HoneycombBell 20A

Created Date: 2020-04-29/ updated date: 2020-09-25
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    Summary
    HoneycombBell(ハニカムベル)は、六角形の連なり(ハニカム型)による光るタッチ式の鍵盤楽器です。 USB MIDIによるMIDI Keyboardとして機能します。
    1オクターブ分である六角形12個で一つのブロックとしてまとめられており、このブロックを上下左右に接続して、演奏面を拡張することが可能です。
    なおこのたび 20A(20年秋モデル)と称して、Proto6をベースにして HoneycombBell を初めて商品化しました!  
    The HoneycombBell is a glowing touch keyboard instrument based on a series of hexagons (honeycomb shape). It works as a MIDI Keyboard via USB MIDI.
    It consists of 12 hexagons, each of which is an octave in length, arranged as a single block, and these blocks can be connected up, down, left, and right to expand the playing surface.
    The HoneycombBell is now available for the first time under the name of "20A" (2020 Autumn model), which is based on the Proto6!

    Materials

      Tools

        Blueprints

          Making

            • HoneycombBellは、六角形のハニカム型が連なった、タッチ型の鍵盤です。静電センサを使っており、六角形の中心に触れるだけで、簡単に音を出すことができます。また触った六角形が音程に割り当てられた色で光ります。


            • 六角形の連なりは、上下左右に拡がっており、この楽器の音程も二次元的に拡がります。音程は、右上に移動すると半音上がり、右下に移動すると全音上がります。そして、真横に移動すると単3度上がります。
            • USB端子がついているボードを Master Board と呼びます。
              それ以外のボードを Normal Board と呼びます。
          • 以下では、Master Boardへの各部品のハンダ付けの方法を説明します。
            • Master Board の ガーバーデータから、基板製造サービスに発注します。この基板には「HoneycombBell Proto6 rev.2」と書かれています。
            • 裏側の表面実装部品(ATmega32U4, CY8CMBRなど)をリフローでハンダ付けします。

              写真はトースターを改造したリフロー炉でハンダ付けした様子です。
            • J13に2×3のISP用のピンヘッダを、
              J19のRXに1×3のL型ピンヘッダを、
              J14に1×4のピンヘッダ二つを、
              J15に1×3のL型ピンヘッダ二つを、ハンダ付けします。
              またUSB端子、DCジャックをハンダ付けします。
              C17に100μFのコンデンサ、Q1に2SJ681を、D14/D15に1S4をハンダ付けします。

            • 12個のWS2813(フルカラーLED)をハンダ付けします。
              WS2813は事前に接着剤でハンダ付けする位置に止めておきます。

              フラックスを塗るとハンダ付けしやすくなります。
              あとはクリーナーでフラックスを除去し、基板をきれいにしておきましょう。
            • Master Boardの場合、J15が6ピン、J14が8ピンあります。

              J15は、I2Cのセレクタで、
              写真の左側がSDA、右側がSCL
              また縦は、上から U1側、CPU側、U3側、となります。

              J14は、CPUのポートに繋がっていて
               1-2: on-CY8CMBR3110の初期設定用(3-4:off-U1/on-U3の設定), off-通常
               3-4: 5-6: 7-8: ボード数(1-2通常時) 
              という意味になっています。
          • Master BoardのマイコンはATmega32U4になります。このマイコンに、ブートローダとMaster用のファームを書き込みます。
            ファームを書き込むために、専用の書き込み機を用意します。写真の書き込み機は、Pro Microに書き込み機用のファームを書き、SPI端子を引き出して基板のコネクタに接続できるように製作したものです。
            • Arduino IDEに「Adafruit NeoPixel」「MsTimer2」「MIDI Library」のLibraryをインストールします。
            • 基板を作って最初にATmega32U4にファームを書き込む時は、まずブートを書き込みます。

              書き込み時のツールメニューの設定は、
              「ボード:"Arduino Leonardo"」
              「書込装置:"Arduino as ISP(ATmega32U4)"」
              としてください。
              その後、ツールメニューの「ブートローダを書き込む」を選ぶと書き込みが始まります。
            • ファームウェアはここからダウンロードした上で、Arduino IDEでロードしておいてください。

              なお、各ボードの最初の起動時に、タッチセンサー用のチップCY8CMBR3110に対して、静電センサのセッティング値を書き込んであげる必要があります。
              そのため、ボードにプログラムを書き込む作業がやや煩雑になりますので、注意してください。(詳細は以下の手順にて)
            • 以下の手順でファーム書き込みとジャンパー設定をお願いします。
              1. I2C SCL/SDAをU1側のタッチセンサのみ接続(J15)。写真のようなピンソケットで作ったジグを使います。
              2. J14のピンの1-2をジャンパー接続
              3. J23端子にLEDを接続し、端子状態を確認出来るようにする
              4. この状態でファームウェアを書き込む。「書き込み装置を使って書き込む」で書き込むこと
              5. LEDが点灯したらU1の設定はOKなので、いったん電源を落とす
            • 上からの続き

              1. I2C SCL/SDAをU3側のタッチセンサのみ接続(J15)
              2. J14のピンの1-2と3-4をジャンパー接続
              3. 電源投入し、LEDが点灯することを確かめて、また電源を落とす
              4. I2Cは、U1/U3両方のSCL/SDAを接続する(J15)
              5. J14のジャンパー接続を二つとも外す
              6. これ以降、電源投入すればノーマル起動となる
          • これまで作った電子回路 Master Board に、3Dプリントしたフレームを取り付けます。
            • この3Dプリント用データをプリントします。
              比較的精度の高いプリントをしたいので、積層ピッチは細かめのほうが良いでしょう。また、ラフトをつけた方が、ソリが無くなり安定した出力が得られます。
            • Master Boardには、電源が入っていることを示すLEDをつける回路がないため、空中配線にてLEDをとりつけます。ここでは、赤の砲弾型LEDと220Ωの抵抗を繋げて、写真のようにハンダ付けします。

              USB側は、FETの3番ピン(アノード側)とUSBのGNDピンに、DCジャック側はD15のアノード側とDCジャックのGNDに繋げます。DCジャックは横の端子(3番ピン)にハンダ付けし、基板の裏側で3番ピンをGNDに繋げておきます。
            • 3Dプリントしたフレームの6箇所の四角い穴に、四角ナットを嵌め込みます。もし緩くてすぐ外れそうであれば、接着剤などで外れないようにしておきます。また、一度、3×8mmネジでこのナットをネジ止めしておきます。各ブロックを組み合わせたり足を取り付ける際、このネジを外すことになります。

              Main Boardと基板を組み合わせ、電子基板用のスペーサーを基板の3箇所の穴からねじ込み、基板とフレームを固定します。また、このスペーサーは同時に全体を支える足になります。
            • Normal Board の ガーバーデータから、基板製造サービスに発注します。設計は1年前のものなので、基板には「HoneycombBell Proto5」と書かれています。
            • J13に2×3のISP用のピンヘッダを、
              J19のRXに1×3のL型ピンヘッダを、
              J14/J15に1×4のピンヘッダ二つを、
              J16/J17に1×3のL型ピンヘッダ二つをハンダ付けします。
              また、J18のTXに、ピンヘッダに接続できる3ピンのジャンパワイヤ(15cm程度)を、ハンダ付けします。
            • 同じくMaster Boardと同じです。
              Normal Board 用の3Dプリンタ用フレームデータはこちら
          • Normal BoardのマイコンはATmega328Pになります。このマイコンに、ブートローダとNormal用のファームを書き込みます。
            ファームを書き込むために、専用の書き込み機を用意します。書き込み機は、Arduino Unoに書き込み機用のファームを書き、SPI端子を引き出して基板のコネクタに接続できるように製作したものを使います。
            • 書き込み時のツールメニューの設定は、
              「ボード:"Arduino Uno"」
              「書込装置:"Arduino as ISP"」
              としてください。
              その後、ツールメニューの「ブートローダを書き込む」を選ぶと書き込みが始まります。
            • ファームウェアはここからダウンロードダウンロードしてください。

              なお、Master Boardと同様に最初の起動時に、タッチセンサー用のチップCY8CMBR3110に対して、静電センサのセッティング値を書き込んであげる必要があります。
              そのため、ボードにプログラムを書き込む作業は、Master Boardと同じです。(ただし、I2Cの指定の設定が違い、1番ピンがCPUになるので、1-2, 1-3 という順にタッチセンサの設定書き込みを行う)
          • 一つのボードあたり12個のTouch Windowを製作します。
            ただし、Master BoardのUSB/DCジャック部のTouch Windowは電極をつける必要はありません。
            • 銅箔テープを8mm×8mmのサイズに切り出します。
              その後、正方形の角を1mmほど斜めにカットします。
            • このテープをレーザーカットしたアクリル板(TouchWindow)の中央に貼ります。

              TouchWindowの中央には5mm×5mmの穴が開いているので、銅箔テープのこの穴の3辺にかかっている部分をカットし、残り一辺のところで銅箔テープを裏側に向けて織り込んで、アクリル板に貼り付けます。
            • ポリウレタン線を20mmの長さに切り、ハンダを使って両端の皮膜を取ります。
              このポリウレタン線の片方の端を、TouchWindowの裏側に回り込んだ銅箔テープにハンダ付けします。
            • Touch Windowにハンダ付けしたポリウレタン線を基板の穴に通しながら、3Dプリントしたフレームに、Touch Windowを一つずつ嵌めていきます。
              ユルユルな場合は接着剤で止めますが、基本的には上から力を入れて嵌めるだけにしておいたほうが、あとあと修理もやりやすいです。
              硬くて嵌らないときは、嵌まるようになるまでアクリルをやすりで削ってサイズを調整しましょう。
            • 基板の穴に通しておいたポリウレタン線を基板とハンダ付けします。
              コテ先にハンダを盛り、基板の穴に4,5秒くらい抑えつけると、ポリウレタン線の皮膜が剥がれます。本当に剥がれて導通したかは、テスターでチェックしておきましょう。
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