JP2860429B2 - 超電導体の特性測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、超電導体、とくに、第２種の超電導体と呼
ばれるものの特性測定装置に関する。

＜従来の技術＞ 超電導体には、主として純金属が属する第１種超電導
体と、合金類や無機化合物、非血質合金、有機化合物が
属する第２種超電導体とが知られている。

第１種の超電導体は、臨界磁場に達するまで、完全反
磁性と超電導状態とを示すのに対して、第２種の超電導
体は、下部臨海磁場までは完全反磁性を示すが、下部臨
界磁場と上部臨界磁場との間では、部分的に磁場の侵入
を許しつつ超電導電流を運び得る状態、すなわち、超電
導と常電導とが混在する状態を呈する。

そして、第２種の超電導体が、超電導と常電導との混
在状態にあるときには、その超電導体を貫通する磁束に
より、一種の摩擦力が生じることが知られている。これ
は［フィッシング効果」とも呼ばれ、たとえば、磁石の
上に浮上している超電導体が、超電導と常電導との混在
状態にある場合、磁石と上下位置を反転し、超電導体を
磁石の下側に位置させても、超電導体は磁石に対して宙
づりになった状態を維持され、落下しない、という現象
が起こる。

上記のように、超電導と常電導との混在状態にある第
２種の超電導体には、磁場に対して一種の摩擦力が生じ
るから、このような超電導体を軸受のような機械部品に
用いた場合、前記の摩擦力がその機械部品の動作に対し
て抵抗となるはずである。

そのため、第２種の超電導体については、超電導と常
電導との混在状態の範囲や、混在状態で生じる抵抗の大
きさを測定しておく必要がある。

＜発明が解決しようとする課題＞ しかしながら、従来は、第２種の超電導体について、
超電導と常電導との混在状態やフィッシング効果の存在
が知られている程度で、前記混在状態の範囲や、超電導
体に侵入した磁束による機械的な抵抗を定量的に測定す
る方法や装置まで考えられるに至っていない。

なお、超電導体の帯磁率を測定することで、超電導と
常電導との混在状態を検出することができるが、この方
法では、磁石に対する反発力や、超電導体に侵入した磁
束による抵抗等の機械的な力の測定は行えない。

本発明は上記の事情に鑑みて行ったもので、第２種の
超電導体について、超電導と常電導との混在状態の範囲
や、その混在状態での機械的な抵抗の大きさを測定しう
るようにすることを目的とする。

＜課題を解決するための手段＞ 本発明は、上記の目的を達成するために、請求項
（１）の発明においては、超電導体の特性測定装置を、
超電導体試料を保持する第１保持手段と、前記超電導体
試料と対向する位置に磁石を保持する第２保持手段と、
前記第１もしくは第２の保持手段を、前記超電導体試料
と磁石とが対向する方向と一致する回転軸方向において
回転可能に支持する支持手段と、前記第１もしくは第２
の保持手段を回転させる回転駆動手段と、前記回転駆動
手段により回転される前記第１もしくは第２保持手段の
回転量を検出する回転量検出手段とからなる構成とし
た。

請求項（２）の発明においては、請求項（１）の超電
導体の特性測定装置において、前記第２保持手段が、垂
直方向に配置され、磁石を下端面に取り付けたスピンド
ルであり、前記支持手段が、前記スピルドルを非接触で
ラジアル方向及びアキシャル方向において支持する静圧
支持機構であり、前記回転駆動手段が、前記スピンドル
の回転駆動機構であり、前記回転量検出手段が、前記ス
ピルドルの回転量検出機構であり、前記第１保持手段
が、前記磁石に対向するように超電導体試料を保持する
試料ホルダであり、かつ、前記超電導体試料を冷却する
冷却装置が備えられてなる構成とした。

＜作用＞ 請求項（１）の発明によれば、回転駆動手段により第
１と第２保持手段とが超伝導体試料と磁石とが対向する
状態において相対的に回転され、その回転駆動を停止し
た時点から回転が停止するまでの第１もしくは第２保持
手段の回転量が回転量検出手段により検出され、これに
より、超電導体への磁束侵入に基づく回転抵抗、さらに
は、超電導と常電導との混在状態の範囲が判明する。

請求項（２）の発明によれば、回転駆動機構により超
電導体試料と磁石とが対向する状態においてスピンドル
が回転され、その回転駆動を停止した時点から回転が停
止するまでのスピンドルの回転量が回転量検出機構によ
り検出され、これにより、超電導体への磁束侵入に基づ
く回転抵抗、さらには、超電導と常電導との混在状態の
範囲が判明する。

また、スピンドルはラジアル方向及びアキシャル方向
において静圧支持機構に支持されて設けられているの
で、回転がスムーズに安定して行われ、スピンドルの回
転量検出が精度良く行われる。

＜実施例＞ 以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説
明する。

第１図は本発明の一実施例に係る超電導体の特性測定
装置を示す断面図、第２図はその一部拡大断面図であ
る。

これらの図において、符号１はアクリル板等により構
成される下方が開放する外装体であり、その内部スペー
スは仕切板２により上下に仕切られている。そして、そ
の仕切板２により仕切られる下部スペース３内に、高さ
調整リフト５上に載置されて冷却装置としての冷却槽６
が設けられ、その冷却槽６内の中央に上方に突出して試
料ホルダー（第１保持手段）７が設けられている。試料
のホルダ７は上面が凹み上に形成され、その部分に超電
導体試料８が載置されている。この超電導体試料８は、
上記仕切板２の中央開口４に相対するように位置する。
10は液体窒素導入パイプであり、外装体１の外部におい
て供給される液体窒素を冷却層６内に導くように設けら
れている。

仕切板２により仕切られる上部スペース11内には、仕
切板２上に載置されて磁石回転体12が設けられている。
磁石回転体12は、垂直方向に配置されるスピンドル［第
２保持手段］13と、そのスピンドル13を非接触で支持す
る静圧支持機構（支持手段）14とからなる。スピンドル
13は非磁性材で構成され、その下端部に永久磁石15が接
着剤により取り付けられている。また、スピンドル13の
中央部の周面にはタービン部16が凹設され、さらに上端
部にはスピンドル12径より大きい円板17が一体に固着さ
れていて、その円板17の上面には偏心位置に回転量検出
のためのマークが付設されている。

静圧支持機構14はフレーム18内に上記スピンドル12を
軸支持する軸支持孔19が形成されて構成されている。フ
レーム18は外周フレーム18aと内周フレーム18bとからな
り、外周フレーム18aには周面の上部と略中間高さ位置
に２個の軸受用窒素ガスの導入口21が設けられるととも
に、内部にその導入口21に連続する導入基部流路22それ
ぞれが設けられ、さらにその導入基部流路22からは内周
フレーム18b側へ接続流路23のそれぞれが延出してい
る。また、上記外周フレーム18aの周面の上記と異なる
位置には上部から下部にかけて４個の軸受用窒素ガスの
排出口25が設けられ、それらの排出口25からは内周フレ
ーム18b側へ接続流路26が延出している。さらに、外周
フレーム18aの上記と異なる周面位置で、上記の上から
３個目と４個目の排出口25の間の位置には、タービン駆
動用窒素ガスの導入口27が設けられ、この導入口27から
も内周フレーム18b側に接続流路28が延出している。上
記の導入口21,27のそれぞれには窒素ガスポンプ29a,29b
が接続される。上記ポンプ29bが回転駆動機構［回転駆
動手段］を構成する。

内周フレーム18bには、上記外周フレーム18aの接続流
路23のそれぞれに接続される軸受け用窒素ガスの導入路
30と、接続流路26のそれぞれに接続される軸受用窒素ガ
スの排出路31と、接続流路28に接続される駆動用窒素ガ
スの導入路32とが設けられている。そして、内周フレー
ム18bの内周の上記最上の排出口31に相対する位置に、
上記スピンドル13の円板17が遊嵌される環状凹部33が形
成され、その環状凹部33の相対する下向面33aとを上向
面33bとに上下に位置する導入路30の端部が開口してい
る。上記のようにスピンドル13が設けられる状態におい
て、導入路28がタービン部16に相対するように位置し、
またスピンドル13の下端部は上記仕切り板２の開口４を
挿通して、その下端面に取り付けられた永久磁石15が超
電導体試料８に丁度相対する位置となっている。

40は反射光センサであり、静圧支持機構14の上端面か
ら嵌入され、そのセンサ40端はスピンドル13の回転に際
して円板17のマークに相対可能なように位置している。
反射光センサ40には回転計41が接続されている。上記の
反射光センサ40と回転計41とにより回転量検出機構［回
転量検出手段］が構成される。

磁石回転体12は上記のように構成されることにより、
内部にスピンドル13と内周フレーム18bとからなる非接
触の静圧軸受構造が形成される。すなわち、一方におい
て、ポンプ29aが作動されて窒素ガスが導入路30を介し
て軸支持孔19内に送り込まれると、下部の導入基部流路
22に対応する導入路30から送り込まれる窒素ガスにより
内周フレーム18b内周面とスピンドル13外周面との間に
形成される流体膜によって、スピンドル13のラジアル方
向における支持が内周フレーム18b内周面に接触するこ
となく行われ、他方において、上部の導入基部流路22に
対応する導入路30から窒素ガスが送り込まれると、環状
凹部33の下向き面33aと上向き面33bとそれらに相対する
円板17面との間に形成される流体膜により、スピンドル
13のアキシャル方向の支持が内周フレーム18b面に接触
することなく行われる。

次に、上記特性測定装置の回転抵抗に基づく回転量の
測定動作について説明する。

まず、あらかじめポンプ29aを作動させる状態におい
て、ポンプ29bを作動することによりタービン部16に窒
素ガスを吹き付け、一定時間、スピンドル13を自転する
よう駆動したのち、その駆動を停止する。

ここで、超電導体試料８が完全反磁性を示しているの
であれば、超電導体試料８やスピンドル13に対しては回
転抵抗が作用せず、スピンドル13は長時間回転し続ける
が、超電導体試料８が前記した混在状態にあれば、超電
導体試料８に侵入した磁束により、スピンドル13には相
対的に回転抵抗が作用し、短時間のうちに回転が停止す
る。したがって、回転駆動を止めてからスピンドル13の
回転が自動停止するまでにおける反射センサ40からの円
板17上のマークの検知信号を回転計41により計測するこ
とにより停止までの回転量が判明し、これにより、時定
数が計算できる。そして、時定数が大の場合は回転抵抗
小、時定数が小の場合は回転抵抗大というように、超電
導体試料８に作用する回転抵抗の大きさが分かり、ま
た、この回転抵抗に関連する超電導と常電導との混在状
態の範囲の知ることが可能となる。

上記の実施例においては、超電導体試料を固定して磁
石側を回転させる構成としたが、磁石側を固定して超電
導体側を回転させる構成としてもよい。磁石側を固定す
る場合は、磁石としては電磁石を用いてもよい。

さらに、非接触の軸受構造は、磁気軸受により構成し
てもよい。

さらに、回転量検出手段は、回転駆動停止からスピン
ドルの回転停止までの時間を検出する構成としてもよ
い。

＜発明の効果＞ 以上のように、請求項（１）の発明によれば、第１も
しくは第２保持手段の回転量を検出することにより、磁
石に対する第２種超電導体の回転抵抗及び超電導と常電
導との混在状態の範囲を容易に知ることが可能となる。

さらに、請求項（２）の発明によれば、スピンドルは
ラジアル方向及びアキシャル方向において静圧支持機構
に支持されて設けられているので、回転がスムーズに安
定して行われ、スピンドルの回転量検出が精度良く行わ
れるようになる。くわえて、下面に磁石を取り付けたス
ピンドルを垂直方向に設け、そのスピンドルの下部に試
料ホルダ、さらには冷却装置が設けられる構成としたの
で、全体が縦型にコンパクトに構成される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超電導体の特性測定装置の全体構成を
示す断面図、第２図は一部拡大断面図である。 ６……冷却層（冷却装置）、 ７……試料ホルダ（第１保持手段）、 ８……超電導体試料、 13……スピンドル（第２保持手段）、 14……静圧支持機構（支持手段）、 15……磁石、 29b……窒素ガスポンプ（回転駆動機構、回転駆動手
段）、 40……反射光センサ（回転量検出機構、回転量検出手
段）、 41……回転計（回転量検出機構、回転量検出手段）

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超電導体試料を保持する第１保持手段と、
   前記超電導体試料と対向する位置に磁石を保持する第２
   保持手段と、 前記第１もしくは第２の保持手段を、前記超電導体試料
   と磁石とが対向する方向と一致する回転軸方向において
   回転可能に支持する支持手段と、 前記第１もしくは第２の保持手段を回転させる回転駆動
   手段と、 前記回転駆動手段により回転される前記第１もしくは第
   ２保持手段の回転量を検出する回転量検出手段と、 からなる超電導体の特性測定装置。
2. 【請求項２】請求項（１）の超電導体の特性測定装置に
   おいて、 前記第２保持手段が、垂直方向に配置され、磁石を下端
   面に取り付けたスピンドルであり、 前記支持手段が、前記スピルドルを非接触でラジアル方
   向及びアキシャル方向において支持する静圧支持機構で
   あり、 前記回転駆動手段が、前記スピンドルの回転駆動機構で
   あり、 前記回転量検出手段が、前記スピルドルの回転量検出機
   構であり、 前記第１保持手段が、前記磁石に対向するように超電導
   体試料を保持する試料ホルダであり、 かつ、前記超電導体試料を冷却する冷却装置が備えられ
   てなる超電導体の特性測定装置。