LTH-872-T55T1 フォトインタラプタ データシート - スロット型光センサ - 日本語技術文書

1. 製品概要

LTH-872-T55T1は、非接触センシングアプリケーション向けに設計された基本的な光電子部品であるスロット型フォトインタラプタです。赤外発光ダイオード（LED）とフォトトランジスタを一つのハウジング内に統合し、物理的な隙間（スロット）で隔てています。 動作原理の核心は、エミッタから検出器へ向かう赤外光ビームの遮断です。不透明な物体がこのスロットを通過すると光を遮り、フォトトランジスタの出力電流に大きな変化を引き起こします。この変化を電気的に検出することで、信頼性の高いデジタルスイッチング信号を提供します。 フォトインタラプタは、機械式スイッチと比較して、高い信頼性、精度、およびほこりや表面汚れなどの環境要因に対する耐性がある点で優れています。

主な利点：このデバイスの主な利点は、真の非接触スイッチングにより機械的摩耗がなく、長い動作寿命を保証することです。高速応答時間を提供し、高速イベントの検出を可能にします。設計は直接PCB実装またはデュアルインラインソケット使用に適しており、組立の柔軟性があります。構造上、周囲光干渉に対する固有の保護を提供します。

ターゲット市場とアプリケーション：この部品は、様々なオフィスオートメーション機器および民生電子機器で広く使用されています。代表的なアプリケーションシナリオには、ファクシミリ、プリンタ、複写機における用紙検知（用紙の有無、紙詰まり、またはプリントヘッドやキャリッジの位置検知）が含まれます。また、スキャナ、自動販売機、位置検知のための産業オートメーション、物理的接触なしに正確で信頼性の高い物体検出を必要とするあらゆるデバイスにも見られます。

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発生する可能性のあるストレスの限界を定義します。これらの限界以下または限界での動作は保証されません。

• 入力LED：
  • 電力損失（P_D）：75 mW。これは周囲温度（T_A）25°CにおいてLEDチップが熱として放散できる最大電力です。これを超えると熱暴走や故障を引き起こす可能性があります。
  • 連続順方向電流（I_F）：50 mA。LEDに連続的に流すことができる最大DC電流です。
  • ピーク順方向電流：1 A（パルス幅 = 10 µs、300 pps）。この定格により、平均定格電力を超えずに、より高い瞬時光出力でLEDを駆動するのに有用な、短時間の高電流パルスが可能になります。
  • 逆電圧（V_R）：5 V。LEDに印加できる最大逆バイアス電圧です。これを超えると接合部破壊を引き起こす可能性があります。
• 出力フォトトランジスタ：
  • 電力損失（P_D）：100 mW。
  • コレクタ-エミッタ間電圧（V_CEO）：30 V。ベース（光入力）がオープンの状態でコレクタとエミッタ間に印加できる最大電圧です。
  • コレクタ電流（I_C）：20 mA。コレクタ-エミッタ経路を流れることができる最大電流です。
• 熱的限界：
  • 動作温度範囲：-25°C ～ +85°C。デバイスが正しく動作することが規定されている周囲温度範囲です。
  • 保存温度範囲：-55°C ～ +100°C。
  • リードはんだ付け温度：260°C、5秒間（ケース本体から1.6mmの位置）。これは、プラスチックパッケージや内部ワイヤボンドへの損傷を防ぐための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標準試験条件（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。

• 入力LED特性：
  • 順方向電圧（V_F）：代表値 1.2V、最大 1.6V（I_F= 20 mA時）。このパラメータは、LED駆動回路の電流制限抵抗を設計する上で重要です。代表的な設計では、I_F=20mAを目標とし、計算にはV_F~1.2Vを使用します。
  • 逆電流（I_R）：最大 100 µA（V_R= 5V時）。これは逆バイアス下でのLEDのPN接合の品質を示します。
• 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（I_C=1mA時）。これは、代表的な5Vまたは12Vロジック回路に対して十分な安全マージンを確保します。
  • コレクタ-エミッタ間暗電流（I_CEO）：最大 100 nA（V_CE=10V時）。これはLEDがオフ（光なし）の時のリーク電流です。特に高利得回路では、明確なOFF状態を得るために低い値が不可欠です。
• カプラ（システム）特性：
  • オン状態コレクタ電流（I_C(ON)）：最小 0.5 mA（V_CE= 5V、I_F= 20 mA時）。これは重要な感度パラメータです。スロットが遮られていない時の最小出力電流を定義します。設計者は、この電流が使用可能な電圧振幅を生み出すように負荷抵抗（R_L）を選択する必要があります。
  • コレクタ-エミッタ間飽和電圧（V_CE(SAT)）：最大 0.4V（I_C= 0.25mA、I_F= 20mA時）。この低い飽和電圧は、フォトトランジスタが飽和（完全ON）状態に駆動された時の良好な性能を示し、ラインをグランドに非常に近い電圧まで引き下げることを可能にします。
  • 応答時間：
    • 立上り時間（T_r）：代表値 3 µs、最大 15 µs。
    • 立下り時間（T_f）：代表値 4 µs、最大 20 µs。
    測定条件：V_CC=5V、I_C=2mA、R_L=100Ω。これらの時間は最大スイッチング周波数を制限します。非対称な時間はフォトトランジスタでは一般的です。保守的な設計では、最大周波数を 1/(T_r+T_f) ~ 1/40µs = 25 kHz と仮定します。

3. 性能曲線分析

データシートには代表的な性能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、その標準的な解釈は以下の通りです：

• 順方向電流 vs. 順方向電圧（I_F-V_F）：この曲線はダイオードに典型的な指数関数的関係を示します。温度や電流によるV_Fの変動を理解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）：所定のLED電流（I_F）に対して、このグラフはバイポーラトランジスタの出力曲線に似た、フォトトランジスタの出力特性を示します。これは能動領域から飽和領域への遷移を説明します。
• 電流伝達率（CTR） vs. 順方向電流：CTRは比率 I_C/ I_F（しばしばパーセンテージで表される）です。これはカプラの重要な効率パラメータです。曲線は通常、CTRが特定のI_Fでピークに達し、高電流では発熱やその他の影響により減少することを示します。
• 温度特性：I_C(ON)、V_F、CTRなどのパラメータが動作温度範囲（-25°C ～ +85°C）でどのように変化するかを示す曲線です。フォトトランジスタの利得は一般に温度上昇とともに減少するため、温度範囲全体で安定した性能を必要とする設計ではこれを考慮する必要があります。

4. 機械的・パッケージ情報

4.1 外形寸法

このデバイスは、スロットを含む成形プラスチックボディを備えた標準的なスルーホールパッケージを採用しています。データシートからの主要な寸法に関する注記：

• すべての寸法はミリメートル（mm）で提供されます。
• 指定されていない寸法のデフォルト公差は ±0.25 mm です。
• 具体的なスロット幅、ボディ高さ、リード間隔は寸法図で定義されています（本文では完全には詳細化されていません）。この情報は、検出対象物がスロットを通過できるかどうかの機械的統合、およびPCBフットプリント設計にとって重要です。

4.2 極性識別とピン配置

正しい動作のためには、正しいピン識別が不可欠です。パッケージはスロット型フォトインタラプタ用の標準的なピン配置を使用しています：赤外LED用の一対のピン（アノードとカソード）と、フォトトランジスタ用の別の一対のピン（コレクタとエミッタ）。データシートの図面でピン番号が指定されています。通常、デバイスを上面（スロット側）から見た場合、ピンは反時計回りに番号が振られています。設計者は図面を参照して、アノード、カソード、コレクタ、エミッタを正しく接続する必要があります。

5. はんだ付け・組立ガイドライン

製造プロセス中の損傷を防ぐためには、これらのガイドラインに従う必要があります。

• リフローはんだ付け：絶対最大定格では、リードはんだ付けを260°C、5秒間（ケース本体から1.6mmの位置で測定）と規定しています。これは標準的なリード付きリフロープロファイルに相当します。プラスチックパッケージの熱容量は限られているため、ひび割れや内部損傷を防ぐために高温への長時間の曝露は避ける必要があります。
• 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てください。熱をプラスチックボディではなくリード/ピンに加え、リードごとに3～5秒以内に接合を完了させてください。
• 洗浄：デバイスのプラスチック材料と適合性のある洗浄溶剤を使用し、応力ひび割れや劣化を避けてください。
• 保管条件：指定された保管温度範囲（-55°C ～ +100°C）内で、かつ低湿度の環境で保管してください。湿気に敏感なデバイスは、使用するまで密閉された乾燥パッケージに保管する必要があります。

6. アプリケーション設計上の考慮点

6.1 代表的なアプリケーション回路

標準的なインターフェース回路は、主に2つの部分で構成されます：

1. LED駆動回路：電流制限抵抗（R_LIMIT）がLEDと直列に接続されます。その値は R_LIMIT= (V_CC- V_F) / I_F として計算されます。5V電源、V_F=1.2V、I_F=20mAの場合、R_LIMIT= (5 - 1.2) / 0.02 = 190Ω となります。180Ωまたは200Ωの抵抗が適しています。
2. フォトトランジスタ出力：フォトトランジスタは通常、コモンエミッタスイッチとして接続されます。プルアップ抵抗（R_L）がコレクタと正電源（V_CC）の間に接続されます。エミッタはグランドに接続します。光がトランジスタに当たると（スロットが開いている状態）、トランジスタはONになり、コレクタ電圧を低く（V_CE(SAT)付近に）引き下げます。光が遮断されると、トランジスタはOFFになり、コレクタ電圧はR_Lによってハイレベルに引き上げられます。R_Lの値は出力電圧振幅と速度を決定します。R_Lを小さくすると応答は速くなりますが、より多くの電流を消費します。試験条件のR_L=100Ωを出発点として使用するのが一般的です。

6.2 設計上の課題と解決策

• 周囲光耐性：スロット設計はある程度の保護を提供しますが、強い周囲光（特に赤外線）はフォトトランジスタに影響を与える可能性があります。変調された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。あるいは、スロットを覆うことで対応する方法もあります。
• 温度補償：フォトトランジスタの利得は温度上昇とともに減少するため、I_C(ON)は低下します。重要なアプリケーションでは、最高動作温度で十分なマージンを持つように回路を設計するか、単純なプルアップ抵抗インターフェースの代わりに調整可能なしきい値を持つコンパレータを使用します。
• 物体特性：ビームを遮断する物体は、発光波長（約940nm）に対して不透明でなければなりません。薄いまたは半透明の材料は確実に検出できない可能性があります。物体のサイズは、スロット内でビームを完全に遮断するのに十分でなければなりません。

7. 技術比較と差別化

他のセンシング技術との比較：

• 機械式マイクロスイッチとの比較：フォトインタラプタは、優れた信頼性（摩耗する可動部品なし）、より高速な応答、静粛な動作を提供します。接点バウンスの影響を受けません。
• 反射型光センサとの比較：スロット型は、エッジ検出や精密な位置検知において一般により信頼性が高くなります。これは、対象物の反射率や色の変動の影響を受けにくいためです。ビームは完全に遮断されるか、遮断されないかのいずれかです。
• ホール効果センサとの比較：ホールセンサは光の遮断ではなく磁場を検出します。異なる物理現象（例：磁石の検出）に使用されます。フォトインタラプタは、あらゆる不透明な物体の検出に使用されます。
• フォトインタラプタ内での比較：LTH-872-T55T1の具体的な差別化は、その電気的定格（例：V_CEO=30V、I_C(ON)最小=0.5mA）、パッケージ寸法、および大量生産のオフィスオートメーションアプリケーションにおけるコスト効率の組み合わせにあります。

8. よくある質問 (FAQ)

• Q: LEDの代表的な動作電流はどれくらいですか？A: 標準試験条件および一般的な動作点は I_F= 20 mA です。これは光出力、消費電力、および寿命の間の良好なバランスを提供します。
• Q: 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: ほとんどのマイクロコントローラのGPIOピンは20mAを連続的に供給または吸収できません。必要な電流を供給するために、単純なトランジスタやMOSFET駆動回路、または専用のLED駆動ICを使用することをお勧めします。
• Q: 出力をデジタル入力にどのように接続すればよいですか？A: フォトトランジスタのコレクタ（プルアップ抵抗付き）は、標準的なCMOSまたはTTLロジック入力に直接接続できます。スロットが開いているとき、入力はLOWと読み取られます。遮断されているときは、HIGHと読み取られます。プルアップ電圧がロジックファミリと互換性があることを確認してください（例：5Vロジックには5V、3.3Vロジックには3.3V）。
• Q: 遮断時に出力が電源ラインまで完全に切り替わらないのはなぜですか？A: これは、暗電流（I_CEO）がプルアップ抵抗を流れている可能性が高いです。非常に大きなプルアップ抵抗（例：100kΩ）を使用すると、100nAのリークでも大きな電圧降下を引き起こす可能性があります。確実なHIGHレベルを確保するために、より小さなプルアップ抵抗（例：1kΩ ～ 10kΩ）を使用し、電流消費と速度のバランスを取ります。
• Q: 推奨されるPCBレイアウトの実践方法は何ですか？A: LED駆動トレースとフォトトランジスタ出力トレースを分離して、ノイズ結合を最小限に抑えてください。電流制限抵抗とプルアップ抵抗はデバイスの近くに配置してください。PCB上のスロット領域は、赤外光ビーム経路を妨げる可能性のあるソルダーマスクや部品がないことを確認してください。

9. 動作原理

フォトインタラプタは、物理的物体によって遮断される直接光結合の原理で動作します。赤外LEDは、通常約940 nm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、シリコンフォトトランジスタがこの波長に感度を持っています。遮断されていない状態では、赤外光がフォトトランジスタのベース領域に当たり、電子-正孔対を生成します。この光電流はベース電流として作用し、トランジスタをオンにしてはるかに大きなコレクタ電流（I_C(ON)）を流します。不透明な物体がスロットに入ると、光路が完全に遮断されます。光電流が止まり、実効的なベース電流がゼロに低下し、フォトトランジスタはオフになり、わずかなリーク電流（I_CEO）のみが流れます。ON状態とOFF状態のこの明確な対比により、物体の有無を示すクリーンで信頼性の高いデジタル信号が提供されます。

10. 業界動向

フォトインタラプタは、そのシンプルさ、堅牢性、低コストにより、成熟した広く使用されている技術であり続けています。業界の現在のトレンドは、いくつかの分野に焦点を当てています：

• 小型化：ますますコンパクトになる民生電子機器やモバイルデバイスに適合するため、より小さなパッケージサイズ（例：非常に狭いスロットを持つ表面実装デバイス）の開発。
• 性能向上：高速機械のためのより高速な応答、バッテリー駆動デバイスのための低消費電力、およびより良い温度安定性などのパラメータの改善。
• 統合化：ヒステリシスのためのシュミットトリガ、微弱信号のための増幅器、さらにはデジタルインターフェース（I2C）など、追加の回路をパッケージ内に組み込み、システム設計を簡素化するスマートセンサの創出。
• 材料の進歩：高度なプラスチックやレンズ設計を使用して、光のコリメーションを改善し、結合効率を高め、高温や高湿度などの環境要因に対する耐性を向上させる。

ToF（Time-of-Flight）センサやビジョンシステムなどの新しい技術の登場にもかかわらず、基本的なスロット型フォトインタラプタは、無数のシンプルで信頼性が高く、コストに敏感な存在検知アプリケーションにとって最適なソリューションであり続けています。