●JILVA-170の進捗です2015/08/19 16:34

JILVA-170をご注文のお客様へ
6月に3台のJILVA-170を納品させていただいて以来2日間しか快晴の夜に恵まれず、Pモーションのテストが滞っていました。まだご注文の半分に満たない数ですが、晴れ間を見つけて10台ほどの合格品が出ましたので、遅ればせながら来週から仕上げを再開してご注文順に納品させていただきます。お客様には納品前にメールを差し上げますので、よろしくお願い申し上げます。

JILVA-170は下の写真のように極軸の主要部だけでPモーションテストができるようになっています。これから合格品に周辺パーツを装着して仕上げとなります。
なお、納期が遅れたお詫びとして、ターンテーブルの上にカメラを2台搭載する 「ベンチアーム」 を贈呈いたしますので、どうぞお使いください。
      実際の星のピリオディックモーションテストで合格となったJILVA-170の極軸主要部
     ベンチアームで東西にカメラを載せたところ。東西のバランスも合せられます。

Pモーション測定器とSTAR-TREC
弊社ではPモーションのベンチ測定器は製作済みで、天候に左右されずに室内でPモーションを測定できます。しかし、実際の星空でユーザー様が使用されるようなカメラ機材でPモーションを撮影して測定した方がトラブルも見つけやすく確実なので、今のところはベンチ測定器を使用しないで頑張ろうと思います。下がPモーションをベンチ測定した結果のグラフです。

なお、個体ごとのPモーションを測定したら、逆の位相をマイコンにメモリして相殺し精度を向上させることができます。Pモーションはウオームネジまわりで決まることから、搭載重量やバランスやウォームホイールの摺動箇所が変わっても使用年数が経っても、ほとんど変化しない性質があるからです。ユーザーがガイディングして設定するPECと呼ばれる手法ではなく、出荷時に設定済にする手法です。同様なシステムはビクセンさんのAXDという高級な赤道儀に搭載されているようです。
このシステムはSTAR-TREC(STrict ARchived TRackiong-Error Correction)として、まずは新型のPanHead EQに搭載します。Pモーションの精度は3倍程度は向上する見込みです。

●赤道儀には超高精度のウオームギヤセットが必要
この機会にブログの趣旨のとおり中学生向けに簡単にご説明します。
下の図は一般的な小型赤道儀用の半径35mm程度のウオームホイールとカメラを重ねた図です。ウオームネジとの摺動部は撮像素子の位置に描いてあるので動きを想像してください。
通常の機械加工のギヤの精度は良くて20~30μm(ミクロン)程度であると考えてください。 なので、ウオームネジのネジ部に20μmの乱れがあれば、撮像素子上の星は20μm動いてしまいます。ウオームネジ1回転の周期で乱れが繰り返されるのでピリオディックモーション(周期運動)と言われます。20μmはちょうど35mm広角レンズの追尾の許容量になり、Pモーションの表記では±60″(1′)になります。
広角レンズしか追尾できないとは、ずいぶん悪い値ですよね?
市販の赤道儀には、メーカーさんがそれはそれは大変な努力と技術で成し遂げた超高精度のウオームギヤセットが使われています(そうでもないメーカーさんもありますけどね)。夢のような高精度と言っても過言ではありません。それに比べてギヤメーカーから販売されているウオームギヤセットは、通常の加工精度のたんなる減速ギヤですから10倍も精度が悪く、赤道儀用とは似て非なるものです。

もちろん前々回のブログでお話ししたようにPモーションの主な原因は、
  ①ウオームネジのピッチ誤差(乱れ)によるヨロメキ運動
  ②ウオームネジ軸受けの精度によるスラスト方向のブレ
  ③ウオームネジの芯出し誤差による1回転毎のトルク変動
  ④ウオームネジに付けたスパーギヤの偏芯による速度変動
以上の4種類あって、各々から振る舞いの異なるPモーションが発生し、それらが重なって最終的なPモーションになるため、精度の悪いギヤでも①~④が偶然(または何度も調整して)相殺されれば、そこそこ良い精度になることはあり得ます。逆に高精度のギヤでも悪くなることもあります。
①~④の重なりがどうなるかは予測不能なので、赤道儀の精度は個体ごとに大きくバラツキます。そのため全ての個体でPモーションを測定しないと「Pモーション±○″」 と発表はできません。
JILVA-170だけでなくPanHead EQとSWAT-300/350も全機のPモーションを測定して合格品のみを出荷しています。

●弊社ではウオームホイールを社内生産しています
JILVA-170のウオームホイールとウオームネジのセットをギヤメーカーに依頼したら1セット10万円以下では作れないでしょう。そのうえ赤道儀用には不十分な精度になってしまうので、独自の手法で高精度のウオームホイールを生産しています。PanHead EQSWATシリーズも同様です。
直径162mmのウオームホイールはジュラルミン製で厚さが3mmしかありません。ジュラルミンにしたのは加工性が良いことの他に、ボディなどのアルミ合金部と同じ膨張係数にして厳寒地で膨張率の違いから回転が渋くならないようにするためです。厳寒地ではグリースの硬化で回転が渋くなると思われていますが、それよりも金属同士の膨張率の違いの方が大きな原因です。
ウオームホイールは上下をアルミ合金でサンドイッチして、-30℃まで硬化しないオリジナルのグリースでべったり貼り付けています。これにより  「極軸にベアリングを入れなくても大丈夫かな?」 と思われるほど頑丈でしっくりと精度よく回転します(もちろんベアリングはちゃんと入れていますよ)。この手法を社内ではGDFWと呼んでいます(Grease Dumped Floating Worm wheel)。

まずレーザーカットでモジュールに応じたサイクロイドカーブの288歯のウオームホイールの母型を作って、それをJILVA-170と同じボディに組み込んで(これが肝心!)、独自のホブ盤で時間をかけて歯切りをします。次にウオームネジと同じ形状にしたS55Cの研磨用ネジを強烈に(煙が出るほど)押し付けて歯を研磨します。これでジュラルミン鍛造のウオームホイールが完成します。そして実機に組み込んでから実機のウオームネジを毎分2000回転で回して最終的なエージングを行ない、仕上げは日周運動の26倍の速度でゆっくりエージングを行なっています。1個作るのに5時間ほどかかります。
ウオームホイールはそれほど高精度の歯面に仕上げる必要はないのですが、ウォームホイールの極軸の芯出しを正確にして、どの場所でもウオームネジに安定して摺動させるためと、ウオームネジを軸受けになじませるために、実機でのていねいなエージングが必要です。
     JILVA-170の本体部分。左上は直径40mmの極軸に圧入するベアリング    
     右はS55Cのウオームネジにモリブデングリースを塗布して歯を高速研磨中

●ウオームネジユニットを低コストで作る手法
もっとも大切なウオームネジユニットは、タネ明かしをするとひじょうに安価な手法で作っています。JILVA-170と同程度のウォームホイールの赤道儀を生産するあるメーカーさんは、この部分に5万円のコスト(ウオームネジは別で) をかけているそうですが、とてもそんな手法は採用できません。
心臓部のウオームネジは精密な加工のできる快削黄銅で超精密加工専門の会社に特注しています。軸受けはボールベアリングでは精度に限界があるので、メタルベアリングを用いてウオームネジのハメアイ軸は研磨で仕上げます。反対側はニゲを得るために樹脂のドライベアリングです。モーターのピニオンギヤとウオームネジのスパーギヤも特注品で、軸挿入部は現物合わせで研磨しています。
ここまで徹底するのは、上記の①~④個々のPモーションの発生を少しでも抑えるためです。

ウオームネジユニット本体は一転して安価な手法で、下の写真のL字型の金具をを2個組み合せてユニットを作ります。軸受部は2個組み合せて旋盤加工しますが、調整機構などは一切ありません。各部を研磨しながら“勘”で組み立てて 「こんなにスムーズに回る回転部は経験がない」 ほどのタッチになるまで何度も組み直して、良いタッチにならない場合は破棄処分にします。精度の高いウオームネジユニットを作るためコストに苦しんだ末に生まれたコロンブスの卵的な職人技の手法です。
※下の写真はPanHead EQとSWAT用でJILVA-170はウオームネジやユニットが少し異なります。
     PanHead EQとSWAT用のアルミ合金製のL金具と組み上がったウオームネジユニット
      SWAT-300/350には、これにグリースバス(グリース溜め)のカバーが装着されます

このような手法で弊社のポータブル赤道儀は作られています。JILVA-170は±4~5″以下のPモーションの個体を出荷するため、Pモーション測定は省略するわけには参りません。ブログを見ていただいた方やJILVA-170のお客様には、なにとぞ厳しいお叱りやご指導をいただき、より完成度の高いポタ赤に発展させて行くことにご協力いただければ幸いです。

※株式会社輝星の運営する「SB工房」はこちらです。

コメント

_ やまね ― 2015/08/21 18:43

記事を拝見してJILVA-170がとても丁寧にこだわって作られていることが伝わってきます。
これ程までに考え抜かれてしっかりとしているとは想像していなかったので、うれしい驚きでした。

最近はかなりの天候不順で夜に晴れることが珍しいほどですが、
やはり、JILVA-170はたとえ時間が掛かっても納得のいくものであってほしいです。
また、このようにブログで解説頂けるとJILVA-170についてより深く知ることが出来て、充実した待ち時間に期待も膨らみます。

STAR-TREC(STrict ARchived TRackiong-Error Correction)はポータブル赤道儀にこそあってほしい機構だと思いました。
出かけた先でセットしてすぐに撮り始められる~”といったガイド無しの使い方にはピッタリではないでしょうか。

素人ながらに考えたときに、この機構を付加するのにウォームネジの位相を検知するエンコーダー等が必要になる?と思うのですが、現在のJILVA-170、或いは次期JILVA-170に追加搭載出来る可能性はありますか? コストも掛かりそうですね~

多少涼しくはなりましたが、まだまだ残暑が続きそうです。どうかお体にご自愛下さい。

_ 星爺 ― 2015/08/24 10:37

やまね様へ

コメントをありがとうございました。
やまね様はJILVA-170をご注文してくださった方のペンネームなのでしょうか?

ポータブル赤道儀が流行して嬉しい限りなのですが、勢い余って精度の悪いポタ赤が雨後のタケノコのように氾濫しはしないか? とちょっと心配しています。精度を無視して極軸を日周運動で回すだけなら簡単に作れますからね。
ポタ赤は「星野写真撮影機」ですから「Pモーション○mm。したがって○○mmの望遠まで使用可能」と発表しないと意味がありません。
しかし、個体ごとのPモーションを測るのは、ベンチ測定器を所有していても大変な労力なので、量産メーカーさんに要望するのは酷な話と思います。かといって安全を見て「最悪の場合の追尾精度」を発表するわけにもいかないでしょうし、結局、量産メーカーさんの判断はPモーションは発表しない方が良心的というのが現在の状況なのだと思います。しかし、そこそこの精度のポタ赤ならば良いですが、あまりに精度の悪い場合は、たとえば最高速度をカタログに書いていないクルマがあって、買ったら時速30kmしか出なくて高速道路は走れなかったなぁんてのと同じですよね?
もちろん大げさなウソのような高精度を喧伝されても困ります。ユーザーがPモーションを測定することのなかった大昔は、それはまぁ好き勝手に高精度のPモーションが発表されていたものです。

STAR-TREC(STrict ARchived TRackiong-Error Correction)は、最初にPanHead EQに価格据え置きで搭載する予定です。ビクセンさんの100万円もする高級な赤道儀と同じ仕組を無償で搭載するのは大変です(笑)
ユニテックさんのSWATにも順次搭載しますが、JILVA-170は元々精度が高いので、大気の屈折によるズレの方が大きくなるため搭載する意味があるかどうか検討中です。大気差補正と同時に搭載するかもしれません。
私自身は40年近く前に作った重量級のポータブル赤道儀(ステッピングモーターを使用した日本初の赤道儀ではないかと思います)には、PUTによる大気差補正は搭載していましたので。

_ とっぱー ― 2015/08/25 16:11

星爺のブログ、楽しく、かつ真面目に読ませていただいています。
私は重い赤道儀を使っているため、車で移動できる場所でしか観測(撮影)ができず、しかもスタンバイまで長時間を要すため、現地到着後短時間で撮影が開始できるポタ赤には憧れていましたが、星野撮影に限定されてしまう追尾精度がネックになっていましたので、高精度な撮影ができるというJILVA-170やPanHeadEQにとても魅力を感じます。特に今回PanHeadEQがSTAR-TRECによって更に追尾精度が上がるということで、多くの天体写真ファンが今まで車では行けなかった好条件の撮影場所へPanHeadEQを持って行き、たっぷり露出をかけた素晴らしい作品が天文誌を飾るのではないかと思います。

ところで、短時間露出多枚数スタックによって淡い星雲等をきれいに浮かび上がらせる技があるようですが、対象天体の絶対的な階調は変わらず、やはり十分な露出によって豊かな階調が確保されるのではないかと思うのですが、いかがでしょうか?もっとも5分とか10分でもフィルム時代に比べればものすごい短時間露出ですけどね。

_ 星爺 ― 2015/08/26 08:13

とっぱー様
コメントをありがとうございました。

私としてはよほど長い焦点距離でない限りは、追尾撮影も固定撮影と同じようにシャッターを押すだけで撮影できないと面倒くさくいので、超高精度のポータブル赤道儀は必須と思っています。ISO感度を低く設定してたっぷり露出のコンポジットなしの1枚撮りが楽なので好きです。しかし、安価な赤道儀で撮影するため、コンポジットなどをいろいろ工夫するのは趣味としては楽しいことだと思います。

多数枚コンポジットについては、ISO感度を低く設定して長時間露出した画像と、ISO感度を高くした短時間露出をコンポジとしたのとでは総露出時間が同じならば同じ品質が得られます。品質とはノイズが少ないという意味です。ノイズが少ないと強烈な画像処理をやりやすくなります。
しかし、あまりISO感度を高くし過ぎると総露出時間が同じでも品質は向上しません。ISO1600程度の設定ですとコンポジットでランダムノイズが減るので、総露出時間が同じならば1枚撮りの長時間露出よりも品質が上になることがあります。諧調に関しては変わりません。
深い諧調の画像が必要なら、冷却CCDを使ったほうが手っ取り早いでしょうね。

最近気になっているのは、光害のカブリや周辺減光を減らす基本的な画像処理を習得しないうちから、多数枚コンポジットや特殊な処理を始めて、画像をメチャメチャにしてしまう天文ファンが多いことです。
フィルム時代に、普通の写真の現像やプリントを満足にできないうちから特殊な処理を行なって、そのためなかなか腕前が上がらない人が多かったのと似ていると思います。
デジカメでも、ふつうにJPGで撮影して基本的な画像処理で綺麗な作品を得ることが基本中の基本なのですが…。

_ (未記入) ― 2015/08/26 22:59

撮像素子に蓄積される光の量はデータとして取り出す際に8ビットとか12ビットとかに階調化されると思いままますが、解り易く量子の数(個)として考えたとき、たとえば1分露出した画像で星雲の中間の明るさが5個、明るい部分が10個だったとします。その間は5つの階調で表現されます。同じ露出を何枚重ねてもノイズを減らすために加算平均すれば、その階調は変わらないはずです(星雲を覆うランダムノイズは5個、10個あっても平均化でどんどんゼロに近づいていくので星雲が浮かび上がってくるのは理解できます)次に露出時間を2分にすると星雲の中間調は10個、明るい部分は20個となり、その間は10個の階調になり先の1分露出の多枚数スタックよりも豊かな階調表現ができるのではないかと思うのですが、スタックによって見かけ上の量子化ビット数が24ビットとか48ビットとかに拡張されるのでしょうか?フィルム時代の硬い頭では理解できません。

_ 星爺 ― 2015/08/30 06:35

未記入様
コメントをありがとうございました。

露出を増やして行ってもフォトンノイズは有利になりますが諧調は変わりません。
そもそも1画素が5μm程度の撮像素子の諧調は8ビットもないと思われるので、露出の違うコマを重ねても果てしなく諧調が増えてゆくわけでもありません。

露出の違う画像を合成して中間調を出す画像処理をハイダイナミックレンジ合成(HDR)といいます。iphonにいち早く搭載されたのは、カメラが超小型で1画素が小さいため諧調が全然足りないからでしょうね。
星野写真は諧調が豊富でないほうが星が輝いたような感じになって好ましいと思います。輝度差の大きい星雲(オリオン大星雲とか)は、その部分だけHDR風な処理をする必要はあります。

_ taki ― 2015/08/30 09:31

星爺さん、いつもお世話になっています。このところ天候がいまいちですね。おもしろい議論をされていたので、お勉強のために参加させてください。
多数枚コンポジットに関してですが、私は、「加算」すれば諧調を増やせるのではないかと考えていました。つまり、ノイズのない理想的な光源であれば、画素への光子の到達確率により、多数枚撮影で、中間調が表現できてビット数が増大するのではということです。加算平均すると変動分がノイズとして除去されていくので表現諧調は変わりませんが。ただ、一般的な場合、ノイズや光害などのほうが極端に大きく、1枚で、撮像素子が持つビット数分の諧調は表現できていないので、枚数を重ねて加算してもノイズは軽減できますが、諧調は無限には増大できないのかなと。
もっとも、出力する諧調がそれを表現できるかにもよりますので、そこでも諧調が抑えられるのですが、幸いなことにデジタル画像処理では出力諧調に合わせて、取り出したい諧調変化のみ強調できるので、みなさん美しい作品を作成されているのではないでしょうか。

_ 星爺 ― 2015/09/02 05:24

taki様 コメントをありがとうございました。

レスポンスが遅くなってすみません。それにしても晴れないですね。23~24年ほど前に関東地方の夏休みは、ペルセ群の日の一晩しか晴れなっかった年と似ていますね。

諧調に関してはおっしゃるとおりで、加算平均コンポジットでノイズが下がってゆく分だけ本来の画像が明瞭になり、画像として必要な部分の諧調が増えたように見えます。なので、その後の強力な画像処理がやりやすくなりますが本来の諧調が増えるわけではありません。

最終的に出力する媒体、すなわち小さなプリントか、大きなプリントか、印刷物か、パソコンのディスプレイか、によって出力諧調に合せることが画像処理の妙味だと思います。
星野写真の場合は、多諧調が必要になるのは輝度差の大きな星雲の部分だけなので「覆い焼き」に近い処理になると思います。星野に浮かんだ淡い分子雲(レムナント)をたくさん表現したい場合は、多諧調というよりは「二段諧調」みたいな処理が必要になると思います。星景写真や広角で天の川を狙う場合は、下手に多数枚コンポジットをするよりも、ふつうにJPEG保存で長めの露出でていねいに撮って、コンポジットはやっても数枚にとどめた方が、美しい写真が得られるように思います。このあたりは個人の「流儀」ですね。

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