LTH-301-07P5 フォトインタラプタ データシート - スロット型光センサ - 技術文書

1. 製品概要

LTH-301-07P5は、非接触スイッチング用途に設計された光電部品の一種であるフォトインタラプタです。赤外発光ダイオード（LED）とフォトトランジスタを、コンパクトなスロット付きハウジング内に一体化しています。基本的な動作原理は、外部物体がエミッタと検出器の間の赤外光ビームを遮断することにより、フォトトランジスタの出力信号に変化を生じさせるものです。この設計により、物理的な接触なしに物体の有無や位置を検出する、信頼性が高く精密な方法を提供します。

このデバイスの核心的な利点は非接触性にあり、機械的な摩耗や消耗がなく、高い信頼性と長い動作寿命を実現します。高速なスイッチング速度を特徴とし、迅速な検出を必要とするアプリケーションに適しています。プリント基板（PCB）への直接実装またはDIPソケット使用が可能で、システム設計と組立における柔軟性を提供します。

代表的なターゲット市場およびアプリケーションには、ファクシミリ、複写機、プリンタ、スキャナなどのオフィスオートメーション機器が含まれますが、これらに限定されません。また、精密な物体検出が必要な各種産業オートメーション、民生電子機器、計測システムにも広く使用されています。

2. 技術パラメータの詳細解釈

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。これらの定格は周囲温度（TA）25°Cで規定されており、通常の動作条件下であっても、一瞬たりとも超えてはなりません。

入力LED：連続順方向電流は50 mAに制限され、パルス条件下（毎秒300パルス、パルス幅10 μs）では1 Aのピーク順方向電流が許容されます。LEDの最大許容損失は80 mWです。逆電圧耐性は5 Vであり、これはLEDを誤った逆バイアスから保護するための重要なパラメータです。

出力フォトトランジスタ：コレクタ-エミッタ電圧（V_CE）定格は30 V、エミッタ-コレクタ電圧（V_EC）は5 Vです。最大コレクタ電流は20 mA、許容損失の限界は100 mWです。フォトトランジスタの長寿命と安定動作を確保するため、これらの限界を遵守することが不可欠です。

環境限界：デバイスの動作温度範囲は-25°Cから+85°Cです。保管温度範囲はより広く、-40°Cから+100°Cです。リードはんだ付け温度は、ケースから1.6mmの位置で測定し、260°Cで5秒間と規定されており、これは組立プロセスにおける重要な情報です。

2.2 電気的・光学的特性

これらの特性は、25°Cの通常動作条件下におけるデバイスの期待性能を定義します。回路設計のための主要なパラメータを提供します。

入力LED特性：順方向電流（I_F）20 mAにおける代表的な順方向電圧（V_F）は1.2 Vで、最大値は1.6 Vです。このパラメータは、LED駆動回路の電流制限抵抗を設計する上で極めて重要です。逆電圧（V_R）5 Vにおける逆電流（I_R）の最大値は100 μAであり、これはLEDのオフ状態でのリーク電流を示しています。

出力フォトトランジスタ特性：コレクタ-エミッタ暗電流（I_CEO）は、V_CE=10Vにおいて最大100 nAであり、LEDがオフ（光なし）のときの出力リーク電流を表します。降伏電圧（BV_CEOおよびBV_ECO）は最大定格を確認するものです。

カプラ（システム）特性：これらのパラメータは、LEDとフォトトランジスタの組み合わせ性能を記述します。オン状態コレクタ電流（I_C(ON)）は、LEDをI_F=20mAで駆動し、V_CE=5Vのとき、少なくとも0.6 mAであることが保証されています。これはスロットが遮られていないときの主要な出力信号レベルです。コレクタ-エミッタ飽和電圧（V_CE(SAT)）は、同じ条件下でI_C=0.2mAのとき最大0.4 Vであり、良好なオン状態特性を示しています。応答時間は、代表的な立ち上がり時間（T_r）3 μs、立ち下がり時間（T_f）4 μs（特定の試験条件下）であり、デバイスのスイッチング速度能力を定義します。

3. 機械的・パッケージ情報

3.1 外形寸法

LTH-301-07P5は標準的なスルーホールパッケージを採用しています。詳細な機械図面はデータシートに提供されています。すべての寸法はミリメートルで規定されています。規定されていない寸法の標準公差は±0.25 mmです。主要な寸法には、ハウジングの全長、幅、高さ、スロット幅と深さ（遮断物体が通過する隙間を定義）、リード間隔と直径が含まれます。この部品は、フローはんだ付けまたは手はんだ付けプロセスに対応して設計されています。

極性識別：デバイスには特定のピン配置があります。通常、長いリードまたはハウジング上の特定のマーキングがLEDのアノードを示します。正確なピン識別（例：ピン1がLEDアノード、ピン2がLEDカソード、ピン3がフォトトランジスタエミッタ、ピン4がコレクタであることが多い）については、寸法図を参照することが極めて重要であり、PCB実装時の正しい向きを確保します。極性が間違っているとデバイスは機能しません。

4. はんだ付けおよび実装ガイドライン

はんだ付け中の適切な取り扱いは、プラスチックハウジングおよび内部の半導体チップへの損傷を防ぐために不可欠です。

一般的な注意事項：ハウジングをはんだに浸漬してはなりません。はんだ付け中に製品が高温の間、リードフレームに外部ストレスを加えてはならず、内部クラックや位置ずれを引き起こす可能性があります。

手はんだ/リードはんだ付け：手はんだ付けの場合、推奨される最大こて先温度は350°Cです。リードごとのはんだ付け時間は3秒を超えてはならず、リードごとに1回のみ行うべきです。はんだ付け点は、部品ハウジングの基部から2 mm以上離す必要があり、熱による損傷を防ぎます。

フローはんだ付け：自動フローはんだ付けの場合、特定のプロファイルが推奨されます。予熱温度は100°Cを超えてはならず、予熱時間は最大60秒です。はんだ槽温度は最大260°Cとし、接触時間は5秒を超えてはなりません。浸漬位置はハウジング基部から2 mm以上離す必要があります。このプロファイルを遵守することで、熱衝撃を防ぎ、プラスチックパッケージの完全性を損なうことなく信頼性の高いはんだ接合を確保します。

5. 保管条件と注意事項

はんだ付け性を維持し、性能劣化を防ぐために、特定の保管条件を遵守する必要があります。

理想的な保管環境は、温度30°C以下、相対湿度70%以下です。部品は納入日から3か月以内に実装する必要があります。部品が元の湿気敏感包装のまま保管寿命を延ばすには、適切な乾燥剤を入れた密閉容器または窒素パージしたデシケーターに保管する必要があります。ただし、これらの制御条件下でも保管は1年を超えてはなりません。

元の密閉包装を開封したら、部品は3か月以内に使用し、<25°C、相対湿度<60%の制御された環境に保管する必要があります。特に高湿度環境での周囲温度の急激な変化は、結露を引き起こし、部品リードの酸化につながる可能性があるため避けなければなりません。保管条件が規定の基準を満たさない場合、ピンのはんだ付け性が損なわれる可能性があります。そのような場合、生産での使用前に、はんだ付け性評価および必要に応じた部品の再選別を実施する必要があります。

6. アプリケーション提案

6.1 代表的なアプリケーション例

LTH-301-07P5は汎用性が高く、多数のアプリケーションで使用されます：

• プリンタ/複写機/スキャナでの用紙検知：用紙の有無、紙詰まり、またはロール紙の終端を検出します。
• 位置検出：可動機構（例：プリンタキャリッジ、ロボットアーム）の原点位置または移動限界を検出します。
• 回転エンコーディング：スロット付きホイールと組み合わせて、回転軸の速度や位置を測定します。
• 物体カウント：コンベアベルト上のアイテムがスロットを通過する際にカウントします。
• セキュリティシステム：侵入検知用のビームブレークセンサの一部として使用します。

6.2 設計上の考慮点

このフォトインタラプタを使用した回路を設計する際には、いくつかの要素を考慮する必要があります：

• LED駆動電流：推奨動作電流は20 mAです。電源電圧（V_CC）とLED順方向電圧（V_F）に基づいて、オームの法則を使用して直列抵抗を計算する必要があります：R = (V_CC- V_F) / I_F。代表的なV_F1.2Vと5V電源を使用すると、抵抗値は約(5V - 1.2V) / 0.02A = 190オームとなります。標準の200オーム抵抗が適しています。
• フォトトランジスタバイアス：フォトトランジスタ出力は、エミッタ接地コレクタ出力構成（エミッタをグランドに接続し、コレクタを負荷抵抗R_CCを介してV_Lにプルアップ）またはスイッチとして使用できます。R_Lの値は出力電圧スイングとスイッチング速度に影響します。R_Lを小さくすると応答は速くなりますが、出力電圧変化は小さくなります。データシートの試験条件ではR_L=100Ωを使用しています。
• 信号調整：出力は光強度に応じて変化するアナログ電流です。デジタルスイッチング用途では、特に遮断物体が光ビームを完全に遮断しない場合、負荷抵抗の後にコンパレータやシュミットトリガ回路を使用してクリーンなデジタル信号を提供する必要があるかもしれません。
• 環境光耐性：デバイスは赤外光を使用するため、可視環境光に対してある程度耐性があります。ただし、強い赤外光源（例：太陽光、白熱電球）は性能に影響を与える可能性があります。変調されたLED駆動信号と同期検波を使用することで、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。
• 機械的アライメント：遮断物体はスロットを確実に通過し、ビームを完全に遮断して、一貫した動作をさせる必要があります。スロット寸法と物体のサイズおよび経路を慎重に考慮する必要があります。

7. 技術比較と差別化

LTH-301-07P5のようなフォトインタラプタは、機械式マイクロスイッチ、ホール効果センサ、反射型光センサなどの他の検知技術と競合します。

機械式スイッチとの比較：主な利点は、物理的接触が完全にないことにより、実質的に無限の機械的寿命、接点バウンスのない静粛な動作、汚れたり埃っぽい環境での高い信頼性が得られる点です。欠点としては、わずかにコストが高くなることと、電子駆動回路が必要になることが挙げられます。

反射型光センサとの比較：スロット型フォトインタラプタは、エミッタと検出器が固定された幾何学的配置で正確に整列されているため、より高い位置精度と一貫性を提供します。検出対象物の反射率の変動の影響を受けにくくなっています。反射型センサは、距離がある物体の検出や、物理的なスロットが実現不可能な場所での検出により適しています。

ホール効果センサとの比較：ホールセンサは光の遮断ではなく磁界を検出します。磁石の位置検出に使用されます。選択は完全にアプリケーションに依存します：不透明な物体の検出（フォトインタラプタ）対 磁界の検出（ホールセンサ）。

LTH-301-07P5の具体的な差別化点は、バランスの取れた電気的特性（順方向電圧、出力電流、速度）、フローはんだ付けに適した堅牢な機械的パッケージ、明確に定義された保管および取り扱い要件にあり、量産製造において信頼性の高い選択肢となっています。

8. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q: LEDのピーク順方向電流定格の目的は何ですか？

A: この定格（300pps、10μsで1A）により、LEDを連続定格（50mA）よりもはるかに高い電流で短時間パルス駆動することが可能になります。これはより明るい光パルスを実現するために使用でき、信号対雑音比を改善したり、デューティサイクルを低くして平均消費電力と発熱を低減したりすることができます。

Q: I_C(ON)は最小0.6mAと規定されています。これは私の回路設計にとって何を意味しますか？

A: これは保証された下限値です。標準試験条件（I_F=20mA、V_CE=5V）下では、スロットが空いているとき、フォトトランジスタは少なくとも0.6mAをシンクします。実際のアプリケーションでの電流はこれより高くなる可能性があります。負荷抵抗（R_L）および後段の論理ゲートを、この最小電流に対応する電圧レベルを認識するように設計する必要があります。例えば、R_L=1kΩの場合、ビームが遮られていないときの出力電圧は最大でもV_CE= 5V - (0.6mA * 1kΩ) = 4.4Vまで低下します。

Q: なぜ保管条件、特に袋を開封した後は厳格なのでしょうか？

A: 部品リードは湿った空気にさらされると酸化しやすいためです。酸化したリードははんだ付け性が悪く、弱いまたは存在しないはんだ接合（デウェッティング）を引き起こします。湿気敏感包装と厳格な保管ルールは、高い組立歩留まりと長期信頼性を確保するための業界標準的な慣行（IPC/JEDEC規格に準拠）です。

Q: このセンサを屋外で使用できますか？

A: 動作温度範囲は-25°Cから+85°Cであり、多くの屋外条件をカバーしています。ただし、直射日光（強力な赤外線源）に直接さらされると、フォトトランジスタが飽和し、誤動作を引き起こす可能性があります。また、デバイスは水や埃の侵入に対して密閉されていません。屋外使用では、環境光からの注意深い光学的シールドと環境保護が必要であり、または別のセンサ技術の方がより適切かもしれません。

9. 動作原理の紹介

フォトインタラプタは、単純明快な光電原理に基づいて動作します。物理的な隙間（スロット）を挟んで向かい合って配置された2つの主要コンポーネントを含みます：

1. 赤外線エミッタ（LED）：これは、適切な電流（例：20mA）で順方向バイアスをかけると、赤外線（人間の目には見えない）を発する半導体ダイオードです。
2. フォトトランジスタ：これは光に敏感なトランジスタです。赤外線エミッタからの光子がそのベース領域に衝突すると、電子-正孔対が生成され、これがベース電流として作用します。この光誘起ベース電流はトランジスタの増幅率によって増幅され、コレクタからエミッタへ流れるはるかに大きなコレクタ電流となります。

動作状態：

- 非遮断状態（ビームあり）：エミッタからの赤外線がフォトトランジスタに直接照射されます。フォトトランジスタがオンになり、大きなコレクタ電流（I_C(ON)）が流れます。プルアップ抵抗付きのエミッタ接地回路では、コレクタの出力電圧は低レベル（V_CE(SAT)に近い）に引き下げられます。

- 遮断状態（ビーム遮断）：スロットに不透明な物体を置くと、赤外線が遮断されます。光はフォトトランジスタのベースに到達しないため、オフになります。わずかなリーク電流（I_CEO、暗電流）のみが流れます。コレクタの出力電圧は電源電圧（V_CC）近くまで上昇します。

この高出力電圧（ビーム遮断）と低出力電圧（ビーム空き）の間の遷移により、検出ロジック用のクリーンなデジタル信号が提供されます。

10. 開発動向

フォトインタラプタを含む光電センサの分野は進化を続けています。業界で観察される客観的な動向には以下が含まれます：

• 小型化：より小型のパッケージサイズ（例：フットプリントが小さくプロファイルの低い表面実装デバイス）への絶え間ない推進があり、よりコンパクトな最終製品と高密度のPCB実装を可能にします。
• 性能向上：半導体材料とパッケージングの改善により、より高い感度（消費電力低減のための低いLED駆動電流を可能にする）、高速アプリケーションのためのより速い応答時間、パラメータのより良い温度安定性の提供を目指しています。
• 統合化とスマート機能：一部の最新のフォトインタラプタは、LEDの駆動回路とフォトトランジスタ出力の信号調整（増幅器、コンパレータ、シュミットトリガ）を同じパッケージに統合しています。これにより外部回路設計が簡素化され、直接的なデジタル論理レベル出力を提供できます。複数の検知要素の統合も動向の一つです。
• 信頼性と製造性への注力：設計は、ピックアンドプレースやリフローはんだ付けなどの自動組立プロセスに対する堅牢性をますます重視しています。材料は、熱ストレスや環境要因に対するより良い耐性のために選択されます。
• アプリケーション特化型バリアント：特定の市場ニーズに合わせたセンサの開発が続いています。例えば、携帯機器での紙処理用の超薄型センサ、高精度エッジ検出用の非常に狭いスロットを持つセンサなどです。

LTH-301-07P5は、幅広い標準アプリケーションのコア要件を満たす成熟した信頼性の高い技術を代表しており、これらのより広範な動向が次世代デバイスの開発を形作っています。