自作モバイルプラネタリウム投影機3号機の製作記録|ウィルシステムデザイン

プラネタリウム3号機製作記録|MAKING


3号機

(テキスト・写真ともに、2008年当時のものをそのまま掲載しています)

3号機製作その0:Series3、始動!

2004年に完成したプラネタリウム投影機2号機は、その後5年近くのあいだ自車や業者運送で各地を転戦しましたが、特に故障も無く順調に稼動して、ホントに心強い相棒…と思っていました。

ところがその相棒、なんと壊れていることが発覚!!!!

しかも、構造を支える一番重要な緯度軸の軸受けフレーム部分。アクリル板が完全に割れてます…シャフトフォルダが、なんとか割れたアクリル板をつなぎ止めて維持させている状態。ぱっと見ではわかりませんし、ちゃんと動いているので発見が遅れました。

取り急ぎアロンアルファで応急措置しましたが、もう今までのような激務には耐えられないでしょう。

 

思えばこの4年間、たった1台で全国60回近い出張上映をこなしたこの2号機。

「雪を映しているの?」と子どもたちに言われて即時解体となった(泣)1号機のあとに誕生した2号機。

後にレンタル専用機として派生的に作った2B号機はあるものの、出張上映では常にこれを使ってきました。

時に海で潮風を受けて解体清掃、時に集中豪雨で水没して電装品換装、時に直射日光を受けて一部変形…いろいろありましたが、本当によくがんばってくれました。

 

現在、出張上映にもレンタルにも対応できる新型3号機(Series3と命名)を設計しています。まだきちんと設計が確定していないのに、すでに手元にはきれいに黒塗装処理されたアルミフレーム部材がいくつも届いている始末ですが…(板金屋オヤジ、気が早いっての。もう設計変更できないじゃん・苦笑)

外観や構造は、現行2号機とあまり変わりませんが、ランプ通電方式を変えたり軸回転性能を向上させたりと、今まで気になっていた部分を根本的に改善していこうと思います。同時にコントローラインターフェースも統合を進め、周辺システム構成・パッケージングも改善し、運送~設営撤収~運用のすべての面で効率化、高機能化を進めていきたいと思います。

今でも設営撤収時間の短さや持ち込み荷物の少なさは驚かれることが多いですが、まだまだ効率化できることはすでにわかっています。モバイルプラネタリウム運用の「究極の効率化」を目指したいと思いますので、どうぞご期待ください!

 

しかし、問題はやはり資金面…せっかく板金屋オヤジから部材が届いてるのに、それを眺めてるだけじゃ進まないよねぇ(泣)

3号機製作その1:機構設計完了

現在運用中のプラネタリウム2号機はロールアウト後5年が経過し、数10回におよぶ全国出張投影で、いよいよ傷みが激しくなってきました。

 

そこで次期主力投影機として昨年秋から構想していたSeries3(プラネタリウム3号機)ですが、ようやく機構の詳細設計と部品選定が完了し、いよいよ製作段階となりました。

まだ制御部分の設計は未着手で電装部品の選定もできていませんが…

とりあえず、全体図面や部品図面、部品表が揃ったので、機構部品から発注開始です。

 

小さくて見にくいけど、全体図面をご覧いただきましょう。(ほぼ実機原寸大図面で、A4サイズ9枚に分割印刷してつないでいます。小さい図面は緯度軸回転時の部品干渉検証用です)

外観は現行2号機とあまり変わらず。しかし、フレーム素材はすべてアクリル板からアルミ板(黒塗装)に変更、駆動部設計や送電方式も大きく変えて性能アップを図っています。スリップリングを使わないようにしたのが目玉かな。

 

さてこのSeries3、6月出張からの実戦投入を目標に製作していきますが、その様子は随時公開していきたいと思っています。

私は機械設計のプロではないし、何の理論計算もなく勘と経験だけで設計&部品選定をしているのでかなりアヤシイですが(汗)

それでも「プラネタリウムを作ってみたい!」という全国の情熱あふれる諸君(ヲタともいう)の参考に少しでもしていただければ幸い、ということでね。

まあ、いつ完成するかはおサイフとの相談です(泣)気長にご期待ください。

3号機製作その2:フレーム部材

いよいよ設計もまとまって動き出した新型プラネタリウムSeires3の製作、今回はフレーム部材のご紹介です。

恒星球や中央部、架台のフレーム部材、実は昨年にほぼ納品されていたのに、忙しかったりサイフが厳しかったりでそのまま放置状態でした(泣)

今回緯度部の足りなかった部材も納品され、ようやく日の目を見ることになりました。

 

部材はこれまでのアクリル板(手切り)ではなく、黒塗装されたアルミ板です。部品図面を作成して業者に加工してもらいました。

やっぱりプロの加工はきれい!仕上がりが違います。

それに、もちろん曲げ加工なんかも設計どおりにやってくれるので、ようやく板材をL字金具で組み合わせてフレームを作るという手作り感からも脱出です!

さらに、日周と緯度のモーターも入荷。今回日周軸はスリップリングを使わず無限回転機構にチャレンジ!ということで、日周用モーターは両軸タイプを使ってみることにしました。

他の機械部品がまだ納品されていないのですが、はやる気持ちを抑えられず「とりあえず」モーターをフレームに仮実装です。

 

おぉ、なかなかイイねぇ。なにやら、「黒いマッシーン」を作ってる感がでてきた。うーん、早く作りたい!!

 

ということで、今回はココまで。

3号機製作その3:各部仮組み開始

Series3の機械部品が入荷しました!いよいよ製作開始であります!まずは部品についた油をふき取りながら型番や寸法のチェックから。

しかし、ここでまずたいへんなミスを発見。

 

モーターの軸は直径5mm。

その軸につけるつもりのギヤ、軸穴を直径15mmで発注してる…

どういうことかわかりますよね?そう、ブカブカ スカスカ モーターに歯車がつかないのでした。

馬鹿でねぇの?オレ(しばしカポーン)

 

しかたなく、内径5mm・外径15mmの金属カラーでその隙間を埋めて固定することに。

(ギヤは高いので、おいそれと買い直すわけにはいかない)

その他にも、緯度軸シャフトが重過ぎたり小物の不足品があったりで、追加発注の嵐、アラシ。たしか2号機を作ったときもそうだったけど、発注って絶対に一発で決まらないよね(泣)

ということで、とりあえず組めるところから製作開始です。

 

脚部。モーターにギヤがついているように見えますが、実はブカブカです…

 

中央部。ここが南北の恒星球を支えるのですが、軸の固定が何とも不安定。このあと少し設計を変えて、シャフトフォルダでしっかりと固定することにしました。また追加発注…まったく、自分が情けない(泣)

 

そして架台です。この中にスイッチング電源やモータードライバなどが入る予定。

さて、一体いつになることやら…

3号機製作その4:さらば2号機

Series3の各部機構仮組みと設計変更、追加部品の調達も済み、いよいよ本格的な組み立てを始める段階になりました。

でも、その前にやらなければいけはいことがひとつ。

それは、現行2号機の解体。

Series3では、部品購入コスト削減のために2号機の部品を流用します。そもそも、壊れかけている2号機の後継として作るんだから、早く解体して使える部品は使うというのは仕方ないこと。

 

しかし…寂しい。

2003年の稼動開始以来5年間、全国60箇所以上を一緒にめぐった2号機。

初めて、やっと実用レベルで完成させることができた2号機。

現場でのトラブルや修羅場(笑)を幾度となく一緒に乗り越えてきた2号機。

 

しかし、躊躇している時間はありません。すでに次の出張上映日程は決まっていて、それまでにSeries3をローンチさせなければならないのです!さあ、解体だぁー!(涙)

 

2号機最後のショット。

 

で、あっという間にこうなった・・・

 

ありし日の2号機の勇姿。

 

ありがとう。キミのことは忘れないぞ。

そしてキミのDNAは(単なる部品だけど)、Series3に受け継がれるのである!

3号機製作その5:本体電装製作

前回、惜しまれながら(?)解体された2号機。

その部品が使えるようになったということで、まず本体に収納する電装部ユニットの製作を本格的に始めます。これがなきゃ恒星も朝夕焼けも点灯しないし軸も回らないので、大事な部分です。

配線の設計をしっかり頭に入れて、いざ作業開始!

 

まずは機器や配線を受け止めるユニット土台を作ります。

アルミボックスの下半分を使い、必要な加工を施していきます。Dサブや丸型コネクタ、スイッチなど、いろいろな形の穴を開けなきゃいけないし、数も多いので、ちゃんと図面を貼り付けて確認。慎重にポンチでマーキングして下穴をつけていきます。

 

そして土台の板金加工終了。こんなの、加工サービスに図面と一緒に出せばあっという間にキレイにやってくれるんだろうけど、そんなお金はない(泣)

ボール盤で穴の輪郭にそって穴を開けていき、少しずつ形を整えていくのです。

男は黙って、ヤスリがけ!!

 

で、必要な機器を固定して配線作業。標準圧着・特殊圧着・ハンダづけ…

なんともメンドウな作業をして、なんともメンドウな姿になりました…(配線なんか土台からはみ出してるし…)

 

とりあえず、これで本体下部収納ができる形になったので、今回はここまで。

あ~ぁ、なんか穴開けすぎ、配線作業しすぎで腕が筋肉痛。指先とかもイタイ。

3号機製作その6:本体機構製作

前回、本体のランプやモーターをドライブする電装ユニットを製作したので、次はいよいよ本体の機構部分を製作します。

 

まずは緯度軸部分。軸受けや緯度軸ギヤなどを実装して2本の脚を完成させ、緯度軸となるシャフトを通します。

さらに、中央部を載せるために緯度軸シャフトの中心出しを行い、先に中央部フレームも実装しておきます。

 

次は中央部。恒星球を無限回転させるための機構を緯度軸上に実装します。

このあたりはさすがプロ仕上げのフレーム板金。ぴったりと設計寸法通りに組み上がっていきます。プラモデル作りみたいで楽しい!!

朝夕焼けランプフォルダも実装完了です。

日周と緯度の駆動モーターも実装して、ずいぶんとカタチになってきました。

 

とりあえず各部の微調整や作りこみの前に、基本的な動作チェックをしておかなくちゃ。

ということで、次回からテスト編になります。お楽しみに!

3号機製作その7:ランプ系検証

前回までの製作で本体機構の大事な部分はほぼ完成したので、いよいよ動作検証に入ります。

まずは、チェックしやすいランプ系から。

まあランプ系の検証といっても、恒星電球(北半球・南半球)の点灯と朝夕焼け電球の調光ができるかどうかだけなんだけど(苦笑)

最初に、本体下部に電装部ユニットを収納して、各ハーネスを結線。

 

そして、恒星電球フォルダを仮実装。今回は点灯を確認するだけなので、宙ぶらりんの配線でもOK!

 

恒星電球、朝夕焼け電球ともに、問題なく点灯や調光ができることを確認しました。

 

さて、次回は駆動系の検証に入ります(玉砕します…)お楽しみに!?

3号機製作その8:駆動系検証

今回は駆動系テストの顛末を。

投影機全体がだいたい出来上がり、ランプ系の検証も問題なくクリアしたので、最後の難関、駆動系の動作チェックです。

まだSeries3の新しいコントローラがないので、急遽テスト用の操作基板を組んで操作します。

 

いざ電源を入れ、まず日周軸を回転開始。すると、

“ヒュンヒュンヒュンヒュン カタンカタンカタンカタン”

なにこのガタツキ、なにこの騒音…

 

次に緯度軸を回転させてみると、

“ギュンギュンギュンギュン ガタンガタンガタンガタン”

隣のリビングにまで響く騒音。「いったい何の音?」と訝るツマ。

 

ひ、ひどい。振動、ガタツキ、騒音、どれもこれも大きすぎる。

これではまったく使い物になりません。

やはり機構設計素人。そう簡単にうまくいくわけがなかった…

とはいえ、もう大部分組み上げてしまったし、これ以上高価な部品を買う余裕もないし、何より次の上映まで日がない。ど、どうしよう…

とりあえず、出来る範囲で機構調整や部品交換を行いました。

同時に、モーターとドライバーを2相タイプから3相タイプに変更することを決意。

ここは、実は設計段階から不安だったところで

「2相で大丈夫かな?やっぱ2号機で実績のある3相がいいかな」

「でも2相なら手持ちのドライバーが使えて安上がりっ!」

「両軸モーターも使いたいから、やっぱ2相でいいや」

とテキトーな検討で決めた部分でした。

結局、モーターとドライバーは総とっかえ。在庫がないという商社さんに無理を言って、なんとか入手して換装しました。

もちろん2相タイプのモーターだって、ちゃんと機構設計して調整してあげればうまく回るとは思うけど。

素人なんだから、最初から低振動・低騒音がウリな3相タイプをチョイスすべきでした。あぁ玉砕。

 

で、何とか振動や騒音は気にならない程度にまで低減できました。

細かい部分ではいろんな不満もあるのですが、そこを気にしだすとキリが無いので、とりあえずこれでOK。あとはコントローラの製作と総仕上げです。

 

急遽モーターを換装し、空中配線のテスト操作基板とインターフェース基板、新ドライバーで軸回転テスト中。

せっかく作った架台収納の本体電装ユニットは、この時点でまったく役に立っていません(泣)

3号機製作その9:コントローラ

前回までで、ようやく投影機本体がカタチになりました。

駆動系テストではどうなることかと思いましたが、とりあえずなんとかなって一安心。もうデビュー投影のイベントまで時間がないので、大急ぎでコントローラを製作します。

 

今回作るコントローラは、投影機の軸回転や朝焼け・夕焼けを操作できるだけでなく、レーザーポインタをAC電源接続できるようにしたり、エアドーム送風機の風量を手元で操作できるようにしたりという機能を盛り込みました。

まずはボックス加工から。お金も時間もないのですべて自分で加工です(泣)

下穴を開け、部品のはまり具合を確かめながら少しずつ形を整えていきます。

 

そしていろいろと実装、配線。機能を欲張ったので、ボックス内はぎゅうぎゅう詰め…。

AC100V電源を制御するトライアックの発熱が若干気になったので、急遽冷却ファンも増設しました。

 

本体との接続、操作試験を終えて、フタをつけて、はい出来上がり。

レーザーポインタもつながるようになったので、これで電池切れから開放です!投影機とエアドーム送風機を制御できるほか、汎用100V電源制御も1系統ついています。

 

さあ、これでいよいよSeries3も完成間近です。最後に各部調整、総仕上げを残すのみとなりました。

3号機製作その10:仕上げ

新しく設計製作したプラネタリウム投影機「Series3」も、ようやく完成です。

全体を組み上げた状態で各部の調整を行い、稼動可能な状態となりました。

まずはその雄姿(?)をご覧あれ!

 

Series3は、6月の三重でのイベントに初めて投入されました。

その後は宮城・豊川・川崎・函館…と出張投影で連続稼動。宮城や函館では、4mドームとの組み合わせ投影も行い、その投影性能に問題ないことも確認できました。デビュー早々のフル稼働ですが、がんばってくれています!

思えば、

 

高校時のチャレンジ機:

地球儀を半分に割ってハンダごてでテキトーに穴を空けた

大学時のチャレンジ機:

惑星棚を作ろうとして指を怪我してやめた&AC電源で電球を点灯できずにやめた

試作1号機:

会社員時代に製作。子どもたちに「雪が映ってる」と言われて即時解体廃棄

運用2号機:

自営業となり、ようやくできたまともな投影機。5年間、全国を一緒に行脚。損傷劣化激しくリタイア・解体

 

と続いてきたワタクシのダメダメプラネタリウム製作の歴史も、この3号機Series3でようやくひと段落。ピンホール恒星&ステッピングモーター駆動という単純な構造の投影機ですが…ホント、満足しています!

 

今なら個人でも高機能なプラネタリウム投影機を買えるけど、やっぱり自分で手作りして、うまく星空を投影できたときの喜びはひとしおです。

そして、たくさんの現場経験を積んで独自の投影スタイルができていく。やっぱり思い入れ、愛着の度合いも違ってくるというものです。

ということで、Series3がドームに投影した星空を紹介して、製作記録シリーズを終わりたいと思います。

 

夕焼けの演出シーン。さそり座が見えています。

 

南半球の星空。まさに「満天の星」です。

 

はくちょう座付近、夏の星空です。

 

オリオン座付近、冬の星空です。

3号機製作号外1:恒星フィルム球

「恒星球」

光源(電球)と並んで、ピンホール式プラネタリウム投影機では重要な要素。

投影される星空の質はこの部分で決まると言っても過言ではありません。

金属ボールに細かく穴を空けたり、フィルムに転写したり、製作方法はいろいろありますが、私はフィルムを使う方法を採用しています。(穴あけ作業がなくて怪我しない&楽チンだから!)

 

で、今回はSeries3用の新しい恒星フィルム球製作をご紹介したいと思います。

実は、2号機の恒星にはいろいろと不満がありました。

天の川の表現がもう少しなんとかならないか?

もう少し等級差のついたメリハリのある星空にならないか?

満天の星空の中でも、もう少し星座が見やすくならないか?

…どれもこれも、ピンホール式では原理的に難しい問題だし、チャレンジして細かく改良したところで、それは見る人にとってどれだけ意味があるのか?ということもありますが。

基本的には2号機の恒星フィルム球をそのまま使っていても問題はないのです。

でも、やっぱり改良の誘惑には勝てなかった・・・

恒星データは位置や等級などの数値として入手できるので、そのデータを解析してOHPフィルムに星を印刷する自作プログラムを改良し、写真製版用特殊フィルムに転写。新しい恒星フィルム球を製作しました。

 

マニアックな改良その1

ドーム上の正しい位置に恒星が投影されるよう、印刷位置補正のアルゴリズムをさらに改良しました。

 

マニアックな改良その2

恒星の等級を印刷直径に変換する部分は、有名なポグソンの式をベースにした独自の線形関数(というとカッコイイけど、単にいくつかの区域で分けた一次グラフ…)で処理していますが、さらに等級差をはっきりさせて星座を浮かび上がらせるために、係数や切片定数の値を見直しました。修正量は+0.01とかなんだけど、このビミョーな修正が大きく効いてくるのです。

 

マニアックな改良その3

天の川はこれまたビミョーです。単に天の川領域(銀緯プラスマイナス何度とかいう範囲)の微光星を増やしても、なんかそれっぽく見えない。銀経によって、あるいは中心部と周辺部で、さらには北半球と南半球で見え方が違うっぽいし。かといってレンズ投影式のようなリアルな表現はできないし…

そういうモヤモヤした思考(笑)を、できるだけアルゴリズムに反映させました。

 

そんなマニアックな改良で、オリジナル恒星印刷ソフトウェアはバージョンアップしました。たった数十行のプログラムですが、試行錯誤の結晶、貴重な知的財産、門外不出の至宝です。(大げさ)

そのソフトウェアが描き出した恒星プロットイメージ(一部分)がコレ。はくちょう座付近です。ホントはもうちょっと高解像度です。

 

そして、実際にフィルム製作をしてSeries3で投影したのがコレ。自室の天井にあらわれたはくちょう座です。

前回紹介したはくちょう座付近の投影画像と見比べてみてください。星座も天の川もずいぶんイイ感じになったのではないかな?

 

さあ、あとはみなさんの反響を待つのみ。もうすぐ、この新しい恒星フィルム球を装着したSeries3の運用が始まります。どうぞお楽しみに!

3号機製作号外2:PSNS

今回は投影機自体の開発記録ではなく、投影を支援する自作ソフトウェアをご紹介します。

その名も、「プラネタリウム解説支援システム(Planetarium Show Navigation System 以下PSNS)」!

なにやらたいそうな名前をつけてしまいましたが、別にたいしたソフトじゃありません。自分が投影するときにあったらいいな、と思う機能を盛り込んだツールです。操作画面はこんな感じ。

 

このソフト、投影解説中にいろいろできるようにしています。

  • パソコンプラネタリウムが見れます。任意の場所や日時の設定もOK。月や惑星の位置、月齢も表示されるので、これを見て投影機の位置を設定したり投影中の星空を確認したりできます。
  • テキストファイルを読み込んで表示したり、保存することができます。話したいことや覚えにくい数値データなどを書いておくメモとして使えます。
  • パソコンにつないだプロジェクタ画面に、好きな静止画や動画をクリック一発で表示させることができます。静止画や動画はあらかじめ自由に登録しておくことができます。
  • さらに、プロジェクタ画面にマウスでお絵描きができます。線の幅や色も変えられます。プロジェクタ画面をドームに投影しておけば、まさにドームに絵を描いている感じ。星を線でつないだり、○で囲んだり、いろいろ使えそうです。PCをタブレットとかタッチパネルにしておくと、さらにお絵描きしやすくなりそう。
  • 音声出力をスピーカーにつないでおけば、任意の音楽をクリック一発で流すことができます。CDドライブからCDを再生させることもできます。
  • その他、流れ星(流星群)を飛ばすことができます。オーロラやUFO(笑)なんかのCG動画も、動画さえ用意すればクリック一発で投影できます。

これだけの機能があれば、楽しいライブ投影解説ができそうです。あとは、解説者の力量ってことだな…

 

最後に、もう一枚写真をご紹介。PSNSを操作して、ドームに投影されたスクリーン(の代わりの液晶モニター)にいろいろ投影しているイメージです。

3号機製作号外3:オーバーホール

完成したプラネタリウム3号機「Series3」は、さっそくさまざまなイベント会場へ連戦投入されています。今のところトラブルなく順調に稼動していますが、大事をとって投影機のオーバーホールを行いました。

移動を繰り返していると、輸送の衝撃や振動などの影響が出てくるので、そのあたりも総点検です。

 

まずは恒星電球まわり。北と南の電球の明るさが最近同じでなく、南半分の星空が少し暗めなのが気にかかっていたので、電球の点灯基板をチェックです。

点灯回路はN1(北球メイン)N2(北球スタンバイ)S1(南球メイン)S2(南球スタンバイ)の4系統あるのですが、どうやらS1回路に難アリだったようで、南球をS2回路で点灯させると、北球と同じ照度で明るくなりました。

投影テストをしてみると、今まで不満だった、いて座~さそり座付近の天の川の見栄えがすごく良くなって大満足。定格2Aの専用電球をきちんと点灯させるには、基板内の配線やはんだ付けにも気を配る必要がありますね。不器用な製作者(誰?)にとっては難儀な部分です・・・

あとは、トライアック出力電圧の調整と電球ソケット保持機構改善を南北それぞれ行って、調整完了。

 

次に緯度軸回転機構のチューニング。

最近、緯度軸がうまく回らなくなっていました。実際の投影で回すことはほとんどないので支障ナシだけど、やっぱ気になるので改善です。

まずはギヤのグリスアップとかみ合わせ調整。

ついでにモーター位置も微調整。

駆動機構各部のビスやボルトを増し締め。

これで可動範囲のスムーズが回転ができるようになりました。

 

やはり定期的なメンテナンスで自分の作った機械を見ることはとても大切ですね。そうやってじっくり機械と付き合うと、設計のまずさや改善点も見えてきて、次号機のアイデアや製作意欲がわいてきます。まさにこの点が、自作を続けていく醍醐味だろうと思います。

 

うーん、次号機やりたくなってきた。やっぱりモノ作りは楽しい!

問題は、空っぽのサイフだな(泣)

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