LTR-X130P 光学センサー データシート - 統合型近接・環境光センサー - I2Cインターフェース - 1.7V～3.6V - 日本語技術文書

1. 製品概要

LTR-X130Pは、近接検知（PS）と環境光検知（ALS）の機能を、単一の小型・無鉛表面実装ChipLEDパッケージ内に統合した、高度に集積された低電圧光学センサーです。その設計思想の核は、スペースに制約のあるバッテリー駆動アプリケーションにおいて、洗練された物体検出と光測定を可能にすることにあります。

本センサーの主な利点は、システムレベルの統合性にあります。内蔵赤外線エミッタ（LED）、可視光および赤外線フォトダイオード、アナログ-デジタル変換器（ADC）、プログラム可能な割り込みコントローラ、そして完全なI2Cデジタルインターフェースを備えています。この統合により、外部部品点数が大幅に削減され、PCBレイアウトが簡素化されます。重要な性能特徴として、最大100,000ルクスの直射日光条件下でも正確に動作する優れた環境光除去性能があり、屋外や明るい室内環境にも適しています。プログラム可能な割り込み機能により、ホストマイクロコントローラは低消費電力スリープモードに入り、特定の近接閾値を超えた時のみ起動することができ、モバイル機器や携帯機器にとって重要な要素であるシステム全体の電力効率を最適化します。

ターゲット市場は、幅広いコンシューマーエレクトロニクスおよびコンピューティングデバイスを含みます。主な用途は、スマートフォン、タブレット、ノートパソコン、モニターにおける自動ディスプレイバックライト調光および輝度制御であり、ユーザーエクスペリエンスを向上させ、電力を節約します。さらに、最大10 cmまでの物体検出能力は、非接触ジェスチャー制御、プレゼンス検知（例：ユーザーが離れた時にディスプレイをオフにする）、様々なデバイスにおける単純な障害物回避などの機能に利用されます。

2. 詳細技術パラメータ分析

2.1 電気的・光学的仕様

特に断りのない限り、全ての仕様はVDD = 2.8V、動作温度（T_ope）25°Cにおける代表値です。

電源特性：
センサーは1.7Vから3.6Vの広い電源電圧範囲で動作し、一般的なバッテリー出力やレギュレートされた電源ラインと互換性があります。アクティブ測定時の代表的な電源電流は、最大デューティサイクルで95 µAです。省電力のための重要な特徴は、わずか1 µAしか消費しないスタンバイ（シャットダウン）モードです。このスタンバイモードからアクティブ測定準備状態へのウェイクアップ時間は代表的に10 msであり、非常に低い平均消費電力を維持しながら迅速な応答を可能にします。

近接センサー（PS）特性：
PS機能は高度に設定可能です。有効分解能は8、9、10、11ビットから選択可能で、設計者は測定精度と変換速度をトレードオフできます。統合されたIRエミッタはピーク波長940 nmで動作します。LED駆動電流は、2.5、5、10、25、50、75、100、125 mAのステップでプログラム可能であり、検出範囲と電力使用量を調整できます。LEDは50%のデューティサイクルで60 kHzから100 kHzの周波数でパルス発光します。測定サイクルあたりのパルス数は1から255まで設定可能で、積分時間と感度に直接影響します。代表的条件（32パルス、60 kHz、100 mA駆動、18%グレーカードターゲット）下では、センサーは最大10 cmの距離にある物体を検出できます。その環境光除去性能は、最大100 kluxの直射日光に対して規定されています。

2.2 絶対最大定格および動作条件

絶対最大定格：これらは、永久的な損傷を防ぐために、一瞬たりとも超えてはならないストレス限界です。電源電圧（VDD）は4.0Vを超えてはなりません。デジタルI/Oピン（SCL、SDA、INT）およびLDRピンの電圧範囲は-0.5Vから+4.0Vです。デバイスは-40°Cから+100°Cの温度で保管できます。

推奨動作条件：これらは、信頼性の高い性能を発揮するための通常の動作環境を定義します。VDDは1.7Vから3.6Vの間に維持する必要があります。LEDアノード電源（VLED）には、別個の3.0Vから4.5Vの電源が必要です。I2Cインターフェースは、ロジックハイ（V_I2Chigh）を≥1.5V、ロジックロー（V_I2Clow）を≤0.4Vで認識します。動作温度範囲は-40°Cから+85°Cであり、過酷な環境下での機能性を保証します。

2.3 AC電気的特性（I2Cインターフェース）

センサーは、標準モード（100 kHz）および高速モード（400 kHz）のI2C通信をサポートします。主要なタイミングパラメータは以下の通りです：SCLクロック周波数（f_SCL）0～400 kHz、バスフリー時間（t_BUF）最小1.3 µs、SCL Low期間（t_LOW）最小1.3 µs、SCL High期間（t_HIGH）最小0.6 µs、データセットアップ時間（t_SU:DAT）最小100 ns。SDAおよびSCL信号の立ち上がり・立ち下がり時間は300 ns未満でなければなりません。入力フィルタは50 ns未満のノイズスパイクを抑制します。

3. 性能曲線分析

データシートには、設計に不可欠な代表的な性能グラフが提供されています。

PSカウント vs. 距離：この曲線は、センサーからの生のデジタル出力（PSカウント）と、標準的な18%反射率のグレーカードまでの距離との関係を示しています。曲線は一般的に非線形で、センサーに非常に近い距離ではカウントが急速に増加し、距離が増加するにつれてより緩やかに減少します。このグラフは、センサーの較正や、アプリケーションにおける特定の検出範囲に対する適切な割り込み閾値の設定に極めて重要です。

エミッタ角度応答：この図は、内蔵赤外線LEDの空間放射パターンを描いています。これは、中心軸からの角度の関数としての放射IR光の強度を示しています（通常は極座標プロット）。このパッケージの典型的なパターンは、広いランバート分布のような分布を示すかもしれません。このパターンを理解することは機械設計にとって重要であり、近接センサーの実効的な視野角と検出ゾーンに影響を与えます。規定の10 cm範囲を達成するためには、カバーウィンドウやレンズをこのパターンに適切に配置することが必要です。

4. 機械的およびパッケージ情報

LTR-X130Pは、8ピンChipLED表面実装パッケージに収められています。外形寸法はデータシートに記載されており、全ての寸法はミリメートル単位です。規定されていない特徴の寸法公差は±0.2 mmです。本パッケージは、大量生産の電子機器製造で一般的な標準的な自動実装およびリフローはんだ付けプロセス用に設計されています。

5. はんだ付けおよび組立ガイドライン

提供された抜粋では特定のリフロープロファイルは詳細に記載されていませんが、本デバイスは標準的な表面実装技術（SMT）組装を想定しています。無鉛リフローはんだ付けプロファイルについては、JEDEC J-STD-020ガイドラインに従うことを推奨します。湿気感受性レベル（MSL）は完全なパッケージ仕様書から確認する必要があります。デバイスは通常、乾燥剤入りのドライバッグで供給され、使用前にバッグの湿度指示カードが過度の湿気暴露を示している場合は、標準手順に従ってベーキングする必要があります。

6. 梱包および発注情報

LTR-X130Pの標準梱包はテープ＆リールであり、自動組立装置と互換性があります。各リールには8000個が収容されています。型番はLTR-X130Pです。

7. アプリケーション設計推奨事項

7.1 代表的なアプリケーション回路

推奨されるアプリケーション回路は、重要な設計上の考慮事項を強調しています。基本的な要件は、デジタル電源（VDD、1.7-3.6V）とLEDアノード電源（VLED、3.0-4.5V）を分離することです。この分離は、安定したLED駆動電流を確保し、LEDパルスからのノイズが敏感なアナログおよびデジタル電源ラインに結合するのを防ぐために必須です。回路には、SDA、SCL、INTラインにプルアップ抵抗（Rp1、Rp2、Rp3）が含まれています。その値（1 kΩ～10 kΩ）は、総バス容量と所望の立ち上がり時間に基づいて選択し、I2C仕様を満たすようにする必要があります。デカップリングコンデンサは必須です：1 µF ±20% X7R/X5Rセラミックコンデンサ（C1）はVDDピンにできるだけ近くに配置し、0.1 µFコンデンサ（C2）も推奨されます。同様の1 µFコンデンサ（C3）がVLEDラインに使用されます。

7.2 ピン構成と機能

• ピン1（SDA）：I2Cシリアルデータライン（双方向）。
• ピン2（INT）：アクティブローの割り込み出力。プログラム可能な近接イベントが発生するとアサートされます。
• ピン3（LDR）：LEDカソードに接続します。内部ドライバを使用する場合、このピンはピン4（LEDK）に接続されます。
• ピン4（LEDK）：LEDカソード接続。
• ピン5（LEDA）：LEDアノード接続。別個のVLEDライン（3.0-4.5V）から供給する必要があります。
• ピン6（GND）：システムグランド。
• ピン7（SCL）：I2Cシリアルクロック入力。
• ピン8（VDD）：デジタル電源入力（1.7-3.6V）。

8. 技術比較と差別化

LTR-X130Pは、高い統合性と過酷な条件下での堅牢な性能によって差別化されています。ディスクリートソリューション（個別のIR LED、フォトダイオード、信号調整IC）と比較して、大幅に小さな占有面積、簡素化された設計プロセス、および削減された部品点数（BOM）を提供します。他の統合型近接センサーと比較して、その主な利点には、多くの競合製品を上回る非常に高い100 kluxの環境光耐性、および特定の範囲、電力、応答時間の要件に微調整を可能にする柔軟でプログラム可能なLED電流およびパルス数設定が含まれます。工場でのトリミングにより、ユニット間のばらつきが最小限に抑えられ、製造歩留まりと最終製品の一貫性が向上します。

9. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q: なぜVDDとVLEDは別々の電源ラインでなければならないのですか？
A: LEDパルスは大きな電流（最大125 mA）を消費する可能性があります。電源ラインを共有すると、VDDラインに大きな電圧降下やノイズが発生し、センサーの敏感なアナログフロントエンドやデジタルロジックが不安定になり、不正確な読み取り値やリセットイベントを引き起こす可能性があります。別々のラインはこのノイズを分離します。

Q: 検出範囲を10 cm以上に増やすにはどうすればよいですか？
A: 範囲はLED電流、パルス数、ターゲットの反射率に影響されます。範囲を増やすには、より高いLED電流（最大125 mA）をプログラムするか、測定あたりのパルス数（最大255）を増やすことができます。これにより測定サイクルあたりの消費電力が増加することに注意してください。

Q: 割り込み機能はどのように省電力に役立ちますか？
A: ホストマイクロコントローラがセンサーを常にポーリングして読み取りを行う（I2CバスとCPUをアクティブに保つ）代わりに、センサーは近接の上限および下限閾値を設定して構成できます。ホストはセンサーと自身を低消費電力モードにします。物体が定義された近接ゾーンに入ったり出たりした時のみ、センサーがINTラインをアサートし、ホストを起動してアクションを起こします。これによりシステムの活動を最小限に抑えます。

Q: クロストークキャンセレーション機能の目的は何ですか？
A: コンパクトなパッケージ内では、内部エミッタからのIR光の一部が、外部物体に当たることなく、直接漏れたり内部で反射したりしてフォトダイオードに到達することがあります。これにより、永続的なオフセットまたはクロストーク信号が発生します。センサーにはこのオフセットを測定しデジタル的に減算する回路が含まれており、近接カウントが真に外部物体からの反射光を表すことを保証します。

10. 設計および使用事例

事例1：スマートフォンディスプレイ管理：スマートフォンでは、LTR-X130Pはイヤーピース付近に配置されます。通話中にユーザーが電話を耳に近づけると、センサーは頭部の近接（約2-5 cm以内）を検出します。アプリケーションプロセッサに割り込みをトリガーし、ディスプレイタッチスクリーンをオフにして誤った頬のタッチを防ぎ、バックライトを暗くして電力を節約します。電話が離されると、ディスプレイは元に戻ります。

事例2：インタラクティブキオスクのプレゼンス検知：公共情報キオスクは、人が50 cm以内に近づいたことを検出するために本センサーを使用します。検出すると、低消費電力スリープ状態から起動し、ディスプレイをアクティブにしてアトラクターループを表示します。設定期間内に誰も検出されない場合はスリープ状態に戻り、24時間365日稼働する場合と比較してエネルギー消費を大幅に削減します。

11. 動作原理

LTR-X130Pは、アクティブ赤外線近接検知と測光学的環境光検知の原理に基づいて動作します。近接測定では、内部マイクロコントローラが統合されたIR LEDをトリガーして、940 nmで変調された一連のパルスを発光させます。センサーの前にある物体は、この光の一部を反射します。専用のIR感応フォトダイオードが反射光強度を小さな光電流に変換します。この電流は積分され、高分解能ADCによってデジタル値に変換されます。このデジタル値（PSカウント）の強度は、物体の反射率と近接度に比例します。センサーは同時に、別個の可視光フォトダイオードを使用して環境光を測定し、その出力を処理して近接信号から環境IR成分を減算し、精度を向上させます。

I2C通信は標準プロトコルに従います。デバイスは固定の7ビットスレーブアドレス0x53を持ちます。マスターコントローラはこのアドレスを使用して、設定レジスタ（例：LED電流、パルス数、割り込み閾値の設定）への書き込み、および近接および環境光データの読み取りを行います。単一書き込み、連続書き込み、結合形式読み取り（繰り返しSTART）を含む読み書きプロトコルは、I2C仕様に従って実装されています。

12. 技術トレンド

LTR-X130Pのようなセンサーの進化は、いくつかの明確な業界トレンドに従っています。より多くの機能（例：カラーセンシング、ジェスチャー認識）を単一パッケージに統合しながら占有面積を縮小する、より高い統合性への継続的な推進があります。電力効率は依然として最重要であり、より低いアクティブおよびスタンバイ電流、よりスマートなウェイクアップ方式が求められています。極端な環境下での性能は、より優れた日光耐性とより広い温度範囲で向上しています。さらに、より高レベルの前処理済みデータ（例：生のカウントではなく物体あり/なしフラグ）を提供する組み込みアルゴリズムを持つよりスマートなセンサーへのトレンドがあり、メインアプリケーションプロセッサからの処理をオフロードし、ソフトウェア開発を簡素化します。