JP2967612B2 - 光学的情報読取装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自己共振型のねじり共
振子を用いてレーザ光等の光を走査することにより、バ
ーコード等の光学的情報を読み取る光学的情報読取装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、バーコードリーダ等の光学的
情報読取装置では、ポリゴンミラーを一定速度で回転さ
せるとか、１枚のミラーをステップモータ等により往復
回動させることにより、光走査を行っている。しかしこ
うした従来の装置では、光走査のためにモータを用いる
ため、装置の大型化を招くとか、消費電力が大きくなる
といった問題があった。

【０００３】一方近年では、こうした問題を解決するた
め、文献｛「レーザプリンタ用水晶光スキャナ」杉山
他，第２８回ＳＩＣＥ学術講演会予稿集，５８１頁〜５
８２頁，（１９８９）｝に開示されているように、ねじ
り共振子を用いた光走査装置（光スキャナ）が考えられ
ている。即ち、例えば図７に示す如く、フォトリングラ
フィと水晶の異方性エッチングにより、ミラー部５０，
図示しないコイルが形成されたコイル部５２，トーショ
ンバー部５４，及び固定部５６からなるねじり共振子５
８を形成し、磁石５９ａ，５９ｂによりねじり共振子５
８のコイル部５２に所定方向の磁界を与えて、ねじり共
振子５８を図に示す矢印Ａ方向にねじり振動させる水晶
光スキャナ６０がそれである。

【０００４】こうしたねじり共振子を用いた光スキャナ
は、ねじり共振子のコイルに所定周波数の電力を与えれ
ば、その周波数に対応した周期で光走査を行うことがで
きるため、従来のように光走査をモータを使用すること
なく行うことができ、光スキャナを小型化できると共
に、消費電力を低減できる。特にコイルに与える電力の
周波数をねじり共振子の自己共振周波数に等しいか近接
した周波数とすれば、ねじり共振子を自己共振させるこ
とができ、従来のモータ駆動に比べ、消費電力を著しく
低減できる。

【０００５】このため、光学的情報読取装置（例えばバ
ーコードリーダ）に、こうしたねじり共振子を用いた光
スキャナを採用した場合、例えば図７に示すような構成
が考えられる。即ち、レーザ光源６２からの光を、コリ
メーティングレンズ６４により平行光線にした後、水晶
光スキャナ６０のミラー部５０に照射することにより、
ＵＰＣ，コード３９，ＩＴＦ等の各種規格のバーコード
が印刷されたバーコードラベル６６を走査し、この走査
によってバーコードラベル６６から反射してくる反射光
を、集光レンズ６８を介して、受光光量に応じた電気信
号を発生する光検出器７０に導くように構成された光学
系と、光検出器７０から出力される微弱な電気信号を増
幅する増幅回路７２，増幅回路７２にて増幅された電気
信号を２値化する２値化回路７４，２値化回路７４から
出力される２値化信号に基づきバーコードを復号（デコ
ード）して、そのデコード結果を外部に出力するデコー
ド部７８等からなる信号処理系と、ねじり共振子５８の
コイルを通電してミラー部５０を回動させるミラー駆動
回路８０，レーザ光源６２を駆動するレーザ駆動回路８
２等からなる駆動系と、デコード部７８，ミラー駆動回
路８０，及びレーザ駆動回路８２を制御する制御部８４
からなる制御系と、により構成される。尚、デコード部
７８，及び制御部８４は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を
中心とするマイクロコンピュータからなる電子制御装置
（ＥＣＵ）の一処理として実現される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように光学的情報
読取装置にねじり共振子からなる光スキャナを採用した
場合、装置の小型・軽量化を図り、電力消費量を少なく
することができるため、ハンディ型の光学的情報読取装
置を作製するのに最適である。

【０００７】ところがねじり共振子を用いた光スキャナ
は、一般に自己共振周波数が高く、自己共振モードで動
作させると、光走査速度が、ポリンゴンミラー等を用い
た従来の光スキャナに比べ１０倍以上となり（上記文献
に示されている例では、光スキャナの共振周波数ｆｏは
８４０Ｈｚであり、光スキャナを自己共振モードで動作
させると、走査速度が約１６００スキャン／毎秒にも達
する）、光検出器７０以後のデコード部７８等の信号処
理系に非常に高い処理能力を要求されるといった問題が
あった。

【０００８】従って光学的情報読取装置にねじり共振子
を用いた光スキャナを適用する場合には、ねじり共振子
のコイルに与える電力の周波数により、光スキャナの振
動速度を自己共振周波数より低い所望周波数で制御する
所謂強制駆動により光スキャナを駆動して、光学的情報
を読み取ることとなるが、これでは光スキャナを自己共
振モードで駆動する場合に比べて消費電力が大きくな
り、ねじり共振子を用いた光スキャナの利点を充分生か
すことができなくなってしまう。

【０００９】尚、上記水晶光スキャナ６０において、ね
じり共振子５８の自己共振周波数を下げる方法として、
ミラー部５０を大きくする方法があるが、ミラー部５０
を大きくすれば、装置の大型化を招き、またねじり共振
子５８の製造コストが高くなって、外部からの衝撃に対
して弱くなるため、この方法は採用できない。

【００１０】即ち、上記水晶光スキャナ６０の場合、イ
ンピーダンスＺｓは次式(1) で与えられ、次式(1) から
自己共振周波数ｆｏは次式(2) で表される。

【００１１】

【数１】

【００１２】（但し、ＲDC：コイル抵抗，ｒ：制動係
数，Ｃ：トルク係数，Ｊ：慣性モーメント，ｋ：ねじり
ばね定数である。）そして、ねじりばね定数ｋは、ねじ
り共振子５８のトーションバー部５４で決まり、また慣
性モーメントＪはミラー部５０の大きさと重量で決まる
ため、トーションバー部５４が一定であれば、ミラー部
５０を大きくすれば共振周波数ｆｏを下げることができ
る。しかし、共振周波数ｆｏを下げるためにミラー部５
０を大きくすると、装置の大型化を招き、またねじり共
振子５８の製造コストが高くなり、外部からの衝撃に対
して弱くなる。このためねじり共振子を用いた光スキャ
ナの利点が損なわれ、ハンディ型の光学的情報読取装置
への応用も困難となってしまう。

【００１３】本発明はこうした問題に鑑みなされたもの
で、ねじり共振子からなる光スキャナを自己共振モード
で動作させることにより、光走査を高速で行ったとして
も、光学的情報を充分読み取ることができる光学的情報
読取装置を提供することを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】即ち、上記目的を達成す
るためになされた本発明は、光を投射する光源と、自己
共振型のねじり共振子により上記光源からの光を走査す
る走査手段と、該走査手段による光の走査によって光学
的情報が記載された対象物から反射してくる反射光を受
光する受光手段と、該受光手段からの受光信号により上
記光学的情報を読み取る読取手段と、を備えた光学的情
報読取装置であって、上記ねじり共振子の振動速度を検
出する振動速度検出手段と、外部からのサンプリング信
号により上記受光手段からの受光信号をサンプリングし
て上記読取手段に出力するサンプルホールド手段と、上
記振動速度検出手段により検出された振動速度に基づ
き、上記ねじり共振子が１振動する度に、１振動内の異
なるタイミングで、少なくとも１回以上上記サンプリン
グ信号を発生するサンプリング信号発生手段と、を備え
たことを特徴とする光学的情報読取装置を要旨としてい
る。

【００１５】

【作用及び発明の効果】上記のように構成された本発明
の光学的情報読取装置においては、走査手段が自己共振
型のねじり共振子により構成されており、走査手段が光
源からの光を走査すると、受光手段が、その光の走査に
よって光学的情報が記載された対象物から反射してくる
反射光を受光する。するとこの受光手段からの受光信号
は、サンプルホールド手段に入力され、サンプルホール
ド手段はサンプリング信号発生手段からのサンプリング
信号により受光信号をサンプリングして、読取手段に入
力する。またサンプリング信号発生手段は、共振振動速
度検出手段にて検出されたねじり共振子の振動速度に基
づき、ねじり共振子が１振動する度に、１振動内の異な
るタイミングで、少なくとも１回以上上記サンプリング
信号を発生する。

【００１６】この結果、本発明の光学的情報読取装置に
おいては、サンプルホールド手段が、ねじり共振子の複
数回の振動で対象物のすべてのサンプルポイントをサン
プリングすることとなり、読取手段には、低い振動周波
数で光走査した場合と同等の信号が入力されるようにな
る。

【００１７】このため本発明の光学的情報読取装置によ
れば、走査手段を自己共振モードで作動させて光走査を
高速に行なっても、読取手段を処理速度の低いまま使用
することができる。また既述したようにねじり共振子の
ミラー部を大きくして走査手段を自己共振モードで作動
させた場合の走査速度を低下させる必要がないため、装
置の大型化を招くことはなく、ねじり共振子を用いた走
査手段の利点を最大限に発揮させることが可能となる。

【００１８】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面と共に説明す
る。まず図１は、本発明が適用された実施例のバーコー
ドリーダ全体の構成を表す概略構成図である。

【００１９】図に示す如く、本実施例のバーコードリー
ダの光学系は、前記図７のバーコードリーダと同様、レ
ーザ光を発生するレーザ光源２と、レーザ光源２からの
レーザ光を平行光線にするコリメーティングレンズ４
と、コリメーティングレンズ４を透過してきたレーザ光
を走査してバーコードが印刷されたバーコードラベル６
に照射する走査手段としての水晶光スキャナ８と、入射
光量に応じた受光信号を発生する受光手段としての光検
出器１０と、バーコードラベル６から反射してくるレー
ザ光（散乱光）を光検出器１０に集光させる集光レンズ
１２とから構成されている。

【００２０】ここでレーザ光源２は、レーザダイオー
ド，Ｈｅ−Ｎｅレーザ等からなる発光素子と、平凸レン
ズからなる合焦レンズと、開口絞りとから構成され、レ
ーザ光を水晶光スキャナ８のミラー部２０の中心位置に
投射する。また光検出器１０は、フォトダイオード，フ
ォトトランジスタ等からなる受光素子と、レーザ光源２
が発生するレーザ光と同じ波長（発光素子がレーザダイ
オードの場合は波長６７０ｎｍ，発光素子がＨｅ−Ｎｅ
レーザの場合は波長６３０ｎｍ）の光のみを透過させる
光学フィルタと、により構成されている。

【００２１】また次に水晶光スキャナ８は、前記図７に
示した水晶光スキャナ６０と同様、フォトリソグラフィ
と水晶の異方性エッチングにより、ミラー部２０，図示
しないコイルが形成されたコイル部２２，トーションバ
ー部２４，及び図示しないハウジング内に固定される固
定部２６が一体形成されたねじり共振子２８を備えてお
り、磁石２９ａ，２９ｂが、ねじり共振子２８のコイル
部２２に所定方向の磁界を与えることによって、ミラー
部２０を図に示す矢印Ａ方向に振動させるものである。
尚、ミラー部２０は、Ａｕ薄膜にてコーティングするこ
とにより、使用するレーザ光の波長で約９０％の反射率
が得られるようにされている。また磁石２９ａ，２９ｂ
は、ねじり共振子２８と同様、図示しないハウジング内
に位置決め固定されている。

【００２２】次に本実施例のバーコードリーダの信号処
理系には、前記図７に示したバーコードリーダと同様、
増幅回路３１，２値化回路３３，ＥＣＵの一処理として
実現されるデコード部３５が備えられる他、増幅回路３
１にて増幅された受光信号をサンプリングして次のサン
プリングタイミングまでそのサンプリング結果ＳＶを２
値化回路３３に出力するサンプルホールド手段としての
サンプルホールド回路３７が備えられており、駆動系
は、水晶光スキャナ８を自己共振モードで駆動するミラ
ー駆動回路４１と、レーザ光源２を駆動するレーザ駆動
回路４３とから構成されている。

【００２３】また制御系には、ミラー駆動回路４１，レ
ーザ駆動回路４３及びデコード部３５の動作を制御す
る、ＥＣＵの一処理として実現される制御部４５の他、
ミラー駆動回路４１によるねじり共振子２８の駆動状態
からねじり共振子２８の振動速度を検出する振動速度検
出手段としての振動数検出回路４７と、この振動数検出
回路４７からの検出信号ＳＡに基づき、サンプルホール
ド回路３７が受光信号をサンプリングするタイミングを
決定するサンプリング信号ＳＨを出力するサンプリング
信号生成手段としてのサンプリングタイミング生成回路
４９と、が備えられている。

【００２４】尚このサンプリングタイミング生成回路４
９から出力されるサンプリング信号ＳＨは、レーザ駆動
回路４３にも入力され、レーザ駆動回路４３は、制御部
４５からの駆動信号によりレーザ光源２の駆動が許可さ
れているときに、このサンプリング信号ＳＨを受けてレ
ーザ光源２からレーザ光を投射させる。

【００２５】ここで、ねじり共振子２８は、コイル部２
２にミラー駆動回路４１から与えられる電流により発生
する磁力と、磁石２９ａ，２９ｂから成る磁界の影響を
うけて振動し、コイルはその振動速度および振れ角に応
じてインピーダンスが変化し、水晶光スキャナ８を自己
共振モードで動作させるには、ねじり共振子２８のコイ
ルに一定電流を流せばよいため、ミラー駆動回路４１は
定電流回路によって構成されている。

【００２６】またこのように水晶光スキャナ８は、ミラ
ー駆動回路４１により定電流駆動されることによって、
自己共振周波数で振動するため、振動数検出回路４７
は、図２に示す如く、ねじり共振子２８のコイルＬを測
定資料とした可変抵抗器ＶＣＲと固定抵抗器ＲＡ，ＲＢ
とからなるインピーダンスブリッジ１０１を組み、同ブ
リッジが平衡するようにコイルＬに対応するインピーダ
ンスに差動アンプ１０３からなる帰還制御をかけ、その
制御信号を振動数検出信号ＳＡとして出力するようにさ
れている。

【００２７】尚この場合、インピーダンスブリッジ１０
１はミラー駆動回路４１により駆動されることとなるた
め、ミラー駆動回路４１からの電流経路には、差動アン
プ１０３による帰還制御をかけるようにされている。ま
たインピーダンスブリッジ１０１の平衡条件は、コイル
ＬのインピーダンスをＲ＋Ｒ（ｆ）とし、可変抵抗器Ｖ
ＣＲのインピーダンスをＲVCR 、他の固定抵抗器ＲＡ，
ＲＢのインピーダンスをＲRA，ＲRBとすれば、｛Ｒ＋Ｒ
（ｆ）｝×ＲVCR ＝ＲRA・ＲRBである。

【００２８】次にサンプリングタイミング生成回路４９
は、図３に示す如く、ゼロクロス検出回路１１０と、カ
ウンタ１１１と、ワンショットパルス生成回路１１２
と、鋸波生成回路１１３と、比較回路１１４と、ワンシ
ョットパルス生成回路１１５とから構成されており、水
晶光スキャナ８の１振動に２回の割で，延いては水晶光
スキャナ８が一方向へ光走査を行なう度に１回の割で、
バーコードラベル６を等間隔で区切ったポイント毎に順
次バーコードラベル６からの反射光をサンプリングする
ためのサンプリング信号を発生する。

【００２９】即ち、このように構成されたサンプリング
タイミング生成回路４９においては、図４に示す如く、
まず振動数検出回路４７からの振動数検出信号ＳＡがゼ
ロクロス検出回路１１０に入力され、ゼロクロス検出回
路１１０が、その振動数検出信号ＳＡの電圧レベルが０
Ｖのときパルス信号ＳＢを発生する。

【００３０】するとカウンタ１１１がこのパルス信号Ｓ
Ｂをカウントし、そのカウント結果が予め設定された所
定値となった時点で信号を発生する。そしてワンショッ
トパルス生成回路１１２が、このカウンタ１１１からの
出力信号を受けて、所定幅のパルス信号ＳＣを生成す
る。このワンショットパルス生成回路１１２からのパル
ス信号ＳＣは、鋸波生成回路１１３に入力される。

【００３１】鋸波生成回路１１３は、定電流回路と、コ
ンデンサと、放電用スイッチとにより構成されており、
ワンショットパルス生成回路１１２からのパルス信号に
より放電用スイッチがＯＮ・ＯＦＦされて、鋸波ＳＤを
生成する。つまりパルス信号ＳＣの立下がりによりコン
デンサの充電を開始し、パルス信号ＳＣの立上がりによ
り放電用スイッチをＯＦＦしてコンデンサに蓄積された
電荷を瞬時に放電することにより、パルス信号ＳＣの発
生周期に対応した鋸波ＳＤを生成する。

【００３２】こうして鋸波生成回路１１３にて生成され
た鋸波ＳＤは、振動数検出回路４７からの振動数検出信
号ＳＡと共に比較回路１１４に入力される。すると比較
回路１１４では、図４にＳＥで示す如く、この入力され
た鋸波ＳＤの電圧レベルと、振動数検出信号ＳＡの電圧
レベルとを大小比較する。そしてその比較結果は、ワン
ショットパルス生成回路１１５に出力され、ワンショッ
トパルス生成回路１１５は、比較回路１１４による比較
結果が反転する度に、所定幅のパルス信号（サンプル信
号）ＳＨを発生する。

【００３３】この結果サンプリングタイミング生成回路
４９からは、水晶光スキャナ８が一方向へ光走査を行な
う度に１回の割で、バーコードラベル６を等間隔で区切
ったポイント毎にバーコードラベル６からの反射光をサ
ンプリング可能なサンプリング信号が発生されることと
なる。

【００３４】尚サンプリングタイミング生成回路４９を
上記のように構成したのは、ねじり共振子２８によるバ
ーコードラベル６への光走査では、バーコードラベル６
が平面であるため、ねじり共振子２８の回転ベクトルの
角速度とバーコードラベル６上の光の走査速度とが一致
せず、単に水晶光スキャナ８による走査時間を等分した
タイミングでサンプリング信号を生成すると、反射光の
サンプリング結果からバーコードを良好に読み取ること
ができないためである。

【００３５】つまりサンプリングタイミング生成回路４
９は、ねじり共振子２８の回転中心に対して、ねじり共
振子２８の回転角度が大きくなる程細かい間隔でサンプ
リング信号を発生することにより、バーコードラベル６
を等間隔で区切ったサンプリングポイントで順次サンプ
リング信号を発生できるようにされている。

【００３６】このように構成された本実施例のバーコー
ドリーダにおいては、図６に（ａ）〜（ｊ）に示す如
く、ねじり共振子２８の共振周波数により、ミラー部２
０が順次往復回動するが、図５に示す如く、ミラー部２
０が一方向へ回動する度に、バーコードを所定間隔で区
切ったポイント毎にサンプリング信号ＳＨが発生され、
このサンプリング信号ＳＨにより、レーザ駆動回路４３
がレーザ光源２からレーザ光を投射させると共に、サン
プルホールド回路３７が増幅回路３１からの受光信号を
サンプリングして２値化回路３３に出力する。

【００３７】この結果、２値化回路３３には、バーコー
ドラベル６をねじり共振子２８の共振周波数より低い走
査速度で光走査を行った場合と同様の信号ＳＶが入力さ
れることとなり、読取手段としての２値化回路３３及び
デコード部３５に処理速度の低い従来のものをそのまま
使用することができる。またねじり共振子２８のミラー
部２０を大きくしてねじり共振子２８の振動速度を低下
させる必要がないため、水晶光スキャナ８の利点を最大
限に発揮させることが可能となる。

【００３８】尚図５において、各信号の横軸矢印は、水
晶光スキャナ８によるバーコードの走査方向を表し、図
６において、（ａ），（ｃ），（ｅ），（ｇ），（ｉ）
は、それぞれ、図５に示すサンプルホールド回路３７か
ら出力されるｎ番目（ｎ＝１，２，３，４，５）の信号
ＳＨのサンプリング時のミラー部２０の回動状態を表し
ている。

【００３９】ここで本実施例に示したような光学系にお
いては、レーザ光源２からバーコードラベル６へのレー
ザ光の投光系と、バーコードラベル６から光検出器１０
までのレーザ光の受光系とで、レーザ光の光路が別にな
り、光検出器１０における外乱光等の影響を受け易くな
るため、レーザ光源２が発生するレーザ光に変調をかけ
て、外乱光等の影響を低減するようにしてもよい。尚こ
の場合には、サンプリングタイミング生成回路４９によ
り、バーコードのサンプル点においてその変調タイミン
グがかち合わないようにする。

【００４０】また上記実施例では、サンプリングタイミ
ング生成回路４９を、ゼロクロス検出回路１１０，カウ
ンタ１１１，ワンショットパルス生成回路１１２，鋸波
生成回路１１３，比較回路１１４及びワンショットパル
ス生成回路１１５により構成したが、サンプリングタイ
ミング生成回路４９は、ねじり共振子２８の回転角度に
対するサンプリング信号の出力タイミングの粗密を変更
できればよいため、例えばＶ−Ｆコンバータにより振動
数検出回路４７からの振動数検出信号をパルスの粗密列
に変換し、これを１走査毎に順次出力するようにしても
よい。

【００４１】また更に上記実施例では、振動数検出回路
４７を、ねじり共振子２８のコイルＬのインピーダンス
の変化からねじり共振子２８の振動数を検出するように
構成したが、例えば水晶光スキャナ８の光走査範囲内に
フォトセンサ等からなる光検出器を設け、この光検出器
により、ねじり共振子２８が特定の振れ角になったとき
にレーザ光を検出するようにしても、光走査の走査速度
を検出することができる。

【００４２】また上記実施例では、バーコードラベル６
から光検出器１０までの受光系に、集光レンズ１２を設
けて、バーコードラベル６からの反射光を光検出器１０
に集光させるように構成したが、集光レンズ１２の代わ
りに凹面鏡を設け、この凹面鏡によりバーコードラベル
６からの反射光を光検出器１０に集光させるようにして
もよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例のバーコードリーダ全体の構成を表す
概略構成図である。

【図２】 振動数検出回路４７の構成を説明する電気回
路図である。

【図３】 サンプリングタイミング生成回路４９の回路
構成を説明するブロック図である。

【図４】 サンプリングタイミング生成回路４９の動作
を説明するタイムチャートである。

【図５】 サンプリング信号の発生タイミング及びサン
プリング信号によるサンプルホールド回路の動作を説明
する説明図である。

【図６】 ねじり共振子２８のミラー部２０の回動状態
を説明する説明図である。

【図７】 ねじり共振子２８を用いた従来のバーコード
リーダの構成を表す概略構成図である。

【符号の説明】

２，６２…レーザ光源 ６，６６…バーコ
ードラベル ８，６０…水晶光スキャナ １０，７０…光検出
器 ２０，５０…ミラー部 ２２，５２…コイル
部 ２４，５４…トーションバー部 ２６，５６…固定部 ２８，５８…ねじり共振子 ２９ａ，２９ｂ，５
９ａ，５９ｂ…磁石 ３１，７２…増幅回路 ３３，７４…２値化
回路 ３５，７８…デコード部 ３７…サンプルホー
ルド回路 ４１，８０…ミラー駆動回路 ４３，８２…レーザ
駆動回路 ４５，８４…制御部 ４７…振動数検出回
路 ４９…サンプリングタイミング生成回路 １１０…
ゼロクロス検出回路 １１１…カウンタ １１２，１１５…ワンショ
ットパルス生成回路 １１３…鋸波生成回路 １１４…比較回路

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光を投射する光源と、 自己共振型のねじり共振子により上記光源からの光を走
   査する走査手段と、 該走査手段による光の走査によって光学的情報が記載さ
   れた対象物から反射してくる反射光を受光する受光手段
   と、 該受光手段からの受光信号により上記光学的情報を読み
   取る読取手段と、 を備えた光学的情報読取装置であって、 上記ねじり共振子の振動速度を検出する振動速度検出手
   段と、 外部からのサンプリング信号により上記受光手段からの
   受光信号をサンプリングして上記読取手段に出力するサ
   ンプルホールド手段と、 上記振動速度検出手段により検出された振動速度に基づ
   き、上記ねじり共振子が１振動する度に、１振動内の異
   なるタイミングで、少なくとも１回以上上記サンプリン
   グ信号を発生するサンプリング信号発生手段と、 を備えたことを特徴とする光学的情報読取装置。