ITR1502SR40A/TR8 反射型フォトインタラプタ データシート - サイズ 4.0x3.0x2.0mm - 順方向電圧 1.2V - 消費電力 75mW - ブラッククリアレンズ - 日本語技術文書

1. 製品概要

ITR1502SR40A/TR8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、高集積の表面実装型反射型フォトインタラプタです。単一のコンパクトなブラッククリアレンズパッケージ内に、赤外線発光素子とシリコンフォトトランジスタ検出器を組み合わせています。本デバイスは、最適検出距離4mmで物体の存在や動きを確実に検出するように設計されています。リードレスパッケージは、現代のリフローはんだ付けプロセスとの互換性を考慮して特別に設計されており、大量自動組立に適しています。

1.1 主な特徴と利点

• 高感度:シリコンフォトトランジスタは、反射した赤外線に対して強力な電気的応答を提供し、信頼性の高い検出を可能にします。
• 可視光カットオフ:ブラッククリアレンズ材料は、周囲の可視光を効果的に遮断し、環境光源による誤動作の可能性を最小限に抑えます。
• コンパクトな形状:寸法が4.0 mm x 3.0 mm x 2.0 mmと小さく、スペースに制約のあるPCB設計に最適です。
• リフローはんだ付け対応:リードレス（テープ＆リール）パッケージにより、標準的なSMT組立が可能で、ピークはんだ付け温度260°Cを5秒間までサポートします。
• 環境規格対応:本デバイスは、ハロゲンフリー規格（Br < 900ppm、Cl < 900ppm、Br+Cl < 1500ppm）、EU REACH規則に準拠しており、RoHSにも対応しています。
• 長焦点距離:同ファミリーのパッケージにおいて、比較的長い4mmの最適検出距離を提供します。

1.2 ターゲット市場とアプリケーション

この部品は、信頼性が高く低コストな物体検出を必要とする、民生電子機器、オフィスオートメーション、産業制御システムの設計者を対象としています。その主な機能は、物理的な接触なしに物体の存在、不在、通過を検出することです。

• プリンターおよびコピー機:紙詰まり、トレイ状態、用紙の有無の検出。
• 光学式ストレージドライブ（例：CD/DVD）:ディスクトレイ位置の検出やディスクの有無の検出。
• プロジェクターおよびディスプレイ:フィルター状態、カバー位置、その他の内部機構の監視。
• 自動販売機およびキオスク:商品の払い出しやユーザー操作の検出。
• 家電製品:スマートロック、コーヒーメーカー、その他の自動化デバイスにおける位置検出。

2. 詳細な技術パラメータ分析

ITR1502SR40A/TR8の性能は、包括的な電気的および光学的パラメータのセットによって定義されます。これらを理解することは、適切な回路設計と信頼性の高いシステム動作にとって重要です。

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。これらの条件下での動作は保証されません。

• 入力消費電力（Pd）:周囲温度25°C以下で75 mW。
• 順方向電流（IF）:50 mA（連続）。
• ピーク順方向電流（IFP）:デューティサイクル1%、パルス幅≤100μsで1 A。
• 逆電圧（VR）:5 V。
• コレクタ消費電力（PC）:75 mW。
• コレクタ電流（IC）:25 mA。
• コレクタ-エミッタ間電圧（V_CEO）:30 V。
• エミッタ-コレクタ間電圧（V_ECO）:5 V。
• 動作温度（T_opr）:-25°C ～ +85°C。
• 保存温度（T_stg）:-40°C ～ +100°C。
• リードはんだ付け温度:本体から1/16インチの位置で260°C、5秒間。

2.2 電気光学特性（Ta=25°C）

これらは、指定された試験条件下で保証される性能パラメータです。

入力（赤外線発光素子 - IR GaAsチップ）:

• 順方向電圧（V_F）:I_F= 20 mA時、標準1.2V、最大1.4V。これは、駆動時のLED両端の電圧降下を定義します。
• 逆電流（I_R）:V_R= 6V時、最大10 μA。
• ピーク波長（λ_P）:I_F= 10 mA時、940 nm（公称値）。これは近赤外スペクトルにあり、人間の目には見えません。

出力（フォトトランジスタ - シリコンチップ）:

• 暗電流（I_CEO）:V_CE= 20V時、標準1 nA、最大100 nA。これは、検出器に光が入射していないときのリーク電流です。
• 伝達特性 - コレクタ電流（I_C(ON)）:試験条件：V_CE=2V、I_F=4mA、反射ターゲット距離d=4mmにおいて、最小60 μA、標準値、最大450 μA。これは感度を示す重要なパラメータです。
• 伝達特性 - オフ状態電流（I_C(OFF)）:同じ試験条件で、反射がない（または吸収ターゲット）場合、最大600 nA。
• 応答時間（t_r、t_f）:立ち上がり時間と立ち下がり時間ともに、標準20 μs、最大100 μs。試験条件：V_CE=2V、I_C=100μA、R_L=1kΩ、d=4mm。これはスイッチング速度を定義します。

注: 動作暗電流は、周囲環境（例：周囲の赤外線源）の影響を受ける可能性があります。

2.3 コレクタ電流のビン区分

デバイスは、標準試験条件下で測定されたコレクタ電流（I_C(ON)）に基づいて選別（ビニング）されます。これにより、設計者はアプリケーションに応じて感度が一貫した部品を選択できます。

• ビン A:60 μA ≤ I_C(ON)< 120 μA
• ビン B:100 μA ≤ I_C(ON)< 220 μA
• ビン C:180 μA ≤ I_C(ON)< 350 μA
• ビン D:310 μA ≤ I_C(ON)≤ 450 μA

3. 性能曲線分析

提供されている特性曲線は、様々な条件下でのデバイスの動作に関する貴重な洞察を提供し、堅牢なシステム設計に不可欠です。

3.1 電気的特性

順方向電流 vs. 順方向電圧:この曲線は、赤外線発光ダイオードの典型的なIV特性を示しています。標準的なダイオードと同様に非線形です。20mA時の典型的な順方向電圧は約1.2Vです。

順方向電流 vs. コレクタ電流:これは伝達曲線であり、フォトトランジスタの出力電流（I_C）が入力LED駆動電流（I_F）とともにどのように増加するかを示しています。動作領域ではほぼ線形の関係にあり、デバイスの利得を示しています。

コレクタ電流 vs. コレクタ-エミッタ間電圧:この曲線群は、V_Cが変化する際の、異なるI_Fレベル（例：5mA、10mA、20mA、50mA）におけるI_CEを示しています。フォトトランジスタは電流源として動作し、あるV_CE（飽和電圧、通常は低い）以上では、I_Cは主に入射光（したがってI_F）によって決定されることを示しています。

3.2 温度特性

順方向電圧 vs. 周囲温度:LEDの順方向電圧は負の温度係数を持ち、温度が上昇するとわずかに減少します（-20°Cで約1.21Vから80°Cで1.16Vへ）。

相対コレクタ電流 vs. 周囲温度:これは重要な曲線です。コレクタ電流（感度）は、温度が上昇すると著しく減少します。80°Cでは、相対出力は25°C時の値の約80%にしかなりません。高温で動作する設計では、十分な信号マージンを確保するためにこの点を考慮する必要があります。

コレクタ暗電流 vs. 周囲温度:暗電流は温度とともに指数関数的に増加します（-40°Cで約0.1nAから100°Cでほぼ1000nAへ）。高温アプリケーションでは、この増加したリーク電流が信号の大部分を占める可能性があり、信号対雑音比を低下させる可能性があります。

消費電力 vs. 周囲温度:このデレーティング曲線は、周囲温度が25°Cを超えて上昇すると、デバイスの最大許容消費電力が直線的に減少し、100°Cで0 mWに達することを示しています。

3.3 光学的および空間的特性

波長スペクトル:相対放射強度曲線は、発光素子の出力が940 nmを中心とし、典型的なスペクトル幅を持つことを示しています。ブラッククリアレンズは、この赤外線を効果的に透過させながら、短い可視波長を遮断します。

相対コレクタ電流 vs. Z方向移動距離（ミラー）:この曲線はセンシングプロファイルを定義します。反射ターゲットが最適距離（4mm）にあるときに出力電流が最大になります。ターゲットが近づいたり遠ざかったりすると信号は減少し、実用的な検出ウィンドウを定義します。曲線の形状はほぼガウス分布です。

スイッチング時間 vs. 負荷抵抗:立ち上がり時間（t_r）と立ち下がり時間（t_f）は、負荷抵抗（R_L）が高くなるほど増加します。最速のスイッチングのためには、より低いR_Lを使用する必要がありますが、これにより出力電圧振幅も低くなります。設計者は速度と信号レベルをバランスさせる必要があります。

4. 機械的およびパッケージ情報

4.1 パッケージ寸法

本デバイスは、長さ4.0 mm、幅3.0 mm、高さ2.0 mmのコンパクトなリードレス表面実装パッケージを採用しています。主な寸法上の注意点は以下の通りです:

• すべての寸法はミリメートル単位です。
• 特に指定がない限り、公差は±0.1mmです。
• リード間隔は、リードがパッケージから出ている位置で測定されます。
• 製品質量は約0.025グラムです。

4.2 推奨PCBランドパターン

信頼性の高いはんだ付けと機械的安定性を確保するために、推奨されるはんだパッドレイアウトが提供されています。重要な設計ルールとして強調されているのは、はんだ量を注意深く制御し、PCBとハウジング本体の間の隙間にはんだが毛細管現象で吸い上げられたり漏れたりするのを防ぐことです。この領域にはんだが過剰にあると、ストレスが生じ、機能が損なわれたり、長期信頼性が低下したりする可能性があります。ランド設計には通常、熱緩和接続と強固な接続のための十分な銅面積が含まれています。

4.3 極性と向き

デバイスには、ピン1を示すマーキング（通常は上面のドットまたはノッチ）があります。ピン配置はこの種のデバイスでは標準的です：赤外線発光素子のアノードとカソードが1組、フォトトランジスタのコレクタとエミッタがもう1組を形成します。正確なピン割り当てについては、データシートの図を参照する必要があります。向きを間違えるとデバイスは動作しません。

5. はんだ付け、組立、および保管ガイドライン

5.1 リフローはんだ付け条件

ITR1502SR40A/TR8は、鉛フリー（Pbフリー）リフローはんだ付けプロセスに対応しています。推奨される温度プロファイルが提供されており、通常以下を含みます:

• 予熱/立ち上げ:フラックスを活性化するための制御された温度上昇。
• ソークゾーン:液相線以下の温度で一定期間保持し、均一な加熱を確保します。
• リフローゾーン:ピーク温度は260°Cを超えてはならず、240°C以上の時間は制限する必要があります（例：30-60秒）。
• 冷却:制御された冷却期間。

重要な注意点:内部部品や成形材への熱ストレス損傷を避けるため、同じデバイスに対してリフローはんだ付けを2回以上行わないでください。

5.2 湿気感受性と保管（MSL 3）

パッケージは湿気に敏感です。リフロー中の蒸気圧によるパッケージ割れ（ポップコーン現象）を防ぐため、以下の手順を遵守する必要があります。

• 未開封袋の保管:30°C以下、90%RH以下で保管。出荷後1年以内に使用してください。
• 開封後の保管:30°C以下、70%RH以下で保管。
• フロアライフ:防湿バリア袋を開封後、168時間（7日）以内にはんだ付けする必要があります。
• ベーキング:フロアライフを超過した場合、または湿度指示薬（乾燥剤）が飽和を示した場合は、吸収した湿気を除去するために、使用前に60°C ±5°Cで24時間ベーキングしてください。

6. 包装および注文情報

6.1 テープ＆リール仕様

本デバイスは、自動ピック＆プレース組立用の標準EIA-481準拠のテープ＆リール包装で供給されます。

• 包装数量:1リールあたり800個。
• 外装箱あたりのリール数:外装箱あたり38リール。
• 外装箱寸法:409 mm (A) x 245 mm (B) x 360 mm (C)。

リールには進行方向を示す特定の向きラベルがあります。実装装置との互換性のために、リールの詳細な寸法（ハブ径、リール幅など）が提供されています。

6.2 包装手順

リールは密閉されたアルミ防湿バッグに包装されます。各バッグには乾燥剤パックと湿度指示カードが含まれており、湿度レベルを監視します。複数のバッグは、主輸送用段ボール箱に梱包されます。

7. アプリケーション設計上の考慮事項

7.1 典型的なアプリケーション回路

基本的なアプリケーション回路は、主に2つの部分で構成されます:

1. 発光素子駆動:IR LEDと直列に接続された電流制限抵抗。抵抗値はR_limit= (V_CC- V_F) / I_Fとして計算されます。例えば、5V電源で所望のI_Fが20mAの場合：R_limit= (5V - 1.2V) / 0.02A = 190Ω（標準200Ω抵抗を使用）。LEDは連続駆動またはパルス駆動（低消費電力化のため）が可能です。
2. 検出器インターフェース:フォトトランジスタは通常、コレクタからV_Lへプルアップ抵抗（R_CC）を接続します。エミッタはグランドに接続します。反射光がない場合、トランジスタはオフ状態で、コレクタの出力電圧はハイ（V_CC）です。光が検出されると、トランジスタがオンになり、出力電圧がグランドに向かってローに引っ張られます。R_Lの値は、出力電圧振幅と応答速度の両方に影響します（性能曲線参照）。一般的な値は1kΩから10kΩです。

7.2 信頼性の高い検出のための設計要因

• ターゲット反射率:信号強度は、ターゲット表面の反射率に直接比例します。白く反射性の高い表面は最も強い信号を生成し、黒くつや消しの表面は最も弱い信号を生成します。システムは、最悪のターゲットでも動作するように設計する必要があります。
• ターゲット距離と位置合わせ:センサーには4mmに特定のスイートスポットがあります。組立公差やターゲット位置の変動は信号レベルに影響します。一貫した位置合わせを維持するための機械的治具を設計してください。
• 環境光耐性:ブラックレンズはほとんどの可視光を遮断しますが、強い赤外線光源（太陽光、白熱電球）は依然として干渉を引き起こす可能性があります。変調（パルス）されたLED駆動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。
• 温度補償:曲線に示されているように、感度は温度とともに低下します。広い温度範囲で動作するアプリケーションでは、高温でも確実な検出を確保するために、回路にマージンを含めるか、能動的な補償（例：温度に基づいてI_Fを調整する）を含める必要があります。
• 電気的ノイズ:センサートレースは短くし、ノイズの多いデジタル線や電源線から離してください。デバイス近くのV_CCとLED電源（パルス駆動の場合）にバイパスコンデンサを使用してください。

8. 技術比較と差別化

ITR1502SR40A/TR8は、いくつかの重要な特性により、反射型センサー市場で差別化を図っています:

• 大型スルーホールインタラプタとの比較:その主な利点は、超コンパクトな4.0x3.0mmのSMDフットプリントであり、小型化と自動組立を可能にします。これは大型のスルーホールデバイスでは実現できません。
• 他のSMD反射型センサーとの比較:この小さなフォームファクタ内で、4mmの最適距離と可視光遮断用ブラッククリアレンズを組み合わせている点が、特定の設計ポイントです。競合製品の中には、より短い検出距離や異なるレンズ材料を提供するものもあります。
• アナログ出力 vs. デジタルセンサーとの比較:このデバイスはアナログフォトトランジスタ出力を提供し、設計者にしきい値の完全な制御と、アナログ距離/反射率測定を可能にします。これは、単純なオン/オフ信号を提供する内蔵デジタルロジックを持つセンサーと比較して、より柔軟性があります。
• 個別の発光素子/検出器ペアとの比較:集積パッケージにより、発光素子と検出器の間の正確で固定された位置合わせが保証されます。これは、2つの別々の部品では実現が困難でコストがかかります。また、PCBレイアウトと組立を簡素化します。

9. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q1: ビン（A、B、C、D）の違いは何ですか？どのように選択すればよいですか？

A: ビンは感度（I_C(ON)）の異なる範囲を表します。必要な信号マージンに基づいてビンを選択してください。反射率の高いターゲットや短距離のアプリケーションでは、低いビン（AまたはB）で十分な場合があります。反射率の低いターゲット、長距離、または感度が低下する高温動作のアプリケーションでは、高いビン（CまたはD）がより多くのヘッドルームを提供します。また、生産においては、ビン内の一貫性も重要です。

Q2: 電流制限抵抗なしで、電圧を直接IR LEDに印加して駆動できますか？

A: できません。LEDの順方向電圧は固定値ではなく、温度やデバイスによって変化します。電圧源から直接駆動すると、制御不能な電流が流れ、絶対最大定格を超えて発光素子を破損する可能性が高くなります。常に直列の電流制限抵抗を使用してください。

Q3: センサーが不安定に動作します。原因は何でしょうか？

A: 一般的な問題には以下が含まれます：1)信号マージン不足:特定のターゲットでのI_C(ON)を確認し、温度デレーティングを考慮して、回路の検出しきい値を十分に上回っていることを確認してください。2)環境光干渉:センサーを直接の明るい光から遮蔽するか、変調を実装してください。3)はんだ接合部の問題:推奨ランドパターンが使用されていることを確認し、はんだブリッジやはんだ不足がないか検査してください。4)過剰な暗電流:非常に高温では、暗電流が無視できない大きさになる可能性があります。回路が真の信号と暗電流を区別できることを確認してください。

Q4: デバイスの消費電力はどのように計算しますか？

A: 総消費電力は、入力（LED）と出力（フォトトランジスタ）の消費電力の合計です。P_D(total)≈ (V_F* I_F) + (V_CE(sat)* I_C)。典型的な条件（I_F=20mA、V_F=1.2V、I_C=5mA、V_CE=0.2V）では、P_D≈ 24mW + 1mW = 25mWとなり、25°Cでの定格75mWを十分に下回ります。25°C以上で動作する場合は、この値をデレーティングすることを忘れないでください。

10. 動作原理

ITR1502SR40A/TR8は、変調光反射の原理に基づいて動作します。内部の赤外線発光ダイオード（IR LED）は、ピーク波長940 nmで光を放射します。この光はレンズを通してパッケージ外に出て、センサー前面のターゲット物体に当たり、一部が反射して戻ります。赤外線に敏感な集積シリコンフォトトランジスタが、この反射光を検出します。光子がフォトトランジスタのベース領域に当たると、電子-正孔対が生成され、ベース電流として作用します。この光生成ベース電流は、トランジスタの利得によって増幅され、はるかに大きなコレクタ電流（I_C）となります。このコレクタ電流が電気出力信号であり、反射光の強度に比例します。ブラッククリアレンズ材料は940 nmの赤外線に対して透明ですが、ほとんどの可視光に対しては不透明であり、周囲の可視光源に対する耐性を提供します。成形パッケージ内の発光素子と検出器の固定された同一平面上の位置合わせにより、センサー前面の特定の距離（4mm）にある物体を検出するために最適化された正確な光路が形成されます。