JP2764461B2 - コンパクト・レーザ・スキヤナ用走査集光システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は光学走査装置に関し、特に、符号化ラベル
を走査して反射光ビームを集光するため、複数の走査光
ビームを発生するポータブル走査装置に関する。

〔従来の技術及び問題点〕

現在の商品販売時点管理（POS）チェックアウト・シ
ステムにおいては、商品販売データは商品にプリントさ
れているか、取付けられているバーコード・ラベルのよ
うな符号化記号データを読取ることによって得られる。
POSチェックアウト・システムに使用するバーコードを
標準化するため、バーコードの形式のユニホーム・プロ
ダクト・コード（UPC）が採用されてきた。このタイプ
のバーコードを読取るために作られた読取システムは通
常チェックアウト・カウンタのキャビネットの中に配置
されている固定光学走査システムを含む。このバーコー
ドは商品をカウンタの走査窓を通過させることによって
読取られる。

他の読取システムはシングル又は複数本の走査パター
ンを発生する手持ちレーザ・スキャナを使用し、バーコ
ード・ラベルの上を手で移動するようにしている。その
ような手持ちレーザ・スキャナは高いパーホーマンスの
走査動作を提供し、軽量，コンパクト且つバランスのと
れた構造を持つのが望ましい。その構造は、更に移動容
易性と、取扱いによる疲労の減少と、テストや修理で分
解容易であることが望ましい。その上、それは大きさ、
重さ、可搬性、手ざわり及び動作容易性などにおいて固
定スキャナのそれを兼備えることが望ましい。

これらの特徴のあるものを提供するため、先行技術の
バーコード・スキャナ又はスキャナ発生器は、それを通
して走査ライト・ビームが投射され、軸の端部に取付け
られている鏡によって外部に偏光するようにしたモータ
駆動中空ドライブ軸を使用してきた。偏光したライト・
ビームは読取動作で符号化ラベルを横切って移動する走
査パターンを形成する前方向にライト・ビームを偏向す
るために取付けられた複数の鏡を照射する。このタイプ
のバーコード・スキャナ構造の例は米国特許第3,978,31
7号に含まれ、それは想像上の円周に配置された複数の
固定鏡と、回転中空軸を通してライト・ビームを投射す
る光源と、中空軸の端部に取付けられ光源からのライト
・ビームを受光し反射したライト・ビームを連続的に複
数の固定鏡の方に向けて物体に投射する複数の走査ライ
ト・ビームを形成する鏡と、回転鏡と物体との間に取付
けられ反射したライト・ビームの受光に応答して電気信
号を発生するホトデテクタとを含んで構成される。しか
し、この先行技術ではコンパクトさ、重さ及び可搬性に
問題があった。

従って、この発明は効率のよい複数走査パターンを発
生するコンパクト、軽量且つ可搬性の良いスキャナを提
供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は上記の問題点を下記のようにして解決し
た。この発明の一実施例によると、ハンドル部を含む容
器部材に取付けられ、その中にコンパクトな走査及び集
光ユニットが取付けられ、それはスピン軸を持ち前記走
査ユニットの前端から所定の距離に走査パターンを投射
するようにしたポータブル手持スキャナに取付けること
ができる走査装置を提供する。走査ユニットはモータを
通して延びるスピン軸のまわりを360度中空軸を回転す
る。ドライブ軸の一端付近には軸を通してスピン軸に沿
いレーザー・ライト・ビームを投射するレーザが取付け
られる。軸の他端には、スピン軸を横切って斜めに配置
され、環状のパターン鏡の方にレーザ・ライト・ビーム
を外方に保持又は偏向する偏向部を含む光学トランシー
バが取付けられる。各パターン鏡は他のパターン鏡の各
々に対して片寄り形成される。光学トランシーバはドラ
イブ軸の開口を横切って延びる非球面形成の凹面を有す
る集光部を持ち、斜めに集光鏡部の凹面に偏向部が取付
けられている穴部を含む。パターン鏡は光学システム、
すなわち走査物体から反射した光を集光するために使用
されるパターン鏡の各々の表面領域が光学トランシーバ
の集光部の表面領域のそれより小さいという限定穴を有
する。この発明のトランシーバーの集光部の集光面の幅
はパターン鏡の各々の集光面の約２倍である。従って、
走査線の終端において集光部により十分な集光が行われ
る。ドライブ軸の回転は環状パターン鏡において、レー
ザ・ライト・ビームを偏光する偏向部を設け、走査パタ
ーンを形成するホーカル・プレーンにおいてライト・ビ
ームを偏光し、ホーカル・プレーンに置かれたコード・
ラベルを走査する。

符号化ラベルから反射したライト・ビームは光学トラ
ンシーバに向けられ、集光部の上流のスピン軸に置かれ
たホトデテクタに集光されたライト・ビームを向ける光
学トランシーバの集光部によって集光される。ホトデテ
クタは走査ユニットの開口をカバーするプラスチック・
カバー部材に取付けられる。ホトデテクタの受光部の大
きさと共に集光部の受光部は走査ユニットからのバーコ
ード・ラベルの距離が変化したときホストデテクタに投
射されるライト・ビームの量を制御する。

この発明の他の実施例における環状パターン鏡はドラ
イブ軸の回転方向と逆方向に回転するように取付けら
れ、多数の交差並列走査線を有する走査パターンを発生
する。

この発明の更に他の実施例による光学トランシーバは
受光したライト・ビームを環状鏡の方に偏向する内部偏
向面を形成する凹面を有する固体プラスチック片から成
る。この鏡構造は光学トランシーバがいかなる数の個々
の走査線から成る走査パターンをも発生することができ
るようドライブ軸の回転に対してレーザ・ダイオードの
オン・オフ動作を選択的に制御することに使用する複数
のホール（Hall）センサ部材を含む。ホール・センサ
は、又いかなる数の並行走査線から成る走査パターンで
もそれを発生するモータの回転が振動するのを制限する
ことにも使用される。本体部に取付けられたスイッチ手
段はこの特徴の動作を制御し、ハンドル部の作動部は走
査ユニットの動作を制御する。

〔実施例〕

第１図はこの発明の一実施例を有する走査ユニットの
分解斜視図であり、第２図は組立てた走査ユニットの断
面図である。この図で全体的に20で示す走査ユニットは
複数のラッチ部23を有する成形フレーム支持部材22を含
む。フレーム支持部材22はポリカーボネートのようない
かなるタイプの耐衝撃プラスチック材料で成形してもよ
い。支持部材22にはモータ24が取付けられ、モータ24に
はそこを通して延びる中空ドライブ軸28がベアリング26
（第２図）に軸受される。フレーム支持部材22の後延長
部30には、レーザ・ダイオード34（第２図）を支持する
真鍮レーザ・ダイオード支持部材32と、ドライブ軸28の
スピン軸60と整列するコリメート及びホーカス両レンズ
部材35とが取付けられる。ダイオード34はレンズ部材35
によって走査ユニットの前の基準面（図に示していな
い）にコリメートし及びホーカスする分岐ライト・ビー
ムを出力する。レンズ部材35付近に配置されている円孔
ストップ36（第２図）はレンズ部材35より小さい断面を
持ち、公知方法で基準面に投射されたレーザ・ライト・
ビームの大きさを制御する。

いかなるタイプのポリカーボネート・プラスチックで
作ってもよい成形された鏡支持部材38がフレーム支持部
材22の中に摺動自在に取付けられる。それは各々が約30
度で支持部材38から外方に延び、約３度だけ各他の鏡40
に対して片寄る複数のアクリル回転又はパターン鏡40を
含む。鏡の数は走査パターンのために必要な走査線の数
によって制御される。走査ユニット20には８つの回転鏡
（又はパターン鏡）が設けられる。その鏡は金が塗布さ
れた反射面を有する。支持部材38は支持部材22内に支持
部材38を嵌込むため、フレーム支持部材22に設けられた
キースロット41（第２図）内の後部延長キー・リブ部39
を含む。ドライブ軸28の前端にはこの発明の光学トラン
シーバ42の一実施例が固定され、それはドライブ軸28の
スピン軸60を斜めに横切って延びる平偏向鏡部44と（第
２図）、走査したバーコード・ラベルから反射した走査
ライト・ビームを集光するため斜球状凹面47を含む集光
鏡部46（後述する）とを含む。光学トランシーバ42は軸
28上に嵌込まれ、ポリカーボネート・プラスチック材料
のようないかなるタイプの透明材料で成形してもよい。
トランシーバ42の反対面は赤色光帯を反射し、他の色帯
のすべてをトランシーバの表面を通過させる金が塗布さ
れる。トランシーバを通過する残留光を除去するため、
トランシーバの背面に光を吸収する酸化シリコンが塗布
される。

第１〜４図に見られるように、偏向鏡部44は集光鏡部
46の集光面47のスロット64を通して延びる。その鏡部は
斜角で面47に向けられる。トランシーバ42はスピン軸の
まわりを回転するときトランシーバに対してバランスを
与える複数の下垂リブ部45を含む後部49を持つ。鏡支持
部材38の前部には透明アクリル・ホトデテクタ支持部材
50が取付けられ、鏡支持部材38に対しホトデテクタ支持
部材50を保持するためのフレーム支持部材22のラッチ部
23に嵌込まれる複数のフレキシブル・フィンガ部材52を
有する。アクリル支持部材50を使用すると共、鏡40及び
トランシーバ42の表面に金を塗布することにより、高い
光反射及び送行特性を得ることができる。支持部材50の
突出容器部54にはデテクタ・アセンブリ（全体的に第１
図の51で示す）が取付けられ、それは限定孔55（第２
図）を有する支持部材53と、部材53に固定され容器部54
の内端部に固定されているホルダ58内に取付けられたホ
トデテクタ56とを含む。

レーザ・ダイオード34の動作は走査ユニット20（第２
図）のスピン軸60に沿って狭いレーザ・ライト・ビーム
を出力することである。レーザ・ライト・ビームはそれ
が光学トランシーバ42の回転偏向鏡部44に当ると、ドラ
イブ軸28に設けられた穴62を通して送光される。ライト
・ビーム61（第11図）は偏向鏡部44によって放射外方に
偏光されて回転鏡40に当り、それによって、コード化バ
ーコード・ラベル（図に示していない）を走査するた
め、走査パターン71（第11図）を形成するアクリル支持
部材50を通して前方にライト・ビームを偏光する。走査
されたバーコード・ラベルから反射した散乱ライト・ビ
ームはスピン軸60に設けられているホトデテクタ56にお
いてその凹面がライト・ビームを反射するよう回転鏡40
によって集光鏡部46の方に向けられ、ホトデテクタ56は
受光したライト・ビームを電気信号に変換する。

第３図及び第４図に示すように、光学トランシーバ42
の集光部46はその最短軸に沿った凹構造を有し、その最
長軸（第１図）に沿った球状凹構造を有する台形状に成
形される。小さな構造を有する効率のよいバーコード・
スキャナを提供するため。。集光鏡部46の表面部はスキ
ャナの限定孔を鏡に作るため鏡40の各々の反射面より大
きい。この実施例のトランシーバの集光部46の反射面部
は回転鏡40の各々の面積の約２倍であり、集光鏡部46が
走査パターンの端部において鏡40から偏向した反射ライ
ト・ビームのほとんどを集光できるようにする。

第５図はこの発明の実施例により光学トランシーバの
球状集光面を形成するための設計パラメータを示す図で
ある。球状面63を形成するため（第６図）、下記の方程
式を使用する。

この実施例において、Ｆ（焦点）は0.75インチ、Ｏ
（対物距離）は12インチ、βは70度である。

第６図は両光学トランシーバの球状集光面の焦点の位
置を示した光学トランシーバ42（第１図，第２図）の第
２実施例67を示す図である。トランシーバ67はその集光
部62を含み、トランシーバ42の表面47と同一のその最長
軸に沿った球状凹面63を有する。トランシーバ67は偏向
部を含む凹面部69を持つ。凹面63は２つの焦点を持ち
（Ａ及びＢ）、Ａ焦点は凹部69がライト・ビーム73を偏
光するホーカル面を持ち、Ｂ焦点はバーコード・スキャ
ナのスピン軸60上にある。回転鏡40（第１図）はトラン
シーバから焦点Ａに走る線に沿ったどの位置に置かれて
もよい。

第７図は明確にするため本発の一部を除去したこの発
明の走査ユニット20（第１図，第２図）を含む手持レー
ザ・スキャナの一実施例の側面図である。手持スキャナ
70はハンドル部72と主本体部74とを持つ。走査ユニット
20は支持リング76により主本体部74内に取付けられ、支
持リング76は更にホトデテクタ56及びホールダ58（第１
図，第２図）を含む支持部材50の容器部54が置かれてい
る開口81を有するカバー部材78をも支持する。カバー部
材78はアクリルのような透明材料で作られ、弾力性材料
83のリングによって支持部材50に対して嵌込まれる。延
長部材30には、走査ユニットの動作に関連するビデオ回
路を含む印刷回路ボード80を支持するブラケット部材79
が摺動自在に取付けられる。ブラケット部材79はポリカ
ーボネートのような固いプラスチック材料で作られる。

延長部30にはレーザ・ダイオード34（第２図）のため
のレーザ・ドライブ回路を含む印刷回路ボードが配置さ
れる。このボードは支持部材22（第１図）の延長部30に
挿入されたときにそれによって支持されるレーザ支持部
材32に固定される。主本体部74の下端に沿い、インタフ
ェース・ロジック回路を含む印刷回路ボード84が取付け
られ、走査ユニットの動作の結果発生したデイジタル信
号の処理を制御する。

印刷回路ボード84には、走査ユニットがグッド・リー
ドのときを示す発光ダイオード86が固定される。ダイオ
ード86は主本体部74の後面に取付けられている透明部材
87を通して見ることができる。主本体部74の後端にある
押ボタン部材88はレーザ・ダイオード34（第１図）の動
作を制御してライト・ビーム61（第11図）を出力し、並
列走査線123を構成する第10図の走査パターン125に類似
した走査パターンを発生する。この動作は第８図のHall
センサ122に類似したHallセンサ（図に示していない）
を使用し、公知の方法で軸28（第２図）の位置を示す信
号を発生する。

又、印刷回路ボード84には、スキャナのハンドル部72
に置かれ、走査ユニット20に供給される電圧を制御する
回路ボード90が固定される。ハンドル部72の前端に沿っ
て置かれたボタン機構92は印刷回路ボード90に接続され
て走査ユニットのオン／オフ動作を与える。ハンドル部
72の下端には、スキャナに電力を供給するケーブル（図
に示していない）と、バーコード・ラベルの走査から発
生したデータ信号を表わし、印刷回路ボード84にあるマ
イクロプロセッサ（図に示していない）から出力した電
気信号を送信するケーブルとを受入れる凹プラグ部94が
設けられる。

第８図は、そこに設けられている透明部106を持つ斜
前部104を有する長い本体部102を含む手持スキャナ（全
体的に100で示す）の第２の実施例を示す。本体部はモ
ータ108を通して延び、光学トランシーバ67（第６図）
の前端に取付けられている中空ドライブ軸110を回転す
るモータ108が取付けられる。ドライブ軸110の後端付近
には、レーザ・ダイオード116からレーザ・ライト・ビ
ーム114を受光するコリメート及びホーカス・レンズ部
材112が取付けられる。レンズ部材112は受光したレーザ
・ライト・ビームを中空軸部材110を通してコリメート
されたライト・ビームを投射するようコリメートし、ホ
ーカスする。軸部材110を通して送信されたライト・ビ
ーム114はトランシーバ67の斜面69に当り、それを通し
てコード・ラベル（図に示していない）が置かれている
単一走査線120を形成する開口106を通してライト・ビー
ムを偏光する。

この発明は多数のHallセンサ122（第８図）を使用
し、その出力信号はレーザ・ダイオード116の動作を制
御してモータ108の選ばれた回転範囲のみのダイオード
をターンオンする。Hallセンサは、回転鏡40（第２図）
と共に使用されたとき、線123（第10図）に類似する一
群の並列走査線を発生する走査ユニットの振動動作を発
生するモータ108の回転の長さを制御することにも使用
される。

走査したバーコード・ラベル（図に示していない）か
ら反射したライト・ビーム124（第８図）は光学トラン
シーバ67の球状凹部集光面63によって集光され、鏡面13
0に向けられ、その面が支持部材134に取付けられている
ホトデテクタ132において受光したライト・ビームを偏
光する。支持部材134は本体部102の後部にその長さまで
延び、そこに走査システムの処理回路を含む印刷回路ボ
ード136が取付けられる。本体部102の後端138には、プ
ラグ部材140が取付けられ、そこには印刷回路ボード136
に電力を供給するケーブル142の一端が取付けられ、走
査動作が発生した電気信号を処理するリモート・プロセ
ッサに送信するため、走査ユニットの処理回路から信号
を受信するケーブルが取付けられる。バーコード・スキ
ャナが実際にポータブルであると、第７図及び第８図の
スキャナのハンドル部分内に再充電電池パックを取付け
ることができる。

第9A〜9D図の多数の集光鏡−ホトデテクタ構造はこの
発明の実施例に使用され、その光学トランシーバはスピ
ン軸に取付けられて反射光を集光する。スピン軸144の
まわりを回転する単一要素凹面集光鏡142は受光した反
射ライト・ビーム146（第9A図）をスピン軸にも置かれ
ているホトデテクタ148に導く。第9B図のレンズ部材150
はスピン軸144に配置され、回転する平集光鏡142から反
射したライト・ビーム146を受光し、受光した反射ライ
ト・ビームをスピン軸にあるホトデテクタ148にホーカ
スする。平集光鏡142から反射したライト・ビームを受
光するためスピン軸144に取付けられている第9C図の単
一偏向鏡152は反射ライト・ビーム146をスピン軸144に
片寄り配置されているホトデテクタ148に導入する。ス
ピン軸144に取付けられている平集光鏡142及び平偏向鏡
154（第9D図）は反射したライト・ビーム146をスピン軸
144に片寄取付けられているホトデテクタ148に反射す
る。

第10〜12図はこの発明の走査ユニット20（第１図）か
ら発生した各種走査パターンを示す。第10図の鏡40のリ
ング（環状鏡）は回転し、トランシーバ42は固定のまま
であり、走査パターン125から成る複数の並列走査線123
を発生する。第11図の環状鏡40は固定であり、トランシ
ーバ42は走査パターン71を発生して360度回転する。前
述のホール（Hall）センサ122（第８図）を使用して、
ボタン88（第７図）を作動し、発生するべき走査パター
ン71aのいかなる単一走査線をも選択することができ
る。第12図はその内部周辺面に歯車状リング160を有す
る鏡支持部材38を示す。小歯車162は歯車160と、ドライ
ブ軸28の回転と反対方向に鏡支持部材38を回転するよう
ドライブ軸28に固定されている歯車リング164と噛合わ
される。この構造のライト・ビーム61で発生した走査パ
ターン68は走査動作の効率を上げるため高密度複数線走
査パターンを含む（第12図）。

この発明の光学トランシーバ構成の１つの利点は、走
査ユニットとバーコード・ラベルとの間の距離が変化す
る場合に、ホトデテクタに送光された光エネルギの自動
ダイナミック範囲制御を提供することである。第13図に
示すように、走査ユニットとバーコード・ラベル間の距
離が減じると、ホトデテクタの利得の増加となる受光量
が増加する。そのシーケンスは第14A〜14D図に示してあ
り、点168が符号化ラベルの位置であり、曲線156（第13
図）の傾斜によってもそれを示す。距離が減じると（第
14A,14B図）、ホトデテクタ56の出力はそれが曲線156の
点Ａに達するまで増加する。距離が更に減少すると、光
学トランシーバ42から反射したライト・ビーム166の量
はデテクタ56に過満し始め、ホトデテクタに当る反射光
の量を制限する。この状態は、ホトデテクタ56がその後
の点57に置かれてホトデテクタ56に当る光の量を減少す
るよう反射したライト・ビームの焦点を移動するように
第14C図に示す。距離が更に減少すると（第14D図）、ホ
トデテクタ56の影を少くするよう穴64（第３図，第４
図）に置かれているトランシーバ42の偏向鏡部44の効果
は、明らかに点B,C間に曲線で示すよう、利得を減じる
ようになる。

第15図はライト・ビームの合計内部反射を示す光学ト
ランシーバ67（第６図，第８図）の凹面69から反射した
ライト・ビームの通過を示す図である。表面69は入射角
（1c）がN/N′のアークサインを越えたとき、（ここ
で、Ｎはこの例では空気である低いインデックス材料の
屈折率であり、Ｎ′はそこからトランシーバ67が形成さ
れる材料で当る入射材料の屈折率である）受光したライ
ト・ビームの通路から90度の受光ライト・ビームを偏向
する。

ここでは、ライト・ビームを集光し、偏光し、導光す
るための鏡面が開示されたが、他のタイプのイメージ形
成面を使用してもよく、例えば、光プリズム、ホーカル
・プレンにホログラフ像を形成する回析面、又はパラボ
リック面のような各種タイプの円錐面などを使用しても
よい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、光学トランシーバを含む走査パターンを発生
し、走査した符号化ラベルから反射したライト・ビーム
を集光する要素と、トランシーバから反射したライト・
ビームを受光するホトデテクタとを示すこの発明の一実
施例のバーコード・スキャナ用走査ユニットの分解図、 第２図は、第１図の走査ユニットの断面図、 第３図は、トランシーバの偏鏡部が設けられている穴の
位置を示す第１図の走査ユニットに使用される光学トラ
ンシーバの正面図、 第４図は、第３図の光学トランシーバの平面図、 第５図は、この発明の両実施例に見られる光学トランシ
ーバの球状集光面を発生する設計パラメータの図、 第６図は、この発明の光学トランシーバの球状集光面の
焦点に対するスピン軸及びホトデテクタの位置を示す
図、 第７図は、スキャナの本体部内の走査要素の位置を示す
よう本体部の一部が除去された第１図の走査ユニットを
実施するこの発明の手持バーコード・スキャナの一実施
例の部分側面図、 第８図は、光学トランシーバがその制限された回転を通
して走査ライト・ビームを偏向する光学トランシーバを
有する手持バーコード・スキャナの第２の実施例の断面
側面図、 第9A〜9D図は、走査したバーコード・ラベルからの反射
したライト・ビームをスピン軸に集光してホトデテクタ
の方に向ける各種光学構造を示す図、 第10図は、回転鏡が回転したときのみ、又は光学トラン
シーバが360度より少く回転したときに、この発明のバ
ーコード・スキャナ・ユニットの両実施例から発生した
走査パターンを示す図、 第11図は、光学トランシーバが回転し、環状パターン鏡
が固定のときに、この発明の手持バーコード・スキャナ
の一実施例から発生した走査パターンを示す図、 第12図は、環状鏡及び光学トランシーバが反対方向に回
転しているときに発生する走査パターンを示す図、 第13図は、バーコード・ラベルがバーコード・スキャナ
に対して移動したとき、この発明の走査ユニットから発
生したゲインの量を示す図、 第14A〜14D図は、この発明の光学トランシーバがいかに
自己制限ダイナミック範囲を有するホトデテクタを提供
するかを示す図、 第15図は、ライト・ビームが第８図の光学トランシーバ
の凹内部偏向面を投射するかにつきライン・ビームの通
路を示す光学トランシーバの略図である。 図中、20……走査ユニット、22……フレーム支持部材、
24……モータ、28……中空ドライブ軸、32,34……レー
ザ・ダイオード、35……レンズ部材、40……鏡、42……
光学トランシーバ、44……平偏向鏡部、46……集光鏡
部、50……ホトデテクタ支持部材、52……フレキシブル
・フィンガ部材、60……スピン軸、56……ホトデテク
タ、63……球状凹面、67……トランシーバ、70……スキ
ャナ、72……ハンドル部、74……主本体部、76……支持
リング。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G06K 7/10

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】符号化記号に投射され、そこから反射され
   てくる途中でそれに沿いライト・ビームを導くスピン軸
   を有する走査システムにおいて、符号化記号から反射し
   たライト・ビームを集光して前記スピン軸に沿った符号
   化記号の方向に逆方向に向けるようスピン軸の周囲に配
   置されたコレクタ要素を含む走査システム。