專利名稱：慣性驅(qū)動掃描裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于重復(fù)掃描諸如光代碼的目標(biāo)的光掃描裝置和方法，尤其涉及在低電功率條件下以高掃描率操作這種掃描裝置以使電功率使用最小化。
迄今，已開發(fā)了各種光代碼讀取器來讀取光代碼，諸如應(yīng)用于物體上的條形碼符號，以便通過光讀取其上的符號來識別每個物體。條形碼符號本身是編碼圖案，其由一系列不同寬度和相互隔開各種寬度邊界間隔的條紋構(gòu)成，條紋和間隔具有不同的光反射性質(zhì)。讀取器將該編碼圖案電光解碼成描述物體的多個數(shù)字表示。例如，美國專利No.4251798中揭示了普通型讀取器。
如已知技術(shù)中所揭示的，這種讀取器的特殊較佳實施例在于從光源(優(yōu)選是氣體激光器或激光二極管)發(fā)出的光束，尤其是激光束，并在于將激光束引導(dǎo)到要讀取的符號。在到符號的途中，激光束被引導(dǎo)和反射離開掃描部件的光反射器。掃描部件按循環(huán)方式移動反射器并使該激光束重復(fù)掃描符號。符號反射其上入射的激光束。反射離開符號的一部分入射光由讀取器的檢測器部件(例如光電二極管)采集和檢測。光電二極管具有一視場，且該視場上的檢測光由電解碼電路解碼成描述符號的數(shù)據(jù)，用于后續(xù)處理。在以一定的掃描率進(jìn)行掃描期間，可循環(huán)移動的反射器將激光束掃過符號和/或掃過視場。
本領(lǐng)域已知幾種掃描部件。例如，美國專利No.4251798揭示了在其每個表面上都具有反射外表面的多邊形多面輪。輪被安裝用于旋轉(zhuǎn)，以使每個反射外表面依次位于光路中，入射激光束沿著該光路被引導(dǎo)到要掃描的符號。美國專利No.4251798中揭示的其它掃描部件是雙壓電晶片或鐵電型振蕩元件，以及揚聲器型振蕩元件，它們都具有可振蕩反射鏡。
美國專利No.4387297和美國專利No.4496831揭示了一種掃描部件，它包括用于在相對于電動機(jī)的輸出軸的相對圓周方向上往復(fù)振動反射器的電動機(jī)。美國專利No.4387297還揭示了一種五個雙壓電晶片的掃描部件。美國專利No.5099110揭示了一種節(jié)能掃描部件，其中通過釋放鉸鏈(hinge)中存儲的能量來振蕩掃描反射鏡。
光反射器不一定是單個平面反射鏡，而是如美國專利No.4760248中所述，可以是具有部分凹面和部分平面結(jié)構(gòu)的光學(xué)部件。如美國專利No.4496831所述，反射器可以在小于360°的交替圓周方向上沿弧長由電動機(jī)驅(qū)動，或者在不同結(jié)構(gòu)中，反射器可以完全繞軸旋轉(zhuǎn)，如美國專利No.4816661中所述。
在另一種不同結(jié)構(gòu)中，如美國專利No.5144120中所述，不用反射器來實現(xiàn)掃描動作，在所謂的“無反射鏡”設(shè)計中完全除去反射器，其中一個或多個其它讀取器部件彼此共同或分開地移動，以實現(xiàn)電動機(jī)驅(qū)動的往復(fù)掃描動作。其它讀取器部件包括例如激光二極管的光源部件，和/或例如聚焦透鏡的光學(xué)部件，和/或例如光電二極管的光電檢測器部件。
在所有上述掃描部件中，掃描率相對較低，約小于100Hz。為了將掃描率提升到350Hz到1200Hz的范圍，美國專利No.5412198揭示了一種共振不對稱掃描元件，其中借助永磁體和電磁線圈之間的磁場相互作用來振蕩掃描反射鏡。
本領(lǐng)域已知將永磁體或電磁線圈直接安裝于掃描反射鏡上，以形成磁驅(qū)動可振蕩反射鏡組件。還已知，將電極直接安裝于靜電驅(qū)動可振蕩反射鏡組件中的掃描反射鏡上。但是，這增加了可振蕩組件的質(zhì)量，從而需要更多電能來驅(qū)動組件并限制了掃描率。在由電池供電的手持型讀取器中，高電能需求減少了電池的工作壽命。此外，不限于讀取條形碼符號，存在期望超過1200Hz甚至以超過20kHz的不可聽頻率的高掃描率的許多應(yīng)用。
本發(fā)明的一個目的在于提升適用于電光讀取諸如條形碼符號的光代碼的技術(shù)發(fā)展水平。
本發(fā)明的另一個目的在于最小化這種讀取器的電功耗。
本發(fā)明的再一個目的在于提高這種讀取器的掃描率。
本發(fā)明的又一個目的在于提供低功耗、高掃描率的結(jié)構(gòu)，用于在不限于讀取光代碼的許多應(yīng)用中掃描光，用于在顯示表面上投影圖像，或者用于從目標(biāo)獲取圖像。
為了與以下將顯見的這些和其它目的一致，本發(fā)明的一個特點在于光掃描結(jié)構(gòu)和方法，其中活動框架支承可振蕩掃描元件，用于反射入射其上的光。沿鉸鏈軸延伸的鉸鏈連接于框架和掃描元件之間。慣性驅(qū)動器用于直接移動框架，以及通過慣性，用于間接振蕩掃描元件以掃描入射光。
根據(jù)本發(fā)明，掃描元件的質(zhì)量較低。不存在安裝于掃描元件上或與之連接的永磁體或電磁線圈或電極等的重量，因此，掃描元件能以超過1kHz且優(yōu)選在約20kHz以上的高掃描率自由移動。
在較佳實施例中，框架、鉸鏈和掃描元件制成為一體式結(jié)構(gòu)的硅基板，通常是平面的。掃描元件上優(yōu)選涂覆了鏡面涂層。框架優(yōu)選包圍掃描元件并在靜止位置中與其共面。掃描元件具有約150μ的厚度，且由于硅的高品質(zhì)(Q)因數(shù)，掃描元件具有期望的較低衰減特性。
通過慣性力實現(xiàn)掃描元件的振蕩。不直接驅(qū)動掃描元件。而是，直接驅(qū)動活動框架。在一個實施例中，框架可繞延伸通過掃描元件質(zhì)心的鉸鏈軸振蕩。在另一個實施例中，鉸鏈軸沿橫向與通過質(zhì)心的軸平行隔開，在這種情況中，在與橫向垂直的線性方向上移動框架將使掃描元件繞鉸鏈軸振蕩。
較佳地，由與框架操作連接的一個或多個壓電裝置制成慣性驅(qū)動器。在被電激勵時，每個裝置產(chǎn)生機(jī)械力。在一個特殊較佳實施例中，兩個壓電裝置在鉸鏈軸的相對位置處連接到框架。操作中，一個裝置在繞鉸鏈軸的一個圓周方向上推動框架一側(cè)，而另一個裝置同時在相反圓周方向上拉動框架的相對側(cè)。這些推拉力通過鉸鏈交替?zhèn)鬟f到掃描元件。因此，處于靜止?fàn)顟B(tài)的掃描元件開始接收來自移動框架的力，且掃描元件開始在與接收力相同的路徑和方向上移動。如果以掃描元件的共振頻率生成推拉力，則掃描元件以該頻率振蕩?？蚣芩璧囊苿恿颗c除以Q因數(shù)的掃描元件的期望移動量成比例。在較佳實施例中，框架擺動低于1μm，且掃描元件移動通過±8度機(jī)械弧。


圖1是電光讀取光代碼的手持讀取器的透視圖；圖2是圖1的讀取器中使用的光掃描結(jié)構(gòu)的較佳實施例的前透視圖；圖3是圖2實施例的后透視圖；圖4是圖2結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)的放大前視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的光掃描結(jié)構(gòu)的另一個實施例的示意圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的光掃描結(jié)構(gòu)的另一個實施例的示意圖；以及圖7是根據(jù)本發(fā)明的光掃描結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步實施例的示意圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在參考附圖，標(biāo)號10通常識別具有柱體11和把手12的手持槍形頭部。手動操作扳機(jī)13位于柱體11下把手12的上方前面部分之上。如通過上述專利已知的，光源部件(通常是激光器，但非必要)安裝于頭部10內(nèi)。光源部件沿通過窗口14向外延伸的發(fā)送路徑發(fā)出光束，所述窗口14面對所要讀取的標(biāo)記，例如條形碼符號。例如光電二極管的光電檢測器部件也安裝于頭部內(nèi)，其具有視場并用于采集經(jīng)過窗口14沿來自符號的返回路徑返回的反射光。
掃描部件安裝于頭部10內(nèi)，并用于掃描符號和/或光電檢測器的視場。掃描部件通常但非必要地包括設(shè)置于發(fā)送路徑和/或返回路徑中的至少一個掃描元件或光反射器。掃描元件由電驅(qū)動器在相對于軸的交替圓周方向上驅(qū)動。
光電檢測器生成電模擬信號，指示反射光的可變強(qiáng)度。該模擬信號由模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。根據(jù)一個實施例，該數(shù)字信號沿電纜15傳導(dǎo)到頭部10外部的解碼模塊16。解碼模塊16將數(shù)字信號解碼成描述符號的數(shù)據(jù)。通常為計算機(jī)的外部主機(jī)裝置17主要用作數(shù)據(jù)存儲裝置，其中存儲了解碼模塊16所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)用于后續(xù)處理。
在其它實施例中，解碼模塊16安裝于頭部內(nèi)，且板載存儲器用于存儲解碼信號，用于通過有線或無線連接的后續(xù)下載。
使用中，每次用戶希望讀取符號時，用戶將該頭部對準(zhǔn)符號并拉動扳機(jī)13以開始符號讀取。以一定的掃描率每秒將符號重復(fù)掃描多次。一旦成功解碼和讀取符號，掃描動作自動終止，從而使掃描儀能按其各自順序引導(dǎo)到要讀取的下一個符號。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖2-4，示出了用于電光讀取光代碼的圖1例示類型的系統(tǒng)中適于掃描光束和/或視場光掃描結(jié)構(gòu)20。結(jié)構(gòu)20包括可振蕩的掃描元件22，特別是平面鏡，用于反射入射其上的光。該光可以來自光源，用于反射要掃描和讀取的代碼，或者光可以來自視場上要掃描和成像的目標(biāo)。
結(jié)構(gòu)20還包括活動框架24，用于借助沿鉸鏈軸30延伸的鉸鏈支承掃描元件22。如圖4最佳示出的，鉸鏈包括掃描元件22的相對區(qū)域和框架的相對區(qū)域之間連接的一對共線鉸鏈部分26、28?？蚣?4不需要包圍掃描元件，如圖所示。
框架、鉸鏈部分和掃描元件被制成為約150μ厚的一體式硅基板，通常是平面的。蝕刻硅以形成Ω形的溝槽32和34，其具有上平行溝槽部分36和38，下平行溝槽部分40和42，以及U形中心溝槽部分44和46。鉸鏈部分26設(shè)置于溝槽部分36和38之間。鉸鏈部分28設(shè)置于溝槽部分40和42之間。掃描元件22優(yōu)選具有橢圓形并在溝槽部分44和46中自由移動。在較佳實施例中，沿橢圓形掃描元件的軸的尺寸測量為749μ×1600μ。每個鉸鏈部分的寬度為27μ，長度為1130μ?？蚣芫哂?100μ寬和4600μ長的矩形形狀。
慣性驅(qū)動器安裝于通常平面的印刷電路板48上，并用于直接移動框架，或通過慣性，繞鉸鏈軸30間接振蕩掃描元件22。慣性驅(qū)動器的一個實施例包括一對壓電換能器50和52，它們垂直于板48延伸并在鉸鏈部分26的任一側(cè)處與框架24的隔開部分接觸。粘合劑用于確保每個換能器一端和每個框架部分間的持久接觸。每個換能器的相對端突出板48的后部并通過線路54和56電連接到周期性交流電壓源(未示出)。
使用中，周期性信號將周期性驅(qū)動電壓施加到每個換能器，并使得各換能器在長度上交替伸展和收縮。當(dāng)換能器50延伸時，換能器52收縮，反之亦然，從而同步推拉隔開的框架部分并使框架繞鉸鏈軸30扭轉(zhuǎn)。驅(qū)動電壓的頻率對應(yīng)于掃描元件的共振頻率。掃描元件從其初始靜止位置移動，直到它以共振頻率繞鉸鏈軸振蕩為止。在較佳實施例中，框架和掃描元件約150μ厚，且掃描元件具有高Q因數(shù)。每個換能器約1μ的移動可引起超過20kHz掃描率的掃描元件的振蕩。
另一對壓電換能器60和62垂直于板48延伸并與鉸鏈部分28的任一處的框架24的隔開部分持久接觸。換能器60和62用作反饋裝置，監(jiān)控框架的振蕩移動并產(chǎn)生和引導(dǎo)電反饋信號沿著線路64和66到達(dá)反饋控制電路(未示出)。
盡管光反射離開掃描元件的外表面，期望用由金、銀、鋁等材料制成的鏡面涂層涂覆元件22的表面。
如上所述，鉸鏈軸30與延伸通過掃描元件質(zhì)心的對稱軸共線，從而形成在框架振蕩時振蕩的平衡的掃描元件。如圖5和6的示意圖所示，本發(fā)明還考慮重量不平衡的掃描元件22，其中鉸鏈軸30與延伸通過掃描元件質(zhì)心的對稱軸70隔開一橫向距離。圖5中，鉸鏈軸30與軸70水平隔開，而圖6中，鉸鏈軸30與軸70垂直隔開。如果圖5中的框架24在雙箭頭72的方向上垂直移動，則掃描元件22將繞鉸鏈軸30振蕩。如果圖6中的框架24在雙箭頭74的方向上水平移動，則掃描元件22將繞鉸鏈軸30振蕩。因此，圖5和6呈現(xiàn)出掃描元件甚至可通過框架的線性移動振蕩。
框架的移動不一定從壓電換能器獲得，而是可以采用其它驅(qū)動器。例如，圖7示出了靜電驅(qū)動器，其中電極76安裝于框架24上，另一個電極67安裝于板48上。間隔物82支持框架離開板48。通過使電極具有相反極性，就可以在雙箭頭80的方向上水平移動框架24，且掃描元件22按與結(jié)合圖6所述相類似的方式振蕩。也可使用磁驅(qū)動器。
這里所述的光掃描部件20并不限制涉及閱讀編碼標(biāo)記的應(yīng)用。另一種重要應(yīng)用在于圖像投影，其中在掃描線的光柵圖形中將光束掃描通過觀看表面，且其中沿每個掃描線，使光束僅在選定位置處可視?？蓞⒖?000年6月27日提交的美國專利申請09/604197和美國專利申請No.09/604197，其都轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人，其中描述了這種圖像投影顯示器的細(xì)節(jié)。
專利證書期望保護(hù)的由所附權(quán)利要求書聲明。
權(quán)利要求
1.一種光掃描結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括a)可振蕩掃描元件，用于反射入射到其上的光；b)活動框架，用于支承掃描元件；c)鉸鏈，沿鉸鏈軸延伸并連接于框架和掃描元件之間；以及d)慣性驅(qū)動器，用于直接移動框架，并通過慣性，用于繞鉸鏈軸間接振蕩掃描元件，以掃描入射光。
2.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，掃描元件、框架和鉸鏈?zhǔn)且惑w式的硅基板，通常是平面的。
3.如權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，掃描元件具有鏡面涂層。
4.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，鉸鏈包括沿鉸鏈軸延伸的兩個拉長的鉸鏈部分，每個鉸鏈部分都具有與框架相連的一端區(qū)域和與掃描元件相連的相對端區(qū)域。
5.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，框架包圍掃描元件并在結(jié)構(gòu)的靜止位置中與其共面。
6.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，掃描元件具有延伸通過掃描元件質(zhì)心的對稱軸，其中鉸鏈軸與該對稱軸共線，其中驅(qū)動器用于直接振蕩框架。
7.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，掃描元件具有延伸通過掃描元件質(zhì)心的對稱軸，其中鉸鏈軸沿橫向與對稱軸平行隔開，其中驅(qū)動器用于在與所述橫向垂直的驅(qū)動方向上直接線性移動框架。
8.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，驅(qū)動器用于以超過1kHz的頻率并在機(jī)械上以約±8°的弧距離振蕩掃描元件。
9.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，驅(qū)動器包括與框架連接的至少一個壓電裝置，用于在由周期性驅(qū)動信號電激勵時在繞鉸鏈軸的相反圓周方向上機(jī)械地移動框架。
10.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，驅(qū)動器包括在鉸鏈軸的相對側(cè)處與框架相連的一對壓電裝置，分別用于在由周期性驅(qū)動信號電激勵時在繞鉸鏈軸的相反圓周方向上對框架的相對側(cè)機(jī)械地進(jìn)行推拉。
11.一種光掃描方法，其特征在于，包括以下步驟a)反射入射到可振蕩掃描元件上的光；b)支承活動框架上的掃描元件；c)連接沿鉸鏈軸延伸并連接于框架和掃描元件之間的鉸鏈；以及d)直接移動框架，并通過慣性，繞鉸鏈軸間接振蕩掃描元件以掃描入射光。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，將掃描元件、框架和鉸鏈制成為一體式的硅基板，通常是平面的。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，用鏡面涂層涂覆掃描元件。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，掃描元件具有延伸通過掃描元件質(zhì)心的對稱軸，其中鉸鏈軸與對稱軸共線，且其中通過直接振蕩框架來進(jìn)行驅(qū)動步驟。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，掃描元件具有延伸通過掃描元件質(zhì)心的對稱軸，其中鉸鏈軸沿橫向與對稱軸平行隔開，且其中通過在與橫向垂直的驅(qū)動方向上直接線性移動框架來進(jìn)行驅(qū)動步驟。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，通過以超過1kHz的頻率并在機(jī)械上以約±8°的弧距離上振蕩掃描元件來進(jìn)行驅(qū)動步驟。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，將至少一個壓電裝置連接到框架，其中通過在由周期性的驅(qū)動信號電激勵時在繞鉸鏈軸的相反圓周方向上機(jī)械移動框架來進(jìn)行驅(qū)動步驟。
18.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，將一對壓電裝置連接到鉸鏈軸的相對側(cè)處的框架，其中通過在由周期性驅(qū)動信號電激勵時在繞鉸鏈軸的相反圓周方向上對框架的相對側(cè)分別進(jìn)行機(jī)械推拉來進(jìn)行驅(qū)動步驟。
全文摘要
一種光掃描結(jié)構(gòu)包括由慣性驅(qū)動器直接移動的框架，以便以高掃描率并以最小的電功耗振蕩由框架上的鉸鏈所支承的掃描元件。
文檔編號G06K7/10GK1759330SQ200480006678
公開日2006年4月12日 申請日期2004年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月13日
發(fā)明者F·F·伍德, D·亞威德 申請人:訊寶科技公司