WO2006117936A1

WO2006117936A1 - 岩石又はコンクリートの加工方法及びその装置

Info

Publication number: WO2006117936A1
Application number: PCT/JP2006/305235
Authority: WO
Inventors: Toshio Kobayashi; Etsuji Ohmura; Masahiro Nakamura; Shigehito Uetake
Original assignee: Japan Drilling Co., Ltd.; Osaka University
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2006-03-16
Publication date: 2006-11-09
Also published as: JP2006305803A

Abstract

ドロス（ガラス状の析出物）の析出を防止しながら、レーザにより岩石又はコンクリートに剥離、破砕、穿孔などの加工を施す技術を提供する。この技術はレーザ発振手段１０と、レーザ走査手段３０と、レーザ伝送手段２０、２１と、レーザ照射手段４０とを備え、レーザビーム４１によって岩石又はコンクリートを加工する装置１であって、レーザ照射手段４０から出射するレーザビーム４１のレーザ強度及び岩石又はコンクリートへのレーザ照射時間を調整し、又は岩石又はコンクリートへのレーザ照射位置を移動させることにより、レーザから岩石又はコンクリートへの入熱量を適正化し、レーザ照射部の岩石又はコンクリートの溶融を防ぎながら岩石又はコンクリートにサーマルショックを与え、岩石又はコンクリートに部分的な破壊現象を生じさせ、岩石又はコンクリートの加工を行うものである。

Description

明細書

岩石又はコンクリートの加工方法及びその装置

技術分野

[0001] 本発明は、土木、建築、石油'ガス井の掘削、地下資源の開発等においてレーザ照射によって岩石又はコンクリートを加工する岩石又はコンクリートの加工方法及びその装置に関するものである。本発明において岩石又はコンクリートの加工とは、岩石又はコンクリートのアブレーシヨンを云い、岩石又はコンクリートの破壊、粉砕、剥離、掘削、切取、削孔、穿孔、溝形成など岩石又はコンクリートに部分的な破壊現象を生じさせることを云う。本発明は特に、レーザによりドロスの析出を生じない範囲のレ一ザ照射を施して岩石又はコンクリートを加工する技術に関するものである。

背景技術

[0002] レーザを照射して岩石又はコンクリートを穿孔、加工しょうという試みは、従来から種々試みられて!/ヽる。その一つとしてレーザを用いた岩石の破砕法に関する基礎研究が知られている（例えば、特許文献 1参照。 ) o

[0003] この基礎研究では、岩石の穿孔実験にぉ、て、ドロスが滞留して穿孔加工の進展を妨げるのを防止するために、レーザ照射部位に、添加剤（アシストガス）を吹きつけてドロスの流出を促進する技術である。このように従来技術では、レーザを連続照射することにより岩石が溶融しドロスとなって岩石又はコンクリート穿孔を妨げている。

[0004] 岩石は、種類、成分、含水量その他によって、局部的に急速加熱したときに、破壊しゃすいものと破壊しにくいものとがある。（例えば、非特許文献 1、 2参照。；)。

特許文献 1：特開 2001— 170925号公報 (第 2— 3頁、図 1)

非特許文献 1 : SPE71466 2001年 10月発行、 B. C. GAHAN他 LASER

DRILLING： DETERMINATION OF ENERGY REQUIRED TO REMOVE ROCK

非特許文献 2：電気学会レーザブレーシヨンとその産業応用調査委員会編：レ一ザブレーシヨンとその応用： 1999年 11月発行：コロナ pl〜9、図 1. 1

[0005] 上記特許文献 1に示す従来のレーザ照射による岩石の加工技術では、連続して岩石にレーザを照射し、岩石が溶融しドロス (ガラス状の析出物）が発生し、このドロスがレーザ光の照射を妨げ、レーザが岩石に到達せず、効果的な岩石の加工ができないという問題がある。

[0006] 本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、ドロスの析出を防止しながら、レーザを岩石又はコンクリートに照射して、剥離、粉砕、穿孔等の加工ができる岩石又はコンクリートの加工技術を提供することを目的とする。

発明の開示

[0007] 本発明は上述の目的を達成するためになされたもので、次の技術手段から成るものである。すなわち、本発明は、加工対象の岩石又はコンクリートの局部急速加熱破壊特性を調査し、レーザ強度及びレーザと岩石又はコンクリートとの相互作用時間を調整して、ドロスを析出しない照射条件で該岩石又はコンクリートにレーザを照射し、前記破壊特性を利用して岩石又はコンクリートを加工することを特徴とする岩石又はコンクリートの加工方法である。

[0008] この場合前記レーザは、連続波を断続的に照射するレーザ及び Z又はパルスレーザを用いるとよい。本発明では、連続波を断続させたレーザ又はパルスレーザのような断続するレーザの何れか又は両方を用いる。本発明によれば、対象岩石又はコンクリートの特性に応じて、岩石又はコンクリートが溶融せずドロスを析出しない適正照射条件で、レーザを照射して岩石又はコンクリートを加工することができる。従って、岩石又はコンクリートは、過度のエネルギーを受けるない。また、レーザがドロスに妨げられて岩石又はコンクリート面への進入が妨げられることはなぐ従って、レーザが減衰する量も少なくなる。

[0009] また、本発明方法において、前記レーザとして連続波レーザを使用し、照射位置を順次変化させることによつても同様の効果を得ることができる。

[0010] また、本発明ではドロスの流動性を増加するための添加剤等を使用する必要がないので、照射対象物である岩石又はコンクリートが遠方にあっても、照射対象物に対して穿孔作業を行うことが出来る。

[0011] 本発明の照射条件を実現する具体的手段は、特に限定されるものではない。例えば、レーザと岩石又はコンクリートとの相互作用時間を調整する手段として、照射点を移動させるために、レーザ照射手段を回転させて移動照射してもよい。また、複数のファイバで構成されたレーザ照射手段を用い、レーザが射出するファイバを順次変更することにより、レーザ照射位置を移動させてもよい。また、同一のファイノから照射される場合でも、レーザを断続的に照射するように構成することができる。

[0012] 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、

(a)連続波レーザ、連続波を断続したレーザ及びパルスレーザ力なる群力選ばれた 1又は複数のレーザを出力すると共に、連続波を断続的に照射するレーザ及び Z又はパルスレーザを出力し、レーザパルスエネルギー、レーザビーム品質、レーザパルス幅、レーザ周波数及びレーザ波長力なる群力選ばれた 1又は複数のパラメータを調整可能なレーザ発振手段、

(b)レーザ伝送手段、及び

(c)レーザ照射手段

を備えたことを特徴とする岩石又はコンクリートの加工装置である。

[0013] さらに、この岩石又はコンクリートの加工装置に、レーザ波長変換手段を加えると、好適である。

[0014] 上記装置を用いて、対象岩石又はコンクリートの局部急速加熱破壊特性に応じて、例えば、適正なレーザ強度を有するレーザビームを断続的に岩石又はコンクリートに照射し、又はレーザの岩石又はコンクリートへの照射点を移動させる等のレーザ照射条件を設定することにより、岩石又はコンクリートを適切に剥離、粉砕、穿孔して、岩石又はコンクリートをカ卩ェすることができる。

[0015] 本発明に用いるレーザとしては、各種レーザを用いることができる。ファイバ伝送が可能なレーザを用いてファイバにより伝送すると、任意の岩石又はコンクリートの加工現場条件に適応させることが容易である。このようなレーザとして、例えば半導体レーザ、ファイバレーザ、 YAGレーザ、ディスクレーザ等がある。

[0016] 前記レーザ伝送手段としては単一ファイバ、複数の単一ファイバ、多孔束ファイバ、又はこれらの組合せ力もなるファイバを用いることが好適である。単一ファイバと複数ファイバの組合せとする場合、その間に導光手段を設けるとよい。

[0017] レーザ伝送手段として単一ファイバを用い、レーザを断続的に岩石又はコンクリートに照射するために、連続波レーザを使用する場合は、レーザ発振をオン、オフすることにより断続照射することができる。一方、パルスレーザを使用する場合は、そのまま照射することにより岩石又はコンクリートへのレーザを断続照射することができる。

[0018] 岩石又はコンクリートに大きな径の孔を掘削するとき、前記レーザ伝送手段は、ファィバ数、多孔束ファイバ束数のそれぞれ又は両者を調整して岩石又はコンクリートの穿孔径に対応させた伝送手段とすることができる。

[0019] 本発明によれば、加工対象の岩石又はコンクリートの局部急速加熱破壊特性を調查し、ドロスを析出しない照射条件で岩石又はコンクリートにレーザを照射して岩石又はコンクリートをカ卩ェすることが可能となった。

[0020] 上記方法を実現するための本発明の装置は、連続波を断続的に照射するレーザ及び Z又はパルスレーザを出力し、レーザパルスエネルギー、レーザビーム品質、レ一ザパルス幅、レーザ周波数及びレーザ波長からなる群から選ばれた 1又は複数のパラメータを調整可能なレーザ発振手段を備え、レーザ伝送手段と、レーザ照射手段とを備えた岩石又はコンクリートの加工装置である。従って、岩石又はコンクリートの特性に応じた照射条件を選定し、例えば、断続的にレーザを岩石又はコンクリートに照射することによって、岩石又はコンクリートに含まれる SiOが溶融してドロスが析

2

出するのを防ぎながら、岩石又はコンクリートの破壊、粉砕、剥離、掘肖切取、削孔、穿孔、拡孔、溝形成などの加工をすることができる。

図面の簡単な説明

[0021] [図 1]実施例の岩石又はコンクリートの加工装置の模式的説明図である。

[図 2]実施例の岩石又はコンクリートの加工装置の模式的説明図である。

[図 3]実施例の岩石又はコンクリートの加工装置の模式的説明図である。

[図 4]レーザ走査パターンを示す説明図である。

[図 5]レーザ走査パターンを示す説明図である。

[図 6]レーザ走査パターンを示す説明図である。

[図 7]レーザ走査パターンを示す説明図である。

[図 8]他の実施例の岩石又はコンクリートの加工装置の図である。

[図 9]他の実施例の岩石又はコンクリートの加工装置の図である。 [図 10]他の実施例の岩石又はコンクリートの加工装置の図である。

[図 11]他の実施例の岩石又はコンクリートの加工装置の図である。

[図 12]連続波による出射パターンを示す図である。

[図 13]他の実施例の岩石又はコンクリートの加工装置の図である。

[図 14]ノルス波による出射パターンを示す図である。

[図 15]他の実施例の岩石又はコンクリートの加工装置の図である。

[図 16]ノルス波による出射パターンを示す図である。

[図 17]パルス波による出射パターンを示す図である。

[図 18]他の実施例の岩石又はコンクリートの加工装置の図である。

発明を実施するための最良の形態

[0022] まず、本発明の原理について説明する。従来、岩石にレーザを照射して岩石を穿孔する技術は、レーザのエネルギーによって岩石の一部を溶融させ、これをスラグとして流出させることによって行われていた。

[0023] 岩石又はコンクリートは、種類、成分、含水量その他によって、局部的に急速加熱したときに、それぞれ特有の破壊特性を有している。本発明は、この岩石又はコンクリートの特性を利用して岩石又はコンクリートを加工する技術を提供するものである。局部急速加熱によってアブレーシヨン (破壊)特性を示す岩石又はコンクリートは、例えば、花こう岩、砂岩、石灰岩、安山岩等又はコンクリートであって、その成分、組織、含水量等によって異なる特性を示す。

[0024] 本発明では、まず、加工対象の岩石又はコンクリートの局部急速加熱破壊特性を調査する。この調査は、波長、照射強度、照射時間の異なる複数種類のレーザを、対象岩石又はコンクリートに施してその性状を把握する。その結果に基づき、ドロスを析出しないで岩石又はコンクリートを破壊する適切な照射条件を定める。この照射条件に適合するレーザを選定して岩石又はコンクリートにレーザを照射し、前記破壊特性を利用して岩石又はコンクリートを加工する。

[0025] 次に、レーザの強さを表すパラメータについて説明する。

[0026] レーザ出力（平均出力） Pは 1秒当たりのエネルギーである。したがって、レーザ出力 Pは繰り返し周波数とパルスエネルギーの乗数となる。 [0027] P = E X v …… (1)

ここで、 Pはレーザ出力（W)、 Eはパルスエネルギー (J)、 Vは繰り返し周波数である。

[0028] レーザ出力 Pを増加するためには、パルスエネルギー Eを増加する力又は繰り返し周波数 Vを増加するかいずれかの手段により達成することができる。

[0029] 次に、フルエンス Fとは、パルスエネルギーを面積で除した値である。

[0030] F=E/S …… (2)

ここで、 Fはフルエンス (jZcm²)、 Eはパルスエネルギー (J)、 Sは面積 (cm²)である

[0031] レーザ強度 Iは、フルエンス Fをパルス幅で除した値である。

[0032] I=E/ (S -t) …… (3)

ここで、 Iはレーザ強度 (WZcm²)、 tはパルス幅（sec)である。

[0033] 次に、レーザ照射スポット径は、レンズを使用する場合、所望の集光径 ω は次の近

0 似式から求められる。

[0034] ω =Μ^Ζ π ί/ (Ό λ )

ο ο ……（4)

ここで、 Dはレンズ上のレーザビーム径（半径）、 fはレンズの集光距離、 λはレーザ

0

波長、 Μ²はビーム品質の評価に使用する特性値である。ファイバを用いる場合、レ一ザ照射スポット径は、ファイバコアの径に支配される。

[0035] レーザと岩石又はコンクリートとの相互作用時間が熱緩和時間よりも短い場合には、レーザの吸収領域に相互作用を閉じこめることができる。従って、断熱膨張を伴う機械的作用を岩石又はコンクリートに誘起することができる。一方、レーザと岩石又はコンクリートとの相互作用時間が熱緩和時間より長い場合には、熱伝導によって熱が広範囲に拡散するので、温熱作用が顕著となる。この二面性はレーザ強度及びレーザと岩石又はコンクリートとの相互作用時間によって左右される。これらのパラメータ一領域によって相互作用を 2つに分類することができる。レーザと岩石又はコンクリートとの相互作用は「1 μ sルール」によって熱効果と非熱効果に大別される。熱効果には光ィ匕学作用（Photochemical interaction)と光熱作用（Photothermal inter action)がある。また、非熱効果は光衝撃作用 (Photomechanical interraction) とも呼ばれ、光音響効果（Photoacoustic effect)、光アブレーシヨン（Photoablat ion)、プラズマ誘起アブレーシヨン（Plasma— induced ablation)、光破壊 (Photo disruption)に分類される。ここで相互作用を決めるのはエネルギー密度ではなぐレーザ強度の方が重要な因子である。

[0036] 以上から、レーザによる岩石又はコンクリートの加工速度、及び岩石又はコンクリートが粉砕する力溶融するかは、レーザ強度 I (WZcm²)、フルエンス F (j/cm²)及びレーザ波長に依存する岩石又はコンクリートのレーザ吸収特性 (局部急速加熱破壊特性）によってきまる。したがって、レーザ強度 I (WZcm²)、フルエンス F (jZcm²)、レーザ波長、及びレーザと岩石又はコンクリートとの相互作用時間を適切に組合わせることによって、種々の対象岩石又はコンクリートに適合した破砕条件を選定することができる。

[0037] 次に、レーザ発振手段、レーザ波長変換手段、レーザ照射手段によりどのようにして、レーザ強度 I (WZcm²)、フルエンス F dZcm²)、及びレーザ波長を調整できるかについて説明する。

[0038] レーザによる岩石又はコンクリート加工速度が粉砕能に影響するパラメータは、（_a)パルスエネルギー、（b)レーザビーム品質、（c)レーザパルス幅、（d)繰り返し周波数、（e)レーザ波長、（f)レンズ上のビーム径、（g)レンズの集光距離、（h)集光径 ω 、及び (i)ファイバコア

0 径である。

[0039] このうち、レーザ発振手段が調整可能なパラメータは、（_a)パルスエネルギー、（b) レーザビーム品質、（c)レーザパルス幅、（d)繰り返し周波数、及び (e)レーザ波長である。

[0040] レーザ波長変換手段が調整可能なパラメータは、 (e)レーザ波長である。

[0041] レーザ照射手段において調整可能なパラメータは、照射手段としてレンズを使用する場合、（f)レンズ上のビーム径、（g)レンズの集光距離、（h)集光径 ωである。照射

0

手段としてファイバを使用する場合、 (i)ファイバコア径を調整することが可能である。

[0042] 以上により、本発明装置は、適切なレーザ発振手段、レーザ伝送手段、及びレーザ照射手段を備えておれば、本発明方法を好適に実施することができる。すなわち本発明装置を用いれば岩石又はコンクリートを溶融させることなぐ粉砕により加工することができる。さらに、上記装置にレーザ波長変換手段を付加すると、一層適切に本発明を実施することができる。

[0043] 以下図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

[0044] 図 1は本発明の 1実施例の岩石又はコンクリートの加工装置 1を模式的に示した説明図である。

[0045] この装置は、レーザ発振手段 10と、レーザ伝送手段 20と、レーザ照射手段 30とを備えている。レーザ発振手段 10は、連続波レーザ、連続波を断続したレーザ又はパルスレーザをそれぞれ単独又は 2以上を同時に出力することができる。また、レーザパルスエネルギー、レーザビーム品質、レーザパルス幅、レーザ周波数及びレーザ波長等のパラメータを調整可能になって、る。

[0046] レーザ発振手段 10で発振したレーザはレーザ伝送手段 20を経て伝送される。次いでレーザ走査手段 30によってレーザの走査が行われ、例えば多数本のガラスファィバ一力も成るレーザ伝送手段 21の各ファイバを経てレーザ照射手段 40に到達する。レーザ発振手段 10及びレーザ照射手段 40は、対象岩石又はコンクリートの特性に応じて、作動条件を調整することができる。

[0047] レーザ伝送手段 21 (多孔束ファイバ）に順次レーザを入射するレーザ走査手段 30 は、オプティカルスキャナ等のレーザ走査手段を用いればよい。これにより、単一レーザ発振手段 10から多孔束ファイバ（レーザ伝送手段 21)へレーザを入射することが可能である。レーザ照射手段 40はレーザ伝送手段 21の先端力もレーザビーム 41を出射する。この場合、レーザ伝送手段 21 (多孔束ファイノく）に順次入射したレーザを岩石又はコンクリートに照射することにより、レーザ照射位置を移動させることが出来る。このようにすれば、レーザを断続的に岩石又はコンクリートに照射することができる。

[0048] レーザ発振手段 10は、電源（図示せず）に接続されている。レーザ発振手段 10〖こより発振されたレーザは、ファイバまたは光学系素子 (例えばミラー)で構成されたレ一ザ伝送手段 20によりレーザ走査手段 30に到達する。到達したレーザは、レーザ走查手段 30により、複数のファイバで構成されたファイバ束であるレーザ伝送手段 21 に入射される。レーザ伝送手段 21を構成するファイバ束に入射したレーザは、レーザ照射手段 40に到達して出射される。

[0049] 図 1に示す装置によれば、岩石又はコンクリートに照射されるレーザ照射位置を移動させることにより、断続的にレーザを岩石又はコンクリートに照射することができる。従って、ドロスの析出を防ぎながらサーマルショック (熱衝撃）による剥離、粉砕により岩石又はコンクリートを加工することが出来る。

[0050] 単一のレーザ発振手段 10から単一ファイバ（レーザ伝送手段 20)へ導光されたレ一ザを岩石又はコンクリートに照射する場合、レーザ伝送手段 20に導光されたレーザが連続波である場合は、レーザ発振をオン'オフする手段とするか、または、電源をオン ·オフする手段を用、て、断続的にレーザを岩石又はコンクリートに照射することがでさる。

[0051] 伝送手段 21が多孔束ファイバである場合は、多孔束ファイバに順次レーザを入射する照射プロセス（レーザ走査手段 30)により岩石又はコンクリートへのレーザ照射を断続的に行うことができる。

[0052] ノルスレーザを使用する場合、レーザ伝送手段 21が単一ファイバである場合は何らの操作を必要とすることなぐ岩石又はコンクリートにレーザを断続照射することができる。またレーザ伝送手段 21が、多孔束ファイバである場合は、走査により伝送フアイバを変更しながらそのまま照射することによりレーザを岩石又はコンクリートに断続照射することができる。

[0053] 本発明の岩石又はコンクリートの加工装置 1は、ファイバ数、多孔束ファイバ束数を調整することによって、例えば、岩石又はコンクリートに穿孔する穿孔径を変化させることができる。連続波レーザを使用する場合に、レーザ伝送手段 21が単一ファイバである場合は、単一ファイバ数を増加することにより、岩石又はコンクリートの穿孔径を大きくすることができる。また、レーザ伝送手段 21が、多孔束ファイバである場合は、束数を増加させることにより、岩石又はコンクリートの穿孔径を大きくすることが可能となる。

[0054] 図 2は図 1に示す実施例にレーザ波長変換手段 60を付加した実施例を示している。図 1に示す実施例と異なる点は、レーザ波長変換手段 60を付加したことであり、それ以外は図 1に示す実施例と同様である。波長変換手段 60は、レーザ発振手段 10 で発生したレーザをさらに対象岩石又はコンクリートの破壊に最適な波長に変換するもので、図 1に示す装置よりも一層効率よく岩石又はコンクリートの破壊を行うことができる。

[0055] 以下述べる各実施例においては、レーザ波長変換手段を図示省略しているが、図 2に示したのと同様に、レーザ発振手段 10のあとにレーザ波長変換手段 60を設けることは任意であり、各実施例にこれを補って考えればよい。

[0056] 図 3は、図 1の実施例において、レーザ発振手段 10及びレーザ走査手段 30を被加ェ物である岩石又はコンクリートに可能な限り近づけて加工する装置の概略構成図である。図 3に示す実施例が図 1に示す実施例と異なる点は、電源 70から電源ケーブル 71を延長して、レーザ発振手段 10とレーザ走査手段 30を対象岩石又はコンクリートに近づけることによって、レーザ伝送手段 20を出来るだけ短くして、ファイバ伝送による損失を少なくした点である。その他の構成は図 1に示す実施例と同様である。なお、図 2に示すレーザ波長変換手段 60をレーザ発振手段 10の後流に備えてもよ!/、ことは上述した。

[0057] レーザの伝送損失は、伝送距離が長くなると増加し、出力レーザが減衰する。伝送損失を少なくするため、図 3に示すように電源ケーブル 71を延長することにより、照射目的物である岩石又はコンクリートまでのレーザ伝送手段 21の伝送距離を短くすることができる。これにより、電源 70から遠方にある岩石又はコンクリートの破砕を効率的に行うことができる。

[0058] 図 4〜図 7は、レーザ走査手段 30からファイバ束（レーザ伝送手段 21)へのレーザ走査パターンを示す説明図である。図 4はファイバ束の断面の Y軸方向に順次レーザを走査してレーザ伝送手段 21にレーザを入射している。図 5はファイバ束の X軸方向、図 6は円周方向、図 7はジグザグにレーザを走査している例を示している。

[0059] レーザ伝送手段 21で伝送されたレーザは、レーザが入射した個々のファイバの順でレーザ照射手段 40から出射する。従って、岩石又はコンクリートへのレーザ照射位置をレーザが入射したファイバの順に移動させることができる。またレーザ走査速度を変化させることにより、レーザ照射手段 40から出射されるレーザの岩石又はコンクリートへの照射時間を調整することができる。 [0060] このようにして、岩石又はコンクリートが溶融する温度に達する前に、レーザ照射位置を移動させレーザ照射位置での温度上昇を適正化することができる。

[0061] 図 8および図 9は、レーザ発振手段 10、レーザ伝送手段 20、レーザ走査手段 30、レーザ照射手段 40から構成された装置において、レーザ伝送手段 21が多数の単一ファイバで構成されている実施例を示している。図 8では、レーザ伝送手段 21を構成するファイバ数が 7本、図 9では 19本となっている。その他の構成は図 1に示した実施例と同様である。図 8、図 9の例ではレーザ伝送手段 21の径が大きぐより大きな穿孔径を得ることができる。

[0062] 次に図 10は、複数のレーザ発振手段 10a、 10b、 10cと、複数のレーザ伝送手段 2 0a、 20b、 20cと、複数のレーザ走査手段 30a、 30b、 30cとをそれぞれ糸且み合わせて一つのユニットとし、これらの複数のユニットを複数のレーザ伝送手段 21a、 21b、 2 lcに結合して組合わせた例を示して、る。

[0063] レーザ伝送手段 21a、 21b、 21cはそれぞれファイバ束で構成されている力それぞれのファイバ束が、さらに集合してレーザ照射手段 40によりレーザビーム 41を出射する。各レーザ走査手段 30a、 30b、 30cのレーザ走査パターン、レーザ走査速度をそれぞれ調整することにより、レーザ照射手段 40からの出射レーザ 41のパターンに非常に多くの多様性をもたせることができ、対象岩石又はコンクリートの特性に対応した加工が可能となる。また、上記複数のユニットの数を増加することにより、岩石又はコンクリートの穿孔径をさらに大きくすることができる。

[0064] 図 11はレーザ走査手段 30を有しな、単一ファイバからなるレーザ伝送手段 22を用いた実施例の加工装置 1の概略構成図を示したものである。この実施例では、レ一ザ電源 70、レーザ発振手段 10、レーザ伝送手段 20、レーザ入射手段 50、レーザ伝送手段 22、及びレーザ照射手段 40を備えている。

[0065] レーザ発振手段 10は、連続レーザ波を発振する。レーザ電源 70をオンオフ操作することによりレーザ発振手段 10を作動させる。したがってレーザ発振手段 10から出力されるレーザはパルス化されたものではなぐ連続波が断続的に発振される。発振された連続波はレーザ伝送手段 20を経てレーザ入射手段 50に到達し、レーザ入射手段 50を経てレーザ伝送手段 22 (単一ファイノく）に入射され、次いでレーザ照射手段 40より出射される。このようにして、レーザビーム 41は対象岩石又はコンクリートに断続的に照射される。レーザ照射手段 40によりレーザ照射位置を変えることができる。

[0066] 図 11に示す実施例装置の連続波による出射パターンを、時間変化と共に図 12に示した。図 12はレーザ伝送手段 22 (単一ファイノく）の時間 t、 t、 tにおける状態を

0 1 2

示したものである。時間 tにおいてレーザビーム 41を出射し、時間 tではレーザビー

0 1

ムを出射せず、時間 tでレーザビーム 41を出射する。このようにして、岩石又はコンク

2

リートが溶融する温度に達する前に、レーザビーム 41を断続し、さらにレーザ照射位置を移動させ、レーザ照射位置での過度の温度上昇を押さえることができる。さらにレーザ電源 70のオンオフ操作間隔を変化させることにより、レーザ伝送手段 22 (単一ファイバ）を経て出射するレーザビーム 41の岩石又はコンクリートへの照射時間を任意に調整することができる。

[0067] 図 13は、レーザ走査手段 30を有しない単一ファイバからなるレーザ伝送手段 22を用いた実施例装置 1の概略構成図を示したものである。図 13が図 11と異なる点は、レーザ発振手段 10により発振されたレーザがパルスレーザである点である。レーザ照射手段 40により対象岩石又はコンクリートにレーザパルスビーム 42が照射される。レーザ照射手段 40によりレーザ照射位置を変えることができる。

[0068] レーザパルスビーム 42による出射パターンの時間変化の例を図 14に示した。図 14 は図 12と同様の表示で示したもので、時間 tにおいてレーザパルスビーム 42が出射

0

し、時間 tでは出射せず、時間 tで出射する。レーザパルスビーム 42のパルス間隔

1 2

を調整することにより、レーザ照射手段 40から出射するレーザパルスビーム 42の岩石又はコンクリートへの照射時間を調整することができる。

[0069] 次に、図 15に、レーザ走査手段 30のない単一ファイノからなるレーザ伝送手段 50 を備えた複数のユニットを組み合わせて、岩石又はコンクリート穿孔径を大きくした実施例装置 1の例を示した。この実施例では、各電源 70a、 70b、 70c、 70dと各レーザ発振手段 10a、 10b、 10c、 10dと、各レーザ人射手段 50a、 50b、 50c、 50dとをそれぞれ組合わせたユニットに、それぞれ各レーザ伝送手段 22a、 22b、 22c, 22d (単ーファイノく）が組合わされている。各レーザ伝送手段 22a、 22b、 22c, 22dは、単一ファイノ専用のレーザ電源 70a、 70b、 70c、 70dとレーザ発振手段 10a、 10b、 10c 、 10d及びレーザ入射手段 50a、 50b、 50c、 50dを持っている。

[0070] 各レーザ発振手段 10a、 10b、 10c、 10dは連続レーザ波を発生する。各レーザ発振電源 70a、 70b、 70c、 70dのオンオフ間隔を操作してレーザ発振間隔を調整することにより、レーザ照射手段 40から出射される出射レーザ 41のパターンに多様性をもたせることができる。従って、対象岩石又はコンクリートの特性に対応した加工を行うことが可能となる。ユニット数を増加することにより、岩石又はコンクリートの穿孔径をさらに大きくすることも可能となる。

[0071] 図 16、図 17は、ファイバの断面図であって、レーザ伝送手段 22a、 22b、 22c, 22d を伝送されるレーザビームの変化パターンの走査移動経路 44の例を示すものである

[0072] 図 18は、図 15と同様のレーザ走査手段 30のないレーザ伝送手段 22e、 22f、 22g 、 22h (単一ファイノく）を組み合わせて岩石又はコンクリート穿孔径を大きくする実施例装置の概略構成図である。この実施例では、レーザ発振手段 10e、 10f、 10g、 10 hはパルス波を発生する。それぞれのレーザ伝送手段 22a、 22b、 22c, 22d (単一ファイノく）はそれぞれ専用のレーザ発振手段 10e、 10f、 10g、 10h及びレーザ入射手段 50e、 50f、 50g、 50hを備えている。

[0073] 図 18に示す装置が図 15に示す装置と異なる点は、レーザ発振手段 10e、 10f、 10 g、 10hはパルス波を発生するので、 1個の電源手段と結合する必要がなぐレーザ発振手段 10e、 10f、 10g、 10hとレーザ伝送手段 50e、 50f、 50g、 50hをそれぞれ組合わせて一つのユニットとして、該ユニットをそれぞれレーザ伝送手段（単一フアイノ） 22e、 22f、 22g、 22hとを結合している点であり、他の構成については図 15に示す装置と同様である。

[0074] レーザ発振手段 10e、 10f、 10g、 10hを操作してパルスレーザの発振間隔を任意に調整することにより、レーザ照射手段 40からの出射レーザ 42のパターンに多様性をもたせることができる。従って、対象岩石又はコンクリートの特性に対応した破砕を行うことが可能となる。またユニット数を増加することにより岩石又はコンクリートの穿孔径をさらに大きくすることも可能となる。

[0075] 図 18に示す装置のレーザ出射パターンは図 16,図 17に示すものと同様に変化させることができる。岩石又はコンクリートが溶融する温度に達する前に、レーザ照射位置を移動させ、レーザ照射位置での温度上昇を押さえることができ、さらにパルス間隔を調整することにより 1本のファイバから出射するレーザの岩石又はコンクリートへの照射時間を調整することができ、適切な条件で岩石又はコンクリートを加工することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 加工対象の岩石又はコンクリートの局部急速加熱破壊特性を調査し、レーザ強度及びレーザと岩石又はコンクリートとの相互作用時間を調整して、ドロスを析出しない照射条件で該岩石又はコンクリートにレーザを照射し、前記破壊特性を利用して岩石又はコンクリートを加工することを特徴とする岩石又はコンクリートの加工方法。

[2] 前記レーザは、連続波を断続的に照射するレーザ及び Z又はパルスレーザであることを特徴とする請求項 1記載の岩石又はコンクリートの加工方法。

[3] 前記レーザとして連続波レーザを使用し、照射位置を順次変更することを特徴とする請求項 1記載の岩石又はコンクリートの加工方法。

[4] 連続波レーザ、連続波を断続したレーザ及びパルスレーザ力なる群力選ばれた 1又は複数のレーザを出力し、レーザパルスエネルギー、レーザビーム品質、レーザパルス幅、レーザ周波数及びレーザ波長力なる群力選ばれた 1又は複数のパラメータを調整可能なレーザ発振手段と、レーザ伝送手段と、レーザ照射手段とを備えたことを特徴とする岩石又はコンクリートの加工装置。

[5] さらにレーザ波長変換手段を加えたことを特徴とする請求項 4記載の岩石又はコンクリートの加工装置。

[6] 前記レーザ伝送手段が、単一ファイバ、複数の単一ファイバ、多孔束ファイバ、又はこれらの組合せ力なるファイバであることを特徴とする請求項 4又は 5記載の岩石又はコンクリートの加ェ装置。

[7] 前記レーザ伝送手段は、ファイバ数及び Z又は多孔束ファイバ束数を調整して岩石又はコンクリートの穿孔径に対応させた伝送手段であることを特徴とする請求項 4

〜6の何れかに記載の岩石又はコンクリートの加工装置。