Часы стрелочные с прозрачным циферблатом
CLOCKS WITH TRANSLUCENT CLOCK-FACE

Изобретение относится к электромеханическим приборам времени со стрелочной индикацией и направлено на упрощение изготовления и повышение их технологичности, а также на повышение эффекта «прозрачности» циферблатов и «взвешенности» стрелок часов.
В 1912 году швейцарской фирмой Cartier были изготовлены настольные часы «Cartier Mysterieuse», в основе которых лежит дисковая система индикации времени. Стрелки в этих часах нанесены на прозрачные стеклянные или сапфировые диски с зубчатыми краями. Они приводятся в движение механизмом, который спрятан под корпусом. («Чьи часы прозрачнее?»
http://chronoscope.ru/2013/01/full-transparency-cartier-konstantin-chaykin/).
В настоящее время швейцарская фирма  Quinting производит наручные часы с прозрачным циферблатом. Большую часть механизма инженерам компании удалось распределить по периметру круглого корпуса и спрятать все его непрозрачные детали под металлическим ободком. Стрелки же нанесены на сапфировые диски, которые двигаются по часовой стрелке посредством зубчатой передачи. Такое решение дает дизайнерам Quinting возможность экспериментировать с визуальными эффектами. (http://chronoscope.ru/2012/11/quinting-gold-union-moscow/).
Известны наручные часы Российского предпринимателя Чайкина К. Ю. «Таинственные часы (варианты)» [описание изобретения к патенту РФ № 2446426, МПК: G04B 45/04; опубликовано 27.03.2012]. «Наручные таинственные часы» [описание изобретения к патенту РФ № 2526561, МПК: G04B 45/04; опубликовано 27.08.2014]. «Таинственные часы» [описание изобретения к патенту РФ № 2526562, МПК: опубликовано 27.08.2014]. Во всех упомянутых часах стрелки нанесены на прозрачных стеклянных (или сапфировых) дисках с зубчатыми краями, а их вращение осуществляется механическим приводом, расположенным за пределами циферблата за непрозрачным корпусом наручных часов.
Наиболее близкими по технической сущности к заявляемому изобретению относятся настольные часы с прозрачным циферблатом, (https://mus-col.com – Музей «Собрание», г. Москва: Коллекция - Часы и механизмы - Часы каминные и настольные – Часы настольные музыкальные с получасовым боем).
Необычный способ стрелочной индикации, создающей эффект того, что зритель видит абсолютно прозрачный циферблат с закрепленными на нем стрелками, исправно указывающими время, не наблюдая при этом никакого вращающего их механизма, впервые придумал и создал французский часовщик и иллюзионист Жан Эжен Робер-Хоуден (Jean-Eugène Robert-Houdin), который считается основоположником современной иллюзионной магии.
Его часы, впервые продемонстрированные на французской промышленной выставке 1839 г., представляли собой бронзовый корпус-основание, на котором располагался прозрачный хрустальный циферблат, над которым как бы висели в воздухе нарисованные на стеклянных дисках стрелки, которые двигались словно бы сами по себе, без какого бы то ни было видимого механизма.
В действительности движение на хрустальный циферблат передавалось в этих часах от механизма, расположенного в нижней части корпуса через систему шестеренок и винтовых тяг.
В часах Жана Эжена Робера-Хоудена (Инвентарный номер 2078/ММП) прозрачный циферблат располагается на стеклянном прозрачном цилиндре, внутри которого размещается второй прозрачный цилиндр, передающий вращение от механического пружинного привода, расположенного в непрозрачной подставке часов на систему шестерёнок и винтовых тяг, находящихся рядом с прозрачным циферблатом.
Известны «Кодоуправляемые стрелочные часы»  [описание изобретения к патенту РФ № 2502111, G04B 45/04; опубликовано 27.08.14], в которых стрелки закреплены на соосно расположенных осях механического редуктора, приводимого в движение одним электромеханическим приводом, который управляется электронной схемой. Использование одного электромеханического привода увеличивает длительность подгона часов до значений текущего времени.
Недостатком известных конструкций упомянутых часов является использование зубчатых передач на прозрачных вращающихся дисках несущих стрелки, связывающих их с пружинным механическим приводом. Изготовление зубьев на подвижных стеклянных дисках, усложняет в целом конструкцию часов, особенно, когда требуется разнести циферблат и механический привод на некоторое расстояние друг от друга, чтобы увеличить визуальный эффект таинственности «плавающих» в воздухе стрелок - ведь не зря Робер-Хоуден использовал в своих таинственных часах одну стрелку, которая совмещала в себе минутную и часовую. Кроме того, увеличение габаритов таких часов, например, до напольных (увеличение диаметра циферблата) создаёт большие трудности в изготовлении зубчатых приводов, что также увеличивает их массу. Тем более, разнесение прозрачного циферблата и механического привода на некоторое расстояние друг от друга приводит к увеличению габаритов и мощности пружинного механического привода (или какого либо другого), что в целом приводит к удорожанию часов.
Перечисленные недостатки приводят к усложнению конструкции часов, что затрудняет изготовление увеличенных габаритов циферблатов и к снижению эффекта таинственности «плавающих» стрелок, что в целом удорожает изготовление часов.
Задачей создания изобретения является упрощение конструкции часов, увеличение эффекта таинственности «плавающих» стрелок за счёт увеличения расстояния между циферблатом и подставкой, возможность увеличения диаметра циферблата и достижение автоматического подгона показаний стрелок до текущего значения времени при пропадании электропитания.
Решение поставленной задачи достигается тем, что часы стрелочные кодоуправляемые, состоящие из  двух опорных прозрачных стёкол, между которыми расположены два прозрачных подвижных диска, вращающиеся на оси,  закреплённой на опорных прозрачных стёклах, на одном из которых нанесено изображение циферблата,  на двух средних подвижных прозрачных дисках закреплены  минутная и часовая стрелки, причём циферблат со стрелками виден зрителям, а привод дисков и электронная  схема управления располагаются в непрозрачной подставке, на которой закреплены опорные прозрачные стёкла, причём, электронная схема управления часами содержит хранитель времени,  два счётчика импульсов и резервный автономный источник питания, согласно предлагаемому изобретению в непрозрачной подставке размещены два шаговых двигателя, на осях которых закреплены шкивы, диаметр которых намного меньше диаметра подвижных прозрачных дисков, при этом каждый прозрачный  диск и  шкив соединены механической круглоремённой передачей, для этого по периметру в дисках и шкивах проделаны круговые канавки, каждый диск и шкив соединяются гибким шнуром круглого сечения, передающим вращение от шкива на диск. Перемещение шнура каждой вращающейся пары проходит через два вращающихся ролика, ось одного из них закреплена на подставке, а другая крепится к подставке через пружину, которая создаёт натяг шнура, ролики при этом изменяют траекторию его  перемещения. На каждом подвижном прозрачном диске по краю нанесены непрозрачные, например, для инфракрасного излучения, полоски с шестьюдесятью отверстиями (через 6 градусов – одно минутное деление), одно отверстие имеет прямоугольную форму, а остальные отверстия круглые, прямоугольное отверстие несёт информацию о положении стрелки на цифре «12». К подставке крепятся оптоэлектронные датчики, которые располагаются по два датчика на каждом подвижном диске напротив отверстий непрозрачных полосок, при этом пара датчиков срабатывает от всех шестидесяти отверстий в диске, а другая пара срабатывает только от прямоугольных отверстий, так как их площадь в несколько раз больше площади круглых отверстий, кроме того в подставке электрические выводы оптоэлектронных датчиков и шаговых двигателей соединены с электронной схемой управления часами.
При этом электронная схема управления часами содержит два одинаковых цифровых компаратора, выходы счётчиков минут и часов, имеющих одинаковый коэффициент пересчёта равный «60», подключены соответственно к одним входам цифровых компараторов минут и часов, другие входы цифрового компаратора минут подключены к  выходам кода минут хранителя времени, выходы кодов часов которого через преобразователь кода соединены с входами цифрового компаратора часов, при этом преобразователь кода переводит двенадцати часовой код хранителя времени в код счётчика часов (от 0 до 59), код которого меняется через каждые 12 минут на одно значение, выходы обоих цифровых компараторов через усилители мощности соединены с шаговыми двигателями. Выходы оптоэлектронных датчиков круглых отверстий минутного и часового дисков соединены со счётными входами, соответственно, счётчиков минут и часов, а их входы установки «0» соединены соответственно с выходами оптоэлектронных датчиков прямоугольных отверстий минутного и часового дисков, кроме того, резервный автономный источник питания подключен к цепям энергопитания всех элементов, кроме усилителей.
Введённые элементы, в частности, механической круглоремённой передачи («Детали машин. Учебник для машиностроительных специальностей вузов». М. Н. Иванов, В. А. Финогенов, стр. 263. М.: Высшая школа, 2006 г.), в виде гибкого круглого шнура, передающего вращение на прозрачный диск от шкива, насаженного на ось шагового двигателя. При этом подвижный диск может быть изготовлен из прозрачного акрилового оргстекла, в котором легко нарезаются канавки для размещения гибкого круглого шнура. Диаметр подвижных дисков со стрелками можно увеличить до разумных размеров, тогда часы можно размещать в различных залах внутри помещений. В механической круглоремённой передаче энергия передаётся гибкой связью за счёт трения между ремнём и шкивом. Для увеличения трения между шкивом и круглым шнуром в предлагаемых часах используется подпружиненный ролик, который создаёт нужный натяг шнура, увеличение числа заходов шнура в канавках шкивов, тоже повышает трение между шнуром и шкивом. К основным достоинствам механической круглоремённой передачи следует отнести плавность и бесшумность её работы, простота конструкции, и  при её эксплуатации не требуется смазка. В качестве круглого шнура можно  использовать капроновый фал (https://kapronka.com/harakteristika-kapronovogo-fala), который имеет высокую прочность при относительно малом диаметре шнура, отличается гибкостью и износостойкостью, устойчив к протиранию, обладает влагостойкими качествами, устойчив к ультрафиолетовому излучению, не подвержен гниению и образованию плесени. Так как механическая круглоремённая передача представляет собой гибкую связь, то легко можно изменять расстояние между ведущим шкивом шагового двигателя и подвижным прозрачным диском, использование роликов можно задавать траекторию движения шнура под нужным углом.
Нанесённые по краю прозрачных дисков непрозрачные полоски с отверстиями и применение инфракрасных оптоэлектронных датчиков этих отверстий позволяют с высокой точностью поворачивать стрелки на 6 градусов (на одно минутное деление) независимо от натяга шнура, от изменения его длины и других дестабилизирующих факторов. Прямоугольные отверстия на дисках несут информацию о положении каждой стрелки на цифре «12», что позволяет «привязывать» показания часов к шкале хранителя времени. Независимое вращение каждого подвижного диска шаговым двигателем позволяет электронной схеме управления ускоренно сводить показания каждой стрелки часов к значениям текущего времени после восстановления силового питания электрической части часов.
На фиг. 1 – изображены часы спереди.
На фиг. 2 – изображены часы сбоку.
На фиг. 3 – увеличенное изображение датчиков и роликов.
На фиг. 4 – увеличенное изображение оси крепления дисков.
На фиг. 5 – увеличенное изображение канавок в дисках и роликах.
На фиг. 6 – изображена электронная схема управления часами.
Часы стрелочные кодоуправляемые состоят из двух опорных прозрачных стёкол 1 и 2, между которыми расположены минутное 3 и часовое 4 прозрачные подвижные диски, закреплённых на втулках 5, 6 вращаются  на оси 7, закреплённой винтом 8, на минутном диске 3 расположена минутная стрелка 9,  на часовом диске 4 – часовая стрелка 10, на одном из стёкол нанесены цифры 11 циферблата. Прозрачные стёкла 1 и 2 в верхней части скреплены непрозрачным кольцом 12, а снизу пакет из стёкол 1, 2 и кольцо 12 закреплены на непрозрачной подставке 13. Минутный диск 3 через неподвижный ролик 14 и подпружиненный ролик 15 с помощью гибкого шнура 16 соединён со шкивом 17 шагового двигателя 18, который приводит в движение минутную стрелку 9. Аналогичным образом вращается часовой диск 4, который через неподвижный ролик 19 и подпружиненный ролик 20 с помощью гибкого шнура 21, шкива 22, насаженного на ось шагового двигателя 23, приводит в движение часовую стрелку 10, при этом натяжение гибких шнуров 16 и 21 происходит пружинами 24 через ролики 15 и 20, что создаёт трение между гибким шнуром и канавками подвижных дисков и шкивов. Для организации поворота на одно минутное деление, то есть на 6 градусов подвижных дисков 3 и 4, на них нанесены по краю непрозрачные для инфракрасного излучения полоски 25 и 26 с шестьюдесятью отверстиями 27 и 28 (360° : 60 = 6°), которые с помощью оптоэлектронных датчиков 29, 30 задают этот шаг в 6°. Для фиксации стрелок 9 и 10 в верхнем положении, то есть на цифре «12», на каждой  полоске 25 и 26 имеются по одному прямоугольному отверстию 28 и 30, которые распознаются оптоэлектронными датчиками 31 и 32. Оптоэлектронные датчики 29 и 30 распознают все отверстия (круглые и прямоугольные), датчики 31 и 32 срабатывают только от прямоугольных отверстий 28 и 30, так как их площадь во много раз больше круглых отверстий, и, вследствие этого, инфракрасного потока поступает больше, и они срабатывают, так как настроены на поступление большего потока. Электрические выводы оптоэлектронных датчиков 29, 30, 31 и 32 и шаговых двигателей 18 и 23 соединены с электронной схемой 33 управления часами, размещённой в подставке часов.
Электронная схема 33 управления часами состоит из хранителя 34 времени, двух одинаковых цифровых компаратора 35 и 36 соответственно минут и часов, информационные выходы счётчика 37 минут и счётчика 38 часов присоединены соответственно к входам «А» цифровых компараторов 35 и 36 минут и часов. Счётчик 37 минут и счётчик 38 часов имеют одинаковыё коэффициент пересчёта равный «60», поэтому входы «В» цифрового компаратора 35 минут непосредственно присоединены к выходам  кодов минут хранителя 34 времени,  выходы кодов часов которого через преобразователь 39 кодов соединены с входами «В» цифрового компаратора 36 кодов часов. Выходы обоих цифровых компараторов 35 и 36 через усилители мощности 40 и 41 соединены с шаговыми двигателями соответственно 18 и 23. Выходы оптоэлектронных датчиков 29 и 30 круглых отверстий минутного 3 и часового 4 дисков соединены соответственно со счётными входами счётчиков минут 37 и часов 38, а их входы установки «0» соединены соответственно с выходами оптоэлектронных датчиков 31 и 32 прямоугольных отверстий минутного 3 и часового 4 дисков, кроме того, резервный автономный источник 42 питания подключен к цепям электропитания всех элементов электронной схемы 33 управления часами, кроме усилителей 40 и 41.
Особенностью работы устройства заключается в том, что наличие отдельных приводов в виде шаговых двигателей на каждый подвижный прозрачный диск со стрелками делает независимой работу каждой подвижной пары, и зависит только от значений кода хранителя времени. Рассмотрим работу часов на примере отработки показаний минутной стрелки на соответствие коду хранителя времени.
Устройство работает следующим образом. Предположим, что произошло первое подключение часов к электропитанию, при этом значение кода минут на выходе «В» хранителя 34 времени  больше значений кода с выхода «А» счётчика 37 минут. При этом на выходе цифрового компаратора 35 появляется сигнал «1», включающий усилитель 40, с которого начинает поступать последовательность импульсов на шаговый двигатель 18, начинающий вращать минутный подвижный диск 3. При вращении диска 3 круглое отверстие на его непрозрачной части проходит оптоэлектронный датчик 29, который срабатывает и выдаёт электрический сигнал на счётный вход счётчика 37 минут, при этом код увеличивается на «1», если при этом «А≠В», то шаговый двигатель 18 продолжает вращать диск до того момента, когда минутная стрелка окажется на цифре «12». В этом случае прямоугольное отверстие 28 встанет напротив датчика 31, который срабатывает и выдаёт электрический сигнал на вход установки «0» счётчика 37, который обнуляется. Это означает, что произошла привязка кода счётчика 37 минут к положению минутной стрелки 9 к цифре «12» на циферблате 3. Так как код счётчика 37 минут продолжает быть не равным коду минут хранителя времени 34 «А≠В», то шаговый двигатель 18 продолжает вращать подвижный минутный диск 3. При вращении диска 3 через каждые 6° от светового потока через круглые отверстия 27 срабатывает датчик 29, который посылает импульсы на счётный вход счётчика 37 минут, увеличивающие его значение до тех пор, пока код счётчика 37 не сравняется с кодом минут хранителя времени 34 (А=В). При этом цифровой компаратор выдаёт сигнал «0» на усилитель 40, отключающий шаговый двигатель18, и минутный диск 3 останавливается. Через одну минуту код с выходов «В» хранителя времени 34 увеличивается на «1» и поступает на входы цифрового компаратора 35 минут, который срабатывает (А≠В), включает усилитель 40 и шаговый двигатель 18 начинает вращать подвижный диск 3 минутной стрелки до тех пор, пока круглое отверстие 27 не окажется напротив датчика 29. При этом датчик 29 срабатывает и посылает импульс на счётный вход счётчика 37, увеличивая значение кода минутной стрелки 9 на «1», который становится равным коду минут хранителя времени 34 (А=В). Цифровой компаратор 35 минут выдаёт сигнал «0», отключающий усилитель 29, шаговый двигатель18 останавливается. Таким образом, положение минутной стрелки 3 на циферблате будет соответствовать коду хранителя 34 времени. Полный код углового положения стрелок формируется на двух счётчиках 37 и 38, которые, как и компараторы 35 и 36 с преобразователем кодов 39 и хранителем 1 времени, запитываются от резервного автономного источника 42 питания, когда основное сетевое напряжение отключается.
При подключении часов к электропитанию отработка показаний часовой стрелки 10 происходит аналогичным образом, как отработка показаний минутной стрелки 9, рассмотренной выше. Разница только в том, что при равенстве кодов счётчика 38 часов и кода часов хранителя времени 34 часовая стрелка 10 меняет своё положение на 6° через 12 минут. В момент сведения показаний стрелок к значениям текущего времени хранителя времени 34, подвижные диски 3 и 4 вращаются ускоренно, а когда коды сравняются, то минутная стрелка меняет своё положение раз в минуту, а часовая через 12 минут и занимает 5 дискретных положений в течение часа.
Из рассмотренного видно, что введение совокупности отличительных признаков в предполагаемое изобретение, позволяет, по сравнению с прототипами, упростить изготовление прозрачных подвижных дисков минутной и часовой стрелок заменив механическую зубчатую передачу на механическую круглоремённую передачу, которая, когда требуется, позволяет разнести циферблат и механический привод на некоторое расстояние друг от друга, для увеличения визуального эффекта таинственности «плавающих» в воздухе стрелок. Размещение оптоэлектронных датчиков на подвижных дисках для фиксации их поворота на 6° повышает точность отработки хода часов за счёт компенсации погрешности от растяжения круглого шнура и его возможного проскальзывания в кинематической паре диск-шкив. Датчики положений обеих стрелок на цифре «12» и два шаговых двигателя намного сокращают время привязки показаний часов к шкале текущего времени после «обесточки» сетевого питания часов. Простая схема управления часами предлагаемого изобретения решает те же функции прототипа, но более дешёвым, простым и надёжным способом.