オーディオのイシノラボ・ドットネット - 第７７回　１ｋＷパワーのＤクラスアンプ搭載サブウーファ用アンプの開発

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７７回　１ｋＷパワーのＤクラスアンプ搭載サブウーファ用アンプの開発

きっかけ

ＵＳＡのＩＲに入社したＨ・Ｊさんから、ＴＥＬがあった。まだ、ＩＲに入社して１年くらいであった。彼のＴＥＬによれば、海外のある会社から、Ｐ社のＯＢであるＳ・ＫさんにＤクラスアンプ開発の話が持ち込まれ、私に手伝ってくれないかと言うことであった。ちょうど、タムラでのＤクラスアンプの仕事が終了したところだったので、何とか、話に乗れそうだと思った。それで、Ｓ・Ｋさんに会うことになった。
秋葉原のコーヒーショップで会うことになった。
Ｓ・ＫさんはＰ社で高級ピュアオーディオコンポ開発設計スタッフであった。けれども、当時、マルチメディアがオーディオ界を飲み込むとあって、Ｓ・ＫさんはＰ社をリタイヤせざるを得なかったようだ。
Ｓ・Ｋさんはやってみたい仕事であるが、Ｄクラスアンプの知識、実績がないので、経験のある私をＨ・Ｊさんが私を紹介してくれたらしい。
この開発プロジェクトの本音はおおよそ８か月くらいで、ハイパワー（１ＫＨｚくらい）サブウーファ用アンプを開発してほしいとのこと。ただ、安心できるのは、試作開発であって、量産はまた別の話とのことであった。
タムラのときは５００Ｗであった。これもかなりのハイパワーであった。今度はその２倍！果たして、出来るかどうかをＨ・Ｊさんに意見を聞いたところ、ＩＲでハイパワーアンプ用ゲートドライブＩＣを開発中であるから、これが間に合えば可能性があると言ってくれた、少なくとも、試作品は優先的に送ってくれると言ってくれた。

開発の方向

一緒に開発するＳ・Ｋさんの開発場所は首都圏に適当なところがなく、Ｓ・Ｋさんの故郷である山形県に場所・設備を使わせてくれる会社があるという。彼はそこで、仕事をすると言う。遠隔の地だが、もうその頃はネット（メール）時代になってきたので、連絡・協議にはあまり問題がないように思えた。方針、方向は私がある程度決めて進むことになった。必要な検討場所は、私の工房を当時、東京・立川にあったＣＴＳエンジニアリングの試作室、設備を使わせて貰うことになった。また、当時、Ｄクラスアンプ開発に先進的であったＴ・Ｄさんが協力してくれることになったのは心強かった。

調査を始める

当時の最先端のＤクラスアンプ開発、特に、ＩＣ開発、アンプ開発しているところの調査から始めていった。

シーラスロジック：当時、極めて先進的なフルデジタルＤクラスアンプを開発していたアメリカのベンチャーであった。日本の商社はすぐ注視して、日本代理店は商社に設立されていた。
その代理店にコンタクトすると、すみやかに日本人セールスエンジニアが来てくれて、説明をしてくれた。また、すぐ実用化できるような資料を配布してくれた。もちろん、英文論文のかたちであり、すぐ、そのようなＤクラスアンプが発売されそうな気配を見せていた。けれども、開発ロードマップを見せてくれたが、何か、危なそうであった。量産試作品を貸してくれるように依頼したが、１～２か月経っても、はっきりしなかった。結局、シーラスロジックは実用化せずに終わってしまったような様子であった。
開発依頼先としてはオリジナルな技術で開発してくれとの意識がなかったので、話には乗ってきてくれたが、あきらめた旨を開発依頼先に伝え断念した。
フライング・モール：“大空を飛ぶモグラ”とのブランドを掲げて立ち上げたＤクラスアンプブランドであった。
さっそく、この方式を応用できないかとコンタクトした。この会社はヤマハＯＢ集団が立ち上げたベンチャーで、浜松市に立地していた。
社長のＳ氏にＴＥＬで話を聞くと、ヤマハで名エンジニアとして評価高いＹ氏（その後、縦型ＦＥＴのパワーアンプの設計で頑張った方）がＤクラスアンプ技術にも精通していて、彼の技術を実用化したものであったと言う。

サンプル購入を申し込むと、特別価格で分けてくれた。
そのモデルはＤＡＤ－Ｍ１と言い、１５０ｍｍ（Ｗ）×１０６ｍｍ（Ｈ）×４１ｍｍ（Ｄ）、重さ７３０ｇと小型・軽量で１６０Ｗ（４Ω）のパワーを出した。電源部はスイッチング方式、Ｄクラス変調には１ｂｉｔ方式を採用していた。フルレンジであるから、ヒアリングしてみると、ハイエンドオーディオには、まだまだ到達していないレベルであった（【図５】参照）。
Ｄクラスアンプにつきもののノイズ発生安全規格では、日本国内のＶＣＣＩはクリアしているようだった。ＦＣＣ規格にはパイオニア埼玉事業所内の電波測定室を使わせていただき、測定してみたが、クリアしていなかった。　

不要電波測定をおこなう

Ｈ・Ｊさん、Ｓ・ＫさんがパイオニアＯＢであったことも幸いして、パイオニア埼玉事業所内の電波測定室を無償で使わせていただくことになった。（当時は広大な敷地にパイオニアの開発部門、プラズマＴＶ事業部があって、盛況であった。現在は事業所を閉鎖、敷地を売却してしまった。）
電波測定設備は測定ルームを含めて、￥２億以上の資金が必要であった。
このとき、せっかくだから、この電波設備を使わせてもらって、Ｄクラスアンプから発生される電磁波ノイズの状況を測定して、ノイズ縮小ノウハウが得られればと考え、その当時のＤクラスアンプの電磁波ノイズを測定してみた。おそらくこのような測定データはどこにもなく、初めてのことではなかったと思う。
具体的に、測定データを載せてみます。

測定法

ＦＣＣ（アメリカ）規格がポピュラーであり、それをクリアするのは大変なことである。当然、日本の自主規格ＶＣＣＩより厳しい。測定法はテストされるＤクラスアンプを回転台に置き、そこから確か１０ｍの距離に電磁波ノイズを測定するアンテナを置き、電波の性質として、水平・垂直２方向偏波について、３０Ｍ～１０００ＭＨｚのレンジで電磁波ノイズを測定する。このような測定はとてもマニュアルではできず、すべて、パソコンコントロールによる自動測定であった。

測定ルームの暗電磁波ノイズ
まずは、測定ルーム内の電磁波ノイズがどの程度に下がっているのかを測定してみた。
これは音響測定の無響室での無音測定を考え方は同じである。
【図１】に示すように測定データは当然、合格レベルを下回っているが、周波数は上がる帯域では屋外から電磁波ノイズが電波シールドルームでも入り込むことが分かる。そのうえで、測定してみた。
フライング・モール
上述したフライング・モールのＤクラスアンプをＩＥＣ測定基準レベルの１／８出力（最大出力）で、測定する（【図２】に示す）。７０ＭＨｚ～２２０ＭＨｚのレンジで、最大２０ｄＢオーバーしていた。ＦＣＣ規格にはクリアしていなかった。
また、電源ＯＮしたままのアイドリング状態だと、当然だが電磁波ノイズは劇的に下がる（【図３】）。

そこで、トライパスの試作品を１／８出力で測定してみると、２０～３０ＭＨｚではかなり規格オーバーであった（【図４】）。

Ｄクラスアンプはスイッチング周波数をアンプ内で生成しているから、どうしても電磁波ノイズが外部に漏れ出てしまうことが分かります。オーディオ機器の不要電波（電磁波ノイズ）の問題についての認識が深まったことは、私自身の大きな収穫であった。

また、最近のことだが、アナログＦＭチューナー（１９８０年製）の下にＣＤプレーヤーをおいて、ＣＤ電源をＯＮすると、ＦＭチューナーはデジタルノイズを受けて受信しなくなる。やはり、電磁波ノイズはオーディオ機器にとって有害であるが、対策を誤ると返って、対策を取った機器の音質劣化が発生することは次回述べます。

開発に取り掛かる

具体的な目標

この開発はパイオニア、スピーカー設計部が協力を申し出ていただいたので、意見、方向をうかがうと、ハイパワーサブウーファが、将来性があると言う。
トライパスで５００Ｗパワーを達成したので、それでは１ｋＷならと伺うと、やってみてということになった。スピーカー技術は１ｋＷに耐えるウーファの開発も同時にスタートするということになった。

【表１】暫定仕様

用途	サブウーファ用ハイパワーアンプ
定格出力	１ｋＷ（４Ω）：１分間は持続すること。
ひずみ	５％以下（１ｋＷ時）
構成	フルブリッジ
ノイズ規格	ＦＣＣ規格をクリアする。
電源	１００Ｖ

具体的な試作設計

まず、出力構成は多パレレル構成で、かつ、パワーを取れるフルブリッジ構成とした。フルブリッジ構成とすると、出力部は±２電源構成を取らず、単電源構成で実現できるメリットがあった。
電源部はスイッチング電源だと、発生電磁波ノイズが大きいので、心配のないトランス電源とした。大型電源は整流後１００Ｖ（ＤＣ）になるトランスを必要とした。
試作はサンスイＯＢでトランス設計・製作の達人、技研Ｏ・Ｓさんに依頼したころ、快く試作してくれた。
回路構成は待っていたかいあって、ＩＲ社でＨ・Ｊさんが開発していたゲートドライバーＩＣ（ＩＲ２１５３）をすぐ送ってきてくれた。
また、電流容量の大きなＭＯＳＦＥＴはＩＲが開発したので、これをパラレルフルブリッジ（合計８石）で構成することにした。
回路設計、プリント基板設計はＴ・Ｄさんが頑張ってくれて、試作を繰り返すうちに段々と１ｋＷが出るようになってきた。全体のプリント基板も【図６】に示すように、それほどサイズが大きくならず、形となった。
また、電源ＯＮ／ＯＦＦのノイズでスピーカーに有害にならないように、また、ユーザーが不快にならないようにミュート回路を備えた。
そして、意外と大変なのは１ｋＷパワーを測定することであった。負荷抵抗には１５０Ｗ／８Ω抵抗を８本備えて、測定することにした。ともかく、１ｋＷ／４Ωは計算上、１８Ａ程度の大電流が流れるので、測定は極度の緊張が強いられた。
いろいろ、ハラハラしながらも、ひずみ率１％で、１ｋＷ／４Ωをクリアできた。
いよいよ、ヒアリングテストを実際のプログラムソースでおこなうことになった。
パイオニアスピーカー部の視聴室を貸してくれ、かつ、スピーカー技術部のスタッフの皆さんもヒアリングテストに同席してくれることになった。
今でも覚えているが、パイオニアの大画面プラズマＴＶに試作ハイパワー対応サブウーファで視聴をおこなった。
潜水艦への爆雷攻撃シーンの凄いサウンドは恐怖感を覚えるものであった。幸い、サブウーファもＤクラスアンプも壊れることはなかった。
やはり、このような小型アンプユニット構成で１ｋＷを出せることはＤクラスアンプの素晴らしさであった。

開発の終了

開発委託してきた会社からは、市販品への商品化計画はまだ具体化しないので、１ｋＷ出ることが証明できたので、それでよろしいということなった。
私としては、海外に輸出ということまでを検討をおこなうと、少なくともＦＣＣの電磁波規制をクリアするには相当厳しい検討が待っていることは、これまでの電波試験から推測できた。ともかく、Ｄクラスアンプ自体の設計開発は高性能なゲートドライバーが登場して、それほどの難関ではないと感じた。
それよりも、外部にまき散らす電磁波ノイズの抑制は、特効薬はなく、地道に水漏れを止めていく作業が続いているようにしなければならない。
その点、小パワーのＤクラスアンプは電磁波ノイズ発生量が少なく、アンプやＴＶに採用することはこの時期からどんどん進んでいった。
また、日本国内なら、ＶＣＣＩというＦＣＣよりも緩い自主規制をクリアすれば製品化できるので、Ｄクラスアンプは市場に急速に浸透していった。
２００７年くらいから、カラオケアンプのＤクラスアンプ化は凄く、具体的には第一興商のカラオケアンプはすべて、Ｄクラスアンプになっている。

【図１】暗ノイズ