レーザ干渉型測定装置及びレーザ干渉型測定方法
【課題】 円筒形状の被測定物の形状を素早く計測することができ、水平面内の最大主応力軸を高精度で求めることが可能な測定装置を実現する。
【解決手段】 本発明のレーザ干渉型測定装置は、測定試料としての円筒形状の岩石コア１１を支持する、円周方向に回転可能なサンプルホルダ１２と、岩石コア１１の半径方向に移動可能なナイフ・エッジ１３と、岩石コア１１の側面とナイフ・エッジ１３との間に形成されたスリット１４にレーザ光を出射するレーザ光源１５と、スリット１４を通過したレーザ光の干渉縞を測定するＣＣＤ１６とを備えているから、測定した干渉縞に基づいて、岩石コア１１の側面の円周外形を高い精度で素早く求めることができる。
【解決手段】 本発明のレーザ干渉型測定装置は、測定試料としての円筒形状の岩石コア１１を支持する、円周方向に回転可能なサンプルホルダ１２と、岩石コア１１の半径方向に移動可能なナイフ・エッジ１３と、岩石コア１１の側面とナイフ・エッジ１３との間に形成されたスリット１４にレーザ光を出射するレーザ光源１５と、スリット１４を通過したレーザ光の干渉縞を測定するＣＣＤ１６とを備えているから、測定した干渉縞に基づいて、岩石コア１１の側面の円周外形を高い精度で素早く求めることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円筒形状の被測定物の形状を測定するレーザ干渉型測定装置及びレーザ干渉型測定方法に関するものであり、例えば、地表のボーリング・サイトにおける測定への利用が可能であり、岩石コア等の測定対象物の残留応力による変形の測定に好適に用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
地震などの不安定現象が発生する場の状態、特に応力場の状態を把握することは、不安定現象が発生する機構を解明する鍵の一つである。例えば、鉱山での安全な採掘を行うためには、掘削を行う岩盤に作用している応力の状態を掘削に先がけて測定することが重要である。これは、岩盤内の応力場が、鉱山地震をはじめとする地震等の不安定現象の発生場に対する、もっとも重要な制御パラメータの一つであるという理由による。
【０００３】
上述した応力場の状態を把握するには、ボーリング孔より回収された岩石コアの形状変化を正確に測定することが有効である。これは、当該回収された岩石コアにおける、岩石コアの残留応力の解放による非弾性変形が、地中において当該岩石コアに働いていた応力場の状態を反映したものであるという理由による。
【０００４】
円筒形状をした被測定物の形状を測定する方法としては、ＡＥ法、ＡＳＲ、ＤＳＣＡなどがあるが、これらの方法には、下記のように水平面内の最大主応力軸の決定精度が不十分であるという問題がある。
【０００５】
すなわち、岩石コアは、地下で作用していた応力値に達するまではAcoustic Emissionを発生させないという経験則に基づいて、載荷試験を実施し、応力値を測定する手法であるＡＥ（Acoustic Emission）法では、ひとつのコアに対し、載荷軸は円筒軸方向に制限されるため、応力軸の決定精度に欠ける。
【０００６】
ＡＳＲ（Anelastic Strain Recovery）法は、岩石コア表面に箔状のひずみゲージを貼り付け、残留ひずみの解放を測定するものである。ここで、貼り付けられるひずみゲージの枚数は、通常の岩石コアの場合６枚程度で、ひずみゲージ貼り付け位置の局所的なひずみに依存しやすい上、ひずみの主軸の決定精度に欠ける。
【０００７】
岩石コアには応力解放によって地下で作用していた応力の大きさに比例した微小亀裂が主応力軸に垂直に発生する。ＤＳＣＡ（Differential Strain Curve Analysis）法では、応力解放と逆のプロセスである等方圧試験を実施し、ひずみゲージによりひずみ測定をおこなう。そして、等方圧とひずみとの関係から亀裂閉塞時のひずみを計算し、主応力の比とその方向を求める。この手法においても、ＡＳＲ法と同様にひずみゲージを貼り付けて測定をおこなうため、ひずみゲージ貼り付け位置の局所的なひずみに依存しやすい上、ひずみの主軸の決定精度に欠ける。
【０００８】
また、円筒形状をした被測定物の形状を測定する従来の装置としては、円筒物を回転させながら被測定物の接線変位を３箇所で測定する装置（例えば、特許文献１参照）、被測定物表面の凹凸変位を光学干渉系で測定する装置（例えば、特許文献２参照）、被測定物である円筒体に対して所定距離だけ離間した位置に配された基準ポール部と円筒体との間隔をレーザ光線を照射して、両者の間隔を測定する装置（例えば、特許文献３参照）、被測定物にレーザを当てその断面外形を連続的に測定する装置（例えば、特許文献４参照）、被測定物の姿勢に関する精度などの制約を緩和すべく、被測定物の軸芯に対する外形測定器の角度を変えながら連続的な測定を行う装置（例えば、特許文献５参照）等が挙げられる。また、被測定物が筒形状体である場合に外径と内径とを測定する装置も提案されている（例えば、特許文献６〜７参照）。
【特許文献１】特開２０００−２４９５４０（２０００年９月１４日公開）
【特許文献２】特開平５−７１９３５（１９９３年３月２３日公開）
【特許文献３】特開２００２−３２３３０６（２００２年１１月８日公開）
【特許文献４】特開平７−１９８４０（１９９５年１月２０日公開）
【特許文献５】特開平６−２２９７２５（１９９４年８月１９日公開）
【特許文献６】特開平６−１７４４３３（１９９４年６月２４日公開）
【特許文献７】特開平７−１９０７３４（１９９５年７月２８日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、ＡＥ法、ＡＳＲ、ＤＳＣＡなどの歪みゲージを用いて岩石コアから地殻応力を推定する従来の手法では、歪みゲージを貼り付けたり、所定の定められた方向から荷重をかけたりする必要があるため、測定における変形自由度や、変形の主軸、すなわち岩盤に加えられていた応力の主軸に対する方位精度が不十分であるという問題があった。
【００１０】
また、ボーリング孔から取り出された円筒状の岩石コアのサンプルは、通常地上の常圧下に置かれると、瞬間的な膨張の後、時間のオーダーで膨張し続ける。このため、時系列的に膨張し続ける岩石コアの形状を測定するには、ボーリング現場にて使用可能であり、岩石コアの形状を簡単に測定できる装置であることが好ましい。しかしながら、上記特許文献に記載されている装置及び方法は、岩石コアの形状をボーリング現場において測定するための装置として適当ではなく、また、これらの装置及び方法によれば、地中における岩石コアの水平面内の最大主応力軸を精度良く求めることができないという問題点がある。
【００１１】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、円筒形状の被測定物の形状を素早く計測することが可能であり、例えば、被測定物として岩石コアを測定する場合には、水平面内の最大主応力軸を高い精度で求めることができるレーザ干渉型測定装置及びレーザ干渉型測定方法を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のレーザ光干渉型測定方法は、上記の課題を解決するために、円筒形状の被測定物を支持し、被測定物を円周方向に回転可能な支持手段と、上記被測定物の表面からの距離が変化する方向に移動可能な遮光手段と、上記被測定物の表面と上記遮光手段との間に形成された隙間にレーザ光を出射するレーザ光出射手段と、上記隙間を通過したレーザ光の干渉縞を測定する受光素子とを備えている。
【００１３】
上記の構成により、被測定物の円筒側面の周方向に沿った表面プロファイルを容易に測定することができる。このため、当該表面プロファイルを測定した円筒側面を含んだ二次元面内において、主応力の働く方向を非破壊的に、且つ精度よく求めることができる。例えば、ボーリングにより得られた岩石コアを被測定物とする場合には、本発明のレーザ干渉型測定装置によれば、もとの位置における最大主応力以外の力の影響から独立して、水平面内の最大主応力のみを評価することが可能である。このため、被測定物である岩石コアが、もとの位置（地中）にある状態における負荷状態の測定の正確性及び信頼性を飛躍的に向上させることができる。
【００１４】
すなわち、岩石コアの測定において、本発明のレーザ干渉型測定装置を用いることによって、地中における応力の主軸の角度及び相対的な応力の値が得られる。このような、地殻における応力の蓄積過程および状況の調査は、地震発生場の様子を推定するために非常に有効である。これは、従来、地震予知研究の進展に関する一つの大きな課題であった点であり、応力場の正確な推定により、地震予知研究の可能性を大きく飛躍させることができる。さらに、災害予測に限らず、地殻における応力分布を測定することは、鉱山や油田等の資源採掘において、必要な情報を得る手段としても非常に有効である。
【００１５】
なお、本発明において「円周方向」とは、円筒形状の被測定物の中心軸を、略中心とした回転の方向をいう。また、上記支持手段は、モータ等により構成される駆動手段により回転されるものであることが好ましいが、レーザ干渉型測定装置の操作者の力により回転されるものであってもよい。
【００１６】
また、本発明によれは、被測定物を破壊せずに測定することができるから、同一物を測定試料として用いた他の物性試験を実施し、種々の情報を得ることが可能である。これにより、岩石コアが地中において受ける圧力をより精緻に評価することができる。
【００１７】
また、本発明のレーザ干渉型測定装置は、真空空間やクリーンルームなどの特殊空間を必要としないから、測定場所に関する制約がない。このため、上述した岩石コアの形状をボーリング現場において測定して、地殻応力を評価する用途に好適である。なお、本発明のレーザ干渉型測定装置は、上記の用途以外にも、機械加工現場において加工品の形状を測定し、評価する用途などにも用いることができる。
【００１８】
本発明のレーザ干渉型測定装置は、上記の支持手段の回転に応じて、上記隙間の大きさが所定の範囲内になるように、上記遮光手段の位置を制御する隙間制御手段をさらに備えていることが好ましい。この構成によれば、上記隙間が上記受光素子によりレーザ光の干渉縞を観測するために適した大きさとなるように自動的に制御することができる。
【００１９】
また、本発明のレーザ干渉型測定装置は、上記遮光手段の位置及び上記干渉縞の測定結果を記録する記録手段と、当該記録手段の測定結果に基づいて被測定物の形状変化を求める計算手段とを備えていることが好ましい。
【００２０】
上記の構成によれば、複数回の測定で得られた測定結果を記録手段に記録し、当該測定結果を時系列に沿って比較することができるから、計算手段により被測定物の形状変化を求めることができる。このため、本発明のレーザ干渉型測定装置によれば、岩石コアが取り出された後の形状変化を用いて、地殻中における岩石コアに作用する応力の方向や大きさを推定することができる。
【００２１】
本発明のレーザ光干渉型測定方法は、上記の課題を解決するために、円筒形状の被測定物の形状を測定する方法であって、光遮断手段と被測定物表面との間に所定の大きさの隙間を形成する隙間形成ステップと、隙間を通過するようにレーザ光を照射するレーザ光照射ステップと、隙間を通過したレーザ光の干渉縞を測定する干渉縞測定ステップとを含むことを特徴としている。
【００２２】
上記の構成によれば、被測定物側面の円周に沿った複数の点において、干渉縞を測定することができるから、被測定物に接触することなく外周面に沿った多くの点の測定結果を得ることができる。このため、本発明のレーザ干渉型測定方法によれば、例えば、地殻中における岩石コアに作用する応力の方向を高い精度で推定することができる。
【００２３】
また、ボーリングにより切り出された岩石コアを被測定物とする場合、岩石コアが地中に位置している状態において同一水平面に位置していた、被測定物表面上の複数の点において上記レーザ光の干渉縞を測定し、当該複数の点における測定結果に基づいて、地中において岩石コアに働く主応力を推定する主応力推定ステップをさらに含むことが好ましい。
【００２４】
上記の構成によれば、地中における岩石コアの同一水平面に位置する複数の点から、岩石コアの情報を得ることができる。ボーリング孔等から取り出された円筒状の岩石コアは、地上の常圧下に置かれると、瞬間的な膨張の後、時間のオーダーで膨張しつづけるが、時系列の測定を行うことにより同一水平面の膨張を追跡できる。これによって、地中において岩石コアに働いていた（作用していた）主応力の方向や大きさを推定することが可能となる。なお、上記推定方法としては、測定された複数の点により形成される楕円を近似式によって求める方法を挙げることができる。これによれば、長軸の方向が主応力軸を示しており、長軸と短軸との比が偏差応力の程度を示しているものと推定することができる。
【００２５】
また、本発明は、コンピュータに本発明のレーザ干渉型測定方法を実行させるためのプログラム、又は当該プログラムが記録されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体として構成することもできる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明のレーザ干渉型測定装置は、以上のように、被測定物を円周方向に回転可能な支持手段と、上記被測定物の表面からの距離が変化する方向に移動可能な遮光手段と、上記被測定物の表面と上記遮光手段との間に形成された隙間にレーザ光を出射するレーザ光出射手段と、上記隙間を通過したレーザ光の干渉縞を測定する受光素子とを備えている。このため、被測定物の円筒側面の周方向に沿った表面プロファイルを容易に測定できるから、当該表面プロファイルを測定した二次元面内の主応力が働く方向を非破壊的に、且つ精度よく求めることが可能になるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
〔測定装置〕
本発明の実施の一形態としてのレーザ干渉型測定装置について、図面に基づいて以下に説明する。
【００２８】
図１は、本実施の形態のレーザ干渉型測定装置１０の概略構成を示す図であり、同図に示すように、本発明のレーザ干渉型測定装置１０は、円筒形状の岩石コア（被測定物）１１を円周方向に回転可能に支持するサンプルホルダ（支持手段）１２と、岩石コア１１の半径方向に移動可能なナイフエッジ（遮光手段）１３と、岩石コア１１の側面とナイフエッジ１２の端部と間のスリット（隙間）１４にレーザ光を出射するレーザ光源（レーザ光出射手段）１５と、スリット１４を通過したレーザ光の干渉縞を測定するＣＣＤ（Charge-Coupled Device、受光素子）１６と、サンプルホルダ１２を回転駆動させるためのモータ１７と、スリット１４の幅（大きさ）が所定の範囲内になるようにナイフ・エッジ１３の位置を岩石コア１１の半径方向に移動させることにより制御すると共に、当該ナイフ・エッジ１３の位置及びＣＣＤ１６により測定された干渉縞の測定結果を、記録媒体１８に記録するラップトップコンピュータ（隙間制御手段、計算手段、記録手段）１９と、ＣＣＤ１６により検出された干渉縞の情報をラップトップコンピュータ（以下、適宜「ラップトップ」という）１９に送信する信号経路に設けられた、信号増幅器及びＡ／Ｄ変換器を備えた信号変換手段２０とを備えている。なお、本実施の形態のレーザ干渉型測定装置１０においては、スリット１４の位置の制御とＣＣＤ１６からの信号の記録とを、いずれもラップトップ１９で行っているが、これらを別々の手段を用いて行う構成としてもよい。また、記録媒体１８としては、例えば、ＰＣＭＣＩＡ型の記憶媒体等を用いることができるが、これ以外の汎用されている記録媒体（ハードディスク等）を用いても良い。
【００２９】
以上のように、本実施の形態のレーザ干渉型測定装置１０は、本体に岩石コア１１が取り付けられたサンプルホルダ１２を装着しており、制御用ノートパソコン等のラップトップコンピュータ１９を用いて制御及び測定を行うものである。また、本実施の形態のレーザ干渉型測定装置１０では、専用の冶具を用いて、被測定物である岩石コア１１のサンプルホルダ１２への取り付けを行う。
【００３０】
本実施の形態のレーザ干渉型測定装置１０は、測定を容易にするために，乾電池とバイク用バッテリーといった汎用かつ比較的低容量の持ち運び可能な電源で作動するように構成することが好ましい。すなわち、レーザ干渉型測定装置１０内部の駆動系およびセンサ類は、ＤＣ１２Ｖバイク用バッテリーで低消費電力量にて作動し、レーザー光源１５は単一乾電池２本（ＤＣ３Ｖ）にて作動するものであることが好ましい。
【００３１】
バイク用バッテリーは世界中どこでも容易に調達することができるから、例えば外国においてボーリングされた岩石コア１１をボーリング現場において測定する場合であっても、現地において調達することが可能であり非常に便利である。なお、レーザ干渉型測定装置１０を輸送する際には、すべてのバッテリー類を取り外すこととする。これにより、不要な時にレーザ干渉型測定装置１０が作動することを確実に防止できる。
【００３２】
本実施の形態のレーザ干渉型測定装置１０は、岩石コア１１の側面とナイフ・エッジ１３とにより形成されるスリット１４に対して、レーザ光源１５によりレーザ光を照射し、スリット１４を通過したレーザ光に生じた縞模様をＣＣＤ１６で受光し、当該縞模様からスリット１４の幅を求めるものである。すなわち、ナイフ・エッジ１３の位置と、ＣＣＤ１６の受光に基づいて求めたスリット１４の幅とから、岩石コア１１の表面の位置を決定することができるから、サンプルホルダ１２に固定された岩石コア１１をモータ１７で周方向に回転させることにより、岩石コア１１の側面一周プロファイル（輪郭）を測定することができる。
【００３３】
すなわち、スリット状の隙間を透過するレーザー光の干渉縞の谷幅は，光路長(Ｌ)、レーザー光波長(λ)、スリット幅（ａ）の函数（関数）として、谷幅＝λ×Ｌ／ａ で与えられるから、谷幅を測定することによりスリット幅を求めることができる。本実施の形態のレーザ干渉型測定装置１０は、この原理を応用し、岩石コア１１をナイフ・エッジ１３で挟み込み、ラップトップ１９により制御されたナイフ・エッジ１３の位置の座標値と、干渉縞の谷幅から得られるナイフ・エッジ１３と岩石コア１１との間に生じる隙間であるスリット１４の幅から、岩石コア１１の表面位置を求めるものである。そして岩石コア１１を回転させることにより、その側面の周状プロファイルを測定することができる。
【００３４】
図２は、上述したレーザ光の干渉によって生じた縞模様からスリット１４の幅を測定する原理について説明する図である。同図に示すように、岩石コア１１の表面とナイフ・エッジ１３の先端部との間の距離すなわちスリット幅１４をａ、レーザ光の光軸から岩石コア１１の表面までの距離をｘ、ＣＣＤ１６における任意の点Ｐとレーザ光の光軸との距離をｙ、スリット中のレーザ光の光軸が位置する点ＱとＣＣＤ１６上の点Ｐとを結ぶ直線と、レーザ光の光軸とがなす角をθとすると、点Ｐにおける合成波φｐは下記の式（１）で表される。
【００３５】
【数１】
【００３６】
ここで、ａ ｓｉｎθ＝ｍλ（ｍは任意の整数）の場合、φｐ＝０となるから、下記の式（２）を用いて、ＣＣＤ１６上においてφｐ＝０となる位置を示す各干渉縞の谷に基づいて、スリット１４の幅ａを求めることができる。
【００３７】
【数２】
【００３８】
なお、干渉縞を測定するには、例えばλ＝６３５ｎｍのレーザ光を出射するレーザ光源１５を用いる場合、スリット１４の幅ａが８００μｍ以下、好ましくは２００μｍ〜３００μｍ程度となるようにナイフ・エッジ１３の位置を制御することが好ましい。すなわち、岩石コア１１の表面からナイフ・エッジ１３の端部までの距離が上記範囲内になるように、モータ１７によるサンプルホルダ１２に支持されている岩石コア１１の回転に併せて、ナイフ・エッジ１３の位置をラップトップ１９によって制御する。なお、スリット１４の幅ａがＣＣＤ１６による干渉縞の測定に適した範囲内となるようにすればよいから、このナイフ・エッジ１３の位置の制御は、位置決め精度が十分に高ければ比較的粗いものであっても良い。
【００３９】
図３は、上記のようにして測定された干渉縞の例を示すグラフである。同図に示すような干渉縞の谷幅ｄに基づいて当該測定対象としたスリット１４の幅を求めることができる。このため、ナイフ・エッジ１３の位置と、測定により得られたスリット１４の幅とに基づいて、測定対象とした岩石コア１１の側面（表面）の正確な位置を求めることができる。
【００４０】
上記のようにして、岩石コア１１の側面を一周する側面一周のプロファイルが容易に得られるから、岩石コア１１を地中から取り出してボーリングから外した後、時系列に沿った測定をすることにより、時間の経過に伴う岩石コア１１の形状の変化を追跡することができる。また、測定を行なう上記側面一周が地中における岩石コア１１の同一水平面となるよう、側面一周のプロファイルを測定することも容易である。このため、レーザ干渉型測定装置１０によれば、地中において岩石コア１１に働いていた、水平面内主応力軸の方法を精度良く求めることが可能である。
【００４１】
また、レーザ光の干渉縞は、光が伝播する空間の不均質性（主に塵・埃などの散乱体の存在や、温度揺らぎによって生じる）に依存するが、依存の激しいレーザ光の強度値を測定に使用していないから、光の伝播する空間の環境変化に対する依存性はそれほど大きくない。このため、レーザ光の干渉縞を用いて得られたスリット１４の幅に基づいて岩石コア１１の側面一周プロファイルを測定する方法は、繰り返して行う測定に適しているといえる。
【００４２】
本実施の形態のレーザ干渉型測定装置１０の測定対象である岩石コア１１は、取り出された後時間が経過することに伴って変形するものである。このため、岩石コア１１の表面プロファイルの測定期間を通じて、岩石コア１１の芯を固定することはできない。そこで、本実施の形態のレーザ干渉型測定装置１０では、その直径が４０ｍｍ〜８５ｍｍ程度の岩石コア１１について測定する場合には、１ｍｍ以下の芯出し精度を要求しないこととし、側面一周を３６０度測定することにより、芯を固定できないことを補償している。
【００４３】
また、測定試料である岩石コア１１の上下端面は、ボーリング中に何らかの原因で自然に切断された状態もしくは岩石カッターを用いて切断された状態であり、きれいに成形されていないから、その端面を利用して岩石コア１１をサンプルホルダ１２に取り付けることができない。これに対して、本実施の形態のレーザ干渉型測定装置１０は、専用の冶具とクランプ帯またはエポキシ樹脂を用いて、岩石コア１１をサンプルホルダ１２に取り付けることができる。
【００４４】
なお、本発明は、略円筒形状のコアサンプルを任意に支持するサンプルホルダとそれを回転させる駆動装置と、サンプルホルダの回転に併せて、外周の変化に数１０ミクロン程度に粗く追従する光スリット駆動手段と、上記装置とコアサンプルとの隙間を光の干渉縞を利用して精密に非接触にて計測するレーザ光学系とを備え、これらがコンピュータにより制御されたレーザ干渉型測定装置として構成することも可能である。
【００４５】
続いて、本発明のレーザ干渉型測定装置を備えた測定システムの具体的な構成について、図４（ａ）（ｂ）に基づいて以下に説明する。図４（ａ）は、本発明のレーザ干渉型測定装置を備えて構成される測定システムの概略を示す上面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のシステムを同図中にＡ−Ａ’で示す矢印の方向からの矢視断面図である。本実施の形態の測定システムの説明においては、上記レーザ干渉型測定装置１０に関して説明した部材と同じ機能の部材には同じ番号を付し説明を省略する。
【００４６】
図４（ａ）に示すように、本実施の形態の測定システムの本体３０は、岩石コア１１、サンプルホルダ１２、ナイフ・エッジ１３、ＣＣＤ１６、反射ミラー３１ａ〜ｅ及び自動ステージ３２を備えている。同図には示されていないが、レーザ光源１５は、図４（ｂ）に示すとおり、反射ミラー３１ａにスリット１４を通過したレーザ光が到達する位置に設けられている。
【００４７】
本実施の形態の測定システムでは、反射ミラー３１ａ〜ｅを本体３０内部に配することにより、スリット１４を通過したレーザ光がＣＣＤ１６に到達するまでの光路長を維持しながら、本体３０の軽量化、コンパクト化を実現している。円筒形状の岩石コア１１について、横型（軸が水平方向となるよう）に取り付けを行うことにより、岩石コア１１を縦に取り付けを行うものに比して測定精度を向上させることができる。冶具を使用しての取り付け時において、岩石コア１１が横向きであることで、岩石コア１１の傾斜を防ぐことができる。また、自動ステージ３２によって、岩石コア１１の側面一周プロファイルの測定におけるナイフ・エッジ１３の位置を自動制御することにより、岩石コア１１の自動測定の測定間隔を、例えば１度程度にすることができる。これにより、岩石コア１１の側面のローカル（局所的）な凹凸による誤差の影響を軽減すること、岩石コア１１の芯ぶれ及び設置の傾斜を抑えて、より安定した測定を実現することができる。
【００４８】
なお、岩石コア１１のサンプルホルダ１２への固定は、接着剤を用いて行っても良い。また、説明の便宜上、図４（ａ）（ｂ）では、本体３０を外部から遮断するカバーが外された状態のものを示したが、測定時には外部の光が本体３０の内部に入らないようカバーで覆われる。また、本体３０及び当該カバーを断熱性が高く密閉度の高い構成とすれば、本体内部にヒータを設けることにより、測定時の温度を制御することが可能となる。
【００４９】
〔測定方法〕
上述したレーザ干渉型測定装置又は測定システムを用いれば、ナイフ・エッジ１３と岩石コア１１との間に所定の大きさのスリット１４を形成し（隙間形成ステップ）、当該スリット１４を通過するように、レーザ光源１５によりレーザ光を照射し（レーザ光照射ステップ）、スリット１４を通過したレーザ光の干渉縞をＣＣＤ１６により受光し（干渉縞測定ステップ）、当該受光した干渉縞に基づいて円筒形状の被測定物である岩石コア１１の形状を求めることができる。
【００５０】
また、上述したレーザ干渉型測定装置又は測定システムを用いれば、ボーリングにより切り出された岩石コア１１が地中に位置している状態において同一水平面に位置していた、岩石コア１１の側面上の複数の点において、レーザ光の干渉縞を測定すれば、当該複数の点における測定結果に基づいて、地中において岩石コア１１に働く主応力軸を精度良く推定すること（主応力推定ステップ）ができる。
【００５１】
以下に、上記説明したレーザ干渉型測定装置を用いて岩石コアの形状を測定する、測定手順の例を具体的に説明する。
【００５２】
〔測定手順〕
（１）ボーリング地点の走向と傾斜をクリノメーターにて測定し、基準方向を記録する。記録された地点から塊状の試料をハンマー等でたたいて取得し、現場の方位を記録する。なお、ここでハンマーを用いて取り出す試料は、測定に用いるボーリング孔からの岩石コアとは別のものである。
（２）岩石コアをサンプルホルダに取り付け（固定し）、必要であれば岩石コアの端部を切り落とす。岩石コアのサンプルホルダへ取り付けは、例えば、クランプ帯と冶具とを用いて行う。乾燥を防ぐために、岩石コアの測定に供しない部分を耐水性のテープを用いて覆っても良い。
（３）サンプルホルダをターンテーブルに載置し、約３００μｍのスリットを岩石コアの表面とナイフ・エッジとの間に形成する。ここで、ターンテーブルは、サンプルホルダを円周方向に回転可能に支持するものである。また、この測定手順においては、図４（ａ）（ｂ）に示した岩石コアの軸が水平方向とした状態での測定ではなく、軸が垂直方向となるようにして測定する場合について説明する。ノート型コンピュータによりターンテーブルを回転させるモータをコントロールし、当該ノート型コンピュータに導入されたソフトウェアにより、ＣＣＤが受光した干渉縞を追跡測定（モニタ）し、記録する。
（４）測定される岩石コアの傾きに応じて、スリットを岩石コアの表面とナイフ・エッジとの間のスリット幅を決定する（すなわち、ナイフ・エッジの位置を決定する。）。ナイフエッジの自動ステージ上の位置を決定すると同時に、当該測定の岩石コアの回転開始位置をも特定し、これらをノートパソコンの記録媒体などに記録する。外部からの光の影響及び空気の透過率変化を防止するためにカバーを用いてサンプルホルダを覆う。
（５）岩石コアをその円周方向に所定角度回転させる毎に、スリット幅（スリット幅とナイフエッジの位置）を測定する。これらの測定は、特別なソフトウエアを用いて制御される。ＣＣＤセンサを移動させる際には、測定環境を変化させないように、小窓を開けておこなう。
（６）所定のスリット幅に設定し、数回の回転の後に、必要に応じてナイフ・エッジの位置を変化させる。ナイフ・エッジの位置の変化については、記録媒体などに確実に記録しておくこととする。また、ナイフ・エッジの位置を手動で変化させる場合、測定環境を変化させないように、小窓を開けておこなう。なお、移動時においては、必要に応じて補助灯を用いても良い。
（７）岩石コアを３６０度回転させて、その側面一周の測定を行なった後に、岩石コアをサンプルホルダから外し、岩石コアが乾燥したり、水を吸収したりすることを防ぐために、耐水性のシートで包む。
（８）上記した手順に沿って、上記した手順に沿って、ボーリング現場などで、岩石コアの形状の変化を、例えば、２〜８時間の間隔で２日間程度実施する。
【００５３】
以上説明した測定手順によって、掘り出された岩石コア側面を取り巻く円周の輪郭に関する情報を数時間毎に得ることができる。そして、当該得られた円周の輪郭は楕円近似して取扱うことができ、楕円近似により得られた楕円の長軸方向は、地中に存在していた状態における岩石コアの水平面内最大主応力の方向を示している。そして、楕円近似された輪郭の長軸と短軸との比は、偏差応力の程度を示している。
【００５４】
また、近似により得られた楕円の長軸と、被測定物である岩石コアの直径（すなわち地中に存在しているときの直径）との比は、地中において岩石コアに加えられている絶対的な圧力の程度を示している。上記の結果と他の圧力測定の結果とを組み合わせることにより、岩石コアが地中において受けている圧力に関し、信頼性の高い情報を得ることができる。
【００５５】
〔本測定方法において、被測定物であるコア試料に要求される条件）
被測定物とした岩石コアは測定に用いられる装置の仕様に応じた長さにすればよいが、適当なサイズの岩石コアがない場合には、適当な長さに切断する必要がある。なお、このように切断する必要がある場合には、岩石コアの上端又は下端は、研磨・成形されていなくても良い。また、本測定方法によれば、被測定物の側面の一部分にエポキシ樹脂を塗布して、サンプルホルダに固定することはあるが、本測定方法と同様の原理に基づく応力測定手法であるＡＳＲ法等の従来の方法とは異なり、コア表面にはセンサを接着する必要がない。
【００５６】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例１】
【００５７】
〔ピンホール直径の測定〕
本発明のレーザ干渉型測定装置を用いて、加工精度±５μｍの直径１００μｍのピンホールにレーザー光を照射して直径を測定した。その結果、測定結果として、９４μｍ及び９６μｍという値が得られた。このように、本発明のレーザ干渉型測定装置を用いた測定により得られた値は、ピンホールの加工精度以内のものであった。したがって、本発明のレーザ干渉型測定装置による測定の精度は非常に高いものであることを確認することができた。なお、本実施例においては、レーザ光源としてλ＝６３５ｎｍのものを用いた。
【００５８】
〔南アフリカの金鉱山での測定結果〕
本発明のレーザ干渉型測定装置を用いて、南アフリカの金鉱山において岩石コアの形状を測定した。ボーリング・サイトが地下２．９ｋｍという厳しい環境であったため、地表の屋内での測定のみを行った。当該測定により得られた岩石コアの表面プロファイルを図５に示す。岩石コアは、直径約４２mmであり、破砕された部分のすぐ近くから取得された。そのため、残留ひずみの解放は期待できず、ほぼ無変形の結果が得られることが期待された。同図に実線で示した円周が無変形の状態を示したものであり、点で示したものが、岩石コア回収後３時間後から２１時間後までの変形量を示したものである。すなわち、実線の円周よりも点が内側にあればその方向にコアが収縮したことを、外側にあればその方向にコアが膨張したことを意味する。同図に示されるように、コアの直径４２mmに対し４０μｍ以内の変形しか得られず、コアが変形しなかったとすると、サイト条件の悪い中、ひずみにして１０−３程度の精度があることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明のレーザ干渉型測定装置及びレーザ干渉型測定方法は、地殻に働いている応力測定に好適に用いることができ、当該応力を測定することは、地震予知、火山噴火予知などの防災のみならず、鉱脈や油田開発における地質調査においても有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施の一形態であるレーザ干渉型測定装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１のレーザ干渉型測定装置による、岩石コアの表面プロファイル（表面状態）の測定原理について説明する図である。
【図３】図１のレーザ干渉型測定装置により測定された干渉縞の例を示すグラフである。
【図４】本発明のレーザ干渉型測定装置を備えて構成される測定システムの概略構成を示す図であり、（ａ）は上面図を示し、（ｂ）は（ａ）中にＡ−Ａ’で示す矢印の方向からの矢視断面図を示している。
【図５】南アフリカ金鉱山での測定された岩石コアの側面一周プロファイルについて、回収３時間後から２１時間後までの変化をプロットした図である。
【符号の説明】
【００６１】
１０ レーザ干渉型測定装置
１１ 岩石コア（被測定物）
１２ サンプルホルダ（支持手段）
１３ ナイフ・エッジ（遮光手段）
１４ スリット（隙間）
１５ レーザ光源（レーザ光出射手段）
１６ ＣＣＤ（受光素子）
１７ モータ
１８ 記録媒体（記録手段）
１９ ラップトップコンピュータ（隙間制御手段、計算手段、記録手段）
２０ 信号変換手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円筒形状の被測定物の形状を測定するレーザ干渉型測定装置及びレーザ干渉型測定方法に関するものであり、例えば、地表のボーリング・サイトにおける測定への利用が可能であり、岩石コア等の測定対象物の残留応力による変形の測定に好適に用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
地震などの不安定現象が発生する場の状態、特に応力場の状態を把握することは、不安定現象が発生する機構を解明する鍵の一つである。例えば、鉱山での安全な採掘を行うためには、掘削を行う岩盤に作用している応力の状態を掘削に先がけて測定することが重要である。これは、岩盤内の応力場が、鉱山地震をはじめとする地震等の不安定現象の発生場に対する、もっとも重要な制御パラメータの一つであるという理由による。
【０００３】
上述した応力場の状態を把握するには、ボーリング孔より回収された岩石コアの形状変化を正確に測定することが有効である。これは、当該回収された岩石コアにおける、岩石コアの残留応力の解放による非弾性変形が、地中において当該岩石コアに働いていた応力場の状態を反映したものであるという理由による。
【０００４】
円筒形状をした被測定物の形状を測定する方法としては、ＡＥ法、ＡＳＲ、ＤＳＣＡなどがあるが、これらの方法には、下記のように水平面内の最大主応力軸の決定精度が不十分であるという問題がある。
【０００５】
すなわち、岩石コアは、地下で作用していた応力値に達するまではAcoustic Emissionを発生させないという経験則に基づいて、載荷試験を実施し、応力値を測定する手法であるＡＥ（Acoustic Emission）法では、ひとつのコアに対し、載荷軸は円筒軸方向に制限されるため、応力軸の決定精度に欠ける。
【０００６】
ＡＳＲ（Anelastic Strain Recovery）法は、岩石コア表面に箔状のひずみゲージを貼り付け、残留ひずみの解放を測定するものである。ここで、貼り付けられるひずみゲージの枚数は、通常の岩石コアの場合６枚程度で、ひずみゲージ貼り付け位置の局所的なひずみに依存しやすい上、ひずみの主軸の決定精度に欠ける。
【０００７】
岩石コアには応力解放によって地下で作用していた応力の大きさに比例した微小亀裂が主応力軸に垂直に発生する。ＤＳＣＡ（Differential Strain Curve Analysis）法では、応力解放と逆のプロセスである等方圧試験を実施し、ひずみゲージによりひずみ測定をおこなう。そして、等方圧とひずみとの関係から亀裂閉塞時のひずみを計算し、主応力の比とその方向を求める。この手法においても、ＡＳＲ法と同様にひずみゲージを貼り付けて測定をおこなうため、ひずみゲージ貼り付け位置の局所的なひずみに依存しやすい上、ひずみの主軸の決定精度に欠ける。
【０００８】
また、円筒形状をした被測定物の形状を測定する従来の装置としては、円筒物を回転させながら被測定物の接線変位を３箇所で測定する装置（例えば、特許文献１参照）、被測定物表面の凹凸変位を光学干渉系で測定する装置（例えば、特許文献２参照）、被測定物である円筒体に対して所定距離だけ離間した位置に配された基準ポール部と円筒体との間隔をレーザ光線を照射して、両者の間隔を測定する装置（例えば、特許文献３参照）、被測定物にレーザを当てその断面外形を連続的に測定する装置（例えば、特許文献４参照）、被測定物の姿勢に関する精度などの制約を緩和すべく、被測定物の軸芯に対する外形測定器の角度を変えながら連続的な測定を行う装置（例えば、特許文献５参照）等が挙げられる。また、被測定物が筒形状体である場合に外径と内径とを測定する装置も提案されている（例えば、特許文献６〜７参照）。
【特許文献１】特開２０００−２４９５４０（２０００年９月１４日公開）
【特許文献２】特開平５−７１９３５（１９９３年３月２３日公開）
【特許文献３】特開２００２−３２３３０６（２００２年１１月８日公開）
【特許文献４】特開平７−１９８４０（１９９５年１月２０日公開）
【特許文献５】特開平６−２２９７２５（１９９４年８月１９日公開）
【特許文献６】特開平６−１７４４３３（１９９４年６月２４日公開）
【特許文献７】特開平７−１９０７３４（１９９５年７月２８日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、ＡＥ法、ＡＳＲ、ＤＳＣＡなどの歪みゲージを用いて岩石コアから地殻応力を推定する従来の手法では、歪みゲージを貼り付けたり、所定の定められた方向から荷重をかけたりする必要があるため、測定における変形自由度や、変形の主軸、すなわち岩盤に加えられていた応力の主軸に対する方位精度が不十分であるという問題があった。
【００１０】
また、ボーリング孔から取り出された円筒状の岩石コアのサンプルは、通常地上の常圧下に置かれると、瞬間的な膨張の後、時間のオーダーで膨張し続ける。このため、時系列的に膨張し続ける岩石コアの形状を測定するには、ボーリング現場にて使用可能であり、岩石コアの形状を簡単に測定できる装置であることが好ましい。しかしながら、上記特許文献に記載されている装置及び方法は、岩石コアの形状をボーリング現場において測定するための装置として適当ではなく、また、これらの装置及び方法によれば、地中における岩石コアの水平面内の最大主応力軸を精度良く求めることができないという問題点がある。
【００１１】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、円筒形状の被測定物の形状を素早く計測することが可能であり、例えば、被測定物として岩石コアを測定する場合には、水平面内の最大主応力軸を高い精度で求めることができるレーザ干渉型測定装置及びレーザ干渉型測定方法を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のレーザ光干渉型測定方法は、上記の課題を解決するために、円筒形状の被測定物を支持し、被測定物を円周方向に回転可能な支持手段と、上記被測定物の表面からの距離が変化する方向に移動可能な遮光手段と、上記被測定物の表面と上記遮光手段との間に形成された隙間にレーザ光を出射するレーザ光出射手段と、上記隙間を通過したレーザ光の干渉縞を測定する受光素子とを備えている。
【００１３】
上記の構成により、被測定物の円筒側面の周方向に沿った表面プロファイルを容易に測定することができる。このため、当該表面プロファイルを測定した円筒側面を含んだ二次元面内において、主応力の働く方向を非破壊的に、且つ精度よく求めることができる。例えば、ボーリングにより得られた岩石コアを被測定物とする場合には、本発明のレーザ干渉型測定装置によれば、もとの位置における最大主応力以外の力の影響から独立して、水平面内の最大主応力のみを評価することが可能である。このため、被測定物である岩石コアが、もとの位置（地中）にある状態における負荷状態の測定の正確性及び信頼性を飛躍的に向上させることができる。
【００１４】
すなわち、岩石コアの測定において、本発明のレーザ干渉型測定装置を用いることによって、地中における応力の主軸の角度及び相対的な応力の値が得られる。このような、地殻における応力の蓄積過程および状況の調査は、地震発生場の様子を推定するために非常に有効である。これは、従来、地震予知研究の進展に関する一つの大きな課題であった点であり、応力場の正確な推定により、地震予知研究の可能性を大きく飛躍させることができる。さらに、災害予測に限らず、地殻における応力分布を測定することは、鉱山や油田等の資源採掘において、必要な情報を得る手段としても非常に有効である。
【００１５】
なお、本発明において「円周方向」とは、円筒形状の被測定物の中心軸を、略中心とした回転の方向をいう。また、上記支持手段は、モータ等により構成される駆動手段により回転されるものであることが好ましいが、レーザ干渉型測定装置の操作者の力により回転されるものであってもよい。
【００１６】
また、本発明によれは、被測定物を破壊せずに測定することができるから、同一物を測定試料として用いた他の物性試験を実施し、種々の情報を得ることが可能である。これにより、岩石コアが地中において受ける圧力をより精緻に評価することができる。
【００１７】
また、本発明のレーザ干渉型測定装置は、真空空間やクリーンルームなどの特殊空間を必要としないから、測定場所に関する制約がない。このため、上述した岩石コアの形状をボーリング現場において測定して、地殻応力を評価する用途に好適である。なお、本発明のレーザ干渉型測定装置は、上記の用途以外にも、機械加工現場において加工品の形状を測定し、評価する用途などにも用いることができる。
【００１８】
本発明のレーザ干渉型測定装置は、上記の支持手段の回転に応じて、上記隙間の大きさが所定の範囲内になるように、上記遮光手段の位置を制御する隙間制御手段をさらに備えていることが好ましい。この構成によれば、上記隙間が上記受光素子によりレーザ光の干渉縞を観測するために適した大きさとなるように自動的に制御することができる。
【００１９】
また、本発明のレーザ干渉型測定装置は、上記遮光手段の位置及び上記干渉縞の測定結果を記録する記録手段と、当該記録手段の測定結果に基づいて被測定物の形状変化を求める計算手段とを備えていることが好ましい。
【００２０】
上記の構成によれば、複数回の測定で得られた測定結果を記録手段に記録し、当該測定結果を時系列に沿って比較することができるから、計算手段により被測定物の形状変化を求めることができる。このため、本発明のレーザ干渉型測定装置によれば、岩石コアが取り出された後の形状変化を用いて、地殻中における岩石コアに作用する応力の方向や大きさを推定することができる。
【００２１】
本発明のレーザ光干渉型測定方法は、上記の課題を解決するために、円筒形状の被測定物の形状を測定する方法であって、光遮断手段と被測定物表面との間に所定の大きさの隙間を形成する隙間形成ステップと、隙間を通過するようにレーザ光を照射するレーザ光照射ステップと、隙間を通過したレーザ光の干渉縞を測定する干渉縞測定ステップとを含むことを特徴としている。
【００２２】
上記の構成によれば、被測定物側面の円周に沿った複数の点において、干渉縞を測定することができるから、被測定物に接触することなく外周面に沿った多くの点の測定結果を得ることができる。このため、本発明のレーザ干渉型測定方法によれば、例えば、地殻中における岩石コアに作用する応力の方向を高い精度で推定することができる。
【００２３】
また、ボーリングにより切り出された岩石コアを被測定物とする場合、岩石コアが地中に位置している状態において同一水平面に位置していた、被測定物表面上の複数の点において上記レーザ光の干渉縞を測定し、当該複数の点における測定結果に基づいて、地中において岩石コアに働く主応力を推定する主応力推定ステップをさらに含むことが好ましい。
【００２４】
上記の構成によれば、地中における岩石コアの同一水平面に位置する複数の点から、岩石コアの情報を得ることができる。ボーリング孔等から取り出された円筒状の岩石コアは、地上の常圧下に置かれると、瞬間的な膨張の後、時間のオーダーで膨張しつづけるが、時系列の測定を行うことにより同一水平面の膨張を追跡できる。これによって、地中において岩石コアに働いていた（作用していた）主応力の方向や大きさを推定することが可能となる。なお、上記推定方法としては、測定された複数の点により形成される楕円を近似式によって求める方法を挙げることができる。これによれば、長軸の方向が主応力軸を示しており、長軸と短軸との比が偏差応力の程度を示しているものと推定することができる。
【００２５】
また、本発明は、コンピュータに本発明のレーザ干渉型測定方法を実行させるためのプログラム、又は当該プログラムが記録されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体として構成することもできる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明のレーザ干渉型測定装置は、以上のように、被測定物を円周方向に回転可能な支持手段と、上記被測定物の表面からの距離が変化する方向に移動可能な遮光手段と、上記被測定物の表面と上記遮光手段との間に形成された隙間にレーザ光を出射するレーザ光出射手段と、上記隙間を通過したレーザ光の干渉縞を測定する受光素子とを備えている。このため、被測定物の円筒側面の周方向に沿った表面プロファイルを容易に測定できるから、当該表面プロファイルを測定した二次元面内の主応力が働く方向を非破壊的に、且つ精度よく求めることが可能になるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
〔測定装置〕
本発明の実施の一形態としてのレーザ干渉型測定装置について、図面に基づいて以下に説明する。
【００２８】
図１は、本実施の形態のレーザ干渉型測定装置１０の概略構成を示す図であり、同図に示すように、本発明のレーザ干渉型測定装置１０は、円筒形状の岩石コア（被測定物）１１を円周方向に回転可能に支持するサンプルホルダ（支持手段）１２と、岩石コア１１の半径方向に移動可能なナイフエッジ（遮光手段）１３と、岩石コア１１の側面とナイフエッジ１２の端部と間のスリット（隙間）１４にレーザ光を出射するレーザ光源（レーザ光出射手段）１５と、スリット１４を通過したレーザ光の干渉縞を測定するＣＣＤ（Charge-Coupled Device、受光素子）１６と、サンプルホルダ１２を回転駆動させるためのモータ１７と、スリット１４の幅（大きさ）が所定の範囲内になるようにナイフ・エッジ１３の位置を岩石コア１１の半径方向に移動させることにより制御すると共に、当該ナイフ・エッジ１３の位置及びＣＣＤ１６により測定された干渉縞の測定結果を、記録媒体１８に記録するラップトップコンピュータ（隙間制御手段、計算手段、記録手段）１９と、ＣＣＤ１６により検出された干渉縞の情報をラップトップコンピュータ（以下、適宜「ラップトップ」という）１９に送信する信号経路に設けられた、信号増幅器及びＡ／Ｄ変換器を備えた信号変換手段２０とを備えている。なお、本実施の形態のレーザ干渉型測定装置１０においては、スリット１４の位置の制御とＣＣＤ１６からの信号の記録とを、いずれもラップトップ１９で行っているが、これらを別々の手段を用いて行う構成としてもよい。また、記録媒体１８としては、例えば、ＰＣＭＣＩＡ型の記憶媒体等を用いることができるが、これ以外の汎用されている記録媒体（ハードディスク等）を用いても良い。
【００２９】
以上のように、本実施の形態のレーザ干渉型測定装置１０は、本体に岩石コア１１が取り付けられたサンプルホルダ１２を装着しており、制御用ノートパソコン等のラップトップコンピュータ１９を用いて制御及び測定を行うものである。また、本実施の形態のレーザ干渉型測定装置１０では、専用の冶具を用いて、被測定物である岩石コア１１のサンプルホルダ１２への取り付けを行う。
【００３０】
本実施の形態のレーザ干渉型測定装置１０は、測定を容易にするために，乾電池とバイク用バッテリーといった汎用かつ比較的低容量の持ち運び可能な電源で作動するように構成することが好ましい。すなわち、レーザ干渉型測定装置１０内部の駆動系およびセンサ類は、ＤＣ１２Ｖバイク用バッテリーで低消費電力量にて作動し、レーザー光源１５は単一乾電池２本（ＤＣ３Ｖ）にて作動するものであることが好ましい。
【００３１】
バイク用バッテリーは世界中どこでも容易に調達することができるから、例えば外国においてボーリングされた岩石コア１１をボーリング現場において測定する場合であっても、現地において調達することが可能であり非常に便利である。なお、レーザ干渉型測定装置１０を輸送する際には、すべてのバッテリー類を取り外すこととする。これにより、不要な時にレーザ干渉型測定装置１０が作動することを確実に防止できる。
【００３２】
本実施の形態のレーザ干渉型測定装置１０は、岩石コア１１の側面とナイフ・エッジ１３とにより形成されるスリット１４に対して、レーザ光源１５によりレーザ光を照射し、スリット１４を通過したレーザ光に生じた縞模様をＣＣＤ１６で受光し、当該縞模様からスリット１４の幅を求めるものである。すなわち、ナイフ・エッジ１３の位置と、ＣＣＤ１６の受光に基づいて求めたスリット１４の幅とから、岩石コア１１の表面の位置を決定することができるから、サンプルホルダ１２に固定された岩石コア１１をモータ１７で周方向に回転させることにより、岩石コア１１の側面一周プロファイル（輪郭）を測定することができる。
【００３３】
すなわち、スリット状の隙間を透過するレーザー光の干渉縞の谷幅は，光路長(Ｌ)、レーザー光波長(λ)、スリット幅（ａ）の函数（関数）として、谷幅＝λ×Ｌ／ａ で与えられるから、谷幅を測定することによりスリット幅を求めることができる。本実施の形態のレーザ干渉型測定装置１０は、この原理を応用し、岩石コア１１をナイフ・エッジ１３で挟み込み、ラップトップ１９により制御されたナイフ・エッジ１３の位置の座標値と、干渉縞の谷幅から得られるナイフ・エッジ１３と岩石コア１１との間に生じる隙間であるスリット１４の幅から、岩石コア１１の表面位置を求めるものである。そして岩石コア１１を回転させることにより、その側面の周状プロファイルを測定することができる。
【００３４】
図２は、上述したレーザ光の干渉によって生じた縞模様からスリット１４の幅を測定する原理について説明する図である。同図に示すように、岩石コア１１の表面とナイフ・エッジ１３の先端部との間の距離すなわちスリット幅１４をａ、レーザ光の光軸から岩石コア１１の表面までの距離をｘ、ＣＣＤ１６における任意の点Ｐとレーザ光の光軸との距離をｙ、スリット中のレーザ光の光軸が位置する点ＱとＣＣＤ１６上の点Ｐとを結ぶ直線と、レーザ光の光軸とがなす角をθとすると、点Ｐにおける合成波φｐは下記の式（１）で表される。
【００３５】
【数１】
【００３６】
ここで、ａ ｓｉｎθ＝ｍλ（ｍは任意の整数）の場合、φｐ＝０となるから、下記の式（２）を用いて、ＣＣＤ１６上においてφｐ＝０となる位置を示す各干渉縞の谷に基づいて、スリット１４の幅ａを求めることができる。
【００３７】
【数２】
【００３８】
なお、干渉縞を測定するには、例えばλ＝６３５ｎｍのレーザ光を出射するレーザ光源１５を用いる場合、スリット１４の幅ａが８００μｍ以下、好ましくは２００μｍ〜３００μｍ程度となるようにナイフ・エッジ１３の位置を制御することが好ましい。すなわち、岩石コア１１の表面からナイフ・エッジ１３の端部までの距離が上記範囲内になるように、モータ１７によるサンプルホルダ１２に支持されている岩石コア１１の回転に併せて、ナイフ・エッジ１３の位置をラップトップ１９によって制御する。なお、スリット１４の幅ａがＣＣＤ１６による干渉縞の測定に適した範囲内となるようにすればよいから、このナイフ・エッジ１３の位置の制御は、位置決め精度が十分に高ければ比較的粗いものであっても良い。
【００３９】
図３は、上記のようにして測定された干渉縞の例を示すグラフである。同図に示すような干渉縞の谷幅ｄに基づいて当該測定対象としたスリット１４の幅を求めることができる。このため、ナイフ・エッジ１３の位置と、測定により得られたスリット１４の幅とに基づいて、測定対象とした岩石コア１１の側面（表面）の正確な位置を求めることができる。
【００４０】
上記のようにして、岩石コア１１の側面を一周する側面一周のプロファイルが容易に得られるから、岩石コア１１を地中から取り出してボーリングから外した後、時系列に沿った測定をすることにより、時間の経過に伴う岩石コア１１の形状の変化を追跡することができる。また、測定を行なう上記側面一周が地中における岩石コア１１の同一水平面となるよう、側面一周のプロファイルを測定することも容易である。このため、レーザ干渉型測定装置１０によれば、地中において岩石コア１１に働いていた、水平面内主応力軸の方法を精度良く求めることが可能である。
【００４１】
また、レーザ光の干渉縞は、光が伝播する空間の不均質性（主に塵・埃などの散乱体の存在や、温度揺らぎによって生じる）に依存するが、依存の激しいレーザ光の強度値を測定に使用していないから、光の伝播する空間の環境変化に対する依存性はそれほど大きくない。このため、レーザ光の干渉縞を用いて得られたスリット１４の幅に基づいて岩石コア１１の側面一周プロファイルを測定する方法は、繰り返して行う測定に適しているといえる。
【００４２】
本実施の形態のレーザ干渉型測定装置１０の測定対象である岩石コア１１は、取り出された後時間が経過することに伴って変形するものである。このため、岩石コア１１の表面プロファイルの測定期間を通じて、岩石コア１１の芯を固定することはできない。そこで、本実施の形態のレーザ干渉型測定装置１０では、その直径が４０ｍｍ〜８５ｍｍ程度の岩石コア１１について測定する場合には、１ｍｍ以下の芯出し精度を要求しないこととし、側面一周を３６０度測定することにより、芯を固定できないことを補償している。
【００４３】
また、測定試料である岩石コア１１の上下端面は、ボーリング中に何らかの原因で自然に切断された状態もしくは岩石カッターを用いて切断された状態であり、きれいに成形されていないから、その端面を利用して岩石コア１１をサンプルホルダ１２に取り付けることができない。これに対して、本実施の形態のレーザ干渉型測定装置１０は、専用の冶具とクランプ帯またはエポキシ樹脂を用いて、岩石コア１１をサンプルホルダ１２に取り付けることができる。
【００４４】
なお、本発明は、略円筒形状のコアサンプルを任意に支持するサンプルホルダとそれを回転させる駆動装置と、サンプルホルダの回転に併せて、外周の変化に数１０ミクロン程度に粗く追従する光スリット駆動手段と、上記装置とコアサンプルとの隙間を光の干渉縞を利用して精密に非接触にて計測するレーザ光学系とを備え、これらがコンピュータにより制御されたレーザ干渉型測定装置として構成することも可能である。
【００４５】
続いて、本発明のレーザ干渉型測定装置を備えた測定システムの具体的な構成について、図４（ａ）（ｂ）に基づいて以下に説明する。図４（ａ）は、本発明のレーザ干渉型測定装置を備えて構成される測定システムの概略を示す上面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のシステムを同図中にＡ−Ａ’で示す矢印の方向からの矢視断面図である。本実施の形態の測定システムの説明においては、上記レーザ干渉型測定装置１０に関して説明した部材と同じ機能の部材には同じ番号を付し説明を省略する。
【００４６】
図４（ａ）に示すように、本実施の形態の測定システムの本体３０は、岩石コア１１、サンプルホルダ１２、ナイフ・エッジ１３、ＣＣＤ１６、反射ミラー３１ａ〜ｅ及び自動ステージ３２を備えている。同図には示されていないが、レーザ光源１５は、図４（ｂ）に示すとおり、反射ミラー３１ａにスリット１４を通過したレーザ光が到達する位置に設けられている。
【００４７】
本実施の形態の測定システムでは、反射ミラー３１ａ〜ｅを本体３０内部に配することにより、スリット１４を通過したレーザ光がＣＣＤ１６に到達するまでの光路長を維持しながら、本体３０の軽量化、コンパクト化を実現している。円筒形状の岩石コア１１について、横型（軸が水平方向となるよう）に取り付けを行うことにより、岩石コア１１を縦に取り付けを行うものに比して測定精度を向上させることができる。冶具を使用しての取り付け時において、岩石コア１１が横向きであることで、岩石コア１１の傾斜を防ぐことができる。また、自動ステージ３２によって、岩石コア１１の側面一周プロファイルの測定におけるナイフ・エッジ１３の位置を自動制御することにより、岩石コア１１の自動測定の測定間隔を、例えば１度程度にすることができる。これにより、岩石コア１１の側面のローカル（局所的）な凹凸による誤差の影響を軽減すること、岩石コア１１の芯ぶれ及び設置の傾斜を抑えて、より安定した測定を実現することができる。
【００４８】
なお、岩石コア１１のサンプルホルダ１２への固定は、接着剤を用いて行っても良い。また、説明の便宜上、図４（ａ）（ｂ）では、本体３０を外部から遮断するカバーが外された状態のものを示したが、測定時には外部の光が本体３０の内部に入らないようカバーで覆われる。また、本体３０及び当該カバーを断熱性が高く密閉度の高い構成とすれば、本体内部にヒータを設けることにより、測定時の温度を制御することが可能となる。
【００４９】
〔測定方法〕
上述したレーザ干渉型測定装置又は測定システムを用いれば、ナイフ・エッジ１３と岩石コア１１との間に所定の大きさのスリット１４を形成し（隙間形成ステップ）、当該スリット１４を通過するように、レーザ光源１５によりレーザ光を照射し（レーザ光照射ステップ）、スリット１４を通過したレーザ光の干渉縞をＣＣＤ１６により受光し（干渉縞測定ステップ）、当該受光した干渉縞に基づいて円筒形状の被測定物である岩石コア１１の形状を求めることができる。
【００５０】
また、上述したレーザ干渉型測定装置又は測定システムを用いれば、ボーリングにより切り出された岩石コア１１が地中に位置している状態において同一水平面に位置していた、岩石コア１１の側面上の複数の点において、レーザ光の干渉縞を測定すれば、当該複数の点における測定結果に基づいて、地中において岩石コア１１に働く主応力軸を精度良く推定すること（主応力推定ステップ）ができる。
【００５１】
以下に、上記説明したレーザ干渉型測定装置を用いて岩石コアの形状を測定する、測定手順の例を具体的に説明する。
【００５２】
〔測定手順〕
（１）ボーリング地点の走向と傾斜をクリノメーターにて測定し、基準方向を記録する。記録された地点から塊状の試料をハンマー等でたたいて取得し、現場の方位を記録する。なお、ここでハンマーを用いて取り出す試料は、測定に用いるボーリング孔からの岩石コアとは別のものである。
（２）岩石コアをサンプルホルダに取り付け（固定し）、必要であれば岩石コアの端部を切り落とす。岩石コアのサンプルホルダへ取り付けは、例えば、クランプ帯と冶具とを用いて行う。乾燥を防ぐために、岩石コアの測定に供しない部分を耐水性のテープを用いて覆っても良い。
（３）サンプルホルダをターンテーブルに載置し、約３００μｍのスリットを岩石コアの表面とナイフ・エッジとの間に形成する。ここで、ターンテーブルは、サンプルホルダを円周方向に回転可能に支持するものである。また、この測定手順においては、図４（ａ）（ｂ）に示した岩石コアの軸が水平方向とした状態での測定ではなく、軸が垂直方向となるようにして測定する場合について説明する。ノート型コンピュータによりターンテーブルを回転させるモータをコントロールし、当該ノート型コンピュータに導入されたソフトウェアにより、ＣＣＤが受光した干渉縞を追跡測定（モニタ）し、記録する。
（４）測定される岩石コアの傾きに応じて、スリットを岩石コアの表面とナイフ・エッジとの間のスリット幅を決定する（すなわち、ナイフ・エッジの位置を決定する。）。ナイフエッジの自動ステージ上の位置を決定すると同時に、当該測定の岩石コアの回転開始位置をも特定し、これらをノートパソコンの記録媒体などに記録する。外部からの光の影響及び空気の透過率変化を防止するためにカバーを用いてサンプルホルダを覆う。
（５）岩石コアをその円周方向に所定角度回転させる毎に、スリット幅（スリット幅とナイフエッジの位置）を測定する。これらの測定は、特別なソフトウエアを用いて制御される。ＣＣＤセンサを移動させる際には、測定環境を変化させないように、小窓を開けておこなう。
（６）所定のスリット幅に設定し、数回の回転の後に、必要に応じてナイフ・エッジの位置を変化させる。ナイフ・エッジの位置の変化については、記録媒体などに確実に記録しておくこととする。また、ナイフ・エッジの位置を手動で変化させる場合、測定環境を変化させないように、小窓を開けておこなう。なお、移動時においては、必要に応じて補助灯を用いても良い。
（７）岩石コアを３６０度回転させて、その側面一周の測定を行なった後に、岩石コアをサンプルホルダから外し、岩石コアが乾燥したり、水を吸収したりすることを防ぐために、耐水性のシートで包む。
（８）上記した手順に沿って、上記した手順に沿って、ボーリング現場などで、岩石コアの形状の変化を、例えば、２〜８時間の間隔で２日間程度実施する。
【００５３】
以上説明した測定手順によって、掘り出された岩石コア側面を取り巻く円周の輪郭に関する情報を数時間毎に得ることができる。そして、当該得られた円周の輪郭は楕円近似して取扱うことができ、楕円近似により得られた楕円の長軸方向は、地中に存在していた状態における岩石コアの水平面内最大主応力の方向を示している。そして、楕円近似された輪郭の長軸と短軸との比は、偏差応力の程度を示している。
【００５４】
また、近似により得られた楕円の長軸と、被測定物である岩石コアの直径（すなわち地中に存在しているときの直径）との比は、地中において岩石コアに加えられている絶対的な圧力の程度を示している。上記の結果と他の圧力測定の結果とを組み合わせることにより、岩石コアが地中において受けている圧力に関し、信頼性の高い情報を得ることができる。
【００５５】
〔本測定方法において、被測定物であるコア試料に要求される条件）
被測定物とした岩石コアは測定に用いられる装置の仕様に応じた長さにすればよいが、適当なサイズの岩石コアがない場合には、適当な長さに切断する必要がある。なお、このように切断する必要がある場合には、岩石コアの上端又は下端は、研磨・成形されていなくても良い。また、本測定方法によれば、被測定物の側面の一部分にエポキシ樹脂を塗布して、サンプルホルダに固定することはあるが、本測定方法と同様の原理に基づく応力測定手法であるＡＳＲ法等の従来の方法とは異なり、コア表面にはセンサを接着する必要がない。
【００５６】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例１】
【００５７】
〔ピンホール直径の測定〕
本発明のレーザ干渉型測定装置を用いて、加工精度±５μｍの直径１００μｍのピンホールにレーザー光を照射して直径を測定した。その結果、測定結果として、９４μｍ及び９６μｍという値が得られた。このように、本発明のレーザ干渉型測定装置を用いた測定により得られた値は、ピンホールの加工精度以内のものであった。したがって、本発明のレーザ干渉型測定装置による測定の精度は非常に高いものであることを確認することができた。なお、本実施例においては、レーザ光源としてλ＝６３５ｎｍのものを用いた。
【００５８】
〔南アフリカの金鉱山での測定結果〕
本発明のレーザ干渉型測定装置を用いて、南アフリカの金鉱山において岩石コアの形状を測定した。ボーリング・サイトが地下２．９ｋｍという厳しい環境であったため、地表の屋内での測定のみを行った。当該測定により得られた岩石コアの表面プロファイルを図５に示す。岩石コアは、直径約４２mmであり、破砕された部分のすぐ近くから取得された。そのため、残留ひずみの解放は期待できず、ほぼ無変形の結果が得られることが期待された。同図に実線で示した円周が無変形の状態を示したものであり、点で示したものが、岩石コア回収後３時間後から２１時間後までの変形量を示したものである。すなわち、実線の円周よりも点が内側にあればその方向にコアが収縮したことを、外側にあればその方向にコアが膨張したことを意味する。同図に示されるように、コアの直径４２mmに対し４０μｍ以内の変形しか得られず、コアが変形しなかったとすると、サイト条件の悪い中、ひずみにして１０−３程度の精度があることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明のレーザ干渉型測定装置及びレーザ干渉型測定方法は、地殻に働いている応力測定に好適に用いることができ、当該応力を測定することは、地震予知、火山噴火予知などの防災のみならず、鉱脈や油田開発における地質調査においても有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施の一形態であるレーザ干渉型測定装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１のレーザ干渉型測定装置による、岩石コアの表面プロファイル（表面状態）の測定原理について説明する図である。
【図３】図１のレーザ干渉型測定装置により測定された干渉縞の例を示すグラフである。
【図４】本発明のレーザ干渉型測定装置を備えて構成される測定システムの概略構成を示す図であり、（ａ）は上面図を示し、（ｂ）は（ａ）中にＡ−Ａ’で示す矢印の方向からの矢視断面図を示している。
【図５】南アフリカ金鉱山での測定された岩石コアの側面一周プロファイルについて、回収３時間後から２１時間後までの変化をプロットした図である。
【符号の説明】
【００６１】
１０ レーザ干渉型測定装置
１１ 岩石コア（被測定物）
１２ サンプルホルダ（支持手段）
１３ ナイフ・エッジ（遮光手段）
１４ スリット（隙間）
１５ レーザ光源（レーザ光出射手段）
１６ ＣＣＤ（受光素子）
１７ モータ
１８ 記録媒体（記録手段）
１９ ラップトップコンピュータ（隙間制御手段、計算手段、記録手段）
２０ 信号変換手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形状の被測定物を支持し、被測定物を円周方向に回転可能な支持手段と、
上記被測定物の表面からの距離が変化する方向に移動可能な遮光手段と
上記被測定物の表面と上記遮光手段との間に形成された隙間にレーザ光を出射するレーザ光出射手段と、
上記隙間を通過したレーザ光の干渉縞を測定する受光素子とを備えていることを特徴とするレーザ干渉型測定装置。
【請求項２】
上記の支持手段の回転に応じて、上記隙間の大きさが所定の範囲内になるように、上記遮光手段の位置を制御する隙間制御手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ干渉型測定装置。
【請求項３】
上記遮光手段の位置及び上記干渉縞の測定結果を記録する記録手段と、
当該記録手段の測定結果に基づいて被測定物の形状変化を求める計算手段とを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ干渉型測定装置。
【請求項４】
円筒形状の被測定物の形状を測定する方法であって、
光遮断手段と被測定物表面との間に所定の大きさの隙間を形成する隙間形成ステップと、
隙間を通過するようにレーザ光を照射するレーザ光照射ステップと、
隙間を通過したレーザ光の干渉縞を測定する干渉縞測定ステップとを含むことを特徴するレーザ光干渉型測定方法。
【請求項５】
ボーリングにより切り出された岩石コアを上記被測定物とし、
岩石コアが地中に位置している状態において同一水平面に位置していた、被測定物表面上の複数の点において上記レーザ光の干渉縞を測定し、
当該複数の点における測定結果に基づいて、地中において岩石コアに働く主応力を推定する主応力推定ステップをさらに含むことを特徴とする請求項４に記載のレーザ光干渉型測定方法。
【請求項１】
円筒形状の被測定物を支持し、被測定物を円周方向に回転可能な支持手段と、
上記被測定物の表面からの距離が変化する方向に移動可能な遮光手段と
上記被測定物の表面と上記遮光手段との間に形成された隙間にレーザ光を出射するレーザ光出射手段と、
上記隙間を通過したレーザ光の干渉縞を測定する受光素子とを備えていることを特徴とするレーザ干渉型測定装置。
【請求項２】
上記の支持手段の回転に応じて、上記隙間の大きさが所定の範囲内になるように、上記遮光手段の位置を制御する隙間制御手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ干渉型測定装置。
【請求項３】
上記遮光手段の位置及び上記干渉縞の測定結果を記録する記録手段と、
当該記録手段の測定結果に基づいて被測定物の形状変化を求める計算手段とを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ干渉型測定装置。
【請求項４】
円筒形状の被測定物の形状を測定する方法であって、
光遮断手段と被測定物表面との間に所定の大きさの隙間を形成する隙間形成ステップと、
隙間を通過するようにレーザ光を照射するレーザ光照射ステップと、
隙間を通過したレーザ光の干渉縞を測定する干渉縞測定ステップとを含むことを特徴するレーザ光干渉型測定方法。
【請求項５】
ボーリングにより切り出された岩石コアを上記被測定物とし、
岩石コアが地中に位置している状態において同一水平面に位置していた、被測定物表面上の複数の点において上記レーザ光の干渉縞を測定し、
当該複数の点における測定結果に基づいて、地中において岩石コアに働く主応力を推定する主応力推定ステップをさらに含むことを特徴とする請求項４に記載のレーザ光干渉型測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−５８１２１（Ｐ２００６−５８１２１Ａ）
【公開日】平成１８年３月２日（２００６．３．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２３９７００（Ｐ２００４−２３９７００）
【出願日】平成１６年８月１９日（２００４．８．１９）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１６年２月２０日 京都大学主催の「京都大学防災研究所研究発表講演会」において文書をもって発表
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００４年５月９日、１３日 地球惑星科学合同大会運営機構主催の「地球惑星科学関連学会２００４年合同大会」において文書をもって発表
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月２日（２００６．３．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月１９日（２００４．８．１９）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１６年２月２０日 京都大学主催の「京都大学防災研究所研究発表講演会」において文書をもって発表
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００４年５月９日、１３日 地球惑星科学合同大会運営機構主催の「地球惑星科学関連学会２００４年合同大会」において文書をもって発表
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【Ｆターム（参考）】
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