JP3560656B2 - 共通基板上集積スキャナ - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、スキャナに関する。より詳細には、本発明は、共通基板に取りつけられた集積バーコードスキャナに関する。
【0002】
【従来の技術】
バーコードは、対象物に関する情報を蓄積し、現在では、手持ち式であるスキャナによって読まれる。バーコードスキャナが小型化してきたので、使用用途が増えてきた。今日では、バーコードスキャナは、ストアの物品に値をつけたり、倉庫の在庫品目録を制御したり、更に夜通しの運送を追跡するのにでさえ使用される。
バーコードを読み取る際に、バーコードスキャナは、バーコードを横切るレーザビームを走査し、バーコードからの反射光を検出する。一般的に、手持ち式スキャナのようなバーコードスキャナは、個々の部品を使用して構成されてきた。レーザダイオードや回転可能な走査ミラーのような個々の部品を別々に製造し、スキャナ内で細心の注意を払って整列させて、適当な走査性能を得る。
しかしながら、個々の部品を使用することによって、バーコードスキャナを更に縮小化することが妨げられ、このためにバーコードスキャナの新たな用途に制限を加えることになる。更に、個々の部品の誤った整列によって、スキャナは作動しなくなる。このために、個々の部品を、組立ての際に、充分に気をつけて整列させなければならず、これによりスキャナを複雑なものにし、構成するのに費用をかかるものにする。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
従って、すぐれた融通性を有する向上したバーコードスキャナを提供することが望ましい。
縮小化したバーコードスキャナを提供することが望ましい。
構成がより簡易であるバーコードスキャナを提供することが望ましい。
バーコードスキャナの構成費用を削減することが望ましい。
本発明の更に他の目的は、以下の記載に述べられており、その記載から明白になるであろうし、また、本発明を理解することができる。本発明の利点は、請求の範囲に詳細に指摘された器具とその組合せによって理解でき、かつ本発明の利点を得ることができるであろう。
【0004】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、共通基板に取りつけられたバーコードスキャナを開示する。より詳細には、本明細書で実施され広く述べられた発明の目的において、本発明は、ターゲットを横切って光を走査するように基板上に集積された光スキャナと、ターゲットからの反射光を検出するために基板上に集積されたセンサとを有する、共通基板上に形成された光走査システムを提供する。
バーコードスキャナは、入射光ビームを走査するために回転したり曲げられたりする精密仕上げされたミラーを備えた光スキャナを備えていてもよい。バーコードスキャナは、精密仕上げミラーを使用することなく、光源を回転させることによって、光ビームを走査してもよい。
この明細書の一部を構成するものとして組み入れられた添付の図面は、本発明の実施例とともに発明の実施を例表しており、本発明の目的、利点及び精神を説明するようになっている。
【0005】
【実施例】
本発明は、共通基板上で形成された光走査システムに関する。光走査システムは、光ビームを形成する光源と、光ビームと、所望のパターンで集束された光ビームを偏向させるための偏向器と、レンズと、光源からの光ビームをモニタする検出器と、偏向光ビームの反射を検出するセンサ及び電子回路を備えている。
本発明の好ましい実施例と、添付図面に図示された例を詳細に開示する。
本発明のスキャナの第一実施例を図1に示しており、符号100で示す。スキャナ100は、レーザダイオード112と、球面レンズ114と、スキャンモデュール118及び検出器120、128とを含んでいる。レーザダイオード112と検出器128は、支持台として使用するレーザサブマウント126上に取りつけられている。球面マイクロレンズ114は、レンズホルダー116によって支持されている。基板122上には、レーザサブマウント126と、レンズホルダ116と、スキャンモデュール118と検出器120が取りつけられている。基板122の表面は、斜面部分123に近接する平坦な部分121を含んでいる。レーザサブマウント126とレンズホルダ116は、平坦部分121上に取りつけられている。スキャンモデュールは、斜面部分123上に取りつけられている。好ましい実施例において、基板122は、シリコンのような半導体材料から形成されており、斜面部分123は、約45°の角度で傾いている。
【0006】
レーザダイオード112は、レンズ114の光軸と整列しており、レーザダイオードドライバに従って可視レーザビームを発するが、図示していない。好ましい実施例において、レーザダイオード112は、ソニーSLD1101のレーザダイオードチップのようなバーコード走査に適したレーザビームを形成できる、商業的に入手可能なレーザダイオードとすることができる。
検出器128は、レーザダイオード112の後方のレーザサブマウント126上に取りつけられており、レーザダイオード112の出力をモニタすることができる。検出器128は、レーザダイオード112の前部からのレーザビーム出力の強度に比例する、レーザダイオード112の後方からの光出力量を表す信号を発信する。この信号はレーザダイオードドライバに伝達され、レーザダイオード112の出力を制御することができる。
図1は、レンズ114が別体構造のレンズホルダ116によって直立位置に固定された状態を示している。レンズ114と、レンズホルダ116は、一体構造の装置とすることもできる。図1は、レンズホルダ116を基板122の平坦部分上に取りつけた状態で表しているが、レーザサブマウント126に取りつけることもできる。また、好ましい実施例では、レンズ114は、球面マイクロレンズとして示しているが、レンズ114をボール状マイクロレンズ、グレートロッドインデックスレンズ(GRIN)、マイクロフルネルレンズ、或いは円筒形マイクロレンズのような、レーザビームを集束するための、いかなるレンズから構成してもよい。
【0007】
レーザビームの好ましい集束は、レンズ114とレーザダイオード112との間の距離を調整することによって達成できる。レンズホルダ116はレンズ114をレーザダイオード112に近づけたり、或いは離したりするように調整可能であるが、レンズ114を所定の整列位置に固定するのが好ましい。 スキャンモデュール118が斜面部分123上に取りつけられており、レーザダイオード112からのレーザビームを遮断して反射するようになっている。スキャナ100の作動時に、スキャンモデュール118は、ターゲットを横切って一方向にレーザビームを走査する。
スキャンモデュール118は、現存のVLSI技術を使用して形成された精密仕上げされたミラーを備えるのが好ましい。Proc. of IEEE の第70巻、第5の420〜457の“機械的材料としてのシリコン”と2JMicromech. Microeng. の256〜261の“静電精密機械”と、1150Proceedings of SPIE の“可変ミラー空間光モデュレータ”では精密仕上げされたミラーを形成するのに適した技術を開示する。
検出器120は、基板122の平坦部分121の上に取りつけられているのが好ましく、ビームがターゲットを横切って走査されるときにレーザビームの反射を検出する。レーザビームがターゲットを横切って走査されるにつれて散乱し、このために検出器120はターゲットから反射した光を受信して検出することができる。次いで、検出器120は、検出された反射光を表す信号を発信する。例えば、レーザビームが明領域と暗領域とを有するバーコードを横切って走査されたところでは、バーコードの明領域は光を反射し、暗領域では、光を反射しない。レーザビームがバーコードを横切って走査されるとき、検出器120は、バーコードの明領域であることを表す分散した光を検出し、それに対応する信号を発信する。これにより、バーコードを読み取ることができる。好ましい実施例において、検出器120は、一体的に集積された光検出器である。
【0008】
図2は、スキャナ100の上面図を示している。レーザダイオード112と、レンズ114とスキャンモデュール118は、互いに整列しており、スキャンモデュール118が集束されたレーザビームを反射するようになっている。検出器120は、レンズホルダ116のいずれか一方側に配置することができる。
ワイヤボンドパッド130により検出器120は、例えば信号プロセッサのような外部装置と接続される。ワイヤボンドパッド132と134は、レーザダイオード112と検出器128のそれぞれをレーザダイオードドライバのような外部装置と接続させることができ、レーザダイオード112の出力を制御するようになっている。ワイヤボンドパッド142は、精密仕上げされたミラーをフィードバック回路(図示せず)のような外部装置によって作動させる。
本発明のスキャンモデュール118は、下記で詳細に述べるように、捩れ構造或いは片持ち梁構造のような様々な構造を使用して実施してもよい。更に、スキャンモデュール118を、下記で詳細に述べるように、静電作用及び加熱作用のような様々な技術によって作動することができる。加熱作用において、例えばヒンジは形状記憶合金で形成されるか、或いはバイメタルである。
【0009】
捩れ構造において、スキャンモデュール118は、走査ミラー136と、捩れヒンジ138とフレーム140とを含んでいる。ヒンジ138は、フレーム140によって支持されており、基板122の斜面部分123上に取りつけられている。走査ミラー136は、ヒンジ138によってつり下がっており、ヒンジ138によって形成された軸の回りを基板122の斜面部分の表面に沿って回転する。走査ミラー136は90°まで回転可能である。上述したように、ワイヤボンドパッド142によって、スキャンモデュール118はスキャンモデュールドライバのような外部装置と接続されることができ、スキャンモデュール118を制御するようになる。
図3は、スキャンモデュール118を制御するための様々なエレメントを示している。静電作用は、スキャンモデュール118がミラー136を回転させて、入射レーザビームを走査できる一つの手段である。従って、好ましい実施例において、スキャンモデュール118は、ミラー136の上方に回転軸の一方側でガラスカバー148上に取りつけられた上部電極144と、ミラー136の下方に回転軸の一方側上で基板122上に取りつけられた基板電極146とを備えている。上部電極144は、光がスキャンモデュール118内に入り込み出ていくように透明でなければならない。例えば、上部電極144は、反射率の低い半透明な金属コーティングをグラスカバー148に重ねることによって形成することができる。
【0010】
スキャンモデュール118の作動時に、上部電極144と基板電極146が励磁されて静電力を発生し、ミラー136を回転させる。静電力は、一方の基板電極146とミラー136との間で電圧を発生させ、基板電極146とミラー136との間で反対の極性を有する電荷が発生する。その結果生じた引力によって、近い方のミラー136を下方に引っ張り、これによりミラー136は回転軸に沿って回転するようになる。
同時に、電圧がミラー136とそれに対応する上部電極144との間に加えられて、基板電極146がミラー136を回転させるようになる。その結果生じた引力が他方側のミラー136を上方に引っ張り、ミラー136は、基板電極146と一致して連続して回転する。
ミラー136は、他方の基板電極146と上部電極144に電圧を印加することによって反対方向に回転することができる。適当な基板電極146と上部電極144に新たに電圧を印加することによって、入射光ビームをスキャンモデュール118により走査することができる。この手段によって、非常に低い電力消費でスキャンモデュール118を作動させるための簡単な方法を提供することになる。
【0011】
図3は、上部電極144と基板電極146双方を示しているが、ミラー136は、一組の電極のみ、即ち上部電極144、或いは基板電極146のいずれかを使用することによって回転可能である。このような形状において、上部電極144を使用することなく、電圧を基板電極146とミラー136との間に新たにかけることによって、基板電極146は、ミラー136を回転させる。上部電極144は、同じような方法で単独に作動することができる。いずれの場合であっても、ミラー136を回転させるのには大きな引力が必要となる。
ヒンジ138は、適当な材料から形成することができるが、ヒンジ138は、チタンニッケルのような形状記憶合金から形成することが好ましい。このような合金には特殊な形状記憶特性があるからである。形状記憶合金は、遷移温度以上で加熱されたときに元の形状に戻る。ヒンジ138が、ミラー136の回転によってねじれた後に、走査前に短い電気パルスがかけられてヒンジを加熱し、ミラー136を元の位置に戻す。好ましい実施例において、ミラー136を元の位置に戻すために10〜20mWのパルスを10ミリセカンド以内でかければよい。本発明の他の実施例を以下に述べるが、全図面を通して同様の部分は同じ符号で表す。
【0012】
図4は、本発明のスキャナの第二の実施例を示す。スキャナ102は、レンズ144の光軸144と整列し、レーザサブマウント126に取りつけられて、レーザビームを発するレーザダイオード112と、レーザダイオード112の出力をモニタするための、レーザサブマウントに取りつけられた検出器128とを備えている。レンズホルダ116によって支持されたレンズ144は、レーザダイオード112から発せられたレーザビームを集束する。レーザサブマウント126とレンズホルダ116は、基板122の平坦部分121上に取りつけられている。基板122の斜面部分123上に取りつけられたスキャンモデュール118は、ターゲットを横切って集束された光ビームを偏向し、検出器120は、走査されたれレーザビームの反射を検出する。
更に、スキャナ102は、レンズホルダ142によって支持されたレンズ146を備えており、ビームがターゲットを横切って走査される前に、スキャンモデュール118からのビームの偏向を拡大することができる。ビームの偏向を広くすることは、モデュール118内のマイクロミラーの機械的な偏向角度を小さくすることになり、ビームを集束する際に融通性を増大させる。レンズ144とレンズ146はいかなる種類のものでもよいが、図4で示したように、レンズ144は、正のレンズであり、レンズ146は負のレンズである。
【0013】
図5は、基板122の平坦部分121上に取りつけられた、レーザサブマウント126上に取りつけられているレーザダイオード112を有するスキャナ104の本発明の第三の実施例を示している。検出器128は、レーザダイオード112の後方のレーザサブマウント126上に取りつけられており、レーザダイオード112の出力をモニタする。基板122の傾斜部分123上に取りつけられたスキャンモデュール118は、レーザダイオード112から集束されていないレーザビームを受取り、レンズホルダ150によって支持されたレンズ148を通してビームを偏向する。レンズ148は、ビームがバーコードのようなターゲットに到達する前に偏向したビームを集束する。スキャナ104の形状は、レーザダイオード112とスキャンモデュール118との間にレンズがないために簡単でコンパクトな構造となっている。
図6は、レンズ148を備えていない場合のスキャナ104の上面図である。レーザダイオード112はスキャンモデュール118と整列している。ワイヤボンドパッド132と134によって外部装置は、レーザダイオード112と検出器128をそれぞれ接続する。ワイヤボンドパッド142によって外部装置は、精密仕上げミラーと接続される。図6は、反射光を検出するための検出器を示していないが、このような検出器を、スキャンモデュール118の近くか、或いは他の所望の場所に容易に取りつけてもよい。
【0014】
本発明の第四実施例は、スキャンモデュール上に光ビームを曲折させることであり、図7の(A)と図7の(B)で図示する。図7の(A)と7の(B)をそれぞれ参照すると、スキャナ106と107は、レーザダイオード112と、レンズ114と、スキャンモデュール118とを備えている。スキャナ106と107で使用されたレンズ114は、いかなる種類のものでもよく、完全に平坦な基板222上に取りつけられている。レーザダイオード112は、レーザサブマウント126上に取りつけられている。
図7の(A)を参照すると、スキャナ106のレーザダイオード112は、xだけレンズ114の光軸の上で整列している。このようにして、レーザダイオード112を整列することによって、レーザダイオード112から発せられたレーザビームは、角度θだけ下方に曲がる。曲がったレーザビームは、平坦基板222に取りつけられたスキャンモデュール118にあたる。スキャンモデュール118は、他の実施例で記載された方法でターゲットを横切ってレーザビームを走査する。
図7の(B)を参照すると、スキャナ107は、レンズ114に近接して配置されたプリズム115を備えている。レーザダイオード112から発せられたレーザビームは、レンズ114を通り、プリズム115によって下方にスキャンモデュール118上に曲がる。再び、スキャンモデュール118は、他の実施例で述べた方法でターゲットを横切ってレーザビームを走査する。
【0015】
レーザダイオード112から発せられたレーザビームを曲げることによって、傾斜基板を必要としなくなる。このことは、平坦な基板は、傾斜した基板よりも製造が容易であるので別個の利点を与えることになる。
図8は、本発明に係るスキャンモデュール119を示している。ミラー136は、ヒンジ138によりつり下がっており、入射レーザビームに垂直で、回転軸に沿って回転する。ヒンジ138は、フレーム140にって支持されている。ミラー136は、基板222の表面に対してある角度で傾いており、基板222の表面に垂直な入射光ビームを遮断したり、偏向する。ミラー136は、例えば上述したような静電作動によって、前後に回転し、これにより入射光ビームがバーコードのようなターゲットを横切って走査されることになる。
図9は、本発明のスキャナの第五の実施例を示している。スキャナ108は、図8に示したようなスキャンモデュール119を使用する。スキャナ108において、平坦基板139上に取りつけられたレーザダイオード112は、基板139の表面に平行なレーザビームをミラー136上に発する。検出器128は、レーザダイオード112の出力をモニタする。基板139に取りつけられたヒンジ138によってミラー136は所定のパターンでビームを回転させたり偏向したりする。溝137は、レーザダイオード112の前部で基板139内でエッチングされ、レンズ(図示せず)を保持してレーザダイオード112から発せられたレーザビームを集束するようになっている。
【0016】
図9のスキャナ108は、図1のスキャナ100よりも平坦である。何故ならば、スキャンモデュール119のような部品を、単一で、低い外観の平坦な基板139上に取りつけることができるからである。スキャナ108の平坦基板139はスキャナ100の傾斜基板123よりも製造が容易であるだけでなく、スキャナ108の高さが低い形状は、スキャナ100の空間よりも小さくてすみ、このために、更に様々な用途に使用することができる。
図10(A)と10(B)は、再帰収集精密仕上げミラー135の上面図と側面図をそれぞれ表している。再帰収集精密仕上げミラー135は、本発明のいかなる実施例においてもスキャンモデュール118と119の代わりとすることができる。ミラー136は、検出器120の中央に取りつけられており、ヒンジ138によってつり下がっている。ミラー136と検出器120は、上述したような静電作用によってヒンジ138に沿って回転し、ミラー136への入射レーザビームにターゲットを走査させるようにする。検出器120は、ターゲットからの走査されたビームの反射を検出する。
再帰収集精密仕上げミラー135は、検出器とスキャナミラーを別にする必要性を取り除くことによってスキャナに要求される空間の大きさを最小にする。更に、再帰収集精密仕上げミラー135の検出器120は、静電検出器よりも効果的に反射光を検出することできる。検出器120は走査されたターゲットに常に面するように回転し、これにより検出器120は、ターゲットから反射した分光を受け取るようになるからである。このことは、検出器120によって検出されたノイズ(即ちターゲットから反射されなかった光)を減少させることになる。
【0017】
図11は、回転ミラーではなく、変形ミラーを使用する片持ち梁構造を備えたスキャンモデュール164を示している。スキャンモデュール164は、ミラーエレメント150と、支持部152と、シリコン電極154と、酸素フィルム156と、シリコン基板158及び電圧源160とを備えている。
ミラーエレメント150は、アルミニュウムのような反射性材料から形成されており、電気的に接地されており、支持部152の一端で固定されている。支持部152は、電極154上に取りつけられており、電気的に絶縁するために、酸素フィルム156でコートされている。電極154は、基板158上に取りつけられており、電圧源160に接続されている。電極154は、エアギャプ162によってミラーエレメント150から離れている。
電圧源160が電圧を電極154に印加するときに、エアギャプ162内に磁界を発生させ、電極154とこれに対応するミラーエレメント150との間の静電引力が生じる。静電引力は、ミラーエレメント150を下側に曲げ、入射光ビームを偏向する。静電力の適当な制御は、入射光ビームを走査する。
本発明は、ミラーを使用することなく実施することができる。図12の(A)から図12の(C)は、本発明の第六実施例の斜視図、側面図および上面図をそれぞれ表している。スキャナ170は、回転可能にスキャンモデュール180に取りつけられた集束モデュール178を備えている。集束モデュール178は、レーザダイオード172と、レンズ174と、孔176とを備えており、スキャンモデュール118においてミラー136がヒンジ138によってつり下がる(図3参照)のと同じ方法で、ヒンジ182によってつり下がり、ミラー136がヒンジ138に沿ってスキャンモデュール118によって回転するのと同じ方法で、集束モデュール178はヒンジ182に沿って前後に回転できる。
【0018】
レーザダイオード172から発せられたレーザビームは、レンンズ174と孔176を通り、ビームを集束する。モデュール178を回転させることは、ミラーを使用することなくバーコードのようなターゲットを横切って入射レーザビームを走査することになる。
図13は、スキャナ202に組み込まれたスキャナシステム200を示しており、本発明の様々な実施例を表す。外部装置204は、ライン206によって、スキャナ202に接続されている。スキャナシステム200は、例えば静電バーコードスキャナ或いは手持ち式バーコードスキャナとすることができる。
本発明のスキャナは、モノジリック集積、或いはハイブリッド集積のいずれかを使用して製造することができる。モノジリック集積は、単一の半導体チップ上にオプトメカニカルシステムを形成する。一方、ハイブリッド集積回路は共通の基板上の個々に形成された、一個か二個以上のサブシステムを組み合わせる。ハイブリッド集積工程は、一般的に、モノジリック集積化工程よりも少なく、より精密な装置を組み合わせることができる。
レーザダイオードと、検出器と、レンズと、スキャンモデュールを含む本発明の多くの部品をVLSI技術を使用することによって形成することができる。モノジリック集積が使用される場合には、単一の一連の工程段階において、これらの部品の全てを、単一のチップ上に形成することができる。ハイブリッド集積が使用される場合には、各部品は個々に形成され、共通基板上に取りつけられる。
【0019】
しかしながら、全ての部品がVLSIである必要はない。例えば、光ビームを集束するレンズは、他の公知の技術を使用することによって構成することができ次いで、適当にスキャナ上に取りつけられる。
様々な変形と変更が、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、本発明に係るスキャナになされることができることは、当業者にとって明白である。このように、本発明の請求の範囲と均等例の範囲内となる本発明の変形例と変更例を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一実施例に係るスキャナの側面図である。
【図2】本発明の第一実施例に係るスキャナの平面図である。
【図3】図1に示されたスキャナで使用されたスキャンモデュールの側面である。
【図4】本発明の第二実施例に係るスキャナの側面図である。
【図5】本発明の第三実施例に係るスキャナの側面図である。
【図6】本発明の第三実施例に係るスキャナの平面図である。
【図7】7の(A)と7の(B)は、本発明の第四実施例に係るスキャナの側面図である。
【図8】本発明に係る第四実施例に係るスキャンモデュールの斜視図である。
【図9】本発明に係る第五実施例のスキャナの斜視図である。
【図10】10の(A)と10の(B)は、本発明に係る再帰収束精密仕上げミラーの上面図と側面図をそれぞれ示している。
【図11】変形可能なミラーを使用する、本発明に係るスキャンモデュールの側面図である。
【図12】12の(A)、12の(B)及び12の(C)は、それぞれ本発明の第六実施例に係るスキャナの斜視図と、側面図と上面図を示している。
【図13】本発明に係るスキャナを組み入れたスキャナシステムを示している。
【符号】
100 スキャナ
112 レーザダイオード
114 球面レンズ
116 レンズホルダ
118 スキャンモデュール
120、128 検出器
121 平坦部分
122 基板
123 斜面部分
126 レーザサブマウント
136 ミラー
138 ヒンジ
140 フレーム
144 上部電極
146 基板電極
148 グラスカバー
Claims (4)
- 立ち上がった斜面部分を有するほぼ平坦な基板と、
該基板上に取りつけられた、光ビームを発生する光源と、
前記基板上に取りつけられた、前記光源により発生した前記光ビームを集束するレンズと、
前記基板の斜面部分上に取りつけられており、所望のパターンでターゲットを横切って前記基板に対しほぼ垂直方向に前記光ビームを偏向するスキャナと、
前記ターゲットから偏向された光を検出し、該検出された光を表す電気信号を作り出すようになった、前記基板上に取りつけられたセンサーと、
からなる光走査モデュール。 - 前記スキャナは前記基板の前記斜面部分に固定されたフレームと、該フレームの中央に取りつけられたミラーと、前記基板の上にミラーを吊り下げ、該ミラーが前記基板に対し傾斜する回転軸周りを回転できるように前記ミラーの両端部のそれぞれと前記フレームに接続された一対のヒンジと、を含むことを特徴とする請求項1に記載の光走査モデュール。
- 前記スキャナの上に前記基板に接続されたレンズを備えていることを特徴とする請求項1に記載の光走査モデュール。
- 前記センサーは、前記レンズの両側部に一対の検出器を含んでいることを特徴とする請求項1に記載の光走査モデュール。
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