JPH01150305A - 超伝導磁石用コイル及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、セラミック質又は金属間化合物質超伝導材料
からなる超伝導磁石用コイル及びその製造方法に関する
ものである。

〈従来の技術〉 焼結性セラミック又は金属間化合物質超伝導材料は、金
属質又は金属合金質超伝導材料に較べて （１）、臨界温度値（Ｔｃ）としては高いものが得られ
るが、 （２）、臨界磁界値（Ｈｃ）並びに （３）、臨界電流値（ｌｃ）は低いものしか得られない
。

それでも、ｌｌｃに関しては、最近の開発研究の結果、
顕著な改善が達成され金属又は金属化合物差の値のもの
が得られてはいるが、ＩＣに到っては多くの開発研究努
力にも拘らず、見る可き向上は達成されていない。

しかし、同じセラミック超伝導材料又は金属間化合物質
超伝導材料であっても、これを特に薄膜の単結晶質に仕
上げた場合にのみ、金属又は金属化合物超伝導体に近い
臨界電流値の達成に成功を収めている。しかし、この場
合においてはＰＶＤ法（物理的蒸着法）並びにＣＶＤ法
（化学的蒸着法）の何れによるときも、単結晶膜を前提
とする限り、その構成出来る膜の厚さには限界があり、
現在の技術においてはｌＯ〜数ｎｍの厚みが、その達成
し得る最大の厚みとなっている。すると、断面の一辺を
１０ｎｍとし、横方向の幅をたとえ０．１　ｃｍに採っ
たとしても断面積は１０−８ｃｍ２となるので、ｃｍ２
当り１万Ａｍｐの臨界電流値（金属並の値）に恵まれた
場合においてさえも１０−４＾ｍｐの電流しか通すこと
が出来ない。これでは効率のよいコイル構成は電束無い
とされ、コイル化に対しては半ば疑問視されていた。　
（コイル化しなく、では超伝導材料を有効使用出来難い
。）しかし、薄膜単結晶状態はこれ以上（１０ｎｍ）の
厚さになると特にセラミック質の場合には顕著に又金属
間化合物質の場合においてもとかく崩壊（多結晶化する
）が起きるので、この面での改善は期特出来難い状態に
あった。

〈発明が解決しようとする問題点〉 発明者は、上記問題点を解決するため考究を重ね、基板
平面の片面又は両面上にセラミック質又は金属間化合物
質超伝導体薄膜を渦巻状構造体として基盤構成し、この
基盤を多段に積層し、各段の渦巻状構造体を電気的に結
線すれば解決できるものであることを見い出し本発明を
完成するに至った。

〈問題点を解決するための手段〉 斯くして、本発明によれば、中空の円形基板の片面又は
両面に円板外周部端点から内周部端点間に渦巻状にセラ
ミック質又は金属間化合物質超伝導体薄膜線輪を構成し
た超伝導体盤が、該超伝導体面を片面構成の場合には構
成面をそれぞれ上にして、又両面構成の場合には段間に
電気絶縁板を間挿して多数段積み重ねられ、かつ各段の
渦巻状線輪が直列または並列に電気的に接続されてなる
ことを特徴とする超伝導磁石用コイルが提供され、かか
る超伝導磁石用コイルは、金属またはセラミック製中空
円形基板の片面又は両面に形成された皮膜に基板面を露
呈した渦巻状溝を刻設し、該渦巻状溝にセラミック質又
は金属間化合物質超伝導材を蒸着して円板外周部端点か
ら内周部端点間に渦巻状に超伝導体薄膜線輪を形成せし
めて超伝導体盤を作成し、該超伝導体盤を片面構成の場
合には構成面をそれぞれ上にして、又両面構成の場合に
は段間に電気絶縁板を間挿して多数段積み重ね、上下又
は表裏・上下段間において、内周部端点−外周部端点；
もしくは外周部端点どうい内周部端点どうじを外部電気
結線により接続することにより製造される。

本発明に係るセラミック質又は金属間化合物質超伝導磁
石用コイルの製造方法について、超伝導体基盤、コイル
の組立の順に説明する。

（１）超伝導体基盤の作成 第１図に示すような中空円板とした基板（１）（外径８
０ｍｍ、　内径２０ｍｍ、　厚さ１ｍｍ、但しこの数値
は例示であり、本発明を制約するものではない）上に、
線厚１０ｎｍ、　　線幅０．１　ｃｍの線輪からなり、
内周部端点（ａ）から外周部端点（ｂ）に至る渦巻状セ
ラミック質又は金属間化合物質超伝導体材料膜（２）を
次の手順に従って構成する。

Ａ０機械的切削法 基板の片面又は両面上にプラスチック溶液を塗布後乾燥
し、フィルム薄層を形成し、この膜をプロゲラ１１制御
した旋盤を用いて直接彫溝して基板面を露呈した渦巻状
パターンを形成し、これに蒸着法によりセラミック質又
は金属間化合物質超伝導膜を構成する。

Ｂ、フォトリソグラフィ法 １、基板上にポジ型もしくはネガ型フォトレジスト溶液
を可能な限り薄く塗布する。但し薄く塗布することは本
発明を制約するものではない。

乾燥後、ベーキングし、フォトレジスト膜（３）を形成
させる。

２、このレジスト膜に、照射機をプログラム稼働させる
ことにより、中空円板の外周部端点（ｂ）から内周部端
点（ａ）に至る渦巻状パターンを印画する。

３、次に例えばハロゲン化剤を使用することにより乾式
腐蝕（ドライ・エッチ）して第２図に示すように溝部（
４）を掘り下げる。この場合、ポジ型フォトレジストで
は、非感光部が、ネガ型フォトレジストでは感光部が軟
質であるため腐蝕が進み、残部は、より硬いため残存す
る。渦巻状線輪の断面は１０膜ｍＸ０．１　ｃｍである
が、線間の溝幅も大略、０．１ｃｍに保つように印画さ
れている。なお、端点ａ、　　ｂの線幅は線輪の輻（０
，１ｃｍ）より少々太き目に仕上げておく方が好都合で
ある。本発明は上記の数値に限定されるものではなく、
適宜選定することができる。　　゛ かくして基板上に第１図に示すような渦巻状パターンで
第２図のような断面を持った構造体を構成することがで
きる。

４、上記基板を洗浄後、ＰＶＤ　（物理的蒸着）法或は
ＣＶＤ　（化学的蒸着）法にさらし、溝部である基板露
出面上にセラミック質又は金属間化合物質超伝導体１膜
（単結晶体）（第１図の（２））を構成する。

構成後は、−層強固なエツチング例えばイオン・プラズ
マ法にさらし、残存フォトレジスト部分を腐蝕除去する
。

なお、渦巻状パターンとしては、第１図のパターンに限
らず、第３図に示すように、同心円の輪環に間欠部を設
け、間欠端部を内側の同心円輪環の間欠端部と連結した
形状としても同じ効果を発揮することができる。

（ＩＩ）積層立体化コイル １、第１図または第３図に示したセラミック質又は金属
間化合物質超伝導体盤を、第４図のように多数段積層す
る。

２、第１段の基盤の端点（ａ）を２段の端点（ｂ）に、
第２段の端点（ｂ）を第３段の端点（ａ）に、以下同様
にして、ａ、ｂを外部結線（５）により接続し、渦巻状
超伝導体線輪を直列結合し、コイルを形成する。

３、上記２０代わりに、上下各段の端点を（ａ）。

（ａ）どうし、−（ｂ）、（ｂ）どうし外部結線により
接続し、渦巻状超伝導体線輪を並列結合し、コイルを形
成する。

〈作用〉 本発明方法では、渦巻状パターンをＮＣ制御切削法によ
るか、又は半導体集積回路製造に使用されるフォトリソ
グラフィを適用して刻設し、セラミック質又は金属間化
合物質超伝導体を蒸着させるものである。

上記の渦巻状線輪が線ｖＡ１ｍｍ程度、厚みをｌＯｎｍ
程度であれば、例えばＮＣ旋盤加工その他の機械的電気
的溝切り加工法によっても構成可能であるが、線幅並び
に線間間隔を次第に縮小し、巻数を増加してゆく様にな
ると、本発明方法の渦巻状パターンを形成するにあたり
半導体集積回路製造に使用されるフォトリソグラフィを
適用することはきわめて有利である。即ち、最終的には
線幅１７１ｍ　（究極の場合には、０．１μｍ）、溝幅
１７１ｍ（同じく究極の場合には、０．１μｍ）まで引
き下げることが可能となり、上記円板例をとると実に１
万５千回の巻数の渦巻体とすることができ、コイルとし
たときのコイル巻数を増加させ得ろ結果、コイル効率を
大きく上昇させることができる。

゛旋盤法その他の機械加工法によるときは、このような
超精密仕上げは達成不可能である。

又、基板としては、金属板９表面酸化処理した金属板ま
たはセラミック板を使用でき、その基板の種類によりそ
れぞれ限度は異なるが、何れの場合でも１００μｍ程度
まで薄板化が可能であり、この場合、１，０００枚を積
層しても１０ｃｍの高さであり、積層化により平板のコ
イル化効率を一層向上させることができる。

〈実施例〉 以下、セラミック質超伝導材料を用いた実施例により、
本発明を具体的に説明する。

使用したセラミック超伝導体はイツトリウム。

バリウム、銅・酸化物で、これをアルミナ質セラミック
中空基板（外径８０ｍｍ、　内径２０ｍｒｍ。

厚さ１．０ｍｍ）上に高真空化学エピタキシ（Ｈｉｇｈ
Ｖａｃｕｕｍ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｐｉｔ、ａｘｙ）
法により、蒸着薄膜として構成した。この際、膜の厚み
は１１００ｎで、単結晶としては、この内底部の１０ｎ
ｍの部分のみが有効に働いた。

さらに詳細に説明すると、基板にフォトレジスト膜を構
成し、これに渦巻状パターン（線幅０．５ｒｎｍ、線間
間隔０　、５　ｍ　ｍ　）を印画した。溝部分に当たる
所を酸性塩化ボロンによりドライエッチ（乾式＠ｔ！ｌ
りシ、溝部分てはアルミナ面を露出させた。この材料を
電子ビー１トエビタクシイ装置中に入れ、真空化学エピ
タキシ膜として膜構成を行なった。構成膜厚は１１００
ｎであったが、このうち、単結晶超伝導体として働く部
分は、基板に密接した１０ｎｍの部分のみであった。

結果として得られたものは渦巻線有効断面ｌＯｎｍＸ０
．５ｃｍ＝０．５ＸｌＯ−”ｃｍ２．渦巻巻数２５であ
った。得られたセラミック超伝導材料は１０゜０００　
Ａｍｐ／　ｃｍ２の臨界電流値で稼働できたので、１枚
の基盤に就き、０　、５　ｍＡｍｐ通電可能であった。

これと同一の特性を持った基盤３０枚を積層立体構造化
した。外部結線は直列方式を採用した。

積層体群を金属銅質で出来た容器中に入れ、上下より絶
縁物を介して機械的に圧着した。

中央部の孔腔中に、硅素鋼棒より切り出した外径１５ｍ
ｍ、　長さ５０ｍｍの丸棒を挿入し、磁石としての作動
条件を確認した。

雰囲気温度を液体窒素を使用することにより、８０°Ｋ
を保った。

その結果、セラミック超伝導コイルとしての作動を確認
した。

〈発明の効果〉 セラミック質又は金属間化合物質超伝導体のシース法（
クラッド法）による線材化では、多結晶体の異方向焼結
であるため通電能力に劣るが、更にはコイルに巻くとき
の変形によっても、内部の超伝導体は折損し、通電能力
の低下を来す。

本発明では基板上に全体が一つの単結晶体としての渦巻
状コイルを形成しており、且つその上、巻くための再加
工を必要としないので、可撓性のない超伝導材料に対し
て折損の生じないコイルが得られる。

さらに巻き数の大きい渦巻状コイル盤を多段に立体積層
し、直列または並列接続することにより、きわめてコイ
ル化効率のすぐれた超伝導磁石用コイルが提供される。

【図面の簡単な説明】

−第１図はセラミック超伝導体盤の平面図で、第２図は
同じく中心を通る縦断面図で、第３図は池のセラミック
超伝導体盤の平面図で、第４図はセラミック超伝導体盤
の積層立体化方法を示す説明図である。 （１）・・・基板、（２）・・・セラミック超伝導体、
（３）・・・フォトレジスト膜、（４）・・・溝部、（
５）・・・外部結線。 （ａ）・・・内周部端点、（ｈ）・・・外周部端点。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．中空の円形基板の片面又は両面に円板外周部端点か
   ら内周部端点間に渦巻状にセラミック質又は金属間化合
   物質超伝導体薄膜線輪を構成した超伝導体盤が、該超伝
   導体面を片面構成の場合には構成面をそれぞれ上にして
   、又両面構成の場合には段間に電気絶縁板を間挿して多
   数段積み重ねられ、かつ各段の渦巻状線輪が直列または
   並列に電気的に接続されてなることを特徴とする超伝導
   磁石用コイル。
2. ２．金属またはセラミック製中空円形基板の片面又は両
   面に形成された皮膜に基板面を露呈した渦巻状溝を彫設
   し、該渦巻状溝にセラミック質又は金属間化合物質超伝
   導材を蒸着して円板外周部端点から内周部端点間に渦巻
   状に超伝導体薄膜線輪を形成せしめて超伝導体盤を作成
   し、該超伝導体盤を片面構成の場合には構成面をそれぞ
   れ上にして、又両面構成の場合には段間に電気絶縁板を
   間挿して多数段積み重ね、上下又は表裏・上下段間にお
   いて、内周部端点−外周部端点；もしくは外周部端点ど
   うし、内周部端点どうしを外部電気結線により接続する
   ことを特徴とする超伝導磁石用コイルの製造方法。
3. ３．前記中空円形基板の片面又は両面に形成された皮膜
   に基板面を露呈した渦巻状溝が、板面に形成された薄層
   プラスチックフィルム、を前記形状に切削形成されたも
   のである特許請求の範囲第２項記載の超伝導磁石用コイ
   ルの製造方法。
4. ４．前記薄層プラスチックフィルム層からの渦巻状溝の
   形成が、数値制御プログラムにより切削されたものであ
   る特許請求の範囲第３項記載の超伝導磁石用コイルの製
   造方法。
5. ５．前記中空円形基板の片面又は両面に形成された皮膜
   に基盤面を露呈した渦巻状溝が、板面に形成されたフォ
   トレジスト膜に渦巻状パターンを印画し、エッチングに
   より形成されたものである特許請求の範囲第２項記載の
   超伝導磁石用コイルの製造方法。