产生用于电－光读取标记的多扫描线图案的同步和谐振驱动器的制作方法

专利名称：产生用于电－光读取标记的多扫描线图案的同步和谐振驱动器的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及一种用于读取诸如条码符号的标记的装置和方法，更具体地说，涉及使用同步与谐振驱动器来产生多扫描线光栅图案以便读取所述符号。
背景技术：
已经研制出用于读取诸如出现在标签或物件表面上的条码符号的标记的各种电-光系统或读取器。条码符号本身是图案标记的编码图案，其中包括一系列彼此隔开的不同宽度的条，以包围不同宽度的空白，条和空白具有不同的光反射特性。读取器功能将图案标记的图案电-光转换为时变电信号，该电信号被数字化并解码为与读取的符号有关的数据。
典型地，来自激光器的激光束沿光路被引导到在其表面上具有条码符号的目标。借助于扫描部件(诸如激光器本身或设置在激光束路径中的扫描镜)的运动，通过用一条扫描线或一系列扫描线在所述符号上重复扫过所述激光束来操作移动光束扫描器。光学系统使激光束聚焦在目标表面上的光束点上，并且扫描部件的运动使光束点在所述符号上扫过，以便形成跨越所述符号的扫描线。典型地由电驱动电动机来实现扫描部件的运动。
所述读取器还包括传感器或光检测器，检测沿扫描线从符号反射或散射的光。所述光检测器或传感器被定位，使得它具有能保证捕获反射或散射的光并将其转换为模拟电信号的视场。
在向后反射光的收集中，单个光学部件(例如反振荡镜，诸如在美国专利第4,816,661中或美国专利第4,409,470号中描述的)在目标表面上扫过光束，并将收集的光引导到传感器，上述专利在此通过引用而并入。在非向后反射光的收集中，不由用于扫描的同一光学部件来收集反射的激光。而是所述传感器独立于扫描光束，并具有大的视场，使得反射的激光在传感器上划线。
电子控制电路和软件把来自传感器的模拟电信号解码为被扫描的符号所代表的数据的数字表示。例如，可以由数字化器将光检测器所产生的模拟电信号转换为脉冲宽度调制的数字化信号，该数字化信号的宽度对应于条和空白的物理宽度。可替代地，可以直接地由软件解码器来处理所述模拟电信号。参见，例如美国专利第5,504,318。
解码过程通常是这样进行工作的通过向运行企图对所述信号进行解码的软件算法的微处理器提供数字化信号。如果符号被成功和完整地解码，则解码过程结束，并向用户提供成功读取的指示(诸如绿光和/或可听的嘟嘟声)。否则，所述微处理器接收下一次扫描，并且进行另一次解码，得到编码在所述符号中的数据的二进制表示，从而得到这样表示的字母数字字符。一旦获得了成功读取，所述二进制数据将被送往主计算机作进一步的处理，例如，从查找表中检索信息。
条码符号由具有多种可能宽度的典型矩形条或元素构成。各元素的特定排列根据一组由使用的代码或“符号表示法”指定的规则和定义来定义所代表的字符。条和空白的相对大小由用作条和空白的实际大小的编码类型来决定。每单位长度(由条码符号表示的)字符数被称为符号密度。为了对期望的字符序列进行编码，元素排列的集合被连结在一起以形成完整的条码符号，消息中的每个字符由它本身的相应元素组来表示。在某些符号表示法中，使用唯一的“开始”和“停止”字符来表示所述条码何时开始和结束。包括UPC/EAN、Code 39、Code128、Codeabar和5中取2交错等在内的多种不同的条码符号表示法已得到广泛应用。
为了增加可以在给定量目标表面面积中表示或存储的数据量，已经研制出几种更紧凑的条码符号表示法。这些代码标准中的一种，Code 49，通过降低1维符号的垂直高度，随后将这种1维符号的不同行堆叠在一起，使得信息在垂直和水平两个方向被编码从而形成“2维”符号。这就是说，在Code 49中，取代在“1维”符号中只有1行的情形，存在几行条和空白图案。在美国专利4,794,239中描述了Code49的结构。在美国专利5,304,786中，描述了另一种被称为“PDF 417”的2维符号表示法。
已经研制出其它的符号表示法，其中，符号不是由堆叠的行来构成，而是由六边形、方形、多边形和/或其它几何形状、线或点所组成的矩阵构成。例如在美国专利5,276,315和美国专利4,794,239中就描述了这样的符号。这样的矩阵代码符号表示法可以包括Vericode、Datacode和MAXICODE。
还知道通过连续反射来自两个分别由独立驱动电动机驱动的扫描镜的激光束来扫描2维符号。所述光束沿符号的一个方向，即水平(X)方向，被一个扫描镜偏转，并且沿垂直于一个方向的另一个方向，即垂直(Y)方向，被另一个扫描镜偏转，从而在所述符号的整个宽度和整个高度上生成多扫描线图案，也被称为光栅图案。
即使光栅图案对电动机提出了不同的要求，但是现有技术的驱动电动机都是相同的。由于需要独立的驱动微处理器、一对数模转换器、一对大电流驱动放大器以及一对光学反馈电路，以便生成稳定的和在不同读取器之间可重复的光栅图案，所以这些相同的电动机的驱动电路是昂贵的和复杂的。所述驱动电路被要求在宽广的频率和振幅范围内驱动相同的电动机。同时使它们足够有效以响应不同的驱动频率，而不使用过大的电流，以便使功耗最小化。

发明内容
因此，本发明的总目的是避免现有技术的上述缺点。
本发明的总目的是提供一种改进的驱动电路，以便产生用于读取标记的稳定和可重复的光栅图案。
本发明的另一个目的是降低这样的驱动电路的复杂性、成本和功耗。
本发明的又一个目的是优化不同电动机驱动器的不同操作。
伴随着上述目标以及将在下文中变得明显的其它方面，本发明的一个特征在于，简而言之，一种装置和方法，通过从光源发射光束，并从第一扫描镜和第二扫描镜连续反射光束分别沿着第一和第二方向跨越待读取的符号，来电-光读取标记(诸如2维条码符号)。分别由第一和第二驱动器来振荡第一和第二扫描镜，与现有技术相比，第一和第二驱动器不是相同操作的。
根据本发明，第一驱动器工作于自谐振模式，用于在谐振频率振荡第一扫描镜，以及第二驱动器工作于被驱动模式，用于在被驱动频率振荡第二扫描镜。控制器操作连接到所述驱动器，用于通过被驱动频率与谐振频率之间的给定频率关系，与第一驱动器同步地驱动第二驱动器，以便产生跨越所述目标的多扫描线的扫描图案。
在其谐振频率上驱动第一驱动器大大地降低了它的功耗。与第一驱动器同步地驱动第二驱动器保证了扫描图案将是稳定的并在不同读取器之间是可重复的。
在所附的权利要求书中特别地陈述了被认为是本发明的特性的各项新颖的特征。通过结合附图来阅读，从特定实施例的下列说明中，读者将能最好地理解本发明本身、其结构和其操作方法，连同其附带的目标和优点。


图1是用于本发明的具有手持式外壳的触发条码读取器的拆开的透视图；图2是为了简明起见去除外壳和其它部件的图1的读取器的部件的拆开的透视图；图3是图2的拆开的放大背面透视图；图4是为了简明起见拆除了一些部件的图3的拆开的放大的透视图；图5、6和7是用于图1的读取器连续的生产工序中的扫描电动机的透视图；图8是用于驱动图1的读取器的扫描电动机的驱动电路的示意图。
具体实施例方式
如同在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“标记”不仅广义地包含由通常被称为条码符号的、具有不同宽度的交替条和空白组成的符号图案，而且还包括其它1维或2维的图案和字母数字字符。一般来说，术语“标记”可以应用于可以通过扫描光束并检测反射或散射光作为所述图案或信息的不同点上光反射率的改变的表示来识别或辩识的图案类型或信息类型。条码符号是本发明可以扫描的“标记”的一个实例。
如图1所示，作为一个优选的实施例，描述了本发明在手持读取器10中的实现。读取器10包括具有手柄14的外壳12，在手柄14上安装了触发开关16。所述外壳在手柄之上有一个盖，但是为了简明起见，图1所表示的是打开了盖的情形。
窗口模块18位于外壳的前端附近。光学模块20位于窗口模块18之后。印刷电路板(PCB，printed circuit board)22(其正面更清楚地示于图2，其背面更清楚地示于图3-4)位于学模块20之后外壳的后端。所述印刷电路板以相对于水平面成钝角的方式滑入手柄14中，以便适应于手柄的向后倾斜角度。
如图2所示，传感器24安装在印刷电路板的正面。从被读取的符号返回的光穿过窗口模块18，并通过光学模块20下部的集光透镜和滤光器26到达传感器24以便检测。如同将在下面说明的那样，来自光源的光穿过印刷电路板上的开口28，穿过光学模块20上部的另一个开口30，并且通过窗口模块18到达所述符号，以便从那里反射。
图3-4是相似的，除了在图3中所示的各种支撑结构已经被拆除以便更好地看到被其支撑的各部件。因此，如同在图4中看得最清楚的那样，诸如半导体激光器32的光源被安装在印刷电路板22的背面，并且可操作用于水平地发射激光束34，通过聚焦透镜组33到达第一扫描镜36，以便向上反射到第二扫描镜，从而向前反射穿过开口28。正如将在下面充分地说明的那样，第一扫描镜36被安装，以便由工作于自谐振模式的第一电动机驱动器40往复振荡，同时第二扫描镜也被安装，以便由工作于与第一电动机驱动器40同步的被驱动模式的第二电动机驱动器42往复振荡。
图4还描绘了用于第一驱动器40的第一电磁线圈44以及用于第二驱动器42的第二电磁线圈46。线圈44、46被安装在印刷电路板的背面，并且各自具有一个驱动绕组(如同在图8中所看到的94、98)，它响应于周期性驱动信号的激励，可操作用于产生电磁场。线圈44还具有一个反馈绕组96，其工作将在下面加以说明。
图3表示一个支撑底座48，用于支撑激光器32、聚焦透镜组33、第一驱动器40、第二驱动器42和线圈44、46。底座48还提供防振(功能)，并且被固定到印刷电路板的背面。
如同在后续视5-7中所示，驱动器40、42中的一个或两个可以按照下列方法来制造定子50具有一对分开并且相对于对称轴对称放置的定子部件52、54。各定子部件具有通孔56、58。所述定子包括支架60，其具有一对具有加伸轴66、68的臂62、64。转子70具有一对分开并且相对于对称轴对称放置的转子部件72、74。各转子部件具有通孔76、78。所述转子还具有在其一端相连并沿所述对称轴延伸的细长中央支撑部件80。该支撑部件80在一个侧面具有倾斜安装部件82，以及位于其相反一端的切除部分84，以便减少支撑部件80的质量。
转子和定子用合成塑料的分开模塑的弹性部件。这些部件被放置在液态硅注塑模具中，并且一对通常平面的细长硅板簧86、88被盖模到定子和转子部件上。特别是，弹簧86被模铸到定子部件52和转子部件72上并且进入孔56、76以便实现牢固锚定。弹簧88被模铸到定子部件54和转子部件74上并且进入孔58、78以便实现牢固锚定。这些弹簧在其覆盖孔上的两端显得较粗，而在两端之间显得较细，使得它们能够在垂直于对称轴的轴周围弯曲。
如图7所示，第一扫描镜36或第二扫描镜被粘合在安装部件82，它与定子部件、转子部件和各弹簧所处的公共平面成45°角。永磁体90同样被粘合在支撑部件80的对侧。
回到图4，第一驱动器40的扫描镜36面朝上，同时它的永磁体面向第一线圈44。同样，第二驱动器42的扫描镜面向前方，同时它的永磁体90面向第二线圈46。驱动器40、42相互成直角安装，从而使得驱动器40、42在相互正交的方向上扫描光束。
第一和第二驱动器分别不同地进行工作，以便最好地适应光栅图案的要求。第一驱动器40被要求在大的扫描角(例如45°)并且高的速度(例如50-60Hz)使它的扫描镜振荡，使光束沿着X方向在长度上跨越符号。第二驱动器42被要求在小的扫描角(例如4°)并且较低速度(例如10Hz)使它的扫描镜振荡，使光束沿着Y方向沿符号高度。第二扫描镜要求大于第一扫描镜，以便适应移动光束。由于速度较低，第二扫描镜的较大惯性不成为问题。
根据本发明，第一驱动器40以自谐振方式进行工作。如图8所示，双向驱动电路92测量第一驱动器40的自然谐振频率，并且以等于或接近该频率的频率驱动后者的驱动绕组94。接近其自然频率驱动第一驱动器降低了驱动第一驱动器所需的功率量。在美国专利5,280,163中，描述了一个适当的双向驱动电路，其全部内容在此通过引用而并入。
除了驱动绕组94以外，线圈44还包括反馈绕组96，它通过第一驱动器40的永磁体的运动来产生反馈信号。驱动电路92使用所述反馈信号来确定转子的运动方向，它运动有多快以及它何时改变方向。驱动电路92把反馈信号处理成具有方波波形的扫描开始(SOS，start-of-scan)信号，当转子在一个方向上运动时，该信号为高，当转子在相反方向上运动时，该信号为低，并且在每次扫描结束转子改变方向时跳变。由于扫描开始信号产自转子运动所生成的反馈信号，所以它的频率与第一驱动器的谐振频率相同。
由两个转子运动的相对速度和振幅来决定由两个驱动器40、42产生的多线光栅图案。由两个转子的频率之比来确定光栅图案的外形，而不是绝对频率。
如上所述，第一驱动器40工作于自谐振模式。然而，由于扫描镜36、磁体90和塑料部件的不可避免的质量差异，以及由于例如因环境温度引起的弹簧86、88刚度的差异，使得一个转子的谐振频率将随着读取器而不同。因此，由于它们的第一驱动器不能精确地运行于相同的速度，当在不同读取器中工作时，需要以不同速度来驱动第二驱动器42。
通常有可能令第二驱动器工作于被驱动模式，通过保证第二驱动器的频率得自第一驱动器的频率，不管上述各种差异，都能使第二驱动器与第一驱动器具有期望的频率关系。通过把第二驱动器的频率锁定于与扫描开始信号的频率(如上所述，它精确地代表第一驱动器的实际工作频率)保持预定的关系，就能做到这一点。
微处理器100，最好是，但不一定是，用于解码所述数字化信号的同一个处理器，它具有用于接收扫描开始信号并且用于检测第一驱动器何时改变方向和开始新的扫描的输入端。所述微处理器最好具有内置的数模转换器，并且每当扫描开始信号从低变到高或从高变到低时，将其输出端的电压改变一个预定量。所述模拟输出电压可以被放大，并且通过驱动电路102提供给第二驱动器42的驱动绕组98，从而每当扫描开始信号表示第一驱动器正在开始一次新的扫描时，将第二驱动器的转子移动一个预定量。
可以产生各种光栅图案。例如，第二驱动器可以在前3次扫描开始信号跳变中的每一次，将其转子向上转动1°，然后，在下3次扫描开始信号跳变中的每一次，将其转子向下转动1°，从而令转子回到其初始位置。在下3次扫描开始信号跳变中，可以令所述转子每次跳变向下转动1°，然后在随后的3次跳变中，每次都以增量的形式向上转动1°。这样就生成由7条单独的扫描线组成的光栅图案，由于第二驱动器的转子的运动总是与扫描开始信号和第一驱动器同步，即使第一驱动器改变频率，上述光栅图案仍然是稳定和可重复的。
通过改变在每一次跳变时输出电压的变化量，能得到其它类型的光栅图案。例如，如上所述，第二驱动器的转子可以向上移动1°，但是随后向下移动到向上移动的扫描线之间的半途。可以随意改变光栅图案，或者在预定条件下完全停下来。
第二驱动器相对于第一驱动器的较小运动需要相应较小的电流，从而即使当第二驱动器工作于远离其谐振频率时，也能使功耗最小化。
如果微处理器100与负责解码的微处理器是同一个，则当第一驱动器已经到达其扫描末端并且没有新的符号数据被扫过时，希望仅在扫描开始信号跳变时移动第二驱动器。所述微处理器在激光束扫描越过符号以外的其余时间内可用于解码。
由于当驱动电压改变时第二驱动器并不立即运动，所以希望稍微在扫描开始信号跳变之前启动第二驱动器。所述微处理器可以测量扫描之间的时间，并预测扫描开始信号何时将跳变，并且由此稍微在扫描开始信号跳变之前改变驱动电压。
第二驱动器以开环方式被驱动，没有任何反馈来保证它精确地跟踪驱动电压。而且，除了因环境温度变化可能使弹簧86、88的刚性发生改变以外，图5-7的电动机被证明是可靠和稳定相容。温度传感器104被连接到所述微处理器，以校正施加到驱动绕组98上的驱动电压，从而补偿温度变化。如果所述微处理器没有内置的模数转换器，则可以让传感器104产生一个随温度改变的频率信号。所述微处理器可以测量所述频率来获得温度信息，并相应地调整驱动电压。所述微处理器还可以校正施加到第一驱动器的驱动绕组94的驱动电压，以补偿温度变化。
应当理解，上述元件中的每个，或者其中的两个或多个一起，在不同于上述类型的其它类型的结构中，也可以找到有用的应用。
尽管以上在已经把本发明图解和描述为实施于同步和谐振的驱动器，用于产生多扫描线图案以便电-光读取标记，不打算将其局限于所示的细节，因为在不以任何方式离开本发明的精神实质的前提下，可以作出各种各样的修改和结构上的改变。
不用进一步的分析，以上已经充分地揭示本发明的要点，并且，其它人通过应用当前的知识，也可以在不省略从现有技术的立足点看来明确地构成本发明的一般或特殊方面的重要特性的那些特征的前提下，将本发明适应于各种应用，因此，这样的适应应当并且被指望为处于下列权利要求书的等价物的意义和范围内。
在所附的权利要求书中，陈述了被主张为新的和希望受到专利法保护的内容。
权利要求
1.一种用于扫描目标的装置，包括a)用于发射光束的光源；b)工作于自谐振模式的第一谐振驱动器，用于在谐振频率振荡第一扫描镜，以便反射来自光源的光束沿着第一方向跨越所述目标；c)工作于被驱动模式的第二驱动器，用于在被驱动频率振荡第二扫描镜，以便反射来自第一扫描镜的光束沿着垂直于第一方向的第二方向；以及d)操作地连接到所述驱动器的控制器，用于通过所述被驱动频率和谐振频率之间的给定频率关系，与第一驱动器同步地驱动第二驱动器，以便产生跨越所述目标的多扫描线的扫描图案。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述驱动器之一包括具有相对于一个对称轴对称设置的一对定子部件的定子；具有相对于所述对称轴对称设置的一对转子部件的转子；在所述定子部件和转子部件之间平行延伸的一对弹簧；以及与所述转子集成并在所述弹簧之间延伸的中央部件。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述定子部件、转子部件和弹簧处于一个公共平面，并且其中，所述扫描镜之一以相对于所述公共平面的一个倾斜角度在所述公共平面的一侧安装到所述中央部件上。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述一个驱动器包括在所述公共平面的相反侧安装到所述中央部件上的永磁体，以及一个电磁线圈，该电磁线圈具有用于产生周期性磁场的绕组，所述周期性磁场与所述永磁体的永久磁场磁性交互。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，每个驱动器包括具有相对于一个对称轴对称设置的一对定子部件的定子；具有相对于所述对称轴对称设置的一对转子部件的转子；在所述定子部件和转子部件之间平行延伸的一对弹簧；以及与所述转子集成并在所述弹簧之间延伸的中央部件。
6.根据权利要求1所述的装置，还包括印刷电路板，在其上共同安装所述光源、驱动器和控制器。
7.根据权利要求6所述的装置，还包括手持式外壳，它具有围成一个内室的手柄，在内室中容纳所述印刷电路板。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器测量第一谐振驱动器的谐振频率，并且在谐振频率驱动第一谐振驱动器，以及其中，所述控制器检测第一扫描镜在其振荡过程中的方向反转，并且响应于所述方向反转，同步地驱动所述第二驱动器，以保持所述频率关系。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述第一谐振驱动器具有反馈绕组，用于产生处于谐振频率的扫描开始信号，所述扫描开始信号具有对应于所述方向反转的跳变；以及其中，所述控制器包括微处理器，用于接收并处理所述扫描开始信号，以便产生驱动所述第二驱动器的输出驱动信号作为所述跳变的函数。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述第二驱动器在每次跳变时被驱动，以产生各个扫描线。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述谐振频率高于被驱动频率，以及其中，所述频率关系是谐振频率与被驱动频率的比值，以及其中，在扫描所述目标的过程中，所述控制器保持所述比值恒定。
12.根据权利要求2所述的装置，还包括连接到所述控制器的温度传感器，用于测量温度变化以针对弹簧的刚度变化进行调整。
13.一种用于扫描目标的方法，包括下列步骤a)发射光束；b)以自谐振模式操作第一谐振驱动器，用于在谐振频率振荡第一扫描镜，以便反射所述光束沿着第一方向跨越所述目标；c)以被驱动模式操作第二驱动器，用于在被驱动频率振荡第二扫描镜，以便反射来自第一扫描镜的光束沿着垂直于第一方向的第二方向；以及d)控制第二驱动器，使之通过被驱动频率与谐振频率之间的给定频率关系，与第一驱动器同步地被驱动，以便产生跨越所述目标的多扫描线的扫描图案。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述控制步骤包括测量第一谐振驱动器的谐振频率并在谐振频率驱动第一谐振驱动器，还包括检测第一扫描镜在其振荡过程中的方向反转，并响应于所述方向反转，同步地驱动所述第二驱动器，以保持所述频率关系。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括产生处于所述谐振频率的扫描开始信号的步骤，所述扫描开始信号具有对应于所述方向反转的跳变；以及接收并处理所述扫描开始信号的步骤产生驱动所述第二驱动器的输出驱动信号作为所述跳变的函数。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括在每次跳变时驱动所述第二驱动器以产生各个扫描线的步骤。
17.根据权利要求13所述的方法，其中，所述谐振频率高于被驱动频率，以及其中，所述频率关系是谐振频率与被驱动频率的比值，以及其中，在扫描所述目标的过程中，所述比值保持恒定。
全文摘要
通过连续地反射来自扫描镜的光束而生成用于读取条码符号的光栅图案，所述扫描镜分别由谐振电动机驱动器和与谐振驱动器同步驱动的另一个电动机驱动器振荡。
文档编号G06K7/10GK1947048SQ200580013108
公开日2007年4月11日 申请日期2005年4月29日 优先权日2004年4月30日
发明者爱德华·巴肯, 霍华德·舍帕德, 马克·E·德兹马拉 申请人:讯宝科技公司