JP3778416B2 - 小型バーコードリーダにおける走査装置の光路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はバーコード記号リーダなどの電気光学的リーダあるいは走査システムに係り、特に小型バーコードリーダに適用したとき必要となる走査モジュールにおける光路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
バーコード記号リーダなどの電気光学的リーダは、現在きわめて一般的である。一般に、バーコード記号は通常、長方形の１つあるいはそれ以上の明暗領域の列を有している。暗領域の幅すなわちバー及び／又は明領域の幅すなわちバー間のスペースが記号中に情報をエンコードする。
【０００３】
バーコード記号リーダは、記号に光を当て、光の反射力の異なる領域から反射された光を検知し、それら領域の相対的な幅とスペースを検出しエンコードされた情報を取り出す。バーコード読取り型データ入力システムは、色々なものへの適用に対するデータ入力の効率と精度を改善する。このシステムにおけるデータ入力の容易さは、より速く正確なデータ入力を容易にし、例えば効率的な在庫や出荷管理などを容易にする。しかし、これらの利点を達成するためには、使用者や作業者が喜んでリーダを使用し続けることが必要である。それ故、リーダは操作が易しく便利でなければならない。
【０００４】
色々な種類の走査システムが知られている。リーダの特に利点のある１つの型式は光学的スキャナであり、それは、レーザビームなどの光ビームを記号と交差する方向に走査する。本発明の出願人により所有され、この出願に組込まれている米国特許4,387,297及び4,760,248で例示されている型式のレーザスキャナシステム及び構成部品は、概括的には異なった反射力の部分を有する記号、すなわち特に一般製品コード（ＵＰＣ）タイプのバーコード記号であって、そのバーコード記号は手持型あるいは定置型スキャナからの作業領域あるいは読取り距離のある状態で読取られるように設計されている。
【０００５】
種々のミラー及びモータ構成が望ましい走査パターンでビームを移動するために用いられる。例えば、米国特許4,251,798は、各面に平らなミラーを有し、各ミラーが記号と交差する走査ラインをトレースする回転多角形型を開示している。米国特許4,387,297及び4,409,470は、両方とも平面ミラーを使用しており、そこでは、平面ミラーはミラーが支持されているドライブシャフトのまわりを交互に円周方向反対向きに繰返し往復駆動される。米国特許4,816,660は、ほぼ凹面状のミラー部分とほぼ平面状ミラー部分とよりなる多ミラー構造を開示している。多ミラー構造は、多ミラー構造が支持されているドライブシャフトのまわりを交互に変化する方向に繰返しかつ往復方向に駆動される。
【０００６】
上述した形式の電気光学的スキャナにおいては、レーザ光源部を有する「走査エンジン」光学的ミラー構造、ミラー構造を揺動させる駆動機構、光検出器及び信号処理及びデコード回路があり、これら全てがスキャナの大きさと重量を決める。長時間使用する場合には、大型の重い手持型スキャナは、使用者を疲れさせる。スキャナの使用が疲れを生じ、あるいはその他不便を感じさせる場合、使用者はスキャナの使用を嫌がる。スキャナを使い続けるのを嫌がることは、かかるバーコードシステムが意図しているデータ収集という目的を駄目にする。また、ノートブック型のような小型装置に適した小型スキャナが望まれている。
【０００７】
かくして、バーコードリーダの開発の当面の課題は、可能な限りリーダを小型化することであり、走査エンジンの寸法及び重量を更に小さくし、スキャナの使用を特に便利にすることが必要である。可動する構成部品の重量は、可能な限り軽くし、スキャナを動かすのに必要な力を最小化すべきである。
【０００８】
特定のモジュールが種々の異なる型式のスキャナに使用できるようにするために、走査エンジンのモジュール化もまた望まれている。しかし、必要な構成部品を全て備えた小型軽量のモジュールを開発することが特に必要である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、光ビームの走査動作を行い反射光を収集するのに使用される構成部品の寸法及び重量を減少させることである。
【００１０】
関連する目的は、小型で重量の軽い電気光学的走査システムを開発することである。
【００１１】
更に別の目的は、製造し易く、安価なモジュールを造り出すことである。関連する目的は、容易に組立られるモジュールを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
簡単に一般的な言い方をすると、本発明は基板、読取られる記号に第１光路の第１セグメントに沿って光ビームを発生し方向付ける、基板によって支持された光源部、第１光路の第１セグメントから変位している光軸を有し、反射光を収集し第２光路に沿ってこの光を再度方向付けする集光部を有する光学的組立体、振動するように支持された往復揺動可能な走査ミラーを有し、第１光路の第１セグメントに伝達される光ビームを受光し、その光ビームを第１光路の第２セグメントに沿ってハウジングモジュールの窓部を介して外方へ方向付けるようになっている走査組立体、及び集光部によって再度方向付けされた収集反射光を検知し、検知された光強さに対応した電気信号を発生する、基板に支持されたセンサーを有する光学的走査モジュールを提供する。
【００１３】
本発明によると、窓部を備えたハウジングを有するバーコードリーダが提供され、そのバーコードリーダはそれに載置された光学的走査モジュールを有し、
（ａ）光ビームを射出する光源部
（ｂ）上記光ビームを受光し、それにより走査ビームを射出された走査ビームがリーダの窓部とほぼ直角になるように走査されるバーコード記号に向けられた走査ビームを発生する走査装置を有する。
【００１４】
さらに、本発明によると、ほぼ20.6mm×14.2mm×11.4mmの寸法を持つほぼ長方形の平行6面体形状の小型光学的モジュールが設けられている。第1の実施態様において、小さい方の側面の1つ（すなわち、好ましくは20.6mm×11.4mmの周辺側面あるいは出来れば14.2mm×11.4mmの寸法の側面）に、光ビームを射出する光源部、上記光ビームを受光しそれに従い読取られる記号に向けて走査ビームを発生する走査装置、検出器及び反射光を受光しそれを上記検出器の方向に向けるように配置された集光ミラーが取付けられている。
【００１５】
第2の実施態様において、同一の形状要素で、光源部が周辺側面（すなわち、10.4mm×20.6mm側）の第1の側面に取付けられ、走査装置は第1の基板側面（すなわち、20.6mm×14.2mm側）上に支持され、集光ミラーは基板の側面上に支持されており、検出器は基板側面の1つに取付けられている。この実施態様で、1つあるいは両方の基板側面が、プリント回路板から成っており、一方、光源部が取付けられている周辺側面は一体金属あるいはプラスチック製のモジュールのシャーシの1部を構成している。
【００１６】
第3の実施態様においては、同一の形状要素で、光源部は周辺側面の第1の側面（すなわち、20.6mm×14.2mm側）に取付けられており、走査装置は、基板の第2側面（すなわち、他の20.6mm×14.2mm側）に取付けられており、集光ミラーは第１及び第2側面上に支持されており、そして検出器が第1及び第2基板上に支持されている。この実施態様において、第2基板側面はプリント回路で構成されている。
【００１７】
第2の実施態様の好ましい形態において、走査装置及び検出器は同一の基板側面上に支持され、集光ミラーは反対側の基板側面上に支持されている。このような配置は、電気接続部を有する構成部品をプリント基板側面に取り付け、一方、重要な光学的構成部品（レーザ及び集光ミラー）を、他方の基板側面を構成しており少なくとも周辺側面の１つを構成する一体シャーシ内に配置することを可能にする。
【００１８】
第4の実施態様において、同一の形状要素でみて、全ての構成要素はプリント回路板から構成された基板側面（すなわち、10.4mm×20.6mm側）の第1の側面上に支持されている。
【００１９】
本発明の特有と思われる新しい特徴は、特に添付の特許請求の範囲に述べられている。しかし、本発明それ自体はその構造及びその作動方法の双方に関して、その追加の目的及び利点と共に、添付図面と関連させて特定の実施態様について下記の記載を読むとよく理解されるであろう。さらに、本発明の特徴点は、添付独立請求項に述べられており、さらに、好ましい特徴点は従属請求項に述べられている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は好ましい実施態様によるバーコードリーダに用いる走査レーザビームを発生する安価な光学的組立体を示す。
【００２１】
光学的組立体は、２つの主要部分即ち「固定光学系」10とスキャナモータ駆動部12から成っており、両者共に共通の支持部すなわちプリント回路板（ＰＣＢ）14上に取付けられている。組立体の構造を詳細に説明する前に、装置の作動の簡単な全体像を説明しておくと理解の助けになるであろう。半導体レーザ18からの光ビーム16は、モールドされたプラスチックレンズ20を通過して、プリズム22で内面全反射により９０°方向を変えられる。プリズムで方向変換した後、ビームは集光ミラー26の開口部24を通過し、揺動している走査ミラー28に当たる。これが読取られる記号（図示せず）の方に向けられた外方に射出走査用光ビームをつくりだす。ミラー28は傾いているように示されているが、これは単に、ミラーの形状と作動をより判り易くするための図の表し方によるものである。ミラーは図が描かれている紙と同じ面内で、かつＰＣＢ14と直角な面内でビームを通す。
【００２２】
記号からの反射光32は走査ミラー28によって最初に受け止められ、このミラーによって集光ミラー36の凹面34に指向される。その結果、開口36及びフィルター38を通して光検出器40に光が集束させられる。その後光検出器の出力信号が電気カップリング42によってＰＣＢ14の適切な電子装置に至る。
【００２３】
このことは、走査ミラー28が44で揺動可能に軸着されており、永久磁石46と駆動電磁コイル48との相互作用により行われる。適当な駆動信号がＰＣＢ14とコイルの電気接点50を通してコイルに与えられる。図１に示されたスキャナモータ駆動部12は代表例であって、一次元あるいは二次元でレーザビームの走査作動を行う各種の機構に置き代えてもよい。例えば、スキャナモータ駆動機構は、米国特許5,581,067号及び5,367,151号に開示されたいかなる構成としてもよく、それら全ては、参考としてこの出願に組込まれている。このようにして、固定光学系10は各種スキャナの設計で構成部品として使用される。
【００２４】
図１に示すように光検出器の焦点深さを増すために、光を遮る開口36が光検出器40の前面に用いられているが、光検出器自体の領域を適当に特定することによって、開口をなくしても同様の効果が得られる。
【００２５】
本発明のもう一つの重要な特徴は、開口部24が集光ミラー26中に設けられている点であり、そうすることによって、ミラー28に当る射出レーザビームのビーム経路は、集光ミラー26の凹面による反射光の光軸からオフセットされることになる。特に好ましい実施態様においては、図１（及び図11の対応する構成部品に）に示すように、開口部24は集光ミラー26の光軸より下方に位置している。
【００２６】
射出され、返ってくるビーム経路の設計配置で最も重要なことは、図２bに示されたような小型のハウジング構造の中で組立体を内部に配置できるようにすることであり、図１の組立体は、射出ビームがＰＣＢ面と平行になるようにプリント回路板（ＰＣＢ）214上に取付けられている。また、射出ビームが窓部218面とほぼ直角になるようにハウジング内に組立体を配置することにも注意すべきである。窓部218は図に示されており、ＰＣＢ214にほぼ垂直でハウジング210の外表面と同一面になっている。窓部の同一の位置取りが図２ｅの実施態様における別の構成で示されている。かかる機械的な設計は製造が容易であり、非常に小型のリーダの設計を可能にする。
【００２７】
しかし、窓部を射出されるレーザビームと直角に位置させると、射出光の同一方向で反対に向かう即ち組立体に向っての部分的な内部反射を生じる。従来の光学的組立体にかかる窓部及びモジュールの構成を使用する可能性は、そうした構成では窓部からの反射光が集光部で遮られ光検出器に向うようになるので、最適性能を得るように最良設計するという点に反し、その場合、それがバーコード記号からの帰ってくる反射光と共に検出され、非常にノイズが多い信号を生ずることになる。もし、反射量が多いと、光は光検出器をも飽和させ、バーコードシグナルからの帰還反射光の信号を過出力にする。かかる従来の光路設計のモジュールあるいは光学的組立体を用いるバーコードリーダは、一般的には射出レーザビームに鋭角に取付けられた窓を使用することによってその困難性を解決できる（例えば、米国特許4,387,297、4,409,470、4,816,660及び5,280,164に記載されたバーコードリーダの窓部配置を参照）。かかる傾斜した窓部からの如何なる内部反射も光学的組立体から遠のく方向であり、その結果、光検出器によって受光された信号のノイズを減少させる。しかし、こうした傾斜した窓の構成は、機械的な取付けの手間を要し、かつハウジングの全体寸法を増大する。
【００２８】
本発明による走査モジュールの光路の設計は、図２dに示すように走査モジュールをＰＣＢ上に取付けることを可能にし、その結果、ハウジング面と同一面であって、したがって射出されるレーザビームと直角に窓部を配置することができる。走査モジュールは、さらに小型な配置にするため、窓部に対して同一面に取付けてもよい。図１の組立体の光路の設計では、窓部からの反射光は射出レーザビームのビーム経路の方向に帰還するが、射出レーザビーム光路は集光部からの反射光の光軸と異なっている。かくして、このような内部反射光は集光部によって光検出器40に向わなくなり、バーコード記号での反射光による信号に影響を与えない。
【００２９】
上述したオフセットした、射出、戻り光経路を実行するのに、開口のある集光ミラー26を使用する必要はない。射出光のうち、窓部により部分的に反射された光ビーム及び集光部で反射された光ビームが光検出器を照射しないように、すなわち、間隔をあけるかオフセットした光軸を有するように、レーザ光源部及び光検出器を相互に配置しなければならない。
【００３０】
図１に示される光学的組立体は、多くの型式の固定あるいは携帯型光学的スキャナ、例えば図２ａ−２ｃの走査式スキャナ、図２ｄに示す手持型スキャナ、あるいは図２ｅに示す手持型コンピュータ式端末機／スキャナに組込むことができる。
【００３１】
図２ａから２ｃに、人間工学設計の手持型ガンタイプのスキャナが示されている。スキャナは100で示された把手部102とヘッド104からなる走査本体を有する。把手部102は、使用者の手掌の中で上方に向けて把持されるように形づくられ、好ましくは使用者の人差し指で操作できるよう位置したトリガー106を備えた前側部を有している。ヘッド104は把手部102の頂部に設けられ、走査窓部108を備えた前面部と使用中に使用者の手の上に乗るように把手部102から後方に延びた球根状後側部とを有している。
【００３２】
スキャナ100は把手部102の下端に設けられたピボット軸112でベース部110に軸着されている。ベース部は、平らな底面114を有し、組立体を全体として支持表面に安定して立てて置くことができるように把手部から外方に前後左右に延びている。スキャナ100は前後方向に揺動できるようにベース部110に軸着されている。ベース部110は、スキャナ100とホスト（図示せず）との間の接続をケーブル116で行っている。ケーブル116は簡単に電力を供給でき、また、スキャナへ伝達される制御情報用あるいはスキャナ100からホストへダウンロードされるデータの読取り用のデータ経路も含んでいる。
【００３３】
ベース部110は、底面114に従来から知られている適当な型式の圧力スイッチを備えており、そのスイッチが開放されるとスキャナの処理装置にスキャナが手持モードで使用されていることを示す。かくして、スキャナは、トリガーが作動された時読取りのみを行うことを示すトリガーモードに切換えられる。
【００３４】
制御システムは、図４のフローチャートにより詳しく示されている。連続したループ処理は圧力スイッチが作動しているか否かを確立している適当なコントローラにより維持されることが判るであろう（ステップ150）。圧力スイッチが作動していない場合には、その時トリガー（手持）モードになっている（ステップ152）。関連する特徴のさらなる説明は、ここでは番号を表示しておくが、米国特許5,151,581で理解することができる。
【００３５】
圧力スイッチが作動しているもう１つのモードでは、連続走査（ハンドフリー）モード154になっている。このモードでは、表示走査パターンが常に作動し、スキャナの前を通過する全ての項目を走査する。これは、例えば、チェックアウトスタンドのような小売店で使用することができる。それ故に、デュアルモードの操作ができるようになっている。
【００３６】
図に示されているスキャナ100は全方向性のスキャナであり、一方ガンタイプ構造は従来の一次元スキャナの利点を備えている。更に、ピボット軸112の働きによる角度調整ができるので、全体としてスキャナを読取りし易い望ましい揺動角度に位置させることができ、また手持モードの時ベース部を取扱い易い角度にすることもできる。
【００３７】
本体100及びベース部110は、１つあるいはその他の構成部品が最小費用で交換でき、例えばコードレスの実施態様にできるように好ましくはモジュール方式にするとよい。更に、モードボタン118をヘッド104（図２参照）の上面に追加して設け、使用者が例えば読取られるバーコード記号あるいは他の記号あるいは走査条件に基づき、望ましいタイプの走査パターンを選択することができるようにしてもよい。追加する表示において、例えば、スキャナの作動モードが手持ではないか、あるいは、手持モードであるか、それ以外であるか、というスキャナの作動モードを表示することができるよう120にＬＥＤのような表示灯が設けられる。
【００３８】
図２ｄに関して、符号210は、別の実施態様における手持型スキャナを全体的に示している。スキャナはガンの形をしていてもよいし、他の形状を用いてもよい。スキャナは例えばトリガー（図示せず）による手持操作ができるようになっている。ここでは、参考として用いている上記で特定した特許及び特許出願から判るように、一般的には必ずしもレーザである必要はないが、光源部品がブロック210で示されるスキャナの内部に取付けられている。光源部は読取られる記号例えばバーコード記号と面した窓部218を通して外方に延びる伝達経路に沿って光ビームを射出する。また、ブロック210内には、検知領域を有し記号からの経路に沿って窓部214を通して還ってくる反射光を集光するようになっている、例えば光ダイオードのような光検出器が取付けられている。
【００３９】
図１の光学的組立体は、ブロック210内に、あるいはその１部として取付けられる。
【００４０】
配置が異なるいずれのタイプのスキャナでも、作動は概して同一である。光検出器は反射光の種々の強さを示す電気的アナログ信号を発生する。このアナログ信号はアナログデジタル変換回路によってデジタル信号に変換される。このデジタル信号はデコードモジュール222によってデコードされる。デコードモジュール222はデジタル信号を記号の内容を説明した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224は、主としてデータ記憶装置として働き、その中にデコードモジュール222によってつくられたデータが後続の処理のために記憶される。
【００４１】
ブロック210及びデコーダ222はＰＣＢ214上に支持されている。作動において、使用者は記号を読取りたいと思った時はいつでも、スキャナで記号を狙い、トリガーを引くか、あるいは他の方法で記号の読取りを始める。トリガーは駆動装置を作動する電気スイッチである。記号は毎秒複数回、例えば毎秒１００回以上繰返し走査される。記号がうまくデコードされ、読取られると、走査は自動的に終了され、かくして、スキャナを順番に読取られる次の記号に向けることができる。
【００４２】
更に、本発明では、固定的に取付けられたヘッドも考えられているので、ヘッドは携行可能な手持型式である必要はない。更に、ヘッドは手動でトリガーを作動させてもよいし、電源に直接接続し連続的に作動させてもよい。
【００４３】
時間ではなくて多回数の揺動の方が、たとえ印刷が充分でなくても記号をうまくデコードする可能性を増すので、揺動は１秒間程度は継続する必要がある。共振する反射鏡は、システムの信頼性を増すために予め定められ、予測でき、よく知られており、一般的に一定である角速度を有する。
【００４４】
図２ｅに目を向けると、この度は走査端末機326の形をしている追加の特徴を有する別の手持型光学的スキャナが示されている。端末機は、データ表示画面30とデータ入力キーパッド332を備えた手持ケース328を有する。ケース328内に位置する図１の光学的組立体は、読取られるべき記号と向い合う窓部334を通して外方へ射出走査光ビームを発生する。記号から反射された光は窓部334を通して帰還し、例えば光ダイオードなどの光検出器に当り、光検出器によって帰ってきた光量に応じた出力信号を発生する。その信号に含まれる情報の内容は、スキャナ内のメモリー（図示せず）に記憶されてもよいし、データポート336を通して遠隔コンピュータにダウンロードされてもよい。別の方法として、情報は、スキャナ内の送信機／受信機338によって発生される無線周波数信号によって送信されてもよい。１つの実施態様において、走査動作をさせるために使用されるモータ駆動部は、好ましくは「タウトバンド素子」駆動方式が良い。この駆動方式はとりわけ、両方共に本発明の出願人に譲渡され、参考として本願に組込まれている米国特許5,614,706及び5,665,954に全て開示されている。本質において、その構成は、電磁コイルと交差して取付けられた薄い可撓性帯（「タウトバンド」）上に支持された軽量のミラーなどの光学的素子を有している。永久磁石が光学的素子に取付けられ、ＡＣ信号がコイルに供給されて可撓性帯に繰返しねじり運動が生じた時、発生する磁界の変化と相互に作用し合う。その結果、光学的素子は、揺動し走査動作を行う。
【００４５】
図５ａは公知のタウトバンド素子駆動方式をより詳しく示している。特に、コイル70、可撓性帯72、ミラー74及び永久磁石76が示されている。可撓性帯72は例えば支持環78によりコイル70に相対して支持されている。コイルに印加されるＡＣ電圧は概略的に80で示してあり、概略的に矢印82で表されたねじり振動を生じる。この構成は、ミラー28及び駆動機構44，46，48として図１に全体的に示されている構成と、当業者には明らかな方法で置き代えることができるのは明らかであろう。
【００４６】
図５ｂに示された次の実施態様において、可撓性帯72はミラー74と永久磁石76が支持されているその長手方向軸と垂直な方向の断面Ｖ字状の細長い素子84と置き代えられている。Ｖ字状素子84は、コイルと交差して延びるか、あるいは先の薄い可撓性素子72と同様に別の方法で適当に支持され、永久磁石76はＡＣ磁界と相互作用し、その結果矢印86で示したねじり方向のたわみを生じる。バンドのＶ字状断面はその剛性を高め、特にミラー７４がそのＶ字の頂点に取付けられているバンドの長さ全体にわたって、ねじり方向のたわみが一律にあるいはほぼ一律になることを確実なものとする。バンドの長手方向に沿ったねじり方向のたわみに対する要求、及びそのねじり方向のたわみの一律性が維持される限り、バンド断面の他の形状をＸ字状ＩあるいはＨ字状あるいはＷ字状などにしてもよいことが理解されるであろう。
【００４７】
図６は 図５ｂのＶ字状素子84を支持する現実の方法を分解組立のかたちで示している。コイル70は、コイル70の中央溝に入る中央アーム716とコイルの両側にコイルに沿って延びる外側アーム71ｃ及び71ｄを有するＥ型コア71ａ上に支持されている。支持板75ａはＥ形コアの外側アーム71ｃ、71ｄ上に受入れられ、コイル70上を横切って延びている。支持板75ａはＶ字状素子84が交差して延びる空間となる中央開口75ｂを有している。Ｖ字状素子84は、両端及び中央でその縦軸の両側に対称的に延びたリム84ａを有し、適切な方法、例えば両端のリム84ａを支持板75ａの上面に支持することによって開口75ｂを横切って支持板75ａ上に取付けられる。協働するように形を合わせてつくられたＶ字状の連結片85がＶ字状素子84に取付けられ、それらはリム84と大体一致しており、ミラー74がＶ字状素子の頂点で連結片85上に支持されている。ミラー74から離れて、これもまたほぼＶ字状であり、Ｖ字状素子84を跨いだヨーク73が設けられ、このヨーク73はミラー74の背面に接合する外端部73ａ，73ｂを有している。ヨーク73は、ミラー74から離れるように延びている中央部分を有し、そして、横タブ73ｃ，73ｄを有している。横タブ73ｃ及び73ｄはＶ字状素子の中央リム84ａ，84ｂと対応し、接合している。永久磁石76はヨーク73の中央部分の下側に、例えばタブ73ｃ及び73ｄの下側に接合されている。したがって、永久磁石が支持板75ａの開口75ｂの上方に開口75ｂを通して突出し、コイル70と最適の磁力結合をするようにヨーク73はＶ字状素子84を跨いでいる。コイル70にＡＣ電流が流された時、永久磁石76は振動し、順次にＶ字状素子84のねじり方向のたわみを生じ、ミラー74の振動を起こさせる.組立てられた構造が図７に示されている。図７の構造に組込まれるモジュール組立体が図８に示されており、それでは、ほぼ立方体様のハウジングが用いられていることが解るであろう。ミラーの角運動の方向が矢印Ａで示されている。
【００４８】
他の好ましい実施態様において、走査ミラーを振動させるのに用いるモータ駆動部の型式が、アンバランスなミラー組立体を支持するマイラーリーフスプリングになっている。図11−12において、ミラー組立体は、永久磁石が振動する力を与えるＡＣコイルによって駆動される時たわむマイラーリーフスプリングに支持されている。
【００４９】
次の変形実施態様は、米国特許出願番号08/506,574及び08/631,364で説明されているような「ミクロ加工」ミラー組立体であり、それによると、ミラーは最適の駆動モータ、好ましくは非常に小型の駆動モータで直接前後に駆動される。更に他の変形実施態様では、本明細書の導入部で米国特許4,251,798に関して説明したように公知の回転ポリゴン型ミラーを使用しており、それによると、ミラーは互いに角度のある複数の鏡面を有する一体の本体からなっている。本体が回転するとビームはポリゴン本体の後続の回転鏡面によって走査される。ある実施態様では、マイラーモータは一次元走査用の構造で用いられ、一方Ｖ字状タウトバンド素子（上述された）はより詳しく下記するように二次元走査用に用いられる。
【００５０】
図１に示された固定型光学系組立体に話を返して、レーザ用集束レンズ20、レーザ開口部及び集光ミラー26は全ての１つのモールドされたプラスチック材料部材からできていて、クロスハッチングを施し、全体として符号52で示されている。モールドされた部材52は更にレーザ18フィルター38及び光検出器40を収納し、配置するのに役立っている。
【００５１】
好ましいレーザ18は半導体レーザであり、従来公知の貫通孔方式でＰＣＢに取付けられている。光ダイオードは好ましくはマイラーリーフスプリングモータ用ＡＣコイルのようにＳＭＤ（表面支持装置）装置である。これは従来技術のスキャナで使用されているような隔離碍子及び人手によるはんだ付け、あるいはソケットの必要性をなくす。代表的にはレーザは標準的に組立てられたエッジエミッティングレーザであろう。最小コストとするために、レーザの焦点合せは調整できるものでなく、レーザはその取付けフランジをモールドされた部材の１部として成形されたショルダーに当接して簡単に取付けられる。これでモールドされた焦点合せ用レンズ20に対して安価なスキャナとして最適な性能を提供できる程度に充分正確にレーザを位置決めできる。焦点合せ用レンズをショルダー54と同一の部品の一部としてモールドすることは、他の方法では焦点合せが適切でないとの問題を生ずるような組立誤差を最小化する。レーザはＷ―硬化接着剤によってモールドされた部材52内に適切に支持される。モールドされた部材のプラスチック材料はＷ光に対して透過性があるので、接着剤は、レーザが配置されている凹部に部材を通して紫外線を照射することによって硬化される。接着剤はレーザ18にあるいはモールドされた部材52に施され、その後レーザが位置決めショルダー54に当接するまで凹部内にレーザを押し込む。その後、その組立体は数秒間紫外線に曝され、接着剤を硬化させる。より高い性能を望む場合は、レーザを取付けるこの方法は焦点合せができるようにする。この場合、レーザは徐々に凹部の中に滑り込まされ、同時に出力ビームがモニターされる。正しい焦点合せになった時、組立体はＷ―光に曝され接着剤を硬化させ、組立体を適切な場所に固定する。
【００５２】
調整されない組立体の場合、レーザを位置決めショルダー54に対してスプリング力支持することにより例えばＰＣＢ14とレーザ18の底面の間のゴムあるいは発泡体ワッシャ56により、接着剤をなくすことが可能である。
【００５３】
図面に示されるように、レーザ18は下方に延びる電導線58を有しており、この電動線は直接ＰＣＢ14に簡単に取付けられている。このことは、人手によるはんだ付け作業をなくしているが、もし必要ならはんだ付けを用いてもよい。
【００５４】
リード線が下方に向って回路基板中に延びているということは、従来のレーザにおいて、ビームが直接上方向に基板と直角になっていることを意味する。前に説明したが、プリズム22は、モールドされた部材52の頂部にモールドされており、垂直方向のレーザビームを集光ミラー26の開口部24を通して走査ミラー28に向わせている。プリズム22は、レーザビームを反射するために内部全反射を活用しており、上面を反射コーティングで被覆する必要がない。レーザビームの更なる焦点合せを行うようにするために、もし必要であればプリズムの出口表面を形づくることも可能である。
【００５５】
レーザビームは、その経路に沿ったどこかで、ビームストップを介して通過することが望ましい。集光ミラー26の開口部２４がこの目的に役立つ。その他に、レンズ20あるいはプリズム22の反射面あるいは出口面をビームストップとすることができる。
【００５６】
事実、開口部24を可能な限り小さく保ち、集光ミラーの集光能力を改善することが望まれる。例えば、開口部24は直径で0.5mmの領域にある。このことは、結果として生ずる回析のパターンが、特に記号を走査するのに上手に用いられているベッセル機能に従って光の拡散を生ずるという追加の利点を生む。
【００５７】
モールドされた部材52は回路基板14に固定される必要があり、その目的のためにスナップ62、64が設けられている。これらは、構成部品が取り付けられる時、回路基板上に自動的にラッチ取付される。他に、モールドされた部材の底部のポストが基板の底面に熱溶着されるように基板を貫いて突出していてもよい。超音波溶着も使用できる。集光ミラー26は、集光ミラーに当たる光が光検出器40に向って下方向に反射されるように、反射性コーティングにより被覆されている。このコーティングは、光学的部品組立体を、光が開口部36及びフィルタ38を通る以外の経路で光ダイオードに到達するのを防止したい領域を不透明とする。
【００５８】
この反射性コーティングは別の機能にも役立つ。代表的には、コーティングは金、アルミニウム、クローム等の金属の薄膜でよい。これらの膜は導電性がある。
従って、膜は光ダイオードに対する電磁波干渉の防止シールドとしても役立つ。光ダイオードを保護するための表面コーティングの使用は、通常のＥＭＩシールドを省略することを可能にし、それにより、別々のシールドの値段と組立体にシールドを設置する手間との両方をなくす。
【００５９】
コーティングはモールドされた部材の突起66をＰＣＢの小型ソケット68中へ伸ばすことによって電気的に接地される。別の方法として、突起66は基板に設けられたメッキされた貫通孔中に押圧嵌合されることもできる。
【００６０】
モールドされた部材52のハウジング部62は、光学的フィルタ38を光ダイオード40の上方に適切に支持する働きをするのみならず、光ダイオードを完全に取囲んで、拡散光が光ダイオードに到達するのを防いでいる。ハウジングの開口36は、検出器の視野を制限し、周囲の光の除去を最大にできる程度の小さなものである。開口は最小寸法の視野をもつ集光ミラー26に関して正確に位置している必要がある。開口と集光ミラーとの正確な相対位置は、それらが1つの部品としてモールドされているので、容易に達成される。別の配置が図3に示されている。ある環境下では、ビーム30が垂直方向に対して（ＰＣＢ14に対して）90°以外の角度で、光学的組立体から射出するような配置にすることを望まれることがある。例えば、取付けの要求から、ＰＣＢ14を直角でない位置で取付ける場合がある。従来の構造では、ビーム30が望ましい角度で射出ようにＰＣＢ14を取付ける時、追加のスペーサを用いることによってこの問題を克服することが必要であった。図3による構造では、この問題は、その取付け角度を補正し、スペーサを含むＰＣＢの取付けに対する要求を取除くようにビームが光学的組立体を射出角度を調整することによって、解決される。示された構造では、このことは走査ミラー組立体28の角度を変更することによって達成され、特にレーザ取付けの調整が必要ないという利点がある。残りの光学的部品もさらに補正するために調整が必要かも知れないが、それら調整は当業者には容易に行うことができることを評価すべきである。
【００６１】
必要とされる角度は、それぞれの消費者の要求によるが、ＰＣ板に対して45−90°の範囲、より好ましくは60−70°の範囲、そして、最も好ましいのはＰＣＢに対して65°である。
【００６２】
図11及び12は本発明の実施態様による図３に対する別の光学的組立体及びモータ駆動部の実施態様を示している。二次元走査を例示しているが、構成部品の配置は一次走査そのものと同じようにつくられていてもよい。この配置は１つの基板500上に取付けられ、適当な型式、例えば上述した型式のレーザ組立体502を含んでいる。この実施態様において、レーザ組立体502はレーザに対するビートシンクとしても作用する周辺側面550を有するシャシー上に取付けられてもよい。レーザ組立体からのビームは折り曲げられることはなく直接集光ミラー506の開口504を通過し、走査ミラー508によって反射される。帰還ビームは集光ミラー506上で逆反射され、適当な公知のタイプの検出器に向かう。
【００６３】
さて、走査ミラー508の駆動組立体についてより詳しく説明すると、ミラーを振動させるためにコイル514を駆動するＡＣ電流によって生じる磁界と相互作用する永久磁石と関連してミラーは取付けられている。ミラーは、２つのマイラースプリング518，520によってミラーに接合されている取付素子501によって基板500に対して取付けられている。ミラーは基板と平行に取付けられているけれども、取付素子516が水平な基板に対して25°で取付けられており、取付帯516に対して直角方向に延びているマイラースプリングがここでは垂直方向に対して25°になっている。従って、走査平面は、より詳しく後述するように、垂直方向に対して25°となっている。勿論、いかなる適当な角度が選択され得ることを評価すべきである。走査角度はこのようにしてミラーの運動の振幅によって決まり、好ましくは50°が選択されるとよい。ミラー組立体はアンバランスタイプであり、即ち、支持点を考慮するもので、ミラー重量に対しては、カウンターウエイトは取付けられていない。
【００６４】
アンバランスなミラー、即ちミラー組立体にカウンターウエイトが取付けられていないミラーは、特に、ミラーが100走査／秒以上の速度で駆動されるような実施には最適である。アンバランスなミラーの場合、ミラーの柔軟性スプリングに対する取付点がミラー組立体の重心にないので、ミラーが静止している間、重力は比較的大きな力を、大きな重量を有するミラー組立体の側面に作用させ、その結果ミラーにその重い側に「ドループ」を生じ、可撓性スプリングを引っぱる。
勿論、そうした力の効果は、重力による力のベクトルに対するスキャナの方向に依存する。ミラーが比較的低い速度で走査している時、まさに、バランスのあるミラーの使用が望まれるような適用において、同様の「ドル―ピング」効果が生ずる。しかし、バランスのとれたミラーは追加の重量をミラーあるいはミラー組立体に付加すること必要とし、このことが作動設計上の重量及びそれに伴う力の要求度からみると欠点となる。
【００６５】
高速作動（即ち、毎秒100走査以上）の実施態様において、スプリングの材料組成、寸法、形状及び厚さは望ましい共振周波数を達成するよう最適に選択される。例えば約200走査／秒での作動のために厚さ4mmのマイラースプリングの選択が最適である。400走査／秒での作動に対しては、厚さ約3mmのステンレス鋼スプリングが望ましい。
【００６６】
ミラー508は垂直方向に関して傾いており、組立体の上面からの走査ビームを方向づけることが理解されるであろう。図１に関して、ミラー508は図11に紙面に直角な面から傾斜しているように示されているが、これは単に図を明確にするための図面表現にすぎない。取付素子516はマイラースプリング518，520の両側に延びるリム522及び524を有している。これらリムは側方ブロック526，528に設けられた溝内に位置し、リムに対してある大きさの間隙を許し、リムは達成されるべき望ましい走査角度に対して適当なスペースを提供すると同時にミラーの振動の量を制限するストッパを提供し、例えば落下によってユニットにショックが伝わらないようにする。
【００６７】
従って、ミラー508に入射するレーザ組立体502により射出されたビームは走査ミラーによって50°の角度でもって掃引されるが、ビームの掃引面（走査面）は基板500に対して90°ではなく、磁石が振動を与えるために駆動される方向、即ちマイラースプリングのねじれ軸の方向によって決められる角度になる。このことは図13ａ及び13ｂを参照してよく理解できる。図13ａにおいて、レーザビーム30はＹ方向に入る。ミラー及び駆動組立体は示されていないが、図13ａに通常のミラー構成が開示されており、そこではミラーはＸＺ面に対して45°の角度を持っており、Ｘ方向のまわりを振動するように取付けられている。その結果、走査面530がＹＺ面内に確立される。しかし、図13ｂにおいて、ミラー及びミラー駆動部が図11及び12に関して述べた様に支持されている。それ故、走査ラインがＹＺ面に対して25°傾いた面532内に得られることが解るであろう。今一度述べると、必要な走査面の角度または走査角度は自由に選択することができる。
【００６８】
従って、図3に関連して説明したようにビームの90°でない出射角度は色々の方法で達成される。
【００６９】
図9は、第２の好ましい実施態様を示し、そこでは、二次元の走査作動が、２つのミラーを用いて、それぞれを垂直な軸のまわりに振動させることによって達成されている。マルチパターンスキャナは、米国特許5,581,070、米国特許5,637,856号及び米国特許5,614,706号（これら特許は参考のためここで引用する）に記載されているように、２つの反射体のＸ−Ｙ運動を使用することにより達成できる。好ましくは２つの反射体は図５ａあるいは図７に示された薄い可撓性素子タイプの駆動部により駆動される。特に、光学的モジュール10は集光体34の開口部24を通してビーム30を射出し、そのビームは第１Ｖ字状素子84上に支持された第１振動ミラー28ａによって、例えばＸ方向である第１の方向に振動され、その後Ｖ字状バンド84上に支持された第２ミラー28ｂにより、例えばＹ方向である第２の方向に振動する。結局、望ましい走査パターンは、パターン11によって概略的に示したようなタ−ゲットに対して達成される。全ての構成部品は、図10に述べた基板のレイアウトから解るように、単一のモジュールからなっているのが好ましい。特に、レーザ18は集光ミラー26の開口34を通して射出ビーム３０が射出される。ビームは11で概略的に示された走査パターンを生ずるようにミラー28ａによりＸ方向に振動され、ミラー28ｂによってＹ方向に振動させられる。帰ってくるビーム32は反射経路に沿って帰還し、集光ミラー26によって検出器40に向けられる。勿論、配置は好ましくは図1に示された光学的組立体に関連して使用され、部品の正確な位置決め及び方向付けは熟練した読者には明らかであろう。
【００７０】
図14は、ここで記載したスキャナあるいは他の適当な寸法のスキャナに組込むために他の走査エンジンの形式要件及び人間工学的なハウジング構造の変形実施態様を示す。特に、スキャナは走査窓部602を有するペンタイプハウジング600に組込まれる。ペンタイプハウジング600は好ましくは広い前面及び後面604、605と、狭い側面を有する細長い形状をしている。走査窓部は好ましくは広い表面604の上端に設けられ、反対側の端部にペン先612を設けられている。走査は例えばペンハウジング600の側面あるいは前面に設けられた１つあるいはそれ以上のトリガー608、610によって行われる。ペン先612は通常のペンあるいは電子ペンのいずれでもよい。広い表面故に、配置はここで述べたタイプの走査モジュールを容易に収納する。更に、窓部602の位置決めは人間工学的走査を可能とし、複数のトリガーの位置決めが、左あるいは右利きの使用者にスキャナを容易に使用できるようにしている。ハウジング600の広い後面606は、使用者の手掌に接し読取りモードで使用の気持ち良さと容易さを与え、一方、筆記モードの時は狭い側面が使用者の手掌に接し、装置が通常ペンとして使えるようになることが理解されるであろう。
【００７１】
窓部602が、その短い側がペン軸と平行になるように図14に示されているが、反対に、走査ラインの方向がペン軸と平行になるように長い側を軸と平行に位置させてもよい。
【００７２】
上述した各特徴あるいは２つあるいはそれ以上も一緒にして、上記したタイプとは異なる他のタイプのスキャナ及びバ−コードリーダに有用に適用できることが理解されたであろう。
【００７３】
本発明は、電気光学的スキャナ用走査モジュールにおける実施態様として図示し説明されているが、種々の変形例や構造上の変更がとにかく本発明の真意と範囲から逸脱することなく実施できるので、示された詳細部分に限定する意図はない。特に、１つの実施態様に関連して記載された特徴は、熟練された読者には明らかである方法で適当に他の実施態様に組込むことができることを認識すべきである。
【００７４】
以上の説明は、本発明の骨子を余すところなく開示しているので、第三者は今後の解析をすることなく最新の知識を適用して、従来技術の観点から、本発明の総括的あるいは特定的観点の本質的な特有性を公正に構成する特徴を省略することなく容易に種々の適用を行うことができ、従って、かかる適用は、以下の請求項の均等の意味及び範囲内に含まれるべきであり、また含まれるように意図されている。新規なものとして請求項に請求され、特許によって保護されることを望んでいるところのものが、添付クレームに記載されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の好ましい実施態様による光学的組立体の部分的断面図である。
【図２ａ】 図1の光学的組立体に使用するのに適したガンタイプスキャナの側面図を示す。
【図２ｂ】 図２ａのスキャナの正面図である。
【図２ｃ】 図２ａのスキャナの平面図である。
【図２ｄ】 図１の光学的組立体に使用するのに適した典型的な手持型光学的スキャナである。
【図２ｅ】 図１の光学的組立体で使用するのに適したコンピュータ端子と組み合わされた典型的な手持型スキャナである。
【図３】 光学的組立体からの走査ビームが９０°の角度になっていない光学的組立体を示す。
【図４】 図２ａ−２ｃのスキャナの作動を示すフローチャートである。
【図５ａ】 よく知られたタイプである薄い可撓性バンド駆動を示す。
【図５ｂ】 改善された薄い可撓性バンドを示す。
【図６】 図５ｂの薄い可撓性バンドの取付けを示す分解組立図である。
【図７】 組立てられた形態での図６に示された構成部品を示す。
【図８】 取除かれた状態でのハウジング内の光学的組立体を示す。
【図９】 二次元の走査動作をするスキャナ組立体を示す。
【図１０】 図９に対応する概略図でる。
【図１１】 他の走査組立体構成を示す。
【図１２】 図11に対応する端面図である。
【図１３ａ】 従来の組立体における走査面を示す。
【図１３ｂ】 図11に示されたタイプの組立体における走査面を示す。
【図１４】 他のバーコードリーダハウジングを示す。
【符号の説明】
12 スキャナモータ駆動部
14 印刷回路板
16 光ビーム
18 光源部（半導体レーザ）
20 プラスチックレンズ
24 開口部
26 集光ミラー
28 走査ミラー
40 光検出器
46 永久磁石
48 電磁コイル

Claims (10)

1. バーコード記号により反射されるように窓部（１０８）を通して光ビームを前記記号に向けて該記号を横切らせ、該記号により反射され前記窓部を通過した光を検出することによりバーコード記号を電気光学的に読取るシステムに使用される逆反射型光学的走査モジュール（１０）であって、
   ａ）光ビーム透過性の材料により形成され内部に複数の凹部を有する支持部材（５２）と、
   ｂ）前記支持部材（５２）により支持された、水平に位置する平坦な板（１４）と、
   ｃ）前記内部凹部内に並列した状態で配置された光源（１８）と光検出器（４０）と、を備え、前記光源（１８）は、前記光ビームが、前記平坦な板（１４）の平面に対して垂直で、前記透過性材料の支持部材（５２）を通して前記板（１４）から離れるように、上方に通過する上向きの開口部を有する半導体レーザーであり、
   ｄ）前記支持部材（５２）と一体であり、前記上方に通過する光ビームを前記板（１４）に対し平行で水平方向に指向させるように作動するビーム折り曲げ要素（２２）と、
   ｅ）往復振動動作するように取り付けられ、前記記号を横切って前記ビーム折り曲げ要素（２２）から水平方向に向いた光ビームを受け取り、掃引するように作用し、前記記号を横切る視野全体からの反射光を直接的に受け取るように作用するになった単一の全体として平坦な走査ミラー（２８）と、
   ｆ）前記支持部材（５２）と一体に形成され、前記走査ミラー（２８）が受けた前記反射光を直接的に収集する反射面（３４）を有しており、前記収集された光を前記検出器（４０）方向に向けるようになった集光部（２６）と、を備え、前記光検出器（４０）は、前記収集された光を前記板（１４）に向けて下方に通過させるようになっているフォトダイオードであり、前記光検出器（４０）が前記記号を表す前記検出された光に対応した電気信号を発するようになっていることを特徴とする逆反射型光学的走査モジュール（１０）。
2. 請求項１に記載したモジュール（１０）であって、前記板（１４）は印刷回路板（１４）であることを特徴とするモジュール（１０）。
3. 請求項１に記載したモジュール（１０）であって、前記走査ミラー（２８）が前記板（１４）に対し角度がつけられていることを特徴とするモジュール（１０）。
4. 請求項１に記載したモジュール（１０）であって、前記ビーム折り曲げ要素（２２）と前記集光部（２６）とは前記支持部材（５２）とのワンピース成形品であることを特徴とするモジュール（１０）。
5. 請求項１に記載したモジュール（１０）であって、前記集光部（２６）は前記ビーム折り曲げ要素（２２）からの水平方向に向けられた光ビームを通す開口（２４）を有することを特徴とするモジュール（１０）。
6. 請求項１に記載したモジュール（１０）であって、前記走査ミラー（２８）を１秒当たり１００回以上の割合で往復振動させるための駆動装置（４８）を含み、該駆動装置は、該走査ミラー（２８）に結合されたリーフスプリングを含むことを特徴とするモジュール（１０）。
7. 請求項６に記載したモジュール（１０）であって、前記走査ミラー（２８）は、その重心から離れた取り付け点において前記駆動装置に結合されたことを特徴とするモジュール（１０）。
8. 請求項１に記載のモジュール（１０）であって、該モジュール（１０）がほぼ６面体の形状であることを特徴とするモジュール（１０）。
9. 請求項１に記載したモジュール（１０）であって、前記窓部（１０８）を有するハンドヘルド式のハウジング（１００）内に取り付けられたことを特徴とするモジュール（１０）。
10. 請求項１に記載したモジュール（１０）であって、前記集光部（２６）は凹面を有することを特徴とするモジュール（１０）。

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