村田制作所展示的新技术 - 高交会电子展见闻

发布时间：2013-12-24 15:57 发布者：老郭

作者：郭庆春

村田制作所是日本的一家电子元器件厂商，创立于1944年。村田以陶瓷电容起家，目前涉及的领域涵盖无源器件、通信组件、传感器、连接器、滤波器、电源等诸多方面。

日本厂商通常以工艺精良著称，村田也不例外。不仅如此，正如其口号“innovator in electronics”那样，村田在热点领域的一些创新也令人瞩目。下面就介绍一下村田在今年的高交会电子展上展示的最新产品技术。

3D手势识别超声波传感器

手势识别是近期的热门技术。手势识别一般通过对摄像头加算法来实现。但这里介绍的手势识别技术不是基于摄像头，而是基于超声波传感器。村田和Elliptic Labs携手为便携式消费类设备（如智能手机和平板电脑）提供3D超声波传感器非接触式操作。

图1：村田3D手势识别超声波传感器尺寸仅5.2 x 5.2 x 1.2mm

我们都知道蝙蝠是利用超声波的高手，精确的声纳定位帮助它在黑夜中能捕食运动中的昆虫。人类也在各行各业广泛利用超声波，如医疗影像和军事侦察。村田将超声波用于便携电子设备，这得益于其高超的小型化技术。村田研发的微型低功耗超声波传感器，特别适用于对功耗要求很高的小型、便携式产品。村田的超小型表面贴装超声波传感器可实现高声压，在便携设备上安装多个超声波传感器不仅能实现高精度测距，而且能实现3D手势识别。

与基于摄像头的手势识别技术相比，超声波可提供高分辨率、宽视野和低功耗。村田的3D手势识别超声波传感器尺寸仅5.2 x 5.2 x 1.2mm，工作电压6Vp-p，声压100dB，指向性60°，最大工作电流10mA。

图2：以多点接收反射回来的超声波便可计算出目标的3D位置和动作

村田的表面贴装型超声波传感器已经被Elliptic Labs公司的Touchless Gesture Software所采用。Elliptic Labs的软件为消费类设备（包括电脑、平板电脑和智能手机）提供超声波非接触式操作方案，使这些设备围绕屏幕180°都能响应自然的手势动作。在村田公司的展台，工作人员演示了以手势操作的“水果忍者”游戏，切削的准确度相当高。据介绍，配备超声波传感器3D手势识别技术的手机明年有望上市。

手机NFC天线

带有NFC功能的手机越来越流行。村田开发了两种NFC手机天线，分别适用于塑料外壳手机和金属外壳手机。适用于塑料外壳手机的NFC天线采用特殊的ZB结构（铁氧体斜插进线圈），增强了导磁的效率，尺寸更小，而且可以将天线放在手机的顶部和侧面。

图3：铁氧体斜插进线圈的ZB结构使得天线尺寸更小

一些高端智能手机倾向于采用金属外壳，但金属外壳会影响NFC天线的性能。为此，村田的PB型NFC天线以金属外壳作为booster，利用手机金属后盖的摄像头开孔实现NFC信号的传输。

图4：PB型NFC天线适合金属外壳的智能手机

村田NFC手机天线的尺寸和厚度可根据客户要求定制。天线厚度为0.2mm至0.5mm，谐振频率为13.56MHz。

组合式陀螺仪传感器

村田独特的3D-MEMS技术向市场提供了高性能、高可靠的MEMS传感器。此次展出的组合式陀螺仪传感器将陀螺仪与加速度计合二为一，适用于多种稳定控制系统，如汽车的防滑控制系统（ESC）、防侧翻控制（ARC）、翻滚检测传感器（ROV）、导航系统、导向系统、惯性测量装置、平台控制、控制运动分析和机器控制系统等。型号为SCC1300-D04的器件尺寸为8.5 x 18.7 x 4.5mm。器件具有理想的线性和稳定的偏置特性，噪声低，能去除MEMS部分的高频振动成分，并具有高度的自我诊断功能。

图5：组合式传感器结合了1轴陀螺仪和3轴加速度计

适用于心脏检测的MEMS加速度传感器+无线通信模块

常规的心脏健康检测方法是心电图分析。但获取心电图必须在人体上安放多个电极，操作比较繁琐。村田的心脏检测技术则完全不同，它通过测量承载人体的座椅或床的轻微振动来实现，无需直接接触人体，因而十分方便。

图6：村田用于心脏检测的MEMS加速度传感器+无线通信模块

模块的原理图如下。模块安装在病床上，其中的MEMS加速度传感器采集病床振动信号，通过A/D转换器转化为数字信号给微控制器进行分析，其结果通过有线接口（SPI、I2C、UART）或无限通信的方式传送给监控端设备。该模块每50ms检测一次人体皮肤的机械振动，灵敏度高。模块的尺寸为40 x 40 x 7mm，输入电源电压为7~50V，接口电压3~5V，电耗为10mA。

图7：心脏监测模块原理图

据工作人员介绍，此类模块最早的应用是沃尔沃S80型汽车的后备箱，它可以检测后备箱内的生命信息，如盗贼的生理特征或婴儿的存在，以帮助破案或预防危险情况的发生。现在看来，MEMS加速度计用于病人监测更为实用。

图8：BCG模块更适合病人和老年人的远程医疗监护

检测环境光、接近和运动的光学传感器

村田的这个光接口集成了光发射器、光接收器和数字输出IC，尺寸仅3.1 mm x 3.1mm，可以检测目标物体的上下、左右和远近运动。据工作人员介绍，该光接口采用激光而非红外光，所以它对距离不敏感，安装的时候特别方便。该器件的功耗低，工作电流仅10μA。据介绍，村田的一轴光接口已经实现量产，用于运动检测的三轴光接口正在开发中。

表1：村田光传感器的电气特性

图9：光接口尺寸仅3.1 mm x 3.1mm

图10：光接口可检测物体的位置和运动

嵌入式Wi-Fi模块

村田的嵌入式模块搭载了Wi-Fi通信所需的必要功能，内嵌MCU，最适合家电这样的CPU处理能力低的设备，方便它们实现Wi-Fi功能，是智能家居、物联网、云服务的关键组成部分。该模块携带的硬件和软件使得安装目标设备中处理能力很低的MCU或未搭载RTOS/OS的MCU都能实现Wi-Fi功能，能实现数据存取、与MCU之间的通信和对传感器的控制。该模块已经搭载了Wi-Fi天线，也可以根据需求外接天线。其结构与参数如图12所示。

图11：村田嵌入式Wi-Fi模块最适合为家电等嵌入式设备实现无线通信

图12：村田嵌入式Wi-Fi模块的参数及结构图

智能照明系统

前面提到的嵌入式Wi-Fi模块是以Wi-Fi网络连接设备，其优点是Wi-Fi网络在家庭中已经普及，而且Wi-Fi网络具有很好的带宽。但Wi-Fi有它的局限性，没有很好的组网能力，所以覆盖范围有限。相比之下，属于网状网的ZigBee则具有覆盖范围大的特点，更适合用于智能照明系统。虽然ZigBee网络的带宽较窄，但足以应付智能照明的通信要求。在村田的展位，工作人员演示了多种方法实现对灯光的控制。

图13：村田的智能照明系统方案

又见村田顽童

村田的展位当然少不了村田顽童，而且他总是观众瞩目的焦点。这回村田顽童可爽了，有美女和他对话，当然他也很乐意应答。所以他堂妹村田婉童（骑独轮车的那个）就不用来了，他已经不孤单了。村田顽童展示了村田的尖端技术，如用于姿势控制的陀螺传感器、传送接收命令的蓝牙模块、眼部摄相机所使用的透光性陶瓷镜头、超薄型压电扬声器、蓄电池装置、电源模块等。随着村田技术的进步，顽童的本领也越来越大。当我们下次再看到村田顽童的时候，不知道他又会增添了什么新本事呢。