JPH08208312A - 破壊素子及び破壊装置及び破壊装置を有する構造物 - Google Patents
破壊素子及び破壊装置及び破壊装置を有する構造物Info
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- JPH08208312A JPH08208312A JP7012033A JP1203395A JPH08208312A JP H08208312 A JPH08208312 A JP H08208312A JP 7012033 A JP7012033 A JP 7012033A JP 1203395 A JP1203395 A JP 1203395A JP H08208312 A JPH08208312 A JP H08208312A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】小形で破壊能力、速度の高い圧力源となる破壊
素子を提供し、該破壊素子を固体圧力源とした岩石及び
コンクリート構造物の破壊装置を提供する。 【構成】本発明の破壊素子９は、反強誘電性セラミック
ス１からなり、該反強誘電性セラミックスの電界誘起強
制相転移により発生する力を圧力源とする。上記反強誘
電性セラミックスとしてはジルコン酸鉛系磁器（例えば
ＰＮＺＳＴ）等が用いられ、破壊素子９は、反強誘電性
セラミックス１の単板もしくは単板の積層体、あるいは
内部電極６を含む反強誘電性セラミックス１の積層体５
からなる。また、本発明の破壊装置は、上記の破壊素子
９を用い、岩石、コンクリート構造物等の被破壊物を破
壊する静的破壊装置であり、被破壊物に形成したボーリ
ング孔の孔壁に対し破壊素子９からの発生圧力を有効に
伝搬させるためのクリアランス調整機構１０，１１を具
備したものである。
素子を提供し、該破壊素子を固体圧力源とした岩石及び
コンクリート構造物の破壊装置を提供する。 【構成】本発明の破壊素子９は、反強誘電性セラミック
ス１からなり、該反強誘電性セラミックスの電界誘起強
制相転移により発生する力を圧力源とする。上記反強誘
電性セラミックスとしてはジルコン酸鉛系磁器（例えば
ＰＮＺＳＴ）等が用いられ、破壊素子９は、反強誘電性
セラミックス１の単板もしくは単板の積層体、あるいは
内部電極６を含む反強誘電性セラミックス１の積層体５
からなる。また、本発明の破壊装置は、上記の破壊素子
９を用い、岩石、コンクリート構造物等の被破壊物を破
壊する静的破壊装置であり、被破壊物に形成したボーリ
ング孔の孔壁に対し破壊素子９からの発生圧力を有効に
伝搬させるためのクリアランス調整機構１０，１１を具
備したものである。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、岩石、コンクリート構
造物等の静的破壊（破砕）に応用される電子セラミック
ス材料からなる破壊素子、及びその破壊素子を用いた破
壊装置、及びその破壊装置を有する構造物に関する。
造物等の静的破壊（破砕）に応用される電子セラミック
ス材料からなる破壊素子、及びその破壊素子を用いた破
壊装置、及びその破壊装置を有する構造物に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、爆薬を用いた発破は、最も効率的
な岩盤の破壊工法として、土木、建設、あるいは資源開
発などの地盤を対象とする分野において広く用いられて
きた。しかし、発破による破壊は、これによって生じる
振動、騒音、飛石が周辺環境におよぼす影響は無視し難
いものがあり、さらに地球環境への破壊が問題化してく
る。また、過密化した都市中心部の再開発、重要構造物
近傍でのトンネル掘削工事等において、コンクリート及
び岩盤の破壊を行なう機会が増大し、発破を使わない破
壊工法、すなわ、静的破壊工法への要求が高まってきて
いる。
な岩盤の破壊工法として、土木、建設、あるいは資源開
発などの地盤を対象とする分野において広く用いられて
きた。しかし、発破による破壊は、これによって生じる
振動、騒音、飛石が周辺環境におよぼす影響は無視し難
いものがあり、さらに地球環境への破壊が問題化してく
る。また、過密化した都市中心部の再開発、重要構造物
近傍でのトンネル掘削工事等において、コンクリート及
び岩盤の破壊を行なう機会が増大し、発破を使わない破
壊工法、すなわ、静的破壊工法への要求が高まってきて
いる。
【０００３】この要求に対し、これまで種々の液圧式破
壊装置（本田ほか：土木学会論文集，379／VI-6(198
7)，55.）、及び膨張性破壊剤（山崎之典：工業火薬，4
8(1987)，379．)などが開発され、さらには実用化され
てきた。両者を比較すると、破壊力、破壊時間等の破壊
能力の点では前者が有利であり、作業性の点では周辺設
備が不要な後者が有利であり、互いに施工上一長一短を
有していた。これらは破壊に使用する圧力源の原理的な
制約により起因しているものである。すなわち、小形で
破壊能力、速度の高い圧力源が実用化されれば、上記の
問題は解決できうる。
壊装置（本田ほか：土木学会論文集，379／VI-6(198
7)，55.）、及び膨張性破壊剤（山崎之典：工業火薬，4
8(1987)，379．)などが開発され、さらには実用化され
てきた。両者を比較すると、破壊力、破壊時間等の破壊
能力の点では前者が有利であり、作業性の点では周辺設
備が不要な後者が有利であり、互いに施工上一長一短を
有していた。これらは破壊に使用する圧力源の原理的な
制約により起因しているものである。すなわち、小形で
破壊能力、速度の高い圧力源が実用化されれば、上記の
問題は解決できうる。
【０００４】そこでこの問題を解決すべく、近年、実用
形状記憶合金であるＴｉＮｉの形状回復に伴い発生する
力を利用した静的破壊器の提案がある（吉田，山内：Ｔ
okinＴechnical Ｒeview／vol.20)。しかし、形状記憶
合金の場合、周知のごとく、形状記憶及び擬弾性による
形状変化には温度の制御が必要になり、破壊装置にはヒ
ータなどの熱源の施工が必要となる。従って、静的破壊
装置としては、このような制約のない圧力源が要求され
ている。
形状記憶合金であるＴｉＮｉの形状回復に伴い発生する
力を利用した静的破壊器の提案がある（吉田，山内：Ｔ
okinＴechnical Ｒeview／vol.20)。しかし、形状記憶
合金の場合、周知のごとく、形状記憶及び擬弾性による
形状変化には温度の制御が必要になり、破壊装置にはヒ
ータなどの熱源の施工が必要となる。従って、静的破壊
装置としては、このような制約のない圧力源が要求され
ている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記事情に鑑
みてなされたものであって、工学的に問題となる種々の
岩石の最大引張り強度が最高２０ＭＰa 程度であること
に着目し（山口ほか、「岩石力学入門」第２版、東大出
版会(1979)、P.120)、２０ＭＰa 以上の圧力の発生力が
あり、前述した現行の静的破壊装置が有する問題を克服
することのできる圧力源となる破壊素子を提供し、該破
壊素子を固体圧力源とした岩石及びコンクリート構造物
の静的破壊装置を提供することを第一の目的としてい
る。また本発明は、コンクリート構造物が老朽化した際
に、速やかに破壊することのできる自己破壊機能を備え
た構造物を提供することを目的としている。
みてなされたものであって、工学的に問題となる種々の
岩石の最大引張り強度が最高２０ＭＰa 程度であること
に着目し（山口ほか、「岩石力学入門」第２版、東大出
版会(1979)、P.120)、２０ＭＰa 以上の圧力の発生力が
あり、前述した現行の静的破壊装置が有する問題を克服
することのできる圧力源となる破壊素子を提供し、該破
壊素子を固体圧力源とした岩石及びコンクリート構造物
の静的破壊装置を提供することを第一の目的としてい
る。また本発明は、コンクリート構造物が老朽化した際
に、速やかに破壊することのできる自己破壊機能を備え
た構造物を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、前述
の要求を満たす破壊素子を提供するものであり、該破壊
素子は、反強誘電性セラミックスからなり、該反強誘電
性セラミックスの電界誘起強制相転移により発生する力
を圧力源とすることを特徴としている。
の要求を満たす破壊素子を提供するものであり、該破壊
素子は、反強誘電性セラミックスからなり、該反強誘電
性セラミックスの電界誘起強制相転移により発生する力
を圧力源とすることを特徴としている。
【０００７】請求項２の発明は、請求項１記載の破壊素
子において、前記反強誘電性セラミックスはジルコン酸
鉛系磁器であり、次式で示される組成からなることを特
徴としている。 Ｐｂ1-0.5ZＮｂZ[(Ｚｒ1-XＳｎX)1-YＴｉY]1-ZＯ3 （但し、0≦Z≦0.02 ，0≦Y≦0.1 ，0≦X≦0.5）
子において、前記反強誘電性セラミックスはジルコン酸
鉛系磁器であり、次式で示される組成からなることを特
徴としている。 Ｐｂ1-0.5ZＮｂZ[(Ｚｒ1-XＳｎX)1-YＴｉY]1-ZＯ3 （但し、0≦Z≦0.02 ，0≦Y≦0.1 ，0≦X≦0.5）
【０００８】請求項３の発明は、請求項１記載の破壊素
子であって、反強誘電性セラミックスの単板もしくは単
板の積層体、あるいは内部電極を含む反強誘電性セラミ
ックスの積層体からなることを特徴としている。
子であって、反強誘電性セラミックスの単板もしくは単
板の積層体、あるいは内部電極を含む反強誘電性セラミ
ックスの積層体からなることを特徴としている。
【０００９】請求項４の発明は、請求項１，２，３記載
の破壊素子を用い、岩石、コンクリート構造物等の被破
壊物を破壊する静的破壊装置であって、被破壊物に形成
したボーリング孔の孔壁に対し破壊素子からの発生圧力
を有効に伝搬させるためのクリアランス調整機構を具備
したことを特徴としてる。
の破壊素子を用い、岩石、コンクリート構造物等の被破
壊物を破壊する静的破壊装置であって、被破壊物に形成
したボーリング孔の孔壁に対し破壊素子からの発生圧力
を有効に伝搬させるためのクリアランス調整機構を具備
したことを特徴としてる。
【００１０】請求項５の発明は、コンクリート構造物が
老朽化した際に、速やかに破壊することのできる自己破
壊機能を備えた構造物を提供するものであって、コンク
リート構造物中に請求項４記載の静的破壊装置を予め包
埋させてあることを特徴としている。
老朽化した際に、速やかに破壊することのできる自己破
壊機能を備えた構造物を提供するものであって、コンク
リート構造物中に請求項４記載の静的破壊装置を予め包
埋させてあることを特徴としている。
【００１１】
【作用】現在行なわれている静的破壊工法は、岩盤中に
穿孔したボーリング孔（一般に、ボアホールと呼ばれ
る）に、液圧式破壊装置や膨張性破壊剤を挿入し、孔壁
に圧力を加え、周囲岩盤中にき裂を伸長させる形式であ
る。これに対して本発明では、反強誘電性セラミックス
からなり、該反強誘電性セラミックスの電界誘起強制相
転移により発生する力を圧力源とする破壊素子を提供す
るものであり、さらには、この破壊素子を圧力源に用
い、ボーリング孔の孔壁に対し破壊素子からの発生圧力
を有効に伝搬させるためのクリアランス調整機構を具備
した破壊装置を提供するものである。そして、この破壊
装置は、き裂の方向性を任意にするため一軸性縮載荷形
式を取っている。
穿孔したボーリング孔（一般に、ボアホールと呼ばれ
る）に、液圧式破壊装置や膨張性破壊剤を挿入し、孔壁
に圧力を加え、周囲岩盤中にき裂を伸長させる形式であ
る。これに対して本発明では、反強誘電性セラミックス
からなり、該反強誘電性セラミックスの電界誘起強制相
転移により発生する力を圧力源とする破壊素子を提供す
るものであり、さらには、この破壊素子を圧力源に用
い、ボーリング孔の孔壁に対し破壊素子からの発生圧力
を有効に伝搬させるためのクリアランス調整機構を具備
した破壊装置を提供するものである。そして、この破壊
装置は、き裂の方向性を任意にするため一軸性縮載荷形
式を取っている。
【００１２】本発明による破壊素子の破壊能力（載荷能
力）は、圧力源となる反強誘電性セラミックスの電界誘
起強制相転移に伴う歪み特性に依存する。ここで反強誘
電性（又は反強誘電体）とは、結晶構造的に極性を有す
る結晶において隣合った単位格子内の先の極性（すなわ
ち分極）が逆方向に向き合っている反極性結晶で、温
度、応力、電界などの外部場によって極性状態（強誘電
体）に遷移し得るものを意味する。この材料の例として
は、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3)から成るセラミックス
が知られている。本発明に用いる圧力源としては、先の
外部場のうち電界による反強誘電−強誘電相転移が好ま
しい。特にジルコン酸鉛の結晶構造中、Ｂサイトの一部
をスズ(Ｓｎ)に置換し、さらにチタン(Ｔｉ)とニオブ
(Ｎｂ)を添加した、いわゆる(Ｐｂ，Ｎｂ)(Ｚｒ，Ｓ
ｎ，Ｔｉ)Ｏ3 セラミックス（以下、ＰＮＺＳＴと記
す）が好ましく、さらに次式のように組成制御を行なう
ことにより広い範囲において特性を制御できうる。 Ｐｂ1-0.5ZＮｂZ[(Ｚｒ1-XＳｎX)1-YＴｉY]1-ZＯ3 （但し、0≦Z≦0.02 ，0≦Y≦0.1 ，0≦X≦0.5）
力）は、圧力源となる反強誘電性セラミックスの電界誘
起強制相転移に伴う歪み特性に依存する。ここで反強誘
電性（又は反強誘電体）とは、結晶構造的に極性を有す
る結晶において隣合った単位格子内の先の極性（すなわ
ち分極）が逆方向に向き合っている反極性結晶で、温
度、応力、電界などの外部場によって極性状態（強誘電
体）に遷移し得るものを意味する。この材料の例として
は、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3)から成るセラミックス
が知られている。本発明に用いる圧力源としては、先の
外部場のうち電界による反強誘電−強誘電相転移が好ま
しい。特にジルコン酸鉛の結晶構造中、Ｂサイトの一部
をスズ(Ｓｎ)に置換し、さらにチタン(Ｔｉ)とニオブ
(Ｎｂ)を添加した、いわゆる(Ｐｂ，Ｎｂ)(Ｚｒ，Ｓ
ｎ，Ｔｉ)Ｏ3 セラミックス（以下、ＰＮＺＳＴと記
す）が好ましく、さらに次式のように組成制御を行なう
ことにより広い範囲において特性を制御できうる。 Ｐｂ1-0.5ZＮｂZ[(Ｚｒ1-XＳｎX)1-YＴｉY]1-ZＯ3 （但し、0≦Z≦0.02 ，0≦Y≦0.1 ，0≦X≦0.5）
【００１３】このセラミックスの電界誘起歪みは、材料
の結晶構造が反強誘電相の斜方晶（または擬立方晶）か
ら強誘電相の菱面体晶への構造相転移に起因しており、
その時の歪みは最大０．３％、また発生力は８０ＭＰa
と鉱物の破壊応力より充分大きな値が得られる。さら
に、反強誘電相の温度に対する特性は、０〜１５０℃の
温度範囲において構造相転移に伴う歪みが発生し、形状
記憶合金を用いた破壊素子などのように環境温度、動作
温度に制約を受けることはない。
の結晶構造が反強誘電相の斜方晶（または擬立方晶）か
ら強誘電相の菱面体晶への構造相転移に起因しており、
その時の歪みは最大０．３％、また発生力は８０ＭＰa
と鉱物の破壊応力より充分大きな値が得られる。さら
に、反強誘電相の温度に対する特性は、０〜１５０℃の
温度範囲において構造相転移に伴う歪みが発生し、形状
記憶合金を用いた破壊素子などのように環境温度、動作
温度に制約を受けることはない。
【００１４】工学的に問題となる種々の岩石の応力に対
する強度が最大２０ＭＰa 程度であることは前述した
が、これは静的な場合の破壊強度であり、動的な場合、
その強度は１／１０程と見積もれる。動的な破壊強度と
は単位時間当たりの応力変化率であり、歪みを瞬時に伝
えれば動的破壊圧力を有効に得られる。本発明の破壊素
子に用いる反強誘電性セラミックスの電界誘起強制相転
移は、その応答速度は数μsec であり、この点、熱伝導
に依存する形状記憶合金とは異なり、遥かに巨大な動的
破壊力が得られ、破壊素子として非常に有効である。
する強度が最大２０ＭＰa 程度であることは前述した
が、これは静的な場合の破壊強度であり、動的な場合、
その強度は１／１０程と見積もれる。動的な破壊強度と
は単位時間当たりの応力変化率であり、歪みを瞬時に伝
えれば動的破壊圧力を有効に得られる。本発明の破壊素
子に用いる反強誘電性セラミックスの電界誘起強制相転
移は、その応答速度は数μsec であり、この点、熱伝導
に依存する形状記憶合金とは異なり、遥かに巨大な動的
破壊力が得られ、破壊素子として非常に有効である。
【００１５】電界誘起強制相転移は、セラミック材料に
より多少異なるが、その相転移電界は２０〜４０ＫＶ／
ｃｍ程である。従って１ｃｍの厚さにこの相転移電界以
上の電界強度で電圧を印加してやれば、０．３％の歪み
が得られるわけである。また、実施可能な電圧値とし
て、電極間距離が出てくるわけである。この駆動電圧と
変位量の制約により、破壊素子の厚さが決定される。例
えば電源１ＫＶがあった場合、駆動可能なＰＮＺＳＴセ
ラミックスの板厚は２５０μｍとなる。このとき、２５
０μｍの厚さで得られる変位量は、２５０μｍ×０．３
％＝０．７５μｍとなる。従って２５０μｍの板厚を１
３０層積層すれば約０．１ｍｍの変位が得られる。さら
に、この積層を１単位として１０組積層することで、約
１ｍｍの変位が得られることになる。
より多少異なるが、その相転移電界は２０〜４０ＫＶ／
ｃｍ程である。従って１ｃｍの厚さにこの相転移電界以
上の電界強度で電圧を印加してやれば、０．３％の歪み
が得られるわけである。また、実施可能な電圧値とし
て、電極間距離が出てくるわけである。この駆動電圧と
変位量の制約により、破壊素子の厚さが決定される。例
えば電源１ＫＶがあった場合、駆動可能なＰＮＺＳＴセ
ラミックスの板厚は２５０μｍとなる。このとき、２５
０μｍの厚さで得られる変位量は、２５０μｍ×０．３
％＝０．７５μｍとなる。従って２５０μｍの板厚を１
３０層積層すれば約０．１ｍｍの変位が得られる。さら
に、この積層を１単位として１０組積層することで、約
１ｍｍの変位が得られることになる。
【００１６】本発明の破壊装置では、上記破壊素子を用
い、ボアホール孔壁の荒れ、孔軸の偏心に対処するよう
に、孔径に対して最大±５％程度のクリアランス調整が
できる治具（クリアランス調整機構）を破壊素子に装着
させた（請求項４）。
い、ボアホール孔壁の荒れ、孔軸の偏心に対処するよう
に、孔径に対して最大±５％程度のクリアランス調整が
できる治具（クリアランス調整機構）を破壊素子に装着
させた（請求項４）。
【００１７】請求項５の発明は、やがて老朽化し破壊が
必要とされる建築物（コンクリート構造物等）にあらか
じめ上記破壊装置を圧力源として具備させて、容易に破
壊をなしうるものであり、最近提唱されてきているイン
テリジェントマテリアルズの考えである。本発明の破壊
素子はセラミック材料からなり、従来からのコンクリー
ト構造物と基本的に同じ物性を有している。すなわち酸
化物であるため、耐候性に優れ、熱膨張率もほぼ等し
い。特に注目すべき点は、目下このインテリジェント化
を可能にする手法は、このＰＮＺＳＴ反強誘電性セラミ
ックスとＴｉＮｉ形状記憶合金による破壊素子でしかな
い。しかるに、ＴｉＮｉ合金では耐候性の面で問題があ
り、かつ地球上における温度変化、さらには火災等によ
る形状回復熱により、こちらの意図以外で破壊に到る可
能性を有しており、この点においてＰＮＺＳＴ反強誘電
性セラミックスが優れていると結論づけられる。
必要とされる建築物（コンクリート構造物等）にあらか
じめ上記破壊装置を圧力源として具備させて、容易に破
壊をなしうるものであり、最近提唱されてきているイン
テリジェントマテリアルズの考えである。本発明の破壊
素子はセラミック材料からなり、従来からのコンクリー
ト構造物と基本的に同じ物性を有している。すなわち酸
化物であるため、耐候性に優れ、熱膨張率もほぼ等し
い。特に注目すべき点は、目下このインテリジェント化
を可能にする手法は、このＰＮＺＳＴ反強誘電性セラミ
ックスとＴｉＮｉ形状記憶合金による破壊素子でしかな
い。しかるに、ＴｉＮｉ合金では耐候性の面で問題があ
り、かつ地球上における温度変化、さらには火災等によ
る形状回復熱により、こちらの意図以外で破壊に到る可
能性を有しており、この点においてＰＮＺＳＴ反強誘電
性セラミックスが優れていると結論づけられる。
【００１８】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図２はＰＮＺＳＴセラミックスの温度に対する比
誘電率変化を示した図であり、また同図中には、オシロ
スコープで観察した各温度でのＰ−Ｅヒステリシス曲線
を併せて示してある。比誘電率（又は電気容量）の温度
依存は、結晶構造の相変化に対応し、結晶構造の相変化
とは、このセラミックスの場合、 斜方晶(強誘電)(低温相)→擬正方晶(反強誘電)→立方晶
(常誘電)(高温相) に対応している。すなわち、図２において、温度０〜１
５０℃では反強誘電体の特徴であるダブルヒステリシス
ループが示され、またこの温度以下では強誘電体に、ま
た１５０℃以上では常誘電体であることがわかり、上記
相変化に対応していることがわかる。尚、Ｐ−Ｅヒステ
リシスループと変位（電界誘起歪み特性）の対応は図３
に示す対応が取れており、変位発生は反強誘電−強誘電
相転移によると結論づけられる。
する。図２はＰＮＺＳＴセラミックスの温度に対する比
誘電率変化を示した図であり、また同図中には、オシロ
スコープで観察した各温度でのＰ−Ｅヒステリシス曲線
を併せて示してある。比誘電率（又は電気容量）の温度
依存は、結晶構造の相変化に対応し、結晶構造の相変化
とは、このセラミックスの場合、 斜方晶(強誘電)(低温相)→擬正方晶(反強誘電)→立方晶
(常誘電)(高温相) に対応している。すなわち、図２において、温度０〜１
５０℃では反強誘電体の特徴であるダブルヒステリシス
ループが示され、またこの温度以下では強誘電体に、ま
た１５０℃以上では常誘電体であることがわかり、上記
相変化に対応していることがわかる。尚、Ｐ−Ｅヒステ
リシスループと変位（電界誘起歪み特性）の対応は図３
に示す対応が取れており、変位発生は反強誘電−強誘電
相転移によると結論づけられる。
【００１９】この時のＰＮＺＳＴセラミックスの組成
は、 Ｐｂ0.99Ｎｂ0.02[(Ｚｒ0.7Ｓｎ0.3)0.955Ｔｉ0.045]
0.98Ｏ3 である。その他、電界誘起強制相転移を示す材料として
は、ハフニウム酸鉛系セラミックスでも可能である。さ
らに先のジルコン酸鉛系セラミックスにおけるニオブ
（Ｎｂ）をランタン（Ｌａ）に代えたＰＬＺＳＴでも可
能である。この材料は最大歪み０．７％と大きいが、そ
の大きさゆえに自破壊してしまう場合もあり、使い捨て
の用途であれば良いが、繰り返し使用する場合には問題
を有する。
は、 Ｐｂ0.99Ｎｂ0.02[(Ｚｒ0.7Ｓｎ0.3)0.955Ｔｉ0.045]
0.98Ｏ3 である。その他、電界誘起強制相転移を示す材料として
は、ハフニウム酸鉛系セラミックスでも可能である。さ
らに先のジルコン酸鉛系セラミックスにおけるニオブ
（Ｎｂ）をランタン（Ｌａ）に代えたＰＬＺＳＴでも可
能である。この材料は最大歪み０．７％と大きいが、そ
の大きさゆえに自破壊してしまう場合もあり、使い捨て
の用途であれば良いが、繰り返し使用する場合には問題
を有する。
【００２０】図１に本発明による破壊素子の実施例を示
す。図１（ａ）はＰＮＺＳＴセラミックス１の単板から
なる破壊素子の例を示している。ＰＮＺＳＴセラミック
ス１の相転移電界は最大でも４０ＫＶ／ｃｍであり、図
１（ａ）に示す単板構成の破壊素子４においては、例え
ば１ＫＶの電源があったとき、ＰＮＺＳＴセラミックス
１は２５０μｍの板厚で、その上部、下部に電極２，３
を配置させる。しかし、１ＫＶ以上の電源であれば、板
厚は２５０μｍでなくてもよい。要は上部、下部の電極
２，３での電界強度が相転移電界以上で有れば良い。
す。図１（ａ）はＰＮＺＳＴセラミックス１の単板から
なる破壊素子の例を示している。ＰＮＺＳＴセラミック
ス１の相転移電界は最大でも４０ＫＶ／ｃｍであり、図
１（ａ）に示す単板構成の破壊素子４においては、例え
ば１ＫＶの電源があったとき、ＰＮＺＳＴセラミックス
１は２５０μｍの板厚で、その上部、下部に電極２，３
を配置させる。しかし、１ＫＶ以上の電源であれば、板
厚は２５０μｍでなくてもよい。要は上部、下部の電極
２，３での電界強度が相転移電界以上で有れば良い。
【００２１】図１（ｂ）は、同図（ａ）に示したような
単板構成の素子４を多数積み合わせて交互に電極を接続
した単板の積層体からなる破壊素子の例である。また、
図１（ｃ）は、交差状に配置された内部電極６を含む反
強誘電性セラミックスの積層体５からなる破壊素子の例
であり、積層セラミックアクチュエータの製法として知
られているように内部電極６を交差状に配置させて交互
に外部取り出し電極７，８に接続し、外部取り出し電極
７，８に電源を接続して電界印加させる方式である。こ
の内部電極一体形成では、電極間のＰＮＺＳＴセラミッ
クス層の薄層化ができるので（例えば、５０μｍからそ
れ以下）、セラミック５０μｍの厚さでは２００Ｖの電
圧で駆動が可能となる。
単板構成の素子４を多数積み合わせて交互に電極を接続
した単板の積層体からなる破壊素子の例である。また、
図１（ｃ）は、交差状に配置された内部電極６を含む反
強誘電性セラミックスの積層体５からなる破壊素子の例
であり、積層セラミックアクチュエータの製法として知
られているように内部電極６を交差状に配置させて交互
に外部取り出し電極７，８に接続し、外部取り出し電極
７，８に電源を接続して電界印加させる方式である。こ
の内部電極一体形成では、電極間のＰＮＺＳＴセラミッ
クス層の薄層化ができるので（例えば、５０μｍからそ
れ以下）、セラミック５０μｍの厚さでは２００Ｖの電
圧で駆動が可能となる。
【００２２】この素子の歪みは０．３％であり、従来の
膨張形樹脂、ＴｉＮｉ形状記憶合金のそれと比較して小
さいことは否めないが、図４に示す実施例のように、被
破壊物に形成したボーリング孔の孔壁に対するクリアラ
ンス調整機構として、テーパ面を組み合わせたくさび型
載荷板１０，１１を設け、内側の載荷板１１間に破壊素
子９をセットして破壊装置とすれば、内外のくさび型載
荷板１０，１１の位置調整により、ボーリング孔の孔壁
と完全密着した状態ができるため、ボーリング孔の孔壁
に対し破壊素子からの発生圧力を有効に伝搬させること
ができる。
膨張形樹脂、ＴｉＮｉ形状記憶合金のそれと比較して小
さいことは否めないが、図４に示す実施例のように、被
破壊物に形成したボーリング孔の孔壁に対するクリアラ
ンス調整機構として、テーパ面を組み合わせたくさび型
載荷板１０，１１を設け、内側の載荷板１１間に破壊素
子９をセットして破壊装置とすれば、内外のくさび型載
荷板１０，１１の位置調整により、ボーリング孔の孔壁
と完全密着した状態ができるため、ボーリング孔の孔壁
に対し破壊素子からの発生圧力を有効に伝搬させること
ができる。
【００２３】ここで、図４の破壊装置の例では、破壊素
子９は交差状内部電極を含むＰＮＺＳＴセラミックス積
層型で、一層の厚さを２５０μｍとしてこれを１３０層
積層したものを１ブロックとして３ブロック積み重ねた
ものを１つの破壊素子９として用い、これを複数個（図
の例では４個）くさび型載荷板１０，１１からなるクリ
アランス調整機構の中に挿入してセットした。そして、
この破壊装置を用いて、高強度コンクリート及び花崗岩
の破壊を行なった。この際、ボアホール内に発生する応
力解析から、コンクリートに対しては破壊装置距離１０
０ｍｍ，花崗岩のそれは１５０ｍｍに配置させ、１．５
ＫＶの電圧を用いたところ、き裂の伸長、さらに破壊を
確認した。また、破壊終了後、素子の損傷はなく、新し
いクリアランス調整機構に挿入してやることで再利用で
きることも確認した。尚、本発明による破壊素子（破壊
装置）と、従来からの実用化品と比較した結果を表１に
示す。
子９は交差状内部電極を含むＰＮＺＳＴセラミックス積
層型で、一層の厚さを２５０μｍとしてこれを１３０層
積層したものを１ブロックとして３ブロック積み重ねた
ものを１つの破壊素子９として用い、これを複数個（図
の例では４個）くさび型載荷板１０，１１からなるクリ
アランス調整機構の中に挿入してセットした。そして、
この破壊装置を用いて、高強度コンクリート及び花崗岩
の破壊を行なった。この際、ボアホール内に発生する応
力解析から、コンクリートに対しては破壊装置距離１０
０ｍｍ，花崗岩のそれは１５０ｍｍに配置させ、１．５
ＫＶの電圧を用いたところ、き裂の伸長、さらに破壊を
確認した。また、破壊終了後、素子の損傷はなく、新し
いクリアランス調整機構に挿入してやることで再利用で
きることも確認した。尚、本発明による破壊素子（破壊
装置）と、従来からの実用化品と比較した結果を表１に
示す。
【００２４】
【表１】
【００２５】次に、ＰＮＺＳＴセラミックスの耐薬品性
（主に耐アルカリ性）を主に調べた。まず、水酸化カリ
ウム０．１Ｎの溶液中に２４時間放置後（室温）、素子
の変位量変化、及び液相界面での溶解による形状変化を
観察した。その結果、浸漬前後での変位量に変化はな
く、界面でのセラミック材料の溶解は認められなかっ
た。従って、コンクリート構造物へのこの素子の一体型
包埋形成が可能であることが示唆された。すなわち、本
発明による破壊装置をあらかじめ埋め込んでインテリジ
ェント化した構造物を得ることができる。
（主に耐アルカリ性）を主に調べた。まず、水酸化カリ
ウム０．１Ｎの溶液中に２４時間放置後（室温）、素子
の変位量変化、及び液相界面での溶解による形状変化を
観察した。その結果、浸漬前後での変位量に変化はな
く、界面でのセラミック材料の溶解は認められなかっ
た。従って、コンクリート構造物へのこの素子の一体型
包埋形成が可能であることが示唆された。すなわち、本
発明による破壊装置をあらかじめ埋め込んでインテリジ
ェント化した構造物を得ることができる。
【００２６】尚、ＰＮＺＳＴセラミックスの電界誘起歪
みは、図５に示すように、電界方向と並行に歪むと同時
に横方向にも歪む。従って、本発明においては、一軸性
構造を取ったが、他の装置構成により静水圧発生型とし
て利用することも可能である。この時の静水圧下での体
積変化はＸ3＋２Ｘ1で示され、測定より、０．３＋２×
０．０８＝０．４６％程となった。
みは、図５に示すように、電界方向と並行に歪むと同時
に横方向にも歪む。従って、本発明においては、一軸性
構造を取ったが、他の装置構成により静水圧発生型とし
て利用することも可能である。この時の静水圧下での体
積変化はＸ3＋２Ｘ1で示され、測定より、０．３＋２×
０．０８＝０．４６％程となった。
【００２７】
【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、反強誘電性セラミックスの電界誘起強制相転移
により発生する力を用い、この力を圧力源とすることに
より、小形で破壊能力、速度の高い破壊素子を作製する
ことができた。
よれば、反強誘電性セラミックスの電界誘起強制相転移
により発生する力を用い、この力を圧力源とすることに
より、小形で破壊能力、速度の高い破壊素子を作製する
ことができた。
【００２８】請求項２の発明においては、上記破壊素子
を構成するセラミック材料はＰＮＺＳＴが０〜１５０℃
において有効的に相転移を示し、かつ前述した組成とす
ることにより０．３％の歪みが得られ、破壊素子として
十分実用化できる。
を構成するセラミック材料はＰＮＺＳＴが０〜１５０℃
において有効的に相転移を示し、かつ前述した組成とす
ることにより０．３％の歪みが得られ、破壊素子として
十分実用化できる。
【００２９】請求項３の発明においては、反強誘電−強
誘電相転移に必要とされる電界強度以上の電界を加える
ため、破壊素子を反強誘電性セラミックスの単板もしく
は単板の積層体、あるいは内部電極を含む反強誘電性セ
ラミックスの積層体により構成し、その電極構造を交差
状電極等のように工夫した。この結果、内部電極を有す
る構造においては駆動電圧の低電圧化がなされ、本発明
の目的の一つである圧力源またはシステムのコンパクト
化が実現できた。
誘電相転移に必要とされる電界強度以上の電界を加える
ため、破壊素子を反強誘電性セラミックスの単板もしく
は単板の積層体、あるいは内部電極を含む反強誘電性セ
ラミックスの積層体により構成し、その電極構造を交差
状電極等のように工夫した。この結果、内部電極を有す
る構造においては駆動電圧の低電圧化がなされ、本発明
の目的の一つである圧力源またはシステムのコンパクト
化が実現できた。
【００３０】請求項４の発明は、上記破壊素子を用い、
岩石、コンクリート構造物等の被破壊物を破壊する静的
破壊装置であり、被破壊物に形成したボーリング孔の孔
壁に対し破壊素子からの発生圧力を有効に伝搬させるた
めのクリアランス調整機構を具備したことにより、クリ
アランス調整により破壊素子からの発生圧力を有効にボ
ーリング孔の孔壁に伝搬でき、素子の歪みが０．３％で
も、有効に被破壊物を破壊することができる。
岩石、コンクリート構造物等の被破壊物を破壊する静的
破壊装置であり、被破壊物に形成したボーリング孔の孔
壁に対し破壊素子からの発生圧力を有効に伝搬させるた
めのクリアランス調整機構を具備したことにより、クリ
アランス調整により破壊素子からの発生圧力を有効にボ
ーリング孔の孔壁に伝搬でき、素子の歪みが０．３％で
も、有効に被破壊物を破壊することができる。
【００３１】請求項５の発明では、コンクリート構造物
中に上記破壊装置を予め包埋させたことにより、コンク
リート構造物が老朽化した際に、速やかに破壊すること
のできる自己破壊機能を備えた構造物を提供することが
でき、さらには、コンクリート構造物の構造材料のイン
テリジェント化が示唆され、以上を鑑み本発明の工業的
価値は非常に高いものと思われる。
中に上記破壊装置を予め包埋させたことにより、コンク
リート構造物が老朽化した際に、速やかに破壊すること
のできる自己破壊機能を備えた構造物を提供することが
でき、さらには、コンクリート構造物の構造材料のイン
テリジェント化が示唆され、以上を鑑み本発明の工業的
価値は非常に高いものと思われる。
【図１】本発明による破壊素子の構成例を示す図であ
る。
る。
【図２】本発明による破壊素子に用いられるＰＮＺＳＴ
セラミックスの温度に対する比誘電率の変化を示すグラ
フに、オシロスコープで観察した各温度でのＰ−Ｅヒス
テリシス曲線を併せて示した図である。
セラミックスの温度に対する比誘電率の変化を示すグラ
フに、オシロスコープで観察した各温度でのＰ−Ｅヒス
テリシス曲線を併せて示した図である。
【図３】本発明による破壊素子に用いられるＰＮＺＳＴ
セラミックスのＰ−Ｅヒステリシスループと電気誘起歪
み特性との関係の説明図である。
セラミックスのＰ−Ｅヒステリシスループと電気誘起歪
み特性との関係の説明図である。
【図４】本発明の一実施例を示す破壊装置の概略的断面
図である。
図である。
【図５】ＰＮＺＳＴセラミックスの２方向の電気誘起歪
み特性の説明図である。
み特性の説明図である。
１：反強誘電性セラミックス（ＰＮＺＳＴセラミック
ス） ２：上部電極 ３：下部電極 ４：破壊素子 ５：反強誘電性セラミックスの積層体 ６：内部電極 ７，８：外部電極 ９：破壊素子 １０，１１：くさび型載荷板（クリアランス調整機構）
ス） ２：上部電極 ３：下部電極 ４：破壊素子 ５：反強誘電性セラミックスの積層体 ６：内部電極 ７，８：外部電極 ９：破壊素子 １０，１１：くさび型載荷板（クリアランス調整機構）
Claims (5)
- 【請求項１】反強誘電性セラミックスからなり、該反強
誘電性セラミックスの電界誘起強制相転移により発生す
る力を圧力源とすることを特徴とする破壊素子。 - 【請求項２】前記反強誘電性セラミックスはジルコン酸
鉛系磁器であり、次式で示される組成からなることを特
徴とする請求項１記載の破壊素子。 Ｐｂ1-0.5ZＮｂZ[(Ｚｒ1-XＳｎX)1-YＴｉY]1-ZＯ3 （但し、0≦Z≦0.02 ，0≦Y≦0.1 ，0≦X≦0.5） - 【請求項３】請求項１，２記載の破壊素子であって、反
強誘電性セラミックスの単板もしくは単板の積層体、あ
るいは内部電極を含む反強誘電性セラミックスの積層体
からなることを特徴とする破壊素子。 - 【請求項４】請求項１，２，３記載の破壊素子を用い、
岩石、コンクリート構造物等の被破壊物を破壊する静的
破壊装置であって、被破壊物に形成したボーリング孔の
孔壁に対し破壊素子からの発生圧力を有効に伝搬させる
ためのクリアランス調整機構を具備したことを特徴とす
る破壊装置。 - 【請求項５】コンクリート構造物中に請求項４記載の静
的破壊装置を予め包埋させてあることを特徴とする構造
物。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7012033A JPH08208312A (ja) | 1995-01-27 | 1995-01-27 | 破壊素子及び破壊装置及び破壊装置を有する構造物 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7012033A JPH08208312A (ja) | 1995-01-27 | 1995-01-27 | 破壊素子及び破壊装置及び破壊装置を有する構造物 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08208312A true JPH08208312A (ja) | 1996-08-13 |
Family
ID=11794305
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7012033A Pending JPH08208312A (ja) | 1995-01-27 | 1995-01-27 | 破壊素子及び破壊装置及び破壊装置を有する構造物 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08208312A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018164068A1 (ja) * | 2017-03-06 | 2018-09-13 | 株式会社村田製作所 | 複合酸化物 |
| CN112209711A (zh) * | 2020-09-02 | 2021-01-12 | 广东工业大学 | 一种锆钛锡铌酸铅厚膜陶瓷及其制备方法和应用 |
-
1995
- 1995-01-27 JP JP7012033A patent/JPH08208312A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018164068A1 (ja) * | 2017-03-06 | 2018-09-13 | 株式会社村田製作所 | 複合酸化物 |
| CN112209711A (zh) * | 2020-09-02 | 2021-01-12 | 广东工业大学 | 一种锆钛锡铌酸铅厚膜陶瓷及其制备方法和应用 |
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