LTH-209-01 フォトインタラプタ データシート - 反射型物体センサ - 日本語技術文書

1. 製品概要

LTH-209-01は、非接触スイッチングアプリケーション向けに設計された反射型フォトインタラプタモジュールです。この光電子デバイスは、赤外線（IR）発光ダイオードとフォトトランジスタを単一のコンパクトなパッケージ内に統合しています。その主な機能は、検知ギャップ内に配置された反射物体の有無を検出することです。このモジュールは、プリント基板（PCB）への直接実装、またはデュアルインラインソケットでの使用を可能にするように設計されており、システム統合における柔軟性を提供します。その中核的な利点には、機械的摩耗を排除し長期的な信頼性を確保する非接触動作、および様々な検知や計数タスクに適した高速スイッチング速度が含まれます。ターゲット市場には、精密で信頼性の高い物体検出が求められる自動化機器、民生電子機器、セキュリティシステム、産業用制御装置などが含まれます。

2. 詳細技術パラメータ分析

2.1 絶対最大定格

これらの限界を超えてデバイスを動作させると、永久損傷を引き起こす可能性があります。主要なパラメータは以下の通りです：

• IRダイオード連続順方向電流（I_F）：最大50 mA。これはIR LEDに連続して流すことができる直流電流の上限を定義します。
• IRダイオード逆電圧（V_R）：最大5 V。この逆バイアス電圧を超えると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コレクタ電流（I_C）：最大20 mA。これは出力トランジスタがシンクできる最大連続電流です。
• フォトトランジスタコレクタ-エミッタ間電圧（V_CEO）：最大30 V。これはフォトトランジスタのコレクタピンとエミッタピン間に印加できる最大電圧です。
• 動作温度範囲：-35°C から +65°C。この周囲温度範囲内で仕様通りに動作することが保証されています。
• リードはんだ付け温度：ケースから1.6mmの距離で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。

電力デレーティングに関する注意：IRダイオード（75 mW）とフォトトランジスタ（100 mW）の両方の最大許容損失電力は、周囲温度が25°Cを超える場合、1.33 mW/°Cの割合で線形にデレートする必要があります。これは熱管理と長期的な信頼性にとって不可欠です。

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、デバイスの代表的な性能を定義します。

2.2.1 入力IRダイオード特性

• 順方向電圧（V_F）：順方向電流（I_F）20 mAにおいて、通常1.2Vから1.6V。このパラメータはLEDの電流制限駆動回路を設計する上で重要です。
• 逆電流（I_R）：逆電圧（V_R）5Vにおいて、最大100 µA。低い逆電流は良好な接合品質を示します。

2.2.2 出力フォトトランジスタ特性

• コレクタ-エミッタ間降伏電圧（V_(BR)CEO）：I_C=1mAにおいて、最小30V。この高い降伏電圧により、出力回路でより高いプルアップ電圧を使用することが可能になります。
• コレクタ-エミッタ間暗電流（I_CEO）：V_CE=10Vにおいて、最大100 nA。これはIRダイオードがオフ（照射なし）の時のリーク電流です。低い暗電流は、特に低照度や高利得のアプリケーションにおいて、良好な信号対雑音比を得るために不可欠です。

2.2.3 カプラ（システム）特性

これらのパラメータは、センサシステム全体（IR LED + フォトトランジスタ）の性能を記述します。

• コレクタ-エミッタ間飽和電圧（V_CE(SAT)）：I_C=0.08mA、I_F=20mAにおいて、最大0.4V。この低い飽和電圧は、フォトトランジスタが効率的なスイッチとして機能し、動作時に出力をグランド近くまで引き下げることができることを示しています。
• オン状態コレクタ電流（I_C(ON)）：V_CE=5V、I_F=20mAにおいて、最小0.16 mA。試験条件：この重要なパラメータは、センサ面から3.81 mm（0.15インチ）の位置に標準反射面（90%拡散反射率の白紙）を配置して測定されます。この標準化された距離と表面は、デバイスの規定性能に対する検知ギャップと最小検知反射率を定義します。

3. 機械的・パッケージ情報

3.1 パッケージ寸法

LTH-209-01は、標準的な4ピンDIP（デュアルインラインパッケージ）スタイルの筐体を採用しています。寸法図に別段の指定がない限り、すべての寸法はミリメートルで提供され、デフォルト公差は±0.25mmです。このパッケージはスルーホールPCB実装用に設計されています。本体の長さ、幅、高さ、ピン間隔、ピン径を含む正確な寸法図は、PCBフットプリント設計と最終製品筐体への機械的統合に不可欠です。

3.2 ピン配置と極性識別

このデバイスは4本のピンを持ちます。通常、2本のピンはIR発光ダイオードのアノードとカソード用で、他の2本はNPNフォトトランジスタのコレクタとエミッタ用です。損傷を防ぐため、正しい識別が極めて重要です。データシートのピン配置図を参照する必要があります。パッケージには、ピン1を示すノッチ、ドット、または面取りエッジが付いていることがよくあります。IRダイオードは極性に敏感であり、フォトトランジスタのコレクタとエミッタは正しいスイッチング動作のために正しく接続されなければなりません。

4. はんだ付け・組立ガイドライン

手はんだ付け：温度制御されたはんだごてを使用してください。絶対最大定格では、プラスチックケースから1.6mmの位置で測定した場合、リードを5秒間260°Cにさらすことができると規定されています。内部部品とプラスチック筐体への熱ストレスを最小限に抑え、信頼性の高いはんだ接合を行うために、可能な限り低い温度と短い時間を使用することを推奨します。

フローはんだ付け：可能ですが、同じ温度/時間プロファイル（ケースから1.6mmで5秒間260°C）を厳守する必要があります。熱衝撃を軽減するために、予熱が推奨されます。

洗浄：はんだ付け後の洗浄が必要な場合は、デバイスのプラスチック材料と適合する方法および溶剤を使用し、光学窓のひび割れや曇りを避けてください。

保管条件：指定された保管温度範囲-40°Cから+100°C以内の環境で保管してください。光学面の汚染を防ぐために、使用するまでデバイスを元の防湿バッグに入れておくことをお勧めします。

5. アプリケーション提案

5.1 代表的なアプリケーション回路

最も一般的な回路構成は、LTH-209-01をデジタルスイッチとして使用するものです。IRダイオードは、電圧源（例：5V）からの定電流源または電流制限抵抗によって駆動されます。試験条件に従い、典型的なI_Fとして20mAが使用されます。フォトトランジスタはコモンエミッタ構成で接続されます：コレクタはプルアップ抵抗（R_CC）を介して電源電圧（V_L、最大30V）に接続され、エミッタはグランドに接続されます。出力信号はコレクタノードから取り出されます。反射物体がない場合、フォトトランジスタはオフ（出力ハイ）です。反射物体が検知ギャップに入ると、IR光がフォトトランジスタに反射し、オンにして出力をローに引き下げます。

5.2 設計上の考慮事項とベストプラクティス

• プルアップ抵抗（R_L）の選択：R_Lの値は出力電流と電圧スイングを決定します。これは、必要なI_C(ON)と負荷の入力特性（例：マイクロコントローラのGPIO）に基づいて選択する必要があります。小さいR_Lは高速スイッチングと優れたノイズ耐性を提供しますが、消費電力が大きくなります。I_Cが20mAを超えないようにしてください：R_L> (V_CC- V_CE(SAT)) / 20mA。
• 電気的ノイズの最小化：デバイスの電源ピンの近くにバイパスコンデンサ（例：0.1µF）を配置してください。信号トレース、特にフォトトランジスタ出力ラインを短く保ち、電磁干渉（EMI）に対する感受性を低減してください。
• 光学的考慮事項：検知性能は、ターゲット物体の反射率、色、距離に依存します。規定のI_C(ON)は、3.81mmの距離にある90%反射率の白い表面に対するものです。より暗い、またはより遠い物体は、より小さな出力信号を生成します。一貫した動作のためには、システムの検知しきい値（例：コンパレータの基準電圧）をそれに応じて設計してください。周囲の光源（特に太陽光やIRが豊富な白熱電球）がセンサの開口部に直接照射するのを避けてください。これは誤動作の原因となります。高周囲光環境では、変調されたIR信号と同期検出を使用することができます。
• 機械的アライメント：ターゲット物体の経路が一貫しており、信頼性の高い検出のために最適な検知ギャップ（規定の3.81mm付近）内を通過するようにしてください。

6. 技術比較と差別化

LTH-209-01は、反射型フォトインタラプタとして、他の光センサタイプとは異なります：

• 透過型フォトインタラプタ（スロット型フォトカプラ）との比較：透過型はエミッタと検出器の間に物理的なギャップがあり、物体が光路を遮断した時に検出されます。LTH-209-01のような反射型は、物体が光を反射した時に検出します。反射型センサは片側からのアクセスのみを必要とするため、取り付けがより簡単なことが多いですが、その性能は物体の表面特性に大きく依存します。
• フォトロジックセンサとの比較：一部のフォトインタラプタは、クリーンなデジタル出力を提供するための内蔵ロジック回路（シュミットトリガ、増幅器）を含みます。LTH-209-01はシンプルなアナログフォトトランジスタ出力を提供し、より高い柔軟性を提供しますが、ノイズの多い環境で堅牢なデジタル信号を作成するには外部回路（コンパレータなど）を必要とします。
• このモデルの主な利点：比較的高いコレクタ-エミッタ間降伏電圧（30V）、低い飽和電圧、および感度に対する標準化された試験条件の組み合わせは、汎用反射型検知アプリケーションに適した良好なバランスを提供します。

7. よくある質問（FAQ）

Q1: 物体を検知する最適な距離はどれくらいですか？

A1: データシートでは、ターゲットが3.81mm（0.15インチ）の位置にある時のオン状態電流（I_C(ON)）が規定されています。これは標準化された試験距離です。実際の最適距離はターゲットの反射率に依存します。反射率の高いターゲットの場合、わずかに遠い距離でも検出が機能する可能性があります。信頼性の高い設計のためには、3.81mmを公称動作点として使用してください。

Q2: IR LEDを電圧源で直接駆動できますか？

A2: できません。IR LEDは、すべてのダイオードと同様に、電流駆動する必要があります。電圧源に直接接続すると過剰な電流が流れ、デバイスを破損する可能性があります。常に直列の電流制限抵抗を使用してください。抵抗値は R = (V_電源- V_F) / I_F として計算します。5V電源、V_F=1.4V、I_F=20mAの場合：R = (5 - 1.4) / 0.02 = 180 オーム。

Q3: 出力信号が不安定またはノイズが多いのはなぜですか？

A3: 一般的な原因には以下が含まれます：1) プルアップ抵抗値が不十分で立ち上がり時間が遅い、2) 長い出力トレースでの電気的ノイズのピックアップ（バイパスコンデンサの使用と配線の短縮）、3) 周囲のIR光干渉（センサの遮蔽または変調の使用）、4) ターゲット物体の反射率が変化する、または距離が一定でない。

Q4: 1.33 mW/°Cで線形デレートという注意書きは何を意味しますか？

A4: これは熱デレーティングの規則です。最大許容損失電力（ダイオードで75 mW、トランジスタで100 mW）は25°Cで規定されています。周囲温度が25°Cを超えて1°C上昇するごとに、最大許容電力は1.33 mW減少させなければなりません。例えば、65°C（25°Cより40°C高い）では、トランジスタのデレート後の最大電力は 100 mW - (40 * 1.33 mW) = 100 - 53.2 = 46.8 mW です。

8. 実用的なアプリケーション事例

シナリオ: プリンタ内の用紙検知。

LTH-209-01は、プリンタ機構を通過する用紙の前端を検知するために使用できます。センサはメインボードに実装され、その検知面は用紙経路に向けられます。反射ストリップまたは用紙自体（十分に反射性があれば）がターゲットとして機能します。用紙がない場合、出力はハイです。用紙の端がセンサの下を通過すると、反射したIR光がフォトトランジスタを活性化し、出力をローに引き下げます。このデジタル信号は、プリンタのマイクロコントローラに用紙の位置を通知し、正確な印刷タイミング制御を可能にします。ここでの主要な設計ポイントには、MCUの3.3Vまたは5Vロジックにクリーンにインターフェースするためのプルアップ抵抗の選択、正しい検知ギャップを維持するための用紙経路の機械的安定性の確保、および用紙の質感による信号のチャタリングを防ぐための出力への単純なRCフィルタの追加が含まれます。

9. 動作原理

LTH-209-01は、変調光反射と光電変換の原理に基づいて動作します。内部では、赤外線発光ダイオード（IRED）が、通常約940nmの波長の光を発光します。この光は人間の目には見えません。この光はデバイスの前面から照射されます。適切に反射する物体が視野に入り、有効範囲内にあると、放射されたIR放射の一部が物体の表面で反射され、デバイスに向かって戻ってきます。同じパッケージ内でIREDに隣接して配置されたシリコンNPNフォトトランジスタが、この反射光を受け取ります。フォトトランジスタのベース領域に入射する光子は電子-正孔対を生成し、実質的にベース電流を生成します。この光生成ベース電流はトランジスタの利得によって増幅され、外部で測定可能なはるかに大きなコレクタ電流となります。このコレクタ電流の変化（非常に低い暗電流から規定のI_C(ON)へ）が基本的な検出メカニズムです。したがって、このデバイスは光学的な事象（反射物体の存在）を電気信号に変換します。

10. 業界動向と背景

LTH-209-01のような反射型フォトインタラプタは、より広範な光電子センサ市場において成熟した信頼性の高い技術を代表しています。この分野の一般的な傾向は、小型化、統合度の向上、および機能の強化に向かっています。新しいデバイスには、自動組立のための表面実装（SMD）パッケージ、低消費電力、デジタル出力（I2C、PWM）または改善された直線性を持つアナログ出力を提供する内蔵信号調整ICを備えたものがあります。また、特定の波長の使用や光学フィルタの組み込みにより、周囲光に対する耐性を向上させる動きもあります。さらに、材料とパッケージング技術の開発により、これらの部品の温度範囲、耐湿性、および長期的な安定性が継続的に改善されています。高度な代替品は存在しますが、スルーホール、ディスクリートフォトトランジスタ出力の反射型センサは、シンプルさ、堅牢性、実績のある性能が最も重要である無数の非接触検知アプリケーションにおいて、費用対効果が高く非常に汎用性の高いソリューションであり続けています。