謙虚なプリント回路基板（ PCB ）はまた別の革新的な応用を見出しました - 今回はマイクロメートル範囲の変形を測定できるひずみゲージとしてです。このコンセプトはシンプルさにおいて洗練されていますが、コミュニティでの議論からは、その手軽さへの興奮と精密アプリケーションにおける実用的な限界についての懐疑の両方が明らかになっています。
設計と機能性
PCBひずみゲージの設計は回路基板自体を感知要素に変換し、マイクロメートルから±3cmまでの変形を測定することができます。4要素と2要素の感知構成の両方で利用可能で、後者は理論的には熱ドリフトと製造バイアスが低いとされています。この設計は意図的に製作者に優しく、組み立てにホットエアステーションやリフローオーブンのような特殊な機器を必要としません。ユーザーはマイクロコントローラーを基板に直接統合するか、ヘッダーピンを通じて外部コントローラーに接続することができます。
 |
|---|
| PCBひずみゲージプロジェクトの GitHub リポジトリページで、そのデザインと組み立てのためのリソースが紹介されています |
精密測定の課題
コミュニティでの議論は、このDIYアプローチがミリグラム精度のスケールなどの高精度を要するアプリケーションに役立つかどうかに集中しています。コンセンサスは重大な限界を指摘しています。ポリイミドフィルム上のコンスタンタン抵抗素子を通常使用する市販のひずみゲージとは異なり、FR4 PCB材料はその吸湿性と熱膨張特性により固有の課題を提示します。
「すべてのセンサーは温度計であり、一部は他のものも測定する。」
このコメントは PCB ひずみゲージの根本的な課題を端的に表現しています。温度変化は測定値に大きく影響するため、慎重な較正と安定した動作条件が必要です。ファームウェアはこれに対処するために5秒間のオフセット較正ルーチンを含み、高感度測定のためには較正前に基板を少なくとも5分間熱的安定に達させることを推奨しています。
材料の考慮事項と代替案
FR4の湿気を吸収する傾向と持続的な負荷下での機械的クリープ（永久変形）の可能性は、長期的な安定性と再現性に関する懸念を引き起こします。商業用ひずみゲージは、クリープに抵抗するため、通常鋼製のボディを使用しています。真のミリグラム精度を必要とするアプリケーションでは、コミュニティメンバーは Kibble バランス、電磁コイル設計、または商業用ひずみゲージなどの代替案を提案しています。これらは高価ですが、様々な環境条件での安定性が向上します。
PCB ひずみゲージの仕様:
- 基板寸法: 20 mm x 118 mm、2層
- 推奨厚さ: 0.6mm（用途に応じて調整可能）
- 最小配線幅: 0.15mm（約6mil）
- センシング構成: 4素子または2素子ブリッジ
- 測定範囲: マイクロメートルから±3cmのフルスケール偏向
- オプションの補強材: 20 mm x 42 mm の長方形（ 3M VHB 5906 で取り付け可能）
主な制限事項:
- 温度感度（5分以上の熱安定化が必要）
- 湿度感度（FR4は吸湿性がある）
- 持続的な負荷下での機械的クリープの可能性
- 精密測定前には毎回校正が必要
実用的なアプリケーション
高精度計測における限界にもかかわらず、PCBひずみゲージは絶対的な精度よりも相対的な測定や単純なしきい値検出が重要なアプリケーションに価値ある応用を提供します。異なる形状や曲率の感知要素を生成するツールを含むプロジェクトのカスタマイズオプションは、教育目的、プロトタイピング、または近似的な力測定で十分なアプリケーションに特に適しています。
特殊なコンポーネントに投資せずにひずみ測定を探求することに興味がある趣味家にとって、このアプローチはアクセスしやすい入門点を提供します。しかし、様々な環境条件にわたって一貫した校正された測定を必要とする人は、より伝統的なひずみゲージソリューションや代替測定技術に投資する必要があるでしょう。
参照： PCB Strain Gauge