JP6605942B2 - 超電導線材の接続構造及び超電導線材の接続方法 - Google Patents
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Description
本発明は、超電導線材の接続構造及び超電導線材の接続方法に関する。
近年、臨界温度（Tc）が液体窒素温度(約77Ｋ）よりも高い酸化物超電導体として、例えば、YBCO系（イットリウム系）の高温酸化物超電導体が注目されている。
この高温酸化物超電導線材は、長尺でフレキシブルな金属などの基板上に酸化物超電導膜を堆積したり、単結晶基板上に酸化物超電導膜を堆積したりして超電導導体層が形成されたものが知られている。
この高温酸化物超電導線材は、長尺でフレキシブルな金属などの基板上に酸化物超電導膜を堆積したり、単結晶基板上に酸化物超電導膜を堆積したりして超電導導体層が形成されたものが知られている。
上記超電導線材は、ＭＲＩ(magnetic resonance imaging)のコイルの巻き線や電力ケーブルとしての適用等が検討されており、長尺な超電導線材の要求が高まっている。
しかしながら、一本の連続した超電導線材の長さには製造上の限界があるので、超電導線材同士を接続する必要がある。
しかしながら、一本の連続した超電導線材の長さには製造上の限界があるので、超電導線材同士を接続する必要がある。
超電導線材同士を接続する方法としては、一方の超電導線材の接続端部において露出した超電導導体層と、他方の超電導線材の接続端部において露出した超電導導体層とを向かい合わせの状態で配置し、その間にＭＯＤ法(Metal Organic Deposition法/有機金属堆積法)により形成した超電導接合層を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、特許文献１の接続構造は、一方の超電導線材の超電導導体層と他方の超電導線材の超電導導体層との間に介在するＭＯＤ法より形成された超電導接合層が超電導線材同士を連結しており、超電導接合層そのものは強度が低いので、超電導線材に外力が加わると、超電導接合層から分離してしまうおそれがあった。
本発明の目的は、接続強度が高い超電導線材の接続構造及び接続方法を提供することである。
請求項１記載の発明は、超電導線材の接続構造において、
基材の片面側に中間層、超電導導体層及び金属保護層が順番に重ねて形成された第一と第二の超電導線材が、前記金属保護層側を向かい合わせた状態で互いの接続端部を重合させて接続されている接続構造であって、
前記第一の超電導線材の接続端部と前記第二の超電導線材の接続端部の重合範囲内における、前記第一の超電導線材の前記超電導導体層と前記第二の超電導線材の前記超電導導体層との間には、前記第一の超電導線材の超電導導体層と前記第二の超電導線材の超電導導体層とに直接的に接触した状態で接合された、超電導接続を行う接続用超電導導体層と、前記第一の超電導線材の前記金属保護層と前記第二の超電導線材の前記金属保護層とが接合された接続金属保護層とが介在することを特徴とする。
基材の片面側に中間層、超電導導体層及び金属保護層が順番に重ねて形成された第一と第二の超電導線材が、前記金属保護層側を向かい合わせた状態で互いの接続端部を重合させて接続されている接続構造であって、
前記第一の超電導線材の接続端部と前記第二の超電導線材の接続端部の重合範囲内における、前記第一の超電導線材の前記超電導導体層と前記第二の超電導線材の前記超電導導体層との間には、前記第一の超電導線材の超電導導体層と前記第二の超電導線材の超電導導体層とに直接的に接触した状態で接合された、超電導接続を行う接続用超電導導体層と、前記第一の超電導線材の前記金属保護層と前記第二の超電導線材の前記金属保護層とが接合された接続金属保護層とが介在することを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の超電導線材の接続構造において、
前記金属保護層は、Ａｇ，Ａｕ又はＣｕの内の少なくとも一つを含むことを特徴とする。
前記金属保護層は、Ａｇ，Ａｕ又はＣｕの内の少なくとも一つを含むことを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の超電導線材の接続構造において、
前記第一の超電導線材の接続端部と前記第二の超電導線材の接続端部の重合範囲内における、前記第一の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層と前記第二の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層の間には、
前記接続金属保護層が複数設けられていることを特徴とする。
前記第一の超電導線材の接続端部と前記第二の超電導線材の接続端部の重合範囲内における、前記第一の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層と前記第二の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層の間には、
前記接続金属保護層が複数設けられていることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の超電導線材の接続構造において、
前記第一の超電導線材の接続端部と前記第二の超電導線材の接続端部の重合範囲内における、前記第一の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層と前記第二の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層の間には、
前記接続金属保護層が前記第一と第二の超電導線材の幅方向に沿って形成されていることを特徴とする。
前記第一の超電導線材の接続端部と前記第二の超電導線材の接続端部の重合範囲内における、前記第一の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層と前記第二の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層の間には、
前記接続金属保護層が前記第一と第二の超電導線材の幅方向に沿って形成されていることを特徴とする。
請求項５記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の超電導線材の接続構造において、
前記第一の超電導線材の接続端部と前記第二の超電導線材の接続端部の重合範囲内における、前記第一の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層と前記第二の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層の間には、
前記接続金属保護層が前記第一と第二の超電導線材の長手方向に沿って形成されていることを特徴とする。
前記第一の超電導線材の接続端部と前記第二の超電導線材の接続端部の重合範囲内における、前記第一の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層と前記第二の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層の間には、
前記接続金属保護層が前記第一と第二の超電導線材の長手方向に沿って形成されていることを特徴とする。
請求項６記載の発明は、請求項１から５のいずれか一項に記載の超電導線材の接続構造において、
前記接続用超電導導体層は、その周囲の一部を除いて前記接続金属保護層に囲まれていることを特徴とする。
前記接続用超電導導体層は、その周囲の一部を除いて前記接続金属保護層に囲まれていることを特徴とする。
請求項７記載の発明は、請求項１から６のいずれか一項に記載の超電導線材の接続構造を形成する超電導線材の接続方法であって、
前記第一の超電導線材の接続端部と前記第二の超電導線材の接続端部の重合範囲内における、前記第一の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層と前記第二の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層の間に、
前記接続用超電導導体層を形成し、
前記第一の超電導線材の前記金属保護層と前記第二の超電導線材の前記金属保護層とを一体的に接合して前記接続金属保護層を形成することを特徴とする。
前記第一の超電導線材の接続端部と前記第二の超電導線材の接続端部の重合範囲内における、前記第一の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層と前記第二の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層の間に、
前記接続用超電導導体層を形成し、
前記第一の超電導線材の前記金属保護層と前記第二の超電導線材の前記金属保護層とを一体的に接合して前記接続金属保護層を形成することを特徴とする。
請求項８記載の発明は、請求項７記載の超電導線材の接続方法であって、
前記接続用超電導導体層は、有機金属堆積法により形成することを特徴とする。
前記接続用超電導導体層は、有機金属堆積法により形成することを特徴とする。
本発明は、第一の超電導線材の接続端部と第二の超電導線材の接続端部の重合範囲内における、第一の超電導線材の超電導導体層と第二の超電導線材の超電導導体層との間に、接続用超電導導体層と接続金属保護層とが介在するので、接続用超電導導体層により第一の超電導線材と第二の超電導線材の超電導接続を図ると共に、第一の超電導線材の接続端部と第二の超電導線材の接続端部の重合範囲において、接続金属保護層が線材の接合強度の強化を図り、従来のように、超電導導体層により接合されている場合に比べて第一の超電導線材と第二の超電導線材の接合強度の飛躍的な向上を図ることが可能である。
[第一の実施形態]
以下に、本発明を実施するための好ましい第一の実施の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付し、重複した説明を適宜省略する。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
以下に、本発明を実施するための好ましい第一の実施の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付し、重複した説明を適宜省略する。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
［超電導線材］
図１は、本発明の第１実施形態に係る超電導線材の斜視図である。
図１に示すように、超電導線材１０は、超電導成膜用基材１（以下、「基材１」とする）の厚み方向の一方の主面（以下、成膜面１１という）に、中間層２及び酸化物超電導導体層３、金属保護層４がこの順に積層されており、さらに、基材１の主面とは逆側の面にも金属保護層４ａが形成されている。即ち、超電導線材１０は、金属保護層４、基材１、中間層２、酸化物超電導導体層３（以下、「超電導導体層３」とする）、金属保護層４ａによる積層構造を有しており、さらに、この積層構造の周囲を被覆する銅安定化層５（安定化層）を有している。
図１は、本発明の第１実施形態に係る超電導線材の斜視図である。
図１に示すように、超電導線材１０は、超電導成膜用基材１（以下、「基材１」とする）の厚み方向の一方の主面（以下、成膜面１１という）に、中間層２及び酸化物超電導導体層３、金属保護層４がこの順に積層されており、さらに、基材１の主面とは逆側の面にも金属保護層４ａが形成されている。即ち、超電導線材１０は、金属保護層４、基材１、中間層２、酸化物超電導導体層３（以下、「超電導導体層３」とする）、金属保護層４ａによる積層構造を有しており、さらに、この積層構造の周囲を被覆する銅安定化層５（安定化層）を有している。
基材１は、テープ状の低磁性の金属基板やセラミックス基板が用いられる。金属基板の材料としては、例えば、強度及び耐熱性に優れた、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ａｇ等の金属又はこれらの合金が用いられる。特に、耐食性及び耐熱性が優れているという観点からハステロイ（登録商標）、インコネル（登録商標）等のＮｉ基合金、またはステンレス鋼等のＦｅ基合金を用いることが好ましい。
また、これら各種金属材料上に各種セラミックスを配してもよい。また、セラミックス基板の材料としては、例えば、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ３、又はイットリウム安定化ジルコニア等が用いられる。その他にも、サファイアを基材として用いてもよい。
基材１の厚さは50μm程度である（なお、厚さの数値は一例でありこれに限定されない。超電導線材１０の他の各層の厚さについても同様である）。
また、これら各種金属材料上に各種セラミックスを配してもよい。また、セラミックス基板の材料としては、例えば、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ３、又はイットリウム安定化ジルコニア等が用いられる。その他にも、サファイアを基材として用いてもよい。
基材１の厚さは50μm程度である（なお、厚さの数値は一例でありこれに限定されない。超電導線材１０の他の各層の厚さについても同様である）。
成膜面１１は、略平滑な面とされており、例えば成膜面１１の表面粗さが10nm以下とされていることが好ましい。
なお、表面粗さとは、JISB-0601-2001において規定する表面粗さパラメータの「高さ方向の振幅平均パラメータ」における算術平均粗さＲａである。
なお、表面粗さとは、JISB-0601-2001において規定する表面粗さパラメータの「高さ方向の振幅平均パラメータ」における算術平均粗さＲａである。
中間層２は、超電導導体層３において例えば高い２軸配向性を実現するための層である。このような中間層２は、例えば、熱膨張率や格子定数等の物理的な特性値が基材１と超電導導体層３を構成する超電導体との中間的な値を示す。
また、中間層２は、単層構造であってもよく、多層構造であってもよい。多層構造の場合、その層数や種類は限定されないが、非晶質のＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７−δ（δは酸素不定比量）やＡｌ２Ｏ３或いはＹ２Ｏ３等を含むベッド層と、結晶質のＭｇＯ等を含みＩＢＡＤ（Ion Beam Assisted Deposition）法により成形された強制配向層と、ＬａＭｎＯ３＋δ（δは酸素不定比量）を含むＬＭＯ層と、を順に積層した構成となっていてもよい。また、ＬＭＯ層の上にＣｅＯ2等を含むキャップ層をさらに設けてもよい。
上記各層の厚さは、ＬＭＯ層を３０ｎｍ、強制配向層のＭｇＯ層を４０ｎｍ、ベッド層のＹ２Ｏ３層を７ｎｍ、Ａｌ２Ｏ３層を８０ｎｍとする。
また、中間層２は、単層構造であってもよく、多層構造であってもよい。多層構造の場合、その層数や種類は限定されないが、非晶質のＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７−δ（δは酸素不定比量）やＡｌ２Ｏ３或いはＹ２Ｏ３等を含むベッド層と、結晶質のＭｇＯ等を含みＩＢＡＤ（Ion Beam Assisted Deposition）法により成形された強制配向層と、ＬａＭｎＯ３＋δ（δは酸素不定比量）を含むＬＭＯ層と、を順に積層した構成となっていてもよい。また、ＬＭＯ層の上にＣｅＯ2等を含むキャップ層をさらに設けてもよい。
上記各層の厚さは、ＬＭＯ層を３０ｎｍ、強制配向層のＭｇＯ層を４０ｎｍ、ベッド層のＹ２Ｏ３層を７ｎｍ、Ａｌ２Ｏ３層を８０ｎｍとする。
この中間層２の表面には、超電導導体層３が積層している。超電導導体層３は、酸化物超電導体、特に銅酸化物超電導体を含んでいることが好ましい。銅酸化物超電導体としては、高温超電導体としてのＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ（以下、ＲＥ系超電導体と称す）が好ましい。なお、ＲＥ系超電導体中のＲＥは、Ｙ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，ＹｂやＬｕなどの単一の希土類元素又は複数の希土類元素である。また、δは、酸素不定比量であって、例えば０以上１以下であり、超電導転移温度が高いという観点から０に近いほど好ましい。なお、酸素不定比量は、オートクレーブ等の装置を用いて高圧酸素アニール等を行えば、δは０未満、すなわち、負の値をとることもある。
超電導導体層３の厚さは1μm程度である。
超電導導体層３の厚さは1μm程度である。
上記超電導導体層３の表面（中間層２とは逆側の面）及び基材１の主面１１とは逆側の面には、それぞれ金属保護層４，４ａが積層されている。金属保護層４，４ａは、良導体の金属層であり、Ａｇ，Ａｕ又はＣｕの内の少なくとも一つを含む金属が望ましい。ここでは、金属保護層４，４ａがＡｇである場合を例示する。
超電導導体層３側の金属保護層４は厚さ2μm程度、基材１側の金属保護層４ａは厚さ1.8μm程度であり、基材１側の金属保護層４ａの方が薄く形成されている。
超電導導体層３側の金属保護層４は厚さ2μm程度、基材１側の金属保護層４ａは厚さ1.8μm程度であり、基材１側の金属保護層４ａの方が薄く形成されている。
銅安定化層５は、金属保護層４、基材１、中間層２、超電導導体層３、金属保護層４ａからなる積層体の図１における上下の面及び左右の面を超電導線材１０の全長に渡って被覆するように形成されている。
この銅安定化層５は、上下左右それぞれの厚さが20μm程度で形成される。
この銅安定化層５は銅に限らず、Ａｇからなる銀安定化層としても良い。また、この安定化層は、単層構造であってもよく、多層構造であってもよい。多層構造の場合、その層数や種類は限定されないが、銀からなる銀安定化層と、銅からなる銅安定化層を順に積層した構成となっていてもよい。
この銅安定化層５は、上下左右それぞれの厚さが20μm程度で形成される。
この銅安定化層５は銅に限らず、Ａｇからなる銀安定化層としても良い。また、この安定化層は、単層構造であってもよく、多層構造であってもよい。多層構造の場合、その層数や種類は限定されないが、銀からなる銀安定化層と、銅からなる銅安定化層を順に積層した構成となっていてもよい。
なお、以下の説明では、便宜上、銅安定化層５を除いた、金属保護層４、基材１、中間層２、超電導導体層３、金属保護層４ａからなる積層体を線材本体１０１という。
［超電導線材の接続構造］
本実施形態である超電導線材の接続構造１００は、図２に示すように、第一の超電導線材１０Ａの接続端部と第二の超電導線材１０Ｂの接続端部とを互いに突き合わせた向きとし、第一と第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの接続端部における基材１の主面１１同士を向かい合わせで接続することにより形成されたものである。
本実施形態である超電導線材の接続構造１００は、図２に示すように、第一の超電導線材１０Ａの接続端部と第二の超電導線材１０Ｂの接続端部とを互いに突き合わせた向きとし、第一と第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの接続端部における基材１の主面１１同士を向かい合わせで接続することにより形成されたものである。
第一と第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂは上記超電導線材１０と同一構造であり、各層１〜４については超電導線材１０と同じ符号を使用する。
この接続構造１００では、第一と第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの接続端部は、互いの接合面における銅安定化層５が除去された状態で接続されている。また、図２〜図１１にあっては、基材１の主面１１とは逆側の金属保護層４ａ及び銅安定化層５の図示を省略している。
この接続構造１００では、第一と第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの接続端部は、互いの接合面における銅安定化層５が除去された状態で接続されている。また、図２〜図１１にあっては、基材１の主面１１とは逆側の金属保護層４ａ及び銅安定化層５の図示を省略している。
この接続構造１００では、第一及び第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの接続端部を突き合わせた向きとし、互いの超電導導体層３側の金属保護層４側が向かい合わせられると共に、互いの接続端部が重合した状態で金属保護層４同士が接合されている。即ち、第一の超電導線材１０Ａは基材１の主面１１が上を向き、第二の超電導線材１０Ｂの基材１の主面１１が下を向いた状態で接続されている。
そして、第一の超電導線材１０Ａの接続端部と第二の超電導線材１０Ｂの接続端部の線材長手方向における重合範囲Ｊ内における、第一の超電導線材１０Ａの超電導導体層３と第二の超電導線材１０Ｂの超電導導体層３との間には、第一の超電導線材１０Ａの超電導導体層３と第二の超電導線材１０Ｂの超電導導体層３とに直接的に接触した状態で接合された、超電導接続を行う接続用超電導導体層３１と、第一の超電導線材１０Ａの金属保護層４と第二の超電導線材１０Ｂの金属保護層４とが互いに接合された接続金属保護層４１とが介在している。
上記接続用超電導導体層３１は、図３に示すように、第一及び第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの線材本体１０１の全幅に渡って形成されている。なお、図３では、第一及び第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂが若干ずれた状態で図示しているがこれは第一及び第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの外縁部の位置を分かりやすくするために便宜上ずらしているのであって実際にはズレは生じない。
また、各接続金属保護層４１，４１は、接続用超電導導体層３１に対して線材長手方向Ｌにおける両側に隣接しており、これらの各接続金属保護層４１，４１も線材本体１０１の全幅に渡って形成されている。
上記接続用超電導導体層３１は、図３に示すように、第一及び第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの線材本体１０１の全幅に渡って形成されている。なお、図３では、第一及び第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂが若干ずれた状態で図示しているがこれは第一及び第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの外縁部の位置を分かりやすくするために便宜上ずらしているのであって実際にはズレは生じない。
また、各接続金属保護層４１，４１は、接続用超電導導体層３１に対して線材長手方向Ｌにおける両側に隣接しており、これらの各接続金属保護層４１，４１も線材本体１０１の全幅に渡って形成されている。
［超電導線材の接続方法］
上記超電導線材の接続構造１００を形成する超電導線材の接続方法について図４（Ａ）〜図４（Ｃ）に基づいて説明する。
まず、第一と第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの接続端部の銅安定化層５を除去し、露出した金属保護層４の一部を線材本体１０１の全幅に渡って矩形に除去する。金属保護層４の矩形の除去は、機械的研磨、化学的研磨（例えば、エッチング処理）又はこれらの組み合わせにより行う（除去工程）。
なお、この金属保護層４の矩形の除去は、超電導導体層３が完全に露出する深さまで行われる。
また、露出した超電導導体層３を除去した部分の表面粗さは十分小さくしておくことが望ましい。例えば、その表面粗さ（中心線平均粗さＲａ）は、50nm以下とすることが望ましく、10nm以下とすることがより望ましい。
上記超電導線材の接続構造１００を形成する超電導線材の接続方法について図４（Ａ）〜図４（Ｃ）に基づいて説明する。
まず、第一と第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの接続端部の銅安定化層５を除去し、露出した金属保護層４の一部を線材本体１０１の全幅に渡って矩形に除去する。金属保護層４の矩形の除去は、機械的研磨、化学的研磨（例えば、エッチング処理）又はこれらの組み合わせにより行う（除去工程）。
なお、この金属保護層４の矩形の除去は、超電導導体層３が完全に露出する深さまで行われる。
また、露出した超電導導体層３を除去した部分の表面粗さは十分小さくしておくことが望ましい。例えば、その表面粗さ（中心線平均粗さＲａ）は、50nm以下とすることが望ましく、10nm以下とすることがより望ましい。
そして、図４（Ａ）に示すように、第一と第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの金属保護層４，４のそれぞれの接続端部側の矩形の除去部分に、ＭＯＤ法(Metal Organic Deposition法/有機金属堆積法)によるＭＯＤ液３１ｍがスピンコート又は塗布により充填される（塗布工程）。
このＭＯＤ液は、例えば、ＲＥ（Ｙ（イットリウム）、Ｇｄ（ガドリニウム）、Ｓｍ（サマリウム）及びＨｏ（ホルミウム）等の希土類元素）とＢａとＣｕとが約１：２：３の割合で含まれているアセチルアセトナート系ＭＯＤ溶液が使用される。
このＭＯＤ液は、例えば、ＲＥ（Ｙ（イットリウム）、Ｇｄ（ガドリニウム）、Ｓｍ（サマリウム）及びＨｏ（ホルミウム）等の希土類元素）とＢａとＣｕとが約１：２：３の割合で含まれているアセチルアセトナート系ＭＯＤ溶液が使用される。
そして、図４（Ｂ）に示すように、塗布されたＭＯＤ液に含まれる有機成分を除去するための仮焼成工程が行われる。仮焼成工程については、第一と第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの接続端部をＮ２＋Ｏ２ガスの雰囲気内で、400℃以上500℃以下の温度範囲、より好ましくは500°で熱処理する。
これにより、第一と第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの超電導導体層３，３のそれぞれの接続端部側の矩形の除去部分には堆積層３１ｔ，３１ｔが形成される。
これにより、第一と第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの超電導導体層３，３のそれぞれの接続端部側の矩形の除去部分には堆積層３１ｔ，３１ｔが形成される。
そして、図４（Ｃ）に示すように、第二の超電導線材１０Ｂを裏返して、第一と第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの金属保護層４，４を互いに対向させると共に、線材長手方向Ｌについて互いの堆積層３１ｔ，３１ｔを位置合わせして密接させる。
さらに、第一と第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの接続端部を厚さ方向に加圧しながら加熱してＭＯＤ法における本焼成工程が行われる。また、この加圧加熱により、重合範囲Ｊ内で互いに密接した金属保護層４，４においてＡｇ−Ａｇ拡散接合が行われる。
本焼成工程については、第一と第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの接続端部をＡｒ＋Ｏ２ガスの雰囲気内で、760℃以上800℃以下の温度範囲で熱処理することが望ましい。
これにより、第一の超電導線材１０Ａの堆積層３１ｔと第二の超電導線材１０Ｂの堆積層３１ｔが密着しながらエピタキシャル成長し、一体的な接続用超電導導体層３１が形成される。
また、接続用超電導導体層３１の線材長手方向Ｌの両側では、加圧加熱された第一の超電導線材１０Ａの金属保護層４と第二の超電導線材１０Ｂの金属保護層４とがＡｇ−Ａｇ拡散接合されて重合範囲Ｊの内側に一体的な接続金属保護層４１，４１が形成される。
さらに、第一と第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの接続端部を厚さ方向に加圧しながら加熱してＭＯＤ法における本焼成工程が行われる。また、この加圧加熱により、重合範囲Ｊ内で互いに密接した金属保護層４，４においてＡｇ−Ａｇ拡散接合が行われる。
本焼成工程については、第一と第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの接続端部をＡｒ＋Ｏ２ガスの雰囲気内で、760℃以上800℃以下の温度範囲で熱処理することが望ましい。
これにより、第一の超電導線材１０Ａの堆積層３１ｔと第二の超電導線材１０Ｂの堆積層３１ｔが密着しながらエピタキシャル成長し、一体的な接続用超電導導体層３１が形成される。
また、接続用超電導導体層３１の線材長手方向Ｌの両側では、加圧加熱された第一の超電導線材１０Ａの金属保護層４と第二の超電導線材１０Ｂの金属保護層４とがＡｇ−Ａｇ拡散接合されて重合範囲Ｊの内側に一体的な接続金属保護層４１，４１が形成される。
そして、本焼成工程の後には、接続用超電導導体層３１に対して酸素をドープする酸素アニール工程が行われる。この酸素アニール処理は、第一及び第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの接続端部を酸素雰囲気内に収容し、所定温度で加熱する。
具体的な例示としては、酸素アニールの対象部位を、350℃以上500℃以下の温度範囲の酸素の雰囲気下に置き、この条件下で酸素ドープを行う。
接続用超電導導体層３１は、第一及び第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの全幅に渡って形成されているので、第一及び第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの線材本体１０１，１０１の幅方向両側の側面から接続用超電導導体層３１の端面が露出した状態となっており、この露出した端面から効果的に酸素ドープが行われる。
具体的な例示としては、酸素アニールの対象部位を、350℃以上500℃以下の温度範囲の酸素の雰囲気下に置き、この条件下で酸素ドープを行う。
接続用超電導導体層３１は、第一及び第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの全幅に渡って形成されているので、第一及び第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの線材本体１０１，１０１の幅方向両側の側面から接続用超電導導体層３１の端面が露出した状態となっており、この露出した端面から効果的に酸素ドープが行われる。
また、さらに、酸素アニール工程の後、第一及び第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの接続端部の外周の表面に対して、電解めっき法で銅安定化層５を再び形成する（安定化層形成工程）。
これらの各工程により、超電導線材の接続構造１００が形成される。
［第一の実施形態の技術的効果］
上記超電導線材の接続構造１００では、第一の超電導線材１０Ａの接続端部と第二の超電導線材１０Ｂの接続端部の重合範囲Ｊ内における、第一の超電導線材１０Ａの超電導導体層３と第二の超電導線材１０Ｂの超電導導体層３との間に、第一の超電導線材１０Ａの超電導導体層３と第二の超電導線材１０Ｂの超電導導体層３とに直接的に接触した状態で接合された超電導接続を行う接続用超電導導体層３１と、第一の超電導線材１０Ａの金属保護層４と第二の超電導線材１０Ｂの金属保護層４とが互いに一体的に接合された接続金属保護層４１，４１とが介在する構造となっている。
このため、接続用超電導導体層３１により第一の超電導線材１０Ａと第二の超電導線材１０Ｂの超電導接続を図ると共に、第一の超電導線材１０Ａの接続端部と第二の超電導線材１０Ｂの接続端部の重合範囲Ｊにおいて、接続金属保護層４１，４１が線材の接合強度の強化を図り、従来のように、超電導導体層により接合されている場合に比べて第一の超電導線材１０Ａと第二の超電導線材１０Ｂの接合強度の飛躍的な向上を図ることが可能である。
また、線材長手方向に沿った引っ張りによるせん断、線材の曲げ、線材の捻れ等の応力に対して、接続金属保護層４１，４１が高い強度を示し、接続用超電導導体層３１の剥離や破損を抑制することが可能となる。
上記超電導線材の接続構造１００では、第一の超電導線材１０Ａの接続端部と第二の超電導線材１０Ｂの接続端部の重合範囲Ｊ内における、第一の超電導線材１０Ａの超電導導体層３と第二の超電導線材１０Ｂの超電導導体層３との間に、第一の超電導線材１０Ａの超電導導体層３と第二の超電導線材１０Ｂの超電導導体層３とに直接的に接触した状態で接合された超電導接続を行う接続用超電導導体層３１と、第一の超電導線材１０Ａの金属保護層４と第二の超電導線材１０Ｂの金属保護層４とが互いに一体的に接合された接続金属保護層４１，４１とが介在する構造となっている。
このため、接続用超電導導体層３１により第一の超電導線材１０Ａと第二の超電導線材１０Ｂの超電導接続を図ると共に、第一の超電導線材１０Ａの接続端部と第二の超電導線材１０Ｂの接続端部の重合範囲Ｊにおいて、接続金属保護層４１，４１が線材の接合強度の強化を図り、従来のように、超電導導体層により接合されている場合に比べて第一の超電導線材１０Ａと第二の超電導線材１０Ｂの接合強度の飛躍的な向上を図ることが可能である。
また、線材長手方向に沿った引っ張りによるせん断、線材の曲げ、線材の捻れ等の応力に対して、接続金属保護層４１，４１が高い強度を示し、接続用超電導導体層３１の剥離や破損を抑制することが可能となる。
また、第一と第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの金属保護層４，４をＡｇ，Ａｕ又はＣｕの内の少なくとも一つを含む金属としたので、比較的低温で拡散接合を行うことができる。これにより、接続用超電導導体層３１を焼成して形成する際に金属保護層４，４を同時に拡散接合させることができるので、接続構造の形成時の工程を低減し、形成の容易化を図ることが可能となる。
また、重合範囲Ｊ内において、第一の超電導線材１０Ａの接続端部の超電導導体層３と第二の超電導線材１０Ｂの接続端部の超電導導体層３の間に、接続金属保護層４１，４１が二箇所に設けられているので、第一と第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの間の引っ張りや捻れによる大きな応力が作用して剥離が生じる場合であっても、二つの接続金属保護層４１，４１はそれぞれ別個に剥離が発生するので、接続金属保護層４１が一つのみの場合よりも進行を抑え、遅らせることができ、これにより接合強度の向上を図ることが可能となる。
また、重合範囲Ｊ内において、接続金属保護層４１，４１が超電導線材の幅方向に沿って形成されているので、当該幅方向に沿って剥離をさせるような応力が加わった場合に、当該応力に対して高い強度を発揮することができる。
また、重合範囲Ｊ内において、接続用超電導導体層３１の周囲は一部を除いて接続金属保護層４１，４１に囲まれている。即ち、接続用超電導導体層３１は線材幅方向の両側を除いて接続金属保護層４１，４１に囲まれているので、囲まれていない線材幅方向の両端面が外部に露出し、接続用超電導導体層３１に対する酸素アニールを効果的に行うことが可能である。
［強度試験による効果検証］
上記超電導線材の接続構造１００について、各接続金属保護層４１，４１の面積が異なる二種類の接続構造（実施例１，２とする）と接続金属保護層４１を有していない接続構造とについて、線材幅方向に平行な沿った中心軸回りに円弧状になる様に曲げ試験を行った強度試験の結果を図５に示す。
図５（Ａ）に示すように、実施例１は接続用超電導導体層３１の面積が0.6[cm2]、二つの接続金属保護層４１，４１の面積の合計が0.12[cm2]、実施例２は接続用超電導導体層３１の面積が0.6[cm2]、二つの接続金属保護層４１，４１の面積の合計が0.6[cm2]、接続金属保護層４１を有していない接続構造（Ag-Ag接合なし）は接続用超電導導体層３１の面積が0.6[cm2]である。
上記超電導線材の接続構造１００について、各接続金属保護層４１，４１の面積が異なる二種類の接続構造（実施例１，２とする）と接続金属保護層４１を有していない接続構造とについて、線材幅方向に平行な沿った中心軸回りに円弧状になる様に曲げ試験を行った強度試験の結果を図５に示す。
図５（Ａ）に示すように、実施例１は接続用超電導導体層３１の面積が0.6[cm2]、二つの接続金属保護層４１，４１の面積の合計が0.12[cm2]、実施例２は接続用超電導導体層３１の面積が0.6[cm2]、二つの接続金属保護層４１，４１の面積の合計が0.6[cm2]、接続金属保護層４１を有していない接続構造（Ag-Ag接合なし）は接続用超電導導体層３１の面積が0.6[cm2]である。
図５（Ｂ）に示すように、上記三つのサンプルに対して、曲げ半径を200[mm]、100[mm]、50[mm]とした場合における剥離や破損の発生を視覚的に確認した。
その結果、接続金属保護層４１，４１の面積の合計が最も大きな実施例２では、曲げ半径が50[mm]となるまで変形を加えても剥離や破損は発生しなかった。
一方、実施例２よりも接続金属保護層４１，４１の面積の合計が小さい実施例１でも、曲げ半径が100[mm]となるまで変形を加えても剥離や破損は発生しなかった。但し、曲げ半径が50[mm]となるまで変形させた場合には剥離が発生した。
接続金属保護層４１を有していない接続構造の場合には、200[mm]、100[mm]、50[mm]全ての変形で剥離が発生した。
これにより、接続金属保護層４１の存在が曲げ変形に対して強度向上の効果が得られることが実証され、されに、接続金属保護層４１の面積が大きくなるにつれて曲げ変形に対する強度がより向上することが実証された。
その結果、接続金属保護層４１，４１の面積の合計が最も大きな実施例２では、曲げ半径が50[mm]となるまで変形を加えても剥離や破損は発生しなかった。
一方、実施例２よりも接続金属保護層４１，４１の面積の合計が小さい実施例１でも、曲げ半径が100[mm]となるまで変形を加えても剥離や破損は発生しなかった。但し、曲げ半径が50[mm]となるまで変形させた場合には剥離が発生した。
接続金属保護層４１を有していない接続構造の場合には、200[mm]、100[mm]、50[mm]全ての変形で剥離が発生した。
これにより、接続金属保護層４１の存在が曲げ変形に対して強度向上の効果が得られることが実証され、されに、接続金属保護層４１の面積が大きくなるにつれて曲げ変形に対する強度がより向上することが実証された。
[第二の実施形態]
図６に第二の実施形態である超電導線材の接続構造１００Ｃを示す。この接続構造１００Ｃについては、前述した接続構造１００と同一の構成については同じ符号を付して重複する説明は省略する。
超電導線材の接続構造１００Ｃは、重合範囲Ｊ内において線材長手方向Ｌに沿って接続金属保護層４１が三つ並んで形成され、これらの接続金属保護層４１の間に二つの接続用超電導導体層３１が形成されている点が超電導線材の接続構造１００と異なっている。
図６に第二の実施形態である超電導線材の接続構造１００Ｃを示す。この接続構造１００Ｃについては、前述した接続構造１００と同一の構成については同じ符号を付して重複する説明は省略する。
超電導線材の接続構造１００Ｃは、重合範囲Ｊ内において線材長手方向Ｌに沿って接続金属保護層４１が三つ並んで形成され、これらの接続金属保護層４１の間に二つの接続用超電導導体層３１が形成されている点が超電導線材の接続構造１００と異なっている。
超電導線材の接続構造１００Ｃのように、接続用超電導導体層３１と接続金属保護層４１の数はより多くしてもよい。
このように、接続金属保護層４１を増やすことにより、第一の超電導線材１０Ａと第二の超電導線材１０Ｂとの接合強度をより向上させることが可能となる。また、接続金属保護層４１を増やすことにより、剥離の発生や進行が各接続金属保護層４１ごとに別々に生じるので、耐久性をより向上させることが可能となる。
このように、接続金属保護層４１を増やすことにより、第一の超電導線材１０Ａと第二の超電導線材１０Ｂとの接合強度をより向上させることが可能となる。また、接続金属保護層４１を増やすことにより、剥離の発生や進行が各接続金属保護層４１ごとに別々に生じるので、耐久性をより向上させることが可能となる。
[第三の実施形態]
図７に第三の実施形態である超電導線材の接続構造１００Ｄを示す。この接続構造１００については、前述した接続構造１００と同一の構成については同じ符号を付して重複する説明は省略する。
超電導線材の接続構造１００Ｄは、いわゆるブリッジ接続を行っている点が超電導線材の接続構造１００と異なっている。
即ち、超電導線材の接続構造１００Ｄは、基材１に対する金属保護層４側の面が同じ方向に向けられた二本の超電導線材１０Ａ，１０Ｂが接続端部同士を突き合わせた状態で、基材１に対する金属保護層４側の面を逆向きに向けた長さの短い接続用の超電導線材１０Ｄを介して接続されている。また、この接続構造１００Ｄでは、二本の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの基材１，１の先端部が溶接等により接合されている。
図７に第三の実施形態である超電導線材の接続構造１００Ｄを示す。この接続構造１００については、前述した接続構造１００と同一の構成については同じ符号を付して重複する説明は省略する。
超電導線材の接続構造１００Ｄは、いわゆるブリッジ接続を行っている点が超電導線材の接続構造１００と異なっている。
即ち、超電導線材の接続構造１００Ｄは、基材１に対する金属保護層４側の面が同じ方向に向けられた二本の超電導線材１０Ａ，１０Ｂが接続端部同士を突き合わせた状態で、基材１に対する金属保護層４側の面を逆向きに向けた長さの短い接続用の超電導線材１０Ｄを介して接続されている。また、この接続構造１００Ｄでは、二本の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの基材１，１の先端部が溶接等により接合されている。
そして、超電導線材１０Ａと接続用の超電導線材１０Ｄとが「第一の超電導線材」と「第二の超電導線材」としての関係となり、これらの線材長手方向Ｌにおける重合範囲Ｊ１の範囲内に接続用超電導導体層３１とその両側に隣接する二つの接続金属保護層４１，４１が形成されている。
また、同様に、接続用の超電導線材１０Ｄと超電導線材１０Ｂが「第一の超電導線材」と「第二の超電導線材」としての関係となり、これらの線材長手方向Ｌにおける重合範囲Ｊ２の範囲内に接続用超電導導体層３１とその両側に隣接する二つの接続金属保護層４１，４１が形成されている。
また、同様に、接続用の超電導線材１０Ｄと超電導線材１０Ｂが「第一の超電導線材」と「第二の超電導線材」としての関係となり、これらの線材長手方向Ｌにおける重合範囲Ｊ２の範囲内に接続用超電導導体層３１とその両側に隣接する二つの接続金属保護層４１，４１が形成されている。
このように、超電導線材の接続構造１００Ｄでは、超電導線材１０Ａ，１０Ｂの基材１，１の先端部が接合されているので線材長手方向に対する引っ張り強度を向上させると共に、線材長手方向に沿った引っ張りによるせん断、線材の曲げ、線材の捻れ等の応力に対して、接続金属保護層４１，４１が高い強度を示し、接続用超電導導体層３１の剥離や破損を抑制することが可能となる。
［接続用超電導導体層と接続金属保護層の形状の他の例］
接続用超電導導体層３１と接続金属保護層４１の層平面に対する垂直方向から見たそれぞれの形状及び配置については、図３の例に限定されない。
例えば、図８に示すように、接続金属保護層４１は線材長手方向Ｌに沿って形成しても良い。その場合、接続用超電導導体層３１に対して線材幅方向（線材長手方向Ｌに直交する方向）における両側に接続金属保護層４１，４１を形成することが望ましい。この形状とした場合には、線材長手方向に沿った引っ張り強度の向上、線材幅方向に沿った曲げに対するさらなる強度の向上並びにこれらによる接続用超電導導体層３１の剥離のさらなる抑制を図ることが可能となる。
また、線材長手方向Ｌに沿って形成された接続金属保護層４１を、前述した接続構造１００Ｃのように三以上備える構成としても良い。
接続用超電導導体層３１と接続金属保護層４１の層平面に対する垂直方向から見たそれぞれの形状及び配置については、図３の例に限定されない。
例えば、図８に示すように、接続金属保護層４１は線材長手方向Ｌに沿って形成しても良い。その場合、接続用超電導導体層３１に対して線材幅方向（線材長手方向Ｌに直交する方向）における両側に接続金属保護層４１，４１を形成することが望ましい。この形状とした場合には、線材長手方向に沿った引っ張り強度の向上、線材幅方向に沿った曲げに対するさらなる強度の向上並びにこれらによる接続用超電導導体層３１の剥離のさらなる抑制を図ることが可能となる。
また、線材長手方向Ｌに沿って形成された接続金属保護層４１を、前述した接続構造１００Ｃのように三以上備える構成としても良い。
また、図９に示すように、接続用超電導導体層３１に対して接続金属保護層４１，４１，４１が三方を覆うように囲む配置としてもよい。なお、この場合、接続構造の形成の際の酸素アニールを効果的に行うことができるように、線材幅方向における一方のみは覆わずに接続用超電導導体層３１が露出されるようにすることが望ましい。
また、図１０や図１１に示すように、第一及び第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの金属保護層４の矩形の除去部分の配置や寸法は完全に一致しなくとも良い。即ち、第一及び第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの金属保護層４の除去されない部分が一部重複して、接続金属保護層４１が一つ以上形成さればよい。
なお、図８〜図１１では、第一及び第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの外縁部や金属保護層４の矩形の除去部分が若干ずれた状態で図示しているがこれは第一及び第二の超電導線材１０Ａ，１０Ｂの外縁部及び矩形の除去部分の位置を分かりやすくするために便宜上ずらしているのであって実際にはズレは生じない。
［その他］
なお、接続用超電導導体層３１の形成は、ＭＯＤ法に限らず、化学気相蒸着法（ＣＶＤ法）、レーザー蒸着法(ＰＬＤ法)等、Ｙ系の超電導導体層の形成を可能とする公知のいずれの方法を用いても良い。
なお、接続用超電導導体層３１の形成は、ＭＯＤ法に限らず、化学気相蒸着法（ＣＶＤ法）、レーザー蒸着法(ＰＬＤ法)等、Ｙ系の超電導導体層の形成を可能とする公知のいずれの方法を用いても良い。
１ 超電導成膜用基材
２ 中間層
３ 酸化物超電導導体層
４，４ａ 金属保護層
５ 銅安定化層（安定化層）
１０ 超電導線材
１０Ａ 第一の超電導線材
１０Ｂ 第二の超電導線材
１０Ｄ 接続用の超電導線材
３１ 接続用超電導導体層
３１ｍ ＭＯＤ液
３１ｔ 堆積層
４１ 接続金属保護層
１００，１００Ｃ，１００Ｄ 接続構造超電導線材の接続構造
１０１ 線材本体
Ｊ，Ｊ１，Ｊ２ 重合範囲
Ｌ 線材長手方向
２ 中間層
３ 酸化物超電導導体層
４，４ａ 金属保護層
５ 銅安定化層（安定化層）
１０ 超電導線材
１０Ａ 第一の超電導線材
１０Ｂ 第二の超電導線材
１０Ｄ 接続用の超電導線材
３１ 接続用超電導導体層
３１ｍ ＭＯＤ液
３１ｔ 堆積層
４１ 接続金属保護層
１００，１００Ｃ，１００Ｄ 接続構造超電導線材の接続構造
１０１ 線材本体
Ｊ，Ｊ１，Ｊ２ 重合範囲
Ｌ 線材長手方向
Claims (8)
- 基材の片面側に中間層、超電導導体層及び金属保護層が順番に重ねて形成された第一と第二の超電導線材が、前記金属保護層側を向かい合わせた状態で互いの接続端部を重合させて接続されている接続構造であって、
前記第一の超電導線材の接続端部と前記第二の超電導線材の接続端部の重合範囲内における、前記第一の超電導線材の前記超電導導体層と前記第二の超電導線材の前記超電導導体層との間には、前記第一の超電導線材の超電導導体層と前記第二の超電導線材の超電導導体層とに直接的に接触した状態で接合された、超電導接続を行う接続用超電導導体層と、前記第一の超電導線材の前記金属保護層と前記第二の超電導線材の前記金属保護層とが接合された接続金属保護層とが介在することを特徴とする超電導線材の接続構造。 - 前記金属保護層は、Ａｇ，Ａｕ又はＣｕの内の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１記載の超電導線材の接続構造。
- 前記第一の超電導線材の接続端部と前記第二の超電導線材の接続端部の重合範囲内における、前記第一の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層と前記第二の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層の間には、
前記接続金属保護層が複数設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の超電導線材の接続構造。 - 前記第一の超電導線材の接続端部と前記第二の超電導線材の接続端部の重合範囲内における、前記第一の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層と前記第二の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層の間には、
前記接続金属保護層が前記第一と第二の超電導線材の幅方向に沿って形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の超電導線材の接続構造。 - 前記第一の超電導線材の接続端部と前記第二の超電導線材の接続端部の重合範囲内における、前記第一の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層と前記第二の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層の間には、
前記接続金属保護層が前記第一と第二の超電導線材の長手方向に沿って形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の超電導線材の接続構造。 - 前記接続用超電導導体層は、その周囲の一部を除いて前記接続金属保護層に囲まれていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の超電導線材の接続構造。
- 請求項１から６のいずれか一項に記載の超電導線材の接続構造を形成する超電導線材の接続方法であって、
前記第一の超電導線材の接続端部と前記第二の超電導線材の接続端部の重合範囲内における、前記第一の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層と前記第二の超電導線材の接続端部の前記超電導導体層の間に、前記接続用超電導導体層を形成し、
前記第一の超電導線材の前記金属保護層と前記第二の超電導線材の前記金属保護層とを一体的に接合して前記接続金属保護層を形成することを特徴とする超電導線材の接続方法。 - 前記接続用超電導導体層は、有機金属堆積法により形成することを特徴とする請求項７記載の超電導線材の接続方法。
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