專利名稱：時(shí)空鐘的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種由時(shí)鐘與地球儀組成的時(shí)空鐘，屬于教學(xué)儀器領(lǐng)域。
多數(shù)現(xiàn)行的時(shí)鐘無(wú)論外觀，形式如何變化，總擺脫不了時(shí)針、分針、秒針組成，時(shí)針每12小時(shí)走一圈的傳統(tǒng)模式。它只能單一地反映時(shí)間變化?，F(xiàn)行地球儀也是能將世界各國(guó)的分布、海洋、經(jīng)度、緯度的分布模擬于地球儀上面，但都體現(xiàn)不了一天之間地球上任何區(qū)域位置的晝夜變化及光照情況的變化。
本實(shí)用新型時(shí)空鐘的目的在于克服上述不能直觀，有機(jī)地反映一年當(dāng)中的日照變化規(guī)律及一天當(dāng)中的晝夜變化規(guī)律的缺點(diǎn)，采用將時(shí)鐘與地球儀有機(jī)結(jié)合起來(lái)，清楚地反映出時(shí)間與地球上任何位置變化規(guī)律的關(guān)系，達(dá)到時(shí)間和空間的統(tǒng)一。
根據(jù)地球自轉(zhuǎn)原理，將時(shí)針固定在地球儀的一個(gè)位置，以地球儀球休模擬地球自轉(zhuǎn)，即24小時(shí)走一圈，相對(duì)時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的方式來(lái)計(jì)時(shí)，同時(shí)根據(jù)地球分轉(zhuǎn)的原理，利用晨昏圈模擬地球一年當(dāng)中光照面的規(guī)律變化，直觀生動(dòng)地揭示出來(lái)一年當(dāng)中地球與太陽(yáng)的相對(duì)位置、極晝、極夜、夏天為何晝長(zhǎng)夜短，冬天為何夜長(zhǎng)晝短，以及地球上那些地區(qū)一年當(dāng)中日照時(shí)間長(zhǎng)，那些地方日照時(shí)間短等等自然現(xiàn)象。同時(shí)了直觀反映出地球任何區(qū)域位置一天當(dāng)中任何時(shí)刻處在晝夜變化的何種位置，從而使原來(lái)呆板的地球儀變成與地球同步運(yùn)行的模擬地球。這樣在反映時(shí)間變化的同時(shí)，也揭示了空間變化的規(guī)律，做到了時(shí)間與空間的有機(jī)統(tǒng)一。另外，本實(shí)用新型時(shí)空鐘地球儀上注有從“中時(shí)區(qū)”到東西十二區(qū)”共24個(gè)時(shí)區(qū)，參照后面的對(duì)時(shí)方法，可以直接明顯示出世界上任何城市及其所在國(guó)家，地區(qū)或世界上任何區(qū)域位置的當(dāng)?shù)貢r(shí)間，與此同時(shí)這些國(guó)家地區(qū)或區(qū)域位置處于一天當(dāng)中晝夜變化的何種位置也一目了然，這些都有利用現(xiàn)代生活中人們安排各種工作，生活等活動(dòng)。
本實(shí)用新型時(shí)空鐘是這樣實(shí)現(xiàn)的，本時(shí)空鐘由地球儀，球體區(qū)動(dòng)系統(tǒng)，晨昏圈，晨昏圈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及時(shí)鐘組成。時(shí)針固定于地球儀支架上端，并彎曲與球體表面平行，時(shí)間刻度環(huán)鑲嵌在地球體表面軌道上且對(duì)表時(shí)可相對(duì)球體轉(zhuǎn)動(dòng)，用來(lái)對(duì)時(shí)，球體驅(qū)體系統(tǒng)裝在地球儀支架底座內(nèi)驅(qū)動(dòng)球體以相同于地球自轉(zhuǎn)，即15°小時(shí)的角度自西向東轉(zhuǎn)動(dòng)，晨昏圈及其指針連接在同一軸上且二者所處平面平行，晨昏圈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)裝在地球儀支架的側(cè)面，驅(qū)動(dòng)晨昏圈，及其指針在47°夾角范圍內(nèi)，以47°半年的速度往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以示冬至＝夏至，受光面與背光面在一年當(dāng)中的規(guī)律變化。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明

圖1為時(shí)空鐘結(jié)構(gòu)示意圖；(1)球體 (2)晨昏圈 (3)晨昏圈軸 (4)支架 (5)晨昏圈 刻度盤(6)晨昏指針 (7)時(shí)間刻度環(huán)(8)時(shí)針圖2晨昏圈及其指針示意圖；圖3晨昏圈刻度及指針示意圖；圖4時(shí)空鐘球體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖；圖5CMOS石英晶體振蕩器電路圖；圖6時(shí)空鐘與現(xiàn)行時(shí)鐘定子的比較示意圖；圖7時(shí)空鐘晨昏圈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖；圖8晨昏圈定子示意圖。
(9)開關(guān)該時(shí)空鐘是地球儀球體1(上面注有從“中時(shí)區(qū)”到“東西十二區(qū)”共24個(gè)時(shí)區(qū))。時(shí)針8、時(shí)間刻度環(huán)7、晨昏圈2、地球儀支架4、球體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(裝在支架底座內(nèi))，晨昏圈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(裝在支架側(cè)面)，晨昏圈指針6、晨昏圈47°刻度盤5，電源等組成，時(shí)針8固定于地球儀支架4上端，并彎曲成與球體表面平行(見圖1)且時(shí)針8處于球體1正午太陽(yáng)位置最高點(diǎn)位置(即正午12點(diǎn)位置)，并設(shè)定時(shí)針8處于受光面，其背面為背光面，時(shí)間刻度環(huán)7鑲嵌在地球儀球體1表面軌道上，且對(duì)表時(shí)可相對(duì)球體1轉(zhuǎn)動(dòng)，用來(lái)對(duì)時(shí)，刻度環(huán)7上有1、2、3……12、13、14……24點(diǎn)共24小時(shí)的時(shí)間刻度(見圖1)。球體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)球體1以相同于地球自轉(zhuǎn)即15°/小時(shí)的角速度自西向東轉(zhuǎn)動(dòng)，晨昏圈2及其指針6連接在同一軸3上，且二者所處平面相互平行，晨昏圈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)晨昏圈2及其指針6在47°夾角范圍內(nèi)以47°/半年的速度往復(fù)運(yùn)動(dòng)(見圖3)以示從冬至＝夏至，受光面與背光面在一年當(dāng)中的規(guī)律變化。
球體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電路和機(jī)械部分，由于驅(qū)動(dòng)球體1及時(shí)間刻度環(huán)7以1圈/24小時(shí)的速度逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，因此若要用現(xiàn)行鐘表機(jī)芯作為該時(shí)空鐘的鐘表驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，需要將轉(zhuǎn)速，由1圈/12小時(shí)變?yōu)?圈/24小時(shí)，并將轉(zhuǎn)動(dòng)方向由現(xiàn)行鐘表順時(shí)針變?yōu)槟鏁r(shí)針，球體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖如圖4所示，圖中CMOS石英晶體振蕩器電路如圖5所示，它是由頻率為32768Hz(與現(xiàn)行鐘表相同)的石英晶體CMOS倒相器(由PMOS和NMOS串聯(lián)組成)偏置電阻Rf振蕩器CD，微調(diào)電容CG等組成。CMOS二分頻器是將CMOSJK觸發(fā)器接成計(jì)數(shù)狀態(tài)而得到，它能將32768Hz的信號(hào)分頻為16384Hz的信號(hào)，因此將該信號(hào)送到由16級(jí)2分頻電路，譯碼電路及驅(qū)動(dòng)電路組成的現(xiàn)行的鐘表機(jī)芯，最后得到的驅(qū)動(dòng)步進(jìn)馬達(dá)的正負(fù)的交替的雙向時(shí)鐘脈沖信號(hào)的頻率正好是現(xiàn)行時(shí)鐘頻率的一半，這樣使得該時(shí)鐘的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為1圈/24小時(shí)。至于由順時(shí)針改變?yōu)槟鏁r(shí)針的問(wèn)題，是要將現(xiàn)行鐘表機(jī)芯的定子取出，改變定子的偏心方向，如圖6所示，即可使得轉(zhuǎn)子反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
晨昏圈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也是由驅(qū)動(dòng)電路和機(jī)械部分構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)晨昏圈2及其指針6在47°/半年的速度往返運(yùn)動(dòng)。因此若要用現(xiàn)行鐘表機(jī)芯作為該晨昏圈驅(qū)動(dòng)需將轉(zhuǎn)動(dòng)速度由1圈/12小時(shí)(即720°/24小時(shí)＝720°/天)變?yōu)?7°/半年(即47°/182.5天)且使得該系統(tǒng)既能按順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，又能按逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。該晨昏圈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖如圖7所示，圖中CMOS石英晶體振蕩電路的構(gòu)成與圖5基本相同，只是石英晶體的諧振頻率為發(fā)8007.86Hz，COMS分頻電路是通用芯片CC4040組成12級(jí)二分頻器，
Hz將該信號(hào)再送入由16級(jí)二分頻電路，譯碼電路和驅(qū)動(dòng)電路組成的現(xiàn)行鐘表機(jī)芯，則驅(qū)動(dòng)步進(jìn)馬達(dá)的正負(fù)交替雙向時(shí)鐘脈沖信號(hào)正好能使得轉(zhuǎn)動(dòng)速度由720°/1天變?yōu)?7°/182.5天，這是因?yàn)?
至于實(shí)現(xiàn)晨昏圈在47°夾角范圍內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，只需將現(xiàn)在分成相對(duì)獨(dú)立且可在一定小范圍內(nèi)相對(duì)移動(dòng)的兩部分并增加一開關(guān)，如圖8所示，通過(guò)開關(guān)9在左右位置上下運(yùn)動(dòng)即可改變定子的偏心方向，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的正反轉(zhuǎn)動(dòng)。
另外，由于自然情況下，太陽(yáng)視半徑和大氣折光作用等的影響，使日出和日沒(méi)的真太陽(yáng)的天頂距發(fā)生50’的差值，這樣使得晨昏圈將地球所分成的晝半球和夜半球都不是真正的半球，50’差值使得晝半球向四周擴(kuò)大了50’，也使得夜半球從四縮小50’，從而任何時(shí)間和地點(diǎn)的晝長(zhǎng)被延長(zhǎng)，夜長(zhǎng)被縮短，使得赤道上晝夜等長(zhǎng)的情況從來(lái)不曾有過(guò)，其它緯度晝夜等長(zhǎng)情況，并不出現(xiàn)在春分和秋分，而是出現(xiàn)在春分和秋分以后三四天，南北極點(diǎn)，極晝延長(zhǎng)，極夜縮短，南北極點(diǎn)，極晝?cè)黾恿?日，極夜縮短了5日。因此將晨昏圈設(shè)計(jì)為如圖2所示結(jié)構(gòu)即晨昏圈并不直接連接在其左右兩軸上，而是連接在長(zhǎng)度為ab＝a’b’＝0.01453為50’弧度角、R為晨昏圈半徑)的弧線結(jié)構(gòu)上，弧線結(jié)構(gòu)與左右兩軸相連，另外晨昏圈正上方有一垂直于晨昏圈且其弧長(zhǎng)為0.4099R(0.4099為23.5弧度角，R為晨昏圈半徑)的能使地球儀上端軸通過(guò)的條形空隙如圖2和圖1。這樣就可將太陽(yáng)視半徑和大氣折光作用等產(chǎn)生的50’差值考慮進(jìn)去。
對(duì)時(shí)方法首先通過(guò)晨昏圈機(jī)芯調(diào)節(jié)旋鈕，調(diào)節(jié)晨昏圈，使其處于當(dāng)月適當(dāng)位置(由晨昏圈刻度盤讀出)。由于時(shí)針處于正午太陽(yáng)位置最高點(diǎn)位置(即正午12點(diǎn)位置)因此，只要將時(shí)間刻度環(huán)7上“12刻度”對(duì)準(zhǔn)地球儀上北京所處時(shí)區(qū)(東八區(qū))的中央經(jīng)線，即該時(shí)區(qū)的“標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)線”(即東經(jīng)120°)再通過(guò)球體機(jī)芯調(diào)節(jié)旋鈕，轉(zhuǎn)動(dòng)球體(此時(shí)時(shí)間刻度環(huán)相對(duì)球體不動(dòng))對(duì)時(shí)，則“時(shí)空鐘”地球與自然地球運(yùn)行狀態(tài)相同，且時(shí)針8所指任一時(shí)刻的時(shí)間為北京時(shí)間。之后，若將時(shí)間刻度環(huán)上“12刻度”調(diào)整至地球上任一位置(如某國(guó)家首都或地區(qū)等)所處時(shí)區(qū)的“標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)線”，則時(shí)針8在任意時(shí)刻所指的時(shí)間刻度環(huán)7上的時(shí)間為該位置(某國(guó)家首都或地區(qū))的當(dāng)?shù)貢r(shí)間。
權(quán)利要求1.一種由時(shí)鐘、地球儀組成的可以顯示地球日照及時(shí)間變化的時(shí)空鐘，其特征在于時(shí)針(8)固定于地球儀支架(4)上端軸上，并彎曲與球體(1)表面平行，且時(shí)針(8)處于正午太陽(yáng)位置最高點(diǎn)位置(即正午12點(diǎn)位置)，時(shí)間刻環(huán)(7)鑲嵌在球體表面軌道上且對(duì)表時(shí)可相對(duì)球體轉(zhuǎn)動(dòng)，時(shí)間刻度環(huán)(7)表面有時(shí)間刻度，可以驅(qū)動(dòng)球體以相同于地球自轉(zhuǎn)即15°/小時(shí)的角速度自西向東轉(zhuǎn)動(dòng)地球儀驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)裝在地球儀支架(4)底座內(nèi)，晨昏圈(2)及其指針(6)連接在同一軸上且二者所處平面相互平行，可以驅(qū)動(dòng)晨昏圈(2)及其指針(6)在47°夾角范圍內(nèi)以47°/半年的速度往復(fù)運(yùn)動(dòng)的晨昏圈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，裝在地球儀支架(4)的側(cè)面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時(shí)空鐘，其特征在于球體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由CMOS石英晶體振蕩器，CMOS二分頻器，現(xiàn)行鐘表機(jī)芯組成，其中CMOS晶體振蕩器是由頻率為32768Hz(與現(xiàn)行鐘表相同)的石英晶體CMOS倒相器(由PMOS和NMOS串聯(lián)組成)偏置電阻Rf振蕩器C0，微調(diào)電容C6等組成，其電路如圖5所示，此外，將現(xiàn)行鐘表機(jī)芯中的定子取出，改變定子的偏心方向如圖6，使轉(zhuǎn)子反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時(shí)空鐘，其特征在于晨昏圈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由CMOS石英晶體振蕩器，CMOS分頻器，現(xiàn)行鐘表機(jī)芯組成，其中CMOS石英晶體振蕩電路構(gòu)成與權(quán)利要求2中球體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)CMOS石英晶體振蕩電路基本相同，只是石英晶體的諧振頻率為48007，86Hz，CMOS分頻電路是由通用芯片CC4040組成的12級(jí)二分頻器，另將現(xiàn)有定子分成相對(duì)獨(dú)立且可在一定小范圍內(nèi)相對(duì)移動(dòng)的兩部分并增加一開關(guān)，如圖8所示，通過(guò)開關(guān)左右位置的上下運(yùn)動(dòng)即可改變定子的偏心方向，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的正反轉(zhuǎn)動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時(shí)空鐘，其特征在于晨昏圈(2)沒(méi)有直接和其左右兩軸(3)相連接而是連接在與其左、右兩軸(3)相連的長(zhǎng)度為ab＝a’b’＝0.014537為50’弧度角，R為晨昏圈半徑)的弧線結(jié)構(gòu)上，另晨昏圈正上方有一垂直于晨昏圈且其弧長(zhǎng)為0.4099R(0.4099為23.5°的弧度角，R為晨昏圈半徑)的能使地球儀上端軸通過(guò)的條形空隙如圖2和圖1。
專利摘要一種由地球儀,時(shí)鐘組成的時(shí)空鐘,由于采用了球體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和晨昏圈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),可以使地球儀按照地球轉(zhuǎn)動(dòng)的原理即1周/24小時(shí)和晨昏圈以47°/半年的速度相對(duì)運(yùn)動(dòng),可以將時(shí)鐘,地球儀,日照情況有機(jī)地結(jié)合起來(lái),直觀地可以看出地球任何地方的時(shí)間,光照情況,是家庭、辦公室、旅游、教學(xué)、賓館、機(jī)場(chǎng)、車站非常適用的集實(shí)用性、裝飾性、知識(shí)性于一體的工具。
文檔編號(hào)G04B19/00GK2273430SQ9625093
公開日1998年1月28日 申請(qǐng)日期1996年12月25日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月25日
發(fā)明者杜明剛, 王云, 郭軍, 王虹 申請(qǐng)人:杜明剛, 王云, 郭軍, 王虹