JP2015517150A - バーコードリーダ用の可変ゲイン増幅器 - Google Patents

Abstract

バーコードリーダ内の増幅器を制御するシステム及び方法が開示されている。この方法は、走査モータで動く走査ミラーにより走査されるバーコードからバーコードリーダ内のフォトダイオードにおいて受光することと、受光した光を最初の電気信号に変換することと、走査モータが方向変換されたか否かを判断することと、判断ステップの結果に基づいて増幅器のためにゲイン値を設定することと、設定されたゲイン値を用いて最初の電気信号を増幅された信号に増幅することを含む。【選択図】図１

Description

関連出願
本出願は、２０１２年２月１日出願の米国特許出願番号第13/363,894号、［整理番号576-89US1］題名「バーコード信号内のノイズ低減のためのシステムおよび方法」に関し、その全内容がここに引用により組み入れられる。

発明の背景
蛍光灯及び他の形式の従来の照明から発光ダイオード（ＬＥＤ）の照明への変更が、小売店、オフィスビル、倉庫、病院及び民家を含む様々な環境の中で起きている。ＬＥＤ照明は、他の望ましい特徴の中から低消費電力、低維持費、長寿命及び高い演色効果といった利益を提供することが可能である。環境上の理由から、従来型電球の更なる製造の規制へいくつかの国が動いている。

バーコードリーダは、一般にコンビニエンスストア、スーパーマーケット等を含む小売環境内で使用される。一般に、レーザ走査バーコードリーダは、通常バーコード上に６５０ｎｍの波長を有するレーザ光を掃引し、バーコードから反射する光エネルギーを受けとることにより動作するが、該光エネルギーが処理されてバーコード信号を生成する。典型的例では、１００Ｈｚの走査速度を使用するレーザ光は、バーコードの分解能及び読み取り距離（バーコードからバーコードリーダまでの距離）に依存して、３０ｋＨｚ（キロヘルツ）から２００ｋＨｚまでの周波数範囲を有する信号を作りだすこととなる。

消費電力を抑えるために、ＬＥＤ電球は、一般に約３０ｋＨｚから１００ｋＨｚの周波数で駆動されるが、その範囲は、多くのバーコード信号の周波数と重なる。２つの信号形式の周波数範囲が重なると、バーコードリーダが、環境光からの光エネルギーとバーコード信号からの光エネルギーとを見分けることが難しくなる。ここに引用によって組み入れられる米国特許第6,811,087号公報は、バーコードリーダに関する環境光の干渉を取り除くために、２ＭＨｚ（メガヘルツ）の周波数のパルス化・レーザと、この周波数を検出して好ましくは他の周波数は検出しない同期検出装置とを用いてバーコードを走査する技術を開示している。この技術は、一定の強度を有する環境光（太陽光等）と、高周波数のＬＥＤ照明からの光エネルギーとを著しく取り除く。しかし、バーコード信号と共通する環境光の周波数成分がある場合、バーコードリーダ内のデコーダが、環境光をバーコード信号の一部だと読み違え、信号の読み取り不良を引き起こすことがあった。

さらに、その他の可能性のあるノイズ源は、後述するようなバーコード読み取り環境において存在することがある。レーザ走査バーコードリーダは、一般に、リーダハウジング内の敏感な部品を保護するために、ガラス又はプラスチック（すなわち、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート材）製の出射窓を有する。反射防止膜で被覆されてはいるが、出射窓の汚れ又は指紋は、光の妨げとなり、光センサへ向かう著しい後方散乱光に繋がることとなる。出射レーザ光とリーダーにより受光された集光光線とが同じ光路を共有する再帰反射型のバーコードリーダにおいて、後方散乱光はより深刻となる。３００から５００ｍｍの距離におけるバーコードからの信号強度は、約０．１ｕＷ（マイクロワット）の大きさを有することから、後方散乱光は、バーコード信号の１０倍である１ｕＷの大きさに達することがある。上述した状況は、このようにバーコードリーダがバーコードを正確に読み取れないことにつながることもある。従って、バーコード信号の好適な増幅が望まれる。

既存の前置増幅回路は、帰還抵抗を供給する増幅制御装置を有する。帰還抵抗は、出力信号の大きさに基づいて制御可能である。出力の大きさが信号を増幅させて回路の飽和点に達したときには、帰還抵抗と並列に抵抗を加えることにより、増幅回路の一部として使用される抵抗は、出力を飽和レベルより小さなレベルにするように、より小さな値に下げられる。しかし、出力が回路の飽和レベルより安全に低いときには、高い信号対雑音比を維持するために、抵抗は大きい値のままである。帰還抵抗は、出力が常に所定の最大値に達するように変更される。

また、既存の技術は、上述したような増幅器に連結されるローパスフィルタを開示しているが、当該ローパスフィルタは、前置増幅器により増幅された電圧信号の低周波成分をそこを通じて伝送するためのものである。ローパスフィルタの出力信号が所定のレベルよりも低い場合に出力をゼロレベルとするように、閾値機能が実装されることもある。出力信号が選択された所定レベルと等しいか、又は、選択された所定レベルよりも高いときには、出力信号の大きさが直線的に増加するような機能が実装されることもある。

既存のアプローチを用いると、走査された信号レベルに依存して、２以上の異なる帰還抵抗値が切り替えられる。帰還抵抗が切り替えられるとき、信号レベル変化がより大きくなる。バーコード走査中に切り替えが起きると、受信したバーコード信号が走査されているバーコードの「バー」状態、又は、「バーがない」状態と一致するかどうかの判断を、切り替え動作が、結果的に曖昧にすることもある。

ローパスフィルタ（ＬＰＦ）は、上述した信号解釈の問題を解決するために使用されることもある。しかし、抵抗値が変動している最中にあるので、受信した信号の正確な解釈を確実にするように、ＬＰＦが十分な精度で調整されることを確実にすることは困難である。したがって、この技術においては、バーコードを読み取っている間の増幅回路でのゲインの変更によって、バーコードリーダからの信号値の解釈に曖昧さが確実に生じないようにする必要がある。

一態様において、本発明は、走査モータで動く走査ミラーにより走査されるバーコードからバーコードリーダ内のフォトダイオードにおいて受光することと、受光した光を最初の電気信号に変換することと、走査モータが方向変換されたか否かを判断することと、判断ステップの結果に基づいて増幅器のためのゲイン値を設定することと、その設定されたゲイン値を用いて最初の電気信号を増幅された信号に増幅することを含むこともあるバーコード内の増幅器を制御する方法に関する。

本発明の好ましい実施形態の記載が下記の添付図面に関連して解されるとき、他の態様、特徴、利点等は、当業者に明らかになるであろう。

本発明の様々な態様を図示するという目的のために、各図面において現時点で好ましい方式が示されているが、本発明は、図示された通りの配置及び手段に限定されるものではない。

は、本発明の一つ以上の実施形態における増幅制御回路内蔵のバーコードリーダの回路図である。 は、本発明のある実施形態における図１の往復ミラーをポリゴンミラーに置き換えたバーコードリーダの回路図である。 は、本発明のある実施形態における、増幅器内に可変帰還抵抗を実装した回路図である。 は、本発明の別の実施形態における、増幅器内に可変帰還抵抗を実装した回路図である。 は、本発明のある実施形態における、増幅器の動作を制御する方法のブロック図である。 は、本発明のある実施形態における、図１のバーコードリーダ内の各種状態の間の相互作用を示す図表である。 は、本発明のある実施形態と一緒の使用に適合可能なコンピュータシステムのブロック図である。

好適な実施の形態

発明の詳細な説明
以下の説明の中では、本発明の全面的な理解を提供するために、説明を目的として、特定の番号、材料及び構成が記載されている。しかし、本発明が、これらの特定の詳細なしで実施できることは当業者には明らかである。場合によっては、周知の特徴は、本発明を不明瞭にしないようにして省略又は単純化することもありうる。さらに、本明細書中の「一実施形態」又は「ある実施形態」等の文言への言及は、実施形態に関して説明される特定の性質、構造又は特徴が少なくとも本発明の一つの実施形態に含まれることを意味する。本明細書中の様々な場所で現れる「一実施形態において」又は「ある実施形態において」等の文言の出現は、必ずしも全て同じ実施形態に言及しているわけではない。

本発明のある実施形態は、以下の、一つ以上の入力に基づいてバーコードリーダ内の増幅器のゲインを調整することに向けられている。

（ａ）低レベル閾値又は高レベル閾値と同じ若しくはそれを超える対象となる増幅器から現れる信号の電圧レベル、及び／又は、
（ｂ）バーコードリーダの走査ミラーの動作方向が変更したという指標
帰還抵抗は、バーコードリーダの電気信号処理回路内における前置増幅器である増幅器内で使用されるオペレーショナル増幅器（オペアンプ）と並列に接続される帰還抵抗を調整することによって増幅器のゲインが変更されることが可能である。

図１は、本発明の一つ以上の実施形態における、増幅制御回路１３０（以下、増幅制御装置ともいう）内蔵のバーコードリーダ１０の回路図である。バーコードリーダ１０は、レーザダイオード１０６、パルス化レーザドライバ１０４、発振器１０２、走査ミラー１１２、走査モータ１４０、フォトダイオード１１６、前置増幅器１１８、増幅制御回路１３０、ハイパスフィルタ１２０、自動ゲイン制御回路１２２及び／又は同期検出器１２４を含むことができる。レーザダイオード１０６は出射レーザ光１０８を発し、バーコード１１０からの光線１１４がバーコードリーダ１０内で受光される。

図１Ａは、本発明のある実施形態において、図１の往復ミラー１１２をポリゴンミラー２１２に置き換えたバーコードリーダ１０の回路図である。図１Ａによって提供された図において、ポリゴンミラー２１２は反時計回りに回転されて、レーザダイオード１０６からの反射された光線がバーコード１１０の長さに亘って走査するようにすることができる。一旦所定の走査がその結論に至ると、レーザダイオード１０６からの反射された光線の位置は、ポリゴンの次の平坦面が所定の位置に回転してバーコード１１０の最も右側の部分から走査が始まる時に、リセットされうる。そして、ポリゴンミラー２１２が反時計回りに回転するときに、バーコード１１０全体をもう一度走査する。

図１に戻るが、増幅制御回路１３０は、モータ制御装置１３２、振幅制御装置１３４、高レベル検出器１３６（増幅された信号１５２の大きさの上限検出用（図２））、及び／又は低レベル検出器１３８（増幅された信号１５２の大きさの下限検出用（図２））を含むことが可能である。振幅制御装置１３４で実行されうる方法は、図３と関連して後述される。一実施形態において、低レベル検出器１３８は、約５００ミリボルトの検出閾値を使用することができる。高レベル検出器１３６は、約１.５２ボルトの検出閾値を使用することができる。しかし、本発明は、上述した閾値に限られない。低レベル検出及び／又は高レベル検出のために、上述した閾値よりも低い又は高い閾値を使用してもよい。そして、これら全ての変動は、本発明の範囲内に含まれることを意図する。

振幅制御装置１３４は、検出器１３６、検出器１３８、モータ制御装置１３２、及び／又は増幅器１１８との通信インタフェースを有するプログラム可能なコンピュータと共に実装されてもよい。あるいは、振幅制御装置１３４は、プログラム可能なコンピュータで動作するソフトウエアと一緒の代わりに、デジタル回路に内蔵される論理と共に実装されてもよい。

図２Ａは、本発明のある実施形態における増幅器１１８の回路図である。Ｒ１ ２５４だけがオペアンプ２５２と並列に接続されるとき、抵抗は高レベルである（Ｒ１自体の抵抗値と等しい）。Ｒ２ ２５６を通る接続を閉じるようにスイッチ２５８が切り替わるとき、オペアンプ２５２と並列に接続される実効抵抗は、Ｒ１及びＲ２と並列等価抵抗である。Ｒ１及びＲ２の抵抗は、業界において従来公知の数式により決定されうる。一実施形態において、高振幅の抵抗は、約３メガオーム（すなわち３００万オーム）であることがあり、これは、３メガオームのＲ１値を使用することで達成されうる。これと同じ実施形態において、低振幅の抵抗値は、２００キロオーム（すなわち２０万オーム）であることがある。約２００キロオームに等しいＲ２の値を使用することで、２００キロオームの低振幅の抵抗値が得られうる。しかし、本発明は、上述したＲ１ ２５４及びＲ２ ２５６の抵抗値の使用に限られるものではない。

図２Ｂは、増幅器１１８を実装する別の方法を示す。図２Ｂの実施形態において、可変抵抗２６２は、図２Ａに示す切り替え可能な抵抗装置に代わって使用される。可変抵抗２６２は、アクティブソリッドステート電子回路を用いて実装されうる。あるいは、可変抵抗２６２は、受動抵抗素子及び受動抵抗素子に沿った点を調整するメカニズムを用いて実装されうる。受動抵抗素子に沿った点において、電気接点が、オペアンプ２５２の左ノードとオペアンプ２５２の右ノードとを繋げる電流経路と共に構成される。更に、本発明は、増幅器１１８を実装する上述した手段に限られるものではない。

図３は、本発明のある実施形態における増幅器１１８の動作を制御する方法３００のブロック図である。

振幅制御装置１３４がアクティブ化し（ステップ３０２）、前置増幅器１１８を低抵抗モードの動作に設定して（ステップ３０４）、高レベル検出器１３６が「０」に設定されると共に低レベル検出器１３８が「１」に設定されるような当初の状態に検出器１３６及び検出器１３８をリセットすることができる。ステップ３０８において、方法３００は、走査モータ１４０の方向が変換したかどうかを判断することが好ましい。もし走査方向に変化がなければ、ステップ３０８を繰り返す。走査モータ１４０の方向に変化があれば、方法３００は、好適には、ステップ３１０に継続する。走査モータ１４０、又は、走査モータ１４０に連結されたシャフトの回転方向を感知するように構成されたセンサによって、走査方向の変更が示される。ステップ３１０を論じる前に、振幅制御装置１３４に走査方向の変化の有無を通知する多様なメカニズムが、以下に述べられる。

別の実施形態においては、ステップ３０８は、バーコード１１０を走査する一つの作業から次の走査作業への移行があったことの判断を含むことがある。しかしこの移行は、図１の平面鏡１１２が使用されているか、図２のポリゴンミラー２１２が使用されているかにより異なって検出されることがある。図１の実施形態において、上述したように、ミラー１１２の走査方向の変化を検出することにより、一の走査作業から次の作業への移行の検出が特定されうる。ポリゴンミラー２１２を使用する図１Ａの実施形態においては、一の完全走査から次の走査への移行は、ポリゴンミラー２１２に結合される回転位置エンコーダを用いて検出されうる。
制御シグナリングをモータ制御装置１３２からモータ１４０の方向を実際に変更するモータ１４０へ送信するのとほぼ同時に、振幅制御装置１３４に対して、走査モータ１４０の動作の方向変化を表す信号をモータ制御装置１３２に送信させることにより、走査ミラー１１２の方向変化の指示が提供されうる。あるいは、走査ミラーが一の走査方向から他の方向に移行するときはいつも、方向の変化を表す信号を発するセンサを走査ミラー１１２に内蔵してもよい。更に、本発明は、走査方向の変化を振幅制御装置１３４に通知する上述した手段に限られるものではない。

図２Ａ及び図２Ｂに関して上述したように、ステップ３１０は、前置増幅器１１８が低抵抗モードで動作しているかどうかを方法が判断する。

前置増幅器１１８が低抵抗モード（すなわちブロック３１０から「はい」にでる状態）の場合、低レベル検出器１３８により低レベル検出信号が高く設定されるために出力信号１５２（図２）が十分に低い値に到達したかどうかを、ステップ３１２において、方法が判断する。もし低レベル検出信号が低い場合は、出力信号１５２が低レベル検出閾値よりも大きく、これ以上行為が行われないことを意味する。そして、方法３００の実行は、ステップ３０６で再開する。低レベル検出信号が高い（ブロック３１２から「はい」にでる）場合、ステップ３１４で前置増幅器１１８が、（図２と関連付けて説明された）高抵抗モードにシフトされることが好ましい。その後、方法３００が、ステップ３０６で再開する。

ここで、ブロック３１０から「いいえ」の枝に出るところへ戻る。もし前置増幅器１１８が低抵抗モードの場合、信号１５２が高レベルの電圧閾値に達したか、又は、超えたことを高レベル検出器１３６が表しているかどうかを方法３００が確認することが好ましい。高レベル検出閾値に達していない場合、方法３００は、ステップ３０６で再開することが好ましい。もし高レベル検出閾値に達していた場合は、ステップ３１８で、方法３００は、前置増幅器１１８を低抵抗モードに動作させることが好ましい。その後、方法３００は、ステップ３０６で動作を再開することが好ましい。

図４は、本発明のある実施形態による走査方向の変更と前置増幅器１１８内の帰還抵抗の切り替えとの関係を示す図表である。

図５は、本発明の一つ以上の実施形態と一緒の使用に適用できるコンピューティングシステム５００のブロック図である。中央処理装置（ＣＰＵ）５０２は、バス５０４に連結されうる。更に、バス５０４は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）５０６、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）５０８、入出力（Ｉ／Ｏ）アダプタ５１０、通信アダプタ５２２、ユーザインタフェース・アダプタ５０６及びディスプレイアダプタ５１８に連結されうる。

ある実施形態において、ＲＡＭ５０６及び／又はＲＯＭ５０８は、ユーザ・データ、システムデータ及び／又はプログラムを保持することができる。Ｉ／Ｏアダプタ５１０は、ハードドライブ５１２、ＣＤ−ＲＯＭ（図示しない）又は他の大容量記憶装置等の記憶装置とコンピューティングシステム５００とを接続することができる。通信アダプタ５２２は、コンピューティングシステム５００をローカル、広域、又はグローバルネットワーク５２４に連結することができる。ユーザインタフェース・アダプタ５１６は、キーボード５２６、スキャナ５２８及び／又はポインティング・デバイス５１４等のユーザ入力装置を、コンピューティングシステム５００に連結することができる。更に、表示装置５２０の表示を制御するために、ＣＰＵ５０２によりディスプレイアダプタ５１８は駆動されうる。ＣＰＵ５０２は、汎用ＣＰＵであってもよい。

なお、本明細書でここまで述べた及び／又は後述する方法及び装置は、標準的なデジタル回路やアナログ回路のようないずれかの公知技術、ソフトウエア及び／又はファームウエア・プログラムを実行するように動作できる公知のプロセッサ、プログラム可能なデジタル機器又はシステム、プログラム可能アレイ論理装置のいずれか、若しくは上記の組み合わせを利用して実現可能である。本発明の一つ以上の実施形態もまた、適切な記憶媒体内に記憶され及び処理装置により実行されるソフトウエア・プログラムにおいて具現化されうる。

ここでは、本発明を特定の実施形態を参照しながら説明したが、これらの実施形態は、本発明の原理と応用を単に例示するものであることが理解されるべきである。従って、例示した実施形態に対して種々の変更を行うことができるとともに、特許請求の範囲に記載されている本発明の精神と範囲から逸脱することなく他の構成を想到できるものであることが理解されるべきである。

Claims (18)

1. バーコードリーダ内の増幅器のゲインを制御するためのシステムであって、
   バーコードに光を向けるスキャナと、
   前記バーコードからの前記バーコードリーダで受光した光を最初の電気信号へ変換するフォトダイオードと、
   前記最初の電気信号から増幅された信号を生成するための増幅器と、
   連続する走査作業間における移行が検出されたかどうかを表す信号に基づいて、前記増幅器内で使用される前記ゲインの大きさを決定するための増幅制御装置を備えるシステム。
2. 前記増幅制御装置は、
   走査作業の移行が起きたかどうかを表す前記信号を出力するように動作可能なモータ制御装置を備える前記請求項１のシステム。
3. 前記増幅制御装置は、
   前記モータ制御装置から前記走査作業の移行信号を受信してこれに応答した振幅制御信号を生成するように動作可能な振幅制御装置を更に備える前記請求項２のシステム。
4. 前記増幅された信号が前記増幅器の飽和レベル超えたことを表すように動作可能な高信号レベル検出器を更に備える前記請求項３のシステム。
5. 前記増幅された信号が前記増幅器からの出力として低レベル閾値より低下したことを表すように動作可能な低信号レベル検出器を更に備える前記請求項３のシステム。
6. 前記増幅器の前記低レベル閾値は、それ以下では信号対雑音比が前記出力の正確な解釈にとって不十分である前記増幅器からの出力レベルを表す前記請求項５のシステム。
7. 前記増幅器は、
   前記増幅器の前記ゲインを制御するように前記振幅制御装置からの増幅制御信号に対して応答する帰還抵抗回路を備える前記請求項３のシステム。
8. 前記帰還抵抗回路は、
   オペレーショナル増幅器（オペアンプ）に並列接続される、固定値の第１の抵抗と、
   前記増幅制御信号の状態に基づいて、前記オペアンプに並列接続の中又は外に配置されることができる第２の抵抗と、
   前記帰還抵抗回路から前記第２の抵抗を接続又は切断するように、前記増幅制御信号に応答するスイッチを備える前記請求項７のシステム。
9. 前記帰還抵抗回路は、
   オペアンプに並列接続される抵抗の大きさを調節するために、前記増幅制御信号に応答する連続調節可能な抵抗を備える前記請求項７のシステム。
10. バーコードリーダ内の増幅器を制御するための方法であって、
    走査モータで動く走査ミラーにより走査されるバーコードから前記バーコードリーダ内のフォトダイオードにおいて受光することと、
    受光した前記光を最初の電気信号に変換することと、
    連続する走査作業間において移行が起きたかどうか判断することと、
    前記判断ステップの結果に基づいて前記増幅器のためのゲイン値を設定することと、
    該設定されたゲイン値を用いて前記最初の電気信号を増幅された信号に増幅することからなる方法。
11. 前記走査モータが方向変換しているかどうか表す走査作業移行信号を生成する前記モータ制御装置を更に備える前記請求項１０の方法。
12. 前記設定ステップが、前記モータ制御装置と通信する振幅制御装置によって実行される前記請求項１１の方法。
13. 更に、低レベル検出閾値及び高レベル検出閾値の間のレベルに、前記増幅器の前記ゲイン値を保持することからなる前記請求項１２の方法。
14. バーコードリーダの回路内で増幅器を制御する方法であって、
    低レベル検出器及び高レベル検出器を前記増幅器からの出力に連結することと、
    前記低レベル検出器のための論理「１」の初期値及び前記高レベル検出器のための論理「０」の初期状態を設定することと、
    連続する走査作業間における移行を表す信号が高いか低いかを判断することと、
    前記低レベル検出信号及び前記高レベル検出信号並びに前記走査作業移行信号の値に基づいた前記増幅器のためのゲイン値を設定することからなる方法。
15. 更に、前記増幅器のゲインが低いとき及び前記低レベル検出信号が高いときだけ前記増幅器の前記ゲインを増幅することからなる前記請求項１４の方法。
16. 前記増幅器のゲインが高いとき及び前記高レベル検出信号が高いときだけ前記増幅器の前記ゲインを減幅することを更に備える前記請求項１４の方法。
17. 前記スキャナが、第１の方向及び前記第１の方向と逆向きの第２の方向において前記バーコード上を走査するように動作可能な往復ミラーを含む前記請求項１のシステム。
18. 前記スキャナが、所定の走査作業が完了した後も、同じ方向に回転し続けるポリゴンミラーを含む前記請求項１のシステム。

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