JP2015192115A - スクライブ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】丸断面形状を有する溝加工ツールを効率的に用いることができるとともに、ツールの使用寿命を延ばすことができるスクライブ装置を提供する。【解決手段】ツールホルダ１２を介して溝加工ツール８を保持するスクライブヘッド１０と、基板Ｗを載置するテーブル１とを備え、スクライブヘッド１０を太陽電池基板Ｗに対して相対的に移動させることにより、溝加工ツール８の刃先で太陽電池基板Ｗ表面に溝を加工するスクライブ装置であって、溝加工ツール８は、棒状のボディ８１と、ボディ８１下部に形成された先細り状のテーパ部８２と、テーパ部８２の先端部又はテーパ部８２に連なる円柱部３１先端の底面８３角部に形成された刃先８４とを備え、溝加工ツール８が、当該ツールの軸心周囲で所望の角度だけ回転可能にスクライブヘッド１０に保持される構成とする。【選択図】図２

Description

本発明は、カルコパイライト化合物やテルル化カドミウムなどを用いた化合物系等の集積型薄膜太陽電池を製造する際に用いられる溝加工ツール並びにこの溝加工ツールを取り付けたスクライブ装置に関する。
ここで、カルコパイライト化合物とは、ＣＩＧＳ（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２）の他に、ＣＩＧＳＳ（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）_２）、ＣＩＳ（ＣｕＩｎＳ_２）等が含まれる。

化合物半導体を光吸収層として用いる薄膜太陽電池においては、基板上に複数のユニットセルを直列接続した集積型構造が一般的である。

従来のカルコパイライト化合物系集積型薄膜太陽電池の製造方法について説明する。図８は、ＣＩＧＳ薄膜太陽電池の製造工程を示す模式図である。まず、図８（ａ）に示すように、ソーダライムガラス（ＳＬＧ）等からなる絶縁基板２１上に、プラス側の下部電極となるＭｏ電極層２２をスパッタリング法によって形成した後、スクライブ加工により下部電極分離用の溝Ｐ１を形成する。

その後、図８（ｂ）に示すように、Ｍｏ電極層２２上に、化合物半導体（ＣＩＧＳ）薄膜からなる光吸収層２３を積層して、その上に、ヘテロ接合のためのＺｎＳ薄膜等からなるバッファ層２４を形成し、さらにその上に、ＺｎＯ薄膜からなる絶縁層２５を形成する。そして、下部電極分離用の溝Ｐ１から横方向に所定距離離隔した位置に、スクライブ加工によりＭｏ電極層２２にまで到達する電極間コンタクト用の溝Ｐ２を形成する。

続いて、図８（ｃ）に示すように、絶縁層２５の上からＺｎＯ：ＡＩ薄膜からなる上部電極としての透明電極層２６を形成し、スクライブ加工により下部のＭｏ電極層２２にまで到達する電極分離用の溝Ｐ３を形成する。

上述した集積型薄膜太陽電池を製造する工程において、電極分離用の溝Ｐ２およびＰ３をスクライブにより溝加工する技術として、レーザスクライブ法とメカニカルスクライブ法が用いられてきた。

レーザスクライブ法は、例えば特許文献１で開示されているように、アークランプ等の連続放電ランプによって、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶を励起して発信したレーザ光を照射することにより電極分離用の溝を形成するものであるが、スクライブ時にレーザ光の熱によって光吸収層２３の光電変換特性が劣化するおそれがあった。

また、メカニカルスクライブ法は、例えば特許文献２および特許文献３で開示されているように、先端が先細り状となった溝加工ツールの刃先を、所定の圧力をかけて基板に押しつけながら移動させることによって、電極分離用の溝を加工する技術である。現在ではこのメカニカルスクライブ法が多く行われている。

特開平１１−３１２８１５号公報 特開２００２−０９４０８９号公報 特開２００４−１１５３５６号公報

メカニカルスクライブ法で用いられる溝加工ツールは、一般的には安いコストで、かつ高精度に仕上げることのできる旋盤を使用した丸断面形状のものが多い。このような丸断面形状の溝加工ツールとして、図９（ａ）に示すような、棒状のボディ２７の下方を先細り状の円錐台形のテーパ部２８としてその先端を水平にカットし、水平な底面２９の角部３０を刃先としたものが特許文献２、３で開示されている。
また、加工される溝の左右側壁の平行度を精密に仕上げるために、図９（ｂ）に示すような、テーパ部２８の下部に上下均等な直径の円柱部３１を形成し、その先端角部３２を刃先としたものがある。ツール先端の水平な底面２９は、溝加工の際に鋭利な刃先先端とすることによってＭｏ電極層を傷つけないようにするために設けられたものである。

この溝加工ツールを、薄膜太陽電池基板から離れないように一定の圧力で押しつけながら、スクライブ予定ラインに沿って相対的に移動させて溝加工を行うのであるが、被加工面の凹凸で溝加工ツールは慣性力による上下方向の力を受けてバウンドするため、それを抑えるためには一定の押圧力、例えば０．５Ｎ以上の力が必要となる。
しかし、溝加工ツールの刃先を上記の押圧力で薄膜太陽電池に押しつけながら使用していると、図１０（ａ）の新品の状態から、加工溝の深さｈに相当する刃先部分の左右周面が太陽電池基板の膜との接触によって摩耗し、図１０（ｂ）に示すように、刃先の左右幅が小さくなるとともに切れ味が劣化する。刃先先端部の左右幅が小さくなると、加工される溝幅が狭くなって規定された寸法の溝を精度よく加工することができず、図８の電極分離用の溝Ｐ２、Ｐ３では充分な絶縁効果が得られない場合も発生する。また、刃先の切れ味が劣化すると、溝をきれいに加工することができないだけでなく、一部の薄膜が不規則に大きく剥がれて必要以上に除去してしまうことがあり、太陽電池の特性および歩留まりが低下するといった問題点があった。

図１１のグラフは、図９（ａ）で示した従来の溝加工ツールで太陽電池基板の溝を連続加工したときの溝幅の変化を示したものである。なお、ここで用いた溝加工ツールは、超硬合金製で刃先先端の直径が４４．５μｍのものを使用した。
その結果、加工距離が約４００００ｍまでの場合において、溝幅が初期溝幅４４μｍから約２７μｍまで急激に減少し、実に初期溝幅４４μｍから約３８％減少した。これは、連続使用によって先端角部の刃先３０が摩耗により損傷を受け、図１０（ｂ）上段に示したように細くなることに起因する。
なお、図１２は、上記実験に用いたツール先端の左右幅の形状変化を示す断面図および底面図であって、図１２（ａ）は新品、図１２（ｂ）は加工距離６０００ｍ、図１２（ｃ）は加工距離１２０００ｍのときの状態をそれぞれ示している。図１２（ｂ）の加工距離６０００ｍでは、ツール底面の左右幅Ｌ２が初期左右幅Ｌ１の４４．５μｍから３８．３μｍに減少し、図１２（ｃ）の加工距離１２０００ｍでは、左右幅Ｌ２が３１．１μｍまで減少した。
したがって、溝幅減少率の許容範囲を３０％とするならば、溝加工ツールの使用寿命は１２０００ｍ近傍で限界に達することになり、早期のツール交換が求められることになる。

そこで本発明は、上記した丸断面形状を有する従来の溝加工ツールを無駄なく効率的に用いることができ、その使用寿命を延ばすことができるスクライブ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明のスクライブ装置は、ツールホルダを介して溝加工ツールを保持するスクライブヘッドと、加工すべき太陽電池基板を載置するテーブルとを備え、前記スクライブヘッドを太陽電池基板に対して相対的に移動させることにより、前記溝加工ツールの刃先で前記太陽電池基板の表面に溝を加工するスクライブ装置であって、前記溝加工ツールは、棒状のボディと、当該ボディの下部に形成された先細り状のテーパ部と、前記テーパ部の先端部、もしくは、当該テーパ部に連なって形成される円柱部の先端部の底面角部に形成された刃先とを備え、前記溝加工ツールが、当該ツールの軸心の周りで所望の角度だけ回転できるように前記スクライブヘッドに保持されている構成とした。

本発明は上記のごとく構成されているので、溝加工ツールの刃先部分の左右周面が太陽電池基板の膜との接触によって許容限界値まで摩耗したときに、摩耗していない前後の周面がツール進行方向に対して左右側となるようにツールを回転させることができる。これにより、刃先底面の左右幅が新品のときの外径寸法と同じになり、初期設定の溝幅で溝を加工することができるとともに、溝加工ツールを無駄なく効率的に使用することができ、その使用寿命を延ばすことができる。

本発明において、前記溝加工ツールが前記ツールホルダに回転可能に取り付けられて締結具により固定され、当該締結具を緩めることにより前記溝加工ツールを手で所望の角度だけ回転できるようにするのがよい。
この場合、前記溝加工ツールの露出した周面、もしくは、前記ツールホルダの外面にツールの回転角を表す目盛が設けられ、前記ツールホルダの外面、もしくは、前記溝加工ツールの周面で前記目盛に対応した位置に基準マークが設けられている構成とするのがよい。
これにより、ツールホルダの構成を簡素化できると共に、目盛を見ながら溝加工ツールを手で所望の角度だけ容易に回転させることができる。

本発明において、前記溝加工ツールが前記ツールホルダに取り付けられ、当該ツールホルダにモータが連結されており、このモータの回転によって前記溝加工ツールがツールホルダと共に当該ツールの軸心の周りで所望の角度だけ回転できるように形成されている構成とするのがよい。
これにより、溝加工ツールの回転をモータにより所望の角度だけ迅速かつ正確に回動させることができる。

また、前記モータによる溝加工ツールの回転は、４５°のピッチで定角回転ができるようにするのがよい。
これにより、ツール進行方向の左右周面が限界値まで摩耗したときに４５°ピッチで回転させて使用することによって、ツール刃先の全周面を無駄なく効率的に使用することができ、ツールの使用寿命を延ばすことができる。

本発明に係るスクライブ装置の一実施形態を示す概略的正面図。 本発明におけるスクライブヘッド部分の斜視図。 図２に示すスクライブヘッドの断面図。 本発明のスクライブ装置に用いられる溝加工ツールの正面図。 溝加工ツールの刃先周側面の摩耗と回転順位を示す説明図。 本発明のスクライブヘッドの別実施例を示す斜視図。 図６で示したスクライブヘッドの断面図。 一般的なＣＩＧＳ系の薄膜太陽電池の製造工程を示す模式図。 従来の溝加工ツールの例を示す正面図。 従来の溝加工ツールの刃先部分の摩耗を示す説明図であって、上段は断面図、下段は底面図を示す。 従来の溝加工ツールによる加工距離と溝幅の変化を実験値で示すグラフ。 図１１の実験に用いたツール先端部の左右幅の形状変化を示す図。

以下において、本発明の詳細を、その実施の形態を示す図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る集積型薄膜太陽電池用スクライブ装置の実施形態を示す概略的な正面図であり、図２（ａ）は溝加工ツールを保持したツールホルダを含むスクライブヘッドの斜視図であり、図２（ｂ）はツールホルダ部分の拡大図であり、図３は図２に示すスクライブヘッドの断面図である。

スクライブ装置は、太陽電池基板Ｗを載置して保持するテーブル１を備えている。テーブル１は、水平なレール２に沿ってＹ方向（図１の前後方向）に移動できるようになっており、モータ（図示略）によって回転するネジ軸３により駆動される。さらに、テーブル１はモータを内蔵する回転駆動部４により水平面内で回動できるようになっている。

テーブル１を挟んで設けてある両側の支持柱５、５と、Ｘ方向に水平に延びるビーム（横桟）６とを備えたブリッジ７が、テーブル１上を跨ぐようにして設けられている。
ビーム６には、Ｘ方向に水平に延びるガイド９が設けられ、このガイド９にはスクライブヘッド１０がモータ１１によってＸ方向に移動できるように取り付けられている。

スクライブヘッド１０には、テーブル１上に載置される太陽電池基板Ｗの薄膜表面をスクライブ加工する溝加工ツール８を保持するツールホルダ１２が設けられている。ツールホルダ１２は、溝加工ツール８のボディ８１部分（図４参照）を受け入れて回動可能に保持する取付孔１２ａを備えており、この取付孔１２ａに挿入された溝加工ツール８をセットビス等の締結具１２ｂで固定できるように形成されている。さらに、ツールホルダ１２は流体シリンダ１３のシャフト１３ａに連結されて溝加工ツール８と共に昇降できるようになっている。

本発明のスクライブ装置で使用される溝加工ツールは、従来の丸断面形状のツールと同じ形態のものが用いられる。図４で示した溝加工ツール８は、上記図９（ａ）で示した形態のツールを用いた実施例を示すものであるが、下端部分を円柱部３１で形成した図９（ｂ）の形態としたツールを用いることもできる。
溝加工ツール８は、実質的にツールホルダ１２への取付部となる丸棒状のボディ８１と、このボディ８１の下部に連なって当該ボディ８１と軸心を同じくして形成された先細り状のテーパ部８２と、このテーパ部８２の先端部に形成された平らな底面８３と、この底面８３とテーパ部８２の外周側面８５との角部に形成された刃先８４とによって形成されている。底面８３の直径は従来同様４０〜５０μｍである。そして、ボディ８１の周面にはツールの回転角を４５°単位で表す目盛８６が設けられ、ツール８を取り付けるツールホルダ１２の外面で目盛８６に対応する位置に基準マーク１２ｃが設けられている。

上述したスクライブ装置で太陽電池基板Ｗにスクライブ加工を行う際は、テーブル１をＹ方向に移動させて太陽電池基板Ｗのスクライブ予定ラインが溝加工ツール８の直下になるよう位置決めをした後に、溝加工ツール８を下動させてその刃先８４を流体シリンダ１２により太陽電池基板Ｗの表面に押しつけた状態でＸ方向に移動させてＸ方向のスクライブ加工を行う。また、太陽電池基板Ｗの表面にＹ方向のスクライブ加工を行う場合には、テーブル１を水平面上で９０度回転させて、上記と同様の動作を行う。

このスクライブの過程において、ツール先端部の左右側面の摩耗が進行して左右幅が減少し、その減少率が許容限界の３０％近傍になったときに、ツールホルダ１２の締結具１２ｂを緩めて溝加工ツール８を手で４５°回転させて固定する。許容限界の値は先に述べた実験値から加工距離を計測することによって認識することができる。前述の実験値では、加工距離１２０００ｍ近傍で減少率の許容限界３０％に達したので、本実施例ではこれを参照して加工距離１００００ｍで溝加工ツール８を回転させることにした。

図５は、溝加工ツール８の刃先８４の外周側面８５部分の摩耗と回転順位をツール底面側から見た図を示したものであって、直線の矢印はツールの進行方向を示し、円弧の矢印は４５°の回転方向を示すものである。
まず、溝加工ツール８が新品の（Ａ）の状態から、１００００ｍ走行して（Ｂ）の状態になったときにブザーやアラームランプ等によって作業者に通知する。そして作業者は、スクライブ装置を停止させた後、締結具１２ｂを緩めて目盛り８６を参照しながら溝加工ツール８を図５（Ｃ）の状態まで４５°回転させて固定し、スクライブ装置を再駆動する。この４５°回転させた状態では、摩耗していない刃先周面が進行方向の左右側に位置することになって、底面の左右幅が新品の外径寸法と同じになる。これにより、初期設定の溝幅で溝を加工することができる。その後、上記と同様の操作を繰り返すことによって（Ｄ）から順次（Ｅ）、（Ｆ）、（Ｇ）を経て最終（Ｈ）の状態まで摩耗したときに溝加工ツール８を新品と交換する。
これにより、溝加工ツール８を刃先全周にわたって無駄なく効率的に使用することができ、その使用寿命を延ばすことができる。

図６並びに図７は本発明の別の実施例を示すものである。
この実施例では、溝加工ツール８を保持するツールホルダ１２がモータＭによって回転する垂直な軸１４を介して昇降部材１５に保持されている。これにより、モータＭを駆動することによって溝加工ツール８をその軸心周囲でツールホルダ１２と共に所望角度だけ回転させることができるようになっている。さらに、昇降部材１４は流体シリンダ１３によって溝加工ツール８と共に昇降できるように形成されている。

本実施例において、モータＭによる溝加工ツール８の回転は、４５°ピッチで定角回転できるように設定されている。すなわち、モータＭは、これの電源スイッチ（図示略）を押すことにより溝加工ツール８を４５°だけ回転させて停止し、再度電源スイッチを押すと再び同方向に４５°回転するように設定されている。このように規定角度分だけ正確に定角回転させることが可能なモータとして、例えばステッピングモータ（パルスモータ）を用いることができる。
このモータＭによって溝加工ツール８を１００００ｍ走行毎に４５°回転させることにより、上記実施例と同様に、溝加工ツール８の刃先部分の全周を無駄なく効率的に使用することができる。

なお、溝加工ツールの左右幅減少率の許容限界値を知る手段として、上記実施例では溝加工ツールの加工距離を計測することによって行うようにしたが、これに代えて太陽電池基板に加工される溝の幅寸法をカメラで観察し、限界値まで細くなったときにブザーやアラームランプ等で警告するようにすることもできる。
また、溝加工ツールの左右幅減少率が許容限界近傍まで迫ったときに、当該許容限界値に相当する溝加工ツールの加工距離又は太陽電池基板の溝幅を検出して、コンピュータ制御によりモータＭを駆動して自動的に溝加工ツールを定角回転するようにすることも可能である。

以上、本発明の代表的な実施例について説明したが、本発明は必ずしも上記の実施例構造のみに特定されるものではない。例えば、上記実施例では溝加工ツール８の回転角度を表す目盛８６を溝加工ツール８の周面に設けたが、これをツールホルダ１２側に設けて、基準マーク１２ｃを溝加工ツール８の周面に設けるようにしてもよい。その他本発明では、その目的を達成し、請求の範囲を逸脱しない範囲内で適宜修正、変更することが可能である。

本発明は、カルコパイライト化合物やテルル化カドミウムなどの化合物系半導体膜を用いた集積型薄膜太陽電池の製造に用いることのできるスクライブ装置に適用することができる。

Ｗ 太陽電池基板
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３ スクライブ溝
８ 溝加工ツール
８１ ボディ
８２ テーパ部
８３ 底面
８４ 刃先
８５ 外周側面
８６ 目盛
１０ スクライブヘッド
１２ ツールホルダ
１２ｂ 締結具
１２ｃ 基準マーク

Claims (5)

1. ツールホルダを介して溝加工ツールを保持するスクライブヘッドと、加工すべき太陽電池基板を載置するテーブルとを備え、前記スクライブヘッドを太陽電池基板に対して相対的に移動させることにより前記溝加工ツールの刃先で前記太陽電池基板の表面に溝を加工するスクライブ装置であって、
   前記溝加工ツールは、棒状のボディと、当該ボディの下部に形成された先細り状のテーパ部と、前記テーパ部の先端部、もしくは、当該テーパ部に連なって形成される円柱部の先端部の底面角部に形成された刃先とを備え、
   前記溝加工ツールが、当該ツールの軸心の周りで所望の角度だけ回転できるように前記スクライブヘッドに保持されているスクライブ装置。
2. 前記溝加工ツールが前記ツールホルダに回転可能に取り付けられて締結具により固定され、当該締結具を緩めることにより前記溝加工ツールを手で所望の角度だけ回転できるように形成されている請求項１に記載のスクライブ装置
3. 前記溝加工ツールの露出した周面、もしくは、前記ツールホルダの外面にツールの回転角を表す目盛が設けられ、前記ツールホルダの外面、もしくは、前記溝加工ツールの周面で前記目盛に対応した位置に基準マークが設けられている請求項２に記載のスクライブ装置。
4. 前記溝加工ツールが前記ツールホルダに取り付けられ、当該ツールホルダにモータが連結されており、このモータの回転によって前記溝加工ツールがツールホルダと共に当該ツールの軸心の周りで所望の角度だけ回転できるように形成されている請求項１に記載のスクライブ装置。
5. 前記モータによる溝加工ツールの回転は、４５°のピッチで定角回転ができるように設定されている請求項４に記載のスクライブ装置。

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