JPH0792535B2 - 光ファイバ結合器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、バー符号読取システムの光学的
構成に関するものである。

【０００２】光学的バー符号は、手動制御あるいは自動
のデジタル的読取り用に、広く用いられており、中程度
の空間密度で情報を符号化するために非常に便利な方法
である。バー符号システムのすべての光学的構成が共通
に有していることは、特定のスポットサイズにおいて符
号化物質の反射を検出し、検出された反射の変化がバー
符号中の白あるいは黒領域それぞれの幅の指標として用
いられるということである。用いられている特定の光学
的構成によって定まる検出用スポットサイズは、バー符
号それ自身に用いることのできる最小のバーの幅を本質
的に決定するため、符号化できる情報密度に大きな影響
を有する。

【０００３】このように、小さな検出用スポットサイズ
を有する光学的バー符号読取機を構成することが一般的
に望ましい。しかしながら、光学的画像を用いて非常に
小さいスポットサイズを達成するためには、さもなけれ
ば非常に多数の需要を有するバー符号読取システム用に
望ましい安価な部品よりも、本質的により高価な部品を
必要とすることになるであろう。更に加えて、もし非常
に小さいスポットサイズが用いられると、そのバー符号
は、あるいはすくなくともそれのうちの検出用スポット
領域内にある部分は明るく照明されねばならない。それ
によって、妥当な光学的信号レベルを光学経路を通して
検出素子へ結合する必要がある。

【０００４】従って、本発明の目的は、非常に小さい検
出スポットサイズを有し、高い光学効率を有し、安価な
バー符号読取機用の光学システムを得ることである。

【０００５】本発明の他の目的は、小さな検出スポット
領域を非常に明るく照明する、光学的バー符号読取機構
成を得ることである。本発明の更に他の目的は、０．２
５４mm（０．０１０インチ）以下の幅の検出スポットを
有し、検出スポットを非常に明るく照明し、安価に構成
できる、光学的バー符号読取機構成を得ることである。

【０００６】光学的バー符号構成において更に望ましい
ことは、照明に必要な全電力が小さいことである。すな
わち、バー符号が印刷された紙を、必要とされる光学的
信号−雑音比を得るために必要な高い入射光強度を得る
ために単にフラッド照明するとすれば、必要となる照明
用電力は、多くの適した応用に用いるためには過大なも
のとなるであろう。

【０００７】すなわち、本発明の目的は、非常に小さな
検出スポットを明るく照明するために過大な照明用電力
を必要としない光学的バー符号読取機構成を得ることで
ある。

【０００８】更に本発明の他の目的は、ファイバオプテ
ィックセンサを有し、低い全照明電力でもって、検出ス
ポットを高い強度で照明することができるバー符号読取
機光学的構成を得ることである。

【０００９】本発明は、ＬＥＤからの照明と光学的バー
符号からの反射信号を単一光学ファイバへ多重化しての
せるためにＹ字形カプラを用いたバー符号読取機を供給
する。このＹ字型カプラは検知素子（例えばフォトトラ
ンジスタ）を照明素子から分離させ、バー符号からの検
出信号を受信できるようにする。

【００１０】本発明によれば、照明用光源、上記照明光
源につながれた第１の光学ファイバ、光検知器、上記光
検知器につながれた第２の光学ファイバ、上記第１及び
第２のファイバとＹ字型をなしてつながれ、上記第１及
び第２のファイバが互に光学的に分離されるようにする
ユニオンファイバ、を含み、それによってバー符号が上
記ユニオンファイバの自由端において照明もされ、読取
りもできるようになった、バー符号読取機光学システム
が得られる。

【００１１】以下に図面を参照して本発明を説明する。
本発明は、バー符号読取機用の光学的構成に関する問題
点を解決し、大きな照明用電力を必要とせずに検出スポ
ットの高輝度の部分照明を可能にし、単一ファイバを用
いて検出スポットの照明と、検出スポットからの反射光
を能動検知素子へ送信することの両方を行わせることが
できる。更に、樹脂製ファイバを用いてＹ字型カプラを
経済的に形成するいくつかの発明的方法も用いられてい
る。Ｙ字型カプラ構成を行うための基本的原理は、第１
のファイバからユニオンファイバへの結合及び第２のフ
ァイバからユニオンファイバへの結合を良結合とし、ユ
ニオンファイバから第１ファイバ及び第２ファイバへの
結合も良結合ではあるが、ユニオンファイバからの結合
光は第１及び第２のファイバへ送られるため３ｄＢ減衰
する。これに対して第１ファイバから第２ファイバへの
結合は非常に弱い結合とする。

【００１２】このように、本発明によって得られるシス
テム構成を説明する。例えばＬＥＤである照明用光源は
第１ファイバ１２へ結合される。Ｙ字型カプラ領域を通
って、照明用光源からの光はユニオンファイバ１６へ送
られ、更にそこからユニオンファイバ１６の検知チップ
へ送られる。この光は、検知チップ近くに置かれるバー
符号を照明する。バー符号パターン上に設定された検出
スポット領域からの反射光はその一部分がユニオンファ
イバ１６の検知チップ部分によって集められる。この反
射光は次にユニオンファイバ１６及びＹ字型カプラを通
って第１ファイバ１２及び第２ファイバ１４へ送られ
る。第２のファイバ１４はフォトトランジスタのような
光検知器素子へつながれている。この光学的構成によれ
ば、検出スポットは非常に効率よく照明用光源で照明さ
れ、またバー符号２６からの反射光も妥当な効率で光検
知器素子へ結合される。

【００１３】これら３つのファイバ要素１２，１４，１
６はすべてほぼ同じ直径であることが望ましいが、この
ことは絶対条件ではない。更にファイバは丸いのが望ま
しいが、これも必ずというものではない。他の形の光学
フィイバでも丸いファイバと同程度の効率の光学的伝播
を実現することができるからである。

【００１４】本明細書では、Ｙ字型接続そのものの作り
方に関してもいくつかの異なった発明的方法を述べる。
別の実施例では同軸アセンブリ要素あるいはまた樹脂モ
ールドのカプラ本体を用いている。

【００１５】本発明は、３本の樹脂製クラッドの光学フ
ァイバのユニオンに適用するのが望ましい。図１は本発
明に対する参考例で、組上げられたファイバカプラを示
す。ユニオンファイバ１６は雄型要素１１中に収容され
ており、２本の互に分離したファイバ１２及び１４が雌
型要素１０中に収容されている。要素１１の内径は１本
分のファイバ直径（クリアランス分を含む）に等しく、
要素１０の内径は２本分のファイバ直径とクリアランス
の和に等しくなっている。要素１１の外径は要素１０の
内径にほぼ等しく、要素１０と１１の間にはぴったりと
した機械的合致が得られるようになっている。このよう
に、要素１１はファイバ１６の方向を定め、要素１０は
ファイバ１２と１４の方向を定める。要素１０の内の空
胴はほぼ屈折率の一致したセメント（すなわちファイバ
芯と屈折率が合致）で充填されるため、ファイバ１２，
１４，１６の端部の面荒れや不規則性は光の散乱をもた
らさない。要素１０，１１にはステンレス鋼を用いるの
が望ましい、というのはこの材料はいくつかの利点を有
している。まず、それは不透明である、そのため、結合
部において光学システムへの迷光の入ることがない。第
２に、それは機械的に強く、耐久性が大きい。第３に、
正確に制御された内径及び外径を有するステンレス鋼の
パイプは、注射器用チューブのように市販されている。
第４に、ステンレス鋼チューブは容易に常温成形でき
る。そのため組上げを助けるために要素１０及び１１に
わずかなフレアを設けることができる。要素１０及び１
１は、図１に示された程には、ファイバ直径と比較して
短かく作る必要はなく、より長くつくり、要素１１の外
径と要素１０の内径との間にすり合せクリアランスをつ
けることにより、迅速な組上げと正確な方向決めを実現
することができることを注意しておく。３本のファイバ
の軸はすべてほぼ平行になっているべきである。ファイ
バ１６の軸は、３本のファイバすべての軸を無限に延長
しても、ファイバ１２とファイバ１４の軸の間の中間に
位置しているように配置されるべきである。ここに示し
た好適実施例では０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）
の直径のポリメチルメタクリレイト（デュポン社の「Ｃ
ｒｏｆｏｎ」（商標）型）のクラッドをもつファイバが
用いられ、ファイバ１２，１４，１６をつなぐのにエポ
キシの接着剤が用いられている。この接着剤それ自身は
ファイバに対して屈折率が合致しており、このカプラを
通しての不必要な減衰はほとんど発生しない。

【００１６】図２は図１のカプラの組上げ工程を示して
いる。まずファイバ１６を要素１１中に納め、ファイバ
１２と１４を要素１０中に納める。ファイバ１２と１４
の端部は要素１０の外部においてもほとんど隣接するよ
うに並べておく必要がある。次に要素１０の中の空胴が
透明セメントあるいは接着剤で充填される。この接着剤
はファイバ１２，１４，１６の芯と屈折率がほとんど一
致している。次に要素１０と１１を互に合体させ、それ
に伴う接着剤の押し出しによって空気のあわ（それは望
ましくない光の散乱の原因となる）がファイバ１６とフ
ァイバ１２，１４の端部の間に存在することがさけられ
る。接着剤が乾燥した後、すべての要素は所定の場所に
固定され、それによって非常に耐久性高い、光学的カプ
リングが得られる。

【００１７】もし０．１２７mm（０．００５インチ）の
ファイバを用いたとすると、ファイバ１６の端部とファ
イバ１４及び１２の端部との間の間隔は０．１７７８mm
（７ミル）あるいはそれ以下であることが望ましい。も
しこの間隔を大きくとると、カプラ１０の壁により大量
のエネルギーが吸収されることになる。どんな構成にお
いても、１つのファイバを２つのファイバへ結合する場
合は３ｄＢの損失は不可避である。しかし、結合設計に
おける決定的な因子は、結合内における損失と出力ファ
イバへ結合されず放射されるエネルギーである。

【００１８】要素１０と１１の内面は荒れていて光を吸
収するため、要素１０の内面に当たるファイバからの放
射光は空中へ放射されないものの失われる。任意の材料
とファイバ寸法に対する最適の最大空隙は次のようにし
て決定される。Ｍ_１を各ファイバ芯の屈折率とし、Ｍ_２
をファイバクラッドの屈折率、Ｍ_３を要素１０内の材料
の屈折率、ｄをファイバ直径、Ｄ_ｍａｘをファイバの端
から出た光の最大偏差をファイバ軸から測った値とした
時、次式が成立する。

【００１９】

【数１】

【００２０】従って最適な最大空隙Ｘ_opt は次のように
なる。

【００２１】

【数２】

【００２２】これより空隙が小さくなると、損失がわず
かに増大するが、それは実際上問題とならない。しか
し、Ｘ_opt よりも空隙が大きくなると、損失の増大は顕
著になる。

【００２３】当業者には明らかなように、これまで述べ
た参考例に同等なもの、あるいは変更は広範囲において
可能である。例えば、ファイバ１６がファイバ１２と１
４に対して対称的に配置されることは必らずしも必要で
ない。もしファイバ１６が２つのファイバ１２，１４の
うちのどちらかにわずかに接近していると、特性はわず
かに劣化するが、しかし本発明は適用できる。同様に、
ファイバ軸の数度の位置のずれは許容できる。

【００２４】本発明の実施例において、図３は本発明に
従うカプラ本体１１０を示す。それには、２つの互いに
分離されたファイバ１２，１４と第３のユニオンファイ
バ１６が接着されるへこみ２２，２４が含まれている。
これら３本のファイバの軸はすべてほぼ平行であるべき
であり、ファイバ１６の軸は、すべてのファイバを無限
遠に延ばした時にファイバ１６の軸がファイバ１２とフ
ァイバ１４の軸の間の中間に位置するように、位置して
いるのが望ましい。カプラ本体１１０は光学的樹脂を含
み、それは理想的には樹脂製の光学ファイバと屈折率が
一致しているべきである。例えば、本実施例の０．１２
７ｍｍ（０．００５インチ）直径のポリメチルメタクリ
レート（デュポン社「Ｃｒｏｆｏｎ」（商標）型）のク
ラッドファイバを用いた場合には、カプラ１１０の本体
はポリスチレンあるいはポリメチルメタクリレートでつ
くられる。更に、ファイバ１２，１４，１６をカプラ１
１０へ接続するためにエポキシ接着剤が用いられる。こ
の接着剤はそれ自身、ファイバ及びカプラと屈折率が合
致しており、カプラを通しての不必要な減衰がほとんど
おこらないようになっている。

【００２５】もし０．１２７mm（５ミル）のファイバ直
径を用いると、ファイバ１６の端部とファイバ１４，１
２の端部との間の空隙は０．１７７８mm（７ミル）ある
いはそれ以下であるのが望ましい。もし空隙を大きくす
ると、大量のエネルギーがカプラ１１０の壁を通して放
射される。１本のファイバを２本のファイバへ結合する
任意の構成で３ｄＢの損失は不可避である。しかし、結
合設計における決定的な因子は、結合内での損失と、出
力ファイバへ送出されず放射されるエネルギーである。
本発明の機械的な設計はわずかであるが結合中でのすべ
ての損失をさけるようになっている。しかし上述のよう
にファイバの空隙によらず外部放射損失は残る。ここで
の好適実施例では、各ファイバの直径は１３０ミクロン
（５ミル）であり、カプラ１１０の望ましい全体の大き
さは主軸方向でほぼ３．８mm（１５０ミル）、それの副
軸方向におよそ２．９mm（１１５ミル）である。

【００２６】任意の材料及びファイバ寸法に対するファ
イバ端部間の最適の最大空隙長は次のようにして決ま
る。各ファイバ芯の屈折率をＭ₁ とし、ファイバクラッ
ドの屈折率をＭ₂ 、カプラ本体１１０中の物質の屈折率
をＭ₃ 、ファイバ直径をｄ、ファイバの端部から放出さ
れた光の最大偏差をファイバ軸から測った値をＤ_max と
すると、次式が成立する。

【００２７】

【数３】

【００２８】従って最大の最適空隙長Ｘ_opt は次のよう
になる

【００２９】

【数４】

【００３０】空隙が小さくなると損失はわずかに増大す
るが、それは実際上問題にならない。しかし、空隙長が
Ｘ_opt より増大すると、損失の増大は顕著になる。背景
の光は雑音レベルをあげ、信号−雑音比を劣化させるの
で、ファイバカプラから迷光をしめだすことが望まし
い。カプラ本体１１０の形は背景光の排除に寄与する。
更にファイバを所定の位置に配置したカプラを黒く塗装
することによって迷光の排除が行える。

【００３１】図４は、本発明に用いられるカプラを経済
的に構成するためのモールド工程を示している。上で述
べた空隙関係を保つために、２つの雄型モールド部分１
８と２０は機械的にそれらの動程が制限され、それによ
って、形成される２つの空胴の内部平坦面の間の空隙が
正確に制御されるように限定されるべきである。更に、
モールド部分は非常にわずかにテーパをつけて、そのテ
ーパのついた側壁が、光学的カプラ１１０内に形成され
る２つの空胴中に形成されるようになっていることを注
意しておく。このことによって製造中の組上げが容易に
なり、しかも光学的特性をさほど劣化させない。ファイ
バ軸の数度内の位置のずれは許容できるので、光学的カ
プラ１１０の壁の数度のテーパもまた許容できる。

【００３２】第２のへこみ２４の形は、図４に示したよ
うに長円形であるのが望ましい。しかし、他の形でも可
能である。第２のへこみ２４はファイバ１２と１４の側
面を保持してそれらの軸が狂わないようにするのが望ま
しい。しかし、第２のへこみ２４はファイバの直径の２
倍の直径を有する円の形に形成してもよく、その場合に
はファイバ１２と１４が平行回転するのを防ぐために、
多大な制御が組上げ操作に要求され、それはこの場合効
率よく実現するのはむつかしい。このように、本発明の
好適実施例の１つの重要な利点は、第２のへこみ２４内
におけるファイバ１２と１４の横方向保持によって得ら
れる。そのような横方向保持を得るために、へこみ２４
は１本のファイバ直径に等しい２番目の寸法（すくなく
ともへこみの一部分にわたって）を有するように形成さ
れる。例えば、このへこみ２４は同じ直径と深さを有す
る２つの隣接しつながった円形へこみとして形成されて
もよい。

【００３３】光学的カプラ１１０が形成されると、組上
げは単に各ファイバの端部をエポキシ接着剤でぬらし
て、それをカプラの固定部中に納めるだけでよい。正確
な組上げ精度は要求されないので、手での組上げあるい
は簡単な自動化製造設備をつかった組上げが可能であ
る。

【００３４】当業者には明らかなように、上述の好適実
施例と同等なもの、あるいはそれに対する変更が広範囲
に可能である。そして代表例としての好適実施例に対し
て説明した本発明の概念はそれに限定するものではな
い。例えば、ファイバ１６はファイバ１２及び１４に対
して対称的に置かれるというのは必ずしも必要でない。
もしファイバ１６が２本のファイバ１２及び１４のうち
の一方へわずかに近づいているとすると、特性はわずか
に劣化するが、しかし本発明はそれでも適用できる。

【００３５】当業者には明らかであるが、本発明を実施
する場合に数多くの変更及び修正が可能であり、それは
既に特許請求の範囲で限定したことを除いて限定的な意
味ではない。

【００３６】このように、本発明は非常に小さい検出ス
ポットサイズを有し、高い光学効率を有し、安価なバー
符号読取機用の光学システムを供給する。

【００３７】本発明は更に、小さい検出スポット領域を
非常に明かるく照明する光学的バー符号読取機構成を与
える。

【００３８】本発明は更に、０．２５４mm（０．０１０
インチ）幅以下の検出スポットを有し、その検出スポッ
トを非常に明かるく照明し、安価に構成できる、光学的
バー符号読取機構成を与える。

【００３９】光学的バー符号構成での更に別の望ましい
点は、照明に必要な全電力が小さいことである。すなわ
ち、バー符号が印刷されている紙を、必要な光学的信号
−雑音比を達成するために要する高い入射光強度を得る
ように、単にフラッド照明するとすれば、要する照明用
電力は多くの適した応用途に用いるためには過大なもの
となるであろう。

【００４０】本発明は更に、非常に小さい検出スポット
の明かるい照明を行うために大きい照明用電力を必要と
しない光学的バー符号読取機構成を得るものである。

【００４１】本発明は更に、ファイバオプティック検知
器を有し、低い全照明用電力でもって検出スポットの明
るい照明を与えることのできるバー符号読取機構成を得
るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に対する参考例による、光学ファイバＹ
字型結合構造を示す。

【図２】図１のＹ字型結合構造の組上げ方法を示す。

【図３】本発明の実施例による光学ファイバＹ字型結合
構造を示す。

【図４】図３の実施例の製造及び組上げ方法を示す。

【符号の説明】

１０ 雌型要素 １１ 雄型要素 １２ 第１の光学ファイバ １４ 第２の光学ファイバ １６ ユニオンファイバ １８ 雄型モールド部分 ２０ 〃 ２２，２４ へこみ部分 １１０ カプラ本体

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−81807（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−121751（ＪＰ，Ａ) 実開 昭53−20945（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭50−118951（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭52−32581（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２つの相互に分離されたファイバをユニ
   オンファイバに結合するための光ファイバ結合器であっ
   て、第１及び第２のへこみ部分を有する光を透過する物
   質の本体を有し、上記第１のへこみ部分と上記第２のへ
   こみ部分が上記本体の対向する側面上に対向して形成さ
   れており、上記第１及び第２のへこみ部分が各々互いに
   平行な平面を有しており、上記第１のへこみ部分が本質
   的に円形であり、上記ユニオンファイバの直径に本質的
   に等しい直径を有しており、上記第２のへこみ部分が、
   上記第１及び第２のファイバの各直径の和にほぼ等しい
   第２の寸法を有しており、上記ユニオンファイバが上記
   第１のへこみ部分へ接着され、上記第１及び第２のファ
   イバが両方とも上記第２のへこみ部分へ接着されてい
   る、光ファイバ結合器。