KR20110139191A - 가공물의 박막 가공방법 및 박막 가공장치 - Google Patents

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쿠니오 아라이
야스히코 카나야
카즈히사 이시이
히로시 혼다
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히다치 비아 메카닉스 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 레이저광의 조사위치를 일정하게 유지하여, 가공부의 품질의 향상을 도모하는 것을 과제로 한다.
투명한 유리의 표면에 박막이 배치된 가공물(101)의 박막 가공장치로서, 가공물(101)을 압축 에어로 상하방향으로 지지하는 가공물 하면 지지기구(4)와, 가공물(101)의 상하방향의 이동에 추종하여 상기 가공물을 파지하는 클램프장치(6)와, 박막을 레이저광으로 가공하는 가공헤드부(A4)를 구비하고, 가공헤드부(A4)는 가공물(101)의 이면측으로부터 가공물(101)에 레이저광을 조사하여 가공물(101)의 표면측의 박막을 가공하는 동시에, 냉각매체를 분출하는 노즐을 구비하며, 가공시, 가공헤드부(4)로부터 출사된 레이저가 박막에 입사하는 위치의 박막(표면) 측으로부터 노즐에 의해 냉각매체를 분사하면서 박막을 레이저가공한다.

Description

가공물의 박막 가공방법 및 박막 가공장치{METHOD OF WORKING THIN LAYER ON WORK AND THIN LAYOR WORKING APPARATUS}
본 발명은, 투명한 유리의 표면에 박막이 배치된 가공물의 박막을 가공하는 가공물의 박막 가공방법 및 박막 가공장치에 관한 것이다.
투명한 유리의 표면에 박막을 배치한 것으로서, 예를 들면 태양 전지가 알려져 있다. 도 29는 태양 전지의 제조 공정에 있어서의 평면도이다. 동 도면에 있어서, 가공물(101)인 태양 전지는, 투명한 유리(102) 위에 복수의 박막층이 형성된 것으로, 유리(102) 위에 형성되는 복수의 박막층은 전면(全面)에 형성된 후, 주변의 박막층이 제거된다. 이 제거된 부분을 제거부(107)라고 칭하고 있다.
도 30은 태양 전지의 제조 공정을 설명하기 위한 단면도이며, 동 도(a)는 제1의 공정, 동 도(b)는 제2의 공정, 동 도(c)는 제3의 공정, 동 도(d)는 최종 공정을, 각각 나타낸다. 태양 전지의 제조 공정에서는, 우선 동 도(a)에 나타낸 바와 같이 투명한 유리(102) 위에 제1의 박막층(이면(裏面) 전극층)(104)이 배치된 후, 박막층(1041)과 박막층(1042)을 절연하기 위한 제1의 라인홈(P1)이 가공된다. 그 다음에, 동 도(b)에 나타낸 바와 같이, 박막층(104)의 상층에 제2의 박막층(광흡수층)(105)이 배치된 후, 박막층(1051)과 박막층(1052)을 절연하기 위한 제2의 라인홈(P2)이 가공된다. 그 다음에, 동 도(c)에 나타낸 바와 같이, 박막층(105)의 상층에 제3의 박막층(표면 전극층)(106)이 배치된 후, 박막층(106)의 박막층(1061)과 박막층(1062)을 절연하는 제3의 라인홈(P3)이 가공된다. 제3의 라인홈(P3)은 박막층(104)의 표면에 도달하는 깊이이다. 마지막으로, 동 도(d)에 나타낸 바와 같이, 투명한 유리(102) 위의 주변의 3층의 박막층(104,105,106)을 제거한다. 이하, 박막층(104∼106)이 제거된 주변부를 제거부(107)라고 한다. 제거부(107)의 폭은 10∼15mm이다. 또한, 인접하는 제1의 라인홈(P1) 사이, 제2의 라인홈(P2) 사이, 제3의 라인홈(P3) 사이는 각각 라인간격 10∼15mm로 배치되어, 인접하는 제1 및 제2의 라인홈(P1,P2) 사이, 및 제2 및 제3의 라인홈(P2,P3) 사이의 간격은 각각 100∼200μm로 배치되어 있다. 다시 말해, 100∼200μm 간격으로 배치된 제1 내지 제3의 라인홈(P1,P2,P3)이, 간격 10∼15mm 간격으로 형성되어 있다.
도 31은 종래부터 사용되고 있는 박막 가공장치의 구성을 나타내는 주요부 사시도이다. 종래의 박막 가공장치에서는, 가공물 가공 중 및 반송 중에 박막층을 손상시키지 않도록 하기 위해서, 가공물의 박막층을 상측으로 하여, 박막층을 표면측으로부터 가공하게 되어 있다. 동 도면에 있어서, 박막 가공장치는, 베드(114), X이동기구(110), 및 Y이동기구(117)를 구비하고 있다. X이동기구(110)는 베드(114) 위에 배치되어 있다. X이동기구(110)는 가공물의 하면을 지지하는 가이드롤러(guide roller)기구(113), 및 가공물(101)의 측면을 유지하여 도시를 생략하는 구동장치에 의해 X방향(베드(114)의 표면에 평행하며 직교하는 XY평면의 1축 방향)으로 왕복 이동하는 가이드기구(112)를 구비하고 있다. 가이드기구(112)는 가공물(101)의 바닥면을 기준으로 하여 가공물(101)을 클램프한다.
베드(114)에 고정되어 있는 칼럼(115) 위에는, Y이동기구(117)가 배치되어 있다. Y이동기구(117)는 도시를 생략하는 Y구동기구에 의해 칼럼(115) 위를 X방향과 상기 XY평면 상에서 직각인 타축 방향인 Y방향으로 왕복 이동시킨다. Y이동기구(117) 위에는, 가공헤드(118) 및 도시를 생략하는 전달광학계가 배치되어 있다.가공헤드(118)는 도시를 생략하는 Z구동기구에 의해, Z방향(상기 XY평면에 수직인 방향)으로 왕복 이동한다.
상기 제1 내지 제3의 라인홈(P1∼P3)을 가공하는 경우,
1) Y이동기구(117)에 의해 가공헤드(118)를 Y방향으로 위치결정한다.
2) Y 방향의 위치결정 종료 후, 가공헤드(118)의 Z방향의 높이를 위치결정한다.
3) X이동기구(110)에 의해 가공물(101)을 X방향으로 이동시키면서, 가공헤드(118)로부터 레이저광을 조사하여, 제1 내지 제3의 라인홈(P1∼P3)을 가공한다.
3-1) 제1의 박막층(104)은 파장 1064nm의 레이저광을 조사해서 가공한다.
3-2) 제2 및 제3의 박막층(105,106)은 파장 532nm의 레이저광을 조사해서 가공한다.
4) 제3의 라인홈(P3)을 가공한 후, 파장 1064nm의 레이저광에 의해 가공물(101)의 주변부를 가공하고, 제거부(107)를 형성한다.
라고 하는 공정에 의해 형성된다.
제1 내지 제3의 라인홈(P1∼P3) 및 제거부(107)는 각각 전용의 가공장치에 의해 가공된다. 가공 능률을 향상시키기 위해서, 라인홈 가공장치는 각각 전용화되어, 라인 형상으로 배치되어 있다. 그때, 제1 내지 제3의 라인홈(P1∼P3)의 가공은, 스폿 지름(D)의 빔을 일정 피치 1만큼 시프트시켜, 완성 깊이를 오버랩율〔(D-1)/D〕%로 컨트롤한다. 따라서, 홈 바닥의 오버랩부에 투입되는 토털에너지는, 오버랩수×펄스에너지이며, 장소에 따라 투입에너지는 빔에너지의 1배∼오버랩수배로 단계적으로 변하게 된다.
한편, 이러한 종류의 기술로서 특허문헌 1에 기재된 발명이 공지이다. 이 발명은, 집적형 태양 전지에 대하여 레이저광에 의해 스크라이브 가공을 행할 때에, 레이저광의 초점을 일정하게 유지함으로써 양호한 정밀도로 가공을 행하는 것을 목적으로 한 것으로서, 절연기판 위에 전극층을 형성하고, 상기 전극층에 레이저광을 조사함으로써 이것을 분할하여 패터닝하며, 그 위에 광전변환층을 적층하고, 상기 광전변환층에 레이저광을 조사함으로써 이것을 분할하여 패터닝하는 태양 전지의 제조방법에 있어서, 상기 광전변환층을 패터닝할 때, 상기 절연기판상의 전극층의 분할라인 에지를 레이저광의 초점의 조준으로서 이용하여, 상기 전극층의 분할라인과 상기 광전변환층의 분할라인을 중첩시키는 것을 특징으로 하는 것이다.
[특허문헌 1]: 일본 특허공개공보 평10-303444호
그런데, 상기 종래의 박막 가공장치로 가공할 경우, 레이저광의 조사 위치를 일정하게 유지하는 것이 어렵다고 하는 문제가 있었다. 다시 말해, 가공물(101)의 판두께의 공차(公差)는 ±0.5mm, 휨이나 변형의 공차는 ±1mm이다. 상술한 바와 같이 종래 장치의 경우, 가공물(101)은 가이드롤러기구(113)에 의해 이면측이 지지되어 있으므로, 가공물 표면의 위치는, 판두께의 공차와 휨이나 변형의 공차의 합계인 ±1.5mm만큼 변화될 가능성이 있다. 레이저광의 집광(集光) 높이가 설계 위치부터 어긋나면, 디포커스(defocus)상태에서 가공하게 되기 때문에, 스폿 지름이 변화된다. 그 때문에, 제1 내지 제3의 라인홈(P1∼P3)의 홈폭이 허용값(±10% 이하)을 만족할 수 없거나, 혹은 에너지 밀도가 부족하여 목적하는 층이 제거되지 않고 남는 일이 있었다.
또한, 레이저광의 펄스주기(1/펄스주파수)의 제한의 문제가 있었다. 즉, 펄스주기를 짧게 하면, 박막이나 유리의 열전도에 의해, 빔 오버랩부의 온도가 상승해서 홈측벽에 박리가 생기기 쉬워진다. 이 때문에, 펄스주기를 0.04ms 이상(펄스주파수가 25kHz 이하)으로 할 필요가 있고, 레이저 발진기의 최대출력을 얻을 수 있는 80∼120kHz를 상기 25kHz 이하까지 저하시켜야 하기 때문에, 레이저광의 출력 이용효율을 향상시킬 수 없었다.
따라서, 이면측으로부터 가공하는 방법이 시도되고 있지만(특허문헌 1), 실용화에는 이르지 않고 있다. 실용화되지 않는 것은, 가공에 의해 생긴 분해물이 충분히 제거되지 않고, 홈 내부에 부착한 분해물이 원인이 되어 절연 저항이 50MΩ 정도로 저하하여, 이상적인 절연 저항 2000MΩ을 실현할 수 없기 때문이다.
그러므로, 본 발명이 해결하고자 하는 제1의 과제는, 레이저광의 조사 위치를 일정하게 유지하는 것을 가능하게 하고, 홈폭을 허용값 이하로 가공함으로써 가공부의 품질 향상을 도모하는 것에 있다.
또한, 제2의 과제는, 레이저광의 출력 이용효율을 향상시키는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 제1의 수단은, 투명한 유리의 표면에 박막이 배치된 가공물의 박막 가공방법에 있어서, 상기 가공물을 압축 에어에 의해 상하 방향으로 지지하는 동시에, 클램프장치에 의해 상기 가공물의 상하 방향의 이동에 추종해서 가공물을 파지(把持)한 상태로, 상기 가공물의 이면측으로부터 레이저를 조사해서 상기 표면측의 박막을 가공하는 것을 특징으로 한다.
제2의 수단은, 투명한 유리의 표면에 박막이 배치된 가공물의 박막 가공방법에 있어서, 가공부에 냉각 매체를 분사하면서 가공하는 것을 특징으로 한다.
제3의 수단은 투명한 유리의 표면에 박막이 배치된 가공물의 박막 가공장치에 있어서, 상기 가공물을 압축 에어에 의해 상하 방향으로 지지하는 지지장치와, 상기 가공물의 상하 방향의 이동에 추종해서 해당 가공물을 파지하는 클램프장치와, 상기 박막을 레이저광으로 가공하는 레이저 조사장치를 구비하고, 상기 레이저 조사장치는 상기 가공물의 이면측으로부터 상기 가공물에 레이저광을 조사하여 상기 표면측의 박막을 가공하는 것을 특징으로 한다.
제4의 수단은, 투명한 유리의 표면에 박막이 배치된 가공물의 박막 가공장치에 있어서, 냉각 매체를 분출하는 노즐과, 상기 박막을 레이저광으로 가공하는 레이저 조사장치를 구비하고, 가공시, 상기 레이저 조사장치로부터 출사된 레이저가 상기 박막에 입사하는 위치의 상기 박막측으로부터, 상기 노즐에 의해 상기 냉각 매체를 분사하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 레이저광의 조사 위치를 일정하게 유지하는 것이 가능하게 되므로, 홈폭을 허용값 이하로 가공할 수 있다. 그 결과, 가공부의 품질 향상을 도모할 수 있다.
또한, 이면측으로부터 박막층을 가공하고, 표면측에서 냉매를 분사하여 가공하므로, 펄스주기를 짧게 해도 절연 저항을 확보할 수 있으며, 레이저광의 출력 이용효율을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 관한 박막 가공장치의 구성을 나타내는 기능블록도이다.
도 2는, 도 1에 있어서의 박막 가공장치 본체의 구성을 설명하기 위한 사시도이다.
도 3은, 도 2에 있어서의 가공물 하면 지지기구의 상세를 나타내는 도면이다.
도 4는, 도 3에 나타낸 가공물 하면 지지기구의 변형예 1을 나타내는 도면이다.
도 5는, 도 3에 나타낸 가공물 하면 지지기구의 변형예 2를 나타내는 도면이다.
도 6은, 도 3에 나타낸 가공물 하면 지지기구의 변형예 3을 나타내는 도면이다.
도 7은, 도 3에 나타낸 가공물 하면 지지기구의 변형예 4를 나타내는 도면이다.
도 8은, 도 2에 있어서의 가공물 측부 클램프기구의 상세를 나타내는 도면이다.
도 9는, 도 8에 나타낸 가공물 측부 클램프기구의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 10은, 도 2에 있어서의 가공물 전단면(前端面) 클램프기구의 상세를 나타내는 도면이다.
도 11은, 도 2에 있어서의 가공물 후단면(後端面) 클램프기구의 상세를 나타내는 도면이다.
도 12는, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 각 클램프기구의 제1의 배치예를 나타내는 평면도이다.
도 13은, 도 12에 나타낸 클램프기구의 제1의 배치예의 변형예인 제2의 배치예를 나타내는 평면도이다.
도 14는, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 각 클램프기구의 제3의 배치예를 나타내는 평면도이다.
도 15는, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 각 클램프기구의 제4의 배치예를 나타내는 평면도이다.
도 16은, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 각 클램프기구의 제5의 배치예를 나타내는 평면도이다.
도 17은, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 각 클램프기구의 제6의 배치예를 나타내는 평면도이다.
도 18은, 본 발명의 실시 형태에 관한 라인홈 가공용의 제1의 집진(集塵)장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 19는, 도 18에 있어서의 제1의 집진장치를 구비한 칼럼의 주요부를 나타내는 측면도이다.
도 20은, 본 발명의 실시 형태에 관한 라인홈 가공용의 제2의 집진장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 21은, 도 20에 있어서의 제2의 집진장치를 구비한 칼럼의 주요부를 나타내는 측면도이다.
도 22는, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 가공물 주위에 제거부를 형성하는 경우의 제3의 집진장치의 설명도이다.
도 23은, 상부 집진챔버의 X방향 양 측면에 배치된 가이드롤러 유닛의 종단면도이다.
도 24는, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 중앙부를 가공하는 제4의 집진장치의 설명도이다.
도 25는, 도 24에 있어서의 제4의 집진장치를 구비한 칼럼의 주요부를 나타내는 측면도이다.
도 26은, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 광학계의 방진(防塵)기구를 나타내는 모식도이다.
도 27은, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 광학계의 주요부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 28은, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 광학계의 고출력 레이저에 의해 가공물 주위 제거가공을 행하는 경우의 구성을 나타내는 도면이다.
도 29는, 종래부터 실시되고 있는 태양 전지의 제조 공정에 있어서의 평면도이다.
도 30은, 종래부터 실시되고 있는 태양 전지의 제조 공정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 31은, 종래부터 사용되고 있는 박막 가공장치의 구성을 나타내는 주요부 사시도이다.
본 발명은, 투명한 유리의 표면에 박막이 배치된 가공물을 가공할 때에, 가공 정밀도와 가공성을 고려하여, 가공물을 압축 에어에 의해 상하 방향으로 지지하는 동시에, 클램프장치에 의해 상기 가공물의 상하 방향의 이동에 추종해서 가공물을 파지한 상태로, 상기 가공물의 이면측으로부터 레이저를 조사하여 상기 표면측의 박막을 가공하도록 한 것이다. 이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명한다.
1. 전체 구성
도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 박막 가공장치의 구성을 나타내는 기능블록도이다. 동 도면에 있어서, 본 실시 형태에 관한 박막 가공장치는, 레이저광(이하, 레이저빔(laser beam)이라고도 칭한다.)의 XYZ 위치결정기구, 가공헤드, 레이저 발진기, 진공장치, 및 미스트 발생장치 등에 의해 구성되는 박막 가공장치 본체(SA)와, 메인 컨트롤러(SB)와, 레이저 컨트롤러, 모터 드라이버, 펄스정형기(整形器) 드라이버, 및 갈바노(galvano) 드라이버 등이 탑재된 서브 컨트롤러(SC)를 구비하고 있다. 메인 컨트롤러(SB) 및 서브 컨트롤러(SC)는 각각 CPU, ROM 및 RAM을 구비하고, 각 CPU는 각 ROM에 저장된 프로그램을 각각의 RAM에 전개하고, 해당 RAM을 워크 에어리어(work area) 및 데이터 버퍼(data buffer)로서 사용하면서 상기 프로그램으로 정의된 소정의 제어를 실행한다.
도 2는 박막 가공장치 본체의 구성을 설명하기 위한 사시도이다. 한편, 센터라인(CL)의 좌측은 도시가 생략되어 있다. 동 도면에 있어서, 박막 가공장치 본체(SA)는, 프레임 구조의 베드(A1), 베드(A1) 위에 설치된 X이동기구부(A2), X이동기구부(A2)에 대하여 직교하도록 마찬가지로 베드(A1) 위에 설치된 Y이동기구부(A3), Y이동기구부(A3) 위에 설치된 Z이동기구와 일체의 가공헤드부(A4), 레이저 발진기부(A5), 및 베드(A1) 위에 고정된 칼럼(A6)으로 구성되어 있다. 칼럼(A6)에는, 가공헤드의 상부에 배치되는 집진기구, 위치감시 카메라, 및 높이를 검출하는 높이 검출장치가 설치되어 있다.
X이동기구부(A2)는, 도시를 생략하는 모터에 의해 X방향으로 이동가능한 제1의 X구동기구(상세기구 생략)(1), 제1의 X구동기구(1)와 평행하게 이동가능한 제2의 X구동기구(상세기구 생략)(2), 및 한 쌍의 접속판(3)으로 구성되어 있다. 접속판(3)은 일단측이 제1의 X구동기구(1)에 고정되는 동시에 타단측이 제2의 X구동기구(2)에 연결되어, 제1 및 제2의 X구동기구(1,2)를 동시에 이동시킨다. 한편, 접속판(3)의 제2의 X구동기구(2)와의 접속부는, 제2의 X구동기구(2)에 대하여 Y방향으로 무리가 가지 않도록 Y방향으로만 슬라이드가능하게 되어 있다.
또한, 제1 및 제2의 X구동기구(1,2)에는 각각 가공물 측부 클램프기구(6)가 설치되어 있다. 가공물 측부 클램프(6)는, 후술하는 바와 같이 가공물(101)의 클램프 동작중에 있어서도 상하 방향으로 이동(종동(從動))가능하다. 게다가, 제1의 X구동기구(1)에는, 가공물 전단면 클램프기구(7) 및 가공물 후단면 클램프기구(8)가 설치되어, 전자는 가공물(101)을 전단(前端)면에서 위치결정하고, 후자는 가공물(101)을 후단면 위치결정하는 동시에, 언클램프시에 퇴피하도록 구성되어 있다. 또한, 제2의 X구동기구(2)에는, 가공물 측면 가압기구(9)가 설치되어 있다.
베드(A1)에는, 서포트프레임(5)을 사이에 두고 가공물 하면 지지기구(4)가 설치되어 있다. 가공물 하면 지지기구(4)는, 비접촉으로 가공물(101)을 지지하기 위한 가공물 부상(浮上) 기능과 가공물 흡착 기능을 갖추고 있다. 가공물 하면 지지기구(4)는 도면 중 센터라인(CL)의 도시가 생략된 측에도 배치되어 있다. 베드(A1)의 X방향 양단부에는, 각각 한 쌍의 가이드롤러(10)가 배치되어 있다. 가이드롤러(10)는, 가공물(101)을 반입(搬入) 대기위치(클램프위치)까지 X방향으로 보낼 때에, Y방향 어긋남을 규제한다. 가이드롤러(10)는, 가공물(101) 반입시에만 가공물 단면(端面) 높이 위치로 상승하고, 가공물(101)이 클램프위치에 도달하면, 하강하여 대기하도록 되어 있다. 서포트프레임(5)에는 외경(外徑)의 정점(頂点)이 서포트(46)의 표면높이보다도 0.1mm 높게 되도록 서포트롤러(11)가 설치되어, 가공물 하면 지지기구(4)가 동작 불능인 경우에 가공물(101)을 지지하는 동시에, 인력(人力)에 의한 가공물(101)의 이동을 가능하게 하고 있다.
2. 가공물 하면 지지기구
2.1 기본구성
가공물(101)은 하면측에서 에어에 의해 부상(浮上) 상태로 지지된다. 이 지지기구가 가공물 하면 지지기구(4)이다. 도 3은 이 가공물 하면 지지기구(4)의 상세를 나타내는 도면으로, 동 도(a)는 주요부 평면도, 동 도(b)는 단면도이다.
동 도면에 있어서, 가공물 하면 지지기구(4)는, 부상기구(41)와 흡착기구(42)를 구비하고, 양 기구(41,42)는 평판형상의 서포트(46)에 설치되어 있다. 부상기구(41)는, 지름 약0.2mm의 수십개의 제1의 오리피스(orifice, 43)를 복수의 동심원 위에 배치한 오리피스 열(列)을 가지는 평면 에어베어링이다. 각 제1의 오리피스(43)의 배후부(背部)에는 공간부(45)가 설치되어, 이 공간부(45)에 도시를 생략하는 에어원(源)으로부터 제1의 에어통로(44)를 통하여 에어가 공급되며, 그 에어가 상기 각 제1의 오리피스(43)로부터 방출된다. 따라서, 부상기구(41)는 공기압에 의한 부상기구(이하, 에어부상기구라고 칭한다 )이다.
이 에어부상기구(41)에서는, 공간부(45)에 압력 5kgf/cm2의 에어를 공급한 경우(화살표(D1)), 가공물(101)을 화살표(D2) 방향으로 밀어 올리지만, 동시에 후술하는 흡착기구(42)와의 조합에 의해 발생한 고속류(高速流)에 의한 정압(靜壓) 저하 효과에 의해, 가공물(101) 하면과 서포트(46) 표면간의 거리(갭)(g)이 수정된다. 예를 들면, 에어부상기구(41)의 XY방향의 간격이 300mm이며, 300mmX1100mm의 크기의 두께 5mm의 유리를 가공물(101)로 했을 경우, 가공물(101) 하면과 서포트(46) 표면간의 거리(g)를 0.2∼0.3mm로 유지할 수 있다.
흡착기구(42)는, 에어부상기구(41)의 제1의 오리피스(43) 열의 외주측에 위치하고, 동심으로 형성된 원환(圓環) 형상의 홈(48)과 제2의 에어통로(47)를 구비하며, 도시를 생략하는 진공원에 접속되어 있다. 제2의 에어통로(47)를 통하여 에어를 흡인했을 경우(화살표(D3)), 가공물(101)을 흡착할 수 있다(화살표(D4)). 이와 같이 하여, 홈(48)으로부터 에어 흡인에 의한 흡착력과 오리피스(43)로부터의 에어 분출에 의한 부상력이 균형을 이룬 위치에서 가공물(101)의 부상 위치가 안정된다. 예를 들면, 0.3kgf/cm2의 음압(負壓)으로 제1의 가공물(101) 하면과 서포트(46) 표면과의 가공물(101) 하면과 서포트(46) 표면과의 에어공급통로(44)를 접속했을 경우, 가공물(101)이 서포트(46)로부터 부상한 거리(g)를 일정(예컨대, 0.2mm)하게 유지할 수 있다. 그리고, 가공물 하면 지지기구(4)에 의해, 가공물 만곡(彎曲)변형 ±1.0mm가 수정되어, 가공물 표면 높이변화를 ±0.05mm의 범위로 억제할 수 있다. 따라서, 홈폭이 균일한 고품질의 가공을 행할 수 있다.
한편, 가공물 만곡변형 ±1.0mm가 수정되어, 가공물 표면높이 변화를 ±0.05mm의 범위로 억제할 수 있게 되는 것은, 홈(48)으로부터 에어 흡인에 의한 흡착력과 오리피스(43)로부터의 에어 분출에 의한 부상력이 균형을 이루며, 평탄하게 되도록 힘이 작용하기 때문이다. 또한, 상기 거리(g)는, 흡착기구(42)와의 조합에 의해 발생한 고속류에 의한 정압 저하 효과에 의해 안정하게 유지된다.
2.2 변형예 1
도 4는 도 3에 나타낸 가공물 하면 지지기구(4)의 하나의 변형예인 변형예 1을 나타내는 도면으로, 동 도(a)는 주요부 평면도, 동 도(b)는 단면도이다.
이 변형예 1에서는, 도 3에 있어서의 홈(48)을 작은 직경의 제2의 오리피스(482) 열로 치환한 것으로, 상기 제1의 오리피스(43) 열과 동심원 상(狀)이며, 상기 제1의 오리피스(43) 열의 외주에 배치한 것이다. 제2의 오리피스(482) 열은, 서포트(46) 내에서 홈공간부(481)에 연통되며, 상기 홈공간부(481)는 제2의 에어통로(47)와 연통하고 있다. 이 예에서는, 제2의 오리피스의 지름은 예를 들면 1.5mm정도가 적합하다. 이로써, 상기 도 3과 마찬가지로 가공물(101)을 부상시켜, 유지할 수 있다.
그 밖에, 특히 설명하지 않는 각 부는 도 3에 나타낸 가공물 하면 지지기구(4)와 동등하게 구성되어, 동등하게 기능한다.
2.3 변형예 2
도 5는 도 3에 나타낸 가공물 하면 지지기구(4)의 변형예 2를 나타내는 도면으로, 동 도(a)는 주요부 평면도, 동 도(b)는 단면도이다.
이 변형예 2는, 도 4에 나타낸 변형예에 있어서의 제1 및 제2의 에어통로(44,47)의 기능을 반대로 한 예이다. 즉, 변형예 2에서는, 제1의 에어통로(44)를 흡기측에 제2의 에어통로(47)를 공급측에 설정하고 있다. 이 변형예 2에서는, 제2의 오리피스(482)의 지름은 약0.2mm, 제1의 오리피스(43)의 지름은 약1.5mm정도가 적합하다. 이로써 제2의 오리피스(482)는 가공물(101)의 부상용으로, 제1의 오리피스(43)는 가공물(101)의 흡착용으로 사용된다.
한편, 도 3에 나타낸 가공물 하면 지지기구(4)에서는 가공물(100)이 홈(48)에 다가갔을 때, 홈(48)의 개구 면적이 넓기 때문에 흡착력이 바로는 얻어지지 않으며, 개구가 폐쇄된 시점에서 흡착력이 급상승한다. 이에 대하여, 도 4 및 도 5에 나타낸 변형예 1 및 2에 관한 가공물 하면 지지기구(4)에서는, 가공물(101)이 흡착 기능이 있는 오리피스에 이르렀을 때에, 가공물(101)의 위치에 따라서 가공물과 대향하는 오리피스의 수가 증가하므로, 흡착력이 서서히 증가한다. 또한, 흡착 기능을 가지는 오리피스로부터 멀어질 때에는 흡착력은 서서히 감소한다. 이것에 의해 도 3에 나타낸 예에 대하여 흡착력의 변화를 완화하여, 평균화하는 것이 가능해져, 가공물(101)의 이동시에 있어서의 흡착력의 안정화를 도모할 수 있다.
그밖에, 특히 설명하지 않는 각 부는 도 3에 나타낸 가공물 하면 지지기구(4)와 동등하게 구성되어, 동등하게 기능한다.
2.4 변형예 3
도 6은 도 3에 나타낸 가공물 하면 지지기구(4)의 변형예 3을 나타내는 도면으로, 동 도(a)는 주요부 평면도, 동 도(b)는 단면도이다.
도 3 내지 도 5에 나타낸 예에서는, 에어부상기구(41)와 흡착기구(42)를 동심상(同心狀)으로 배치했지만, 에어부상기구(41)와 흡착기구(42)를, 개별 구조로 해서 거리(L)마다 교대로 배치해도 좋다. 또한, 동 도면에 나타낸 바와 같이, 홈(48)에 대신하여, 원형의 공동(cavity, 484)로 해도 좋다.
그 밖에, 특히 설명하지 않는 각 부는 도 3에 나타낸 가공물 하면 지지기구(4)와 동등하게 구성되어, 동등하게 기능한다.
2.5 변형예 4
도 7은 도 3에 나타낸 가공물 하면 지지기구(4)의 변형예 4를 나타내는 도면으로, 동 도(a)는 주요부 평면도, 동 도(b)는 단면도이다.
변형예 3의 경우, 도 3에 나타낸 가공물 하면 지지기구(4)와 마찬가지로 공동(484)의 면적이 크며, 흡착력이 급격하게 변화된다. 따라서, 도 7에 나타낸 바와 같이 흡기구(吸氣口)로서 제3의 오리피스(485) 열을 동심원상으로 배치했다. 또한, 제3의 오리피스(485) 열은 서포트(46) 내에서 공간부(486)에 연통되며, 상기 공간부(486)는 제2의 에어통로(47)와 연통하고 있다. 이로써, 변형예 3에 대하여 급격한 압력변화를 완화하여, 평균화할 수 있다.
한편, 도 3 내지 도 7을 참조해서 설명한 기본 구성 및 변형예 1-4 중 어떠한 가공물 하면 지지기구에 있어서도, 배치 장소에 따라 에어부상기구(41)에 공급하는 에어 압력을 변경하거나, 혹은 이에 더해서, 제1 내지 제3의 오리피스(43,482,485)의 지름을 변경함으로써, 가공물(101)의 서포트(46) 표면으로부터의 부상 거리(g)를 컨트롤할 수 있다. 그 때문에, 예컨대 가공부(센터라인(CL) 위)에서 거리(g)가 가장 커지도록 하면, 가공물(101)이 1mm 이상 만곡되어 있어도, 만곡의 영향이 거의 미치지 않아, 가공 정밀도를 향상시킬 수 있다.
3. 가공물 클램프기구
가공물(101)은 에어에 의해 부상 상태로 Z방향으로 이동가능하게 지지되기 때문에, 이 상태로 가공물을 유지할 필요가 있다. 그 때문에, 본 실시 형태에서는, 가공물 클램프기구로서 가공물 측부 클램프기구(6), 가공물 전단면 클램프기구(7) 및 가공물 후단면 클램프기구(8)가 설치되어 있다.
3.1 가공물 측부 클램프기구
3.1.1 기본구성
도 8은 가공물 측부 클램프기구(6)의 상세를 나타내는 도면으로, 동 도(a)는 평면도, 동 도(b)는 측면도이다.
동 도면에 있어서, 가공물 측부 클램프기구(6)는, 상하의 클램프 아암(61,62), 링크 서포트(63), 클램프 핀(64,65), 링크(66,67), 연결판(68), 및 구동 실린더(69) 등으로 구성되어 있다.
연결판(68)에는 링크 서포트(63)와 구동 실린더(69)가, 상기 연결판(68)을 사이에 끼우고 연결되어 있다. 링크 서포트(63)는 X방향으로 평행하게 한 쌍(도 8(a)에 있어서는 상하) 설치되어 있다. 구동 실린더(69)의 출력 축에는 연결판(68)을 사이에 끼우고 링크 결합금구(金具, 611)가 연결되고, 링크 결합금구(611)의 측면에는, 크랭크 핀(65)에 의해 한 쌍의 링크(610)가 회전가능하게 유지되어 있다. 한 쌍의 링크(610)의 내측에는 크랭크 핀(65)에 의해 링크(67)와 한 쌍의 L자 형태의 링크(66)가 회전가능하게 유지되어 있다. 링크(67)의 타단측에는, 다른 한 쌍의 링크(66)가 크랭크 핀(65)에 의해 회전가능하게 유지되어 있다. 4 개의 링크(66)의 중앙부는 크랭크 핀(64)에 의해 링크 서포트(63)에 회전가능하게 지지되어 있다. 4 개의 링크(66)의 타단측은 크랭크 핀(65)에 의해 상부 클램프 아암(61)에 회전가능하게 지지되어 있다. 4 개의 링크(66)와 링크(67) 및 상부 클램프 아암(61)은 링크 기구를 형성하고 있다. 따라서, 구동 실린더(69)를 동작시켜 링크 결합금구(611)를 도면의 좌측으로 이동시키면, 상부 클램프 아암(61)은 수평인 상태로 하강한다. 또한, 하부 클램프 아암(62)은 링크 서포트(63)에 고정되어 있다. 한편, 상부 클램프 아암(61)에 형성된 릴리프홀(relief hole, 614)에 의해, 상부 클램프 아암(61)이 크랭크 핀(64)과 간섭하는 일은 없다.
이상 설명한 가공물 측부 클램프기구(6)는, 상부 서포트(615), 하부 서포트(616) 및 링크 서포트(63)를 상하 방향으로 관통하는 4개의 가이드 샤프트(617)로 구성되는 유지장치(80)의 내부에 상하 방향으로 이동가능하게 지지되어 있다. 하부 서포트(616)에 지지된 용수철(618)은 가공물 측부 클램프기구(6)를 지지하고 있다. 그리고, 유지장치(80)는, 하부 클램프 아암(62)의 가공물 유지면(622)이 장치 내에 반입되는 가공물(101)의 바닥면으로 대하여 0.5mm 하방으로 되도록 하며, 도시를 생략하는 지지장치에 의해 제1의 X이동기구(1)에 지지되어 있다.
이상의 구성으로부터, 구동 실린더(69)를 동작시키면, 상부 클램프 아암(61)의 가공물 유지면(612)은 수평인 상태로 하강하고, 하부 클램프 아암(62)의 가공물 유지면(622)에 대하여 가공물(101)을 꽉 누른다. 한편, 가공물(101)이 하방으로 이동하지 않는 경우에도, 하부 클램프 아암(62)이 상대적으로 상승하여, 가공물(101)을 유지할 수 있다. 다시 말해, 가공물(101)에 변형이 있는 경우라도 가공물(101)을 확실하게 유지할 수 있는 동시에, 용수철(618)에 의해 상하 발란스 하중을 1kg 이하로 유지할 수 있어, 가공물(101)을 변형시키는 일은 없다. 그리고, 가공물 측부 클램프기구(6)에 유지된 가공물(101)은 X방향으로 고정되고, Z 방향으로는 이동가능하게 지지된다. 용수철(618)은, 클램프기구(6)의 자중(自重)을 용수철(618)로 받아서 가공물(101)에 걸리는 하중을 1kg 이하로 하는 기능을 가진다. 그 때문에, 상하 방향 1kg 이하로 균형을 이루게 함으로써, 가공물(101)에 커다란 힘이 걸려서 생기는 변형이나 높이변동을 방지할 수 있다. 이것으로부터, 용수철(618)을 포함하는 클램프 기능은, 가공물을 상하 방향으로 추종해서 유지하는 기능을 가지는 것을 알 수 있다.
3.1.2 변형예
도 9는 도 8에 나타낸 가공물 측부 클램프기구(6)의 변형예를 나타내는 도면으로, 동 도(a)는 평면도, 동 도(b)는 측면도이다.
도 9에 나타내는 변형예에 관한 가공물 측부 클램프기구(6)는, 상부 클램프 아암(61) 뿐만 아니라 하부 클램프 아암(62)도 도 8에서 나타내는 링크 기구를 이용하여 상하로 이동할 수 있게 한 것이다. 이 변형예에서는, 링크 결합금구(611)는 상하의 링크(66,67)를 동기하여 구동하기 위한 연결부재(620)와 일체로 구성되어, 구동 실린더(69)의 왕복 이동을 상하의 링크(67)에 전달한다. 이로써, 상하의 클램프 아암(61,62)의 클램프 및 클램프해제 동작이 가능하게 된다. 한편, 동작은 실질적으로 도 8의 경우와 같으므로, 동등한 각 부에는 동일한 참조 부호를 첨부하고, 중복되는 설명은 생략한다.
이 변형예의 경우, 반입시에 있어서의 가공물(101)의 바닥면에 대한 하부 클램프 아암(62)의 접촉면의 위치를 도 8의 경우와 비교해서 낮게 할 수 있다. 즉, 커다란 틈새를 설치할 수 있다.
3.2 가공물 전단면 클램프기구
도 10은 가공물 전단면 클램프기구(7)의 상세를 나타내는 도면으로, 동 도(a)는 정면도, 동 도(b)는 측면 단면도이다.
로터리식의 실린더(72)는, 아암선회기구(73)를 통하여 클램프 아암(71)을 도면 중 화살표 방향으로 선회시킨다. 그리고, 1점쇄선으로 나타내는 클램프 아암(72’)의 위치에서, 가공물(101)의 전단면을 X방향으로 위치결정한다.
3.3 가공물 후단면 클램프기구
도 11은 가공물 후단면 클램프기구(8)의 상세를 나타내는 도면으로, 동 도(a)는 정면도, 동 도(b)는 측면 단면도이다.
가공물 후단면 클램프기구(8)는, 가공물 전단면 클램프기구(7)와, 가공물 전단면 클램프기구(7)를 탑재하고, 가공물 전단면 클램프기구(7)를 X방향으로 이동시키는 이동기구(81)로 구성되어, 가공물(101)의 후단면을 X방향으로 위치결정한다.
3.4 배치
박막 가공장치 본체(SA)에 있어서 상기 각 클램프기구는 도 2에 나타낸 바와 같이 배치될 뿐만 아니라, 다양한 배치가 가능하다. 본 실시 형태에서는 예컨대 이하와 같은 배치가 채용된다.
3.4.1 제1의 배치예
도 12는 본 실시 형태에 있어서의 각 클램프기구의 제1의 배치예를 나타내는 평면도이며, 도 2에 대응하고 있다. 한편, 에어부상, 진공흡착 기구 등은 도시가 생략되어 있다.
동 도면에 있어서, 가공장치는, 제1의 X구동기구(E1), 제2의 X구동기구(E2)(가공물 사이즈가 작은 경우에는 구동부를 가지지 않는 종동기구도 가능.), E3 는 슬라이드 기구, E4는 화살표방향 이동기구를 포함시킨 가공물 측면 클램프기구, E5은 화살표방향 이동기구를 포함한 가공물 측면위치결정 롤러기구, E6은 화살표방향 이동기구를 포함한 가공물 측면가압 롤러기구, E7은 화살표방향 이동기구를 포함한 가공물 전단면 위치결정기구, E8은 화살표방향 이동기구를 포함한 가공물 후단면 위치결정기구라고 한다. 도면 중 이중(二重) 원은 가공헤드(A4) 위치를 나타낸다.
제1의 배치예는, 대형의 가공물 사이즈(예컨대, 2600mmx2200mm)용이며, 가공물 전단면 위치결정기구(E7), 가공물 후단면 위치결정기구(E8)를 Y방향 센터 위치에 배치한 구조로 되어 있다.
이 배치예의 경우, 측면 클램프기구(E4)에 의한 측면 클램프가 종료하면, 가압롤러(E5)만이 퇴피(退避)하고, 가공물 측면가압 롤러기구(E6), 가공물 전단면 위치결정기구(E7) 및 가공물 후단면 위치결정기구(E8)는 가압 상태로 가공을 행한다.
3.4.2 제2의 배치예
도 13은 도 12에 도시한 클램프기구의 제1의 배치예의 변형예인 제2의 배치예를 나타내는 평면도이다.
본 배치예에서는, 도 12에 있어서의 가공물 측면가압 롤러(E6)를 가공물 측면 클램프기구(E9)로 치환하고, X구동기구(E2)를 종동기기(E2’)로 하며, 또한 가공물 전단면 위치결정기구(E7) 및 가공물 후단면 위치결정기구(E8) 그리고 슬라이드 기구(E3)를 삭제한 것이다. 그 밖의 각 부는 도 12에 나타낸 제1의 배치예와 동등하게 구성되어 있다.
이렇게 구성하면, 기구가 단순화되며, 게다가 가공물 클램프를 안정화할 수 있어, 클램프 불량이 생기기 어려워진다.
3.4.3 제3의 배치예
도 14는 클램프기구의 제3의 배치예를 나타내는 평면도이다.
제3의 배치예는, 대(大)(중(中))형태의 가공물 사이즈(2600mmx2200mm)용이다. 제1의 X구동기구(E1) 위에, Y축방향 이동기구를 설치하고, 그 이동부에 가공물 측면 클램프기구(E4), 가공물 측면가압 롤러기구(E5)를 탑재하고, 가공물을 XY방향으로 이동하도록 한 것이다. 이것에 의해, 가공헤드(A4)를 움직이지 않고, 가공물(101)의 소정 범위의 가공이 가능하다. 또한, 제2의 X구동기구(E2)의 상면에 에어부상 흡착기구(12)를 설치하고, 표면에 가압 롤러(E6)가 간섭하지 않는 릴리프홈(13)을 형성하며, 연결판(14)으로 접속판(3)의 선단부를 연결한 구조이며, 연결판(14) 상의 측면가압 롤러기구(E6)에 의해, 가공중이라도 가압할 수 있게 되어 있다.
지금까지 제1 내지 제3의 라인홈(P1∼P3) 가공용의 장치에 적용하는 경우에 대해서 설명했지만, 기구(E4∼E7)를 이하의 배치로 하면, 제거부 가공공정에 있어서, 가공물(101)의 외주로부터 10∼12mm의 범위를 대(大)출력의 파장 1064nm의 레이저에 의해 제거하는 가공물 주위 가공장치로서도 적용할 수 있다.
3.4.4 제4의 배치예
도 15는 클램프기구의 제4의 배치예를 나타내는 평면도이다.
제4의 배치예는 대형의 가공물 사이즈(2600mmx2200mm)용이다. 이 배치예에서는, 2개의 접속판(3)에 가공물 측면 클램프기구(E4)를 화살표방향으로 이동시키는 기구를 사이에 두고 설치한다. 베드 위에 설치한 측면위치결정 롤러기구(E5) 및 측면가압 롤러기구(E6)에 의해 Y방향의 위치결정을 하고, 클램프기구(E4)로 클램프하고 나서 측면위치결정 롤러기구(E5) 및 측면가압 롤러기구(E6)를 퇴피시켜 가공을 행한다. 장변측의 가공이 종료하면, 센터라인(CL)으로부터 좌측의 위치에서 에어부상한 상태로, 가공물을 90°선회시키고, 단변측의 가공을 행한다. 그리고, 단변측의 가공이 종료하면, 가공물을 90°선회해서 원래의 자세로 되돌려서 반출한다. 그 밖의 각 부는 도 12에 나타낸 제1의 배치예와 동등하게 구성되어 있다.
본 예의 경우, 레이저헤드는 후술하는 도 28(a)의 구성을 이용하여, 양단을 1 스폿, 중앙을 2 스폿으로 가공할 수 있다.
3.4.5 제5의 배치예
도 16은 클램프기구의 제5의 배치예를 나타내는 평면도이다.
제5의 배치예는 중형의 가공물 사이즈(1400mmx1100mm)용이다. 슬라이드 기구(E3)에 의해 종동기구(E2’)와 접속하는 2개의 접속판(3)에, 상술한 가공물 측면 클램프기구(E4)를 상하 이동기구와 전후 이동기구를 사이에 두고 설치한다. 그 밖의 각 부는 도 12에 나타낸 제1의 배치예와 동등하게 구성되어 있다.
본 예와 같이 배치하면, 레이저 헤드는 후술하는 도 28(b)의 구성을 이용할 수 있으므로, 가공은 양단부를 동시에 행할 수 있다.
3.4.6 제6의 배치예
도 17은 클램프기구의 제6의 배치예를 나타내는 평면도이다.
제6의 배치예는, 중소형의 가공물 사이즈(1400mmx1100mm이하)용이다. 제2의 X구동기구(E2)를 사용하는 대신에, 접속판(3)의 선단부에 평면 에어베어링(E21)을 설치하고, 평면 가이드의 표면을 슬라이딩하도록 구성한 것이다. 덧붙여, 가공물 후단면 위치결정기구(15)를 제1의 X구동기구(E1) 위에 설치하고, 후부측의 접속판을 X방향으로 동작시켜, 가공물 사이즈가 바뀌어도 대응할 수 있게 했다. 그 밖의 각 부는 도 12에 나타낸 제1의 배치예와 동등하게 구성되어 있다.
본 예와 같이 배치하면, 레이저 헤드는 후술하는 도 28(b)의 구성을 이용할 수 있으므로, 가공은 양단부를 동시에 행할 수 있다.
4. 라인홈 가공용의 집진장치
4.1 제1의 집진장치의 예
도 18은 본 실시 형태에 관한 라인홈 가공용의 제1의 집진장치(이하, 「집진장치(DC1)」이라고 칭한다. )를 설명하기 위한 도면으로, 동 도(a)는 평면도, 동 도(b)는 동 도(a)의 I-I선 단면도, 동 도(c)는 동 도(a)의 II-II선 단면도이다.
집진장치(DC1)는 집진챔버(16), 집진덕트(17), 노즐(18,19) 및 에어부상 홈(20)을 구비하고 있다. 복수의 노즐(18,19)(도시된 경우, 각 3개)은 X방향으로 대향하여 집진챔버(16)에 배치되며, 집진챔버(16)는 집진덕트(17)에 접속되어 있다. 노즐(18,19)은 에어, 미스트, 또는 액체 등의 냉각 매체(여기서는, 물 또는 분무형상의 물. 이하, 「냉매」라고 칭한다.)를 분출한다. 집진챔버(16)의 바닥면(가공물(101)과 대향하는 면)에 형성된 에어부상 홈(20)은 도시를 생략하는 압축 에어원에 접속되어 있다. 한편, 후술하는 바와 같이, 집진장치(DC1)는 미리 설정된 힘으로 가공물(101)을 향해서 가압되어 있다.
에어부상 홈(20)으로부터 토출된 에어는, 가공물(101)과 집진장치(DC1)의 사이에 에어막을 형성하고, 집진장치(DC1)를 부상시킨다. 가공물(101)은 Z방향으로 가압되는 결과, 가공물(101)이 만곡변형되어 있어도, 변형이 교정된다. 이로써, 표면 높이변동을 최소로 할 수 있다.
한편, 동 도(c)에 있어서 가공물(101)을 실선으로 나타내는 화살표(D5) 방향으로 이동시키는 경우에는 가공부(21)에 대하여 냉매를 분출하는 노즐(18)로부터, 또한, 가공물(101)을 파선으로 나타내는 화살표(D6) 방향으로 이동시키는 경우에는 가공부(22)에 대하여 냉매를 분출하는 노즐(19)로부터, 각각 냉매를 분출시킨다. 다시 말해, 냉매가 가공 진행방향을 향해서 분출되도록 노즐을 전환한다. 그 결과, 가공에 의해 생긴 분해물은, 냉매에 의해 냉각되어 미(未)가공부로 운반되므로, 가공물(101)의 표면에 부착되는 것만으로, 가공 후에 에어블로우 등에 의해 용이하게 제거할 수 있다.
도 19는, 상기 집진장치(DC1)를 구비한 칼럼(A6)의 주요부를 나타내는 측면도이다.
동 도면에 있어서, 에어 실린더(23)는 칼럼(A6) 위를 Y방향으로 이동가능한 캐리지(24) 위에 고정되어 있다. 집진장치(DC1)는 에어실린더(23)의 피스톤로드에 고정되어 있다. 피스톤로드는 항상 도면에 있어서 상방으로 용수철(25)에 의해 탄성가압되어 있다. 가공시, 에어실린더(23)는 미리 설정된 힘으로 집진장치(DC1)를 가공물(101)을 향해 가압하며, 가공물의 만곡변형을 교정한다. 용수철(25)은, 에어실린더(23)에 공급되는 에어가 중간에 끊겼을 경우, 집진장치(DC1)가 가공물(101) 위로 낙하하는 것을 방지하기 위한 것이다.
한편, 가공물(101)이 만곡되어 있어도, 에어부상 홈(20)으로부터 집진챔버(16)의 내부를 향하는 고속의 에어흐름(流)이 있으므로, 냉매로서 미스트나 물을 사용해도, 냉매는 집진덕트(17)로부터 회수되어, 집진챔버(16)의 외부에 누설되는 일은 없다. 또한, 가공물(101)을 XY테이블에 올려놓도록 한 경우, 에어실린더(23)를 직접 칼럼(A6)에 고정할 수 있다.
4.2 제2의 집진장치의 예
도 20은 본 실시 형태에 관한 라인홈 가공용의 제2의 집진장치(이하, 「집진장치(DC2)」라고 칭한다.)를 설명하기 위한 도면으로, 동 도(a)는 평면도, 동 도(b)는 동 도(a)의 I-I선 단면도, 동 도(c)는 동 도(a)의 II-II선 단면도이다. 한편, 도 18 및 도 19과 동등한 각 부에는 동일한 참조 부호를 첨부하고, 중복된 설명은 생략한다.
집진챔버(16)의 X방향의 측면에는 가이드롤러(31)가 회전가능하게 지지되어 있다. 가이드롤러(31)는, 집진챔버(16)의 하면이 가공물(101) 표면과 간격(0.5mm 정도)을 유지하도록 Z방향으로, 또한 Y방향은 라인홈(P1∼P3)과 겹치지 않는 위치에 위치결정되어 있다.
도 21은, 상기 집진장치(DC2)를 구비한 칼럼(A6)의 주요부를 나타내는 측면도이다. 동 도면에 있어서 집진장치(DC2)의 Y방향의 길이는, 거의 가공물(101)의 폭과 동일하게 되므로, 도시된 경우, 4개의 에어실린더(23)에 의해 집진장치(DC2)를 가압하도록 하고 있다. 또한, 집진장치(DC2)는 Y방향으로 이동시킬 필요가 없으므로, 에어실린더(23)는 칼럼(A6)에 고정되어 있다.
4.3 제3의 집진장치의 예
도 22는 가공물 주위에 제거부(107)를 형성하는 경우의 제3의 집진장치(이하, 「집진장치(DC3)」라고 칭한다. )의 설명도이며, 동 도(c)는 정면도, 동 도(a)는 동 도(c)의 I-I선 단면도, 동 도(b)는 동 도(c)의 II-II선 단면도이다.
동 도면에 있어서, 상부 집진챔버(상부챔버)(32)는 집진챔버(16)의 경우와 마찬가지로 복수의 노즐(323)(도시된 경우, 3개)을 구비하고, 통로(324)를 통하여 공급된 냉매가 노즐(323)로부터 미리 설정된 힘에 의해 가공물(101)을 향해 냉매가 토출되고 있다. 토출된 냉매는 캐비티(325)를 통하여 집진덕트(37)로부터 배출된다. 바닥부에는, 홈형상의 에어 취출구(吹出口)(326,328), 부상(浮上) 홈(20)에 더하여, 원형상의 복수의 에어 취출구(327)가 설치되어, 에어에 의해 상부 집진챔버(32)의 내부를 외부로부터 차단하게 되어 있다. 한편, 노즐(323)은 분출구가 Y방향이 되도록 하여 상부 집진챔버(32)에 배치되어, 상기 노즐(18,19)과 마찬가지로 냉매를 분출한다. 후술하는 바와 같이, 가공 레이저빔(B1)이 가공물(101)에 입사해서 투과한 레이저빔(b1)이 입사하는 상부 집진챔버(32)의 위치에는, 레이저빔(b1)을 흡수하는 빔 댐퍼(329)가 배치되어 있다. 상부 집진챔버(32)의 X방향 양측면에 설치된 플랜지(321)에는 한 쌍의 직선안내장치의 베어링(35)이 고정되어 있다. 또한, 상부 집진챔버(32)의 X방향 양측면에는 가이드롤러 유닛(R)이 배치되어 있다. 도 23은 이 가이드롤러 유닛(R)의 종단면도이다.
도 23에 있어서, 가이드롤러 유닛(R)은 홀더(366), 내부 하우징(365), 슬라이더(361), 샤프트(362), 및 가이드롤러(36)로 기본적으로 구성되어 있다. 홀더(366)는 집진챔버(16)에 고정되며, 가이드롤러(36)는 볼 스플라인의 슬라이더(361)와 일체이다. 샤프트(362)는 베어링(364)에 의해 홀더(366)에 회전가능하게 지지되고, 슬라이더(361)는 베어링(363)에 의해 내부 하우징(365)에 회전가능하게 지지되어 있다. 또한, 슬라이더(361)는 샤프트(362)에 대하여 축방향으로 이동가능하게 지지되어 있다. 또, 내부 하우징(365)은 홀더(366)에 고정된 실린더(367)의 실린더로드에 고정되어 있다.
이상의 구성으로부터, 실린더로드를 이동시킴으로써, 가이드롤러(36)는 Y방향으로 이동하며, 위치결정할 수 있다. 여기서, 가이드롤러(36)의 이동 스트로크는, 제거부(107)의 가공 폭의 1/2보다도 크게 해두는 것이 실용적이다. 즉, 예컨대, 가이드롤러(36)를 가공 폭의 중앙위치로 하여 가공을 개시하고, 가공이 중앙위치에 도달한 시점에서, 가이드롤러(36)를 가공 종료위치보다도 다소 앞으로 이동시키도록 하면, 가이드롤러(36)에 의해 가공물(101)의 박막부를 손상시키지 않는다. 또한, 가이드롤러(36)(내부 하우징(365))를 모터에 의해, 소망하는 위치에 위치결정하는 구조로 할 수도 있다. 또한, 가이드롤러(36)는, 하단이 상부 집진챔버(32)의 하단으로부터 거리(S1)(예컨대, 0.5mm) 돌출하도록, Z방향으로 위치결정되어 있다.
도 22(b)에 나타낸 바와 같이 하부 집진챔버(하부챔버)(33)는 L자 형태를 하고 있고, X방향 양측면에 설치된 플랜지(331)에는 직선안내장치의 베어링(35)에 걸림결합하는 궤도(34)가 고정되어 있다. 그리고, 하부 집진챔버(33)는 상부 집진챔버(32)와 조합됨으로써, 가공물(101)의 단부를 덮도록 되어 있다. 하부 집진챔버(33)의 하면에는, 입사하는 가공 레이저빔(B1)을 투과시키기 위한 관통구(336)가, 또한, 가공물(101)에 대향하는 쪽에는 에어부상 홈(20)이 설치되어 있다.
또한, 관통구(336)로부터 냉매가 외부로 새는 것을 방지하기 위해, X방향으로 긴 직사각형의 에어 취출구(332,333)가 설치되어 있다. 에어 취출구(332,333)는, 통로(334)를 통하여 도시를 생략하는 압축 에어원에 접속되어 있다. 또한, 하부 집진챔버(33) 상면의 에어 취출구(327)와 대향하는 위치에는, 에어 취출구가 설치되어 있다. 한편, 하부 집진챔버(33)는, 상단이 가공물(101)의 하면으로부터 거리(S2)(예컨대, 0.3mm)가 되도록 하여, 도시를 생략하는 수단에 의해 칼럼에 고정되어 있으며, 상부 집진챔버(32)는 하부 집진챔버(33)에 대하여 상하 Z방향으로 이동한다.
여기서, 도 22(b)에 나타내는 거리(틈새)(S3,S4,S5)에 대해서 설명한다. 거리(S3)는 제거부(107)의 폭에 의해 정해지며, 통상 10∼15mm이다. 거리(S4)는 가공물(101)의 판두께에 의해 정해지며, 가공물(101)의 판두께 + 0.2∼0.5mm로 한다. 또한, 거리(S5)는 집진 효과를 저하시키지 않기 위해, 0.1mm 이하이다. 한편, 하부 집진챔버(33)는 집진덕트(37)에 접속되어 있다. 가공용의 빔(B1)은, 도시를 생략하는 Z축 기구에 의해, 가공부 표면에 맞추어 스폿 높이가 설정되도록 되어 있다.
4.4 제4의 집진장치의 예
도 24는 중앙부를 가공하는 제4의 집진장치(이하, 「집진장치(DC4)」라고 칭한다.)의 설명도이며, 동 도(a)는 평면도, 동 도(b)는 동 도(a)의 I-I선 단면도, 동 도(c)는 동 도(a)의 II-II선 단면도이다.
예를 들면, 가공물 사이즈가 2600x2200mm인 경우, 4 분할하여 사용하므로, 주변부뿐만 아니라, 중앙부에 십자형상으로 제거부(이하, 「십자제거부」라고 한다.)를 가공한다. 십자제거부의 제거 폭은, 제거부(107) 폭의 2배로 할 필요가 있다. 도시된 집진장치(DC4)의 경우, 2개의 노즐(18)의 간격을 가공 폭의 1/2로 하여, 2개의 빔으로 동시에 X방향으로 가공하도록 하고 있다. 이와 같이 하면, 가공 능률을 향상시킬 수 있다. 한편, 노즐(18)의 분출 방향을 Y방향으로 하여도 좋다. 또한, 앞뒤에 가이드롤러를 설치하면, 가공물의 변형을 보다 효과적으로 수정할 수 있다.
도 25는 상기 집진장치(DC4)를 구비한 칼럼(A6)의 주요부를 나타내는 측면도이다. 도 25에 있어서의 집진장치(DC4)는 대형 사이즈의 가공물 주위 박막제거 장치에 탑재된 것이다.
한편, 집진장치(DC1∼4)를 사용할 경우, 가공이 종료되고 나서, 배출 공정에 있어서 드라이어(dryer)에 의해 건조하도록 하면 좋다.
또한, 가공부에 대하여 냉매를 분사하는 방법은, 박막측으로부터 레이저를 조사하여 가공하는 경우에도 유효하다.
집진장치(DC1∼4)에서는, 노즐(18,19)로부터 에어, 미스트, 또는 액체 등의 냉각 매체를 분출하지만, 예컨대 가공부에 미스트 또는 물을 분사하는 것은 이하와 같은 이유에 따른 것이다.
즉, 제거부(107)(가공물 주위의 박막층 제거 가공)에 요구되는 절연 저항은, DC500V 인가로 2000MΩ 이상이다. 통상, 가공물(101)에 대하여, 레이저파장 1064nm, 평균출력 300W 이상, 펄스주파수 5∼10kHz로 가공한다. 이때, 스폿 지름400∼600μm이며, 에너지 밀도 16J/cm2 이상이 필요하다. 조사된 레이저광에 의해 박막성분은 비산(飛散)하지만, 제거부(107)가 순간적으로 진공상태가 되기 때문에, 가공 성분이 순식간에 날라 돌아와 용융 상태에 있는 표면에 부착된다. 게다가, 분해 비산물의 발생량이 많고, 플라즈마화한 고온의 분해물이, 제거부(107)의 주위로 비산하여 유리 표면에 눌어붙어 고화(固化)되기 때문에, 절연 저항은 약30MΩ 이하이다. 그러나, 가공부에 미스트 또는 물을 분사하면, 유리 표면이 물로 덮여, 고온의 분해 비산물도 유리 표면에 도달한 시점에서 온도가 저하한다. 그 결과, 유리 표면에 대하여 눌어붙는 것이 방지되어, 제거부(107)에 가공 성분이 눌어붙는다고 하는 문제가 해소된다. 이것에 의해 절연 저항 2000MΩ 이상이라고 하는 요구를 달성할 수 있다. 또한, 연속 펄스로 스폿을 거듭해서 가공한 경우, 빔 중첩부의 유리의 온도상승에 의해 발생하는 유리면의 크랙도 해소된다.
5. 광학계
5.1 방진(防塵)기구
도 26은 본 실시 형태에 있어서의 광학계의 방진기구를 나타내는 모식도이며, 화살표 방향이 가공물의 이동 방향이다.
동 도면에 있어서, 본 실시 형태에 있어서의 광학계에서는, 정전제거용의 UV램프(144)에 의해 가공물(101)로부터 더스트를 제거하게 되어 있다. 제거된 더스트는, UV램프(144)의 반사판을 겸한 집진덕트(145)로 낙하하고, 또한 도시를 생략하는 집진장치에 회수처리된다. UV 램프(144)의 가공물 이동방향 하류측에 설치된 회전식의 정전브러시(142)는 가공물(101) 이면(裏面)을 클리닝한다. 정전브러시(142)에 의해 가공물(101)로부터 제거된 더스트는, 정전브러시(142)의 외주부에 설치된 집진덕트(143)에 회수되고, 또한, 도시를 생략하는 집진장치로 회수처리된다.
레이저빔(B1)은 빔 위치결정기구(38)에 의해 XY방향 위치결정되어, 집광렌즈(fθ렌즈)(39) 및 미러(40)를 통하여 가공물(101)에 조사된다. 한편, 빔 위치결정기구(38)는 가공헤드부(A4)에 Z방향 위치결정가능하게 지지되어 있다. 에어 블로우(141)는 미러(40)의 반사면을 향해서 에어를 분출한다. 따라서, 가공물(101)로부터 유리가루가 낙하해도, 미러(40)의 반사면에 머무르지 않는다.
실제 가공에서는, 높은 생산성, 양호한 가공 품질, 높은 가공의 신뢰성이 요구된다. 이들의 요구에 대응하는 수단으로서, 레이저 특성이 중요하며, 최대출력이 얻어지는 펄스주파수의 근방의 주파수로 사용하면, 가장 출력 변동이 작고, 빔 모드(에너지 분포)도 양호하며 안정적이다. 한편, 현재 적용되어 있는 라인홈 가공용의 레이저 발진기의 경우, 최대출력이 얻어지는 펄스주파수의 실력치(實力値)는 80∼120kHz이다. 그런데, 테이블 속도는 1m/sec가 한도이기 때문에, 실제 가공에 적용되는 구멍지름 60μm, 빔 오버랩 30∼50%의 경우, 펄스주파수는 25z∼40kHz로 제약된다. 이 때문에, 출력 이용효율은 최대 50%이다.
5.2 광학계
따라서, 본 실시 형태에서는, 이 출력이용 유효효율을 향상시키기 위해서, 이하와 같은 광학계를 채용했다. 도 27은 본 실시 형태에 있어서의 광학계의 주요부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 27에 있어서, 촛점거리(f)의 fθ렌즈(146)의 입사 눈동자(entrance pupil) 위치에는, 제1의 코너미러(147)가 배치되어 있다. 코너미러(147)는 fθ렌즈(146)의 광축에 대하여 45°의 각도로 위치결정되어 있다. 레이저빔(B2)은 fθ렌즈(146)의 광축과 동축으로 입사한다. 제1의 코너미러(147)로부터 거리(l2)의 위치에는, 레이저빔(B1, B3)의 레이저빔(B2)에 대한 각도가 θ가 되도록 배치된 2개의 제2의 코너미러가 배치되어 있다. 레이저빔(B1, B2, B3)은 편광이 동일하며, 펄스 조사순서가 1/F만큼 시프트된 빔이다. l1은 제거부(107)에서의 라인간격((빔 스폿간 거리)이며,
l1=fθ
이다. 코너미러(148) 위치에 있어서의 빔 간격(w)은,
w=12·tanθ
로서 구해진다.
예를 들면, 촛점거리(f)가 10mm의 fθ렌즈로 빔 지름 10mm를 집광하는 경우, 가공부(제거부) 스폿 간격 l1=10μm를 얻는데 필요한 각도(θ)는 약 5.7도이기 때문에, 제2의 코너미러(148) 위치에서 필요한 미러의 유효지름을 20mm로 하면, 빔(B2)과 미러(148)가 간섭하지 않는 미러 간격(l2)은,
l2=200mm
가 된다. 따라서, 80∼120kHz의 빔으로부터 분기된 3개 빔을, 1개의 fθ렌즈에 인도함으로써, 테이블 속도 lm/sec로 가공할 수 있고, 출력 유효이용율을 100%로 향상시킬 수 있다.
가공물 주위 제거가공에 적용되는 고출력 레이저는 출력 500W, 펄스주파수는 5∼6kHz이며, 직사각형(矩形)빔화된 스폿 사이즈는 600x600μm, 오버랩은 30∼50%이기 때문에, 가공 속도는 1.5∼2.4m/s가 된다. 따라서, 출력 이용효율은 테이블 속도로 율속(律速)되어 최대 66%이다. 출력 이용효율을 향상시키는 수단으로서, 4개의 300x300μm의 직사각형 빔을 4개 횡으로 나란한 폭(2W), 가공 피치(W/2)의 빔으로 가공하면, 테이블 속도를 1/2(50%)로 낮출 수 있어, 출력 이용효율은 종래 비(比)로 2배로 향상한다.
도 28은 본 실시 형태에 있어서의 광학계의 구성을 나타내는 도면이며, 고출력 레이저에 의해 가공물 주위 제거가공을 행하는 경우의 예이다.
도 28에 있어서, 레이저 발진기(49)는 랜덤 편광의 예컨대 출력 500W의 출사빔(50)을 출사한다. 출사빔(50)은 빔 스플리터(51)에 의해 에너지가 동일한 2개의 빔으로 분기(分岐)된다. 분기된 2개의 빔은, 제1의 편광빔 스플리터(52)에 의해, 각각 P파와 S파로 분기된다. 편광빔 스플리터(52)로 분기된 P파는, 회전각에 의해 P파와 S파의 비율을 조정하는 1/2λ판(53)에 의해 비율을 조정(에너지 조정)하여, 제2의 편광빔 스플리터(54)를 투과해서 마이크로렌즈 어레이 방식(또는 직사각형 파이버 방식)의 빔 셰이퍼(beam shaper, 56)에 입사한다. 또한, 편광빔 스플리터(52)로 분기된 S파는, 회전각에 의해 P파와 S파의 비율을 조정하는 1/2λ판(53)에 의해 비율을 조정(에너지 조정)하여, 제2의 편광빔 스플리터(54)를 투과해서 마이크로렌즈 어레이 방식(또는 직사각형 파이버 방식)의 빔 셰이퍼(56)에 입사한다. 빔 셰이퍼(56)에 입사한 빔은, 단면을 직사각형으로 정형(整形)하여, fθ렌즈(57)를 통하여 제거부(107)(가공부)에 공급된다. 한편, 제2의 편광빔 스플리터(54)에 의해 반사된 빔은 빔 댐퍼(55)로 폐기(廢棄)된다.
도 28(a) 중의 부호 58,59,60은 양단을 1개의 스폿으로, 중앙을 2개의 스폿으로 가공하는 경우의 직사각형 스폿의 배치이며, 도 28(b) 중의 부호 61,62는 양단을 각각 2개의 직사각형 스폿으로 가공하는 경우의 직사각형 스폿 배치를 나타내고 있다. 한편, 빔 단면을 직사각형으로 하는 수단으로서, 복수의 프리즘 또는 복수의 직사각형 단면의 파이버 출사구, 또는 파이버 접속기를 나란하게 배치하도록 해도 좋다.
한편, 여기서는, 4빔으로 하는 경우를 설명했지만, 예컨대, 8빔으로 하고, 직사각형 빔을 210×210μm로 하면, 테이블 속도를 35%로 낮출 수 있다. 또한, B1∼B4에 개별적으로 출력 조정하도록 했지만, 제1의 편광빔 스플리터(52), 1/2λ판(53), 제2의 편광빔 스플리터(54)를, 빔 스플리터(51)의 위치에 배치해서 출력조정을 행하도록 하면, 빔 상호의 출력 오차는 증가하지만, 편광빔 스플리터와 1/2λ판의 수를 줄일 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따르면,
1) 가공물 부상 및 흡착 기구와 가공물 상하 위치 추종방식의 가공물 클램프기구를 채용함으로써, 가공물 표면의 높이변동을 종래의 1/3(±1.5mm 내지 ±0.05mm)로 개선할 수 있으며, 수율을 향상시킬 수 있다.
2) 이면측으로부터 박막층을 가공하고, 표면측에서 냉매를 분사하여 가공하므로, 제1의 절연층 가공, 가공물 주위제거 가공에 있어서, 절연 저항 2000MΩ 이상을 달성할 수 있다. 그 결과, 태양 전지의 발전 효율과 수율을 향상시킬 수 있다.
3) 또한, 펄스주기를 짧게 0.02ms(펄스주파수 50kHz) 해도 절연 저항을 확보할 수 있으며, 구멍입구의 박리를 없앨 수 있으므로, 고속화가 가능하다.
4) 종래 비로 최대 30%의 출력절약 가공이 가능하게 되므로, 에너지 절약화를 실현할 수 있다.
등의 효과가 있다.
한편, 본 발명은 본 실시 형태에 한정되는 것이 아니며 다양한 변형이 가능하고, 특허청구의 범위에 기재된 발명의 기술사상에 포함되는 기술적 사항의 전부가 본 발명의 대상이 된다.
1 제1의 X구동기구
2 제2의 X구동기구
3 접속판
4 가공물 하면 지지기구
5 서포트 프레임
6 클램프장치
7 가공물 전단면 클램프기구
8 가공물 후단면 클램프기구
9 가공물 측면 가압기구
101 가공물
102 투명한 유리
A1 베드
A2 X이동기구부
A3 Y이동기구부
A4 가공헤드부
A5 레이저 발진기부
A6 칼럼
SA 박막 가공장치 본체

Claims (8)

  1. 투명한 유리의 표면에 박막이 배치된 가공물의 박막 가공방법으로서,
    상기 가공물을 압축 에어로 상하 방향으로 지지하는 동시에, 클램프장치에 의해 상기 가공물의 상하 방향의 이동에 추종하여 가공물을 파지한 상태로, 상기 가공물의 이면측으로부터 레이저광을 조사해서 상기 표면측의 박막을 가공하는 것을 특징으로 하는 가공물의 박막 가공방법.
  2. 투명한 유리의 표면에 박막이 배치된 가공물의 박막 가공방법으로서,
    가공부에 냉각 매체를 분사하면서 레이저광에 의해 가공하는 것을 특징으로 하는 가공물의 박막 가공방법.
  3. 제1항에 있어서,
    가공부에 냉각 매체를 분사하면서 가공하는 것을 특징으로 하는 가공물의 박막 가공방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 냉각 매체가 분무형상의 액체, 액체 및 가스 중의 하나인 것을 특징으로 하는 가공물의 박막 가공방법.
  5. 투명한 유리의 표면에 박막이 배치된 가공물의 박막 가공장치로서,
    상기 가공물을 압축 에어로 상하 방향으로 지지하는 지지장치와,
    상기 가공물의 상하 방향의 이동에 추종해서 상기 가공물을 파지하는 클램프장치와,
    상기 박막을 레이저광으로 가공하는 레이저 조사장치
    를 구비하고,
    상기 레이저 조사장치는 상기 가공물의 이면측으로부터 상기 가공물에 레이저광을 조사해서 상기 표면측의 박막을 가공하는 것을 특징으로 하는 가공물의 박막 가공장치.
  6. 투명한 유리의 표면에 박막이 배치된 가공물의 박막 가공장치로서,
    냉각 매체를 분출하는 노즐과,
    상기 박막을 레이저광으로 가공하는 레이저 조사장치
    를 구비하고,
    가공시, 상기 레이저 조사장치로부터 출사된 레이저가 상기 박막에 입사하는 위치의 상기 박막측으로부터 상기 노즐에 의해 상기 냉각 매체를 분사하여 상기 박막을 레이저 가공하는 것을 특징으로 하는 가공물의 박막 가공장치.
  7. 제5항에 있어서,
    냉각 매체를 분출하는 노즐을 더 구비하고, 가공시, 상기 레이저 조사장치로부터 출사된 레이저광이 상기 박막에 입사하는 위치의 상기 박막측으로부터, 상기 노즐에 의해 상기 냉각 매체를 분사하는 것을 특징으로 하는 가공물의 박막 가공장치.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 냉각 매체가 분무상(噴霧狀)의 액체, 액체 및 가스 중의 하나인 것을 특징으로 하는 가공물의 박막 가공장치.
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