(57)【要約】【課題】本発明は、室温環境下で積層構造体を備える超電導線の内部で発生する層間剥離をはじめとする機械的欠損の位置と大きさを検出することができる検出方法および装置を提供する。【解決手段】ＡＥ（アコースティックエミッション）センサーを用いて、少なくとも安定化層、保護層、超電導層、中間層、金属基板で構成された積層構造体を備える超電導線の機械的欠損を非破壊で検出する方法であり、前記超電導線の一端側に配置した送信用ＡＥセンサーから超音波信号を送信し、他端側に配置した１個あるいは複数個の受信用ＡＥセンサーで送信された超音波信号のうち前記超電導線により反射または前記超電導線を透過する超音波信号を受信し、送信された超音波信号と受信された超音波信号とを比較することにより、積層構造体を備える超電導線内部で発生する機械的欠損の位置と大きさを検出する機械的欠損検出方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡＥ（アコースティックエミッション）センサーを用いて、少なくとも安定化層、保護層、超電導層、中間層、金属基板で構成された積層構造体を備える超電導線の機械的欠損を非破壊で検出する方法であり、前記超電導線の一端側に配置した送信用ＡＥセンサーから超音波信号を送信し、他端側に配置した１個あるいは複数個の受信用ＡＥセンサーで送信された超音波信号のうち前記超電導線により反射または前記超電導線を透過する超音波信号を受信し、送信された超音波信号と受信された超音波信号とを比較することにより、積層構造体を備える超電導線内部で発生する機械的欠損の位置と大きさを検出する機械的欠損検出方法。
【請求項２】
前記超電導線の表面と対向するように前記送信用ＡＥセンサーを配置し、前記受信用ＡＥセンサーを裏面と対向するように配置することを特徴とする請求項１に記載の機械的欠損検出方法。
【請求項３】
ＡＥ（アコースティックエミッション）センサーを用いて、少なくとも安定化層、保護層、超電導層、中間層、金属基板で構成された積層構造体を備える超電導線の機械的欠損を非破壊で検出する方法であり、送信用ＡＥセンサーから超音波信号を送信し、前記超電導線を前記送信用ＡＥセンサーとともに挟むように配置した１個あるいは複数個の受信用ＡＥセンサーで送信された超音波信号のうち前記超電導線により反射または前記超電導線を透過する超音波信号を受信し、送信された超音波信号と受信された超音波信号とを比較することにより、積層構造体を備える超電導線内部で発生する機械的欠損の位置と大きさを検出する機械的欠損検出方法。
【請求項４】
少なくとも安定化層、保護層、超電導層、中間層、金属基板で構成された積層構造体を備える超電導線内部で発生する機械的欠損の位置と大きさを測定するための機械的欠損検出装置であって、前記超電導線に向けて超音波信号を送信する送信用ＡＥセンサーと前記送信用ＡＥセンサーから送信された超音波信号のうち前記超電導線により反射または前記超電導線を透過する信号成分を受信する受信用ＡＥセンサーを備える超電導線の機械的欠損検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、積層構造体を備える超電導線の機械的欠損の検出方法およびその検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】一般にＲＥ（レアアース）系と呼ばれるＹ系をはじめとする高温超電導線は、高磁場中でも良好な臨界電流（超電導状態を維持できる最大電流）特性を有することから、超電導の電力応用や高磁場超電導コイルの開発を可能にする超電導線として期待されている。しかし、ＲＥ系高温超電導線は、少なくとも安定化層、保護層、超電導層、中間層、金属基板で構成された積層構造体を備えており、コイル巻線時、冷却時あるいは通電時に種々の機械的応力がかかる場合、層間剥離をはじめとする超電導線内部で発生する機械的欠損が臨界電流特性の劣化、さらには超電導状態そのものの破壊を引き起こすことが懸念される。
機械的応力を計測する方法はひずみゲージが一般に用いられるが、超電導線表面のひずみを計測するものであり超電導層の機械的応力は解析で求めることしかできず積層構造内部で発生する機械的欠損を直接計測する手段がない。
一方、ＡＥセンサーを用いた非破壊検査は既に地震検出、構造物の欠陥検出などで実用化されているが、いずれも室温環境下で検査を行い測定対象物も同じ室温環境下にある。ところが超電導機器の場合、液体ヘリウム（４．２Ｋ）や液体窒素（７７Ｋ）などの極低温下で動作するため、非破壊検査も動作環境に合わせて極低温下での実施を試みるのが通常の考え方である。
例えば、極低温環境下において超電導コイルにＡＥセンサーを設置し、超電導コイル通電時に発生する機械的擾乱によるＡＥ信号を測定し超電導コイルの監視システムに適用する試みがなされている（非特許文献１）。
一方、常温でＡＥセンサーを用いる方法としてビスマス系酸化物高温超電導線の機械的なひずみによる臨界電流特性の劣化状況をＡＥセンサーから超音波を発生し音響伝達特性を評価する手法が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２３０９５１
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】低温工学，ｖｏｌ．１３，ｎｏ．２，ｐｐ．８４‐９６，１９７８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】しかしながら、非特許文献１の従来技術では、極低温下での使用に耐えうる高価なＡＥセンサーが必要になり、超電導コイルから発生する超音波をＡＥセンサーで測定する技術であるため、積層構造体を備える超電導線内部で発生する機械的欠損の位置と大きさを特定するには至っていない。
一方、特許文献１の従来技術では、室温環境下でＡＥセンサーにより超音波をビスマス系酸化物高温超電導線に伝搬させ信号伝達特性を評価することで機械的ひずみの大きさと臨界電流特性との関係を明らかにしているが、機械的ひずみが発生している位置の特定には至っていない。また、ビスマス系酸化物高温超電導線とは違い積層構造体を備えるＲＥ系超電導線内部で発生する層間剥離をはじめとする機械的欠損の位置と大きさを検出するには至っていない。
本発明はこれらの課題を解決するため、室温環境下で積層構造体を備える超電導線の内部で発生する層間剥離をはじめとする機械的欠損の位置と大きさを検出することができる検出方法および装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】本発明は、ＡＥ（アコースティックエミッション）センサーを用いて、少なくとも安定化層、保護層、超電導層、中間層、金属基板で構成された積層構造体を備える超電導線の機械的欠損を非破壊で検出する方法であり、室温環境下で任意波形発生装置により前記超電導線の一端側に配置した送信用ＡＥセンサーに電気信号を入力し、前記送信用ＡＥセンサーで発生させた超音波を他端側に配置した１個あるいは複数個のＡＥセンサーで送信された超音波信号を受信し電気信号に変換して入出力間の信号伝達特性や共振点近傍の周波数特性など、種々の変化を比較することにより、積層構造体を備える超電導線内部で発生する層間剥離をはじめとする機械的欠損の位置と大きさを検出する機械的欠損検出方法であることを特徴とする。【０００７】また、少なくとも安定化層、保護層、超電導層、中間層、金属基板で構成された積層構造体を備える超電導線の表面と対向するように送信用ＡＥセンサーを配置し、受信用ＡＥセンサーを裏面と対向するように配置することが、前記超電導線内部の機械的欠損の有無を検出する点で好ましい。なお、本明細書において「表面」とは、積層構造体の形成する２つの面のうち、金属基板を基準に超電導層側の面をいい、他方を「裏面」という。【０００８】また、送信用ＡＥセンサーから超音波信号を送信し、少なくとも安定化層、保護層、超電導層、中間層、金属基板で構成された積層構造体を備える超電導線を前記送信用ＡＥセンサーとともに挟むように１個あるいは複数個の受信用ＡＥセンサーを配置することが、前記超電導線内部の機械的欠損の位置と大きさを検出する点で好ましい。なお、本明細書において「超電導線を挟むように」とは、前記超電導線の表面に配置したＡＥセンサーから送信された超音波信号のうち、前記超電導線を構成するすべての層を透過する超音波信号を裏面に配置したＡＥセンサーで受信可能な位置関係を意味する。【０００９】また、本発明は、少なくとも安定化層、保護層、超電導層、中間層、金属基板で構成された積層構造体を備える超電導線内部で発生する機械的欠損の位置と大きさを測定するための機械的欠損検出装置であって、前記超電導線に向けて超音波信号を送信する送信用ＡＥセンサーと前記送信用ＡＥセンサーから送信された超音波信号のうち前記超電導線により反射または前記超電導線を透過する信号成分を受信する受信用ＡＥセンサーを備える超電導線の機械的欠損検出装置であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】本発明によれば、積層構造体を備える超電導線の機械的欠損を室温環境下において非破壊で検出でき、前記超電導線の製造過程に利用可能な欠陥検出方法および機械的欠損検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の積層構造体を備える超電導線の表面に配置した送信用ＡＥセンサーに対して受信用ＡＥセンサーを表面と裏面に分散配置する方法による機械的欠損検出方法の概念図である。
【図２】本発明の送信用ＡＥセンサーと受信用ＡＥセンサーとを超電導線を挟むように対向配置する方法による機械的欠損検出方法の概念図である。
【図３】本発明の送信用ＡＥセンサーと受信用ＡＥセンサーを分散配置させた場合の機械的欠損の位置と大きさを検出する方法の説明図である。
【図４】本発明の送信用ＡＥセンサーと受信用ＡＥセンサーを対向配置させた場合の機械的欠損の位置と大きさを検出する方法の説明図である。
【図５】送信用ＡＥセンサーと受信用ＡＥセンサーを分散配置させて送信用ＡＥセンサーと表面に設置した受信用ＡＥセンサーの信号伝達特性から層間剥離の有無を検出した測定結果の例である。
【図６】送信用ＡＥセンサーと受信用ＡＥセンサーを分散配置させて送信用ＡＥセンサーと裏面に設置した受信用ＡＥセンサーの信号伝達特性から層間剥離の有無を検出した測定結果の例である。
【図７】送信用ＡＥセンサーと受信用ＡＥセンサーを対向配置させてＡＥセンサーの位置を固定し超電導線をスライドさせ、信号伝達特性から層間剥離の位置と大きさを検出した測定結果の例である。
【図８】送信用ＡＥセンサーと受信用ＡＥセンサーを対向配置させてＡＥセンサーの位置を固定し２枚重ねの超電導線をスライドさせ、信号伝達特性から受信用ＡＥセンサー側の超電導線の層間剥離の位置と大きさを検出した測定結果の例である。
【図９】送信用ＡＥセンサーと受信用ＡＥセンサーを対向配置させてＡＥセンサーの位置を固定し２枚重ねの超電導線をスライドさせ、信号伝達特性から送信用ＡＥセンサー側の超電導線の層間剥離の位置と大きさを検出した測定結果の例である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】本発明において、送信用ＡＥセンサーにより積層構造体を備える超電導線内を伝搬した超音波信号は、その伝搬経路に層間剥離をはじめとする機械的欠損が存在するときは受信用ＡＥセンサーの受信信号の振幅や周波数の変化として測定され、機械的欠損の無い健全な状態の超電導線の入出力間の信号伝達特性や共振点近傍の周波数特性を比較することで超電導線内部で発生する機械的欠損を検出することができる。
【００１３】本発明の機械的欠損の検出方法は、ＡＥセンサーの取り付け位置に起因し２つの方法があり、積層構造体を備える超電導線の表面に設置した送信用ＡＥセンサーに対して受信用ＡＥセンサーを表面と裏面に分散配置する方法（図１）と、送信用ＡＥセンサーと受信用ＡＥセンサーとを超電導線を挟むように対向配置する方法（図２）である。
【００１４】ＡＥセンサーを分散配置する場合は、図３に示すように送信用ＡＥセンサーに対して、受信用ＡＥセンサーを表面と裏面に数か所配置し、入出力間の信号伝達特性や共振点近傍の周波数特性に変化が現れる受信用ＡＥセンサーの設置位置から機械的欠損の位置と大きさを検出する。
【００１５】ＡＥセンサーを対向配置する場合は、図４に示すように１対の送受信用ＡＥセンサーを積層構造体を備える超電導線を挟むように配置する。機械的欠損の検出方法は、ＡＥセンサーの位置を固定し超電導線をＡＥセンサー間にスライドさせる方法、または超電導線の位置を固定し１対のＡＥセンサーを移動させる方法により、入出力間の信号伝達特性や共振点近傍の周波数特性に変化が現れる超電導線の位置あるいは１対のＡＥセンサーの位置から機械的欠損の位置と大きさを検出する。
【実施例】
【００１６】（機械的欠損検出装置）
本実施例で使用した機械的欠損検出装置は、少なくとも安定化層、保護層、超電導層、中間層、金属基板で構成された積層構造体を備える超電導線に向けて超音波信号を送信する送信用ＡＥセンサー（富士セラミックス製ＰＺＴ系圧電セラミック素子）と前記送信用ＡＥセンサーから送信された超音波信号のうち前記超電導線により反射または前記超電導線を透過する信号成分を受信する受信用ＡＥセンサー（富士セラミックス製ＰＺＴ系圧電セラミック素子）を備える超電導線の機械的欠損検出装置である。【００１７】（機械的欠損検出方法）
本実施例で使用した積層構造体を備えるＲＥ系高温超電導線は、フジクラ製の幅１０ｍｍ、厚み０．２ｍｍ、加熱時の推奨温度は２００℃以下、長さ３０ｃｍのＧｄＢＣＯ線の短尺試料である。【００１８】積層構造体を備える超電導線に発生する機械的欠損は超電導線に引張や曲げなど機械的ひずみが印加される場合でも発生するが、本実施例では機械的欠損を層間剥離に焦点を絞り行った。層間剥離はエポキシ樹脂で含浸したＲＥ系高温超電導線を使用した超電導コイルを冷却した際に、エポキシ樹脂とＲＥ系高温超電導線の線膨張率の違いから発生すると考えられているが、本実施例では、剥離箇所を特定し検出方法の再現性を保つために温度調整機能付き半田小手（ＨＡＫＫＯ９３７）を用いてＧｄＢＣＯ線短尺試料の一部分を加熱（２１０‐２３０℃）し層間剥離させる手法を用いた。加熱点の最終到達温度は、２１０℃から１０℃刻みで２３０℃まで加熱した。このときの加熱時間は２分間である。加熱点の温度は、加熱点から１ｃｍ間隔に貼った２つの熱電対（理化工業製ＳＴ‐５１型温度センサーＳＴ‐５１‐１００‐Ｃ）の温度測定結果を基にして、定常状態で一様材料の条件下で１次元熱伝導方程式を考慮して求めた。【００１９】室温中で任意波形発生装置（テクトロニクス製ＡＦＧ３０２２Ｂ）によりパルス幅１μｓの方形波電圧信号を２ｍｓ間隔で送信用ＡＥセンサーに入力して超音波を発生させ、入力信号は任意波形発生装置の出力端子から２分岐ＢＮＣコネクタを用いて分岐し、一方をメモリハイコーダ（日置製８８６１‐５０）に、他方を送信用ＡＥセンサーに同軸ケーブルを用いて接続した。受信用ＡＥセンサーで超音波を受信し変換された電気信号は、プリアンプ（ＮＦ回路設計ブロック製ＡＥ９１２）で４０ｄＢに増幅後、ディスクリミネータ（ＮＦ回路設計ブロック製ＡＥ９２２）を経由してメモリハイコーダ（日置製８８６１‐５０）で測定した。サンプリング周波数１０ＭＨｚで測定した送受信信号は、それぞれ方形窓の窓関数を用いて２ｍｓの間隔でＦＦＴ処理した送信信号のリニアスペクトルおよび受信信号のリニアスペクトルをそれぞれ平均化処理し両者の比をとり、受信信号をプリアンプで４０ｄＢに増幅していることから、その比を１００分の１にした値を求めることで信号伝達特性を評価した。なお、リニアスペクトルの周波数分解能は０．５ｋＨｚである。【００２０】加熱前後での信号伝達特性の変化を比較し、ＧｄＢＣＯ線短尺試料の機械的欠損を検出した。
【実施例１】
【００２１】実施例１で使用したＡＥセンサーは富士セラミックス製のＰＺＴ系圧電セラミック素子であり、直径１０ｍｍ、厚さ２ｍｍである。ＦＦＴ処理した送信信号のリニアスペクトルおよび受信信号のリニアスペクトルの平均化処理回数は５０回である。図５および図６は、送受信用のＡＥセンサーを図１に示すように分散配置したときの加熱処理温度に対する信号伝達特性の共振点近傍の変化の測定結果である。図５は表面に配置した受信用ＡＥセンサーによる信号伝達特性、図６は裏面に配置した受信用ＡＥセンサーによる信号伝達特性である。このとき、送受信用ＡＥセンサー間距離は１５ｃｍであり、送信用ＡＥセンサーには波高値３Ｖの電圧信号を入力した。図５および図６の結果より、加熱到達温度が２２０℃までは入出力間の信号伝達特性に顕著な変化がみられなかったが、２３０℃まで加熱したとき、共振周波数近傍の１９０ｋＨｚ近傍の信号伝達特性の減衰が加熱前と比較し６０％程度に低下した。以上の結果から加熱による層間剥離の検出を超音波信号の伝達特性の変化として確認された。
【実施例２】
【００２２】実施例２で使用したＡＥセンサーは富士セラミックス製のＰＺＴ系圧電セラミック素子であり、直径５ｍｍ、厚さ２ｍｍである。ＦＦＴ処理した送信信号のリニアスペクトルおよび受信信号のリニアスペクトルの平均化処理回数は５０回である。図７は、送受信用のＡＥセンサーを図２のように対向配置させ、ＡＥセンサーの位置を固定し、図４に示すようにＧｄＢＣＯ線短尺試料を長手方向に２．５ｍｍ間隔でスライドさせたときの信号伝達特性の測定結果である。送信用ＡＥセンサーには波高値３０ｍＶの電圧信号を入力した。図７の結果は、加熱前後で測定した周波数特性のうち第１ピーク周波数での信号強度を比較した結果であり、加熱点付近では加熱前と比較して信号伝達特性の減衰が生じることが確認できた。なお、第１ピーク周波数は測定位置により２〜６ｋＨｚ程度ずれる状態であった。以上の結果から加熱による層間剥離の位置と大きさの検出を超音波信号の伝達特性の変化として確認された。
【実施例３】
【００２３】実施例３で使用したＡＥセンサーは富士セラミックス製のＰＺＴ系圧電セラミック素子であり、直径５ｍｍ、厚さ２ｍｍである。ＦＦＴ処理した送信信号のリニアスペクトルおよび受信信号のリニアスペクトルの平均化処理回数は３０回である。図８および図９は超電導コイル巻線を想定し，健全なＧｄＢＣＯ線短尺試料と層間剥離させたＧｄＢＣＯ線短尺試料を２枚重ねて実施例２と同様に送受信用のＡＥセンサーを図２のように対向配置させ，ＡＥセンサーの位置を固定し，図４に示すようにＧｄＢＣＯ線短尺試料を長手方向に２．５ｍｍ間隔でスライドさせたときの信号伝達特性の測定結果である。送信用ＡＥセンサーには波高値３０ｍＶの電圧信号を入力した。図８および図９に示す結果から，ＧｄＢＣＯ線を２枚重ねた場合においても加熱点付近では加熱前と比較して信号伝達特性の減衰が生じることが確認できた。以上の結果から加熱による層間剥離の位置と大きさの検出をＧｄＢＣＯ線を２枚重ねた場合においても超音波信号の伝達特性の変化として確認された。【００２４】以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、開示された実施例はすべての点で例示であって、本発明は実施例に何ら限定されたものではない。また、本発明の範囲は、上記実施例に限らず積層構造体を備える超電導線をコイル状に巻いた状態においても適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２５】通常、ＲＥ系高温超電導線を購入する際、超電導線の外見上の幅や厚みなどに対する測定結果や超電導線長さ方向に対する臨界電流値の分布に関する測定データが検査報告書として添付される。現状では、積層構造の内部の均一性や機械的欠損の有無を測定する手段はないため、機械的な特性に関しては外見上の寸法の測定結果を示すことしかできない。本発明は積層構造体内部の機械的欠損の状態を検出する手法を提供するものであり、超電導線メーカーであれば、超電導線の製造ラインに本発明による欠陥検出装置を導入でき、出荷前の超電導線について従来のデータに加え、室温環境下で測定した機械的欠損の状態を示すデータを新たに検査報告書に加えることができ、品質管理と信頼性担保につながる検査結果を提供できる技術に利用可能である。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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