コンパクトディスク

コンパクトディスクは、1970年代にソニーとフィリップスが共同開発し、1980年代初めに製品化された記憶媒体。金属の薄膜や有機色素材料をポリカーボネートやガラスなどの保護層で挟んだ光ディスクであり、レーザー光を使ってデータの読み出しや書き込みをする。もともとは、従来のレコードに代わり音楽を記録するための媒体として開発され、その後、コンピュータ用のデータを記録する派生規格も策定された。

1. 概説
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光ディスクとしては最初の世代に当たり、消費者向けのデジタル方式のオーディオ媒体としても最初のものである。

樹脂製の円盤に「ピット」と呼ばれる小さな凹凸が刻み込まれており、ディスクを回転させつつレーザー光を当てたときに、凹凸により反射率が異なることを利用して、データとして読み込む。直径が12 cmのものと8 cmのものがある。

音楽用もともとは音楽用に開発されたため、単に「CD」と言うと一般的に音楽用のCDを指す。音楽の最大収録時間は74分から80分である。CDに記録された音楽を再生するための装置はCDプレーヤーといい、CDの開発とCDプレーヤーの開発は並行的に行われた。CDを用いた最初の商用音楽ソフトは1982年に発売され、1986年にはCDの音楽ソフトの年間販売枚数が約4500万枚となり、LPレコードの販売枚数を抜いた。コンピュータ用コンピューターなどで使用するデータ類を記録したものはCD-ROMと呼ばれる。1985年から使われている。CD-ROMはユーザにとっては読み出し専用である。記憶容量は、直径12 cmのものであれば、640 MBから700 MBなどである。CD-ROMからデータを読み出すための装置はCD-ROMドライブと言い、光学ドライブの一種である。また、ユーザが情報を記録するための媒体として、1989年ころ業務用では1991年RにCD-Rが実用化され、1997年ころにCD-RWが実用化された。

2. 歴史
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2.1. 前史
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1971年6月、ソニー創業者の井深大に誘われてソニーに入社した中島平太郎森のちに「CDの父」と呼ばれる、デジタルオーディオ技術の草分け的人物}}は、1973年にデジタルオーディオの開発を始め、1974年にソニー初のPCM音源を用いた録音機である「X-12DTC」を開発した。1974年のオーディオフェアに参考出品し、評価してくれる専門家もいたが、発売には至らなかったSonyHistory_2-07}}。1976年にはデジタルオーディオの開発に加わった土井利忠らとともに、前年に発売されたベータマックスを用いたデジタル音声の記録・再生機器である「PCM-1」を開発したSonyHistory_2-07}}。

一方「PCM-1」の開発とは別に、ソニーはフィリップスが開発した光学方式のビデオディスクの商品化に取り組んでおり、ディスクを使ったデジタルオーディオの録音・再生をする取り組みも始まっていたSonyHistory_2-07}}。土井は「PCM-1」の試作機を用いてビデオディスクにデジタル音声を記録してみるが、使用に堪えない結果となったSonyHistory_2-07}}。その結果「PCM-1」をビデオディスクのアダプターとすることは断念し、ベータマックス用のアダプターとしてオーディオフェアに出品すると、人だかりができるほど好評であり、「PCM-1」は1977年9月に商品化されたSonyHistory_2-07}}。

また土井はディスクに関してはビデオ信号の形式を借りないで、デジタルオーディオ信号を直接光ディスクに記録することを決め、このころに誤り訂正符号を仕様に盛り込むことを決めたSonyHistory_2-07}}。こうして1977年のオーディオフェアに出品にすると、他社はビデオ信号を用いた形式を利用しているのにソニーだけは別方式をやっていると社内外から言われ、それに対して土井は「ビデオ信号で記録すると演奏時間は30分だけど、直接記録を使えば13時間20分記録できる」という内容の講演をするが、それを聞いた大賀典雄当時ソニー副社長}}は「そんな長時間もの音楽の入ったソフトをつくるのは、コストがかかり過ぎてビジネスとして成り立たない」と苦言を呈したSonyHistory_2-07}}。

1978年6月、大賀はフィリップスを訪れると、フィリップスの幹部ルー・オッテンスは大賀にオーディオ専用の光ディスクを見せた。「オーディオ・ロング・プレイ」とフィリップスでは呼ばれており、のちのレーザーディスクとなる光ディスクを開発している時に副産物として開発されたものだった。フィリップスからディスクの仕様を聞いた大賀はレコードからの置き換えができるものとの将来性を感じ、フィリップスと光ディスクの共同開発をすることを決断したSonyHistory_2-08}}。そしてデジタルオーディオディスクの規格統一の話し合いのために内外29社からなる「DAD懇談会」に向けて両社で規格をまとめて提案することになったSonyHistory_2-08}}。

2.2. 開発経緯
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1979年8月末から共同開発が始まり、ソニー側の技術交渉に当たったのは技術研究所の中島、土井、ディスク開発部の宮岡千里のちのソニー常務。しかし「LPレコードが世界のスタンダードであり、その音に満足しているから余計なことをしないでくれ」とレコード関係者の反発は強かったSonyHistory_2-09}}。アメリカCBSとの合弁会社CBS・ソニーレコードの幹部もCDの生産に否定的であったが、大賀が説得した結果、CBS・ソニー単独資金で静岡の大井川にCDソフト工場を建設する許可を得たSonyHistory_2-09}}。

生産を始めるとCDの反りの問題が浮上したが、当時新素材であったポリカーボネートの使用を1982年8月に決定し、CD発売開始半年前の同年9月半ばにプレス生産が軌道に乗ったSonyHistory_2-09}}。

2.3. 黎明期
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1982年8月31日、ソニー、CBS・ソニー、フィリップス、ポリグラムレコード会社}}の4社共同のCDシステム発表会が東京大手町の経団連会館で開かれ、当日の夕方から夜のテレビニュースと翌日の朝刊で一斉に報じられたSonyHistory_2-09}}。

同年10月1日、ソニーからは再生第1号機「CDP-101」およびCBS・ソニーからは世界初のCDソフト50タイトルが発売され、CDソフトの生産第1号はビリー・ジョエルの「ニューヨーク52番街」となったSonyHistory_2-09}}。50タイトルの内訳はクラシックだけでなく、ポップスやロック、歌謡曲まで揃っており、その後年末までに100タイトル余りのソフトが発売されたSonyHistory_2-09}}。

こうして1980年6月のDAD懇談会では日本ビクターの静電式も評価として残されていたが、CDが発売されたころには、ほとんどの会社がソニー・フィリップスによるCDシステムの採用を発表し、CDが事実上の世界統一規格となったSonyHistory_2-09}}。

1983年に入ると、他社からも次々にCDプレーヤーが発売され、CDソフトも同年末には約1000タイトルが店頭に並んだSonyHistory_2-09}}。1984年11月になるとソニーは「CDP-101」の機能と変わらないまま本体サイズをCDジャケット4枚分の厚さにし、価格も49,800円に抑えたポータブルCDプレーヤー「D-50」を発売、これにより各社のCDプレーヤーの価格も下がり、業界全体のCDビジネスも本格的に立ち上がっていったSonyHistory_2-09}}。

2.4. 普及期
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デジタル音声に関しては当初、特にアナログオーディオ技術を駆使する録音スタジオのエンジニアたちによって、「アナログタイプの機器より1けた高い」「音質が硬く、音楽的でない」と評価された。その中でもアメリカのボーカリストのスティービー・ワンダーやジャズピアニストのハービー・ハンコックなどがデジタル音声を支持したことで、否定的だったミュージシャンらもデジタルオーディオに肯定的になっていったSonyHistory_2-10}}。そうしてクラシックの新譜はほとんどすべてがデジタル化され、マルチトラック録音が必要なポピュラー音楽も、次々とデジタル録音されるようになったSonyHistory_2-10}}。

CDソフトの日本国内生産枚数も1984年末頃は、 LPレコードと比べて10分の1程度の生産枚数だったが、2年後の1986年には年間4500万枚に達して、LPレコードを逆転したSonyHistory_2-10}}。そして1988年前後には、LPレコード最盛期の生産量の1億枚を超し、1992年には3億枚を突破したSonyHistory_2-10}}。中島はCDの生産枚数は「1989年ごろにLPレコードを追い越して、将来的には2億枚ぐらいにはなるだろう」と予測していたが、想定よりも早く、かつ想定以上の生産枚数に達する結果となったSonyHistory_2-10}}。

その後CDには音声・映像・文字用の「CD-ROM」、映像・音声両用の「ビデオCD」など、様々な規格が策定され「CDファミリー」を形成していったSonyHistory_2-10}}。

1990年代後半にCDと同じサイズでCDより高音質のSuper Audio CDやDVD-Audioなどの次世代オーディオメディアが登場したが、CDを置き換えるには至らなかった。

2.5. 衰退期
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2000年代以降はインターネットによる音楽配信やストリーミング配信が増加し、2010年代以降はハイレゾなど配信データの高音質化やレコードの再評価により、音楽媒体としてのCDの売上は減少傾向となった。 またデータ用としてもDVDやBlu-rayなどの次世代規格のメディアやインターネットなどによるデータ通信が台頭したことから下火となった。

2022年、アメリカでは1987年以来初めてレコードに売上枚数で抜かれた。

3. 仕様
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3.1. サイズ
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コンパクトディスクの外形は一般的には、直径12 cmまたは8 cmで厚さ1.2 mmの円盤であり、中央に直径15mmの穴が空いている。

ただし一部には、通称で「名刺型CD」や「カード型CD」と呼ばれる、8 cm CDを長方形に切り取り周囲をコーティングしたものがある。同様の形状で書き込み可能なCD-Rも市販されていたが、書き込み可能な面積が小さいので、通常の8 cm CD-Rよりも容量が小さい。また長方形型以外にも特殊な形状のものもあるドリームキャスト版『GUILTY GEAR X』特典CDは盤面の絵柄によって形状が異なり、セガサターン用初回限定版『[[リフレインラブ。

3.2. 構造と材質
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下から順に、基盤、反射層、ラッカー層、印刷層の4層構造になっている。

一番下の基盤の一般的な材質はポリカーボネートであり、厚さは1.1 mm富士通_CDメディアの構造}}。ほかにAPOやガラスを使用したものもある。

反射層は一般的には厚さ約80 nmのアルミニウム蒸着膜であるが、劣化防止などのためにアルミニウムのかわりに金を使用したものもあり、これは「ゴールドディスク」と呼ばれる。

蒸着膜によって彫られた細かい凹凸によってデジタル情報を表現している。この読み取り面から見れば出っ張りになるくぼみをピットといい、ピットのない部分をランドという富士通_CDメディアの構造}}。

読み取りには780 nmの赤外線レーザーが用いられ、ランドの部分に当ったレーザー光は反射してそのまま戻ってくるが、ピットがある部分に当ったレーザー光はランドからの反射波と1/2波長の位相差をもつため干渉して打ち消しあい暗くなる。この明暗によりデジタル信号を読み取り、これをアナログ信号に戻して音声として出力する。CDの虹色のような光沢は、この規則正しく並んだトラックで回折した光が、干渉することによる構造色である。

ピットの幅は0.5 µmで長さは0.83 µmから0.3 µm単位で3.56 µmまで9種類、ピットから次のピットまでの距離も同じ9種類である。またピットの列をトラックというが、このトラックは1.6 µm間隔で、内側から外側に向かって渦巻状に並んでいる。

ラッカー層は厚さが約10 µmである。

印刷層はシルク印刷である富士通_CDメディアの構造}}。レーベルのデザインによるが、2012年現在では反射層と印刷層が穴の部分まで拡大されたものが主流となっている。

3.3. 記録
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コンパクトディスクはセッション単位で記録され、セッションはリードイン、データ、リードアウトの3つの領域で構成される富士通_CDメディアの構造}}。CD-DAのセッションは1つであるが、CD-EXTRAはマルチセッションを採用している富士通_CDメディアの構造}}。

データ領域には1から99までのトラックを記録でき、トラックは複数のセクタで構成される富士通_CDメディアの構造}}。1セクタは1/75秒であり、1セクタあたりのデータは2,352バイトである富士通_CDメディアの構造}}。

フレームがデータの最小単位であり、1フレームは24バイトである富士通_CDメディアの構造}}。24バイトの内訳はビット深度が16 bit、チャンネル数が2.0 ch、サンプリングデータが6であることから、16×2×6で192ビットである富士通_CDメディアの構造}}。

コンパクトディスクは誤り訂正としてCIRC短いバーストエラーからの誤り訂正を行う符号として「リード・ソロモン符号」を提案したのは、フィリップスのCD開発チーム責任者である。}}が使用されるため、訂正用に8バイト、サブコード用に1バイトが付与されて、24+8+1で合計33バイトになる富士通_CDメディアの構造}}。さらにデータをピット列として記録するにはEFMという変調方式が用いられるため、8ビットが14ビットに変換されることで、33×14で462ビットになる富士通_CDメディアの構造}}。

加えて、変換されたデータにはマージンビットと同期信号が付与される富士通_CDメディアの構造}}。マージンビットは3ビットであり、変換されたデータごとに付くため、33×で561ビットとなる。そして同期信号は24ビットで同期信号にもマージンビットが付くため、最終的に1フレームは561+24+3で588ビットとなる富士通_CDメディアの構造}}。

3.4. 容量
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CD-ROMの場合、12 cmディスクは約650から700 MiBの容量を持つ。800 MiBを超える容量のものもあるが、一部の機器では読み取れない場合がある。8 cmディスクは約155から300 MiBの容量を持つ。

セクタ数は12 cmディスクの650 MiBでは約333,000セクタ、700 MiBでは約360,000セクタになる。1セクタは2,352バイトで、1セクタあたりのデータ容量はCD-ROM MODE1およびMODE2/FORM1で2,048バイト、MODE2で2,336バイト、MODE2/FORM2で2,324バイト、CD-DAで2,352バイトである。CD-ROMはCD-DAよりも規格が後に作成され、その際にエラー訂正がより重視されたため、2,352バイトのうち304バイトをヘッダやエラー訂正などに割り当てていることからCD-DAより容量が少なくなる。これに加えて、以下のPからWまでのサブチャンネルが1セクタあたり96バイトPからWに12バイトずつ割り当てられる。なお先頭の同期信号を含めれば98バイト。}}存在するので、1セクタ当たり2,448バイトとなる。

Pチャンネル 各トラックの開始点情報 Qチャンネル ISRCコードやMCN、アドレス情報 R-Wチャンネル CD-TEXTやCD+Gで使用容量は以下の計算式によって求められる。

CD-DAでは音楽データをサンプリング周波数44.1 kHz、ビット深度16 bit、チャンネル数2.0 chステレオで記録している。つまり1秒分の音楽データを44,100回に分割し、1回あたり16 bitを費やして記録している。このため、1秒あたりのデータ量は44,100×16×2÷8=176,400バイトである。
これが74分だと176,400×60秒×74分=783,216,000バイトとなり、これは約747 MiBとなる。全領域に音楽データだけを記録するならこれだけの記録が可能だが、CD-ROMのMODE1およびMODE2/FORM1の場合はエラー訂正用データなどが入るため、使用できる容量は783,216,000÷2,352×2,048=681,984,000バイトとなり、これが約650 MiBとなる。
80分ディスクも同様の計算でCD-DAのみの場合は846,720,000バイトで約807 MiB、CD-ROMのMODE1およびMODE2/FORM1の場合は737,280,000バイトで約703 MiBとなる。

3.4.1. 最大収録時間
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CD-DAでの収録時間は12 cmディスクでは約74分から80分である。具体的には、規格上デジタルのPCM形式で最大79分57秒、99トラックの音楽が記録でき、また1トラック中には99インデックスを設けることができる。2000年頃までのプレーヤーは、インデックスサーチできるものが多数存在した。

記録トラックの幅を狭めれば容量は増やせるが、古い音楽CDプレーヤーには稀に74分記録されたCD-Rは再生できても80分以上は再生できないという互換性の問題が存在する。2003年に策定されたガイドライン//High Capacity Recordable Disc 1.0//に対応していないCDプレーヤーでは長時間CDは再生できない。MP3ファイルをデータとして書き込んだ場合、最大収録時間はファイルのサイズにもよるが概ね8時間前後となる。ただし、対応機器は限られる。

8 cmCDの最大収録時間は約22分程度。これは、CDビデオのオーディオパートとビデオパートを分けそれぞれ開発した際に由来する。8 cmというサイズはケースに収納したときレコードのシングル盤ケースのちょうど半分のサイズとなるため、小売店でレコード用の棚を使いまわせるだろうと考えたためである。

現在の収録時間最長の音楽CDは、マーキュリー・レーベルにザンクト・フローリアン・アルトモンテ管弦楽団/レミ・バローが録音したブルックナー：交響曲第3番 の89分03秒である。//Eight-to-fourteen modulation//が定めた規格上は97分文献によっては97分26秒と秒数を指示しているものもあるが、ドライブ側は97分33秒までゆとりをもたせてあることも少なくない。よって、//Eight-to-fourteen modulation//が定めたオレンジブックに準拠した最大収録時間は96分59秒になる。}}まで可能であるが、YAMAHAほかのメーカーのドライブはすでに99分59秒まで対応し、100分収録を謳うCD-R商品もすでに発売されている。2019年現在までに990 MBのCD-Rまで開発されたので理論上は110分強がコンパクトディスクの最大収容量になるが、商用録音でこの収録時間はまだ出ていない。一時期にはソフトウェアにオーバーバーンモードまで設け、990 MBまで対応することを謳ったCD-Rドライブもあった。

現在市販されている最大の音楽用コンパクトディスクは台湾とポーランドで販売された99Min 870 MBとドイツで販売された100Min 900 MBであるが、両方とも頒布国が限定されているうえドライブ未対応といった問題が残っており、普及率は低い。CDを焼くソフトウェアはすでに90Min 800MBへ対応している。

2020年代は、90分CDがほぼ商用面で実用化しており、DECCAやNAXOSに90分CDを使用したクラシック音楽のためのコンパクトディスクがある。

3.5. 転送速度
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音楽CDの再生時のデータの転送速度は1倍速で約176 KB/s