ITR9909 光遮断器 データシート - パッケージ4.0mm - 波長940nm - 日本語技術文書

1. 製品概要

ITR9909は、非接触センシングアプリケーション向けに設計されたコンパクトな光遮断器モジュールです。単一の黒色熱可塑性樹脂ハウジング内に、赤外線発光ダイオード（IRED）とシリコンNPNフォトトランジスタを統合しています。両素子は収束する光軸上に並べて配置されています。基本的な動作原理は、フォトトランジスタが通常、隣接するIREDからの放射光を受け取ることにあります。不透明な物体が両素子間のギャップを通過すると、この赤外線ビームが遮断され、フォトトランジスタの出力状態に検出可能な変化が生じ、物体検出、位置検知、またはスイッチング機能を実現します。

1.1 主な特徴と利点

• 高速応答時間：高速移動する物体の検出を可能にします。
• 高感度：シリコンフォトトランジスタが赤外線に対して強力な電気的応答を提供します。
• 特定波長：IREDはピーク波長（λp）940nmで発光し、これは人間の目には見えず、周囲の可視光による干渉を軽減するのに役立ちます。
• 環境規格適合：本デバイスは鉛フリーで製造され、RoHS、EU REACH、およびハロゲンフリー規格（Br <900ppm、Cl <900ppm、Br+Cl <1500ppm）に準拠しています。
• コンパクトな統合：一体型パッケージにより、スロット型センシングアプリケーションにおけるPCB設計と実装が簡素化されます。

1.2 対象アプリケーション

ITR9909は、信頼性の高い非接触検出を必要とする様々なアプリケーションに適しています：

• コンピューターマウスやコピー機におけるロータリーエンコーダーおよび位置センサー。
• スキャナーやプリンターにおける用紙検知およびエッジセンシング。
• フロッピーディスクドライブやその他のメディアドライブにおけるディスク存在検知。
• 汎用非接触スイッチング。
• 直接実装が必要な基板レベルセンシング。

2. 技術仕様と詳細分析

2.1 絶対最大定格

これらの限界を超えて動作させると、永久損傷を引き起こす可能性があります。特に断りのない限り、すべての仕様はTa=25°Cにおける値です。

• 入力（IRED）：
  • 電力損失（Pd）： 75 mW
  • 逆電圧（VR）： 5 V
  • 連続順方向電流（IF）： 50 mA
  • ピーク順方向電流（IFP）： 1 A（パルス幅 ≤100μs、デューティサイクル 1%）
• 出力（フォトトランジスタ）：
  • コレクタ電力損失（Pd）： 75 mW
  • コレクタ電流（IC）： 50 mA
  • コレクタ-エミッタ電圧（BV_CEO）： 30 V
  • エミッタ-コレクタ電圧（BV_ECO）： 5 V
• 環境：
  • 動作温度（T_opr）： -25°C ～ +85°C
  • 保存温度（T_stg）： -40°C ～ +85°C
  • リードはんだ付け温度（T_sol）： 260°C、5秒間（本体から1/16インチの位置）

2.2 電気光学特性

Ta=25°Cにおける代表的な性能パラメータは、デバイスの動作特性を定義します。

• 入力（IRED）特性：
  • 順方向電圧（V_F）： IF=20mA時、代表値1.2V（最大1.5V）。パルス電流が高いほど増加します。
  • ピーク波長（λ_P）： 20mA駆動時、940 nm（代表値）。
• 出力（フォトトランジスタ）特性：
  • 暗電流（I_CEO）： 完全暗黒下、V_CE=20V時、最大100 nA。これはオフ状態のノイズフロアを定義するリーク電流です。
  • コレクタ-エミッタ飽和電圧（V_CE(sat)）： 十分な照度（1mW/cm²）下、I_C=2mA時、最大0.4V。クリーンなデジタルスイッチングのためには、低いV_CE(sat)が望ましいです。
  • コレクタ電流（I_C(ON)）： V_CE=5V、I_F=20mA時、最小200 µA。これは標準試験条件下で保証される最小フォト電流です。
• 動的特性：
  • 立上り時間（t_r）および立下り時間（t_f）： 各々、代表値15 µs。これらのパラメータは特定の負荷条件（V_CE=5V、I_C=1mA、R_L=1kΩ）下で測定され、デバイスが確実に扱える最大スイッチング周波数を決定します。

3. 性能曲線分析

データシートには、動作パラメータ間の重要な関係を示すいくつかのグラフが提供されています。これらの曲線は、非標準条件下でのデバイス動作を理解するために不可欠です。

3.1 赤外線エミッタ（IRED）曲線

• 順方向電流 vs. 周囲温度：周囲温度が25°Cを超えて上昇するにつれて、最大許容順方向電流がデレーティングされる様子を示します。
• 分光感度：相対放射強度対波長のプロットで、940nmでピークを持ち、エミッタの狭い帯域幅を示します。
• 相対放射強度 vs. 順方向電流：駆動電流と光出力の非線形関係を示し、高電流では飽和する傾向があります。
• 相対放射強度 vs. 角度変位：IREDの発光パターンまたは視野角を示し、光学アライメントに重要です。

3.2 フォトトランジスタ（PT）曲線

• コレクタ電力損失 vs. 周囲温度：フォトトランジスタ出力の電力デレーティング曲線を提供します。
• 分光感度：フォトトランジスタの波長に対する応答度を示し、ピーク感度は通常近赤外領域にあり、940nmエミッタと一致します。
• 相対コレクタ電流 vs. 周囲温度：フォトトランジスタの利得または応答度が温度とともにどのように変化するかを示します。
• コレクタ電流 vs. 照度：フォトトランジスタへの入射光パワー（照度）と結果として生じるコレクタ電流との線形（またはほぼ線形）関係を示す基本的な曲線です。
• コレクタ暗電流 vs. 周囲温度：リーク電流（I_CEO）が温度上昇とともに指数関数的に増加する様子を示し、高温アプリケーションでの信号対雑音比に影響を与える可能性があります。
• コレクタ電流 vs. コレクタ-エミッタ電圧：トランジスタの出力特性に似ており、異なる照度レベルでの動作領域を示します。

3.3 完全モジュール（ITR）曲線

• 相対コレクタ電流 vs. センサー間距離：これは重要なシステムレベルの曲線です。遮断物体とセンサーギャップ間の距離が変化するにつれて、受信信号（コレクタ電流）がどのように変化するかを示します。有効な検知範囲と、物体位置と出力信号強度との関係を定義します。

4. 機械的およびパッケージ情報

4.1 パッケージ寸法

ITR9909は標準的なスルーホールパッケージです。図面からの主要寸法は以下の通りです：

• スロットサイズを定義する本体全体の幅と高さ。
• PCB実装用のリード間隔と直径。
• 内部IREDとフォトトランジスタ間のギャップ幅。これは検出可能な物体のサイズを決定します。
• 寸法図では、特に断りのない限り、標準公差±0.25mmが指定されています。

4.2 極性識別

本デバイスは、多くの光遮断器に共通する標準的なピン配置を使用します：IRED入力用のアノードとカソード、およびフォトトランジスタ出力用のコレクタとエミッタです。ハウジングには通常、ピン1を示すマーキングまたは切り欠きがあります。

5. 組立および取り扱いガイドライン

5.1 はんだ付け推奨事項

絶対最大定格では、リードは260°Cで最大5秒間はんだ付け可能と指定されており、はんだ付け点がプラスチック本体から少なくとも1/16インチ（約1.6mm）離れていることが条件です。これは、エポキシハウジングおよび内部ワイヤボンドへの熱損傷を防ぐためです。フローまたはリフローはんだ付けの場合は、同様の熱制限を持つスルーホール部品の標準プロファイルに従う必要があります。

5.2 保管および取り扱い

本デバイスは、乾燥した環境で指定された温度範囲-40°C～+85°C内で保管する必要があります。内部の半導体部品は静電気による損傷を受けやすいため、取り扱い時には標準的なESD（静電気放電）対策を講じる必要があります。

6. 梱包および注文情報

6.1 梱包仕様

標準梱包数量は以下の通りです：

• 袋あたり150個。
• 箱あたり5袋。
• カートンあたり10箱。

6.2 ラベル情報

製品ラベルには、トレーサビリティと仕様のためのいくつかのコードが含まれています：

• CPN：顧客の製品番号。
• P/N：メーカーの製品番号（例：ITR9909）。
• QTY：梱包内の数量。
• CAT, HUE, REF：これらは、発光強度ランク、主波長ランク、順方向電圧ランクなどのパラメータに関する内部ビニングコードを指している可能性が高いですが、このデータシート抜粋では具体的なビニングの詳細は提供されていません。
• LOT No：トレーサビリティのための製造ロット番号。

7. アプリケーション設計上の考慮事項

7.1 回路設計

ITR9909を使用した設計には、主に2つの回路が関与します：

1. IRED駆動回路：IREDと直列に接続された単純な電流制限抵抗が標準的です。抵抗値は R = (V_CC- V_F) / I_F で計算されます。信頼性の高い動作と長寿命のためには、特定の信号対雑音比要件のためにパルス高電流駆動が必要でない限り、代表的な20mA以下でIREDを駆動することが推奨されます。
2. フォトトランジスタ出力回路：フォトトランジスタは、2つの一般的な構成で使用できます：
   • スイッチモード（デジタル出力）：コレクタからV_CCへプルアップ抵抗を接続します。エミッタは接地します。光がトランジスタに当たると、トランジスタがオンになり、コレクタ電圧が低く（V_CE(sat)付近に）なります。ビームが遮断されると、トランジスタはオフになり、プルアップ抵抗によってコレクタ電圧が高くなります。プルアップ抵抗の値は、スイッチング速度と消費電流を決定します。
   • リニアモード（アナログ出力）：コレクタ抵抗を持つコモンエミッタ構成でフォトトランジスタを使用すると、コレクタの電圧は受信光量にほぼ比例して変化し、アナログ位置検知に有用です。

7.2 光学的考慮事項

• アライメント：物体の経路とセンサーギャップの正確な機械的アライメントは、一貫した動作のために重要です。
• 環境光：940nmフィルターとマッチしたセンサーは可視光の除去に優れていますが、強力な赤外線光源（例：太陽光、白熱電球）は干渉を引き起こす可能性があります。変調されたIR信号と同期検出を使用することで、環境光に対する耐性を大幅に向上させることができます。
• 物体特性：センサーはビームの遮断を検出します。物体は940nmの赤外線に対して不透明でなければなりません。半透明材料は確実に検出されない可能性があります。

8. 技術比較と差別化

ITR9909は、光遮断器市場における標準的で信頼性の高いソリューションを表しています。その主な差別化要因は、コンパクトなサイドルッキングパッケージ内に940nm IREDとシリコンフォトトランジスタを組み合わせた特定の組み合わせです。反射型センサーと比較して、遮断器は物体の反射率や色の変動の影響を受けにくいため、より明確なオン/オフ信号を提供します。指定された高速応答時間（代表値15µs）は、速度検知やエンコーディングアプリケーションに適しており、高感度により、低い駆動電流やほこりの多い環境でも良好な信号を確保します。環境規格適合（RoHS、ハロゲンフリー）は、現代の電子機器製造における重要な要素です。

9. よくある質問（技術パラメータに基づく）

9.1 最大検知速度または周波数は？

最大スイッチング周波数は、立上り時間と立下り時間（t_r, t_f）によって制限され、各々代表値15µsです。完全なオンオフサイクルの控えめな見積もりは、これらの時間の合計の約4～5倍であり、実用的な最大周波数は10～15 kHzの範囲であることを示唆しています。これはほとんどの機械的エンコーディングアプリケーションに適しています。

9.2 IREDの電流制限抵抗の値はどのように選びますか？

公式 R = (電源電圧 - V_F) / I_F を使用します。5V電源で代表的な試験条件20mAで駆動する場合、V_F～1.2Vとすると、R = (5 - 1.2) / 0.02 = 190 オームです。標準的な180または200オームの抵抗が適切です。抵抗での計算された電力損失がその定格内にあることを常に確認してください。

9.3 出力信号が不安定またはノイズが多いのはなぜですか？

潜在的な原因には以下が含まれます：1) IREDへの駆動電流が不十分で、弱い信号になる。2) 環境赤外光のレベルが高い。3) フォトトランジスタの暗電流（温度とともに増加）がフォト電流に対して無視できない大きさになる。4) 電源ライン上の電気的ノイズ。解決策には、I_Fの増加（限界内）、光学シールドの追加、信号変調の実装、高速応答のための低値のプルアップ抵抗の使用、および良好な電源デカップリングの確保が含まれます。

9.4 このセンサーを屋外で使用できますか？

直射日光には940nmで大量の赤外線放射が含まれており、フォトトランジスタを飽和させ、適切な動作を妨げる可能性があります。屋外使用の場合は、注意深い光学フィルタリング、直射日光を遮断するハウジング設計、および変調されたIR信号の使用を強く推奨します。

10. 動作原理と技術動向

10.1 動作原理

ITR9909は、透過光遮断の原理で動作します。赤外線発光ダイオード（IRED）に電流を流すと、ピーク波長940ナノメートルの光子を放出します。これらの光子は小さな空気ギャップを横断し、NPNシリコンフォトトランジスタのベース領域に入射します。光子はベース-コレクタ接合部で電子-正孔対を生成し、これは実質的にフォトダイオードとして機能します。このフォト電流は、デバイスのトランジスタ作用によって増幅され、外部回路で容易に測定できるはるかに大きなコレクタ電流になります。物体がエミッタと検出器間の経路を物理的に遮断すると、光子束が停止し、フォト電流がほぼゼロに低下し、トランジスタがオフになり、物体の存在を通知します。

10.2 技術的背景と動向

ITR9909のような光遮断器は、成熟した、よく理解された部品です。この分野の現在の動向は、いくつかの領域に焦点を当てています：

• 小型化：現代の民生電子機器で基板スペースを節約するための、より小さな表面実装（SMD）パッケージの開発。
• 集積化：デジタル出力用のシュミットトリガー、アナログ出力用の増幅器、さらには完全なロジックレベルインターフェース（例：オープンドレイン出力）などの追加回路をチップ上に組み込むこと。
• 性能向上：高解像度エンコーダーのための速度向上、バッテリー駆動デバイスのための消費電力削減、およびより小さな駆動電流またはより大きな検知ギャップを可能にする感度向上。
• 特殊化：自動車、産業オートメーション、医療機器などの特定の市場セグメント向けに、異なるスロット幅、開口形状、または分光応答を持つバリアントの作成。

光遮断の基本原理は、非接触センシングのための堅牢で費用対効果の高い方法であり続け、幅広い電気機械システムにおける継続的な関連性を確保しています。