フォトインタラプタ LTH-872-N55T1 データシート - 日本語技術文書

1. 製品概要

LTH-872-N55T1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に組み合わせた光電子部品の一種です。その主な機能は、物体からの反射光ビームの遮断を検知することで、物理的な接触なしに物体の有無を検出することです。このデバイスは、信頼性が高く、高速で非侵襲的な物体検出または位置検出を必要とするアプリケーション向けに設計されています。

1.1 中核的な利点

このフォトインタラプタの主な利点は、その基本的な動作原理と設計に起因しています。非接触スイッチングにより機械的な摩耗がなく、機械式スイッチと比較して動作寿命と信頼性が大幅に向上します。これは高サイクル数のアプリケーションにおいて極めて重要です。さらに、高速スイッチング速度を提供し、立ち上がり時間と立ち下がり時間は典型的にマイクロ秒の範囲であり、高速で移動する物体や高周波イベントの検出を可能にします。一体型パッケージにより、発光部と受光部の位置合わせが正確に保たれ、組立が簡素化され、一貫性が向上します。

1.2 ターゲット市場と用途

この部品の主なターゲット市場は、オフィスオートメーションと精密計測機器です。文書化されている主な用途は、スキャナーとプリンター内部です。これらの機器では、フォトインタラプタは、用紙有無検出（例：用紙の前端検知）、用紙詰まり検出、キャリッジまたはプリントヘッドの位置検出、可動機構の原点位置検出などの機能に一般的に使用されます。高速応答時間は、現代のスキャン・印刷機器の高スループットを維持するために不可欠です。

2. 詳細な技術パラメータ分析

電気的・光学的特性を理解することは、適切な回路設計と、デバイスの規定限界内での信頼性の高い動作を確保するために重要です。

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。通常動作時の値ではありません。

• 入力LED：
  • 電力損失（P_D）：最大75 mW。
  • 連続順方向電流（I_F）：最大50 mA。これはLEDを流すことができる絶対最大電流です。
  • 逆電圧（V_R）：最大5 V。これを超えるとLED接合が破壊される可能性があります。
• 出力フォトトランジスタ：
  • 電力損失（P_C）：最大100 mW。
  • コレクタ-エミッタ電圧（V_CEO）：最大30 V。これは、ベースが開放状態（暗状態）のときに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。
  • エミッタ-コレクタ電圧（V_ECO）：最大5 V（逆電圧定格）。
  • コレクタ電流（I_C）：最大20 mA。
• 環境：
  • 動作温度（T_opr）：-25°C ～ +85°C。
  • 保存温度（T_stg）：-55°C ～ +100°C。
  • リードはんだ付け温度（T_sol）：最大5秒間 260°C（ケースから1.6mmのリードに対して）。

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、通常動作条件下でのデバイスの性能を定義します。

• 入力LED特性：
  • 順方向電圧（V_F）：順方向電流（I_F）20 mA時、典型的に1.2V～1.6V。これはLEDが点灯時の両端電圧降下です。
  • 逆電流（I_R）：逆電圧（V_R）5V時、最大100 µA。これはLEDが逆バイアス時のわずかなリーク電流です。
• 出力フォトトランジスタ特性：
  • コレクタ-エミッタ暗電流（I_CEO）：V_CE=10V時、最大100 nA。これはフォトトランジスタが完全な暗状態（LEDからの光なし）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-エミッタ飽和電圧（V_CE(SAT)）：I_C=0.25mA、I_F=20mA時、最大0.4V。これはトランジスタが完全にオン（飽和）状態の時の両端電圧です。低い飽和電圧は、スイッチング素子での電力損失を最小限に抑えます。
  • オン状態コレクタ電流（I_C(ON)）：V_CE=5V、I_F=20mA時、最小0.5 mA。これはLEDが駆動され、ビームが遮断されていない（反射モードを想定）場合の最小出力電流を規定します。
• カプラ（システム）応答時間：
  • 立ち上がり時間（T_R）：3 µs（典型）～ 15 µs（最大）。これはLEDが点灯したとき、フォトトランジスタの出力が最終値の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）：4 µs（典型）～ 20 µs（最大）。これはLEDが消灯したとき、出力が90%から10%まで低下するのにかかる時間です。これらの高速な時間は、前述の高速スイッチング速度機能にとって重要です。
  • 試験条件：V_CE=5V、I_C=2mA、R_L=100 Ω。

3. 性能曲線分析

データシートでは典型的な電気的・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には提供されていませんが、その目的は様々な条件下での主要パラメータ間の関係を説明することであり、堅牢な設計には不可欠です。

3.1 曲線情報の推測

この種の部品の標準的な慣行に基づくと、典型的な曲線には以下が含まれる可能性があります：

• 順方向電流 vs. 順方向電圧（I_F-V_F）：この曲線は、LEDを流れる電流とその両端電圧の非線形関係を示します。与えられた電源電圧から所望の駆動電流を得るために必要な直列抵抗値を決定するのに役立ちます。
• コレクタ電流 vs. コレクタ-エミッタ電圧（I_C-V_CE）：フォトトランジスタの場合、この曲線群は異なる入射光レベル（または異なるLED駆動電流I_F）に対してプロットされます。これは、光照射条件下でのトランジスタの動作領域（遮断、能動、飽和）を定義します。
• 電流伝達率（CTR） vs. 順方向電流：CTRは、フォトトランジスタの出力コレクタ電流（I_C）とLEDの入力順方向電流（I_F）の比率であり、通常はパーセンテージで表されます。この曲線は、駆動電流に応じて効率がどのように変化するかを示し、十分な出力信号振幅を確保するためのインターフェース回路設計に重要です。
• 温度依存性：順方向電圧（V_F）、暗電流（I_CEO）、CTR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曲線。これは、規定の全温度範囲（-25°C ～ +85°C）で安定した動作を確保するために不可欠です。

4. 機械的・パッケージ情報

パッケージ寸法は参照されていますが、提供された本文では詳細は記述されていません。注記では、すべての寸法はミリメートル（括弧内はインチ）で、特に断りのない限り一般的な公差は±0.25mmであると指定されています。型番LTH-872-N55T1は、反射型フォトインタラプタに一般的な特定のパッケージスタイルを示唆しており、通常はスリット付きの成形プラスチックボディを特徴とします。発光部と受光部はこのスリットを挟んで同じ方向を向いており、発光された光を反射して戻す物体を検出できるようになっています。

4.1 極性識別とピン配置

正確なピン配置は記載されていませんが、標準的なフォトインタラプタパッケージには4つのピンがあります：赤外LEDのアノードとカソード用の2ピン、およびNPNフォトトランジスタのコレクタとエミッタ用の2ピンです。データシートには通常、上面図とピン番号（例：1: アノード、2: カソード、3: コレクタ、4: エミッタ）を示す図が含まれます。LEDの正しい極性接続は、損傷を防ぐために必須です。

5. はんだ付け・組立ガイドライン

データシートは、組立に関する重要なパラメータを提供しています：最大リードはんだ付け温度です。プラスチックケースから1.6mm（0.063インチ）の位置にあるリードに対して、温度は5秒間 260°Cを超えてはなりません。これは、フローはんだ付けや手はんだ付けの標準的な定格です。リフローはんだ付けの場合、部品は使用される特定のリフロープロファイル（通常、ピーク温度は約240-250°C）と互換性がなければなりません。これらの熱的限界を超えると、半導体接合の内部損傷やプラスチックパッケージの変形を引き起こし、光学的な位置合わせと性能に影響を与える可能性があります。

6. アプリケーション提案と設計上の考慮事項

6.1 代表的なアプリケーション回路

基本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ドライバ：電流制限抵抗がLEDと直列に接続されます。抵抗値（R_series）は次のように計算されます：R_series= (V_CC- V_F) / I_F。典型的なV_Fを1.4V、所望のI_Fを20mA、電源を5Vとすると、R_series= (5 - 1.4) / 0.02 = 180 Ωとなります。標準的な180Ωまたは220Ωの抵抗が適しています。定電圧ではなく定電流でLEDを駆動すると、より安定した光出力が得られます。
2. フォトトランジスタ出力：フォトトランジスタは通常、エミッタ接地構成で使用されます。負荷抵抗（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されます。光がトランジスタに当たると、トランジスタがオンになり、コレクタ電圧が低く（V_CE(SAT)に向かって）引っ張られます。暗状態では、トランジスタはオフになり、コレクタ電圧はR_CCによってV_Lまで高く引っ張られます。R_Lの値は出力電圧振幅と速度を決定します；R_Lが小さいほど応答は速くなりますが振幅は小さくなります。データシートではR_L=100Ωで試験されています。

6.2 設計上の考慮事項

• 外来光耐性：反射型センサーとして、外来光（特に太陽光や赤外線を含む明るい室内照明）の影響を受けやすい場合があります。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、このような干渉に対する耐性を大幅に向上させることができます。
• 物体の反射率：有効な検知距離と信号強度は、対象物体の反射率に大きく依存します。反射率の高い表面（白紙など）が最も効果的であり、暗い表面やつや消し表面では十分な光が反射されない可能性があります。
• 位置合わせとギャップ：最適な検知距離（センサーと反射物体間のギャップ）は通常、完全なデータシートで規定されています。機械設計では、このギャップが一貫して維持されることを保証しなければなりません。
• 電気的ノイズ：長いケーブル配線やノイズの多い環境では、フォトトランジスタ出力はオフ時に高インピーダンスノードであり、ピックアップノイズに敏感になる可能性があるため、出力信号の適切なシールドとフィルタリングが必要になる場合があります。

7. 技術比較と差別化

他の検知技術と比較して、このフォトインタラプタは特定の利点を提供します：

• 機械式スイッチとの比較：接点バウンスがなく、寿命が大幅に長い（数百万サイクル vs. 数千サイクル）、応答が速く、静粛な動作。
• 透過型フォトインタラプタ（スロット型フォトカプラ）との比較：LTH-872-N55T1のような反射型は、物体がスロットを通過する必要がなく、離れた距離で物体を検知できます。これは、用紙が表面に沿って走行する用紙検出などのアプリケーションにおいて、機械設計を簡素化します。
• 現代のセンサー（例：ホール効果、超音波）との比較：フォトインタラプタは、基本的な有無検出に対して一般的にシンプルで低コストです。磁石（ホールセンサーのような）を必要とせず、超音波センサーよりも複雑さが少ないですが、非反射性のターゲットでは効果が低い場合があります。

8. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q: 暗電流（I_CEO）仕様の目的は何ですか？

A: 暗電流は、フォトトランジスタが完全に暗い状態（LEDからの光も外来光もない）のときに流れるわずかなリーク電流です。オフ状態では、この電流が負荷抵抗（R_L）を流れることで小さな電圧降下が生じます。暗電流が高いと、出力電圧が完全にハイの論理レベルにならず、後段の回路による誤解釈を引き起こす可能性があります。規定の最大値100 nAは非常に低く、クリーンなオフ状態信号を保証します。

Q: 適切なLED駆動電流（I_F）はどのように選択すればよいですか？

A: 駆動電流は光出力に影響し、それはフォトトランジスタの出力電流（I_C(ON)）とデバイスの感度に直接影響します。典型的な試験条件である20mAで動作させることは良い出発点です。アプリケーションが高反射率で短距離の場合は、電流を減らして電力を節約できます。電流を増やすと、検出が難しいターゲットに対して信号強度が向上する可能性がありますが、電力損失が増加し、絶対最大値50mAを下回る必要があります。ガイダンスとして、典型的なCTR vs. I_F曲線を参照してください。

Q: このセンサーを屋外で使用できますか？

A: 動作温度範囲（-25°C ～ +85°C）により、多くの環境での使用が可能です。ただし、直射日光には強い赤外線放射が含まれており、フォトトランジスタを飽和させ、常にオン検出を引き起こす可能性があります。屋外使用の場合は、光学フィルター（可視光を遮断しLEDの波長を通すIRパスフィルター）および/または信号変調技術を強く推奨し、外来IR光を除去します。

9. 動作原理

LTH-872-N55T1は、内部反射変調の原理に基づいて動作します。赤外LEDが光を発します。検知フィールド内に反射ターゲットがない場合、この光の大部分は散逸します。適切に反射する物体がフィールドに入ると、発光された光の一部がデバイスに向かって反射されます。同じ赤外波長に敏感な一体型フォトトランジスタが、この反射光を検出します。入射光子はフォトトランジスタのベース領域で電子-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、反射光の強度に比例したコレクタ電流（I_C）が流れます。この出力電流/電圧の変化は、外部回路によって物体の存在を信号化するために使用されます。

10. 業界動向

基本的なフォトインタラプタ技術は成熟していますが、動向は小型化、集積化、および機能強化に焦点を当てています。新しいデバイスには以下の特徴がある場合があります：

- 表面実装（SMD）パッケージ：高密度PCB実装のための小さな占有面積。

- 集積化IC：一部の最新のフォトインタラプタには、増幅、ヒステリシスのためのシュミットトリガ、さらにはオンチップのデジタル出力（例：I2C）が含まれており、インターフェース設計を簡素化します。

- 高速化：機械速度の増加に対応するため、さらに高速な応答時間に向けた開発が続いています。

- 外来光除去性能の向上：高度な光学設計と変調方式が採用され、困難な照明環境下でもセンサーをより堅牢にしています。LTH-872-N55T1のような部品に体現される中核的な反射検知原理は、幅広い非接触検出タスクに対する信頼性が高く費用対効果の高いソリューションであり続けています。