LTH-306-09S フォトインタラプタ データシート - 機械式スイッチの代替 - 日本語技術文書

1. 製品概要

LTH-306-09Sは、光ビームの遮断を検出するために設計された光電デバイスの一種であるフォトインタラプタです。様々なセンシングアプリケーションにおいて、従来の機械式スイッチを直接、固体素子で置き換える役割を果たします。その中核的な利点は非接触動作にあり、機械的摩耗、接点バウンス、経時劣化に関連する問題を解消します。これにより、頻繁な作動を必要とするアプリケーションや、ほこり、湿気、振動により機械接点が損なわれる可能性のある環境での動作において、非常に高い信頼性を発揮します。本デバイスは、産業オートメーション（位置検出、リミットスイッチ）、民生電子機器（プリンタ用紙検知、ディスクトレイ検知）、安全システム（ドアインターロック検知）など、幅広い市場に適しています。

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。これらの条件下での動作は保証されません。

• 入力LED：
  • 電力損失：75 mW。これは、指定された周囲温度においてLEDが連続的に処理できる最大電力です。
  • ピーク順方向電流：1 A（パルス条件下：300 pps、10 μsパルス幅）。この定格は、短く高強度のパルスでLEDを駆動する際に重要です。
  • 連続順方向電流：50 mA。信頼性の高い長期動作のための最大DC電流です。
  • 逆電圧：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。
• 出力フォトトランジスタ：
  • 電力損失：100 mW。
  • コレクタ-エミッタ間電圧 (V_CE)：30 V。コレクタとエミッタ間に印加できる最大電圧です。
  • エミッタ-コレクタ間電圧：5 V。
  • コレクタ電流：20 mA。フォトトランジスタ出力がシンクできる最大電流です。
• 環境：
  • 動作温度範囲：-25°C ～ +85°C。デバイスが正常に機能する周囲温度範囲です。
  • 保管温度範囲：-40°C ～ +100°C。
  • リードはんだ付け温度：260°C、5秒間（ケースから1.6mmのリードに対して）。これはリフローはんだ付けプロファイルの制約を定義します。

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。

• 入力LED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 ～ 1.6V。これは必要な電流制限抵抗値を計算するために使用されます： R_limit= (V_supply- V_F) / I_F.
  • 逆電流 (I_R)：逆電圧5Vにおいて、最大 100 μA。
• 出力フォトトランジスタ特性：
  • 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LEDがオフ（光なし）の時のリーク電流です。良好な信号対雑音比のためには低い値が望ましいです。
  • コレクタ-エミッタ間飽和電圧 (V_CE(SAT))：I_C=0.25mA、I_F=20mAにおいて、通常 0.4V。これはフォトトランジスタが完全にオン状態の時の両端の電圧降下です。
  • 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 0.5 mA。これは光路が遮られていない時の最小出力電流を規定します。
• カプラ特性：
  • 動作角度：8° ～ 14°。これは、出力状態を確実に切り替えるために必要な遮断物体（例：レバーアーム）の角変位を定義する重要なパラメータです。角度が小さいほど、動きに対する感度が高いことを示します。

3. 性能曲線分析

データシートには代表的な電気的・光学的特性曲線が参照されています。具体的なグラフは本文には記載されていませんが、その標準的な目的を以下に分析します。

• 順方向電流 vs. 順方向電圧 (I_F-V_F曲線)：このグラフは、LEDの電流と電圧の非線形関係を示します。設計者がLEDの動的抵抗を理解し、安定した電流駆動を確保するのに役立ちます。
• コレクタ電流 vs. コレクタ-エミッタ間電圧 (I_C-V_CE曲線)：異なるLED駆動電流 (I_F) に対してプロットされたこれらの曲線は、フォトトランジスタの出力特性を示します。飽和領域（I_Cが比較的一定）と線形/能動領域を示しており、これはアナログセンシングアプリケーションにとって重要です。
• 電流伝達率 (CTR) vs. 順方向電流：CTRは、フォトトランジスタコレクタ電流 (I_C) とLED順方向電流 (I_F) の比率で、通常パーセンテージで表されます。この曲線は、効率が駆動電流とともにどのように変化するかを示し、所望の出力振幅を得るために駆動回路を最適化する鍵となります。
• 温度依存性曲線：V_F、I_C(ON)、暗電流などのパラメータが周囲温度とともにどのように変化するかを示すグラフは、指定された温度範囲全体で動作する堅牢なシステムを設計するために不可欠です。

4. 機械的仕様・パッケージ情報

データシートにはパッケージ寸法図が含まれています（ここでは再現しません）。重要な機械的考慮点は以下の通りです：

• スロット寸法：遮断物体が通過する重要な隙間です。その幅と深さは、対象物体との互換性を決定します。
• リード間隔と形状：ピン配置（おそらく標準的な4ピン構成：LEDのアノード、カソード；フォトトランジスタのコレクタ、エミッタ）とその間隔は、PCBフットプリント設計にとって極めて重要です。
• 全体パッケージサイズ：外部の長さ、幅、高さは、アセンブリ内でのデバイスの配置を制約します。
• 極性識別：パッケージにはピン1を識別するためのマーキング（点や面取りされたエッジなど）があり、PCBフットプリントと正しく合わせる必要があります。
• カスタムレバーアーム：注目すべき機能として、遮断物体に取り付けるカスタマイズされたレバーアームを設計する能力があります。これにより、センサーを特定の機械的動作に適合させ、アプリケーションの柔軟性を高めることができます。

5. はんだ付け・実装ガイドライン

適切な取り扱いは信頼性にとって重要です。

• リフローはんだ付け：指定された制限は、パッケージ本体から1.6mmの位置で測定して、260°C、5秒間です。これは一般的な無鉛リフロープロファイルに適合します。設計者は、リフローオーブンの熱プロファイルがこの制限を超えないようにし、内部のエポキシ樹脂や半導体接合部への損傷を防ぐ必要があります。
• 手はんだ付け：手はんだ付けが必要な場合は、温度制御されたはんだごてを使用し、リードごとはんだ付け時間を最小限（通常 < 3秒）に抑えるべきです。
• 洗浄：デバイスのプラスチックパッケージと適合する適切な非腐食性の洗浄剤を使用してください。
• 保管条件：指定された-40°C ～ +100°Cの範囲内で、乾燥した静電気防止環境に保管し、吸湿（リフロー時のポップコーン現象の原因）や静電気放電（ESD）による損傷を防いでください。

6. アプリケーション提案・設計上の考慮点

6.1 代表的なアプリケーション回路

最も一般的な構成はデジタルスイッチです。LEDは定電流（例：直列抵抗を介した20mA）で駆動されます。フォトトランジスタのコレクタは、ロジック電源電圧（例：5V）にプルアップ抵抗 (R_pull-up) で接続され、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。

• ビーム遮断なし（物体不在）：光がフォトトランジスタのベースに当たり、導通状態にします。コレクタ電圧はロー（V_CE(SAT)に近い）に引き下げられます。
• ビーム遮断あり（物体存在）：フォトトランジスタはオフになります。プルアップ抵抗によりコレクタ電圧はハイ（電源電圧）に引き上げられます。

R_pull-upの値はトレードオフです：低い値は立ち上がり時間を速くし、ノイズ耐性を向上させますが、出力がロー時の消費電流が増加します。必要なスイッチング速度と後段のロジック段の入力特性に基づいて選択する必要があります。

6.2 設計上の考慮点

• LED電流の選択：代表的な20mAで動作させると、良好な出力電流が得られます。低い電流は電力を節約しますが、I_C(ON)とノイズマージンを減少させます。連続順方向電流定格を超えないようにしてください。
• 外来光耐性：デバイスは内部LEDの特定波長に感度があります。しかし、強い外来光（特に赤外線を含む太陽光）がある環境では、変調（パルス）されたLED駆動信号と受信回路での同期検波を使用することで、耐性を大幅に向上させることができます。
• 応答時間：スイッチング速度（立ち上がり/立ち下がり時間）は、フォトトランジスタの容量とプルアップ抵抗の値によって制限されます。高速アプリケーションの場合は、利用可能であれば特定の動的特性グラフを参照してください。
• 物体特性：遮断物体の不透明度、厚さ、色は、遮断される光の量に影響します。確実な動作のためには、物体は十分に不透明であり、フォトトランジスタ電流をオフ状態の閾値を下回るまで減少させる必要があります。
• 位置合わせ：特に定義された動作角度を考慮すると、センサーのスロット内での物体の正確な機械的位置合わせが、一貫した動作のために必要です。

7. 技術比較と利点

機械式マイクロスイッチと比較して、LTH-306-09Sフォトインタラプタはいくつかの重要な利点を提供します：

• 長寿命・高信頼性：摩耗、アーク発生、酸化する可動接点がありません。寿命は通常、桁違いに長くなります。
• 高速動作：接点バウンスと機械的慣性に制限される機械式スイッチよりもはるかに高速に切り替えることができます。
• 安定した性能：接触抵抗は要因になりません。出力特性は経時的に安定したままです。
• 環境シール性：外部アクチュエータを持つ機械式スイッチと比較して、プラスチックパッケージはほこりや湿気に対してより容易に密封することができます。
• 静粛動作：機械式スイッチのクリック音とは異なり、完全に静かです。

トレードオフとして、サポート電子回路（LED用の電流源とプルアップ抵抗）が必要であり、極端な外来光や光路の汚染に対する潜在的な感度があります。

8. よくある質問（技術パラメータに基づく）

• Q: 5Vマイクロコントローラのピンから直接LEDを駆動できますか？A: いいえ。電流制限抵抗を使用する必要があります。例えば、V_CC=5V、V_F~1.4V、希望するI_F=20mAの場合： R = (5V - 1.4V) / 0.02A = 180Ω。180Ωまたは220Ωの抵抗が一般的です。
• Q: 8-14度の動作角度は、私の設計にとって何を意味しますか？A: ビームを遮断する物理的なレバーやフラグが、スロットを通過する際に、確実にオンからオフ状態に切り替えるために、少なくとも8度（通常は最大14度）回転または移動しなければならないことを意味します。機械設計ではこの角度移動を確保する必要があります。
• Q: 出力コレクタ電流 (I_C(ON)) は最小0.5mAしかありません。これはロジック入力の駆動に十分ですか？A: はい、非常に高い入力インピーダンス（マイクロアンペアのみを必要とする）を持つ標準的なCMOSやTTLロジック入力にとって、0.5mAのシンク能力は十分以上です。電圧レベル（ロー = ~0.4V）が重要なパラメータです。
• Q: 電源ラインの電圧スパイクからデバイスを保護するにはどうすればよいですか？A: デバイスの近くに標準的なボードレベルのデカップリングコンデンサ（例：100nFセラミック）を使用してください。過酷な環境では、電源レールに追加の過渡電圧サプレッション（TVS）ダイオードを検討してもよいでしょう。

9. 実用的なアプリケーション例

• プリンタ用紙検知：用紙トレイのレバーに取り付けられたフラグが、フォトインタラプタのスロットを回転します。用紙があるときはフラグが一つの位置（ビーム遮断なし）にあり、空のときはもう一つの位置（ビーム遮断あり）に移動し、制御システムに信号を送ります。
• 産業用コンベヤベルト物体カウント：コンベヤ上の物体が、フォトインタラプタを装備したゲートを通過します。各物体がビームを遮断し、PLCやマイクロコントローラによってカウントされるパルスを生成します。
• 安全ドアインターロック：フォトインタラプタはドア枠に取り付けられ、タブはドアに取り付けられます。ドアが適切に閉じられると、タブがスロットに入り、ビームが通過して安全状態を信号で知らせます。ドアが開いていると、ビームが遮断され、不安全状態を信号で知らせ、機械を無効にすることができます。
• ロータリーエンコーダディスク検知：モータシャフトに取り付けられたスロット付きディスクが、エミッタとディテクタの間を回転します。スロットが通過する際に生成される一連の光パルスは、速度と位置を決定するために使用されます。

10. 動作原理

フォトインタラプタは、エミッタとディテクタの間に物理的な隙間を持つフォトカプラです。片側に赤外線発光ダイオード（LED）、反対側にシリコンフォトトランジスタが配置され、開いたスロットを挟んで整列しています。LEDに電流が流れると、赤外線を発光します。この光は隙間を横切り、フォトトランジスタのベース領域に当たります。光子はベース内で電子-正孔対を生成し、実質的にベース電流として作用します。この光生成電流は、トランジスタの利得によって増幅され、はるかに大きなコレクタ電流が流れることを可能にします。不透明な物体がスロットに入ると、光路を遮断します。光生成ベース電流が停止し、フォトトランジスタがオフになり、コレクタ電流が停止します。したがって、スロット内の物体の有無が、出力フォトトランジスタの導通性をデジタル的に制御します。

11. 技術トレンド

フォトインタラプタの基本技術は成熟しています。現在のトレンドは、集積化と小型化に焦点が当てられています。デバイスは、性能を維持または向上させながら、パッケージサイズがより小さくなっています（SMDタイプ）。また、ヒステリシス用のシュミットトリガ（外部部品なしでクリーンなデジタルスイッチングを提供）、アナログ出力用の増幅器、さらには完全なデジタルインターフェース（I2C）などの追加回路をチップ上に集積する傾向もあります。これにより、外部部品点数が減少し、設計が簡素化されます。さらに、より高い感度を持つデバイスにより、より低いLED電流での動作が可能になり、バッテリ駆動アプリケーションにとって重要なシステム全体の消費電力を削減します。光路用材料（レンズ、フィルター）の開発も、外来光除去とセンシング精度の向上を継続的に進めています。