JP2500508B2 - 水力時計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水の力を利用して時計
などの表示機構を駆動する水力時計に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、回転自在に支持されている水
車に水を注ぎ、水車の回転を利用して時計などの表示機
構を駆動する水力時計がある。

【０００３】その一例として、中国北宗時代に創案され
た、図１，図２に示すような水力天文時計（水運儀象
台）が知られている。複数の柱によって囲まれた本体１
内部には、水車（枢輪）とこの水車に水を注ぎ、この水
車を回転駆動させる注水機構と、この水車の回転を各種
表示機構に伝達する動力伝達機構がそれぞれ設けてあ
り、以下その説明をする。

【０００４】図２に示すように、本体１内のほぼ中央部
に、水車２が一方向回転自在に支持されている。この水
車２の横には、注水機構としての複数の貯水槽３…が互
いに高低差をもって設けてある。最上段にある貯水槽３
の横には、水車２の下方に設けた水槽（退水壷）４に貯
まった水を汲み上げる二つの汲み上げ車（昇水車）５，
５が回転自在に支持してある。この汲み上げ車５，５
は、人間Ｐがハンドル６を手で回すことにより互いに連
動回転し、水槽４に貯まった水を汲み上げる。汲み上げ
られた水は、最上段にある貯水槽３に貯まり、次段また
その次段にある貯水槽３…へと順次水が流れてゆく。そ
して最下段にある貯水槽３から水車２へと水が注がれ、
水車２が回転駆動されるようになっている。このよう
に、複数の貯水槽３…を互いに高低差をもって設けるこ
とにより、水の流量がほぼ一定化し、水車２の回転速度
をほぼ一定にしている。

【０００５】水車２の回転は、伝達機構を介して図１に
示す時刻表示部（昼夜機輪）１２および天体表示機構と
しての天体観測儀（渾天儀）２５、天球儀（渾象儀）３
２に伝達される。図２に示すように、水車２の回転が、
回転軸（枢軸）２ａから歯車７，８を介して軸（天柱）
９に伝達される。軸９の回転は、歯車１０，１１を介し
て、時刻表示部（昼夜機輪）１２の中心軸（機輪軸）１
２ａに伝達される。この中心軸１２ａは、２４時間（１
日）で１回転する。

【０００６】時刻表示部１２の中心軸１２ａには、図２
に示すように３枚の回転板１３，１４，１５が固定して
あり、回転板１３と１４の間と、回転板１４および１５
の各外周部にそれぞれ複数の人形が配設してある。回転
板１３と１４の間にある人形１６…は全部で２４体、回
転板１４の外周部にある人形１７…は全部で９６体、そ
して回転板１５の外周部にある人形１８…は全部で３８
体である。

【０００７】図１に示すように、本体１の正面には、五
重の塔を模した装飾が施してあり、その前面に設けた五
つの窓にそれぞれ出現する複数の人形１６〜２０によっ
て時刻を表示するようになっている。上から一段目，四
段目の窓に出現している人形１９，２０は固定のもので
あり、上から二段目，三段目，五段目の窓には、上記し
た人形１６〜１８が、それぞれ出現するようになってい
る。

【０００８】図１において、一段目にある３体の人形１
９…（固定）のうち、右端の人形１９ａは所定の時刻に
鈴を鳴らし、左端の人形１９ｂが鼓を打ち、中央の人形
１９ｃが鐘を鳴らすようになっている。また、二段目の
人形１６…（２４体）が２４の時を表示し、三段目の人
形１７…（９６体）が１００刻を表示し、四段目の人形
２０（固定）が夜間時刻に銅鐸（金鉦）を打ち鳴らし、
五段目の人形１８…（３８体）が夜間時刻を表示するよ
うになっている。

【０００９】図２に示すように、軸９の回転は、歯車２
１〜２４を介して、本体１の屋上に設けた天体観測儀２
５に伝達される。この天体観測儀２５は、軸Ｃ１を中心
として１恒星日（２３時間５６分４．０９秒）で１回転
するもので、軸Ｃ１と直行して設けた望筒（図示せ
ず。）が天体の運行に自動的に追尾するようになってお
り、天文台にある望遠鏡とドームに相当するものであ
る。

【００１０】また図２に示すように、時刻表示部１２の
中心軸１２ａの回転は、歯車２６〜３１を介して、本体
１の内部に設けた天球儀３２に伝達される。この天球儀
３２の表面には星が表記されており、上記した天体観測
儀２５と同様に、軸Ｃ２を中心として１恒星日（２３時
間５６分４．０９秒）で１回転するもので、星座を見る
ためのプラネタリウムに相当するものである。

【００１１】以上が古代の水力天文時計の構成であり、
一定流量の水を動力源として各種表示機構を駆動するも
のである。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記したような水力天
文時計では、貯水槽３内の水位の変化などにより、水車
２の回転速度が一定とならず、各種表示機構に誤差が生
じる。この誤差を修正する方法として、例えば、水晶発
振式時計から１時間に１回発生する正確な正時信号を基
準として作動するモータにより、各種表示機構を強制的
にその時刻に合わせるようにする方法が考えられる。し
かしこの方法では、修正直前の表示には、前回の修正以
降に生じた誤差が累積することになる。このような誤差
を短時間のうちに強制的に修正しようとすれば、モータ
の出力を大きくする必要があり、非効率的である。ま
た、誤差修正の周期を短縮すれば、累積誤差を小さくす
ることはできるが、これではモータで直接的に表示機構
を駆動していることと同じであり、水を駆動源とするこ
とに意義がある水力時計としては問題である。さらにま
た、水車２あるいは軸９，１２ａをそれぞれ定速回転モ
ータにより回転駆動すれば誤差を小さくする（あるいは
ゼロにする）ことはできるが、このような方法も上記し
たことと同様に、水を駆動源とすることに意義がある水
力時計としては問題である。

【００１３】そこで本発明では、あくまでも水を動力源
として水車を回転駆動することを前提とし、この水車の
回転を各種表示機構に伝達するという基本構成は変える
ことなく、小さな動力で誤差を修正して高精度の表示を
行なうことのできる水力時計を提供することを目的とす
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ための本発明の特徴は、一方向回転自在に支持されてお
り、伝達手段を介して表示機構にそれ自身の回転力が伝
達される水車と、上段から流出した水を貯めると共に次
段に水を流出し、最下段で水車に注水して上記水車を回
転駆動可能であるように互いに高低差を持って設けてあ
る複数の貯水槽と、モータにより駆動されて複数の貯水
槽の最上段に水を汲み上げる送水ポンプと、貯水槽内の
水位を検出する水位センサからの出力によりモータの駆
動を制御する制御回路とを具備し、水車の回転速度に同
調してインデックスパルスを発生する回転速度検出部
と、予め定められたインターバルで基準パルスを発生す
る基準時計と、この２つのパルスを比較して水車の回転
速度の誤差を検出し、制御回路の作動を制御する誤差検
出部とが設けてあるところにある。

【００１５】

【００１６】

【作用】水位センサが貯水槽内の水位を検出し、水位が
ある一定高さ以上、又はある一定量以下になるとモータ
の駆動を停止し、送水ポンプによる水の汲み上げを停止
する。また、回転速度検出部より発生するインデックス
パルスと基準時計より発生する基準パルスとを比較して
水車の回転速度の誤差を検出し、この誤差に基づいてモ
ータの駆動を制御し、貯水槽内の水の量を増減して誤差
を修正する。

【００１７】

【実施例】以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。

【００１８】図４に、本発明に係る水力時計を高精度に
駆動するシステム系統を示す。このシステム系統は、大
別して、貯水槽３に水を汲み上げる昇水機構５２，５３
と、この昇水機構を制御する制御回路４０と、水車２の
回転速度の誤差を検出する誤差検出部４３とからなる。
なお、水車２の回転が、伝達手段を介して各種表示機構
（時刻表示部１２，天体観測儀２５、天球儀３２）に伝
達される構成は、前記した従来の技術の欄で説明した通
りであり、同一部材には同一符号を付し、その説明は省
略することとする。

【００１９】図４に示すように、水車２の下方に設けた
水槽４に貯まった水は、水タンク５０に流入して濾過フ
ィルタ５１を通った後、昇水機構の駆動モータ５２にて
駆動される送水ポンプ５３によって汲み上げられる。汲
み上げられた水は、最上段にある貯水槽３に貯まり、次
段にある貯水槽３へと流れてゆき、最下段にある貯水槽
３から水車２へ注がれて水車２を回転駆動する。水は再
び水槽４に貯まり、上記した一連の動作が循環される。

【００２０】図４に示すように、最上段の貯水槽３に
は、水位センサ５４…が複数個（本実施例では等間隔に
５個）設けてあり、貯水槽３内の水位が現在どこにある
かを検知する。この水位センサ５４…の出力は、制御回
路４０を構成する流量調節インタフェイス４１へと送ら
れ、インバータ（周波数変換装置）４２を介して駆動モ
ータ５２に制御信号が送られ、送水ポンプ５３による揚
水が制御される。

【００２１】送水ポンプ５３によって汲み上げられる水
の量は、貯水槽３から水車２へ注がれる水の量より多く
なるように設定してある。したがって、貯水槽３内の水
位は次第に上昇するが、最上位まで水位が上昇したこと
を水位センサ５４が検出すると、水位信号が流量調節イ
ンタフェイス４１へ送られ、インバータ４２を介して駆
動モータ５２の回転を停止し、水の汲み上げを停止する
ようになっている。そして水位がある一定の所まで下降
すると、再び送水ポンプ５３が作動し、水が汲み上げら
れる。

【００２２】水車２の回転は、後述する回転速度検出部
４６により検出される。回転速度検出部４６は、水車２
の回転速度に同調してインデックスパルスを発生し、こ
のパルス信号が誤差検出部４３へと送られる。その一方
で、水晶発振式の基準時計４４が一定間隔の基準パルス
を発生し、誤差検出部４３へと送られる。誤差検出部４
３では、入力された２つのパルス、すなわちインデック
スパルスと基準パルスの各パルス間隔を比較し、水車２
の回転速度が基準速度（理想速度）より速いか遅いか
（誤差）の検出を行なう。

【００２３】インデックスパルスの間隔が、基準パルス
のそれより大きい場合は、水車２が基準より遅れて回転
しているため、誤差検出部４３から流量調節インタフェ
イス４１へ水位変更指示信号が送られる。このときの水
位変更指示信号は、貯水槽３内の水位を上昇させる信号
である。水位が上昇すれば、最下段にある貯水槽３から
水車２へ注がれる水の量が多くなり、その結果として水
車２を、それまでに比較して速く回転駆動することがで
きる。この水位変更指示信号を受けて、流量調節インタ
フェイス４１は、所望の水位をそれまでの一段上にセッ
トすると共に、指示信号をインバータ４２に送り、駆動
モータ５２の回転速度を上げて送水ポンプ５３による揚
水量を上げる。この結果、最上段の貯水槽３内の水位が
上昇する。水位が所望の位置まで上昇したことを水位セ
ンサ５４が検出すると、水位信号が流量調節インタフェ
イス４１へ送られ、インバータ４２を介して、今度は水
位を一定に保つように駆動モータ５２の回転速度が制御
される。

【００２４】逆に、インデックスパルスの間隔が、基準
パルスのそれより小さい場合は、水車２が基準より速く
回転しているため、誤差検出部４３から流量調節インタ
フェイス４１へ水位変更指示信号が送られる。このとき
の水位変更指示信号は、貯水槽３内の水位を下降させる
信号である。水位が下降すれば、最下段にある貯水槽３
から水車２へ注がれる水の量が少なくなり、その結果と
して水車２を、それまでに比較して遅く回転駆動するこ
とができる。この水位変更指示信号を受けて、流量調節
インタフェイス４１は、所望の水位をそれまでの一段下
にセットすると共に、指示信号をインバータ４２に送
り、駆動モータ５２の回転速度を下げて送水ポンプ５３
による揚水量を下げる。この結果、最上段の貯水槽３内
の水位が下降する。水位が所望の位置まで下降したこと
を水位センサ５４が検出すると、水位信号が流量調節イ
ンタフェイス４１へ送られ、インバータ４２を介して、
今度は水位を一定に保つように駆動モータ５２の回転速
度が制御される。

【００２５】また、インデックスパルスの間隔と、基準
パルスのそれとがほぼ同じ場合には、水車２が進み遅れ
なしに回転しているので、誤差検出部４３では誤差ゼロ
と判定し、水位変更指示信号は出力しない。

【００２６】以上の一連の動作を繰り返すことにより、
水車２の回転は、基準時計４４の精度に極めて近い精度
で回転することになり、各種表示機構（時刻表示部１
２，天体観測儀２５、天球儀３２）における表示精度は
極めて高くなる。

【００２７】また、水道管内部に異物が混入するなど不
測の事態により水の供給が急激に減少し、水位が下降し
続けたことを水位センサ５４が検出すると、水位信号が
流量調節インタフェイス４１へ送られ、インバータ４２
を介して駆動モータ５２の回転を停止し、非常ベル（図
示せず。）を鳴らすようになっている。

【００２８】さらにまた、基準時計４４からモニター表
示部４５へ信号が送られ、各種表示機構の表示状態がモ
ニタリングされる。

【００２９】なお、水車２の下方に設けた水槽４に貯ま
った水は、送水ポンプ５３によって汲み上げるようにし
ているが、図２に示すように、従来の技術の欄で説明し
た二つの汲み上げ車５，５およびこれを回転駆動するハ
ンドル６は設けてある。デモンストレーション時には、
図２に示すように、人間Ｐがハンドル６を手で回して二
つの汲み上げ車５，５を回転駆動し、水を汲み上げる動
作を模倣することができるようになっている。このと
き、汲み上げ車５，５の回転により汲み上げられた水
は、貯水槽３内には流入せず、水タンク５０へと流入
し、実際は、図２中の鎖線で示すような流路を経て、汲
み上げ車５，５の回転と関係なく、送水ポンプ５３によ
って水槽４から貯水槽３へと水が流れる。

【００３０】なお、インバータ４２によってモータ５２
の回転速度を制御する代わりに、モータ５２を断続的に
回転・停止するように構成してもよい。

【００３１】また、水位センサ５４は、最上段の貯水槽
３ではなく、中段や最下段に位置する他の貯水槽３に設
けてもよい。

【００３２】つぎに、水車２の回転速度を検出する回転
速度検出部４６の構成について、図５〜８を参照して説
明する。

【００３３】図５に示すように、水車２は、その中心軸
２ａから放射状に伸びる内側１２本および外側３６本の
輻（スポーク）６０…と、各輻６０…を跨ぐように設け
てありかつ互いに同心をなす３個の円環６１…によって
その骨格が形成されている。各輻６０…の先端は、互い
に対称をなす２つの傾斜面が形成してあり、後述する回
転規制部材と係合するようになっている。

【００３４】図５に示すように、水車２の外周部には、
互いに等間隔をなすように３６個の水桶６２…が設けて
ある。水桶６２…は、輻６０…に設けてある軸６２ａ…
を中心としてそれぞれ揺動自在であり、最外周の円環６
１上に互いに等間隔をなすように設けた３６個の円筒形
の係止片６３…によってそれぞれの揺動角度が規制され
るようになっている。また、図６に示すように、各水桶
６２は升形状をなしており、その内部に、ある一定量の
水を貯めることができる。

【００３５】図５に示すように、水車２の右側方には、
最下段に位置する貯水槽３が位置しており、この貯水槽
３から突出する給水管３ａから、水桶６２…の１つへと
水が注がれるようになっている。

【００３６】図５，６に示すように、この貯水槽３を搭
載する支柱６４には、軸６５ａを中心として揺動自在で
ある竿６５と、この竿６５の下側で軸６６ａを中心とし
て揺動自在であり、後述する回転規制部材と連結してい
る揺動レバー６６とがそれぞれ設けてある。竿６５の左
先端部は、水桶６２より突出した腕部６２ｂの下面に当
接して水桶６２の軸６２ａ回りの揺動を規制可能であ
る。また、揺動レバー６６の先端部は、水桶６２の腕部
６２ｂによって軸６６ａを中心として反時計方向に押下
されるようになっている。

【００３７】このように、竿６５および揺動レバー６６
は共に、水車２の時計方向の回転に連動して、各水桶６
２…により周期的に押下・解放されるものである。

【００３８】図５に示すように、水車２の上方には、水
車２の回転を規制する回転規制部材が設けてあり、以下
その説明をする。

【００３９】水車２を支持する支柱６７の左上部には、
逆転防止レバー６８が軸６８ａを中心として揺動自在に
設けてあり、このレバー６８先端の駒６８ｂが、水車２
の中心から放射状に出ている輻６０の先端左側辺に係合
し、水車２自身の反時計方向の回転（逆転）を規制して
いる。

【００４０】水車２を支持する支柱６７の右上部には、
間欠送りレバー６９が軸６９ａを中心として揺動自在に
設けてあり、このレバー６９先端の駒６９ｂが、水車２
の中心から放射状に出ている輻６０の先端右側辺に係合
し、水車２自身の時計方向の回転（正転）を規制してい
る。

【００４１】支柱６７の最右上部には、牽引レバー７０
が軸７０ａを中心として揺動自在に設けてある。間欠送
りレバー６９の先端部と、牽引レバー７０の左先端部と
は、ロープ７１で連結されている。また、牽引レバー７
０の右先端部と、揺動レバー６６とは、ロープ７２で連
結されている。

【００４２】したがって、揺動レバー６６が水桶６２…
によって押下されて反時計方向に揺動すると、この揺動
がロープ７２を介して牽引レバー７０へ伝達されて牽引
レバー７０が軸７０ａを中心として時計方向に揺動し、
この揺動がロープ７１を介して間欠送りレバー６９へ伝
達されて間欠送りレバー６９が軸６９ａを中心として時
計方向に揺動し、間欠送りレバー６９先端の駒６９ｂと
輻６０…先端右側辺との係合が離脱するようになってい
る。

【００４３】図６に示すように、竿６５の後端部には錘
７３が吊り下げてあり、この錘７３によって竿６５は、
軸６５ａを中心として時計方向に付勢されている。竿６
５の後端部は、図７，８に示すような逆Ｙ字状の欄干７
４を通っており、この欄干７４により、竿６５の揺動角
度が規制されるようになっている。図８に示すように、
欄干７４は、貯水槽３を搭載する支柱６４の下面にネジ
止め結合されており、その下端部には補助棒７５がネジ
止め結合してある。竿６５の後端部は、この補助棒７５
と欄干７４とのなすリング状内部を上下に揺動可能とな
っている。

【００４４】また欄干７４は、図８に示すような中空構
造となっており、この中空内部に、発光部と受光部とか
らなるビームセンサ７６が内蔵してある。このビームセ
ンサ７６は、竿６５の揺動を検出するものであり、この
揺動を基にして、水車２の回転速度が検出されるように
なっている。すなわち、ビームセンサ７６が回転速度検
出部４６として作用する。ビームセンサ７６の出力は、
図４に示す制御回路４０へと入力されて、水車２の回転
速度が判断されるようになっている。このように、回転
速度検出部４６は欄干７４内部に設けてあるので、外部
からは見えず、古代の水力天文時計の外観を損なうこと
がない。

【００４５】つぎに、水車２の回転動作について説明す
る。

【００４６】図５，６に示すように、最下段に位置する
貯水槽３から、水平位置（３時の位置）に来ている水桶
６２へと水が注がれる。水桶６２は、その腕部６２ｂの
下面が竿６５の左先端部に当接しているため、軸６２ａ
を中心とする揺動が規制されており、その水平位置が保
たれている。やがて水桶６２内部に水が貯まり、水の量
がある一定量を超えると、竿６５が水を含めた水桶６２
自身の重みに負けて、図６の鎖線にて示すように、水桶
６２が軸６２ａを中心として時計方向に揺動する。水桶
６２が揺動することにより、竿６５と共に揺動レバー６
６がそれぞれ押下されて、反時計方向に揺動する。

【００４７】竿６５の揺動は、図７，８に示すように欄
干７４内部にあるビームセンサ７６により検出され、こ
の検出信号が、図４に示す制御回路４０へと入力され
て、水車２の回転速度が判断される。

【００４８】また、揺動レバー６６の揺動は、図５に示
すようにロープ７２を介して牽引レバー７０へ伝達され
て牽引レバー７０が軸７０ａを中心として時計方向に揺
動し、この揺動がロープ７１を介して間欠送りレバー６
９へ伝達されて間欠送りレバー６９が軸６９ａを中心と
して時計方向に揺動し、間欠送りレバー６９先端にある
駒６９ｂと輻６０…先端右側辺との係合が離脱する。こ
れにより、水車２のそれまでの間欠送りレバー６９によ
る時計方向の回転規制が解除され、水車２が時計方向に
回転する。

【００４９】そして空状態の水桶６２が水平位置（３時
の位置）に来ると共に、竿６５および揺動レバー６６が
元位置に復帰することにより、間欠送りレバー６９先端
の駒６９ｂは、輻６２先端の傾斜面（左下がり）を滑
り、次列の輻６０の先端右側辺に係合し、水車２自身の
時計方向の回転を規制する。水を貯めた水桶６２は次列
へと移動し、その内部にある水は、水車２の下方に設け
た水槽４へと落下する。水槽４に貯まった水は、図４に
示すように、送水ポンプ５３によって再び貯水槽３へと
汲み上げられる。

【００５０】このように、水車２は３６０／３６度すな
わち１０度ずつ間欠回転をする。

【００５１】また水車２の時計方向の回転の際、逆転防
止レバー６８先端の駒６８ｂは、輻６０先端の傾斜面
（右下がり）を滑り、次列にある輻６０の先端左側辺に
係合し、水車２自身の反時計方向の回転（逆転）を規制
する。

【００５２】なお水車２は、上記したように間欠回転す
るものではなく、水桶６２…を水車２に固定させて、水
車２を連続回転させるようにしてもよい。

【００５３】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の水力時
計によれば、水位センサが貯水槽内の水位を検出し、水
位がある一定高さ以上、又はある一定量以下になるとモ
ータの駆動を停止して送水ポンプによる水の汲み上げを
停止するようにし、また、回転速度検出部より発生する
インデックスパルスと基準時計より発生する基準パルス
とを比較して水車の回転速度の誤差を検出し、この誤差
に基づいてモータの駆動を制御し、貯水槽内の水の量を
増減して誤差を修正するようにしたので、あくまでも水
を動力源として水車を回転駆動し、この水車の回転を各
種表示機構に伝達するという基本構成は変えることな
く、高精度の表示を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】水力時計の正面図

【図２】図１のＡ−Ａ線断面図

【図３】天体観測儀（渾天儀）の斜視図

【図４】駆動システム系統図

【図５】水車（枢輪）の正面図

【図６】図５の要部拡大図

【図７】図６の要部拡大断面図

【図８】図７の断面側面図

【符号の説明】

２ 水車（枢輪） ３ 貯水槽 ４０ 制御回路 ４３ 誤差検出部 ４４ 基準時計 ４６ 回転速度検出部 ５２ モータ ５３ 送水ポンプ ５４ 水位センサ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一方向回転自在に支持されており、伝達
   手段を介して表示機構にそれ自身の回転力が伝達される
   水車と、 上段から流出した水を貯めると共に次段に水を流出し、
   最下段で上記水車に注水して上記水車を回転駆動可能で
   あるように互いに高低差を持って設けてある複数の貯水
   槽と、 モータにより駆動されて上記複数の貯水槽の最上段に水
   を汲み上げる送水ポンプと、 上記貯水槽内の水位を検出する水位センサと、 上記水位センサからの出力により上記モータの駆動を制
   御する制御回路とを具備した水力時計において、 上記水車の回転速度に同調してインデックスパルスを発
   生する回転速度検出部と、予め定められたインターバル
   で基準パルスを発生する基準時計と、上記インデックス
   パルスと上記基準パルスとを比較して上記水車の回転速
   度の誤差を検出し、上記制御回路の作動を制御する誤差
   検出部とが設けてある ことを特徴とする 水力時計。