この10年の間にiPhoneがもたらしたサプライズ
iPhoneは、これまでそのシンプルな外観や見事な加工技術を自負して来ました。その独特の風格で、ユーザーは一目でiPhoneだと分かるでしょう。
初代のiPhoneから最新式のiPhone7/7Plusまでの10年間に、どの世代のiPhoneであっても、常に人々にさまざまなサプライズをもたらしてきました。
これまで発生した「アンテナ異常事件」、「機体の弯曲事件」、「漆落ち事件」など、問題もありましたが、アップルはすぐに問題に対応し、とやすやすと解決してきました。
見た目、手触りと、工業技術から見ればアップルは、製品のデザインにかなりこだわっています。もしかしたら、この10年間でも、iPhone外観の工業技術やアンテナデザインの変遷から沢山のことを勉強できるかも知れません。
iPhone、iPhone3G、iPhone3GS
初代のiPhoneからiPhone3G、iPhone3GSまで、この三代の機種のバックカバーは全て非金属の材質を使用していました。しかも、iPhone4の枠にアンテナを仕込むようなデザインが出現する前に、この三代の機種は全部FPC式のアンテナデザインを採用していました。
初代のiPhoneのバックカバーの上半分の部分は金属の材質でしたが、下半分の部分はプラスチックの材質を使用しています。
電波信号はアルミニウム合金を透過することができないが、プラスチックを透過できるので、初代のiPhoneバックカバーはアルミニウム合金材質とプラスチック材質の両方を使用しました。これも当時の技術のレベルでデザインに限界があったからであろう。
iPhoneを分解してその中のアンテナ構造を見てみよう。
バッテリーを取り外したらタイミング・コントローラに接続した二本のアンテナ接続配線が見える。
左のベースバンドインターフェースのアンテナ接続配線を抜く。
アンテナのところにフレキシブルプリント回路基板とブラケットだけが見える。
アンテナブラケットを取り外す
初代iPhoneは金属材質を使用したため、より美しい外観、磨耗に耐える本体と優れた手触りが体験で来ただろう。しかし同時に、金属材質自身の持つ信号の障壁性により、本体が正常に電波信号を受けたり送ったりできない場合もあるので、続いた新しいiPhoneは金属材質とガラスそしてプラスチック材質を結合したデザインを使用しました。
iPhone3G、iPhone3GSは初代iPhoneから3Gネットワーク機能が付加されている。正常な電波信号の通信を確保するために、iPhone3GとiPhone3GSともプラスチック製のバックカバーを採用しました。
iPhone3GSの内部構造図を見た時、フレキシブルプリント回路基板方式を採用したアンテナは、銅箔で信号を発信する方法を発見した。
そのメリットはデザインが簡単で、生産コストも低い所だ。デメリットはハードウェアの組み立て精度の問題に影響を受けやすいことです。しかも、実際にiPhone3GSのアンテナを定着するハードウェアは丈夫ではないと言われたことでもありました。
iPhone4、iPhone4S
iPhone4のバックカバーは基本的に三つの部分で構成しています。二枚の滑らかな高強度ガラスとガラス枠を一回りしているステンレスバンドである。同様に、iPhone4Sの外観もiPhone4スタイルをそのまま受け継いだ。
iPhone4イン＆バックガラスカバー、金属製フレーム
iPhone4の金属製フレームはCNCステンレス工業技術を使用して、左側と上部の隙間は金属製フレームを２つに分けています。
この金属製フレームは、ただ機体のフレームとして機能しているだけでなく、同時にスマートフォン の無線アンテナの役割を果たしている。
左半分の部分はWI-FI、ブルートゥースとGPSアンテナの役割を果たし、右半分の部分はUMTS/GSMネットワークアンテナの役割を果たしています。
iPhone4の金属製フレーム構造
新しいのアンテナデザインはiPhone4の一つ大きなイノベーションとして注目されました。感度を上げるために、エンジニアは従来スマホ内部に設置していたアンテナを、金属製フレームに仕込んだのだ。しかし、驚いたのは当時、この「全てを変えられる」と言われたiPhone4は根本的な通信障害、「アンテナ障害事件」も発生したことが指摘されました。
iPhone4の大胆なアンテナデザインを分析
iPhone4のネットワークが使用したのはメインアンテナである。メインアンテナはカバーの側面にあるだけではなく、本体内部のもう一つのアンテナと結合され機能している。
カバーの側面に溶接された複雑な形の金属部品は、さまざまな国の電波周波数に対応するために用意されたものだと考えられています。
ニュースに出演したアンテナエンジニアの推測によると、iPhone4アンテナがわざわざ二つのパーツで組み立てられている要因は、電波周波数の特性等で微調整が必要で、アンテナを作り直す場合、もしアンテナがカバーだけにあるとしたら、カバーのモジュールを全て作り直さなければならなくなるからだろう。
実際、スマホ内部のアンテナとしてのコイルやコンデンサーは各一つ取り付けられているが、コイルやコンデンサーが備えた、複数の電波周波数を対応できるアンテナとしての電極はあまりにも小さかった。アンテナと言うよりむしろカバー側面に仕組まれたアンテナを補助する微調整用のアンテナという方がもっと適切だと考えられます。
iPhone4背面
メインアンテナは二本のアンテナにより構成され、機体の下にある。一つはカバーの側面を利用したアンテナ1とスピーカーモジュールの薄型樹脂部品の上に配列されたアンテナ2である。
しかし、誰も思っていなかったのは、この大胆なイノベーションが予想外の副作用も生み出したことだ。：ユーザーがスマホを使用する時、その握り方により電波が不安定になる現象を引き起こした。
この問題を引き起こした原因は、アンテナの構造にある可能性がかなり大きい。その原因について説明してみよう。
まず、接触することで信号が不安定になったスマホの左下の隙間周辺と開放端側で露出した放射電極は二本のアンテナの接点である（図示の通り）。
この図はiPhone4のメイン＆サブアンテナの構造や回路図を示しています。しかもiPhone4のカバーの一部はアンテナの役割を果たしている。
サブアンテナ（WLAN、ブルートゥース、GPSのアンテナ）はカバーの上側にある発信電極として使われていると考えられる（図示の通り）。カバーの隙間両側にある発信電極の側面では電源ボタンしか設置されていない。もう一つの側面ではイヤホンジャック、ボリュームコントロールボタン等の設置されている。電源ボタンはイヤホンジャック＆ボリュームコントロールボタンと違って、通信した時に電源ボタンは使用されていないので、通信機能に影響を受けないように、アップルは多分アンテナとボタンの位置を全部調整したのだろう。
最後の解決方法：この問題を解決するために、アップルはその後発表したCDMAバージョンのiPhone4及びiPhone4Sの金属フレームは全部で三つの部分に分けられていた。
iPhone4と比べ、iPhone4Sはどうやって受信の感度を改善したのだろう。分析した過程で、エンジニアはCDMA2000のiPhone4Sが受信グレーディング機能を加えたことに気づいた。
スマホを回転する状態で、iPhone4SのTRP（総放射出力）及びTIS（全方位感度）の三次元受信感度を検測して、その信号の改善状況を測定した。赤い部分は深くなるほど三次元受信感度は良くなる。
ワイヤレス機能は良好である
iPhone4Sの信号受信感度に関するテストによれば、iPhone4Sは抜群のワイヤレス機能を持ち、スマホを手で握ったことで起きた「電波の受信感度が悪くなる」という問題は大幅に改善されたことが分かりました。
更に、CDMA2000バージョンのiPhone4Sにもまた、その問題が起こした影響を抑えるために開発した新たな技術も導入されました。
iPhone4Sは素晴らしいワイヤレス機能を持っていて、手でスマホを握った時の受信感度は7～18dBだけ下がった。
データによると、iPhone4Sの信号不安定の問題は既にうまく解決されました。
続いてiPhone4Sの外部から内部まで探り、筆者と一緒にその信号問題を解決した仕組みを見てみましょう。
iPhone4/iPhone4Sの隙間とマナーモードスイッチの位置
iPhone4の構造であれば、ユーザーは手でスマホ左側の黒い隙間を塞いたら、給電装置とアース間の回路は塞がれる。しかし、iPhone4Sの構造であれば、アース部分の機能は強化され、更に内部構造の一部も変更されたことにより、受信感度低下の問題を解決している。
更にiPhone4Sを分解してみれば、リチウムイオンバッテリーの広さは1mmぐらい縮められたが、基板の広さは相対的に増加し、しかもアンテナが、基板の増えた部分に通っている。
アンテナは、基板の縦方向に沿って設置され、電磁波ノイズ防止用の金属カバーに固定されている。アンテナ中央の部分に外部の金属カバーに繋がる金属端子が設置されている。
iPhone4Sは追加した新しいアンテナデザインにより、iPhone4のアンテナデザインが原因で発生した「手でスマホを握った時、信号の受信感度が悪くなる」という問題を解決した。
基板の広さが増えた部分はアンテナの通路です。（図はiPhone４Sの基板とiPhone4の基板を重ねて比較した写真）
日本では、iPhone4Sの世代から新技術CDMA2000が利用されていたので、今回はauのiPhone4Sを使ってCDMA2000技術を解明するためのテストもおこなってみた。
結果からみれば、CDMA2000技術は受信感度を改善するためにダイバーシティ受信機能を利用したことが分かった。
エンジニアの推測では、iPhone4Sの内部には四つの隙間が存在し、しかも電力増幅器チップの部分に、新しい同軸ケーブルも取り付けられている。
四つの隙間は高周波状態でフレームを大体上部、中部、下部の三つの部分に分けている。ここで話した高周波状態というのは、アースを共有するために、高周波回路を全てのパーツと接続させている状態のことである。
もし機体の下部をメインアンテナ、上部をサブアンテナだと見なせば、電力増幅器チップのところに同軸ケーブルを取り付けた理由を説明できるだろう。つまり、アップルはiPhone4SにCDMA2000が使用可能な「ダイバーシティ受信」機能を搭載させている。
iPhone4Sに上部アンテナと基板の無線周波数チップを繋げるバッケージされたケーブルがある。CDMA2000バージョンのiPhoneは多分、場合によって上部アンテナと下部アンテナを使い分けるためのダイバーシティ受信機能が搭載している。
ダイバーシティ受信機能は、無線通信業界でかなり前から使用されていた受信感度を改善する技術です。
その原理は：あらかじめ多数のアンテナを用意する。その中に調子の良いアンテナを自動的に選択して信号を受信し、あるいは信号を受信した全てのアンテナに位相合成処理をかける技術です。
iPhone5からiPhone5S（iPhone5C）
iPhone5はiPhone4Sのガラスカバー＆鋼質の金属フレームのような外観設計を受け継がず、アノードアルミナの工業技術を利用したアルミナ合金材質のデザインを使用しています。もちろん、iPhone5Sの外観設計にもこのようなスタイルを受け継ぎました。
iPhone3GやiPhone3GSのバックカバーはプラスチック材質で、アンテナもカバーに設置されていない。iPhone4やiPhone4Sのフレーム側面はアンテナの役割を果たしている。
iPhone5は、信号不安定な問題を解決するために、金属製のバックカバーは三分割方式のデザインを採用し、上と下の部分はセラミック＆ガラスの材質を使用しています。
このようなデザインを決めた理由は、金属の材質は電波を遮蔽することと、外観設計上せざるを得ない妥協と両方があるとおもわれます。
iPhone5の正反面
iPhone5、iPhone5S、iPhone5Cの分解結果を比較する
スクリーンを離した、三者内部の配列は大した変化は存在していない。
配列方式は基本的に同じであり、左側はバッテリーで右側はマザーボードです。
バッテリーを取り外した後、三者の違いが見えるようになって来ました。iPhone5とiPhone5Cの間はほどんと変わっていない。
iPhone5C、iPhone5Sのアンテナデザイン分析
技術スタッフはiPhone5SとiPhone5Cを分解して分析した結果、iPhone5S/5Cの移動通信、無線LAN/ブルートゥースとGPS三種類のアンテナは機体の上部に、移動通信のサブアンテナは機体の底部に組み込まれていると分かった。
（a）iPhone5CとiPhone5Sのバックカバーにそれぞれメインアンテナが設置されている。
iPhone5CとiPhone5Sのアンテナ・コンフィギュレーションは変わっていない
iPhone5SはiPhone5Cと同じく、一部外装の金属部品をアンテナとして利用する構造を使用している。そして、樹脂製のカバーを採用したiPhone5CもiPhone5Sと同じく、内部にアンテナとしての板金加工された部品を取り付けている（a図）。ただし、iPhone5SとiPhone5Cの無線LANとブルートゥースのアンテナは若干違っている（b図）。
iPhone6/iPhone6PlusからiPhone6S/iPhone6S Plus
iPhone6S/iPhone6S plusの外観はiPhone6/iPhone6Plusと同じ、外観は、本体周囲の外枠と、前面、背面の三分割構造のようなデザインを採用している。
iPhone6SとiPhone6S Plusの一体化した金属製バックカバーによって起きた電磁波信号遮蔽問題を解決するために、エンジニアはアンテナを外部に置く方法を採用するしかない。
その方法もiPhone5の三分割デザインから得られたヒントである。
iPhone6とiPhone6S背部の対比
iPhone6は「全ての通信方式に対応できる」機能を搭載している（公開版のiPhone6Cellularは中国移動通信/聯合通信/電信通信の2G/3G/4Gざまざまな通信方式に対応することができる。）それ以外に、シングルアンテナ＆2.4GHz/5GHz二重周波数を持ち、802.11a/b/g/n/ac規格の無線ネットワーク、ブルートゥース4.0や近距離無線通信にも対応している。このように、全ての通信方式に対応できるようなアンテナを開発することのハードルは、かつてないほど高かっただろう。
本体を分解すれば、iPhone6Sの内部部品の配列はiPhone6の内部部品の配列と実際非常に似ていることが分かったので、iPhone6アンテナのデザイン技術を分析することでiPhone6Sアンテナの仕組みも説明できるでしょう。
iPhone6とiPhone6Sの内部部品配列対比
外観から見れば、一体化した金属バックカバーのように見えるが、実は中身はプラスチックに包まれたA/BCD/E三つの部分に分けられる。A部分は上部のアンテナで、E部分は下部のアンテナであり、真ん中のBCD部分は繋がって、アンテナとアースの役割を果たしている。
指摘されたiPhone6背面のスプリット・デザイン
iPhone6の上部にCellularサブアンテナ、二重周波数WLAN、ブルートゥース、GPS、近距離無線通信等の機能が搭載されている。
iPhone6マザーボードの上半部分にあるアンテナ給電端子（正面）
iPhone6上半部分にあるアンテナ給電端子（正面）
iPhone6マザーボード上半部分にあるアンテナ給電端子（正面）
5GHzWIFIアンテナ給電端子
iPhone6の下半部分にあるアンテナはCellularのメインアンテナである。
スマートフォンは通信端末の一種として、常にネットワークと繋がっている。搭載された電波の周波数によって無線ネットワークの周波数も違ってくる。
ただ一つのアンテナであらゆる周波数帯域の電波を受信することは現実的ではないだろう。
なので、スマートフォンの信号の質を安定する為に、アップルはiPhone6を開発した時に、外枠が周囲を取り囲むようなデザインを採用したのもやむを得ないことだろう。
iPhone7、iPhone7Plus
iPhone7とiPhone7Plusは、より洗練されたデザインと斬新な工業技術を採用しました。
3D研磨技術により、手触りはより快適になりました。カバーは強固な7000シリーズのアルミ金属材質である。更に、継ぎ目無く丸みを帯びたデザインによってスマートフォンの一体感が与えられています。
バックカバーの外観から見れば、iPhone7やiPhone7Plusは三分割式のデザインを利用しておらず、ただ頂部と底部の外枠だけを残しているおかげで、見た目の分裂された違和感もそこまで強くなくなった。
iPhone6S、iPhone7
アンテナである外枠部品も上下部分のエッジの部分だけ、数量も二本から一本まで変えられたが、外観からより太くなったように見える。
ライトブラック版のiPhone7とiPhone7Plusでは、プラスチック製の外枠部品を識別するのは難しい。プラスチックカバーと外枠部品の色が似ているからだ。その他、この二種類の材質の光沢もほぼ同じのも原因だと考えられている。
このような一体化したデザインできるのも高いレベルの3D研磨技術のおかげである。
iPhone7マットブラック版
マットブラック工業技術過程
続いてiPhone7（2G+128GTLC）を分解して、その中のアンテナの部分を分析する。
４つのアンテナコネクター接続用ネジを取り外す
４つのアンテナコネクター接続用ネジを取り外す
アンテナコネクターを取り外す
２つのアンテナコネクター接続用ネジを取り外して、コネクターを取り外す
テールプラグ配線を外す時。下の二本のアンテナケーブルも外す必要がある。
４つのスピーカー固定用ネジを取り外し、無線周波数ケーブルを取り分けてスピーカーを取り外す。
テールプラグを取り外す。テールプラグ配線集積回路Lightingインターフェース、スピーカーインターフェース、振動モーターインターフェース、マイク二つ、無線周波数ケーブルインターフェース等
テールプラグ配線を取り外す。テールプラグ配線集積回路、Lightingインターフェース、Lightingインターフェース、マイク二つ、無線周波数ケーブルインターフェース等
バックカバー
アンテナコネクター
iPhone7のマザーボード・ユニット
SIMカードスロット
（写真はGeekBarより）
一番上はWI-FIチップであり、しかもiPhone7のWI-FIチップは異型チップである。
iPhoneのWI-FIチップは801.1a/b/g/n/ac規格の無線LANに対応することができる。WI-FIチップの下方にある正方形のNXPNFCチップはApplePayの機能を果たしている。そして、スマートフォン電源管理チップはiPhone集積回路の給電機能を果たしています。
マザーボードの下半部分にTI電子会社製のUSBメモリのコントロールチップ、給電用のチャージチップとディスプレイチップがある。上半分は無線周波数集積回路であり、上にベースバンドチャージチップ、モデム、アンテナスイッチとフィルタ等、スマホの無線周波数機能を果たす部品が組み込まれている。
まとめ：iPhone7はカスタムチップを大量に使用しているが、マザーボード内部のチップのコンパクト性は業界内でリーダーの位置に至っている。
次世代のiPhone8
最近、次世代のiPhone8は恐らくセラミックス製のバックカバーを採用するといううわさが流れているようだが、これまでの技術を考えれば、まだ色々挑戦すべき課題があると思われる。
アルミニウム合金製のiPhoneバックカバーから見れば、アップルのアルミ工業技術は申し分ないだろうが、金属製バックカバーが共に持っている欠点は、電波信号を遮蔽することなので、スマートフォンにとってアンテナの機能を果たす外枠の部品は必ず必要なります。もう一つの欠点は無線充電ができないことです。
既に2012年にアップルは「セラミックス製バックカバーにアンテナを組み込む」というデザイン特許を登録した。
この前の時期では中国の会社もセラミックス製バックカバーのスマートフォンを開発したそうである。しかも、使用したのは単なるセラミックスではなく、ジルコニアセラミックスという材質であった。
このジルコニアセラミックス材質は対磨耗性が良い、肌に優しい、気密性が良いそして、電波信号遮蔽性が低い等のメリットがあるので、ジルコニアセラミックスはプラスチックや金属以外の、三番目のスマートフォンバックカバーの材質となる可能性が大きい。
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出所：GeekBar.cc
翻訳者：Amemoba メディア運営チーム