產生用於電－光讀取標記的多掃描線圖案的同步和諧振驅動器的製作方法
2023-05-09 13:36:36 3
專利名稱：產生用於電－光讀取標記的多掃描線圖案的同步和諧振驅動器的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及一種用於讀取諸如條碼符號的標記的裝置和方法，更具體地說，涉及使用同步與諧振驅動器來產生多掃描線光柵圖案以便讀取所述符號。
背景技術：
已經研製出用於讀取諸如出現在標籤或物件表面上的條碼符號的標記的各種電-光系統或讀取器。條碼符號本身是圖案標記的編碼圖案，其中包括一系列彼此隔開的不同寬度的條，以包圍不同寬度的空白，條和空白具有不同的光反射特性。讀取器功能將圖案標記的圖案電-光轉換為時變電信號，該電信號被數位化並解碼為與讀取的符號有關的數據。
典型地，來自雷射器的雷射束沿光路被引導到在其表面上具有條碼符號的目標。藉助於掃描部件(諸如雷射器本身或設置在雷射束路徑中的掃描鏡)的運動，通過用一條掃描線或一系列掃描線在所述符號上重複掃過所述雷射束來操作移動光束掃描器。光學系統使雷射束聚焦在目標表面上的光束點上，並且掃描部件的運動使光束點在所述符號上掃過，以便形成跨越所述符號的掃描線。典型地由電驅動電動機來實現掃描部件的運動。
所述讀取器還包括傳感器或光檢測器，檢測沿掃描線從符號反射或散射的光。所述光檢測器或傳感器被定位，使得它具有能保證捕獲反射或散射的光並將其轉換為模擬電信號的視場。
在向後反射光的收集中，單個光學部件(例如反振蕩鏡，諸如在美國專利第4,816,661中或美國專利第4,409,470號中描述的)在目標表面上掃過光束，並將收集的光引導到傳感器，上述專利在此通過引用而併入。在非向後反射光的收集中，不由用於掃描的同一光學部件來收集反射的雷射。而是所述傳感器獨立於掃描光束，並具有大的視場，使得反射的雷射在傳感器上劃線。
電子控制電路和軟體把來自傳感器的模擬電信號解碼為被掃描的符號所代表的數據的數字表示。例如，可以由數位化器將光檢測器所產生的模擬電信號轉換為脈衝寬度調製的數位化信號，該數位化信號的寬度對應於條和空白的物理寬度。可替代地，可以直接地由軟體解碼器來處理所述模擬電信號。參見，例如美國專利第5,504,318。
解碼過程通常是這樣進行工作的通過向運行企圖對所述信號進行解碼的軟體算法的微處理器提供數位化信號。如果符號被成功和完整地解碼，則解碼過程結束，並向用戶提供成功讀取的指示(諸如綠光和/或可聽的嘟嘟聲)。否則，所述微處理器接收下一次掃描，並且進行另一次解碼，得到編碼在所述符號中的數據的二進位表示，從而得到這樣表示的字母數字字符。一旦獲得了成功讀取，所述二進位數據將被送往主計算機作進一步的處理，例如，從查找表中檢索信息。
條碼符號由具有多種可能寬度的典型矩形條或元素構成。各元素的特定排列根據一組由使用的代碼或「符號表示法」指定的規則和定義來定義所代表的字符。條和空白的相對大小由用作條和空白的實際大小的編碼類型來決定。每單位長度(由條碼符號表示的)字符數被稱為符號密度。為了對期望的字符序列進行編碼，元素排列的集合被連結在一起以形成完整的條碼符號，消息中的每個字符由它本身的相應元素組來表示。在某些符號表示法中，使用唯一的「開始」和「停止」字符來表示所述條碼何時開始和結束。包括UPC/EAN、Code 39、Code128、Codeabar和5中取2交錯等在內的多種不同的條碼符號表示法已得到廣泛應用。
為了增加可以在給定量目標表面面積中表示或存儲的數據量，已經研製出幾種更緊湊的條碼符號表示法。這些代碼標準中的一種，Code 49，通過降低1維符號的垂直高度，隨後將這種1維符號的不同行堆疊在一起，使得信息在垂直和水平兩個方向被編碼從而形成「2維」符號。這就是說，在Code 49中，取代在「1維」符號中只有1行的情形，存在幾行條和空白圖案。在美國專利4,794,239中描述了Code49的結構。在美國專利5,304,786中，描述了另一種被稱為「PDF 417」的2維符號表示法。
已經研製出其它的符號表示法，其中，符號不是由堆疊的行來構成，而是由六邊形、方形、多邊形和/或其它幾何形狀、線或點所組成的矩陣構成。例如在美國專利5,276,315和美國專利4,794,239中就描述了這樣的符號。這樣的矩陣代碼符號表示法可以包括Vericode、Datacode和MAXICODE。
還知道通過連續反射來自兩個分別由獨立驅動電動機驅動的掃描鏡的雷射束來掃描2維符號。所述光束沿符號的一個方向，即水平(X)方向，被一個掃描鏡偏轉，並且沿垂直於一個方向的另一個方向，即垂直(Y)方向，被另一個掃描鏡偏轉，從而在所述符號的整個寬度和整個高度上生成多掃描線圖案，也被稱為光柵圖案。
即使光柵圖案對電動機提出了不同的要求，但是現有技術的驅動電動機都是相同的。由於需要獨立的驅動微處理器、一對數模轉換器、一對大電流驅動放大器以及一對光學反饋電路，以便生成穩定的和在不同讀取器之間可重複的光柵圖案，所以這些相同的電動機的驅動電路是昂貴的和複雜的。所述驅動電路被要求在寬廣的頻率和振幅範圍內驅動相同的電動機。同時使它們足夠有效以響應不同的驅動頻率，而不使用過大的電流，以便使功耗最小化。
發明內容
因此，本發明的總目的是避免現有技術的上述缺點。
本發明的總目的是提供一種改進的驅動電路，以便產生用於讀取標記的穩定和可重複的光柵圖案。
本發明的另一個目的是降低這樣的驅動電路的複雜性、成本和功耗。
本發明的又一個目的是優化不同電動機驅動器的不同操作。
伴隨著上述目標以及將在下文中變得明顯的其它方面，本發明的一個特徵在於，簡而言之，一種裝置和方法，通過從光源發射光束，並從第一掃描鏡和第二掃描鏡連續反射光束分別沿著第一和第二方向跨越待讀取的符號，來電-光讀取標記(諸如2維條碼符號)。分別由第一和第二驅動器來振蕩第一和第二掃描鏡，與現有技術相比，第一和第二驅動器不是相同操作的。
根據本發明，第一驅動器工作於自諧振模式，用於在諧振頻率振蕩第一掃描鏡，以及第二驅動器工作於被驅動模式，用於在被驅動頻率振蕩第二掃描鏡。控制器操作連接到所述驅動器，用於通過被驅動頻率與諧振頻率之間的給定頻率關係，與第一驅動器同步地驅動第二驅動器，以便產生跨越所述目標的多掃描線的掃描圖案。
在其諧振頻率上驅動第一驅動器大大地降低了它的功耗。與第一驅動器同步地驅動第二驅動器保證了掃描圖案將是穩定的並在不同讀取器之間是可重複的。
在所附的權利要求書中特別地陳述了被認為是本發明的特性的各項新穎的特徵。通過結合附圖來閱讀，從特定實施例的下列說明中，讀者將能最好地理解本發明本身、其結構和其操作方法，連同其附帶的目標和優點。
圖1是用於本發明的具有手持式外殼的觸發條碼讀取器的拆開的透視圖；圖2是為了簡明起見去除外殼和其它部件的圖1的讀取器的部件的拆開的透視圖；圖3是圖2的拆開的放大背面透視圖；圖4是為了簡明起見拆除了一些部件的圖3的拆開的放大的透視圖；圖5、6和7是用於圖1的讀取器連續的生產工序中的掃描電動機的透視圖；圖8是用於驅動圖1的讀取器的掃描電動機的驅動電路的示意圖。
具體實施例方式
如同在本說明書和所附權利要求書中所使用的那樣，術語「標記」不僅廣義地包含由通常被稱為條碼符號的、具有不同寬度的交替條和空白組成的符號圖案，而且還包括其它1維或2維的圖案和字母數字字符。一般來說，術語「標記」可以應用於可以通過掃描光束並檢測反射或散射光作為所述圖案或信息的不同點上光反射率的改變的表示來識別或辯識的圖案類型或信息類型。條碼符號是本發明可以掃描的「標記」的一個實例。
如圖1所示，作為一個優選的實施例，描述了本發明在手持讀取器10中的實現。讀取器10包括具有手柄14的外殼12，在手柄14上安裝了觸發開關16。所述外殼在手柄之上有一個蓋，但是為了簡明起見，圖1所表示的是打開了蓋的情形。
窗口模塊18位於外殼的前端附近。光學模塊20位於窗口模塊18之後。印刷電路板(PCB，printed circuit board)22(其正面更清楚地示於圖2，其背面更清楚地示於圖3-4)位於學模塊20之後外殼的後端。所述印刷電路板以相對於水平面成鈍角的方式滑入手柄14中，以便適應於手柄的向後傾斜角度。
如圖2所示，傳感器24安裝在印刷電路板的正面。從被讀取的符號返回的光穿過窗口模塊18，並通過光學模塊20下部的集光透鏡和濾光器26到達傳感器24以便檢測。如同將在下面說明的那樣，來自光源的光穿過印刷電路板上的開口28，穿過光學模塊20上部的另一個開口30，並且通過窗口模塊18到達所述符號，以便從那裡反射。
圖3-4是相似的，除了在圖3中所示的各種支撐結構已經被拆除以便更好地看到被其支撐的各部件。因此，如同在圖4中看得最清楚的那樣，諸如半導體雷射器32的光源被安裝在印刷電路板22的背面，並且可操作用於水平地發射雷射束34，通過聚焦透鏡組33到達第一掃描鏡36，以便向上反射到第二掃描鏡，從而向前反射穿過開口28。正如將在下面充分地說明的那樣，第一掃描鏡36被安裝，以便由工作於自諧振模式的第一電動機驅動器40往復振蕩，同時第二掃描鏡也被安裝，以便由工作於與第一電動機驅動器40同步的被驅動模式的第二電動機驅動器42往復振蕩。
圖4還描繪了用於第一驅動器40的第一電磁線圈44以及用於第二驅動器42的第二電磁線圈46。線圈44、46被安裝在印刷電路板的背面，並且各自具有一個驅動繞組(如同在圖8中所看到的94、98)，它響應於周期性驅動信號的激勵，可操作用於產生電磁場。線圈44還具有一個反饋繞組96，其工作將在下面加以說明。
圖3表示一個支撐底座48，用於支撐雷射器32、聚焦透鏡組33、第一驅動器40、第二驅動器42和線圈44、46。底座48還提供防振(功能)，並且被固定到印刷電路板的背面。
如同在後續視5-7中所示，驅動器40、42中的一個或兩個可以按照下列方法來製造定子50具有一對分開並且相對於對稱軸對稱放置的定子部件52、54。各定子部件具有通孔56、58。所述定子包括支架60，其具有一對具有加伸軸66、68的臂62、64。轉子70具有一對分開並且相對於對稱軸對稱放置的轉子部件72、74。各轉子部件具有通孔76、78。所述轉子還具有在其一端相連並沿所述對稱軸延伸的細長中央支撐部件80。該支撐部件80在一個側面具有傾斜安裝部件82，以及位於其相反一端的切除部分84，以便減少支撐部件80的質量。
轉子和定子用合成塑料的分開模塑的彈性部件。這些部件被放置在液態矽注塑模具中，並且一對通常平面的細長矽板簧86、88被蓋模到定子和轉子部件上。特別是，彈簧86被模鑄到定子部件52和轉子部件72上並且進入孔56、76以便實現牢固錨定。彈簧88被模鑄到定子部件54和轉子部件74上並且進入孔58、78以便實現牢固錨定。這些彈簧在其覆蓋孔上的兩端顯得較粗，而在兩端之間顯得較細，使得它們能夠在垂直於對稱軸的軸周圍彎曲。
如圖7所示，第一掃描鏡36或第二掃描鏡被粘合在安裝部件82，它與定子部件、轉子部件和各彈簧所處的公共平面成45°角。永磁體90同樣被粘合在支撐部件80的對側。
回到圖4，第一驅動器40的掃描鏡36面朝上，同時它的永磁體面向第一線圈44。同樣，第二驅動器42的掃描鏡面向前方，同時它的永磁體90面向第二線圈46。驅動器40、42相互成直角安裝，從而使得驅動器40、42在相互正交的方向上掃描光束。
第一和第二驅動器分別不同地進行工作，以便最好地適應光柵圖案的要求。第一驅動器40被要求在大的掃描角(例如45°)並且高的速度(例如50-60Hz)使它的掃描鏡振蕩，使光束沿著X方向在長度上跨越符號。第二驅動器42被要求在小的掃描角(例如4°)並且較低速度(例如10Hz)使它的掃描鏡振蕩，使光束沿著Y方向沿符號高度。第二掃描鏡要求大於第一掃描鏡，以便適應移動光束。由於速度較低，第二掃描鏡的較大慣性不成為問題。
根據本發明，第一驅動器40以自諧振方式進行工作。如圖8所示，雙向驅動電路92測量第一驅動器40的自然諧振頻率，並且以等於或接近該頻率的頻率驅動後者的驅動繞組94。接近其自然頻率驅動第一驅動器降低了驅動第一驅動器所需的功率量。在美國專利5,280,163中，描述了一個適當的雙向驅動電路，其全部內容在此通過引用而併入。
除了驅動繞組94以外，線圈44還包括反饋繞組96，它通過第一驅動器40的永磁體的運動來產生反饋信號。驅動電路92使用所述反饋信號來確定轉子的運動方向，它運動有多快以及它何時改變方向。驅動電路92把反饋信號處理成具有方波波形的掃描開始(SOS，start-of-scan)信號，當轉子在一個方向上運動時，該信號為高，當轉子在相反方向上運動時，該信號為低，並且在每次掃描結束轉子改變方向時跳變。由於掃描開始信號產自轉子運動所生成的反饋信號，所以它的頻率與第一驅動器的諧振頻率相同。
由兩個轉子運動的相對速度和振幅來決定由兩個驅動器40、42產生的多線光柵圖案。由兩個轉子的頻率之比來確定光柵圖案的外形，而不是絕對頻率。
如上所述，第一驅動器40工作於自諧振模式。然而，由於掃描鏡36、磁體90和塑料部件的不可避免的質量差異，以及由於例如因環境溫度引起的彈簧86、88剛度的差異，使得一個轉子的諧振頻率將隨著讀取器而不同。因此，由於它們的第一驅動器不能精確地運行於相同的速度，當在不同讀取器中工作時，需要以不同速度來驅動第二驅動器42。
通常有可能令第二驅動器工作於被驅動模式，通過保證第二驅動器的頻率得自第一驅動器的頻率，不管上述各種差異，都能使第二驅動器與第一驅動器具有期望的頻率關係。通過把第二驅動器的頻率鎖定於與掃描開始信號的頻率(如上所述，它精確地代表第一驅動器的實際工作頻率)保持預定的關係，就能做到這一點。
微處理器100，最好是，但不一定是，用於解碼所述數位化信號的同一個處理器，它具有用於接收掃描開始信號並且用於檢測第一驅動器何時改變方向和開始新的掃描的輸入端。所述微處理器最好具有內置的數模轉換器，並且每當掃描開始信號從低變到高或從高變到低時，將其輸出端的電壓改變一個預定量。所述模擬輸出電壓可以被放大，並且通過驅動電路102提供給第二驅動器42的驅動繞組98，從而每當掃描開始信號表示第一驅動器正在開始一次新的掃描時，將第二驅動器的轉子移動一個預定量。
可以產生各種光柵圖案。例如，第二驅動器可以在前3次掃描開始信號跳變中的每一次，將其轉子向上轉動1°，然後，在下3次掃描開始信號跳變中的每一次，將其轉子向下轉動1°，從而令轉子回到其初始位置。在下3次掃描開始信號跳變中，可以令所述轉子每次跳變向下轉動1°，然後在隨後的3次跳變中，每次都以增量的形式向上轉動1°。這樣就生成由7條單獨的掃描線組成的光柵圖案，由於第二驅動器的轉子的運動總是與掃描開始信號和第一驅動器同步，即使第一驅動器改變頻率，上述光柵圖案仍然是穩定和可重複的。
通過改變在每一次跳變時輸出電壓的變化量，能得到其它類型的光柵圖案。例如，如上所述，第二驅動器的轉子可以向上移動1°，但是隨後向下移動到向上移動的掃描線之間的半途。可以隨意改變光柵圖案，或者在預定條件下完全停下來。
第二驅動器相對於第一驅動器的較小運動需要相應較小的電流，從而即使當第二驅動器工作於遠離其諧振頻率時，也能使功耗最小化。
如果微處理器100與負責解碼的微處理器是同一個，則當第一驅動器已經到達其掃描末端並且沒有新的符號數據被掃過時，希望僅在掃描開始信號跳變時移動第二驅動器。所述微處理器在雷射束掃描越過符號以外的其餘時間內可用於解碼。
由於當驅動電壓改變時第二驅動器並不立即運動，所以希望稍微在掃描開始信號跳變之前啟動第二驅動器。所述微處理器可以測量掃描之間的時間，並預測掃描開始信號何時將跳變，並且由此稍微在掃描開始信號跳變之前改變驅動電壓。
第二驅動器以開環方式被驅動，沒有任何反饋來保證它精確地跟蹤驅動電壓。而且，除了因環境溫度變化可能使彈簧86、88的剛性發生改變以外，圖5-7的電動機被證明是可靠和穩定相容。溫度傳感器104被連接到所述微處理器，以校正施加到驅動繞組98上的驅動電壓，從而補償溫度變化。如果所述微處理器沒有內置的模數轉換器，則可以讓傳感器104產生一個隨溫度改變的頻率信號。所述微處理器可以測量所述頻率來獲得溫度信息，並相應地調整驅動電壓。所述微處理器還可以校正施加到第一驅動器的驅動繞組94的驅動電壓，以補償溫度變化。
應當理解，上述元件中的每個，或者其中的兩個或多個一起，在不同於上述類型的其它類型的結構中，也可以找到有用的應用。
儘管以上在已經把本發明圖解和描述為實施於同步和諧振的驅動器，用於產生多掃描線圖案以便電-光讀取標記，不打算將其局限於所示的細節，因為在不以任何方式離開本發明的精神實質的前提下，可以作出各種各樣的修改和結構上的改變。
不用進一步的分析，以上已經充分地揭示本發明的要點，並且，其它人通過應用當前的知識，也可以在不省略從現有技術的立足點看來明確地構成本發明的一般或特殊方面的重要特性的那些特徵的前提下，將本發明適應於各種應用，因此，這樣的適應應當並且被指望為處於下列權利要求書的等價物的意義和範圍內。
在所附的權利要求書中，陳述了被主張為新的和希望受到專利法保護的內容。
權利要求
1.一種用於掃描目標的裝置，包括a)用於發射光束的光源；b)工作於自諧振模式的第一諧振驅動器，用於在諧振頻率振蕩第一掃描鏡，以便反射來自光源的光束沿著第一方向跨越所述目標；c)工作於被驅動模式的第二驅動器，用於在被驅動頻率振蕩第二掃描鏡，以便反射來自第一掃描鏡的光束沿著垂直於第一方向的第二方向；以及d)操作地連接到所述驅動器的控制器，用於通過所述被驅動頻率和諧振頻率之間的給定頻率關係，與第一驅動器同步地驅動第二驅動器，以便產生跨越所述目標的多掃描線的掃描圖案。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述驅動器之一包括具有相對於一個對稱軸對稱設置的一對定子部件的定子；具有相對於所述對稱軸對稱設置的一對轉子部件的轉子；在所述定子部件和轉子部件之間平行延伸的一對彈簧；以及與所述轉子集成並在所述彈簧之間延伸的中央部件。
3.根據權利要求2所述的裝置，其中，所述定子部件、轉子部件和彈簧處於一個公共平面，並且其中，所述掃描鏡之一以相對於所述公共平面的一個傾斜角度在所述公共平面的一側安裝到所述中央部件上。
4.根據權利要求3所述的裝置，其中，所述一個驅動器包括在所述公共平面的相反側安裝到所述中央部件上的永磁體，以及一個電磁線圈，該電磁線圈具有用於產生周期性磁場的繞組，所述周期性磁場與所述永磁體的永久磁場磁性交互。
5.根據權利要求1所述的裝置，其中，每個驅動器包括具有相對於一個對稱軸對稱設置的一對定子部件的定子；具有相對於所述對稱軸對稱設置的一對轉子部件的轉子；在所述定子部件和轉子部件之間平行延伸的一對彈簧；以及與所述轉子集成並在所述彈簧之間延伸的中央部件。
6.根據權利要求1所述的裝置，還包括印刷電路板，在其上共同安裝所述光源、驅動器和控制器。
7.根據權利要求6所述的裝置，還包括手持式外殼，它具有圍成一個內室的手柄，在內室中容納所述印刷電路板。
8.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述控制器測量第一諧振驅動器的諧振頻率，並且在諧振頻率驅動第一諧振驅動器，以及其中，所述控制器檢測第一掃描鏡在其振蕩過程中的方向反轉，並且響應於所述方向反轉，同步地驅動所述第二驅動器，以保持所述頻率關係。
9.根據權利要求8所述的裝置，其中，所述第一諧振驅動器具有反饋繞組，用於產生處於諧振頻率的掃描開始信號，所述掃描開始信號具有對應於所述方向反轉的跳變；以及其中，所述控制器包括微處理器，用於接收並處理所述掃描開始信號，以便產生驅動所述第二驅動器的輸出驅動信號作為所述跳變的函數。
10.根據權利要求9所述的裝置，其中，所述第二驅動器在每次跳變時被驅動，以產生各個掃描線。
11.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述諧振頻率高於被驅動頻率，以及其中，所述頻率關係是諧振頻率與被驅動頻率的比值，以及其中，在掃描所述目標的過程中，所述控制器保持所述比值恆定。
12.根據權利要求2所述的裝置，還包括連接到所述控制器的溫度傳感器，用於測量溫度變化以針對彈簧的剛度變化進行調整。
13.一種用於掃描目標的方法，包括下列步驟a)發射光束；b)以自諧振模式操作第一諧振驅動器，用於在諧振頻率振蕩第一掃描鏡，以便反射所述光束沿著第一方向跨越所述目標；c)以被驅動模式操作第二驅動器，用於在被驅動頻率振蕩第二掃描鏡，以便反射來自第一掃描鏡的光束沿著垂直於第一方向的第二方向；以及d)控制第二驅動器，使之通過被驅動頻率與諧振頻率之間的給定頻率關係，與第一驅動器同步地被驅動，以便產生跨越所述目標的多掃描線的掃描圖案。
14.根據權利要求13所述的方法，其中，所述控制步驟包括測量第一諧振驅動器的諧振頻率並在諧振頻率驅動第一諧振驅動器，還包括檢測第一掃描鏡在其振蕩過程中的方向反轉，並響應於所述方向反轉，同步地驅動所述第二驅動器，以保持所述頻率關係。
15.根據權利要求14所述的方法，還包括產生處於所述諧振頻率的掃描開始信號的步驟，所述掃描開始信號具有對應於所述方向反轉的跳變；以及接收並處理所述掃描開始信號的步驟產生驅動所述第二驅動器的輸出驅動信號作為所述跳變的函數。
16.根據權利要求15所述的方法，還包括在每次跳變時驅動所述第二驅動器以產生各個掃描線的步驟。
17.根據權利要求13所述的方法，其中，所述諧振頻率高於被驅動頻率，以及其中，所述頻率關係是諧振頻率與被驅動頻率的比值，以及其中，在掃描所述目標的過程中，所述比值保持恆定。
全文摘要
通過連續地反射來自掃描鏡的光束而生成用於讀取條碼符號的光柵圖案，所述掃描鏡分別由諧振電動機驅動器和與諧振驅動器同步驅動的另一個電動機驅動器振蕩。
文檔編號G06K7/10GK1947048SQ200580013108
公開日2007年4月11日 申請日期2005年4月29日 優先權日2004年4月30日
發明者愛德華·巴肯, 霍華德·舍帕德, 馬克·E·德茲馬拉 申請人:訊寶科技公司