WO2012120892A1 - 光走査装置及びレーザ加工装置 - Google Patents

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laser
scanning
light
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守正 久下
田中　秀幸
睦裕 中澤
一典 高原
修己 大串
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川崎重工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an optical scanning apparatus that scans light such as a laser beam along a scanning line, and a laser processing apparatus including such an optical scanning apparatus.
  • a technique for scanning a laser beam along a linear scanning line is widely used in laser printers, facsimiles, laser processing apparatuses, and the like.
  • a thin film solar cell, a flexible solar cell or the like (hereinafter collectively referred to as “thin film solar cell” for convenience) is known as a solar cell for photovoltaic power generation.
  • a laser processing apparatus is used which performs patterning processing with a laser beam on a work formed by forming a semiconductor such as a metal film or a silicon film on one surface of a substrate.
  • the workpiece substrate includes a rectangular glass substrate having a predetermined length, a flexible substrate used in a roll-to-roll manufacturing method, and the like.
  • a laser beam is scanned along a scanning line set on a workpiece, and a thin film layer is partially peeled along the scanning line, thereby forming a processing line.
  • a thin film solar cell is constituted by the thin film layer left after the patterning process.
  • a pulse laser is applied to a laser beam in view of ease of fine processing, an effect of suppressing thermal influence, and the like.
  • the pulsed laser is formed so as to partially overlap the irradiated region of the laser oscillated at a certain timing with the irradiated region of the laser oscillated one pulse width before on the workpiece. Scanned, thereby ensuring the continuity of the processing line.
  • a region where adjacent irradiation regions of two pulses of laser beams overlap is also referred to as “coverage allowance”.
  • an optical scanning device that scans a laser beam is applied to a laser processing device, a laser printer, or the like.
  • the optical scanning device angularly moves laser light emitted from a light source such as a laser oscillator by a deflector such as a polygon mirror or a galvanometer mirror, and irradiates a surface to be irradiated with a laser beam that is angularly moved.
  • the deflector is generally driven at a constant speed, so that the laser beam is also angularly moved at a constant speed.
  • Patent Document 1 discloses a single spherical mirror as an optical element provided in place of an f ⁇ lens in an optical scanning device for a laser printer or a facsimile.
  • the laser beam from the deflector is reflected by the spherical mirror and condensed on the surface of the photoreceptor.
  • the scanning speed of the laser beam can be corrected evenly in the direction in which the scanning line extends, and good distortion characteristics and good image surface flatness can be obtained over a wide angle of view on the condensing surface. It is planned to do.
  • Patent Document 2 discloses a plurality of mirrors arranged so as to form a substantially paraboloid as an optical element provided in place of an f ⁇ lens in an optical scanning device for a laser processing apparatus.
  • the laser beam from the deflector is reflected by the mirror and falls on the work.
  • the mirror arranged in this way the laser beam is incident on the workpiece as perpendicularly as possible regardless of the rotation angle of the deflector.
  • the optical path length from the deflection center to the workpiece can be made as constant as possible regardless of the rotation angle of the deflector, and the laser beam can be continuously focused on the workpiece during scanning.
  • the present invention makes it easy to manufacture and increase the size of an optical scanning device that maintains a focused state while keeping the deflection operation at a constant speed, scans the laser at a constant speed, and scans light such as a laser beam.
  • the purpose is to be.
  • the optical scanning device reflects a light projecting unit that emits light while angularly moving the light at a constant speed, reflects the light emitted from the light projecting unit, and guides it to an arbitrary irradiated point on a predetermined scanning line.
  • a light reflecting means for reflecting the light emitted from the light projecting means twice or more and guiding it to the arbitrary irradiated point, and reflecting the light.
  • Each of the parts is composed of a plurality of reflecting surfaces, and the optical path length from the light projecting means to the irradiated point is substantially constant over all the irradiated points on the scanning line, and is emitted from the light projecting means.
  • the scanning speed of the light on the scanning line is substantially constant.
  • the light projecting means emits the light while angularly moving the light at a constant speed, so that the light deflection operation can be simplified.
  • the optical path length from the light projecting means to the irradiated point is substantially constant over all the irradiated points on the scanning line, and the scanning speed of the scanning line of the light emitted from the light projecting means is substantially constant. Therefore, the laser beam can be moved at a constant speed while maintaining the in-focus state regardless of the light deflection angle.
  • the light reflecting means has a plurality of reflecting portions, the light emitted from the light projecting means is reflected twice or more and guided to an arbitrary irradiated point, and each reflecting portion is composed of a plurality of reflecting surfaces. The above-described effects can be achieved while facilitating the manufacture and enlargement of the reflecting means.
  • the at least one of the reflection surfaces may be a flat surface. According to the said structure, a light reflection means can be manufactured still more easily.
  • the light projecting means may have a rotating polygon mirror that rotates at a constant speed. According to the said structure, it can implement
  • the rotary polygon mirror may have seven or more reflecting surfaces. According to the above configuration, light can be emitted while being angularly moved at a constant speed, and the above-described operation can be realized.
  • the scanning line may be a straight line.
  • the light projecting means may emit a pulse laser. You may further provide the cylindrical lens which makes a pulse laser flat.
  • the laser processing apparatus includes the optical scanning device as described above, and forms a processing line with a laser beam on a thin film layer formed on the workpiece.
  • a feeding device that feeds the workpiece in one direction at a constant feeding speed, a workpiece position holding mechanism that supports the workpiece at an accurate position by a machining unit that forms a machining line on the workpiece with the laser beam, the optical scanning device, and A control device for controlling the feeding device, wherein the optical scanning device irradiates a workpiece to be fed by the feeding device with a laser beam in a direction crossing the feeding direction, and the control device is the feeding device. While feeding the workpiece at the feeding speed or detecting and feeding the workpiece feeding speed, the optical scanning device scans one laser beam in a direction crossing the workpiece feeding direction.
  • the workpiece feeding speed and the laser beam scanning speed may be relatively controlled so that the machining line is perpendicular to the feeding direction of the workpiece fed at a predetermined feeding speed.
  • a laser beam is scanned from the optical scanning device while feeding and supporting the workpiece at an accurate position, and a processing line perpendicular to the workpiece feeding direction is formed in the thin film layer. Can do. For this reason, patterning can be performed on the thin film layer of the workpiece by passing the processing line at a high speed once, and processing can be performed efficiently. Further, by using a method of detecting the speed of the workpiece, performing feedback control, and adjusting the scanning timing of the laser beam, it is possible to cope with a continuously flowing workpiece such as a roll-to-roll manufacturing method. Therefore, the production efficiency can be improved by further shortening the tact time in the production process of the solar cell.
  • the constant-speed feeding device may have a twist correction function for adjusting the relative angle in the plane direction between the workpiece to be sent in one direction and the laser beam.
  • the laser beam may be a flat beam that is long in the scanning direction.
  • the processing line can be processed at a high speed by scanning one flat beam at a high speed, and the production efficiency can be improved by further shortening the tact time.
  • the workpiece is obtained by forming a thin film on a glass substrate, the laser beam is a transmitted laser beam, and the transmitted laser beam is irradiated from the anti-thin film layer direction of the glass substrate to form a processing line in the thin film layer.
  • You may comprise as follows.
  • a micro-explosion effect can be generated in the thin film layer on the side opposite to the irradiation side of the optical scanning device, and a processing line can be formed with low output and increased processing efficiency.
  • the workpiece position holding mechanism may include a workpiece support mechanism provided below the workpiece to be fed with the thin film layer as an upper surface, and a non-contact workpiece pressing mechanism provided above the workpiece.
  • a removal film suction means may be provided in the direction of the thin film layer of the workpiece.
  • the film removed by the laser beam is sucked by the suction means, so that the film removed by the laser beam can be prevented from reattaching to the thin film layer.
  • the in-focus state can be maintained and the laser can be scanned at a constant speed while the deflection operation is made at a constant speed. Furthermore, it is possible to easily manufacture and increase the size of an optical scanning device that scans light such as a laser beam.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention. It is a conceptual diagram which shows the scanning direction of the laser beam in the laser processing apparatus shown in FIG. It is a conceptual diagram which shows schematic structure of the beam scanning unit shown in FIG. It is a conceptual diagram which shows the positional relationship of the deflection
  • FIG. 1 It is a conceptual diagram which shows the covering allowance of the pulse laser irradiated from the beam scanning unit shown in FIG. It is a side view which shows typically the process part of the laser processing apparatus shown in FIG. It is a partial side view which expands and shows typically the processing part shown in FIG. It is a partial side view which shows the effect
  • the laser processing apparatus 1 is used for patterning when manufacturing a thin film solar cell
  • the workpiece 5 is an intermediate product of the thin film solar cell in which the thin film layer 6 is formed on the substrate 7. The case where it is is illustrated.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a laser processing apparatus 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the laser processing apparatus 1 includes a feeding device 3, a laser beam unit 30, and a control device 60.
  • the feeding device 3 supports the workpiece 5 in a horizontal posture with the thin film layer 6 facing upward, and feeds the workpiece 5 at a constant speed in a feeding direction Y that is one horizontal direction.
  • the longitudinal direction of the workpiece 5 is directed parallel to the feed direction Y, and the width direction of the workpiece 5 is oriented in a horizontal direction orthogonal to the feed direction Y.
  • the feeding device 3 includes a workpiece gripping portion 12 that corrects the posture of the workpiece 5 about the Z axis in the vertical direction. By the operation of the workpiece gripping part 12, the relative angle in the plane direction between the width direction of the workpiece 5 and the scanning line of the laser beam 50 can be adjusted, and the consistency between the longitudinal direction of the workpiece 5 and the feeding direction Y can be ensured.
  • the laser beam unit 30 includes a laser oscillator 31 and a beam scanning unit 32.
  • the laser oscillator 31 sequentially oscillates a pulse laser at a constant frequency on the order of kilohertz to megahertz, and sequentially emits the generated pulse laser to the beam scanning unit 32.
  • the beam scanning unit 32 irradiates the workpiece 5 while deflecting the laser beam 50 from the laser oscillator 31. As a result, the laser beam 50 is scanned in the direction intersecting the feed direction Y on the workpiece 5.
  • the laser beam 50 incident on the workpiece 5 passes through the substrate 7 and is focused on the thin film layer 6.
  • the beam scanning unit 32 is disposed below the feeding device 3, and the laser beam 50 passes upward through the beam irradiation port 34 of the beam scanning unit 32. , And enters the work 5 from below.
  • the thin film layer 6 is peeled off along the scanning line of the laser beam 50, and a linear groove (hereinafter referred to as “processing line 52”) is formed in the thin film layer 6.
  • the scanning line of the laser beam 50 extends linearly in the width direction of the workpiece 5, and the processing line 52 is also formed to extend in the width direction of the workpiece 5.
  • One workpiece 5 is formed with a plurality of processing lines arranged at intervals in the longitudinal direction of the workpiece 5.
  • a processing unit 33 is provided in the vicinity of the position where the beam scanning unit 32 is installed in the feed direction Y, and the workpiece position holding mechanism 20 is provided in the processing unit 33.
  • the workpiece position holding mechanism 20 supports the workpiece 5 at an accurate position. More specifically, the workpiece position holding mechanism 20 moves the workpiece 5 in the vertical direction while allowing the workpiece 5 to move in the feeding direction Y at least in the vicinity of the position where the beam scanning unit 32 is installed in the feeding direction Y. To be restrained. Thereby, it is possible to prevent the focal point of the laser beam 50 from shifting from the desired position in the vertical direction (generally coincides with the optical path direction of the laser beam 50).
  • the control device 60 controls the feeding device 3, the laser beam unit 30, the workpiece gripping portion 12, and the workpiece position holding mechanism 20.
  • the control device 60 controls the laser oscillator 31 so that the pulse laser is oscillated at a constant frequency while forming one processing line.
  • the control device 60 controls the beam scanning unit 32 so that the laser beam 50 is scanned at a constant speed while forming one processing line.
  • the laser machining apparatus 1 may form the machining line 52 while feeding the workpiece 5, or may stop feeding the workpiece 5 while the machining line 52 is being formed.
  • the control device 60 continuously feeds the workpiece 5 in the feed direction Y at a constant speed or at an unequal speed while forming the required number of machining lines 52.
  • the feeding device 3 is controlled so as to continue.
  • the scanning direction of the laser beam 50 when forming the machining line 52 while feeding the workpiece 5 at a constant speed will be briefly annotated.
  • the scanning line of the laser beam 50 is required to extend linearly in parallel with the width direction of the work 5 when viewed from the work 5 being sent in the feed direction Y.
  • the beam scanning unit 32 does not move in the feed direction Y, the workpiece 5 translates at a constant speed in the feed direction Y, and the laser beam 50 is attempted to be scanned at a constant speed as described later.
  • the scanning line of the laser beam 50 extends linearly in a horizontal direction inclined both in the longitudinal direction of the workpiece 5 and in the width direction of the workpiece 5 when viewed from the ground where the beam scanning unit 32 is installed. Is required.
  • ground scanning direction XG when it is clarified that the scanning direction of the laser beam 50 is viewed from the ground, it is referred to as “ground scanning direction XG” and is viewed from the workpiece 5 being sent in the feeding direction Y.
  • relative scanning direction XW When it is clarified that there is, it is referred to as “relative scanning direction XW”.
  • ground scanning speed VXG When it is clarified that the scanning speed of the laser beam 50 is viewed from the ground, “ground scanning speed VXG”, and when it is clarified that the scanning speed is viewed from the work 5 being sent in the feed direction Y Is referred to as “relative scanning speed VXW”.
  • the relative scanning direction XW corresponds to the width direction of the workpiece 5.
  • the relative scanning speed VXW corresponds to the combined speed of the ground scanning speed VXG in the horizontal plane and the feed speed VY of the workpiece 5.
  • the relative scanning direction XW is orthogonal to the feed direction Y.
  • an angle formed by the relative scanning direction XW and the ground scanning direction XG in a horizontal plane is defined as an inclination angle ⁇ .
  • the feed speed VY is divided by the ground scanning speed VXG
  • the polygon mirror continuously rotates in one direction, thereby scanning the laser beam 50.
  • a processing line 52 is formed and emitted from the certain ridge.
  • the laser beam 50 forms the start point of the one processing line 52 and the laser beam 50 emitted from the next ridge portion forms the end point of the one processing line 52.
  • the viewpoint is set on the workpiece 5 for the purpose of generalizing the scanning direction of the laser beam 50 regardless of how the workpiece 5 is fed. That is, in the following description, “scanning direction X” is the relative scanning direction XW unless otherwise specified, and “scanning line” is the scanning line in the relative scanning direction XW unless otherwise specified, and “scanning speed VX”. Is the relative scanning speed VXW unless otherwise specified.
  • the above formula cannot be used as it is, but it is possible to derive the inclination angle and the ground scanning speed that change with time with the feed speed according to the time. Therefore, if the inclination angle and the ground scanning speed derived according to the time are used, the description based on the workpiece can be replaced with the description based on the ground.
  • the processing line is formed by stopping the feeding of the workpiece 5, the relative scanning direction coincides with the ground scanning direction, and the relative scanning speed coincides with the ground scanning speed.
  • the beam scanning unit 32 described below can be suitably applied to the laser processing apparatus 1 that performs patterning processing of a thin-film solar cell regardless of how the workpiece 5 is fed. Note that the beam scanning unit 32 described below can be used for patterning processing other than the thin film solar cell, and can also be used for laser scanning other than patterning processing.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing the configuration of the beam scanning unit 32.
  • the beam scanning unit 32 is an optical element or an optical unit that constitutes an optical system that scans the laser beam 50, and sequentially from the beam oscillator 31 along the optical path of the laser beam 50, a lens 61 and a prism 62.
  • the beam scanning unit 32 includes a housing 69 that houses the optical element and a part of the optical unit.
  • FIG. 3 illustrates a case where the housing 69 accommodates the second folding mirror 64, the light projecting unit 65, the light reflecting unit 66, and the cylindrical lens 67, but this is only an example, and the lens 61 and the prism 62 are included.
  • the first folding mirror 63 may be housed in the housing 69, and the cylindrical lens 68 may be disposed outside the housing 70.
  • the beam irradiation port 34 described above is provided on the upper surface of the housing 69.
  • the laser beam 50 is emitted upward from the inside of the housing 69 through the beam irradiation port 34.
  • the lens 61 is an optical element that enables the laser beam 50 generated by the laser oscillator 31 to be focused.
  • the prism 62, the first folding mirror 62 and the second folding mirror 63 guide the laser beam 50 that has passed through the lens 61 to the polygon mirror 65.
  • these elements 62 to 64 constitute an optical unit that bends the optical path so as to secure an optical path length necessary for focusing the laser beam 50 with the work 5 on the upstream side of the optical path from the polygon mirror 65.
  • These elements 62 to 64 can be omitted as appropriate, and other prisms or mirrors may be appropriately added between the lens 61 and the polygon mirror 65.
  • the light projecting unit 65 radiates the laser beam 50 incident from the second folding mirror 64 so that the laser beam 50 is angularly moved at a constant speed.
  • the light reflecting unit 66 reflects the light emitted from the light projecting unit 65 and guides it to an arbitrary irradiated point on the scanning line. By the operation of the light projecting unit 65, the irradiated point sequentially moves in the scanning direction X along the scanning line on the workpiece 5.
  • the optical path length from the light projecting unit 65 to the irradiated point is substantially constant over all the irradiated points. Further, the scanning speed VX on the scanning line of the laser beam 50 emitted from the light projecting unit 65 is substantially constant.
  • the light projecting unit 65 and the light reflecting unit 66 configured to realize this will be described.
  • the light projecting unit 65 includes a polygon mirror (rotating polygon mirror) 70 and a deflection actuator 75.
  • the polygon mirror 70 is a deflector provided rotatably in the housing 69, and the rotation axis of the polygon mirror 70 is directed in a horizontal direction orthogonal to the scanning direction X.
  • the deflection actuator 75 is, for example, an electric motor, and rotationally drives the polygon mirror 70 in one direction at a constant speed. As a result, the laser beam 50 from the polygon mirror 70 is angularly moved at a constant speed.
  • the operations of the deflection actuator 75 and the polygon mirror 70 and the deflection action of the laser beam 50 caused thereby are controlled by the control device 60 (see FIG. 1).
  • the polygon mirror 70 is formed in the shape of a regular polygonal column as a whole, and has a plurality of reflecting surfaces provided on each side surface thereof.
  • the laser beam 50 is incident on the side of the rotating polygon mirror 70 and is reflected at a reflection angle corresponding to the rotation angle position of the polygon mirror 70 at that time.
  • the polygon mirror 70 rotates 360 / N [deg] after the laser beam 50 is reflected from the ridge portion of the polygon mirror 70 to the next ridge portion (N: number of reflection surfaces of the polygon mirror).
  • the laser beam 50 reflected by the polygon mirror 70 is angled around the reflection point (ie, the deflection center) on the polygon mirror 70 by twice the rotation angle of the polygon mirror 70 (ie, 720 / N [deg]).
  • the position of the deflection center slightly moves depending on the rotation angle of the polygon mirror 70, the movement of the deflection center corresponding to the rotation angle of the polygon mirror 70 is ignored in the following description.
  • the entire movement range of the deflection center in a strict sense is referred to as “deflection center”.
  • the laser beam 50 is reflected from a certain ridge portion of the polygon mirror 70 until it is reflected by the next ridge portion (that is, the laser beam 50 is sandwiched between the two ridge portions). While passing through the reflecting surface, the laser beam 50 is scanned along one scanning line on the workpiece 5.
  • the irradiation point of the laser beam reflected by the certain ridge is the start point of the scanning line
  • the irradiation point of the laser beam 50 reflected by the next ridge is the end point of the scanning line.
  • the beam scanning unit 32 does not include means for changing the focal length of the laser beam 50 according to the rotation angle of the polygon mirror 70 (although the optical scanning apparatus according to the present invention includes such means. Not disturb). If the light reflecting portion 66 does not exist, the focal point of the laser beam 50 draws an arc-shaped locus.
  • the locus center is the deflection center, and the radius of the locus is the optical path length from the deflection center to the focal point.
  • the scanning line extends linearly in the scanning direction X, unlike the arc-shaped trajectory.
  • the distance from the arbitrary irradiated point on the scanning line to the focal point changes according to the position of the irradiated point (that is, the deflection angle of the laser beam 50 or the rotation angle of the polygon mirror 70). Therefore, the optical path length from the polygon mirror 70 to an arbitrary irradiated point on the scanning line is not constant over the entire irradiated point, and changes according to the position of the irradiated point. Further, if the laser beam 50 is angularly moved at a constant speed, the scanning speed of the laser beam 50 on the scanning line is not constant.
  • the light reflecting portion 66 reflects the laser beam 50 from the light projecting portion 65 at least twice and then guides it to the work 5 in order to solve this problem.
  • the light reflecting unit 66 is configured so that the optical path length from the light projecting unit 65 to an arbitrary irradiated point on the scanning line on the workpiece 5 is substantially constant over all irradiated points, and the laser beam 50 is angular at a constant speed.
  • a plurality of reflecting portions are provided so that the scanning speed of the laser beam 50 is substantially constant even when the laser beam is moving.
  • the light reflecting unit 66 includes a primary reflecting unit 71 that reflects the laser beam 50 from the light projecting unit 65 (polygon mirror 70) and a secondary reflection that further reflects the laser beam 50 from the primary reflecting unit 71. And the laser beam 50 from the light projecting unit 65 (polygon mirror 70) is reflected twice.
  • the beam scanning unit 32 according to the present embodiment constitutes the primary reflection unit 71 between the polygon mirror 70 and the cylindrical lens 67 as an optical element constituting an optical system that scans the laser beam 50.
  • a primary mirror 73 and a secondary mirror 74 constituting the secondary reflector 72 are provided.
  • the light reflecting portion 66 is constituted by the primary mirror 73 and the secondary mirror 74 and is fixed in the housing 69. However, the light reflecting portion 66 may have three or more reflecting portions.
  • the light reflecting portion 66 reflects the laser beam twice and the laser beam 50 enters the work 5 from below. Therefore, the laser beam 50 from the second folding mirror 63 enters the polygon mirror 70 substantially downward.
  • the polygon mirror 70 reflects the incident laser beam 50 substantially upward.
  • the primary mirror 73 is disposed above the polygon mirror 70 and reflects the laser beam 50 from the polygon mirror 70 substantially downward.
  • the secondary mirror 74 is disposed below the primary mirror 73 and reflects the laser beam 50 from the primary mirror 73 generally upward.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram showing a positional relationship among the deflection center C, the primary reflection unit 71, the secondary reflection unit 72, and the scanning line 52.
  • the laser beam 50 moves on the workpiece 5 in the scanning direction X along one scanning line 52 while the laser beam 50 passes through one reflecting surface of the polygon mirror 70. If the primary mirror 73 and the secondary mirror 74 do not exist, the focal point of the laser beam 50 draws an arc VA (hereinafter referred to as “virtual arc VA”) centered on the deflection center C.
  • the radius R of the virtual arc VA is the optical path length from the deflection center C to the focal point.
  • the primary mirror 73 and the secondary mirror 74 are rearranged so that the optical path from the deflection center C to the focal point is bent so that the virtual arc VA extends linearly on the workpiece 5 in the scanning direction X (width direction of the workpiece 5). To do.
  • the length of the virtual arc VA is required to be equal to the length of the scanning line 52.
  • the length of the scanning line 52 corresponds to the length LXW of the processing line 52 in the width direction of the workpiece 5.
  • LXW line length LXW.
  • the central angle of the virtual arc VA (that is, the angular movement range of the laser beam 50) is 720 / N [deg].
  • the circumference ratio is ⁇ and the radius of the virtual arc VA is R
  • the length of the virtual arc VA is 2 ⁇ R / ⁇ 360 ⁇ (N / 720) ⁇ , which is equal to the line length LXW.
  • the line length LXW cannot be longer than the diameter of the virtual arc VA. From the above, the inequality (1) can be derived.
  • the polygon mirror 70 according to the present embodiment is required to have seven or more reflecting surfaces (N is an integer).
  • the number N of reflecting surfaces is preferably an even number. If the number is even, the light reflecting portion 66 (more specifically, the primary reflecting portion 71 and the secondary reflecting portion 72 in this embodiment) can be easily arranged with the vertical axis of FIG. 4 as the axis of symmetry. . Further, when the number N of reflection surfaces is increased, the rotation angle of the polygon mirror 70 corresponding to one scanning line and the virtual arc VA are reduced, and it is difficult to increase the line length LXW. Therefore, it is preferable that the polygon mirror 70 has eight reflecting surfaces. FIG.
  • the number of reflecting surfaces of the polygon mirror 70 is 8, and the deflection range for passing one reflecting surface is 90 degrees.
  • the number of reflection surfaces of the polygon mirror 70 does not necessarily need to be 7 or more.
  • the number of reflection surfaces of the polygon mirror 70 is appropriately 6 or less. It is also possible.
  • a specific methodology for rearranging the virtual arc VA so as to coincide with the scanning line 52 will be described.
  • a plurality of virtual divided arcs DVA1, DVA2,... are obtained by dividing the virtual arc VA at equal intervals.
  • a plurality of virtual strings VC1, VC2,... Corresponding to the plurality of virtual divided arcs DVA1, DVA2,.
  • the virtual strings VC1, VC2,... are rearranged so that the virtual strings VC1, VC2,.
  • the scanning line 52 is formed by the plurality of virtual strings VC1 ′, VC2 ′,.
  • the two ends of the virtual divided arcs DVA1, DVA2,... are rearranged on the scanning line 52, and the virtual divided arcs DVA1, DVA2,. ) Is rearranged downstream of the scanning line 52 in the optical axis direction.
  • the focal point tends to move along the virtual divided arcs DVA1 ′, DVA2 ′,.
  • the virtual divided arcs DVA1 ′, DVA2 ′,... After the rearrangement are successively continued in the scanning direction X in the same manner as the virtual strings VC1 ′, VC2 ′,.
  • the optical path length from the deflection center C of the polygon mirror 70 to an arbitrary irradiated point on the scanning line 52 is substantially constant over all focal points. If the laser beam 50 is angularly moved at a constant speed, the focal point tends to move at a constant speed along the virtual divided arcs DVA1 ′, DVA2 ′,. Since the virtual divided arcs DVA1 ′, DVA2 ′,... Are well approximated to the corresponding virtual strings VC1 ′, VC2 ′,. Approximate.
  • the light reflection unit 66 reflects the primary reflection unit 71 that reflects the laser beam from the light projecting unit 65 and the secondary reflection unit that further reflects the laser beam 50 from the primary reflection unit 71. 72, the laser beam 50 from the light projecting unit 65 is reflected at least twice, and the focal point of the laser beam 50 emitted from the light projecting unit 65 is deflected when it is not assumed that the light reflecting unit 66 does not exist.
  • the light reflecting section 66 reflects the laser beam 50 (at least) twice to divide the virtual arc VA, thereby obtaining a plurality of virtual divided arcs DVA1, DVA2, and so on.
  • the laser beam 50 can be moved in the scanning direction X at the constant speed as much as possible while simplifying the operation of the polygon mirror 70 and continuing to focus the laser beam 50 on the work 5 as much as possible. For this reason, it is possible to simultaneously improve the operation reliability of the beam scanning unit 32, improve the processing efficiency, and suppress the processing unevenness. Further, it is not necessary to use special means for changing the focal length of the laser beam 50 in accordance with the rotation angle of the polygon mirror 70.
  • the number of divisions can be determined as appropriate according to the error allowed for the beam scanning unit 32 and the laser processing apparatus. For example, as shown in FIG. 4, when the number of reflecting surfaces N of the polygon mirror 70 is 8, and the number of divisions is 8 (the center angle of the virtual divided arc is 11.25 degrees), the virtual divided arc and the virtual chord Error (length base) is 1.98%.
  • the error is 0.63%, and the division number is 36 (virtual division). If the arc has a central angle of 2.5 degrees), the error is 0.10%.
  • the sector formed by the virtual divided arcs DVA1, DVA2, ... corresponding to the virtual strings VC1, VC2,.
  • two folds are formed in a fan shape.
  • the first (first) fold corresponds to one of the plurality of reflecting surfaces 77 constituting the primary reflecting portion 71
  • the second (second) fold constitutes the secondary reflecting portion 72. This corresponds to one of the plurality of reflecting surfaces 78.
  • a plurality of virtual strings VC1, VC2,... Cannot be rearranged along a straight line unless the sector is bent twice or more.
  • the light reflecting portion 66 has a plurality of reflecting portions (in this embodiment, two types of reflecting portions, a primary reflecting portion 71 and a secondary reflecting portion 72).
  • the reflecting surface 77 of the primary reflecting portion 71 corresponding to a certain virtual divided arc DVA1, DVA2,... Overlaps with the reflecting surface 77 of the primary reflecting portion 71 corresponding to the virtual divided arc DVA1, DVA2,. It is preferable not to be.
  • the second fold line that is, the reflecting surface 78 constituting the secondary reflecting portion 72
  • the second fold line is arranged in a direction perpendicular to the scanning lines 52 and the virtual strings VC1 ′, VC2 ′,. Can be arranged.
  • the laser beam 50 reflected by the secondary reflecting portion 72 can be incident on the workpiece 5 substantially vertically. For this reason, processing efficiency improves and processing nonuniformity can be suppressed.
  • the ends of the first fan-shaped folds adjacent to each other that is, the ends of two adjacent reflecting surfaces among the plurality of reflecting surfaces 77 constituting the primary reflecting portion 71) are continuous. preferable. Then, the whole primary reflection part 71 can be formed as small as possible.
  • the second fold is not continuous with the adjacent fold. That is, two adjacent reflecting surfaces among the plurality of reflecting surfaces 78 constituting the secondary reflecting portion 72 are not continuous. However, as the number of divisions of the virtual divided arcs DVA1, DVA2,... Increases, the end of the second fold approaches the end of the adjacent fold.
  • the virtual strings VC1, VC2,..., which are straight lines, are rearranged along a straight line extending in the scanning direction X, so that both the two folds can be straight lines. That is, the reflecting surface 77 of the primary reflecting portion 71 corresponding to a certain virtual string and the reflecting surface 78 constituting the secondary reflecting portion 72 are both flat. In particular, in the secondary reflection unit 72, the reflection surface 78 corresponding to a certain virtual string is arranged away from the reflection surface 78 corresponding to the adjacent virtual string.
  • the secondary mirror 74 may have any structure as long as the reflection surface 78 of the secondary reflection portion 72 can be disposed as described above.
  • the light reflecting portion 66 includes a plurality of secondary mirrors 74A arranged apart from each other, and a plurality of reflecting surfaces obtained by fan-shaped bending on the mirror body 76A of each secondary mirror 74A. 78 are provided individually.
  • a single mirror main body 76B may be provided with a plurality of reflecting surfaces 78 at necessary positions and integrated.
  • each reflection part 71 and 72 is comprised from the some reflective surface 78 arranged in a row, the light reflection part 66 is contrasted with the case where a light reflection part is implement
  • the light reflecting portion 66 can be more easily manufactured. However, not all of the reflecting surfaces need to be flat.
  • FIG. 6 is a partial cross-sectional view of the polygon mirror 70.
  • the laser beam 50 is folded back and forth multiple times within the housing 69, but each element 64, 70, 73, 74 is required to be arranged so as not to interfere with the optical path. Therefore, as shown in FIG. 6, a 45-degree prism 81 is provided on the side of the polygon mirror 70.
  • the 45 degree prism 81 emits the incident laser beam 50 in a direction parallel to the incident direction, and the outgoing optical path is separated from the incident optical path in the axial direction of the rotation shaft 82 of the polygon mirror 70 (in FIG. 3, the direction orthogonal to the plane of the drawing). Can do.
  • the laser beam 50 emitted from the polygon mirror 70 can be guided to the primary reflecting portion 71 without interfering with the second folding mirror 64. Moreover, it is not necessary to arrange the optical path on a plane inclined with respect to the paper surface of FIG. 3, and the installation work of the optical element is simplified. This 45 degree prism may be applied to the primary reflection part 71 and the secondary reflection part 72.
  • the beam scanning unit 32 includes the cylindrical lens 67 as described above.
  • the cylindrical lens 67 flattens the laser beam 50 reflected by the secondary reflection unit 72.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating the formation of a processing line using a flattened pulse laser.
  • the laser oscillator 31 according to the present embodiment generates a pulse laser.
  • the pulse laser has a small-diameter circular shape, and the pulse laser 51 that has passed through the cylindrical lens 67 is elongated in the scanning direction, shortened in the direction perpendicular to the scanning direction, and flattened in an elliptical shape.
  • the irradiation region of each flat pulse laser 51 partially overlaps the irradiation region of the pulse laser 51 oscillated one pulse width before.
  • the beam scanning unit 32 can make the scanning speed VX of the laser beam 50 substantially constant, it is possible to suppress variation in the size of the covering margin 59.
  • the scanning speed can be increased accordingly, which is beneficial.
  • the pulse laser 51 is considered in consideration of the longitudinal dimension of the flat pulse laser 51 and the feed speed VY of the workpiece 5. Irradiation may be performed with a step that slightly protrudes in the feed direction Y from the front end side.
  • the beam scanning unit according to the embodiment of the present invention has been described so far, but the above configuration can be changed as appropriate.
  • the light projecting unit is not limited to a polygon mirror, and other deflectors such as a galvano mirror may be applied.
  • the light reflecting part may have three or more reflecting parts.
  • FIG. 8 is a side view schematically showing the processing portion 33 shown in FIG.
  • FIG. 9 is a partial side view schematically showing the processing portion 33 shown in FIG. 8 in an enlarged manner.
  • FIG. 10 is a partial side view schematically showing the action of laser beam irradiation in the processing section 33 shown in FIG.
  • the workpiece position holding mechanism 20 includes a workpiece support mechanism 21 that is disposed below the workpiece 5 together with the beam scanning unit 32, and a workpiece pressing mechanism 22 that is disposed above the workpiece 5.
  • the beam scanning unit 32 and the workpiece support mechanism 21 are provided at the lower portion of the processing portion 33, and the workpiece pressing mechanism 22 is provided at the upper portion of the processing portion 33.
  • the work support mechanism 21 for example, a roller, a free bearing, a non-contact air adsorption unit (such as an attracting mechanism that attracts the work 5 from below) by air or the like is used.
  • the non-contact air adsorption unit 23 is applied to the work support mechanism 21, and the work 5 is in a state where a gap is formed between the work 5 and the non-contact air adsorption unit 23 as shown in FIG. Then, it is adsorbed downward by the non-contact air adsorbing unit 23. Thereby, it can suppress that the vertical position (level) of the workpiece
  • the workpiece 5 is sent in such a posture that the surface of the thin film layer 6 is a surface (that is, an upper surface) opposite to the beam irradiation port 34 with respect to the workpiece 5. For this reason, the laser beam 50 from the beam irradiation port 34 passes through the substrate 7 upward and is irradiated so as to be focused on the thin film layer 6.
  • the laser beam 50 is focused on the thin film layer 6 so that the thin film layer 6 can be removed and the processing line 52 can be formed. Since the laser beam 50 irradiates the workpiece 5 from the side opposite to the thin film layer 6, the peeled thin film 10 (see also FIG. 10), the vaporized material 11 (see also FIG. 10), the optical system (the beam scanning unit 32, etc.) A substrate 7 exists between the two. Therefore, the optical system can be protected from the thin film 10 and the transpiration material 11 peeled off by the substrate 7.
  • an air blower 24 that presses the work 5 in a non-contact manner from above or a pressing roller is used.
  • an air blower 24 is applied to the workpiece pressing mechanism 22.
  • the processing section 33 is provided with a suction duct 25 for sucking the peeled thin film 10 and the transpiration material 11.
  • the suction duct 25 is provided on the opposite side of the beam scanning unit 32 with respect to the workpiece 5, that is, above the workpiece 5 and above the processing portion 33.
  • the suction duct 25 is provided integrally with the air blower 24 applied to the workpiece pressing mechanism 22. Thereby, the air from the air blower 24 is easily sucked by the suction duct 25. Therefore, after the peeled thin film 10 is blown off by the air blower 24, the thin film 10 can be more reliably sucked by the suction duct 25. At this time, the transpiration material 11 can also be sucked more reliably. Thereby, it can suppress that the thin film 10 and the transpiration
  • the workpiece 5 is a film-forming glass in which a thin film layer 6 is formed on a substrate 7, and a laser beam 50 is irradiated from the anti-thin film layer side to the workpiece 5 to be sent with the thin film layer 6 on the upper surface.
  • a micro explosion effect is produced between the substrate 7 and the thin film layer 6.
  • the processing line 52 is formed in the thin film layer 6 at a low output, and the processing efficiency is increased. That is, a portion to be vaporized and peeled off is generated between the thin film layer 6 and the substrate 7 by the laser beam 50, and as shown in FIG. 10, a micro-explosion effect is generated in the vaporized portion to form the thin film layer 6 By peeling off, the thin film layer 6 can be efficiently patterned at a high speed with low output.
  • the processing can be continuously performed at high speed.
  • High-speed continuous processing is possible not only for processing the workpiece 5 for each substrate but also for continuous workpieces produced by the roll-to-roll manufacturing method for flexible solar cells.
  • FIGS. 11A to 11G are side sectional views showing a procedure for manufacturing a solar cell by the laser processing apparatus shown in FIG. A typical manufacturing procedure of the thin-film solar cell 40 by the laser processing apparatus 1 having the above configuration will be described.
  • the transparent electrode layer 6A is formed on the substrate 7 shown in FIG. 11A as shown in FIG. 11B.
  • a processing line 52A for the transparent electrode layer 6A is formed.
  • the processing line 52A is formed by scanning the laser beam 50 at a constant speed in the scanning direction X while feeding the workpiece 5 at a constant speed in the feed direction Y. As shown in FIG.
  • the photoelectric conversion layer 6B is formed on the workpiece 5 in which the formation of the processing line 52A is completed on the transparent electrode layer 6A in this way.
  • a processing line 52B is formed in the photoelectric conversion layer 6B, similarly to the processing of the processing line 52 by the laser processing apparatus 1. Since this processing line 52B has a focal length by the laser processing apparatus 1 that matches the photoelectric conversion layer 6B, the photoelectric conversion layer 6B is peeled off so that a predetermined processing line 52B is formed in the photoelectric conversion layer 6B. It is.
  • the back surface electrode layer 6C is formed into a film.
  • the processing line 52C is formed by the laser processing apparatus 1 for the back electrode layer by the same processing method as the formation of the processing lines 52A and 52B. In this way, a modularized solar cell 40 is produced.
  • the work 5 is fed in the transport direction (Y direction) and intersects the transport direction. Since the processing lines 52, 53, and 54 can be formed at high speed in the X direction, the processing lines 52, 53, and 54 can be continuously patterned without stopping the conveyance of the workpiece 5.
  • the tact time for forming the processing lines 52A to 52C on the workpiece 5 can be greatly shortened, and the productivity of solar cells and the like can be greatly improved.
  • the cost reduction of the solar cell 40 can be achieved, and the utilization of the solar cell can be promoted.
  • the solar cell 40 capable of obtaining high power generation efficiency by improving the power generation area is provided. It becomes possible to produce it stably.
  • a plurality of beams due to spectroscopy, distribution, and mounting of a plurality of oscillators are not used, it is possible to reduce the cost of the laser processing apparatus 1 that can manufacture the solar cell 40 with stable processing quality.
  • the workpiece 5 is continuously fed in the feed direction Y at a constant speed.
  • the workpiece 5 may be fed intermittently at regular intervals according to processing conditions and the like.
  • the above-described embodiment shows an example, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention, and the present invention is not limited to the above-described embodiment.
  • the present invention makes it possible to maintain the in-focus state while keeping the deflection operation at a constant speed and to scan the laser at a constant speed, and to easily manufacture and increase the size of an optical scanning device that scans light such as a laser beam.
  • the present invention can be applied to various types of optical scanning, and is particularly useful when used for manufacturing thin film solar cells such as thin film solar cells and flexible solar cells.

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Abstract

　光走査装置（３２）が、光を等速で角移動させながら放射する投光手段（６５）と、投光手段（６５）から放射された光を反射して所定の走査線（５２）上の任意の被照射点に導くための光反射手段（６６）と、を備える。光反射手段（６６）は、複数の反射部（７１，７２）を有して投光手段（５６）から放射された光を２度以上反射して任意の被照射点に導く。各反射部（７１，７２）が複数の反射面（７７，７８）から構成される。投光手段（６５）から被照射点までの光路長が、走査線（５２）上の全ての被照射点にわたって略一定であり、且つ、投光手段（６５）から放射された光の走査線（５２）の走査速度が略一定である。

Description

光走査装置及びレーザ加工装置
　本発明は、レーザビーム等の光を走査線に沿って走査する光走査装置、及びこのような光走査装置を備えたレーザ加工装置に関する。
　レーザビームを直線状の走査線に沿って走査する技術が、レーザプリンタやファクシミリやレーザ加工装置等に、広く利用されている。例えば、太陽光発電のための太陽電池として薄膜系の太陽電池やフレキシブル太陽電池等（以降、便宜上「薄膜系太陽電池」と総称する）が知られているところ、薄膜系太陽電池は、その製造工程において、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、レーザビームでパターニング加工を行うレーザ加工装置が用いられている。ワークの基板には、所定長を有した長方形状のガラス基板や、ロール・ツー・ロール製法で用いられるフレキシブル基板等が含まれる。レーザ加工装置を用いたパターニング加工では、ワークに設定される走査線に沿ってレーザビームを走査し、走査線に沿って薄膜層を部分的に剥がし、それにより加工ラインを形成する。パターニング加工後に残された薄膜層により薄膜系太陽電池が構成される。なお、一般に、パターニング用レーザ加工装置では、微細加工の容易性や熱的影響の抑制効果等に照らし、レーザビームにパルスレーザが適用される。レーザビーム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の照射領域を１パルス幅だけ前に発振されたレーザ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してパルスレーザが走査され、それにより加工ラインの連続性を担保する。なお、隣接する２パルスのレーザビームの照射領域同士がオーバーラップする領域は、「被り代」とも称される。
　このようにレーザ加工装置やレーザプリンタ等には、レーザビームを走査する光走査装置が適用される。光走査装置は、基本的には、レーザ発振器等の光源から出射されたレーザ光を、ポリゴンミラーやガルバノミラー等の偏向器で角移動させ、角移動するレーザビームを被照射面に照射する。これによりレーザビームが被照射面上で直線状に走査される。偏向器は、動作信頼性を高めるため、一般に等速で駆動され、それによりレーザ光も等速で角移動する。しかし、直線状の走査線に沿って走査する場合、そのままでは、走査線の端点付近と中間部分とでレーザビームの走査速度に差が生じる。レーザ加工装置においては、この走査速度の差が被り代の大きさの変化となって現れ、それにより加工ムラを生じてしまう。この差を解消する光学素子としてｆθレンズが良く知られているが、ｆθレンズの設計には高度なノウハウを必要とするし、製造設備又は製造用具のサイズの制約から大型化が困難である。そこで従来、ｆθレンズの替わりに偏向器の等速動作及びレーザ光の等速走査を同時実現するための光学素子が、種々開発されている。
　例えば、特許文献１は、レーザプリンタ又はファクシミリ用の光走査装置にｆθレンズの替わりに設けられる光学素子として、１枚の球面ミラーを開示している。偏向器からのレーザビームは、当該球面ミラーで反射して感光体面上に集光する。この球面ミラーを適用することで、レーザビームの走査速度を走査線の延在方向に均等に補正したり、集光面において広画角にわたって良好な歪曲特性及び良好な像面平坦性を得たりすることが図られている。
　一方、レーザ加工装置においては、レーザビームが走査線上のどの位置でも合焦可能であることや、レーザビームがワークに極力垂直に入射することが、加工ムラの抑制に有効である。また、前述のとおり、ｆθレンズをレーザ加工装置に適用することは現実的に困難である。そこで特許文献２は、レーザ加工装置用の光走査装置にｆθレンズの替わりに設けられる光学素子として、略放物面を成すようにして並べられた複数のミラーを開示している。偏向器からのレーザビームは、ミラーで反射されてワークに落射する。このように配置されたミラーを適用することで、偏向器の回転角に関わらず、レーザビームがワークに極力垂直に入射する。また、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極力一定とすることができ、走査中にレーザビームをワーク上で合焦させ続けることができる。
特開平１－２００２２０号公報 特開２０１１－０００６２５号公報
　しかし、特許文献１に開示された光走査装置においては、球面ミラーが連続面であるので、大型化が困難である。よって、レーザ加工装置のように、レーザビームの走査範囲が比較的大きい用途には適用することが困難である。
　一方、特許文献２に開示されたレーザ加工装置においては、複数のミラーが並べて配置されるので、特許文献１のようにサイズの制約を受けにくいが、偏向器の動作速度を等速にした場合のレーザビームの走査速度の差を解消することはできない。当該レーザ加工装置において走査速度の違いを抑えるには、偏向器を速度可変に駆動するより他なく、レーザ加工装置の動作信頼性を保証することが困難となる。
　そこで本発明は、偏向動作を等速としながら合焦状態を維持すると共にレーザを等速で走査させ、更にはこのようなレーザビーム等の光を走査する光走査装置の製造及び大型化を容易にすることを目的としている。
　本発明は上記目的を達成すべくなされたものである。本発明に係る光走査装置は、光を等速で角移動させながら放射する投光手段と、前記投光手段から放射された光を反射し、所定の走査線上の任意の被照射点に導くための光反射手段と、を備え、前記光反射手段は複数の反射部を有して前記投光手段から放射された光を２度以上反射して前記任意の被照射点に導き、前記反射部の各々が複数の反射面から構成され、前記投光手段から前記被照射点までの光路長が前記走査線上の全ての被照射点にわたって略一定であり、且つ、前記投光手段から放射された光の前記走査線上での走査速度が略一定である。
　前記構成によれば、投光手段が光を等速で角移動させながら放射するので、光の偏向動作を単純化することができる。また、投光手段から被照射点までの光路長が走査線上の全ての被照射点にわたって略一定であり且つ投光手段からの放射された光の走査線の走査速度が略一定である。したがって、光の偏向角に関わらず合焦状態を維持しながら、レーザビームを等速で移動させることができる。光反射手段が複数の反射部を有して投光手段から放射された光を２度以上反射して任意の被照射点に導き、各反射部が複数の反射面から構成されるので、光反射手段の製造及び大型化を容易にしながら、上記の作用効果を実現することができる。
　前記反射面の少なくとも一つが平面であってもよい。前記構成によれば、光反射手段を一層容易に製造することができる。
　前記投光手段が等速で回転する回転多面鏡を有していてもよい。前記構成によれば、光を等速で角移動させながら放射することを実現することができる。
　前記回転多面鏡が７以上の反射面を有していてもよい。前記構成によれば、光を等速で角移動させながら放射し、且つ、前述の作用を実現することができる。
　前記走査線が直線であってもよい。前記投光手段がパルスレーザを放射してもよい。パルスレーザを扁平にするシリンドリカルレンズを更に備えていてもよい。
　また、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、ワークに形成された薄膜層にレーザビームで加工ラインを形成する。
　前記構成によれば、偏向動作を単純化しながら、合焦状態を維持すると共にワークを極力等速で移動させることができる。
　前記ワークを一定の送り速度で一方向に送る送り装置と、前記レーザビームでワークに加工ラインを形成する加工部で該ワークを正確な位置に支持するワーク位置保持機構と、前記光走査装置及び前記送り装置を制御する制御装置と、を備え、前記光走査装置が、前記送り装置で送るワークに対して送り方向と交差する方向にレーザビームを照射し、前記制御装置が、前記送り装置でワークを前記送り速度で送りながら、又はワークの送り速度を検出して送りながら、前記光走査装置からワークの送り方向と交差する方向に１本のレーザビームを走査し、この１本のレーザビームの加工ラインが、所定の送り速度で送るワークの送り方向に対して直角となるようにワークの送り速度とレーザビームの走査速度とを相対的に制御してもよい。
　前記構成によれば、ワークを正確な位置で支持して送りながら光走査装置から１本のレーザビームを走査して、ワークの送り方向に対して直角となる加工ラインを薄膜層に形成することができる。このため、ワークの薄膜層に加工ラインを高速で１回の通過によってパターニング加工でき、加工を効率良く行うことができる。また、ワークの速度を検出してフィードバック制御し、レーザビームの走査タイミングを調整する方式を用いることで、ロール・ツー・ロール製法等、連続的に流れるワークに対応することも可能である。したがって、太陽電池の生産工程における更なるタクトの短縮化を図って生産効率の向上を図ることができる。
　前記定速送り装置は、一方向に送るワークとレーザビームとの平面方向相対角度を調整する捻り補正機能を具備していてもよい。
　前記構成によれば、ワークの捻りを抑制するようにワークとレーザビームとの平面方向相対角度を調整しながら加工をすることができる。
　前記レーザビームは、走査方向に長い扁平ビームであってもよい。
　前記構成によれば、１本の扁平ビームを高速で走査させることで加工ラインを高速で加工することができ、更なるタクトの短縮化による生産効率の向上を図ることができる。
　前記ワークは、ガラス基板に薄膜を成膜したものであり、前記レーザビームは透過レーザビームであり、前記透過レーザビームをガラス基板の反薄膜層方向から照射して薄膜層に加工ラインを形成するように構成してもよい。
　前記構成によれば、光走査装置の反照射側で薄膜層にマイクロエクスプロージョン効果を生じさせ、低出力で加工効率を上げた加工ラインの形成ができる。
　前記ワーク位置保持機構は、前記薄膜層を上面にして送るワークの下方に設けたワーク支持機構と、ワークの上方に設けた非接触のワーク押付機構とを有していてもよい。
　前記構成によれば、ワークの送り時に薄膜層に接触する構造をなくして、ワークの薄膜層が傷つくのを防ぐことができる。
　前記ワークの薄膜層の方向に除去膜吸引手段を設けてもよい。
　前記構成によれば、レーザビームで剥がされた膜を吸引手段で吸い取ることにより、レーザビームで除去した膜が薄膜層に再付着するのを防止することができる。
　以上の説明から明らかなように、本発明によれば、偏向動作を等速としながら、合焦状態を維持すると共にレーザを等速で走査させることができる。また、更にはレーザビーム等の光を走査する光走査装置の製造及び大型化を容易にすることができる。
本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置を模式的に示す斜視図である。 図１に示すレーザ加工装置におけるレーザビームの走査方向を示す概念図である。 図１に示すビーム走査ユニットの概要構成を示す概念図である。 図３に示す偏向中心、一次反射面、二次反射面及び走査線の位置関係を示す概念図である。 図３に示す二次ミラーの構造の一例を示す部分側面図である。 図３に示す二次ミラーの構造の一例を示す部分側面図である。 図３に示すポリゴンミラーの部分断面図である。 図３に示すビーム走査ユニットから照射されるパルスレーザの被り代を示す概念図である。 図１に示すレーザ加工装置の加工部を模式的に示す側面図である。 図８に示す加工部を拡大して模式的に示す部分側面図である。 図８に示す加工部におけるレーザビームの照射の作用を示す部分側面図である。 図１に示すレーザ加工装置による太陽電池の製造手順を示す側断面図であって、薄膜層を成膜する前のガラス基板の側断面図である。 図１に示すレーザ加工装置による太陽電池の製造手順を示す側断面図であって、図１１Ａに示すガラス基板に透明電極層を成膜する工程を示すワークの側断面図である。 図１に示すレーザ加工装置による太陽電池の製造手順を示す側断面図であって、図１１Ｂに示すワークに加工ラインを形成する工程を示すワークの側断面図である。 図１に示すレーザ加工装置による太陽電池の製造手順を示す側断面図であって、図１１Ｃで示す加工ライン形成後に光電変換層を成膜する工程を示すワークの側断面図である。 図１に示すレーザ加工装置による太陽電池の製造手順を示す側断面図であって、図１１Ｄに示すワークに加工ラインを形成する工程を示すワークの側断面図である。 図１に示すレーザ加工装置による太陽電池の製造手順を示す側断面図であって、図１１Ｅに示す加工ライン形成後に裏面電極層を成膜する工程を示すワークの側断面図である。 図１に示すレーザ加工装置による太陽電池の製造手順を示す側断面図であって、図１１Ｆに示すワークに加工ラインを形成する工程を示すワークの側断面図である。
　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。また、以降の説明では、レーザ加工装置１が、薄膜系太陽電池を製造する際のパターニング加工に用いられ、ワーク５が、基板７に薄膜層６を形成してなる薄膜系太陽電池の中間製品である場合を例示する。
　［レーザ加工装置の全体構成］
　図１は、本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置１を模式的に示す斜視図である。図１に示すように、レーザ加工装置１は、送り装置３、レーザビームユニット３０及び制御装置６０を備えている。
　送り装置３は、薄膜層６を上に向けた水平姿勢でワーク５を支持し且つワーク５を水平な一方向である送り方向Ｙに定速で送る。なお、ワーク５の縦方向は送り方向Ｙに平行に向けられ、ワーク５の幅方向は送り方向Ｙに直交する水平な方向に向けられる。送り装置３は、鉛直方向のＺ軸回りにワーク５の姿勢を正すワーク把持部１２を備えている。このワーク把持部１２の動作によってワーク５の幅方向とレーザビーム５０の走査線との平面方向相対角度を調整し、ワーク５の縦方向と送り方向Ｙとの整合性を担保することができる。
　レーザビームユニット３０は、レーザ発振器３１及びビーム走査ユニット３２を有している。レーザ発振器３１は、キロヘルツ～メガヘルツオーダーの一定周波数でパルスレーザを逐次発振し、生成されたパルスレーザをビーム走査ユニット３２に逐次出射する。ビーム走査ユニット３２は、レーザ発振器３１からのレーザビーム５０を偏向しながらワーク５に照射する。これにより、レーザビーム５０が、ワーク５上で送り方向Ｙと交差する方向に走査される。
　ワーク５に入射したレーザビーム５０は、基板７を透過して薄膜層６で合焦する。本実施形態では、薄膜層６を上に向けているので、ビーム走査ユニット３２が、送り装置３の下方に配置され、レーザビーム５０は、ビーム走査ユニット３２のビーム照射口３４を上向きに通過し、ワーク５に下から入射する。レーザビーム５０が走査されると、薄膜層６がレーザビーム５０の走査線に沿って剥がされ、線状の溝（以降、「加工ライン５２」と称す）が薄膜層６に形成される。レーザビーム５０の走査線は、ワーク５の幅方向に直線的に延び、加工ライン５２もワーク５の幅方向に延びるように形成される。１つのワーク５には、ワーク５の縦方向に間隔をおいて並べられた複数本の加工ラインが形成される。
　レーザ加工装置１には、送り方向Ｙに関してビーム走査ユニット３２が設置されている箇所近傍で加工部３３が設けられ、この加工部３３に、ワーク位置保持機構２０が設けられている。ワーク位置保持機構２０は、ワーク５を正確な位置に支持する。より具体的には、ワーク位置保持機構２０は、送り方向Ｙに関して少なくともビーム走査ユニット３２が設置されている箇所近傍で、ワーク５の送り方向Ｙの移動を許容しつつワーク５の位置を上下方向に拘束する。これにより、レーザビーム５０の焦点が、所望位置から上下方向（概ねレーザビーム５０の光路方向に一致）にズレるのを抑えることができる。
　制御装置６０は、送り装置３、レーザビームユニット３０、ワーク把持部１２及びワーク位置保持機構２０を制御する。制御装置６０は、１本の加工ラインを形成する間にパルスレーザが一定の周波数で発振されるように、レーザ発振器３１を制御する。制御装置６０は、１本の加工ラインを形成する間にレーザビーム５０が定速で走査されるように、ビーム走査ユニット３２を制御する。
　レーザ加工装置１は、ワーク５を送りながら加工ライン５２を形成してもよいし、加工ライン５２を形成する間にワーク５の送りを停めてもよい。ワーク５を送りながら加工ライン５２を形成する場合、制御装置６０は、必要な数の加工ライン５２を形成する間にワーク５が送り方向Ｙに定速で又は不等速で連続的に送られ続けるように、送り装置３を制御する。
　図２を参照して、ワーク５を定速で送りながら加工ライン５２を形成する場合におけるレーザビーム５０の走査方向について簡単に注釈する。この場合、レーザビーム５０の走査線は、送り方向Ｙに送られているワーク５から見たときに、ワーク５の幅方向に平行に直線的に延びることが求められる。一方で、ビーム走査ユニット３２は送り方向Ｙに移動せず、ワーク５は送り方向Ｙに定速で並進し、レーザビーム５０は後述のとおり定速で走査されようと試みられる。したがって、レーザビーム５０の走査線は、ビーム走査ユニット３２を設置した地面から見たときに、ワーク５の縦方向にもワーク５の幅方向にも傾斜した水平な方向に直線的に延びていることが求められる。
　以降の説明では、レーザビーム５０の走査方向を、地面から見たものであると明確にする場合に「対地走査方向ＸＧ」と称し、送り方向Ｙに送られているワーク５から見たものであると明確にする場合に「相対走査方向ＸＷ」と称す。レーザビーム５０の走査速度についても、地面から見たものであると明確にする場合に「対地走査速度ＶＸＧ」、送り方向Ｙに送られているワーク５から見たものであると明確にする場合に「相対走査速度ＶＸＷ」と称す。なお、相対走査方向ＸＷはワーク５の幅方向に相当する。
　相対走査速度ＶＸＷは、水平面内での対地走査速度ＶＸＧとワーク５の送り速度ＶＹとの合成速度に相当する。相対走査方向ＸＷは、送り方向Ｙに対して直交する。ここで、水平面内での相対走査方向ＸＷと対地走査方向ＸＧとが成す角を傾斜角φとする。送り速度ＶＹを対地走査速度ＶＸＧで除算すれば、傾斜角φの正弦を得ることができる（sinφ＝ＶＹ／ＶＸＧ）。また、対地走査速度ＶＸＧに傾斜角φの余弦を乗算すれば、相対走査速度ＶＸＷを得ることができる（ＶＸＷ＝ＶＸＧ×cosφ）。
　なお、後述のとおり、本実施形態では、ポリゴンミラーが一方向に連続回転し、それによりレーザビーム５０を走査する。ここで、レーザビーム５０がポリゴンミラーの或る稜部に入射してから次の稜部に入射するまでポリゴンミラーが回転すると１本の加工ライン５２が形成され、当該或る稜部から放射されたレーザビーム５０が当該１本の加工ライン５２の始点を形成し、当該次の稜部から放射されたレーザビーム５０が当該１本の加工ライン５２の終点を形成すると仮定する。この場合、ワーク５の縦方向における加工ライン５２同士の間隔ＬＹを、ワーク５の幅方向における加工ライン５２の長さＬＸＷで除算すれば、傾斜角φの正接を得ることができる（tanφ＝ＬＹ／ＬＸＷ）。
　［ビーム走査ユニット］
　次に、上記レーザ加工装置１に適用されたビーム走査ユニット３２の構成及び作用について説明する。なお、以降の説明では、レーザビーム５０の走査方向をワーク５の送り方と関係なく一般化する目的で、視点をワーク５におくこととする。すなわち、以降の説明では、「走査方向Ｘ」は、特段断らない限り相対走査方向ＸＷであり、「走査線」は、特段断らない限り相対走査方向ＸＷにおける走査線であり、「走査速度ＶＸ」は、特段断らない限り相対走査速度ＶＸＷである。上記式（sinφ＝ＶＹ／ＶＸＧ、ＶＸＷ＝ＶＸＧ×cosφ、tanφ＝ＬＹ／ＬＸＷ）を用いれば、以降のワーク基準での説明を、ワーク５を一定の送り速度ＶＹで連続的に送りながら加工ライン５２を形成する場合における地面基準での説明に換えることができる。
　なお、ワーク５の送り速度が一定でない場合においては、上記式をそのまま用いることはできないが、送り速度と共に経時変化する傾斜角及び対地走査速度を時間に応じて導出することは可能である。よって、時間に応じて導出された傾斜角及び対地走査速度を用いれば、以降のワーク基準での説明を地面基準での説明に換えることができる。ワーク５の送りを止めて加工ラインを形成する場合においては、相対走査方向が対地走査方向と一致し、相対走査速度が対地走査速度と一致する。
　このように、以降に説明するビーム走査ユニット３２は、ワーク５の送り方に関係なく、薄膜系太陽電池のパターニング加工を行うレーザ加工装置１に好適に適用可能である。なお、以降に説明するビーム走査ユニット３２は、薄膜系太陽電池以外のパターニング加工に用いることもでき、パターニング加工以外のレーザ走査に用いることもできる。
　図３は、ビーム走査ユニット３２の構成を示す概念図である。図３に示すように、ビーム走査ユニット３２は、レーザビーム５０を走査する光学系を構成する光学素子又は光学ユニットとして、レーザビーム５０の光路に沿ってビーム発振器３１から順に、レンズ６１、プリズム６２、第１折返しミラー６３、第２折返しミラー６４、投光部６５、光反射部６６及びシリンドリカルレンズ６７を備えている。ビーム走査ユニット３２は、上記光学素子及び光学ユニットの一部を内蔵する筐体６９を備えている。
　図３は、筐体６９が第２折返しミラー６４、投光部６５、光反射部６６及びシリンドリカルレンズ６７を収容する場合を例示しているが、これは一例に過ぎず、レンズ６１、プリズム６２及び第１折返しミラー６３が筐体６９に収容されていてもよいし、シリンドリカルレンズ６８が筐体７０外に配置されていてもよい。なお、前述したビーム照射口３４は、筐体６９の上面に設けられている。レーザビーム５０は、ビーム照射口３４を介して筐体６９の内部から外部へと上向きに出射する。
　レンズ６１は、レーザ発振器３１で生成されたレーザビーム５０が焦点を結ぶことを可能にするための光学素子である。プリズム６２、第１折返しミラー６２及び第２折返しミラー６３は、レンズ６１を通過したレーザビーム５０をポリゴンミラー６５に導く。また、これら素子６２～６４は、ポリゴンミラー６５よりも光路上流側で、レーザビーム５０をワーク５で合焦させるために必要な光路長を確保すべく光路を折り曲げる光学ユニットを構成する。これら素子６２～６４は適宜省略可能であるし、他のプリズム又はミラーが、レンズ６１とポリゴンミラー６５との間に適宜追加されてもよい。
　投光部６５は、第２折返しミラー６４から入射したレーザビーム５０を等速で角移動させるようにして放射する。光反射部６６は、投光部６５から放射された光を反射し、走査線上の任意の被照射点に導く。投光部６５の動作により、被照射点がワーク５上の走査線に沿って走査方向Ｘに順次移動する。投光部６５から被照射点までの光路長は全ての被照射点にわたって略一定である。また、投光部６５から放射されたレーザビーム５０の走査線上での走査速度ＶＸは略一定となる。以下、これを実現するように構成された投光部６５及び光反射部６６について説明する。
　本実施形態に係る投光部６５は、ポリゴンミラー（回転多面鏡）７０及び偏向アクチュエータ７５を備えている。ポリゴンミラー７０は、筐体６９内に回転可能に設けられた偏向器であり、ポリゴンミラー７０の回転軸線は、走査方向Ｘと直交する水平な方向に向けられている。偏向アクチュエータ７５は、例えば電気モータであり、ポリゴンミラー７０を定速で一方向に回転駆動する。これにより、ポリゴンミラー７０からのレーザビーム５０が等速で角移動する。偏向アクチュエータ７５及びポリゴンミラー７０の当該動作及びそれにより生じるレーザビーム５０の当該偏向作用は、制御装置６０（図１参照）により制御される。
　ポリゴンミラー７０は、全体として正多角柱状に形成されており、その側面それぞれに設けられた複数の反射面を有している。レーザビーム５０は、回転しているポリゴンミラー７０の側部に入射し、そのときのポリゴンミラー７０の回転角度位置に応じた反射角で反射する。レーザビーム５０がポリゴンミラー７０の稜部で反射してから次の稜部で反射するまでの間、ポリゴンミラー７０は、３６０／Ｎ[deg]回転する（Ｎ：ポリゴンミラーの反射面数）。その間、ポリゴンミラー７０で反射したレーザビーム５０は、ポリゴンミラー７０の回転角の２倍（すなわち、７２０／Ｎ[deg]）だけポリゴンミラー７０上の反射点（すなわち、偏向中心）を中心に角移動する。なお、偏向中心の位置は、ポリゴンミラー７０の回転角によって僅かに移動するが、以降の説明では、ポリゴンミラー７０の回転角に応じた偏向中心の移動を無視する。逆に言えば、本書では、厳密な意味での偏向中心の移動範囲全体を指して「偏向中心」と称する。
　本実施形態では、レーザビーム５０がポリゴンミラー７０の或る稜部で反射してから次の稜部で反射するまでの間（すなわち、レーザビーム５０が当該２つの稜部の間に挟まれた反射面を通過する間）に、レーザビーム５０がワーク５上で１本の走査線に沿って走査される。当該或る稜部で反射したレーザビームの被照射点は、走査線の始点であり、当該次の稜部で反射したレーザビーム５０の被照射点は、走査線の終点である。
　本実施形態に係るビーム走査ユニット３２は、ポリゴンミラー７０の回転角に応じてレーザビーム５０の焦点距離を変える手段を備えていない（もっとも、本発明に係る光走査装置がかかる手段を備えることを妨げない）。仮に、光反射部６６が存在しなければ、レーザビーム５０の焦点は、円弧状の軌跡を描く。その軌跡の中心は偏向中心であり、その軌跡の半径は当該偏向中心から焦点までの光路長である。一方、走査線は、円弧状の軌跡と異なり、走査方向Ｘに直線的に延びる。すると、走査線上の任意の被照射点から焦点までの距離が、当該被照射点の位置（すなわち、レーザビーム５０の偏向角又はポリゴンミラー７０の回転角）に応じて変わってしまう。よって、ポリゴンミラー７０から走査線上の任意の被照射点までの光路長が、全被照射点にわたって一定とならず、当該被照射点の位置に応じて変わる。また、レーザビーム５０が等速で角移動していれば、レーザビーム５０の走査線上での走査速度も、一定とならない。
　光反射部６６は、この問題を解消すべく、投光部６５からのレーザビーム５０を少なくとも２度反射してからワーク５に導く。光反射部６６は、投光部６５からワーク５上の走査線上の任意の被照射点までの光路長が全被照射点にわたって略一定となるように、また、レーザビーム５０が等速で角移動していてもレーザビーム５０の走査速度が略一定となるように、複数の反射部を有している。
　本実施形態に係る光反射部６６は、投光部６５（ポリゴンミラー７０）からのレーザビーム５０を反射する一次反射部７１と、一次反射部７１からのレーザビーム５０を更に反射する二次反射部７２とを有し、投光部６５（ポリゴンミラー７０）からのレーザビーム５０を２度反射する。換言すれば、本実施形態に係るビーム走査ユニット３２は、レーザビーム５０を走査する光学系を構成する光学素子として、ポリゴンミラー７０とシリンドリカルレンズ６７との間に、前記一次反射部７１を構成する一次ミラー７３と、前記二次反射部７２を構成する二次ミラー７４とを備えている。光反射部６６は、これら一次ミラー７３及び二次ミラー７４により構成され、筐体６９内で固定されている。ただし、光反射部６６は、３以上の反射部を有していてもよい。
　本実施形態では、光反射部６６がレーザビームを２度反射すると共にレーザビーム５０がワーク５に下から入射する。よって、第２折返しミラー６３からのレーザビーム５０は、概ね下向きにポリゴンミラー７０に入射する。ポリゴンミラー７０は入射したレーザビーム５０を概ね上向きに反射する。一次ミラー７３は、ポリゴンミラー７０よりも上方に配置され、ポリゴンミラー７０からのレーザビーム５０を概ね下向きに反射する。二次ミラー７４は、一次ミラー７３よりも下方に配置され、一次ミラー７３からのレーザビーム５０を概ね上向きに反射する。
　図４は、偏向中心Ｃ、一次反射部７１、二次反射部７２及び走査線５２の位置関係を示す概念図である。図４に示すように、レーザビーム５０がポリゴンミラー７０の１枚の反射面を通過する間に、レーザビーム５０が１本の走査線５２に沿ってワーク５上で走査方向Ｘに移動する。仮に一次ミラー７３及び二次ミラー７４が存在しなければ、レーザビーム５０の焦点は、偏向中心Ｃを中心とした円弧ＶＡ（以降、「仮想円弧ＶＡ」と称す）を描くこととなる。仮想円弧ＶＡの半径Ｒは偏向中心Ｃから焦点までの光路長である。一次ミラー７３及び二次ミラー７４は、偏向中心Ｃから焦点までの光路を折り曲げ、それにより仮想円弧ＶＡをワーク５上で走査方向Ｘ（ワーク５の幅方向）に直線状に延びるように配置転換する。このように仮想円弧ＶＡを走査線５２に一致させるように配置転換するには、仮想円弧ＶＡの長さが走査線５２の長さと等しいことが求められる。走査線５２の長さは、前述したように、ワーク５の幅方向における加工ライン５２の長さＬＸＷに相当する。以降、これらを纏めてライン長ＬＸＷと称す。
　ポリゴンミラー７０の反射面数をＮとすると、仮想円弧ＶＡの中心角（すなわち、レーザビーム５０の角移動範囲）は、７２０／Ｎ[deg]である。円周率をπ、仮想円弧ＶＡの半径をＲとすると、仮想円弧ＶＡの長さは、２πＲ／｛３６０×（Ｎ／７２０）｝であり、これがライン長ＬＸＷと等しい。一方、幾何学的に、ライン長ＬＸＷは仮想円弧ＶＡの直径よりも長くなり得ない。以上より不等式（１）を導くことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　式（１）より、本実施形態に係るポリゴンミラー７０は、７以上の反射面を有していることが求められる（Ｎは整数）。ただし、反射面数Ｎは、偶数であることが好ましい。偶数であれば、図４の縦軸を対称軸として光反射部６６（本実施形態では、より具体的には一次反射部７１及び二次反射部７２）を容易に配置可能となるからである。また、反射面数Ｎが大きくなると、走査線１本分に対応したポリゴンミラー７０の回転角及び仮想円弧ＶＡが小さくなり、ライン長ＬＸＷを長くすることが難しくなる。よって、ポリゴンミラー７０は、８枚の反射面を有していることが好ましい。図４は、ポリゴンミラー７０の反射面数が８である場合を例示しており、反射面１枚通過分の偏向範囲が９０度になっている。ただし、ポリゴンミラー７０の反射面数は必ずしも７以上でなくてもよく、例えば反射面１面を全て用いてレーザビーム５０を偏向させない場合などには、適宜ポリゴンミラー７０の反射面数を６以下とすることも可能である。
　仮想円弧ＶＡを走査線５２に一致させるように配置転換するための具体的な方法論を説明すると、まず、仮想円弧ＶＡを等間隔に分割することにより複数の仮想分割円弧ＤＶＡ１，ＤＶＡ２，…を得る。そして、複数の仮想分割円弧ＤＶＡ１，ＤＶＡ２，…それぞれに対応した複数の仮想弦ＶＣ１，ＶＣ２，…を得る。そして、複数の仮想弦ＶＣ１，ＶＣ２，…がワーク５上で走査方向Ｘに順次に直線状に並ぶようにして、複数の仮想弦ＶＣ１，ＶＣ２，…を配置転換する。これにより、ワーク５上に配置転換された複数の仮想弦ＶＣ１´，ＶＣ２´，…によって走査線５２が形成される。
　このように走査線５２を形成すると、仮想分割円弧ＤＶＡ１，ＤＶＡ２，…の両端２点が走査線５２上に配置転換され、仮想分割円弧ＤＶＡ１，ＤＶＡ２，…（すなわち、当該２点間を繋ぐ曲線）が、走査線５２よりも光軸方向下流側へと配置転換される。焦点は、この配置転換後の仮想分割円弧ＤＶＡ１´，ＤＶＡ２´，…に沿って角移動しようとする。配置転換後の仮想分割円弧ＤＶＡ１´，ＤＶＡ２´，…は、配置転換後の仮想弦ＶＣ１´，ＶＣ２´，…と同様にして、走査方向Ｘにおいて順次に連続する。
　仮想円弧ＶＡを分割して複数の仮想分割円弧ＤＶＡ１，ＤＶＡ２，…を得ると、仮想分割円弧ＤＶＡ１，ＤＶＡ２，…はこれに対応した仮想弦ＶＣ１，ＶＣ２，…に良好に近似する。このため、ポリゴンミラー７０の偏向中心Ｃから走査線５２上の任意の被照射点までの光路長は、全ての焦点にわたって略一定となる。また、レーザビーム５０が等速で角移動していれば、焦点は配置転換後の仮想分割円弧ＤＶＡ１´，ＤＶＡ２´，…に沿って定速で角移動しようとする。仮想分割円弧ＤＶＡ１´，ＤＶＡ２´，…は、対応する仮想弦ＶＣ１´，ＶＣ２´，…と良好に近似しているので、焦点の挙動は、走査線５２に沿った等速直線移動と良好に近似する。
　以上のように、本実施形態では、光反射部６６が、投光部６５からのレーザビームを反射する一次反射部７１と、一次反射部７１からのレーザビーム５０を更に反射する二次反射部７２とを有し、投光部６５からのレーザビーム５０を少なくとも２度反射し、光反射部６６が存在しないと仮定しない場合には投光部６５から放射されたレーザビーム５０の焦点が偏向中心Ｃを中心とする仮想円弧ＶＡを描くところ、光反射部６６はレーザビーム５０を（少なくとも）２度反射することより仮想円弧ＶＡを分割することにより得られる複数の仮想分割円弧ＤＶＡ１，ＤＶＡ２，…それぞれに対応した複数の仮想弦ＶＣ１，ＶＣ２，…をワーク５上で連続するように配置し、ワーク５に導かれたレーザビーム５０が配置転換された複数の仮想弦ＶＣ１´，ＶＣ２´，…によって形成される走査線５２に沿って走査される。これにより、ポリゴンミラー７０の動作を単純化しながら、レーザビーム５０をワーク５上で極力合焦させ続けつつ、レーザビーム５０を極力等速で走査方向Ｘに移動させることができる。このため、ビーム走査ユニット３２の動作信頼性を高めること、加工効率を向上すること、及び加工ムラを抑えることを同時に達成することができる。また、ポリゴンミラー７０の回転角に応じてレーザビーム５０の焦点距離を変える特別な手段を用いる必要性もなくなる。
　仮想分割円弧ＤＶＡ１，ＤＶＡ２，…の分割数が増えれば増えるほど、仮想弦ＶＣ１，ＶＣ２，…の中点と仮想分割円弧ＤＶＡ１，ＤＶＡ２，…の中点との間の距離が小さくなり、焦点が仮想弦ＶＣ１，ＶＣ２，…に近付く。このため、光路長の一定性を高く保つことができるし、レーザビーム５０の等速性を高く保つことができる。分割数は、ビーム走査ユニット３２及びレーザ加工装置に許容される誤差に応じて適宜決めることができる。例えば、図４に示すように、ポリゴンミラー７０の反射面数Ｎが８である場合において、分割数が８（仮想分割円弧の中心角が１１．２５度）であれば仮想分割円弧と仮想弦の誤差（長さベース）が１．９８％となる。分割数を図示のものよりも増やした場合、例えば分割数が１６（仮想分割円弧の中心角が５．６２５度）であれば、同誤差が０．６３％となり、分割数が３６（仮想分割円弧の中心角が２．５度）であれば、同誤差が０．１０％となる。
　仮想弦ＶＣ１，ＶＣ２，…をワーク５上に配置転換するには、当該仮想弦ＶＣ１，ＶＣ２，…に対応する仮想分割円弧ＤＶＡ１，ＤＶＡ２，…が構成する扇形を２度折り曲げればよい。すると、２個の折り目が扇形に形成される。そのうち１つ目（１回目）の折り目が一次反射部７１を構成する複数の反射面７７のうちの一つに相当し、２つ目（２回目）の折り目が二次反射部７２を構成する複数の反射面７８のうちの一つに相当する。扇形を２度以上折り曲げないと、複数の仮想弦ＶＣ１，ＶＣ２，…を直線に沿って並べ直すことができない。このために、光反射部６６は、複数の反射部（本実施形態では、一次反射部７１及び二次反射部７２の２種類の反射部）を有する。
　仮想弦ＶＣ１，ＶＣ２，…を順次に連続させるには、隣接する扇形の１つ目の折り目同士が重ならないことが好ましい。すなわち、或る仮想分割円弧ＤＶＡ１，ＤＶＡ２，…に対応した一次反射部７１の反射面７７が、これに隣接する仮想分割円弧ＤＶＡ１，ＤＶＡ２，…に対応した一次反射部７１の反射面７７と重ならないことが好ましい。こうすれば、２つ目の折り目（すなわち、二次反射部７２を構成する反射面７８）を、これに対応する配置転換後の仮想弦ＶＣ１´，ＶＣ２´，…と走査線５２の直交方向に並べることができる。これにより、二次反射部７２で反射したレーザビーム５０を概ね垂直にワーク５に入射させることができる。このため、加工効率が向上するし加工ムラを抑えることができる。特に、隣接する扇形の１つ目の折り目の端部同士（すなわち、一次反射部７１を構成する複数の反射面７７のうち隣接する２つの反射面の端部同士）が連続していることが好ましい。すると一次反射部７１の全体を極力小型に形成することができる。
　なお、一次反射部７１をこのように構成しても、２つ目の折り目は隣接する折り目と連続しない。すなわち、二次反射部７２を構成する複数の反射面７８のうち隣接する２つの反射面同士は、連続しない。ただし、仮想分割円弧ＤＶＡ１，ＤＶＡ２，…の分割数が増えれば増えるほど、２つ目の折り目の端部が隣接する折り目の端部と近付いていく。
　本実施形態では、直線である仮想弦ＶＣ１，ＶＣ２，…を走査方向Ｘに延びる直線に沿うように配置転換するので、２つの折り目を両方とも直線とすることができる。つまり、或る仮想弦に対応する一次反射部７１の反射面７７と二次反射部７２を構成する反射面７８とがどちらも平面となる。特に、二次反射部７２においては、或る仮想弦に対応する反射面７８が、隣接する仮想弦に対応する反射面７８と離れて配置される。
　図５Ａ及びＢは、二次ミラー７４Ａ，７４Ｂの構造を示す部分側面図である。二次ミラー７４は、上記のように二次反射部７２の反射面７８を配置可能な構成であれば、どのような構造を有していてもよい。例えば、図５Ａでは、光反射部６６が、互いに離れて配置された複数の二次ミラー７４Ａを備え、各二次ミラー７４Ａのミラー本体７６Ａに、扇形の折曲げによって得られた複数の反射面７８を個別に設けている。また、図５Ｂに示す二次ミラー７４Ｂのように、単一のミラー本体７６Ｂに複数の反射面７８を必要な位置に設け一体化する構成としてもよい。なお、図５Ａ及びＢでは、二次ミラー７４について例示したが、一次ミラー７３についても同様である。このように、各反射部７１，７２が、非連続に並ぶ複数の反射面７８から構成されるので、単一の非平面ミラーで光反射部を実現した場合と対比し、光反射部６６を容易に製造及び大型化することができる。特に、本実施形態では、全ての反射面７７，７８が平面であるので、光反射部６６を一層容易に製造することが可能である。ただし、必ずしも全ての反射面を平面としなくてもよい。
　図６は、ポリゴンミラー７０の部分断面図である。まず図３を参照すると、レーザビーム５０は筐体６９内で上下に複数回折り返されるが、各素子６４，７０，７３，７４は光路と干渉しないように配置されることを求められる。そこで図６に示すように、ポリゴンミラー７０の側部には、４５度プリズム８１が設けられている。４５度プリズム８１は、入射したレーザビーム５０を入射方向と平行な方向に出射し、且つ出射光路を入射光路からポリゴンミラー７０の回転軸８２の軸線方向（図３では紙面直交方向）離すことができる。これにより、ポリゴンミラー７０から出射するレーザビーム５０を第２折返しミラー６４と干渉することなく一次反射部７１に導くことができる。しかも、図３紙面に対して傾斜する平面上に光路を配置する必要がなくなり、光学素子の設置作業が簡便になる。この４５度プリズムは、一次反射部７１及び二次反射部７２に適用されていてもよい。
　図３に示すように、ビーム走査ユニット３２は、前述のとおりシリンドリカルレンズ６７を備えている。シリンドリカルレンズ６７は、二次反射部７２で反射したレーザビーム５０を扁平にする。
　図７は、扁平されたパルスレーザを用いた加工ラインの形成を説明する概念図である。本実施形態に係るレーザ発振器３１はパルスレーザを生成する。パルスレーザは小径円形状であるところ、シリンドリカルレンズ６７を通過したパルスレーザ５１は、走査方向に長尺化して走査方向と直交する方向に短尺化し、楕円状に扁平になる。扁平の各パルスレーザ５１の照射領域は、１パルス幅だけ前に発振されたパルスレーザ５１の照射領域と部分的に重なる。このようにして被り代５９が形成されるようにパルスレーザ５１を照射することで、レーザビーム５０にパルスレーザ５１を適用しても加工ライン５２の連続性を担保することができる。本実施形態に係るビーム走査ユニット３２は、レーザビーム５０の走査速度ＶＸを略一定とすることができるので、被り代５９の大きさがバラつくのを抑えることができる。
　このように扁平のパルスレーザ５１を用いると、その分走査速度を速くすることができ有益である。また、扁平させない場合と対比して、ワーク５の縦方向に凹凸が小さく且つ狭い加工ライン５２を形成することができる。なお、ワーク５を送りながら加工ライン５２を形成すると共に扁平のパルスレーザ５１を適用する場合には、扁平のパルスレーザ５１の長手方向寸法とワーク５の送り速度ＶＹとを考慮し、パルスレーザ５１の先端側を送り方向Ｙに少し出るような段差を持たせて照射してもよい。
　これまで本発明の実施形態に係るビーム走査ユニットについて説明したが、上記構成は適宜変更可能である。投光部は、ポリゴンミラーに限定されず、例えばガルバノミラー等の他の偏向器を適用してもよい。光反射部は、３以上の反射部を有していてもよい。
　［レーザ加工装置その他の構成］
　図８は、図１に示す加工部３３を模式的に示す側面図である。図９は、図８に示す加工部３３を拡大して模式的に示す部分側面図である。図１０は、図８に示す加工部３３におけるレーザビームの照射の作用を模式的に示す部分側面図である。
　図８に示すように、本実施形態に係るワーク位置保持機構２０は、ビーム走査ユニット３２と共にワーク５の下方に配置されるワーク支持機構２１と、ワーク５の上方に配置されるワーク押付機構２２とを備える。つまり、ビーム走査ユニット３２及びワーク支持機構２１は加工部３３の下部に設けられ、ワーク押付機構２２は加工部３３の上部に設けられる。
　ワーク支持機構２１には、例えば、ローラ、フリーベアリング、非接触エアー吸着ユニット（ワーク５を下方からエアーによって引き付ける引付け機構等）などが用いられる。この例では、ワーク支持機構２１に非接触エアー吸着ユニット２３が適用されており、ワーク５は、図２に示すようにワーク５と非接触エアー吸着ユニット２３との間に隙間が形成された状態で、非接触エアー吸着ユニット２３によって下に吸着される。これにより、送り方向Ｙに送られるワーク５の上下方向位置（レベル）が少なくともレーザビーム照射部分にて変動するのを抑えることができる。
　ワーク５は、薄膜層６の表面がワーク５を基準にしてビーム照射口３４とは反対側の面（すなわち、上面）となる姿勢で送られる。このため、ビーム照射口３４からのレーザビーム５０は、基板７を上向きに透過して薄膜層６で焦点が合うように照射される。
　このようにレーザビーム５０が薄膜層６で合焦することで、薄膜層６を除去して加工ライン５２を形成することができる。レーザビーム５０が薄膜層６とは反対側からワーク５を照射するので、剥がれた薄膜１０（図１０も参照）や蒸散物１１（図１０も参照）と光学系（ビーム走査ユニット３２等）との間に基板７が存在する。したがって、基板７によって剥がれた薄膜１０や蒸散物１１から光学系を保護することができる。
　一方、ワーク押付機構２２には、例えば、ワーク５を上方から非接触で押し付けるエアブロワ２４や、押付けローラ等が用いられる。この例では、ワーク押付機構２２にエアブロワ２４が適用されている。このようなワーク支持機構２１及びワーク押付機構２２を加工部３３に設けたことで、送り方向Ｙに送られるワーク５の上下方向位置（レベル）が少なくとも加工部３３付近で変動するのを抑えることができる。よって、レーザビーム５０の焦点が所望位置からずれるのを抑えることができ、加工精度が向上する。
　さらに、加工部３３には、剥がれた薄膜１０や蒸散物１１を吸引する吸引ダクト２５が設けられている。吸引ダクト２５は、ワーク５を基準としてビーム走査ユニット３２と反対側、すなわちワーク５の上方であり加工部３３の上部に設けられている。本実施形態では、吸引ダクト２５が、上記ワーク押付機構２２に適用されたエアブロワ２４と一体的に設けられている。これにより、エアブロワ２４からの空気を吸引ダクト２５で吸引しやすくなる。よって、剥がれた薄膜１０をエアブロワ２４で吹き飛ばした後、その薄膜１０を吸引ダクト２５でより確実に吸引することができる。このとき、蒸散物１１もより確実に吸引することができる。これにより、剥がれた薄膜１０や蒸散物１１が薄膜層６に再付着するのを抑制することができる。
　図９に示すように、ワーク５を基板７に薄膜層６が形成された成膜ガラスとし、薄膜層６が上面となった状態で送るワーク５に反薄膜層側からレーザビーム５０を照射し、基板７と薄膜層６との間にマイクロエクスプロージョン効果を生じさせる。マイクロエクスプロージョン効果を生じさせることで、薄膜層６に低出力で加工ライン５２を形成し、加工効率を上げている。すなわち、レーザビーム５０によって薄膜層６と基板７との間に気化して剥離する部分を生じさせ、図１０に示すように、その気化した部分にマイクロエクスプロージョン効果を生じさせて薄膜層６を剥がすことで、低出力で効率良く薄膜層６に高速でパターニング加工を行うことができる。
　しかも、ワーク５の送り方向Ｙに対して直角に加工ライン５２が形成できるように、レーザビーム５０を走査するビーム走査ユニット３２を配置して、高速で連続的に加工できるようにすることで、基板毎のワーク５の加工だけでなく、フレキシブル太陽電池のロール・ツー・ロール製法の連続したワークでも高速の連続加工が可能となる。
　図１１Ａ～Ｇは、図１に示すレーザ加工装置による太陽電池の製造手順を示す側断面図である。上記の構成からなるレーザ加工装置１による代表的な薄膜系太陽電池４０の製造手順について説明する。まず、図１１Ａに示す基板７上に、図１１Ｂに示すように透明電極層６Ａを成膜する。次に、図１１Ｃに示すように、透明電極層６Ａの加工ライン５２Ａを形成する。この加工ライン５２Ａは、ワーク５を送り方向Ｙに定速で送りながら、レーザビーム５０を走査方向Ｘに定速で走査することによって形成される。このように透明電極層６Ａに加工ライン５２Ａの形成が終了したワーク５は、図１１Ｄに示すように、光電変換層６Ｂが成膜される。そして、図１１Ｅに示すように、上記レーザ加工装置１による加工ライン５２の加工と同様に、光電変換層６Ｂに加工ライン５２Ｂが形成される。この加工ライン５２Ｂは、レーザ加工装置１による焦点距離が光電変換層６Ｂに合うようになっているため、光電変換層６Ｂに所定の加工ライン５２Ｂが形成されるように、光電変換層６Ｂが剥がされる。そして、光電変換層６Ｂに加工ライン５２Ｂを形成した後、図１１Ｆに示すように、裏面電極層６Ｃが成膜される。裏面電極層６Ｃも、図１１Ｇに示すように、上記加工ライン５２Ａ，５２Ｂの形成と同様の加工方法によって、裏面電極層用のレーザ加工装置１により加工ライン５２Ｃが形成される。このようにしてモジュール化された太陽電池４０が作製される。
　以上のように複数の成膜層に加工ライン５２，５３，５４を形成する場合でも、上記レーザ加工装置１によれば、ワーク５を搬送方向（Ｙ方向）に送りながら、搬送方向と交差するＸ方向に加工ライン５２，５３，５４を高速で形成することができるので、ワーク５の搬送を停止させることなく連続的に加工ライン５２，５３，５４をパターニングすることができる。
　従って、ワーク５に加工ライン５２Ａ～Ｃを形成する作業のタクトを大幅に短縮することができ、太陽電池等の生産性を大幅に向上させることが可能となる。また、これにより、太陽電池４０の低コスト化を図ることができ、太陽電池利用の促進を図ることができる。しかも、上記実施形態のレーザ加工装置１によれば、高精度の直線的な加工ライン５２Ａ～Ｃを正確に形成することができるので、発電面積の向上により高い発電効率が得られる太陽電池４０を安定して作製することが可能となる。その上、分光・振分け・複数発振器搭載による複数のビームを用いることがないので、加工品質が安定した太陽電池４０を作製できるレーザ加工装置１のコスト低減を図ることも可能となる。
　なお、上記実施形態では、ワーク５を一定速度で送り方向Ｙに連続的に送る例を説明したが、ワーク５の送りは加工条件等に応じて、一定間隔で断続的に送るようにしてもよく、上記実施形態に限定されるものではない。また、上述した実施形態は一例を示しており、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
　本発明は、偏向動作を等速としながら、合焦状態を維持すると共にレーザを等速で走査させることができ、更にはレーザビーム等の光を走査する光走査装置の製造及び大型化が容易になるとの顕著な作用効果を奏するものであり、種々の光走査に適用可能であり、特に薄膜太陽電池やフレキシブル太陽電池等の薄膜系太陽電池の製造に利用すると有益である。
１　レーザ加工装置
３　送り装置
５　ワーク
３０　レーザビームユニット
３１　レーザ発振器
３２　ビーム走査ユニット
５０　レーザビーム
５１　パルスレーザ
５２　走査線
５２Ａ～Ｃ　加工ライン
６０　制御装置
６５　投光部
６６　光反射部
６７　シリンドリカルレンズ
６８　偏向アクチュエータ
６９　筐体
７０　ポリゴンミラー
７１　一次反射部
７２　二次反射部
７３　一次ミラー
７４　二次ミラー
Ｃ　偏向中心
ＶＡ　仮想円弧
ＤＶＡ１，ＤＶＡ２，…　仮想分割円弧
ＶＣ１，ＶＣ２，…　仮想弦
ＶＣ１´，ＶＣ２´，…　配置転換後の仮想弦
ＤＶＡ１´，ＤＶＡ２´，…　配置転換後の仮想分割円弧

Claims (14)

  1. 　光を等速で角移動させながら放射する投光手段と、
    　前記投光手段から放射された光を反射して所定の走査線上の任意の被照射点に導くための光反射手段と、を備え、
    　前記光反射手段は複数の反射部を有して前記投光手段から放射された光を２度以上反射して前記任意の被照射点に導き、前記反射部の各々が複数の反射面から構成され、
    　前記投光手段から前記被照射点までの光路長が前記走査線上の全ての被照射点にわたって略一定であり、且つ、前記投光手段から放射された光の前記走査線上での走査速度が略一定である、光走査装置。
  2. 　前記反射面の少なくとも一つが平面である、請求項１に記載の光走査装置。
  3. 　前記投光手段が等速で回転する回転多面鏡を有する、請求項１に記載の光走査装置。
  4. 　前記回転多面鏡が７以上の反射面を有する、請求項３に記載の光走査装置。
  5. 　前記走査線が直線である、請求項１に記載の光走査装置。
  6. 　前記投光手段がパルスレーザを放射する、請求項１に記載の光走査装置。
  7. 　パルスレーザを扁平にするシリンドリカルレンズを更に備える、請求項６に記載の光走査装置。
  8. 　請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光走査装置を備え、ワークに形成された薄膜層にレーザビームで加工ラインを形成するレーザ加工装置。
  9. 　前記ワークを所定の送り速度で一方向に送る定速送り装置と、
    　前記レーザビームでワークに加工ラインを形成する加工部で該ワークを正確な位置に支持するワーク位置保持機構と、
    　前記光走査装置及び前記定速送り装置を制御する制御装置と、を備え、
    　前記光走査装置が、前記定速送り装置で送るワークに対して送り方向と交差する方向にレーザビームを照射し、
    　前記制御装置が、前記定速送り装置でワークを所定速度で送りながら、又はワークの送り速度を検出して送りながら、前記光走査装置からワークの送り方向と交差する方向に１本のレーザビームを走査し、この１本のレーザビームの加工ラインが、所定の送り速度で送るワークの送り方向に対して直角となるようにワークの送り速度とレーザビームの走査速度とを相対的に制御する、請求項８に記載のレーザ加工装置。
  10. 　前記定速送り装置は、一方向に送るワークとレーザビームとの平面方向相対角度を調整する捻り補正機能を具備している、請求項９に記載のレーザ加工装置。
  11. 　前記レーザビームは、走査方向に長い扁平ビームである、請求項９に記載のレーザ加工装置。
  12. 　前記ワークは、ガラス基板に薄膜を成膜したものであり、前記レーザビームは透過レーザビームであり、
    　前記透過レーザビームをガラス基板の反薄膜層方向から照射して薄膜層に加工ラインを形成するように構成した、請求項９に記載のレーザ加工装置。
  13. 　前記ワーク位置保持機構は、前記薄膜層を上面にして送るワークの下方に設けたワーク支持機構と、ワークの上方に設けた非接触のワーク押付機構とを有している、請求項９に記載のレーザ加工装置。
  14. 　前記ワークの薄膜層の方向に除去膜吸引手段を設けた、請求項９に記載のレーザ加工装置。
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