JP2010017864A - レーザを用いた岩石の加工方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 加工能率が著しく高く、加工時間の短縮、加工エネルギーの節減を図ることができるレーザによる岩石の加工技術を提供する。
【解決手段】 液体１０中に浸漬して岩石１１の表面に液体１０を介在させ、液体１０中を通って、岩石１１の表面に波長１．２μｍ以上の液体への吸収能の高いレーザ１３を照射し、液体１０中に誘起気泡を発生させ、レーザ１３照射部のキーホール２１内に発生するドロスを飛散させると共に、レーザ照射位置を照射面に沿って連続的に移動させ、レーザ非照射部２２が熱応力により割裂破壊するようにレーザ１３の照射条件及び移動速度を、岩石の加工部からの情報に基いて制御し、レーザ１３を矢印１４で示すように移動させ、周縁２３、底部２４で示すような大口径の孔を効率的に形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザを用いた岩石の加工方法及びその装置に関し、さらに詳しくは加工能率を著しく向上させ、加工時間の短縮、加工エネルギーの節減を図る技術に関する。

岩石にレーザを照射し岩石を溶融させると、岩石中のガラス成分が溶融ガラス（ドロス）となって滞留し、連続して照射されるレーザが溶融ガラスで反射・散乱してレーザ熱量が岩石加工面に直接照射されない。このため、従来ドロスを飛散させるアシストガス等が用いられていた（例えば特許文献１参照。）。

本発明者らは、液体への吸収率の高い波長を有するレーザを液体中で断続照射することにより液体中に誘起気泡を発生させ、その誘起気泡中を透過させて岩石にレーザを照射して岩石を溶融し、誘起気泡の作用により溶融ドロスを飛散除去させて岩石を穿孔する技術を開発している（例えば特許文献２参照。）。

この技術では、波長１．２μｍ以上で液体への吸収率の高いレーザを用い、ドロスを析出する岩石であっても、容易に穿孔加工することができる。

また、岩石に照射するレーザのエネルギを岩石が溶融しない程度のレーザエネルギーレベルで照射し、熱応力により割裂破砕（ｓｐａｌｌ）することにより岩石を掘削する技術がある（例えば特許文献３参照。）。

このような岩石の熱応力及び割裂特性についても知られている（例えば非特許文献１，２，３，４参照。）。
特開２００１−１７０９２５号公報 特願２００７−１６９１７号出願 米国特許出願 ２００６−０２３７２３３． （Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ａ ｌａｓｅｒ ｔｏ ｓｐａｌｌ ａｎｄ ｄｒｉｌｌ ｈｏｌｅｓ ｉｎ ｒｏｃｋｓ） 木下直人：高温下岩石の特性と熱応力による破壊挙動に関する研究、平成１０年５月 資源火焔ジェット工学 レティス刊、７ｐ、１９７６ 高温岩体の掘削破砕技術に関する研究、工業技術院公害資源研究所、昭和５３年３月 Ｒｏｃｋ Ｆａｉｌｕｒｅ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ Ｆｌａｍｅ−Ｊｅｔ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｐａｌｌａｔｉｏｎ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ−Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｔｅｓｔｉｎｇ， Ｒ．Ｍ．ＲＡＵＥＮＺＡＨＮ， Ｊ．Ｗ．ＴＥＳＴＥＲ， Ｉｎｔ． Ｊ． Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈ． Ｎｉ． Ｓｃｉ． ＆ Ｇｅｏｍｅｃｈ． Ａｂｓｔ． Ｖｏｌ．２６． ＮＯ．５， ｐｐ．３８１−３９９， １９８９

本発明は、レーザによる岩石の加工技術において、加工能率が著しく高く、加工時間の短縮、加工エネルギーの節減を図ることができる技術を提供することを目的とする。

本発明は上記課題解決を達成するためになされたもので、本発明者らが開発した上記特許文献２記載の発明を主体として用い、これを適切に移動し、さらに、岩石によっては、熱応力によって割裂させる作用も併用して岩石の加工を行うものである。すなわち、本発明の技術手段は、岩石表面に液体を介在させ、該液体中を通って波長１．２μｍ以上のレーザを照射面に沿って連続的に移動させながら照射することを特徴とするレーザを用いた岩石の加工方法である。

岩石表面に液体を介在させる手段は、液中に岩石を浸漬することでもよく、レーザ照射経路を筒状体で被覆して液体を供給することでもよく、またレーザ照射区域に液体を連続的に吹き付けることでもよい。介在させた液体は誘起気泡を発生してドロスや破壊岩石小片を除去する作用をなすものであるから、それが可能な態様で介在させればよい。液体は種類を問わず、また透明でも不透明でもよい。本発明は海底や、地下水を含む地中で、好適に実施をすることができる。

波長１．２μｍ以上のレーザは、介在させた液体中を通って液体中に衝撃的蒸発による誘起気泡を発生させると共に、この気泡中を通って岩石に照射され、照射部の岩石を溶融させる。溶融した岩石のドロスは上記誘起気泡の衝撃力により飛散除去される。従って、容易に岩石に穴を形成することができる。

本発明は、このレーザを岩石照射面に沿って適切な移動速度で移動させることによって、高能率で所望の形状の掘削加工を行う。

工業的に岩石の加工を行う場合、例えば地中の岩石層を穿孔する場合、岩石の種類によって、加工特性が異なる。この場合に、溶融させてドロスを排除しつつ加工する必要のあるもの、急速加熱冷却を与えて熱応力により割裂破壊させることができるもの、その中間性状や混合性状を有するもの等がある。これらのいずれに対しても最適条件で加工することが最も望ましいことである。

これらの岩石の加工特性は、岩石の賦存状態その他現場の実情に応じて把握する必要がある。本発明では多様な賦存状態にある岩石に対するレーザの照射条件及び移動速度を、岩石の加工部からの情報に基いて制御することを特徴とする。従って、海底、地中その他如何なる条件にも対応して適用することができる。

この場合、前記加工部からの情報は、照射レーザの集光強度、加工部の形状、加工部で発生する音響、スパッタ及び加工部の温度から成る群から選ばれた１又は複数の情報を採用すれば、効率のよい加工を達成することができる。

なお、本発明では、岩石を溶融するキーホール熱源を、隣接する岩石部分に熱応力を発生させる熱伝導熱源として利用することができる。すなわち、上記波長１．２μｍ以上のレーザによって岩石にキーホールを生成させ、生成したキーホールの隣接部の岩石をキーホールの溶融熱により加熱して隣接部に熱応力を発生させ、レーザを照射しない隣接部分の岩石に熱応力による割裂破砕を生じさせて、効率的に岩石を加工する。

上記本発明において、岩石の性状に応じて、波長１．２μｍ以上のレーザに、岩石の割裂を促進させる別のレーザ、例えば波長０．８μｍ以上のレーザを、併用または重畳させて割裂破壊を促進し、さらに加工能率の向上を図ることとしてもよい。

また、上記本発明において、岩石の種類や特性に応じて、前記熱応力により割裂させる部分の大きさを定めることができ、その周囲を囲繞する移動経路に沿ってレーザを移動させることによって、囲繞された部分の岩石を容易に割裂除去することができる。このようにして、円形、楕円形、多角形等の大径の孔形を能率よく加工することができる。

さらに複数本のレーザを並列に移動し、複数本の並列レーザ相互間の岩石部分を割裂させることとしてもよい。このことにより、全体形状を任意の形状に形成する加工を容易に達成することができる。

上記本発明を好適に実施することができる本発明の装置は、レーザ照射位置に液体を介在させる手段と、波長１．２μｍ以上のレーザを照射する可動装置と、該レーザの配列、照射条件、及び移動条件を加工部からの情報に基づいて制御する制御装置とを備えたことを特徴とするレーザを用いた岩石の加工装置である。

本発明は、波長１．２μｍ以上の液体への吸収率の高いレーザを用いるので、介在させている液体からレーザ誘起気泡を発生し、この気泡中を通ってレーザが岩石を照射して溶融させ、発生したドロスは誘起気泡の衝撃力によって排除される。この場合、レーザ光は不透明液体、透明液体を問わずこれを透過し、岩石を溶融させることが可能である。従って、レーザ透過を目的として透明ガラスとか、透明流体流や透明ガス流を生成するためのシステムなどを水中に設ける必要がない。

また、従来、地層を掘削する場合、掘削された孔内に生ずるドロスを排除するためにパージシステムとして高圧噴射装置が必要であったが、本発明では、この目的のための噴射装置が不要となるため、全体装置の構成が簡易となる。

本発明によれば、レーザ光の入熱形態であるキーホール型熱源を移動させて閉ループの移動経路を形成することにより、レーザ光を照射しない隣接する閉ループ内の岩石の伝導熱源としてキーホール型熱源を利用することができ、隣接する部分の岩石を割裂破壊させることができる。そして、レーザ熱源の移動速度を適切に調整することにより、熱伝導による隣接部の岩石の割裂を効果的に促進することができる。

本発明によれば、熱伝導による割裂で生成された岩石破砕小片が穿孔内に堆積する場合においても、レーザ誘起気泡の衝撃圧により破砕岩石小片を除去することができる。従って、熱応力により割裂させる部分の岩石破砕片の除去システムも不要である。

本発明によれば、掘削対象岩石の性状を事前に調査する必要がなく、レーザ加工部から得た情報に基いて適切な調整により効率よく岩石の加工を行うことができる。従って、液中又は遠隔地に存する岩石の掘削に利用することが可能となる。従って、石油・天然ガス井の開発、鉱物資源開発において、有効な岩石掘削方法となるばかりでなく、トンネル掘削などの、建設・土木産業、更に岩石加工産業において利用可能である。

岩石は、温度変化による膨張、収縮が拘束されると次式で示すような熱応力を生ずる。

ただし、
σ：熱応力
α：線膨張係数、
Ｅ：弾性係数
Ｔ_１−Ｔ_０：温度差
である。すなわち、定常状態における熱応力は、線膨張係数、弾性係数および温度差に比例する。

岩石の高温下における熱膨張・収縮特性は次のとおりである。

硬岩（火成岩）の熱膨張・収縮挙動は、次の４つの要因によって支配されている。
（１）構成鉱物の熱膨張特性。
（２）温度上昇に伴う、鉱物粒子間の熱膨張率の不一致による微小クラックの発生。
（３）加熱によって生ずる構成物質の相転移による微小クラックの発生。

例えば、花崗岩は、圧縮、圧裂引張、弾性係数ともに、５００℃〜６００℃の間で急激に減少する。花崗岩には石英が多く含まれ、石英は転移点５７３℃をすぎると、β石英よりα石英へと転移し、この時体膨張を示す。従って５７３℃以後鉱物組織が緩み亀裂が発生し、強度は急激に減少する。安山岩、砂岩、凝灰岩では花崗岩と違って、圧縮強度は、昇温に伴いかえって増加する。それは加熱による粘土の焼成と類似の現象が生ずるからである。
（４）押し固め作用による岩石の収縮。

一方、軟石（堆積岩）の熱膨張・収縮挙動に対しては、上記４つの要因のうち、（２）の鉱物粒子の熱膨張率の不一致による微小クラックの発生現象の影響は無視することができ、残りの３つの要因（１），（３），（４）に加えて、軟岩固有の要因として、
（５）吸着水との脱水による岩石の収縮作用。
がある。

次に、岩石の加熱による弾性係数の変化について説明する。弾性係数も線膨張係数と同様、熱衝撃を与えた場合に発生する熱応力に大きな影響を及ぼす。

歪は次式に示すように、弾性係数が低下すると、作用する荷重が同一の場合、歪が大きくなる。

ここで、
ε：歪、
Ｅ：弾性係数、
Ｐ：荷重、
Ａ：断面積
である。

例えば、花崗岩の弾性係数は、４００℃までは温度上昇と共に急激に低下する。安山岩は、甲州産では、加熱温度の増加に伴い急激に弾性係数が減少し、新小松産では３００℃程度までは減少するが以後ほぼ一定値を示す。一方、陶石や凝灰岩では加熱による影響が認められない。

岩石の線膨張係数の差異は、熱衝撃を加えた場合の発生熱応力に大きな影響を与える。

岩石の線膨張係数は、加熱温度によって変化をする。例えば、花崗岩の線膨張係数は、５７３℃のところで最大値を有している。これは、β‐石英からα‐石英への転移が生ずるからである。陶石、砂岩、凝灰岩等の線膨張係数は、約５５０度付近で同じく最大値を有している。安山岩の線膨張係数は２５０℃付近で最大値を有している。

岩石の強度は温度により大きく変化する。例えば、圧縮強度は花崗岩では６００℃で冷間強度の６７％程度に、砂岩では８００℃で３５％程度に減少する。岩石の割裂破壊では
加熱と冷却を併用することによって岩石破壊効果が良くなる。

岩石は熱物性値を温度により変化させることにより割裂させることができれば、溶融させる場合に比し、岩石加工に要する所要エネルギが少なくて済み、効率的に穿孔を行う事が可能となる。例えば、ぜい性材料としての岩石は熱衝撃により発生する熱ひずみにより容易に破壊応力に到達し得る。

岩石の熱破壊は、岩石を熱応力により穿孔する場合に熱穿孔性を表示する指標（熱穿孔係数）Ｓｐ （Ｓｐａｌｌａｂｉｌｉｔｙ）は式（３）によって示されている。

ここで
Ｓ_ｐ ：熱穿孔係数
Ｅ ：弾性係数
σ_ｔ ：引張強度
β ：線膨張係数
λ ：熱伝導率
である。

非特許文献４では、表１に示すように、岩石別に熱穿孔性（スポーリング度）の評価を行っている。

岩石のスポーリングを生ずる温度差ΔＴは

ここで
ΔＴ：スポーリングを生ずる温度差（Ｋ）
ν：ポアソン比（−）
σｃ：圧縮強度（ＭＰａ）
β：線膨張係数（１０^-5×Ｋ^−１）
Ε：ヤング率（ＧＰａ）
である。

表１によれば、スポーリング度（熱穿孔性）は、例えば花崗岩は良〜適（石英含有量により変る）、砂岩は良〜低、石灰岩は低と評価されている。

本発明は、岩石表面に液体を介在させ、該液体中を通って波長１．２μｍ以上のレーザを照射面に沿って連続的に移動させながら照射することを特徴とするレーザを用いた岩石の加工方法である。

岩石表面に液体を介在させて、波長１．２μｍ以上の液体吸収能の高いレーザを照射すると、キーホール型熱源による岩石溶融による穿孔が生成する。

以下図面を参照して本発明のメカニズムについて説明する。

図１は本発明の一例を説明する模式的斜視図で一部切断して示したものである。液体１０内に浸漬されている岩石１１にレーザ装置１２からレーザ光１３を照射する。レーザ光１３は液体１０への吸収率の高い、波長１．２μｍ以上のレーザとする。液体中に誘起気泡が生じ、この誘起気泡中を通ってレーザ光は岩石１１に照射される。照射された岩石は溶融してキーホール２１を形成し、ドロスは液体１０から発生した誘起気泡３１（図２）の作用により排除される。

レーザ１３を矢印１４で示すように、岩石１１の面に沿って旋回移動させる。キーホール２１はこの旋回移動に伴って移動し、キーホール２１ａで示す方向に掘削加工孔が連続的に移動する。このとき、旋回移動経路の内部にある割裂破壊部（レーザ非照射部）２２は、キーホール２１，２１ａからの熱伝導により熱応力が発生し、例えばレーザ１３の断続照射による急加熱急冷作用により割裂して小片の岩石片を生じ、生成した岩石片は誘起気泡の作用により除去される。

このようにして、レーザ１３を適切な条件で旋回移動させると、岩石１１はレーザ非照射部２２も含めて加工され、周縁２３、孔底２４で示されるような大口径の孔を能率よく低エネルギーで穿削加工することができる。レーザ強度、移動速度、割裂破壊部の大きさ等は、岩石の性状に依存する。従って、加工部の加工情報に基く自動制御によって、最適な条件で加工を行うことができる。

図２は、キーホール型熱源により岩石を溶融させて穿孔する場合のメカニズムを示す。水中の岩石１１に向けて液体１０に吸収されやすいレーザ１３を断続照射すると誘起気泡３１を生成する。誘起気泡３１の内部を透過したレーザ１３は、岩石１１に照射される。レーザ１３より熱量を加えられた岩石１１には、溶融部３２と熱応力発生部３３が生じる（図２（ａ））。

次に岩石溶融部３２に誘起気泡３１が進入しキーホール２１が生成される。キーホール２１の内部には、レーザ１３，１３ａが透過して岩石溶融部３３に熱量を与え、岩石溶融部３２を高温に保ち、その粘性を低下させ排除しやすくする。レーザ熱量が岩石１１に伝導するに従い岩石の熱応力発生部３３は拡張する（図２（ｂ））。ここで誘起気泡３１が崩壊すると岩石溶融部３２は、ガラスビーズ３５となって飛散し、岩石熱応力発生部３３は、岩石破砕片３６となって飛散する。その結果、岩石１１に穿孔３４が生成される（図２（ｃ））。

次に、図３を参照して、熱伝導型熱源による熱応力による岩石の割裂破壊メカニズムについて説明する。レーザ１３が、水中岩石１１に照射される。レーザ１３による熱量により岩石１１は、溶融部３７と熱応力発生部３８が生成される（図３（ａ））。

誘起気泡３１は、溶融部３７内に進入しレーザ１３は、岩石１１に熱量を付与し、熱応力発生範囲が拡張され熱応力発生部３８となる（図３（ｂ））。

レーザ誘起気泡３１が崩壊すると溶融部３７は、ガラスビーズ３９となって飛散し、熱応力発生部３８は、岩石破砕片４０となって飛散する（図３（ｃ））。

乾燥花崗岩では、融点は約１０５０℃である。一方、花崗岩の線膨張係数は５７３℃で最大値を有し、弾性係数は４００℃で急激に低下している。レーザ照射により花崗岩が溶融する前に、線膨張係数の変化、弾性係数の変化により発生する熱応力により割裂が可能になれば、岩石穿孔に要するレーザ所要エネルギが岩石の溶融温度と、線膨張係数や弾性係数等の熱物性値を変化させる温度との差に相当するレーザ照射エネルギを節約することが可能となる。

図２で説明したキーホール型熱源による穿孔では、岩石を溶融させるエネルギーは岩石を熱応力により割裂させるエネルギーより大きい。図３で説明した熱伝導型熱源による穿孔は、図２で説明したキーホール型熱源による穿孔と異なり、レーザが直接照射されない部分（非照射部）も破壊され、熱応力により破砕されるエネルギーが溶融部分より小さくてすむ。

岩石を溶融あるいは気化するに要するエネルギーは、固体の溶融温度までの顕熱、溶融潜熱、液体の気化温度までの顕熱、気化潜熱の合計である。熱応力による割裂による加工の方が潜熱も不要となり、所要エネルギーが小さくなるので、岩石の特性に応じて、この割裂破壊を利用して加工することが好ましい。

以下、本発明を完成するに至った基礎実験及び実施例について説明する。これらは試験研究によって得られたものである。以下にその実験方法、実験結果について説明する。

［基礎実験］
稲田花崗岩（石英含有量３０〜４０％）を溶融穿孔する実験を行った。

岩石試料は１００ｍｍ（縦）×１００ｍｍ（横）×５０ｍｍ（厚さ）の稲田花崗岩を、岩石試料表面が液面から深さ５０ｍｍの位置になるように設置し、岩石試料表面上でキーホール直径１０ｍｍφになるようにレーザ照射ノズル位置を調整した。

波長１０．６μｍ、平均出力５ｋＷのＣＯ_２レーザを用い、繰り返し周波数１０Ｈｚ、負荷比（レーザオン時間とオフ時間の比率）５０％で照射した。

実際の水中でのキーホール径を把握するために、アクリル板を液面から深さ５０ｍｍになるように液中に設置してバーンパターンを取って調べた。生成された穿孔は直径７ｍｍφであった。

レーザ照射開始から２１０ｍｓ間レーザを照射した後、レーザ照射ノズルを垂直降下速度０．５ｍｍ／ｓで降下させながら３０秒間レーザを照射した。

次に、レーザ照射ノズルを断続的に水平移動させ、レーザ照射位置を変更した。レーザ照射位置は、図４に示すレーザ照射パターン４１に基づき、各穿孔を生成した後に照射位置を次々と移動させた。

レーザ照射ノズルを岩石試料表面に対して垂直に降下させると、レーザ照射熱がレーザの光軸上に照射されるため、キーホール径の範囲に照射される。このため、岩石溶融が支配的となり穿孔が進行する。

照射位置を断続的に移動するレーザ照射パターン４１で照射すると、図４（ａ）に示すように、岩石の溶融により穿孔が生成された部分と、非溶融で穿孔が生成されない非加工部分が生じた。それぞれの穿孔は連結しておらず、独立に形成されたため、岩石試料表面は蜂の巣状の形状となった。

図４（ａ）に示すレーザ照射パターン４１によって生じた非加工部分を、図４（ｂ）に示すレーザ照射パターン４２によってレーザ照射を行った。このレーザ照射パターン４２で岩石を照射することにより、図４（ｃ）に示すように、レーザ照射パターン４３に示す非加工部分のない穿孔を得た。生成した穿孔は、概ね、直径２インチφ×深さ１５ｍｍであった。この操作によって生成した穿孔を１層目の穿孔とした。

次に２層目の穿孔方法について説明する。レーザ照射条件は１層目と同一とした。まず、レーザ照射パターン４１で照射して蜂の巣状の岩石表面を生成した。次にレーザ照射パターン４２により非加工部分を照射した。この操作によって生成した穿孔を２層目の穿孔とした。１層目、２層目の生成により、概ね、直径２インチφ×深さ３０ｍｍの穿孔を生成した。

以上の実験結果に基づき、稲田花崗岩を溶融穿孔した場合の所要エネルギーを算定した。加工体積は６０．３（ｃｃ）、加工重量は１４６（ｇ）で、総所要エネルギーは、２５２００（ｋＪ）であった。加工効率を算定すると、稲田花崗岩加工重量１ｇ当たりの所要エネルギーは１７３（ｋＪ／ｇ）、１ｃｃ当たりの所要エネルギーは４１８（ｋＪ／ｃｃ）であった。

図５は、加工する岩石の平面図で、レーザ照射パターンの一実施例を示す図である。図５ではレーザ照射部に生じたキーホール２１を円形経路５３に沿って矢印１４に示す方向に移動速度５１で連続移動させた。

図５では、レーザ非照射部２２の周囲を連続的に旋回移動させることにより、岩石に孔２３を穿孔加工した。まず、予備実験でレーザ照射ノズルの旋回移動によるレーザ非照射部２２の岩石割裂効果を確認した。実施例１（図５）では最適なノズル移動速度５１と旋回半径５２を求めた。

レーザ照射ノズル旋回半径５２を一定とし、移動速度５１をパラメータとして厚さ５０ｍｍの稲田花崗岩の、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９の試料にそれぞれレーザ照射した。レーザ照射ノズルの移動速度５１を、１ｍｍ／ｓから９ｍｍ／ｓまで１ｍｍ／ｓごとに増加させて、移動速度の岩石加工量への影響を調べた。図５に示すレーザ照射ノズル回転パターンでは、キーホール２１の半径５４をｒ＝２．５ｍｍとし、ノズルの回転半径５２を各照射時間は６２．８秒とした。照射時間を等しくすることにより、移動速度と岩石加工量との関係を把握した。

実施例２として、キーホール２１の半径５４をｒ＝２．５ｍｍとし、旋回半径Ｒ＝２．５ｍｍの条件で、図６に示す照射パターンで実験を行った。実施例２は熱応力による割裂現象が殆ど生じない岩石、例えば、石灰岩の加工に対応するものである。

岩石試料表面上のキーホールの直径の設定は大気中での計算上の設定値として直径１０ｍｍφとした。この値は液面下５０ｍｍでの実際のキーホール径のバーンパターンをアクリル板を使用して計測すると直径７ｍｍφであった。岩石を溶融により穿孔する場合の実験と同一の水中岩石試料表面でのキーホール径とするため、レーザ照射パターンのキーホール径は、水中での直径７ｍｍφとした。

レーザ照射ノズル回転半径Ｒ＝２．５ｍｍの実施例２では、レーザ照射ノズル旋回半径とキーホール半径の差により、レーザ照射ノズルの回転移動中にレーザが照射されない部分（レーザ非照射部）はない。

以上により、レーザノズル旋回半径Ｒ＝５ｍｍ（非照射部分有り）（実施例１）及びレーザ照射ノズル旋回半径Ｒ＝２．５ｍｍ（非照射部分なし）（実施例２）について、移動速度を変化させた場合の岩石加工量の変化を把握することができた。

表２に、実施例１及び実施例２の加工結果を示す。表２中の深さは最大深さを示す。体積は、穿孔内に水を満し前後の重量差を求め体積に換算した。

本実験結果を用いて稲田花崗岩の場合、レーザ照射ノズル旋回半径Ｒ＝５ｍｍとＲ＝２．５ｍｍのときの加工量を比較すると、レーザ照射ノズル旋回半径Ｒ＝５．０ｍｍの方の加工量が多い。そして、レーザ照射ノズル旋回半径Ｒ＝５．０ｍｍの場合、岩石加工量の変化率が極大となるのは移動速度７．０ｍｍ／ｓの時である。

稲田花崗岩の場合、実施例１の結果より、レーザ照射ノズル旋回半径Ｒ＝５．０ｍｍ、移動速度７ｍｍ／ｓでの加工条件が最適であると判定した。この条件でレーザ照射時間毎の稲田花崗岩加工量の変化率を把握する。

図７に示すレーザ照射パターンで行ったＮｏ．１０〜１８の実験結果を表３に示した。Ｎｏ．１０は、レーザ照射時間が９秒、Ｎｏ．１１が１８秒、Ｎｏ．１２が２７秒、以下Ｎｏ．１３からＮｏ．１８までレーザ照射時間を９秒ずつ加算した。Ｎｏ．１８では、レーザ照射時間が８１秒となる。Ｎｏ．１０からＮｏ．１８の試料では設定されたレーザ照射時間ノズルを旋回させて穿孔を行った。

表３及び図８に結果を示した。図８は横軸に各レーザ照射ポイントの照射時間を取り、各レーザ照射パターンの照射時間と加工深さをグラフで表した。岩石試料に生成された穴の深さ、加工形状を観察したところ、Ｎｏ．１７とＮｏ．１８で生成された穿孔ではレーザ非照射部分が未加工になっていた。すなわち、試料Ｎｏ．１５のレーザ照射時間が５４秒経過後、穿孔効率は上昇していない。

稲田花崗岩に直径２インチφの孔を形成する場合は、上記の結果よりレーザ照射ノズル旋回半径Ｒ＝５．０ｍｍ、移動速度７．０ｍｍ／ｓで移動させ、レーザ照射時間を５４秒間照射するのが最良であった。

稲田花崗岩に直径２インチφの穴を生成する場合の単一孔の照射パターンを図９（ａ）に、これを組合わせた合成孔の照射パターンを図９（ｂ）に示した。図９（ａ）に示すように、半径ｒのキーホール２１を、旋回半径Ｒでレーザ非照射部２２の周囲を旋回経路５３に沿って矢印１４方向に一周させ、周辺２３で示す孔を加工した。この図９（ａ）に示す孔を、図９（ｂ）に示すように、１００ｍｍ×１００ｍｍ×厚さ５０ｍｍの花崗岩に、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９に示す順番で、直径３０ｍｍφの円形経路に沿って加工し、１層当たり９個の照射区画で加工し直径約４７ｍｍφの合成孔を加工した。

具体的には、図９（ａ）に示すパターンで図９（ｂ）に示すＮｏ．１の位置に、キーホール直径１０ｍｍφ（実測直径７ｍｍφ）、回転半径Ｒ＝５ｍｍでレーザ照射ノズルを旋回移動させ５４秒間照射した。

同様に図９（ｂ）に示すＮｏ．２の照射区画にレーザ照射ノズルを移動し、レーザ照射ノズル旋回半径Ｒ＝５ｍｍで旋回移動させた。このようにして順次、図９（ｂ）に示すＮｏ．２〜Ｎｏ．９の照射区画で図９（ａ）に示すレーザ照射ノズル旋回パターンでそれぞれ５４秒間照射した。

これを６層繰り返した。このとき、１層あたり９箇所の図９（ａ）に示すレーザ非照射部分２２が生成された。６層では５４箇所のレーザ非照射部分が生成された。

実験後の岩石試料は、レーザ非照射部分２２に位置する部分の岩石も消滅しており、直径約４７ｍｍφの完全な穴を生成することができた。レーザ照射ノズルを旋回移動してレーザを照射すると、レーザが直接照射されない部分（レーザ非照射部分２２）も割裂により穿孔が可能であることを示す結果を得た。

レーザ照射ノズルを旋回移動させ、割裂作用も並用して加工したこの穿孔は、最大径が直径４６ｍｍφ、最大深さが３６ｍｍ、加工体積が４５．６５ｃｍ^３であった。総所要エネルギはレーザ照射時間と１パルス当たりの熱量２５０Ｊを用いて算定すると７２９０（ｋＪ）であった。これを稲田花崗岩加工体積１ｃｃ当たりの熱量に換算すると１５９．６９ｋＪ／ｃｃであった。

ここで、稲田花崗岩を溶融により穿孔する場合と、ノズルを旋回させ割裂破壊を伴って穿孔する場合とについて所要エネルギを比較する。前者は加工体積６０．３ｃｃで所要エネルギ２５２００（ｋＪ）、１ｃｃ当たりの熱量で４１８（ｋＪ／ｃｃ）であった。一方、後者は加工体積４５．６５ｃｃに対して、所要エネルギ７２９０（ｋＪ）、 １ｃｃ当たりの熱量１５９．６９（ｋＪ／ｃｃ）である。１ｃｃ当たりの加工効率を比較すると、後者は前者の３８．２％となる。

ノズルを旋回移動させて、レーザ非照射部分を割裂により穿孔する場合、岩石加工面全面にレーザを照射させて溶融させて穿孔する場合に比べて、レーザ照射エネルギを効率的に利用することができる。

次に、レーザビームを移動させて岩石を加工する本発明の実施例について図１０〜１３を参照して説明する。

図１０は、割裂させる岩石部分（レーザ非照射部）２２を囲繞する円形の移動経路５３に沿ってレーザを旋回移動させて岩石を穿孔する。レーザビームを岩石上でキーホール５０を形成するように照射する。キーホール５０は、平面形が半径ｒを持つ円形状をなしている。キーホール５０をレーザ照射ノズル旋回半径（Ｒ）５２で、キーホール移動方向１４の方向にキーホールが旋回軌跡を描くように旋回移動させる。キーホール５０は、旋回移動とともに、連続的にその位置を移動し、移動経路５３上を移動速度Ｖで移動する。この時、キーホール半径（ｒ）とキーホール回転半径（Ｒ）５２が、Ｒ＞ｒの場合レーザ非照射部分２２が生成される。

岩石が花崗岩や砂岩のように線膨張係数の異なる岩石成分で構成されている岩石では、キーホールの岩石表面上の移動速度Ｖを調整することにより、レーザが旋回移動する部分６０の内側にあるレーザ非照射部２２及び外側にあるレーザ非照射部６１を割裂破壊部分６０の内側にあるレーザ非照射部２２及び外側にあるレーザ非照射部６１を割裂破壊することができる。この場合には、熱応力による岩石破壊が支配的となるため、レーザ非照射部２２及び６１は熱応力により破壊し、岩石穿孔径（Ｄ）を有する穿孔を生成することができる。

岩石が溶融により穿孔可能な岩石（例えば花崗岩や砂岩）であれば、キーホール５０の移動速度を調整してレーザをキーホール型加工熱源として穿孔する。図１１は図１０に示すレーザ非照射部を熱応力により割裂破壊させる作用を併用した岩石の穿孔方法を用いて直径が約３倍（３・Ｄ）の大口径の穿孔を行った例を示す平面図である。

岩石が石灰岩の場合、石灰岩の熱分解発生温度（８００度）以上に加熱しない場合は、図１０におけるレーザ非照射部２２、６１を割裂破壊させることができない。また、凝灰岩等は割裂作用が低い。図１２はこのような場合の加工パターンを示す説明図である。図１２に示すように、キーホール５０の半径（ｒ）５４と、旋回半径（Ｒ）５２を、Ｒ≦ｒになるように設定することにより、レーザ非照射部が無い状態にして岩石穿孔径（Ｄ_２）の穿孔を行うことができる。

熱応力による割裂破壊ができない岩石のレーザ熱源旋回による溶融熱分解により直径Ｄ_２の孔を穿孔する図１２に示す穿孔方法によって、図１３に示すように、直径が約３倍（３・Ｄ_２）の大口径の穿孔を行った。

図１４は移動経路が矩形状をなす角孔状の孔を加工する実施例の加工方法を示す平面図である。中心部にレーザ非照射部２２を設け、その周囲に半径ｒをもつキーホール５０を移動経路５３に沿って矢印１４方向に連続移動し、周縁２３をもつ大口径の孔を加工したものである。

図１５は複数のレーザを用いて、複数のキーホール５０を移動方向矢印１４で示すように並列に移動し、これらの複数のレーザ相互間のレーザ非照射部２２を割裂破壊させて岩石に周縁２３をもつ大口径の矩形状の削孔を行った例を示したものである。

形成すべき形状は、任意の形状を選択することができ、レーザの移動経路も自由に変更することが可能である。例えば、複数のレーザスポットを任意の移動パターン経路に沿って移動させることにより、楕円形、ひょうたん形、台形、多角形その他任意の形状の穴を形成することが出来る。

以上のような加工内容は、岩石の種類、レーザ強度、その他の条件に応じて変更することができ、その変更、調節、制御は加工部の加工形状その他の情報を検知して、設計に応じて実施することができる。

次に、本発明方法を好適に実施することができる本発明の装置について説明する。本発明装置は
（イ）レーザ照射位置に液体を介在させる手段
（ロ）波長１．２μｍ以上のレーザを照射する装置
（ハ）該レーザの配列、照射条件、及び移動条件を加工部からの情報に基づいて制御する制御装置
を備えている。

岩石の性状が既知の岩石を本発明により加工する場合には、岩石の特性に応じた加工を設計により定めることができる。しかし海底、地中等の岩石の加工に本発明方法を適用する場合には、実際の岩石の穿孔状態をモニタリングし、その情報に基づいて制御することが必要となる。レーザ照射による岩石掘削状況を検知可能な情報としては、例えば、赤外線放射強度、プラズマ光、岩石掘削時の音響等がある。レーザにより岩石溶融時に発生する赤外線放射、プラズマからの熱放射は容易に検知することが可能である。例えば、キーホールが閉じる間に、プラズマシグナルが減衰し、暫らく後に温度上昇と共に岩石のスパッタが再び発生する。これを検知することによりレーザ照射エネルギの岩石への作用の状況、岩石の飛散の状況を知ることができる。

レーザ照射による岩石掘削中の発生音は、水中にハイドロフォンを設置することにより音圧を計測することができる。レーザ照射による岩石掘削中の音圧の変化を知ることによりレーザ照射による掘削状況を知ることができる。

岩石掘削部の形状計測には、音響カメラによって形状を把握する手法がある。音響カメラを使用することにより不透明液体中でも岩石掘削部の形状（長さ及び幅）を描き出すことが可能である。音響カメラは、不透明液体中でも超音波を使用し、音響ビームを形成して岩石掘削部を映像化することができる。

上記のような岩石掘削モニタリング手段を採用することにより、岩石掘削状況の把握、岩石掘削部の形状把握を行い、これらのモニタリングした情報に基いてレーザの配列、照射強度、レーザの移動速度を最適な加工条件となるように制御することによって所望の岩石加工、掘削が可能となる。

モニタリングによって得た情報に基いてキーホール形成条件を選択し、割裂破壊を併用することにより穿孔する態様が効果的であれば、割裂による条件を加えるように制御する。このように、本発明による岩石加工方法は、モニタリング手段を用いることにより岩石性状の実状に応じ、効率的に岩石を加工することができ、遠隔自動制御が可能となる。

次に、レーザビームを移動させて穿孔する水中岩石穿孔装置を図１６を参照して説明する。レーザ発振器７１、レーザ伝送機構７３、レーザ集光径調整機構７４、レーザビーム操作機構７５、モニタリング機構７６はレーザ保護機構７２内に収納されている。レーザ発振器７１に、電力伝送・制御部７０より電力を供給する。レーザ発振器７１から発振されたレーザは、レーザ伝送機構７３によりレーザ集光系調整機構７４に伝送される。

モニタリング機構７６により岩石穿孔状態をモニタし、岩石表面でのキーホール径は、レーザ集光系調整機構７４により調整する。レーザ保護装置７２から出射したレーザは、レーザ誘起気泡７７を生成する。生成された誘起気泡７７内を透過するレーザビーム７８をレーザビーム操作機構７５によりレーザビーム移動７９させることにより、レーザビーム７８も移動しレーザ誘起気泡７７もこれに伴い移動する。このようにして穿孔９０を生成することができる。

モニタリング機構７６により岩石穿孔状態を把握して、電力伝送・制御部７０から制御信号をレーザ発振器７１、レーザ集光径調整機構７４、レーザビーム操作機構７５、にそれぞれ送り穿孔状況を制御する。

本発明の別の装置として、マルチレーザビームを移動させて穿孔する水中岩石穿孔装置を図１７を参照して説明する。レーザ発振器７１、レーザ伝送機構７３、マルチビーム生成機構８１、マルチビーム集光径調整機構８２、マルチビーム操作機構８３、モニタリング機構８４は保護装置７２内に収納されている。

レーザ発振器７１に、電力伝送・制御部７０より電力を供給する。レーザ発振器７１から発振されたレーザは、レーザ伝送機構７３によりマルチビーム生成機構８１に伝送される。続いて、マルチビーム生成機構８１からマルチビーム集光径調整機構８２に伝送される。岩石表面でのキーホール径は、マルチビーム集光径調整機構８２により調整する。

保護装置７２から出射したレーザは、レーザ誘起気泡７７を生成する。生成されたレーザ誘起気泡７７内を透過するレーザビーム７８をマルチビーム操作機構８４によりレーザビーム移動７９させることにより水中岩石１１に穿孔９０を生成することができる。

モニタリング機構８４により岩石穿孔状態を把握して、電力伝送・制御部７０から制御信号をレーザ発振器７１、マルチビーム集光調整機構８２、マルチビーム操作機構８３にそれぞれ送り穿孔状況を制御する。

次に、波長の異なる複数のレーザを併用または、重畳させて水中岩石を穿孔する装置について説明する。図１６において、レーザ発振器７１を波長の異なるレーザを発振する複数のレーザ発振器で構成し、波長の異なるビームを重畳して合成されたビームを生成することにより実施することができる。そして、それぞれのレーザビームの作用により、各レーザの特性と岩石の種類とのマッチングにより効率のよい大口径の穿孔が可能となる。

次に、図１８〜２１を参照してプラズマ反射光と穿孔深さ計測用レーザ手段を用いる集光パワー制御システムについて説明する。

図１８に示すように、集光パワー制御システムは、例えば水圧によりミラー曲率を変更可能なアダプティブミラー１０２、穿孔深さ計測用レーザ手段、該穿孔深さ計測用レーザとその反射光、およびプラズマからの反射光を透過させる穴を持つ集光ミラー１０３、深さ計測用レーザとプラズマ反射光を分離するビームスプリッター１０７、プラズマ反射光センサ１０９、制御手段１１１、およびトランスデューサ１１７で構成されている。

この集光パワー制御システムの制御方法について説明する。

内部が空洞のリングモードレーザである岩石加工用レーザ１０１はアダプティブミラー１０２で反射し、集光ミラー１０３で集光されて水中に照射され、レーザ誘起気泡１０４を生成する。レーザ誘起気泡１０４内を透過した岩石加工用レーザ１０１は、水中岩石の岩石穿孔底部１１４で集光され、プラズマ１０５を生成する。

プラズマ１０５からのプラズマ反射光１０６は、レーザ誘起気泡１０４内を透過して集光ミラー１０３の穴を通過し、ビームスプリッター１０７へ到達する。ピームスプリッター１０７では、プラズマ反射光１０６が反射し、プラズマ反射光センサ１０９に到逮する。プラズマ反射光センサ１０９からプラズマ信号１１０が制御手段１１１に送られる。

一方、レーザ誘起気泡１０４が生成されている問に、穿孔深さ計測用レーザ手段１１２から出射された深さ計測用レーザ１１３は、ビームスプリッター１０７を透過し集光ミラー１０３の穴を通過しレーザ誘起気泡１０４内を透過する。深さ計測用レーザ１１３は、穿孔底で反射し深さ計測用レーザ反射光１１５となって集光ミラー１０３の穴を通過し、ビームスプリッター１０７を透過して穿孔深さ計測用レーザ手段１１２に到逮する。穿孔深さ計測用レーザ手段１１２は、穿孔深さに関する信号１１６を制御手段１１１に送る。

制御手段１１１は、プラズマ信号１１０と穿孔深さに関する信号１１６に差づき、制御信号１１２をトランスデューサ１１７に送る。トランスデューサ１１７によりバルブ１１８の開閉が調節され水圧１１９がアダプティブミラー１０２に送られ、アダプティブミラー１０２を変形させる。この変形により集光ミラー１０３で集光距離を調整する。

次に、アダプティブミラー１０２の変形と焦点距離の調整を図１９を用いて詳述する。

アダプティブミラー１０２は曲率Ｒ_１を有している。この時の岩石加工用レーザ１０１は、集光ミラー１０３により焦点距離ｆ１で焦点を形成している。

図２０に示すように、この時、水圧１１９によりアダプティブミラー１０２の曲率がＲ_２に変形する。岩石加工用レーザ１０１は、アダプティブミラー１０２で反射し集光ミラー１０３により焦点距離ｆ２を形成する。

上記のように、アダプティブミラー１０２、プラズマ反射光１０６、穿孔深さ計測用レーザ１１３を用いることにより、岩石穿孔状態をモニタリングしながら、岩石面上のレーザ強度を調整することができる。アダプティブミラー１０２の変形は水圧により行うものに代えて、電気的に行うことができるＰＺＴアクチュエータを使用したアダプティブミラー１０２を使用してもよい。

次に、図２１を参照して、プラズマ反射光と穿孔深さ計測用超音波を用いる集光パワー制御システムについて説明する。

図２１に示す集光パワー制御システムは、例えば、水圧によりミラー曲率を変更可能なアダプティプミラー１０２、穿孔深さ計測用超音波１２１、プラズマからの反射光を透過させる穴を持つ集光ミラー１０３、プラズマ反射光センサ１０９、制御手段１１１、およびトランスデューサ１１７で構成される。

制御方法は次のとおりである。内部が空洞のリングモードレーザである岩石加工用レーザ１０１はアダプティブミラー１０２で反射し、集光ミラー１０３で集光されて水中に照射され、レーザ誘起気泡１０４を生成する。

レーザ誘起気泡１０４内を透過した岩石加工用レーザ１０１は、水中岩石上で集光されプラズマ１０５を生成する。プラズマ１０５からのプラズマ反射光１０６は、レーザ誘起気泡１０４内を透過して集光ミラー１０３の穴を通過しプラズマ反射光センサ１０９に到達する。プラズマ反射光センサ１０９からプラズマ信号１１０が制御手段１１１に送られる。

一方、穿孔深さ計測用超音波発振器１２０は、岩石穿孔底部１１４に向けて、超音波１２１を発し、穿孔深さに関する信号１２２を制御手段１１１に送る。制御手段１１１は、プラズマ信号１１０と穿孔深さに関する信号１２２に基づき、制御信号１１２をトランスデューサ１１７に送る。トランスデューサ１１７によりバルブ１１８の開閉が調節され、水圧１１９がアダプティブミラー１０２に送られアダプティブミラー１０２を変形させる。

この変形により集光ミラー１０３で集光距離を調整する。

本発明を説明する模式図である。 キーホール型熱源による溶融による穿孔メカニズムを示す説明図である。 熱伝導型熱源による割裂による岩石破壊メカニズムを示す説明図である。 溶融による岩石穿孔時のレーザ照射パターンを示す図である。 旋回移動による実施例の岩石加工を示すレーザ照射パターンを示す図である。 旋回移動による実施例の岩石加工を示すレーザ照射パターンを示す図である。 キーホール旋回移動照射パターンを示す図である。 レーザ照射部の加工深さを示すグラフである。 実施例の穿孔パターンを示す平面図である。 レーザ熱源の旋回移動を用いた割裂作用も利用した岩石穿孔の説明図である。 図１０を用いた大口径孔の加工を示す説明図である。 割裂作用の低い岩石の穿孔パターンを示す図である。 割裂作用の低い岩石の大口径孔の加工を示す説明図である。 移動経路が矩形の照射パターンを示す図である。 複数のレーザ熱源を移動させる照射パターンを示す図である。 レーザビームを移動させて岩石穿孔する装置の説明図である。 マルチレーザビームを移動させて岩石を穿孔する装置の説明図である。 制御装置を備えた集光パワーシステムの説明図である。 制御装置を備えた集光パワーシステムの説明図である。 制御装置を備えた集光パワーシステムの説明図である。 制御装置を備えた集光パワーシステムの説明図である。

符号の説明

１０ 液体
１１ 岩石
１２ レーザ装置
１３，１３ａ レーザ
１４ 矢印
２１，２１ａ キーホール
２２ 割裂破壊部（レーザ非照射部）
２３ 周縁
２４ 孔底
３１ 誘起気泡
３２，３７ 溶融部
３３，３８ 熱応力発生部
３４ 穿孔
３５，３９ ガラスビーズ
３６ 岩石破砕片
４０ 岩石破砕片
４１，４２，４３ レーザ照射パターン
５０ キーホール
５１ レーザ集光径調整機構
５２ キーホール回転半径（Ｒ）
５３ 移動経路
５４ キーホール半径（ｒ）
６０ レーザが旋回移動する部分
６１ レーザ非照射部
７０ 電力伝送・制御部
７１ レーザ発振器
７２ レーザ保護機構
７２ 保護装置
７３ レーザ伝送機構
７４ レーザ集光径調整機構
７４，７５ レーザビーム操作機構
７６，８４ モニタリング機構
７８ レーザビーム
７９ レーザビーム移動
８１ マルチビーム生成機構
８２ マルチビーム集光径調整機構
８３ マルチビーム操作機構
９０ 穿孔
１０１ 岩石加工用レーザビーム
１０２ アダプティブミラー
１０３ 集光ミラー
１０４ レーザ誘起気泡
１０５ プラズマ
１０６ プラズマ反射光
１０７ ビームスプリッター
１０９ プラズマ反射光センサ
１１０ プラズマ信号
１１１ 制御手段
１１２ 計測用レーザ手段
１１３ 深さ計測用レーザ
１１４ 岩石穿孔底部
１１５ 深さ計測用レーザ反射光
１１６ 信号
１１７ トランスデューサ
１１８ バルブ
１１９ 水圧

Claims (7)

1. 岩石表面に液体を介在させ、該液体中を通って波長１．２μｍ以上のレーザを岩石の照射面に沿って連続的に移動させながら照射することを特徴とするレーザを用いた岩石の加工方法。
2. 前記レーザの照射条件及び移動速度を、岩石の加工部からの情報に基いて制御することを特徴とする請求項１記載のレーザを用いた岩石の加工方法。
3. 前記加工部からの情報は、照射レーザの集光強度、加工部の形状、音響、スパッタ及び温度から成る群から選ばれた１又は複数の情報から成ることを特徴とする請求項２記載のレーザを用いた岩石の加工方法。
4. 前記レーザは照射位置に隣接する部分を熱応力により割裂させる作用を併用することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のレーザを用いた岩石の加工方法。
5. 前記熱応力により割裂させる部分を囲繞する移動経路に沿ってレーザを移動させることを特徴とする請求項４記載のレーザを用いた岩石の加工方法。
6. 複数本のレーザを並列に移動し、該複数本の並列レーザ相互間の岩石部分を割裂させることを特徴とする請求項４記載のレーザを用いた岩石の加工方法。
7. レーザ照射位置に液体を介在させる手段と、波長１．２μｍ以上のレーザを照射する可動装置と、該レーザの配列、照射条件、及び移動条件を加工部からの情報に基づいて制御する制御装置とを備えたことを特徴とするレーザを用いた岩石の加工装置。
   

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