ITR8307/F43 反射型光センサー データシート - 赤外線LED & フォトトランジスタ - 日本語技術文書

1. 製品概要

ITR8307/F43は、短距離の物体検出用に設計されたコンパクトな表面実装型の反射型光センサーです。単一のプラスチックパッケージ内に、赤外線発光ダイオード（IR-LED）と高感度NPNシリコンフォトトランジスタを統合しています。主な機能は、LEDから赤外光を発光し、物体から反射してフォトトランジスタに戻ってくる光の量を測定することで、物体の有無を検出することです。

本デバイスの主な利点は、高速な応答時間、赤外光に対する高い感度、可視光の干渉を除去する能力にあり、信頼性の高い動作を保証します。薄型でコンパクトなフォームファクタは、民生電子機器やマイコン制御機器など、スペースに制約のあるアプリケーションに適しています。

本デバイスは、鉛フリー（Pbフリー）で製造され、EU REACH規制に準拠し、ハロゲンフリー基準（Br < 900ppm、Cl < 900ppm、Br+Cl < 1500ppm）を遵守しています。また、RoHS指令の仕様内に収まるように設計されています。

2. 技術パラメータ詳細解説

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限界値を定義します。これらの条件下での動作は保証されません。

• 入力（IR-LED）許容損失（Pd）：周囲温度25°C以下で75 mW。これを超えるとLED接合部が過熱する可能性があります。
• LED逆電圧（VR）：5 V。これより高い逆電圧を印加すると破壊を引き起こす可能性があります。
• LED順方向電流（IF）：連続50 mA。ピーク順方向電流（IFP）は、周期10 ms、幅100 µsのパルスで1 Aです。
• 出力（フォトトランジスタ）コレクタ許容損失（PC）：75 mW。
• コレクタ電流（IC）：最大50 mA。
• コレクタ-エミッタ間電圧（V_CEO）：30 V。これは、ベース開放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。
• 動作温度（T_opr）：-25°C ～ +85°C。デバイスはこの周囲温度範囲内で機能します。
• 保存温度（T_stg）：-30°C ～ +100°C。
• リードはんだ付け温度（T_sol）：最大5秒間、260°C。これは、フローはんだ付けやリフローはんだ付けプロセスにおいて重要です。

2.2 電気光学特性

これらのパラメータはTa=25°Cで測定され、デバイスの代表的な性能を定義します。

• LED順方向電圧（V_F）：順方向電流（I_F）20 mAにおいて、代表値1.2 V、最大1.6 V。これは定電流駆動回路を設計する上で重要です。
• LEDピーク波長（λ_P）：940 nm。これはIR-LEDが最大の光パワーを発光する波長であり、シリコンフォトトランジスタのピーク感度波長と一致しています。
• フォトトランジスタ暗電流（I_CEO）：無照射（E_CE=0）、V_e=10V条件下で最大100 nA。これはセンサーがオフ状態の時のリーク電流であり、良好な信号対雑音比を得るためには最小化されるべきです。
• コレクタ電流（I_C(ON)）：試験条件 V_CE=5V、I_F=20mAにおいて、最小0.1 mA。これはLEDが点灯し、検出範囲内に物体がある場合に発生する光電流です。
• 立上り/立下り時間（t_r、t_f）：代表値 各20 µs。これはフォトトランジスタのスイッチング速度を定義し、高速移動物体の検出や、一部のアプリケーションにおける高速データ伝送に重要です。

3. 性能曲線分析

データシートには、様々な条件下でのデバイスの挙動をより深く理解するためのいくつかの特性曲線が含まれています。具体的なグラフはここでは再現しませんが、それらが示す典型的な意味合いについて説明します。

3.1 IR-LED特性

赤外線発光素子の曲線は、通常、順方向電圧と順方向電流の関係（I-V曲線、非線形）を示します。また、相対放射強度対順方向電流の関係も示し、光出力が駆動電流とともにどのように増加するか、および周囲温度がこの出力に及ぼす影響（一般的に温度上昇とともに出力は低下する）を示しています。

3.2 フォトトランジスタ特性

受光素子の曲線は、通常、異なるレベルの照度（光入力パワー）に対するコレクタ電流とコレクタ-エミッタ間電圧の関係を描いています。この一連の曲線はバイポーラトランジスタの出力特性に似ており、照度がベース電流のような役割を果たします。他の曲線では、反射面までの距離やLED駆動電流に対するコレクタ電流を示し、センサーの伝達関数を定義しています。

3.3 センサー全体特性

これらの曲線は、センサーアセンブリ全体の性能を表します。重要なグラフは、固定のLED電流に対する、標準反射面（多くの場合白紙）までの距離とコレクタ電流の関係です。この曲線は有効な検知範囲と距離に対する非線形応答を定義しており、閾値検出設計において重要です。

4. 機械的仕様とパッケージ情報

本デバイスはコンパクトな表面実装パッケージです。正確な寸法はデータシートのパッケージ図面に記載されています。図面からの重要な注意点として、特に断りのない限り、すべての寸法はミリメートル単位であり、一般的な公差は±0.15 mmです。IR-LEDとフォトトランジスタの並列配置は、反射型検知に最適化されています。パッケージには極性マークが付いており、PCB実装時の正しい向きを保証します。

5. はんだ付けおよび実装ガイドライン

リードはんだ付け温度の絶対最大定格は、5秒間260°Cです。このパラメータは、プラスチックパッケージや内部のワイヤーボンディングへの損傷を防ぐため、リフローまたはフローはんだ付けプロセス中に厳守しなければなりません。鉛フリーはんだ付けの標準的なIPC/JEDEC J-STD-020プロファイルが一般的に適用可能ですが、ピーク温度と液相線以上の時間は制御する必要があります。はんだ付け前の長時間の高湿度環境への暴露は避け、標準的な湿気感受性レベル（MSL）の取り扱い手順が推奨されますが、提供された内容には具体的なMSL分類は記載されていません。

6. 梱包および発注情報

標準梱包は以下の通りです：

1. チューブあたり160個。
2. 内箱あたり18チューブ。
3. 外箱あたり12内箱。

梱包のラベルには、顧客生産番号（CPN）、品番（P/N）、梱包数量（QTY）、ランク（CAT）、ピーク波長（HUE）、参照（REF）、ロット番号（LOT No.）、生産地の各フィールドが含まれます。

7. 応用提案

7.1 代表的な応用シナリオ

データシートには、カメラ（フィルムやテープの有無検出用）、VCR、フロッピーディスクドライブ、カセットテープレコーダー、各種マイコン制御機器など、いくつかの古典的な応用例が挙げられています。現代的な応用例としては、プリンターの用紙検知、自動販売機の硬貨検知、エッジセンシング、物体カウント、非接触検知が必要な民生機器における近接センシングなどがあります。

7.2 設計上の考慮点

• 電流制限：IR-LEDには直列抵抗を使用し、順方向電流（I_F）を安全な値（標準動作では通常20 mA）に制限する必要があります。これは電源電圧とLEDの順方向電圧（V_F）を用いて計算します。
• 負荷抵抗：フォトトランジスタ出力には、コレクタと正電源の間に接続するプルアップまたは負荷抵抗（R_L）が必要です。その値は出力電圧の振幅と応答速度を決定します。抵抗値が小さいほど応答は速くなりますが、感度は低下します（電圧変化が小さくなります）。
• 環境光耐性：本デバイスは可視光をカットしますが、強い環境赤外線源（太陽光、白熱電球）は性能に影響を与える可能性があります。機械的シールド、光学フィルター、または変調/復調技術（LEDをパルス駆動し、出力を同期読み取り）を用いることで信頼性を向上させることができます。
• 反射率：The detection range and signal strength are highly dependent on the reflectivity, color, and surface texture of the target object. Calibration or adjustable thresholds may be necessary.

8. 技術比較

ITR8307/F43は、特定の機能セットを提供します。より単純なフォトトランジスタやフォトダイオードと比較して、反射型検知のための統合・アライメントされたソリューションを提供します。内蔵ロジックを備えた現代的なデジタル出力センサーと比較すると、信号処理用の外部回路を必要とするアナログ部品であり、設計の柔軟性は高い反面、複雑さも増します。その主な差別化要因は、コンパクトなサイズ、高速な応答時間（20 µs）、環境規制（RoHS、REACH、ハロゲンフリー）への準拠です。

9. よくある質問 (FAQ)

Q: 典型的な検知距離はどのくらいですか？

A: データシートは最大距離を規定していません。これは対象物の反射率とLED駆動電流に大きく依存するためです。I_C(ON)の試験条件では1mmのギャップを使用しており、極めて短距離の検出に最適化されていることを示しています。実用的な範囲は通常、数ミリメートルから数センチメートルです。

Q: LEDを電圧源で直接駆動できますか？

A: いいえ。LEDは過電流による熱暴走や破壊を防ぐため、ほぼ常に直列抵抗を用いて実現される電流制限付き電源で駆動する必要があります。

Q: 出力をマイクロコントローラに接続するにはどうすればよいですか？

A: フォトトランジスタのコレクタ出力は、反射光に応じて変化するアナログ電圧です。マイクロコントローラのアナログ-デジタル変換器（ADC）ピンに接続して精密な測定を行うか、コンパレータ回路を介してGPIOピン用のデジタルON/OFF信号を生成することができます。

Q: 可視光カット機能の目的は何ですか？

A: フォトトランジスタは、主にペアのLEDからの940 nm赤外光に感度を持ち、可視光には感度が低くなるように設計されています。これにより、室内の環境照明の変化による誤動作を低減します。

10. 実用例

ケース：デスクトッププリンターの用紙切れ検知

センサーはプリンター内部に取り付けられ、用紙通路に向けられます。反射フラグまたは用紙自体がターゲットとして機能します。用紙がある場合、赤外光がフォトトランジスタに反射され、高いコレクタ電流と低い出力電圧（プルアップ抵抗を使用する場合）が生成されます。用紙がなくなると反射が止まり、フォトトランジスタがオフになり、出力電圧が高くなります。この電圧遷移はプリンターの制御ロジックによって検出され、ユーザーへの用紙切れアラートをトリガーします。高速な応答時間により、高速給紙時でも確実に検知できます。

11. 動作原理

ITR8307/F43は、変調光反射の原理で動作します。内部のGaAs赤外線LEDは電流を赤外光（940 nm）に変換します。この光はターゲットエリアに向けて発光されます。検出フィールド内に物体が存在する場合、この光の一部が反射して戻ってきます。内蔵のNPNシリコンフォトトランジスタが受信機として機能します。反射した赤外光からの光子がフォトトランジスタのベース-コレクタ接合部に衝突すると、電子-正孔対が生成されます。この光生成電流はベース電流として作用し、トランジスタの増幅率によって増幅され、はるかに大きなコレクタ電流（I_C）となります。このコレクタ電流の大きさは、反射赤外光の強度に比例し、それは物体の距離と反射率に依存します。この出力電流（または負荷抵抗両端の電圧）を測定することで、物体の有無、さらにはおおよその距離を判定することができます。

12. 技術トレンド

ITR8307/F43のような反射型光センサーは、成熟した信頼性の高い技術を代表しています。この分野の現在のトレンドには、パッケージのさらなる小型化、センサーとアナログフロントエンド回路（増幅器、ADC）およびデジタルロジック（I2C/SPIインターフェース）を単一チップソリューションに統合することによる外部部品数の削減があります。また、バッテリー駆動機器向けの低消費電力化、背景光除去や距離測定のための高度なアルゴリズムにも焦点が当てられています。本デバイスが対応している環境対応（グリーン）部品への需要は、電子産業における強力な推進力であり続けています。

13. 免責事項および重要注意

データシートの内容に基づき、ユーザーにとって以下の免責事項と注意点が重要です：

1. メーカーは製品の材料構成を調整する権利を留保します。
2. 製品は出荷日から12ヶ月間、公表された仕様を満たします。
3. グラフおよび代表値は参考用であり、保証された最小または最大限界を表すものではありません。
4. ユーザーは、デバイスを絶対最大定格内で動作させる責任を負います。メーカーは誤用による損害について一切の責任を負いません。
5. データシートの内容は著作権で保護されています。複製には事前の同意が必要です。
6. 重大な警告：本製品は、軍事、航空機、自動車、医療、生命維持、救命機器などの安全クリティカルなアプリケーションでの使用を意図していません。そのようなアプリケーションでは、明示的な承認を得る必要があります。