イシノラボ／マスターズ店長の連載
第１弾 日本オーディオ史
第７３回 Ｄクラス（デジタル）アンプの量産設計 前編
１本の電話と韓国の会社
サンスイ在籍当時、スピーカー設計に従事していた頃、先輩社員のＭ・ＫさんはＳＰ２００２等の傑作スピーカー設計者で、私は尊敬していた。Ｍ・Ｋさんはその後、サンスイを離れたが、何と、２０年ぶりくらいか？ＴＥＬがあった。
さて、お話を伺うと、サンスイにスピーカーユニットを供給していたフォスター電機の営業マンとして優秀だったＭさんが、フォスターから、韓国ゴールドスターとフォスターとの合弁で設立したスピーカーユニット会社に加わり、日本支社代表でおられるとのことだった。“それで、どうなの？”と話を急がせると、その会社に、日本の専業オーディオＡ社から、Ｄクラスアンプ搭載のサブ・ウーファーをＯＥＭ開発設計、生産をして欲しいとのことであった。
Ｄクラスアンプと聞いて、とても私の出る幕ではないと思った。“Ｄクラスアンプは話に聞いているが、良くわからない！”と遠慮した。
ところが、Ｍさんは、何とか話を聞いて欲しい、日本支社に来てくれないかという。
それで、私はアポイントを取って、そのあたりの事情を伺いに日本支社に伺うことにした。
ゴールドスターは韓国の財閥にふさわしく、日本支社は赤坂のツインタワービル内にあり、社内は豪華な雰囲気があった。
Ｍさんとは２５年ぶりくらいの再会であった。お互い、年を重ねたが、Ｍさんの有能さは相変わらずであった。
当時のＤクラスアンプの水準、開発状況
海外の半導体メーカーがＤクラスアンプ用ゲートドライバーＩＣ（ファイナルステージのＭＯＳＦＥＴのゲートにＰＷＭ信号を生成して送り込む役目）を発売し始めていた。また、アメリカ、西海岸で、ドクター・トライパシーがＤクラスアンプの開発を始めていたころであった（トライパスブランド）。日本では、電子雑誌、ＣＱ出版の“トランジスタ技術”が自作記事として、Ｄクラスアンプをアクティブに紹介していた。【図１】にゲートドライブＩＣを使うＤクラスアンプの基本ブロックの参考図を示します。
さて、私の知るところでは、パイオニアは開発が一番進んでいて、サブ・ウーファーにＤクラスアンプを採用しつつあった。それでも、内情は、当時、Ｄクラスアンプ分野で開発設計に取り組んでいた優秀なエンジニアは退社して、開発力は弱っていた。
一方、当時、段々と内部抵抗の小さいＭＯＳＦＥＴが登場してきた。ご承知のように、Ｄクラスアンプのファイナルデバイスは、トランジスタではスイッチング速度が遅く（少数キャリア動作だから）、多数キャリアで動作するＭＯＳＦＥＴでなければ、スイッチング電源，インバータ，Ｄクラスアンプは実用にならなかった。
そのような技術イノベーションが進行するなかで、マルチメディア化が本格的になってきて、５．１ｃｈ再生が求められるようになってきた。そうなると、アンプ内蔵のサブ・ウーファーが求められ、アンプ部はできるだけ小型、軽量のものが必要とされていた。
Ｄクラスアンプは、理論的に高効率なので、小型・軽量化できる可能性があった。但し、Ｄクラスアンプはひずみ特性、周波数特性において、アナログアンプに及ばず、フルレンジ用Ｄクラスアンプの製品化には無理があった。
また、Ｄクラスアンプは高周波スイッチングするので、Ｄクラスアンプ自体から、電磁波ノイズを出し、周囲の機器に電磁波妨害を与えるので、輻射ノイズを安全規格内に納めるには、それなりの技術とノウハウを必要としていた。
Ｄクラスアンプ開発・量産計画
話を戻すと、韓国のこの合弁会社は韓国の独占禁止法により、ゴールドスターから分離独立して、近々、“ＥＳＴＥＣ”という会社になるという。そこで、ＥＳＴＥＣは日本支社オフィイスを三鷹に設置するという。
さて、Ａ社からのＯＥＭ生産の話とは、以下のストーリーであった。
- ２５ｃｍウーファで構成するサブ・ウーファーにＤクラスアンプを搭載したい。
- ＥＳＴＥＣはスピーカーユニット会社であるから、システム設計の経験はあまりない。
アンプ設計部門も有していない。まして、Ｄクラスアンプはとても無理そう。 - ＥＳＴＥＣはこの商談を何とか具体化したい。具体的には、日本語を話せるアンプエンジニアを雇ったという。また、Ｄクラスアンプを設計できそうな、ソウル郊外にあるカー・ステレオ会社にＤクラスアンプの開発委託をする予定だが、その会社はＤクラスアンプ設計の経験がない。
- そこで、外部の技術者に設計委託して、Ｄクラスアンプを設計できないか？
私は、話の詳細、事情を聞きに、ＯＥＭ開発・生産を要請しているＡ社の様子を聞いてみることにした。Ａ社は北八王子にあり、私はかつて、Ａ社のプリメインアンプの量産設計を担当した経験があったので、人脈があった。
また、Ａ社のスピーカー設計課にはＳ社から転職してＮさんもいたので、早速、Ａ社、スピーカー設計課長と面談した。
“どうして、Ａ社内のアンプ技術で開発設計できないかと？”と尋ねると、アンプ技術課はまだＤクラスアンプ設計の実績、ノウハウもないから引き受けてくれない。“という事情であった。それでは、通常のアナログアンプをサブ・ウーファーに搭載すれば、技術的なリスクがないと言ってみたが、課長さんは”このあたりで、当社も先進技術を採用したい！“という。それにはリスクが大きいと申し上げたら、それは、この話を受けてくれるかの”ＥＳＴＥＣ“の問題という。
私は、面談を終えて、まずは、Ｄクラスアンプ関係の海外半導体各社に開発・実用化状況を取材することにした。
調べてみると、“インターシル（Ｉｎｔｅｒｓｉｌ）”が１５０ＷパワーのＤクラスアンプモジュール（ＨＣＡ１２５）を開発しているらしいという情報が入った。
インターシルの日本代理店は、六本木にある“極東コンチネンタル”であった。さっそく、アポイントを取って伺ってみると、確かに、このプロジェクトは存在していた。すでに、試作サンプルがあって、ヒアリングできる状態にあった。
その場のリスリングルームで聴かせて貰った。サウンドはほどほどで、それなりであった。音質があまり問題にならないサブ・ウーファー用には使えそうであった。
私は無理を言って、その試作モジュール（評価ボード）を貸して貰った。戻って、自身のラボで測定してみると、パワーが充分満足できるし、発熱等の心配はなかった。但し、Ｄクラス特有のスイッチングノイズはＡＭラジオを近づけると盛大に出た。
“まあ、Ｄクラスアンプだし、それに、試作品だから、仕方ないか、”と判断し、このモジュールを使えば、Ｄクラスアンプ部の設計にかかる時間は相当セーブできそうであった。
それでは、量産スケジュールを聞いたところ、はっきりしない！１週間程度の期間を置いて、日本代理店のＹさんにインターシルサイドに督促するようなかたちで、頑張ってもらったが、それでもはっきりせず、この試作品の量産採用案は諦めざるを得なかった。
このプロジェクトに取り組むべきか。
この時期、どういうわけか、私は新しい技術にチャレンジしたいと思ったし、また、我々が設立した会社の技術部門が独立会社となって頑張っていた。そのなかのＴ・ＤさんがＤクラスアンプに熱心で、“やってみるなら、協力する”と言ってくれた。また、社長であるＫ・Ｋさんは“自分もエンジニアであるから、協力する！”と言ってくれた。
だが、アンプは電気設計者だけでは量産設計はできない。スピーカキャビネット，グリルネット，コントロール部，リモコン部、それにもっとも重要な全体のレイアウトを考える必要もあった。
機構設計は、ロジャーズＭ３００ｉ設計時の機構担当、Ｔさんに依頼することにした。Ｔさんは喜んで引き受けると言ってくれた。
Ｔさんは、パソコンＣＡＤ操作に精通して、ＥＳＴＥＣの図面のやり取りもメールで充分対応できる能力があった。あとはどの程度、技術フォローできるかであった。
もうひとつは、搭載するマイコンのソフト設計が必須であった。このサブ・ウーファーはリモコンで、電源，音量，入力切替機能が要求されていた。
Ｔ・Ｄさんが紹介してくれたＳさん（３年後、若くして故人となってしまった）にお会いした。５０才台のフリーＩＴエンジニアであった。マイコンの開発ツールを借りれば、搭載するマイコン開発はできると言ってくれた。エステックに問い合わせると、サムソンなら紹介すると言われ、サムソンと連絡を取り、借りることができた。Ｓさんの開発能力は優れていて、仕様の変更に対応する能力はすばらしく、プログラム上のミスはほとんどなかった。
残ったのは、メインのゲートドライバーＩＣをどうするかであった。結局、仕方なく、パイオニアも採用した“ハリス”のＨＩＰ４０８０Ａを採用するしかなかった。量産対応も反応が良かった。
そこで、とうとう、私はエステックのＭさんに“引き受ける！”と言ってしまった。
量産設計業務に取り組むことになった
エステックはスピーカーユニット会社だから、完成品のアンプ入りサブ・ウーファーの量産を引き受けることは、相当リスクがあった。アンプの技術、まして、Ｄクラスアンプの技術はまったくなく、外部委託する私にしても、Ｄクラスアンプの量産経験はない。また、エステックはそのために急遽、日本語のできるアンプ技術者を雇ったという。また、量産会社はソウル近郊の中規模のカー・ステレオ会社にＯＥＭ依頼するという。
製品ＯＥＭを依頼するＡ社もスピーカ事業部だから、アンプ技術者はいない。Ａ社のアンプ部門にはアンプ技術者は沢山いるが、Ｄクラスアンプに詳しいエンジニアはいない。（数年後、Ａ社のカーオーディオはＤクラスアンプアンプ採用に踏み切った。）
ビジネス的には、マスターズとして、見積書を作成して、費用を３回に分けて、支払ってもらうことになった。マスターズは機構設計のＴさん、マイコン設計のＳさんにその金額から、支払うことになった。また、試作に係る費用、韓国出張の費用は実費請求して支払って貰うことになった。
ビジネス的には、このように進行してきたが、この量産設計プロジェクトは普通の見方からすれば、成功しない確率のほうが多いと思うであろう。
韓国エステック社もそのリスクは気になっていたであろうが、乗りかかった船と思っていたのであろう。
量産スケジュールはＡ社の標準スケジュールであって、新技術だからと言って、待たせてくれないようであった。
そのころは何とか、メール連絡できる世の中になっていて、頻繁に連絡はとれるようになってきていた。
しばらくして、エステック社から、日本語のわかる途中入社のＰ・ＰさんとＤクラス内部を生産するカーオーディオ会社部長のＫ・Ｋさんが来日することになった。
その際、Ｄクラスアンプのプロトサンプルを持参するという連絡が入った。私はプロトタイプが製作できる水準なら、何とか、協力してやっていけるかという感触を得て、喜んだ。
そして、２人は、我々の前に現れた。挨拶、握手して、“Ｄクラスアンプサンプルを見せて！”と私がいうと、彼等は“落として、壊してしまったので、持ってこられなかった！”という。その言葉には、がっかりしてしまった。“それでは回路図は？”という気にもならなかった。要は、彼等は何も検討していなかったのだ。
気を取り直して、技術的、スケジュール的、仕事の分担などを話し合うことになった。
“これは苦労するぞ！”と私は覚悟した。
この時期のＤクラスアンプとは
ＤクラスアンプはＰＷＭアンプというのが正しい。ＰＷＭアンプの原理は、かなり以前に提案されている。サンスイ在籍時に１９７０年代後半、アット・ウッド氏が来社し、披露したが、そのとおりにサンスイ開発陣が試作してもうまく動作しなかった。当時、ＭＯＳＦＥＴは開発が始まったばかりであり、少数キャリアで増幅作用をおこなうトランジスタでは、ＰＷＭのスイッチング速度が追い付かなかった。多数キャリアで増幅をおこなうＭＯＳＦＥＴの登場によって、実用化段階に達した。
基本的ブロックは【図１】に示すように、三角波発振回路で三角波生成し、オーディオ信号と三角波とをコンパレーターに入力すると、高周波ＰＷＭ信号が得られる。このＰＷＭ信号を２個のＭＯＳＦＥＴでスイッチング増幅するために、レベルシフト回路やひずみ改善のためのデッドタイム回路を収納したゲートドライバーＩＣ入力し、ゲートドライバー出力で、ＭＯＳＦＥＴを高速スイッチングする。高周波部分をＬＣフィルターでオーディオ信号だけをろ過する形でオーディオ信号となる。勿論、アナログアンプと同じように、ＮＦＢを掛けることは必須である。
アナログアンプのように連続的に増幅するわけではないので、効率は飛躍的アップし、小型、軽量化が図られる。但し、Ｄクラスアンプは、リニア動作ではないので、ひずみ性能はアナログアンプより落ちるのは仕方ない。
だが、小型化、高効率のメリットから、近年のＴＶやパソコン、携帯のオーディオアンプ部分には１００％、ＤクラスアンプがＩＣ化されて、採用されている。
次回は量産設計に苦労の連続をした話を記述したいと思います。お読みくださって、感謝致します。
【図１】 ゲートドライブＩＣを採用したＤクラスアンプ ブロックダイアグラム例
【写真１】 Ｄクラスアンプに使用したＭＯＳＦＥＴ，ゲートドライブＩＣ，カスタム開発したコントロール用マイコンＩＣ（９番と書いてあるもの）
【写真２】 １次試作品のリアパネル側
２０１５年１０月 ９日掲載