(57)【要約】【課題】  小型化・薄型化することができ、かつ高い精度で動作させることができる光スキャナデバイスを提供する。【解決手段】  バーコードＢＣに向かって光を投射する投光部１０と、バーコードＢＣからの反射光を受ける受光部２０とを備えている。投光部１０は、レーザーダイオードよりなる光源３０から出射した光を集光する光学素子としてボールレンズ４０を用いている。ボールレンズ４０は凸レンズに比べて簡単に光軸方向の位置合わせができるので、光源３０からの光を精度よく反射部材５０へと導くことができる。また、光源３０は、レーザ光がビーム径の小さい方向に走査されるように反射部材５０に対して配置されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
この光源から出射した光を集光するボールレンズと、
このボールレンズにより集光された光の進路を変更する反射部材と
を備えたことを特徴とする光スキャナデバイス。
【請求項２】
前記光源から出射した光の反射光の強度を検知する受光素子を備えたことを特徴とする請求項１記載の光スキャナデバイス。
【請求項３】
前記光源の波長以外の外光が前記受光素子に入射するのを制限する光学フィルタを備えたことを特徴とする請求項２記載の光スキャナデバイス。
【請求項４】
前記光源はレーザーダイオードであり、出射したレーザ光が前記反射部材の変位によりビーム径の小さい方向に走査されるように前記反射部材に対して配置されたことを特徴とする請求項１記載の光スキャナデバイス。
【請求項５】
前記反射部材は、保持基板の表面に酸化膜および半導体薄膜が順に積層された基板を加工することにより形成されたことを特徴とする請求項１記載の光スキャナデバイス。
【請求項６】
前記反射部材は、熱駆動方式により駆動されることを特徴とする請求項１記載の光スキャナデバイス。
【請求項７】
前記反射部材は、多軸方向に駆動されることを特徴とする請求項１記載の光スキャナデバイス。
【請求項８】
レーザーダイオードと、このレーザーダイオードから出射したレーザ光を集光する光学素子と、この光学素子により集光されたレーザ光の進路を変更する反射部材とを備え、
前記レーザーダイオードは、前記反射部材の変位によりレーザ光がビーム径の小さい方向に走査されるように前記反射部材に対して配置されたことを特徴とする光スキャナデバイス。
【請求項９】
前記レーザ光の反射光の強度を検知する受光素子を備えたことを特徴とする請求項８記載の光スキャナデバイス。
【請求項１０】
前記レーザーダイオードの発振波長以外の外光が前記受光素子に入射するのを制限する光学フィルタを備えたことを特徴とする請求項９記載の光スキャナデバイス。
【請求項１１】
前記反射部材は、保持基板の表面に酸化膜および半導体薄膜が順に積層された基板を加工することにより形成されたことを特徴とする請求項８記載の光スキャナデバイス。
【請求項１２】
前記反射部材は、熱駆動方式により駆動されることを特徴とする請求項８記載の光スキャナデバイス。
【請求項１３】
光を出射する投光部およびこの投光部から出射した光の反射光を受ける受光部をカード型外装部材の内部に備えた光スキャナデバイスであって、
前記カード型外装部材は、前記投光部から出射する光の方向を変更できるように一部が折り曲げ可能とされたことを特徴とする光スキャナデバイス。
【請求項１４】
前記カード型外装部材は、折り曲げ部を介して接続された第１の外装部材と第２の外装部材とを有し、前記第１の外装部材の内部に前記投光部および前記受光部を備えると共に、前記第２の外装部材の内部に前記投光部および前記受光部と配線を介して接続された回路基板を備えたことを特徴とする請求項１３記載の光スキャナデバイス。
【請求項１５】
前記回路基板は、
前記投光部および前記受光部を駆動する駆動回路と、
前記投光部および前記受光部に関する信号処理を行う信号処理回路と、
この信号処理回路と外部とのシリアル転送を行うインタフェース回路と
を備えたことを特徴とする請求項１４記載の光スキャナデバイス。
【請求項１６】
前記投光部は、
光源と、
この光源から出射した光を集光するボールレンズと、
このボールレンズにより集光された光の進路を変更する反射部材と
を備えたことを特徴とする請求項１３記載の光スキャナデバイス。
【請求項１７】
前記投光部は、レーザーダイオードと、このレーザーダイオードから出射したレーザ光を集光する光学素子と、この光学素子により集光されたレーザ光の進路を変更する反射部材とを備え、
前記レーザーダイオードは、前記反射部材の変位によりレーザ光がビーム径の小さい方向に走査されるように前記反射部材に対して配置されたことを特徴とする請求項１３記載の光スキャナデバイス。
【請求項１８】
前記受光部は、前記投光部から出射した光の反射光の強度を検知する受光素子を備えたことを特徴とする請求項１３記載の光スキャナデバイス。
【請求項１９】
前記受光部は、前記投光部から出射した光の波長以外の外光が前記受光素子に入射するのを制限する光学フィルタを備えたことを特徴とする請求項１８記載の光スキャナデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バーコードの読取りなどに用いられる光スキャナデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、基板にレーザーダイオード、反射部材および受光素子などを配置し、小型化した光スキャナデバイスが知られている（例えば特許文献１ないし特許文献４参照）。
【特許文献１】米国特許第５９６６２３０号明細書
【特許文献２】特許第２５７９１１１号明細書
【特許文献３】特開平６−４６２０７号公報
【特許文献４】特開平６−４３３６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の光スキャナデバイスを携帯用電子機器に搭載するためには、小型化・薄型化の点で更に改良の余地がある。例えば、小型化のためには、レーザ光を集光するための光学素子に高い位置合わせ精度が要求され、例えば光軸方向においては１μｍ程度の精度が必要である。ところが、通常の凸レンズでは光軸方向の位置合わせが難しく、レンズが傾くことにより集光された光が反射部材から逸れてしまう場合があるという問題があった。また、小型化のためには、簡素な構成で反射光の読取り精度を高めることが必要である。更に、小型化により光の走査範囲が限定されてしまうおそれがあった。
【０００４】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、小型化・薄型化することができ、かつ高い精度で動作させることができる光スキャナデバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による第１の光スキャナデバイスは、光源と、この光源から出射した光を集光するボールレンズと、このボールレンズにより集光された光の進路を変更する反射部材とを備えたものである。
【０００６】
本発明による第２の光スキャナデバイスは、レーザーダイオードと、このレーザーダイオードから出射したレーザ光を集光する光学素子と、この光学素子により集光されたレーザ光の進路を変更する反射部材とを備え、レーザーダイオードは、反射部材の変位によりレーザ光がビーム径の小さい方向に走査されるように反射部材に対して配置されたものである。
【０００７】
本発明による第３の光スキャナデバイスは、光を出射する投光部およびこの投光部から出射した光の反射光を受ける受光部をカード型外装部材の内部に備えたものであって、カード型外装部材は、投光部から出射する光の方向を変更できるように一部が折り曲げ可能とされたものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の第１の光スキャナデバイスによれば、ボールレンズを用いるようにしたので、直径の小さいものを用いても、高い精度で位置を合わせることができ、光源からの光を精度よく集光して反射部材へと導くことができる。よって、小型化・薄型化しても高い精度で動作させることができる。
【０００９】
本発明の第２の光スキャナデバイスによれば、レーザ光がビーム径の小さい方向に走査されるようにレーザーダイオードを反射部材に対して配置するようにしたので、走査方向における反射光の光量の変化を明瞭とすることができる。よって、簡単な構造で精度を向上させることができ、装置の小型化・薄型化を図ることができると共に、高い精度で動作させることができる。
【００１０】
本発明の第３の光スキャナデバイスによれば、カード型外装部材の一部を折り曲げ可能とし、投光部から出射する光の方向を変更できるようにしたので、走査範囲を広くすることができる。よって、例えば光スキャナデバイスをその情報を処理する処理装置に挿入した状態でも簡単に走査範囲を調整することができ、装置の小型化・薄型化を図ることができると共に、広い範囲について高い精度で動作させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る光スキャナデバイスの構成を表すものである。この光スキャナデバイスは、例えば１次元のバーコードＢＣを読み取るバーコードリーダとして用いられるものであり、対象物であるバーコードＢＣに向かって光を投射する投光部１０と、バーコードＢＣからの反射光を受ける受光部２０とを備えている。投光部１０と受光部２０とは隣接して配設され、両者の間隔は例えば数ｍｍ程度とされている。また、投光部１０および受光部２０とバーコードＢＣとの距離は例えば５０ｍｍ〜１００ｍｍ程度とされることが好ましい。
【００１３】
投光部１０は、例えば、光源３０と、この光源３０から出射した光を集光する光学素子としてのボールレンズ４０と、このボールレンズ４０により集光された光の進路を変更する反射部材５０とを備えている。光源３０、ボールレンズ４０および反射部材５０は、集積回路（ＩＣ；Integrated Circuit）用のパッケージ６０に収納されている。
【００１４】
光源３０は、例えばレーザーダイオードにより構成され、位置決め用の配設基板３１に搭載されている。ボールレンズ４０は例えばガラスにより構成され、その直径は例えば０．３ｍｍ程度である。ボールレンズ４０は、例えば図２に示したような位置合わせ部材４１により配設基板３１に固定されている。
【００１５】
位置合わせ部材４１は、例えば、内部にボールレンズ４０を収納する中空部４１Ａが形成されており、一端部が開放されて蓋４２が設けられている。位置合わせ部材４１には、図示しないが、光源３０から出射された光を透過させる一対のスリットが対向する位置に設けられている。なお、スリットは位置合わせ部材４１と蓋４２との対向する位置に設けられてもよい。また、位置合わせ部材４１の蓋４２と対向する位置にスリットを設け、蓋４２を透明な材料により構成してもよく、位置合わせ部材４１の一部あるいは全体、または位置合わせ部材４１および蓋４２の一部あるいは全体を透明な材料により構成して光を透過させるようにしてもよい。
【００１６】
また、ボールレンズ４０は、例えば図３に示したように、配設基板３１に設けられた溝４３に設置し、ばね４４で押さえることにより配設基板３１に固定されてもよい。このようにボールレンズ４０は完全な球体であるので、一般の非球体のレンズ、例えば球面レンズあるいは非球面レンズとは異なり、光軸の方向性などの調整が不要である。また、ボールレンズ４０はいずれの方向にも対称であるので、いずれかの方向において対称（線対称あるいは点対称など）でない一般のレンズと異なり、いずれかの直径方向において挟持すれば、希望の状態に固定することが可能である。よって、この光スキャナデバイスでは、ボールレンズ４０を用いることにより、直径０．３ｍｍ程度の極めて小さなレンズであっても、簡素な構成で精確に光軸方向の位置合わせができるようになっている。
【００１７】
図４および図５は、図１に示した反射部材５０を拡大して表すものである。反射部材５０は、一端部に設けられた２本のアーム（例えばミラーアーム）５１により支持部材５２に支持されている。反射部材５０は、例えば、シリコンよりなる保持基板の表面に、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）よりなる絶縁膜およびシリコンよりなる半導体薄膜が順に積層された、いわゆるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板をエッチングなどで加工することにより形成されたものである。具体的には、反射部材５０は、ＳＯＩ基板から保持基板および絶縁膜を除去した半導体薄膜により構成されている。反射部材５０の表面には、アルミニウム（Ａｌ）などよりなる反射率を高めるための反射膜５３が設けられている。
【００１８】
反射部材５０はアーム５１により駆動され、変位により光の反射方向を変えることができるようになっている。アーム５１は、例えば、リン（Ｐ）などの不純物を添加した多結晶シリコンよりなる通電層５１Ａと、アルミニウムよりなる膨脹層５１Ｂとを、窒化ケイ素（ＳｉＮｘ）よりなる構造膜５１Ｃを介して積層した積層構成を有している。通電層５１Ａの上には、例えばアルミニウムよりなる電極パッド５１Ｄが設けられており、２本のアーム５１の通電層５１Ａは電気的に接続されている。つまり、アーム５１は、通電層５３Ａと膨脹層５３Ｂとの熱膨脹率の差を利用した熱駆動方式により反射部材５０を矢印Ａの方向に駆動させることができるようになっている。このような熱駆動方式を用いるようにすれば、単純な構造で小型化することができるので好ましい。
【００１９】
支持部材５２は、反射部材５０と共に同一のＳＯＩ基板から形成されたものである。具体的には、支持部材５２は、ＳＯＩ基板から半導体薄膜が除去された保持基板および絶縁膜に必要に応じて他の膜が形成された構造を有している。また、アーム５１は、１枚のＳＯＩ基板から反射部材５０および支持部材５２を形成する工程において形成されたものである。
【００２０】
図６は図１に示したパッケージ６０を分解して表すものである。パッケージ６０は、光源３０，ボールレンズ４０および反射部材５０を配設する配設容器６１を有している。配設容器６１の内部には、光源３０とボールレンズ４０と反射部材５０との位置関係が一義的に決まるように、それらの配設部が設けられている。パッケージ６０は、また、光源３０およびアーム５１に対して駆動用信号を供給する配線端子６２と、配設容器６１を覆う被覆部材６３とを有している。配線端子６２および被覆部材６３は、例えば熱伝導率の高い材料により構成されており、光源３０において発生した熱を放熱する放熱部材としての機能も有している。
【００２１】
図１に示した受光部２０は、光源１１から出射した光がバーコードＢＣで反射して生じる反射光（戻り光）の強度を検知する受光素子（フォトディテクタ）２１と、光源１１の波長以外の外光が受光素子２１に入射するのを制限する光学フィルタ２２とを有している。
【００２２】
このような光スキャナデバイスでは、光源３０から出射した光がボールレンズ４０により集光されたのち、反射部材５０により反射されてバーコードＢＣに照射される。その際、反射部材５０はアーム５１により駆動されて変位し、それにより光の進路が一軸方向に変化して、光が走査される。バーコードＢＣに照射された光は、一部がバーコードＢＣで反射されて光学フィルタ２２を通って受光素子２１に戻り、反射光の強度が検知される。この光スキャナデバイスでは、ボールレンズ４０を用いているので、光源３０に対して高い精度で位置合わせされており、光源３０から出射した光は精度よく集光されて反射部材５０へと導かれる。
【００２３】
このように本実施の形態によれば、光源３０から出射した光を集光する光学素子としてボールレンズ４０を備えるようにしたので、直径の小さいものを用いても、高い精度で光軸方向の位置を合わせることができ、光源３０からの光を精度よく集光して反射部材５０へと導くことができる。よって、小型化・薄型化しても高い精度で動作させることができる。
【００２４】
（第２の実施の形態）
図７は、本発明の第２の実施の形態に係る光スキャナデバイスの構成を表すものである。この光スキャナデバイスは、光源であるレーザーダイオード７０を、反射部材５０の変位によりレーザ光がビーム径の小さい方向（図７のＸ方向）に走査されるように反射部材５０に対して配置したことを除いては、第１の実施の形態の光スキャナデバイスと同様である。よって、同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００２５】
レーザーダイオード７０は、例えば、複数の半導体層を積層した構造を有しており、発光層７１からレーザ光を出射するようになっている。発光層７１から出射されるレーザ光は、半導体層の積層方向Ｂの方向におけるビーム径の方が大きく、積層方向Ｂに対して直交する方向におけるビーム径の方が小さくなっている。よって、レーザーダイオード７０は、例えば、積層方向Ｂを反射部材５０の変位方向Ａを含む面に対して平行とし、出射するレーザ光のビーム径の小さい方向が変位方向Ａを含む面に対して直交するように配置されている。なお、ここで言う“出射するレーザ光のビーム径の小さい方向”というのは、レーザーダイオード７０から出射されボールレンズ４０により集光される前までのレーザ光における方向のことである。
【００２６】
この光スキャナデバイスでは、レーザーダイオード７０から出射したレーザ光は、ボールレンズ４０により集光されると共にボールレンズ４０の開口数（ＮＡ；Numerical Aperture）によりビーム径の小さい方向が９０°変更されたのち、反射部材５０によりレーザ光の進路が変更される。反射部材５０により進路を変更されたレーザ光は、反射部材５０が矢印Ａの方向に変位することにより走査され、バーコードＢＣで一部が反射して光学フィルタ２２（図１参照）を通って受光素子２１（図１参照）に戻り、反射光の強度が検知される。その際、バーコードＢＣに照射されるレーザ光はビーム径の小さい方向（図７のＸ方向）に走査されるので、走査される方向（Ｘ方向）におけるビーム径Ｒｘの方が、この方向に対して直交する方向（Ｚ方向）におけるビーム径Ｒｚよりも小さくなる。よって、反射光の光量の時間的な変化が明瞭になり、反射光の読取りが容易になる。
【００２７】
このように本実施の形態によれば、レーザーダイオード７０を、レーザ光がビーム径の小さい方向に走査されるように反射部材５０に対して配置するようにしたので、レーザ光が走査される方向（Ｘ方向）におけるビーム径Ｒｘを、この方向に対して直交する方向（Ｚ方向）におけるビーム径Ｒｚよりも小さくすることができ、走査方向における反射光の光量の変化を明瞭とすることができる。よって、簡単な構造で精度を向上させることができ、装置の小型化・薄型化を図ることができると共に、高い精度で動作させることができる。
【００２８】
（第３の実施の形態）
図８は、本発明の第３の実施の形態に係る光スキャナデバイスの外観を表し、図９は、図８に示した光スキャナデバイスの内部構成を表している。この光スキャナデバイスは、例えば、バーコードＢＣに向けて光を出射する投光部１０およびバーコードＢＣからの反射光を受ける受光部２０をカード型外装部材８０の内部に備えており、カード型外装部材８０は、投光部１０から出射する光の方向を変更できるように一部が折り曲げ可能とされている。
【００２９】
カード型外装部材８０は、折り曲げ部８３を介して接続された第１の外装部材８１と第２の外装部材８２とを有している。第１の外装部材８１は、例えば金属またはプラスチックにより構成され、内部には、投光部１０および受光部２０が設けられている。投光部１０および受光部２０については、第１の実施の形態または第２の実施の形態と同様であるのでその詳細な説明は省略する。第２の外装部材８２は、例えば金属またはプラスチックにより構成され、内部には、投光部１０および受光部２０とコネクター８４により接続された回路基板８５が設けられている。折り曲げ部８３は、例えば蝶番などにより構成され、第１の外装部材８１を第２の外装部材８２に対して平らな状態または折り曲げた状態で保持することができるようになっている。折り曲げ部８３により折り曲げ可能な角度は、例えば、平らな状態から４５°程度であれば好ましい。
【００３０】
図１０は、図９に示した回路基板８５の構成を表すものである。回路基板８５は、投光部１０および受光部２０に接続された駆動回路８６と、駆動回路８６に接続された信号処理回路８７と、信号処理回路８７に接続されたインタフェース回路８８とを備えている。駆動回路８６は、投光部１０の光源３０およびアーム５１、並びに受光部２０の受光素子２１に駆動用信号を供給し、駆動させるものである。信号処理回路８７は、投光部１０および受光部２０に関する信号処理、具体的には回路基板８５全体の制御および受光素子２１の検知結果に基づいてバーコードＢＣのデコードを行うものである。インタフェース回路８８は、この光スキャナデバイスの情報を処理する図示しない外部の処理装置と接続可能となっており、信号処理回路８７と外部の図示しない処理装置とのシリアル転送を行うものである。
【００３１】
この光スキャナデバイスでは、例えば図１１に示したように、パソコンなどの処理装置８９のスロット８９Ａ、例えばＭｅｍｏｒｙＳｔｉｃｋ（登録商標）のスロットに挿入された状態で、投光部１０からバーコードＢＣに向けて光を出射し、バーコードＢＣからの反射光を受光部２０で受けることによりバーコードＢＣを読み取る。その際、バーコードＢＣの位置に応じて第１の外装部材８１を折り曲げることができるので、処理装置８９を動かすことなく、高い精度で情報が読み取られる。
【００３２】
このように本実施の形態によれば、カード型外装部材８０の一部を折り曲げ可能とし、投光部から出射する光の方向を変更できるようにしたので、走査範囲を広くすることができ、処理装置８９に挿入した状態で、投光部１０から出射する光の方向を変更して走査範囲を調整することができる。よって、装置の小型化・薄型化を図ることができると共に、広い範囲について高い精度で動作させることができる。
【００３３】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態においては、反射部材５０の構成を具体的に挙げて説明したが、反射部材５０の構成は上記実施の形態に限られない。例えば、反射部材５０の形状は円形などの他の形状であってもよい。
【００３４】
また、上記実施の形態では、反射部材５０を片持ち型とした場合について説明したが、図１２に示したように、アーム５１を、反射部材５０の両側の対向する位置に設け、反射部材５０の回転軸心が反射部材５０の面内にあるようにしてもよい。
【００３５】
加えて、例えば、上記実施の形態においては、一軸方向に駆動される反射部材５０により、光の進路を一軸方向に変更して１次元のバーコードＢＣをスキャンする場合について説明したが、多軸方向に駆動される反射部材を用いてもよい。例えば、いわゆるジンバル型とよばれる２次元反射部材を用いて２次元の光スキャナデバイスを構成するようにしてもよい。
【００３６】
加えてまた、例えば、反射部材５０は熱駆動以外の駆動方式により駆動されるものであってもよい。
【００３７】
更にまた、例えば、上記第１の実施の形態においては、それぞれ別のプロセスで作製した光源３０と、ボールレンズ４０と、反射部材５０とをパッケージ６０に組み込む場合について説明したが、光源３０，ボールレンズ４０および反射部材５０を一連のプロセスで同一基板に作製し、パッケージ６０に組み込むようにしてもよい。
【００３８】
加えてまた、上記第２の実施の形態においては、レーザーダイオード７０からのレーザ光を集光する光学素子はボールレンズ４０に限られず、一般的な凸レンズでもよい。
【００３９】
更にまた、上記実施の形態においては、受光部２０が受光素子２１と光学フィルタ２２とを備えた場合について説明したが、光学フィルタ２２は省略してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光スキャナデバイスの構成を表す斜視図である。
【図２】図１に示したボールレンズの位置合わせの一例を表す断面図である。
【図３】図１に示したボールレンズの位置合わせの他の例を表す斜視図である。
【図４】図１に示した反射部材を拡大して表す平面図である。
【図５】図４に示した反射部材のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。
【図６】図１に示したパッケージを分解して表す斜視図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る光スキャナデバイスの構成を表す斜視図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係る光スキャナデバイスの外観を表す斜視図である。
【図９】図８に示した光スキャナデバイスの内部構成を表す平面図である。
【図１０】図９に示した回路基板のブロック図である。
【図１１】図８に示した光スキャナデバイスの使用例を表す側面図である。
【図１２】図１に示した反射部材の他の例を表す平面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０…投光部、２０…受光部、２１…受光素子、２２…光学フィルタ、３０…光源、３１…配設基板、４０…ボールレンズ、５０…反射部材、５１…アーム、５１Ａ…通電層、５１Ｂ…膨脹層、５１Ｃ…構造膜、５１Ｄ…電極パッド、５２…支持部材、５３…反射膜、６０…パッケージ、６１…配設容器、６２…配線端子、６３…被覆部材、７０…レーザーダイオード、８０…カード型外装部材、８１…第１の外装部材、８２…第２の外装部材、８３…折り曲げ部、８４…コネクター、８５…回路基板、８６…駆動回路、８７…信号処理回路、８８…インタフェース回路、８９…処理装置、８９Ａ…スロット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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