JPH01235842A - 超電導体の欠陥検査方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 超電導体線材あるいは条材あるいはその配線パターンの
欠陥（欠け、細り等）を検査する方法及び装置に関し、 超電導体の臨界電流に着眼した簡単な欠陥検査方法及び
装置を提供することを目的とし、超電導体の欠陥を検査
するに際し、該超電導体にその臨界電流より小さな電流
を流し、その時の発生電圧が基準電圧値を越える時の電
流値を上記臨界電流と比較することにより超電導体の欠
陥有無を検出するように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は超電導体の線材あるいは条材、あるいは超電導
体の配線パターン中における欠けや細り等の欠陥を検査
する方法及び装置に関する。

超電導体の開発に伴い、同材料をプリント板の回路配線
等に用いることが検討されている。

従って、従来の常電導体による配線パターンの場合と同
様に、超電導体素材あるいはその配線パターンの欠陥を
確実に検査する方法の開発が必要である。

〔従来の技術〕

従来の常導体配線パターンの欠陥検査方法の一例を第１
１図に示す。

同図において、配線パターン１０の所定の２点く始点と
終点）に各々プローブ１１Ａ、１１Ｂを接触させ、両プ
ローブ１１Ａ、１１Ｂ間に一定の電圧Ｖ（直流でも交流
でもよい）を印加する。その結果、測定回路には配線パ
ターン１０の形状、材質、長さ等に応じた電流■が流れ
る。従って、この電流Ｉを電流計１３により測定するこ
とにより、オームの法則に従い配線パターン１０の特性
インピーダンスＲを求めることが出来る（下記の等式■
）。

Ｒ＝Ｖ／Ｉ　　　　　　　　・・・　■第１２図は配線
パターン１０の代表的な欠陥の例を示す。

同図（ａ）は断線、（ｂ）は細り、（Ｃ）はパターンの
上面欠け、（ｄ）はパターンの下面欠けを夫々示す。

第１１図において、断線（ａ）の場合には電流が流れず
、 Ｒ＝■ となる。

また、第１２図（ｂ）、　　（ｃ）、　　（ｄ）の場合
ハＲがその配線パターンのインピーダンス基準値Ｒｒ　
＠ｆよりも必ず増大するため、検出することが出来る。

このようにして、いずれの場合にも、抵抗計（または電
圧計）１５によりインピーダンスＲ（または電圧）を検
出することにより欠陥が検出出来る。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかるに、このような常電導に対する検査方法を超電導
体の配線パターンにそのまま応用することは出来ない。

何となれば、配線パターンが超電導体の場合には、特性
インピーダンスＲが常にＲ＝０であり、従って、第１２
図（ａ）の断線の場合は別として、（ｂ）、　　（ｃ）
、　　（ｄ）に示す如き欠陥は検出不可能であるからで
ある。

また、超電導体の配線パターンに限らず超電導体の素材
（線材、条材等）の欠陥を検出することも同様の理由に
より出来ない。

このような点に鑑み、本発明の目的は超電導体の欠陥を
容易且つ確実に検出し得る新規な検査方法及び装置を提
供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明によれば、超電導体
の欠陥を検査するに際し、該超電導体にその臨界電流よ
り小さな電流を流し、その時の発生電圧が基準電圧値を
越える時の電流値を上記臨界電流と比較することにより
超電導体の欠陥有無を検出することを構成上の特徴とす
る。

また、超電導体に電流を流すと共にマイクロ波を照射し
、その時の電流−電圧特性に定電圧ステップが発生する
か否かにより超電導体の欠陥有無を検出することも可能
である。

超電導体に流す電流を、正常超電導部分ではその臨界電
流密度より小さく且つ欠陥部分では臨界電流密度を越え
るような大きさとし、その時の発生電圧を基準値と比較
することにより超電導体の欠陥有無を検出することも可
能である。

臨界電流を直接制御する変わりに、超電導体をその臨界
温度以上あるいは臨界磁場以上の磁界の雰囲気中で検査
することによっても同様の目的を達成することが出来る
。

〔作　用〕

超電導体には「超電導体に流す電流が成る大きさく臨界
電流密度）を超えると、超電導状態が壊れ常電導状態と
なる」という固有の性質がある。

本発明はこの臨界電流の性質を利用している。

第１図にその基本原理を示す。

第１図（Ａ）は超電導体パターン１０に欠陥がない場合
、同図（Ｂ）は欠陥（１２で示す）がある場合を夫々示
す。

超電導体配線パターン１０が正常である場合、第１１図
に示す如き方法でこの配線に電流を流し、電圧計Ｖによ
り電圧を測定する。このときのＩ（電流）−Ｖ（電圧）
特性において、臨界電流をＩｃ　　（±Ｉｃ）とする（
第１図（Ａ））。配線に欠陥１２があると、その欠陥部
分により配線の断面積が小さくなるため、臨界電流１ｃ
’　　（±Ｉｃ’）が、Ｉｃに比べて必ず小さくなる（
第１図（Ｂ））。

即ち、Ｉｃ’＜Ｉｃである。これにより欠陥を検出する
ことができる。欠陥がクラックの如く微少の場合には請
求項２に記載した如き交流ジョセフソン効果を利用する
のが有利である。即ち、超電導配線パターン１０にクラ
ック１２が入ると、その部分の超電導性が弱められる。

つまり超電導部分（Ｓ）と超伝導性が弱められた欠陥部
分（Ｓ′）から、ｓｓ’　ｓ型（ブリッジ型）のジョセ
フソン接合が形成されたのと等価になる。このジョセフ
ソン接合部にマイクロ波を照射するとＩ−Ｖ特性に第４
図（Ｂ）に示す如き定電圧ステップが現われる（交流ジ
ョセフソン効果）から定電圧ステップの有無欠陥を検出
することが出来る。

また、検査時のみ超電導状態を壊して常電導状態に戻す
ことができれば基本的には従来の方法がそのまま適用で
きる。請求項３〜５に記載した方法は超電導体の臨界電
流密度、臨界温度、臨界磁界を夫々の臨界値を超えるよ
うな条件下に置くことにより常電導体に変換している。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例につき説明する。

第２図は本発明の一実施例を示す。被検査超電導配線パ
ターン１０の両端から第１図に示す如き方法で電流を流
す。電流は零からしだいに増加する可変電流源２０から
供給するのが好ましい。この時の配線の電圧Ｖを電圧測
定器３０により測定する。電圧Ｖが閾値電圧発生回路の
出力Ｖｓより大きくなると、電圧比較回路３５は電流値
ホールド回路３７にトリガ信号を出す。これにより電流
測定器３１の電流値（Ｉｃ’）をホールド（サンプリン
グ）する。この値Ｉｃ’　と基準電流メモリ３９の値Ｉ
ｃとを比較回路４１で比較する。

■ｃ′　≧Ｉｃの場合は正常であり、Ｉｃ’＜Ｉｃの場
合は異常有りと判断する。

超電導体１０に欠陥がない場合には理論的には電圧計３
０はＯＶを示すはずであるが、実際上は検査回路内の配
線抵抗が存在するので電圧計３０は所定の値Ｖｓを示す
。また、検査回路内の配線も超電導体を用いて行うこと
もできるが、その場合にも各機器（電圧計、比較器等）
内の抵抗があるので一定の電圧を示すことになる。従っ
てそのとき、つまり超電導体１０に欠陥がないときの電
圧計３０の読み値Ｖｓを闇値と設定すればよい。

また、基準電流メモリに記録される基準電流Ｉｃは超電
導体配線パターン１０の形状や材料等により一義的に決
定される臨界電流値である。

尚、超電導体配線パターン１０は一般にその超電導状態
を維持するためにタライオスタット（低温槽）５０内に
置かれ、臨界温度以下に保持される。

第３・４図は本発明の別の実施例を示す。上述の第２図
の実施例は欠陥が比較的大きく、その欠陥部１２で十分
な電流密度の変化が現われる場合に特に有効であるが、
第３図は欠陥がクラックの如く非常に微細な場合、即ち
第２図に示す方法では検査し難い場合の実施例を示す。

第３，４図の実施例は交流ジョセフソン効果を利用した
ものである。

超電導体にクランクが入ると、その部分の超電導性が弱
められる。超電導部分（Ｓ：５ｕｐｅｒＣｏｎｄｕｃｔ
ｏｒ）と超伝導性が弱められた欠陥部分（Ｓ′）から、
等価的にｓｓ’ｓ型（ブリッジ型）のジョセフソン接合
が形成される。この欠陥部分にマイクロ波を照射すると
Ｉ−Ｖ特性に定電圧ステップが現われる（第４図Ｂ）。

これが交流ジョセフソン効果である。

第３図において、第２図と同様に、可変電流源２０によ
り電流■を流し、電流計３１で電流■を測定する。電流
値の所定の増加ごとに、サンプリング信号発生回路３４
からサンプリング信号を発生する。それと同時にそのサ
ンプリング信号に基づき電圧計３０で測定した電圧Ｖを
電圧サンプリング回路３６でサンプリングする。

各サンプリングに対してマイクロ波を照射する場合とし
ない場合との２回の検査を実行する。マイクロ波はマイ
クロ波発生器５３から発生され、マイクロ導波管５５を
通してパターン上方から照射される。

電圧サンプリング回路３６によるサンプリング電圧値は
電圧値書込回路４２により、マイクロ波を照射した場合
のものは非マイクロ波メモリ４４に、そしてマイクロ波
を照射した場合のものはマイクロ波メモリ４５に夫々書
き込まれる（格納される）。

ここで、夫々のＩ−Ｖ特性（データ）は第３図において
メモ！Ｊ４４，４５の上方に示す如くなる。つまり、マ
イクロ波を照射しない場合及びマイクロ波を照射した場
合でかつ欠陥がない（正常）場合は第１図に示す如き特
性となり、またマイクロ波を照射した場合でかつ欠陥が
ある場合（異常）はステップ電圧が現われる。従って、
理論的にはこの波形を目視観察することにより欠陥は発
見できるが、実際の検査プロセスではマイクロ波メモリ
４５のデータＶ２と非マイクロ波メモリ４４のデータＶ
、との減算処理（Ｖ２　　Ｖｌ）を減算回路４７により
行い、その結果を積分回路４９により順次加算（積分）
する。その値ΔＶを基準値発生回路４８による基準値Ｖ
、と比較器４６により比較し、ΔＶがＶ、よりも大きい
場合には欠陥有りとして例えば警報を発する。尚、マイ
クロ波を照射した場合でかつ欠陥がない場合の■−■特
性はマイクロ波を照射しない場合に一致するので理論的
には積分回路の出力はゼロであり１．基準値ＶＲよりも
常に小さい。・ また、定電圧ステップが発生する場合には常にＶ２　　
Ｖｌ＞Ｏとなるから基準値Ｖ、を誤差分と見込んだゼロ
に近い値に設定しておくことにより定電圧ステップの発
生を確実に検出することができる。

第５〜７図は本発明の更に別の実施例を示す。

この実施例は特に、素材としての超電導体１０Ａ、即ち
、超電導線材（断面円形）あるいは条材（断面平板状）
の段階での欠陥検査に適している。線材１０Ａの欠陥と
しては例えば第１３図に示す如く欠け（同図（ａ））、
材料の不均一（同図（ｂ））、あるいは細り（同図（Ｃ
））等が考えられる。

超電導体に電流を流した場合、電流工が臨界電流Ｉｃに
達するまでは直流電気抵抗はゼロであり、電流■がＩｃ
を越えると電圧Ｖを生じるというＩ−Ｖ特性は第１図（
Ａ）において説明した通りである。一方、欠陥を持った
超電導線材１０ＡのＩ−Ｖ特性は第１図（Ｂ）に示す通
りである。即ち、欠陥によって、超電導部分の断面積が
減少すると、正常超電導線材と同じ電流を流しても欠陥
部分の電流密度が高くなり、早く　（小さい電流Ｉｃ′
で）超電導性が壊れる（Ｉｃ　＞　Ｉｃ’　）。

第５図はこの原理を応用したもので、同図において、超
電導線材（又は条材）１０Ａは両端が例えばロール６４
にコイル状に巻かれているものとする。線材１０Ａは検
査回路の一対のローラ電極６３Ａ。

６３Ｂ間に挾まれる。このローラ電極間に定電流源６１
より定電流工を供給する。設定電流Ｉは超電導体１０Ａ
の臨界電流Ｉｃより少しだけ小さい値工。。（第６図）
とする。また、電流を流している線材１０Ａ部分の電圧
は、同様にローラ電極６３Ａ。

６３Ｂを通して電圧計６５で測定する。ローラ電極と線
材１０Ａとの間には接触抵抗による電圧Ｖ　ｃ　ｏ　、
。

が生じる（第７図（Ａ））。尚、検査回路の配線自身の
抵抗による電圧も発生するので必要に応じてその抵抗分
をあらかじめ見込んでおく。検査回路内の基準電圧発生
回路６７では、基準電圧Ｖ、を正常時の接触電圧Ｖ　ｃ
ｏイより少し大きい値に設定する。

基準電圧ＶＲは電圧比較器６９に入力され、電圧計６５
の出力Ｖと比較される。比較器６９において、Ｖ＞Ｖ、
となった場合にのみ第７図（Ｂ）に示す如く“欠陥有り
”として警報器６８により警報を発する。

第８図は本発明の更に別の実施例を示す。

上述の如く、超電導体において欠陥があると、これに電
流を流した場合、欠陥部分の電流密度Ｊ、。ｆは、正常
部分の電流密度Ｊ。。、よりも大きくなる。従って、 Ｊ、。、〉臨界電流密度＞−Ｊｈｏｒ となるような電流工を配線パターン１０に流せば、■　
欠陥が存在しない場合には、前述の第０式により表わさ
れる特性インピーダンスＲ＝０となり、 ■　欠陥が存在する場合には、欠陥部分が常電導状態と
なりＲ〉０　（または所定値よりも大）となるので欠陥
の判別が可能となる。

第８図に示す実施例はこのような構想に立脚するもので
、同図において、超電導配線パターン１０の始点と終点
にプローブ１１Ａ、１１Ｂを接触させ、正常部分では臨
界電流密度未満となり、かつ欠陥部分で臨界電流密度を
超えるような一定の電流源Ｉを電流源１６により流す。

そして電圧計６５を用いてプローブ間の電圧Ｖを測定す
る。その結果、欠陥が存在しない場合には、配線パター
ンの特性インピーダンスＲ１であるのでＶ＝ＲＩ＝Ｏと
なり、また、欠陥が存在する場合には、Ｒ＞Ｏであるの
でＶ＝ＲＩ＞Ｏとなる。従って、電圧計６５の指示Ｖを
指示器１５により観測することにより超電導配線パター
ンの欠陥検査ができる。

なお電流源１６を可変電流源として電流Ｉを適当に選択
することにより、配線パターンの断面積に対する正常と
欠陥の闇値を変可させることが可能であり、更には、Ｖ
＞Ｏの場合、■の値の大小により、その欠陥の長さを求
めることもできる。

以上の実施例は主に超電導体の臨界電流に着目したもの
であるが、以下の第９．１０図に示す実施例では超電導
体を欠陥検査に際してのみ常電導体に変換させるという
思想に立脚するものである。

尚、これらの実施例においても結果として臨界電流値の
変化を伴っていることにおいては上述の実施例と同様で
ある。

第９面の実施例は超電導体の臨界温度に着眼している。

即ち、「超電導体の温度がある一定値（「臨界温度」）
を超えると、超電導状態が破れ常電導状態となる」とい
う現象を利用する。

そこで、超電導配線パターンに臨界温度を超える様な熱
を加えると配線パターンは常電導状態となり特性インピ
ーダンスＲ≠０となる。従って、第１１図に示す従来と
同様の方法でその欠陥検査が可能となる。

第９図において、超電導配線パターン１０を有する基板
７の裏面に、ヒーター等の発熱装置８０を配置し、配線
パターン１０の温度が臨界温度Ｔｃを超えるまで加熱す
る。その結果、配線パターン１０は常電導状態となるか
ら、この状態において、配線パターンの特性インピーダ
ンスＲを測定すれば配線パターン第１２図に示す様な欠
陥が存在する場合、同図（ａ）の断線の場合には、Ｒ＝
■となり、同図（ｂ）、　　（Ｃ）、　　（ｄ）の場合
には、Ｒがその配線パターンのインピーダンス基準値Ｒ
ｒ　ａ　ｆよりも増大するために、抵抗表示器１５の値
により欠陥の検出が可能となる。

尚、超電導体を積極的に加熱する必要があるのは常温超
電導体の場合であって、逆に高温あるいは低温超電導体
の場合には検査時のみタライオスタット等の冷却雰囲気
中から取り出し常温雰囲気中におくことにより常電導体
に変化する。

第１０図に示す実施例は超電導体の臨界磁界に着眼した
ものである。即ち、「超電導体のまわりの磁界がある強
さ（「臨界磁界」）を超えると、超電導状態が破れ常電
導状態となる」という現象を利用する。

そこで超電導配線パターンの周囲に、臨界磁界を超える
様な磁界を強制的に発生させれば、配線パターンは常電
導状態となり特性インピーダンスＲ≠０となる。従って
、第９図の場合と同じ〈従来と同様の方法でその欠陥検
査が可能となる。

第１０図において、超電導配線パターン１０を有する基
板７の裏面に、強力なマグネット９０を配置し、配線パ
ターン１０の周囲に臨界磁界を超える様な磁界を発生さ
せる。その結果、配線パターンは常電導状態となり、こ
の状態において、配線パターンの特性インピーダンスＲ
を測定すれば、第９図の場合と全く同様にして欠陥の検
出が可能となる。

尚、マグネット９０は電磁石でも永久磁石でもよい。

〔発明の効果〕

以上に記載した如く本発明によれば欠陥により臨界電流
が小さくなるという超電導体の固有の性質を利用するこ
とにより簡単な方法で超電導体の確実な欠陥検査ができ
る。

また、本発明によれば、欠陥がある場合にはその部分に
等測的にジョセフソン接合が形成されているとの考察に
基づき、これにマイクロ波を照射したときにＩ−Ｖ特性
に定電圧ステップが現われるという性質を利用して簡単
な方法で超電導体の確実な欠陥検査ができる。

また更に、本発明によれば欠陥検査時のみ超電導体を常
電導体に変化させるだけで常電導体用の欠陥検査方法が
そのまま適用できるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を示す図で（Ａ）は欠陥が無い場
合、（Ｂ）は欠陥がある場合を夫々示し、第２図は本発
明に係る臨界電流検査回路の一実施例を示す図、第３図
は電圧ステップ検出回路の一実施例を示す図、第４図は
第３図の回路による検査の基本原理を示す図で（Ａ）は
欠陥が無い場合、（Ｂ）は欠陥がある場合を夫々示し、
第５図は本発明の更に別の実施例を示す図解図、第６図
は第５図に示す実施例における設定電流値を示す線図、
第７図は第５図に示す実施例における接触電圧を示す線
図で、（Ａ）は欠陥が無い場合、（Ｂ）は欠陥がある場
合を夫々示し、第８図は本発明の更に別の実施例を示し
、第９図は本発明の更に別の実施例を示す図、第１０図
は第９図の変形実施例を示す図、第１１図は従来の配線
パターン検査方法を示す図、第１２図は超電導体配線パ
ターンの欠陥例を示す図、第１３図は超電導体線材の欠
陥例を示す図。 １０・・・超電導体、　　　１６．２０．６１・・・電
流源、３０．６５・・・電圧計、　　　　３１・・・電
流計、３５．６９・・・電圧比較器、　４１・・・電流
値比較器、６３Ａ、６３Ｂ・・・接触電極。 （Ａ） 本発明グ 第 （Ｂ） ）原理図 １図 接触電極を用いた実施例 第５図 設定電流 第６図 （Ａ） （Ｂ） 接触電圧の変化の説明 第７図 本発明の実施例 第８図 ヒータを用いた本発明の実施例 第９図 マグネットを用いた不発明の実施例 従来の配線・やターン検査法 第１１図 断線 （ａ） 細り （ｂ）　　　・ 導体上部異常 （Ｃ） 導体下部異常 （ｄ） 欠陥の種類（パターン） 第１２図 （ａ） （ｂ） （Ｃ） 欠陥の種類（線材） 第１３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、超電導体の欠陥を検査するに際し、該超電導体にそ
   の臨界電流より小さな電流を流し、その時の発生電圧が
   基準電圧値を越える時の電流値を上記臨界電流と比較す
   ることにより超電導体の欠陥有無を検出することを特徴
   とする超電導体の欠陥検査方法。 ２、超電導体の欠陥を検査するに際し、該超電導体に電
   流を流すと共にマイクロ波を照射し、その時の電流−電
   圧特性に定電圧ステップが発生するか否かにより超電導
   体の欠陥有無を検出することを特徴とする超電導体の欠
   陥検査方法。 ３、超電導体の欠陥を検査するに際して、該超電導体に
   正常超電導部分ではその臨界電流密度より小さく且つ欠
   陥部分では臨界電流密度を越えるような所定の電流を流
   し、その時の発生電圧を基準値と比較することにより超
   電導体の欠陥有無を検出することを特徴とする超電導体
   の欠陥検査方法。 ４、超電導体の欠陥を検査するに際して、該超電導体に
   その臨界温度以上の雰囲気中において所定の電流を流し
   、その時の特性インピーダンスを測定することにより超
   電導体の欠陥有無を検出することを特徴とする超電導体
   の欠陥検査方法。 ５、超電導体の欠陥を検査するに際して、該超電導体に
   その臨界磁場以上の磁界内において電流を流し、その時
   の特性インピーダンスを測定することにより超電導体の
   欠陥有無を検出することを特徴とする超電導体の欠陥検
   査方法。 ６、検査すべき超電導体（１０）に所定の電流を流す可
   変電流源（２０）と、該超電導体の臨界電流を測定する
   電流計（３１）と、それにより発生する電圧を測定する
   電圧計（３０）と、電圧計による測定電圧を所定の基準
   電圧と比較する電圧比較器（３５）と、測定電圧が基準
   電圧を越えた時の電流値を所定の基準電流値と比較する
   電流比較器（４１）とを有する請求項１記載の方法を実
   施する超電導体の欠陥検査装置。 ７、検査すべき超電導体（１０）に所定の電流Ｉを流す
   可変電流源（２０）と、その電流値を測定する電流計（
   ３１）と、それにより発生する電圧Ｖを測定する電圧計
   （３０）と、超電導体にマイクロ波を照射する手段（５
   ３、５５）とを有し、電流印加により発生する超電導体
   のＩ−Ｖ特性に定電圧ステップが発生するか否かにより
   超電導体の欠陥を検査する請求項２記載の方法を実施す
   る装置。 ８、検査すべき超電導体の２点に接触する接触電極（６
   ３Ａ、６３Ｂ）と、該超電導体の臨界電流より僅かに小
   さな定電流を供給する定電流源（６１）と、それにより
   発生する電圧を測定する電圧計（６５）と、測定電圧を
   基準電圧と比較する電圧比較器（６９）とを有する超電
   導体の欠陥検査装置。