(57)【要約】【課題】小型軽量化およびコストの削減を図りつつ被加工物に対するレーザ加工を効率的かつ適切に行うことができるレーザ加工装置を提供すること。【解決手段】横モードシングルの高調波レーザ光を出射するレーザ装置２と、高調波レーザ光の波長の２８倍以上かつ３６倍以下のコア径を有するラージモードエリアのシングルモードの光ファイバ７と、加工ヘッド８と、該加工ヘッド８を被加工物１の加工位置に移動させる移動手段１０とを備えたこと。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
横モードシングルの高調波のレーザ光を出射するレーザ装置と、
該レーザ装置から出射された前記レーザ光を導光する光ファイバであって、前記レーザ光の波長の２８倍以上かつ３６倍以下のコア径を有するラージモードエリアのシングルモードの光ファイバと、
該光ファイバから出射される前記レーザ光を集光して被加工物に照射する加工ヘッドと、
該加工ヘッドを前記被加工物の加工位置に移動させる移動手段と
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記加工ヘッドが、前記レーザ光のエネルギ強度分布をガウス分布からトップハット形状の分布へと変換する変換手段を備えること
を特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記レーザ光が、第２高調波のレーザ光であること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記被加工物が、太陽電池の薄膜材料であること
を特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置に係り、特に、径が細い光ファイバを用いたレーザ加工に好適なレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、被加工物（ワーク）に対するレーザ加工においては、レーザ光を被加工物上でスキャン（走査）する必要があった（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このスキャンの方法の１つとしては、例えば、図４に示すように、被加工物１を移動させずにレーザ側のみを移動させる第１の方法があった。この第１の方法では、レーザ装置２によって水平方向（図４における右方）に出射されたレーザ光Ｌを、ミラー３によって鉛直下方に全反射させた後にレンズ４によって集光することによって、レンズ４の下方に配置された被加工物１上の加工位置にレーザ光Ｌを照射して被加工物１に対するレーザ加工を行うようになっている。なお、図４においては、平板状の被加工物１の加工面（例えば、金属面）をレーザ光Ｌのエネルギによって部分的に除去することにより、被加工物１に直線の溝状またはスリット状のスクライブライン５を形成するレーザスクライブを行うようになっている。そして、この第１の方法では、レーザ装置２、ミラー３およびレンズ４を、これらが一体的に配置された基板６とともに被加工物１に対して平行に移動させて被加工物１に対するレーザ光Ｌの照射位置を変更することによって、レーザ光Ｌを被加工物１上の新たな加工位置へとスキャンすることが可能とされていた。
【０００４】
また、他のスキャンの方法の１つとしては、例えば、図５に示すように、レーザ装置２、ミラー３およびレンズ４を移動させずに、被加工物１のみを移動させることによって被加工物１の加工位置を変更する第２の方法があった。
【０００５】
さらに、これら第１および第２の方法の他のスキャンの方法としては、ガルバノミラーやポリゴンミラー等のスキャナを用いてビームを振ることによって被加工物１の加工位置を変更する第３の方法があった。
【０００６】
しかしながら、これらの方法は、それぞれ次のような欠点を有していた。すなわち、第１の方法は、レーザ装置２が大きくて重いため、レーザ装置２を移動させることが困難であり、また、移動時にレーザ装置２に作用するＧや振動等によってレーザ装置２が故障する場合があり、使用可能なレーザ装置２の種類が限定されてしまうといった欠点を有していた。また、第２の方法は、被加工物１が大型の場合には、装置のコストがかさむばかりでなく、被加工物１を高速で移動させることが困難であり、作業効率が悪いといった欠点を有していた。さらに、第３の方法は、被加工物１が大型で加工エリアが大きくなった場合には、ビームを常に加工に適した小さなスポットに絞ることが困難となるといった欠点を有していた。
【０００７】
そこで、例えば、直径１００μｍ以下の細径の光ファイバーによってレーザ光を導光（導波）させ、この光ファイバーから出射されたレーザ光を、この光ファイバに取付けられた集光用の加工ヘッドによって被加工物１に照射させる方法を採用することも考えられる。このような方法によれば、移動部分は主に加工ヘッドだけで済むため、装置の小型化や低コスト化等のメリットが大きいものとなる。
【０００８】
しかしながら、このような方法においても、通常の固体レーザ光を細径の光ファイバによって導光させた場合には、レーザ光のビームプロファイル（エネルギー強度分布）が被加工物１の加工に適しないものとなるといった欠点があった。具体的には、レーザ光のエネルギー強度分布がいわゆるガウス分布になることにより、加工部の溶け込み方向の断面が略三角形状となり、照射箇所の除去処理を精密に行うことが困難であった。
【０００９】
そこで、本出願人は、これまでにも、スペクトル幅が広いレーザ光を使用することにより、細径のマルチモードの光ファイバによってレーザ光を導光させた場合におけるレーザ光のビームプロファイルを改善する発明を提案してきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−３１６２９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、ＳＨＧ（second harmonic generation：第２高調波）レーザ、ＴＨＧ（third harmonic generation：第３高調波）レーザおよびＦＨＧ（fourth harmonic generation：第４高調波）レーザ等といった高調波レーザを用いる場合には、レーザ発振部から発振されたスペクトル幅が広い基本波を、非線形光学結晶（例えば、ＫＴＰ結晶、ＬＢＯ結晶等）によって高調波に波長変換したとしても、基本波のスペクトル幅が広いことによって変換効率が低くなり、十分なレーザ出力が得られなくなるといった欠点があった。なお、図６は、このような問題を示したものであり、この図６に示すように、基本波のスペクトル幅が広い場合（図６（ａ）の場合）の方が、基本波のスペクトル幅が狭い場合（図６（ｂ）の場合）に比べて高調波への変換効率が低いことが分かる。
【００１２】
したがって、従来は、装置の小型軽量化およびコストの削減を図りつつ被加工物に対するレーザ加工を効率的かつ適切に行うことが困難であるといった問題が生じていた。
【００１３】
そこで、本発明は、このような問題点に鑑みなされたものであり、小型軽量化およびコストの削減を図りつつ被加工物に対するレーザ加工を効率的かつ適切に行うことができるレーザ加工装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
このような目的を達成するため、本発明に係るレーザ加工装置は、横モードシングルの高調波のレーザ光を出射するレーザ装置と、該レーザ装置から出射された前記レーザ光を導光する光ファイバであって、前記レーザ光の波長の２８倍以上かつ３６倍以下のコア径を有するラージモードエリアのシングルモードの光ファイバと、該光ファイバから出射される前記レーザ光を集光して被加工物に照射する加工ヘッドと、該加工ヘッドを前記被加工物の加工位置に移動させる移動手段とを備えることを特徴としている。
【００１５】
そして、このような構成によれば、加工ヘッドと、この加工ヘッドの移動に柔軟に追従することができる光ファイバとを用いて被加工物に対するレーザ加工を行うことができるので、小型軽量化およびコストの削減を図ることができる。また、レーザ光の横モードおよび光ファイバのコア径ならびにモードを上記のように特定することによって、高調波のレーザ光を効率的に発生させて十分なレーザ出力を得ることができるとともに、高調波のレーザ光のピークパワー密度が高過ぎることによる光ファイバの破壊を防止し、さらに、加工ヘッドの移動にともなう光ファイバの従動の際における導光の安定性を確保することができるので、被加工物に対するレーザ加工を効率的かつ適切に行うことができる。
【００１６】
また、前記加工ヘッドが、前記レーザ光のエネルギ強度分布をガウス分布からトップハット形状の分布へと変換する変換手段を備えてもよい。
【００１７】
そして、このような構成によれば、変換手段によってレーザ光のエネルギ強度分布をトップハット形状の分布に変換することができるので、被加工物に対する均一な加工量のレーザ加工を高精度に行うことができる。
【００１８】
さらに、前記レーザ光が、第２高調波のレーザ光であってもよい。
【００１９】
そして、このような構成によれば、ＳＨＧレーザを用いて被加工物に対するレーザ加工を効率的かつ適切に行うことができる。
【００２０】
さらにまた、前記被加工物が、太陽電池の薄膜材料であってもよい。
【００２１】
そして、このような構成によれば、高品質の太陽電池を安価な設備によって効率的に製造することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係るレーザ加工装置によれば、小型軽量化およびコストの削減を図りつつ被加工物に対するレーザ加工を効率的かつ適切に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係るレーザ加工装置の実施形態を模式的に示す斜視図
【図２】本発明に係るレーザ加工装置の実施形態において、（ａ）は、変換手段による変換前の高調波レーザ光のエネルギー強度分布を、（ｂ）は、変換手段による変換後の高調波レーザ光のエネルギー強度分布をそれぞれ示す図
【図３】本発明に係るレーザ加工装置の実施形態において、（ａ）は、アモルファス太陽電池モジュールの製造工程における透明導電膜の形成工程を、（ｂ）は、透明導電膜に対するスクライブ工程を、（ｃ）は、シリコン膜の形成工程を、（ｄ）は、シリコン膜に対するスクライブ工程を、（ｅ）は、金属膜の形成工程を、（ｆ）は、金属膜等に対するスクライブ工程をそれぞれ示す図
【図４】従来のレーザ加工方法の一例（第１の方法）を模式的に示す斜視図
【図５】従来のレーザ加工方法の一例（第２の方法）を模式的に示す斜視図
【図６】従来の問題点を説明するための説明図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明に係るレーザ加工装置の実施の形態について、図１乃至図３を参照して説明する。
【００２５】
図１に示すように、本実施形態におけるレーザ加工装置９は、横モード（換言すれば、空間モード）がシングルモード（横モードシングル）とされた高調波のレーザ光（以下、高調波レーザ光と略称する）を出射するレーザ装置２を有している。
【００２６】
このレーザ装置２は、図示しないレーザ発振部から発振された横モードシングルの基本波のレーザ光を、例えばＫＴＰ結晶やＬＢＯ結晶等といった非線形光学結晶によってＳＨＧ（第２高調波）レーザ光に変換するようになっている。なお、レーザ装置２は、基本波のレーザ光をＳＨＧ以外の高調波レーザ光、例えばＴＨＧ（第３高調波）やＦＨＧ（第４高調波）のレーザ光に変換するものであってもよい。また、レーザ発振部は、半導体レーザ素子であってもよい。
【００２７】
また、図１に示すように、レーザ装置２におけるレーザ光の出射方向側の端部（図１における右端部）には、長尺な光ファイバ７が、その長手方向における一端部である入射側の端部を介して図示しない固定手段によって固定されており、この光ファイバ７の入射側の端面には、レーザ装置２から出力されたＳＨＧレーザ光が入射するようになっている。
【００２８】
光ファイバ７は、図示はしないが、高屈折率の材料からなる横断面円形状のコアと、このコアの外周を包囲する低屈折率の材料からなる横断面円環形状のクラッドとを有しており、この光ファイバ７の入射側の端面に入射したＳＨＧレーザ光は、コア内を全反射を繰り返しながら出射側に向かって導光（導波）されるようになっている。なお、コアおよびクラッドは、石英ガラスやプラスチックによって形成されたものであってもよい。
【００２９】
そして、本実施形態において、光ファイバ７は、ＳＨＧレーザ光の波長の２８倍以上かつ３６倍以下のコア径（コアの直径）を有するラージモードエリアのシングルモードの光ファイバ７とされている。より具体的には、本実施形態における光ファイバ７のコア径は、およそ１５μｍ〜１９μｍに相当する。
【００３０】
さらに、図１に示すように、光ファイバ７の長手方向における他端部である出射側の端部には、加工ヘッド８が図示しない固定手段によって固定されており、この加工ヘッド８は、その出射側の端部を被加工物１の加工面側に向けるようにしてその光軸が被加工物１の加工面の面法線に平行となる状態に配置されている。
【００３１】
この加工ヘッド８には、光ファイバ７のコア内を導光されて光ファイバ７の出射側の端面から出射されたＳＨＧレーザ光が入射するようになっており、この入射したＳＨＧレーザ光は、加工ヘッド８に内蔵されたレンズ等の図示しない集光手段によって集光されて出射側の端部から被加工物１に向けて照射されるようになっている。
【００３２】
これにより、被加工物１におけるＳＨＧレーザ光が照射された部位（加工位置に相当する部位）が、このＳＨＧレーザ光のエネルギによって除去されることによって、被加工物１に対するレーザ加工が行われるようになっている。
【００３３】
なお、図１においては、図４および図５に示したものと同様に、平板状の被加工物１の加工面にスクライブライン５を形成するレーザスクライブを行うようになっている。
【００３４】
また、加工ヘッド８には、この加工ヘッド８を被加工物１の加工位置に移動させる移動機構１０が連結されており、この移動機構１０は、加工ヘッド８をＹ方向に移動させることによって被加工物１に対する１本分のスクライブライン５の形成を加工ヘッド８に行わせ、加工ヘッド８をＸ方向に移動させることによって被加工物１に対する新たな１本分のスクライブライン５の形成を加工ヘッド８に開始させるようになっている。この移動機構１０は、例えばロボットアームのようなものであってもよい。
【００３５】
なお、本実施形態において、レーザ装置２は、レーザ加工装置９の所定の位置に固定されており、移動機構１０による加工ヘッド８の移動の際においても、レーザ装置２は移動しないようになっている。一方、加工ヘッド８の移動の際に、光ファイバ７は、加工ヘッド８に追従するように移動するようになっている。
【００３６】
ここで、表１は、光ファイバ７のコア径と光ファイバ７のコア内におけるＳＨＧレーザ光のピークパワー密度との関係、および、光ファイバ７のコア径と光ファイバ７が変位した際における光量安定性との関係を示した実験結果である。なお、この実験に際しては、高調波レーザ光の波長を０．５３２〔μｍ〕、パルス幅を１２〔ｎｓｅｃ〕、レーザ出力を０．４〔Ｗ〕、周波数を２０〔ｋＨｚ〕、ピークパワーを１．６７〔ｋＷ〕とした。また、表１中の最右欄の光量安定性の評価は、加工ヘッド８を移動して位置を変えて数カ所で出力パワーを測定し、その時のパワーの変動幅を測定した。パワーの変動幅がパワーの平均値に対して１０％以上変動した場合をＮＧと判定した。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
表１に示すように、光ファイバ７のコア径が１４．９〔μｍ〕（波長の２８倍）〜１９．２〔μｍ〕（波長の３６倍）の範囲内であれば、ピークパワー密度を光ファイバ７の破壊が懸念される値（約１．０〔ＧＷ／ｃｍ２〕よりも小さくすることができるとともに、光ファイバ７が移動時に曲げ変形等の変形を起こした場合における光量安定性を確保することができることが分かる。
【００３９】
したがって、本実施形態によれば、加工ヘッド８と、この加工ヘッド８の移動に柔軟に追従することができる光ファイバ７とを用いて被加工物１に対するレーザ加工を行うことができるので、小型軽量化およびコストの削減を図ることができる。また、ＳＨＧレーザ光の横モードをシングルモードに特定し、光ファイバ７のコア径をＳＨＧレーザ光の波長の２８倍以上かつ３６倍以下のラージモードエリアに特定し、光ファイバ７をシングルモードファイバにすることによって、ＳＨＧレーザ光を効率的に発生させて十分なレーザ出力を得ることができるとともに、ＳＨＧレーザ光のピークパワー密度が高過ぎることによる光ファイバ７の破壊を防止し、さらに、加工ヘッド８の移動にともなう光ファイバ７の変位の際における導光の安定性を確保することができるので、被加工物１に対するレーザ加工を効率的かつ適切に行うことができる。
【００４０】
なお、ＳＨＧ波レーザ光の縦モードは、シングルモードにしてもよい。
上記構成に加えて、さらに、本実施形態においては、加工ヘッド８が、その出射側の端部に、ＳＨＧレーザ光のエネルギ強度分布を図２（ａ）のガウス分布から図２（ｂ）のトップハット形状の分布へと変換する変換手段８ａを備えている。この変換手段８ａとしては、例えば、ＬＩＭＯ社製のガウシアン−トゥ−トップハットコンバータを用いるようにしてもよい。
【００４１】
このような構成によれば、変換手段８ａによってレーザ光のエネルギ強度分布をトップハット形状の分布に変換することができるので、被加工物１に対する均一な加工量のレーザ加工を高精度に行うことができる。具体例としては、被加工物１に、深さおよび横幅が均一とされた横断面矩形の溝状のスクライブラインを形成することができる。
【００４２】
次に、本実施形態の作用について説明する。
【００４３】
図３（ａ）〜図３（ｆ）は、本実施形態のレーザ加工装置９を用いてアモルファス太陽電池モジュールを製造する工程を示している。
【００４４】
すなわち、本実施形態では、図３（ａ）においてガラス基板１１を用意し、このガラス基板１１を純水で洗浄した後に、ガラス基板１１上に、ＴＣＯ（Transparent Conducting Oxide：透明導電性酸化膜）からなる透明導電膜１２を形成することによって被加工物１を得る。
【００４５】
次いで、図３（ｂ）に示すように、レーザ加工装置９によって、図３（ａ）に示した被加工物１の透明導電膜１２に対するレーザスクライブ（図１参照）を行って、透明導電膜１２におけるスクライブ位置（加工位置）に相当する部位が上下に貫通された図３における紙面垂直方向に長尺なスリット状のスクライブライン１４を形成する。ここで、本実施形態のレーザ加工装置９によれば、加工ヘッド８から出射されるレーザ光Ｌのエネルギ強度分布をトップハット形状にできるので、図３（ｂ）に示すように、透明導電膜１２に、横幅が均一とされたスクライブライン１４を形成することができる。
【００４６】
次いで、ＣＶＤ法によって、図３（ｃ）に示すように、図３（ｂ）に示した被加工物１の透明導電膜１２上に、アモルファスシリコン膜１５を形成する。このとき、アモルファスシリコン膜１５の一部は、スクライブライン１４を介してガラス基板１１の上面に至る位置まで形成される。
【００４７】
次いで、図３（ｄ）に示すように、レーザ加工装置９によって、図３（ｃ）に示した被加工物１のアモルファスシリコン膜１５に対するレーザスクライブを行って、アモルファスシリコン膜１５におけるスクライブ位置に相当する部位が上下に貫通された図３における紙面垂直方向に長尺なスリット状のスクライブライン１６を形成する。ここで、本実施形態のレーザ加工装置９によれば、加工ヘッド８から出射されるレーザ光Ｌのエネルギ強度分布をトップハット形状にできるので、図３（ｄ）に示すように、アモルファスシリコン膜１５に、横幅が均一とされたスクライブライン１６を形成することができる。
【００４８】
次いで、図３（ｅ）に示すように、図３（ｄ）に示した被加工物１のアモルファスシリコン膜１５上に金属膜１７を形成する。このとき、金属膜１７の一部は、スクライブライン１６を介して透明導電膜１１の上面に至る位置まで形成される。なお、金属膜１７は、太陽電池の裏面電極となる。
【００４９】
次いで、図３（ｆ）に示すように、レーザ加工装置９によって、図３（ｅ）に示した被加工物１の金属膜１７およびアモルファスシリコン膜１５に対する２層にわたるレーザスクライブを行って、金属膜１７およびアモルファスシリコン膜１５におけるスクライブ位置に相当する部位が上下に貫通された図３における紙面垂直方向に長尺な２層１５，１７にわたるスリット状のスクライブライン１８を形成する。ここで、本実施形態のレーザ加工装置９によれば、加工ヘッド８から出射されるレーザ光Ｌのエネルギ強度分布をトップハット形状にできるので、図３（ｆ）に示すように、金属膜１７およびアモルファスシリコン膜１５に、横幅が均一とされたスクライブライン１８を形成することができる。
【００５０】
また、このとき、図３（ｆ）に示すように、レーザ加工装置９によって、図３（ｅ）に示した被加工物１の金属膜１７、アモルファスシリコン膜１５および透明導電膜１１に対する３層にわたるレーザスクライブを行って、金属膜１７、アモルファスシリコン膜１５および透明導電膜１１におけるスクライブ位置に相当する部位が上下に貫通された図３における紙面垂直方向に長尺な３層１１，１５，１７にわたるスリット状のスクライブライン１９を形成する。ここで、本実施形態のレーザ加工装置９によれば、図３（ｆ）に示すように、金属膜１７、アモルファスシリコン膜１５および透明導電膜１１に、横幅が均一とされたスクライブライン１９を形成することができる。
【００５１】
なお、スクライブライン１４，１６，１８，１９は発電に寄与しない無駄な部分であるので、これらのスクライブライン１４，１６，１８，１９の線幅は、できるだけ小さくすることが望ましい。
【００５２】
次いで、図示はしないが、金属膜１７への配線、配線の封止、フレームの取り付けおよび端子ボックスの取り付けを順次行うことによって、アモルファス太陽電池モジュールを得ることができる。
【００５３】
以上述べたように、本実施形態のレーザ加工装置９によれば、小型軽量化およびコストの削減を図ることができるとともに、被加工物１に対するレーザ加工を効率的かつ適切に行うことができる。
【００５４】
なお、本発明は前述した構成に限定されるものではなく、必要に応じて種々変更するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１  被加工物
２  レーザ装置
６  レーザ加工装置
７  光ファイバ
８  加工ヘッド
１０  移動機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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