JPWO2017043555A1 - 超電導線材の接合方法 - Google Patents

超電導線材の接合方法 Download PDF

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Abstract

超電導特性の劣化を最小限にして簡便に超電導線材同士を接合する超電導線材の接合方法を提供する。具体的には、超電導層１２に安定化層１３が被覆された超電導線材１０の接合方法であり、２本の超電導線材１０のそれぞれ超電導層１２と接する安定化層１３同士が対向するように重ね合わせる重ね合わせ工程と、２本の超電導線材１０の重なった部分を超音波接合する接合工程と、を有し、前記重ね合わせ工程および前記接合工程は室温で行う。

Description

本発明は、安定化膜が被覆された超電導線材同士を超電導特性の劣化を最小限にして接合する超電導線材の接合方法に関するものである。
超電導体はたとえば液体窒素温度（−１９６℃）といった低温条件下において電気抵抗がゼロになる特性を有し、大型加速器、リニアモーターカーなど多岐の分野において利用されている。
このような超電導体を有する超電導線材はたとえば図２のような構造を有し、基板材１１上に超電導体からなる超電導層１２が形成され、その超電導層１２の上に銀などの良導体からなる安定化層１３が被覆されている。
一方、このような超電導線材は品質が安定しかつ長尺のものを一度に製作することは困難であり、長尺の超電導線材を必要とする場合は、短尺の超電導線材を連結させて長尺にする工程が発生する。ただし、はんだ接合などの一般的な連結方法では接合部が大きな電気抵抗となるため、仮にこのような方法で超電導線材の連結を行った場合、連結された線材の超電導特性が著しく悪化する。
ここで、連結後も超電導特性を劣化させない超電導線材の連結方法として、特許文献１に示すように超電導線材の接合面に熱エネルギーおよび圧力を付与して直接接合する方法が提案されている。
特開２００７−０１２５８２号公報
しかし、上記方法によって超電導線材を接合する場合、製造コストがかかり非効率的であるという問題があった。具体的には、熱エネルギーによって超電導線材同士を接合させる際に超電導線材が高温（たとえば３００℃）となった場合に、超電導層からの酸素抜けが生じて超電導特性が劣化するおそれがある。それを防ぐために超電導線材同士の接合は酸化性雰囲気中で実施する必要があるため、そのような環境を用意するためにはコストがかかる上に大掛かりな接合装置を必要としていた。
本発明は上記問題を鑑みてなされたものであり、超電導特性の劣化を最小限にして簡便に超電導線材同士を接合する超電導線材の接合方法を提供することを目的としている。
上記課題を解決するために本発明の超電導線材の接合方法は、超電導層に安定化層が被覆された超電導線材の接合方法であり、２本の超電導線材のそれぞれ超電導層と接する安定化層同士が対向するように重ね合わせる重ね合わせ工程と、２本の超電導線材の重なった部分を超音波接合する接合工程と、を有し、前記重ね合わせ工程および前記接合工程は室温で行うことを特徴としている。
上記超電導線材の接合方法によれば、室温で重ね合わせおよび接合を行うため、超電導層からの酸素抜けは発生せず、超電導特性の劣化を最小限にして簡便に超電導線材同士を接合することが可能である。
また、前記接合工程では、前記重なった部分の複数箇所に対して超音波接合を行うと良い。
こうすることにより、個々の接合の範囲が狭くなるため、それぞれの接合を行う際にその接合範囲において超音波接合装置のホーンおよびアンビルの全面がしっかり超電導線材と接するようするための調整が容易となる。その結果、接合実施範囲内に未接合部が生じる可能性を低くして確実な接合を行うことができ、超電導特性が高い連結線材を得ることができる。
また、超音波接合に用いるホーンは円盤状の形状を有し、前記接合工程では前記重なった部分に対して前記ホーンを転がしながら超音波接合を行うと良い。
こうすることにより、ホーンと超電導線材との接触面積は小さくなり、その結果、接合実施範囲内に未接合部が生じる可能性を低くして確実な接合を行うことができるため、超電導特性が高い連結線材を得ることができる。また、ホーンを転がしながら超音波接合を行うことにより、確実な接合を連続して行うことができる。
本発明の超電導線材の接合方法によれば、超電導特性の劣化を最小限にして簡便に超電導線材同士を接合することが可能である。
本発明の一実施形態における超電導線材の接合方法を行うための接合装置を示す概略図である。 本実施形態にかかる超電導線材を表す概略図である。 本実施形態における超電導線材の連結形態を表す概略図である。 本実施形態における超電導線材の接合方法を表す概略図である。 他の実施形態にかかる超電導線材の接合方法を表す概略図である。 他の実施形態にかかる超電導線材の接合方法を表す概略図である。 接合された超電導線材の断面写真である。 超電導線材上の接合部の形成状態を表す概略図である。 本発明の一実施形態における接合装置の概略図である。
本発明に係る実施の形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態における超電導線材の接合方法を行うための接合装置を示す概略図である。
接合装置１は、ホーン２およびアンビル３を備え、超音波接合により２つの超電導線材１０を接合する。
ホーン２は、発振器４が接続された金属製のブロックであり、発振器４の動作によってホーン２は水平方向（図中の矢印方向（Ｘ軸方向））に所定の振幅および周波数で超音波振動する。また、図示しない駆動装置により垂直方向（Ｚ軸方向）に移動することが可能であり、アンビル３に設置された超電導線材１０を上方から加圧することができる。
アンビル３は、接合物である２つの超電導線材１０が重なるように位置決めし、保持する台であり、超音波接合を実施しているときにホーン２からの振動エネルギーが逃げないようにしている。
上記接合装置１による超音波接合の原理は、以下の通りである。
アンビル３の上で重ね合わされた超電導線材１０に対してホーン２により垂直方向（Ｚ軸方向）の加圧力を与えながら、超電導線材１０の接合面に平行な超音波振動を印加することにより接合が行われる。これにより、接合面は超音波振動によって互いに擦れ合い、接合面に存在する酸化被膜や付着物（汚れ）が破壊、除去されて清浄な金属面が露出する。これによって両接合面の金属原子間に引力が作用し、さらに加圧することより両接合面の接触面積を増加させ、固相状態で接合に至る。
図２は、本実施形態にかかる超電導線材を表す概略図である。
超電導線材１０は、本実施形態ではイットリウム系（Ｙ系）超電導線材であり、ハステロイなどのＮｉ系合金などからなる基板材１１の上にイットリウム系超電導体（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７）などからなる超電導層１２が形成されている。
また、超電導層１２の表面にはＡｇ、Ａｇ−Ｃｕなどの良導体からなる安定化層１３が被覆されている。この安定化層１３は、超電導線材１０の動きや磁場変動などに起因して万が一超電導層１２の一部で超電導状態が失われて抵抗が発生した場合にこの安定化層１３へ電流が迂回する働きを有しており、超電導層１２全体の超電導状態が失われることを防ぐことができる。
また、基板材１１と超電導層１２の間には、中間層１４が形成されており、基板材１１と超電導層１２との反応を防ぎ、超電導層１２の超電導特性の劣化を防止している。
ここで、上記の構成の超電導線材１０は、長尺のものを一度に製作することは困難であり、その場合は短尺の超電導線材１０を連結させて長尺にする必要がある。
図３は、本実施形態における超電導線材の連結形態を表す概略図である。
本発明では、超電導層１２と接する安定化層１３同士が対向するように２本の超電導線材１０を重ね合わせ（これを重ね合わせ工程と呼ぶ）、２本の超電導線材１０の重なった部分を超音波接合する（これを接合工程と呼ぶ）ことにより、超電導線材１０同士を連結している。この連結作業を繰り返し行うことにより、長尺の線材を形成させることができる。
図４は、本実施形態における超電導線材の接合方法を表す概略図である。
上述の通り本実施形態では接合装置１を用いて２本の超電導線材１０の超音波接合を行っている。具体的には、２本の超電導線材１０を超電導層１２と接する安定化層１３同士が対向するように重ね合わせ、その重ね合わせ部分をアンビル３で保持した後、ホーン２を下降させて重ね合わせ部分を加圧する。この後、ホーン２を超音波振動させることにより、安定化層１３同士が接合される。
このように安定化層１３同士を直接接合することにより、すなわち、はんだなどの別材料を用いることなく超電導線材１０同士を連結することにより、電気抵抗をほとんど増大させることなく超電導線材１０同士を連結することができる。
また、本発明では上記重ね合わせ工程および接合工程は室温（約２０±２０℃）で行っている。すなわち、超電導線材１０を別途加熱することは行っていない。これにより、超電導層１２が高温になることに起因する超電導層１２からの酸素抜けが生じないため、超電導層１２の超電導特性は劣化しない。したがって、酸化性雰囲気で超電導線材１０の接合を行う必要は無く、また、接合時に超電導線材１０の加熱も冷却も行う必要も無いため、簡便に超電導線材１０同士を接合することが可能である。
なお、本発明の接合を行う前の工程によって超電導線材１０が上記室温の範囲より高い温度もしくは上記室温の範囲より低い温度となっていたとしても、そのまま接合を行うと良い。すなわち、超電導線材１０の加熱も冷却も行わずに室温条件下でそのまま接合を行うことにより、接合作業を簡便にすることができる。
次に、他の実施形態にかかる超電導線材の接合方法を図５に示す。
図４の実施形態では、ホーン２の超電導線材１０と接する部分およびアンビル３のＹ軸方向の寸法が超電導線材１０の重ね合わせ部の寸法よりも大きいのに対し、図５の実施形態ではホーン２の超電導線材１０と接する部分のＹ軸方向の寸法は超電導線材１０の重ね合わせ部の寸法よりも小さい。そのため、１回の超音波接合で接合が実施される範囲は小さくなり、超電導線材１０同士の接合部の接続抵抗を小さくするためには、図中に矢印で示すようにホーン２をステップ送りするなど、超電導線材１０に対してホーン２およびアンビル３を相対移動させながら重ね合わせ部の複数箇所に対して超音波接合を行う必要がある。
ただし、個々の接合の範囲が狭くなることにより、図４の実施形態に対してそれぞれの接合を行う際にその接合範囲においてホーン２およびアンビル３の全面がしっかり超電導線材１０（基板材１１）と接するようするための調整が容易となる。その結果、接合実施範囲内に未接合部が生じる可能性を低くして確実な接合を行うことができ、超電導特性が高い連結線材を得ることができる。
なお、図５の実施例ではホーン２の寸法を小さくすることにより１回の超音波接合で形成される接合部の寸法が小さくなっているが、アンビル３の寸法を小さくすることによっても、同様の結果を得ることができる。
また、上記の説明ではホーン２もしくはアンビル３を動かすことにより超電導線材１０に対してホーン２およびアンビル３を相対移動させているが、ホーン２およびアンビル３は動かさずに超電導線材１０の方を動かしても構わない。この場合、複数回の接合を実施している間ホーン２とアンビル３の平行度が維持できるため、都度平行度調整を行う必要無く連続して接合を行うことができる。
次に、さらに別の実施形態にかかる超電導線材の接合方法を図６に示す。
図６の実施形態では、ホーン２は円盤状の形状を有しており、Ｘ軸方向に中心軸を有し、この中心軸を回転軸として回転可能となっている。これにより、ホーン２がアンビル３上に設置された超電導線材１０に接して加圧しながら図中に矢印で示すようにＹ軸方向に転がすことができる。
この実施形態でもホーン２と超電導線材１０との接触面積は小さくなるため、接合実施範囲内に未接合部が生じる可能性を低くして確実な接合を行うことができ、超電導特性が高い連結線材を得ることができる。そして、ホーン２をＹ軸方向に転がしながら超音波接合を行うことにより、確実な接合を連続して行うことができ、Ｙ軸方向に長く未接合部の無い接合部を形成させることができる。また、ホーン２やアンビル３の段取り替えを行うことなく、Ｙ軸方向に任意の長さの接合部を形成させることができる。
図７は、本発明の接合方法により接合された超電導線材の断面写真である。図７（ａ）は図４に示す実施形態で接合したものであり、図７（ｂ）は図５および図６に示す実施形態で接合したものである。なお、この図におけるＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向は、図４乃至図６のように接合装置１に載置された状態の超電導線材１０の向きに対応させている。
２本の超電導線材１０の連結部の抵抗値をより小さくするためには接合部の面積を大きくすることが有効である。図４の実施形態のように大きな寸法のホーン２およびアンビル３を用いることにより、１回の超音波接合でＹ軸方向に幅広い範囲（図４では重ね合わせ部全体）にわたる接合を行うことが可能であるが、ホーン２の全面がしっかり超電導線材１０（基板材１１）と接するようするための調整が難しくなる。調整がしっかりできており、ホーン２の全面が超電導線材１０と接していれば問題は無いが、仮にホーン２と超電導線材１０との接触部において一部隙間が生じると、その部分においてホーン２からの振動エネルギーが超電導線材１０に伝搬せず、超電導線材１０同士が接合されなくなる。その結果、図７（ａ）に示すように２本の超電導線材１０の接合界面において接合部２１のほかに未接合部２２が混在し、結果的に連結部の抵抗値が高くなるおそれがある。
これに対し、図５および図６の実施形態ではホーン２と超電導線材１０との接触面積は小さく、確実な接合を行うことができるため、図７（ｂ）に示すように接合範囲内に未接合部２２が存在しない接合部２１を形成することが容易である。
図８は、超電導線材上の接合部の形成状態を表す概略図である。図８（ａ）は図４に示す実施形態で接合したものであり、図８（ｂ）は図５に示す実施形態で接合したものであり、図８（ｃ）は図６に示す実施形態で接合したものである。なお、この図におけるＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向も、図４乃至図６のように接合装置１に載置された状態の超電導線材１０の向きに対応させている。
図８の各図においてハッチングで示す部分が超電導線材１０上に接合部２１が形成された部分を表している。図４の実施例では一度の接合で広い範囲の超音波接合を行うことができる反面、ホーン２およびアンビル３がしっかり超電導線材１０と接するようするための調整が困難である。そのため、調整が不十分であると図８（ａ）のように接合範囲（図中に鎖線で表示）内に接合部２１がほとんど形成されないおそれがあるが、十分に調整されている場合は図８（ｃ）のように接合範囲内の全面に接合部２１を形成することを一度の超音波接合で行うことが可能である。
また、図５に示す実施形態で小さい接合部２１を形成させる超音波接合を複数回行うことにより、結果的に図８（ｂ）のように接合範囲内における接合部２１の割合を十分大きくすることができる。
また、図６に示す実施形態でホーン２を転がしながら超音波接合を行うことにより、転がす距離に応じて任意のＹ軸方向の幅の接合部２１を形成することが可能である。なお、接合部２１のＸ軸方向の幅は、ホーン２の超電導線材１０と接する部分の幅で決定される。これにより、図８（ｃ）のように広範囲の接合部２１を接合範囲内に形成することができる。
次に、実際に超電導線材１０同士を室温環境で重ね合わせ、接合した結果を示す。このとき、各超電導線材１０の安定化層１３の厚みは約１０ｕｍ、幅は約５ｍｍであった。
このときに使用したホーン２、アンビル３の形態を図９に示す。図９（ａ）は上面図、図９（ｂ）は側面図であり、図９（ｃ）はアンビル３の先端部の拡大図である。超電導線材１０同士の重ね合わせ部の長さ（図９（ｃ）における長さｄ１）は３０ｍｍであり、ホーン２の超電導線材１０と接する部分は当該重ね合わせ部よりも大きく、重ね合わせ部全体と接している。
アンビル３は図９（ｃ）に示すように半円柱状の先端部３１が一方向に並べられた先端形状を有しており、本実施形態では半径０．２５ｍｍの半円柱が０．５ｍｍピッチで８個並べられた形態である。すなわち、アンビル３の超電導線材１０と接する部分の幅方向（図９におけるＹ軸方向）の寸法は約３．５ｍｍである。また、奥行き方向（図９におけるＸ軸方向）の寸法も３ｍｍであり、アンビル３の超電導線材１０と接する部分は上記重ね合わせ部よりも十分に小さい。すなわち、これらホーン２とアンビル３により、図５の実施例と同様に接合実施範囲内に未接合部が生じる可能性を低くして確実な接合を行うことができる。そして、アンビル３の位置をＹ軸方向にずらしながら９回程度接合を繰り返し、Ｙ軸方向のほぼ全体にわたって上記重ね合わせ部の接合を行った。
上記のホーン２、アンビル３を使用して超音波接合時の荷重、接合時間、ホーン２の振幅をパラメータとし、複数条件において実際に超電導線材１０同士を室温環境で重ね合わせ、接合した結果を表１に示す。
Figure 2017043555
表１中の接合状態の評価は、接合が完了した超電導線材１０を手にとり、曲げ、ねじりなどの外力を数回加え、その時点で剥がれたサンプルは×、曲げ、ねじりに耐えたサンプルを切断して接合部（図８で示す接合部２１）の大きさを評価し、所定の大きさより小さいサンプルは△、大きいサンプルは○とした。
接合時の荷重、接合時間、ホーン２の振幅が小さすぎる場合、接合が不十分で簡単に剥がれ、また、簡単に剥がれなくとも接合部の大きさが十分でなかったが、Ｎｏ．６乃至Ｎｏ．８、およびＮｏ．１０のサンプルの作成条件では十分な接合部の面積を得ることができ、それらサンプルの抵抗値は約３０〜７０ｎΩと電線用の超電導線材用途として十分な値であった。また、Ｎｏ．９のサンプルは、荷重が大きすぎたため、安定化層１３、超電導層１２が破壊されていた。
以上の超電導線材の接合方法により、超電導特性の劣化を最小限にして簡便に超電導線材同士を接合することが可能である。
ここで、本発明の超電導線材の接合方法は、以上で説明した形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。たとえば、上記の説明では安定化層は超電導層上にのみ形成されているが、基板材上（中間層が形成されている面と反対側の面）にも形成されていても構わない。この場合も、超電導層と接している方の安定化層同士を対向させて超音波接合を行うことにより、超電導特性の劣化を最小限にして超電導線材の連結を行うことができる。
１ 接合装置
２ ホーン
３ アンビル
４ 発振器
１０ 超電導線材
１１ 基板材
１２ 超電導層
１３ 安定化層
１４ 中間層
２１ 接合部
２２ 未接合部
３１ 先端部

Claims (3)

  1. 超電導層に安定化層が被覆された超電導線材の接合方法であり、
    ２本の超電導線材のそれぞれ超電導層と接する安定化層同士が対向するように重ね合わせる重ね合わせ工程と、
    ２本の超電導線材の重なった部分を超音波接合する接合工程と、
    を有し、
    前記重ね合わせ工程および前記接合工程は室温で行うことを特徴とする、超電導線材の接合方法。
  2. 前記接合工程では、前記重なった部分の複数箇所に対して超音波接合を行うことを特徴とする、請求項１に記載の超電導線材の接合方法。
  3. 超音波接合に用いるホーンは円盤状の形状を有し、前記接合工程では前記重なった部分に対して前記ホーンを転がしながら超音波接合を行うことを特徴とする、請求項１に記載の超電導線材の接合方法。
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