赤外線エミッタ・検出器データシート - クリアパッケージ - 順方向電圧1.6V - 放射強度最大7.669 mW/sr - 技術文書

1. 製品概要

本資料は、透明なプラスチックパッケージに収められた小型・低コストの赤外線（IR）エミッタおよび検出器コンポーネントの仕様を詳細に説明します。このデバイスはエンドルッキング（端面視認型）アプリケーション向けに設計されており、能動的なセンシング/発光領域がパッケージの端面に配置されています。特定の放射強度および開口放射照度の範囲に従って選別（ビニング）されており、精密な光出力または感度を必要とするアプリケーションにおいて一貫した性能を保証します。クリアパッケージは、半導体ダイを物理的に保護しながら、赤外線の効率的な透過を可能にします。

2. 詳細な技術パラメータ分析

2.1 絶対最大定格

本デバイスは、以下の絶対限界内での信頼性の高い動作に対して定格付けられており、これを超えると永久損傷が発生する可能性があります。電力損失は90 mWで規定されています。パルス動作では、1秒あたり300パルス、パルス幅10マイクロ秒の条件下で、ピーク順方向電流1アンペアまで耐えることができます。最大連続順方向電流は60 mAです。コンポーネントは最大5ボルトの逆電圧に耐えることができます。動作温度範囲は-40°Cから+85°C、保管温度範囲は-55°Cから+100°Cです。実装時には、リード線をパッケージ本体から1.6mmの距離で測定し、260°Cで最大5秒間のはんだ付けが可能です。

2.2 電気的および光学的特性

すべての電気的および光学的パラメータは、周囲温度（T_A）25°Cで規定されています。主要パラメータは、標準試験条件下でのデバイスの性能を定義します。

• 開口放射照度（E_e）：このパラメータは、mW/cm²で測定され、検出器の能動領域に入射する光パワー密度を表します。順方向電流（I_F）20mAで試験されます。値はビニングされており、最小0.096 mW/cm²（ビンA1）から典型的な最大1.020 mW/cm²（ビンC）までの範囲です。
• 放射強度（I_E）：mW/sr（ミリワット毎ステラジアン）で測定され、IRエミッタの単位立体角あたりの発光パワーを定義します。これもI_F=20mAで試験され、0.722 mW/sr（ビンA1）から7.669 mW/sr（ビンC）の範囲です。
• ピーク発光波長（λ_ピーク）：赤外線エミッタの出力は、公称波長940ナノメートルを中心としています。
• スペクトル半値幅（Δλ）：強度がピーク値の少なくとも半分であるスペクトル帯域幅は、典型的に50 nmであり、比較的狭帯域のIR光源であることを示しています。
• 順方向電圧（V_F）：20mAを導通時のデバイス両端の電圧降下は、典型的に1.6ボルト、最大1.6Vです。
• 逆電流（I_R）：5Vの逆バイアスを印加した場合、漏れ電流は最大100 µAです。
• 指向角（2θ_1/2）：放射強度が0度（軸上）での値の半分に低下する角度の広がりは60度です。これはビームパターンまたは視野角を定義します。

3. ビニングシステムの説明

本コンポーネントは、主にその光出力特性に基づくビニングシステムを採用しています。これにより、特定のビン内のデバイスは性能が密接に一致し、アレイや対になったエミッタ-検出器システムなど、一貫性を必要とするアプリケーションにおいて重要です。

• 放射強度 / 開口放射照度ビニング：デバイスは、A1、A、B、C、Dとラベル付けされたビンに分類されます。各ビンは、放射強度（I_E）と開口放射照度（E_e）の両方について、特定の最小値および典型的/最大値の範囲に対応します。例えば、ビンCのデバイスは、20mA駆動時にI_Eが3.910から7.669 mW/srの間、E_eが0.520から1.020 mW/cm²の間の値を持ちます。これにより、設計者はアプリケーションに必要な正確な光パワーレベルを持つコンポーネントを選択し、信号強度とシステム性能を最適化できます。

4. 性能曲線分析

データシートには、様々な条件下でのデバイスの挙動を示すいくつかのグラフが含まれています。

• 図1 - スペクトル分布：この曲線は、波長の関数としての相対放射強度を示します。940nmでのピーク発光と約50nmの半値幅を確認し、IR出力のスペクトル純度に関する洞察を提供します。
• 図2 - 順方向電流 vs. 周囲温度：このグラフは、周囲温度の上昇に伴う最大許容連続順方向電流のディレーティング（定格低下）を示しています。熱管理とデバイスが安全動作領域（SOA）内で動作することを保証するために不可欠です。
• 図3 - 順方向電流 vs. 順方向電圧：これは電流-電圧（I-V）特性曲線です。印加された順方向電圧と結果として生じる電流の関係を示し、デバイスの典型的なターンオン電圧と動的抵抗を強調しています。
• 図4 - 相対放射強度 vs. 周囲温度：この曲線は、光出力パワー（20mA、25°Cでの値に対する相対値）が温度とともにどのように変化するかを示します。一般的に、LEDの出力は温度の上昇とともに減少し、このグラフはその関係を定量化します。
• 図5 - 相対放射強度 vs. 順方向電流：これは、駆動電流の関数としての光出力パワーを示します。一般的には超線形の関係ですが、この曲線は設計者が異なる電流レベルでの効率と飽和点を理解するのに役立ちます。
• 図6 - 放射パターン図：この極座標プロットは、指向角または放射パターンを視覚的に表します。同心円は相対強度（中心で0、外縁で1.0）を示し、角度線は分布を示します。2θ_1/2= 60°の仕様は、曲線が0.5の相対強度円と交差する点によって確認されます。

5. 機械的およびパッケージ情報

5.1 パッケージ寸法

デバイスは小型プラスチック製エンドルッキングパッケージを使用しています。主要な寸法上の注意点は以下の通りです：すべての寸法はミリメートル（括弧内はインチ）です；特に記載がない限り標準公差は±0.25mmです；フランジ下の樹脂の最大突出は1.5mmです；リード間隔はリードがパッケージ本体から出る点で測定されます。正確な寸法図はデータシートに参照されており、PCBフットプリント設計に重要な全長、本体直径、リード直径、間隔を定義しています。

5.2 極性識別

ラジアルリードパッケージのIRエミッタ/検出器の場合、極性は通常、パッケージ本体のフラット面や一方のリードが他方より短いなど、デバイスの物理的特徴によって示されます。具体的な識別方法は、詳細なパッケージ図と照合する必要があります。正しい極性接続は正常動作に不可欠です。

6. はんだ付けおよび実装ガイドライン

本コンポーネントは標準的なはんだ付けプロセスに適しています。規定されている重要なパラメータはリードはんだ付け温度です：パッケージ本体から1.6mm（0.063インチ）の測定点で、最大5秒間260°Cです。このガイドラインは、内部の半導体ダイやプラスチックパッケージへの熱損傷を防ぐために、波はんだ付けや手はんだ付けにおいて重要です。リフローはんだ付けには、同様の熱限界を持つスルーホール部品用の標準プロファイルを使用する必要があります。コンポーネントは、湿気吸収（リフロー時のポップコーン現象の原因となる可能性あり）を防ぐため、乾燥環境で指定の-55°Cから+100°Cの温度範囲内で保管する必要があります。

7. アプリケーション推奨事項

7.1 典型的なアプリケーションシナリオ

このIRエミッタ/検出器ペアは、幅広い近接センシング、物体検出、データ伝送アプリケーションに適しています。一般的な用途は以下の通りです：

• 物体/近接センシング：自動販売機、プリンター、産業機器などで物体の有無を検出します。
• スロットセンサー：プリンターでの用紙検出や、検札機でのチケット検出に使用します。
• 簡易データリンク：リモコンや絶縁通信チャネル向けの低速・短距離赤外線データ伝送。
• エンコーダー：回転式または直線式エンコーダーでの位置フィードバックに使用され、遮断ブレードがエミッタと検出器の間を通過します。

7.2 設計上の考慮事項

このコンポーネントを使用して設計する際には、いくつかの要因を考慮する必要があります：

• 電流制限：エミッタには、順方向電流を所望のレベル（連続≤60mA、パルス≤1A）に制限するための直列抵抗が必須です。その値は、電源電圧（V_CC）、所望のI_F、および典型的なV_F（例：R = (V_CC - V_F) / I_F）を使用して計算されます。
• 検出器のバイアスと増幅：フォトダイオードは通常、逆バイアス（最大5V）を必要とし、その出力電流は非常に小さくなります（E_eに関連）。この小さな光電流を使用可能な電圧信号に変換するには、トランスインピーダンスアンプ（TIA）がしばしば必要です。
• 光学的アライメント：対になったエミッタ-検出器アプリケーションでは、信号強度を最大化するために精密な機械的アライメントが重要です。60度の指向角はある程度の許容誤差を提供します。
• 環境光除去：デバイスは940nmの光に感度があるため、日光や他のIR光源の影響を受ける可能性があります。変調されたIR信号と同期検出（リモコンで一般的な38kHzキャリアなど）を使用することで、ノイズ耐性を大幅に向上させることができます。
• 熱管理：高温環境では、最大電力損失を超えないように、ディレーティング曲線（図2）を参照する必要があります。

8. 技術比較と差別化

他のIRコンポーネントと比較して、このデバイスの主な差別化要因は、そのクリアプラスチックパッケージと精密な光学ビニングです。多くのIR LEDやフォトダイオードは、可視光を遮断する着色（例：青、黒）パッケージを使用していますが、これらは目的のIR波長もわずかに減衰させる可能性があります。クリアパッケージは、940nmで潜在的に高い透過効率を提供します。放射強度と照度に関する厳格なビニングにより、予測可能で一貫したシステム性能が得られ、これはビニングされていない、または緩やかにビニングされた部品（ユニットごとに性能が大きく異なる可能性がある）に対する利点です。小型サイズと低コストは、大量生産の民生用および商用アプリケーションに適しています。

9. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q: 開口放射照度（E_e）と放射強度（I_E）の違いは何ですか？

A: E_eは、表面（検出器の能動領域）に入射するパワー密度（mW/cm²）の尺度です。I_Eは、エミッタの単位立体角あたりのパワー出力（mW/sr）の尺度です。これらは関連していますが、それぞれ検出器側とエミッタ側の性能を記述します。

Q: エミッタを5V電源で直接駆動できますか？

A: できません。典型的なV_Fが1.6Vであるため、5Vを直接接続すると過剰な電流が流れ、LEDを破損する可能性が高いです。電流制限抵抗を使用する必要があります。

Q: アプリケーションに適したビンをどのように選択すればよいですか？

A: 必要な信号強度に基づいて選択します。長距離または低反射率のセンシングには、より高いビン（C、D）がより多くの光パワーを提供します。短距離または高感度の検出器回路では、より低いビンで十分であり、コスト効果が高くなる場合があります。システム内の複数のユニット間の一貫性もビン選択を決定する場合があります。

Q: 検出器の指向角仕様は何を意味しますか？

A: 検出器の場合、60度の指向角（2θ_1/2）はその視野角を定義します。軸からこの±30度の円錐内に入射する光は、合理的な感度で検出されます。この角度外の光はほとんど無視され、不要な方向からの迷光を除去するのに役立ちます。

10. 実用的なアプリケーション例

設計事例：プリンターの用紙切れセンサー

このアプリケーションでは、IRエミッタと検出器は用紙経路の反対側に取り付けられます。用紙がある場合、それはエミッタからのIRビームを検出器に反射します。用紙トレイが空の場合、ビームは妨げられずに進み、検出器に反射されません（または異なる反射面に当たります）。検出器回路は受信信号レベルを監視します。重要な設計ステップは、適切なビン（例：ビンB）を選択し、用紙の反射率の変動があっても、用紙からの反射信号が用紙なし状態から確実に区別できるほど十分に強いことを保証することです。エミッタの駆動電流は抵抗を介して20mAに設定され、基準光出力を提供します。検出器の出力は、用紙ありと用紙なしの電圧レベルの間に設定されたしきい値を持つコンパレータに入力されます。60度の指向角は、プリンター組立時のわずかな位置ずれがあってもセンサーが動作することを保証するのに役立ちます。

11. 動作原理の紹介

本デバイスは、2つの主要な半導体コンポーネントで構成されています：赤外線発光ダイオード（IR LED）とフォトダイオードです。IR LEDは、エレクトロルミネッセンスの原理で動作します。順方向バイアスが印加されると、半導体の活性領域で電子と正孔が再結合し、光子の形でエネルギーを放出します。材料組成（通常はヒ化ガリウム、GaAsベース）は、この光子エネルギーが赤外線スペクトル、特に約940nmの波長に対応するように設計されています。フォトダイオードは逆方向で動作します。半導体のバンドギャップよりも大きなエネルギーを持つ入射光子が吸収され、電子-正孔対が生成されます。これらの電荷キャリアは、逆バイアス接合の内部電界によって引き離され、入射光の強度に比例する光電流を生成します。クリアプラスチックパッケージはレンズおよび窓として機能し、繊細な半導体チップを保護しながら、940nmの赤外線放射の効率的な通過を可能にします。

12. 技術トレンドと開発動向

センシング用光エレクトロニクスの分野では、このようなコンポーネントに関連するいくつかのトレンドがあります。小型化に向けた継続的な推進があり、自動実装のためにはスルーホールタイプよりも表面実装デバイス（SMD）パッケージがより一般的になっています。高集積化は別のトレンドであり、エミッタ、検出器、および信号調整回路（増幅器、コンパレータ）が単一モジュールに組み合わされ、エンドユーザーの設計が簡素化されます。改善された信号対雑音比と環境光除去の要求は、特定の波長帯の使用とパッケージに統合された高度な光学フィルタリングの使用を推進しています。さらに、モノのインターネット（IoT）やウェアラブルデバイスにおけるアプリケーションは、適切なセンシング範囲と信頼性を維持しながら低消費電力のコンポーネントへの需要を駆り立てています。この特定のコンポーネントは成熟したコスト効果の高いソリューションを表していますが、新しい設計ではしばしばこれらの進化する要件が組み込まれています。