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バーコードリーダの技術と正しい使い方


レーザ式定置型バーコードリーダ

一般的なレーザ式定置型バーコードリーダの読み取り原理と構造から見た正しい使い方を解説します。

読み取り原理

レーザ式定置型バーコードリーダは、下図のように「レーザダイオード」「ポリゴンミラー」「モーター」「受光素子」から構成されます。以下のような原理でバーコードを読み取ります。

読み取り原理

①レーザダイオードより発光したレーザ光を回転しているポリゴンミラーに当て、バーコード上をスキャンさせます。
②その乱反射光を受光素子(フォトダイオード)で受光します。
③受光した乱反射光は、図のようなアナログ波形になっています。
④このアナログ波形をデジタル波形に変換します。(A/D変換)
⑤このデジタル波形から、細・太バー、細・太スペースを判別します。
⑥バー、スペースの組み合わせから、バーコードの規則にしたがい、コード化(デコード)します。
 その結果、得られた読み取りデータをRS-232Cなどから通信出力します。

ポイント

レーザ式バーコードリーダのモーター

ポリゴンミラーを回転させるモーターは、移動体ワークでの高速読み取りを実現するため、バーコードリーダに電源を投入すると常に回転しています。そのためどのようなタイミングで読み取り開始の信号が入力されても、安定したバーコード読み取りを実現しています。

注意点
モーターは常に回転しているため、運用期間が長期化すると、モーター劣化により正しく動作できなくなります。
モーターは高速回転しているため、外部からの衝撃を受けると、軸受け部が損傷し、安定したレーザ光の照射ができなくなります。

レーザ式バーコードリーダの特性と正しい使い方

取り付け角度の設定

レーザ式バーコードリーダは、レーザ光をバーコードラベルに対して斜め方向から照射し、その乱反射光を受光することでバーコードを読み取っています。
当社製レーザ式バーコードリーダBL-1300シリーズでは、図Aのように15゜程度傾けて設置する必要があります。

取り付け角度の設定

図Bのようにレーザ光とバーコードラベルが直角になるように設置(正反射取り付け)すると、バーコードラベル面から極部的に非常に強い反射光(正反射光または直接反射光)が返ってくることになります。

「角度をつけて取り付けた」場合は、下図のように全ての反射光が乱反射であるため正常にアナログ波形からデジタル波形への変換ができていますが、「正反射取り付け」の場合は、正反射光を受光してしまうため下図のようにアナログ波形の一部分が乱反射に比べ非常に高いレベルになってしまい、正常にデジタル波形への変換ができなくなります。このため、正反射取り付けをした場合は、読み取りができないのです。

取り付け角度の設定

ポイント

定置型バーコードリーダの取り付けをする場合は、レーザ光とバーコードラベルが直角になる角度(正反射取り付け)にならないように、設置してください。通常は、10°~15°程度傾けて設置してください。

当社製レーザ式バーコードリーダBL-700シリーズ、およびBL-1350HAシリーズについては、下図のように本体から傾いてレーザ光が照射されています。したがって、本体を傾けて設置する必要はありません。

取り付け角度の設定

注意が必要なバーコードラベルと周囲の環境

金属面や銀色の下地に印字されたバーコード

金属面や銀色の下地に印字されたバーコード

金属面や銀色の下地に印字されたバーコード、または、ラミネート加工されたバーコードなどは、表面に光沢があるため、レーザ光が鏡面反射を起こしてしまい、読み取りにくくなります。
このようなラベルをお使いの場合は、バーコードリーダの取り付け角度などに十分注意して設置する必要があります。
安定した読み取りをおこなうために、できるだけこのようなバーコードは避けてください。

金属部分にレーザ光が当たっている場合

金属部分にレーザ光が当たっている場合

図のように、金属面が露出していてレーザ光がその金属面に当たっているような環境では、レーザ光が金属面で鏡面反射を起こし、それがバーコードリーダの受光部に入ると、正反射と同じ状態になってしまい、読み取りが不安定になることがあります。
レーザ光が当たっている金属面を何かで覆うか、つや消しの黒色の塗料などを塗布していただくことをおすすめします。
金属のネジ、ナットまたはネジ穴などにも注意してください。

取り付けの距離(読み取り距離)の設定

読み取り距離は、バーコードのナローバー幅(バーコードの一番細いバーの幅)の太さにより、その範囲は異なります。
下図は当社製レーザ式バーコードリーダBL-700の読み取り範囲特性を示しています。

単位:mm

  バーコード種類 ナローバー幅 読み取り距離 最大読み取りラベル幅
A CODE39 0.15 205~275 210
B CODE39 0.19 190~300 254
C CODE39 0.25 175~325 275
D CODE39 0.5 160~370 310
E JAN1倍 0.33 185~320 270

取り付けの距離(読み取り距離)の設定

これを見ると、バーコードのナローバー幅の太さにより、読み取り距離が変っていることが確認できます。
例えば、ナローバー幅が0.15mmの時(A)、読み取り距離は205~275mm。ナローバー幅が0.5mmの時(D)、読み取り距離は160~370mmとなっています。
このようになる理由は、バーコード上に照射されるレーザビームの大きさ、いわゆるレーザのスポット径に深く関わっています。下図はバーコードリーダからの距離とレーザのスポット径の大きさの推移を表わしています。

取り付けの距離(読み取り距離)の設定

レーザ式バーコードリーダは、細いナローバー幅のバーコードを読むため、ある距離においてレーザのスポット径が最も小さくなるように調整されています(レンズを使用しています)。このスポット径が最も小さくなる距離 を焦点距離といいます(BL-700では230mm、BL-1300では120mm)。スポット径が小さいとナローバー幅が細いバーコードを読み取ることができ、焦点距離から遠くなれば、スポット径が大きくなってしまうため、ナローバー幅が細いバーコードは読み取れなくなります。
このように、読み取り距離は、レーザのスポット径でほぼ決定されるといっても良いのです。

ポイント
取り付け距離については、以下のことに注意して設定してください。
ナローバー幅の細いバーコードは焦点距離で使用してください。
ナローバー幅の太いバーコードは、焦点距離から離れた位置でも使用できます。
読み取り距離の範囲を広く取りたい場合は、ナローバー幅をできるだけ太くしてください。
焦点距離に設置すれば、ナローバー幅の太さに関係なく読み取り可能です。

注意が必要なバーコードラベルと周囲の環境

焦点距離に設置すれば、ナローバー幅の太さに関係なく読み取りできますので、通常は焦点距離での取り付けを推奨しています。
しかし、以下のように細かなシミやカケが多いバーコードは焦点距離では逆に読み取りづらく、焦点距離から離すと読み取りやすくなることがあります。

細かなシミやカケが多いバーコード

レーザのスポット径が小さいと細かなシミ、カケでも影響されます。

レーザのスポット径が大きければ細かなシミ、カケの影響を受けにくくなります。

理由としては、焦点距離ではレーザのスポット径が小さくなり、細かなキズや汚れでも大きな影響を受けますが、焦点距離から離れると、レーザのスポット径が大きくなり、その影響を受けにくくなるためです。

バーとスペースのコントラスト(PCS)

バーコードリーダは、照射したレーザ光の乱反射の強弱でバーコードを読み取っています。強弱の差が大きければ、読み取りやすいバーコードです。逆に、強弱の差があまりないと読み取りにくくなります。この乱反射の強弱を表す目安が、PCS(Print Contrast Signal)で、以下のような計算式により求めます。

PCS= (スペースの反射率)-(バーの反射率)
(スペースの反射率)

スペースが真っ白で反射率が100%に限りなく近く、バーが真っ黒で反射率が0%に限りなく近い場合、PCSは1になります。このようにPCSが1に近ければ近いほど読み取りやすいバーコードといえるのです。
より読み取りやすいバーコードを作りたい場合は、PCSができるだけ高い値になるよう、以下のことに注意する必要があります。

ポイント
PCSを高い値にするには…
バーは濃く印字すること。
バーを印字している色が薄い色であったり、プリンタの問題で印字が薄くなると、PCSは悪くなります。
下地(スペース部)はできるだけ白い色にすること。
段ボールのような反射率が低い下地の上にバーコードを作成する場合は、できるだけ反射率が低い色(黒、濃紺、濃緑)にしないと、PCSは悪くなります。

バーの色による読み取りの違い

レーザ式バーコードリーダには、可視光半導体レーザが使われています。
下図は各光源の波長に対する対象物の色による反射率を表わしたものです。たとえば、波長650nmの可視光半導体レーザでは紫、青、緑などは反射率が低く、黄、橙、赤などは反射率が高くなっています。

バーの色による読み取りの違い

このように、赤、黄、橙などは反射率が高いので白(スペース)として、青、緑、紫は反射率が低いので黒(バー)として認識します。つまり、

白地に青色のバー 読み取れます。
赤地に黒色のバー
黄色地に紫色のバー
白地に赤色のバー 読み取れません。
青地に黒バー
  • ※赤紫や薄い紫色は反射率が高くなりますので、読み取りにくくなります。
ポイント

バーコードを作成する際は、上記のように配色には十分注意する必要があります。
安定した読み取りをおこなうためには、白地に黒のバーコードをご使用いただくことをおすすめします。
ただし、バーが濃紺、濃青、濃緑であれば、問題ありません。

当社製レーザ式バーコードリーダの特徴

当社製バーコードリーダBL-1300シリーズやBL-700シリーズでは、より広範囲な読み取り範囲や、角度特性を実現するため、以下のような機能を搭載しています。

AGC(Auto Gain Control):BL-700シリーズ、BL-1300シリーズ、BL-600シリーズ

AGCは以下のような動作をします。

「読み取り距離が遠い」「取り付け角度が大きい」または「バーコードラベルのPCSが低い」場合は、以下のようにバーコードリーダが受光する乱反射光の振幅は小さくなります。
AGCは、このように受光波形が小さい場合には、読み取りに最適なレベルまで振幅を増幅させるような制御をおこないます。
これにより、条件が悪い場合でも安定した読み取りを実現しました。

AGC

また、逆に「読み取り距離が近い」「取り付け角度が小さい」「バーコードラベルのPCSが高い」場合は、以下のようにバーコードリーダが受光する乱反射光の振幅が大きくなります。
この場合は、読み取りに最適なレベルまで振幅を小さくするような制御をおこなうことで、読み取りの安定性を向上させています。

AGC

このようにAGCは、バーコードリーダの受光波形を読み取りに最適なレベルになるように自動的に制御しますので、どのような条件(距離、角度、PCS)であっても、安定した読み取りを実現しました。

微分処理→ノイズ除去→エッジ検出→比率補正(SPAT!):BL-1300シリーズ

①微分処理

BL-1300シリーズでは、受光波形を10bit階調で取得し、微分処理をおこないます。

微分処理

②ノイズ除去→エッジ検出

印字のかすれや、バーコード面の模様など、バーコードの読み取りに関係のないノイズ成分を除去します。
ノイズ成分を除去したデータから、「バー」と「スペース」の切り替わりポイント(エッジ)を検出します。

ノイズ除去→エッジ検出

③比率補正(SPAT!)

抽出されたエッジからバーとスペースを判別します。
印字のにじみや、取り付け角度によって発生する、バー、スペース幅の比率をSPAT!で補正します。

比率補正(SPAT!)


CCD定置型バーコードリーダ

光源にレーザではなく、LEDを使用し、受光素子として「CCDイメージセンサー」を使用しているものをCCDバーコードリーダと呼びます。
このCCDバーコードリーダの一般的な読み取り原理と特性について解説します。

読み取り原理

CCD定置型バーコードリーダは、「光源用LED」「レンズ」「CCDイメージセンサー」から構成されます。以下のような原理でバーコードの読み取りを行います。

読み取り原理

①光源用LEDよりバーコード上に光を照射します。その時、光源用LEDをパルス発光させます。

  • ※このパルス発光が速いと、カメラのフラッシュと同じで、高速で移動しているものが止まって見えるため、移動体の読み取りに有利になります。

②その乱反射光をCCDイメージセンサーで画像として受光します。

  • ※光源用LEDは広い範囲で照射されますが、画像として受光しているのは、受光軸(受光ライン)上だけです。
    この受光軸上にバーコードがないと読み取れません。

③CCDイメージセンサー上のバーコードの画像データを端から端にスキャンし、アナログ波形を取得します。

  • ※それがCCDバーコードリーダの場合のスキャン数になります。このスキャン数が速ければ安定した読み取りが行えます。

④アナログ波形をデジタル波形に変換します(A/D変換)。

⑤これをバーコードの規則に従いコード化(デコード)し、RS-232Cなどより外部に読み取りデータとして通信出力します。

取り付けの注意点

レーザ式バーコードリーダの場合は、レーザスキャン上にバーコードが存在しないと当然読み取ることができません。

CCDバーコードリーダの場合も、下図のように「受光軸」といわれる乱反射光を受光することができる直線軸が存在します。LED照射範囲内であってもこの受光軸上にバーコードが存在しないと読み取ることができないのです。

LED照射範囲と受光軸

  • ※受光軸は目で確認することはできません。
    実際に読ませるか図面上で位置合わせを行う必要があります。

LED照射範囲と受光軸

また、レーザ式バーコードリーダと同じように、受光軸がバーコードラベルに対して直角になるように設置すると、正反射の影響で読み取ることができません。必ず下図のように傾けて設置する必要があります。

当社製CCDバーコードリーダBL-180は10°以上傾けて設置してください

ポイント
CCD定置型バーコードリーダを取り付ける場合は、以下の注意が必要です。
受光軸上にバーコードが存在するように設置してください。
受光軸がバーコードに対して10°~15°程度の角度がつくように設置してください。

CCDバーコードリーダの特性

前述のように、CCDバーコードリーダもレーザ式バーコードリーダと同じように正反射領域を避けるため、本体を傾けて設置する必要があります。また、金属面の影響、バーコードの色による読み取りの違いなどはレーザ式と全く同じです。
ただし、レーザ式との違いは、

・読み取り距離が限定される
・移動体読み取りに適さない(一般的に)
・読み取れるラベル幅が小さい
・ラスタースキャンができない

という4点があげられます。この点について以下に説明します。

読み取り距離が限定される理由

CCDバーコードリーダは、カメラと同じように、読み取りたいバーコードの画像をレンズを使い、CCDイメージセンサ上に結像させているため、焦点(ピント)が合っていないと読み取ることができません。
この焦点が合っている距離を「フォーカルプレーン」と呼びます。

読み取り距離が限定される理由

もし、バーコードの距離がフォーカルプレーンからはずれてしまうと、ピンぼけの状態になり、読み取ることができなくなります。

読み取り距離が限定される理由

このようにピントが合っている距離に設置しなければならないため、読み取り距離が限定されてしまうのです。

移動体読み取りに適さない理由

CCDバーコードリーダは、パルス発光させたLED光をバーコード上に照射して、その反射光を受光することでバーコードを読み取っています。

移動体読み取りに適さない理由

このLEDの点灯時間が1ms(1/1000秒)であったとします。1msの間にバーコードのナローバー幅分、例えば0.25mm移動してしまうと、下図のように画像が重なりあってしまい、読み取れなくなります。

移動体読み取りに適さない理由

つまり、0.25mm/1ms=0.25m/sで、1秒間に25cmも移動してしまうと全く読み取りができないということになります。このように、LED光を高速パルス発光させてはいますが、移動体の読み取りには適さないのです。
同じ理由でバーコードが細かく震動していても読み取りできないことがあります。

一般的なCCDバーコードリーダは、速いものでもパルス発光時間は約1msで、全くパルス発光していないものも存在します。CCDバーコードリーダの高速読み取り性能は、LED光のパルス発光時間で決まるといえます。

ポイント
  • ・当社製CCDバーコードリーダBL-180/185は、LEDの点灯時間が200μs(2/10000秒)と非常に短いため、高速読み取りが可能です(ナローバー幅0.25mm、7桁のCODE39の場合、80m/分まで対応できます)。
  • ・レーザ式バーコードリーダについては、BL-1300(500スキャン)を例にすると、ナローバー幅0.25mmのバーを1本スキャンする時間は約2.5μsと非常に高速ですので、多少バーコードが移動したとしても、問題なく読み取れるのです。

読み取りできるラベル幅が小さい理由

読み取りできるラベル幅が小さい理由

LEDの照射範囲は、レーザ式バーコードリーダのように広範囲なエリアを照射できないため、最大ラベル幅はバーコードリーダ自身の大きさに左右されます。

ラスタースキャンできない理由

ラスタースキャンできない理由

レーザ式バーコードリーダではレーザ光を上下に振らせるとラスタースキャンになりますが、CCDバーコードリーダでは受光軸を上下するような構造にしないとラスタースキャンにはなりません。このためには、レンズ、CCDなどの部品が上下動するような機構を設ける必要があります。しかし、これでは非常に大型で高価なもの になってしまいCCDバーコードリーダのメリット(安価、小型)が無くなってしまいます。
このため、シミ、カケなどの多いバーコードを停止した状態で読み取る場合は、信頼性が若干落ちます。

ただし、CCDバーコードリーダの受光軸の太さは1mm弱であり、レーザ式バーコードリーダのスポット径(0.2mm)の約5倍程度あるため、シミやカケがあってもそれを平均化して読み取ることができます。
つまり、レーザ式バーコードリーダのシングルスキャンタイプに比べると、CCDバーコードリーダの方がシミやカケに強くなります。

CCDの場合
CCDの場合、多少のシミ、カケはキャンセルできます。

レーザの場合
レーザの場合、多少のシミ、カケでも読み取りに影響を受けます。

レーザ式とCCD式のメリット、デメリット

レーザ式とCCD式のメリット、デメリットを以下にまとめています。
用途により、使い分けてください。

  メリット デメリット
レーザ式
  • 長距離読み取り可能
  • 読み取り範囲が広い
  • 移動体読み取り可能
  • ラスタースキャン可能
  • 一般的にCCD式より高価
  • モーターなどの駆動部品があるため、振動・衝撃に注意が必要
CCD式
  • 小型
  • 安価
  • 駆動部品がない
  • 読み取り距離が限定される
  • 移動体読み取りに適さない
  • 読み取りラベル幅が小さい
  • ラスタースキャンができない

レーザ式ハンディバーコードリーダの読み取り原理

レーザ式ハンディバーコードリーダは、「レーザダイオード」「ガルバノミラー」「受光素子」から構成されます。

レーザ式ハンディバーコードリーダの読み取り原理

ガルバノミラー

①レーザダイオードより発光したレーザ光を左右に
 往復運動をしているガルバノミラーに照射します。
 下図のように レーザ光は左右にスキャンを行ないます。

②そのスキャン光をバーコードに当て、その乱反射光を受光素子(フォトダイオード)で受光します。

③受光した乱反射光は、アナログ波形になっていますので、それをデジタル信号に変換します(A/D変換)。
 それをバーコードの規格に従いコード化(デコード)すれば、バーコードの読み取りが完了します。

レーザ式ハンディバーコードリーダの読み取り原理

ポイント

バーコードラベルの色による読み取りの違いについては、レーザ式定置型バーコードリーダと同じです。
こちらを参照してください。


CCDハンディバーコードリーダの読み取り原理

CCDハンディバーコードリーダは「光源用LED」「ミラー」「レンズ」「CCDイメージセンサ」から構成されます。

CCDハンディバーコードリーダの読み取り原理

①光源用LEDよりバーコード上に光を照射します。

②その乱反射光をレンズを使い、CCDイメージセンサに画像として受光します。

  • ※光源用LEDは広い範囲で照射されますが、画像として受光しているのは受光軸上だけです。

③CCDイメージセンサ上のバーコード画像を、バーコードの規格に従いコード化すれば、バーコードの読み取りが完了します。

ポイント

バーコードラベルの色による読み取りの違いについては、レーザ式定置型バーコードリーダと同じです。
こちらを参照してください。

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