JP2524209B2

JP2524209B2 - シ―ト状超電導磁石

Info

Publication number: JP2524209B2
Application number: JP63307630A
Authority: JP
Inventors: 倉一小川; 孝雄杉岡; 勝井上
Original assignee: KOATSU GASU KOGYO KK; OOSAKAFU
Current assignee: KOATSU GASU KOGYO KK; OOSAKAFU
Priority date: 1988-12-05
Filing date: 1988-12-05
Publication date: 1996-08-14
Anticipated expiration: 2011-08-14
Also published as: JPH02153503A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、超電導体を用いた強磁場用として好適なシ
ート状の磁石に関する。

（従来の技術）近時、磁気浮上列車、電磁推進船、発電機、モータ
ー、電気エネルギー貯蔵等のような強磁場を必要とする
分野に超電導マグネットを用いる研究が鋭意進められ、
一部実用化されている。斯かる超電導マグネットとして
は、超電導マグネットや米国特許第3,281,738号に開示
された超電導ソレノイド等が挙げられる。

（発明が解決しようとする課題）然し乍ら、上記超電導マグネットは、非常に高価であ
り、また適用箇所毎に必要とされる上に、形状・大きさ
も適用対象に応じて個々に定める必要があり、しかも高
磁界になればなる程大きな構造が必要となる。亦、永久
電流超電導マグネットの場合でも磁界の高安定度に問題
があり、更に、大きい空間に於いて高均一磁界を形成す
るには複雑な構造となる。

一方、上記超電導ソレノイドは、効率が極めて低く、
超電導マグネットと同様対応箇所に応じてその形状等を
定める必要があり、更に磁場均一度も同様に複雑になる
と考えられる。

そして、これらの超電導マグネットは、いずれも使用
に際して他への影響を防止する為に磁気シールドを施す
必要がある。

本発明は、上記に鑑みなされたもので、非常に安価に
供給することが出来、適用箇所の形状・大きさ等の対応
が自由になし得、大空間の磁場の形成も簡易に行なうこ
とができ、更に磁束分布の変更や磁界分布の均一化が自
由になし得る新規なシート状超電導磁石を提供せんとす
るものである。

（課題を解決するための手段）上記目的を達成する為の本発明の構成を添付の実施例
図に基づき説明する。第１図は本発明の第１態様に係る
磁石の部分拡大断面図、第２図は同第２態様に係る磁石
の部分拡大断面図、第３図乃至第６図は変更態様を示す
部分拡大断面図である。即ち、本発明の第１態様に係る
シート状超電導磁石は、超電導体層１及び常伝導体層２
を含む積層複合体Ａの単層（第１図参照）若しくは多層
（第３図参照）積層体より成るシート体であって、該シ
ート体が励磁状態にあることを特徴とするものである。
また、第２態様に係るシート状超電導磁石は、超電導体
層１、常伝導体層２及び絶縁体層３を含む積層複合体Ｂ
の単層（第２図参照）若しくは多層（第４図参照）積層
体より成るシート体であって、該シート体が励磁状態に
あることを特徴とするものである。更に、第３態様に係
るシート状超電導磁石は、上記複合体Ａ又はＢによるシ
ート体の片面のみが励磁状態にあることを特徴とするも
のである。

該超電導体層１としては、ニオブ金属、ニオブ系化合
物、ニオブ系合金、バナジウム系化合物及びバナジウム
系合金等が採用され、具体的にはNb、Nb-Ti合金、Nb-Zr
合金、NbN、NbC、NbN・TiN（混晶体…特願昭63-200795
号で提案済み）を主成分とするもの、Nb₃Sn、Nb₃Al、Nb
₃Ga、Nb₃Ge、Nb₃（AlGe）及びＶ₃Ga等が挙げられる。そ
の他、セラミックス系超電導材料（例えば、Ba−Ｙ−Cu
−Ｏ系化合物、La-Sr-Cu−Ｏ系化合物、Bi-Sr-Ca-Cu−
Ｏ系化合物、Tl-Ba-Ca-Cu−Ｏ系化合物）やシェブレル
超電導体（例えばPbMo₆Ｓ₆）等も採用される。また、特
願昭60-024254（特開昭61-183979号公報）で提案したよ
うに、厚みと磁気遮蔽効果との関係に於いて、その磁気
遮蔽効果が厚みの増大と共に原点から急激に増大し爾後
緩やかな勾配をもって漸増する如き曲線を描くものであ
り、且つその厚みが磁気遮蔽効果の特性曲線に於いて前
記漸増状態に移行する変曲点に対応する厚み以下である
ような超電導体層が望ましく採用される。

常伝導体層２は超電導体層１の安定化機能を奏するも
のであり、上述の如く超電導体層１に密着一体とされて
いることが肝要で、銅、アルミニウム、ニッケル、ステ
ンレススチール、チタン及びニオブ等の熱伝導性及び電
気伝導性の良い金属が採用される。超電導体層１として
上記NbN・TiNを主成分とするものを用いる場合には、超
電導体層１と常伝導体層２との間に両者の馴染みの良い
ニオブ−チタン合金（Nb-Ti）層４を介在させ（第５図
参照）その層間密着性を図るようになすことが望まれ
る。尚、本発明の積層シート体は常伝導体層２と同材質
の基板２′上に積層することも可能で、これらが単層の
場合は該基板２′と超電導体層１及び／若しくは絶縁体
層３との積層体を上記複合体Ａ若しくはＢと位置付ける
ことも出来る。

絶縁体層３としては、窒化アルミ、キュービック窒化
ホウ素、炭化珪素及び窒化珪素等のセラミックス並びに
ダイヤモンド等より選ばれた熱伝導性の良い誘電体が望
ましく採用される。該絶縁体層３は、超電導体層１を電
気的に絶縁し、安定化効果の相乗効果により各層が安定
に作用するよう機能するものである。

上記各層の相互密着的積層は、スパッタ法、或いは圧
延された超電導シートの表面に金属を電着し、更にこの
電着複合体を多層化する場合は該複合体を低融点金属浴
に浸漬した後圧着するなどの方法によってなされる。

本発明のシート体に、第６図に示す如く、その厚み方
向に貫く多数の小孔５…を開設することも可能であり、
これにより磁束分布を自由に変え、また磁場分布を均一
にすることも容易となる。

上記シート体の励磁は、パルスマグネット、超電導マ
グネット或いは常伝導マグネット等による磁界内に該シ
ート体を晒し、爾後磁界を取り去るだけでシート体が励
磁される。この場合、磁界の強さを各シート体の最大遮
蔽磁界以上とすると、この最大遮蔽磁界に対応する磁束
を限度としてトラップされ、全面が励磁される。また、
最大遮蔽磁界以下の磁界に晒した場合は磁界に晒された
面のみ励磁され、これを第３態様の磁石とすることが出
来る。この第３態様の磁石を得る他の方法としては、上
記全面が励磁されたシート体の片面に、該シート体より
も最大磁界遮蔽能力の大きな別の励磁されていないシー
ト体を貼付する方法が挙げられる。

（作用）上記構成のシート状超電導磁石は、その厚み内に超電
導体層１を含むから、一旦励磁されると良好な永久磁石
として機能する。しかも、その最小単位である複合体Ａ
は、該超電導体層１と常伝導体層２との積層体であるか
ら、常伝導体層２の安定化作用により超電導体層１が確
実に励磁され、また励磁後の永久磁石としての機能が安
定的に持続される。また、複合体Ｂは常伝導体層２の上
記安定化作用に加え、絶縁体層３の電気的絶縁作用によ
り安定化効果が相乗される。

更に、上記NbN・TiNを主成分とする超電導体は、その
最大磁気遮蔽能力が大であり、従ってこの超電導体層１
を含むシート体をその最大遮蔽磁気量以上の磁界内に配
置すれば、上記の如く該最大遮蔽磁気量に対応する磁束
を上限としてトラップされるから、磁束密度の大きな永
久磁石が得られる。この場合、Nb-Ti層４を超電導体層
１と常伝導体層２若しくは絶縁体層３との間に介在させ
ておけば、該Nb-Ti層４と各層との馴染み性の良さによ
り強固な相間密着性が得られる。

そして、シート体であることから、様々な形状に加工
することが出来、目的に応じた永久磁石の設計が極めて
容易になし得る。

亦、本発明のシート状超電導磁石は、励磁する為のマ
グネットが１個あれば、上記要領で無数に得ることが出
来る。しかも、この励磁の際には電流リードなしで行な
うことができるから、超電導状態にまで冷却する為のク
ライオスタットを熱侵入の少ない構造とすることが出来
る。更に、コイル等を保持した平板状のクライオスタッ
トを回転させることにより容易に交流磁界を得ることが
出来る。

上述の如く、シート体をこれを構成する超電導体層１
の最大遮蔽磁気量以上の磁界内に配置すれば、該最大遮
蔽磁気量に対応する磁束を限度としてトラップされるか
ら、超電導体層１の層数を増やせばトラップされる磁束
が比例的に増大し、永久磁石としての能力が大となる。
特に、前記特開昭61-183979号公報で提案した超電導体
の薄層を多数積層すればトータル厚みが薄くても強大な
永久磁石が得られる。

亦、上記シート体にその厚み方向に貫く多数の小孔５
…を開設した場合、該小孔５…の開口率、分布或いは各
小孔５…の大きさ等を適宜変えることにより、シート体
全面の磁束分布を目的に応じて調整したり、磁場分布を
均一にしたりすることが自由になされる。

更に、シート体の片面のみが励磁されている場合、励
磁されている面からは磁界が発せられるが、その反対面
は磁気遮蔽能を有しているから、強力な磁場を形成しな
がら一方でこれを遮蔽すると云う特異な機能を奏する。

（実施例）次に実施例について述べる。

〔Ｉ〕請求項１に対応する実施例；（１）超電導体層１としてのNbTiを厚み200μｍ及び1
00μｍに圧延し、前者の片面には基板２′としてのCuを
厚み200μｍに圧延して圧着一体とし、後者の表面には
同じくCuを電着により厚み15μｍとなるようコーティン
グした。これらを夫々実施例１、２とした。

（２）巻取り機構を備えたスパッタ装置により、厚み
15μｍ、長さ数ｍのアルミニウム板（基板２′に相当）
上に超電導体層１としてのNbTiを堆積させ、超電導体層
１の厚みを変化させたものを実施例３〜６とした。

（３）巻取り機構を備えたスパッタ装置により、厚み
15μｍ、長さ数ｍのアルミニウム板（基板２′に相当）
上に超電導体層１としてのNbTi、常伝導体層２としての
Cuを交互に堆積させ、これらの層数を変えたものを実施
例７、８とした。

尚、実施例１〜６では基板２′と超電導体層１との積
層体を複合体Ａとし、実施例７、８では常伝導体層２と
超電導体層１との積層体を複合体Ａとした。

〔II〕請求項７に対応する実施例；（１）厚さ15μｍのCu板（基板２′に相当）に径50μ
ｍ、開口率20％の孔（上記小孔５…に相当）を開設し、
該Cu板上に上記同様のスパッタ法により超電導体層１と
してのNnTiを２μｍの厚みで堆積形成し、これを実施例
９とした。

（２）上記同様の孔あきCu板（基板２′に相当）上
に、上記と同様のスパッタ法により超電導体層１として
のNbTi及び常伝導体層２としてのCuを夫々厚み２μｍ、
層数30で交互に堆積形成し、これを実施例10とした。

尚、実施例９では、基板２′と超電導体１との積層体
を複合体Ａとし、実施例10では常伝導体層２と超電導体
層１との積層体を複合体Ａとした。

〔III〕請求項５及び６に対応する実施例；（１）厚さ15μｍのAl板（基板２′に相当）上にスパ
ッタ法によりNb-Ti合金（上記Nb-Ti合金層４に相当）、
NbN・Ti混晶体（超電導体層２に相当）及び上記と同様
のNb-Ti合金をこの順序で堆積形成し、超電導体層１の
厚みを変えたものを実施例11、12とした。

（２）厚さ15μｍのAl板（基板２′に相当）上に、ス
パッタ法によりNb-Ti合金（上記Nb-Ti合金層４に相
当）、超電導体層１としてのNbN・TiN混晶体、上記と同
様のNb-Ti合金及び常伝導体層２としてのCuをこの順序
で堆積形成し、最下層のNb-Ti合金層４から最上層の常
伝導体層２までを一単位としてこれを30層積層し、超電
導体層１の厚みを変えたものを実施例13、14とした。Nb
N・TiN混晶体層の形成は、前記先願特願昭63-200795号
によって開示した方法によった。

尚、実施例11、12では基板２′、Nb-Ti合金層４、超
電導体層１及びNb-Ti合金層４の積層体を複合体Ａと
し、実施例13、14ではNb-Ti合金層４、超電導体層１、N
b-Ti合金層４及び常伝導体層２の積層体を複合体Ａとし
た。

〔IV〕請求項２に対応する実施例；（１）厚み15μｍのAl板（基板２′に相当）上に、超
電導体層１としてのNbTi及び常伝導体層２としてのCuを
スパッタ法により堆積形成し、この上に絶縁体層３とし
ての窒化アルミセラミックスを反応性スパッタ法（ター
ゲット；アルミニウム、ArとＮ₂雰囲気下）により形成
し、これを実施例15とした。最下層の超電導体層１から
最上層の絶縁体層３までの積層体を一単位として多数積
層したものを実施例16とした。

（２）（１）の最上層の上に更に上記同様スパッタ法
により常伝導体層２としてCu層を形成し、これを実施例
17とした。

（３）（２）における最下層の超電導体層１から最上
層の常伝導体層２までの積層体を一単位として多数積層
し、各層の厚みを変えたものを実施例18、19、20とし
た。

尚、実施例15及び16では超電導体層１、常伝導体層２
及び絶縁体層３より成る積層体を、実施例18乃至20で
は、超電導体層１、常伝導体層２、絶縁体層３及び常伝
導体層２より成る積層体を夫々複合体Ｂとした。

上記実施例１〜20の励磁シート体サンプルを夫々の最
大遮蔽磁気量以上の磁界内に一定時間配置し、磁界を取
り去った後のトラップ磁界の強さを測定した。その結果
を、各複合体Ａ、Ｂの構造及び層数と共に第１表乃至第
３表に示す。

第１表乃至第３表から、実施例１〜20の永久磁石は、
いずれも極めて高い磁束をトラップしており、永久磁石
としての能力が大であることが理解される。特に、層数
が多い程磁束トラップ量が比例的に大となり、このこと
は、層数の調整により目的用途に応じた永久磁石の作成
が自由になし得ることを示唆する。亦、実施例７、８は
請求項４に対応する実施例としても把持することが出来
る。即ち、実施例１、２の如く比較的厚い超電導体層を
単層で用いるよりも、薄い超電導体層を多数積層する方
がトータル厚みが薄いにも拘らずトラップ磁束の強さが
大となっており、これは前記先行出願特開昭61-183979
号公報における磁気遮蔽効果と対応する。

〔Ｖ〕請求項３に対応する実施例；（１）実施例７で用いた積層シート体を0.046テスラ
の環境磁界内に晒し、次いでその磁界を取り去ったもの
を実施例21とした。実施例21の磁界側のトラップ磁束強
さは0.046テスラであったが、その反対面の磁界の強さ
は極めて小さな値を示した。これを実施例５のサンプル
と比較した時、実施例５は全面に0.046テスラの磁束が
トラップされているが、実施例21はその片面のみに0.04
6ステラの磁界がトラップされており、これより励磁の
際に負荷する磁界の強さを適宜設定することにより片面
のみの励磁が可能であることが理解される。

（２）実施例７で用いた積層シート体を0.101テスラ
以上の磁界内に晒して全面に0.101の磁束をトラップさ
せ、その片面に実施例７のシート体以上の磁気遮蔽能を
有し且つ該シート体より大きな励磁していないシート体
（例えば、実施例８、10、11、12、13、14等に用いたシ
ート体）を貼付してこれを実施例22とした。この実施例
22における別シート体貼付側のトラップ磁束強さを測定
したところ、極めて小さな値を示した。

実施例、21、22は永久磁石としての機能と磁気遮蔽体
としての機能を併せ持つものであり、この特異な機能は
前記用途に用いた場合磁界の発生と磁気遮蔽とを同時に
遂行することが出来、その有用性は極めて大である。

〔VI〕請求項７に於ける小孔５…の開設態様を変化さ
せた場合の実施例；厚さ35μｍ、直径100mmの円板状Cu板を３枚準備し、
これらを上記基板２′とした。第１の基板には、径が50
μｍの小孔５…を全面に均一に開設した。第２の基板に
は同小孔５…を中心部が密に遠心方向に沿って疎となる
よう開設した。第３の基板には、中心部に径の大きな小
孔５…を、遠心方向に行くに従い小さな径の小孔５…を
全面に略均一になるよう開設した。

上記第１乃至第３の基板上に、超電導体層１としての
NbTi（厚み２μｍ）、常伝導体層２としてのCu（厚み２
μｍ）を上記同様のスパッタ法により各10層堆積形成し
てシート体とし、これらをその最大遮蔽磁気量以上の磁
界内に配置して励磁し、夫々実施例23、24、25とした。

実施例23、24、25のシート面上10mmの位置で、中心よ
り遠心方向に向かってその磁界の強さを測定した。その
結果、実施例23では中心部から10mm位までは0.1％以下
の磁界勾配で磁界の強さが低下し、それ以後はかなり急
勾配で低下するが、実施例24、25では中心から50mmまで
の部位では0.1％以下の磁界勾配が維持されることが観
測された。これにより、小孔５…の開設態様を適宜変え
ることにより、シート面上の磁界の強さを均一にするこ
と或いは逆に急勾配にすることが可能である。

（発明の効果）叙上の如く、本発明のシート状超電導磁石は、超電導
体の特性からトラップされる磁束の強さが大であり、し
かも常伝導層及び／若しくは絶縁体層により安定化され
ているから、シート体でありながら極めて強力な磁界を
発すると共にその磁石としての機能が永く持続される。
また、シート体であることから、その励磁が極めて簡易
であり且つ様々な形状への加工が自由になし得、目的用
途に応じた磁石の作成が極めて低コストで可能となる。

片面のみを励磁したものは、磁石としての機能と磁気
遮蔽体としての機能を併せ持ち、永久磁石として用いる
場合に、他への影響を回避する為に別の遮蔽材を特に必
要としないと云う特筆すべき利点をもたらし、その実用
価値は飛躍的に向上する。

更に、厚み方向に貫く小孔を開設したものは、この小
孔の開設態様によってシート面上の磁界分布を適宜調整
することが出来、これにより目的用途に応じた幅広い対
応が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１態様に係る磁石の部分拡大断面
図、第２図は同第２態様に係る磁石の部分拡大断面図、
第３図乃至第６図は同変更態様を示す部分拡大断面図で
ある。（符号の説明）１……超電導体層、２……常伝導体層、２′……基板、
３……絶縁体層、４……ニオブ−チタン合金層、５……
小孔。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】超電導体層及び常伝導体層を含む積層複合
体の単層若しくは多層積層体より成るシート体であっ
て、該シート体が励磁状態にあることを特徴とするシー
ト状超電導磁石。
【請求項２】超電導体層、常伝導体層及び絶縁体層を含
む積層複合体の単層若しくは多層積層体より成るシート
体であって、該シート体が励磁状態にあることを特徴と
するシート状超電導磁石。
【請求項３】請求項１又は２のシート体の片面のみが励
磁されていることを特徴とするシート状超電導磁石。
【請求項４】上記超電導体層が、厚みと磁気遮蔽効果と
の関係に於いて、その磁気遮蔽効果が厚みの増大と共に
原点から急激に増大し爾後緩やかな勾配をもって漸増す
る如き曲線を描くものであり、且つその厚みが磁気遮蔽
効果の特性曲線に於いて前記漸増状態に移行する変曲点
に対応する厚み以下であることを特徴とする請求項１、
２又は３記載の磁石。
【請求項５】上記超電導体層が、窒化ニオブ及び窒化チ
タンの混晶体を主成分とするものである請求項１、２又
は３記載の磁石。
【請求項６】上記窒化ニオブ及び窒化チタンの混晶体を
主成分とする超電導体層がニオブ−チタン合金層と積層
一体とされている請求項１、２、３又は５記載の磁石。
【請求項７】上記シート体が厚み方向に貫く多数の小孔
を有したものである請求項１、２又は３記載の磁石。