KiCadで作るESP32-S3センサー基板｜設計から手はんだ実装まで【自宅センサー基盤 #1】

はじめに

部屋の温度と湿度、それに CO2 と粉塵。「なんとなく空気が悪い気がする」を数字にしたくなって、センサーを買ってきました。ここで普通ならブレッドボードに挿して終わりなのですが、どうせ何枚も欲しくなるので基板から作ることにしました。

その基板がこれから4回にわたって出てきます。今回はその1枚目、KiCad で回路図を描いて、JLCPCB に投げて、届いた基板に全部手ではんだ付けするまでの通しの記録です。

できあがったのは 50 × 45 mm の2層基板です。ESP32-S3-WROOM-1 に I2C 1バスでセンサを3つぶら下げ、USB-C 1本で給電と書き込みをまかなっています。USB シリアル変換チップは載せていません。 0603 のチップ抵抗から USB-C レセプタクルまで、実装した21点は全部手はんだです。

道中でミスも2件踏んでいて、それも後半で書きます。とはいえ大半は、部品選定から回路設計・発注・実装までをひととおり通した記録です。

📝 この記事でやること

• KiCad で回路図を描いてから基板が届くまでの流れをおさらいする
• センサー3種の選定と、温湿度が2系統重複しているという設計判断の理由
• 回路設計のポイント（USB-C 給電・USBシリアル変換チップを載せない書き込み・I2C 1バスに3センサ）
• JLCPCB への発注（5枚・2層・HASL）と、全21点を手はんだで組むための設計
• 組んでから見つかった配線ミス2件と、発注前に何を見ていれば防げたのか

🧭 前提：KiCad と JLCPCB で「基板1枚」ができるまで

設計の話に入る前に、そもそもプリント基板を自分で作るとは何をすることなのかを整理しておきます。すでにご存じの方は次の章へ飛んでください。

KiCad — 無料で全部できる基板設計ソフト

KiCad は、回路図エディタと基板（PCB）エディタがセットになったオープンソースの EDA ツールです。個人でも商用でも無料で使え、日本語 UI もあります。この基板は KiCad 10 で設計しました。

KiCad 10 の新機能については別記事にまとめてあるので、バージョン間の差が気になる方はそちらもどうぞ → KiCad 10.0 新機能まとめ

JLCPCB — ガーバーを投げると基板が届く

JLCPCB は中国の基板製造サービスです。KiCad が吐き出したガーバーファイル（各層の絵とドリル穴の座標を書いた業界標準フォーマット）を ZIP にまとめてアップロードすると、実物の基板が届きます。個人でも数枚から試作を出せるので、日本の電子工作でも定番になっています。

全体の流れ

この最後の一文は、記事の後半でもう一度効いてきます。

🎯 何を測る基板か — 要件と部品選定

測りたいもの

部屋の環境として押さえたかったのは、温度・湿度・気圧・照度・CO2・粉塵（PM）の6項目です。1個のセンサーで全部は測れないので、3個に分担させました。

3つとも I2C なので、マイコン側は SDA と SCL の2本だけで済みます。センサーはいずれも既製のモジュール基板を、基板上のコネクタに挿す形にしました。センサー本体を直付けすると、壊れたときも仕様変更のときも基板ごと作り直しになるためです。

温湿度が2系統ダブっている

上の表をよく見ると、温度と湿度が BME280 と SEN63C で重複しています。 これは設計ミスではなく、意図的にそうしています。

MCU は ESP32-S3-WROOM-1（モジュール）

マイコンは ESP32-S3 を採用しました。ただし重要なのは「S3 を選んだ」ことより、裸のチップではなくモジュールを選んだことです。

個人が1枚だけ試作するなら、モジュール一択です。 実際、この基板の書き込み時にツールが報告するチップ情報は「ESP32-S3 (QFN56) rev v0.2」ですが、これはモジュールの中身のチップを見ているだけで、基板に載っているのは 18×25.5mm のモジュールです。

ESP32 のどのシリーズを選ぶかで迷っている方は、ESP32 シリーズの選び方に S3・C3・C6・H2・P4 の違いをまとめてあります。

部品表

KiCad のプロジェクトから拾った、この基板の全部品です。設計上は 26点で、このうち 5点は今回実装していません。 内訳は U2（SCD41）と、LED 2組ぶん（D2・D3 と、その電流制限抵抗 R8・R9）です。実際にはんだ付けしたのは 21点ということになります。

U2 は SCD41 を基板に直付けするためのパターンですが、この1号機では部品を載せず、空きパターンのまま残してあります。 ファームウェアが読んでいるのも J1〜J3 の3センサだけです。

LED 側も同じで、実装したのは D1 と R7 の1組だけです。D2・D3（と R8・R9）を載せなかった理由は、後述の「配線ミス②」で書きます。

🔌 回路設計のポイント

回路図の中身を、電源・書き込み・I2C・配置の4つに分けて見ていきます。まずは1枚に収まった全体像から。

電源と信号の流れだけを取り出すと、こうなります。

① 電源：USB-C から LDO 一段だけ

給電は USB-C 1本です。J4 の VBUS（+5V）を LD1117S33（SOT-223）で 3.3V に落とし、入出力に 10µF、モジュール脇に 0.1µF を置いています。スイッチング電源は使っていません。

USB-C レセプタクルで忘れがちなのが CC1 / CC2 のプルダウン抵抗です。この基板では R5 / R6 の 5.1kΩ を両方に入れています。

LDO は入出力の差がそのまま熱になります。5V から 3.3V なら 1.7V ぶんで、流れる電流を I とすると損失は次のとおりです。

ESP32-S3 は Wi-Fi 送信時に数百 mA まで跳ねるので、たとえば 0.5A なら 0.85W が LDO の上で熱になる計算です。SOT-223 のような放熱タブ付きパッケージを選び、その足元の銅箔を広く取っておくと効いてきます。

② 書き込み：USBシリアル変換チップを載せない

この基板には CP2102 や CH340 のような USB シリアル変換チップが載っていません。

USB-C の D+ / D- を、ESP32-S3-WROOM-1 の 13番（USB_D-）と 14番（USB_D+）に直結しているだけです。ESP32-S3 は USB-Serial-JTAG ペリフェラルを内蔵しているので、変換チップなしで PC から COM ポートとして見えます。

部品が減って、面積が減って、ドライバの面倒も減る。ESP32-S3 / C3 / C6 世代で基板を起こすなら、変換チップを載せる理由はほとんどありません。

冒頭の写真で基板に挿さっているケーブルが USB-C 1本きりなのは、これが理由です。給電も書き込みも、その1本で足りています。

念のため、変換チップ経由で見たい場合に備えて J5（GND / RX / TX の1×3ヘッダ） を残してあります。UART0 の TXD0 / RXD0 が出ているので、市販の USB-TTL 変換を挿せば従来どおりのシリアルも取れます。

③ I2C：1バスに3センサ、プルアップは10kΩ

I2C は SDA = GPIO6 / SCL = GPIO7 の1バスに3センサをぶら下げています。プルアップ抵抗は R11 / R12 の 10kΩ を1組だけ、基板側に置きました。

I2C そのものの仕組みや、SPI・UART との使い分けについては I2C・SPI・UART の違い にまとめてあります。

④ EN / BOOT スイッチとモジュール配置

S3 が EN（リセット）、S4 が IO0（ブートモード） のスイッチです。EN には R10（10kΩ）でプルアップし、C7（0.1µF）で GND に落として、電源投入時の立ち上がりを少し遅らせています。

配置で1点だけ意識したのが、モジュールのアンテナ側を基板の端に合わせることです。KiCad の RF_Module:ESP32-S3-WROOM-1 フットプリントにはアンテナ用のキープアウト領域（銅箔・配線・ビア・部品すべて禁止）が最初から含まれていて、この基板ではその領域がほぼ基板の外側に出る位置に U1 を置いています。アンテナの下にベタ GND を敷いてしまうと飛距離が落ちるので、ここはフットプリントの設計に素直に従うのが正解です。

基板スペック

配線幅もクリアランスも、JLCPCB の標準プロセスに対して十分な余裕があります。2層で足りる規模なら、無理に4層にする必要はありません。

🏭 JLCPCB発注と全手はんだ実装

ガーバーを出して投げる

KiCad の PCB エディタから、各層のガーバーとドリルファイルを出力して ZIP にまとめます。この基板で出したのは12ファイルです。

この ZIP をアップロードすると、JLCPCB 側が各層を重ねてプレビューを出してくれます。外形（Edge_Cuts）が閉じた形になっているかをこのプレビューでちゃんと見るのがコツで、ここが開いていると板が切り出せません。

何を選んで、何枚頼んだか

発注時に選んだのは次のとおりです。

この基板でいちばん端子が細かいのは USB-C レセプタクルで、BGA のような極端に細かい部品はありません。 全部を手はんだで組む前提なら、HASL は素直な選択です。

5枚あるということは、1枚目で手順を間違えても、まだ4枚残っているということでもあります。手はんだで基板を初めて組むなら、この余裕は効いてきます。

全部、手ではんだ付けする

届いた基板には、載せると決めた 21点すべてを自分ではんだ付けしました（設計上の 26点から、U2 と LED 2組ぶんを引いた数です）。0603 のチップ抵抗も、SOT-223 の LDO も、USB-C レセプタクルも、ESP32-S3-WROOM-1 も手はんだです。

これができるのは、設計の時点で手はんだ用のフットプリントを選んでいたからです。KiCad のライブラリには、同じ 0603 でも HandSolder が付いた版があり、パッドが外側に長く伸びています。

この基板では抵抗・コンデンサ・LED をすべて HandSolder 版にしています。リフロー炉を持っていないなら、最初から HandSolder 版で設計してしまうのが素直です。

🔍 配線ミス①：タクトスイッチの内部結線を取り違えていた

ここまでが、基板が手元で組み上がるまでの流れです。ただし、この基板は最初から動いたわけではありません。 配線ミスが2件あって、1件目はタクトスイッチでした。まず現物を見てください。

シルクの枠に対して、スイッチが回った状態で載っています。 空いたままのパッドも見えます。これは実装ミスではなく、そうしないと動かないから、わざとこうしたものです。S3（EN）と S4（IO0）の2個とも、この向きで載せています。

発覚：組み上げてから、動かないので調べた

気づいたのは設計中ではありません。部品をはんだ付けし終えて、USB-C をつないで、それでも基板が起動しなかったところからです。

そこから回路図と部品を突き合わせて調べていって、タクトスイッチの内部結線が、回路図の前提としていた結線と食い違っていることに行き着きました。常時導通しているペアが、そのまま GND と EN を短絡していたわけです。

つまり「データシートを読んで未然に防いだ」ではなく、動かないので調べたら出てきた、というのが実際の順番でした。以下は、その調査で分かったことを整理したものです。

何が食い違っていたのか

このスイッチは ALPS の SKRPACE010 という 4.2×3.2mm の SMD タクトスイッチです。4本足ですが、4本足のタクトスイッチは実質2端子で、内部で2本ずつ短絡されています。問題は「どの2本が短絡されているか」でした。

左が回路図で、右が実物の内部結線です。前提が90度ずれています。

回路図では、1番と3番をまとめて GND に、2番と4番をまとめて EN につないでいます。「1と3で片方の端子、2と4でもう片方の端子」という前提です。

ところが実物は 1番-2番、3番-4番が常時導通です。この前提のまま素直に載せると、常時導通している 1番と2番が、GND と EN をつないでしまいます。

ここでいう「常時導通」は、押しても押さなくても導通したままという意味です。

そして表の右列について、もうひとつ補足が要ります。右列はスイッチという部品単体の性質で、「1番-3番は押したときだけ導通」と書いてあります。ところが基板の上では、その1番と3番を銅箔が最初から GND につないでいます。 2番と4番も同じように EN につながれています。つまり 基板に載せた時点で、1番-3番も 2番-4番も常時接続です。

そこへ部品内部の 1番-2番・3番-4番の常時導通が重なると、4本の足が全部ひとつながりになります。GND から EN までの経路は GND → 1番 →（部品内部）→ 2番 → EN と GND → 3番 →（部品内部）→ 4番 → EN の2本。電源を入れた瞬間から GND と EN が短絡したままです。

しかも可動接点の両側（1番と3番、2番と4番）は、すでに銅箔で結ばれています。 つまりボタンを押して接点が閉じても、もともとつながっている端子どうしがもう一度つながるだけで、回路としては何も変わりません。 押しても押さなくても同じ、という状態でした。

対処：部品を90度回して載せる

ずれが「90度ぶん」なので、部品のほうを90度回して載せれば、番号の対応が正しい向きに戻ります。 S3・S4 の2個とも同じ処置です。 常時導通しているペアが GND 側と EN 側にそれぞれ収まり、押したときだけ GND と EN がつながる、本来の動きになります。

代償として、フットプリントのパッド配置と部品の端子位置がぴったりは合わなくなります。だから写真のように、はんだで無理やり渡した見た目になっているわけです。基板を作り直すより早くて確実、という判断でした。この基板が現に起動していること自体が、EN が GND に落ちていない証拠です。

なぜ気づけなかったのか

原因ははっきりしていて、シンボルに内部結線の情報が入っていなかったからです。

この SKRPACE010 のシンボルは、部品検索サービスからインポートしたものでした。中身を見ると、passive 属性のピンが1・2・3・4と4本並んだだけの箱で、内部でどれとどれが短絡しているかはどこにも描かれていません。

つまり 「どの2本が常時導通なのか」は、設計者がデータシートを見て自分で決めるしかない情報でした。そこで決め方を間違えた、というのが今回の全体像です。

そして KiCad の ERC はこれを絶対に捕まえられません。 ERC が見ているのは「ピンが未接続でないか」「出力同士がぶつかっていないか」といった回路図上の整合性で、シンボルに書かれていない内部結線については何も知らないからです。

🔍 配線ミス②：GPIO制御のはずのLEDが3個とも電源直結

もう1件。こちらは実装ではなく、回路図の中で完結しているミスです。

見てのとおり、3個とも 1kΩ を介して +3.3V に、カソードは GND です。

D1 は LED_POW という名前のとおり電源インジケータなので、これで正解です。問題は D2（LED1）と D3（LED2） で、この2個はマイコンの GPIO で点滅させるつもりで置いた LED でした。

基板データで確認する

回路図の別の場所には、確かに GPIO 側にラベルが振ってあります。基板データからネットの接続を洗い出すと、こうなっていました。

/LED1 と /LED2 は、端子が1つしかないネットでした。 マイコンのピンにラベルを付けたところで手が止まっていて、LED 側には同じラベルが付いていなかったわけです。

なぜ ERC も DRC もすり抜けたのか

このミスは、自動チェックの網の目をきれいに通り抜けます。

理由は3つ重なっています。

1. ERC の「未接続ピン」検査には引っかからない。 IO8 にはラベルが付いているので、KiCad から見れば「何かにつながっているピン」です。実際この基板のプロジェクト設定でも pin_not_connected は error ですが、そもそも該当しません
2. 該当するチェックはあるが、既定が警告どまり。 KiCad の ERC には「ラベルは付いているのにピンが1つしかない」を見る isolated_pin_label という項目があり、この基板のプロジェクトでも設定は warning のままでした。エラー0件を合格条件にしていると、そのまま素通りします
3. PCB 側では、そもそも「未配線」に見えない。 ラットネストは2つ以上の端子を結ぶ線なので、端子が1つしかないネットには線が1本も出ません。 配線し忘れたネットなら「白い線が残っている」で気づけますが、このミスは最初から線が出ないため、見た目には完了しています

つまり 「配線し忘れ」より「そもそも配線を作っていない」ほうが、はるかに気づきにくいという構図です。

判断：LED は1組だけ載せて、残り2組は空きパターンにする

気づいたのは基板が届いて動かしたあとでした。GPIO で光らせたい用途が今すぐ無かったので、この基板では作り直さずに受け入れています。

とはいえ、電源に直結された LED を3個そろって光らせても意味はありません。そこで 実装したのは D1 と R7 の1組だけにしました。D1 は本来の役どころである電源インジケータとして働きます。D2・D3 と、その電流制限抵抗 R8・R9 の計4点は、部品を載せずに空きパターンのままです。

このほうが、あとから直すときにも都合がよくなります。載っていない LED を GPIO で光らせたくなったら、ジャンパ線で IO8・IO10 から引っ張ってから部品を載せればいいからです。すでにはんだ付けされた LED のパターンを剥がす必要はありません。次の版で直せばいい類のミスという整理をしています。

✅ まとめ

基板ができたので、次はこの基板を動かすファームウェアです。次回は ESP-IDF でセンサー3種のドライバを自前で書き、起動時に I2C バスをスキャンして3センサのアドレスをログに残し、Wi-Fi と MQTT でデータを飛ばすところまでを扱います。I2C アドレスがピン1本の配線で決まる話も出てきます。

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