JP4688226B2 - 慣性ドライブ走査装置および方法 - Google Patents

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Description

本発明は、一般的には例えば光コードなど反復走査の対象に対する光走査装置および方法に関し、より詳細には、電力の使用を最小にするために、低電力条件のもとでの、および高い走査速度でのそのような走査装置の操作に関する。
さまざまな光コード読み取り機が、これまでに、例えば物体上の記号を光学的に読み取ることによって、各物体を特定するために物体に適用されるバーコード記号のような光学コードを読み取るために開発されてきた。バーコード記号それ自体はさまざまの幅を有し、さまざまな幅のスペースを区切るために互いに間隔を置いて配置される一連のバーから構成されるコード化されたパターンであり、それらのバーおよびスペースは異なる光反射特性を有する。上記読み取り機は、コード化されたパターンをを電気光学的に復号して、物体を記述する複数桁の表記とした。この一般タイプの読み取り機は、例えば特許文献1において開示されている。
公知の当該技術分野で開示されたように、そのような読み取り機の特に有利な実施形態は、なかでも、光源から、好ましくはガスレーザーまたは半導体レーザーから発された光線を、好ましくはレーザー光線を発し、かつ読み取られるべき記号にレーザー光線を向けることにあった。記号への途中で、レーザー光線は、走査コンポーネントの光反射器に向けられ、かつそこから反射された。走査コンポーネントは、周期的な方法で反射器を動かし、レーザー光線に記号を繰り返し走査させた。記号は、その上に入射するレーザー光線を反射した。記号から反射された入射光線の一部は集められ、読み取り機の検出器コンポーネント、例えば光ダイオードによって検出された。光ダイオードは視野を有し、視野上の検出された光は、電気的復号回路網によって復号され、次の処理のために、記号を記述するデータに変えられた。周期的に可動な反射器は、ある走査速度で記号にレーザービームをスィープし、かつ/または走査の間は視野をスィープした。
走査コンポーネントには、当該技術分野でいくつかの異なるタイプが公知であった。例えば特許文献1は、各面にミラーの付いた外表面を有する、多角形状の複数面ホイールを開示した。ホイールは回転して、ミラー付き外表面それぞれが交代で光経路に配置されるように取り付けられ、その光経路に沿って入射レーザー光線が走査されるべき記号に向けられた。特許文献1に開示された他の走査コンポーネントは、バイモルフまたは強誘電性型振動素子、およびスピーカ型振動素子であり、各素子は振動可能なミラーを有した。
特許文献2および特許文献3は、モータの出力軸に対して反対の円周方向に反射器を往復運動的に振動させるように働く、電気的モータを含む走査コンポーネントを開示した。特許文献2はまた、5−バイモルフ走査コンポーネントを開示した。特許文献4は、ヒンジに蓄えられたエネルギーを開放することによって、走査ミラーが振動させられる省電力型の走査コンポーネントを開示した。
光反射器は、単一の平面ミラーである必要はなく、特許文献5に記載されているように、一部凹面かつ一部平面である構成を有する光学的コンポーネントであり得た。反射器は、特許文献3に記載されているように、360°未満の円弧長に沿って、交互円周方向に、電気的モータによって駆動され得、または異なる構造においては、特許文献6に記載されているように、完全に軸の周りに回転され得た。
さらに別の異なる構造においては、特許文献7に記載されているように、走査行動をもたらすために反射器を使用するよりむしろ、他の読み取り機コンポーネントの1つ以上が互いに対して共にまたは個別に動かされ、電気的モータによって駆動される往復運動の走査行動をもたらす、いわゆる「ミラーレス」デザインにおいて、反射器は完全に除去された。他の読み取り機コンポーネントは、光源コンポーネント、例えば半導体レーザー、および/または光学コンポーネント、例えば焦点調節レンズ、および/または光検出器コンポーネント、例えば光ダイオードを含んだ。
上記の走査コンポーネントのすべてにおいて、走査速度は比較的低く、100Hz未満程度であった。走査速度を350Hz〜1200Hzの範囲に上げるために、特許文献8は、永久磁石と電磁石コイルとの間の磁場相互作用によって走査ミラーが振動させられる共振非対称走査素子を開示した。
磁気的に駆動される振動可能ミラーアセンブリを形成するために、永久磁石または電磁石コイルを走査ミラーに直接取り付けることは、当該技術分野で公知であった。静電気的に駆動される振動可能ミラーアセンブリの中の走査ミラーに、電極を直接取り付けることも公知であった。しかしながらこれは、振動可能なアセンブリの質量を増し、この結果、アセンブリを駆動するための電力がさらに多く必要となり、走査速度を制限した。電力がオンボードのバッテリーによって供給されるハンドヘルド型の読み取り機においては、高い電力要求のために、バッテリーの使用寿命は短くなる。また、バーコードの読み取りに限らず、1200Hzを超える高い走査速度、実際に、20kHzよりも高い耳に聞こえない周波数での速度が望まれる多くのアプリケーションがある。
米国特許第4,251,798号明細書 米国特許第4,387,297号明細書 米国特許第4,496,831号明細書 米国特許第5,099,110号明細書 米国特許第4,760,248号明細書 米国特許第4,816,661号明細書 米国特許第5,144,120号明細書 米国特許第5,412,198号明細書
本発明の1つの目的は、例えばバーコード記号などのような光コードを、電気光学的に読み取るための読み取り機の最新技術を進歩させることである。
本発明の別の目的は、そのような読み取り機の電力消費を最小にすることである。
本発明のさらに別の目的は、そのような読み取り機の走査速度を上げることである。
本発明のさらに別の目的は、光コードの読み取りに限定されない無数のアプリケーションの中で、これに限定するものではない例として、表示面にイメージを投影したり、または対象からのイメージを捕らえたりするための走査光のための低電力、高走査速度の装置を提供することである。
これらの目的およびこれから明らかとなるその他の目的と合わせて、本発明の1つの特徴は、端的に述べて、光走査装置および方法にあるが、その装置および方法においては、可動フレームが、そこに入射する光を反射するための振動可能な走査素子を支える。ヒンジ軸に沿って延びるヒンジは、フレームと走査素子との間に接続されている。ベースプレート、例えばプリント回路基板はフレームを支える。慣性ドライブは、フレームおよびベースプレートのうちの1つを直接動かすように働き、慣性によって、間接的に走査素子を振動させて、入射光を走査するように作用する。
本発明によると、走査素子は低い質量を有する。走査素子に取り付けられたり、または接続されたりするいかなる永久磁石、または電磁気コイル、または電極、または同様の重さがないので、走査素子は、1kHzよりも高い、好ましくは約20kHz以上の高い走査速度で自由に動かされる。
好ましい実施形態においては、フレーム、ヒンジおよび走査素子は、一般的に平面のシリコン基板から、1個の部品構成として形成される。鏡面コーティングが走査素子に施されることが好ましい。フレームは走査素子を囲み、静止した位置ではそれと共通平面にあることが望ましい。走査素子は約150μmの厚さを有し、シリコンの高いQ値のために、走査素子は望ましい低い減衰特性を有している。
走査素子の振動は、慣性力によって達成される。走査素子は直接には駆動されない。その代わりに、可動フレームまたはベースプレートが直接駆動される。一実施形態においては、走査素子の質量の中心を貫いて延びるヒンジ軸の周りで、フレームが振動させられ得る。別の実施例においては、ヒンジ軸は、質量の中心を貫通する軸に対して平行に横方向に離れて置かれ得るが、この場合、フレームを横方向に対して概ね垂直な直線方向に動かすと、ヒンジ軸の周りで走査素子は振動する。
慣性ドライブは、フレームに作動可能に接続された1つ以上の圧電デバイスから作成されることが好ましい。各デバイスは、電気を通されると機械的な力を生成する。特に有利な一実施例においては、2つの圧電デバイスが、ヒンジ軸の反対側で、フレームに接続されている。作動中、1つのデバイスは、ヒンジ軸を中心として、円周方向にフレームの片側を押し、一方、他方のデバイスは同時に反対の円周方向に、フレームの反対側を引っ張る。これらの押し−引きの力は、ヒンジを介して走査素子に交互に伝達される。このようにして、走査素子は、静止した状態から始まり、動くフレームまたは動くベースプレートから力を受け、走査素子は、受け取った力と同じ経路および方向に動き始める。走査素子は、押し−引きの力が同じ周波数で生成される場合には、その共振周波数で振動する。フレームが必要とする動きの量は、走査素子の所望の動きの量をQ値で割った値に比例する。好ましい実施形態においては、フレームストロークは1μm未満であり、走査素子は、機械的に±8度の弧の範囲を動く。
ここで図を参照して、参照番号10は一般的に、バレル11および取っ手12を有するハンドヘルド型の拳銃状のヘッドを特定する。手動操作可能な引き金13は、取っ手12の上部前向き部分のバレル11の下に位置している。上に特定された特許から公知のように、通常レーザーであるが、必ずしもレーザーである必要はない、光源コンポーネントがヘッド10の内部に取り付けられる。光源コンポーネントは、読み取られるべきインディシア、例えばバーコード記号などに面するウインドー14を通って外側に延びる伝送経路に沿って、光線を発する。また、光検出器コンポーネント、例えば視野を有し、かつ記号からの戻り経路に沿って、ウインドー14を通って戻る反射光を集めるように作用する光ダイオードがヘッド内に取り付けられている。
走査コンポーネントは、ヘッド10内に取り付けられ、記号および/または光検出器の視野を走査するように働く。走査コンポーネントは、通常、しかし必ずしもではなく、伝送経路および/または戻り経路に配置された少なくとも1つの走査素子または光反射器を含む。走査素子は、軸に対して交互に円周方向に、電気的に操作されたドライブによって駆動される。
光検出器は、反射光の変化する強度を表示する電気的なアナログ信号を生成する。このアナログ信号は、アナログデジタル変換器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、一実施形態によると、電気ケーブル15を伝って、ヘッド10の外に位置する復号モジュール16へ伝えられる。復号モジュール16はデジタル信号を復号して、記号を記述するデータに変える。外部ホストデバイス17は、普通コンピュータであるが、主として復号モジュール16によって生成されたデータが次の処理のために記憶されるデータ記憶として働く。
他の実施形態においては、復号モジュール16はヘッド内に取り付けられ、オンボードのメモリは、有線または無線接続いずれかによる次のダウンロードのために、復号された信号を記憶するために使用される。
使用に際しては、ユーザが記号を読み取りたいと思うたびに、ユーザはヘッドを記号に向け、記号の読み取りを始めるために引き金13を引く。記号は、ある走査速度で1秒当たり複数回繰り返し走査される。記号がうまく復号されかつ読み取られるやいなや、走査活動は自動的に終了され、その結果スキャナが、それぞれの順番で、読み取られるべき次の記号に向けられることが可能になる。
ここで、図2〜図4を参照して、電気光学的に光コードを読み取るための、図1によって例示されたタイプのシステムにおける、光線および/または視野を走査するために適した光走査装置20が図示されている。装置20は、そこに入射する光を反射するための、振動可能な走査素子22、特に平面ミラーを含む。光は、走査されかつ読み取られるべきコードへ反射するために、光源から到来し得、または光は視野の上で走査されかつ像を描かれるべき対象からも到来し得る。
装置20はまた、ヒンジ軸30に沿って延びるヒンジによって走査素子22を支持するための可動フレーム24を含む。図4で最も良く見られるように、ヒンジは、走査素子22の反対の領域とフレームの反対の領域との間で接続される一対の共直線状のヒンジ部26、28を含む。示されているように、フレーム24は、走査素子を取り囲む必要はない。
フレーム、ヒンジ部および走査素子は一個の部品から、一般的に厚さが約150μmの平らなシリコン基板から作成される。シリコンはエッチングされ、上部平行スロット部36、38、下部平行スロット部40、42およびU状の中央スロット部44、46を有するオメガ状のスロット32、34を形成する。ヒンジ部26は、スロット部36、38の間に位置する。ヒンジ部28は、スロット部40、42の間に位置する。走査素子22は、楕円形を有し、スロット部44、46内で自由に動くことが好ましい。好ましい実施形態においては、楕円状の走査素子の軸に沿った寸法は749μm×1600μmである。各ヒンジ部は、幅が27μm、かつ長さが1130μmである。フレームは、幅が3100μm、長さが4600μmの長方形の形を有する。
慣性ドライブは、一般的に平面なプリント回路ボード48に取り付けられ、フレームを直接動かすように働き、かつ慣性によって、ヒンジ軸30の周りで、走査素子22を間接的に振動させるように働く。慣性ドライブの一実施形態は、ボード48から垂直に延び、ヒンジ部26の両側で、フレーム24の離れた位置にある部分と接触する一対の圧電トランスデューサ50、52を含む。各トランスデューサの一端と各フレーム部との間の永久的な接触を確実にするために、接着剤が使用され得る。各トランスデューサの反対側の端は、ボード48の裏面から突出し、電線54、56によって、周期的交流電圧源(図示されず)に電気的に接続されている。
使用に際しては、周期的信号は、各トランスデューサに周期的ドライブ電圧を印加し、この結果、それぞれのトランスデューサの長さは交互に延びかつ縮む。トランスデューサ50が延びる場合、トランスデューサ52は縮み、逆もまた同様であり、この結果、離れた位置にあるフレームの部分を同時に押しかつ引き、この結果、フレームはヒンジ軸30の周りで捩れる。ドライブ電圧は、走査素子の共振周波数に対応した周波数を有する。走査素子は、最初の静止の位置から動かされ、最終的には共振周波数でヒンジ軸の周りで同じく振動する。好ましい実施形態においては、フレームおよび走査素子の厚さは、約150μmであり、走査素子は高いQ値を有している。各トランスデューサによる約1μm程度の動きは、20kHzを超える走査速度での走査素子の振動を引き起こし得る。
別の対の、圧電トランスデューサ60、62は、ボード48から垂直に延び、ヒンジ部28の両側で、フレーム24の離れた位置にある部分に永久的に接触する。トランスデューサ60、62は、フレームの振動する動きをモニターし、電気的フィードバック信号を生成し、それを電線64、66伝いにフィードバック制御回路(図示されず)に伝えるための、フィードバック装置として働く。
光は走査素子の外面から反射し得るが、走査素子22の表面には金、銀、アルミニウムなどの材料で作られた鏡面コーティングを施すことが望ましい。
これまで記述されたように、ヒンジ軸30は、走査素子の質量の中心を貫いて延びる対称軸に対して共直線状であり、その結果、フレームが振動させられる場合に振動するバランスのとれた走査素子が得られる。本発明はまた、図5および図6の概略図に示されるように、ヒンジ軸30が、走査素子の質量の中心を貫いて延びる対称軸70から横にずれて離れて位置する、重さが不均衡な走査素子22を考慮する。図5において、ヒンジ軸30は、軸70から水平に離れて位置するが、一方、図6において、ヒンジ軸30は、軸70から垂直に離れて位置する。図5におけるフレーム24が、双頭の矢印72の方向に垂直に動かされる場合には、走査素子22はヒンジ軸30の周りで振動する。図6において、フレーム24が、双頭の矢印74の方向に水平に動かされる場合には、走査素子22はヒンジ軸30の周りで振動する。このようにして、図5および図6は、走査素子が、フレームの直線的な動きによってでさえも振動させられ得ることを実証する。
フレームの動きは圧電トランスデューサから得られる必要はなく、その代わりに、他のドライブが使用され得る。例えば、図7は、電極76がフレーム24に取り付けられ、別の電極67がボード48に取り付けられる静電気的なドライブを図示する。スペーサ82は、ボード48から離れてフレーム24を支持する。電極に逆の極性を持たせることによって、フレーム24は、双頭の矢印80の方向に水平に動かされ、走査素子22は、図6に関しての上記に類似した方法で振動する。磁気的なドライブもまた使用され得る。
本明細書に記述される光走査コンポーネント20は、コード化されたインディシアを読み取ることを含むアプリケーションに限定されることは意図されていない。別の重要なアプリケーションは、光線が、観察面を横切って走査線のラスタパターンにスイープされ、かつ光線が、各走査線に沿って選択された場所でのみ見えるようにされるイメージ投影である。そのようなイメージ投影表示の詳細については、本出願の譲受人に両方ともが譲渡される、米国特許出願第09/604,196号および米国特許第6,655,597号が参照され得る。
図8は、上から見たときの光走査コンポーネント20を概略図示し、圧電トランスデューサ50、52はプリント回路ボードまたはベースプレート48に、第1の端末で接続され、反対の第2の端末でフレーム24に接続されている。トランスデューサは少なくとも2つの機能を有する、すなわち、双頭の矢印84の方向に振動するようにフレーム24をねじり、ミラー22を双頭の矢印86の方向に振動させ、かつフレーム24を機械的に支持し、ミラー22を支持することである。しかしながら、トランスデューサ50、52が物理的にベースプレート48に接続されると、動きの損失をまねく。なぜならば、ストローク(延びまたは縮み)の無視できない部分がベースプレート48に伝えられ、結果としてストロークのすべてがフレーム24を駆動するために使用されるわけではないからである。
図9は、フレーム24が、トランスデューサ50、52によってではなく、ベースプレート48によって直接支持される変更例を図示する。トランスデューサの第2の端末は、以前のように、フレームをねじるためにフレームに接続される。しかしながら、その反対側、トランスデューサの第1の端末はベースプレートに物理的に接続されず、電気的に電線54、56に接続される。このようにして、トランスデューサの第1の端末は、ベースプレートによって拘束されない。
同様に、図10は、トランスデューサ50、52の第1の端末はベースプレートによって拘束されず、トランスデューサの第2の端末は、ベースプレート48の薄い部分90に機械的に接続されている別の変更例を図示する。フレーム24は、薄い部分90に機械的に接続されている。
図9および図10の両実施形態において、フレーム24は直接にベースプレートに取り付けられている。フレーム24がトランスデューサに直接取り付けられ、かつこれと整列されている図8の実施形態と比較して、これはより安価であり、より正確かつより信頼できる取り付け法である。
図10はまた、トランスデューサのための異なるドライブ装置を図示する。トランスデューサ50,52を分離し、ヒンジ軸30の反対側で交互に延び縮みさせるのではなく、図10のトランスデューサ50、52は共に積層され、作動中は、双頭の矢印92の方向に角度がついて曲がる。積層されたトランスデューサ50、52は1つのユニットとして、自動温度調節素子に似た方法で共に曲がる。
図11は、走査ミラー22およびフレーム24に取って代わり得る走査コンポーネント100を図示する。走査コンポーネント100は、好ましくは金属で作られた箔部材102、および好ましくはガラスで作られた一対のミラー104、106を含む。箔部材102は、それをはさんで両側にミラー104、106が連動振動するように取り付けられる中央部108、一対の共直線状のヒンジ110、112、ならびにトランスデューサ50、52および60、62の対がそれぞれ取り付けられているフレーム部114、116を有する。箔部材102は、各ヒンジが好ましくは幅が約70μm、厚さが120μmであるようにエッチングされる。ステンレス鋼は、シリコンミラー22およびフレーム24に匹敵する応力限度およびヤング率を有する。鋼のより大きな比重量は、動的変形に影響を及ぼすが、これらは小さなミリメートル未満のミラーに対しては、ほとんど重要ではない。1つのミラーの代わりに、2つのガラスミラー104、106を使用すると、バランスのとれた振動が可能になる。
エッチングされた金属走査コンポーネント100は、シリコンを主成分とする走査コンポーネントよりも安価に作成され得るが、特に、箔部材102が複数のミラーを有するガラス板に接着されている場合はそうである。
図12は、ベースプレート48の上側に取り付けられた図11の走査コンポーネント100を図示し、圧電トランスデューサ50、52は同じ上側に取り付けられている。トランスデューサ50,52は、平らな表面エリアで接着されかつ/またははんだ付けされて、上側に接触していることが好ましい。作動中は1つのトランスデューサは縮み、他方は延び、逆も同様であり、その結果、プレート48が変形してS状となるバイモルフとして振舞い、さらにフレーム部114、116をねじり、かつ中央部108にその共振周波数で振動させる。プレート48は、中央部108が自由に振動する切取り部118を有する。ミラー104、106は、わかりやすくするために図12から除外されている。
図13は、トランスデューサ50、52がベースプレートの上側に取り付けられた状態で、ベースプレート48の下側に取り付けられた図11の走査コンポーネント100を図示する。作動は図12に図示されたものと同じである。わかりやすくするためにミラー104、106は図13から除外されている。
図14は、フレーム部114、116を接着することによってベースプレートの上側に取り付けられた走査コンポーネント100を図示する。トランスデューサ50A,52Aの第1の対はまた、図12および図13の実施形態に関連して記述されたように、ベースプレートの上側に取り付けられる。トランスデューサ50B、52Bの第2の対はベースプレートの下側に取り付けられる。各トランスデューサは電気エネルギーを加えられるときには、延び縮みする。
作動中、トランスデューサ52Aおよび50Bは、伸びるように起動され、一方トランスデューサ50Aおよび52Bは縮むように、同時に起動され、逆も同様である。これは、プレート48を変形させ、中央部108を共振させる。図を簡略化するために、ミラー104、106は図14に示されていない。
新規性を主張し、特許証によって保護されることを望まれる事項が特許請求の範囲において示される。
電気光学的に光コードを読み取るための、ハンドヘルド型の読み取り機の斜視図である。 図1の読み取り機で使用するための光走査装置の好ましい実施形態の正面斜視図である。 図2の実施形態の背面斜視図である。 図2の装置の詳細の拡大正面図である。 本発明による光走査装置の別の実施形態の概略図である。 本発明による光走査装置のさらに別の実施形態の概略図である。 本発明による光走査装置のさらなる実施形態の概略図である。 本発明による追加的な光走査装置の概略図である。 本発明による別の光走査装置の概略図である。 本発明によるさらに別の光走査装置の概略図である。 本発明による光走査装置の詳細の斜視図である。 プリント回路ボードに取り付けられた図11の詳細の斜視図である。 プリント回路ボードに取り付けられた図11の詳細の斜視図である。 プリント回路ボードに取り付けられた図11の詳細の斜視図である。

Claims (3)

  1. 入射する光を反射するための走査コンポーネント(100)と、
    該走査コンポーネント(100)を支持するためのフレーム部(114、116)と、
    該走査コンポーネント(100)から反射された光を走査するために、該走査コンポーネント(100)を慣性によって振動させるための慣性ドライブと
    を備える、光走査装置であって、
    該光走査装置は、
    プリント回路ボード(48)が、切取り部(118)を有し、
    該フレーム部(114、116)が、該プリント回路ボード(48)の上面に接着されており、該走査コンポーネント(100)を該切取り部(118)の上方で支持することにより、該走査コンポーネント(100)が該切取り部(118)内で自由に振動できるようにし、
    該慣性ドライブが、該プリント回路ボード(48)の上面に接触する表面エリアに取り付けられた第1および第2の圧電トランスデューサの第1の対の圧電トランスデューサと、該プリント回路ボード(48)の下面に接触する表面エリアに取り付けられた第3および第4の圧電トランスデューサの第2の対の圧電トランスデューサとを有し、該第2のトランスデューサは、該第3のトランスデューサに対して対角線上の反対にあり、該第1のトランスデューサは、該第4のトランスデューサに対して対角線上の反対にあり、
    同時に作動しているときに、該第2のトランスデューサおよび該第3のトランスデューサが伸びるように作動する一方で該第1のトランスデューサおよび該第4のトランスデューサが縮むように作動するか、または、同時に作動しているときに、該第2のトランスデューサおよび該第3のトランスデューサが縮むように作動する一方で該第1のトランスデューサおよび該第4のトランスデューサが伸びるように作動するかであり、これにより、該プリント回路ボード(48)および該フレーム部(114、116)を変形させて、該走査コンポーネント(100)を振動させることを特徴とする、光走査装置。
  2. 前記走査コンポーネント(100)は、中央部(108)を有し、該中央部(108)の対向面に一対のミラー(104、106)が取り付けられている、請求項1に記載の装置。
  3. 前記走査コンポーネント(100)は、箔部材であり、鏡面コーティングで覆われている中央部(108)を有する、請求項1に記載の装置。
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