フォトインタラプタセンサー LTH-309-08 データシート - 日本語技術文書

1. 製品概要

LTH-309-08は反射型フォトインタラプタであり、赤外発光ダイオード（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センサーの一種です。その主な機能は、表面からの赤外光ビームの反射が遮断されることを検知することで、物理的な接触なしに対象物の有無を検出することです。このデバイスは、PCB（プリント基板）への直接実装、または標準的なデュアルインチラインソケットへの挿入を想定して設計されており、自動化組立プロセスにおいて非常に汎用性が高くなっています。

このセンサーの核心的な利点は、非接触でのスイッチング能力にあり、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保証します。特に、狭い空間内での高速応答と精密な物体検出を必要とするアプリケーションに適しています。代表的なターゲット市場には、オフィスオートメーション機器（プリンター、コピー機）、産業オートメーション（コンベアベルトカウンター、位置検出）、民生電子機器、そして信頼性の高い物体検出が重要な各種計測機器などが含まれます。

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：連続順方向電流は50 mAを超えてはならず、パルス条件下（300 pps、10 µsパルス幅）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75 mWです。5 Vを超える逆電圧は避ける必要があります。
• 出力フォトトランジスタ：コレクタ電流は20 mAに制限されます。コレクタ-エミッタ間電圧は最大30 Vまで耐えられ、エミッタ-コレクタ間電圧は5 Vに制限されます。フォトトランジスタの許容損失は100 mWを超えてはなりません。
• 環境限界：デバイスの動作可能周囲温度範囲は-25°Cから+85°Cです。保管温度は-55°Cから+100°Cです。はんだ付けに関しては、パッケージ本体から1.6mmの位置で測定した場合、リード線は260°Cで5秒間耐えることができます。

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、通常の動作条件下での期待性能を定義します。

• 入力LED順方向電圧（V_F）：順方向電流（I_F）20 mAで駆動した場合、典型的に1.2Vから1.6Vです。このパラメータは、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。
• 出力フォトトランジスタ暗電流（I_CEO）：センサーに光が入射していない時のリーク電流で、V_CE=10Vにおいて最大100 nAと規定されています。低い暗電流は、特に低照度または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。
• オン状態コレクタ電流（I_C(ON)）：LEDをI_F=20mAで駆動し、V_CE=5Vの条件下で、最小コレクタ電流は0.5 mAです。このパラメータはフォトトランジスタの感度を示しています。
• コレクタ-エミッタ飽和電圧（V_CE(SAT)）：フォトトランジスタが完全にオン状態にある時の両端の電圧降下で、I_C=0.25mA、I_F=20mAの条件下で典型的に0.4Vです。低い飽和電圧は、低電圧ロジック回路とのインターフェースにとって望ましい特性です。
• 応答時間：センサーのスイッチング速度は、立ち上がり時間（T_R）と立ち下がり時間（T_F）で特徴付けられます。V_CE=5V、I_C=2mA、R_L=100Ωの試験条件下での典型的な値は、立ち上がり時間が3-15 µs、立ち下がり時間が4-20 µsです。この高速スイッチングにより、高速で移動する物体の検出が可能になります。

3. 性能曲線分析

データシートには典型的な電気的・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中には提供されていませんが、それらの一般的な目的と提供する知見について説明できます。

これらの曲線は通常、温度や駆動電流などの変数に対する主要パラメータをプロットしたものです。例えば、I_C(ON)対I_F（LED順方向電流）の曲線は、設計者が入力電力と出力信号強度の関係を理解し、所望の感度と消費電力のためにLED駆動を最適化するのに役立ちます。もう一つの一般的な曲線は、I_C(ON)対周囲温度であり、センサーの性能が極端な温度でどのように劣化または変化するかを理解するために重要で、規定の-25°Cから+85°Cの範囲全体で信頼性の高い動作を保証します。これらのグラフは、公称25°Cの仕様を超えた堅牢なシステム設計に不可欠です。

4. 機械的・パッケージ情報

LTH-309-08はコンパクトな統合のために設計されています。パッケージ寸法はデータシートに記載されており、すべての寸法はミリメートル（および括弧内にインチ）で示されています。主要な機械的注意点は以下の通りです：

• 特に指定がない限り、一般的な公差は±0.25mm（±0.010インチ）が適用されます。
• リード間隔は、リード線がプラスチックパッケージ本体から出る点で測定され、これはPCBフットプリント設計にとって重要です。
• パッケージは標準的なスルーホールタイプで、手はんだ付けとフローはんだ付けの両方のプロセスを容易にします。

適切な極性の識別は、この種のデバイスの標準的なピン配置によって示唆されます：LEDのアノードとカソードは一方の側に、フォトトランジスタのコレクタとエミッタはもう一方の側に配置されています。設計者は、正確なPCBレイアウトのために、正確なピン配置と向きを確認するために寸法図を参照する必要があります。

5. はんだ付け・実装ガイドライン

データシートでは、パッケージ本体から1.6mm（0.063インチ）の位置で測定した場合、リードのはんだ付け温度限界は260°Cで5秒間と規定されています。これは、フローはんだ付けや手はんだ付けの工程管理における重要なパラメータです。

• リフローはんだ付け：主にスルーホールデバイスですが、混合技術基板で使用される場合、リフロー中は細心の注意が必要です。プラスチックパッケージは表面実装部品よりも熱耐性が低いです。特に認定されていない限り、標準的な赤外線または対流リフロープロファイルでの使用は一般的には推奨されません。
• 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。熱がパッケージ内の敏感な半導体ダイに伝わるのを最小限に抑えるために、リードとパッドの接合部に迅速かつ効率的に熱を加えてください。部品のリード上ではんだごての先端に直接はんだを長時間当てないでください。
• 洗浄：パッケージプラスチックと適合性のある洗浄溶剤を使用し、ひび割れや劣化を避けてください。
• 保管条件：湿気の吸収（はんだ付け時のポップコーン現象の原因となる）や静電気放電による損傷を防ぐために、規定の温度範囲-55°Cから+100°C内の乾燥した、静電気防止環境で保管してください。

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シナリオ

• プリンター/コピー機における用紙検知：用紙詰まり、トレイ空状態、または用紙経路上の特定ポイントでの用紙有無の検出。
• コンベア上の物体カウント：製品、ボトル、部品が定点を通過する際のカウント。
• 位置検出：移動キャリッジ（スキャナーやプロッターなど）の原点位置、またはドアや蓋の開閉状態の検出。
• ロータリーエンコーダディスク検出：スロット付きホイールと組み合わせて使用し、速度や位置フィードバックのための低分解能の光学式エンコーダを構成します。

6.2 設計上の考慮事項

• LED電流駆動：安定したI_F（試験条件に基づき典型的には20 mA前後）を維持し、一貫した出力を得るために、LEDと直列に定電流源または電流制限抵抗を使用します。より高い電流でLEDをパルス駆動すると検知距離を増加させることができますが、絶対最大定格内に収める必要があります。
• フォトトランジスタバイアス：プルアップ抵抗（R_L）がコレクタと電源電圧（V_CC）の間に接続されます。R_Lの値は、出力電圧の振幅と応答時間の両方に影響します。R_Lが小さいほど応答は速くなりますが、出力電圧変化は小さくなります。エミッタは通常グランドに接続されます。
• 出力インターフェース：フォトトランジスタの出力は、デジタル検出のためマイクロコントローラのシュミットトリガ入力に直接入力するか、反射光強度を測定するためにアナログ入力に入力することができます。ノイズの多い環境では、フォトトランジスタのコレクタとエミッタ間に小さなコンデンサを追加することで高周波ノイズのフィルタリングに役立ちます。
• 対象面：反射型センシングの性能は、対象物の反射率、色、距離に大きく依存します。一貫した動作のためには、特定の対象材料に基づいて検出しきい値を調整してください。最良の信号強度を得るためには、検知ギャップを最小化する必要があります。
• 環境光耐性：センサー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。しかし、強い赤外光源（太陽光や白熱電球など）は誤動作を引き起こす可能性があります。変調されたLED信号と受信回路での同期検出を使用することで、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。

7. 技術比較・差別化

機械的なリミットスイッチと比較して、LTH-309-08には明確な利点があります：可動部品がなく、信頼性が高く、応答が速く、静粛に動作します。フォトインタラプタカテゴリ内では、その主要な差別化要因は規定されたパラメータに由来します。高速スイッチング速度（立ち上がり時間3-15 µs）は、より遅いフォトトランジスタよりも高速アプリケーションに適しています。比較的低い飽和電圧（0.4V）により、より高いV_CE(SAT)を持つデバイスと比較して、現代の3.3Vロジックシステムとの互換性が向上します。標準的なスルーホールDIPパッケージは堅牢性とプロトタイピングの容易さを提供しますが、表面実装の代替品よりも基板面積を多く占有します。設計者は、標準パッケージ形式において、速度、感度、実績のある信頼性のバランスを必要とするアプリケーションにこの部品を選択します。

8. よくある質問（技術パラメータに基づく）

• Q: LEDを3.3Vロジックで駆動できますか？A: はい、ただし直列抵抗を慎重に計算する必要があります。20mA時の典型的なV_Fが1.6Vの場合、抵抗値は（3.3V - 1.6V）/ 0.02A = 85Ωとなります。安全な設計のためには、データシートの最大V_Fを使用してください。
• Q: 最大検知距離はどれくらいですか？A: データシートは距離を規定していません。これはLED駆動電流、対象物の反射率、および必要なI_C(ON)に依存します。特定の対象物に対しては、経験的に決定することが最善です。一般的に、反射型センサーは短距離（数ミリメートル）で最も良く動作します。
• Q: フォトトランジスタを電圧スパイクから保護するにはどうすればよいですか？A: 30VのV_(BR)CEOを持っていますが、誘導性環境での信頼性のために、小さなトランジェント電圧サプレッサ（TVS）ダイオード、またはコレクタ-エミッタ間に逆バイアスで接続した通常のダイオードを追加することができます。
• Q: ほこりの多い環境で使用できますか？A: レンズ上のほこりの堆積は光ビームを減衰させ、感度を低下させ、故障の原因となる可能性があります。デバイスは密閉されていません。過酷な環境では、密閉スロットを備えたデバイスを検討するか、外部保護を提供してください。

9. 実用的アプリケーション事例研究

シナリオ: デスクトッププリンターの用紙切れセンサー。LTH-309-08は、給紙トレイ付近のメインPCBに実装されています。用紙トレイ機構に取り付けられた白いプラスチックフラグは、用紙がなくなるとセンサーの検知ギャップ内に移動します。用紙あり状態では、フラグはギャップの外にあり、LEDからの赤外光がプリンター内部の固定面で反射してフォトトランジスタに戻り、高いI_C(ON)を生成し、コレクタで（プルアップ抵抗により）ロジックLOW出力を生成します。用紙がなくなると、フラグがギャップ内に移動し、光路を遮断します。フォトトランジスタはオフになり、コレクタ電圧が抵抗によってHIGHに引っ張られます。プリンターのマイクロコントローラはこのHIGH信号を検出し、ディスプレイに用紙切れ警告をトリガーします。高速応答時間は即時の検出を保証し、非接触の性質によりセンサーはプリンターの寿命中に摩耗することがありません。

10. 動作原理紹介

フォトインタラプタは、変調光検出の原理で動作します。内部の赤外LEDは順方向バイアスがかかると光を発します。LEDの反対側にはフォトトランジスタがあります。LTH-309-08のような反射型では、両方の素子が同じ方向を向いています。発せられた光はパッケージ外に出て、対象面に当たり、その一部が反射されてパッケージ内に戻り、フォトトランジスタに入射します。フォトトランジスタは光制御スイッチとして機能します。光子がそのベース領域に当たると、電子-正孔対を生成し、実質的にベース電流を供給します。これによりトランジスタがオンになり、受信光の強度に比例したコレクタ電流（I_C）が流れます。光路が遮断されると（例えば物体によって）、フォトトランジスタはオフになり、わずかな暗電流のみが流れます。このコレクタ電流のオン/オフ変化を用いて、光路を遮断する物体の有無を示すデジタル信号を生成します。

11. 技術トレンド

フォトインタラプタのような光電センサーのトレンドは、小型化、高集積化、および機能強化に向かっています。PCBスペースを節約し、自動ピックアンドプレース組立を可能にするために、表面実装デバイス（SMD）パッケージが標準になりつつあります。また、センサーと信号調整回路（増幅器、シュミットトリガ、ロジック出力）を単一チップ上に統合し、マイクロコントローラと直接インターフェースしやすいデジタル出力センサーを作成する動きもあります。さらに、光学フィルタリングやよりスマートな変調技術を通じて環境光除去を改善する進歩がなされています。基本原理は変わらないものの、これらのトレンドは、センサーをより小さく、よりスマートに、より信頼性が高く、現代の電子設計に実装しやすくすることに焦点を当てています。