ITR20403 光遮断器 データシート - パッケージ 4.0x3.0x2.0mm - 順方向電圧 1.6V - 消費電力 75mW - 赤外線 940nm - 技術文書

1. 製品概要

ITR20403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。赤外線発光ダイオード（IRED）とシリコンフォトトランジスタを、小型の黒色熱可塑性樹脂ハウジング内に統合しています。このデバイスの主な機能は、エミッタとレシーバ部品間の赤外線ビームの遮断を検出することです。

1.1 中核的利点とターゲット市場

本デバイスは、精密アプリケーションに適したいくつかの主要な利点を提供します。高速応答時間と高感度により、高速な物体の動きを確実に検出できます。薄型小型パッケージにより、民生電子機器やオフィスオートメーション機器で一般的なスペース制約のある設計への統合が容易になります。重要な技術的特徴は、フォトトランジスタが主に内蔵IREDからの放射を受光するように設計されたハウジングであり、これにより環境光からの干渉やノイズを最小限に抑えています。主なターゲット市場には、イメージングデバイス、文書処理システム、正確な位置または存在検出を必要とする各種自動化制御が含まれます。

2. 詳細な技術パラメータ分析

このセクションでは、データシートで定義されているデバイスの電気的、光学的、熱的特性仕様について、詳細かつ客観的な解釈を提供します。

2.1 絶対最大定格

絶対最大定格は、デバイスに永久的な損傷が生じる可能性のあるストレスの限界を定義します。これらは推奨動作条件ではありません。

• 入力（IRED）消費電力（Pd）：周囲温度25°C以下で最大75 mW。この制限を超えるとLEDチップの熱損傷のリスクがあります。
• 入力逆電圧（VR）：最大5 V。これより高い逆電圧を印加すると接合部破壊を引き起こす可能性があります。
• 連続順方向電流（IF）：最大50 mA。これはIREDが耐えられる最高の直流電流です。
• 出力（フォトトランジスタ）消費電力（Pd）：周囲温度25°C以下で最大75 mW。
• コレクタ電流（IC）：フォトトランジスタ出力で最大20 mA。
• コレクタ-エミッタ電圧（BV_CEO）：最大30 V。これはベース開放時の降伏電圧です。
• 動作温度（T_opr）：-25°C ～ +80°C。デバイスはこの周囲温度範囲内で動作することが保証されています。
• 保管温度（T_stg）：-40°C ～ +85°C。
• リードはんだ付け温度（T_sol）：パッケージ本体から3mmの位置で測定し、5秒間最大260°C。これは組立プロセス制御において重要です。

2.2 電気光学特性

これらのパラメータは標準試験条件（Ta=25°C）で測定され、デバイスの典型的な性能を表します。

• 順方向電圧（V_F）：典型的に1.23V、I_F=20mA時最大1.6V。このパラメータはIREDの電流制限駆動回路を設計する上で不可欠です。
• ピーク波長（λ_P）：940 nm。これは発せられる赤外線の公称波長であり、受信フォトトランジスタのピーク感度と一致します。
• コレクタ暗電流（I_CEO）：無照射時、V_CE=20Vで最大100 nA。このリーク電流は、センサーのオフ状態におけるノイズフロアを決定します。
• コレクタ-エミッタ飽和電圧（V_CE(sat)）：I_C=2mA、照度（E_e）1 mW/cm²で最大0.4V。低い飽和電圧はデジタルスイッチングアプリケーションで望ましい特性です。
• オン状態コレクタ電流（I_C(on)）：試験条件V_CE=5V、I_F=20mA下で、最小0.2 mAから最大5.0 mAの範囲。この広い範囲はデバイス間の電流伝達率（CTR）のばらつきを示しており、回路設計で考慮する必要があります。
• 立上り/立下り時間（t_r, t_f）：指定されたスイッチング条件下で、典型的にそれぞれ15 μsec。これはデバイスが達成可能な最大スイッチング周波数を定義します。

3. 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理解するための典型的な特性曲線が含まれています。

3.1 順方向電流 vs. 周囲温度

この曲線は、周囲温度の上昇に伴うIREDの順方向電流の必要なデレーティングを示しています。最大接合温度を超えないようにし、長期信頼性を確保するためには、高温環境でデバイスを使用する際に動作電流を低減する必要があります。設計者は、特定のアプリケーションの最大周囲温度に対する安全な動作電流を決定するためにこのグラフを参照しなければなりません。

3.2 分光感度

IRエミッタとフォトトランジスタの両方について、別々の分光感度曲線が提供されています。IRED曲線は波長に対する相対放射強度を示し、940 nmでピークを持ちます。フォトトランジスタ曲線は入射光波長に対する相対応答を示し、そのピークはエミッタの出力に合わせて設計されています。この狭くマッチした応答特性により、可視環境光への感度が最小限に抑えられ、様々な照明条件下での安定動作の鍵となる特徴です。

3.3 順方向電流 vs. 順方向電圧

IREDのこのIV曲線は、順方向電圧と電流の非線形関係を示しています。動作温度範囲および生産ばらつきにわたって安定したIR出力を確保するための適切な電流制限方式（例：抵抗器、定電流源）を選択する上で極めて重要です。

4. 機械的・パッケージ情報

4.1 パッケージ寸法

デバイスはコンパクトなパッケージに収められています。主要寸法は、本体幅約4.0 mm、奥行き3.0 mm、高さ2.0 mmです。リード間隔は2.54 mm（0.1インチ）で、スルーホールPCB実装の標準ピッチです。特に指定がない限り、すべての寸法公差は±0.25 mmです。リードはパッケージ本体から出ている位置で測定されます。

4.2 極性識別と実装

この部品は4本のリードを持ちます。このような光遮断器の標準的な慣例では、片側の2本のリードは赤外線エミッタ（アノードとカソード）に属し、反対側の2本はフォトトランジスタ（エミッタとコレクタ）に属します。正確なピン配置はパッケージ図で確認する必要があります。実装時には、PCBの穴をリード位置に正確に合わせ、挿入時にエポキシ樹脂本体に機械的ストレスがかからないようにしなければなりません。ストレスがかかると性能が低下したり故障の原因となります。

5. はんだ付けと組立ガイドライン

適切な取り扱いは、デバイスの完全性と性能を維持するために重要です。

5.1 リードフォーミング

リードの曲げ加工が必要な場合は、はんだ付けの前に行わなければなりません。曲げはエポキシパッケージ本体の底面から3 mm以上離れた位置で行うべきです。曲げ加工中はリードフレームをしっかりと保持し、ストレスが脆いエポキシバルブに伝わらないようにしなければなりません。ストレスが伝わるとひび割れや内部損傷を引き起こす可能性があります。リードの切断は室温で行ってください。

5.2 はんだ付けプロセス

はんだ接合部とエポキシバルブの間には、最低3 mmの距離を保たなければなりません。推奨条件は以下の通りです：

• 手はんだ：はんだごて先温度最大300°C（30Wごての場合）、はんだ付け時間はリードあたり最大3秒。
• フロー/ディップはんだ付け：予熱温度最大100°C、最大60秒。はんだ浴温度最大260°C、浸漬時間最大5秒。

デバイスが高温になっている間、リードに機械的ストレスを加えないでください。ディップまたは手はんだ付けは複数回行わないでください。はんだ付け後、デバイスが室温に戻るまで、機械的衝撃や振動から保護してください。急冷プロセスは推奨されません。

5.3 洗浄と保管

超音波洗浄は禁止です。高周波振動が内部部品やエポキシシールを損傷する可能性があります。保管については、出荷後3ヶ月以内であれば、10-30°C、相対湿度70%以下の環境で保管してください。長期保管（最大1年）の場合は、窒素雰囲気の密閉容器に10-25°C、相対湿度20-60%で保管することを推奨します。湿気に敏感な梱包を開封した後は、デバイスは24時間以内、またはできるだけ早く使用し、残りの部品は速やかに再密封してください。

6. 梱包と発注情報

標準梱包仕様は、チューブあたり120個、箱あたり96チューブ、カートンあたり2箱です。梱包のラベルには、顧客部品番号（CPN）、メーカー部品番号（P/N）、梱包数量（QTY）、参照（REF）、ロット番号（LOT No.）の各フィールドが含まれます。

7. アプリケーション提案

7.1 典型的なアプリケーションシナリオ

• プリンター/コピー機/スキャナーの用紙検出：用紙の有無、紙詰まり、文書の先端/後端の検出。
• カメラのレンズキャップまたはフィルター位置検出：レンズキャップが付いているか、フィルターホイールが正しい位置にあるかを検知。
• 非接触エンドストップセンシング：スキャナー、プロッター、自動ステージなどで、物理的な接触なしに原点位置やリミット位置を検出するために使用。
• 物体カウントまたは仕分け：コンベアベルト上の物体が赤外線ビームを遮断するのを検出。
• ロータリーエンコーダディスクセンシング：回転ディスクのスロットを読み取り、速度や位置を測定（ただし、高分解能タスクには専用のエンコーダモジュールの方が適していることが多い）。

7.2 設計上の考慮事項と回路インターフェース

ITR20403を使用して設計する際には、以下のいくつかの要素を考慮する必要があります：

1. IREDの電流制限：電源電圧（V_CC）、所望の順方向電流（I_F、定格出力の場合は通常20mA）、順方向電圧降下（V_F～1.23V）に基づいて直列抵抗を計算する必要があります。R = (V_CC- V_F) / I_F.
2. 出力インターフェース回路：フォトトランジスタは、以下の2つの一般的な構成で使用できます：
   • スイッチモード：コレクタからV_CCへプルアップ抵抗（例：1kΩ～10kΩ）を接続します。エミッタはグランドに接続します。ビームが遮断されていないとき（トランジスタON）はコレクタの出力はLow（V_CE(sat)付近）になり、ビームが遮断されているとき（トランジスタOFF）はHigh（V_CC）になります。
   • アナログモード：フォトトランジスタは、コレクタ抵抗を持つコモンエミッタ構成で使用し、光強度に比例した電圧を生成することができます。ただし、非線形応答と温度依存性のため、オペアンプ回路を備えたフォトダイオードと比較して精密なアナログ測定にはあまり理想的ではありません。
3. ノイズ耐性：環境光には強いですが、回路は電気的ノイズを拾う可能性があります。デバイスの電源ピン近くにバイパスコンデンサ（0.1 μF）を配置し、注意深いPCBレイアウトを行うことを推奨します。長いケーブル配線やノイズの多い環境では、シールドを使用するか、出力をシュミットトリガ入力で駆動することで信頼性を向上させることができます。
4. 開口部とスロット設計：ビームを遮断する物体は赤外線に対して不透明であるべきです。検出の分解能と再現性は、デバイスのハウジングのスロット幅に対する物体の幅に依存します。エッジ検出には、鋭いエッジを持つベーンまたはフラグを使用すると最も正確なタイミングが得られます。

8. 技術比較と差別化

ITR20403は、主にそのコンパクトで薄型のフォームファクタによって差別化されており、これは小型化された民生電子機器で有利です。高速な15 μsの応答時間は、中程度の高速イベントの検出に適しています。エミッタとレシーバを分光的にマッチングさせた統合ハウジングは、環境光除去機能を内蔵しており、個別部品を使用する場合と比較して設計を簡素化する特徴です。反射型物体センサーと比較すると、遮断器はより高い位置精度を提供し、対象物体の色や反射率の影響を受けにくくなります。より広いギャップを持つスロット型光スイッチと比較すると、このデバイスの狭いギャップにより、より小さな物体の検出やより精密なエッジ検出が可能になります。

9. よくある質問（技術パラメータに基づく）

9.1 IR LEDの典型的な動作電流は？

電気光学特性はI_F= 20 mAで試験されており、これは指定されたオン状態コレクタ電流を達成するための一般的かつ推奨される動作点です。回路は、絶対最大定格である50 mAを超えないように設計する必要があります。

9.2 オン状態コレクタ電流の範囲（0.2mA～5.0mA）が広いのはなぜ？

この範囲は、電流伝達率（CTR）のデバイス間ばらつきを表しています。CTRはフォトトランジスタ出力電流（I_C）とIRED入力電流（I_F）の比です。このばらつきは、フォトカプラや遮断器の製造プロセスに固有のものです。回路は、指定された最小I_C(on)（0.2mA）でも正しく機能するように設計し、すべての生産ユニットにわたる信頼性を確保する必要があります。

9.3 このセンサーは屋外で使用できますか？

ハウジングは環境光除去に優れていますが、直射日光にはセンサーを飽和させる可能性のある大量の赤外線放射が含まれています。屋外使用では、信頼性の高い性能を得るために、追加の光学フィルタリング、シールド、または同期検出を伴うパルス動作が必要になります。動作温度範囲（-25°C ～ +80°C）も極端な環境でのアプリケーションを制限します。

9.4 物体はビームを遮断するためにどれくらい近づく必要がありますか？

デバイスは狭く焦点を絞ったギャップを持っています。物体は物理的にエミッタと検出器の間のスロットを通過する必要があります。近接検知能力はありません。出力状態を確実に変化させるには、ビームが完全に遮断されなければなりません。

10. 設計・使用事例研究

シナリオ：デスクトッププリンターの用紙切れセンサー。

実装：ITR20403はプリンターの給紙経路に取り付けられます。用紙がないときは、バネに取り付けられたレバーまたはフラグがセンサーのスロット内にあります。用紙が給紙されると、フラグをスロットから押し出し、赤外線ビームを通してフォトトランジスタをONにします。

回路設計：IREDは、プリンターの5Vロジック電源から電流制限抵抗を介して20mAで駆動されます。フォトトランジスタのコレクタは、4.7kΩのプルアップ抵抗を介して3.3Vマイクロコントローラ入力ピンに接続されます。エミッタはグランドに接続します。

ソフトウェアロジック：マイクロコントローラピンはデジタル入力として設定されます。LOW読み取りはビームが遮断されていない（フラグが外れている、用紙あり）ことを示します。HIGH読み取りはビームが遮断されている（フラグが入っている、用紙なし）ことを示し、ユーザーに用紙切れアラートをトリガーします。フラグの機械的振動を無視するためのデバウンスロジック（例：ソフトウェア内）が追加されます。

この事例における重要な考慮事項：フラグ機構は、確実かつ完全にセンサースロットに入るように設計されなければなりません。バネは確実に戻るのに十分な力を提供する必要がありますが、用紙を損傷したりセンサーに摩耗を引き起こすほど強力であってはなりません。センサーの位置は、アライメントを維持するためにしっかりと固定されなければなりません。

11. 動作原理

ITR20403は、変調光の伝送と検出の原理に基づいて動作します。赤外線発光ダイオード（IRED）は定電流で順方向バイアスされ、ピーク波長940 nmで光子を放出します。真向かいに、同じハウジング内にシリコンNPNフォトトランジスタがあります。赤外線ビームがギャップを遮られることなく通過すると、フォトトランジスタのベース領域に当たります。吸収された光子は電子-正孔対を生成し、これがベース電流として作用してトランジスタをONにし、光強度に比例したコレクタ電流（I_C）を流します。不透明な物体がギャップに入ると、ビームを遮断し、光生成ベース電流が止まり、トランジスタはOFFになります。出力回路はこのON/OFF状態変化を利用可能な電気信号に変換します。黒色熱可塑性樹脂ハウジングは、光路を封じ込め、光学的なクロストークを防止し、ほとんどの環境可視光を遮断する役割を果たします。可視光の光子は一般にシリコンフォトトランジスタのバンドギャップを吸収するのに十分なエネルギーを持たないため、固有の光学フィルタリングを提供します。

12. 技術トレンド

ITR20403のような光遮断器は、成熟した信頼性の高い技術を代表しています。この分野の現在のトレンドは、いくつかの領域に焦点を当てています：ますます小型化された携帯・ウェアラブルデバイスへの統合を可能にするさらなる小型化、自動組立のためのリフローはんだ付け互換性を向上させた表面実装デバイス（SMD）バージョンの開発、エンコーダアプリケーションや高速機械でのより高いデータレートをサポートするためのスイッチング速度の向上、高温、湿度、汚染などの環境要因に対する堅牢性の強化。また、出力にヒステリシスのためのシュミットトリガを内蔵したり、スマートでアドレス可能なセンサーモジュールのためのデジタルインターフェース（I2C、SPI）を統合するなど、追加機能の統合に向けたトレンドもあります。しかし、ITR20403に見られるような基本的なスルーホール、ディスクリート部品設計は、その性能とフォームファクタが十分なアプリケーションにおいて、依然として非常にコスト効率が高く、広く使用されています。