JP2006520934A - 慣性駆動式走査装置及び方法 - Google Patents

Abstract

光走査装置が、慣性駆動装置により直接動かされるフレームを含み、該フレーム上のヒンジにより支持された走査素子を、高い走査速度及び最小の電力消費で振動させる。

Description

本発明は、一般に、例えば光学的コードのようなターゲットを繰り返し走査するための光走査装置及び方法に関し、より具体的には、こうした走査装置を、電力の使用を最小限にする低電力条件下及び高走査速度で作動させることに関する。

シンボルを光学的に読み取ることによって各々の対象物を識別するために、対象物に適用されるバーコード・シンボルのような光学的コードを読み取る、種々の光学的コード読取装置が、これまでに開発されてきた。バーコード・シンボル自体は、種々の幅を持ち、互いから離間配置されて、種々の幅のスペースを境界付ける一連のバーから構成されるコード化されたパターンであり、このバー及びスペースは、異なる光反射特性を有する。読取装置は、コード化されたパターンを、対象物を記述する多数のデジタル表現に電気光学的にデコードするものであった。この一般的なタイプの読取装置は、例えば、米国特許第４，２５１，７９８号に開示された。

周知の技術において開示されるように、こうした読取装置の特に有利な実施形態は、とりわけ、光源、好ましくはガス・レーザ又はレーザ・ダイオードから放出される光ビーム、好ましくはレーザ・ビームを放出すること、及び該レーザ・ビームを読み取られるシンボルに指向させることにあった。シンボルに向かう途中で、レーザ光は、走査部品の光リフレクタに指向され、該光リフレクタに反射された。走査部品は、リフレクタを周期的な方法で動かし、レーザ・ビームにシンボルを繰り返し走査させた。シンボルは、入射したレーザ・ビームを反射した。シンボルに反射した入射光の一部が集光され、読取装置の、例えば光ダイオードのような検出器部品によって検出された。光ダイオードは、視野を有し、その視野にわたって検出された光が、その後の処理のために、電気デコード回路によって、シンボルを記述するデータにデコードされた。周期的に移動可能なリフレクタが、シンボルを横切ってレーザ・ビームを掃引し、及び／又はある走査速度で走査する間に視野を掃引した。

幾つかの異なるタイプの走査部品が、当該技術分野において周知であった。例えば、米国特許第４，２５１，７９８号は、各々の面にミラー付き外面を有する多角形状の多面ホイールを開示した。このホイールは、回転用に取り付けられたものであり、各々のミラー付き外面は、入射したレーザ・ビームが走査されるシンボルに指向される光学経路内に配置された。米国特許第４，２５１，７９８号に開示された他の走査部品は、バイモルフ型又は強誘電型振動素子、及びスピーカー型振動素子であり、各々の素子は、振動可能なミラーを有していた。

米国特許第４，３８７，２９７号及び米国特許第４，４９６，８３１号は、リフレクタを、モータの出力シャフトに対して反対の周方向に往復振動させるように働く電気モータを含む走査部品を開示した。米国特許第４，３８７，２９７号はまた、ペンタ・バイモルフ型走査部品も開示した。米国特許第５，０９９，１１０号は、ヒンジ内の蓄積されたエネルギーを解放することによって走査ミラーを振動させる省電力型走査部品を開示した。
光リフレクタは、単一の平面ミラーである必要はないが、米国特許第４，７６０，２４８号に説明されるように、部分的に凹面で部分的に平坦である構成を持つ光学部品とすることができた。米国特許第４，４９６，８３１号に説明されるように、このリフレクタは、電気モータによって３６０°未満のアーク長に沿って周方向に交番的に駆動することができ、又は、変形構成においては、米国特許第４，８１６，６６１号に説明されるように、軸の周りに完全に回転させることができる。

更に別の変形構成においては、米国特許第５，１４４，１２０号に説明されるように、走査動作を行うのにリフレクタを用いるのではなく、他の読取装置部品の１つ又はそれ以上を互いに対して一緒に又は別個に動かし、電気モータによって駆動される往復走査動作を行う、いわゆる「ミラーのない」設計においては、リフレクタが完全に排除された。他の読取装置部品は、例えばレーザ・ダイオードのような光源部品、及び／又は例えば合焦レンズのような光学部品、及び／又は例えば光ダイオードのような光検出器部品を含むものであった。
上述の走査部品の全てにおいて、走査速度は比較的低いものであり、１００Ｈｚより少ないオーダーであった。走査速度を３５０Ｈｚから１２００Ｈｚまでの範囲に増大させるため、米国特許第５，４１２，１９８号は、走査ミラーが、永久磁石と電磁石コイルとの間の磁場相互作用によって振動される共鳴型非対称走査素子を開示した。

永久磁石又は電磁石コイルを直接走査ミラー上に取り付け、磁気駆動型振動可能ミラー・アセンブリを形成することは、当該技術分野において周知であった。静電駆動型振動可能ミラー・アセンブリにおいて、電極を走査ミラー上に直接取り付けることも周知であった。しかしながら、このことは、振動可能なアセンブリの質量を増大させ、これにより該アセンブリを駆動させるためにより多くの電力が必要になり、走査速度が制限された。電力が内蔵バッテリによって供給される手持ち式読取装置においては、高い所要電力がバッテリの作業寿命を縮める。また、１２００Ｈｚを超える高い走査速度、実際には、２０ｋＨｚより大きい不可聴周波数における高い走査速度が望まれる、バーコード・シンボルの読み取りに制限されない多くの用途が存在する。

本発明の１つの目的は、バーコード・シンボルのような光学的コードを電気光学的に読み取るための読取装置の技術の状態を発展させることである。
本発明の別の目的は、こうした読取装置の電力消費を最小限にすることである。
本発明の更に別の目的は、こうした読取装置の走査速度を高めることである。
本発明の更に別の目的は、光学的コードを読み取ることに制限されない無数の用途において光を走査するための、限定されない例として、画像をディスプレイ面上に投射するか、又は画像をターゲットから捕捉するための、低電力で高い走査速度の装置を提供することである。

これらの目的及び以下で明らかになる他の目的に即して簡潔に述べると、本発明の１つの特徴は、移動可能なフレームが、入射光を反射させるための振動可能な走査素子を支持する光走査装置及び方法に在る。ヒンジ軸に沿って延びるヒンジが、フレームと走査素子の間に接続される。慣性駆動装置が、フレームを直接動かし、慣性により該走査素子を間接的に振動させるように働き、入射光を走査する。
本発明によると、走査素子は、軽量である。永久磁石、又は電磁石コイル、又は電極、又は同様の重りも取り付けられていず、或いは接続されていず、したがって、走査素子は、１ｋＨｚより速い、好ましくは約２０ｋＨｚのオーダー及びそれ以上の高い走査速度で自由に動かすることができる

好ましい実施形態においては、フレーム、ヒンジ、及び走査素子は、ほぼ平坦なシリコン基板から一体構成として作られる。反射コーティングが走査素子上に被覆されることが好ましい。フレームは、走査素子を囲み、静止位置において共通の面にあることが好ましい。走査素子は、１５０μのオーダーの厚さを有し、シリコンの高い品質（Ｑ）係数のため、走査素子は、望ましい低い減衰特性を有する。
走査素子の振動は、慣性力によって達成される。走査素子は、直接駆動されない。代わりに、移動可能なフレームが直接駆動される。一実施形態においては、フレームは、走査素子の質量の中心を通って延びるヒンジ軸の周りで振動することができる。別の実施形態においては、質量の中心を通る軸に並行な横断方向に沿って、ヒンジ軸を離間配置することができ、この場合、横断方向とほぼ垂直な直線方向にフレームを動かすことにより、走査素子がヒンジ軸の周りで振動させられる。

慣性駆動装置は、フレームに作動可能に接続された１つ又はそれ以上の圧電装置から作られることが好ましい。通電されたときに、各々の装置は機械力を生成する。特に有利な１つの実施形態においては、２つの圧電装置が、ヒンジ軸の両側でフレームに接続される。作動においては、一方の装置が、フレームの一方の側をヒンジ軸の周りに一方の周方向に押し、同時に、他方の装置がフレームの反対側を反対向きの周方向に引く。これらのプッシュ・プル力が、ヒンジを通して走査素子に交番的に伝えられる。したがって、静止状態で始まる走査素子は、動いているフレームから力を受け取り、該走査素子は、受け取った力と同じ経路及び方向に動き始める。プッシュ・プル力が同じ周波数で与えられた場合、走査素子は共鳴周波数で振動する。フレームが必要とする運動量は、Ｑ係数で割った走査素子の所望の運動量に比例する。好ましい実施形態においては、フレームの行程は１μより下であり、走査素子は、機械的に±８度の弧を進む。

ここで図面を参照すると、参照数字１０が、バレル１１及びハンドル１２を有する手持ち式の銃形状頭部を全体的に識別する。手動操作可能なトリガ１３が、ハンドル１２の上部の前向き部分においてバレル１１の下に配置される。上で特定された特許から分かるように、必ずしもというわけではないが、一般的にはレーザである光源部品が、頭部１０の内部に取り付けられる。光源部品は、例えばバーコード・シンボルのような、読み取られる表示記号に面する窓１４を通して外方に延びる伝達経路に沿って光ビームを放出する。また、視野を有し、シンボルからの戻り経路に沿って窓１４を通して戻る反射された光を集光するように働く、例えば光ダイオードのような光検出器部品も頭部内に取り付けられる。

走査部品は、頭部１０内に取り付けられ、シンボル及び／又は光検出器の視野を走査するように働く。走査部品は、必ずしもというわけではないが、一般的には、伝達経路及び／又は戻り経路内に配置される少なくとも１つの走査素子又は光リフレクタを含む。この走査素子は、電動式駆動装置によって、軸線に対して周方向に交番的に駆動される。
光検出器は、反射された光の可変強度を示す電気アナログ信号を生成する。このアナログ信号は、アナログ・デジタル変換器回路によって、デジタル信号に変換される。一実施形態によると、このデジタル信号は、頭部１０の外部に位置するデコード・モジュール１６まで、電気ケーブル１５に沿って伝えられる。デコード・モジュール１６は、デジタル信号を、シンボルを記述するデータにデコードする。通常はコンピュータである外部のホスト装置１７は、主として、デコード・モジュール１６によって生成されたデータがその後の処理のために格納されるデータ・ストアとして働く。

他の実施形態においては、デコード・モジュール１６が頭部内に取り付けられ、内蔵メモリを用いて、有線接続又は無線接続のいずれかにより、後のダウンロードのためにデコードされた信号を格納する。
使用において、ユーザがシンボルを読み取りたいと望むたびに、該ユーザは、頭部をシンボルに向け、トリガ１３を引いてシンボルの読み取りを開始する。シンボルは、ある走査速度で毎秒複数回、繰り返し走査される。シンボルがうまくデコードされ、読み取られるとすぐに、走査動作が自動的に終了し、これにより、スキャナを読み取られる次のシンボルに順に指向させることが可能となる。

ここで図２乃至図４を参照すると、光学的コードを電気光学的に読み取るための、図１に例示されたタイプのシステムにおいて光ビーム及び／又は視野を走査するのに適した光走査装置２０が示されている。装置２０は、入射光を反射させるための、振動可能な走査素子２２、特に平面ミラーを含む。光が光源から来て、走査され、読み取られるコードに反射してもよく、又は、光がターゲットから来て、視野にわたって走査され、画像形成されてもよい。
装置２０はまた、ヒンジ軸３０に沿って延びるヒンジを用いて走査素子２２を支持するための、移動可能なフレーム２４も含む。図４に最もよく見られるように、ヒンジは、走査素子２２の対向する領域とフレームの対向する領域との間に接続された、同一線上にある一対のヒンジ部分２６、２８を含む。図示されるように、フレーム２４が走査素子を囲む必要はない。

フレーム、ヒンジ部分、及び走査素子は、約１５０μの厚さである、一体のほぼ平坦なシリコン基板で作られる。シリコンがエッチングされ、上部の平行なスロット区分３６、３８、下部の平行なスロット区分４０、４２、及びＵ形状の中央スロット区分４４、４６を有するオメガ形状のスロット３２、３４を形成する。ヒンジ部分２６は、スロット区分３６、３８間に配置される。ヒンジ部分２８は、スロット区分４０、４２間に配置される。走査素子２２は、楕円形状を有することが好ましく、スロット区分４４、４６内で自由に移動できる。好ましい実施形態においては、楕円形状の走査素子の軸に沿った寸法は、７４９μ×１６００μである。各々のヒンジ部分の幅は２７μであり、長さは１１３０μである。フレームは、幅が３１００μであり、長さが４６００μである矩形の形状を有する。

慣性駆動装置は、ほぼ平坦なプリント回路基板４８上に取り付けられ、フレームを直接動かし、慣性により、ヒンジ軸３０の周りに走査素子２２を間接的に振動させるように働く。慣性駆動装置の一実施形態は、基板４８と垂直に延び、ヒンジ部分２６の両側において離間配置されたフレーム２４の部分と接触している一対の圧電変換器５０、５２を含む。接着剤を用いて、各変換器の一端と各フレーム部分との間の恒久的接触を保証することができる。各変換器の反対端は、基板４８の後部から突出し、ワイヤ５４、５６によって周期的な交流電圧源に電気的に接続される（図示せず）。

使用において、周期的な信号が、周期的な駆動電圧を各変換器に印加し、それぞれの変換器の長さを交番的に伸縮させる。変換器５０が伸長すると変換器５２は収縮し、逆もまた同様であり、これにより離間配置されたフレームの部分が同時に押したり引いたりされ、フレームをヒンジ軸３０の周りにねじる。駆動電圧は、走査素子の共鳴周波数に対応する周波数を有する。走査素子は、該走査素子も共鳴周波数でヒンジ軸の周りで振動するまで、最初の静止位置から動かされる。好ましい実施形態においては、フレーム及び走査素子は、約１５０μの厚さであり、該走査素子は高いＱ係数を有する。各変換器による１μのオーダーの運動は、２０ｋＨｚを超える走査速度での走査素子の振動を引き起こすことができる。

別の対の圧電変換器６０、６２が、基板４８と垂直に延び、ヒンジ部分２８の両側において離間配置されたフレーム２４の部分と永久的に接触する。変換器６０、６２は、フレームの振動運動を監視し、電気フィードバック信号を生成し、ワイヤ６４、６６に沿って該電気フィードバック信号をフィードバック制御回路（図示せず）に伝えるフィードバック装置として働く。
光は、走査素子の外面に反射することができるが、素子２２の表面を、金、銀、アルミニウム、又は同様の材料で作られた鏡面コーティングで被覆することが望ましい。

これまで述べられたように、ヒンジ軸３０は、走査素子の質量の中心を通って延びる対称軸と同一線上にあり、これにより、フレームが振動されるときに振動する均衡のとれた走査素子がもたらされる。図５及び図６の概略図に示されるように、本発明はまた、ヒンジ軸３０が、走査素子の質量の中心を通って延びる対称軸７０から遠ざかるように横断方向の距離だけ離間配置された重量不均衡の走査素子２２も考える。図５において、ヒンジ軸３０は、軸線７０から遠ざかるように水平方向に離間配置されるが、図６においては、ヒンジ軸３０は、軸線７０から遠ざかるように垂直方向に離間配置されている。図５のフレーム２４が両方向の矢印７２の方向に垂直方向に動かされる場合には、走査素子２２は、ヒンジ軸３０の周りで振動する。図６のフレーム２４が両方向の矢印７４の方向に水平方向に動かされる場合には、走査素子２２は、ヒンジ軸３０の周りで振動する。このように、図５及び図６は、フレームの直線運動によってさえも、走査素子を振動させ得ることを実証する。

フレームの運動を圧電変換器から得る必要はなく、代わりに、他の駆動装置を用いることもできる。例えば、図７は、電極７６がフレーム２４上に取り付けられ、別の電極６７が基板４８上に取り付けられた静電駆動装置を示す。スペーサ８２は、フレーム２４を基板４８から離れた状態に支持する。電極に異極性を持たせることにより、フレーム２４が両方向の矢印８０の方向に水平方向に動き、走査素子２２は、図６に関連して上述したような方法で振動する。
ここに説明される光走査部品２０は、コード化された表示記号の読み取りを含む用途に制限するように意図されるものではない。別の重要な用途は、光ビームが表示面を横切ってラスタ・パターンの走査線で掃引される画像投射、及び光ビームが、各走査線に沿った選択された位置においてのみ見えるようになる画像投射にある。こうした画像投射ディスプレイの詳細に関しては、共に２０００年６月２７日に出願され、本出願の譲受人に譲渡された、米国特許出願番号第０９／６０４，１９６号及び米国特許出願番号第０９／６０４，１９７号を参照することができる。

新規なものとして特許請求され、特許状によって守られることが所望されるものは、添付の特許請求の範囲に述べられている。

光学的コードを電気光学的に読み取るための手持ち式読取装置の斜視図である。 図１の読取装置に用いるための光走査装置の好ましい実施形態の正面斜視図である。 図２の実施形態の背面斜視図である。 図２の装置の詳細な拡大正面図である。 本発明による光走査装置の別の実施形態の概略図である。 本発明による光走査装置の更に別の実施形態の概略図である。 本発明による光走査装置の更に別の実施形態の概略図である。

Claims (18)

1. ａ）入射する光を反射させるための振動可能な走査素子と、
   ｂ）前記走査素子を支持するための移動可能なフレームと、
   ｃ）ヒンジ軸に沿って延び、前記フレームと前記走査素子との間に接続されたヒンジと、
   ｄ）前記フレームを直接動かし、慣性により前記走査素子を前記ヒンジ軸の周りで間接的に振動させ、前記入射光を走査するための慣性駆動装置と、
   を備えることを特徴とする光走査装置。
2. 前記走査素子、前記フレーム、及び前記ヒンジが、一体のほぼ平坦なシリコン基板であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記走査素子が鏡面コーティングを有することを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記ヒンジが、前記ヒンジ軸に沿って延びる２つの細長いヒンジ部分を含み、各々のヒンジ部分が、前記フレームに接続された一端の領域と、前記走査素子に接続された反対端の領域とを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記フレームは、前記走査素子を囲み、前記装置の静止位置と共通の面にあることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記走査素子は、該走査素子の質量の中心を通って延びる対称軸を有し、前記ヒンジ軸は、前記対称軸と同一線上にあり、前記駆動装置は、前記フレームを直接振動させるように働くことを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記走査素子は、該走査素子の質量の中心を通って延びる対称軸を有し、前記ヒンジ軸は、前記対称軸に平行な横断方向に沿って離間配置され、前記駆動装置は、前記フレームを、前記横断方向とほぼ垂直な駆動方向に直接直線的に動かすように働くことを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記駆動装置が、１ｋＨｚを超える周波数で、機械的に±８°のオーダーの弧状距離にわたって前記走査素子を振動させるように働くことを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 前記駆動装置が、前記フレームに接続され、周期的な駆動信号により通電されたときに、該フレームを、前記ヒンジ軸の周りで反対向きの周方向に、機械的に動かすように働く少なくとも１つの圧電装置を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
10. 前記駆動装置が、前記ヒンジ軸の両側で前記フレームに接続され、周期的な駆動信号により通電されたときに、該フレームの両側を、前記ヒンジ軸の周りで反対向きの周方向にそれぞれ機械的に押したり引いたりするように働く、一対の圧電装置を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
11. 光走査方法であって、
    ａ）振動可能な走査素子に入射する光を反射させ、
    ｂ）前記走査素子を移動可能なフレーム上に支持し、
    ｃ）ヒンジ軸に沿って延び、前記フレームと前記走査素子との間に接続されたヒンジを接続し、
    ｄ）前記フレームを直接動かし、慣性により前記走査素子を前記ヒンジ軸の周りに間接的に振動させて前記入射光を走査する、
    ステップを含むことを特徴とする光走査方法。
12. 前記走査素子、前記フレーム、及び前記ヒンジを、一体のほぼ平坦なシリコン基板で作るステップをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記走査素子を反射コーティングで被覆するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記走査素子は、該走査素子の質量の中心を通って延びる対称軸を有し、前記ヒンジ軸は、前記対称軸と同一線上にあり、前記駆動ステップは、前記フレームを直接振動させることによって実行されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
15. 前記走査素子は、該走査素子の質量の中心を通って延びる対称軸を有し、前記ヒンジ軸は、前記対称軸に平行な横断方向に沿って離間配置され、前記駆動ステップは、前記横断方向にほぼ垂直な駆動方向に、前記フレームを直接直線的に動かすことによって実行されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
16. 前記駆動ステップが、１ｋＨｚを超える周波数で、機械的に±８°のオーダーの弧状距離にわたって前記走査素子を振動させることによって実行されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
17. 少なくとも１つの圧電装置を前記フレームに接続し、前記駆動ステップは、周期的な駆動信号により通電されたときに、該フレームを、前記ヒンジ軸の周りで反対向きの周方向に機械的に動かすことによって実行されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
18. 一対の圧電装置を前記ヒンジ軸の両側で前記フレームに接続し、前記駆動ステップは、周期的な駆動信号により通電されたときに、該フレームの両側を、前記ヒンジ軸の周りで反対向きの周方向に、それぞれ機械的に押したり引いたりすることによって実行されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。

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