光扫描装置及激光加工装置制造方法

光扫描装置及激光加工装置制造方法
【专利摘要】光扫描装置（13）具备在使入射的激光绕投光中心（C）发生角位移的同时发射入射的激光的投光单元（30）、和具有将来自于投光单元（30）的激光进行反射而落射的抛物面（32a）的反射单元（32）。投光中心（C）配置在抛物面（32a）的焦点（F）上。投光单元（30）以激光的旋转角越远离作为在抛物面（32a）的顶点（V）上反射时的旋转角的基准角而激光的角速度越小的形式发射激光。激光加工装置（10）具备该光扫描装置（13），由反射单元（32）使激光落射至工件（90）上，从而在该工件（90）上形成加工线（93）。
【专利说明】光扫描装置及激光加工装置

【技术领域】
[0001] 本发明涉及使激光扫描的光扫描装置、以及具备这样的光扫描装置而在工件上通 过激光形成加工线的激光加工装置。

【背景技术】
[0002] 在薄膜太阳能电池的生产工厂中，对在玻璃基板的一面上使金属膜、硅膜等的半 导体成膜而形成的工件，使用激光加工装置进行图形加工处理。在图形加工处理中，使激光 在工件的薄膜层的表面上直线扫描，从而沿着激光的扫描线局部地去除薄膜层，以此形成 直线状的槽(划线)。
[0003] -般而言，在图形加工处理用激光加工装置中，考虑到进行微细加工、容易抑制热 影响等，而在激光中应用脉冲激光。在激光中应用脉冲激光时，使激光以使在某一正时振荡 的激光的照射区域与仅提前一个脉冲宽度振荡的激光的照射区域在工件上局部重叠的方 式扫描，借助于此确保划线的连续性。另外，相邻的两个脉冲的激光的照射区域相重叠的区 域被称为"重叠区"。
[0004] 以往，已知形成为通过安装于弧上的反射镜使来自于偏向器的激光反射，并且使 激光从该反射镜落射至工件上的结构的激光加工装置(例如，参照专利文献1 )。在该激光加 工装置中，偏向器的偏向中心配置在弧的中心。根据该结构，进行了与偏向器的旋转角无关 地使激光大致垂直地入射至工件上、和与偏向器的旋转角无关地使从偏向中心至工件的光 程长度大致保持恒定等的尝试。而且，与光束同轴地配置有摄像机的图像摄像轴，并且基于 由该图像得到的加工对象的位置及种类信息控制激光的位置及输出。又，通过在工件的落 射范围内覆盖掩膜，以此可以实现多样化的加工。
[0005] 现有技术文献： 专利文献： 专利文献1 :日本特开2011-000625号公报。


【发明内容】

[0006] 发明要解决的问题： 然而，在专利文献1公开的激光加工装置中，将运动性好的马达使用于驱动偏向器的 马达，但是并未考虑到偏向器的动作速度及激光的扫描速度。因此，假如使用专利文献1公 开的激光加工装置形成直线的加工线的情况下，如果仅仅以等速旋转驱动偏向器，则从偏 向器发射的激光以等速发生角位移。于是，从弧的顶点附近落射的激光的扫描速度、和从远 离弧的顶点的位置落射的激光的扫描速度之间产生差异。像这样在使激光以非等速进行扫 描时，在一条划线内根据位置不同而重叠区的大小发生变化，从而导致发生加工不均。
[0007] 本发明是为了解决上述问题而形成的，其目的是使激光的入射角尽可能垂直而使 激光在扫描线上尽可能连续聚焦，且使激光的扫描速度尽可能为等速。
[0008] 解决问题的手段： 根据本发明的光扫描装置具备在使激光绕投光中心发生角位移的同时发射激光的投 光单元、和具有将来自于所述投光单元的激光进行反射而落射的抛物面的反射单元；所述 投光中心配置在所述抛物面的焦点上；所述投光单元在使激光以激光的旋转角越远离作为 激光在所述抛物面的顶点上反射时的旋转角的基准角而激光的角速度越小的形式以非等 速发生角位移的同时发射激光。
[0009] 假设激光以等速发生角位移，则在激光的旋转角为基准角的附近时的激光的扫描 速度比较小。相反地，在激光的旋转角远离基准角时的激光的扫描速度比较大。像这样，激 光的扫描速度随着激光的旋转角的变化而变化。
[0010] 相对于此，根据所述结构，激光以非等速发生角位移。而且，激光的旋转角越远离 基准角，激光的角速度越小。因此，可以减小激光的扫描速度的变化。因此，可以使激光的 扫描速度尽可能等速。又，将投光中心配置在抛物面的焦点上，因此可以与激光的旋转角无 关地使激光的入射角垂直，可以与激光的旋转角无关地使从投光中心至扫描线的光程长度 保持恒定。又，抛物面的制作比较容易，因此可以抑制光扫描装置的制作成本提高。
[0011] 也可以是所述投光单元具备具有多个反射面的旋转多面镜；在入射至所述旋转多 面镜的激光通过所述多个反射面中的一个反射面的期间形成一条扫描线，在形成所述一条 扫描线的期间所述旋转多面镜的旋转角通过所述基准角。
[0012] 根据所述结构，通过在改变激光的角速度的同时使旋转多面镜（多面反射镜）向相 同方向旋转，以此可以使激光沿着多条扫描线进行扫描。
[0013] 也可以是在激光的旋转角为所述基准角时，激光入射至所述多个反射面中的任意 的反射面的中间点。
[0014] 根据所述结构，在激光通过相邻的反射面相连接的棱部时，可以使激光的角速度 连续。
[0015] 也可以是在将所述焦点和所述顶点的距离作为a、将激光的扫描速度作为Vx、将从 激光的旋转角为所述基准角的时刻起所经过的时间作为t、将激光的角速度作为ω的情况 下，所述投光单元在使激光以满足《=V x/a{l + (VxXt/2a)2}的形式以非等速发生角位移 的同时发射激光。
[0016] 根据所述结构，可以使激光以等速直线移动。另外，从激光的旋转角为所述基准角 的时刻起所经过的时间t可以是正值，也可以是零，又可以是负值。t为负值时，t表示激光 的旋转角达到基准角的所需时间。
[0017] 根据本发明的激光加工装置具备如上述那样的光扫描装置，并且由所述反射单元 使激光落射至工件上，从而在工件上形成加工线。
[0018] 根据所述结构，可以使在工件上的激光的扫描速度尽可能等速，可以使激光向工 件入射的入射角度与激光的旋转角无关地保持垂直，可以使从投光中心至工件的光程长度 与激光的旋转角无关地保持恒定。因此，可以在抑制加工不均的同时改善加工效率。
[0019] 也可以是具备以一定的搬运速度向搬运方向搬运工件的搬运装置；所述抛物面在 相对于所述搬运方向交叉的方向上延伸配置；在通过所述搬运装置搬运工件的同时连续运 行所述投光单元，借助于此在工件上以在所述搬运方向上排列的形式形成在相对于所述搬 运方向成直角的扫描方向上延伸的多条加工线。
[0020] 根据所述结构，可以在搬运工件的同时形成加工线，因此可以缩短节拍时间。
[0021] 发明效果： 本发明在使激光向工件入射的入射角尽可能保持垂直且使激光在工件上尽可能连续 聚焦的同时使在工件上的激光的扫描速度尽可能保持等速。

【专利附图】

【附图说明】
[0022] 图1是概念性地示出根据本发明的实施形态的激光加工装置的结构的立体图； 图2是示出图1所示的激光加工装置的概要结构的框图； 图3是示出工件的搬运方向Y、划线的加工方向X和激光的实际扫描方向X'之间的关 系性的概念图； 图4是在以划线的加工方向X作为横轴、以激光的落射方向Z作为纵轴的平面直角坐 标系中示出的激光扫描头的概念图，是示出抛物镜和多面反射镜的投光中心之间的位置关 系、且示出激光在加工方向X上的位置、激光在加工方向X上的扫描速度、多面反射镜的旋 转角度和多面反射镜的角速度之间的关系的概念图； 图5是示出图1所示的激光加工装置的动作的一个示例的时序图。

【具体实施方式】
[0023] 以下，参照【专利附图】

【附图说明】本发明的实施形态。关于相同或对应的要素，对所有附图标以 相同符号，省略重复的详细说明。
[0024] (激光加工装置的概要结构） 图1是概念性地示出根据本发明的实施形态的激光加工装置10的结构的立体图。根 据本实施形态的激光加工装置10例如在薄膜太阳能电池的生产工厂中较好地利用于图形 加工处理中。在将激光加工装置10利用于图形加工处理时，在工件90中应用在基板91的 一面使薄膜层92成膜而形成的板状或薄膜状构件，且激光入射至与薄膜层92的表面相反 侧的面（以下称为"入射面90a")。在薄膜层92中包含在基板91的一面上直接成膜的透明 电极层、和在透明电极层的表面上成膜的光电转换层等。
[0025] 根据本实施形态的激光加工装置10向在与入射面90a平行的面内的一方向Y(以 下称为"搬运方向Y")恒速搬运工件90。与此同时，向相对于入射面90a垂直的方向Z (以 下称为"落射方向Z")照射激光，并且使该激光在工件90上直线扫描。借助于此，使激光透 过基板91，薄膜层92的表层在激光的照射位置上被去除，从而在薄膜层92上形成直线状的 槽93 (以下称为"划线93")。激光的扫描是在搬运方向Y上改变位置的同时执行多次，借 助于此在同一个工件90上形成多条划线93。多条划线93形成为在搬运方向Y上隔着等间 隔配置且平行于与搬运方向Y正交的方向X (以下称为"加工方向X"）地延伸的结构。
[0026] 在本实施形态中，使入射面90a处于朝向水平的状态地搬运工件90,因此，加工方 向X及搬运方向Y为水平方向，落射方向Z为铅垂方向。在以下说明中，以该工件90的姿 势为前提，但是该姿势只是一个示例，可以适当变更。
[0027] 如图1所示，根据本实施形态的激光加工装置10主要具备搬运装置11、激光振荡 器12及激光扫描头13。
[0028] 搬运装置11具备支持工件90并将工件90向搬运方向Y搬运的搬运机构21、和驱 动搬运机构21的搬运执行器22 (参照图2)。例如，搬运机构21具备在加工方向X上延伸 且在搬运方向Y上排列的多个旋转轴23、和设置于各旋转轴23上并与对应的旋转轴23 - 起旋转的辊24。工件90以使入射面90a朝下方而使薄膜层92朝上方的姿势载置于辊24 的周面上。搬运执行器22例如是电动马达，同步地旋转驱动多个旋转轴23。于是，辊24上 的工件90向搬运方向Y被搬运。
[0029] 激光振荡器12以毫秒?微秒数量级的脉冲宽度（S卩，千赫?兆赫数量级的频率)振 荡脉冲激光，并且将该激光向激光扫描头13出射。另外，激光可以是固体激光，也可以是液 体激光，又可以是气体激光。在从激光振荡器12至入射面90a的光路上以能够使激光在薄 膜层92上聚焦的形式设置有透镜15。在图1中，例示将透镜15设置在激光振荡器12和激 光扫描头13之间的情况，但是透镜15的配置并不特别限定。
[0030] 激光扫描头13在使来自于激光振荡器12的激光偏向的同时向工件90照射激光， 并且使激光沿着在工件90上或工件90内直线延伸的扫描线进行扫描。在本实施形态中， 激光扫描头13配置在比搬运机构21靠近下方的位置上，激光的落射方向Z为铅垂向上的 方向。激光以避开旋转轴23的形式从下方向上方照射，并且从下方入射至入射面90a。
[0031] 激光扫描头13具备在使激光绕着投光中心C发生角位移的同时进行发射的发射 部30、和具有反射来自于发射部30的激光而使其落射至工件90上的抛物面的反射部。更 具体而言，作为构成使激光扫描的光学系统的元件，具备使入射的激光绕着投光中心C发 生角位移的多面反射镜31、和反射来自于多面反射镜31的激光的抛物镜32。来自于抛物 镜32的激光向上通过在落射方向Z上延伸的光路，并从下方垂直入射至入射面90a。激光 扫描头13还具备旋转驱动多面反射镜31的偏向执行器33、和内设多面反射镜31及抛物镜 32的框体34。多面反射镜31及偏向执行器33构成投光部30,抛物镜32构成反射部。
[0032] 多面反射镜31具有正多角柱状的外形，多个反射镜面41?46分别设置在多面反 射镜31的侧面上。在图1中，例示了多面反射镜31具有六个反射镜面41?46,且这些反 射镜面41?46在从多面反射镜31的中心轴线方向观察时形成正六角形的情况，但是多面 反射镜31的反射镜面数量不限于六个。偏向执行器33例如是电动马达，将多面反射镜31 绕着多面反射镜31的中心轴线旋转驱动。
[0033] 来自于激光振荡器12的激光在框体34内朝向落射方向Z正方向侧(铅垂方向上 侧)，并且从下方入射至多面反射镜31。在入射的激光通过某一个反射镜面的期间，多面反 射镜31旋转360/N[度](N :反射镜面数)。"激光通过某一个反射镜面的期间"是指从激光 入射至由该反射镜面(例如面41)、和在镜旋转方向正方向侧与该反射镜面连续的反射镜面 (例如面46)所形成的始点棱部(例如棱部41a)的时刻开始至入射至由该反射镜面(例如面 41)、和在镜旋转方向反方向侧与该反射镜面连续的反射镜面(例如面42)所形成的终点棱 部(例如棱部41b)的时刻的期间，即激光在该反射镜面(例如面41)上反射的期间。在该期 间，激光在旋转的该反射镜面上反射，并且绕着位于该反射镜面上的投光中心C以360X2/ N[度]的旋转角度范围发生角位移（N:反射镜面数)。在激光在某一个反射镜面(例如面 41)上结束通过时，激光开始通过(例如面41)在镜旋转方向反方向侧与该反射镜面连续的 反射镜面(例如面42)。因此，相邻的两个反射镜面所形成的棱部(例如棱部41b)对于镜旋 转方向正方向侧的反射镜面(例如面41)来说相当于终点棱部，对于镜旋转方向反方向侧的 反射镜面(例如面42)来说相当于始点棱部。
[0034] 抛物镜32具有从多面反射镜31的中心轴线方向观察时形成抛物线的反射镜面 32a。像这样构成反射部的抛物镜32具有形成抛物面的反射镜面32a，但是在这里所称的 "抛物面"并非是所谓的旋转抛物面而是截面形成抛物线的面。多面反射镜31及抛物镜32 以使投光中心C位于抛物面的焦点F(更具体而言，作为该抛物面的截面形状的抛物线的焦 点。以下称为"抛物线的焦点F"）上、又，将抛物面的顶点V (更具体而言，作为该抛物面的 截面形状的抛物线的顶点。以下称为"抛物线的顶点V"）与中心C连接的直线（S卩，抛物线 对称轴）在落射方向Z上延伸的形式配置。
[0035] 因此，在投光中心C位于始点棱部41a和终点棱部41b之间的中间点上的情况下， 激光从投光中心C向落射方向Z反方向侧(铅垂方向下侧)发射，并且在抛物镜32的反射镜 面32a上且抛物线的顶点V上反射。在投光中心C位于比中间点靠近始点棱部41a侧的位 置上的情况下，激光在比抛物线的顶点V靠近加工方向X上游侧（图1纸面右下侧）的位置 上反射。在投光中心C位于比中间点靠近终点棱部41b侧的位置上的情况下，激光在比抛 物线的顶点V靠近加工方向X下游侧（图1纸面左上侧）的位置上反射。
[0036] 在抛物镜32上反射的激光与其反射位置无关地（即与多面反射镜31的旋转角度 无关地)朝向落射方向Z正方向侧(铅垂方向上侧)，并且从下方垂直入射至入射面90a。又， 投光中心C位于抛物线的焦点F上，因此从投光中心C至入射面90a的光程长度与在抛物 镜32上的反射位置无关地保持恒定。另外，激光通过设置于框体34的上表面的缝隙34a， 并且从框体34的内部向外部出射。
[0037] 在本实施形态中，在投光中心C位于始点棱部41a上的情况下的激光的照射位置 相当于划线93的始点93A，在投光中心C位于终点棱部41b上的情况下的激光的照射位置 相当于划线93的终点93B，在激光通过某一个反射镜面的期间，形成将始点93A与终点93B 连接的一条划线93。激光在划线93的任意位置上均垂直地入射，因此改善加工效率。又， 激光的光程长度在划线93的任意位置上均相同，因此即使不使用根据多面反射镜31的旋 转角度改变激光的焦距的装置，也可以使激光在入射面90a上连续聚焦。
[0038] 图2是示出图1所示的激光加工装置10的概要结构的框图。另外，在图2中，激 光表示为实线，机械连接表示为双重线，电气连接表示为点线。如图2所示，激光加工装置 10具备控制搬运执行器22、激光振荡器12及偏向执行器33的控制器14。在图形加工处理 时，控制器14使搬运执行器22、激光振荡器12及偏向执行器33同时工作。借助于此，在向 搬运方向Y搬运工件90的同时激光在入射面90a上扫描，从而在工件90上形成多条划线 93〇
[0039] 控制器14以使工件90以一定的搬运速度搬运（S卩，使旋转轴23及辊24以与该搬 运速度相对应的一定的角速度旋转）的方式控制搬运执行器22。控制器14以使脉冲激光 以一定的频率振荡的方式控制激光振荡器12。控制器14以使激光在工件90上或工件90 内以一定扫描速度进行扫描的方式控制偏向执行器33。因此，控制器14以使激光的角速度 (与多面反射镜31的角速度有对应关系）随着激光的旋转角（与多面反射镜31的旋转角有 对应关系）而变化的方式控制偏向执行器33。
[0040] (加工方向和实际扫描方向之间的关系） 图3是示出工件90的搬运方向Y、划线93的加工方向X、激光实际扫描的方向X'（以 下称为"实际扫描方向X' "或"对地扫描方向X' "）之间的关系性的概念图。根据本实施形 态的激光加工装置10在将工件90以一定的搬运速度VY向搬运方向Y搬运的同时向入射面 90a照射激光，借助于此在工件90上形成在加工方向X上延伸的划线93。因此，为了确保 激光在从搬运的工件90观察时向加工方向X进行扫描，而需要使激光向从设置框体34的 地面观察时在与入射面90a平行的面内既相对于搬运方向Y倾斜又相对于加工方向X倾斜 的实际扫描方向X'进行扫描。另外，从工件90观察或从地面观察时，落射方向Z均为相同 的方向（例如铅垂方向），因此XY平面（即，与入射面90a平行的平面)也处于相同的姿势(例 如水平姿势)。
[0041] 为了使激光像这样进行扫描，而多面反射镜31 (参照图1)以使其中心轴线朝向与 实际扫描方向X'正交的方向的形式配置。抛物镜32 (参照图1)以在实际扫描方向X'上 延伸的形式配置。
[0042] 在以下说明中，将从地面观察时的XY平面内的激光的扫描路径称为"实际扫描线 95"。实际扫描线95以在XY平面内与划线93形成倾斜角Φ、且从划线93的始点93A向 搬运方向Y的下游侧倾斜的形式在实际扫描方向X'上延伸。在本实施形态中，与搬运速度 V Y相同地激光的加工方向X上的扫描速度Vx也恒定。因此，在实际扫描线95上的激光的 扫描速度（以下称为"实际扫描速度V/"或"对地扫描速度V/"）也恒定。因此，倾斜角Φ 的正弦由式（1)表示。
[0043] [数学式1]

【权利要求】
1. 一种光扫描装置， 具备在使激光绕投光中心发生角位移的同时发射激光的投光单元、和具有将来自于所 述投光单元的激光进行反射而落射的抛物面的反射单元； 所述投光中心配置在所述抛物面的焦点上； 所述投光单元在使激光以激光的旋转角越远离作为在所述抛物面的顶点上反射时的 旋转角的基准角而激光的角速度越小的形式以非等速发生角位移的同时发射激光。
2. 根据权利要求1所述的光扫描装置，其特征在于， 所述投光单元具备具有多个反射面的旋转多面镜； 在入射至所述旋转多面镜的激光通过所述多个反射面中的一个反射面的期间形成一 条扫描线，在形成所述一条扫描线的期间所述旋转多面镜的旋转角通过所述基准角。
3. 根据权利要求2所述的光扫描装置，其特征在于，在激光的旋转角为所述基准角时， 激光入射至所述多个反射面中的任意的反射面的中间点。
4. 根据权利要求1至3中任意一项所述的光扫描装置，其特征在于，在将所述焦点和 所述顶点的距离作为a、将激光的扫描速度作为V x、将从激光的旋转角为所述基准角的时刻 起所经过的时间作为t、将激光的角速度作为ω的情况下，所述投光单元在使激光以满足 c〇=V x/a{l+ (VxXt/2a)2}的形式发生角位移的同时发射激光。
5. -种激光加工装置，具备权利要求1至4中任意一项所述的光扫描装置，由所述反射 单元使激光落射至工件上，从而在该工件上形成加工线。
6. 根据权利要求5所述的激光加工装置，其特征在于， 具备以一定的搬运速度向搬运方向搬运工件的搬运装置； 所述抛物面在相对于所述搬运方向交叉的方向上延伸配置； 在通过所述搬运装置搬运工件的同时连续运行所述投光单元，借助于此在工件上以在 所述搬运方向上排列的形式形成在相对于所述搬运方向成直角的扫描方向上延伸的多条 加工线。
【文档编号】G02B26/12GK104115051SQ201380008978
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年3月25日 优先权日:2012年3月29日
【发明者】中泽睦裕, 高原一典, 大串修己 申请人:川崎重工业株式会社