フォトインタラプタ LTH-301-05 データシート - 非接触スイッチング - 日本語技術文書

1. 製品概要

LTH-301-05は、反射型フォトインタラプタであり、赤外線発光ダイオード（IR LED）とフォトトランジスタを一つのコンパクトなパッケージ内に組み合わせた光電子部品です。その主な機能は、物理的な接触なしに物体の有無を検出する、非接触スイッチとしての役割です。このデバイスの核心的な利点は、従来の機械式スイッチに伴う摩耗がなく、信頼性と長寿命にあります。プリント基板（PCB）への直接実装、またはDIPソケットでの使用を想定した設計で、組立の柔軟性を提供します。高速なスイッチング速度は、プリンター、コピー機、自動販売機、産業用自動化機器など、位置検出、物体カウント、エッジ検出を必要とする高速検出アプリケーションに適しています。

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限界値を定義します。連続動作のための値ではありません。主要なパラメータは以下の通りです：

• 赤外線ダイオード連続順方向電流（I_F)）： 60 mA。これはLEDに流すことができる最大の定常電流です。
• 赤外線ダイオードピーク順方向電流： 1 A（パルス幅10μs、毎秒300パルスの条件）。信号検出性能を向上させるための、短時間の高強度パルス駆動を可能にします。
• フォトトランジスタコレクタ電流（I_C)）： 20 mA。出力トランジスタが扱える最大電流です。
• フォトトランジスタコレクタ-エミッタ間電圧（V_CEO)）： 30 V。フォトトランジスタのコレクタとエミッタ間に印加できる最大電圧です。
• 動作温度範囲： -25°C ～ +85°C。これは信頼性のある動作が保証される周囲温度の範囲を定義します。
• リードはんだ付け温度： ケースから1.6mmの距離で、260°C、5秒間。熱による損傷を防ぐための組立上の重要な条件です。

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で測定され、デバイスの代表的な性能を定義します。

2.2.1 入力（赤外線LED）特性

• 順方向電圧（V_F)）： 順方向電流（I_F）20 mA時、代表値 1.2V ～ 1.6V。LEDが点灯しているときの両端の電圧降下です。
• 逆方向電流（I_R)）： 逆方向電圧（V_R）5V時、最大 100 μA。LEDが逆バイアスされたときのわずかなリーク電流を示します。

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)）： 最小 30V。ベースが開放状態のときにトランジスタが降伏する電圧です。
• コレクタ-エミッタ間暗電流（I_CEO)）： V_CE=10V時、最大 100 nA。これは光が入射していないとき（すなわちオフ状態）のフォトトランジスタのリーク電流です。オン/オフ状態間の良好なコントラストを得るためには、低い値が望ましいです。

2.2.3 カプラ（結合）特性

これらのパラメータは、LEDとフォトトランジスタが連携して動作する際の挙動を記述します。

• コレクタ-エミッタ間飽和電圧（V_CE(SAT))）： フォトトランジスタが完全にオン状態（I_C=0.25mA, I_F=20mA）のとき、最大 0.4V。低い飽和電圧はデジタルロジックとのインターフェースに有利です。
• オン状態コレクタ電流（I_C(ON))）： LEDが駆動（I_F=20mA）され、V_CE=5Vのとき、最小 0.5 mA。これは生成される光電流であり、出力信号の強度を決定します。
• 応答時間： これは出力が入力光の変化にどれだけ速く反応するかを定義します。
  • 立ち上がり時間（t_r)）： 代表値 3 μs、最大 15 μs。LEDが点灯したとき、出力電流が最終値の10%から90%まで上昇するのにかかる時間です。
  • 立ち下がり時間（t_f)）： 代表値 4 μs、最大 20 μs。LEDが消灯したとき、出力電流が初期値の90%から10%まで低下するのにかかる時間です。

3. 機械的・パッケージ情報

3.1 パッケージ外形寸法

本デバイスは4本のリードを持つ標準的なスルーホールパッケージを採用しています。正確な寸法はデータシートの図面に記載されています。主な注意点は以下の通りです：

• 全ての寸法はミリメートル単位で、括弧内にインチ単位を併記しています。
• 特に記載がない限り、標準公差は±0.25mm（±0.010"）です。
• 本パッケージは、フローはんだ付けまたは手はんだ付けプロセス中の安定性を考慮して設計されています。

3.2 極性識別

正しい向きは極めて重要です。データシートの図面には、赤外線LEDのアノードとカソードピン、およびフォトトランジスタのコレクタとエミッタピンが明確に示されています。デバイスを誤った向きで実装すると、動作しないか、永久的な損傷を引き起こす可能性があります。

4. はんだ付け・実装ガイドライン

適切な取り扱いが、デバイスの信頼性と長寿命を保証します。

• はんだ付け： リードは最高260°Cの温度ではんだ付けできますが、この熱は最大5秒間のみ適用してください。プラスチックケース本体から指定された距離（1.6mm / 0.063"）を保つことが、パッケージの溶融や変形を防ぐために重要です。
• 洗浄： デバイスのプラスチック材料と適合する適切な溶剤を使用してください。内部応力やクラックを引き起こす可能性のある特定の周波数での超音波洗浄は避けてください。
• 保管条件： 性能を維持するため、デバイスは温度範囲-40°C～+100°C、低湿度の環境で保管し、静電気放電（ESD）による損傷を防ぐために、可能であれば静電気防止包装にて保管してください。

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例

• プリンター/コピー機における用紙検出： 紙詰まり、用紙切れ、または重送の状態を検出します。
• 物体カウント： コンベアベルト上やシュートを通る物品をカウントします。
• 位置/速度センシング： エンコーダホイールのスリットを検出し、モーターの回転位置や速度を決定します。
• 自動販売機： 硬貨の通過や商品の排出を確認します。
• 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。

5.2 設計上の考慮点

• LEDの電流制限： 赤外線LEDには常に直列抵抗を使用し、順方向電流（I_F）を安全な値（出力信号強度とデバイス寿命のバランスを考慮し、通常10mA～20mA）に制限してください。抵抗値は R = (V_CC- V_F) / I_F.
• の式で計算できます。フォトトランジスタのバイアス_CC： 通常、フォトトランジスタのコレクタと正電源電圧（V
• ）の間にプルアップ抵抗を接続します。エミッタはグランドに接続します。この抵抗値（多くの場合1kΩ～10kΩ）と電源電圧が、出力電圧の振幅と応答速度を決定します。抵抗値が小さいほど応答は速くなりますが、出力電圧振幅は小さくなり（オン時の消費電力は大きくなります）。環境光耐性
• ： 本デバイスは赤外線を使用するため、可視光の影響は比較的受けにくいです。しかし、太陽光や白熱電球などの強い赤外線源は誤動作の原因となる可能性があります。変調されたIR信号と復調回路を使用することで、ノイズ耐性を大幅に向上させることができます。ギャップと反射率

： 検知距離と信号強度は、対象物の反射率とセンサーと対象物の間のギャップ幅に依存します。暗く反射率の低い物体は、より弱い信号を生成します。

6. 動作原理

LTH-301-05は、単純な光学原理に基づいて動作します。内部の赤外線LEDが赤外線ビームを発光します。LEDの反対側にはフォトトランジスタが配置されています。遮断されていない状態では、この光ビームは小さなギャップを横切りフォトトランジスタに照射され、フォトトランジスタを導通状態（オン）にします。物体がこのギャップに挿入されると、赤外線が遮断されます。フォトトランジスタに光が入射しなくなると、導通を停止します（オフ）。フォトトランジスタのこの電気的状態の変化（導通から非導通、またはその逆）が外部回路によって検出され、物体の存在が認識されます。フォトトランジスタは、基本的に光強度によって制御される電流源として機能します。

7. 性能曲線分析

• データシートには、詳細な設計分析に非常に有用な代表的な特性曲線が含まれています。具体的なグラフは本文では再現されていませんが、通常以下の関係を示しています：_FLEDの順方向電流 vs. 順方向電圧（I_F-V）
• ： 非線形関係を示し、異なる動作電流における正確な電圧降下を決定するのに役立ちます。_Cフォトトランジスタのコレクタ電流 vs. コレクタ-エミッタ間電圧（I_CE-V）
• ： 入射光のレベル（または異なるLED駆動電流）ごとに、バイポーラトランジスタの出力特性曲線と同様に、トランジスタの出力特性を示します。_Cコレクタ電流 vs. 順方向電流（I_F)-I_C）_F： この伝達特性曲線は極めて重要です。出力光電流（I
• ）が入力LED電流（I）にどのように変化するかを示します。これはカプラの重要な効率パラメータである電流伝達比（CTR）を定義します。_F温度依存性_CEO： 曲線は、順方向電圧（V_{）、暗電流（I}）、オン状態電流（I

C(ON)

1. ）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ことが多いです。これは広い温度範囲で動作するシステムを設計する上で重要です。8. 技術パラメータに基づくよくある質問_FQ: 代表的な検知距離はどれくらいですか？_{A: データシートにおける検知距離は単一の固定値ではありません。スロットの具体的な機械設計、LEDへの駆動電流（I}）、受信回路の感度、遮断物体の反射率に依存します。設計者は、I
2. C(ON)パラメータとアプリケーションのセットアップに基づいてこれを決定する必要があります。_FQ: 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？
3. A: 可能ですが、以下の2点を確認する必要があります：a) マイクロコントローラピンの最大供給電流能力が、希望するI（例：20mA）より大きいこと。b) 設計上の考慮点で説明したように、必ず直列に電流制限抵抗を含めること。LEDを電圧源に直接接続してはいけません。_{Q: 出力をデジタル入力とどのようにインターフェースしますか？}A: 最も簡単な方法は、コレクタにプルアップ抵抗を使用することです。光路が開いているとき、フォトトランジスタはオン状態となり、コレクタ電圧をロー（V_CCCE(SAT)
4. に近い）に引き下げます。光が遮断されると、トランジスタはオフ状態となり、プルアップ抵抗がコレクタ電圧をハイ（V）に引き上げます。これにより、クリーンなロジックレベル信号が得られます。
5. Q: 応答時間はなぜ重要ですか？A: 高速な応答時間（マイクロ秒単位）により、センサーは高速移動する物体や連続する高速イベントを見逃すことなく検出できます。これは高速機械、エンコーダアプリケーション、またはパルス光を使用する通信システムにおいて不可欠です。

Q: 絶対最大定格を超えるとどうなりますか？

A: これらの限界を超えると、たとえ短時間でも、デバイスに即時的または潜在的な損傷を引き起こす可能性があります。これには、LEDの光出力の低下、フォトトランジスタの暗電流の増加、または完全な故障（開放または短絡）が含まれます。常に安全マージンを持って設計してください。

9. 実践的設計・使用事例

事例：小型DCモーターのRPM測定

設計者はモーターシャフトの回転速度を測定する必要があります。シャフトに小さなスロットディスクを取り付けます。LTH-301-05は、ディスクがその検知ギャップを通過するように取り付けられます。スロットがギャップを通過するたびに、光がフォトトランジスタに到達し、出力にパルスを発生させます。LEDは抵抗を介して一定の15mA電流で駆動されます。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5V電源に接続され、同時にマイクロコントローラの割り込み可能な入力ピンにも接続されます。

マイクロコントローラのファームウェアは、固定時間ウィンドウ（例：1秒）内に受信したパルス数（立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジ）をカウントするようにプログラムされます。例えばディスクに20個のスロットがある場合、1秒あたりのパルス数を20で割ることで毎秒回転数が得られ、RPMに簡単に変換できます。センサーの高速な立ち上がり・立ち下がり時間により、モーターが高速で回転している場合でも、センサーの応答が遅いためにエッジを見逃すことなく、パルスはクリーンで正確にカウントされます。

• 10. 開発動向LTH-301-05のようなフォトインタラプタは、成熟した信頼性の高い技術です。光電センサ全般における現在の動向は、以下の点に焦点を当てています：
• 小型化:
  • ： 現代の電子機器で基板スペースを節約するため、さらに小型の表面実装デバイス（SMD）パッケージの開発。
  • 集積化
  • ： LED用の電流制限抵抗を内部に集積。
• ： シュミットトリガやコンパレータをパッケージ内に組み込み、直接クリーンなデジタル出力を提供し、インターフェース回路を簡素化。： 優れたノイズ耐性のために、環境光除去回路や変調/復調ロジックをチップ上に追加。
• 性能向上： 低消費電力化や長距離検知のための電流伝達比（CTR）の向上、および超高速アプリケーションのためのさらなる応答時間の短縮。

特殊化