Home モデル 「iPhone 12」を分解 バッテリー容量が減少した理由、米国モデルが搭載するミリ波ユニットの特徴は?:バラして見ずにはいられない(1/3 ページ) – – ITmedia

「iPhone 12」を分解 バッテリー容量が減少した理由、米国モデルが搭載するミリ波ユニットの特徴は?:バラして見ずにはいられない(1/3 ページ) – – ITmedia

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 2020年に吹き荒れた新型コロナウイルス感染症の影響はiPhoneにも及んだ。生産開始が3カ月遅れ、発売も1月おいて2回に分ける異例の措置が取られた。それでも2020年末までの新モデルの生産総数は約8000万台と2019年同様の水準を達成し、組立現場のすさまじい頑張りが伺える。

 iPhone 12シリーズのうち、約1500万台は米国限定のミリ波5G通信に対応した。2019年から米モトローラや韓国サムスン電子が少ない機種で少数をリリースしていたが、これほど大量のミリ波対応端末が一気に投入されるのはiPhoneが初めてだろう。今回はミリ波に注目しながらiPhone 12シリーズの目立った点をご紹介したい。


iPhone 12を分解したところ。基板は2枚。完全2階建てとなった

バッテリー容量が減少した理由は?

 長年iPhoneを調査しているが、前年モデル(今回はiPhone 11シリーズ)よりバッテリー容量が減ったのは今回が初めてだと思われる。4種類それぞれの減り方は異なるが、平均1割弱ほど減っている。

iPhone 12
歴代iPhoneの仕様。下から2番目のバッテリー容量が大きく減ったのが、iPhone 12シリーズ最大のサプライズだった

 なぜ容量が減ったのだろうか。考えられる理由は3つある。

 1つはiPhone 12シリーズが前年より1mmほど薄くなった影響と考えられる。バッテリーはiPhone構成部品の中で最も容積のある部品の1つであり、iPhoneの薄型化と一緒に薄くなったと考えられる。

 省エネに貢献している部品が増えたことも、バッテリー容量減に踏み切った理由なのかもしれない。1つはA14プロセッサが世界初の5nm微細化技術を採用し、大幅な節電効果を生んだ。

 もう1つは電源管理ICの増加が挙げられる。一般論として、スマートフォンはシステム用に1個、通信用に1個、合計2個の電源ICを搭載すれば動く。細やかな電源管理を行うため、iPhoneにはカメラ用や5G通信用に別途電源ICが追加された。iPhone 12シリーズが搭載する電源ICは5個まで増えた。電子部品が増えるのでコストは上がるが、省エネ対策としては有効で、他社のプロセッサやスマホでも同様の傾向が広がっている。

iPhone 12
プロセッサと部品総数の変遷。常に最新の微細化技術を採用。iPhone 12シリーズは5nmを採用し、性能や省エネ効率はアップしたが、価格もアップし、2019年の25ドルから40ドルへ60%上昇した


iPhone 12
DRAMはプロセッサ性能と連動しており、大量のデータ処理を要するカメラの増加とともに容量が増えている。音楽や動画を保存するフラッシュメモリの容量増加は512GBでとどまっている


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米国向けモデルが搭載するミリ波ユニットの特徴

 5Gは2種類の電波で通信する。6GHz以下の周波数を使う「Sub-6」と28GHz以上の周波数を使う「ミリ波」である。米国の二大携帯電話事業会社は電波割当の関係で5Gサービスをミリ波からスタートすることになった。このため、2019年より徐々にリリースされるようになったミリ波対応スマホは事実上米国モデルであった。

 Sub-6とミリ波は周波数の開きが大きい。Sub-6はLTEの部品の延長で運用できる部分もあるが、ミリ波は専用のICやアンテナが必要となる。多くの場合、短冊形をしたモジュールにアンテナやICなどを詰めて「Antenna in Package(AiP)」を構成しており、Qualcommが量産しているAiPは1個およそ15ドルである。どのようにスマホを握ってもミリ波通信可能な状態を維持するため、スマホのあちこちに複数のAiPを搭載する。

 iPhoneではデータ通信用に2か所、センサー用として1か所、合計3か所にミリ波モジュールを搭載している。内訳はAiPが1個、メインボードに1個、センサー用に1個となる。いずれもQualcommからICだけを購入し、アンテナを含む残りの部分は自前で開発したと思われる。

iPhone 12
メインボード上のミリ波ユニット。左が村田製作所のパッケージで内部にミリ波通信関連電子部品を納めている。右側はミリ波用周波数変換IC。パッケージの中で周波数を一度周波数変換した信号の周波数を更に変換する

 AiPは、村田製作所がパッケージングしたと推定される。パッケージ内部にはQualcommのミリ波送受信兼周波数変換器用ICが1個、電源ICが1個搭載されているとみられる。これらはグレーの樹脂の内側にある。裏側の黒い面はアンテナで、X線で見るとアンテナ4個が認められる。アンテナにはミリ波に適した信号減衰の少ない「液晶ポリマー」と呼ばれる材料が使用されている

 2つ目のミリ波ユニットはメインボードに搭載されている。アンテナとICが分離しているのが特徴だ。メインボードの片側に村田製作所のモジュールがあり、中身はAiPと同様だ。その基板の裏側にミリ波アンテナ8個がステッカーのように装着されている。日本版などミリ波非対応のメインボードを見ると、この場所には無数のアンテナ接続ポイントを見ることができる

iPhone 12
メインボード裏側のミリ波アンテナ。8素子のアンテナが見える。画面下は2個目のミリ波ユニットでAiP。黒い面がアンテナ。これらを接続するケーブルは液晶ポリマーと推定される

 アンテナとICを分離した「非AiPミリ波ユニット」は、iPhoneが世界初の採用例と思われる。薄いアンテナが独立することで設置場所の自由度が高まる。本体の薄型化などに対応しやすく、透明なアンテナなどが開発されれば、ディスプレイ側にアンテナを設置するスマホも登場するかもしれない。

 3個目のミリ波ユニットはデータ通信用ではない。高周波の電波が人体に与える影響を考慮し、スマホと頭部の距離を測定し、距離に応じてデータ通信用ミリ波アンテナの出力を調整する役割と推定される。搭載場所はディスプレイ部の顔認証「Face ID」用赤外線カメラと自撮用カメラの間である。このような目的で使用される電波は、「ISM (Industry, Science, Medical)バンド」と呼ばれている。世界中で使用されており、周波数は14MHzから24GHzまで幅広い。

 スマホと頭部の距離を測定するセンサーの1つに、赤外線を使う近接センサーがある。これで対物距離の認識は可能だが、形状認識能力はない。形状認識には高周波の電波が必要で、ISMバンドとして使用されている中で最も周波数が高い24GHzが使用されていると推測している。スマホにミリ波が搭載されるとこの種の装備が搭載されるという話は以前からあり、今回のiPhoneで初めてその搭載例を見ることができた。

iPhone 12
3個目のミリ波ユニット。人体への影響を考慮した頭部との距離を測定するセンサー。周波数は形状認識が可能になる高周波の24GHzと推定される


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カメラも大きく変化

 カメラの手ブレ補正の手法は2つある。1つはデジタル処理、もう1つはブレと逆の方向にレンズを動かす光学処理である。iPhoneでは後者が採用されていた。スマホのカメラはサイコロのような形状をしており、それなりに高さがある。iPhone 12シリーズは本体の薄型化に伴い、カメラの高さも抑制する必要があったようだ。

iPhone 12
歴代のiPhoneカメラの変遷。画素数は12MPとiPhone 11から据え置きだが、グラフが示すようにCMOSイメージセンサーが大型化しており、より多くの光を取り入れられるようになった。夜景撮影などに威力を発揮する

 iPhone 12 Pro Maxの望遠カメラレンズはiPhone 11 Pro Maxの樹脂6枚構成から樹脂6枚プラスガラス1枚の7枚構成となった。結果としてレンズが重くなり、レンズの代わりにその下にあるカメラのフィルムに相当するCMOSイメージセンサーを動かす「センサーシフト」が採用された。この新技術はアルプス電気が担当したと推定されている。

 従来のレンズを動かす手ブレ補正のドライバーICやアクチュエータなどのメカコストはおよそ3ドルと見積もられている。センサーシフトのコストは7〜8ドルと推定している。現在はiPhoneの最上位機種のみ搭載されているが、カメラの低背化ニーズが広がれば、他の機種でも採用が進み、価格も下がる可能性がある。

iPhone 12
推定原価に占めるディスプレイとカメラの割合。増大の傾向で、この2種類の部品だけで全体の3分の1を占めている


iPhone 12
電子機器で最も員数が多いのが積層セラミックコンデンサー(MLCC)。Appleは基板幅が極端に狭く、搭載部品も極小サイズを多く採用している。0402サイズ(縦横0.4mmx0.2mm)を量産できるのは日本メーカーのみ


iPhone 12
iPhone 12 Pro Max限定搭載のセンサーシフト方式カメラ。光学式手ブレ補正機構の変化が、カメラモジュールの大型化という形で現れている

2021年以降のiPhoneはどうなる?

 iPhoneの魅力の1つは、常に将来モデルの話題が豊富な点だ。2021年モデルについてさまざまな予測が立てられている。現時点で確度の高い情報を幾つかご紹介する。2021年のモデル数は、iPhone 12シリーズと同様に4モデル構成となるようだ。ディスプレイは、上位2機種に韓国サムスンディスプレイの新型有機ELパネルが搭載され、従来パネルより20%省エネで、バッテリーの持ちが体感的に長くなることが期待されている。

 2022年には、AppleがIntelから買収したモバイルチップ部門で開発されたICが、現在米QualcommのICの多くと置き換わると予想されている。Apple製ARグラスや自動車の話も話題となっており、これからも引き続き最新の情報をご報告したい。


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