DE69233592T2 - Elektrooptisches Abtastsystem - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Codescannvorrichtung zum Erzeugen einer Kreiselbewegung.
  • Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Scannvorrichtung, die nützlich ist, wo es wünschenswert ist, einen Bereich mit hochdichten Scannmustern abzudecken, die gedreht bzw. rotiert werden können, um Information darin abzulesen, ohne zunächst das abzulesende Material auszurichten.
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen ist die Erfindung zweckmäßig in Anwendungen in Fabriken oder an Verkaufspunkten oder in handgehaltenen Anwendungen, und zwar als Komponente von Informationserfassungsausrüstung und -systemen. Strichcode-Scannen, Lesen und Decodieren von gedruckten Codes und anderer Information und Mustererkennung sind einige der zweckmäßigen Anwendungen dieser Erfindung. Sie ist besonders geeignet, wo geringe Kosten, Kompaktheit, leichte Anbringung und geringes Gewicht gewünscht sind.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Das Gebiet des Strahl-Scannens zum Zweck der Erfassung von Information wächst schnell. Die kommerzielle Anwendung und Bedeutung des Strichcodelesens ist bekannt und wird nun höherentwickelt durch die Einführung zweidimensionaler Strichcodes; Code 49 ist ein Beispiel eines neuen Strichcode-Standards, der Information in einer zweidimensionalen Anordnung enthält. Bei Ansteigen der Informationsdichte wird das Scannen von dichten Scannmustern mit hoher Geschwindigkeit notwendig, um die Scannmuster schnell zu lesen.
  • Zusätzlich zum Strichcodelesen ist auch die Fähigkeit zum Lesen alphanumerischer Information von großem kommerziellen Wert. Andere Arten von codierter Information werden entwickelt, und Objekterkennung, die eine Scannende Ausleseeinrichtung erfordert, ist auch von kommerzieller Bedeutung.
  • Es ist ein bekanntes Problem, dass Strichcodes bezüglich der Strichcodeleseausrüstung an Ladenkassen ausgerichtet bzw. orientiert werden müssen. Jedoch ist automatisches Lesen der Information erforderlich in vielen Bereichen, wo es unpraktisch ist, dass Menschen die zu lesende Information ausrichten oder orientieren. Laufbänder, bei denen Strichcodeetiketten auf Fluggepäck gelesen werden müssen, sind ein solches Beispiel. Neben den fest angebrachten Scannern, die bei Förderbändern und unter der Verkaufstheke gefunden werden, sind heute auch handgehaltene Strichcodes populär. Ein üblicher tragbarer Scanner in Form eines Lesestifts mit ungefähr einem halben Zoll Durchmesser enthält eine Leuchtdiode (LED) und einen Fotodetektor (PD). Eine harte, transparente, sphärische Spitze wird in Kontakt mit dem zu lesenden Strichcode gebracht und wird über den Code gestrichen. Licht, das von der LED durch die sphärische Spitze übertragen wird, wird von dem Strichcode reflektiert und erzeugt eine modulierte Reflexion, die durch die Spitze übertragen wird, woraufhin sie von dem PD detektiert wird und als Information verarbeitet wird. Die Nachteile dieses Systems sind, dass es einen direkten Kontakt mit dem Code, eine gegenseitige Ausrichtung des Codes und der Überstreichrichtung über alle Striche des Codes hinweg und ein relativ ruckfreies Überstreichen erfordert.
  • Eine weitere Art von tragbarem Scanner verwendet einen Laser anstatt einer LED, um einen schmalen Lichtstrahl zu produzieren, und zwar über eine beträchtliche Entfernung im Bereich von wenigen Zoll bis einigen Fuß. In dieser Art von Scanner sind irgendwelche Mittel zum gleichförmigen Überstreichen des Lichtstrahls vorgesehen, üblicherweise indem es von einem beweglichen Spiegel reflektiert wird. Kostengünstige kleine Motoren wurden angepasst zum Oszillieren oder Drehen solcher Spiegel, was eine Überstreichung in im Wesentlichen einer geraden Linie ergab. Schrittmotoren sind für diese Funktion ziemlich populär geworden, aber diese besitzen die Neigung, dass sich der Strahl in einer ruckartigen Weise (nicht lineare Bewegung) bewegt. Nichtlineares Scannen erzeugt schlechte Decodierergebnisse.
  • Einige der besten tragbaren Laserscanner können Information in Entfernungen von mehreren Yard lesen und sind zweckmäßig zum Lesen von Strichcode-Etiketten, die außerhalb (menschlicher) Reichweite liegen. Aber diese Etiketten können wiederum mit zufälliger Ausrichtung befestigt sein, was es erfordert, dass der Verwender der Scannausrüstung den Scanner genau ausrichtet und zielt, um die Etiketten erfolgreich zu lesen.
  • Um diese Formen von Information zu lesen, ist es günstig, einen Lichtstrahl schnell über die zu lesende Information zu Scannen und gleichzeitig die Scannfläche mit einem dichten Scannmuster abzudecken, das aus vielen, eng beabstandeten Linien besteht. Eine Scannlinie besteht typischerweise aus einem sich schnell bewegenden, von einem Laser erzeugten Punkt. Durch Scannen unter vielen verschiedenen Winkeln gleichzeitig oder in schneller Folge wird die Wahrscheinlichkeit des erfolgreichen Lesens zufällig orientierter codierter Information derart verbessert, dass der Prozess kein lästiges Zielen erfordert.
  • Im Allgemeinen wird zum Erhalt von Information von einem gescannten Objekt Licht auf das Objekt gerichtet und mit einer bekannten Rate bzw. Geschwindigkeit darüber hinweggestrichen. Wenn dieses Licht von dem Objekt zurückreflektiert oder -gestreut wird, ändert sich seine Intensität bei Beobachtung von einem bestimmten Standpunkt aus. Dieses gestreute Licht, das von dem Objekt zurückkommt, ist im Wesentlichen amplitudenmodelliert durch die Absorption und Reflexion von der Oberfläche des Objekts und enthält somit räumliche Information über das Objekt. Dieses informationstragende Signal kann detektiert und decodiert oder interpretiert werden basierend auf der bekannten Richtung und Geschwindigkeit des gescannten Punkts.
  • Zahlreiche Patente beschreiben Verfahren zum Erzeugen multipler Scannlinien verschiedener Ausrichtungen und Arten, aber es sind keine zur Erzeugung von diesen mit nur einer einzigen optischen Komponente, wie beispielsweise einem Spiegel, und nur einem bewegenden Teil bekannt. Darüber hinaus sind die meisten Vorrichtungen zum Erzeugen von Scannmustern am besten dafür geeignet, um nur eine Art von Muster zur erzeugen, und bedeutende Konstruktionsänderungen sind erforderlich, um unterschiedliche Scannmuster zu erzeugen. Ferner erreicht keines der bekannten Verfahren zum Erzeugen von multiplen Hochgeschwindigkeitsscannlinien bei signifikanten Scannwinkeln dieses Ergebnis mit einer einzelnen unabhängigen Miniaturkomponente flacher Bauform, wobei die einzige Ausrichtung die erforderlich ist, das Reflektieren eines Strahls von ihrem Spiegel ist.
  • Obwohl einige Vorrichtungen Spiegel verwenden, die auf einem drehenden Motor als einer Komponente zum Erzeugen einer Strahlenbewegung angebracht sind, sind keine so kompakt und empfänglich für das Verstauen in Räumen, die so klein sind wie bei der vorliegenden Erfindung, noch sind irgendwelche bekannt, die imstande sind, derartig hoch entwickelte Scannfunktionen wie beispielsweise sich drehender Raster oder sich drehender Lissajous-Figuren zu erzeugen.
  • Andere Scanneinrichtungen können zahlreiche Hologramme auf einer Platte verwenden, die Linsen mit verschiedenen Brennweiten imitieren, um einen Strahl in verschiedenen Abständen bzw. Entfernungen zu fokussieren, um dadurch die Tiefenschärfe zu erhöhen. Gleichzeitig wird die Platte durch einen Motor gedreht, was bewirkt, dass der Strahl gescannt wird. US-Patent Nr. 4,794,237 beschreibt eine solche Einrichtung. US-Patent Nr. 4,639,070 beschreibt eine Vielzahl von drehenden Hologrammen, Spiegeln, Prismen und Zahnradsystemen, um Überstreichungen verschiedener Winkel und Drehungen zu erreichen. Separate Konstruktionen mit verschiedenen, mehrfachen Kombinationen dieser Teile sind erforderlich, um unterschiedliche Muster zu erzeugen.
  • Im US-Patent Nr. 4,387,297 werden individuelle Schrittmotoren verwendet, wobei Spiegel an ihren Wellen befestigt sind und orthogonal positioniert sind, so dass ein Laserstrahl an jedem Spiegel aufeinanderfolgend reflektiert wird, was die Erzeugung eines Rastermusters oder von Lissajous-Figuren ermöglicht, aber diese können nicht gedreht werden, außer wenn das gesamte Produkt gedreht wird.
  • US-Patent Nr. 4,797,551 beschreibt ein Verfahren zum Erzeugen von neun feststehenden Scannlinien, die in Gruppen von drei parallelen Linien in drei verschiedenen Winkeln angeordnet sind, aber das optische System ist kompliziert mit vielen Spiegeln, die alle sorgfältig mit vielen Teilen ausgerichtet sind, und es ist so groß, dass es für handgehaltene Anwendungen nicht praktisch wäre.
  • US-Patent Nr. 4,041,322 beschreibt die Erzeugung von Mehrphasenmustern, die wie Sinuswellen aussehen, die alle bezüglich einander phasenverschoben sind. Jedoch erfordert dies auch mehrere Spiegel, die auf einem sich drehenden Polygon angebracht sind, sowie einen oszillierenden bzw. hin- und herschwingenden Spiegel. Diese Einrichtung kann die Scannmuster nicht drehen und sie ist auch nicht ausreichend tragbar für praktische, handgehaltene Anwendungen oder zur Anbringung bei begrenztem Raum.
  • US-Patent Nr. 4,794,237 beschreibt einen holographischen Mehr-Richtungs-Scanner, der Scannlinien unter vielen Winkeln erzeugen kann. Dies erfordert jedoch bis zu fünf Spiegel und zahlreiche Hologramme, die alle auf einer Scheibe angebracht sind, die von einem Motor gedreht wird.
  • US-Patent Nr. 4,409,469 beschreibt eine Scanneinrichtung, die einen Spiegel umfasst, welcher auf einem Keil angebracht ist. Der Keil wird durch einen Motor gedreht, was bewirkt, dass ein davon reflektierter Strahl von mehreren Spiegeln reflektiert wird, die in einem Kreis um den sich drehenden Spiegel angebracht sind.
  • Keine der bekannten zweidimensionalen Scannvorrichtungen kann multiple Scannlinien bei unterschiedlichen Ausrichtungen mit nur einem Spiegel erzeugen, keine sind Einzelkomponentenobjekte, keine besitzen eine große Palette an möglichen Scannmustern während sind gleichzeitig praktisch für die Anbringung in einem dünnen röhrenförmigen Gehäuse sind, das klein genug ist, um in einer Hand einer Person gehalten zu werden, und keine besitzt eine einzelne Strahlformungsvorrichtung, die imstande ist, einen Scannpunkt von im Wesentlichen der gleichen kleinen Größe über große Entfernungen hinweg zu erzeugen.
  • JP-60 171 167 bezieht sich auf eine Tragestruktur für ein bewegliches Stück insbesondere eines Druckkopfes eines Matrixdruckers. Die Struktur ist imstande, die Druckqualität durch integrales Formen eines plattenförmigen Anbringungsteils, eines wellenförmigen Torsionfederteils, eines plattenförmigen Halteteils und eines elastischen Glieds mit einem sicher betätigten beweglichen Stück zu verbessern, das durch einen Magnet rotiert, der an dem Anbringungsteil befestigt ist. Wenn eine Spule mit Strom versorgt wird, wird ein Kern erregt und sein Magnet zieht ein bewegliches Stück an. Dann rotiert das bewegliche Stück gegen die Elastizität eines Torsionsfederteils eines elastischen Glieds, das um den Torsionsfederteil herum zentriert ist, und trifft auf eine Stoppvorrichtung. Ein Draht ragt ein Stück heraus, wobei er durch eine Zwischenführung und eine obere Führung geführt wird, um das Drucken auszuführen. Nach der Vollendung des Druckens wird, wenn die Spule ent-erregt bzw. abgeschaltet ist, das bewegliche Stück durch die Elastizität der Torsionsfeder in seine Ausgangsposition zurückgebracht.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist ein Ziel dieser Erfindung eine verbesserte optische Codescannvorrichtung zum Erzeugen einer Kreiselbewegung vorzusehen.
  • Gemäß dem vorangehenden Ziel sieht die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 vor. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können den abhängigen Ansprüchen entnommen werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Zeichnung der Hauptkomponente des Scannsystems.
  • 2 ist eine Explosionsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Scannkopfes.
  • 3 ist eine Darstellung einer Spule und eines Kerns, die die Kreiselbewegung zeigt, welche von einem Scannkopf erzeugt wird.
  • 4 ist eine genauere Explosionsansicht des ersten Ausführungsbeispiels und zeigt die Kernaufhängung in größerer Einzelheit.
  • 5 ist eine Explosionsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Scannkopfes, welcher Kreisen in zwei senkrechten Richtungen gestattet.
  • 6 zeigt einen Scannkopf gemäß der Erfindung, welcher auf einem Motor angebracht ist zum Erzeugen von drehenden Scannmustern.
  • 7 zeigt einen Scannkopf gemäß der Erfindung, welcher für das feste Anbringen angepasst ist und der eine modifizierte Aufhängung umfasst.
  • 8 zeigt einen Scannkopf gemäß der vorliegenden Erfindung, der eine modifizierte Aufhängung umfasst und geeignet ist, auf einer Motorwelle zur Drehung angebracht zu werden.
  • 9 ist eine teilweise weggeschnittene Ansicht eines Scannsystems gemäß der vorliegenden Erfindung, das in einem taschenlampenartigen Gehäuse angebracht ist.
  • 10a ist eine Darstellung einer Person, die einen handgehaltenen Scanner gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, um zufällig orientierte Information zu Scannen.
  • 10b ist eine weggeschnittene Ansicht eines handgehaltenen Scanners mit eigener Energieversorgung und mit Mitteln zur drahtlosen Kommunikation der gescannten Information zu einer entfernten Stelle.
  • 10c ist eine teilweise weggeschnittene Ansicht eines handgehaltenen Scanners, der Leistung von einer entfernten Stelle über ein Kabel empfängt und der gescannte Information an die entfernte Stelle über das Kabel kommuniziert.
  • 11a ist eine teilweise weggeschnittene, perspektivische Ansicht eines Lichtkollektors.
  • 11b ist eine Darstellung eines Scannsystems einschließlich des neuartigen Lichtkollektors von 11a.
  • 12a bis 12f zeigen verschiedene Scannmuster, die mit den Scannsystemen gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt werden können.
  • 13 zeigt Mittel zum flexiblen Anbringen eines Scannkopfes.
  • 14 zeigt ein Verkaufspunktsystem unter Verwendung eines an der Decke angebrachten Scannsystems.
  • 15 zeigt ein Strahlformsystem zum Erzeugen eines schmalen Strahls nahe des Scanners, welcher nach einem gewissen Abstand von dem Scanner schnell divergiert.
  • 16 ist ein Querschnitt eines elektrischen Fokussiersystems.
  • 17 ist ein schematisches Diagramm, das die allgemeinen Merkmale eines drehenden Scannkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 18a bis 18c sind Darstellungen von Aufhängungsfedern, die in den Scannköpfen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
  • 19 ist eine Explosionsdarstellung eines dritten kreisenden Scannkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung, welcher eine kreisende Spule verwendet.
  • 20 ist eine Explosionsdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines Scannkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung, welcher eine kreisende Spule und einen magnetischen Rahmen verwendet.
  • Genaue Beschreibung der Erfindung
  • 1 ist eine schematische Zeichnung der Hauptkomponenten eines Scannsystems gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt ist, umfasst das System ein Datenerfassungssystem 11 mittels optischen Scannens, das erfasste Daten über einen Kommunikationskanal an ein Datenverarbeitungssystem 19 kommuniziert, welches die erfassten Daten verarbeitet, je nach dem wie es durch die Anwendung erforderlich ist. Diese Subsysteme können physisch integriert oder getrennt sein; beispielsweise können bestimmte Verkaufspunktsysteme ein eigenständiges System unter einer Verkaufstheke verwenden, wohingegen andere derartige Systeme ein handgehaltenes Datenerfassungssystem umfassen, das mit einem Verkaufspunkt-Terminal verbunden ist.
  • Das Datenerfassungssystem 11 umfasst eine Lichtquelle, wie beispielsweise einen Halbleiterlaser 13, der von einer Laserleistungsversorgung 17 betrieben wird. Die Lichtquelle erzeugt einen Lichtstrahl, der in einem optischen System 10 geformt und fokussiert wird. Der Brennpunkt des optischen Systems 10 kann verändert werden durch ein Steuerelement 18, beispielsweise um den Strahl automatisch zu fokussieren. Der geformte Strahl von dem Fokussierelement 10 wird auf ein optisches Element, wie beispielsweise einen Spiegel 9, gerichtet, das den Strahl 27 zu einer bei 12 angeordneten Zielfläche umleitet. Der Strahl wird von dem optischen System 10 derart geformt und fokussiert, dass der Punkt einen ausreichend kleinen Durchmesser besitzt, wenn er auf das zu Scannende Ziel auftrifft, um die darin enthaltene Information aufzulösen. Die Position und Bewegung des Spiegels 9 wird durch eine Einrichtung kontrolliert, die typischerweise als ein "Scannkopf" bezeichnet wird, um das gewünschte Scannmuster des Strahls 27 an der Stelle 12 zu erzeugen. Der Scannkopf 14 wird angetrieben durch eine Scannkopf-Leistungsversorgungs- und -Steuereinheit 7, die typischerweise einen Wellenformgenerator umfasst. Eine Öffnung 25 kann vorgesehen sein, um unerwünschte, nichtlineare Ränder des Scannmusters abzuschneiden. Die Scannkopf-Leistungsversorgungs- und -Steuereinheit 7 kann mehr als einen Satz unabhängiger Wellenformen erzeugen, um den Scannkopf 14 anzutreiben, um eine Bewegung des Spiegels in unabhängigen Dimensionen zu erzeugen, was die Erzeugung von gewünschten, zweidimensionalen Scannmustern ermöglicht. Ein Motor 24, der mit dem Scannkopf 14 mechanisch gekoppelt ist und mit der Motor-Leistungsversorgungs- und -Steuereinheit 8 elektrisch gekoppelt ist, kann vorgesehen sein, um eine Orientierung oder Drehung des Scannkopfes 14 zu gestatten, und um dadurch das von dem System erzeugte Scannmuster zu positionieren, zu drehen und/oder zittern bzw. hin- und herbewegen zu lassen. Licht von dem Zielbereich wird an einen foto-elektrischen Wandler geliefert, der die Lichtsignale in elektrische Signale mit einer gewünschten Form zur weiteren Verarbeitung umwandelt. In 1 weist der foto-elektrische Wandler einen Lichtdetektor 3, einen Verstärker 4, einen Digitalisierer 5 und einen Puffer 20 auf. Ein Lichtdetektor 3, wie beispielsweise eine Fotodiode, wandelt das gesammelte Licht in elektrische Signale um, die typischerweise durch den Verstärker 4 verstärkt werden und dann durch den Digitalisierer 5 digitalisiert werden, was sie geeignet macht zur digitalen Verarbeitung. Ein Signalpuffer 20 kann verwendet werden, um Information von dem Digitalisierer 5 zu speichern, so dass sie mit einer geeigneten Rate an eine Informationsverarbeitungseinrichtung 16, wie beispielsweise einen Computer, im Datenverarbeitungssystem 19 übertragen werden kann.
  • Ein Lichtkollektor oder -konzentrierer 1 kann vorgesehen sein zum Sammeln und Konzentrieren des diffus reflektierten Lichts von dem gescannten Ziel bei 12 auf den Lichtdetektor 3, und das gesammelte Licht geht typischerweise durch einen Filter 2 hindurch, um unerwünschtes Umgebungs- und Streulicht zu entfernen, das nicht die Wellenlänge besitzt, die von der Lichtquelle 13 erzeugt wird. Der Lichtkollektor 1 kann derart aufgebaut sein, dass er aus einem Material besteht, welches das diffus reflektierte Lichtsignal filtert, welches Information trägt, um dadurch den Bedarf für eine körperlich getrennte Filterkomponente zu beseitigen.
  • 1 zeigt zwei Alternativen, die verwendet werden können zum Übertragen von Information zwischen den Datenerfassungs- und Datenverarbeitungsteilen des Abtastsystems. Eine Alternative ist ein solider oder geschlossener Kommunikationskanal 29, wie beispielsweise ein Kabel, das elektrische Leiter oder optische Fasern aufweist. Ein solcher Kanal kann verwendet werden, und zwar zusammen mit jeglicher notwendiger Signalumwandlungselektronik, wo ein elektrisches oder optisches Kabel zwischen dem Datenverarbeitungssystem 19 und dem optischen Datenerfassungssystem 11 kein wesentlicher Nachteil ist. In vielen Fällen jedoch wird es zweckmäßig sein, ein tragbares oder anderweitig entfernt gelegenes Datenerfassungssystem 11 über drahtlose Mittel mit dem Datenverarbeitungssystem 19 kommunizieren zu lassen. Um eine solche Kommunikation zu erleichtern, können Sender 6 und 23 mit Empfängern 15 und 22 kommunizieren, und zwar über einen HF-, Infrarot-, Ultraschall- oder anderen derartigen drahtlosen Kommunikationskanal.
  • Eine Steuereinrichtung oder ein Controller 21 kann vorgesehen sein, um die Elemente des Abtastdatenerfassungssystems zu steuern, beispielsweise durch Ein- und Ausschalten der Laserleistungsversorgung 17, durch Einstellen der Brennweite des optischen Systems 10, durch Steuern des Motorantriebs 8 und des Scannantriebs 7. Die Steuereinrichtung 21 kann auch Information von dem Datenverarbeitungssystem 19 über einen Empfänger 22 empfangen, um die Scann-sequenz einzuleiten, fortzusetzen und zu stoppen.
  • 17 ist ein schematisches Diagramm, das die allgemeinen Merkmale einer drehenden Scannkomponente oder eines Scannkopfes gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Scannkopf ist in der Lage, ein optisches Element 524 derart zu bewegen, dass ein auftreffender Strahl, welcher von einer feststehenden Lichtquelle auf das optische Element gerichtet ist, umgelenkt wird, um einen positionierbaren Punkt oder einen bewegten Punkt, d.h. eine Scannlinie, in einem Zielbereich vorzusehen. Typischerweise ist das optische Element 524 ein flacher Spiegel, kann aber auch andere Arten reflektierender Elemente oder brechender Elemente umfassen. Eine elektromagnetische Quelle 504 ist vorgesehen, die mechanisch mit einem Rahmen 500 gekoppelt ist über eine Aufhängung, die Aufhängungsglieder 514 und 516 aufweist, und durch Befestigungsglieder 506 und 508, die an der Quelle 504 befestigt sind. Wie sie hier verwendet wird, ist eine elektromagnetische Quelle eine Einrichtung, die ein elektrisches und/oder magnetisches Feld erzeugt und die in der Lage ist, mit einem elektrischen und/oder magnetischen Feld in Wechselwirkung zu treten, welches von einer anderen Einrichtung erzeugt wird, um eine Kraft zwischen den Einrichtungen vorzusehen. Solche Quellen umfassen Permanentmagnete und Leiter, wie beispielsweise Spulen, die einen Strom führen. Befestigungsglieder 506 und 508 können separate, physische Komponenten sein, oder sie können als integrale Teile der Quelle 504 hergestellt sein. Die Quelle 504 und die Befestigungsglieder 506 und 508 bilden eine Anordnung 502, die hier als kreisendes Glied oder Kreisel bezeichnet werden, und zwar wegen ihrer Bewegung, wie nachfolgend beschrieben wird, und die in speziellen Ausführungsbeispielen als eine Kernanordnung bezeichnet werden können, wenn die elektromagnetische Quelle 504 als ein magnetischer Kern ausgeführt ist.
  • Die Aufhängungsglieder 514 und 516 sind mit dem kreisenden Glied 502 an Befestigungspunkten oder -stellen 510 bzw. 512 gekoppelt. Die Befestigungspunkte 510 und 512 definieren eine Achse, die in 17 als die Z-Achse bezeichnet ist. Die Aufhängungsglieder 514 und 516 tragen den Kreisel 502, so dass die Z-Achse eine bestimmte Orientierung bezüglich des Rahmens 500 besitzt in Abwesenheit einer elektromagnetischen Kraft auf die Quelle 504, d.h. eine Gleichgewichtsorientierung und eine Gleichgewichtspositionierung der Befestigungspunkte 510 und 512. Mindestens eines der Aufhängungsglieder, nämlich das Glied 516, ist elastisch; das heißt, wenn der Befestigungspunkt 512 aus seiner Gleichgewichtsposition versetzt wird, sieht das Aufhängungsglied 516 eine Rückstellkraft vor, die den Befestigungspunkt 512 zu seiner Gleichgewichtsposition hindrängt. Das Aufhängungsglied 514 kann den Befestigungspunkt 510 fest an seiner Gleichgewichtsposition halten, oder es kann elastisch sein, wie es oben mit Bezug auf das Aufhängungsglied 516 beschrieben wurde. Somit gestatten die Aufhängungsglieder 514 und 516, dass die Kernanordnung 502, oder zumindest ein Teil davon, sich in mindestens einer Richtung senkrecht zu der Z-Achse bewegt, beispielsweise in den gezeigten X- oder Y-Richtungen. Eine solche Bewegung erfolgt in einem Kreisbogen um eine Drehmitte auf der Z-Achse, wobei die Mitte durch die Aufhängung bestimmt ist. Wenn beispielsweise das Aufhängungsglied 514 den Befestigungspunkt 510 bezüglich des Rahmens 500 festgelegt hält, werden alle anderen Punkte außer 510, die sich auf der Kernanordnung 502 oder fest gekoppelt damit befinden, sich in Kreisbogen bewegen, die auf dem Befestigungspunkt 510 zentriert sind. Wenn die Aufhängungen 514 und 516 in gleicher Weise elastisch sind, können sich alle Punkte auf dem drehenden Glied 502 in Kreisbogen bewegen, welche auf einem Punkt in der Mitte zwischen den Befestigungsstellen 510 und 512 zentriert sind.
  • Für Punkte auf der Z-Achse ist eine solche Bewegung senkrecht zu der Z-Achse und besitzt Komponenten in den angezeigten X- und/oder Y-Richtungen. Eine solche Bewegung in einem Kreisbogen um einen Punkt auf der Z-Achse wird hierin als "Kreiselbewegung" bezeichnet, ein Glied, das eine solche Bewegung ausführt, wird als "Kreisel" und die Z-Achse wird als die Kreiselachse des Kreisels bezeichnet. Eine solche Kreiselbewegung muss hier unterschieden werden von einer Drehung um die Z-Achse. Wie man sehen wird, sehen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung eine solche Drehung um die Z-Achse zusätzlich zur Kreiselbewegung vor oder gestatten diese. Eine Kreiselbewegung der Kernanordnung 502 kann nur in einer einzigen Richtung auftreten, wie beispielsweise der X-Richtung, oder sie kann Komponenten in zwei senkrechten Richtungen X und Y besitzen. Anhand einer Analogie mit aeronautischer Terminologie ist eine Drehung um die Z-Achse analog zu Rollen, und eine Kreiselbewegung in der X- oder Y-Richtung ist analog zu Nicken oder Gieren.
  • Während die oben beschriebene Aufhängung eine Kreiselbewegung gestattet, erfordert ein funktionsfähiger Scannkopf ferner Mittel zum Anlegen einer Kraft an die Kernanordnung, um diese aus ihrer Gleichgewichtsposition zu bewegen, um eine Kreiselbewegung einzuleiten. In dem verallgemeinerten Diagramm von 17 wird eine solche Kraft angelegt durch eine Wechselwirkung 520 der elektromagnetischen Quelle 504 der Kernanordnung und der elektromagnetischen Quelle 518, die mit dem Rahmen 500 gekoppelt ist.
  • Typischerweise wird eine der elektromagnetischen Quellen einen oder mehrere Permanentmagnete aufweisen, und die andere Quelle wird eine oder mehrere Spulen aufweisen, die erregt werden können durch einen steuerbaren elektrischen Strom, um ein steuerbares Magnetfeld zu erzeugen und infolgedessen eine steuerbare Kraft auf den Kreisel 502 zu erzeugen. Jedoch kann es zweckmäßig sein, solche Spulen in beiden Quellen zu verwenden. In bestimmten Ausführungsbeispielen des verallgemeinerten Systems, das nachfolgend beschrieben wird, weist die feststehende Quelle 518 eine Spule auf und die sich bewegende Quelle 504 der Kernanordnung 502 weist einen Permanentmagneten auf. Jedoch sind diese in einem anderen Ausführungsbeispiel ausgetauscht, um ein System mit beweglicher Spule vorzusehen.
  • Die von den elektromagnetischen Quellen 504 und 518 erzeugten Felder können eine Vielzahl von Orientierungen bezüglich des Rahmens 500, bezüglich der Z-Achse und bezüglich einander besitzen. Alles, was für solche Quellen zum Zwecke dieser Erfindung notwendig ist, ist, dass sie miteinander in Wechselwirkung stehen, um den Kreisel 502 aus seiner Gleichgewichtsposition zu bewegen, um eine Kreiselbewegung des Kreisels zu induzieren.
  • 17 zeigt das optische Element 524, wie es entlang der Z-Achse anhand einer Spiegelfestigung 522 mit dem Kreisel 502 gekoppelt ist. Während eine solche Orientierung in den nachfolgend beschriebenen, speziellen Ausführungsbeispielen verwendet wird, ist sie kein Erfordernis der Erfindung. Ein optisches Element, das an irgendeiner Stelle mit dem Kreisel 502 gekoppelt ist, wird zumindest eine Winkelversetzung während der Kreiselbewegung ausführen, die eine Änderung des Winkels ergibt, unter dem der auftreffende Lichtstrahl umgeleitet wird, und wird dadurch eine Positionierung oder Scannen des Strahls vorsehen.
  • 17 zeigt die elektromagnetische Quelle 504 angeordnet zwischen den Befestigungspunkten 510 und 512. Während diese Anordnung in den nachfolgend beschriebenen, bevorzugten Ausführungsbeispielen verwendet wird und einen kompakten Scannkopf vorsieht, was häufig zweckmäßig ist, ist es auch möglich, die elektromagnetische Quelle 504 auf andere Weise anzubringen, beispielsweise anhand eines Auslegers oder Hebels.
  • Es sollte verstanden werden, dass 17 sehr schematisch ist, und es ist nicht beabsichtigt, dass sie die physischen Formen von Elementen repräsentiert, die die angezeigten Funktionen ausführen. Beispielsweise sind die Aufhängungen in 17 aus Gründen der Einfachheit als langgestreckte Glieder dargestellt, und während ein System tatsächlich mit solchen Aufhängungen konstruiert werden könnte, sind die bevorzugten Ausführungsbeispiele radial symmetrisch und verwenden radial symmetrische Aufhängungsglieder wie beispielsweise Spiralfedern.
  • Erstes Ausführungsbeispiel eines Scannkopfes
  • Die 2 bis 4 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines kreisenden Scannkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung. 2 zeigt eine Explosionsansicht eines Ausführungsbeispiels einer Scannkomponente einschließlich eines ersten Ausführungsbeispiels eines kreisenden Scannkopfes 99 und Mittel zum Drehen des Scannkopfes und zur Herstellung einer elektrischen Verbindung damit. Ein Kreisel umfasst einen Spiegel 30, der anhand einer Spiegelbefestigung 31 an einer Magnetkernanordnung einschließlich eines Magneten 85 befestigt ist. Die Richtung der Magnetisierung des Magneten 85 ist in der Richtung des Teils 82, wobei diese Richtung als seine magnetische Achse bezeichnet werden kann. Die Magnetkernanordnung ist an beiden Enden benachbart des Rahmens 46 durch elastische Aufhängungsmittel flexibel aufgehängt. Jede Aufhängung kann eine oder mehrere flache Spiralfedern 32 und 47 mit mehreren Spiralarmen aufweisen. Die Federn 32 und 47 können aus einem geeigneten Metall, wie beispielsweise Beryllium-Kupfer hergestellt sein, wenn große Steifigkeit erforderlich ist für Hochfrequenzbetrieb. Die Federn 32 und 47 sind konstruiert, so dass sie nicht über ihre Zugfestigkeit oder Streckgrenze hinaus belastet werden, wenn sie die Ausschläge und Vibrationen ausführen, die von ihnen gefordert werden. Befestigungsglieder 84 und 86, die an dem Magneten 85 befestigt sind, stehen mit den Federn 32 und 47 in Eingriff, um die Kernanordnung 84, 85, 86 mit den Aufhängungen zu koppeln.
  • Eine Spule 81 umgibt den Magnetkern 85, wobei die Spule aus praktischen Gründen auf einen Kunststoffspulenkern 80 gewickelt sein kann. Die Spule 81 ist von einem Rahmen 46 umgeben, der vorzugsweise magnetisch leitend ist, d.h. mit einer hohen Permeabilität. Eisen ist ein geeignetes Material für den Rahmen 46. Ein magnetisch leitender Rahmen 46 dient als ein effizienter Rückkehrpfad für das von dem Magnetkern 85 erzeugte Magnetfeld sowie als Rahmenmittel zum Tragen der Aufhängung und des Kreisels. Dieser effiziente Rückkehrpfad vermindert die Leistung, die notwendig ist zum Betrieb der Einrichtung und gestattet Betrieb bei geringen Spulenstrompegeln. Während separate Elemente für den Rahmen und für den magnetischen Rückkehrpfad verwendet werden könnten, wird bevorzugt, ein magnetisch leitendes Glied zu verwenden, um beide Funktionen zu erfüllen.
  • An dem Ende der Kernaufhängung, das dem Ende mit dem Spiegel gegenüberliegt, ist eine leitende Metallendkappe 90 angeordnet, an der einer der Spulenleitungsdrähte 82 in praktischen Weise befestigt werden kann, vorzugsweise die Masseleitung. Eine elektrisch leitende Bürste 93a steht in elektrischem Kontakt mit dem entfernten Ende des Endkappenhalses 91, um als Strompfad zu dem Spulendraht 82a zu wirken. Ein isolierender Abstandhalter 92 ist auch auf dem Endkappenhals 91 angeordnet, wobei ein leitender Ring 94 (Kommutator) über dem Abstandshalter gepasst ist. Ein zweiter Leitungsdraht 82b von der Spule 81 ist an dem Kommutator-Ring 94 befestigt, und eine zweite Bürste 93b stellt einen elektrischen Kontakt mit diesem Ring her. Beide Bürsten 93a und 93b werden durch einen elektrisch isolierenden Bürstenhalter 95 gehalten, der durch Schrauben an einem kleinen Motor 98 befestigt sein kann.
  • Die oben beschriebene Scannkopfanordnung 99 ist durch den Hals 91 der Endkappe 90 an einer Motorwelle 97 des Motors 98 befestigt, so dass sie gedreht werden kann. Während sie sich dreht, kann Strom an die Spule 81 angelegt werden, und zwar über die Bürsten 93a und 93b.
  • Linienscann-Betriebsart des ersten Scannkopf-Ausführungsbeispiels
  • Der Drehbetrieb des Scannkopfes von 2 kann beschrieben werden bei Bezugnahme auf die 3 und 4. Die Spule 101 weist Drahtwindungen auf in der allgemeinen Form einer zylindrischen Schale um die Z-Achse. Ein Magnet 102, der vorzugsweise zylindrisch ist, ist innerhalb der Spule 101 angeordnet, wobei seine magnetische Achse 103 allgemein senkrecht zu der Z-Achse ausgerichtet ist. Wenn ein Gleichstrom in die Spule 101 eingeführt wird, wird ein Spulenmagnetfeld in der Richtung der Z-Achse erzeugt. Das Feld 105 von dem magnetisierten Kern 102 wird mit dem Spulenstrom und -feld in Wechselwirkung treten, was eine Drehmomentkraft zwischen der Spule und dem Kern bewirkt. Diese Kraft drängt den Magnetkern 102 zum Kippen in einer Richtung 104 senkrecht zu der Z-Achse, und zwar durch Drehung um eine Achse, die senkrecht ist sowohl zu der Z-Achse als auch zu der magnetischen Achse 103.
  • Bezugnehmend auf 4 dient eine Federaufhängung, die aus den Federn 32 und 47 besteht und mit dem Rahmen 46 gekoppelt ist und den Magnetkern 85 innerhalb des Rahmens 46 und der Spule 81 trägt, dazu, dieser Kippbewegung entgegen zu wirken. Wenn der Strom abgeschaltet wird, wird die Federaufhängung dem Kern in seine normale Gleichgewichtsposition zurückbringen. Wenn ein Strom mit umgekehrter Polarität in die Spule eingeführt wird, wird das Kippen des Kerns in ähnlicher Weise in der entgegengesetzten Richtung erfolgen.
  • Durch Einführen eines Wechselstroms mit einer bestimmten Frequenz in die Spule, wird die Kippwirkung oder Drehschwingung des Kerns bei dieser Frequenz auftreten. Dies bewirkt, dass der an dem Magnetkern 85 befestigte Spiegel schwingt, so dass, wenn ein Lichtstrahl von dem oszillierenden bzw. schwingenden Spiegel reflektiert wird, eine gerade Linienüberstreichung bzw. Scannen in einer geraden Linie erzeugt wird. Wegen der Symmetrie des gerade beschriebenen magnetischen Systems und der linearen Natur der Feder ist dieses System nicht anfällig auf die Erzeugung ruckartiger Scannbewegung. Tatsächlich ist die Bewegung des Kerns im Wesentlichen linear oder im Wesentlichen proportional zu dem Strom in der Spule.
  • Bezugnehmend auf 2 ist ersichtlich, dass wenn der Motor 98 dazu gebracht wird, die an seiner Welle 97 befestigte Vorderenden-Scannanordnung 99 zu drehen, die Orientierung der Scannlinie verändert werden kann, von horizontal zu vertikal oder in jegliche beliebige Orientierung. Durch geeignete automatische Steuerungen kann eine solche Orientierung eingestellt werden zur Verwendung beispielsweise an einem Fließband, wo die Scannanforderungen sich für unterschiedliche Gegenstände ändern können. Ein Schrittmotor ist ideal zum Erzeugen und Steuern solcher Orientierungen des Scannkopfes 99 und seines sich ergebenden Musters, sei es ein Linienmuster oder ein irgendein anderes Muster.
  • Zweites Ausführungsbeispiel eines Scannkopfes mit zwei unabhängig steuerbaren Bewegungsgraden
  • Bezugnehmend nun auf 5 ist dort eine Explosionsansicht eines modifizierten Scannkopfes 70 zu sehen, welcher eine gesteuerte bzw. kontrollierte Bewegung eines Spiegels in zwei unabhängig steuerbaren X-, Y-Dimensionen 60 und 61 ermöglicht, wobei Elemente, die gleich sind wie in 2, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Die Kernanordnung umfasst die zwei Permanentmagnete 35 und 38, die durch eine nicht-magnetische Scheibe 36 getrennt sind und an dieser befestigt sind, um einen doppelten Magnetkern 63 zu bilden. Eine flexible Aufhängung, die durch die Aufhängungsfedern 32 und 47 vorgesehen ist, gestattet eine X-, Y-Bewegung 60, 61 des doppelten Magnetkerns 63.
  • Die Permanentmagnete 35 und 38 besitzen kurze Pfosten 33 und 39, die als Befestigungsglieder wirken, welche an ihren Oberflächen befestigt sind, die fest in länglich geformte Löcher 32a bzw. 47a passen, die im mittleren Bereich der Aufhängungsfedern 32 und 47 angeordnet sind. Ein Spiegel 30 ist mit der Spiegelbefestigung 31 verbunden, welche an der Oberseite des Pfostens 33 befestigt ist. Die Richtungen der Magnetisierung der Magnete 35 und 38 sind angezeigt durch Pfeile 34 und 37 und sind unter unterschiedlichen Winkeln angeordnet, vorzugsweise im rechten Winkel zueinander. Die magnetischen Achsen 34 und 37 sind allgemein senkrecht zu der Z-Achse. Die magnetischen Achsen 34 und 37 sind auch allgemein senkrecht zueinander. Die nichtmagnetische Scheibe 36 trennt die Pole jedes Magneten, so dass ein wesentlicher Teil des Feldes von jedem Magneten dazu neigen wird, durch die dünnwandige, doppelte Spule 45 hindurch und in den Ring 46 aus magnetisch leitendem Material, wie beispielsweise Weicheisen, zu gehen. Das Feld von dem Nordpol jedes Magneten wird zu seinem jeweiligen Südpol zurückgeführt anhand des Pfads mit niedriger Reluktanz bzw. geringem magnetischem Widerstand, welcher vorgesehen ist durch den magnetisch leitenden Ring 46. Der Pfad mit geringer Reluktanz gestattet eine viel größere Effizienz als es möglich wäre ohne den magnetischen Ring 46.
  • Die zwei Permanentmagnete 35 und 38 sind innerhalb der Spule 45 aufgehängt, so dass das Feld von dem Magneten 35 vorzugsweise durch die Wicklung der oberen Spule 41 hindurch geht, während das Feld von dem Magneten 38 vorzugsweise durch die Wicklung der unteren Spule 43 hindurchgeht.
  • Wenn ein Wechselstrom mit der Frequenz f1 in die Spule 41 eingeführt wird, wird sich der Magnet 35 in die X-Richtung 60 mit der Frequenz f1 wiegen oder drehen. In ähnlicher Weise wird, wenn ein Wechselstrom mit einer Frequenz f2 durch die Spule 43 geleitet wird, bewirken, dass sie sich der Magnet 38 unabhängig in die die Y-Richtung 61 mit der Frequenz f2 wiegt oder dreht. Wenn ein Lichtstrahl auf den an der doppelten Magnetkernanordnung 63 befestigten Spiegel 30 gerichtet wird, während die Spulen 41 und 43 mit unabhängigen Strömen versorgt werden, können viele zweckmäßige zweidimensionale Scannmuster erzeugt werden, die gesteuert werden durch die Wellenformen der Ströme, die an jede der Spulen geliefert werden. Strom wird an die Spulendrähte 42 und 44 über die Bürsten 55 und 57 geliefert, die in Kontakt mit Kommutator-Ringen 51, 53 und 54 gehalten werden. Die Anschlüsse 55a, 56a und 57a sind Anschlüsse von den Bürsten. Der Kommutator-Ring 54 ist beiden Spulen gemeinsam, so dass nur drei Anschlüsse für die zwei Spulenanordnungen benötigt werden. Ein isolierender Abstandshalter 52 trennt die Kommutator-Ringe 51 und 53. Ein isolierender Bürstenhalter 58 hält die Bürsten an Ort und Stelle und kann selbst an den Körper eines Motors 98 befestigt sein, wie in 6 gezeigt ist. Der Motor kann dann verwendet werden, um die Orientierung des Scannkopfes und des Musters, das diese erzeugt, unabhängig zu steuern, oder er kann verwendet werden, um das Scannmuster mit einer gewünschten Geschwindigkeit kontinuierlich zu drehen.
  • Auf diese Weise kann ein omnidirektionales bzw. Allrichtungs-Scannmuster bestehend aus einem rotierenden Raster 376 aus vielen im Wesentlichen parallelen Linien erzeugt werden durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das soeben beschrieben wurde.
  • Hochfreguenzbetrieb und Resonanz
  • Die Verwendung von nur zwei Federn 32 und 47, wie es in 2 gezeigt ist, stellt eine Grenze dar für die maximale Frequenz, die mit Federn mit einer gegebenen Größe erreichbar ist. Da Federn mit einer gegebenen Länge steifer werden, wenn sie aus dickeren Metallquerschnitten hergestellt werden, wird der Betrag an Auslenkung, dem sie ohne Versagen widerstehen können, kleiner. Bei vielen Anwendungen ist es wünschenswert, sowohl hohe Scannfrequenzen als auch eine relativ große Spiegelauslenkung zu erreichen. Die Erfordernisse für Hochfrequenzbetrieb und Auslenkung stehen häufig in Konflikt miteinander bei Scannausrüstung, wie beispielsweise bei opto-akustischen Scannern, piezoelektrischen Scannern und Galvanometern. Bei dieser Erfindung können noch größere Aufhängungssteifigkeit ohne Überlastung der individuellen Federn und daher höhere Scannfrequenzen erreicht werden durch Verwendung von mehr als einer Aufhängungsfeder an einer oder beiden Aufhängungen.
  • 7 und 8 zeigen einige Scannköpfe, die mehrere Federn 130, 131, 132, 133 verwenden, die durch dünne Ringabstandshalter 134 und 135 getrennt sind, und zwar an den Enden des Kerns 85, um eine größere Steifigkeit zu erzeugen, die den Betrieb bei sehr hoher Frequenz ermöglicht, und zwar bei sehr geringem Ansteigen von Größe, Länge oder Trägheit. Die Abstandshalter werden verwendet, um zu verhindern, dass Reibung zwischen den Federlagen auftritt.
  • Bei bestimmten Frequenzen treten Resonanzen des bewegten Spiegels und des magnetischen Kerns auf. Die Leistung, die benötigt wird, um Schwingung aufrecht zu erhalten, ist bei diesen Resonanzfrequenzen ein Minimum. Die Anzahl verschiedener Resonanzfrequenzen wird primär bestimmt durch die Konstruktion des Aufhängungssystems und der Federkonstanten, die mit den Federn assoziiert sind. Es ist bekannt, dass die Resonanzfrequenzen eines Feder-und-Masse-Systems bestimmt werden durch die Steifigkeit der Aufhängungsfedern und die Anzahl davon sowie durch das Trägheitsmoment des Massensystems, das daran befestigt ist. Bei dieser Erfindung repräsentieren die Magnetkernanordnung und Spiegelanordnung das Massensystem mit einem gewissen Trägheitsmoment um eine gegebene Achse herum.
  • Aufgrund der Konstruktion der erfindungsgemäßen Scannkopfkomponenten dieser Erfindung, besitzt auch der Abstand zwischen den Aufhängungsfedern einen großen Einfluss auf Resonanzfrequenzen des Systems. Je weiter die Federn voneinander entfernt sind, desto höher werden die Resonanzfrequenzen sein für einen gegebenen Satz von Teilen.
  • Beispielsweise ist in der in 5 beschriebenen Konstruktion der Abstand zwischen den Federn bestimmt durch die Länge des Eisenrahmens 46 des Scannkopfes 70. Ein Scannkopf 70 kann so hergestellt werden, dass er höhere Resonanzfrequenzen besitzt, und zwar durch Verlängern des Rahmens 46 entlang der Achse 71, während andere Merkmale der Konstruktion des Scannkopfes 70 nicht verändert werden. Wie schon erwähnt wurde, können auch mehr als eine Feder zu jedem Ende des Körpers 46 hinzugefügt werden, um dessen Resonanzfrequenz weiter zu erhöhen. Durch Verwendung mehrerer Lagen von Federn an beiden Enden des Kernaufhängungsystems können viel höhere Frequenzen leicht erreicht werden.
  • Hohe Betriebsfrequenzen sind besonders zweckmäßig, wenn bewegliche Objekte schnell gescannt werden, oder wenn dichte oder große Mengen von Information im Zielbereich sind. Auch ist schnelles Scannen wesentlich, um schnell einen Bereich mit dichten zweidimensionalen Scannmustern zu überdecken bzw. überstreichen, wie es in 12 gezeigt ist. Das Scannen eines zweidimensionalen Strichcodes ist ein Beispiel, wo Hochgeschwindigkeitsscannen vorteilhaft ist.
  • Die Hochfrequenzfähigkeit, der kleine Durchmesser und die Fähigkeit zum Drehen von Scannmustern sind sehr nützliche Merkmale der Scannköpfe. Prototypen des drehenden Scannkopfteils dieser Erfindung wurden hergestellt, die nur einen halben Zoll Durchmesser besaßen und ein Viertel Zoll lang waren und Scannraten in der Größenordnung von 1000 Scanns bzw. Überstreichungen pro Sekunde bei beträchtlichen Winkeln erreichen.
  • Kreisende Scannköpfe mit beweglicher Spule
  • 19 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines kreisenden Scannkopfes, welcher sich von den oben beschriebenen in zweierlei Weise unterscheidet. Erstens hängt der Scannkopf von 19, anders als der verallgemeinerte Scannkopf in 17 und die Ausführungsbeispiele von 2 und 5, den Kreisel durch nur ein Aufhängungsglied auf. Zweitens verwendet der Scannkopf gemäß 19, anders als die Ausführungsbeispiele der 2 und 5, eine bewegliche Spule anstatt eines beweglichen Magneten.
  • Der Rahmen 46 trägt an seinem oberen Ende eine flache, spiralförmige Aufhängungsfeder 32. Eine doppelte Spulenanordnung 342a ist durch einen Vorsprung 350 an einer mittigen Öffnung 326 in der Feder 32 gesichert bzw. befestigt. Die Spulenanordnung umfasst eine obere Spule 356 und eine untere Spule 357, die koaxial mit der Z-Achse und entlang dieser beabstandet sind. Ein Spiegel 30 ist an dem Vorsprung 350 durch eine Spiegelbefestigung 31 gesichert.
  • Eine Basis 362 ist an dem unteren Ende des Rahmens 46 befestigt. An der Basis 362 befestigt ist eine Magnetkernanordnung einschließlich eines oberen Magneten 35 und eines unteren Magneten 38, die durch einen Abstandshalter 36 getrennt sind. Die Richtungen der Magnete 34 und 38 sind allgemein senkrecht zu der Z-Achse und zueinander. Die Magnetkernanordnung ist in einem zentralen Loch 364 in der Basis 362 getragen durch einen Hals 360, welcher an dem Magneten 38 befestigt ist. Leitungen 354a und 354b der Spulen sind mit Stiften 367a und 367b in der Basis 362 verbunden, um eine externe elektrische Verbindung zu den Spulen vorzusehen.
  • Somit umfasst 19, ähnlich wie das Ausführungsbeispiel von 5, ein Paar von Magneten, die voneinander entlang der Z-Achse beabstandet sind und magnetische Achsen besitzen, die senkrecht zu der Z-Achse sind; ein Paar von Spulen, die jeweils einen der Magnete umgeben und benachbart dazu angeordnet sind sowie koaxial mit der Z-Achse angeordnet sind; und einen magnetisch leitenden Rahmen, der koaxial mit der Z-Achse ist. Weil jedoch die Magnete in 19 bezüglich des Rahmens 46 festgelegt gehalten sind und die Spulen elastisch aufgehängt sind, wird, wenn Strom an eine oder beide Spulen geliefert wird, das sich ergebende Drehmoment verursachen, das die Spulenanordnung kreist bzw. eine Kreiselbewegung ausführt, was seinerseits den Spiegel kreisen läßt. Da die Spulen weniger massiv gemacht werden können als die Magnete, können sie durch ein Aufhängungsglied aufgehängt werden, wie es gezeigt ist, während ein ausreichendes Hochfrequenzansprechverhalten vorgesehen wird. Eine zusätzliche Aufhängung kann auf Wunsch am unteren Ende der Spulenanordnung vorgesehen werden, und jegliche Aufhängungen können in der oben beschriebenen Form mehrfacher Federn sein. Durch Vorsehen eines ausreichenden Spiels bzw. Durchhängens in den flexiblen Leitungen 354a und 354b kann die elektrische Verbindung während der Kreiselbewegung der Spulen aufrecht erhalten werden.
  • 2 zeigt eine Variation des Systems mit beweglicher Spule von 19, in der die magnetischen Funktionen des Rahmens und des Kerns ausgetauscht sind. In 20 ist der Rahmen aus einem Paar ringförmiger Magnete 121 und 123 aufgebaut, die voneinander durch einen nicht-magnetischen Abstandshalter 122 getrennt sind. Der Magnet 121 besitzt Pole 121a und 121b, die eine magnetische Achse definieren, welche allgemein senkrecht zu der Z-Achse steht. Der Magnet 123 besitzt Pole 123a und 123b, die eine magnetische Achse definieren, die allgemein senkrecht zu der des Magneten 121 und zu der Z-Achse steht. Ein Doppelspulenkreisel ist durch eine Spiralfeder 32 an der Oberseite des Magneten 121 aufgehängt. Magnetische Rückführelemente zum Leiten des Felds zwischen den Magnetpolen sind entlang der Z-Achse innerhalb der Spulen angeordnet. Diese Rückführelemente können aus einem Material mit hoher Permeabilität, wie beispielsweise Eisen, hergestellt sein. Wenn der Scannkopf zusammengebaut ist, ist das Rückführglied 370 benachbart zu der oberen Spule 356 und das Rückführglied 370 ist beabstandet zu der oberen Spule 356 und das Rückführglied 374 ist beabstandet zu der unteren Spule 357. Die Rückführglieder 370 und 374 sind durch einen nicht-magnetischen Abstandshalter 372 getrennt und an einer Basis angebracht durch Eingriff des Glieds 376 mit dem Loch 364.
  • Die 18a, 18b und 18c zeigen drei Formen von flachen Federn, die in den kreisenden bzw. Kreisel-Scannköpfen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Jede davon kann gebildet werden aus einem flachen Metallstück, beispielsweise aus Beryllium-Kupfer, durch Entfernen der hell gezeichneten Teile, beispielsweise durch chemisches Ätzen. 18a ist eine Spiralfeder, wobei zwei konzentrische Spiralen an Stellen beginnen, die um 180° voneinander getrennt sind. 18c ist ähnlich der 18a, wobei drei konzentrische Spiralen an Stellen beginnen, die um 120° voneinander getrennt sind und die eine verbesserte Steifheit vorsehen können. 18b ist eine Nicht-Spiral-Feder mit einem äußeren, allgemein kreisförmigen Rand oder Steg, der an dem Rahmen des Scannkopfes befestigt sein kann, einem inneren allgemein kreisförmigen Rand oder Steg, der an dem Kreiselglied befestigt sein kann und einem Zwischensteg. Der Zwischensteg ist sowohl von dem inneren Steg als auch von dem äußeren Steg durch Finger beabstandet, die radial ausgerichtet sind, wie es gezeigt ist. Die Feder der 18b hilft beim Zusammenbau eines Scannkopfes, indem sie dazu neigt zu verhindern, dass der Kern seitwärts gezogen wird. Während es allgemein für vorteilhaft angesehen wird, eine oder mehrere Federn als das Aufhängungsglied in einem Kreiselscannkopf zu verwenden, ist es auch möglich, eine flache verformbare Membran zu verwenden, um den Kreisel aufzuhängen. Beispielsweise kann eine Elastomer-Membran, die hier beschriebenen Kreiselbewegungen gestatten.
  • Überdecken einen Bereichs mit dichten omnidirektionalen bzw. Allrichtungs-Scannmustern
  • Durch Einleiten eines Wechselstroms in eine Spule des Scannkopfes, wie er beispielsweise in 2 gezeigt ist, um eine Scannlinie zu erzeugen, während gleichzeitig bewirkt wird, dass der Motor den Scannkopf kontinuierlich dreht, kann eine sich drehende bzw. umlaufende Scannlinie erzeugt werden, wie es in 12d gezeigt ist. Dies ist ein äußerst nützliches Scannmuster zur Verwendung, wenn Information, wie beispielsweise ein Strichcode zufällig orientiert sein kann. In diesem Fall braucht der Strichcode nur nahe der Mitte der drehenden Linie angeordnet zu sein, um ihn vollständig zu Scannen. Es wurde entdeckt, dass bei bestimmten Frequenzen, nicht notwendigerweise Resonanzfrequenzen, eine dünne Ellipse anstatt einer Linie erzeugt werden kann, und zwar selbst bei einer einfachen Version des Scannkopfes mit einer einzigen Spule, wie sie in dieser Erfindung umfasst ist und in 2 dargestellt ist. Wenn Ellipsen gedreht werden, dann wird der Effekt eines einfachen Zwei-Linien-Rasters erzeugt, das mit gewünschten Geschwindigkeiten durch den Motor gedreht werden kann.
  • Dies ergibt ein noch effizienteres omnidirektionales Scannmuster, wie beispielsweise das in 12f gezeigte. Wenn anstatt der kontinuierlichen Drehung des Motors bewirkt wird, dass der Motor schnelle Teildrehungen in Uhrzeigerrichtung mit einer geeigneten Rate oder Geschwindigkeit ausführt, während gleichzeitig die Spule mit einem Strom mit viel höherer Frequenz erregt wird, können dichte, teilweise drehende Raster oder Lissajous-Muster erzeugt werden. Dies sind effektivere Scannmuster zum Strichcode Scannen als diejenigen, die an Ladenkassen verwendet werden und nur wenige festgelegte Scannmuster erzeugen.
  • Wenn ein Scannkopf mit zwei Spulen, wie beispielsweise in 5 dargestellt, verwendet wird zum Erzeugen eines Rastermusters und dieses kontinuierlich mit dem Motor gedreht wird, wird ein sehr effizientes Scannmuster erzeugt. Mit diesem Muster kann ein Strichcode von der Drehmitte versetzt sein und dennoch erfolgreich gescannt werden. Ein Muster von dieser Art ist in 12a dargestellt.
  • Durch Betreiben des Motors in verschiedenen Betriebsarten, wie es oben beschrieben wurde, und durch Antrieb des Scannkopfes mit Wechselströmen mit verschiedenen Wellenformen können sogleich viele zweckmäßige omnidirektionale Scannmuster für hohe Dichte erzeugt werden. Einige davon sind in 12 gezeigt. 12b und 12c zeigen Rasterabtastungen, die erzeugt werden können. 12e zeigt ein Raster, das zitternd bewegt wird, beispielsweise durch eine Teildrehung eines mit dem Scannkopf gekoppelten Motors.
  • Aufgrund ihrer Einfachheit und Vielseitigkeit ist ersichtlich, dass die vorliegenden Scannköpfe einen Großteil an Komplexität und Aufwand beseitigen, die assoziiert waren mit dem Erreichen von Ergebnissen, welche früher nur mit vielen optischen Teilen und Motoren erreichbar waren.
  • Lichtsammelsystem
  • Bezugnehmend wiederum auf 1 kann Licht mit der bestimmten Wellenlänge, das von der Lichtquelle 13 emittiert wird und diffus von einem gescannten Ziel reflektiert wird, mittels einer Linse gesammelt werden, in einem geeigneten optischen Filter 2 gefiltert werden, um unerwünschte Wellenlängen zu entfernen, und auf einen geeigneten Detektor 3, wie beispielsweise eine Fotodiode, konzentriert werden, um Information von dem Ziel einzufangen bzw. zu erfassen.
  • Ein neuartiger Lichtsammler 201 wurde in verschiedene nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele der Erfindungen eingebaut und kann verstanden werden durch Bezugnahme auf die 11a und 11b. Dieser Lichtsammler 201 besteht aus einem hohlen Rohr aus einem Material, das allgemein transparent ist für die Wellenlänge von Licht, das von der Scannerlichtquelle 213 emittiert wird. Der rückwärtige Teil des Kollektors 201 ist bei einem Winkel 215 geschlitzt, so dass er sich fast zu einer Spitze verjüngt, wo der Lichtdetektor 203 angeordnet ist.
  • Alle Oberflächen des Kollektors sind poliert und der Winkel 215, an dem er entlang der Oberfläche 14 geschlitzt und verjüngt ist, ist derart, dass totale interne Reflexion des in den Vorderteils 216 eintretenden Lichts auftritt und in den Kollektor eintretendes Licht darin geführt und einbehalten wird. Wegen der totalen internen Reflexion an der gewinkelten Oberfläche und an den inneren und äußeren zylindrischen Oberflächen des Rohrs 201 wird Licht, wenn es an der durch die Vorderseite des Kollektors definierten Eingangsöffnung eintritt, effektiv geleitet, konzentriert und durch eine Ausgangsoberfläche benachbart zu dem Filter 202 und in den Detektor 203 geführt. Da die vordere Umfangsoberfläche des Kollektors 216 leicht mehrere Quadratzentimeter an Fläche besitzen kann, kann seine Lichtsammelleistung ziemlich groß sein. Somit wird ein Fotodetektor 203 mit nur einer kleinen Fläche benötigt, um das zurückgeführte Lichtsignal zu detektieren. Aufgrund seiner kreisförmigen Geometrie gestattet dieser Lichtkollektor 201 auch, dass der ausgesandte, gescannte Strahl 227, der in 11b gezeigt ist, unbeeinträchtigt durch seine Mitte hindurch geht, woraufhin ein Scannmuster 212 auf ein Ziel projiziert werden kann. Da der Kollektor 201 eine im Wesentlichen kreisförmige Sammelsymmetrie besitzt, kann Licht von einer kreisförmigen Fläche, die von einem drehenden Scannmuster davor überdeckt wird, effizient gesammelt werden. Die Vorderseite des Kollektors 216 kann weiter verbessert werden, wenn sie nicht flach gemacht wird, sondern ihr die Krümmung eines Teils einer Toroidform 217 gegeben wird. Dann kann das Licht sammelnde, winkelmäßige Sichtfeld vergrößert werden in der gleichen Weise, wie eine positive oder Sammellinse Licht sammeln und konzentrieren kann. Dieses Merkmal gestattet eine effiziente Sammlung von Licht von einem breiten Zielbereich vor dem Scanner. Noch ein weiteres Merkmal kann in diesem vielseitigen Lichtsammler oder -kollektor eingebaut werden bei sehr geringen Kosten, indem er aus einem transparenten, farbigen Material hergestellt wird, wie beispielsweise durch Herstellung aus einem farbigen Kunststoff, so dass er im Wesentlichen nur Licht mit der Wellenlänge durchlässt, das von der Scannlichtquelle 213 emittiert wird. Auf diese Weise wird der Bedarf für einen separaten optischen Filter 202 beseitigt.
  • Während der gezeigte, bevorzugte Kollektor einen abgeschnittenen, zylindrischen Mantel aufweist mit einer Eingangsstirnfläche im allgemeinen senkrecht zu der Zylinderachse, einer Stirnfläche unter einem spitzen Winkel bezüglich der Zylinderachse und einer Ausgangsstirnfläche benachbart zu einem Ende der abgewinkelten Fläche, können Variationen vorgenommen werden, die auch effizient Licht konzentrieren durch totale interne Reflexion. Wenn beispielsweise der Winkelschnitt die Eingangsstirnfläche schneidet, wird der Kollektor über seine Länge hinweg nur teilweise im Querschnitt rund sein, aber wird immer noch wie beschrieben funktionieren.
  • Lichtquelle und Fokussieranordnung
  • 1 zeigt eine Lichtquelle 13, die ein Laser sein kann, der einen Lichtstrahl in ein strahlformendes Element 10 projiziert. Das strahlformende Element 10 kann ein feststehendes Linsensystem, eine Blende, ein Hologramm oder ein einstellbares Fokussierelement sein, das aus Kombinationen von Linsen und ähnlichem besteht. Ein strahlformendes Element kann auch ein kegelförmiges Linsenelement umfassen, wie es in 15 gezeigt ist. Eine konische Linse 401 hat sich kürzlich als zweckmäßig erwiesen zum Erzeugen eines sehr dünnen Laserlichtstrahls, der in der Lage ist, über einen Abstand von vielen Metern projiziert zu werden, ohne dass der Strahl wesentlich divergiert. Über einen bestimmten Abstand hinaus wird ein Strahl, der durch eine solche konische Linse gebildet wird, jedoch plötzlich extrem schnell divergieren. Die Herstellung solcher langer, dünner Strahlen durch Verwendung konischer Linsen wurde kürzlich durch R. M. Herman und T. A. Wiggins beschrieben in einem Artikel mit dem Titel "Production and Uses of Diffractionsless Beams", J. Opt. Soc. Am. A/Bd. 8, Nr. 6/Juni 1991.
  • Diese Art von Strahl kann beim Scannen sehr nützlich sein, weil die Größe des auf das Ziel projizierten Punktes über große Abstände sehr klein kann, was eine ausgezeichnete Auflösung gestattet, während der Strahl gleichzeitig nicht speziell fokussiert sein muss, solange das Ziel innerhalb der Reichweite des Langstreckenstrahls ist. Somit wird eine ausgezeichnete Tiefenschärfe zum Scannen erreicht mit Strahlformsystemen, die eine geeignete konische Linse im Aufbau umfassen. Die Eigenschaft der schnellen Divergenz dieser Strahlen ist ein wertvolles Sicherheitsmerkmal, insbesondere wenn mit intensiven Laserstrahlen gescannt wird, da man so konstruieren kann, dass sobald ein Strahl über eine gewünschte Zielfläche hinausgeht, er schnell verteilt wird und dadurch Gefahr für das menschliche Auge beseitigt wird. Da vorhergesehen wird, dass es teuer sein kann, konische Linsen von der Qualität herzustellen, die zur Erzeugung dieser speziellen Strahlen benötigt wird, ist es möglich, dass nur eine einzige konische Hauptlinse hergestellt wird. Die Hauptlinse würde dann verwendet werden zur Herstellung holographischer Kopien, die die Hauptlinse identisch imitieren, wenn Laserlicht mit der vorgesehenen Wellenlänge hindurch geschienen wird. Die so erzeugten Hologramme könnten kostengünstig herzustellen sein und könnten dann wirtschaftlich in massenproduzierte Scanner eingebaut werden. Natürlich könnten konische Linsen verwendet werden, wenn ein Verfahren erdacht wird, diese kostengünstig herzustellen.
  • Das Schema zum Erzeugen dieser brechungsfreien Strahlen ist in 15 dargestellt. Das Licht von einer Laserlichtquelle 13 wird in einem divergenten Strahl 401 emittiert, woraufhin es durch eine kollimierende Linse 402 kollimiert wird. Das kollimierte Licht 404 tritt in eine konische Linse 405 ein und ein brechungsfreier Strahl 406 wird gebildet. Der brechungsfreie Strahl 406 kann sehr dünn gemacht werden, in der Größenordnung von wenigen Mikrometern bis einigen 100 Mikrometern im Durchmesser, und kann sich über viele Meter hinweg bewegen, ohne sich zu spreizen bzw. zu verbreitern. An einem entfernten Punkt 408 verteilt sich der Strahl 409 schließlich schnell.
  • Eine weitere solche Strahlformeinrichtung wurde beschrieben in der Ausgabe von "Physical Review Letters", Bd. 58, Nr. 15 auf Seiten 1499-1501 von J. Durnin und J. J. Miceli, Jr. and J. H. Eberly vom 13. April 1987. Der Titel des Artikels ist "Diffraction Free Beams" und er beschreibt, wie dünne Strahlen in freiem Raum produziert werden können mittels einer Scheibe mit einer kreisförmigen Öffnung in Kombination mit einer Linse.
  • Bezugnehmend nun auf 16 ist ein weiterer Strahlfokussiermechnanismus dargestellt. Der Betrieb dieses Fokussierelements wird nachfolgend beschrieben. Eine Laserdiodenlichtquelle 13 ist in einem magnetisch leitenden Gehäuse 456 angebracht. Der obere Teil der Laserdiode 13a ist von einer Spule 450 umgeben, die auf einen Spulenkern 453 gewickelt ist. Spulendrähte 460a und 460b enden an Anschlussstiften 451 und 452. Die Anschlussstifte 451 und 452 sind in dem magnetisch leitenden Gehäuse 456 verankert und elektrisch von diesem isoliert. Die Umschließung bzw. das Gehäuse der Laserdiode 13 selbst kann auch aus einem magnetischen Metall hergestellt sein.
  • Eine starke positive oder Sammellinse 454 ist durch eine flache, magnetisch leitende Feder 455 befestigt und aufgehängt. Ein Linsenhalter 462 kann auch aus einem magnetisch leitenden Material hergestellt sein. Somit ist ein magnetischer Pfad gebildet durch den Körper des Lasers 13, den magnetisch leitenden Laserhalter 456 und die Feder 455 mit einem Luftspalt im Bereich 458. Wenn Strom an die Spule 450 angelegt wird, wird der Körper der Laserdiode 13 ein Elektromagnet und zieht dadurch die magnetische Feder 455 an, die die Linse 454 hält. Eine Bewegung der Linse näher zu der Laserquelle hin bewirkt, dass der Brennpunkt des Laserstrahls von seinem Anfangspunkt bei f1 sich an einen Punkt weiter weg bewegt bei f2 oder f3, wenn stärkerer Strom an die Spule angelegt wird. Der Strom kann gesteuert werden durch geeignete Mittel, um eine große Tiefenschärfe an der Position des Scannenden Punkts zu ergeben. Wenn ferner ein langsamer Wechselstrom an die Spule angelegt wird, wird der Brennpunkt des Laserstrahlpunkts sich in dem Bereich hin- und herbewegen. Gleichzeitig kann der Strahl gescannt werden mit einer relativ schnellen Rate oder Geschwindigkeit, und die Wahrscheinlichkeit des Lesens eines Strichcodes an irgendeinem Punkt innerhalb der großen Tiefenschärfe wird stark verbessert. Natürlich ist der Nutzen eines solchen Fokussierelements viel besser gegenüber einer feststehenden Linse, die üblicherweise in vielen StrichcodeleseScannern verwendet wird.
  • Kompakte Strichcodelesesysteme
  • 9 zeigt ein komplettes, Scannendes Datenerfassungssystem einschließlich verschiedener vorher beschriebener Aspekte. Aufgrund der effizienten Geometrie der beschriebenen Scannköpfe und des Lichtkollektors 201 ist ein Packen in ein taschenlampenartiges Gehäuse 250 praktisch durchführbar. Diese Art von Gehäuse eignet sich für tragbare, handgehaltene, batteriebetriebene Strichcode-Leseanwendungen, wie in 10a gezeigt ist. Bei dieser Anwendung richtet der Verwender den Scanner 301 nur beispielsweise auf ein Strichcodeziel 302, ohne das Scannmuster genau ausrichten zu müssen, und drückt den Knopf 303 des Tastschalters 304 mit seinem Daumen, als ob er eine Taschenlampe betätigt. Eine Dauereinschaltposition kann auch von dem Schalter 304 vorgesehen sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Notwendigkeit für die Drähte oder Kabel der 9 und 10b eliminiert werden und das Informationssignal 305 über eine kurze Distanz an ein tragbares, an der Hüfte des Verwenders befestigtes Terminal 306 übertragen werden mittels eines modulierten Lichtstrahls, der beispielsweise erzeugt werden könnte durch eine Infrarot-Leuchtdiode 307, wie es in 10b gezeigt ist. Sowohl das Terminal als auch der Scanner können Signale über die Zweiweg-Infrarot-Datenverbindung senden und empfangen. Nach erfolgreichem Lesen eines Ziels kann ein Piepton von der Einrichtung emittiert werden, um dies anzuzeigen, und die Leistung an den Laser und andere leistungsverbrauchende Teile wird zweckmäßigerweise automatisch reduziert, um Batterieleistung zu sparen.
  • Für fest angebrachte Anwendungen kann ein Scanner 350 von einem Ständer 351 ähnlich einem Mikrofonständer getragen werden, und zwar mit einem flexiblen Schwanenhals 352, wie es in 13 gezeigt ist, oder er kann leicht mit einer Klemme 353 an irgendeinem feststehenden Objekt in einem begrenzten Raum befestigt sein. Ein weiteres populäres Gehäuse in Pistolenform kann leicht verwendet werden aufgrund der Kompaktheit der Scannkopfkonstruktion.
  • In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in 14 gezeigt ist, sind die Scannkopfelemente in ein an der Decke angebrachtes Gehäuse 370 eingebaut, das an einem Rauchdetektor erinnert. In einem derartigen Gehäuse sind die Elemente, die in 1 schematisch dargestellt sind, derart angeordnet, dass das Scannmuster nach unten gerichtet ist. Dies ist eine sehr zweckmäßige Anwendung für eine Ladenkasse, wo Strichcodeinformation gelesen wird, weil sie den Thekenbereich vollständig frei und unverbaut lässt. Auch ist diese Strichcode-Leseeinrichtung viel leichter anzubringen als sonstige jetzt verfügbare und populäre Einrichtungen, die Löcher oder Schlitze in der Ladentheke erfordern, über die Strichcodeziele hinwegbewegt werden müssen.
  • In dem an der Decke angebrachten Scanner 370 wird Leistung an die Einrichtung durch die Decke geliefert. Ein Scannvorgang kann eingeleitet werden durch Kurzbereichssignale 372, die zwischen einem Sender/Empfänger (Transceiver) 373 auf der Ladenkasse 274 und einem Sender/Empfänger (Transceiver), der in dem Deckenscanner 370 umfasst ist, gesendet und empfangen werden. Die von der Deckeneinheit 370 gesammelte Scann-Information wird durch diese Auf/Ab-Verbindung 375, 372, 373 übertragen, wodurch die Notwendigkeit für von der Decke herabhängende Drähte bzw. Kabel beseitigt wird. Natürlich kann ein Kabel bei Anwendungen verwendet werden, wo dies keinen Nachteil darstellt. Die Infrarot-LED- oder Ultraschall-Sender/Empfänger-Einheiten von der Art, die üblicherweise für fernbediente Fernseher verwendet werden, sind für diese Datenübertragungsaufgabe gut geeignet.
  • Hochgeschwindigkeitsübertragung von Information kann leicht erreicht werden durch geeignete Auswahl von Komponenten bzw. Bauteilen. Die Sichtverbindungseigenschaft des Infrarotsenders/-empfängers schließt Interferenz mit anderen solchen Kassensystemen aus, die in der Umgebung arbeiten, während Ultraschallbauarten nicht so empfindlich hinsichtlich Sichtbetrieb sind.
  • Wenn es gewünscht ist, mit dieser Ladenthekeninstallation einen Strichcode zu Scannen, wird der Zielgegenstand in den Zielbereich auf der Ladentheke bewegt, und ein Bewegungsdetektor, der möglicherweise in der Deckeneinheit angebracht ist, kann den Scannvorgang auslösen. Es gibt viele andere Arten, den Scannvorgang einzuleiten. Infrarot- oder Ultraschall-Bewegungsdetektoren von der Art, wie sie in Sicherheitssystemen verwendet werden, sind zu dieser Funktion fähig; ebenso sind Fußschalter geeignet, die dem Kassenpersonal gestatten würden, den Scannvorgang manuell einzuleiten. Eine einfache Lichtschranke bzw. ein Lichtstrahlunterbrechungsschalter würde auch funktionieren. Die Scannsysteme können im Allgemeinen hergestellt werden unter Verwendung verschiedener Kombinationen der individuellen Attribute oder Eigenschaften, die in den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschrieben wurden. Beispielsweise können sie Scannköpfe verwenden, die entweder in einer Dimension (z.B. 2) oder in zwei Dimensionen (z.B. 5) kreiseln. Sie können entweder eine einzige Aufhängung (z.B. 19) oder mehrere Aufhängungen (z.B. 2) verwenden. Jede Aufhängung kann aus einem einzigen elastischen Glied (z.B. 5) oder mehreren elastischen Gliedern (z.B. 8) bestehen. Der Scannkopf kann drehbar sein (z.B. 8), und wenn er drehbar ist, kann ein Motor dafür vorgesehen sein (z.B. 6). Die Scannköpfe können eine Kreiselmagnetanordnung (z.B. 2) oder eine Kreiselspulenanordnung (z.B. 19) verwenden. Scanndatenerfassungssysteme können geeignet sein für feste Anbringung (z.B. 14), zum Halten in der Hand (z.B. 10a bis 10c) oder beides (z.B. 13). Sie können mit entfernten Informationsverarbeitungssystemen kommunizieren durch drahtlose Mittel (z.B. 14) oder durch kabelartige Mittel (z.B. 9). Zweckmäßigerweise, aber nicht notwendigerweise umfassen solche Systeme einen Lichtkonzentrator, wie in 11 dargestellt ist, und strahlformende Mittel, wie sie in 15 oder 16 dargestellt sind.
  • Während verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben wurden, werden dem Fachmann zweifellos Variationen einfallen, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims (43)

  1. Vorrichtung zum Scannen von optischen Codes zum Erzeugen einer Drehbewegung, wobei die Drehbewegung eine Bewegung in einem Bogen um einen Punkt umfasst, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: a) einen Rahmen (46, 500); b) ein drehendes Glied (85; 35, 38; 356, 357; 502) benachbart zu dem Rahmen (46, 500); c) eine elastische Aufhängung (32, 47; 130–133; 514, 516), die mit dem Rahmen (46, 500) und dem drehenden Glied (85; 35, 38; 356, 357; 502) gekoppelt ist, wobei die Aufhängung das drehende Glied in einer Gleichgewichtsposition entlang einer Achse (Z) bezüglich des Rahmens trägt, um eine Drehbewegung des drehenden Glieds aus der Gleichgewichtsposition entlang mindestens einem Bogen, welcher einen Mittelpunkt zentriert auf der Achse besitzt, zu gestatten, und zum Anlegen einer Rückstellkraft an das Glied zum Drängen des drehenden Glieds zu der Gleichgewichtsposition hin, wenn es aus dieser versetzt ist; und d) Mittel (81; 41, 43; 518) zum Anlegen einer Kraft (520) an das drehende Glied (85; 35, 38; 356, 357; 502) bezüglich des Rahmens (46, 500), um dem drehenden Glied die Drehbewegung aufzuprägen.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die elastische Aufhängung eine erste Aufhängung (32, 516) umfasst, die mit dem Rahmen (500) gekoppelt ist und mit dem drehenden Glied an einer ersten Stelle (512) davon gekoppelt ist, und eine zweite elastische Aufhängung (47, 514) umfasst, die mit dem Rahmen (500) gekoppelt ist und mit dem drehenden Glied (502) an einer zweiten Stelle (510) davon gekoppelt ist, wobei die erste Stelle und die zweite Stelle die Achse definieren.
  3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die zweite Aufhängung (514) symmetrisch bezüglich der Achse ist.
  4. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die zweite Aufhängung (514) eine Feder aufweist.
  5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei die Fehler eine flache Feder ist.
  6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die flache Feder eine Spiralfeder ist.
  7. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die flache Feder aus Metall besteht.
  8. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die zweite Aufhängung (514) eine Vielzahl flacher Federn (130, 131) aufweist.
  9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die Federn entlang der Achse durch eines oder mehrere Trennglieder (134, 135) beabstandet sind.
  10. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die zweite Aufhängung (514) eine deformierbare Membran aufweist
  11. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Kraftanlegungsmittel (518) elektromagnetische Kraftanlegungsmittel aufweisen.
  12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei die Kraftanlegungsmittel (518) einen Permanentmagneten umfassen.
  13. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei die Kraftanlegungsmittel (518) eine Spule umfassen.
  14. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei die Kraftanlegungsmittel (518) einen Magneten umfassen, welcher das drehende Glied aufweist.
  15. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei der Magnet eine allgemein zylindrische Form besitzt.
  16. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei der Magnet ein Feld erzeugt, das allgemein senkrecht zu der Achse ausgerichtet ist.
  17. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei die Kraftanlegungsmittel (518) zwei Magnete umfasst, die das drehende Glied aufweisen.
  18. Vorrichtung gemäß Anspruch 17, wobei die Magnete entlang der Achse voneinander versetzt sind.
  19. Vorrichtung gemäß Anspruch 17, wobei jeder der Magnete ein Feld erzeugt, das allgemein senkrecht zu der Achse ausgerichtet ist.
  20. Vorrichtung gemäß Anspruch 17, wobei jeder der Magnete ein Feld erzeugt, das allgemein senkrecht zu dem Magnetfeld des anderen Magneten ist.
  21. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei die elektromagnetischen Kraftanlegungsmittel eine Spule umfassen, die mechanisch an dem Rahmen befestigt oder gesichert ist.
  22. Vorrichtung gemäß Anspruch 21, wobei die Spule eine Achse besitzt, die allgemein co-linear mit der (erwähnten) Achse ist.
  23. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei die elektromagnetischen Kraftanlegungsmittel zwei Spulen umfassen, die mechanisch an den Rahmen befestigt oder gesichert sind.
  24. Vorrichtung gemäß Anspruch 23, wobei die Spulen allgemein koaxial mit der Achse sind und entlang der Achse voneinander versetzt sind.
  25. Vorrichtung gemäß Anspruch 24, wobei das drehende Glied zwei Magnete (35, 38) aufweist, die entlang der Achse voneinander versetzt sind, und wobei jede der Spulen benachbart zu einem der Magnete angeordnet ist.
  26. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei die elektromagnetischen Kraftanlegungsmittel Magnetfeldleitmittel umfassen.
  27. Vorrichtung gemäß Anspruch 26, wobei die Magnetfeldleitmittel einen Rahmen aufweisen.
  28. Vorrichtung gemäß Anspruch 27, wobei der Rahmen (500) einen allgemein zylindrischen Mantel aus Material mit hoher Permeabilität aufweist.
  29. Vorrichtung gemäß Anspruch 28, wobei der Mantel allgemein koaxial mit der Achse ist, und wobei die elektromagnetischen Kraftanlegungsmittel einen Magneten umfassen, der das drehende Glied aufweist, und eine Spule umfassen, die koaxial zwischen dem Rahmen und dem Magneten angeordnet ist.
  30. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die erste Aufhängung (516) eine elastische Aufhängung ist.
  31. Vorrichtung gemäß Anspruch 30, wobei die erste Aufhängung (516) und die zweite Aufhängung (514) im wesentlichen die gleiche Struktur bzw. den gleichen Aufbau besitzen.
  32. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Rahmen (500) Mittel zum Anbringen der Vorrichtung in einer optischen Scan-Einrichtung zum Scannen von optischen Codes umfasst.
  33. Vorrichtung gemäß Anspruch 32, wobei die Vorrichtungsanbringungsmittel Mittel zum starren Anbringen oder Befestigen der Vorrichtung an der Scan-Einrichtung umfassen.
  34. Vorrichtung gemäß Anspruch 32, wobei die Vorrichtungsanbringungsmittel Mittel zum drehbaren Anbringen oder Befestigen der Vorrichtung an der Scan-Einrichtung umfassen.
  35. Vorrichtung gemäß Anspruch 34, wobei die Mittel zur drehbaren Befestigung einen Motor (98) mit einer Welle sowie Mittel zum Befestigen des Rahmens an der Welle umfassen.
  36. Vorrichtung gemäß Anspruch 35, wobei die Welle allgemein co-linear mit der Achse ist.
  37. Vorrichtung gemäß Anspruch 34, wobei die Anbringungsmittel Kommutatormittel (94) umfassen zum Liefern von Strom an die Vorrichtung während einer Drehung der Vorrichtung.
  38. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei das drehende Glied ein optisches Element (524) umfasst.
  39. Vorrichtung gemäß Anspruch 38, wobei das optische Element (524) entlang der Achse angeordnet ist.
  40. Vorrichtung gemäß Anspruch 38, wobei das optische Element (594) nicht zwischen den Aufhängungen (514, 516) angeordnet ist.
  41. Vorrichtung gemäß Anspruch 38, wobei das optische Element (524) ein reflektierendes Element ist.
  42. Vorrichtung gemäß Anspruch 38, wobei das optische Element (524) ein allgemein flacher Spiegel ist.
  43. Vorrichtung gemäß Anspruch 38, wobei das optische Element (524) ein Beugungs- oder Brechungselement ist.
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