JP5997016B2 - 光走査装置 - Google Patents

Description

本発明は、角移動するレーザ光を反射して該レーザ光を走査線に沿って直線移動させる光走査装置に関する。

薄膜太陽電池の製造工場では、上述のような光走査装置を装備したレーザ加工装置を用いて、ガラス基板の片面に金属膜やシリコン膜等の半導体を成膜してなるワークに対し、パターニング処理が行われる。パターニング処理では、レーザ光がワーク上の走査線に沿って直線的に走査され、薄膜層が走査線に沿って部分的に除去される。これにより、ワークに直線溝状のスクライブ線が形成される。

特許文献１は、幅広く任意の位置にビームを落射するレーザ加工用のビーム広域落射装置を開示している。この装置は、ビームの光路の向きを変える可動鏡面と、可動鏡面からワーク上のビーム照射点までの光路長を等しくし且つ落射の広がりを１０度以内に収めるように弧上に配置された複数の平面鏡面とを備える。この構成の採用により、可動鏡面の回転位置に関わらずビームをワークに略垂直に入射させることやビームをワーク上で合焦させ続けることを試みており、この試みの結果としてビーム照射点でのビームの収束度を改善することが図られている。

特開２０１１−０００６２５号公報

ところで、パターニング処理用レーザ加工装置では、レーザ光にパルスレーザを適用することが多く、また、レーザ発振器の安定動作実現の観点から、パルスレーザの周波数は一定とされるのがごく一般的である。パルスレーザが適用される場合、あるタイミングで発振されたレーザ光の照射領域を１パルス幅だけ前に発振されたレーザ光の照射領域とワーク上（走査線上）で部分的にオーバーラップさせるようにレーザ光は走査され、それによりスクライブ線の連続性が担保される。なお、隣接する２パルスのレーザ光の照射領域同士がオーバーラップする領域は「被り代」と称されることがある。また、可動鏡面の安定動作実現の観点から、可動鏡面の回転速度も一定とされるのがごく一般的である。

しかし、特許文献１では、パルスレーザの周波数も、可動鏡面の回転速度も、ワーク上でのビームの移動速度も何ら考慮がなされていない。仮に可動鏡面の回転速度及びパルスレーザの周波数を従前同様にして一定とすれば、反射鏡面は弧上に配置されるので、その反射鏡面からワーク上に入射するビームは、ワーク上にて非等速で移動する。

このようにビームが非等速で移動すると、相対的に遅く移動する箇所では被り代が大きくなる。ビームが相対的に速く移動する箇所では被り代が小さくなり、場合によっては連続性を担保できずに非加工部を生じる。すると、１本のスクライブ線内で薄膜層が大きく除去された箇所とそうではない箇所とが存在する等、パターニング処理の加工ムラとして顕在化する。

なお、ワークの搬送中にビームを走査してスクライブ線を形成することがある。このとき、ワークの搬送速度が定速であるのにビームが非等速で走査されると、光走査装置から見ればビームが直線的に走査されていたとしても、定速搬送されているワークから見ればビームは直線的に走査されない。その結果、スクライブ線が湾曲する。湾曲を是正するには、ワークを加減速しながら搬送する必要が生じてしまい、搬送装置の安定動作の実現、ひいては搬送装置と光走査装置との適切な協動が困難となる。

このように光走査装置には、レーザ光を等速で角移動させること、走査線上のどの照射点においてもレーザ光の光路長が一定であること及びレーザ光が入射面に垂直に入射することだけでなく、走査線上でレーザ光を等速で走査することが要求される。光走査装置をパターニング処理用レーザ加工装置に適用する場合、この要求は特に強くなる。

そこで本発明は、装置の安定動作を実現しながら走査線上でのレーザ光の等速性を確保することを目的としている。

本発明に係る光走査装置は、レーザ光を走査線上で直線移動させる光走査装置であって、レーザ光を投光中心周りに等速で角移動させながら当該投光中心から放射する投光器と、前記投光器から放射されたレーザ光を前記走査線上に導くべく反射する反射面を有した反射器と、を備え、前記反射面は、基準放物面を切り立たせるよう変形させて前記走査線上でのレーザ光の移動速度を略一定に保つ非放物形状を有している。

前記構成によれば、反射面が、基準放物面を切り立たせるように変形させることで得られる非放物形状であって、走査線上でのレーザ光の移動速度を略一定にするような非放物形状を有する。このように放物面が切り立つように変形されると、投光中心から放射されたレーザ光は、放物面の頂点から横方向に離れた箇所では、放物面を採用した場合と比べて、横方向に頂点により近い位置で反射する。このため、放物面であれば頂点から離れた箇所で反射したときほど、走査線上でのレーザ光の移動速度が速くなるところ、反射面が上記の非放物形状を有することで、当該移動速度が遅くなるよう修正され、結果として走査線上でのレーザ光の移動速度を略一定にすることができる。これにより投光器を投光中心周りにレーザ光を等速で角移動させることで投光器の安定動作を実現しながら、走査線上でのレーザ光の等速性を高めることができる。

前記非放物形状は、前記基準放物面の頂点から横方向に離れるほど縦方向において前記頂点とは反対側に大きく切り立つようにして、前記基準放物面を変形させることで得られる形状であってもよい。

前記構成によれば、反射面に放物面を適用すれば頂点から横方向に離れた位置で反射したときほど、走査線上でのレーザ光の移動速度が速くなるところ、非放物面形状は、頂点から横方向に離れるほど縦方向に大きく切り立っているので、レーザ光が頂点から横方向に離れた箇所で反射したときほど走査線上でのレーザ光の移動速度がより遅くなるように、走査線上でのレーザ光の移動速度が修正される。よって、走査線上でのレーザ光の等速性を走査線全体にわたって確保することができる。

前記非放物形状は、連続曲面であってもよい。

前記構成によれば、反射面が連続曲面を有するので、複数の平面鏡を並べるときと比べて、反射面を小さい寸法公差内で簡便に光学配置することができる。また、平面鏡の継目で生じる可能性のあるケラレを防ぐことができる。

前記非放物形状は、前記頂点を通過する直線を基準にして線対称に形成されてもよい。

前記構成によれば、投光中心からのレーザ光を、頂点を挟む両側で反射させることができ、これによりレーザ光の角移動範囲及び走査範囲を大きくすることができる。また、頂点からどちら側に離れた箇所で反射しても、走査線上でのレーザ光の等速性を確保することができる。

前記非放物形状が、４次以上の偶数次多項式で表されてもよい。

前記構成によれば、基準放物面を切り立つように変形した非放物形状を実現することができる。また、非放物形状を表す関数が、比較的簡易な関数である多項式で表されるので、非放物形状の最適化を容易に行うことができる。

前記多項式のうち２次及びそれより低次の項が、前記基準放物面を表す式を成してもよい。

前記構成によれば、非放物形状を表す偶数次多項式のうち、２次及びそれより低次の項が基準放物面を表す式を成すので、２次よりも高次の項は、当該基準放物面の変形に寄与し、基準放物面を表す式に対して補正項として機能する。このように、基準放物面の変形に寄与する項を、基準放物面を表す式と分別しているので、基準放物面を反射面として採用したときに得られるメリット（すなわち、レーザ光の走査線への入射角が垂直になることや、投光中心から走査線までの光路長が一定になること）を損なわずに走査線上でのレーザ光の等速性を確保可能な非放物形状を簡便に最適化することができる。

前記反射面は、前記投光中心から見て前記走査線と反対側に配置されており、前記基準放物面は、前記走査線とは反対側に凸であって、前記非放物形状が、前記基準放物面を前記走査線側に切り立たせるように変形させた形状であってもよい。

前記構成によれば、走査線上でのレーザ光の移動速度を略一定にするとの装置構成が実現される。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、装置の安定動作を実現しながら、走査線上でのレーザ光の等速性を確保することができる。

実施形態に係る光走査装置を備えたレーザ加工装置を模式的に示す斜視図である。 反射面及び基準放物面の形状を示す概念図である。

以下、図面を参照しながら実施形態について説明する。なお、同一の又は対応する要素には全図を通じて同一の符号を付して重複する詳細な説明を省略する。

（レーザ加工装置の概要構成）
図１は、実施形態に係るレーザ加工装置１の構成を概念的に示す斜視図である。図１に示すレーザ加工装置１は、例えば薄膜太陽電池の製造工場でパターニング処理に好適に利用される。レーザ加工装置１をパターニング処理に利用する場合、ワーク９０には、基板９１の片面に薄膜層９２を成膜して成る板状又はフィルム状の部材が適用され、レーザ光は、薄膜層９２の表面とは反対側の面（以降、「入射面９０ａ」と称する）に入射する。薄膜層９２には、基板９１の片面上に直接成膜される透明電極層や、透明電極層の表面上に成膜される光電変換層等が含まれる。

本実施形態に係るレーザ加工装置１は、入射面９０ａと略平行な面内における一方向Ｙ（以降、「搬送方向Ｙ」と称す）にワーク９０を定速で搬送する。同時に、レーザ光８０を入射面９０ａに対し略垂直に入射させ、そのレーザ光８０を入射面９０ａと略平行な面内で搬送方向Ｙに交差する一方向（以降、「加工方向Ｘ」）に走査する。すなわち、レーザ光８０が、ワーク９０上で、加工方向Ｘに延びる走査線８１に沿って直線移動する。

レーザ光８０は、走査線８１上で直線移動している間、薄膜層９２付近で合焦し続ける。これにより薄膜層９２の表層が走査線８１に沿って除去され、薄膜層９２に直線溝状のスクライブ線９３が形成される。レーザ光８０の走査は、搬送方向Ｙに位置を変えながら複数回行われ、それにより単一のワーク９０に複数本のスクライブ線９３が形成される。複数本のスクライブ線９３は、搬送方向Ｙに等間隔をおいて配置され且つ加工方向Ｘに平行に延びる。

本実施形態では、加工方向Ｘが搬送方向Ｙに対して直交する。ただし、この交差角は一例であり適宜変更可能である。本実施形態では、入射面９０ａを水平に向けた状態でワーク９０が搬送される。そのため、加工方向Ｘ及び搬送方向Ｙが水平に向けられ、レーザ光８０のワーク９０への入射方向が鉛直方向Ｚに略一致する。ただし、このワーク９０の姿勢は一例であり適宜変更可能である。なお、入射方向を鉛直方向Ｚに極力一致させるように装置を構成した点については、後に詳述する。

レーザ加工装置１は、ワーク９０の搬送を止めずにレーザ光８０を走査し続けて複数本のスクライブ線９３を形成することができ、これによりタクトタイムの向上が図られる。このようにしてスクライブ線９３を形成する場合、レーザ光８０の実走査方向Ｘ´が、搬送中のワーク９０に視点をおいた座標系（以降、「ワーク座標系」と称す）でのレーザ光８０の走査方向に対して傾斜している必要がある。

「実走査方向Ｘ´」は、光走査装置（例えば、後述のレーザ走査ヘッド１０）に視点をおいた座標系（以降、「ヘッド座標系」と称す）でのレーザ光８０の走査方向である。光走査装置は、典型的には地面に定置されるが、案内レールを用いる等して可動に構成されていてもよい。よって、実走査方向Ｘ´は、典型的には地面から見た走査方向に一致するが、必ずしもそうでなくてよい。「加工方向Ｘ」は、ワーク座標系でのレーザ光８０の走査方向に一致する。ワーク９０の搬送を止めてスクライブ線９３を形成してもよく、その場合、実座標系とワーク座標系との区別がなくなるので、加工方向Ｘは実走査方向Ｘ´にも一致する。

ワーク９０の搬送を止めずにスクライブ線９３を形成する場合、ワーク９０の搬送速度を一定とすると共に実走査方向Ｘ´の直線性を保ち、更にスクライブ線９３の直線性をも保つためには、実座標系でのレーザ光８０の走査速度（以降、「実走査速度」と称す）を一定とする必要がある。そうすれば、ワーク座標系でのレーザ光８０の走査速度も一定となり、ワーク９０の搬送速度が一定であることと相俟って（ワーク座標系での）走査線の直線性が保たれ、その結果スクライブ線９３の直線性が保たれる。レーザ光８０の走査速度を一定に保つように装置を構成した点については、後に詳述する。

次に、レーザ加工装置１の全体構成を説明する。図１に示すように、レーザ加工装置１は、主に、搬送装置２と、レーザ発振器５と、レーザ走査ヘッド１０とを備える。搬送装置２は、ワーク９０を支持してワーク９０を搬送方向Ｙに搬送する搬送機構３と、搬送機構３を駆動する搬送アクチュエータ４とを備える。搬送機構３の構造は特に限定されず、例えば、図示のとおり搬送方向Ｙに間隔をおいて並ぶ複数本のローラを有してもよい。この場合、搬送アクチュエータ４は、ローラの全部又は一部を同期して回転駆動するように構成及び制御された１以上の電気モータであってもよい。レーザ発振器５は、ミリ秒〜マイクロ秒オーダのパルス幅（すなわち、キロヘルツ〜メガヘルツオーダの周波数）でパルスレーザを発振する。レーザ光８０は、固体レーザでも液体レーザでも気体レーザでもよい。レーザ発振器５から入射面９０ａに至るまでの光路上には、レーザ光８０が焦点を結ぶことができるように、レンズ６が設けられている。図１では、レンズ６を光学的にレーザ発振器５とレーザ走査ヘッド１０との間に配置した場合を例示しているが、レンズ６の配置は特に限定されない。

搬送装置２は、ワーク９０を定速で搬送する。レーザ発振器５は、一定パルス幅（周波数）でパルスレーザを発振する。これにより、搬送装置２及びレーザ発振器５を簡便に制御することができ、搬送装置２及びレーザ発振器５が安定的に動作する。よって、レーザ加工装置１の動作信頼性が高くなる。レーザ光８０は、走査線８１上において、或るパルスレーザの照射領域が１パルス前に発振されたパルスレーザの照射領域とオーバーラップするように走査され、それにより加工方向Ｘに途切れずに連続するスクライブ線９３が形成される。レーザ光の走査速度が一定に保たれれば、走査線全体にわたって被り代を一定に保つことができ、レーザ加工装置１の加工精度が向上する。レーザ光８０の走査速度を一定に保つように装置を構成した点については、後に詳述する。

レーザ走査ヘッド１０は、レーザ発振器５からのレーザ光８０をワーク９０に照射して、そのレーザ光８０をワーク９０上において加工方向Ｘに延びる走査線８１に沿って走査する。そのために、レーザ走査ヘッド１０は、レーザ光８０を投光中心Ｃ周りに等速で角移動させながら放射する投光部１１と、投光部１１から放射されたレーザ光８０を走査線８１上に導くべく反射する反射面２０を有した反射部１２とを備える。

投光部１１は、レーザ光８０を投光中心Ｃ周りに角移動させながら放射する偏向器と、当該偏向器を駆動する投光アクチュエータ１７とを備える。偏向器には、図示のとおりポリゴンミラー１６を好適に適用可能であるが、その他のもの（例えば、ガルバノミラー）を適用してもよい。ポリゴンミラー１６は正多角柱状の外形を有し、複数の反射鏡面がポリゴンミラー１６の側面それぞれに設けられている。また、ポリゴンミラー１６は、中心軸線周りに回転可能である。本実施形態では、ポリゴンミラー１６が８つの反射鏡面を有し、これら反射鏡面がポリゴンミラー１６の軸線方向に見たときに正八角形を成すが、ポリゴンミラー１６の反射鏡面数は８に限定されない。投光アクチュエータ１７は、例えば電気モータであり、ポリゴンミラー１６をポリゴンミラー１６の中心軸線周りに回転駆動する。

投光アクチュエータ１７は等速で動作するように制御される。これにより、ポリゴンミラー１６も等速で回転駆動され、ひいては、ポリゴンミラー１６からのレーザ光も投光中心Ｃ周りに等速で角移動する。これにより、投光部１１を簡便に制御することができるし、ポリゴンミラー１６及び投光アクチュエータ１７が安定的に動作する。よって、レーザ加工装置１の動作信頼性が高くなる。

反射部１２は、ポリゴンミラー１６からのレーザ光を反射するミラー１９を備え、ミラー１９には、ポリゴンミラー１６からのレーザ光８０が上記回転範囲（７２０／Ｎ[deg]）で角移動しながら入射する。ミラー１９は、ポリゴンミラー１６からのレーザ光８０を反射する反射面２０を有する。反射面２０からのレーザ光は、ワーク９０の入射面９０ａに下から入射し、ワーク９０の走査線８１上に照射される。

本実施形態では、レンズ６からポリゴンミラー１６までの間、ポリゴンミラー１６から反射面２０までの間、反射面２０からワーク９０までの間に光学素子が特段設けられていないが、適宜追加可能である。例えば、光路折曲げのためのミラー又はプリズムや、レーザ光を変形させるためのシリンドリカルレンズ等の光学素子を適宜追加可能である。シリンドリカルレンズを設ける場合、加工方向Ｘ（実走査方向Ｘ´）に長尺となり搬送方向Ｙに短尺となるようレーザ光を扁平化するのが好ましい。これにより、スクライブ線９３の幅を小さくすることができ、ワーク９０に微細なパターニング処理を施すことができる。また、走査速度を高くしても被り代を確保することができるようになり、加工速度の高速化とスクライブ線９３の連続性担保との両立を図ることができる。

本実施形態では、光路折曲げのための光学素子が特段設けられていないところ、レーザ走査ヘッド１０は物理的に搬送機構３よりも下に配置され、レーザ走査ヘッド１０からのレーザ光８０が入射面９０ａに上向きに入射する。そこで、本実施形態では、ポリゴンミラー１６がミラー１９よりも上に配置され、ミラー１９の反射面２０が上に向いている。レーザ発振器５からのレーザ光８０は、ポリゴンミラー１６に概ね上向きに入射し、ポリゴンミラー１６からのレーザ光８０は、反射面２０に概ね下向きに入射する。反射面２０からのレーザ光８０は、上向きに射出されて入射面９０ａに入射する。レーザ光８０は、実座標系では実走査方向Ｘ´にワーク座標系では加工方向Ｘに直線的に走査されるので、ポリゴンミラー１６の中心軸線は、実座標系では実走査方向Ｘ´に直交する方向に向けられ、ワーク座標系では加工方向Ｘに直交する方向（搬送方向Ｙ）に向けられる。ミラー１９の反射面２０は、実座標系では実走査方向Ｘ´に延びるように配置され、ワーク座標系では加工方向Ｘに延びるように配置される。

以降では、この装置の配置と光路の向きを前提にして説明する場合もあるが、これは単なる一例に過ぎず、レーザ走査ヘッド１０及び搬送機構３の位置関係やレーザ走査ヘッド１０への光学素子の追加に応じて、適宜変更可能である。

レーザ走査ヘッド１０は、構成要素を収容するための筐体１３を備える。ポリゴンミラー１６及びミラー１９は筐体１３内に収容され、筐体１３の上部には反射面２０からのレーザ光８０を筐体１３外に放出するためのスリット１３ａが設けられている。レンズ６が筐体１３内に収容されていてもよい。本実施形態では、筐体１３が地面に定置されるが、筐体１３は可動に構成されていてもよい。

レーザ発振器５からのレーザ光は、ポリゴンミラー１６に入射し、入射したレーザ光が或る反射鏡面を通過する間、ポリゴンミラー１６は３６０／Ｎ[deg]だけ等速で回転する（Ｎ：ポリゴンミラーの反射鏡面数）。この間、レーザ光は、当該反射鏡面を通過することとなり、当該反射鏡面に対する入射角を変えながら当該反射鏡面上で反射し続ける。反射したレーザ光は、当該反射鏡面上の投光中心Ｃ周りに７２０／Ｎ[deg]の回転範囲で等速で角移動する（Ｎ：ポリゴンミラーの反射鏡面数）。投光中心Ｃは、ポリゴンミラー１６におけるレーザ光の反射点でもあり、ポリゴンミラー１６の回転に応じて当該反射鏡面上で移動する。ポリゴンミラー１６で反射したレーザ光８０は、或る平面（以降、「角移動平面」と称す）内で角移動する。角移動平面は、例えば、ポリゴンミラー１６の中心軸線に直交する平面でもよい。ポリゴンミラー１６への入射光路が傾斜している場合、角移動平面は、この光路の傾斜を考慮して当該直交平面に対して傾斜した平面でもよい。

レーザ光８０が１枚の反射鏡面を通過するのを微細に見れば、まず、レーザ光８０は当該反射鏡面と当該反射鏡面にミラー回転方向順側に連続する前反射鏡面とが成す始点稜部に入射することで通過を開始し、その後ポリゴンミラー１６が３６０／Ｎだけ回転するまで当該反射鏡面を通過し、当該反射鏡面と当該反射鏡面にミラー回転方向逆側に連続する次反射鏡面とが成す終点稜部に入射することで通過を終了する。レーザ光８０は、当該反射鏡面の通過を終了すると次反射鏡面の通過を開始する。隣り合う２つの反射鏡面が成す稜部は、ミラー回転方向順側の反射鏡面にとっては終点稜部に相当し、ミラー回転方向逆側の反射鏡面にとっては始点稜部に相当する。

本実施形態では、投光中心Ｃが始点稜部に位置するとき（すなわち、１枚の反射鏡面の通過を開始するとき）に、レーザ光８０が走査線８１の始点８１Ａを照射してスクライブ線９３の始点９３Ａを形成し、投光中心Ｃが終点稜部に位置するとき（すなわち、１枚の反射鏡面の通過を終了するとき）に、レーザ光８０が走査線８１の終点８１Ｂを照射してスクライブ線９３の終点９３Ｂを形成する。レーザ光８０が１枚の反射鏡面を通過する間に、始点８１Ａを終点８１Ｂに結ぶ１本の走査線８１に沿ってレーザ光８０が走査され、始点９３Ａを終点９３Ｂに結ぶ１本のスクライブ線９３が形成される。

（反射面の形状）
次に、反射面２０の形状について説明する。反射面２０は、レーザ光８０の角移動平面で断面をとったときに放物線とは似て非なる曲線を成している。当該断面の法線方向に見たとき、ポリゴンミラー１６からのレーザ光は、反射面２０上では断面曲線に沿って走査され、断面曲線上で反射してワーク９０の入射面２０ａへと向かうこととなる。反射面２０の断面曲線は、放物線と同様にして頂点を有する線対称の曲線であり、対称軸線が頂点を通過する。本実施形態では、対称軸線が鉛直方向Ｚに延びて断面曲線が下に凸であるが、反射面２０の断面曲線はどの方向に凸であってもよい。本実施形態では、断面曲線が、頂点から横方向又は横軸方向（実座標系では実走査方向Ｘ´、ワーク座標系では加工方向Ｘ）に離れるほど、縦方向又は縦軸方向（鉛直方向Ｚ）において走査線８１と光学的に近付く側（上側）へと切り立っている。

本実施形態では、ポリゴンミラー１６に入射したレーザ光８０が１枚の反射鏡面を通過する間にレーザ光８０が１本の走査線８１に沿って走査されるが、投光中心Ｃが始点稜部と終点稜部との中間点（反射鏡面の中間点）に位置するとき、ポリゴンミラー１６からのレーザ光８０は反射面２０の頂点に入射し、そこから反射したレーザ光８０がワーク９０の入射面９０ａに入射する。このとき、レーザ光８０は、走査線の始点８１Ａと終点８１Ｂとの中間点を照射する。投光中心Ｃが始点稜部に位置するとき、反射面２０のうち頂点から横方向に離れた横方向一端部（図１紙面の右側端部）に入射し、そこから反射したレーザ光８０が走査線の始点８１Ａを照射する。投光中心Ｃが終点稜部に位置するとき、反射面２０のうち頂点から横方向に離れた横方向他端部（図１紙面の左側端部）に入射し、そこから反射したレーザ光８０が走査線８１の終点８１Ｂを照射する。

ここで、反射面２０が放物面であったと仮定する。ここでいう「放物面」は、いわゆる回転放物面ではなく少なくともその断面が放物線を成す面であり、例えばレーザ光８０の角移動平面で断面をとったときに放物線を成す面である。以降では、説明便宜のため、当該放物線の頂点、焦点及び準線を、放物面の頂点、焦点及び準線とそれぞれ称する場合もある。

放物線の横軸方向は、本実施形態に係る反射面２０と同様、実座標系では実走査方向Ｘ´に向けられてワーク座標系では加工方向Ｘに向けられ、放物線の縦軸方向は鉛直方向Ｚに向けられるとする。そして、投光中心Ｃが、放物面の焦点上に配置され、走査線が、放物面の準線と平行に配置されるとする。この場合、放物線の数学的定義に従って、投光中心Ｃから走査線上の任意照射点までの光路長は等しくなる。よって、レーザ光をワーク上で合焦させ続けることができる。また、放物線の数学的定義に従って、放物面からのレーザ光の光路は鉛直上向きとなり、レーザ光はワークに垂直に入射する。

しかし、レーザ光が等速で角移動すると、放物面からのレーザ光は走査線上では非等速で移動する。特に、レーザ光が放物面の頂点から離れた箇所で反射した場合に、放物面の頂点付近で反射したときと比べ、レーザ光が走査線上で速く移動する。つまり、レーザ光の走査速度が、走査線の中間点付近と比べ、走査線８１の始点付近及び終点付近において速くなる。レーザ光が非等速で走査されると、被り代を一定の大きさに保つことができず、加工ムラが顕在化する。ワーク９０の定速搬送と同時にレーザ光を走査する場合においては、実座標系でレーザ光を直線的に走査してもワーク座標系でレーザ光の直進性を保てなくなり、その結果としてスクライブ線は湾曲する。

本実施形態に係る反射面２０の断面曲線は、放物線を縦軸方向において頂点とは反対側へと切り立たせるように放物線を変形させることで得られる曲線を成している。このようにして反射面２０は、放物面を切り立たせるよう変形させて走査線８１上でのレーザ光８０の移動速度を略一定に保つ非放物形状を有している。

放物面をこのように変形すると、反射面２０に放物面を採用した場合と比べ、投光中心Ｃから放射されたレーザ光８０が、頂点から横方向に離れた箇所において頂点により近い位置で反射する。これにより、走査線の始点付近及び終点付近での走査速度を抑えるよう修正される。その結果、レーザ光の走査速度を略一定に保つことができる。すると、被り代の大きさを一定に保つことができ、スクライブ線９３の直進性を保つこともできる。しかも、ワーク９０の搬送速度、パルスレーザの周波数及びレーザ光８０の角速度はいずれも一定であるので、搬送装置２、レーザ発振器５及び投光部１１の安定動作を実現しつつ、レーザ光８０の等速性を保つことができている。

反射面２０は放物面を変形した非放物形状を有するところ、投光中心Ｃは、依然として基準とされた放物面の焦点上に配置され、走査線は基準とされた放物面の準線に平行に配置される。逆に言えば、反射面２０の断面曲線と頂点を共有すると共に同方向に凸である放物線を定義したとき、当該放物線の焦点上に投光中心Ｃが配置され、当該放物線の準線上に走査線が配置される。このため、反射面２０は非放物形状を有しながらも、反射面２０に放物面を採用したときに得られるメリットも享受することができる。

この非放物形状は、放物面の頂点から横方向に離れるほど縦方向において当該頂点とは反対側へと大きく切り立つようにして放物面を変形させることで得られる。逆にいえば、頂点付近では大きく変形されていない。このように、変形箇所及び変形程度が横方向に勾配を持っている。反射面２０に放物面を採用したときに得られるメリットを損なわないことと、反射面に放物面を採用したときに生じるデメリットを解消することとの両立を図ることができる。レーザ光の走査速度は、放物面の頂点付近で反射した場合の走査速度に合うようにして、好適に是正される。

反射面２０の非放物形状は連続した曲面であり、反射面２０は、レーザ光の角移動平面で断面をとったときに連続曲線を成す。例えば、曲線に沿って複数の平板鏡面を並べて配置した場合には、組付け時の累積誤差が重なって寸法公差が大きくなる可能性があるし、隣接する平板鏡面の継ぎ目でケラレが生じる可能性がある。上記構成の採用により、反射面２０を小さい寸法公差内で光学配置することができるし、ケラレを解消することができる。

このように本実施形態に係る反射面２０の形状は、放物面と比較することでその特徴及び作用効果を容易に把握可能になる。以降の説明では、反射面２０の比較対象となり且つ反射面２０を得る変形前の基準となる面を「基準放物面」と称する。

図２は、反射面２０及び基準放物面７０の形状を示す概念図である。図２では、説明の便宜のため、加工方向Ｘを横軸にとり、鉛直方向Ｚを縦軸にとった二次元直交座標系（ワーク座標系）を用いる。また、ここでは、レーザ光８０の角移動平面が、当該二次元直交座標系によって定義されるＺＸ平面と平行な平面、すなわち、ポリゴンミラー１６の中心軸線に直交する平面であるとする。

図２に示すように、走査線８１及びスクライブ線９３は、横軸に平行な直線で表され、反射面２０及び基準放物面７０は下に凸である。原点Ｏに、投光中心Ｃと基準放物面７０の焦点Ｆとが位置し、反射面２０及び基準放物面７０の対称軸線が縦軸上で重なる。

焦点Ｆと頂点との距離がａであれば、頂点を座標（０，ａ）、基準放物面７０の断面放物線を曲線：Ｚ＝−Ｘ^２／４ａ＋ａ（ａ＜０）として表すことができる。走査線８１の始点８１Ａと終点８１Ｂの中間点は縦軸上に位置する。

一方、反射面２０の断面曲線は、基準放物面７０と同様にして偶関数で表されて縦軸を基準に線対称である。このため、反射面２０の断面曲線を最適化したり、その形状及び作用効果を考察又は評価するにあたっては、対称軸線に対していずれか一方の側のみについて行えばそれで足りる。

基準放物面７０の断面放物線は２次多項式で表されるが、反射面２０の断面曲線は４次以上の偶数次多項式で表される。これにより反射面２０は、前述したとおり、基準放物面７０の頂点から横軸方向に離れるほど縦軸方向において当該頂点とは反対側（本例では基準放物面７０及び反射面２０が下に凸であるので、上側）に切り立たせるように基準放物面７０を変形させた非放物形状を有することとなる。

反射面２０に放物面を採用したときに得られるメリットを損なわず反射面２０に放物面を採用したときに生じるデメリットを解消するとの作用が得られるのであれば、反射面２０の断面曲線は、高次多項式以外の偶関数（例えば、余弦関数）で表されてもよい。高次多項式で表す場合、上記作用を得るようにして、反射面２０を容易に最適化することができる。

本実施形態では、反射面２０の断面曲線が次式（１）の６次多項式で表される。ただし、反射面２０の断面曲線は４次多項式で表されてもよく、８次以上の偶数次多項式で表されてもよい。反射面２０の断面曲線が６次多項式で表されると、反射面２０に放物面を採用した場合に得られるメリットの享受と、反射面２０に放物面を採用した場合に生じるデメリットの解消との両立が容易になる。

反射面２０の断面曲線を表す式では、奇数次項が省略される。これにより反射面２０の線対称性を保つことができ、また、反射面２０が基準放物面７０から不必要に大きく変形するのを防ぐことができる。更に、奇数次項を考慮しないことで、上記作用を得るようにして、反射面２０を容易に最適化することができる。

特に、本実施形態では、式（１）において、２次及びそれより低次の項が基準放物面７０を表す式を成す。すなわち、式（１）における２次項の係数Ｃ_２が基準放物面７０を表す式の２次項の係数と等しく、式（１）における定数項Ｃ_３が基準放物面７０を表す式の定数項と等しく、そのため、式（１）を次式（２）で表すことができる。

このように、反射面２０の断面曲線を表す多項式のうち、２次及びそれより低次の項が、基準放物面７０の断面放物線を表す式を成していると、２次よりも高次の項（本実施形態では、６次項：Ｃ_０Ｘ^６、４次項：Ｃ_１Ｘ^４）のみが、当該基準放物面７０の変形に寄与し、基準放物面７０の断面放物線を表す式への補正項として機能する。このように、変形に寄与する項が、基準放物面７０の断面放物線を表す式と完全に分別され、基準放物面７０の断面放物線を表す式を構成する２次及びそれより低次の項はそのまま維持される。このため、反射面２０に基準放物面７０を採用したときに得られるメリットを損なわず反射面２０に基準放物面７０を採用したときに生ずるデメリットを解消した非放物形状を実現することができる。また、変形に寄与する項、すなわち最適な係数を導出すべき項を、２次よりも高次の項のみに絞っている。このため、かかる非放物形状を容易に最適化することができる。例えば、本実施形態では、反射面２０の断面曲線が奇数次項を有しない６次多項式で表され、最適な係数を導出すべき項を６次項と４次項の２つに絞っているので、非放物形状を容易に最適化することができる。

（非放物形状の最適化）
次に、図２を参照しながら非放物形状を最適化する手順について説明する。まず、初期パラメータを決定する。初期パラメータには、ポリゴンミラー１６の反射鏡面数、投光中心Ｃから基準放物面７０の頂点までの距離、投光中心Ｃから走査線８１までの距離、走査線８１の長さ等が含まれる。ポリゴンミラー１６の反射鏡面数は、投光中心Ｃ周りのレーザ光の回転範囲を決めるためのパラメータである。投光中心Ｃから頂点までの距離は、基準放物面７０の断面放物線を表す式を決めるためのパラメータであり、更に本実施形態では、反射面２０の断面曲線を表す多項式において２次及びそれより低次の項を固定するためのパラメータであるとの意義も有している。

次に、投光中心Ｃ周りに角移動する投光中心Ｃからのレーザ光８０の光路を単位回転量θ毎に定義し、定義された光路それぞれに対応する直線の方程式を導出する。ここで、投光中心Ｃから真下にレーザ光が放射された時点をｔ_０とする。この場合、時点ｔ_０での光路が縦軸に重なる。第２象限において縦軸から反時計回りに数えてｎ本目の直線が、時点ｔ_０からｎ×θだけ回転した時点での光路に対応し、直線：Ｚ＝−ｔａｎ（９０−ｎθ）Ｘ で表される。

次に、反射面２０の断面曲線と、投光中心Ｃからの光路それぞれとの交点Ｐ１，Ｐ２，…Ｐｎの座標を求める。この段階で、式（２）における６次項の係数Ｃ_０と４次項の係数Ｃ_１は未定である。反射面２０の断面曲線は非線形方程式で表されるところ、交点Ｐ１，Ｐ２，…Ｐｎの座標は、ニュートン・ラフソン法（Newton-Raphson method）等に代表される近似計算法を用いて導出することができる。近似精度は演算繰返し回数に応じて変わるところ、本実施形態では、光学設計に活用することに照らして５〜７回の繰返し演算が行われる。これにより近似精度が好適に担保される。反射面２０の断面曲線は偶数次多項式で表されるので、繰返し演算を容易に行うことができ、交点座標を高精度且つ容易に導出することができる。

次に、交点Ｐ１，Ｐ２，…Ｐｎ毎に反射レーザ光路を表す直線の方程式を導出する。そのためにまず、当該交点Ｐ１，Ｐ２，…Ｐｎでの反射面２０の法線の傾きを求める。法線は入射レーザ光路と反射レーザ光路との線対称軸となる。次に、法線の傾きと入射レーザ光路に対応する直線の傾きとから、反射レーザ光路を表す直線の傾きを求める。次に、求めた傾きと交点Ｐ１，Ｐ２，…Ｐｎの座標とから、当該直線の方程式を導出する。

次に、反射レーザ光路を表す直線それぞれと走査線８１を表す直線との交点Ｑ０，Ｑ１，…Ｑｎの座標を求める。この交点群Ｑ０，Ｑ１，…Ｑｎは、単位回転量θ毎の走査線８１上でのレーザ光８０の照射点を表す。縦軸と走査線８１を表す直線との交点Ｑ０は、時点ｔ_０で投光中心Ｃから放射されたレーザ光の走査線上での照射点である。当該交点Ｑ０から横軸方向右側に数えて１つ目の交点Ｑ１は、時点ｔ_０からθだけ回転した後の時点で投光中心Ｃから放射されたレーザ光の走査線上での照射点である。この隣接２点Ｑ０，Ｑ１間の距離Ｓ１は、レーザ光が単位回転量θだけ角移動する間におけるレーザ光の走査線８１上での走査距離に相当する。

次に、走査線８１上における隣接２点間の距離Ｓ１，Ｓ２，…Ｓｎをそれぞれ算出する。そして、算出された距離Ｓ１，Ｓ２，…Ｓｎ同士を所定誤差範囲内に収めるようにして、反射面２０の断面曲線を表す式を導出する。誤差の評価法に関し、本実施形態では、時点ｔ_０から単位回転量θだけ角移動する間の走査距離Ｓ１を基準距離とし、残りの走査距離Ｓ２，Ｓ３，…Ｓｎそれぞれと基準距離Ｓ１との距離比を算出する。全走査距離Ｓ１，Ｓ２，…Ｓｎが、同じ時間が経過する間におけるレーザ光の走査距離であるので、距離比を算出することは速度比を算出することと同等である。そして、ｎ−１個の距離比（速度比）全てが所望の閾値未満となるとの条件を満たすように、反射面２０の断面曲線を表す式を導出する。こうすれば、走査線８１の始点８１Ａ及び終点８１Ｂ付近の走査速度を、時点ｔ_０から単位回転量θだけ角移動する間におけるレーザ光の走査速度を基準にして許容誤差範囲内に収めることができる。

本実施形態では、式（２）における６次項の係数Ｃ_０の値と４次項の係数Ｃ_１の値を調整することにより、上記条件を満たす式が導出される。一方、２次及びそれより低次の項は、調整のために値を変える対象とせず、基準放物面７０を表す式と同一に維持する。このような調整手法を採ると、基準放物面７０の頂点から横軸方向に離れるほど基準放物面７０に対して大きく変形する一方、基準放物面７０の頂点付近で変形が小さくなって反射面２０は基準放物面７０と頂点を共有するようになる。その一方で、Ｃ_０及びＣ_１の調整の根拠となる誤差は、走査距離Ｓ１を基準として評価されるところ、当該走査距離Ｓ１は時点ｔ_０から単位回転量θだけ角移動する間における走査距離である。Ｃ_０及びＣ_１を調整しても基準放物面７０の頂点付近の形状は変化しないので、当該走査距離Ｓ１も大きく変化しない。一方、Ｃ_０及びＣ_１を調整すると、基準放物面７０の頂点から横方向に離れた箇所で変形量が大きくなる。このため、走査距離Ｓ１を規定する照射点Ｑ０，Ｑ１から横軸方向に離れた照射点であるほど、すなわち、走査線８１の中間点から離れた照射点であるほど、当該照射点により規定される走査距離を大きく補正することができる。

このように、頂点付近で反射したレーザ光の走査距離を基準とした誤差評価を採用すると共に、反射面２０の断面曲線を表す式の導出に際して２次よりも高次の項の係数のみを調整するとの手法を採用することで、誤差を許容範囲内に収めるようにして、反射面２０の断面曲線を表す式を合理的且つ簡便に導出することができる。

なお、係数Ｃ_０及び係数Ｃ_１の最適値の導出には、多項式最適化法を用いるのが有用である。この多項式最適化法では、例えば、隣接２点間における走査加速度を算出し、算出された走査加速度又はそれを二乗した値を積算し、その積算値が最小となるような係数Ｃ_０及びＣ_１を一般化簡約勾配法（ＧＲＧ（Generalized Reduced Gradient）法）で探索する、という手法を用いてもよい。ＧＲＧ法に替えて準ニュートン法を用いてもよい。本件発明者の検証によれば、このように探索されたＣ_０及びＣ_１を用いて上記のように走査距離Ｓ１を基準とした速度比を評価したところ、全速度比をパターニング処理用のレーザ加工装置１で要求される許容誤差範囲内に収めることができるケースがあるとわかった。

次に、投光中心Ｃから走査線８１上の照射点それぞれまでの距離を算出する。そして、算出された距離同士が所望の誤差範囲内に収まっているか否かを判定する。この距離は、投光中心Ｃから照射点までの光路長である。反射面２０に基準放物面７０を採用したときには数学的定義に従って光路長が一定になるが、反射面２０が非放物形状であれば光路長に誤差が生ずる。そこで、その誤差が許容範囲内であるか否かが確認される。許容範囲はパターニング処理用のレーザ加工装置に要求される精度に応じて適宜設定され、誤差が許容範囲外であれば、誤差が許容範囲内に収まるように式（２）が修正される。本件発明者の検証によれば、レーザ光の走査速度の等速性を保つように反射面２０の断面曲線を表す式が上記のようにして導出されれば、光路長も要求される許容誤差範囲内に収めることができ、当該式の修正が不要になるケースがあることがわかった。

次に、反射レーザ光路を表す直線の傾きが許容範囲内にあるか否かを判定する。この傾きは、対応する照射点におけるレーザ光のワークへの入射角の正接である。反射面に基準放物面７０を採用したときには数学的定義に従って入射角が９０度になって傾きが無限大となるところ、反射面２０を非放物形状とすると入射角が９０度に対して傾斜するので、その傾斜が許容範囲内であるか否かが確認される。許容範囲の設定や誤差が許容範囲外である場合の取扱いについては、上記光路長と同様である。また、本件発明者による検証により、式の修正が不要になるケースがあることも上記光路長と同様である。

以上、実施形態について説明したが、上記構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で適宜変更、追加及び削除することができる。

（実施例）
最後に、上記最適化の手順を経て得られた反射面２０の形状の一例を表１，２にまとめる。全実施例において、交点座標の導出には、ニュートン・ラフソン法を用いて７回繰返し演算した。係数Ｃ_０及びＣ_１は、走査加速度の二乗の積算値を最小にする値をＧＲＧ法で探索することにより導出された。

表１に示すとおり、実施例１〜３では、ポリゴンミラーの反射鏡面数を８、単位回転量を４．５度とした。実施例１では、放物面の焦点距離を１、放物面焦点から走査線までの距離を２とした。実施例２では、放物面の焦点距離を１、放物面焦点から走査線までの距離を０．５とした。実施例３では、放物面の焦点距離を１、放物面焦点から走査線までの距離を０．５とし、反射面の断面曲線を表す式のうち２次項の係数Ｃ_２及び定数項Ｃ_３をこれに応じて変更した。実施例１では、速度比を最大で０．０８％の誤差に収めることができた。同時に、光路長を最大で０．０３％の誤差に収めることができ、レーザ光のワーク９０への入射角の垂直に対する傾斜角を最大で２．３３１度に収めることができた。実施例２では、速度比を最大で０．１４％の誤差に収めることができた。同時に、光路長を最大で−０．１５％の誤差に収めることができ、レーザ光のワーク９０への入射角の垂直に対する傾斜角を最大で３．１７３度に収めることができた。実施例３では、速度比を０．０３％の誤差に収めることができた。同時に、光路長を最大で−０．１５％の誤差に収めることができ、レーザ光のワーク９０への入射角の垂直に対する傾斜角を最大で１．５２４度に収めることができた。速度比に関しては実施例３、光路長に関しては実施例１、入射角に関しては実施例３でそれぞれ最適化されることがわかった。

表２に示すとおり、実施例４〜６では、ポリゴンミラーの反射鏡面数を６、単位回転量を６度とした。放物面の焦点距離と放物面焦点から走査線までの距離とに関し、実施例４〜６は、実施例１〜３とそれぞれ同じ条件としている。それぞれと同じ条件としている。実施例４〜６においては、速度比、光路長及び入射角のいずれに関しても、実施例６で最適化されることがわかった。実施例１〜３と実施例４〜６との比較から、ポリゴンミラーの反射鏡面数に応じて基準放物面の断面放物線を表す式を最適化することで、速度比、光路長及び入射角を最適化することができるとの考察を得られた。

実施例１〜６から、上記最適化の手順を経て得られた反射面２０を採用すれば、ポリゴンミラー１６を等速で回転させながらレーザ光の等速性を保つことができ、しかも基準放物面７０を反射面に採用したときに得られるメリットをも十分に享受することができるとわかった。

本発明は、装置の安定動作を実現しながら走査線上でのレーザ光の等速性を確保することができるとの顕著な作用効果を奏し、レーザ光を走査線上で直線移動させる光走査装置に広く適用することができ、例えば、レーザ光の等速性が装置性能評価に影響を受けるパターニング処理用レーザ加工装置に適用されると有益である。

１ レーザ加工装置
１０ レーザ走査ヘッド（光走査装置）
１１ 投光部
１２ 反射部
１６ ポリゴンミラー
１７ 投光アクチュエータ
１９ ミラー
２０ 反射面
７０ 基準放物面
８０ レーザ光
８１ 走査線
９０ ワーク
９３ スクライブ線
Ｃ 投光中心

Claims (7)

1. レーザ光を走査線上で直線移動させる光走査装置であって、
   レーザ光を投光中心周りに等速で角移動させながら当該投光中心から放射する投光器と、
   前記投光器から放射されたレーザ光を前記走査線上に導くべく反射する反射面を有した反射器と、を備え、
   前記反射面は、基準放物面を切り立たせるよう変形させて前記走査線上でのレーザ光の移動速度を略一定に保つ非放物形状を有し、
   前記非放物形状を前記レーザ光の角移動平面で断面をとったときに表れる前記非放物形状の断面曲線が、前記走査線が延びる方向をＸ軸、前記反射器から前記走査線へと前記レーザ光が入射する方向をＺ軸とする直交座標系において、式：Ｚ＝Ｃ₀Ｘ⁶＋Ｃ₁Ｘ⁴−（１／４ａ）Ｘ²＋ａで表され、ａが前記投光中心から前記断面曲線の頂点までの距離であり、前記式における係数Ｃ ₀ およびＣ ₁ が０ではない値に設定される、光走査装置。
2. 前記非放物形状は、前記基準放物面の頂点から横方向に離れるほど縦方向において前記頂点とは反対側に大きく切り立つようにして、前記基準放物面を変形させることで得られる形状である、請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記非放物形状は、連続曲面である、請求項１又は２に記載の光走査装置。
4. 前記非放物形状は、前記頂点を通過する直線を基準にして線対称に形成される、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光走査装置。
5. 前記式における係数Ｃ₀が、1.19×10^-3〜2.11×10^-2の範囲内で設定される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光走査装置。
6. 前記式における係数Ｃ₁が、2.54×10^-3〜6.52×10^-3の範囲内で設定される、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光走査装置。
7. 前記反射面は、前記投光中心から見て前記走査線と反対側に配置されており、前記基準放物面は、前記走査線とは反対側に凸であって、前記非放物形状が、前記基準放物面を前記走査線側に切り立たせるように変形させた形状である、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光走査装置。

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