ライトパイプ技術とその応用
ライトパイプは一見単純に見えるかもしれませんが、電子機器の設計において極めて重要な役割を果たしています。これを利用することで、PCBのレイアウトを簡素化し、人間工学エンジニアの作業負担を軽減し、よりコンパクトな設計が可能になります。.
本記事では、ライトパイプの機能、その背後にある技術、基礎となる物理的原理、および機器設計者が利用できる選択肢やオプションについて解説する。.
ライトパイプとは、基板に実装されたLEDからの光を、電子モジュールの表示パネルなど、見やすい別の場所へ伝送するために使用される、透明な固体プラスチック製の棒または光ファイバーのことです。.
これには、明確な状態表示や人間工学的な設計の簡素化など、いくつかの利点があります。非導電性の光路を採用しているため、はんだ付けや圧着による端子処理が不要であり、配線が挟まれることによる電気的短絡のリスクを排除できます。はんだ付けや圧着による端子処理は一切必要ありません。.
ライトパイプは、多くの現代の電子機器用途において不可欠な部品です。ライトパイプを採用することで、光をある場所から別の場所へ伝送するために通常必要となる多くの工程を省略できる、コスト効率に優れた解決策となります。.
ライトパイプは、さまざまな産業分野で活用されています。.
デバイスの仕様やユーザーインターフェースの設計によっては、1つの製品に複数の——場合によっては多数の——インジケーターが必要になることがあります。複数のインジケーターを必要とする設計においては、ライトパイプは、その低コスト、優れた視覚的伝達性、そして設計の柔軟性から、理想的なソリューションとなります。.
医療
医療分野において、LEDによる表示および照明ソリューションは、さまざまな医療技術アプリケーションにおいて、極めて重要なヒューマン・マシン・インターフェース（HMI）の設計を可能にしています。.
ライトパイプの医療分野での用途には、次のようなものがあります：
- コネクテッドライフ技術
- 医療用使い捨て器具
- 医療用スマートデバイス
- 医療用ヒューマン・マシン・インターフェース
産業用オートメーションおよび制御
ライトパイプは、産業現場などの過酷な環境において、安全性、信頼性、および規制順守を確保するのに役立ちます。表示技術と照明技術を統合することで、製造現場の監視が向上し、危険な状況から資産を保護します。.
産業分野での用途には、次のようなものがあります。
- 産業用機械の制御
- デジタルファクトリー
- インダストリー4.0
- インテリジェントビル
EV、自動運転・自動車、交通
ライトパイプは、電気自動車やその充電インフラ、さらには自動車以外の輸送手段を含む、この急成長中の市場におけるLEDによる表示および照明の要件に対応しています。.
交通分野での用途には、次のようなものがあります：
- 電気自動車
- 自動運転車
- コネクテッド・モビリティ
- ハイブリッド車および電気自動車
再生可能エネルギー
ライトパイプは、最も過酷な環境下でも確実な動作を実現します。水、極端な温度、振動といった要因により、製品設計はISOの厳格な規制ガイドラインに準拠することが求められます。.
ライトパイプは、さまざまな分野で利用されています：
- 風力発電
- 太陽光発電
- 温室の運営
- 農業
コミュニケーション
世界的な接続性を推進する拡大するインフラの一環として、ライトパイプは、サーバーやエッジコンピューティングからデータセンター、5Gシステムインフラに至るまで、複雑なシステム全体に光を伝送しています。.
通信分野における利用例としては、次のようなものがあります：
- データセンター
- クラウドコンピューティング
- ストレージ
- 5G／IoT
光導波管は、PCB基板の一端にあるLED光源のすぐ近くに配置されます。その光学グレードの素材により、光線は通常、デバイスのユーザーインターフェースといった所望の目的地へと導かれます。 ライトパイプは、設計や間隔にもよりますが、LED光源からの光の約80～90パーセントを伝送します。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送することができます。 もちろん、使用するライトパイプは、LEDや光源から発生する熱量に対応できる定格を備えている必要があり、これは設計上の考慮事項となるため、ライトパイプと光源の間の最小許容距離を決定する要因となります。.
屈折率：媒質が重要
光は常に同じように振る舞うとは限らないため、光ファイバーの設計はさらに複雑になります。なぜでしょうか？
物理の授業に戻って、屈折について学びましょう。.
屈折 これは、ある媒質から別の媒質へと波が伝播する際、あるいは媒質そのものが徐々に変化する際に生じる波の進行方向の変化として定義される。.
したがって、ライトパイプの設計に関わるその他のあらゆる要素（サイズ、形状、輝度、LEDまでの距離、視野角、使用材料など）に加え、設計者は屈折率についても考慮しなければなりません。.
屈折率は、光が媒質中をどのくらいの速さで進むかを決定するために用いられます。.
n = c/v として計算される。ここで、c は光速、v はその特定の媒質における光の速度である。.
この数値は、光が媒質に当たったときに、どの程度曲がったり屈折したりするかを表しています。また、光が媒質に到達した際に、どの程度反射されるかを算出するものでもあります。.
真の真空中では、光の屈折率は1.0となります。しかし、このような真空環境で使用することを想定して光導波路を設計する人はいないため、性能を最適化するためにはさらなる配慮が必要です。.
さらに、1.0を超える数値は、真空中の速度に比べてその物体の速度が低下していることを示しています。.
屈折率：
空気, 、そのレートは1.003です
水, 、その割合は1.33です
アクリル, 、これはほとんどのライトパイプの材料となっているもので、その値は約1.49です。.
表面が光にどのような影響を与えるかという点に関しては、屈折率だけが考慮すべき数値というわけではありません。.
また、 全内反射（TIR）, 、これは、光が表面の出口まで透過することなく、ある表面から別の表面へと反射され、そこで目に見えるようになる際の反射角のことです。.
出典：https://www.physicsclassroom.com/class/refrn/Lesson-3/Total-Internal-Reflection
TIRとは、入射角が「臨界角」と呼ばれる一定の限界角を超えたときに生じる現象である。.
ライトパイプの設計において、TIRはなぜ重要なのでしょうか？
多くの場合、光を曲がり角の向こう側へ導くためにライトパイプが使用されます。光が臨界角で反射し、最大限の効果をもって終点まで到達するようにするためには、さまざまな材料の臨界角を理解することが不可欠です。.
透明なポリカーボネートの臨界角は39度、アクリルの場合は42度です。.
さまざまな状況下で光がどのように反応するかを理解することで、ライトパイプの性能をさらに向上させ、最適化することが可能になります。.
例えば、直角ライトパイプを使用する場合、TIRが仕様にどのような影響を与えるかを以下に示します。
ライトパイプを設計する際、多くの人は光が電流のように振る舞うと想定し、全内反射（TIR）を無視してしまいます。.
光には特有の性質があるため、上の直角の図のようなライトパイプを設計すると、TIR（全内反射）の段階で著しい光損失が生じます。光損失を防ぐには、臨界角を考慮して、光が漏れることなく臨界角を迂回するように導く形状を設計する必要があります。 この概念は、角が丸いライトパイプ（または設計に含まれるあらゆる形状）にも適用されます。.
一般的に使用される光導管には、硬質タイプと軟質タイプの2種類があります。.
硬質ライトパイプは、中程度から強い振動がある環境や、湿気やほこりの多い環境において、短距離の光伝送を行うように設計されています。硬質ライトパイプには、垂直型、直角型、多段型など、さまざまな構成があり、最大3インチの距離に対応するように設計されています。硬質ライトパイプはポリカーボネート製です。.
硬質ライトパイプには、ストレート、直角、単体、複数ユニット、積み重ね型、垂直配置など、さまざまな構成があります。IP67規格に準拠した頑丈なネジ式固定機構を備えた硬質ライトパイプは、液体や粉塵の侵入に対して最大限の保護を提供します。 ライトパイプ、LED、および表面実装用アダプタをすべて含む、完全なソリューションもご用意しています。.
全体として、リジッドライトパイプは、LEDからフロントパネルの表示領域へ光を導く際に、直接アクセスが可能な場合、経済的な方法と言えます。.
LEDとフロントパネルやその他の表示位置との間で、光を長距離にわたって伝送したり、障害物を迂回させたりする必要がある場合は、フレキシブルライトパイプの使用が推奨されます。 フレキシブルライトパイプアセンブリは、光漏れをほとんどまたは全く生じさせないアダプタと、レンズキャップ付きのフレキシブル光ファイバ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、静電放電（ESD）パルスを伝導または伝達することはありません。.
フレキシブルなライトパイプは、リジッドなライトパイプに比べて構造が複雑で、コストも高くなります。しかし、フロントパネルの表示領域へ直線的にアクセスすることを妨げるプリント基板（PCB）上の部品を迂回できる柔軟性をエンジニアに提供することで、アクセス性の課題を解決します。.
図5は、フレキシブルライトパイプの設計における各構成部品を示しています。構成部品は、点AにあるLED、隣接するパイプへの光の漏れを防ぐSMD-22アダプター、プラスチック光ファイバー（POF）、およびPOFに接着された点Bのレンズキャップで構成されています。.
柔軟なライトパイプを使用すれば、ポイントAにあるLED光源からポイントBのレンズキャップまで最大330フィート離すことができるため、インジケーターの追加や破損したアセンブリの交換が容易になります。ライトパイプとレンズは、パネル表面付近において、LEDやその回路に比べてはるかに少ないスペースで済みます。 人間工学エンジニアが別のインジケーターが必要であると判断し、スペースが問題となる場合でも、最初のLEDとは全く異なる場所にある別のLEDから配線されたフレキシブルアダプターを使用してインジケーターを追加することで、大規模な再設計を回避できます。設計時間と設計スペースの融合により、さまざまな業界や用途におけるコスト面での懸念が劇的に改善されます。 5種類のPOFジャケットカラーを用意することで、現場での技術者による設置作業や視覚的な識別が容易になるだけでなく、ユーザーマニュアルの参照箇所も明確になります。.
硬質と軟質のライトパイプには、2つの異なる選択肢があります。それぞれに長所と短所があります。ここでは、適切な選択をするための指針をいくつかご紹介します。.
ある 硬質ライトパイプ 以下の条件がプロジェクトに当てはまる場合：
- 光はほんの短い距離を進むだけでよい
- 低コストが最優先事項です
- プリント基板はフロントパネルの近くに配置されており、簡単にアクセスできます
以下の利用を検討してください フレキシブルな光導管 if:
- 光は長い距離を移動しなければならない
- この装置の設計上、LEDから表示レンズまで直線的な経路を確保することはできません。
- 今後、追加の指標を追加する必要が生じる可能性があります
- ヒューマンファクターズ設計はまだ確定していません
- LEDからの光は、レンズキャップに到達する前に、EMIの強い環境を通過しなければなりません。
設計技術者は、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わなければなりません。LEDは、光の損失を最小限に抑えつつ適切に光を捉えられるよう、ライトパイプの入口と効果的に整合させる必要があります。.
もちろん、ライトパイプの位置は光の特性に影響を与える可能性があります。光の損失を最小限に抑えるための一般的なルールとして、視野角が160度以下のLEDを使用し、ライトパイプとLEDの間隔を0.05インチ以内に保つことが挙げられます。 しかし、設計に最適な製品を得るためには、それだけでは不十分な点もあります。そこで役立つのが光シミュレーションです。当社のチームにご連絡いただければ、シミュレーションを実施し、お客様の設計に最適なライトパイプを特定いたします。また、使用するライトパイプの種類によって生じる制約についても、お忘れなくご確認ください： ライトパイプの設計上の制約 曲げ不可 長さ制限：圧入：1.20インチ 特注：1.5インチ 標準：最大2インチ（より短いバージョンもご用意しています） フレキシブル光導波管の設計上の制約 最大30度まで曲がる
ライトパイプの位置
光漏れとは、LEDやライトパイプの周辺でLEDからの光が見える現象のことです。光漏れが発生すると、測定値の誤差、色のくすみや混色、隣接するライトパイプ間のクロストーク、および筐体内の不要な光の滲みなどが生じます。 LEDの上に硬質ライトパイプを配置すると、ライトパイプの基部で一定量の光漏れが生じます。一方、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の黒いアダプターを採用することで、光漏れを低減するように設計されています。.
設計者が、個々のコンポーネント（LEDとライトパイプ）を用いて設計するか、あるいはその両方を含む完全なソリューションを採用するかを選択できる場合、最大の柔軟性が実現されます。.
ライトパイプは、A地点からB地点へ光をできるだけ効率的に伝送するように設計されています。.
点A: 入力または光源が配置されている場所。ほとんどの場合、表面実装型（SMD）LEDです。.
ポイントB： 出力面、すなわち、エンドユーザーがデバイスのインターフェースやインジケーターパネル上で光を確認できる部分。.
光の損失（または光の漏れ）とは、点Aから点Bへと進む光の一部が逃げたり、別の場所へ漏れたりすることで、出口点に届く光の量が減少する現象のことです。.
光の損失
もっと光
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、光が漏れ出す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ます。ライトパイプとLEDの間の隙間が広いほど、光がライトパイプに入り、出口まで到達する前に漏れ出す余地が大きくなります。.
注： LEDが設置されている場所から、エンドユーザーが光を見る出射点に至るまでの経路において、ある程度の光が失われることは避けられません。.
どのようなタイプのライトパイプを選んだとしても、設計を最適化するための選択肢は複数あります。.
表面実装型（SMD）LEDは、PCBの表面に取り付けられ、穴を開ける必要がありません。スルーホール型LEDは、リード線をPCBに通してはんだ付けして取り付けるため、層間の接続がより強固になり、ある程度の環境ストレスにも耐えることができます。 SMD LEDは、スルーホール型に比べて小型で明るい傾向があります。スルーホール型とSMD型の両方のLEDは、サイズ、色、輝度、および低ワット数の製品が幅広く用意されています。.
LEDの色。. SMD LEDおよびスルーホール型LEDは、幅広い単色バリエーションで提供されています。SMD LEDには、白色や単色、2色、3色など、多彩な色構成のオプションが用意されています。 どちらのタイプのLEDにも使用可能なライトパイプアダプタが用意されています。さらに、設計者は、LEDが内蔵されたアダプタ、あるいは別途LEDを使用するためのアダプタのいずれかを選択することができます。.
LEDのサイズ。. 表面実装型LEDは業界標準のサイズに基づいており、スルーホール型LEDのサイズはミリメートル単位（1.8mm、3mm、5mm）で規定されています。 たとえば、0402パッケージ（SM0402）は、長さ約0.4mm、幅約0.2mmというおおよその寸法（長さ×幅）に基づいています。.
LEDの輝度。. SMD LEDやスルーホール型LEDの光出力（輝度）は、通常、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の値が高いほど、光の輝度は強くなります。.
レンズはライトパイプの先端に取り付けられているか、あるいは一体成型されており、便利な視覚的なインジケーターとしての役割を果たすほか、ライトパイプを機械的な衝撃から保護する役割も果たしています。レンズの主なパラメータは以下の通りです：
レンズのプロファイル。. フレネルレンズは、光を収束させるように設計されており、影やグレアを低減し、広い視野角を実現します。視野角を広げるために、単純な平レンズやドームレンズも使用されます。.
レンズの色。. モデルによって、拡散レンズ、スモークレンズ、およびカラーレンズ（青、黒、緑、灰色、赤、黄色）からお選びいただけます。.
レンズのサイズと形状。. 2mm、3mm、4mm、5mmの直径をはじめ、さまざまなサイズのレンズをご用意しています。形状は、円形、楕円形、長方形からお選びいただけます。.
多くの業界におけるアプリケーションは過酷な環境下で稼働する必要があるため、レンズキャップが適切な方法で外部環境から適切に密閉されることが極めて重要である。 IP等級. レンズキャップのIP等級は、ほこりなどの固体や、湿気や水などの液体が侵入するのを防ぐ保護レベルを示しています。IP等級は「IPXY」という形式で表され、XとYは数値です。.
IP保護等級の最初の数字は、固体物に対する侵入保護のレベルを示します。IP0x（保護なし）からIP6x（粉塵に対する完全な保護）まであります。2番目の数字は、液体に対する保護レベルを示します。IPx0（保護なし）からIPx9（水噴射に対する保護）まであります。.
ライトパイプの設計には、LED、パイプ、レンズ以外にも多くの要素が含まれます。完全なシステムを構成するには追加の部品が必要であり、それぞれの部品にはいくつかの選択肢があります。.
用途や製造要件に応じて、ライトパイプにはさまざまな取り付け方法があります。.
もし柔軟型と剛性型しか選択肢がないとしたら、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、幅広い取り付け方法に対応できるよう設計されています。.
「リジッド型かフレキシブル型か」という判断に加え、設計に用いるライトパイプを選定する際には、他にもいくつかの考慮事項があります。電源や設計全体の設置スペースによって、ライトパイプにどの取り付け方式を採用すべきかが決まります。.
THR-22
THR-5-22
SMD-22
