LTH-301-27P1 フォトインタラプタ 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-301-27P1は、反射型フォトインタラプタであり、光電センサの一種です。その中核機能は、物理的な接触なしに物体の有無を検出することです。これは、赤外線発光ダイオード（IR LED）と光トランジスタを単一のコンパクトな筐体内に組み合わせることで実現しています。物体が発光部と受光部の間のギャップに入ると、赤外線ビームが遮断され、光トランジスタの出力状態が変化します。この特性により、位置検出、リミットスイッチ、物体カウントなど、信頼性の高い非機械的センシングを必要とするアプリケーションに最適です。

本デバイスは、プリント基板（PCB）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、電子アセンブリへの容易な統合を可能にします。主な利点としては、接点バウンスの影響を受けないこと、可動部がないため長寿命であること、高速カウントやタイミングアプリケーションに適した高速スイッチング速度などが挙げられます。

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。

• IRダイオード連続順方向電流（I_F）：50 mA。これは赤外線LEDに印加できる最大の定常状態電流です。
• IRダイオード逆方向電圧（V_R）：5 V。LEDにかかるこの逆バイアス電圧を超えると、破壊を引き起こす可能性があります。
• 光トランジスタコレクタ電流（I_C）：40 mA。光トランジスタのコレクタが扱える最大電流です。
• 光トランジスタコレクタ-エミッタ間電圧（V_CEO）：30 V。光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：-35°C ～ +65°C。信頼性のある動作が可能な周囲温度範囲です。
• リードはんだ付け温度：ケースから1.6mmの距離で、260°Cで最大5秒間。これは、ウェーブはんだ付けやリフローはんだ付けプロセスにおいて熱損傷を防ぐために重要なガイドラインです。

電力デレーティングに関する注意：トランジスタの電力損失（100 mW）とダイオードの電力損失（75 mW）は、周囲温度が25°Cを超える場合、1.33 mW/°Cの割合で線形的にデレーティング（低減）する必要があります。これは、過熱を防ぐために、温度が上昇すると許容電力が減少することを意味します。

2.2 電気的・光学的特性

これらのパラメータは25°Cで測定され、指定された試験条件下でのデバイスの代表的な性能を定義します。

2.2.1 入力側IR LED特性

• 順方向電圧（V_F）：順方向電流（I_F）20 mAにおいて、標準値1.6V（最大1.6V）。これは電流制限抵抗の値を計算するために使用されます：R = (V_電源- V_F) / I_F.
• 逆方向電流（I_R）：逆方向電圧（V_R）5Vにおいて、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。

2.2.2 出力側光トランジスタ特性

• コレクタ-エミッタ間降伏電圧（V_(BR)CEO）：最小30V。これはベースが開放状態のときに光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において、最大100 nA。これは光トランジスタがオフ状態（光が入射していない状態）でのリーク電流です。良好な信号対雑音比を得るためには、低い値が望ましいです。

2.2.3 カプラ（システム）特性

これらのパラメータは、LEDと光トランジスタの組み合わせたペア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)）：光トランジスタが飽和状態に駆動されたとき（I_C=0.25mA, I_F=20mA）、最大0.4V。低い飽和電圧は、論理回路とのインターフェースにおいて重要です。
• オン状態コレクタ電流（I_C(ON)）：光トランジスタが照射されたとき（V_CE=5V, I_F=20mA）、最小1.5 mA。これは生成される光電流であり、センサの感度を定義します。実際の電流は、遮断物体の反射率やアライメントによって高くなる可能性があります。

3. 機械的仕様・パッケージ情報

LTH-301-27P1は、標準的な4ピンのデュアルインチラインパッケージに収められています。正確な寸法はデータシート内のパッケージ図面に記載されています。主な機械的注意点は以下の通りです：

• 特に指定がない限り、すべての寸法はミリメートル単位で、標準公差は±0.25mmです。
• パッケージは、IR発光部と光検出部の間にスロットまたはギャップを備えています。検出対象の物体はこのギャップを通過します。
• 極性は明確にマークされています。IR LEDのアノードとカソードピン、および光トランジスタのコレクタとエミッタピンが識別されています。PCB実装時の正しい向きは必須です。
• 本デバイスは、PCB実装とソケット実装の両方に適しており、組立の柔軟性と現場での交換可能性を提供します。

4. はんだ付け・組立ガイドライン

信頼性のためには、適切な取り扱いが重要です。

• はんだ付け：リードは、プラスチックケース本体から1.6mmの位置で測定して、260°Cの温度で最大5秒間耐えることができます。このガイドラインはウェーブはんだ付けプロセスにおいて重要です。リフローはんだ付けの場合は、ピーク温度が260°C未満の標準プロファイルが推奨されます。
• 洗浄：プラスチック筐体と適合する穏やかな洗浄剤を使用してください。過度な出力での超音波洗浄は内部部品を損傷する可能性があるため、避けてください。
• 保管：指定された保管温度範囲-40°C ～ +100°C内の環境で、湿気の吸収を防ぐために低湿度条件が望ましいです。
• ESD対策：明示的に敏感とは記載されていませんが、組立時には半導体デバイスに対する標準的なESD（静電気放電）取り扱い手順に従うべきです。

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

最も一般的な構成は、IR LEDを電流制限抵抗と直列に接続し、電圧源（例：5V）に接続する方法です。光トランジスタは通常、コモンエミッタ構成で接続されます：コレクタは負荷抵抗（R_L）を介して供給電圧（例：5V）にプルアップされ、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。

• ビームが遮られていないとき、光は光トランジスタに当たり、導通してコレクタ電圧を低く（V_CE(SAT)付近に）引き下げます。
• 物体がビームを遮ると、光トランジスタはオフになり、コレクタ電圧は負荷抵抗によってハイレベルにプルアップされます。
• 負荷抵抗（R_L）の値は、スイッチング速度と消費電流を決定します。R_Lが小さいほどスイッチングは速くなりますが、トランジスタがオンのときに流れる電流は多くなります。

5.2 設計上の考慮点

• アライメント：物体の経路とセンサギャップの正確な機械的アライメントは、信頼性の高い動作のために重要です。
• 環境光：センサは赤外線を使用するため、強い環境IR光源（例：太陽光、白熱電球）からの干渉を受けやすい可能性があります。変調されたIR信号と同期した検出回路を使用することで、耐性を大幅に向上させることができます。
• 物体特性：センサの有効性は、物体がIRビームを反射または吸収する能力に依存します。暗く反射性の低い物体は、明るい色の物体ほど確実に検出されない可能性があります。実際のターゲット材料でのテストが推奨されます。
• デバウンス：センサ自体には接点バウンスはありませんが、電気出力にはノイズが含まれる可能性があります。クリーンなデジタル信号を得るためには、ソフトウェアまたはハードウェアによるデバウンス（例：単純なRCフィルタやシュミットトリガ入力）が必要になる場合があります。

6. 動作原理

フォトインタラプタは、光ビーム遮断の原理で動作します。内部では、赤外線LEDが通常約940nmの波長の光を発光します。これは人間の目には見えません。その真向かいに、この光を受信するためのシリコン光トランジスタが配置されています。光トランジスタは、光制御スイッチとして機能します。IR LEDからの光子がそのベース領域に衝突すると、電子-正孔対が生成され、それによってはるかに大きなコレクタ電流が流れるようになります。これが光電効果です。このコレクタ電流の大きさは、入射光の強度に比例します。不透明な物体がLEDと光トランジスタの間のギャップに入ると、光路が遮断されます。光トランジスタ上の光の強度が劇的に低下し、そのコレクタ電流が非常に低い値（実質的には暗電流）まで低下します。この電流の急激な変化（または負荷抵抗両端の対応する電圧変化）が外部回路によって検出され、スイッチングイベントとして解釈されます。

7. 性能曲線と分析

データシートには、表形式の最小/標準/最大値以上の貴重な知見を提供する代表的な特性曲線が含まれています。

• 伝達特性（I_C対 I_F）：この曲線は、固定のコレクタ-エミッタ間電圧において、光トランジスタの出力電流（I_C）がLEDの入力電流（I_F）とともにどのように変化するかを示します。特定の条件下での入力駆動と出力応答の線形関係を示し、所望の感度を得るためのLED駆動電流の最適化に役立ちます。
• 出力特性（I_C対 V_CE）：これらの曲線は、異なるレベルの入射光（または異なるI_F）に対してプロットされ、光トランジスタが電流源のように振る舞う様子を示します。コレクタ電流は、飽和に達するまで、V_CEの範囲で比較的一定に保たれます。
• 温度依存性：順方向電圧（V_F）やコレクタ暗電流（I_CEO）などのパラメータが温度とともにどのように変化するかを示す曲線は、指定された全温度範囲で動作するシステムを設計する上で重要です。例えば、V_Fは通常、温度が上昇すると減少するため、定電圧源で駆動する場合、LEDの光出力にわずかな影響を与える可能性があります。

8. よくある質問と回答

Q: このセンサの代表的な応答時間はどれくらいですか？

A: 提供されたデータには明示されていませんが、このようなフォトインタラプタの応答時間は通常マイクロ秒の範囲にあり、高速カウントに適しています。実際の速度は、光トランジスタの立ち上がり/立ち下がり時間と外部回路のRC時定数によって制限されます。

Q: このセンサを屋外で使用できますか？

A: 注意が必要です。直射日光には強い赤外線成分が含まれており、光トランジスタを飽和させ、誤動作を引き起こす可能性があります。信頼性の高い屋外使用のためには、環境光を遮る物理的なシールドや筐体、光学フィルタリングや信号変調技術が必要です。

Q: LEDの電流制限抵抗の値はどのように選べばよいですか？

A: 次の式を使用します：R = (V_CC- V_F) / I_F。例えば、5V電源（V_CC）、典型的なV_F1.6V、希望するI_F20 mAの場合：R = (5 - 1.6) / 0.02 = 170 Ω。標準的な180 Ωの抵抗が適切で、I_F≈ 18.9 mAとなります。

Q: エミッタ-コレクタ間降伏電圧（V_(BR)ECO）定格の目的は何ですか？

A> この定格（5V）は、光トランジスタが反転構成（エミッタがコレクタよりも高い電位）で接続される場合に関連しますが、そのような構成は一般的ではありません。これは、デバイスがC-E接合にかかる小さな逆電圧に耐え、損傷しないことを保証します。

9. 実用的な使用例

アプリケーション：プリンタ内の用紙検出

LTH-301-27P1は、プリンタや複写機で用紙の前端を検出するために使用できます。センサは、用紙がそのギャップを通過するように取り付けます。反射フラグまたは用紙自体がビームを遮断します。ビームが遮られていないとき（用紙なし）、光トランジスタはオンになり、低電圧を出力します。用紙がギャップに入ると、ビームが遮断され、光トランジスタはオフになり、出力電圧はハイレベルになります。この立ち上がりエッジ信号をマイクロコントローラに送ることで、印刷シーケンスの開始、用紙存在の確認、ページカウントを行うことができます。非接触であるため、用紙やセンサの摩耗がなく、高速応答により高速給紙速度でも検出が可能です。設計上の考慮点としては、用紙経路がセンサギャップと正確にアライメントされていることを確認すること、およびマイクロコントローラの入力ピンに対してクリーンで高速な電圧スイングを提供する負荷抵抗を選択することが含まれます。

10. 技術トレンド

フォトインタラプタは、そのシンプルさ、信頼性、低コストにより、基本的なセンシング技術として残り続けています。現在のトレンドは小型化に焦点が当てられており、現代の電子機器で基板スペースを節約する表面実装デバイス（SMD）パッケージが主流です。また、ヒステリシスとクリーンなデジタル出力のための内蔵シュミットトリガ、さらには優れた環境光除去のために変調IRドライバと同期検出ICを単一チップ上に統合した完全統合ソリューションなど、追加回路の統合も進んでいます。さらに、材料とパッケージングの進歩により、自動車や産業用途向けに動作温度範囲が拡大され、長期信頼性が向上しています。飛行時間（ToF）センサのような新しい技術が距離測定を提供する一方で、コスト重視のアプリケーションにおけるシンプルな二値存在検出のための基本的なフォトインタラプタの役割は、確固たる地位を保っています。