(57)【要約】【課題】  大容量レーザを用いる場合における遮光部材の熱変形とそれに伴う動作不良、周辺機器への熱伝導による故障などを防止でき、集積型薄膜太陽電池など大面積の加工に適したレーザ加工装置を提供する。【解決手段】  加工用レーザ光を出射するレーザ発振器（３１）と、前記レーザ光の光軸に対して進退可能に設けられ前記レーザ光の加工スポット形状を整形可能な少なくとも１つの遮光部材（４１、４２）と、前記レーザ光を少なくとも１つの軸方向に走査可能なレーザ光走査手段（３５）と、を備えたレーザ加工装置（１３）において、前記遮光部材を冷却する冷却手段として、前記遮光部材に向けて冷却用気体を送給する気体送給手段（４５）を備えた。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工用レーザ光を出射するレーザ発振器と、前記レーザ光の光軸に対して進退可能に設けられ前記レーザ光の加工スポット形状を整形可能な少なくとも１つの遮光部材と、前記レーザ光を少なくとも１つの軸方向に走査可能なレーザ光走査手段と、を備えたレーザ加工装置において、前記遮光部材を冷却する冷却手段をさらに備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記冷却手段が、前記遮光部材に向けて冷却用気体を送給する気体送給手段を含む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】
前記遮光部材が、前記少なくとも１つの軸方向に沿って前記光軸の両側から進退可能に設けられた一対のスリット板と、前記少なくとも１つの軸方向と直交する軸方向に沿って前記光軸の両側から進退可能に設けられたもう一対のスリット板とで構成され、これら４つのスリット板によって矩形状のスリットが画成されており、前記気体送給手段が、前記スリットに向けて圧縮空気を吹き付ける空気噴射ノズルであることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記冷却手段が、前記遮光部材の内部または外面に配設された冷却用流体の流路と、該流路に冷却用流体を流通させる流体送給手段とを含むことを特徴とする請求項１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、主として集積型薄膜太陽電池の加工に使用されるレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体膜としてアモルファスシリコン系薄膜を用いた薄膜太陽電池は、気相成長法で形成でき容易に大面積化できるとともに、形成温度が低いためにプラスチックフィルムのような可撓性基板に形成できる。さらに集積型の直列接続構造、即ち、プラスチックフィルム基板の主面に複数の短冊状の太陽電池単位セルを配設する一方、前記基板の背面に接続用電極層を配設し、基板を貫通する孔を介して単位セルが直列接続された構造により、１枚の基板で数十〜数百Ｖの高電圧を取り出せるメリットがある。
【０００３】
このような直列接続構造の薄膜太陽電池は、一辺が０．３〜２ｍ程度の大面積基板上に積層された半導体膜を、該半導体膜を挟んでその両側に積層された金属電極膜とともに、複数の単位セルに分離加工することにより形成される。この分離加工には、ＹＡＧレーザ等を用いて積層膜をレーザスクライブするレーザ加工装置が使用される。
【０００４】
このレーザ加工装置は、レーザ発振器から誘導放出されたレーザ光を出射光学部に導く光学系、プラスチックフィルム基板をレーザ光走査範囲に保持する加工ステージ、プラスチックフィルム基板を加工ステージに沿って搬送するフィルム搬送係などで構成されている。レーザ光を被加工部位に対して軸方向、例えばＸ−Ｙ方向に移動させる構成としては、出射光学部を固定して加工ステージを移動させる方式や、加工ステージを固定して出射光学部を移動させる方式などがある。
【０００５】
しかし、幅が１〜２ｍにもなるプラスチックフィルム基板の加工では、出射光学部もしくは加工ステージを広範囲に亘って移動させるのは事実上困難であるため、ガルバノミラーを用いて、レーザ光の出射角度を制御し、加工面上におけるレーザ光の照射位置を移動させながらパターニングするガルバノミラー方式が採用されている。
【０００６】
ところで、レーザ光のエネルギー強度分布は、半径方向に減衰するガウス分布状をなしている。このようなレーザ光をそのまま加工に使用すると、照射範囲の中心部分で積層膜を除去できても、周縁部分では除去に必要なエネルギーが得られず、この周縁部分に加工不良が発生する。レーザ光を短焦点で利用する場合は、光学系を用いてエネルギー強度分布をフラットに補正することも可能であるが、ガルバノミラー方式のレーザ加工装置で大面積の加工を行う場合、焦点距離が短いとレーザ光の出射角度の変化が大きくなり、加工形状や強度分布の歪みが大きくなる問題を生じる。
【０００７】
このため、ガルバノミラー方式のレーザ加工装置では、焦点距離をできるだけ長くして出射角度の変化を少なくするとともに、マスク（遮光部材）を用いてレーザ光の照射範囲、すなわち加工スポット形状を整形することにより、エネルギー強度が低い周縁部分を除去し、エネルギーの強度分布が比較的フラットな中央部分を、Ｘ−Ｙ方向への走査に適した矩形に切り出し、加工精度を確保することが有利である。
【０００８】
さらに、大面積のプラスチックフィルム基板を高速で加工するためには、単位セル間の電気的絶縁に必要な分離幅を１回のビーム移動で加工できるように大容量レーザ光を使用することが有利であり、１００〜２００Ｗのレーザビームの導入が検討されている。しかしながら、レーザ光の大容量化に伴い、マスクで遮光される分のエネルギー損失も大きくなり、この損失分のエネルギーは、マスクを構成する遮光部材で反射される分を除き、該遮光部材に熱として吸収されるため、遮光部材の過熱による熱変形が無視できなくなる。
【０００９】
特に、レーザ光の出射角度に応じて加工スポット形状を補正するために、遮光部材を加工プロセス中に移動させ、遮光部材で画成されるスリットの幅を変更する場合に、遮光部材の熱変形に伴う動作不良や、遮光部材の駆動系を含む周辺機器への熱伝導による故障などが懸念されることとなった。
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−３０５６０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明はこのような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、大容量レーザを用いる場合における遮光部材の熱変形とそれに伴う動作不良、周辺機器への熱伝導による故障などを防止でき、集積型薄膜太陽電池など大面積の加工に適したレーザ加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記従来技術の有する課題を解決するため、本発明は、加工用レーザ光を出射するレーザ発振器と、前記レーザ光の光軸に対して進退可能に設けられ前記レーザ光の加工スポット形状を整形可能な少なくとも１つの遮光部材と、前記レーザ光を少なくとも１つの軸方向に走査可能なレーザ光走査手段と、を備えたレーザ加工装置において、前記遮光部材を冷却する冷却手段をさらに備えたことを特徴とする。
【００１３】
本発明の好適な態様では、前記冷却手段が、前記遮光部材に向けて冷却用気体を送給する気体送給手段を含む。
さらに、前記遮光部材が、前記少なくとも１つの軸方向に沿って前記光軸の両側から進退可能に設けられた一対のスリット板と、前記少なくとも１つの軸方向と直交する軸方向に沿って前記光軸の両側から進退可能に設けられたもう一対のスリット板とで構成され、これら４つのスリット板によって矩形状のスリットが画成されており、前記気体送給手段が、前記スリットに向けて圧縮空気を吹き付ける空気噴射ノズルである。
また、本発明の他の好適な態様では、前記冷却手段が、前記遮光部材の内部または外面に配設された冷却用流体の流路と、該流路に冷却用流体を流通させる流体送給手段とを含む。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係わるレーザ加工装置によれば、前記遮光部材を冷却する冷却手段を備えたことにより、大容量レーザを用いる場合における遮光部材の熱変形とそれに伴う動作不良、周辺機器への熱伝導による故障などを防止でき、集積型薄膜太陽電池のような大面積の加工に最適である。特に、前記冷却手段が、前記遮光部材に向けて冷却用気体を送給する気体送給手段を含む態様では、遮光部材自体に変更を加えることなく設置可能であるため、冷却手段の導入コストを低く抑えることができる。
【００１５】
さらに、前記遮光部材が、前記少なくとも１つの軸方向に沿って前記光軸の両側から進退可能に設けられた一対のスリット板と、前記少なくとも１つの軸方向と直交する軸方向に沿って前記光軸の両側から進退可能に設けられたもう一対のスリット板とで構成され、これら４つのスリット板によって矩形状のスリットが画成されており、前記気体送給手段が、前記スリットに向けて圧縮空気を吹き付ける空気噴射ノズルである態様では、４つのスリット板に対し、個々のスリット板の動作を許容した状態で、共通の空気噴射ノズルで一括して圧縮空気を送給でき、冷却手段を低コストで実現できる。
【００１６】
また、前記冷却手段が、前記遮光部材の内部または外面に配設された冷却用流体の流路と、該流路に冷却用流体を流通させる流体送給手段とを含む態様では、冷媒として、空気などの気体以外に、冷水など冷却効率の高い液体を使用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係わるレーザ加工装置を、集積型薄膜太陽電池の加工装置に実施した実施形態を示している。図において、加工装置１は、金属電極膜および半導体膜の成膜工程を経た可撓性基板２０の供給ロール１１、該供給ロール１１から繰り出される可撓性基板２０のレーザ加工を行うための加工室１０、該加工室１０内部の一側に縦に配設された加工ステージ１２、該加工ステージ１２に対向して加工室１２内部の他側に配設され、成膜工程を経た可撓性基板２０を単位セルに分離するためのレーザ加工装置１３、レーザ加工済みの可撓性基板２１の巻取ロール１４などから構成されている。
【００１８】
加工室１０の内部空間上部には清浄空気の吹き出し部（図示せず）が設けられ、加工室１０の内部空間は清浄に維持されている。供給ロール１１から繰り出された可撓性基板２０は、アイドルローラ１５等で加工室１０の天井部に案内され、同期回転されるフィードローラ１６、１７により加工ステージ１２の表面に間欠的に搬送される。
【００１９】
可撓性基板２０には、最表面の透明電極層と背面電極層とを直列接続する複数の接続孔、半導体膜からなる光電変換層の裏面側に位置した裏面電極層と背面電極層とを接続する複数の集電孔が所定配列で穿設されているが、これら以外に、可撓性基板２０の周辺部を表裏に貫通するマーカホールが所定の間隔で穿設されており、このマーカホールを基準に可撓性基板２０が、加工ステージ１２の表面に位置決めされる。
【００２０】
一方、加工ステージ１２の表面には多数の吸着用小孔が設けられており、該吸着用小孔に吸引を生じさせることで、前記位置決めされた可撓性基板２０は、その位置で加工ステージ１２の表面に固定される。その状態で、レーザ加工装置１３を作動させ、可撓性基板２０各側の金属電極膜および半導体膜を単位セル２２に分離加工する。
【００２１】
図２は、レーザ加工装置１３を示す概略図であり、図において、レーザ加工装置１３は、レーザ発振器３１、該レーザ発振器３１から誘導放出されたレーザ光を拡大するエキスパンダ３２、拡大されたレーザ光を加工面上で結像させるための焦点調整レンズ３３、このレーザ光を任意の矩形状に整形するマスク３４、整形されたレーザ光を加工面上でＸ−Ｙ方向に走査するガルバノスキャナ３５などから構成されている。
【００２２】
レーザ発振器３１としては、波長変換ユニットを含むＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器を用い、パルス状のＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波（波長５３２ｎｍ）を出射する。なお、プラスチック製の可撓性基板２０にダメージを与えないように、波長は４００〜６５０ｎｍの範囲にすることが好ましい。また、加工材料の種類に応じて、ＹＡＧ、ＹＬＦ、ＹＶＯ等のレーザ光を用いることもできる。
【００２３】
ガルバノスキャナ３５は、それぞれ加工面上におけるＸ軸方向、Ｙ軸方向への走査に対応した一対のガルバノミラー５１、５２、および、それらを回動させるサーボモータ等の駆動機構５３、５４などから構成されており、ガルバノミラー５１、５２の回動角に応じてレーザ光の加工スポットを、加工面上でＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させることができる。
【００２４】
マスク３４は、図３に示すように、Ｘ軸方向に沿って光軸の両側から進退可能に設けられた一対のスリット板４１、４１と、それらに軸方向と直交するＹ軸方向に沿って光軸の両側から進退可能に設けられたもう一対のスリット板４２、４２とで構成されている。これら４つのスリット板４１、４２（遮光部材）は、矩形状のスリット４０を画成しており、図３に破線で示されるような楕円形状のエネルギー強度分布を持つレーザ光の加工スポットを矩形状に整形可能である。
【００２５】
図４は、上記レーザ光のエネルギー強度分布を示している。図示のように、レーザ光のエネルギー強度は、光軸を中心に径方向に減衰するガウス分布をなしているが、マスク３４で遮光してエネルギー強度が小さい周辺部分を除去し、エネルギー強度分布が比較的フラットな中央部分のみを加工に用いることによって、加工範囲内で均一かつ確実に金属電極膜および半導体膜の除去加工を行うことができる。
【００２６】
さらに、各スリット板４１、４２は、図示しない支持部材で摺動可能に支持され、それぞれを個別に進退駆動するためのネジ送り機構およびサーボモータ４３、４４を備えており、サーボモータ４３、４４を制御することにより、スリット４０の大きさを調整可能であると共に、各スリット板４１、４２を光軸に対して非対称に偏位させることができる。これにより、レーザ光の出射角度に応じてスリット４０の大きさと位置を調整し、加工スポット形状や強度分布の歪みを補正することができる。また、加工スポットの移動方向と反対方向にスリット４０を偏位させ、加工スポット移動方向の前方側のエネルギー強度分布を大きくすることもできる。
【００２７】
上記のようにマスク３４（スリット板４１、４２）でレーザ光を矩形状に整形することに伴い、図４に破線で示されるスリット板４１、４２で遮光される分のエネルギーは、反射される分を除けば、スリット板４１、４２で熱として吸収されることになる。そこで、本発明に係わるレーザ加工装置１３では、スリット板４１、４２の冷却手段として、スリット板４１、４２のスリット４０を画成する縁部に向けて圧縮空気を吹き付ける空気噴射ノズル４５を設けてある。
【００２８】
空気噴射ノズル４５の他端側はコンプレッサなど図示しない空気圧力源に接続されており、レーザ加工装置１３の動作中は連続的に空気噴射ノズル４５から圧縮空気の吹き付けが行われる。これにより、各スリット板４１、４２の過熱と、それに伴うサーボモータ４３、４４やその制御回路への熱伝導が防止され、スリット板４１、４２の熱変形による動作不良や、サーボモータ４３、４４や制御回路の故障を防止できる。また、空気噴射ノズル４５は、スリット板４１、４２に近接して配置されるものの、スリット板４１、４２に対して固定されないため、これらの進退動作を阻害することはなく、スリット板４１、４２や駆動機構に変更を加えることなく設置できる利点がある。
【００２９】
なお、スリット板４１、４２またはその支持部材に温度センサを設け、設定温度以上となった場合にのみ圧縮空気の吹き付けを行うようにすることもできる。また、各スリット板４１、４２のサーボモータ４３、４４に連なる基端側に冷却フィンなどの放熱部材を設け、空気噴射ノズル４５から噴射された圧縮空気が放熱部材に吹き当てられるように構成しても良い。さらに、空気噴射ノズル４５から圧縮空気を吹き付ける代わりに排気ファン（図示せず）を設け、排気ファンの誘引空気流が各スリット板４１、４２や冷却フィンに接触するように構成することもできる。
【００３０】
さらに、スリット板４１、４２の冷却手段として圧縮空気や誘引空気流を用いる他に、スリット板４１、４２の内部（または外面）に、冷却用流体を流通させるための流路を配設し、該流路にポンプなどの流体送給手段を用いて冷却用流体を強制的に循環させるように構成することもできる。その場合、各スリット板４１、４２の進退動作を阻害しないように、各スリット板４１、４２側に配設される可動側流路の供給側および回収側端部と、支持構造側に配設される固定側流路の供給側および回収側端部とは、可撓性配管、または、スリット板４１、４２の進退方向に摺動可能な管継ぎ手を介して連結され、固定側流路にポンプや熱交換器などが配設される。
【００３１】
以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形および変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明実施形態のレーザ加工装置を備えた薄膜太陽電池の加工装置の概略を示す側面図である。
【図２】レーザ加工装置の基本構成を示す概略図である。
【図３】本発明実施形態のレーザ加工装置を示す要部平面図である。
【図４】レーザ加工装置のエネルギー強度分布を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  薄膜太陽電池の加工装置
１３  レーザ加工装置
３１  レーザ発振器
３２  エキスパンダ
３３  焦点調整レンズ
３４  マスク
３５  ガルバノスキャナ（レーザ光走査手段）
４０  スリット
４１、４２  スリット板（遮光部材）
４３、４４  サーボモータ
４５  空気噴射ノズル（冷却手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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