フォトインタラプタ LTH-1650-01 データシート - 焦点距離3mm - 赤外線カットオフタイプ - 技術文書

1. 製品概要

LTH-1650-01は、コンパクトな透過型フォトインタラプタモジュールです。その中核機能は、内蔵された赤外線発光ダイオード（LED）とシリコンフォトトランジスタの間の赤外線ビームの遮断を検出することです。主な設計上の利点は、統合された3mmの焦点距離であり、この特定のギャップにおける物体検出の感度を最適化しています。赤外線カットオフタイプのデバイスとして設計されており、周囲の可視光からの干渉を最小限に抑え、様々なセンシングアプリケーションにおける信頼性を高めています。主なターゲット市場は、非接触での位置検出や物体検出を必要とするオフィスオートメーション機器、産業用制御システム、および民生用電子機器が含まれます。

2. 詳細技術パラメータ分析

2.1 絶対最大定格

これらのパラメータは、デバイスに永久的な損傷が発生する可能性のあるストレスの限界を定義します。通常動作を意図したものではありません。

• 入力LED電力損失 (P_D):最大75 mW。これは順方向電流と電圧降下からの総合的な熱負荷を制限します。
• LEDピーク順方向電流 (I_CP):パルス条件下（300 pps、10 µsパルス幅）で1 A。これは、信号検出を強化するための短時間の高強度パルスを可能にします。
• LED連続順方向電流 (I_F):最大60 mA DC。これは定常動作の安全限界です。
• LED逆電圧 (V_R):5 V。これを超えるとLED接合部が損傷する可能性があります。
• フォトトランジスタ電力損失 (P_C):最大100 mW。コレクタ電流とコレクタ-エミッタ間電圧によって決定されます。
• コレクタ-エミッタ間電圧 (V_CEO):フォトトランジスタに対して最大30 V。
• コレクタ電流 (I_C):出力トランジスタに対して最大20 mA。
• 動作温度 (T_opr):-25°C から +85°C。デバイスは幅広い産業用および商業用環境に適しています。
• リードはんだ付け温度 (T_S):ケースから1.6mmのリードに対して最大5秒間260°C。これはフローはんだ付けやリフローはんだ付けプロセスにおいて重要です。

2.2 電気的・光学的特性

これらのパラメータは、周囲温度 (T_A) 25°Cで規定され、通常動作条件下でのデバイスの性能を定義します。

• LED順方向電圧 (V_F):I_F= 20 mAで、通常1.2Vから1.6V。これは必要な電流制限抵抗の値を計算するために使用されます。
• LED逆電流 (I_R):V_R=5Vで最大100 µA。これはLEDが逆バイアスされたときのリーク電流を示します。
• コレクタ-エミッタ暗電流 (I_CEO):光入力なしでV_CE=10Vで最大100 nA。これはフォトトランジスタのリーク電流であり、オフ状態の信号レベルに影響します。
• コレクタ-エミッタ飽和電圧 (V_CE(SAT)):I_C=0.05mAおよびI_F=20mAで、通常0.4V。これはトランジスタが完全にオン状態のときの両端電圧であり、ロジックレベルインターフェースにとって重要です。

3. ビニングシステムの説明

本デバイスは、オン状態コレクタ電流 (I_C(ON)) に基づく性能ビニングシステムを備えています。これは標準化された条件 (V_CE=5V、I_F=20mA、ギャップ d=3.0mm) で測定されます。この電流はカプラの感度に直接関連します。

• BIN A: I_C(ON)の範囲は100 µAから300 µA。これは標準感度グレードです。
• BIN B: I_C(ON)の範囲は260 µAから650 µA。このビンはより高い感度を提供します。
• BIN C: I_C(ON)の範囲は400 µAから1200 µA。これは利用可能な最高感度グレードです。

このビニングにより、設計者はアプリケーションに適した一貫した感度を持つデバイスを選択でき、生産ロット間で信頼性の高いトリガー閾値を確保できます。

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動作をグラフィカルに示す代表的な特性曲線が参照されています。本文中で具体的なグラフは詳細に記述されていませんが、このようなデバイスの標準的な曲線には通常以下が含まれます:

• 順方向電流 vs. 順方向電圧 (I_F-V_F):赤外線LEDの非線形関係を示し、ドライバ回路設計に重要です。
• コレクタ電流 vs. コレクタ-エミッタ間電圧 (I_C-V_CE):LED順方向電流 (I_F) をパラメータとした曲線群で、フォトトランジスタの出力特性を示します。
• オン状態コレクタ電流 vs. 順方向電流 (I_C(ON)-I_F):光結合の伝達特性と直線性を示します。
• オン状態コレクタ電流 vs. 周囲温度 (I_C(ON)-T_A):感度が温度上昇とともにどのように低下するかを示し、設計における熱管理の重要な要素です。
• 応答時間特性:データシートでは、試験条件 (V_R=5V、I_F=2mA、R_CE=100Ω) 下で、立ち上がり時間 (T_C) が3-15 µs、立ち下がり時間 (T_L) が4-20 µsと規定されています。これらの値はセンサの最大スイッチング速度能力を定義します。

5. 機械的仕様・パッケージ情報

パッケージは標準的なスルーホールタイプです。データシートからの主要な寸法に関する注記は以下の通りです:

• すべての寸法はミリメートルで提供され、括弧内にインチが記載されています。
• 特定の特徴に異なる指示がない限り、デフォルトの公差は±0.25mm (±0.010") です。
• 焦点距離（最大感度を得るための発光部と受光部ウィンドウ間の最適なギャップ）は3 mmと規定されています。
• パッケージには、正確なPCB実装と位置合わせを支援する成形されたスロットや特徴が含まれています。
• 極性はパッケージ本体に明確にマークされており、通常はLEDアノード（またはフォトトランジスタコレクタ）ピン近くにドットや面取りされた角があります。正しい向きは回路機能にとって不可欠です。

6. はんだ付け・実装ガイドライン

デバイスの完全性を維持するには適切な取り扱いが必要です。

• はんだ付け:リードはんだ付け温度の絶対最大定格は、プラスチックケースから1.6mm (0.063") の位置で測定して、5秒間260°Cです。このガイドラインは、フローはんだ付けや手はんだ付け中の内部ダイボンドやプラスチック封止体への熱損傷を防ぐのに役立ちます。
• 洗浄:デバイスのプラスチック材料と互換性のある標準的なPCB洗浄溶剤を使用してください。過度な出力や長時間の暴露を伴う超音波洗浄は避けてください。
• 保管:デバイスは、保管温度範囲 (T_stg) -40°C から +100°C 以内の条件で、低湿度、静電気防止環境に保管し、湿気吸収や静電気放電 (ESD) による損傷を防ぐ必要があります。

7. アプリケーション推奨事項

7.1 代表的なアプリケーションシナリオ

データシートに示されているように、主なアプリケーションには以下が含まれます:

• プリンター・ファクシミリ:用紙切れ検出、紙詰まりセンシング、カバー開閉検出、キャリッジ位置センシング用。
• 光電スイッチ:自動販売機、産業オートメーションにおけるカウント、リミットスイッチ、ロータリーエンコーダディスクセンシング用。
• 民生用電子機器:ディスクドライブ、テープデッキ、その他のメディアハンドリングシステムにおけるスロットセンサ。

7.2 設計上の考慮点

• 電流制限抵抗 (LED用):電源電圧 (V_CC)、LED順方向電圧 (V_F~1.4V 代表値)、および所望の順方向電流 (I_F) に基づいて計算する必要があります。連続I_F定格60 mAを超えないようにしてください。代表的な動作点は20 mAです。
• 負荷抵抗 (フォトトランジスタ用):コレクタに接続されるプルアップ抵抗 (R_L) の値は、出力電圧スイングを決定し、スイッチング速度に影響を与えます。R_Lを小さくすると立ち下がり時間は速くなりますが、出力電圧振幅は減少します。試験条件ではR_L=100Ωを使用しています。
• 電気的ノイズ耐性:長い配線やノイズの多い環境では、デバイス近くの電源ピン間に小さなバイパスコンデンサ（例：0.1µF）を追加し、シールドケーブルを使用することを検討してください。
• 光学的考慮点:光路（3mmのギャップ）をほこり、汚れ、結露から保護してください。赤外線カットオフフィルターは役立ちますが、センサ近くの強い周囲赤外線源（日光や白熱電球など）は誤動作の原因となる可能性があります。

8. 技術比較・差別化

基本的なフォトトランジスタやフォトダイオードと比較して、この統合型フォトインタラプタは以下の主要な利点を提供します:

• アライメント済み光学系:発光部と受光部は固定された堅牢なパッケージ内であらかじめ位置合わせされており、実装時の精密な機械的位置合わせが不要です。これは個別部品に対する大きな利点です。
• 最適化されたギャップ:3mmの焦点距離は、その特定の空気ギャップでピーク感度を得るように工場で設定されています。
• 周囲光除去:フォトトランジスタ上の赤外線カットオフフィルターは、可視光に対する感度を大幅に低減し、一般的な室内照明条件下での信号対雑音比を改善します。
• コンパクトなフォームファクター:単一の小型パッケージで完全な光スイッチソリューションを提供します。

9. よくある質問 (FAQ)

Q: 異なるビン（A、B、C）の目的は何ですか？

A: ビンはデバイスをその感度 (I_C(ON)) によって分類します。低コントラスト物体の検出、長寿命（LED出力は時間とともに劣化するため）、または高いほこりレベルでの動作を必要とするアプリケーションには、より高いビン（BまたはC）を選択してください。標準的なアプリケーションにはビンAで十分です。

Q: LEDを電圧源で直接駆動できますか？

A: いいえ。LEDは電流駆動デバイスです。すべてのアプリケーション回路に示されているように、順方向電流 (I_F) を安全かつ一貫した値に設定するために、直列の電流制限抵抗を使用する必要があります。

Q: 出力をマイクロコントローラとどのようにインターフェースしますか？

A: フォトトランジスタはスイッチとして動作します。そのエミッタをグランドに接続し、コレクタをプルアップ抵抗（例：10kΩ）を介してデジタル入力ピンに接続します。ビームが遮断されていないとき、トランジスタはオンになり、ピンをローにプルダウンします。遮断されると、トランジスタはオフになり、プルアップ抵抗がピンをハイにプルアップします。マイクロコントローラの入力ロジックレベルが出力電圧スイング（オン時はほぼ0V、オフ時はほぼV_CC）と互換性があることを確認してください。

Q: 応答時間に影響を与える要因は何ですか？

A: フォトトランジスタの固有速度、負荷抵抗 (R_L) の値、および回路トレースの容量です。より高速なスイッチングには、所望の出力電流および電圧レベルで許容される範囲で、より小さなR_Lを使用してください。

10. 実用的な使用例

シナリオ: デスクトッププリンターの用紙切れセンサ。

フォトインタラプタは、トレイ内の用紙山が3mmの光学的ギャップ内に収まり、赤外線ビームを遮断するようにプリンターフレームに取り付けられます。用紙トレイフォロワーに取り付けられたレバーやフラグが使用される場合があります。用紙があるとき、ビームは遮断され、フォトトランジスタはオフになり、その出力はハイになります。最後の1枚が給紙されると、フォロワーが動き、ビームの遮断が解除されます。フォトトランジスタがオンになり、出力をローにプルダウンします。このロジック遷移はプリンターのメインコントローラによって検出され、ユーザーインターフェース上で用紙切れ警告が作動します。赤外線カットオフフィルターは、プリンター内部の照明や室内灯からの誤動作を防ぎます。

11. 動作原理

本デバイスは、変調光結合の原理に基づいて動作します。内部の赤外線LEDは、適切な電流で順方向バイアスされると光を発します。真向かいに、同じパッケージ内にシリコンNPNフォトトランジスタがあります。フォトトランジスタのベース領域は光にさらされています。LEDからの赤外線光子がベース-コレクタ接合部に衝突すると、電子-正孔対を生成します。この光生成電流はベース電流として作用し、光強度に比例したはるかに大きなコレクタ電流 (I_C) をトランジスタに流します。それらの間の3mmスロットを通過する物体がこの光ビームを遮断すると、フォトトランジスタはオフになります。これにより、物理的な事象に基づいたクリーンで電気的に絶縁されたスイッチング信号が提供されます。

12. 技術トレンド

フォトインタラプタは、位置センシングにおける基本的な構成要素であり続けています。この分野の現在のトレンドには以下が含まれます:

• 小型化:コンパクトな民生用電子機器でPCBスペースを節約するため、さらに小さな表面実装デバイス（SMD）パッケージの開発。
• 統合化:ヒステリシスのためのシュミットトリガ、微弱信号のための増幅器、さらにはクリーンで処理済みのデジタル出力を提供するデジタルインターフェース（I2C）など、追加の回路をチップ上に組み込むことで、マイクロコントローラとのインターフェースを簡素化。
• 性能向上:LED効率と光検出器感度の向上により、より低い電流での動作が可能になり、消費電力と発熱を低減。
• 特殊バリエーション:回転エンコーディング用のスロット付きホイールを備えたデバイス、または反射マークを検出するために発光部と受光部が同じ方向を向いている反射型デバイス。

非接触性、信頼性、シンプルさにより、光遮断の基本原理は堅牢であり続け、メカトロニクスシステム設計における継続的な関連性を確保しています。