JPH11203383A - 光学的情報読取装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】先行技術に比べて更なる小型化、低コスト化を
実現する。 【解決手段】光学的情報読取装置１において、シリコン
基板２には、２次元光走査装置２０、受光素子６、回路
部７及び半導体レーザ８が設けられ、シリコン基板２に
対向して設けられるガラスカバー３には、その一部に半
導体レーザ８からの出射光をミラー部２４に反射するた
めのフレネル凹面鏡９が形成されると共に、読み取り対
象物からの反射光を受光素子６に集光するための可変焦
点レンズ１０が実装されている。半導体レーザ８から出
射されたレーザ光はフレネル凹面鏡９により集光され、
２次元光走査装置２０により走査される。走査光は読み
取り対象物上で散乱される。その散乱光は可変焦点レン
ズ１０により集光された後、受光素子６に導かれる。受
光素子６は散乱光の強弱を電気信号に変換する。回路部
７は電気信号の信号処理等を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、２次元バーコード
等、光学的情報の走査光による読み取りを行うための光
学的情報読取装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光学的情報読取装置としてのバーコード
リーダは、スーパーマーケット等のＰＯＳ（販売時点情
報管理）分野、物流分野などで幅広く利用されており、
当該装置としては、ＣＣＤイメージセンサ方式やレーザ
走査方式が採用されている。このうちレーザ走査方式
は、バーコードリーダとバーコードラベルとの間を離し
てバーコード情報を読み取る、遠隔読み取りが可能であ
ると共に、多面ミラーを用いたマルチスキャン化による
多方向読み取りが可能である等の理由により幅広く用い
られている。

【０００３】図８には、典型的なレーザ走査方式の光学
系の構成を示す。レーザ駆動回路４１により駆動される
半導体レーザ４２から出射されたレーザ光は、ミラー駆
動回路４３により駆動されるポリゴンミラー４４により
偏向され、図に記載されていない読み取り対象物上（例
えばバーコードラベル上）を走査される。読み取り対象
物上で乱反射された反射光は集光レンズ４５により集光
され、受光素子４６に導かれる。前記集光された反射光
は受光素子４６により電気信号に変換された後、信号処
理回路４７により処理される。

【０００４】ところで、近年、情報処理機器の小型化が
進んでおり、上述のような光学系においても小型化が求
められている。上述の光学系の構成要素のうち、半導体
レーザ、受光素子等は半導体技術の進歩により小型化が
進んでいる。また、レンズについても小型フレネルレン
ズの研究等により小型化がなされてきている。しかし、
走査機構については現状ではガルバノミラーやポリゴン
ミラーが使用されており、小型化はあまりなされていな
い。

【０００５】一方、走査方式の光学系において走査方向
に着目した場合、一般には走査機構にガルバノミラーや
ポリゴンミラーを用いるため、その走査方向は１方向で
ある。しかし、スーパーマーケットのレジなどでは、バ
ーコードラベルを多方向について読み取りたいため、多
方向の光走査が必要になる。その場合は多面鏡を用いて
多方向の走査光を得る手法が一般に取られているが、機
器の大型化を招き、前述の小型化の要請には合い反す
る。

【０００６】また、近年では、バーコードのような光学
的情報に対する情報量の増大のニーズから、２次元コー
ドなる物が使われ始めている。このような２次元情報を
読み取るためには、読み取り対象物の面内を必要な分解
能で２次元的に走査する必要がある。この場合、通常ポ
リゴンミラーとガルバノミラーとの組み合わせが用いら
れるが、やはり機器の大型化や複雑化を招く。

【０００７】一方、走査方式の光学系においてその焦点
深度に着目した場合、一般には固定焦点レンズが使用さ
れるため、機器から読み取り対象物までの距離はレンズ
の焦点距離近傍の狭い範囲である。従って、例えばバー
コードの読み取りを行う場合、バーコードを読み取り機
器近傍の所定の位置まで持ってくる必要がある。そこ
で、読み取り機器の焦点深度の拡大が求められている。

【０００８】以上をまとめると、光走査型情報の読み取
り光学系に求められていることは、主として装置の小型
化、走査方向の２次元化、焦点深度の拡大の３点である
と言える。

【０００９】これらの要求のうち、小型化並びに２次元
化に対し、本出願人は、特開平７−１９９０９９号公報
において２次元光走査装置を提案している。これは、平
面構造で２自由度のバネ機構を共振させることで２方向
の光走査を得るものであった。また、焦点深度の要求に
対しては、本出願人は、特開平７−１２１６４５号公報
において可変焦点式凹面鏡を利用したバーコードリーダ
を提案している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た従来公報（特開平７−１９９０９９号公報）の方法に
よればある程度の小型化は可能なものの、個々の光学部
品をディスクリートに組み立てて光学系を構成するた
め、小型化には限界があった。また、無理に小型化を進
めてもかえって高コストを招くおそれがあった。

【００１１】また、前述の可変焦点式凹面鏡を利用した
焦点深度拡大方法の場合（特開平７−１２１６４５号公
報の場合）、光学系が反射光学系になるので光路を確保
するための空間が必要であり、小型化には不適となる。

【００１２】そこで、本発明は、先行技術に比べて更な
る小型化、低コスト化を実現す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する。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の光学的情報読取
装置は、光を反射するミラー部と、このミラー部を異な
る軸方向に捩じれ振動させるための振動部とを備える光
走査装置を用い、光源部より出射された光を前記ミラー
部にて反射させて読み取り対象物上で走査させると共
に、該読み取り対象物からの反射光を受光して電気信号
に変換するものとして構成される。こうした読取装置で
は、２次元での光走査が適切に実施できる。

【００１４】そして、請求項１に記載の発明では、半導
体基板に前記光走査装置、光源部及び受光部を設け、前
記半導体基板に対向して設けられるガラスカバー部材に
は、その一部に前記光源部からの出射光を前記ミラー部
に反射するためのフレネル凹面鏡を形成すると共に、読
み取り対象物からの反射光を前記受光部に集光するため
のレンズ部材を実装している。

【００１５】上記構成によれば、同一の半導体基板に光
走査装置、光源部及び受光部を設けること、並びにガラ
スカバー部材にフレネル凹面鏡及びレンズ部材を設ける
ことで、各構成部品が集約化される。その結果、先行技
術に比べて更なる小型化が図られ、ひいては低コスト化
を実現することができる。なおこの場合、ガラスカバー
部材を構成要件とし、同部材により光走査装置を気密状
態で覆うことで、小型化した場合にも光走査装置の振動
動作が保証され、外的要因による動作特性の変動が防止
できる。

【００１６】請求項２に記載の発明では、前記半導体基
板には、前記受光部で変換した電気信号を処理し、且つ
前記光走査装置、光源部及び受光部の駆動を操作するた
めの回路部が形成される。この場合、読取装置全体とし
て、より一層の小型化が実現できる。上記請求項１，２
によれば、１チップ型の走査光学系が提供できることと
なる。また、前記光走査装置、受光部及び回路部を、同
一の半導体基板を用いて半導体プロセスにより形成すれ
ば、各部材の位置精度が向上する。

【００１７】請求項３に記載の発明では、前記半導体基
板の裏面にはベース部材が接合される。ベース部材とし
ては、例えばパイレックスガラスが用いられる。この場
合、組み付け時のハンドリングが向上すると共に、外部
からの熱応力が緩和される。

【００１８】請求項４に記載の発明では、前記光走査装
置は、半導体基板の一部に薄肉部を形成すると共に、そ
の一部を貫通させることにより振動部を形成し、且つ薄
肉部の支持部に加振手段を設けるものとしている。かか
る場合、半導体基板に薄肉部を形成してそれを振動させ
ることにより、光走査装置における動作特性のばらつき
が抑制できる。

【００１９】請求項５に記載の発明では、前記レンズ部
材は、曲率変化により焦点距離が変化するレンズ面を有
し、読み取り対象物からの反射光が前記レンズ面を通過
する際に当該反射光の集光位置を変化させる可変焦点式
レンズからなる。この場合、上述の作用効果に加え、焦
点深度が深くなり光学的情報の読み取り可能な範囲が拡
大するという効果が得られる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、この発明を具体化した一実
施の形態を図面に従って説明する。図１は、本実施の形
態における可変焦点式光走査型の光学的情報読取装置１
の全体構成を示し、図２は同読取装置１の断面構造を示
す。

【００２１】図１，図２に示すように、光学的情報読取
装置１は、半導体基板としてのシリコン基板２と、この
シリコン基板２の上面を覆うように設けられたガラスカ
バー３と、シリコン基板２の下面に陽極接合されたベー
ス４と、リードフレーム５とを有する。

【００２２】シリコン基板２の表面には、半導体プロセ
スにより受光素子６及び回路部７が形成されると共に、
マイクロマシン技術を用いて２次元光走査装置２０が形
成されている。２次元光走査装置２０の詳細な構成につ
いては後述する。また、シリコン基板２上には、例えば
ＧａＡｓ製の半導体レーザ８が実装されている。

【００２３】回路部７には、何れも図示しないが、半導
体レーザ８を駆動するための半導体レーザ駆動回路エリ
ア、２次元光走査装置２０を駆動するための２次元光走
査装置駆動回路エリア、受光素子６を駆動するための受
光素子駆動回路エリア、後述の可変焦点レンズ１０を駆
動するための可変焦点レンズ駆動回路エリア、各種の信
号を適宜処理するための信号処理回路エリアなどが設け
られている。回路部７と、半導体レーザ８，２次元光走
査装置２０，受光素子６，可変焦点レンズ１０とは、周
知の半導体プロセスにて形成された配線により電気的に
接続されている。

【００２４】ガラスカバー３の内側表面には、エッチン
グ加工によりフレネル凹面鏡９が形成されており、反射
率を大きくするためにフレネル凹面鏡９の部分にのみＡ
ｌ蒸着が施されている。また、ガラスカバー３の外側表
面には可変焦点レンズ１０が実装されている。このガラ
スカバー３により、シリコン基板２上方の気密が保持さ
れている。

【００２５】なお、本実施の形態における可変焦点レン
ズ１０は、一対の透明弾性膜を対向させた内部に透明液
体を封入してレンズ面を形成し、外部から透明液体に所
定の周期で圧力変化を与えることにより、透明弾性膜の
曲面の曲率を変化させて反射光の焦点距離を変化させる
ものであって、その詳細は本出願人が提案する特開平９
−２３０２５２号公報に開示されている（但し、ここで
は図示を省略する）。

【００２６】次に、上記構成の光学的情報読取装置１の
動作について説明する。回路部７により駆動される半導
体レーザ８から出射されたレーザ光はフレネル凹面鏡９
により収束・反射され、回路部７により駆動される２次
元光走査装置２０に導かれる。この２次元光走査装置２
０は、収束されたレーザ光を反射し、図示されていない
読み取り対象表面（例えば、バーコードラベル）を２次
元的に走査する。レーザ光はこの読み取り対象表面によ
り散乱される。散乱されたレーザ光は、回路部７により
駆動される可変焦点レンズ１０にて集光された後、回路
部７により駆動される受光素子６に導かれる。受光素子
６は、集光されたレーザ光の時間的な強弱変化を電気信
号に変換する。変換された電気信号は回路部７（信号処
理回路）で処理される。こうした一連の処理により、例
えばバーコードラベルの内容が読み取られる。かかる場
合、可変焦点レンズ１０が焦点位置を可変とするため焦
点深度が深くなり、読み取り面の位置が変わっても正確
な読み取りが可能になる。

【００２７】次に、２次元光走査装置２０の構造及びそ
の製作方法について説明する。図３は、２次元光走査装
置２０のみを拡大して示す一部破断斜視図であり、図４
は、同装置２０の要部を示す断面図である。シリコン基
板２には、裏面からのエッチングによって薄肉部２１が
形成され、その薄肉部２１の所定の位置を貫通させるこ
とにより、トーションビーム部２２、フレーム部２３並
びにミラー部２４などの振動部が形成されている。詳細
には、トーションビーム部２２は、互いに直交する方向
に設けられる第１スプリング２２ａと第２スプリング２
２ｂとからなり、フレーム部２３は、内外二重に設けら
れる第１フレーム２３ａと第２フレーム２３ｂとからな
る。ミラー部２４は、アルミニウム等の金属薄膜からな
るミラー２４ａを有する。なお、電気配線２５、ボンデ
ィングパッド２６、基板電極２７、上部電極２８もアル
ミニウム等の金属薄膜からなり、これらはミラー２４ａ
と同時に形成される。

【００２８】シリコン薄肉部２１は梁構造をなし、その
支持部上にはＰＺＴ等の圧電体膜２９が４箇所に形成さ
れている。圧電体膜２９は圧電ユニモルフ構造をなし、
ミラー部２４を共振条件にて振動させる役割を有する。
シリコン基板２の下面に接合されたベース４は、図示し
ないケースにはんだ付け等により固定され、組み付け時
のハンドリングを良好にすることと、ケースからの熱応
力を緩和することを目的として設けられている。例えば
ベース４としてパイレックスガラスを用いることで、シ
リコン基板２に対し陽極接合法にて接合することが可能
になる。

【００２９】また、図４に示すように、圧電体膜２９
は、シリコン基板２上に例えば白金／チタンなどの下部
金属電極３０を介して成膜されており、上部に形成され
た金属電極２８との間で電圧が印加されるようになって
いる。シリコン基板２には低抵抗層３１が形成され、こ
の低抵抗層３１により基板電極２７と下部金属電極３０
とが電気的に接続されている。シリコン基板２の表面に
はＳｉＯ2 等の絶縁膜３２，３３が形成され、この絶縁
膜３２，３３により電気配線２５，ボンディングパッド
２６と、下部金属電極３０，低抵抗層３１とが電気的に
絶縁されている。

【００３０】図５及び図６は、２次元光走査装置２０の
製造工程を示す断面図である。以下、順を追って説明す
る。先ず、面方位（１００）のｎ型シリコン基板２を用
意し（図５（ａ））、その両面に熱酸化によりＳｉＯ2
等の絶縁膜３４を成膜する（図５（ｂ））。

【００３１】次に、表面側（図の上側）の絶縁膜３４の
所定位置を除去し、イオン注入、固相拡散等によりｐ型
の不純物を導入して低抵抗層３１を形成する（図５
（ｃ））。そして、絶縁膜３４を除去した後、再度、シ
リコン基板２の両面にＳｉＯ2 等の絶縁膜３２を成膜し
（図５（ｄ））、その後、表面側の絶縁膜３２の所定位
置を除去する（図５（ｅ））。

【００３２】そして、スパッタや電子ビーム蒸着等によ
り白金／チタンなどの下部金属電極３０を形成し（図５
（ｆ））、この後、スパッタ、ゾルーゲル法、ＣＶＤ等
によりＰＺＴ等の圧電体膜２９を形成する（図５
（ｇ））。

【００３３】さらに、スパッタや電子ビーム蒸着等によ
りアルミニウムなどの金属薄膜を形成する。この金属薄
膜は、ミラー２４ａ、電気配線２５、ボンディングパッ
ド２６、基板電極２７、上部電極２８となる（図６
（ａ））。そして、表面全面にスパッタ、ＣＶＤ等によ
りＳｉＯ2 等の絶縁膜３３を形成する（図６（ｂ））。

【００３４】その後、裏面側の絶縁膜３２の所定位置を
除去し、シリコンの異方性エッチングを行って薄肉部２
１を形成する（図６（ｃ））。この場合、前記図５
（ｃ）の工程で形成したｐ型低抵抗層３１の不純物には
ボロンを、その濃度を５×１０Ｅ１９ｃｍ^-3 以上と
し、シリコンのエッチャントにＥＰＷ（エチレンジアミ
ン−ピロカテコール−水）を用いることで、このｐ型低
抵抗層３１は殆どエッチングされなくなる。これによ
り、薄肉部２１が制御性良く形成される。

【００３５】そして、シリコン基板２の裏面側の絶縁膜
３２を除去した後、パイレックスガラスからなるベース
４を陽極接合法にて接合する（図６（ｄ））。最後に、
薄肉部２１並びにその上に成膜した絶縁膜３３の所定位
置を貫通させる（図６（ｅ））。以上一連の工程によ
り、前記図３，図４に示す２次元光走査装置２０が完成
する。

【００３６】以上詳述した本実施の形態によれば、以下
に示す効果が得られる。 （ａ）本実施の形態では、シリコン基板２に２次元光走
査装置２０、受光素子６、回路部７及び半導体レーザ８
を設け、シリコン基板２に対向して設けられるガラスカ
バー３には、その一部に半導体レーザ８からの出射光を
ミラー部２４に反射するためのフレネル凹面鏡９を形成
すると共に、読み取り対象物からの反射光を受光素子６
に集光するための可変焦点レンズ１０を実装した。

【００３７】上記構成によれば、同一のシリコン基板２
において各構成部品が集約化される。その結果、先行技
術に比べて更なる小型化が図られ、ひいては低コスト化
を実現することができる。また、上記構成によれば、１
チップ型の走査光学系が提供できることとなる。なおこ
の場合、ガラスカバー３により２次元光走査装置２０を
気密状態で覆うことで、小型化した場合にも２次元光走
査装置２０の振動動作が保証され、外的要因による動作
特性の変動が防止できる。また、２次元光走査装置２
０、受光素子６及び回路部７を、同一のシリコン基板２
を用いて半導体プロセスにより形成することで、各部材
の位置精度が向上する。

【００３８】（ｂ）シリコン基板２の裏面にベース（パ
イレックスガラス）４を接合した。これにより、組み付
け時のハンドリングが向上すると共に、外部からの熱応
力が緩和される。

【００３９】（ｃ）２次元光走査装置２０は、シリコン
基板２の一部に薄肉部２１を形成すると共に、その一部
を貫通させることにより振動部（トーションビーム部２
２，フレーム部２３）を形成し、且つ薄肉部２１の支持
部に加振手段（圧電体膜２９）を設けるものとした。か
かる場合、シリコン基板２に薄肉部２１を形成してそれ
を振動させることにより、２次元光走査装置２０におけ
る動作特性のばらつきが抑制できるようになる。

【００４０】（ｄ）レンズ部材として可変焦点レンズ１
０を用いた。この場合、上述の作用効果に加え、焦点深
度が深くなり光学的情報の読み取り可能な範囲が拡大す
るという効果が得られる。

【００４１】なお、本発明の実施の形態は、上記以外に
次の形態にて実現できる。上記実施の形態では、シリコ
ン基板２に２次元光走査装置２０、受光素子６、回路部
７及び半導体レーザ８を設けたが、これを変更する。例
えば回路部７のみを別体で構成する。かかる場合にも、
先行技術と比較して装置の小型化が実現できることに変
わりない。

【００４２】回路部７をガラスカバー３による気密空間
外に設ける。要は、ガラスカバー３により少なくとも２
次元光走査装置２０を気密状態で覆い、同光走査装置２
０の振動動作を保証する構成であればよい。

【００４３】図７に示すように、ガラスカバー３を平板
状に形成し、当該ガラスカバー３とシリコン基板２との
間に四角枠状のスペーサ３５を配設する。スペーサ３５
は例えばシリコンからなり、ガラスカバー３とは陽極接
合法により接合される。また、スペーサ３５とシリコン
基板２とは、基板表面の絶縁膜（ＳｉＯ2 ）に形成され
た金薄膜により共晶接合される。この場合、ガラスカバ
ー３の加工が容易に実施できることとなる。

【００４４】上記実施の形態では、レンズ部材として可
変焦点式レンズを用いたが、焦点固定式レンズを用いる
など、他のレンズに変更してもよい。かかる場合にも、
小型化・低コスト化といった主たる目的を果たした光学
的情報読取装置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明の実施の形態における可変焦点式光走査型
の光学的情報読取装置の全体構成図。

【図２】光学的情報読取装置の断面図。

【図３】２次元光走査装置の一部破断斜視図。

【図４】２次元光走査装置の要部を示す断面図。

【図５】２次元光走査装置の製造工程を示す断面図。

【図６】２次元光走査装置の製造工程を示す断面図。

【図７】他の形態における光学的情報読取装置の断面
図。

【図８】従来技術におけるレーザ走査方式の読取装置を
示す構成図。

【符号の説明】

１…光学的情報読取装置、２…シリコン基板（半導体基
板）、３…ガラスカバー、６…受光部を構成する受光素
子、７…回路部、８…光源部を構成する半導体レーザ、
９…フレネル凹面鏡、１０…レンズ部材を構成する可変
焦点レンズ、２０…２次元光走査装置、２１…薄肉部、
２２…振動部を構成するトーションビーム部、２３…振
動部を構成するフレーム部、２４…ミラー部、２９…加
振手段を構成する圧電体膜。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光を反射するミラー部と、このミラー部を
   異なる軸方向に捩じれ振動させるための振動部とを備え
   る光走査装置を用い、光源部より出射された光を前記ミ
   ラー部にて反射させて読み取り対象物上で走査させると
   共に、該読み取り対象物からの反射光を受光して電気信
   号に変換する光学的情報読取装置であって、 半導体基板に前記光走査装置、光源部及び受光部を設
   け、前記半導体基板に対向して設けられるガラスカバー
   部材には、その一部に前記光源部からの出射光を前記ミ
   ラー部に反射するためのフレネル凹面鏡を形成すると共
   に、読み取り対象物からの反射光を前記受光部に集光す
   るためのレンズ部材を実装したことを特徴とする光学的
   情報読取装置。
2. 【請求項２】前記半導体基板には、前記受光部で変換し
   た電気信号を処理し、且つ前記光走査装置、光源部及び
   受光部の駆動を操作するための回路部が形成される請求
   項１に記載の光学的情報読取装置。
3. 【請求項３】前記半導体基板の裏面にはベース部材が接
   合される請求項１又は請求項２に記載の光学的情報読取
   装置。
4. 【請求項４】前記光走査装置は、半導体基板の一部に薄
   肉部を形成すると共に、その一部を貫通させることによ
   り振動部を形成し、且つ薄肉部の支持部に加振手段を設
   けたものである請求項１〜請求項３のいずれかに記載の
   光学的情報読取装置。
5. 【請求項５】前記レンズ部材は、曲率変化により焦点距
   離が変化するレンズ面を有し、読み取り対象物からの反
   射光が前記レンズ面を通過する際に当該反射光の集光位
   置を変化させる可変焦点式レンズからなる請求項１〜請
   求項４のいずれかに記載の光学的情報読取装置。