JP4598796B2 - 光学コードを読取るレーザモジュール - Google Patents
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Description
本明細書における“小型レーザモジュール”の用語は、体積が約20cm3以下、好ましくは1.5cm3以下のレーザモジュールを指す。
レーザビームを発生する少なくとも1つの光源、およびレーザスポットを用いて読取る光学コードを走査する手段を有する走査照明部と、
前記光学コードにより拡散される光の少なくとも一部を集光し、集光した光を検出する受光部とを備え、
前記受光部と前記走査照明部とは空間的に分離されている。
光反射手段がコードにより拡散された光を集光する表面として作用しないので、走査照明部のサイズを従来のミラー走査システムに比較して大幅に減少させることができる。
好ましい実施形態では、前記光反射手段のサイズは、走査平面に対する垂直方向において、1.5mm未満である。
これにより、走査ごとに、または各走査内で部分的に速度パターンを変更して、用途の特性と処理電気回路性能に対して読取り速度を調整するように、モータ制御を実行できる。
この構成によれば、段階的に作動速度に到達させることができるとともに、前記作動速度を読取るべき特定の光学コードの関数として最適化でき、特に不鮮明または極めて小さい光学コードの場合に有効である。
好ましくは、前記モータは9mm未満の高さ、より好ましくは6mm未満の高さ、さらに好ましくは3mm未満の高さである。
このようなサイズのモータは光反射体の小型化および軽量化には適するが、走査平面に垂直な方向の極度に制限されるレーザモジュールのサイズは小さくできない。
上述の範囲の薄い厚さを得ることができる上に、この解決方法は電子制御部品をモータのケース上に直接組み立て、前記モータの作動から発生する電磁ノイズを随意に遮断し、これにより受信信号増幅回路の効率を改良する。
さらに、好ましくは、モータ手段はパルス幅変調を用いて駆動される。
これにより、モータ消費電力が抑えられるという利点を持つ。
ポリゴンミラー(回転多面鏡)と称するこのタイプの走査システムは、前述のような積極的に制御される変動を除いて、走査ライン全体に大きな速度変動はない、極めて広い走査角度を実現する。さらに、本発明の範囲内で可能な限り小型化することにより、ポリゴンミラーはこの種の走査システムに通常付随する慣性の欠点に影響されない。
これにより、 “スタック式(上下方向に積み重ねられている)”バーコード、つまり複数の棒線(バー)が上下方向に連続して積み重ねられているバーコードの読取りに有効である。
このような光反射体、一般には平面ミラー(以後、簡単のために、時にはこれを引用する)は、ミラー重量が回転ポリゴンミラー走査システムに比べてはるかに軽量であることより、有利である。
振動運動は、前述の種々のモータ手段を適切に駆動して得られる。
振動磁気装置は、具体的には、共通絶縁基板上に、
導線が巻かれ、空隙を有する磁気コアと、
前記磁気コアの前記空隙に向かう方向および前記空隙から離れる方向に振動する自由端部を有し、光反射体を保持する細長い磁性部材とを備える。
この構成により、磁気装置の厚さを極めて薄く(1/10ミリメータの数倍)できる。すなわち、光反射体に入射するレーザスポットのサイズによってのみ磁気装置の厚さは制限される。
この種の走査デバイスは高速で、運動部分を持たないため、機械的故障の発生が少なく、また摩耗の影響を受けない。
好ましくは、レーザ超小型光源アレイは複数の列を有する。
このようにして発生する複数の走査ラインは、スタック式コードを読取るのに特に有利である。
有効な異なる色の複数の走査ラインを有することで、光学コード読取りは、コードとその背景間の色彩コントラストに関して、さらに汎用性が高くなる。
本明細書において、 “前面”の用語は、読取る光学コードに面しているレーザモジュール面を指す。この用語は、レーザモジュールを内部に備える光学コード読取装置内のレーザモジュールの絶対的な方向を指すと解釈すべきではなく、もとより絶対的な空間方向を指すものでもない。同様に、“背面”、“下面”、“上面”、“側面”などの用語は絶対的な方向を意味すると解釈すべきでなく、前述の前面を基準としたものである。
このように前面からできる限り離れた配置によって、走査幅はすでにレーザモジュール出力においてできる限り大きくなり、レーザモジュールに近接している光学コードの読取りが可能であって、これにより最大限に集光できる。
回転式または振動式の光反射体を有する回転モータの場合、所定の待機状態位置は、単一のステータ巻線に直流電圧を供給して、またはキャパシタの電荷を除去して設定される。待機状態位置において光反射体は、レーザビームが反射面の中心を照射するように、または多角形本体の場合には2つの反射面が接する角部を照射するように取付けられる。磁気振動装置の場合、所定の待機状態位置は、巻線への電源供給をなくして設定される。電気−光または音響−光装置の場合、所定の待機状態位置は、これら装置の駆動を停止することにより設定される。超小型光源のアレイの場合、アレイ列の中心の光源またはアレイ列の両端の光源をオンにすることにより設定される。これにより、モジュールの起動時に、1つまたは2つのレーザスポットが走査領域の中心またはその両端に発生し、読取る光学コード方向にレーザモジュールの照準を合わせるのに役立つ。
これにより、受光部の出力信号において、対象とする部分である変調された信号に含まれる情報を、周辺光によるノイズである変調されない信号に含まれる情報から分離できる。
特に、走査レーザ光を変調して、例えば欧州特許公開第0652530号に記載されているように、光学コードの距離の測定に適する信号を得ることができる。
特に、適切な形状および面積を有する単一の集光レンズおよび単一の光検出素子、単一の集光レンズおよび複数の光検出素子、または複数の集光レンズおよび対応する複数の光検出素子を設けることにより、各光検出素子の視野が光学コード走査ラインのみを含むようにすることができる。この場合、各光検出素子の視野は、正方形、長方形または円のような光検出素子自体の形状、および使用している特定のレンズに依存する幾何形状を持つ。
このスリットにより、集光によって対象とする光検出領域全体を正確に選択することができ、および/または、さらに、各光検出素子ごとの視野を減少させることができる。
これにより、信号/雑音比が改良され、レーザモジュールの消費エレルギーが抑えられる。
これにより、基本的にモジュールの奥行きに等しい長い焦点距離を有する1つ以上のレンズが使用される。長い焦点距離を持つレンズは、コードが極めて大きい距離にある場合だけ完全に焦点を結ぶため、コードが近付く方向に移動するに伴ない形成される像は著しく焦点から外れ、光学コードにより拡散される光エネルギーの大部分が徐々に検出されなくなる。このようにして、近接コードが遠方コードに比べ多量の光を受光し、拡散するという効果が補償される。したがって、光学コードの距離に対する感度を小さくすることができる。さらに、焦点位置が後退していることにより、光検出素子は走査平面に対して傾斜している光線、すなわちコードから拡散した光ではない周辺光(つまりノイズ)を集光しない。
これにより、走査ラインの端部から拡散される全ての光を効率よく取り込むことができ、周辺光によるノイズを増大させずに受光部の集光効率を高めることができる。
別の実施形態では、受光部は、前面と、前面に直交する下面または上面と、これらの間の傾斜面と、直角三角形の形状の側面とを有するチャンバを備え、前記少なくとも1つの集光レンズが前面に配置され、前記少なくとも1つの光検出素子が下面または上面に配置され、さらに傾斜面に内側反射面が設けられている。
さらに好ましくは、内側反射面が受光チャンバの側面にも設けられている。
これにより、走査ラインの端部により拡散される全ての光を効率よく取り込むことができ、周辺光によるノイズを増大させずに受光部の集光効率を高めることができる。
集光効率をさらに改良するために、両側面の間隔を前面から離れる方向に沿ってわずかに狭くする、つまり収束するようにすることができる。
これによりチャンバ全体を単一のブロックで製作でき、その結果各面の相対方向を精度よく調整できる。
このようなレンズは極めて大きい集光効率を持ち、走査ラインに方向には広い視野、かつ走査ラインに直交する方向には狭い視野を与える。すなわち、周辺光の高い除去効果を示す。
これによれば、フレネル円柱レンズが平坦な形状であるため、組立が容易になり有利である。組立は、実際にはフレネル円柱レンズを受光窓に接触させて行う。この結果、前記受光窓によるレンズの遮蔽が生じないために集光効率も高くなる。さらに、このようなレンズは焦点距離とレンズの直径との比が1まで動作できるが、この条件では従来レンズであれば表面の大きい反射によって影響を受けてしまう。
材料の色は、走査レーザ光の発光色ならびに光学コードと背景間の色彩コントラストを基にして適切に選択される。これにより、レンズは同時にフィルタとしても作用し、走査レーザ光の波長よりも短い可視波長を吸収する。
この場合、有利な実施形態では、受光部は低域通過特性を持つ一般のガラスフィルタを備える。
これにより、レンズとフィルタの全体コストは、無色レンズと赤色の保護ガラスの従来構成に比べて大幅に削減される。
代わりに、集光レンズの光学的な性質を示さない面が低域通過フィルタ特性を持つように、集光レンズは着色される。
この場合、コードにより拡散された光を集光するのに有効な前面領域をレーザモジュールの厚みと等しく、できる限り大きくするために、走査照明部が、放射窓面におけるレーザビーム直径にほぼ等しい高さを持つ放射窓を備えることが好ましい。
実際、放射窓高さはできる限り小さく、走査レーザ光の放出が妨害されることがない限界の大きさである。
この場合、走査ライン方向のサイズも制限するために、受光部の光検出素子が走査照明部のモータ手段の前に部分的に延びてもよい。
同様に走査ライン方向のサイズも制限するために、走査手段またはレーザ超小型光源のアレイがレーザモジュールの前面に近接して配置されてもよい。
これにより、レーザモジュール内部品が小型部品であるために厳密性を必要とする組立作業が容易になる。
同一の目的のために、支持ブロックならびに走査照明部および受光部の構成部品が、所定の位置に構成部品を組立てるための結合手段を有してもよい。これら結合手段として、例えば走査モータのケース、レーザ光源、走査ミラー等に設けられるノッチもしくはスリット、および支持ブロックに設けられる組立タブもしくは留め金具、レンズ、フィルタなどの光学部品を挿入するスリット、またはモータをはめ込み収納するスリット、および多くの箇所で支持ブロックに固定されるのに適する結合手段がある。
これにより、受光部の光検出素子は、走査照明部から直接放射された光から有効に遮蔽される。
この場合、光検出素子は走査開始および/もしくは終了信号またはパルスを発生する。この信号またはパルスは光学コード読取装置のデコード部品で使用できる。この読取装置内には、単一の走査、例えば走査ライン内の光学コードの検索を開始するための走査に同期化するために、レーザモジュールが内蔵されている。さらに、この信号は各走査ラインから得られる部分的デコードの再構成を基本とするデコードシステムに特に有効である。最後に、安全性の点より、レーザモジュールまたは走査手段がオンになった後に予め設定した時間内に信号を受信しない場合は、このような信号を使用してすべてのレーザ光源をオフにすることができる。
これらの場合、レンズ22とガラス21の全体コストは、透明レンズ22と色ガラス21の場合に比べて約1/3になる。
H.Kuck, "A novel electrostatically driven torsional actuator(新しい静電気駆動振動ねじりアクチュエータ)", proc. 3rd intl. Conf. On Micro-Opto-Electro-Mechanical Sys., Mainz, Aug. 30th-Sept. 1st, 1999で記述されている。
コントローラ61は、アレイ60の各列62〜65のレーザ超小型光源66を順次駆動して、駆動された列62〜65のそれぞれ1つのレーザ超小型光源66により瞬間的に発生したレーザスポットで光学コードを走査する。
好ましくは、アレイ60のレーザ超小型光源66をレーザモジュール1の後壁4にできる限り近接して配置することにより、前述のように、放射窓11から出力する走査ラインは長いものとなる。
実際には、受光部は、薄い黒色の柔軟なプラスティックシート(図示せず)により上方部分から分離している、このプラスティックシートは、支持ブロック70の上部ベース上に“置かれ”ており、電子部品を含むプリント回路74の圧力により前記ベース上に押し付けられている。
図17に示すように、受光チャンバ27aはくさび形状であり、前面90、前面に垂直な下面91、前記両者間の傾斜面92および直角三角形状の側面93、94を備える。
集光効率をさらに改良するには、図18の平面図に示すように、受光部27aの側面93、94の間隔を前面91から離れる方向にわずかに狭くする。
経済的理由と組立の簡単化のために、前記集積回路はモータ制御に必要なすべての回路を含んでもよい。
Claims (40)
- 光学コードを読取る小型レーザモジュール(1)であって、
走査平面を画定するレーザビームを発生するように構成された少なくとも1つの光源(8;60)、および、レーザスポットを用いて、読取り対象光学コード(C)を走査する手段(9,10;40;50;60,61)を有する走査照明部と、
前記コード(C)により拡散される光の少なくとも一部分を集光し、集光した光を検出するように構成された受光部(27a)であって、少なくとも1つの受光チャンバ(27a)を有する受光部とを備え、
前記受光チャンバ(27a)が、
少なくとも1つの光検出素子と、
光入力前面(90)と、
この前面(90)に直交するとともに前記走査平面に平行である検出面(91)であって、前記少なくとも1つの光検出素子が配置可能な検出面(91)と、
前記光入力前面(90)および前記検出面(91)に、向かい合う辺がそれぞれ接する内側反射面(92)と、
前記光入力前面(90)、前記検出面(91)および前記内側反射面(92)に、3つの辺がそれぞれ接する側面(93,94)とを有し、
前記コード(C)により拡散された光が前記光入力前面(90)から前記受光チャンバ(27a)に入り前記内側反射面(92)によって反射された後に入射されるように、前記少なくとも1つの光検出素子が前記検出面(91)上に配置されており、
前記受光部と前記走査照明部とは空間的に分離され、前記コードにより拡散される光の前記一部分と前記走査平面を画定するレーザビームが、全く分離した光路を通る、レーザモジュール(1)。 - 請求項1において、前記受光部(27a)の前記側面(93,94)が内側反射側面である、レーザモジュール(1)。
- 請求項1または2において、前記走査照明部と前記受光部(27a)が、積み重ねて配置されているレーザモジュール(1)。
- 請求項1または2において、前記走査照明部と前記受光部(27a)が、横方向に隣接しているレーザモジュール(1)。
- 請求項1ないし4のいずれかにおいて、前記受光部(27a)が、受光チャンバ(27a)の前記前面(90)に配置された少なくとも1つの集光レンズ(22)を有するレーザモジュール(1)。
- 請求項1ないし5のいずれかにおいて、前記内側反射面(92)と前面(90)の間の傾斜角度が45°よりも小さいレーザモジュール(1)。
- 請求項1ないし6のいずれかにおいて、前記受光チャンバ(27a)の前記両側面(93,94)の間隔が前記前面(90)から離れる方向に沿ってわずかに狭くなっているレーザモジュール(1)。
- 請求項1ないし7のいずれかにおいて、前記少なくとも1つの受光チャンバ(27a)が、光学的に透明な材料で製作された一体物であるレーザモジュール(1)。
- 請求項1ないし8のいずれかにおいて、前記走査手段(9,10;40;50;60,61)はモータ手段(10;40)およびこのモータ手段(10;40)で可動する光反射体(9)を有し、前記光反射体(9)がレーザビームを受光および偏向するように可動するレーザモジュール(1)。
- 請求項9において、前記光反射体(9)の走査平面に垂直方向のサイズ(HS)が、1.5mm未満であるレーザモジュール(1)。
- 請求項9または10において、前記モータ手段(10;40)が連続的な可変角速度を提供するレーザモジュール(1)。
- 請求項11において、前記モータ手段(10;40)は、起動時にランプ信号を用いて駆動されるレーザモジュール(1)。
- 請求項9ないし12のいずれかにおいて、前記モータ手段(10;40)がブラシレスモータおよびステッピングモータから選ばれたモータを備えるレーザモジュール(1)。
- 請求項13において、前記モータ(10)の高さ(HM)が9mm未満であるレーザモジュール(1)。
- 請求項14において、前記モータ(10)の高さ(HM)が6mm未満であるレーザモジュール(1)。
- 請求項15において、前記モータ(10)の高さ(HM)が3mm未満であるレーザモジュール(1)。
- 請求項9ないし12のいずれかにおいて、前記モータ手段(10;40)が回転磁気ディスクモータを備え、前記光反射体(9)がこの磁気ディスクモータに直接支持されているレーザモジュール(1)。
- 請求項9ないし12のいずれかにおいて、前記モータ手段(10;40)が静電モータを備えるレーザモジュール(1)。
- 請求項9ないし18のいずれかにおいて、前記モータ手段(10;40)がパルス幅変調を用いて駆動されるレーザモジュール(1)。
- 請求項9ないし19のいずれかにおいて、前記光反射体(9)が多角形本体の少なくとも1つの側面(911〜916)を備え、前記光反射体(9)は前記モータ手段(10)によって回転運動させられるレーザモジュール(1)。
- 請求項20において、前記多角形本体の前記側面(911〜916)は、軸心に対してそれぞれ異なる角度(α1〜α6)で傾斜しているレーザモジュール(1)。
- 請求項9ないし19のいずれかにおいて、前記光反射体(9)が単一の面を備え、前記光反射体(9)が円弧に沿った交互の振動運動に追随するレーザモジュール(1)。
- 請求項9ないし12のいずれかにおいて、前記モータ手段(10;40)が振動磁気装置(40)を備えたレーザモジュール(1)。
- 請求項23において、前記振動磁気装置(40)が、共通絶縁基板(41)上に、導線(44)が巻かれ、空隙(43)を有する磁気コア(42)と、前記磁気コア(42)の前記空隙(43)に向かう方向および前記空隙(43)から離れる方向に振動する自由端部(47)を有し、前記光反射体(9)を保持する細長い磁性部材(45)とを備えたレーザモジュール(1)。
- 請求項1ないし8のいずれかにおいて、前記走査手段(9,10;40;50;60,61)が電気−光装置および音響−光装置から選ばれた装置(50)を備えたレーザモジュール(1)。
- 請求項1ないし8のいずれかにおいて、前記走査照明部がレーザ光源(66)のアレイ(60)を備え、前記走査手段(9、10;40;50;60、61)が、前記アレイ(60)の列(62〜65)の前記レーザ光源(66)を順次駆動するコントローラ(61)を備えたレーザモジュール(1)。
- 請求項26において、前記レーザ光源(66)の前記アレイ(60)が複数の列(62〜65)を備えたレーザモジュール(1)。
- 請求項27において、前記アレイ(60)のレーザ光源(66)の各列(62〜65)がそれぞれ異なる発光色を有するレーザモジュール(1)。
- 請求項1ないし28のいずれかにおいて、前記走査手段(9,10;40;50;60,61)が所定の待機状態位置を示し、この待機位置において、前記走査手段が少なくとも1つの固定されたコード(C)のレーザスポットにレーザビームを放射するレーザモジュール(1)。
- 請求項1ないし29のいずれかにおいて、走査用の前記レーザビームが高周波数で変調されるレーザモジュール(1)。
- 請求項30において、前記レーザビームを変調して、光学コード距離の測定に適する信号を得るレーザモジュール(1)。
- 請求項5において、前記少なくとも1つの集光レンズ(22)が、円柱レンズおよび円環体レンズから選択されるレーザモジュール(1)。
- 請求項32において、前記少なくとも1つの集光レンズ(22)が、フレネル円柱レンズであるレーザモジュール(1)。
- 請求項5において、前記少なくとも1つの集光レンズ(22)が、高域通過フィルタ性能を持つ着色プラスティック材料から製作されているレーザモジュール(1)。
- 請求項5において、前記集光レンズ(22)の光学的に作用しない面が、低域通過特性を持つように着色されているレーザモジュール(1)。
- 請求項1ないし35のいずれかにおいて、前記走査照明部が、放射窓(11)面におけるレーザビーム直径にほぼ等しい高さを有する放射窓(11)を備えているレーザモジュール(1)。
- 請求項1ないし36のいずれかにおいて、さらに、前記受光部の構成部品と前記走査照明部の構成部品を共通に支持する支持ブロック(70)を備えたレーザモジュール(1)。
- 請求項37において、前記支持ブロック(70)ならびに前記走査照明部および前記受光部の構成部品が、所定の位置に構成部品を組立てるための結合手段(12,13,13a,76〜78)を有するレーザモジュール(1)。
- 請求項37または38において、前記支持ブロック(70)が、前記走査用のレーザビームの伝播から分離されたチャンバを画定するように、前記前面(3)に対して横方向に延びる少なくとも1つの壁(80,81)を有するレーザモジュール(1)。
- 請求項37から39のいずれかにおいて、前記支持ブロック(70)が、走査端部における少なくとも1つの分離された光抽出光路(82)を有し、光検出素子(83)が各抽出光路(82)の先端に配置されているレーザモジュール(1)。
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