| 【発明の名称】 |
超電導体移動システムおよびその超電導可動体および冷却容器 |
| 【発明者】 |
【氏名】小早志 秀一
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| 【要約】 |
【課題】超電導体を安定的に高速度で再現性良く移動させることができる超電導体移動システムおよびその冷却容器を提供するとともに、保温時間が長く、移動距離を長くすることができる超電導可動体を提供する。
【解決手段】超電導体移動システム３０（４０）は、超電導可動体１０と、この超電導体１０を搬送する搬送用レール３１（４２）と、この搬送用レール３１（４２）と同一の磁場分布を有するレール片２２上で超電導可動体１０を非超電導状態から超電導状態に冷却する冷却装置２０とからなり、超電導可動体１０をレール片２２上で非超電導状態から超電導状態に冷却した後、超電導可動体１０を搬送用レール３１（４２）上で移動させる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 超電導体と、この超電導体を搬送する搬送用レールと、この搬送用レールと同一の磁場分布を有するレール片上で前記超電導体を非超電導状態から超電導状態に冷却する冷却装置とからなり、前記超電導体を前記レール片上で非超電導状態から超電導状態に冷却した後、前記超電導体を前記搬送用レール上で移動させることを特徴とする、超電導体移動システム。
【請求項２】 前記冷却装置が、前記超電導体を冷却する際に前記超電導体と前記レール片との間隔を所定の間隔に維持する間隙調整手段を有することを特徴とする、請求項１に記載の超電導体移動システム。
【請求項３】 前記所定の間隔が１ｍｍ乃至２．８ｍｍであることを特徴とする、請求項２に記載の超電導体移動システム。
【請求項４】 前記搬送用レールが帯板状のレール本体上に配置された複数の磁石からなるとともに、前記レール片が板状のレール片本体上に配置された複数の磁石からなり、前記搬送用レールの磁石および前記レール片の磁石が、それぞれ前記レール本体および前記レール片本体の主面上の一方向には、磁極が交互になるように配置されるとともに、その方向に垂直な方向には、同じ磁極が並ぶように配置されて、前記レール片が前記搬送用レールと同一の磁場分布を有することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の超電導体移動システム。
【請求項５】 前記冷却装置が、断熱性冷却容器を有し、この断熱性冷却容器中に前記レール片が配置されることを特徴とする、請求項４に記載の超電導体移動システム。
【請求項６】 前記レール本体および前記レール片本体が金属板からなり、前記磁石が永久磁石であることを特徴とする、請求項４または５に記載の超電導体移動システム。
【請求項７】 前記超電導体移動システムが、前記搬送用レールを支持する支持材を有し、この支持材の前記搬送用レールと接触する部分が磁性金属であることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の超電導体移動システム。
【請求項８】 超電導体を冷却する断熱性冷却容器と、この断熱性冷却容器中に配置された磁石とからなることを特徴とする、超電導体用冷却容器。
【請求項９】 前記超電導体用冷却容器が、前記超電導体を冷却する際に前記超電導体と前記磁石との間隔を所定の間隔に維持する間隙調整手段を有することを特徴とする、請求項１に記載の超電導体用冷却容器。
【請求項１０】 前記所定の間隔が１ｍｍ乃至２．８ｍｍであることを特徴とする、請求項９に記載の超電導体用冷却容器。
【請求項１１】 超電導体と、吸湿性材料と、前記超電導体および前記吸湿性材料を収容する非磁性金属または樹脂の容器とからなることを特徴とする、超電導可動体。
【請求項１２】 前記容器の厚さが０．１ｍｍ乃至１ｍｍであることを特徴とする、請求項１１に記載の超電導可動体。
【請求項１３】 前記超電導体の厚さが０．５ｍｍ乃至３ｍｍであることを特徴とする、請求項１１または１２に記載の超電導可動体。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超電導体移動システムに関し、特に、磁気搬送装置としてまたは超電導現象を視覚的に分かり易く説明するための展示物または教材として利用される超電導体移動システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、永久磁石上で超電導体を移動させる磁気搬送装置や超電導現象を説明するための展示物または教材として利用される超電導体移動システムでは、超電導体を零磁場中で冷却した後に、その超電導体を所定の磁場分布を有する搬送用レール上に配置して、磁気搬送し、移動デモンストレーションを行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の超電導体移動システムでは、超電導体を零磁場中で冷却した後に所定の磁場分布を有する搬送用レール上に配置しているので、超電導体中に侵入する磁場量が安定せず、ループやカーブのある搬送用レールでは、搬送用レールと超電導体との間に働く適度な引力と斥力のバランスがとれず、超電導体を安定的に高速度で再現性良く移動させることが困難である。
【０００４】また、従来の超電導体移動システムにおいて、移動体としての超電導体が大気に露出している場合には、超電導体の保温時間が短く、超電導体の移動距離を長くすることができない。さらに、超電導体を覆う断熱層が厚過ぎると、超電導体とレールとのギャップを十分にとれず、逆に薄過ぎると保温効果が低くなるという問題がある。
【０００５】したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、超電導体を安定的に高速度で再現性良く移動させることができる超電導体移動システムおよびその冷却容器を提供することを目的とする。
【０００６】また、本発明は、保温時間が長く、移動距離を長くすることができる超電導可動体を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、本発明による超電導体移動システムは、超電導体と、この超電導体を搬送する搬送用レールと、この搬送用レールと同一の磁場分布を有するレール片上で超電導体を非超電導状態から超電導状態に冷却する冷却装置とからなり、超電導体をレール片上で非超電導状態から超電導状態に冷却した後、超電導体を搬送用レール上で移動させることを特徴とする。
【０００８】上記の超電導体移動システムにおいて、冷却装置は、超電導体を冷却する際に超電導体とレール片との間隔を所定の間隔、好ましくは１ｍｍ乃至２．８ｍｍの間隔に維持する間隙調整手段を有するのが好ましい。
【０００９】また、搬送用レールが帯板状のレール本体上に配置された複数の磁石からなるとともに、レール片が板状のレール片本体上に配置された複数の磁石からなり、搬送用レールの磁石およびレール片の磁石が、それぞれレール本体およびレール片本体の主面上の一方向には、磁極が交互になるように配置されるとともに、その方向に垂直な方向には、同じ磁極が並ぶように配置されて、レール片が搬送用レールと同一の磁場分布を有するのが好ましい。この場合、冷却装置は、断熱性冷却容器を有し、この断熱性冷却容器中にレール片が配置されるのが好ましい。また、レール本体およびレール片本体が金属板からなり、磁石が永久磁石であるのが好ましい。
【００１０】さらに、上記の超電導体移動システムが、搬送用レールを支持する支持材を有し、この支持材の搬送用レールと接触する部分が磁性金属であるのが好ましい。
【００１１】また、本発明による超電導体用冷却容器は、超電導体を冷却する断熱性冷却容器と、この断熱性冷却容器中に配置された磁石とからなることを特徴とする。この超電導体用冷却容器は、超電導体を冷却する際に超電導体と磁石との間隔を所定の間隔、好ましくは１ｍｍ乃至２．８ｍｍの間隔に維持する間隙調整手段を有するのが好ましい。
【００１２】さらに、本発明による超電導可動体は、超電導体と、吸湿性材料と、超電導体および吸湿性材料を収容する非磁性金属または樹脂の容器とからなることを特徴とする。この超電導可動体において、容器の厚さが０．１ｍｍ乃至１ｍｍ、超電導体の厚さが０．５ｍｍ乃至３ｍｍであるのが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明による超電導体移動システムの実施の形態では、断熱性冷却容器中に搬送用レールの一部分と同じ配列の磁石を配置し、超電導体を磁場中で冷却する。このようにすると、搬送用レールと超電導体との間に働く適度な引力と斥力のバランスを調節することが可能となり、ループや急カーブのある搬送用レールにおいても超電導体を再現性良く移動させることが可能となる。
【００１４】また、冷却される超電導体と磁石との間隔を１ｍｍから２．８ｍｍの範囲にすると、超電導体に磁束線が適度に捕捉され、適度な引力と斥力が得られる。１ｍｍ以下では磁束線の侵入量が多くなり過ぎて、搬送用レール上の超電導体の進行方向の磁場の凹凸に過度に影響されて、超電導体の移動に対する抵抗が発生してしまう。一方、２．８ｍｍ以上にすると、搬送用レールと超電導体との間に働く引力が小さくなり過ぎて、カーブやループ部分において超電導体が脱線してしまう。
【００１５】また、超電導体を吸湿性材料と共に非磁性金属または樹脂の容器中に入れると、保温層を薄くしても保温時間を長くすることが可能となる。この吸湿性材料としては、紙、布、ポリスチレン、ポリウレタン、ナイロンなど柔らかくて吸湿性があるものであれば、どのような材料も使用することができる。また、非磁性金属としては、比較的低価格で加工し易いアルミ、銅、非磁性ＳＵＳなどを使用することができる。
【００１６】また、超電導体の厚さを０．５ｍｍ以下にすると、磁石との引力が弱くなり、機械強度も小さくなって破損し易くなる。一方、超電導体の厚さを３ｍｍ以上にすると、磁石からの磁場が届かない部分が多くなり、無駄な重量が増加して搬送用レールから脱線し易くなる。
【００１７】さらに、超電導体を収容する非磁性容器の厚さは、０．１ｍｍから１ｍｍが望ましい。０．１ｍｍ以下では強度および断熱性が低くなり、１ｍｍ以上では搬送用レールとのギャップが狭くなり、移動中の振動によりレールとの接触が起こり易くなる。
【００１８】
【実施例】以下、添付図面を参照して、本発明による超電導体移動システムの一実施例について説明する。なお、本実施例では、超電導体移動システムを、高速且つ無粉塵で単結晶ウェハなどを搬送可能な磁気搬送装置に適用した例について説明する。
【００１９】図１（ａ）および図１（ｂ）は本発明による超電導体移動システムの一実施例に使用する超電導可動体１０を示す図であり、図２（ａ）〜図２（ｃ）はその冷却容器２０を示す図である。また、図３は本発明による超電導体移動システムの一実施例を説明する図である。
【００２０】図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、超電導可動体１０は、円板状の超電導体１１と、この超電導体１１を包む柔らかい吸湿性紙１３と、この吸湿性紙１３に包まれた超電導体１１を収容する肉厚０．５ｍｍ、直径２８．６ｍｍ、高さ１５ｍｍの有底円筒形のアルミ製容器１２と、このアルミ製容器１２の上部を閉じるアルミ製蓋１４と、このアルミ製蓋１４を吸湿性紙１３側に押しつけて固定する非磁性ステンレス製の蓋固定棒１５と、アルミ製容器１２の上部に取り付けられた単結晶ウェハ台１６とから構成されている。なお、蓋固定棒１５は、アルミ製容器１２に開けられた（図示しない）穴に通されてアルミ製容器１２に固定されている。また、アルミ製容器１２の周面には、直径１．５ｍｍの２つの液体窒素導入孔１２ａが形成されている。
【００２１】また、図２（ａ）に示すように、超電導可動体１０を冷却する冷却容器２０は、略直方体の発泡スチロール材料を上面からくり抜いて形成された略直方体の凹部を有する冷却容器本体２１と、この冷却容器本体２１の凹部の底部に配置されたレール片２２と、このレール片２２の上に配置された間隙調整板２３と、この間隙調整板２３の上に配置された位置決め板２４とから構成されている。
【００２２】レール片２２は、図２（ａ）に示すように、冷却容器本体２１の凹部の長手方向（図中の矢印の方向）の長さの略半分の長さを有し、冷却容器本体２１の凹部の底部の一部には配置されないように構成されている。図２（ｂ）に示すように、レール片２２は、矩形のフェライト系ステンレス板からなるレール片本体２２ａと、このレール片本体２２ａの上に配置された複数の永久磁石２２ｂとから構成されている。永久磁石２２ｂは、各々縦横７ｍｍ、厚さ１ｍｍのＮｄ系磁石からなり、後述する搬送用レールと同じ配列で配置されている。即ち、複数の永久磁石２２ｂは、レール片本体２２ａの主面上の一方向には、磁極が交互になるように間隙なく配置されるとともに、その方向に垂直な方向には、同じ磁極が並ぶように互いに０．６ｍｍだけ離間して配置されている。
【００２３】間隙調整板２３は、超電導体１１と永久磁石２２ｂとの間の間隙を調整するために配置され、図２（ｂ）に示すように、矩形の厚さ１．０ｍｍのアルミ製板からなる。
【００２４】位置決め板２４は、冷却容器本体２１の凹部の底面と略等しい大きさを有する厚さ５ｍｍの発泡スチロール製の板からなり、発泡スチロール用ボンドにより冷却容器本体２１に固定されている。この位置決め板２４は、超電導可動体１０が挿入されて超電導可動体１０と間隙調整板２３との接触を可能にする貫通穴を有する。この貫通穴は、レール片２２が配置されている側の端部が、超電導可動体１０の円筒形のアルミ製容器１２の外周に沿った略半円形の形状を有し、この端部の側において超電導可動体１０がレール片２２の上方に配置されるときの超電導可動体１０の位置決めをすることができるように構成されている。また、この貫通穴は、レール片２２が配置されていない領域において超電導可動体１０と間隙調整板２３との接触を可能にするのに十分な長さを有し、超電導可動体１０を、レール片２２が配置されている側から、レール片２２の永久磁石２２ｂの同じ磁極が並ぶ方向に沿って、レール片２２が配置されていない領域まで摺動させることができるように構成されている。
【００２５】図３（ａ）に示すように、本実施例の超電導体移動システム３０は、直径６０ｃｍの対向する一対の半円形部とこれらの半円形部の間に配置された対向する一対の直線部とからなる全長約３ｍの略楕円形の超電導可動体搬送用レール３１と、この搬送用レール３１の各々の直線部に隣接して配置された制御用コイル（推進用マグネットコイル）３２ａ、３２ｂと、各々の制御用コイル３２ａ、３２ｂの上部に設けられて超電導可動体１０の通過を検知する一対の赤外線近接スイッチ（赤外線センサ）３３ａ、３３ｂとから構成されている。
【００２６】図３（ｂ）に示すように、搬送用レール３１は、フェライト系ステンレス板からなるレール本体３１ａと、このレール本体３１ａの上に配置された多数の永久磁石３１ｂとから構成されている。永久磁石３１ｂは、各々縦横７ｍｍ、厚さ１ｍｍのＮｄ系磁石からなり、上述したレール片２２と同じ配列で配置されている。即ち、多数の永久磁石３１ｂは、レール本体３１ａの主面上の一方向には、磁極が交互になるように間隙なく配置されるとともに、その方向に垂直な方向には、同じ磁極が並ぶように互いに０．６ｍｍだけ離間して配置されている。
【００２７】次に、上述した構成を有する超電導体移動システム３０の作用を説明する。
【００２８】まず、超電導可動体１０を冷却装置２０に入れてレール片２２の上方に配置し、超電導可動体１０の上に木片などのおもりを乗せて、浮力等により超電導可動体１０がレール上方からずれないようにする。次に、冷却容器２０に液体窒素を汲み入れることによって、超電導可動体１０にレール片２２と同じ磁場分布の磁束線を捕捉させる。超電導可動体１０の温度が液体窒素温度になるまで冷却した後、超電導可動体１０を、レール片２２の永久磁石２２ｂの同じ磁極が並ぶ方向に沿って、レール片２２が配置されていない領域まで摺動させ、超電導可動体１０を冷却容器２０から取り出す。
【００２９】その後、超電導体移動システム３０の一方の制動用コイル３２ａの中に超電導可動体１０を軽く乗せ、この超電導可動体１０の単結晶ウェハ台１６の上に重さ８ｇのＭｇＯ単結晶を乗せる。次に、制動用コイル３２ａの片側から磁場を発生させ、超電導可動体１０に４０ｃｍ／ｓｅｃの速度となる程度の推進力を与えて、超電導可動体１０を搬送用レール３１上を移動させると、超電導可動体１０が滑らかに他方の制動用コイル３２ｂまで移動する。超電導可動体１０が赤外線近接スイッチ（赤外線センサ）３３ｂの前方を横切ったところで、制動用コイル３２ｂの両端のコイルに磁場を発生させ、超電導可動体１０を制動用コイル３２ｂに停止させる。
【００３０】このように、超電導可動体１０を予め搬送用レール３１と同じ磁場上で適度な磁場を与えて冷却することにより、大きな曲率を持つ搬送用レール上で超電導可動体１０を高速度で安定して移動させることができる。このような超電導体移動システム３０の制御コイル３２ａ（３２ｂ）の上部に単結晶つり上げ装置を設けると、高速且つ無粉塵で単結晶ウェハを搬送する磁気搬送装置を作製することができる。
【００３１】なお、比較例として、本実施例と同様の超電導可動体１０を零磁場冷却した後、図３に示す超電導体移動システム３０の制動用コイル３２ａの中に超電導可動体１０を軽く乗せ、この超電導可動体１０の単結晶ウェハ台１６の上に重さ８ｇのＭｇＯ単結晶を乗せ、制動用コイル３２ａの片側から磁場を発生させ、超電導可動体１０に４０ｃｍ／ｓｅｃの速度となる程度の推進力を与えて、超電導可動体１０を搬送用レール３１上を移動させたところ、カーブの所で超電導可動体１０が搬送用レール３１から脱線し、超電導可動体１０を安定して移動させることができなかった。
【００３２】次に、図４を参照して、本発明による超電導体移動システムの他の実施例について説明する。なお、本実施例では、超電導体移動システムを、超電導体と磁石との磁気反発および吸引現象を説明する超電導現象デモ教材として利用する例について説明する。
【００３３】図４に示すように、本実施例の超電導体移動システム４０は、土台板４１と、この土台板４１の上部に配置されて上下反転する部分を有するように捩れた部分を有する搬送用レール４２と、この搬送用レール４２を支持する多数のフェライト系ステンレス製のレール支持柱４３とから構成されている。なお、搬送用レール４２は、上述した実施例の搬送用レール３１と同様に、フェライト系ステンレス板からなるレール本体と、このレール本体の一方の面上に配置された多数の永久磁石とから構成され、永久磁石も上述した実施例と同様に配置されている。また、搬送用レール４２の一端側が超電導可動体１０のスタート位置４２ａであり、他端側が停止位置４２ｂになっている。スタート位置４２ａの高さは３０ｃｍであり、上下反転する部分の高さは２０ｃｍであり、スタート位置４２ａからなだらかな傾斜があり、超電導可動体１０が重力を利用して移動し、停止位置４２ｂの前方の凸部を超えて停止位置４２ｂで停止するように構成されいる。
【００３４】次に、このような構成を有する超電導体移動システム４０の作用を説明する。まず、上述した実施例の超電導可動体１０から単結晶ウェハ台１６を取り外して、上述した実施例と同様に超電導可動体１０を冷却する。その後、搬送用レール４２のスタート位置４２ａに超電導可動体１０を軽く乗せると、超電導可動体１０と搬送用レール４２との間に適度な引力が働き、１．５mm程度の距離を保って、搬送用レール４２上を超電導可動体１０が滑らかに移動し、反転して宙吊り移動した後、再び反転して停止位置４２ｂで停止する。
【００３５】なお、上記の実施例の超電導体１１としては、磁束をピン止めする力が強い超電導体であれば、どのような超電導体も使用することができるが、溶融法で作製されたＲＥＢａＣｕＯ系超電導体（ＲＥは希土類金属元素）の疑似単結晶状の結晶を用いると、より均一で安定して移動することが可能になる。
【００３６】また、上記の実施例では冷却容器本体２１の材料として発泡スチロールを用いたが、どのような断熱性材料でも使用可能であり、例えば、ポリウレタンやＦＲＰなどの各種の樹脂の容器や金属製の真空容器なども冷却容器本体２１として使用することができる。
【００３７】また、位置決め板２４の材料としては、断熱性材料に限らず、液体窒素温度以下で変形や割れなどが発生しない材料であれば、どのような材料も使用することができる。例えば、加工が容易で低価格な木材、金属、ポリウレタン、ＦＲＰなどの各種の樹脂、ベークライトなどを使用することができる。
【００３８】また、上記の実施例では隙間調整板２３の材料としてアルミを用いたが、非磁性の材料であれば、どのような材料も使用することができ、例えば、銅、非磁性ステンレスなどの非磁性金属板、木材、ポリウレタン、発泡スチロール、ＦＲＰなどの各種の樹脂、ベークライト、アルミナなどを使用することができる。
【００３９】また、永久磁石２２ｂとして薄くても強い磁場を発生することができる希土類系永久磁石を用いると、宙返りするようにレールを曲げた際にも搬送用レールをコンパクトにすることが可能となる。
【００４０】さらに、永久磁石を並べるレール片本体２２ａおよびレール本体３１ａとして磁性金属を使用すると、接着剤などを使用しなくても永久磁石を貼り付けて並べることができるため、システムを低コストで作製することができる。この場合、貼り付けた磁石の上からアルミや紙製の薄い粘着テープを搬送用レール３１（４２）に巻き付けると、永久磁石のずれや剥がれを防止することができる。また、レール支持材として、搬送用レール３１（４２）と接触する部分にフェライト系金属板を用いると、搬送用レール３１（４２）上の永久磁石の磁力により、レール支持材との取り外しを容易に繰り返すことが可能となり、搬送用レール３１（４２）の形状を容易に変更することが可能になる。また、搬送用レール３１（４２）とレール支持材との間の接着部は、必要に応じて両面テープなどにより接着強度を補強しても良い。
【００４１】
【発明の効果】上述したように、本発明によれば、超電導体を安定的に高速度で再現性良く移動させることができる超電導体移動システムおよびその冷却容器を提供することができる。また、保温時間が長く、移動距離を長くすることができる超電導可動体を提供することもできる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００２２４７９８
【氏名又は名称】同和鉱業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年９月２６日（２０００．９．２６） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１０７５４８
【弁理士】
【氏名又は名称】大川 浩一
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| 【公開番号】 |
特開２００２−１１２４０９（Ｐ２００２−１１２４０９Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１４年４月１２日（２００２．４．１２） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−２９７０７４（Ｐ２０００−２９７０７４） |
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