ライトパイプの技術と応用

ライトパイプは一見単純に見えるかもしれないが、電子機器の設計において重要な役割を果たしている。ライトパイプを使用することで、PCBレイアウトを簡素化し、ヒューマン・ファクター・エンジニアの仕事を軽減し、よりコンパクトな設計を可能にする。

この記事では、ライトパイプの機能、その背後にある技術、基礎となる物理学、機器設計者が利用できる選択肢とオプションについて説明する。

ライトパイプとは何か？

ライトパイプは、基板に実装されたLEDから、電子モジュールのインジケータパネルなど、見やすい別の場所に光を伝送するために使用される、固形の透明なプラスチック棒または光ファイバーである。

クリーンなステータス表示、よりシンプルなヒューマン・ファクター・エンジニアリングなど、いくつかの利点があります。非導電性の光路は、はんだや圧着端子を必要とせず、ワイヤーの挟み込みによる電気ショートの可能性を排除します。

ライトパイプは、多くの最新エレクトロニクス・アプリケーションにおいて重要なコンポーネントです。ライトパイプを追加することで、光をある場所から別の場所に運ぶために必要な多くのステップを省くことができ、費用対効果の高いソリューションとなります。

どのように使われているのか？

ライトパイプは様々な産業で応用されている。

機器やユーザーインターフェースのデザインによっては、1つの製品に1つ以上の、そして最大で多くのインジケータが必要になることがあります。複数のインジケータを必要とする設計の場合、ライトパイプは、低コスト、優れた視覚的コミュニケーション、設計の柔軟性により、理想的なソリューションです。

仕組み

ライトパイプは、PCB基板の一端にあるLED光源に非常に近い位置に配置される。その光学グレードの材料は、光線を目的の目的地（通常は機器のユーザーインターフェース）まで運ぶのに役立ちます。ライトパイプは、設計と間隔にもよりますが、LED光源からの光のおよそ80～90パーセントを伝達します。ライトパイプがLEDに近ければ近いほど、より効率的に光を伝達することができる。もちろん、使用されるライトパイプは、LEDまたは光源によって生成される熱量と同量の定格が必要であるため、ライトパイプと光源の間の最小許容距離を決定することができる設計上の考慮事項でなければなりません。

ライトパイプのカテゴリー

一般的に使用されるライトパイプには、リジッドパイプとフレキシブルパイプの2種類がある。

リジッドライトパイプとは？

フレキシブル・ライト・パイプとは？

フレキシブル・ライト・パイプは、LEDとフロント・パネルやその他のディスプレイの間の長い距離や障害物を避けて光を移動させなければならない場合に好ましい。フレキシブル・ライト・パイプ・アセンブリは、光のにじみが少ないか全くないアダプターと、レンズ・キャップ付きのフレキシブル光ファイバーで構成されています。フレキシブル・ライト・パイプは、電磁干渉（EMI）の影響を受けず、静電気放電（ESD）パルスを伝導または伝達しません。

フレキシブル・ライト・パイプは、リジッド・ライト・パイプよりも複雑でコストもかかるが、フロント・パネルの表示エリアへの直線的なアクセスを妨げるプリント回路基板（PCB）上の部品を迂回する柔軟性を与えることで、エンジニアにとってのアクセシビリティの課題を解決する。

図5は、フレキシブル・ライト・パイプ設計のさまざまな部品を示している。部品は、A点のLED、隣接するパイプに光が漏れないようにするSMD-22アダプター、プラスチック光ファイバー（POF）、POFに接着されたB点のレンズキャップで構成されている。

フレキシブル・ライト・パイプは、B点のレンズ・キャップがA点のLED光源から最大330フィート（約3.6メートル）離れているため、インジケータの追加や破損したアセンブリの交換が容易です。ヒューマンファクターズ・エンジニアが、別のインジケータが必要でスペースが問題だと判断した場合、最初のLEDとはまったく別の場所にある別のLEDからフレキシブルなアダプタを使用して別のインジケータを追加することで、大規模な再設計を回避することができる。設計時間と設計スペースの結合は、様々な産業や用途におけるコスト懸念を根本的に改善します。5色のPOFジャケットは、技術者による現場での設置や視覚的識別を向上させ、ユーザー・マニュアルでの参照を明確にします。

リジッドタイプとフレキシブルタイプの比較

リジッドライトパイプとフレキシブルライトパイプは、2つの異なる選択肢を提供します。それぞれに長所と短所があります。ここでは、正しい選択をするためのガイドラインをご紹介します。

ライトパイプを使用する際の設計上の考慮点

設計エンジニアは、光の損失を最小限に抑え、最高の性能を確保するために、ライトパイプとLEDの組み合わせに細心の注意を払う必要があります。LEDはライトパイプの入口に効果的に適合させ、光損失を最小限に抑えながら適切な光捕捉を可能にする必要があります。

もちろん、ライトパイプの位置は光の特性に影響を与えます。光の損失を最小限に抑えるには、視野角が160度以下の狭いLEDを使用し、ライトパイプとLEDの位置を0.05インチ以下にするのが一般的です。デザインに最適な製品を得るには、それ以外にもちょっとしたコツがあります。そこで、照明シミュレーションの出番です。私たちのチームに連絡してシミュレーションを実行し、あなたのデザインに理想的なライトパイプを決定してください。また、使用するライトパイプの種類に応じた制約もお忘れなく： リジッドライトパイプの設計制約 曲げられない 長さの限界プレスフィット：1.20インチ1.5インチ 標準：2インチまで、より短いバージョンもあり フレキシブル・ライト・パイプの設計制約 最大30度まで曲がる

光のにじみを抑えることの重要性

ライトブリードは、LEDとライトパイプの周囲にLEDからの光が見える場合に発生します。ライトブリードは、誤読、混色、隣接するライトパイプ間のクロストーク、筐体内の不要な輝きの原因となります。硬いライトパイプがLEDの上に配置されている場合、ライトパイプの根元にある程度の光のにじみが生じます。フレキシブル・ライト・パイプは、コーティングされた光ファイバーと耐光性ブラック・アダプターにより、光のにじみを少なくするように設計されています。

最大の柔軟性は、設計者が個々のコンポーネント（LEDとライトパイプ）で設計するか、両方の要素を含む完全なソリューションを使用するかを選択できる場合に発生します。

ライトパイプは、A地点からB地点まで光をできるだけ効率的に運ぶように設計されている。

ポイントA:入力または光源の位置。ほとんどの場合、表面実装（SMD）LEDである。

ポイントB： 出口面、つまりエンドユーザーが装置のインターフェースやインジケータパネルで光を見る場所。

光量損失（ライトブリード）とは、A地点からB地点に向かう光の一部が逃げたり、別の場所で照らされたりすることで、出口で照らされる光が少なくなることである。

光の損失を最小限に抑えるため、設計者は広視野角のLEDの代わりに狭視野角のLEDを使用することで、光が逃げる可能性のあるライトパイプとLEDの間の距離を縮めることができる。ライトパイプとLEDの間隔が広ければ広いほど、光がライトパイプに入り出口に向かう前に逃げる余地が増える。

注： LEDが配置されている場所から、エンドユーザーが光を見る出口まで、常にある程度の光が失われる。

主な仕様とオプション

どのタイプのライトパイプを選んでも、デザインを最適化するために複数のオプションが用意されている。

LEDオプションを理解する

表面実装（SMD）LEDはプリント基板の表面に実装され、穴は必要ない。スルーホールLEDは、PCBを貫通してリード線を挿入し、層間の接続を強固にするためにはんだ付けして実装され、ある程度の環境ストレス条件にも耐えることができる。SMD LEDは、スルーホールの同等品よりも小型で明るい傾向がある。スルーホールLEDもSMD LEDも、幅広いサイズ、色、輝度、低電力ワット数で入手可能です。

LEDカラー。 SMD LEDおよびスルーホールは、幅広い単一色で入手可能です。SMD LEDには、白色、単色、2色、3色など、さまざまな色構成のオプションがあります。ライトパイプアダプタは、どちらのタイプのLEDにも使用できます。さらに、設計者は、LEDを内蔵したアダプターを選択することも、別のLEDを使用するためのアダプターを選択することもできます。

LEDサイズ。 表面実装型LEDは業界標準サイズ、スルーホール型LEDはミリメートル（1.8mm、3mm、5mm）単位が基本です。例えば、0402パッケージ（SM0402）は、おおよその寸法（長さ×幅）に基づき、およそ長さ0.4mm×幅0.2mmです。

LEDの強度。 SMD LEDおよびスルーホールの光出力（輝度強度）は、一般にミリカンデラ（mcd）またはルーメン（lm）で測定されます。mcdまたはlmが高いほど、光度は明るくなります。

レンズのすべて

レンズはライトパイプの端に取り付けられるか、または成形される。それは便利な視覚インジケータを提供し、また機械的な妨害からライトパイプを保護する。レンズのパラメーターは以下の通り：

レンズプロフィール。 フレネルレンズは光を集光するように設計されており、影やまぶしさを抑え、広い視野角を提供します。シンプルなフラットレンズプロファイルやドームレンズも視野角を広げるために使用されます。

レンズの色。 モデルにより、拡散、スモーク、カラー（青、黒、緑、灰、赤、黄）レンズのオプションがある。

レンズのサイズと形状。 直径2mm、3mm、4mm、5mmなど、さまざまなレンズサイズをご用意しています。丸型、楕円型、長方形があります。

シーリングガスケットとIP等級

多くの産業分野では、レンズキャップが適切な密閉性を持っていることが重要な過酷な環境で使用されます。 IP等級.レンズキャップのIP等級は、埃を含む固体や水分や水を含む液体の侵入に対する保護レベルを示します。IP等級は "IPXY "の形で表され、XとYは数値です。

IP定格の最初の桁は、固形物に対する侵入保護のレベルを示し、IP0x（保護なし）からIP6x（ほこりに対する完全な保護）まであります。2桁目は液体に対する保護で、IPx0（保護なし）からIPx9（噴流水に対する保護）まであります。

ライトパイプ関連部品

ライトパイプの設計には、LED、パイプ、レンズ以上のものが含まれる。完全なシステムを構成するためには追加の部品が必要で、それぞれにいくつかのオプションがある。

マウントタイプ

ライトパイプには、用途や製造要件に応じてさまざまな取り付けオプションがあります。
フレキシブルとリジッドしか選択肢がなかったら、選択肢は限られてしまうかもしれません。ライトパイプは、さまざまな取り付けタイプに対応できるよう設計されています。
リジッドかフレキシブルかの判断に加え、設計に使用するライトパイプを選択する際には、他にもいくつかの考慮事項があります。電源と全体的な設計のフットプリントによって、ライトパイプにどの取り付けタイプを使用すべきかが決まります。