JP2713305B2 - 超伝導コネクタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超伝導コネクタに関し、さらに詳しく述べる
と、超伝導セラミックスを応用した、対を構成する接触
部片どうしを接触させ、加圧して両者の電気的接続を得
る方法に用いられる超伝導コネクタに関する。本発明の
超伝導コネクタは、電子機器の分野等において広くかつ
有利に用いることができる。

〔従来の技術〕

最近、液体窒素温度（77K）以上で超伝導を示すセラ
ミックス材料が発見され、これらの材料を各種の装置へ
応用するための研究開発が進められている。応用の一つ
として、電子機器へ適用があり、超伝導素子や回路の形
成法などについて検討されている。素子や回路の超伝導
特性を生かすためには、これらを互いに電気的に接続す
る部分においても超伝導を実現することが必要となる。

これまで、このような接続（以下、超伝導接続と呼
ぶ）をめざしたマイクロコネクタの例が、液体ヘリウム
温度（4.2K）で動作させるジョセフソン・コンピュータ
の実装に見られる（たとえば、S.K.Lahiriら、“Packag
ing Technology for Josephson Integrated Circuits",
IEEE Trans.Components,Hybrids,and Manufacturing Te
chnology,vol.CHMT−５、no.2（1982）p.271〜280.）。
このマイクロコネクタは、シリコンウェハ中にキャビテ
ィを設け、その中に水銀を充填したもので、回路基板か
らつき出したピンを、この水銀中へ突きさし、液体ヘリ
ウム温度まで冷却することによって、水銀を固化させピ
ンを固定させるとともに電気的接続を得るものである。
そして、このコネクタにおいては、ピン−水銀−ピンの
接続が行われる。ここで、ピンとして白金が用いられ、
その先端部（水銀に接触する部分）にはパラジウム（下
地）と金から成る二層の薄膜が形成されている（厚さ
は、いずれも1000Å）。これらの材料は、しかし、液体
ヘリウム温度において超伝導を示さないことから、ピン
−水銀−ピンの接続部全体で数百μΩ程度の抵抗であら
われる。前記文献では、回路の伝送特性の点から、この
程度の抵抗値は実用上無視できうると記述されている。
このように、コネクタを4.2Kという極低温で使用する場
合には、構成材料の抵抗が非常に低くなることから、構
成材料は超伝導体でなくともよい。

〔発明が解決しようとする課題〕

超伝導セラミックスを適用した機器は、しかしなが
ら、液体窒素温度（77K）もしくはそれ以上の温度で使
用されるので、コネクタの構成材料の抵抗が無視できな
くなる。例えば、白金の電気抵抗率は、80Kにおいて約
1.9μΩ−cmと、10Kでの値（0.0029μΩ−cm）の650倍
以上にもなる。（American Institute of Physics Hand
book,P.9−41）。これは、コネクタの接続部の抵抗を、
無視できないほどに増加させる。このため、液体窒素も
しくはそれ以上の温度で使用するコネクタにおいては、
接続部を構成する材料が使用温度で超伝導を示すか、あ
るいは無視できるほどに低い抵抗しか示さないことが不
可欠であり、しかも、その接触も超伝導接触（超伝導接
続時の接触をこのように呼ぶ）、あるいはそれに近い接
触を実現できるものでなくてはならない。すなわち、接
触抵抗を数百μΩオーダー未満にすることが必要とな
る。

本発明の目的は、したがって、超伝導コネクタにおい
て、接触抵抗が数百μΩオーダー未満である超伝導接続
を実現することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記した目的は、本発明（第１の発明）によれば、接
触面に超伝導セラミック材料が被覆された第一の接触部
片を、接触面に超伝導セラミック材料が被覆された相手
側の第二の接触部片に摺動可能に接触せしめる第一の接
触力と、 前記第二の接触部片を前記第一の接触部片に押圧して支
持せしめる第二の接触力とを付勢する手段を有すること
を特徴とする、超伝導コネクタによって達成することが
できる。

本発明による超伝導コネクタは、対を構成する接触部
片、例えば接触子、ピンなどの表面に超伝導セラミック
材料の被覆膜を形成し、これらを互いに接触・加圧させ
ることによって、超伝導接続を実現しようとするもので
ある。そして、本発明では、接触部片どうしを接触させ
る際、これらを小さい方を加えた状態で摺動させた後、
より大きな力（すなわち、従来の一般のコネクタにおけ
る、電気的接続を得るのに十分な加圧力、すなわち、接
触力に相当する力をさす）で加圧することを特徴とす
る。本発明によるコネクタでは、例えば、コネクタのハ
ウジングに、超伝導セラミックスの被覆膜を有する接触
子を固定する。そして、回路基板に接合してあるピンを
接触子のところに挿入して小さい力で両者を突き合せ、
この状態で接触子とピンのいずれか一方を摺動させる。
その後、所定の接触力を与える。このとき、接触子およ
びピンの表面には超伝導セラミックスの被覆膜が形成し
てあることから超伝導接続が得られる。本発明の超伝導
コネクタは、いろいろな分野において利用することがで
きるけれども、なかんずく、電子機器における利用が有
利である。

本発明の超伝導コネクタにおいて、接触子、ピンなど
の接触部片の表面への超伝導セラミック材料の被覆膜の
形成は、例えばペースト焼結法、スパッタリング法、蒸
着法、プラズマ溶射法等の技法を用いて有利に行うこと
ができる。なかんずく、ペースト焼結法は、実施が容易
である、等の利点を有するために、その使用が推奨され
る。ペースト焼結法は、一般に原料粉末（これは超伝導
材料そのものの粉末でも、さもなければ、超伝導材料形
成用出発物質の混合粉末でもよい）を有機バインダ及び
有機溶剤と混合し、均一に分散させて、得られたペース
ト状物を被塗物上にスクリーン印刷法等の印刷法によっ
て塗布し、最後にこのペースト状物の塗膜を大気中で80
0〜1000℃の高温度で焼成することによって行うことが
できる。

超伝導被覆膜の形成に使用する超伝導セラミックスペ
ーストは、それがペースト焼結法で塗布し、焼成し得る
かぎりにおいて限定されるものではない。代表的な有用
なセラミックスペーストとして、Ｙ−Ba−Cu−Ｏ系セラ
ミックス（但し、Ｙは、Y,Sc,La,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,T
b,Dy,Ho,Er,Tm,Yb及びLuからなる群から選ばれた第III
a族元素であることができ、また、Baは、Ba,Sr,Ca及びM
gからなる群から選ばれた第II a族元素であることがで
きる）、例えばYBa₂Cu₃O_Xをあげることができる。YBa₂C
u₃O_Xのペーストは、例えば、Y₂O₃,CuO及びBaOの粉末を
出発原料とし、この原料を焼結して超伝導体のバルクを
得、このバルクを粉砕して有機バインダ及び有機溶剤に
分散させることによって調製することができる。

本発明の超伝導コネクタにおいて、接触部片どうしの
接触・加圧、すなわち、第一の接触部片を第二の接触部
片に摺動可能に接触せしめる第一の接触力と、第二の接
触部片を第一の接触部片に押圧して支持せしめる第二の
接触力の付勢は、いろいろな付勢手段を用いて行うこと
ができる。本発明者らの知見によれば、以下の実施例で
述べるように、バネを用いた接触・加圧機構を第一及び
第二の接触力のための付勢手段として使用することによ
って、特に有利な結果を得ることができる。

さらにまた、上記した目的は、本発明（第２の発明）
によれば、接触面に超伝導セラミック材料が被覆された
第一及び第二の接触部片を押圧して電気的接続を得る超
伝導コネクタであって、 常温において前記第一及び第二の接触部片を着脱可能
に保持し、前記超伝導セラミック材料の転移温度以下の
温度において変形して前記第一及び第二の接触部片を、
前記接触面どうしの接触が超伝導接触となる接触力で押
圧する形状記憶合金からなる付勢部材を有することを特
徴とする、超伝導コネクタによって達成することができ
る。

本発明による超伝導コネクタは、先に述べた発明と同
様に、接触部片、例えば接触子、ピンなどの表面に超伝
導セラミック材料の被覆膜を形成し、これらを互いに接
触・加圧させることによって、超伝導接続を実現しよう
とするものである。そして、本発明では、接触部片どう
しを接触させる際、形状記憶合金（以下SMAと記す）を
利用して、両者を互いに加圧・接触させることを特徴と
する。本発明のコネクタでは、例えば、コネクタのハウ
ジングに超伝導セラミックスの被覆膜を有する接触子
と、これ及び／又は回路基板のピンを移動させるための
SMA製接触・加圧機構を設置する。そして、回路基板に
接合してあるピンを挿入し、これを液体窒素温度まで冷
却すると、SMAが膨張することによって接触子及び／又
はピンが押し付けられて加圧される。これによって、超
伝導接続が実現できる。

この本発明の超伝導コネクタも、先に述べた発明と同
様に、電子機器の分野において有利に利用することがで
き、また、接触部片の表面への超伝導被覆膜の形成も同
様に行うことができる。

この超伝導コネクタでは、接触・加圧機構をSMAから
製作することが特徴の１つである。ここで用いるSMAの
組成や成分は特に限定されるものではなく、例えば、Ti
Ni合金、Cu₃Al合金、CuAlNi合金、CuZnAl合金、その他
をあげることができる。しいて言うならば、SMAの組成
及び成分は、SMAの組成を変えることによって接触部片
を加圧する温度を調節することができるので、コネクタ
を適用する温度範囲によってそれぞれ決められるであろ
う。このようなSMAは、接触・加圧機構として作用させ
るのに適当な形状に加工した後で用いられる。接触・加
圧機構として好ましい形状は、例えば、リング状であっ
て、このリングの輪の中に２個の接触部片を挿入し、SM
Aの膨張の結果として両者を接触・加圧する。なお、こ
こでいう「接触・加圧機構」は、換言すると、本発明の
付勢部材であり、したがって、常温において第一及び第
二の接触部片を着脱可能に保持するとともに、超伝導セ
ラミック材料の転移温度以下の温度においては、変形し
て、第一及び第二の接触部片を、それらどうしの接触が
超伝導接触となるような接触力で押圧する。

〔作 用〕

本発明による超伝導コネクタの作用を確認するため、
本発明者らは、次のような実験を行った。

第３図に示されるように、Ｙ−Ba−Cu−Ｏ系セラミッ
ク製の棒状試験片Ａ及びＢを直角に交差させ、これらに
力（矢印参照）を加えつつ抵抗を測定し、このときの測
定値を接触抵抗とした。なお、超伝導セラミックのY,Ba
及びCuの組成比は1:2:3（モル比）とした。上記の２本
の試験片Ａ及びＢは、それぞれ、液体窒素温度（77K）
において、数μΩ程度の非常に低い抵抗値を示すことを
あらかじめ確認した。

第３図に略示される試験装置を液体窒素（図示せず）
中に浸し、加圧力（接触力）を増加させつつ接触抵抗の
変化を測定した。得られた結果を第４図に示す。図に
は、接触抵抗が数百μΩ程度以下になったとき以降の測
定値を示してある。接触力が1kgfでほぼ200μΩの接触
抵抗を示し、2kgfでほぼ５μΩの接触抵抗となる。次
に、この状態から、接触力を減少させると、これにとも
なう接触抵抗の上昇割合は、接触力の増加時に比べて小
さく、0.3kgfにおいて50μΩ程度の低い値を示す。この
結果から、実際のコネクタにおいて、接触部片、例えば
接触子とピンとを一担大きな力で接触させた後、その力
を小さくしても、非常に低い接触抵抗が保たれることが
わかる。ところが、最初に与えるべき接触力は、第４図
に示したように、1kgf以上必要であり、本発明が対象と
するような電子機器用コネクタにとっては、実用上適用
できないほど大きな力である。ところで、第４図に示し
たように、一担大きな力で超伝導接触が得られると、接
触力をある程度まで小さくしても超伝導接触が得られ
る。これは、接触子とピンとの表面が、大きな接触力の
もとで、原子レベルで結びについたためと考えられる。
このことから、大きな接触力を与えることと同じ効果を
得る方法として、接触子とピンとを摺動させることが考
えられる。しかし、超伝導セラミックス同志を、通常の
コネクタにおけるような大きな接触力のもとで摺動させ
ると、セラミックスを構成する個々の粒子の脱落が著し
くなるおそれがある。粒子の脱落は、被覆膜の破壊につ
ながり、接続のくり返し回数の減少や信頼性の低下をも
たらす。本発明者らは、種々の検討の結果、比較的小さ
い接触力のもとで接触子とピンとを摺動させた後、接触
力を所定の値まで増すことによって、低い接触抵抗を実
現できることを見出し、先に述べたような本発明を完成
した。

また、上記したように、接触力を増加させた場合、接
触子が1kgfでほぼ200μΩの接触抵抗を示し、2kgfでほ
ぼ５μΩの接触抵抗となる。この結果から、実際のコネ
クタにおいて、接触子とピンとを１〜2kgfの力で接触さ
せることによって、低い接触抵抗が得られることがわか
る。ところが、与えるべき接触力は、第４図に示したよ
うに、1kgf以上必要であり、もし、コネクタの構造が、
従来一般的な、ばね接触子をピンに、同時に押しつける
ものならば、本発明が対象とするような電子機器用コネ
クタにとっては、実用上適用できないほど大きな力であ
る。しかし、本発明（第２の発明）で開示するように、
ハウジングの各接触子ごとに、ピンに力が加わるように
するならば、このような力は問題とならない。本発明
は、各接触子をそれぞれ独立に大きな力で各ピンに押え
つけることによって超伝導接続を得ようとするものであ
り、各ピンに独立して力を加えるため、上記のような問
題は生じない。本発明者らは、このような力を発生させ
るため、SMAを利用することを見い出し、本発明を完成
した。

〔実施例〕

次いで、本発明を添付の図面を参照しながら、いくつ
かの実施例について説明する。

第１図は本発明による超伝導コネクタの好ましい一例
をその接触圧発生機構とともに示したものである。この
超伝導コネクタは、第１図（Ａ）に示されるように、回
路基板１、ばね式ピン移動装置（接触・加圧機構とし
て、すなわち、本発明でいう「第一及び第二の接触力を
付勢する手段」として）７、そして回路基板４の順で上
下に配置される。ピン移動装置７は、ハウジング（図示
せず）内に取り付けられるとともに、回路基板１に対し
て固定されたＬ型断面部材と、回路基板４の下面に設け
られたピン５を押圧するための押圧用バネ（図中、接触
子２と逆向きに「く」の字状に屈曲した部材）が植設さ
れ、Ｌ型断面部材上を滑動する滑動板と、Ｌ型断面部材
の垂直部と滑動板の左側との間に設けられ滑動板を左方
に牽引するばねと、滑動板の位置を定める位置決め治具
（図示せず）とを具備するように構成される。なお、位
置決め治具は、常識的な送り機構、例えばこのばねに併
設されＬ型断面部材の垂直部に開設されたねじ孔を貫通
して滑動板の左端に当接する送たねじにより実現可能で
ある。この送りねじの回転により、滑動板の位置を任意
に定めることができる。

第一の接触部片として作用する接触子２は、図示のよ
うに回路基板１に取り付けられ、その接触面の部分に超
伝導セラミック被覆膜３を有する。この接触子の形状
は、必要に応じて、第２図の接触子の形状やその他の常
用の形状であってもよい。また、第二の接触部片として
作用するLSIモジュールの回路基板４のピン５は、その
全面に超伝導セラミック被覆膜６を有する。

図示の超伝導コネクタにおいて、第１図（Ａ）の段階
では、ピン移動装置７の滑動板は位置決め治具により右
方に止められている。この状態では、押圧用バネとこれ
に対応する接触子２との間に広い隙間があり、この隙間
に回路基板４のピン５が緩挿される。

次いで、第１図（Ｂ）の段階で、位置決め治具を操作
して、滑動板を左方に移動する。この滑動板の移動に伴
い、押圧用バネは左方に移動してピン５を左方に押し動
かし、さらにピン５を接触子２に押圧する。位置決め治
具は、押圧用バネによりピンを介在して押圧される接触
子２の撓みが、第一の接触力に等しい大きさF₁の反発力
を生ずるように滑動板の位置を定める。このとき滑動板
にかかる力は、滑動板を牽引する左向きのばねの力と位
置決め治具に対する右向きの抗力との和が、接触子２の
撓みから生ずる右向きの反発力に等しい静的釣り合いの
状態にある。言い換えると、滑動板の第一の接触力に等
しい大きさF₁の左向きの第一の接触力が付勢される。な
お、この滑動板の位置、即ち接触子２の撓み量と押圧用
バネの撓み量との和から定まる位置は、予め計算又は実
験的に求められる。この第一の接触力が付勢されている
状態で、回路基板４のピン５を図中矢印Ｃで示されるよ
うに上下に摺動する。なお、必要に応じて、ピン５に代
えて接触子２を、あるいは両者を互いに摺動させること
も可能である。

加圧下における摺動の完了後、第１図（Ｃ）に示され
るように、再び位置決め治具を操作して、滑動板を左方
に移動する。移動量は、押圧用バネにより押圧される接
触子２の撓みが、予め定めた第二の接触力に等しい大き
さの反発力F₂を生じさせる距離とする。その結果、ピン
５は接触子２に第二の接触力で押圧され、支持される。

次いで、そのままの状態で、全体を液体窒素８中に浸
漬する。接触子２及びピン５の表面にはそれぞれ超伝導
セラミックスの被覆膜が形成してあるので、所期の超伝
導接続が完成する。

第１図に図示の超伝導コネクタを使用して、第４図の
場合と同様に、接触抵抗の接触力による変化を評価し
た。なお、ここで使用した接触子及びピンは、それぞ
れ、アルミナ製であって、その表面に以下の例１で述べ
ると同一のＹ−Ba−Cu−Ｏ系セラミック被覆層を有して
いた。第５図にグラフで示す結果から理解されるよう
に、接触子とピンを0.2kgfの力で加圧し摺動させた後、
接触力を0.05kgfまでもどし、この状態で、まわりを液
体窒素で満たし、再度接触力を増加させたとき、接触抵
抗は、0.3kgfの荷重で約60μΩと摺動なしの場合に比べ
てはるかに低い値を示す。さらに、接触抵抗は加圧力の
印加時と解除時でほとんど同等の変化を示す。この結果
から、本発明による方法の有効性が確かめられる。な
お、摺動時に加える力は、第６図に示すグラフから明ら
かなように、0.1kgf以上が必要である。この力の上限
は、セラミック材料の摩擦や粒子の脱落の程度によって
定められ、セラミック材料の組成などによって個々に決
まるので、発明ではとくに規定しない。しかし、0.6kgf
を上廻る斜線領域（図中のＤ）では、セラミックの摩耗
が顕著であるので、一般に好ましい範囲として0.1〜0.6
kgf、特に0.2〜0.4kgfをあげることができる。

第２図は、同じく、本発明による超伝導コネクタの好
ましい一例を示したものである。回路基板１及び４なら
びに接触子２及びピン５は、それぞれ、第１図のものに
対応し、接触子２の形状が僅かに異なる点を除いて実質
的に同じである。本例では、第２図（Ａ）に示されてい
るように、リング状のピン移動装置９が接触・加圧機構
として用いられている。ピン移動装置９は、それぞれ、
TiNi合金（SMA）からできていて、各１個の接触子２及
びピン５を内部に保有するとともに、任意の取り付け手
段（図示せず）を介してハウジング（図示せず）に固定
されている。この段階で、接触子２及びピン５は非接触
である。

次いで、第２図（Ｂ）に示されるように、コネクタの
全体を液体窒素８中に浸漬すると、ピン移動装置９がSM
Aからできているので、その変形の結果として接触子２
にピンが強く押し付けられる。すなわち、液体窒素温度
まで冷却すると、SMAが変形することによって接触子２
とピン５が加圧され、これによって、超伝導接続が実現
される。

次いで、本発明の超伝導コネクタの製造及び使用を説
明する。

例１ 第１図の超伝導コネクタ： 接触子の寸法は、厚さ0.5mm、幅3mm及び長さ20mm、ま
た、ピンの寸法は、直径1.5mm及び長さ25mmであった。
接触子及びピンは、それぞれ、アルミナから製作し、原
料アルミナには0.25重量％のMgO及び0.025重量％のCr₂O
₃を添加した。接触子及びピンの表面に被覆した超伝導
セラミック材料はＹ−Ba−Cu−Ｏ系材料（モル比Y:Ba:C
u＝1:2:3）であり、次のようにして製膜した： 粒径１μｍのY₂O₃13.5g、粒径１μｍのBaO48.6g及び
粒径３μｍのCuO36.0gにポリエチルメタクリレート（PM
MA）バインダ1.5g、テルピネオール20g及びメチルエチ
ルケトン（MEX）50gを加え、ボールミルで72時間にわた
って混合した。得られた混合物をライカイ機に入れて混
練し、MEKを飛散させて超伝導セラミックスペーストを
得た。このペーストを接触子及びピンの表面にはけ塗り
し、乾燥後、大気中で950℃で12時間にわたって焼成し
た。超伝導セラミック被覆膜が接触子及びピン上に形成
された。

上記のようにして作製した接触子をポリブチルテレフ
タレート（PBT）製ハウジングに固定した。一方、ピン
は、頭部が表面につき出るようにアルミナ基板に接合し
た。これをハウジング内に挿入し、ハウジング上部に設
けたピン移動装置によって、0.1kgfの力でピンを接触子
に押しつけた。そして、基板を上下に移動させることに
よって接触子とピンとを摺動させた。その後、接触力が
0.3kgfになるまで、ピンを接触子に押しつけた。このコ
ネクタを液体窒素中に浸漬し、ピン上部と接触子下部と
の抵抗を測定した結果、約60μΩの値が得られた。ピン
の摺動を施こさなかった場合には、接触力3kgfにおける
抵抗は１Ω以上となり、許容し得なかった。

例２ 第２図の超伝導コネクタ 前記例１と同様にして接触子及びピンを製作した。本
例では、PBT製ハウジングの中にNi−50％Ti合金製のリ
ング形状のピン移動装置を固定しておき、これと接触す
るように、接触子を挿入、固定した。そして、ピンをア
ルミナ基板に接合したLSIモジュールモデルを作製し、
接触子間にピンを挿入した。これを液体窒素中に浸漬
し、LSIモジュールモデルのピンとコネクタピンとの間
の抵抗を測定した結果、100μΩ未満の値が得られ、本
発明の効果を確認できた。

〔発明の効果〕

本発明によれば、液体窒素温度あるいはそれ以上の温
度で用いた時に数百μΩオーダー未満の接触抵抗を示す
超伝導接続を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、それぞれ、本発明による超伝導コ
ネクタの好ましい例を示した断面図、 第３図は、接触抵抗の測定を示した略示図、 第４図は、接触抵抗の接触力による変化を示したグラ
フ、 第５図は、接触抵抗の接触角による変化を示したグラ
フ、そして 第６図は、摺動時の、接触抵抗の接触角による変化を示
したグラフである。 図中、１は回路基板、２は接触子、３は超伝導セラミッ
ク被覆膜、４は回路基板、５はピン、６は超伝導セラミ
ック被覆膜、７はピン移動装置、そして８は液体窒素で
ある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−110566（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−112090（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−69496（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−196566（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭56−18669（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】接触面に超伝導セラミック材料が被覆され
   た第一の接触部片を、接触面に超伝導セラミック材料が
   被覆された相手側の第二の接触部片に摺動可能に接触せ
   しめる第一の接触力と、 前記第二の接触部片を前記第一の接触部片に押圧して支
   持せしめる第二の接触力とを付勢する手段を有すること
   を特徴とする、超伝導コネクタ。
2. 【請求項２】接触面に超伝導セラミック材料が被覆され
   た第一及び第二の接触部片を押圧して電気的接続を得る
   超伝導コネクタであって、 常温において前記第一及び第二の接触部片を着脱可能に
   保持し、前記超伝導セラミック材料の転移温度以下の温
   度において変形して前記第一及び第二の接触部片を、前
   記接触面どうしの接触が超伝導接触となる接触力で押圧
   する形状記憶合金からなる付勢部材を有することを特徴
   とする、超伝導コネクタ。