專利名稱：水力鐘的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及利用水力來驅動時鐘等的顯示機構的水力時鐘。
以往早已有向支持成自由轉動的水車注入水，利用水車的旋轉來驅動時鐘等的顯示機構的水力時鐘。
其一例即為公眾所知的于中國北宋時代所創(chuàng)造的如

圖1、圖2所示的水力天文時鐘(水運儀象臺)。該水力天文時鐘包括由多個支柱圍繞著的本體1;本體1內部設有水車，向此水車注入水以驅動此水車轉動的注水機構;及將此水車的轉動傳遞至各種顯示機構的動力傳動機構等。下面說明其構造和運轉情況。
如圖2所示，在本體1內位于略為中央處，有水車2，該水車2支持成可向一方向自由轉動。在此水車2旁，設有作為注水機構的多個貯水槽3，各貯水槽3高度不一，互相間具有高度差。位于最上層的貯水槽3旁設有汲取設在水車2下方的水槽(退水壺)4所積存的水的兩個汲水車5、5，該汲水車亦支持成能自由轉動。此汲水車5、5由人P以手轉動把手6，由此使其帶動水車5、5而連動旋轉，以將積存于水槽4的水向上汲取。被汲取的水積存于最上層的貯存槽3，而水則順次向下一層或再下一層的貯水槽3流下。然后，從最下層的貯水槽3注入到水車2，以將水車2驅動旋轉。如此，因將多個貯水槽3，設置成互相間具有高度差，如使水的流量略為穩(wěn)定，則水車2的轉動速度亦略為穩(wěn)定。
經由傳動機構將水車2的轉動傳遞至圖1中所示的時刻顯示部(晝夜機輪)12、作為天體顯示機構的天體觀測儀(渾天儀)25、天球儀(渾象儀)32等。如圖2所示，水車2的旋轉軸(樞輸)2a將水車2的轉動經由齒輪10、11傳遞至時刻顯示部(晝夜機輪)12的中心軸(機輪軸)12a。此中心軸12a在24小時(1天)中旋轉一個回轉。
如圖2所示，在時刻顯示部12的中心軸12a上固定有3枚旋轉板13、14、15，旋轉板13與14之間及旋轉板14及15的各個外周部，則各配設有多個人形玩偶。在旋轉板13與14之間共設有24個人形玩偶16;在旋轉板14外周部則共設有96個人形玩偶17;然后，在旋轉板15外周部共設有38個人形玩偶18。
如圖1所示，本體1的正面設計成具五層塔樓的裝飾圖案，每層塔樓各有一個窗戶，每個窗戶依次分別顯示人形玩偶16-20，以便用人形玩偶來顯示時刻。出現(xiàn)在從上面數(shù)起第一層、第四層的窗戶中的人形玩偶19、20為固定人形玩偶;在從上面數(shù)起第二層、第三層、第五層窗戶中依次分別出現(xiàn)的上述人形玩偶16、17、18是可移動的。
在圖1中，在第一層上的3個固定的人形玩偶19之中，右端的人形玩偶19a可在規(guī)定的時刻使鈴鳴響;左端的人形玩偶19b敲響鼓;中央的人形玩偶19c則使鐘鳴響。并且，第二層的人形玩偶16(共24個)乃表示“時”，第三層的固定的人形玩偶20則在夜間時刻敲鳴銅鐸(金鉦)，第五層的人形玩偶18(共38個)，則用以表示夜間時刻。
如圖2所示，軸9的轉動經由齒輪21-24傳遞至設置在本體1頂上的天體觀測儀25。此天體觀測儀25以軸C1為中心線，在一個恒星日(23小時56分4，09秒)中旋轉一個回轉，設置成與軸C1在同一直線上的望筒(未圖示)具有可自動尾隨天體的運行的結構，即相當于天文臺的望遠鏡及半圓形屋頂。
如圖2所示，時刻顯示部12的中心軸12a的轉動亦經由齒輪26-31傳遞至設在本體1內部的天球儀32。此天球儀32表面標記有星座，并與上述天體觀測儀25相同，以軸C2為中心線，于一個恒星日(23小時56分4.9秒)中旋轉一個回轉，故相當于觀測星座所用的天象儀。
以上即為古代水力天文時鐘的構造，該水力天文時鐘以一恒定流量的水為動力(原動力)來驅動各種顯示機構。
上述水力天文時鐘，因貯水槽3內的水位變化等，使水車2的轉動速度很難達到恒定，各種顯示機構將發(fā)生誤差。作為修正此種誤差的方法，雖可考慮例如以來自晶體振蕩式時鐘之1小時發(fā)生1次的正確的正時信號為基準來操動的馬達，將各種顯示機構強制與其時刻加以對準等方法。惟此種方法，為修正當前的顯示，即將前次修正以后所生累積誤差加以修正。擬將此種誤差在短時間內強制加以修正，需將馬達的輸出加以增大，實為不合效率的方法。而且，若縮短誤差修正的周期，則雖可縮小累積誤差，但此乃與以馬達直接來驅動顯示機構相同，作為以水為驅動源(原動力)方具有意義的水力時鐘而言，顯然將有問題。進一步，將水車2或軸9、12a各以定速旋轉馬達來加以驅動旋轉，亦可縮小誤差(或使其成為零)，惟此種方法亦與上述方法同樣，對于以水為原動力始有意義的水力時鐘，亦有問題。
由于本發(fā)明始終以水為原動力來驅動水車轉動為前提，因此，本發(fā)明的目的在于仍然堅持采用此種水車的轉動傳遞給各種顯示機構的基本結構的情況下，提供一種可用極小的動力來修正誤差并進行高精度的顯示的水力時鐘。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的第一特征為具有支持成可向一方向自由轉動并經由傳動機構將其本身的轉動傳遞至顯示機構的水車;為積存從上層流出之水、同時向下一層流出水而在最下層向水車注水，以便驅動上述水車轉動而設置多個貯水槽，各貯水槽間成互相具有高度差;由馬達驅動而向最上層貯水槽汲水的送水泵;及由檢測貯水槽內水位的水位感測器的輸出來控制馬達驅動的控制電路等結構。
本發(fā)明的第二特征則進一步設有與水車的轉動速度同步發(fā)生索引脈沖波的轉動速度檢測部;及以事先規(guī)定的間隔來發(fā)生基準脈沖波的基準時仲;及通過比較此兩個脈沖波來檢出水車的轉動速度誤差，以便控制電路的操動誤差檢測部等結構。
水位感測檢出貯水槽內之水位，當水位達到某一定高度以上或某一定量以下，則馬達的驅動將停止，使送水泵所進行向上汲水亦停止。并且，比較旋轉速度檢測部所發(fā)生的索引脈沖波與基準時鐘所發(fā)生的基準脈沖波，以便檢出水車的轉動速度誤差，根據(jù)此誤差來控制馬達的驅動，使貯水槽內的水量增減，以便將誤差加以修正。
下面參照附圖來說明本發(fā)明的實施例。
圖1為傳統(tǒng)的水力時鐘的正面圖。
圖2為沿圖1的A-A線的剖面圖。
圖3為天體觀測儀(渾天儀)的透視圖。
圖4為本發(fā)明的驅動系統(tǒng)示意圖。
圖5為水車(樞輪)的正視圖。
圖6為圖5的主要部分的放大圖。
圖7為圖6的主要部分的放大圖。
圖8為圖7的斷面?zhèn)纫晥D。
圖4中所示為用以將本發(fā)明的水力鐘加以高精度驅動的系統(tǒng)的結構。本系統(tǒng)大體上由向貯水槽3注水的泵水機構52、53，控制此泵水機構的控制電路40，及檢出水車2的轉動速度誤差的誤差檢測部43等所構成。此外，本系統(tǒng)中使水車2的轉動經由傳動機構傳遞至各種顯示機構(時刻顯示部12、天體觀測儀25、天球儀32)上的結構，乃如現(xiàn)有技術部分所說明一樣，并無二致，故在相同構件上乃附以相同的編號，其說明亦因此加以省略。
如圖4所示，積存于設置在水車2下方的水槽4的水流入水槽50并經過過濾器51后，再由泵水機構的驅動馬達52所驅動的送水泵53汲上，汲上的水便積存于最上層的貯水槽3中，并從其中流入下一層貯水槽3，最后從最下層的貯水槽3注入到水車2上，用來驅動水車2轉動。驅動水車2的水再度積存于水槽4，又由泵水機構汲上再注入到最上層貯水槽3中，再流入下層的貯水槽3，2經最下層貯水槽3又注入水車2上，這樣，又重復上述一連串動作，使之循環(huán)不停。
如圖4所示，在最上層的貯水槽3中，設有多個水位感測器54(在本實施例中則設有5個等間隔水位感測器)，以便檢測貯水槽3內的水位現(xiàn)在究竟如何。水位感測器54的輸出傳送至構成控制電路40的流量調整接口電路41，并經由反相器(頻率變換裝置)42向驅動馬達52送出控制信號，以便控制送水泵53泵送動作。
由送水泵53汲上的水量設定成可達到比從貯水槽3注向水車2的水量為多。因此，貯水槽3內的水位可逐漸上升，惟當水位感測器54檢出水位上升到最高位時，便將水位信號傳送至流量調節(jié)接口電路41，并經由反相器42使驅動馬達52停止轉動，以便停止向上汲水。然后，水位下降至一定高度時，則送水泵53再度操動，便又再度向上汲水。
水車2的轉動由將于后述的轉動速度檢測部46檢出。轉動速度檢測部46產生與水車2的轉動速度同步的索引脈沖波，此脈沖波信號被傳送到誤差檢測部43。另一方面，晶體振蕩式之基準時鐘44發(fā)生的一定間隔的基準脈沖波也被傳送至誤差檢測部43。在誤差檢測部43，便將輸入的索引脈沖波與基準脈沖波的各脈沖波間隔加以比較，以檢測水車2的轉動速度究竟較基準速度(理想速度)為快或慢(有無誤差)。
若索引脈沖波之間隔較基準脈沖波之間隔為大時，表示水車2的轉動比基準轉動較慢，故誤差檢測部43將向流量調節(jié)介面41送出水位變更指示信號，此時之水位更指示信號為使貯水槽3內的水位上升的信號。若水位上升，則從位于最下層的貯水槽3注入到水車2的水量將增加，結果，將比以往更快地驅動水車2，使之轉動得更快。接到此水位變更信號后，流量調節(jié)接口電路41便將所希望的水位設定在比原來要高的一層處，同時亦將指示信號傳送至反相器42，提高驅動馬達52的旋轉速度，以便提高水泵53泵送的水量。結果，最上層貯水槽3內的水位將上升。當水位感測器54檢出水位已上升至所希望的位置，則水位信號將傳送至流量調節(jié)接口電路41，并經由反相器42，將驅動馬達52的轉動速度控制在可保持一定水位的狀態(tài)。
相反地，若索引脈沖波之間隔較基準脈沖之間隔為小時，表示水車2的轉動比基準轉動較為快速，故誤差檢出部43將向流量調節(jié)接口電路41傳送水位變更指示信號。此時水位變更指示信號為使貯水槽3內之水位下降的信號。水位若下降，則從最下層的貯水槽3注入到水車2的水量將減少，結果，可比以往較為緩慢地驅動水車2使其轉動較為緩慢。接到此水位變更指示信號后，流量調節(jié)接口電路41便將所希望的水位設定在比原來要低的一層處，同時，亦將指示信號傳送至反相器2，將驅動馬達52的轉動速度降低，以便降低送水泵53泵送的水量。結果，最上層的貯水槽3內的水位下降。當水位感測器54檢出水位已下降至所希望之位置，則水位信號將被送至流量調節(jié)接口電路41，并經由反相器42，將驅動馬達52的旋轉速度控制在能將水位保持一定的狀態(tài)。
此外，在索引脈沖波之間隔與基準脈沖波之間隔略為相同時，因水車2轉動得不快不慢，故誤差檢出部43便判定誤差為零，亦將不會輸出水位變更指示信號。
由于反覆進行上述的一連串動作，水車2將能以極為近似于基準時鐘44的精度轉動，各種顯示機構(時刻顯示部12、天體觀測儀25、天球儀32)的顯示精度將達到極高的水準。
此外，因自來水管內部混合入異物等造成發(fā)生不測的事態(tài)而使水的供給量急劇減少，水位感測器54便檢出水位連續(xù)下降，從而將水位信號傳送至流量調節(jié)接口電路41，并經由反相器42使驅動馬達52停止轉動，隨即使非常警鈴(未圖示)鳴響。
進一步，從基準時鐘44發(fā)出的信號傳送至監(jiān)視器顯示部45，以監(jiān)控各種顯示機構的顯示狀態(tài)。
此外，積存于設在水車2下方的水槽4內的水，由送水泵53向上汲取，但也設置在“現(xiàn)有技術”一節(jié)已說明的兩個汲水車5、5以及用以驅動此等汲水車5、5旋轉之把手6的汲水機構。在作為示范性表演的目的，如圖2所示的現(xiàn)有技術的汲水機構，可由人P以手轉動把手6驅動兩個汲水車5、5轉動，來達到汲水目的。但在本發(fā)明中，由驅動汲水車5、5轉動所汲取的水并不流入貯水槽3內，而使之流入水槽50;用以調整水車2轉動速度的水實際上仍經過如圖2中虛線所示的流動路線，但與汲水車5、5轉動汲取的水無關，只有由送水泵53泵送的水才會從水槽4流入貯水槽3中。
此外，可使馬達52斷續(xù)地作旋轉及停止等操動。以代替用反相器42來控制馬達52的轉動速度。
另外，水位感測器54，亦可不設置在最上層的貯水槽3，而設置在位于中層或最下層的貯水槽3內。
其次，參照圖5-8來說明檢測水車2轉動速度的轉動速度檢測部46的結構。
如圖5所示，水車2的骨架由從其中心軸呈輻射狀伸長的12支內側及36支外側輪輻60及設置成跨接各輪輻60且為同心的三個圓環(huán)61等所形成。各外側輪輻60的前端形成互為對稱的兩個傾斜面，該傾斜面可與后述的轉動限制構件接合。
如圖5所示，在水車2外周緣部等間隔分布地設置36個水桶62，各水桶62能以設置于輪輻60上軸62a為中心自由地擺動。在該水車2的最外周的圓環(huán)61上等間隔地設置36個圓筒形止動塊63用來限制各水桶62的擺動角度。如圖6所示，各水桶62呈升斗(量具)形狀，其內部可積存一定量的水。
如圖5所示，位于最下層的貯水槽3設置在水車2的右側方處;從此貯水槽3突出的給水管3a循次地向到達其前方的每個水桶62注水。
如圖5、6所示，搭載此貯水槽3的支柱64上設置有以軸65a為中心而可自由擺動的橫桿65，在此橫桿65下側則設置有以軸66a為中心而可自由擺動且與后述的轉動限制構件連結的擺動桿杠66等。橫桿65的左前端部頂接在從水桶62突出的臂部62b下面，從而可限制水桶62繞軸62a擺動的角度。此外，擺動杠桿66的前端由水桶62的臂部62b押下，使之以軸66a為中心向反時鐘方向擺動。
如此，在水車2作順時鐘方向轉動時，與水車2的轉動連動的橫桿65及擺動杠桿66均由各水桶62周期性地押下或釋放。
如圖5所示，在水車2的上方亦設有轉動限制構件用以限制水車2的轉動;下面說明其結構和操動。
支持水車2的支架67的左上部設有防止逆轉的杠桿68，該杠桿68可以軸68a為中心自由擺動;此杠桿68前端部的頂部68b接合在從水車2中呈輻射狀伸出的論輪輻60前端部的右斜邊，以限定水車2本身只能順時鐘方向轉動(正轉)。
在支架67的最右上部亦有設牽引杠桿70，該牽引杠桿以軸70a為中心自由地擺動。間歇輸送杠桿69的前端部與牽引杠桿70左前端部用繩索71連結。牽引杠桿70右前端部與擺動杠桿66亦用繩索72連結在一起。
因此，擺動杠桿66被水桶62押下而向反時鐘方向擺動時，則此種擺動將經由繩索72傳遞至牽引杠桿70，使該牽引杠桿70以軸70a為中心順時鐘方向擺動;此擺動亦經由繩索71被傳遞至間歇輸送杠桿69，使間歇輸送杠桿69以軸69a為中心向順時鐘方向擺動，并使間歇輸送桿69前端部的頂部69b與輪輻60前端部右側邊脫離(解除)接合。
如圖6所示，在橫桿65的后端部亦垂吊有重錘73，此重錘73將使橫桿65受到以軸65a為中心順時鐘方向的彈撥力。橫桿65的后端部在如圖7、8所示的倒Y字形欄桿74內擺動;此欄桿74將可限制橫桿65的擺動角度。如圖8所示，欄桿74以螺釘固定在承載貯水槽3的支柱64的下面，其下端部設有輔助棒75，該輔助棒由螺釘結合在其上，橫桿65的后端部則可在此輔助桿75及欄桿74所構成之框環(huán)內部上下擺動。
如圖8所示，欄桿74為中空結構，在此中空結構內部內藏有由發(fā)光部及受光部所構成的光束感測器76。此光束感測器76檢測橫桿65的擺動運動。以便由此種擺動為基準來測水車2的轉動速度。換句話說，光束感測器76將起著轉動速度檢測部46的作用。如圖4所示光束感測器76之輸出被輸入到控制電路40，以便由此來判斷水車2的轉動速度。如此，因轉動速度檢測部46設置在欄桿74內部，故從外部無法看到，因此將不致?lián)p壞古代水力天文時鐘的外觀。
下面說明水車2的轉動動作。
如圖5、6所示，將水從位于最下層的貯水槽3注入到靠近最下層貯水槽3旁處在水平位置的水桶62。水桶62因其臂部62b下面頂接于橫桿65的左前端部，故該水桶62以軸62a為中心的轉動受到限制而維持在其水平位置上。不久，水桶62內部積存的水的水量超過某一定量時，則橫桿65抵當不過水和水桶62的總重量，便會如圖6虛線所示，水桶62將以軸62a為中心順時鐘方向轉動。由于水桶62轉動，便一起押下擺動杠桿66與橫桿65，使之反時鐘方向擺動。
如圖7、8所示橫桿65的擺動將由欄桿74內部的光束感測器76所檢出，如圖4所示，此檢出信號被輸入到控制電路40，用來判斷水車2的轉動速度。
此外，擺動杠桿66的擺動杠桿66的擺動，亦如圖5所示，經由繩索72傳遞至牽引杠桿70，使牽引杠桿70以軸70a為中心順時鐘方向擺動;此擺動亦經由繩索71傳遞至間歇輸送杠桿69，使間歇輸送杠桿69以軸69a為中心順時鐘方向擺動，再使間歇輸送框桿69前端部的頂部69b與輪輻60前端部右側邊脫離接合(解除接合)。由此，原先受到間歇輸送杠桿69限制的水車2的順時鐘方向轉動亦得到解除，從而使水車2又再順時鐘方向轉動。
然后，下一個空水桶62來到該水平位置(即最下層貯水槽3旁的位置)，同時橫桿65及擺動杠桿66也回復至原來的位置;由此，間歇輸送杠桿69前端部的頂部69b滑動于輪輻60前端部的傾斜面(向左下方傾斜)，而與下一排輪輻62前端部的傾斜面(向左下傾斜)，而與下一排輪輻60的前端右側邊相接合，以限制水車2的順時鐘方向的轉動。積存有水的水桶62乃向下移動，其內部之水則落在水車2下方的水槽4內。積存于水槽4的水，亦如圖4所示，由送水泵53再度向上汲水貯水槽3中。
如此，水車2每次轉動便進行每360度/36亦即10度之間歇轉動。
并且，在水車2順時鐘方向轉動時，逆轉防止框桿68前端的頂部68b滑動在輪輻60前端部的傾斜面(向右下方傾斜)，而接合于位在下一排輪輻60的前端部左側邊，以限制水車2反時鐘方向轉動(逆轉)。
此外，水車2不僅限定于如上所述的間歇轉動，也可將水桶62固定于水車2上，使水車2作連續(xù)轉動。
如上所述，依據(jù)本發(fā)明的水力時鐘乃由水位感測器檢測貯水槽內的水位，水位達到某一定高度以上或某一定量以下，便停止驅動馬達，送水泵也就停止向上汲水，并且，比較轉動速度檢測部所發(fā)生的索引脈沖波與基準時鐘所發(fā)生的基準脈沖波，以檢出水車轉動速度的誤差，再根據(jù)此誤差來控制馬達的驅動，以增、減貯水槽內的水量，并由此來修正誤差;故始終以水為原動力來驅動旋轉水車，將此水車的轉動傳遞至各顯示機構，此種基本結構雖乃不改變;但卻可進行高精度的顯示。
權利要求
1.一種水力鐘，具有支持成在一方向上自由轉動并經由傳動機構將其本身的轉動力傳遞至顯示機構的水車，設置成相互具有高度差的多個貯水槽，以便積存從上層貯水槽流出的水，同時又向下一層貯水槽注水，直至最下層貯水槽向上述水車注水以便能夠驅動上述水車，其特征在于還具有檢測上述貯水槽內水位的水位感測器，用來自上述水位感測器的輸出來控制驅動汲水機構的馬達的驅動的控制電路。
2.如權利要求1所述的水力鐘，其特征在于還進一步具有與上述水車轉動速度同步地發(fā)生的索引脈沖波的轉動速度檢測部;以事先規(guī)定間隔發(fā)生的基準脈沖波的基準時鐘;及用以通過比較上述索引脈沖波與上述基準脈沖波檢測出上述水車轉動速度誤差以便控制上述控制電路的操動的誤差檢出部。
3.如權利要求2所述的水力鐘，其特征在于還具有上述水車的轉動限制機構，所述限制機構包括支持成自由擺動且與上述水車的轉動連動而作周期性押下或釋放的橫桿，檢測上述橫桿的擺動的感測器，及接收上述感測器的輸出以檢測水車轉動速度的轉動速度檢測部。
全文摘要
利用水力來驅動時鐘顯示機構的水力時鐘，包括支持成在一方向上自由轉動而經傳動機構傳遞其轉動力的水車；設置成互相具高度差的多個貯水槽用以積存從上層流出之水，同時向下一層流出，并于最下層向該水車注水以使之轉動，由馬達所驅動而向最上層的貯水槽汲水的送水泵；用來自檢測貯水槽內水位的水位感測器的輸出來控制馬達的驅動的控制電路等。
文檔編號G04B1/26GK1072514SQ9210261
公開日1993年5月26日 申請日期1992年4月6日 優(yōu)先權日1991年11月19日
發(fā)明者飯一雄 申請人:株式會社精工舍