专利名称：由外设总线驱动的文档扫描装置的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及电子文档扫描装置，具体涉及从诸如通用串行总线电源等承载有寄生电能(parasitic power)的外设总线上汲取电能的文档扫描装置。
文档扫描装置是计算机的常见外设。作为计算机外设的常规文档扫描装置组件包括有接触式图像传感器(“CIS”)组件，文档驱动滚轴和驱动电机。在常规的文档扫描装置中，文档驱动滚轴相对于该组件保持固定并由驱动电机来进行驱动。利用弹簧将CIS组件安装到该组件上，而在CIS组件上方必须留出垂直间隙，以使CIS组件能够相对于扫描仪外壳纵向地移动。常规的文档扫描装置能够以较高的速度和较好的分辨率来扫描文档的图像。然而，这些扫描装置均存在许多缺陷。常规文档扫描装置中所常会遇到的一个问题便是如
图1a所示的扭力现象。常规的文档扫描装置均包括一个具有扫描透镜10a的CIS组件10，其通过弹簧12可移动地附接到外壳15上，同时还包括与CIS组件10的透镜10a相接触的文档驱动滚轴20。
当在常规的文档扫描装置中扫描文档时，文档驱动滚轴20旋转以馈送文档穿过扫描仪。当文档驱动滚轴20旋转时，加载到CIS组件10的透镜10a上的力在CIS组件10上引入了一个力矩。由于CIS组件10是通过弹簧12可移动地结合到外壳上的，所以作用在CIS组件10上的该力矩将会使CIS组件10发生旋转。CIS组件10旋转一定角度直到CIS组件10的侧面紧贴在该组件的外壳15上。由于CIS组件10旋转所产生的楔入效应，所以CIS组件10的旋转将使得驱动文档驱动滚轴20所需的电机转矩增大。而增大电机转矩来驱动文档驱动滚轴20则将使文档扫描装置工作所需的电能供应增大。
如图1b所示，此种扫描操作还会产生与常规文档扫描装置相关的另一个问题。CIS组件10的透镜10a通常定位于如图所示与文档驱动滚轴20中心相对齐的理想接触点11上。而当扫描文档同时CIS组件10随着曳引文档穿过该组件而旋转时，CIS组件10的透镜10a在扫描操作的过程中将会从理想接触点11偏移到11’上。因此，由于CIS组件10的透镜10a没有与理想接触点11对齐，扫描分辨率将会因此而变差。
常规文档扫描装置的再一个问题是扫描操作所需的电能供应将远大于通过诸如通用串行总线所能得到的寄生电能。近年来计算机行业的趋势是引入通用串行总线作为供计算机和外设制造商与最终用户进行选择的连接端口。该种通用串行总线是由Intel，Microsoft以及其它公司所开发并由诸如IBM，Compaq，Dell以及其它计算机制造商所使用的一种规范。
具体地说，该种通用串行总线用于在具有数据通信连接装置和电能连接装置的计算机上提供一个单独的外设连接点。因而，如果所需电能没有超过由该连接点所能提供的电能，则与通用串行总线连接点相连的外设将不需要另外的独立电源来进行操作。如上所述，由于其电流设计指标要大于通过通用串行总线所能提供的电能，所以大多数的常规外设，如常规的文档扫描装置，均不适合使用通用串行总线。
因此，其需要一种能够进行高品质文档扫描同时可以从诸如通用串行总线等提供寄生电能的外设总线中汲取电能，以及能够在最小电能负载情况下便能提供最大的扫描文档所需转矩的文档扫描装置。
根据本发明，其提供了一种从提供有寄生电能的外设总线，如通用串行总线中汲取电能的文档扫描装置。在其优选实施例中，该种文档扫描装置是一种通用串行总线驱动型文档扫描装置(“USB扫描装置”)，其具有机架，接触式图像传感器组件(“CIS”)，压纸卷轴，压纸卷轴轴承，弹簧，以及包括有驱动电机，单头螺纹蜗杆和蜗轮的无包络蜗杆传动组件，印刷电路板和文档传感器。机架由包括一个上机架部件和一个下机架部件的刚性构件，以及第一和第二端板部件构成。将四件式机架设计成如此形式其上机架部件和下机架部件彼此相对并分别其第一和第二末端与第一端板部件和第二端板部件相连。每个端板部件均包括一个用于插放压纸卷轴的槽，详见下文。
利用工业用粘合剂将接触式图像传感器组件固定在上机架部件上。将接触式图像传感器组件安装在上机架部件上可以使接触式图像传感器组件在USB供电型文档扫描装置的操作期间保持刚性。压纸卷轴包括摩擦面以及其每个末端上的轴承。如上所述，每个端板部件包括多个槽，而各槽又分别与上机架部件和下机架部件纵向对齐。每个槽内均有一个弹簧。通过将压纸卷轴的轴承安放在槽内的弹簧上便可以将压纸卷轴安到槽内。此外，压纸卷轴的一端还有一个蜗轮。驱动电机安放在端板部件的顶部。该蜗轮包括齿轮齿，而驱动电机则包括具有螺纹齿的单头螺纹蜗杆。以使压纸卷轴具有蜗轮的一端与用于支撑驱动电机的端板部件相对齐的方式将压纸卷轴安放到端板部件的槽内，从而使蜗轮的齿轮齿与驱动电机的单头螺纹蜗杆的螺纹齿相互啮合到一起。
印刷电路板被安装在靠近下机架部件的位置上。该印刷电路板包括用于操作包括蜗杆驱动电机和文档传感器在内的USB扫描装置的逻辑电路。结合到该印刷电路板上的文档传感器由文档馈送点进行定位以检测是否有文档从文档馈送点送入。
文档传感器检测是否有文档需要扫描以启动USB扫描装置的操作。该文档传感器向印刷电路板发送信号，而后者则相应地触发驱动电机开始进行操作。于是，可移动地结合到驱动电机上的单头螺纹蜗杆便开始旋转，从而使螺纹齿带动蜗轮的齿轮齿开始移动，而后者则相应地开始带动压纸卷轴旋转。压纸卷轴的摩擦面将“抓住”文档并将文档与接触式图像传感器组件的下方对齐，以使文档的每行均可以被扫描到。在扫描完每行后，压纸卷轴向前移动该文档以将文档从USB扫描装置中送出。
随着文档穿过USB扫描装置，压纸卷轴的轴承将相对于上机架部件和下机架部件在槽内沿大致的纵向或垂直方向移动。在轴承移动的同时，压纸卷轴也将沿相同的方向移动，而接触式图像传感器组件则固定地附接到上机架部件上。将接触式图像传感器组件固定到上机架部件上提供了在USB扫描装置操作的过程中不发生扭曲或扭转的刚性单元。此外，将接触式图像传感器组件固定到上机架部件上，还可以消除当压纸卷轴旋转以馈送文档穿过USB扫描装置时由于各表面没有彼此校准(gauge into)而所引起的CIS组件的后续粘合(subsequentbinding)现象。另外，将接触式图像传感器组件固定到上机架部件上还可以使得在USB扫描装置的顶部与文档馈送点之间存在较小的距离，从而为USB扫描装置提供了较小的页面系数。
在一另选实施例中，USB扫描装置没有机架而扫描装置的各元件被直接安装在一个双件式机箱中，同时利用该种双件式机箱自身来提供必要的结构刚性。该种无机架USB扫描装置的双件式机箱包括当无机架USB扫描装置完全组装好时将结合到一起的前机箱部件和后机箱部件。前机箱和后机箱均包括在扫描期间用于通过文档的文档馈送凹口(recess)。前机箱包括接触式图像传感器组件和压纸卷轴。具体地说，利用工业用粘合剂将图像传感器组件固定在前机箱的上部，使得接触式图像传感器组件相对于前机箱和压纸卷轴保持固定。将接触式图像传感器组件固定到前机箱的上部可以得到一种不会使USB扫描装置在扫描操作过程中发生扭曲或扭转的刚性结构。
前机箱的每个侧面均包括一个在其内放置有一个弹簧的纵向凹槽。另外，该前机箱的一侧末端上还包含有蜗杆驱动电机。压纸卷轴与前机箱的纵向槽对齐，从而使得压纸卷轴的轴承大部分安放在槽内弹簧的顶部，而蜗轮则与驱动电机相匹配。具体地说，如上所述，蜗轮的齿轮齿被对齐以与附接到驱动电机上的单头螺纹蜗杆的螺纹齿相互啮合在一起。压纸卷轴剩余部分的轴承则被密封在后机箱中。
印刷电路板沿前机箱的底部安装，其中有一部分位于第二箱体的底面内。印刷电路板包括用于操作其中包含有驱动电机和文档检测LED的第一USB驱动型文档扫描装置的电路逻辑。结合到印刷电路板上的文档检测LED位于前机箱的文档馈送凹口的上侧且一检测到有文档时便触发USB扫描装置开始进行操作。
后机箱包括用于容放USB扫描装置所用电缆的凹模(molded in)电缆导管。具体地说，当完全组装好USB扫描装置时，将把USB电缆被放到后机箱的电缆导管内。除了上述内部元件固位功能部件之外，后机箱还包括用于文档退出路径的功能部件。
将接触式图像传感器组件固定到前机箱的上部可以使接触式图像传感器组件在扫描过程中保持稳固状态。另外，将接触式图像传感器组件固定到前机箱上还可以消除CIS组件与压纸卷轴粘结到一起而使CIS组件的透镜不能与压纸卷轴上的文档校准的现象。因此，由于其不再需要用于扫描文档所需的附加转矩，所以无机架USB扫描装置的能耗得到了减小。
本说明书中所说明的特性和优点并不是包含一切的，具体地说，本领域的技术人员结合附图，说明书及其权利要求可以很明显地看出许多其它的附加特性和优点。另外，应注意的是在本说明书中所用的语言是出于可读性和指导性的目的，而不是对本发明的限定，应由权利要求来确定本发明相应的主题内容。
图1a所示为具有一个以可移动方式附接的接触式图像传感器组件以及一个文档驱动滚轴的常规文档扫描装置的示意图1b所示为当接触式图像传感器组件的透镜在扫描期间偏移开理想接触点时文档扫描装置的示意图；图1c所示为根据本发明优选实施例的通用串行总线驱动型文档扫描装置(“USB扫描装置”)的斜视图；图2所示为根据本发明优选实施例的USB扫描装置的分解图；图3a所示为根据本发明优选实施例的从下机架部件的透视角度进行观察时部分组装USB扫描装置的斜视图；图3b所示为根据本发明优选实施例的完全组装好的USB扫描装置的顶视图；图4所示为根据本发明优选实施例的从第二端板部件的透视角度进行观察时USB扫描装置各元件之间相互作用的示意图；图5所示为根据本发明优选实施例的具有螺纹齿的单头螺纹蜗杆的一个实施例的示意图；图6所示为单头螺纹蜗杆的螺纹齿与蜗轮的齿轮齿相互啮合的部分示意图；图7所示为根据本发明优选实施例的具有螺纹齿的单头螺纹蜗杆的另一个实施例的示意图；图8a所示为根据本发明优选实施例的附接到与蜗轮相啮合的驱动电机上的单头螺纹蜗杆的示意图；图8b所示为根据本发明的中心馈送功能的示意图；图9所示为根据本发明的一个另选实施例的无机架USB扫描装置的分解图；图10所示为根据本发明一个另选实施例的无机架USB扫描装置的展开示意图(open view)。
图11所示为根据本发明的一个另选实施例的无机架USB扫描装置的剖面侧视图。
接下来将参照附图对本发明的一个优选实施例进行说明，其中各附图中相似的图注表示相同或功能相近的元件。本发明包括一种从提供了寄生电能的外设总线汲取电能的文档扫描装置。外设总线可以是通用串行总线，结合到并行数据端口或串行数据端口上的系统总线，或外设部件互连(PCI)总线，或诸如此类的总线。在一优选实施例中，该种文档扫描装置是一种通过从通用串行总线(USB)汲取电能来进行操作的文档扫描装置。通用串行总线装置通过从计算机的USB端口或其它符合USB规范的装置汲取电能来满足其电能需求。与标准插头或插座电源相比，USB端口所输出的能量要少得多，因此需要对使用这些端口的装置进行特别设计以解决电能供应下降的问题。尽管也可以采用更低的能耗规范，本优选实施例中USB扫描装置的操作功率为5V×250mA，即1瓦。在作为参考文献收入本说明书中的标题为“由外部总线驱动的扫描仪”的同时待审美国专利申请中对由外设总线，如USB供应电能的方法进行了详细地说明。
图1c所示为根据本发明的通用总线驱动型文档扫描装置(“USB扫描装置”)100的整体结构的斜视图。USB扫描装置100包括一个四件式或四分式机架(其包括上机架部件105、下机架部件110、第一端板或侧板部件115、以及第二端板或侧板部件120)。上机架部件105和下机架部件110均包括第一侧板105a，110a和第二侧板105b和110b。此外如图2所示，上机架部件105还包括凹槽。在本优选实施例中，上机架部件105和下机架部件110由金属制成。在一另选实施例中，上机架部件105和下机架部件110则可以由其它种类的刚性材料，如高强度塑料制成。此外，在本优选实施例中，第一和第二端板部件115和120由含有玻璃充填聚碳酸酯的材料制成。在一另选实施例中，第一和第二端板部件115，120也可以由诸如冲压合金或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(“ABS”)聚碳酸酯混合物等其它刚性材料制成。
上机架部件105的第一侧板105a通过至少一个紧固件160结合到第一端板部件115上。第二侧板105b则通过至少一个紧固件160结合到第二端板部件120上。类似地，下机架部件110的第一侧板110a通过至少一个紧固件160结合到第一端板部件115上。下机架部件的第二侧板110b则通过至少一个紧固件160结合到第二端板部件120上。以使凹槽朝向下机架部件的方式将上机架部件105结合到各端板部件上。在一优选实施例中，紧固件160为螺丝钉。在一另选实施例中，紧固件160则可以是铆钉或紧固夹。
第一和第二端板部件115，120还包括定位销176和一个或多个机箱紧固件插孔177。利用元件176，177可以将USB扫描装置100装配到定制的扫描装置外壳内。
图2所示为根据本发明的USB扫描装置100的分解图。具体地说，如图1c所示，USB扫描装置100包括上机架部件105，下机架部件110，第一端板部件115和第二端板部件120。此外，USB扫描装置100还包括接触式图像传感器(“CIS”)组件205，文档压纸卷轴，或滚轴210，轴承215，轴承座235，弹簧元件240，由驱动电机220、单头螺纹蜗杆225和蜗轮230组成的蜗轮驱动组件，文档标志杆245和印刷电路板260。
上机架部件105、下机架部件110、第一端板部件115和第二端板部件120如图1c所示结合在一起。具体地说，图2例示了用于上机架部件105、下机架部件110、第一端板部件115和第二端板部件120的紧固件固定点160a。
CIS组件205被装配到上机架部件105的凹槽内。具体地说，利用一个或多个黏性粘垫265将CIS组件205的底座粘接到上机架部件105上，而图像传感检测透镜所在表面则通常指向并暴露于USB扫描装置100的压纸卷轴210。在一另选实施例中，CIS组件205可以通过诸如塑料夹持肋条(retaining rib)等其它固位元件结合到上机架部件105上。位于每个端板部件115和120上的定位片206a，206b则可以防止CIS组件205前后滑动。上机架部件105上的凹槽的底面将能够防止CIS组件205在扫描期间发生旋转并辅助确保CIS组件205在扫描操作期间保持稳固状态。在一另选实施例中，也可以通过诸如螺丝钉、铆钉、紧固夹或诸如此类的紧固件将CIS组件205固定到上机架部件105上。CIS组件205是一种市售的接触式图像传感器组件，如日本三菱电子公司生产的三菱G3R216LT。
每个端板部件115和120均包括一个槽115a，120a(图2中未示出第二端板部件)。每个槽115a和120a被设计成在纵向方向上以下机架部件110为底而以上机架部件105为顶。弹簧240被安装在每个槽115a、120a的底面上。轴承座235位于每个弹簧240的顶面上。在一实施例中，每个端板部件115，120的115a，120a内的弹簧元件240具有相同的弹性。在一另选实施例中，第二端板部件120的槽120a内的弹簧元件240是低弹力弹簧，而第一端板部件115的槽115a内的弹簧元件240则是高弹力弹簧。另外，在一另选实施例中，弹簧元件240还可以是诸如弹性塑料或片簧等其它类型的压缩元件。
驱动电机220被结合到第二端板部件120的顶部。单头螺纹蜗杆225被结合到驱动电机220的主轴上并从主轴一直顺着第二端板部件120的内侧延伸向下(如图3所示)。另外，单头螺纹蜗杆225的末端包括一个沿其外圆周排列的螺纹齿510(接下来将要参照图5到图9进行详细说明)。
压纸卷轴210的大部分由一个能够抓住诸如文档等物体的摩擦面构成。在本优选实施例中，该摩擦面是一个橡胶面。在一另选实施例中，压纸卷轴210也可以是诸如硅树脂面的摩擦面。此外，压纸卷轴210还包括第一端面210a和第二端面210b。蜗轮230在第二端面210b处被可旋转地结合到压纸卷轴210上。而轴承215则在第二端面210b处被可旋转地与压纸卷轴210结合。在某一实施例中，蜗轮230的直径大于结合到压纸卷轴210的第二端面210b上的轴承215的直径。而在一另选实施例中，蜗轮230的直径也可以小于或等于轴承215的直径。此外，蜗轮230还包括沿其圆周方向排列的齿轮螺纹齿520(接下来将要参照图5到图9进行详细说明)。
压纸卷轴与该组件对齐，以使压纸卷轴210的第一端面210a上的轴承215被装配到第一端板部件115的槽115a中并安放在轴承座235的顶面上。压纸卷轴210的第二端面210b则被装配到第二端板部件120的槽120a内并安放在轴承座235的顶面上。在一另选实施例中，也可以直接将轴承215放在弹簧元件240的顶面上。此外，蜗轮230被可移动地结合到压纸卷轴210的第二端面210b上并被对齐，从而使得蜗轮230的斜齿轮螺纹齿520与单头螺纹蜗杆225的螺纹齿510相互啮合在一起。接下来将参照图5到图9对具体情况进行详细说明。
文档标志杆245包括至少一个文档臂250，文档标志255和文档标志复位弹簧270。在一实施例中，文档臂250位于文档标志杆245的中心位置上而文档标志255则位于文档标志杆245的一端上。文档标志复位弹簧270靠近于文档标志255。文档标志杆245被可旋转地结合到第一端板部件115和第二端板部件120上。在一另选实施例中，可以用诸如发光二极管传感器等任何可以检测是否有文档存在的文档检测方案来代替文档标志组件245，250，255。
印刷电路板260包括用于操作USB扫描装置100的电路逻辑。印刷电路板260上的电路逻辑中有一个与文档标志255对齐的传感器262(其操作详见下文)。印刷电路板260包括第一末端和第二末端。第一末端被结合到第一端板部件115的电路板槽115b中(图2中未示出)，而第二末端则被结合到第二端板部件120的电路板槽120b中。在作为参考文献收入本说明书中的标题为“由外部总线驱动的扫描仪”的同时待审美国专利申请中对印刷电路板260的一种实施例进行了详细地说明。
图3a所示为根据本发明从下机架部件110的透视角度所观察到的部分组装USB扫描装置100的斜视图。例如，如图3a所示轴承215位于装配到第一端板部件115的槽115a内并安放在槽115a内的弹簧240上的压纸卷轴210的第一端面210a上。如图所示蜗轮230位于装配到第二端板部件120中的压纸卷轴210的第二端面210b上，从而使得其齿轮齿与同样在第二端板部件120内的单头螺纹蜗杆225的螺纹齿相互啮合在一起。上机架部件105如图所示以使CIS组件205具有透镜的一面朝向压纸卷轴210的摩擦面的方式将CIS组件205固定在上机架部件105的凹槽内。
图3b所示为完全组装好的USB扫描装置100的顶视图。具体地说，图3b所示为上机架部件105，第一端板部件115，第二端板部件120，文档标志杆245，驱动电机220以及蜗轮230。文档标志杆245位于组装好的USB扫描装置100的正面上。
在一实施例中，USB扫描装置100可以由一个开关(未示出)来启动。在一另选实施例中，USB扫描装置100则可以通过触发文档标志255自动启动操作。通常，当USB扫描装置100开始操作时，文档通过靠近于文档标志杆245的USB扫描装置100的正面被送入以进行扫描。文档与文档臂250相接触从而使文档臂250带动文档标志杆245选择并在文档标志复位弹簧270上产生张力。文档标志杆245的旋转将带动文档标志255旋转并触发传感器262。传感器262向印刷电路板260的电路逻辑转送一个信号，而或者则相应地启动驱动电机220。驱动电机220旋转单头螺纹蜗杆225以带动蜗轮230旋转，如图5到图9所示。蜗轮230的旋转将带动压纸卷轴210旋转。压纸卷轴210顺时针方向(当从驱动电机220所安装于其上的第二端板部件120的透视角度观察时)旋转，以将文档拖引到CIS组件205的透镜之下。
当文档通过CIS组件205的透镜下方时，压纸卷轴210大体上沿相对于端板部件115和120的纵向方向移动。具体地说，轴承215沿轴承座235和弹簧240的纵向，或上下方向上在槽115a和120a内移动。当轴承215沿大致纵向方向在槽115a和120a内移动时，压纸卷轴210在文档穿过USB扫描装置100时也将沿此方向移动。另外，压纸卷轴210沿相对于分别保持固定的四件式机架105，110，115，120和接触式图像传感器组件205的大致纵向方向移动。
当文档从透镜下方穿过时，固定的CIS组件205将对其进行扫描，从而生成图像数据。当文档退出USB扫描装置100时，文档标志复位弹簧270的张力将被释放，因此通过使文档标志杆245旋转回到其起始位置可以使文档臂250旋转回到其起始位置。当文档标志杆245回到其起始位置时，文档标志255将与传感器262分离。驱动电机220在断电之前继续运转一段时间使压纸卷轴210旋转至少一定圈数，以使文档能够完全地通过USB扫描装置100。
USB扫描装置100的本设计方案提供了多种优点和好处。例如，将CIS组件205固定在上机架部件105上可以得到如上所述的刚性部件。该刚性部件消除了当压纸卷轴210在馈送文档期间旋转时CIS组件205上所产生的扭曲转矩和后续粘合。另外，由于将CIS组件205固定到上机架部件105上，所以将不会因楔入效应而导致操作失败。即，CIS组件205不会相对于四件式机架移动，因此在扫描文档时不会出现楔入到机架中的状态。因此，不再需要大转矩和高能耗来克服楔入效应了。另外，因为CIS组件205保持固定，所以接触式图像传感器组件的透镜可以与压纸卷轴保持正确对齐，从而使得在扫描文档时扫描品质不会下降。因此，本发明在使能耗最小的情况下仍可以使转矩达到最大，而同时还能保持很高的扫描品质。
本发明的另一个优点在于将CIS组件205刚性地固定在上机架部件105上可以使USB扫描装置100的顶部与文档输入槽之间距离变短。因此，USB扫描装置100可以被制造的更小，从而可以使组装好的USB扫描装置100整体上只具有很小的页面系数(form factor)。
图4所示为从第二端板部件120的透视角度进行观察时USB扫描装置100各元件之间相互作用的示意图。CIS组件205被固定在上机架部件105的凹槽内。第一和第二端板部件115、120的槽115a和120a沿纵向排列并对齐，从而使得当压纸卷轴210的轴承215被放置于其内时，轴承215和压纸卷轴210的直径中心将与CIS组件205的透镜中心相对齐。另外，由于轴承215被安放在第一和第二端板部件115和120的槽115a和120a内的弹簧元件240上，所以压纸卷轴210是可相对于四件式机架105，110，115，120可移动地进行结合的。其上安放有轴承215的弹簧元件240辅助推动轴承215向CIS组件205的透镜移动，而同时也提供了充分大的弹性以允许轴承215在槽115a，120a内纵向地移动，从而使得当文档进入到CIS组件205的透镜与压纸卷轴210之间时能够对压纸卷轴210进行适当地调整。
本发明的一个优点在于当压纸卷轴210旋转时，将在CIS组件205上加载一个转矩，从而使CIS组件205有发生旋转的趋势。因为CIS组件205保持固定而不会旋转，所以CIS组件205的中心能够与沿压纸卷轴210移动的文档一直保持接触，从而能够获得较高的扫描品质。
另外如上所述，第一和第二端板部件115，120的槽115a，120a每一个的侧壁沿纵向延伸，从而使其起到了压纸卷轴210的轴承215导轨的作用。每个槽115a，120a的侧壁可用作轴承215的导轨，但并不需要很高的精度，因为当压纸卷轴210上被加载有一个转矩时，压纸卷轴210将向蜗杆驱动电机220移动。压纸卷轴210上的反作用力与在接触式图像传感器组件205与压纸卷轴210的交界面上所产生的力相反，从而使该反作用力可以在馈送文档穿过USB扫描装置100时消除轴承215与槽115a，120a的侧壁之间的任何空隙。该反作用力提高了CIS组件205的透镜与压纸卷轴210直径中心之间的中心线对齐程度，由此能够进一步提高文档扫描的品质。
在本优选实施例中，轴承215为塑料滚柱轴承。塑料滚柱轴承减小了转矩并由此减小了文档馈送机构所需的电能。另外，由于塑料滚柱轴承比其它类型的滚珠轴承具有较高的直径间隙，所以塑料滚柱轴承允许在USB扫描装置100的组装或操作过程中端板部件115、120之间可以存在轻微的对齐失调，而同时在扫描操作期间却不会在扫描装置上引入会使能耗升高的额外阻力。另外，由于使用塑料滚柱轴承时不必有很高的对齐精度，所以其整体制造成本也将会随之而降低。
其应注意的是在一另选实施例中，轴承也可以是金属座圈轴承，滚柱轴承，或橡胶轴承。此外，也可以用任何能够让压纸卷轴210沿其水平轴旋转并允许其在端板部件115，120每一个的槽115a，120a内纵向移动的无座圈滚柱轴承来替代这些轴承。
由于当USB扫描装置扫描文档时不再需要额外的转矩，所以本发明使能耗得到了减小。为了进一步减小能耗并使USB扫描装置的效率更高，将以如下方式来对包括有蜗杆驱动电机220，单头螺纹蜗杆225和蜗轮230在内的蜗轮驱动组件进行设计。
图5所示为根据本发明的单头螺纹蜗杆225一个实施例的示意图。如上所述，单头螺纹蜗杆225包括螺纹齿510。在一优选实施例中，与螺杆相类似，单头螺纹蜗杆225采用的是一种梯形螺纹。另外，单头螺纹蜗杆225的顶部被结合到驱动电机220上，从而使其可以相对于驱动电机220垂直地移动。而螺纹齿510与蜗轮230的斜齿轮螺纹齿520则在单头螺纹蜗杆225的底部相互啮合在一起。
图6所示为与蜗轮230的斜齿轮螺纹齿520相啮合的单头螺纹蜗杆225的螺纹齿510的部分示意图。螺纹齿510包括平面510a，510b，而斜齿轮螺纹齿520则包括带有轻微弧度的曲面520a，520b。螺纹齿510的平面510a、510b使得即使单头螺纹蜗杆225的节径与蜗轮230的节径之间的中心距离有轻微的变化也不会改变两元件225、230之间的共轭作用。以此种方式来啮合单头螺纹蜗杆225和蜗轮230将能够防止螺纹齿510卡塞到蜗轮230的斜齿轮螺纹齿520的齿根520c中。另外，此种配置还通过确保单头螺纹蜗杆225的螺纹齿的两侧永不与蜗轮230上的任何两个齿轮齿的相对侧面相接触，从而减小了啮合磨损。因此，只能够存在一个单独的接触点，从而将所有可得转矩均被传递给蜗轮230齿轮齿的工作齿的工作表面上。因此，此种配置减小了驱动电机220所需的电能。
其应注意的是单头螺纹蜗杆225是由以化学方法润滑的合成材料Delrin CL制成的，或是由加拿大Newbury Park的Shambam公司所生产的材料Tercite或其它的类似化合物制成的。类似地，蜗轮230也可以由诸如Delrin CL或诸如此类的其它材料制成。
图7所示为根据本发明的单头螺纹蜗杆225的另一个实施例的示意图。在此实施例中，螺纹齿710的齿根部710c较窄，而在螺纹齿710的连续表面710a，710b之间则存在有一个较宽的空隙。另外，单头螺纹蜗杆225上螺纹齿710所在位置部分的外径较大，从而使得在螺纹齿710的齿尖和齿根之间存在更显著的深度。利用此种配置可得到窄型齿廓，由此可以提供具有高反冲力的单点接触共轭啮合，从而消除了由于来自非工作表面的干扰所引起的磨损，而同时使得即使螺纹齿710与蜗轮的某一工作齿轮齿之间的中心到中心距离发生变化，也不会出现漏齿啮合现象。
图8a所示为根据本发明的与蜗轮相啮合的单头螺纹蜗杆的示意图。在本优选实施例中，蜗轮驱动组件的驱动电机220是一种在加载有电流的情况下也可以使其电机停机而同时却不会对电机造成损害的步进式电机，由此可以提高驱动系统的可靠性。另外，由于驱动电机220是一种步进式电机，所以其所采取的各步骤是事先预定的，而由于单头螺纹蜗杆225所采用的转数也是可以被预先确定的，所以可以利用其来确定压纸卷轴210所能旋转的圈数。相应地，此信息也可以辅助确定蜗轮230的旋转圈数。因此，该种系统能够确定所要扫描的下一行的位置。在本优选实施例中，驱动电机220为1瓦功率的低能耗20步电机，压纸卷轴210的直径为12.94mm，而蜗轮230的啮合比为48∶1，因此驱动电机220每转一圈文档将移动600分之一英寸。在作为参考文献收入本说明书中的标题为“由外部总线驱动的扫描仪”的同时待审美国专利申请中对该种蜗轮驱动组件所需的能耗进行了详细地说明。
蜗轮230的斜齿轮螺纹齿与单头螺纹蜗杆225的螺纹齿之间的单点接触将使其在驱动电机220的主轴上产生沿向下指向单头螺纹蜗杆225方向的轴向作用力。此作用力将使驱动电机220的转子与下方轴承的推力面相互接触在一起。而当在馈送文档的过程中使驱动电机220的旋转暂停时，将通过重力作用使转子保持在其偏压(bias)位置上，其结果是从文档馈送开始到结束不会出现运动中断的现象。驱动电机220的起动转矩和压纸卷轴210与CIS组件205接触界面上的高摩擦力将防止整个USB扫描装置100发生位移，而在馈送文档通过USB扫描装置100时，其将被暂停。
由驱动电机220、单头螺纹蜗杆225和蜗轮230组成的蜗轮驱动组件，另外还能够提高USB扫描装置100的效率。驱动电机220是一种单头斜齿蜗杆并能够使其只使用最少数量的部件从而使所占空间达到最小。另外，单头螺纹蜗杆225由低摩擦系数的自润滑材料制成，并采用了能够辅助提高USB扫描装置100的整体效率的螺纹齿设计方案。
单头螺纹蜗杆225的螺纹齿与蜗轮230的斜齿轮螺纹齿之间的单点共轭啮合使本发明不再象包络式(enveloping)蜗轮组件的常规方法一样必须进行高精度组装。具体地说，蜗轮230可以沿压纸卷轴210的水平轴方向相对于驱动电机220和单头螺纹蜗杆225移动，而同时仍能保持单头螺纹蜗杆225的螺纹齿与蜗轮230的齿轮螺纹齿之间充分的点接触，从而能够使蜗轮230带动压纸卷轴210旋转。由于在组件之后不再需要进行额外地对齐校准，因此可以以较低的成本来制造USB扫描装置100。
图8b所示为根据本发明的送纸路径的中心馈送功能部件的示意图。由于中心馈送功能部件减小了馈送窄幅文档所需的转矩，所以文档穿过文档臂250所在位置上的中心馈送功能部件具有很多的优点。该种中心馈送功能部件沿压纸卷轴210的中心区域加载一个力840从而使文档能够平直地通过而不会发生偏斜。此种配置还使USB扫描装置100的压纸卷轴210的受力达到平衡，从而使压纸卷轴210即使在文档对面上的末端处也不会发生倾斜。另外，压纸卷轴210的力平衡还能够防止作用在窄幅文档上的力850使文档发生偏移而出现使所扫描图像变得不准确的偏斜现象。中心馈送还可以防止压纸卷轴210的末端滞延(drag on)在露出的接触式图像传感器组件205的透镜上，由此降低了转矩需求并使USB扫描装置100产生的噪声减至最小。
图9所示为根据本发明的无机架USB驱动型文档扫描装置(“无机架USB扫描装置”)900的分解图。无机架USB扫描装置900包括一个双件式结构910，920，并不再具有单独的机架来安放扫描装置的各元件。无机架USB扫描装置900还包括CIS组件205，压纸卷轴210，滚筒轴承215，弹簧240，轴承座235，无外壳蜗杆驱动组件220，225，230，扫描仪开关930，印刷电路板960以及文档检测发光二极管(“LED”)940。CIS组件205，压纸卷轴210，轴承215，弹簧240，轴承座235，无外壳蜗杆驱动组件220，225，230以及印刷电路板960的功能与如上所述的相同元件的功能类似。
该种霜件式外壳由前机箱910和后机箱920构成，沿其内表面区域均有一个开口，而在将无机架USB扫描装置900完全组装好时则被结合到一起。前机箱910和后机箱920包括第一端面910a、920a和第二端面910b、920b。前机箱910包括沿其上部910c长度方向的凹槽，位于其下部910d上的两个电路板槽，其第一端面910a内的凹槽，以及其第二端面910b内的凹槽。后机箱920包括其中用于放置无机架USB扫描装置900所用电缆950的电缆凹槽920f。后机箱920还包括用于放置无机架USB扫描装置900的某些部件的凹槽。前机箱910和后机箱920均包括在扫描期间文档通过其的文档馈送凹口910e，920e。
CIS组件205沿上部910c的凹槽被附接到前机箱910上。具体地说，利用工业用粘合剂将CIS组件205粘结到前机箱910上，从而使CIS组件205相对于前机箱910和后机箱920保持固定状态。在一另选实施例中，也可以利用诸如作为前机箱910的一部分的塑料支持肋条等其它固位方案来将CIS组件205结合到上部910c上。通过将CIS组件205固定到前机箱910的上部910c上可得到一种在进行扫描时防止无机架USB扫描装置900发生扭曲和扭转的刚性结构。
与如上所述的压纸卷轴类似，无机架USB扫描装置900的压纸卷轴210也包括位于第一端面210a和第二端面210b上的轴承215。如上所述，在前机箱的两个末端910a，910b内有一个凹槽。而在每个凹槽内则分别有一个弹簧240。压纸卷轴210的轴承215位于前机箱的每个末端910a，910b的凹槽内。在一另选实施例中，轴承215被直接放置在弹簧240的顶部。因为前机箱910的每个末端910a，910b上的凹槽的方向均是沿纵向或上下方向(从前机箱的下部910d到上部910c)的，因此当将轴承215放置在轴承座235上时其可以沿此方向运动。因而，压纸卷轴210可以相对于前机箱910沿纵向运动。
蜗轮驱动组件由蜗杆驱动电机220、单头螺纹蜗杆225和蜗轮230构成。单头螺纹蜗杆225被结合到驱动电机220上。另外，单头螺纹蜗杆225还包括有螺纹齿。蜗轮230则被结合到压纸卷轴210的第一端面210a上。蜗轮230包括沿其圆周方向分布的齿轮螺纹齿。驱动电机220则通过前机箱910的上部910c被安放在前机箱910的第一端面910a的凹槽内的一个槽内。单头螺纹蜗杆225从驱动电机220开始顺着前机箱910的下部910d向下移动。压纸卷轴210的轴承215位于前机箱的每个侧面910a、910b上的凹槽内，从而使蜗轮230的齿轮齿与单头螺纹蜗杆225的螺纹齿相互啮合在一起。
印刷电路板960被安装在沿前机箱910的下部910d排列的电路板槽内。印刷电路板960包括用于对由蜗轮驱动组件220、225、230和LED 940组成的无机架USB扫描装置900进行操作的电路逻辑。在作为参考文献收入本说明书中的标题为“由外部总线驱动的扫描仪”的同时待审美国专利申请中对印刷电路板960的一个实施例进行了详细地说明。结合到该印刷电路板上的文档检测LED 940位于前机箱910的文档馈送凹口910e的顶部边缘上。
后机箱920包括用于放置包括无机架USB扫描装置900所用的USB电缆950在内的各种电缆的电缆凹槽920f。另外，后机箱920包括沿第一末端920a和第二末端920b，以及沿上部920c和下部920d方向的凹槽，因此CIS组件205的一部分、压纸卷轴210和相关元件215、230以及印刷电路板960均可以被放置在后机箱920之内。除了如上所述的内部元件固位功能部件之外，后机箱920还包括用于文档退出路径的功能部件，如文档凹槽920e。
图10所示为根据本发明的无机架USB扫描装置的展开示意图。如图所示，无机架USB扫描装置900的某些功能部件与元件一起被放置在前机箱910内。CIS组件205被固定地粘结到前机箱910的上分部910c上，压纸卷轴210的轴承215被安放在弹簧240之上，蜗轮驱动组件220，225，230则被结合到一起，从而使单头螺纹蜗杆225的螺纹齿能够与结合到压纸卷轴210上的蜗轮230的斜齿轮螺纹齿相互啮合在一起，而印刷电路板960沿前机箱910的下部910d进行结合。第二机箱920中所示则为其它的元件和功能部件，例如电缆凹槽920f和文档退出凹槽920e。当无机架USB扫描装置900被完全组装在一起时，前机箱910内所装配的每种元件的一部分同样将进入到第二机箱920之内。
图11所示为根据本发明的无机架USB扫描装置900的剖面侧视图。该剖面侧视示了固定到前机箱910的上部910c上并与可移动地结合到前机箱910上的压纸卷轴210相接触的CIS组件205。其中还图示了用于检测是否放置有需要进行扫描的文档的文档检测LED940。
将CIS组件205固定到前机箱910的上分部910c上可以形成在无机架USB扫描装置900的操作期间不会发生扭曲或扭转的刚性单元。此外，将CIS组件205安装到前机箱910的上部910c上还消除了当压纸卷轴210被旋转以开始文档通过无外壳USB扫描装置时，由于各表面没有彼此校准而使CIS组件205所出现的后续粘合现象。因而，其将不再需要额外的驱动电机转矩，从而使得该种无机架USB扫描装置能够减小能耗。
另外，由于将CIS组件205固定到前机箱910的上分部910c上而不会发生旋转，因此由于CIS组件205将不再需要额外的间隙，所以无机架USB扫描装置900可以采用较小的页面系数。另外，通过将无机架USB扫描装置900的各元件直接组装到箱体910，920中而不用单独的机架，能够显著降低无机架USB扫描装置900的制造成本。
此外，由于CIS组件205一直被固定在前机箱910的上部910c上，因此在文档穿过其间时CIS组件205的透镜将一直与压纸卷轴210上的文档保持接触，从而其能够提高无机架USB扫描装置900的扫描品质。即，因为CIS组件205并不旋转，所以CIS组件205的透镜将不会从文档上移开，否则将会因为部分透镜不再与文档相接触而产生图像漏扫描的现象。
无机架USB扫描装置900也是以5V×1mA即1瓦的功率进行操作的。其应被注意的是无机架USB扫描装置900能够利用只提供较低寄生电能的外设总线来进行操作。为了对无机架USB扫描装置900进行操作，可以通过按动扫描仪开关930来启动装置900。随后将一份文档放在前机箱910的文档馈送凹口910e中。同样，如上所述的中心馈送功能部件的优点也适用于无机架USB扫描装置900。一旦文档检测LED 940检测到存在有需要进行扫描的文档时，其便向印刷电路板960发送一个信号，由其触发蜗杆驱动电机220开始操作。单头螺纹蜗杆225随即开始旋转。当单头螺纹蜗杆225旋转时，由于单头螺纹蜗杆225的螺纹齿与蜗轮230的齿轮螺纹齿相互啮合，所以蜗杆驱动传动齿轮230也将一起旋转。如上结合图5到图9所说明的蜗轮驱动组件的优点同样适用于无机架USB扫描装置900。
蜗轮230的旋转将带动压纸卷轴210旋转。压纸卷轴210的摩擦面抓住文档并将其与CIS组件205下方对齐，以让透镜扫描文档的每一行。当扫描完所有行时，压纸卷轴210向前移动文档以将文档从后机箱920的文档退出凹槽920e中退出。当文档穿过无机架USB扫描装置900时，压纸卷轴210相对于前机箱910和后机箱920沿纵向或上下方向移动，而CIS组件205则仍固定地粘结在前机箱910的上分部910c上。
尽管上文中对本发明的特殊实施例和应用实例进行了说明，但应理解的是本发明并不局限于本文所公开的确切结构和元件，对于本领域的技术人员来说，很明显在不背离本发明在附加权利要求中所定义的精神和范围的情况下可以对本文所公开的方法和装置的结构、操作和细节进行多种形式的修正、变更和变动。
权利要求
1.一种由外设总线驱动的文档扫描装置，其特征在于包括具有第一部分和第二部分的机器外壳，该第一部分具有至少一个侧面，而每个侧面均具有一个纵向槽，该槽内则具有一个压缩元件，其中该第一部分和第二部分至少在一个侧面上结合在一起；由外设总线驱动并具有用于扫描文档的图像的图像传感器；以及具有第一末端和第二末端的压纸卷轴，每个末端上均具有一个轴承，每个轴承分别固定在每个槽内的弹簧元件上以将该压纸卷轴可移动地结合到双件式机器外壳上，从而使得该压纸卷轴能够相对于图像传感器沿大致纵向方向移动，以允许文档通过压纸卷轴与图像传感器的透镜之间，图像传感器以透镜朝向压纸卷轴的方式固定到该机器外壳的第一部分上。
2.如权利要求1所述的文档扫描装置，其特征在于另外包括由外设总线驱动并与压纸卷轴相结合以带动压纸卷轴沿水平轴旋转的蜗杆驱动组件。
3.如权利要求2所述的文档扫描装置，其特征在于该蜗杆驱动组件另外包括驱动电机，具有螺纹齿的单头螺纹蜗杆，以及具有齿轮齿的蜗轮，该蜗轮被结合到压纸卷轴的第一末端上，而单头螺纹蜗杆被结合到驱动电机上，驱动电机则被结合到靠近该蜗轮的双件式外壳上以使单头螺纹蜗杆的螺纹齿与蜗轮的齿轮齿相互啮合在一起。
4.如权利要求3所述的文档扫描装置，其特征在于所述驱动电机是一种低能耗步进电机。
5.一种由外设总线驱动的文档扫描装置，其特征在于包括具有上机架部件，下机架部件，第一侧板部件和第二侧板部件的机架，其中每个侧板部件上分别具有一个纵向槽以及安放于其内的弹簧元件；具有用于扫描文档图像的透镜的图像传感器，该图像传感器由外设总线驱动并以透镜大致朝向下机架部件的方向的方式被固定在该机架的上机架部件上；以及具有第一末端和第二末端的压纸卷轴，每个末端上均具有一个轴承，第一末端上的轴承固定于第一侧板部件的槽内的弹簧元件上，而第二末端上的轴承则固定于第二侧板部件的槽内的弹簧元件上，以将该压纸卷轴可移动地结合到双件式机器外壳上，从而在文件通过压纸卷轴和图像传感器透镜之间时，使得该压纸卷轴能够相对于图像传感器沿大致纵向方向移动，以透镜大体上朝向压纸卷轴的方式将图像传感器固定到该机器外壳的上机架部件上。
6.如权利要求5所述的文档扫描装置，其特征在于另外包括由外设总线驱动并与压纸卷轴相结合以带动压纸卷轴沿水平轴转动的蜗杆驱动组件。
7.如权利要求6所述的文档扫描装置，其特征在于该蜗杆驱动组件另外包括驱动电机，具有螺纹齿的单头螺纹蜗杆，以及具有齿轮齿的蜗轮，该蜗轮被结合到压纸卷轴的第一末端上，而单头螺纹蜗杆被结合到驱动电机上，驱动电机则被结合到靠近于该蜗轮的双件式外壳上，并使单头螺纹蜗杆的螺纹齿与蜗轮的齿轮齿相互啮合在一起。
8.如权利要求7所述的文档扫描装置，其特征在于所述驱动电机是一种低能耗步进电机。
9.如权利要求5所述的文档扫描装置，其特征在于各轴承由塑料轴承构成。
10.如权利要求5所述的文档扫描装置，其特征在于上机架部件包含有一个凹槽，该凹槽用于以图像传感器的暴露于外的方式放置图像传感器从而将图像传感器固定在上机架部件上。
11.一种由外设总线驱动的文档扫描装置，包括具有前机箱和后机箱的外壳，前机箱包括上部和下部，第一侧面和第二侧面，每个侧面分别具有一个凹槽而各凹槽又分别具有一个张力弹簧元件；具有用于扫描文档图像的透镜的图像传感器，该图像传感器由外设总线供电；以及具有第一末端和第二末端的压纸卷轴，每个末端上均具有一个轴承，第一末端上的轴承固定于前机箱的第一侧面的槽内的弹簧元件上，而第二末端上的轴承则固定于后机箱的第二侧面的槽内的弹簧元件上，以将该压纸卷轴可移动地结合到双件式机器外壳上，从而当文档通过压纸卷轴与图像传感器的透镜之间时，使得该压纸卷轴能够相对于图像传感器沿大致纵向方向移动，以透镜大体上朝向压纸卷轴的方式将图像传感器固定到前机箱的上部。
12.如权利要求11所述的文档扫描装置，另外包括由外设总线驱动并与压纸卷轴相结合以带动压纸卷轴沿水平轴转动的蜗杆驱动组件。
13.如权利要求12所述的文档扫描装置，其中该蜗杆驱动组件另外包括驱动电机，具有螺纹齿的单头螺纹蜗杆，以及具有齿轮齿的蜗轮，该蜗轮被结合到压纸卷轴的第一末端上，而单头螺纹蜗杆被结合到驱动电机上，驱动电机则被结合到靠近于该蜗轮的双件式外壳上，并使单头螺纹蜗杆的螺纹齿与蜗轮的齿轮齿相互啮合在一起。
14.如权利要求13所述的文档扫描装置，其特征在于所述驱动电机是一种低能耗步进电机。
15.如权利要求11所述的文档扫描装置，其特征在于所述外设总线是一种通用串行总线。
全文摘要
由外设总线驱动的文档扫描装置(100),包括机架、接触式图像传感器(“CIS”)组件(205)、压纸卷轴(210)、压纸卷轴轴承(215)、弹簧(240)、无包络蜗杆驱动组件、印刷电路板(260),以及文档传感器。该机架由彼此相对并在其右端和左端上分别与右侧和左侧端板部件相连的上和下机架部件(105,110)构成。每个端板部件均包括一个压纸卷轴固定于其中的弹簧上的纵向槽(115a,120a),以使压纸卷轴能够相对于机架沿纵向方向移动。该CIS组件被固定到上机架部件(105)上。蜗杆驱动组件包括有驱动电机(220),具有螺纹齿并被可旋转地结合到电机(220)上的单头螺纹蜗杆(225),以及具有齿轮齿并被可旋转地结合到压纸卷轴(210)上的蜗轮(230)。
文档编号G06T1/00GK1256837SQ98803894
公开日2000年6月14日 申请日期1998年3月31日 优先权日1997年4月1日
发明者戴维·麦克维卡 申请人:耶利米E·罗伯森