(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
長尺で可撓性があり、かつ長手方向に垂直な断面が正多角形の基材を準備する工程と、
前記基材の表面に結晶軸方向の揃った部分が前記長手方向に連続している構造の中間層を形成する工程と、
前記中間層の表面に酸化物超電導薄膜を形成する工程とを備え、
前記長手方向に垂直な断面が正多角形となる前記基材を成形しつつ加熱する工程に連続して前記中間層は形成され、
前記中間層の形成時に前記基材の特定の面に対して一定の角度で前記中間層の原料を蒸着する、または一定の角度でイオンビームを照射しつつ前記中間層の原料を蒸着することによって、前記基材の前記特定の面上の前記中間層の部分に面内配向性を与え、
前記酸化物超電導薄膜をパルスレーザデポジション法、スパッタ法、化学気相堆積法、液相エピタキシャル法よりなる群から選ばれる１種以上の方法により形成することにより、前記酸化物超電導薄膜を３軸ともに配向させる、酸化物超電導素線の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法で製造された酸化物超電導素線であって、
前記基材の長手方向に垂直な断面は正多角形であり、
前記酸化物超電導薄膜は結晶軸方向が３軸とも揃った部分を有し、前記結晶軸方向の揃った部分は前記長手方向に連続している、酸化物超電導素線。
【請求項３】
前記結晶軸方向の揃った部分は、前記酸化物超電導素線の一方端近傍から他方端近傍まで連続して延びている、請求項２に記載の酸化物超電導素線。
【請求項４】
前記酸化物超電導薄膜と前記基材との間に位置する中間層をさらに備え、
前記中間層は結晶軸方向の揃った部分を有し、前記結晶軸方向の揃った部分は前記長手方向に連続している、請求項２または３に記載の酸化物超電導素線。
【請求項５】
前記基材は金属線またはセラミック繊維である、請求項２〜４のいずれかに記載の酸化物超電導素線。
【請求項６】
前記酸化物超電導薄膜の厚みは、伝送しようとする電磁エネルギーが前記酸化物超電導薄膜内部まで侵入し得る程度に小さい、請求項２〜５のいずれかに記載の酸化物超電導素線。
【請求項７】
前記酸化物超電導薄膜の外周を被覆する金属薄膜をさらに備えた、請求項２〜６のいずれかに記載の酸化物超電導素線。
【請求項８】
前記酸化物超電導薄膜の外周を被覆する絶縁体薄膜をさらに備えた、請求項２〜７のいずれかに記載の酸化物超電導素線。
【請求項９】
前記酸化物超電導薄膜はＲXＢａYＣｕZＯW（０．１≦Ｘ≦１．５、１．５≦Ｙ≦２．５、２．５≦Ｚ≦３．５、６．５≦Ｗ≦７．５）の組成を有し、ＲはＹ、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｎｄ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｔｂ、Ｓｍ、Ｐｒ、Ｄｙ、Ｌｕ、ＥｒおよびＴｍの群から選ばれる１種以上の元素からなる、請求項２〜８のいずれかに記載の酸化物超電導素線。
【請求項１０】
前記酸化物超電導薄膜の厚みが１．２μｍ以下である、請求項２〜９のいずれかに記載の酸化物超電導素線。
【請求項１１】
前記長手方向に垂直な断面の最大径が１ｍｍ以下である、請求項２〜１０のいずれかに記載の酸化物超電導素線。
【請求項１２】
前記基材は、前記酸化物超電導薄膜の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する材質よりなっている、請求項２〜１１のいずれかに記載の酸化物超電導素線。
【請求項１３】
請求項２〜１２のいずれかに記載の酸化物超電導素線を複数本集合した、酸化物超電導導体。
【請求項１４】
複数本の前記酸化物超電導素線を互いに撚り合わせた、または前記酸化物超電導素線の各々は前記酸化物超電導導体の内周側から外周側へまた外周側から内周側へと径方向位置を変えながら延びるよう集合されている、請求項１３に記載の酸化物超電導導体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流に対して超電導臨界電流が大きく、電力損失の小さい酸化物超電導導体およびそれを作製するための酸化物超電導素線とそれらの製造方法とに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超電導素線を集合して超電導導体を製造することは実施されている。この素線を集合する場合に、素線の臨界電流密度が高く、すべての素線に均等に電流が流れることが、超電導状態で大きな電流を流す、あるいは低損失で電流を流すために必要である。交流損失を低減するために、金属系超電導導体では径の細い素線が大量に束ねられて使用されている。
【０００３】
また、超電導素線についても、可撓性に優れ、大きな臨界電流（Ｉｃ）を持つ細い超電導素線を得る努力がなされている。金属系超電導素線では、被覆された線を束ねて伸線する方法が採られており、Ｂｉ系酸化物超電導線でも似た方法が実施されている。
【０００４】
また、ＲX ＢａY ＣｕZ ＯW 酸化物超電導線については、カーボンファイバや金属ファイバを芯にしたものが試みられている。
【０００５】
このことは、たとえば特開平１−９３００６号公報、あるいは J. G. Wang et. al.,“Y-Ba-Cu-O superconducting fibers and wires by spray pyrolysis on corbon fibers”, J. Appl. Phys. Vol.67 No.4, pp.2160-2162、あるいは L. D. Woolf et. al., “Continuas fabrication of high-temperature superconductor coated metal fiber and multifilamentary wire ”, Appl. Phys. Lett. Vol.58 No.5, pp.534-536 に記載されている。
【０００６】
また、ＲX ＢａY ＣｕZ ＯW 酸化物超電導体では、臨界電流密度が結晶粒界により制限されてしまうため、より大きな臨界電流密度（Ｊｃ）を得る必要がある。このため、イオンビームアシストデポジション法、基板傾斜法（ＩＳＤ法）により結晶配向性を持たせた中間層を円盤状の基板上に形成し、その上にパルスレーザ蒸着法（ＰＬＤ法）や有機金属化学堆積法（ＭＯＣＶＤ法）により結晶配向性を持った超電導薄膜を形成する方法が行なわれている。また、細長い単結晶基材上に液相エピタキシャル法などの薄膜を利用し、その酸化物超電導薄膜に結晶配向性を持たせてやる方法も行なわれている。
【０００７】
イオンビームアシストデポジション法については、たとえば Y. Iijima et. al., “In-plane aligned YBa2Cu3O7-x thin-films doposited on polycrystalline metallic substrates”,Appl. Phys. Lett. Vol.60 No.6, 1992, pp.769-771に記載されており、基板傾斜法、液相エピタキシャル法についてはたとえば Y. Yamada et. al., “Liquid Phase Epitaxy of YBCO Single-Crystalline Oxide Fibers for Power Application”, Advances in Superconductivity IX Vol.2, 1996, pp.653-655に記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
（１）  上述の従来例のうちファイバを芯としたものでは、超電導層の結晶軸方向を３軸とも揃えることができないため、（ａ）臨界電流密度が低く制限されてしまうという問題点と、（ｂ）超電導層の厚みが厚いため特性が劣化しやすいという問題点と、（ｃ）超電導層の厚みを均一にし難いという問題点とがあった。以下、そのことについて詳細に説明する。
【０００９】
（ａ）  酸化物超電導体は、結晶方位により超電導特性に異方性があり、また結晶粒界が超電導電流を阻害する。このため、超電導特性に優れた酸化物超電導薄膜を形成するためには、酸化物超電導薄膜の結晶配向性を揃える必要がある。結晶配向性を揃えるためには、基材に対してある角度をもってイオンビームを照射するか、あるいは基材に対してある角度をもって原料を蒸着する必要がある。
【００１０】
しかし、ファイバのように細く丸い基材では、基材の薄膜が堆積される面に対するイオンビームの照射角度や原料の蒸着角度を一定にすることができないため、結晶配向性の揃った酸化物超電導薄膜を得ることができない。したがって、臨界電流密度が低く制限されてしまう。
【００１１】
なお、カーボンファイバを芯としてパルスレーザデポジション（ＰＬＤ）法で薄い超電導層をつける試み（A. Al-Sharif et. al., “Attempts to prepare Bi-based superconductors on a carbon fiber substrate”, J. Appl. Phys. Vol.67 No.9, pp.5023-5025）もあるが、超電導電流を流すことには成功していない。
【００１２】
（ｂ）  また超電導層の厚みに関しては、よく知られているように、超電導電流は超電導体のごく表面にしか流れない。その厚みは１μｍ前後とみられている。これに対して上述した従来例では超電導層が数十μｍとなっている。超電導層が厚いと電流に寄与しない部分が大きくなって効率が悪くなるばかりでなく、電流の流れる外周部で曲げによる歪みが大きくなって特性劣化の原因となりやすい。
【００１３】
（ｃ）  また、ＰＬＤ法を始めとする物理堆積法では、薄膜が堆積される方向が薄膜原料の飛行方向により制限される。このため、ファイバのように細く丸い基材上にＰＬＤ法などの物理堆積法により薄膜を堆積する場合、基材の断面の半分には超電導層が形成されない。よって、上記基材の全面を超電導層で覆うためには、薄膜形成工程を２回繰返すか、基材に対してターゲットを２ヵ所に設置する必要がある。また厚みの均一性まで考えると、より多くの成膜の繰返しが必要となるか、もしくはより多くのターゲットを設置する必要がある。
【００１４】
また、基材表面に多数の凹部が存在する場合、これらの凹部にも均一に超電導層を形成するためには、上記の成膜の繰返し回数もしくはターゲットの設置個数をさらに多くする必要がある。
【００１５】
また基材と超電導層との間に中間層を形成する場合にも、上記と同様のことがいえる。特に中間層は基材材料の超電導層への拡散による超電導特性の劣化を防止するために必要となることが多い。このため、この中間層が基材全面に形成されていないと、そこからの拡散により超電導層全体が劣化し、場合によっては超電導電流が流れないこともあり得る。
【００１６】
このように従来例では、超電導層や中間層の厚みの均一性が悪いため、その厚みを薄くしようとした場合に、部分的に超電導層や中間層のない部分ができてしまう。これにより、電流を流すことができなくなったり、それに至らなくとも超電導層の薄い部分で超電導電流の流せる大きさ（超電導臨界電流：Ｉｃ）が制限されてしまう。
【００１７】
（２）  また上述の従来例のうち薄膜を利用したものでは、素線としてテープ状あるいは円盤状のものを用いているため集合の形状が著しく制限される、インダクタンスを正確に設計することが困難であるなどの問題がある。以下、そのことについて詳細に説明する。
【００１８】
上述の従来例のように薄膜を利用して高いＪｃを得るために、結晶配向性をもたせて薄膜を形成することも試みられている。この場合、超電導層に結晶配向性をもたせるためにテープ状、円盤状などの基材が用いられている。なぜなら、テープ状の基材なら、基材の薄膜が堆積される面に対するイオンビームの照射角度や原料の蒸着角度を一定にすることができるからである。
【００１９】
しかし、テープ状の基材を用いているため、それによって得られる超電導素線では曲げられる方向が制限されることになり、自由な形状への加工が不可能となる。特に、得られた超電導線を集合して利用する場合に、集合の形状が著しく制限されてしまう。たとえば、素線を撚り合わせる場合のピッチをある程度大きくする必要がある。これらの要因は、超電導導体を使用するために曲げる場合にも、これを阻害する原因となる。
【００２０】
またこのような超電導線は、ある程度の幅をもっているため、電流の流れる方向はその幅の中で自由度がある。そのため、素線を撚り合わせたり、スパイラル状に集合させたりする場合、そのインダクタンスを正確に設計してやることが難しくなる。
【００２１】
それゆえ、本発明の一の目的は、超電導電流を多く流すことができ、集合の形状の自由度が高く、かつインダクタンスの設計が容易な酸化物超電導素線とそれを集合した酸化物超電導導体および酸化物超電導素線の製造方法を提供することである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本願発明者らは、中間層と酸化物超電導薄膜とをパルスレーザデポジション法により円形断面の基材上に形成したところ、結晶配向性のない場合よりも高い超電導臨界電流密度（Ｊｃ）を示すものがあることを見出した。これは、円形断面の一部において基板傾斜法による場合と同様の角度が、蒸着粒子と基材表面との間に形成され、その部分において結晶軸方向が３軸ともに配向したためと考えられる。つまり、円形断面の基材上であっても、結晶軸方向の揃った部分を有する中間層を形成することができ、その中間層上に酸化物超電導薄膜を形成したため、酸化物超電導薄膜に結晶軸方向の揃った部分が生じることがわかった。そして、表面に中間層が形成された基材を移動させながら酸化物超電導薄膜を長手方向に連続的に成膜することで、結晶軸方向の揃った部分が長手方向に連続した酸化物超電導薄膜を形成できることがわかった。
【００２４】
それゆえ本発明の酸化物超電導素線は、長尺で可撓性のある基材の表面に酸化物超電導薄膜を形成した酸化物超電導素線において、基材の長手方向に垂直な断面は円形、楕円形または正多角形であり、酸化物超電導薄膜は結晶軸方向の揃った部分を有し、結晶軸方向の揃った部分は長手方向に連続している。
【００２５】
この酸化物超電導素線は、表面に形成された酸化物超電導薄膜全体が結晶配向しているわけではないので、酸化物超電導体のみのＪｃを考えると、従来例のテープ状の基材を用いる方がＪｃの高いものが得られる。しかし、このような形状の素線を集合した酸化物超電導導体では、酸化物超電導体の断面積がテープ状の素線を集合する場合よりも大きくなるため、超電導電流を多く流すことが可能となる。
【００２６】
たとえば以下の表１に、１ｃｍ角サイズの超電導導体を、幅１０ｍｍ、厚み０．１ｍｍのテープ状の超電導素線を１００本重ねて形成した場合と、円形断面の細い素線を束ねて形成した場合とのＩｃなどの試算例を示す。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
表１からわかるように、同等のＩｃを得るための超電導薄膜のＪｃは円形断面の細い素線の場合、テープ状素線の場合よりかなり小さくてもよい。これは、超電導素線を単純に束ねた場合の試算であるが、交流伝送用の超電導導体では素線をスパイラル状などの形に集合することが、電流の内部への侵入や損失低減のために必要となる。そのような加工を行なう場合には加工性の優れた細い円形素線の方が、超電導導体の断面直径をより小さくすることができる。
【００２９】
また、円形断面の細い素線はテープ状の素線よりも加工性が良いため、集合の形状を自由に設計することが可能となる。このことは、必要な電流値により細い超電導導体を作製することができる、設置する場所により偏平な超電導導体を作製することができる、交流を低損失で流せるように素線を転位させ、撚り合わせて集合させることができる、などのメリットとなる。また、テープ状の素線と比較して、円形断面の細い素線ではそのインダクタンスを正確に設計することが容易である。
【００３０】
また、より配向部分の面積を大きくするためには、線の断面を正多角形とすることも有効である。正多角形の各面に対し、原料の蒸着方向、あるいはイオンビームの照射方向を一定とすることで、基材のその面上において酸化物超電導薄膜を３軸ともに配向させることができるからである。
【００３１】
実際には、細い正多角形の基材を使用した場合には、その基材の特定の面を、原料蒸着方向に対して一定に保持することが困難である。しかし、基材断面を正多角形に成形する工程に連続して原料の蒸着を実施すれば、基材の特定の面を原料蒸着方向に対して一定に保持することが可能となる。また、成形部を加熱することにより基材の温度が蒸着部で最適な温度になるように加熱すれば、より簡単な工程で高性能の酸化物超電導素線を作製することができる。
【００３２】
上記の酸化物超電導素線において好ましくは、結晶軸方向の揃った部分は、酸化物超電導素線の一方端近傍から他方端近傍まで連続して延びている。
【００３３】
これにより、一方端近傍から他方端近傍へ多くの超電導電流を流すことが可能となる。
【００３４】
上記酸化物超電導素線を実現する１つの方法として、酸化物超電導薄膜と基材の間に中間層を備え、その中間層において結晶軸方向の揃った部分を長手方向に連続して形成し、その表面上に酸化物超電導薄膜を形成することにより、酸化物超電導薄膜の結晶軸方向が中間層の結晶軸方向に従って長手方向に揃ったものとする方法が有効である。
【００３５】
これにより、円形断面の表面上でも、結晶軸方向の揃った部分を有する酸化物超電導薄膜を得ることができる。
【００３６】
上記の酸化物超電導素線において好ましくは、基材は金属線またはセラミック繊維である。
【００３７】
これにより、基材の材質を適宜選択することができる。
上記の酸化物超電導素線において好ましくは、酸化物超電導薄膜の厚みは、伝送しようとする電磁エネルギーが酸化物超電導薄膜内部まで侵入し得る程度に小さい。
【００３８】
これにより、超電導電流に寄与しない超電導薄膜の部分を小さくできるため、効率が良くなるばかりでなく、電流の流れる外周部での曲げによる歪みを小さくでき特性を良好にすることができる。
【００３９】
上記の酸化物超電導素線において好ましくは、酸化物超電導薄膜の厚みが１．２μｍ以下である。
【００４０】
代表的な酸化物超電導体の磁場侵入長は大きいもので１μｍ強とされており、ほぼ１．２μｍ以上の膜厚であれば、導体の体積当りのエネルギー伝送効率が良くなる。ただし、酸化物超電導薄膜の界面部分に劣化層が存在すれば、その劣化層の厚みを減じて考える必要があり、また良好な超電導薄膜の形成のためには薄膜の厚みをある程度厚くすることが必要な場合もある。このため、この酸化物超電導薄膜の膜厚は本発明を本質的に制限するものではない。
【００４１】
上記の酸化物超電導素線において好ましくは、酸化物超電導薄膜の外周を被覆する金属薄膜がさらに備えられている。
【００４２】
上記の酸化物超電導素線において好ましくは、酸化物超電導薄膜の外周を被覆する絶縁体薄膜がさらに備えられている。
【００４３】
上記の酸化物超電導素線において好ましくは、酸化物超電導薄膜はＲX ＢａY ＣｕZ ＯW （０．１≦Ｘ≦１．５、１．５≦Ｙ≦２．５、２．５≦Ｚ≦３．５、６．５≦Ｗ≦７．５）の組成を有し、ＲはＹ、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｎｄ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｔｂ、Ｓｍ、Ｐｒ、Ｄｙ、Ｌｕ、ＥｒおよびＴｍの群から選ばれる１種以上の元素からなる。
【００４４】
上記の酸化物超電導素線において好ましくは、その素線の長手方向に垂直な断面の最大径（直径を含む）が１ｍｍ以下である。
【００４５】
超電導素線の最大径については、大き過ぎると外側の超電導素線による電磁界の遮蔽により中心部の超電導素線に電流が流れなくなる。また、最大径の大き過ぎる超電導素線では、導体の可撓性が阻害される。これらの点より、素線サイズとしては、５０Ｈｚ以上６０Ｈｚ以下の商用周波数に対しては１ｍｍ以下であることが望ましい。この周波数の数値については、現状での代表的な例を示したもので、数値に多少のずれがあっても、この効果に本質的な差異はない。
【００４６】
上記の酸化物超電導素線において好ましくは、基材は、酸化物超電導薄膜の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する材質よりなっている。
【００４７】
その理由は、通常酸化物超電導薄膜は、圧縮歪よりも引張歪に対してその特性が劣化し易いため、薄膜を高温で形成した後使用温度に冷却したときに、引張応力を受けないのが望ましいためである。
【００４８】
本発明の酸化物超電導導体は、上述した酸化物超電導素線のいずれかの素線を複数本集合したものである。
【００４９】
これにより、超電導電流を多く流すことができ、集合の形状の自由度が高く、かつインダクタンスの設計が容易な酸化物超電導導体を得ることができる。
【００５０】
上記の酸化物超電導導体において好ましくは、複数本の酸化物超電導素線を互いに撚り合わせた、または酸化物超電導素線の各々は酸化物超電導導体の内周側から外周側へまた外周側から内周側へと径方向位置を変えながら（つまり転位させながら）延びるよう集合されている。
【００５１】
このように複数本の酸化物超電導素線を撚り合わせたり転位させたりすることで酸化物超電導導体を得ることができる。
【００５２】
本発明の一の局面に従う酸化物超電導素線の製造方法は以下の工程を備えている。
【００５３】
まず長尺で可撓性があり、かつ長手方向に垂直な断面が円形、楕円形または正多角形の基材が準備される。そして基材の表面に結晶軸方向の揃った部分が長手方向に連続している構造の中間層が形成される。そして中間層の表面に酸化物超電導薄膜が形成される。
【００５４】
本発明の一の局面に従う酸化物超電導素線の製造方法では、上述したように結晶軸方向の揃った部分を有する中間層上に酸化物超電導薄膜を形成するために、結晶軸方向の揃った部分を有する酸化物超電導薄膜を形成することができる。これにより、超電導電流を多く流すことができ、集合の形状の自由度が高く、かつインダクタンスの設計が容易な酸化物超電導導体をなす酸化物超電導素線を得ることができる。
【００５５】
上記局面の酸化物超電導素線の製造方法において好ましくは、長手方向に垂直な断面が正多角形となるように金属線よりなる基材を成形しつつ加熱する工程に連続して中間層が形成される。中間層の形成時に、基材の特定の面に対して一定の角度で中間層の原料を蒸着する、または一定の角度でイオンビームを照射しつつ中間層の原料を蒸着することによって、基材の特定の面上の中間層の部分に面内配向性が与えられる。
【００５６】
これにより、中間層に面内配向性を与えることが可能となる。
上記局面の酸化物超電導素線の製造方法において好ましくは、酸化物超電導薄膜はパルスレーザデポジション法、スパッタ法、化学気相堆積法、液相エピタキシャル法よりなる群から選ばれる１種以上の方法により形成される。
【００５７】
これにより、酸化物超電導薄膜の形成方法を適宜選択することができる。
上記局面の酸化物超電導素線の製造方法において好ましくは、酸化物超電導薄膜の外周を被覆する金属薄膜および絶縁体薄膜の少なくともいずれかを形成する工程がさらに備えられている。金属薄膜および絶縁体薄膜の少なくともいずれかを形成する工程は、中間層および酸化物超電導薄膜を形成する工程に連続して行なわれる。
【００５８】
これにより、たとえば中間層形成と酸化物超電導薄膜形成との間に中間層の表面が劣化することが防止され、生産性が向上するのみならず超電導特性の性能が良好となる。
【００５９】
本発明の一の局面に従う酸化物超電導導体の製造方法では、上記一の局面のいずれかの製造方法で得られた酸化物超電導素線を集合することで酸化物超電導導体が形成される。
【００６０】
これにより、超電導電流を多く流すことができ、集合の形状の自由度が高く、かつインダクタンスの設計が容易な酸化物超電導導体を得ることができる。
【００６１】
上記局面の酸化物超電導導体の製造方法において好ましくは、酸化物超電導素線を集合して酸化物超電導導体を形成する工程は、酸化物超電導薄膜を形成する工程または金属薄膜および絶縁体薄膜の少なくともいずれかを形成する工程に連続して行なわれる。
【００６２】
これにより、酸化物超電導素線の各々を巻き取って保管することなく、連続的に集合してそのまま酸化物超電導導体を形成することが可能であり、より効率的に酸化物超電導導体を製造することができる。もちろん、このように集合したものをさらに何本か集合してより臨界電流密度の大きい酸化物超電導導体を製造することもできる。また、何本もの素線を同時に作製することができるため、生産性がより効率的となる。
【００６３】
また本願発明者らは、薄膜を形成する手段として、基材への堆積の異方性の程度が大きい先に述べたパルスレーザデポジション法などの代わりに、たとえばＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積法）などの方法で断面が円形、楕円形または正多角形の基材表面に酸化物超電導薄膜を形成することで、簡単な成膜装置で１回の成膜工程により酸化物超電導薄膜を基材断面の外周全周に略均一な膜厚で形成できることを見出した。
【００６４】
ここで、略均一な厚みとは、厚みのばらつきが±１０％以内であることを言う。
【００６５】
この製造方法は、薄膜を形成する手段として、基材への堆積の異方性の程度が先に述べたパルスレーザデポジション法などよりも小さいため、基材全周に均一な膜厚で薄膜を形成できる。この方法で得られた超電導素線においても、テープ状基材を用いた場合に比較して、酸化物超電導体のみのＪｃは低い。しかし、この方法で得られた超電導素線を束ねた超電導導体においては、表１で示す通り、テープ状基材を用いた場合よりも超電導電流を多く流すことが可能となる。
【００６６】
この方法を用いて製造される酸化物超電導素線の材質、構造およびその素線を集合した酸化物超電導導体の製造方法については、先に述べた材質、構造、製造方法が適用されることを改めて確認しておく。
【００６７】
なお、必要な各層（中間層、超電導薄膜、保護層）を形成する工程を連続して実施することが、生産性のみならず性能の面からも有利である。たとえば中間層形成と超電導薄膜形成の間、あるいは超電導薄膜と保護層形成の間に下の層の表面が劣化する問題は、各層を連続して形成することにより避けることができる点を言及しておく。
【００６８】
また円形断面の素線の線径は、テープ状の素線のものより小さくすることができるため、成膜装置内で複数本の素線を同時に処理することができる。このため、本発明で述べた超電導素線を製造する場合には、何本もの素線を同時に作製することがより効率的である。
【００６９】
さらに、超電導導体を構成する素線のすべてを同時に連続的に製造すれば、その素線を巻き取って保管することなく連続的に集合することも可能であり、より効率的に超電導導体を製造することができる。もちろんこのようにして集合したものをさらに何本か集合してより臨界電流の大きい超電導導体を製造することもできる。
【００７０】
また、中間層および保護層についても、基材断面の外周全周において１回の薄膜形成工程のみで略均一な厚みで成膜可能な方法（たとえば有機金属化学気相堆積法）により形成される。
【００７１】
これにより、中間層および保護層についても簡単な成膜装置で１回の成膜工程により均一な膜厚で形成することができ、拡散により超電導薄膜全体が劣化することおよび超電導薄膜の保護が損なわれることは防止される。
【００７２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
【００７３】
図１は、本発明の一実施の形態における酸化物超電導素線の構成を概略的に示す断面図である。この図１は酸化物超電導素線の長手方向に垂直な断面を示している。
【００７４】
図１を参照して、直径がたとえば５０μｍのステンレス線よりなる基材１の外周面に、たとえばＰＬＤ法により部分的に結晶配向したＹＳＺよりなる中間層２が形成されており、さらにその外周には、たとえばＰＬＤ法によりＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X 層よりなる酸化物超電導体層３が形成されている。
【００７５】
この酸化物超電導体層３も、図２に示すように長手方向に沿って連続的に結晶配向した部分３ａを有している。この結晶配向した部分３ａは、素線の一方端近傍から他方端近傍へ連続的に延びている。中間層２の部分的に結晶配向した部分も基材１の長手方向に沿って連続的に分布している。また図１を参照して、酸化物超電導体層３の外周には、たとえばスパッタ法により銀層よりなる保護層４が形成されており、さらにその外周には、たとえばスパッタ法によりＹＳＺ層よりなる絶縁層５が形成されている。なお、図２は長手方向に延びる素線の一部のみを示している。
【００７６】
図３は、本発明の一実施の形態における酸化物超電導導体の構成を概略的に示す断面図である。図３を参照して、この酸化物超電導導体３０は、図１および２に示す酸化物超電導素線を複数本束ねて撚り合わせた構成を有している。また複数の素線を単に撚り合わせるのではなく、各素線が酸化物超電導導体の内周側から外周側へまた外周側から内周側へと径方向位置を変えながらその長手方向に延びるように集合（すなわち転位）されていてもよい。
【００７７】
具体的には、酸化物超電導導体３０は素線２０を２本撚り合わせて撚り合わせ線２０Ａとし、さらにその撚り合わせ線２０Ａを２本撚り合わせて構成されている。これにより全ての素線２０が均等に導体３０の内周側と外周側とを通ることになる。もちろん素線２０を撚り合わせるのは２本ずつである必要はなく、数本ずつ一度に撚り合わせていくことも可能である。
【００７８】
なお、基材１には、ステンレス以外に、ニッケル、ハステロイ、銀などの金属線やＳｉＣ繊維などのセラミックファイバが用いられてもよい。また酸化物超電導薄膜３の厚みは、伝送しようとする電磁エネルギーがその薄膜３内部まで侵入し得る程度に小さい（たとえば１．２μｍ以下）ことが好ましい。
【００７９】
また酸化物超電導薄膜３は、ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X に限られず、ＲX ＢａY ＣｕZ ＯW （０．１≦Ｘ≦１．５、１．５≦Ｙ≦２．５、２．５≦Ｚ≦３．５、６．５≦Ｗ≦７．５）の組成を有し、ＲはＹ、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｎｄ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｔｂ、Ｓｍ、Ｐｒ、Ｄｙ、Ｌｕ、ＥｒおよびＴｍの群から選ばれる１種以上の元素からなっていることが好ましい。
【００８０】
またこの酸化物超電導素線２０の直径は１ｍｍ以下であることが好ましい。
なお、酸化物超電導素線２０の長手方向に垂直な断面が楕円形または正多角形であってもよい。この場合には、断面の最大径が１ｍｍ以下であることが好ましい。ここで、正多角形における最大径とは、断面の頂角を結ぶ径のうち最大の寸法を有するものである。
【００８１】
また基材１は、酸化物超電導薄膜３の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する材質よりなっていることが好ましい。
【００８２】
なお、素線２０の直径は、伝送しようとする電磁エネルギーの周波数において、電磁エネルギーの伝送方向を実効的に規定できる程度に小さいものであることが好ましい。また素線２０の直径は、導体の曲げを実質的に阻害しない程度に小さいものであることが好ましい。
【００８３】
次に本発明の一実施の形態における超電導導体を作製する方法について説明する。
【００８４】
図４は、本発明の一実施の形態における超電導導体の第１の製造方法を示す図である。図４を参照して、基材となる線６（たとえばステンレス、ニッケル、ハステロイ、銀などの金属線やＳｉＣ繊維などのセラミックファイバ）が複数本同時に供給される。この線６は薄膜形成用容器に導入され、中間層、酸化物超電導層、保護層の順に薄膜が形成される。中間層は、ヒータ９によって加熱された状態で中間層ターゲット７にレーザビーム８を照射してターゲットを飛散させることで線６上に堆積される。また酸化物超電導薄膜３は、ヒータ９によって加熱された状態で酸化物超電導体ターゲット１１にレーザビーム８を照射してターゲットを飛散させることで線６上に堆積される。また保護層は、原料ターゲット１２からターゲットを飛散させることで線６上に堆積される。
【００８５】
なお、薄膜形成用容器内の各成膜室は隔壁１０によって仕切られており、この隔壁１０には、線６の通る部分に細孔があいている。また、中間層、酸化物超電導薄膜、保護層を線６の全面に形成するために、線６の上側と下側との双方にターゲット７、１２が配置されている。
【００８６】
なお中間層と酸化物超電導薄膜はＰＬＤ法により形成され、保護層はＲＦスパッタ法により形成される。このように各層が形成された線６は、細孔を通じて薄膜形成用容器から出た後、素線集合部１３で集合されて酸化物超電導導体を構成する。
【００８７】
なお、上記においては、複数の素線６を同時に作製して連続的に集合する例について説明したが、単一の線６を高速で作製して保管した後に集合してもよく、複数の線６を同時に作製した後、１本ずつ保管し、その後にそれぞれ必要な導体の設計に合わせて必要な本数を必要な形状、方法で集合する方が効率が良い場合も考えられる。一度集合した素線６の集合体を、後で複数集合し、より臨界電流の大きい導体としてもよい。これらの方法は、導体の設計や生産形態に合わせて使い分ければよい。
【００８８】
なお、上記においては、酸化物超電導薄膜３はＰＬＤ法により形成する場合について説明したが、これ以外にスパッタ法、化学気相堆積法、液相エピタキシャル法またはこれらの組合せによる方法で形成されてもよい。また中間層２を形成する場合には、一部が長手方向に連続して結晶配向するような条件で形成される。
【００８９】
図５は、本発明の一実施の形態における超電導導体の第２の製造方法を示す図である。図５を参照して、中間層成膜室３１と超電導薄膜成膜室３２と保護層成膜室３３とがフランジ３８を介して接続されている。中間層成膜室３１と超電導薄膜成膜室３２との周囲にはヒータ３６が設置されており、中間層成膜室３１と超電導薄膜成膜室３２との各々には、中間層原料ガス導入部３４と超電導薄膜原料ガス導入部３５とガス排出口４１とが接続されている。また保護層成膜室３３内には保護層の原料となるターゲット３７が配置されている。
【００９０】
なお、フランジ３８には、基材６を通すための細孔が設けられており、この細孔は、隣り合う成膜室間および成膜室と外部との雰囲気が混合しないよう構成されている。
【００９１】
基材６は、基材の供給部３９から集合および巻き取り部４０により巻き取られることでこの成膜装置内を移動する。基材６はまず中間層成膜室３１内に導入され、ここでたとえばＭＯＣＶＤ法により基材６の表面に中間層が形成される。この際、外部からヒータ３６により加熱され、かつ中間層原料ガス導入部３４から原料ガスが導入される。
【００９２】
次に、超電導薄膜成膜室３２内で、たとえばＭＯＣＶＤ法により、中間層の表面に酸化物超電導薄膜が形成される。この際、外部からヒータ３６により加熱され、かつ超電導薄膜原料ガス導入部３５から原料ガスが導入される。
【００９３】
次に、保護層成膜室３３内で、たとえばＤＣスパッタ法で、超電導薄膜の表面に保護層が形成される。この際、保護層原料ターゲット３７からターゲットを飛散させることで保護層が堆積される。
【００９４】
このようにして、超電導素線が形成され、集合および巻き取り部４０にて集合されて巻き取られることで酸化物超電導導体を構成する。
【００９５】
この方法によれば、ＭＯＣＶＤ法により酸化物超電導薄膜が形成されるため、断面が円形、楕円形、正多角形の素線の外周全周に略均一な膜厚で酸化物超電導薄膜を形成することができる。また、素線を移動させながら成膜を行なうため、略均一な膜厚の酸化物超電導薄膜を素線の長手方向に連続的に形成することができる。また、この方法によれば、酸化物超電導薄膜の結晶軸方向の揃った部分が基材の長手方向に連続するように形成することができる。
【００９６】
なお、上記においては、保護層をＤＣスパッタ法により成膜する場合について説明したが、保護層はＭＯＣＶＤ法により成膜されてもよく、またこれ以外の方法で成膜されてもよい。また、中間層は、ＭＯＣＶＤ法により成膜する場合について説明したが、これ以外にスパッタ法などにより成膜されてもよい。また酸化物超電導薄膜は、たとえばＭＯＣＶＤ法により成膜する場合について説明したが、これ以外に、酸化物超電導薄膜を基材断面の外周全周において１回の薄膜形成工程のみで略均一な厚みで成膜可能な方法であれば、これ以外の方法で成膜されてもよい。
【００９７】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００９８】
実施例１
まず図１に示す構成で、基材１にステンレス線を、中間層にＹＳＺ層を、酸化物超電導薄膜３にＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X を、保護層４に銀層を、絶縁層５にＹＳＺ層を用いて酸化物超電導素線を作製した。この酸化物超電導素線における各層の形成方法、形成温度、形成雰囲気および厚みを表２に示す。
【００９９】
【表２】
0004513142.tif 000003
【０１００】
なお、これらの各層２〜５の形成は、それぞれ基材１の２方向から繰返して行ない、基材１の全面に各層２〜５が形成されるようにした。各層２〜５の厚みは、同時に各層２〜５を形成したステンレス板上の各薄膜層２〜５の厚みより見積もった。
【０１０１】
このようにして作製した酸化物超電導素線を２０本束ねて酸化物超電導導体を作製した。各素線の７７ＫでのＩｃの平均値は５．６ｍＡであり、それを束ねた導体のＩｃは１０８ｍＡであり、テープ状の素線を集合した酸化物超電導導体のＩｃよりも高いことを確認した。ＹＢＣＯ層（酸化物超電導薄膜）の臨界電流密度は、約４×１０3 Ａ／ｃｍ2 と見積もられる。これは研究設備において試作した例であり、専用設備において適切な条件コントロールを行なえば、特性や集合される超電導素線の数はより向上する。
【０１０２】
実施例２
図１を参照して、まず基材１には５０μｍ径のステンレス線を用い、その表面にＭＯＣＶＤ法によりＹＳＺ中間層２を形成した。次にＭＯＣＶＤ法により酸化物超電導薄膜であるＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-X 層３を形成した。その表面には、ＤＣスパッタ法で銀層４を保護層として形成した。
【０１０３】
このようにして作製した超電導素線を２０本束ねて超電導導体を作製した。各素線の７７ＫでのＩｃの平均値は４ｍＡであり、それを束ねた導体のＩｃは７７ｍＡであった。これは研究設備において試作した例であり、専用設備において適切な条件コントロールを行なえば、特性や集合される超電導素線の数はより向上する。
【０１０４】
今回開示された実施の形態および実施例は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【０１０５】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明によれば、非常に加工性に優れた超電導素線を集合して超電導導体を構成するため、超電導導体の設計つまり集合のさせ方に自由度が大きくなり、使用目的に応じた超電導導体を得ることができるとともに超電導電流を多く流すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における酸化物超電導素線の構成を概略的に示す断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態における酸化物超電導素線の構成を示す部分斜視図である。
【図３】本発明の一実施の形態における酸化物超電導導体の構成を示す概略断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態における酸化物超電導導体の第１の製造方法を示す図である。
【図５】本発明の一実施の形態における酸化物超電導導体の第２の製造方法を示す図である。
【符号の説明】
１  基材
２  中間層
３  酸化物超電導薄膜
４  保護層
５  絶縁層
２０  酸化物超電導素線
３０  酸化物超電導体
【図１】
0004513142.tif 000004
【図２】
0004513142.tif 000005
【図３】
0004513142.tif 000006
【図４】
0004513142.tif 000007
【図５】
0004513142.tif 000008