状金属端子４に接続されている。
【０００９】
板状金属端子４は、超電導線材２に電流を供給できる材質の金属であればいずれの金属も使用できるが、電気抵抗率の低い金属が好ましい。このような金属としては、具体的には銀、銅などが挙げられる。また、板状金属端子４の形状は、超電導線材２に電流を供給できる形状であればいずれの形状であってもよいが、例えば板状の金属端子は、超電導線材２との接続に適する。
【００１０】
金属基材５は、使用する超電導線材２の種類、材質、厚さなどによって適宜決めることができる。具体的には、銀、白金、ステンレス鋼、銅、Ｎｉ−Ｗ合金、Ｎｉ−Ｆｅ合金、例えばハステロイなどのニッケル基合金などの各種金属材料を用いることができるが、ニッケル基合金が好ましい。金属基材５の厚さは用途に応じて決めることができるが、通常５０〜１００μｍ程度である。また、金属基材５は通常高抵抗層である。
金属基材５は、超電導層７の異常時、例えば何らかの擾乱による温度上昇によるクエンチ現象や熱暴走などの超電導層７の異常発生時において超電導層７に流れている電流が、例えば良導電性金属からなる接続板９を介して転流（分流）されて、超電導層７のジュール熱による焼けなどによる損傷などを防止できる。  
【００１１】
中間層６を構成する材料は、例えば熱膨張係数が金属基材５よりも超電導層７の熱膨張係数に近い、ＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）、ＳｒＴｉＯ３、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＬａＡｌＯ３、ＬａＧａＯ３、ＹＡｌＯ３、ＺｒＯ２などのセラミックス結晶体からなる中間層を用いることができる。これらの中でもできる限り結晶配向性の整ったものを用いることが好ましい。中間層６は、通常金属基材５と超電導層７とを絶縁するものである。中間層６の厚さは用途に応じて適宜決めることができるが、通常１０〜８００ｎｍ程度である。
【００１２】
超電導層７を構成する超電導体は、金属基材５上に中間層６を介して積層される超電導層７を形成できる超電導体である。これらの超電導体としては、高温超電導体が挙げられる。高温超電導体としては、イットリウム系高温超電導体、例えばＹＢＣＯ系の酸化物超電導体、ホルミウム系高温超電導体、例えばＨｏＢＣＯ系の酸化物超電導体、ＲＥ１２３（Ｙ、Ｎｄ、Ｓｍ等の希土類元素）系超電導体、Ａ−Ｂ−Ｃｕ−Ｏ系（ただし、ＡはＬａ、Ｃｅ、Ｙ、Ｓｃ、Ｙｂなどの周期律表ＩＩＩａ族元素の１種以上を示し、ＢはＳｒ、Ｂａなどの周期律表ＩＩａ族元素の１種以上を示す）の酸化物超電導体などが挙げられる。
超電導層７は、金属基材５上に中間層６を介して、例えばパルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）、金属有機化合物堆積法（ＭＯＤ法）、化学気相蒸着法(ＣＶＤ法）等によって、ＹＢＣＯなどの超電導体の薄膜を形成して製造することができる。このような超電導層７の厚さは用途に応じて適宜決めることができるが、通常１μ程度の厚さである。
【００１３】
導電性金属層８の材質は、銀、ステンレス、銅、ＳＵＳ（例えば、ＳＵＳ３０４）などの金属材料などが挙げられる。導電性金属層５の厚さは、用途に応じて適宜決めることができるが、通常１０〜１００μｍ程度であり、例えば５０μｍである。
導電性金属層８と超電導層７との間には、例えば、銀の蒸着層が形成されていてもよい。この場合、銀の蒸着層の厚さは適宜決めることができ、例えば１０μｍ程度とすることができる。
【００１４】
金属基材５の片面に中間層６を介して超電導層７及び導電性金属層８を順に積層形成してなる超電導線材２は、一本の線材であっても、又は途中で接続されたものであってもよい。また、その接続は、超電導線材２の導電性金属層８が互いに対向して積重されて電気的に接続されていても、又は超電導線材２の接続端部の端面同士が突き合わされて配置され、この接続端部を覆うように、例えば別の超電導線材で、それぞれの導電性金属層が対向して積重されて配置されて電気的に接続されていてもよい。
これらの超電導線材２の接続は、１箇所であっても、また２箇所以上であってもい。さらに、超電導線材２の接続は、超電導線材２同士を対向して配置された接続と超電導線材２同士を同じ方向で（端面同士を突き合わせて）配置された接続とを組み合わせたものであってもよい。
【００１５】
次に、良導電性金属からなる接続板９について説明する。良導電性金属からなる接続板９は、銀、銅などの良導電性の材質の金属からなる。良導電性金属からなる接続板９は、超電導線材２の金属基材５及び導電性金属層８のうち、板状金属端子４と一体に接続していない面と、その一端で接続し、他端で板状金属端子４と一体に接続される。したがって、この接続により金属基材の電位を固定できる。また、超電導線材２の両端部におけるこの接続により、例えばクエンチや熱暴走が発生したときに、良導電性金属からなる接続板９を介して、導電性金属層８を経て超電導層７から金属基材５側にも電流を分流することができる。さらに、良導電性金属からなる接続板９は、超電導線材２と板状金属端子４との接合の強度を高めることもできる。
【００１６】
超電導線材２（の金属基材５又は導電性金属層８）と板状金属端子４、超電導線材２と良導電性金属からなる接続板９、並びに板状金属端子４と良導電性金属からなる接続板９とを接続する方法としては、これらを電気的に接続（一体に接続）できる方法であればいずれの方法を使用することができる。例えば、半田付け、拡散接合などを用いて接続することができる。
【００１７】
例えば、半田付けを用いて超電導線材２（金属基材５又は導電性金属層８）と板状金属端子４とを接続する場合には、接続される超電導線材２と板状金属端子４のいずれか一方の接続部に半田を配置し、他方の接続部をこの半田上に対向して重ね合わせて配置し、加熱又は場合により加圧下で加熱することにより半田を溶融させて接続する。超電導線材２と良導電性金属からなる接続板９、並びに板状金属端子４と良導電性金属からなる接続板９との半田付けによる接続も同様である。
使用する半田は、超電導線材２の種類、金属基材５の種類、導電性金属層８の種類、金属基材の種類などに応じて適宜決めることができる。半田としては、例えば、銀、銅、インジウム、すず−銀系半田、すず−銅系半田、すず−鉛半田、インジウム−銀系半田、すず−インジウム系半田、すず−ビスマス系、すず−ビスマス−インジウム系半田などの半田を使用することができる。また、半田付けの条件は、使用する半田の種類などに応じて適宜決めることができる。
【００１８】
また、例えば拡散接合を用いて超電導線材２と板状金属端子４とを接続する場合には、接続される超電導線材２と板状金属端子４の接続部を対向して重ね合わせて配置し、加熱又は場合により加圧下で加熱することにより接続する。超電導線材２と良導電性金属からなる接続板９、並びに板状金属端子４と良導電性金属からなる接続板９との拡散接合による接続も同様である。
拡散接合の条件は、使用する超電導線材２の種類、金属基材５の種類、導電性金属層８の種類、良導電性金属からなる接続板９の種類などに応じて適宜決めることができる。
【００１９】
次に、この実施形態における、超電導線材の端部における接続構造について説明する。
超電導線材の端部における接続構造は、図２（ａ）に示すように、超電導線材２の導電性金属層８側で板状金属端子４の一部に一体に接続されていてもよく、図２（ｂ）に示すように、超電導線材２の金属基材５側で板状金属端子４の一部に一体に接続されていてもよい。良導電性金属からなる接続板９が、超電導線材２の板状金属端子４と接続されていない面（導電性金属層８又は金属基材５の面）と、板状金属端子４の面とを、それぞれの端部を重ねて一体に接続する。
【００２０】
図２（ａ）の超電導線材の端部における接続構造は、良導電性金属からなる接続板９を使用しなくても板状金属端子４から導電性金属層８を介して超電導層７に電流が流れる。したがって、超電導線材２の少なくとも一方の端部において、良導電性金属からなる接続板９により超電導線材の金属基材５と板状金属端子が接続されることにより、金属基材５の電位を固定することができる。なお、超電導線材２の両方の端部において、良導電性金属からなる接続板９により超電導線材の金属基材５と接続される場合には、クエンチや熱暴走などの異常の発生時に、金属基材５に電流を転流することができるため好ましい。
これに対し、図２（ｂ）の超電導線材の端部における接続構造は、良導電性金属からなる接続板９を介して、板状金属端子４から導電性金属層８を介して超電導層７に電流が流れる構造である。したがって、図２（ｂ）の構造では、超電導線材の両方の端部において、良導電性金属からなる接続板９を使用して導電性金属層８と金属基材５とを接続する必要がある。この場合、クエンチや熱暴走などの異常の発生時に、超電導線材の両方の端部において、良導電性金属からなる接続板９を介して金属基材５に電流が分流されることになる。
【００２１】
図２（ａ）及び図２（ｂ）の接続構造のうち、図２（ａ）の方が、超電導線材の一方の端部において、良導電性金属からなる接続板９により超電導線材の金属基材５と板状金属端子４が接続されるだけで、金属基材５の電位を固定できるため、また、超電導線材２と板状金属端子４の接合が容易なため好ましい。
【００２２】
このように、この実施形態によれば、超電導線材の少なくとも一方の端部において、超電導線材の超電導層と金属基材とを電気的に接続することにより、金属基材の電位を固定することができ、絶縁破壊の危険性がない安定性の向上した超電導装置を提供することが出来る。また、超電導線材の両端部で超電導層と金属基材とを電気的に接続することにより、クエンチや熱暴走などが発生したときに、良導電性金属からなる接続板を介して、超電導層から金属基材に電流を分流することができ、安定性の向上した超電導装置を提供することができる。
【００２３】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図３は、本発明の第２の実施形態に係る超電導装置の要部構成を模式的に示す図、図４は、図３の破線で囲まれた、超電導線材の両方の端部における、超電導線材と板状金属端子が接続された部分の拡大した断面図である。図４（ａ）及び図４（ｂ）はそれぞれ、超電導線材の両端部のうちのいずれか一方の端部における接続された部分（接続構造）を示す。
【００２４】
この実施形態においては、図４（ａ）は、超電導線材２の導電性金属層８が板状金属端子４の一部と一体に接続され、かつ、板状金属基材５が良導電性金属からなる接続板９により板状金属端子４と接続されている。図４（ｂ）は、超電導線材２の導電性金属層８が板状金属端子４の一部と一体に接続されるが、良導電性金属からなる接続板９が存在せず、金属基材５が良導電性金属からなる接続板９により板状金属端子４と接続されていない。
【００２５】
図４（ａ）及び図４（ｂ）の超電導線材２の接続構造は、超電導線材２の超電導層７に、例えばクエンチによる常電導抵抗が発生したときに、この常電導抵抗を検出することができる構造である。以下に、常電導抵抗の発生を検出する原理を説明する。
【００２６】
まず、超電導線材２の一方の端部（図４（ｂ））において、板状金属端子４と超電導線材２の金属基材５とを接続する良導電性金属からなる接続板９が存在していない。金属基材５の両端電圧、すなわち図４（ａ）の超電導線材２の端部の金属基材５と図４（ｂ）の超電導線材２の端部の金属基材５との間の電圧をＶ１とし、超電導線材２の超電導層７の両端電圧をＶ２とすると、金属基材５の両端電圧（Ｖ１）は、超電導コイルのインダクタンス成分のみが現れる。一方、超電導線材７の両端電圧（Ｖ２）は、正常時は超電導コイルの抵抗成分は現れず、インダクタンス成分のみが現れるが、クエンチなどにより超電導線材７に抵抗が生じると、金属基材５の両端電圧（Ｖ１）と同値のインダクタンス成分と抵抗成分のベクトル和が現れる。したがって、これらの電圧の差分値（Ｖ2−Ｖ1）を測定すると、インダクタンス成分が相殺されて、抵抗成分のみの値（超電導線材７の抵抗成分のみの値）を抽出できる。この値は、正常時はほぼゼロである。しかし、ひとたび超電導層７に、常電導抵抗が発生すると、超電導線材７の両端電圧（Ｖ２）は、超電導コイルのインダクタンス成分に加えて抵抗成分のベクトルも現れる。したがって、電圧の差分値（Ｖ２−Ｖ１）は正の値を示すので、超電導層７に異常が発生したことがわかる。
また、図４（ｂ）に示す導電性金属層８および金属基材５との間の電圧（Ｖ３）、あるいは板状金属端子４および金属基材５との間の電圧（Ｖ４）を測定することによっても、同様に超電導層７に抵抗が発生したことがわかる。
【００２７】
なお、この実施形態における超電導線材２は、本発明の第１の実施形態と同様に一本の線材であっても、又は途中で接続されたものであってもよい。
【００２８】
このように、この実施形態によれば、金属基材の電位を固定することができ、絶縁破壊の危険性が少ない安定性の向上に加えて、感度良く常電導抵抗の発生を検出できる。
【００２９】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図５は、本発明の第３の実施形態に係る超電導装置の要部構成を模式的に示す図、図６は、図５の破線で囲まれた、良導電性金属からなる接続板により、超電導線材の超電導層と金属基材とが接続された部分の拡大した断面図である。
【００３０】
金属基材５、中間層６、超電導層７及び導電性金属層８が順次積層して形成される超電導線材２のうち、絶縁性の中間層６を介して存在する金属基材５と超電導層７とを、超電導線材２の長手方向の所定の箇所において、良電導性金属からなる接続板１０によって電気的に接続する。この電気的な接続は、導電性金属層８を介して行うことができる。金属基材５と良導電性金属からなる接続板１０との接続および導電性金属層８と良導電性金属からなる接続板１０との接続は、平らな面同士を接続させる。
【００３１】
良電導性金属からなる接続板１０の材質としては、超電導線材２の金属基材５と超電導層７とを電気的に接続できる材質の金属材料を使用することができる。具体的には、銀、銅などが挙げられる。また、良電導性金属からなる接続板（接続部）１０は、超電導線材２の金属基材５と超電導層７とを電気的に接続し、クエンチの発生時に超電導層７に接続されている電流を迅速に金属基材５に転流できる形状であればいずれの形状も使用することができる。例えば、図６に示されるような断面形状がコの字型の形状のものや、内部が空洞である長方形形状のものなどを使用できる。
この良電導性金属からなる接続板１０による電気的な接続は、金属基材５と超電導層７とを電気的に接続できる方法を使用することができる。例えば、金属基材５と導電性金属層８とを良電導性金属からなる接続板１０により接触させることで、電気的に接続させることができる。また、例えば、半田付け、拡散接合などを用いて電気的に接続することができる。
【００３２】
この良電導性金属からなる接続板１０による電気的な接続の箇所は、超電導線材２の長手方向において１箇所以上であれば金属基材５の電位を固定することができ、２箇所以上において接続することにより、例えばクエンチの発生時に、電流を超電導層７から金属基材５に転流させることができる。接続の箇所が多いほど、より迅速に電流を超電導層７から金属基材５に転流させることができる。また、この実施形態における良電導性金属からなる接続板１０による超電導層７と金属基材５との電気的な接続は、超電導線材２の端部における、良電導性金属からなる接続板９による超電導線材２の金属基材５と導電性金属層８との電気的な接続と組み合わされることにより、例えばクエンチの発生時に、よりさらに迅速に電流を超電導層７から金属基材５に転流させることができる。
【００３３】
なお、この実施形態における超電導線材２は、本発明の第１の実施形態と同様に一本の線材であっても、又は途中で接続されたものであってもよい。
【００３４】
このように、この実施形態によれば、超電導線材２の長手方向における１箇所以上の接続により金属基材５の電位を固定することができ、また、２箇所以上の接続により、電流を超電導層７から金属基材５に転流させることができる。また、接続の箇所が多いほど、より迅速に電流を超電導層７から金属基材５に転流させることができる。
【００３５】
また、本発明の実施形態に係る超電導装置の用途としては、超電導発電機、超電導電力貯蔵（ＳＭＥＳ）、超電導限流器、超電導変圧器、超電導ケーブルなどが挙げられる。特に、本発明の実施形態に係る超電導装置は、金属基材の電位を固定でき、また電流クエンチなどの異常時に、超電導層から導電性金属層に加えて、金属基材側に電流を転流することができるので、超電導限流器に好適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超電導装置の要部構成を模式的に示す図である。
【図２】図１の破線で囲まれた、超電導線材と板状金属端子が接続された部分の拡大した断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る超電導装置の要部構成を模式的に示す図である。
【図４】図３の破線で囲まれた、超電導線材と板状金属端子が接続された部分の拡大した断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る超電導装置の要部構成を模式的に示す図である。
【図６】図５の破線の楕円で囲まれた、良導電性金属からなる接続板により超電導線材の超電導層と金属基材が接続された部分の拡大した断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…超電導装置、２…超電導線材、３…巻枠、４…板状金属端子、５…金属基材、６…中間層、７…超電導層、８…導電性金属層、９，１０…良導電性金属からなる接続板
【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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