具有智能馬達控制器的望遠鏡系統的製作方法

2023-05-19 00:33:51 2

專利名稱：具有智能馬達控制器的望遠鏡系統的製作方法
本申請從申請號601105,660、提交日1999.10.26、題為「具有智能馬達控制器的望遠鏡系統」的臨時專利申請取得優先權，該申請的全部內容特意被本文參考引用。
本專利申請關聯到題為「可升級的望遠鏡系統」的同時進行的專利申請和題為「具有分布智能的全自動望遠鏡系統」的同時進行的專利申請，這兩項申請與本申請同時立案並共為本專利申請的受讓人所有，其全部內容特意被本文參考引用。
本發明一般地涉及那些通常用來觀察/拍攝天體的望遠鏡，更具體點說，涉及一種具有智能馬達控制器的望遠鏡系統，可準確地控制望遠鏡的位置並準確地控制望遠鏡的移動速率來方便對天體的跟蹤。本發明還具有一個光學編碼器，該編碼器使用兩個在相位上相差90°的光探測器來加強對望遠鏡定位馬達的伺服控制，一個校正線路用來確保編碼器與具有可變亮度特性的發光二極體(LED)及/或具有可變靈敏度的光探測器可靠地操作，和一個能將電力供到位在叉形件內的緯度驅動馬達上的可轉動的支座，使當該支座轉動時電力/控制電纜不會不合適地纏繞在支座上。
用來觀察及/或拍攝各種天體如行星、月球、星座、銀河、星狀體、彗星、星雲等的望遠鏡是大家都知道的。這種望遠鏡的尺寸範圍可以小到容易被攜帶，大到永久地固定在觀象臺上。較小的望遠鏡通常被學者、愛好者和業餘天文學家使用，而較大的望遠鏡一般只是被研究人員和天文學家使用。
望遠鏡的普通型式有折射式望遠鏡、反射式望遠鏡、Schmidt-Cassegrain望遠鏡和Maksutov-Cassegrain望遠鏡四種。折射式望遠鏡有一收集光線的物鏡將收集的光聚焦在目鏡上。目鏡與物鏡合作便可得到所需的放大。
反射式望遠鏡採用第一鏡來收集光線，和第二鏡將收集到的光線通過望遠鏡管內的孔眼反射到目鏡上。目鏡裝在管上，通常靠近管的前端，與管正交。目鏡與第一鏡合作便可得到所需的放大。
Schmidt-Cassegrain望遠鏡與反射式望遠鏡相似，只是其第二鏡在反射收集到的光線時系通過第一鏡內的孔眼而不是通過管內的孔眼。這樣，目鏡便能直接設置在第一鏡的後面，這對某些型式的觀察和拍攝比較方便。另外，光線進入Schmidt-Cassegrain望遠鏡時通過一個被稱為校正板的薄而兩邊非球形的透鏡。還有，第二鏡為外凸的，為的是增加第一鏡的有效焦距。
Maksutov-Cassegrain望遠鏡與Schmidt-Cassegrain望遠鏡相似，只是光線進入該望遠鏡時系通過一個彎月形透鏡，並且採用一個加大的第一鏡來提供一個不模糊的視域。
在用任一種望遠鏡觀看天體時都必需不斷移動望遠鏡使它保持與天體合適地對準，這是必要的因為要補償地球對宇宙的旋轉。只有不斷地重新調準望遠鏡才能在地球環繞其軸線旋轉時將所需觀察的天體保持在望遠鏡的視域內。
上述各種型式或任何其他合適型式的較小的便攜望遠鏡通常被安裝在一個三腳架上以便攜帶並在不平的土地上使用。
兩種不同型式的支座，即經緯式和赤道式，通常被用來可拆卸地將望遠鏡連結到三腳架上。經緯式支座比較牢固和穩定，但當望遠鏡用手動瞄準時，較難保持與所需天體對準。經緯式支座只有兩根互相垂直的旋轉軸線，因此使它本身比赤道式支座較為牢固和穩定。緯度旋轉使該望遠鏡可相對於支座環繞水平軸線旋轉，而經度旋轉使該望遠鏡可環繞垂直軸線旋轉。為了使具有經緯式支座的望遠鏡保持與所需天體對準，一般需要使望遠鏡環繞緯度和經度兩根旋轉軸線旋轉，因為當地球旋轉時天體的位置在緯度上和經度上都會變化。
赤道式支座能使望遠鏡較為容易保持與所需天體對準，因為只需環繞一根軸線旋轉便可保持這種對準。在赤道式支座中，兩根正交軸線被這樣設計，使其中一根軸線能容易地對準得與地球的旋轉軸線平行。一旦這種與地球旋轉軸線的對準完成，望遠鏡便只需環繞另一根軸線旋轉來保持與所需天體的對準。
但為了使一根軸線容易對準得與地球的旋轉軸線平行，必需設置另外兩根正交的對準軸線(與經緯式支座的兩根軸線相似)。因此，赤道式支座實際上為經緯式支座加兩根另外的軸線，共有四根不同的對準軸線。由於多一根軸線少一分穩定性，因此赤道式支座不能像經緯式那樣穩定。
雖然這種當代望遠鏡一般被證明為有用而盡職的，但它們仍有缺點致使其總體效率降低。例如，電動的望遠鏡當使用較高的放大倍數時往往缺少所需的精度，不能對較暗淡的天體可靠地定位(在計算機控制下)，因此，為了對所需天體定位並將所需天體定位在望遠鏡視域中心，經常需要做冗長的手動調整。
因此需要提供一種電動望遠鏡系統，該系統具有足夠的精度，能夠一般地確定所需天體的位置而可不需對望遠鏡作過多的手動調整。
另外，當天體由於地球的旋轉而在天空中越過時，許多電動望遠鏡不能準確地跟蹤一個天體(還是在計算機控制下)。雖然電動望遠鏡常能提供一定的跟蹤能力，但它往往不夠準確，不能使天體攝影容易進行。經常，這種跟蹤是這樣完成的，只是當望遠鏡被確定已基本上與所需天體脫離對準時才使望遠鏡的驅動馬達步進一下。這樣造成的望遠鏡的不穩定的和不規則的運動會使高質量的攝影發生很大的誤差。
雖然現有技術力圖用跟蹤時連續運轉的望遠鏡驅動馬達來解決這個問題，但這種望遠鏡系統一般仍然不能提供令人滿意的結果。為了維持所需的跟蹤，這種馬達的速率必須經常改變。但這種馬達速率的變化本身就會造成對準誤差，因為被跟蹤的天體是以恆定的速率移動的。另外，即使維持一個穩定的速率也不能使天體攝影容易進行，除非所維持的速率與所需的跟蹤速率足夠接近以致使被攝影天體的位置在視域內保持在接近相同的位置上。當然，在需要緯度放大倍數和長時間曝光的時候，具有將要被拍攝的天體保持在望遠鏡的視域內所需位置上的能力是最重要的。
因此需要提供一種電動望遠鏡系統，在該系統中望遠鏡驅動馬達在跟蹤時能以基本上穩定而準確的速率運轉，使要被拍攝的天體能夠在一段長時間內保持在望遠鏡視域內的所需位置上。
另外，在初始定位的過程中，驅動馬達會把所需天體的位置調過頭，這時可能需要用手動來調整電動望遠鏡。隨著望遠鏡的位置接近與所需天體對準，除非驅動馬達放慢速率，否則慣性可能會使望遠鏡略微越過預期的對準位置，這在採用較高放大倍數時較易發生。由於望遠鏡的光學能力不斷在提高，馬達驅動系統的準確而又可靠地將望遠鏡定位的能力變得更為緊要。
因此需要提供一種望遠鏡系統，該系統在移動望遠鏡使與所需天體對準時可減少過調。
另外，在製造將位置反饋到電動望遠鏡的光學編碼器時遇到的問題是要為編碼器組合件選用合適的發光二極體(LED)。這種LED為了能在編碼器組合件內適當地發揮功能，其亮度必須在所需的範圍內。如果LED的亮度不夠，那麼編碼器所產生的脈衝將具有不夠的寬度，這樣當來自兩個光探測器的脈衝應當重疊時，它們將不重疊；而當LED的亮度過大時，脈衝將具有過大的寬度，這樣來自兩個光探測器的脈衝將會在不應當重疊時重疊。總之，如果LED的亮度不正確，將會阻止編碼器組合件進行適當的相位差90°的操作。
因此最好光探測器所提供的輸出具有一個基本上為正方的波形，即脈衝的角部沒有被顯著地倒圓，而脈衝的上升邊和下降邊一般都是垂直的。這一點是將光探測器的輸出直接送往微處理器所必需的。如果脈衝的波形基本上退化，即具有基本上倒圓的轉角及/或斜度過大的上升邊和下降邊，那麼光探測器的輸出必須經過調整才能成為適宜輸入微處理器的信號。微處理器被用來在給定的時間段內核計輸入的脈衝數，據以確定脈衝產生的速率。成形不夠好的脈衝將不被計入，由此會得出位置及/或望遠鏡驅動馬達速率的錯誤確定，這將有害地影響驅動馬達系統準確地將望遠鏡定位的能力。
如果LED的輸出過弱，那麼光探測器形成的脈衝將會被倒圓。而脈衝的最大波幅可能要在稍後在編碼器將光開啟到光探測器以後才被照到，這將使脈衝過窄並且可能有被減小的波幅，脈衝的上升邊將被很差地形成，脈衝有可能不能被微控制器辨認。
如果LED的輸出過強，那麼輸出脈衝容易變得過寬，甚至可能開始重疊在鄰近的脈衝上，致使它們相互間難以區別，特別是在馬達速率較高時。所以如此是因為從LED發出的光被周圍的結構反射，在編碼器還沒有對準將門開啟讓光通過之前就已開始照到光探測器上，甚至在編碼器停止開啟不讓光通過之後還繼續照到光探測器上的緣故。這樣微控制器將不能辨認各個脈衝，又將提供不準確的計數。
在嘗試緩解這個問題時，當代實踐要求LED在被裝配到編碼器組合件內之前必先經過試驗，只有那些亮度在所需範圍內的LED才能被使用。但這種試驗是費時而又費錢的過程。
另外，光探測器的靈敏度能在相當大的範圍內變化。實際上，LED和光探測器通常是匹配成對出售的，既考慮LED亮度的變化，也考慮光探測器靈敏度的變化。
在編碼器組合件內，最好所提供使用的LED具有範圍較寬的亮度，所提供的光探測器具有範圍較寬的靈敏度，而不有害地影響到編碼器的準確度和可靠性。
在使用電動望遠鏡時有一個偶而會遇到的問題，即當在一長段時間內跟蹤天體進行觀察或攝影而使望遠鏡在經度上轉動時，控制及/或電力電纜會不合適地扭曲或卷繞在望遠鏡的周圍。電動望遠鏡的緯度馬達一般裝在望遠鏡支座上的通常為叉形件的旋轉部分上。這樣，當望遠鏡在經度上轉動時將電力及/或控制信號供給緯度馬達的電纜便會纏繞到支座上。
如果電纜被緊緊纏繞在支座上，就會造成損害，隨著支座的繼續轉動，電纜可能被拉得更緊，電纜及/或其連接件會斷裂，望遠鏡甚至能被搖動顛覆，造成重大損害。
為了緩解上述問題，曾採用滑動環來將電力及/或控制信號從望遠鏡支座的固定部轉移到其旋轉部分。但這種滑動環容易引起磨損和被汙染的問題，磨損和被汙染都會使滑動環的電接觸不良以致難於被維修、不能可靠地使用。
因此需要提供一種機構來緩解這個問題。
本發明可緩解現有技術的上述這些問題。雖然本發明在本文論述的是用來觀察/拍攝天體的望遠鏡系統，但這種系統也可用來觀察/拍攝地面景物。例如用在自然攝影中可方便在遠距離進行攝影，使野生動物不被驚擾。因此本文所論述的天體觀察/攝影，只是舉例性的，不是限制性的。
具體地說，本發明的望遠鏡系統具有一個望遠鏡、一個支承望遠鏡的三腳架、一個將望遠鏡連結到三腳架上使它容易環繞兩根一般正交的軸線旋轉的支座、和至少一個控制器/馬達驅動機構的組合件用來實施望遠鏡的環繞兩根一般正交軸線的所需旋轉。最好具有兩個控制器/馬達驅動機構的組合件，而將兩個組合件分別用來實施環繞兩根一般正交軸線中的一根軸線旋轉。
每一個控制器/馬達驅動機構組合件都各有一個馬達偶聯得可使望遠鏡環繞兩根一般正交軸線中的一根軸線轉動，一個控制線路偶聯得可驅動馬達，和一個編碼器偶聯得可將馬達的反饋提供給控制線路使望遠鏡的位置控制得以增強。控制線路被設計成與編碼器協作可驅使馬達按所需將望遠鏡定位。
馬達最好為直流(DC)馬達。DC馬達不貴並且只要改變施加在其上的電壓及/或脈衝寬度(如在脈衝寬度調製控制中)便可控制其速率和方向。
控制線路最好具有一個微控制器，最好為PIC 16C54或類似的微控制器，本行業的行家當可知道一般用途的微處理器可被替代使用。另外，專用線路最好為極大規模集成電路VLSI可被使用。
編碼器最好為光學編碼器，有一帶輻條或帶的輪子可交替堵塞和傳送光線。或者，各種其他型式的編碼器如磁的、電的等可類似地被使用。
按照本發明的較優實施例，編碼器輪被直接連結在馬達軸上。但，本行業的行家當可知道編碼器輪也可設在將馬達的旋轉運動傳送到望遠鏡的齒輪輪繫上。應該知道的是將編碼器設在靠近馬達的地方可提高解析度，因為馬達轉動得比齒輪輪系的其他部分快。
按照本發明的較優實施例，有一個LED將光線投向編碼器輪，有兩個光探測器接受來自編碼器的光，這樣來使編碼器按90°的相位差操作，下面將詳述。
控制電路最好被設計成控制望遠鏡移動的一個速率，這樣來使準確跟蹤要被觀察/攝影的天體容易進行。另外，控制電路最好被這樣設計使當望遠鏡接近所要到達的位置時，馬達驅動望遠鏡的速率能放慢，以免望遠鏡被過調。
控制電路可任意選用這樣的設計，即在接受一個代表望遠鏡所要轉動角度的信號後，使望遠鏡按該角度轉動。控制電路還可任意選用這樣的設計，即將望遠鏡的現有位置存儲起來，而在接到望遠鏡所需新位置後，計算這兩個位置之間的差異，然後使望遠鏡大致按該計算的差異移動。
按照本發明的較優實施例，設有多個傳感器，最好為兩個光探測器，讓它們接受來自光源如LED並通過編碼器輪的光。編碼器輪交替地讓光通過和阻止光通過。由於編碼器輪的運動正比於馬達的速率，因此光傳感器的輸出可代表馬達的速率。兩個光傳感器被偶聯在一起將代表馬達速率的信號送到控制電路使馬達的伺服控制容易進行。
兩個光傳感器最好被設計成按90°的相位差操作，它們互相間隔開一個距離，這個距離約為沿徑向伸出的齒的間距的一半，因此它們能夠感知編碼器輪的中間位置，這是只用一個光傳感器時所不能感知到的。較具體點說，採用兩個光傳感器按90°相位差的設計可感知編碼器輪的下列四種位置，即兩個傳感器都被堵塞，第一傳感器不堵塞、第二傳感器堵塞，第一傳感器堵塞、第二傳感器不堵塞，和兩個傳感器都不堵塞。由於單個光傳感器只能感知兩個位置即堵塞和不堵塞，因此按90°相位差操作可使編碼器輪的分辨能力增加一倍，這樣就能增強對望遠鏡的位置控制。更重要的是，按90°相位差操作能容易地確定馬達的旋轉方向。
按照本發明的較優實施例，有一校正電路偶聯到控制電路上和光源上以資將光源的亮度設定在所需的水平。光傳感器被偶聯到光源上以資將代表光源亮度的信號送給控制電路，控制電路被設計成能從該信號確定光源的亮度，並能改變光源的亮度使它保持在所需範圍內。
這樣在製造編碼器組合件時就可採用未經試驗的LED和光探測器，而可不必在製造之前先要驗證LED的亮度和光探測器的靈敏度。取消這種對LED和光探測器的試驗或預選可顯著地減少製造編碼器組合件的成本。
另外，具有改變LED的亮度的能力還可緩解LED在其整個使用壽命中由於老化和汙染而發生的亮度變化引起的問題。本行業的行家都知道，LED在其使用壽命中亮度是會變化的，而且LED在受到汙染時亮度會顯著減弱，這樣就需要對編碼器組合件進行不希望有的、費時的維修。
校正電路最好具有多個電阻，它們被安排得可有選擇地與LED串聯，從而限制通過LED的電流使LED提供所需的亮度。控制電路感知LED的亮度並選擇提供所需亮度要用到的電阻。最好，每個電阻都可開關、多個電阻互相平行地設置並與LED串聯。
按照本發明的較優實施例，有一電動支座將望遠鏡連結到三腳架上以便按需要使望遠鏡定位。電動支座具有一個基部固定地連結在三腳架上，有一叉形件通過叉樞軸樞支地連結在基部以便使望遠鏡在各經度上轉動。望遠鏡被樞支地連結在叉形件上以便使望遠鏡轉動到所需緯度。有一經度馬達被連結到基部上並偶聯得可轉動叉形件。有一緯度馬達被連結到叉形件上並偶聯得可轉動望遠鏡。有一電纜從基部延伸到緯度馬達，最好通過叉形件，用來將電力供到緯度馬達上，最好經過一個控制器/馬達的界面或經過一個用手握持的馬達控制器。
為了緩解電纜纏繞在支座及/或三腳架上的問題，設有停止擋以限制望遠鏡環繞經度軸線的轉動。較具體點說，有一基部停止擋設在基部上，有一叉停止擋設在叉形件上，還有一個中間停止擋可相對於基部和叉形件獨立旋轉。當叉形件相對於基部的轉動小於兩圈時，叉停止擋對接在中間停止擋上，而中間停止擋對接在基部停止擋上。這樣把叉形件相對於基部的轉動限制在兩圈以內可限制電纜纏繞在叉樞軸、支座及/或三腳架上。
叉停止擋最好具有一根設在叉形件上並從叉形件掛下的立柱，與此類似，基部停止擋最好具有一根設在基部上並從基部向上突起的立柱。叉停止擋和基部停止擋最好這樣設計使當叉形件相對於基部旋轉時這兩停止擋互不幹涉。
最好，中間停止擋被設計成環繞叉樞軸旋轉。中間停止擋最好由一個從叉樞軸伸出並可旋轉地連結在其上的槓桿形成。
由上可見，本發明的望遠鏡系統不僅具有智能馬達控制器可用來準確地控制望遠鏡的位置和精密地控制望遠鏡的移動速率，方便對天體的跟蹤；而且還具有一個採用兩個LED的光學編碼器可增強對望遠鏡定位馬達的伺服控制，一個校正電路可確保編碼器和具有亮度變化特性的LED的可靠的操作，以及一個沒有電刷的支座可用來將電力供到位在叉形件內的緯度驅動馬達上。
在考慮下面的詳細說明、權利要求和附圖後，可對本發明的特點、方案和優點有較完整的了解，其中

圖1為望遠鏡被一三腳架支承的望遠鏡系統的透視圖；圖2為圖1中的望遠鏡的經度馬達/減速齒輪/蝸輪組合件的平面圖；圖3為圖1中的電動支座的基部的透視圖，基部的上側已轉到下方以便示出經度馬達/減速齒輪/蝸輪的組合件和馬達控制器的印刷電路板；圖4為圖1中的電動支座的基部的透視圖，示出叉形件組合件的底部(基板)、基部停止擋、叉停止擋和中間停止擋；圖5為叉形件組合件的一個臂部的透視圖，示出緯度馬達/減速齒輪/蝸輪的組合件；
圖6為圖5中緯度馬達/減速齒輪組合件的分解透視圖；圖7為圖5中緯度馬達/減速齒輪組合件的平面圖；圖8為按照本發明的振動隔離蝸杆組合件的透視圖；圖9為圖8中振動隔離蝸杆組合件的剖視圖；圖10為本發明的馬達控制器的電路圖；圖11為本發明的控制器/馬達界面的電路圖；圖12為圖11中控制器/馬達界面的連接件的透視圖。
下面列出的詳細說明是要說明本發明目前較優的實施例，該實施例並不代表本發明可被製造或應用的惟一形式。在說明中列出本發明的構造和功能以及結合所示實施例操作本發明的工步順序。但應知道同一或等同的功能是可用不同的實施例來完成的，這些不同的實施例亦應包括在本發明的創意和範圍內。
現在參閱圖1，本發明的望遠鏡系統10具有一個被三腳架14支承的望遠鏡12，望遠鏡被連結到一支座上，該支座由一基部78、基板84、及臂87和89構成。臂87和89固定地連結到基板84上並從其上伸出。基板84及臂87和89構成一個叉形件19，該叉形件可旋轉地連結在基部78上。基部78和叉形件19使望遠鏡12容易環繞兩根正交軸線旋轉，即一根由第一樞軸形成的緯度軸線，它可使望遠鏡相對於叉形件旋轉，和一根由第二樞軸形成的經度軸線，它可使叉形件19相對於基部78旋轉。
最好，本發明被這樣設計，使三腳架能被拿掉，望遠鏡能被設置在一個平坦而又水平的表面如桌面上，這樣望遠鏡就被支承在支座上，支座的垂直軸線形成經度軸線，而支座的水平軸線形成緯度軸線。
現在參閱圖2，其中示出圖1中望遠鏡用的經度馬達/減速齒輪/蝸輪組合件。馬達52最好以約0到約15,000RPM(轉/分)的轉速運轉以資提供足夠的轉矩使望遠鏡12環繞經度軸線旋轉。馬達52最好為DC(直流)馬達，只要改變施加在其上的電壓及/或一系列脈衝的脈衝寬度便可改變其轉速。減速齒輪54提供的齒輪比約為205.3比1，可用來減少轉速、增加轉矩。馬達52和減速齒輪組合件54都裝在一個平臺56上。馬達52最好通過震動/振動隔離支座裝在平臺56上，以免將馬達52的不希望有的振動傳到望遠鏡12上，引起其視域的不希望有的運動。平臺56也類似地隔離震動/振動，下面將詳細說明。
第一齒輪58被連結到馬達52的軸62上，編碼器輪60也被連結到馬達52的軸62上，並且最好在第一齒輪58上製成。第一齒輪58驅動中間齒輪64，中間齒輪64又驅動輸出齒輪66以獲得所需的齒輪比。輸出齒輪66具有聯軸節68以便將蝸輪組合件70連結在其上。最好，蝸輪組合件70的軸72被接納並接合在輸出聯軸節68內，使輸出齒輪66的旋轉運動傳到軸72上。在蝸輪組合件70的軸72上制有蝸杆74，軸72與蝸杆支座76之間也被隔離震動/振動，下面將詳細說明。
參閱圖3，經度馬達/減速齒輪/蝸輪組合件50最好用螺紋緊固件如螺栓或螺釘連結到望遠鏡支座的基部78上，該組合件50的平臺56則通過震動/振動隔離件如橡膠O形環等連結到基部78上，隔離件最好位在螺紋緊固件的周圍，緊固件將平以56連結到基部78上的方式猶似圖5所示將平臺114連結到臂87上那樣。而基部78則固定地連結在三腳架的頭上。圖3所示的基部78的上側在下，為的是清楚地示出位在其內的馬達/減速齒輪/蝸輪組合件50。蝸杆74驅動蝸輪80，速比最好約為60比1，蝸輪80通過一個離合器連結在經度樞軸82上。該軸82可旋轉地連結在基部78上並固定地連結在旋轉的基板84上，在該基板84上連結著望遠鏡的支座叉使望遠鏡12容易在經度上轉動。在印刷電路板51上制有馬達控制電路，如下所述。
參閱圖4，圖3中的基部78倒轉成為正常狀態。裝有叉形件19和望遠鏡12的旋轉基板84通過經度樞軸82連結到基部78上時，可設法使旋轉基板84相對於基部78的轉動小於兩圈，也就是使望遠鏡12相對於三腳架14的轉動小於兩圈。這種對轉動的限制可緩解電纜(未示出)的不希望有的纏繞。電纜是將電力及/或控制信號供到緯度驅動馬達85用的，該馬達位在叉形件的一個臂87內，在該叉形件上樞支地連結著望遠鏡12。電纜可位在基部78內(通過旋轉基板84上的孔而連接到馬達85)，這樣當基板84旋轉時，電纜容易卷繞在經度樞軸82上；電纜也可位在基部78、叉形件或三腳架的外側，這樣當基板84旋轉時，電纜容易卷繞在基部78上；如上所述，這種卷繞是不希望有的。
較具體點說，基板84具有一個停止擋最好由向下伸出的立柱86構成，而基部78也具有一個停止擋最好由向上伸出的立柱96構成，這兩個立柱被這樣設計使當基板84相對於基部78旋轉時可以互不幹涉。
中間停止擋88被這樣設計，最好使它能環繞經度樞軸82旋轉，而且當基板84相對於基部78的轉動到正好小於兩圈時，向下伸出的立柱86可與中間停止擋88對接，而中間停止擋88又與向上伸出的立柱96對接，這樣來停止基板84對基部78的繼續旋轉，從而緩解不希望有的電纜的纏繞。
按照本發明的較優實施例，中間停止擋88由一包圍並可環繞樞軸82旋轉的環構成，最好樞支地連結在基部78上制出的凸臺112上。中間停止擋88最好具有第一90、第二92和第三94三個突部。當基板84順時針向旋轉時，第一突部90與基部78的向上伸出的立柱96接觸；而當基板84逆時針向旋轉時，第一突部90與基板84的向下伸出的立柱86接觸。與此類似，當基板84順時針向旋轉時，第三突部94與向下伸出的立柱86接觸，而當基板84逆時針向旋轉時，第三突部94與向上伸出的立柱96接觸。
最好，第一90和第三94突部具有足夠的易彎曲性，並且在向下伸出的立柱86與中間停止擋88對接而中間停止擋88與向上伸出的立柱96對接時能略微彎曲，藉此緩衝基板的停止旋轉。中間停止擋88的第二突部限制第一突部90和第三突部94的這種彎曲。在第一突部90和第三突部94的根部制出的凹腔98可提高其易彎曲性使這種彎曲容易進行。
控制器/馬達界面100可使手持的馬達控制器容易地通過插口104與經度馬達52和緯度馬達85進行電路連接。輔助插口102和110可使另外一些裝置如數據記錄儀、個人計算機、地球定位系統(GPS)、電子水準儀、CCD攝影機、RS-232埠、網際網路連接線等容易進行電路連接。電力插口106可方便將電源接到經度馬達52和緯度馬達85上。當電力通過電力插口106供應並且開關合上時，電力指示燈107會點亮。
參閱圖5，其中示出叉形件的一個臂87，其上樞支地連結著望遠鏡12使其緯度調節容易進行。有一與圖2和3中的經度馬達/減速齒輪/蝸輪組合件50相似的緯度馬達/減速齒輪/蝸輪組合件112裝在臂87內。馬達85和平臺114也採用類似的震動/振動隔離安裝如同下面的詳細說明。螺紋緊固件120將平臺114連結到臂87上。位在每一個螺紋緊固件120周圍的橡膠O形環124設在平臺114的兩側使平臺114夾在兩個O形環之間。最好還採用塑料襯套或套筒墊圈122來限制螺紋緊固件120的旋緊程度以免O形環被過分壓縮。
雖然緯度馬達/減速齒輪/蝸輪組合件112的實體設計或布置與經度馬達/減速齒輪/蝸輪組合件50略有不同，但這個不同只是為了適應裝配在臂87內與裝配在基部78內不同而設，緯度馬達/減速齒輪/蝸輪組合件112的構件(特別是馬達85、減速齒輪組合件113和蝸輪組合件111)在結構和功能上都與經度馬達/減速齒輪/蝸輪組合件50的構件相似。
蝸輪115被蝸杆109驅動並且通過離合器連結到緯度樞軸(未示出)上，該樞軸又牢固地連結到望遠鏡安裝支架116上，最好通過斜楔117。而望遠鏡安裝支架116則最好通過設在孔118內的螺紋緊固件牢固地連結在望遠鏡上，使蝸輪115的轉動引起望遠鏡12的相似轉動。
參閱圖6和7，其中示出緯度馬達85和緯度減速齒輪113的進一步細節。馬達85通過震動/振動隔離件裝在平臺114上。平臺114由下平臺部114a和上平臺部114b組成，隔離件由橡膠O形環130和彈性馬達支座132組成。O形環130設在馬達85的凸臺134的周圍並分別被下平臺部114a和上平臺部114b的缺口136和138卡住。彈性支座132連結到馬達85的後部並將馬達85的後部裝在平臺114上。
馬達驅動機構，特別是在較大的望遠鏡系統中，會產生相當大的聽覺噪聲使人煩惱。而O形環130和彈性支座132可顯著地減少噪聲。
第一齒輪140連結到馬達85的軸142上。編碼器輪144最好與第一齒輪140製成一個整體。中間齒輪150、152、154和156由第一齒輪140驅動並被設計得可提供所需的齒輪速比。輸出齒輪160通過齒輪161可方便地將減速齒輪組合件113連結到蝸輪組合件111(圖5)上。中間齒輪152和154定位在軸155上，中間齒輪150和156以及輸出齒輪160則定位在軸157上。
在印刷電路板162上制有馬達控制電路用來對馬達85進行精密控制，下面將詳細說明。
參閱圖8和9，蝸杆74、109最好有震動/振動隔離免得不合適地將振動從馬達傳到望遠鏡上。經度馬達/減速齒輪/蝸輪組合件50的蝸杆74和緯度馬達/減速齒輪/蝸輪組合件113的蝸杆109基本相同，下面一併予以說明。
通過彈性材料如兩個彈性的O形環172將蝸杆79、109連結到支架170上來取得震動/振動隔離。兩個彈性O形環被夾持在支架170和兩個軸套174之間(從圖9可最好地看到)，而蝸杆的軸72在兩軸套之內旋轉。兩個碟形墊圈176分別被設在軸72的一端上的螺帽180及用螺紋緊固件176連結在軸72另一端的輸出齒輪68、161抵壓在鄰近的平墊圈178上。螺紋緊固件178將蝸杆支架170連結到基部78和臂87上。
彈性O形環可為望遠鏡提供相當大的減振能力。本行業的行家知道，不經意地叩擊或碰撞望遠鏡可能在望遠鏡上產生的振動或振蕩有時可持續到30秒以上。這種振蕩或振動非常不好，因為它能使視域顯著移動，從而妨礙觀察及/或攝影，而用這種彈性O形環172來安裝蝸杆74可顯著減少這種振蕩或振動。
參閱圖10，其中示出驅動馬達52、85的電路圖。由於驅動經度馬達52和緯度馬達85的電路基本相同，下面一併予以說明。
控制電路200接收來自編碼器電路204的伺服反饋信號並提供馬達驅動信號，其波幅及/或脈衝寬度確定馬達52、85的速率，這樣通知驅動電路206讓它提供所需的動力來驅動馬達52、85。校正電路208保證編碼器的正確操作，下面將說明。
控制電路200最好具有一個PIC 16 C 54微控制器202，可從其輸入端RB0和RB1分別接收編碼器電路的來自光探測器212、214的信號，這些信號指出馬達的速率和相對旋轉位置。編碼器電路具有一個發光二極體210，它將光發到編碼器輪60、144上，在編碼器輪60、144的輻條和輪齒之間通過的光線被兩個按90°相位差操作的光探測器212和214接收，按90°相位差操作可提高伺服反饋控制的分辨力，如前所述。
微控制器202被偶聯得可從其輸出端RA2和RA3將馬達驅動控制信號送給馬達驅動電路206。DC馬達可在任一方向被驅動使望遠鏡12按需定位。場效應電晶體216和218響應微控制器202輸出端RA2發出的信號，合作將具有第一極性的驅動信號發給馬達52、85使它在第一方向被驅動。場效應電晶體220和222響應微控制器202輸出端RA3發出的信號，合作將具有第二極性的驅動信號發給馬達52、85使它在第二方向被驅動。雙極電晶體224和226分別與場效應電晶體218和222合作，可使場效應電晶體218和222分別將與場效應電晶體216和220所提供信號的極性相反的信號提供給馬達52、85。這樣便可在微控制器202的指揮下提供動力使馬達52、85以所需轉速在所需方向上被驅動。
驅動馬達52、85的轉速最好由脈衝寬度調製(PWM)來控制，按照公知的原理，馬達的轉速正比於一系列施加在其上的脈衝的寬度。這樣望遠鏡移動的快慢便可由增減脈衝寬度來控制。另外，按照公知的原理，也可改變脈衝的數目及/或脈衝的電壓來得到所需的控制，可任意選用。
發光二極體LED 210的亮度可由光探測器發到微控制器202輸入端RB0和RB1的信號的波幅來確定。微控制器202可在六個輸出中選擇一個發給校正電路208使LED 210具有所需的亮度。較具體點說，可在出口端RB2到RB7中選擇一個將與LED 210串聯而自身並聯的230到235的六個電阻器選擇一個使它起作用，這樣來改變通過LED 210的電流使LED 210的亮度改變而被保持在所需的範圍內。
電壓調節器240與電容器242和244及電感器246合作可接受來自連接器JP2的12V DC的電力並提供調整的直流電壓。晶體振蕩器248與電容器250和252合作可產生微控制器202用的時鐘信號，或者可用陶瓷諧振器來代替晶體振蕩器248。
現在參閱圖11和12，電路連接板260可方便手持控制器與電動望遠鏡支座的馬達的連接。連接板260是界面100的另一種形式，兩者都可使用。連接板260可適應經緯式支座和赤道式支座兩種支座的馬達使用。在圖11和12中，276(指標號，下同)為電力連接器，供接入12伏直流電(12V DC)用。272為發光二極體(LED)，274為電阻用來限制通過LED272的電流。270、268、266均為四銷(RJ-11I/O(進出)埠，262為八銷RJ-11 I/O埠。手持控制器通過262與270、268、266連接，270供連接輔助裝置的輔助數據和輔助時鐘信號用，268供連接下傾馬達(赤道式支座)或緯度馬達(經緯式支座)用，270供連接上升馬達(赤道式支座)或經度馬達(經緯式支座)用。連接時數據信號和時鐘信號分別用兩條隔開的導線傳送，因此設有雙線界面(時鐘和數據)可方便用手持控制器來控制望遠鏡的驅動馬達。
應該知道，本文所說明的示範的望遠鏡系統只是本發明目前較優的實施例。實際上在不離開本發明的創意和範圍的情況下是能夠作出各種修改和增添的。例如，雖然本文說明的是用於經緯式支座的馬達控制，但本發明也可用於赤道式及/或其他合適型式的望遠鏡支座上，因此本文只是舉例性的，並不是限制性的。
權利要求
1.一種通常用來觀察/拍攝天體的望遠鏡系統，具有一個望遠鏡；一個支承望遠鏡的三腳架；一個將望遠鏡連結到三腳架上的支座，使望遠鏡能環繞兩條一般為正交的軸線運動；至少一個控制器/馬達組合件，該組合件具有一個馬達偶聯得可使望遠鏡環繞兩條一般為正交軸線中的一條轉動；一個控制電路偶聯得可驅動馬達；一個編碼器偶聯得可從馬達反饋到控制電路以資增強對望遠鏡位置的控制；其中控制電路與編碼器合作可使馬達按需將望遠鏡定位，從而增強對天體的定位和跟蹤。
2.根據權利要求1的望遠鏡系統，其特徵在於，馬達為DC馬達。
3.根據權利要求1的望遠鏡系統，其特徵在於，控制電路具有一個微控制器。
4.根據權利要求1的望遠鏡系統，其特徵在於，控制電路具有一個PIC 16 C 54微控制器。
5.根據權利要求1的望遠鏡系統，其特徵在於，控制系統具有一個微處理器。
6.根據權利要求1的望遠鏡系統，其特徵在於，編碼器為一光學編碼器。
7.根據權利要求1的望遠鏡系統，其特徵在於，編碼器具有一個編碼器輪。
8.根據權利要求1的望遠鏡系統，其特徵在於，編碼器具有一個位在馬達軸上的編碼器輪。
9.根據權利要求1的望遠鏡系統，其特徵在於，編碼器具有一個位在馬達軸上的編碼器輪；一個將光線投向編碼器輪的LED；一對接收來自編碼器的光線的光探測器，將該光調製成可代表馬達的轉速。
10.根據權利要求1的望遠鏡系統，其特徵在於，控制電路設計得可控制望遠鏡的移動速率以資跟蹤要被觀察/拍攝的天體。
11.根據權利要求1的望遠鏡系統，其特徵在於，控制電路設計得當望遠鏡接近所需位置時可減少望遠鏡的移動速率以免過調。
12.根據權利要求1的望遠鏡系統，其特徵在於，控制電路設計得可接收一個代表望遠鏡所要移動角度的信號並使望遠鏡大致按該角度移動。
13.根據權利要求1的望遠鏡系統，其特徵在於，控制電路設計得可存儲望遠鏡的現在位置和所需的新位置，計算這兩個位置間的差異，並使望遠鏡大致按該計算的差異移動。
14.一種通常用來觀察/拍攝天體用的望遠鏡的控制器/馬達組合件，具有一個馬達偶聯得可使望遠鏡環繞兩條一般為正交軸線中的一條轉動；一個控制電路偶聯得可驅動馬達；一個編碼器偶聯得可從馬達反饋到控制電路以資增強對望遠鏡位置的控制；其中控制電路與編碼器合作可使馬達按需將望遠鏡定位，以資增強對天體的定位和跟蹤。
15.根據權利要求14的控制器/馬達組合件，其特徵在於，馬達為DC馬達。
16.根據權利要求14的控制器/馬達組合件，其特徵在於，控制電路具有一個微控制器。
17.根據權利要求14的控制器/馬達組合件，其特徵在於，控制電路具有一個PIC 16 C 54微控制器。
18.根據權利要求14的控制器/馬達組合件，其特徵在於，控制電路具有一個微處理器。
19.根據權利要求14的控制器/馬達組合件，其特徵在於，編碼器為一光學編碼器。
20.根據權利要求14的控制器/馬達組合件，其特徵在於，編碼器具有一個編碼器輪。
21.根據權利要求14的控制器/馬達組合件，其特徵在於，編碼器具有一個位在馬達軸上的編碼器輪。
22.根據權利要求14的控制器/馬達組合件，其特徵在於，編碼器具有一個位在馬達軸上的編碼器輪；一個將光線投向編碼器輪的LED；一對接收來自編碼器的光線的光探測器，將該光調製成可代表馬達的轉速。
23.根據權利要求14的控制器/馬達組合件，其特徵在於，控制電路設計得可控制望遠鏡的移動速率以資跟蹤要被觀察拍攝的天體。
24.根據權利要求14的控制器/馬達組合件，其特徵在於，控制電路設計得當望遠鏡接近所需位置時可減少望遠鏡的速率以免過調。
25.根據權利要求14的控制器/馬達組合件，其特徵在於，控制電路設計得可接收一個代表望遠鏡所要移動角度的信號並使望遠鏡大致按該角度移動。
26.根據權利要求14的控制器/馬達組合件，其特徵在於，控制電路設計得可存儲望遠鏡的現在位置和所需的新位置，計算這兩個位置間的差異，並使望遠鏡大致按計算的差異移動。
27.一種通常用來觀察/拍攝天體的望遠鏡系統，具有一個望遠鏡；一個支承望遠鏡的三腳架；一個將望遠鏡連結到三腳架上的支座；至少一個控制器/馬達組合件用來使望遠鏡相對於三腳架而移動，該組合件具有一個馬達；一個控制電路偶聯得可驅動馬達；一個光源；多個接收來自光源的光線的光傳感器；一個編碼器輪可交替地允許和阻攔光線從光源投向光傳感器，編碼器輪的運動可代表驅動馬達的運動；其中光傳感器偶聯得可將代表馬達運動的信號供給控制電路以資增強對馬達的伺服控制。
28.根據權利要求27的望遠鏡系統，其特徵在於，光源為一發光二極體(LED)。
29.根據權利要求27的望遠鏡系統，其特徵在於，所說多個光傳感器為兩個光傳感器。
30.根據權利要求27的望遠鏡系統，其特徵在於，所說多個光傳感器為兩個按90°相位差操作的光傳感器。
31.根據權利要求27的望遠鏡系統，其特徵在於，所說多個光傳感器為光敏二極體。
32.根據權利要求27的望遠鏡系統，其特徵在於，編碼器輪具有多個沿徑向延伸的輻條，可交替地允許和阻攔光線從光源投向光傳感器。
33.根據權利要求27的望遠鏡系統，其特徵在於，馬達為DC馬達。
34.一種通常用來觀察/拍攝天體的望遠鏡移動用的控制器/馬達組合件，具有一個馬達；一個控制電路偶聯得可驅動馬達；一個光源；多個接收來自光源的光線的光傳感器；一個編碼器輪可交替地允許和阻攔光線從光源投向光傳感器，編碼器輪的運動代表驅動馬達的運動；其中光傳感器偶聯得可將代表馬達運動的信號供給控制電路以資增強對馬達的伺服控制。
35.根據權利要求34的控制器/馬達組合件，其特徵在於，光源為一發光二極體(LED)。
36.根據權利要求34的控制器/馬達組合件，其特徵在於，所說多個光傳感器為兩個光傳感器。
37.根據權利要求34的控制器/馬達組合件，其特徵在於，所說多個光傳感器為兩個按90°相位差操作的光傳感器。
38.根據權利要求34的控制器/馬達組合件，其特徵在於，所說多個光傳感器為光敏二極體。
39.根據權利要求34的控制器/馬達組合件，其特徵在於，編碼器輪具有多個沿徑向延伸的輻條可交替地允許和阻攔光線從光源投向光傳感器。
40.根據權利要求34的控制器/馬達組合件，其特徵在於，馬達為DC馬達。
41.一種通常用來觀察/拍攝天體的望遠鏡系統，具有一個望遠鏡；一個支承望遠鏡的三腳架；一個將望遠鏡連結到三腳架上的支座；至少一個控制器/馬達組合件用來使望遠鏡相對於三腳架而移動，該組合件具有一個馬達；一個控制電路偶聯得可驅動馬達；一個光源；至少一個接收來自光源的光線的光傳感器；一個編碼器輪可交替地允許和阻攔光線從光源投向光傳感器，編碼器輪的運動代表驅動馬達的運動；一個偶聯到控制電路和光源上的校正電路可將光源的亮度設定在所需水平上；其中光傳感器偶聯得可將代表馬達運動的信號供給控制電路以資增強對馬達的伺服控制。
42.根據權利要求41的望遠鏡系統，其特徵在於，校正電路具有多個與光源串聯可選擇地開關的電流限制電阻可改變通過光源的電流。
43.根據權利要求42的望遠鏡系統，其特徵在於，控制電路設計得可確定光源的亮度。
44.一種通常用來觀察/拍攝天體的望遠鏡的控制器/馬達組合件，具有一個馬達；一個控制電路偶聯得可驅動馬達；一個光源；至少一個接收來自光源的光線的光傳感器；一個編碼器輪可交替地允許和阻攔光線從光源投向光傳感器，編碼器輪的運動代表驅動馬達的運動；一個校正電路偶聯到控制電路和光源上可將光源的亮度設定在所需的水平；其中光傳感器偶聯得可將代表馬達運動的信號供給控制電路以資增強對馬達的伺服控制。
45.根據權利要求44的控制器/馬達組合件，其特徵在於，校正電路具有多個與光源串聯可選擇地開關的電流限制電阻可改變通過光源的電流。
46.根據權利要求45的控制器/馬達組合件，其特徵在於，控制電路設計得可確定光源的亮度。
47.一種通常用來觀察/拍攝天體的望遠鏡系統，具有一個望遠鏡；一個支承望遠鏡的三腳架；一個將望遠鏡連結到三腳架上用來使望遠鏡定位的電動支座，具有一個固定地連結在三腳架上的基部；一個通過叉樞軸樞支地連結在基部上可使望遠鏡在經度上容易轉動的叉形件，而望遠鏡樞支地連結在叉形件上使望遠鏡在緯度上容易轉動；一個連結在基部上的經度馬達，偶聯得可轉動叉形件；一個連結在叉形件上的緯度馬達，偶聯得可使望遠鏡轉動；一根從基部延伸到緯度馬達的電纜用來使緯度馬達在電路上連通；一個在基部上制出的基部停止擋；一個在叉形件上制出的叉停止擋；一個中間停止擋設計得可與基部和叉形件無關地轉動；當叉形件相對於基部的轉動不到兩圈時叉停止擋便可對接在中間停止擋上，而中間停止擋可對接在基部停止擋上，這樣便可限制電纜纏繞在叉樞軸上。
48.根據權利要求47的望遠鏡系統，其特徵在於，叉停止擋為在叉形件上制出向下伸出的立柱，基部停止擋為在基部上制出向上伸出的立柱。
49.根據權利要求47的望遠鏡系統，其特徵在於，中間停止擋設計得可環繞叉樞軸旋轉。
50.根據權利要求47的望遠鏡系統，其特徵在於，中間停止擋為一樞支地連結在叉樞軸上的槓桿。
51.一種將通常用來觀察/拍攝天體的望遠鏡連結到三腳架上以資使望遠鏡定位的電動支座，具有一個固定地連結在三腳架上的基部；一個通過叉樞軸樞支地連結在基部上使望遠鏡在經度上容易轉動的叉形件，而望遠鏡樞支地連結在叉形件上使望遠鏡在緯度上容易轉動；一個連結在基部上的經度馬達偶聯得可轉動叉形件；一個連結在叉形件上的緯度馬達偶聯得可轉動望遠鏡；一根從基部延伸到緯度馬達的電纜使緯度馬達在電路上連通；一個在基部上制出的基部停止擋；一個在叉形件上制出的叉停止擋；一個中間停止擋可與基部和叉形件無關地轉動；當叉形件相對於基部的轉動不到兩圈時，叉停止擋便可對接在中間停止擋上，中間停止擋又可對接在基部停止擋上，這樣便可限制電纜的纏繞在叉樞軸上。
52.根據權利要求51的電動支座，其特徵在於，叉停止擋為一在叉形件上制出向下伸出的立柱，基部停止擋為一在基部上制出向上伸出的立柱。
53.根據權利要求51的電動支座，其特徵在於，中間停止擋設計得可環繞叉樞軸旋轉。
54.根據權利要求51的電動支座，其特徵在於，中間停止擋為一樞支地連結在叉樞軸上的槓桿。
全文摘要
一種具有智能馬達控制器(50)的望遠鏡系統(10),可準確地控制望遠鏡的位置來方便對天體的定位,並精密地控制望遠鏡的移動速率來方便對天體的跟蹤。有一使用兩個光探測器的光學編碼器(62)可用來增強對望遠鏡定位馬達(52)的伺服控制。一個校正電路可消除裝配光學編碼器(62)時試驗LED的需要。還有一個不用電刷的電動支座可使位在叉形件(19)內的緯度驅動馬達(85)在電路上連通,其方式可緩解支座在經度上旋轉時電纜不合適地纏繞在支座上產生的問題。
文檔編號G02B23/00GK1354841SQ9981374
公開日2002年6月19日 申請日期1999年10月26日 優先權日1998年10月26日
發明者肯尼思·W·保恩, 布賴恩·G·廷吉, 斯坦利·H·德萬 申請人:米德儀器公司