特許 7349128 高温超伝導線材、その製造方法および製造装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-09-13

(45)【発行日】2023-09-22

(54)【発明の名称】高温超伝導線材、その製造方法および製造装置

(51)【国際特許分類】

   H01B 12/06 20060101AFI20230914BHJP

   H01F 6/06 20060101ALI20230914BHJP

   C01G 1/00 20060101ALI20230914BHJP

   H01B 13/00 20060101ALI20230914BHJP

【ＦＩ】

H01B12/06 ZAA

H01F6/06 140

H01F6/06 150

C01G1/00 S

H01B13/00 565D

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2019133014

(22)【出願日】2019-07-18

(65)【公開番号】P2021018891

(43)【公開日】2021-02-15

【審査請求日】2022-07-11

(73)【特許権者】

【識別番号】504193837

【氏名又は名称】国立大学法人室蘭工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】110002860

【氏名又は名称】弁理士法人秀和特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】金沢 新哲

(72)【発明者】

【氏名】川村 幸裕

【審査官】北嶋 賢二

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１６／０２４５２８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】JIN Xinzhe el al.，Fabrication of 16-main-core RE123 split wire using inner split method，IEEE Transactions on Applied Superconductivity，volume.29,number.5，2019年02月22日，p.1-4，[online],[retrieved on 2023年04月25日],Retrieved from the Internet:<URL:http://hdl.handle.net/10258/00009896

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｂ １２／０６

Ｈ１０Ｎ ６０／８０

Ｈ０１Ｆ ６／０６

Ｃ０１Ｇ １／００

Ｈ０１Ｂ １３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

テープ状の金属基板上に中間層を介して形成された酸化物超伝導層と当該酸化物超伝導層上に形成された金属製の安定化層を有し、
前記酸化物超伝導層に、長手方向のクラックが複数形成されており、
前記クラックのそれぞれは１μｍ以下の幅を有し、
前記クラックの長手方向の配置は不規則である、
ことを特徴とする、高温超伝導線材。

【請求項2】

前記複数のクラックの幅方向の配置は不規則である、
請求項１に記載の高温超伝導線材。

【請求項3】

幅方向に隣接する２つのクラックの間隔が５０μｍ以下である、
請求項１または２に記載の高温超伝導線材。

【請求項4】

前記酸化物超伝導層は、ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７－δ（ただし、ＲＥは一つまたは複数の希土類元素）からなる、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の高温超伝導線材。

【請求項5】

テープ状の金属基板上に中間層を介して形成された酸化物超伝導層と当該酸化物超伝導層上に形成された金属製の安定化層を備え、前記酸化物超伝導層に長手方向のクラックが長手方向に不規則に複数形成された高温超伝導線材の製造方法であって、
テープ状の金属基板上に中間層を介して形成された酸化物超伝導層を用意するステップと、
前記金属基板の前記中間層が形成されていない面の方から刃部材を押し当てることにより、前記酸化物超伝導層にクラックを形成するステップと、
を含む、高温超伝導線材の製造方法。

【請求項6】

前記刃部材の刃先の幅は１μｍ以上から１００μｍ以下である、
ことを特徴とする請求項５に記載の高温超伝導線材の製造方法。

【請求項7】

前記クラックを形成するステップでは、前記金属基板の変形が２０％以下となる力で、前記刃部材を前記金属基板に押し当てる、
ことを特徴とする請求項６に記載の高温超伝導線材の製造方法。

【請求項8】

前記刃部材は複数の回転刃を重ねたものであり、
前記クラックを形成するステップでは、前記高温超伝導線材を、互いに対向して設けられた前記刃部材とガイドローラの間を通過させることにより、前記クラックを形成する、
請求項５から７のいずれか１項に記載の高温超伝導線材の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超伝導層に人工的にクラックを導入した高温超伝導線材、ならびに、その製造方法および製造装置に関する。

【背景技術】

【0002】

超伝導線材は、交流電流（AC）利用では、電動機、ケーブル、発電機に用いられ、直流電流（DC）利用では、ＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance）装置や、ＭＲＩ（Magnetic
Resonance Imaging）装置などに広く用いられている。近年は、希土類系の高温超伝導線材（ＲＥＢＣＯ線材）が生産されており、これを用いた研究開発が行われている。

【0003】

超伝導線材を用いたコイルでは、DC利用におけるマグネットの遮蔽電流磁場や、AC利用における交流損失（ＡＣロス）を低減するために、超伝導層を細線化することが求められる。しかし、高い臨界電流を持つREBCO線材を製造するには結晶成長で配向をそろえる必
要があるため、NbTiのように断面が円形の多芯線ができず、通常幅が数mmで厚さ数百μm
の単芯テープ線になっている。これを解決しようとして、線材の基板上に複数の溝を長手方向に形成させて超伝導層を複数フィラメント化した多芯構造のスクライビング線材が提案されている。スクライビングの手法として、機械的な研削や、化学的なエッチング、レーザによる切断などが提案されている（特許文献１－３）。また、より細かい多芯構造を持つスプリット線材も提案されている（特許文献４，非特許文献２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００７－１４１６８８号公報

【文献】特開２０１１－９６５６６号公報

【文献】特表２０１３－５０３４２２号公報

【文献】国際公開第２０１６／０２４５２８号公報

【非特許文献】

【0005】

【文献】T Machi, K Nakao, T Kato, T Hirayama and K Tanabe, "Reliable fabrication process for long-length multi-filamentary coated conductors by a laser scribing method for reduction of AC loss", Supercond. Sci. Technol. 26 (2013) 105016 (15pp)

【文献】Xinzhe Jin, Yasuteru Mawatari, Toshihiro Kuzuya, Yusuke Amakai, Yoshinori Tayu, Naoki Momono, Shinji Hirai, Yoshinori Yanagisawa, Hideaki Maeda, "Fabrication of 16-main-core RE123 split wire using inner split method," IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 29, 6601304 (4pp), 2019

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、機械的な研削や化学的なエッチングを用いたスクライビング方法による多芯化では、フィラメント間の最小溝幅が約0.2mmであるため、溝を複数形成させると臨
界電流が半分程度に低下していることが報告されている（非特許文献１）。

【0007】

一方、レーザを用いたスクライビング方法による多芯化では、レーザスポット径を小さくすることにより溝幅を狭くできるため、機械的な研削や化学的なエッチングと比較して交流損失の低減が期待される。しかしながら、この手法では、フィラメント間の溝に安定化層材料由来の溶融物（屑）が残るためフィラメント間の電気抵抗が低下し、カップリン
グ効果により交流損失の低減効果が得られなくなるといった問題がある（特許文献２、特許文献３）。このため、弱いレーザを用いてゆっくり例えば数m/h程度の速度でスクライ
ビングすることや、レーザ照射工程以外に溶融物を除去するための工程（例えばエッチング工程）などが必要となり、製造工程の煩雑化やコストの高騰を招く可能性がある。

【0008】

なお、精密機械式であるスプリット方法による多芯化では、折り曲げまたは加圧による押しつぶしにより、直線的なスプリットを複数形成できるため、他の多芯化方法と比べ、交流損失を大きく低減できる。この手法では、臨界電流を８０％以上に大きく改善できるので、DC利用におけるNMRとMRIなど高磁場で有効性が高いものの、モータなどの低磁場応用では、例えば１T以下で、臨界電流を向上できるまでは至っていない。

【0009】

このような課題を考慮し、本発明は、超伝導性能向上と交流損失低減（遮蔽電流改善）を両立させる高温超伝導線材を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の第一の態様は、テープ状の金属基板上に中間層を介して形成された酸化物超伝導層と当該酸化物超伝導層上に形成された金属製の安定化層を有し、前記酸化物超伝導層に、長手方向のクラックが複数形成されており、前記クラックのそれぞれは１μｍ以下の幅を有する、ことを特徴とする。

【0011】

本明細書において、高温超伝導層に形成されるクラック（亀裂、ひび（罅））とは、その部分で材料が切断または電気的に遮断される箇所である。特に、酸化物超伝導層に形成されるクラックとは、その部分に超伝導電流が流れないように切断されることを意味する。

【0012】

本態様におけるクラックは、上述のように超伝導電流が流れないような切断である限り幅が細いことが望ましく、例えば、クラックの幅は１μｍ以下であり、さらに好ましくは０．１μｍ以下である。

【0013】

また、長手方向のクラックとは、必ずしも線材の長手方向と平行な直線であることを意味するものではなく、微視的に見たときに直線でなくてもよい。

【0014】

本態様において、複数のクラックは不規則に形成されることが好ましい。ここで「不規則に形成される」とは、個々のクラックの長さ、幅方向に隣接するクラック間の間隔、長手方向に隣接するクラック間の間隔、の少なくともいずれか、より好ましくはこれらの全てが、不定（一定ではない）に形成されることを意味する。個々のクラックの長さは１ｍｍ以下の不定の長さであることが好ましい。

【0015】

幅方向に隣接するクラック間の間隔は、５０μｍ以下の不定の長さであることが好ましい。ただし、線材幅方向に分離された複数のクラック形成範囲（ライン）にクラックが形成される場合、１つのクラック形成範囲内での隣接するクラック間の間隔が５０μｍ以下であればよく、異なるクラック形成範囲内のクラックのあいだの距離はこれ以上であってもよい。さらに、線材全体において、さらに好ましくは各クラック形成範囲内において、少なくともある１組の隣接するクラックについて、幅方向の間隔が１０μｍ以下であることが好ましい。

【0016】

本態様のような不規則なクラックが人工的に形成された超伝導線材は、線材面に垂直な磁場を通過させることができ、AC利用では交流磁化損失、DC利用では反磁性を低減することができる。したがって、このような高温超伝導線材を用いた超伝導コイルを製造することで交流損失や遮蔽電流磁場などを低減することができる。また、クラックの幅が小さい
ので、自己磁場中での超伝導性能の劣化を大いに抑制できる。したがって、多数のクラックを形成することができ、低磁場中での臨界電流向上が可能である。

【0017】

本発明の第二の態様は、テープ状の金属基板上に中間層を介して形成された酸化物超伝導層と当該酸化物超伝導層上に形成された金属製の安定化層を備え、前記酸化物超伝導層に長手方向のクラックが複数形成された高温超伝導線材の製造方法であって、テープ状の金属基板上に中間層を介して形成された酸化物超伝導層を用意するステップと、前記金属基板の前記中間層が形成されていない面の方から刃部材を押し当てることにより、前記酸化物超伝導層にクラックを形成するステップと、を含むことを特徴とする。

【0018】

なお、クラックを形成するステップは、金属基板上に酸化物超伝導層が形成されているが安定化層は形成されていない状態で実施してもよいし、安定化層まで形成されている状態で実施してもよい。前者の場合には、クラックを形成するステップの後に安定化層を形成するステップを設けてもよい。

【0019】

クラックを形成するステップでは、前記刃部材を、線材長手方向に沿って押し当てることが好ましい。また、刃部材として回転刃部材を用い、回転刃部材を回転させながら線材長手方向に沿って相対的に移動させつつ、前記金属基板に押し当てることが好ましい。

【0020】

本態様によれば、金属基板が刃部材から圧力を受けると、引き裂き応力として酸化物超伝導層まで印加されて、酸化物超伝導層に線材長手方向のクラックが不規則に複数形成される。

【0021】

本態様において、前記刃部材の刃先の幅は２０μｍ以下であることが好ましい。また、加える荷重の強さは、酸化物超伝導層が一部切断できるが、金属基板はほぼ変形しない程度とすることが好ましい。前記クラックを形成するステップでは、前記金属基板の変形が２０％以下となる力で、前記刃部材を前記金属基板に押し当てることが好ましい。例えば、金属基板が厚さ０．２ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）基板である場合は、外径３０ｍｍの刃部材を１つの刃先あたり１Ｎ以上１０Ｎ以下の力で押し当てることが好ましい。また、金属基板が厚さ０．２ｍｍのハステロイ基板である場合は、刃部材を１つの刃先あたり２Ｎ以上２０Ｎ以下の力で押し当てることが好ましい。

【0022】

このような構成によれば、金属基板を劣化させずに、酸化物超伝導層に細いクラックを複数形成することが可能である。

【0023】

また、本態様において、前記クラックを形成するステップでは、前記高温超伝導線材を、同一の回転軸で重ねられた複数の回転刃部材と、ガイドローラとの間を通過させることにより、前記クラックを形成する、ことも好ましい。

【0024】

このような構成によれば、１回のステップで広い範囲にわたってクラックを形成することができるため、長尺化を容易に達成でき、複数のクラックを同時に形成できる。また、このような方法によって形成されるクラックは、断続的な破線ではなく不規則（ランダム）な分布となるが、線材長手方向では互いに平行に形成することができる。

【0025】

また、本態様において、酸化物超伝導層にクラックを形成するステップの後に、酸化物超伝導層を保護する金属製の安定化層を形成するステップを含むことが好ましい。これにより、安定化層の付いた高温超伝導線材が製造できる。

【0026】

本発明の第三の態様は、テープ状の金属基板上に中間層を介して形成された酸化物超伝導層と当該酸化物超伝導層表面に形成された金属製の安定化層を有し、前記酸化物超伝導
層に長手方向のクラックが複数形成された高温超伝導線材の製造装置であって、ガイドローラと、前記ガイドローラと対向して設けられた複数の回転刃が重ねられた回転刃部材を備える高温超伝導線材の製造装置である。

【0027】

本態様の製造装置を用いることで、酸化物超伝導層に長手方向に沿ったクラックが形成された超伝導線材を容易に製造することができる。

【0028】

また、本発明は、上記のようにして接続された高温超伝導線材を用いた超伝導コイルとしても捉えることができる。

【発明の効果】

【0029】

本発明によれば、本発明は、超伝導性能向上と交流損失低減（遮蔽電流改善）を両立させる高温超伝導線材を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】実施形態に係るＲＥＢＣＯ線材の構造を説明する図である。

【図2】実施形態に係るＲＥＢＣＯ線材のＲＥＢＣＯ層に形成されるクラックを説明する模式図である。

【図3】実施形態に係るＲＥＢＣＯ線材のＲＥＢＣＯ層に形成されるクラックの別の例を示す図である。

【図4】実施形態に係るＲＥＢＣＯ線材の製造方法を説明する模式図である。

【図5】実施形態に係るＲＥＢＣＯ線材の製造装置を説明する模式図である。

【図6】実施形態に係るＲＥＢＣＯ線材のＲＥＢＣＯ層の断面および表面の外観観察の結果を示す図である。

【図7】実施形態に係るＲＥＢＣＯ線材の磁化測定の結果を示す図である。

【図8】実施形態に係るＲＥＢＣＯ線材の電流電圧特性測定の結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

【0032】

＜概要説明＞
本実施形態は、ＲＥＢＣＯ層および中間層（バッファ層）のみにクラックが多数形成されているＲＥＢＣＯ線材（高温超伝導線材）である。ＲＥＢＣＯ層（および中間層）に多数のクラック（ひび（罅））が形成されているので、高温超伝導多か（罅）線と称することもできる。以下、本実施形態に係るＲＥＢＣＯ線材の構造について説明する。

【0033】

ＲＥＢＣＯ線材１０の構造を図１（ａ）に示す。一実施形態に係るＲＥＢＣＯ線材１０は、金属基板１１、中間層１２、ＲＥＢＣＯ層１３、銀安定化層１４、銅安定化層１５からなる多層構造を有する。ここで、ＲＥＢＣＯ層１３および中間層１２には、図１（ｂ）～（ｄ）に示すように、ＲＥＢＣＯ線材１０の長手方向に沿ったクラック１６が設けられているのに対し、金属基板１１、銀安定化層１４、銅安定化層１５にはこのようなクラックが設けられていない。クラックの深さ（厚さ）は不規則であり、ＲＥＢＣＯ層１３から中間層１２にかけてクラックが形成されていてもよいし、ＲＥＢＣＯ層１３のみにクラックが形成されてもよい。なお、図１（ｂ）はＲＥＢＣＯ線材１０の垂直断面を示し、図１（ｃ）はＲＥＢＣＯ層１３および中間層１２の上面から見た図、図１（ｄ）は金属基板１１を下面から見た図である。図１（ｂ）ではクラック１６が線材中央に３つのみ存在しているが、図１（ｃ）に示すように、長手方向の場所によって、クラック１６の本数は０本
以上であり、また、幅方向の位置も線材中央に限られるわけではない。

【0034】

クラック１６は、ＲＥＢＣＯ層１３のＲＥＢＣＯ材料をその部分で切断したものである。クラック１６によって、ＲＥＢＣＯ材料は電気的に分離あるいは遮断される。なお、ＲＥＢＣＯ材料が電気的に分離あるいは遮断されるというのは、その部分において超伝導電流が流れないことを意味する。

【0035】

図１（ａ）～１（ｃ）では、線材幅方向の一部の範囲１７のみにクラック１６が形成されているＲＥＢＣＯ線材１０を示しているが、図２に示すように、線材幅方向の全体にわたってクラック１６が形成されてもよい。より多くのクラックを形成することで、交流損失の低減効果が増加し、磁場中での臨界電流も増加する。

【0036】

それぞれのクラック１６の幅は、電気的な遮断が達成できる範囲で細いことが好ましく、０．１μｍ以下であることが好ましいが、１μｍ以下であればよく、１０μｍ程度であってもよい。クラック１６の幅を細くすることで、臨界電流の低下を抑制できる。また、それぞれのクラック１６の長手方向の長さは、１ｍｍ以下であることが好ましい。さらに、クラック１６の配置は、長手方向および幅方向ともに不規則（ランダム）である。したがって、隣接するクラックの間隔も不規則となる。幅方向のクラック間隔は５０μｍ以下であることが好ましい。また、任意の長手方向位置において、幅方向の少なくともいずれかの箇所に、幅方向の間隔が１０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下の隣接クラックが存在することが好ましい。また、任意の長手方向位置において、少なくとも１本以上のクラックが存在することが好ましく、２０μｍあたりに１本以上の密度でクラックが存在することがより好ましい。ただし、ある長手方向位置にクラックが全く存在しなくても構わない。

【0037】

図１，２ではクラック１６を線材長手方向の直線として描いているが、図６等に示すように微視的に見れば必ずしも直線ではない。ただし、クラック幅の１０倍程度以上の幅方向の揺らぎはなく、このような意味でクラック１６は線材長手方向に沿っているといえる。

【0038】

それぞれのクラック１６の幅が小さく、また材料の除去がない加工であるため、クラックによる臨界電流の低下の影響が少ない。これは、多数のクラックを形成できることを意味する。

【0039】

複数のクラック１６が不規則に形成されることの利点を、図３を参照して説明する。図３（ａ）はクラック１６が不規則に形成された線材（本実施形態）を示し、図３（ｂ）はクラック（あるいはスプリットライン）が規則的に形成された線材（比較例）を示す。交流磁化損失は、超伝導材料の反磁性と関連があり、反磁性が大きいほど損失が大きくなるのが通常である。比較例に係る線材では４つのクラックで２つの全体電流ループ３３，３４が形成されるのに対し、本実施形態に係る線材では３つのクラックでも１つの全体電流ループ３１しか形成されないので交流損失を低減できる。より詳細に説明すると、本実施形態に係る線材において、電流経路３２は時計回りと反時計回りを繰り返すので、反磁性にはほとんど影響を与えない。また、超伝導渦電流はクラック間の長手方向の隙間と幅方向の間隔の両方に関連し、これらの最小幅によって規定される。クラックを均等に設けるよりも不規則に設けた方が、（クラックの本数が同じであるという条件下で）最小幅を小さくでき、したがって流れる電流量が小さくなり反磁性を小さくできる。

【0040】

ＲＥＢＣＯ層１３にクラック１６を形成する方法について図４を参照して説明する。まず、金属基板１１に中間層１２およびＲＥＢＣＯ層１３を設けた線材４０を用意する。線材４０には、安定化層１４，１５はまだ設けていない状態である。そして、ＲＥＢＣＯ層
１３を下にした状態で線材４０を硬質材料の部材４２上に載置し、硬質材料の刃部材の刃先４１を押し当てる。金属基板１１は刃先４１の圧力を受けると、矢印４３で示したような引き裂き応力がＲＥＢＣＯ層１３まで印加される。これにより、刃先４１を押し当てた部分の周りに１つまたは複数のクラック１６が形成される。刃先４１を押し当てる力は金属基板１１が変形しない程度の弱い力であっても、ＲＥＢＣＯ層１３にクラック１６を形成することができる。刃部材として回転刃（ローラー丸刃）を用い、回転刃を回転させると、線材長手方向に沿った複数のクラックがランダムに形成される。

【0041】

このようにして、ＲＥＢＣＯ層１３にクラック１６を形成した後に、線材４０の周りに銀安定化層１４や銅安定化層１５を設けて、ＲＥＢＣＯ線材１０が得られる。安定化層が設けられた線材に対して、刃先４１を押し当ててＲＥＢＣＯ層１３にクラックを形成してもよい。

【0042】

＜実施形態＞
（製造方法および製造装置）
以下、実施形態に係るＲＥＢＣＯ線材１０の製造方法および製造装置についてより詳細に説明する。

【0043】

テープ状の金属基板１１に中間層１２を介してＲＥＢＣＯ層１３が形成された線材を用意する。例えば、線材の幅は４ｍｍである。金属基板１１は、ニッケルまたはニッケル合金（ステンレス鋼（ＳＵＳ）やハステロイなど）等の各種金属材料等から構成され、厚さが約５０μｍである。中間層（バッファ層）１２は、単層構造あるいは複層構造であり金属酸化物からなり、厚さ約０．４μｍである。ＲＥＢＣＯ層（酸化物超伝導層）１３は、希土類系酸化物超伝導材料（ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７－δ）からなり、厚さ約３μｍである。ここで、ＲＥは、一つまたは複数の希土類元素を表す。希土類元素には、Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕが含まれる。この状態のＲＥＢＣＯテープ線は安定化層（保護層）が設けられていない状態であり、以下では単にＲＥＢＣＯテープ線と称する。

【0044】

このようなＲＥＢＣＯテープ線に対して、ローラーブレード（回転刃部材）を備えるクラック形成装置による処理を施すことで、ＲＥＢＣＯテープ線のＲＥＢＣＯ層にクラックを形成する。

【0045】

クラック形成装置２０の構造について、図５（ａ），５（ｂ）を参照して説明する。図５（ａ）はクラック形成装置２０の全体概要を示す図である。クラック形成装置２０は、送り出し部２１、ガイドローラ対２２，クラック形成ローラ対２３、ガイドローラ２４、巻き取り部２５を備える。

【0046】

送り出し部２１は、ＲＥＢＣＯテープ線が巻き線されたリールを含み、巻き取り部２５は、ＲＥＢＣＯテープ線を巻き取る電動式のローラを含む。巻き取り部２５がＲＥＢＣＯテープ線を巻き取ることで、ＲＥＢＣＯテープ線が送り出し部２１と巻き取り部２５の間を走行する。なお、送り出し部２１のリールには、走行方向と反対の回転力を付勢するブレーキが備えられており、ＲＥＢＣＯテープ線に対して所定の強さの張力を発生させる。本実施形態では、約１０ＭＰａ～５０ＭＰａ程度の張力をかけることが適切である。

【0047】

ガイドローラ対２２は、ＲＥＢＣＯテープ線の幅方向への移動を規制するためのものである。ガイドローラ対２２は、互いに対向して設けられた下側ローラ２２ａと上側ローラ２２ｂからなる。下側ローラ２２ａの外周部には、後述するガイドローラ２３ａと同様にテープ線幅（４ｍｍ）程度の溝（凹部）が設けられている。上側ローラ２２ｂには、下側ローラ２２ａの溝と嵌合する凸部が設けられる。下側ローラ２２ａと上側ローラ２２ｂが
ＲＥＢＣＯテープ線を溝部に挟み込むことで、ＲＥＢＣＯテープ線の幅方向の位置が位置決めされる。ガイドローラ対２４も、ガイドローラ対２２と同様の構成を有する。

【0048】

クラック形成ローラ対２３は、ＲＥＢＣＯテープ線のＲＥＢＣＯ層（および中間層）にクラックを形成するためのものである。クラック形成ローラ対２３は、互いに対向して設けられたガイドローラ２３ａと複数のローラーブレード（ローラー丸刃）２３ｂからなる。クラックローラ対２３を、テープ線の走行方向から見た図を図５（ｂ）に示す。

【0049】

ガイドローラ２３ａの外周部には、テープ線幅（４ｍｍ）程度の溝（凹部）Ｇが設けられている。ガイドローラ２３ａのうち、少なくとも溝部Ｇの底面部は、ＳＵＳなどの硬質材料で構成される。これは、ローラーブレード２３ｂによってＲＥＢＣＯテープ線に応力が加えられたときに、ＲＥＢＣＯテープ線が折り曲がらないようにするためである。

【0050】

ローラーブレード２３ｂの外周部には全周にわたって刃先（刃部材）Ｂが設けられる回転刃である。刃先Ｂの材料は、十分な硬度が得られれば任意の材料であってよく、通常のカッターの刃先として用いられる超硬合金を用いることができる。また、刃先の幅は本実施形態では２０μｍであるが、これより細くても太くても良い。ローラーブレード２３ｂは複数重ねられており、ＲＥＢＣＯテープ線の全幅に渡ってローラーブレード２３ｂの刃先を押し当てられるようになっている。図５（ｂ）では図示の簡略化のために３つのローラーブレード２３ｂしか示していないが、例えば、テープ線幅が４ｍｍであり、１枚のローラーブレード２３ｂの幅が０．３ｍｍであれば、１３枚のローラーブレードを重ねる（並べる）ことができる。

【0051】

また、ローラーブレード２３ｂには、所定の応力が印加できるように応力制御部が接続される。所定の応力とは、応力印加によるＲＥＢＣＯテープ線の引き裂きに伴って、ＲＥＢＣＯ層１３（および中間層１２）にクラックが生じるが、金属基板１１がほぼ変形しない程度の応力である。例えば、金属基板１１がＳＵＳ基板であれば、１枚のローラーブレードあたり５Ｎの力を印加して、刃先の集中応力が１０～３０ＭＰａとなるようにする。また、金属基板１１がハステロイ基板であれば、１枚のローラーブレードあたり２０Ｎの力を印加して、刃先の集中応力が４０～１２０ＭＰａとなるようにする。金属基板１１がほぼ変形しないというのは、例えば、金属基板１１の変形が２０％以下であることを意味する。応力制御部は、例えば、ロードセル（応力検知部）とロードセルの出力に応じて応力を印加する応力印加部を備える。あるいは、応力制御部はローラーブレード２３ｂをガイドローラ２３ａ方向に付勢するバネであってもよい。

【0052】

クラック形成ローラ対２３の位置においてＲＥＢＣＯテープ線がローラーブレード２３ｂ側に凸な曲線状となるように、ガイドローラ対２２、２４をクラック形成ローラ対２３よりも下側（ガイドローラ２３ａ側）に配置している。これにより、ＲＥＢＣＯテープ線とガイドローラ２３ａの接触面積が大きくなり幅方向の規制が十分に行える。また、ＲＥＢＣＯテープ線とローラーブレード２３ｂの接触面積が小さくなりローラーブレード２３ｂの横方向（テープ線の幅方向）の移動を抑制できる、ＲＥＢＣＯテープ線の引き裂きを抑制できるなどの効果が得られる。

【0053】

ＲＥＢＣＯテープ線を、このように構成されたクラック形成装置２０のクラック形成ローラ対２３の間を通過させることで、ＲＥＢＣＯテープ線は長手方向に沿って引き裂かれて、長手方向のクラックがＲＥＢＣＯ層１３（および中間層１２）に形成される。

【0054】

なお、クラック形成装置２０はより簡易なものであってもよい。例えば、送り出し部２１や巻き取り部２５を備えずに手動でＲＥＢＣＯテープ線を移動させて、クラック形成ローラ対２３によってクラックを形成してもよい。また、ガイドローラ対２２，２４のいず
れかまたは両方を省略しても構わない。

【0055】

最後に、クラック形成装置２０によってＲＥＢＣＯ層１３に人工的なクラック１６を形成したテープ線に対して、金属製の安定化層を既知の手法により設ける。

【0056】

（測定結果）
上記のようにして作成したＲＥＢＣＯ線材の特性について説明する。以下の結果はいずれも、安定化層を設ける前のテープ線についてのものである。

【0057】

・外観観察
図６（ａ）はＲＥＢＣＯ層１３の断面構造、図６（ｂ）はクラック形成処理後のＲＥＢＣＯ層の金属基板側表面、図６（ｃ）はＲＥＢＣＯ層１３を金属基板１１から剥がした露出面（ＲＥＢＣＯ層１３側の表面）のＳＥＭ観察結果である。

【0058】

図６（ｂ）に示すように、１３枚のローラーブレード２３ｂによる加工ラインが、線材長手方向と平行に現れている。個々の加工ラインの幅は、ローラーブレード２３ｂの刃先の幅とほぼ同じ２０μｍ程度である。

【0059】

図６（ｃ）は、１つの加工ラインに対応するＲＥＢＣＯ層１３の表面を拡大した画像である。加工ラインの幅（ローラーブレード２３ｂの刃先の幅）である２０μｍよりも広い約６０μｍの幅にわたって、１０本程度のクラックが形成されている。これは引き裂き加工によるためであると理解できる。それぞれのクラックは、線材の長手方向に沿っており、幅が０．１μｍ以下であることがわかる。０．１μｍ幅のクラックは、従来技術で形成可能な最小幅である１０μｍの１００分の１程度である。また、クラックの長手方向の長さが１ｍｍ以内であることも確認された。

【0060】

また、各クラックの幅方向の間隔は不規則であり、近いものは１μｍ～数μ程度で隣接している。１つの加工ライン（幅約２０μｍ）に対応するクラック形成範囲（幅６０μｍ）には、クラックが密に形成される。１つのクラック形成範囲内で最も離れている隣接クラックの間隔は３０μｍ程度である。また、各クラックの長手方向の終端位置も不規則であり、長手方向の隙間部分が幅方向に渡って一致するような部分は見られない。

【0061】

１つの加工ラインに対して約１０本のクラックが形成され、線材幅全体では１３本の加工ラインにより約１３０本のクラックが形成される。

【0062】

１つの加工ラインあたり平均５Ｎ以下の小さい圧力を印加しているため、図６（ａ）に示すように、ＲＥＢＣＯ層は当然ながら、金属基板（ＳＵＳ基板）にも凹みなどの変形が現れていない。

【0063】

・磁化測定
クラックを形成したＲＥＢＣＯテープ線（多か線；サンプルＢ）の磁化測定について説明する。図７は、ＳＱＵＩＤ磁束計（カンタムデザイン社ＭＰＭＳ）を用いて測定した印加磁場と磁化の強さの関係を示す図である。この磁化測定では、長さ４ｍｍのＲＥＢＣＯテープ線を２枚重ねたものをサンプルとして測定している。測定手順は、まずサンプルを印加磁場ゼロの状態で７７Ｋまで冷却し、７７Ｋに保温したままテープ面に垂直な磁場を印加しながら磁化測定を行った。

【0064】

図７のグラフの横軸は印加磁場の強さを表し、縦軸はサンプルの磁化の強さを表す。なお比較のために、クラック形成前のＲＥＢＣＯテープ線（単芯線；サンプルＡ）もサンプルとして同様の磁化測定を行っている。図７のグラフのうち、７１がクラックを形成した
ＲＥＢＣＯテープ線（多か線）、７２がクラックを形成していないＲＥＢＣＯテープ線（単芯線）の測定結果である。

【0065】

図７からわかるように、クラックを多数形成したＲＥＢＣＯテープ線は、クラックを形成していないＲＥＢＣＯテープ線よりも、反磁性が平均５分の１程度に減少されている。両方のグラフは線材中のＳＵＳ基盤層の磁性により、プラス磁化方向へ同じ程度の傾きを示す。なお、交流磁化損失は履歴で囲まれた面積であるため、同じく５分の１に低減される。

【0066】

・電流電圧特性測定
クラックを形成したＲＥＢＣＯテープ線の電流電圧特性測定について説明する。

【0067】

長さ２５ｃｍのクラックを形成したＲＥＢＣＯテープ線（多か線；サンプルＢ）を用いて、液体窒素温度（７７Ｋ）で、自己磁場（外部印加磁場ゼロ）と外部印加磁場０．７Ｔでの直流電流－電圧特性を測定した。比較のために、クラック形成前のＲＥＢＣＯテープ線（単芯線；サンプルＡ）についても同様の測定をおこなっている。

【0068】

電圧端子は、長手方向に２０ｃｍの間隔で配置し、電流を２０Ａ／ｍｉｎで上昇させながら、テープ線全体での電流電圧特性を測定した。臨界電流の基準Ｉ_ｃは０．１μＶ／ｃｍである。得られた電流電圧特性曲線を図８に示す。

【0069】

グラフ８１，８２は、それぞれ自己磁場での多か線および単芯線の特性を示す。自己磁場では、本手法の多か線サンプルＢの臨界電流（１３９．８Ａ）は、元の単芯線サンプルＡの臨界電流（１６３．７Ａ）の８６％程度を保持しており、ｎ値は同じ３０である。幅方向で１３０本程度のクラックを有しながらも、臨界電流は非常に高い保持率を持ち、１本のクラックに対して臨界電流は平均０．１％程度しか降下していない。

【0070】

グラフ８３，８４は、それぞれ多か線サンプルＢおよび単芯線サンプルＡについて、線材のテープ面に垂直磁場０．７Ｔをかけて測定した結果を示す。多か線サンプルＢの臨界電流（４２．７Ａ）は、元の単芯線サンプルＡの臨界電流（３８．１Ａ）よりも１４％向上している。これは、垂直磁場中で１本のクラックに対して、臨界電流が平均０．１％増加することになる。ｎ値は外部印加磁場中でも変化はなく、線材劣化はないと考えられる。

【0071】

本発明者らは、線材長手方向に幅１０μｍ程度のスプリットライン（スリット）を設けてテープ線を複数のフィラメントに分割した多芯テープ線（スプリット線）を開発しており、外部磁場２．５Ｔで元の線材（単芯線）の臨界電流を上回ることを発表している（非特許文献２）。これに対して、今回提案する人工クラック入り超伝導線材（多か線）は、０．７Ｔ程度の低磁場で臨界電流の向上が得られる。モータは大型であっても１Ｔ以下の磁場で運転されるため、モータへの応用が期待できる。

【0072】

（本実施形態の有利な効果）
本実施形態に係る超伝導線材は、超伝導層（ＲＥＢＣＯ層）に、細いクラックが長手方向に沿って不規則に多数形成されている。

【0073】

クラックが不規則に形成されるので、電流ループの数を減り、また電流経路が時計回りと反時計回りを繰り返すので反磁性の影響を抑制できる。さらに、超伝導渦電流は、クラック間の間隔の最小値によって決まるので、複数のクラックを均等幅で形成するよりも、部分的に幅が狭くなるように形成した方が、反磁性を抑制できる。

【0074】

また、クラックの幅が０．１μｍと従来の１０μｍ幅の１００分の１程度に細いことから、超伝導性能の劣化を抑制できる。

【0075】

このように、本実施形態によれば、超伝導性能向上と交流損失低減（遮蔽電流改善）の両立が図れる。

【0076】

また、本実施形態においては、複数のローラーブレードを重ねてＲＥＢＣＯ層へのクラック形成を同時におこなうため、１度の処理で多数（上記の例では１３０本）のクラックが形成できる。これは非常に簡便な手法であり、量産化および長尺化が可能となる。

【0077】

また、金属基板および安定化層にはクラックが形成されず破壊されないことから、機械的強度を保つことができ、高磁場での使用に支障がない。

【0078】

＜その他の実施形態＞
ＲＥＢＣＯ線材の構成は種々の変形が可能である。例えば、上記の説明では、ＲＥＢＣＯテープ線を移動させて、クラック形成装置のクラック形成ローラ対によってクラックを形成しているが、ＲＥＢＣＯテープ線を固定した状態でクラック形成ローラ対（またはローラスリッター）を移動させてもよい。さらに、回転刃以外の直線的な刃を押し当ててクラックを形成してもよい。さらには、ＲＥＢＣＯ層１３に対して線材幅方向の引き裂き力を印加できれば必ずしも刃先を押し当てる必要は無く、例えば、ＲＥＢＣＯ層を幅方向に引っ張ることによりクラックを形成してもよい。

【0079】

また、安定化層が金属基板およびＲＥＢＣＯ層の周囲全体を覆うように設けられているＲＥＢＣＯテープ線ではなく、安定化層がＲＥＢＣＯ層上だけに設けられたＲＥＢＣＯテープ線を用いても構わない。

【0080】

また、上記の説明では、幅が０．１μｍ以下のクラックを形成しているが、クラックの幅は１μｍ以下であってもよいし、１０μｍ以下であってもよい。また、クラックの間隔は狭いことが交流損失低減（遮蔽電流改善）の観点から好ましいが、その間隔は任意であってよい。例えば、平均的に３０μｍに１本の割合でクラックが設けられており、クラックの形成が不規則であれば、平均値である３０μｍよりも近い距離で隣接するクラックの組が存在する。また、幅方向に隣接する２つのクラックの間隔が５０μｍ以下とすることも好ましい。ただし、加工ラインのあいだの部分の隣接クラックの間隔はこれ以上であっても構わない。

【符号の説明】

【0081】

１０ ＲＥＢＣＯ多芯テープ線
１１ 金属基板
１２ 中間層
１３ ＲＥＢＣＯ層
１６ クラック
２０ クラック形成装置
２３ クラック形成ローラ対
２３ａ ガイドローラ
２３ｂ ローラーブレード

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】