具有磁定心扫描镜的小型扫描模块组件的制作方法

专利名称:具有磁定心扫描镜的小型扫描模块组件的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及电光阅读器或扫描器，诸如条形码符号阅读器，尤其涉及在需要特别小型的阅读器的场合使用的扫描模块组件。
背景技术：
现在诸如条形码符号阅读器等电光阅读器非常普及。一般地说，一个条形码符号包含一行或多行亮区和暗区，一般为矩形形式。暗区(即，条)的宽度和/或条之间亮区(即，间隔)的宽度表示要阅读的编码信号。
条形码符号阅读器照亮符号，并检测从条形码区反射或散射的光，以便检测各编码区的宽度和间隔，并获得编码信息。条形码阅读型数据输入系统改善了各种应用中数据输入的效率和精度。这类系统输入数据是很方便的，这有助于更频繁、更详细的输入数据，例如用以提供有效的详细目录、跟踪工作进展等。但是，为了获得这些优势，用户或雇员必须自愿地、始终如一地使用阅读器。因此，阅读器必须舒适并便于操作。
已知有许多种扫描器。一种特别优越的阅读器是光扫描器，它在符号上扫描一束光(诸如激光)。美国专利No.4,387,297和No.4,760,248(已为本发明受让人所拥有，援引在此作参考)所例举的激光扫描系统及其部件类型一般已被设计成在离开手持或静态扫描器某一工作范围内或在一定阅读距离的地方阅读具有不同光反射率部分的标记，即条形码符号，特别是通用产品代码(UPC)型的条形码符号。
可以使用多种反射镜和电动机结构按所需的扫描图案移动光束。例如，美国专利No.4,251,798揭示了一种旋转多边形，其每一边都有一平面镜，每个平面镜跟踪一条通过符号的扫描线。美国专利No.4,387,297和No.4,409,470都使用了一个平面镜，在围绕安装该平面镜的驱动轴的交替圆周方向上，反复和往复驱动所述平面镜。美国专利No.4,816,660揭示了多反射镜结构，它由基本为凹面的镜部分和基本为平面的镜部分组成。在围绕安装着多个反射镜的驱动轴的交替圆周方向上，反复往复驱动所述多反射镜结构。所有上述美国专利援引在此供参考。
在上述类型的电光扫描器中，“扫描机组”或扫描模块组件包括激光光源、光学元件、扫描镜、摆动扫描镜的驱动装置、光电探测器、以及相关的信号处理和解码电路。所有这些部件都会增加扫描模块组件、进而是扫描器的尺寸和重量。关于扫描模块组件的详细情况，可以参见本发明之受让人的美国专利No.5,099,110、No.5,168,149、No.5,504,316、No.5,262,627、No.5,367,151和No.5,682,029，这些专利援引在此供参考。
在需要长久使用的应用场合，大而重的手持扫描器会使用户产生疲劳。当使用扫描器产生疲劳或者在其它方面不方便时，用户会不情愿操作扫描器。不愿意始终如一地使用扫描器会有损于条形码系统所希望达到的数据收集的目的。
而且，还需要小型扫描器，以便将它放在诸如移动电话、个人数字助理、笔记本、笔形器具和戴在使用者手指上的戒指扫描器等小型装置中。这些装置需要尽可能地小，并且扫描模块组件需要远小于仅为了使用方便而必须达到的程度。
此类小型装置的制造商采用先进的制造技术以使装置的尺寸达到最小。即使不需要安装扫描器，此类装置也可能比用户所希望的要大。当在此类装置中安装扫描器以增加功能时，对条形码符号的扫描通常不是装置的主要功能。因此，为了使在装置中设置扫描器较为合算，扫描器和扫描机组必须尽可能地小和便宜。
因此，条形码阅读器发展的一个持续目标是尽可能使阅读器小型化，并且还需要进一步缩小扫描模块组件的尺寸、重量和成本。活动部件的质量应尽可能地低，以便使产生扫描运动所需的功率达到最小。
还希望使扫描模块组件模块化，以便在各种不同的扫描器中使用特定的模块组件。但是，需要发展特别小型、轻巧的模块组件，它包括所有必须的扫描器部件。

发明内容
因此，本发明的一个总的目的是减小用来产生光束扫描运动并收集标记反射光的各部件的尺寸、重量和成本。
更具体地说，本发明的一个目的是开发一种尺寸更小、重量更轻的电光扫描系统。
本发明的另一个目的是制造一种可以方便地、低成本制造的扫描模块组件。
一个相关目的是提供一种容易组装的扫描模块组件。
另外一个目的是使这种扫描模块组件中所使用的扫描镜可靠定心。
基于上述以及将在下文体现出来的目的，本发明的一个特点简言之在于一种电光阅读标记的阅读器中所使用的扫描模块组件。该模块组件具有一支承件。在该支承件上安装有一基本为平面状的底板，该底板最好是一印刷电路板。在该支承件上还安装有一激光源，该激光源适于沿基本垂直于底板的方向发射激光束。在支承件上可摆动地安装一扫描镜。支承件上安装有用于改变激光束方向并将激光束引导至扫描镜以便从那里朝标记反射的光学元件。在支承件上安装一用于摆动扫描镜而使激光束扫过标记以便从那里散射的驱动装置。在支承件上安装一用于检测来自标记的散射光并产生与检测到的散射光相应和表示标记特征的电信号的传感器。
较佳的是，该光学元件包括一用于将激光束的方向改变90°的折镜，并包括一聚焦元件和一通孔，它们相配合而适于将激光束聚焦于一个与扫描镜相距一工作距离的焦点。该聚焦元件在支承件上可移动地安装至一校准位置，并固定于所述校准位置。该聚焦元件安装在折镜与扫描镜之间。激光束垂直于底板的发射可允许实现相当紧凑的结构。
较佳的是，扫描镜安装于一轮毂上而可在驱动装置驱动下围绕一轴的延伸轴线与该轮毂一起摆动。该轮毂或者该轴可以是摆动件。或者，该轴和该轮毂均可以自由摆动。该轮毂可以与该轴形成一体，该轴通过轴颈方式安装于支承件上具有凸形止推面的轴承中。
另一个特点在于使扫描镜磁定心。在轮毂上还安装一永磁体，它可与扫描镜一起摆动。该永磁体是一具有一磁轴的磁棒。在支承件上安装一可通电的电磁线圈，该电磁线圈具有一在扫描镜的一平衡位置基本垂直于该磁轴延伸的电磁轴。给线圈通电可使线圈的磁场与磁体相互作用而摆动轮毂和扫描镜。
按照这一特点，通过使用一极片，扫描镜可在线圈断电后定心于该平衡位置，该极片具有一对安装在支承件上并沿永磁体的磁轴隔开的铁磁部分。永磁体的磁极受磁性吸引于铁磁部分，从而使永磁体对准于极片。这样，可准确地确立该平衡位置。
更为有利的是，光电探测器安装在印刷电路板的一个表面上，并具有用于在印刷电路板的所述这一表面上实现电气连接的表面安装连接件。这样可以使电路板的相对表面上有更多空间，因为引脚不必再突伸通过电路板而占据相对的电路板表面。
这样，按照本发明，激光源、线圈和光电探测器均安装在印刷电路板的同一主表面上。用于处理电信号的信号处理电路可有利地安装在印刷电路板与该主表面相对的另一表面上。而且，在印刷电路板的该另一表面上设置电源和调节电路，用于将电力输送给激光源、线圈和光电探测器。
激光源、使从激光源射出的激光束聚焦的光聚焦元件、光电探测器、收集反射光的光收集元件以及驱动装置被设置成消除了模块组件内未使用的体积，从而减小了总的体积。允许使用标准装配装置，诸如那些用于将元件设置在印刷电路板上的装置，从而便装配成本降低到最低限度。例如，线圈和光电探测器均可表面安装于印刷电路板与支承件相同的一侧上。这使电路板的另一侧上有更多空间可供其它元件占据。
所附权利要求
书具体叙述了视作本发明特征的新颖特点。但结合附图阅读时，可以从以下实施例的具体描述中充分地理解本发明本身，包括其结构和其操作方法，还有本发明其它的目的和优点。



图1是一激光二极管正安装于一支承件中的分解立体图；图2是激光光学元件正安装于该支承件中的的分解立体图；图3是一扫描镜结构的分解立体图；图4是该扫描镜结构、一线圈组件和一极片正安装于支承件上的分解立体图；图5是一光电探测器和光收集元件正安装于该支承件上的分解立体图；图6是安装在一印刷电路板上的装配好的扫描机组的立体图；图7是图6的扫描机组的剖视图；图8是图6的扫描机组的另一剖视图；图9是图6的扫描机组的俯视图；图10是扫描机组的一种变型的局部视图；图11是扫描机组的另一实施例的类似于图7的视图；以及图12是图11的实施例的类似于图8的视图。
具体实施方式
下面参见附图，图1中的标号10表示一光源，它最好是封装在一壳筒内的半导体固态激光器，该壳筒具有多个从壳筒底壁突出的引脚12，该激光器在通电时适于通过壳筒上壁中的一个通孔发出激光束，该激光束最好是可见激光。壳筒12沿箭头A方向插入一支承件或机架16中的一圆柱形孔14，该机架具有多个安装柱18，这些安装柱插入延伸通过图6所示的一基本为平面状的底板20的相应安装孔，该底板最好是一位于下面的、由机架16支承的印刷电路板(PCB)。机架16支承激光器10和一扫描模块组件或机组的所有其它元件，如下面所描述。
如图7所示，壳筒底壁搁置于印刷电路板的上表面上，最好粘接于孔14中的激光器10沿基本垂直于印刷电路板的方向(例如竖直向上)发射其激光束。机架16确定激光器10的位置。一旦引脚12插设通过印刷电路板中的安装孔，便将引脚12焊接于印刷电路板的下表面。在机架16上以45°角固定安装有一折镜22，它可改变激光束的方向而使从折镜22反射的激光束基本水平并平行于印刷电路板。
水平激光束通过一聚焦透镜24和一具有一通孔28的孔径光阑26，它们相配合而用于将激光束聚焦于一个与模块组件相距一选定工作距离的焦点。折镜、聚焦透镜和孔径光阑在图2中分开地表示为正处于沿箭头B方向装配于机架16上的过程中。聚焦透镜在图7中可沿箭头C方向滑动，以将焦点调节至选定的距离，一旦调节完毕，聚焦透镜便粘接于该位置。
在通过通孔28后，激光束入射到一扫描镜30上，以便从那里垂直于印刷电路板而沿图7中箭头D方向朝一标记(诸如是一条形码符号)反射。如图3中的分解图以及图4中的装配图所示，扫描镜30安装于一轮毂32上，并粘接于轮毂的倾斜壁34。轮毂32可围绕一轴线摆动，该轴线沿一轴36延伸。轮毂和轴之一可作为摆动件。或者，轴和轮毂均可自由摆动。轮毂可以与轴形成一体，该轴通过轴颈方式支承于机架上所设置的轴承中。在轮毂的水平底壁上固定安装有一永磁体40。如图7中所示，该永磁体最好是一细长的磁棒，在其相对端具有北极(N)和南极(S)，并限定一沿磁体长度方向延伸的基本水平的磁轴。该磁体可以具有其它形状，诸如方形。
如图9中清楚示出的，轴36的相对端固定于一U形磁轭42的一对臂38。该磁轭可以安装于机架上。如图7中所示，扫描镜30与轮毂和磁体一起处于一平衡位置，在该位置扫描镜与水平面或印刷电路板平面约成45°角，并且磁体位于一基本平行于印刷电路板的平面内。
磁体40是一驱动装置的一部分，该驱动装置用于使扫描镜围绕轴36沿相反的圆周方向来回摆动。驱动装置包括一电磁线圈44，如图4中所示，该线圈具有一对引脚46，它们延伸通过印刷电路板中的孔。线圈具有一绕线筒，磁轭42可支承安装于其上。线圈44搁置于印刷电路板上或其略微的上方，并且当受到一通过引脚46传导的激发信号激励时，它具有一基本竖直的电磁轴，该电磁轴与磁体的基本水平的磁轴相互作用。该激励信号是周期性的，例如按正弦或三角波形改变方向，使磁体40、进而是轮毂和扫描镜以一驱动频率来回摆动。
扫描镜30的摆动使入射于其上的激光束扫过待阅读的标记。从标记散射的一部分光返回到模块组件并由一收集透镜48收集，该收集透镜例如是安装在机架上的一相邻腔室中的半圆柱形透镜，并远离和避开扫描镜。最好，收集透镜的两个表面的曲率使误差达到最小，以便实现最大的收集效率。收集到的光通过一位于透镜48下面的带通滤光器50并引导至一传感器，该传感器最好是一安装在印刷电路板上表面上的光电二极管52。图5中表示透镜48、滤光器50和光电二极管52正处于装配到机架上的过程中。图6中表示完成的组件。
光电二极管具有表面端子54，该端子用于将光电二极管表面安装于印刷电路板的上表面上。这样，印刷电路板下表面上与光电二极管直接相对的区域便可用来支承其它电子电路，诸如信号处理电路56。可以理解，如果光电二极管有引脚(例如类似于激光器引脚12或线圈引脚46)，则印刷电路板下表面上的区域就必须容纳这些光电二极管引脚，信号处理电路56或一些其它电路就只能设置在别处。信号处理电路56适于处理由光电二极管在检测到散射光后所产生的电信号。该电信号开始是一模拟信号，然后被数字化或者解码成可描述待阅读标记的数据。
如果需要用于设置其它电路的空间，则印刷电路板下表面上直接与线圈44相对的区域必须不被引脚46占据，而相反，线圈44可以具有表面接触件。激光器引脚12也是如此。印刷电路板下表面的其余区域用来容纳激光器10、线圈44和光电二极管52的电源和调节电路。可选择的是，在印刷电路板上可以设置一无线电频率发射器和一天线，用于通过无线传输将电信号(尤其是在经处理后)发送到一远程主机。
通过将裸露的光电二极管安装于印刷电路板上，省去光电二极管的封装或壳体，从而可以去掉额外的成本和尺寸。这种所谓“板上芯片”设计可使光电二极管更小，省去封装成本。
光电二极管必须精确定位，这是因为即使小的位置误差也会造成视场指向错误的方向。为了使光电二极管的设置有更大的容限，并使视场要求达到最小，机架制成在光电二极管的光敏表面的正上方设有一通孔82。光敏表面制成大于该通孔，这样，即使光电二极管没有良好定位，可以通过通孔看见的那部分光敏表面也可确定视场的尺寸、形状和位置。由于该通孔是与机架成一体的部分，因而它可以相对于收集透镜准确定位，进而相对于激光器10和扫描镜30准确定位。
这样，机架便以正确的光学对准关系支承所有的元件。为此，机架可由合成塑料材料精密模制而成。
图6的模块组件基本呈平行六面体形，它占据约8.8毫米×9.8毫米×5.7毫米的体积。印刷电路板约为9毫米×12毫米。这对于非回射型扫描机组(即返回的散射光不是经由通过扫描镜的路线来收集的)来说是非常紧凑的。收集面积约为机架整个前表面面积的一半。
参见图4，由诸如铁之类的铁磁材料制成的细长极片60具有一对彼此隔开的弯折端部62。该极片嵌入线圈44的绕线筒的底面上的一槽口64中，并在印刷电路板上表面的上方固定支承于其上。极片的端部62磁性吸引磁体40的两极而将后者推到平衡位置。一旦线圈断电，由于磁极与极片端部之间的恒定磁性吸引，磁体40将自动使扫描镜回到平衡位置。这种自动定心可用于实现电光对准功能。
另一种定心技术采用两个分离的磁性片或分离的磁体来使转子磁体40在它们之间定心。
图10示出了一种变型。除了将折镜22和聚焦透镜24构制成分离的元件并要求聚焦透镜24可调地移动，还可以采用一棱镜70。棱镜70具有一全向内反射表面72，该表面倾斜成45°角。在这种变型中，激光器10在其孔14内可调地移动，以获得所需位置的焦点。该棱镜由一光学材料构成，用于将通过它的激光束聚焦。
图11和12示出了另一种变型，其中，出射的激光束和返回的散射光沿各自的基本平行于印刷电路板20的路线行进，而不是象图1-10的实施例那样分别沿基本正交和基本垂直于印刷电路板20的路线行进。
图11-12用相同的标号示出了激光器10，它在折镜22处发出激光束，该激光束在射到扫描镜30之前通过聚焦透镜24和孔径光阑26的通孔28。扫描镜30安装于一竖直轴74的上端，该竖直轴通过轴颈方式支承于一对隔开的臂76上。永磁体40安装于轮毂78的一侧。在轮毂的另一侧安装有一配重，以平衡磁体40的重量。
线圈44安装成其磁轴基本平行于印刷电路板，但仍垂直于磁体40的磁轴。在给线圈44通电后，磁体40摆动，从而使轮毂和扫描镜30摆动，在这种结构中，扫描镜使入射于其上的激光束沿基本平行于印刷电路板的方向扫掠。
如图12所示，沿基本平行于印刷电路板的方向从标记返回的一部分散射光由一对收集透镜48a、48b收集，由滤光器50滤光，并由一对光电探测器52a、52b检测。铁磁极片部分62磁性吸引磁体40的相对磁极，从而使扫描镜30回复到平衡位置，如上面所描述的。
每个实施例中的线圈44具有一中心圆孔82，该圆孔的直径小于磁棒40的长度。磁体40不进入孔82，但设置成在操作意义上接近于线圈，从而允许实现相当紧凑的扫描模块结构。
印刷电路板的下侧带有模拟和数字电路，它们最好组合成一单个的集成电路。这种扫描模块组件的印刷电路板非常小(9毫米×12毫米)，因而没有用于如以前一直采用的特定用途集成电路(ASIC)和单独解码微处理器的空间。
可以理解，上述每个元件、或者两个或多个的组合可以应用在不同于上述类型的其它类型的结构中。
尽管以上以一种具有磁定心扫描镜的小型扫描模块组件的形式说明和描述了本发明，但本发明不应局限于所述的细节，因为可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行各种改进和结构变化。
无需进一步的分析，上述内容将充分揭示本发明的精髓，其他人通过应用现有知识很容易将其适用于各种场合，而不省略从现有技术的角度看构成了本发明一般或具体方面的实质特征的特点，因此，此类适用希望并应该包含在所附权利要求
书的等效意义和范围内。
所附权利要求
书叙述了希望得到专利保护的内容。
权利要求
1.一种用于电光阅读标记的阅读器中的扫描模块组件，包括a)一支承件；b)一安装于所述支承件上的光源，它适于产生一光束；c)一安装于所述支承件上而可在相对的端部极限位置之间摆动的扫描镜；d)安装于所述支承件上的光学装置，它适于将所述光束从光源引导至所述扫描镜，以便从那里朝所述标记反射；e)一安装于所述扫描镜上而与其一起摆动的永磁体，所述永磁体具有两个沿一磁轴隔开并彼此相对的磁极；f)一驱动装置，它包括一安装于所述支承件上的可通电的电磁线圈，适于在通电时与永磁体相互磁性作用，用于使所述扫描镜在所述端部极限位置之间摆动而使所述激光束扫掠过所述标记以便使所述激光束从那里反射；以及g)一安装于所述支承件上的收集透镜，适于收集从所述标记反射的光；h)一安装于所述支承件上的传感器，适于检测由所述收集透镜收集的光，并产生与被读取的所述标记相关的电信号；以及i)一磁极片，它具有一对安装于所述支承件上并沿所述磁轴隔开的铁磁材料的磁极部分，所述永磁体的所述磁极被磁性吸引于所述磁极部分，用以在所述线圈未通电时将所述扫描镜定心于所述端部极限位置之间的一平衡位置。
2.如权利要求
1所述的模块组件，其特征在于，所述支承件是三维的，其尺寸为8.8毫米×9.8毫米×5.7毫米。
3.如权利要求
1所述的模块组件，其特征在于，所述支承件包括一安装于所述支承件一侧的印刷电路板，所述扫描镜将所述光束扫掠到所述支承件的一相对侧以外，所述收集透镜收集通过所述支承件的所述相对侧的光。
4.如权利要求
3所述的模块组件，其特征在于，所述光源是一激光二极管，所述激光二极管具有二极管引脚，所述线圈具有线圈引脚，所述印刷电路板具有供至少一个所述引脚通过的孔。
5.如权利要求
3所述的模块组件，其特征在于，所述传感器是一光电探测器，所述光电探测器具有电气连接于所述印刷电路板的一个表面上的表面安装连接件，并包括安装于所述印刷电路板一相对表面上、直接位于所述光电探测器下方的电路。
6.如权利要求
5所述的模块组件，其特征在于，所述电路是一用于处理电信号的信号处理电路。
7.如权利要求
5所述的模块组件，其特征在于，所述电路是一用于将电力提供给所述光源、所述线圈和所述传感器的电源电路。
8.如权利要求
1所述的模块组件，其特征在于，它还包括一轮毂，所述扫描镜和所述永磁体安装于所述轮毂上。
9.如权利要求
8所述的模块组件，其特征在于，所述轮毂通过轴颈方式支承于所述支承件上。
10.如权利要求
1所述的模块组件，其特征在于，所述光学装置包括一将所述光束的方向改变90°的折镜，并包括用于将所述光束聚焦于一远离所述支承件的焦点的一聚焦元件和一通孔。
11.如权利要求
1所述的模块组件，其特征在于，所述光学装置包括一棱镜，所述棱镜具有一将所述光束的方向改变90°的内部全反射表面，并由用于将所述激光束聚焦于一远离所述支承件的焦点的聚焦材料构成。
12.如权利要求
1所述的模块组件，其特征在于，所述线圈具有一绕线筒，所述绕线筒形成有一槽口，所述极片安装于所述槽口中。
13.如权利要求
1所述的模块组件，其特征在于，所述收集透镜具有一面朝所述支承件之外的半圆柱形表面。
14.一种在电光阅读标记的阅读器中用于使一可摆动扫描镜定心于一平衡位置的装置，包括a)一支承件；b)一永磁体，它具有两个沿一磁轴隔开并彼此相对的磁极；c)一轮毂，所述扫描镜和所述永磁体安装于所述轮毂上以与其一起相对于所述支承件在相对的端部极限位置之间摆动；d)一安装于所述支承件上的可通电的电磁线圈，它适于在通电时与所述永磁体相互磁性作用，用于使所述扫描镜在所述端部极限位置之间摆动而使所述扫描镜所反射的一光束在读取过程中扫掠过所述标记；以及e)一磁极片，它具有一对安装于所述支承件上并沿所述磁轴隔开的铁磁材料的磁极部分，所述永磁体的所述磁极被磁性吸引于所述磁极部分，用以在所述线圈未通电时将所述扫描镜定心于所述端部极限位置之间的一平衡位置。
专利摘要
一种用于电光阅读器中的非回射式小型扫描模块组件，它包括安装于一印刷电路板的一个表面上的一激光源、一光电传感器和一电磁线圈。该激光器发射一垂直于电路板的激光束，该激光束被改向至一可摆动的扫描镜，该扫描镜在线圈断电时被磁定心于一平衡位置。在电路板的一个相对表面上安装有电路。
文档编号G02B26/10GKCN1242354SQ01145287
公开日2006年2月15日 申请日期2001年12月31日
发明者E·巴坎, H·M·谢泼德, M·E·杰马拉 申请人:讯宝科技公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan