CN1029429C - 水力钟 - Google Patents

Abstract

利用水力来驱动时钟显示机构的水力时钟，包括支持成在一方向上自由转动而经传动机构传递其转动力的水车；设置成互相具高度差的多个贮水槽用以积存从上层流出之水，同时向下一层流出，并于最下层向该水车注水以使之转动，由马达所驱动而向最上层的贮水槽汲水的送水泵；用来自检测贮水槽内水位的水位感测器的输出来控制马达的驱动的控制电路等。

Description

本发明涉及利用水力来驱动时钟等的显示机构的水力时钟。

以往早已有向支持成自由转动的水车注入水，利用水车的旋转来驱动时钟等的显示机构的水力时钟。

其一例即为公众所知的于中国北宋时代所创造的如图1、图2所示的水力天文时钟（水运仪象台）。该水力天文时钟包括：由多个支柱围绕着的本体1;本体1内部设有水车，向此水车注入水以驱动此水车转动的注水机构;及将此水车的转动传递至各种显示机构的动力传动机构等。下面说明其构造和运转情况。

如图2所示，在本体1内位于略为中央处，有水车2，该水车2支持成可向一方向自由转动。在此水车2旁，设有作为注水机构的多个贮水槽3，各贮水槽3高度不一，互相间具有高度差。位于最上层的贮水槽3旁设有汲取设在水车2下方的水槽（退水壶）4所积存的水的两个汲水车5、5，该汲水车亦支持成能自由转动。此汲水车5、5由人P以手转动把手6，由此使其带动水车5、5而连动旋转，以将积存于水槽4的水向上汲取。被汲取的水积存于最上层的贮存槽3，而水则顺次向下一层或再下一层的贮水槽3流下。然后，从最下层的贮水槽3注入到水车2，以将水车2驱动旋转。如此，因将多个贮水槽3，设置成互相间具有高度差，如使水的流量略为稳定，则水车2的转动速度亦略为稳定。

经由传动机构将水车2的转动传递至图1中所示的时刻显示部（昼夜机轮）12、作为天体显示机构的天体观测仪（浑天仪）25、天球仪（浑象仪）32等。如图2所示，水车2的旋转轴（枢输）2a将水车2的转动经由齿轮10、11传递至时刻显示部（昼夜机轮）12的中心轴（机构轴）12a。此中心轴12a在24小时（1天）中旋转一个回转。

如图2所示，在时刻显示部12的中心轴12a上固定有3枚旋转板13、14、15，旋转板13与14之间及旋转板14及15的各个外周部，则各配设有多个人形玩偶。在旋转板13与14之间共设有24个人形玩偶16;在旋转板14外周部则共设有96个人形玩偶17;然后，在旋转板15外周部共设有38个人形玩偶18。

如图1所示，本体1的正面设计成具五层塔楼的装饰图案，每层塔楼各有一个窗户，每个窗户依次分别显示人形玩偶16-20，以便用人形玩偶来 显示时刻。出现在从上面数起第一层、第四层的窗户中的人形玩偶19、20为固定人形玩偶;在从上面数起第二层、第三层、第五层窗户中依次分别出现的上述人形玩偶16、17、18是可移动的。

在图1中，在第一层上的3个固定的人形玩偶19之中，右端的人形玩偶19a可在规定的时刻使铃鸣响;左端的人形玩偶19b敲响鼓;中央的人形玩偶19c则使钟鸣响。并且，第二层的人形玩偶16（共24个）乃表示“时”，第三层的固定的人形玩偶20则在夜间时刻敲鸣铜铎（金钲），第五层的人形玩偶18（共38个），则用以表示夜间时刻。

如图2所示，轴9的转动经由齿轮21-24传递至设置在本体1顶上的天体观测仪25。此天体观测仪25以轴C1为中心线，在一个恒星日（23小时56分4.09秒）中旋转一个回转，设置成与轴C1在同一直线上的望筒（未图示）具有可自动尾随天体的运行的结构，即相当于天文台的望远镜及半圆形屋顶。

如图2所示，时刻显示部12的中心轴12a的转动亦经由齿轮26-31传递至设在本体1内部的天球仪32。此天球仪32表面标记有星座，并与上述天体观测仪25相同，以轴C2为中心线，于一个恒星日（23小时56分4.9秒）中旋转一个回转，故相当于观测星座所用的天象仪。

以上即为古代水力天文时钟的构造，该水力天文时钟以一恒定流量的水为动力（原动力）来驱动各种显示机构。

上述水力天文时钟，因贮水槽3内的水位变化等，使水车2的转动速度很难达到恒定，各种显示机构将发生误差。作为修正此种误差的方法，虽可考虑例如：以来自晶体振荡式时钟之1小时发生1次的正确的正时信号为基准来操动的马达，将各种显示机构强制与其时刻加以对准等方法。惟此种方法，为修正当前的显示，即将前次修正以后所生累积误差加以修正。拟将此种误差在短时间内强制加以修正，需将马达的输出加以增大，实为不合效率的方法，而且，若缩短误差修正的周期，则虽可缩小累积误差，但此乃与以马达直接来驱动显示机构相同，作为以水为驱动源（原动力）方具有意义的水力时钟而言，显然将有问题。进一步，将水车2或轴9、12a各以定速旋转马达来加以驱动旋转，亦可缩小误差（或使其成为零），惟此种方法亦与上述方法同样，对于以水为原动力始有意义的水力时钟，亦有问题。

由于本发明始终以水为原动力来驱动水车转动为前提，因此，本发明的目的在于仍然坚持采用此种水车的转动传递给各种显示机构的基本结构的情况下，提供一种可用极小的动力来修正误差并进行高精度的显示的水力时钟。

为实现上述目的，本发明的第一特征为具有：支持成可向一方向自由转动并经由传动机构将其本身的转动传递至显示机构的水车;为积存从上层流出之水、同时向下一层流出水而在最下层向水车注水，以便驱动上述水车转动而设置多个贮水槽，各贮水槽间成互相具有高度差;由马达驱动而向最上层贮水槽汲水的送水泵;及由检测贮水槽内水位的水位感测器的输出来控制马达驱动的控制电路等结构。

本发明的第二特征则进一步设有：与水车的转动速度同步发生索引脉冲波的转动速度检测部;及以事先规定的间隔来发生基准脉冲波的基准时仲;及通过比较此两个脉冲波来检出水车的转动速度误差，以便控制电路的操动误差检测部等结构。

水位感测检出贮水槽内之水位，当水位达到某一定高度以上或某一定量以下，则马达的驱动将停止，使送水泵所进行向上汲水亦停止。并且，比较旋转速度检测部所发生的索引脉冲波与基准时钟所发生的基准脉冲波，以便检出水车的转动速度误差，根据此误差来控制马达的驱动，使贮水槽内的水量增减，以便将误差加以修正。

下面参照附图来说明本发明的实施例。

图1为传统的水力时钟的正面图。

图2为沿图1的A-A线的剖面图。

图3为天体观测仪（浑天仪）的透视图。

图4为本发明的驱动系统示意图。

图5为水车（枢轮）的正视图。

图6为图5的主要部分的放大图。

图7为图6的主要部分的放大图。

图8为图7的断面侧视图。

图4中所示为用以将本发明的水力钟加以高精度驱动的系统的结构。本系统大体上由：向贮水槽3注水的泵水机构52、53，控制此泵水机构的控制电路40，及检出水车2的转动速度误差的误差 检测部43等所构成。此外，本系统中使水车2的转动经由传动机构传递至各种显示机构（时刻显示部12、天体观测仪25、天球仪32）上的结构，乃如现有技术部分所说明一样，并无二致，故在相同构件上乃附以相同的编号，其说明亦因此加以省略。

如图4所示，积存于设置在水车2下方的水槽4的水流入水槽50并经过过滤器51后，再由泵水机构的驱动马达52所驱动的送水泵53汲上，汲上的水便积存于最上层的贮水槽3中，并从其中流入下一层贮水槽3，最后从最下层的贮水槽3注入到水车2上，用来驱动水车2转动。驱动水车2的水再度积存于水槽4，又由泵水机构汲上再注入到最上层贮水槽3中，再流入下层的贮水槽3，2经最下层贮水槽3又注入水车2上，这样，又重量上述一连串动作，使之循环不停。

如图4所示，在最上层的贮水槽3中，设有多个水位感测器54（在本实施例中则设有5个等间隔水位感测器），以便检测贮水槽3内的水位现在究竟如何。水位感测器54的输出传送至构成控制电路40的流量调整接口电路41，并经由反相器（频率变换装置）42向驱动马达52送出控制信号，以便控制送水泵53泵送动作。

由送水泵53汲上的水量设定成可达到比从贮水槽3注向水车2的水量为多。因此，贮水槽3内的水位可逐渐上升，惟当水位感测器54检出水位上升到最高位时，便将水位信号传送至流量调节接口电路41，并经由反相器42使驱动马达52停止转动，以便停止向上汲水。然后，水位下降至一定高度时，则送水泵53再度操动，便又再度向上汲水。

水车2的转动由将于后述的转动速度检测部46检出。转动速度检测部46产生与水车2的转动速度同步的索引脉冲波，此脉冲波信号被传送到误差检测部43。另一方面，晶体振荡式之基准时钟44发生的一定间隔的基准脉冲波也被传送至误差检测部43。在误差检测部43，便将输入的索引脉冲波与基准脉冲波的各脉冲波间隔加以比较，以检测水车2的转动速度究竟较基准速度（理想速度）为快或慢（有无误差）。

若索引脉冲波之间隔较基准脉冲波之间隔为大时，表示水车2的转动比基准转动较慢，故误差检测部43将向流量调节介面41送出水位变更指示信号，此时之水位更指示信号为使贮水槽3内的水位上升的信号。若水位上升，则从位于最下层的贮水槽3注入到水车2的水量将增加，结果，将比以往更快地驱动水车2，使之转动得更快。接到此水位变更信号后，流量调节接口电路41便将所希望的水位设定在比原来要高的一层处，同时亦将指示信号传送至反相器42，提高驱动马达52的旋转速度，以便提高水泵53泵送的水量。结果，最上层贮水槽3内的水位将上升。当水位感测器54检出水位已上升至所希望的位置，则水位信号将传送至流量调节接口电路41，并经由反相器42，将驱动马达52的转动速度控制在可保持一定水位的状态。

相反地，若索引脉冲波之间隔较基准脉波之间隔为小时，表示水车2的转动比基准转动较为快速，故误差检出部43将向流量调节接口电路41传送水位变更指示信号。此时水位变更指示信号为使贮水槽3内之水位下降的信号。水位若下降，则从最下层的贮水槽3注入到水车2的水量将减少，结果，可比以往较为缓慢地驱动水车2使其转动较为缓慢。接到此水位变更指示信号后，流量调节接口电路41便将所希望的水位设定在比原来要低的一层处，同时，亦将指示信号传送至反相器2，将驱动马达52的转动速度降低，以便降低送水泵53泵送的水量。结果，最上层的贮水槽3内的水位下降。当水位感测器54检出水位已下降至所希望之位置，则水位信号将被送至流量调节接口电路41，并经由反相器42，将驱动马达52的旋转速度控制在能将水位保持一定的状态。

此外，在索引脉冲波之间隔与基准脉冲波之间隔略为相同时，因水车2转动得不快不慢，故误差检出部43便判定：误差为零，亦将不会输出水位变更指示信号。

由于反覆进行上述的一连串动作，水车2将能以极为近似于基准时钟44的精度转动，各种显示机构（时刻显示部12、天体观测仪25、天球仪32）的显示精度将达到极高的水准。

此外，因自来水管内部混合入异物等造成发生不测的事态而使水的供给量急剧减少，水位感测器54便检出水位连续下降，从而将水位信号传送至流量调节接口电路41，并经由反相器42使驱动马 达52停止转动，随即使非常警铃（未图示）鸣响。

进一步，从基准时钟44发出的信号传送至监视器显示部45，以监控各种显示机构的显示状态。

此外，积存于设在水车2下方的水槽4内的水，由送水泵53向上汲取，但也设置在“现有技术”一节已说明的两个汲水车5、5以及用以驱动此等汲水车5、5旋转之把手6的汲水机构。在作为示范性表演的目的，如图2所示的现有技术的汲水机构，可由人P以手转动把手6驱动两个汲水车5、5转动，来达到汲水目的。但在本发明中，由驱动汲水车5、5转动所汲取的水并不流入贮水槽3内，而使之流入水槽50;用以调整水车2转动速度的水实际上仍经过如图2中虚线所示的流动路线，但与汲水车5、5转动汲取的水无关，只有由送水泵53泵送的水才会从水槽4流入贮水槽3中。

此外，可使马达52断续地作旋转及停止等操动。以代替用反相器42来控制马达52的转动速度。

另外，水位感测器54，亦可不设置在最上层的贮水槽3，而设置在位于中层或最下层的贮水槽3内。

其次，参照图5-8来说明检测水车2转动速度的转动速度检测部46的结构。

如图5所示，水车2的骨架由从其中心轴呈辐射状伸长的12支内侧及36支外侧轮辐60及设置成跨接各轮辐60且为同心的三个圆环61等所形成。各外侧轮辐60的前端形成互为对称的两个倾斜面，该倾斜面可与后述的转动限制构件接合。

如图5所示，在水车2外周缘部等间隔分布地设置36个水桶62，各水桶62能以设置于轮辐60上轴62a为中心自由地摆动。在该水车2的最外周的圆环61上等间隔地设置36个圆筒形止动块63用来限制各水桶62的摆动角度。如图6所示，各水桶62呈升斗（量具）形状，其内部可积存一定量的水。

如图5所示，位于最下层的贮水槽3设置在水车2的右侧方处;从此贮水槽3突出的给水管3a循次地向到达其前方的每个水桶62注水。

如图5、6所示，搭载此贮水槽3的支柱64上设置有以轴65a为中心而可自由摆动的横杆65，在此横杆65下侧则设置有以轴66a为中心而可自由摆动且与后述的转动限制构件连结的摆动杆杠66等。横杆65的左前端部顶接在从水桶62突出的臂部62b下面，从而可限制水桶62绕轴62a摆动的角度。此外，摆动杠杆66的前端部由水桶62的臂部62b押下，使之以轴66a为中心向反时钟方向摆动。

如此，在水车2作顺时钟方向转动时，与水车2的转动连动的横杆65及摆动杠杆66均由各水桶62周期性地压下或释放。

如图5所示，在水车2的上方亦设有转动限制构件用以限制水车2的转动;下面说明其结构和操动。

支持水车2的支架67的左上部设有防止逆转的杠杆68，该杠杆68可以轴68a为中心自由摆动;此杠杆68前端部的顶部68b接合在从水车2中呈辐射状伸出的论轮辐60前端部的右斜边，以限定水车2本身只能顺时钟方向转动（正转）。

在支架67的最右上部亦有设牵引杠杆70，该牵引杠杆以轴70a为中心自由地摆动。间歇输送杠杆69的前端部与牵引杠杆70左前端部用绳索71连结。牵引杠杆70右前端部与摆动杠杆66亦用绳索72连结在一起。

因此，摆动杠杆66被水桶62押下而向反时钟方向摆动时，则此种摆动将经由绳索72传递至牵引杠杆70，使该牵引杠杆70以轴70a为中心顺时钟方向摆动;此摆动亦经由绳索71被传递至间歇输送杠杆69，使间歇输送杠杆69以轴69a为中心向顺时钟方向摆动，并使间歇输送杆69前端部的顶部69b与轮辐60前端部右侧边脱离（解除）接合。

如图6所示，在横杆65的后端部亦垂吊有重锤73，此重锤73将使横杆65受到以轴65a为中心顺时钟方向的弹拨力。横杆65的后端部在如图7、8所示的倒Y字形栏杆74内摆动;此栏杆74将可限制横杆65的摆动角度。如图8所示，栏杆74以螺钉固定在承载贮水槽3的支柱64的下面，其下端部设有辅助棒75，该辅助棒由螺钉结合在其上，横杆65的后端部则可在此辅助杆75及栏杆74所构成之框环内部上下摆动。

如图8所示，栏杆74为中空结构，在此中空 结构内部内藏有由发光部及受光部所构成的光束感测器76。此光束感测器76检测横杆65的摆动运动。以便由此种摆动为基准来测水车2的转动速度。换句话说，光束感测器76将起着转动速度检测部46的作用。如图4所示光束感测器76之输出被输入到控制电路40，以便由此来判断水车2的转动速度。如此，因转动速度检测部46设置在栏杆74内部，故从外部无法看到，因此将不致损坏古代水力天文时钟的外观。

下面说明水车2的转动动作。

如图5、6所示，将水从位于最下层的贮水槽3注入到靠近最下层贮水槽3旁处在水平位置的水桶62。水桶62因其臂部62b下面顶接于横杆65的左前端部，故该水桶62以轴62a为中心的转动受到限制而维持在其水平位置上。不久，水桶62内部积存的水的水量超过某一定量时，则横杆65抵当不过水和水桶62的总重量，便会如图6虚线所示，水桶62将以轴62a为中心顺时钟方向转动。由于水桶62转动，便一起押下摆动杠杆66与横杆65，使之反时钟方向摆动。

如图7、8所示横杆65的摆动将由栏杆74内部的光束感测器76所检出，如图4所示，此检出信号被输入到控制电路40，用来判断水车2的转动速度。

此外，摆动杠杆66的摆动杠杆66的摆动，亦如图5所示，经由绳索72传递至牵引杠杆70，使牵引杠杆70以轴70a为中心顺时钟方向摆动;此摆动亦经由绳索71传递至间歇输送杠杆69，使间歇输送杠杆69以轴69a为中心顺时钟方向摆动，再使间歇输送框杆69前端部的顶部69b与轮辐60前端部右侧边脱离接合（解除接合）。由此，原先受到间歇输送杠杆69限制的水车2的顺时钟方向转动亦得到解除，从而使水车2又再顺时钟方向转动。

然后，下一个空水桶62来到该水平位置（即最下层贮水槽3旁的位置），同时横杆65及摆动杠杆66也回复至原来的位置，由此，间歇输送杠杆69前端部的顶部69b滑动于轮辐60前端部的倾斜面（向左下方倾斜），而与下一排轮辐62前端部的倾斜面（向左下倾斜），而与下一排轮辐60的前端右侧边相接合，以限制水车2的顺时钟方向的转动。积存有水的水桶62乃向下移动，其内部之水则落在水车2下方的水槽4内。积存于水槽4的水，亦如图4所示，由送水泵53再度向上汲水贮水槽3中。

如此，水车2每次转动便进行每360度/36亦即10度之间歇转动。

并且，在水车2顺时钟方向转动时，逆转防止框杆68前端的顶部68b滑动在轮辐60前端部的倾斜面（向右下方倾斜），而接合于位在下一排轮辐60的前端部左侧边，以限制水车2反时钟方向转动（逆转）。

此外，水车2不仅限定于如上所述的间歇转动，也可将水桶62固定于水车2上，使水车2作连续转动。

如上所述，依据本发明的水力时钟乃由水位感测器检测贮水槽内的水位，水位达到某一定高度以上或某一定量以下，便停止驱动马达，送水泵也就停止向上汲水，并且，比较转动速度检测部所发生的索引脉冲波与基准时钟所发生的基准脉冲波，以检出水车转动速度的误差，再根据此误差来控制马达的驱动，以增、减贮水槽内的水量，并由此来修正误差;故始终以水为原动力来驱动旋转水车，将此水车的转动传递至各显示机构，此种基本结构虽乃不改变;但却可进行高精度的显示。

Claims (3)

1、一种水力钟(1)，具有：

一个支持成可在一方向上自由转动并经由传动机构将其本身的转动力传递至显示机构的水车(2)，

设置成彼此相互具有高度差的多个贮水槽(3…)，以便积存从上层贮水槽(3)流出的水，同时又向下一层贮水槽(3)注水，直至该多个贮水槽(3…)中的最下层贮水槽(3)向上述水车(2)注水以便能够驱动上述水车(2)，

其特征在于还具有：由一个马达(52)驱动的、用以将水提升到最上层贮水槽(3)中的送水泵(53)，

一个由该多个水位感测器(54)的输出操纵的、用以控制该马达(52)的驱动的控制电路(40)。

2、如权利要求1所述的水力钟（1），其特征在于还具有，

一个监控水车（2）的转动速度的检测部（46），该检测部（46）输出与水车（2）的转动速度同步的索引脉冲波，

一个输出具有预定脉冲间隔的基准脉冲波的基准时钟（44），

一个通过比较索引脉冲波与基准脉冲波以监控该水车（2）转动速度的误差的检出部（43），该检测部（43）根据该误差控制着控制电路（40）的操动。

3、如权利要求2所述的水力钟（2），其特征在于还具有：

一个支持成可自由摆动的横杆（65），该横杆（65）可与该水车（2）的转动连动而作周期性地压下或释放，

一个监控该横杆（65）的摆动的感测部（76），

该检测部（46）通过接收来自该感测部（76）的输出而监控该水车（2）的转动速度。

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