JP5195961B2 - 酸化物超伝導バルク磁石部材 - Google Patents

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本発明は、酸化物超伝導バルク磁石部材に関する。

ＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x（ＲＥは、希土類元素）相中にＲＥ₂ＢａＣｕＯ₅相が分散してバルク体とした酸化物超伝導材料は、高い臨界電流密度（Ｊ_c）を有するために、磁場中冷却やパルス着磁により励磁され、酸化物超伝導バルク磁石として使用可能である。例えば、特許文献１には、このような酸化物超伝導材料（酸化物超伝導バルク体）を、超伝導モーター等に使用できる超伝導磁場発生装置が開示されている。

そして、生田らにより、磁場中冷却により着磁した直径３６ｍｍの円柱形Ｓｍ系バルク超伝導体を用いて、最大１．５Ｔ程度の磁場を発生できるバルク磁石について非特許文献１に開示されている。また、Ｙ．Ｉｔｏｈらにより、Ｙ系バルク超伝導材料を用い、パルス着磁と磁場中冷却による着磁とを比較検討していることが非特許文献２に開示されている。さらに、森田らにより、超伝導マグネット中で直径約６０ｍｍのバルク超伝導材料を用い、４０Ｋにおいて約４．５Ｔの磁場を発生させていることが非特許文献３に開示されている。このようにＲＥ系バルク超伝導材料のパルス着磁に関しては、特許文献１において磁束跳躍をともなうパルス着磁が開示され、また、非特許文献２、非特許文献３等においては冷却方法も含めた着磁方法について開示されている。

最近では、澤村らにより、特許文献４において、低磁場で高い臨界電流密度（Ｊ_c）特性を有するリング状のバルク超伝導体（ＲＥ^IIＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x）の内側に高磁場で高いＪ_c特性を有する円柱状のバルク超伝導体（ＲＥ^IＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x）の二種類のＲＥ系からなる超伝導バルク材料を配置することにより、低磁界から高磁界まで大きな捕捉磁界を得られるとした超伝導バルク磁石が開示されている。なお、前記超伝導バルク磁石の着磁は、静磁場下で行われている。

また、特許文献５には、組成の異なる、即ち、超伝導特性の異なる二種類又は三種類のＲＥ系からなる超伝導バルク材料を配置することにより、低磁界から高磁界まで大きな捕捉磁界を得られるとする超伝導バルク磁石が開示されている（特許文献５の図１、図５及び図８参照）。具体的には、臨界電流密度特性の異なる二種類（又は三種類）の超伝導バルク体を用いるものであり、周辺部に低磁場で大きい臨界電流密度を有する材料を配置し、磁場強度が高くなる中心部に高磁場で高い電流密度を有する材料を配置することにより、全体として強い磁場発生を可能にできるというものである。着磁方法としては、静磁場着磁法で超伝導マグネットとする場合、及びパルス着磁法で超伝導マグネットとする場合が記載されている。

特許文献６に記載のものは、基本的に原料を節約し、かつ、軽量な酸化物超伝導バルクマグネットを作製するために、内部を中空とした酸化物超伝導バルクマグネット（複数個の中空酸化物超伝導バルク体を複合化したもの）であり、中空であることで軽量化できるとされている。また、前記超伝導バルクマグネットの着磁に関しては、液体窒素中に浸漬し超伝導状態にし、外部から磁界を印加して超伝導体に磁束線をトラップさせて永久磁石とする方法、即ち、静磁場着磁方法を用いるものとしている。また、特許文献７には、パルス着磁での発熱による特性低下の問題を解決するため、超伝導体間に冷媒の流路を設けることにより、パルス着磁時の捕捉磁束特性が改善されることが開示されている。

以上のように、ＲＥ系（ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系）酸化物バルク体では、バルク磁石と
して、酸化物超伝導バルク体の構成や着磁方法の改良によって、マグネット（磁石）としての磁場強度の向上が行われている。

特開平６−２０８３７号公報 特開平６−１６８８２３号公報 特開平１０−１２４２９号公報 特開２００１−３５８００７号公報 特開平９−２５５３３３号公報 特開平７−２１１５３８号公報 特開２００６−３１９０００号公報

生田ら；日本応用磁気学会誌Vol.23, No.4-1,（1999）p.885 Y,Itoh et al., Jpn J. Appl. Phys., Vol34、 5574（1995） 森田ら；日本応用磁気学会誌Vol19, No3.（1995）p.744

ＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x相（１２３相）中にＲＥ₂ＢａＣｕＯ₅相（２１１相）が分散した酸化物バルク体は、主に、数ｍｍ角の種結晶から結晶成長させて単結晶状バルク体として製造される。結晶成長中の１２３相は正方晶であることから、通常の種付法によりある結晶のａ−ｂ面を接触させる場合、種付面内で４回対称のファセット面を形成しながら成長する。このようにして結晶成長させて製造された酸化物バルク体の超伝導特性は、概して４回対称の不均一性を有する。具体的な例として、円盤状の酸化物バルク体に静磁場着磁された捕捉磁束分布を図６（ａ）に示す。図６（ａ）に示すように、捕捉磁束分布が同心円からずれており、４回対称に歪んでいる様子が分かる。即ち、上述のように、１２３相中に２１１相が分散した酸化物バルク体は、バルク磁石とすることができるが、図６（ａ）に示すような歪んだ磁束分布になるので、磁気浮上、超伝導モーター、超伝導発電機等の磁石として実際に使用する場合には効率のよい駆動や発電ができないという問題がある。

従来までは、上述のように、ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体を用いた超伝導バルク磁石では、その磁場強度を向上させることのみに注力されてきた。このように、単に磁場強度が高くても実際に使用される超伝導モーターや超伝導発電機等の磁石として組み込んだ場合に効率よく駆動や発電ができないのはバルク磁石の磁束分布（磁場強度分布）が不均一であるからである。そこで、このような酸化物バルク体を超伝導バルク磁石とする場合には、このような歪んだ磁束分布ではなく、均一な磁束分布（例えば、同心円状に均一）の磁場分布とすることが重要であるということが明らかになってきた。

一方、特許文献５に記載の技術は、上記のようなＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体を用いた超伝導バルク磁石として、強い磁場を得るために、例えば、バルク磁石の周辺部を低磁場で大きな臨界電流密度を有するＹ系酸化物超伝導バルク体で構成し、バルク磁石の中心部は高磁場で大きな臨界電流密度を有するＮｄ系酸化物超伝導バルク体で構成するというものである。ところが、超伝導バルク磁石として均一な磁場を得ることが重要であるということについては記載も示唆もされておらず、その構成も示されていない。強い均一な磁場を得る方法として、ドーナツ状の銅板にリング状の溝を複数個設けて、この溝にＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体を埋め込んだ構成も示されているが、バルク磁石ではなく超伝導コイルとしたコイル磁石であって、このようなコイル磁石では付帯材料
の銅板の占める割合が多くなるので磁石質量に対する発生磁場強度の割合が小さくなってしまう。

上述のようなＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体を用いた超伝導バルク磁石は、金属磁石やコイルを使用した電磁石に比べて軽量であるものの、特許文献６では、このような酸化物を用いた超伝導バルク磁石として、より軽量で使用する原料を少なくできる超伝導バルク磁石とするために、不用な部分に超伝導電流を流さないようにするとして、バルク磁石の中心部を中空とし、複数個の中空超伝導バルク体を複合化する構成にしている。ところが、バルク磁石の磁束分布を均一にすることが実際の使用上重要であることについては記載も示唆もされておらず、その構成も示されていない。

また、特許文献６に記載の技術のように、より軽量で使用する原料を少なくするという発想により、超伝導バルク磁石とする中心部に超伝導体が存在しない構成にしようとすると、より大きな中空構造になり、実際にもバルク磁石の外径に対して中空部分の内径が４６．７％（実施例１、実施例４等）や３３．３％（実施例３）のような大きくなっているので、このようなバルク磁石では磁束分布を必ずしも均一にできるわけではない。特に、超伝導モーターや超伝導発電機等の回転体の磁石として使用するような環境下では均一な磁束分布を保てない。更に、中空でありながら、内部まで詰まった超伝導バルク磁石と同等の性能を有すると記載されているが、実際には、バルク磁石として、内部の超伝導体も有限の寄与をすることから、内部まで詰まったバルク磁石に比べ低い特性（磁場強度）となってしまい、この差は、強い磁場強度で比較する場合に顕著になってくるものであり、着磁の方法によっても顕著に現れる。

上述のようなＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体を用いた酸化物超伝導バルク磁石とするためには、このような酸化物バルク体を静磁場着磁法やパルス着磁法によって着磁する。特に、装置に組み込み簡便に着磁する場合、強い磁場を有する超伝導バルク磁石とするには、パルス着磁法が好ましい。しかしながら、パルス着磁法では、強い磁場に着磁しようとすると磁束分布が不均一になり、均一な磁束分布が得られないという問題がある。これは、以下のようなことによるものである。

パルス着磁法は、急激な磁場の変化を伴う着磁法であるので、着磁の際に超伝導体を磁束が急激に移動し、超伝導体内において大きな熱が発生する。そのため、発生した熱がその部分の温度上昇を招き、その部分の超伝導特性を低下させると、さらに磁束の移動が起き易くなる。超伝導体中僅かな特性の不均一がある場合にもこのようなサイクル（熱発生・温度上昇・超伝導特性低下・磁束の移動・熱発生）を繰り返し、特性の不均一が強調されることとなり、不均一な磁束捕捉分布になってしまう。例えば、一般的な円盤型の酸化物超伝導バルク磁石部材に着磁してバルク磁石とする場合、材料特性が完全に均一であれば、該円盤の同心円状に超伝導電流が流れる。この場合、高さ方向に磁束密度を取ると、円錐状の磁束密度分布が得られる。しかしながら、実際の材料では材料特性が完全に均一であることはあり得ず、パルス着磁法では、円錐状の均一な磁束密度分布が得られない。パルス着磁法によって着磁した場合に磁束分布の不均一性は、印加磁場の変化速度及び磁場強度が大きいほど起こり易くて顕著になり、また、超伝導体のサイズが大きいほど、また、Ｊ_c特性が高いほど発生し易くて顕著になる。したがって、低温ほどＪ_c特性が高くなるので、冷却温度が低いほど不均一な捕捉磁束分布になる傾向があると言える。

特許文献５には、上述のように、パルス着磁法で着磁された例が記載されているが、強磁場の超伝導マグネットが実現されるとしているのみであり、その磁場の均一性についてはどのようなものであるか示されていない。また、特許文献６には、上述のように、静磁場着磁法でのみ着磁されているので、パルス着磁法による磁場の均一性についてはどのようなものであるがが示されていない。特許文献５や特許文献６に記載されている構造は、
パルス着磁しても再現よく均一な磁場が得られる構造になっていなかったり、パルス着磁しても強い磁場を均一に得られる構造になっていなかったりするものである。また、ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体を入れ子に配置すると、パルス着磁して、強い磁場で均一な磁場を有する超伝導バルク磁石とすることができるが、超伝導発電機や超伝導モーター等の回転機の磁石として使用した場合に、遠心力や振動を受けて入れ子に配置した各酸化物バルク体が徐々にずれてきて、本来の強い磁場で均一な磁場を維持できないという問題がある。

また、パルス着磁法で着磁して強力な磁場を得ようとすると、着磁中に急激に磁場変化すので、繰り返しパルス着磁を行うと、入れ子に配置した各酸化物バルク体が徐々にずれてきて、本来の強い磁場で均一な磁場を維持できなくなることもある。さらに、このような酸化物超伝導バルク磁石部材を製造するには、入れ子に配置する各酸化物バルク体をそれぞれ精度よく加工して、組み立てるという工程が必要であり、生産性が低いという問題もある。

本発明は、上記問題を鑑み、ＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x相中にＲＥ₂ＢａＣｕＯ₅相が分散した酸化物バルク体を組み合わせた酸化物超伝導バルク磁石部材で、容易に製造でき、パルス着磁法で繰り返し着磁しても又は、超伝導発電機や超伝導モーター等の回転機の磁石に使用したとしても、強い磁場で、対称的に均一な磁場を安定に得ることができる酸化物超伝導バルク磁石部材を提供することを目的とするものである。

本発明者らは、ＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x相中にＲＥ₂ＢａＣｕＯ₅相が分散した酸化物バルク体を組み合わせた酸化物超伝導バルク磁石部材で、複数の前記酸化物バルク体を入れ子に配置した構造とすることで、パルス着磁中の急激な磁場変化でも磁束の移動を制限でき、強い磁場で均一な磁場が得られることを見出した。また、前記入れ子状に配置された隣り合う酸化物バルク体の隙間が少なくとも１か所継ぎ目により繋がった構造（前記酸化物バルク体間に継ぎ目を有する構造）にしても、上記と同様に、強い磁場で均一な磁場が得られることを見出した。このような構成にすることにより、遠心力や振動等が加わっても、又は、パルス着磁を繰り返しても、入れ子に配置した各酸化物バルク体がずれることはない。また、こうような構成は、各酸化物バルク体を入れ子に組み入れる工程を必要としない簡便な製造ができる。
即ち、本発明の要旨は以下の通りである。
（１）ＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x（ＲＥは、希土類元素又はそれらの組み合わせ。ｘは、酸素欠損量であり、０＜ｘ≦０．２である。）相中にＲＥ₂ＢａＣｕＯ₅相が分散した酸化物バルク体を組み合わせた酸化物超伝導バルク磁石部材であって、前記酸化物バルク体が、リングを含む形状を組み合せた入れ子状に配置され、前記入れ子状に配置された隣り合う酸化物バルク体の隙間をつなぐ継ぎ目により１ヶ所でつながっていて、前記酸化物バルク体間の隙間に、半田を有することを特徴とする酸化物超伝導バルク磁石部材。
（２）前記酸化物バルク体の隙間をつなぐ継ぎ目の幅は、０．１ｍｍ以上であり、該隙間のリング周距離に対して２５％以下であることを特徴とする（１）記載の酸化物超伝導バルク磁石部材。
（３）前記酸化物バルク体のリングにおける、前記リングの回転対称軸に対して垂直方向の幅の最大部が、１．０ｍｍ超、１５．０ｍｍ以下であることを特徴とする（１）又は（２）記載の酸化物超伝導バルク磁石部材。
（４）前記酸化物バルク体のリングの回転対称軸方向の厚さが、１．０ｍｍ以上、５．０ｍｍ以下であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の酸化物超伝導バルク磁石部材。
（５）前記酸化物バルク体のリングが、回転対称軸方向に積層されてなることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の酸化物超伝導バルク磁石部材。
（６）前記積層された各酸化物バルク体のリングの回転対称軸が、ＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x結晶のｃ軸に対して±３０°の範囲内であることを特徴とする（５）記載の酸化物超伝導バルク磁石部材。
（７）前記積層された各酸化物バルク体のＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x結晶のａ軸が、それぞれ、ずれていることを特徴とする（５）又は（６）記載の酸化物超伝導バルク磁石部材。
（８）前記酸化物バルク体の少なくとも１つが、多角形又は円の形状を有するリング、もしくは、上面および底面がレーストラック形状を有するリングであることを特徴とする（１）〜（７）のいずれかに記載の酸化物超伝導バルク磁石部材。

本発明によれば、パルス着磁法で着磁して、高い磁場で、均一な磁場を安定に発生することができる酸化物超伝導バルク磁石部材を提供できる。また、対称性・均一性に優れた着磁が可能な酸化物超伝導バルク磁石部材を提供できる。パルス着磁法によって、高磁界を発生する酸化物超伝導バルク磁石をより簡便に実現し得ることから、通常の永久磁石では得られない高磁界を発生でき、その工業的効果は甚大である。また、本発明の酸化物超伝導バルク磁石部材は、入れ子に配置する各酸化物バルク体を組み立てる工程が必要ないので、その製造が容易である。特に、比較的薄くかつ階層数の大きい入れ子状の酸化物バルク体を多数積層する場合に継ぎ目を有することによる大きな生産性上のメリットがある。

複数の酸化物（ＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x相中にＲＥ₂ＢａＣｕＯ₅相が分散した酸化物）バルク体がリングを含む形状を組み合せた入れ子に配置された構造例を示す図である。 複数の酸化物（ＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x相中にＲＥ₂ＢａＣｕＯ₅相が分散した酸化物）バルク体がリングを含む形状を組み合せた入れ子に配置され、該酸化物バルク体が一部継ぎ目でつながった構造例を示す図である。 入れ子に配置する酸化物（ＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x相中にＲＥ₂ＢａＣｕＯ₅相が分散した酸化物）バルク体の形状例を示す図である。 酸化物（ＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x相中にＲＥ₂ＢａＣｕＯ₅相が分散した酸化物）バルク体のリングが、回転対称軸方向に複数積層された構造例であって、（ａ）複数積層されている様子、（ｂ）１２３相のｃ軸が±３０°の範囲にある状態、を示す図である。

本発明者らは、ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体を用いた酸化物超伝導バルク磁石部材を、パルス着磁法で着磁して、強い磁場を有し、該磁場が対称的に均一である酸化物超伝導バルク磁石とするためには、パルス着磁中に磁束の移動を制限する構造にして、バルク磁石部材中の超伝導電流の乱れを少なくするという着想でもって、該酸化物バルク体を入れ子に複数配置した構造とすることにより、パルス着磁中の磁束の移動を容易に制限できることを見出した。入れ子に配置したそれぞれの酸化物バルク体間は、電流が流れなくなって、超伝導電流は各酸化物バルク内で流れることになるので、超伝導電流の乱れが少なくなる。即ち、パルス着磁法で、強い磁場を有し、該磁場が対称的に均一な酸化物
超伝導バルク磁石が得られる。

本発明の酸化物超伝導バルク磁石部材は、図１に示すように、ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体が、複数のリングの形状で組み合わせた入れ子に配置した構造を有するものである。このように入れ子の配置構造とすることにより、パルス着磁法で強力な磁石とする場合に、パルス着磁中の急激な磁場変化でも磁束の移動を制限でき、強い磁場で均一な磁場が得られる。

図１において、３つのサイズの異なるリング形状を有するＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体１〜３と、１つの円柱形状（芯部）のＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体４とが入れ子に配置されている。このような配置構造では、各酸化物バルク体間に隙間８を有する構造となり、パルス着磁すると、パルス着磁中の磁束の移動が各酸化物バルク体内の磁場分布が均一・対称になるように制限されることになる。このことにより、バルク磁石部材中に流れる超伝導電流の乱れを少なくできる。よって、強い磁場を有し、該磁場が均一な酸化物超伝導バルク磁石が得られる。

本発明では、更に、図１の各酸化物バルク体１〜４が、図２に示すように、少なくとも１ヶ所の継ぎ目９で酸化物バルク体が連続して繋がっている。このような継ぎ目９が、各酸化物バルク体間の隙間８に有していても、パルス着磁中の磁束の移動を制限でき、強くて均一な磁場が得られる。また、このような構成にすることにより、超伝導発電機や超伝導モーター等の回転機の磁石として適用した場合に受けるような遠心力や振動があっても、入れ子に配置した各酸化物バルク体がずれることはない。また、パルス着磁を繰り返しても、入れ子に配置した各酸化物バルク体がずれることはない。

なお、図２に示したものは、外周リングから芯部までの各隙間が継ぎ目９で全て繋がっている例であるが、該継ぎ目の一部が無いものの組み合せでもよい。例えば、図２の外周から第１リング〜第３リングまでの隙間が継ぎ目で繋がり、芯部が独立していてもよい。また、第１リング〜第２リングまでの隙間が継ぎ目で繋がり、第３リングと芯部が繋がっているという構成でもよい。更に、このように独立している場合には、入れ子に配置するＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体１〜４のそれぞれは、ＲＥの成分元素が同じものを組み合せでもいいし、ＲＥの成分元素が異なる複数種のＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体を組み合せて入れ子に配置してもよい。この場合、ＲＥの成分元素が異なるＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体が含まれるということになる。例えば、ＲＥが、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｙ、Ｈｏの中から選ばれる成分元素を組み合せ、ＲＥの成分元素が異なるＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体として入れ子に配置することができる。ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体のＪ_c特性を考慮して、ＲＥの組成を変えることにより、酸化物超伝導バルク磁石部材全体として特性を向上させるように設計できる。

上述のような隙間８及び継ぎ目９は、サンドブラスト加工、放電加工、エッチング加工、レーザー加工、ウォータジェット加工、超音波加工等の加工法で、隙間となる部分を除く加工をするだけで形成できるので、各酸化物バルク体を入れ子に組み入れる工程を必要としない簡便な製造ができる。

また、継ぎ目９の幅１０は、前記各酸化物バルク体が固定できればいいので、０．１ｍｍ以上であれば、取り扱いに耐えられる機械的な強度が十分得られる。１つのリングの隙間のリング周距離に対して、継ぎ目９の幅１０は、２５％以下であるのがより好ましい。継ぎ目９が、１つのリングの隙間に複数ある場合には、各継ぎ目の幅の合計が、２５％以下であるのがより好ましい。２５％を超えると、パルス着磁中電流が継ぎ目を介して流れ易くなるので、均一な磁場が得られ難くなる場合がある。

また、継ぎ目９の数は、図２では、１つのリングの隙間に継ぎ目が１つである例を示しているが、２つ以上の複数であってもよい。リングの隙間の周距離が大きくなるほど、継ぎ目の数を増やすのが好ましいが、加工効率から、リングの隙間の周距離が３００ｍｍ以下であれば、継ぎ目の数は２０以下がより好ましく、リングの隙間の周距離が９００ｍｍ以下であれば、継ぎ目の数は４０以下がより好ましい。また、入れ子構造の階層数は、入れ子構造を取るために２以上となる。図１に示す例では、芯とリングを含めた酸化物バルク体１〜４の構成で入れ子に配置されているので、その階層数は４となる。なお、図２の例でも同様である。ここで、酸化物超伝導バルク磁石部材が大きくなるほど、多いことが好ましい。通常、パルス着磁してより強い磁場でより均一な磁場を得るためには、４以上が望ましく、更には５以上が望ましい。

入れ子に配置する酸化物バルク体の形状は、図１や図２では円形状の例を示したが、上記の理由からパルス着磁中の磁束の移動を制限できる隙間を有する形状であればよく、各用途に適した酸化物超伝導バルク磁石として所望の磁場分布が得られるよう適宜形状を選択すればよい。例えば、前記酸化物バルク体の形状は、三角、四角、五角、六角、七角、八角等の多角の形状から円の形状、矩形の形状、楕円の形状、レーストラックの形状等が挙げられる。なお、図３（ａ）には四角の形状、図３（ｂ）には六角の形状を示し、さらに図３（ｃ）にはレーストラックの形状を示し、継ぎ目の記載は省略している。実用性の観点から、前記酸化物バルク体の少なくとも１つが、六角以上の多角から円までの形状を有するリング、又は、上面及び底面がレーストラックの形状を有するリングであるのがより好ましい。このような形状であると、より強い磁場で、より均一な磁場が得られる。

また、酸化物バルク体のリングの幅は入れ子配置方向に沿った幅であり、例えば、図１の例では、両矢印で示した幅５である。リングの幅は、パルス着磁中の磁束の移動範囲を制限する効果がより得られやすくなるという理由で、最大部が１５ｍｍ以下にするのが望ましく、更に望ましくは１０ｍｍ以下である。一方、リングの幅が、１ｍｍ未満では、酸化物超伝導バルク磁石部材全体に対して、隙間の占める割合が大きくなり、酸化物バルク体が占める割合が小さくなるので、得られる磁場が弱くなる場合があったり、加工歩留まりが低くなったりする場合がある。このように好ましいリングの幅と関連して、上述の入れ子構造の階層数との関係は、次のようになる。

前記リングの幅をＷとして均等に分割されている場合、酸化物超伝導バルク磁石部材の最大サイズをＬ（図１の例では、酸化物超伝導バルク磁石部材のサイズ６）とすると、階層数Ｎは、Ｎ＝Ｌ／２Ｗとなるので、上述の階層数の好ましい範囲の上限に目安は、Ｌ＝５００ｍｍのサイズでは、Ｎ＝５００／（２×１）＝２５０、Ｌ＝１００ｍｍのサイズでは、Ｎ＝１００／（２×１）＝５０、となる。

本発明の酸化物超伝導バルク磁石部材の厚さ（例えば、図１の厚さ７）は、特に限定されず、各用途の構造設計に合わせて決められるものである。パルス着磁法のし易さから、酸化物超伝導バルク磁石部材のサイズＬに対して、１／２以上１／１００以下であるのが好ましい。取り扱いが容易な機械的強度を維持するという観点から、前記厚さは、１ｍｍ以上がより好ましい。また、図２に示すような隙間を加工する加工時間という点から、前記厚さは、５ｍｍ以下にすることが望ましい。特にサンドブラスト加工による入れ子構造の隙間加工においては、３．０ｍｍ以下がより望ましい。また、入れ子に配置した各酸化物バルク体間にできる隙間（例えば、図１の隙間８）は、加工性等の製造効率の点から、０．０１ｍｍ以上２．００ｍｍ以下であるのがより好ましい。また、磁場発生効率の観点から、０．４５ｍｍ以下がより好ましい。

また、酸化物バルク体の芯及びリングが、さらに回転対称軸方向に複数積層されているのが、より好ましい。例えば、図２に示す酸化物超伝導バルク磁石部材を複数用意して、
それらを積層した構造となり、より強い磁場が得られる。図４は、６つ積層した例を示す。図４では、入れ子の芯部が無い例（中空の例）を示しているが、図１のように芯部がある方が強い磁場を安定に発生することができる。芯部が無い場合に関しては、超伝導発電機や超伝導モーターのような回転機の磁石として使用する場合には、超伝導磁石の外径に対して中空の内径を３０％以下（面積割合では９％以下）にするのが好ましく、より好ましくは２０％以下（面積割合では４％以下）であり、更に好ましくは１０％以下（面積割合では１％以下）である。

このように積層した場合には、酸化物超伝導バルク磁石全体として、磁場の対称性・均一性を高める上で有効である。前記酸化物バルク体は、結晶成長の段階で、種結晶のａ軸方向に電流密度が低い欠陥を含む確率が高くなることから、ＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x結晶のａ又はｂ軸が、前記積層された酸化物バルク体の芯及びリングと、積層する上下の隣接する芯及びリングとでずれている配置にするのがより望ましい。このずれは、５°〜４０°とするのが更に望ましい。これによって、低い特性の部分が並ばないようにすることで可能になり、超伝導バルク磁石全体の特性均一化を図ることができる。前記積層された酸化物バルク体間（積層間）は、上述の効果を得るものであるので、超伝導接合されていてもよいし、常伝導接合されていてもよい。

本発明では、前記リングは、上述のように、ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体、即ち、ＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x相中にＲＥ₂ＢａＣｕＯ₅相が分散した酸化物バルク体であるが、前記酸化物バルク体中のＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x相のａ−ｂ面方向に最も大きな超伝導電流を流すことができ、より強い磁場が得られるため、前記積層された各酸化物バルク体の芯及びリングの回転対称軸が、ＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x結晶の結晶学的ｃ軸に対して±３０°の範囲内であるのがより望ましい。さらに望ましくは、±１０°以内である。

また、着磁後の磁場により発生するフープ力によって、各酸化物バルク体が割れないように、最外周に金属リングをはめ込むのがより望ましい。このような構成にすると、金属リングの熱膨張率が前記酸化物バルク体の熱膨張率と異なるので、冷却時に金属リングから酸化物バルク体へ圧縮応力が働くようになり、フープ力により割れる確率を低減できる。前記金属リングと前記酸化物バルク体との間には、樹脂、半田、又はグリースを充填して、入れ子に配置した酸化物バルク体に均等に圧縮応力をかけることが望ましい。また、同様の理由から、入れ子に配置した各酸化物バルク体の隙間にも樹脂、グリース又は半田を充填することが望ましい。前記金属リングの材質としては、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス鋼等が挙げられる。パルス着磁中には、良導体中には大きな遮蔽電流が流れるため、比抵抗の高いステンレス鋼等の合金系材料がより望ましい。また、金属リングにより半永久的に固定する場合は、硬化性樹脂により固定することが望ましい。また、前記金属リングを取り外し可能にするには、半田又は、グリースにより固定してもよい。半田を用いた場合はその融点まで加熱することで取り外しが可能になり、グリース類を用いた場合は常温での取り外しが可能になる。また、前記金属リングの回転対称軸とＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x結晶のｃ軸とを一致させることがより望ましい。

本発明で用いるＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体は、超伝導体相である、単結晶状のＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x相（１２３相）中に、非超伝導相であるＲＥ₂ＢａＣｕＯ₅相（２１１相）が微細分散した組織を有するものである。ここで、単結晶状というのは、完璧な単結晶でなく、小傾角粒界等の実用に差支えない欠陥を有するものも包含するという意味である。また、単結晶状（擬単結晶）としているのは、単結晶の１２３相中に２１１相が微細に（例えば、１μｍ程度に）分散した結晶相であるからである。ＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x相（１２３相）及びＲＥ₂ＢａＣｕＯ₅相（２１１相）におけるＲＥは、希土類元素を示し、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕからなる希土類元素又はそれらの組み合わせである。また、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄを含む１２３相は１：２：３の化学量論組成から外れ、ＲＥのサイトにＢａが一部置換した状態になることもあるが、本発明の１２３相に含まれるものとする。また、非超伝導相である２１１相においても、Ｌａ、Ｎｄは、Ｙ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕとは幾分異なり、金属元素の比が非化学量論的組成であったり、結晶構造が異なっていたりすることが知られているが、その場合も本発明の２１１相に含まれるものとする。また、ＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x相のｘは、酸素欠損量であり、０＜ｘ≦０．２である。ｘがこのような範囲にあると、ＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x相が超伝導体として超伝導性を示すからである。

前述のＢａ元素の置換は、臨界温度を低下させる傾向がある。また、より酸素分圧の小さい環境においては、Ｂａ元素の置換が抑制される傾向にあることから、大気中よりはむしろ、アルゴン又は窒素中に酸素を微量混合した０．１〜１％酸素雰囲気内で、結晶成長を行うことが望ましい。また、ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体中に銀を含有することにより、機械的強度及びＪ_c特性が増加する傾向があり、銀を５〜２０質量％含有ることよりが望ましい。この時１２３相は１：２：３の化学量論組成から外れ、ＣｕのサイトにＡｇが一部置換した状態になることもあるが、本発明の１２３相に含まれるものとする。

１２３相は、２１１相とBaとCuとの複合酸化物からなる液相との包晶反応、
２１１相＋液相（BaとCuの複合酸化物）→１２３相
によりできる。そして、この包晶反応により、１２３相ができる温度（Ｔｆ：１２３相生成温度）は、ほぼＲＥ元素のイオン半径に関連し、イオン半径の減少に伴いＴｆも低くなる。また、低酸素雰囲気及び銀添加に伴い、Ｔｆは低下する傾向にある。

単結晶状の１２３相中に２１１相が微細分散した酸化物バルク体は、１２３相が結晶成長する際、未反応の２１１粒が１２３相中に取り残されるためにできる。即ち、前記酸化物バルク体は、
２１１相＋液相（ＢａとＣｕの複合酸化物）→１２３相＋２１１相
で示される反応によりできる。前記酸化物バルク体中の２１１相の微細分散は、Ｊ_c向上の観点から極めて重要である。Ｐｔ、Ｒｈ又はＣｅの少なくとも一つを微量添加することにより、半溶融状態（２１１相と液相からなる状態）での２１１相の粒成長を抑制し、結果的に材料中の２１１相を約１μｍ以下に微細化する。添加量は、微細化効果が現れる量及び材料コストの観点から、Ｐｔで０．２〜２．０質量％、Ｒｈで０．０１〜０．５質量％、Ｃｅで０．５〜２．０質量％が望ましい。添加されたＰｔ、Ｒｈ、Ｃｅは１２３相中に一部固溶する。また、固溶できなかった元素は、ＢａやＣｕとの複合酸化物を形成し、材料中に点在することになる。

また、前記酸化物バルク体は、磁場中においても高い臨界電流密度（Ｊ_c）を有する必要がある。この条件を満たすには、超伝導的に弱結合となる大傾角粒界を含まない単結晶状の１２３相が有効である。さらに高いＪ_c特性を有するためには、磁束の動きを止めるためのピンニングセンターが有効である。このピンニングセンターとして機能するものが微細分散した２１１相であり、より細かく多数分散していることが望ましい。また、２１１相等の非超伝導相は、劈開し易い１２３相中に微細分散することによって、超伝導体を機械的に強化し、バルク材料として成り立たす重要な働きをも担っている。

１２３相中の２１１相の割合は、Ｊ_c特性及び機械強度の観点から、５〜３５体積％が望ましい。また、前記酸化物バルク体中には、５０〜５００μｍ程度のボイド（気泡）を５〜２０体積％含むことが一般的であり、さらに銀添加した場合、添加量によって１０〜５００μｍ程度の銀又は銀化合物を０体積％超２５体積％以下含む。

また、結晶成長後の前記酸化物バルク体の酸素欠損量は、０．５程度で半導体的な抵抗率の温度変化を示す。これを各ＲＥ系により３５０℃〜６００℃で１００時間程度、酸素雰囲気中においてアニールすることにより酸素が材料中に取り込まれ、酸素欠損量は０．２以下となり、良好な超伝導特性を示す。

本発明の酸化物超伝導バルク磁石部材は、所望の磁場分布を発生できる着磁性能に優れた磁石特性を示すことから、本酸化物超伝導バルク磁石部材を用いた酸化物超伝導磁石システムは、システム全体として高い磁場をより低いエネルギー投入量で簡便に発生できるシステムであり、経済性・環境調和性に優れたシステムとすることができる。

（実施例１）
純度９９．９％の各試薬ＲＥ₂Ｏ₃（ＲＥはＧｄ）、ＢａＯ₂、ＣｕＯをＧｄ：Ｂａ：Ｃｕの金属元素のモル比が１０：１４：２０（即ち、最終組織の１２３相：２１１相のモル比が３：１）になるように混合した。さらに、Ｐｔを０．５質量％、Ａｇ₂Ｏを１０質量％添加した混合粉を作製した。各混合粉は、一旦８９０℃で８時間仮焼した。仮焼粉は、内径８２ｍｍの円筒状金型中に充填し、厚さ約３３ｍｍの円盤状に成形した。また、Ｓｍ₂Ｏ₃及びＹｂ₂Ｏ₃を用いて、上記成形体と同様の方法により、厚さ４ｍｍのＳｍ系とＹｂ系円盤状成形体を作製した。さらに、各成形体について等方静水圧プレスにより約１００ＭＰａで圧縮加工した。

これらをアルミナ製支持材の上に、Ｓｍ系、Ｙｂ系、Ｇｄ系成型体（前駆体）の順番で下から重ね、炉内に配置した。これらの前駆体は、大気中において７００℃まで１５時間、１０４０℃まで１６０時間、さらに１１７０℃まで１時間で昇温し、３０分保持した後、１０３０℃まで１時間で降温し、１時間保持した。その間、予め作製しておいたＳｍ系の種結晶を用い、種結晶を半溶融状態の前駆体上に乗せた。種結晶の方位は、ｃ軸が円盤状の前駆体の法線になるように、劈開面を前駆体の上に乗せた。その後、大気中において１０００〜９８５℃まで２８０時間かけて冷却し、結晶の成長を行った。さらに、室温まで約３５時間かけて冷却し、外径約６３ｍｍ、厚さ約２８ｍｍのＧｄ系の酸化物超伝導材料を得た。また、同様の方法で同様のＧｄ系の酸化物超伝導材料を更に２個（後述する試料Ｂ及び試料Ｃ用）の試料を作製した。これらの材料は、ＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x相中に１μｍ程度のＲＥ₂ＢａＣｕＯ₅相及び５０〜５００μｍの銀が分散した組織を有していた。

また、試料Ｂからは、比較例としてスライスしないで、リングの形状にも加工しない一体型として、外径６０．０ｍｍ、内径１０．５ｍｍ、高さ２０．０ｍｍにのみ加工した。該加工後、酸素アニール処理を行い、外径６４．０ｍｍ内径６０．１ｍｍのステンレスリング内に配置し、ステンレスリングとはエポキシ樹脂で固定することで酸化物超伝導バルク磁石部材とした。

次に、試料Ｃから、まず厚さ１．８ｍｍにスライス切断し、合計１１枚のウエハー状の超伝導体を作製した。得られたウエハーは全てｃ軸が法線に対し±１０°以内であった。その後、サンドブラスト加工により外径６０ｍｍの継ぎ目の無い５重リングの形状に加工した。なお、超伝導体の幅Ｗは４．６ｍｍであり、隙間ｄは、０．５ｍｍである。そして、酸化物超伝導バルク磁石部材を作製した。この時、各リングを組み立てる時間も要することから、組み立てと積層作業に要した時間は、７０分となった。

外径６０ｍｍ及び１０ｍｍの同心円状の酸化物超伝導バルク体に関し、円一周当たりの継ぎ目の数、軸に垂直方向幅、軸方向の厚さ、軸方向積層枚数、半田の有無、ｃ軸のばらつき、ａ軸のズレを変えて作製した各酸化物超伝導バルク磁石部材について、積層作業時間、静磁場着磁時のピーク値及び分布の均一性・対称性、パルス場着磁時のピーク値及び分布の均一性・対称性、及び一回目のパルス着磁時のピーク値に対する１００回パルス着磁を行った後のピーク磁場の割合について以下の表１に示す。

表１の結果から、継ぎ目を有する入れ子状に配置された酸化物バルク体で構成される酸化物超伝導バルク磁石部材が、パルス着磁して得られる酸化物超伝導バルク磁石として優れていることが明らかになった。

１〜３ ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体（リング状）
４ ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物バルク体（芯状）
５ リングの幅
６ 酸化物超伝導バルク磁石部材のサイズ
７ 酸化物超伝導バルク磁石部材の厚さ
８ 隙間
９ 継ぎ目
１０ 継ぎ目の幅

Claims (8)

1. ＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x（ＲＥは、希土類元素又はそれらの組み合わせ。ｘは、酸素欠損量であり、０＜ｘ≦０．２である。）相中にＲＥ₂ＢａＣｕＯ₅相が分散した酸化物バルク体を組み合わせた酸化物超伝導バルク磁石部材であって、前記酸化物バルク体が、リングを含む形状を組み合せた入れ子状に配置され、前記入れ子状に配置された隣り合う酸化物バルク体の隙間をつなぐ継ぎ目により１ヶ所でつながっていて、前記酸化物バルク体間の隙間に、半田を有することを特徴とする酸化物超伝導バルク磁石部材。
2. 前記酸化物バルク体の隙間をつなぐ継ぎ目の幅は、０．１ｍｍ以上であり、該隙間のリング周距離に対して２５％以下であることを特徴とする請求項１記載の酸化物超伝導バルク磁石部材。
3. 前記酸化物バルク体のリングにおける、前記リングの回転対称軸に対して垂直方向の幅の最大部が、１．０ｍｍ超、１５．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の酸化物超伝導バルク磁石部材。
4. 前記酸化物バルク体のリングの回転対称軸方向の厚さが、１．０ｍｍ以上、５．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸化物超伝導バルク磁石部材。
5. 前記酸化物バルク体のリングが、回転対称軸方向に積層されてなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の酸化物超伝導バルク磁石部材。
6. 前記積層された各酸化物バルク体のリングの回転対称軸が、ＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x結晶のｃ軸に対して±３０°の範囲内であることを特徴とする請求項５記載の酸化物超伝導バルク磁石部材。
7. 前記積層された各酸化物バルク体のＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x結晶のａ軸が、それぞれ、ずれていることを特徴とする請求項５又は６記載の酸化物超伝導バルク磁石部材。
8. 前記酸化物バルク体の少なくとも１つが、多角形又は円の形状を有するリング、もしくは、上面及び底面がレーストラック形状を有するリングであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の酸化物超伝導バルク磁石部材。

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