WO2013145683A1 - 光走査装置及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

　光走査装置（１３）が、入射したレーザ光を投光中心（Ｃ）回りに角移動させながら放射する投光手段（３０）と、投光手段（３０）からのレーザ光を反射して落射する放物面（３２ａ）を有する反射手段（３２）とを備える。投光中心（Ｃ）は、放物面（３２ａ）の焦点（Ｆ）に配置される。投光手段（３０）は、レーザ光の回転角が放物面（３２ａ）の頂点（Ｖ）で反射するときの回転角である基準角から離れているほどレーザ光の角速度が小さくなるように、レーザ光を放射する。レーザ加工装置（１０）は、該光走査装置（１３）を備え、反射手段（３２）からレーザ光をワーク（９０）に落射し、該ワーク（９０）に加工ライン（９３）を形成する。

Description

光走査装置及びレーザ加工装置

　本発明は、レーザ光を走査する光走査装置、及び、このような光走査装置を備えてワークにレーザ光で加工ラインを形成するレーザ加工装置に関する。

　薄膜太陽電池の生産工場では、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成るワークに、レーザ加工装置を用いてパターニング処理が行われる。パターニング処理では、レーザ光がワークの薄膜層の表面上で直線的に走査され、レーザ光の走査線に沿って薄膜層を部分的に除去することで直線状の溝（スクライブ線）が形成される。

　一般に、パターニング処理用レーザ加工装置では、微細加工を行えること、熱的影響を抑えやすいこと等に照らして、レーザ光にパルスレーザが適用される。レーザ光にパルスレーザを適用した場合、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で部分的にオーバーラップさせるようにレーザ光が走査され、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。

　従来、偏向器からのレーザ光を弧上に取り付けたミラーで反射し、レーザ光をこのミラーからワークに落射するように構成されたレーザ加工装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このレーザ加工装置では、偏向器の偏向中心が弧の中心に配置されている。この構成により、偏向器の回転角に関わらずレーザ光をワークに略垂直に入射させることや、偏向器の回転角に関わらず偏向中心からワークまでの光路長を略一定にすることが試みられている。そして、ビームと同軸にカメラの画像撮影軸が配置され、その画像から得られた加工対象の位置及び種別情報に基づきレーザ光の位置と出力が制御される。また、ワークの落射範囲にマスクをかざすことで多彩な加工を可能にしている。

特開２０１１－０００６２５号公報

　しかし、特許文献１に開示されるレーザ加工装置においては、偏向器を駆動するモータに運動性のよいモータが使用されるが、偏向器の動作速度及びレーザ光の走査速度についての考慮がなされていない。そこで仮に特許文献１に開示されたレーザ加工装置を用いて直線的な加工ラインを形成しようとした場合に、偏向器を単純に等速で回転駆動すれば、偏向器から放射されるレーザ光は等速で角移動する。すると、弧の頂点付近から落射したレーザ光の走査速度と、弧の頂点から離れた箇所から落射したレーザ光の走査速度に違いが出る。このようにレーザ光が非等速で走査されると、１本のスクライブ線内で場所により被り代の大きさが変化し、加工ムラを生じてしまう。

　本発明は、上記課題を解決すべくなされたものであり、レーザ光の入射角を極力垂直にしてレーザ光を走査線上で極力合焦させ続けながらも、レーザ光の走査速度を極力等速にすることを目的としている。

　本発明に係る光走査装置は、レーザ光を投光中心周りに角移動させながら放射する投光手段と、前記投光手段からのレーザ光を反射して落射する放物面を有した反射手段と、を備え、前記投光中心が、前記放物面の焦点に配置され、前記投光手段は、レーザ光の回転角がレーザ光を前記放物面の頂点で反射するときの回転角である基準角から離れているほどレーザ光の角速度が小さくなるように、レーザ光を非等速で角移動させながら放射する。

　仮にレーザ光が等速で角移動したならば、レーザ光の回転角が基準角の近傍であるときのレーザ光の走査速度が比較的小さくなる。逆に、レーザ光の回転角が基準角から離れているときのレーザ光の走査速度が比較的大きくなる。このように、レーザ光の走査速度がレーザ光の回転角に応じて変化してしまう。

　これに対し、前記構成によれば、レーザ光が非等速で角移動する。しかも、レーザ光の回転角が基準角から離れているほど、レーザ光の角速度は小さい。このため、レーザ光の走査速度の変化を小さくすることができる。したがって、レーザ光の走査速度を極力等速にすることが可能となる。また、投光中心を放物面の焦点に配置しているので、レーザ光の回転角に関わらずレーザ光の入射角を垂直にすることが可能となるし、レーザ光の回転角に関わらず投光中心から走査線までの光路長を一定に保つことができる。また、放物面は比較的製作が容易であるので、光走査装置の製作コストが高くなるのを抑えることができる。

　前記投光手段が、複数の反射面を有する回転多面鏡を備え、前記回転多面鏡に入射したレーザ光が前記複数の反射面のうちの１つを通過する間に１本の走査線が形成され、前記１本の走査線が形成される間に前記回転多面鏡の回転角が前記基準角を通過してもよい。

　前記構成によれば、レーザ光の角速度を変化させながら回転多面鏡（ポリゴンミラー）を同じ方向に回転させることにより、複数本の走査線に沿ってレーザ光を走査することができる。

　レーザ光の回転角が前記基準角であるときに、レーザ光が前記複数の反射面のうちの任意の反射面の中間点に入射してもよい。

　前記構成によれば、隣接する反射面同士が繋がる稜部をレーザ光が通過するときに、レーザ光の角速度を連続させることができる。

　前記焦点と前記頂点との距離をａ、レーザ光の走査速度をＶ_Ｘ、レーザ光の回転角が前記基準角である時点から経過した時間をｔ、レーザ光の角速度をωとした場合、前記投光手段は、ω＝Ｖ_Ｘ／ａ｛１＋（Ｖ_Ｘ×ｔ／２ａ）^２｝を満たすように、レーザ光を非等速で角移動させながら放射してもよい。

　前記構成によれば、レーザ光を等速で直線移動させることができる。なお、レーザ光の回転角が基準角である時点から経過した時間ｔは、正の値でも、ゼロでも、負の値でもよい。ｔが負の値である場合、ｔは、レーザ光の回転角が基準角になるまでの所要時間を意味する。

　本発明に係るレーザ加工装置は、前述したような光走査装置を備え、前記反射手段からレーザ光をワークに落射し、ワークに加工ラインを形成する。

　前記構成によれば、ワーク上でのレーザ光の走査速度を極力等速にすることが可能となるし、レーザ光のワークへの入射角度をレーザ光の回転角に関わらず垂直にすることができるし、レーザ光の回転角に関わらず投光中心からワークまでの光路長を一定に保つことができる。このため、加工ムラを抑えながら加工効率を向上させることができる。

　ワークを一定の搬送速度で搬送方向に搬送する搬送装置を備え、前記放物面が前記搬送方向に対して交差する方向に延びて配置されており、前記搬送装置でワークを搬送しながら前記投光手段を連続運転し、それによりワークに前記搬送方向に対して直角となる走査方向に延びる複数の加工ラインを前記搬送方向に並べるようにして形成してもよい。

　前記構成によれば、ワークを搬送しながら加工ラインを形成することができるので、タクトタイムを短縮することができる。

　本発明は、レーザ光のワークへの入射角を極力垂直にしてレーザ光をワーク上で極力合焦させ続けながら、ワーク上におけるレーザ光の走査速度を極力等速にすることができる。

図１は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を概念的に示す斜視図である。 図２は、図１に示すレーザ加工装置の概要構成を示すブロック図である。 図３は、ワークの搬送方向Ｙと、スクライブ線の加工方向Ｘと、レーザ光の実走査方向Ｘ´との関係性を示す概念図である。 図４は、スクライブ線の加工方向Ｘを横軸、レーザ光の落射方向Ｚを縦軸にとった二次元直交座標系において示すレーザ走査ヘッドの概念図であって、放物線ミラーとポリゴンミラーの投光中心との位置関係を示すとともに、レーザ光の加工方向Ｘにおける位置と、レーザ光の加工方向Ｘにおける走査速度と、ポリゴンミラーの回転角度と、ポリゴンミラーの角速度との関係性を示す概念図である。 図５は、図１に示すレーザ加工装置の動作の一例を示すタイムチャートである。

　以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。同一の又は対応する要素については、全ての図を通じて同一の符号を付し、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、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置１０の構成を概念的に示す斜視図である。本実施形態に係るレーザ加工装置１０は、例えば薄膜太陽電池の生産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１０をパターニング処理に利用する場合、ワーク９０に、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）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などが含まれる。

　本実施形態に係るレーザ加工装置１０は、入射面９０ａと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、入射面９０ａに対し垂直な方向Ｚ（以降、「落射方向Ｚ」と称す）にレーザ光を照射し、当該レーザ光をワーク９０上で直線的に走査する。これにより、レーザ光が基板９１を透過し、薄膜層９２の表層がレーザ光の照射箇所において除去され、薄膜層９２に直線状の溝９３（以降、「スクライブ線９３」と称す）が形成される。レーザ光の走査は、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搬送方向Ｙに直交する方向Ｘ（以降、「加工方向Ｘ」と称す）に平行に延在するように形成される。

　本実施形態では、入射面９０ａを水平に向けた状態にしてワーク９０が搬送され、そのため、加工方向Ｘ及び搬送方向Ｙが水平、落射方向Ｚが鉛直である。以降の説明では、このワーク９０の姿勢を前提とするが、この姿勢は一例に過ぎず適宜変更可能である。

　図１に示すように、本実施形態に係るレーザ加工装置１０は、主として、搬送装置１１、レーザ発振器１２及びレーザ走査ヘッド１３を備えている。

　搬送装置１１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２１と、搬送機構２１を駆動する搬送アクチュエータ２２（図２参照）とを備えている。例えば、搬送機構２１は、加工方向Ｘに延び且つ搬送方向Ｙに並ぶ複数の回転シャフト２３と、各回転シャフト２３に設けられて対応の回転シャフト２３と共に回転するローラ２４とを備えている。ワーク９０は、入射面９０ａを下に向けて薄膜層９２を上に向けた姿勢でローラ２４の周面上に載置される。搬送アクチュエータ２２は、例えば電気モータであり、複数の回転シャフト２３を同期して回転駆動する。すると、ローラ２４上のワーク９０が、搬送方向Ｙに搬送されていく。

　レーザ発振器１２は、ミリ秒～マイクロ秒オーダーのパルス幅（すなわち、キロヘルツ～メガヘルツオーダーの周波数）でパルスレーザを発振し、レーザ光をレーザ走査ヘッド１３に向けて出射する。なお、レーザ光は、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１２から入射面９０ａに至るまでの光路上には、レーザ光が薄膜層９２で焦点を結ぶことができるように、レンズ１５が設けられている。図１では、レンズ１５をレーザ発振器１２とレーザ走査ヘッド１３との間に設けた場合を例示しているが、レンズ１５の配置は特に限定されない。

　レーザ走査ヘッド１３は、レーザ発振器１２からのレーザ光を偏向しながらワーク９０にレーザ光を照射し、レーザ光をワーク９０上又はワーク９０内で直線に延びる走査線に沿って走査する。本実施形態では、レーザ走査ヘッド１３は、搬送機構２１よりも下に配置されており、レーザ光の落射方向Ｚが鉛直上向きである。レーザ光は、回転シャフト２３を避けるように下から上に向けられ、入射面９０ａに下から入射する。

　レーザ走査ヘッド１３は、レーザ光を投光中心Ｃ周りに角移動させながら放射する放射部３０と、放射部３０からのレーザ光を反射してワーク９０に落射する放物面を有した反射部とを備える。より具体的には、レーザ光を走査する光学系を構成する素子として、入射したレーザ光を投光中心Ｃ回りに角移動させるポリゴンミラー３１と、ポリゴンミラー３１からのレーザ光を反射する放物線ミラー３２とを備えている。放物線ミラー３２からのレーザ光は、落射方向Ｚに延びる光路を上向きに通り、入射面９０ａに下から垂直に入射する。レーザ走査ヘッド１３は、ポリゴンミラー３１を回転駆動する偏向アクチュエータ３３と、ポリゴンミラー３１及び放物線ミラー３２を内蔵する筐体３４とを更に備えている。ポリゴンミラー３１及び偏向アクチュエータ３３は、投光部３０を構成しており、放物線ミラー３２は、反射部を構成している。

　ポリゴンミラー３１は、正多角柱状の外形を有し、複数の反射鏡面４１～４６がポリゴンミラー３１の側面それぞれに設けられている。図１では、ポリゴンミラー３１が６つの反射鏡面４１～４６を有し、これら反射鏡面４１～４６がポリゴンミラー３１の中心軸線方向に見たときに正六角形を成す場合を例示しているが、ポリゴンミラー３１の反射鏡面数は６に限定されない。偏向アクチュエータ３３は、例えば電気モータであり、ポリゴンミラー３１をポリゴンミラー３１の中心軸線周りに回転駆動する。

　レーザ発振器１２からのレーザ光は、筐体３４内で落射方向Ｚ順側（鉛直方向上側）に向けられ、ポリゴンミラー３１に下から入射する。入射したレーザ光が或る一つの反射鏡面を通過する間、ポリゴンミラー３１は、３６０／Ｎ[deg]回転する（Ｎ：反射鏡面数）。「レーザ光が或る一つの反射鏡面を通過する間」とは、レーザ光が、当該反射鏡面（例えば、面４１）と、当該反射鏡面にミラー回転方向順側に連続する反射鏡面（例えば、面４６）とが成す始点稜部（例えば、稜部４１ａ）に入射した時点から、当該反射鏡面（例えば、面４１）と、当該反射鏡面にミラー回転方向逆側に連続している反射鏡面（例えば、面４２）とが成す終点稜部（例えば、稜部４１ｂ）に入射した時点までの期間であり、レーザ光が当該反射鏡面（例えば、面４１）において反射する期間を意味する。この間、レーザ光は、回転している当該反射鏡面で反射し、当該反射鏡面上に位置した投光中心Ｃ周りに３６０×２／Ｎ[deg]の回転角度範囲で角移動する（Ｎ：反射鏡面数）。レーザ光が或る一つの反射鏡面（例えば、面４１）を通過し終えると、レーザ光は、当該反射鏡面（例えば、面４１）とミラー回転方向逆側に連続した反射鏡面（例えば、面４２）を通過し始める。このため、隣り合う２つの反射鏡面が成す稜部（例えば、稜部４１ｂ）は、ミラー回転方向順側の反射鏡面（例えば、面４１）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（例えば、面４２）にとっては始点稜部に相当する。

　放物線ミラー３２は、ポリゴンミラー３１の中心軸線方向に見たときに放物線を成す反射鏡面３２ａを有している。このように反射部を構成する放物線ミラー３２は、放物面を成す反射鏡面３２ａを有するが、ここでいう「放物面」は、いわゆる回転放物面ではなく、断面が放物線を成した面を言う。ポリゴンミラー３１及び放物線ミラー３２は、投光中心Ｃが放物面の焦点Ｆ（より具体的には、当該放物面の断面形状である放物線の焦点。以下「放物線の焦点Ｆ」と称す）上に位置するように、また、放物面の頂点Ｖ（より具体的には、当該放物面の断面形状である放物線の頂点。以下「放物線の頂点Ｖ」と称す）を以下、中心Ｃに結ぶ直線（すなわち、放物線対称軸）が落射方向Ｚに延びるように配置されている。

　このため、投光中心Ｃが始点稜部４１ａと終点稜部４１ｂとの中間点に位置している場合には、レーザ光は、投光中心Ｃから落射方向Ｚ逆側（鉛直方向下側）へ放射され、放物線ミラー３２の反射鏡面３２ａ上であって放物線の頂点Ｖで反射する。投光中心Ｃが中間点よりも始点稜部４１ａ側に位置している場合には、レーザ光は、放物線の頂点Ｖよりも加工方向Ｘ上流側（図１紙面右下側）で反射する。投光中心Ｃが当該中間点よりも終点稜部４１ｂ側に位置している場合には、レーザ光は、放物線の頂点Ｖよりも加工方向Ｘ下流側（図１紙面左上側）で反射する。

　放物線ミラー３２で反射したレーザ光は、その反射した位置に関わらず（すなわち、ポリゴンミラー３１の回転角度に関わらず）、落射方向Ｚ順側（鉛直方向上側）に向けられ、入射面９０ａに下から垂直に入射する。また、投光中心Ｃが放物線の焦点Ｆに位置しているので、投光中心Ｃから入射面９０ａまでに至る光路長は、放物線ミラー３２での反射位置に関わらず一定である。なお、レーザ光は、筐体３４の上面に設けられたスリット３４ａを通り、筐体３４の内部から外部へと出射される。

　本実施形態では、投光中心Ｃが始点稜部４１ａに位置する場合におけるレーザ光の照射位置が、スクライブ線９３の始点９３Ａに相当し、投光中心Ｃが終点稜部４１ｂに位置する場合におけるレーザ光の照射位置が、スクライブ線９３の終点９３Ｂに相当し、レーザ光が或る一つの反射鏡面を通過する間に、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。レーザ光は、スクライブ線９３のどの位置をとっても垂直に入射するので、加工効率が向上する。また、レーザ光の光路長は、スクライブ線９３のどの位置をとっても同じであるので、レーザ光の焦点距離をポリゴンミラー３１の回転角度に応じて変化させる手段がなくても、レーザ光が入射面９０ａ上で合焦し続ける。

　図２は、図１に示すレーザ加工装置１０の概要構成を示すブロック図である。なお、図２では、レーザ光を実線、機械的接続を二重線、電気的接続を点線でそれぞれ示している。図２に示すように、レーザ加工装置１０は、搬送アクチュエータ２２、レーザ発振器１２及び偏向アクチュエータ３３を制御するコントローラ１４を備えている。パターニング処理に際し、コントローラ１４は、搬送アクチュエータ２２、レーザ発振器１２及び偏向アクチュエータ３３を同時に作動させる。これにより、ワーク９０を搬送方向Ｙに搬送しながらレーザ光が入射面９０ａ上で走査され、複数本のスクライブ線９３がワーク９０に形成される。

　コントローラ１４は、ワーク９０が一定の搬送速度で搬送されるように（すなわち、回転シャフト２３及びローラ２４が当該搬送速度に対応する一定の角速度で回転するように）搬送アクチュエータ２２を制御する。コントローラ１４は、一定の周波数でパルスレーザが発振されるようにレーザ発振器１２を制御する。コントローラ１４は、レーザ光がワーク９０上又はワーク９０内で一定の走査速度で走査されるように偏向アクチュエータ３３を制御する。そのため、コントローラ１４は、レーザ光の角速度（ポリゴンミラー３１の角速度と対応関係がある）がレーザ光の回転角（ポリゴンミラー３１の回転角と対応関係がある）に応じて変化するように、偏向アクチュエータ３３を制御する。

　（加工方向と実走査方向との関係）
　図３は、ワーク９０の搬送方向Ｙと、スクライブ線９３の加工方向Ｘと、レーザ光が実際に走査される方向Ｘ´（以降、「実走査方向Ｘ´」又は「対地走査方向Ｘ´」と称す）との関係性を示す概念図である。本実施形態に係るレーザ加工装置１０は、ワーク９０を一定の搬送速度Ｖ_Ｙで搬送方向Ｙに搬送しながらレーザ光を入射面９０ａに照射し、それにより加工方向Ｘに延びるスクライブ線９３をワーク９０に形成する。よって、レーザ光は、搬送されているワーク９０から見たときに加工方向Ｘに走査されるようにすべく、筐体３４を設置している地上から見たときには入射面９０ａと平行な面内において搬送方向Ｙにも加工方向Ｘにも傾斜する実走査方向Ｘ´に走査される必要がある。なお、ワーク９０から見たときも地上から見たときも、落射方向Ｚは同一の方向（例えば、鉛直方向）であり、そのためＸＹ平面（すなわち、入射面９０ａと平行な平面）も同一の姿勢（例えば、水平姿勢）である。

　レーザ光をこのように走査するため、ポリゴンミラー３１（図１参照）は、その中心軸線が実走査方向Ｘ´に直交する方向に向くように配置される。放物線ミラー３２（図１参照）は、実走査方向Ｘ´に延びるように配置される。

　以降の説明では、地上から見たときにおけるＸＹ平面内でのレーザ光の走査経路を「実走査線９５」と称す。実走査線９５は、ＸＹ平面内でスクライブ線９３と傾斜角φを成しており、スクライブ線９３の始点９３Ａから搬送方向Ｙの下流側へと傾くようにして実走査方向Ｘ´に延びている。本実施形態では、搬送速度Ｖ_Ｙとともにレーザ光の加工方向Ｘにおける走査速度Ｖ_Ｘも一定とする。このため、実走査線９５上でのレーザ光の走査速度（以降、「実走査速度Ｖ_Ｘ´」又は「対地走査速度Ｖ_Ｘ´」と称す）も一定である。よって、傾斜角φの正弦は、式（１）を用いて表される。

 
　式（１）を満たしていれば、ワーク９０を搬送方向Ｙに定速で搬送しながらレーザ光を実走査方向Ｘ´に定速で走査することで、加工方向Ｘ（搬送方向Ｙに直交する方向）に延びるスクライブ線９３をワーク９０に定速で形成することができる。

　本実施形態では、レーザ光がポリゴンミラー３１の或る一つの反射鏡面を通過する間、搬送されているワーク９０には、始点９３Ａを終点９３Ｂに結ぶスクライブ線９３が形成される。この間、地上から見たレーザ光は、実走査線９５の始点９５Ａから終点９５Ｂまで、実走査方向Ｘ´に延びる実走査線９５に沿って走査される。

　この場合、或る一つの反射鏡面の終点稜部は、ミラー回転方向逆側に連続する反射鏡面の始点稜部と同一である。このため、レーザ光は、或る一つの反射鏡面を通過し終えて実走査線９５の終点９５Ｂに達すると同時に、実走査線９５の始点９５Ａに戻って次の反射鏡面の通過を開始する。この新たに開始される走査に対応した実走査線９５の始点９５Ａは、当該新たに開始される走査に対応したスクライブ線９３の始点９３Ａと一致する。一方、当該実走査線９５の始点９５Ａは、前回の走査に対応したスクライブ線９３の始点９３Ａから間隔Ｌ_Ｙだけ搬送方向Ｙに離れる。この間隔Ｌ_Ｙは、隣り合う２本のスクライブ線９３同士の搬送方向Ｙの距離（以降、「スクライブ間隔Ｌ_Ｙ」と称す）に相当する。スクライブ間隔Ｌ_Ｙは、１回の走査を開始してから終了するまでのワーク９０の搬送距離に等しく、当該搬送距離は、ＸＹ平面内におけるスクライブ線９３の終点９３Ｂから実走査線９５の終点９５Ｂまでの距離に等しい。このため、スクライブ線９３の加工方向Ｘの長さ（すなわち、搬送されているワーク９０から見たときの走査方向における走査線の長さに相当。以降、「スクライブ長」と称す）をＬ_Ｘとすると、傾斜角φの正接は、式（２）を用いて表される。

 
　スクライブ長Ｌ_Ｘ及びスクライブ間隔Ｌ_Ｙは、製品の仕様に応じて比較的早期に決定可能であり、傾斜角φもこれに応じて式（２）から決めることができる。搬送速度Ｖ_Ｙ及び実走査速度Ｖ_Ｘ´は、式（１）を満たすように、傾斜角φに応じて適宜の値に決定される。なお、走査速度Ｖ_Ｘは、傾斜角φの余弦を用いて式（３）で表される。

 
　このように本実施形態では、レーザ光の実走査方向Ｘ´が加工方向Ｘにも搬送方向Ｙにも傾斜している。これにより、ワーク９０を連続搬送し且つポリゴンミラー３１を連続回転しながら（すなわち、投光部３０を連続運転しながら）、複数本のスクライブ線９３を搬送方向Ｙに間隔をおいて並べるようにして形成することができる。つまり、搬送アクチュエータ２２及び偏向アクチュエータ３３の起動及び停止を繰り返すような制御を行うことなく、複数本のスクライブ線９３を形成可能になる。したがって、パターニング処理のタクトタイムが向上する。

　なお、レーザ光にはパルスレーザが適用されるので、レーザ光の走査速度Ｖ_Ｘ及び実走査速度Ｖ_Ｘ´は、被り代を設けるように設定される。このように、走査速度Ｖ_Ｘ及び実走査速度Ｖ_Ｘ´は、タクトタイムの向上とスクライブ線９３の連続性の担保のため、スクライブ長Ｌ_Ｘ、スクライブ間隔Ｌ_Ｙ、傾斜角φ及び搬送速度Ｖ_Ｙだけでなく、パルスレーザの周波数及びワーク９０上でのレーザ光のサイズも考慮して、適宜の値に設定される。

　（レーザ走査ヘッドの配置）
　図４は、放物線ミラー３２と投光中心Ｃとの位置関係を示すとともに、レーザ光の加工方向Ｘにおける位置と、レーザ光の加工方向Ｘにおける走査速度Ｖ_Ｘと、レーザ光の回転角θと、レーザ光の角速度ωとの関係性を示す概念図である。なお、図４では、説明の便宜のため、スクライブ線９３の加工方向Ｘ（すなわち、搬送されているワーク９０から見たレーザ光の走査方向）を横軸、レーザ光の落射方向Ｚを縦軸にとった二次元直交座標系（いわゆるワーク座標系）を用いている。

　図４に示すように、ここでは、スクライブ線９３が横軸に平行な直線：Ｚ＝ｗ（ｗ＜０）で表され、放物線ミラー３２が上に凸であると考える。すなわち、落射方向Ｚ逆側（鉛直方向下側）を縦軸方向上側に示し、落射方向Ｚ順側（鉛直方向上側）を縦軸方向下側に示す。また、原点Ｏに投光中心Ｃ及び放物線の焦点Ｆが位置し、放物線の対称軸が縦軸上に位置すると考える。焦点Ｆと頂点Ｖとの距離がａであれば、頂点Ｖを座標（０，ａ）、準線Ｄを直線：Ｚ＝２ａ、放物線を曲線：Ｚ＝－Ｘ^２／４ａ＋ａとして表すことができる（ａ＞０）。スクライブ線９３の始点９３Ａと終点９３Ｂの中間点は縦軸上に位置するので、始点９３Ａの座標を（－Ｌ_Ｘ／２，ｗ）、終点９３Ｂの座標を（Ｌ_Ｘ／２，ｗ）として表すことができる（Ｌ_Ｘ＞０）。

　投光中心Ｃが或る反射鏡面における始点稜部と終点稜部との中間点に位置する場合、投光中心Ｃから放物線ミラー３２に向かうレーザ光は、縦軸上の光路を通る。以降の説明では、このときのレーザ光の回転角を０[deg]とし、基準角と称す。また、レーザ光の回転角が基準角である場合のポリゴンミラー３１の回転角も基準角と称す。本実施形態では、ポリゴンミラー３１の反射鏡面数が６であるので、ポリゴンミラー３１が１回転する間に、６０度おきに離れた６つの基準角が存在することになる。

　レーザ光の回転角が基準角である場合、レーザ光は頂点Ｖで反射し、縦軸上の光路を通って入射面９０ａに垂直に入射し、スクライブ線９３上における始点９３Ａと終点９３Ｂとの中間点を照射する。

　回転中心Ｃが終点稜部に位置する場合、レーザ光の回転角は、前記回転角度範囲の半分値である最大角θ_ＭＡＸとなる。すなわち、式：θ_ＭＡＸ[deg]＝（３６０×２／Ｎ）／２＝３６０／Ｎを満たす（θ_ＭＡＸ＞０，Ｎ：反射鏡面数）。この場合、投光中心Ｃから放物線ミラー３２に向かうレーザ光の光路１００Ｂは、原点Ｏを通過する右肩上がりの直線（傾き：tan（９０－θ_ＭＡＸ））として表され、縦軸と当該直線とが成す角が最大角θ_ＭＡＸに相当する。レーザ光は、当該交点で反射した後、縦軸に平行な光路を通って入射面９０ａに垂直に入射し、スクライブ線９３の終点９３Ｂを照射する。よって、光路１００Ｂと放物線の交点のＸ座標は、スクライブ線９３の終点９３ＢのＸ座標と同じ（Ｌ_Ｘ／２）である。

　回転中心Ｃが始点稜部に位置する場合、縦軸に関して線対称で上記同様のことが生ずる。すなわち、レーザ光の回転角が負の最小角θ_ＭＩＮとなり、最小角θ_ＭＩＮの絶対値が最大角θ_ＭＡＸと等しい（θ_ＭＩＮ＝－θ_ＭＡＸ）。回転中心Ｃから放物線ミラー３２に向かうレーザ光の光路１００Ａは、原点Ｏを通過する右肩下がりの直線（傾き：tan（９０－θ_ＭＩＮ））として表される。光路１００Ａと放物線の交点で反射したレーザ光は、縦軸に平行な光路を通って入射面９０ａに垂直に入射し、スクライブ線９３の始点９３Ａを照射する。

　仮にポリゴンミラー３１が等速で回転していて回転中心Ｃから延びる光路が等速で角移動しているとすれば、レーザ光の回転角が基準角から離れていればいるほど（すなわち、ポリゴンミラー３１の回転角が基準角から離れていればいるほど）、ワーク９０上でのレーザ光の加工方向Ｘにおける走査速度が大きくなる。すると、パルスレーザの周波数が一定である限り、スクライブ線９３の始点９３Ａに近ければ近いほど又は終点９３Ｂに近ければ近いほど、被り代が小さくなる。被り代の大きさが変化すると、スクライブ線９３の形成による薄膜層９２の除去量が加工方向Ｘに勾配を持ってしまい、この勾配が加工ムラとなって現れる。

　そこで本実施形態では、コントローラ１４は、レーザ光の回転角が基準角から離れているほどレーザ光の角速度が小さくなるように偏向アクチュエータ３３を制御する。言い換えれば、偏向アクチュエータ３３は、ポリゴンミラー３１の回転角が基準角から離れているほどポリゴンミラー３１の角速度が小さくなるように、ポリゴンミラー３１を非等速で回転駆動する。これにより、ポリゴンミラー３１が等速で回転している場合に生ずる走査速度の変化を小さくすることができる。したがって、加工ムラを抑えることができる。

　（レーザ光の角速度）
　次に、図４を参照しながら、レーザ光の走査速度Ｖ_Ｘを一定にするためにレーザ光の角速度ωをどのように設定すべきであるかについて説明する。以降の説明では、レーザ光の回転角が基準角である時点から或る任意角度θになるまでの経過時間をｔとする。また、レーザ光の回転角が当該角度θである場合に、投光中心Ｃから放物線ミラー３２に向かうレーザ光の光路１００と放物線との交点ＰのＸ座標をｘとする。

　図４では、当該任意角度θを正の値とした場合を例示しており、そのため経過時間ｔも正の値になるが、経過時間ｔにはゼロ及び負の値を含めることもできる。例えば、レーザ光が始点稜部と終点稜部との中間点よりも始点稜部側で入射し、レーザ光の回転角が基準角に到達していない場合には、経過時間ｔを負の値とし、レーザ光の回転角が基準角に達するまでの所要時間として取り扱うことが可能である。

　前記交点Ｐから準線Ｄに垂線Ａ１を引き、準線Ｄと当該垂線Ａ１の交点Ｑを原点Ｏに結ぶ直線Ａ２を引くと、放物線の定義より、当該直線Ａ２は角度θの二等分線となる。準線Ｄは前述のとおり直線：Ｚ＝２ａとして表されるので、点ＱのＸ座標は２ａ×ｔａｎ(θ／２)として表される。点Ｑは点Ｐを通る垂線Ａ１上にあるので、点ＰのＸ座標ｘは、式（４）で表されるように点ＱのＸ座標と等しい。なお、式（４）の逆関数は、式（５）で表される。

 

 
　角度θは経過時間ｔに応じて変化し、そのため点ＰのＸ座標ｘも経過時間ｔに応じて変化する。よって、レーザ光の角速度ωは、角度θを１階微分することにより得られる。すると、式（５）より、角速度ωは、式（６）で表される。

 
　点Ｐで反射したレーザ光は、縦軸に平行な光路を通って入射面９０ａに入射するので、レーザ光の照射位置のＸ座標は、点ＰのＸ座標ｘに等しい。当該照射位置のＸ座標は、時間ｔが経過する間に、レーザ光がワーク９０上で加工方向Ｘに移動した距離にも相当する。本実施形態では、レーザ光の走査速度Ｖ_Ｘを一定とするので、ｘを式（７）で表すことができ、Ｖ_Ｘを式（８）で表すことができる。

 

 
　すると、式（６）～（８）より、レーザ光の角速度ωは、式（９）で表される。

 
　式（９）において、ａ及びＶ_Ｘは定数である。このため、レーザ光の角速度ωは、経過時間ｔにのみ依存し、レーザ光の回転角に応じて変化する。式（９）によれば、経過時間ｔの絶対値が大きければ大きいほど、すなわち、レーザ光の回転角が基準角から離れていればいるほど、ポリゴンミラー３１の回転角が基準角から離れていればいるほど又は投光中心Ｃが稜部に近ければ近いほど、レーザ光の角速度ωが小さくなる。

　なお、レーザ光の回転角が基準角であるときのポリゴンミラー３１の回転角をゼロの基準角とすると、ポリゴンミラー３１の回転角はレーザ光の回転角の半分値に相当する。また、図４では説明の便宜のためワーク座標系を用いたが、地上から見たときには、レーザ光が加工方向Ｘに対して傾斜角φだけ傾斜した実走査方向（対地走査方向）Ｘ´に走査される。

　そこで、コントローラ１４による偏向アクチュエータ３３の制御を実行するにあたっては、ポリゴンミラー３１の回転角とレーザ光の回転角との対応関係や、加工方向Ｘと実走査方向Ｘ´とが成す傾斜角φ等を考慮して式（９）を補正し、ポリゴンミラー３１の角速度と経過時間ｔとの関係式が導出される。コントローラ１４は、このように導出される関係式に従って偏向アクチュエータ３３を制御する。例えば、スクライブ線９３の始点９３Ａから現在位置までの搬送方向Ｙの対地距離をｙとすると、当該現在位置におけるレーザ光の対地角速度ω_Ａを式（１０）で表すことができる。

 
　（レーザ加工装置の動作）
　図５は、図１に示すレーザ加工装置１０の動作の一例を示すタイムチャートである。図５は、上から順に、レーザ光の回転角、レーザ光の角速度、レーザ光のワーク９０上での加工方向Ｘにおける位置（以下、単に「Ｘ位置」とも称す）、レーザ光の走査速度の経時変化をそれぞれ示している。なお、ポリゴンミラー３１の回転角はレーザ光の回転角と類似した傾向を示し、ポリゴンミラー３１の角速度はレーザ光の角速度と類似した傾向を示す。図５の最上段では、ポリゴンミラー３１に入射したレーザ光がどの反射鏡面で反射しているのかを時間軸に対応させて略示している。図５の最下段では、式（９）のｔに代入されるべき数値を時間軸に対応させて略示している。

　レーザ光が第１面４１の始点稜部に入射するとき、レーザ光の回転角が最小角θ_ＭＩＮとなり、レーザ光のＸ位置がスクライブ線９３の始点９３Ａとなる。レーザ光の回転角が基準角である時点からの経過時間ｔは、最小値ｔ_ＭＩＮであり（ｔ_ＭＩＮ＜０）、レーザ光の角速度は、当該最小値ｔ_ＭＩＮに応じて決まる最小値ω_ＭＩＮとなる。レーザ光の角速度は、時間の経過と共に、式（９）に従って非線形に変化する。これに伴い、レーザ光の回転角も非線形に変化する。

　レーザ光が始点稜部と終点稜部との中間点に入射するとき、レーザ光の回転角が基準角（０[deg]）となり、レーザ光のＸ位置がスクライブ線９３の始点９３Ａと終点９３Ｂとの中間点となる。また、経過時間ｔは０となり、レーザ光の角速度は最大値ω_ＭＡＸとなる。

　レーザ光が第１面４１の終点稜部に入射すると、レーザ光の回転角が最大角θ_ＭＡＸとなり、レーザ光のＸ位置がスクライブ線９３の終点９３Ｂとなる。これにより、１本のスクライブ線９３の形成が完了する。

　レーザ光が第１面４１を通過する間、レーザ光の角速度ωは式（９）に従って変化し続け、それによりレーザ光の走査速度Ｖ_Ｘが一定で推移し、レーザ光のＸ位置が線形に変化する。したがって、放物線ミラー３２を用いると共にパルスレーザの周波数を一定としても、被り代の大きさの変化を抑えることができ、加工ムラを抑えることができる。しかも、レーザ光は入射面９０ａに垂直に入射する。このため、加工効率が向上する。また、投光中心Ｃから入射面９０ａまでのレーザ光の光路長が、レーザ光の回転角に関わらず一定である。このため、レーザ光の焦点距離を可変にしなくても、レーザ光を薄膜層９２で合焦させ続けることができる。

　第１面４１と第２面４２とが成す稜部は、第１面４１にとっては終点稜部に相当し、第２面４２にとっては始点稜部に相当する。このため、レーザ光が当該稜部に入射すると、レーザ光の回転角が、最大角θ_ＭＡＸから最小角θ_ＭＩＮに変化し、レーザ光のＸ位置が、終点９３Ｂから始点９３Ａに変化する。このように、レーザ光の回転角の基準角が、ポリゴンミラー３１の反射鏡面毎に設定されているので、レーザ光が稜部に入射すると、経過時間ｔも最大値ｔ_ＭＡＸから最小値ｔ_ＭＩＮへとリセットされる。そして、本実施形態では、レーザ光の回転角が基準角であるとき、レーザ光が始点稜部と終点稜部との中間点に入射する。このため、レーザ光の回転角の最小角θ_ＭＩＮの絶対値が最大角θ_ＭＡＸと等しく、経過時間ｔの最小値ｔ_ＭＩＮの絶対値が最大値ｔ_ＭＡＸと等しい（ｔ_ＭＩＮ＝－ｔ_ＭＡＸ）。

　このため、式（９）のｔにｔ_ＭＡＸを代入して得られるレーザ光の角速度が、ｔにｔ_ＭＩＮを代入して得られる角速度と等しく、その値が最小値ω_ＭＩＮとなる。したがって、レーザ光が稜部を通過するときに、角速度が最小値ω_ＭＩＮで連続する。したがって、ポリゴンミラー３１を連続回転させながら複数本のスクライブ線９３を形成することを実現可能になる。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記構成は一例に過ぎず、本発明の範囲内で適宜変更可能である。例えば、上記実施形態においては、反射鏡面を一杯に使って１本の走査線又はスクライブ線を形成するようにしているが、ポリゴンミラーの稜部を走査線又はスクライブ線の始点及び終点に必ずしも対応させなくてもよい。「レーザ光が或る一つの反射鏡面を通過する間に加工ラインを形成する」とは、反射鏡面を一杯に使って加工ラインを形成する場合に限定されず、当該反射鏡面の一部を使って加工ラインを形成して稜部にレーザ光が入射しているときには加工ラインを形成しない場合も含まれる。そして、本発明に係るレーザ加工装置は、レーザ光でワークに１本又は複数本の加工ラインを形成するという用途であれば、太陽電池のパターニング処理に限らず、その他の用途にも好適に利用することができる。

　本発明によれば、レーザ光の入射角を極力垂直にしてレーザ光を極力合焦させ続けながら、レーザ光の走査速度を極力等速にすることができるとの作用効果を奏し、ワークにレーザ光で加工ラインを形成するレーザ加工装置に適用すると有益である。

Claims (6)

1. 　レーザ光を投光中心周りに角移動させながら放射する投光手段と、
   　前記投光手段からのレーザ光を反射して落射する放物面を有する反射手段と、を備え、
   　前記投光中心が、前記放物面の焦点に配置され、
   　前記投光手段は、レーザ光の回転角が前記放物面の頂点で反射するときの回転角である基準角から離れているほどレーザ光の角速度が小さくなるように、レーザ光を非等速で角移動させながら放射する、光走査装置。
2. 　前記投光手段が、複数の反射面を有する回転多面鏡を備え、
   　前記回転多面鏡に入射したレーザ光が前記複数の反射面のうちの１つを通過する間に１本の走査線が形成され、前記１本の走査線が形成される間に前記回転多面鏡の回転角が前記基準角を通過する、請求項１に記載の光走査装置。
3. 　レーザ光の回転角が前記基準角であるときに、レーザ光が前記複数の反射面のうちの任意の反射面の中間点に入射する、請求項２に記載の光走査装置。
4. 　前記焦点と前記頂点との距離をａ、レーザ光の走査速度をＶ_ｘ、レーザ光の回転角が前記基準角である時点から経過した時間をｔ、レーザ光の角速度をωとした場合、前記投光手段は、ω＝Ｖ_ｘ／ａ｛１＋（Ｖ_ｘ×ｔ／２ａ）^２｝を満たすように、レーザ光を角移動させながら放射する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光走査装置。
5. 　請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光走査装置を備え、前記反射手段からレーザ光をワークに落射し、該ワークに加工ラインを形成する、レーザ加工装置。
6. 　ワークを一定の搬送速度で搬送方向に搬送する搬送装置を備え、
   　前記放物面が前記搬送方向に対して交差する方向に延びて配置されており、
   　前記搬送装置でワークを搬送しながら前記投光手段を連続運転し、それによりワークに前記搬送方向に対して直角となる走査方向に延びる複数の加工ラインを前記搬送方向に並べるようにして形成する、請求項５に記載のレーザ加工装置。

Images